KR102202901B1

KR102202901B1 - 보호 소자

Info

Publication number: KR102202901B1
Application number: KR1020157033868A
Authority: KR
Inventors: 고이치 무카이; 간나 미야자키
Original assignee: 데쿠세리아루즈 가부시키가이샤
Priority date: 2013-05-02
Filing date: 2014-05-01
Publication date: 2021-01-14
Also published as: US20160071680A1; KR20160003168A; CN105340042B; TWI681702B; WO2014178428A1; CN105340042A; JP6227276B2; TW201519728A; JP2014220044A

Abstract

발열체의 가열 온도를 급격히 올린 경우에 있어서도, 플럭스의 산화막 제거 기능을 발휘하며, 가용 도체의 빠른 용단을 가능하게 한다. 절연 기판(11)과, 절연 기판에 적층된 발열체(14)와, 발열체(14)를 덮는 절연 부재(15)와, 절연 기판(11)에 적층된 제1, 제2 전극(12)과, 발열체(14)와 중첩하도록 절연 부재(15) 위에 적층되며, 제1, 제2 전극(12) 사이의 전류 경로 위에서 발열체(14)에 전기적으로 접속된 발열체 인출 전극(16)과, 발열체 인출 전극(16)으로부터 제1, 제2 전극(12)에 걸쳐서 적층되고, 열에 의해 용단함으로써, 제1, 제2 전극(12) 사이의 전류 경로를 차단하는 가용 도체(13)와, 가용 도체(13)에 발생하는 산화막을 제거하는 산화막 제거재(17)를 구비하고, 산화막 제거재(17)는 상이한 복수의 활성화 온도를 갖는다.

Description

보호 소자 {PROTECTIVE ELEMENT}

본 발명은 과충전, 과방전 등의 이상 시에, 전류 경로를 차단하는 보호 소자에 관한 것이다. 본 출원은 일본에서 2013년 5월 2일에 출원된 일본 특허 출원 번호 특원2013-096753을 기초로 하여 우선권을 주장하는 것이고, 이 출원은 참조됨으로써 본 출원에 원용된다.

충전하여 반복해서 이용할 수 있는 이차 전지의 대부분은 배터리 팩으로 가공되어 사용자에게 제공된다. 특히, 중량 에너지 밀도가 높은 리튬 이온 이차 전지에 있어서는, 사용자 및 전자 기기의 안전을 확보하기 위해, 일반적으로 과충전 보호, 과방전 보호 등의 몇 개나 되는 보호 회로를 배터리 팩에 내장하여, 소정의 경우에 배터리 팩의 출력을 차단하는 기능을 갖고 있다.

이러한 종류의 보호 소자에는 배터리 팩에 내장된 FET 스위치를 사용하여 출력의 ON/OFF를 행함으로써, 배터리 팩의 과충전 보호 또는 과방전 보호 동작을 행하는 경우가 있다. 그러나, 어떤 원인으로 FET 스위치가 단락 파괴된 경우, 낙뢰 서지 등이 인가되어 순간적인 대전류가 흘렀을 경우, 혹은 배터리 셀의 수명에 의해 출력 전압이 매우 저하되거나, 반대로 과대 이상 전압을 출력한 경우라도, 배터리 팩이나 전자 기기는 발화 등의 사고로부터 보호되어야만 한다. 따라서, 이와 같은 상정할 수 있는 어떤 이상 상태에 있어서도, 배터리 셀의 출력을 안전하게 차단하기 위해, 외부로부터의 신호에 의해 전류 경로를 차단하는 기능을 갖는 퓨즈 소자를 포함하는 보호 소자가 사용되고 있다.

도 10의 (A) 및 도 10의 (B)에 도시한 바와 같이, 이와 같은 리튬 이온 이차 전지 등에 적합한 보호 회로의 보호 소자(80)로서는, 전류 경로 위에 접속된 제1 및 제2 전극(81, 82) 사이에 걸쳐서 가용 도체(83)를 접속하여 전류 경로의 일부를 이루고, 이 전류 경로 위의 가용 도체(83)를, 과전류에 의한 자기 발열, 혹은 보호 소자(80) 내부에 설치한 발열체(84)에 의해 용단하는 것이 있다. 이와 같은 보호 소자(80)에서는 용융한 액체 상태의 가용 도체(83)를 제1 및 제2 전극(81, 82) 위에 모음으로써 전류 경로를 차단한다.

일본 특허 공개 제2010-003665호 공보 일본 특허 공개 제2004-185960호 공보 일본 특허 공개 제2012-003878호 공보

도 10에 기재되어 있는 바와 같은 보호 소자(80)에 있어서는, 리플로우 솔더링 등에 의해 실장될 때의 가열에 의해 용융되지 않도록, 일반적으로, 가용 도체(83)로서 융점이 300℃ 이상인 Pb 함유 고융점 땜납이 사용되고 있다. 또한, 가용 도체(83)를 가열하면 산화가 진행되어 용단을 저해하므로, 가용 도체(83)에 생성된 산화막을 제거하기 위해 플럭스(85)를 적층하는 것도 행해지고 있다.

여기서, 예를 들어 리튬 이온 이차 전지의 열폭주는 중대한 사고를 초래할 우려도 있으므로, 이러한 종류의 보호 소자로서는, 가용 도체를 가능한 한 빠르게 용단하는 것이 요구된다. 그로 인해, 보호 소자 내부의 발열체에 인가하는 전력을 크게 하여 가열 온도를 급격히 높이는 방법도 생각된다.

그러나, 발열체의 가열에 의해 가용 도체의 온도를 급격히 올린 경우, 산화가 보다 빠르게 진행되어, 플럭스에 의한 산화막의 제거 기능을 발휘할 수 없을 뿐만 아니라, 플럭스가 과잉으로 가열됨으로써 산화막 제거 기능을 실활해 버려, 오히려 용단 시간이 연장되어 버리고, 그로 인해 가열에 의한 승온이 더 계속된다는 악순환을 초래한다.

또한, 플럭스가 산화막 제거 기능을 발휘하는 활성 온도대는 플럭스에 첨가하는 활성제에 의해 결정되며, 리플로우 솔더링 시에 있어서의 산화막 제거를 목적으로 한 경우, 100℃ 내지 260℃이다.

그러나, 보호 소자의 발열체의 가열 온도는 일순(순식간)에 수백도까지 도달하므로, 플럭스의 활성 온도대와 가열 온도 사이에 큰 차가 발생하여, 산화막 제거 기능을 충분히 발휘할 수 없다. 또한, 보호 소자가 탑재되는 전자 기기의 전력 상태는 다양하고, 발열체에 의한 가열 온도도 인가되는 전력에 따라 바뀐다. 그로 인해, 사용되는 전자 기기에 따라서 상이한 활성 온도대를 갖는 플럭스를 사용한 복수 종류의 보호 소자를 준비해야만 해, 제조 공정이 번잡해지고, 또한 제조 비용의 상승을 초래한다.

또한, 동일한 전자 기기에 있어서도, 예를 들어 리튬 이온 이차 전지의 탑재 개수나 충방전 상태, 열화 상태가 바뀌기 때문에, 보호 소자의 발열체에 인가되는 전력도 변화될 수 있다. 따라서, 일정한 활성 온도대를 갖는 플럭스에서는, 사용되는 전자 기기의 전력 상황에 대응할 수 없을 우려가 있다.

따라서, 본 발명은 발열체의 가열 온도를 급격히 올린 경우나 완만하게 올린 경우 등, 다양한 가열 상태에 있어서도, 플럭스의 산화막 제거 기능을 발휘하여, 가용 도체의 빠른 용단을 가능하게 하는 보호 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 보호 소자는 절연 기판과, 상기 절연 기판에 적층된 발열체와, 적어도 상기 발열체를 덮도록, 상기 절연 기판에 적층된 절연 부재와, 상기 절연 부재가 적층된 상기 절연 기판에 적층된 제1 및 제2 전극과, 상기 발열체와 중첩하도록 상기 절연 부재 위에 적층되며, 상기 제1 및 제2 전극 사이의 전류 경로 위에서 해당 발열체에 전기적으로 접속된 발열체 인출 전극과, 상기 발열체 인출 전극으로부터 상기 제1 및 제2 전극에 걸쳐서 적층되고, 열에 의해 용단함으로써, 해당 제1 전극과 해당 제2 전극 사이의 전류 경로를 차단하는 가용 도체와, 상기 가용 도체에 발생하는 산화막을 제거하는 산화막 제거재를 구비하고, 상기 산화막 제거재는 상이한 복수의 활성화 온도를 갖는 것이다.

본 발명에 따르면, 다양한 온도 프로파일로 가열되는 경우에 대응할 수 있고, 탑재되는 전자 기기의 종류나 전력 상태의 변화 등에 좌우되지 않고 가용 도체의 산화를 방지할 수 있고, 안정적으로 전류 경로의 신속한 차단을 행할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 보호 소자를 도시하는 도면으로, (A)는 사시도, (B)는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 보호 소자를 도시하는 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 플럭스의 활성화 온도 및 활성 온도대와, 가열 프로파일의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 배터리 팩의 회로 구성을 도시하는 회로도이다.
도 5는 본 발명이 적용된 보호 소자의 등가 회로이다.
도 6은 본 발명에 따른 다른 보호 소자를 도시하는 도면으로, (A)는 사시도, (B)는 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 다른 보호 소자를 도시하는 도면으로, (A)는 사시도, (B)는 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 다른 보호 소자를 도시하는 도면으로, (A)는 사시도, (B)는 단면도이다.
도 9는 인가 전력과 용단 시간의 관계를 나타내는 그래프로, (A)는 실시예, (B)는 비교예를 나타낸다.
도 10은 종래의 보호 소자를 도시하는 도면으로, (A)는 사시도, (B)는 단면도이다.

이하, 본 발명이 적용된 보호 소자에 대해, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명은 이하의 실시 형태만으로 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 다양한 변경이 가능한 것은 물론이다. 또한, 도면은 모식적인 것으로, 각 치수의 비율 등은 현실의 것과는 상이한 경우가 있다. 구체적인 치수 등은 이하의 설명을 참작하여 판단해야 하는 것이다. 또한, 도면 상호간에 있어서도 서로의 치수 관계나 비율이 상이한 부분이 포함되어 있는 것은 물론이다.

[보호 소자의 구성]

도 1의 (A), (B) 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명이 적용된 보호 소자(10)는 절연 기판(11)과, 절연 기판(11)에 적층되며, 절연 부재(15)에 덮인 발열 저항체(14)와, 절연 기판(11)의 양단부에 형성된 전극(12(A1), 12(A2))과, 절연 부재(15) 위에 발열 저항체(14)와 중첩하도록 적층된 발열체 인출 전극(16)과, 양단부가 전극(12(A1), 12(A2))에 각각 접속되고, 중앙부가 발열체 인출 전극(16)에 접속된 가용 도체(13)와, 가용 도체(13) 위에 설치되어, 가용 도체(13)에 발생하는 산화막을 제거하는 산화막 제거재(17)를 구비한다.

절연 기판(11)은, 예를 들어 알루미나, 유리 세라믹스, 멀라이트, 지르코니아 등의 절연성을 갖는 부재를 사용하여 대략 사각형상으로 형성되어 있다. 절연 기판(11)은 그 밖에도, 유리 에폭시 기판, 페놀 기판 등의 프린트 배선 기판에 사용되는 재료를 사용해도 되지만, 퓨즈 용단 시의 온도에 유의할 필요가 있다.

발열 저항체(14)는 비교적 저항값이 높게 통전하면 발열하는 도전성을 갖는 부재이며, 예를 들어 W, Mo, Ru 등을 포함한다. 이들 합금 혹은 조성물, 화합물의 분상체를 수지 결합제 등과 혼합하여, 페이스트 상태로 한 것을 절연 기판(11) 위에 스크린 인쇄 기술을 사용하여 패턴 형성하고, 소성하는 것 등에 의해 형성한다.

발열 저항체(14)를 덮도록 절연 부재(15)가 배치되고, 이 절연 부재(15)를 통해 발열 저항체(14)에 대향하도록 발열체 인출 전극(16)이 배치된다. 발열 저항체(14)의 열을 효율적으로 가용 도체에 전달하기 위해, 발열 저항체(14)와 절연 기판(11) 사이에 절연 부재(15)를 적층해도 된다. 절연 부재(15)로서는, 예를 들어 유리를 사용할 수 있다.

발열체 인출 전극(16)의 일단부는 발열체 전극(18(P1))에 접속된다. 또한, 발열 저항체(14)의 타단부는 다른 쪽의 발열체 전극(18(P2))에 접속된다.

가용 도체(13)는 발열 저항체(14)의 발열에 의해 빠르게 용단되는 저융점 금속을 포함하고, 예를 들어 Sn을 주성분으로 하는 Pb 프리 땜납을 적절히 사용할 수 있다. 또한, 가용 도체(13)는 저융점 금속과, Ag, Cu 또는 이들을 주성분으로 하는 합금 등의 고융점 금속의 적층체여도 된다.

고융점 금속과 저융점 금속을 적층함으로써, 보호 소자(10)를 리플로우 실장하는 경우에, 리플로우 온도가 저융점 금속층의 용융 온도를 초과하여 저융점 금속이 용융되어도, 가용 도체(13)로서 용단하는 것에 이르지 않는다. 이러한 가용 도체(13)는 고융점 금속에 저융점 금속을 도금 기술을 사용하여 성막함으로써 형성해도 되고, 다른 주지의 적층 기술, 막 형성 기술을 사용함으로써 형성해도 된다.

또한, 가용 도체(13)는 발열체 인출 전극(16) 및 전극(12(A1), 12(A2))에 땜납 접속되어 있다. 가용 도체(13)는 리플로우 솔더링에 의해 용이하게 접속할 수 있다. 또한, 이때, 하층에 설치된 저융점 금속을 Pb 프리 땜납에 의해 구성함으로써, 이 저융점 금속을 사용하여 발열체 인출 전극(16) 및 전극(12(A1), 12(A2))으로 접속할 수 있다.

또한, 보호 소자(10)는 내부를 보호하기 위해, 절연 기판(11) 위에 도시하지 않은 커버 부재를 적재해도 된다.

[제1 형태]

보호 소자(10)는 가용 도체(13)의 산화 방지를 위해, 가용 도체(13) 위의 대략 전체면에 산화막 제거재(17)가 설치되어 있다. 산화막 제거재로서는, 플럭스를 적절히 사용할 수 있다. 이하에는, 산화막 제거재(17)로서 플럭스를 사용한 경우를 예로 들어 설명한다.

도 1의 (A), (B)에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 플럭스(20)는 상대적으로 활성화 온도가 낮은 제1 플럭스층(21)과, 상대적으로 활성화 온도가 높은 제2 플럭스층(22)을 갖는다. 플럭스(20)는 활성화 온도가 상이한 제1, 제2 플럭스층(21, 22)을 가짐으로써, 제1 플럭스층(21)의 활성 온도대와 제2 플럭스층(22)의 활성 온도대를 합한 활성 온도대를 갖는다.

여기서, 플럭스의 활성화란, 플럭스가 가용 도체(13)의 산화막을 제거하는 기능을 발휘하고 있는 상태를 말하고, 활성화 온도란, 고형 상태의 플럭스가 가열에 의해 용융되고, 가용 도체(13)의 산화막을 제거하는 기능을 발휘하는 온도를 말하는 것으로 한다. 그리고, 플럭스는 소정의 활성 온도를 초과하여 가열되면, 산화막을 제거하는 기능이 실활된다. 이 플럭스가 활성화되어 있는 온도대를 활성 온도대라고 정의한다.

제1, 제2 플럭스층(21, 22)은 로진 베이스에 활성제를 첨가함으로써, 소정의 활성화 온도를 갖는다. 활성제로서는, 예를 들어 팔미트산(융점 63℃), 스테아르산(융점 70℃), 아라킨산(융점 76℃), 베헨산(융점 80℃), 말론산(융점 135℃), 글루타르산(융점 97.5℃), 피멜산(융점 106℃), 아젤라산(융점 106℃), 세바스산(융점 134℃), 말레산(융점 130℃) 등의 유기산, 또는 브롬화수소산의 아민염을 사용할 수 있다.

도 3에 도시한 바와 같이, 플럭스(20)는 제1 플럭스층(21)의 활성 온도대 R1과 제2 플럭스층(22)의 활성 온도대 R2를 합한 총 활성 온도대 (R1+R2)를 가짐으로써, 발열 저항체(14)에 의한 가용 도체(13)의 가열 온도가 급격히 상승한 경우에도, 폭넓은 온도 대역에서 가용 도체(13)의 산화를 방지할 수 있다. 따라서, 보호 소자(10)는 급격한 가열에 의해서도 가용 도체(13)의 산화를 방지할 수 있고, 전류 경로를 빠르게 차단할 수 있다. 즉, 보호 소자(10)는 급격한 가열을 행하면서, 플럭스(20)의 산화막 제거 기능을 발휘시킬 수 있고, 이들 2개의 시너지 효과에 의해, 빠른 용단성을 향상시킬 수 있다.

플럭스(20)의 복수의 활성화 온도는 발열 저항체(14)에 의한 가열 온도보다 낮으면 되고, 도 3에 도시한 바와 같이, 발열 저항체(14)의 발열에 의한 온도 프로파일로부터, 저온 영역에서의 활성화 온도 T1을 갖는 제1 플럭스층(21)과, 고온 영역에서의 활성 온도 T2를 갖는 제2 플럭스층(22)을 조합하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 플럭스(20)는 장시간에 걸쳐서 각 플럭스층(21, 22)의 활성 온도대 R1, R2를 합한 총 활성 온도대 (R1+R2)를 갖게 되고, 발열 저항체(14)가 발열하고 있는 동안, 장시간에 걸쳐서 가용 도체(13)의 산화막을 제거할 수 있다.

따라서, 플럭스(20)는, 발열 저항체(14)의 발열에 의한 온도 프로파일이 완만한 케이스 1에 있어서는, 제1 플럭스층(21)이 활성화됨으로써 가용 도체(13)의 산화막을 제거하고, 발열 저항체(14)의 온도 프로파일이 급격히 상승하는 케이스 2에 있어서는, 제1 플럭스층(21)의 활성화에 이어서, 제2 플럭스층(22)이 활성화됨으로써, 장시간에 걸쳐서 가용 도체(13)의 산화막을 제거할 수 있고, 빠르게 용단할 수 있다.

이에 의해, 보호 소자(10)에 의하면, 다양한 온도 프로파일로 가열되는 경우에 대응할 수 있고, 탑재되는 전자 기기의 종류나 전력 상태의 변화 등에 좌우되지 않고 가용 도체(13)의 산화를 방지할 수 있어, 안정적으로 전류 경로의 신속한 차단을 행할 수 있다. 한편, 하나의 산화막 제거재(플럭스)뿐인 경우, 활성화 온도 및 활성 온도대는 한정적이어서, 모든 온도 프로파일에 대응할 수 없고, 특히 케이스 2에 있어서는 활성 온도대가 짧아, 산화막 제거 기능을 충분히 발휘시킬 수 없다.

또한, 각 플럭스층(21, 22)의 활성화 온도 T1, T2는 가용 도체(13)의 융점보다 높아도 되고, 낮아도 되며, 또한 제1 플럭스층(21)의 활성화 온도 T1과 제2 플럭스층(22)의 활성화 온도 T2 사이에 가용 도체(13)의 융점이 마련되어도 된다. 이는, 발열 저항체(14)의 가열 온도는 각 플럭스층(21, 22)의 활성화 온도 T1, T2 및 가용 도체(13)의 융점보다 높기 때문에, 어떤 경우라도, 가용 도체(13)의 산화와, 각 플럭스층(21, 22)의 활성화에 의한 산화막 제거의 효과를 발휘하게 되기 때문이다.

또한, 산화막 제거재(17)는 플럭스(20)로서, 상대적으로 활성화 온도가 상이한 2개 플럭스층(21, 22)을 갖는 것 외에, 상대적으로 활성화 온도가 상이한 3개 이상의 플럭스층에 의해 구성해도 된다.

플럭스(20)는 상대적으로 활성화 온도가 낮은 플럭스층부터 순서대로 가용 도체(13) 위에 적층되어 있는 것이 바람직하다. 예를 들어, 플럭스(20)는 도 1에 도시한 바와 같이, 상대적으로 활성화 온도가 낮은 제1 플럭스층(21)이 가용 도체(13) 위에 적층되고, 상대적으로 활성화 온도가 높은 제2 플럭스가 제1 플럭스층(21) 위에 적층되어 있다. 이에 의해, 열원이 되는 발열 저항체(14)의 보다 근처에 활성화 온도가 낮은 제1 플럭스층(21)을 배치하게 되고, 가용 도체(13)의 가열 개시 후, 조기에 제1 플럭스층(21)을 활성화시킬 수 있다. 또한, 가열 개시 후, 조기에 활성화하는 제1 플럭스층(21)을 가용 도체(13) 위에 적층함으로써, 가열 개시 후, 조기에 발생하는 가용 도체(13)의 산화막을 효율적으로 제거하여, 용단을 촉진할 수 있다. 그리고, 가열 온도가 상승하면, 상대적으로 활성화 온도가 높은 제2 플럭스층(22)이 활성화되어, 가용 도체(13)에 생성되는 산화막을 제거한다. 즉, 보호 소자(10)는 발열 저항체(14)에 의한 가열이 개시되면, 활성화 온도가 낮은 플럭스층부터 순서대로 활성화시킬 수 있다.

이와 같은 활성화 온도가 상이한 복수의 플럭스층이 적층된 플럭스(20)는, 예를 들어 절연 기판(11) 위에 가용 도체(13)를 형성한 후, 제1 플럭스층(21)을 구성하는 수지를 인쇄하고, 건조시킴으로써 제1 플럭스층(21)을 형성하고, 그 후, 제2 플럭스층(22)을 구성하는 수지를 인쇄하고, 건조시킴으로써 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 동일 공정을 반복함으로써, 3층 이상의 플럭스층을 형성할 수도 있다.

[보호 소자의 사용 방법]

이와 같은 보호 소자(10)는 도 4에 도시한 바와 같이, 예를 들어 리튬 이온 이차 전지의 배터리 팩(30) 내의 회로에 조립되어 사용된다. 배터리 팩(30)은, 예를 들어 합계 4개의 리튬 이온 이차 전지의 배터리 셀(31 내지 34)을 포함하는 배터리 스택(35)을 갖는다.

배터리 팩(30)은 배터리 스택(35)과, 배터리 스택(35)의 충방전을 제어하는 충방전 제어 회로(40)와, 배터리 스택(35)의 이상 시에 충전을 차단하는 본 발명이 적용된 보호 소자(10)와, 각 배터리 셀(31 내지 34)의 전압을 검출하는 검출 회로(36)와, 검출 회로(36)의 검출 결과에 따라 보호 소자(10)의 동작을 제어하는 전류 제어 소자(37)를 구비한다.

배터리 스택(35)은 과충전 및 과방전 상태로부터 보호하기 위한 제어를 필요로 하는 배터리 셀(31 내지 34)이 직렬 접속된 것이고, 배터리 팩(30)의 정극 단자(30a), 부극 단자(30b)를 개재하여, 착탈 가능하게 충전 장치(45)에 접속되고, 충전 장치(45)로부터의 충전 전압이 인가된다. 충전 장치(45)에 의해 충전된 배터리 팩(30)의 정극 단자(30a), 부극 단자(30b)를 배터리로 동작하는 전자 기기에 접속함으로써, 이 전자 기기를 동작시킬 수 있다.

충방전 제어 회로(40)는 배터리 스택(35)으로부터 충전 장치(45)에 흐르는 전류 경로에 직렬 접속된 2개의 전류 제어 소자(41, 42)와, 이들 전류 제어 소자(41, 42)의 동작을 제어하는 제어부(43)를 구비한다. 전류 제어 소자(41, 42)는, 예를 들어 전계 효과 트랜지스터(이하, FET라고 칭함)에 의해 구성되고, 제어부(43)에 의해 게이트 전압을 제어함으로써, 배터리 스택(35)의 전류 경로의 도통과 차단을 제어한다. 제어부(43)는 충전 장치(45)로부터 전력 공급을 받아 동작하고, 검출 회로(36)에 의한 검출 결과에 따라, 배터리 스택(35)이 과방전 또는 과충전일 때, 전류 경로를 차단하도록, 전류 제어 소자(41, 42)의 동작을 제어한다.

보호 소자(10)는, 예를 들어 배터리 스택(35)과 충방전 제어 회로(40) 사이의 충방전 전류 경로 위에 접속되고, 그 동작이 전류 제어 소자(37)에 의해 제어된다.

검출 회로(36)는 각 배터리 셀(31 내지 34)과 접속되고, 각 배터리 셀(31 내지 34)의 전압값을 검출하고, 각 전압값을 충방전 제어 회로(40)의 제어부(43)에 공급한다. 또한, 검출 회로(36)는 어느 하나의 배터리 셀(31 내지 34)이 과충전 전압 또는 과방전 전압이 되었을 때에 전류 제어 소자(37)를 제어하는 제어 신호를 출력한다.

전류 제어 소자(37)는, 예를 들어 FET에 의해 구성되고, 검출 회로(36)로부터 출력되는 검출 신호에 의해, 배터리 셀(31 내지 34)의 전압값이 소정의 과방전 또는 과충전 상태를 초과하는 전압이 되었을 때, 보호 소자(10)를 동작시켜, 배터리 스택(35)의 충방전 전류 경로를 전류 제어 소자(41, 42)의 스위치 동작에 의하지 않고 차단하도록 제어한다.

이상과 같은 구성을 포함하는 배터리 팩(30)에 있어서, 본 발명이 적용된 보호 소자(10)는 도 5에 도시한 바와 같은 회로 구성을 갖는다. 즉, 보호 소자(10)는 발열체 인출 전극(16)을 통해 직렬 접속된 가용 도체(13)와, 가용 도체(13)의 접속점을 통해 통전하여 발열시킴으로써 가용 도체(13)를 용융하는 발열 저항체(14)를 포함하는 회로 구성이다. 또한, 보호 소자(10)에서는, 예를 들어 가용 도체(13)가 충방전 전류 경로 위에 직렬 접속되고, 발열 저항체(14)가 전류 제어 소자(37)와 접속된다. 보호 소자(10)의 2개의 전극(12) 중 한쪽은 A1에 접속되고, 다른 쪽은 A2에 접속된다. 또한, 발열체 인출 전극(16)과 이것에 접속된 발열체 전극(18)은 P1에 접속되고, 다른 쪽의 발열체 전극(18)은 P2에 접속된다.

이와 같은 회로 구성을 포함하는 보호 소자(10)는 발열 저항체(14)의 발열에 의해 가용 도체(13)를 용단함으로써, 확실히 전류 경로를 차단할 수 있다.

또한, 본 발명의 보호 소자는 리튬 이온 이차 전지의 배터리 팩에 사용하는 경우로 한정되지 않고, 전기 신호에 의한 전류 경로의 차단을 필요로 하는 다양한 용도에도 물론 응용 가능하다.

[제2 형태]

계속해서, 본 발명에 따른 다른 보호 소자의 형태에 대해 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 상술한 보호 소자(10)와 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 부여하고 그 상세를 생략한다. 도 6의 (A), (B)에 도시하는 보호 소자(50)는 가용 도체(51)의 내부에 상대적으로 활성화 온도가 낮은 제1 플럭스층(21)이 충전되고, 상대적으로 활성화 온도가 높은 제2 플럭스층(22)이 가용 도체(31) 위에 적층되어 있다.

가용 도체(51)는 상기 가용 도체(13)와 동일한 재료로 형성할 수 있다. 또한, 보호 소자(50)는 상술한 보호 소자(10)와 마찬가지로, 절연 기판(11), 전극(12), 발열 저항체(14), 절연 부재(15), 발열체 전극(18)을 갖는다.

보호 소자(50)는 가용 도체(51)의 내부에 제1 플럭스층(21)이 충전되어 있으므로, 상대적으로 활성화 온도가 낮은 제1 플럭스와 가용 도체(51)의 접촉 면적이 넓어, 발열 저항체(14)의 가열에 의해 가용 도체(51)에 발생하는 산화막을 효율적으로 제거할 수 있다.

또한, 보호 소자(50)는 가용 도체(51)의 내부에 제1 플럭스층(21)이 충전되어 있으므로, 제1 플럭스층(21)이 공기에 접촉하는 경우가 없어, 장기에 걸쳐서 열화를 방지할 수 있다.

또한, 보호 소자(50)는 상대적으로 활성화 온도가 낮은 제1 플럭스층(21)이, 상대적으로 활성화 온도가 높은 제2 플럭스층(22)보다도, 열원이 되는 발열 저항체(14)의 근방에 배치되어 있으므로, 발열 저항체(14)에 의한 가열이 개시되면, 우선 제1 플럭스층(21)이 활성화되고, 더욱 온도가 상승하면 제2 플럭스층(22)이 활성화된다. 즉, 보호 소자(50)는 발열 저항체(14)에 의한 가열이 개시되면, 활성화 온도가 낮은 플럭스층으로부터 순서대로 활성화시킬 수 있다.

[제3 형태]

도 7의 (A), (B)는 본 발명에 따른 또 다른 보호 소자의 형태를 도시하는 도면이다. 도 7에 도시하는 보호 소자(60)는 절연 기판(11) 위의, 전극(12(A1))과 발열체 인출 전극(16) 사이 및 전극(12(A2))과 발열체 인출 전극(16) 사이에, 제1 플럭스층(21)이 형성되고, 가용 도체(13) 위에 제2 플럭스층(22)이 적층된 것이다. 또한, 보호 소자(60)는 상술한 보호 소자(10)와 마찬가지로, 절연 기판(11), 전극(12), 발열 저항체(14), 절연 부재(15), 발열체 전극(18)을 갖는다.

보호 소자(60)에 있어서도, 상대적으로 활성화 온도가 낮은 제1 플럭스층(21)이, 상대적으로 활성화 온도가 높은 제2 플럭스층(22)보다도, 열원이 되는 발열 저항체(14)의 근방에 배치되어 있으므로, 발열 저항체(14)에 의한 가열이 개시되면, 우선 제1 플럭스층(21)이 활성화되고, 더욱 온도가 상승하면 제2 플럭스층(22)이 활성화된다. 즉, 보호 소자(60)는 발열 저항체(14)에 의한 가열이 개시되면, 활성화 온도가 낮은 플럭스층으로부터 순서대로 활성화시킬 수 있다.

보호 소자(60)는 이하와 같이 형성할 수 있다. 우선, 절연 기판(11) 위에 전극(12(A1), (A2))과 발열체 인출 전극(16)을 형성한다. 계속해서, 제1 플럭스층(21)을 구성하는 수지 조성물을, 전극(12(A1))과 발열체 인출 전극(16) 사이 및 전극(12(A2))과 발열체 인출 전극(16) 사이에 인쇄 등에 의해 도포하고, 건조시킨다. 계속해서, 가용 도체(13)를 전극(12(A1), (A2)), 발열체 인출 전극(16) 및 제1의 플럭스층(21) 위에 걸쳐서 형성한다. 마지막으로, 가용 도체(13) 위에 제2 플럭스층(22)을 구성하는 수지 조성물을 인쇄 등에 의해 도포하고, 건조시킨다.

[제4 형태]

도 8의 (A), (B)는 본 발명에 따른 또 다른 보호 소자의 형태를 도시하는 도면이다. 도 8에 도시하는 보호 소자(70)는 가용 도체(13) 위에 제1, 제2 플럭스층(21, 22)이 병설하여 적층된 것이다. 제1 플럭스층(21)은 가용 도체(13)의 전극(12(A1))측에 있어서, 전극(12(A1))과 발열체 인출 전극(16) 사이에 걸쳐서 적층되어 있다. 또한, 제2 플럭스층(22)은 가용 도체(13)의 전극(12(A2))측에 있어서, 전극(12(A2))과 발열체 인출 전극(16) 사이에 걸쳐서 적층되어 있다. 또한, 보호 소자(70)는 상술한 보호 소자(10)와 마찬가지로, 절연 기판(11), 전극(12), 발열 저항체(14), 절연 부재(15), 발열체 전극(18)을 갖는다.

보호 소자(70)는 가용 도체(13)의 용단 개소를 제어할 수 있다. 즉, 보호 소자(70)는 발열 저항체(14)에 의한 가열이 개시되면, 우선 활성화 온도가 낮은 제1 플럭스층(21)이 활성화되고, 전극(12(A1))측의 산화막을 제거하여 용단을 촉진시킨다. 계속해서, 더욱 온도가 상승하면, 활성화 온도가 높은 제1 플럭스층(22)이 활성화되고, 전극(12(A2))측의 산화막을 제거하여 용단을 촉진시킨다.

보호 소자(70)는, 가령 발열 저항체(14)에 의해 급격히 가열되어, 제1 플럭스층(21)이 가용 도체(13)의 용단 전에 실활한 경우에도, 제2 플럭스층(22)이 활성화되고, 가용 도체(13)의 산화를 방지하여 용단을 촉진시킬 수 있으므로, 전극(12(A2))과 발열체 인출 전극(16) 사이에 걸쳐서 확실히 전류 경로를 차단할 수 있다.

실시예

계속해서, 본 발명의 실시예에 대해 설명한다. 본 실시예에서는 가용 도체 위에 상대적으로 활성화 온도가 낮은 제1 플럭스층을 적층하고, 이 제1 플럭스층 위에 상대적으로 활성화 온도가 높은 제2 플럭스층을 적층한 보호 소자 샘플(실시예)과, 가용 도체 위에 플럭스층을 1층만 적층한 종래의 보호 소자 샘플(비교예)을 각각 8개 준비하여, 발열 저항체(14)에 소정의 전력을 인가하고, 용단까지 필요로 하는 시간을 계측하였다.

실시예에 관한 제1 플럭스층은 로진 베이스에 활성제로서 팔미트산(융점 63℃)을 첨가하고, 또한 제2 플럭스층은 로진 베이스에 활성제로서 아젤라산(융점 106℃)을 첨가한 것을 사용하였다. 한편, 비교예에 관한 플럭스층은 로진 베이스에 활성제로서 아젤라산(융점 106℃)을 첨가한 것을 사용하였다.

또한, 실시예 및 비교예에 관한 보호 소자 샘플의 발열 저항체에 인가하는 전력은 5W, 45W, 50W로 하였다. 결과를 표 1에 나타낸다. 또한, 도 9의 (A)에 실시예에 관한 보호 소자의 인가 전력(W)과 용단 시간(초)의 관계를 나타내는 그래프를 도시하고, 도 9의 (B)에 비교예에 관한 보호 소자의 인가 전력(W)과 용단 시간(초)의 관계를 나타내는 그래프를 도시한다.

표 1, 도 9의 (A), (B)에 도시한 바와 같이, 실시예에서는 발열 저항체(14)로의 인가 전력이 5W, 45W, 50W의 어떤 경우이든, 비교예에 비해 용단 시간이 짧아지고, 또한 샘플 사이에 있어서의 용단 시간의 편차도 작았다. 이는, 인가 전력이 클수록, 온도가 급격히 상승하기 때문에, 비교예에 관한 보호 소자에 있어서는, 플럭스의 활성 온도대가 짧아, 충분히 가용 도체의 산화막 제거 기능을 발휘할 수 없었던 것에 의한다.

한편, 실시예에 관한 보호 소자에서는 인가 전력이 크고, 온도가 급격히 상승한 경우에도, 활성화 온도가 높은 제2 플럭스층을 구비하고 있으므로, 고온 영역에서도 가용 도체의 산화막을 제거할 수 있어, 빠르게 용단할 수 있었다.

10 : 보호 소자
11 : 절연 기판
12 : 전극
13 : 가용 도체
14 : 발열 저항체
15 : 절연 부재
16 : 발열체 인출 전극
17 : 산화막 제거재
18 : 발열체 전극
19 : 커버 부재
20 : 플럭스
21 : 제1 플럭스층
22 : 제2 플럭스층
30 : 배터리 팩
31 내지 34 : 배터리 셀
35 : 배터리 스택
36 : 검출 회로
37 : 전류 제어 소자
40 : 충방전 제어 회로
41, 42 : 전류 제어 소자
43 : 제어부
45 : 충전 장치
50 : 보호 소자
51 : 가용 도체
60 : 보호 소자
70 : 보호 소자

Claims

절연 기판과,
상기 절연 기판에 적층된 발열체와,
적어도 상기 발열체를 덮도록, 상기 절연 기판에 적층된 절연 부재와,
상기 절연 부재가 적층된 상기 절연 기판에 적층된 제1 및 제2 전극과,
상기 발열체와 중첩하도록 상기 절연 부재 위에 적층되며, 상기 제1 및 제2 전극 사이의 전류 경로 위에서 해당 발열체에 전기적으로 접속된 발열체 인출 전극과,
상기 발열체 인출 전극으로부터 상기 제1 및 제2 전극에 걸쳐서 적층되고, 열에 의해 용단함으로써, 해당 제1 전극과 해당 제2 전극 사이의 전류 경로를 차단하는 가용 도체와,
상기 가용 도체에 발생하는 산화막을 제거하는 산화막 제거재를 구비하고,
상기 산화막 제거재는 활성화 온도가 상이한 제1 및 제2 플럭스로 이루어지고, 상기 제1 및 제2 플럭스의 활성화 온도는 상기 발열체에 의한 가열 온도보다 낮은 것인 보호 소자.
삭제
제1항에 있어서, 상대적으로 활성화 온도가 낮은 제1 플럭스가 상기 가용 도체 위에 적층되고, 상대적으로 활성화 온도가 높은 제2 플럭스가 상기 제1 플럭스 위에 적층되어 있는 것인 보호 소자.
제1항에 있어서, 상대적으로 활성화 온도가 낮은 제1 플럭스가 상기 가용 도체의 내부에 충전되고, 상대적으로 활성화 온도가 높은 제2 플럭스가 상기 가용 도체 위에 적층되어 있는 것인 보호 소자.
제1항에 있어서, 상대적으로 활성화 온도가 낮은 제1 플럭스가 상기 가용 도체와 상기 절연 기판 사이에 배치되고, 상대적으로 활성화 온도가 높은 제2 플럭스가 상기 가용 도체 위에 적층되어 있는 것인 보호 소자.
제1항에 있어서, 상대적으로 활성화 온도가 낮은 제1 플럭스와, 상대적으로 활성화 온도가 높은 제2 플럭스가 상기 가용 도체 위에 병설하여 적층되어 있는 것인 보호 소자.
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