KR100604249B1

KR100604249B1 - 마이크로 퓨즈

Info

Publication number: KR100604249B1
Application number: KR1020040107925A
Authority: KR
Inventors: 김영선; 안규진; 강두원; 김미영; 손희권; 진상준
Original assignee: 스마트전자 주식회사
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2004-12-17
Publication date: 2006-07-28
Also published as: KR20060068964A

Abstract

본 발명은 마이크로 퓨즈에 관한 것으로, 특히 본 발명은 열전도도를 낮출 수 있도록 세라믹로드의 알루미나 함량을 20~50%로 줄임과 함께 퓨저블 엘리먼트층의 재료를 저전류에 의해서도 높은 열을 발생시킬 수 있도록 온도 계수가 대략 2,200ppm/℃ 이상의 물질로써, 고유 비 저항치가 대략 1.1×10-9Ωm ~ 1.3×10-9Ωm이며, 용융점이 약 450℃이하인 순수금속 또는 혼합물로 변경하여 퓨저블 엘리먼트층이 낮은 온도에서도 빨리 용단시킨다. 또한, 본 발명은 기존의 트리밍 회전수를 2~3턴으로 조정하고 트리밍 라인간의 간격을 500㎛이상으로 유지함으로써 저항치를 안정적으로 유지시켜 열이 특정 부위에 많이 발생하는 현상을 해소함과 동시에 열 평형성을 좋게 하여, 용단시간을 일정하게 할 수 있어 용단 특성을 향상시킨다.

이를 위해 본 발명의 마이크로 퓨즈는 과전류에 의해 용단되는 퓨징소자를 포함하고, 이 퓨징소자는 알루미나(Al2O3) 함량이 20%~50%인 세라믹 로드와, 이 세라믹 로드에 적층되는 니켈 크롬(NI-Cr)으로 이루어진 도전층과, 이 도전층에 증착되는 순수주석으로 이루어진 퓨저블 엘리먼트층과, 이 퓨저블 엘리먼트층 및 도전층을 함께 소정턴수 및 소정라인간격으로 나선형 커팅된 나선형커팅부를 포함한다.

Description

마이크로 퓨즈{MICRO FUSE}

도 1은 종래의 마이크로 퓨즈에 대한 사시도이다.

도 1 내지 도 2h는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 퓨즈의 제조과정을 단계별로 예시한 단면도이다.

*도면의 주요 기능에 대한 부호의 설명*

100 : 지지체 101 : 도전층

102 : 퓨저블 엘리먼트층 103 : 캡

104 : 나선형 홈 105 : 리드선

110 : 제 1구조물 120 : 제 2구조물

130 : 제 3구조물 140 : 제4구조물

본 발명은 전자회로에서 과전류 발생시 회로 내의 부품이 소손되지 않도록 내부의 가용체가 용단되어 전류 흐름을 차단함으로서 회로를 보호하는 마이크로 퓨즈에 관한 것이다.

일반적으로, 텔레비전, 비디오 등과 같은 전자제품의 전원입력단에는 낙뢰 등의 원인으로 과전류 유입시 회로를 단선시켜 회로의 소손 및 기판의 화재발생을 예방하도록 마이크로 퓨즈가 설치되어 있으며, 이 마이크로 퓨즈는 과부하 등의 이상시 용단(勇斷) 특성에 의해 회로 차단기로서 작용한다.

이 마이크로 퓨즈는 일예로, 퓨즈저항기의 형태로 한국 공개특허공보 특2002-0078649호에 개시되어 있다.

상기한 퓨즈저항기는 고순도의 세라믹 로드(알루미나 함량이 약 68% 이상)에 탄소, 주석-니켈, 니켈-크롬 등의 화합물로 이루어진 도전층을 증착하고, 이 도전층에 퓨저블 엘리먼트(Fusible Element)층으로서 구리층을 형성하여 그 표면에 원하는 저항값에 맞게 트리밍(trimming)이라고 불리는 나선형 커팅을 수행한 후 양단에 각각 캡과 리드와이어를 설치함으로서 형성된다.

상기한 퓨즈저항기는 퓨저블 엘리먼트층을 이루는 재료로서 다른 금속에 비하여, 고유비저항치는 상당히 낮으면서도 온도계수와 용융점이 상당히 높은 구리를 사용함으로서 정격전류가 10A 이상의 고전류화되더라도 안정적으로 흘릴 수 있으면서도 고전류 이상의 과전류에 의해서는 빠른 시간내에 안정적으로 용단될 수 있어 고전류를 사용하는 대형 TV, 모니터 등의 가전제품 등에 기존 퓨즈 대신에 사용되고 있다.

그러나, 최근에는 제품들이 소형화됨에 따라 저전력화되기 때문에 그 사용전류가 점차 저전류화되고 있는 추세에 있다.

따라서, 이러한 저전류 방식의 제품에 퓨즈 대신 퓨즈 저항기를 사용하기 위해서는 퓨즈저항기의 퓨저블 엘리먼트층이 2A 이하의 낮은 정격전류에서도 사용가 능하도록 보다 낮은 온도에서 빠른 시간 내에 안정적으로 용단될 수 있어야 한다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 퓨저블 엘리먼트층이 낮은 정격전류에 의해서도 높은 열을 발생시키도록 세라믹로드의 알루미나 함량과 퓨저블 엘리먼트층을 이루는 재료를 변경시켜 퓨저블 엘리먼트층이 낮은 온도에서도 빠른 시간안에 용단가능하게 할 수 있는 마이크로 퓨즈를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 나선형 커팅시의 트리밍 회전수 및 트리밍 라인간격을 조정하여 저항치를 안정적으로 유지시켜 열이 특정 부위에 많이 발생하는 현상을 해소함과 동시에 열 평형성을 향상시킴으로서 용단시간을 일정하게 할 수 있어 용단의 반복성 및 재현성을 향상시킬 수 있는 마이크로 퓨즈를 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 마이크로 퓨즈는 과전류에 의해 용단되도록 마련된 퓨징소자와, 상기 퓨징소자 양단부에 각각 배치되는 캡과, 상기 각각의 캡에 접속된 리드와이어를 구비하는 마이크로 퓨즈에 있어서, 상기 퓨징소자는 알루미나(Al2O3) 함량이 20%~50%인 세라믹 로드와, 상기 세라믹 로드에 적층되는 니켈 크롬(NI-Cr)으로 이루어진 도전층과, 상기 도전층에 증착되는 순수주석으로 이루어진 퓨저블 엘리먼트층과, 상기 퓨저블 엘리먼트층 및 도전층을 함께 소정턴수 및 소정라인간격으로 나선형 커팅된 나선형커팅부를 포함하는 것을 특징으 로 한다.

상기 나선형커팅부는 상기 퓨저블 엘리먼트층 및 도전층을 함께 길이방향으로 2~3회 턴수로 커팅 라인 간격이 500㎛ ~1500㎛ 으로 나선형 커팅된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 퓨즈는 과전류에 의해 용단되도록 마련된 퓨징소자와, 상기 퓨징소자 양단부에 각각 배치되는 캡과, 상기 각각의 캡에 접속된 리드와이어를 구비하는 마이크로 퓨즈에 있어서, 상기 퓨징소자는 알루미나(Al2O3) 함량이 20%~50%인 세라믹 로드와, 상기 세라믹 로드에 적층되는 니켈-크롬(NI-Cr)으로 이루어진 도전층과, 상기 도전층에 증착되는 순수주석으로 이루어진 퓨저블 엘리먼트층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 저전류에서도 용단가능한 퓨저블 엘리먼트층의 재료를 찾기 위한 실험결과, 마이크로 퓨즈의 정격 전류는 퓨저블 엘리먼트층의 전기저항과 밀접한 상관관계를 나타냈으며, 퓨저블 엘리먼트층의 전기저항치를 높일수록 정격 전류가 낮아짐을 알 수 있었다. 따라서, 정격 전류를 2A 이하의 저전류 수준까지 낮추기 위해서는 퓨저블 엘리먼트층의 전기저항을 높이도록 구리의 전기 비저항치인 1.7X10-8[Ωm]보다 상대적으로 높은 재료로서 퓨저블 엘리먼트층을 구성하게 된다면, 저전류에 의해서도 용단가능하다는 알 수 있었다.

또한, 실험결과, 마이크로 퓨즈의 용단특성은 퓨저블 엘리먼트층의 온도계수 및 용융점과 밀접한 상관관계를 나타났으며, 퓨저블 엘리먼트층의 온도계수가 대략 2000[ppm/℃]~4000[ppm/℃] 일 때, 온도상승에 따른 저항상승폭이 커지고, 이러한 저항상승은 다시 용단층의 빠른 온도상승으로 이어져 결국 용단층이 빨리 용단된다는 것을 알 수 있었습니다. 따라서, 온도계수가 대략 2000[ppm/℃]~4000[ppm/℃]인 재료이면서도 용융점이 대략 450℃이하인 순수금속 또는 혼합물(바람직하게는 순수금속)로써 퓨저블 엘리먼트층을 구성하게 된다면, 저전류에서도 빠른 시간안에 용단이 이루어지게 할 수 있다는 것을 알 수 있었다.

따라서, 퓨저블 엘리먼트층을 이루는 재료의 온도계수가 대략 2000[ppm/℃]~4000[ppm/℃]사이이며, 전기 비저항치인 1.7X10-8[Ωm]보다 상대적으로 높으며, 용융점이 대략 450℃이하인 물질로서 마이크로 퓨즈의 퓨저블 엘리먼트층을 구성하게 된다면, 2A 이하의 저전류에서도 가능하면서도 저전류에 의해서도 빠른 시간안에 안정적으로 용단시킬 수 있음을 알 수 있었다. 순수주석은 상기한 모든 조건을 만족하는 것을 알 수 있었다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 본 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.

도 1 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 퓨즈의 제조과정을 단계별로 예시한 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 봉 형상의 세라믹 로드(100) 표면상에 도전성 물질로 이루어진 도전층(101)을 적층한다. 도전성 물질로는 니켈 크롬(NI-Cr)을 사용할 수 있으며, 이는 예를 들면 종래의 퓨즈 저항기 제조 방법에서 사용되는 무전해 도금 방법으로 저항체 표면상에 적층된다. 이때, 알루미나 함량이 일예로, 68% 정 도인 고순도 세라믹로드는 열전도도가 0.010(cal/㎝＊sec＊℃)인 것에 반해 알루미나 함량이 일예로, 30% 정도인 저순도 세라믹로드는 열전도도가 0.005(cal/㎝＊sec＊℃)이하로 거의 2배가 차이가 나는 것을 알 수 있다. 따라서, 저순도 세라믹로드(100)는 고순도 세라믹로드에 비하여 열전도도가 약 2배 낮으므로, 열을 가두는 단열효과를 낼 수 있어 후술하는 퓨저블 엘리먼트층의 용단을 돕는다. 그러나 알루미나 함량이 낮은 제품은 열전도도가 낮아서 뒤에 형성될 도전층의 퓨징 특성을 결정하는데 중요한 역할을 하지만, 알루미나 함량이 너무 낮으면 세라믹로드의 강도가 낮아져 뒤에 형성될 도전층이 제대로 형성되지 않아 세라믹로드가 파손되는 문제가 발생하므로 20~50%정도를 유지하는 것이 바람직하다.

도전층(101)을 적층시킨 후, 도 2와 같이 도전층(101)의 표면상에 퓨징 특성을 갖는 퓨저블 엘리먼트층(102)을 적층한다. 본 실시 예에서, 퓨저블 엘리멘트층을 이루는 재료는 그 온도계수는 대략 2,200[ppm/℃] ~ 4000[ppm/℃]사이이며, 고유 비저항치가 대략 1.1×10-9[Ωm] ~ 1.3×10-9[Ωm]인 물질로 형성된다. 주석은 상기한 온도계수와 고유비저항치를 만족하면서도 용융점이 약 231.9℃로서 기존 구리로 이루어진 퓨저블 엘리먼트층의 용융점인 약 1083℃보다 훨씬 낮은 온도에서 용단된다. 퓨저블 엘리멘트층은 저항체에 과전류가 흐르는 경우에 발생하는 열에 의해서 용단되는 것이므로, 온도 계수가 높으면 전류 상승 시 발생하는 열로 인해 저항치가 상승하게 된다. 이로 인해 주울(Joule) 열에 의해 퓨저블 엘리멘트층의 온도가 용융점까지 상승되어 퓨저블 엘리멘트층이 용단된다. 이 때 앞서 언급되었던 기존의 고순도세라믹로드는 열전도도가 높아 이 세라믹로드의 열전도도에 의해 서 주울 열 손실이 발생하여 퓨저블 엘리멘트가 용단 온도에 도달하는데 걸리는 시간이 길어 용단되는 시간이 오래 걸릴 뿐만 아니라, 퓨저블 엘리멘트층 자체의 용융점이 높아 용단되는 시간이 더 길어진다. 그러나 열전도도가 낮은 저순도 세라믹로드의 경우 세라믹 로드에 의한 주울 열 손실이 적게 발생하여 퓨저블 엘리멘트층이 용융점에 빨리 도달하며, 퓨저블 엘리멘트층 자체의 용융점이 매우 낮기 때문에 빠른 시간에 용단된다. 또한 기존 제품은 용융점이 높고 세라믹 로드의 열전도도가 높아서 높은 온도에 용단 되므로 발열 되는 온도가 높다. 그러므로, 이런 기존 제품이 낮은 정격 전류 특성을 가지기 위해서는 높은 저항치를 가져야 하는데 이런 경우 너무 높은 저항치로 인해 기존 제품을 적용하는 제품의 에너지 손실이 너무 높으며, 이에 따라 마이크로 퓨즈로는 사용이 불가능하게 되어 기존 고순도 세라믹로드 및 기존 퓨저블 엘리멘트층을 이루는 재료로는 낮은 정격 전류 특성을 나타낼 수 없다. 하지만 열전도도가 낮은 저순도 세라믹로드 및 순수주석으로 이루어진 퓨저블 엘리먼트층은 이런 낮은 정격 전류 특성을 만족한다.

이러한 퓨저블 엘리먼트층(102)은 전해 도금 방법으로 도전층(101)의 표면상에 증착할 수 있다. 또 다른 방식으로서, 전해 도금 방법 이외에 스퍼터링 방법(sputtering) 등을 사용하여 퓨저블 엘리먼트층(102)을 세라믹로드(100)의 표면상에 직접 증착할 수도 있다. 이와 같이 전해 도금 방법을 사용하지 않고 퓨저블 엘리먼트층(102)을 적층하는 경우에는, 상기한 도전층(101)을 생략할 수 있다.

이상에서와 같이, 세라믹로드(100)에 2개의 층(101, 102)으로 형성하여 퓨징소자를 형성한 제 1구조물(110) 양단의 최종 초기 저항치는 각 층의 종류와 두께에 따라 정해지며, 본 실시예의 경우 대략 10mΩ 이하의 극저저항치를 형성하게 된다.

계속해서, 도 3에서와 같이 제 1구조물(110)의 양단을 캡(103)을 설치하여 제 2구조물(120)을 형성한다. 이 캡(103)을 통하여 퓨저블 엘리먼트층(102)은 외부와 전기적으로 연결될 수 있다.

이 후, 도 4와 같이 2개의 층(101, 102)에 길이방향으로 소정턴수 및 소정라인간격을 갖는 나선형커팅부(104)을 형성하여 제 3구조물(130)을 형성한다. 이 제 3구조물(130) 양단의 최종 완성 저항치는 제 2구조물(120) 양단의 최종 초기저항치 및 나선형 커팅의 회전수 등에 따라서 결정된다. 보다 구체적으로 설명하면, 트리밍 후의 완성 저항치는 트리밍 라인간격(D)에 의해 결정되며, 결정된 저항값에 따라 퓨즈의 정격 전류와 동일한 특성을 제공하게 된다. 이 때 기존 트리밍 라인 간격이 일예로, 400㎛ 이하인 경우 폭이 좁아서 퓨저블 엘리멘트 층에 골고루 열이 전달되지 못하고 좁은 라인과 라인 사이에만 열이 많이 발생하는 현상이 발생하여 용단되는 시간이 일정하지 못하며 높은 발열 특성을 보인다. 또한 이렇게 좁은 폭인 경우 정격 전류에 맞는 저항치의 산포도 넓어서 작업 효율이 떨어진다. 이에 트리밍 회전 수를 2~3회로 하고 라인 간격을 일예로, 500㎛ ~1500㎛ 으로 하면 퓨저블 엘리멘트 층의 특정 부위에만 열이 많이 발생하는 현상이 해결되면서 열 평형성이 좋게 되어 용단 되는 시간이 규칙적이며, 정격 전류 특성을 나타내는 저항치 산포가 좋아져서 퓨즈의 정격 전류 특성을 보다 안정적으로 제공하며, 높은 작업 효율을 제공한다.

마지막으로 도 5에 도시된 바와 같이, 제 3구조물(130)의 양단 캡(103)의 외 측에 각각 리드선(105)을 용접 등에 의해 부착시켜 제 4구조물(140)을 형성한다. 이 리드선(105)은 회로기판에 삽입되어 퓨저블 엘리먼트층(102) 및 캡(103)을 회로기판과 전기적으로 연결시킨다.

그 후 제 4 구조물(140)의 외부를 절연성 도료로 코팅하여 보호막(106)을 형성하여 제 5구조물을 형성함으로서 본 발명에 따른 마이크로 퓨즈를 완성한다. 여기서 보호막은 퓨저블 엘리멘트층과 캡을 외부로부터 절연 시키며, 그 내부에 있는 각각의 구성 요소를 외부의 충격으로부터 보호한다. 보호막의 외측면은 정격 전류 등을 표시할 수 있도록 불연성 도료로 형성하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 기존에 사용되어지던 퓨즈저항기의 세라믹 로드보다 열전도성이 낮은 저순도 세라믹로드에 고유 비저항치가 상대적으로 높은 순수주석과 같은 물질로 이루어진 박막층을 형성하여 퓨저블 엘리멘트(fusible element)로서 사용하고, 나선형 커팅하는 트리밍 회전수를 2~3회로 하고 라인 간격을 500㎛ ~1500㎛ 사이로 유지하여 특정부위에서의 열 집중을 해소시킴과 함께 열평형성을 높임으로서 용단시간을 일정하게 하여 피막타입으로는 불가능하다고 판단되어진 2A 이하의 낮은 정격 전류 특성을 구현할 수 있으면서도 과다하게 발열하지 않으며 퓨즈의 고유의 빠르고 안정적인 용단특성을 유지시킬 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 열전도도를 낮출 수 있도록 세라믹로드의 알루미나 함량을 20~50%로 줄임과 함께 퓨저블 엘리먼트층의 재료를 저전류에 의해서도 높은 열을 발생시킬 수 있도록 온도 계수가 대략 2,200ppm/℃ 이상의 물질로써, 고유 비 저항치가 대략 1.1×10-9Ωm ~ 1.3×10-9Ωm이며, 용융점이 약 450℃이하인 순수금속 또는 혼합물로 변경하여 퓨저블 엘리먼트층이 낮은 온도에서도 빨리 용단될 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 기존의 트리밍 회전수를 2~3턴으로 조정하고 트리밍 라인간의 간격을 500㎛ ~1500㎛ 으로 유지함으로써 저항치를 안정적으로 유지시켜 열이 특정 부위에 많이 발생하는 현상을 해소함과 동시에 열 평형성을 좋게 하여, 용단시간을 일정하게 함으로서 용단 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 10mΩ 이하의 저 저항치를 가지고 제품 저항치가 500mΩ이하인 마이크로 퓨즈를 구현할 수 있는 효과가 있다.

Claims

과전류에 의해 용단되도록 마련된 퓨징소자와, 상기 퓨징소자 양단부에 각각 배치되는 캡과, 상기 각각의 캡에 접속된 리드와이어를 구비하는 마이크로 퓨즈에 있어서,

상기 퓨징소자는 알루미나(Al2O3) 함량이 20%~50%인 세라믹 로드와,

상기 세라믹 로드에 적층되는 니켈 크롬(NI-Cr)으로 이루어진 도전층과,

상기 도전층에 증착되는 순수주석으로 이루어진 퓨저블 엘리먼트층과,

상기 퓨저블 엘리먼트층 및 도전층을 함께 소정턴수 및 소정라인간격으로 나선형 커팅된 나선형커팅부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 퓨즈.
제1항에 있어서, 상기 나선형커팅부는 상기 퓨저블 엘리먼트층 및 도전층을 함께 길이방향으로 2~3회 턴수로 커팅 라인 간격이 500㎛ ~1500㎛ 으로 나선형 커팅된 것을 특징으로 하는 마이크로 퓨즈.
과전류에 의해 용단되도록 마련된 퓨징소자와, 상기 퓨징소자 양단부에 각각 배치되는 캡과, 상기 각각의 캡에 접속된 리드와이어를 구비하는 마이크로 퓨즈에 있어서,

상기 퓨징소자는 알루미나(Al2O3) 함량이 20%~50%인 세라믹 로드와,

상기 세라믹 로드에 적층되는 니켈-크롬(NI-Cr)으로 이루어진 도전층과,

상기 도전층에 증착되는 순수주석으로 이루어진 퓨저블 엘리먼트층을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 퓨즈.