2.1 실험 샘플 설계 및 제작

션트의 허용오차를 최소화하기 위해서는 저항온도계수(Tem- perature Coefficient of Resistance:이하 T.C.R)의 관리가 요구 된다. 금속은 온도가 상승함에 따라 열에너지에 의한 금속 자유전자의 진동이 활발해져 전자의 이동을 방해하여 저항 값이 증가하는 현상이 발생한다. 이를 전자의 평균 자유 행로(Mean Free Path) 감소로 해석할 수 있으며 이렇게 저항 값이 온도에 따라 변화하는 비율을 저항온도계수라 한다⁽⁷⁾. 단일 순 금속의 T.C.R은 모든 금속에서 3000ppm이상으로, 이를 낮추기 위해 T.C.R을 안정시킬 수 있는 금속과의 합금 형태로 션트를 제작하여 사용하고 있다. 현재는 션트 금속으로 제작된 합금 중 가장 낮고 안정적인 T.C.R을 보유한 Cu-12wt%Mn-4wt%Ni(이하: 망가닌)이 25℃~125℃ 사이에서 표준 저항온도계수 ±50ppm/℃~±100ppm/℃로 허용오차 ±1%의 성능을 나타낸다. 하지만 현재 IoT 센싱 기반 정보통신 기기와 자율주행 자동차 등에서 해당 해석 션트의 허용오차 ±1% 성능은 정밀 감지가 어려운 성능으로 저감이 요구되고 있고, 또한 망가닌 금속의 높은 합금 비율로 인한 션트의 저저항 특성을 만족하기 어려워 사용이 제한적이다.

이에 합금의 함량을 낮추면서 저항온도계수도 조정할 수 있는 규소(Si), 망간(Mn)을 활용한 합금을 재설계하여 션트 금속으로 제조하였다. 해당 두 미량 첨가 금속은 온도에 대한 금속 고유의 특성이 가장 높은 온도까지 유지되는 금속으로 열역학적으로 높은 온도에서도 전기전도성이 유지되어 저항온도계수가 상승하지 않는다. 합금은 일반적인 션트 금속으로 사용되는 Cu-Ni 합금, Ni-Cr 합금, Cu-Mn 합금을 대상으로 저항온도 계수 안정화 물질을 미량 첨가하여 진공용융로에서 용융, 잉곳 형태로 제조하였고 조성은 표 1와 같다.

이후 분산화 열처리와 상하부 편석 제거를 통해 농도를 조정하고 압연 공정을 이용하여 판재 형태로 제조하였다.

제작된 합금의 조성을 확인하기 위해 EDX 분석을 수행하였으며, 표피 효과가 나타나지 않는 판재의 두께인 0.068mm로 소재를 가공하여 합금의 제작을 완료하였고 이와 같은 공정을 그림 2와 같이 정리하였다.

합금을 적용한 샘플은 그림 3과 같이 IoT 기반 실시간 전력 변화 감지 모니터링 시스템에서 요소 전류 변화에 대한 정밀 감지 역할을 수행하는 표면 실장형 션트 전류 센서 중 1W 정격의 63mm × 32mm 제품과 동일한 크기와 공법으로 제조하였다. 각각 초기 저항이 다른 합금에 대하여 그림 3과 같이 저항을 일정하게 만들기 위한 션트 합금에 트리밍 공정을 추가하였고 모든 샘플은 10mΩ으로 제작하여 50EA 이상의 예비시료를 확보하였다.

2.2 실험 방법

션트 전류 센서의 허용오차를 확인하기 위한 전기적인 특성으로는 제작 합금의 저항, 온도변화에 따른 저항변화, 단시간 과부하에 의한 저항변화, 장기 통전에 대한 소재 일정성, E.M.F 특성 변화에 의한 전위차 등을 측정하였다. 또한 동일 조성의 시료에서 온도 이외의 저항온도계수 변화요인을 확인하기 위한 내습 부하 시험과 상압 부하시험을 통하여 종합적인 션트의 성능을 판단하였다. 실험은 각 합금을 조성에 따른 표면 실장형 션트 제품으로 제작하여 모든 시료의 단선, 용접 불량 여부 등을 확인하였다. 각 시료군은 최소 50개 이상의 예비시료를 제작하여 시료의 전기저항을 측정하고 저항을 시료에 표시 하였다. 이후 DC파워 서플라이를 사용 전기적 부하를 가정하여 실험을 실시하였고, 온도에 따라 부하에 의한 저항변화와 환경에 의한 저항 변화 시험 결과를 도출하였다. 실험간 파워 서플라이 전류는 ICE60115-4에 정의된 DC 정 전류에서 모든 시험 간 변동 전압을 800V까지 상승이 가능한 전류 원을 사용하였다. 실험은 파워 서플라이 Power-soft社 800/8000, 오실로스코프 Tektronix社 DPO 3022, 저항계측기 Hiyoki社 3227 mΩ Hitester를 사용하였다.

2.3 실험 결과

환경적 요인과 외부 교란 요소에 대한 션트 전류 센서 저항 고정성의 변화 요인은 금속에서 온도에 의한 전기전도도 하락 현상으로 나타난다. 이는 자유전자의 진동에 의한 통전전류의 평균자유행로(Mean Free path)가 짧아지는 현상에 의한 것으로 이와 같은 특성은 션트 전류 센서의 저항온도계수, T.C.R을 통해 해석 할 수 있다. 일반적으로 T.C.R은 사용 기준 상온 25℃~125℃까지 저항변화를 측정하는 것이 기본이지만, 적용 완제품의 기준에 의해 0℃~100℃, 0℃~60℃(이차전지)등 고객의 요구에 따라 변경하여 측정하고 측정된 션트의 저항은 식(1)과 같이 계산하여 저항온도계수 값을 바탕으로 션트 전류 센서의 정격전력 및 허용오차, 감지의 한계 등 대부분의 션트 거동을 예측할 수 있는 중요한 지표로 활용된다⁽⁸⁾.

R: 고정저항기 측정 최저 온도에서의 저항

R: 고정저항기 측정 최대 온도에서의 저항

T: 측정 최초 온도 T: 측정 최대 온도

각 합금의 저항온도 계수를 확인하기 위하여 온도에 따른 저항의 변화를 측정 후 식(1)에 대입, 그림 4의 상용 션트 전류 센서 합금의 저항온도계수를 확인하였다.

실험 결과로부터 현재 표준 션트 저항으로 적용되고 있는 Cu-12wt%Mn 합금이 저항온도 계수 49.50ppm/℃로 가장 우수한 결과가 나타났고 이와 함께 Cu-3wt%Mn, Cu-5wt%Mn, Cu-9wt%Mn, Cu-14wt%Mn, Cu-45wt%Ni, Ni-20wt%Cr 또한 저항온도 계수 100ppm/℃ 이하 혹은 오차 범위 내에서 유사하게 나타나 식(2)~(3)과 같이 F급(허용오차 1%) 현행 션트 전류 센서의 기준을 만족하는 특성을 보유하였다.

T: 션트 사용 온도

식(2) IEC 60115-4 규격 션트의 허용오차 계산 방법에서 저항온도 계수 100ppm/℃의 션트를 85℃ 범위 내에서 사용한다면 환경에 의한 변화율은 식(3)과 같이 계산 할 수 있고 즉, 0.6%이내의 허용오차를 유지하기 위해서는 해당 온도 범위에서 100ppm/℃의 저항온도계수를 가진 소재를 적용해야 한다. 이상의 제작 합금에 대한 저항온도계수를 정리하여 그림 5와 같이 나타내었고 결과로부터 망간이 포함된 Cu-Mn 합금의 저항온도 계수가 우수한 것을 확인 할 수 있다.

이는 금속에서 나타나는 특성인 온도가 상승할수록 고유의 금속성이 감소하고 이상액체와 같은 상태로 회기 하는 특성에 의한 것으로 판단되며, 금속 중 망간과 규소(Si)가 가장 높은 온도 까지 고유 특성을 유지 할 수 있어 온도 상승에 따른 금속의 저항을 안정화 시킬 수 있는 것으로 판단된다⁽⁹⁾. 이와 같은 특성을 확인하기 위하여 실험 합금의 전기 음성도에 따라 미량의 Mn과 Si를 첨가하고 저항온도 계수의 변화를 확인 하였다.

그림 6의 결과로 부터 Si를 첨가한 Cu-Mn 합금과 Cu-Ni 합금은 저항온도계수의 유의차가 없는 것을 알 수 있고, Ni-Cr 합금과 Fe-Cr 합금은 일정 함량까지 저항온도계수가 낮아져 안정화됨을 알 수 있다. 또한 그림 7의 시험 결과로 부터 Mn을 첨가한 Cu-Ni 합금은 저항온도계수가 낮아져 안정화 되지만 Ni-Cr 합금과 Fe-Cr 합금은 변화가 없고 일부 저항온도계수가 상승함을 확인 할 수 있다. 이에 따라 Cu계열 합금은 Mn이 Fe, Ni, Cr 계열 합금은 Si가 저항온도계수 안정화 원소로 작용함을 확인 할 수 있다.

그리고 그림 7에 나타낸 Cu-45Ni-2Mn 합금의 경우 T.C.R이 38.35ppm/℃로 전체 실험 대상 합금 중 가장 낮은 저항온도계수를 보유하여 85℃ 사용 온도에 대한 허용오차를 0.23%까지 낮출 수 있다.

저항온도계수를 낮추기 위한 션트 금속의 고합금화는 통전전류에 대한 부하를 상승시키고 열의 이동속도가 낮아지기 때문에 단시간 과부하와 장기 정격 부하 그리고 열기전력 특성에서 성능확인이 필요하다. 그림 8과 같이 션트 전류 센서의 설계 금속과 전류 통전 단자 금속 간의 방열 방향과 속도에 따른 것으로 이때 발생하는 제백효과(Seebeck effect)에 의한 열기전력과 열이동 속도에 의한 부하 집중이 저항의 고정성을 저해하는 요인으로 작용한다^(10~11). 전기, 전자 제품 중 이종 금속간의 접합에서 발생하는 열기전력은 방향성이 존재하며 이를 최소화하기 위한 방법은 양단의 열이동 량과 속도를 조절하여 그림 8에서 (a)영역과 (b)영역의 전자이동 량 균형을 이루는 것과 션트 금속과 단자 금속 간 부하의 온도 구배를 줄이는 것으로 열기전력을 저감할 수 있고 저항온도 계수를 최소로 유지하여 단시간 과부하와 장기 정격 부하 성능을 개선 할 수 있다. 즉 션트의 저항온도계수 성능을 개선하는 고합금화와 단자금속과 션트금속의 열이동 온도구배를 낮게 유지하는 저 합금화는 서로 상반되는 특성으로 저항온도 계수의 성능 향상을 위한 합금화가 열기전력 성능을 저감하는 요인이 되는 것을 알 수 있다.

그림 9의 결과로부터 저항온도계수가 38.35ppm/℃로 낮게 유지되는 Cu-45Ni-2Mn 합금을 사용한 션트의 경우 고온부하, 내습부하, 정격부하의 환경적 요인에 의한 허용오차 한계 시험에서 상대적으로 높은 저항온도계수 1485.14ppm/℃를 보유한 Cu-5Ni 합금보다 모든 온도 구간에서 변화율이 안정되는 것을 확인 할 수 있다.

반면 열기전력의 경우 그림 10의 결과와 같이 저항온도계수가 상대적으로 낮고 단자와 금속의 유사도가 높은 Cu-5Ni 합금의 성능이 가장 우수한 특성을 나타내었고 Cu-45Ni-2Mn 합금은 낮은 온도에서의 열기전력을 만족하지 못하였다.

실험의 결과로부터 션트의 저항 고정성과 이종 금속간의 열기전력 특성은 재료적 개선 방법이 상반되는 특성으로 합금 재료 설계에 의한 특성 개선은 어려운 것으로 판단 할 수 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 단자 끝단 트리밍을 통한 단자의 체적 조정을 이용하여 열이동 양과 방향을 조정하였다. 그림 10의 열기전력 시험 결과에서 (+)전압이 인가 된 것은 그림 8의 구조에서 션트의 좌측 방향에서 우측 방향으로 전자가 이동한 것이며, 중심의 션트 금속에서 발생한 발열에서부터 양단으로 이동한 전자의 양이 동일하지 않으며 우측 단자의 방향으로 이동한 전자의 양이 많을 것을 나타낸다. 때문에 양단의 열전자의 이동양을 일정하게 유지하기 위해서는 우측 단자의 끝단 처리의 R곡률을 조정하여 단자 체적을 조정하였고 이에 따른 열기전력을 측정 하였다.

그림 11의 결과로부터 열이동 평형을 구현하기 위한 끝단의 체적 조정을 통하여 열기전력이 저감됨을 확일 할 수 있다. 60℃에서 5.1μV에 이르던 열기전력은 전자가 이동하는 방향인 그림 8의 (b)영역의 단자 끝단 곡률 조정으로 체적 저감과 이동 전류량이 1.8μV까지 안정화 되었다. 이와 같은 결과에서 열기전력은 이종소재의 부하에 대한 온도 구배뿐만 아니라 열이동의 방향과 양의 인자도 주요한 요인으로 작용하고 양단의 열이동 균형을 조정하여 기전력을 제어 할 수 있음을 알 수 있다.

열기전력 특성 시험과 저항온도계수, 정격부하, 내습부하, 고온부하 등의 시험 결과로부터 션트의 저항 고정성을 향상시키기 안정화 원소의 성능과 합금화에 따른 열기전력의 상승을 확인 하였고, 열이동 방향과 양을 조정하여 션트의 허용오차 정밀성을 향상 할 수 있어 적절한 합금과 구조 설계가 이루어 졌음을 알 수 있다.