Red Bull 에너지 저장 장치 부품 20082598 박성도 20082611 배준하 20082612 배지송 20082659 장철원 20082642 이승용

Contents 개념설계 재검토 적용산업, 사용환경 절연체 바이메탈 BaTiO3 PTC소자의 종류와 특징, 규격 형상설계 대안창출 및 평가 형상설계 최종대안 변수설계 최종대안

개념설계 재검토 PTC 제한요소 대안 BaTiO3 페로브스카이트 큐리온도 강유전상, 상유전상 바이메탈 수명 절연체 경제성 적층형 구조 소자개선 수명 경제성 안전성

적용 산업 이차전지 배터리에 사용 되는 PTC소자는 상대적으로 발열량이 많은 소재에 사용

배터리 사양 및 사용환경 제조회사 S사 L사 D사 전압(V) 전류(mA) 저항(Ω·Cm) 발열량(KJ) 7.5~11.6 11.1 10.8 전류(mA) 4000~7800 4400~7800 4400~7600 저항(Ω·Cm) 1.31~1.87 1.37~1.87 발열량(KJ) 66816 ~ 147830 70329 ~124675 68428~102643 회로손상 온도 : 85 ℃ 적정사용온도: 0 ℃ ~40 ℃ 발열량 = 전류(A) × 전압(V) × 시간(S) (노트북 기준으로 4시간 연속 사용시 발열량)

재료선정 - 절연체 절연체 운모(녹는점: 500~1000℃) 절연성이 뛰어남, 화학적으로 안정. 열에 매우 강함. 높은탄성, 박리성 절연체 고무 (녹는점: 100~200℃) 절연성이 뛰어남, 화학적으로 안정. 열에 약함. 테프론 (녹는점 : 300℃) 영하 270℃~ 290 ℃까지 사용가능 높은절연율, 정전기 방지효과가 있으며 반응성이 낮아 반응을 잘하지 않는다. 오직 알칼리금속과 불소화합체와 반응

재료선정 - 절연체 테프론 운모 고무 강도 3 1 가격 2 탄성계수 반응성 계 11 10 6 등급 점수 좋음 3 보통 2 나쁨

재료선정 - 절연체 테프론 테프론은 불소와 탄소의 강력한 화학적 결합으로 인해 매우 안정된 화합물을 형성함으로써 거의 완벽한 화학적 비활성 및 내열성, 비점착성, 우수한 절연 안정성, 낮은 마찰계수 등의 특성을 가지고 있다 Coating Chemical resistance Abrasion resitivity Process teperature℃ Applied by Acids Akalis Solvents Fluoroplastics for corrosion resistance Excel Good to excel 270-450 Dipping or Spraying

재료선정 - 절연체 PTFE(Poly fluoro Ethylene) 불소수지 중에서 사용온도가 가장 높으며 마찰계수가 극히 작고, 내 마모성 및 내 화학성이 우수하다.

공정선정 - 절연체

바이메탈 물리적 법칙 재료 열팽창계수 체팽창율 팽창순위 망간(Mn) 22×10-6/℃ 0.089048438 1 구리(Cu) 16.5×10-6/℃ 0.066786328 2 니켈(Ni) 13.3×10-6/℃ 0.053833828 3 철(Fe) 12.3×10-6/℃ 0.049786172 4 몰리브덴(Mo) 5.43×10-6/℃ 0.021978773 5 체팽창계수 = 열팽창탈계수 × 3 열팽창율(Q) = L(길이 mm) × T(온도변화) × q(체팽창계수) 열팽창 계수차이에 따라서 온도가 낮으면 작은 쪽으로 휜다. 온도가 높으면 열팽창계수가 높은 쪽으로 휜다.

출처 : http://www.inconel.co.kr/company.htm 재료선정 - 바이메탈 합금계 Main Alloy 특성 Ni-Cu Monel - 400 405 -K- 500 열역학적 성질로부터 고찰할때 내산화성과 내환원성을 나타내는 원소이기 때문에 내식성을 나타낸다. Ni-Cr-Fe Inconel - 600 601 718 Cr함유함으로써 내산화성이 좋아진다. 고함량 Ni합금임에도 불구하고 고온고압수중에서 응력이 걸리면 입계균열현상이 생긴다. Ni-Mo Hastelloy - B Mo를 다량 함유함으로써 내염상성이 좋아져 내염산합금으로서 알려져있다. Fe함량에 따라 내염산성은 달라진다. 열팽창이 잘 되지 않는 금속 열팽창이 잘 되는 금속 출처 : http://www.inconel.co.kr/company.htm

출처 : http://www.inconel.co.kr/company.htm 재료선정 - 바이메탈 출처 : http://www.inconel.co.kr/company.htm

출처 : http://www.inconel.co.kr/company.htm 재료선정 - 바이메탈 Inconel 601 알루미늄이 첨가되어 산화, 고온부식에 특히 강하다. 고온에서 기계적 성질 우수 출처 : http://www.inconel.co.kr/company.htm

재료선정 - 바이메탈 Hastelloy 합금 내부식에 대표적인 합금이 바로 헤인즈사가 개발한 하이텔로이 -C, B,등이다 모든 악조건에서의 내부식을 향상시킨 금속으로, 세계적으로 널리 불리워지고 있다. 하이텔로이 -C,B는 다량의 MO를 첨가하여 월등한 내부식 니켈합금이다. 하이텔로이 -X,G는 내열 내부식 소재로도 사용된다 Hastelloy G-3 부식환경에 강하나 환원성 환경에서의 내 부식성은 떨어진다. 2% Cu를 함유시켜 내식성을 증가시킨다. 다른 Hastelloy합금에 비하여 값이 싸다.

재료선정 - 바이메탈 니켈 – 크롬 – 철 (Inconel 601) 니켈-몰디브덴 (Hastelloy G-3)

공정선정 - 바이메탈 사출성형 금속의 분말과 수지 바인더의 혼합물을 사출성형하고 이것을 가열해서 바인더를 제거한 후 체결하는 방법. 원료의 분말은 그 지름이나 바인더의 종류, 선택, 원료분말의 혼합비가 중요하며 복잡한 형상의 제품 생산이 가능하다.

BaTiO3 물리적 법칙 BaTiO3소자에 불순물을 도핑시키는 양에 따라 큐리온도 점을 조절하여 PTC 소자의 적용환경이 달라진다. 순수한 티탄산 바륨은 130℃부근에 큐리온도를 가지는 페로브스카이트 구조의 강유전체이다. 세라믹의 비유전율은 실온에서 1,000 큐리온도에서 20,000정도의 큰값을 갖는다. 티탄산바륨을 주성분으로 여러종류의 첨가물을 첨가해서 큐리온도를 실온부근으로 이동시켜, 그 변화를 제어함으로써 F특성(εr=15,000)을 개발할 수 있다. 전류 [A 전압 [V] 일반저항 PTC PTC+일반저항 220V 200V 240V

BaTiO3 재료선정 25 ℃ 85℃ 50 ℃ 회로 작동 환경에 맞는 PTC 소자 선정

BaTiO3 공정선정 장점 간단한 공정방법 저렴한 공정방법 - 한번에 많은 양 생성가능 소결공정 단점 공정시간이 김 불량률이 높다. 스퍼터링공정 생성된 제품의 소자의 물성이 좋음 전 자동화 장치로 불량률이 적음 공정에 사용되는 장비, 재료 가격이 비쌈 양산성에는 조금 부적합

BaTiO3 공정선정 원자재 첨가제 압쇄 및 혼합 건조 하소 압쇄 압축 소결 다듬질 전극 형성 측정

적층형 PTC 물리적 법칙 벌크형 PTC 소자에 비해서 넓은 크기를 층으로 접어 작은 크기에도 비슷한 성능을 낼수있다. 서미스터 필름은 서미스터 유닛의 조성성분과 동일하여 공간에 의해 발생되는 물리적, 전기적 결함을 최소화 하는 방법 화학물질이 들어가게 되면 발열과 소비부분을 상당부분을 개선하게 되고 수율이 높아져서 경제적 가치가 높아진다.

적층형 PTC 공정선정 분말밀링 건조 1050℃에서 하소 볼 밀링 혼합 혼합 정제 건조 닥터블레이드 1350℃에서 소결 내,외부 전극 배치 내,외부 전극 배치 하소 : 화학적으로 결합되어 있는 수분을 제거 소결 : 분말체를 가압성형 한 것을 가열하여 고결하는 현상 닥터블레이드 :  그라비어 인쇄에서, 판동에 묻은 여분의 잉크를 긁어 내는 날카로운 칼날 580℃에서 열처리하여 접착

PTC 소자의 형상 종류와 특징 비드 형 표면을 유리로 코팅하여 안정성과 신뢰성이 높음. 소형이므로 열 용량이 작아 응답속도가 빠름. 기밀성이 높으므로 고온에서 사용할 수 있고, 정밀 계측이 가능. 제작상의 문제로 가격이 비쌈. 디스크 형 기밀성이 우수하지 않다. 정밀한 온도측정이나 액체의 온도측정과 같은 환경에서 부적합. 가격이 저렴 칩 형 대량생산에 적합. 가격이 저렴함. 디스크 형보다 응답속도가 빠르고 우수한 안정도를 가짐 150℃정도 까지 온도계측이 가능. 소형제작이 가능

형상설계

형상설계 평가 부피 2 3 무게 효율 가격 계 8 11 9 등급 점수 좋음 3 보통 2 나쁨 1

변수설계 리드선 (바이메탈) 적층형 PTC소자 테프론코팅 BaTiO3 : ρ(비저항) = 1010 적정 규격 직경 : 0.76 mm 두께 : 2 mm 큐리온도 : 60~80℃ 𝑹=𝝆 𝒍 𝒔 𝑽=𝑰𝑹 BaTiO3 : ρ(비저항) = 1010 저항=1010X(5/2.64 π) =47Ω·cm ㅣ = PTC소자 두께 S = PTC소자 면적

최종대안 PTC소자 1mm 적층형 BaTiO3 (Sr도핑) 바이메탈 소재 팽창이 안 되는 소재-Inconel 601 팽창이 잘 되는 소재-Hastelloy G-3 절연체 PTFE(Poly fluoro Ethylene) 1mm 2mm 0.76mm

Specification 60~80℃의 큐리온도 특성을 가지는 적층형 BaTiO3 PTC소자로 일반적인 벌크형 PTC 소자에 비해서 넓은 크기를 층으로 접어 작은 크기에도 비슷한 성능. Inconel 601합금 과 Hastelloy G-3합금을 이용하여 내식성, 고온부식에 특히 강하고 고온하에서 기계적 성질 우수한 특성을 가지는 바이메탈 리드선 사용온도가 가장 높으며 마찰계수가 극히 작고, 내 마모성 및 내 화학성이 우수한 테프론 코팅 으로 정전기에 의한 고장을 피할 수 있는 PTC를 기대할 수 있다.