[테크블랙홀] PTC 써미스터의 세라믹부 표면 증착 공법

군산대학교 물리학과 전자세라믹연구실(이용제 교수)이 PTC 써미스터의 세라믹 조성을 변화하지 않고 더 낮은 저항과 더 높은 절연 내력을 가지는 공법을 개발하였습니다.
새로운 공법은 PTC 써미스터의 전극부와 세라믹부 사이를 도금층을 삽입하여 접촉저항을 낮추며, 고전압에서 절연 파괴를 능력을 크게 높일 수 있는 기술입니다.
PTC 써미스터(Positive Temperature Coefficient Thermally Sensitive Resistor)는 온도 변화에 따라 물질의 저항값이 증가하는 전기적 특성을 이용합니다. 센서나 과전류 히터, 퓨즈 그리고 전자 소자 등에 광범위하게 쓰이고 있는데요.
한편 최근 PTC 써미스터의 고전압 환경이 접점 가혹해지면서 소자 내부의 전기적 특성이 열화되는 절연체의 파괴 빈도가 늘고 있습니다. 기존 스크린 프린팅으로 제조되는 전극층과 반도성 세라믹 간에 void나 이물질로 인해 국부적인 부위에 전계집중이 일어나고, 내부로 파고드는 tree를 형성하기 때문입니다.
PTC 써미스터에서 핵심 반도성 세라믹은 일반적으로 타이타늄산바륨(BaTiO3) 또는 스트론튬 티탄산염(SrTiO 3) 또는 티탄산 납(PbTiO3)을 소재로 합니다. 여기에 3가 원소(Sb, Y, La) 또는 5가 원소(Nb, Ta)를 첨가하면 과잉 전자가 발생하여 n 형 반도체의 성질을 띄게 되고, 큐리온도(Curie Temp)에서 급격한 저항 증가를 나타냅니다.
써미스터의 전극부는 은(Ag), 은-아연 합금(Ag/Zn) 또는 알루미늄(Al) 분말과 계면결합제를 활용하여 screen printing으로 제조합니다. 일반적으로 써미스터는 전극부는 직접 세라믹부와 맞닿게 설계합니다. 한편 고체와 고체가 서로 밀착될 때 형성되는 표면의 거칠기는 금속과 반도체의 전자 교환에 영향을 미치는 것으로 보고되고 있습니다.
저희가 개발한 PTC 써미스터 공정은 세라믹 부위와 전극 부위 사이의 굴곡을 덮는 등각의(conformal) 도금(buffer layer)층을 추가합니다.
screen printing만 적용하였을 때는 전극 속 금속 분말들이 작은 면적에서 접촉하여 상대적으로 저항이 커지게 됩니다. 하지만 세라믹 부 표면을 따라 도금하면 접점의 면적이 늘어나기 때문에 저항이 낮아지게 됩니다. 아울러 도금층이 세라믹 표면의 미세 구조를 따라 형성되기 때문에 금속은 침상 나노 구조를 가지며, 이로 인해 전자 방출을 용이하게 되어 절연파괴를 크게 저감할 수 있습니다.
일반적으로 반도체-금속 접촉에서 저항성 접촉의 조건은 타이타늄산바륨(BaTiO3)의 전자친화도보다 일함수가 높은 금속을 활용해야 합니다. 그런데 이 기술을 적용하면 기존의 알려진 것보다 스크린 프린팅 전극과 도금층 전극부 소재를 더욱 다양하게 구성할 수 있습니다. 그 이유는 절연 내력 증가 이유와 유사하게 침상 나노 구조에서 전자가 반도성 세라믹으로 쉽게 방출되기 때문입니다.
연구팀이 개발한 PTC 써미스터 공법은 낮은 저항과 높은 절연 내력을 구현할 수 있고, 전극을 다양하게 구성하여 제조비용을 낮출 수 있는 기술입니다. 이 기술은 기존 공정과정과 결합하여 응용할 수 있기 때문에 앞으로 고전압 고성능 PTC 써미스터 제조에 널리 활용할 수 있을 것입니다.
군산대학교 물리학과 전자세라믹연구실(이용제 교수)이 앞으로도 산업 현장에 필요한 전자세라믹스 기술과 그 연관 공법을 더욱 발전시켜 나가겠습니다.