[논문]아크 소호용 세라믹 분말을 이용한 높은 차단용량 및 고내구성을 갖는 초소형 퓨즈 설계

강창룡; 진상준; 이예지; 윤재서; 노성여

doi:10.4313/jkem.2019.32.4.327

아크 소호용 세라믹 분말을 이용한 높은 차단용량 및 고내구성을 갖는 초소형 퓨즈 설계
Design of a Miniature Fuse with High Breaking Capacity and Load Life Using a Ceramic Powder of Extinguishing an Electric Arc 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.32 no.4, 2019년, pp.327 - 332

강창룡 (부경대학교 금속공학과) , 진상준 (스마트전자(주) 개발팀) , 이예지 (부경대학교 기술경영공학과) , 윤재서 (부경대학교 기술경영공학과) , 노성여 (동명대학교 ICT항만물류시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, inverter control systems have attracted immense attention to increase the energy efficiency. However, such systems use repeated on/off high currents for linear operation control, instead of the prevalent step variable current control method. Hence, there arise concerns of personal and property damage, especially due to the durability, explosive characteristics, and operating speed of the fuse, which is responsible for safety and is one of the internal components using current control. Therefore, in this paper, we propose an IEC60127-4 SMD sub-miniature fuse, consisting of Ag-Cu alloys and ceramic powder for arc soothing. The IEC60127-4 SMD sub-miniature fuse has high durability and cut-off capacity, and operates safely in dangerous circumstances caused by the inverter control system.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Wave form of high efficient inverter control system.
그림 Fig. 2. Structure of fuse sample.
그림 Fig. 3. Test result of voltage drop.
그림 Fig. 4. Test PCB and measurement point of voltage drop.
표 Table 1. Composition of the metal alloys.
그림 Fig. 5. Change in rated current according to the wire composition of Ag-Cu alloy.
그림 Fig. 6. Change in rated current according to the arc removal powder composition.
그림 Fig. 7. Change in rated current according to the arc removal powder composition.
그림 Fig. 8. Analysis of structure with powder elements (a) ZrO₂ composition and (b) SiO₂ composition.
그림 Fig. 9. Analysis of structure with powder elements (a) ZrO₂ composition and (b) SiO₂ composition.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 전기자동차, 백색가전, ESS 등에 적용되는 고효율 인버터 제어 동작의 전기적 위험 상황과 안전한 사용을 위한 인버터 보호소자에 대하여 고찰하였다. 제작된 퓨즈 합금의 조성을 확인하기 위해 EDX 분석을 수행하였으며, 설계한 퓨즈의 합금 와이어가 양호하게 제작되었음을 알 수 있었다.

제안 방법

Ag-Cu 합금을 대상으로 획득된 퓨즈 I-T 커브의 특성이 인버터 전류 파형에 대한 동작 특성을 만족하는지 확인하기 위하여 Ag-28 wt% Cu 합금을 적용한 샘플을 대상으로 인버터 파형 내구성 상승과 차단용량 상승을 위해 아크 소호용 세라믹 분말을 주입하여 동작 특성의 변화를 확인하였다.
실험은 각 합금에 따라 제품을 제작하여 모든 시료의 불량 단선 여부 등을 확인하였다. 각 시료군은 최소 20개 이상의 예비 시료를 확보하고 모든 시료의 전기저항을 측정하고 주기하였다. 이후 파워 서플라이를 사용하여 전기적 특성 실험을 실시하였고, 전류에 따라 동작되는 시간을 분석하여 시험 결과를 도출하였다.
실험 결과로부터 Ag-28% Cu 합금에서 선경의 감소 없는 빠른 동작 특성으로 구현하여 선경과 비례하는 내구성을 상승시킬 수 있었고, 아크 소호용 세라믹 분말을 활용하여 최대 600 V, 106 A에 이르는 높은 차단용량과 낮은 폭발 소음 수준을 만족할 수 있었다. 그리고 세라믹 분말 소호제의 열전도도를 이용한 I-T 커브의 이동을 확인하여 넓은 범위의 이상전류에 대한 민감한 동작 특성을 보유한 퓨즈 정격 군을 설계할 수 있었다. 이에 본 연구의 결과로부터 인버터 제어 방식에서 안전한 동작에 핵심이 되는 퓨즈 보호소자의 가용체의 빠른 용단과 차단용량 상승을 위한 아크 소호제 적용 방법이 전기기기의 화재 및 폭발에서 인명을 보호하는 적절한 설계가 이루어졌다고 판단할 수 있다.
이에 본 연구에서는 인버터 제어 시스템의 펄스성 유입전류에 대하여 빠른 동작 특성을 유지함과 동시에 수명을 상승시키기 위한 아크 소호용 세라믹 분말의 열전도도를 활용하였다. 그리고 완전 단락 돌입전류에 대한 세라믹 분말의 용융 아크 소호 동작을 통한 차단용량 특성도 만족하여 고효율 인버터 제어 회로용 UMF(universal module fuse 이하, UMF 퓨즈) 과전류 보호소자의 특성을 제시하였다.
제작된 퓨즈 합금의 조성을 확인하기 위해 EDX 분석을 수행하였으며, 설계한 퓨즈의 합금 와이어가 양호하게 제작되었음을 알 수 있었다. 그리고 현재 일반적인 인버터 제어 회로에 적용되는 IEC 60127-4 초소형 SMD 퓨즈를 대상으로 인버터 제어 환경에서의 전류특성에 높은 내구성과 차단용량을 가지며 빠른 동작을 보유한 퓨즈를 설계한 후 전기적 시험을 진행하였다. 실험 결과로부터 Ag-28% Cu 합금에서 선경의 감소 없는 빠른 동작 특성으로 구현하여 선경과 비례하는 내구성을 상승시킬 수 있었고, 아크 소호용 세라믹 분말을 활용하여 최대 600 V, 106 A에 이르는 높은 차단용량과 낮은 폭발 소음 수준을 만족할 수 있었다.
이에 일반적으로 산술적 실효값 계산을 통한 인버터 유입 전류의 정격전류를 산정하며, 정격전류 산정 후 퓨즈를 설계할 수 있다. 때문에 본 실험을 위해서는 일반적으로 적용 중인 인버터를 대상으로 실효값이 산정된 후 퓨즈의 설계가 가능하며 이를 위해 현재 많이 적용 중인 전기차인버터를 기준으로 하였다. 기준으로 적용한 인버터의 위치 양단의 전류는 식 (1)과 같이 펄스 형태의 전류 실효값을 적용하여 정격 유입전류를 산출할 수 있다 [3,4].
실험은 각 합금에 따라 제품을 제작하여 모든 시료의 불량 단선 여부 등을 확인하였다. 각 시료군은 최소 20개 이상의 예비 시료를 확보하고 모든 시료의 전기저항을 측정하고 주기하였다.
이에 본 연구에서는 인버터 제어 시스템의 펄스성 유입전류에 대하여 빠른 동작 특성을 유지함과 동시에 수명을 상승시키기 위한 아크 소호용 세라믹 분말의 열전도도를 활용하였다. 그리고 완전 단락 돌입전류에 대한 세라믹 분말의 용융 아크 소호 동작을 통한 차단용량 특성도 만족하여 고효율 인버터 제어 회로용 UMF(universal module fuse 이하, UMF 퓨즈) 과전류 보호소자의 특성을 제시하였다.
각 시료군은 최소 20개 이상의 예비 시료를 확보하고 모든 시료의 전기저항을 측정하고 주기하였다. 이후 파워 서플라이를 사용하여 전기적 특성 실험을 실시하였고, 전류에 따라 동작되는 시간을 분석하여 시험 결과를 도출하였다. 동작 실험 간 파워 서플라이 전류는 IEC 60127-1에 정의된 DC 정전류에서 변동전압이 60 V 이내가 되도록 유지하였다.
치수는 세라믹 튜브의 대각에 삽입하여 모든 와이어가 11.4±0.3 mm 이내의 길이를 가지도록 시료를 제작하였다.
퓨즈 가용체로 사용한 금속은 전기전도성과 열 이동 성능을 고려한 고전적 퓨즈 가용체 합금인 Ag-Cu 금속으로 설계하였고, 한류형 동작을 위해서 금속 와이어 형태로 가용체를 구성하였다. 특성 구현을 위해 사용한 금속 합금 성분은 표 1과 같고 세부 동작 특성 조정을 위해 주석(Sn)을 전기도금의 방법으로 표면에 적용하였다.
퓨즈 엘리멘트의 형상은 원통형 환선 와이어로 고정하였고 선경은 목표 정격전류에 따라 조정하여 대조군을 두었다. 치수는 세라믹 튜브의 대각에 삽입하여 모든 와이어가 11.

대상 데이터

설계된 퓨즈는 이차전지가 대용량화됨에 따라 높은 차단용량을 구현하기 위한 밀폐형의 퓨즈 구조와 인버터 제어 회로 위에서 가장 적은 공간을 차지하여 설계에 영향을 최소화하는 UMF 퓨즈를 대상으로 하였다. 일반적으로 사용되는 UMF 퓨즈는 2.
실험은 파워서플라이 BOB사 SGI 330/150, 오실로스코프 Tektronix사 DPO 3022, 저항계측기 Hiyoki사 3,227 mΩ Hitester를 사용하였다.
퓨즈 가용체로 사용한 금속은 전기전도성과 열 이동 성능을 고려한 고전적 퓨즈 가용체 합금인 Ag-Cu 금속으로 설계하였고, 한류형 동작을 위해서 금속 와이어 형태로 가용체를 구성하였다. 특성 구현을 위해 사용한 금속 합금 성분은 표 1과 같고 세부 동작 특성 조정을 위해 주석(Sn)을 전기도금의 방법으로 표면에 적용하였다.

성능/효과

이는 선경의 감소 없이 동작시간이 감소된 것으로 퓨즈 가용체의 선경 감소가 없는 만큼의 내구성이 상승된 것으로 볼 수 있다. 그리고 앞선 정격전류 시험과 동작 특성 시험을 바탕으로 Cu-28Ag가 빠른 동작 특성을 만족함을 확인하였다.
그리고 이와 함께 소호용 분말의 입자 형상이 용융이 용이하기 위해서는 그림 8의 소호제 입차 형상과 같이 ZrO₂ 계열의 구형 입자 형상보다 표면적이 상대적으로 넓은 SiO₂ 계열의 불규칙적 아크 소호제의 형상이 우수함도 확인할 수 있다.
때문에 기존에 적용되고 있는 일반적인 메인 수동 동작형 퓨즈에서 정격전류는 높으며, 최대 피크 전류에서는 빠른 동작을 하는 고효율 인버터 제어 회로에 최적화된 과전류 보호소자가 필요하다. 또한, 세라믹 분말은 합성 반응속도가 빠르고 균일한 반응 제어가 가능한 장점을 이용하여 퓨즈의 폭발 내구성을 만족하였다.
그리고 현재 일반적인 인버터 제어 회로에 적용되는 IEC 60127-4 초소형 SMD 퓨즈를 대상으로 인버터 제어 환경에서의 전류특성에 높은 내구성과 차단용량을 가지며 빠른 동작을 보유한 퓨즈를 설계한 후 전기적 시험을 진행하였다. 실험 결과로부터 Ag-28% Cu 합금에서 선경의 감소 없는 빠른 동작 특성으로 구현하여 선경과 비례하는 내구성을 상승시킬 수 있었고, 아크 소호용 세라믹 분말을 활용하여 최대 600 V, 106 A에 이르는 높은 차단용량과 낮은 폭발 소음 수준을 만족할 수 있었다. 그리고 세라믹 분말 소호제의 열전도도를 이용한 I-T 커브의 이동을 확인하여 넓은 범위의 이상전류에 대한 민감한 동작 특성을 보유한 퓨즈 정격 군을 설계할 수 있었다.
그림 6의 결과로부터 아크 소호 분말의 종류에 따른 동작 특성의 변화를 확인하였다. 아크 소호제로 가장 많이 사용되는 실리콘 계열과, 알루미나 계열, 그리고 지르콘 계열의 분말을 동일한 입도를 최대한 유지하여 튜브에 주입하였고 각각 3.15 A로 제작된 퓨즈의 정격 전류 선을 이동시켜 열전도도에 따라 동작 특성이 변함을 확인할 수 있다. 이는 동일한 정격전류의 1,000% 동작시간에 정격선이 높은 정격전류 방향으로 이동하였기 때문에 더욱 민감한 동작 방향으로 판단할 수 있고 인버터에서 발생하는 여러 위험요소를 차단하기 위한 설계로 제시될 수 있다 [6].
이상의 실험을 통해 인버터 제어 방식에서 발생하는 높고 빈도가 많은 돌입전류에 대하여 Ag-28 wt% Cu 합금과 SiO₂ 계열 아크 소호용 분말이 차단용량의 상승과 동작 특성 조정으로 내구성이 상승함을 확인하였다 [7]. 이상과 같은 실험 결과를 바탕으로 정격전류 1~4 A까지 인버터 정격에 대응할 수 있는 제품군에 대한 I-T 커브를 그림 9에 제시하였다.
그리고 세라믹 분말 소호제의 열전도도를 이용한 I-T 커브의 이동을 확인하여 넓은 범위의 이상전류에 대한 민감한 동작 특성을 보유한 퓨즈 정격 군을 설계할 수 있었다. 이에 본 연구의 결과로부터 인버터 제어 방식에서 안전한 동작에 핵심이 되는 퓨즈 보호소자의 가용체의 빠른 용단과 차단용량 상승을 위한 아크 소호제 적용 방법이 전기기기의 화재 및 폭발에서 인명을 보호하는 적절한 설계가 이루어졌다고 판단할 수 있다.
이에 따른 그림 1에 표시한 높은 돌입전류가 기기 운영 중 효율 동작으로 위하여 계속해서 유입되는 환경으로, 전기기기 내부 부품의 수명에 심각한 영향을 미친다. 이와 함께 제품의 on-off 시에만 유입되던 돌입전류가 평시 동작 제어 간 지속적으로 유입됨으로써 이상 전류의 발생 확률 또한 증가하며, 실제 단락 시험 시 인버터 회로부는 소손되었고, 최대 전류는 145 A 이상이 유입되었다.
전압 강하 결과로부터 제작된 퓨즈는 모두 전압 강하 값이 100 mV 이하로 나타났으며 통전전류에 대한 전력 소모를 최소한으로 유지한 것으로 판단할 수 있다. 실제 그림 4와 같이 시험에 사용된 표준 기판에서의 선로 저항의 영향이 없었다면 전압 강하 값은 더 낮아질 수 있다.
본 논문에서는 전기자동차, 백색가전, ESS 등에 적용되는 고효율 인버터 제어 동작의 전기적 위험 상황과 안전한 사용을 위한 인버터 보호소자에 대하여 고찰하였다. 제작된 퓨즈 합금의 조성을 확인하기 위해 EDX 분석을 수행하였으며, 설계한 퓨즈의 합금 와이어가 양호하게 제작되었음을 알 수 있었다. 그리고 현재 일반적인 인버터 제어 회로에 적용되는 IEC 60127-4 초소형 SMD 퓨즈를 대상으로 인버터 제어 환경에서의 전류특성에 높은 내구성과 차단용량을 가지며 빠른 동작을 보유한 퓨즈를 설계한 후 전기적 시험을 진행하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	세라믹 분말의 장점은?	때문에 기존에 적용되고 있는 일반적인 메인 수동 동작형 퓨즈에서 정격전류는 높으며, 최대 피크 전류에서는 빠른 동작을 하는 고효율 인버터 제어 회로에 최적화된 과전류 보호소자가 필요하다. 또한, 세라믹 분말은 합성 반응속도가 빠르고 균일한 반응 제어가 가능한 장점을 이용하여 퓨즈의 폭발 내구성을 만족하였다.
	아크 소호 분말의 종류에 따른 동작 특성의 변화와 활용성은?	그림 6의 결과로부터 아크 소호 분말의 종류에 따른 동작 특성의 변화를 확인하였다. 아크 소호제로 가장 많이 사용되는 실리콘 계열과, 알루미나 계열, 그리고 지르콘 계열의 분말을 동일한 입도를 최대한 유지하여 튜브에 주입하였고 각각 3.15 A로 제작된 퓨즈의 정격 전류 선을 이동시켜 열전도도에 따라 동작 특성이 변함을 확인할 수 있다. 이는 동일한 정격전류의 1,000% 동작시간에 정격선이 높은 정격전류 방향으로 이동하였기 때문에 더욱 민감한 동작 방향으로 판단할 수 있고 인버터에서 발생하는 여러 위험요소를 차단하기 위한 설계로 제시될 수 있다 [6].
	보호소자의 정의는?	IEC 60127-4에 명시된 전압 강하 기준에 따라 1~4 A의 퓨즈는 정격전류 통전에 대하여 300 mV 이하의 전압 강하를 유지해야 한다. 이는 “보호소자는 단지 보호의 역할만 수행할 것”을 명시한 규격적 정의에 의한 것이다 [5].

참고문헌 (7)

M. Cho, D. B. Nah, S. C. Kil, and S. W. Kim, J. Energy Eng., 20, 109 (2011). [DOI: https://doi.org/10.5855/energy.2011.20.2.109]

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B. S. Kim, Korean J. Air-Cond. Refrig. Eng., 37, 53 (2008).
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원문보기 상세보기
C. K. Ji and K. O. Kim, Definitions for Miniature Fuses and General Requirements for Miniature Fuse-Links (Korea Standards, Korea, 2005) p. 1.
C. S. Choi, H. W. Kim, and G. S. Lee, Electrical Fire Engineering (Dong-hwa Technical Trading, Paju, 2000) p. 189.
D. R. Gaskell, An Introduction to Transport Phenomena in Materials Engineering, 1th ed (Prentice-Hall, INC New Jerseyl, 1997) p. 265.

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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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