KR101302863B1

KR101302863B1 - 과전류 보호 장치

Info

Publication number: KR101302863B1
Application number: KR1020060067854A
Authority: KR
Inventors: 다비드 샤우 췌 왕; 푸 후아 추; 쿠오 창 로
Original assignee: 폴리트로닉스 테크놀로지 코포레이션
Priority date: 2005-08-11
Filing date: 2006-07-20
Publication date: 2013-09-02
Also published as: TWI292972B; JP2007049141A; US7382224B2; KR20070019542A; TW200707874A; US20070035378A1

Abstract

과전류 보호 장치는 두 개의 금속 박판과 정특성 온도 계수(PTC) 특성을 가진 물질층을 포함한다. PTC 물질층은 두 개의 금속 박판 사이에 끼워지고 적어도 하나의 용융점 115℃ 미만인 중합체를 가진 다수의 결정성 중합체와 비산화 전도성 세라믹 분말을 포함한다. 비산화 전도성 세라믹 분말은 소정의 입자 크기의 분포를 갖고, PTC 물질층은 0.1Ω-cm미만의 저항율을 갖는다. 이 장치의 초기 저항값은 20mΩ미만이고, PTC 물질층의 면적은 30mm²미만이다. 과전류 보호 장치는 과전류 보호의 트립상태에서 100℃미만의 표면 온도를 갖는다.

정특성 온도 계수, 과전류 보호 장치

Description

과전류 보호 장치{OVER-CURRENT PROTECTION DEVICE}

도1은 본 발명의 과전류 보호 장치를 나타내는 도면,

도2는 본 발명의 과전류 보호 장치의 또 다른 실례를 나타내는 도면.

본 발명은 과전류 보호장치에 관한 것으로 특히, 정특성 온도 계수 전도성 물질을 포함하는 과전류 보호 장치에 관한 것이다.

이 과전류 보호 장치는 특히 휴대용 통신 응용에 이용되어 전원 보호에 적합하도록 더 좋은 저항률과 저항 복귀 특성을 가지고 있다.

정특성 온도 계수(PTC) 전도성 물질의 저항은 온도 변화에 민감하다.

이러한 특성을 이용하여, PTC 전도성 물질이 전류감지물질로서 활용되고

넓게는 과전류 보호 장치 및 회로에 이용되어 진다. PTC 전도성 물질은 실내 온도에서는 낮은 값으로 유지되어 과전류 보호 장치 또는 회로는 정상적으로 작동한다. 그러나, 과전류 및 과온 상태가 발생하면, PTC 전도성 물질의 저항은 즉시 고저항 상태인 최소 만 배(10,000 옴 이상)로 증가한다. 그러므로, 과전류는 저지되고 회로 소자 또는 축전지를 보호하는 목적이 달성될 것이다.

일반적으로, PTC 전도성 물질은 적어도 하나의 결정성 중합체와 전도성 충전재를 포함하고 있다. 전도성 충전재는 결성성 중합체에 균일하게 분산되어 있다. 결정성 중합체는 주로 폴리에틸렌(POLYETHYLENE) 같은 폴리올레핀(POLYOLEFIN)중합체이다. 전도성 충전재는 주로 카본 블랙(CARBON BLACK), 금속입자와 예를들면 티타늄 카바이드(CARBIDE) 또는 텅스텐 카바이드인 비산화 세라믹 분말이다. PTC 전도성 물질의 도전성은 전도성 충전재의 종류와 유형에 따른다. 일반적으로 말하면,거친 표면의 카본 블랙은 폴리올레핀 중합체와 더 좋은 융착력을 가져서 더 좋은 저항 복귀성을 가지게 된다. 그러나, 카본 블랙 전도성이 금속 입자의 전도성보다 낮다. 금속 입자가 전도성 충전재로 이용되면, 더 큰 입자 크기는 불균일하게 분산되게 되고, 금속 입자는 높은 저항이 생기도록 산화되는 경향이 있다. 효과적으로 과전류 보호 장치의 저항을 감소시키고 산화를 예방하기 위하여,세라믹 분말은 PTC 전도성 물질에서 전도성 충전재로 이용된다. 세라믹 분말은 카본 블랙과 같은 거친 표면이 부족하기 때문에, 세라믹 분말은 폴리올레핀과의 융착력이 떨어지고 결과적으로는 PTC 전도성 물질의 저항 복귀력이 잘 조절되지 않을 것이다. 종래 기술에서 금속 입자와 폴리올레핀 중합체의 융착력을 개선하기 위해, 결합 촉매제가 세라믹 분말과 PTC 전도성 물질에 첨가되었다. 결합 촉매제는 무수물 화합물 또는 실란 화합물일 수도 있다. 그러나 결합 촉매제가 첨가되어진 후에도 PTC 전도성 물질의 전체 저항은 효과적으로 감소될 수가 없다.

최근에, 전도성 충전재로 니켈을 이용하는 저저항(약 20mΩ )PTC 전도성 물질이 시장에서 이용되고 있으나, 그것은 오직 6V전압까지 견딘다. 니켈이 공기와 잘 격리되지 않으면, 일정 기간후에는 산화되고 결과적으로 저항이 증가된다. 더불어, 저저항 PTC 전도성 물질의 저항 복귀는 트립(TRIP)후에도 만족치 못할 것이다.

본 발명의 목적은 고전압 과전류 보호 장치를 제공하는 것이다. 일정 입자 크기의 분포를 가진 전도성 분말(전도성 충전재)와 낮은 용융점을 갖는 적어도 하나의 결정성 중합체를 첨가하는 것에 의해 과전류 보호장치는 우수한 저항율, 저온에서의 빠른 트립핑, 고전압 내성 및 저항 복귀력을 갖는다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 2개의 금속 박판과 정특성 온도 계수 물질층을 포함하는 과전류 보호장치를 제시한다. 2개의 금속 박판의 각각은 작은 덩어리 형태를 가진 거친 표면으로 직접 및 물리적으로 PTC 물질층과 접촉한다. PTC 물질층은 2개의 금속 박판사이에 끼워져 있고 다수의 결정성 중합체와 비산화 전기적 전도성 세라믹 분말(즉, 전도성 충전재)을 포함한다. 또 PTC 물질은 약간의 비전도 충전재를 함유한다. 비산화 전기적 전도성 세라믹 분말의 입자 크기 분포는 0.01㎛와 30㎛사이가 바람직하고, 0.1㎛과 10㎛사이가 더욱 바람직하다. 비산화 전기적 전도성 세라믹 분말은 500μΩ-cm 미만의 저항률을 갖고 결정성 중합체에 분산되어 있다. 결정성 중합체는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 폴리프로필렌, 폴리비닐 플루오르화물 및 그 공중합체에서 선택된다. PTC 물질층은 낮은 온도에서 빠른 트립을 위해 용융점 115℃ 미만인 적어도 하나의 결정성 중합체를 포함한다. 과충전으로 부터 리듐 축전지를 보호하기 위해 과전류 보호 장치는 낮은 온도에서 트립되는 것이 요구된다. 그러므로 본 발명의 과전류 보호 장치에서 이용되는 PTC 물질층은 더 낮은 용융점을 가진 결정성 중합체(예를 들어,LDPE)을 함유하거나 적어도 하나의 결정성 중합체를 포함하고, 적어도 하나의 결정성 중합체는 적어도 하나의 용융점 115℃ 미만인 중합체를 포함한다. 상기 LDPE는 지글로나타(Ziegler-Natta) 촉매제, 메탈로센(Metallocene) 촉매제 또는 기타 촉매제들을 이용하여 중합화될 수 있고, 또 비닐 모노머 또는 부탄, 헥산, 옥탄, 아크릴 산 또는 비닐 아세테이트 같은 다른 모노머에 의해 공중합화 될 수 있다.

본 발명에서 이용되는 비산화 전기적 전도성 세라믹 분말은 (1)금속 카바이드(예를 들어, 티타늄 카바이드(TiC), 텅스텐 카바이드(WC), 바나듐 카바이드(VC), 지르코늄 카바이드(ZrC), 니오비늄 카바이드(NbC), 탄탈늄 카바이드(TaC), 몰리브덴 카바이드(MoC) 및 하프늄 카바이드(HfC)), (2)금속 붕소화물(예를 들어,티타늄 붕소화물(TiB₂), 바나듐 붕소화물(VB₂), 지르코늄 붕소화물(ZrB₂), 니오비늄 붕소화물(NbB₂), 몰리브덴 붕소화물(MoB₂) 및 하프늄 붕소화물(HfB₂))과 (3)금속 질화물(예를 들어, 지르코늄 질화물(ZrN))에서 선택된다.

본 발명에서 이용되는 비산화 전기적 전도성 세라믹 분말은 예를 들면, 구형, 정육면체, 박편, 다각형, 원통형 등 여러 가지 형태를 갖는다. 일반적으로, 비산화 전기적 전도성 세라믹 분말의 경도는 상대적으로 높고 그 제조방법이 카본 블랙 또는 금속 분말의 제조방법과는 다르다. 따라서, 비산화 전기적 전도성 세라믹 분말의 형태는 주로 낮은 구조(입자크기 10μm 및 애스펙트비 3미만)이며, 높은 구 조인 카본 블랙 또는 금속 분말의 형태와는 다르다.

본 발명의 PTC 물질에 함유되는 비전도성 충전재는 (1)화염 지연제와 반 아킹(ARCING)의 효과가 있는 무기질 화합물(예를 들면, 산화 아연, 산화 알루미늄, 질화 알루미늄, 질화 붕소, 용융 실리카, 산화 실리콘, 탄산 칼슘, 황산 마그네슘 및 황산 바륨)과 (2) 수산화기 그룹의 무기질 화합물(예를 들면, 수산화 마그네슘, 수산화 알루미늄, 수산화 칼슘, 및 수산화 바륨)에서 선택된다. 비전도성 충전재의 입자 크기는 주로 0.05㎛ 와 50㎛사이에 있고, 비전도성 충전재는 PTC 물질층의 전체 구성물의 무게 대비 0.1%내지 20%이다.

비산화 전기적 전도성 세라믹 분말의 저항율은 매우 낮고(500μΩ-cm미만), 그로 인해 비산화 전기적 전도성 세라믹 분말을 함유하는 PTC 물질층은 0.1Ω-cm 미만의 저항율을 얻을 수 있다. 일반적으로 종래의 PTC 물질을 포함하는 카본 블랙의 가장 낮은 저항율의 한계는 약 0.2Ω-cm이다. 종래의 카본 블랙 시스템에 따른 0.1Ω-cm미만의 저항율을 갖도록 PTC 물질을 마련하는 것은 매우 어렵다. 금속 분말이 충전된 PTC 물질의 저항이 0.1Ω-cm로 떨어져도 종래의 PTC 물질은 금속분말의 과도한 부하와 PTC 물질에서의 유전 특성의 부족 때문에 통상의 전압 내구력을 유지하지 못하게 된다. 그러나 본 발명의 과전류 보호장치의 PTC 물질층은 0.1Ω-cm미만의 저항율에 도달하고 12V에서 40V까지의 전압 및 50A전류까지 견딜 수 있다.

종래의 PTC 물질층이 0.1Ω-cm미만의 저항율에 도달할 때 보통 12V이상의 전압을 견딜 수가 없다. 본 발명에서는 비전도성 충전재, 수산화 그룹의 무기 화합물이 전압 내구력을 향상시키기 위해 PTC 물질층에 첨가된다. 또 PTC 물질층의 두께는 0.2mm이상으로 조절되고, 그로인해 PTC 물질층의 전압 내구력은 지속적으로 증가된다.

PTC 물질층에 무기질 화합물의 첨가는 트립 점프값(즉,저항 복귀력을 나타내는 R_1/R_i )을 3미만이 되도록 조정하며, 여기에서 R_i는 초기 저항값이고 R₁은 실내온도로 돌아가기 위해 트립후에 1시간 후에 측정된 값이다.

PTC 물질층은 극단적으로 낮은 저항율을 갖기 때문에, PTC 물질층으로부터 깎아지는 PTC 칩(CHIP)의 면적 (즉,본 발명의 과전류 보호 장치에서 요구되는 PTC 물질층)은 넓이가 50mm²미만으로 줄어들 수 있고, 30mm²미만이 더 바람직하다. 따라서 다수의 PTC 칩이 하나의 PTC 물질층으로부터 생산되고, 그로 인해 제조가격이 감소될 것이다.

과전류 보호 장치는 조립되기 위해 스폿 용접 또는 리플로우 납땜에 의해 2개의 금속 박판에 연결되는 2개의 금속 전극 시트(SHEET)를 더 포함한다. 조립품의 모양(과전류 보호 장치)은 축방향 도선, 반경 방향 도선, 단자 또는 표면실장이다. 또한 2개의 금속 박판은 과전류 보호 장치가 과전류 상태동안 회로를 보호하는 도전성 회로루프를 형성하기 위하여 전력원에 연결 될 수도 있다.

아래 내용에서는 첨부 도면과 함께 본 발명의 과전류 보호 장치에 관한 두개의 실시예 (즉, 실시예 1 및 실시예 2)의 제조과정 및 조성물을 기술 할 것이다.

본 발명의 과전류 보호 장치에서 PTC 물질 층의 조성과 중량(g단위) 및 비교 예를 아래 표 1에 나타내었다.

표 1

	LDPE-1(g)	HDPE-1(g)	HDPE-2(g)	Mg(OH)₂(g)	TiC(g)
실시예 1	12.66	0.50	-	6.04	92.60
실시예 2	11.20	-	-	5.04	93.60
비교 예		3.16	12.65	4.20	90.90

표 1에서, LDPE-1은 저밀도 결정성 폴리에틸렌(밀도:0.924g/cm³;용융점:113℃)고 HDPE-1은 고밀도 폴리에틸렌(밀도:0.943g/cm³;용융점:125℃)고, HDPE-2는 고밀도 폴리에틸렌(밀도:0.962g/cm³;용융점:131℃)고, Mg(OH)₂는 0.5%산화칼슘(CaO),0.85%술팜산(SO₃),0.13%이산화규소(SiO₂),0.03%산화철(Fe₂O₃) 및 0.06%산화알루미늄(Al₂O₃)과 혼합된 96.9wt% 산화 마그네슘이다. 티타늄 카바이드(TiC)의 평균 입자크기는 3㎛이고 그 입자의 애스펙트 비는 10 미만이다.

과전류 보호 장치의 제조과정은 다음과 같다. 원재료는 160℃에서 2분 동안 혼합기(Hakke 600)에 공급된다. 공급 절차는 다음과 같다. 결정성 중합체(즉, 실시예 1에서는 LDPE-1과 HDPE-1;실시예 2에서는 LDPE-1)를 혼합기에 첨가한다. 수 초 동안 혼합 후에 비산화 특성의 전기적으로 전도되는 세라믹 분말(즉, 0.1㎛와 10㎛ 사이의 입자 크기 분포를 가진 티타늄 카바이드)을 첨가한다.

혼합기의 회전속도는 40rpm으로 조정한다. 3분 동안 혼합 후에는 70rpm으로 속도를 증가시킨다. 7분 동안 혼합 후에는 혼합기의 혼합물이 배출되고 그것에 의해서 정특성 온도 계수(PTC)를 갖는 전도성 조성물이 형성된다.

상기 전도성 조성물은 외부가 강철 플레이트이고 내부 두께 0.35mm인 금형에 대칭적으로 채워지며, 금형의 위와 바닥은 테프론 천으로 배치한다. 먼저 전도성 조성물로 채워진 금형은 180℃,50kg/cm²에서 3분동안 예비 압축된다. 그 다음에 금형에서 생성된 가스가 배출되고 주형은 180℃,100kg/cm²에서 3분동안 압축된다. 그 후에 압축 단계는 PTC 물질층(11)(도 1참조)을 형성하기 위해 180℃,150kg/cm²에서 3분동안 다시 한번 압축된다. 실시예 1과 실시예 2에서 PTC 물질층(11)의 두께는 0.35mm 또는 0.45mm이다.

상기 PTC 물질층(11)은 각기 20×20cm² 넓이의 다수의 사각형태로 잘라진다. 2개의 금속 박판(12)은 PTC 물질층(11)의 위와 바닥면과 물리적으로 접촉하고, 2개의 금속 박판(20)이 PTC 물질층(11)의 위와 바닥면 위에 대칭적으로 놓여진다.

각 금속 박판(12)은 PTC 물질층(11)과 물리적으로 접촉하기 위해 다수의 작은 덩어리(도시하지 않음)로 된 거친 표면을 이용한다. 다음에, 2개의 테프론 천(도시하지 않음)이 2개의 금속 박판(12)위에 놓여진다. 그 다음에, 2개의 강철판(도시하지 않음)이 2개의 테프론 천위에 놓여진다. 그 결과, 모든 금속 박판, 테프론 천 및 강철판은 PTC 물질층(11)의 위와 바닥면에 대칭적으로 배치되어 다층 구조가 형성된다. 다층 구조는 180℃, 70kg/cm²에서3분동안 늘려진다. 다음에, 다층구조는 3.5×6.5mm²또는 3.4×4.1mm² 넓이의 과전류 보호 장치(10)를 형성하도록 잘라진다. 그 후, 2개의 금속 전극시트(22)는 축방향 도선의 과전류 보호 장치(20)를 형성하기 위해 리플로우 납땜으로 금속 박판(12)에 연결된다.

PTC 물질 층(11)의 저항율(ρ)은 아래 식(1)에 의해 계산된다.

ρ = R·A/L ---------------- (1)

여기에서, R,A,L은 각각 PTC 물질 층(11)의 저항(Ω),면적(cm²),및 두께(cm)를 나타낸다. 식(1)에 R,A,L에 각각 초기 저항 값 0.0069Ω(아래 표 2참조), 면적 3.5×6.5㎟ 및 두께 0.45mm를 대입하면, 저항율(ρ)은 0.1Ω-cm미만인 0.0349Ω-cm가 얻어진다.

또, 축방향 도선의 과전류 보호 장치(20)가 설치된 축전지의 온도가 6V/0.8A의 과충전 조건에서 80℃까지 증가하는 상태를 모의실험하기 위하여 축방향 도선의 과전류 보호 장치(20)는 80℃에서 6V/0.8A의 조건에서 트립시험을 하고 축방향 도선의 과전류 보호 장치(20)는 건전지를 보호하기 위해 전류를 트립하고 컷오프한다.

표 2는 실시예 1과 실시예 2가 트립 시험에서 트립할 수 있는 것을 나타내었지만, 비교예는 충전지를 보호하기 위하여 트립할 수 없었다. 또, 6V,12V 및 16V(즉, 과전류 보호의 트립 상태하)에서 축방향 도선의 과전류 보호 장치(20)의 표면온도는 표 2에서 보여지는 바와 같이 100℃미만이다. 그러나, 비교예는 실시예 1과 실시예 2의 온도보다 적어도 10℃이상 높은 100℃이상의 표면온도를 갖는다. 그러므로, 초기 저항값 0.01Ω미만인 비산화 전도 세라믹 분말을 이용하는 두 실시예(즉,실시예 1과 2)에서의 과전류 보호 장치는 더 낮은 온도에서 트립할 수 있고 비교 예보다 더욱 민감하다.

표 2

	칩 크기 (mm× mm)	두 께 (mm)	R_i (mΩ)	ρ (Ω-cm)	트립시험 6V 80℃/0.8A	트립상태에서 표면온도
	칩 크기 (mm× mm)	두 께 (mm)	R_i (mΩ)	ρ (Ω-cm)	트립시험 6V 80℃/0.8A	6V/6A	12V/6A	16V/6A
실시예 1	3.4×4.1	0.35	8.2	0.0381	트 립	89℃	91℃	92℃
실시예 2	3.5×6.5	0.45	6.9	0.0349	트 립	87℃	89℃	91℃
비교예	3.5×6.5	0.45	7.3	0.0369	트립 않됨	104℃	105℃	107℃

표 2로부터, 일정 입자 크기 분포를 가진 전도성 충전재와 낮은 용융점(115℃ 미만)을 가진 적어도 하나의 결정성 중합체를 첨가하는 것에 의해, 본 발명의 과전류 보호 장치는 우수한 저항값(20mΩ미만의 초기저항값),더 낮은 온도(예,80℃미만)에서의 빠른 트립, 고전압 내구력 및 저항 복귀력에 대한 기대하는 목적을 만족시킨다.

이상 본 발명의 특징을 상기 실시예에 따라 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

Claims

2개의 금속 박판과

상기 2개의 금속 박판 사이에 끼워지며, 0.1Ω-cm미만인 저항율을 갖는 정특성 온도 계수(PTC) 물질층을 포함하는 과전류 보호 장치이며, 상기 PTC 물질층은

115℃ 미만인 용융점을 갖는 적어도 하나의 중합체를 갖는 다수의 결정성 중합체와

0.1㎛ 내지 10㎛ 사이의 입자 크기로 구성되고, 500μΩ-cm미만의 저항율을 갖고, 상기 결정성 중합체에 분산되는 비산화 전기적 전도성 세라믹 분말을 포함하고,

상기 과전류 보호 장치의 초기 저항값은 20mΩ미만이고, 상기 PTC 물질층의 면적은 30㎟미만이며, 상기 과전류 보호장치는 과전류 보호의 트립 상태에서 100℃미만의 표면온도를 갖고,

상기 과전류 보호 장치는 12V에서 40V까지의 전압을 견딜 수 있는 것을 특징으로 하는 과전류 보호 장치.
제 1항에 있어서,

상기 PTC 물질층의 두께는 0.2mm이상이고 0.45mm이하인 것을 특징으로 하는 과전류 보호 장치.
제 1항에 있어서,

저항 복귀력이 3미만인 것을 특징으로 하는 과전류 보호 장치.
제 1항에 있어서,

상기 비산화 전기적 전도성 세라믹 분말은 티타늄 카바이드, 텅스텐 카바이드, 바나듐 카바이드, 지르코늄 카바이드, 니오비늄 카바이드, 탄탈늄 카바이드, 몰리브덴 카바이드, 하프늄 카바이드, 티타늄 붕소화물, 바나듐 붕소화물, 지르코늄 붕소화물, 니오비늄 붕소화물, 몰리브덴 붕소화물, 하프늄 붕소화물, 또는 지르코늄 질화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 과전류 보호 장치.
제 1항에 있어서,

115℃ 미만의 용융점을 가진 상기 적어도 하나의 결정성 융합체는 저밀도 폴리에틸렌을 포함하는 것을 특징으로 하는 과전류 보호 장치.
제 1항에 있어서,

상기 PTC 물질층의 무게 대비 1% 내지 20%이고 0.05㎛ 와 50㎛ 사이의 입자크기를 갖는 비전도 무기질의 충전재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과전류 보호 장치.
제 1항에 있어서,

상기 과전류 보호 장치는 50A까지의 전류를 견딜 수 있는 것을 특징으로 하는 과전류 보호 장치.
제 1항에 있어서,

조립품이 되기 위해 상기 2개의 금속 박판에 연결되는 2개의 금속 전극시트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과전류 보호 장치.
제 1항에 있어서,

상기 과전류 보호 장치는 6V/0.8A의 조건에서 온도가 80℃까지 증가하는 트립시험을 하면 트립하는 것을 특징으로 하는 과전류 보호 장치.
제 1항에 있어서,

상기 PTC 물질층의 두께는 0.35mm ~ 0.45mm의 범위에 속하는 것을 특징으로 하는 과전류 보호 장치.