KR100676724B1 - 송변전급 피뢰기용 산화아연 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산화아연(ZnO), 프라세오디뮴 산화물(Pr₆O₁₁), 코발트 산화물(CoO), 크롬 산화물(Cr₂O₃)로 구성된 조성물에 테르븀 산화물(Tb₄O₇)를 첨가하여 이루어지는 비선형 저항소자의 산화아연 조성물에 관한 것이다. 이때, ZnO는 90.0-98.8 mol%, Pr₆O₁₁는 0.5-1.0 mol%, CoO는 0.5-5.0 mol%, Cr₂O₃는 0.1-1.0 mol%, Tb₄O₇는 0.1-3.0 mol%로 함유되며, 산화물혼합법에 의하여 제조된다. 이에 의한 산화아연 조성물은 소결성 및 항복전압이 우수하여 소형화 송전 및 변전급 피뢰기의 조성물로서 적합하다.

산화아연, 프라세오디뮴, 코발트, 크롬, 테르븀, 피뢰기, 항복전압, 누설전류

Description

송변전급 피뢰기용 산화아연 조성물 {ZINC OXIDE COMPOSITION FOR ARRESTER OF POWER TRANSMISSION AND POWER TRANSFORMATION}

도 1은 본 발명에 의한 실시예 1-4에 있어서 테르븀 산화물의 첨가량에 따른 소결밀도의 변화를 나타내는 그래프.

도 2는 본 발명에 의한 실시예 1-4에 있어서 테르븀 산화물의 첨가량에 따른 항복전압의 변화를 나타내는 그래프.

도 3은 본 발명에 의한 실시예 1-4에 있어서 테르븀 산화물의 첨가량에 따른 비선형계수의 변화를 나타내는 그래프.

도 4는 본 발명에 의한 실시예 1-4에 있어서 테르븀 산화물의 첨가량에 따른 누설전류의 변화를 나타내는 그래프.

도 5는 본 발명에 의한 실시예 1-4에 있어서 테르븀 산화물의 첨가량에 따른 전류밀도에 대한 전기장의 변화를 나타내는 그래프.

본 발명은 피뢰기의 조성물에 관한 것으로, 특히 산화아연 조성물에 테르븀 산화물 등이 첨가되어 높은 소결밀도와 항복전압을 제공할 수 있는 송변전급 피뢰 기용 산화아연 조성물에 관한 것이다.

최근 산업 발전 및 개인 생활수준이 향상됨에 따라 전력 소비의 증가로 양질의 전력을 안정적으로 공급해야 할 필요성이 한층 높아지고 있다.

이에 여러 가지 방법들이 있겠지만 전력 설비를 낙뢰 혹은 유도뇌로부터 피뢰기(arrester)로써 보호하는 것도 중요한 방법 중의 하나이다. 따라서, 써지 피해를 줄이기 위하여 써지 보호 장치인 피뢰기의 성능개선이 매우 중요하며, 이를 위하여 피뢰기의 특성을 좌우하는 조성물 재료의 개선이 요구되고 있다.

통상적으로 피뢰기는 산화아연계 조성물로 제조되는 비선형(nonlinear) 저항소자로 구성된다. 비선형 저항소자는 2단자 반도체 세라믹스 수동부품으로서 전압에 따라 전류가 변하는 비선형 저항특성을 나타낸다. 비선형 저항특성을 나타내는 소자에는 여러 종류가 있지만, 이 중에서도 비선형 저항소자는 써지 흡수능력이 뛰어나고 저전압에서부터 고전압에 이르기까지 광범위하게 응용될 수 있다는 장점을 가진다.

종래의 비선형 저항소자는 산화아연계 조성물에 비선형성을 유발시키는 비스무스(Bi) 산화물이 첨가된 소위 비스무스계 비선형 저항소자로서, 이 소자는 특성이 우수하여 현재 상용 비선형 저항소자의 대부분을 차지하고 있지만 몇 가지의 단점을 가진다.

즉, 세라믹 비선형 저항소자는 근본적으로 고온에서 소결이 불가피한데, 비스무스계 산화아연 세라믹스는 고온 소결시 비스무스 산화물이 휘발되는 경향이 매우 높아 비선형 저항소자 재현성에 문제가 있고, 다른 산화물과 쉽게 반응하여 전 기적으로 불필요한 여러 가지 상을 생성시켜 그 상이 입계에 위치함으로써 유효 입계면적의 감소로 써지 흡수능력이 떨어지는 경향이 있다. 또한, 단위두께당 300V/mm 이상의 항복전압을 얻기가 어렵기 때문에 소정의 피뢰기 정격전압을 얻기 위해서는 4-5개의 비선형 저항소자가 들어가게 되어 소형화가 어렵다. 나아가 우수한 비선형 특성과 안정성을 동시에 나타내기 위해서 10여 가지 이상의 첨가물이 요구된다.

이러한 문제점을 극복하기 위하여 산화아연계 조성물에 비스무스 산화물 대신에 프라세오디뮴 산화물을 첨가한 소위 프라세오디뮴계 비선형 저항소자가 개발되었다. 이 소자는 결정상 구조가 간단하고, 입계면적이 넓어 써지흡수력이 크며, 적은 수의 조성물로도 비선형 특성이 우수할 뿐만 아니라 높은 안정성을 나타낸다.

그러나, 이 소자 역시 몇 가지 단점을 내포하고 있다. 조성물 중에서 비선형 개선 산화물인 코발트 산화물의 양이 다른 첨가제의 4-10배 정도로 많이 첨가됨으로써 비용이 많이 들고, 특성의 변화가 다소 크다는 문제점을 안고 있다. 또한, 항복전압이 300V/mm 이하이고, 그 이상의 경우에는 오히려 소결밀도가 치밀하지 못해서 소형화된 피뢰기용으로 응용하기가 어렵다는 문제점을 가진다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 산화아연 조성물에 테르븀 산화물 등이 첨가되어 높은 소결밀도와 항복전압을 제공할 수 있는 송변전급 피뢰기용 산화아연 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 산화아연 조성물은 산화아연(ZnO), 프라세오디뮴 산화물(Pr₆O₁₁), 코발트 산화물(CoO), 크롬 산화물(Cr₂O₃)로 구성된 조성물에 테르븀 산화물(Tb₄O₇)를 첨가하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 산화아연 조성물은 산화아연 조성물로서 ZnO : 90.0 ∼ 98.8 mol%, Pr₆O₁₁ : 0.5 ∼ 1.0 mol%, CoO : 0.5 ∼ 5.0 mol%, Cr₂O₃ : 0.1 ∼ 1.0 mol%, Tb₄O₇ : 0.1 ∼ 3.0 mol%의 산화물을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 산화아연 조성물은 산화아연(ZnO), 프라세오디뮴 산화물(Pr₆O₁₁), 코발트 산화물(CoO), 크롬 산화물(Cr₂O₃)로 구성된 조성물에 첨가물로서 테르븀 산화물(Tb₄O₇)를 첨가하여 이루어지며, 각각의 함량은 다음과 같다;

(ZnO, Pr₆O₁₁, CoO, Cr₂O₃)＋Tb₄O₇

ZnO : 90.0 ∼ 98.8 mol%

Pr₆O₁₁ : 0.5 ∼ 1.0 mol%

CoO : 0.5 ∼ 5.0 mol%

Cr₂O₃ : 0.1 ∼ 1.0 mol%

Tb₄O₇ : 0.1 ∼ 3.0 mol%

또한, 본 발명에 의한 산화아연 조성물은 산화물 혼합법에 의하여 제조될 수 있으나 이에 한정되지 아니하며, 통상적인 방법으로 제조가능한 방법이면 모두 본 발명에 포함된다. 여기서는 산화물 혼합법에 의한 제조방법을 기술한다.

먼저, 시료가 상기와 같은 조성의 수치범위를 만족하도록 칭량하고, 이를 볼밀(ball mill)하여 혼합한 후 건조한다. 그리고, 상기 시료를 전기로에서 700-750℃의 온도로 2시간 동안 하소시킨다. 그리고, 상기 하소된 원료분말에 결합제(binder)인 PVA(polyvinyl alcohol) 수용액을 시료무게의 2-5 wt% 첨가하여 균일하게 혼합한다. 상기 혼합물을 건조한 다음, 조립하여 1000 kg/cm²의 압력으로 가압하여 원하는 모양의 성형체를 만든다. 그리고, 상기 성형체를 전기로에서 승온속도는 240℃/hr으로 하고, 냉각속도는 120-480℃/hr으로 하여 1300-1350℃의 온도에서 1-3시간 소결한다. 그런 다음, 상기 소결체의 양면을 두께가 1mm가 되도록 연마하고, 상기 연마된 양면에 은 전극(Ag paste)을 도포한 후, 600℃에서 10분간 열처리하여 저항성 접촉이 되게 한다. 마지막으로 패키지 처리하여 비선형 저항소자를 제조한다.

또한, 본 발명에 있어서 상기와 같이 제조된 비선형 저항소자의 전류-전압특성은 Kiethley 237 장비를 사용하여 측정할 수 있다. 전류-전압특성에 관련된 특성 파라미터로서 비선형 계수 (α)는 하기식으로부터 계산하였다;

α＝ 1/(logV_1mA－logV_{0 .1 mA})

이때, 항복전압 V_1mA는 1mA 전류가 흐를 때의 전압, V_{0 .1 mA}는 0.1mA 전류가 흐를 때의 전압이다.

그리고, 누설전류(I_L)는 0.8V_1mA에 해당하는 전압을 인가하였을 때 전류이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 하술하는 실시예들은 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위하여 제공되는 것이며, 본 발명은 상기 실시예로들만 한정되는 것은 아니다.

실시예 1-4

본 실시예들에 있어서 피뢰기용 산화아연 조성물로서 각각 산화아연을 97.0-97.75 mol%, 프라세오디뮴을 0.5 mol%, 코발트 산화물을 1.0 mol%, 크롬산화물을 0.5 mol%, 테르븀 산화물을 0.25-1.0 mol%의 조성비가 되도록 칭량하여 혼합물 성형체로 제조하였다. 그리고, 이를 1300℃에서 1시간 소결한 후, 그 두께가 1mm가 되도록 가공하였고, 소결체의 표면에 전극을 도포하여 저항성 접촉을 한 후, 양면에 2개의 리드선을 납땜하여 패키지하였다.

이렇게 제작된 비선형 저항소자에 대해서 측정된 소결밀도(ρ), 항복전압(V_1mA) 및 비선형 계수(α), 누설전류(IL)의 값들은 아래 표 1과 같다.

표 1

실시예	산화물 조성					전기적 특성			밀도 (g/cm3)
	Zn	Pr	Co	Cr	Tb	V1mA(V/mm)	α	IL(㎂)
1	97.75	0.5	1.0	0.5	0.25	538	34	1.5	5.74
2	97.5	0.5	1.0	0.5	0.5	705	42	1.2	5.77
3	97.25	0.5	1.0	0.5	0.75	753	46	1.9	5.81
4	97.0	0.5	1.0	0.5	1.0	845	52	5.9	5.83

또한, 상기 비선형 저항소자에 있어서 테르븀 산화물의 첨가량에 따른 소결밀도, 항복전압, 비선형 계수, 누설전류, 전류밀도에 대한 전기장의 변화를 각각 도 1 내지 도 5에 나타낸다.

표 1과 도 1 내지 도 3을 참조하면, 테르븀 산화물이 0.25mol% 첨가된 실시예 1은 항복전압이 538V/mm로서 매우 높을 뿐만 아니라, 비선형 계수도 30 이상으로 높고, 특히 소결밀도가 5.74g/cm³로서 높아 송전 및 변전급 피뢰기용으로 응용 가능성이 높은 것으로 나타났다.

또한, 표 1과 도 1 내지 도 3을 참조하면, 테르븀 산화물이 증가함에 따라, 이에 따른 항복전압, 비선형 계수, 소결밀도의 값들이 모두 크게 증가하였으며, 누설전류값도 일정 범위 이하의 값으로 안정적으로 나타났다.

특히, 테르븀 산화물이 1.0mol%(즉, 실시예 4)일 때는 항복전압이 무려 800 V/mm 이상, 비선형 계수도 50 이상, 소결밀도도 이론밀도를 초과하는 높은 치밀성을 나타내었으나, 이 경우 누설전류가 5μA 이상으로 다소 증가하는 특성을 보였다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 비선형 저항소자 조성물은 이에 테르븀 산화물을 첨가함으로써 높은 소결밀도 및 항복전압, 그리고 작은 누설전류 값을 제공할 수 있는 송변전급 피뢰기용 산화아연 조성물을 제공할 수 있다.

아울러 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이고, 이러한 수정, 변경, 부가 등은 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (3)

1. 산화아연(ZnO), 프라세오디뮴 산화물(Pr₆O₁₁), 코발트 산화물(CoO), 크롬 산화물(Cr₂O₃)로 구성된 조성물에 테르븀 산화물(Tb₄O₇)를 첨가하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 산화아연 조성물.
2. 산화아연 조성물로서 다음의 산화물을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 산화아연 조성물;

   ZnO : 90.0 ∼ 98.8 mol%

   Pr₆O₁₁ : 0.5 ∼ 1.0 mol%

   CoO : 0.5 ∼ 5.0 mol%

   Cr₂O₃ : 0.1 ∼ 1.0 mol%

   Tb₄O₇ : 0.1 ∼ 3.0 mol%
3. 제1항 또는 제2항에 의한 산화아연 조성물로 제조되는 송변전급 피뢰기.

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