Electrical properties and degradation behavior of Tm2O3 doped barium titanate ceramics for MLCCs

The doping effect of thulium on electrical properties and degradation behavior in barium titanate ceramics ($BaTiO_3$) was investigated in terms of generations of core-shell structure and micro-chemical changes through highly accelerated degradation test. The dielectric specimens of pellet type and multi-layered sheets were prepared by using $BaTiO_3$ with undoped and doped with 1 mol% $Tm_2O_3$. The $BaTiO_3$ ceramics doped with 1 mol% $Tm_2O_3$ had 40% higher dielectric constant (${\varepsilon}$ = 2700) than that of the undoped $BaTiO_3$ specimen at curie temperature and met X7R specification. According to the result of highly accelerated degradation test conducted at $150^{\circ}C$, 70 V, and 24 hr, the oxygen diffusion was declined in dielectrics doped with 1 mol% $Tm_2O_3$. The $Tm^{3+}$ ion substituted selectively Ba site and Ti site and contributed to the generation of the core-shell structure. Oxygen vacancies occurred by substitution for Ti site could reduce excess oxygen that reacted to the Ni electrode.

Tm2O3가 첨가된 MLCC용 BaTiO3 유전체의 전기적 특성 및 열화거동

Tm 도핑에 따른 $BaTiO_3$ ceramics의 전기적 특성과 열화 거동에 미치는 영향에 대하여 core-shell 형성과 가속열화시험에 의한 미세화학변화의 관점에서 연구하였다. $Tm_2O_3$를 첨가하지 않은 $BaTiO_3$와 1 mol%를 첨가한 $BaTiO_3$를 펠렛과 적층 형태의 시편으로 각각 제조하였다. 1 mol% $Tm_2O_3$가 첨가된 유전체 시편의 유전상수는 $Tm_2O_3$를 첨가하지 않은 시편에 비해 약 40% 높게 나타났고 X7R 조건을 만족하였다. 절연저항 또한 1 mol% $Tm_2O_3$가 첨가된 시편은 $5.43{\times}10^{10}{\Omega}$으로 $Tm_2O_3$를 첨가하지 않은 시편의 $1.11{\times}10^{10}{\Omega}$보다 높게 나타났다. 이는 $Tm^{3+}$ 이온이 Ba site와 Ti site에 선택적으로 치환되고 유전체 미세조직 내에 core-shell 구조를 형성하여 전기적 특성을 향상시킨 것으로 설명된다. 각각의 조성에 따라 제조된 적층 시편의 $150^{\circ}C$, 70 V, 24시간 가속열화시험결과에 따르면, 1 mol% $Tm_2O_3$가 첨가된 $BaTiO_3$는 첨가되지 않은 시편에 비해 전극 층으로의 산소확산이 감소됨을 확인하였고, 이는 $Tm^{3+}$ 이온의 Ti site 치환에 의해 발생한 산소공공이 Ni 전극과 반응할 수 있는 과잉 산소를 줄여주기 때문으로 판단된다.