KR20210007123A - ZnO-BASED VARISTOR COMPOSITION AND MANUFACTURING METHOD AND VARISTOR THEREOF - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 ZnO계 바리스터 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산화아연(ZnO)을 주성분으로 하는 ZnO계 바리스터 조성물과 이의 제조방법 및 바리스터에 관한 것이다.The present invention relates to a ZnO-based varistor composition, and more particularly, to a ZnO-based varistor composition containing zinc oxide (ZnO) as a main component, a method for producing the same, and a varistor.
ZnO계 바리스터는 바리스터의 재료 조성계 중 Bi-ZnO 혹은 Pr-ZnO계 조성으로 형성된다. ZnO계 바리스터는 SnO2계 바리스터, SiC계 바리스터 및 SrTiO3계 바리스터에 비해서 전압 비선형성이 뛰어나고 정전기(ESD)와 각종 서지(serge)로부터 전자기기를 보호하는 능력이 우수하여 정전기 대책 및 서지 방어용 소자 재료로 많이 사용된다.The ZnO-based varistor is formed of a Bi-ZnO or Pr-ZnO-based composition of the varistor material composition system. Compared to SnO 2 varistors, SiC varistors and SrTiO 3 varistors, ZnO varistors have excellent voltage nonlinearity and excellent ability to protect electronic devices from static electricity (ESD) and various surges. It is widely used as a material.
Bi-ZnO계 바리스터는 Bi2O3, Sb2O3, Mn, Co, Ni, Cr, glass frit, Al, K 등의 성분을 포함한다. 그런데 Bi2O3 성분은 4종류의 동질이상을 가지며 항복전압을 10V 이하로 낮추면 ESD(Electro-Static Discharge) 내성이 약하기 때문에, 이를 포함하는 Bi-ZnO계 바리스터도 ESD 특성이 좋지 못한 단점을 갖는다. Bi-ZnO-based varistors contain components such as Bi 2 O 3 , Sb 2 O 3 , Mn, Co, Ni, Cr, glass frit, Al, and K. However, Bi 2 O 3 components have four kinds of homogeneity or higher, and when the breakdown voltage is lowered to 10 V or less, ESD (Electro-Static Discharge) resistance is weak, so Bi-ZnO varistors including them also have poor ESD characteristics. .
다만, Bi-ZnO계 바리스터는 위 조성에 소결조제인 V2O5를 첨가하여 ESD 내성 특성을 높이려는 시도가 있었다. V2O5 성분은 자체적으로 670℃에서 용융이 되지만 20 mol% 이하의 소량으로 ZnO에 첨가할 경우, 가열 시 Zn3V2O8 를 형성하거나 보다 고온에서 Zn4V2O9 등의 중간 생성물을 형성하여, 이들 중간 생성물이 용융되는 900℃에서 소결 치밀화가 가능하게 되어 소결온도를 900℃까지 높이게 되며, 누설전류가 높고 비선형성이 낮은 단점을 갖는다. However, Bi-ZnO-based varistors have attempted to increase the ESD resistance characteristics by adding V 2 O 5 as a sintering aid to the above composition. The V 2 O 5 component itself melts at 670°C, but when added to ZnO in a small amount of 20 mol% or less, it forms Zn 3 V 2 O 8 or By forming intermediate products such as Zn 4 V 2 O 9 at a higher temperature, sintering densification is possible at 900°C where these intermediate products are melted, increasing the sintering temperature to 900°C, high leakage current and low nonlinearity Has.
Pr-ZnO계 바리스터는 전압 비선형성은 대략 양호하나, Bi-ZnO계 바리스터에 비해서 누설전류가 크고, 서지 내량이 다소 낮다는 결점이 있으며, 귀금속 계열의 원료인 Pr6O11(또는 Pr2O3)계 성분을 포함하고 있어 고온소결(1200℃ 전후)이 요구되고, 적층형 칩 바리스터를 제조 시 내부전극으로 고가의 성분(Pd, Pt 등)을 다량 사용하므로 제조 단가가 높은 단점이 있다.Pr-ZnO-based varistors have approximately good voltage nonlinearity, but have a drawback in that the leakage current is larger and surge tolerance is slightly lower than that of Bi-ZnO-based varistors, and Pr 6 O 11 (or Pr 2 O 3 )-Based components require high-temperature sintering (around 1200°C), and when manufacturing a stacked chip varistor, a large amount of expensive components (Pd, Pt, etc.) are used as internal electrodes, resulting in a high manufacturing cost.
본 발명의 목적은 산화아연(ZnO)을 주성분으로, TeO2와 Bi2WO6를 동시에 첨가하여 각각의 융점보다 낮은 온도에서 생성될 수 있는 공정액상을 유도하고, Mn 산화물을 부성분으로 포함하여 비선형성을 높임으로써 바리스터의 물성을 확보할 수 있도록 한 ZnO계 바리스터 조성물과 이의 제조방법 및 바리스터를 제공하는 것이다. An object of the present invention is to induce a process liquid phase that can be produced at a temperature lower than each melting point by simultaneously adding zinc oxide (ZnO) as a main component and TeO 2 and Bi 2 WO 6 , and including Mn oxide as a secondary component. It is to provide a ZnO-based varistor composition, a method of manufacturing the same, and a varistor that can secure the physical properties of a varistor by increasing its properties.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명의 ZnO계 바리스터 조성물은 Bi2O3, Pr6O11 및 V2O5를 포함하지 않으며, ZnO, TeO2와 Bi2WO6를 동시에 첨가하는 액상소결조제 및 Mn 산화물을 포함한다.According to the features of the present invention for achieving the above object, the ZnO-based varistor composition of the present invention does not contain Bi 2 O 3 , Pr 6 O 11 and V 2 O 5 , and ZnO, TeO 2 and Bi 2 It includes a liquid phase sintering aid and Mn oxide for simultaneously adding WO 6 .
ZnO계 바리스터 조성물은 부성분으로 Co3O4, CaCO3, Sb2O3, SiO2 및 Cr2O3 로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상을 더 포함한다.The ZnO-based varistor composition further includes at least one or more from the group consisting of Co 3 O 4 , CaCO 3 , Sb 2 O 3 , SiO 2 and Cr 2 O 3 as an accessory component.
ZnO계 바리스터 조성물은 조성물 총 중량 대비 ZnO 99.6~86.7 mol%, TeO2와 Bi2WO6를 동시에 첨가하는 액상소결조제 0.3~2 mol% 및 Mn 산화물 0.1~1 mol%를 포함한다.The ZnO-based varistor composition includes 99.6 to 86.7 mol% of ZnO, 0.3 to 2 mol% of a liquid sintering aid for simultaneously adding TeO 2 and Bi 2 WO 6 and 0.1 to 1 mol% of Mn oxide based on the total weight of the composition.
TeO2와 Bi2WO6의 몰비율(TeO2/Bi2WO6)은 0.5~2.0이다. The molar ratio of TeO 2 and Bi 2 WO 6 (TeO 2 /Bi 2 WO 6 ) is 0.5 to 2.0.
ZnO계 바리스터 조성물은 조성물 총 중량 대비 부성분으로 Co3O4 0.1~1mol%, CaCO3 0.2~3mol%, Sb2O3 0.1~3mol%, SiO2 0.2~3mol% 및 Cr2O3 0.1~0.3mol%로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상을 더 포함한다.ZnO-based varistor composition is a subcomponent based on the total weight of the composition.Co 3 O 4 0.1 ~ 1 mol%, CaCO 3 0.2 ~ 3 mol%, Sb 2 O 3 0.1 ~ 3 mol%, SiO 2 0.2 ~ 3 mol% and Cr 2 O 3 0.1 ~ 0.3 It further includes at least one or more in the group consisting of mol%.
Mn 산화물은 MnO, MnO2, Mn2O3 및 Mn3O4로 이루어진 군에서 선택된다.The Mn oxide is selected from the group consisting of MnO, MnO 2 , Mn 2 O 3 and Mn 3 O 4 .
ZnO계 바리스터 조성물을 디스크 형상으로 성형하고, 800~900℃의 온도범위에서 소결하여 디스크 타입 소결체를 형성하며, 상기 디스크 타입 소결체의 양면에 외부전극을 부착하여 디스크 타입 바리스터를 제조한다.The ZnO-based varistor composition is molded into a disk shape and sintered in a temperature range of 800 to 900°C to form a disk-type sintered body, and external electrodes are attached to both surfaces of the disk-type sintered body to manufacture a disk-type varistor.
ZnO계 바리스터 조성물을 테이프 캐스팅하여 복수의 시트로 형성하고, 상기 복수의 시트 각각의 표면에 내부전극을 형성하는 전극물질을 도포하고 적층한 후, 800~900℃의 온도범위에서 소결하여 적층체를 형성하며, 상기 적층체의 양단에 상기 내부전극과 연결되게 외부전극을 형성하여 적층형 칩 바리스터를 제조한다.The ZnO-based varistor composition is tape-cast to form a plurality of sheets, and after coating and laminating an electrode material for forming internal electrodes on the surfaces of each of the plurality of sheets, the laminate is sintered at a temperature of 800 to 900°C. And forming external electrodes at both ends of the stack to be connected to the internal electrodes to manufacture a stacked chip varistor.
ZnO계 바리스터 조성물의 성분을 갖는 소결체와 소결체의 양면에 형성되어 전기신호의 입출력을 기능하는 외부전극을 포함한다.It includes a sintered body having a component of a ZnO-based varistor composition, and an external electrode formed on both surfaces of the sintered body to function as input/output of electric signals.
ZnO계 바리스터 조성물의 소결체와 소결체의 내부에 상하로 서로 이격되도록 매설되어 전기적신호의 입출력을 기능하는 복수의 내부전극과 소결체의 양단에 형성되며 내부전극과 연결되는 외부전극을 포함한다.The sintered body of the ZnO-based varistor composition and the sintered body are buried so as to be spaced apart from each other up and down, and are formed at both ends of the sintered body and a plurality of internal electrodes that function to input and output an electric signal and external electrodes connected to the internal electrodes.
내부전극은 100% Ag, 100% Al, Ag와 Al의 합금 중 하나이다.The internal electrode is one of 100% Ag, 100% Al, and an alloy of Ag and Al.
본 발명은 Bi2O3, Pr6O11(Pr2O3)및 V2O5를 포함하지 않으면서, ZnO, TeO2와 Bi2WO6를 동시에 첨가하는 액상소결조제 및 Mn 산화물을 포함하여 소결온도를 낮추고 비선형성을 높이며 바리스터의 물성을 확보한다. The present invention includes a liquid sintering aid and Mn oxide simultaneously adding ZnO, TeO 2 and Bi 2 WO 6 without including Bi 2 O 3 , Pr 6 O 11 (Pr 2 O 3 ) and V 2 O 5 This lowers the sintering temperature, increases the nonlinearity, and secures the properties of the varistor.
따라서, 본 발명은 바리스터에서 요구되는 전반적인 우수한 물성(ESD, 누설전류의 증가 방지)을 확보할 수 있으면서도, 800~900℃의 온도에서 소결하기 때문에 100% Ag 또는 Al 또는 그 합금 등 저가 내부전극을 사용할 수 있고 생산단가를 크게 낮출 수 있는 효과가 있다. Therefore, the present invention can secure the overall excellent physical properties (ESD, prevention of increase in leakage current) required by the varistor, while sintering at a temperature of 800 to 900°C, so that low-cost internal electrodes such as 100% Ag or Al or an alloy thereof can be used. It can be used and has the effect of significantly lowering the production cost.
또한, 본 발명은 부성분으로 Co, Ca, Sb, Si, Cr 등의 산화물을 더 포함하여, 바리스터에 요구되는 물성이 우수한 조성물을 얻을 수 있으므로 바리스터의 특성을 크게 개선시키는 효과가 있다.In addition, the present invention further includes oxides such as Co, Ca, Sb, Si, Cr, etc. as an auxiliary component, so that a composition having excellent physical properties required for a varistor can be obtained, thereby greatly improving the properties of the varistor.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 디스크 타입 바리스터의 예를 보인 개략도.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 칩 타입 바리스터의 예를 보인 개략도.
도 3은 본 발명의 실시예 1~7에서 제조된 ZnO계 바리스터의 전류(I)-전압(V) 커브를 도시한 그래프.1 is a schematic diagram showing an example of a disk type varistor according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram showing an example of a chip type varistor according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing a current (I)-voltage (V) curve of the ZnO-based varistors prepared in Examples 1 to 7 of the present invention.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 ZnO계 바리스터 조성물은 Bi2O3, Pr6O11(Pr2O3)및 V2O5를 포함하지 않으며, ZnO, TeO2와 Bi2WO6를 동시에 첨가하는 액상소결조제 및 Mn 산화물을 포함한다.The ZnO-based varistor composition of the present invention does not contain Bi 2 O 3 , Pr 6 O 11 (Pr 2 O 3 ) and V 2 O 5 , and a liquid sintering aid which simultaneously adds ZnO, TeO 2 and Bi 2 WO 6 and Contains Mn oxide.
Bi2O3는 ZnO계 ESD(Electro-static Discharge) 내성을 열화시켜 바리스터의 ESD 특성에 부정적인 영향을 미치므로 포함하지 않는다. Pr6O11(Pr2O3)는 고온소결이 요구되고 바리스터의 제조원가의 상승을 야기하므로 포함하지 않는다. V2O5는 바리스터의 누설전류를 높이고 비선형성이 낮으며 900℃ 이상에서 소결이 가능한 단독 첨가형이므로 포함하지 않는다.Bi 2 O 3 is not included because it negatively affects the ESD characteristics of the varistor by deteriorating the ZnO-based electro-static discharge (ESD) resistance. Pr 6 O 11 (Pr 2 O 3 ) is not included as it requires high-temperature sintering and causes an increase in the manufacturing cost of varistors. V 2 O 5 increases leakage current of varistors, has low nonlinearity, and is a single addition type capable of sintering above 900℃, so it is not included.
더 구체적으로, Bi2O3는 높은 비선형성, 높은 서지 내량, 낮은 소결온도의 장점이 있지만 첨가제의 종류가 많아 복잡한 미세구조를 형성하고 낮은 정전용량 제품일수록 ESD 내성이 낮아지는 단점이 있다. Pr6O11(Pr2O3)는 첨가제의 종류가 적어 보다 단순한 미세구조를 형성하고 ESD 내성이 높다는 장점이 있지만 높은 소결온도, 비교적 낮은 비선형성과 써지 내량을 갖는 단점이 있다.More specifically, Bi 2 O 3 has the advantages of high nonlinearity, high surge tolerance, and low sintering temperature, but has a disadvantage in that it forms a complex microstructure due to a large number of additives and lowers ESD resistance as a product with low capacitance. Pr 6 O 11 (Pr 2 O 3 ) has the advantage of forming a simpler microstructure and high ESD resistance due to fewer types of additives, but has disadvantages of having high sintering temperature, relatively low nonlinearity and surge tolerance.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 ZnO계 바리스터 조성물은 Bi2O3, Pr6O11(Pr2O3)및 V2O5를 포함하지 않으며, 대신 TeO2와 Bi2WO6를 동시에 첨가하여 각각의 융점보다 낮은 온도에서 생성될 수 있는 공정액상(eutectic liquid)을 유도하고, Mn 산화물을 포함하여 우수한 물성의 바리스터 조성물을 얻는다.Therefore, the ZnO-based varistor composition according to an embodiment of the present invention does not contain Bi 2 O 3 , Pr 6 O 11 (Pr 2 O 3 ) and V 2 O 5 , but instead TeO 2 and Bi 2 WO 6 are simultaneously added. Thus, a eutectic liquid that can be generated at a temperature lower than each melting point is induced, and a varistor composition having excellent physical properties including Mn oxide is obtained.
각각의 융점보다 낮은 온도에서 생성될 수 있는 공정액상을 유도하면 ZnO의 치밀화 및 미세구조의 균일화를 유도하여 바리스터의 물성을 향상시킬 수 있다.Inducing a process liquid phase that can be generated at a temperature lower than each melting point can induce densification of ZnO and uniformity of the microstructure, thereby improving the properties of varistors.
ZnO는 선형 I-V 거동을 갖는 비화학양론적인 n-type 반도체이다. 비선형성이 높을수록 바리스터의 특성은 우수하다. 따라서 비선형성을 만들기 위해 Mn 산화물이 포함되며 TeO2와 Bi2WO6를 동시에 첨가하여 액상소결조제로 작용한다. ZnO is a non-stoichiometric n-type semiconductor with linear IV behavior. The higher the nonlinearity, the better the varistor characteristics. Therefore, Mn oxide is included to make non-linearity, and it acts as a liquid sintering aid by adding TeO 2 and Bi 2 WO 6 at the same time.
액상소결조제는 800~900℃의 온도에서 소결이 가능하도록 TeO2와 Bi2WO6를 동시에 첨가한다. 800~900℃의 온도에서 소결이 가능하면, 초고압용 디스크 타입 바리스터 또는 100% Ag 또는 Al 또는 그 합금 등 저가 내부전극을 사용할 수 있고 생산단가를 크게 낮출 수 있다.The liquid sintering aid is simultaneously added with TeO 2 and Bi 2 WO 6 to enable sintering at a temperature of 800 to 900°C. If sintering is possible at a temperature of 800 to 900°C, an ultra-high pressure disk type varistor or low-cost internal electrodes such as 100% Ag or Al or an alloy thereof can be used and the production cost can be greatly reduced.
또한, 바리스터에 요구되는 전반적으로 물성이 우수한 조성물을 얻기 위해 부성분으로 Co, Ca, Sb, Si, Cr 등의 산화물을 더 포함한다. 구체적으로, 부성분으로 Co3O4, CaCO3, Sb2O3, SiO2 및 Cr2O3 중 적어도 하나 이상을 더 포함한다. 예를 들어, 부성분으로 Co3O4, CaCO3, Sb2O3, SiO2 및 Cr2O3 를 각각 또는 일부 포함한다.In addition, oxides such as Co, Ca, Sb, Si, and Cr are further included as auxiliary components in order to obtain a composition having excellent overall physical properties required for the varistor. Specifically, it further includes at least one or more of Co 3 O 4 , CaCO 3 , Sb 2 O 3 , SiO 2 and Cr 2 O 3 as an auxiliary component. For example, each or part of Co 3 O 4 , CaCO 3 , Sb 2 O 3 , SiO 2 and Cr 2 O 3 are included as subcomponents.
바리스터 조성물은 조성물 총 중량 대비 ZnO 99.6~86.7 mol%, TeO2와 Bi2WO6를 동시에 첨가하는 액상소결조제 0.3~2 mol% 및 Mn 산화물 0.1~1 mol%를 기본으로 포함하고, 여기에 부성분으로 Co3O4 0.1~1 mol%, CaCO3 0.2~3 mol%, Sb2O3 0.1~3 mol% SiO2 0.2~3 mol% 및 Cr2O3 0.1~0.3 mol%로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상을 더 포함할 수 있다. The varistor composition basically contains 99.6 to 86.7 mol% of ZnO, 0.3 to 2 mol% of a liquid sintering aid for simultaneously adding TeO 2 and Bi 2 WO 6 and 0.1 to 1 mol% of Mn oxide based on the total weight of the composition, and subcomponents therein At least in the group consisting of Co 3 O 4 0.1~1 mol%, CaCO 3 0.2~3 mol%, Sb 2 O 3 0.1~3 mol% SiO 2 0.2~3 mol% and Cr 2 O 3 0.1~0.3 mol% It may further include one or more.
TeO2와 Bi2WO6는 동시에 첨가하되 몰비율(TeO2/Bi2WO6)이 0.5~2.0이다. 구체적으로, TeO2와 Bi2WO6는 동시에 첨가하되 몰비율(TeO2/Bi2WO6)을 0.5~2.0로 하고, TeO2와 Bi2WO6의 합량을 0.3~2 mol%로 한다.TeO 2 and Bi 2 WO 6 are added at the same time, but the molar ratio (TeO 2 /Bi 2 WO 6 ) is 0.5 to 2.0. Specifically, TeO 2 and Bi 2 WO 6 are added at the same time, but the molar ratio (TeO 2 /Bi 2 WO 6 ) is 0.5 to 2.0, and the total amount of TeO 2 and Bi 2 WO 6 is 0.3 to 2 mol%.
TeO2와 Bi2WO6는 동시에 첨가하되 몰비율(TeO2/Bi2WO6)을 0.5~2.0로 하고, TeO2와 Bi2WO6의 합량을 0.3~2 mol%로 하여 포함하는 것은 가열(또는 소결)시 공정액상을 유도하여 액상소결조제의 역할을 부여하기 위함이다. 이는 ZnO계 바리스터에서 잘 알려진 Bi2O3, Pr6O11 및 V2O5와 유사한 역할을 하며, 상기와 같은 함량 범위로 포함되는 경우에 800~900℃에서 소결이 가능하면서도 바리스터에 요구되는 전반적인 물성이 우수한 조성물을 얻을 수 있다. TeO 2 and Bi 2 WO 6 are added at the same time, but the molar ratio (TeO 2 /Bi 2 WO 6 ) is 0.5 to 2.0, and the total amount of TeO 2 and Bi 2 WO 6 is 0.3 to 2 mol%. This is to give the role of a liquid sintering aid by inducing the process liquid during (or sintering). This plays a similar role to the well-known Bi 2 O 3 , Pr 6 O 11 and V 2 O 5 in ZnO-based varistors, and when included in the above content range, sintering is possible at 800 to 900°C, yet required for varistors. A composition having excellent overall physical properties can be obtained.
Mn 산화물은 높은 비선형성을 얻기 위해 포함된다. 비선형성이 높을수록 바리스터의 특성이 우수하다. Mn 산화물은 MnO, MnO2, Mn2O3 및 Mn3O4로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 바람직하게는, Mn 산화물은 Mn3O4일 수 있다. Mn oxide is included to obtain high nonlinearity. The higher the nonlinearity, the better the varistor characteristics. The Mn oxide may be selected from the group consisting of MnO, MnO 2 , Mn 2 O 3 and Mn 3 O 4 . Preferably, the Mn oxide may be Mn 3 O 4 .
Mn 산화물은 0.1~1 mol% 범위로 포함되는 경우에 바리스터에 요구되는 전반적인 물성이 우수한 조성물을 얻을 수 있다. Mn 산화물은 0.1 mol% 미만으로 포함되면 그 효과가 없고, 1 mol%를 초과하여 포함되면 ZnO의 치밀화와 입성장을 억제하여 조성물의 소결이 잘 이루어지지 않아서 소결밀도가 저하되고 높은 바리스터 전압을 형성한다. When the Mn oxide is included in the range of 0.1 to 1 mol%, a composition having excellent overall physical properties required for the varistor can be obtained. If Mn oxide is contained in less than 0.1 mol%, it has no effect, and if it is contained in more than 1 mol%, ZnO suppresses densification and grain growth, and sintering of the composition is not well performed, resulting in lower sintering density and high varistor voltage. do.
ZnO계 바리스터의 비선형성은 입계현상에 의해 발현되며, 소결 중 균일한 입성장과 균일한 미세구조를 형성해야 우수한 바리스터 특성을 갖게 된다. 따라서 Mn 산화물을 0.1~1 mol% 범위로 포함하여 소결 중 균일한 입성장과 균일한 미세구조를 형성하도록 한다.The nonlinearity of the ZnO-based varistor is expressed by the grain boundary phenomenon, and excellent varistor characteristics are obtained only when uniform grain growth and uniform microstructure are formed during sintering. Therefore, by including Mn oxide in the range of 0.1 to 1 mol%, uniform grain growth and uniform microstructure are formed during sintering.
부성분은 Co3O4의 경우 0.1~1 mol% 범위로 포함되는 경우 바리스터에 요구되는 물성이 우수한 조성물을 얻을 수 있으며, 1 mol%를 초과하는 경우 ZnO의 치밀화와 입성장을 억제하여 조성물의 소결이 둔화되어 소결밀도가 저하되고 바리스터의 물성도 저하될 수 있다. In the case of Co 3 O 4 in the case of Co 3 O 4 , when it is included in the range of 0.1 to 1 mol%, a composition having excellent physical properties required for the varistor can be obtained, and when it exceeds 1 mol%, the composition is sintered by suppressing the densification and grain growth of ZnO. Due to this slowdown, the sintering density may decrease, and the properties of the varistor may also decrease.
부성분은 CaCO3의 경우 0.2~3 mol% 범위로 포함되는 경우, 소결을 촉진하여 ZnO 입자를 크게하고 바리스터 전압을 낮추고, 비선형성을 높이는 효과가 있으며, 3 mol%을 초과하여 첨가할 경우 초기 소결 치밀화를 억제하고 누설전류가 높아지는 결과를 초래한다.In the case of CaCO 3 , if it is included in the range of 0.2 to 3 mol%, it promotes sintering to increase the ZnO particles, lower the varistor voltage, and increase nonlinearity, and when added in excess of 3 mol%, initial sintering It suppresses densification and results in an increase in leakage current.
부성분은 Sb2O3의 경우 0.1~3 mol% 범위로 포함되는 경우, 바리스터에 요구되는 전반적인 물성이 다소 우수한 조성물을 얻을 수 있으며, Zn7Sb2O12와 같은 스피넬 상을 형성하여 ZnO 입성장을 효과적으로 억제하여 보다 안정적인 바리스터 물성과 바리스터 전압의 제어를 획득할 수 있다. Sb2O3의 경우 3 mol%을 초과하여 첨가될 경우 소결밀도가 저하되고 소결온도를 높여 바리스터 전압이 크게 높아지는 결과를 초래한다.In the case of Sb 2 O 3 as a subcomponent, when it is included in the range of 0.1 to 3 mol%, a composition with somewhat excellent overall physical properties required for the varistor can be obtained, and ZnO grain growth by forming a spinel phase such as Zn 7 Sb 2 O 12 By effectively suppressing the control of the varistor properties and the varistor voltage can be obtained more stable. In the case of Sb 2 O 3 , if it is added in excess of 3 mol%, the sintering density decreases and the sintering temperature is increased, resulting in a large increase in varistor voltage.
부성분은 SiO2의 경우 0.2~3 mol% 범위로 포함되는 경우, 비선형성을 일정한 정도로 개선시키며 ZnO 입성장을 다소 억제시키는 역할을 담당한다. SiO2의 경우 3 mol%를 초과하여 포함하는 경우 비선형성은 계속 개선되지만 소결밀도가 낮아지며 보다 높은 바리스터 전압을 형성하게 된다. In the case of SiO 2 , when the sub-component is included in the range of 0.2 to 3 mol%, the nonlinearity is improved to a certain degree and the ZnO grain growth is somewhat suppressed. In the case of SiO 2 , if it contains more than 3 mol%, the nonlinearity continues to improve, but the sintering density decreases and a higher varistor voltage is formed.
부성분은 Cr2O3의 경우 0.1~0.3 mol% 범위로 포함되는 경우, 바리스터에 요구되는 전반적인 물성이 우수한 조성물을 얻을 수 있으며, 0.3 mol%를 초과하는 경우에는 누설전류의 증가와 비선형성이 낮아지고 소결밀도가 낮아지는 결과를 초래한다.In the case of Cr 2 O 3 in the case of Cr 2 O 3 , when it is included in the range of 0.1 to 0.3 mol%, a composition having excellent overall physical properties required for the varistor can be obtained, and when it exceeds 0.3 mol%, the leakage current increases and the nonlinearity is low. The result is that the sintering density is lowered.
상술한 ZnO계 바리스터 조성물을 이용하여 초고압용 디스크 타입 바리스터 또는 적층형 칩 타입 바리스터로 제조할 수 있다. It can be manufactured as an ultra-high pressure disk type varistor or a stacked chip type varistor using the above-described ZnO-based varistor composition.
한편, ZnO계 바리스터 조성물을 이용한 디스크 타입 바리스터의 제조방법은 ZnO 분말에 액상소결조제, Mn 산화물 및 부성분을 포함하는 ZnO계 바리스터 조성물을 볼밀에 투입하여 혼합하고 분쇄하는 단계와, 탈수 건조처리하여 조립분을 제조하여 출발원료로 사용하는 단계와, 소정량의 출발원료 분말을 성형몰드에 넣고 가성형하여 디스크 타입으로 제조하는 단계와, 디스크 타입을 소결하여 소결체를 제조하는 단계를 포함한다.On the other hand, the manufacturing method of a disc-type varistor using a ZnO-based varistor composition includes the steps of mixing and pulverizing a ZnO-based varistor composition containing a liquid sintering aid, Mn oxide and subcomponents in a ZnO powder into a ball mill, and assembling by dehydrating and drying treatment. It includes preparing powder and using it as a starting material, putting a predetermined amount of starting material powder into a molding mold and preforming to form a disk type, and sintering the disk type to produce a sintered body.
소결은 800~900℃ 범위로 수행한다.Sintering is carried out in the range of 800 to 900°C.
ZnO 칩 타입 바리스터를 제조하는 방법은 ZnO계 바리스터 조성물을 볼밀에 투입하고 혼합하여 슬러리로 제조하는 단계와 테이프 캐스팅법으로 수십 ㎛ 두께의 세라믹 시트를 제작하는 단계와 그 시트 위에 Ag 또는 Al 전극 페이스트를 도포 또는 스크린 프린팅법으로 인쇄하여 다층으로 적층하고 칩으로 절단한 후 소결하는 단계를 포함한다. The method of manufacturing a ZnO chip type varistor includes the steps of preparing a slurry by putting a ZnO-based varistor composition into a ball mill and mixing it into a slurry, and preparing a ceramic sheet having a thickness of several tens of µm by tape casting, and applying an Ag or Al electrode paste on the sheet. It includes a step of printing by coating or screen printing, laminating into multiple layers, cutting into chips, and sintering.
상기한 디스크 타입 또는 칩 타입 바리스터를 제조하는 방법은 조성물 총 중량 대비 ZnO 99.6~86.7 mol%, TeO2와 Bi2WO6의 몰비율(TeO2/Bi2WO6)을 0.5~2.0로 한 액상소결조제 0.3~2 mol%, Mn 산화물 0.1~1 mol%을 기본조성으로 하고, 여기에 부성분으로 Co3O4 0.1~1mol%, CaCO3 0.2~3mol%, Sb2O3 0.1~3mol%, SiO2 0.2~3mol% 및 Cr2O3 0.1~0.3mol%로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상을 더 포함하는 ZnO계 바리스터 조성물을 사용하는 것을 제외하고는 이 분야에서 공지된 방법을 채용하여 실시할 수 있다.The method of manufacturing the disk-type or chip-type varistor described above is a liquid phase in which the molar ratio of ZnO 99.6 to 86.7 mol%, TeO 2 and Bi 2 WO 6 (TeO 2 /Bi 2 WO 6 ) to the total weight of the composition is 0.5 to 2.0. Sintering aid 0.3~2 mol%, Mn oxide 0.1~1 mol% as the basic composition, and as subcomponents here, Co 3 O 4 0.1~1 mol%, CaCO 3 0.2~3 mol%, Sb 2 O 3 0.1~3 mol%, SiO 2 0.2 ~ 3 mol% and Cr 2 O 3 In the group consisting of 0.1 ~ 0.3 mol%, except for the use of a ZnO-based varistor composition further containing at least one or more, it can be carried out by employing a method known in the art. have.
도 1에는 본 발명의 실시예에 의한 디스크 타입 바리스터의 예를 보인 개략도가 도시되어 있다.1 is a schematic diagram showing an example of a disk type varistor according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바에 의하면, ZnO계 바리스터 조성물 분말은 단일의 디스크(12)로 성형 및 소결된 후, 디스크(12)의 양 표면에 각각 금속전극물질을 도포 또는 스크린 프린팅법으로 인쇄하여 외부전극(13)을 형성함으로써 일반적인 디스크 타입 바리스터(10)로 제조할 수 있다. 표면실장될 수 없는 형태인 디스크 타입 바리스터(10)는 외부전극(13)에 전기 신호의 입력을 위하여 리드선(14)이 부착될 수 있다.As shown in Fig. 1, the ZnO-based varistor composition powder is molded and sintered into a
도 2에 도시된 바에 의하면, ZnO계 바리스터 조성물 분말은 복수의 시트로 형성한 후 이들 시트를 복수로 적층하여 적층체(32)를 형성하되, 최상층 및 최하층에 각각 배치될 더미 시트(전극물질이 도포되지 않은 시트)를 제외한 나머지 그 내부에 적층될 시트들에는 각각 그 표면에 내부전극(33)을 형성할 전극물질을 도포 또는 스크린 프린팅법으로 인쇄하고, 이들 내부의 시트들과 더미 시트들을 차례로 적층한 후 소결하여 적층형 바리스터(30)를 제조할 수 있다. 전극물질은 Ag, Al, Ag/Al 합금 등의 전극물질을 사용할 수 있다. 그리고 전기신호의 입출력을 위하여 바리스터의 양단에 외부전극(35)을 형성하고 내부전극(33)들에 각각 전기적으로 연결시킬 수 있다. 상기한 적층형 바리스터(30)는 공지된 MLCC(Multi-Layer Ceramic Capacitor) 제조방법에 의거할 수 있다.As shown in FIG. 2, the ZnO-based varistor composition powder is formed into a plurality of sheets, and then a plurality of these sheets are stacked to form a
이하에서는 본 발명을 실시예를 통해 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described through examples.
표 1은 ZnO계 바리스터 조성물을 나타낸 것이다.Table 1 shows the ZnO-based varistor composition.
표 1의 ZnO계 바리스터 조성물을 3배의 증류수와 함께 5mmφ 부분 안정화 지르코니아(YSZ)가 포함된 볼밀에 투입하여 혼합하고 분쇄하였다. 그런 다음, 탈수 건조처리를 향하여 조립분을 제조하여 출발원료로 사용하였다. 소정량의 출발원료 분말을 10mmφ 성형몰드에 넣고 50MPa의 압력으로 1축 가성형하여 디스크 타입으로 제조하여 800℃(실시예 1), 900℃(실시예 2~3), 950℃(실시예 4~7)에서 1시간 공기중에 소결하였다. The ZnO-based varistor composition of Table 1 was put into a ball mill containing 3 times of distilled water and 5 mmφ partially stabilized zirconia (YSZ), mixed, and pulverized. Then, for dehydration and drying treatment, granulated powder was prepared and used as a starting material. A predetermined amount of the starting material powder was put into a 10mmφ molding mold and uniaxially formed into a disk type by temporary molding at a pressure of 50 MPa at 800°C (Example 1), 900°C (Examples 2 to 3), and 950°C (Example 4). It was sintered in air for 1 hour at ~7).
위와 같은 방법으로 얻어진 소결체는 양면을 연마하여 두께를 약 1mm로 한 후 옴 접촉(Ohmic contact)용 Ag 페이스트를 세라믹 소결체의 양단에 도포한 다음 550℃에서 10분간 소부처리하여 외부전극을 형성하여 특성 측정용 시편을 제작하였다.The sintered body obtained by the above method is polished on both sides to make a thickness of about 1 mm, and then Ag paste for ohmic contact is applied to both ends of the ceramic sintered body, and then baked at 550℃ for 10 minutes to form external electrodes. A specimen for measurement was prepared.
상기의 실시예 1 내지 7에서 제작된 ZnO계 바리스터의 전류(I)-전압(V) 특성을 DC전류전압전원공급 및 측정기(high voltage source measure: Keithley 237)를 사용하여 상온에서 log stair pulse 파형을 인가하여 측정하였다.The current (I)-voltage (V) characteristics of the ZnO-based varistors fabricated in Examples 1 to 7 above were measured in a log stair pulse waveform at room temperature using a DC current voltage power supply and a high voltage source measure (Keithley 237). It was measured by applying.
전류-전압 특성 파라미터인 바리스터 전압(Vn)은 1mA/㎠ 전류가 흐를 때의 전압으로 [V/mm] 단위로 측정하였으며, 누설전류(IL)는 Vn의 80%에서 측정된 전류[㎂/㎠]이며, 비선형계수(α)는 하기 식 1을 이용하여 구하였다. 그 측정값은 하기 표 2에 나타내었다. The varistor voltage (Vn), which is a current-voltage characteristic parameter, is the voltage when 1mA/㎠ current flows, measured in [V/mm], and the leakage current (I L ) is the current measured at 80% of Vn [㎂/ Cm2], and the nonlinear coefficient (α) was calculated using the following equation. The measured values are shown in Table 2 below.
[식 1][Equation 1]
여기서, E1과 E2는 각각 J1(=1mA/㎠)과 J2(=10mA/㎠)에서의 전계이다.Here, E1 and E2 are electric fields at J 1 (=1mA/cm2) and J 2 (=10mA/cm2), respectively.
표 2는 표 1의 실시예 1 내지 7에서 제작된 ZnO계 바리스터의 상대밀도, 전압, 비선형 계수, 누설전류를 측정한 측정값을 나타낸 것이다.Table 2 shows the measured values of the relative density, voltage, nonlinear coefficient, and leakage current of the ZnO-based varistors manufactured in Examples 1 to 7 of Table 1.
(℃)Sintering temperature
(℃)
(g/㎤)Relative density
(g/cm3)
(V/mm)Vn
(V/mm)
(α)Nonlinear coefficient
(α)
(㎂/㎠)Leakage current
(㎂/㎠)
표 2에 의하면, 본 발명의 ZnO계 바리스터 조성물로 제조된 바리스터는 밀도가 높고, 조성 범위에서 비선형성이 우수하고 누설전류도 낮은 값을 나타내며 우수한 바리스터 특성을 보임을 확인할 수 있다.According to Table 2, it can be seen that the varistor prepared from the ZnO-based varistor composition of the present invention has a high density, excellent nonlinearity in the composition range, a low leakage current, and excellent varistor characteristics.
800~900℃ 온도범위에서 소결한 실시예 1 내지 실시예 3의 경우, 950℃에서 소결한 실시예 4 내지 실시예 7와 비교하여도 밀도, 비선형성, 누설전류에서 부족함이 없었다. 이는 실시예의 ZnO계 바리스터 조성물을 800~900℃에서 소결하여도 우수한 바리스터 특성을 확보할 수 있음을 의미한다. In the case of Examples 1 to 3 sintered at a temperature of 800 to 900°C, there was no shortage in density, nonlinearity, and leakage current even compared to Examples 4 to 7 sintered at 950°C. This means that even when the ZnO-based varistor composition of the embodiment is sintered at 800 to 900°C, excellent varistor properties can be secured.
도 3에는 본 발명의 실시예 1~7에서 제조된 ZnO계 바리스터의 전류(I)-전압(V) 곡선을 도시한 그래프가 도시되어 있다. 3 is a graph showing a current (I)-voltage (V) curve of the ZnO-based varistors manufactured in Examples 1 to 7 of the present invention.
도 3에 도시된 바에 의하면, 실시예 1~7의 바리스터는 높은 비선형성을 나타냄이 확인된다. 비선형성이 높으면 전압의 소폭 증가에 대해 큰 전류를 흐르게 한다. 비선형성의 정도는 I=CVα로 표현되고 비선형 I-V 곡선의 평탄도(비선형계수α)로 결정되며, α값이 클수록 바리스터의 특성은 우수하다. As shown in FIG. 3, it is confirmed that the varistors of Examples 1 to 7 exhibit high nonlinearity. High nonlinearity causes a large current to flow in response to a small increase in voltage. The degree of nonlinearity is expressed as I = CV α and is determined by the flatness (nonlinear coefficient α) of the nonlinear IV curve. The larger the α value, the better the varistor characteristics.
바리스터는 비선형 전류-전압 특성을 갖는 반도성 가변 저항소자로 순간적인 전압 동요를 1ns 이내에 감지하고 제한시키는 동작을 제품의 파괴없이 반복적으로 수행하는 전자 세라믹 부품이다. 따라서 높은 비선형성, 높은 서지 내량, 낮은 소결온도의 필요하다. Varistors are semiconducting variable resistance devices with nonlinear current-voltage characteristics, and are electronic ceramic components that repeatedly detect and limit instantaneous voltage fluctuations within 1ns without destroying the product. Therefore, high nonlinearity, high surge tolerance, and low sintering temperature are required.
본 발명의 ZnO계 바리스터 조성물은 ESD 특성에 부정적인 영향을 미치는 Bi2O3, 누설전류를 높이고 비선형성이 낮으며 900℃ 이상에서 소결이 가능한 단독 첨가형 V2O5, 고온소결이 요구되고 제조원가의 상승을 야기하는 Pr6O11(Pr2O3) 성분을 포함하지 않고, 이를 대체하여 새로운 액상소결조제로 TeO2와 Bi2WO6을 포함한다. 또한 Mn 산화물과 부성분 등을 포함하여 바리스터에서 요구되는 전반적인 우수한 물성을 확보할 수 있다. ZnO based varistor composition of the present invention to increase the Bi 2 O 3, leakage currents have a negative effect on the ESD properties of the non-linearity is low and is required to sinter the possible sole cheomgahyeong V 2 O 5, the high temperature sintering at above 900 ℃ manufacturing costs It does not contain the Pr 6 O 11 (Pr 2 O 3 ) component causing an increase, and includes TeO 2 and Bi 2 WO 6 as a new liquid sintering aid by replacing it. In addition, it is possible to secure overall excellent physical properties required by varistors, including Mn oxide and subcomponents.
또한, 800~900℃의 온도에서 소결하기 때문에 초고압용 디스크 타입 바리스터 또는 100% Ag 또는 Al 또는 그 합금 등 저가 내부전극을 사용할 수 있고, 생산단가를 크게 낮출 수 있다.In addition, since it is sintered at a temperature of 800 to 900°C, it is possible to use a disk type varistor for ultra-high pressure or a low-cost internal electrode such as 100% Ag or Al or an alloy thereof, and the production cost can be greatly reduced.
상술한 ZnO계 바리스터 조성물을 이용하여 제조한 바리스터는 디스크 타입의 경우, 각종 자동차용 모듈 등에 사용될 수 있고, 칩 타입의 경우 다양한 첨단 기기에 적용될 수 있다.Varistors prepared using the above-described ZnO-based varistor composition can be used in various automotive modules in the case of a disk type, and can be applied to various high-tech devices in the case of a chip type.
본 발명은 도면과 명세서에 최적의 실시예들이 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 발명은 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 권리범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.The present invention has been disclosed in the drawings and the specification, the best embodiments. Here, specific terms have been used, but these are only used for the purpose of describing the present invention, and are not used to limit the meaning or the scope of the present invention described in the claims. Therefore, the present invention will be understood by those of ordinary skill in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
10: 디스크 타입 바리스터
12: 디스크
13: 외부전극
14: 리드선
30: 칩 바리스터
32: 적층체
33: 내부전극
35: 외부전극10: disc type varistor 12: disc
13: external electrode 14: lead wire
30: chip varistor 32: laminate
33: internal electrode 35: external electrode
Claims (11)
ZnO;
TeO2와 Bi2WO6를 동시에 첨가하는 액상소결조제; 및
Mn 산화물; 을 포함하는 ZnO계 바리스터 조성물. Does not contain Bi 2 O 3 , Pr 6 O 11 and V 2 O 5 ,
ZnO;
Liquid sintering aid for simultaneously adding TeO 2 and Bi 2 WO 6 ; And
Mn oxide; ZnO-based varistor composition comprising a.
부성분으로 Co3O4, CaCO3, Sb2O3, SiO2 및 Cr2O3 로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상을 더 포함하는 ZnO계 바리스터 조성물. The method according to claim 1,
ZnO-based varistor composition further comprising at least one or more from the group consisting of Co 3 O 4 , CaCO 3 , Sb 2 O 3 , SiO 2 and Cr 2 O 3 as an accessory component.
조성물 총 중량 대비
ZnO 99.6~86.7 mol%, TeO2와 Bi2WO6를 동시에 첨가하는 액상소결조제 0.3~2 mol% 및 Mn 산화물 0.1~1 mol%를 포함하는 ZnO계 바리스터 조성물. The method according to claim 1,
To the total weight of the composition
ZnO-based varistor composition comprising 99.6 to 86.7 mol% of ZnO, 0.3 to 2 mol% of a liquid sintering aid for simultaneously adding TeO 2 and Bi 2 WO 6 and 0.1 to 1 mol% of Mn oxide.
TeO2와 Bi2WO6의 몰비율(TeO2/Bi2WO6)은 0.5~2.0인 ZnO계 바리스터 조성물. The method according to claim 2
The mole ratio of TeO 2 and Bi 2 WO 6 (TeO 2 /Bi 2 WO 6 ) is 0.5 to 2.0 ZnO-based varistor composition.
조성물 총 중량 대비
부성분으로 Co3O4 0.1~1mol%, CaCO3 0.2~3mol%, Sb2O3 0.1~3mol%, SiO2 0.2~3mol% 및 Cr2O3 0.1~0.3mol%로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상을 더 포함하는 ZnO계 바리스터 조성물. The method according to claim 2,
Based on the total weight of the composition
At least one from the group consisting of Co 3 O 4 0.1 ~ 1 mol%, CaCO 3 0.2 ~ 3 mol%, Sb 2 O 3 0.1 ~ 3 mol%, SiO 2 0.2 ~ 3 mol%, and Cr 2 O 3 0.1 ~ 0.3 mol% ZnO-based varistor composition further comprising.
상기 Mn 산화물은
MnO, MnO2, Mn2O3 및 Mn3O4로 이루어진 군에서 선택되는 ZnO계 바리스터 조성물. The method according to claim 1,
The Mn oxide is
MnO, MnO 2 , Mn 2 O 3 and Mn 3 O 4 ZnO-based varistor composition selected from the group consisting of.
상기 소결체의 양면에 형성되어 전기신호의 입출력을 기능하는 외부전극;을 포함하는 ZnO계 바리스터.The sintered body of the ZnO-based varistor composition according to any one of claims 1 to 6; And
ZnO-based varistor comprising; external electrodes formed on both sides of the sintered body to function input/output of electric signals.
상기 소결체의 내부에 상하로 서로 이격되도록 매설되어 전기적신호의 입출력을 기능하는 복수의 내부전극; 및
상기 소결체의 양단에 형성되며 상기 내부전극과 연결되는 외부전극;
을 포함하는 ZnO계 바리스터.The sintered body of the ZnO-based varistor composition according to any one of claims 1 to 6;
A plurality of internal electrodes buried in the sintered body so as to be spaced apart from each other up and down so as to input and output electrical signals; And
External electrodes formed on both ends of the sintered body and connected to the internal electrodes;
ZnO-based varistor containing a.
상기 내부전극은 100% Ag, 100% Al, Ag와 Al의 합금 중 하나인 ZnO계 바리스터.The method of claim 10,
The internal electrode is 100% Ag, 100% Al, ZnO-based varistor, one of an alloy of Ag and Al.
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KR20010022821A (en) * | 1997-08-13 | 2001-03-26 | 미셀 드 브룩스 | Varistors based on nanocrystalline powders produced by mechanical grinding |
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