[논문 리뷰] Dielectric properties of Poly(methyl methacrylate) (PMMA)/CaCu3Ti4O12 Composites

P. Thomas, R. Ravindran외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 17.

Dielectric materials and actuators참고 문헌 7인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 고주파수 커패시터 응용을 위한 유전성능 향상을 위해 액체 혼합 및 핫 프레스를 통해 PMMA/CaCu3Ti4O12 (CCTO) 복합체를 제조한다. 40 vol% CCTO를 함유한 경우, 순수한 PMMA의 유전율 4.9에서 100 Hz에서 15.7로 증가하였으며, 저주파수에서 지배적인 공간 전하 분극이 발생함으로써 고주파수에서도 낮은 유전 손실을 유지하였다.

ABSTRACT

Materials with high dielectric constant are in great demand for the miniaturization of electronic devices. More specifically, high dielectric constant polymer-ceramic composites are useful for embedded capacitor applications. A composite consisting of giant dielectric CaCu3Ti4O12 (CCTO) incorporated into the Poly(methyl methacrylate) (PMMA) polymer matrix has been fabricated by melt mixing followed by hot pressing. The composites thus fabricated has been characterised for structural, morphological and dielectric properties. The composites dielectric constants had increased when the CCTO content increased in the PMMA matrix. The dielectric constant of PMMA is around 4.9 @ 100Hz which has increased to 15.7 @ 100Hz when the ceramic content has increased to 40 Vol %. At low frequencies, space charge polarisation is dominant. This composite also exhibited remarkably low dielectric loss at high frequency, which makes this composite a suitable candidate for the capacitors in high frequency application.

연구 동기 및 목표

• 미니어처라이제이션된 전자 기기용 고유전율 고분자-세라믹 복합체를 개발하기 위해.
• PMMA 매트릭스 복합체에 도핑된 CCTO 세라믹 입자에 대한 유전 거동을 조사하기 위해.
• 고주파수 커패시터 응용을 위한 최적의 유전 성능을 확보하기 위해.
• 공간 전하 분극이 유전 반응을 향상시키는 데 기여하는 역할을 이해하기 위해.
• PMMA/CCTO 복합체가 저손실 유전 재료로서의 가능성 여부를 평가하기 위해.

제안 방법

• 액체 혼합 후 핫 프레스를 이용해 PMMA/CCTO 복합체를 제조하였다.
• PMMA 매트릭스 내에서 CCTO 함량을 0에서 40 vol%로 제어하였다.
• XRD와 SEM를 사용하여 구조적 및 미세구조적 특성을 특성화하였다.
• 주파수 및 온도 범위에서 유전 성능을 측정하였다.
• 유전율과 손실 탄성률을 세라믹 함량과 주파수의 함수로 분석하였다.
• 저주파수에서 공간 전하 분극이 지배적인 분극 메커니즘으로 확인되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CCTO 함량을 증가시킬 경우 PMMA 복합체의 유전율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 저주파수에서 PMMA/CCTO 복합체의 주요 분극 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 PMMA/CCTO 복합체는 고주파수에서도 낮은 유전 손실을 유지할 수 있는가?
• RQ4 복합체의 구조는 유전 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 복합체는 고주파수 커패시터 응용에 적합한가?

주요 결과

• PMMA의 유전율은 100 Hz에서 순수한 경우 4.9에서 40 vol% CCTO를 함유한 경우 15.7로 증가하였다.
• 저주파수에서 공간 전하 분극이 지배적인 분극 메커니즘으로 확인되었다.
• 복합체는 고주파수에서 놀랄 만큼 낮은 유전 손실을 나타내어 고주파수 응용에 적합함을 시사하였다.
• 유전율의 증가는 PMMA 매트릭스 내 CCTO 함량에 직접적인 비례 관계를 보였다.
• 형태학적 특성 분석을 통해 CCTO 입자가 PMMA 매트릭스에 균일하게 분산되어 있음을 확인하였다.
• 복합체는 측정된 주파수 범위 전반에서 안정적인 유전 성능을 유지하였다.