KR20150048241A

KR20150048241A - 보호 소자

Info

Publication number: KR20150048241A
Application number: KR1020157008146A
Authority: KR
Inventors: 게이이치로 노무라; 노부유키 시바하라; 다카유키 요코타
Original assignee: 타이코 일렉트로닉스 저팬 지.케이.
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2015-05-06
Also published as: TWI628688B; JP6231985B2; CN104584176B; TW201409519A; CN104584176A; WO2014034833A1; US20150333497A1; US10050431B2; JPWO2014034833A1

Abstract

본 발명은 절연성 수지에 의해 형성되고, 적어도 1개의 관통 개구부를 갖는 층상 요소(16); 층상 요소의 각 주표면 상에 위치하는 도전성 금속박층(22 및 28); 및 상기 관통 개구부의 적어도 1개를 규정하는 측면 상에 위치하고, 도전성 금속박층을 전기적으로 접속하는 퓨즈층으로서, 적어도, 고융점 금속을 포함하는 제1 금속층(41) 및 저융점 금속(42)을 포함하는 제2 금속층을 포함하는 퓨즈층(40)을 갖는 보호 소자를 제공한다. 본 발명의 보호 소자는, 더 큰 전류를 흘리는 것을 가능하게 하면서도, 과잉 전류에 대한 보호를 제공할 수 있다.

Description

보호 소자{PROTECTION ELEMENT}

본 발명은 전기 장치를 보호하는 보호 소자, 보다 상세하게는, 전기 장치에 포함되는 전기 요소 또는 회로를 보호하는 보호 소자에 관한 것이다. 예를 들어, 2차 전지와 같은 전기 장치 내에서 과잉의 전류가 흘렀을 경우에, 그 전류의 흐름을 차단하는 보호 소자, 즉, 과전류 보호 소자에 관한 것이다.

원통형 리튬 이온 2차 전지의 충전 또는 방전 시에 과잉 전류가 흘렀을 경우에 그 전류의 흐름을 차단하는 보호 소자로서, 온도 퓨즈 소자, 전류 퓨즈 소자, 중합체 PTC 소자 등이 사용되고 있다. 그 중에서도, 중합체 PTC 소자는, 2차 전지의 밀봉판에 내장하여 배치할 수 있으므로, 특히 다수의 2차 전지에 의해 구성하는 전지팩이 콤팩트해지는 점에서 유용하다.

그러나, 시판되고 있는 예를 들어 원환형 PTC 소자는, 큰 전류(예를 들어 10A의 전류)를 계속하여 통전할 수 없다. 또한, PTC 소자는 이상이 제거되어서 온도가 저하되면, 저저항이 되는 복귀성을 갖지만, 용도에 따라서는 문제가 발생하는 경우가 있다. 예를 들어, 다병렬로 사용하는 원통형 리튬 이온 2차 전지 셀에 있어서 PTC 소자를 사용하는 경우, PTC 소자를 사용하고 있는 단락된 셀을 제거하지 않는 한, 그 셀이 계속하여 발열하여, 결과적으로 전지 셀이 파열될 가능성이 있다.

이러한 문제점을 고려하여, 원통형 리튬 이온 2차 전지 셀에 있어서, 예를 들어 밀봉판의 내측에서 PTC 소자 대신에 스페이서를 사용하는 것이 제안되어 있다(하기 비특허문헌 1 참조). 그러나, 스페이서를 사용하는 경우, 과잉 전류에 대한 보호를 확보할 수 없다는 문제점이 있다.

Matsushita Technical Journal Vol. 52 No. 4 Aug. 2006 pp31-35

또한, 과전류 보호 소자에 있어서는, 정격 용량을 그다지 크게 상회하지 않는 과잉 전류, 예를 들어 정격 용량의 2배 정도의 과잉 전류여도, 신속 또한 확실하게 과잉 전류를 차단하는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 더 큰 전류를 흘리는 것을 가능하게 하면서, 정격 용량을 그다지 크게 상회하지 않는 과잉 전류, 예를 들어 정격 용량의 2배 정도의 과잉 전류에 대해서도, 확실 또한 신속한 보호를 제공할 수 있는 보호 소자를 제공하는 것이다.

제1 요지에 있어서, 본 발명은

절연성 수지에 의해 형성되고, 적어도 1개의 관통 개구부를 갖는 층상 요소,

층상 요소의 각 주표면 상에 위치하는 도전성 금속박층, 및

상기 관통 개구부의 적어도 1개를 규정하는 측면 상에 위치하고, 도전성 금속박층을 전기적으로 접속하는 퓨즈층으로서, 적어도, 고융점 금속을 포함하는 제1 금속층 및 저융점 금속을 포함하는 제2 금속층을 포함하는 퓨즈층

을 포함하는, 보호 소자를 제공한다.

제2 요지에 있어서, 본 발명은 상술 및 후술하는 바와 같은 본 발명의 보호 소자를 포함하는 전기 장치, 예를 들어 2차 전지를 제공한다.

본 발명의 보호 소자는, 절연성 수지에 의해 형성된 층상 요소를 포함하고, 이 층상 요소는, 적어도 1개의 관통 개구부를 갖는다. 이 개구부는, 층상 요소의 두께 방향을 따라서 연장하여 층상 요소를 관통하고 있고, 그 두께 방향에 수직인 방향의 단면 형상은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 원형인 것이 바람직하다. 그러나, 다른 형상, 예를 들어 정사각형, 마름모형, 직사각형, 타원형이어도 된다. 관통 개구부의 수는 적어도 1개이다. 즉, 1개 또는 2개 이상이며, 예를 들어 2개, 3개, 4개, 5개, 8개, 9개여도 되는데, 보호 소자에 요구되는 보호의 정도에 따라 적절히 선택할 수 있다. 1개의 관통 개구부를 갖는 경우, 관통 개구부는 층상 요소의 중심부, 즉, 두께 방향에 수직인 방향의 단면 형상의 중심부에 위치하는 것이 바람직하다.

층상 요소를 구성하는 절연성 수지는, 전기적으로 절연성을 갖는 수지라면 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카르보네이트, 불소계 수지, ABS 수지, 폴리카르보네이트-ABS 알로이 수지, PBT 수지, 엘라스토머 등의 수지를 예시할 수 있다. 특히 폴리에틸렌이나 폴리불화비닐리덴과 같은 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 그와 같은 수지는, 중합체 PTC 소자에 사용하는 중합체와 마찬가지의 유연성을 갖고 있어, 중합체 PTC 소자 대신에 본 발명의 보호 소자를 2차 전지 셀의 밀봉판에 내장할 수 있고, 또한, 일반적으로 전기 장치에 있어서 신뢰하고 사용할 수 있다는 점에서 유리하다. 다른 형태에서는, 본 발명의 보호 소자를, 상술한 2차 전지 셀의 밀봉판의 내측에서 사용되고 있는 스페이서 대신에 사용할 수 있고, 그 경우, 보호 소자는, 와셔로서 사용할 수 있다.

이 층상 요소는, 그 양측의 주표면 상에 배치된 도전성 금속박층을 갖고 이루어진다. 이 도전성 금속박층은, 도전성을 갖는 금속의 박층(예를 들어, 두께가 0.1㎛ 내지 100㎛ 정도)이라면 특별히 한정되는 것이 아니며, 예를 들어 구리, 니켈, 알루미늄, 금 등의 금속에 의해 구성할 수 있고, 복수의 금속박층에 의해 형성되어 있어도 된다.

도전성 금속박층이 각 주표면 상에 위치하는 층상 요소는, 층상 요소를 구성하는 절연성 수지를, 금속박층을 구성하는 금속 시트(또는 금속박)와 함께 동시 압출함으로써, 금속 시트(또는 금속박)의 사이에 절연성 수지가 끼워진 상태의 압출물을 얻는 것에 의해 제조할 수 있다. 다른 형태에서는, 절연성 수지의 층상물을 예를 들어 압출에 의해 얻고, 이 층상물을 금속 시트(또는 금속박)의 사이에 끼우고, 이들을 일체로 열 압착하여 압착물을 얻는 것에 의해 제조할 수도 있다. 이러한 압출물(또는 압착물)은 도전성 금속박층을 양측의 주표면에 갖는, 절연성 수지의 층상 요소가 다수 인접하여 집합한 상태이며, 압출물(또는 압착물)을 소정의 형상·치수로 잘라내어, 단일의, 도전성 박층을 갖는 층상 요소를 얻을 수 있다.

또한, 다른 형태에서는, 절연성 수지의 층상 요소에 도전성 금속의 도금을 실시함으로써, 양측의 주표면 상에 도전성 금속박층을 형성해도 된다. 이 경우에도, 상술한 바와 같이 집합 상태의 것을 얻고, 그 후, 개별의 층상 요소로 분할하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 도금할 경우, 층상 요소는, 그 주표면에 다른 금속층, 특히 바람직하게는 금속박을, 예를 들어 상술한 바와 마찬가지로, 압출 또는 열 압착함으로써, 미리 다른 금속층을 층상 요소에 밀착시켜 두는 것이 특히 바람직하다. 이 경우, 이 다른 금속층 상에 도전성 금속박층을 도금에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 이 도전성 금속박층을 도금에 의해 형성하는 경우, 도전성 금속박층으로서의 도금층이, 층상 요소에 밀착하고 있는 다른 금속층에 밀착할 수 있다는 점에서 유리하다. 예를 들어, 본 발명의 보호 소자는, 층상 요소의 양측 주표면에 다른 금속층으로서 니켈박 또는 니켈 도금 구리박을 갖고, 니켈 도금 및 주석 도금에 의해 형성된, 도전성 금속박층 및 퓨즈층을 구성하는 금속층을 갖는다.

층상 요소의 형태는, 두께 방향의 디멘전이 다른 디멘전보다 작은, 바람직하게는 상당히 작은 것(예를 들어 시트 형태)이라면, 특별히 한정되는 것은 아니다. 층상 요소의 평면 형상(층상 요소를 바로 위로부터 본 경우의 도형, 예를 들어 도 2에 도시하는 보호 소자의 윤곽 형상) 또는 층상 요소의 두께 방향에 수직인 방향의 단면 형상이, 기하학적으로 선대칭 및/또는 점대칭의 형상, 예를 들어, 원형, 정사각형, 직사각형, 마름모형, 환상(특히 원환형, 소위 도우넛 형상) 등의 형상의 주표면으로서 갖는 것이 바람직하다.

그 중에서도, 층상 요소는, 환상, 특히 원환형인 것이 바람직하다. 환상의 경우, 중앙의 개구부, 예를 들어 원환형의 경우 중앙의 원형 개구부가, 본 발명의 관통 개구부이면 된다. 또한, 층상 요소는, 환상을 규정하는 내측 둘레와 외측 둘레 사이의 부분(예를 들어 그 중간부)에, 추가의 관통 개구부, 예를 들어 단면이 원형인 관통 개구부를 1 또는 그 이상 가져도 된다.

본 발명의 보호 소자는, 그와 같은 관통 개구부의 적어도 1개를 규정하는 측면 상에 위치하고, 층상 요소의 양측 주표면에 위치하는 도전성 금속박층을 전기적으로 접속하는 퓨즈층을 갖는다. 그 퓨즈층은, 융점이 서로 다른 적어도 2종의 금속층을 포함한다(이하, 2종의 금속층 중, 고융점 금속을 포함하는 층을 「제1 금속층」이라고 하고, 저융점 금속을 포함하는 층을 「제2 금속층」이라고 함). 상기 퓨즈층은, 3층 이상의 금속층을 포함할 수도 있다. 상기 퓨즈층이 3층 이상의 금속층을 포함하는 경우, 이 층을 형성하는 금속은 모두 상이할 필요는 없고, 적어도 2종이 상이하면 된다. 바람직하게는 제1 금속층 및 제2 금속층 이외의 다른 금속층의 융점은, 제2 금속층의 융점 이상의 온도이며, 보다 바람직하게는 제1 금속층의 융점 이하, 또한, 제2 금속층의 융점 이상의 온도이다. 상기 금속층이 적층될 경우, 적층순은 한정되지 않고, 제품 요구 등에 따라 적절히 설정할 수 있다. 예를 들어, 부식 내성이 요구되는 경우, 최외층을 형성하는 금속을 Ni 등으로 할 수 있다. 또한, 상기 금속층은 적층되어 있는 것이 바람직하지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 관통 개구부의 절반의 둘레에 1개의 층이 형성되고, 나머지의 절반의 둘레에 다른층이 형성되어 있어도 된다. 본 발명의 보호 소자는, 이러한 구조를 취함으로써, 보호 소자의 정격 용량의 1.2 내지 4배, 바람직하게는 1.5 내지 2.0배의 과잉 전류가 흐른 경우에도, 아크의 발생을 억제하여, 신속 또한 확실하게 과잉 전류를 차단할 수 있다.

본 발명은 어떠한 이론에 의해서도 구속되지 않지만, 본 발명의 보호 소자는, 하기와 같이 과잉 전류를 차단한다고 생각된다. 한쪽의 주표면 상의 도전성 금속박층으로부터 다른쪽의 주표면 상의 도전성 금속박층을 향하여 과잉 전류가 흐르려고 하는 경우에, 과잉 전류가 집중적으로 퓨즈층에 흘러서 발열하는 결과, 먼저, 저융점 금속을 포함하는 제2 금속층이 용단된다. 그 결과, 제2 금속층에 흐르고 있었던 전류도 제1 금속층에 흘러, 제1 금속층에 흐르는 전류가 증대하므로, 보호 소자의 정격 용량의 저배율의 과잉 전류, 예를 들어 정격 용량의 1.5 내지 2.0배의 과잉 전류가 흐른 경우에도, 제1 금속층이 빠르게 용단되어, 과잉 전류가 신속 또한 확실하게 차단된다. 퓨즈층이 3층 이상의 금속층을 포함하는 경우에도, 상기와 마찬가지로, 처음에 가장 융점이 낮은 금속층이 용단되고, 나머지 금속층에 전류가 옮겨 흐르게 되어, 이 금속층에 흐르는 전류가 증대된다. 그리고, 이러한 용단과 옮겨 흐르기가 순차 반복됨으로써, 빠르게 퓨즈층이 용단되어, 과잉 전류가 신속 또한 확실하게 차단된다.

상기 금속층을 형성하는 금속으로서는, 도전성이라면 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, Ni, Cu, Ag, Au, Al, Zn, Rh, Ru, Ir, Pd, Pt, Ni-P 합금, Ni-B 합금, Sn, Sn-Ag 합금, Sn-Cu 합금, Sn-Ag-Cu 합금, Sn-Ag-Cu-Bi 합금, Sn-Ag-Cu-Bi-In 합금, Sn-Ag-Bi-In 합금, Sn-Ag-Cu-Sb 합금, Sn-Sb 합금, Sn-Cu-Ni-P-Ge 합금, Sn-Cu-Ni 합금, Sn-Ag-Ni-Co 합금, Sn-Ag-Cu-Co-Ni 합금, Su-Bi-Ag 합금, Sn-Zn 합금, Sn-In 합금, Sn-Cu-Sb 합금, Sn-Fe 합금, Zn-Ni 합금, Zn-Fe 합금, Zn-Co 합금, Zn-Co-Fe 합금, Sn-Zn 합금, Pd-Ni 합금 및 Sn-Bi 합금을 들 수 있다.

이 중, 상기 고융점 금속으로서는, 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, Ni, Cu, Ag, Au, Al, Zn, Sn, Rh, Ru, Ir, Pd, Pt, Sn, Ni-Au 합금, Ni-P 합금 및 Ni-B 합금을 들 수 있다. 상기 제1 금속층은, 상기 고융점 금속을 무전해 도금함으로써 형성되는 것이 바람직하지만, 이것에 한정되지 않는다.

상기 저융점 금속으로서는, 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, Sn, Sn-Ag 합금, Sn-Cu 합금, Sn-Ag-Cu 합금, Sn-Ag-Cu-Bi 합금, Sn-Ag-Cu-Bi-In 합금, Sn-Ag-Bi-In 합금, Sn-Ag-Cu-Sb 합금, Sn-Sb 합금, Sn-Cu-Ni-P-Ge 합금, Sn-Cu-Ni 합금, Sn-Ag-Ni-Co 합금, Sn-Ag-Cu-Co-Ni 합금, Su-Bi-Ag 합금, Sn-Zn 합금 및 Sn-Bi 합금을 들 수 있다. 상기 저융점 금속은, 층상 요소를 구성하는 절연성 수지의 분해 온도보다도 낮은 융점을 갖는 도전성 금속인 것이 바람직하다. 층상 요소를 구성하는 절연성 수지의 분해 온도보다도 낮은 융점을 갖는 도전성 금속을 사용함으로써, 과잉 전류가 흘렀을 경우에, 퓨즈층이 절연성 수지의 분해 온도에 달하기 전에 절단되어, 절연성 수지의 분해를 방지할 수 있다. 절연성 수지의 분해 온도란, 절연성 수지가 열분해되는 온도를 말하고, 예를 들어 시차열 열중량 동시 측정 장치(TG-DTA)에 의해 측정할 수 있다. 예를 들어, 절연성 수지가 고밀도 폴리에틸렌일 경우, 공기 중에서 300 내지 550℃의 사이에 단계적인 중량 감소가 보이고, 특히 400℃ 이상에 있어서 급격한 중량 감소가 발생한다. 즉, 400℃가 분해 온도이다. 상기 제2 금속층은, 상기 제1 금속층 상에 상기 저융점 금속을 전해 도금함으로써 형성되는 것이 바람직하지만, 이것에 한정되지 않는다.

퓨즈층의 두께는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 0.001 내지 0.02mm인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.002 내지 0.015mm이다. 퓨즈층의 두께가 0.001mm 미만인 경우에는, 균일한 도금층을 성형하는 것이 곤란하여 핀 홀 등이 발생할 수 있다. 한편, 퓨즈층의 두께가 0.02mm를 초과하는 경우에는, 도금 성형에 있어서의 시간과 비용이 커진다. 이러한 경우에는, 관통 개구부의 수량 또는 관통 개구부의 직경을 증가시킴으로써 소자 특성을 조정하는 편이 바람직하다.

퓨즈층에 있어서의 각 금속층의 두께의 비율은, 원하는 특성을 얻을 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 퓨즈층이, 제1 금속층 및 제2 금속층을 포함하는 경우, 제1 금속층과 제2 금속층의 비(두께비)는 1:100 내지 5:1, 바람직하게는 1:25 내지 3:5, 보다 바람직하게는 1:25 내지 3:10이다.

퓨즈층을 측면 상에 갖는 관통 개구부를 1개 설치하는 경우, 층상 요소는 원형 또는 다른 적당한, 원래 구멍이 없는 평판 형상이며, 그 중심부(평면 형상이 원형(즉, 원판 형상)인 층상 요소와 같이, 그와 같은 중심부가 존재하는 경우)에 관통 개구부(「중심 관통 개구부」라고도 칭함)를 설치하는 것이 바람직하다. 그 결과, 층상 요소는 엄밀하게는 환상의 형상을 갖게 된다. 이러한 환상의 형상을 갖는 층상 요소의 한쪽의 주표면의 도전성 금속박층에 흐르는 전류는, 관통 개구부의 한쪽의 단부를 향하여 흐르고, 그 후, 퓨즈층을 통과하여, 관통 개구부의 다른쪽 단부로부터 층상 요소의 다른쪽의 주표면의 도전성 금속박층 상에 방사상으로 흐른다.

이렇게 층상 요소에 관통 개구부를 1개 설치하는 형태에서는, 나중에 상세하게 설명하는 복수의 관통 개구부를 형성하는 형태와 비교하여, 더 큰 관통 개구부를 환상 요소의 중심부에, 중심 관통 개구부로서 설치하는 것이 바람직하고, 그 관통 개구부의 측면 상에 퓨즈층을 형성한다. 그와 같은 보호 소자는, 저항값을 작게 할 수 있으므로, 적합한 금속층 재료를 선택함으로써 대용량의 전류(바람직하게는 20A보다 큰 전류, 예를 들어 30 내지 40A 또는 그것보다 큰 전류, 예를 들어 50A)를 흘리는 경우에 적절하게 사용할 수 있다. 또한, 관통 개구부를 1개 설치할 뿐이므로, 보호 소자의 제조가 간단해진다.

바람직한 형태로는, 층상 요소는, 도 2 또는 도 5에서 도시하는 바와 같이, 내측 둘레(30) 및 외측 둘레(34)에 의해 규정되는 원환형이다. 층상 요소의 내측 둘레를 규정하는 원의 직경은 예를 들어 6 내지 16mm이며, 그 외측 둘레를 규정하는 원의 직경은 예를 들어 13 내지 24mm인 것이 바람직하다. 20 내지 30A의 전류를 흘리는 경우의 보호 소자로서는, 내측 둘레의 원 직경은 예를 들어 6.5mm이며, 퓨즈층의 두께는, 예를 들어 0.008mm인 것이 바람직하다.

복수의 관통 개구부를 형성할 경우, 층상 요소를 통과하는 전류가 가급적 균등하게 각 관통 개구부의 퓨즈층에 흐르도록 관통 개구부를 배치하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 중심 관통 개구부를 갖는 원환형의 층상 요소의 둘레 형상 부분(즉, 내측 둘레와 외측 둘레에 의해 규정되는 층상 요소의 본체 부분)에, 동일한 단면 형상 및 사이즈를 갖는 관통 개구부(「주변 관통 개구부」라고도 칭함)를 복수 설치해도 되고, 이 경우, 원환을 규정하는 내측 둘레의 원의 중심에 대하여 동일한 각도로 관통 개구부를 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 180°마다 2개, 120°마다 3개, 90°마다 4개, 60°마다 6개 관통 개구부를 형성한다. 단, 보호 소자의 사용 조건에 따라, 층상 요소는, 주변 관통 개구부를 1개만 가져도 된다. 따라서, 둘레 형상 관통 개구부의 수는 예를 들어 1 내지 6이면 된다.

원환형의 층상 요소를 규정하는, 내측 둘레의 원, 즉, 중심 관통 개구부의 단면원의 직경이 다른 관통 개구부, 즉, 주변 관통 개구부의 직경과 동일하거나, 그것보다 작은 경우, 그와 같은 중심 관통 개구부를 규정하는 측면에도 퓨즈층을 형성해도 된다. 반대로, 중심 관통 개구부의 단면원의 직경이 주변 관통 개구부의 단면원의 직경보다 큰 경우, 중심 관통 개구부에는 퓨즈층을 형성하지 않는 것이 바람직하다.

이렇게 중심 관통 개구부에 퓨즈층을 형성할지 여부는, 보호 소자의 각 관통 개구부에 설치한 퓨즈층에 흐르는 전류가 실질적으로 등량이 될지 여부에 따라 판단한다. 간단하게는, 중심 관통 개구부가 주변 관통 개구부보다 큰 원형 단면을 갖는 경우, 중심 관통 개구부에 퓨즈층을 형성하면, 보호 소자에 흐르는 전류의 실질적으로 대부분이 그 퓨즈층에 흐르기 쉽고, 더 작은 원형 단면을 갖는 다른 관통 개구부에 설치한 퓨즈층에 전류가 흐르기 어렵기 때문에, 다른 관통 개구부에 퓨즈층을 형성하는 의미가 줄어든다.

하나의 바람직한 형태에서는, 층상 요소는, 외측 둘레 및 내측 둘레에 의해 규정되는 환상 요소이며, 내측 둘레면에 의해 관통 개구부가 규정되고, 또한, 다른 관통 개구부가, 층상 요소의 내부, 즉, 층상 요소를 규정하는 내측 둘레와 외측 둘레 사이(즉, 층상 요소를 규정하는 절연성 수지의 부분)에 관통하여 주변 관통 개구부로서 존재해도 된다. 따라서, 이 경우, 층상 요소에는, 내측 둘레에 의해 규정되는 중심 관통 개구부(1개) 및 층상 요소의 본체 부분 중을 관통하는 적어도 1개의 관통 개구부(상술한 주변 관통 개구부에 대응)가 존재한다.

이 형태에서는, 퓨즈층은, 주변 관통 개구부를 규정하는 측면(즉, 벽) 상에 존재한다. 중심 관통 개구부의 직경이 주변 관통 개구부의 직경과 큰 차이 없고, 중심 관통 개구부에 퓨즈층이 존재한다고 했을 경우에, 그 퓨즈층에 주변 관통 개구부의 퓨즈층과 동등하게 전류가 흐를 것으로 예상되는 경우, 중심 관통 개구부에도 퓨즈층을 형성해도 된다. 중심 관통 개구부의 직경이 주변 관통 개구부의 직경보다 크고, 중심 관통 개구부에 퓨즈층이 존재한다고 했을 경우에, 그 퓨즈층에 주변 관통 개구부의 퓨즈층보다 훨씬 다량의 전류가 흐를 것으로 예상되는 경우, 주변 관통 개구부에 퓨즈층을 형성하는 의미가 없어지기 때문에, 중심 관통 개구부에 퓨즈를 설치하지 않는다.

따라서, 복수의 관통 개구부를 갖는 환상의 층상 요소, 예를 들어 원환형의 층상 요소를 갖는 보호 소자의 하나의 형태에서는, 중심 관통 개구부는 퓨즈층을 갖지 않고, 그 주위에서 둘레 형상으로 배치된 복수의 주변 관통 개구부를 갖는다. 주변 관통 개구부를 형성하는 둘레는 통상 1겹인 것이 바람직하지만, 경우에 따라서는 복수겹의 둘레, 예를 들어 2겹의 둘레 또는 3겹의 둘레여도 된다. 이와 같이, 주변 관통 개구부에만 퓨즈층을 형성하는 형태는, 설치하는 주변 관통 개구부의 수에 따라, 보호 소자의 저항값을 컨트롤할 수 있다. 따라서, 상술한 중심 관통 개구부에만 퓨즈층을 형성하는 형태와 비교하여, 설치하는 관통 개구부의 수를 간단히 바꿈으로써, 보호 소자의 저항값을 용이하고 또한 정밀하게 바꿀 수 있다는 이점이 있다.

주변 관통 개구부는, 층상 요소가 환상, 예를 들어 원환형일 경우, 층상 요소의 중심에 대하여 대조적으로 위치하는 것이 바람직하다. 주변 관통 개구부가 복수 존재하는 경우, 예를 들어 환상 요소의 중심, 즉, 내측 둘레를 규정하는 도형, 예를 들어 원의 중심의 주위에서 동일한 각도로, 예를 들어 180°마다 2개, 120°마다 3개, 90°마다 4개 존재하는 것이 바람직하다.

구체적인 형태에서는, 중심 관통 개구부(퓨즈층을 형성하지 않음)의 직경은 6 내지 16mm이며, 그 주위의 주변 관통 개구부(퓨즈층을 형성함)의 단면원의 직경은 0.2 내지 1mm이다. 이러한 형태에서는, 층상 요소의 외경은, 예를 들어 13 내지 24mm인 것이 바람직하다. 20 내지 30A의 전류를 흘리는 경우의 보호 소자로서는, 예를 들어, 직경 0.6mm의 주변 관통 개구부를 8개 설치하고, 퓨즈층의 두께는, 예를 들어 0.008mm인 것이 바람직하다.

또한, 어느 형태에 있어서도, 관통 개구부는, 어느 적당한 다른 단면 형상을 가져도 되고, 통상 원형의 단면을 갖는 것이 바람직하다. 다른 형태에서는, 정사각형, 직사각형, 마름모형, 3각형 등이어도 된다. 그 경우, 상술한 직경은, 다른 단면 형상의 상당 직경에 대응한다.

따라서, 상정되는 과잉 전류량에 따라서 용융되도록, 관통 개구부의 단면 형상, 관통 개구부의 크기(통상, 직경) 및 그 두께 방향의 길이, 퓨즈층의 두께, 퓨즈층에 있어서의 각 금속층의 재료 및 각 금속층의 비, 및 관통 개구부의 수 및 배치 등의 여러가지 팩터를 선택하고, 그 수치 등을 소정과 같이 선택한다. 이 선택은, 당업자라면 이 팩터에 대하여 예를 들어 시행 착오를 거쳐, 실시할 수 있다.

하나의 바람직한 형태에서는, 도전성 금속박층 및 퓨즈층이, 고융점 금속의 도금 및 저융점 금속의 도금에 의해, 보다 바람직하게는 Ni 도금 및 Sn 도금에 의해 일체로 형성되어 있다. 이 형태에 있어서, 퓨즈층은, 제1 금속층(Ni 도금) 및 제2 금속층(Sn 도금)을 포함한다. 이 경우, 관통 개구부를 갖는 층상 요소를 고융점 금속 및 저융점 금속으로 도금함으로써, 도전성 금속박층 및 퓨즈층을 동시에 또한 일체로 형성할 수 있으므로 유리하다. 즉, 퓨즈층과 도전성 금속박층은 동일한 종류의 금속으로 형성된다. 퓨즈층 및 도전성 금속박층을 형성하는 도금법으로서는, 전해 도금 또는 무전해 도금법을 사용할 수 있지만, 고융점 금속에 대해서는 무전해 도금법, 저융점 금속에 대해서는 전해 도금법을 사용하는 것이 바람직하다.

특히 바람직한 형태에서는, 층상 요소와 도전성 금속박층 사이에, 층상 요소에 미리 밀착하고 있는 금속박, 바람직하게는 니켈박 또는 니켈 도금 구리박이 존재한다. 이 경우, 도금층으로서 형성된 도전성 금속박층을 금속박에 밀착할 수 있고, 그 결과, 도전성 금속박층이 금속박을 통하여 층상 요소에 견고하게 결합한다는 이점이 있다.

본 발명의 보호 소자는, 보호해야할 회로 또는 그것을 구성하는 전기 요소를 보호하기 위해서, 제1 전기 요소(예를 들어 2차 전지)와 다른 전기 요소로서의 제2 전기 요소(예를 들어 충전기)를 전기적으로 직접적 또는 간접적으로 접속하기 위하여 이들 사이에 위치하고, 그 결과, 한쪽의 도전성 금속박층은 제1 전기 요소와 직접 또는 간접적으로 접촉하고, 다른쪽의 도전성 금속박층은 제2 전기 요소와 직접 또는 간접적으로 접촉한다. 따라서, 본 발명의 보호 소자, 및 그것에 의하여 전기적으로 접속된 회로 및/또는 전기 요소를 포함하는 전기 장치도 본 발명은 제공한다.

본 발명의 보호 소자는, 층상 요소의 양측의 주표면 상에 도전성 금속박층을 갖고, 이들을 퓨즈층이 전기적으로 접속함으로써 큰 전류를 흘리는 것을 가능하게 하면서도, 과잉 전류가 흐를 경우에는, 퓨즈층에 전류가 집중적으로 흐르는 결과, 퓨즈층이 용융되어 회로가 차단되고, 그것에 의하여 전류의 흐름을 차단할 수 있다.

도 1은 본 발명의 보호 소자를, 그 두께 방향을 따른 단면도로 모식적으로 도시한다.
도 2는 도 1에 도시하는 보호 소자를, 평면도로 모식적으로 도시한다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시하는 보호 소자에 있어서의 퓨즈층을, 단면도로 모식적으로 도시한다.
도 4는 본 발명이 다른 형태의 보호 소자를, 그 두께 방향을 따른 단면도로 모식적으로 도시한다.
도 5는 도 4에 도시하는 보호 소자를, 평면도로 모식적으로 도시한다.
도 6은 도 4 및 도 5에 도시하는 보호 소자에 있어서의 퓨즈층을, 단면도로 모식적으로 도시한다.

도면을 참조하여, 본 발명의 보호 소자를 보다 상세하게 설명한다. 도 1에, 본 발명의 보호 소자의 하나의 형태를, 그 두께 방향을 따른 단면도로 모식적으로 도시하고(절단면으로서 드러나는 부분을 A로 나타냄), 또한, 도 2에, 도 1에 도시하는 보호 소자를, 평면도로 모식적으로 도시한다. 또한, 도 3에, 도 1 및 도 2에 도시하는 보호 소자의 퓨즈층을, 단면도로 모식적으로 도시한다.

도시한 보호 소자(10)는 절연성 수지에 의해 형성되고, 적어도 1개의 관통 개구부, 도시한 형태에서는, 단면 원형의 중심 관통 개구부(12) 및 단면 원형의 주변 관통 개구부(14)에 2개의 관통 개구부를 갖는 원환형의 층상 요소(16)를 갖고 이루어진다. 층상 요소(16)의 양측의 주표면(18 및 20) 상에 위치하는 도전성 금속박층(22 및 24)을 갖는다. 또한, 도시한 형태에서는, 층상 요소(16)와 도전성 금속박층 사이에 다른 금속층(26 및 28)이 존재한다.

도시한 형태에서는, 중심 관통 개구부를 규정하는, 원환의 내측 둘레(30) 상에, 즉, 원환의 내측의 측면 상에는 퓨즈층은 존재하지 않는다. 도시한 형태에서는, 원환의 내측 둘레(30)와 외측 둘레(34) 사이의 층상 요소의 본체 부분(36)에 위치하는 주변 관통 개구부(14)를 규정하는 원주 형상 측면(38) 상에 퓨즈층(40)이 존재한다.

도시한 형태에서는, 퓨즈층(40)은 주변 관통 개구부(14)를 규정하는 원주 형상 측면(38) 상에 존재하는 제1 금속층(41), 제1 금속층(41) 상에 존재하는 제2 금속층(42)을 포함한다.

도시한 형태에서는, 퓨즈층(40)을 갖는 주변 관통 개구부(14)는 층상 요소의 중심 O를 통과하는 직경(도 2에서 파선으로 도시)을 따라 본체 부분(36)의 중간에 설치한 하나뿐이지만, 직경 방향을 따라 반대측에도 그와 같은 주변 관통 개구부를 형성해도 된다. 그 경우, 중심 O의 주위에서 180°마다 주변 관통 개구부를 형성하게 된다. 또다른 형태에서는, 원의 중심 O를 기준으로 해서, 예를 들어 120°마다 3개, 90°마다 4개, 60°마다 6개, 또는 45°마다 8개의 퓨즈층을 갖는 주변 관통 개구부를 동일한 각도로 설치해도 된다.

또한, 도시한 형태에서는, 중심 관통 개구부의 직경이, 주변 관통 개구부의 직경보다 훨씬 크기 때문에, 원환의 내측 둘레(30)의 측면 상에는 퓨즈층이 존재하지 않으나, 중심 관통 개구부의 직경이 주변 관통 개구부의 직경과 동등 또는 작은 경우, 필요에 따라, 원환의 내측 둘레(30)의 측면 상에 퓨즈층을 형성해도 된다. 또한, 어떤 형태에서는, 보호 소자를 배치해야할 전기 장치에 중심 관통 개구부에 대응하는 볼록부를 설치해 두면, 중심 관통 개구부의 큰 직경 부분 내에 그와 같은 볼록부가 끼워져 들어가는 것에 의해, 보호 소자를 전기 장치에 위치 결정할 수 있는 경우가 있다. 예를 들어, 2차 전지 셀의 밀봉판에 그와 같은 볼록부를 설치하고, 중심 관통 개구부에 그 볼록부가 끼워져 들어가도록 함으로써, 밀봉판에 보호 소자를 위치 결정할 수 있다.

다른 형태에서는, 층상 요소(16)는 중심 관통 개구부(12)를 갖지 않고(따라서, 층상 요소는 원판 형상), 적어도 1개의 주변 관통 개구부(14)만을 갖고, 그것이 퓨즈층(40)을 가져도 된다.

본 발명의 또다른 형태의 보호 소자(10')를 도 4 및 도 5에, 도 1 및 도 2와 동일하게 도시한다. 또한, 퓨즈층(32)을 도 6에, 도 3과 동일하게 도시한다. 또한, 도 1 내지 도 3과 동일한 요소에 대해서는, 동일 부호를 사용하고 있다. 도시한 형태에서는, 층상 요소(16)는 주변 관통 개구부(14)를 갖지 않고, 중심 관통 개구부(12)만을 갖고, 그것이 퓨즈층(32)을 갖는다. 퓨즈층(32)은 중심 관통 개구부(12)를 규정하는 내측 둘레(30) 상에 존재하는 제1 금속층(43), 제1 금속층(43) 상에 존재하는 제2 금속층(44)을 포함한다.

실시예

(실시예 1)

도 1 및 도 2에 도시하는 본 발명의 보호 소자를 제조하였다. 따라서, 퓨즈층(40)만을 갖고, 퓨즈층(32)을 갖지 않은 보호 소자(10)를 제조하였다. 단, 주변 관통 개구부(14)는 둘레 형상으로 등간격으로 8개 형성하였다.

처음에, 절연성 수지의 시트(폴리에틸렌제, 두께 0.3mm, 층상 요소(16)에 대응)를 준비하고, 그 양측에 니켈박(두께: 22㎛, 다른 금속층(26 및 28)에 대응)을 배치하고, 가열 하에서, 이들을 일체로 가압하여, 니켈박을 양쪽 주표면에 부착한 압착물을 얻었다.

압착물의 소정의 개소에 직경 0.6mm의 관통 구멍(주변 관통 개구부(14)에 대응)을 형성하고, 그 후, 압착물을 무전해법에 의한 Ni 도금 처리에 부쳤다. Ni 도금 처리에 의해 형성한 니켈층의 두께는, 약 1.5㎛였다. 이어서, 압착물을 전해법에 의한 Sn 도금 처리에 부쳤다. Sn 도금 처리에 의해 형성한 주석층의 두께는, 약 6.5㎛였다. 이러한 도금 처리에 의해, 도전성 금속박층(도전성 금속박층(22 및 24)에 대응), 제1 금속층(제1 금속층(41)에 대응) 및 제2 금속층(제2 금속층(42)에 대응)을 포함하는 퓨즈층(퓨즈층(40)에 대응)을 얻었다. 이어서, 압착물로 원환형 요소를 펀칭하여, 8개의 관통 구멍이 원환형 요소의 중심의 주위에서 소정의 개소에 45°마다 위치하는 본 발명의 보호 소자(10)를 얻었다.

얻어진 원환형 요소의 외측 둘레(34)의 직경은 15mm이며, 내측 둘레(30)의 직경(즉, 중심 관통 개구부의 직경)은 6.4mm였다. 이 원환형 요소는, 층상 요소(16)로서의 절연 수지층의 양측 주표면에 다른 금속층(26 및 28)으로서 기능하는 니켈박을 갖고, 원환형 부분의 본체 부분(36)의 중간 부분에 주변 관통 개구부(14)를 가졌다. 또한, 원환형 요소는, 도전성 금속박층(22 및 24)으로서의 도금층(니켈 도금층 및 주석 도금층)을 니켈박 상에 갖고, 주변 관통 개구부를 규정하는 내측 둘레면 상에 제1 금속층(41) 및 제2 금속층(42)을 포함하는 퓨즈층(40)으로서 기능하는 도금층을 가졌다.

(실시예 2 내지 3)

주석 도금 처리 대신에, 각각, Sn-Cu(Cu 4중량％) 도금 처리, 및 Sn-Bi(Bi 16중량％) 도금 처리를 행하는 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 실시예 2 내지 4의 보호 소자를 얻었다.

(비교예 1 내지 3)

주석 도금 처리 대신에, 니켈 도금 처리를 행하고, 그 니켈 도금 처리에 의해 형성되는 니켈 도금층의 두께가, 각각, 4.5, 6.5, 및 8.5㎛인 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 비교예 1 내지 3의 보호 소자를 얻었다.

실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3의 특징을 하기 표 1에 나타내었다.

(시험예 1)

실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3의 보호 소자에, 한쪽의 도전성 금속박층(22)으로부터 다른쪽의 도전성 금속박층(24)에, 하기 표 2에 나타내는 전류를 흘리고, 10분간 통전한 때에 퓨즈층이 블로우하지 않는 전류값을 조사했다(60Vdc 설정). 각각에 있어서 퓨즈층이 블로우(용단)하지 않는 최대 전류값을 정격 용량으로 하였다. 결과를 표 2에 나타내었다. 또한, 표 중 「○」은 10분간 블로우하지 않은 것을 나타내고, 「×」은 10분 내에 블로우한 것을 나타내고, 「-」는 데이터 없음을 나타낸다.

(시험예 2)

실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3의 보호 소자에, 한쪽의 도전성 금속박층(22)으로부터 다른쪽의 도전성 금속박층(24)에, 각각의 정격 용량의 150％, 200％, 300％, 및 400％의 과잉 전류를 흘리고, 전류 차단 시간(즉, 퓨즈층이 블로우할 때까지의 시간)을 측정하였다. 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

이들 결과로부터, 그 용량의 약 1.5배 정도의 과잉 전류에 대해서도, 확실 또한 신속한 보호를 제공할 수 있는 것이 확인되었다.

본 발명의 보호 소자는, 2차 전지와 같은 전기 장치 내에서 과잉의 전류가 흘렀을 경우에, 그 전류의 흐름을 차단하는 보호 소자로서 이용할 수 있다. 또한, 본 발명의 보호 소자는, 예를 들어 원통형 리튬 이온 2차 전지 셀에 있어서, 밀봉판에 내장된 니켈 와셔, 스테인리스 재료에 니켈 도금을 실시한 와셔 등의 대체품으로서도 이용할 수 있다. 이 경우, 보호 소자는, 절연성 수지에 의해 형성된 층상 요소를 가지므로, 수지의 탄성에 의해 와셔로서의 기능이 향상된다. 따라서, 본 발명의 보호 소자는, 상술한 본 발명의 보호 소자의 특징을 갖는 와셔로서 이용할 수 있다.

10, 10': 보호 소자
12: 중심 관통 개구부
14: 주변 관통 개구부
16: 층상 요소
18, 20: 주표면
22, 24: 도전성 금속박층
26, 28: 다른 금속층
30: 내측 둘레
32: 퓨즈층
34: 외측 둘레
36: 본체 부분
38: 측면
40: 퓨즈층
41: 제1 금속층
42: 제2 금속층
43: 제1 금속층
44: 제2 금속층

Claims

절연성 수지에 의해 형성되고, 적어도 1개의 관통 개구부를 갖는 층상 요소,
층상 요소의 각 주표면 상에 위치하는 도전성 금속박층, 및
상기 관통 개구부의 적어도 1개를 규정하는 측면 상에 위치하고, 도전성 금속박층을 전기적으로 접속하는 퓨즈층으로서, 적어도, 고융점 금속을 포함하는 제1 금속층 및 저융점 금속을 포함하는 제2 금속층을 포함하는 퓨즈층
을 포함하는, 보호 소자.
제1항에 있어서, 퓨즈층이, 고융점 금속을 포함하는 제1 금속층 및 저융점 금속을 포함하는 제2 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 보호 소자.
제1항 또는 제2항에 있어서, 고융점 금속이 Ni인 것을 특징으로 하는 보호 소자.
제1항 또는 제2항에 있어서, 저융점 금속이, 절연성 수지의 분해 온도보다도 낮은 융점을 갖는 것을 특징으로 하는 보호 소자.
제4항에 있어서, 저융점 금속이, Sn, Sn-Cu 합금, 또는 Sn-Bi 합금인 것을 특징으로 하는 보호 소자.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 금속층이 고융점 금속을 무전해 도금함으로써 형성되고, 제2 금속층이 상기 제1 금속층 상에 저융점 금속을 전해 도금함으로써 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 보호 소자.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 금속층과 제2 금속층의 두께의 비가 1:100 내지 5:1인 것을 특징으로 하는 보호 소자.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 도전성 금속박층 및 퓨즈층이, 고융점 금속 및 저융점 금속을 도금함으로써 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 보호 소자.
제8항에 있어서, 층상 요소와 도전성 금속박층 사이에 위치하는 금속박을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보호 소자.
제9항에 있어서, 금속박이 니켈박 또는 니켈 도금 구리박인 것을 특징으로 하는 보호 소자.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 층상 요소가 내측 둘레면 및 외측 둘레면에 의해 규정되는 환상 요소이며, 내측 둘레면에 의해 규정되는 1개의 관통 개구부를 갖는 것을 특징으로 하는 보호 소자.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 층상 요소가 내측 둘레면과 외측 둘레면에 의해 규정되고, 적어도 2개의 관통 개구부를 갖는 환상 요소이며, 이 관통 개구부는, 내측 둘레면에 의해 규정되는 중심 관통 개구부 및 내측 둘레면과 외측 둘레면 사이에 위치하는 적어도 1개의 주변 관통 개구부이며, 주변 관통 개구부가 퓨즈층을 갖는 것을 특징으로 하는 보호 소자.
제12항에 있어서, 층상 요소에 있어서, 주변 관통 개구부가, 중심 관통 개구부의 주위에서 45°마다 8개 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 보호 소자.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 층상 요소가 원환형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 보호 소자.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 기재된 보호 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 장치.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 기재된 보호 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지 셀.
절연성 수지에 의해 형성되고, 적어도 1개의 관통 개구부를 갖는 층상 요소,
층상 요소의 각 주표면 상에 위치하는 도전성 금속박층, 및
상기 관통 개구부의 적어도 1개를 규정하는 측면 상에 위치하고, 도전성 금속박층을 전기적으로 접속하는 퓨즈층으로서, 융점이 상이한 적어도 2종의 금속층을 포함하는 퓨즈층
을 포함하는, 와셔.