Chap.5 Varistor

전압의존성 저항체(Voltage-dependent resistors, Varistors) 전기적특성 및 응용 • 바리스터 (Varistor) 인가전압에 의해서 전기저항이 현저하게 변화하는 소자(Voltage dependent resistor; VDR) 가해진 전압이 증가함에 따라 저항이 급격하게 감소 (반도성 세라믹스에서 V↑ → 급격한 전하운반자의 농도↑) 보호하고자 하는 부품이나 회로에 병렬로 연결하여 과도전압이 증가하면 낮은 저항 회로를 형성하여 과도전압이 더 이상 상승하는 것을 막아준다.

: 전압비직선 지수(비오옴성 지수, (오옴성 저항체)) • 바리스터의 응용 전압의 안정화, 접점의 불꽃 소거, 전자회로의 써지 흡수, 전력계통의 피뢰기 등 ... 써지(surge) : 선(line) 또는 회로를 따라서 전달, 급속히 증가하고 서서히 감소하는 특성을 지닌 전류, 전압 ① 스위칭 전압(switch voltage) 이하 : 일반적인 상태인 경우 높은 저항에 의해 누설전류만 흐름. ② 스위치 전압 이상 : 바리스터의 저항 급감 → 낮은 저항의 전도체가 되어 전류 ground시킴 ③ 전기적 부하에 연속적으로 놓이면 열화(degradation)

• 온도와 전류특성 pre-switch 영역(pre-breakdown region) : ohmic한 거동, 누설전류(leakage current)는 온도에 의존 Breakdown 영역 ① 스위칭 전압 이상의 영역 (switch / breakdown region) ② 비선형 영역(nonlinear region) : I-V 특성이 비선형적으로 변화 ③ 전류와 전압의 power-law J: 전류밀도(mA/cm2), E: 전기장(V/cm), C: 상수 비선형계수( ) : 상용 바리스터 : 높은 비선형성( =30～80) ⇒ 작은 V 변화에도 높은 I 변화 유도. ④ 온도와는 거의 무관 - up-turn region : 높은 전압에서 다시 ohmic 거동이 나타나는 영역

• DSB(double Schottky barrier) model 대전된 입계를 흐르는 전자는 전압에 의존 ⇒ ZnO의 경우 다수 캐리어인 전자들의 이동에 대하여 설명 바리스터 특성 중 누설전류 영역과 그 온도 의존성 및 up-turn영역 특성을 설명하기 위하여 도입 입계당 작은 전압(～3.5eV)으로 큰 비선형성, ZnO bandgap(3.2～3.3 eV) 이상의 스위칭 전압을 설명할 수 없다.

• 열전자에 의한 소수캐리어 발생 model 1982년 Pike : 입계 영역의 높은 전기장에서 또 다른 현상으로 설명 (공핍층 영역에서 열전자("hot" electrons)에 의한 소수 캐리어의 발생) 높은 E(전기장) ⇒ impact ionization "feedback" 과정 ⇒ "avalanche" 효과 ① 장벽을 넘는 일부 전자들은 공핍층 내 valence states와 acceptor states의 순간 이온화(impact ionization)로 소수 캐리어를 형성시킬 수 있을 정도의 충분한 운동 에너지를 획득 ② 전위 장벽을 넘는 대부분의 전자들은 광포논(optical phonon)에 의해 열 여기 상태 ③ 소수 캐리어인 홀(holes)은 입계에서 정전기장에 의해 입계로 다시 역확산 ⇒ 포획된 음전하와 전하 중성 ④ 전위 장벽은 낮아지고 장벽을 통하여 다수의 전자들이 이동 ⇒ 입계를 통과하는 전자의 비선형성 증가 ⇒ 비선형 계수값 증가 - 높은 전기장 하에서 대부분의 전자들이 열전자화 되어 소수 캐리어의 발생량이 급작스레 증가

ZnO Varistor • Varistor의 미세구조 공핍층 : 입계근처에서의 저항의 급격한 변화영역 고저항 ② ZnO 입내 : 저저항 ③ 50～100nm 정도의 입계와 결정립사이의 영역 - grain boundary의 양쪽에 grain과의 경계영역에 공핍층이 형성(DSB)

공핍층에 의해 바리스터 특성 발생 외부전압에 대해 공핍층에서 전자의 부재로 전압강하 발생 - (barrier 전압)은 각각의 입계에서 대략적으로 2-4V - baeakdown 전압 : 전극사이의 입계수에 비례(grain size에 반비례)

바리스터의 제조공정 Weighing 바리스터는 를 주성분으로 하고 ZnO Sb2O3, Bi2O3, Co3O4, MnCO3, NiO, Cr2O3 등의 금속 산화물을 내외 첨가하여 바리스터의 특성을 발현하도록 하고 있다 특히 일부 성 10mol% . 분은 이내 첨가되는 경우가 있으므로 평량에 주의할 필요가 있다 1mol% . Mixing 정제된 순수에 분산제를 첨가한 후 소량 첨가된 성분을 미리 분산시키고 주성분인 를 ZnO 나중에 첨가하는 것이 바람직하다. Milling 바리스터 출발원료는 내외의 원료를 사용하는 것이 바람직하다 특히 비중이 큰 1 . Bi ㎛ 2O3 는 입도를 조절하는 것이 매우 중요하다 일반적인 세라믹 공정에서 볼밀은 분쇄의 개념인 . 데 바리스터의 경우 출발원료의 입도를 잘 조절하면 균일한 혼합의 개념으로 적용될 수 있 다. Spray drying 일반적으로 볼밀이 끝나는 시점에서 약 분 시간 전에 바인더 소포제 이형제 가소제 30 2 , , , ˜ 등의 유기물을 첨가한다 조건은 의 평균입경 입도분포 함수율 형상 . Spray drying granule , , , 등을 최적화하는 조건으로 설정하고 설비의 메카니즘에 따라 변화된다.

Pressing 일반적인 바리스터는 디스크 형태로 직경이 로 일반화되어 있다 그러 5, 7, 10, 14, 20mm . 나 용도에 따라 등 매우 다양화되어 가고 있다 25, 32, 40, 53, 60, 80mm 등 매우 다양화되어 가고 있다. Sintering 바리스터의 소성온도는 약 에서 행해지고 소성체의 단위 두께당 전압은 1050 -1300℃ 약 저압 에서 중 고 압를 갖는다 소성은 일반 대기 분위기에서 30V/mm(저압 ) 180V/mm 250V/mm(고압)를 갖는다. 소성은 일반 대기 분위기에서 실시한다. Metallization 전극은 함유량은 를 사용하고 전극에 포함된 유리성분의 특성에 의 Ag(Ag 70 80%) paste ˜ 해 바리스터의 전기적 특성에 영향을 줄 수 있으므로 전극 선정 시 주의할 필요가 있다. Soldering 바리스터의 납땜에 사용되는 통상적인 납은 Sn:Pb=63:37에 Ag 1-2% 함유된 것을 사용하고 납 땜온도는 230±5℃에서 행한다. 리드와이어는 구리에 주석 도금된 리드선을 사용하거나 황동 또는 황동에 주석 도금된 제품등 사용 용도에 따라서 적합한 리드선을 사용한다.

Encapsulation 도장재는 세라믹 소체를 절연시키면서 기계적 전기적 특성을 만족시킴은 물론 미관 등을 고려하여 사용한다. 범용 바리스터는 분말 에폭시를 사용하며 형상 및 제조방법에 따라 액상 도료를 사용하 는 경우도 있다. 또한 절연재로 세라믹을 사용하는 경우도 있다 Characterization 바리스터의 특성의 평가는 바리스터 전압 누설전류 비직선형 상수 제한전압 서지내량 등을 평가하며 단위로 특성을 평가한다.