바리스터의 이해

1. 어원

바리스터는 원어로 varistor이다.

variable과 resistor의 합성어로서, 소자에 걸리는 전압(voltage)이 어느 정도 높아지면 저항값(resistance value)이 현저히 낮아지는 2극 반도체를 말한다. (트랜지스터는 원어로 transistor이다. Transfer와 resistor의 합성어로서, 소자의 한 전극과 다른 전극 사이에 걸리는 전압, 또는 전류가 다른 전극간의 저항값을 변화시켜주는 3극 또는 4극 반도체를 말한다.)

2. 용도

바리스터는 전기 전자 장비를 고전압 서지에 대하여 그 서지를 그라운드로 연결함(shunt)으로써 보호하는데, 즉 SPD에 가장 많이 쓰인다. 바리스터 양 극에 걸리는 전압과 전류의 관계는 다음 식으로 표현된다.

I = k V ^α

여기서 α는 비직선성계수 또는 바리스터 효과라 하며, 3에서 35정도 값으로서 바리스터의 종류에 따라 다르다.

3. 종류

대표적인 바리스터에는 실리콘 카바이드 바리스터와 산화금속 바리스터가 있다.

가)   실리콘 카바이드 바리스터는 실리콘 카바이드 입자를 압착하여 소결한 양면에 전극을 형성한 것으로서 대칭적 특성을 가진다. 여기서 대칭적이라 한 것은 전압의 극성에 대하여 +든 –든 같은 특성을 가지는 것(특성을 그래프로 그릴 때 곡선이 원점에 대하여 대칭인 것을 말한다. 이 소자는 매우 높은 전력 수준에 적용한다. 따라서 주로 중 고압 전력 송전/배전선의 피뢰기(lightning arrester)에 쓰인다. α 값은 3에서 7이다.

나)   산화금속 바리스터(MOV)는 대부분 산화아연 분말을 주성분으로 도자기(세라믹)처럼 성형, 소결한 양면에 전극을 형성한 것으로서 역시 대칭적 특성을 가진다. 저전압에서 매우 높은 저항값을 유지하며, 제어 전압 영역에서 α는 25 이상이 된다. 주로 소비자 전기기기나 전자기기 내부의 서지 보호기로 쓰인다.

그 밖에 반도체 다이오드 종류도 포괄적으로 바리스터라 할 수 있겠으나, 일반적으로 말할 때는 바리스터에 포함하여 다루지는 않는다. 다이오드 종류의 바리스터는 α가 제어영역에서 대략 35 이상이 된다.

4. 산화아연 바리스터 제조

우리가 주로 다루는 것은 산화아연 바리스터이다. 이것은 1970년에 일본의 마쓰오카 M.과 그 동료들에 의하여 발표되었다(Non-ohmic Properties of Zinc Oxide Ceramics, Japan Journal of Physics 10(1970) p736~742).

산화아연 바리스터는 첨가하는 금속산화물에 따라, 그리고 소결(굽는 것) 온도와 시간, 가열 속도, 냉각 속도, 등에 따라 특성이 다르다.

<실험실 제조의 예>

99.9% 순도의 산화아연을 사용한다. 비스머스(Bi)와 프라세오디뮴(Pr), 티타늄(Ti), 세륨(Ce), 사마륨(Sm) 등 희토류(원소기호 57부터 71까지의 금속), 또는 코발트(Co), 망간(Mn), 안티모니(Sb: stibium), 크로뮴(Cr) 등의 금속산화물 아몰포스(amorphous) 중 한 두 가지를 1 mol % 이내로 첨가한다. 첨가물을 잘 섞은 다음 지르코늄 볼로 찧어, 이온을 제거한 물에 24시간 담근다. 150°C로 24시간 건조한 다음, 800°C로 2시간 예비 소결한다. 예비소결한 혼합물을 분쇄기로 잘 갈면서, 1.75%(무게)의 폴리비닐알코홀(PVA) 용액으로 몰탈을 만들어 75μm 체로 거른다. 적당한 크기로(예: 직경 20mm, 두께 1mm) 성형(압력은 약 2ton)한 다음 소결한다. 소결 온도는 1100 ~ 1300°C, 시간은 45 ~ 90 분이다. 소결한 판형의 양 면은 전극 형성을 위해 거울같이(1μm 다이아몬드 연마)하고, 열 처리(thermal etching)를 1100°C 가량의 온도에서 10 ~ 30분 한다. 양면에 은을 입히고 전극에 단자를 용접한다.

5. 산화아연 바리스터 특성 파라메타

산화아연 바리스터는 산화아연 알갱이(grain) 하나가 한 개의 n형 반도체이다. 이 반도체는 전류 100μA가 흐르는 항복전압이 약 3.3V(3~3.6V)이다. 알갱이 한 개의 크기(d)를 약 20μm라 보면 두께(t)가 1mm인 바리스터의 항복전압 어림셈은 다음과 같다.

가)   바리스터 전압(V_1mA): DC 전압을 바리스터에 가하여 전압을 천천히 올릴 때, 전류가 1mA 흐르는 전압. 브랙다운 전압(Break-down Voltage: BDV) 또는 항복전압(knee voltage)이라고도 한다.

나)   누설 전류(leakage current: LI): 바리스터 전압의 80% 전압에서 측정한 전류이다.

다)   비직선성 계수(Nonlinear coefficient: α): 바리스터 전압 보다 높은 전압(제어전압 영역)에서 전압변화 비율에 대한 전류변화 비율의 상용대수 비로서 다음과 같이 계산한다.

α = log(I₂/I₁) / log(V₂/V₁) =( logI₂ – logI₁ ) / ( logV₂ – logV₁ )

라)   최대 연속동작전압 또는 최대 허용전압(Max. Applied Continuous Voltage 또는 Maximum Allowable Voltage: V_max): AC와 DC로 구분 표시하는 허용 동작전압이다. 특성 변화 또는 피로현상이 전혀 없는 전압이며, 전류가 거의 흐르지 않는 최대 전압이다.

마)   클램핑 전압(Clamping Voltage: V_c): 바리스터의 크기(면적)에 따라 정한 전류(예: 직경 25mm인 경우 150A, 직경 40mm인 경우 300A)가 흐르는 제어전압이다.

바)   최대 첨두 전류(Maximum Peak Current: I_peak): 8/20μs 파형[상승시간 8μs이고 반치(피크값의 1/2 값) 지속시간 20μs인 파형]의 최대 첨두 허용전류이다. 보통 1회에 한한 값을 말한다. 여러 번 흘리면 조금씩 피로현상이 발생하여 허용전류가 줄어 들게 된다(V_1mA도 낮아짐). 1회 피크로 25mm 직경의 바리스터는 20kA이고 40mm 직경은 40kA이다.

사)   최대 허용 에너지(Miximum Permissible Energy: W_max): 바리스터에 가해지는 전압[V(t)]와 흐르는 전류[I(t)]에 다하여 파워P는 P = V(t) I(t)이므로, 바리스터가 흡수(소비)한 에너지 W는 아래 식으로 계산한다.

바리스터 제조 회사에서 발표하는 최대 허용 에너지는 대개 10/1000μs 파형을 가한 경우의 에너지이다.

T₁/T₂ 파형(상승시간 T₁, 반치지속시간 T₂ 인 파형, 단위 μs)의 경우 에너지의 어림셈은 다음과 같이 한다.

W = V_p I_p(1.4T₂ – 0.88 T₁) 10^-6

여기서 V_p, I_p는 각각 피크 전압과 피크 전류이다. 25mm 직경의 V_1mA 510V인 것은 최대 에너지가 440J (J: 에너지의 단위 joule, 1 J = 1 Watt · second)이고, 40mm 직경, V_1mA = 510V인 것은 640J이다.

아)   평균 소비 전력(Average Dissipated Power): 소비전력은 쉬고 있을 때와 서지에 의한 제어동작을 하고 있을 때로 구분하여 평균 소비전력을 표현할 수 있다.

1) 쉬고 있을 때는 P = VI이고, I = k V^α 이므로, 소비전력은 DC인 경우

Pc = KV^α+1

이고, AC인 경우는 평균 소비전력이

P_A = APc

이다. 교류가 사인파 전압이라면 DC인 경우와 같은 값이 된다. 바리스터 효과가 좋을 수록 Pc가 전압 변화에 민감하게 변화할 것이다.

2) 과도전압에 대하여는 바리스터의 열 발산율에 따른 온도 상승에 관련되며 파워를 인가할 때 온도상승을 ΔΤ라 하면

P = δ ΔΤ

로 표현된다. 어떤 메이커에서 표시하고 있는 최대 허용 전력은 바리스터의 직경에 따라 25mm인 것은 1W, 34mm 각형인 것은 1.4W, 직경 40mm인 것은 1.8W로 되어 있다.

자)   응답 시간(Response Time): 이는 반도체가 단자간에 가해지는 전압에 의해 도체(전류가 급격히 증가하는 상태)로 되는데 필요한 시간을 말한다. 소자 자체의 응답시간은 아주 짧아서 나노초(nano-second: ns: 10^-9초)이하에 불과하며, ESD 과도현상도 충분히 따라 잡게 되는 50A/ns의 전류변화율을 가진다. 바리스터의 단자 모양에 따라 단자가 인덕턴스를 가지므로 단자가 달리면 1ns를 초과하게 되며, 대개 15ns 정도로 발표하고 있다. [인덕턴스를 낮게 함은 빠른 응답특성(주파수 특성)을 요구하는 응용에서 바리스터(SPD) 배선의 중요성을 강조하는 이유이다.]

차)   대표 정전용량값(Typical Capacitance) 참고치: 바리스터는 전극 사이에 유전체가 들어있는 캐패시터라 할 수 있다. 따라서 정전용량을 가지고 있으며 두께와 면적에 따라 정전용량이 다르다. 참고치로 메이커에서 대표 정전용량값을 발표하고 있다. 면적이 클수록, 두께가 얇을수록 용량이 크다. 직경 25mm(최대 방전전류: 20kA)이고, 바리스터 전압(V_1mA)이 750V이며 직경 25mm(최대 방전전류: 20kA)인 것은 1kHz에서 약 1000pF이고, 직경 40mm(최대 방전전류: 40kA)인 것은 약 2400pF이다.

6. 바리스터 응용

가)   바리스터의 등가회로(Equivalent Circuit): 바리스터는 등가적으로 다음과 같이 구성된 것으로 본다.

산화아연알갱이 총 on 저항(r) + [경계면 총 정전용량(C) // 비직선성 가변저항(ρ)]

단, +는 직렬,  // 는 병렬 연결임. ρ는 전압의 함수임.

이 정전용량(C) 값으로 인하여 신호처리 부문에서는 주파수 특성에 지장을 주므로 응용에 제한을 받는다.

나)   반도체는 온도가 상승하면 전류가 아주 빠르게 증가하는 경향이 있고, 이로 인하여 다시 온도가 올라가서 반도체가 파괴된다(열폭주 파괴라 한다). 바리스터에서도 산화아연 셀(cell)이 서지 자극에 의하여 조금씩 파괴(쇼트)되고, 이에 따라 바리스터 전압, 즉 BDV가 낮아지면서 다시 전류가 증가하여 다른 셀이 파괴되는 연쇄반응이 일어날 수 있다. 이렇게 열폭주가 계속되면 바리스터 세라믹은 큰 소리를 내면서 쪼개진다. 이때 바리스터 표면의 도료가 탄화되면서 연소되기도 한다. 그러므로 바리스터 셀에 밀착하여 온도 감응 퓨즈를 넣을 필요가 있다.

다)   바리스터가 제어 영역에 들어가면 전류가 전압에 매우 민감하게 변하게 된다. 바리스터를 병렬로 연결하는 경우, BDV부근 전압에서는 BDV가 낮은 쪽 바리스터로 전류가 집중되어 흐르게 되지만, 더 높은 전압을 걸면 각 BDV 전압에서 높아질수록 거의 동등한 비율로 모든 바리스터에 전류가 나누어 흐르게 된다.