KR20160103714A - 이차전지 보호소자용 퓨즈 및 이를 이용한 이차전지 보호소자 - Google Patents

이차전지 보호소자용 퓨즈 및 이를 이용한 이차전지 보호소자 Download PDF

Info

Publication number
KR20160103714A
KR20160103714A KR1020150026399A KR20150026399A KR20160103714A KR 20160103714 A KR20160103714 A KR 20160103714A KR 1020150026399 A KR1020150026399 A KR 1020150026399A KR 20150026399 A KR20150026399 A KR 20150026399A KR 20160103714 A KR20160103714 A KR 20160103714A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
alloy
secondary battery
fuse
battery protection
protection device
Prior art date
Application number
KR1020150026399A
Other languages
English (en)
Inventor
민석홍
하태권
원주현
이현우
Original Assignee
강릉원주대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 강릉원주대학교산학협력단 filed Critical 강릉원주대학교산학협력단
Priority to KR1020150026399A priority Critical patent/KR20160103714A/ko
Publication of KR20160103714A publication Critical patent/KR20160103714A/ko

Links

Images

Classifications

    • H01M2/34—
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/572—Means for preventing undesired use or discharge
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2200/00—Safety devices for primary or secondary batteries
    • H01M2200/10—Temperature sensitive devices
    • H01M2200/103—Fuse
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Fuses (AREA)
  • Connection Of Batteries Or Terminals (AREA)

Abstract

본 발명은 이차전지에 흐르는 전류의 경로 상에 배치됨으로써 상기 이차전지의 과충전 또는 과방전시 용단되어 전류를 차단하는 아연(Zn), 알루미늄(Al) 및 주석(Sn)을 함유하는 합금;을 포함하는, 이차전지 보호소자용 퓨즈 및 이를 이용하여 구현한 이차전지 보호소자를 제공한다.

Description

이차전지 보호소자용 퓨즈 및 이를 이용한 이차전지 보호소자{Fuse for secondary battery protection device and secondary battery protection device using the same}
본 발명은 이차전지 보호소자용 퓨즈 및 이를 이용한 이차전지 보호소자에 관한 것으로서, 더 상세하게는 리튬이온 이차전지 보호소자용 퓨즈 및 이를 이용한 이차전지 보호소자에 관한 것이다.
최근 몇 년간 정보기술(IT)의 비약적인 발전으로 휴대폰, 컴퓨터 및 퍼스널 디지털 보조기기들과 같은 IT 제품들이 보편화되었고, 다양한 분야에 접목되어 언제, 어디서나 휴대할 수 있는 휴대용 IT 기술 및 제품들로 발전하게 되었다. 이러한 휴대용 IT 기기를 작동하기 위해서 전원을 공급하는 배터리가 필요한데, 배터리는 에너지 밀도가 높기 때문에 과전류 또는 과전압 등의 이상 시에는 그 에너지가 일거에 방출되어 폭발하는 위험한 상태가 발생할 가능성이 높다. 실제로 최근 수년 동안 배터리가 내장된 휴대용 IT 기기에서 배터리 발화 및 폭발 사고가 종종 발생하여 사회적 이슈가 되고 있으며, 배터리의 폭발은 소비자의 물질적, 신체적 피해를 줄 뿐만 아니라 이것을 제조한 제조사에도 제품의 신뢰성을 비롯한 물질적 피해를 주고 있다.
일반적으로 휴대용 IT 기기에 속해있는 리튬이온전지는 충전 및 이상 발생 시 이를 제어할 수 있는 안전 회로와 함께 구성되며, 발열체 및 퓨즈 등을 구비하는 보호소자는 이 회로에 장착된다. 리튬이온전지에서 이상 발생 시 발열체가 발열하면서 퓨즈를 용단하여 배터리로 흐르는 전류를 차단함으로써 리튬이온전지의 폭발을 방지하게 된다.
현재 사용되고 있는 퓨즈 재료는 90.0wt% 납(Pb)-주석(Sn) 합금으로, 낮은 융점, 낮은 단가, 높은 전성 등의 장점을 가지고 있다. 그러나 납-주석 합금은 근본적으로 RoHS(Restriction of Hazardous Substances) 규제물질인 납을 기본으로 하고 있는 단점을 가지고 있다. 현재 납-주석 퓨즈 재료는 이차전지(Secondary battery) 부속품 중에 유일하게 RoHS 예외 규정이 적용되는 항목이긴 하지만, 환경규제가 점차 강화되고 있는 현실에서는 납-주석 합금을 대체할 새로운 저융점의 Pb-free 퓨즈 재료 개발이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, Pb-free 합금을 개발하여 친환경적이며, 저융점 및 우수한 습윤 특성을 가질 수 있는 이차전지 보호소자용 퓨즈 및 이를 이용한 이차전지 보호소자에 관한 것이다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 이차전지 보호소자용 퓨즈가 제공된다. 상기 이차전지 보호소자용 퓨즈는 이차전지에 흐르는 전류의 경로 상에 배치됨으로써 상기 이차전지의 과충전 또는 과방전시 용단되어 전류를 차단하는 아연(Zn), 알루미늄(Al) 및 주석(Sn)을 함유하는 합금;을 포함할 수 있다.
상기 아연(Zn)의 함량은 80.0wt% 내지 96.5wt% 이고, 상기 알루미늄(Al)의 함량은 3.0wt% 내지 5.0wt%이며, 상기 주석(Sn)의 함량은 0.5wt% 내지 10.0wt% 일 수 있다.
상기 합금은 260℃ 내지 400℃ 융점을 가질 수 있다.
상기 합금은 0.1㎜ 내지 1.0㎜의 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 이차전지 보호소자가 제공된다. 상기 이차전지 보호소자는 기판; 상기 기판 상에 형성된 전극 단자; 상기 전극 단자 상에 형성된 상술한 상기 이차전지 보호소자용 퓨즈; 및 상기 전극 단자 및 상기 이차전지 보호소자용 퓨즈 사이에 개재되어 상기 전극 단자와 상기 이차전지 보호소자용 퓨즈를 부착할 수 있는 솔더 페이스트(solder paste);를 포함할 수 있다.
상기 기판 상에 실장되는 발열체를 더 포함하고, 상기 발열체가 발열하면서 상기 퓨즈를 용단시킬 수 있다.
상기 솔더 페이스트는 주석(Sn), 은(Ag) 및 구리(Cu)를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 습윤성이 우수하고, 저융점의 냉간압연이 가능한 Pb-free 합금을 구비하는 이차전지 보호소자용 퓨즈 및 이를 이용한 이차전지 보호소자를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 회로 및 이차전지 보호소자의 동작을 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 보호소자의 구성을 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금의 상태도를 도해하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들의 DSC(Differential Scanning Callorimetry) 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들의 4.0wt% Al에 대한 등춘선(isopleth) 및 DSC(Differential Scanning Calorymetry)에 의해 측정된 온도를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들의 냉간압연 후 형상을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들의 주조 후 표면을 광학현미경으로 분석한 사진이다.
도 8은 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들 중 합금 1과 합금 5의 SEM(Scanning Electron microscope) 및 EDS(energy dispersive spectroscopy) 분석 결과를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들 중 합금 1과 합금 5에서 각 온도별 상(phase)과 그 조성을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들의 XRD(X-ray Diffraction) 분석 결과를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들 중 합금 1의 열처리 온도 및 시간에 따라 광학현미경으로 분석한 사진이다.
도 12는 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들 중 합금 5의 열처리 온도 및 시간에 따라 광학현미경으로 분석한 사진이다.
도 13은 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들 중 합금 1의 냉각방법에 따라 광학현미경으로 분석한 사진이다.
도 14는 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들 중 합금 5의 냉각방법에 따라 광학현미경으로 분석한 사진이다.
도 15는 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들 중 합금 1과 합금 5의 냉각방법에 따라 SEM으로 분석한 사진이다.
도 16은 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들 중 합금 1의 냉각방법에 따라 SEM 및 EDS 분석한 사진이다.
도 17은 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들 중 합금 5의 냉각방법에 따라 SEM 및 EDS 분석한 사진이다.
도 18은 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들 중 합금 1의 냉각방법에 따라 XRD로 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 19는 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들 합금 5의 냉각방법에 따라 XRD로 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 20은 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들의 Sn-0.3wt% Ag-0.7wt% Cu 페이스트(paste)와 습윤성 테스트 결과를 나타낸 도면이다.
도 21은 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들의 Sn-0.3wt% Ag-0.5wt% Cu 페이스트(paste)와 습윤성 테스트 결과를 나타낸 도면이다.
도 22는 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들 중 합금 1 및 합금 5의 Sn-0.3wt% Ag-0.7wt% Cu 페이스트(paste)와 습윤성 테스트 결과를 나타낸 도면이다.
도 23은 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들 중 합금 1 및 합금 5의 Sn-0.3wt% Ag-0.7wt% Cu 페이스트(paste)와 습윤성 테스트 결과를 나타낸 도면이다.
도 24는 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들의 용단 테스트 과정 및 결과를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
명세서 전체에 걸쳐서, 막, 영역 또는 기판과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 접합하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에", "직접 연결되어", 또는 "직접 커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다. 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
또한, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 추가하여 소자의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 소자가 뒤집어 진다면(turned over), 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로, 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다. 소자가 다른 방향으로 향한다면(다른 방향에 대하여 90도 회전), 본 명세서에 사용되는 상대적인 설명들은 이에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 회로 및 이차전지 보호소자의 동작을 개략적으로 도해하는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 보호소자의 구성을 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 1의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 회로는 적어도 둘 이상의 외부연결단자(P+, P-)를 구비할 수 있다. 외부연결단자(P+, P-)의 일측은 제 1 보호회로(100), 복수개의 배터리 베어셀(400)과 전기적으로 연결될 수 있다. 복수개의 배터리 베어셀(400)은 제 2 보호회로(300)와 전기적으로 연결되어 이상 발생시 전류의 흐름을 차단할 수 있다. 제 1 보호회로(100) 및 제 2 보호회로(300)는 복수개의 전계효과트랜지스터(FET)를 구비할 수 있으며, 본 발명의 보호소자(200)는 제 1 보호회로(100)와 복수개의 배터리 베어셀(400)의 사이에 개재되어 전기적으로 연결될 수 있다.
도 1의 (b), (c) 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 보호소자(200)는 알루미나 등의 기판(10) 상에 전극 단자(20a, 20b, 20c), 발열체(30), 절연체(40) 및 퓨즈(50) 등을 배치하여 구성되며, 이차전지의 과충전 또는 과방전시 또는 이상 발생시 발열체(30)가 발열하면서 퓨즈(50)를 용단하여 배터리로 흐르는 전류를 차단함으로써 이차전지의 폭발을 방지할 수 있다. 여기서, 상기 용단은 퓨즈(50)가 소정의 온도에서 용융되어 단선됨을 의미한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈(50)는 상기 퓨즈 재료를 전극 단자(20a, 20c) 위에 접합시키기 위해서 솔더 페이스트(solder paste)를 사용하여 열처리하게 되는데, 상기 솔더 페이스트는 주석(Sn), 은(Ag) 및 구리(Cu) 원소를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 솔더 페이스트는 OL-107F(A1) 또는 OM-325 중 하나일 수 있으며, 상기 OL-107F(A1)는 Sn-0.3wt%Ag-0.7wt%Cu의 조성을 가지며, 상기 OM-325는 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu의 조성을 가진다. 상기 솔더 페이스트는 모두 그 열처리 온도가 최대 260℃이다.
따라서 퓨즈(50) 재료가 열처리 온도에서 용해되면 안 되기 때문에 퓨즈(50) 재료의 용해온도는 약 260℃ 보다 높아야 한다. 그러나 퓨즈(50) 재료의 용해온도가 너무 높으면 발열체의 온도에 의해 용해되기 어렵기 때문에 최대 용해온도를 약 400℃로 한다. 즉, 퓨즈(50) 재료로 사용되는 합금의 융점은 약 260℃ 내지 400℃의 온도범위를 가지는 합금조성을 사용해야 한다.
또한, 압연 공정을 이용하여 합금의 두께를 약 0.1㎜ 내지 1.0㎜ 의 범위로 만들어야 하므로 합금의 전성이 좋아야 하며, 솔더 페이스트를 사용하여 전극 단자(20a, 20c) 상에 접합하기 위해서 퓨즈(50) 재료에 대한 솔더 페이스트의 습윤성이 좋아야 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금의 상태도를 도해하는 도면이다.
도 3에 도시된 아연(Zn)-알루미늄(Al)-주석(Sn) 삼원계의 상태도(이하, 액상선 투영도(liquidus projection))를 살펴보면, 액상선의 온도(용해 온도)를 증가시키지 않으면서 93.2wt% Zn-5.8wt% Al-0.9wt% Sn 합금보다 주석(Sn)의 함유량을 증가시킬 수 있다. 이를 이용하여 시뮬레이션 프로그램인 "FactSage"를 사용하여 주석 함유량에 따른 용해온도를 더 정확하게 예측하여 도 3에 굵은 선으로 도시된 부근의 합금 조성을 설계할 수 있다.
도 3의 (a) 및 (b)를 참조하면, 알루미늄(Al)의 함량을 약 3.0wt% 내지 5.0wt% 로 고정하였을 경우, 주석(Sn)의 양을 0.9wt% 보다 많이 첨가하더라도 아연-알루미늄-주석 합금의 용해온도는 거의 변화하지 않음을 확인할 수 있다.(도 3의 (b)에 도시된 화살표 참조)
또한, 도 3의 (b)에 도시된 포인트 1과 포인트 2의 두 개의 불변 반응(invariant reaction)이 존재하는데, 각각 삼원계 전이반응(ternary transtion reaction) 및 삼원계 공정반응(ternary eutectic reaction)이다.
먼저, 삼원계 전이반응(U1)은 하기 화학식 1 로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
L + (Al)'→ (Zn) + (Al)"
(여기서, 상기 L은 액상이고, 상기 (Zn)은 아연의 고용체 상이며, 상기 (Al)'은 상기 아연의 양이 알루미늄의 양보다 더 많은 알루미늄 고용체 상이고, 상기 (Al)"은 상기 알루미늄의 양이 상기 아연의 양보다 더 많은 알루미늄 고용체 상임)
상기 화학식 1 및 도 3의 (b)로부터 얻어진 전이 반응점의 조성은 23.63wt% Zn-1.40wt% Al-74.97wt% Sn이며, 이 때의 전이 반응의 온도는 약 278.2℃이다.
한편, 삼원계 공정반응(E1)은 하기 화학식 2로 표시될 수 있다.
[화학식 2]
L → (Zn) + (Al)"+ (Sn)
(여기서, 상기 L은 액상이고, 상기 (Zn)은 아연의 고용체 상이며, 상기 (Al)"은 상기 알루미늄의 양이 상기 아연의 양보다 더 많은 알루미늄 고용체 상이고, 상기 (Sn)은 주석의 고용체 상임)
상기 화학식 2 및 도 3의 (b)로부터 얻어진 공정 반응점의 조성은 7.83wt% Zn-0.28wt% Al-91.89wt% Sn이며, 이 때의 공정 반응의 온도는 약 196.6℃이다.
상기 각 반응점에서의 합금 조성과 온도를 참조하여 알루미늄의 양을 약 4.0wt%로 고정하여 주석의 양에 따른 등충선(isopleth) 결과를 살펴보면, 주석의 양이 증가하면 합금의 용해온도는 감소하는 것을 확인 할 수 있다. 그러나 용해온도를 낮추기 위하여 주석의 양을 너무 증가시키면, 전이반응 온도나 공정반응 온도에서 액상의 양이 많아지게 된다. 따라서 저온에서도 용해되는 부분이 증가되므로 퓨즈 재료로서는 적합하지 않다. 즉, 용해온도를 낮추면서 저온에서 액상이 많이 생기지 않도록 알루미늄의 양을 약 4.0wt%로 고정하고, 주석의 양을 약 0.5wt% 내지 10.0wt%로 제한함으로써 아연-알루미늄-주석 합금을 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 상술한 기술적 사상을 적용한 실험예를 설명한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예에 의해서 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예에 의한 이차전지 보호소자용 퓨즈를 구성하는 합금 샘플들을 제조했다. 상기 샘플들은 알루미늄의 양을 약 4.0wt%로 고정하고, 주석의 양을 변화시켜 설계한 금속을 각각 용해하고 주조하여 아연-알루미늄-주석 합금을 제조했다. 상기 합금 샘플들의 조성은 하기 표 1에 도시하였다.
합금종류 합금의 조성(wt%, at% in( ))
아연(Zn) 알루미늄(Al) 주석(Sn)
합금 1 95.0(90.27) 4.0(9.21) 1.0(0.52)
합금 2 93.0(89.13) 4.0(9.29) 3.0(1.58)
합금 3 91.0(87.97) 4.0(9.37) 5.0(2.66)
합금 4 89.0(86.79) 4.0(9.45) 7.0(3.76)
합금 5 87.0(85.59) 4.0(9.53) 9.0(4.88)
합금종류 합금의 조성(wt%)
아연
(Zn)		 알루미늄
(Al)		 주석
(Sn)		 마그네슘
(Mg)		 구리
(Cu)		 철
(Fe)		 실리콘
(Si)		 remnants
합금 1 94.99 3.74 0.94 0.12 0.03 0.02 0.09 0.07
합금 2 92.16 4.38 2.73 0.42 0.05 0.03 0.19 0.04
합금 3 91.09 4.60 4.07 0.12 0.03 0.02 - 0.07
합금 4 88.19 4.44 6.78 0.45 0.05 0.05 - 0.04
합금 5 86.96 3.88 8.71 0.31 0.04 0.03 - 0.07
상기 표 2는 상기 표 1에 도시된 합금 샘플들의 조성을 XRF로 분석한 결과를 정리한 도표이다. 알루미늄의 양은 약 4.0wt% 내외였고, 합금 3을 제외하고는 주석의 양도 설계한 조성에 근접하여서 합금 1에서 합금 5로 갈수록 주석의 양은 증가하였다. 그러나 불순물인 마그네슘의 양이 상대적으로 높았다. 이는 용해에 사용된 도가니 또는 주조의 주형틀에서부터 기인된 것으로 보인다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들의 DSC(Differential Scanning Callorimetry) 분석 결과를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들의 4.0wt% 알루미늄에 대한 등춘선(isopleth) 및 DSC(Differential Scanning Callorimetry)에 의해 측정된 온도를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 각 합금 샘플들의 DSC(Differential Scanning Calorimetry) 곡선을 보여주는데, 도 4의 (a)는 전체 측정 온도구간에서의 DSC 곡선이고, 도 4의 (b)는 160℃ 내지 220℃ 온도범위에서의 DSC 곡선이다. 합금 조성에 따라 4개 내지 5개의 흡열 피크들이 보이며, 이러한 흡열 피크들과 관련된 온도들을 하기 표 3에 정리하였다.
합금
종류		 T1'
(onset)		 T1
(peak)		 T2
(peak)		 T3'
(onset)		 T3
(peak)		 T4
(peak)		 T5
(peak)
합금 1 176.4 178.3 - 276.5 278.7 374.0 392.1
합금 2 176.8 179.1 189.1 276.5 278.8 364.2 386.1
합금 3 176.5 178.1 191.2 276.7 278.7 357.7 380.7
합금 4 177.0 178.5 193.6 276.7 278.7 353.4 377.3
합금 5 177.7 vague 196.0 276.9 280.0 352.5 374.3
각 흡열 피크의 온도들을 도 5와 비교해보면, 온도 T5는 하기 화학식 3과 관련된 액상선 온도이다.
[화학식 3]
L + (Zn) → L
(여기서, 상기 L은 액상이고, 상기 (Zn)은 아연의 고용체 상임)
측정된 액상선 온도 T5는 주석의 양이 증가할수록 감소하였으며, 모든 합금 샘플들에서 약 400℃ 보다 낮으므로 설계한 아연-알루미늄-주석 합금들의 용해온도 조건을 만족함을 알 수 있다.
또한, 온도 T4는 하기 화학식 4와 관련된 온도이다.
[화학식 4]
L + (Zn) + (Al)' → L+ (Zn)
(여기서, 상기 L은 액상이고, 상기 (Zn)은 아연의 고용체 상이며, 상기 (Al)'은 상기 아연의 양이 알루미늄의 양보다 더 많은 알루미늄 고용체 상임)
온도 T4는 온도 T5와 마찬가지로 주석의 양이 증가할수록 감소하였으며, 예상 온도보다는 조금 낮았다.
또한, 온도 T3와 T3'은 주석의 양과 관계없이 일정한 것으로부터 상기 화학식 1로 표시되는 삼원계 전이반응(U1)이 일어나는 온도인 것을 알 수 있다. 온도 T2는 주석의 양이 증가함에 따라 커지며, 주석의 양이 가장 적은 합금 1에서는 T2와 관련된 피크가 관찰되지 않았다.
이렇게 주석의 양에 따라 T2 온도가 변하는 것으로 보아, 불변반응인 삼원계 공정반응과는 관계가 없으며, 도 5의 isopleth에서는 그와 관련된 상변화를 볼 수 없었다. 반면에, 온도 T1과 T1'은 주석의 양과 관계없이 일정하므로 불변반응의 온도와 관계가 있으나 공정온도 T1이 예상치보다 다소 낮다. 이는 합금 내에 존재하는 마그네슘 등의 불순물 원소들로 인해 공정온도가 더 내려갔기 때문으로 예측한다.
도 6은 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들의 냉간압연 후 형상을 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 합금 1 내지 합금 5의 샘플들을 압연한 결과, 모든 합금 샘플들을 약 1㎜ 이하의 두께로 냉간 압연 할 수 있었다. 합금 1 내지 합금 5는 모두 이차전지 보호소자용 퓨즈의 재료로서 가져야 할 특성을 만족함을 확인할 수 있었다.
도 7은 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들의 주조 후 표면을 광학현미경으로 분석한 사진이고, 도 8은 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들 중 합금 1과 합금 5의 SEM(Scanning Electron microscope) 및 EDS(energy dispersive spectroscopy) 분석 결과를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 합금 1 내지 합금 5 샘플들의 표면을 광학현미경으로 분석한 사진이다. 합금의 종류에 상관없이 주조조직은 모두 세포상(cellular) 응고조직을 보이며, 각 세포상 사이에는 검은색의 상과 하얀색의 상이 존재하고 있다. 하얀색의 상은 합금의 조성에서 주석의 양이 클수록, 즉, 합금 1에서보다 합금 5에서 더 많이 존재함을 확인할 수 있다.
한편, 도 8을 참조하면, 상기 합금 샘플들의 표면 상들을 좀 더 자세히 확인할 수 있다. 도 8의 (a) 및 (b)에 있는 EDS 성분분석 결과를 보면, 세포상의 형태를 보이는 회색의 상은 조성이 약 100.0wt% Zn인 아연 고용체 상이며, 검은색 상은 알루미늄에 아연이 고용되어 있는 알루미늄 고용체 상으로서 약 30.0wt% Zn-70.0wt% Al의 조성을 갖는 Al-rich 알루미늄 상이었으며, 하얀색 상은 주석에 약 2.0wt% 내지 3.0wt% Zn이 고용되어 있는 주석 고용체 상이었다.
또한, 도 8의 (d) 및 (e)는 도 8의 (c)의 SEM 이미지를 원소별로 EDS 맵핑(mapping)한 결과이다. 도 8의 (a) 및 (b)의 결과와 동일하게 (Zn), (Al)" 및 (Sn) 의 3상이 존재함을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들 중 합금 1과 합금 5에서 각 온도별 상(phase)과 그 조성을 도시한 도면이고, 도 10은 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들의 XRD(X-ray Diffraction) 분석 결과를 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 도 5의 (a)에 도시된 isopleth 상에 각 합금 샘플들 중 합금 1과 합금 5의 종류와 온도에 맞추어 표로 표시한 것으로서, 합금 1과 합금 5에서 주석의 양이 다르더라도 동일한 온도에서 존재하는 상들의 조성은 같으며, 단지 상들의 분율 만이 다름을 알 수 있다. 여기서, 약 250℃에서 합금 1에 존재하는 액상의 양(1.0wt%)과 합금 5에 존재하는 액상의 약(10.6wt%)을 비교하면, 아연-알루미늄-주석 합금에서 주석의 함유량이 증가할수록 저온에서 존재하는 액상의 양이 많아짐을 알 수 있다. 또, 합금의 조성에서 주석의 양이 증가하면 동일한 온도에서 (Sn) 상의 양이 증가하는데, 이 결과는 도 8의 합금 1과 합금 5의 주조상태에서의 미세조직 결과와 일치한다.
또한, 아연-알루미늄-주석 합금에 존재하는 상들의 조성에 대하여 EDS 결과를 살펴보면, (Zn) 상의 조성 계산 값과 EDS 성분 분석 결과가 일치했다. 그러나 (Al)"상에 있어서는 EDS 성분 분석 결과에 의한 아연 함유량(~30.0wt%)이 계산 결과의 아연 함유량(2.2wt%)보다 매우 컸다. 그 이유는 주조에 의한 합금의 냉각속도가 빨라서 평형상태에서 예측한 만큼 (Al)"상으로부터 아연이 확산하지 못했기 때문이며, (Sn) 상의 경우도 동일한 결과를 가진다.
도 10을 참조하면, 주조상태의 합금 1 내지 합금 5에 존재하는 상들과 그 상들의 결정구조를 확인할 수 있다. 주석의 함유량과 상관없이 모든 합금에서 조밀육방정(HCP) 구조를 갖는 (Zn) 상과 체심정방정(BCT) 구조를 갖는 (Sn) 상이 존재한다. 또, 면심입방정(FCC) 구조를 갖는 (Al) 상의 X-선 회절피크는 (Zn) 상이나 (Sn) 상의 X-선 회절피크들과 겹쳐서 정확하게 구분할 수는 없었다.
한편, 주석의 함유량이 증가할수록 (Sn) 상의 회절강도가 커지는 것으로 보아 주석의 함유량이 증가할수록 (Sn) 상의 양이 증가한다는 것을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들 중 합금 1의 열처리 온도 및 시간에 따라 광학현미경으로 분석한 사진이고, 도 12는 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들 중 합금 5의 열처리 온도 및 시간에 따라 광학현미경으로 분석한 사진이다.
도 11을 참조하면, 합금 1을 약 150℃, 250℃ 및 300℃에서 각각 열처리한 후 수냉하여 광학현미경으로 합금 1의 미세조직을 관찰한 것이다. 상기 화학식 2로 표시되는 공정온도보다 낮으면서 (Zn), (Al)" 및 (Sn) 의 세 상이 공존하는 영역인 150℃에서 5시간 열처리한 후 수냉한 경우의 미세조직은 주조조직과 크게 다르지 않다.
반면에, 상기 공정온도보다 높으면서 상기 세 상이 공존하는 영역인 250℃에서 5시간 열처리하여 수냉한 경우의 미세조직에서는 주조조직과 달리 (Zn) 상과 (Zn) 상 사이에 존재하는 하얀색의 (Sn) 상과 검은색의 (Al) 상의 크기가 커져 보이며, (Zn) 상과 (Zn) 상 사이가 두껍게 보인다.
300℃에서 5시간 또는 10시간 열처리한 후 수냉한 경우의 미세조직은 250℃에서 5시간 열처리한 후 수냉한 미세조직과 유사하다.
도 12를 참조하면, 도 11을 참조하여 상술한 내용을 보다 명확하게 관찰할 수 있다. 특히, (Sn) 상과 (Al) 상의 크기가 커지면서 상들 사이의 구별이 뚜렷해졌으며, 주조조직에서는 주로 (Zn) 상과 (Zn) 상 사이에 존재하던 (Sn) 상과 (Al) 상이 (Zn) 상 내부에서도 관찰된다.
도 13은 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들 중 합금 1의 냉각방법에 따라 광학현미경으로 분석한 사진이고, 도 14는 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들 중 합금 5의 냉각방법에 따라 광학현미경으로 분석한 사진이다.
도 13을 참조하면, 합금 1을 300℃에서 10시간 열처리 한 후에 각각 로냉(furnace cooling), 공냉(air cooling) 및 수냉(water cooling)함으로써 냉각 방법(속도)을 달리함에 따라 광학현미경으로 분석한 사진이다. 냉각 방법에 따라서 (Al) 상의 크기와 분포 형태에 큰 차이를 보이는데, 수냉한 경우 (Al) 상의 크기가 가장 커 보이며, 공랭한 경우에는 검은색의 (Al) 상과 하얀색의 (Sn) 상의 경계가 명확하지 않다.
한편, 도 14를 참조하면, 합금 5는 합금 1의 경우보다 좀 더 명확하게 구분되는데, 수냉한 경우 (Al) 상의 크기가 로냉한 경우 (Al) 상의 크기보다 훨씬 더 크며, 수냉한 경우에 (Sn) 상의 내부조직도 미세한 선들이 관찰되면서 다른 냉각방법들의 (Sn) 미세조직과 달랐다. 그리고 공냉의 경우에는 특이하게 (Al) 상 내부에 (Sn) 상이 관찰되며, (Zn) 상과 (Sn) 상의 상간 계면이 매끄럽지 않음을 확인할 수 있다.
도 15는 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들 중 합금 1과 합금 5의 냉각방법에 따라 SEM으로 분석한 사진이고, 도 16은 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들 중 합금 1의 냉각방법에 따라 SEM 및 EDS 분석한 사진이며, 도 17은 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들 중 합금 5의 냉각방법에 따라 SEM 및 EDS 분석한 사진이다.
도 15를 참조하면, 합금 1과 합금 5를 각각 냉각 방법에 따른 미세조직 변화를 자세히 관찰하기 위해서 SEM 분석을 한 결과이다. (Al) 상과 (Sn) 상은 300℃에서 10시간 열처리에 의해서 합체되어 주조조직보다 좀 더 큰 형상을 보이면서 불연속적으로 분포한다. 그리고 광학현미경으로 관찰한 결과와 동일하게 수냉한 합금에서 (Al) 상의 크기가 가장 컸으며, 공냉한 합금에서는 (Sn) 상과 (Al) 상의 경계가 뚜렷하지 않고 혼합된 조직이 관찰되었다.
또한, (Sn) 상의 양이 상대적으로 많은 합금 5에 있어서, 공냉한 경우에서 매끄럽지 못한 (Sn)/(Zn) 상간계면이 존재하였으며, 공냉하거나 수냉한 경우 (Sn) 상 내부에 다른 상의 존재가 확인되었다.
도 16 및 도 17을 참조하면, 합금 1과 합금 5를 각각 열처리하고 로냉 또는 수냉한 경우, 즉, 도 16의 (a) 및 (b)에 의하면, (Zn) 상의 조성은 모두 100.0wt% Zn 이었고, (Sn) 상의 조성은 약 2.0wt% 내지 3.0wt% Zn과 97.0wt% 내지 98.0wt% Sn 이었다. 그러나 (Al) 상의 조성은 서로 다르며, 로냉의 경우에는 약 33.0wt% Zn-64.0wt% Al으로 Al-rich 상인 (Al)" 상이었다. 또, 수냉의 경우에는 약 72.0wt% Zn-28.0wt% Al으로 Zn-rich 상인 (Al)' 상이었다. 이렇게 로냉과 수냉의 경우에 (Al) 상의 조성이 다른 이유는, 삼원계 전이온도보다 높은 300℃에서는 Zn-rich인 (Al)'상이 열역학적으로 안정하고, 삼원계 전이온도보다 낮은 온도에서는 Al-rich인 (Al)"상이 안정하지만, 300℃에서 수냉을 하게 되면 상대적으로 급냉하게 되어 (Al)'상 내에 있는 아연이 확산하여 빠져나가지 못하게 되어 상온에서도 여전히 Zn-rich인 (Al)' 상이 존재하게 된다.
반면에, 300℃에서 로냉을 하게 되면 (Al)'상 내에 있는 아연이 확산해 나갈 수 있는 시간이 충분히 있어서 삼원계 전이 반응이 일어나 (Al)' 상이 (Al)"상으로 변하기 때문이다. 공냉의 경우 (Al)'상과 (Al)" 상 모두 관찰되는데, 이것은 전이 반응 중에 있던 상과 전이반응이 종료된 후의 상이 공존하기 때문이다.
여기서, 공냉에서의 (Al)'상은 수냉에서의 (Al)'상과 달리 (Zn) 상이나 (Sn) 상과 섞여서 나타났으며, 표면 형상에 있어서도 매끄럽지 못했기 때문에 삼원계 전이반응이 진행 중에 있던 상이라 판단된다.
도 18은 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들 중 합금 1의 냉각방법에 따라 XRD로 분석한 결과를 나타낸 도면이고, 도 19는 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들 합금 5의 냉각방법에 따라 XRD로 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 18 및 도 19를 참조하면, 합금 1과 합금 5를 각각 300℃에서 10시간 열처리 한 후에 로냉, 공냉 및 수냉을 수행한 경우의 XRD 분석 결과이다. 도 10에 도시된 것과 동일한 X-선 회절 피크들을 보이며, 냉각 방법에 따라 존재하는 상들에서 거시적으로 차이가 없다는 것을 보여준다.
도 20은 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들의 OL-107F(A1) 페이스트(paste)와 습윤성 테스트 결과를 나타낸 도면이고, 도 21은 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들의 OM-325 페이스트(paste)와 습윤성 테스트 결과를 나타낸 도면이다.
도 20 및 도 21을 참조하면, 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자를 제조하는 과정 중에 리플로우(reflow) 공정에서 퓨즈는 솔더 페이스트(solder paste)를 이용하여 전극 단자에 부착된다. 이 때, 퓨즈가 전극 단자에 확실하게 접합되기 위해서는 퓨즈 재료와 솔더 페이스트 사이의 습윤성이 좋아야 한다. 도 20 및 도 21은 주조하고 압연한 합금 1 내지 합금 5의 표면에 솔더 페이스트를 도포하여 230℃, 240℃ 및 250℃에서 각각 리플로우(reflow)하여 습윤성을 시험한 결과이다.
최대 250℃까지 실험한 합금 샘플들의 표면에 솔더가 원래 형태를 유지하지 못하고 둥글게 모아지는 현상이 관찰되었다. 심한 경우에는 둥글게 모아진 솔더가 합금 표면에서 쉽게 떨어져 나갔다. 이것은 합금 표면에서 솔더의 습윤각(wetting angle 또는 contact angle)이 크다는 것을 의미하며, 합금 1 내지 합금 5에 대한 솔더 페이스트의 습윤성이 좋지 않다는 것을 의미한다.
도 22는 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들 중 합금 1 및 합금 5의 OL-107F(A1) 페이스트(paste)와 습윤성 테스트 결과를 나타낸 도면이고, 도 23은 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들 중 합금 1 및 합금 5의 OL-107F(A1) Cu 페이스트(paste)와 습윤성 테스트 결과를 나타낸 도면이다.
도 23 및 도 24를 참조하면, 합금 1과 합금 5를 300℃에서 10 시간 열처리 한 후에 각각 로냉, 공냉 및 수냉처리했다. 그 후 합금 1과 합금 5의 표면에 솔더 페이스트 OL-107F(A1)과 OM-325를 도포하고, 약 230℃, 240℃ 및 250℃에서 리플로우(reflow)하여 습윤성을 측정한 결과이다. 대부분의 경우에서 습윤성이 안 좋은 것으로 나타났으나, 300℃에서 10 h 열처리 하고 공냉한 합금 5와 솔더 페이스트 OM-325을 사용한 경우에서 리플로우 온도와 상관없이 어느 정도의 습윤성을 나타내었다. 이러한 결과는 도 15 내지 도 17에서 볼 수 있듯이 300℃에서 10 h 열처리 하고, 공냉한 합금 5에서 습윤성이 안 좋은 (Al) 상 내부에 습윤성이 좋은 (Sn) 상이 같이 공존하는 미세조직과 관련이 있을 수 있다.
도 24는 본 발명의 실험예에 따른 이차전지 보호소자용 퓨즈에 사용되는 합금 샘플들의 용단 테스트 과정 및 결과를 나타낸 도면이다.
도 24의 (a)를 참조하면, 본 발명의 실험예에 따른 이처전지 보호소자의 용단 테스트 과정은 금(Au) 전극 단자를 형성하는 단계(S100), 금 전극 단자 상에 페이스트를 도포하는 단계(S200), 페이스트 상에 퓨즈를 부착하는 단계(S300), 퓨즈가 부착된 이차전지 보호소자를 리플로우 열처리하는 단계(S400) 및 열처리 된 이차전지 보호소자에 소정의 전압을 인가하여 용단 테스트 하는 단계(S500)를 포함할 수 있다.
즉, 금(Au) 전극 단자 상에 합금 5의 조성을 가지는 합금을 300℃에서 10시간동안 열처리하고 공냉을 수행하여 이차전지 보호소자용 퓨즈를 형성한다. 상기 금 전극 단자 상에 상기 퓨즈를 솔더 페이스트 OM-325를 사용하여 실장(mounting) 한 후에 상기 금 전극 단자에 소정의 전압을 가해 용단 테스트를 진행한다. 용단 테스트 결과는 도 24의 (b)에 도시되었다.
도 24의 (b)를 참조하면, 합금의 일부분만 용해되어서 완전한 용단은 일어나지 않았다. 그 이유는 아연-알루미늄-주석 합금이 종래의 납(Pb)-주석(Sn) 합금보다 산화가 더 잘되기 때문에 전체적으로 용해되지 않고 일부분만 용해됨으로써 완전한 용단이 일어나지 않는 것으로 판단된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 리튬이온전지 보호소자용 퓨즈 재료로서 아연-알루미늄-주석 합금의 용해온도가 400℃ 이하이고 저온에서 액상의 양이 작으면서 아연(Zn)의 함량은 약 80.0wt% 내지 96.5wt% 이고, 알루미늄(Al)의 함량은 약 3.0wt% 내지 5.0wt%이며, 주석(Sn)의 함량은 약 0.5wt% 내지 10.0wt%인 아연-알루미늄-주석 합금을 설계하였다.
상기 조성을 가지는 합금에 있어서, 최저 두께 약 0.5㎜까지 압연이 가능하였으며, 따라서 퓨즈재료로서 가져야 할 압연성(전성)을 만족했다. 약 300℃에서 약 10 시간동안 열처리하고, 공냉한 합금과 솔더 페이스트 OM-325를 사용하여 리플로우 온도 약 230℃ 내지 250℃의 범위에서 습윤성 향상 효과를 보았다. 그러나 이 합금을 가지고 융단현상을 평가한 결과, 합금의 일부분만 용해되어서 완전한 융단은 일어나지 않았다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 기판
20 : 전극 단자
30 : 저항(발열체)
40 : 절연막
50 : 퓨즈(fuse)
100 : 제 1 보호회로
200 : 이차전지 보호소자
300 : 제 2 보호회로
400 : 배터리 베어셀

Claims (7)

  1. 이차전지에 흐르는 전류의 경로 상에 배치됨으로써 상기 이차전지의 과충전 또는 과방전시 용단되어 전류를 차단하는 아연(Zn), 알루미늄(Al) 및 주석(Sn)을 함유하는 합금;을 포함하는,
    이차전지 보호소자용 퓨즈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 아연(Zn)의 함량은 80.0wt% 내지 96.5wt% 이고, 상기 알루미늄(Al)의 함량은 3.0wt% 내지 5.0wt%이며, 상기 주석(Sn)의 함량은 0.5wt% 내지 10.0wt%인, 이차전지 보호소자용 퓨즈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 합금은 260℃ 내지 400℃ 융점을 가지는, 이차전지 보호소자용 퓨즈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 합금은 0.1㎜ 내지 1.0㎜의 두께를 가지는, 이차전지 보호소자용 퓨즈.
  5. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 전극 단자;
    상기 전극 단자 상에 형성된 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 의한 상기 이차전지 보호소자용 퓨즈; 및
    상기 전극 단자 및 상기 이차전지 보호소자용 퓨즈 사이에 개재되어 상기 전극 단자와 상기 이차전지 보호소자용 퓨즈를 부착할 수 있는 솔더 페이스트(solder paste);
    를 포함하는,
    이차전지 보호소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 기판 상에 실장되는 발열체를 더 포함하고, 상기 발열체가 발열하면서 상기 퓨즈를 용단시키는,
    이차전지 보호소자.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 솔더 페이스트는 주석(Sn), 은(Ag) 및 구리(Cu)를 포함하는,
    이차전지 보호소자.
KR1020150026399A 2015-02-25 2015-02-25 이차전지 보호소자용 퓨즈 및 이를 이용한 이차전지 보호소자 KR20160103714A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150026399A KR20160103714A (ko) 2015-02-25 2015-02-25 이차전지 보호소자용 퓨즈 및 이를 이용한 이차전지 보호소자

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150026399A KR20160103714A (ko) 2015-02-25 2015-02-25 이차전지 보호소자용 퓨즈 및 이를 이용한 이차전지 보호소자

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20160103714A true KR20160103714A (ko) 2016-09-02

Family

ID=56942937

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150026399A KR20160103714A (ko) 2015-02-25 2015-02-25 이차전지 보호소자용 퓨즈 및 이를 이용한 이차전지 보호소자

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20160103714A (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210085173A (ko) * 2019-12-30 2021-07-08 주식회사 유라코퍼레이션 인쇄 회로 기판

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210085173A (ko) * 2019-12-30 2021-07-08 주식회사 유라코퍼레이션 인쇄 회로 기판

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3449023B1 (en) High reliability lead-free solder alloy
JP2019520985A6 (ja) 高信頼性鉛フリーはんだ合金
JP4770733B2 (ja) はんだ及びそれを使用した実装品
CN108971793B (zh) 一种低温无铅焊料
US20070178007A1 (en) Lead-free solder, solder joint product and electronic component
CN103501959B (zh) 功率器件用的焊料合金和高电流密度的焊料接头
CN105195915A (zh) 一种低温无铅焊料合金
CN109434317B (zh) 一种无铅环保焊料及其制备方法和用途
Zhang et al. Effect of Zn on properties and microstructure of SnAgCu alloy
JP4722751B2 (ja) 粉末はんだ材料および接合材料
US6779710B2 (en) Mounting parts peel suppressing soldering method, electronic circuit baseboard, and electronic instrument
JPH1158066A (ja) はんだ合金
JPH10193169A (ja) 無鉛はんだ合金
JP2020002439A (ja) ヒューズ用銅合金
KR20160103714A (ko) 이차전지 보호소자용 퓨즈 및 이를 이용한 이차전지 보호소자
CN105397329B (zh) 一种含Nd、Re、In的Sn‑Ag‑Cu低银无铅钎料
CN107604203A (zh) 一种高强度高弹性的锡青铜合金及其固溶工艺
JP2003013165A (ja) 温度ヒューズ用可溶性合金および温度ヒューズ用線材および温度ヒューズ
EP2974818B1 (en) Solder joining method
Alam et al. Development and Characterization of Sn–Zn–Bi Lead Free Solder
JP2013221160A (ja) 二次電池の負極集電体用銅合金、二次電池の負極集電体用銅合金箔およびその製造方法
WO2019103211A1 (ko) 무연 세라믹 칩 퓨즈 및 그 제조방법
JP4244035B2 (ja) ヒューズ用錫合金及びこれを用いた電線ヒューズ
JP5589590B2 (ja) 応力緩和性に優れるＰｂフリーはんだ合金
JP5999649B2 (ja) ヒューズエレメント

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application