KR20160022668A

KR20160022668A - 프라세오디미아계 과전압 보호용 산화아연 바리스터 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20160022668A
Application number: KR1020140108521A
Authority: KR
Inventors: 남춘우
Original assignee: 동의대학교 산학협력단
Priority date: 2014-08-20
Filing date: 2014-08-20
Publication date: 2016-03-02
Also published as: KR101690735B1

Abstract

본 발명은 산화아연(ZnO)을 주성분으로 하여 프라세오디미아(Pr₆O₁₁), 코발트 산화물(CoO), 크롬 산화물(Cr₂O₃)에, 디스프로시아(Dy₂O₃)와 에르비아(Er₂O₃)를 첨가하여 소정의 소결공정으로 제조된 비선형성을 나타내는 과전압 보호용 산화아연 바리스터 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이는 종래의 바리스터와 비교하여도 우수한 과전압 보호 특성을 제공하는 것을 특징으로 한다.

Description

프라세오디미아계 과전압 보호용 산화아연 바리스터 및 그 제조방법{ZINC OXIDE BARISTOR FOR OVERVOLTAGE PROTECTION AND MANUFACTURING METHOD THE SAME}

본 발명은 기본적으로 디스프로시아(Dy₂O₃)와 에르비아(Er₂O₃)가 첨가된 프라세오디미아계 산화아연 바리스터 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산화아연을 주성분으로 하여 프라세오디미아(Pr₆O₁₁), 코발트 산화물(CoO), 크롬 산화물(Cr₂O₃)에, 디스프로시아(Dy₂O₃), 에르비아(Er₂O₃)를 첨가하여 소정의 소결공정으로 제조된 두 개의 단자를 가지는 비선형성을 나타내는 바리스터에 관한 것이다. 이 바리스터는 종래의 바리스터와 비교할 때 비선형성이 우수할 뿐만 아니라 직류가속열화에 대한 높은 안정성을 제공할 수 있는 디스프로시아(Dy₂O₃)와 에르비아(Er₂O₃)가 첨가된 프라세오디미아계 과전압 보호용 산화아연 바리스터 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 각종 산업분야의 자동제어 시스템, 정보통신 분야 등에서는 반도체 소자를 이용한 장비를 사용하는 것이 일반적인 추세인데, 마이크로프로세스를 이용한 첨단 장비는 저전압을 사용하고 있다. 이와 같이 저전압을 사용하는 것으로 인해 소자의 절연내압 및 이상 항복전압 특성이 낮기 때문에, 임펄스 형태의 순간과도전압이 인입되면 각종 소자들은 써지(surges)에 대한 내력이 없으므로 장비나 시스템의 다운, 데이터 전송 오류, 장비의 손실이나 열화, 통신 두절 및 에러 등의 장애를 일으켜 전체 시스템에 치명적인 결과를 초래할 수 있다. 즉, 현대의 고도화 된 정보화 사회에서는 전력이나 통신과 같은 인프라 설비에 대한 낙뢰나 써지에 의한 피해가 산업과 경제, 의료, 통신 등 전 분야에 걸쳐 심각한 영향을 미치게 된다.

따라서 써지에 따른 서비스의 중단과 그에 따른 막대한 경제적 손실을 예방하고 보다 안정적인 시스템의 확보와 작동을 위하여 써지에 대한 대비책이 효과적으로 마련되어야 한다. 또한 산업 발전 및 개인 생활수준이 향상됨에 따라 전력 소비의 증가로 양질의 전력을 안정적으로 공급해야 할 필요성이 한층 높아지고 있다. 이에 여러 가지 방법들이 있겠지만 전력 설비를 낙뢰 혹은 유도뢰로부터 피뢰기를 보호하는 것도 중요한 방법 중 하나이다. 따라서 써지 피해를 줄이기 위해서는 써지보호 대책으로서 써지 보호 장치의 핵심부품인 바리스터 세라믹스 소자의 성능개선은 매우 중요한 과제이다.

바리스터는 2단자 반도성 세라믹 수동부품으로 인가 전압에 따라 전류가 변하는 비선형 저항특성을 나타낸다. 바리스터에는 여러 종류가 있지만 써지 흡수능력이 뛰어나고 저전압에서부터 고전압에 이르기까지 광범위하게 응용될 수 있는 것이 산화아연 바리스터이다. 종래의 산화아연 바리스터는 비선형성을 유발시키는 비스무스 산화물이 첨가된 소위 비스무스계 산화아연 바리스터로써, 이 바리스터는 특성이 우수하여 현재 상용 바리스터의 대부분을 차지하고 있지만 몇 가지의 단점을 가지고 있다. 세라믹 바리스터는 근본적으로 고온에서 소결이 불가피한데, 비스무스계 바리스터 세라믹스는 고온 소결시 비스무스 산화물이 휘발되는 경향이 매우 높아 바리스터 재현성에 문제가 있고, 다른 산화물과 쉽게 반응하여 전기적으로 불필요한 여러 가지 상을 생성시켜서 그 상이 입계에 위치함으로써 유효 입계면적의 감소로 써지 흡수능력이 떨어지는 경향이 있다.

또한 우수한 바리스터 특성과 안정성을 동시에 나타내기 위해서 10여 가지 이상의 첨가물이 요구된다. 이러한 문제점을 극복하기 위한 방법이 비스무스 산화물을 대체한 희토류 산화물인 프라세오디미아를 첨가한 소위 프라세오디미아계 산화아연 바리스터에 대한 연구이다. 이 바리스터는 미세구조적 생성상이 단 2개에 불과해 상구조가 간단하고, 입계면적이 넓어 써지흡수력이 크며, 5가지 조성물로도 바리스터 특성이 우수할 뿐만 아니라 높은 안정성을 나타낸다는 것이다.

그러나 이 바리스터 역시 몇 가지 단점을 내포하고 있다. 조성물 중에서 비직선 개선 산화물인 코발트 산화물의 양이 다른 첨가제보다 4∼10배 정도로 많이 첨가됨으로써 원가면에서 문제로 지적되고, 특성의 변화가 다소 크다는 문제점을 안고 있다. 또한 본 발명에 이전의 프라세오디미아계 산화아연 바리스터는 5성분계로서 비선형성은 우수하나 직류가속열화특성이 나쁜 관계로 응용성에 한계를 가지는 문제점을 안고 있다.

한국 공개특허공보 제10-2006-0011309호 한국 등록특허공보 제10-1397499호

상기의 문제점을 해결하고자 본 발명은 제안된 것으로 본 발명의 목적은 주성분인 산화아연과 필수 부성분인 프라세오디미아, 코발트 산화물, 크롬 산화물, 디스프로시아, 에르비아의 6성분계 산화물로 구성된 바리스터로 종래의 바리스터와 비교할 때 우수한 비선형성과 가속열화 특성을 동시에 제공하고자 함에 있다.

본 발명에서는 부성분 5가지 중에서 프라세오디미아가 첨가되지 않으면 바리스터 특성 자체가 나타나지 않기 때문에 부성분 중에서 가장 중요한 첨가물이다. 또 코발트 산화물이 첨가되지 않으면 바리스터 특성이 매우 저하되기 때문에 반드시 첨가되어야 할 부성분이다. 또 크롬 산화물이 첨가되지 않으면 소결조건에 따라서 비직선 지수가 35 정도의 것이 얻어지긴 하나 특성개선이 요구된다. 또 디스프로시아와 에르비아를 제외한 4성분으로 구성된 바리스터로서는 미세구조적으로나 전기적 특성면에서 응용하기가 어렵다. 또한 디스프로시아와 에르비아가 동시에 첨가되지 않는 경우에도 그 특성이 현저히 떨어진다.

따라서 본 발명에서는 종래의 프라세오디미아, 코발트 산화물, 크롬 산화물, 디스프로시아와 에르비아의 첨가량을 적절히 조절하고 소정의 소결공정을 조절함으로써 우수한 비선형성과 높은 안정성을 동시에 나타낼 수 있는 산화아연 바리스터를 구현하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 산화아연(ZnO)을 주성분으로 하여 프라세오디미아(Pr₆O₁₁), 코발트 산화물(CoO) 및 크롬 산화물(Cr₂O₃)을 첨가제로 포함하여 구성된 프라세오디미아계 과전압 보호용 산화아연 바리스터에 관한 것으로서, 상기 프라세오디미아계 과전압 보호용 산화아연 바리스터에에 디스프로시아(Dy₂O₃)와 에르비아(Er₂O₃)가 더 첨가된 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 디스프로시아(Dy₂O₃)는 1.0 mol% 이하, 상기 에르비아(Er₂O₃)는 2.0 mol% 이하의 함량으로 첨가되는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에 따른 상기 프라세오디미아계 과전압 보호용 산화아연 바리스터의 조성은 95.5∼98.9 mol%의 ZnO ＋ 0.5∼1.0 mol%의 Pr₆O₁₁ ＋ 0.5∼1.0 mol%의 CoO ＋ 0.1∼0.5 mol%의 Cr₂O₃＋ 0∼1.0 mol%의 Dy₂O₃＋ 0∼1.0 mol%의 Er₂O₃ 인 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 조성의 과전압 보호용 산화아연 바리스터는 미세구조적 밀도가 5.67 g/㎤ 이상, 비직선 지수가 50 이상, 누설전류가 0.5㎂ 이하, 유전손실계수가 3% 이하인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 조성의 과전압 보호용 산화아연 바리스터의 전기적 특성은 바리스터 전압 변화율이 2.0% 이하, 비직선 지수 변화율이 4% 이하, 누설전류 변화율이 20% 이하, 유전손실계수 변화율이 3% 이하인 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따른 프라세오디미아계 과전압 보호용 산화아연 바리스터의제조방법은 산화아연(ZnO), 프라세오디미아(Pr₆O₁₁), 코발트 산화물(CoO), 크롬 산화물(Cr₂O₃) 및 디스프로시아(Dy₂O₃)와 에르비아(Er₂O₃)를 칭량하는 제 1단계;와, 상기 칭량된 조성물을 볼밀링으로 혼합한 후 건조된 분말을 하소시키고, 폴리비닐알코올 수용액을 첨가하여 균일한 조성물로 혼합하는 제 2단계;와, 상기 혼합된 조성물을 원하는 모양의 성형체로 만들고 소결한 뒤, 상기 소결체의 양면을 연마하는 제 3단계;와, 상기 연마된 소결체에 은 전극을 도포하고, 패키지 처리를 하는 제 4단계;를 포함한다.

여기서, 상기 제 3단계의 소결과 연마 단계에서, 소결 과정은 1250∼1350℃의 소결온도에서 1∼3시간 소결하는 것이 바람직하다.

상기 실시예에서 기술한 바와 같이 본 발명은 기존의 산화아연(ZnO), 프라세오디미아(Pr₆O₁₁), 코발트 산화물(CoO), 크롬 산화물(Cr₂O₃) 등으로 구성된 조성물에 디스프로시아(Dy₂O₃)와 에르비아(Er₂O₃)를 첨가함으로써 비직선 지수가 높고, 누설전류가 낮은 고선형성을 나타낼 뿐만 아니라, 직류가속열화에 대한 특성변화가 작아, 전자·정보통신 기기용 써지 흡수기에 매우 유용하게 응용될 수 있다는 장점을 가진다.

도 1은 본 발명에 따른 디스프로시아(Dy₂O₃)/에르비아(Er₂O₃)가 첨가된 프라세오디미아계 산화아연 바리스터의 제조방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 소결시간을 1시간, 디스프로시아를 0.5 mol%로 고정하고, 에르비아 첨가량에 따른 프라세오디미아계 산화아연 바리스터의 전도특성을 도시한 것이다.
도 3은 디스프로시아/에르비아 첨가량비를 0.5/0.25로 고정하고 소결시간의 변화에 따른 프라세오디미아계 산화아연 바리스터의 전도특성을 도시한 것이다.
도 4는 소결시간을 1시간, 디스프로시아를 0.5 mol%로 고정하고, 에르비아 첨가량에 따른 비직선 지수, 누설전류의 특성을 나타낸 것이다.
도 5는 디스프로시아/에르비아 첨가량비를 0.5/0.25로 고정하고 소결시간의 변화에 따른 비직선 지수, 누설전류의 특성을 나타낸 것이다.
도 6은 디스프로시아/에르비아 첨가량비를 0.5/0.25로 고정하고 직류가속열화 스트레스에 대한 소결시간의 변화에 따른 바리스터, 비직선 지수, 누설전류의 변화량을 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

상기의 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 디스프로시아와 에르비아가 첨가된 프라세오디미아계 과전압 보호용 산화아연 바리스터의 제조 및 그 제조방법을 제안한다.

본 발명에 따른 바리스터는 산화아연(ZnO), 프라세오디미아(Pr₆O₁₁), 코발트 산화물(CoO), 크롬 산화물(Cr₂O₃) 등으로 구성된 프라세오디미아계 산화아연 바리스터에 디스프로시아(Dy₂O₃)와 에르비아(Er₂O₃)를 첨가하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 프라세오디미아계 산화아연 바리스터이며, 이 때 구성 산화물을 특별히 한정하지는 않는다.

이와 같은 조성으로 된 본 발명의 산화아연 바리스터 제조방법은 다음과 같다.

산화아연 89.5∼98.7 mol%, 프라세오디미아 0.5∼1.0 mol%, 코발트 산화물 0.5∼5.0 mol%, 크롬 산화물 0.1∼0.5 mol%, 디스프로시아 0.1∼2.0 mol%, 에르비아 0.1∼2.0 mol%의 조성비가 되도록 칭량한다. 볼밀링 후 건조된 원료분말을 700∼750℃에서 1∼2시간 하소(calcination )시킨다. 하소된 원료분말에 결합제인 PVA 수용액을 시료무게의 2∼5 wt% 첨가하여 균일하게 혼합한다. 100∼320 메쉬 체를 이용하여 조립한 후 350∼1000 kg/㎠의 압력 하에서 원하는 모양의 성형체로 만든다. 승온속도를 120∼240℃/hr, 냉각속도를 120∼480℃/hr로 하여 1250∼1350℃에서 1∼3시간 소결시킨다. 1350℃ 이상에서 소결하면 소결체는 치밀하지만 바리스터 특성이 현저히 저하한다. 소결체의 양면을 연마기를 써서 연마하여 두께의 편차가 0.5㎛ 되게 한다. 연마된 면에 가장자리로부터 0.2∼0.3mm 되는 부분에는 전극이 도포되지 않도록 하여 은 전극을 도포하고 600℃에서 10분간 열처리하여 저항성 접촉이 되게 한다. 마지막으로 패키지 처리한다.

제조된 프라세오디미아계 산화아연 바리스터의 전류-전압특성을 Kiethley 237 장비를 사용하여 측정하였다. 전류-전압특성에 관련된 특성 파라미터로서 바리스터 전압(V_1mA)은 1 mA/㎠의 전류가 흐를 때의 전압이며, 비직선 지수(α)는 I=kV^α(여기서 I는 전류, V는 전압, k는 비례상수)식을 이용하여 1mA/㎠, 10mA/㎠와 이 전류에 각각 대응하는 전계가 E_1mA, E_10mA일 때, α=1/(E_10mA-E_1mA)로부터 계산하였다. 누설전류(I_L)는 바리스터 전압의 80% 인가시 흐르는 전류로 하였다. 전기적 유전손실계수(tanδ)는 RLC미터를 사용하여 1㎑에서 측정하였다. 안정성 시험은 직류전압/열/시간으로 구성된 복합적 스트레스를 다음과 같은 직류가속열화 조건에서 실시하되, 1차 스트레스 인가 후, 다시 2, 3, 4차 스트레스를 가하는 중첩의 방법으로 하였다.

1차 스트레스 조건: 0.85 V_1mA/115℃/24시간

2차 스트레스 조건: 0.90 V_1mA/120℃/24시간

3차 스트레스 조건: 0.95 V_1mA/125℃/24시간

4차 스트레스 조건: 0.95 V_1mA/150℃/24시간

[실시예 1]

실시예 1에서는 산화아연을 95.75∼97.75 mol%, 프라세오디미아를 0.5 mol%, 코발트 산화물을 1.0 mol%, 크롬산화물을 0.5 mol%, 디스프로시아를 0.25 mol%, 에르비아가 0∼2.0 mol%의 조성비가 되도록 칭량하여 혼합물 성형체로 제조한다. 이를 1350℃에서 1시간 소결한 후, 1mm로 가공하여 소결체의 표면에 전극을 도포하고, 저항성 접촉을 한 후 양면에 2개의 리드선을 납땜하여 패키지한다.

제작된 바리스터 소자를 전술한 방법으로 바리스터 전압(V_1mA) 및 비직선 지수(α), 누설전류(I_L), 전기적 유전손실계수(tanδ) 등을 측정하여 이를 다음의 표 1에 나타내었다.

상기 표 1을 참고하면 바리스터 전압(V_1mA)은 에르비아의 첨가량이 증가할수록 증가한다. 비직선 지수(α)는 모든 소자에 대해 높아서 우수한 비선형을 나타내었다. 특히 에르비아가 0.25 mol%(소자번호 #2), 2.0 mol%(소자번호 #4)에서 가장 높았으나 소자번호 #4는 유전손실계수가 10% 이상이며, 밀도가 낮아 응용하기는 어려울 것으로 나타났다. 디스프로시아 0.25 mol% 첨가시에는 소자번호 #2가 가장 우수한 바리스터 특성을 나타내었다.

[실시예 2]

실시예 2에서는 산화아연을 95.50∼97.50 mol%, 프라세오디미아를 0.5 mol%, 코발트 산화물을 1.0 mol%, 크롬산화물을 0.5 mol%, 디스프로시아를 0.5 mol%, 에르비아가 0∼2.0 mol%의 조성비가 되도록 칭량하여 혼합물 성형체로 제조한다. 이를 1350℃에서 1시간 소결한 후, 1mm로 가공하여 소결체의 표면에 전극을 도포하고, 저항성 접촉을 한 후 양면에 2개의 리드선을 납땜하여 패키지한다.

제작된 바리스터 소자를 전술한 방법으로 바리스터 전압(V_1mA) 및 비직선 지수(α), 누설전류(I_L), 전기적 유전손실계수(tanδ) 등을 측정하여 이를 다음의 표 2에 나타내었다.

상기 표 2를 참고하면 소자번호 #5∼#8의 바리스터 전압(V_1mA)은 디스프로시아가 0.25 mol%가 첨가된 것과 같이 에르비아의 첨가량이 증가할수록 증가하였으며, 소자번호 #1∼#4보다는 높은 것으로 나타났다. 비직선 지수(α)도 소자번호 #1∼#4보다도 더 높은 것으로 나타났다. 하지만 밀도가 소자번호 #1∼#4보다도 낮아졌다. 특히 에르비아가 2.0 mol% 첨가된 소자번호 #8은 매우 우수한 비선형성을 나타냈었지만 유전손실계수가 너무 높고 밀도 역시 너무 낮아 안정성에 심각한 문제를 야기할 것이다. 디스프로시아 0.5 mol% 첨가시에는 소자번호 #2와 같이 에르비아가 0.25 mol% 첨가된 소자번호 #6이 가장 우수한 바리스터 특성을 나타내었다.

[실시예 3]

실시예 3에서는 산화아연을 95.75∼97.75 mol%, 프라세오디미아를 0.5 mol%, 코발트 산화물을 1.0 mol%, 크롬산화물을 0.5 mol%, 디스프로시아를 0.25 mol%, 에르비아가 0∼2.0 mol%의 조성비가 되도록 칭량하여 혼합물 성형체로 제조한다. 이를 1350℃에서 2시간 소결한 후, 1mm로 가공하여 소결체의 표면에 전극을 도포하고, 저항성 접촉을 한 후 양면에 2개의 리드선을 납땜하여 패키지한다.

제작된 바리스터 소자를 전술한 방법으로 바리스터 전압(V_1mA) 및 비직선 지수(α), 누설전류(I_L), 전기적 유전손실계수(tanδ) 등을 측정하여 이를 다음의 표 3에 나타내었다.

상기 표 3을 참고하면 소자번호 #9∼#11은 소자번호 #1∼#4의 시편을 같은 조성에 대해서 단지 2시간 소결한 것으로 그 특성은 전혀 다른 결과를 나타내었다. 전체적으로 바리스터 전압 및 비직선 지수가 낮아졌고, 유전손실계수는 높아졌다. 밀도의 증가로 치밀성은 향상되었다. 에르비아 첨가량이 증가할수록 누설전류는 감소하였다. 특히 에르비아가 2.0 mol% 첨가된 소자번호 #11은 높은 비직선 지수와 높은 밀도로 나타냄으로써 같은 조성의 1시간 소결된 소자번호 #4와는 상반된 밀도 특성을 보였다.

[실시예 4]

실시예 4에서는 산화아연을 95.50∼97.50 mol%, 프라세오디미아를 0.5 mol%, 코발트 산화물을 1.0 mol%, 크롬산화물을 0.5 mol%, 디스프로시아를 0.5 mol%, 에르비아가 0∼2.0 mol%의 조성비가 되도록 칭량하여 혼합물 성형체로 제조한다. 이를 1350℃에서 2시간 소결한 후, 1mm로 가공하여 소결체의 표면에 전극을 도포하고, 저항성 접촉을 한 후 양면에 2개의 리드선을 납땜하여 패키지한다.

제작된 바리스터 소자를 전술한 방법으로 바리스터 전압(V_1mA) 및 비직선 지수(α), 누설전류(I_L), 전기적 유전손실계수(tanδ) 등을 측정하여 이를 다음의 표 4에 나타내었다.

상기 표 4를 참고하면 디스프로시아가 0.5 mol% 첨가되었을 때 디스프로시아가 0.25 mol% 첨가된 소자번호 #9∼#11보다는 바리스터 전압과, 비직선 지수는 증가하였으나 유전손실계수 및 밀도는 다소 감소하였다. 또한 같은 조성의 소결시간이 1시간인 소자번호 #5∼#8보다는 바리스터 전압, 비직선 지수는 감소하였으나 유전손실계수 및 밀도는 증가하였다. 소결시간의 증가는 대부분의 경우 비직선성을 떨어뜨리는 경우가 많다.

[실시예 5]

실시예 5에서는 산화아연을 95.5∼97.25 mol%, 프라세오디미아를 0.5 mol%, 코발트 산화물을 1.0 mol%, 크롬산화물을 0.5 mol%, 디스프로시아를 0.25∼0.5 mol%, 에르비아가 0.25∼2.0 mol%의 조성비가 되도록 칭량하여 혼합물 성형체로 제조한다. 이를 1350℃에서 2.5시간 소결한 후, 1mm로 가공하여 소결체의 표면에 전극을 도포하고, 저항성 접촉을 한 후 양면에 2개의 리드선을 납땜하여 패키지한다.

제작된 바리스터 소자를 전술한 방법으로 바리스터 전압(V_1mA) 및 비직선 지수(α), 누설전류(I_L), 전기적 유전손실계수(tanδ) 등을 측정하여 이를 다음의 표 5에 나타내었다.

이 실시예에서는 에르비아가 첨가된 조성 중에서 2시간 소결시 비직선성이 우수한 조성물에 대해 밀도를 보다 향상시키기 위한 것이다. 상기 표 5를 참고하면 디스프로시아가 0.5 mol% 첨가되었을 때 소자번호 #15는 밀도가 이론밀도에 가까운 아주 우수한 치밀성을 보였다. 그러나 비지선 지수가 50 이하, 특히 유전손실계수가 10%에 가까울 정도로 높게 나타났다. 디스프로시아 0.5 mol%, 에르비아 2.0 mol% 첨가된 소자번호 #17은 여전히 비직선성은 우수하나 오히려 2시간 소결시의 소자번호 #14보다도 유전손실계수는 높고, 밀도는 더 낮은 향상되지 않은 특성을 보였다. 이와는 반대로 디스프로시아 0.5 mol%, 에르비아 0.25 mol%가 첨가된 소자번호 #16은 소결시간이 증가하였어도 비직선 지수가 약간 낮아졌고, 유전손실계수 및 밀도가 향상되었다. 이런 의미에서 볼 때 소자번호 #17이 우수한 내직류가속열화 특성을 갖는다면 가장 좋은 소자일 것으로 판단된다.

[실시예 6]

실시예 6에서는 산화아연을 95.5∼97.75 mol%, 프라세오디미아를 0.5 mol%, 코발트 산화물을 1.0 mol%, 크롬산화물을 0.5 mol%, 디스프로시아를 0.25∼0.5 mol%, 에르비아가 0∼2.0 mol%의 조성비가 되도록 칭량하여 혼합물 성형체로 제조한다. 이를 1350℃에서 1∼2.5시간 소결한 후, 1mm로 가공하여 소결체의 표면에 전극을 도포하고, 저항성 접촉을 한 후 양면에 2개의 리드선을 납땜하여 패키지한다.

제작된 바리스터 소자를 전술한 방법으로 바리스터 전압(V_1mA) 및 비직선 지수(α), 누설전류(I_L), 전기적 유전손실계수(tanδ) 등의 직류가속열화시험으로부터 그 변화를 조사하여 이를 다음의 표 6에 나타내었다.

상기 표 6을 참조하면 1시간 소결된 소자들은 대체로 특성의 변화가 심하고, 심지어 열폭주 현상을 나타내었다. 대체로 열폭주 현상은 유전손실계수가 10% 이상이거나 아니면, 밀도가 5.45g/㎤에도 미치지 못하는 낮은 치밀성을 가지는 소자들이다. 그러나 소자번호 #6-1은 초기 특성이 소자번호 #6으로서 1시간 소결체임에도 불구하고, 밀도가 5.5 g/㎤이상이고, 누설전류가 낮고, 유전손실계수가 1시간 소결된 소자들 중에서 가장 낮음으로 해서 우수한 안정성을 나타내었다. 그러나 이 소자를 2시간 소결한 소자번호 #13-1의 바리스터 특성 변화는 바리스터 전압은 적게 변하였으나 나머지 특성 파라미터의 변화는 오히려 1시간 보다 큰 것으로 나타났다. 2시간 소결된 바리스터의 특성변화의 특징은 1시간 소결된 바리스터에서 열폭주 현상을 보였던 소자들은 물론 그 외 소자들도 대체로 안정성이 개선되었다는 점이다. 2.5 시간 소결시의 바리스터 특성 변화에 눈에 띄는 특징 중의 하나는 디스프로시아가 0.5 mol%, 에르비아가 2.0 mol% 첨가된 소자번호 #17의 조성물의 바리스터의 경우 시간 증가에 대해 밀도가 개선되지 않고, 오히려 밀도가 낮아졌고, 아울러 유전손실계수도 높아져 열폭주 현상을 보였다는 점이다. 또 하나는 에르비아가 보다 적게 첨가된, 즉 0.25 mol% 첨가된 소자번호 #16-1의 조성물의 바리스터는 전 조성물 가운데서 가장 적은 특성 변화를 나타내었다. 따라서 디스프로시아와 에르비아 첨가비 및 소결시간을 조절함으로써 바리스터의 전기적, 물리적 특성을 원하는 대로 변화시킬 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정된 것은 아니며, 첨부된 특허 청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술 분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

Claims

산화아연(ZnO)을 주성분으로 하여 프라세오디미아(Pr₆O₁₁), 코발트 산화물(CoO) 및 크롬 산화물(Cr₂O₃)을 첨가제로 포함하여 구성된 프라세오디미아계 과전압 보호용 산화아연 바리스터에 있어서,
상기 프라세오디미아계 과전압 보호용 산화아연 바리스터에에 디스프로시아(Dy₂O₃)와 에르비아(Er₂O₃)가 더 첨가된 것을 특징으로 하는 프라세오디미아계 과전압 보호용 산화아연 바리스터.
제1항에 있어서
상기 디스프로시아(Dy₂O₃)는 1.0 mol% 이하, 상기 에르비아(Er₂O₃)는 2.0 mol% 이하의 함량으로 첨가되는 것을 특징으로 하는 프라세오디미아계 과전압 보호용 산화아연 바리스터.
제2항에 있어서
상기 프라세오디미아계 과전압 보호용 산화아연 바리스터의 조성은 95.5∼98.9 mol%의 ZnO ＋ 0.5∼1.0 mol%의 Pr₆O₁₁ ＋ 0.5∼1.0 mol%의 CoO ＋ 0.1∼0.5 mol%의 Cr₂O₃＋ 0∼1.0 mol%의 Dy₂O₃＋ 0∼1.0 mol%의 Er₂O₃ 인 것을 특징으로 하는 프라세오디미아계 과전압 보호용 산화아연 바리스터.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조성의 과전압 보호용 산화아연 바리스터는 미세구조적 밀도가 5.67 g/㎤ 이상, 비직선 지수가 50 이상, 누설전류가 0.5㎂ 이하, 유전손실계수가 3% 이하인 것을 특징으로 하는 디스프로시아와 에르비아가 첨가된 프라세오디미아계 과전압 보호용 산화아연 바리스터.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조성의 과전압 보호용 산화아연 바리스터의 전기적 특성은 바리스터 전압 변화율이 2.0% 이하, 비직선 지수 변화율이 4% 이하, 누설전류 변화율이 20% 이하, 유전손실계수 변화율이 3% 이하인 것을 특징으로 하는 디스프로시아와 에르비아가 첨가된 프라세오디미아계 산화아연 바리스터.
산화아연(ZnO), 프라세오디미아(Pr₆O₁₁), 코발트 산화물(CoO), 크롬 산화물(Cr₂O₃) 및 디스프로시아(Dy₂O₃)와 에르비아(Er₂O₃)를 칭량하는 제 1단계;
상기 칭량된 조성물을 볼밀링으로 혼합한 후 건조된 분말을 하소시키고, 폴리비닐알코올 수용액을 첨가하여 균일한 조성물로 혼합하는 제 2단계;
상기 혼합된 조성물을 원하는 모양의 성형체로 만들고 소결한 뒤, 상기 소결체의 양면을 연마하는 제 3단계;
상기 연마된 소결체에 은 전극을 도포하고, 패키지 처리를 하는 제 4단계;
를 포함하는 프라세오디미아계 과전압 보호용 산화아연 바리스터의 제조방법.
제6항에 있어서
상기 제 3단계의 소결과 연마 단계에서, 소결 과정은 1250∼1350℃의 소결온도에서 1∼3시간 소결하는 것을 특징으로 하는 프라세오디미아계 과전압 보호용 산화아연 바리스터의 제조방법.