KR0142160B1 - 파워서지저항체 페이스트조성물 및 이를 포함하는 저항기장치 - Google Patents

파워서지저항체 페이스트조성물 및 이를 포함하는 저항기장치

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KR0142160B1
KR0142160B1 KR1019940016048A KR19940016048A KR0142160B1 KR 0142160 B1 KR0142160 B1 KR 0142160B1 KR 1019940016048 A KR1019940016048 A KR 1019940016048A KR 19940016048 A KR19940016048 A KR 19940016048A KR 0142160 B1 KR0142160 B1 KR 0142160B1
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Abstract

본 발명은 팔라듐/은, 유리 및 도핑제로 이루어지는 파워서지(power surge)저항체 페이스트에 관한 것이며, 파워서지보호용으로 사용되는 파워서지저항장치의 제조에 사용된다. 얻어진 서지 저항장치의 특징은 전압과 지속시간에 있어서 낙뢰에 의해 발생된 서지와 동일한 반복되는 전압서지를 시터저항의 변화를 0.05% 이하로 하여 방산시키는 능력이 있는 점이다.

Description

파워서지저항체 페이스트 및 이를 포함하는 저항장치
본 발명은 파워서지(power surge) 보호용으로 사용되는 파워서지저항장치의 제조에 사용되는 개선된 도전서(導電性) 조성물(페이스트)에 관한 것이다. 이 조성물은 스크린 인쇄에 의해 알루미나 및 유사한 세라믹기판상에 적층시킬 수 있고, 얻어진 서지저항장치의 특징은 전압과 지속시간에 있어서 낙뢰에 의해 발생된 서지와 동일한 반복되는 전압서지를 시트저항의 변화를 0.05% 이하로 하여 방산시키는 능력이 있는 점이다.
이 기술분야에서 공지된 전압서지보호장치는 예를 들면 에폭시/실리콘, 구리-니켈조합물, 산화아연 및 다른 산화 첨가물이 첨가된 산화아연을 포함하는 다양한 물질, 다양한 형태 및 디자인을 갖추고, 또한 다양한 동작특성을 나타낸다.
여기에서 다루는 파워서지저항장치는 팔라듐/은 분말 또는 입자, 유리 및 도핑제를 기본으로 하여 조합된 저항체 페이스트 또는 조성물로 제조되는 전기장치이다. 서지저항장치를 전기회로 내에 배선하면, 회로에 연결된 파워라인이 낙뢰했을때 발생될 수 있는 라인전압의 과잉의 서지에 의해 전기회로가 손상되는 것이 방지된다. 이러한 장치는 낙뢰 및 전압서지 보호수단으로서 보통 텔레비젼 수상기, 전화기,데이터처리장치, 컴퓨터소자등의 전기회로에 배선된다.
이러한 보호장치의 제조업자들은, 특히 반복되는 전압서지 또는 낙뢰에 대하여 향상된 서지보호장치를 제공하게 될 서지저항체 페이스트를 끊임없이 추구하고 있다. 공업 및 연구소에서 설정한 비공식 표준에 의하면, 2,500볼트 및 1,000볼트에서 각각 20∼200의 다중 펄스서지에 견딜 수 있고, 시트저항의 시프트가 2% 이내인 장치를 요구하고 있다.
시판되는 저항체 페이스트는 또한 장치의 제조업자들이 원하는 것보다 높은 저항치의 온도계수(TCR, temperature coefficient of resistance value)를 나타내기에는 불충분하다. 온도의 함수로서 저항변화간의 관계는 보호장치의 TCR로서 나타내고, 섭씨온도 변화당 백만분율의 변화, 즉 ppm/℃로서 나타낸다. 이제는 상업적으로 허용되기 위하여는 5∼7년 전에 시판되었던 페이스트의 TCR 값과 비교하여 지정된 온도범위에 걸쳐 보다 낮은 TCR값이 요구된다.
본 발명의 저항체 페이스트는 시트저항이 단위면적당 0.1∼20옴이고, 전술한바와 같은 다중 펄스서지에 대하여 현재의 공업표준을 초과하고, ±50ppm/℃이하의 TCR 값을 충족시킬수 있다.
팔라듐/은 조합물과 유리를 기본으로 하는 저항체 페이스트는 공지되어 있으며, 수년간 이용되어 왔다. 예를 들면, 1972년 2월 1일자 미합중국 특허 제3,639,274호(Ivan L. Brandt 등에게 허여)를 참조한다. 이 특허에 개시되어 있는 저항체 페이스트는 통상의 저항기를 제조하기 위한 것이며, 서지 저항장치를 위한 것은 아니다. 팔라듐/은과 유리프리트(glass frit)를 기본으로 하는 스크린인쇄가능한 도전체 페이스트가 1983년 7월 19일자 미합중국 특허 제4,394,171호(Kumaran M. Nair 에게 허여)에 개시되어 있다.
본 발명의 파워서지저항장치를 제조하는데 사용되는 본 발명의 서지저항체 페이스트는 팔라듐/은 분말조합물, 유리프리트, 도핑제 및 매채 즉 유기용제및 접합제를 기본으로 한다. 특히, 본 발명은 상업적으로 허용 가능한 것으로서 총 100중량부에 대하여 다음의 범위내의 양으로 사용되는 성분으로 제조되는 스크린인쇄 가능한 페이스트를 제공한다.
페이스트는 특히 세라믹 또는 다른 종래의 기판상에 스크린인쇄하도록 적용되고, 발화시켜서 용제 및 접합제를 연소시켜 없애고, 고체를 기판에 융해시킨다. 상기 명세서 내에서 제조된 저항체 페이스트는 다중 펄수서지에 대해 향상된 저항 및 ±50ppm/℃ 이하의 TCR 값을 나타내는 장치를 얻을 수 있는 페이스트를 제공하며, 따라서 현재의 공업가이드라인 및 요구를 초과한다.
팔라듐 및 은 금속은 미세한 무정형 분말의 형태로 사용된다. 바람직하게는, 팔라듐에 대해서는 12∼29㎡/g, 가장 바람직하게는 19∼25㎡/g의 표면적 범위에 해당하는 크기의 입자의 분말이다. 은에 대해서는 0.2∼4㎡/g, 가장 바람직하게는 0.7∼1.2㎡/g의 표면적 범위에 해당하는 입자의 분말이다. 플레이크형태의 금속을 포함하는 상기 범위 밖의 입자크기를 가지는 금속분말도 사용할 수 있으며, 이는 덜 엄격한 요구를 충족시키는 허용가능한 저항체 페이스트를 제공한다. 팔라듐 대 은의 비는 56∼62중량부의 팔라듐 대 44∼38중량부의 은으로 다양하게 할 수 있다. 그러나, 60부의 팔라듐 대 40부의 은이 바람직하다.
여기에서의 페이스트에 포함되는 유리프리트는 예를 들면 BaO, SiO2, CaO, Na2O, K2O3, Al2O3, SnO, B2O3, WO2및 TiO2를 포함하는 종래의 유리성분을 기본으로 한다. 전형적으로, 유리의 연화점은 700℃∼1,000℃의 범위로 되어야 하고, 유리의 팽창계수는 페이스트가 스크린인쇄되는 기판의 팽창계수와 융화가능하여야 한다. 다음은 여기에서 유용한 대표적인 유리를 나타낸 것이다.
얻어진 서지저항체의 향상된 효능특성을 얻기 위하여는 페이스트에 텅스텐 도핑제를 페이스트조합물의 최소한 1 중량부, 바람직하게는 4중량부의 양으로 포함하여야한다. 칼슘은 바람직한 성분이며, 유리조합물 또는 도핑제의 성분으로서, 또는 2가지 모두의 성분으로서 포함될 수 있다. 특히 다중펄스의 내성에 있어서는 텅스텐 및 칼슘 도핑제가 칼슘을 함유하는 유리와 함께 포함될 때 보다 향상된 효능의 결과가 얻어진다. 18부의 최소의 산화칼슘과 함께 형성된 유리가 여기에서 사용하기에 적합하다.
텅슨텐은 필요한 도핑제이고, 칼슘은 바람직한 도핑제이지만, 페이스트조합물에 또다른 도핑제를 포함시킬 수도 있다. 전형적인 유용한 도핑제로는 티탄, 탄탈, 알루미늄, 바륨, 망간, 몰리부덴, 크롬, 스트론튬, 아연 및 지르코늄이 있고, 이에 한정되는 것은 아니며, 이들 모두는 시터저항에 영향을 미치는 경향이 있고, 특정한 용도에 대하여 요구되는 바에 따라서 숙련자들의 재량으로 포함시킬 수 있다. 통상적으로, 이들 도핑제는 그들의 산화물의 형태로 사용되지만, 탄산염 및 산소화물 등과 같은 그들의 온도분해성 염의 형태로 사용될 수도 있다. 텅스텐은 그 원소, 염 또는산화물의 형태로 사용될 수 있다. 텅스텐(또는 텅스텐산화물) 및 산화칼슘의 전형적인 양은 각각 페이스트조합물에 있어서 2∼12 중량부의 범위로 되고, 그러나 그2개의 조합물이 약 15부를 초과해서는 안 된다. 텅스텐 및 칼슘이외의 도핑제가 사용될 때에는 이는 페이스트조합물의 0.5∼5.0 중량부의 양으로 사용된다. 유리프리트와 도핑제의 입자크기는 스크린인쇄에 적합한 페이스트를 제공하기에 적합하도록 하여야 하며, 약 6미크론 이하가 바람직하다. 개시된 대표적인 유리프리트로 이루어지는 개시된 조합물 범위내의 성분을 포함하는 페이스트는 시트저항이 0.1∼약 20/sq. 이고 TCR값이 ±50ppm/℃ 이하인 서지장치를 제공하도록 제조될 수 있다.
적합한 결합제로는 예를 들면 폴리(비닐 아세테이트), 폴리(비닐 알콜), 메틸 셀룰로스, 에틸 셀룰로스, 히드록시 에틸 셀룰로스 및 이 기술분야에서 공지된 아른 접합제가 있다. 여기에 사용하기에는 에틸 셀룰로스가 바람직하다. 페이스트를 형성하는데 있어서, 접합제는 바람직하게는 유기용제에서 약 10∼20중량%의 접합제성분을 포함하는 농도로 용해된다. 대부분의 경우에 있어서, 페이스트는 약 2∼4 중량부(건조)의 접합체를 필요로 한다.
이 기술분야에서 공지된 여러가지 적합한 유이용제가 사용될 수 있으며, 그 예로는 아세톤, 크실렌, 에탄올, 메탄올, 이소프로판올, 메틸 에틸 케톤 및 기타 여러가지가 있다. 송근유(松根油), 터핀올 등의 터펜이 바람직하고, 가장 바람직 한 것은 터핀올이다. 용제는 접합제성분에 대한 용제로서의 이들 용도 외에, 페이스트의 점도를 스크린인쇄에 적합한 레벨로 낮추는 작용을 한다. 다소의 매체(용제 및 접합제)를 상기 범위내에서 사용하여 적당히 유동가능한 페이스트를 제조할 수 있다. 최종의 페이스트점도는 #14 스핀들을 사용하여 10rpm 에서 브룩필드(Brookfield) HBT 점도계로 측정할 때 통상적으로 100,000 ∼ 400,000 cps로 된다.
서지저항체 페이스트를 형성하는데 있어서, 이 기술분야에서 공지된 절차를 사용할 수 있다. 분말 금속, 유리프리트 및 도핑제를 매체 및 접합재와 함께 기계적인 혼합에 의해 통상적으로 3롤 밀(three-roll mill)을 사용하여 최소한 약 5∼10분간 혼합한다. 이 성분은 적합한 기판으로서 가장 많이 시판되는 알루미나상에 페이스트가 실크스크린에 의해 전형적으로 인쇄되는 스크린인쇄가능한 페이스트를 형성한다. 서지저항장치는 보통 열의 방산을 최대화하기 위한 페이스트의 선형적층과 주어진 영역내에서의 적층길이를 제공하도록 설계된 S 자형 패턴과 결합된다. 상업상의 제조에 있어서, 장치기판은 미리 인쇄하고, 2개의 위치에서 도전체 조성물과 함께 발화시키고, 그 2개의 위치는 나중에 저항체 페이스트 스크린인쇄패턴에 의해 접속된다. 인쇄된 기판을 약 820∼1000℃의 온도로 충분한 시간동안 발화시켜 모든 유기물질을 휘발 도는 연소시키고, 유리 및 기타 유기물질을 소결(燒結)시킨다. 약 10∼20분 동안 피크온도에 노출시키기 위해서는 약 0.5∼1.5시간의 발화시간이면 충분하다.
선택적으로, 이 기술분야에서 공지된 것으로서 통상적으로 Al2O3 충진제가 첨가된 칼슘-보론-실리케이트 유리를 포함하는 유전체 유약이 서지장치상에서 스크린인쇄, 발화 및 융해되어 작용면이 긁히거나 환경에 의해 부식되는 것을 방지하고, 열의 방산을 도울 수 있다.
[시험절차]
저항기장치의 다중 펄스 서지시험은 CDI 1000 유니버설 서지제너레이터(Compliance Design Inc., Boxborough, MA 01719 미합중국)를 사용하여 행하였다. 시험절차에 있어서, 저항기장치에서 파형 2/10μ/sec 을 이용하여 1,000V에서 서지를 반복시킨다. 장치의 고장 또는 200서지가 완료될 때까지 전압서지를 장치에 가한다. 유사한 방법으로 장치의 고장 또는 100 서지가 완료될 때까지 파형10/700μsec을 이용하여 1,000V에서 서지를 반복시킨다. 끝으로, 최대 20펄스동안 또는 장치가 고장날 때까지 파형 2/10μsec을 이용하여 2,500V에서 서지를 반복시킨다. 서지 전후에 시트저항율을 기록하고, 시트저항율의 % 변화로서 표시하였다.
TCR 측정은 델타 9023 온도챔버(Delta Deaign, Inc., San Diego, CA 92123 미합중국)와, 시험장치의 저항율을 측정할 수 있는 휴렛-패커드 멀티미터(Hewlett-packard Multimeter)를 사용하여 행하였다. TCR 값을 구하는데 있어서, 저항기장치의 시트저항을 일단 실온(25℃)에서 측정하고, 또한 125℃ 및 -55℃에서 측정한다. TCR은 섭씨온도 변화당 저항변화에 있어서의 백만분율의 변화로서 나타낸다. TCR은 다음식에 따라서 실온으로부터 고온 및 저온에 대하여 별도로 계산한다.
여기서, R25 C 는 실온(25℃)에서의 시트저항율(옴)이고, R125 C는 125℃에서의 시트저항율(옴)이다.
다음의 예는 본 발명을 예시한 것이다.
[예1]
본 발명의 범위내의 저항체 페이스트를 다음의 조합을 이용하여 제조하였으며, 여기서 각 수치는 중량부에 의한 것이다.
페이스트는 성분을 혼합하여 이 페이스트를 3롤밑에서 10분간 혼합함으로써 형성하였다. 페이스트는 분말도가 5미크론 이하이고, 점도는 #14 스핀들은 사용하여 10rpm에서 브룩필드 HBT 점도계로 측정할 때 203, 000cps로 나타났다.
은합금 전극을 약 12∼14 미크론의 발화된 두께로 미리 인쇄하여 200sq. 의 S자형 패턴을 이용하여 알루미나 기판상에 스크린인쇄를 하였다. 인쇄된 패턴을 약 150℃에서 15분간 오븐건조시켰다. 통풍 벨트컨베이어 노(爐)를 사용하여 약 850℃의 피크온도에서 8∼10분간 발화를 행하였다. Al2O3충진제가 첨가된 칼슘 - 보론 - 실리케이트 유리의 박막(10∼16μ)의 유약으로 프린트를 덮었다.
[예2]
예1의 절차를 이용하여, 본 발명에 따른 저항체 페이스트를 다음의 성분(중얄부)으로 제조하였다.
이 페이스트로 제조된 저항기장치(200 sq. 패턴)는 다음과 같은 장치특성을 나타냈다.
[예3]
예1의 절차를 이용하여, 본 발명에 따른 저항체 페이스트를 다음의 성분(중량부)으로 제조하였다.
이 페이스트로 제조된 저항장치(200 sq. 패턴)는 다음과 같은 장치특성을 나타냈다.
예1의 절차를 이용하여, 본 발명에 따른 저항체 페이스트를 다음의 중량부로 나타낸 성분으로 제조하였다.
이 페이스트로 제조된 저항기 장치(200sq. 패턴)는 다음과 같은 장치 특성을 나타냈다.
[예5]
이 예에서는 거의 동일한 조합을 이용하여 2개의 페이스트를 제조하였다. 비고를 위하여 1개의 페이스트는 텅스텐을 포함시키지 않고, 다른 페이스트는 텅스텐 분말을 도핑제로서 3중량부의 양으로 포함시켰다.
페이스트(중량부)
이들 페이스트로 제조된(유약으로 덮인)저항기장치(200sq. 패턴)는 다음과 같은 장치특성을 나타냈다.
텅스텐이 없는 페이스트 A로 제조한 장치는 다중 서지에 대한 내성이 없었고, 텅스텐 도핑제를 3중량% 포함한 페이스트 B로 제조한 장치에 비하여 불충분한 TCR값을 나타냈다.
[예6]
또한 비교를 위하여시판되는 저항체 페이스트를 사용하여 통상의 방법으로 저항기장치를 제조하였다.(200 sq. 패턴). 이 장치를 Al203충진제를 첨가한 칼슘-보론-실리케이트 유리의 박막(10∼16μ)의 유약으로 덮었다.
본 발명은 전술한 상세한 설명 및 예시적인 예에 한정되는 것은 아니다. 실용에 있어서 이 기술분야에 숙련된자에게는 여러가지 변경 및 변형이 가능하며, 이 변형 및 변경은 다음의 특허청구의 범위에 포함된다.

Claims (12)

  1. 기판상에 스크린인쇄하기에 적합한 서지저항체 페이스트로서, 총100중량부의 페이스트에 대하여, (a)38∼60부의 팔라듐 및 은과, (b) 6∼20부의 유리프리트와, (c)1∼20부의 도핑제와, (d)2∼6부의 접합제 및 18∼25부의 매체로 이루어지고, 도핑제성분은 최소한 1부의 텅스텐을 함유하는 것을 특지으로 하는 서지저항체 페이스트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 팔라듐 및 상기 은은 무정형 분말로서 사용하고, 팔라듐에 대해서 12∼29㎡/g 및 은에 대해서 0.2∼4㎡/g의 표면적 범위에 해당하기에 충분한 크기의 것인 것을 특징으로 하는 페이스트.
  3. 제1항에 있어서, 팔라듐 대 은의 비는 56∼62중량부의 팔랴듐 대 44∼38중량부의 은으로 되는 것을 특징으로 하는 페이스트.
  4. 제1항에 있어서, 유리프리트는 칼슘을 함유하는 유리프리트인 것을 특징으로 하는 페이스트.
  5. 제1항에 있어서, 도핑제성분은 칼슘을 함유하는 것을 특징으로 하는 페이스트.
  6. 제4항에 있어서, 상기 페이스트는 0.1∼20옴/sq.의 서지저항장치를 제공할 수있고, 시터저항의 시프트를 2%를 이내로 하여 2,500V에서 최소한 20 다중 펄스 서지, 1,000V에서 최소한 200 다중 펄스 서지에 대한 내성이 있고, TCR은 ±50ppm/℃이하인 것을 특징으로 하는 페이스트.
  7. 기판상에 발화 및 융해되는 저항체 페이스트의 인쇄된 선형의 S자형 패턴으로 이루어지는 서지저항장치로서, 상기 장치는 0.1∼20옴/sq. 범위의 저항을 나타내고, 저항체 페이스트는 총 100중량부의 페이스트에 대하여, (a)38∼60부의 팔라듐 및 은과, (b)6∼20부의 듀리프리트와, (c)1∼20부의 도핑제와, (d)2∼6부의 접합제 및 18∼25부의 매체의 조합으로 이루어지고, 도핑제 성분은 최소한 1부의 텅스텐을 함유하는 것을 특징으로 하는 서지저항장치.
  8. 제7항에 있어서, 팔라듐 대 은의 비는 56∼62중량부의 팔라듐 대 44∼38중량부의 은으로 되는 것을 특징으로 하는 서지저항장치.
  9. 제7항에 있어서, 유리프리트는 칼슘을 함유하는 유리프리트인 것을 특징으로 하는 서지저항장치.
  10. 제7항에 있어서, 도핑제성분은 칼슘을 함유하는 것을 특징으로 하는 서지저항장치.
  11. 서지저항장치의 제조에 사용되는 서지저항체 페이스트로서, 상기 페이스트는 주요성분으로서 팔라듐, 은 및 유리프리트로 이루어지는 서지저항체 페이스트에 있어서, 페이스트에 텅스텐 도핑제를 최소한 1중량부의 양으로 결합시키는 것을 특징으로 하는 서지저항체 페이스트.
  12. 제11항에 있어서, 또한 칼슘을 함유하는 유리 및 칼슘 도핑제를 결합시키는 것을 특징으로 하는 서지저항체 페이스트.
KR1019940016048A 1993-07-07 1994-07-06 파워서지저항체 페이스트조성물 및 이를 포함하는 저항기장치 KR0142160B1 (ko)

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US8/088,452 1993-07-07
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