KR100324098B1 - Ｎｔｃ 써미스터 및 칩형의 ｎｔｃ 써미스터 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 NTC 써미스터는 전기 절연성 기판; 상기 전기 절연성 기판의 표면 상에 형성되고 LaCoO3등의 희토류 원소(rare earth elements)의 산화물을 주성분으로 적어도 50중량%를 함유하고 있는 감온 저항막; 및 상기 감온 저항막과 전기적으로 접속되고 서로로부터 떨어져 있게 배설된 한 쌍의 전극을 구비하고 있다. 또한, 본 발명의 칩형의 NTC 써미스터는 상술한 구성에 더하여, 대응하는 표면 전극에 각각 전기적으로 접속되고, 대응하는 각 단부에 한 쌍의 외부 전극을 형성함으로써 얻게 된다.

Description

ＮＴＣ 써미스터 및 칩형의 ＮＴＣ 써미스터{NTC Thermistors and NTC Thermistor Chips}
본 발명은 부온도 계수(negative temperature coefficient: NTC) 써미스터에 관한 것으로, 보다 상세히하면, 전기 절연성 기판 상에 박막(thin-film) 형성방법 또는 후막(thick-film) 형성방법에 의해 감온 저항막(temperature-sensitive film)이 형성된 소위 말하는 막타입(film type)의 NTC 써미스터에 관한 것이다.
온도 감지와 온도 보상의 용도로 NTC 써미스터가 광범위하게 사용되고 있다. 예를 들어, 일본 특개소 64-50501호 공보에는, 온도 감지 등의 용도로 NTC 써미스터를 사용하는 경우에 응답성을 향상시키기 위해서, 전기 절연성 기판 상에 고주파 스퍼터링(sputtering) 공정에 의해 감온 저항막이 형성되는 막타입의 NTC 써미스터가 개시되어 있다.
도 6은 종래 막타입의 NTC 써미스터의 일례를 도시한다.
이 NTC 써미스터는 전기 절연성 재료로 구성되는 전기 절연성 기판(이하에서는 간단하게 '기판'이라 한다) 51, 기판 51의 표면에서 써미스터 재료로 구성된 감온 저항막('써미스터 막') 52 및 감온 저항막 52의 표면에 형성된 한 쌍의 전극('표면 전극') 53을 구비하고 있다.
이러한 막타입의 NTC 써미스터는, 전체적으로 써미스터 재료로 구성된 써미스터 부재 상에 전극이 형성되는 온도 감지용 써미스터 소자를 구비하고 있는 것을 특징으로하는 소위 말하는 벌크 타입(bulk type)의 NTC 써미스터와 비교하여, 요구되는 써미스터 재료의 사용량이 한층 더 줄어들고, 열용량이 작기 때문에 온도 감지용 NTC 써미스터의 가장 중요한 특성인 응답 시간이 대폭으로 향상될 수 있다는 이점이 있다.
그러나, 종래 막타입의 NTC 써미스터를 구성하기 위해서, 벌크 타입의 NTC 써미스터의 제작에 사용하는 Mn, Ni, Co, Fe, Cu 등의 천이(遷移: transition) 금속의 산화물을 함유하고 있는 써미스터 재료가 감온 저항막의 형성에 사용되었다. 이러한 재료는 일반적으로 500Ω㎝ 이상의 비저항을 가지고 있다. 원하는 저항치를 가지고 있는 벌크 타입의 NTC 써미스터를 이러한 써미스터 재료로 얻을 수는 있지만, 이러한 써미스터 재료가 도 6에 도시된 바와 같은 막타입의 NTC 써미스터의 제작에 사용되는 경우에는, 종래 벌크 타입의 NTC 써미스터와 비교하여, 저항치가 높아진다는 문제점이 있다.
이러한 문제점에 비추어서, 상술한 일본 특개소 64-50501호 공보에서는, 고주파 스퍼터링 방법에 의해 막을 형성한 다음에 이 막을 산화 가스 분위기 중에서 플라즈마(plasma) 공정에 의해 산화시키는 방법이 개시되어 있다. 이 제작방법에서는, 막을 형성한 다음에 플라즈마 공정을 행하기 위해서 추가 설비가 필요하고, 제작 공정이 전체적으로 길어진다는 단점이 있다.
또한, 일본 특개소 63-266801호 공보에서는 감온 저항막의 상하 양면에 전극을 형성하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이렇게 구성된 써미스터의 경우, 감온 저항막의 두께가 극히 박막이고, 서로로부터 떨어져 있는 전극들 사이의 거리가 이 막의 두께와 동일하므로, 단락 등의 문제점이 발생할 가능성이 있다.
그러므로, 본 발명의 목적은 상술한 문제점들에 비추어보아, 온도 감지에서의 응답 속도가 빠르고, 저항치가 낮은 신뢰성이 높은 NTC 써미스터를 제공하는 것이다.
도 1a는 본 발명의 제 1 구현예에 따른 칩형의 NTC 써미스터의 단면도이고, 도 1b는 그의 외관을 도시하는 사시도(부분 단면도)이다.
도 2는 본 발명의 제 1 구현예에 따른 NTC 써미스터와 비교 샘플의 NTC 써미스터의 방치 시험에서 저항치 변화율과 방치 시간간의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 제 2 구현예에 따른 칩형의 NTC 써미스터의 단면도이고, 도 3b는 그의 외관을 도시하는 사시도(부분 단면도)이다.
도 4a는 본 발명의 제 3 구현예에 따른 칩형의 NTC 써미스터의 단면도이고, 도 4b는 그의 외관을 도시하는 사시도(부분 단면도)이다.
도 5a는 본 발명의 제 4 구현예에 따른 칩형의 NTC 써미스터의 단면도이고, 도 5b는 그의 외관을 도시하는 사시도(부분 단면도)이다.
도 6은 종래의 막 타입의 NTC 써미스터의 한 예를 도시하는 단면도이다.
<도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명>
1 기판(전기 절연성 기판)
2 감온 저항막(써미스터 막)
3 표면 전극
4 소자
5 외부 전극
6 절연성 코팅재(글래스 코팅재)
상기 및 그 외의 목적을 달성가능하게 하는 본 발명의 구현예들에 따른 NTC 써미스터는 전기 절연성 기판; 상기 전기 절연성 기판의 표면 상에 형성되고 LaCoO3등의 희토류 원소(rare earth elements)의 산화물을 주성분으로 적어도 50중량%를 함유하고 있는 감온 저항막; 및 상기 감온 저항막과 전기적으로 접속되고 서로로부터 떨어져 있게 배설된 한 쌍의 전극을 포함하고 있는 특징이 있다.
본 발명의 구현예들에 따른 칩형의 NTC 써미스터는 상술한 구성에 더하여, 대응하는 표면 전극에 각각 전기적으로 접속되고, 대응하는 각 단부에 한 쌍의 외부 전극을 더 형성함으로써 얻게 된다.
본 발명의 막 타입의 NTC 써미스터를 상술한 바와 같이 형성함으로써, 본 발명의 막 타입의 NTC 써미스터는 Mn, Ni, Co, Fe, Cu 등의 천이금속의 산화물를 사용하여 구성된 종래의 벌크 타입의 NTC 써미스터에 비해서, 응답 속도를 대폭으로 향상시킬 수 있고, 종래 벌크 타입의 NTC 써미스터와 동등하게 낮은 저항치를 실현시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 NTC 써미스터가 저항치 변화율이 낮추어질 수 있는 신뢰성이 높은 써미스터라는 것을 방치시험을 통해서 알 수 있다.
이하, 본 발명을 구현예를 통해서 상세히 기술할 것이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 제 1 구현예에 따른 칩형의 NTC 써미스터를 도시한다.
이 NTC 써미스터는 전기 절연성 재료로 구성된 전기 절연성 기판('기판') 1; 기판 1의 표면에 형성된 감온 저항막('써미스터 막') 2; 써미스터 막 2의 표면 상에서 이하에서 소자 4라고 명명하는 부품과 함께 형성되는 한 쌍의 전극('표면 전극') 3; 소자 4의 양 단부에서 대응하는 표면 전극 3과 각각 전기적으로 접속되도록 배설된 한 쌍의 외부 전극 5; 및 써미스터 막 2 및 표면 전극 3의 표면을 피복하는 전기 절연성 코팅재 6을 구비하고 있다. 도 1b에서는 써미스터 막 2 및 표면 전극 3의 측면이 외부에 노출되는 일례를 도시하고 있지만, 절연성 코팅재 6으로 감온 저항막 2 및 표면 전극 3의 측면이 외부에 노출되는 것을 방지하도록 피복하여도 된다. 사실상, 외부 전극 5가 형성된 부분을 제외하고 칩형의 NTC 써미스터의 노출된 외면의 전면을 절연성 코팅재 6으로 피복하는 것이 가능하다.
이러한 NTC 써미스터는 다음과 같이 형성된다.
먼저, 전기 절연성 기판 1로서 알루미나 기판을 제공한다. 다음으로, 기판 1상에, La와 Co를 함유하고 있는 희토류 천이원소의 산화물, 예를 들어 LaCoO3를 주성분으로하여 50중량% 이상 함유한 성형체를 고주파 스퍼터링 장치를 사용하여 스퍼터링 공정을 행하여 써미스터 막 2를 형성한다. 이 고주파 스퍼터링 공정은 Ar 분위기, 500℃의 기판 1의 온도, 800W의 고주파 전기 전력 및 3㎛/H의 성막 속도의 조건하에서 시행될 수 있다. 다음으로, 300∼1000℃의 온도 범위 내에서 선택된 온도에 적당한 시간 동안 열처리를 시행함으로써, 써미스터 막 2의 결정성을 향상시키고, 막을 안정화 시킨다. 다음으로, 상술한 바와 같이 제작된 써미스터 막 2가 형성된 기판 1 상에 전극이 형성된다. 기판이 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 각개의 소자 4로 절단되어 분할될 때, 이 전극은 상호 대향하여 마주보고 있는 한 쌍의 표면 전극 3이 된다.
본 구현예에서는, 박막의 Ag 전극을 형성하기 위해서 은 타겟을 사용하여 스퍼터링 공정을 시행하는 것이 가능하다. 기판 1를 적당한 위치에서 절단하여 각개의 소자 4를 얻은 다음에, 각개의 소자 4의 양 단부에 외부 전극 5가 한 쌍의 표면 전극 3과 각각 대응하여 전기적으로 접촉하는 관계가 이루어지게 형성된다. 각 외부 전극 5는 평면 기판 1의 상호 대향하여 마주보고 있는 측면에 형성될 뿐만 아니라, 이 측면과 인접하는 상하면의 일부에까지 걸쳐서 연속적으로 형성된다.
다음으로, 써미스터 막 2 및 표면 전극 3을 보호하기 위해서, 써미스터 막 2 및 표면 전극 3의 표면을 전기 절연성 글래스 코팅재 6으로 피복하고, 이에 의해 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같은 NTC 써미스터를 얻게 된다.
이렇게 제작된 NTC 써미스터에 있어서, 써미스터 막 2의 비저항 및 NTC 써미스터의 저항치를 측정하는 실험을 시행하였다. 또한, 방치 시험을 실행하여, 고온하에서 제작품의 신뢰성을 검사하였다.
이러한 시험 및 실험을 위해서, 종래의 벌크 타입의 NTC 써미스터의 제작에 사용되는 종류의 써미스터 재료를 사용하여 비교 샘플을 제작하여, 막타입의 NTC 써미스터를 얻었다. 이 비교 샘플들은, 상기 본 발명의 구현예에 따른 시험 샘플의 제작과 유사하게 먼저 알루미나 기판을 제공하였다. 다음으로, 스퍼터링 타켓으로서 Mn, Ni, Co의 산화물을 함유하고 있는 종래의 써미스터 재료에 고주파 스퍼터링 장치를 사용하여, Ar 분위기, 500℃의 기판 온도, 800W의 고주파 전기 전력 및 3㎛/H의 성막 속도의 조건하에서 스퍼터링을 시행하여 써미스터 막을 형성하였고, 300∼1000℃의 온도 범위 내에서 선택된 온도에 적당한 시간 동안 열처리를 시행하였다. 그 후에, 또 다른 스퍼터링 공정을 시행하여 써미스터 막이 형성된 기판 상에 표면 전극이 되는 전극을 형성하였다. 그 다음에, 상술한 본 발명의 구현예에 따른 NTC 써미스터의 제작을 참조하여 외부 전극를 형성하고, 글래스 코팅을 실시하였다.
이 비교 실험을 통해서, 비교 샘플에서는 써미스터 막의 비저항이 2000Ω㎝ 이상인 것에 반하여, 본 발명의 구현예에 따른 NTC 써미스터에서는 약 100Ω㎝ 정도라는 것을 확인하였다. 또한, 써미스터 막의 두께가 동일하고, 표면 전극의 치수 및 위치 관계가 동일한 경우에, 비교 샘플의 경우에는 실현이 어렵지만, 1㏀∼10㏀의 범위에서 저항치를 가지고 있는 온도 감지용의 NTC 써미스터를 본 발명의 구현예 따른 NTC 써미스터로는 용이하게 실현시킬 수 있다는 것을 확인하였다.
도 2는, 종래 비교 샘플의 경우에서는 시간이 연장됨에 따라서 저항치의 변화율이 커지는 반면에, 본 발명의 NTC 써미스터는 샘플들이 연장된 시간 동안에 고온의 조건하에 방치되더라도 저항치가 실질적으로 변하지 않는 안정적이고, 신뢰성이 높은 NTC 써미스터라는 것을 나타내는 방치 시험의 결과를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제 2 구현예에 따른 칩형의 NTC 써미스터를 도시한다.
이 칩형의 NTC 써미스터는 먼저 기판 1의 상면의 양단부에 한 쌍의 표면 전극 3을 형성하고, 그 다음으로 기판 1의 상면의 중간부 상에서 한 쌍의 표면 전극 3과 접속되게 써미스터 막 2를 형성함으로써 제작된다. 기판 1(소자 6)의 상호 대향하여 마주보고 있는 측면 상에서 외부 전극 5가 대응하는 표면 전극 3과 각각 전기적으로 접속되게 형성되고, 써미스터 막 2 및 표면 전극 3의 표면 전체를 절연성 글래스 코팅재 6으로 피복한다. 상술한 제조 방법에서, 써미스터 막 2 및 외부 전극 5의 형성 순서를 바꾸어도 된다. 각 구성성분들의 재료는 본 발명의 상술한 제 1 구현예를 참조하여 제 1 구현예의 구성성분들의 재료와 동일하다. 제작 공정의 각 단계도 또한 유사하게 시행될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제 3 구현예에 따른 칩형의 NTC 써미스터를 도시한다.
이 칩형의 NTC 써미스터는 도 1a, 도 1b, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 본 발명의 상술한 제 1 및 제 2 구현예와는, 써미스터 막 2 및 한 쌍의 표면 전극 3이평면 기판 1의 상하 양면에 형성된다는 것이 다르다. 기판 1(소자 4)의 상호 대향하여 마주보고 있는 양 측면 상에 외부 전극 5가 표면 전극 3과 대응 관계를 유지하면서 전기적으로 접속되어 있고, 기판 1의 상하 양면에 있는 써미스터 막 2 및 표면 전극 3을 글래스 코팅재의 절연층 6으로 피복한다. 본 발명에 따른 칩형의 NTC 써미스터는 상술한 제조 방법과 유사한 방법으로 제작될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 외부 전극을 구비하고 있지 않아서 보다 간단한 구성을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 본 발명의 제 4 구현예에 따른 칩형의 NTC 써미스터를 도시한다.
기판 1의 상면 전면에 걸쳐서 써미스터 막 2를, 기판 1의 상면의 양 단부에 상호 떨어져 있는 한 쌍의 표면 전극 3을 형성하고, 기판 1의 상면의 중간부를 표면 전극 3이 아니라 글래스 코팅재의 전기 절연층 6으로 피복하여, NTC 써미스터를 제작한다.
이 구현예는, 사용하고자 하는 목적에 맞추어서 간단한 구성의 칩형의 NTC 써미스터를 사용할 수 있어서, 제조 공정을 간단화시킬 수 있고 재료 비용도 절감할 수 있다는 것을 보여준다.
물론 말할 필요도 없이, 본 발명의 제 1, 제 2 및 제 3 구현예를 참조하여 상술한 제작 공정을 본 발명의 제 4 구현예에도 사용할 수 있다.
본 발명을 한정된 수의 실시예만을 참조하여 기술하였지만, 이 실시예들로 본 발명의 범위를 한정하려는 의도는 아니다. 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형 및 변화가 가능하다.
예를 들어, 기판의 전기 절연성 재료로 알루미나를 사용하지 않고, 기판 상에 전기 절연성 산화막이 형성된 실리콘 기판, 글래스 기판 및 그 외의 각종 기판 등을 목적에 맞게 사용할 수 있다. 써미스터 막을 형성하기 위한 스퍼터링 타겟으로서, La 및 Co를 함유하고 있는 희토류 천이원소의 산화물, 예를 들어 LaCoO3등의 소결 성형체를 구성하여 사용할 필요는 없다. 스퍼터링 공정을 위한 타겟으로서 이러한 성형체를 분쇄하여 얻은 분말을 동등하게 사용하여도 된다.
또한, 스퍼터링 공정에 의해서 써미스터 막을 형성할 필요는 없다. 본 발명에 따른 써미스터 막은, 알콕시드(alkoxide) 방법 등의 박막 형성방법, 써미스터 재료의 페이스트(paste)로 기판을 피복하고 이 기판을 소성시키는 등의 후막 형성방법, 또는 그 외의 각종의 방법들에 의해 형성될 수 있다. 표면 전극의 재료로 Ag을 사용할 필요는 없고, Pt, Pd 및 이들의 합금 등의 다양한 재료로 써미스터 막과 옴 접촉(ohmic contact)을 구성하는 것이 가능한 재료를 사용하여 표면 전극을 형성함으로써 유사한 효과를 얻게 된다.
본 발명의 도면에서는 직사각형의 표면 전극만을 도시하였지만, 본 발명이 이로만 한정되는 것은 아니다. 표면 전극은 주요부로부터 상호 서로간에 평행하게 돌출하는 핑거(fingers)를 가지고 있는 소위 말하는 빗 형상의 전극이어도 된다. 요약하면, 이것은 광범위하게 해석할 목적으로 기술되어 있다. 본 발명의 범위는 기판의 기하학적 형상 또는 써미스터 막의 패턴 등에 의해 한정되지 않는다는 것이 확실하다.
본 발명의 NTC 써미스터는 한 쌍의 전극들 사이를 접속시키는 LaCoO3를 함유하고 있는 써미스터 막을 가지고 있는 특징이 있다. 그 결과, 본 발명의 응답 속도는 Mn, Ni, Co, Fe 및 Cu 등의 천이금속의 산화물을 사용하는 종래의 벌크 타입의 NTC 써미스터와 비교하여 대폭으로 향상될 수 있다. 본 발명은 종래 벌크 타입의 NTC 써미스터에 의해 얻어지는 것과 동등한 낮은 저항치의 막타입의 NTC 써미스터를 제공하고, 고온 조건하의 방치시험에서도 비저항의 변화율을 낮출수 있다.

Claims (4)

  1. 표면을 가지고 있는 전기 절연성 기판;
    상기 전기 절연성 기판의 표면 상에 형성되고, LaCoO3를 적어도 50중량%를 함유하고 있는 감온 저항막; 및
    상기 감온 저항막과 각각 전기적으로 접속되고, 서로로부터 떨어져 있게 배설된 한 쌍의 전극을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 NTC 써미스터.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 감온 저항막은 부온도 계수를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 NTC 써미스터.
  3. 표면 및 서로 대향하고 있는 2개의 측면을 가지고 있는 전기 절연성 기판;
    상기 기판의 표면 상에 형성되고, LaCoO3를 적어도 50중량%를 함유하고 있는 감온 저항막;
    상기 감온 저항막과 각각 전기적으로 접속되고, 상기 기판 표면의 서로 간격을 두고 떨어져 있는 양쪽 끝 부분에 각각 서로 간격을 두고 떨어져 있게 형성된 한 쌍의 표면 전극; 및
    상기 표면 전극에 각각 전기적으로 접속되고, 상기 기판의 상기 양 측면에 각각 형성되는 한 쌍의 외부 전극을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 칩형의 NTC 써미스터.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 감온 저항막은 부온도 계수를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 칩형의 NTC 써미스터.
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