In this thesis, the microstructure and electrical properties of ZnO varistors were investigated according to ZnO varistors with various formulation. A∼E's ZnO varistor ceramics were exhibited good density, 95% of theory density and low porosity, 5%, wholly. The average grain size of A-E's ZnO va...
In this thesis, the microstructure and electrical properties of ZnO varistors were investigated according to ZnO varistors with various formulation. A∼E's ZnO varistor ceramics were exhibited good density, 95% of theory density and low porosity, 5%, wholly. The average grain size of A-E's ZnO varistor ceramics exhibited 11.89$\mu\textrm{m}$, 13.57$\mu\textrm{m}$, 15.44$\mu\textrm{m}$, 11.92$\mu\textrm{m}$, 12.47$\mu\textrm{m}$, respectively. Grain size of C's ZnO varistor is larger and grain size of A and D's are smaller than other varistors. In the microstructure, A∼E's ZnO varistor ceramics sintered at l130$^{\circ}C$ was consisted of ZnO grain(ZnO), spinel phase(Zn$_<$TEX>2.33/Sb$_<$TEX>0.67/O$_4$), Bi-rich Phase(Bi$_2$O$_3$) and inergranular phase, wholly. Reference voltage of A∼E's ZnO varistor sintered at 1130$^{\circ}C$ decreased in order D, E > A > B > C's ZnO varistors. Nonlinear exponent of varistors exhibited high characteristics, above 30, wholly. Consequently, C's ZnO varistor exhibited good nonlinear exponent, 68. Lightning impulse residual voltage of A, B, C and E's ZnO varistors suited standard characteristics, below 12kV at current of 5kA.
In this thesis, the microstructure and electrical properties of ZnO varistors were investigated according to ZnO varistors with various formulation. A∼E's ZnO varistor ceramics were exhibited good density, 95% of theory density and low porosity, 5%, wholly. The average grain size of A-E's ZnO varistor ceramics exhibited 11.89$\mu\textrm{m}$, 13.57$\mu\textrm{m}$, 15.44$\mu\textrm{m}$, 11.92$\mu\textrm{m}$, 12.47$\mu\textrm{m}$, respectively. Grain size of C's ZnO varistor is larger and grain size of A and D's are smaller than other varistors. In the microstructure, A∼E's ZnO varistor ceramics sintered at l130$^{\circ}C$ was consisted of ZnO grain(ZnO), spinel phase(Zn$_<$TEX>2.33/Sb$_<$TEX>0.67/O$_4$), Bi-rich Phase(Bi$_2$O$_3$) and inergranular phase, wholly. Reference voltage of A∼E's ZnO varistor sintered at 1130$^{\circ}C$ decreased in order D, E > A > B > C's ZnO varistors. Nonlinear exponent of varistors exhibited high characteristics, above 30, wholly. Consequently, C's ZnO varistor exhibited good nonlinear exponent, 68. Lightning impulse residual voltage of A, B, C and E's ZnO varistors suited standard characteristics, below 12kV at current of 5kA.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 과도 이상 전압으로부터 전기 설비들을 보호하기 위해 사용되는 피뢰기의 핵심부품인 Non-linear metal-oxide resistor 또는 ZnO varistor라 불리는 비직선 전압-전류 특성이 우수한 금속-산화물(ZnO) 소자를 조성비에 따라 5종류의 바리스터 시편을 제작하여 각 시편의 전압-전류 특성과 뇌충격제한전압특성 및 미세구조에 대해서 고찰하였다.
제안 방법
ZnO, Bi2O3, 기타 Dopant 및 유기첨가제가 함유된 Slurry를 열풍건조방식의 Spray Dryer를 사용하여 건조한 후, Moulding 할 때 입자사이의 Pore를 줄여 충진율을 향상시켜 치밀화 및 유동성 등을 좋게 하기 위해 Granule을 원하는 입자 Size 140㎛ 이하의 크기로 Sieving 한 후, 지름(Φ) 38.5mm, 높이(t) 36.9 m, 압력(T) 8ton으로 성형하였다.
ZnO 바리스터의 V-I특성시험은 DC Tester와 충격전류시험기(8/20㎲)로 1㎂에서 10kA까지 약 10배 단위로 증가시켜가며 바리스터에 전류를 흘려, 각 전류에서의 바리스터 양단자간 전압을 측정하였다.
동작개시전압의 측정은 DC Tester로 바리스터에 100㎂와 1mA의 전류를 흘렸을 때 바리스터 양단자간의 전압을 측정하였다.
뇌충격제한전압은 뇌서지에 대한 보호성능을 검증하는 근접 뇌격에 의한 유도뇌에 대한 보호특성을 확인하는 시험으로 바리스터에 인가되는 뇌충격전류의 크기 및 파형은 5kA ± 10%, 8/20㎲로 바리스터를 통해 충격전류가 흐를 때 바리스터의 양 단자간전압을 제한전압(Residual Voltage)이라 하며, 분압기(Voltage Divider)로 측정하였다.
3㎛ Al2O3 분말로 폴리싱한 후, 초음파 세척하여 830℃에서 30분 동안 열적 에칭하였다. 상의 선명도를 개선시키기 위해 표면에 100Å의 Au를 코팅한 후, SEM으로 각 시료의 미세조직을 관찰하였으며, 생성된 각 상의 성분 분포를 EDAX로 분석하였다.
A~E 시료의 밀도와 수축율을 측정하였고 밀도를 이용하여 기공율을 계산하였다. 그 결과는 표 2에 나타내었다.
따라서 시편 A와 E에서 전력용 피뢰기의 ZnO 바리스터 소자로 적용할 수 있는 동작개시전압과 뇌 충격제한전압 특성을 확인하였다.
A~E의 각 조성 변화에 대한 ZnO 바리스터를 1130℃ 소결온도에서 제작하여, 조성 변화에 따른 미세구조, 전기적 특성을 조사하였다.
누설전류시험은 바리스터에 정격전압(3.6kV)과 85%전압(3.06kV)을 인가하였을 때 바리스터를 통해 흐르는 전류를 누설전류 Detector(LCD-4)로 측정하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 ZnO 바리스터 제조에 있어 원료의 조성비는 표 1과 같으며, 원료혼합, 건조, 성형, 소성, 연마, 전극증착, 연면절연코팅의 공정에 따라 5종류의 시료를 제작하였다.
이론/모형
평균 결정립 크기 d는 SEM 사진을 이용하여 다음과 같은 식 (1)의 선형교차기법8)(Lineal Intercept Technique)으로 구하였다.
성능/효과
소성 밀도는 전체적으로 이론밀도(5.78g/cm2)의 95% 정도로 치밀한 소결이 이루어졌으며, 기공율 또한 5%정도의 낮은 기공율을 보였다. 따라서 1130℃의 결정된 소결온도는 A~E 조성에 대해 적합한 소결온도라 생각된다.
모든 시편의 SEM 사진에서 ZnO 결정립(ZnO), 스피넬상(Zn2.33Sb0.67O4), Bi-rich상(Bi2O3), 입간상 등이 존재함을 그림 1의 EDAX로 확인할 수 있다. 시편 A와 E는 Bi-rich상이 불규칙적으로 생성되었고 ZnO 결정립 내에도 상당히 존재하였으나 나머지 시편에서는 Bi-rich 상이 거의 입계에 존재하였다.
유효교차수이다. 시편 A~E의 평균 결정립 크기는 각각 11.89㎛, 13.57㎛, 15.44㎛, 11.92㎛, 12.47㎛로 시편 C의 ZnO 결정립이 가장 크게 나타났고, 시편 A와 D가 가장 작았다.
본 연구에서의 동작개시전압의 기준은 5.6 kV 이상(18kV 정격에 대한 소자 5개 기준)이므로 시편 B와 C는 동작개시전압이 낮아 5kA용 소자로는 부적합 것으로 판단된다. 이것은 Bi/Sb의 비가 상대적으로 증가하여 액상 소결에 의한 결정립 크기의 증가에 의해 나타난 결과이다.
각 시편에 대한 비직선지수는 전체적으로 30 이상의 높은 특성을 나타내었고, 특히 시편 C는 68 이상의 매우 높은 값을 나타내고 있다.
78g/cm2)의 95% 정도로 치밀한 소결이 이루어졌으며, 기공율 또한 5%정도의 낮은 기공율을 보였다. 시편 A~E의 평균 결정립 크기는 각각 11.89㎛, 13.57 ㎛, 15.44㎛, 11.92㎛, 12.47㎛로 시편 3 ZnO 결정 립이 가장 크게 나타났고, 시편 A와 D가 가장 작았다.
1. 소성 밀도는 전체적으로 이론밀도(5.78g/cm2)의 95% 정도로 치밀한 소결이 이루어졌으며, 기공율 또한 5%정도의 낮은 기공율을 보였다. 시편 A~E의 평균 결정립 크기는 각각 11.
2. 모든 시편의 SEM 사진에서 ZnO 결정립(ZnO), 스피넬상(Zn2.33Sb0.67O4), Bi-rich상(Bi2O3), 입간상 등이 존재함을 알 수 있었다.
3. 전압-전류특성 곡선에서 예비항복영역, 항복영역, upturn 영역이 확연히 형성되고 있음을 알 수 있었다.
4. 1130℃ 소성온도에 대한 동작개시전압은 시편 D, E > A > B > C 순으로 나타났으며, 비직선지수는 전체적으로 30이상의 높은 특성을 나타내었고, 특히 시편 C는 68 이상의 매우 높은 값을 나타내고 있으며, 시편 B, C는 동작개시전압이 기준치보다 낮아 5kA용 소자로서는 부적합한 특성을 나타내었다.
5. 뇌충격제한전압은 시편 A, B, C, E가 기준에 적합한 제한전압 특성을 나타내고 있다. 시편 D는 뇌충격보호레벨을 초과하므로 5kA용 소자로서는 부적합한 특성을 나타내었다.
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