Current-Voltage and Impedance Characteristics of ZnO-Zn₂BiVO₆-Co₃O₄ Varistor with Temperature

http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2016.25.6.440 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563

ZnO-Zn ₂ BiVO ₆ -Co ₃ O ₄ 바리스터의 전류-전압 및 임피던스의 온도 특성

홍연우⁺ · 김유비 · 백종후 · 조정호 · 정영훈 · 윤지선 · 박운익

Current-Voltage and Impedance Characteristics of ZnO-Zn ₂ BiVO ₆ -Co ₃ O ₄ Varistor with Temperature

Youn Woo Hong⁺, You Bi Kim, Jong Hoo Paik, Jeong Ho Cho, Young Hun Jeong, Ji Sun Yun, and Woon Ik Park

Abstract

This study introduces the characteristics of current-voltage (I-V) and impedance variance for ZnO-Zn

BiVO

-Co

O

(ZZCo), which is sintered at 900

C, according to temperature changes. ZZCo varistor demonstrates dramatic improvement of non-linear coefficient, α

= 66, with lower leakage current and higher insulating resistivity than those of ZZ (ZnO-Zn

BiVO

) from the aspect of I-V curves. While both systems are thermally stable up to 125

C, ZZCo represents a higher grain boundary activation energy with 1.05 eV and 0.94 eV of J-E-T and from IS & MS, respectively, than that of ZZ with 0.73 eV and 0.82 eV of J-E-T and from IS & MS, respectively, in the region above 180

C. It could be attributed to the formation of (0.41~0.47 eV) as dominant defect in two systems, as well as the defect-induced capacitance increase from 781 pF to 1 nF in accordance with increasing temperature. On the other hand, both the grain boundary capacitances of ZZ and ZZCo are shown to decrease to 357 pF and 349 pF, respectively, while the resistances systems decreased exponentially, in accordance with increasing temperature. So, this paper suggests that the application of newly formed liquid phases as sintering additives in both Zn

BiVO

and the ZZCo-based varistors would be helpful in developing commercialized devices such as chips, disk-type ZnO varistors in the future.

Keywords: ZnO, Varistor, Zn

BiVO

, Co

O

, I-V, Impedance

1. 서 론

다결정 ZnO는 밴드갭이 3.3 eV의 n-타입 반도성 세라믹스로 서 폭 넓은 응용성을 갖고 있으며, 이 가운데 소량의 다양한 첨 가제를 첨가하여 비선형적인 전류-전압 특성(I ∝ V ^α , 비선형 계수 α >10)을 구현하여 상용화 한 제품이 ZnO 바리스터이 다[1-4]. ZnO 바리스터는 외부에서 각종 전자기기로 유입되는 정전기(ESD: Electro-static discharge)나 과전압 및 서지(surge) 를 < 1 ns로 검지(sensing)하여 차단함으로서 회로를 보호하는 역할을 반복 수행하는 전자 세라믹 부품이다[1,2]. 외부 신호에 대한 이러한 빠른 검지와 차단능력은 화학센서 소재 등과 같은

다결정 전자 세라믹스에서 확인되는 바와 유사한 낮은 ZnO 결 정립 저항(0.1~10 Ωcm)과 높은 입계 저항(> 10

Ωcm) 또는 이 중 Schottky 전위장벽으로 구성된 미세구조에서 발현되는 홀 유 도형 절연파괴(hole-induced breakdown) 모델로 설명이 가능하 다[1,2]. 이러한 미세구조(전기적 또는 화학적)는 ZnO에 다양한 첨가제들(Bi

O

, Sb

O

, Pr

O

, Mn

O

, Co

O

, Cr

O

, NiO, SiO

등)을 소량(대략 1~5 mol%) 첨가하여 1000

C 전후에서 소결하 고 냉각하는 중 ZnO 결정립 내 가장자리 부분에 전자가 부족 한 공핍층(depletion layer)을 만들어 2~4 V의 입계당 항복전압 (V _gb ) 을 형성함에 따라 바리스터 특성을 구현하게 되며, 이때 액 상소결 첨가제의 종류에 따라 크게 Bi

O

- 계와 Pr

O

- 계 ZnO 바리스터로 구분하고 있다[1,2]. 칩 타입 ZnO 바리스터의 경 우, Bi-계는 Pr-계 보다 복잡한 미세구조와 ESD 내성이 다소 떨 어지는 면이 있지만, ~1000

C에서 소결하므로 내부전극으로 Ag:Pd(7:3 또는 8:2)를 사용하여 100% Pd 또는 Pr 전극을 사용 하는 Pr-계(~1200

C 소결) 보다 제조단가가 싼 장점을 갖고 있 다[5]. 이에 더하여 제조 단가를 낮추기 위하여 100% Ag 내부 전극을 사용할 수 있는 온도인 900

C 에서 소결할 수 있는 조성 을 개발하는 연구가 계속되고 있지만 바리스터의 안전성이나 높 은 누설전류 등으로 인하여 아직까지 상용화되지 못하고 있는 V

한국세라믹기술원 전자소재부품센터 (Electronic Materials & Component Center, Korea Institute of Ceramic Engineering & Technology)

101, Soho-ro, Jinju-si, Gyeosangnam-do, 52851, Korea

+

Corresponding author: [email protected] (Received: Nov. 17, 2016, Accepted: Nov. 29, 2016)

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실정이다[6,7]. 따라서 본 연구에서는 Ag(100%) 내부전극을 사 용할 수 있는 조성계를 개발하기 위하여 새로운 액상소결 첨가 제(Zn

BiVO

) 를 도입하고 이 조성에 대한 바리스터 응용 특성 에 대하여 살펴보았다.

2. 실험 방법

본 연구에서 사용한 원료는 순도 99.9%(고순도 화학, 일본)의 ZnO, Bi

O

, V

O

, Co

O

분말을 사용하였으며, 이때 Zn

BiVO

는 ZnO:Bi

O

:V

O

=4:1:1 의 몰 비로 칭량하여 일반적인 볼밀법 으로 혼합 및 건조한 후 혼합분말을 600

C, 650

C, 700

C 로 연 속적으로 가열하면서 각 온도에서 24시간 씩 유지한 후 냉각하 여 제조하였다[8]. 모상인 ZnO에 0.5 mol% Zn

BiVO

와 1/3 mol%

Co

O

를 첨가하여 일반적인 볼밀법으로 혼합하여 출발 원료로 사용하였다. 출발 원료는 ~0.4 g을 칭량하여 10 mmΦ의 원통형 금형에 넣어 98 MPa로 1축 성형한 후 900

C에서 1시간 공기 중에서 소결하였다. 소결된 시편은 ~1.0 mm 두께로 양면 연마 후 Ag 전극처리(600

C, 10분)하여 전기적 특성(전류-전압 및 임 피던스-온도)을 측정하였다.

전류-전압(I-V) 특성은 High voltage source meter (Keithley237, USA)를 사용하여 측정하였으며, 바리스터의 비선형 계수(α)는 J=CE ^α , α=log(J ₂ /J ₁ )/log(E ₂ /E ₁ ) 에 따라 구하였다. 여기서 J 1 =1 mA/

cm

, J ₂ =10 mA/cm

이며, E 1 과 E 2 는 각각 J 1 과 J 2 에서의 전장의 세기(V/cm)이다. 입계당 항복전압(V gb ) 은 항복 전압(E b , 1 mA/

cm

에서의 전압), 시편의 두께(t), ZnO 입자의 평균 입경( )으 로부터 V gb =V _b · /t로 계산하였다. 누설 전류 밀도(J L )는 0.8E b

에서의 전류 밀도로, 상온 비저항(ρ gb ) 은 항복전영역(pre-breakdown region; 대략 ≤ 1 μA/cm

) 의 J-E 곡선의 기울기로부터 계산하였 다. 또한 전류-전압(I-V) 곡선의 온도(T)변화 특성(J-E-T)을 조사 하기 위하여 자체 제작한 튜브형 소형 전기로를 이용하여 상온 에서 3

C/min 로 승온하면서 450

C 까지 측정하였다.

시편의 임피던스-온도(impedance-temperature) 변화는 Impedance/gain phase analyzer (HP 4194A, Japan) 를 사용하 여 주파수 100 Hz~10 MHz와 온도 18~420

C 범위에서 임피 던스의 실수부와 허수부를 측정하여 계산하는 impedance and modulus spectroscopy (IS & MS) 법으로 관찰하였다[9]. 이때

복소 모듈러스는 의

관계를 가지며(단, , ω= 각주파수(2πf, f=주파수), C 0 =ε ₀ A/

t (ε ₀ = 진공유전율, A=전극 단면적, t=시편 두께)), 임피던스의 실 수부와 허수부를 측정하여 모듈러스의 실수부와 허수부를 계산 하였다[9]. 측정한 임피던스의 허수부(Z")와 모듈러스의 허수부 (M")는 주파수 응답도(frequency explicit plot)로 나타내고, 각 측정 온도에서 피크 온도 T p 와 주파수 f max 및 Z" max 또는 M" max

를 그래프 상에서 구하여 Z" max =R/2 또는 M" max =C ₀ /(2C)의 관 계식으로부터 저항(R) 또는 정전용량(C)을 계산하였으며, Z" max

가 나타나지 않고 M" max 만 확인되는 그래프에서는 M" max =C ₀ / (2C)에서 C를 계산한 후 ωτ=2πf max RC=1의 관계식으로부터 저 항(R)을 계산하였다[9]. 또한 아레니우스(Arrehnius)식

( 또는 ; τ = 완화시간, ρ =

비저항, E a = τ 또는 ρ에 대한 활성화 에너지(eV), k=볼쯔만 상 수(8.62×10

eV/K), T = 절대온도 K)을 이용하여 lnτ 또는 lnρ 를 1000/T로 도시한 후 그 기울기로부터 결함 준위(또는 이온 화 에너지) 또는 겉보기 입계 활성화 에너지를 계산하였다[9].

3. 결과 및 고찰

3.1 전류-전압(I-V) 및 온도 특성

Fig. 1은 900

C에서 소결한 시편의 J-E 특성을, 표 1은 J-E 곡 선으로부터 계산한 바리스터 특성(α, V gb , J _L , ρ _gb ) 을 정리한 것 이다. ZZ계에 Co를 첨가할 경우, 비선형 계수(α)는 7(ZZ)에서 66(ZZCo)으로 크게 높아졌으며, 단위 입계당 항복전압(V gb )은 소결체의 ZnO 평균입경(ZZ: 11.3 μm, ZZCo: 8.6 μm)과 측정 시편두께(t)를 이용하여 계산한 결과, 3.8 V(ZZ)에서 2.0 V(ZZCo) 로 낮아졌다. 또한 누설전류(J L )는 크게 낮아지고(651 ? 8 μA/

cm

), 절연저항(ρ gb ) 은 Co의 첨가에 따라 1×10

Ωcm 에서 2.4×10

Ωcm로 크게 높아졌다. ZnO 바리스터는 액상소결 첨가제의 종 류에 따라 크게 Bi

O

계와 Pr

O

계가 있으며 본 연구에서 개발 한 Zn

BiVO

액상소결 첨가제도 동일한 역할을 수행함을 알 수 있다[1,2,5]. 또한 ZZCo계에서는 일반적으로 ZnO 바리스터의 비선형성을 증가시키는 Co의 역할이 나타났을 뿐 아니라 기존 에 발표된 단순 3성분계인 ZnO-Bi

O

-Co

O

계 또는 ZnO-Pr

O

- Co

O

계 보다 높은 비선형 계수(α)를 나타냈다 [10-12]. 높은 비 선형 계수의 확보는 소자가 소폭의 전압 변화에도 큰 전류를 흐 르도록 유도하기 때문(I ∝ V ^α ) 에 외부에서 유입되는 과전압을 보다 더 효과적으로 스위칭할 수 있도록 해 준다[1,2].

Table 1 에서 보듯이 V gb 는 ZZ(3.8 V)에 Co

O

의 첨가로 2.0 d

d

M∗ = j ωC

Z∗ = j ωC

( Z ′ jZ″ – ) M′ jM″ = + j = – 1

τ τ =

exp ( E

⁄ kT ) ρ ρ =

exp ( E

⁄ kT )

Fig. 1. J-E characteristics of ZZ and ZZCo sintered at 900

C.

V로 낮아지는데 이는 일반적으로 입계당 항복전압은 일반적으 로 2~4 V로 알려져 있고 대략 3.2~3.8 V일 때 높은 비선형성 을 유도할 수 있는 것으로 알려진 보고와는 반대되는 결과로서 보다 깊이 있는 추가 연구가 진행되어야 할 것으로 사료된다 [1,2,10]. 다만 새롭게 개발된 액상 소결 첨가제(Zn

BiVO

) 의 근

원적인 효과로도 볼 수 있기 때문에 Zn

BiVO

에 대한 깊이 있 는 연구가 필요하다. 또한 ZZ에 Co

O

의 첨가는 누설전류의 80 배 감소효과와 절연저항의 240배 상승효과를 유도할 수 있는데 이는 전체적으로 소자가 회로에서 전력 손실량을 낮추어 과도 한 열을 생성시키지 않고 열화(degradation)를 일으키지 않는 정 상상태 작동 전압의 크기를 결정하는데 유리하다[2].

Fig. 2(a,b,c) 는 ZZ와 ZZCo의 전류밀도-전기장-온도(J-E-T) 특 성과 항복전영역에서의 각 온도별 비저항을 계산하여 입계의 겉 보기 활성화 에너지를 나타낸 것이다. 측정 온도 범위 내에서 125~180

C 구간을 전후하여 겉보기 입계 활성화 에너지가 크게 차이가 났다. 상온에서 125

C 까지 낮은 온도 구간에서는 보다 낮은 0.17 eV(ZZ)와 0.18 eV(ZZCo)의 겉보기 입계 활성화 에 너지를 나타내는데 이는 입계가 단순 열이온 방출에 의한 전기 전도 현상을 보이는 구간으로 입계의 온도 안정성이 유지되는 온도 구간으로 해석할 수 있겠다. 반면 180

C 보다 높은 구간 에서는 0.73 eV(ZZ)와 1.05 eV(ZZCo)의 높은 입계 활성화 에 너지를 나타내는데, ZZ 보다 ZZCo가 0.32 eV 높게 계산되었 다. 이는 Co

O

의 첨가 효과로서 Co

O

의 첨가로 입계에는 보 다 많은 전자포획 밀도를 갖게 하여 전자가 입계를 중심으로 이 쪽에서 저쪽으로 이동하는 것을 막는 전위장벽을 높인 결과라 고 할 수 있다.

따라서 2성분계 ZnO-Zn

BiVO

(ZZ) 에 Co

O

를 1/3 mol% 첨 가한 3성분계(ZZCo)는 전체적으로 매우 우수한 바리스터 특성 ( 비선형 계수 α=66, 누설전류 감소, 절연저항 증가)을 유도하였 으며, 또한 900

C의 낮은 소결온도에서 구현되었기 때문에 추 후 칩형 ZnO 바리스터의 내부전극을 100% Ag로 전환하여 제 조원가를 낮추는 효과를 획득할 것으로 판단된다. ZZ와 ZZCo 모두 대략 125

C 까지 입계의 온도 안정성이 확보되는 것으로 보이며, ZZCo의 입계(1.05 eV)가 ZZ(0.73 eV) 보다 높은 활성 화 에너지를 유도하였다.

따라서 ZnO에 새로운 액상 소결 첨가제(Zn

BiVO

) 와 Co

O

의 첨가는 매우 우수한 새로운 3성분계 ZnO 바리스터(ZZCo) 조성이 됨을 확인한 결과임을 밝힌다.

3.2 Impedance and Modulus Spectroscopy (IS & MS)

Fig. 3 은 900

C에서 소결한 ZZ의 IS & MS 측정 결과들이다.

Fig. 3(a~c)는 각각 40

C, 180

C, 280

C에서의 Z"-M"-logf 그래 프로서 P1과 P2(M"-logf) 및 P

(Z"-logf) 을 확인할 수 있다. Fig.

3(a)와 같이 40

C에서는 측정 주파수 범위에서 M"-logf에서만 P1과 P2가 확인되며 M" max (=C ₀ /(2C))는 C ^-1 의 관계가 있으므로 P1(824 pF)과 P2(427 pF)는 그 높이가 높을수록 정전용량(C)은 낮아지게 된다. 또한 이 온도에서 P1과 P2의 저항(R=1/(ωC))은 각각 502 Ω과 822 kΩ으로 1600배 이상으로 P2의 저항이 높은 데 이는 각각을 결함( ) 이 갖는 저항(R1)과 입계가 갖는 저항 (R2)으로 할당할 수 있다(Fig. 3(g) 참고)[9,10]. Fig. 3(b)는 180

C

V

Table 1. Summary of J-E characteristics of ZZ and ZZCo

sintered at 900

C.

Composition α V

(V)

J

(μA/cm

)

ρ

(×10

Ωcm)

ZZ 7 3.8 651 0.1

ZZCo 66 2.0 8 24

Fig. 2. J-E-T characteristics of ZZ and ZZCo sintered at 900

C. (a)

ZZ, (b) ZZCo, and (c) ln ρ vs. 1000/T plot.

에서 나타나는 Z"-M"-logf 그래프로서 P2의 위치가 40

C에서 보다 높은 주파수에서 나타나며, P

가 처음으로 확인된다. P2

와 P

(Z" _max =R/2)은 각각 461 pF과 803 kΩ으로 계산되었다. 그

리고 Fig. 3(c)는 280

C의 결과로서 180

C 보다 높은 주파수에 서 P2(363 pF)와 P

(40 kΩ) 이 확인된다. 따라서 P1과 P2 및 P

는 M"-logf와 Z"-logf 그래프 상에서 온도가 높아짐에 따라 점 점 고주파 영역으로 이동하게 되어 각각 Fig. 3(d)와 (e)와 같이 측정된다. Fig. 3(f)는 Fig. 3(d,f)의 P1과 P2 및 P

에 대한 lnτ와 lnρ 의 1000/T 그래프로서 각각의 기울기로부터 활성화 에너지를

함께 나타낸 것이다. 먼저 P1과 P2에 대한 활성화 에너지는 각 각 0.41 eV와 0.17 eV(≤120

C) 및 0.82 eV(≥180

C) 이며, P

는 P2의 고온 영역의 값과 일치하는 0.82 eV로 계산되었다. Fig.

3(g) 는 P1과 P2 및 P

에서 추출한 정전용량(C1, C2)과 저항(R1, R2)이다. 단, 여기서 R1은 Z"-logf 그래프 상(Fig. 3(a))에서 피 크가 나타나지 않기 때문에 C1에서 R=1/(ωC)의 관계식으로부 터 계산된 값이다.

ZZ 에서 P1의 활성화 에너지는 일반적으로 ZnO 바리스터에

서 알려진 주된 결함 중 하나인 (~0.33 V

eV) 이 확인되는 온

Fig. 3. Impedance and modulus spectroscopy of ZZ sintered at 900

C. Z"-M"-logf plot at (a) 40

C, (b) 180

C, (c) 280

C and (d) M"-logf plot

(26~420

C), (e) Z"-logf plot (26~420

C), (f) ln τ and lnρ vs. 1000/T plot, (g) Capacitance-Resistance (C-R) (26~420

C) with temperature.

도와 주파수 구간과 동일한 영역에서 나타나지만 보다 높은 0.41 eV로서 Fig. 4(f)의 ZZCo의 0.47 eV와 유사하다[1,2,10]. 이는 측정 방법에 따라 다양하게 나타나는 결함의 활성화 에너 지(이온화 에너지)로 볼 수 있으며, 다만 여기서는 결함의 존재 만을 언급하고자 한다. 추후 admittance spectroscopy(AS) 등의 방법으로 추가 검증이 요구된다[10,13].

ZZ 에서 정전용량 C1은 결함이 갖는 값으로 온도가 높아 짐에 따라 781 pF(26

C) 에서 938 pF(80

C) 로 증가하고, R1은

지수적으로 감소한다. 반면 정전용량 C2는 온도가 높아짐에 따 라 419 pF(26

C) 에서 462 pF(160

C) 로 소폭 증가하다가 180

C(461 pF)부터 240

C(373 pF) 까지 다소 큰 폭으로 감소하고 260

C(362 pF)부터 420

C(340 pF) 까지는 소폭으로 감소하였다. 또한 R2는 R1 보다 크게 높으면서 온도에 따라 지수적으로 감소하였다. 따 라서 C2와 R2는 입계 특성을 나타내는 것이며 특히 C2는 평균 357 pF(260~420

C) 으로 온도가 높아짐에 소폭 낮아지는 경향을 나타냈는데, 결함에 의한 C1 보다 평균 ~2배 정도 낮다는 것이 V

V

Fig. 4. Impedance and modulus spectroscopy of ZZCo sintered at 900

C. Z"-M"-logf plot at (a) 40

C, (b) 180

C, (c) 280

C and (d) M"-logf

plot (18~400

C), (e) Z"-logf plot (18~400

C), (f) ln τ and lnρ vs. 1000/T plot, (g) Capacitance-Resistance (C-R) (18~400

C) with tem-

perature.

특징적이다. 즉, 결함이 갖는 정전용량(C1)이 입계의 것(C2) 보 다 ~2배 높다는 의미이다.

Fig. 4 는 900

C에서 소결한 ZZCo의 IS & MS 측정 결과들로 서 Fig. 4(a~c)는 각각 ZZCo의 40

C, 180

C, 280

C 에서의 Z"-M"- logf 그래프이며, P1과 P2(M"-logf) 및 PZ"(Z"-logf)가 확인된다.

Fig. 4(a) 와 같이 40

C 에서는 측정 주파수 범위에서 M"-logf에 서 P1(933 pF)이 확인되며 이때 P1의 저항(R=1/(ωC))은 278 Ω 으로 계산되었다. Fig. 4(b)는 180

C 에서의 Z"-M"-logf 그래프로 서 P2(378 pF)와 P

(Z" _max =R/2, 1.5 MΩ) 가 처음으로 확인되며, 온도 높아짐에 따라 280

C(Fig. 4(c)) 의 P2와 PZ"은 각각 344 pF 과 25 kΩ으로 계산되었다. P1과 P2 및 P

의 온도에 따른 M"- logf 와 Z"-logf 그래프 상에서의 위치는 점점 고주파 영역으로 이동하게 되어 Fig. 4(d)와 4(e)와 같이 측정되었다. Fig. 4(f)는 Fig. 4(d,f) 의 P1과 P2 및 P

에 대한 lnτ와 lnρ의 1000/T 그래프 이며, 각각의 기울기로부터 활성화 에너지를 함께 나타내낸 것 이다. 먼저 P1과 P2에 대한 활성화 에너지는 각각 0.47 eV와 0.94 eV이며, P

는 P2의 값과 거의 일치하는 0.95 eV로 계산되 었다. Fig. 4(g)는 P1과 P2 및 P

에서 추출한 정전용량(C1, C2) 과 저항(R1, R2)이다. 단, 여기서 R1은 Z"-logf 그래프 상(Fig.

4(a)) 에서 피크가 나타나지 않기 때문에 C1에서 R=1/(ωC)의 관 계식으로부터 계산된 값이다.

ZZCo 에서 P1(0.47 eV)은 (~0.33 eV) 로 할당할 수 있지만 보다 높으며, ZZ의 0.41 eV(Fig. 3(f))와 동일한 결함으로 볼 수 있다. 추후 admittance spectroscopy(AS)의 방법으로 추가 검증 을 수행할 예정이다[10,13].

ZZCo 에서 정전용량 C1은 온도가 높아짐에 따라 897 pF(18

C) 에서 1.0 nF(60

C) 로 증가하고, R1은 지수적으로 감소한다. 반 면 정전용량 C2는 온도가 높아짐에 따라 419 pF(26

C) 에서 462 pF(160

C) 로 소폭 증가하다가 180

C(461 pF) 부터 240

C(373 pF) 까지 다소 큰 폭으로 감소하다가 다시 260

C(362 pF) 부터 420

C(340 pF) 까지 소폭으로 감소하였다. C2는 ZZ의 입계 정 전용량으로서 260~420

C 까지 평균 357 pF로 온도가 높아짐에 소폭 낮아지는 경향을 나타낸다. 또한 R2는 R1 보다 크게 높으 면서 온도에 따라 지수적으로 감소하였다. 따라서 C2와 R2는 ZZ 계와 같이 입계 특성을 나타내는 것으로 C2는 평균 349 pF(160~400

C) 을 가지며 온도가 높아짐에 소폭 낮아지는 경향 을 나타냈는데, 이는 ZZ에서와 같이 결함에 의한 C1 보다 평균

~2.5배 정도 낮게 나타났다. 즉, ZZ와 ZZCo 모두에서 결함이 갖는 정전용량(C1)이 입계의 것(C2) 보다 ~2배 이상 높게 나타 났으며, 이는 등가회로적으로 결함(R t C _t : 병렬)과 입계(R gb C _gb : 병 렬)가 서로 직렬(R t C _t -R _gb C _gb ) 로 연결되어 있는 구조임을 알 수 있다[9].

ZZ에 Co

O

를 1/3 mol% 첨가한 ZZCo는 매우 우수한 바리 스터 특성을 나타내었다. 본 연구에서 새롭게 도입된 Zn

BiVO

( 액상소결 첨가제)는 기존에 잘 알려진 액상소결 첨가제(Bi

O

, Pr

O

, V

O

등)를 대체할 수 있는 물질임이 확인되었으며, ZnO

에 Zn

BiVO

와 Co

O

를 첨가한 ZZCo계와 이를 활용한 계는 앞으로 칩 또는 디스크형 ZnO 바리스터의 상용 제품을 설계할 수 있는 새로운 조성계임을 확인하였다.

4. 결 론

ZnO 에 새로운 액상 소결 첨가제(Zn

BiVO

) 를 이용한 조성과 여기에 Co

O

를 첨가한 ZnO 바리스터(900

C 소결)의 전류-전 압 및 임피던스의 온도 특성을 분석한 결과 다음과 같은 결론 을 얻었다.

2 성분계 ZnO-Zn

BiVO

(ZZ) 에 Co

O

를 1/3 mol% 첨가한 3 성분계(ZZCo)는 전체적으로 매우 우수한 바리스터 특성(비선형 계수 α = 66, 누설전류 감소, 절연저항 증가)을 나타내었다. ZZ 와 ZZCo 모두 대략 125

C 까지 입계의 활성화 에너지(~0.17 eV) 가 낮은, 즉 입계의 온도 안정성이 확보되었으며, 180

C 이상에 서 ZZCo의 입계(1.05 eV(J-E-T), 0.94 eV(IS & MS))는 ZZ(0.73 eV(J-E-T), 0.82 eV(IS & MS)) 보다 높은 활성화 에너지를 유 도하였다. 또한 ZZ와 ZZCo에서 대략 0.41~0.47 eV의 에 해당 하는 결함을 확인하였으며, 이 결함에 의한 정전용량(C1)은 온 도가 높아짐에 따라 781 pF에서 1 nF까지 증가하였지만, 입계 의 정전용량(C2)은 평균 357 pF(ZZ)과 349 pF(ZZCo)으로 온 도 증가에 따라 감소하는 경향을 나타내었다. 모든 계의 저항 (R1, R2)은 온도에 따라 지수적으로 감소하였다.

따라서 본 연구에서 ZnO에 새롭게 적용한 액상 소결 첨가제 (Zn

BiVO

) 와 이를 활용한 ZZCo계열의 바리스터는 앞으로 칩 또는 디스크형 ZnO 바리스터의 상용 제품을 개발하기 위한 새 로운 조성계가 될 수 있음을 확인하였다.

감사의 글

본 논문은 중소기업청에서 지원하는 2015년도 산학연협력 기 술개발사업(No. C0298576)의 연구수행으로 인한 결과물임을 밝 힙니다.

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