Study on the Effects of BaTiO$_3$ Particle Size on Dielectric Constant and Leakage Current of Epoxy/BaTiO$_3$ Composite Films for Embedded Capacitors

BaTiO$_3$ 분말의 입자 크기가 내장형 커패시턴용 에폭시/BaTiO$_3$복합체 필름의 유전상수와 누설전류에 미치는 영향에 관한 연구

Polymer/ceramic composite is of great interest as a dielectric material for embedded capacitors. This paper is concerned in the effects of $BaTiO_3$ particle size on epoxy/$BaTiO_3$ composite films for embedded capacitors. 6 different size powders smaller than 1 $\mu\textrm{m}$ in diameter and bisphenol-A type epoxy were used for this experiment. Dielectric constant of the epoxy/$BaTiO_3$ composite capacitors increases as the powder size increases at the same powder loading, which is due to the increase of tetragonality of the powders as particle size increases. And leakage current of the capacitors also increases dramatically as the powder size increases. It was explained that this is due to the decrease of the number of $BaTiO_3$epoxy/$BaTiO_3$ potential barriers per unit length and, moreover, the enhancement of potential barrier lowering effects caused by increase of potential drop per one barrier. As a result, there is tradeoff between high dielectric constant and low leakage current in the epoxy/$BaTiO_3$ composite capacitors. So it is important to select proper size $BaTiO_3$ powders in accordance with needs.

폴리머/세라믹 복합체는 내장형 커패시터(embedded capacitor)의 유전 재료로 많은 관심을 불러 일으키고 있다. 본 논문은 bisphenol-A타입의 에폭시와 직경 0.1~0.9$mu \textrm{m}$의 크기가 다른 6가지 종류의 $BaTiO_3$분말을 이용하여 스핀코팅 방법으로 도포된 epoxy/$BaTiO_3$composite film의 유전상수와 누설전류에 미치는 분말 크기의 영향에 관한 것이다. 전체적으로 $BaTiO_3$입자가 67 vo1% 함유된 Epoxy/$BaTiO_3$composite 필름의 유전상수는 사용한 $BaTiO_3$분말의 크기가 커짐에 따라 증가하였다. 이것은 입자의 크기가 증가함에 따른 입자의 유전상수의 증가 때문이며, XRD분석을 통해 입자의 크기가 증가함에 따라 tetragonality가 증가함을 확인하였다. 복합체 필름의 누설전류도 또한 사용한 입자의 크기가 커짐에 따라 증가하였다. 이와 같은 현상의 원인은 분말의 크기가 증가함에 따라 단위길이 당 입자의 수가 감소하여 전위 장벽의 수가 줄어들고 하나의 전위 장벽에 걸리는 바이어스의 증가로 인한 전위장벽 낮춤 효과의 증대에 따른 것으로 판단된다. 이상의 결과를 토대로 볼 때 큰 입자의 분말을 사용할 때 높은 유전상수를 얻을 수 있는 반면 필름의 누설전류가 커지는 단점을 가지고 있음을 알 수 있었으며, 작은 크기의 분말은 이와 반대이다. 따라서 높은 유전상수와 낮은 누설전류 두 특성간의 절충이 요청되며 필요에 따라 적절한 크기의 분말 선택이 중요함을 알 수 있었다.