MgO - Mg₂SiO₄계 세라믹스의 MgO 함량 변화 및 LiF 첨가에 따른 마이크로파 유전특성과 외인성 및 내인성 요인과의 관계를 연구하였다. X-선 회절(X-ray diffraction, XRD) 분석 및 주사전자현미경(Scanning electron microscope, SEM)을 통한 상 분석 및 미세구조 분석을 기반으로 마이크로파 유전특성에 영향을 주는 외인성 요인을 분석하였다. 또한, 내인성 요인을 분석하기 위해 Rietveld 정련(Rietveld refinement method, RIR)으로 결합 원자가(bond valence), 공유결합성(degree of covalency)을 계산하여 결정구조 특성을 정량적으로 분석하였다.
xMgO - (1-x)Mg₂SiO₄ (0.25≤x≤0.75)계 세라믹스는 고상반응법으로 1525 ℃에서 3시간 소결하였다. 모든 조성 범위에서 MgO와 Mg₂SiO₄ 상들의 혼재상이 검출되었다. MgO와 Mg₂S₄iO₄ 상의 각각의 상 분율은 RIR을 통하여 얻어졌으며, MgO 함량(x)이 증가함에 따라 MgO 상 분율이 비례하여 증가하였다. MgO 함량(x)이 x=0.625까지 증가함에 따라 소결 시편은 균질하고 치밀한 미세구조를 보였으나, x=0.75 조성의 소결 시편은 불균질한 미세구조와 기공이 관찰되었다. 또한 소결 시편의 상대밀도는 x=0.625까지 증가하다가 이후 감소하였다. 소결 시편의 품질계수(Qf)는 외인성 요인인 미세구조와 상대밀도에 의존하여 x=0.625의 소결 시편에서 가장 높은 품질계수(Qf = 308,600 GHz)를 나타내었다. 또한, 품질계수(Qf)는 결정구조 특성인 결합 원자가 및 공유결합성과 같은 내인성 요인에 의존하므로 RIR 분석을 진행하였다. MgO 함량(x)이 증가함에 따라 Mg(1)O6와 Mg(2)O6의 Mg-O 결합길이가 감소하였으며, SiO₄의 Si-O 결합길이는 x=0.625까지의 소결 시편에서는 감소하였으나, 이후 증가하였다. 결합길이를 통하여 결합 원자가 및 공유결합성을 계산한 결과, x=0.625의 소결 시편에서 가장 높은 공유결합성때문에 가장 높은 품질계수를 나타내었다. 이는 품질계수(Qf)가 외인성 요인과 내인성 요인 모두에 영향을 받는 것을 의미한다. 소결 시편의 유전상수(K)는 MgO의 유전상수(K=9.6)가 Mg₂SiO₄의 유전상수(K=6.8)보다 크기 때문에 MgO 함량(x)이 증가함에 따라 증가하였으며, 이는 Logarithmic mixing rule에 의존하였다. 소결 시편의 공진주파수의 온도계수(TCF)는 MgO의 더 작은 TCF 값 때문에 MgO (x)의 함량이 증가함에 따라 증가하였다.
xMgO - (1-x)Mg₂SiO₄ 조성 중 소결 시편의 품질계수(Qf)가 가장 큰 0.625MgO - 0.375Mg₂SiO₄ 조성에 대하여, 세라믹스의 소결 온도를 제어하기 위하여 소결 조제로 LiF (0.5≤x≤2.5wt.%)를 첨가하였다. 900 ~ 1100 ℃에서 3시간 동안 소결한 0.625MgO - 0.375Mg₂SiO₄ - xwt.%LiF (0.5≤x≤2.5) 소결 시편은 모든 소결 온도에서 x=2.0wt.%일 때 Li₂O 제2상이 검출되었다. 소결 시편의 품질계수(Qf)는 외인성 요인인 제2상에 크게 의존하여 모든 소결 온도 범위에서 x=1.5wt.%일 때, 가장 높은 값을 나타내었다. 따라서 LiF 첨가량을 1.5wt.%로 고정하고, 소결 온도에 따른 마이크로파 유전특성 변화를 연구하였다. LiF 첨가는 845 ℃의 낮은 melting point로 인하여 액상 소결을 함으로써 소결 온도를 효과적으로 낮출 수 있었다. 900 ℃부터 1050 ℃까지 소결 온도가 증가함에 따라 LiF 액상 소결로 인한 높은 경계 확산으로 평균 결정립 크기가 증가하였다. 그러나 1100 ℃에서 소결한 시편은 비정상 입자 성장을 나타내었다. 소결 시편의 품질계수(Qf)는 미세구조의 균질도에 크게 의존하므로 1050 ℃에서 소결한 시편에서 가장 높은 품질계수(Qf = 290,400 GHz)를 나타내었다.
또한, LTCC(Low temperature co-fired ceramic)로써의 적용 가능성에 관하여 연구하였다. LTCC 응용 가능 소결 온도인 950 ℃에서 3시간 소결한 0.625MgO - 0.375Mg₂SiO₄ - 1.5 wt% LiF 세라믹은 우수한 마이크로파 유전 특성 (K = 8.5, Qf = 254,600 GHz)을 나타내었다.