KR19990077501A - 정특성서미스터소자및이를이용한가열장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발열 효율 및 열 응답성이 우수한 정특성 서미스터 소자를 제공하기 위한 것이다. 본 발명에 의하면, 소자 본체를 제 1 층과 제 2 층의 두 층으로 구성하는 적층 구조로 하고, 제 1 층(18)의 두께를 제 2 층(19)의 0.05∼0.43배로 설정하고, 아울러 제 1 층(18)은, 제 2 층(19)에 비해 퀴리 온도가 20℃ 이상 낮은 정특성 서미스터 재료로 구성한다. 이로써, 발열 중심이 제 1 층(18)측에 위치하게 되고, 제 1 층(18)상에 형성된 제 1 전극(15)으로 향하는 방향에 배치된 가열 대상물(17)이 효율적으로 가열되고, 또 가열 대상물(17)과의 사이에서의 열 전달이 양호해진다.
Description
본 발명은 정특성 서미스터 소자 및 이를 이용한 가열장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 정특성 서미스터 소자에 의한 가열 효율을 높이기 위한 개량에 관한 것이다.
정특성 서미스터 소자는, 예를 들면, 가열 장치에서 발열체로서 이용되고 있다. 이와 같이, 발열체로서 이용되는 전형적인 정특성 서미스터 소자로는, 도 7에 도시한 것과 도 8에 도시한 것이 있다.
도 7에 도시한 정특성 서미스터 소자(1)는, 소위 양면 전극형이라 불리는 것으로서, 정특성 서미스터 재료로 이루어지는 소자 본체(2)를 구비하고 있으며, 소자 본체(2)의 양쪽 주면상에는 각각 제 1 전극(3) 및 제 2 전극(4)이 형성되어 있다.
이 정특성 서미스터 소자(1)에 의해 가열되는 가열 대상물(5)은, 예를 들면 제 1 전극(3)에 접하도록 배치된다. 또한 제 1 전극(3) 및 제 2 전극(4)의 양쪽 모두에 가열 대상물(5)이 접하도록 배치되는 경우도 있다.
도 8에 도시한 정특성 서미스터 소자(6)는, 소위 빗살모양 편면 전극형이라 불리는 것으로서, 정특성 서미스터 재료로 이루어지는 소자 본체(7)의 한쪽 주면상에, 제 1 전극(8) 및 제 2 전극(9)이 각각 빗살모양으로 서로 번갈아가며 위치하도록 형성되어 있다.
이 정특성 서미스터 소자(6)에 의해 가열되는 가열 대상물(10)은 빗살모양의 제 1 전극(8) 및 제 2 전극(9)에 접하도록 배치된다.
하지만, 도 7에 도시한 양면 전극형 정특성 서미스터 소자(1) 및 도 8에 도시한 빗살모양 편면 전극형 정특성 서미스터 소자(6)는 아래와 같은 해결해야 할 문제점을 가지고 있다.
도 9는 도 7에 도시한 정특성 서미스터 소자(1)에서, 소자 본체(2)의 두께 방향에 관해 생길 수 있는 전계 강도의 분포 상태를 나타내고, 도 10은 마찬가지로 온도의 분포 상태를 나타낸다.
도 7에 도시한 양면 전극형 정특성 서미스터 소자(1)에서는, 소자 본체(2)의 표면으로부터 열이 달아나기 때문에, 이 소자 본체(2)의 표면 온도가, 그 중앙부 온도에 비해 낮아진다. 따라서, 도 10에 도시한 바와 같이, 소자 본체(2)에서 중앙부의 온도가 가장 높아진다.
그 결과, 소자 본체(2) 중앙부의 저항값이 가장 높아지기 때문에, 도 9에 도시한 바와 같이, 이 부분에 전계가 집중하고, 한편 소자 본체(2)의 표면 부분에서의 전계는 약해진다. 이 때문에, 소자 본체(2)에는, 그 두께 방향의 중심부를 중심으로 하여 발열하는 발열 분포가 생기기 때문에, 가열 대상물(5)에 대한 발열 효율, 혹은 열 응답성에 문제가 있다. 즉, 공규격(公規格)으로 규정하는 소자 본체(2)의 두께는 약 2㎜ 이상이지만, 이 경우, 발열 중심부와 가열 대상물(5)의 사이에는 약 1㎜이상의 거리가 생기고, 또 정특성 서미스터 재료는 일반적으로 열전도가 좋지 않다. 또한, 소자 본체(2)에서의 두께 방향 중심부의 온도가 상승하고, 그로 인해 소자 본체(2)의 내부에 흐르는 전류가 제한되고 만다. 이와 같은 사실 때문에, 소자 본체(2)에서의 발열이 가열 대상물(5)에 효과적으로 전달되기 어렵다는 문제점이 있다.
이와 같이 발열 효율이 저하되는 것을 가능한 한 방지하기 위해, 정특성 서미스터 소자(1)와 가열 대상물(5)의 접촉 면적을 가능한 한 크게 하고 있지만, 이 접촉 면적을 크게 하기 위해서는 정특성 서미스터(1)를 대형화하지 않으면 안된다. 하지만, 정특성 서미스터 소자(1)를 대형화하였을 경우, 이를 이용한 가열 장치도 또한 대형화되기 때문에 바람직하지 못하다.
또 상술한 바와 같은 문제점을 해결하는데는, 소자 본체(2)의 두께를 얇게 하는 것이 효과적이지만, 이 경우에는 두께에 관한 공규격을 만족시키지 못하게 될 뿐만 아니라, 전압 인가시의 내전압이 저하되기 때문에, 단순히 이와 같은 해결 수단을 채택할 수는 없다.
한편, 도 8에 도시한 빗살모양 편면 전극형 정특성 서미스터 소자(6)를 이용하면, 전극(8, 9)이 형성된 소자 본체(7)의 주면을 중심으로 하여 발열하기 때문에, 발열중심을 가열 대상물(10)측으로 위치시키는 것이 가능해지고, 상술한 양면 전극형 정특성 서미스터 소자(1)에 비해 효율적으로 열을 전달할 수 있고, 열 응답성이 높고, 발열 효율도 향상한다.
하지만, 소자 본체(7)에서, 실제로 발열하고 있는 것은 가열 대상물(10)측으로 향하는 주면에서 전극(8) 및 전극(9)이 형성되지 않은 부분뿐이고, 전극(8) 또는 전극(9)이 형성된 영역에서는 발열되지 않는다. 이 발열 부분은 소자 본체(7)의 주면의 대략 1/2∼2/3 정도에 지나지 않는다.
또, 빗살모양 전극(8, 9)은 소자 본체(7)의 주면상에 단차를 만들고, 그 때문에 소자 본체(7)의 주면과 가열 대상물(10) 사이에 공간을 형성하게 되고, 이것이 열저항이 되어 발열 효율을 저하시키고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결할 수 있는 정특성 서미스터 소자 및 이를 이용한 가열 장치를 제공하고자 하는데 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 정특성 서미스터 소자 및 가열 대상물을 도해적으로 나타내는 단면도,
도 2는 도 1에 도시한 정특성 서미스터 소자의 동작 원리를 설명하기 위한 것으로서, 온도와 저항값의 관계를 나타내는 도,
도 3은 도 1에 도시한 정특성 서미스터 소자에서 소자 본체의 두께 방향에 관하여 생길 수 있는 전계 강도의 분포 상태를 나타내는 도,
도 4는 도 1에 도시한 정특성 서미스터 소자에서 소자 본체의 두께방향에 관하여 생길 수 있는 온도의 분포 상태를 나타내는 도,
도 5는 도 1에 도시한 실시형태의 효과를 확인하기 위해 실시한 실험예로서, 제 1 층과 제 2 층의 저항비를 여러가지로 변화시킨 시료 17∼21에서 각각의 순간 내압 레벨을 나타내는 도,
도 6은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 정특성 서미스터 소자를 도해적으로 나타내는 단면도,
도 7은 본 발명으로서 관련있는 종래의 양면 전극형 정특성 서미스터 소자 및 가열 대상물을 도해적으로 나타내는 단면도,
도 8은 본 발명과 관련있는 종래의 빗살모양 편면 전극형 정특성 서미스터 소자 및 가열 대상물을 도해적으로 나타내는 단면도,
도 9는 도 7에 도시한 정특성 서미스터 소자에서, 소자 본체의 두께 방향에 관해 생길 수 있는 전계 강도의 분포 상태를 나타내는 도,
도 10은 도 7에 도시한 정특성 서미스터 소자에서, 소자 본체의 두께 방향에 관해 생길 수 있는 온도의 분포 상태를 나타내는 도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
11, 21 : 정특성 서미스터 소자 12, 22 : 제 1 주면
13, 23 : 제 2 주면 14, 24 : 소자 본체
15, 25 : 제 1 전극 16, 26 : 제 2 전극
17 : 가열 대상물 18 : 제 1 층
19 : 제 2 층 27 : 제 1 외층
28 : 제 2 외층 29 : 중간층
본 발명에 관한 정특성 서미스터 소자는, 서로 마주보는 제 1 주면 및 제 2 주면을 갖는 소자 본체와, 이들 제 1 주면 및 제 2 주면상에 각각 형성되는 제 1 전극 및 제 2 전극을 구비하는 것으로서, 상술한 기술적 과제를 해결하기 위해, 다음과 같이 구성되는 것을 특징으로 하고 있다.
즉, 소자 본체는 주면의 연장방향으로 연장되는 계면을 가지고 적층되는 복수개의 층으로 이루어지고, 제 1 주면측에 위치하는 층은, 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 전압이 인가 되면서 소정의 시간이 경과한 후에, 소자 본체를 구성하는 복수개의 층 가운데에서의 전압 분담의 비율이 가장 높아지는 저항값을 나타내는 정특성 서미스터 재료로 구성되는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명에 관한 정특성 서미스터 소자에서, 소자 본체는, 정특성 서미스터 재료로 이루어짐과 아울러 주면의 연장방향으로 연장되는 계면을 가지고 적층되며, 제 1 주면측에 위치하는 제 1 층 및 제 2 주면측에 위치하는 제 2 층의 두 층으로 이루어지고, 제 1 층의 두께는 제 2 층의 두께의 0.05∼0.43배로 설정되고, 또한 제 1 층은 제 2 층보다 20℃ 이상 낮은 퀴리 온도를 가지게 되는 것이 바람직하다.
이 바람직한 실시형태에 따른 정특성 서미스터 소자에서, 보다 바람직하게는, 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 전압을 인가한 직후, 제 1 층의 저항값은 제 2 층의 저항값보다 작아지게 된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에서, 소자 본체는 정특성 서미스터 재료로 이루어짐과 아울러 주면의 연장방향으로 연장되는 계면을 가지고 적층되며, 제 1 주면측에 위치하는 제 1 외층; 제 2 주면측에 위치하는 제 2 외층; 제 1 외층 및 제 2 외층 사이에 위치하는 적어도 하나의 중간층; 의 세 층 이상으로 이루어지고, 제 1 외층 및 제 2 외층의 적어도 한쪽의 두께는 중간층의 0.05∼0.43배로 설정되고, 또한 제 1 외층 및 제 2 외층의 적어도 한 쪽은, 중간층보다 20℃ 이상 낮은 퀴리 온도를 가지게 된다.
이 바람직한 실시형태에 따른 정특성 서미스터 소자에서, 보다 바람직하게는, 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 전압을 인가한 직후, 제 1 외층 및 제 2 외층의 적어도 한쪽의 저항값은 중간층의 저항값보다 낮아지게 된다.
상술한 보다 바람직한 실시형태에서, 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 전압을 인가한 직후, 제 1 외층의 저항값이, 제 2 외층 및 중간층의 각각의 저항값의 어느 한 쪽보다 작아지는 제 1의 경우와, 제 1 외층 및 제 2 외층의 각각의 저항값의 양쪽 모두가 중간층의 저항값보다 작아지는 제 2의 경우가 있다.
제 1의 경우에서, 보다 바람직하게는, 제 1 외층이, 소자 본체를 구성하는 복수의 층 사이에서 가장 낮은 퀴리 온도를 갖는 정특성 서미스터 재료로 구성되고, 더욱 바람직하게는, 제 1 외층의 두께가 소자 본체를 구성하는 복수개의 층 가운데서 가장 얇게 된다.
또한, 제 2의 경우에서, 보다 바람직하게는, 제 1 외층 및 제 2 외층이, 중간층에 비해 퀴리 온도가 낮은 정특성 서미스터 재료로 구성되고, 더욱 바람직하게는, 제 1 외층 및 제 2 외층의 각 두께가 중간층의 두께보다 얇게 된다.
또 본 발명은, 상술한 정특성 서미스터 소자를 이용하는 가열장치에도 적용될 수 있다. 이 가열 장치에서, 제 1 전극측에 위치하는 제 1 층 또는 제 1 외층이 다른 층에 비해 더욱 발열하도록 구성되는 경우, 가열 대상물은 제 1 전극이 향하는 방향에 배치되고, 또 제 1 전극 및 제 2 전극측에 각각 위치하는 제 1 외층 및 제 2 외층은, 중간층에 비해, 보다 발열되도록 구성되는 경우, 제 1 전극 및 제 2 전극이 각각 향하는 방향에 가열 대상물이 배치된다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하겠다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 정특성 서미스터 소자(11)를 나타내고 있다.
정특성 서미스터 소자(11)는, 서로 마주보는 제 1 주면(12) 및 제 2 주면(13)을 갖는 소자 본체(14)와, 제 1 주면(12) 및 제 2 주면(13)상에 각각 형성된 제 1 전극(15) 및 제 2 전극(16)을 구비하고 있다. 또 이 정특성 서미스터 소자(11)를 발열체로서 이용하는 가열 장치에서는, 가열 대상물(17)이 제 1 전극(15)에 접하도록 배치된다.
소자 본체(14)의 형상으로는, 원판 형상 또는 각판 형상 등을 임의로 선택할 수 있지만, 바람직하게는 가열 대상물(17)의 형상에 적합한 형상이 선택된다. 또 소자 본체(14)의 두께는 규격과의 관계 및 요구되는 내전압에 따르는데, 예를 들면 100V 사양에서 1.5∼2.5㎜가 일반적이다.
소자 본체(14)는 정특성 서미스터 재료로 구성된다. 이 정특성 서미스터 재료는 세라믹이어도 되고 또는 유기질이어도 된다. 정특성 서미스터의 재료가 유기질인 경우, 정특성 서미스터 소자(11)는 플렉서블 히터가 된다.
소자 본체(14)가 세라믹으로 이루어지는 경우는, 은, 알루미늄, 니켈, 및 그 합금에 의해 구성된 오믹 전극이 전극(15, 16)으로 이용되고, 소자 본체(14)가 유기질인 경우에는, 니켈, 구리 등으로 이루어지는 면이 거친 금속박이 전극(15, 16)으로 이용된다.
본 실시예에서, 소자 본체(14)는, 주면(12, 13)의 연장방향으로 연장되는 계면을 가지고 적층되며, 제 1 주면(12)측에 위치하는 제 1 층(18); 제 2 주면(13)측에 위치하는 제 2 층(19);의 두 층으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 그리고 제 1 층(18)은 제 2 층(19)에 비해 두께가 얇고 또한 퀴리 온도가 낮은 정특성 서미스터 재료로 구성된다.
이와 같은 구성 때문에, 제 1 전극(15) 및 제 2 전극(16) 사이에 전압을 인가하고, 소자 본체(14)가 발열을 개시하여 소정의 시간이 경과한 후에는, 도 2의 「통상시」로 나타낸 바와 같이, 제 1 층(18)의 저항값이 제 2 층(19)의 저항값보다 높아진다. 따라서, 제 1 층(18)에 의한 전압 분담 비율은 제 2 층(19)에 의한 전압 분담의 비율보다 높아지고, 소자 본체(14)에서의 발열 중심이 제 1 층(18)측으로 옮겨진다.
도 3은 도 9에 대응하는 도면으로서, 도 1에 도시한 정특성 서미스터 소자(11)에서, 소자 본체(14)의 두께 방향에 관해 생길 수 있는 전계 강도의 분포 상태를 나타내며, 도 4는 도 10에 대응하는 도면으로, 마찬가지로 온도의 분포 상태를 나타낸다. 또한 도 3 및 도 4에서, 가로축의 「거리(두께방향)」는 제 2 전극(16)측의 제 2 주면(13)에서 제 1 전극(15)측의 제 1 주면(12)을 향해 측정한 거리를 나타낸다.
상술한 바와 같이, 소자 본체(14)에서의 발열 중심이 제 1 층(18)측으로 옮겨짐으로 인해, 제 1 층(18)이 점점 가열되게 된다. 이 때, 전계 강도의 분포는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 제 1 전극(15)측이 더 강해지도록 기울고, 마찬가지로 온도의 분포는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 제 1 전극(15)측이 더 높아지도록 기운다. 이러한 제 1 전극(15)측의 온도는, 상술한 도 7에 도시한 양면 전극형의 정특성 서미스터 소자(1)의 대응측 온도보다 높아진다.
따라서, 소자 본체(14)는 가열 대상물(17) 근방에서 발열하게 되고, 소자 본체(14)로부터 가열 대상물(17)로의 열 전달이 효율적이고도 신속하게 이루어질 수 있다.
한편, 정특성 서미스터 소자(11)는 자기 온도 제어 기능을 가지고 있다. 즉, 가열 대상물(17)의 온도가 내려가면 정특성 서미스터 소자(11)의 온도도 내려가고, 이에 따라 저항값도 내려가기 때문에, 전류를 흘려보내는 상태가 되어, 가열 대상물(17)의 온도를 높이게 된다. 반대로, 가열 대상물(17)의 온도가 올라가면 정특성 서미스터 소자(11)의 온도도 올라가고, 이에 따라 저항값도 올라가기 때문에, 전류를 제한하여 가열 대상물(17)의 온도를 내려가게 한다.
이와 같은 자기 온도 제어 기능에 주목하였을 때, 이 실시형태에 따른 구조에서는, 발열 중심이 제 1 층(18)측에 위치하고 있기 때문에, 가열 대상물(17)의 온도를 검출하기 쉽고, 또한 자기 온도 제어 기능도 작용하기 쉽다.
또, 이 실시형태에 따르면, 도 2의 「이상 전압시」로 나타낸 바와 같이, 정특성 서미스터 소자(11)에 과대 전압이 인가되면, 제 1 층(18)이 부(負)온도 영역으로 되어 열폭주를 시작한다. 하지만, 이 정특성 서미스터 소자(11)에서는, 제 2 층(19)의 부온도 영역이 더 높은 온도 영역에 있기 때문에, 제 1 층(18)의 열폭주에 따른 파괴를 방지할 수 있다. 그 결과, 정특성 서미스터 소자(11)의 신뢰성을 보다 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 제 1 층(18)과 제 2 층(19)의 퀴리 온도를 다르게 하는 경우, 상술한 여러 효과를 확실하게 달성하기 위해서는, 이들 퀴리 온도의 차를 20℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
이를 확인하기 위해, 이하와 같은 실험을 실시하였다.
도 1을 참조하여, 제 1 층(18)으로서 각각 120℃, 130℃, 140℃, 150℃, 160℃ 170℃, 180℃의 퀴리 온도를 갖는 BaTiO3계 재료와, 제 2 층(19)으로서 180℃의 퀴리 온도를 갖는 BaTiO3계 재료를 각각 준비하였다.
제 1 층(18)을 위한 BaTiO3계 재료 중 하나와, 제 2 층(19)을 위한 BaTiO3계 재료를 이용하여, 제 1 층(18) 및 제 2 층(19)이 형성된 소자 본체(14)를 얻기 위해, 시트 성형, 적층, 프레스 성형, 탈지 및 소성의 각 공정을 실시하였다. 이렇게 하여, 표 1과 같이, 제 1 층(18)의 각 퀴리 온도를 다르게 한 여러가지 소자 본체(14)를 만들었다.
계속해서, 이들 소자 본체(14)의 각 주면(12, 13)상에 오믹 전극을 구성하는 전극(15, 16)을 형성하고, 각 시료에 관한 정특성 서미스터 소자(11)를 만들었다.
이들 정특성 서미스터 소자(11)의 제 1 전극(15)측에, 가열 대상물(17)이 될 알루미늄판을 붙이고, 두 전극(15, 16) 사이에 일정한 전압을 인가하여, 정특성 서미스터 소자(11)로부터 가열 대상물(17)에 대한 열방산계수(Ds)를 구하였다. 그 결과는 표 1과 같다.
| 시료번호 | 제 1 층(18)의퀴리 온도(℃) | 제 2 층(19)의퀴리 온도(℃) | 제 1 층(18)과제 2 층(19)의퀴리 온도차(℃) | 열방산계수Ds(W/℃) |
| 1 | 120 | 180 | 60 | 0.671 |
| 2 | 130 | 180 | 50 | 0.664 |
| 3 | 140 | 180 | 40 | 0.651 |
| 4 | 150 | 180 | 30 | 0.617 |
| 5 | 160 | 180 | 20 | 0.565 |
| 6 | 170 | 180 | 10 | 0.288 |
| 7 | 180 | 180 | 0 | 0.273 |
상기 표 1에서, 시료번호 1∼5와, 시료 6 및 시료 7을 비교해 보면 알 수 있듯이, 제 1 층(18)과 제 2 층(19)의 퀴리 온도차를 20℃ 이상으로 하면, 퀴리 온도차가 20℃ 미만인 것에 비해, 열방산계수가 현저히 증가된다. 따라서, 퀴리 온도차가 20℃ 이상인 시료 1∼5에서는 가열 대상물(17)에 열을 효율적으로 전달할 수 있다.
상술한 바와 같은 발열 효율 및 열 응답성의 면에서, 제 1 층(18)의 두께는 제 2 층(19)의 두께보다 얇은 것이 바람직하다. 하지만, 제 1 층(18)을 얇게 하면 제 1 층(18)에서의 내전압이 저하된다는 문제에 부딪치는 경우가 있다. 이러한 문제점을 회피하거나 완화시키기 위해서는, 제 1 전극(15) 및 제 2 전극(16)에 전압을 인가한 직후의 제 1 층(18)의 저항값이 제 2 층(19)의 저항값보다 작게 되는 것이 바람직하다.
더욱 상세히 설명하면, 전압을 인가하면, 제 1 층(18)과 제 2 층(19)에서의 저항값이 다르기 때문에 이들 제 1 층(18)과 제 2 층(19)의 사이에 전압 분담이 발생하고, 전압 인가 직후에는 저항값이 큰 제 2 층(19)측에서 전압의 대부분이 분담된다. 이 때문에, 전압 인가 직후에는 제 2 층(19)측에서 발열이 개시되지만, 이 발열이 제 1 층(18)으로 전달되고, 또 제 1 층(18)의 온도가 점점 상승하여 퀴리 온도에 가까워지면, 제 1 층(18)의 저항값이 급격히 증대되어, 인가 전압은 제 1 층(18)측에서 대부분 분담되게 된다.
따라서, 전압 인가 직후에는, 보다 두꺼운 제 2 층(19)측에서 내전압을 커버하고, 보다 얇은 제 1 층(18)측에서의 내전압의 부담을 경감할 수 있다. 또 전압 인가 상태에서 소정의 시간이 경과한 후에는, 상술한 바와 같이, 대부분의 전압이 제 2 층(19)에서 제 1 층(18)으로 분담되기 때문에, 소자 본체(14)와 가열 대상물(17)의 사이에서 효율적으로 열을 전달할 수 있다.
상술한 제 1 층(18) 및 제 2 층(19)의 두께에 관하여, 본 발명의 효과를 확인하기 위해, 이하의 실험을 실시하였다.
도 1을 참조하여, 제 1 층(18)으로서 120℃의 퀴리 온도를 갖는 BaTiO3계 재료와, 제 2 층(19)으로서 180℃의 퀴리 온도를 갖는 BaTiO3계 재료를 각각 준비하고, 이들을 이용하여 제 1 층(18) 및 제 2 층(19)이 형성된 소자 본체(14)를 얻기 위해, 시트 성형, 적층, 프레스 성형, 탈지 및 소성의 각 공정을 실시하였다. 이 때, 표 2와 같이, 제 1 층(18) 및 제 2 층(19)의 각 두께를 다르게 한 여러가지 소자 본체(14)를 만들었다.
이들 소자 본체(14)의 각 주면(12, 13)상에 오믹 전극을 구성하는 전극(15, 16)을 형성하고, 각 시료에 관한 정특성 서미스터 소자(11)를 만들었다.
계속해서, 이들 정특성 서미스터 소자(11)의 제 1 전극(15)측에 가열 대상물(17)이 될 알루미늄판을 붙이고, 두 전극(15, 16) 사이에 일정한 전압을 인가하여, 정특성 서미스터 소자(11)로부터 가열 대상물(17)에 대한 열방산계수(Ds)를 구하였다. 그 결과는 하기 표 2와 같다.
| 시료번호 | 제 1 층(18)의 두께(㎜) | 제 2 층(19)의두께(㎜) | 제 1 층(18)의 두께/제2층(19)의 두께 | 열방산계수Ds(W/℃) |
| 8 | 0.0 | 2.0 | 0 | 0.273 |
| 9 | 0.1 | 1.9 | 0.05 | 0.601 |
| 10 | 0.3 | 1.7 | 0.18 | 0.663 |
| 11 | 0.5 | 1.5 | 0.33 | 0.671 |
| 12 | 0.6 | 1.4 | 0.43 | 0.609 |
| 13 | 0.8 | 1.2 | 0.67 | 0.497 |
| 14 | 1.0 | 1.0 | 1.00 | 0.387 |
| 15 | 1.5 | 0.5 | 3.00 | 0.309 |
| 16 | 2.0 | 0.0 | - | 0.242 |
상기 표 2에서, 시료 8 및 시료 16은, 도 7에 도시한 정특성 서미스터(1)와 마찬가지로, 소자 본체(14)가 단일층으로 구성된 것이다.
이들 시료 8 및 시료 16과, 시료 9∼15를 비교해 보면 알 수 있듯이, 소자 본체(14)가 2층 구조를 갖는 시료 9∼15는, 단층 구조를 갖는 시료 8 및 시료 16 보다 큰 열방산계수를 얻는다.
또, 2층 구조를 갖는 시료 9∼15의 사이에서 비교하면, 대체적으로 제 1 층(18)의 두께가 더욱 얇아지는 시료 15, 14, 13, …의 순으로 열방산계수가 더 커지는 경향을 보인다. 특히, 제 1 층(18)의 두께가 제 2 층(19)보다 얇은(즉, 제 1 층(18)의 두께/제 2 층(19)의 두께＜1) 시료 9∼13에서는, 제 1 층(18)의 두께가 제 2 층(19)의 두께와 같거나 또는 그보다 두꺼운 (즉, 제 1 층(18)의 두께/제 2 층(19)의 두께≥1) 시료 14 및 시료 15에 비해, 더 큰 열방산계수를 얻는다. 이와 같이 열방산계수가 증가하는 것은, 〔제 1 층(18)의 두께/제 2 층(19)의 두께〕의 비율이 작아지면, 발열 중심이 소자 본체(14)의 제 1 층(18)측의 주면에 가까워지기 때문이다.
게다가, 상술한 〔제 1 층(18)의 두께/제 2 층(19)의 두께〕의 비율이 1 미만인 시료 9∼13 중에서도, 특히 그 비율이 0.05∼0.43의 범위에 있는 시료 9∼12에서, 열방산계수가 현저하게 증가되는 것을 볼 수 있다.
또한, 표 2에는, 제 1 층(18) 및 제 2 층(19)의 2층 구조를 가지면서도 〔제 1 층(18)의 두께/제 2 층(19)의 두께〕의 비율이 0.05 미만인 시료는 나타나 있지 않지만, 예를 들면, 표 2의 시료 9∼11 사이에서 비교하면, 〔제 1 층(18)의 두께/제 2 층(19)의 두께〕의 비율이 더욱 작아지는 시료 11, 10, 9의 순으로 열방산계수가 더욱 작아지는 것을 알 수 있다. 이 사실로부터, 〔제 1 층(18)의 두께/제 2 층(19)의 두께〕의 비율이 0.05 미만인 시료에서는, 그 비율이 0.05인 시료 9에서 얻어진 열방산계수 0.601W/℃보다 작은 열방산계수 밖에 얻을 수 없다는 것을 유추할 수 있다. 이와 같이, 〔제 1 층(18)의 두께/제 2 층(19)의 두께〕의 비율이 0.05미만이 되면 열방산계수가 작아지는 것은, 제 1 층(18)의 두께가 감소함에 따라서 제 1 층(18)의 저항값이 작아지고, 따라서 발열량이 작아지기 때문이라고 생각할 수 있다.
따라서, 큰 열방산계수를 얻기 위해서는, 〔제 1 층(18)의 두께/제 2 층(19)의 두께〕의 비율을 0.05∼0.43의 범위로 하는 것이 좋다는 것을 알 수 있다.
이와 같은 열방산계수(Ds), 정특성 서미스터 소자(11)에 공급되는 전력(P), 가열 대상물(17)의 표면 온도(T) 및 정특성 서미스터 소자(11)의 온도(Ts) 사이에는, 하기 수학식 1의 관계가 성립되어 있다.
이는 전력(P)이 일정할 때, 열방산계수(Ds)가 커지면 정특성 서미스터 소자(11)의 온도(Ts) 및 가열 대상물(17)의 표면 온도(T)의 차가 작아지는 것을 의미하고, 전력(P)을 효율적으로 가열 대상물(17)에 전달하게 된다.
표 2의 시료 11과 같이, 퀴리 온도가 120℃이고 두께가 0.5㎜인 제 1 층(18) 및 퀴리 온도가 180℃이고 두께가 1.5㎜인 제 2 층(19)으로 이루어지는 정특성 서미스터 소자(11)에 관하여, 표 3에서와 같이, 제 1 층(18) 및 제 2 층(19)의 각 저항값을 여러가지로 변화시킨 시료를 만들었다. 표 3에서, 각 저항값은 저항비로서 표현되고, 이들 저항비는 정특성 서미스터 소자(11) 전체의 저항값을 1로 했을 경우의 비율을 나타내고 있다.
| 시료번호 | 제 1 층(18)의 저항비 | 제 2 층(19)의 저항비 |
| 17 | 0.1 | 0.9 |
| 18 | 0.2 | 0.8 |
| 19 | 0.3 | 0.7 |
| 20 | 0.4 | 0.6 |
| 21 | 0.5 | 0.5 |
다음으로, 상기 표 3의 각 시료에 대해, 순간 내압시험(무부하 회로에서 정특성 서미스터 소자에 전압을 직접 인가하여, 어느 정도의 전압으로 파괴할지를 시험하는 평가 방법)을 실시하였다. 이 순간 내압시험의 결과는 도 5와 같다. 도 5에는 제 1 층(18)의 저항비와 제 2 층(19)의 저항비가 동일한 시료 21의 순간 내압레벨을 1로 했을 경우의 비율이 나타나 있다.
표 3 및 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 제 1 층(18)의 저항값과 제 2 층(19)의 저항값이 동일한 시료 21에 비해, 제 1 층(18)의 저항값이 제 2 층(19)의 저항값보다 작은 시료 17∼20에서, 순간 내압레벨이 향상되어 있다. 또 시료 17∼20 사이에서 비교했을 때, 제 2 층(19)의 저항값에 대해 제 1 층(18)의 저항값이 더 작아지는 시료 20, 19, 18, 17의 순으로, 순간 내압레벨이 보다 향상되고 있다.
도 6은, 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 정특성 서미스터 소자(21)를 나타내고 있다.
이 정특성 서미스터 소자(21)는, 상술한 정특성 서미스터 소자(11)와 마찬가지로, 서로 마주보는 제 1 주면(22) 및 제 2 주면(23)을 갖는 소자 본체(24)와, 제 1 주면(22) 및 제 2 주면(23)상에 각각 형성되는 제 1 전극(25) 및 제 2 전극(26)을 구비하고 있다.
제 2 실시형태에서, 소자 본체(24)는 주면(22, 23)의 연장방향으로 연장되는 계면을 가지고 적층되며, 제 1 주면(22)측에 위치하는 제 1 외층(27); 제 2 주면(23)측에 위치하는 제 2 외층(28); 제 1 외층(27) 및 제 2 외층(28) 사이에 위치하는 적어도 하나의 중간층(29);의 세 층 이상으로 이루어진다. 그리고, 제 1 외층(27) 및 제 2 외층(28)의 적어도 한 쪽은, 중간층(29)에 비해 퀴리 온도가 낮은 정특성 서미스터 재료로 구성된다.
제 2 실시형태에서도, 상술한 제 1 실시형태의 경우와 마찬가지로, 제 1 외층(27) 및 제 2 외층(28)의 적어도 한 쪽의 두께는, 중간층(29)의 0.05∼0.43배로 설정되고, 아울러 제 1 외층(27) 및 제 2 외층(28)의 적어도 한 쪽은, 중간층(29)보다 20℃ 이상 낮은 퀴리 온도를 가지도록 하는 것이 바람직하다는 것이 실험에 의해 확인되고 있다.
도 6에 도시한 실시형태는, 이하와 같은 두가지의 구체적 양태로 발전시킬 수 있다.
제 1 양태에서, 제 1 외층(27)은, 제 2 외층(28) 및 중간층(29)의 어느 한 쪽보다 낮은 퀴리 온도를 갖는 정특성 서미스터 재료로 구성된다. 이렇게 구성된 경우, 가열 대상물(도시안함)은 제 1 전극(25)이 향하는 방향에 배치된다. 또 상술한 실시형태의 경우와 마찬가지로, 제 1 외층(27)의 두께를 다른 층(28, 29)보다 얇게 하는 것이 바람직하고, 또 전압 인가 직후의 저항값에 대해서도, 제 1 외층(27)의 저항값을 다른 층(28, 29)보다 작게 하는 것이 바람직하다.
제 2 양태에서, 제 1 외층(27) 및 제 2 외층(28)의 양자가, 중간층(29)에 비해 퀴리 온도가 낮은 정특성 서미스터 재료로 구성된다. 이 경우, 가열 대상물(도시안함)은 제 1 전극(25) 및 제 2 전극(26)의 각각이 향하는 방향에 각각 배치될 수 있다. 또한, 상술한 실시형태와 마찬가지로, 제 1 외층(27) 및 제 2 외층(28)의 두께는 중간층(29)보다 얇은 것이 바람직하고, 또 전압 인가 직후의 저항값에 관해서는, 제 1 외층(27) 및 제 2 외층(28)의 저항값이 중간층(29)의 저항값보다 작은 것이 바람직하다.
이상, 본 발명을 도시한 실시형태에 관하여 설명하였지만, 본 발명의 범위내에서 그 밖의 여러 실시형태도 가능하다.
예를 들면, 전압 인가 상태에서 소정의 시간이 경과한 후, 즉 제 1 주면측에 위치하는 층이, 소자 본체를 구성하는 복수개의 층 중에서의 전압 분담 비율이 가장 높아지는 저항값을 나타내는 정특성 서미스터 재료로 구성되도록 할 때, 다른 층은, 예를 들면 통상의 저항 재료 혹은 부특성 서미스터 재료로 구성되어도 된다.
이상과 같이, 본 발명에 관한 정특성 서미스터 소자는, 서로 마주보는 제 1 주면 및 제 2 주면을 갖는 소자 본체와, 제 1 주면 및 제 2 주면상에 각각 형성되는 제 1 전극 및 제 2 전극을 구비하는 것으로서, 그 제 1 국면에 따르면, 소자 본체는 주면의 연장방향으로 연장되는 계면을 가지고 적층되는 복수의 층으로 이루어지고, 제 1 주면측에 위치하는 층은, 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 전압이 인가되면서 소정의 시간이 경과한 후, 소자 본체를 구성하는 복수의 층 사이에서의 전압 분담의 비율이 가장 높아지는 저항값을 나타내는 정특성 서미스터 재료로 구성되므로, 그 정특성 서미스터 소자에서의 발열 중심을 소자 본체의 제 1 주면 근방에 위치시킬 수 있다.
따라서, 가열 대상물을 제 1 전극이 향하는 방향에 배치하여 가열 장치를 구성하였을 때, 가열 대상물에 열을 효율적으로 전달할 수 있고, 정특성 서미스터 소자의 발열 효율을 높일 수 있으며, 아울러 가열 대상물과의 사이에서의 열 응답성을 우수하게 하여, 정특성 서미스터 소자의 자기 온도 제어 기능을 보다 쉽게 적용시킬 수 있는 상태로 만들 수 있다. 또, 이러한 사실로부터, 소자 본체의 두께에 관한 공규격을 충분히 만족시키면서, 가열 장치의 소형화를 도모할 수 있다.
상술한 본 발명에 관한 정특성 서미스터 소자의 제 1 국면에서, 소자 본체를 구성하는 복수개의 층 각각이 정특성 서미스터 재료로 이루어질 때, 상술한 바와 같이 제 1 주면측에 위치하는 층에 의한 전압 분담 비율을 가장 높게 하는 저항값을 얻기 위해서는, 이 제 1 주면측에 위치하는 층의 퀴리 온도가 소자 본체를 구성하는 복수의 층 중에서 가장 낮아지게 하면 되므로, 상술한 바와 같이 특정 층에서의 전압 분담 비율을 용이하고도 아울러 확실하게 높일 수 있다.
본 발명에 관한 정특성 서미스터 소자의 제 2 국면에 따르면, 소자 본체는, 주면의 연장방향으로 연장되는 계면을 가지고 적층되며, 제 1 주면측에 위치하는 제 1 층과 제 2 주면측에 위치하는 제 2 층의 두 층으로 이루어진다. 또한, 제 1 층의 두께는 제 2 층의 0.05∼0.43배로 설정되고, 아울러 제 1 층은 제 2 층보다 20℃ 이상 낮은 퀴리 온도를 가지게 되므로, 상술한 제 1 국면의 경우와 마찬가지로, 발열 중심을 제 1 주면의 근방에 위치시킬 수 있게 되어, 발열 효율 및 열 응답성을 우수하게 할 수 있다.
상술한 제 2 국면에서, 전압 인가 직후의 제 1 층의 저항값이, 제 2 층의 저항값보다 작아지게 되어 있으면, 전압 인가 직후에는, 제 2 층에서의 전압이 대부분 분담되어, 제 1 층에 의한 내전압의 부담을 경감할 수 있다. 이는 상술한 바와 같이, 제 1 층의 두께가 제 2 층의 두께보다 얇을 때, 보다 효과적이게 된다. 왜냐하면, 전압 인가 직후에는 내전압의 면에서 우수한, 보다 두꺼운 제 2 층에 의해 내전압을 커버하고, 이로 인해 내전압의 면에서 뒤떨어진, 보다 얇은 제 1 층에 의한 내전압의 부담을 경감할 수 있기 때문이다.
본 발명에 관한 정특성 서미스터 소자의 제 3 국면에 따르면, 소자 본체는 주면의 연장방향으로 연장되는 계면을 가지고 적층되며, 제 1 주면측에 위치하는 제 1 외층; 제 2 주면측에 위치하는 제 2 외층; 제 1 외층 및 제 2 외층 사이에 위치하는 적어도 하나의 중간층; 의 세 층 이상으로 이루어지고, 제 1 외층 및 제 2 외층의 적어도 한 쪽의 두께는 중간층의 두께의 0.05∼0.43배로 설정되고, 또한, 제 1 외층 및 제 2 외층의 적어도 한쪽도 중간층보다 20℃ 이상 낮은 퀴리 온도를 가지게 되므로, 전압 인가 상태에서 소정의 시간이 경과한 후, 제 1 외층 및 제 2 외층의 적어도 한 쪽을 발열 중심으로 할 수 있다. 따라서, 상술한 제 1 국면의 경우와 마찬가지로, 발열 효율 및 열 응답성을 향상시킬 수 있다.
상술한 제 3 국면에서, 전압 인가 직후의 제 1 외층 및 제 2 외층의 적어도 한 쪽의 저항값이 중간층보다 작아지게 되어 있으면, 전압 인가 직후, 중간층에서 대부분의 전압이 분담되고, 제 1 외층 및 제 2 외층의 적어도 한 쪽에 의한 내전압의 부담을 경감할 수 있다. 이것은 상술한 바와 같이, 제 1 외층 및 제 2 외층의 두께가 중간층보다 얇을 때 보다 효과적이다. 왜냐하면, 전압 인가 직후에는, 내전압의 면에서 우수한, 보다 두꺼운 중간층에 의해 내전압을 커버하고, 이에 따라, 내전압의 면에서 뒤떨어지는, 보다 얇은 제 1 외층 및 제 2 외층의 적어도 한 쪽에 의한 내전압의 부담을 경감할 수 있기 때문이다.
상술한 효과를 보다 완벽하게 나타내도록 하기 위해서는, 전압 인가 직후의 제 1 외층 및 제 2 외층의 각각의 저항값의 양쪽 모두가 중간층의 저항값보다 작아지게 되어 있는 것이 바람직하다.
제 3 국면에서, 제 1 외층은 소자 본체를 구성하는 복수의 층 가운데서 가장 낮은 퀴리 온도를 갖는 정특성 서미스터 재료로 구성되고, 아울러, 보다 바람직하게는, 제 1 외층의 두께가 소자 본체를 구성하는 복수의 층 가운데서 가장 얇아지면, 제 1 전극의 근방에 발열 중심을 위치시킬 수 있다. 한편 제 1 외층 및 제 2 외층의 양쪽 모두가 중간층에 비해 퀴리 온도가 낮은 정특성 서미스터 재료로 구성되고, 아울러, 보다 바람직하게는, 제 1 외층 및 제 2 외층의 각 두께가 중간층의 두께보다 얇아지면, 제 1 전극 및 제 2 전극의 각 근방에 발열 중심을 위치시킬 수 있다.
또, 본 발명에 관한 정특성 서미스터 소자에서, 소자 본체를 구성하는 복수의 층 각각이 정특성 서미스터 재료로 이루어지고, 이들 정특성 서미스터 재료로서, 퀴리 온도가 서로 다른 적어도 두 종류를 이용하는 실시형태에 따르면, 어떠한 원인으로 인해 정특성 소미스터 소자에 과대 전압이 인가되고, 보다 낮은 퀴리 온도를 갖는 층에서 열폭주가 발생하더라도, 보다 높은 퀴리 온도를 갖는 층이 이를 커버하여 열폭주에 의한 파괴를 방지할 수 있다. 따라서, 정특성 서미스터 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
Claims (13)
- 서로 마주보는 제 1 주면 및 제 2 주면을 갖는 소자 본체; 및상기 제 1 주면 및 제 2 주면상에 각각 형성되는 제 1 전극 및 제 2 전극; 을 구비하고,상기 소자 본체는 상기 주면의 연장방향으로 연장되는 계면을 가지고 적층되는 복수의 층으로 이루어지고,상기 제 1 주면측에 위치하는 상기 층은, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 전압이 인가되면서 소정의 시간이 경과한 후, 상기 소자 본체를 구성하는 복수의 상기 층 가운데에서 전압 분담의 비율이 가장 높아지는 저항값을 나타내는 정특성 서미스터 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 정특성 서미스터 소자.
- 서로 마주보는 제 1 주면 및 제 2 주면을 갖는 소자 본체; 및상기 제 1 주면 및 제 2 주면상에 각각 형성되는 제 1 전극 및 제 2 전극; 을 구비하고,상기 소자 본체는 정특성 서미스터 재료로 이루어짐과 아울러 상기 주면의 연장방향으로 연장되는 계면을 가지고 적층되며, 상기 제 1 주면측에 위치하는 제 1 층 및 상기 제 2 주면측에 위치하는 제 2 층의 두 층으로 이루어지고,상기 제 1 층 및 제 2 층은 각각 상기 주면에 직교하는 방향으로 측정한 두께를 가지며 상기 제 1 층의 두께는 상기 제 2 층의 두께의 0.05∼0.43배로 설정되고,또한, 상기 제 1 층은 상기 제 2 층의 퀴리 온도보다 20℃ 이상 낮은 퀴리 온도를 가지는 것을 특징으로 하는 정특성 서미스터 소자.
- 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 전압을 인가한 직후, 상기 제 1 층의 저항값은 상기 제 2 층의 저항값보다 작은 것을 특징으로 하는 정특성 서미스터 소자.
- 서로 마주보는 제 1 주면 및 제 2 주면을 갖는 소자 본체; 및상기 제 1 주면 및 제 2 주면상에 각각 형성되는 제 1 전극 및 제 2 전극; 을 구비하고,상기 소자 본체는 정특성 서미스터 재료로 이루어짐과 아울러 상기 주면의 연장방향으로 연장되는 계면을 가지고 적층되며, 상기 제 1 주면측에 위치하는 제 1 외층; 상기 제 2 주면측에 위치하는 제 2 외층; 및 상기 제 1 외층 및 제 2 외층 사이에 위치하는 적어도 하나의 중간층; 의 세 층 이상으로 이루어지고,상기 제 1 외층, 상기 제 2 외층 및 상기 중간층은, 각각 상기 주면에 직교하는 방향으로 측정한 두께를 가지며, 상기 제 1 외층 및 제 2 외층의 적어도 한 쪽의 두께는 상기 중간층의 두께의 0.05∼0.43배로 설정되고,또한, 상기 제 1 외층 및 제 2 외층의 적어도 한 쪽은, 상기 중간층의 퀴리 온도보다 20℃ 이상 낮은 퀴리 온도를 가지는 것을 특징으로 하는 정특성 서미스터 소자.
- 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 전압을 인가한 직후, 상기 제 1 외층 및 제 2 외층의 적어도 한 쪽의 저항값은, 상기 중간층의 저항값보다 작은 것을 특징으로 하는 정특성 서미스터 소자.
- 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 전압을 인가한 직후, 상기 제 1 외층의 저항값은, 상기 제 2 외층 및 상기 중간층의 각각의 저항값의 어느 한 쪽보다도 작은 것을 특징으로 하는 정특성 서미스터 소자.
- 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 전압을 인가한 직후, 상기 제 1 외층 및 제 2 외층의 각각의 저항값은, 양쪽 모두 상기 중간층의 저항값보다 작은 것을 특징으로 하는 정특성 서미스터 소자.
- 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 외층은, 상기 소자 본체를 구성하는 복수개의 상기 층 중에서 가장 낮은 퀴리 온도를 갖는 정특성 서미스터 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 정특성 서미스터 소자.
- 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 외층의 두께는, 상기 소자 본체를 구성하는 복수의 층 중에서 가장 얇은 것을 특징으로 하는 정특성 서미스터 소자.
- 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 외층 및 제 2 외층은, 상기 중간층에 비해 퀴리 온도가 낮은 정특성 서미스터 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 정특성 서미스터 소자.
- 제 10 항에 있어서, 상기 제 1 외층 및 제 2 외층의 각 두께는, 상기 중간층의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 정특성 서미스터 소자.
- 제 1 항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 기재된 정특성 서미스터 소자; 및 상기 정특성 서미스터 소자의 상기 제 1 전극이 향하는 방향으로 배치되는 가열 대상물; 을 구비하는 것을 특징으로 하는 가열 장치.
- 제 4 항, 제 5 항, 제 7 항, 제 10 항, 제 11항 중 어느 한 항에 기재된 정특성 서미스터 소자; 및 상기 정특성 서미스터 소자의 상기 제 1 전극 및 제 2 전극의 각각이 향하는 방향으로 각각 배치되는 가열 대상물; 을 구비하는 것을 특징으로 하는 가열 장치.
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