KR100919161B1 - 금속 이동의 방지를 위한 버퍼 존 - Google Patents

금속 이동의 방지를 위한 버퍼 존

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KR100919161B1
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Abstract

편평한 세라믹 표면상에 은 전자 이동과 같은 소립자 이동은 표면상에 형성된 상향 수직 장벽 또는 2개의 은 전도체들 사이의 표면에 형성된 그루브에 의해 효과적으로 제거될 수 있다.

Description

금속 이동의 방지를 위한 버퍼 존{A buffer zone for the prevention of metal migration}
본 출원은 2004년 10월 27일 출원된 미국 출원 제10/974,403호을 기초로 하여 우선권의 이익을 향유한다. 본 발명은 금속 이동의 방지에 관련되고, 좀더 자세히는, 표면을 통한 은(silver) 이동의 방지에 관련된다.
금속의 전자 이동은 많은 전기 및 전자 시스템들에서 중요한 실패 모드로 인식되어 왔다. 전자 이동에는 2가지 유형들의 전자이동(elerectro-migration)이 있다고 널리 믿어진다: 즉 전해질 상태(electrolytic state) 전자이동 및 고체(solid) 상태 전자이동이다. 전해질 전자이동 이동(transfer)은 예를 들어, 금속이 이온 형태로 전달되는 이온 이동이지만, 고체상태 전자이동은 본래 전자 모멘텀 이동(electron momentum transfer) 이다.
소정 산소 발생기들 및 연료 셀(cell)들은 전기화학(electrochemical) 장치들이고, 이 예들은 미국특허 제5,985,113호; 제5,871,624호; 및 제6,194,335호에 나타나 있다. 이 3개의 특허는 본원 명세서에 참조병합된다. 이 유형의 산소 발생기들은 소정의 IMAT(Integrated Manifold and Tube) 모듈들에서 사용된다. IMAT 모듈은 대게는 넓은 공간의 씰(seal)들의 수를 줄이는 반면 수많은 시리즈 전기 컨넥션(series electrical connections)들을 만드는 성능 때문에 전기적으로 유도되는 산소 분리(electrically driven oxygen separation)를 위한 매력적인 컨피규레이션(configuration)으로서 나타나고 있다. 이 시리즈 컨넥션들은 상이한 전위차들에서 2개의 전도 영역들을 분리하는 세라믹 전해 물질로된 텅빈(bare) 영역을 포함한다.
IMAT 모듈들은 대략 1000℃인 전형적인 동작 온도들에 비교해서 낮은 동작 온도의 방향으로 움직인다. 750℃ 또는 이보다 낮은 온도에서 동작하는 이점들 중의 하나는 백금과 같은 다른 귀한 금속들 대신에 전극 및/ 또는 전류 컬렉터(collector)에서 은의 사용을 가능하게 한다는 것이다. 따라서 이 시스템들의 비용은 상당히 감소될 수 있다. 그러나 가장 전도성있는 금속들 중의 하나로서, 은은 또한 특히 전자 이동이 쉽다. 현재까지, 고체상태 전기화학 장치들에서 은 이동의 실험들은 전해질 이동을 지향하여 왔다.
은 전자이동은 은 이동으로 인하여 감소되는 산소 유량(flow rate) 때문에 산소 발생을 위한 IMAT의 수명(life)이 제한된다는 문제가 흔히 발생한다. 은이동은 전도체간 간격(inter-conductor spacing)을 통한 쇼트(shorting)로 인하여 결과적으로 실패를 가져온다.
전자이동으로 생기는 은 전도체들 간의 쇼트(short)들을 방지하는 것이 본 발명의 주요 목적이다.
위에서 언급된 것 및 다른 본 발명의 특징들 및 이점들과 이를 달성하려는 방식이 첨부된 도면들과 연결되어 아래에 상세한 설명을 참조하여 평가되고 더 쉽게 이해될 것이다. :
도 1은 세라믹 표면상의 2개의 전도체들의 횡단면도.
도 2는 2개의 전도체들 사이에 리지를 갖는 도 1의 횡단면도.
도 3은 2개의 전도체들 사이에 스텝(step)을 갖는 도 1의 횡단면도.
도 4는 2개의 전도체들 사이에 그루브(groove)를 갖는 도 1의 횡단면도.
도 5a는 세륨 기반의 전해질에 형성된 그루브와 함께 세륨 기반의 전해질 상에 형성된 2개의 은 전도체들을 도시하는 IMAT 일 부분의 사진.
도 5b는 전원형(powerd) 열처리가 된 후의 도 4a의 IMAT의 또 하나의 일 부분을 도시하는 사진.
명료화의 목적으로 적절하다고 간주되는 범위 내에서, 참조 번호들이 대응하는 특징들을 나타내기 위해 반복되었고 도면들에서 다양한 엘리먼트들이 본 발명의 특징들을 좀 더 잘 도시하기 위해 반드시 스케일해서 그려지진 않았음이 이해되어야 한다.
간단히 설명하면, 제1 실시 예에서는 은 이동이 전도체들 중 최소한 하나의 전도체가 은을 포함하고 있는, 표면에 위치한 2개의 공간적으로 떨어진 전도체들 사이의 표면에 형성된 그루브(groove)에 의해 효과적으로 방지됨을 설명한다.
제2 실시 예에서는 은 이동이 전도체들 중의 최소한 하나의 전도체가 은을 포함하고 있는, 표면에 위치한 2개의 공간적으로 떨어진 전도체들 사이의 표면에 형성된 리지(ridge)에 의해 효과적으로 방지됨을 설명한다.
도 1을 참조하면, 세라믹 표면(14) 상의 2개의 전도체들(10, 12)의 횡단면도 도시되었다 (은 이온들을 나타내는 원들은 물론 스케일해서 그려지지 않았음). 전도체(10)가 전도체(12)에 대해 양성이라고 가정하면, 실버 이온들은 전도체(10)에서 전도체(12)로 이동할 것이고, 결국에는 2개의 전도체들 사이의 쇼트를 형성할 것이다.
도 2는 2개의 전도체들 사이에 수직의 장벽(vertical barrier) 또는 리지(16)를 갖는 도 1의 횡단면도이고, 도 3은 두 개의 전도체들 사이에 스텝(18)을 갖는 횡단면도, 도 4는 2개의 전도체들(10, 12) 사이에 그루브(20)를 갖는 도 1의 횡단면도이다. 리지(16), 스텝(18), 및 그루브(20)는 은이 내부 전도체 공간을 통해 이동하여 2개의 전도체들(10, 12) 사이에 쇼트들을 생기게 하는 것을 방지하는 버퍼 존들을 형성한다. 은 전해질 이동은 2개의 전도체들(10, 12) 사이의 전기장에 의해 구동(drive)된다. 은 이동율이 이 존 안에서는 제로이거나 제로에 가깝게 하도록, 리지(16) 및 그루브(20)는 제로이거나 제로에 가까운 전기장을 가진 2개의 전도체들(10, 12) 사이의 세라믹 표면들에 존을 생성한다. 스텝(18)은 2개의 전도체들(10, 12) 사이의 쇼트들을 효과적으로 방지하기 위해 2개의 전도체들(10,12) 사이에 전기장이 충분히 감소된 존을 형성한다.
바람직하게는 이 장벽들(16, 20)은 전기장 방향에 대해 수직이거나 수직에 가까운(<2°) 최소한 하나의 벽을 가진다. 이 벽들을 따라 전기장은 제로이거나 제로에 가깝고, 은 이온들은 이 벽들을 따라 움직일 수 없을 것이고, 또는 움직일 것 같지도 않을 것이다. 리지 또는 그루브는 따라서 은이 양극으로부터 음극으로 이동되는 것을 막는 버퍼존이다.
각도가 2°이상이면 금속의 유형, 2개의 전도체들(10, 12) 사이의 전위차, 2개의 전도체들(10, 12) 사이의 갭(gap)의 폭, 그루브(20)의 깊이, 또는 스텝(18) 또는 리지(16)의 높이와 같은 금속 이동에 관련된 다른 요인들에 의해 좌우될 수 있다. 본 발명의 실시 예에서 그루브(20)의 깊이는 0.040인치 내지 0.050 인치의 범위이고, 전위차는 0.50 볼트 내지 1볼트 사이이고, 2개의 전도체들(10, 12) 사이의 가장 좁은 갭은 0.050인치이다.
그루브(20)는 바람직한 실시 예에서 세라믹 몰딩 공정(ceramic molding operation) 동안에 형성되고, 몰드로부터 세라믹 부분이 분리(release)될 수 있도록 표면(14)의 수직면으로부터 벽들이 약 1°가 되게 그루브들(20)의 벽들이 기울여져 있다. 몰딩 프로세스(process) 동안 그루브(20)를 형성하는 대신에, 그루브(20)는 부분이 형성된 후에 표면(14)에서 기계적으로 커트(cut)될 수도 있다. 그루브(20)의 밑바닥(bottom) 및 리지(16)와 스텝(18)의 위면(top)은 전술한 그루브(20)의 깊이 또는 리지(16) 및 스텝(18)의 높이를 위해 측벽들이 충분히 편평한(flat) 한 어떤 특정 모양일 필요가 없다.
도 5a 및 도 5b는 전기적으로 전원형 열처리 전 또는 후에 세라륨 기반 전해질에 형성된 그루브와 함께 세륨기반의 전해질에 형성된 2개의 은 전도체들을 도시하는 2개의 상이한 IMAT의 일부분들의 사진들이다. 9개의 그루브들이 소결되지않은(green) 부분에 정밀하게 만들어졌고, 후속으로 소결(sinter)되었다. 도 1에 도시된 2개의 전도체들(10, 12)에 대응하는 은색 줄무늬들(22,24)이 그루브들의 양쪽에 놓여져 있었다. 그루브(20)은 전해질에 형성된 9개의 그루브들 중의 하나의 그루브이다. 그루브들은 폭이 대략 0.046 인치었고, 깊이가 0.040인치었다. 8V의 전기 전압(electric voltage)은 650℃에서 456시간 동안 전도체(22, 24)를 통해 인가(apply)되었다. 테스팅(testing) 후에 그루브(20)에서 은 침전(deposition)의 징후(sign)가 없었고, 다른 그루브들 중 어느 것에서도 은 침전 징후들이 없었다. 동일한 결과가 그루브(20) 대신에 리지(16)가 장벽으로 사용될 때 나타났다. 동일한 결과가 또한 그루브(20) 폭이 0.030인치로 줄었을 때 나타났다.
본 발명의 원리들에 대한 설명을 제공하고, 당업자가 다양한 실시 예들에서 그리고 계획하는 특정 이용에 적합한 다양한 변경들로서 본 발명을 이용할 수 있는 본 발명의 실제 애플리케이션을 제공하기 위해, 설명된 실시 예들이 선택되었다. 따라서, 전술한 설명은 제한이 아니라 예시로서 고려되어야 하고, 본 발명의 실제 범위는 아래 청구항들에서 설명된다.

Claims (23)

  1. 표면에 인접해서 배열된 제1 및 제2 전도체들을 분리시키는 절연 표면을 통해 이온 이동을 저지하는 방법으로서, 상기 방법은 상기 전도체들 사이에, 스텝, 그루브, 및 리지 중의 하나를 형성하는 단계를 포함하는, 이온 이동을 저지하는 방법.
  2. 제1 및 제2 전도체들을 갖는 편평한 표면을 통한 은 이동을 방지하는 방법으로서, 상기 제1 및 제2 전도체들은 상기 표면에 배열되고, 상기 제1 및 제2 전도체들 중 최소한 하나의 전도체는 은을 포함하고, 상기 방법은 상기 제1 및 제2 전도체들 사이의 상기 표면에 그루브를 형성하는 단계를 포함하는, 은 이동을 방지하기 위한 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 그루브를 형성하는 단계는 0.030 인치 이상의 깊이를 갖는 상기 그루브를 형성하는 단계를 포함하는, 은 이동을 방지하기 위한 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 그루브를 형성하는 단계는 0.030 인치 내지 0.050인치 범위 내의 깊이를 갖는 상기 그루브를 형성하는 단계를 포함하는, 은 이동을 방지하기 위한 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 그루브를 형성하는 단계는 상기 그루브의 최소한 하나의 측벽의 부분을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 측벽은 상기 제1 전도체 및 제 2 전도체가 상이한 전위에 있을 때 형성될 수 있는 상기 부분을 통하는 최대 전기장에 직각으로 2도 범위 내에 있는, 은 이동을 방지하기 위한 방법.
  6. 은 이동을 방지하기 위한 장치로서,
    a) 표면에 위치한 2개의 공간적으로 떨어진 전도체들을 갖는 표면[상기 전도체들 중의 최소한 하나의 전도체는 은을 포함]; 및
    b) 상기 전도체들 사이의 은 이동에 의한 쇼트들이 제거되는, 상기 전도체들 사이의 상기 표면 안의 그루브를 포함하는, 은 이동을 방지하기 위한 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 그루브는 깊이가 0.030 인치 이상인, 은 이동을 방지하기 위한 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 그루브는 깊이가 0.030인치 내지 0.050 인치 범위 내인, 은 이동을 방지하기 위한 장치.
  9. 제6항에 있어서, 상기 2개의 전도체들은 0.050인치 이상 떨어진, 은 이동을 방지하기 위한 장치.
  10. 제6항에 있어서, 상기 그루브는 최소한 하나의 측벽의 부분을 갖고, 상기 측벽은 상기 전도체들이 상이한 전위에 있을 때 형성될 수 있는 상기 부분을 통하는 최대 전기장에 직각으로 2도 범위 내에 있는, 은 이동을 방지하기 위한 장치.
  11. 제1 및 제2 전도체들을 갖는 편평한 표면을 통한 은 이동을 방지하는 방법으로서, 상기 제1 및 제2 전도체들은 상기 표면에 배열되고, 상기 제1 및 제2 전도체들 중 최소한 하나의 전도체는 은을 포함하고, 상기 방법은 상기 제1 및 제2 전도체들 사이에서 상기 표면에 리지를 형성하는 단계를 포함하는, 은 이동을 방지하기 위한 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 리지를 형성하는 단계는 0.030 인치 이상의 높이를 갖는 상기 리지를 형성하는 단계를 포함하는, 은 이동을 방지하기 위한 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 리지를 형성하는 단계는 0.030 인치 내지 0.050인치 범위 내의 높이를 갖는 상기 리지를 형성하는 단계를 포함하는, 은 이동을 방지하기 위한 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 리지를 형성하는 단계는 상기 리지의 최소한 하나의 측벽의 부분을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 측벽은 상기 제1 전도체 및 제 2 전도체가 상이한 전위에 있을 때 형성될 수 있는 상기 부분을 통하는 최대 전기장에 직각으로 2도 범위 내에 있는, 은 이동을 방지하기 위한 방법.
  15. 은 이동을 방지하기 위한 장치로서:
    a) 표면에 위치한 2개의 공간적으로 떨어진 전도체들을 갖는 표면 [상기 전도체들 중의 최소한 하나의 전도체는 은을 포함]; 및
    b) 상기 전도체들 사이의 은 이동에 의한 쇼트들이 제거되는, 상기 전도체들 사이의 상기 표면상의 리지를 포함하는, 은 이동을 방지하기 위한 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 리지는 높이가 0.030 인치 이상인, 은 이동을 방지하기 위한 장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 리지는 높이가 0.030 인치 내지 0.050 인치 범위 내인, 은 이동을 방지하기 위한 장치.
  18. 제15항에 있어서, 상기 2개의 전도체들은 0.050인치 이상 떨어진, 은 이동을 방지하기 위한 장치.
  19. 제15항에 있어서, 상기 리지는 최소한 하나의 측벽의 부분을 갖고, 상기 측벽은 상기 전도체들이 상이한 전위에 있을 때 형성될 수 있는 상기 부분을 통하는 최대 전기장에 직각으로 2도 범위 내에 있는, 은 이동을 방지하기 위한 장치.
  20. 전기장이 방향으로 움직이는 경향이 있고 편평한 절연 표면에 부착된 공간적으로 분리된 제1 전도체 및 제2 전도체 중 적어도 하나에 존재하는 소립자들의 이온 이동을 저지하는 방법으로서, 상기 방법은:
    상기 절연 표면 내부 또는 위에 상기 제1 전도체 및 상기 제2 전도체 사이의 베리어 존(barrier zone)을 형성하는 단계 [상기 베리어 존은 상기 제1 전도체 및 상기 제2 전도체 사이의 미리결정된 전위(voltage potential)에 의해 형성된 전기장의 방향에 수직인 표면을 포함]를 포함하고,
    이때 상기 전기장의 강도가 감소되어서, 상기 제1 전도체 및 상기 제2 전도체 사이의 상기 소립자들의 움직임이 저지되는, 이온 이동을 저지하는 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 베리어 존은 리지를 포함하는, 이온 이동을 저지하는 방법.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 베리어 존은 그루브를 포함하는, 이온 이동을 저지하는 방법.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전도체들 중 적어도 하나는 은을 포함하는, 이온 이동을 저지하는 방법.
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