유전영동력(誘電泳動力)을 이용한 자기회복성(自己回復性)한류(限流)퓨즈

유전영동력(誘電泳動力)을 이용한 자기회복성(自己回復性) 한류(限流)퓨즈{SELF-RECOVERY CURRENT LIMITING FUSE USING DIELECTROPHORETIC FORCE}

이 발명은, 액체매트릭스에 고체 도전(導電)입자를 유동(流動) 분산하고, 전압인가로 발생하는 고체 도전입자의 유전영동력(誘電泳動力)을 이용해서 차단?한류(限流)상태와 통전(通電)상태를 실현하는 자기회복성(自己回復性) 한류퓨즈에 관한 것이다.

최근, 휴대전화나 노트북 컴퓨터 등의 전자기기에서는, 이차전지용(二次電池用)의 보호소자로서 정(正)의 저항온도 계수소자 즉 PTC소자가 이용되고 있는 것이 알려져 있다. 이들 전자기기(電子機器)는, 고기능화, 장시간 구동화(驅動化), 효율향상화가 요구되고 있으며, 이 때문에 이차전지의 대용량화나 고전압화가 요구되고 있다. 이들의 요구에 따라, PTC소자의 고전압화도 요구되고 있다. 현재, 8V정도의 PTC소자는, 실용화되어 있지만, 한층 더 고전압화 할 시에는, 오프(off)상태인 한류 시(時)의 절연성능의 향상, 즉, 내전압(耐電壓)의 향상이 필요하다. 또한, 종래의 PTC소자는, 매트릭스로서, 세라믹스, 폴리머 등의 고체재료를 이용한 것이 주류이며, 예를 들어, 폴리에틸렌계 PTC소자(폴리에틸렌과 카본블랙을 갖는다), 티타늄산 바륨계 PTC소자가 이용되어 있는 것이 현실이다.

또한, 유전영동(誘電泳動)필터장치 및 유전 영동에 의한 현탁 미립자(懸濁 微粒子) 제거 방법으로서, 현탁 미립자를 고분리(高分離) 효율로 선택적으로 분리할 수 있고, 막힘이 생기기 어렵고, 회수가 용이해서 실용성이 높은 것이 알려져 있다. 해당 유전 영동필터장치는, 전극 간에 충전되어, 전극 간에 형성되는 전계(電界)를 국소적으로 집중 또는 저하시키기 위한 복수의 유전체(誘電體) 입자와, 현탁 미립자에 대하여 유전 영동을 유기(誘起)가능한 주파수의 교류전압을 전극 간에 인가하는 전원부를 갖추고, 유전체 입자가 주위의 전계강도가 최대 또는 최소가 되는 측면 위치에서 다른 유전체 입자와 접촉 또는 접근시켜져, 해당 측면 위치 부근에 형성되는 전계특이부(電界特異部)에 유전 영동에 의해 현탁 미립자를 모아서 포착하는 것이다(예를 들어, 특허문헌1참조).

또, 미생물측정 장치에 사용되는 전극 칩이 알려져 있다. 해당 미생물측정 장치는, 혼합 현탁액 중의 특정한 미생물을 고감도로 신속하게, 전문가에 의하지 않고도 손쉽게 정량(定量)할 수 있는 것이며, 전극 간에서 농축된 미생물에 대하여 항원항체 반응시키기 위한 항체액을 측정 챔버(chamber)에 공급하는 항체액 탱크를 갖추고, 연산 제어부가 유전 영동용 전원부에 의해 교류전압을 인가해서 복수 종류의 미생물을 농축하고, 항체액 탱크로부터 항체액을 공급하며, 특정한 미생물과 특이적으로 반응시켜서 이것을 응집하여 다른 미생물을 분리하고, 측정부에 의해 측정한 전극 간의 컨덕턴스 변화로부터 미생물 수를 산출해서 출력하는 것이다 (예를 들어, 특허문헌2참조).

또한, PTC소자를 갖춘 한류기(限流器)로서, PTC소자판이 전체적으로 동시에 온도상승할 수 있도록 한 것이 알려져 있다. 해당 PTC한류기는, PTC소자체(素子體)와 해당 PTC소자체의 하면 및 상면에 고착되는 전극판으로 구성되어 있다. PTC 소자체는, 중앙부가 돌출해서 두텁게 형성된 후육부(厚肉部)와, 해당 후육부보다 바깥쪽에 위치하는 외주(外周)부가 후육부보다 얇게 형성된 박육부(薄肉部)로 구성되어 있다. 전극판은, 중앙부의 후육부에 감합요부(嵌合凹部)와, 그 외주부에 후육부가 형성되어 있다. 중심부의 후육부의 비저항(比抵抗)은, 박육부의 비저항보다 작아져, 외주부의 방열(放熱) 속도가 큼에도 불구하고 PTC소자체 전체의 온도상승이 균일해진다 (예를 들어, 특허문헌3참조).

또한, 종래의 한류퓨즈는, 양 전극을 절연통의 양 단부(端部)에 대하여 동축

상(同軸狀)으로 고정한 후, 한쪽의 전극의 저면에 형성된 삽통공(揷通孔)으로부터 퓨즈 엘리먼트가 감겨진 절연 코어를 절연통에 삽통(揷通)한다. 절연 코어의 일단

(一端)을 한 방향의 전극에 고정하고, 절연통내에 소고사(消弧砂)를 충전한 후, 절연 코어의 다른 단(他端)을 전극덮개에 고정하고, 해당 전극덮개를 다른 방면의 전극에 대하여 고정했다. 양쪽전극을 각각 절연통에 대하여 고정하고 나서 절연 코어가 설치 가능하게 된다(예를 들어, 특허문헌4참조).

특허문헌1:특개2003-200081호 공보

특허문헌2:특개2003-223호 공보

특허문헌3:특개평10-326554호 공보

특허문헌4:특개2002-270078호 공보

[발명이 해결하려고 하는 과제]

그렇지만, 종래의 PTC소자는, 오프(OFF)상태에서의 절연성이 나쁘며, 부분방전이 발생하여, 그 때문에 재료열화가 진행하고, 복귀 특성이 악화하여, 즉, 온

(ON)저항이 상승하고, 손실이 증가하는 문제를 가지고 있었다. 또한, PTC소자에 있어서 부분방전의 발생은, 시스템의 EMC, 노이즈 등의 문제가 발생할 가능성도 있

다. 또한, 종래의 PTC소자는, 기본적인 문제로서, 고체 매트릭스 안에 도전성 필러가 존재하는 구조상의 문제가 있다. 즉, 종래의 PTC소자는, 오프(OFF)상태에는, 매트릭스의 팽창에 의해 도전 필러의 패스를 절단함으로써 실현하는 것이지만, 고체 매트릭스에서는, 구조상, 원리적으로 팽창시에 크랙(crack)이나 보이드(void)의 발생이 있다. 크랙이나 보이드는, 그 부분에 기체가 존재하며, 주위는 높은 유전율을 갖는 고체 매트릭스이기 때문에, 전계(電界)가 집중하여, 방전이 발생하기 쉬워 진다. 고체 매트릭스를 이용한 PTC소자는, 상기의 이유에 의해 기중(氣中) 방전이 원인이 되어, 재료가 열화하고, 복귀 특성이 악화하는 현상이 발생하므로, PTC소자의 구조에 따라서는, 안심하고 쓸 수 있는 8V이상의 고전압소자를 제작하는 것은 곤란한 것이 현실이다.

그런데, 도9에는, 종래의 PTC소자(5)의 기본동작의 원리도가 나타나 있다. 해당PTC소자(5)는, 고체 매트릭스(6)가 사용되고 있어, 고체 매트릭스(6)의 팽창에 의해 오프(OFF)상태를 발생하여, 크랙이나 부분방전의 문제가 발생하고, 그것에 의해서 회복 특성이 악화하며, 온(ON)저항이 증가하고, 통전 시의 손실이 증대한다. PTC 소자(5)는, 세라믹스, 폴리머 등의 고체절연물 즉 고체 매트릭스(6) 중에 필러로서의 도전 입자(7)가 혼입된 구조이며, 보통은 필러(7)가 접촉해서 전극(8)사이를 교락(橋絡)하여 도전 패스가 형성되어 있기 때문에, 도9의 (a)에 도시한 바와 같이, 전류가 통전할 수 있는 온(ON)상태다. 한편, PTC소자(5)로 과전류가 유입하여, PTC소자(5)가 고온도 상태가 되면, 재료의 선정에도 의하지만, 도9의 (b)에 도시한 바와 같이, 필러(7)의 증발 또는 고체 매트릭스(6)의 팽창에 의해 도전 패스

(path)가 분단되어, 저항이 급격히 상승하게 되고, 차단? 한류동작 즉 오프(OFF)상태가 된다.

PTC소자(5)는, 상기와 같은 통전? 한류라는 기본동작을 확실히 반복해 실행할 수 있는 것이 중요하지만, 한류(限流) 시(時)의 오프(OFF)상태에서는, PTC소자

(5)에 회로전압이 걸리기 때문에, 고내전압특성(高耐電壓特性)을 갖는 것도 필요하다.

현재, 내전압이 낮은 PTC소자는, 휴대전화, 컴퓨터용의 리튬 이온전지 등의 보호 장치로서 널리 사용되고 있지만, 전지의 대용량화(大容量化)에 따라 내전압이 높은 소자가 요구되고 있다. PTC 소자에 대하여 내전압이 높은 소자가 요구될 경우에, 고체 매트릭스에서는, 팽창에 의한 크랙의 발생 및 상기와 같이 크랙나 매트릭스중의 보이드 결함에서의 방전에 의한 재료열화(材料劣化)가 문제가 되고 있다.

본 발명자는, 이러한 기술적인 배경으로부터, 고체 매트릭스에 비하여 크랙이나 보이드의 발생을 억제할 수 있는 액체매트릭스를 사용한다는 착상에 이르렀

다. 또한, 도전 입자의 포집(捕集)은, 불평등전계(不平等電界) 하에서 도전 입자에 작용하는 유전영동력 즉 그라디엔트(gradient)력을 이용하는 것이 바람직하다는 것을 알았다.

이 발명의 목적은, 상기의 문제를 해결하기 위해서, 종래의 고체 매트릭스를 대신하여 액체매트릭스를 사용함으로써, 크랙(crack)프리가 되며, 액체매트릭스의 절연내력(絶緣耐力)은 기체보다 높기 때문에 내전압을 향상시키고, 예를 들어, 10배 이상의 내전압을 실현시켜, 100V에서 무방전(無放電)을 확보할 수가 있고, 내전압향상에 의해 높은 정격 전압을 갖는 이차전지(二次電池)를 보호하는 기능을 실현하여, 적용 범위를 확대하고, 충전 시간을 단축하며, 게다가 유전영동력에 의한 자기수복(自己修復) 특성을 갖는 퓨즈를 기본적인 동작 원리로 함으로써 확실한 차단? 한류(限流)동작과 통전동작을 반복하여, 퓨즈 엘리먼트의 교환이 없는 관리 불필요(maintenance free)를 실현하며, 고체도전입자로 이루어지는 필러를 액체매트릭스에 혼입 즉 유동(流動) 분산해서 접촉 전기저항을 저감하고, 온(ON)저항을 저감하는 유전영동력(誘電泳動力)을 이용한 자기회복성 한류퓨즈를 제공하는 것이다.

[과제를 해결하기 위한 수단]

이 발명은, 절연 용기 내에 충전된 액체매트릭스 중에 고체도전입자를 유동 분산시킴과 동시에 서로 대향해서 전극을 배설(配設)하여 PTC한류(限流)소자를 구성하고, 상기 전극 간의 전압인가로 발생하는 상기 고체도전입자의 유전영동력에 의해 상기 고체도전입자를 상기 전극 간에 포집(捕集)하여 상기 전극 간을 교락(橋絡)하는 통전상태와, 상기 액체매트릭스 중에서의 상기 고체도전입자의 증발? 산개(散開)에 의한 차단? 한류상태를 반복해 실현하고, 과전류에 의한 상기 고체도전입자의 증발? 산개에 의한 고저항상태를 형성함으로써 차단? 한류동작을 실현하는 것을 특징으로 하는 유전영동력을 이용한 자기회복성 한류퓨즈에 관한 것이다.

이 유전영동력을 이용한 자기회복성 한류퓨즈에 있어서, 상기 액체매트릭스는 , 순수(純水)를 포함하는 탈이온화수, 절연성 오일, 절연성 유기고분자재료, 절연성 유기고분자재료겔로부터 선택되는 일종 또는 복수 종으로 이루어지는 매트릭스다.

또한, 이 자기회복성 한류퓨즈에 있어서, 필러를 구성하는 상기 고체도전입자는, 적어도 Sn, Zn, In, Bi등의 저융점재료의 중에서 선택되는 일종 또는 복수 종으로부터 이루어지는 재료이거나, 또는 적어도 Sn, Zn, In, Bi등의 저융점재료 중에서 선택되는 일종 또는 복수 종과 카본, Cu, Al, Ag, Au등의 저접촉 전기저항 재료로부터 선택되는 일종 또는 복수 종으로 이루어지는 재료로부터 형성되는 것이다. 또한, 상기 고체도전입자는, 상기 저융점재료 또는 상기 저융점재료와 상기 저접촉 전기저항 재료와의 혼합재료에, W, Ti, 스테인레스 강(鋼) 등의 고융점재료를 첨가할 수도 있으며, 입자가 모두 증발 산개하지 않도록 조절할 수가 있다.

또한, 상기 고체도전입자는, 상기 재료에서 소정 사이즈의 입자로 형성되거나, 또는 상기 전극 간을 접속하는 상기 재료로부터 이루어지는 봉상(棒狀)이나 판모양의 고정퓨즈 엘리먼트가 과전류에 의해 용단되어서 발생하는 상기 액체매트릭스 중에 용단분리된 퓨즈 엘리먼트 조각(片)이 각각 고화(固化)함으로써 형성되는 것이다.

또한, 이 유전영동력을 이용한 자기회복성 한류퓨즈에 있어서, 상기 전극은, 유리 기판 또는 금속기판위로 형성된 산화막 위에, 적어도 A1, Cu, Ag, Au 등의 도전성 금속재료, 또는 차단?한류 시의 내(耐)아크성, 반복 사용 시의 전극소모 등을 고려해서 상기 도전성 금속재료와 W, Ti, 스테인레스강 등의 고융점재료로 구성되어 있다. 또한, 상기 도전성 금속재료는, 상기 유리기판 또는 금속기판 위로 형성된 산화막 상에서는 박막(薄膜)으로 형성해도 좋다. 상기 전극은, 고체도전입자 사이즈와의 관계에서 박막상(薄膜狀)의 형상이 바람직하지만, 다수의 반복 동작이 요구될 경우는, 그것에 대응하는 두께를 고려할 필요가 있다.

또한, 이 유전영동력을 이용한 자기회복성 한류퓨즈는, 상기 절연용기에는, 발생하는 열을 방산하기 위한 방열판을 설치해서 대용량화에 대응하도록 구성하거나, 혹은, 온(ON) 상태 시(時) 진동을 주는 진동자(振動子)를 설치하고, 고체도전입자 간의 접촉을 양호하게 해서 온(ON)저항을 저감할 수가 있다.

또한, 이 유전영동력을 이용한 자기회복성 한류퓨즈는, 상기 액체매트릭스의 사용에 의한 보이드 프리, 크랙 프리 및 고절연 내력을 실현하고, 고내전압으로서 고정격 전압을 갖는 이차전지를 보호하는 것이다. 또한, 이 유전영동력을 이용한 자기회복성 한류퓨즈는, 상기 고체도전입자의 상기 유전영동력의 자기수복 특성에 의해 차단? 한류동작과 통전동작이 반복되는 것이다.

도1은, 이 발명에 의한 자기회복성 한류퓨즈에 대해서, 고체도전입자의 유전영동력에 의한 자기회복성 한류퓨즈의 기본동작의 원리를 나타내는 개략도이다.

도2는, 이 유전영동력을 이용한 자기회복성 한류퓨즈의 액체매트릭스 중의 고체도전입자에 작용하는 유전영동력의 기본원리를 나타내는 설명도이다.

도3은, 이 유전영동력을 이용한 자기회복성 한류퓨즈에 있어서의 전극에 전압을 인가하는 원리를 나타내는 설명도이다.

도4는, 이 유전영동력을 이용한 자기회복성 한류퓨즈에 이용할 수 있는 전극의 각종의 타입을 나타내는 평면도이다.

도5는, 침체(針體)와 평판으로 이루어지는 전극 간에 전압을 인가한 상태를 나타내는 설명도이다.

도6은, 봉체(棒體)와 요(凹)체로 이루어지는 전극 간에 전압을 인가한 상태를 나타내는 설명도이다.

도7은, 각종 전극에 대해서, 전극 간을 단락(短絡)시키기 위한 고체도전입자의 개수와 온(ON)저항의 관계를 나타내는 그래프이다.

도8은,각종 전극에 대해서, 오프(OFF)저항과 온(ON)저항의 관계를 나타내는 그래프이다.

도9는, 종래의 자기회복성 한류퓨즈의 기본동작의 원리를 나타내는 개략도이다.

[부호의 설명]

1 자기회복성(自己回復性) 한류(限流)퓨즈

2 액체매트릭스

3 고체도전입자(固體導電粒子)

4,4A,4B,4C,4D 전극

9 절연 용기

10 전원

11 마이크로스코프

12 디지털 비디오카메라

13 침체(針體)

14 평판(平板)

15,19 봉체(棒體)

16,20 요체(凹體)

17,18 빗살(櫛齒)

이 발명에 의한 유전영동력을 이용한 자기회복성 한류퓨즈는, 서로 대향하는 전극 간에서 전압이 인가되어 있는 매트릭스 중에 분산되어 있는 고체도전입자에

는, 유전영동력이 작용하고, 고체도전입자가 서로 연속해서 접속되어, 도전 패스를 형성하는 것이다. 매트릭스는, 통상의 중력권에서는 액체매트릭스가 바람직하고, 우주기(宇宙機) 등의 무중력환경에 있어서는 진공이어도 좋다. 이하, 도면을 참조하여, 이 발명에 의한 유전영동력을 이용한 자기회복성 한류퓨즈에 대해서, 통상 지상에서 사용할 경우의 실시예에 대해서 설명한다. 도1에는, 이 발명에 의한 유전영동력을 이용한 자기회복성 한류퓨즈의 1실시예가 나타내져 있으며, 서로 대향하는 전극(4) 사이에 소정의 전압을 걸은 경우에, 액체매트릭스(2) 중의 고체도전입 자(3)에 작용하는 유전영동력의 기본동작 원리도가 나타내져 있다. 이 유전영동력

(誘電泳動力)을 이용한 자기회복성 한류퓨즈는, 종래 사용되어 있는 고체 매트릭스를 대신하여 액체매트릭스(2)를 사용하고, 절연용기(9)내로 액체매트릭스(2)를 수용하여, 액체매트릭스(2)를 사이에 두고 서로 대향하는 전극(4)를 설치하고, 액체매트릭스(2) 중에 고체도전입자(3)를 유동 분산시켜서 자기회복성 한류퓨즈(1)를 구성한 것이다. 자기회복성 한류퓨즈(1)는, 전원(10)으로부터 공급되는 전력에서 전극(4)사이에 전압이 인가되어 있으면, 액체매트릭스(2) 중의 고체도전입자(3)에 유전영동력

FDEP가 작용한다. 도2에는, 액체매트릭스92) 중에 있어서의 고체도전입자(3)에 작용하는 유전영동력(FDEP)이 나타내져 있다. 액체매트릭스(2)에 고체도전입자(3)를 분산 혼입하고, 전극(4)사이에 전압을 인가한 온(ON)상태에서는, 수평방향성분

FDEPr과 수직방향성분FDEPz로 이루어지는 유전영동력FDEP이 고체도전입자(3)에 작용한다. 즉, 액체매트릭스(2) 중의 고체도전입자(3)에는, 도2에 도시한 바와 같이, 중력Fg, 점성력Fv, 부력Fb, 및 마찰력Ff가 작용하고, 그것에 의해, 유전영동력FDEP가 작용하게 되어, 고체도전입자(3)에 화살표A의 방향으로 이동 동작이 발현된다.

도3 도시한 바와 같이, 이 유전영동력을 이용한 자기회복성 한류퓨즈(1)는, 전극(4)사이에 전압전원(10)으로부터 전압을 인가한 온(ON) 상태 시(時), 액체매트릭스(2) 속에서 고체도전입자(3)에 유전영동력FDEP이 작용하지만, 유전영동력FDEP에 의해 고체도전입자(3)가 움직이는 상태를, 예를 들어, 마이크로스코프(11)를 사용해서 디지털 비디오카메라(12)로 관찰하면, 도1(a) 및 (d)에 도시한 바와 같이, 액체매트릭스(2) 중에서 고체도전입자(3)를 연쇄(連鎖)시켜서 통전상태를 확보하거나, 또한, 도1(b) 도시한 바와 같이, 전극(4)사이에 과전류가 흐르는 것에 의해, 액체매트릭스(2) 중에서 쥴(J)열이 발생하고, 고체도전입자(3)가 증발하고, 산개하여 차단? 한류동작이 작용하여 차단? 한류상태가 된다. 이 유전영동력FDEP를 이용한 자기회복성 한류퓨즈는, 통상의 통전상태에서는, 도1(c) 도시한 바와 같이, 액체매트릭스(2)중의 고체도전입자(3)의 유전영동력FDEP에 의해, 고체도전입자(3)를 효율적으로 전극(4)사이에 수집 즉 포집하고, 고체도전입자(3)끼리가 연쇄하는 현상이 발생하고, 도1(d) 도시한 바와 같이, 고체도전입자(3)가 펄 체인화해서 도전 패스가 형성되어, 온(ON) 즉 통전상태가 된다. 또한, 고체도전입자(3)를 전극(4)사이에 효과적으로 수집하기 위해서, 전극(4)사이의 기판 위로 홈(構)을 만들어 입자를 수집하기 쉽게 할 수 있다. 즉, 기판은, 평면과 같은 이차원적인 형상에 그치지 않고, 입자를 포착하기 쉽도록 홈(構)를 만들어 삼차원적인 입체구조로 구성해도 좋다. 또한, 자기회복성 한류퓨즈(1)는, 대용량화에 대응할 경우에는, 기판의 열방산(熱放散)을 쉽게 하도록, 예를 들어, 방열판을 설치해도 좋다. 또는, 자기회복성 한류(限流)퓨즈(1)는, 오프(OFF) 시(時)의 열팽창 등으로 파단(破斷)하지 않도록, 필요에 따라서 소자의 돌기를 몰드해 두어도 좋다.

이 발명에 의한 유전영동력을 이용한 자기회복성 한류퓨즈(1)의 작동 원리에 대해서, 전극(4)사이에 전원(10)(도3참조)으로부터의 전압이 인가되면, 도1(a)에 나타내는 상태, 즉, 액체매트릭스(2) 속에서 부유 상태의 고체도전입자(3)에 유전영동력FDEP이 작용해서 고체도전입자(3)가 전극(4)사이에 포집되어 교락(橋絡) 즉 연쇄(連鎖)하고, 통전 즉 온(ON)상태가 된다. 고체도전입자(3)가 연쇄한 상태에서, 자기회복성 한류퓨즈(1)에 과전류가 흐르면, 액체매트릭스(2)에 있어서의 고체도전입자(3)의 접촉점, 접촉면을 기점으로 쥴(J)열이 발생하고, 온(ON)상태로부터 오프

(OFF)상태로의 동작, 즉 화살표P 방향으로 상태가 변화하고, 도1(b)에 도시한 바와 같이, 고체도전입자(3)의 용융(溶融), 더 나아가서는 액체매트릭스(2)를 국소적으로 포함하여 고체도전입자(3)가 증발? 산개하고, 즉 액체매트릭스(2) 중에 분산되어, 오프(OFF)상태가 되고, 자기회복성 한류퓨즈(1)에 흐르는 전류가 억제 또는 차단 상태가 된다. 그러므로, 자기회복성 한류퓨즈(1)으로의 과전류가 없어지면, 다시, 오프(OFF)상태로부터 온(ON)상태로의 동작, 즉 화살표Q 방향으로 상태가 변화되며, 도1(c)에 도시한 바와 같이, 액체매트릭스(2)중의 고체도전입자(3)가 전극

(4)사이에 수집 즉 포집(捕集)하는 동작이 발생한다. 그것에 의해, 오프(OFF)상태로부터 온(ON)상태가 되는 동작, 즉 화살표R 방향으로 상태가 변화되고, 도1(d)에 도시한 바와 같이, 액체매트릭스(2)중의 고체도전입자(3)가 전극(4)사이에 포집하여 원래대로 복귀하고, 고체도전입자(3)가 전극(4)사이에서 펄 체인화하여 도전패스 즉 통전 즉 온(ON)상태가 된다. 다시, 도1(d)에 나타내는 고체도전입자(3)가 연쇄한 상태에서 자기회복성 한류퓨즈(1)에 과전류가 흐르면, 온(ON)상태로부터 오프

(OFF)상태로의 동작, 즉 화살표S 방향으로 상태가 변화되고, 도1(b)에 나타나는 상태가 된다. 즉, 이 자기회복성 한류퓨즈는, 상기의 상태가 반복해 행하여지고, 자기회복성 한류퓨즈(1)의 기능을 완수하게 된다.

이 유전영동력을 이용한 자기회복성 한류퓨즈(1)는, 상기와 같이, 통전상태 와 차단? 차단? 한류상태를 반복해 실현하려고 하는 독창적인 발상에 근거하는 것이며, 자기회복성 한류퓨즈(1)의 차단? 한류동작 및 통전동작은, 상기와 같이 원리적으로 가능한 것이며, 예를 들어, 온? 오프(ON? OFF)저항치, 한류용량, 동작시간, 고체도전입자 사이즈 등의 사용 조건을 만족시키는 것이다. 또한, 자기회복성 한류퓨즈(1)는, 예를 들어, 지진이나 충돌 등의 기계적인 충격이나 진동에 대하여 고체도전입자(3) 서로의 접속상태인 펄 체인이 끊어지는 것으로, 전류차단을 하는 기계적인 충격에 대한 보호소자로서 이용할 수 있고, 방재? 충격보호용 소자로서 발휘시킬 수 있다. 또한, 자기회복성 한류퓨즈(1)에 대해서, 오프(OFF)상태로부터 온(ON)상태로의 복귀 속도의 조절은, 목적에 따라서, 점성력(粘性力)이 다른 액체매트릭스(2)의 종류의 선택, 및 전극(4)의 갭간의 거리와 전극(4)의 형상에 의한 전계치의 설정에 따라 대응 할 수 있다.

이 발명에 의한 유전영동력을 이용한 자기회복성 한류퓨즈는, 도1에 도시한 바와 같이, 고체도전입자(3)의 액체매트릭스(2) 속에서의 유전영동력을 이용해서 고체도전입자(3)를 효율적으로 포집 즉 서로 연결시켜, 도1의 (a) 및 (d)에서 도시한 바와 같이, 전극(4)사이를 교락(橋絡) 함으로써 통전상태를 실현하고, 또한, 과전류에 의해 도1의 (b)에 도시한 바와 같이, 고체도전입자(3)의 증발? 산개에 의한 고저항 상태의 형성에 의한 차단? 한류동작을 실현한 것이다. 또한, 매트릭스로서 액체매트릭스(2)뿐만 아니라, 겔 상태의 물질을 사용하는 것도 생각할 수 있다. 겔 상태의 물질을 사용해서 자기회복성 한류퓨즈로 하는 것은, 액체매트릭스

(2)를 사용함으로써 고체도전입자(3)의 포집 효율의 저하원인이 되는 입자의 먼 곳 에의 산개를 방지할 수 있고, 실제로 사용에서의 액체누설 등의 문제를 없애는 이점이 있다고 생각할 수 있다. 더욱이, 이 유전영동력을 이용한 자기회복성 한류퓨즈에 대해서 액체매트릭스(2)를 사용하는데 가장 중요한 점은, 기존의 고체PTC소자에서는, 소자의 열화 원인으로서 문제가 되고 있는 차단? 한류동작시의 보이드에서의 방전 및 크랙 발생을 해소하게 되고, 소자의 고성능화, 대용량화를 가져오게 되는 것이다.

이 발명에 의한 유전영동력을 이용한 자기회복성 한류퓨즈는, 특히, 절연용기(9)내에 충전된 액체매트릭스(2) 중에 고체도전입자(3)를 유동 분산시킴과 동시에 서로 대향해서 전극(4)을 배설하여 자기회복성 한류퓨즈(1)를 구성하고, 전극(4)사이의 전압인가로 발생하는 고체도전입자(3)의 유전영동력에 의해 고체도전입자(3)를 전극(4)사이에 포집하여 전극(4)사이를 교락(橋絡)하는 통전상태와, 액체매트릭스(2) 속에서의 고체도전입자(3)의 증발? 산개에 의한 차단? 한류상태를 반복하여 실현하고, 전극(4)사이에 과전류의 흐름에 의한 고체도전입자(3)의 증발? 산개로써 고저항 상태를 형성하여 차단? 한류동작을 실현하는 것을 특징 하고 있다.

액체매트릭스(2)는, 순수(純水)를 포함하는 탈이온화수, 절연성 오일, 절연성 유기고분자재료, 절연성 유기고분자재료 겔로부터 선택되는 일종 또는 복수 종으로 이루어지는 매트릭스로 구성할 수 있다.

또한, 액체매트릭스(2)는, 액체질소 등의 냉매를 이용하여 입자나 전극 등의 금속을 냉각함으로써, 온(ON)저항을 저감 할 수가 있다. 더욱이, 자기회복성 한류퓨즈(1)는, 용기(9)등에 대하여 진동자(振動子)(22)를 설치하고, 전극(4)사이에 전 압을 인가한 온(ON)의 상태시(時), 진동자(22)를 온(ON)으로 해서 진동을 주는 것에 따라 온(ON)저항을 저감 할 수가 있다. 자기회복성 한류퓨즈(1)에 대해서, 오프(OFF)상태로부터 온(ON)상태로의 저항 변화에 기초하는 변화를 검출했을 때에 , 수(數) 밀리 초(秒)에서부터 몇 초 동안, 소자에 진동을 가하고, 서로의 고체도전입자(3)에 의해 좋은 접촉 상태를 제공하는 것에 따라 온(ON)저항을 저감 할 수가 있다.

또한, 필러를 구성하는 고체도전입자(3)는, 주석(Sn)입자, 아연(Zn)입자, 인듐(In)입자, 비스무트(bismuth)(Bi)입자등의 저융점재료 의 속에서 선택되는 일종 또는 복수종인 제1재료를 이용할 수 있다. 또는, 고체도전입자(3)은, 주석(석)(Sn)입자, 아연(Zn)입자, 인듐(와타루n)입자, 비스무트(Bi)입자 등의 저융점재료 중에서 선택되는 일종 또는 복수 종과, 카본 입자, 동(Cu)입자, 알루미늄(Al)입자, 은(Ag)입자 ,금 (Au)입자 등의 저접촉 전기저항재료로부터 선택되는 일종 또는 복수종으 로 이루어지는 제2재료를 이용할 수 있다. 또는, 고체도전입자(3)는, 반복 사용하는 것을 고려하여 전부가 증발 산개하지 않도록, 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 스테인레스강 등의 고융점재료를 저융점재료나 저접촉 전기저항재료에 첨가할 수가 있다. 따라서, 고체도전입자(3)를 형성하는 선상(線狀)퓨즈 엘리먼트는, 저융점재료나 저접촉 전기저항재료와 고융점재료와의 혼성, 또는 합금으로 구성해도 좋다.

또한, 이 자기회복성 한류퓨즈에서는, 고체도전입자(3)는, 선상 퓨즈에서의 스타트와, 입자모양 퓨즈에서의 스타트의 2종류가 있다. 즉, 고체도전입자(3)는, 상기의 제1재료나 제2재료를 이용해서 소정 사이즈의 입자로 형성해서 제작할 수 있다. 또는, 고체도전입자(3)는, 다음과 같은 공정을 거쳐서 제작할 수도 있다. 즉, 고체도전입자(3)는, 전극(4)사이를 상기의 제1이나 제2재료로 이루어지는 봉상

(棒狀)이나 판모양의 고체퓨즈 엘리먼트(도시하지 않음)로 접속해 두고, 다음으로, 전극(4)사이에 과전류를 흘리면, 상기 고체퓨즈 엘리먼트가 용단되어서, 액체매트릭스(2) 중에 퓨즈 엘리먼트 조각(片)이 용단 분리되나, 이들 퓨즈 엘리먼트 조각을 각각 고화(固化)해서 형성할 수도 있다. 구체적으로는, 고체도전입자(3)를 액

체매트릭스(2) 중에 유동 분산시키기 위해서는, 상기의 고체퓨즈 엘리먼트를 이용해서 전극(4)사이를 통전상태로 하고, 해당 통전상태의 전극(4)사이에 한차례 과전류를 흘리면, 고체퓨즈 엘리먼트는 퓨즈 엘리먼트 조각으로 용단분해되고, 액체매트릭스(2) 중에 증발? 산개해서 차단? 한류상태가 되지만, 용단 분리한 퓨즈 엘리먼트 조각은 액체매트릭스(2) 속에서 각각 고화하여 고체도전입자(3)가 된다.

그러므로, 전극(4)사이의 과전류의 흐름이 소멸하고, 다시 전극(4)사이에 소정의 전압이 인가되게 되면, 고체도전입자(3)가 포집되어서 교락(橋絡)하는 통전상태가 되는 기능을 발휘하게 된다. 또한, 선상퓨즈로 스타트할 경우에는, 오프(OFF)한 후에 다시 온(ON)으로 할 때, 양호한 온(ON)저항 특성이 얻어질 수 있도록, 처음부터 입자를 액체매트릭스(2) 중에 적량 분산시켜 둘 수도 있다.

이 유전영동력을 이용한 자기회복성 한류퓨즈는, 액체매트릭스(2)의 사용에 의한 크랙프리, 보이드프리, 및 고내전압화를 실현하고, 고정격 전압을 갖는 이차전지를 보호 할 수가 있다. 또한, 액체매트릭스(2) 속에서의 고체도전입자(3)의 유전영동력의 자기수복 특성에 의해 차단? 한류동작이 반복되는 것이다.

또한, 전극(4)은, 재질에 대하여 여러 가지를 선정할 수가 있고, 또한, 도4 도시한 바와 같이, 고체도전입자(3)의 포집효율, 도전패스의 형성 및 오프(OFF)상태의 전기절연을 고려해서 결정되는 여러 가지 형상으로 형성할 수가 있다. 전극(4)은, 유리 기판 또는 금속기판 위로 형성된 산화막 위에 A1, Cu, Ag, Au로부터 선택되는 일종 또는 복수종의 도전성 금속으로 이루어지는 박막으로 구성할 수 있고, 기타, W, Ti, 스테인레스강 등의 고융점재료를 이용하거나, 첨가하여 구성하고, 반복 사용을 가능하게 할 수 있다. 또한, 전극(4)은, 박막으로 한정할 필요는 없으며, 불평등전계를 형성하여, 입자가 전극(4)과 접촉하기 쉽다, 즉, 접촉 저항이 높아지지 않는 형상, 예를 들어, 슬로프, 계단모양 등 서서히 높아지는 형상이면 된다. 전극(4)은, 고융점재료단체(高融点材料單體), 또는 고융점재료를 포함하는 합금으로 하여, 내아크성이나 전식(電食)에 강한 재료로 제작할 수가 있다.

또한, 전극(4)의 형상에 관하여, 도4에는 4종류가 나타내져 있다. 전극(4)에 대해, 도4의 (a)에는, 침체(針體)(13)와 평판(14)로 구성된 서로 대향하는 전극

(4A)가 나타내져 있다. 도4의(b)에는, 봉체(15)와 요체(凹體)(16)로 구성된 서로 대향하는 전극(4B)이 나타내져 있다. 도4의 (c)에는, 빗살(櫛齒)(17), 빗살(17)보다 많은 살을 가진 빗살(18)로 구성된 서로 대향하는 전극(4C)가 나타내져 있다. 또한, 도4의 (d)에는, 봉체(棒體)(19)와 봉체(19)를 감합(嵌合)한 요체(凹體)(20)

로 구성된 서로 대향하는 전극(4D)이 나타내져 있다. 도4에서, 도4의 좌측에 나타난 전극(4)은 전극(4)사이의 갭(gap)길이가 좁은 전극4A-N, 4B-N, 4C-N 및 4D-N이 나타내지고 있고, 또한, 도4의 오른쪽에 나타난 전극(4)은 전극(4)사이 갭 길이가 긴 전극4A-W, 4B-W, 4C-W 및 4D-W가 나타내져 있다. 전극(4)에 관해서, 전극(4)사이 갭 길이가 좁은 전극4A-N, 4B-N, 4C-N 및 4D-N은, 예를 들어, 전극(4)사이 갭 길이가 30μm이다. 또한, 전극(4)사이 갭 길이가 긴 전극4A-W, 4B-W, 4C-W 및 4D-W는, 예를 들어, 전극(4)사이 갭 길이가 150μm정도다.

도5에는, 도4의 전극(4A)을 이용했을 경우의 액체매트릭스(2) 중의 고체도전입자(3)의 이동 상태가 나타내져 있다. 도5의 (a)는, 전극(4A)사이에 전압을 인가하기 전이며, 고체도전입자(3)가 액체매트릭스(2) 중에 부유하는 오프(OFF)상태를 나타내고 있다. 또한, 도5의 (b)는, 전원(10)으로부터 전극(4A)사이에 전압을 인가했을 때에, 고체도전입자(3)가 액체매트릭스(2) 속에서 연쇄상태(連鎖狀態)로 접촉한 온(ON)상태를 나타내고 있다.

도6에는, 도4의 전극(4B)를 이용했을 경우의 액체매트릭스(2) 중의 고체도전입자(3)의 이동상태가 나타내져 있다. 도6의 (a)는, 전극(4B)사이에 전압을 인가하기 전이며, 고체도전입자(3)가 액체매트릭스(2) 중에 부유하는 오프(OFF)상태를 나타내고 있다. 또한, 도6의 (b)는, 전원(10)으로부터 전극(4B)사이에 전압을 인가했을 때에, 고체도전입자(3)가 액체매트릭스(2) 속에서 연쇄상태로 접촉한 온(ON)상태를 나타내고 있다.

도7은, 각종의 전극4A-N, 4B-N, 4C-N, 4D-N, 4A-W, 4B-W, 4C-W, 4D-W에 대해서, 전극(4)사이를 단락(短絡)시키기 위한 고체도전입자(3)의 개수와 온(ON)저항의 관계를 나타내는 그래프이다.

도7에 도시한 바와 같이, 전극(4)의 형상의 상위(相違), 및 전극(4)사이 갭 길이의 상위(相違)에 따라 고체도전입자(3)의 개수와 온(ON)저항이 다르는 것을 알 수 있다. 전극4C-N이 최소의 온(ON)저항을 실현하고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 전극(4A)와 전극(4B)에서는, 온(ON)상태를 실현하기 위해, 다수의 고체도전입자(3)를 필요로 하며, 전극(4)사이 갭 공간이 넓은 것을 알 수 있다. 또한, 온(ON)저항은, 고체도전입자(3)의 입자수의 증가에 따라 증가하고, 접촉 저항이 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 전극4C와 전극4D에서는, 고체도전입자(3)의 적은 입자수로 온(ON)상태를 실현할 수가 있지만, 온(ON)저항은 전극4C와 전극4D에서는 그다지 서로 다르지 않고, 고체도전입자(3)의 입자사이즈, 형상이 균일하지 않기 때문에 , 고체도전입자(3)의 접촉 상태가 다른 것을 알 수 있고, 접촉 전기저항은 반드시 입자수만으로 결정되지 않는다는 것을 알 수 있다.

도8은, 각종의 전극4A-N, 4B-N, 4C-N, 4D-N, 4A-W, 4B-W, 4C-W, 4D-W에 대해서, 오프(OFF)저항과 온(ON)저항의 관계를 나타내는 그래프이다.

도8에 도시한 바와 같이, 전극(4)의 형상의 상위(相違), 및 전극(4)사이 갭 길이의 상위(相違)에 따라, 온(ON)저항과 오프(OFF)저항이 다르는 것을 알 수 있다. 온(ON)저항과 오프(OFF)저항의 비(ROFF/RON)는 큰 쪽이 좋으며, 도면 중의 점선은 각 비율을 나타내고 있다. 즉, ROFF/RON은, 140～3000배 사이에 플롯 되어있는 것을 알 수 있다. 도8로부터 알 수 있는 것 같이, 전극4D-N이 가장 좋은 저항 변화를 나타내고 있으며, 3000배의 변화를 나타내고 있는 것을 알 수 있다. 상기에 나타낸 전극(4)에서는, 전극기판의 저항이 낮으므로, 오프(OFF)저항은 전극기판의 저항으로 제한되어 있다. 그 때문에, 저항이 큰 기판으로 제작함으로써, 오프(OFF) 저항은 10～100배 더 크게 할 수가 있다고 생각된다. 또한, 온(ON)저항은, 카본나노필러를 혼입하여, 접촉 전기저항을 저감함으로써, 더욱 저하할 수 있을 것으로 생각된다. 이것에 의해 오프(OFF)저항은 수100kΩ～수MΩ의 오더(order)를 실현하고, 또한, 온(ON)저항은 mΩ의 오더가 실현되면, 저항변화비는 10 ⁸ ～10 ⁹ 배 커지게 된다.

이 유전영동력을 이용한 자기회복성 한류퓨즈는, 상기와 같이 구성되어 있으므로, 액체매트릭스를 사용함으로써 크랙이나 보이드의 발생이 억제되어, 내전압을 향상시키고, 전압인가로 발생하는 고체도전입자의 유전영동력에 의해 자기수복 특성을 실현시켜, 예를 들어, 고체도전입자로서 카본나노필러 등을 액체매트릭스에 혼입 즉 유동 분산시키는 것에 의해 접촉 전기저항 즉 온(ON)저항을 저감할 수가 있고, 내전압향상으로 높은 정격 전압을 갖는 이차전지를 보호하여, 적용 범위를 확대하고, 효율을 향상시켜, 충전시간을 단축하고, 정비 불필요(maintenance free)를 실현한다. 또한, 이 자기회복성 한류퓨즈는, 지진이나 충돌 등의 기계적인 충격이나 진동에 대하여 고체도전입자의 서로 접속 상태인 펄 체인이 끊김으로써, 전류차단을 하는 방재(防災), 충격보호용소자로서도 기능 시킬 수 있다.

이 발명에 의한 유전영동력을 이용한 자기회복성 한류퓨즈는, 예를 들어, 휴대전화, 노트북 컴퓨터 등의 전자기기, 전기자동차의 전장품(電裝品), 하이브리드 자동차등에 있어서의 대용량화한 고전압용의 이차전지의 보호소자로서 적용할 수 있다.