KR0147967B1 - 피티씨 써미스터용 세라믹 조성물 - Google Patents

피티씨 써미스터용 세라믹 조성물

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Abstract

본 발명은 특정 온도에서 전기 저항값이 급격히 증가하는 피티씨(PTC) 써미스터용 세라믹 조성물을 개시한다. 본 발명은 Y2O3와 Ho2O3와 BaCO3와 CuO를 기본 조성물로 하는 Y1-xHoxBa2Cu3O7-y성분으로 이루어져 있으며, Y+Ho:Ba:Cu의 몰비가 1:2:3으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 피티씨(PTC) 써미스터용 세라믹 조성물에 의해서 달성되며 이에 의해서 상온에서 통전되는 전류 양이 증대되어서 모터의 작동에 의한 전기 제품의 작동이 양호하고 또한 피티씨(PTC) 특성이 나타나는 전이 온도가 약 600℃ 정도이므로 고온에서 사용가능하고 3성분계로 이루어져 있으므로 제조비용이 절감되고 또한 제조 시간이 단축된다.

Description

피티씨(PTC) 써미스터용 세라믹 조성물
제1도는 Ho1Ba2Cu3O7-y성분을 시차 주사 열분석한 결과를 나타낸 그래프.
제2도는 본 발명에 따라서 제작된 세라믹 조성물의 X-ray회절 무늬변화를 나타낸 그래프.
제3도는 본 발명에 따라서 제작된 세라믹 조성물의 온도 변화에 따른 격자 상수의 변화를 나타낸 그래프.
제4도는 본 발명에 따른 Y1-xHoxBa2Cu3O7-y계 피티씨(PTC) 써미스터의 온도 증가에 대한 저항값의 증가 변화를 나타낸 그래프.
본 발명은 특정 온도에서 전기 저항값이 급격히 증가되는 피티씨(PTC) 써미스터용 세라믹 조성물에 관한 것으로서, 특히 상온에서 낮은 비저항값을 갖고 전이 온도를 향상시킬 수 있도록 Y1-xHoxBa2Cu3O7-y성분으로 이루어진 피티씨(PTC) 써미스터용 세라믹 조성물에 관한 것이다.
일반적으로, 써미스터는 열에 민감한 반도체성 저항체로서, 온도의 증가에 따른 전기 저항값의 증감이 나타나며 이러한 써미스터는 특정한 온도에서 전기 저항값이 급격히 증가하는 정온도 특성을 나타내는 피티씨(PTC) 써미스터 및 특정한 온도에서 전기 저항값이 급격히 감소하는 부온도 특성을 나타내는 NTC 써미스터로 크게 대별된다.
이때, 피티씨(PTC) 써미스터는 그의 정온도 특성에 의하여 저온 상태에서 낮은 비저항값을 가져 전류를 잘 통전시킬 수 있는 반면에 특정한 고온에 도달되면 주울열 작용등에 의해 전기 저항값이 급격히 증가되어 부도체의 특성을 나타내므로 항온 히터, 전류 제한 소자, 또는 온도 센서등에 널리 사용된다.
한편, 종래의 일실시예에 따르면 피티씨(PTC) 써미스터는 BaTiO3계 세라믹 조성물을 주성분으로 하여 제조되며 이러한 피티씨(PTC) 써미스터는 상온에서 약 100Ω-cm 정도의 비저항값을 가지므로 전류대 시간 특성은 대전류의 통전시 급격하게 전류가 감소되고 소전류의 통전시 소정 시간후에 전류가 감소되는 동특성이 크게 나타나게 되며 이에 의해서 상온에서 통전되는 전류의 양이 적게되므로 모터의 작동이 불충분하게 이루어진다.
또한, 종래의 실시예에 따라서 BaTiO3성분으로 이루어진 피티씨(PTC) 써미스터는 약 130 내지 150℃ 정도의 온도 범위에서 전기 저항값이 급격히 증가하는 전이 온도를 가지므로 약 300℃ 의 고온에서 정온도 특성의 저항값을 갖는 써미스터를 필요로 하는 보일러 및 발전기에는 사용이 불가하다.
이때, 상기된 바와 같이 문제점을 해소시키기 위한 종래의 일실시예에 따르면, 종래의 BaTiO3계 세라믹 조성물에 V,Mn 또는 흑연과 같은 소량의 불순물을 첨가하여 상온에서 비저항값을 약 20Ω-cm 정도로 낮추었으며 또한 PbTiO3를 상기 BaTiO3계 세라믹 조성물에 첨가시킴으로서 피티씨(PTC) 써미스터의 전이 온도를 향상시킬 수 있었다.
그러나, 상기된 바와 같이 상온 비저항을 낮추기 위하여 소량의 불순물을 첨가시킴으로서 많은 성분의 분말 첨가에 의한 제조비용이 증가되며 또한 5성분계 이상으로 제조되므로 제조 시간이 오래 요구된다는 문제점이 발생된다.
한편, 종래의 피티씨(PTC) 써미스터의 전이온도를 증가시키기 위하여 BaTiO3계 세라믹 조성물에 PbTiO3를 첨가하는 경우에 휘발성이 강한 Pb 성분의 첨가 효과를 향상시키기 위하여 과량의 Pb를 첨가시키며 이에 의해서 인체에 유해한 공해 유발을 야기시킬 수 있다는 문제점이 발생된다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소시키기 위하여 안출된 것으로 그 목적은 낮은 상온 비저항값을 가져서 상온에서 전자제품의 사용시 신뢰성을 향상시키며 또한 피티씨(PTC) 특성의 전이온도를 향상시켜서 고온에서 사용가능할 뿐만 아니라 피티씨(PTC) 써미스터의 제조 비용 및 제조 시간을 단축시킬 수 있도록 Y1-xHoxBa2Cu3O7-y성분으로 이루어져 있는 피티씨(PTC) 써미스터용 세라믹 조성물을 제공하는데 있다.
상기의 목적은 분말 형태의 Y2O3와 Ho2O3와 BaCO3와 CuO를 기본 조성물로 하며 이러한 기본 조성물은 Y+Ho:Ba:Cu의 몰비가 1:2:3으로 이루어질 수 있도록 소정의 몰비로 혼합시켜서 고상 반응 방법에 의하여 제조된 Y1-xHoxBa2Cu3O7-y성분으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 피티씨(PTC) 써미스터용 세라믹 조성물에 의해 달성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 희토류 원소중 상기 Ho 원소의 첨가 몰비(x)는 약 0.1 내지 0.5 정도의 값을 갖는다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 Y1-xHoxBa2Cu3O7-y성분의 결정 구조는 상이한 격자 상수를 갖는 사방 정계(a≠b≠c)로 이루어진다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명에 따르면, 정온도 특성을 나타내는 피티씨(PTC) 써미스터용 세라믹 조성물은 Y2O3와 Ho2O3와 BaCO3와 CuO를 기본 조성물로 하는 Y1-xHoxBa2Cu3O7-y성분으로 이루어져 있다.
이때, 상기 Y1-xHoxBa2Cu3O7-y성분은 상기된 바와 같은 기본 조성물들을 분말 형태로 형성시킨 후 소정의 몰비로 혼합시킨 후 고온에서 분말 상태에서 용융시키는 고상 반응(Solid State Reaction) 방법에 의하여 제조된다.
이때, 본 발명에 따른 피티씨(PTC) 써미스터용 세라믹 조성물을 제조하기 위한 상기 기본 조성물의 순도는 각각 약 99.9% 의 순도로 이루어져 있으며, 또한 상기 고상 반응 방법을 수행하기 위하여 혼합되는 상기 기본 조성물의 혼합 몰비는 상기 Y1-xHoxBa2Cu3O7-y성분을 구성하고 있는 기본 조성물 즉 Y+Ho:Ba:Cu의 몰비가 1:2:3으로 이루어질 수 있도록 형성된다.
한편, 본 발명에 따른 세라믹 조성물을 형성시킨 상기 Y1-xHoxBa2Cu3O7-y성분을 구성하고 있는 희토류 원소의 몰비는 1의 값을 가지므로 이러한 희토류 원소중 상기 Ho 원소의 첨가 몰비를 나타내는 x의 값은 약 0.0 내지 1.0 정도 범위의 값을 가지며, 바람직하게는 약 0.1 내지 0.5 정도 범위의 값을 갖고, 더욱 바람직하게는 약 0.4의 값을 갖는다.
또한, Y1-xHoxBa2Cu3O7-y성분을 구성하고 있는 산소의 몰비는 7의 값을 갖는 것이 바람직하지만 규명되지 않은 이유에 의하여 y의 값에 해당하는 몰비가 증감하게 되며 이러하 y의 값은 약 3내지 -3 정도의 값을 갖는다. 그러나, 상기된 바와 같은 Y1-xHoxBa2Cu3O7-y성분을 구성하고 있는 산소의 몰비는 본 발명의 요지를 변경시키지 않는다.
한편, Y1-xHoxBa2Cu3O7-y성분으로 이루어진 피티씨(PTC) 써미스터용 세라믹 조성물을 제조하기 위한 고상 반응방법에 따르면, Y2O3와 Ho2O3와 BaCO3와 CuO으로 이루어진 기본 조성물을 순도가 각각 99.9% 의 순도로 이루어진 분말 형태로 형성시킨 후 상기 Y1-xHoxBa2Cu3O7-y성분을 구성하고 있는 Y+Ho:Ba:Cu의 몰비가 1:2:3으로 이루어질 수 있도록 상기 기본 조성물의 조성비를 평량하여 혼합시킨다.
이때, 분말 형태의 상기 기본 조성물을 마노막자사발에 넣고 에틸 알코올을 혼합매체 즉 바인더로 하여 혼합시킨 후 이러한 혼합 조성물을 고상으로 형성시킨다.
또한, 상기 고상의 혼합 조성물을 분쇄시키고 이에 의해서 분쇄처리된 상기 혼합 조성물을 약 5*103kgf/cm2의 압력으로 약 3분간 압축시키는 분말 야금공정에 의하여 직경이 약 15mm 이고 두께가 약 1.5mm 정도인 원판형 시편을 성형시킨다.
이 후에, 상기 원판형 시편을 산소 분위기하의 노내에서 시간당 약 150℃ 정도로 가열시켜 약 920℃정도의 고온에서 약 14시간동안 유지시킨 후 상기 시편의 온도를 시간당 약 100℃의 온도 속도로 하강시켜서 약 820℃의 온도에 약 2시간정도 유지시킨다.
또한 약 500℃의 온도에 약 6시간정도 유지시키며 이 후에 약 200℃의 온도에서 퀀칭시킴으로서 Y1-xHoxBa2Cu3O7-y성분으로 이루어져 있는 본 발명에 따른 피티씨(PTC) 써미스터용 세라믹 조성물이 제작되었으며 여기에서, 상기 산소 분위기는 산소 유동량을 분당 약 600cc 정도로 일정하게 유지시킴으로서 형성된다.
한편, 제1도에 나타난 그래프는 희토류 원소인 Ho 의 몰비가 1의 값을 갖는 Ho1Ba2Cu3O7-y성분을 시차 주사 열분석한 결과이지만, 이러한 결과는 상기된 바와 같은 공정에 의하여 제조된 Y1-xHoxBa2Cu3O7-y성분에 적용가능하다.
따라서, 열시차 분석한 결과 약 835℃ 및 935℃에서 흡열 피크현상이 발생되었으며 이러한 흡열 피크중 약 835℃에서의 흡열 피크는 CO2분해에 의한 것이고 또한 약 935℃에서의 흡열 피크는 상기 시편의 용융에 의한 것이다.
또한, 제2도에 나타난 X-ray 회절 사진은 본 발명에 따른 Y1-xHoxBa2Cu3O7-y성분중 상기 희토류 원소인 Ho의 첨가 몰비 x의 값을 0.0에서 1.0까지 증가시키면서 X-ray 회절 무늬의 변화를 측정한 것이다.
여기에서, 상기 회절 사진에 나타나 있는 바와 같이 본 발명에 따라서 Y1-xHoxBa2Cu3O7-y성분으로 구성된 피티씨(PTC) 써미스터용 세라믹 조성물의 결정구조는 약 400℃의 저온에서 특정한 결정면에 상이한 크기의 피크가 발생되며 이에 의해서 세 개 결정축의 격자상수가 서로 상이한 사방 정계를 갖는다는 것을 인지할 수 있다.
한편, 제4도를 참조하면 상기 Y1-xHoxBa2Cu3O7-y성분으로 이루어진 피티씨(PTC) 써미스터용 세라믹 조성물은 어닐링 온도를 상승시킴에 따라서 상이한 격자 상수를 갖는 세 개의 결정축(a,b,c)이 일정한 비율로 증가된다는 것을 알 수 있다.
즉, 상기 어닐링 온다가 약 700℃ 정도의 고온에 도달되어도 상기된 바와 같이 상이한 격자 상수를 갖는 세 개의 결정축(a,b,c)이 격자 상수의 급격한 변화의 차를 발생시킴이 없이 일정하게 증가되어서 상이한 격자 상수를 구비하고 있으므로 본 발명에 따른 세라믹 조성물의 결정 구조는 고온상태에서 사방 정계(a≠b≠c)의 결정 구조를 유지하고 있다는 것을 인지할 수 있다.
한편, BaTiO3성분으로 이루어진 종래의 피티씨(PTC) 써미스터용 세라믹 조성물은 결정립내에서 발생된 산소공공이 확산 속도의 차이에 의하여 공정이 진행됨에 따라서 입계로 이동하게 되고 이로 인하여 표면 준위가 생성되어 전자를 포획하기 때문에 입계부근에서 생성된 전하 공핍층에 의한 쇼트키(schotty) 장벽에 의하여 피티씨(PTC) 특성을 나타낸다는 것이 공지되어 있다.
그러나, 이와는 반대로 본 발명의 일실시예에 따라서 Y1-xHoxCu307-y성분으로 이루어진 피티씨(PTC) 써미스터용 분말 조성물은 상기된 바와같이 고온상태에서의 결정 구조가 상이한 격자 상수를 갖는 사방 정계(a≠b≠c)로 유지되어 있으므로 벌크(bulk)에 의한 피티씨(PTC) 특성을 나타낸다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 희토류 원소인 Ho의 첨가 몰비가 0.4의 값을 갖는 Y0.6Ho0.4Ba2Cu3O7-y성분으로 제작된 세라믹 조성물의 온도증가에 따른 전기 저항값의 변화는 제3도에 그래프로 나타나 있다.
즉, 이러한 그래프의 결과 본 발명에 따라서 Y1-xHoxBa2Cu3O7-y성분으로 이루어져 있는 피티씨(PTC) 써미스터용 세라믹 조성물은 상온에서 약 3.12Ω-cm 정도의 비저항값을 가지며 또한 온도가 증가하면서 상기 비저항값은 완만하게 증가하다가 약 500℃에서 급격히 증가하게 되며 이에 의해서 본 발명에 따른 세라믹 조성물의 전이 온도는 약 500℃의 고온에서 형성된다는 것을 인지할 수 있다.
이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명이 속하는 분야의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 피티씨(PTC) 써미스터는 낮은 상온 비저항값을 가지므로 상온에서 통전되는 전류 양이 증대되어서 모터의 작동에 의한 전기 제품의 작동이 양호하고 또한 피티씨(PTC) 특성이 나타나는 전이 온도가 약 600℃ 정도이므로 고온에서 사용가능하고 3성분계로 이루어져 있으므로 제조비용이 절감되고 또한 제조 시간이 단축된다.

Claims (6)

  1. 피티씨(PTC) 써미스터용 세라믹 조성물에 있어서, Y2O3와 Ho2O3와 BaCO3와 CuO를 기본 조성물로 하는 Y1-xHoxBa2Cu3O7-y성분으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 피티씨(PTC) 써미스터용 세라믹 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기본 조성물을 구성하는 Y+Ho:Ba:Cu의 몰비는 1:2:3으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 피티씨(PTC) 써미스터용 세라믹 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 Y1-xHoxBa2Cu3O7-y성분을 구성하고 있는 Ho 원소의 첨가 몰비는 0.01 내지 0.90의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 피티씨(PTC) 써미스터용 세라믹 조성물.
  4. 제3항에 있어서, 상기 Ho 원소의 첨가몰비는 0.1 내지 0.5의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 피티씨(PTC) 써미스터용 세라믹 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 Y1-xHoxBa2Cu3O7-y성분은 상기 기본 조성물의 고상 반응에 의하여 제조된 것을 특징으로 하는 피티씨(PTC) 써미스터용 세라믹 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 Y1-xHoxBa2Cu3O7-y성분의 결정 구조는 사방 정계를 갖는 것을 특징으로 하는 피티씨(PTC) 써미스터용 세라믹 조성물.
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