KR101727079B1 - 감전보호소자 및 이를 구비한 휴대용 전자장치 - Google Patents

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Abstract

감전보호소자 및 이를 구비한 휴대용 전자장치가 제공된다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 감전보호소자는 전자장치의 인체 접촉 가능 전도체와 내장 회로부 사이에 배치되어, 상기 전도체로부터 정전기 유입시 절연파괴되지 않고 정전기를 통과시키며, 상기 회로부의 접지로부터 외부전원의 누설전류 유입시 오픈 상태를 유지하여 상기 외부전원의 누설전류를 차단하는 감전보호소자로서, 소체; 상기 소체에 일정간격을 두고 대향 배치된 적어도 한 쌍의 전극; 및 상기 한 쌍의 전극 사이에 형성된 방전물질층;을 포함한다.

Description

감전보호소자 및 이를 구비한 휴대용 전자장치{Circuit protection device and mobile electronic device with the same}
본 발명은 감전보호소자 및 이를 구비한 휴대용 전자장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전원에 의한 누설전류로부터 사용자를 보호하고, 외부의 정전기로부터 내부회로를 보호할 수 있는 감전보호소자 및 이를 구비한 휴대용 전자장치에 관한 것이다.
최근 휴대용 전자장치는 심미성과 견고함을 향상시키기 위해 메탈 재질의 하우징의 채택이 증가하고 있는 추세이다.
그러나, 이러한 메탈 재질의 하우징은 재질의 특성상 전기전도도가 우수하기 때문에, 특정 소자를 통하여 또는 부위에 따라 외장 하우징과 내장 회로부 사이에 전기적 경로가 형성될 수 있다. 특히, 메탈 하우징과 회로부가 루프를 형성함에 따라, 외부의 노출면적이 큰 메탈 하우징과 같은 전도체를 통하여 순간적으로 높은 전압을 갖는 정전기가 유입되는 경우, IC 등의 회로부를 파손시킬 수 있기 때문에 이 대한 대책이 요구되고 있다.
한편, 이와 같은 휴대용 전자장치는 통상적으로 충전기를 사용하여 배터리를 충전한다. 이와 같은 충전기는 외부의 AC 전원을 DC 전원으로 정류한 후, 다시 트랜스포머를 통하여 휴대용 전자장치에 적합한 낮은 DC 전원으로 변환한다. 여기서, 트랜스포머의 전기적 절연성을 강화시키기 위해 트랜스포머 양단에 커패시터로 구성된 Y-CAP을 구비한다.
그러나, 비정품 충전기 등과 같이, Y-CAP이 정규 특성을 갖지 못하는 경우에는 Y-CAP에 의해 DC 전원이 충분히 차단되지 못할 수 있고, 더욱이, AC 전원에 의해 누설전류가 발생할 수 있으며, 이러한 누설전류는 회로의 접지부를 따라 전파될 수 있다.
이와 같은 누설전류는 휴대용 전자장치의 외장 케이스와 같이 인체가 접촉가능한 전도체에도 전달될 수 있기 때문에, 결과적으로 사용자에게 찌릿찌릿한 느낌의 불쾌감을 줄 수 있고, 심한 경우, 사용자가 감전에 의한 치명상을 입을 우려가 있다.
따라서, 메탈 케이스를 채용한 휴대폰 등과 같은 휴대용 전자장치는 이와 같은 누설 전류로부터 사용자를 보호하기 위한 방안이 요구되고 있다.
KR 0573364 B
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 정전기나 외부전원에 의한 누설전류로부터 내부 회로 및/또는 사용자를 보호할 수 있는 감전보호소자 및 이를 구비한 휴대용 전자장치를 제공하는 데 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 전자장치의 인체 접촉 가능 전도체와 내장 회로부 사이에 배치되어, 상기 전도체로부터 정전기 유입시 절연파괴되지 않고 정전기를 통과시키며, 상기 회로부의 접지로부터 외부전원의 누설전류 유입시 오픈 상태를 유지하여 상기 외부전원의 누설전류를 차단하는 감전보호소자로서, 소체; 상기 소체에 일정간격을 두고 대향 배치된 적어도 한 쌍의 전극; 및
상기 한 쌍의 전극 사이에 형성된 방전물질층;을 포함하는 감전보호소자를 제공한다.
또한, 상기 감전보호소자는 하기식을 만족하며,
Vbr > Vin
여기서, Vbr은 감전보호소자의 항복전압
Vin은 전자장치의 외부전원의 정격전압
상기 정격전압은 국가별 표준 정격전압일 수 있다.
또한, 상기 한 쌍의 전극은 수직방향으로 일부가 중첩되도록 배치되거나 또는 동일 평면상에 배치될 수 있다.
또한, 상기 소체는 유전율을 갖는 절연체로 이루어지며, 복수의 시트층이 적층되어 이루어지질 수 있다.
또한, 상기 방전물질층은 금속입자를 포함하는 비전도성 물질 또는 반도체 물질로 이루어질 수 있다
또한, 상기 전극은 Ag, Au, Pt, Pd, Ni, Cu 중 어느 하나 이상의 성분을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전극의 간격은 10~100㎛이고, 전극의 두께는 2~10㎛일 수 있다.
한편, 본 발명은 인체 접촉 가능 전도체; 회로부; 및 상기 전도체와 상기 회로부 사이를 연결하는 상술한 바와 같은 감전보호소자;를 포함하는 감전보호기능을 갖는 휴대용 전자장치가 제공된다.
또한, 상기 전도체는 상기 전자장치와 외부기기의 통신을 위한 안테나, 메탈 케이스 및 도전성 장신구 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 메탈 케이스는 상기 전자장치의 하우징의 측부를 부분적으로 둘러싸거나 전체적으로 둘러싸도록 구비될 수 있다.
또한, 상기 메탈 케이스는 상기 전자장치의 하우징의 전면 또는 후면에 외부로 노출되도록 구비되는 카메라를 둘러싸도록 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 감전보호소자 및 이를 구비한 휴대용 전자장치에 의하면, 메탈 케이스와 같은 전도체가 외부로 노출되는 휴대용 전자장치에서 전도체와 회로부를 연결하는 감전보호소자를 구비함으로써, 외부전원에 의한 누설전류 및 정전기로부터 사용자 및 내부 회로를 보호할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 감전보호소자를 나타낸 전체사시도이다.
도 2는 도 1의 복수의 시트층의 적층관계를 나타낸 분리사시도이다.
도 3은 도 1의 종단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 감전보호소자의 적용예를 나타낸 개념도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 감전보호소자의 (a)누설전류 및 (b) 정전기(ESD)에 대한 동작을 설명하기 위한 개략적 등가회로도이다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 일 실시예에 따른 감전보호소자에서 내부전극의 다양한 형태를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 감전보호소자의 다른 예를 나타낸 전체사시도이다.
도 8은 도 7의 종단면도이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 감전보호소자의 다른 예에서 공극의 다양한 형태를 나타낸 도면이다.
도 10a 내지 도 10d는 본 발명의 일 실시예에 따른 감전보호소자의 다른 예에서 내부전극의 다양한 형태를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 감전보호소자의 또 다른 예를 나타낸 종단면도이다.
도 12a 내지 도 12e는 본 발명의 일 실시예에 따른 감전보호소자의 다른 예에서 내부전극의 다양한 형태를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부가한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 감전보호소자(100)는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 소체(110), 내부전극(111a,112a) 및 공극형성부재(124)를 포함하며, 예를 들면, 써프레서일 수 있다.
상기 감전보호소자(100)는 전자장치의 인체 접촉가능 전도체와 내장 회로부 사이에 배치되어 상기 전도체로부터 정전기 유입시 절연파괴되지 않고 상기 정전기를 통과시키며, 상기 회로부의 접지로부터 유입되는 외부전원의 누설전류를 차단하기 위한 것으로, 이를 위해 하기의 조건을 만족할 수 있다 :
Vbr > Vin
여기서, Vbr은 상기 감전보호소자의 항복전압,
Vin은 상기 전자장치의 외부전원의 정격전압.
이때, 상기 정격전압은 국가별 표준 정격전압일 수 있으며, 예를 들면, 240V, 110V, 220V, 120V, 110V, 및 100V 중 어느 하나일 수 있다.
이때, 소체(110)는 적어도 한 쌍의 시트층(111,112,120)이 순차적으로 적층되고, 각각의 일면에 구비된 내부전극들(111a,112a)이 서로 대향되도록 배치된 후 압착, 소성 공정을 통해 일체로 형성된다.
이러한 소체(110)는 유전율을 갖는 절연체로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 절연체는 세라믹재료, 저온 소결 세라믹(LTCC), 고온 소결 세라믹(HTCC) 및 자성재료로 이루어질 수 있다. 이때, 세라믹재료는 금속계 산화 화합물이며, 금속계 산화 화합물은 Er2O3, Dy2O3, Ho2O3, V2O5, CoO, MoO3, SnO2, BaTiO3, Nd2O3 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 내부전극(111a,112a)은 소체(110)의 내부에 일정 간격 이격되어 형성되며, 적어도 한 쌍으로 이루어질 수 있다. 여기서, 제1내부전극(111a) 및 제2내부전극(112a)은 소체(110)의 양단에 구비되는 외부전극(131,132)에 각각 전기적으로 연결될 수 있다.
이러한 내부전극(111a,112a)은 Ag, Au, Pt, Pd, Ni, Cu 중 어느 하나 이상의 성분을 포함할 수 있으며, 외부전극(131,132)은 Ag, Ni, Sn 성분 중 어느 하나 이상의 성분을 포함할 수 있다.
이때, 이러한 내부전극(111a,112a) 사이의 간격 및 서로 대향하는 면적 또는 서로 중첩되는 길이는 써프레서(200)의 항복전압(또는 트리거전압)(Vbr)을 만족하도록 구성될 수 있으며, 상기 내부전극(111a,112a) 사이의 간격은 10~100㎛일 수 있다. 예를 들면, 상기 내부전극(111a,112a) 사이의 간격은 25㎛일 수 있다.
여기서, 제1내부전극(111a)과 제2내부전극(112a) 사이의 간격이 10㎛ 미만이면, 정전기에 대한 내성이 취약해질 수 있다. 또한, 제1내부전극(111a)과 제2내부전극(112a) 사이의 간격이 100㎛를 초과하면, 방전 개시 전압(동작 전압)이 증가하여 정전기에 의한 원활한 방전이 이루어지지 않아 정전기에 대한 보호기능이 상실될 수 있다.
이때, 제1내부전극(111a)과 제2내부전극(112a)의 두께는 2-10㎛일 수 있다. 여기서, 제1내부전극(111a)과 제2내부전극(112a)의 두께가 2㎛미만이면, 내부전극으로서의 역할을 수행할 수 없고, 10㎛를 초과하면, 내부전극 사이의 거리 확보가 제한되고, 감전보호소자(100)의 부피가 증가하여 소형화에 악영향을 미칠 수 있다.
이와 같은 구성에 의해, 상기 내부전극(111a,112a)의 정전기에 의한 방전 개시 전압(동작 전압)은 1~15㎸일 수 있다. 여기서, 감전보호소자(100)의 방전 개시 전압이 1㎸이하이면, 정전기에 대한 내성의 확보가 곤란하고, 15㎸이상이면, 정전기에 의해 손상될 수 있다.
한편, 서로 대응되는 한 쌍의 전극(111a,112a) 사이에는 정전기를 방호하고 과전압으로부터 회로 보호 소자 및 주변 회로들을 보호하기 위한 방호시트층(120)이 배치된다.
이러한 방호시트층(120)은 상기 한 쌍의 내부전극(111a,112a) 사이에 중공형으로 이루어진 적어도 하나의 공극형성부재(124)가 구비된다. 이를 위해, 방호시트층(120)은 공극형성부재(124)가 구비되는 위치에 관통홀(126)이 형성될 수 있다.
구체적으로 설명하면, 상기 소체(110)는 상부면에 제1내부전극(111a)이 구비되는 제1시트층(111)과, 하부면에 제2내부전극(112a)이 구비되는 제2시트층(112)이 서로 적층되며, 상기 제1시트층(111) 및 제2시트층(112)의 사이에는 방호시트층(120)이 배치된다.
즉, 상기 제1내부전극(111a) 및 제2내부전극(112a)이 서로 마주할 수 있도록 제1시트층(111), 방호시트층(120) 및 제2시트층(112)을 순차적으로 적층한다.
이에 따라, 상기 제1내부전극(111a) 및 제2내부전극(112a)은 서로 마주하도록 배치된 후 상기 방호시트층(120)에 의해 서로 일정간격 이격배치되며, 상기 제1내부전극(111a) 및 제2내부전극(112a)은 일측이 상기 공극형성부재(124)와 각각 접촉된 상태로 배치된다.
한편, 상기 제1시트층(111)과 제2시트층(112)의 사이에 배치되는 방호시트층(120)은 도 3에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 관통홀(126)이 관통형성된다.
여기서, 상기 관통홀(126)은 상기 방호시트층(120)을 기준으로 상,하부에 각각 배치되는 제1내부전극(111a) 및 제2내부전극(112a)이 서로 겹쳐지는 영역에 위치하도록 형성된다.
이때, 상기 관통홀(126)에는 공극형성부재(124)가 구비될 수 있다. 이러한 공극형성부재(124)는 내부전극(111a,112a) 사이에 배치되며, 내벽에 높이방향을 따라 일정 두께로 도포되는 방전물질층(124a,124b,124c)을 포함할 수 있다.
대안적으로, 공극형성부재(124)를 별도로 구비하지 않은 경우, 상기 관통홀(126)의 내벽에는 높이방향을 따라 방전물질층이 일정두께로 도포될 수 있다.
여기서, 상기 공극형성부재(124) 또는 그에 도포된 방전물질층은 상부단이 상기 제2내부전극(112a)과 접하고 하부단이 상기 제1내부전극(111a)과 각각 접하도록 구비된다.
이러한 공극형성부재(124)에 의해 한 쌍의 내부전극(111a,112a) 사이에 공극(126)이 형성될 수 있다. 이러한 공극(126)에 의해 외부로부터 유입된 정전기는 내부전극(111a,112a) 사이에서 방전될 수 있다. 이때, 내부전극(111a,112a) 사이의 전기적 저항이 낮아지고, 감전보호소자(100) 양단의 전압차를 일정 값 이하로 감소시킬 수 있다. 따라서, 감전보호소자(100)는 절연파괴되지 않고 정전기를 통과시킬 수 있다.
여기서, 상기 방전물질층(124a,124b,124c)을 구성하는 방전물질은 유전율이 낮고 전도도가 없으며, 과전압 인가시 쇼트(short)가 없어야 한다.
이를 위해, 상기 방전물질은 적어도 한 종의 금속입자를 포함하는 비전도성물질로 이루어질 수 있으며, SiC 또는 실리콘 계열의 성분을 포함하는 반도체물질로 이루어질 수 있다. 더불어, 상기 방전물질은 SiC, 카본, 그라파이트 및 ZnO 중에서 선택된 1종 이상의 재료와, Ag, Pd, Pt, Au, Cu, Ni, W, Mo 중에서 선택된 1종 이상의 재료를 소정의 비율로 혼합하여 이루어질 수도 있다.
일례로, 상기 제1내부전극(111a) 및 제2내부전극(112a)이 Ag 성분을 포함하는 경우, 상기 방전물질은 SiC-ZnO계의 성분을 포함할 수 있다. SiC(Silicon carbide) 성분은 열적 안정성이 우수하고, 산화 분위기에서 안정성이 우수하며, 일정한 도전성과 도열성을 가지고 있으며, 낮은 유전율을 갖는다.
그리고, ZnO 성분은 우수한 비선형 저항특성 및 방전특성이 있다.
SiC와 ZnO는 각각 별도로 사용시 둘 다 전도성이 있으나, 서로 혼합 후 소성 진행하면 SiC 입자 표면에 ZnO가 결합됨으로써 절연층을 형성하게 된다.
이와 같은 절연층은 SiC가 완전히 반응하여 SiC 입자 표면에 SiC-ZnO 반응층을 형성한다. 이에 따라, 상기 절연층은 Ag 패스를 차단하여 방전물질에 한층 더 높은 절연성을 부여하고, 정전기에 대한 내성을 향상시켜 감전보호소자(100)를 전자부품에 장착시 DC 쇼트 현상을 해결할 수 있게 된다.
여기서, 상기 방전물질의 일례로써 SiC-ZnO계의 성분을 포함하는 것으로 설명하였지만 이에 한정하는 것은 아니며, 상기 방전물질은 상기 제1내부전극(111a) 및 제2내부전극(112a)을 구성하는 성분에 맞는 반도체 물질 또는 금속입자를 포함하는 비전도성 물질이 사용될 수 있다
이때, 상기 공극형성부재(124)의 내벽에 도포되는 상기 방전물질층(124a,124b,124c)은 공극형성부재(124)의 내벽을 따라 도포되는 제1부분(124a)과 상기 제1부분(124a)의 상단으로부터 상기 방호시트층(120)의 상부면을 따라 제1내부전극(111a)과 대향하여 접촉하도록 연장되는 제2부분(124b) 및 상기 제1부분(124a)의 하단으로부터 상기 방호시트층(120)의 하부면을 따라 제2내부전극(112a)과 대향하여 접촉하도록 연장되는 제3부분(124c)을 포함할 수 있다.
이를 통해, 상기 방전물질층(124a,124b,124c)은 상기 공극형성부재(124)의 내벽뿐만 아니라 상기 공극형성부재(124)의 상부단과 하부단으로부터 상기 제2부분(124c) 및 제3부분(124c)이 각각 연장되도록 형성됨으로써 상기 제1내부전극(111a) 및 제2내부전극(112a)과의 접촉면적을 넓힐 수 있도록 한다.
이러한 구성에 의해, 상기 방전물질층(124a,124b,124c)을 구성하는 성분의 일부가 정전기 스파크에 의해 기화됨에 따라 방전물질층(124a,124b,124c)의 일부가 손상되더라도 상기 방전물질층(124a,124b,124c)이 제 기능을 수행할 수 있도록 함으로써, 정전기에 대한 내성을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 방호시트층(120)은 복수의 공극형성부재(124)가 구비될 수도 있다. 이와 같이, 상기 공극형성부재(124)의 개수가 증가되면, 정전기의 방전 경로가 증가됨으로써, 정전기에 대한 내성을 향상시킬 수 있다.
상기 제1시트층(111) 및 제2시트층(112) 사이에 배치되는 방호시트층(120)은 상기 제1시트층(111) 및 제2시트층(112)과 동일한 면적을 갖도록 구비될 수도 있지만, 서로 대응되는 제1내부전극(111a) 및 제2내부전극(112a)이 겹쳐지는 면적을 포함하고 상기 제1시트층(111) 및 제2시트층(112)보다 좁은 면적을 갖도록 구비될 수도 있음을 밝혀둔다.
이와 같은 감전보호소자(100)는 도 4a에 도시된 바와 같이, 휴대용 전자장치(10)에서, 외장 메탈 케이스와 같은 전도체(12)와 회로부(14) 사이에 배치될 수 있다.
여기서, 상기 휴대용 전자장치(10)는 휴대가 가능하고 운반이 용이한 휴대용 전자기기의 형태일 수 있다. 일례로, 상기 휴대용 전자장치는 스마트폰, 셀룰러폰 등과 같은 휴대단말기일 수 있으며, 스마트 워치, 디지털 카메라, DMB, 전자책, 넷북, 태블릿 PC, 휴대용 컴퓨터 등일 수 있다. 이러한 전자장치들은 외부기기와의 통신을 위한 안테나 구조들을 포함하는 임의의 적절한 전자 컴포넌트들을 구비할 수 있다. 더불어, 와이파이 및 블루투스와 같은 근거리 네트워크 통신을 사용하는 기기일 수 있다.
이와 같은 휴대용 전자장치(10)는 금속(알루미늄, 스테인리스 스틸 등)과 같은 도전성 재료들, 또는 탄소-섬유 합성 재료 또는 기타 섬유 계열 합성물들, 유리, 세라믹, 플라스틱 및 이들을 조합한 재료로 이루어진 외부 하우징을 포함할 수 있다.
이때, 휴대용 전자장치(10)의 하우징은 금속으로 이루어지고 외부로 노출되는 전도체(12)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 전도체(12)는 상기 전자장치와 외부기기의 통신을 위한 안테나, 메탈 케이스, 및 도전성 장신구 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
특히, 상기 메탈 케이스는 상기 휴대용 전자장치(10)의 하우징의 측부를 부분적으로 둘러싸거나 전체적으로 둘러싸도록 구비될 수 있다. 또한, 상기 메탈 케이스는 상기 전자장치의 하우징의 전면 또는 후면에 외부로 노출되도록 구비되는 카메라를 둘러싸도록 구비될 수 있다.
이와 같이, 감전보호소자(100)는 누설전류 및 정전기로부터 내부의 회로를 보호하기 위해 휴대용 전자장치(10)의 인체 접촉가능한 전도체(12)와 회로부(14) 사이에 배치될 수 있다.
이와 같은 감전방지소자(100)는 상기 휴대용 전자장치(10)의 하우징에 구비되는 메탈 케이스의 개수에 맞춰 적절하게 구비될 수 있다. 다만, 상기 메탈 케이스가 복수 개로 구비되는 경우 각각의 메탈 케이스(12a,12b,12c,12d)는 모두 감전방지소자(100)가 개별적으로 연결되도록 상기 휴대용 전자장치(10)의 하우징에 내장될 수 있다.
즉, 도 4a에 도시된 바와 같이 상기 휴대용 전자장치(10)의 하우징의 측부를 둘러싸는 메탈 케이스와 같은 전도체(12)가 세 부분으로 이루어지는 경우 각각의 전도체(12a,12b,12c,12d)는 모두 감전방지소자(100)와 연결됨으로써 누설전류 및 정전기로부터 상기 휴대용 전자장치(10) 내부의 회로를 보호할 수 있다.
이때, 상기 감전방지소자(100)는 복수 개의 메탈 케이스(12a,12b,12c,12d)가 구비되는 경우 상기 메탈 케이스(12a,12b,12c,12d)의 해당 역할에 맞게 다양한 방식으로 구비될 수 있다.
일례로, 상기 휴대용 전자장치(10)의 하우징에 외부로 노출되는 카메라가 구비되는 경우 상기 카메라를 둘러싸는 전도체(12d)에 상기 감전방지소자(100)가 적용되는 경우, 상기 감전방지소자(100)는 누설전류를 차단하고 정전기로부터 내부회로를 방호하는 형태로 구비될 수 있다.
또한, 상기 메탈 케이스(12b)가 그라운드 역할을 수행하는 경우 상기 감전방지소자(100)는 상기 메탈 케이스(12b)와 연결되어 누설전류를 차단하고 정전기로부터 내부회로를 보호하는 형태로 구비될 수 있다.
한편, 도 4b에 도시된 바와 같이, 감전보호소자(100)는 메탈 케이스(12')와 회로기판(14') 사이에 배치될 수 있다. 이때, 감전보호소자(100)는 정전기를 자체 파손 없이 통과시키기 위한 것이기 때문에, 회로기판(14')은 정전기를 접지로 바이패스하기 위한 별도의 보호소자(16)를 구비할 수 있다. 여기서, 보호소자(16)는 써프레서 또는 바리스터일 수 있다.
이러한 감전보호소자(100)는, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 외부전원에 의한 누설전류, 및 전도체(12)로부터 유입되는 정전기에 따라 상이한 기능을 가질 수 있다.
즉, 도 5a에 도시된 바와 같이, 회로부(14)의 회로기판, 예를 들면, 접지를 통하여 외부전원의 누설전류가 전도체(12)로 유입되는 경우, 감전보호소자(100)는 그 항복전압(Vbr)이 누설전류에 의한 과전압에 비하여 크기 때문에, 오픈 상태로 유지될 수 있다. 즉, 감전보호소자(100)는 그의 항복전압(Vbr)이 휴대용 전자장치의 외부전원의 정격전압보다 크기 때문에, 전기적으로 도통되지 않고 오픈 상태를 유지하여 메탈 케이스 등과 같은 인체접촉 가능한 전도체(12)로 누설전류가 전달되는 것을 차단할 수 있다. 결과적으로, 감전보호소자(100)는 회로부(14)의 접지로부터 유입되는 외부전원에 누설전류를 차단하여 사용자를 감전으로부터 보호할 수 있다.
또한, 도 3b에 도시된 바와 같이, 전도체(12)를 통하여 외부로부터 정전기가 유입되면, 감전보호소자(100)는 써프레서와 같은 정전기 보호 소자로서 기능한다. 즉, 감전보호소자(100)는 정전기 방전을 위한 써프레서의 동작 전압(방전 개시 전압)이 정전기의 순간 전압보다 작기 때문에, 순간 방전에 의해 정전기를 통과시킬 수 있다. 결과적으로, 감전보호소자(100)는 전도체(12)로부터 정전기 유입시 전기적 저항이 낮아져 자체가 절연파괴되지 않고 정전기를 통과시킬 수 있다.
여기서, 회로부(14)는 정전기를 접지로 바이패스하기 위한 별도의 보호소자를 구비할 수 있다. 결과적으로, 감전보호소자(100)는 전도체(12)로부터 유입되는 정전기에 의해 절연파괴되지 않고 정전기를 통과시켜, 후단의 내부 회로를 보호할 수 있다.
한편, 감전보호소자(100)는 상기 소체에서 내부전극을 구성하는 상기 제1내부전극(311a) 및 제2내부전극(312a)은 다양한 형상 및 패턴으로 구비될 수 있으며, 상기 제1내부전극(311a)과 제2내부전극(312a)은 동일한 패턴으로 구비될 수도 있고 서로 다른 패턴을 갖도록 구비될 수도 있다.
일례로, 도 6a에 도시된 바와 같이, 일정길이를 갖는 바형상의 제1내부전극(111a)의 양단부 측에 한 쌍의 제2내부전극(112a)의 단부가 서로 겹쳐지도록 구비되고, 내벽에 방전물질층(124)이 도포된 관통홀(126)이 겹쳐지는 영역에 한 개가 배치될 수도 있다.
또한, 도 6b에 도시된 바와 같이 상기 제1내부전극(111a) 및 제2내부전극(112a)이 대략 'Y'자 형상으로 구비되어 2부분이 서로 겹쳐지도록 구비되고 서로 겹쳐지는 부분에 내벽에 방전물질층(124)이 도포된 관통홀(126)이 하나씩 겹쳐지는 영역에 각각 배치될 수도 있다.
더불어, 도 6c에 도시된 바와 같이 상기 제1내부전극(111a)은 일정길이를 갖는 바형상으로 2개로 구비되고 제2내부전극(112a)은 대략 'Y'자 형상으로 2개로 구비되어 4부분이 서로 겹쳐지도록 배치되며, 내벽에 방전물질층(124)이 도포된 관통홀(126)이 서로 겹쳐지는 4부분에 각각 배치될 수도 있다.
또한, 도 6d에 도시된 바와 같이 상기 제1내부전극(111a) 및 제2내부전극(112a)은 각각 일정길이를 갖는 바형상으로 구비되고 서로 겹쳐지는 영역에 내벽에 방전물질층(124)이 도포된 두 개의 관통홀(126)이 일정간격 이격배치될 수도 있다.
더불어, 도 6e에 도시된 바와 같이 상기 제1내부전극(111a)은 일정길이를 갖는 하나의 바형상으로 구비되고, 상기 제2내부전극(112a)은 일정길이를 갖는 두 개의 바형상으로 구비되어 상기 제1내부전극(111a)의 양 단부측에 일부가 겹쳐지도록 배치되고, 상기 겹쳐지는 영역에 두 개씩의 방전물질층(124)이 도포된 관통홀(126)이 배치될 수도 있다
이와 같이 상기 제1내부전극(111a) 및 제2내부전극(112a)이 다양한 형상과 패턴으로 구비될 수 있으며, 적층시 상기 제1내부전극(111a)과 제2내부전극(112a)의 일부가 서로 겹쳐지도록 배치되면 무방함을 밝혀둔다.
이하, 도 7 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 감전보호소자의 다양한 구현예를 더 상세하게 설명한다.
감전보호소자(200)는 별도의 공극형성부재를 이용하지 않고, 내부전극(214a,214b) 사이에 공극(220)이 형성될 수 있다. 이때, 공극(220)의 측벽은 방전물질층(224)을 구비할 수 있다.
상기 감전보호소자(200)는 일정 간격 이격되어 수평으로 배치된 한 쌍의 내부전극(214a,214b)을 포함할 수 있다.
이때, 서로 대향 배치되는 내부전극들은 다각형, 원형, 타원형, 나선형 및 이들이 조합된 다양한 형상 및 패턴으로 구비될 수 있다. 그리고, 서로 대향되는 내부전극들은 서로 동일한 패턴 및 형상으로 구비될 수도 있고 다른 패턴 및 형상을 갖도록 구비될 수도 있다.
여기서, 한 쌍의 내부전극(214a,214b) 사이에는 공극(220)이 형성될 수 있다. 여기서, 공극(220)은 한 쌍의 내부전극(214a,214b)의 높이보다 큰 높이로 형성될 수 있고, 한 쌍의 내부전극(214a,214b)의 간격보다 큰 너비로 형성될 수 있다. 이와 같이, 공극(220)의 체적이 확장되면, 정전기에 의한 방전시 내부전극(214a,214b)으로부터 미세한 파티클이 발생하더라도 내부전극(214a,214b) 사이의 공간이 넓기 때문에 파티클에 의해 발생할 수 있는 결함의 발생률을 감소시킬 수 있다. 이때, 상기 공극은 정전기 유입시 한 쌍의 내부전극(214a,214b)에 의해 방전이 개시되는 공간으로서, 상기 공극의 체적은 정전기에 대한 내성을 만족하도록 설정하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 공극의 체적은 상기 감전보호소자(200)의 총 체적 대비 1-15% 일 수 있다. 여기서, 상기 공극의 체적이 감전보호소자(200)의 총 체적 대비 1%미만이면, 한 쌍의 내부전극(214a,214b) 사이의 쇼트가 발생할 수 있고, 정전기에 대한 내성이 악화될 수 있다. 또한, 상기 공극의 체적이 감전보호소자(200)의 총 체적 대비 15%를 초과하면, 감전보호소자(200)의 전체 부피가 증가하고, 기계적 강도가 낮아지며, 소성시 변형에 의해 뒤틀림이나 함몰이 발생할 수 있다.
구체적으로 설명하면, 적어도 한 쌍의 시트층(211,212,213)으로 이루어지는 소체의 내부에는 내부전극(214a,214b)이 공극을 형성하도록 서로 이격 배치된다. 바람직하게는 상기 한 쌍의 내부전극(214a,214b)은 동일 평면상에서 평행한 방향으로 일정간격 이격배치된다.
즉, 상기 한 쌍의 내부전극(214a,214b)은 상기 제1시트층(211)의 상부면에 간극(d)을 형성하도록 상호 이격배치된다. 여기서, 상기 한 쌍의 내부전극(214a,214b) 사이의 간극(d)은 10~100㎛일 수 있다. 이와 같은 한 쌍의 내부전극(214a,214b)은 상기 제1시트층(211)의 상부면에 패턴인쇄된다.
이때, 서로 대응되는 한 쌍의 내부전극(214a,214b) 사이에는 정전기를 방호하고 과전압으로부터 회로 보호 소자 및 주변 회로들을 보호하고 누설전류를 차단하기 위한 공극(220)이 구비된다.
이러한 공극(220)은 동일 평면상에 서로 평행하게 배열되는 상기 한 쌍의 내부전극(214a,214b) 사이에 배치되며 공기가 채워질 수 있도록 중공형으로 구비되며, 상기 공극(220)의 개방된 상부측에 상기 제2시트층(212)이 적층된다.
이와 같은 공극(220)은 복수 개로 구비되어 상기 내부전극(214a,214b)의 폭방향을 따라 이격 배치될 수도 있다. 이와 같이, 상기 공극(220)의 개수가 증가되면, 정전기의 방전 경로가 증가됨으로써, 정전기에 대한 내성을 향상시킬 수 있다.
이때, 상기 공극(220)은 상기 제1시트층(211)의 상부면으로부터 상기 내부전극(214a,214b)의 상부단까지의 높이를 초과하는 높이(h)를 갖도록 형성된다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 공극(220)은 도 8에 도시된 바와 같이, 내부전극(214a,214b)의 전체높이보다 초과하는 높이를 갖도록 구비됨으로써 전체적인 공극(220)의 체적이 확대될 수 있도록 한다.
이를 통해, 정전기의 방전시 상기 내부전극(214a,214b)으로부터 미세한 파티클이 발생하더라도 넓은 공간을 갖는 공극(220)을 통해 파티클에 의해 발생할 수 있는 결함의 발생률을 감소시킬 수 있다.
이때, 상기 공극(220)의 제2부분(122b)은 도 8에 도시된 바와 같이, 서로 이격배치되는 한 쌍의 내부전극(214a,214b) 중 적어도 하나의 전극의 상부면 상으로 연장되도록 구비될 수 있으며, 한 쌍의 내부전극(214a,214b)의 상부면 상으로 모두 연장될 수 있다.
여기서, 공극(220')은 도 9a에 도시된 바와 같이, 상기 내부전극(214a,214b)과 동일한 높이를 갖는 제1부분(222a)과 상기 제1부분(222a)의 상부단으로부터 일정높이 연장되는 제2부분(222b)을 포함한다.
더불어, 상기 공극(220")은 도 9b에 도시된 바와 같이, 상기 제1부분(222a)의 하부단으로부터 하방으로 일정높이 연장되는 제3부분을 포함하고, 상기 제3부분(222c)이 상기 내부전극(214a,214b)의 하부면 상으로 연장되는 형태로 구비될 수도 있다.
이때, 상기 공극(120)에 제3부분(222c)이 포함되는 경우 상기 제1시트층(211)의 상부면 상에는 상기 제3부분(222c)을 수용하기 위한 별도의 수용홈(211a)이 제1시트층(211)의 상부면으로부터 하방으로 일정깊이 함몰형성될 수 있다.
이와 같은 공극(220)은 상기 간극(d)에 공극재가 패턴인쇄된 후 소결과정에서 가해지는 열에 의해 상기 공극재가 제거됨으로써 형성된다. 여기서, 상기 공극재는 제1시트층(211) 및 제2시트층(212)을 적층한 후 소체를 형성하기 위하여 압착하는 과정에서 상기 공극(220)이 압력에 의해 변형되거나 파손되는 것을 방지하기 위하여 사용된다.
이를 위해, 상기 공극재는 고온의 열에 의해 분해될 수 있는 재질로 이루어짐으로써 복수 개의 시트층을 적층한 후 소성하는 과정에서 제거될 수 있도록 한다. 일례로, 상기 공극재는 200~2000℃ 사이의 온도범위에서 분해되는 재질로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 한 쌍의 내부전극(214a,214b)은 다양한 형상 및 패턴으로 구비될 수 있으며, 서로 동일한 패턴으로 구비될 수도 있고 서로 다른 패턴을 갖도록 구비될 수도 있다.
예를 들면, 도 10a에 도시된 바와 같이, 상기 한 쌍의 내부전극(214a,214b)은 직사각형의 단면을 갖는 바형상으로 구비될 수 있고, 도 10b에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 내부전극(214a',214b')은 단부가 사각단면의 모서리를 갖는 대략 'Y'자 형상으로 구비될 수도 있다.
도 10c에 도시된 바와 같이 상기 한 쌍의 내부전극(214a",214b")은 단부가 호의 형상을 갖는 바형상으로 구비될 수도 있으며, 도 10d에 도시된 바와 같이 한 쌍의 내부전극(215a,215b)은 단부가 호의 형상을 갖는 대략 'Y'자 형상으로 구비될 수도 있다.
그러나, 상기 전극의 단면을 이에 한정하는 것은 아니며, 상술한 4개의 형태가 상호 조합된 형태로 구비될 수도 있으며, 서로 마주하는 단부가 원형, 다각형, 파형 및 이들을 조합한 형태로 구비될 수도 있음을 밝혀둔다.
한편, 상기 한 쌍의 내부전극(214a,214b)이 서로 마주하는 단부 사이에는 일정간격 이격되는 간극(d)이 형성되고 상기 간극(d)에 상기 공극(220)이 구비된다. 이때, 상기 공극(220)의 내벽에는 상기 내부전극(214a,214b)의 높이방향을 따라 일정 두께로 도포되는 방전물질층(224)이 구비된다. 이때, 상기 방전물질층(224)은 상기 공극(220)의 내벽에만 구비될 수도 있지만, 상기 공극(220)의 개방된 상부를 덮도록 도포될 수도 있음을 밝혀둔다. 즉, 상기 방전물질층(224)은 상기 공극(220)의 내벽뿐만 아니라 상기 공극(220)의 개방된 상부단을 연결하여 연장될 수 있다.
한편, 상기 소체를 구성하는 제1시트층(211) 및 제2시트층(212)은 제1시트층(211)의 상부에 제2시트층(212)이 직접 적층될 수도 있지만, 상기 제1시트층(211)의 상부면에 형성되는 한 쌍의 내부전극(214a,214b) 및 공극(220)의 높이에 해당하는 별도의 버퍼층(213)이 적층될 수도 있다. 이러한 버퍼층(213)은 내부전극(214a,214b)의 높이 및 공극(220)의 높이에 해당하는 높이편차를 없애주는 역할을 수행한다.
다른 실시예로, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 감전보호소자(300)는 별도의 공극형성부재를 이용하지 않고, 내부전극(311a,312a) 사이에 공극(314)이 형성될 수 있다. 이때, 공극(314)의 측벽은 방전물질층을 구비할 수 있다.
즉, 감전보호소자(300)는 서로 마주하는 한 쌍의 내부전극(311a,312a) 사이에 방호시트층(313)이 배치되고, 상기 방호시트층(313)을 관통하는 적어도 하나의 관통홀(314)을 갖는 형태로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 관통홀(314)은 상기 방호시트층(113)을 기준으로 상,하부에 각각 배치되는 한 쌍의 내부전극(111a)(112a)이 서로 겹쳐지는 영역에 위치하도록 형성된다.
선택적으로, 상기 방호시트층의 동일면 상에 한 쌍의 내부전극이 간극을 형성하도록 서로 이격 배치되며, 상기 한 쌍의 내부전극 사이에 형성되는 간극에 관통홀을 갖는 형태로 구성될 수도 있다. 즉, 상기 관통홀은 동일 평면상에 서로 평행하게 배열되는 한 쌍의 내부전극 사이에 배치되며 공기가 채워질 수 있도록 중공형으로 구비된다.
구체적으로 설명하면, 감전보호소자(300)는 도 11에 도시된 바와 같이, 하부면에 제1내부전극(311a)이 구비되는 제1시트층(311)과, 상부면에 제2내부전극(312a)이 구비되는 제2시트층(312)이 서로 적층되며, 상기 제1시트층(311) 및 제2시트층(312)의 사이에는 적어도 하나의 관통홀(314)을 갖는 방호시트층(313)이 배치된다.
상기 제1내부전극(311a) 및 제2내부전극(312a)이 서로 마주할 수 있도록 제1시트층(311), 방호시트층(313) 및 제2시트층(312)을 순차적으로 적층한다.
이에 따라, 상기 제1내부전극(311a) 및 제2내부전극(312a)은 서로 마주하도록 배치된 후 상기 방호시트층(313)에 의해 서로 일정간격 이격배치되며, 서로 대향하는 중첩영역에 상기 관통홀(314)이 배치된다.
이때, 상기 제1내부전극(311a) 및 제2내부전극(312a)의 중첩영역에 배치되는 관통홀(314)은 다양한 형태로 구비될 수 있다.
일례로, 도 12a에 도시된 바와 같이 일정길이를 갖는 바형상의 제2내부전극(312a)의 상부 측에 한 쌍의 제1내부전극(311a)의 단부가 서로 겹쳐지도록 구비되고, 상기 관통홀(314)이 겹쳐지는 영역에 한 개가 배치될 수도 있고, 도 12b에 도시된 바와 같이, 제1내부전극(311a) 및 제2내부전극(312a)이 대략 'Y'자 형상으로 구비되어 2부분이 서로 겹쳐지도록 구비되고 서로 겹쳐지는 부분에 상기 관통홀(314)이 하나씩 겹쳐지는 영역에 각각 배치될 수도 있다.
더불어, 도 12c에 도시된 바와 같이 상기 제2내부전극(312a)은 일정길이를 갖는 바형상으로 2개로 구비되고 제1내부전극(311a)은 대략 'Y'자 형상으로 2개로 구비되어 4부분이 서로 겹쳐지도록 배치되며, 상기 관통홀(314)이 서로 겹쳐지는 4부분에 각각 배치될 수도 있다.
또한, 도 12d에 도시된 바와 같이 상기 제1내부전극(311a) 및 제2내부전극(312a)은 각각 일정길이를 갖는 바형상으로 구비되고 서로 겹쳐지는 영역에 관통홀(314)이 일정간격 이격배치될 수도 있다.
더불어, 도 12e에 도시된 바와 같이 상기 제2내부전극(312a)은 일정길이를 갖는 하나의 바형상으로 구비되고, 상기 제1내부전극(311a)은 일정길이를 갖는 두 개의 바형상으로 구비되어 상기 제2내부전극(312a)의 양 단부측에 일부가 겹쳐지도록 배치되고, 상기 겹쳐지는 영역에 두 개씩의 관통홀(314)이 배치될 수도 있다.
이와 같이 상기 제1내부전극(311a) 및 제2내부전극(312a)은 다양한 형상과 패턴으로 구비될 수 있으며, 적층시 상기 제1내부전극(311a)과 제2내부전극(312a)의 일부가 서로 겹쳐지도록 배치되면 무방함을 밝혀둔다.
한편, 감전보호소자(300)는 관통홀(314)의 내벽에 높이방향을 따라 일정 두께로 도포되는 방전물질층이 구비될 수도 있으며, 충진재가 채워질 수도 있다. 여기서, 상기 방전물질 및 충진재는 유전율이 낮고 전도도가 없으며, 과전압 인가시 쇼트(short)가 없어야 한다. 이를 위해, 상기 방전물질층 및 충진재는 적어도 한 종의 금속입자를 포함하는 비전도성물질로 이루어질 수 있으며, SiC 또는 실리콘 계열의 성분을 포함하는 반도체물질로 이루어질 수 있다. 더불어, 상기 방전물질(115) 및 충진재(116)는 소체를 구성하는 복수 개의 시트와는 서로 다른 특성을 갖는 재질로 이루어진다. 여기서, 서로 다른 특성을 갖는 재질은 재료가 상이한 것뿐만 아니라 동종의 재질이라 하더라도 유전율이나 전도도 등과 같은 특성이 상이한 재료도 포함됨을 밝혀둔다
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10 : 휴대용 전자장치 12a,12b,12c,12d : 전도체
14 : 회로부
100,200,300 : 감전보호소자 110 : 소체
111,112,211,212: 시트층
111a,112a,214a,214b,311a,312a: 내부전극
131,132,231,232 : 외부전극 124 : 공극형성부재
124a,124b,124c,224 : 방전물질층 126,220 : 공극

Claims (11)

  1. 전자장치의 인체 접촉 가능 전도체와 내장 회로부 사이에 배치되어, 상기 전도체로부터 정전기 유입시 절연파괴되지 않고 정전기를 통과시키며, 상기 회로부의 접지로부터 외부전원의 누설전류 유입시 오픈 상태를 유지하여 상기 외부전원의 누설전류를 차단하는 감전보호소자로서,
    소체;
    상기 소체에 일정간격을 두고 대향 배치된 적어도 한 쌍의 전극; 및
    상기 한 쌍의 전극 사이에 형성된 공극;을 포함하고,
    상기 공극은 그 내벽에 방전물질층이 도포되거나 충진재로 채워지는 감전보호소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 감전보호소자는 하기식을 만족하며,
    Vbr > Vin
    여기서, Vbr은 감전보호소자의 항복전압
    Vin은 전자장치의 외부전원의 정격전압
    상기 정격전압은 국가별 표준 정격전압인 감전보호소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 전극은 수직방향으로 일부가 중첩되도록 배치되거나 또는 동일 평면상에 배치되는 감전보호소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 소체는 유전율을 갖는 절연체로 이루어지며, 복수의 시트층이 적층되어 이루어지는 감전보호소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 방전물질층 및 상기 충진재는 금속입자를 포함하는 비전도성 물질 또는 반도체 물질로 이루어지는 감전보호소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 Ag, Au, Pt, Pd, Ni, Cu 중 어느 하나 이상의 성분을 포함하는 감전보호소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전극의 간격은 10~100㎛이고, 전극의 두께는 2~10㎛인 감전보호소자.
  8. 인체 접촉 가능 전도체;
    회로부; 및
    상기 전도체와 상기 회로부 사이를 연결하는 청구항 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 감전보호소자;를 포함하는 감전보호기능을 갖는 휴대용 전자장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전도체는 상기 전자장치와 외부기기의 통신을 위한 안테나, 메탈 케이스 및 도전성 장신구 중 적어도 하나를 포함하는 감전보호기능을 갖는 휴대용 전자장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 메탈 케이스는 상기 전자장치의 하우징의 측부를 부분적으로 둘러싸거나 전체적으로 둘러싸도록 구비되는 감전보호기능을 갖는 휴대용 전자장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 메탈 케이스는 상기 전자장치의 하우징의 전면 또는 후면에 외부로 노출되도록 구비되는 카메라를 둘러싸도록 구비되는 감전보호기능을 갖는 휴대용 전자장치.
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