KR100370610B1 - 고전압 방전 저항체 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소와 글라스 프릿(Glass frit)를 주원료로 한 고전압 방전 저항체와 그 제조방법에 관한 것으로, 저항체의 사용 목적에 맞게 저항체를 제조하는데 필요한 원료분말들의 조성을 설계하는 저항체 조성설계 과정과, 상기 설계 조성에 맞게 원료분말들을 측량하는 원료분말 측량과정과, 측량한 원료분말들을 알콜과 함께 알루미나 볼을 충진한 습식 볼밀용 포트에 넣고 습식볼밀을 실시하는 습식볼밀 과정과, 상기 습식 볼밀용 포트내의 혼합 내용물을 동시에 회전 교반 및 열풍건조시키는 열풍/교반 건조 과정과, 교반 건조시킨 혼합분말에서 알콜을 증발시키는 건조과정과, 알콜이 증발된 혼합분말을 체질(sieving)하여 준비된 혼합분말을 가압 성형하는 체질 및 가압성형 과정과, 만들어진 성형체를 소정 온도에서 건조한후 질소 환경 소결로에 장입하여 소결하는 소결과정으로 이루어짐으로서, 저융점의 글라스 프릿을 선정함으로서 저온 소결을 가능하게 하고, 도전성 분말인 금속 파우더와 그라파이트 파우더의 소결시

Description

고전압 방전 저항체 및 그 제조방법{HIGH VOLTAGE DISCHARGE RESISTOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 고전압 방전 저항체에 관한 것으로, 특히 탄소와 글라스 프릿(Glass frit)를 주원료로 한 고전압 방전 저항체와 그 제조방법에 관한 것이다.

고전압 방전 저항기는 발전회로, 전기 집진장치, X-선 발생기, 초음파 장치, 충격전압 발생기, 고주파 회로장치 등의 대용량 전력 설비의 콘덴서 충방전용, 정류기 보호용, 서지 보호용, 접지저항용 등으로 사용되는 특수 저항기로, 용도상 고전력에 노출되므로 우수한 내전압성, 내열성, 에너지 흡수능이 요구된다.

과거 유사 저항기로 루테늄 산화물계 분말을 고분자계의 수지에 함침시켜 제조하여 왔으나 원료가 고가일 뿐 아니라 고전압에 사용될 경우 내전압성, 사용온도, 에너지 흡수능에 대한 한계를 보였다. 또한 일반적인 저항기인 피막(film) 저항기, 권선(Wire-wound) 저항기 등은 절연성 등의 문제로 고전압용으로는 사용이 불가능하다.

고전압 방전 저항기는 도전성 원료분말을 절연성이 좋은 세라믹 기지(Matrix)에 균일하게 분산시켜 요구되는 전기적인 특성을 갖게 하므로 "벌크(bulk) 세라믹 저항기"라 부르기도 하며, 구조상 유도성분이 적으므로 "비유도성(Non-Inductive) 저항기"라 부르기도 한다. 고전압 방전 저항기의 저항값은 도전성 원료분말의 함량을 변화시킴으로서 조절이 가능하며, 세라막 기지의 융점이 높으므로 저항기 자체의 발열에 대한 저항성이 우수하여 고온에서도 사용이 가능하다. 이러한 고전압 방전 저항기는 형태에 따라서 원판형과 원통형으로 나눌 수 있으며, 원판형은 디스크형과 워셔(Washer)형으로, 원통형은 실린더형과 튜브형으로 다시 세분된다. 최종 저항기의 형태들은 사용 용도에 따라 결정되어지며 일반적으로 고전압이 요구되는 곳에서는 원통형을, 고전력이 요구되는 곳에는 원판형을 많이 사용하고 있다. 현재 사용 가능한 고전압 방전 저항체의 저항범위는 비저항 기준으로 3 Ω-cm에서 1200 Ω-cm로, 도전성 원료분말로 사용되는 흑연, 카본 블랙(Carbon Black), 금속분말의 첨가량을 조절함으로써 제조가 가능하다.

고전압 방전 저항체는 원료분말의 혼합, 건조, 성형, 소결, 전극부착 및 부도성피막 코팅 등의 공정을 거쳐 제조된다. 이러한 제조공정중 원료분말의 혼합 및 소결공정은 고전압 방전 저항체의 특성에 큰 영향을 주는 공정이다.

한편 고전압 방전 저항체를 제조하기 위해 사용되는 원료분말에는 글라스 프릿(Glass frit), 산화물, 흑연, 카본 블랙, 금속분말 등과 바인더(Binder)가 있다. 이러한 원료분말들은 서로간의 밀도가 상이하고 분말 입도 역시 수 ㎛ 이하로 작아 원료분말의 혼합 중 중력 편석이 발생하여 동일한 조성에서도 상이한 저항치 값을 나타내기 쉽다. 또한 870℃ 이상의 고온에서 서형체를 소결할 경우 도전성 분말로 첨가된 흑연, 카본 블랙, 금속분말 등이 산화되어가스 혹은 금속산화물 등을 발생시켜 소정의 저항치를 나타내지 못하는 경우가 발생한다.

따라서 본 발명의 목적은 일반적으로 사용되어 온 루테늄 산화물계(Ruthenium oxide,)의 저항기, 피막 저항기, 권선 저항기 등에 비해 전기충격 흡수능력이 우수하며, 원재료의 가격도 낮은 탄소와 글라스 프릿을 주원료로 한 고전압 방전 저항체와 그 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 글라스 프릿과 산화물들의 기지 내에 흑연, 카본 블랙, 금속분말 등의 도전성 분말들의 혼합 조성범위를 결정하여 유용한 저항범위(3 Ω-cm∼1200 Ω-cm)를 갖는 고전압 방전 저항체와 그 제조방법을 제공함에 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고전압 방전 저항체 제조공정 흐름도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 저항체 규격 예시도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제1실험 결과로서 그라파이트와 카본 블랙 함량에 따른 비저항치 변화를 도시한 그래프.

도 4는 상기 제1실험시에 원료분말 함량과 그에 따른 저항 측정 결과표 예시도.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제2실험 결과 그래프.

도 6은 상기 제2실험에서의 저항 측정 결과 예시 표.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 고전압 방전 저항체 제조방법에 있어서,

저항체의 사용 목적에 맞게 저항체를 제조하는데 필요한 원료분말들의 조성을 설계하는 저항체 조성설계 과정과,

상기 설계 조정에 맞게 원료분말들을 측량하는 원료분말 측량과정과,

측량한 원료분말들을 알콜과 함께 알루미나 볼을 충진한 습식 볼밀용 포트에 넣고 습식볼밀을 실시하는 습식볼밀 과정과,

상기 습식 볼밀용 포트내의 혼합 내용물을 동시에 회전 교반 및 열풍건조시키는 열풍/교반 건조 과정과,

교반 건조시킨 혼합분말에서 알콜을 증발시키는 건조과정과,

알콜이 증발된 혼합분말을 체질(sieving)하여 준비된 혼합분말을 가압 성형하는 채질 및 가압성형 과정과,

만들어진 성형체를 소정 온도에서 건조한 후 질소 환경 소결로에 장입하여 소결하는 소결과정으로 이루어짐을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 글라스 프릿 30∼60wt.%, 알루미나() 40∼60wt.%,1∼8wt.%, 그라파이트와 카본 블랙중 어느 하나가 5∼15wt.%의 조성을 가지는 각 분말들을 알루미나 볼을 사용하여 볼밀 포트에 알콜과 함께 혼합한후 밀링기에서 12∼24시간 동안 볼밀을 행하고, 회전 교반기에서 교반 건조하여 건조된 분말을 체질한 후에 가압 성형 후 질소 가스 환경에서 소결하여 제조된 고전압 방전 저항체를 특징으로 한다.

이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 고전압 방전 저항체와 그 제조방법을 상세히 설명하기로 한다. 하기 설명 및 첨부 도면에서 습식볼밀 시간, 건조시간, 가압 성형압력 및 구체적인 처리 흐름 등과 같은 많은 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있다. 이들 특정 상세들 없이 본 발명이 실시될 수 있다는 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고전압 방전 저항체 제조공정 흐름도를 도시한 것이다. 다양한 조성변화에 따른 고전압 방전 저항체의 저항특성을 알아보기 위하여는 원료분말들을 다양하게 변화시켜가며 혼합할 필요가 있다. 이러한 경우 우선적으로 혼합 전 목적에 맞게 원료분말들의 조성을 설계(100단계)하여야 하며, 소수점 이하 3자리까지 측정 가능한 정밀전자저울을 이용하여 목표조성에 맞게 원료분말들을 측량(110단계)하여야 한다. 본 발명의 실시예에서는 원료분말로서 융점이 700℃이고 연화점이 562℃, 전이온도가 590℃인 저온용 글라스 프릿을 사용하였고, 그 조성을 ICP 분석을 이용하여 분석한 결과는 표 1과 같다.

			기타
3.35	8.16	76.7	11.79

또한 0.3㎛ 이하 입도의 알루미나, 4㎛이하 입도의 그라파이트(Graphite), 25㎚이하의 카본 블랙, 5㎛이하 입도의, 3㎛이하 입도의 Ni 분말을 원료분말로 사용하였다. 또한 바인더로서를 사용하였다.

한편 110단계에서 측량한 원료분말들을 알루미나 볼을 충진한 습식 볼밀용 포트에 넣고 고순도 에틸 알콜을 혼합매체로 충진한 후 12시간 동안 습식볼밀을 실시(120단계)한다. 습식볼밀후 즉시 밀폐된 포트를 개봉하여 혼합된 내용물을 교반기가 부착된 용기에 옮겨 담아 회전 교반 및 열풍 건조를 동시에 실시(130단계)한다. 이후 충분히 교반 건조시킨 혼합분말을 100℃로 유지된 건조로에 넣어 1시간 동안 유지 건조(140단계)시킴으로서 잔류 에틸 알콜을 증발시킨다. 이와 같이 준비한 혼합분말을 스탠더드 시이브 18메시(standard sieve 18mesh)의 체로 체질(sieving)(150단계)한다. 그리고 걸러진 혼합분말 60g을 40mmø의 금형에 주입후 3000Kgf/㎠의 가압력으로 1축 가압 성형(160단계)한다. 이때 성형되는 저항체 규격을 도 2에 도시하였다. 도 2에 도시한 바와 같은 규격의 성형체를 이후 100℃에서 2시간 동안 건조(170단계)시킨 후 질소환경의 소결로에 장입하여 700℃에서 1시간동안 소결(180단계)시킨다. 질소환경에서 소결을 실시할 경우 성형체 중에 탄소성분과 미량의 산소가 반응하여 소결체의 탄소성분이 소실될 수 있으므로 성형체를 소결로에 장입할 때 탄소 페이퍼를 이용하여 표면을 보호하는 것이 바람직하다.

한편 소결 완료후 100℃까지 소결체를 질소환경에서 노냉한후 상온에서 공냉시킨다. 그리고 이상과 같은 공정에 의해 준비된 소결체에 은 전극을 도포한후 동 전극판이 설치된 비저항 측정장비를 이용하여 각각의 저항체에 대한 비저항을 측정하여 특성평가(190단계)를 실시하면 본 발명의 실시예에 따른 고전압 방전 저항체의 제조공정이 완료되는 것이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제1실험 결과로서 그라파이트와 카본 블랙 함량에 따른 비저항치 변화를 도시한 그래프이며, 도 4는 상기 제1실험시에 원료분말 함량과 그에 따른 저항 측정 결과표를 도시한 것이다.

우선 본 발명의 제1실험에서는 도 4에 도시한 바와 같이 글라스 프릿 50wt.%, 알루미나() 49.5wt.%, Ni 0.4wt%의 조성으로 혼합 분말을 제조한후 그라파이트 분말과 카본 블랙 분말의 함량을 변화시켜 가면서 비저항 변화를 조사하기 위해 시험 저항체를 제조하여 저항을 측정하였다. 저항 측정을 위한 전극은 실버 페이스트(Silver paste)를 사용하였다. 시험 저항체 제조시 소결 온도는 700℃에서 1시간 동안 유지하였고 탄소 분말과 금속분말의 산화를 방지하기 위하여 질소()가스 환경에서 소결하였다.

상술한 조건과 방법으로 시험 저항체를 제조하여 저항 및 비저항을 측정한 결과가 도 3 및 도4에 각각 나타나 있다. 도 3과 도 4를 참조해 볼 때 카본 블랙 분말의 함량을 변화시킨 경우가 그라파이트 분말의 경우 보다 약간 완만한 경향으로 저항이 증가하는 것으로 나타나고 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제2실험 결과 그래프로서분말을 첨가한 저항체의 그라파이트 함량에 따른 비저항 변화를 도시한 것이며, 도 6은 상기 제2실험에서의 저항 측정 결과를 나타낸 것이다.

본 발명의 제2실험에서는 혼합 중량비를 글라스 프릿 30 : 알루미나() 53 :6으로 하여 고정하고, 그라파이트 분말을 9∼13.5 wt.%까지 변화시켜 40.7㎜, 두께 25.4㎜의 크기로 시험 저항체를 제조하여 비저항 및 저항을 측정하였다. 이러한 경우 시험 저항체의 규격은 도 2에 도시한 바와 같으며, 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이 본 발명의 제2실험에서도 그라파이트의 조성 범위를 가변할 경우에 그에 따라 저항치가 가변되는 것을 확인할 수 있었다.

따라서 본 발명은 글라스 프릿과 산화물들의 기지 내에 그라파이트, 카본 블랙, 금속 분말 등의 도전성 분말들의 혼합 조성범위를 결정하여 유용한 저항범위를 갖는 고전압 방전 저항체를 만들 수 있는 것이다.

한편 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 여러가지 변형이 본 발명의 범위내에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 이에 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위와 특허청구범위의 균등한 것에 의해 정하여져야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 저융점의 글라스 프릿을 선정함으로서 저온 소결을 가능하게 하고, 도전성 분말인 금속 파우더와 그라파이트 파우더의 소결시가스 혹은 금속산화물의 발생을 억제함으로서 소망하는 저항치를 얻을 수 있는 이점이 있으며, 글라스 프릿을 영구적 바인더로 사용하여 알루미나와 그라파이트 분말을 습식 볼밀법을 사용하여 혼합,건조하고 프레스로 가압 성형한후 소결하여 저항체를 제조하는 상압 소결법을 사용하므로 가압 소결법을 사용하는 제조법에 비해 높은 생산성을 가지는 장점이 있다.

Claims (4)

1. 고전압 방전 저항체 제조방법에 있어서,

   저항체의 사용 목적에 맞게 저항체를 제조하는데 필요한 원료분말들의 조성을 설계하는 저항체 조성설계 과정과; 상기 설계에 맞게 원료분말들을 측량하는 원료분말 측량과정과; 측량한 원료분말들을 알콜과 함께 알루미나 볼을 충진한 습식 볼밀용 포트에 넣고 습식볼밀을 실시하는 습식볼밀 과정과; 상기 습식 볼밀용 포트내의 혼합 내용물을 동시에 회전 교반 및 열풍 건조시키는 열풍/교반 건조 과정과; 교반 건조시킨 혼합분말에서 알콜을 증발시키는 건조과정과; 알콜이 증발된 혼합분말을 체질(sieving)하여 준비된 혼합분말을 가압 성형하여 성형체를 만드는 체질 및 가압성형 과정과; 상기 성형체를 소정 온도에서 건조한 후 질소 환경 소결로에 장입하여 소결하는 소결과정을 포함하며,

   상기 원료분말에는 그라파이트나 카본 블랙 중 하나, 저온용 글라스 프릿, 알루미나, Fe₂O₃가 포함되는 것을 특징으로 하는 고전압 방전 저항체 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 성형체를 소결로에 장입할 경우 탄소페이퍼를 이용하여 표면을 보호함을 특징으로 하는 고전압 방전 저항체 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 체질 및 가압성형과정에서의 성형압은 60∼100MPa임을 특징으로 하는 고전압 방전 저항체 제조방법.
4. 그라파이트와 카본 블랙 중 하나가 5∼15wt.%, 글라스 프릿 30∼60wt.%, 알루미나() 40∼60wt.%,1∼8wt.%의 조성을 가지는 각 분말들을 알루미나 볼을 사용하여 볼밀 포트에 알콜과 함께 혼합한후 밀링기에서 12∼24시간 동안 볼밀을 행하고, 회전 교반기에서 교반 건조하여 건조된 분말을 체질한 후에 가압 성형후 질소 가스 환경에서 소결하여 제조됨을 특징으로 하는 고전압 방전 저항체.