KR810000920B1 - 전압비직선 저항체 - Google Patents

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Description

전압비직선 저항체

제1도는 본 발명에 의한 전압비직선성 저항체의 단면도.

제2도 및 제3도는 본 발명에 의한 피뢰기의 단면도.

본 발명은 소결체 자신이 비직선성을 가진 소결체로 된 전압비직선성 저항체에 관한 것으로, 특히 산화아연, 산화안티몬 및 플루오르화 니켈로 된 피뢰기용 소자로서 유효한 전압비직선성 저항체에 관한 것이다.

종래부터 전압안정화나 전기회로 중에 유기되는 비정상적인 높은 서어지 (Surge)의 억제 등 때문에 실리콘 카아바이트 배리스터, 셀렌정류기 또는 게르마늄이나 실리콘의 PN접합 다이오우드 등 각종의 전압비직선 저항체가 널리 사용되고 있었다.

이와 같은 전압비직선 저항체의 전기특성은 다음 식으로 나타낼 수 있다.

여기서 V는 저항체에 인가되는 전압, I는 저항에 흐르는 전류, C는 주어진 전류에 있어서의 전압에 상당하는 상수, 및 지수 n는 1보다 큰 수치이다.

n의 값은 다음 식에 의해서 계산된다.

여기서 V₁및 V₂는 각기 전류 I₁및 I₁에 있어서의 전압이다.

바람직한 C의 값은 저항이 사용되는 용도에 따라서 결정된다.

지수 n는 저항특성으로부터의 벗어짐의 정도를 나타내는 것이기 때문에, 통상은 클수록 좋다.

편리상 제2식에 표시한 I₁, I₂, V₁,V₂로 규정되는 n의 값을 1n₁로 표시한다.

산화아연의 소결체로 되고 첨가물을 함유하거나, 혹은 함유하지 않은 것으로 또한 비저항전극으로된 비직선 저항체는, 예를 들면 미국특허 제3,496,512호, 제3,57 0,002호, 제3,503,029호에 설명되어 있다,

이와 같은 배리스터의 비직선성은 첨가물을 함유한 또는 함유하지 않은 산화아연의 소결체와 은페인트전극 사이의 계면에 기인되어 있으며, 주로 소결체 및 은페인트전극의 조성을 바꿈으로써 제어된다.

따라서 소결체가 만들어진 후에는, C의 값을 넓은 범위로 제어하는 것은 용이한 것이 아니다.

마찬가지로, 게르마늄 또는 실리콘 PN 접합 다이오우드로 된 배리스터에 있어서는 그 비직선성이 벌크가 아니고 PN 접합에 기인되고 있기 때문에, C의 값을 넓은 범위로 제어하는 것은 어렵다.

덧붙여서, 게르마늄 또는 실리콘 다이오우드 배리스터에서는, 100V 이상의 C, 10 이상의 n 및 100A이상의 서어지에 견디는 서어지 저항의 결합을 얻는 것은 거의 불가능한 것이다.

한편 실리콘 카아바이트 배리스터는 세라믹 결합체에 의해서 결합된 실리콘 카아바이트의 개개의 입자간의 접촉에 의한 비직선성을 갖고 있으며(즉, 벌크 비직선성), C의 값은 전류방향의 치수를 변화시켜서 제어된다.

더우기 실리콘 카바이트 배리스터는 피뢰기소자로서 유효한 높은 서어지저항을 갖고 있다.

이들 소자는 통상 방전간극에 직렬로 접속되어 사용되며, 방전전압의 레벨 및 속류를 결정한다.

그러나 실리콘 카아바이트 배리스터는 3~7이라는 비교적 낮은 n를 갖고 있으며, 이 때문에 번개서어지의 억제에 빈약하고, 전류의 증대를 야기하게 되는 것이다.

방전간극을 부품으로서 포함한 피뢰기의 다른 결점은 예를 들면 1μ초와 같은 매우 짧은 동작개시 시간을 갖는 서어지전압에 순간적으로 응답하지 않는 것이다.

피뢰기로서는 번개서어지 및 속류를 될 수 있는 한 낮은 레벨로 누르고 또한 서어지전압에 순간적으로 응답하는 것이 바람직하다.

한편, 산화비스무트와 산화안티몬 및/또는 산화코발트로 된 첨가물을 함유한 산화아연의 소결체로된 벌크형의 전압비직선성 저항체가 미국특허 제3,663,458호에 설명되어 있다.

이들 벌크형의 산화아연 배리스터에서는, 전극간의 거리를 바꾸어서 C치를 제어할 수 있고, 10A/㎠ 이하의 전류범위로 n치가 10 이상이라는 뛰어난 비직선성을 갖는다.

그러나 10A/㎠ 이상의 전류에 대해서는 n치는 10 이하로 저하한다.

서어지에너지에 대한 전력소비는 통상의 실리콘 카아바이트 피뢰기에 비해 비교적 낮은 값을 표시하므로, 피이크 전류치 1500A/㎠로 4×10μ초의 표준 번개서어지를 2회, 이 벌크형 산화아연 배리스터에 인가한 후의 C치의 변화율은 20%를 넘는다.

본 발명자들은 또 첨가물로서 플루오르화 니켈을 함유한 벌크형 산화아연 배리스터를 제안하고 있다(미국특허 제3,687,871호).

이 배리스터는 뛰어난 비직선성을 나타내나, 피뢰기로서의 본질적인 결함으로서 서어지펄스에 대한 약점을 들 수 있다.

즉, 이 배리스터의 비직선성은 100A/㎠의 서어지펄스에 대해서 용이하게 열화된다.

따라서 본 발명의 목적은, 벌크 자신이 비직선성을 갖고 10A/㎠ 이상의 전류영역에 있어서도 높은 n치를 갖는 전압비직선성 저항체를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 서어지에너지에 대해서 높은 전력소비를 나타내는 전압비직선성 저항체를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 번개서어지에 대해서 높은 억압과 낮은 속류를 나타내는 피뢰기를 제공하는데 있다.

본 발명의 이들 목적 및 다른 목적은 도면에 함께 이하의 상세한 설명에서 명확하게 될 것이다.

본 발명에 의해서 주어지는 전압비직선성 저항체의 상세한 설명에 앞서, 제1도에 의해서 그 구조를 설명한다.

도면에 있어서 숫자(10)는 전체로서, 그 대향표면에 한쌍의 전극(2), (3)을 갖고, 주요소로서 소결체로된 전압비직선성 저항체를 표시한다.

이 소결체(1)는 다음에 기선하는 방법에 의해서 만들어진다.

리이드선(5), (6)은 땜납과 기타 접속수단(4)에 의해서 각기 전극(2), (3)에 도전적으로 부착되어 있다.

본 발명에 의한 전압비직선성 저항체는, 첨가물로서 0.1~0.3몰%의 산화비스무트(Bi₂O₃), 0.05~3.0몰%의 산화안티몬(Sb₂O₃) 및 0.1~3.0몰%의 플루오르화 니켈 (NiF₂)을 함유하고 나머지는 주성분으로서의 산화아연(ZnO)으로 된 소결체와, 이 소결체의 대향표면에 형성된 전극으로 된다.

이와 같은 전압비직선성 저항체는 벌크 자신에 기인하는 오음저항을 갖는다.

따라서 이 C치는 대향표면간의 거리를 바꿈으로써, n치를 열화시키지 않고 바꿀 수 있다.

본 발명에 의한 저항체는 10A/㎠의 전류영역에 있어서 높은 n치를 갖고 또한 서어지펄스에 대해서 높은 안정성을 나타낸다. 10A/㎠ 이상의 전류영역보다 높은 n치가, 0.1~3.0몰%의 산화코발트(CoO) 및 0.1~3.0몰%의 산화망간(MnO)의 어느 것이든 이 소결체에 다시 첨가함으로써 실현된다.

본 발명에 의하면 10A/㎠ 이상의 전류영역에 있어서의 보다 높은 n 및 서어지펄스에 대한 보다 높은 안전성이, 이 소결체를, 주성분으로서의 산화아연(ZoO), 및 첨가물로서 0.1~3.0몰%의 산화비스무트(Bi₂O₃), 0.05~3.0몰%의 산화안티몬(Sb₂O₃), .01~3.0몰%의 플루오르화 니켈(NiF₂), 0.1~3.0몰%의 산화코발트(CoO), 0.1~3.0 몰%의 산화망간(MnO), 및 0.05~3.0몰%의 산화크롬(Cr₂O₃), 0.1~3.0몰%의 산화주석(SnO₃) 및 0.1~3.0몰%의 이산화실리콘(SiO₂)의 어느 한개의 결합으로된 조성으로 하므로서 실현된다.

본 발명에 의하면 10A/㎠ 이상의 전류영역에 있어서의 치 및 서어지펄스에 대한 안정성은, 이 소결체가 실질적으로 99.4 72몰%의 산화아연(ZnO) 그리고 첨가물로서, 0.1~3.0몰%의 산화비스무트(Bi₂O₃), 0.05~3.0몰%의 산화안티몬(Sb₃O₃), 0.1~3.0몰%의 플루오르화 니켈(NiF₂), 0.1~3.0몰%의 산화코발트(CoO), 0.1~3.0몰 %의 산화망간(MnO), 0.05~3.0몰%의 산화크롬(Cr₂O₃) 및 0.1~10.0몰%의 이산화실리콘(SiO₂)으로 될 때에, 크게 개선된다.

본 발명에 의하면, 주성분으로서의 산화아연 및 첨가물로서, 0.1~3.0몰%의 산화비스무트(Bi₂O₃), 0.05~3.0몰%의 산화안티몬(Sb₂O₃) 및 0.1~3.0몰%의 플루오르화 니켈(NiF₂)로 되는 조성의 소결체 및 이 소결체의 대향표면상에 착설된 전극으로된 비직선 저항체를 적어도 한 개를 특성소자로서 피뢰기에 사용했을 때 얻어지는 피뢰기는 속류가 낮고 번개서어지에 대한 억압과 전력소비가 개량된다.

또한 본 발명에 의하면 99.4~72.0몰%의 산화아연(ZnO), 0.1~3.0몰%의 산화비스무트(Bi₂O₃), 0.5~3.0몰%의 산화안티몬(Sb₂O₃), 0.1~3.0몰%의 플루오르화 니켈 (NiF₂), 0.1~3.0몰%의 산화코발트(CoO), 0.1~3.0몰%의 산화망간(MnO), 0.05~ 3.0몰%의 산화크롬(Cr₂O₃) 및 0.1~3.0몰%의 이산화실리콘(SiO₂) 및 이 소결체의 대향표면상에 착설된 전극으로 비직선 저항체를 적어도 1개 피뢰기의 특성소자로서 사용한 경우, 얻어지는 피뢰기는 속류가 더욱 낮아져서 번개서어지에 대한 억압과 전력소비가 더욱 개량 된다.

소결체(1)은 그 자체가 공지인 세라믹 기술에 의해서 만들어진다.

상술한 조성의 출발재료를 습식분쇄기 속에서 혼합하여 균일한 혼합물을 만든다.

혼합물을 건조해서 주형으로 50㎏/㎠~500㎏/㎠의 압력으로 바라는 형태로 성형한다.

성형된 것을 공기중에서 1,000~1,450℃로 1~10시간 소결하고 이어서 실온까지, 로속에서 냉각한다.(약 15~30℃)

혼합물을 사전에 700~1000℃로 임시 소결하여 분쇄해도 된다.

성형되는 혼합물에 물, 폴리비닐 알코올 등의 적당한 결합체를 첨가해도 된다.

소결체의 대향표면을 평균 입경 10~50μ의 실리콘 카아바이트 등의 연마제로 연마하는 것은 효과가 있다.

소결체의 대향표면에, 온도장, Al, Zn, Sn 등의 금속의 진공증착 또는 용자(溶煮) 등의 적당한 방법으로 전극을 형성한다.

전압비직선성은 전극의 종류에 따라서는 영향되지 않으나, 소결체의 두께에 따라서 변한다.

특히 C치는 소결체의 두께에 비례해서 변화하고, 한편 n치는 두께에는 거의 무관계이다.

이것은 전압비직선성이 벌크 자신에 기인하고 전극에는 의하지 않는다는 것을 나타내고 있다.

리이드선은 보통의 땜납을 사용해서 그 자신이 공지된 통상적인 방법으로 부착된다.

리이드선을 전극에 접속하는 데는 은분말과 수지를 유기용매중에 분산시킨 도전도료를 사용하면 편리하다.

본 발명에 의한 전압비직선 저항체는 온도 및 서어지 시험에 대해서 높은 안정성을 갖고, 일본전기규격 조사회에 의한 JEC-156에 규정된 번개서어지를 만족하게 한다.

n치, C치는 가열주기와 서어지시험의 후에도 그렇게 크게 변화하지 않는다.

내습안정성 및 내고서어지 안정성을 얻기 위해서는, 얻어진 비직선 저항체를 에폭시수지나 페놀수지와 같은 내습성 수지에 공지의 방법으로 파묻는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 전압비직선 저항체를 특성소자로서 사용했을 때, 얻어지는 피뢰기는 속류 및 번개서어지에 대한 억압특성에 있어서 매우 크게 개선된다.

제2도는 피뢰기의 단면도를 표시하고, 참조숫자(20)는 전체로 보아서, 본 발명에 의한 전압비직선 저항체(11)를 특성소자로서 한개 또는 한개 이상, 방전간극(12), 스프링(13), 및 단자(14), (15)와 직렬로 접속한 피뢰기를 표시한다.

피뢰기소자는 자기(16)로 피복되어 있다.

피뢰기는 전류 1μA 이하로 서어지소비 2000A/㎠ 이상의 레벨로 유지된다.

제3도는 다른 형식의 피뢰기의 단면도를 표시하고, (30)은 적어도 한개의 본 발명에 의한 비직선 저항체를 갖는 피뢰기를 표시한다.

제3도의 실시예에서 제2도와 같은 숫자는 마찬가지인 소자를 표시한다.

제3도의 피뢰기는 그 구조에 있어서 방전간극이 없고, 또한 그 전기특성에 있어서, 속류 및 서어지소비의 우수한 성질에 덧붙여서, 매우 예리한 상승을 갖는 높은 서어지에 대해 0.1μ초 이하의 응답시간을 갖는다는 특징이 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 설명한다.

[실시예 1]

산화아연 98.0몰%, 산화비스무트 0.5몰%, 산화안티몬 1.0몰% 및 플루오르화 니켈 0.5몰%로 된 출발 재료를 습식분쇄기속에서 24시간 혼합하여, 얻어진 혼합물을 건조하고, 250㎏/㎠의 압력으로 직경 40㎜, 두께 25㎜의 원반으로 성형하였다.

성형물을 공기중에서 제1표에 표시한 조건으로 소결하고 이어서 공기온도까지 로속에서 냉각했다.

소결체의 대향표면을, 평균 직경 30μ의 입경의 카아바이트 연마제로 ㅇ녀마하고, 제1표에 표시한 두께로 하였다.

소결체의 대향표면상에, 공지의 방법으로 알루미늄의 박막을 금속 용자했다.

얻어진 소결체의 전기특성을 표 1에 표시한다.

표에서 C치는 소결체의 두께의 대략 비례해서 변화하고, 한편 치는 두께에는 체로 무관계임을 알 수 있다.

이것으로 소결체의 전압비직선성은 소결체 자신에 기인하다는 것임을 용이하게 이해할 수 있다.

[표 1]

[실시예 2]

표 2에 표시한 조성과 같이, 산화비스무트, 산화안티몬 및 플루오르화 니켈을 첨가한 산화아연에 의해서, 실시예 1과 같은 방법으로 전압비직선 저항체를 만들었다.

두께는 20㎜로 했다.

얻어진 전기특성을 표 2에 표시한다.

표 2에서 n₁및 n₂는 0.1~1㎃ 및 100~1000A 사이에서 각기 규정된 n치를 표시한다.

4×10μ초, 10,000A의 펄스를 2개 주어서 충격시험을 행하였다.

첨가물로서는 산화비스무트, 산화안티몬 및 플루오르화 니켈을 첨가한 것은 높은 n치와 낮은 변화비를 나타내는 것을 알 수 있다.

[표 2]

[실시예 3]

표 3의 첨가물을 가진 산화아연으로 실시예 1과 같은 방법으로 전압비직선성 저항체를 만들었다.

실시예 2와 같은 방법으로 충격시험을 실시한 후 C 및 n치의 변화비를 표 3에 표시한다.

산화코발트 또는 산화망간을 다시 첨가하므로서, 실시예 2보다도 더욱 높은 n치와 보다 작은 변화비가 되는 것을 알 수 있다.

[표 3]

[실시예 4]

산화아연에 표 4에 표시한 첨가물을 가해서 실시예 1과 같은 방법으로 전압비직선 저항체를 만들었다.

산화주석, 산화크롬, 이산화실리콘, 또는 산화크롬 및 이산화실리콘을 다시 첨가하므로서, 실시예 3보다도 더욱 높은 n치와 보다 작은 변화비가 되는 것을 알 수 있다.

실시예 2와 같은 방법으로 충격시험을 실시한 후의 C 및 n치의 변화비를 표 4에 표시하였다.

[표 4]

[실시예 5]

실시예 2, 3, 4의 저항체를, 전자부품으로 널리 사용되고 있는 방법으로 시험했다.

저항체를 주위온도 85℃로 30분간 유지하고, 다음 -20℃로 급냉하여 그 온도로 30분간 유지하고, 가열주기시험을 5회 반복하였다.

습도시험은 40℃, 상대습도 95%로 1000시간 실시했다.

표 5는 가열주기시험 및 습도시험을 실시한 후의 C 및 n치의 평균 변화비를 표시한다.

표에서 이들 저항체는 낮은 변화비를 나타내는 것을 알 수 있다.

[표 5]

[실시예 6]

실시예 2, 3, 4에 의한 전압비직선성 저항체로, 3개와 1개의 방전간극을 직렬로 접속하고, 제2도에 표시한 피뢰기를 만들었다.

이들 비직선성 저항체의 합계의 C치는 약 7000V였다.

교류 3000V에 중첩하여 4×10μ초, 1500A/㎠의 충격을 2회 인가해서 충격시험을 실시했다.

피뢰기의 속류는 표 6에 표시함과 같이 1μA 이하의 값을 나타내고, 시험후의 전기적 특성의 변화비는 실시예 2, 3, 4의 충격시험과 같은 결과를 나타냈다.

[표 6]

[실시예 7]

실시예 2, 3, 4의 전압비직선성 저항체를 3개 직렬로 접속하여 제3도에 표시한 피뢰기를 만들었다.

저항체 전체의 C치는 약 7000V였다.

실시예 6과 같은 방법으로 충격시험을 실시했다.

속류는 표 6에 표시함과 같이 1μA이하의 값이 되고, 전기적 특성의 변화비는 실시예 2, 3, 4의 충격시험과 같은 결과를 표시했다.

동작개시시간 0.01μ초를 갖는 임펄스를 인가해서, 다시 다른 충격시험을 행하였다.

피뢰기에 흐르는 전류의 동작개시시간은 0.05μ초 이하였다.

Claims (1)

1. 주성분으로서의 산화아연(ZnO) 및 적어도 첨가물로, 0.1~3.0몰%의 산화비스무트(Bi₂O₃), 0.05~3.0몰%의 산화안티몬과 0.1~3.0몰%의 플루오르화 니켈(NiF₂)로 된 벌크 자신이 전압비직선성을 갖는 소결체와 이 소결체의 대향표면상에 착설된 전극을 구비하여서 된 것을 특징으로 하는 전압비직선 저항체.

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