서지보호관리시스템 회로 시뮬레이션 및 MOV기초연구

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1 서지보호관리시스템 회로 시뮬레이션 및 MOV기초연구
윤 용 진

2 기술개발의 필요성 초저전압을 사용하는 이러한 마이크로프로세서가 적용된 시스템이나 기기에 낙뢰나 스위치 개폐시 발생하는 서지(surge)가 침입하게 되면 시스템의 정지, 장비의 소손 및 열화, 데이터 전송의 오류, 통신 에러, 원인 불명의 전체적인 시스템 운용불능 등의 장애발생이 순간적으로 일어날 수 있다는 것이 반도체를 이용한 시스템의 큰 약점으로 나타나고 있다. 이에 따라 이들 장비에 발생하는 전원서지, 낙뇌서지 등으로부터 시스템을 보호하기 위한 필요성이 그 어느 때보다도 강하게 요구되고 있다.  전력 계통에 설치되는 전자기기들을 이러한 과도 외부 서지로부터 파괴, 또는 오동작하지 않도록 서지를 차단하기 위해서는 서지 보호 장치(Surge Protection Device : SPD, Voltage Transient Management System : VTMS, or Transient Voltage Surge Suppressor : TVSS)를 설치하여야 한다.

3 Varistor varistor란 variable resistor란 말의 준말이며, 때로는 VDR(Voltage-Dependent Resistors)라고 불리기도 한다. Varistor의 역할은 위의 이름에서도 예상할 수 있듯이 입력되는 전압에 따라 저항을 달리하는 반도체 소자이다. 일반적인 varistor의 특징은 비직선적인 I-V 그래프에서 나타나는데, 어느 일정한 항복 전압 이전까지는 전기에 대한 부도체로 작용을 하다가 항복 전압 이후에는 도체의 성질을 나타낸다. 이런 성질을 이용하여 각종 정보기기, 제어기기 등 전기를 사용하는 제품에 갑작스런 전압의 변화(surge) 가전제품, 에 대한 기기 손상을 방지하기 위한 써지 흡수소자로서 사용 된다. 또한 발전소, 변전소, 송전소 같은 전력 기기 분야에서 낙뢰로부터 설비를 안전하게 보호하기 위한 전력용 피뢰기의 핵심 소자에 이르기까지 다양한 부분에 사용된다. 최근에는 통신 분야의 system transients와 lightning-induced transients로부터 시스템을 보호해주는 써지 보호 역할과, 이동 통신 단말기, 노트북 PC, 전자수첩, PDA등의 정전 기에 대하여 회로를 보호해주는 ESD(electrostatic discharge) protection의 역할로서 적층형 varistor가 사용되기도 한다.

4 varistor 특성 각 종 varistor 특성

5 ZnO Varistor 특성 varistor은 <그림 1>과 같이 보호하고자 하는 소자에 병렬로 연결 하여 사용된다. 일정한 전압 이하에서는 varistor가 부도체로 작용을 하기 때문에 회로에 아무 영향을 주지 않지만, 일정량 이상의 전압이 가해지게 되면 병렬로 연결되어있는 varistor가 도체로 변하게 되어서 전기를 다른곳으로 방출하거나 자신이 흡수하게 됨으로써 소자를 써지로부터 보호하게 되는 것이다.

6 ZnO varistor 결정구조 (1) 소결미립자로서의 ZnO 입자 ,(2) 입계층을 형성하는 Bi2O3주성분상 (3), 입계층중에 존재하는 스피넬 상의 3가지의 결정상으로 되어 있다. 그래서 ZnO varistor의 전기특성은 입계층에서 특징 지워지는 미세구조와 밀접한 관계가 있고, varistor 전압은 입계의 직렬수를 변화시켜, 또 써지내량은 입계의 병렬수를 변화시켜 제어된다. 왼쪽의 그림은 hexagonal 전체 부분을 나타낸것이며 오른쪽 그림은 unit cell을 떼어서 자세히 나타낸 그림이다. 격자상수는 a=3.224[Å], c=5.19[Å]이고 c/a=1.60이다.

7 Varistor 제조공정 1

8 Varistor 제조공정 2 weighing : 바리스터는 ZnO를 주성분으로 하고 Sb2O3, Bi2O3, Co3O4, NiO, Cr2O3 등의 금속 산화물을 10mol% 내외 첨가하여 바리스터의 특성을 발현하도록 하고 이중 특히 일부 첨가제 성분은 1mol% 이내 첨가하여야 하는 경우가 있으므로 칭량에 주의할 필요가 있다. Mixing : 정제된 순수에 분산제를 첨가한 후 소량 첨가된 성분을 미리 분산시키고 주성분인 ZnO를 나중에 첨가하는 것이 바람직하다. Milling : 바리스터 출발원료는 1㎛ 내외의 원료를 사용하는 것이 바람직하다. 특히 비중이 큰 Bi2O3는 입도를 조절하는 것이 매우 중요하다. 일반적인 세라믹 공정에서 볼밀은 분쇄의 개념인데 바리스터의 경우 출발원료의 입도를 잘 조절하여 균일한 혼합의 개념으로 적용될 수 있다.

9 Varistor 제조공정 3 Spray drying : 일반적으로 볼밀이 끝나는 시점에서 약 30분~2시간 전에 바인더, 소포제, 이형제, 가소제 등의 유기물을 첨가한다. Spray drying 조건은 입계(granule)의 평균입경, 입도분포, 함수율, 형상 등을 최적화하는 조건으로 설정하고 설비의 메카니즘에 따라 변화된다. Pressing : 일반적인 바리스터는 디스크 형태로 직경이 5, 7, 10, 14, 20mm로 일반화되어 있다. 그러나 용도에 따라 25, 32, 40, 53, 60, 80mm 등 매우 다양화되어 가고 있다. Sintering : 바리스터의 소성온도는 약 1050~1300℃에서 행해지고 소성체의 단위 두께당 전압은 약 30V/mm(저압)에서 180V/mm~250V/mm(중고압)를 갖는다. 소성은 일반 대기 분위기에서 실시한다. Metallization : 전극은 Ag(Ag 함유량은 70~80%) paste를 사용하고 전극에 포함된 유리성분의 특성에 의해 바리스터의 전기적 특성에 영향을 줄 수 있으므로 전극 재료 선정 시 주의할 필요가 있다.

10 Varistor 제조공정 4 Soldering : 바리스터의 납땜에 사용되는 통상적인 납은 Sn:Pb = 63:37에 Ag가 1~2% 함유된 것을 사용하고 납땜온도는 230±5℃에서 행한다. 리드와이어는 구리에 주석 도금된 리드선을 사용하거나 황동 또는 황동에 주석 도금된 리드선을 사용하거나 황동 또는 황동에 주석 도금된 제품 등 사용용도에 따라서 적합한 리드선을 사용한다. 리드선의 형상 또는 여러 모양으로 응용된다. Encapsulation : 도장재는 세라믹 소체를 절연시키면서 기계적, 전기적 특성을 만족시킴은 물론 미관 등을 고려하여 사용한다. 범용 바리스터는 분말 에폭시를 사용하며 형상 및 제조방법에 따라 액상도료를 사용하는 경우도 있다. 또한 절연재로 세라믹을 사용하는 경우도 있다. Characterization : 바리스터의 특성의 평가는 바리스터 전압, 누설전류, 비직선형 상수, 제한전압, 서지내량 등을 평가하며 로트단위로 특성을 평가한다. Marking : 제품의 사양을 나타내는 방법으로 일반적으로 V1mA나 AC 최대 정격전압으로 표시한다. 부가적으로 제품의 크기를 나타내는 표현으로 소성체의 직경을 나타내거나 또는 에너지내량 등을 표기하기도 한다. 이 공정은 설비사양에 따라 도장공정 다음에 올 수도 있다. Packing : 일반적인 전자부품의 포장방법과 동일하게 벌크포장 및 테이핑 포장이 있다.

11 배전급 피뢰기용 ZnO 바리스터 소자의 미세구조 및 서지 특성에 관한 연구
Jornal of the korean institute of electronic and electronic material engineers

12 1. 실험 방법 1.1 바리스터 제작 -ZnO를 제외한 나머지 원료 attrition mill(물+분산제), 입도분포가 1um이하가 70%이상 -분쇄된 slurry와 ZnO를 ball-mill(nylon ball) 혼합 -spray dryer를 사용 건조, 100mesh 체로 조립 -지름(38.5mm),높이(36.9mm),무게(140g), 압력(8ton), 성형밀도(3.26~3.28g/cm2) -3500C에서 11시간30분동안 burn out -승온/냉각속도 1000C/hr로 11300C에서 2시간30분동안 sintering -6000C에서10시간 열처리 -상,하부면 연마기로 lapping, 초음파세척기로 세척후 건조 -전극 증착기를 사용 알루미늄 전극을 스프레이방식으로 전극형성 -오르가닉실리카(유기체)의 연면코팅제 사용 절연코팅후 2700C 2시간30분동안건조

13 2. 전기적 특성 시험 바리스터의 V-I 특성시험은 dc tester 와 충격전류시험기(8/20us)로 1uA~10kA까지 10배 단위로 증가시키며 바리스터 양단전압 측성 동작개시전압(바리스터 전압) 측정 비직선 지수 의 식으로 계산하였다 바리스터에 정격전압(3.6kV)과 85%의 정격전압(3.06kV)을 인가했을때 흐르는전류를 누설전류detector(LCD-4)로 측정 뇌충격제한 전압은 8/20us의 2.5kA,5kA,10kA 의 뇌충격전류가 바리스터에 흐를때 양단전압을 voltage divider로 측정 가속열화시험은 1150C 40C의 항온조에 최대연속운전전압(maximum continous operating voltage:MCOV)의 1.05배 전압(3.21kV)을 인가한 상태에서 300시간 유지후 저항분 전류, 전력손실을 측정 대전류충격시험은 4/10us파형의 충격전류를 65kA,2회 인가후 바리스터의 방전내량을 측정하였고 충격전류 인가 전후의 동작개시전압, 뇌충격제한전압의 변화를 관찰하였다

14 3.결과 및 고찰 소성 밀도는 전체적으로 이론밀도(5.78g/cm2)의 95% 정도의 치밀한 소결이 이루어졌으며 5%정도의 낮은 기공율을 보였다. 표3 은 시편 A~E의 조성변화에 따른 미세구조를 나타낸것이다. 시편 A~E의 평균 결정립 크기는 11.89um, 13.57um,15.44um,11.92um, 12.47um C의 결정립이 가장크고 A,D 시편이 가장 작았다. 이는 Bi2O3/Sb2O3 비가 0.5,1,2로 변하면서 Bi2O3 증가에 따른 액상소결증가로 결정립의 크기 증가, Sb2O3증가에 따른 스피넬상증가에 따른 입계의 이동이 억제되기 때문이다.

15 3.결과 및 고찰 모든 시편의 SEM 사진에서 ZnO 결정립, 스피넬상(Zn2.33Sb0.67O4),입간상들이 존재함을 그림 1의 EDAX로 확인할수 있다. A,E는 Bi-rich상이 불규칙적으로 존재하였으나 나머지 시편에서는 거이 입계에 존재하였다.

16 3.결과 및 고찰 그림2는 각 시편의 I-V특성을 나타낸 것이며(수 uA~ 수 kA까지) 표4에서 동작개시전압(바리스터전압), 비직선지수, 누설전류와 전력손실의 측정치를 기록하였다. 11300C 의 소성온도에대한 동작개시전압은 D,E>A>B>C순으로 나타났다. 각시편의 비직선지수는 전체적으로 30이상의 값을 나타내며, 시편C는 68이상의 높은값을 나타내었다. 누설전류와 전력손실은 정격전압의 85%인 최대연속운전전압(MCOV)과 정격전압에서 측정한 값으로 시편 A,E가 가장 낮은 값을 나타내었다.

17 3.결과 및 고찰 논문에서 5kA에 대한 제한전압이 12kV이하로(한전구매시방서)하므로 시편 D의 경우는 5kA용 소자로써는 부적합하며 나머지는 기준에 적합한 특성을 나타내고 있다.

18 3.결과 및 고찰 그림5는 각 시편의 스트레스 조건(115oC/3.213kV/300h)에 의한 시간에 따른 누설전류와 전력손실을 나타낸것이다. 그림 5와 같이 시편 B,C,D는 누설전류와 전력손실이 스트레스 시간에 따라 급히 증가하는 특성을 나타내며 특히 시편 C는 열 폭주현상이 나타났다. 이는 초기 누설전류의 값이 크거나 소성밀도가 낮은 경우에는 안정성에 문제가 발생하게 된다. 시료 D의 경우 A의 조성에 비해 Al2O3의 첨가량이 1.5배 증가된 것으로 가 Al2O3 첨가됨에따라 불안정한 입계가 형성되어 전압인가시 전류가 국부적으로 편중되어 누설전류가 증가하는 특성을 보이게 된다.

19 4. 결론 소성 밀도는 전체적으로 이론밀도(5.78g/cm2)의 95% 정도의 치밀한 소결이 이루어졌으며 5%정도의 낮은 기공율을 보였고 시편 C의 ZnO 결정립이 가장 크게 나타났고, 시편 A,D가 가장 작았다. 모든 시편의 SEM 사진에서 ZnO 결정립, 스피넬상(Zn2.33Sb0.67O4),Bi-rich상(Bi2O3),입간상등이 존재함을 알수 있다. 1130oC 소성온도에 대한 동작개시전압은 시편 D,E>A>B>C순으로 나타났으며 비직선계수는 전체적으로 30이상의 특성을 나타냈고, C의 경우는 68이상의 매우 높은 값을 나타내고 있다. 뇌충격제한전압은 시편 A,B,C,E가 기준에 적합한 제한전압 특성을 나타냈으며 시편 C는 열폭주 현상이 나타났으며 A,E는 스트레스 시간에 따라 누설전류,전력손실이 초기에는 급격히 감소하다가 일정한 특성을 나타내었다. 이는 상대적으로 낮은 초기 누설전류에 기인한 것으로 사료된다. 시편 E의 경우 시험전,후의 제한전압 변화율이 1.4%인 우수한 특성을 나타내었고 18회 이상의 장시간 충격전류 시험후 양호한 특성을 나타내었다. 이상의 결론으로 부터 시편E는 피뢰기용 ZnO바리스터 소자로 실선로에 적용할 수 있는 특성을 나타내고 있다.

20 CUTLER-HAMMER TVSS 단상 220V용 50kA TVSS 회로도