KR100782396B1 - 뇌써지 보호 송·변·배전 피뢰기 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 뇌써지 보호 송·변·배전 피뢰기 소자에 관한 것으로, 그 소자는 산화아연(ZnO), 프라세오디뮴 산화물(Pr6O11), 코발트 산화물(CoO), 크롬 산화물(Cr2O3), 이트리아(Y2O3)로 구성된 조성에 테르비아(Tb4O7)를 첨가하여 이루어지는 조성물을 혼합하고 이를 하소하는 단계와, 상기 하소된 분말을 성형하고 이를 소결하는 단계와, 상기 소결체에 전극을 도포하고 패키지 처리를 하는 단계를 포함하여 제조된다. 이때, 상기 소결 조건은 1 내지 3시간 동안 1200℃ 내지 1350℃의 온도로 되며, 상기 하소 조건은 2시간 동안 700 내지 750℃의 온도로 된다. 또한, 상기 조성물에 있어서 상기 산화아연은 90.0 내지 98.8 mol%, 상기 프라세오디뮴 산화물은 0.5 내지 1.0 mol%, 상기 코발트 산화물은 0.5 내지 5.0 mol%, 상기 크롬 산화물은 0.1 내지 1.0 mol%, 상기 테르븀 산화물은 0.1 내지 3.0 mol%로 함유된다.
피뢰기, 항복전압, 소결밀도, 산화아연, 프라세오디뮴 산화물, 코발트 산화물, 크롬 산화물, 이트리아, 테르비아

Description

뇌써지 보호 송·변·배전 피뢰기 소자 {ARRESTER ELEMENTS FOR LIGHTNING SURGE PROTECTION OF TRANSMISSION·TRANSFORMATION·DISTRIBUTION CLASS}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 있어서 테르비아 첨가량에 따른 피뢰기 소자의 전도특성을 도시한 그래프.
도 2는 본 발명의 실시예 1~12에 있어서 각 소결온도 1250℃, 1300℃, 1350℃ 및 테르비아 첨가량에 따른 항복전압 특성 그래프.
본 발명은 피뢰기 소자에 관한 것으로, 특히 산화아연, 프라세오디뮴 산화물, 코발트 산화물, 크롬 산화물, 이트리아로 이루어지는 조성에 테르비아가 첨가되어 높은 소결밀도와 항복전압을 제공할 수 있는 뇌써지 보호 송·변·배전 피뢰기 소자에 관한 것이다.
산업이 빠르게 발전하고 개인 생활수준이 날로 향상됨에 따라 전력 소비량이 해마다 전년도의 최대치를 초과함에 따라 양질의 전력을 안정적으로 공급해야 할 필요성이 한층 높아지고 있으며, 이에 전력설비의 상태가 그 어느 때보다 안정되는 것이 요구되고 있다. 전력 설비를 낙뇌 혹은 유도뇌로부터 안정되게 보호하기 위한 통상적인 방법은 피뢰기를 설치하는 것이다. 따라서, 피뢰기의 핵심부품인 송변전 피뢰기 소자의 성능개선은 매우 중요한 과제이다.
송변전 피뢰기 소자는 세라믹스 수동부품으로 전압에 따라 전류가 변하는 비선형 저항특성을 나타낸다. 종래의 송변전 피뢰기 소자는 비선형성을 유발시키는 비스무스 산화물이 첨가된 소위 비스무스계 송변전 피뢰기 소자로서, 특성이 우수하여 현재 상용 송변전 피뢰기 소자의 대부분을 차지하고 있지만, 점점 높은 수준의 특성을 요구하는 현실에 비추어 볼 때 그간에 가지고 있는 단점을 개선시켜야 한다.
즉, 세라믹 송변전 피뢰기 소자는 근본적으로 고온에서의 소결이 불가피한데, 상기 비스무스계 산화아연 세라믹스는 고온 소결시 비교적 저융점(825℃)인 비스무스 산화물이 휘발되는 경향이 매우 높아 송변전 피뢰기 소자 재현성에 문제가 있고, 다른 산화물과 쉽게 반응하여 전기적으로 불필요한 여러 가지 상을 생성시켜서 그 상이 입계에 위치함으로써 유효 입계면적의 감소로 써지 흡수능력이 저하되는 경향이 있다. 뿐만 아니라, 우수한 비선형 특성과 안정성을 동시에 나타내기 위해서 10여 가지 이상의 첨가물이 요구된다.
이러한 문제점들을 극복하기 위한 조성으로서 개발된 것이 상기 비스무스 산화물을 대체한 프라세오디뮴 산화물을 첨가한 송변전 피뢰기 조성물이다. 이러한 송변전 피뢰기 조성물은 미세구조가 간단하고, 입계면적이 넓어 써지 흡수력이 크며, 비교적 적은 수의 조성물로도 우수한 비선형 특성뿐만이 아니라 높은 안정성을 나타낸다.
그러나, 이 조성물도 그 조성 내에서 비선형 개선 산화물인 코발트 산화물의 양이 다른 첨가제의 4~10배 정도로 많이 첨가됨으로써 원가면에서 문제로 지적되고 있으며, 또한 특성의 변화가 다소 크다는 문제점을 안고 있다. 최근에는 코발트 산화물이 1.0mol% 이내의 적은 양으로도 우수한 송변전 피뢰기 소자 특성을 나타내는 것으로 보고되고 있지만, 보다 소형화된 송변전용으로의 응용을 위해서는 더 향상된 피뢰기 소자 특성과 1000V/mm 이상의 항복전압을 나타내는 것이 달성되어야 한다.
이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 산화아연, 프라세오디뮴 산화물, 코발트 산화물, 크롬 산화물, 이트리아로 이루어지는 조성에 테르비아가 첨가되어 높은 소결밀도와 항복전압을 제공할 수 있는 뇌써지 보호 송·변·배전 피뢰기 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 관점에 의한 뇌써지 보호 송·변·배전 피뢰기 소자는 산화아연(ZnO), 프라세오디뮴 산화물(Pr6O11), 코발트 산화물(CoO), 크롬 산화물(Cr2O3), 이트리아(Y2O3)로 구성된 조성에 테르비아(Tb4O7)를 첨가하여 이루어지는 조성물을 혼합하고 이를 하소하는 단계와, 상기 하소된 분말을 성형하고 이를 소결하는 단계와, 상기 소결체에 전극을 도포하고 패키지 처리를 하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다. 이때, 상기 소결 조건은 1 내지 3시간 동안 1200℃ 내지 1350℃의 온도로 되며, 상기 하소 조건은 2시간 동안 700 내지 750℃의 온도로 될 수 있다. 또한, 상기 조성물에 있어서 상기 산화아연은 90.0 내지 98.8 mol%, 상기 프라세오디뮴 산화물은 0.5 내지 1.0 mol%, 상기 코발트 산화물은 0.5 내지 5.0 mol%, 상기 크롬 산화물은 0.1 내지 1.0 mol%, 상기 테르븀 산화물은 0.1 내지 3.0 mol%로 함유될 수 있다.
이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 있어서 뇌써지 보호 피뢰기 소자 조성물은 산화아연(ZnO), 프라세오디뮴 산화물(Pr6O11), 코발트 산화물(CoO), 크롬 산화물(Cr2O3), 이트리아(Y2O3)로 구성된 조성에 테르비아(Tb4O7)를 첨가하여 이루어질 수 있으며, 이는 식 1과 같이 나타낼 수 있다:
(ZnO, Pr6O11, CoO, Cr2O3, Y2O3)＋Tb4O7 (식 1)
또한, 상기 각 구성성분의 함량은 산화아연은 89.0∼98.7 mol%, 프라세오디뮴 산화물은 0.5∼1.0 mol%, 코발트 산화물은 0.5∼5.0 mol%, 크롬 산화물은 0.1∼1.0 mol%, 이트리아는 0.1~1.0 mol%, 테르비아는 0.1∼3.0 mol%로 첨가됨이 바람직하다.
이때, 상기 프라세오디미아는 첨가되지 않으면 비선형 특성 자체가 나타나지 않기 때문에 이는 상기 성분 중에서 가장 중요한 첨가물이다. 또한, 상기 코발트 산화물은 첨가되지 않으면 비선형 특성이 매우 저하되며, 상기 이트리아는 높은 비선형 특성을 얻기 위해 필수적이다. 또한, 상기 크롬 산화물이 첨가되지 않으면, 소결 조건에 따라서 비선형 계수가 35 정도의 것이 얻어지긴 하나, 이 경우 특성 개선이 요구된다. 상기 테르비아를 제외한 성분으로 구성된 송변전 피뢰기 소자는 미세구조적으로나 전기적 특성면에서 응용하기가 어려우나, 상기 테르비아를 첨가함으로써 피뢰기 소자의 항복전압, 비선형 계수, 소결밀도가 증가하게 된다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에 의하면, 산화아연(ZnO), 프라세오디뮴 산화물(Pr6O11), 코발트 산화물(CoO), 크롬 산화물(Cr2O3), 이트리아(Y2O3)로 구성된 조성에 테르비아(Tb4O7)를 첨가하여 구성되는 상기 피뢰기 조성물은 산화물 혼합법으로 제조된다. 특히, 소결공정에 있어서 소결조건은 1200~1350℃에서 1~3시간으로 유지함이 바람직하며, 1200~1350℃에서 1시간으로 유지함이 더욱 바람직하다. 상기 소결온도가 증가하면, 피뢰기 특성에서의 누설전류가 감소되어 누설전류 특성이 향상되고, 소결밀도가 높아져 높은 치밀성을 나타내게 된다.
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 실시예들로만 한정되는 것은 아니다.
실시예 1~4
본 실시예들에서는 산화아연을 96.5~97.25 mol%, 프라세오디뮴을 0.5mol%, 코발트 산화물을 1.0mol%, 크롬 산화물을 0.5mol%, 이트리아를 0.5mol%, 테르비아를 0.25~1.0 mol%의 조성으로 되는 피뢰기 소자를 제조하였다.
먼저, 시료가 상기와 같은 조성의 수치범위를 만족하도록 칭량하고, 이를 볼 밀(ball mill)하여 혼합한 후 건조하였다. 그리고, 상기 시료를 전기로에서 700-750℃의 온도로 2시간 동안 하소시켰다. 그 후, 상기 하소된 원료분말에 결합제(binder)인 PVA(polyvinyl alcohol) 수용액을 시료무게의 2~5 wt% 첨가하여 균일하게 혼합하였다. 상기 혼합물을 건조한 다음, 조립하여 1000kg/cm2의 압력으로 가압하여 원하는 모양의 성형체를 형성하였다. 그리고, 상기 성형체를 전기로에서 승온속도를 240℃/hr, 냉각속도를 120~480℃/hr로 하여 1250℃의 온도에서 1시간 소결하였다. 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 하였다. 마지막으로 상기 앙면에 2개의 리드선을 납땜하여 패키지함으로써 피뢰기 소자를 제조하였다.
또한, 상기 제조된 피뢰기 소자의 전류-전압특성을 Kiethley 237, Kiethley 248, Kiethley 6485 장비를 사용하여 측정하였다. 전류-전압특성에 관련된 특성 파라미터로서 비선형 계수 (α)는 하기 식 2로부터 계산하였다:
α＝ 1/(logV10mA－logV1mA) (식 2)
(이때, 항복전압 V1mA는 1mA 전류가 흐를 때의 전압, V10mA는 10mA 전류가 흐를 때의 전압이다)
상기와 같이 제작된 피뢰기 소자에 대해서 소결밀도(ρ), 항복전압(V1mA) 및 비선형 계수(α), 누설전류(IL)를 측정하여 이를 표 1에 나타내며, 상기 누설전 류(IL)는 0.8V1mA에 해당하는 전압을 인가하였을 때의 전류이다. 또한, 표 1에서 첨가 산화물로서 프라세오디뮴은 Pr, 코발트 산화물은 Co, 크롬 산화물은 Cr, 이트리아는 Y, 테르비아는 Tb로 나타낸다.
표 1
실시예 소결온도(℃) 소결시간 (h) 첨가 산화물(mol%) 전기적 특성 밀도 (g/cm3)
Pr Co Cr Y Tb V1mA(V/mm) α IL(㎂)
1 1250℃ 1 0.5 1.0 0.5 0.5 0.25 940 57 0.8 5.58
2 0.5 1.0 0.5 0.5 0.5 1088 50 2.0 5.62
3 0.5 1.0 0.5 0.5 0.75 1157 62 5.0 5.67
4 0.5 1.0 0.5 0.5 1.0 1244 65 10.8 5.68
또한, 도 1은 테르비아 첨가량에 따른 피뢰기 소자의 전도특성을 도시한 그래프이다.
표 1을 참조하면, 본 실시예 1에 있어서 테르비아가 0.25mol% 첨가된 피뢰기 소자는 항복전압이 940V/mm, 비선형 계수가 50 이상으로서 매우 높은 값을 가진다. 뿐만 아니라, 소결밀도가 높아 소형화된 송변전 피뢰기 소자로서 매우 유망하다. 이러한 특성은 종래의 피뢰기 소자와 비교하여 크게 향상된 것이다.
또한, 본 실시예 2에 있어서 테르비아가 0.5mol%일 때, 항복전압이 무려 1kV/mm에 달하는 이례적으로 높은 값을 나타내었을 뿐만 아니라 비선형 계수도 다소 감소하였으나 여전히 50 정도의 값을 나타내었다. 그리고, 누설전류는 증가하였지만, 소결밀도는 증가하는 특성을 나타내었다.
또한, 본 실시예 3에 있어서 테르비아가 0.75 mol%일 때는 0.5 mol%(실시예 2)일 때보다 항복전압, 비선형 계수, 소결밀도가 모두 더 높은 비선형 특성을 나타내었다. 다만, 누설전류는 증가하는 것으로 나타났다.
특히 본 실시예 4에 있어서, 테르비아가 1.0 mol%일 때는 항복전압이 무려 1200V/mm에 달하였고, 비선형 계수도 65 이상, 소결밀도도 5.68 g/cm3에 이르는 높은 치밀성을 나타내었다. 단, 이 경우 누설전류가 10㎂ 이상으로 높았다.
실시예 5~8
본 실시예들에서는 그 조성과 제조공정 및 측정방법 모두는 소결온도만 제외하고는 실시예 1~4와 동일하게 하여 피뢰기 소자를 제조하였으며, 해당 소결온도는 1300℃로 하였다. 본 실시예들의 상기 피뢰기 소자의 제반특성은 표 2에 나타낸다.
표 2
실시예 소결온도(℃) 소결시간 (h) 첨가 산화물(mol%) 전기적 특성 밀도 (g/cm3)
Pr Co Cr Y Tb V1mA(V/mm) α IL(㎂)
5 1300℃ 1 0.5 1.0 0.5 0.5 0.25 747 46 0.4 5.70
6 0.5 1.0 0.5 0.5 0.5 895 45 1.2 5.75
7 0.5 1.0 0.5 0.5 0.75 990 46 3.2 5.76
8 0.5 1.0 0.5 0.5 1.0 1004 51 6.5 5.78
표 2를 참조하면, 본 실시예 5에 있어서 테르비아가 0.25 mol% 첨가된 피뢰기 소자는 1300℃에서 소결하였음에도 불구하고 항복전압이 750V/mm에 이르는 높은 값을 나타내었다. 비선형 계수도 40 중반값으로 높고 소결밀도도 5.70g/cm3에 이르는 높은 치밀성을 나타내었다.
본 실시예 6~8에 있어서, 테르비아가 0.5~1.0 mol% 첨가된 피뢰기 소자는 테르비아의 첨가량이 증가할수록 항복전압, 비선형 계수, 소결밀도가 증가하여 특성의 향상이 뚜렷하게 관찰되었다. 그러나, 여전히 누설전류는 증가하는 것으로 나타났다.
본 실시예 5~8을 실시예 1~4와 비교하면, 소결온도가 증가함으로써 누설전류는 감소되어 그 특성이 향상되는 것이 관찰되었다. 또한, 상기 항복전압과 비선형 계수는 약간 감소하였음에도 불구하고 항복전압은 900~1000V/mm, 비선형 계수는 45~50에 이르는 여전히 우수한 특성을 나타내었다. 나아가 밀도는 이론밀도에 근접하는 높은 치밀성을 보였다. 이러한 특성은 종래의 피뢰기 특성과 비교시 매우 우수한 것으로서 소형화된 송변전 피뢰기 소자로 응용 가능성이 매우 높다.
실시예 9~12
본 실시예들에서는 그 조성과 제조공정 및 측정방법 모두는 소결온도만 제외하고는 실시예 1~4와 동일하게 하여 피뢰기 소자를 제조하였으며, 해당 소결온도는 1350℃로 하였다. 본 실시예들의 상기 피뢰기 소자의 제반특성은 표 3에 나타낸다
표 3
실시예 소결온도(℃) 소결시간 (h) 첨가 산화물(mol%) 전기적 특성 밀도 (g/cm3)
Pr Co Cr Y Tb V1mA(V/mm) α IL(㎂)
9 1350℃ 1 0.5 1.0 0.5 0.5 0.25 289 33 0.7 5.72
10 0.5 1.0 0.5 0.5 0.5 488 37 0.3 5.76
11 0.5 1.0 0.5 0.5 0.75 646 40 1.4 5.79
12 0.5 1.0 0.5 0.5 1.0 690 37 3.4 5.82
표 3을 참조하면, 본 실시예 9에 있어서 1350℃에서 소결하였을 때 테르비아가 0.25mol% 첨가된 피뢰기 소자는 항복전압이 290V/mm로서, 실시예 1, 5에서의 다른 소결온도에서 소결된 피뢰기 소자와 비교할 때 그 값이 크게 감소하였으며, 비선형 계수도 40 이하로 감소하였다. 대신 소결밀도는 5.72g/cm3에 이르는 높은 치밀성을 나타내었다.
본 실시예 10~12에 있어서, 테르비아가 0.5~1.0 mol% 첨가된 피뢰기 소자는 대략 500~700V/mm의 항복전압을 나타내었고, 상대적으로 비선형 계수가 낮아지긴 했으나 40 부근이며, 또한 낮은 누설전류를 나타내었다.
이상과 같은 실시예 1~12에 있어서 각 소결온도 1250℃, 1300℃, 1350℃ 및 테르비아 첨가량에 따른 항복전압 특성을 종합하여 도 2에 나타낸다.
즉, 본 실시예 9~12를 실시예 1~8과 비교하면, 소결온도가 증가할수록 항복전압과 비선형 계수는 다소 감소하였지만 상대적으로 누설전류 특성은 향상되는 것으로 나타났다. 나아가 밀도는 이론밀도를 초과하는 높은 치밀성을 보였다.
이상과 같이 기술된 본 발명의 바람직한 실시예들로부터, 본 발명의 피뢰기 조성물은 1250~1300℃에서 1시간 소결시 테르비아의 첨가량에 민감하지않는 범위에서 500~1000V/mm의 매우 높은 항복전압과 높은 비선형 특성을 얻을 수가 있으며, 이는 소형화된 송변전 피뢰기 소자에 상당히 적합하다.
한편, 상기 실시예들의 제반 특성은 조성분말의 평균입도, 분포 및 비표면적과 같은 분말특성과, 원료의 순도, 불순물 첨가량 및 소결 조건에 따라 통상적인 오차범위 내에서 다소 변동이 있을 수 있음은 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 지극히 당연한 것이다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예들은 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 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 산화아연, 프라세오디뮴 산화물, 코발트 산화물, 크롬 산화물, 이트리아로 구성된 조성에 테르비아를 첨가한 조성을 산화물 혼합법으로 제조하고, 특히 그 소결조건을 1200~1350℃에서 1~3시간으로 유지함으로써 항복전압과 소결밀도가 크게 향상된 우수한 특성을 나타낸다.
따라서, 이로써 제조된 송변전 피뢰기 조성물은 소형화된 송변전 피뢰기 소자로서 매우 유망하다.

Claims (4)

  1. 산화아연(ZnO), 프라세오디뮴 산화물(Pr6O11), 코발트 산화물(CoO), 크롬 산화물(Cr2O3), 이트륨 산화물(Y2O3)로 구성된 조성에 테르븀 산화물(Tb4O7)를 첨가하여 이루어지는 조성물을 혼합하고 이를 하소하는 제1단계와;
    상기 하소된 분말을 성형하고 이를 소결하는 제2단계와;
    상기 소결체에 전극을 도포하고 패키지 처리를 하는 제3단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 피뢰기 소자의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    제2단계의 상기 소결 조건은 1 내지 3시간 동안 1200℃ 내지 1350℃의 온도로 유지되는 것임을 특징으로 하는 피뢰기 소자의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    제1단계의 상기 하소 조건은 2시간 동안 700℃ 내지 750℃의 온도로 유지되는 것임을 특징으로 하는 피뢰기 소자의 제조방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 산화아연은 90.0 내지 98.7 mol%, 상기 프라세오디뮴 산화물은 0.5 내지 1.0 mol%, 상기 코발트 산화물은 0.5 내지 5.0 mol%, 상기 크롬 산화물은 0.1 내지 1.0 mol%, 상기 이트륨 산화물은 0.1 내지 1.0 mol%, 상기 테르븀 산화물은 0.1 내지 3.0 mol%로 상기 조성물에 함유되는 것을 특징으로 하는 피뢰기 소자의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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