KR20170051216A - Manufacturing Methods of ZnO Varistors With High Surge Energy Capability - Google Patents

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Abstract

The present invention provides a method for preparing zinc oxide (ZnO) varistors with a high surge energy tolerance. According to the present invention, the large-capacity zinc oxide varistor preparing method includes the steps of: blending an additive including bismuth oxide powder, antimony oxide powder, iron oxide powder, manganese oxides, and alumina powder; pulverizing the blended additive primarily; mixing zinc oxide powder to the pulverized additive to blend an ingredient composition for a varistor; pulverizing the ingredient composition secondarily; forming the ingredient composition; and sintering the formed ingredient composition. The present invention can prepare the zinc oxide varistor with high reliability and high surge energy tolerance for surge energy such as high power electromagnetic pulses (HPEMP) and direct lightning.

Description

대용량 ZnO 바리스터의 제조방법{Manufacturing Methods of ZnO Varistors With High Surge Energy Capability}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a ZnO varistor,

본 발명은 대용량 ZnO 바리스터의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 직격뢰 또는 고출력전자기펄스(HPEMP; High Power Electro-Magnetic Pulse)와 같은 높은 서지에너지 내량을 갖는 ZnO 바리스터의 제조 방법에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a method of manufacturing a ZnO varistor having a high surge energy tolerance such as a direct lightning discharge or a high power electro-magnetic pulse (HPEMP).

산화 아연(ZnO) 바리스터는, 산화아연과 기본 첨가물인 산화 비스무스, 이산화 망간 및 산화 코발트와 한층 더 성능 향상을 위해서 첨가되는 각종의 산화물을 포함한 산화아연 원료 혼합물을 소성함으로써 얻을 수 있는 산화아연계 자기 조성물(소결체)을 이용하여 제조된다. 산화아연 바리스터의 바리스터전압은, 전극간에 존재하는 입계의 수에 거의 비례해 상승하는 것이 알려져 있다.The zinc oxide (ZnO) varistor is a zinc oxide (ZnO) varistor which can be obtained by firing a zinc oxide raw material mixture containing zinc oxide and basic additives bismuth oxide, manganese dioxide and cobalt oxide and various oxides added for further performance improvement (Sintered body). It is known that the varistor voltage of a zinc oxide varistor rises almost in proportion to the number of grain boundaries existing between electrodes.

종래에는 고전압용의 산화아연 바리스터를 제조하기 위해서 산화 안티몬(Sb2O3)등의 입자성장 억제재를 첨가하여 ZnO 입자의 성장을 억제하는 방법이 이용되어 왔다.Conventionally, a method of suppressing the growth of ZnO particles by adding a grain growth inhibitor such as antimony oxide (Sb 2 O 3 ) has been used to produce a high-voltage zinc oxide varistor.

그러나, 산화 아연 원료분말에 첨가되는 첨가제 중 일부는 산화아연이나 다른 첨가제 일부와 반응하여 불균일이 초래되며 그 결과 소결체 내에 입성장이 다른 부분이 혼재하는 경향이 존재한다. 따라서, 종래의 제조 방법에서는 균일한 입도 분포를 갖는 ZnO 바리스터의 제조가 곤란하다는 문제점이 있었다. 또한, ZnO의 입성장을 제어하는 경우에도 로트별로 산화아연 바리스터의 전기 특성 및 신뢰성의 불균일이 크다고 하는 문제가 있었다.However, some of the additives added to the zinc oxide raw material powder react with zinc oxide or a part of other additives, resulting in non-uniformity, and as a result, there is a tendency that other parts of the sintered body have different grain growth sites. Therefore, there is a problem that it is difficult to manufacture a ZnO varistor having a uniform particle size distribution in the conventional manufacturing method. In addition, even when the grain growth of ZnO is controlled, there is a problem that the electric characteristics and reliability of the zinc oxide varistor are largely uneven in each lot.

상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 높은 서지에너지량을 갖는 ZnO 바리스터의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the problems of the prior art, it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a ZnO varistor having a high surge energy amount.

또한, 본 발명은 서지에너지 내량에 대한 재현성 및 신뢰성이 우수한 ZnO 바리스터의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is another object of the present invention to provide a method of manufacturing a ZnO varistor which is excellent in reproducibility and reliability against surge energy tolerance.

또한 본 발명은 전술한 제조 방법에 의해 제조된 대용량 ZnO 바리스터를 제공하는 것을 목적으로 한다.It is another object of the present invention to provide a large-capacity ZnO varistor produced by the above-described production method.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 산화 비스무스 분말, 산화 안티몬 분말, 철족 산화물 분말, 망간 산화물 및 알루미나 분말로 이루어지는 첨가제를 배합하는 단계; 상기 배합된 첨가제를 1차 분쇄하는 단계; 상기 분쇄된 첨가제에 산화 아연 분말을 혼합하여 바리스터 원료 조성물을 배합하는 단계; 상기 원료 조성물을 2차 분쇄하는 단계; 상기 원료 조성물을 성형하는 단계; 및 상기 성형된 성형체를 소결하는 단계를 포함하는 직격뢰용 산화 아연 바리스터의 제조 방법을 제공한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, the method comprising: mixing an additive comprising bismuth oxide powder, antimony oxide powder, iron oxide powder, manganese oxide powder and alumina powder; Firstly pulverizing the blended additives; Mixing the powdered additive with zinc oxide powder to form a varistor raw material composition; Secondarily pulverizing the raw material composition; Molding the raw material composition; And sintering the molded body. The present invention also provides a method of manufacturing a direct-fired zinc oxide varistor.

본 발명의 일실시예에서 상기 배합 단계의 분말 첨가제는 제1 입도의 제1 피크와 그보다 낮은 제2 입도의 제2 피크를 갖는 바이모달 분포를 가지는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 제2 피크의 빈도는 상기 제1 피크 빈도보다 같거나 큰 것이 바람직하다. In one embodiment of the present invention, the powder additive of the blending step preferably has a bimodal distribution having a first peak of the first grain size and a second peak of the second grain size lower. In this case, the frequency of the second peak is preferably equal to or larger than the first peak frequency.

또한 본 발명의 실시예에서 상기 제1 피크는 1~10 마이크로미터이고, 제2 피크는 1 마이크로미터 미만인 것을 특징으로 하는 대용량 산화 아연 바리스터의 제조 방법을 제공한다.Also, in the embodiment of the present invention, the first peak is 1 to 10 micrometers and the second peak is less than 1 micrometer.

본 발명의 일실시예에서, 상기 소결 단계는, 소성로 내에 알루미나 도가니를 배치하는 단계; 상기 알루미나 도가니 내에 상기 성형체를 배치하는 단계; 및 상기 성형체를 소결하는 단계를 포함할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the sintering step includes: placing an alumina crucible in a firing furnace; Disposing the formed body in the alumina crucible; And sintering the shaped body.

이와 달리, 상기 소결 단계는, 소성로 내에 마그네시아 도가니를 배치하는 단계; 및 상기 성형체를 소결하는 단계를 포함할 수 있다. Alternatively, the sintering step may include the steps of disposing the magnesia crucible in the calcining furnace; And sintering the shaped body.

또한 본 발명은 상기 도가니에 산화아연 분말을 포설하는 단계를 포함하여 상기 성형체를 상기 산화아연 분말 분위기에서 소결하거나, 상기 도가니에 산화아연 플레이트를 배치하고 상기 성형체를 상기 플레이트 상에서 소결하는 것이 바람직하다. It is also preferable that the present invention includes a step of placing zinc oxide powder in the crucible, sintering the formed body in the zinc oxide powder atmosphere, disposing a zinc oxide plate on the crucible, and sintering the formed body on the plate.

이 때 상기 소결 단계는 2 단계 공정을 통해 수행될 수 있다. 즉, 상기 소결 단계는 상기 도가니를 개방 상태로 두고 상기 성형체를 탈지하는 단계 및 상기 도가니를 밀폐된 상태로 두고 상기 탈지된 성형체를 소결하는 단계로 이루어질 수 있다. At this time, the sintering step may be performed through a two-step process. That is, the sintering step may include degreasing the formed body with the crucible in an open state, and sintering the degreased molded body while keeping the crucible in a closed state.

또한, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 산화 비스무스 분말, 산화 안티몬 분말, 철족 산화물 분말, 망간 산화물 및 알루미나 분말로 이루어지는 첨가제와 산화 아연 분말의 성형체를 준비하는 단계; 반응로 내에 성형체 용기를 배치하는 단계; 상기 성형체 용기 내에 산화아연 플레이트를 배치하는 단계; 상기 성형체를 상기 산화아연 플레이트 상에 배치하는 단계; 및 상기 성형체를 소결하는 단계를 포함하는 대용량 산화 아연 바리스터의 제조 방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising the steps of: preparing a molded body of an additive comprising bismuth oxide powder, antimony oxide powder, iron oxide powder, manganese oxide and alumina powder and zinc oxide powder; Disposing a molded body container in a reaction furnace; Disposing a zinc oxide plate in the molded body container; Placing the shaped body on the zinc oxide plate; And sintering the formed body. The present invention also provides a method of manufacturing a large-capacity zinc oxide varistor.

본 발명에서 상기 성형체 용기는 알루미나 재질이거나 마그네시아 재질인 것이 바람직하다.In the present invention, the molded body container is preferably made of alumina or magnesia.

본 발명의 일실시예에 따르면 상기 성형체를 소결하는 단계는 상기 성형체를 탈지하는 단계; 및 상기 용기의 밀폐 상태에서 상기 탈지된 성형체를 소결하는 단계를 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the step of sintering the molded body includes degreasing the molded body; And sintering the degreased shaped body in a closed state of the vessel.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 산화 비스무스 분말, 산화 안티몬 분말, 철족 산화물 분말, 망간 산화물 및 알루미나 분말로 이루어지는 첨가제를 배합하여 제조된 산화 아연 바리스터에 있어서, 상기 산화 아연 바리스터는 전류밀도가 0.5 kA/cm2 이상인 것을 특징으로 하는 산화 아연 바리스터.According to another aspect of the present invention, there is provided a zinc oxide varistor produced by blending a bismuth oxide powder, an antimony oxide powder, an iron oxide powder, a manganese oxide powder, and an alumina powder additive, wherein the zinc oxide varistor has a current density Zinc oxide is 0.5 kA / cm < 2 > or more.

본 발명에서 상기 산화 아연 바리스터의 전류밀도는 0.6 kA/ cm2 이상, 더 바람직하게는 0.7 kA/cm2 이상일 수 있다.In the present invention, the current density of the zinc oxide varistor may be 0.6 kA / cm 2 or more, more preferably 0.7 kA / cm 2 or more.

본 발명에 따르면, 원료 분말의 입도 및 소결 분위기를 제어함으로써 35kA 이상의 높은 서지 내량을 갖는 ZnO 바리스터를 제조할 수 있게 된다. According to the present invention, ZnO varistors having a high surge capacity of 35 kA or more can be manufactured by controlling the particle size and the sintering atmosphere of the raw material powder.

또한 본 발명에 따르면, 높은 신뢰성 및 재현성을 갖는 ZnO 바리스터를 제조 가능하다. Further, according to the present invention, a ZnO varistor having high reliability and reproducibility can be manufactured.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 ZnO 바리스터의 제조 방법의 절차를 개략적으로 도시한 절차도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 분쇄시간에 따른 첨가제의 입도분포를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 소결 분위기를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에서 용기의 개폐 상태에 따른 실시예를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 6 및 도 7은 각각 실시예의 샘플 #5 및 #6의 서지 테스트 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 실시예의 샘플 #6의 서지 테스트 전후 바리스터 전압 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic diagram showing a procedure of a method of manufacturing a ZnO varistor according to an embodiment of the present invention; FIG.
FIG. 2 and FIG. 3 are graphs showing the particle size distribution of the additive according to the grinding time according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram schematically showing a sintering atmosphere according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram schematically showing an embodiment according to the opening and closing state of the container in the present invention.
6 and 7 are graphs showing the results of the surge test of the samples # 5 and # 6 of the embodiment, respectively.
8 is a graph showing the results of measuring the varistor voltage before and after the surge test of sample # 6 of this embodiment.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상술한다. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the preferred embodiments of the present invention with reference to the drawings.

금속산화물을 첨가제로 하여 소결된 ZnO 바리스터의 미세구조는 다결정의 ZnO 입자들과 이들 입자들 사이의 입계상을 포함한다. ZnO 바리스터는 우수한 전압의존특성을 나타내는데 이러한 현상을 바리스터 효과라 한다. 즉 ZnO의 입자(grain)는 매우 높은 전기전도도를 가지고 있는 반면 입계면을 형성하고 있는 다른 산화물은 매우 큰 저항을 갖는다. 금속산화물 바리스터의 전기적인 특성은 수많은 미세 바리스터가 직렬 또는 병렬로 연결된 것으로 표현할 수 있다. The microstructure of ZnO varistor sintered with metal oxide as additive contains polycrystalline ZnO particles and intergranular phase between these particles. ZnO varistors exhibit excellent voltage dependence, which is called varistor effect. In other words, the grain of ZnO has a very high electrical conductivity while the other oxide forming the grain boundary has a very high resistance. The electrical properties of metal oxide varistors can be expressed as a number of fine varistors connected in series or in parallel.

예컨대, 바리스터의 두께를 증가시키면 바리스터 전압이 증가하게 된다. 이것은 미세 바리스터가 직렬로 연결되어 있는 것과 마찬가지이다. 또, 바리스터의 면적을 증가시키면 서지전류내량이 증가한다. 이것은 미세 바리스터가 서로 병렬로 연결되어 있는 것과 마찬가지가 된다. 또, 바리스터의 부피를 두 배로 하면 에너지 내량이 거의 두 배로 올라간다. 에너지를 흡수하는 ZnO 입자의 수가 두 배로 증가하기 때문이다. For example, increasing the thickness of the varistor increases the varistor voltage. This is the same as when the fine varistors are connected in series. Also, if the area of the varistor is increased, the surge current capacity increases. This is similar to the case where the fine varistors are connected in parallel with each other. Also, doubling the volume of the varistor almost doubles the energy tolerance. This is because the number of energy absorbing ZnO particles doubles.

미세구조에서 나타나는 ZnO 입자크기의 분포는 ZnO 바리스터의 임계 전압을 결정하는데 매우 중요하다. 즉, 바리스터의 전압은 입계의 직렬수에 따라 변하며 서지내량은 입계의 병렬수에 따라 변화한다.The distribution of ZnO particle size in microstructure is very important to determine the threshold voltage of ZnO varistor. That is, the voltage of the varistor varies with the number of series of the grain boundaries, and the surge capacity varies with the number of parallelism of the grain boundaries.

본 발명의 일실시예에 따르면, ZnO 바리스터는 출발 원료, 소결 조건에 따라 입자성장이 영향을 받게 된다. 산화물 첨가제가 첨가된 ZnO 바리스터는 고상 소결 보다는 액상 소결 메커니즘이 지배적이며, 따라서 첨가제의 함량 및 분포는 소결체의 입도 및 그 분포에 영향을 미치게 된다. 높은 서지 내량을 갖는 ZnO 바리스터를 제조하기 위해서는 ZnO 입자 크기 및 입계상의 분포를 정밀하게 제어하는 것이 필요하다.According to one embodiment of the present invention, the grain growth of the ZnO varistor is affected by the starting material and sintering conditions. ZnO varistors doped with an oxide additive are predominant in liquid phase sintering mechanism rather than solid phase sintering, and thus the content and distribution of additives affect the particle size and distribution of the sintered body. In order to fabricate a ZnO varistor having a high surge capacity, it is necessary to precisely control the ZnO particle size and grain size distribution.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 ZnO 바리스터의 제조 방법을 설명한다. Hereinafter, a method of manufacturing a ZnO varistor according to an embodiment of the present invention will be described.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 ZnO 바리스터의 제조 방법의 절차를 개략적으로 도시한 절차도이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic diagram showing a procedure of a method of manufacturing a ZnO varistor according to an embodiment of the present invention; FIG.

본 실시예에서 첨가제로는 산화 비스무스, 산화 안티몬, 및 철족 산화물이 사용된다. 철족 산화물은 Fe, Co 및 Ni로 이루어진 그룹 중에서 선택된 최소한 1종의 원소의 산화물이다. 또한, 본 실시예에서는 상기 첨가제로 망간 산화물, 알루미나 등의 첨가제가 부가된다. In this embodiment, bismuth oxide, antimony oxide, and iron oxide are used as additives. The iron oxide is an oxide of at least one element selected from the group consisting of Fe, Co and Ni. In this embodiment, additives such as manganese oxide and alumina are added to the additive.

이상의 일련의 첨가제는 적절한 함량으로 배합 및 혼합된다. 혼합된 첨가제 원료 물질은 1차 분쇄된다(S100). 1차 분쇄 결과 상기 첨가제 원료 물질이 적절한 입도 범위를 갖는다. The above series of additives are compounded and mixed in an appropriate amount. The mixed additive raw material is first pulverized (S100). As a result of the first milling, the additive raw material has an appropriate particle size range.

본 발명에서 첨가제 원료 분말의 부피 입도 분포는 제1 피크 및 상기 제1 피크 보다 낮은 제2 피크를 포함하는 바이모달 분포를 갖는다. 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제1 피크는 1 마이크로미터 이상이고, 상기 제2 피크는 1 마이크론 미터 미만의 값을 갖는다. 본 발명의 실시예에 따르면 제2 피크의 강도(빈도)는 제1 피크의 강도(빈도)의 1/2 이상인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 제1 피크와 제2 피크의 강도가 실질적으로 동일하거나 이보다 큰 것이 바람직하다.In the present invention, the volume particle size distribution of the additive raw material powder has a bimodal distribution including a first peak and a second peak lower than the first peak. According to an embodiment of the present invention, the first peak is at least 1 micrometer and the second peak is at less than 1 micron meter. According to the embodiment of the present invention, the intensity (frequency) of the second peak is preferably at least 1/2 of the intensity (frequency) of the first peak, more preferably, the intensity of the first peak and the intensity of the second peak are substantially equal Or larger than that.

이어서, 1차 분쇄된 첨가제 원료 물질에 ZnO 분말과 혼합되고, 혼합된 원료 물질은 2차 분쇄된다(S110). 본 발명에서 2차 분쇄 결과 원료 분말의 부피 입도 분포는 바이모달 분포를 가진다. 바람직하게는 원료 분말의 입도 분포는 제3 입도의 제3 피크와 그보다 낮은 제4 입도의 제4 피크를 갖는 바이모달 분포를 가지며, 상기 제3 피크의 빈도는 상기 제4 피크의 빈도 보다 작다.Subsequently, the first milled additive raw material is mixed with the ZnO powder, and the mixed raw material is secondarily milled (S110). In the present invention, the volume particle size distribution of the raw powder as a result of the second pulverization has a bimodal distribution. Preferably, the particle size distribution of the raw material powder has a bimodal distribution having a third peak of the third grain size and a fourth peak of the fourth grain size, and the frequency of the third peak is smaller than the frequency of the fourth peak.

다음으로, 배합된 원료 분말은 건조되고 원하는 바리스터 형상 예컨대 원형 플레이트 형상으로 성형되고(S120), 소성로 내에서 소성된다(S130). Next, the blended raw material powder is dried and shaped into a desired varistor shape, e.g., a circular plate shape (S120), and fired in a firing furnace (S130).

이하 본 발명의 실시예를 상술한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

<첨가제 분말의 분쇄 및 입도 분포>&Lt; Crushing and particle size distribution of additive powder >

첨가물의 사전 분쇄시간에 따른 입도분포를 평가하였다. 원료 분말은 아래 표 1의 배합비에 따라 배합하였다. 원료 분말로는 ZnO (Noahtech, -200 mesh), Bi2O3 (단석산업, Max. 4 ㎛), Sb2O3 (Noahtech, -325 mesh), Co3O4 (Kosundo), Mn3O4 (Erachem), NiO(Kosundo), Al2O3 (Kosundo, 평균입경 1 ㎛)를 사용하였다. The particle size distribution according to the pre-milling time of the additives was evaluated. The raw material powders were formulated according to the blending ratio shown in Table 1 below. As the raw material powders, ZnO (Noahtech, -200 mesh), Bi 2 O 3 (monoclonal industry, Max. 4 μm), Sb 2 O 3 (Noahtech, -325 mesh), Co 3 O 4 (Kosundo), Mn 3 O 4 ), which was used for NiO (Kosundo), Al 2 O 3 (Kosundo, average particle size of 1 ㎛).

조성Furtherance Bi2O3 Bi 2 O 3 Sb2O3 Sb 2 O 3 Co3O4 Co 3 O 4 Mn3O4 Mn 3 O 4 NiONiO Al2O3 Al 2 O 3 ZnOZnO 배합비Mixing ratio 0.26~0.420.26-0.42 0.41~0.750.41 to 0.75 0.51~0.770.51-0.77 0.04~0.080.04 to 0.08 0.18~0.220.18-0.22 0.001~0.00140.001 to 0.0014 97.92~98.4697.92-98.46

먼저, ZnO를 제외한 나머지 첨가물을 칭량하고, 직경 3mm 지르코니아 볼을 이용하여 0 시간, 1시간, 10시간, 30시간, 60시간 분쇄하였다. First, the additives other than ZnO were weighed and pulverized using a 3 mm diameter zirconia ball for 0 hour, 1 hour, 10 hours, 30 hours, and 60 hours.

도 2 및 도 3에 분쇄시간에 따른 입도분포를 나타내었다. FIG. 2 and FIG. 3 show the particle size distribution according to the milling time.

볼 밀링을 거치지 않은 샘플(도 2의 (a)), 10 시간 밀링한 샘플(도 2의 (b)), 30 시간 밀링한 샘플(도 3의 (a))에서 확인되는 바와 같이, 첨가물은 분쇄시간이 길어짐에 따라 그 평균입경은 감소하였다. 그러나, 60시간 이상 분쇄시간이 길어질 경우 오히려 입자간의 응집이 발생함을 알 수 있다(도 3의 (b) 참조). 한편, 10 시간 밀링한 샘플의 경우 낮은 입도 피크의 빈도가 높은 입도 피크의 빈도와 거의 동일하며, 30 시간 밀링한 샘플의 경우 낮은 입도의 피크 빈도가 높은 입도의 피크 빈도보다 높은값을 나타냄을 알 수 있다.As shown in the sample without ball milling (Fig. 2A), the sample with 10 hours of milling (Fig. 2B), the sample with milling 30 hours (Fig. 3A) As the milling time increased, the average particle size decreased. However, when the pulverization time is prolonged for 60 hours or more, coagulation between particles occurs rather (see Fig. 3 (b)). On the other hand, in the case of the sample milled for 10 hours, the frequency of the low grain size peak is almost the same as the frequency of the high grain size peak, and in the case of the sample milled for 30 hours, the peak frequency of the low grain size is higher than that of the high grain size. .

이상 1차 분쇄를 거친 첨가제 분말은 ZnO 분말과 혼합한 후 2차 분쇄를 거친다. 분쇄된 분말은 적절한 형상으로 성형된 후 소결된다. 본 발명에서 소결 조건은 ZnO 분말의 바리스터 특성에 큰 영향을 미친다. The additive powder after the first pulverization is mixed with ZnO powder and then subjected to second pulverization. The pulverized powder is molded into a suitable shape and then sintered. The sintering conditions in the present invention have a great influence on the varistor characteristics of ZnO powder.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 소결 분위기를 모식적으로 도시한 도면이다. 4 is a diagram schematically showing a sintering atmosphere according to an embodiment of the present invention.

도 4의 (a)를 참조하면, 원형 플레이트 형태로 성형된 성형체(10)가 상이한 재질의 도가니(20)에서 소결된다. 본 발명의 실시예에서 상기 도가니는 알루미나 또는 마그네시아 재질의 도가니가 사용된다. Referring to Fig. 4 (a), the molded body 10 molded in the form of a circular plate is sintered in a crucible 20 of a different material. In the embodiment of the present invention, a crucible made of alumina or magnesia is used as the crucible.

다른 실시예로서, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 성형체(10)는 새가(sagger; 20)와 같은 도가니 하부에 분위기 분말(30)을 사용한다. 여기서 분위기 분말로는 바리스터 조성과 실질적으로 동일한 조성의 ZnO 분말이 사용된다. 4 (b), the formed body 10 uses the atmosphere powder 30 at the bottom of the crucible such as a sagger 20, as shown in Fig. 4 (b). Here, ZnO powder having substantially the same composition as the varistor composition is used as the atmosphere powder.

또 다른 실시에로서, 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, 분위기 분말을 대신하여 ZnO 플레이트(40)가 성형체(10) 하부에 사용된다. In another embodiment, as shown in Fig. 4C, a ZnO plate 40 is used in the lower portion of the molded body 10 in place of the atmosphere powder.

이하에서는 이상의 소결 조건에 따라 제조된 ZnO 바리스터의 서지에너지 내량 측정 결과를 설명한다. Hereinafter, the results of the surge energy tolerance measurement of the ZnO varistor produced according to the above sintering conditions will be described.

<소결 분위기에 따른 서지 내량 평가><Evaluation of surge resistance according to sintering atmosphere>

첨가제만을 10 시간 밀링한 후 ZnO 분말과 혼합한 후 2차 밀링하였다. 1차 밀링과 마찬가지로 2차 밀링은 동일한 조건을 실시하였다. 이어서 혼합된 원료 분말을 성형한 후 500 ℃의 온도로 승온하여 바인더를 제거한 후 1200 ℃의 온도에서 3시간 동안 소결하였다. Only the additive was milled for 10 hours, then mixed with ZnO powder and then subjected to secondary milling. Similar to the first milling, the second milling was carried out under the same conditions. Subsequently, the mixed raw material powder was formed, heated to a temperature of 500 ° C to remove the binder, and sintered at a temperature of 1200 ° C for 3 hours.

소결체의 양면에 전극을 형성한 후 서지에너지 내량을 평가하기 위하여 표준 직격뢰 전류파형인 10/350μs 파형을 발생시키는 뇌임펄스전류 발생장치 (lightning impulse current generator, ICG)를 이용하여 펄스 전류를 인가하였다. 이 장치는 커패시터에 전하를 충전하였다가 스위치 동작에 따라 순간적으로 저항과 인덕터를 통해 전류가 바리스터에 인가한다.After electrodes were formed on both sides of the sintered body, a pulse current was applied using a lightning impulse current generator (ICG) generating a waveform of a 10/350 μs standard direct current transmission current waveform in order to evaluate the surge energy tolerance . The device charges the capacitor and then instantaneously applies a current through the resistor and the inductor to the varistor in response to the switch operation.

현재 저압선로에 유도뢰(8/20μs) 보호용으로 사용되고 있는 2등급 서지보호기용 바리스터의 경우 에너지내량의 지표인 전류 밀도는 수십 A/㎠ 수준이다. 그러나 직격뢰(10/350μs) 보호용으로 사용되는 1등급 서지보호기용 바리스터의 전류밀도는 수백 A/㎠에 이르며 2등급 서지보호기용 바리스터에 비해 약 10배 이상의 에너지내량이 요구된다.In the case of varistors for class 2 surge protector, which is currently used to protect the induction furnace (8 / 20μs) on the low - voltage line, the current density, which is an indicator of energy tolerance, is on the order of several tens A / ㎠. However, the current density of a class 1 surge protector used for protection of direct current (10 / 350μs) is several hundred A / ㎠ and requires about ten times more energy than the varistor for class 2 surge protector.

바리스터에 인가되는 전류가 서지에너지 내량 이상일 경우 바리스터는 주로 Flash Over, Cracking 및 Puncture 형태를 보인다. 또한, 외관상의 파괴가 없더라도 바리스터 전압(V1mA)을 측정하여 인가전의 바리스터 전압(V1mA)의 10% 이내에 들지 못하면 실패로 간주된다. 이 기준은 “IEC 61643-1 and IEC 60060-1”에서 참고하였다. When the current applied to the varistor is above the surge energy tolerance, the varistor is mainly in the form of Flash Over, Cracking and Puncture. If the varistor voltage (V 1 mA ) is measured within 10% of the varistor voltage (V 1 mA ) before application, even if there is no apparent destruction, it is regarded as failure. These standards are referred to in "IEC 61643-1 and IEC 60060-1".

표 2에 분위기별 서지 에너지 내량 측정 결과를 나타내었다. 표 2에서 ZnO 분말과 ZnO 플레이트는 원료 분말과 동일한 조성의 소결한 상태로 사용하였다. Table 2 shows the measurement results of surge energy tolerance by atmosphere. In Table 2, ZnO powder and ZnO plate were sintered in the same composition as the raw material powder.

샘플
Sample
용기
Vessel
분위기
atmosphere
서지에너지내량
(10/350 ㎲)
Surge energy capacity
(10/350))
피크전류
Ip [kA]
Peak current
Ip [kA]
전류밀도
J [kA/cm2]
Current density
J [kA / cm 2 ]
#1#One 알루미나
Alumina
없음none 2929 0.5360.536
#2#2 ZnO 분말ZnO powder 3232 0.5910.591 #3# 3 마그네시아

magnesia

없음none 3535 0.6470.647
#4#4 ZnO 분말ZnO powder 3838 0.7020.702 #5# 5 ZnO 플레이트ZnO plate 4242 0.7760.776

표 2에 나타난 바와 같이, 알루미나 용기를 사용한 경우보다 마그네시아 용기를 사용한 경우에 보다 높은 서지에너지 내량을 갖는 바리스터의 제조가 가능함을 알 수 있다. As shown in Table 2, it can be seen that it is possible to manufacture a varistor having a higher surge energy tolerance when a magnesia vessel is used than when an alumina vessel is used.

또한, 분위기 분말로 ZnO를 사용한 경우에는 ZnO를 사용하지 않는 경우에 비해 높은 서지에너지 내량값을 나타낸다. 특히, 분위기 분말 대신 ZnO 플레이트를 사용하는 것이 서지에너지 내량값을 높이는 데 유용함을 알 수 있다.In addition, when ZnO is used as the atmosphere powder, it exhibits a higher surge energy tolerance value than when ZnO is not used. In particular, it can be seen that the use of a ZnO plate instead of the atmosphere powder is useful for increasing the surge energy tolerance value.

<첨가제 입도 분포와 서지에너지 내량><Additive particle size distribution and surge energy content>

첨가제 분말의 입도 분포와 서지에너지 내량과의 관계를 살펴보았다. 첨가제의 분쇄 시간을 0~100시간으로 달리하여 ZnO 바리스터를 제조하여 서지에너지 내량을 측정하였다. 소결은 도 4의 (c)와 동일하게 MgO 용기와 ZnO 플레이트 상에서 수행하였다. The relationship between the particle size distribution of the additive powder and the surge energy tolerance was examined. ZnO varistors were prepared by varying the grinding time of the additives from 0 to 100 hours, and the surge energy tolerance was measured. Sintering was carried out on a MgO container and a ZnO plate in the same manner as in Fig. 4 (c).

아래 표 3은 분쇄 시간에 따른 ZnO 바리스터의 서지에너지 내량 측정 결과를 정리한 표이다.Table 3 below shows the results of measurement of surge energy tolerance of ZnO varistor according to grinding time.

분쇄 시간
(hrs)
Grinding time
(hrs)
서지에너지 내량
(10/350㎲)
Surge energy capacity
(10/350 &lt;
피크전류
Ip [kA]
Peak current
Ip [kA]
전류밀도
J [kA/cm2]
Current density
J [kA / cm 2 ]
00 3535 0.646 0.646 1010 4242 0.776 0.776 3030 36.536.5 0.674 0.674 6060 3535 0.646 0.646 100100 32.532.5 0.600 0.600

표 3에 첨가물의 분쇄시간에 따른 서지에너지 내량을 나타내었다. 표 3에서 알 수 있는 바와 같이, 10~30 시간 첨가제를 분쇄한 경우 높은 서지에너지 내량값을 나타냄을 알 수 있다. 특히 분쇄시간이 10시간인 경우 서지에너지 내량이 가장 높게(Ip : 42kA, J : 0.776kA/cm2 ) 나타남을 알 수 있다. Table 3 shows the surge energy tolerance according to the grinding time of the additives. As can be seen from Table 3, when the additive is pulverized for 10 to 30 hours, it shows a high surge energy tolerance value. In particular, when the grinding time is 10 hours, the surge energy tolerance is the highest (Ip: 42 kA, J: 0.776 kA / cm 2 ).

<소결시의 용기 개폐 여부와 서지에너지 내량과의 관계>&Lt; Relation between whether the container is opened or closed during sintering and the surge energy tolerance >

용기의 개폐 여부와 서지에너지 내량이 미치는 관계를 살펴보았다. 도 5는 본 실시예에서의 용기의 개폐 상태를 모식적으로 도시한 도면이다.The relationship between the opening and closing of the container and the surge energy tolerance was examined. Fig. 5 is a diagram schematically showing the open / closed state of the container in this embodiment.

본 실시예의 샘플의 제조는 2단계 공정을 거쳐 수행된다. 먼저, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 성형체를 용기 내의 ZnO 플레이트 상에 두고 탈지 공정을 거친다. 이 때, 용기는 개방된 상태로 로 내에서 유지된다. 다음으로, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 용기의 두껑을 덮어 밀폐 상태로 유지한 후 탈지된 성형체를 소결한다. 이 때 밀폐 상태는 완전한 밀봉에 이르지는 않았으며 두껑과 용기를 기계적인 끼워 맞춤에 의해 결합하는 방식으로 용기를 밀폐하였다. 용기의 밀폐를 위해 용기 및 두껑은 이론밀도의 99% 이상인 알루미나를 사용하였다. The production of the sample of this embodiment is carried out through a two-step process. First, as shown in Fig. 5 (a), the molded body is placed on a ZnO plate in a container and subjected to a degreasing process. At this time, the container is kept in the furnace in an open state. Next, as shown in Fig. 5 (b), the lid of the container is covered and held in a closed state, and then the degreased molded body is sintered. At this time, the sealed state did not reach a complete seal, and the container was sealed in such a manner that the lid and the container were joined by mechanical fitting. The vessel and the lid were made of alumina having a theoretical density of 99% or more for sealing the vessel.

성형체는 10시간 밀링을 거친 샘플을 사용하였고, 1 단계 탈지 공정은 500 ℃에서 30분간 수행하였고, 2단계 소결 공정은 앞선 실시예보다 다소 높은 1275 ℃에서 6시간 동안 수행하였다.The molded body was subjected to a 10-hour milling process. The first-stage degreasing process was performed at 500 ° C for 30 minutes, and the second-stage sintering process was performed at 1275 ° C for 6 hours, which is somewhat higher than in the previous example.

아래 표 4에 본 실시예에서 제조된 샘플의 서지에너지 내량 측정 결과를 나타내었다. Table 4 below shows the measurement results of the surge energy tolerance of the samples prepared in this Example.

샘플Sample 용기Vessel 분위기atmosphere 용기개폐상태Container opening and closing state 서지에너지 내량
(10/350 ㎲)
Surge energy capacity
(10/350))
#6# 6 알루미나
(Al2O3)
Alumina
(Al 2 O 3)
ZnO 플레이트ZnO plate 밀폐closeness 5555 0.8640.864

위 표에서 알 수 있는 바와 같이, 제조된 샘플은 약 55 kA의 매우 높은 서지 에너지 내량을 나타내고 있으며, 서지 테스트 후 바리스터 전압(V1mA) 인가 전 바리스터 전압의 10% 범위에 속하는 양호한 값을 나타낸다.As can be seen from the above table, the fabricated sample exhibits a very high surge energy capacity of about 55 kA and exhibits good values falling within the range of 10% of the varistor voltage before the varistor voltage (V1 mA) after the surge test.

통상 바리스터에 인가되는 전류가 서지에너지 내량 이상일 경우 바리스터는 주로 Flash Over, Cracking 및 Puncture 형태를 보인다. 또한, 외관상의 파괴가 없더라도 바리스터 전압(V1mA)을 측정하여 인가전의 바리스터 전압(V1mA)의 10% 이내에 들지 못하면 실패로 간주된다. When the current applied to the varistor is more than the surge energy tolerance, the varistor mainly shows flashover, cracking and puncture. If the varistor voltage (V 1 mA ) is measured within 10% of the varistor voltage (V 1 mA ) before application, even if there is no apparent destruction, it is regarded as failure.

도 6 및 도 7은 각각 실시예의 샘플 #5 및 #6의 서지 테스트 결과를 나타낸 그래프이다. 6 and 7 are graphs showing the results of the surge test of the samples # 5 and # 6 of the embodiment, respectively.

도시된 바와 같이, 도 6에 도시된 바와 같이 샘플 #5의 경우 약 43kA에서 Puncture가 발생하였다. 그러나, 도 7에 도시된 바와 같이 샘플 #6의 경우에는 55kA에서도 양호한 상태를 유지하고 있음을 알 수 있다. As shown in FIG. 6, in Sample # 5, a puncture occurred at about 43 kA. However, as shown in FIG. 7, it can be seen that Sample # 6 maintains a good state at 55 kA.

도 8은 본 실시예의 샘플 #6의 서지 테스트 전후 바리스터 전압 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 8 is a graph showing the results of measuring the varistor voltage before and after the surge test of sample # 6 of this embodiment.

도 8에 도시된 바와 같이, 샘플 #6의 경우 서지 테스트 전후 10% 이내의 바리스터 전압을 나타냄을 알 수 있다. As shown in FIG. 8, it can be seen that the sample # 6 exhibits a varistor voltage within 10% before and after the surge test.

한편, 위 도 8에는 개방 상태인 점을 제외하고는 동일한 조건의 성형체를 소결한 샘플(1275℃)의 서지 테스트 전후 바리스터 전압 측정 결과를 함께 나타내었다. 그러나, 개방 상태의 소결 샘플은 약 -31.4%의 전압 감소를 나타냄을 볼 수 있다. 8 shows the results of the varistor voltage measurement before and after the surge test of a sample (1275 ° C) obtained by sintering a molded body having the same condition, except that it is in the open state. However, it can be seen that the open sintered sample exhibits a voltage drop of about -31.4%.

이것은 소결 시 두껑에 의해 용기가 닫힌 상태로 유지됨으로써 높은 온도에서의 소결에서도 첨가된 첨가제의 휘발을 억제한 것에 기인하는 것으로 보인다.This appears to be due to the fact that the container is kept closed by the lid during sintering, thereby suppressing the volatilization of the additive added even at high temperature sintering.

10 성형체
20 도가니
30 분위기 분말
40 분위기 플레이트
10 shaped body
20 Crucible
30 atmosphere powder
40 atmosphere plate

Claims (14)

산화 비스무스 분말, 산화 안티몬 분말, 철족 산화물 분말, 망간 산화물 및 알루미나 분말로 이루어지는 첨가제를 배합하는 단계;
상기 배합된 첨가제를 1차 분쇄하는 단계;
상기 분쇄된 첨가제에 산화 아연 분말을 혼합하여 바리스터 원료 조성물을 배합하는 단계;
상기 원료 조성물을 2차 분쇄하는 단계;
상기 원료 조성물을 성형하는 단계; 및
상기 성형된 성형체를 소결하는 단계를 포함하는 대용량 산화 아연 바리스터의 제조 방법.
Mixing an additive comprising bismuth oxide powder, antimony oxide powder, iron oxide powder, manganese oxide and alumina powder;
Firstly pulverizing the blended additives;
Mixing the powdered additive with zinc oxide powder to form a varistor raw material composition;
Secondarily pulverizing the raw material composition;
Molding the raw material composition; And
And sintering the formed molded body.
제1항에 있어서,
상기 배합 단계의 분말 첨가제는 제1 입도의 제1 피크와 그보다 낮은 제2 입도의 제2 피크를 갖는 바이모달 분포를 가지는 큰 것을 특징으로 하는 대용량 산화 아연 바리스터의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the powder additive in the blending step has a bimodal distribution having a first peak of the first grain size and a second peak of the second grain size lower than the first peak of the first grain size.
제2항에 있어서,
상기 제2 피크의 빈도는 상기 제1 피크 빈도보다 같거나 큰 것을 특징으로 하는 대용량 산화 아연 바리스터의 제조 방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the frequency of the second peak is equal to or greater than the first peak frequency.
제2항에 있어서,
상기 제1 피크는 1~10 마이크로미터이고, 제2 피크는 1 마이크로미터 미만인 것을 특징으로 하는 대용량 산화 아연 바리스터의 제조 방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the first peak is 1 to 10 micrometers and the second peak is less than 1 micrometer.
제1항에 있어서,
상기 소결 단계는,
소성로 내에 알루미나 도가니를 배치하는 단계;
상기 알루미나 도가니 내에 상기 성형체를 배치하는 단계;
상기 성형체를 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 대용량 산화 아연 바리스터의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the sintering step comprises:
Disposing an alumina crucible in the calcining furnace;
Disposing the formed body in the alumina crucible;
And sintering the formed body. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
제1항에 있어서,
상기 소결 단계는,
소성로 내에 마그네시아 도가니를 배치하는 단계; 및
상기 성형체를 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 대용량 산화 아연 바리스터의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the sintering step comprises:
Disposing a magnesia crucible in a calcining furnace; And
And sintering the formed body. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 도가니에 산화아연 분말을 포설하는 단계를 포함하고,
상기 성형체를 상기 산화아연 분말 분위기에서 소결하는 것을 특징으로 하는 대용량 산화아연 바리스터의 제조 방법.
The method according to claim 5 or 6,
And placing zinc oxide powder in the crucible,
Wherein the shaped body is sintered in the zinc oxide powder atmosphere.
제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 도가니에 산화아연 플레이트를 배치하고 상기 성형체를 상기 플레이트 상에서 소결하는 것을 특징으로 하는 산화아연 바리스터의 제조 방법.
The method according to claim 5 or 6,
Wherein a zinc oxide plate is disposed on the crucible and the formed body is sintered on the plate.
제8항에 있어서,
상기 소결 단계는,
상기 도가니를 개방 상태로 두고 상기 성형체를 탈지하는 단계 및
상기 도가니를 밀폐된 상태로 두고 상기 탈지된 성형체를 소결하는 것을 특징으로 하는 산화아연 바리스터의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the sintering step comprises:
Leaving the crucible in an open state to degrease the formed body; and
And the degreased compact is sintered while keeping the crucible in a closed state.
산화 비스무스 분말, 산화 안티몬 분말, 철족 산화물 분말, 망간 산화물 및 알루미나 분말로 이루어지는 첨가제와 산화 아연 분말의 혼합물 성형체를 준비하는 단계;
반응로 내에 성형체 용기를 배치하는 단계;
상기 성형체 용기 내에 산화아연 플레이트를 배치하는 단계;
상기 성형체를 상기 산화아연 플레이트 상에 배치하는 단계; 및
상기 성형체를 소결하는 단계를 포함하는 대용량 산화 아연 바리스터의 제조 방법.
Preparing a mixture molded body of an additive composed of bismuth oxide powder, antimony oxide powder, iron oxide powder, manganese oxide and alumina powder and zinc oxide powder;
Disposing a molded body container in a reaction furnace;
Disposing a zinc oxide plate in the molded body container;
Placing the shaped body on the zinc oxide plate; And
And sintering the shaped body. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
제9항에 있어서,
상기 성형체 용기는 알루미나인 것을 특징으로 하는 대용량 산화 아연 바리스터의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the molded container is alumina. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
제9항에 있어서,
상기 성형체 용기는 마그네시아인 것을 특징으로 하는 대용량 산화 아연 바리스터의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the molded container is a magnesia.
제9항에 있어서,
상기 성형체를 소결하는 단계는,
상기 성형체를 탈지하는 단계; 및
상기 용기의 밀폐 상태에서 상기 탈지된 성형체를 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 대용량 산화 아연 바리스터의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
The step of sintering the shaped body comprises:
Degreasing the formed body; And
And sintering the degreased molded body in a closed state of the vessel. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
산화 비스무스 분말, 산화 안티몬 분말, 철족 산화물 분말, 망간 산화물 및 알루미나 분말로 이루어지는 첨가제를 배합하여 제조된 산화 아연 바리스터에 있어서,
상기 산화 아연 바리스터는 전류밀도가 0.5 kA/cm2 이상인 것을 특징으로 하는 대용향 산화 아연 바리스터.
A zinc oxide varistor produced by blending an additive comprising bismuth oxide powder, antimony oxide powder, iron oxide powder, manganese oxide and alumina powder,
Wherein the zinc oxide varistor has a current density of 0.5 kA / cm &lt; 2 &gt; or more.
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