KR100564501B1 - Ｐｔｃ 특성을 갖는 합금 조성물 및 이를 이용한 ｐｔｃ소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 PTC 특성을 갖는 합금 조성물 및 이를 이용한 PTC 소자에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 온도상승시 결정 영역이 아모퍼스 상태로 변하면서 부피팽창이 수반되는 결정성 고분자 물질; 및 상기 결정성 고분자 물질과 혼합되고, 온도상승시 입자의 집합체가 하이(High)구조에서 로우(Low)구조로 변형됨과 아울러 상기 부피팽창에 의해 입자 간의 접촉상태가 분리되는 형상기억합금이 구비된 전도성 충진제;를 포함하는 PTC 합금 조성물이 개시된다.
또한, 본 발명에 의하면 온도상승시 결정 영역이 아모퍼스 상태로 변하면서 부피팽창이 수반되는 결정성 고분자 물질과, 상기 결정성 고분자 물질과 혼합되고 온도상승시 입자의 집합체가 하이구조에서 로우구조로 변형됨과 아울러 상기 부피팽창에 의해 입자 간의 접촉상태가 분리되는 형상기억합금이 구비된 전도성 충진제를 포함하는 PTC 물질층; 그리고 상기 PTC 물질층의 양면에 각각 접촉되는 제1전극 및 제2전극;을 포함하는 PTC 소자가 제공된다.
PTC, 결정성 고분자 물질, 형상기억합금, 카본블랙
Description
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 일반적인 PTC 조성물의 구성 및 작용을 도식화한 도면.
도 2는 전도성 충진제의 입자 집합체에 대한 하이구조와 로우구조의 예를 도시하는 구성도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 PTC 합금 조성물의 구성 및 작용을 도식화한 도면.
도 4는 도 3에 카본블랙을 첨가한 구성 및 그 작용을 도식화한 도면.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 PTC 소자의 구성을 도시하는 단면도.
<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>
100...결정성 고분자 물질 100a...아모퍼스 영역
100b...결정 영역 110...전도성 충진제
120...카본블랙 200a...제1전극
200b...PTC 물질층 200c...제2전극
본 발명은 정온도계수(Positive Temperature Coefficient; 이하 PTC)의 특성을 갖는 조성물 및 이를 이용한 PTC 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 온도상승시 PTC 조성물에 포함된 전도성 입자 간의 접촉상태에 대한 분리도가 촉진되어 저항특성이 향상되는 PTC 합금 조성물 및 이를 이용한 PTC 소자에 관한 것이다.
PTC 특성을 갖는 물질은 주위의 온도가 상승하거나 허용치 이상의 전류가 유입되어 자체적으로 발열될 경우 저항이 수백배 혹은 그 이상으로 급격히 상승하게 되므로 이를 이용하여 회로소자를 구성할 경우 온도상승시 폭발위험이 있는 리튬이온(Lithium-ion) 이차전지나 각종 회로를 보호할 수 있다.
도 1에는 일반적인 PTC 조성물의 작용원리가 도식화되어 있다. 도면을 참조하면, PTC 조성물은 아모퍼스 영역(Armophous area)(10a)과 더불어 결정 영역(Crystalline area)(10b)이 존재하는 결정성의 고분자 물질(10)에, 일반적으로 전도성 충진제(11)가 혼합된 구성을 갖는다.
이러한 PTC 조성물의 양면에 소정의 전극(20a,20b)을 구비한 후 일정치 이상의 전류를 공급하게 되면 PTC 조성물이 주울열 발생에 의해 상온상태로부터 고온상태로 변화하게 된다. 온도상승시 상기 고분자 물질은 결정 영역이 아모퍼스 상태가 되면서 부피팽창을 수반하게 되는데, 이때 전도성 충진제의 위치가 이동되어 연결상태가 도 1의 (b)와 같이 산발적으로(Sporadically) 끊어지면서 소자의 전체저항이 급격히 상승하게 된다.
PTC 조성물의 이상적인 저항특성을 위해서는 전도성 입자 간의 접촉부분들이 완전히 분리되어 높은 저항상태를 유지해야 하는데, 일반적인 조성물 내에는 전자의 호핑(Hopping)을 유도하여 저항을 떨어뜨리는 불완전 분리부(점선원 참조)가 산발적으로 존재하게 되므로 고저항 상태가 안정적으로 유지되지 않는 취약점이 있다.
전도성 입자들 간의 완전 분리부의 분포도를 높여서 PTC 조성물의 저항특성을 향상시키기 위한 종래의 방안으로는 고결정성 수지를 사용하는 방법, 전도성 입자의 함량을 줄이는 방법, 직경이 큰 단위입자로 이루어진 전도성 충진제를 사용하는 방법 등이 있다. 그러나, 고결정성 수지는 사용범위에 제약이 많은 것이 사실이고, 전도성 입자의 함량을 줄이거나 입도를 증대시키는 방법은 상온시 저항을 증가시키는 또 다른 문제를 유발하므로 바람직하지 않은 측면이 있다.
한편, 전도성 충진제의 형상은 PTC 조성물의 상온 및 고온 저항특성에 민감하게 영향을 끼치는 바, 단위입자의 크기가 작을수록 전기 전도도가 커지며, 단위입자들이 모여서 이루어진 집합체(Aggregate)의 구조(Structure)가 발달할수록 전기 전도도가 커지게 된다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 입자수와 중량은 동일하되 하이구조(High structure)와 로우구조(Low structure)로 구분되는 금속분말을 전도성 충진제(11)로 투입할 경우 도 2의 (a)에 도시된 하이구조 쪽이 (b)의 로우구조에 비해 상대적으로 단위체적 내에서 입자 간의 접촉확률이 높아 전기 전도도가 향상된다.
본 발명은 이상과 같은 점을 고려하여 창안된 것으로서, 자기형상을 기억하되, 상온상태에서는 하이구조를 갖고 온도상승시에는 로우구조로 변형되는 입자 집합체를 갖는 전도성 충진제를 구비하여 저항특성이 향상되는 PTC 합금 조성물 및 이를 이용한 PTC 소자를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 PTC 합금 조성물은, 온도상승시 결정 영역이 아모퍼스 상태로 변하면서 부피팽창이 수반되는 결정성 고분자 물질; 및 상기 결정성 고분자 물질과 혼합되고, 온도상승시 입자의 집합체가 하이구조에서 로우구조로 변형됨과 아울러 상기 부피팽창에 의해 입자 간의 접촉상태가 분리되는 형상기억합금이 구비된 전도성 충진제;를 포함한다.
바람직하게 상기 형상기억합금은 플레이크 또는 분말 형태로 구비될 수 있다.
상기 전도성 충진제에는 카본블랙이 더 포함될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 온도상승시 결정 영역이 아모퍼스 상태로 변하면서 부피팽창이 수반되는 결정성 고분자 물질과, 상기 결정성 고분자 물질과 혼합되고 온도상승시 입자의 집합체가 하이구조에서 로우구조로 변형됨과 아울러 상기 부피팽창에 의해 입자 간의 접촉상태가 분리되는 형상기억합금이 구비된 전도성 충진제를 포함하는 PTC 물질층; 그리고 상기 PTC 물질층의 양면에 각각 접촉되는 제1전극 및 제2전극;을 포함하는 PTC 소자가 제공된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 PTC 합금 조성물의 구성과 작용이 도식화되어 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 PTC 합금 조성물은 결정성 고분자 물질(100)과, 형상기억합금(Shape Memory Alloy)이 구비된 전도성 충진제(110)를 포함한다.
결정성 고분자 물질(100)은 아모퍼스 영역(100a)과 더불어 결정 영역(100b)이 존재하는 고분자 물질로서 예컨대, 저밀도폴리에틸렌 (LDPE)이나 고밀도폴리에틸렌(HDPE)가 채용될 수 있으며, 그밖에 다양한 공지의 물질이 사용 가능하다. 상기 결정성 고분자 물질(100)은 온도상승시 결정 영역(100b)이 아모퍼스 상태로 변하면서 부피팽창이 수반되는 특징을 갖는다.
상기 결정성 고분자 물질(100)과 혼합되는 전도성 충진제(110)는 온도상승시 입자 간의 접촉점이 많은 하이구조(High structure)에서 접촉점이 줄어드는 로우구조(Low structure)로 변형됨과 아울러 상기 결정성 고분자 물질(100)의 부피팽창에 의해 입자들의 위치가 이동하여 입자 간의 접촉상태가 분리되는 형상기억합금이 구비된다. 형상기억합금은 자기형상을 기억하는 특성이 있으므로 온도가 하강하여 상온이 되면 다시 하이구조로 형상이 변화된다. 이러한 형상기억합금으로는 금(Gold)이나 은(Silver)과 같은 귀금속을 주성분으로 하는 합금이나, 13족 원소를 주성분으로 하는 합금, 티타늄-니켈을 주성분으로 하는 합금 등이 사용될 수 있으며, 바람직하게 플레이크(Flake)나 분말(Power) 형태로 가공된 것이 사용될 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 PTC 합금 조성물은 온도상승시 도 3의 (b)에 나타난 바와 같이 형상기억합금으로 이루어진 전도성 충진제(110)가 로우구조로 변형됨과 아울러 결정성 고분자 물질(100)의 부피팽창에 따른 입자 이동에 의해 전도성 충진제(110)의 연결구조가 전영역에 걸쳐 완전히 분리된다.
바람직하게, 본 발명은 도 4에 도시된 바와 같이 전도성 충진제(110)에 카본블랙(120)과 같은 금속분말을 더 첨가하여 상온에서의 저저항 특성 및 고온에서의 고저항 특성을 보다 향상시킬 수 있다.
도 5에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 PTC 소자의 구성이 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명은 전도성 충진제(110)로서 형상기억합금이 구비된 소정 두께의 PTC 물질층(200b)과; 상기 PTC 물질층(200b)의 일면에 접촉되는 제1전 극(200a)과; 상기 PTC 물질층(200b)의 타면에 접촉되는 제2전극(200c);을 구비한다.
상기 제1전극(200a) 및 제2전극(200c)은 바람직하게 구리나 니켈을 주성분으로 하는 금속판으로 형성될 수 있다.
상기 제1전극(200a)과 제2전극(200c) 사이에 개재되는 PTC 물질층(200b)은 결정성 고분자 물질(100)과, 형상기억합금이 구비된 전도성 충진제(110)의 혼합체로서 전술한 본 발명의 PTC 합금 조성물이 동일하게 채용된다.
따라서, 상기 제1전극(200a), PTC 물질층(200b) 및 제2전극(200c)을 순차적으로 통과하는 전류가 일정치 이상으로 증가하게 되면, 주울열 발생에 따른 온도상승에 의해 상기 PTC 물질층(200b)을 이루는 형상기억합금의 입자 집합체가 하이구조에서 로우구조로 변형됨과 아울러 결정성 고분자 물질(100)의 부피팽창에 의해 전도성 입자 간의 연결상태가 분리되어 저항이 급격히 상승함으로써 전류의 흐름을 차단하게 된다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 발명에 의하면 전도성 충진제의 입자 집합체가 상온에서는 접촉점이 많은 하이구조를 갖는 한편, 온도상승시에는 로우구조로 변형되면서 입자 간의 분리동작 이 촉진되므로 PTC 저항특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 PTC 합금 조성물을 구성하는 전도성 충진제가 금속성분으로 형성되므로 상온에서의 저저항 특성이 향상되는 효과도 있다.
Claims (6)
- 온도상승시 결정 영역이 아모퍼스 상태로 변하면서 부피팽창이 수반되는 결정성 고분자 물질; 및상기 결정성 고분자 물질과 혼합되고, 온도상승시 입자의 집합체가 하이구조에서 로우구조로 변형됨과 아울러 상기 부피팽창에 의해 입자 간의 접촉상태가 분리되는 형상기억합금이 구비된 전도성 충진제;를 포함하는 PTC 합금 조성물.
- 제 1항에 있어서,상기 형상기억합금이 플레이크(Flake) 또는 분말(Power) 형태로 구비된 것을 특징으로 하는 PTC 합금 조성물.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 전도성 충진제에 카본블랙이 더 포함된 것을 특징으로 하는 PTC 합금 조성물.
- 온도상승시 결정 영역이 아모퍼스 상태로 변하면서 부피팽창이 수반되는 결정성 고분자 물질과, 상기 결정성 고분자 물질과 혼합되고 온도상승시 입자의 집합체가 하이구조에서 로우구조로 변형됨과 아울러 상기 부피팽창에 의해 입자 간의 접촉상태가 분리되는 형상기억합금이 구비된 전도성 충진제를 포함하는 PTC 물질 층; 그리고상기 PTC 물질층의 양면에 각각 접촉되는 제1전극 및 제2전극;을 포함하는 PTC 소자.
- 제 4항에 있어서,상기 형상기억합금이 플레이크(Flake) 또는 분말(Power) 형태로 구비된 것을 특징으로 하는 PTC 소자.
- 제 4항에 있어서,상기 전도성 충진제에 카본블랙이 더 포함된 것을 특징으로 하는 PTC 소자.
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