Design of very fast acting fuse element using the Ag-Cu alloy

Ag-Cu 합금을 이용한 매우 빠른 동작 특성의 퓨즈 엘리멘트 설계

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, very fast acting fuses should be applied. However, existing very fast acting characteristics fuse has less wire dimension of element Ag100% metal than that of fast acting fuse, and it is made of plating with low melting point metals, so it satisfy very fast acting but it can't satisfy durability and safety. For this reason, in this study, through the analyzing fusing characteristics of Ag-Cu alloy composition, the new alloy composition, which implement to very fast acting fuse without decrease of fuse elements dimension, is suggested. And this study classify the operating characteristics changes, a resistance change, and the rated current of the fuse in the overall composition change of Ag-Cu alloying. and it can be utilized for designing fuse.

1. 서 론

산업의 발전과 국민소득의 향상으로 다양한 전기기구의 보급이 보편화 되고 특히 에어컨, 세탁기, 등과 같이 대용량의 가전제품이 증가하면서 전기로 인한 화재의 발생은 빈번 해지고 있다. 전기기구에서 안정적이고 일정한 전류와 전압은 전기기기의 정상동작에 반드시 필요한 필수 조건이지만, 환경적 요인과 부품오동작, 쇼트 등으로 인해 전류와 전압의 이상동작은 언제든지 발생할 수 있는 위험 요소이다. 이중 전기기구의 이상전류는 대부분 회로내부에 발생한 쇼트와 스파크, 부품 고장 등에 인한 것으로, 이때 전체 회로 저항의 변화는 유입 되는 전류를 변화 시킨다. 특히 전체 저항의 하락은 유입전류의 상승으로 이어지며, 발열 및 화재를 동반하여 인명, 재산 피해까지 수반하게 된다[1]-[2].

과전류 보호소자(over current protector)인 퓨즈는 이런 전기기구의 내부 혹은 외부의 요인에서 시작된 과전류를 가용체의 용단으로 차단해 보호하는 소자이다. 기존의 퓨즈는 동작 특성적 분류로 크게 빠른 동작형(fast acting type)과 지연형(Time-lag type)의 두 종류로 IEC 60127 규격 상에서 정의되어 있지만, 전기기구의 다양화와 대용량화에 따라 세분화된 퓨즈의 동작특성이 요구되고 있다[3].

전기기구의 이상 전류로 인한 화재 중 가장 위험한 상황은 쇼트에 의한 전체회로의 저항이 낮아지는 경우이며. 특정조건에서 전체 회로 저항이 0옴에 근접할 때, 정전압 하에서 유입 전류는 이론상 거의 무한대의 전류가 전기기구로 유입된다. 그림 1와 같이 가장 일반적인 휴대폰 충전기의 쇼트 조건을 만들어 전류 유입 테스트에서도 그림 2와 같이 회로 입력 부에서 25A~35A의 전류가 충전기에 인가되었다. 이때 퓨즈가 용단 되어 제품의 손상과 화제 등에서 보호의 역할을 해야 하지만, 빠른 동작형의 퓨즈를 사용 하더라도, 상대적으로 느린 동작 속도 때문에 일부 회로 기판이 소손 되었으며, 이런 이상조건에서 안전한 동작을 위하여 세분화 된 퓨즈의 동작특성 중 매우 빠른 동작형(Very fast acting type)이 적용되어야 한다. 하지만 현재 적용 중인 매우 빠른 동작특성을 구현하기 위한 기술은 단지 퓨즈 엘리멘트의 선경을 줄여 빠른 동작특성의 퓨즈를 조금 더 빠르게 용단 시키는 기술만을 적용 중이다. 이렇게 퓨즈 엘리멘트를 구성 할 시 줄어든 선경으로 인하여 용단의 시간은 빠를 수 있지만, 그에 따라 퓨즈 엘리멘트의 선경과 직접적으로 비례하는 수명과 내구성의 하락을 막을 수 없다. 이에 본 연구에서는 Ag와 Cu의 합금 조성에 따른 용단 특성 분석을 통하여. 기존의 빠른 동작형 퓨즈 보다 더 빠른 용단 특성을 가지는 매우 빠른 동작형의 퓨즈 엘리멘트 특성을 선경의 변화 없이 구현하고자 한다. 그리고 합금의 용단특성을 분석하여 일반형 퓨즈, 지연형 퓨즈 등에도 활용하려 한다.

그림 1휴대폰 충전기 단락 테스트 Fig. 1 Mobile phone charger open-short circuit test

그림 2회로 단락 시험 돌입 전류 Fig. 2 Inrush current, short-circuit test

 

2. 본 론

일반적으로 빠른 동작형 퓨즈의 엘리멘트는 Ag100% 재료가 많이 사용되며, 지연형 퓨즈의 엘리멘트는 Cu100% 재료가 많이 사용된다. 이는 퓨즈의 동작 특성이 정격 전류의 1000%이상이 인가되는 영역에서의 용단 시간에 의해 결정 되는 것에 따른다[6]. 퓨즈의 종류마다 다르지만 보통 정격 전류의 1000%를 인가 시 빠른 동작형 퓨즈는 4ms이내, 지연형 퓨즈의 경우는 20ms이상의 용단 시간을 가져야 한다. 순은과 순동은 각각 이런 동작 특성을 결정하는 용단시간을 만족하면서 다른 특성들도 만족하기 때문에 가장 많이 사용 중이다. 하지만 서론에서 거론하였듯이 매우 빠른 동작특성을 구현하기 위하여 퓨즈 엘리멘트의 선경을 줄이는 방법으로 정격전류의 1000%이상 인가 시 1ms 이내에서 용단하게 하여 사용하고 있다. 그러나 그림 3와 같이 Ag-Cu 상태도상에 나타나 있는 Ag100%의 융점 981℃에 비하여 공정 조성을 가지는 Ag-Cu합금은 순은과 순동보다 낮은 융점을 가지는 조성이 많이 존재하며 특히 Ag-28wt%Cu는 융점이 779℃로 상당히 낮아, 퓨즈가 융점에 도달할 때까지 소요되는 시간을 Ag100%의 경우 보다 줄일 수 있을 것이라 예상 할 수 있다. 그리고 지연형 동작특성을 가지는 Cu100%와의 조성에 따른 합금을 통하여 매우 빠른 동작 특성 외에도, 여러 동작특성을 구현할 수 있을 것으로 보인다[4].

그림 3Ag-Cu 합금 상태도 Fig. 3 Phase diagram of AgCu bimetallic system adapted from the ASM Handbook

2.1 시료의 제작과 실험 과정

실험에 사용된 시료는 IEC60127-2 sheet2 and sheet3에 정의된 cartridge fuse low-breaking type의 재료와 치수를 기준으로 제품을 제작 하였다. 그리고 사용된 기판 또한 IEC60127-2 규격에 정의된 인증 test용 시험 기판을 사용하였다. 퓨즈의 body는 low breaking 특성 퓨즈에 사용되는 유리관을 사용 하였고, 캡(cap)은 Cu-30wt%Zn의 황동에 니켈도금을 한 재료를 사용하였다. 실험에 사용된 퓨즈와 테스트 기판의 형태 및 치수는 그림 4와 같다[3].

그림 4실험 퓨즈 및 테스트 기판의 형상 치수 Fig. 4 Fuse and substrate structure

퓨즈 엘리멘트의 형상은 원통형 환선 와이어로 고정하였고 선경은 0.15φ, 0.25φ, 0.35φ의 대조군을 두었다. 치수는 유리관 body의 대각에 삽입하여 모든 wire가 19.7±0.3mm 이내의 길이를 가지도록 시료를 제작하였다. 실험에 적용된 퓨즈 엘리멘트의 합금 조성은 표 1에 정리 하였다. 실험은 일곱 종류의 합금을 각 선경에 따라 21종류의 시료를 제작하여, 모든 시료의 불량 단선 여부 등을 확인하였다. 각 시료군은 최소 50개 이상의 예비 시료를 확보하고 기판 실장 후 모든 시료의 전기저항을 측정하고 주기하였다. 이후 모든 시료는 그림 5와 같이 DC Power supply를 사용하여 전류에 따른 용단 실험을 실시하였고, 각 전류에 따라 용단되는 시간을 분석하여 시험 결과를 도출 하였다. 용단 실험간 전류는 ICE60127-1에 정의된 DC 정전류 모드에서 변동 전압이 30V 이내 있도록 유지 하였다. 실험은 power supply BOB社 SGI 330/150 , oscilloscope Tektronix社 DPO 3022, 저항계측기 HIOKI社 3227 mΩ hitester를 사용하였다.

표 1본 연구에 사용된 합금의 조성 Table 1 The composition of the alloy used in this study

그림 5퓨즈 용단 시험 설비 Fig. 5 Test equipment of fuse short-circuit

2.2 전기 전도도 및 정격 실험 결과

퓨즈는 가장 중요한 안전 부품으로 보호를 제외한 어떠한 역할도 할 수 없으며, 때문에 규격에 다음과 같이 정의 되어 있다. “회로 설계에 영향을 미치지 않고, 단지 보호의 역할만 할 것.” 이로 인해 fuse의 저항은 제한적이고 이는 Voltage drop 측정치의 제한으로 정의되어있다. Voltage drop은 인가 전류와 시료의 저항에 따라 비례적으로 증가하며, 때문에 저항의 경향으로 해당 조건을 판단할 수 있다[5]. 금속 재료가 원통 모양의 환선일 경우 다음의 저항 일반 계산식이 적용된다.

여기서 단면적 A의 값을 대입하여 정리하면

동일 재료 내에서 불변하는 상수 값인 도전율과 π를 제외하면 다음의 식으로 표현 할 수 있다.

즉 저항은 선경의 제곱에 반비례하고 길이에 비례함을 알 수 있다. 해당 식에서 길이는 L , 직경은 D , 단면적은 A 도전률은 р, 저항은 R로 표기 하였다.

퓨즈의 저항 증가는 전류 통전 시 발열량과 비례하기 때문에 퓨즈의 정격과 밀접한 관련이 있다. 즉 퓨즈의 저항이 증가할수록 동일한 전류에서 퓨즈가 용단 되는 시간이 빨라지고 정격은 하락한다. 실험 결과 그림 6와 같이 순금속일 때 가장 전기 전도도가 우수 했으며, 합금의 함유량이 증가 할수록 저항치가 상승하는 경향을 보였다. 또한 길이가 고정일 경우 저항은 선경의 증가에 따라 감소하였다. 이는 어떤 금속이든 합금의 함량이 증가함에 따라 전기 전도도가 떨어지는 현상에 의한 것으로 금속 첨가에 따른 저항 상승 정도는 표 2와 같다[6].

그림 6Ag-Cu 합금의 조성과 선경에 따른 저항치 변화 Fig. 6 Change in resistance according to the wire diameter and the composition of Ag-Cu alloy

표 2Cu – base alloy에 각 원소 1% 함유 시 저항치 상승 정도 Table 2 Cu –base alloy in addition of 1% the other element, degree rise in resistance

퓨즈의 정격 전류는 한계전류의 정의로 정의 할 수 있으며, 한계 전류는 전류를 인가하였을 때 퓨즈가 용단되지 않고, 반영구적으로 동작하는 전류들 중 최댓값, 정상상태의 전류를 넘어선 과전류들 중 최솟값의 사이 값으로 정의 된다. 이 값은 fuse의 정격 전류를 결정하는 값으로, 퓨즈의 용단 특성인 I-T 그래프를 통해 얻을 수 있다.

* 한계 전류 ≃ 정격 전류

한계 전류에 영향을 미치는 인자는 식에 의한 계산을 통해 알 수 있다. 퓨즈의 정격은 에너지이며 전류상의 에너지 P는 다음과 같이 정의 된다.

해당식의 물성적 해석을 위하여 재료의 고유 물성인 저항의 범주로 식을 유도 한다

식 (4)를 식 (5)에 대입하여, 불변 상수 값을 제외시키면, 다음의 관계식을 얻을 수 있다.

*한계 전류는 선경에 비례 한다.

퓨즈의 정격 전류는 퓨즈 엘리멘트의 선경에 비례하며, 이는 동종 재료의 정격 전류를 상승시키기 위해서는 선경을 상승 시켜야 함을 보여 준다. 퓨즈의 정격전류를 확인하기 위해서는 모든 조건의 시료를 용단 시험해서 I-T 커브를 작성하여 그림 7과 같이 한계 전류를 확인해야 한다[7].

그림 7I-T curve에서 퓨즈의 정격 전류 Fig. 7 Rated current of the fuse in the I-T curve

모든 조건의 시료를 용단 시험하여 I-T 커브를 작성한 후 확인된 정격을 따른 선경과 합금조성에 따라 그림 8에 나타내었다. 시험 결과 퓨즈의 정격은 선경이 감소할수록 그리고 Ag100%에 근접 할수록 정격 전류가 감소하였고, 특히 Ag-50Cu, Ag-28Cu는 Ag100%보다 더 낮은 정격 특성을 보였다. 이는 퓨즈의 정격이 용단 시간에 의해 결정 되는 만큼 , 합금의 융점과 저항에 따른 발열정도의 변화에 따른 것이라 판단된다.

그림 8Ag-Cu 합금의 조성과 선경에 따른 정격 전류 변화 Fig. 8 Change in rated current according to the wire diameter and the composition of Ag-Cu alloy

2.3 동작 특성 실험 결과

퓨즈의 동작특성은 크게 빠른 동작 형과 지연 동작 형으로 나뉘며 세분하여, 매우 빠른, 보통 동작, 매우 느린 등으로 세분화 된다. 동작 특성은 높은 과전류 인가 상황에서의 용단 시간에 따라 결정되며, 이는 IEC 규격에 정의된 빠른 동작 특성의 퓨즈와 지연 동작 특성의 퓨즈의 1000% 용단 시간에서 확실히 구분 된다.

정의적 I2t 값은 전류에 대한 재료의 고유 에너지 값으로, 전류인가 시 재료의 용단시간을 측정해 확인 할 수 있지만 열의 이동으로 인한 열손실을 최소화 한 영역에서 확인 가능하다. 때문에 I2t 값은 정격 전류의 1000%이상의 전류가 인가 된 영역에서의 용단 시간에 따라 평가 할 수 있으며, 해당 영역에 I2t 값의 단순 비교만으로 동작특성의 판단 가능하다. 그림 9와 같이 퓨즈의 동작특성은 높은 전류가 인가되는 영역에서 결정된다. 퓨즈의 종류마다 다르지만 보통 정격전류의 1000%를 인가 시 빠른 동작형 퓨즈는 4ms이내, 지연형 퓨즈의 경우는 20ms이상의 용단 시간을 가져야 한다. 그리고 매우 빠른 동작특성은 빠른 동작특성보다 더 빠른 정격전류의 1000%인가 시 1ms이내에 용단할 것이 요구 된다.

그림 9I-T curve에서 퓨즈의 동작 특성 Fig. 9 Operating characteristics of thr fuse in the I-T curve

기존에 빠른 동작형 퓨즈로 사용하고 있는 Ag100%의 경우를 기준으로 동일한 선경에서 이보다 빠른 동작 특성은 매우 빠른 동작 특성으로 볼 판단할 수 있다. 실험 결과 그림 10와 같이 Cu-28Ag 만이 모든 선경에서 Ag100% 보다 더 빠른 동작 특성을 나타냈으며, 선경이 증가할수록 차이 역시 커졌다. 이는 선경의 감소 없이 퓨즈의 동작 시간을 감소시킨 것으로 퓨즈 엘리멘트의 선경 감소가 없는 만큼 내구성 상승을 예상할 수 있다. 그리고 앞선 정격전류 시험과 동작 특성 시험을 바탕으로 Cu-28Ag가 매우 빠른 동작 특성을 만족함을 확인 하였다.

그림 10Ag-Cu 합금의 조성과 선경에 따른 I2t값 변화 Fig. 10 Change in I2t according to the wire diameter and the composition of Ag-Cu alloy

 

3. 결 론

본 연구를 통해서 Ag-Cu금속의 합금에 따른 용단특성 변화 추이를 확인할 수 있었다. 기존에 퓨즈 재료로 사용 중인 Ag100%, Cu100% 금속에 도금을 하는 구조로 만족하지 못하는 다양한 특성을, 합금을 통해서 구현 가능했고, 이를 통해 좀 더 정밀한 정격, 동작특성을 가지는 퓨즈를 제작 할 수 있을 것이라 판단한다. 특히 문제가 되었던 매우 빠른 동작특성의 퓨즈의 특성을 퓨즈 엘리멘트의 선경 감소 없이 구현하여 내구성과 수명을 상승 시킬 수 있었다. 실험의 전반적인 내용을 정리하면 다음과 같다.

1. 선경이 커질수록 I2t 값이 급격히 증가 하며, 앞선 한계 전류와 상응하여 fuse의 동작을 결정 할 수 있다.2. I2t의 값은 “순수 Cu > Cu-Ag 합금 > 순수 Ag > Ag –28%Cu 합금” 으로 정리되며, Ag-28%Cu에서 Very fast acting type 동작 특성이 구현된다.3. 전반 적으로 Cu 계열에 가까울수록 지연형 동작 특성을 보이고 , Ag 계열에 가까울수록 빠른 동작 특성을 나타낸다. 실험결과 Ag-Cu 합금의 적용을 통해서 매우 빠른 동작 퓨즈뿐만 아니라 일반 동작형, 매우 느린 동작형 등의 퓨즈 특성을 구현 할 수 있었다.