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자동차의 히터용 세라믹 ＰＴＣ 조성물{PTC compound for electric heater of vehicle}
본 발명은 자동차의 히터용 세라믹 PTC 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차의 겨울철 난방 보조장치로 사용할 수 있도록 비저항, 저돌입전류를 나타내는 PTC 써미스터 소자의 조성물에 관한 것이다. 통상적으로, 세라믹 PTC는 정 온도계수(Positive Temperature Coefficient)를 가지는 써미스터(Thermistor)로서, 써미스터는 온도에 따라 저항이 변화하는 특성을 가지고 있는 물질이다. 이러한 세라믹 PTC는 특정온도(큐리온도)이하에서는 온도에 따라 저항값이 서서히 감소하지만, 큐리 온도 이상이 되면 저항이 급격히 증가하는 특성을 갖는다. 상기 PTC 써미스터는 성분이 주로 티탄산 바륨계 산화물(BaTiO 3 )로서, 이 물질은 현재 온도센서, 회로보호, 정온발열체 등으로 광범위하게 쓰이고 있다. 그러나, 현재 사용되고 있는 일반적인 PTC 써미스터는 상온 비저항이 50 Ohm-cm 이상이며, 이러한 높은비 저항 값은 인가전압이 낮을 경우, 필요한 만큼의 전류를 흘려주지 못하는 단점이 있다. 특히, 현재의 자동차 전원의 전압은 12V 수준이어서, 자동차의 겨울철 난방보조장치등에 필요한 히터로서 상기 PTC 써미스터를 사용하기에는 적절치 못한 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 많은 연구들이 진행되고 있으며, 그 결과 PTC의 조성을 변화시켜 전기비 저항값을 낮추는 방법들이 개발되고 있다. 기존에 개발되고 있는 조성들은 BaTiO3를 주성분으로 하고, 여기에 Y 2 O 3 , CaTiO 3 , SrTiO 3 , PbTiO 3 , MnO 2 , TiO 2 , SiO 2 , Al 2 O 3 등을 적당량 첨가하여 상온비 저항을 50 Ohm-cm이하로 낮추고 있다. 이렇게 상온비 저항이 낮아지는 원인으로는 PbTiO 3 의 역할이 큰 것으로 알려져 있다. 한편, 상기 PbTiO 3 를 첨가한 PTC는 PbTiO 3 의 첨가량이 증가할수록 상온 비저항이 낮아지지만, 전원 인가시 돌입전류(In-rush current)가 증가하여 히터로 사용할 경우, 전원 퓨즈의 수명에 악영향을 끼치는 문제점이 있다. 돌입 전류란, 해당 전기회로(히터)에 전원을 인가하는 초기에 정격전류보다 수배이상 큰 전류가 짧은 시간 동안 흐르는 현상을 말한다. 이러한 돌입전류는 전원이 인가되는 라인에 걸쳐서 전기적인 충격을 유발하게 되는데, 주로 퓨즈의 수명에 영향을 주어서, 퓨즈의 수명을 짧게 하는 원인으로 작용하는 문제점을 발생시킨다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 발명한 것으로서, 상온 전기비저항이 낮을 뿐 아니라, 전원 인가시 초기 돌입 전류도 작아서, 자동차의 퓨즈 수명에 영향을 주지 않으며, 겨울철 난방 보조 히터용 소재로 사용이 가능하며, 특히 자동차의 겨울철 난방보조장치로 사용할 수 있는 저비 저항, 저 돌입전류를 나타내는 자동차의 히터용 세라믹 PTC 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다. 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 64-82몰%의 BaTiO 3 , 0.25-0.4몰%의 Y 2 O 3 , 8-15몰%의 CaTiO 3 , 0.01-0.05몰%의 MnO 2 , 1-1.5몰%의 SiO 2 및 5-10몰%의 SrTiO 3 , 3-10몰%의 LaNb 2 O 6 로 조성된 것을 특징으로 하는 자동차의 히터용 세라믹 PTC 조성물을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 자동차의 히터용 세라믹 PTC소자와 종래의 PTC 소자의 인가 시간에 따른 전류변화를 나타내는 그래프.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 본 발명은 종래의 저 비(比) 저항을 가지는 PTC 조성물중 1-3몰%의 PbTiO 3 를 3-10몰%의 LaNb 2 O 6 로 치환한 것으로서, 이러한 조성물로 상온 전기비저항이 낮을 뿐 아니라, 전원 인가시 초기 돌입 전류도 작아서, 자동차의 퓨즈 수명에 영향을 주지 않으며, 겨울철 난방 보조 히터용 소재로 유용한 PTC소자를 제조할 수 있도록 한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 64-82몰%의 BaTiO 3 , 0.25-0.4몰%의 Y 2 O 3 , 8-15몰%의 CaTiO 3 , 0.01-0.05몰%의 MnO 2 , 1-1.5몰%의 SiO 2 및 5-10몰%의 SrTiO 3 , 1-3몰%의 PbTiO 3 로 조성된 기존의 조성물중, 상기 1-3몰%의 PbTiO 3 를 3-10몰%의 LaNb 2 O 6 로 치환시켜, 돌입전류를 억제하는 PTC 소자를 제조할 수 있다. 여기서, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같고, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 실시예 1 본 발명에 따른 조성비로서, 80.55몰%의 BaTiO 3 , 0.4몰%의 Y 2 O 3 , 10몰%의 CaTiO 3 , 0.05몰%의 MnO 2 , 1몰%의 SiO 2 및 5몰%의 SrTiO 3 , 3몰%의 LaNb 2 O 6 로 조성된 PTC분말을 제조하였다. 실시예 2-8 실시예 2-8은 BaTiO 3 의 함량을 80.55몰%에서 각각 1몰%씩 감량하였고, 0.4몰%의 Y 2 O 3 , 10몰%의 CaTiO 3 , 0.05몰%의 MnO 2 , 1몰%의 SiO 2 및 5몰%의 SrTiO 3 은 실시예1과 동일한 함량으로 첨가하였으며, LaNb 2 O 6 의 함량을 3몰%에서 각각 1몰%씩 증가시켜서 PTC분말을 제조하였다. 비교예 1 기존의 조성비로서, 80.55몰%의 BaTiO 3 , 0.4몰%의 Y 2 O 3 , 10몰%의 CaTiO 3 , 0.05몰%의 MnO 2 , 1몰%의 SiO 2 및 5몰%의 SrTiO 3 , 3몰%의 PbTiO 3 로 조성된 PTC분말을 제조하였다. 비교예 2 80.55몰%의 BaTiO 3 , 0.4몰%의 Y 2 O 3 , 10몰%의 CaTiO 3 , 0.05몰%의 MnO 2 , 1몰%의 SiO 2 및 5몰%의 SrTiO 3 , 2.5몰%의 PbTiO 3 로 이루어진 기존의 조성에 0.5몰%의 LaNb 2 O 6 를 첨가하여 PTC분말을 제조하였다. 비교예 3 80.55몰%의 BaTiO 3 , 0.4몰%의 Y 2 O 3 , 10몰%의 CaTiO 3 , 0.05몰%의 MnO 2 , 1몰%의 SiO 2 및 5몰%의 SrTiO 3 , 2몰%의 PbTiO 3 로 이루어진 기존의 조성에 1몰%의 LaNb 2 O 6 를 첨가하여 PTC분말을 제조하였다. 비교예 4 80.55몰%의 BaTiO 3 , 0.4몰%의 Y 2 O 3 , 10몰%의 CaTiO 3 , 0.05몰%의 MnO 2 , 1몰%의SiO 2 및 5몰%의 SrTiO 3 , 1몰%의 PbTiO 3 로 이루어진 기존의 조성에 2몰%의 LaNb 2 O 6 를 첨가하여 PTC분말을 제조하였다. 이와 같은 실시예 및 비교예에서 본 바와 같이, 각각 PTC 히터 소자 제조를 위한 PTC분말을 제조하였는 바, 상기 PTC 소자 분말을 혼합한 후, 지름 15mm의 원형 디스크로 가압 성형한 후, 1300℃에서 120분간 소결하여 시편을 제조하였다. 실험예 위와 같이 제조된 각 시편에 대한 돌입전류를 측정하기 위하여, 소결된 각각의 PTC 소자 시편을 병렬로 연결하여 밧데리 전원을 인가하면서 흐르는 전류를 계측하였는 바, 조성에 따른 돌입전류 측정 결과는 다음의 표 1과 같다.
표 1에서 보는 바와 같이 기존의 PbTiO 3 를 함유한 PTC소자는 상온비저항 값은 낮으나, 초기 돌입전류는 175A 수준으로 정격 전류인 70A의 2.5배를 나타내었다. 한편, PbTiO 3 대신에 LaNb 2 O 6 를 첨가한 경우는 돌입전류가 대폭 감소되었으며, LaNb 2 O 6 의 첨가량이 4몰%까지는 상온비저항도 함께 감소하였다. 그러나, LaNb 2 O 6 의 첨가량이 4몰%이상이 되면, 돌입전류는 감소하나, 상온비저항이 증가하는 현상을 나타내었다. 따라서, 돌입전류 및 전기비 저항의 적당한 범위는 LaNb 2 O 6 의 첨가량이 4-5몰% 인 것을 알 수가 있었다. 첨부한 도 1은 종래의 PTC 소자와 본 발명의 PTC 소자(실시예 6)와의 인가 시간에 따른 전류변화를 나타낸 그래프이다. 그래프에서 보는 바와 같이, 본 발명 PTC 소자의 돌입전류는 거의 없으며, 정격전류 수준을 나타냄을 알 수 있다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차의 히터용 세라믹 PTC 조성물에 의하면, 종래의 저 비저항을 가지는 PTC 조성물중 1-3몰%의 PbTiO 3 를 3-10몰%의 LaNb 2 O 6 로 치환함으로써, PTC 소자의 상온 전기비 저항이 낮을 뿐만 아니라, 전원 인가시 초기 돌입 전류도 작아서, 자동차의 퓨즈 수명에 영향을 주지 않으며, 겨울철 난방 보조 히터용 소재로 유용하게 사용할 수 있는 장점을 제공한다. |
