Chap.4 저항재료
저항의 기능과 용도 - 전류 제어용 : 대전류용과 소전류용 - 발열체용 : 전류를 억제하는 과정에서 발생하는 열을 이용하기 위한 목적 - 계측용 : 표준 저항값이나 기준 저항값을 나타내기 위한 용도로 개발 저항재료 분류와 성질 저항재료 단금속 텅스텐 몰리브덴 백금 구리 니켈 탄탈 금속 합금 망가닌, 콘스탄탄(구리 합금) 니크롬(니켈 합금) 철-크롬(철 합금) 금-크롬, 은-망간 비금속 탄소 및 탄화물 흑연, 카본, 탄화규소 산화물 산화 지르코늄 규소화물 규소화 몰리브덴 질화물 질화 탄탈 표. 저항재료의 재료별 분류
저항재료 요구조건 - 전류 제어용 저항 재료 소전류용은 저항값이 상당히 높은 정밀도를 필요로 한다. 가공이 용이 기계적 강도가 우수 저가 -발열체용 저항 재료 소전류용은 저항값이 상당히 높은 정밀도를 필요로 한다. 내열성이 우수하고 냉열의 반복에 견딜 것 다른 물질과 잘 반응하지 않을 것. 사용 가능 온도가 높아야 하며, 균열 등의 재질 변화가 없을 것. 가공이 용이할 것. -계측용 저항 재료 저항의 온도 계수가 적을 것. 내식성이 크고 경년 변화가 적을 것. 적당한 고유 저항을 가질 것. 다른 금속과 접촉할 때 열기전력이 적을 것. 구리에 대한 열기전력이 적을 것. 연성이 풍부하여 소선으로 가공이 용이할 것.
저항 재료의 성질 ① 저항률이 클 것 ② 저항의 온도계수가 작을 것 ③ 열기전력이 작을 것 ④ 기계적 강도가 클 것 ⑤ 화학적으로 안정할 것 ⑥ 가공이 쉬울 것 ⑦ 가격이 저렴할 것 금속 질 재료 비금속 질 재료 정밀저항 망가닌, 구리-니켈, 은-망간, 니크롬, 금-크롬 전류조절용저항 구리-니켈, 니크롬, 그릿드저항 카본, 흑연, 전해액 전열저항 니크롬, 철크롬, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈, 백금 흑연, 탄화규소, 규화몰리브덴 부품저항 니크롬, 탄탈, 구리, 니켈 규화탄탈, 카본 측온저항체 백금, 니켈, 구리 카본 감온저항체 LiCl, Se박막 용도별 저항재료의 분류
정밀 저항 재료 전기기기, 계측기에 사용 저항률이 크고, 저항의 온도계수 및 구리에 대한 열기전력이 작고, 저항치가 변하지 않아야 함 전류 조절용 저항재료 내열성, 기계적 강도, 가공성 요구(전기적 특성은 정밀저항재료 보다 낮음) 고온가열 재료 및 전극(High-temperature heating elements and electrodes) 주울열(joule's heating)과 발열체 • 주울의 법칙 ① 저항 R인 재료에 t 시간동안 전류가 흘러갈 때 발생하는 열의 양 ② ③ R이 증가하면 인가되는 전압의 증가가 요구 → 누설전류가 증가 → 발열체 설계 곤란. • 금속계 발열체 ① Fe-Cr-Al계 ② NI-Cr계 ③ 고용점 금속 (백금,Mo, W, Ta 등) ④ 진공 또는 환원성 분위기, 1500~2300℃ 가열 가능
정밀저항재료 Cu-Mn-Ni계 합금 Mn(10~15%), Ni(1~5%), Cu+Mn+Ni(98%이상) 예) Mn(12%), Ni(2%), Fe(0.25%), Si(0.1%), Cu(86.5%) : 저항온도계수 2ppm/℃ - Cu-Ni계 Ni(40~50%) : 저항온도계수 2ppm/℃ - Ni-Cr계 및 Fe-Cr-Al계 : 2ppm/℃ - Ag-Mn-Sn계 : 땜납이 용이, 1.7ppm/℃ 전류 조절용 저항재료 소·중 전류 조절용 저항재료 Cu-Ni계 : 적용온도범위가 넓고 내식성 내산화성 우수, 조성은 정밀저항용과 유사 Ni-Cr계 : 니크롬(80/20), 저항값 100kΩ, 정격전력 250W -대전류 조절용 저항재료 Fe-C계 : C(3.5%)주철, 내열성 우수 → 전동기의 기동이나 회전속도 조절용
비금속 발열체 • 탄화규소계 발열체 - SiC (Silicon carbide) 특징 ① 녹는점 : alpha-SiC(hexagonal) 2500℃, beta-SiC(cubic) 2100℃ ② 높은 열전도도, 낮은 열팽창계수로 인해 열충격에 우수 ③ SiC의 순도와 밀도에 의해 전기적특성이 결정 (저온에서는 NTC, 고온(400-800℃)에서는 PTC) ④ 반도체와 유사한 전기전도도 ⑤ 화학적으로 안정
용도 ① 연마재료 : Al2O3보다 더 brittle하고 경도가 높다. ② varistor재료 : 전압에 따른 저항 변화 ③ 내화재료 ④ 발열체 재료 : 1000℃까지 사용가능, 특수처리에 의해 1800℃까지 사용 가능 발열체 ① 사용가능한 온도가 높다. ② 산화 및 환원 분위기에 대해서 안정 ③ 수명이 길고 발열체 교환이 용이④ 전기저항이 높으나 기계적 강도가 약하다.
• 몰리브덴 실리사이드계 발열체 - Molybdenum Disilicide, MoSi2 높은 녹는점 (2200℃)과 산화분위기에 대해서 매우 안정적 1000℃이하의 온도에서 brittle하며, 1200℃이상의 온도에서 변형에 취약 승온속도가 매우 높은 환경에서도 적용이 가능, 1500℃이상의 가열환경에서 사용 - 비저항 : 상온(R.T.)에서 2.5×10-6 [ohm․cm], 1800℃에서 4×10-5 [ohm․cm] • 란탄 크로마이트계 발열체 - Lanthanum chromite, LaCrO3 산화분위기에서 1900℃까지 발열가능 - Cr성분의 휘발 가능성이 존재함으로 피 가열물로의 확산방지를 위한 대책이 요구.
저항성 저항체(Ohmic resistors) -탄소 피막 저항 재료 탄소를 박막의 형태로 만든 것. 만드는 방법에 따라 석출형, 탄화형, 도금형으로 나뉜다. 전자회로용으로 사용 -세라믹 저항 재료 바륨과 티탄에 소량의 다른 첨가물을 첨가하여 고온에서 구워서 만듬. • 전자부품으로 응용시 요구사항 저항의 낮은 온도 의존성 ( 온도변화에 따른 저항의 변화가 적을 것) 103~108 [ohm] 정도의 저항값, 10-6 [ohm․m] 이하의 비저항 비저항이 10-6 [ohm․m]인 재료로 110mm의 105 [ohm] 저항을 만들기위해 10-12 m2 (1㎛×1㎛) 면적이 필요 ① 절연체위에 매우 얇은 두께를 가지는 전도체막을 매우 길고 넓게 만듬 (A↓ → R↑) ② 절연체성분에 전도성분을 매우 낮은 농도로 도포함으로써 높은 비저항 획득
• 박막 저항체 박막의 두께를 0.01~1㎛ 범위에서 조절 알루미나(Al2O3), alumina nitride(AlN), beryllia(BeO), Silicon carbide(SiC)의 절연체위에 도체 박막 형성 - 박막저항 재료 : Ni/Cr, Ni/Cu/Fe, TaN, SiCr, SnO2, C
• 후막 저항체 저항재료를 5~15㎛ 범위의 두께로 조절 - 레이저를 이용해 저항재료를 절삭해 정밀한 용량을 제어
전열용 저항재료 : 내열성 및 내산화성 내식성이 우수, 저항률이 크고 온도계수는 낮을 것 Ni-Cr계 : 저항률(1.08±0.07 mΩ·m), 저항온도계수(0.0002 이하) Fe-Cr-Al계 : 저항률(1.40±0.08 mΩ·m), 저항온도계수(0.0001이하) 조명용 저항재료 : 융점이 높고, 고온에서 증기압이 낮으며 극세선 가공이 용이 W : 수소분위기 소결 후 선인 가공 온도 [K] 저항률[mΩ·m] 광색온도[K] 300 0.564 - 1000 0.2570 1006 1500 0.4185 15117 2000 0.5910 2033 2500 0.7725 2557 3000 0.9520 3094