유전함수를 이용한 ZnO 바리스터의 입계 특성 분석

Analysis of Grain Boundary Phenomena in ZnO Varistor Using Dielectric Functions

ZnO 바리스터는 인가되는 전압에 따라 저항이 변하는 전압 의존형 저항체이며 각종 전기 전자 정보통신용 제품에 정전기(ESD) 대책용 소자로 폭 넓게 사용되는 전자 세라믹스 부품이다. 특별히 Bi-based ZnO 바리스터는 다양한 상(phase)으로 구성되어 있으며 그 입계의 전기적 특성은 소량 첨가되는 dopant의 종류에 따라 다양하게 변하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 Bi-based ZnO 바리스터 (ZnO-$Bi_2O_3$, ZnO-$Bi_2O_3-Mn_3O_4$)에서 각종 유전함수$(Z^*,M^*,\varepsilon^*,Y^*,tan{\delta})$를 이용하여 입계의 주파수-온도에 대한 특성을 살펴 보았다. 일반적인 ZnO 바리스터 제조법으로 시편을 제작하여 78K~800K 온도 범위에서 각종 유전함수를 이용하여 복소 평면도(complex plane plot)와 주파수 응답도(frequency explicit plot)의 방법으로 defect level과 입계 특성(활성화 에너지, 정전용량, 저항, 입계 안정성 등)에 대하여 고찰하였다. ZnO-$Bi_2O_3$(ZB)계와 ZnO-$Bi_2O_3-Mn_3O_4$(ZBM)계 모두 상온 이하의 온도에서 $Zn_i$와 $V_o$의 결함이 나타났으며, 이들의 결함 준위는 각 유전함수에 따라 다소 차이가 났다. 입계 특성으로 ZB계는 이상구간(560~660K)을 전후로 1.15 eV $\rightarrow$ 1.49 eV의 활성화 에너지의 변화가 나타났지만, ZBM계는 이러한 현상이 나타나지 않았다. 또한 입계 전위 장벽의 온도 안정성에 대해서는 Cole-Cole model을 적용하여 분포 파라미터 (distribution parameter; $\alpha$)를 구하여 고찰하였다. ZB계의 입계 안정성은 온도에 따라 불안정해 졌지만, ZBM계는 안정하였다.