精密 薄膜 積層 鍍金 方法을 利用한 빠른 動作 퓨즈 特性 設計 = Design of fast acting fuse characteristics using a precision multi-layer thin film plating

국문 초록 (Abstract)

산업의 발전과 국민소득의 향상으로 다양한 전기기구의 보급이 보편화 되고 에어컨, 세탁기, 냉장고 등과 같이 대용량의 가전제품이 증가 하면서 전기로 인한 화재의 발생은 빈번해 지고 있다. 전기기구에서 안정적이고 일정한 전류와 전압은 기기의 정상동작에 반드시 필요한 필수 조건이지만, 환경적 요인과 부품 오동작, short 등으로 인해 전류와 전압의 이상동작은 언제든지 발생 할 수 있다. 이중 전기기구의 이상 전류는 회로내부에서 발생한 short, spark, 부품 고장 증에 의한 것으로, 해당 상황이 발생 할 시 전체 회로의 저항이 변하여 유입되는 전류가 변화하게 된다. 특히 전체 저항의 하락은 정전압 특성의 전력체계에서 유입 전류의 상승으로 이어지며, 발열 및 화재를 동반하여 인명, 재산, 피해까지 수반하게 된다. 이와 같은 현상이 발생 할 시 필요한 것이 과전류 보호소자 이고, 과전류 보호소자(Over Current Protector)인 퓨즈는 전기기구의 내부 혹은 외부의 요인에서 시작된 과전류를 가용 체의 용단으로 차단해 화재로 부터 인명, 재산을 보호하는 소자이다.
최근 전력 산업의 패러다임 변화로 인한 저 탄소 녹색 성장이라는 기조 아래, 신재생 에너지의 발전을 핵심적으로 연구하는 산업과 기존 제품의 저 전력, 고효율 화를 추구하는 산업이 동반적으로 발전하고 있다. 이중 기존 제품의 저 전력, 고효율 화 추구는 전력의 소모량뿐만 아니라 사용되는 부품의 전반적인 변화를 이끌고 있으며, 이로 인해 보호소자인 퓨즈도 다양한 특성을 필요로 하게 되었다. 하지만 국내의 전자 산업이 현재 세계 시장을 선도하고 전 세계를 대상으로 고객의 요구 및 트렌드를 이끌어가며 가장 중요한 역할을 하는 산업 군으로 성장한 반면, 전자 제품 산업에 비하여 전자 부품 산업은 우수한 뿌리 기술을 확보한 해외 선진 기업과 가격 경쟁력을 앞세운 중국 및 동남아의 기업들 사이에서 세계적 경쟁력을 갖춘 국내의 브랜드가 없는 실정이고 때문에 국산화율도 상당히 낮은 실정이다. 특히 과전류 보호 소자인 퓨즈는 다른 전자 부품들 보다 국산화율이 낮은 부품으로, 여러 원인 중 고객이 추구하는 안전에 대한 신뢰성과 제품 원가에 직결되는 원소재의 가격이 핵심 요인이며, 때문에 다양해진 전기기구의 동작 특성요구에 기술적, 산업적 경쟁력을 갖춘 보호 소자를 제작하기 어려운 현실이다.
현재 산업적으로 가장 많이 사용되는 한류형 미니어처 퓨즈군의 5가지 동작 특성인 매우 느린 동작(TT), 지연 동작(T), 일반 동작(S), 빠른 동작(F), 매우 빠른 동작(FF)은, 전류에 의해 퓨즈 가용체가 용단되는 시간에 따라 결정되며, 때문에 각 동작에 따라 적용되는 가용 체의 재료가 다르다. 이중 빠른 동작형 퓨즈와 매우 빠른 동작형 퓨즈의 경우 일반적으로 귀금속인 순 은(Ag) 혹은 은(Ag) 합금을 적용한 퓨즈 가용체가 적용 되고 있으며, 은(Ag)의 경우 퓨즈 가용 체의 길이가 짧아 지지 않는 범위에서 빠른 동작 특성 구현이 용이하고 화학적 내식성이 좋아 빠른 동작 퓨즈 적용에 안정적인 금속이다. 하지만 은(Ag)의 가격으로 인하여 제품의 원가가 상승하게 되고, 원재료를 수입에 의존해야하는 국내의 실정상 빠른 동작 특성의 퓨즈는 가격 경쟁이 불가능하다. 때문에 상대적으로 가격이 낮고 전기전도도와 열전도도가 은(Ag)과 유사한 동(Cu)을 이용하여 퓨즈 가용 체의 형상과 표면 처리 조건을 조정하며 퓨즈의 빠른 동작 특성을 구현하기 위한 연구가 진행 중이다.
하지만 이와 같은 방법으로 퓨즈의 빠른 동작특성을 구현할 경우 목적이었던 기술력을 갖춘 제작원가 하락은 가공비용과 부속품 적용비용으로 효과는 적어지고, 구조가 복잡해져 생산성이 떨어지는 결과를 초래한다. 그리고 퓨즈 동작에 핵심이 되는 가용 체에 기계적 가공을 적용해 일정 성을 유지하기 어려워지고, 때문에 퓨즈의 동작 안정성과 수명도 감소하게 된다.
이에 본 연구에서는 저항 발열과 열 이동 속도가 퓨즈의 동작 시간에 미치는 영향을 규명하고, 이를 바탕으로 고정저항기의 부품 구조와 동(Cu), 주석(Sn)의 박막 적층 복합 도금을 이용하여 귀금속인 은(Ag)의 사용 없이 빠른 동작 특성의 퓨즈 가용 체를 설계하고자 한다. 또한 도금 층에 나선형 커팅 방법을 적용하여 퓨즈 가용체 동작의 안정성, 수명 유지, 그리고 가격 경쟁력까지 만족하는 빠른 동작 특성의 퓨즈를 구현하고자 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the development of the electronics industry and widespread supply of many different electrical appliances, the factors of the electrical fires are also diversified. For this reason, the fuse, safety-critical component, needs accurate and stable operating characteristics for preventing various fire factor, and also needs various operating characteristics. Especially when the all electrical resistance are dropped by internal short of circuit, high current inrushes and makes the fire. In order to prevent this, fast acting fuses should be applied. However, fuse elements manufactured solution for fast acting operation characteristics made using silver or silver alloy may not be able to dominate in competition with advanced global companies that make high technology and competitive price. In this study, the method that compose the fuse elements manufactured solution of fast acting operation characteristics by using precision multi-layer thin film plating and helical cutting process from low-priced copper metal. Furthermore, in order to move rated current line of fuse due to the heat loses, the manufacture construction method of fixed resistor is introduced, and then Ni-P plating layer and Sn plating layer are introduced multiply for controling fine opening time characteristics. So this study can establish the high productive and low-priced production method.

목차 (Table of Contents)

• Abstract ⅲ
• 1.서론 1
• 2. 이론적 배경 4
• 2.1 퓨즈(Fuse) 4
• 2.1.1 퓨즈의 정의 4
• 2.1.2 퓨즈의 개발역사 9
• 2.2 한계전류 형 퓨즈 12
• 2.2.1 퓨즈의 정격전류/정격전압 12
• 2.2.2 한류형 퓨즈의 동작특성 15
• 2.3 열 이동이 동작특성에 미치는 영향 18
• 2.4 Fast acting type fuse 설계 22
• 3. 실험방법 25
• 3.1 Ag-Cu계 합금 wire fuse 제조 25
• 3.2 Cu-Sn계 박막 도금 fuse제조 31
• 3.3 외부 세라믹 Case 적용 fuse 제조 37
• 4. 결과 및 고찰 43
• 4.1 Ag-Cu계 합금 wire fuse의 특성 43
• 4.2 Cu-Sn계 박막 도금 fuse의 특성 48
• 4.2.1 금속 박막 구성에 따른 동작 특성 48
• 4.2.2 정격전류/정격전압/동작특성 53
• 4.3 세라믹 case를 이용한 매우 빠른 동작 특성 구현 59
• 5. 결론 68
• 6. 참고문헌 69