KR102467337B1 - 금속필러가 포함된 유리페이스트를 이용한 단락저항기제조와 단락신뢰성 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속·유리페이스트를 이용한 단락 저항기 제조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Sn 금속필러 유리 페이스트를 권선저항기에 국부 도포하여 변동전류에 의한 단락저항기과 단락신뢰구간에 관한 것이다. 본 발명에 의한 산소분압이 낮고 이온화 경향이 금속입자와 큰 저융점 유리분말로 혼합 페이스트를 저항기에 도포하여 도포 면적에 따른 단락 의존성을 유리 내에 분산된 금속입자의 이온화 경향, 그리고 비저항 변화를 포함한다. 단락신뢰성 구간은 선형회귀 통계기법을 이용하며, 원시 데이터로부터 단락 신뢰성구간을 한정하는 문제점들을 포함한다.상기 연삭모재 공급장치를 이용하면, 연삭모재를 안정적으로 클램핑유닛에 장착시킬 수 있어 생산성이 향상되고 제품의 불량률을 낮출 수 있다는 장점이 있다. 상기 페이스트가 도포된 단락저항기를 이용하면 금속/유리 계면에서 열 구배에 의한 자유에너지와 배치엔트로피 변화에 의한 전자기적 방사에너지 증가, 그리고 물질 간 전자이동에 따른 레독스(redox)반응으로 부터 단락신뢰구간과 최적의 단락페이스트 도포를 통해서 단락저항기 상용화 생산이 가능한 단락신뢰성과 단락저항기를 최적화할수있다.
Description
본 발명은 금속·유리페이스트를 이용한 단락 저항기 제조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Sn 금속필러 유리 페이스트를 권선저항기에 국부 도포하여 변동전류에 의한 단락저항과 단락신뢰구간 확보에 관한 것이다.
본 발명의 배경이 되는 기술로는 도 1의 저항기와 같이 정상상태에서는 저항기 역할을 하지만, 과전류를 포함한 변동전류가 인가될 때 휴즈(fuse) 역할을 하는 기능성 저항소자를 단락저항기라 한다. 기존 연구는 과전압에 의해 발생한 줄(Joule)열 집중도를 높이기 위한 단열재 포장방법, 그리고 저항체에 별도의 온도 휴즈를 연결하는 내용이 주를 이루고 있다. 이를 배경기술로 구현한 저전력 카본 피막단락저항기와 고전력용 단락저항기가 있다. 권선형 저항기의 Ni-Cr합금선 단락은 줄열에 의한 금속 용융온도에 도달여부에 의해 결정되며, 0~30 V, 0~500 mA의 저전력 변동에 적합한 단락저항기 제조기술은 제한적이다. 이를 해결하기 위해 열전달 매개체와 금속저항선간의 상 경계와 비저항변화, 그리고 단락신뢰구간 도출을 위한 배경기술이 필요하다. 이에 따라 대한민국 특허 KR1020090054924A의 나노스케일 제조방법을 저항선 단락반응 매개체 기술로 도입하였다. 다음으로 금속의 전기·화학반응은 금속의 이온화 경향, 전자의 이동에 의한 산화·환원반응 이론을 배경기술로 활용하였다. 마지막으로 원시데이터 이용한 선형회귀분석기법이 배경기술로 사용되었다.
[문헌1] Jin Sam Choi et al., Characteristics of the PbO-Bi2O3-B2O3-ZnO-SiO2 Glass System Doped with Pb Metal Filler, J. Kor. Ceram. Soc., Vol. 50, No. 3, pp. 238~243(2013).
[문헌2] Jin Sam Choi, Joining Behavior of Ceramics to Metal by Using Lead-bismate Heavy Metal Glass Frit, J. Kor. Ceram. Soc., Vol. 51, No. 4, pp. 312~316 (2014).
휴즈와 저항소자를 조합한 휴즈단락저항기가 서지 또는 과부하 보호용도의 단락저항기가 일반적으로 사용되고 있다. 정상적인 상태에서는 저항기로 작동하고 과전류가 흐를때 단선상태가 되어 회로 및 기기를 보호한다. 저항기로서 신뢰성이 높고 융단특성을 가지지만 휴즈블저항기 대부분은 고전압에 치우쳐있다.
이의 해결방법으로 산소분압이 낮고 이온화 경향이 금속입자와 큰 저융점 유리분말로 혼합 페이스트를 제조한다. 이 혼합페이스트를 저항기에 도포하여 도포 면적에 따른 단락 의존성 규명한다. 이때 변동전류에 의한 줄열이 금속-유리 경계면에 전달될 때 유리 내에 분산된 금속입자의 이온화 경향, 그리고 비저항 변화에 대한 단락거동에 미치는 요인을 규명한다. 단락신뢰성 구간은 선형회귀 통계기법을 이용하며, 원시 데이터로부터 단락 신뢰성구간을 한정하여 본 발명의 기술적인 문제점들을 해결하고자 한다.
본 발명은 단락저항의 기능성을 부여하는 페이스트, 그리고 6.2 Ω, J-타입 권선저항기에 이를 이용함으로서 단락신뢰구간을 한정할 수 있다. 또한 최적의 단락페이스트 도포 형상 디자인을 통해서 단락저항기 상용화 생산이 가능하여 기존 연구를 보완하는 단락신뢰성과 단락저항기의 디자인을 제시하는 효과가 있다.
도 1은 저항구조 및 최적 페이스트 도포형상 이미지이다.
① 리드선 ② 접합부 ③ Ni-Cr저항선 ④ 세라믹 몸체 ⑤ 페이스트 도포 ⑥도포 부 단락
도 2는 열전달매개체 합성물의 분석결과이다.
(가)TEM 결정구조 (나)TEM 미세구조 (다)합성유리물의 Tg/DTA 곡선 (라)0.5 wt % Sn첨가물의 Tg/DTA 곡선
도 3은 금속필러가 첨가된 페이스트를 이용한 단락저항기 도포형상이다.
(가)국부도포(1.5 ㎜띠), (나)전체도포 형상
도 4는 줄열에 의해 형성된 표면 유리막이다.
도 5는 Sn05단락시편의 미세구조. 원은 단락된 저항선의 양단부 그리프이다.
도 6은 Sn05시편의 단락신뢰성 그래프이다.
(가)스튜던트 T에 의한 단락신뢰구간 (나)가우시안 분포도
① 리드선 ② 접합부 ③ Ni-Cr저항선 ④ 세라믹 몸체 ⑤ 페이스트 도포 ⑥도포 부 단락
도 2는 열전달매개체 합성물의 분석결과이다.
(가)TEM 결정구조 (나)TEM 미세구조 (다)합성유리물의 Tg/DTA 곡선 (라)0.5 wt % Sn첨가물의 Tg/DTA 곡선
도 3은 금속필러가 첨가된 페이스트를 이용한 단락저항기 도포형상이다.
(가)국부도포(1.5 ㎜띠), (나)전체도포 형상
도 4는 줄열에 의해 형성된 표면 유리막이다.
도 5는 Sn05단락시편의 미세구조. 원은 단락된 저항선의 양단부 그리프이다.
도 6은 Sn05시편의 단락신뢰성 그래프이다.
(가)스튜던트 T에 의한 단락신뢰구간 (나)가우시안 분포도
본 발명을 실시하기 위해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. (1) 매개합성물 제조
합성물의 도 1은 매개체 합성물의 결정구조, 미세구조, 그리고 유리전이온도(TG-DTA 8120, Rigaku, Jp)등의 분석결과를 나타낸 것이다.
합성물의 TEM결정과 미세구조를 관찰한 도 1(가)에서 전형적인 비정질 상을 나타내는 환(ring)패턴을 보이고 있다. 도 1(나)는 분쇄입자를 관찰한 TEM이미지로서 ≒200 nm정도의 균일한 나노스케일입자와 입자형상,λ는 1에 근접하는 구상으로 관찰되었다. 도 1(다)와 도 1(라)는 대조군과 0.5 %의 Sn 금속 필러가 첨가된 시편의 Tg곡선을 나타낸 것으로 380 ℃에서 280 ℃ 저온으로 이동하는 경향을 보이고 있다. 이는 708.6 kJ/mol의 이온화 에너지와 전기음성도, 1.96로서 양이온이 되려는 경향이 강하기 때문이다. 표 1은 예비실험에서 평가된 금속필러 조성과 양이다.
첨가금속필러 | 첨가량(wt%) | 페이스트명칭 | ||||
Sn | 0.5 | 0.7 | 0.9 | Sn05 | Sn07 | Sn09 |
Zn | 0.5 | 0.7 | 0.9 | Zn05 | Zn07 | Zn09 |
Sn-Sn(1:1) | 0.5 | 0.7 | 0.9 | SZ05 | SZ07 | SZ09 |
Cu | 0.5 | 0.7 | 0.9 | Cu05 | Cu07 | Cu09 |
Fe | 0.5 | 0.7 | 0.9 | Fe05 | Fe07 | Fe09 |
Al | 0.5 | 0.7 | 0.9 | Al05 | Al07 | Al09 |
(2) 단락시편의 제조 6.2 Ω(J-형)권선형 저항기의 단자선을 축에 물려 회전시키고 표 1의 페이스트를 붓으로 도포하였다. 이때 얻어진 시편은 전체도포와 1.50 ㎜ 폭의 띠(band) 모양으로 국부 도포한 도 2(가)시편을 제작하였다. 제작된 시편을 80 ℃에서 30 min 건조하여 단락평가 시편으로 사용하였다.
도 2(나)는 여러 형태로 페이스트를 도포하여 d. c 0~30 V, 0~500 mA 변동전류를 5 min 인가 후 시편외형을 관찰한 미세구조이다. 띠 도포형상 시편 중에서 Sn05에서 의미 있는 단락거동이 관찰(도 2(가))되었고, 전체 도포시편은 조성에 상관없이 단락거동은 관찰되지 않았다. 도 2(다)는 페이트 도포 후 줄열에 의해 변화하는 표면미세구조를 나타낸 것이다. 열에 의해 유리입자가 연결되고 필러금속의 재배열이 일어나는 미세구조를 보이고 있다. 도 2(나)와 (다)는 금속 필러와 유리분말이 혼재한 초기 미세구조는 전원인가 후 유리상의 발달과 금속필러 입자가 유리상 내에서 서로 연결된 미세구조의 변화가 나타나지만, 시편은 조성에 상관없이 단락거동은 관찰되지 않았다.
이는 1.5 ㎜ 띠(band) 형태 Sn05시편에서 발현되는 단락거동은 첨가된 필러 양과 도포 형상에 강한 의존성을 나타내는 명백한 증명이다.
(3) 단락거동의 전기·화학반응
도 3은 0~30 V, 500 mA의 변동전류를 인가하여 단락된 Sn05시편의 미세구조 관찰 사진이다. 도 2(가)의 Ni-Cr저항선 형태는 사라지고 단락(점선)된 형태를 보이고 있다. 이러한 거동은 예비실험에서 선정된 Sn05시편에서 동일한 결과를 나태었다. 변동전류에 의해 발생한 줄열이 금속-유리 경계면을 따라 전달되면 유리입자 내에 분산되어있는 금속의 자유에너지, 이온화 경향, 그리고 기전력 등의 변화가 나타난다. 첨가된 금속원소의 이온화 경향은 Fe>Cu>Sn>Zn>Al순이며, 25 ℃에서 표준전위차, E°(V)는 Cu-Cu+2 0.337, Sn-Sn+2 -0.136, Fe-Fe+2 -0.440, 그리고 Zn-Zn+2 -0.736이다. 첨가물 중에서 Al-Al+3은 -1.662 (V)로 전기화학적으로 자유에너지 감소도와 이온화 경향은 커지만 입자표면에 형성되는 패시브(passive)영향으로 휴징현상은 나타나지 않는 것으로 판단된다. 또 다른 요인으로서 Sn시편에서만 단락거동이 나타나는 것은 이온화 경향, 자유에너지, 그리고 전위차보다는 용융온도가 가장 큰 영향을 미치는 것으로 보인다. Zn 용융온도 419.5 ℃, Al 용융온도 660.3 ℃, 그리고 Fe 용융온도 1,538 ℃에 비해 Sn의 용융온도는 231.9 ℃로서 가장 낮음을 보였다. 이 결과로 부터 1.5 ㎜ 띠 형태의 Sn05시편에서 발현되는 단락모델을 다음과 같이 3단계로 설립하였다. 초기 단계에서는 비저항에 의해 발생한 열은 온도구배가 일어나는 것으로 단순화하였다. 이때 정상전압이 인가되는 정상상태에서 줄열은 온도,, 밀도,ρd, 그리고 분자결함,ρi이 금속에 미치는 전체비저항은 과 같다. 전류변동이 발생하는 중간단계에서는 저항, R인 재료에 t 시간동안 전류가 흘러갈 때 발생하는 열의 양, 로 전류, (A)와 시간, (sec)에 의존한다. 여기서 저항, 로 주어지며, ρ는 고유저항, L은 길이, A는 단면적이다. Ni-Cr합금 저항선의 단락여부는 줄열에 의한 금속선의 용융온도에 도달여부에 의해 결정되기 때문에 단락에 영향을 미치는 매개체와 비저항의 변화가 유도되어야함을 의미한다. 매개체의 Tg온도 >280 ℃에서 급격한 체적과 구조변화가 일어나는데, PbO의 동질이상체인 Pb3O4의 Pb4+이온들은 8배위 산소에 4개의 최외각전자 공유와 PbO의 Pb2+이온은 산소와 공유결합(Pb-O)함으로서 전하균형에 영향을 받지 않고 표면에 산소 층을 배열한다. 이 산소 층은 Fe이온과 결합하여 또는 로 반응한다. 즉, 금속표면에 존재하는 Fe 이온이 과잉으로 존재하는 산소이온 흡착으로 금속표면의 계면에너지가 감소하는 현상이 나타난다. 이로 인해서 금속은 열전달에 의한 자유전자를 유리쪽으로 내어놓고 유리에서 유래한 전자를 받아들이는 금속/유리 계면에서 산화·환원반응이 일어난다. 산화환원반응은 급격한 금속의 비저항 증가에 비례하여 유리 체적과 구조의 급격한 변화가 일어난다. 산화환원반응에 의한 부식율은 온도 증가에 비례한 반응생성물에 의해서 결정된다.
마지막 단계에서 유리에 첨가된 Sn은 Sn +2+2e-의 반응으로 생성된 과잉의 자유전자가 금속 쪽 이동과 더불어 전자기적 방사에너지를 증가시키는 역할을 한다.
유리내의 금속입자에 의한 전자기적 방사에너지 증가로 용융상태가 된 유리는 과량의 산소이온이 금속 쪽으로 이동하여 제한역 치환고용 형성이 가속화된다. 이 반응에 의한 비저항 변화는 저항열 증가를 유도하여 마침내 Ni-Cr금속 용융점에 도달하여 휴징(fusing)이 일어난다는 반응 모델을 도 3으로부터 설립하였다.
도 4는 줄열에 의해 유리가 녹아 표면에 도표된 이미지이다. 필러 종에 따라 단락이 일어나지 않고 발생한 열은 유리용융에 사용됨을 보이고 있다.
(4) 단락거동의 신뢰성 구간
원시 데이터로 부터 단락전류 평균값, 표준 및 상대편차, 자유도, 그리고 스튜던트 를 이용한 단락신뢰구간 등을 통계처리 하였다. 도 6(가)는 700개 이상 Sn05시편을 두 그룹으로 나누어 스튜던트 를 이용하여 얻어진 단락신뢰구간구간을 나타낸 것이다.
도 6(가)에서 A 그룹의 단락신뢰구간은 16 V이며 B 그룹은 15.5 V에 걸쳐 있음을 보였다. 구체적으로 단락 평균값, 표준 및 상대편차 등은 15.71 V, 시편간의 표준 편차는 14.59 %, 그리고 상대 표준 편차는 6.36 %의 결과를 표 2와 3에 나타내었다.
Freedom | Confidence error (%) | ||||
50 | 90 | 95 | 98 | 99 | |
1 | 1.000 | 6.314 | 12.706 | 31.821 | 63.656 |
30 | 0.683 | 1.697 | 2.042 | 2.457 | 2.750 |
60 | 0.679 | 1.671 | 2.000 | 2.390 | 2.660 |
120 | 0.677 | 1.658 | 1.980 | 2.358 | 2.617 |
∞ | 0.674 | 1.645 | 1.960 | 2.326 | 2.057 |
자료출처 : D. C. Harris, Exploring Chemical Analysis, 5th Ed., pp.79-89, W. H. Freeman &Company, Stuttgart, Gr(2012)
함수 식 | 시편 | |
A 그룹 | B 그룹 | |
평균( ) n, 측정횟수 |
15.634 V | 15.673 V |
평균편차(s=) n-1, 자유도 |
1.31 | 1.27 |
상대표준편차 |
1.00 | 0.984 |
중앙값(V) | 15.4 | 15.5 |
표 2는 샘플 측정개수 의미인 자유도, 120와 50~99.9%의 스튜던트 통계표를 이용하여 단락신뢰구간, 을 구하였다. 여기서 는 산술평균, 는 스튜던트의 값, 는 표준편차, 그리고 은 개의 독립 데이터에 대한 자유도(degree of freedom)이다. 신뢰구간은 특정한 확률로 모집단을 평균 할 수 있는 값의 범위이다. 즉, 모집단 평균 가 측정한 평균으로 부터 어떤 거리내에 있는 것으로 정의된다. 이로부터 표 3에서 50%의 단락신뢰구간, μ은 15.71±0.97, 90 %의 단락신뢰구간, μ은 15.71±2.36, 99.9 %의 단락신뢰구간, μ은 15.71±4.83로 신뢰구간이 감소하는 경향을 보이고 있다.
표 2는 샘플 측정개수 의미인 자유도, 120와 50~99.9%의 스튜던트 통계표를 이용하여 단락신뢰구간, 을 구하였다. 여기서 는 산술평균, t는 스튜던트의 값, 는 표준편차, 그리고 은 개의 독립 데이터에 대한 자유도(degree of freedom)이다. 신뢰구간은 특정한 확률로 모집단을 평균 할 수 있는 값의 범위이다. 즉, 모집단 평균 가 측정한 평균으로 부터 어떤 거리내에 있는 것으로 정의된다. 이로부터 표 3에서 50%의 단락신뢰구간, μ은 15.71±0.97, 90 %의 단락신뢰구간, μ은 15.71±2.36, 99.9 %의 단락신뢰구간, μ은 15.71±4.83로 신뢰구간이 감소하는 경향을 보이고 있다.
도 6(나)는 통계기법으로 처리한 단락의 가우시안 분포도를 나타낸 것으로 16 V로 통계처리기법에 상관없이 유사한 것으로 나타났다.
·리드선(Lead Wire): 전자부품과 PCB 기판을 전기적, 물리적 특성을 갖춘 인입선
·TEM(Transmission electron microscopy): 투과전자현미경
·Tg/DTA(ThermoGravimetric-Differential Thermal Analyzer): 열분석-시차열분석
·스튜던트 T(Student T): 확률변수의 분포
·가우시안 분포(Standard distribution): 정규분포로서 연속 확률의 종모양 분포
·TEM(Transmission electron microscopy): 투과전자현미경
·Tg/DTA(ThermoGravimetric-Differential Thermal Analyzer): 열분석-시차열분석
·스튜던트 T(Student T): 확률변수의 분포
·가우시안 분포(Standard distribution): 정규분포로서 연속 확률의 종모양 분포
Claims (3)
- 저융점 유리분말; Sn 금속 필러 0.5~0.9 wt %; Zn 금속 필러 0.5~0.9 wt %; Cu 금속 필러 0.5~0.9 wt %; Fe 금속 필러 0.5~0.9 wt %; 및 Al 금속 필러 0.5~0.9 wt %를 포함하는 단락 저항의 기능성을 부여하는 페이스트를 1.5mm 폭의 띠(band) 형상으로 도포한 단락저항기.
- 삭제
- 삭제
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Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
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KR20210144498A KR20210144498A (ko) | 2021-11-30 |
KR102467337B1 true KR102467337B1 (ko) | 2022-11-14 |
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JP2017027718A (ja) | 2015-07-21 | 2017-02-02 | 株式会社徳力本店 | 温度ヒューズ用電極材料 |
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KR101407759B1 (ko) * | 2014-01-07 | 2014-06-16 | 스마트전자 주식회사 | 퓨즈 저항기 |
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