KR100225501B1 - 일리메나이트계 중온용 써미스터 조성물(material of ilimenite system thermistor using for middle temperature) - Google Patents

Abstract

본 발명은 일리메나이트계 중온용 써미스터 조성물에 관한 것으로, 종래의 중온용 써미스터는 사용온도영역이 좁고 결정구조가 불안정하여 신뢰성에 문제가 있으며, 급격히 증가되는 수요에 대응하기 위해서는 400℃ 이하의 온도범위에서 안정한 결정구조와 적당한 저항값 및 b정수를 갖는 중온용 써미스터의 개발이 요구되어 왔다.

본 발명은 (a)타탄산철(FeTiO₃)+(b)타탄산니켈(NiTiO₃)+(c)티탄산마그네슘(MgTiO)(Cr₂O₃)계를 기본조성으로 하여 중량 %로 1≤a≤90, 0≤b≤90, 1≤c ≤30의 범위에서 a+b+c가 100이 되는 일리메나이트계 중온용 써미스터 조성물을 제공함으로써, 전자렌지, 가스렌지, 가스오븐, 급탕기, 조리기 등 가정용 전기 및 가스기구나 반응조, 건조로 등에 적용하여 신뢰성을 향상시키는 효과를 가져올 수 있다.

Description

일리메나이트계 중온용 써미스터 조성물

본 발명은 일리메나이트계 써미스터 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 약 400℃ 이하의 중온에서 안정한 결정구조와 적당한 저항값 및 B정수를 갖는 일리메나이트계 중온용 써미스터 조성물에 관한 것이다. 금속산화물계 써미스터 소자는 전이금속화합물을 일정량씩 조합하여 만든 온도에 따라 전기저항이 지수함수적으로 감소하는 반도체로서 온도감지소자, 온도보상 및 조절소자, 전압조절용소자 그리고 각종 정밀측정 및 분석기기의 핵심소자로 이용되고 있다.

일반적으로 써미스터 소자는 사용온도에 따라 100℃ 이하의 상온용, 400℃ 이하의 중온용 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. 고온용 써미스터의 경우 자동차 및 각종 엔진, 보일러 등 산업용 설비의 배기온도검출 및 제어를 위하여 사용되고 있으며, 스핀넬계(Al₂O₃- CoO계 및 MgO-Al₂0₃계) ZrO₂계(ZrO₂- Y₂O₃계) 및 페로브스카이트계(BaO-TiO₂계) 등이 이용되고 있다.

한편, 전자렌지, 가스렌지, 가스오븐, 급탕기, 조리기 등 가정용 전기 및 가스 기구나 반응조, 건조로 등에 사용되는 중온용 써미스터는 산업기기의 중가로 그 수요가 급격히 늘어나고 있는 추세에 있으며, 높은 저항을 갖는 조성의 상온용 재료가 일부 이용되고 있다.

그러나 종래의 중온용 써미스터는 사용 온도영역이 좁고 결정구조가 불안정하여 신뢰성에 문제가 있으며, 급격히 증가되는 수요에 대응하기 위해서는 400℃ 이하의 온도범위에서 안정한 결정구조와 적당한 저항값 및 b정수를 갖는 중온용 써미스터의 개발이 요구되어 왔다.

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

이와같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 (a)티탄산철(FeTiO₃)+(b)티탄산니켈(NiTiO₃)+(c)타탄산마그네슘(MgTiO₃)계를 기본조성으로 하여 중량 %로 30≤a ≤100, 0≤b≤70, 0≤c≤50의 범위에서 a+b+c가 100이 되는 일리메나이트계 중온용 써미스터 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은 (a)티탄산철(FeTiO₃) + (b)티탄산니켈(NiTiO₃) + (c)티탄산마그네슘(MgTiO₃)계를 기본조성으로 하여 중량 %로 30≤a≤100, 0≤b≤70, 0≤c≤50의 범위에서 a+b+c=100, a+c=100이 되는 일리메나이트계 중온용 써미스터 조성물을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 (a)티탄산철(FeTiO₃) + (b)티탄산니켈(NiTiO₃) + (c)티탄산마그네슘(MgTiO₃)계를 기본조성으로 하여 중량 %로 30≤a≤80, 20≤b+c≤70 의 범위에서 a+b+c가 100이되는 일리메나이트계 중온용 써미스터 조성물을 특징으로 한다.

제1도는 본 발명에 따른 일리메나이트계 중온용 써미스터의 조성도.

제2도는 본 발명에 따른 일리메나이트계 중온용 써미스터의 저항-온도특성 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 금속 산화물에 적당한 금속 산화물을 산소 분위기 중에서 혼합 소결하고 이것에 저항성 전극을 부착한 것으로, T[°K]에서의 전기저항치 R과 온도계수 α는 근사적으로 하기의 식으로 주어진다.

여기서 R₀[Ω]는 T₀[°K]에서의 저항치로 B[°K]는 재료에 의한 정수이다. B는 써미스터의 특성으로 나타내는 중요한 양으로 B가 클수록 상기식에서 알수 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 중온용 써미스터는 통상적으로 널리 사용되는 산화물 혼합방법으로 용이하게 제조가 가능하다.

산화철(Fe₂O₃), 산화니켈(NiO) 및 산화마그네슘(MgO) 및 산화티탄(TiO₂)을 각각 티탄산철(FeTiO₃), 티탄산니켈(NiTiO₃), 티탄산마그네슘(MgTiO₃)의 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 화합물도가능하다.

즉, 혼합된 원료를 1000∼1100℃에서 2 시간동안 하소하여 합성한 후, 합성된 티탄산철(FeTiO₃), 티탄산니켈(NiTiO₃)을 티탄산마그네슘(MgTiO)과 함께 하기의 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/cm²의 압력으로 가압성형하여 알루미나 기판 위에 올려놓고 1350∼1400℃의 온도범위에서 2시간동안 소결한다.

소결시에는 결합제 등 유기물의 휘발을 위하여 600℃에서 1시간 동안 유지하며 승온 및 냉각속도는 300℃/hr을 유지한다. 소결체는 양면에 백금 페이스트를 스크린 인쇄하여 전극을 형성하고 백금선으로 단자선을 부착하여 1250℃에서 30분간 열처리한 후 600℃에서 10시간동안 재열처리한다. 시편의 전기적 특성은 소형 전기로 안에 넣고 100℃에서 500℃ 온도구간에서 2단자법으로 저항을 측정하며 이때 온도는 3℃/분의 속도로 변화시킨다.

한편, B정수는 다음식에 의해 계산된다.

표 1은 상기방법으로 제조한 일리메나이트계 중온용 써미스터의 조성비에 따른 전기적 특성의 결과를 나타낸 도표이며, 이 표에서 조성비는 중량 %이고 비저항은 250℃에서 측정한 값으로 ohm·cm이며 B정수는 °K로 나타낸 것이다.

표 1에 나타난 바와 같이, 반도체 특성을 갖는 티탄산철을 기본으로 하여 티탄산니켈, 티탄산마그네슘을 각각 70 중량%, 50 중량%까지 첨가함에 따라 250℃에서의 비저항값은 증가하고 있으며, B정수는 티탄산니켈의 경우 증가하다 감소함을 알 수 있다.

또한 절연체 특성을 갖는 티탄산마그네슘(MgTiO)을 첨가한 경우 티탄산니켈을 첨가하는 경우보다 조성에 따른 저항의 변화가 큼을 알 수 있다. 이러한 전기적 특성의 변화는 티탄산철에 티탄산니켈과 티탄산마그네슘을 동시에 첨가할 경우에도 동일한 경향을 볼 수 있다.

따라서, 티탄산철을 기본으로하여 티탄산니켈과 티탄산마그네슘을 조합하여 적당한 저항값과 B정수를 갖는 신뢰성 높은 양질의 일리메나이트계 중온용 써미스터 조성물을 제공할 수 있다.

제1도는 표 1을 근거로하여 바람직한 일리메나이트계 중온용 써미스터를 제조할 수 있는 세가지 성분의 조성범위를 나타낸 조성도로서, 티탄산철(FeTiO₃)이 30∼ 100 중량%, 티탄산니켈(NiTiO₃) 이 0∼70 중량%, 티탄산마그네슘(MgTiO₃)이 0∼ 50중량%의 범위내에서 조성되되, 티탄산철(FeTiO₃)과 티탄산니켈(NiTiO₃)이 합이 100중량%이며, 티탄산철(FeTiO₃)과 티탄산마그네슘(MgTiO₃)의 합이 100중량%가 되는 것이 바람직함을 나타낸다.

또한, 티탄산철(FeTiO₃)이 30∼80중량%, 티탄산니켈(NiTiO₃) + 티탄산마그네슘(MgTiO₃)이 20∼70 중량%의 범위내에서 조성되되, 티탄산철(FeTiO₃)과 티탄산니켈(NiTiO₃)과 티탄산마그네슘(MgTiO₃)의 합이 100중량%가 되는 것도 가능하다.

한편, 도2는 본 발명에 따른 일리메나이트계 중온용 써미스터의 저항-온도특성을 나타낸 그래프로서, 표 1의 조성물 중에서 선택한 것이며, 공히 400℃ 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, 400℃이하의 중간온도범위에서 안정된 결정구조와 적당한 저항값 및 B 정수를 갖는 중온용 써미스터 조성물을 제공함으로써 전자렌지, 가스렌지, 가스오븐, 급탕기, 조리기 등 가정용 전기 및 가스기구나 반응조, 건조로 등에 적용하여 신뢰성을 향상시키는 효과를 가져올 수 있다.

Claims (3)

1. (a)티탄산철(FeTiO₃)+(b)티탄산니켈(NiTiO₃)+(c)티탄산마그네슘(MgTiO₃)계를 기본조성으로 하여 중량 %로 30≤a≤100, 0≤b≤70, 0≤c≤50의 범위에서 a+b+c가 100이 되는 일리메나이트계 중온용 써미스터 조성물.
2. (a)티탄산철(FeTiO₃)+(b)티탄산니켈(NiTiO₃)+(c)티탄산마그네슘(MgTiO₃)계를 기본조성으로 하여 중량 %로 30≤a≤100, 0≤b≤70, 0≤c≤50 의 범위에서 a+b=100, a+c= 100이 되는 일리메나이트계 중온용 써미스터 조성물.
3. (a)티탄산철(FeTiO₃)+(b)티탄산니켈(NiTiO₃)+(c)티탄산마그네슘(MgTiO₃)계를 기본조성으로 하여 중량 %로 30≤a≤80, 20≤b+c≤70의 범위에서 a+b+c가 100이 되는 일리메나이트계 중온용 써미스터 조성물.