KR950013344B1 - 정온도계수 특성을 지닌 도전성 고분자를 이용한 전기장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

정온도계수 특성을 지닌 도전성 고분자를 이용한 전기장치

제 1 도는 본 발명에 의거한 2개 부소자로 이루어진 전기장치에 대한 각 부소자의 정온도계수 특성의 예시도.

제 2 도는 본 발명에 의거한 2개 부소자로 이루어진 전기장치에 대한 각 부소자의 정온도계수 특성의 예시도.

제 3 도는 종래의 디스크형 회로 보호소자의 단면사시도.

제 4 도는 본 발명에 의거한 디스크형 전기장치의 단면사시도.

제 5 도는 본 발명에 의거한 디스크형 전기장치의 단면사시도.

제 6 도는 본 발명에 의거한 블록형 전기장치의 사시도.

제 7 도는 본 발명에 의거한 블록형 전기장치의 사시도.

제 8 도는 종래의 단일 도전성 고분자의 회로 보호소자 및 본 발명에 의한 실시예의 전기장치의 트림시간을 나타내는 선도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 제 1부소자의 정온도계수의 특성곡선

2 : 제 2부소자의 정온도계수의 특성곡선

3 : 도전성 고분자 4 : 전극

5 : 절연물 6 : 부소자1

7 : 부소자2 8 : 전원과 연결되는 전극

본 발명은 정온도계수 특성을 지닌 도전성 고분자를 이용한 전기장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 2개 이상의 도전성 고분자 소자로 구성한 회로 보호용 전기장치에 관한 것이다.

정온도계수 특성을 지닌 도전성 고분자로 이루어진 회로보호소자(또는 전류제한소자)는 온도에 따른 정(+)의 열팽창 특성을 지닌 절연성 고분자에, 도전성 카본 블랙을 혼련, 분산시켜 만든 도전성 고분자의 전기저항이 온도에 따라 증가하는 성질, 즉 정온도계수 특성을 이용한 것으로서, 대상회로 즉 부하와 전원사이에 설치되어, 부하에 필요한 또는 허용치 이상의 과전류 또는 과전압이 발생했을 때 P=1 R의 열에너지가 도전성 고분자에 발생되어 소자의 온도가 상승되고, 고저항 상태로 전환(이러한 전환동작을 스위치하고 하며, 이 동작이 시작되는 소자의 온도를 Ts라함)됨으로써 전류를 차단(이러한 차단상태를 트립(trip)이라함)하여, 부하의 회로를 보호하고, 과전류가 제거되었을 때 소자의 온도가 하강하여 저저항 상태의 정상동작 상태로 환원됨으로써, 소자를 교환하지 않고도 부하 회로를 연속적으로 보호 할 수 있도록 한 전기장치이다.

종래의 정온도계수 특성을 지닌 도전성 고분자를 이용한 회로보호소자는 임의 모양의 도전성 고분자에 전원과 연결되는 2개의 전극을 부착한 것으로서, 과전류에 의한 소자의 트립이 도전성 고분자의 열팽창에 의해 야기되는 도전성 고분자에 함유된 카본블랙의 도전로 단락에 주로 의존하기 때문에, 소자가 트립되는 시간을 일정시간, 즉 수초이하로 줄이는데 한계가 있었으며, 리셋(reset)동작에 있어서도 소자에 발생된 열이 방출되어, 저저항 상태로 돌아오는 데에 수분 이상이 소요되어 트립후 소자가 다시 정상동작상태로 돌아 오는 시간이 길다는 단점을 가지고 있었다. 본 발명은 종래의 단점을 개선하고 그 회로 보호기능을 향상시키기 위하여 도전성 카본블랙을 함유한 도전성 고분자에 적어도 1개 이상의 전극을 연결한 것으로 이루어진 부소자를 적어도 2개 이상 병렬로 연결하고, 상기 부소자가 서로 쉽게 열교환할 수 있도록 인접하게 설치한 것을 한 개의 회로 보호 소자로 하여, 상기 회로 보호소자에서의 서로 병렬연결된 부소자의 전극과 전원을 연결할 수 있도록 하는 적어도 2개 이상의 전극을 연결한, 회로보호(전류제한)용의 정온도계수 특성을 지닌 도전성 고분자를 이용한 전기장치를 제공하고자 한다. 본 발명의 정온도계수 특성을 지닌 도전성 고분자를 이용한 전기장치는 도전성, 카본블랙을 분산, 함유시켜 정온도계수 특성을 지니게 한 임의 모양의 도전성 고분자에, 상기 도전성 고분자를 통하여 전기를 통할 수 있도록 하는 적어도 1개 이상의 전극을 부착한 부소자를 적어도 2개 이상 포함하며 상기 부소자들의 전극을 서로 병렬연결하고, 서로 열교환이 용이하도록 인접하게 설치하며, 상기 부소자들 사이에 절연물을 두어 서로 절연시키고, 상기 병렬연결된 부소자의 전극을 전원과 연결할 수 있도록 부착시킨 적어도 2개 이상의 전극을 포함하는 것을 특징으로 하여, 종래의 단일 도전성 고분자 소자로 이루어진 회로 보호소자에 비해 트립시간이 단축되는 결과를 얻었으며, 리셋시간도 단축되는 결과를 얻을 수 있다.

본 발명을 첨부도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다.

제 3 도 및 제 4 도는 본 발명에 의거한 디스크형 전기장치의 단면사시도로서, 정온도계수 특성을 지닌 박판형 도전성 고분자(3)에, 상기 도전성 고분자(3)을 통하여 전기를 통할 수 있도록 하는 적어도 1개 이상의 박판형전극(4)을 부착한 부소자(6,7)를, 적어도 2개 이상 포함하여, 상기 부소자(6,7)를 서로 인접하게 설치하고, 그 사이에 절연물(5)을 두어, 서로 절연시키며, 상기 부소자(6,7)의 전극(4)을 서로 병렬연결시키고, 전원과 연결할수 있도록 부착한 적어도 2개 이상의 전극(8)을 포함하는 것으로 구성되어 있다.

제 5 도및 제 6 도는 본 발명에 의거한 블록형의 회로보호형의 회로보호용 전기장치로서, 정온도계수 특성을 지닌 도전성 고분자(3)를 상기 도전성 고분자(3)를 통하여 전기를 통할 수 있도록 하는 적어도 2개 이상의 전선형의 전극(4)와 함께 압출하여, 임의 길이로 절단한 부소자(6,7)를 적어도 2개 이상 포함하며, 상기 부소자(6,7)를 서로 인접하게 설치하고, 상기 부소자(6,7)사이에 절연물(5)을 두어, 서로 절연시키고 전원과 연결할 수 있도록 부착한 적어도 2개 이상의 전극(8)을 포함한 것으로 구성되어있다.

또한 제 3, 4, 5, 6 도에서 상기 부소자(6,7)를 서로 인접하게 설치하고, 상기 부소자(6,7)사이에 절연물이 없는 도전성 고분자를 이용한 전기장치를 구성할 수도 있다. 여기서 부소자를 이루는 도전성 고분자는 결정도가 10무게 퍼센트 이상인 폴리에틸렌 재질이거나, 불소를 함유한 고분자로서, 결정도가 10무게 퍼센트 이상인 고분자이거나, 또는 조사가교된 도전성 고분자이고, 이러한 재질로 이루어진 부소자를 적어도 1개 이상 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 도전성 고분자에 함유된 도전성 카본블랙의 입자직경이 20-150nm의 범위에 드는 카본블랙이고, 전기장치를 구성하는 부소자의 도전성 고분자가 100Ωcm를 넘지 않은 체적저항을 가지는 것이 바람직하며, 전기장치를 구성하는 부소자의 도전성 고분자가 상기 전기장치를 구성하는 다른 부소자의 도전성 고분자와 상이한 정온도계수 특성을 갖는 부소자를 적어도 하나 이상 포함하여, 또한 전기장치를 구성하는 부소자의 스위치되는 온도 Ts가, 상기 전기장치를 구성하는 다른 부소자의 스위치되는 온도 Ts와 다른 부소자를 적어도 하나 이상 포함할 수 있고, 전기장치가 0℃보다 높은 온도에서 스위치되는 온도, Ts를 가지며 온도구간 -40℃ 내지 Ts사이의 적어도 한점의 온도에서 상기 전기장치의 전기저항이 10Ω보다 낮은 것이 바람직하다.

본 발명의 회로보호용 전기장치는 다음과 같은 효과를 갖는다. 첫째, 전기장치를 구성하는 부소자중 적어도 1개 이상을 상기 부소자를 이루는 도전성 고분자가 함유하는 카본블랙의 종류 및 함량, 또는 고분자의 소재를 달리 하여, 상기 부소자외의 전기장치를 구성하는 다른 부소자와 서로 다른 정온도계수 특성을 갖도록 할때, 제 1 도에 도시된 바와 같이, 그 정온도계수 특성을 달리하는 적어도 1개 이상의 부소자가 전기장치를 구성하는 다른 부소자에 비해 정상동작 상태의 소자온도(Tn)와 트립되었을 때의 소자온도(Tt)사이에서 온도에 따른 서로 다른 저항 증가율을 갖도록 함으로써, 상기 부소자들로 구성되는 전기장치의 트립동작시 정온도계수 특성을 달리하는 상기 부소자들이 고온, 고저항 상태에 이르는데 있어서 서로의 열교환에 의한 상승작용으로 인하여 상기 전기장치가 트립되는 시간을 단축시키며, 둘째, 트립후 리셋 동작에서도 전기장치를 이루는 부소자들이 서로 열교환 할수있기 때문에 상기 전기장치의 열방출이 다소 용이하며, 상기 부소자들이 동등한 온도조건에 있을때 상대적으로 낮은 저항, 또는 낮은 P=I²R의 에너지를 갖는 부소자에 의해 전류를 먼저 통과시킴으로서, 과전류가 제거된 후의 리셋시간이 종래의 단일소자로 이루어진 회로보호소자에 비해 훨씬 빠르며, 셋째, 필요이상의 과전류이기는 하나, 부하회로의 기능을 손상시키지 않을 정도의 과전류가 발생하는 경우에, 종래의 단일소자로 이루어진 회로 보호소자가 자체 발열된 열에너지를 주위온도등이 놓은 이유로 쉽게 방출하지 못하여 원하지 않는 트립(fault trip)이 되는 경우가 있었던 것에 비해, 본 발명의 의거한 전기장치는 상기 전기장치를 구성하는 일련의 부소자가 서로 다른 정온도계수 특성을 가짐으로써, 서로 다른 Ts를 나타내기 때문에, 즉 정온도계수 특성을 달리하는 각 부소자가 스위치되어, 트립상태에 도달하는 온도구간이 서로 다르기 때문에 임의량의 과전류에 대해, 자체적으로 전류조절기능이 부여되어 원하지 않은 트립이 발생하는 것을 배제할 수 있다는 등의 특징및 장점이 있을 뿐만 아니라, 정상 동작상태에서 낮은 저항을 갖도록 하기 위하여, 종래의 경우, 소자를 이루는 도전성 고분자에 다량의 카본블랙을 함유시키던 것에 비해, 본 발명에서는 전기장치를 구성하는 도전성 고분자로 이루어진 다수의 부소자를 병렬연결 시킴으로서 각 부소자의 도전성 고분자에 상대적으로 카본블랙을 덜 함유시키고도, 종래의 것과 같은 낮은 저항을 실현할 수 있어서, 제 2 도에 도시된 바와 같이, 원형박판(또는 사각등 임의 모양의 박판)의 도전성 고분자에 금속박판의 전극을 부착시킨 디스크형(disk type)의 소자인 경우, 반복되는 트립과 리셋에 의해 금속박판의 전극과 도전성 고분자간에 발생하는 접속저항의 발생율을 상대적으로 감소시킬수 있어, 결과적으로 소자의 전압 안전성을 도모할 수 있는 잇점이 있으며, 제 4 도에 도시된 바와 같이 압출된 스트립을 절단하여 소자로 하는 블록형(block type)의 소자를 제조할때, 종래의 다량의 카본블랙을 함유한 도전성 고분자에 비해 상대적으로 완만한 공정조건으로 압출성형등이 가능하다는 부수적인 잇점이 있다.

[실시예]

절연성 고분자인 폴리에틸렌(HDPE UNION CARBIDE DGDK 3364)에 일정량의 카본블랙(LUCKY Continex GPF, ASTM N660 grade)을 반바리 믹서(Banbury mixer)로 용융, 혼련시켜 만들어진 도전성 고분자 복합체를 다시 용융, 프레스(170℃, 200kg/㎡)하여 1mm두께의 도전성 고분자 박판을 만들고, 이를 전자비임으로 조사, 가교시킨 후 0.04mm의 니켈호일(Nickel foil)을 양면에 용융, 압착(200℃, 300kg/㎡)시켜 두께 0.7mm의 박판을 만들어, 이를 직경100mm의 디스크로 펀칭하여 제1부소자로 하고, 불소를 함유한 고분자인 폴리비닐리덴 플루오라드(PVDF, penwalt Kynar 460)에 일정량의 카본블랙(Cabot Vulcan Xc-72, ASTM N427 grade)을 반버리 믹서(Banbury mixer)로 용융, 혼란시켜 만들어진 도전성 고분자 복합체를 200℃에서 200kg/㎠의 압력으로 다시 용융, 프레스하여 1mm두께의 도전성 고분자 박판을 만들고, 이를 전자비임으로 조사가교시킨 후 0.04mm의 니켈호일을 250℃에서 300kg/㎠의 압력으로 용융, 압착시켜 제 1 부소자와 같은 크기의 제 2 부소자를 만들어, 두 부소자를 0.1mm의 고체절연물을 사이에 두고, 서로 겹치게 설치한 후, 각 부소자의 니켈호일을 서로 병렬연결시킨 후 이에 두개의 전극을 연결시키고, 상기 부소자 외부를 평균 0.5mm 두께로 에폭시 몰딩하여 2개의 부소자로 이루어진 10℃에서 1Ω의 저항을 갖는 회로보호용 전기장치를 제작하였다.

상기 전기장치를 총저항 25Ω을 갖는 부하와 80V의 교류전원 사이에 설치하여, 상기 전기장치와 부하에 가해지는 초기전류에 대한 전기장치의 트립및 리셋 동작을 10℃의 주위온도에서 관측하여 제 8 도에 도시된 바와같이, 종래의 단일 도전성 고분자 소자로 이루어진 회로보호소자(1)에 비해 (2)와 같이 트립시간이 단축되는 결과를 얻었으며, 리셋 시간도 평균 30초 내지 1분이상 단축되는 결과를 얻었을 뿐 아니라 초기전류 I₁-I₂구간(허용치 이상의 전류이나 부하회로에 손상을 거의 주지 않는 전류량 영역)에서 종래의 단일 도전성 고분자 소자로 이루어진 회로 보호소자가 일정시간 경과후 트립이 되는 것에 비해 본 발명의 전기장치는 일정량의 저항을 유지함으로써 더이상의 과전류가 가해지지 않는한 거의 트립이 되지 않아 원하지 않는 트립의 발생율이 크게 줄어드는 결과를 얻었다.

Claims (10)

1. 도전성 카본블랙을 분산, 함유하여 정온도계수 특성을 지닌 임의 모양의 도전성 고분자에, 상기 도전성 고분자를 통하여 전기를 통할 수 있도록 하는 적어도 1개 이상의 전극을 부착한 부소자를 적어도 2개 이상 포함하여, 상기 부소자들이 서로 다른 정온도계수 특성을 가지도록 하고, 상기 부소자들의 전극을 서로 병렬연결하고, 서로 열교환이 용이하도록 인접하게 설치하고, 상기 부소자들 사이에 절연물을 두어 서로 절연시키며, 또한 상기 병렬연결된 부소자의 전극을 전원과 연결할 수 있도록 부착시킨 적어도 2개 이상의 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 정온도계수 특성을 지닌 도전성 고분자를 이용한 전기장치.
2. 제 1 항에 있어서, 결정도가 10무게 퍼센트 이상인 폴리에틸렌을 재질로 한 도전성 고분자로 이루어진 부소자를 적어도 1개 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 정온도계수 특성을 지닌 도전성 고분자를 이용한 전기장치.
3. 제 1 항에 있어서, 결정성 공중합체인 에틸렌 에틸아크릴레이트 공중합체와 10무게 퍼센트 이상의 결정도를 갖는 폴리에틸렌의 혼합물을 재질로 한 도전성 고분자로 이루어진 부소자를 적어도 1개 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 정온도계수 특성을 지닌 도전성 고분자를 이용한 전기장치.
4. 제 1 항에 있어서, 불소를 함유하는 고분자로서, 결정도가 10무게 퍼센트 이상인 고분자를 재질로 한 도전성 고분자로 이루어진 부소자를 적어도 1개 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 정온도계수 특성을 지닌 도전성 고분자를 이용한 전기장치.
5. 제 1 내지 4항중 어느 한 항에 있어서, 조사가교된 도전성 고분자로 이루어진 부소자를 적어도 1개 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 정온도계수 특성을 지닌 도전성 고분자를 이용한 전기장치.
6. 제 1 내지 4항중 어느 한항에 있어서, 전기장치를 구성하는 부소자를 서로 부분적으로 인접시킨 것을 특징으로 하는 정온도계수 특성을 지닌 도전성 고분자를 이용한 전기장치.
7. 제 1 내지 제 4 항중 어느 한항에 있어서, 도전성 고분자에 함유된 도전성 카본블랙의 입자직경이 20-150mn의 범위에 드는 카본블랙인 것을 특징으로 하는 정온도계수 특성을 지닌 도전성 고분자를 이용한 전기장치.
8. 제 1 내지 4항중 어느 한항에 있어서, 전기장치를 구성하는 각 부소자를 이루는 도전성 고분자의 체적저항이 주위온도 10℃에서 10,000Ωcm 더욱 바람직하게는 1,000Ωcm를 넘지 않는 것을 특징으로 하는 정온도계수를 특성을 지닌 도전성 고분자를 이용한 전기장치.
9. 제 1 내지 4항중 어느 한항에 있어서, 전기장치가 0℃보다 높은 온도에서 스위치되는 온도, Ts를 가지며, 온도구간 -40℃ 내지 Ts사이의 적어도 한 점의 온도에서 상기 전기장치의 전기저항이 50Ω, 바람직하게는 25Ω, 더욱 바람직하게는 10Ω을 넘지 않는 것을 특징으로 하는 정온도계수 특성을 지닌 도전성 고분자를 이용한 전기장치.
10. 제 1 내지 4항중 어느 한항에 있어서, 전기장치를 구성하는 부소자중, 적어도 1개 이상의 부소자가 상기 전기장치를 조성하는 다른 부소자와 서로 다른 Ts를 갖는 것을 특징으로 하는 정온도계수 특성을 지닌 도전성 고분자를 이용한 전기장치.