KR102482276B1 - 내장 발열 부재를 포함하는 세라믹 보호 소자 및 이를 포함하는 이차전지 충전장치 - Google Patents

내장 발열 부재를 포함하는 세라믹 보호 소자 및 이를 포함하는 이차전지 충전장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 동시 소성을 통하여 단순화된 공정으로 형성할 수 있고, 짧은 퓨즈 용단시간을 가지는 내장 발열 부재를 포함하는 세라믹 보호 소자를 제공한다. 본 발명의 일실시예에 의하면, 세라믹 보호 소자는, 동시 소성에 의하여 서로 일체화되는 제1 세라믹 시트 및 제2 세라믹 시트를 포함하여 구성된 세라믹 기판; 상기 세라믹 기판 상에 위치한 퓨즈 부재; 상기 세라믹 기판 내에 내장되고, 상기 퓨즈 부재와 중첩하도록 위치하고, 전류가 인가될 때 발열되어 상기 퓨즈 부재를 용단하는 내장 발열 부재; 및 상기 세라믹 기판 내에 내장되고, 상기 퓨즈 부재와 중첩하도록 위치하고, 상기 퓨즈 부재와 상기 내장 발열 부재를 전기적으로 연결하는 내장 전도 비아;를 포함한다.

Description

내장 발열 부재를 포함하는 세라믹 보호 소자 및 이를 포함하는 이차전지 충전장치{Ceramic protect device having internal heating member and secondary battery charging apparatus having the same}
본 발명의 기술적 사상은 세라믹 보호 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 내장 발열 부재를 포함하는 세라믹 보호 소자 및 이를 포함하는 이차전지 충전장치에 관한 것이다.
보호 소자는 이차전지에 과전류 및 과전압이 인가되는 것을 방지하기 위한 기능을 수행한다. 상기 보호 소자는, 기판 상에 발열체, 절연층, 전극 및 저융점 금속 퓨즈 부재가 차례로 적층된 적층 구조체로 구성된다. 상기 보호 소자에 과전압이 인가되는 경우에, 발열체가 발열하고, 이에 따라 저융점 금속 퓨즈 부재가 용단된다.
종래의 보호 소자는 소성된 세라믹 기판상에 발열체, 절연층, 및 전극을 순차적으로 형성하기 위하여, 인쇄 공정과 소성 공정을 반복하여야 하므로 제조 단계가 증가되는 한계가 있다. 또한, 소성된 세라믹 기판이 주로 알루미늄 산화물 계열의 높은 열전도를 나타내는 물질로서, 과전압이 인가되어 발열체에서 발생한 열이 하측 방향인 기판 방향으로 전도되어 열손실되므로, 발열체 상측에 위치하는 저융점 금속 퓨즈 부재의 용단에 시간이 걸리는 한계가 있다.
한국특허출원번호 제 10-2012-0052661호
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 동시 소성을 통하여 단순화된 공정으로 형성할 수 있고, 짧은 퓨즈 용단시간을 가지는 내장 발열 부재를 포함하는 세라믹 보호 소자 및 이를 포함하는 이차전지 충전장치를 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의하면, 동시 소성을 통하여 단순화된 공정으로 형성할 수 있고, 짧은 퓨즈 용단시간을 가지는 내장 발열 부재를 포함하는 세라믹 보호 소자 및 이를 포함하는 이차전지 충전장치를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 동시 소성에 의하여 서로 일체화되는 제1 세라믹 시트 및 제2 세라믹 시트를 포함하여 구성된 세라믹 기판; 상기 세라믹 기판 상에 위치한 퓨즈 부재; 상기 세라믹 기판 내에 내장되고, 상기 퓨즈 부재와 중첩하도록 위치하고, 전류가 인가될 때 발열되어 상기 퓨즈 부재를 용단하는 내장 발열 부재; 및 상기 세라믹 기판 내에 내장되고, 상기 퓨즈 부재와 중첩하도록 위치하고, 상기 퓨즈 부재와 상기 내장 발열 부재를 전기적으로 연결하는 내장 전도 비아;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 내장 전도 비아는, 상기 퓨즈 부재와 접촉하여, 상기 내장 발열 부재에서 발생한 열을 상기 퓨즈 부재에 직접적으로 전달할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 내장 전도 비아는, 상기 제1 세라믹 시트를 관통하여 위치할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 세라믹 기판 내에 내장되고, 상기 제2 세라믹 시트를 관통하여 형성되고, 외부와 상기 내장 발열 부재를 전기적으로 연결하는 내장 연결 비아;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 내장 전도 비아는 제1 측에 위치하고, 상기 내장 연결 비아는 상기 내장 발열 부재를 기준으로 상기 제1 측에 대향하는 제2 측에 위치할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 내장 연결 비아는, 상기 내장 발열 부재와 중첩되지 않도록 상기 내장 발열 부재로부터 이격되어 위치할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 제2 세라믹 시트의 상측에 위치하고, 상기 내장 연결 비아와 상기 내장 발열 부재를 전기적으로 연결하는 내장 연결 패드;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 제2 세라믹 시트의 하측에 위치하고, 상기 내장 연결 비아와 전기적으로 연결되어 상기 내장 연결 비아를 외부와 전기적으로 연결하는 내장 연결 비아용 하부 단자;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 내장 발열 부재는 상기 제1 세라믹 시트 및 제2 세라믹 시트와 함께 동시 소성되어 형성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 세라믹 기판 상에 상기 퓨즈 부재와 접촉하고, 상기 퓨즈 부재와 상기 내장 발열 부재의 사이에 개재되도록 위치하고, 상기 퓨즈 부재가 용단될 때에 상기 퓨즈 부재를 수용하는 퓨즈 수용 부재;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 내장 전도 비아는, 상기 퓨즈 수용 부재와 접촉하여, 상기 내장 발열 부재에서 발생한 열을 상기 퓨즈 부재에 직접적으로 전달할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 퓨즈 수용 부재는 상기 제1 세라믹 시트 및 제2 세라믹 시트와 함께 동시 소성되어 형성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 세라믹 기판은 1 W/mK 내지 5 W/mK 범위의 열전도도를 가질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 세라믹 보호 소자는, 동시 소성에 의하여 서로 일체화되는 제3 내지 제6 세라믹 시트들을 포함하여 구성된 세라믹 기판; 상기 세라믹 기판 상에 위치한 퓨즈 부재; 상기 세라믹 기판 내에 내장되고, 상기 퓨즈 부재와 중첩하도록 상기 퓨즈 부재의 양측에 위치하고, 전류가 인가될 때 발열되어 상기 퓨즈 부재를 용단하는 제1 내장 발열 부재 및 제2 내장 발열 부재; 및 상기 세라믹 기판 내에 내장되고, 상기 퓨즈 부재와 중첩하도록 위치하고, 상기 퓨즈 부재와 상기 제1 내장 발열 부재 및 상기 제2 내장 발열 부재를 전기적으로 연결하는 내장 전도 비아;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 내장 전도 비아는 상기 제3 세라믹 시트를 관통하여 형성되고, 상기 퓨즈 부재의 중앙부에 위치하고, 상기 제1 내장 발열 부재와 상기 제2 내장 발열 부재는 상기 내장 전도 비아를 기준으로 양측에 배치될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 제4 세라믹 시트 상에 위치하고, 상기 내장 전도 비아의 하측에 접촉하고, 상기 제1 내장 발열 부재와 상기 제2 내장 발열 부재에 전기적으로 연결된 제1 내장 연결 패드;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 제4 세라믹 시트를 관통하여 형성되고, 상기 제1 내장 발열 부재가 상기 내장 전도 비아에 연결된 영역과 반대 영역에서, 상기 제1 내장 발열 부재와 연결된 제1 내장 연결 비아; 및 상기 제4 세라믹 시트를 관통하여 형성되고, 상기 제2 내장 발열 부재가 상기 내장 전도 비아에 연결된 영역과 반대 영역에서, 상기 제2 내장 발열 부재와 연결된 제2 내장 연결 비아;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 제5 세라믹 시트 상에 형성되고, 상기 제1 내장 연결 비아 및 상기 제2 내장 연결 비아와 전기적으로 연결된 제2 내장 연결 패드; 및 상기 제5 세라믹 시트를 관통하여 형성되고, 상기 제2 내장 연결 패드와 전기적으로 연결된 제3 내장 연결 비아;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 제6 세라믹 시트 상에 형성되고, 상기 제3 내장 연결 비아와 전기적으로 연결된 제3 내장 연결 패드; 상기 제6 세라믹 시트를 관통하여 형성되고, 상기 제3 내장 연결 패드와 전기적으로 연결된 제4 내장 연결 비아; 및 상기 제6 세라믹 시트의 하측에 위치하고, 상기 제4 내장 연결 비아와 전기적으로 연결되어 상기 제4 내장 연결 비아를 외부와 전기적으로 연결하는 내장 연결 비아용 하부 단자;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 이차전지 충전장치는, 전원에 연결되어 충전되는 이차전지부; 상기 이차전지부에 인가되는 전압을 감지하는 전압 감지부; 상기 전압 감지부에 전기적으로 연결되고, 상기 전압 감지부의 제어 신호를 전달 받아 전기 경로를 개폐하는 스위치부; 및 상기 이차전지부와 상기 전원에 직렬로 연결된 퓨즈 요소; 및 상기 이차전지부와 상기 전원에 병렬로 연결되고, 상기 스위치부에 직렬로 연결되어 상기 스위치부가 턴-온되면 발열되어 상기 퓨즈 요소를 용단하는 발열 요소;를 포함하는 퓨즈부; 를 포함하고, 상기 퓨즈부는 상술한 상기 세라믹 보호 소자로 이루어질 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의할 경우, 세라믹 보호 소자는 이차전지의 충전 중에 과전류 또는 과전압이 인가되는 경우에, 용단되어 이차전지를 보호할 수 있는 장치로서, 내장 발열 부재, 퓨즈 부재, 단자들을 기판을 구성하는 그린 시트들에 스크린 인쇄한 후 상기 그린 시트들과 동시 소성하여 형성하므로, 제조 공정 시간을 단순화할 수 있고 비용과 시간을 절약할 수 있다.
또한, 퓨즈를 용단하는 발열 부재가 기판 내에 내장되고, 소성된 그린 시트가 퓨즈 부재와 발열 부재를 절연하는 절연층의 기능을 수행하므로, 별개의 절연층을 형성하는 공정을 생략할 수 있고, 치밀하고 신뢰성있는 절연층을 제공할 수 있다.
또한, 기판을 낮은 열전도도를 가지는 그린 시트를 이용하여 형성함으로써, 발열 부재로부터 발생한 열의 방사를 감소시켜, 더 많은 열을 퓨즈 용단에 사용할 수 있으므로 퓨즈의 용단 시간을 단축시킬 수 있으므로, 이차전지를 더욱 신뢰성 있게 보호할 수 있다.
또한, 퓨즈와 접촉하여 형성된 퓨즈 수용 부재는 퓨즈의 용단 시간을 단축함과 동시에 전원 차단 시간을 단축할 수 있으므로, 이차전지를 더욱 신뢰성 있게 보호할 수 있다.
또한, 퓨즈 부재와 중첩되도록 내장 발열 부재를 배치하여, 상기 퓨즈 부재로의 열전달을 효과적으로 달성할 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 보호 소자가 설치된 이차전지 충전장치의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 보호 소자의 외관 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 보호 소자를 선 III-III를 따라 절단한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 보호 소자의 상면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 보호 소자의; 배면도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 도 2의 세라믹 보호 소자에서 과전류 인가시 전류 흐름을 나타내는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 보호 소자를 제조하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 보호 소자의 단면도이다.
도 9은 본 발명의 일실시예에 따른 도 8의 세라믹 보호 소자에서 과전류 인가시 전류 흐름을 나타내는 개략도이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 보호 소자의 열전달을 설명하기 위한 비교예의 열전달 시뮬레이션 결과들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
본 명세서에서 "전기적으로 연결"의 의미는 직접적으로 접촉하거나 또는 다른 구성요소를 통하여 간접적으로 접촉하여 전기를 통하게 하는 연결을 의미하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 보호 소자(100)가 설치된 이차전지 충전장치(1)의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 이차전지 충전장치(1)는 이차전지부(10), 전압감지부(20), 스위치부(30), 및 보호소자부(40)를 포함한다. 이차전지 충전장치(1)는 전원(50)에 연결될 수 있고, 전원(50)으로부터 전력을 공급받아 충전될 수 있다.
이차전지부(10)는 전원(50)에 전기적으로 연결될 수 있고, 전원(50)으로부터 전력을 공급받아 충전될 수 있다. 이차전지부(10)는 다양한 이차전지를 포함할 수 있고, 예를 들어 리튬(Li) 전지를 포함할 수 있다.
전압감지부(20)는 이차전지부(10)와 전원(50)의 전기적 연결에 대하여 병렬로 연결될 수 있고, 이차전지부(10)에 인가되는 전압을 감지할 수 있다. 병렬 연결되어 있으므로, 전압감지부(20)에 감지되는 전압은 이차전지부(10)에 인가되는 전압과 동일하다. 전압감지부(20)에서 감지된 전압이 허용 전압을 초과하는 과전압인 경우에는, 스위치부(30)에 제어 신호를 전달할 수 있다. 전압감지부(20)는 집적 회로(IC)로 구성될 수 있다.
스위치부(30)는 전압감지부(20)에 전기적으로 연결될 수 있고, 전압감지부(20)로부터 상기 제어 신호를 전달받아 보호소자부(40)로의 전기 경로를 개폐하는 스위치 기능을 수행할 수 있다. 스위치부(30)는 트랜지스터, 예를 들어 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor, FET)로 구성될 수 있다.
보호소자부(40)는 이차전지 충전장치(1)에 과전류 및/또는 과전압이 인가되면, 이를 차단하는 기능을 수행할 수 있다. 보호소자부(40)는 퓨즈 요소(42)와 발열 요소(44)를 포함할 수 있다. 퓨즈 요소(42)는 이차전지부(10)와 전원(50)에 대하여 직렬로 연결될 수 있다. 발열 요소(44)는 이차전지부(10)와 전원(50)에 대하여 병렬로 연결될 수 있다. 발열 요소(44)는 스위치부(30)에 직렬로 연결될 수 있고, 스위치부(30)가 턴-온되면 발열되어 퓨즈 요소(42)를 용단할 수 있다. 보호소자부(40)는 하기에 설명하는 세라믹 보호 소자(100)에 상응할 수 있다.
이하에서는, 이차전지 충전장치(1)의 동작 방법에 대하여 설명하기로 한다.
전원(50)으로부터 이차전지 충전장치(1)에 인가되는 전류 및 전압이 이차전지 충전장치(1)가 허용하는 허용 전류 및/또는 허용 전압 이내인 경우에는, 전원(50)으로부터 전력을 제공받아 이차전지부(10)가 충전될 수 있다.
반면, 전원(50)으로부터 이차전지 충전장치(1)에 인가되는 전류 및 전압이 이차전지 충전장치(1)가 허용하는 허용 전류 및/또는 허용 전압을 초과하는 과전류 및/또는 과전압인 경우에는, 전원(50)으로부터 이차전지부(10)로의 충전이 중단될 수 있다.
전원(50)으로부터 이차전지 충전장치(1)에 인가되는 전류가 과전류인 경우에는, 보호소자부(40)의 퓨즈 요소(42)가 상기 과전류로 인하여 용단(溶斷)되고, 이에 따라 전원(50)과 이차전지부(10)의 전기적 연결이 차단된다. 여기에서, 발열 요소(44)를 통하는 전기적 경로는 스위치부(30)에 의하여 차단되어 있음에 유의한다.
전원(50)으로부터 이차전지 충전장치(1)에 인가되는 전압이 과전압인 경우에는, 보호소자부(40)의 퓨즈 요소(42)는 전류에 의하여 용단되지는 않는다. 아 경우에는, 전압감지부(20)에 의하여 상기 과전압이 감지되고, 전압감지부(20)는 스위치부(30)로 제어 신호를 전달하고, 이에 따라 스위치부(30)가 턴-온(turn on)된다. 스위치부(30)가 트랜지스터인 경우에는, 전압감지부(20)는 상기 트랜지스터의 게이트 단자에 게이트 전압을 인가하게 된다. 스위치부(30)가 턴-온되면, 발열 요소(44)에 전류가 흐르게 되어 열이 발생되고, 이에 따라 상기 발생된 열에 의하여 퓨즈 요소(42)가 용단된다. 따라서, 전원(50)과 이차전지부(10)의 전기적 연결이 차단된다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 보호 소자(100)의 외관 사시도이다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 보호 소자(100)를 선 III-III를 따라 절단한 단면도이다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 보호 소자(100)의 상면도이다. 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 보호 소자(100)의; 배면도이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 세라믹 보호 소자(100)는, 세라믹 기판(110), 퓨즈 부재(120), 내장 발열 부재(130), 및 내장 전도 비아(150)를 포함한다. 세라믹 보호 소자(100)는 퓨즈 수용 부재(140)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 세라믹 보호 소자(100)는, 동시 소성에 의하여 서로 일체화되는 제1 세라믹 시트(111) 및 제2 세라믹 시트(112)를 포함하여 구성된 세라믹 기판(110); 세라믹 기판(110) 상에 위치한 퓨즈 부재(120); 세라믹 기판(110) 내에 내장되고, 퓨즈 부재(120)와 중첩하도록 위치하고, 전류가 인가될 때 발열되어 상기 퓨즈 부재를 용단하는 내장 발열 부재(130); 및 세라믹 기판(110) 내에 내장되고, 퓨즈 부재(120)와 중첩하도록 위치하고, 퓨즈 부재(120)와 내장 발열 부재(130)를 전기적으로 연결하는 내장 전도 비아(150);를 포함한다.
세라믹 기판(110)은 동시 소성에 의하여 서로 일체화되는 복수의 세라믹 시트들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 세라믹 기판(110)은 순차적으로 적층된 제1 세라믹 시트(111) 및 제2 세라믹 시트(112)를 포함할 수 있다. 제1 세라믹 시트(111) 및 제2 세라믹 시트(112)는 세라믹 그린 시트(green sheet)로 구성될 수 있고, 동시 소성에 의하여 서로 일체화 될 수 있다. 또한, 제1 세라믹 시트(111) 및 제2 세라믹 시트(112)는 자신의 상측, 하측, 또는 양측에 형성되는 구성 요소들과 함께 동시 소성될 수 있다. 따라서, 세라믹 보호 소자(100)는 저온 동시 소성 세라믹(low temperature co-fired ceramic, LTCC)으로 지칭될 수 있다. 상술한 바와 같은 동시 소성은 700℃ 내지 900℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다.
도 2에서는 제1 세라믹 시트(111) 및 제2 세라믹 시트(112)의 두께들이 거의 동일하게 도시되었으나, 이는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 두께가 가능하다. 또한, 세라믹 기판(110)이 두 개 초과의 이상의 세라믹 시트로 구성되는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
세라믹 기판(110)은, 즉 제1 세라믹 시트(111) 및 제2 세라믹 시트(112)는, 알루미늄 산화물에 비하여 매우 낮은 열전도도를 가질 수 있고, 예를 들어 1 W/mK 내지 5 W/mK 범위의 열전도도를 가질 수 있다. 세라믹 기판(110)은, 예를 들어 결정성 보로실리케이트 물질을 포함할 수 있다. 세라믹 기판(110)은, 예를 들어 SiO2, Ba2O3, Al2O3, CaO, MgO, SrO, Li2O, ZnO, TiO2, 및 ZrO2 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
퓨즈 부재(120)는 세라믹 기판(110)의 상면(119) 상에 위치할 수 있다. 퓨즈 부재(120)는 도 1의 이차전지부(10)와 전원(50)을 전기적으로 연결할 수 있고, 허용 전류 및/또는 허용 전압 이상에서 용단되어 이차전지부(10)와 전원(50)을 단락할 수 있다. 퓨즈 부재(120)는 저융점 금속을 포함할 수 있고, 예를 들어 납(Pb), 주석(Sn), 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 예를 들어, 퓨즈 부재(120)는 200℃ 내지 500℃ 범위의 융점을 가지는 물질을 포함할 수 있다.
퓨즈 부재(120)는 제1 퓨즈용 상부 단자(121) 및 제2 퓨즈용 상부 단자(122)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 퓨즈용 상부 단자(121) 및 제2 퓨즈용 상부 단자(122)는 도 1의 전원(50)으로부터 전력 또는 전류를 퓨즈 부재(120)에 공급할 수 있다. 퓨즈 부재(120)의 치수는 세라믹 보호 소자(100)의 허용 전류 및 허용 전압에 따라 변화할 수 있다. 퓨즈 부재(120)의 길이는 제1 퓨즈용 상부 단자(121) 및 제2 퓨즈용 상부 단자(122) 사이의 거리에 의하여 한정되므로, 퓨즈 부재(120)의 폭과 높이를 조절하여 세라믹 보호 소자(100)의 정격 수치를 변화시킬 수 있다.
제1 퓨즈용 상부 단자(121)와 제2 퓨즈용 상부 단자(122)는 세라믹 기판(110)의 상면(119) 상에 서로 이격되어 위치할 수 있다. 제1 퓨즈용 하부 단자(123)와 제2 퓨즈용 하부 단자(124)는 세라믹 기판(110)의 하면(118) 상에 서로 이격되어 위치할 수 있다. 예를 들어, 제1 퓨즈용 상부 단자(121)와 제2 퓨즈용 상부 단자(122)는 세라믹 기판(110)의 제1 세라믹 시트(111)의 상면(119) 상에 서로 이격되어 위치할 수 있다. 제1 퓨즈용 하부 단자(123)와 제2 퓨즈용 하부 단자(124)는 제2 세라믹 시트(112)의 세라믹 기판(110)의 하면(118) 상에 서로 이격되어 위치할 수 있다.
제1 퓨즈용 상부 단자(121)와 제1 퓨즈용 하부 단자(123)는 제1 관통 도전 비아(125)를 통하여 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 퓨즈용 상부 단자(122)와 제2 퓨즈용 하부 단자(124)는 제2 관통 도전 비아(126)을 통하여 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 관통 도전 비아(125)와 제2 관통 도전 비아(126)는 세라믹 기판(110)를 관통하여 형성되고, 구체적으로 제1 세라믹 시트(111)와 제2 세라믹 시트(112)를 관통하여 형성되고, 도전성 물질로 충진되어 전기적 신호의 경로를 제공할 수 있다. 제1 관통 도전 비아(125)와 제2 관통 도전 비아(126)는 도 1의 전원(50)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 퓨즈 부재(120)는 제1 관통 도전 비아(125)와 제2 관통 도전 비아(126)를 각각 통하여 제1 퓨즈용 하부 단자(123)와 제2 퓨즈용 하부 단자(124)에 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 제1 퓨즈용 상부 단자(121), 제2 퓨즈용 상부 단자(122), 제1 퓨즈용 하부 단자(123), 및 제2 퓨즈용 하부 단자(124)는 도 1의 전원(50)과 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 퓨즈용 상부 단자(121), 제2 퓨즈용 상부 단자(122), 제1 퓨즈용 하부 단자(123), 제2 퓨즈용 하부 단자(124), 제1 관통 도전 비아(125), 및 제2 관통 도전 비아(126)은 도전성 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 금속을 포함할 수 있고, 예를 들어 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
제1 퓨즈용 상부 단자(121) 및 제2 퓨즈용 상부 단자(122)는 세라믹 기판(110)의 제1 세라믹 시트(111)의 상면(119)에 페이스트(paste)를 이용한 스크린 인쇄 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 퓨즈 부재(120)는 스크린 인쇄 방법을 이용하거나 또는 납땜 방식을 이용하여 형성할 수 있다. 제1 퓨즈용 하부 단자(123) 및 제2 퓨즈용 하부 단자(124)는 세라믹 기판(110)의 제2 세라믹 시트(112)의 하면(118)에 스크린 인쇄 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 제1 관통 도전 비아(125) 및 제2 관통 도전 비아(126)은 세라믹 기판(110)을, 제1 세라믹 시트(111) 및 제2 세라믹 시트(112)를 관통시켜 관통홀을 형성한 후 상기 관통홀에 도전물을 충진하여 형성될 수 있다.
제1 퓨즈용 상부 단자(121), 제2 퓨즈용 상부 단자(122), 제1 퓨즈용 하부 단자(123), 제2 퓨즈용 하부 단자(124), 제1 관통 도전 비아(125), 제2 관통 도전 비아(126)은 퓨즈 부재(120)와 외부 장치(미도시)의 전기적 연결을 제공하기 위하여 예시적으로 구성된 것으로서, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 퓨즈용 하부 단자(123), 제2 퓨즈용 하부 단자(124), 제1 관통 도전 비아(125), 및 제2 관통 도전 비아(126) 중 적어도 일부가 생략되는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
내장 발열 부재(130)는 세라믹 기판(110)의 내부에 내장될 수 있고, 상기 복수의 세라믹 시트들 사이에 개재될 수 있다. 내장 발열 부재(130)는 제1 세라믹 시트(111)를 사이에 두고 퓨즈 부재(120)와 중첩(overlap)되도록 위치할 수 있다. 여기에서, "중첩"의 의미는 세라믹 기판(110)의 상측에서 하측으로 볼 때, 퓨즈 부재(120)의 적어도 일부 영역과 내장 발열 부재(130)의 적어도 일부 영역이 겹쳐진 상태를 의미한다. 내장 발열 부재(130)는 스크린 인쇄 방법을 이용하거나 납땜 방식을 이용하여 형성될 수 있다. 내장 발열 부재(130)는 상기 복수의 세라믹 시트와 함께 동시 소성되어 형성될 수 있다.
내장 발열 부재(130)는 도 1의 전원(50)과 스위치부(30)에 전기적으로 연결될 수 있다. 내장 발열 부재(130)는 도 1의 이차전지 충전장치(1)에 허용 전압 이상의 과전압이 인가될 때 발열될 수 있고, 이러한 발열에 의하여 퓨즈 부재(120)를 용단시킬 수 있다. 내장 발열 부재(130)는 1 내지 5Ω/□ 범위의 면저항을 가지는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 내장 발열 부재(130)는 약 2.5Ω/□ 를 가지는 RuO2를 포함할 수 있다.
퓨즈 수용 부재(140)는 세라믹 기판(110)의 상면(119) 상에 퓨즈 부재(120)와 접촉하여 위치할 수 있다. 퓨즈 수용 부재(140)는 제1 퓨즈용 상부 단자(121) 및 제2 퓨즈용 상부 단자(122)로부터 전기적으로 절연되도록 이격되어 위치할 수 있다. 퓨즈 수용 부재(140)는 제1 세라믹 시트(111)의 상측에 스크린 인쇄 방법을 이용하거나 납땜 방식을 이용하여 형성될 수 있다. 퓨즈 수용 부재(140)는 상기 복수의 세라믹 시트와 함께 동시 소성되어 형성될 수 있다. 도 2에서는 퓨즈 수용 부재(140)가 퓨즈 부재(120)의 하측에 위치하는 것으로 도시되어 있으나, 이는 예시적이며 퓨즈 수용 부재(140)가 퓨즈 부재(120)의 상측에 위치하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
퓨즈 수용 부재(140)는 퓨즈 부재(120)가 용단될 때에, 퓨즈 부재(120)를 수용할 수 있다. 퓨즈 부재(120)가 용단되면, 제1 퓨즈용 상부 단자(121)와 제2 퓨즈용 상부 단자(122)는 서로 단선된다. 퓨즈 수용 부재(140)가 퓨즈 부재(120)를 수용하는 것은, 예를 들어 퓨즈 부재(120)의 구성 물질과 퓨즈 수용 부재(140)의 구성 물질이 용체화(또는 합금화)됨에 따라 구현될 수 있다. 퓨즈 수용 부재(140)는 퓨즈 부재(120)를 수용하기 용이한 물질을 포함할 수 있고, 퓨즈 부재(120)의 구성 물질과 젖음성(wetability)이 높은 물질을 포함할 있다. 퓨즈 수용 부재(140)는, 예를 들어 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 퓨즈 수용 부재(140)는 퓨즈 부재(120)와 평행하게 배치되거나 또는 소정의 각도를 가지고 교차될 수 있고, 예를 들어 직각으로 교차될 수 있다. 퓨즈 수용 부재(140)는 납조(solder bath)로 지칭될 수 있다. 또한, 퓨즈 수용 부재(140)는 선택적이며, 생략될 수 있다.
내장 전도 비아(150)는 세라믹 기판(110) 내에 내장되고, 퓨즈 부재(120)와 중첩하도록 위치할 수 있다. 여기에서, "중첩"의 의미는 세라믹 기판(110)의 상측에서 하측으로 볼 때, 퓨즈 부재(120)의 적어도 일부 영역과 내장 전도 비아(150)의 적어도 일부 영역이 겹쳐진 상태를 의미한다. 내장 전도 비아(150)는 퓨즈 부재(120)과 내장 발열 부재(130)를 전기적으로 연결할 수 있다. 내장 전도 비아(150)는 제1 세라믹 시트(111)를 관통하여 형성될 수 있다.
내장 전도 비아(150)는 퓨즈 수용 부재(140)와 접촉할 수 있다. 또는, 내장 전도 비아(150)는 퓨즈 부재(120)와 접촉할 수 있다. 이러한 연결에 의하여, 내장 전도 비아(150)는 내장 발열 부재(130)와 퓨즈 부재(120)를 전기적으로 연결함과 동시에, 내장 발열 부재(130)에서 발생한 열을 퓨즈 부재(120)에 직접적으로 전달하거나, 또는 퓨즈 수용 부재(140)를 통하여 퓨즈 부재(120)에 직접적으로 전달할 수 있다. 즉, 내장 전도 비아(150)는 전기전도와 열전도를 동시에 수행할 수 있다. 이러한 내장 전도 비아(150)에 의한 열전달 효율에 대하여는 하기에 시뮬레이션 결과를 이용하여 상세하게 설명하기로 한다.
세라믹 보호 소자(100)는 내장 연결 비아(160), 내장 연결 패드(170), 및 내장 연결 비아용 하부 단자(129)를 더 포함할 수 있고, 내장 발열 부재(130)는 외부와 전기적으로 연결될 수 있다.
내장 연결 비아(160)는 세라믹 기판(110) 내에 내장되고, 제2 세라믹 시트(112)를 관통하여 형성될 수 있다. 내장 연결 비아(160)는 외부와 내장 발열 부재(130)를 전기적으로 연결할 수 있다. 내장 연결 비아(160)는 내장 발열 부재(130)와 중첩되지 않도록 내장 발열 부재(130)로부터 이격되어 위치할 수 있다.
내장 전도 비아(150)와 내장 연결 비아(160)는 서로 대향하여 위치할 수 있다. 구체적으로, 내장 전도 비아(150)는 제1 측에 위치하고, 내장 연결 비아(160)는 내장 발열 부재(130)를 기준으로 상기 제1 측에 대향하는 제2 측에 위치할 수 있다. 또한, 내장 발열 부재(130)의 상측에 내장 전도 비아(150)가 위치하고, 내장 발열 부재(130)의 하측에 내장 연결 비아(160)가 위치할 수 있다.
내장 발열 부재(130)에서 발생한 열을 상측으로 효율적인 열전달을 구현하기 위하여, 내장 전도 비아(150)는 내장 발열 부재(130)와 직접적으로 접촉하도록 위치할 수 있다. 반면, 내장 발열 부재(130)에서 발생한 열을 하측으로 가능한 전달되지 않도록, 내장 연결 비아(160)는 내장 발열 부재(130)로부터 이격되어 위치할 수 있다.
내장 연결 패드(170)는 세라믹 기판(110) 내에 내장되고, 제2 세라믹 시트(112)의 상측에 위치하고, 내장 연결 비아(160)와 내장 발열 부재(130)를 전기적으로 연결할 수 있다. 내장 연결 패드(170)는 는 스크린 인쇄 방법을 이용하여 형성될 수 있다.
내장 연결 비아용 하부 단자(129)는, 세라믹 기판(110)의 하면(118)에 위치하고, 제2 세라믹 시트(112)의 하측에 위치하고, 내장 연결 비아(160)와 전기적으로 연결되어 내장 연결 비아(160)를 외부와, 예를 들어 도 1의 전원(50)과 전기적으로 연결할 수 있다. 내장 연결 비아용 하부 단자(129)는 제1 퓨즈용 하부 단자(123)와 제2 퓨즈용 하부 단자(124)와 전기적으로 단락될 수 있다. 내장 연결 비아용 하부 단자(129)는 스크린 인쇄 방법을 이용하여 형성될 수 있다.
내장 전도 비아(150), 내장 연결 비아(160), 내장 연결 패드(170), 및 내장 연결 비아용 하부 단자(129)는 도전성 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 금속을 포함할 수 있고, 예를 들어 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
이하에서는, 세라믹 보호 소자(100)의 전류 경로에 대하여 설명하기로 한다.
먼저, 세라믹 보호 소자(100)에 과전류가 흐르는 경우에는, 퓨즈 부재(120)가 상기 과전류에 의하여 용단된다. 이 경우에는, 내장 발열 부재(130)에 전류가 흐르지 않아 열을 발생하지 않는다. 과전류 시의 전류 경로는 다음과 같다. 도 1의 전원(50)으로부터 인가된 과전류는, 제1 퓨즈용 하부 단자(123), 제1 관통 도전 비아(125), 제1 퓨즈용 상부 단자(121), 퓨즈 부재(120), 제2 퓨즈용 상부 단자(122), 제2 관통 도전 비아(126), 및 제2 퓨즈용 하부 단자(124)를 통하는 전류 경로로 흐르게 된다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 도 2의 세라믹 보호 소자(100)에서 과전류 인가시 전류 흐름을 나타내는 개략도이다.
도 6을 참조하면, 과전압 인가 시 세라믹 보호 소자(100)에서의 전류 흐름을 화살표로 나타나있다. 구체적으로, 세라믹 보호 소자(100)에 과전압이 인가되는 경우에는, 내장 발열 부재(130)에 전류가 흐르게 되어 열을 발생하고, 상기 열에 의하여 퓨즈 부재(120)가 용단된다. 과전압 시의 전류 경로는 다음과 같다. 도 1의 스위치부(30)가 과전압에 의하여 턴온되고, 이에 따라 도 1의 전원(50)으로부터 내장 발열 부재(130)로 전류가 흐르게 된다.
상기 전류는, 내장 연결 비아용 하부 단자(129), 내장 연결 비아(160), 내장 연결 패드(170), 내장 발열 부재(130), 내장 전도 비아(150), 퓨즈 수용 부재(140), 퓨즈 부재(120), 제2 퓨즈용 상부 단자(122), 제2 관통 도전 비아(126), 및 제2 퓨즈용 하부 단자(124)를 통하는 전류 경로로 흐르게 된다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 도 2의 세라믹 보호 소자(100)를 제조하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 세라믹 보호 소자(100)를 제조하는 방법은 세라믹 시트 준비 단계(S110), 스크린 인쇄 단계(S120), 내장 비아 형성 단계(S130), 세라믹 시트 적층 단계(S140), 관통 비아 형성 단계(S150) 및 동시 소성 단계(S160)를 포함한다.
세라믹 시트 준비 단계(S110)에서는, 제1 세라믹 시트(111)와 제2 세라믹 시트(112)를 준비한다. 제1 세라믹 시트(111)와 제2 세라믹 시트(112)는 그린 시트일 수 있다. 제1 세라믹 시트(111)와 제2 세라믹 시트(112)는 각각 하나의 시트이거나, 또는 복수의 시트들이 적층된 적층 시트일 수 있다.
스크린 인쇄 단계(S120)에서는 하기의 구성 요소들을 스크린 인쇄를 이용하여 형성한다.
제1 세라믹 시트(111)의 상면에, 서로 이격되어 위치하는 제1 퓨즈용 상부 단자(121)와 제2 퓨즈용 상부 단자(122)를 형성한다. 또한, 제1 세라믹 시트(111)의 상면에, 제1 퓨즈용 상부 단자(121)와 제2 퓨즈용 상부 단자(122)로부터 이격된 퓨즈 수용 부재(140)를 형성한다. 또한, 제1 세라믹 시트(111)의 상면에, 제1 퓨즈용 상부 단자(121)와 제2 퓨즈용 상부 단자(122)와 접촉하고 퓨즈 수용 부재(140)와 접촉하는 퓨즈 부재(120)를 형성한다.
또한, 제2 세라믹 시트(112)의 상면에, 내장 연결 패드(170)를 형성한다. 제2 세라믹 시트(112)의 상면에, 내장 발열 부재(130)를 내장 연결 패드(170)와 접촉하도록 형성한다.
또한, 제2 세라믹 시트(112)의 하면에 서로 이격되어 위치하는 제1 퓨즈용 하부 단자(123), 제2 퓨즈용 하부 단자(124), 및 내장 연결 비아용 하부 단자(129)를 형성한다.
내장 비아 형성 단계(S130)에서는 내장된 비아들을 형성한다.
제1 세라믹 시트(111) 내에, 내장 전도 비아(150)를 형성한다. 제1 세라믹 시트(111)에 관통홀을 형성하고 상기 관통홀을 도전물로 충전하여 내장 전도 비아(150)를 형성할 수 있다.
또한, 제2 세라믹 시트(112) 내에 내장 연결 비아(160)를 형성한다. 내장 연결 비아(160)는 제2 세라믹 시트(112)에 관통홀을 형성하고 상기 관통홀을 도전물로 충전하여 형성할 수 있다.
세라믹 시트 적층 단계(S140)에서는, 제2 세라믹 시트(112) 상에 제1 세라믹 시트(111)를 정렬하여 위치시킨다. 내장 연결 비아(160)에 접촉하도록 내장 연결 비아용 하부 단자(129)와 내장 연결 패드(170)를 정렬한다. 내장 전도 비아(150)에 의하여 접촉하도록 내장 발열 부재(130)와 퓨즈 수용 부재(140)를 정렬한다.
관통 비아 형성 단계(S150)에서는, 적층된 제1 세라믹 시트(111)와 제2 세라믹 시트(112)를 관통하는 제1 관통 도전 비아(125)와 제2 관통 도전 비아(126)을 형성한다. 제1 세라믹 시트(111)와 제2 세라믹 시트(112)를 관통하는 관통홀을 형성하고 상기 관통홀을 도전물로 충전하여 제1 관통 도전 비아(125)와 제2 관통 도전 비아(126)를 형성할 수 있다. 관통 비아 형성 단계(S150)는 선택적이며, 생략될 수 있다.
동시 소성 단계(S160)에서는, 제1 세라믹 시트(111)와 제2 세라믹 시트(112)를 동시 소성하여 세라믹 보호 소자(100)를 형성한다. 상술한 바와 같은 다양한 구성 요소들은 제1 세라믹 시트(111)와 제2 세라믹 시트(112)와 동시 소성될 수 있고, 또한 치밀화될 수 있다. 상기 동시 소성은 700℃ 내지 900℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다. 제1 세라믹 시트(111)와 제2 세라믹 시트(112)는 일체화된 세라믹 기판(110)으로 구성될 수 있다.
선택적으로, 제1 관통 도전 비아(125)와 제2 관통 도전 비아(126)를 관통 비아 형성 단계(S150)를 수행하지 않고 하기의 방법으로 형성할 수 있다.
먼저, 내장 비아 형성 단계(S130)에서 제1 관통 도전 비아(125)와 제2 관통 도전 비아(126)을 동시에 형성할 수 있다. 구체적으로, 제1 세라믹 시트(111)에 관통홀을 형성하고, 상기 관통홀을 도전물로 충전하여 제1 관통 도전 비아(125)의 상부 영역과 제2 관통 도전 비아(126)의 상부 영역을 형성한다. 이어서, 제2 세라믹 시트(112)에 관통홀을 형성하고, 상기 관통홀을 도전물로 충전하여 제1 관통 도전 비아(125)의 하부 영역과 제2 관통 도전 비아(126)의 하부 영역을 형성한다.
세라믹 시트 적층 단계(S140)에서, 제1 관통 도전 비아(125)의 상부 영역과 제1 관통 도전 비아(125)의 하부 영역을 정렬하고, 제2 관통 도전 비아(126)의 상부 영역과 제2 관통 도전 비아(126)의 하부 영역을 정렬한다.
이러한 경우에는, 관통 비아 형성 단계(S150)를 생략하고, 동시 소성 단계(S160)를 수행할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 보호 소자(200)의 단면도이다.
이하에서는, 상술한도 2 내지 도 5를 참조하여 설명한 실시예와 중복되는 구성요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 8을 참조하면, 세라믹 보호 소자(200)는, 세라믹 기판(210), 퓨즈 부재(220), 내장 발열 부재(230), 및 퓨즈 수용 부재(240)를 포함한다.
구체적으로, 세라믹 보호 소자(200)는, 동시 소성에 의하여 서로 일체화되는 제3 내지 제6 세라믹 시트들(213, 214, 215, 216)을 포함하여 구성된 세라믹 기판(210); 세라믹 기판(210) 상에 위치한 퓨즈 부재(220); 세라믹 기판(210) 내에 내장되고, 퓨즈 부재(220)와 중첩하도록 퓨즈 부재(220)의 양 측에 위치하고, 전류가 인가될 때 발열되어 퓨즈 부재(220)를 용단하는 제1 내장 발열 부재(231) 및 제2 내장 발열 부재(232); 및 세라믹 기판(210) 내에 내장되고, 퓨즈 부재(220)와 중첩하도록 위치하고, 퓨즈 부재(220)와 제1 내장 발열 부재(231) 및 제2 내장 발열 부재(232)를 전기적으로 연결하는 내장 전도 비아(250);를 포함하고, 내장 전도 비아(250)는 퓨즈 부재(220)의 중앙부에 위치하고, 제1 내장 발열 부재(231)와 제2 내장 발열 부재(232)는 내장 전도 비아(250)를 기준으로 양측에 배치된다.
세라믹 기판(210)은 순차적으로 적층된 제3 세라믹 시트(213), 제4 세라믹 시트(214), 제5 세라믹 시트(215), 및 제6 세라믹 시트(216)를 포함할 수 있다. 제3 세라믹 시트(213), 제4 세라믹 시트(214), 제5 세라믹 시트(215), 및 제6 세라믹 시트(216)는 세라믹 그린 시트(green sheet)로 구성될 수 있고, 동시 소성에 의하여 서로 일체화 될 수 있다. 제3 세라믹 시트(213), 제4 세라믹 시트(214), 제5 세라믹 시트(215), 및 제6 세라믹 시트(216)는 자신의 상측, 하측, 또는 양측에 형성되는 구성 요소들과 함께 동시 소성될 수 있다.
도 8에서는 제3 세라믹 시트(213), 제4 세라믹 시트(214), 제5 세라믹 시트(215), 및 제6 세라믹 시트(216)의 두께들이 거의 동일하게 도시되었으나, 이는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 두께가 가능하다.
퓨즈 부재(220)는 세라믹 기판(210) 상에 위치할 수 있고, 제3 세라믹 시트(213)의 상측에 위치할 수 있다. 퓨즈 부재(220)는 도 2의 퓨즈 부재(120)에 상응할 수 있다. 또한, 세라믹 보호 소자(200)는 도 2 내지 도 5에 도시된 제1 퓨즈용 상부 단자(121), 제2 퓨즈용 상부 단자(122), 제1 퓨즈용 하부 단자(123), 제2 퓨즈용 하부 단자(124), 제1 관통 도전 비아(125), 및 제2 관통 도전 비아(126)를 포함할 수 있다.
제1 내장 발열 부재(231) 및 제2 내장 발열 부재(232)는 세라믹 기판(210)의 내부에 내장될 수 있고, 상기 복수의 세라믹 시트들 사이에 개재될 수 있다. 제1 내장 발열 부재(231) 및 제2 내장 발열 부재(232)는 제4 세라믹 시트(214)의 상측에 위치할 수 있다. 제1 내장 발열 부재(231) 및 제2 내장 발열 부재(232)는 퓨즈 부재(220)와 중첩하도록 퓨즈 부재(220)의 양 측에 위치하고, 전류가 인가될 때 발열되어 퓨즈 부재(220)를 용단할 수 있다. 제1 내장 발열 부재(231) 및 제2 내장 발열 부재(232)의 재질, 전기적 연결, 및 제조 방법은 도 2의 내장 발열 부재(130)에 상응한다.
퓨즈 수용 부재(240)는 세라믹 기판(210) 상에 위치할 수 있고, 제3 세라믹 시트(213)의 상측에 위치할 수 있다. 퓨즈 수용 부재(240)는 도 2의 퓨즈 수용 부재(140)에 상응할 수 있다.
내장 전도 비아(250)는 세라믹 기판(210) 내에 내장되고, 퓨즈 부재(220)와 중첩하도록 위치할 수 있다. 내장 전도 비아(250)는 제3 세라믹 시트(213)를 관통하여 형성될 수 있다. 내장 전도 비아(250)는 제4 세라믹 시트(214)의 상측에 위치할 수 있다.
내장 전도 비아(250)는 퓨즈 부재(220)와 제1 내장 발열 부재(231)를 전기적으로 연결할 수 있고, 퓨즈 부재(220)와 제2 내장 발열 부재(232)를 전기적으로 연결할 수 있다. 즉, 내장 전도 비아(250)는 퓨즈 수용 부재(240)와 접촉할 수 있다. 또는, 내장 전도 비아(250)는 퓨즈 부재(220)와 접촉할 수 있다.
내장 전도 비아(250)는 퓨즈 부재(220)의 중앙부에 위치할 수 있다. 여기에서 "중앙부"는 정확하게 중간을 의미하는 것은 아니고, 대략적으로 중앙 영역을 의미한다. 또한, 제1 내장 발열 부재(231)와 제2 내장 발열 부재(232)는 내장 전도 비아(250)를 기준으로 양측에 배치될 수 있다. 내장 전도 비아(250)가 퓨즈 부재(220)의 중앙부에 배치됨에 따라, 제1 내장 발열 부재(231)와 제2 내장 발열 부재(232)에서 발생한 열을 퓨즈 부재(220)에 중앙부로부터 전달하게 됨으로써, 퓨즈 부재(220)에 열을 상대적으로 균일하게 전달시킬 수 있다.
내장 전도 비아(250)는 제1 내장 발열 부재(231)와 제2 내장 발열 부재(232)에 직접적으로 접촉할 수 있다. 또는, 내장 전도 비아(250)는 제1 내장 발열 부재(231)와 제2 내장 발열 부재(232)에 간접적으로 접촉할 수 있다.
세라믹 보호 소자(200)는 제1 내장 연결 패드(271)를 더 포함할 수 있다. 즉, 상술한 간접적 접촉을 위하여, 세라믹 보호 소자(200)는 내장 전도 비아(250)의 하측에 접촉하고, 제1 내장 발열 부재(231)와 제2 내장 발열 부재(232)에 측방향으로 전기적으로 연결된 제1 내장 연결 패드(271)을 더 포함할 수 있다. 제1 내장 연결 패드(271)는 제4 세라믹 시트(214) 상에 위치할 수 있다.
세라믹 보호 소자(200)는 제1 내장 연결 비아(261) 및 제2 내장 연결 비아(262)를 더 포함할 수 있다.
제1 내장 연결 비아(261)는 제4 세라믹 시트(214)를 관통하여 형성되고, 제1 내장 발열 부재(231)가 내장 전도 비아(250)에 연결된 영역과 반대 영역에서, 제1 내장 발열 부재(231) 연결될 수 있다. 제2 내장 연결 비아(262)는 제4 세라믹 시트(214)를 관통하여 형성되고, 제2 내장 발열 부재(232)가 내장 전도 비아(250)에 연결된 영역과 반대 영역에서, 제2 내장 발열 부재(232)와 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 내장 연결 비아(261)와 제2 내장 연결 비아(262)는 세라믹 보호 소자(200)의 양 단부 영역에 각각 배치될 수 있다. 제1 내장 연결 비아(261)와 제1 내장 발열 부재(231)는 제1 내장 연결 패드(271)를 통하여 연결될 수 있다. 또한, 제2 내장 연결 비아(262)와 제2 내장 발열 부재(232)는 제2 내장 연결 패드(272)를 통하여 연결될 수 있다.
여기에서, 제1 내장 연결 패드(271)는 제4 세라믹 시트(214) 상에 전기적 연결을 위하여 형성된 패드를 통칭하는 것으로서, 합체된 구조를 가지거나 아일랜드형으로 분리된 구조를 가질 수 있다. 즉, 제1 내장 연결 패드(271)는 제1 내장 발열 부재(231)와 제2 내장 발열 부재(232)를 전기적으로 연결하는 패드, 제1 내장 발열 부재(231)와 제1 내장 연결 비아(261)를 전기적으로 연결하는 패드, 및 제2 내장 발열 부재(232)와 제2 내장 연결 비아(262)를 전기적으로 연결하는 패드를 통칭하는 것으로서, 이들은 합체된 구조를 가지거나 분리된 구조를 가질 수 있다.
세라믹 보호 소자(200)는 제2 내장 연결 패드(272) 및 제3 내장 연결 비아(263)를 더 포함할 수 있다.
제2 내장 연결 패드(272)는 제5 세라믹 시트(215) 상에 형성되고, 제1 내장 연결 비아(261) 및 제2 내장 연결 비아(262)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제3 내장 연결 비아(263)는 제5 세라믹 시트(215)를 관통하여 형성되고, 제2 내장 연결 패드(272)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제3 내장 연결 비아(263)는 제2 내장 연결 패드(272)의 중앙부에서 제2 내장 연결 패드(272)와 연결될 수 있다.
세라믹 보호 소자(200)는 제3 내장 연결 패드(273), 제4 내장 연결 비아(264), 및 내장 연결 비아용 하부 단자(229)를 더 포함할 수 있다.
제3 내장 연결 패드(273)는 제6 세라믹 시트(216) 상에 형성되고, 제3 내장 연결 비아(263)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제4 내장 연결 비아(264)는 제6 세라믹 시트(216)를 관통하여 형성되고, 제3 내장 연결 패드(273)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제4 내장 연결 비아(264)는 세라믹 기판(210)의 제6 세라믹 시트(216)의 일측에만 배치될 수 있다. 내장 연결 비아용 하부 단자(229)는 제6 세라믹 시트(216)의 하측에 위치하고, 제4 내장 연결 비아(264)와 전기적으로 연결되어 제4 내장 연결 비아(264)를 외부와 전기적으로 연결할 수 있다. 내장 연결 비아용 하부 단자(229)는 도 3의 내장 연결 비아용 하부 단자(129)에 상응할 수 있다.
도 9은 본 발명의 일실시예에 따른 도 8의 세라믹 보호 소자(200)에서 과전류 인가시 전류 흐름을 나타내는 개략도이다.
도 9를 참조하면, 과전압 인가 시 세라믹 보호 소자(200)에서의 전류 흐름을 화살표로 나타나있다. 구체적으로, 세라믹 보호 소자(200)에 과전압이 인가되는 경우에는, 제1 내장 발열 부재(231) 및 제2 내장 발열 부재(232)에 전류가 흐르게 되어 열을 발생하고, 상기 열에 의하여 퓨즈 부재(220)가 용단된다. 과전압 시의 전류 경로는 다음과 같다. 도 1의 스위치부(30)가 과전압에 의하여 턴온되고, 이에 따라 도 1의 전원(50)으로부터 제1 내장 발열 부재(231) 및 제2 내장 발열 부재(232)로 전류가 흐르게 된다.
상기 전류는, 내장 연결 비아용 하부 단자(229), 제3 내장 연결 패드(273), 제3 내장 연결 비아(263), 및 제2 내장 연결 패드(272)의 전류 경로로 흐르게 된다.
제2 내장 연결 패드(272)에서는 전류가 양쪽으로 나누어지는 전류 경로로 흐르게 된다. 즉, 전류는, 제1 내장 연결 비아(261), 제1 내장 연결 패드(271), 제1 내장 발열 부재(231), 및 제1 내장 연결 패드(271)을 통하여 내장 전도 비아(250)에 도달하는 제1 경로와, 제2 내장 연결 비아(262), 제1 내장 연결 패드(271), 제2 내장 발열 부재(232), 및 제1 내장 연결 패드(271)을 통하여 내장 전도 비아(250)에 도달하는 제2 경로를 통하여 흐르게 된다. 내장 전도 비아(150)에 도달한 전류는 퓨즈 수용 부재(240) 및 퓨즈 부재(220)를 거친 후에, 도 2에 도시된 제2 퓨즈용 상부 단자(122), 제2 관통 도전 비아(126), 및 제2 퓨즈용 하부 단자(124)를 통하는 전류 경로로 흐르게 된다.
제1 내장 발열 부재(231)의 전류 경로의 방향과 제2 내장 발열 부재(232)의 전류 경로의 방향은 서로 반대가 된다. 제1 내장 발열 부재(231)와 제2 내장 발열 부재(232)의 재질이나 치수가 유사한 경우에는 발생되는 열량이 거의 동일하게 되므로, 퓨즈 부재(220)를 양쪽에서 균일하고 대칭적으로 가열할 수 있다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 보호 소자의 열전달을 설명하기 위한 비교예의 열전달 시뮬레이션 결과이다.
도 10 및 도 11에서, 내장 발열 부재를 기준으로 절단한 단면, 세라믹 보호 소자의 전체 구조의 상면 및 측면에서의 열전달 시뮬레이션 결과가 나타나있다. 도 10은 도 2의 세라믹 보호 소자(100)에 대한 열전달 시뮬레이션 결과이고, 도 11은 도 3의 세라믹 보호 소자(200)에 대한 열전달 시뮬레이션 결과이다.
도 10을 참조하면, 비교예의 경우에는, 흑색 점선으로 표시된 내장 전도 비아가 퓨즈 부재와 중첩되지 않고 우측에 치우쳐 배치되어 있다. 상기 내장 전도 비아가 배치된 우측이 더 높은 열 상태를 나타내고 있고, 이에 따라 불균일한 열 분포를 보이고 있다. 이러한 불균일은 상기 내장 전도 비아의 배치에 기인한 것으로 분석된다.
상기 내장 전도 비아는 전기 전도의 기능을 수행하지만, 이와 동시에 열전도의 기능을 수행하게 된다. 따라서, 비교예의 경우에는 내장 발열 부재에서 발생한 열이 상기 내장 전도 비아로 이동한 후에, 상기 내장 전도 비아가 상기 퓨즈 부재의 하측에 중첩되어 배치되지 않으므로, 상기 열은 상기 퓨즈 부재에 전도되지 않고, 측 방향의 외부로 전도되는 원하지 않는 열 분산 현상을 나타낸다. 이에 따러, 상기 퓨즈 부재로 이동할 열의 손실일 발생하게 되고, 열 분포의 불균일이 야기되고, 상기 퓨즈 부재로의 열 집중이 저하된다. 따라서, 상기 퓨즈 부재의 용단이 어려워지거나 더 많은 전력을 요구할 수 있다. 더 나아가, 금속과 세라믹의 열팽창계수 차이에 의하여 발생하는 열응력을 증가시키게 되어, 세라믹 보호 소자를 파괴시킬 수 있다.
실시예의 경우에는, 흑색 점선으로 표시된 내장 전도 비아가 퓨즈 부재와 중첩되어 우측에 배치되어 있다. 상기 내장 전도 비아가 상기 퓨즈 부재의 하측에 중첩되어 배치됨으로써, 비교예에서 발생하는 열 분산 현상을 방지할 수 있다. 즉, 상기 내장 전도 비아에 전달된 열이 상기 퓨즈 부재로 효율적으로 전달되어, 열 분포의 균일성이 증가되고, 상기 퓨즈 부재로의 열 집중이 증가된다. 따라서, 상기 실시예의 상기 내장 전도 비아의 배치에 따라서, 상기 퓨즈 부재의 신속하고 효과적인 용단이 가능하게 된다.
도 11을 참조하면, 비교예에서는, 흑색 점선으로 표시된 내장 전도 비아가 퓨즈 부재와 중첩되지 않고 우측에 치우쳐 배치되어 있다. 상기 비교예는 도 10을 참조하여 설명한 바와 같다.
실시예에서는 흑색 점선으로 표시된 내장 전도 비아가 퓨즈 부재와 중첩되어 중앙에 배치되어 있다. 또한, 내장 발열 부재가 양쪽으로 나누어져 배치되어 있다. 상기 내장 전도 비아가 상기 퓨즈 부재의 하측에 중첩되어 배치됨으로써, 비교예에서 발생하는 열 분산 현상을 방지할 수 있다. 상기 내장 전도 비아에 전달된 열이 상기 퓨즈 부재로 효율적으로 전달되어, 열 분포의 균일성이 증가되고, 상기 퓨즈 부재로의 열 집중이 증가된다. 또한, 내장 발열 부재가 양쪽으로 나누어져 배치됨에 따라 상기 퓨즈 부재의 중앙부로의 열 집중이 증가될 수 있다. 따라서, 상기 실시예의 상기 내장 전도 비아의 배치에 따라서, 상기 퓨즈 부재의 신속하고 효과적인 용단이 가능하게 된다.
또한, 상기 내장 발열 부재를 양쪽으로 나누어 배치함으로써, 상기 내장 발열 부재의 최고 온도를 저하시켜 원하지 않는 온도 상승을 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
1: 이차전지 충전장치, 10: 이차전지부,
20: 전압 감지부, 30: 스위치부,
40: 퓨즈부, 42: 퓨즈 요소,
44: 발열 요소, 50: 전원,
100: 세라믹 보호 소자, 110: 세라믹 기판,
111: 제1 세라믹 시트, 112: 제2 세라믹 시트,
118: 하면, 119: 상면,
120: 퓨즈 부재,
121: 제1 퓨즈용 상부 단자, 122: 제2 퓨즈용 상부 단자,
123: 제1 퓨즈용 하부 단자, 124: 제2 퓨즈용 하부 단자,
125: 제1 관통 도전 비아, 126: 제2 관통 도전 비아,
129: 내장 연결 비아용 하부 단자,
130: 내장 발열 부재, 140: 퓨즈 수용 부재,
150: 내장 전도 비아,
160: 내장 연결 비아, 170: 내장 연결 패드,
200: 세라믹 보호 소자, 210: 세라믹 기판,
213: 제3 세라믹 시트, 214: 제4 세라믹 시트,
215: 제5 세라믹 시트, 216: 제4 세라믹 시트,
220: 퓨즈 부재, 229: 내장 연결 비아용 하부 단자,
231: 제1 내장 발열 부재, 232: 제2 내장 발열 부재,
240: 퓨즈 수용 부재, 250: 내장 전도 비아,
261: 제1 내장 연결 비아, 262: 제2 내장 연결 비아,
263: 제3 내장 연결 비아, 264: 제4 내장 연결 비아,
271: 제1 내장 연결 패드, 272: 제2 내장 연결 패드,
273: 제3 내장 연결 패드,

Claims (20)

  1. 동시 소성에 의하여 서로 일체화되는 제1 세라믹 시트 및 제2 세라믹 시트를 포함하여 구성된 세라믹 기판;
    상기 세라믹 기판 상에 위치한 퓨즈 부재;
    상기 세라믹 기판 내에 내장되고, 상기 퓨즈 부재와 중첩하도록 위치하고, 전류가 인가될 때 발열되어 상기 퓨즈 부재를 용단하는 내장 발열 부재;
    상기 세라믹 기판 상에 상기 퓨즈 부재와 접촉하고, 상기 퓨즈 부재와 상기 내장 발열 부재의 사이에 개재되도록 위치하고, 상기 퓨즈 부재가 용단될 때에 상기 퓨즈 부재를 수용하는 퓨즈 수용 부재;
    상기 세라믹 기판 내에 내장되고, 상기 퓨즈 부재와 중첩하도록 위치하고, 상기 제1 세라믹 시트를 관통하여 상기 퓨즈 부재(120)와 상기 내장 발열 부재를 전기적으로 연결하는 내장 전도 비아; 및
    상기 세라믹 기판 내에 내장되고, 상기 제2 세라믹 시트를 관통하여 형성되고, 외부와 상기 내장 발열 부재를 전기적으로 연결하는 내장 연결 비아;를 포함하되,
    상기 내장 전도 비아는, 상기 내장 발열 부재의 상측에 위치하고, 상기 퓨즈 수용 부재 및 상기 내장 발열 부재와 직접 접촉하여, 상기 내장 발열 부재에서 발생한 열을 상기 퓨즈 부재에 직접적으로 전달하며,
    상기 내장 연결 비아는, 상기 내장 발열 부재의 하측에 위치하고, 상기 내장 발열 부재와 중첩되지 않도록 상기 내장 발열 부재로부터 이격되어 위치하는,
    세라믹 보호 소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 세라믹 시트의 상측에 위치하고, 상기 내장 연결 비아와 상기 내장 발열 부재를 전기적으로 연결하는 내장 연결 패드;를 더 포함하는,
    세라믹 보호 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 세라믹 시트의 하측에 위치하고, 상기 내장 연결 비아와 전기적으로 연결되어 상기 내장 연결 비아를 외부와 전기적으로 연결하는 내장 연결 비아용 하부 단자;를 더 포함하는,
    세라믹 보호 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 내장 발열 부재는 상기 제1 세라믹 시트 및 제2 세라믹 시트와 함께 동시 소성되어 형성된,
    세라믹 보호 소자.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 퓨즈 수용 부재는 상기 제1 세라믹 시트 및 제2 세라믹 시트와 함께 동시 소성되어 형성되는,
    세라믹 보호 소자.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 기판은 1 W/mK 내지 5 W/mK 범위의 열전도도를 가지는,
    세라믹 보호 소자.
  14. 동시 소성에 의하여 서로 일체화되는 제3 내지 제6 세라믹 시트들을 포함하여 구성된 세라믹 기판;
    상기 세라믹 기판 상에 위치한 퓨즈 부재;
    상기 세라믹 기판 내에 내장되고, 상기 퓨즈 부재와 중첩하도록 상기 퓨즈부재의 양측에 위치하고, 전류가 인가될 때 발열되어 상기 퓨즈 부재를 용단하는 제1 내장 발열 부재 및 제2 내장 발열 부재;
    상기 세라믹 기판 상에 상기 퓨즈 부재와 접촉하고, 상기 퓨즈 부재와, 상기 제 1 내장 발열 부재 및 상기 제2 내장 발열 부재의 사이에 개재되도록 위치하고, 상기 퓨즈 부재가 용단될 때에 상기 퓨즈 부재를 수용하는 퓨즈 수용 부재;
    상기 세라믹 기판 내에 내장되고, 상기 퓨즈 부재와 중첩하도록 위치하고, 상기 퓨즈 부재와 상기 제1 내장 발열 부재 및 상기 제2 내장 발열 부재를 전기적으로 연결하는 내장 전도 비아; 및
    상기 세라믹 기판 내에 내장되고, 상기 제4 세라믹 시트를 관통하여 형성되어 상기 제1 내장 발열 부재 및 상기 제2 내장 발열 부재와 각각 전기적으로 연결되는 제1 내장 연결 비아 및 제2 내장 연결 비아;를 포함하되,
    상기 내장 전도 비아는 상기 제3 세라믹 시트를 관통하여 형성되고, 상기 퓨즈 부재의 중앙부에 위치하고,
    상기 제1 내장 발열 부재와 상기 제2 내장 발열 부재는 상기 내장 전도 비아를 기준으로 양측에 배치되며,
    상기 내장 전도 비아는, 상기 제1 내장 발열 부재 및 상기 제2 내장 발열 부재의 상측에 위치하고, 상기 퓨즈 수용 부재와, 상기 제1 내장 발열 부재 및 상기 제2 내장 발열 부재와 직접 접촉하여, 상기 제1 내장 발열 부재 및 상기 제2 내장 발열 부재에서 발생한 열을 상기 퓨즈 부재에 직접적으로 전달하며,
    상기 제1 내장 연결 비아 및 상기 제2 연결 내장 비아는, 상기 제1 내장 발열 부재 및 상기 제2 내장 발열 부재의 하측에 위치하고, 상기 제1 내장 발열 부재 및 상기 제2 내장 발열 부재와 중첩되지 않도록 상기 제1 내장 발열 부재 및 상기 제2 내장 발열 부재로부터 이격되어 위치하는,
    세라믹 보호 소자.
  15. 삭제
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제4 세라믹 시트 상에 위치하고, 상기 내장 전도 비아의 하측에 접촉하고, 상기 제1 내장 발열 부재와 상기 제2 내장 발열 부재에 전기적으로 연결된 제1 내장 연결 패드;를 더 포함하는,
    세라믹 보호 소자.
  17. 삭제
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 제5 세라믹 시트 상에 형성되고, 상기 제1 내장 연결 비아 및 상기 제2 내장 연결 비아와 전기적으로 연결된 제2 내장 연결 패드; 및
    상기 제5 세라믹 시트를 관통하여 형성되고, 상기 제2 내장 연결 패드와 전기적으로 연결된 제3 내장 연결 비아;를 더 포함하는,
    세라믹 보호 소자.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제6 세라믹 시트 상에 형성되고, 상기 제3 내장 연결 비아와 전기적으로 연결된 제3 내장 연결 패드;
    상기 제6 세라믹 시트를 관통하여 형성되고, 상기 제3 내장 연결 패드와 전기적으로 연결된 제4 내장 연결 비아; 및
    상기 제6 세라믹 시트의 하측에 위치하고, 상기 제4 내장 연결 비아와 전기적으로 연결되어 상기 제4 내장 연결 비아를 외부와 전기적으로 연결하는 내장 연결 비아용 하부 단자;를 더 포함하는,
    세라믹 보호 소자.
  20. 전원에 연결되어 충전되는 이차전지부;
    상기 이차전지부에 인가되는 전압을 감지하는 전압 감지부;
    상기 전압 감지부에 전기적으로 연결되고, 상기 전압 감지부의 제어 신호를 전달 받아 전기 경로를 개폐하는 스위치부;
    상기 이차전지부와 상기 전원에 직렬로 연결된 퓨즈 요소; 및 상기 이차전지부와 상기 전원에 병렬로 연결되고, 상기 스위치부에 직렬로 연결되어 상기 스위치부가 턴-온되면 발열되어 상기 퓨즈 요소를 용단하는 발열 요소;를 포함하는 퓨즈부;
    를 포함하고,
    상기 퓨즈부는 청구항 제1항, 제7항, 제8항, 제9항, 제12항, 제13항, 제14항, 제16항, 제18항 및 제19항 중 어느 한 항의 상기 세라믹 보호 소자로 이루어진,
    이차전지 충전장치.
KR1020200152014A 2020-11-13 2020-11-13 내장 발열 부재를 포함하는 세라믹 보호 소자 및 이를 포함하는 이차전지 충전장치 KR102482276B1 (ko)

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