KR0147969B1 - 피티씨 써미스터용 세라믹 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 특정 온도에서 전기 저항값이 급격히 증가하는 PTC 써미스터용 세라믹 조성물을 개시한다. 본 발명은 Y₂O₃와 CaO와 Ba(NO₃)₂와 CuO를 기본 조성물로 하는 Y_1-xCa_xBa₂Cu₄O₈성분으로 이루어져 있으며 이러한 기본 조성물은 Y+Ca:Ba:Cu의 몰비가 1:2:4으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 PTC 써미스터용 세라믹 조성물에 의해서 달성되며 이에 의해서 상온에서 통전되는 전류 양이 증대되어서 모터의 작동에 의한 전기 제품의 작동이 양호하고 또한 PTC 특성이 나타나는 전이 온도가 약 600℃ 정도이므로 고온에서 사용가능하고 3성분계로 이루어져 있으므로 제조비용이 절감되고 또한 제조공정제어도 용이하다.

Description

피티씨(PTC) 써미스터용 세라믹 조성물

제1도는 본 발명에 따라서 제작된 세라믹 조성물의 X-ray 회절 무늬변화를 나타낸 그래프.

제2도는 본 발명에 따른 Y_1-xCa_xBa₂Cu₃O_7-y계 PTC 써미스터의 온도증가에 대한 비저항값의 증가 변화를 나타낸 그래프.

본 발명은 특정 온도에서 전기 저항값이 급격히 증가되는 PTC 써미스터용 세라믹 조성물에 관한 것으로서, 특히 상온에서 낮은 비저항값을 갖고 전이 온도를 향상시킬 수 있도록 Y_1-xCa_xBa₂Cu₄O₈성분으로 이루어진 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 PTC 써미스터 및 온도가 상승함에 따라 전기 저항값이 지수 함수적으로 감소되어 부온도 특성을 나타내는 NTC 서미스터로 크게 대별된다.

이때, 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 PTC 써미스터는 BaTiO₃계 세라믹 조성물을 주성분으로 하여 제조되며 이러한 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 모터와 직렬로 연결되어 있는 PTC 써미스터의 상온저항값이 크면 통전되는 전류의 양이 적게되므로 모터의 작동이 불충분하게 이루어진다.

또한, 종래의 실시예에 따라서 BaTiO₃성분으로 이루어진 PTC 써미스터는 약 80에서 200℃ 정도의 온도 범위에서 전기 저항값이 급격히 증가하는 전이 온도를 가지므로 약 300℃ 이상의 고온에서 정온도 특성의 저항값을 갖는 써미스터를 필요로 하는 보일러 및 발전기에는 사용이 불가하다.

이때, 상기된 바와 같은 문제점을 해소시키기 위한 종래의 일실시예에 따르면, 종래의 BaTiO₃계 세라믹 조성물에 La, Nb, Sb, Ta 또는 Y 와 같은 소량의 불순물을 첨가하여 상온에서 비저항값을 약 20Ω-cm 정도로 낮추었으며 또한 PbTiO₃를 상기 BaTiO₃계 세라믹 조성물에 첨가시킴으로서 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 제조공정제어에 많은 문제점이 발생된다.

한편, 종래의 PTC 써미스터의 전이온도를 증가시키기 위하여 BaTiO₃계 세라믹 조성물에 PbTiO₃를 첨가하는 경우에 휘발성이 강한 Pb성분의 첨가 효과를 향상시키기 위하여 과량의 Pb를 첨가시키며 이에 의해서 인체에 유해한 공해 유발을 야기시킬 수 있으며 PTC 써미스터의 재현성 확보에 문제점이 발생된다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소시키기 위하여 안출된 것으로 그 목적은 낮은 상온 비저항값을 가져서 상온에서 전자제품의 사용시 신뢰성을 향상시키며 또한 PTC 특성의 전이 온도를 향상시켜서 고온에서 사용가능할 뿐만 아니라 PTC 써미스터의 제조 비용 절감 및 재현성을 확보할 수 있도록 Y_1-xCa_xBa₂Cu₄O₈성분으로 이루어져 있는 PTC 써미스터용 세라믹 조성물을 제공하는 데 있다.

상기의 목적은 분말 형태의 Y₂0₃와 CaO와 Ba(No₃)₂와 CuO를 기본 조성물로 하며 이러한 기본 조성물은 Y+Ca:Ba:Cu의 몰비가 1:2:4으로 이루어질 수 있도록 소정의 몰비로 혼합시켜서 고상 반응 방법에 의하여 제조된 Y_1-xCa_xBa₂Cu₄O₈성분으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 PTC 써미스터용 세라믹 조성물에 의해 달성될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에 따르면, 정온도 특성을 나타내는 PTC 써미스터용 세라믹 조성물은 Y₂O₃와 CaO와 Ba(NO₃)₂와 CuO를 기본 조성물로 하는 Y_1-xCa_xBa₂Cu₄O₈성분으로 이루어져 있으며, 이러한 Y_1-xCa_xBa₂Cu₄O₈성분은 상기 기본 조성물들을 분말 형태로 형성시킨 후 소정의 몰비로 혼합시켜서 고온에서 용융시키는 고상 반응(Solid State Reaction) 방법에 의하여 제조된다.

이때, 본 발명에 따른 PTC 써미스터용 세라믹 조성물을 제조하기 위한 상기 기본 조성물의 순도는 각각 99.9%로 이루어져 있으며, 또한 상기 고상 반응 방법을 수행하기 위하여 혼합되는 상기 기본 조성물의 혼합 몰비는 상기 Y_1-xCa_xBa₂Cu₄O₈성분을 구성하고 있는 Y+Ca:Ba:Cu의 몰비가 1:2:4으로 이루어질 수 있도록 형성된다.

한편, 본 발명에 따른 세라믹 조성물을 형성시킨 상기 Y_1-xCa_xBa₂Cu₄O₈성분을 구성하고 있는 원소중 Y+Ca의 몰비는 1의 값을 가지므로 상기 Ca 원소의 첨가 몰비를 나타내는 x 의 값은 약 0.0 내지 1.0 정도 범위의 값을 가지며, 바람직하게는 약 0.01 내지 0.5 정도 범위의 값을 갖고, 더욱 바람직하게는 약 0.1의 값을 갖는다.

한편, Y_1-xCa_xBa₂Cu₄O₈성분으로 이루어진 PTC 써미스터용 세라믹 조성물을 제조하기 위한 고상 반응방법에 따르면, Y₂O₃와 CaO와 Ba(NO₃)₂와 CuO으로 이루어진 기본 조성물을 분말 형태로 형성시킨 후 상기 Y_1-xCa_xBa₂Cu₄O₈성분을 구성하고 있는 Y+Ca:Ba:Cu의 몰비가 1:2:4의 값으로 이루어질 수 있도록 상기 기본 조성물을 소정의 몰비로 혼합시킨다.

즉, 분말 형태의 상기 기본 조성물을 마노막자사발에 넣고 에틸 알코올을 혼합매체로 하여 혼합시켜 혼합 조성물을 하소하여 고상으로 형성시킨 후 상기 고상의 혼합 조성물을 분쇄시키고 이에 의해서 분쇄처리된 상기 혼합 조성물을 양 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 분위기하에서 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 유지시키고 또한 약 500℃의 온도에 약 6시간정도 유지시키며 이 후에 약 200℃의 온도에서 퀀칭시킴으로서 Y_1-xCa_xBa₂Cu₄O₈성분으로 이루어져 있는 본 발명에 따른 PTC 써미스터용 세라믹 조성물이 제작되었다.

한편, 제1도에 나타난 X-ray 회절 사진은 본 발명에 따른 Y_1-xCa_xBa₂Cu₄O₈성분중 상기 희토류 원소인 Ca의 첨가 몰비 x의 값이 0.1을 나타낼 때 X-ray 회절 무늬의 변화를 측정한 것으로 상기 회절 사진에 나타나 있는 바와 같이 본 발명에 따라서 Y_1-xCa_xBa₂Cu₄O₈성분으로 구성된 PTC 써미스터용 세라믹 조성물의 결정구조는 약 400℃의 저온에서 특정한 결정면에 상이한 크기의 피크가 발생되며 이에 의해서 세 개 결정축의 격자상수가 서로 상이한 사방정계를 갖는다는 것을 인지할 수 있다.

따라서, BaTio₃성분으로 이루어진 종래의 PTC 써미스터용 세라믹 조성물은 결정립내에서 발생된 산소공공이 확산 속도의 차이에 의하여 공정이 진행됨에 따라서 입계로 이동하게 되고 이로 인하여 표면준위가 생성되어 전자를 포획하기 때문에 입계부근에서 생성된 전하 공핍층에 의한 쇼트키(schotty) 장벽에 의하여 PTC 특성을 나타내는 반면에 Y_1-xCa_xBa₂Cu₄O₈성분으로 이루어진 본 발명에 따른 PTC 써미스터용 분말 조성물은 상기된 바와 같이 전이온도 이하에서 결정구조가 사방정계로 유지되다 600℃ 이상의 고온에서 결정구조가 정방정으로 변태하므로 전기 저항값이 급격히 증가하는 벌크(bulk)에 의한 PTC 특성을 나타낸다.

한편, 본 발명에 따라서 제작된 세라믹 조성물의 온도증가에 따른 전기 저항값의 변화는 제2도에 그래프로 나타나 있으며, 이러한 그래프의 결과 본 발명에 따라서 Y_1-xCa_xBa₂Cu₄O₈성분으로 이루어져 있는 PTC 써미스터용 세라믹 조성물은 상온에서 약 0.5Ω-cm 정도의 비저항 값을 가지며 또한 온도가 증가하면서 상기 비저항값은 완만하게 증가하다가 약 600℃에서 급격히 증가하게 되며 이에 의하여 본 발명에 따른 세라믹 조성물의 전이온도는 약 600℃의 고온에서 형성된다는 것을 인지할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따르면, PTC 써미스터는 낮은 상온 비저항값을 가지므로 상온에서 통전되는 전류 양이 증대되어서 모터의 작동에 의한 전기 제품의 작동이 양호하고 또한 PTC 특성이 나타나는 전이 온도가 약 600℃ 정도이므로 고온에서 사용가능하고 3성분계로 이루어져 있으므로 제조비용이 절감되고 또한 제조공정 제어도 용이하다.

Claims (2)

1. 피티씨(PTC) 써미스터용 세라믹 조성물에 있어서,Y₂O₃와 CaO와 Ba(NO₃)₂와 CuO를 기본 조성물로 하는 Y_1-xCa_xBa₂Cu₄O₈성분으로 이루어져 있으며 이러한 기본 조성물은 Y+Ca:Ba:Cu의 몰비가 1:2:4으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 피티씨(PTC) 써미스터용 세라믹 조성물.
2. 제1항에 있어서, 상기 Y_1-xCa_xBa₂Cu₄O₈성분을 구성하고 있는 Ca 원소의 첨가 몰비는 0.05 내지 0.15의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 피티씨(PTC) 써미스터용 세라믹 조성물.