KR100787154B1 - 자기복구형 퓨즈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기복구형 퓨즈에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 PTC소자를 통해 마련되어 전자장비의 배터리 팩을 보호하도록 채용되는 것으로, 배터리의 수명이나 사용시간이 줄어드는 것을 방지하면서도 전류차단능력이 향상되도록 마련된 자기복구형 퓨즈를 제공하는 것이다.

이를 위해 본 발명은 2차전지로 마련되는 휴대용 전자장비의 배터리 팩을 보호하기 위해 폴리머와 전도성 충전제로 마련된 PTC(Positive Temperature Coefficient)소자를 구비하는 자기복구형 퓨즈에 있어서, 상기 전도성 충전제는 페록사이드(Peroxide)처리된 카본블랙으로 마련된다.

Description

자기복구형 퓨즈{SELF RECOVERY FUSE}

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 PTC소자의 구조를 도시한 것으로, a는 과전류가 인가되기 전 저 저항체로 있을 때의 상태를 보인 것이고, b는 과전류의 인가로 고 저항체로 있을 때의 상태를 보인 것이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 PTC소자에 있어서, 페록사이드퍼리된 카본블랙을 얻기 위한 페록사이드와 카본블랙의 반응식을 나타낸 것이다. 도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 충전제로서 페록사이드처리된 카본블랙을 사용한 PTC소자와 충전제로서 단순한 카본블랙을 사용한 PTC소자의 저항값을 온도변화에 따라 비교한 실험치를 그래프로 나타낸 것이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1: PTC소자 1a: 폴리머

1b: 충전제 2,3: 전극

본 발명은 자기복구형 퓨즈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 휴대용 전자장비의 배터리 팩을 보호하기 위해 PTC소자로 마련되는 자기복구형 퓨즈에 관한 것이 다.

일반적으로 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더, PDA 등과 같은 휴대용 전자장비에는 배터리로서 니켈-카드뮴 전지, 납축전지, 니켈-수소전지,리튬-이온전지, 리튬 폴리머 전지, 금속리듐전지, 공기 아연 축전지 등 충방전이 가능한 다양한 종류의 2차전지가 사용되고 있다.

그리고 이러한 배터리 팩에는 배터리 셀과, 팩 단자, 그리고 베터리 셀과 팩 단자 사이의 회로 상에 마련되는 퓨즈를 포함한다.

상기 퓨즈는 통상 PCT소자를 통해 마련되어 자기복구형으로 마련되는데, 이는 PCT 특성을 이용함에 따른 것이다.

보다 상세히 살펴보면, PTC소자는 전도성 충전제가 함유된 반결정성 폴리머로 형성되는 것으로, 이러한 PTC 소자는 온도를 증가시키면 폴리머의 용융 영역에서 열적 팽창으로 인하여 폴리머 내에 있는 충전제 입자 사이의 층이 증가하게 되어 전자의 흐름이 방해를 받게 되고 따라서 온도가 증가함에 따라 저항이 갑자기 크게 증가하는 현상을 보이는데, 이를 PTC(POSITIVE TEMPERATURE COEFFICIENT)현상이라고 한다.

따라서 이러한 PTC소자는 상온과 같이 낮은 온도에서는 상기 충전제가 전기적인 경로를 형성하게 되면서 전도체의 역할을 수행하는 저 저항체가 되고, 소정 온도 이상 온도가 올라가게 되면 충전제 입자 사이의 층이 증가하게 되면서 충전제에 의해 형성되어 있던 전기적인 경로가 파괴되면서 고 저항체로 전환되며, 이후 다시 온도가 낮아지게 되면 다시 초기 상태의 저 저항체로 복구되는 것이다.

그리고 이러한 PTC소자의 양측에 전극을 형성한 후 이를 일정 크기로 절단한 상태에서 단자를 형성하고 피복을 입히게 되면 자기복구형 퓨즈가 형성되고, 이러한 퓨즈를 배터리 셀과 팩 단자 사이의 회로 상에 설치하게 되면, 회로에 과전류가 유입될 경우 이 과전류에 의해 발생하는 주울열에 의해 PTC소자가 저 저항체에서 고 저항체로 변화되며 과전류를 차단하게 되고, 이후 과전류 요인이 제거되어 PTC소자의 온도가 다시 낮아지게 되면 PTC 소자의 저항값이 초기 상태로 되돌아가면서 회로의 정상 작동이 가능하게 되며, 이러한 자기복구형 퓨즈로 인해 고온의 비정상적인 조간하에서 배터리 셀이 사용되는 것이 방지됨에 따라 2차 전지의 안전성이 확보되는 것이다.

한편, 상기 자기복구형 퓨즈를 형성하는 PTC소자는 통상 상기 폴리머로서 결정성을 갖는 폴리에틸렌 등이 사용되고, 상기 충전제로서는 카본블랙을 사용하게 되는데, 이와 같은 통상의 PTC소자를 통해 마련된 종래 자기복구형 퓨즈는 2차전지의 수명이 축소되도록 하는 단점이 있었다.

보다 상세히 설명하자면, 일반적으로 2차전지의 베터리 셀의 온도가 60℃를 넘어서게 되면 전해질가스 생성과 이로 인한 내부 압력 및 온도 상승으로 인해 2차전지의 성능이 급격하게 저하되며, 특히 퓨즈로 인한 전류차단시간이 지연 될 경우 과전류로 인한 온도 상승으로 인해 2차전지의 성능 및 수명 저하가 더욱 가속화 된다.

따라서 60℃에 근접한 저온에서 전류차단이 일어나게 되면 보다 빠른 시간 내에 과전류가 차단될 수 있게 되어 배터리 셀의 온도 상승이 효과적으로 억제되어 2차전지의 성능 및 수명 저하를 막을 수 있게 되는데, 이를 위해 PTC소자의 폴리머로서 융점이 낮은 LLDPE(Linear Low-Density Poly Ethylene)계열의 고분자를 사용하여야 한다.

그러나 상기 LLDPE의 경우 결정화도가 낮아 상온에서의 저항치가 매우 높게 형성되는 단점이 있는데, 이에 따라 고전류가 유입되지 않는 정상작동 중 PTC소자의 저항치가 너무 높게 형성되면, 전력소모가 증가되면서 충전된 2차전지의 사용시간이 단축되는 또 다른 문제점이 발생하게 된다.

또 이를 해결하고자 최근에는 결정화도가 낮은 LLDPE의 단점을 보완하기 위해 상기 카본블랙의 함량을 통상적인 40중량%보다 높은 50-60중량%까지 증가시키고 있는데, 이러한 경우에는 많은 량의 카본블랙으로 인해 고온에서 폴리머가 비정형 상태로 바뀌더라도 카본블랙 간의 거리 이격이 어렵게 되어 퓨즈 본연의 전류차단능력이 급격히 저하되게 된다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 PTC소자를 통해 마련되어 전자장비의 배터리 팩을 보호하도록 채용되는 것으로, 배터리의 수명이나 사용시간이 줄어드는 것을 방지하면서도 전류차단능력이 향상되도록 마련된 자기복구형 퓨즈를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 2차전지로 마련되는 휴대용 전자장비의 배터리 팩을 보호하기 위해 폴리머와 전도성 충전제로 마련된 PTC(Positive Temperature Coefficient)소자를 구비하는 자기복구형 퓨즈에 있어서, 상기 전도성 충전제는 페록사이드(Peroxide)처리된 카본블랙으로 마련된 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 페록사이드처리된 카본블랙은 페록사이드와 카본블랙을 중량비 1:1비율로 톨루엔을 용매로 하여 9-10시간 동안 65-75℃에서 반응시킨 후 미반응 페록사이드를 아세톤과 THF(Tetrahydrofuran)를 이용하여 세척한 뒤 페록사이드와 카본블랙의 반응물을 상온에서 건조하여 유기화시켜 마련된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 폴리머는 LLDPE(Linear Low-Density Poly Ethylene)로 마련되고, 상기 PTC소자는 상기 페록사이드처리된 카본블랙을 150-160℃에서 상기 LLDPE에 분산시킨 후 215-225℃에서 상기 페록사이드처리된 카본블랙이 분산된 LLDPE 조직 내에 PP(Polypropylene)를 분산시켜 마련된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 페록사이드처리된 카본블랙은 상기 PTC소자 전체 중량의 50-60%를 차지하도록 마련된 것을 특징으로 한다.

다음은 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.

본 실시예에 따른 자기복구형 퓨즈는 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더, PDA 등과 같이 배터리로서 2차전지를 사용하는 휴대용 전자장비의 배터리를 보호하도록 채용된다.

상기 배터리로는 니켈-카드뮴 전지, 납축전지, 니켈-수소전지, 리튬-이온전지, 리튬 폴리머 전지, 금속리듐전지, 공기 아연 축전지 등 충방전이 가능한 다양 한 종류의 2차전지가 사용될 수 있으며, 상기 퓨즈는 이러한 배터리 팩에 있어서 배터리 셀과 팩 단자 사이의 회로 상에 설치된다.

도 1에는 본 실시예에 따른 자기복구형 퓨즈를 형성하기 위한 PTC소자 구조가 도시된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 PTC소자(1)는 전도성 충전제(1b)가 함유된 반결정성 폴리머(1a)를 통해 형성되고, 본 실시예에 있어서 상기 충전제(1b)로는 페록사이드처리가 된 카본블랙이 사용되며, 상기 폴리머(1a)는 LLDPE(Linear Low-Density Poly Ethylene)로 형성된다.

이중 먼저 상기 충전제(1b)를 페록사이드처리된 카본블랙으로 마련한 것은 상기 충전제(1b)의 분산효과를 증대시킴과 동시에 이러한 충전제(1b)와 상기 폴리머(1a)의 기지조직과 가교를 통하여 상기 폴리머(1a)가 비정형화되는 온도에서도 충전제(1b) 간의 이격을 확대시킴으로써 자기복구형 퓨즈의 전류차단 능력을 크게 향상시키기 위한 것이다.

상세히 설명하자면, 상기 카본블랙을 페록사이드처리하는 과정을 보자면, 먼저 페록사이드와 카본블랙을 중량비 1:1 비율로 톨루엔을 용매로 하여 9-10시간 동안 65-75℃에서 반응킨 후 미반응 페록사이드를 아세톤과 THF(Tetrahydrofuran) 등을 이용하여 세척한 뒤 페록사이드와 카본블랙의 반응물을 상온에서 건조하여 유기화시키면 페록사이드처리된 카본블랙을 얻게 되는 것인데, 도 2에는 이때의 반응식이 도시된다.

즉, 이때는 65-75℃ 사이에서 페록사이드가 개환되어 라디칼이 형성되고, 이 러한 라디칼이 카본블랙의 표면에 화학적으로 반응하여 가지화 되는 것이다. 따라서 이때는 카본블랙의 표면이 유기화 되어 단독으로 유기물인 폴리머(1a)에 섞이는 것보다 분산이 더 잘될 수 있게 되면서 폴리머(1a)가 녹는점 이상에서 녹게 될 때 상기 폴리머(1a)와 함께 움직이게 되는 것이다.

또 상기 PTC소자(1)는 이렇게 페록사이드처리된 카본블랙을 150-160℃에서 상기 LLDPE(Linear Low-Density Poly Ethylene)에 분산시킨 후 215-225℃에서 상기 페록사이드처리된 카본블랙이 분산된 LLDPE 조직 내에 PP(Polypropylene)를 분산시킴으로써 형성되는데, 여기서 LLDPE는 융점이 낮은 계열의 고분자로서 상기 퓨즈가 저온에서도 보다 신속하게 전류를 차단할 수 있도록 하며, 상기 PP는 고 융점물질로서 퓨즈의 고온안정성을 높이는 동시에 카본블랙과의 친화도가 낮아 카본블랙을 밀어냄으로써 상대적으로 LLDPE 내에서 카본블랙의 밀도를 높여주는 역할을 수행하게 된다.

따라서 이와 같이 분산효과가 증대되도록 페록사이드처리된 카본블랙을 충전제(1b)로 사용하게 되면, 결정화도가 낮은 상기 LLDPE의 사용으로 인해 저온에서 보다 빠른 전류차단이 가능하게 되고 배터리 셀의 온도 상승이 효과적으로 억제되어 배터리의 성능 및 수명저하가 방지되면서도, 낮은 결정화도로 인해 상온에서 저항치가 높게 형성되는 LLDPE 의 단점을 보완하도록 PTC소자(1)의 전체 중량 중 상기 충전제(1b)의 중량을 50-60중량%까지 늘리게 되더라도 PTC소자(1)가 낮은 실온 저항치를 형성하면서도 고온영역에서는 높은 저항치를 유지할 수 있게 되어 배터리의 사용시간이 단축되지 않으면서도 전류차단효과를 증대시킬 수 있게 된다.

그리고 이렇게 마련된 PTC소자(1)를 니켈(Ni) 호일 사이에 두고 대략 220℃에서 가압하게 되면 양측에 한 쌍의 전극(2,3)이 형성되고, 이를 일정 크기로 절단한 후 단자를 형성하고 피복을 입히게 되면 자기복구형 퓨즈가 완성되는 것이다.

도 3에는 본 실시예에 따라 충전제(1b)로서 페록사이드처리된 카본블랙을 사용한 PTC소자(1)와 충전제로서 단순한 카본블랙을 사용한 다른 PTC소자의 온도변화에 따른 저항값을 비교한 실험치가 그래프로 도시된다. 참고로 설명의 편의상 본 그래프에서는 본 실시예에 따른 PTC소자의 실험치를 A로 표시하고, 단순한 카본블랙을 사용한 일반적인 PTC소자의 실험치를 B로 표시하였다.

그리고 도 3을 보면, 단순한 카본블랙을 충전제(1b)로서 사용한 PTC소자의 경우 고온에서 100Ω 이하의 불안한 차단 저항치를 보이는 것에 비해, 본 실시예에 따라 페록사이드처리된 카본블랙을 충전제(1b)로서 사용한 PTC소자(1)의 경우에는 고온에서 4kΩ 이상의 탁월한 차단 특성을 갖게 됨을 알 수 있다. 또 본 실시예에 따라 페록사이드처리된 카본블랙을 충전제(1b)로서 사용한 PTC소자(1)는 저온차단능력 면에 있어서도 1Ω의 저항값을 예로 들더라도 단순한 카본블랙을 충전제로서 사용한 PTC소자보다 대략 10℃ 낮아진 70℃의 차단 온도를 보여주고 있음을 알 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 자기복구형 퓨즈는 충전제로서 페록사이드처리된 카본블랙으로 마련된 PTC소자를 사용하게 됨에 따라 충전제의 분산효과가 극대화 되어 배터리의 수명이나 사용시간이 줄어드는 것이 방지되 면서도 전류차단능력이 향상되도록 하는 이점을 갖는다.

Claims (4)

1. 2차전지로 마련되는 휴대용 전자장비의 배터리 팩을 보호하기 위해 폴리머와 전도성 충전제로 마련된 PTC(Positive Temperature Coefficient)소자를 구비하는 자기복구형 퓨즈에 있어서,

   상기 전도성 충전제는 페록사이드(Peroxide)처리된 카본블랙으로 마련된 것을 특징으로 하는 자기복구형 퓨즈.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 페록사이드처리된 카본블랙은 페록사이드와 카본블랙을 중량비 1:1비율로 톨루엔을 용매로 하여 9-10시간 동안 65-75℃에서 반응시킨 후 미반응 페록사이드를 아세톤과 THF(Tetrahydrofuran)를 이용하여 세척한 뒤 페록사이드와 카본블랙의 반응물을 상온에서 건조하여 유기화시켜 마련된 것을 특징으로 하는 자기복구형 퓨즈.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 폴리머는 LLDPE(Linear Low-Density Poly Ethylene)로 마련되고, 상기 PTC소자는 상기 페록사이드처리된 카본블랙을 150-160℃에서 상기 LLDPE에 분산시킨 후 215-225℃에서 상기 페록사이드처리된 카본블랙이 분산된 LLDPE 조직 내에 PP(Polypropylene)를 분산시켜 마련된 것을 특징으로 하는 자기복구형 퓨즈.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 페록사이드처리된 카본블랙은 상기 PTC소자 전체 중량의 50-60%를 차지하도록 마련된 것을 특징으로 하는 자기복구형 퓨즈.

Images