KR20050107605A - 폴리머 ｐｔｃ 소자 - Google Patents

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KR20050107605A
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conductive polymer
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overvoltage protection
ptc element
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KR1020057016612A
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나오후미 미야사까
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타이코 일렉트로닉스 레이켐 케이. 케이.
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Abstract

동작하였을 때의 소비 전력을 P, 2차 전지 셀의 만충전 시의 전압을 V로 한 경우에, 저항값이 V2/P 이상으로 되면 열폭주하는 도전성 폴리머를 구비한 과전압 보호 소자를 채용하였다.

Description

폴리머 ＰＴＣ 소자{POLYMER PTC DEVICE}
본 발명은, 특히 폴리머 PTC 소자로 된 PTC 소자, 과전압 보호 소자, 및 전자 기기에 관한 것이다. 본 출원은, 일본 특원2003-62138호를 기초 출원으로 하며, 그 내용을 취득하는 것으로 한다.
휴대 전화, 디지털 카메라, 비디오 카메라, 노트북 퍼스널 컴퓨터 등의 각종 휴대용의 전자 기기는, 그 전원으로서, 충전에 의한 반복 사용이 가능한 2차 전지를 이용하고 있다. 이 2차 전지로서는, 소형화 및 장시간 사용의 요구에 의해, 고에너지 밀도를 갖는 리튬 이온 2차 전지가 널리 이용되고 있다. 하지만, 리튬 이온 2차 전지는, 과충전되게 되면 전지 성능의 열화나 파손의 우려가 있기 때문에, 충전 시에 과충전을 방지할 필요가 있다.
예를 들면 일본 특개2000-31302호 공보에서는, 과충전이 발생한 경우에 리튬 이온 2차 전지를 보호하기 위한 보호 장치가 개시되어 있다. 즉, 이 보호 장치에서는, 충전 회로 내에 PTC 소자 및 퓨즈(저융점 금속)를 설치하고 있으며, 리튬 이온 2차 전지가 과충전 상태로 된 경우에, PTC 소자의 저항값이 증대함으로써 리튬 이온 2차 전지에의 충전 전류를 억제하고 있다. 이 보호 장치는, PTC 소자가 반복 동작에 의한 온도 축적 등의 이유로 과도하게 승온한 경우에, 상기 퓨즈를 용단하여 리튬 이온 2차 전지에의 충전 전류를 끊는다.
일본 특개2002-150918호 공보에서는, 한쌍의 외부 접속용 단자 사이에 PTC 소자를 협지하도록 접속하고, 어느 한쪽의 외부 접속용 단자에 퓨즈 기능을 갖게 한 보호 소자가 개시되어 있다. 이 보호 소자에서는, 상기 퓨즈 기능이, PTC 소자의 동작 온도보다 높은 온도 조건에 도달한 경우에 동작한다.
그런데, 상기 보호 장치 및 보호 소자에서는, 과충전에 의한 전지의 발열에 의해 PTC 소자가 동작한 후에 저융점 금속을 동작시키기 위해서는, 과충전된 전지의 한층 더한 발열을 대기할 필요가 있다. 이것을 개선하기 위해, 보다 융점이 낮은 저융점 금속을 채용하여, 바로 저융점 금속을 동작시키는 수단도 생각된다. 그러나, 이것은, 본래의 사용 시에 단순히 분위기가 고온으로 된 것만으로 저융점 금속이 용단되게 되어, 이것은 실용적이지 않다.
본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 충전 시의 2차 전지에 과전압에 의한 2차 전지의 파손이나 성능 저하를 방지할 수 있는 수단의 제공을 목적으로 한다.
<발명의 개시>
본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해 이하의 수단을 채용하였다.
즉, 본 발명의 PTC 소자는, 2차 전지의 충전 회로 내에 설치되며, 동작하였을 때의 소비 전력을 P, 상기 2차 전지의 만충전 시의 전압을 V로 한 경우에, 저항값이 V2/P 이상으로 되면 열폭주하는 것을 특징으로 한다.
상기 PTC 소자에 따르면, 2차 전지에의 과충전이 발생하면, PTC 소자에 걸리는 전압도, 2차 전지 만충전 시의 전압 V를 초과한다. 이 경우의 PTC 소자는, 저항값이 V2/P 이상으로 되기 때문에 열폭주를 일으켜 급격하게 고온화된다. 이와 같이 하여, 2차 전지에 발생하는 과전압을, PTC 소자의 열폭주라고 하는 형태로 검지할 수 있게 된다.
여기서, 「저항값이 V2/P 이상으로 되면 열폭주한다」란, 저항값이 V2/P를 초과하면 바로 열폭주를 개시하는 것을 의미하고, 저항값이 V2/P를 훨씬 초과한 후에 비로소 열폭주를 개시하는 것까지는 포함하지 않는다. 이 점에서, 종래의 PTC 소자와 크게 다르다. 특히, 과충전이 발생하여 2차 전지가 발열하였을 때의 열에 의해 동작하도록 PTC 소자를 설치해 두면, 보다 유효하게 과전압을 검지할 수 있다.
따라서, 상기 PTC 소자에 따르면, 2차 전지에 발생하는 과전압을, PTC 소자의 열폭주라고 하는 형태로 검지할 수 있기 때문에, 예를 들면, 이 때의 PTC 소자의 온도에 기초하여 충전 회로를 폐쇄할 수 있다. 이 경우, 충전 시의 2차 전지에 과전압이 발생하는 것을 저지할 수 있으므로, 2차 전지의 파손이나 성능 저하를 방지하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 과전압 보호 소자는, 2차 전지의 충전 회로 내에 설치되며, 상기 2차 전지의 과전압이 발생한 경우에 상기 2차 전지에의 전력 공급로를 끊는 과전압 보호 소자로서, 상기 본 발명의 PTC 소자와, 상기 PTC 소자에 대하여 열적 또한 전기적으로 접속되며, 상기 PTC 소자가 열폭주 시의 온도 이상에 도달한 경우에 상기 전력 공급로를 끊는 전기 전도체를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 과전압 보호 소자에 따르면, 충전 시의 2차 전지에 과전압이 가해지면, PTC 소자가 열폭주를 일으켜 고온화된다. 이 고온화에 의한 열은, 열적으로 접속되어 있는 전기 전도체에 전열하여 이것을 가열한다. 이 가열에 의해, 전기 전도체는 PTC 소자가 열폭주 상태에 있는 것을 검지하고, 전력 공급로를 끊는다. 이에 의해, 충전 회로는 복귀성이 없어져, 소위 오픈 모드로 된다.
따라서, 상기 과전압 보호 소자에 따르면, 충전 시의 2차 전지에 과전압이 발생한 경우에, 이것을 PTC 소자가 검지하고 전기 전도체가 전력 공급로를 끊기 때문에, 충전 시의 2차 전지에 과전압이 발생하는 것을 확실하게 저지하여 그 파손이나 성능 저하를 방지하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 전자 기기는, 2차 전지를 수용하는 전지 수용부와, 상기 전지 수용부 내에 수용된 상기 2차 전지에 전력을 공급하는 충전 회로를 구비한 전자 기기에서, 상기 충전 회로 내에, 상기 본 발명의 과전압 보호 소자가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 전자 기기에 따르면, 과전압이 걸리는 것에 의한 2차 전지의 손상을 방지할 수 있기 때문에, 2차 전지의 파손을 방지하는 것이 가능하게 된다. 이에 의해, 2차 전지의 파손에 의해 전자 기기가 손상되는 것을 방지하는 것도 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 과전압 보호 소자를 구비한 전자 기기의 제1 실시 형태를 도시하는 도면으로서, 배터리팩의 내부 구조의 설명도.
도 2A, 도 2B는 동일 과전압 보호 소자를 도시하는 도면으로서, 도 2A는 평면도, 도 2B는 측면도.
도 3은 동일 과전압 보호 소자에 구비되어 있는 도전성 폴리머의 PTC 특성을 도시하는 그래프로서, 횡축이 도전성 폴리머의 온도, 종축이 도전성 폴리머의 전기 저항을 도시하는 도면.
도 4A, 도 4B는 본 발명의 과전압 보호 소자의 제2 실시 형태를 도시하는 도면으로서, 도 4A는 평면도, 도 4B는 측면도.
<발명을 실시하기 위한 최량의 형태>
본 발명의 PTC 소자, 과전압 보호 소자, 및 전자 기기의 각 실시 형태에 대한 설명을, 도면을 참조하면서 이하에 행하지만, 본 발명이 이들에 한정 해석되는 것이 아닌 것은 물론이다.
각 실시 형태의 설명에서는, 본 발명의 전자 기기가 휴대 전화 등의 배터리팩인 경우를 예로 들어 설명을 행하는 것으로 한다. 그러나, 본 발명의 용도가 휴대 전화에 한정되는 것이 아니라, 디지털 카메라, 비디오 카메라, 노트북 퍼스널 컴퓨터, 그 밖의 전자 기기에 적용해도 된다.
[제1 실시 형태]
우선, 도 1 내지 도 3을 참조하면서, 본 발명의 제1 실시 형태에 대하여 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 배터리팩(전자 기기)(1)은, 2차 전지 셀(2차 전지)(2)과, 외부로부터의 전력을 받아 2차 전지(2)에 공급하는 충전 회로(3)와, 이들을 수용하는 수용부(4a)가 형성된 케이스(4)를 구비하여 구성되어 있다.
상기 2차 전지 셀(2)은, 정전극 재료에 망간을 함유하는 재료가 적용된 리튬 이온 2차 전지로서, 정극 전극(2a) 및 부극 전극(2b)을 구비하고 있다.
상기 충전 회로(3)는, 2차 전지 셀(2)의 과전압이 발생한 경우에 이 2차 전지 셀(2)에의 전력 공급로를 끊는 과전압 보호 소자(3a)와, 이 과전압 보호 소자(3a) 및 상기 정극 전극(2a) 간을 접속하는 배선(3b)과, 과전압 보호 소자(3a) 및 후술의 외부 부극 단자(4b) 간을 접속하는 배선(3c)과, 부극 전극(2b) 및 후술의 외부 정극 단자(4c) 간을 접속하는 배선(3d)을 구비하고 있다.
상기 케이스(4)는, 예를 들면 수지 성형품으로 이루어지는 용기이며, 이것이 장착되는 전자 기기와의 사이에서 충방전 전류를 입출력하는 외부 부극 단자(4b) 및 외부 정극 단자(4c)를 구비하고 있다.
도 2A, 도 2B에 도시한 바와 같이, 상기 과전압 보호 소자(3a)는, 도전성 폴리머(PTC 소자)(5)와, 이 도전성 폴리머(5)의 일단측에 직접 접속된 저융점 금속재(전기 전도체)(6)와, 타단측에 직접 접속된 리드(7)와, 이 리드(7)와 함께 도전성 폴리머(5) 및 저융점 금속재(6)를 사이에 협지하도록 저융점 금속재(6)측에 직접 접속된 다른 리드(8)를 구비하고 있다.
도전성 폴리머(5)는, 평면에서 보았을 경우에 직사각형을 이루는 판 형상 부재이며, 예를 들면 폴리에틸렌과 카본 블랙을 혼합한 혼합물에 방사선 가교를 행하여 얻어지는 고분자 수지체이다. 이 도전성 폴리머(5)의 내부는, 상온에서는 카본 블랙의 입자가 상호 연결되어 존재하기 때문에, 전류가 흐르는 다수의 도전 패스가 형성되어 양호한 도전성을 발휘한다. 한편, 주변의 환경 온도의 상승이나 도전 패스를 흐르는 전류의 초과 등에 의해 열팽창을 일으키면, 카본 블랙의 각 입자간의 거리가 넓어져 도전 패스가 차단되기 때문에, 도전성이 급격하게 저하되는(전기 저항이 증대되는) 특성을 구비하고 있다. 이 도전성 폴리머(5)의 상하면에는, 리드(7) 및 저융점 금속재(6)와의 접합 부분에서의 전기 저항을 낮게 하기 위해, 금속박이 설치되어 있지만, 도면에서는 이것의 도시를 생략하고 있다.
이와 같이, 도전성 폴리머(5)는, 자신이 열팽창함으로써 도전성을 변화시키는 PTC 특성(플러스의 저항 온도 특성. 여기서, PTC란 Positive Temperature Coefficient의 약칭을 나타냄)을 구비하고 있다. 이 PTC 특성에 대하여, 도 3을 이용하여 설명한다.
도 3의 곡선으로 나타낸 바와 같이, 도전성 폴리머(5)의 작동 영역은, 대략적으로 3개의 영역으로 구분된다. 즉, 제1 영역 A는, 과전류 혹은 발열에 의해 도전성 폴리머(5)가 동작하지 않는 영역으로, 충전 시에 있어서의 통상 사용 영역이다. 이 제1 영역 A에서는, 도전성 폴리머(5)의 저항이 비교적 낮다.
제2 영역 B는, 과전류 혹은 열에 의해 도전성 폴리머(5)가 동작하는 영역이다. 이 제2 영역 B에서는, 과전류 혹은 열에 의해, 도전성 폴리머(5)의 전기 저항이 급격하게 증대된다. 예를 들면, 2차 전지(2)가 쇼트하여 과전류가 흐른 경우, 도전성 폴리머(5)가 동작하였을 때의 소비 전력을 P, 저항을 R, 전압을 Vp(이 전압 Vp는, 2차 전지 셀(2)의 현재의 전압과 동일함)로 한 경우에, P=Vp2/R로 된다. 이 제2 영역 B에서는, 과전압이 인가되어 있지 않기 때문에 저저항(제1 영역 A)으로 복귀 가능(리세터블)하다. 과충전 등의 동작 시에 과전압이 인가된 경우에는, 제3 영역 C로 이행한다.
이 제3 영역 C는, 소위 열폭주 영역으로 불리며, 전압 Vp의 상승에 저항 R의 상승이 따라가지 못해 도전성 폴리머(5)의 온도가 T2 이상으로 급상승한다. 이 온도 T2에서의 동작 포인트가 열폭주 개시점으로 되어 있으며, 그 때의 저항값이 R2이다. 종래의 리튬 이온 2차 전지에서는, 내전압성을 향상시키는 것만을 고려하여 이 저항값 R2를 예를 들면 1000Ω 레벨의 고저항 값으로 설정하고 있다. 이 저항값은, 열폭주 개시점에서의 저항값보다 훨씬 높은 저항값이다.
이에 대하여, 본 실시 형태의 도전성 폴리머(5)는, 소비 전력을 P, 2차 전지 셀(2)의 만충전 시의 전압을 V로 한 경우에, 저항값이 V2/P 이상으로 되면 열폭주하도록, 열폭주 개시점의 저항값 R2를 설정하고 있다. 이 저항값 R2는, 예를 들면 리튬 이온 2차 전지에 사용하는 것을 상정하여, 소비 전력 P를 1W, 2차 전지 셀(2)의 만충전 시의 전압 V를 4.2V로 한 경우, 약 16Ω 레벨로 되어, 종래에 비해 매우 낮아진다. 이러한 비교적 낮은 저항값 R2를 열폭주 개시점에 채용함으로써, 2차 전지 셀(2)에 과전압이 걸려 파손되기 전에, 확실하게 검지하는 것이 가능하다.
이러한 저저항값을 열폭주 개시점으로 하는 도전성 폴리머(5)는, 방사선 가교할 때의 방사선량을 감소시키거나, 첨가하는 카본 블랙의 양을 조정함으로써 얻어진다.
상기 저융점 금속재(6)는, 직사각형 형상으로 형성된 금속 부품으로, 도전성 폴리머(5)에 대하여 열적 또한 전기적으로 접속되어 있다. 이 저융점 금속재(6)는, 소정 온도 이상으로 가열된 경우에 용단되는 특성을 구비하고 있다. 본 실시 형태에서는, 이 소정 온도를, 도전성 폴리머(5)가 열폭주 개시점에 도달하였을 때의 온도 T2에 맞추고 있다.
저융점 금속재(6)의 용단 위치는, 예를 들면 도 2A, 도 2B의 파선으로 나타내는 위치로 된다. 이와 같이 2개로 용단함으로써, 리드(7, 8) 간을 물리적(전기적)으로 차단하고, 충전 회로(3)를 개방하여 전력 공급로를 즉각 끊는 것이 가능하다.
상기 리드(7, 8)는, 각각 상기 배선(3b, 3c)에 접속되어 있다. 따라서, 2차 전지 셀(2)의 부극 전극(2a), 배선(3b), 리드(8), 저융점 금속재(6), 도전성 폴리머(5), 리드(7), 외부 부극 단자(4b)의 순으로 전기적으로 접속된다.
이상 설명한 구성을 갖는 본 실시 형태의 과전압 보호 소자(3a)를 구비한 배터리팩(1)에의 충전 동작에 대하여 이하에 설명한다.
우선, 이 배터리팩(1)을 충전기에 장착하여 충전을 개시한다. 또는, 이 배터리팩(1)을 전원으로 하는 전자 기기에 직접 장착하고, 이 전자 기기를 통해 충전한다.
이 때, 충전기나 전자 기기의 문제점에 의해 2차 전지 셀(2)에의 과전압이 발생하면, 2차 전지 셀(2)이 발열하고, 도전성 폴리머(5)는 그 발열에 의해 동작한다(제2 영역 B). 이 때, 도전성 폴리머(5)에 걸리는 전압이 만충전 시의 전압 V를 초과한 것으로 된다. 이 경우의 도전성 폴리머(5)는 저항값이 V2/P 이상으로 되기 때문에, 동작점이 상기 열폭주 개시점을 초과하여 열폭주 영역(제3 영역 C)으로 들어 가, 급격하게 고온화된다. 이 고온화에 의한 열은, 열적으로 접속되어 있는 저융점 금속재(6)에 전열하여 이것을 가열한다. 이 가열에 의해 온도가 T2 이상에 도달하기 때문에, 저융점 금속재(6)는 도전성 폴리머(5)가 열폭주 상태에 있는 것을 검지하고 스스로 용단하여, 전력 공급로를 끊는다. 이에 의해, 2차 전지 셀(2)에의 또 다른 충전 전류의 공급이 차단된다. 이와 같이, 과전압에 의해 과충전된 경우에, 복귀성이 없는, 소위 오픈 모드로 되는 충전 회로가 제공된다.
한편, 도전성 폴리머(5)가 동작하였을 때에 인가되는 전압이 만충전 시의 전압 V 이하인 경우에는, 복귀성이 있는(리세터블한) 과전류·과열 보호 소자로서 기능한다.
이상 설명의 본 실시 형태의 과전압 보호 소자(3a)를 구비한 배터리팩(1)에 따르면, 충전 시의 2차 전지 셀(2)에 과전압이 발생한 경우에, 이것을 도전성 폴리머(5)가 검지하고 저융점 금속재(6)가 전력 공급로를 끊기 때문에, 충전 시의 2차 전지 셀(2)에 과전압이 발생하는 것을 확실하게 저지하여 그 파손이나 성능 저하를 방지하는 것이 가능하게 된다.
[제2 실시 형태]
계속해서, 본 발명의 제2 실시 형태에 대하여 도 4A, 도 4B를 이용하여 이하에 설명한다. 본 실시 형태의 설명에서는, 상기 제1 실시 형태와의 차이를 중심으로 설명하며, 그 외에 대해서는 상기 제1 실시 형태와 마찬가지인 것으로 하여 동일 부호를 이용하고, 그 설명을 생략한다.
도 4A, 도 4B에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 과전압 보호 소자(3a)는, 도전성 폴리머(5) 및 저융점 금속재(6) 간의 접속을 직접 접속하는 것이 아니라, 이들 사이에 니켈재 또는 구리재로 이루어지는 리드(10)를 개재시켜 접속하고 있다. 즉, 리드(10)의 일단측에 저융점 금속재(6)를 접속함과 함께, 타단측에 도전성 폴리머(5)를 접속하고 있다. 이 리드(10)는, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지로, 도전성 폴리머(5) 및 저융점 금속재(6) 간을 전기적 또한 열적으로 접속하고 있다.
본 실시 형태에서도, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지의 작용 효과를 얻는 것이 가능하다. 이 외에, 본 실시 형태의 과전압 보호 소자(3a)는, 도전성 폴리머(5) 및 저융점 금속재(6) 간의 접속 강도를 리드(10)에 의해 증강하고 있기 때문에, 구조적으로 보다 높은 강도를 확보하는 것도 가능하다.
상기 각 실시 형태에서는, 본 발명의 과전압 보호(3a)가, 충전되는 배터리팩(1)측에 장비되는 것으로 하였지만, 이에 한하지 않고, 배터리팩(1)을 충전하는 충전기나 전자 기기측에 설치하는 것으로 해도 된다.
상기 각 실시 형태에서는, 도전성 폴리머(5)의 열을 검지하여 전력 공급로를 끊는 전기 전도체가 저융점 금속재(6)인 경우를 예로 들어 설명하였지만, 전력 공급로를 끊을 수 있으면 되고, 서미스터 스위치 등, 그 밖의 것을 채용해도 된다.
본 발명의 PTC 소자에 따르면, 2차 전지에 발생하는 과전압을, PTC 소자의 열폭주라고 하는 형태로 검지할 수 있기 때문에, 예를 들면, 이 때의 PTC 소자의 온도에 기초하여 충전 회로를 폐쇄할 수 있다. 이 경우, 충전 시의 2차 전지에 과전압이 발생하는 것을 저지할 수 있기 때문에, 2차 전지의 파손이나 성능 저하를 방지하는 것이 가능하게 된다.

Claims (3)

  1. 2차 전지의 충전 회로 내에 설치되며,
    동작하였을 때의 소비 전력을 P, 상기 2차 전지의 만충전 시의 전압을 V로 한 경우에, 저항값이 V2/P 이상으로 되면 열폭주하는 PTC 소자.
  2. 2차 전지의 충전 회로 내에 설치되며, 상기 2차 전지의 과전압이 발생한 경우에 상기 2차 전지에의 전력 공급로를 끊는 과전압 보호 소자로서,
    제1항의 PTC 소자와, 상기 PTC 소자에 대하여 열적 또한 전기적으로 접속되며, 상기 PTC 소자가 열폭주 시의 온도 이상에 도달한 경우에 상기 전력 공급로를 끊는 전기 전도체를 구비하는 과전압 보호 소자.
  3. 2차 전지를 수용하는 전지 수용부와, 상기 전지 수용부 내에 수용된 상기 2차 전지에 전력을 공급하는 충전 회로를 구비한 전자 기기로서,
    상기 충전 회로 내에, 제2항의 과전압 보호 소자가 설치되어 있는 전자 기기.
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