The microstructure, electrical properties, and clamping voltage characteristics of $ZnO-Pr_6O_{11}-CoO-Cr_2O_3-Y_2O_3(ZPCCY)-based$ varistor ceramics sintered at $1350^{\circ}C$ were investigated as a function of sintering time from 1 to 3 h. With increasing sintering time, the average grain size and density increased in the range of $11.4\~16.0\;{\mu}m$ and $5.34\~5.54g/cm^3$, respectively, in accordance of increasing sintering time. The nonlinear exponent decreased in the range of $60\~26$ and the leakage current increased in the range of $1.3\~10.7\;{\mu}A$ with increasing sintering time. The clamping voltage ratio increased in the range $1.58\~1.65$ for ratio surge current of 10 A as the sintering time increased.
한국전기전자재료학회 2004년도 춘계학술대회 논문집 반도체 재료 센서 박막재료 전자세라믹스
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pp.171-174
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2004
The surge characteristics of $Pr_6O_{11}$-based ZnO varistors consisting of $ZnO-Pr_6O_{11}-CoO-Cr_2O_3-Er_2O_3$ ceramics were investigated with sintering temperature in the range of $1335{\sim}1345^{\circ}C$. As the sintering temperature is raised, the average grain size was marked1y increased in the range of $9.67{\sim}14.07\;{\mu}m$ and the ceramic density was increased in the range of $5.46{\sim}5.59\;g/cm^3$. While, the nonlinear exponent was decreased in the range of 64.9~44.1 and the clamping voltage ratio was improved in the range of 1.99~2.08. The best varistor properties was obtained from the varistors sintered at $1335^{\circ}C$, exhibiting a maximum (64.9) in the nonlinear exponent and a minimum (1.99) in the clamping voltage ratio.
The electrical characteristics of $ZnO-Pr_6O_{11}-CoO-Cr_2O_3-Y_2O_3$(ZPCCY)-based varistors were investigated with $Y_2O_3$ content in the range of 0.0~4.0 mol%. As $Y_2O_3$ content is increased, the average grain size was markedly decreased in the range of 18.6~3.2 $\mu m$ and the density of the ceramic was decreased in the range of 5.53 ~3.74 $g/\textrm{cm}^3$. While, the varistor voltage was increased in the range of 39.4~748.1 V/mm and the nonlinear exponent was in the range of 4.5~51.2 with increasing $Y_2O_3$ content. The addition of $Y_2O_3$ greatly enhanced the nonlinear properties of varistors, compared with the varistor without $Y_2O_3$. In particular, the varistors with $Y_2O_3$content of 0.5 mol% exhibited the highest nonlinearity, in which the nonlinear exponent is 51.2 and the leakage current is 1.3 $\mu A$. The donor concentration and the density of interface states were decreased in the range of (4.19~0.14) $\times$10$^{18}$ /㎤ and (5.38~1.15)${\times}10^{18}/\textrm{cm}^3$, respectively, with increasing $Y_2O_3$ content.
In order to enhance sintering characteristics on the $ZnO-Pr_6O_{11}$ based multilayer chip varistors (MLVs), a response surface analysis using central composite design method were carried out. As a result, varistor voltage($V_{1mA}$), nonlinear coefficient ($\alpha$), leakage current ($I_L$) and capacitance (C) were considered to be mainly affected by sintered temperature and holding time. MLVs sintered at $1200^{\circ}C$ and above $1200^{\circ}C$ revealed poor electrical characteristics, possibly due to the reaction between electrode materials(Pd) and $ZnO-Pr_6O_{11}$ based ceramics. On the sintering temperature range $1150{\sim}1175^{\circ}C$, nonlinear coefficient ($\alpha$) and leakage current ($I_L$) were shown to be $60{\sim}69$ and below $0.3{\mu}A$, respectively. In particular, MLVs sintered at $1175^{\circ}C$, 1.5 hr and $2^{\circ}C/hr$ (cooling speed) showed stable ESD(Electrical Static Discharge) characteristics under the condition of 10 times at 8 Kv with deviation varistor voltage, and deviation nonlinear coefficient were 0.3% and 0.33% (at positive), 0.55% (at negative), respectively.
The electrical and dielectric behavior fort DC accelerated aging stress of P $r_{6}$$O_{11}$-based Zno varistors cnsisting of ZnO-P $r_{6}$$O_{11}$-CoO-C $r_2$$O_3$-E $r_2$$O_3$ were investigated with sintering temperature in the range of 1325~1345$^{\circ}C$. The varistor ceramics with increasing sintering temperature were more densified. A more densified varistors leaded to high stability for DC accelerated aging stress. Furthermore, the stability for DC accelerated aging stress was increased with the leakage current and dtan $\delta$/dV decreasing in order of 1325longrightarrow1335longrightarrow1345longrightarrow134$0^{\circ}C$ in sintering temperature. It was found that the stability for DC stress is affected more greatly by the leakage current and dtan $\delta$/dV than the densification. It is considered that the stability of varistors for DC stress can be estimated by considering the factors, such as the densification, leakage current, and dtan $\delta$/dV. As a result, the varistor sintered at 134$0^{\circ}C$ exhibited the highest stability, with %$\Delta$$V_{lmA}$=-1.54%, %$\Delta$$\alpha$=-2.49%, %$\Delta$$I_{\ell}$=+240.68%, 5%$\Delta$tan$\delta$=+29.96%.96%.96%.%.
The electrical properties and stabiltiy of Pr$_{6}$O$_{11}$ -based ZnO varistors, which are composed of ZnO-Pr$_{6}$O$_{11}$-Cr$_{2}$O$_{3}$-Er$_{2}$O$_{3}$ based ceramics, were investigated in the Er$_{2}$O$_{3}$ content range of 0.5 to 2.0 mol%. As Er$_{2}$O$_{3}$content is increased up to approximaterly 1.0mol%, the nonlinearity was decreased. Increasing Er$_{2}$O$_{3}$ content further caused the nonlinearity to increase. The varistors with 2.0 mol% Er$_{2}$O$_{3}$ exhibited a high nonlinearity, in which the nonlinear exponent is 47.41 and the leakage current is 1.82 $\mu$A. Furthermore, they showed a very excellent stability, in which the variation rates of the varistor voltage, the nonlinear exponent, and leakage current are -0.52%, -4.09%, and 152.75%, respectively, under DC accelerated aging stress, such as (0.80 V$_{1mA}$9$0^{\circ}C$/12h)+(0.85 V$_{1mA}$115$^{\circ}C$/12h)+(0.90 V$_{1mA}$12$0^{\circ}C$/12h)+(0.95 V$_{1mA}$1$25^{\circ}C$/12h)+(0.95 V$_{1mA}$1$25^{\circ}C$/12h).2h).TEX>/12h).2h).
The surge characteristics of ZnO varistors consisting of $ZnO-{Pr}_6{O}_11-CoO-{Cr}_2{O}_3-{Er}_2{O}_3$ceramics were investigated at various sintering temperatures. As sintering temperature raises, the varistor voltage was decreased from 341.2 to 223.1 V/mm, the nonlinear exponent was decreased from 64,9 to 44.1. On the other hand, the leakage current exhibited a minimum(0.64 $\mu$A) at 134$0^{\circ}C$, The clamping capability was slightly deteriorated with increasing sintering temperature. On the whole, the ZPCCE-based ZnO varistors exhibited good clamping voltage characteristics as exhibiting the clamping voltage ratio of 1.85 ∼ 1.92 approximately at surge current of 100 A.
The I-V characteristics and its stability of ZPCCL-based ceramic varistors doped with La$_2$O$_3$in the range of 0.0~4.0 mol% were investigated. The density of ceramics was increased in the range of 4.7~5.8 g/cm$^3$ with increasing La$_2$O$_3$content. As La$_2$O$_3$content is increased, the varistor voltage was decreased in the range of 503.49-9.42 V/mm up to 2.0 mol%, whereas increasing La$_2$O$_3$content further caused it to increase. The ZPCCL-based varistors were characterized by nonlinearity, in which the nonlinear exponent is in the range of 3.05~82.43 and leakage current is in the range of 0.24-100.22 $\mu$A. Among ZPCCL-based varistors, 0.5 mol% added-varistors exhibited an excellent nonlinearity, in which the nonlinear exponent is 82.43 and the leakage current is 0.24 $\mu$A. Furthermore, they exhibited a high stability, in which the variation rate of the varistor voltage and the nonlinear exponent was -1.11% and -6.72%, respectively, under DC stress, such as (0.80 V$_{1mA}$9$0^{\circ}C$/12h)+(0.85 V$_{1mA}$115$^{\circ}C$//12h) +(0.90 V$_{1mA}$12$0^{\circ}C$//12h)+(0.95 V$_{1mA}$1$25^{\circ}C$//12h)+(0.95 V$_{1mA}$15$0^{\circ}C$//12h). Consequently, it was estimated that ZPCCL-based ceramics will be applied to development of Pr$_{6}$O$_{11}$ based ZnO varistors having a high performance.e.rformance.e.
ZnO-P $r_{6}$$O_{11}$-CoO-C $r_2$$O_3$- $Y_2$$O_3$계 세라믹스로 구성된 ZPCCY계 바리스터의 소결시간별 DC 가속열화 스트레스에 대한 전기적 안정성을 조사하였다. 소결시간은 전기적 특성 및 안정성에 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다. 소결시간이 증가함에 따라 비직선 지수는 51.2∼23.8의 범위로 감소하였으며, 누설전류는 1.3∼5.6 $\mu$A의 범위로 증가하였다. 1시간 소결된 바리스터는 비직선성은 우수하나 밀도가 낮은 관계로 안정성이 상대적으로 낮았으며, 3시간 소결된 바리스터는 안정성은 양호하나 비직선성이 다소 낮은 것으로 나타났다 2시간 소결된 바리스터는 비직선 지수가 38.6, 누설전류가 3.6 $\mu$A로 양호 하고, DC스트레스_0.95 $V_{1㎃}$15$0^{\circ}C$/12h에서 바리스터 전압, 비직선 지수, 누설전류, 손실계수 변화율이 각각 -0.8%, -1.8%, +74.4%, +0.9%를 나타냄으로서 안정성이 우수한 것으로 나타났다.다.
The electrical properties and stability of ZPCCY-based varistors composing of $ZnO-Pr_{6}O_{11}-CoO-Cr_{2}O_{3}-Y_{2}O_{3}$ ceramics were investigated with sintering time. As sintering time is increased, the nonlinear exponent decreased in the range of 51.19~26.70. Among varistors having above 30 in nonlinear exponent, for the varistor sintered for 1h, the nonlinearity was superior to the stability comparatively and, in the case of 2h, the stability was superior to the nonlinearity relatively. Consequently, it is estimated that the varistors sintered for 1~2h will be applied to various fields by trade-off between nonlinearity and stability.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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