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시간에 따라 MLCC 용량은 어떻게 변할까요?

MLCC를 처음 접하시는 분이라면 Aging이 MLCC 용량 변화에 미치는 영향에 대해 모를 수도 있습니다.

왜, 어떻게 이런 형상이 발생하는지 알아보겠습니다.

Aging은 MLCC 재료의 고유 특성으로 시간이 지남에 따라 용량이 감소하는 특징을 나타냅니다.

이러한 MLCC 용량 감소율은 재료 특성에 따라 차이가 나며 C0G의 경우 거의 변화가 없습니다.

Aging은 재료의 특성이며 통상적으로 약 125℃ 이상 열처리 시 원래 용량으로 회복됩니다.

Aging의 원리를 이해하기 위해서는 MLCC 유전체층의 주요 재료인 BaTiO3 (티탄산바륨, Barium titanate) 격자 구조에 대해서 알아야 합니다.

BaTiO3는 온도에 따라 격자 구조가 바뀌는 특성을 가지고 있으며, Curie 온도 (125℃) 이상에서는 각 원자가 동일한 간격으로 배치가 되어 극성이 없는 Cubic (정육면체) 구조를 형성합니다.

반대로 온도가 Curie 온도 이하로 떨어지면 Tetragonal (위아래는 정사각형, 옆면은 직사각형) 구조로 바뀌며, 가운데 Ti4+ 원자가 위로 이동하면서 극성이 생깁니다.

MLCC가 1,000℃ 이상에서 소결이 진행된 후 125℃ 까지는 상유전체 Cubic 형태의 격자구조를 가지게 됩니다.

이때 Grain 경계면 안쪽의 BaTiO3 유전체를 확대해 보면, Cubic 구조 아래에서는 극성이 없이 BaTiO3가 동일한 Cubic 형태로 존재합니다.

그러나 125℃ 이하로 냉각이 되면, 격자 구조가 Tetragonal로 바뀌고 Ti4+ 원자가 위로 올라가면서 분극이 형성됩니다.

이때 동일 방향의 분극끼리 grouping이 되는데 이를 domain이라고 하며, 서로 다른 방향의 domain 사이에 domain wall이 형성됩니다.

이 상태에서는 Dipole ('쌍극자'라고 하며, 같은 크기의 양과 음 전하가 일정 거리를 두고 분리된 상태) 자유도가 최대가 되고 용량이 급격히 증가합니다.

하지만 Cubic 구조가 Tetragonal 구조로 변화되면서 격자가 위아래로 늘어나게 되고, 그 결과 물리적 stress로 Dipole들이 다시 좌우로 재정렬 됩니다.

이 경우 Dipole들이 AC Field에 의해 회전 확률이 떨어지고 domain 구조 안에 구속되어, 궁극적으로 용량 감소 현상이 발생하게 됩니다.

이런 현상은 가역반응이며, 125℃ 이상 온도에서 열처리를 하게 되면 격자가 다시 극성이 없는 Cubic 구조로 변화되고 용량도 회복됩니다.

이번 시간에는 Aging Effect에 대해 알아보았습니다.