KR100225500B1 - 일리메나이트계 고온용 써미스터 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일리메나이트계 고온용 써미스터 조성물에 관한 것으로, 종래의 고온용 써미스터는 사용온도영역이 좁고 고온영역에서 결정구조가 불안정하여 신뢰성에 문제가 있으며, 사용온도 영역이 넓어지는 추세에 대응하기 위해서는 B 정수가 5,000~10,000 정도로 낮고 안정한 결정구조를 갖는 고온용 써미스터의 개발이 요구되어 왔다.

본 발명은 (a)티산산니켈(NiTiO₃) + (b)티탄산마그네슘(MgTiO₃) + (c)산화크롬(Cr₂O₃)계를 기본조성으로 하여 중량 %로 각각 0≤a≤90, 10≤b≤80, 0≤c≤40 의 범위에서 a+b+c 가 100이 되는 일리메나이트계 고온용 써미스터 조성물을 제공함으로써, 자동차 및 각종 엔진, 보일러 등 산업용 설비의 배기온도 검출 및 제어에 적용하여 신뢰성을 향상시키는 효과를 가져올 수 있다.

Description

일리메나이트계 고온용 써미스터 조성물

본 발명은 일리메나이트계 써미스터 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 약1000℃ 이하의 고온영역에서 안정한 결정구조와 적당한 저항값 및 B 정수를 갖는 일리메나이트계 고온용 써미스터 조성물에 관한 것이다.

금속산화물계 써미스터 소자는 천이 금속화합물을 일정량씩 조합하여 만든 온도에 따라 전기저항이 지수함수적으로 감소하는 반도체로서 온도감지소자, 온도 보상 및 조절소자, 전압조절용소자 그리고 각종 정밀측정 및 분석기기의 핵심소자로 이용되고 있다.

일반적으로 써미스터 소자는 사용온도에 따라 100℃ 이하의 상온용, 400℃이하의 고온용 그리고 1000℃ 이하의 고온용 써미스터로 구분되며, 상온용 써미스터의 경우 스핀넬계인 망간-니켈-코발트-구리계 금속화합물이 조성에 따라 넓은 범위의 저항값과 온도에 따른 큰 저항 변화(B 정수)를 가짐으로써 널리 이용되고 있다.

한편, 전자렌지, 가스렌지, 가스오븐, 급탕기, 조리기 등 가정용 전기 및 가스기구나 반응조, 건조로 등에 사용되는 중온용 써미스터는 높은 저항을 갖는 조성의 상온용 써미스터 조성물이 일부 이용되고 있다.

고온용 써미스터의 경우 자동차 및 각종 엔진, 보일러 등 산업용 설비의 배기온도 검출 및 제어를 위하여 사용되고 있으며, 앞으로 환경 규제가 더욱 강화됨에 따라 수요가 급격히 증가될 전망이다.

특히 고온용 써미스터는 통상 800℃ 정도의 고온에서 사용됨에 따라 저항값과 B 정수 뿐만 아니라 장기 안정성이 중요시 되어 현재 스핀넬계(Al₂O₃-CoO계 및 MgO -Al₂O₃-Cr₂O₃계) ZrO₂계(ZrO₂-Y₂O₃계) 및 페로브스카이트계(BaO-TiO₂계) 등이 제한적으로 이용되고 있다.

그런데 이와 같은 종래의 고온용 써미스터는 사용온도영역이 좁고 고온영역에서 결정구조가 불안정하여 신뢰성 문제가 있으며, 사용온도영역이 넓어지는 추세에 대응하기 위해서는 B 정수가 5,000~10,000 정도로 낮고 안정한 결정구조를 갖는 고온용 써미스터의 개발이 요구되어 왔다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 종래의 문제점 해결 및 요구에 부응하기 위한 것으로, 사용온도영역이 넓고 신뢰성이 높은 양질의 고온용 써미스터를 저렴하게 양산할 수 있는 일리메나이트계 고온용 써미스터 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 (a)티탄산니켈(NiTiO₃) + (b)티탄산마그네슘(MgTiO₃) + (c)산화크롬(Cr₂O₃)계를 기본조성으로 하여 중량 %로 각각 0≤a≤90, 10≤b≤80, 0≤c≤40 의 범위에서 a+b+c 가 100이 되는 일리메나이트계 고온용 써미스터 조성물을 제공한다.

도1은 본 발명에 따른 일리메나이트계 고온용 써미스터의 조성도.

도2는 본 발명에 따른 일리메나이트계 고온용 써미스터의 저항-온도 특성 그래프.

이하 본 발명의 구성 및 작용효과를 첨부도면과 함께 상세히 설명하면 다음과 같다.

써미스터는 온도에 의해 전지저항이 크게 변하는 저항소자를 말하며, 망간, 코발트, 니켈, 철 등의 천이 금속산화물에 적당한 금속산화물을 산소 분위기 중에서 혼합 소결하고 이것에 저항성 전극을 부착한 것으로, T[°K]에서의 전기저항치 R과 온도계수 α 는 근사적으로 하기의 식으로 주어진다.

여기서 R_O[Ω] 는 T_O[°K]에서의 저항치로 B[°K]는 재료에 의한 정수이다. B 는 써머스터의 특성을 나타내는 중요한 양으로 B가 클수록 상기식에서 알 수 있는 바와 같이 동일온도 변화에 대한 저항치 변화가 큰 것으로 바람직한 일이다. 그러나 B가 크면 일반적으로 R도 커지므로 B가 큰 재료를 사용하는데는 한계가 있다.

본 발명의 일리메나이트계 고온용 써미스터는 통상적으로 널리 사용되는 산화물 혼합방법으로 용이하게 제조가 가능하다.

산화니켈(NiO) 및 산화마그네슘(MgO) 및 산화티탄(TiO₂)을 각각 티탄산니켈(NiTiO₃), 티탄산마그네슘(MgTiO₃)조성이 되도록 정확히 칭량하여 지르코니아 볼밀에서 증류수와 함께 잘 혼합하고 분쇄한다.

이때 사용되는 원료는 하소(Calcination)공정을 통하여 산화물로의 전환이 용이한 화합물 즉, 수산화물 및 황산염 등이 포함된 원료 화합물도 가능하다.

즉, 혼합된 원료를 1000~1100℃에서 2시간동안 하소하여 합성한 후, 합성된 티탄산니켈, 티탄산마그네슘(MgTiO₃)을 산화크롬(Cr₂O₃)과 함께 하기에 도시된 표 1의 조성이 되도록 각 중량%에 따라 정확히 칭량하여 지르코니아 볼밀에서 증류수와 함께 재혼합하여 분쇄한다.

혼합된 시료는 PVA 수용액 등의 일반적인 결합제를 1중량%정도 첨가하여 1ton/㎠의 압력으로 가압성형하여 알루미나 기판 위에 올려놓고 1450~1500℃의 온도범위에서 2 시간동안 소결한다.

소결시에는 결합제 등 유기물의 휘발을 위하여 600℃에서 1 시간 동안 유지하며 승온 및 냉각속도는 300℃/hr을 유지한다.

소결체는 양면에 백금 페이스트를 스크린 인쇄하여 전극을 형성하고 백금선으로 단자선을 부착하여 1250℃에서 30분간 열처리한 후 1000℃에서 10 시간동안 재열처리한다.

시편의 전기적 특성은 소형 전기로 안에 넣고 500℃에서 1000℃ 온도구간에서 2 단자법으로 저항을 측정하며 이때 온도는 3℃/분의 속도로 변화시킨다.

한편, B 정수는 다음식에 의해 계산된다.

표 1은 상기 방법으로 제조한 일리메나이트계 고온용 써미스터의 조성비에 따른 전기적 특성의 결과를 나타낸 도표이며, 이 표에서 조성비는 중량 %이고 비저항은 800℃에서 측정한 값으로 ohm·㎝이며 B 정수는 °K로 나타낸 것이다.

[표 1]

표 1에 나타난 바와 같이, 반도체 특성을 갖는 티탄산니켈을 기본으로 하여 절연체 특성의 티탄산마그네슘(MgTiO₃)을 80중량%까지 첨가함에 따라 800℃에서의 비저항값은 점차 증가하는 반면, B 정수는 약간 증가하다 감소함을 알 수 있다.

한편, 여기에 산화크롬을 40중량% 까지 첨가하는 경우 산화크롬이 증가됨에 따라 비저항값과 B 정수는 급격히 감소함을 볼 수 있으며, 산화크롬이 증가됨에 따라 소결특성이 점차 저하되므로 40 중량% 이상을 첨가할 경우 양호한 고온용 써미스터 소자를 제조하기 어렵다.

따라서, 이를 고려하여 이상의 세가지 성분을 조합함으로써 적당한 저항값과 5,000~10,000 정도의 B정수를 갖는 신뢰성 높은 양질의 고온용 써미스터 조성물을 제공할 수 있다.

제1도는 표 1을 근거로 하여 바람직한 고온용 써미스터를 제조할 수 있는 세가지 성분의 조성범위를 나타낸 조성도로서, 티탄산니켈(NiTiO₃)이 0~90 중량%, 티탄산마그네슘(MgTiO₃)이 10~80 중량%, 산화크롬(Cr₂O₃)이 0~40 중량%의 범위내에서 그 합이 100이 되도록 조성되는 것이 바람직함을 나타낸다.

한편, 제2도는 본 발명에 따른 일리메나이트계 고온용 써미스터의 저항-온도 특성을 나타낸 그래프로서, 표 1의 조성물 중에서 선택한 것이며, 공히 1000℃ 이하의 온도범위에서 넓은 범위의 비저항값을 갖는 것을 알 수 있다.

이상, 상기 내용은 바람직한 일 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.

따라서 본 발명에 따르면, 1000℃이하의 고온 범위에서 안정된 결정구조와 적당한 저항값 및 5000~10000 범위의 B 정수를 갖는 고온용 써미스터 조성물을 제공함으로써 자동차 및 각종 엔진, 보일러 등 산업용 설비의 배기온도 검출 및 제어에 적용하여 신뢰성을 향상시키는 효과를 가져올 수 있다.

Claims (1)

1. (a)티탄산니켈(NiTiO₃) + (b)티탄산마그네슘(MgTiO₃) + (c)산화크롬(Cr₂O₃)계를 기본조성으로 하여 중량 %로 각각 0≤a≤90, 10≤b≤80, 0≤c≤40 의 범위에서 a+b+c 가 100이 되는 일리메나이트계 고온용 써미스터 조성물.