[논문]적층 SMD형 PTC 써미스터의 열처리 조건에 따른 PTCR 특성 변화

이미재; 장재원; 임태영; 박성철; 송준백; 한정화

doi:10.4191/kcers.2012.49.5.432

적층 SMD형 PTC 써미스터의 열처리 조건에 따른 PTCR 특성 변화
The PTCR Characteristics of the Laminated SMD-Type PTC Thermistor as a Function of the Heat Treatment Conditions 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.49 no.5, 2012년, pp.432 - 437

이미재 (한국세라믹기술원) , 장재원 (한국세라믹기술원) , 임태영 (한국세라믹기술원) , 박성철 ((주)이노칩테크놀로지) , 송준백 ((주)이노칩테크놀로지) , 한정화 (한라대학교 신소재화학공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Electrical properties of the laminated SMD-type PTC thermistor for microcircuit protection were investigated as a function of calcination and sintering temperature. $BaTiO_3$ with $Y_2O_3$ and $MnO_2$ were calcined at 1000 to $1150^{\circ}C$ for 2h and the laminated SMD-type PTC thermistor was sintered at 1350 to $1400^{\circ}C$ for 2h in a reduced atmosphere (1% $H_2/N_2$). Sintered density of the sample was dependent on the calcination and sintering temperature. Electrical properties of the sintered samples were strongly dependent on the densities of samples. For the samples with density below 4.6 g/$cm^3$, the insulator characteristics were observed, while PTC jump characteristics (R150/R30) were disappeared for the sample with density above 5.05 g/$m^3$. Optimal PTC characteristics were obtained for the sintered samples with density of 5.05 g/$m^3$. The laminated SMD-type PTC thermistor prepared by calcination at $1100^{\circ}C$ for 2h and sintering at $1270^{\circ}C$ for 2h showed the room temperature resistivity of $11{\Omega}{\cdot}cm$ and PTC jump characteristics of $10^2$ order.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 다양한 하소온도에서 열처리한 분말을 쉬트로 제조한 후 적층하여 환원분위기에서 소결하여 적층 SMD형 PTC 써미스터의 전기적 특성을 평가하고자 하였다. 또한 제조한 초소형 회로보호용 적층 SMD형 PTC 써미스터에 있어서 하소조건에 따른 소결 밀도를 측정하여, 소결밀도와 PTCR 특성 관계에 대해 규명하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 다양한 하소온도에서 열처리한 분말을 쉬트로 제조한 후 적층하여 환원분위기에서 소결하여 적층 SMD형 PTC 써미스터의 전기적 특성을 평가하고자 하였다. 또한 제조한 초소형 회로보호용 적층 SMD형 PTC 써미스터에 있어서 하소조건에 따른 소결 밀도를 측정하여, 소결밀도와 PTCR 특성 관계에 대해 규명하고자 하였다.

가설 설정

4. R-T curve of the sintered bodies according to the atmosphere, (a) air and (b) H₂/N₂ = 1%.

제안 방법

이렇게 환원분위기에서 소결하는 경우 PTCR 특성 발현에 문제를 갖고 있으므로, 반드시 환원분위기 소결 후 Ni가 산화되지 않는 온도에서의 재산화 공정이 필요하다. 따라서 적층 SMD PTC 써미스터 제조 공정에서의 오믹 및 커버 전극 처리공정인 560℃에서 30분간 열처리 공정을 대기분위기에서 처리함으로써 재산화 공정을 진행하였다.
1에 나타내었다. 이렇게 제조한 적층 SMD형 PTC 써미스터는 BaTiO₃의 하소조건에 따른 소결밀도, 미세구조, MnO₂ 첨가의 영향 및 하소온도에 따른 PTCR 특성을 평가하였다. PTCR 특성은 TCR meter (S&A INC.
제조한 쉬트는 표면에 내부전극(Ni, Daejoo Electronic Materials Co. Ltd.)을 약 3~5 µm 두께로 패터닝하여, 패턴이 서로 교차하여 홀수 층은 홀수 층끼리, 짝수 층은 짝수 층대로 전극이 연결되게 총 10장을 적층하여, 180℃에서 10분간 적층하였다.
출발원료의 하소온도에 따른 PTC 특성을 평가하기 위해 0.1 µm 내외 크기를 갖는 BaTiO3 분말을 1000℃~1125℃에서 각각 2시간 하소하여 사용하였는데, 이때의 미세구조를 Fig. 2에 나타내었다.

대상 데이터

본 연구의 출발원료인 BaTiO3(삼성정밀화학, 99.9%)는 0.1 µm 내외 크기를 갖는 입자를 선택하였고, 반도체화를 위해 Y2O3(Aldrich, 99.99%)를 산화물로 0.2 mol% 첨가하였으며, PTC 특성 향상을 위해 MnO2(고순도화학, 99%)를 0.02 mol% 0.1 mol% 첨가하였다.

성능/효과

반면, 1350℃에서 2시간 소결한 (c)의 경우에는 하소 유무에 상관없이 모두 점프 특성이 사라지고 있는 것을 확인할 수 있었다. Fig. 3과 5의 결과를 확인해 보면 PTCR 특성은 소결체의 미세구조와 관계를 가지는 것으로 보이며, 특히 기공의 양에서 따라서는 큰 차이를 나타내고 있었다.
4는 16 × 8 × 2 mm 크기의 벌크 시편을 1300℃에서 분위기에 따라 소결한 시편의 PTCR 특성을 나타낸 것으로, (a)는 대기분위기이고, (b)는 1% 수소를 함유한 질소분위기에서 소결한 시편의 결과를 나타낸 것이다. 결과에서 살펴보면 대기분위기에서 소결한 경우 수 kΩ의 상온 저항과 10² order의 PTCR 특성을 나타내고 있는 반면, 1% 수소를 함유한 질소분위기에서 소결한 경우는 수십~수백 Ω 정도의 비교적 낮은 저항을 나타내고 있으나, PTCR 특성은 거의 사라지고 있는 것을 볼 수 있다. 적층 SMD PTC 써미스터와 같이 여러 층을 형성하고, 각 층마다 Ni 내부 전극을 사용하여야 하기 때문에 반드시 소결과정에서 Ni 산화를 억제하기 위해 환원분위기로 소결하여야 한다.
그림에서 살펴보면 하소온도 증가에 따라 분말의 입자크기는 커지고 있는 것을 확인할 수 있었는데, 하소하지 않은 경우 분산된 약 0.1 µm 내외의 입경을 갖는 분말들이 하소온도를 1100℃에서 2시간 하소한 경우 약 0.5 µm, 1125℃에서 2시간 하소한 경우 0.8~1 µm 내외의 크기로 커져 있는 것을 확인할 수 있었다.
그림에서 살펴보면 1270℃에서 소결한 (a)의 경우 1290℃에서 소결한 (b)의 경우에 비해 낮은 상온비저항을 나타내고 있었다. 또한, Mn 첨가량 변화에 따라 1270℃에서 소결한 경우 약 10² order로 유사한 점프특성을 나타낸 반면, 1290℃에서 소결한 경우는 Mn 첨가량 증가에 따라 낮은 점프 특성을 나타내고 있었다. 특히, 1100℃에서 하소한 분말을 사용하여 Mn을 0.
05 g/cm³로 양호한 소결밀도를 나타내었으며, 이때 12 W·cm 정도의 상온비저항과 10¹order 정도의 PTCR 특성을 나타내었다. 또한, PTCR 특성을 향상시키기 위해 MnO₂의 양을 0.04 mole% 첨가하여 1270℃에서 2시간 소결한 경우 약 11 Ω·cm 정도의 낮은 상온비저항과 10² order 정도의 PTCR 특성을 나타내었다.
이에 반해 1075℃와 1100℃에서 하소하고 1250℃에서 소결한 경우 약 5.05 g/cm3의 소결밀도를 나타내고 있었는데, 이 정도의 소결밀도를 나타내는 경우 12 Ω·cm 정도의 낮은 저항과 101 order 정도의 점프특성으로 우수한 PTCR 특성을 나타내고 있었다.
(a)는 1250℃에서 2시간 소결한 시편의 PTCR 특성을 나타낸 것으로, 하소하지 않은 시편의 경우 낮은 상온비저항을 나타내고 있으나, PTCR 특성이 사라지는 것을 볼 수 있다. 이에 반해 하소한 분말을 사용한 경우 하소하지 않은 분말을 사용한 경우보다 상온비저항은 비교적 높게 나타나고 있으나, 약 10¹ order 정도의 점프 특성을 나타내고 있는 것을 확인할 수 있었다. 1300℃에서 2시간 소결한 (b)의 경우 하소 유무와 상관없이 비슷한 상온비저항과 약 10¹ order 정도의 점프 특성을 나타내고 있었다.
적층 SMD형 PTC 써미스터의 하소온도에 따른 PTCR 특성을 고찰한 결과, 하소온도 증가에 따라 입자크기는 점차 증가하는 경향을 나타내었으며, 1100℃에서 2시간 하소한 경우 약 0.5 µm 내외의 크기를 나타내었다.
특히, 1100℃에서 하소한 분말을 사용하여 Mn을 0.04 mole% 첨가하여 1270℃에서 소결한 경우 상온비저항이 11 Ω·cm, 점프 특성이 102 order로 매우 양호한 특성을 나타내는 것을 관찰할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적으로 PTC 써미스터의 특성을 좌우하는 요인으로 무엇들이 있는가?	일반적으로 PTC 써미스터의 특성을 좌우하는 요인으로는 출발원료 중 주성분을 이루고 있는 BaTiO3의 구조와 형태, dopant로 첨가되는 희토류 산화물의 양, 열처리 조건, 전극 등 여러 가지가 있다. 특히, 출발원료의 특성과 조성은 PTC 써미스터의 특성 전체를 좌우할 정도로 매우 중요하고, 약간의 변화만으로도 큰 특성변화를 나타낼 만큼 민감하게 반응한다.
	적층 SMD형 PTC 써미스터는 어떠한 장점이 있는가?	최근 전자기기의 소형화, 고 신뢰성화, 소비전력 억제 추세에 따라 과전류 보호용 소자로 적층 SMD(surface mounted device)형 PTC(positive temperature coefficient of resistance) 써미스터가 주목받고 있는데, 다른 과전류 보호소자보다 안정성, auto-reset, 간단한 회로 구성에 대한 장점이 있어 일본을 중심으로 적층 SMD형 PTC 써미스터에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다1-6).
	출발원료 중 주성분을 이루고 있는 BaTiO3의 경우, 무엇이 미세구조에 영향을 미치는가?	특히, 출발원료의 특성과 조성은 PTC 써미스터의 특성 전체를 좌우할 정도로 매우 중요하고, 약간의 변화만으로도 큰 특성변화를 나타낼 만큼 민감하게 반응한다. 이중 BaTiO3의 경우 하소온도에 따른 분말의 특성이 미세구조에 영향을 미치는 것으로 알려져 있는데, 특히 하소 후 BaTiO3의 입자 크기와 소결 후 시편의 결정립과 기공에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다7). 그러나 PTC 써미스터를 제조하기 위해 발표된 대부분의 연구들은 여러 하소조건에서 처리한 BaTiO3분말을 열처리하여 산화분위기에서 소결 후 특성을 평가하였다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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