전기 자동차용 적층 세라믹 커패시터(MLCC)는 -55 ℃ ~ 200 ℃에서 온도 정전용량 계수(TCC)가 ±15% 이하로 요구된다. MLCC에 널리 사용되는 유전체(dielectric material)인 BaTiO₃의 정전용량은 125 ℃ 이상에서 감소하기 때문에 전기 자동차에 적용하기에 한계가 존재한다.
본 연구에서는 고상 반응을 통해 Dion-Jacobson 층상 페로브스카이트의 대표 소재인 KCa2Nb3O10을 합성하고, 소결체의 유전 특성을 평가하여 해당 물질을 전기 자동차용 MLCC의 유전체 소재로 제안한다. 먼저, 하소 온도, K 함량 및 하소 단계를 조절하여 KCa2Nb3O10 소재의 유전 성능을 조사하였다. 다음으로, 하소 온도 및 소결 온도에 따라 합성한 시료의 온도 변화에 따른 정전용량의 변화를 조사하였다.
500 ℃, 1100 ℃에서 단계를 거쳐 하소(Two-step 하소)한 후 1250 ℃에서 소결한 시료는 상대 밀도가 95%이다. 이 시료의 평균 결정립 면적은 2.12 μm²으로 비교된 시료 중 가장 크다. 또한 이차상의 분포 비율도 가장 낮다. 500 ℃의 하소 과정에서, 단일상 KCa2Nb3O10 합성의 필수 조건인 중간상 KNbO₃, Ca2Nb2O7이 형성된다. 1250 ℃의 낮은 소결 온도에도 불구하고 Two-step 하소 시료에서는 100 kHz에서 352라는 높은 유전 상수를 나타낸다. Two-step 하소 시료의 가장 높은 비저항(2 x 108 Ω cm)은 가장 낮은 유전 손실(100 kHz에서 0.034)을 뒷받침한다.
900 ~ 1200 ℃에서 하소된 KCa2Nb3O10 분말은 1200 ℃ ~ 1300 ℃에서 소결되었다. 유전 상수와 미세구조는 소결 온도에 의해 결정되고, 소결 밀도는 하소 온도와 소결 온도의 차이와 관련이 있다. 1300 ℃에서 소결된 시료(900 ℃에서 하소된 시료 제외)만이 TCC 계산 결과 25 ℃ ~ 200 ℃에서 ±15% 이하를 나타낸다(상온에서 유전 상수 약 250). 1100 ℃ 하소, 1300 ℃ 소결 시료는 결정립이 가장 길고, 활성화 에너지가 가장 높다. 이러한 요인으로, 1300 ℃ 소결 KCa2Nb3O10의 TCC가 25 ~ 200 ℃에서 ±15% 이하가 된다.
TCC 분석을 통해 KCa2Nb3O10의 안정적인 유전 특성을 확인하였다. 이러한 안정성은 KCa2Nb3O10 분말의 박리를 통한 Ca2Nb3O10 나노시트의 향상된 유전 특성의 가능성을 보여준다. Two-step 하소는 Single-step 하소보다 고성능 나노시트를 제조하는데 유용한 출발점이 될 것이라고 예상한다.