KR102442277B1 - 전기적 충격 보호소자 및 이를 구비한 휴대용 전자장치 - Google Patents

전기적 충격 보호소자 및 이를 구비한 휴대용 전자장치 Download PDF

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주식회사 아모텍
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Abstract

전기적 충격 보호소자 및 이를 구비한 휴대용 전자장치가 제공된다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 전기적 충격 보호소자는 복수의 시트층이 적층된 소체; 상기 소체의 내부에 배치되며 제1외부전극 및 제2외부전극 중 어느 하나에 전기적으로 연결되는 저항체; 상기 제1외부전극 및 상기 제2외부전극 중 다른 하나에 전기적으로 연결되며 상기 저항체의 적어도 일부에 대향하여 배치되는 내부전극; 및 상기 저항체의 적어도 일부에 대향하여 배치되고, 제3외부전극과 전기적으로 연결되는 접지전극;을 포함한다. 이에 의하면, 과열로 인한 저항의 열적 파손을 방지할 수 있는 동시에 임피던스 정합을 달성할 수 있으므로, 전기적 충격에 대한 내성을 향상시키면서도 고속 신호의 감쇄를 최소화하여 전달할 수 있고, 신호라인에 의한 전기적 충격으로부터 사용자 및 내부회로를 보호할 수 있다.

Description

전기적 충격 보호소자 및 이를 구비한 휴대용 전자장치{Electrical overstress protection device and mobile electronic device with the same}
본 발명은 전기적 충격 보호소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기적 충격에 의해 발생하는 열을 효과적으로 분산시켜 내성을 향상시킬 수 있는 동시에 고속 신호의 감쇄를 최소화하여 전달할 수 있는 전기적 충격 보호소자 및 이를 구비한 휴대용 전자장치에 관한 것이다.
일반적으로, 전기적 과부하(EOS; electric overstress)는 예를 들면, 충전, 변압 및 모터 구동 회로 등 다양한 환경에서, 돌입 전류, 또는 기동 전류 형태로 발생한다. 이때, 비정상적인 전압의 증가로 인해 시스템에 스파크(spark)가 발생하여 구성 요소와 부품, 시스템에 손상을 초래한다.
이와 같은 전기적 과부하는 전원을 사용하는 설비의 누설전류 및 전압으로 인한 비정상적인 과도전류 또는 과도전압과 같은 전기적 충격으로 보통 수 마이크로초(㎲)에서 수 초(s) 동안 방전이 이루어진다.
한편, 전기적 과부하는 정전기 방전(ESD; Electro Static Discharge)에 비하여 상대적으로 낮은 전압이 이지만, 상대적으로 긴 시간 동안 인가되는 것으로, 내부회로의 절연층의 파괴를 야기할 수 있어 내부회로로의 유입을 차단하는 것이 필요하다.
또한, 서지(surge)는 전선 또는 전기회로에서 짧은 시간에 급속히 증가하는 전기적 전류, 전압 또는 전력의 과도 파형으로서, 이는 부품의 절연 파괴나 전자 장치의 장애를 발생하게하는 요인이다.
아울러, 전자기파 간섭(EMI; Electro Magnetic Interference)은 전자장치의 작동중에 발생하는 것으로서 다른 전자장치에 잡음으로 작용하여 오동작을 초래한다.
이와 같은 정전기 방전, 전자기파 간섭, 서지, 및 전기적 과부하는 외부의 전기적 요인에 의해 전자장치의 내부에 악영향을 주는 것으로 본 명세서에서는 이를 전기적 충격으로 총칭하여 명명한다.
이와 같이 주요 회로에서 발생하는 전기적 충격에 대한 보호를 위해 TVS(transient voltage suppressor)나 바리스터와 같은 소자를 이용하고 있으나, 이는 전기적 충격을 단순히 바이패스하는 기능만을 갖기 때문에, 전기적 충격을 차단하고 소비하기 위해 저항체를 추가로 이용한다. 이때, 저항체는 제조 비용 및 공정상의 편의성에 따라 보호소자의 표면에 형성되고, 오버글래이징과 같은 절연체로 피복된다.
그러나, 전기적 충격에 의해, 저항체가 에너지를 소비하여 발열하는 경우, 특히, 저항체가 과열되는 경우, 오버글래이징과 같은 절연체의 열전도율이 낮기 때문에, 발생된 열이 외부로 발산되지 못한다. 따라서, 저항체는 과열에 의해 열적 파손이 발생하고, 이와 함께, 저항체의 상부에 피복된 절연체도 함께 파손되는 문제가 있다. 더욱이 이러한 저항체의 과열에 따른 열적 파손에 의해 사용자가 치명상을 입을 우려가 있다.
따라서, 전기적 충격을 효과적으로 바이패스시킴과 동시에 에너지 소비에 의한 열적 파손을 방지하기 위한 방안이 요구되고 있다.
한편, 이와 같은 전기적 충격은 고속 신호 라인을 통해서도 유입될 수 있다. 그러나, 고속 신호 라인의 경우, 애플리케이션에 따라 커패시터를 갖는 회로로 구현될 수 있고, 이 경우, 종래의 전기적 충격 보호소자는 저항만 구비되어 있기 때문에 임피던스 정합이 이루어지지 않아 고속 신호가 감쇄된다.
따라서, 고속 신호 라인에 사용하기 위해 전기적 충격을 차단하면서도 동시에 고속 신호의 감쇄를 최소화하여 전달할 수 있는 방안이 요구되고 있다.
KR 2012-0068212 A(2012.06.27 공개)
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 전기적 충격에 의해 발생하는 열을 효과적으로 분산시킴으로써 내성을 향상시킬 수 있는 동시에 고속 신호의 감쇄를 최소화하여 전달할 수 있는 전기적 충격 보호소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 전기적 충격에 의한 에너지를 소비하기 위한 저항을 증가시킴으로써 내성을 더욱 향상시킬 수 있는 전기적 충격 보호소자를 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 애플리케이션에 적합한 스위칭 소자를 구비함으로써 용도에 따라 전기적 충격으로부터 효과적으로 내부회로를 보호할 수 있는 전기적 충격 보호소자를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
더욱이, 본 발명은 고속 신호라인으로부터 발생하는 전기적 충격을 효과적으로 차단할 수 있는 전기적 충격 보호기능을 갖는 휴대용 전자장치를 제공하는 데 또 다른 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 복수의 시트층이 적층된 소체; 상기 소체의 내부에 배치되며 제1외부전극 및 제2외부전극 중 어느 하나에 전기적으로 연결되는 저항체; 상기 제1외부전극 및 상기 제2외부전극 중 다른 하나에 전기적으로 연결되며 상기 저항체의 적어도 일부에 대향하여 배치되는 내부전극; 및 상기 저항체의 적어도 일부에 대향하여 배치되고, 제3외부전극과 전기적으로 연결되는 접지전극;을 포함하는 전기적 충격 보호소자를 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 접지전극은 상기 저항체의 상부에 배치되며, 상기 내부전극은 상기 저항체의 하부에 배치거나, 상기 내부전극은 상기 저항체의 상부에 배치되며, 상기 접지전극은 상기 저항체의 하부에 배치될 수 있다.
또한, 상기 저항체와 상기 접지전극 사이에 공극이 형성될 수 있다. 따라서, 상기 저항체와 상기 접지전극 사이에 써프레서 형태의 스위칭 소자를 구비할 수 있다.
또한, 상기 저항체는 상기 접지전극 및 상기 내부전극과 대향하는 부분이 다른 부분에 비하여 넓은 폭을 가질 수 있다. 여기서, 상기 접지전극 및 상기 내부전극과 대향하는 부분은 공통전극으로서 기능하기 위해 다른 부분에 의해 넓은 폭을 가질 수 있다.
한편, 본 발명은 복수의 시트층이 적층된 소체; 상기 소체의 내부에 배치되며 제1외부전극 및 제2외부전극 중 어느 하나에 전기적으로 연결되는 저항체; 상기 제1외부전극 및 상기 제2외부전극 중 다른 하나에 전기적으로 연결되며 상기 저항체의 적어도 일부에 대향하여 배치되는 내부전극; 및 상기 내부전극의 적어도 일부에 대향하여 배치되고, 제3외부전극과 전기적으로 연결되는 접지전극;을 포함하는 전기적 충격 보호소자를 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 저항체는 상기 내부전극과 대향하는 부분이 다른 부분에 비하여 넓은 폭을 가질 수 있다.
또한, 상기 제1외부전극 및 상기 제2외부전극은 상기 제3외부전극과 수직한 측면에 배치될 수 있다.
또한, 상기 저항체 및 상기 저항체와 전기적으로 연결되는 외부전극은 동일 재료로 이루어질 수 있다. 따라서, 상기 저항체와 상기 저항체와 전기적으로 연결되는 상기 외부전극 사이의 상이한 열팽창 계수에 의한 접촉 저항의 증가를 억제할 수 있다. 여기서, 상기 동일 재료는 전도성 금속 및 세라믹 중 적어도 하나를 포함하며 점도를 갖는 액체이거나, 상기 동일 재료는 Ag 및 Pd 중 적어도 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 저항체는 전도성 금속 및 세라믹 중 적어도 하나를 포함하는 페이스트로 이루어지며, 상기 전도성 금속 및 세라믹 중 적어도 하나의 공재를 포함할 수 있다.
또한, 상기 소체는 상기 소체 내의 전기적 충격을 완화시킬 수 있는 세라믹 재료를 포함하고, 상기 세라믹 재료는 글래스, 바리스터, PTC(Positive Temperature Coefficient) 써미스터, 및 NTC(Negative Temperature Coefficient) 써미스터 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 전기적 충격은 전기적 과부하(EOS), 정전기 방전(ESD), 서지(Surge) 및 전자기파 간섭(EMI) 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 저항체는 Ag/Pd 페이스트로 이루어지며, Pd 고용량이 20~97중량%이며, ZnO, Al2O3, Pr, Bi, Sb, Ni, Cr, 및 Cu 중 하나 이상의 공재(共材)를 포함하고, 상기 공재의 첨가량은 1~50중량%일 수 있다. 여기서, 공재의 첨가는 상기 저항체의 비저항을 증가시키기 위한 것이다.
또한, 상기 저항체는 상기 제1외부전극과 상기 제2외부전극 사이의 거리 보다 큰 길이를 갖는 패턴으로 이루어지고, 상기 길이 및 상기 패턴의 폭에 따라 저항값이 결정될 수 있다. 여기서, 패턴은 나선형, 지그재그형 등 다양한 형태로 구비될 수 있다.
또한, 상기 소체는 ZnO, BaTiO3, 및 SrTiO3 중 하나 이상을 포함하고, Pr, Bi, Ni, Mn, Cr, Co, Sb, Nd, Si, Ca, La, Mg, Al, Ti Sn, Nb, 및 Y 중 적어도 하나를 도펀트로 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 복수의 시트층이 적층된 소체; 상기 소체의 내부에 배치되며 제1외부전극 및 제2외부전극 중 어느 하나에 전기적으로 연결되는 저항체; 상기 제1외부전극 및 상기 제2외부전극 중 다른 하나에 전기적으로 연결되며 상기 저항체의 적어도 일부에 대향하여 배치되는 커패시터 전극; 및 상기 저항체의 적어도 일부를 제1전극으로 하고, 제3외부전극과 전기적으로 연결되는 제2전극을 구비하는 스위칭 소자;를 포함하는 전기적 충격 보호소자를 제공한다.
또한, 본 발명은 복수의 시트층이 적층된 소체; 상기 소체의 내부에 배치되며 제1외부전극 및 제2외부전극 중 어느 하나에 전기적으로 연결되는 저항체; 상기 제1외부전극 및 상기 제2외부전극 중 다른 하나에 전기적으로 연결되며 상기 저항체의 적어도 일부에 대향하여 배치되는 커패시터 전극; 및 상기 커패시터 전극의 적어도 일부를 제1전극으로 하고, 제3외부전극과 전기적으로 연결되는 제2전극을 구비하는 스위칭 소자;를 포함하는 전기적 충격 보호소자를 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 스위칭 소자는 바리스터, 써프레서, 다이오드, 가스 튜브 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은 회로기판의 접지부; 전원 및 신호 중 어느 하나가 입력되는 패드부; 내부회로부; 및 상기 패드부 및 상기 내부회로부에 각각 전기적으로 연결되는 제1외부전극 및 제2외부전극, 및 상기 접지부에 전기적으로 연결되는 제3외부전극을 구비하는 전기적 충격 보호소자를 포함하는 전기적 충격 보호기능을 갖는 휴대용 전자장치를 제공한다.
여기서, 상기 전기적 충격 보호소자는, 상술한 바와 같은 구조 및 특성을 갖는 다양한 실시예의 전기적 충격 보호소자가 바람직하게 이용될 수 있다.
본 발명에 의하면, 전기적 충격을 차단하고 에너지ㄴ를 소비하기 위한 저항을 보호소자 내부에 매립하는 동시에 커패시터를 구비하여 에너지 소비에 의해 저항에서 발생하는 열을 효과적으로 분산시킴으로써, 과열로 인한 저항의 열적 파손을 방지할 수 있는 동시에 임피던스 정합을 달성할 수 있으므로, 전기적 충격에 대한 내성을 향상시키면서도 고속 신호의 감쇄를 최소화하여 전달할 수 있다.
또한, 본 발명은 저항체와 외부 전극의 재료를 동일하게 구성하여 열팽창 계수에 의한 접촉 저항을 감소시키고, 저항체에 열전도율이 높은 재료의 공재를 사용함으로써, 저항체에서 발생한 열을 보호소자의 내부로 효과적으로 분산시킬 수 있으므로, 전기적 충격에 대한 내성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 전기적 충격을 바이패스하기 위해 임의의 스위칭부를 구비함으로써, 애플리케이션에 적합한 보호소자를 선택적으로 사용할 수 있으므로, 용도에 최적화된 전기적 충격 보호기능을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 고속 신호라인과 내부회로 사이에 전기적 충격 보호소자를 구비함으로써, 신호라인에 의한 전기적 충격으로부터 사용자 및 내부회로를 보호할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기적 충격 보호소자를 나타낸 사시도,
도 2a는 도 1의 분리도,
도 2b는 도 1의 단면도,
도 3은 도 1의 등가회로도,
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기적 충격 보호소자에서 저항체의 다양한 패턴을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기적 충격 보호소자의 다른 등가회로도, 그리고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기적 충격 보호소자에서 도 5의 등가회로도에 대응하는 일례의 단면도이다.
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 전기적 충격 보호소자(100)는 도 1 내지 도 2b에 도시된 바와 같이, 소체(110,120,130,140), 접지전극(122), 저항체(132), 및 내부전극(142)을 포함한다.
상기 소체는 복수의 시트층(110,120,130,140)이 적층된 것이다. 여기서, 상기 제1시트층(110)은 상기 소체의 최상부 층이고, 상기 제2시트층(120)은 상기 제1시트층(110)의 하측에 배치되며, 상기 접지전극(122)이 구비될 수 있다. 상기 제3시트층(130)은 상기 제2시트층(120)의 하부에 배치되며, 상기 저항체(132)가 구비될 수 있다. 상기 제4시트층(140)은 상기 제3시트층(130)의 하부에 배치되며, 상기 내부전극(142)이 구비될 수 있다. 이때, 상기 시트층(110,120,130,140) 각각은 도면에서 동일한 두께로 형성되는 것으로 도시되고 설명하였으나 이에 한정되지 않고, 상이한 두께로 구성될 수 있다.
이러한 소체, 즉, 상기 시트층(110,120,130,140) 각각은 상기 저항체(132)로부터 발생한 열을 분산시킬 수 있도록 열전도성이 우수한 재질로 이루어질 수 있다.
예를 들면, 상기 소체는 상기 소체 내의 전기적 충격을 완화시킬 수 있는 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 세라믹 재료는 글래스, 바리스터, PTC(Positive Temperature Coefficient) 써미스터, 및 NTC(Negative Temperature Coefficient) 써미스터 중 어느 하나일 수 있다. 이때, 상기 전기적 충격은 전기적 과부하(EOS), 정전기 방전(ESD), 서지(Surge) 및 전자기파 간섭(EMI) 중 어느 하나일 수 있다.
대안적으로, 상기 소체는 ZnO, BaTiO3, 및 SrTiO3 중 하나 이상을 포함하고, Pr, Bi, Ni, Mn, Cr, Co, Sb, Nd, Si, Ca, La, Mg, Al, Ti Sn, Nb, 및 Y 중 적어도 하나를 도펀트로 포함할 수 있다.
상기 접지전극(122)은 상기 저항체(132)의 적어도 일부에 대항하여 적층 배치된다.
이때, 상기 접지전극(122)은 상기 제3외부전극(106)에 전기적으로 연결된다. 즉, 상기 접지전극(122)은 상기 제2시트층(120) 상에서 상기 저항체(132) 또는 상기 내부전극(142)과 수직한 방향으로 직선으로 배치될 수 있다.
여기서, 상기 접지전극(122)은 상기 저항체(132)와 대향하여 적층 배치되면, 그 위치는 한정되지 않는다. 즉, 상기 접지전극(122)은 상기 저항체(132)의 상부 및 하부 중 어느 하나에 적층 배치될 수 있다.
도 2a를 참조하면, 상기 저항체(132)는 상기 소체의 내부에 배치된다. 즉, 상기 저항체(132)는 상기 제2시트층(120)과 상기 제3시트층(130) 사이에 배치된다. 이러한 저항체(132)는 제1외부전극(102) 및 상기 제2외부전극(104) 중 어느 하나에 전기적으로 연결될 수 있다.
예를 들면, 상기 저항체(132)는 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 제1외부전극(102)에 전기적으로 연결될 수 있다. 대안적으로 상기 저항체(132)는 상기 제2외부전극(104)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이하 도 2a를 참조한 설명에서, 특별히 한정하지 않으면, 상기 저항체(132)는 상기 제1외부전극(102)에 전기적으로 연결된 것으로 설명한다.
또한, 상기 저항체(132)는 상기 접지전극(122) 및 상기 내부전극(142)에 각각 대향하여 적층 배치된다. 즉, 상기 저항체(132)는 상기 접지전극(122)과 상기 내부전극(142) 사이에 적층 배치된다.
이때, 상기 저항체(132)는 상기 제1외부전극(102) 및 상기 제2외부전극(104) 중 어느 하나에 전기적으로 연결되지 않은 일단이 공통전극(132a)으로서 기능한다. 즉, 이러한 공통전극(132a)은 상기 접지전극(122) 및 상기 내부전극(142)과 대향하는 부분으로서, 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 저항체(132)의 다른 부분에 비하여 넓은 폭으로 구비될 수 있다.
이와 같이, 상기 저항체(132)가 상기 소체의 외측에 배치되지 않고, 상기 소체의 내부에 배치됨으로써, 즉, 상기 제2시트층(120)과 상기 제3시트층(130) 사이에 배치됨으로써, 전기적 충격 유입에 따라 에너지가 상기 저항체(132)에 의해 소비되어 열이 발생하는 경우, 열 전도성이 우수한 인접한 상기 제2시트층(120) 및 상기 제3시트층(130)으로 열이 분산될 수 있다. 따라서, 상기 저항체(132)는 전기적 충격에 의해 과열되는 경우에도 열적 손상을 억제할 수 있어 전기적 충격의 내성을 향상시킬 수 있다.
더욱이, 상기 저항체(132)가 상기 소체의 내부에 배치됨으로써, 상기 저항체(132)는 상부의 상기 제2시트층(120)과 하부의 상기 제3시트층(130)에 의해 양측에서 지지되기 때문에, 일정한 강도를 유지할 수 있다.
여기서, 상기 제1외부전극(102) 및 상기 제2외부전극(104)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 제3외부전극(106)과 수직한 측면에 배치될 수 있다. 이때, 상기 제1외부전극(102)은 휴대용 전자장치에서 내부회로부(미도시)에 전기적으로 연결되며, 상기 제2외부전극(104)은 상기 내부회로부(미도시)에 대한 고속 신호라인에 전기적으로 연결되는 패드부(미도시)에 연결될 수 있으며, 상기 제3외부전극(106)은 회로기판의 접지부에 연결될 수 있다. 여기서, 패드부는 내부회로부(미도시)로 인가하기 위한 고속 신호가 입력된다. 이러한 패드부는 USB(Universal serial Bus)단자, IEEE 1394 단자, 시리얼 포트 단자, 패러렐 포트 단자 및 e-SATA 단자 등과 같이 내부회로부 외부와의 접속을 위한 인터페이스 단자일 수 있다. 이때, 상기 전기적 충격 보호소자(100)는 LVDS, USIT, V By One 등과 같은 고속 신호 라인에 이용될 수 있다.
이때, 상기 저항체(132)는 상기 외부전극들(102,104)과 열팽창 계수가 상이한 이질 재료를 사용하면 접촉 저항이 증가하기 때문에, 이를 감소시키기 위해 상기 제1외부전극(102)과 동일 재료로 이루어질 수 있다.
예를 들면, 상기 저항체(122), 상기 제1외부전극(102) 및 상기 제2외부전극(104)은 전도성 금속 및 세라믹 중 적어도 하나를 포함하며 점도가 액체일 수 있다.
이때, 상기 저항체(122)는 전도성 금속 및 세라믹 중 적어도 하나를 포함하는 페이스트로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 저항체(122)는 상기 전도성 금속 및 세라믹 중 적어도 하나를 고용체로 포함할 수 있다.
대안적으로, 상기 저항체(132) 및 상기 제1외부전극(102)은 Ag 및 Pd 중 적어도 하나 이상을 포함하는 동일 재료로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 저항체(132)는 Ag/Pd 페이스트로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 저항체(132)는 Pd 고용량이 20~97중량%일 수 있다.
한편, 상기 저항체(132)는 전기적 충격을 차단하기 위한 저항값을 달성하기 위해 상기 페이스트의 비저항을 크게 할 수 있다. 즉, 상기 저항체(132)는 페이스트의 비저항을 증가시키기 위해 공재(共材)를 사용할 수 있다.
일례로, 상기 저항체(122)는 상기 전도성 금속 및 세라믹 중 적어도 하나의 공재를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 저항체(122)에서, 상기 공재의 첨가량은 1~50중량%일 수 있다.
대안적으로, 상기 저항체(132)는 ZnO, Al2O3, Pr, Bi, Sb, Ni, Cr, 및 Cu 중 하나 이상의 공재를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 저항체(132)에서, 상기 공재의 첨가량은 1~50중량%일 수 있다.
이때, 상기 저항체(132)는 상기 소체로 열을 분산시키기 위해, 열전도율이 우수한 재료로 이루어질 수 있다. 특히, 상기 저항체(132)는 상기 소체와 동일한 ZnO 공재를 사용할 수 있다.
이와 같은 저항체(132)는 전기적 충격을 차단하고 그 에너지를 소비하기에 적합한 크기의 저항을 갖도록 상기 제3시트층(130) 상에 다양한 패턴으로 구비될 수 있다.
예를 들면, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 저항체(132-1,132-2)는 상기 제1시트층(110) 상에서 상기 제1외부전극(102)과 상기 제2외부전극(104) 사이의 거리보다 큰 길이로 구비될 수 있다. 즉, 상기 저항체(132-1,132-2)는 상기 제1외부전극(102)과 상기 제2외부전극(104) 사이에서 지그재그 패턴으로 그 길이를 크게 할 수 있다. 또한, 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 지그재그 패턴이 서로 다른 간격으로 구비될 수 있다.
도 4c에 도시된 바와 같이, 저항체(132-3)는 상기 제1외부전극(102)과 상기 제2외부전극(104) 사이에서 대략 "L"자 형상으로 구비될 수 있다. 이때, 상기 저항체(132-3)는 상기 제1외부전극(102)과의 접촉저항을 감소시키기 위해 상기 제1외부전극(102)의 연결부분이 다른 패턴에 비하여 넓은 폭으로 구비될 수 있다.
도 4d에 도시된 바와 같이, 저항체(132-4)는 보다 큰 저항값을 구현하기 위해 나선형(Spiral) 형상으로 구비될 수 있다. 즉, 저항체(132-4)는 도 4a 내지 도 4b에 도시된 저항체에 비하여 긴 길이로 구비될 수 있다.
여기서, 상기 저항체(132)는 상기 제1외부전극(102) 및 상기 제2외부전극(104) 중 어느 하나에 연결되지 않는 공통전극(132-11,132-21,132-31,132-41)이 상기 접지전극(122) 및 상기 내부전극(142)과 대향하는 부분에 구비되며, 이 공통전극은 상기 저항체(132-1,132-2,132-3,132-4)의 다른 부분에 비하여 넓은 폭으로 구비될 수 있다.
이와 같이, 상기 저항체(132)는 다양한 패턴으로 구비될 수 있으며, 이때, 패턴의 길이 및 패턴의 폭에 따라 저항값이 결정될 수 있다. 여기서, 상기 저항체(132)는 전기적 충격이 내부회로부(미도시)로 유입되는 것을 차단함과 동시에 인가되는 전기적 충격의 에너지를 소비하는 역할을 한다.
이때, 상기 저항체(132)는 저항값이 너무 크면 전기적 충격을 충분히 차단할 수 있지만, 입력 신호가 필요 이상으로 감쇄될 수 있다. 또한, 상기 저항체(132)는 저항값이 너무 낮으면 전기적 충격의 유입을 차단할 수 없을 뿐만 아니라 높은 전류에 의해 내부회로부(미도시)가 손상될 수 있다. 따라서, 상기 저항체(132)는 전기적 충격에 의해 파괴되지 않은 동시에 패드부로 인가되는 신호가 필요이상으로 감쇠되지 않으면서도 전기적 충격을 차단할 수 있는 저항값을 갖는 것이 바람직하다. 즉, 상기 저항체(132)는 상술한 바와 같이 패턴의 길이와 폭을 조절하고, 페이스트에 포함되는 공재의 첨가량을 적절히 조절함으로써, 적합한 저항값을 구현할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 상기 내부전극(142)은 상기 제1외부전극(102) 및 상기 제2외부전극(104) 중 상기 저항체(132)가 연결되지 않은 다른 하나에 전기적으로 연결된다. 즉, 상기 내부전극(142)과 상기 저항체(132)는 서로 다른 외부전극에 전기적으로 연결될 수 있다.
예를 들면, 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 저항체(132)는 상기 제1외부전극(102)에 전기적으로 연결되고, 상기 내부전극(142)은 상기 제2외부전극(104)에 전기적으로 연결될 수 있다. 대안적으로, 상기 내부전극(142)은 상기 제1외부전극(102)에 전기적으로 연결되고, 상기 저항체(132)는 상기 제2외부전극(104)에 전기적으로 연결될 수 있다.
이때, 상기 내부전극(142)은 상기 저항체(132)의 적어도 일부에 대향하여 적층 배치된다. 즉, 상기 내부전극(142)은 상기 저항체(132)의 공통전극(132a)에 대향하여 적층 배치되며, 상기 저항체(132)를 기준으로 상기 접지전극(122)과 반대측에 배치된다.
여기서, 상기 내부전극(142)은 상기 저항체(132)와 대향하여 적층 배치되면, 그 위치는 한정되지 않는다. 즉, 상기 내부전극(142)은 상기 저항체(132)의 상부 및 하부 중 어느 하나에 적층 배치될 수 있다.
결과적으로, 상기 저항체(132)가 상기 접지전극(122)과 상기 내부전극(142) 사이에 배치되면, 상기 접지전극(122)과 상기 내부전극(142)의 위치는 한정되지 않는다. 즉, 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 접지전극(122)은 상기 저항체(132)의 상부에 적층 배치되고, 상기 내부전극(142)은 상기 저항체(132)의 하부에 적층 배치될 수 있다. 대안적으로, 상기 내부전극(142)은 상기 저항체(132)의 상부에 적층 배치되며, 상기 접지전극(122)은 상기 저항체(132)의 하부에 적층 배치될 수 있다.
이와 같이 구성된 상기 전기적 충격 보호소자(100)는 도 3에 도시된 바와 같이, 바리스터와 같은 스위칭 소자, 커패시터(C) 및 저항(R)의 등가회로로 나타낼 수 있다.
즉, 상기 전기적 충격 보호소자(100)는 3개의 단자(또는 외부전극)를 구비하는 소자로서, 제1단자(또는 상기 제2외부전극(104))는 커패시터(C)의 일측에 연결되고, 제2단자(또는 상기 제1외부전극(102))는 상기 저항(R)의 일측에 연결되며, 제3단자(또는 상기 제3외부전극(106))는 상기 스위칭 소자의 일측에 연결되어 접지로 연결될 수 있다. 여기서, 상기 커패시터(C)의 타측, 상기 저항(R)의 타측 및 상기 스위칭 소자의 타측은 공통전극(132a)으로서 서로 연결될 수 있다.
이때, 상기 스위칭 소자는 도 1 내지 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 저항체(132)와 상기 접지전극(122) 사이에 형성될 수 있다. 즉, 상기 저항체(132)의 공통전극(132a)과 상기 접지전극(122)은 상기 스위칭 소자의 양단일 수 있다.
또한, 상기 저항(R)은 상기 저항체(132)에 의해 형성될 수 있다.
또한, 상기 커패시터(C)는 상기 내부전극(142)과 상기 저항체(132) 사이에 형성될 수 있다. 즉, 상기 내부전극(142)과 상기 저항체(132)의 공통전극(132a)은 상기 커패시터(C)의 양단일 수 있다. 따라서, 상기 내부전극(142)은 본 명세서에서 커패시터 전극으로 명명될 수 있다.
여기서, 상기 저항체(132)는 상기 제1외부전극(102) 및 상기 제2외부전극(104) 중 어느 하나에 연결되지 않은 부분, 즉, 상기 접지전극(122) 및 상기 내부전극(142)에 대향하는 부분은 공통전극(132a)으로서 상기 커패시터(C), 상기 스위치 소자 및 상기 저항체(132) 각각의 일측이 모두 전기적으로 연결된다.
이와 같은 구성에 의해, 전기적 충격이 외부로부터 유입되는 경우, 상기 커패시터(C)는 1차적으로 유입된 전기적 충격을 차단할 수 있다. 즉, 전기적 충격은 비교적 낮은 주파수 성분을 갖기 때문에 상기 커패시터(C)는 해당 주파수에 대하여 큰 임피던스로 작용함으로써 전기적 충격을 차단할 수 있다. 이와 더불어 상기 저항(R)은 상기 커패시터(C)를 통과한 전기적 충격을 2차적으로 차단하여 그 에너지를 소비하는 동시에, 스위칭 소자를 통하여 상기 유입된 전기적 충격이 접지로 바이패스됨으로써, 상기 전기적 충격 보호소자(100) 후단에 전기적으로 연결되는 내부회로부(미도시)를 보호할 수 있다.
한편, 고속 신호가 유입되는 경우, 상기 커패시터(C)는 상기 고속 신호의 감쇄를 최소화하여 통과시킬 수 있다. 특히, 상기 커패시터(C)는 애플리케이션에 따라 고속 신호의 유입시 임피던스 정합을 구현할 수 있어 고속 신호의 감쇄를 최소화할 수 있다.
여기서, 상기 스위칭 소자는 상기 소체 및 상기 저항체(132)와 상기 접지전극(122)을 포함하는 바리스터 형태이지만, 이에 한정되지 않고 상기 제2시트층(120)에 다양한 스위칭 소자가 구현될 수 있다.
예를 들면, 상기 스위칭 소자가 써프레서 형태로 구현되는 경우, 상기 저항체(132)와 상기 접지전극(122) 사이에 공극이 형성될 수 있다. 또한, 상기 스위칭 소자는 상기 저항체(132)의 공통전극(132a)과 상기 접지전극(122)을 양단으로 하는 다이오드 및 가스 튜브 중 어느 하나일 수 있다. 즉, 상기 스위칭 소자는 상기 제2시트층(120)에 다양한 형태로 배치될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기적 충격 보호소자(200)는, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 커패시터(C)를 상기 스위칭 소자와 상기 저항(R) 사이에 구비할 수 있다.
이와 같은 전기적 충격 보호소자(200)는 도 6에 도시된 바와 같이, 소체, 접지전극(122), 저항체(132), 및 내부전극(142)을 포함한다.
여기서, 상기 소체는 도 2a 및 도 2b의 소체와 비교하여 상기 저항체(132)가 구비된 상기 제3시트층(130)과 상기 내부전극(142)이 구비된 상기 제4시트층(140)이 서로 위치가 변경된 것이다. 즉, 도 5의 도시된 바와 같은 등가회로에서, 상기 커패시터(C)와 상기 스위칭 소자 각각의 일측이 연결되는 공통전극은 상기 내부전극(142)의 일측(142a)에 대응한다.
이때, 상기 접지전극(122)은 상기 내부전극(142)의 적어도 일부에 대향하여 적층 배치된다. 즉, 상기 접지전극(122)은 상기 내부전극(142)의 공통전극(142a)에 대향하여 적층 배치된다.
여기서, 상기 접지전극(122)은 상기 내부전극(142)과 대향하여 적층 배치되면, 그 위치는 한정되지 않는다. 즉, 상기 접지전극(122)은 상기 내부전극(142)의 상부 및 하부 중 어느 하나에 적층 배치될 수 있다.
상기 저항체(132)는 상기 내부전극(142)의 적어도 일부에 대항하여 적층 배치된다. 즉, 상기 저항체(132)는 상기 내부전극(142)의 공통전극(142a)에 대향하여 적층 배치되며, 상기 내부전극(142)을 기준으로 상기 접지전극(122)과 반대측에 배치된다.
이때, 상기 저항체(132)는 상기 내부전극(142)과 대향하는 일단이 공통전극(132b)으로서 기능한다. 즉, 이러한 공통전극(132b)은 등가회로에서 상기 커패시터(C)와 상기 저항(R)이 연결되는 부분으로서, 이 공통전극(132b)은 상기 저항체(132)의 다른 부분에 비하여 넓은 폭으로 구비될 수 있다.
여기서, 상기 저항체(132)는 상기 내부전극(142)과 대향하여 적층 배치되면, 그 위치는 한정되지 않는다. 즉, 상기 저항체(132)는 상기 내부전극(142)의 상부 및 하부 중 어느 하나에 적층 배치될 수 있다.
결과적으로, 상기 내부전극(142)이 상기 접지전극(122)과 상기 저항체(132) 사이에 배치되면, 상기 접지전극(122)과 상기 저항체(132)의 위치는 한정되지 않는다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 저항체(132)는 상기 내부전극(142)의 상부에 적층 배치되고 상기 접지전극(122)은 상기 내부전극(142)의 하부에 적층 배치될 수 있다. 대안적으로, 상기 접지전극(122)은 상기 내부전극(142)의 상부에 적층 배치되고, 상기 저항체(132)는 상기 내부전극(142)의 하부에 적층 배치될 수 있다.
이때, 상기 저항체(132)와 상기 내부전극(142)은 서로 다른 외부전극에 전기적으로 연결될 수 있다.
예를 들면, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 내부전극(142)은 상기 제1외부전극(102)에 전기적으로 연결되고, 상기 저항체(132)는 상기 제2외부전극(104)에 전기적으로 연결될 수 있다. 대안적으로, 상기 저항체(132)는 상기 제1외부전극(102)에 전기적으로 연결되고, 상기 내부전극(142)은 상기 제2외부전극(104)에 전기적으로 연결될 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 내부전극(142)은 상기 접지전극(122) 및 상기 저항체(132)에 각각 대향하여 적층 배치된다. 즉, 상기 내부전극(142)은 상기 접지전극(122)과 상기 저항체(132) 사이에 적층 배치된다.
이때, 상기 내부전극(142)은 상기 제1외부전극(102) 및 상기 제2외부전극(104) 중 어느 하나에 전기적으로 연결되지 않은 일단이 공통전극(142a)으로서 기능한다. 즉, 이러한 공통전극(142a)은 상기 접지전극(122) 및 상기 저항체(132)와 대향하는 부분으로서, 이 공통전극(142a)은 상기 내부전극(142)의 다른 부분에 비하여 넓은 폭으로 구비될 수 있다.
이와 같은 구성에 의해, 도 6의 등가회로의 저항(R)은 상기 저항체(132)에 의해 구성되고, 스위칭 소자는 상기 내부전극(142)과 상기 접지전극(122) 사이에 형성되며, 커패시터(C)는 상기 내부전극(142)과 상기 저항체(132) 사이에 형성될 수 있다. 즉, 상기 내부전극(142)의 공통전극(142a)과 상기 접지전극(122)은 상기 스위칭 소자의 양단이고, 상기 내부전극(142)의 공통전극(142a)과 상기 저항체(132)의 공통전극(132b)은 상기 커패시터(C)의 양단일 수 있다.
따라서, 상기 전기적 충격 보호소자(200)는 전기적 충격이 유입되는 경우, 상기 커패시터(C) 및 상기 저항(R)에 의해 차단할 수 있고, 고속 신호가 유입되는 경우, 상기 커패시터(C)에 의해 고속 신호의 감쇄를 최소화하여 통과시킬 수 있다.
하기 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
저항체를 40㎛ 선폭으로 직선형태의 패턴으로 형성하되, 하기의 표 1에 나타낸 바와 같이, 저항체에 포함되는 Pb와 공재로서 ZnO를 변화시켜 도 2a 및 도 2d에 도시된 바와 같은 전기적 충격 보호소자를 제조하고, 전기적 과부하(EOS)를 인가한 후 전기적 충격 보호소자의 내성을 관찰하였다.
Pb(중량%) 공재(중량%) 내성
실시예 1 35 5 양호
실시예 2 35 15 양호
실시예 3 35 30 양호
실시예 4 35 50 양호
실시예 5 50 1 양호
실시예 6 50 15 양호
실시예 7 50 30 양호
실시예 8 50 40 양호
비교예 1 35 3 파손
비교예 2 35 55 파손
비교예 3 50 0.5 파손
비교예 4 50 45 파손
상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 8에서 저항체에적정량의 공재를 포함하면, 비저항이 증가하여 전기적 충격 보호소자 내부에서 인가된 전기적 과부하에 대한 에너지를 충분히 소비할 수 있고, 증가된 저항에 의해 발생된 열이 소체 내부로 효과적으로 전달됨으로써 전기적 충격 보호소자의 내성이 양호하였다.
한편, 비교예 1 및 비교예 3과 같이 저항체에 적은 양의 공재가 포함되면, 인가된 전기적 과부하에 대한 에너지를 충분히 소비하지 못하여 저항체가 열 파손되고, 비교예 2 및 비교예 4와 같이 저항체에 많은 양의 공재가 포함되면, 접지로 바이패스하는 기능이 불량하여 인가된 전기적 과부하가 저항체에 더 많은 에너지를 부가하여 저항체가 열 파손되었다.
결과적으로, 저항체의 형성 패턴, 내부전극 및 접지전극의 구성 및 Pb의 함량을 고려하여 저항체에 1~50중량%의 공재를 포함함으로써, 전기적 충격 보호소자의 내성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
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.
100,200 : 전기적 충격 보호소자
102,104,106 : 외부전극
110,120,130,140 : 시트층
122 : 접지전극
132,132-1,132-2,132-3,132-4 : 저항체
132a,132b,132-11,132-21,132-31,132-41,142a : 공통전극
142 : 내부전극(커패시터 전극)

Claims (21)

  1. 복수의 시트층이 적층된 소체;
    상기 소체의 내부에 배치되며 제1외부전극 및 제2외부전극 중 어느 하나에 전기적으로 연결되는 저항체;
    상기 제1외부전극 및 상기 제2외부전극 중 다른 하나에 전기적으로 연결되며 상기 저항체의 적어도 일부에 대향하여 배치되는 내부전극; 및
    상기 저항체 또는 상기 내부전극의 적어도 일부에 대향하여 배치되고, 접지부에 연결되는 제3외부전극과 전기적으로 연결되는 접지전극;을 포함하며,
    상기 저항체와 상기 접지전극의 사이에 스위칭 소자가 구현됨으로써, 상기 저항체와 상기 접지전극이 상기 스위칭 소자의 양단으로 작용하고,
    상기 내부전극과 상기 저항체의 사이에 커패시터가 구현됨으로써, 상기 내부전극과 상기 저항체가 상기 커패시터의 양단으로 작용하며,
    유입되는 전기적 충격에 대해, 상기 커패시터가 상기 전기적 충격을 차단하고,
    상기 커패시터를 통과한 전기적 충격에 대해, 상기 저항체가 열로 발산하여 소비하는 제1기능과, 상기 스위칭 소자가 상기 접지부로 바이패스하는 제2기능이 함께 수행되는 전기적 충격 보호소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 접지전극은 상기 저항체의 상부에 배치되며, 상기 내부전극은 상기 저항체의 하부에 배치되거나,
    상기 내부전극은 상기 저항체의 상부에 배치되며, 상기 접지전극은 상기 저항체의 하부에 배치되는 전기적 충격 보호소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 저항체와 상기 접지전극 사이에 공극이 형성되는 전기적 충격 보호소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 저항체는 상기 접지전극 및 상기 내부전극과 대향하는 부분이 다른 부분에 비하여 넓은 폭을 갖는 전기적 충격 보호소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1외부전극 및 상기 제2외부전극은 상기 제3외부전극과 수직한 측면에 배치되는 전기적 충격 보호소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 저항체 및 상기 저항체와 전기적으로 연결되는 외부전극은 동일 재료로 이루어지고,
    상기 동일 재료는 전도성 금속 및 세라믹 중 적어도 하나를 포함하며 점도를 갖는 액체이거나,
    상기 동일 재료는 Ag 및 Pd 중 적어도 하나 이상인 전기적 충격 보호소자.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 소체는 상기 소체 내의 전기적 충격을 완화시킬 수 있는 세라믹 재료를 포함하고,
    상기 세라믹 재료는 글래스, 바리스터, PTC(Positive Temperature Coefficient) 써미스터, 및 NTC(Negative Temperature Coefficient) 써미스터 중 어느 하나인 전기적 충격 보호소자.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 저항체는 상기 제1외부전극과 상기 제2외부전극 사이의 거리 보다 큰 길이를 갖는 패턴으로 이루어지고, 상기 길이 및 상기 패턴의 폭에 따라 저항값이 결정되는 전기적 충격 보호소자.
  9. 복수의 시트층이 적층된 소체;
    상기 소체의 내부에 배치되며 제1외부전극 및 제2외부전극 중 어느 하나에 전기적으로 연결되는 저항체;
    상기 제1외부전극 및 상기 제2외부전극 중 다른 하나에 전기적으로 연결되며 상기 저항체의 적어도 일부에 대향하여 배치되는 커패시터 전극; 및
    상기 저항체 또는 상기 커패시터 전극의 적어도 일부를 제1전극으로 하고, 접지부에 연결되는 제3외부전극과 전기적으로 연결되는 제2전극을 구비하는 스위칭 소자;를 포함하며,
    상기 커패시터 전극과 상기 저항체의 사이에 커패시터가 구현됨으로써, 상기 커패시터 전극과 상기 저항체가 상기 커패시터의 양단으로 작용하며,
    유입되는 전기적 충격에 대해, 상기 커패시터가 상기 전기적 충격을 차단하고,
    상기 커패시터를 통과한 전기적 충격에 대해, 상기 저항체가 열로 발산하여 소비하는 제1기능과, 상기 스위칭 소자가 상기 접지부로 바이패스하는 제2기능이 함께 수행되는 전기적 충격 보호소자.
  10. 회로기판의 접지부;
    전원 및 신호 중 어느 하나가 입력되는 패드부;
    내부회로부; 및
    상기 패드부 및 상기 내부회로부에 각각 전기적으로 연결되는 제1외부전극 및 제2외부전극, 및 상기 접지부에 전기적으로 연결되는 제3외부전극을 구비하는 청구항 제1항 또는 제9항에 기재된 전기적 충격 보호소자를 포함하는 전기적 충격 보호기능을 갖는 휴대용 전자장치.
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