KR100728635B1 - 방전충격보호막이 형성된 기체 봉입형 과전압 보호소자의제조방법 - Google Patents

방전충격보호막이 형성된 기체 봉입형 과전압 보호소자의제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기체 봉입형 과전압 보호소자(Gas Filled Surge Absorber)에 관한 것으로, 원통형 유리관에 도전성 피막을 증착 후 절연갭(Gap)을 형성한 원통형 알루미나 기판과 불활성기체를 함께 채워 봉입하여 제조한 방전충격보호막이 형성된 기체 봉입형 과전압 보호소자(Gas Filled Surge Absorber)에 관한 것이다. 원통형 알루미나(Al2O3) 기판(10)에 도전성 피막(20)을 증착하는 제1단계(S10)와, 상기 도전성 피막(20)이 증착된 원통형 알루미나(Al2O3) 기판(10)을 결정화, 안정화 열처리 작업을 진행하는 제2단계(S20)와, 상기 열처리된 원통형 알루미나(Al2O3) 기판(10)에 탄화 질화 방전충격보호막(TiC, TiN, TiCN)(30)을 형성하는 제3단계(S30)를 포함한다. 따라서, 본 발명은 물리적 또는 화학적 증착법으로 형성한 금속 도전성 피막에 보호막을 형성하여 전기적 특성의 저하없이 고속 서지(Surge) 유입시에 발생하는 전기적 충격과 열화에 의한 피막의 손상을 방지할 수 있으며, 기체 봉입형 과전압 보호소자(Gas Filled Surge Absorber)에 적용할 경우에는 그 수명을 연장할 수 있는 효과가 있다.
원통형 알루미나 기판, 도전성 피막, 방전충격보호막

Description

방전충격보호막이 형성된 기체 봉입형 과전압 보호소자의 제조방법{Fabrication Method Of Gas Filled Surge Absorbers}
도 1은 본 발명에 따른 기체 봉입형 과전압 보소소자의 일실시예를 나타내는 부분절개도.
도 2는 본 발명에 따른 기체 봉입형 과전압 보호소자의 제조과정.
도 3은 본 발명에 따른 기체 봉입형 과전압 보호소자의 제작단계.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
10 : 원통형 알루미나 기판 20 : 도전성 피막
30 : 방전충격보호막
본 발명은 기체 봉입형 과전압 보호소자(Gas Filled Surge Absorber)에 관한 것으로, 더욱 세부적으로는 원통형 유리관에 도전성 피막을 증착 후 절연갭(Gap)을 형성한 원통형 알루미나 기판과 불활성기체를 함께 채워 봉입하여 제조한 방전충격보호막이 형성된 기체 봉입형 과전압 보호소자(Gas Filled Surge Absorber)에 관한 것이다.
상기 기체 봉입형 과전압 보호소자(Gas Filled Surge Absorber)는 주로 전화기와 팩스 및 모뎀 등의 통신용 전자기기 통신선과의 접속부분 또는 CRT 구동회로 등에 번개 서지(Surge)나 정전기 등의 이상전압에 의한 전기충격을 받기 쉬운 부분에 설치되어 이상전압 및 이상전류 유입시 기체방전에 의하여 방전에너지를 소모시킴으로써 이상전압에 의해 전자기기를 탑재한 프린트기판이 파손되는 것을 방지하게 된다.
종래 공지된 기술로 공개된 일본 특개평7-320842(명칭:방전형 서지어브소버)에 있어서, 서지 오브소버(Serge Absorber)는 서지(Serge) 흡수소자를 불활성가스와 동시에 유리관 내에 수용하는 것으로 구성되며, 상기 서지(Serge) 흡수소자는 도전성 피막으로 피포되는 세라믹(Ceramic) 소체의 주면에 형성되는 마이크로 갭(Micro Gap)과 세라믹(Ceramic) 소체의 양단에 감착되는 캡(Cap) 전극에 전기적으로 접속된다.
그러나, 상기와 같은 종래 기술에 따른 구성은 물리적 증착법이나 화학적 증착법으로 단일 금속 도전성 피막을 형성할 경우 고속 서지(Surge) 유입시에 방전 흡수에서 발생하는 방전 충격과 열화에 의해 도전성 피막의 손상이 일어날 수 있다.
또한, 상기 물리적 증착법이나 화학적 증착법으로 형성한 도전성 피막의 방전 충격과 열화에 의한 손상을 방지하기 위해서 산화물, 탄화물, 질화물, 탄질화물, 탄산화물, 질산화물, 등으로 증착을 할 때, 상기 물질들은 전기적 특성이 금속보다 현저히 저하되어 응답속도가 늦어지는 단점이 있다.
상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 기체 봉입형 과전압 보호소자(Gas Filled Surge Absorber)의 전기적 특성 저하시 고속으로 유입되는 과전압 및 과전류 방전 흡수의 응답속도가 늦어지면 회로 손상이 발생될 수 있기 때문에 낮은 저항의 도전성 피막이 필요하며, 그에따라 전기 도전성이 우수하고 내열 특성이 우수한 도전성 박막인 방전충격보호막이 형성된 기체 봉입형 과전압 보호소자(Gas Filled Surge Absorber)를 제공하는데 목적이 있다.
절연부재의 원통형 알루미나(Al2O3) 기판에 물리적 증착법이나 화학적 증착법으로 증착된 도전성 피막을 결정화 및 안정화를 위해서 열처리를 하게 되며, 상기와 같이 피막의 열처리 공정 단계에서 탄소, 질소 분위기에서 적정한 온도로 침탄, 질화 열처리를 병행하여 서지(Surge) 흡수 방전충격보호막 도전성 피막이 표면에 형성된다.
목적을 달성하기 위한 제조방법으로는,
원통형 알루미나(Al2O3) 기판에 도전성 피막을 증착하는 제1단계와,
상기 도전성 피막이 증착된 원통형 알루미나(Al2O3) 기판을 결정화, 안정화 열처리 작업을 진행하는 제2단계와,
상기 열처리된 원통형 알루미나(Al2O3) 기판에 탄화 질화 방전충격보호막(TiC, TiN, TiCN)을 형성하는 제3단계를 포함한다.
본 발명의 다른 특징으로서, 상기 제1단계에서 증착되는 도전성 피막의 두께 범위는 0.3 ~ 3㎛로 형성한다.
본 발명의 또 다른 특징으로서, 상기 제1단계에서 증착되는 도전성 피막의 물질 종류로는 Ti, Cr, Ni, W, Ta의 도전성 금속을 증착한다.
본 발명의 또 다른 특징으로서, 상기 제2단계의 결정화, 안정화 열처리 작업은 침탄 및 질화 열처리 온도를 400℃ ~ 900℃ 범위에서 작업시 방전충격보호막의 두께 조절을 용이하게 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징으로서, 상기 제3단계에서 형성되는 방전충격보호막은 도전성 피막 두께의 5 ~ 50％로 형성한다.
도 1은 본 발명에 따른 기체 봉입형 과전압 보소소자의 일실시예를 나타내는 부분절개도이고, 도 2는 본 발명에 따른 기체 봉입형 과전압 보호소자의 제조과정이고, 도 3은 본 발명에 따른 기체 봉입형 과전압 보호소자의 제작단계이다.
이하, 도면을 참고로 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
도 1에서는 도전성 피막(20)과 방전충격보호막(30)이 차례로 형성된 원통형 알루미나(Al2O3) 기판(10)의 일실시예에서의 부분절개도를 도시하고 있다. 상기 원통형 알루미나(Al2O3) 기판(10)은 유리관(200) 내부에 탑재되는 것으로, 양측에 캡(Cap)(210)과 두멧선(Dumet)(220)이 차례로 삽입되어, 유리관(200)의 양측을 관통하여 리드선(230)이 연결된다. 또한, 상기 유리관(200) 내부는 불활성가스(240)로 채워져 있으며, 상기 도전성 피막(20)과 방전충격보호막(30)이 형성된 원통형 알루 미나(Al2O3) 기판(10)에는 절연갭(Gap)(250)이 형성되며, 상기 원통형 알루미나(Al2O3) 기판(10)의 제조방법에 대해서 설명하면 다음과 같다.
도 2의 기체 봉입형 과전압 보호소자의 제조과정은 본 발명의 실시에 의한 과전압 보호소자(Gas Filled Surge Absorber)용 원통형 알루미나(Al2O3) 기판(10)에 도전성 피막(20)과 방전충격보호막(30)의 형성 흐름도를 나타내고 있다.
먼저, 도 2(a)는 원통형 알루미나(Al2O3) 기판(10)을 도시하며, 도 2(b)에서는 상기 원통형 알루미나(Al2O3) 기판(10)에 통상의 물리적 또는 화학적 증착법에 의해 도전성 피막(20)을 증착하며, 상기 증착되는 도전성 피막(20)의 두께 범위는 0.3 ~ 3㎛로 형성하는데, 상기와 같이 도전성 피막(20)을 0.3 ~ 3㎛ 범위로 하는 이유는 도전성 피막(20)의 두께가 0.3㎛ 이하가 될 경우에는 전기저항이 증가하여 응답속도가 느려지는 문제가 발생하고, 3㎛ 이상이 될 경우에는 도전성 피막(20)이 쉽게 파괴되기 때문이다.
상기 증착되는 도전성 피막(20)의 종류로는 Ti(티타늄), Cr(크롬), Ni(니켈), W(텅스텐), Ta(탄탈)와 같은 도전성 금속 중 어느 하나를 선택적으로 사용하여 증착하게 된다.
상기와 같이 도전성 피막(20)이 증착된 원통형 알루미나(Al2O3) 기판(10)을 도 2(c)와 같이, 결정화, 안정화 열처리 작업을 진행하게 되는데, 상기와 같은 열처리 작업은 침탄 및 질화 열처리 온도를 400℃ ~ 900℃ 범위에서 작업시 방전충격보호막(30)의 두께 조절을 용이하게 할 수 있다.
도 2(d)에서는 상기 열처리된 원통형 알루미나(Al2O3) 기판(10)에 탄화 질화 방전충격보호막(TiC, TiN, TiCN)(30)을 최종적으로 형성하며, 이때 상기 방전충격보호막(30)은 도전성 피막(20) 두께의 5 ~ 50％로 형성하며, 상기 방전충격보호막(30) 두께가 도전성 피막(20)의 10 ~ 20％ 범위내로 형성될 경우에 전기적 저항 손실이 발생하지 않는 가장 바림직한 범위이며, 상기 50％ 이상으로 형성될 경우에는 도전성 피막(20)의 성질이 바뀔 수 있다.
상기 도 2의 제조과정은 원통형 알루미나(Al2O3) 기판(10)의 단면도 상태에서의 작업과정을 도시한다.
도 3에서는 상기 도 2의 방전충격보호막이 형성된 기체 봉입형 과전압 보호소자의 제조과정을 단계(S10~S30)별로 도시하고 있다. 원통형 알루미나(Al2O3) 기판(10)에 도전성 피막(20)을 증착하는 제1단계(S10)와, 상기 도전성 피막(20)이 증착된 원통형 알루미나(Al2O3) 기판(10)을 결정화, 안정화 열처리 작업을 진행하는 제2단계(S20)와, 상기 열처리된 원통형 알루미나(Al2O3) 기판(10)에 탄화 질화 방전충격보호막(TiC, TiN, TiCN)(30)을 형성하는 제3단계(S30)로 방전충격보호막이 형성된 기체 봉입형 과전압 보호소자가 제작된다.
표 1 내지 표 3은 Noisekem 사의 Lss-6030 Surge Generator로 인가시 오실로스코프를 이용하여 각각의 도전성 피막에 대해서 서지인가 전(前)의 방전개시전압과 서진인가 후(後)의 방전개시전압의 변화율과 응답속도의 실험값을 나타내고 있 다.
표 1은 1.5㎸의 인가전압과 37.5A의 서지(Surge)로 30초 간격으로 5회 실시한 데이타이며, 표 2는 1.5㎸의 인가전압과 750A의 서지(Surge)로 20초 간격으로 5회 실시한 데이타이며, 표 3은 3㎸의 인가전압과 1500A의 서지(Surge)로 20초 간격으로 5회 실시한 데이타이다.
[표 1] Telecom Wave Surge(10/700 ㎲), 1.5㎸(37.5A), (30초 간격 5회) 인가 후 방전개시전압 변화율 및 응답속도 측정값.
도전성 피막의 종류 서지인가 전 방전개시전압(V) 서지인가 후 방전개시전압(V) 변화율(％) 응답속도(㎲)
Ti(Ⅰ) 290 360 19.5 1.5
Ti(Ⅱ) 300 360 16.7 1.6
Ti/TiN(Ⅰ) 310 320 3.2 2.2
Ti/TiN(Ⅱ) 310 330 6.1 2.5
Ti/TiC(Ⅰ) 300 310 3.3 2.0
Ti/TiC(Ⅱ) 310 320 3.2 2.0
Ti/TiNC(Ⅰ) 320 340 5.9 2.2
Ti/TiNC(Ⅱ) 340 350 2.9 2.4
[표 2] Combination Wave Surge(1.2/50 ㎲), 1.5㎸(750A), (20초 간격 5회) 인가 후 방전개시전압 변화율 및 응답속도 측정값.
도전성 피막의 종류 서지인가 전 방전개시전압(V) 서지인가 후 방전개시전압(V) 변화율(％) 응답속도(㎱)
Ti(Ⅰ) 290 700 141.3 500
Ti(Ⅱ) 300 680 126.6 530
Ti/TiN(Ⅰ) 310 360 16.1 580
Ti/TiN(Ⅱ) 310 360 16.1 560
Ti/TiC(Ⅰ) 300 350 16.6 520
Ti/TiC(Ⅱ) 310 360 16.1 550
Ti/TiNC(Ⅰ) 320 350 9.3 530
Ti/TiNC(Ⅱ) 330 380 15.1 540
[표 3] Combination Wave Surge(1.2/50 ㎲), 3㎸(1500A), (20초 간격 5회) 인가 후 방전개시전압 변화율 및 응답속도 측정값.
도전성 피막의 종류 서지인가 전 방전개시전압(V) 서지인가 후 방전개시전압(V) 변화율(％) 응답속도(㎱)
Ti(Ⅰ) 290 980 237.9 600
Ti(Ⅱ) 300 1080 260.0 700
Ti/TiN(Ⅰ) 310 670 116.1 710
Ti/TiN(Ⅱ) 310 660 112.9 730
Ti/TiC(Ⅰ) 300 550 83.3 740
Ti/TiC(Ⅱ) 310 560 80.6 780
Ti/TiNC(Ⅰ) 320 450 40.6 760
Ti/TiNC(Ⅱ) 340 470 38.2 800
상기 표 1 내지 표 3의 측정값과 같이, 도전성 피막(20)의 종류에 따라 최상부의 Ti 피막의 경우 서지인가 전(前)과 후(後)의 변화율이 높고, 응답속도는 낮은 것을 알 수 있으며, 하부의 TiNC에 가까워짐에 따라 변화율은 점점 낮아지며, 응답속도는 높아짐을 알 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 물리적 또는 화학적 증착법으로 형성한 금속 도전성 피막에 보호막을 형성하여 전기적 특성의 저하없이 고속 서지(Surge) 유입시에 발생하는 전기적 충격과 열화에 의한 피막의 손상을 방지할 수 있으며, 기체 봉입형 과전압 보호소자(Gas Filled Surge Absorber)에 적용할 경우에는 그 수명을 연장할 수 있는 효과가 있다.
또한, 탄소와 질소 분위기에서 열처리로 도전성 피막에 방전충격보호막을 형성할 경우 응답 속도가 늦어지는 것을 최소화하며, 전기적 특성 저하 역시 줄일 수 있고, 도전성 결정화 및 피막 안정화 열처리를 함께 병행할 수 있어 제조공정을 단축시킬 수 있으며, 열처리시 조건 변화로 표면에서부터 확산의 깊이를 제어하여 방 전보호막 형성이 용이하며 원하는 두께로 제작할 수 있다.

Claims (5)

  1. 전화기, 팩스, 모뎀등 통신용 전자기기 통신선과의 접속부분 또는 CRT 구동회로 등에 번개 서지(Surge)나 정전기 등의 이상전압에 의한 전기충격 발생시, 전자기기를 탑재한 프린트기판이 파손되는 것을 방지하는 기체 봉입형 과전압 보호소자의 제조방법에 있어서,
    원통형 알루미나(Al2O3) 기판(10)에 도전성 피막(20)을 증착하는 제1단계(S10)와,
    상기 도전성 피막(20)이 증착된 원통형 알루미나(Al2O3) 기판(10)을 결정화, 안정화 열처리 작업을 진행하는 제2단계(S20)와,
    상기 열처리된 원통형 알루미나(Al2O3) 기판(10)에 탄화 질화 방전충격보호막(TiC, TiN, TiCN)(30)을 형성하는 제3단계(S30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방전충격보호막이 형성된 기체 봉입형 과전압 보호소자의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1단계(S10)에서 증착되는 도전성 피막(20)의 두께 범위는 0.3 ~ 3㎛로 형성하는 것을 특징으로 하는 방전충격보호막이 형성된 기체 봉입형 과전압 보호소자의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1단계(S10)에서 증착되는 도전성 피막(20)의 물질 종류로는 Ti, Cr, Ni, W, Ta의 도전성 금속 중 어느 하나를 선택적으로 사용하여 증착하는 것을 특징으로 하는 방전충격보호막이 형성된 기체 봉입형 과전압 보호소자의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제2단계(S20)의 결정화, 안정화 열처리 작업은 침탄 및 질화 열처리 온도를 400℃ ~ 900℃ 범위에서 작업시 방전충격보호막(30)의 두께 조절을 용이하게 할 수 있는 것을 특징으로 하는 방전충격보호막이 형성된 기체 봉입형 과전압 보호소자의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제3단계(S30)에서 형성되는 방전충격보호막(30)은 도전성 피막(20) 두께의 5 ~ 50％로 형성하는 것을 특징으로 하는 방전충격보호막이 형성된 기체 봉입형 과전압 보호소자의 제조방법.
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US4317155A (en) 1979-03-27 1982-02-23 Mikio Harada Surge absorber
JP2003308944A (ja) 2002-04-16 2003-10-31 Mitsubishi Materials Corp サージアブソーバ
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