KR101608226B1 - 감전보호소자 및 이를 구비한 휴대용 전자장치 - Google Patents
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Abstract
감전보호소자 및 이를 구비한 휴대용 전자장치가 제공된다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 감전보호소자는 전자장치의 인체 접촉가능 전도체와 내장 회로부 사이에 배치되며, 전도체로부터 정전기 유입시 절연파괴되지 않고 정전기를 통과시키며, 회로부의 접지로부터 유입되는 외부전원의 누설전류를 차단하며, 상기 전도체로부터 유입되는 통신 신호를 통과시키도록 하기의 식을 만족한다 :
Vbr > Vin
여기서, Vbr은 상기 감전보호소자의 항복전압,
Vin은 상기 전자장치의 외부전원의 정격전압.
Vbr > Vin
여기서, Vbr은 상기 감전보호소자의 항복전압,
Vin은 상기 전자장치의 외부전원의 정격전압.
Description
본 발명은 감전보호소자 및 이를 구비한 휴대용 전자장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전원에 의한 누설전류로부터 사용자를 보호하고, 외부의 정전기로부터 내부회로를 보호하며, 통신 신호의 감쇄를 최소화하여 전달할 수 있는 감전보호소자 및 이를 구비한 휴대용 전자장치에 관한 것이다.
최근 휴대용 전자장치는 심미성과 견고함을 향상시키기 위해 메탈 재질의 하우징의 채택이 증가하고 있는 추세이다.
그러나, 이러한 메탈 재질의 하우징은 재질의 특성상 전기전도도가 우수하기 때문에, 특정 소자를 통하여 또는 부위에 따라 외장 하우징과 내장 회로부 사이에 전기적 경로가 형성될 수 있다. 특히, 메탈 하우징과 회로부가 루프를 형성함에 따라, 외부의 노출면적이 큰 메탈 하우징과 같은 전도체를 통하여 순간적으로 높은 전압을 갖는 정전기가 유입되는 경우, IC 등의 회로부를 파손시킬 수 있기 때문에 이 대한 대책이 요구되고 있다.
한편, 이와 같은 휴대용 전자장치는 통상적으로 충전기를 사용하여 배터리를 충전한다. 이와 같은 충전기는 외부의 AC 전원을 DC 전원으로 정류한 후, 다시 트랜스포머를 통하여 휴대용 전자장치에 적합한 낮은 DC 전원으로 변환한다. 여기서, 트랜스포머의 전기적 절연성을 강화시키기 위해 트랜스포머 양단에 커패시터로 구성된 Y-CAP을 구비한다.
그러나, 비정품 충전기 등과 같이, Y-CAP이 정규 특성을 갖지 못하는 경우에는 Y-CAP에 의해 DC 전원이 충분히 차단되지 못할 수 있고, 더욱이, AC 전원에 의해 누설전류가 발생할 수 있으며, 이러한 누설전류는 회로의 접지부를 따라 전파될 수 있다.
이와 같은 누설전류는 휴대용 전자장치의 외장 케이스와 같이 인체가 접촉가능한 전도체에도 전달될 수 있기 때문에, 결과적으로 사용자에게 찌릿찌릿한 느낌의 불쾌감을 줄 수 있고, 심한 경우, 사용자가 감전에 의한 치명상을 입을 수 있다.
따라서, 메탈 케이스를 채용한 휴대폰과 같은 휴대용 전자장치는 이와 같은 누설 전류로부터 사용자를 보호하기 위한 방안이 요구되고 있다.
한편, 이와 같이 메탈 재질의 하우징을 구비한 휴대용 전자장치는 다기능화에 따라 기능별로 복수의 안테나를 구비하며 그 중 적어도 일부는 내장형 안테나로서, 휴대용 전자장치의 외장 하우징에 배치되거나, 메탈 하우징 자체를 안테나로 사용하는 추세이다.
이와 같은 경우, 안테나와 휴대용 전자장치의 내부 회로가 연결되어야 하는데, 이때, 통신 신호를 감쇄없이 내부회로로 원활하게 전달할 수 있어야 한다.
그러나, 상술한 바와 같이, 통신 신호의 효과적인 전달을 위해 해당 소자의 커패시턴스를 증가시키는 경우, 외부의 정전기에 의해 절연파괴되고, 따라서 해당 소자가 파손되는 문제점이 있다.
더욱이, 상술한 바와 같이 외부전원에 의한 누설전류를 차단하기 위한 높은 항복전압의 구현과 통신 신호를 전달하기 위한 고용량 커패시턴스의 구현은 서로 상반되는 효과 때문에 달성이 곤란하다. 따라서, 정전기로부터의 보호, 누설전류의 차단과 동시에 높은 커패시턴스를 구현할 수 있는 방안이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 정전기나 외부전원에 의한 누설전류로부터 내부 회로 및/또는 사용자를 보호하고 통신 신호의 감쇄를 최소화하여 전달할 수 있는 감전보호소자 및 이를 구비한 휴대용 전자장치를 제공하는 데 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 전자장치의 인체 접촉가능 전도체와 내장 회로부 사이에 배치되는 감전보호소자가 제공된다. 상기 감전보호소자는 상기 전도체로부터 정전기 유입시 절연파괴되지 않고 상기 정전기를 통과시키며, 상기 회로부의 접지로부터 유입되는 외부전원의 누설전류를 차단하며, 상기 전도체로부터 유입되는 통신 신호를 통과시키도록 하기의 식을 만족한다 :
Vbr > Vin
여기서, Vbr은 상기 감전보호소자의 항복전압,
Vin은 상기 전자장치의 외부전원의 정격전압.
또한, 상기 정격전압은 국가별 표준 정격전압일 수 있다.
또한, Vcp > Vbr이고, 여기서 Vcp는 커패시터층의 절연파괴 전압일 수 있다.
또한, 상기 통신 신호는 무선 통신 주파수 대역을 가질 수 있다.
또한, 상기 감전보호소자는, 복수의 시트층이 적층된 소체; 상기 소체의 내부에 일정 간격 이격되어 배치된 적어도 한 쌍의 내부전극, 및 상기 내부전극 사이에 형성된 공극을 포함하는 감전보호부; 및 상기 전도체로부터 유입되는 통신 신호를 통과시키는 적어도 하나의 커패시터층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 한 쌍의 내부전극은 동일 평면상에서 배치될 수 있다.
또한, 상기 공극은 내벽에 높이방향을 따라 일정 두께로 도포되는 방전물질층이 구비될 수 있다.
또한, 상기 공극은 상기 한 쌍의 내부전극 사이에서 복수개로 구비될 수 있다.
또한, 상기 방전물질층은 금속입자를 포함하는 비전도성 물질 또는 반도체 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 방전물질층은 상기 공극의 내벽을 따라 도포되는 제1부분과 상기 제1부분의 상단으로부터 외측으로 연장되는 제2부분 및 상기 제1부분의 하단으로부터 외측으로 연장되는 제3부분을 포함하고, 상기 제2부분은 상기 한 쌍의 내부전극 중 하나와 접촉되고, 상기 제3부분은 상기 한 쌍의 내부전극 중 다른 하나와 접촉될 수 있다.
또한, 상기 소체는 유전율을 갖는 절연체로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 내부전극은 Ag, Au, Pt, Pd, Ni, Cu 중 어느 하나 이상의 성분을 포함할 수 있다.
또한, 상기 커패시터층은 상기 감전보호부와 전기적으로 병렬 접속될 수 있다.
또한, 상기 커패시터층과 상기 감전보호부 사이의 간격은 상기 감전보호부의 상기 한 쌍의 내부전극 사이의 간격보다 클 수 있다.
또한, 상기 감전보호소자는, 제1바리스터 물질층 및 제2바리스터 물질층이 교대로 적층된 적어도 2개의 바리스터 물질층, 상기 제1바리스터 물질층 상에 일정 간격(L)으로 이격된 복수의 제1내부전극, 및 상기 제2바리스터 물질층 상에 일정 간격(L)으로 이격된 복수의 제2내부전극을 포함하는 감전보호부; 및 상기 전도체로부터 유입되는 통신 신호를 통과시키는 적어도 하나의 커패시터층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 항복전압(Vbr)은 가장 인접한 제1내부전극과 제2내부전극 사이에 각각 형성되는 단위 항복전압의 합일 수 있다.
또한, 상기 제1내부전극 및 상기 제2내부전극 각각은 적어도 일부가 중첩되도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1내부전극 및 상기 제2내부전극 각각은 서로 중첩되지 않도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1내부전극 또는 상기 제2내부전극의 이격 간격(L)은 상기 제1내부전극과 상기 제2내부전극 사이의 최단 거리(d1)와 이웃하는 다른 제2내부전극 사이의 최단 거리(d2)의 합보다 클 수 있다.
또한, 상기 제1바리스터 물질층 및 상기 제2바리스터 물질층은 ZnO, SrTiO3, BaTiO3, SiC 중 하나 이상을 포함하는 반도성 재료, 또는 Pr 및 Bi 계 재료 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 커패시터층은 상기 감전보호부와 전기적으로 병렬 접속될 수 있다.
또한, 상기 커패시터층과 상기 감전보호부 사이의 거리는 상기 제1내부전극과 상기 제2내부전극 사이의 최단 거리(d1)와 이웃하는 다른 제2내부전극 사이의 최단 거리(d2)의 합보다 클 수 있다.
또한, 상기 커패시터층은 복수의 시트층으로 이루어지고, 세라믹재료로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명은 인체 접촉가능 전도체; 회로부; 및 상기 전도체와 상기 회로부 사이에 배치되는 감전보호소자를 포함하는 감전보호기능을 갖는 휴대용 전자장치를 제공한다. 여기서, 상기 감전보호소자는 상기 전도체로부터 정전기 유입시 절연파괴되지 않고 상기 정전기를 통과시키며, 상기 회로부의 접지로부터 유입되는 외부전원의 누설전류를 차단하며, 상기 전도체로부터 유입되는 통신 신호를 통과시키도록 하기의 식을 만족한다 :
Vbr > Vin, Vcp > Vbr
여기서, Vbr은 상기 감전보호소자의 항복전압,
Vin은 상기 전자장치의 외부전원의 정격전압,
Vcp는 커패시터층의 절연파괴 전압.
또한, 상기 전도체는 상기 전자장치와 외부기기의 통신을 위한 안테나, 메탈 케이스, 및 도전성 장신구 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 메탈 케이스는 상기 전자장치의 하우징의 측부를 부분적으로 둘러싸거나 전체적으로 둘러싸도록 구비될 수 있다.
또한, 상기 메탈 케이스는 상기 전자장치의 하우징의 전면 또는 후면에 외부로 노출되도록 구비되는 카메라를 둘러싸도록 구비될 수 있다.
한편, 본 발명은 전자장치의 인체 접촉가능 전도체와 내장 회로부 사이에 배치되는 소자를 제공한다. 여기서, 상기 소자는 상기 전도체로부터 정전기 유입시 절연파괴 되지 않고 정전기를 통과시킴과 아울러 상기 회로부의 접지로부터 유입되는 외부전원의 누설전류를 차단하는 감전보호부; 및 상기 전도체로부터 유입되는 통신 신호를 감쇄 없이 통과시키도록 상기 감전보호부와 병렬 접속된 커패시터부;를 포함하고, 하기 식을 만족한다 :
Vbr > Vin, Vcp > Vbr
여기서, Vbr은 상기 감전보호소자의 항복전압,
Vin은 상기 전자장치의 외부전원의 정격전압
Vcp는 상기 커패시터부의 절연파괴 전압.
또한, 상기 감전보호부는, 복수의 시트층이 적층된 소체; 상기 소체의 내부에 일정 간격 이격되어 배치된 적어도 한 쌍의 내부전극; 및 상기 내부전극 사이에 형성된 공극;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 감전보호부는, 제1바리스터 물질층 및 제2바리스터 물질층이 교대로 적층된 적어도 2개의 바리스터 물질층, 상기 제1바리스터 물질층 상에 일정 간격(L)으로 이격된 복수의 제1내부전극, 및 상기 제2바리스터 물질층 상에 일정 간격(L)으로 이격된 복수의 제2내부전극을 포함할 수 있다.
또한, 상기 커패시터부는, 상기 감전보호부의 상부 및 하부 중 어느 하나, 또는 감전보호부의 상부 및 하부 모두에 일정 간격을 두고 배치되는 적어도 하나 이상의 커패시터층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 감전보호소자 및 이를 구비한 휴대용 전자장치는 메탈 케이스와 같은 전도체가 외부로 노출되는 휴대용 전자장치에서 전도체와 회로부를 연결하는 감전보호소자를 구비함으로써, 외부전원에 의한 누설전류 및 정전기로부터 사용자 및 내부 회로를 보호하고 높은 커패시턴스를 구현하여 통신 신호의 감쇄를 최소화하여 전달할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 감전보호소자를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 감전보호소자의 적용예를 나타낸 개념도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 감전보호소자의 (a)누설전류 및 (b)정전기(ESD), 및 (c)통신 신호에 대한 동작을 설명하기 위한 개략적 등가회로도이다.
도 4a 및 도 4b는 커패시턴스에 따른 통과 주파수 대역에 대한 시뮬레이션 결과를 나태는 그래프이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 감전보호소자의 일례를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 감전보호소자의 다른 례를 나타낸 도면이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일 실시예에 따른 감전보호소자의 또 다른 례를 나타낸 도면이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 감전보호소자의 적용예를 나타낸 개념도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 감전보호소자의 (a)누설전류 및 (b)정전기(ESD), 및 (c)통신 신호에 대한 동작을 설명하기 위한 개략적 등가회로도이다.
도 4a 및 도 4b는 커패시턴스에 따른 통과 주파수 대역에 대한 시뮬레이션 결과를 나태는 그래프이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 감전보호소자의 일례를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 감전보호소자의 다른 례를 나타낸 도면이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일 실시예에 따른 감전보호소자의 또 다른 례를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부가한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 감전보호소자(100)는 도 1 에 도시된 바와 같이, 전자장치의 인체 접촉가능 전도체(12)와 내장 회로부(14) 사이에 배치될 수 있다.
상기 감전보호소자(100)는 상기 전도체(12)로부터 정전기 유입시 절연파괴되지 않고 상기 정전기를 통과시키며, 상기 회로부(14)의 접지로부터 유입되는 외부전원의 누설전류를 차단하며, 상기 전도체(12)로부터 유입되는 통신 신호를 통과시키도록 하기의 식을 만족하는 항복전압(Vb)을 가질 수 있다 :
Vbr > Vin, Vcp > Vbr
여기서, Vin은 상기 전자장치의 외부전원의 정격전압,
Vcp는 상기 커패시터층의 절연파괴 전압.
이때, 상기 정격전압은 국가별 표준 정격전압일 수 있으며, 예를 들면, 240V, 110V, 220V, 120V, 110V, 및 100V 중 어느 하나일 수 있다.
이러한 감전보호소자(100)는 커패시터층을 구비한 바리스터 또는 커패시터층을 구비한 써프레서일 수 있으며, 이때, 상기 항복전압(Vbr)은 바리스터 또는 써프레서의 항복전압(또는 트리거전압)을 의미하며, 바리스터 또는 써프레서의 내부전극의 간격, 서로 중첩되는 내부전극의 면적, 적층된 시트층의 유전율, 내부전극 사이의 공극 체적, 및 방전물질층, 바리스터 재료의 입경, 직렬 연결되는 내부전극의 수에 따라 결정될 수 있다.
이와 같은 감전보호소자(100)는 도 2a에 도시된 바와 같이, 휴대용 전자장치(10)에서, 외장 메탈 케이스와 같은 전도체(12)와 회로부(14) 사이에 배치될 수 있다.
여기서, 상기 휴대용 전자장치(10)는 휴대가 가능하고 운반이 용이한 휴대용 전자기기의 형태일 수 있다. 일례로, 상기 휴대용 전자장치는 스마트폰, 셀룰러폰 등과 같은 휴대단말기일 수 있으며, 스마트 워치, 디지털 카메라, DMB, 전자책, 넷북, 태블릿 PC, 휴대용 컴퓨터 등일 수 있다. 이러한 전자장치들은 외부기기와의 통신을 위한 안테나 구조들을 포함하는 임의의 적절한 전자 컴포넌트들을 구비할 수 있다. 더불어, 와이파이 및 블루투스와 같은 근거리 네트워크 통신을 사용하는 기기일 수 있다.
이와 같은 휴대용 전자장치(10)는 금속(알루미늄, 스테인리스 스틸 등)과 같은 도전성 재료들, 또는 탄소-섬유 합성 재료 또는 기타 섬유 계열 합성물들, 유리, 세라믹, 플라스틱 및 이들을 조합한 재료로 이루어진 외부 하우징을 포함할 수 있다.
이때, 휴대용 전자장치(10)의 하우징은 금속으로 이루어지고 외부로 노출되는 전도체(12)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 전도체(12)는 상기 전자장치와 외부기기의 통신을 위한 안테나, 메탈 케이스, 및 도전성 장신구 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
특히, 상기 메탈 케이스는 상기 휴대용 전자장치(10)의 하우징의 측부를 부분적으로 둘러싸거나 전체적으로 둘러싸도록 구비될 수 있다. 또한, 상기 메탈 케이스는 상기 전자장치의 하우징의 전면 또는 후면에 외부로 노출되도록 구비되는 카메라를 둘러싸도록 구비될 수 있다.
이와 같이, 감전보호소자(100)는 누설전류 및 정전기로부터 내부의 회로를 보호하기 위해 휴대용 전자장치(10)의 인체 접촉가능한 전도체(12)와 회로부(14) 사이에 배치될 수 있다.
이와 같은 감전방지소자(100)는 상기 휴대용 전자장치(10)의 하우징에 구비되는 메탈 케이스의 개수에 맞춰 적절하게 구비될 수 있다. 다만, 상기 메탈 케이스가 복수 개로 구비되는 경우 각각의 메탈 케이스(12a,12b,12c,12d)는 모두 감전방지소자(100)가 개별적으로 연결되도록 상기 휴대용 전자장치(10)의 하우징에 내장될 수 있다.
즉, 도 2a에 도시된 바와 같이 상기 휴대용 전자장치(10)의 하우징의 측부를 둘러싸는 메탈 케이스와 같은 전도체(12)가 세 부분으로 이루어지는 경우 각각의 전도체(12a,12b,12c,12d)는 모두 감전방지소자(100)와 연결됨으로써 누설전류 및 정전기로부터 상기 휴대용 전자장치(10) 내부의 회로를 보호할 수 있다.
이때, 상기 감전방지소자(100)는 복수 개의 메탈 케이스(12a,12b,12c,12d)가 구비되는 경우 상기 메탈 케이스(12a,12b,12c,12d)의 해당 역할에 맞게 다양한 방식으로 구비될 수 있다.
일례로, 상기 휴대용 전자장치(10)의 하우징에 외부로 노출되는 카메라가 구비되는 경우 상기 카메라를 둘러싸는 전도체(12d)에 상기 감전방지소자(100)가 적용되는 경우, 상기 감전방지소자(100)는 누설전류를 차단하고 정전기로부터 내부회로를 방호하는 형태로 구비될 수 있다.
또한, 상기 메탈 케이스(12b)가 그라운드 역할을 수행하는 경우 상기 감전방지소자(100)는 상기 메탈 케이스(12b)와 연결되어 누설전류를 차단하고 정전기로부터 내부회로를 보호하는 형태로 구비될 수 있다.
한편, 도 2b에 도시된 바와 같이, 감전보호소자(100)는 메탈 케이스(12')와 회로기판(14') 사이에 배치될 수 있다. 이때, 감전보호소자(100)는 정전기를 자체 파손 없이 통과시키기 위한 것이기 때문에, 회로기판(14')은 정전기를 접지로 바이패스하기 위한 별도의 보호소자(16)를 구비할 수 있다. 여기서, 보호소자(16)는 써프레서 또는 바리스터일 수 있다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 감전보호소자(100)는 메탈 케이스(12')와 FFM(front End Module)(14a) 사이에서 정합회로(예를 들면, R 및 L 성분)를 통하여 배치될 수 있다. 여기서 메탈 케이스(12')는 안테나일 수 있다. 이때, 감전보호소자(100)는 통신 신호를 감쇄없이 통과시키는 동시에 메탈 케이스(12')로부터의 정전기를 통과시키고, 정합회로를 통하여 접지로부터 유입되는 누설전류를 차단시키기 위한 것이다.
도 2d에 도시된 바와 같이, 감전보호소자(100)는 안테나가 구비된 메탈 케이스(12')와 해당 안테나를 통한 통신 기능을 구현하는 IC(14c) 사이에 배치될 수 있다. 여기서, 해당 통신 기능은 NFC 통신일 수 있다. 이때, 감전보호소자(100)는 정전기를 자체 파손 없이 통과시키기 위한 것이기 때문에, 정전기를 접지로 바이패스하기 위한 별도의 보호소자(16)를 구비할 수 있다. 여기서, 보호소자(16)는 써프레서 또는 바리스터일 수 있다.
도 2e에 도시된 바와 같이, 감전보호소자(100)는 PIFA(Planar Inverted F Antenna) 안테나(20)의 쇼트 핀(short pin)(22)과 매칭회로 사이에 배치될 수 있다. 이때, 감전보호소자(100)는 통신 신호를 감쇄없이 통과시키는 동시에 메탈 케이스(12')로부터의 정전기를 통과시키고, 정합회로를 통하여 접지로부터 유입되는 누설전류를 차단시키기 위한 것이다.
이러한 감전보호소자(100)는, 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이, 외부전원에 의한 누설전류, 전도체(12)로부터 유입되는 정전기, 및 통신 신호에 따라 상이한 기능을 가질 수 있다.
즉, 도 3a에 도시된 바와 같이, 회로부(14)의 회로기판, 예를 들면, 접지를 통하여 외부전원의 누설전류가 전도체(12)로 유입되는 경우, 감전보호소자(100)는 그 항복전압(Vbr)이 누설전류에 의한 과전압에 비하여 크기 때문에, 오픈 상태로 유지될 수 있다. 즉, 감전보호소자(100)는 그의 항복전압(Vbr)이 휴대용 전자장치의 외부전원의 정격전압보다 크기 때문에, 전기적으로 도통되지 않고 오픈 상태를 유지하여 메탈 케이스 등과 같은 인체접촉 가능한 전도체(12)로 누설전류가 전달되는 것을 차단할 수 있다.
이때, 감전보호소자(100) 내에 구비된 커패시터층은 누설전류에 포함된 DC 성분을 차단할 수 있고, 누설 전류가 무선통신 대역에 비하여 상대적으로 낮은 주파수를 갖기 때문에, 해당 주파수에 대하여 큰 임피던스로 작용함으로써 누설전류를 차단할 수 있다.
결과적으로, 감전보호소자(100)는 회로부(14)의 접지로부터 유입되는 외부전원에 의한 누설전류를 차단하여 사용자를 감전으로부터 보호할 수 있다.
또한, 도 3b에 도시된 바와 같이, 전도체(12)를 통하여 외부로부터 정전기가 유입되면, 감전보호소자(100)는 써프레서나 바리스터와 같은 정전기 보호 소자로서 기능한다. 즉, 감전보호소자(100)는 바리스터인 경우, 바리스터의 항복전압(Vbr)이 정전기의 순간 전압보다 작기 때문에, 전기적으로 도통되어 정전기를 통과시키고, 써프레서인 경우, 정전기 방전을 위한 써프레서의 동작 전압이 정전기의 순간 전압보다 작기 때문에, 순간 방전에 의해 정전기를 통과시킬 수 있다. 결과적으로, 감전보호소자(100)는 전도체(12)로부터 정전기 유입시 전기적 저항이 낮아져 자체가 절연파괴되지 않고 정전기를 통과시킬 수 있다.
이때, 감전보호소자(100) 내에 구비된 커패시터층은 그 절연파괴 전압(Vcp)이 바리스터 또는 써프레서의 항복전압(Vbr)보다 크기 때문에, 정전기는 커패시터층(220a,220b)으로 유입되지 않고, 바리스터 또는 써프레서로만 통과될 수 있다.
여기서, 회로부(14)는 정전기를 접지로 바이패스하기 위한 별도의 보호소자를 구비할 수 있다. 결과적으로, 감전보호소자(100)는 전도체(12)로부터 유입되는 정전기에 의해 절연파괴되지 않고 정전기를 통과시켜, 후단의 내부 회로를 보호할 수 있다.
또한, 도 3c에 도시된 바와 같이, 전도체(12)를 통하여 통신 신호가 유입되는 경우, 감전보호소자(100)는 커패시터로서 기능한다. 즉, 감전보호소자(100)는 써프레서나 바리스터가 오픈 상태로 유지되어 전도체(12)와 회로부(14)를 차단하지만, 내부의 커패시터층이 유입된 통신 신호를 통과시킬 수 있다. 이와 같이, 감전보호소자(100)의 커패시터층은 통신 신호의 유입 경로를 제공할 수 있다.
여기서, 상기 커패시터층의 커패시턴스는 주요 무선 통신 대역의 통신 신호를 감쇄없이 통과시킬 수 있도록 설정되는 것이 바람직하다. 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 커패시턴스에 따른 통과 주파수 대역을 시뮬레이션한 결과에 따르면, 5㎊ 이상의 커패시턴스에 대하여 모바일 무선 통신 주파수 대역(700㎒ 내지 2.6㎓)에서 실질적으로 거의 손실 없이 전달되어 전기적으로 쇼트 현상을 나타낸다.
그러나, 도 4b에 도시된 바와 같이, 미세한 영향을 살펴보면, 대략 30㎊ 이상의 커패시턴스에서 통신시 수신감도의 영향을 거의 받지 않음을 알 수 있고, 따라서, 상기 커패시터층의 커패시턴스는 모바일 무선 통신 주파수 대역에서는 30㎊ 이상의 높은 커패시턴스를 이용하는 것이 바람직하다.
결과적으로, 감전보호소자(100)는 내부의 커패시터층의 높은 커패시턴스에 의해 전도체(12)로부터 유입되는 통신 신호를 감쇄없이 통과시킬 수 있다.
이하, 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 감전보호소자의 다양한 구현예를 더 상세하게 설명한다.
상기 감전보호소자(200)는 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 써프레서 형태일 수 있다. 이러한 감전보호자(200)는 소체, 감전보호부(210), 및 커패시터층(220a,220b)을 포함한다.
이때, 상기 소체는 감전보호부(210) 및 커패시터층(120a,120b)을 구성할 수 있도록 일면에 전극(211a,212a,221a,222a,223a,215a,225a,226a,227a,228a)이 구비된 복수의 시트층(211,212,213,221,222,223,224,225,226,227,228)이 순차적으로 적층되고, 각각의 일면에 구비된 복수의 전극들이 서로 대향되도록 배치된 후 소성 또는 경화 공정을 통해 일체로 형성된다.
이러한 소체는 유전율을 갖는 절연체로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 절연체는 세라믹재료, 저온 소결 세라믹(LTCC), 고온 소결 세라믹(HTCC) 및 자성재료로 이루어질 수 있다. 이때, 세라믹재료는 금속계 산화 화합물이며, 금속계 산화 화합물은 Er2O3, Dy2O3, Ho2O3, V2O5, CoO, MoO3, SnO2, BaTiO3, Nd2O3 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 내부전극(211a,212a)은 소체의 내부에 일정 간격 이격되어 형성되며, 적어도 한 쌍으로 이루어질 수 있다. 여기서, 제1내부전극(211a) 및 제2내부전극(212a)은 소체의 양단에 구비되는 외부전극(231,232)에 각각 전기적으로 연결될 수 있다.
이러한 내부전극(211a,212a)은 Ag, Au, Pt, Pd, Ni, Cu 중 어느 하나 이상의 성분을 포함할 수 있으며, 외부전극(231,232)은 Ag, Ni, Sn 성분 중 어느 하나 이상의 성분을 포함할 수 있다.
상기 내부전극(211a,212a)은 다양한 형상 및 패턴으로 구비될 수 있으며, 상기 제1내부전극(211a)과 제2내부전극(212a)은 동일한 패턴으로 구비될 수도 있고, 서로 다른 패턴을 갖도록 구비될 수도 있다. 즉, 내부전극(211a,212a)은 소체의 구성시 제1내부전극(211a)과 제2내부전극(212a)의 일부가 서로 대향하여 중첩되도록 배치되면 특정 패턴에 한정되지 않는다.
이때, 이러한 내부전극(211a,212a) 사이의 간격 및 서로 대향하는 면적 또는 서로 중첩되는 길이는 써프레서(200)의 항복전압(Vbr)을 만족하도록 구성될 수 있으며, 예를 들면, 상기 내부전극(211a,212a) 사이의 간격은 10~100㎛일 수 있다.
한편, 서로 대응되는 한 쌍의 전극(211a,212a) 사이에는 정전기를 방호하고 과전압으로부터 회로 보호 소자 및 주변 회로들을 보호하기 위한 방호시트층(213)이 배치된다.
이러한 방호시트층(213)은 상기 한 쌍의 내부전극(211a,212a) 사이에 중공형으로 이루어진 적어도 하나의 공극형성부재(215)가 구비된다. 이를 위해, 방호시트층(213)은 공극형성부재(215)가 구비되는 위치에 관통홀이 형성될 수 있다.
구체적으로 설명하면, 상기 소체는 상부면에 제1내부전극(211a)이 구비되는 제1시트층(211)과, 하부면에 제2내부전극(212a)이 구비되는 제2시트층(212)이 서로 적층되며, 상기 제1시트층(211) 및 제2시트층(212)의 사이에는 방호시트층(213)이 배치된다.
즉, 상기 제1내부전극(211a) 및 제2내부전극(212a)이 서로 마주할 수 있도록 제1시트층(211), 방호시트층(213) 및 제2시트층(212)을 순차적으로 적층한다.
이에 따라, 상기 제1내부전극(211a) 및 제2내부전극(212a)은 서로 마주하도록 배치된 후 상기 방호시트층(213)에 의해 서로 일정간격 이격배치되며, 상기 제1내부전극(211a) 및 제2내부전극(212a)은 일측이 상기 공극형성부재(215)와 각각 접촉된 상태로 배치된다.
한편, 상기 제1시트층(211)과 제2시트층(212)의 사이에 배치되는 방호시트층(213)은 적어도 하나의 관통홀이 관통형성된다.
여기서, 상기 관통홀은 상기 방호시트층(213)을 기준으로 상,하부에 각각 배치되는 제1내부전극(211a) 및 제2내부전극(212a)이 서로 겹쳐지는 영역에 위치하도록 형성된다.
이때, 상기 관통홀에는 공극형성부재(215)가 구비될 수 있다. 이러한 공극형성부재(215)는 내부전극(211a,212a) 사이에 배치되며, 내벽에 높이방향을 따라 일정 두께로 도포되는 방전물질층(125a,125b,125c)을 포함할 수 있다.
대안적으로, 공극형성부재(215)를 별도로 구비하지 않은 경우, 상기 관통홀의 내벽에는 높이방향을 따라 방전물질층이 일정두께로 도포될 수 있다.
여기서, 상기 공극형성부재(215) 또는 그에 도포된 방전물질층은 상부단이 상기 제2내부전극(212a)과 접하고 하부단이 상기 제1내부전극(211a)과 각각 접하도록 구비된다.
이러한 공극형성부재(215)에 의해 한 쌍의 내부전극(211a,212a) 사이에 공극(216)이 형성될 수 있다. 이러한 공극(216)에 의해 외부로부터 유입된 정전기는 내부전극(211a,212a) 사이에서 방전될 수 있다. 이때, 내부전극(211a,212a) 사이의 전기적 저항이 낮아지고, 감전보호소자(200) 양단의 전압차를 일정 값 이하로 감소시킬 수 있다. 따라서, 감전보호부(220)는 절연파괴되지 않고 정전기를 통과시킬 수 있다.
여기서, 상기 방전물질층(225a,225b,225c)을 구성하는 방전물질은 유전율이 낮고 전도도가 없으며, 과전압 인가시 쇼트(short)가 없어야 한다.
이를 위해, 상기 방전물질은 적어도 한 종의 금속입자를 포함하는 비전도성물질로 이루어질 수 있으며, SiC 또는 실리콘 계열의 성분을 포함하는 반도체물질로 이루어질 수 있다. 더불어, 상기 방전물질은 SiC, 카본, 그라파이트 및 ZnO 중에서 선택된 1종 이상의 재료와, Ag, Pd, Pt, Au, Cu, Ni, W, Mo 중에서 선택된 1종 이상의 재료를 소정의 비율로 혼합하여 이루어질 수도 있다.
일례로, 상기 제1내부전극(211a) 및 제2내부전극(212a)이 Ag 성분을 포함하는 경우, 상기 방전물질은 SiC-ZnO계의 성분을 포함할 수 있다. SiC(Silicon carbide) 성분은 열적 안정성이 우수하고, 산화 분위기에서 안정성이 우수하며, 일정한 도전성과 도열성을 가지고 있으며, 낮은 유전율을 갖는다.
그리고, ZnO 성분은 우수한 비선형 저항특성 및 방전특성이 있다.
SiC와 ZnO는 각각 별도로 사용시 둘 다 전도성이 있으나, 서로 혼합 후 소성 진행하면 SiC 입자 표면에 ZnO가 결합됨으로써 절연층을 형성하게 된다.
이와 같은 절연층은 SiC가 완전히 반응하여 SiC 입자 표면에 SiC-ZnO 반응층을 형성한다. 이에 따라, 상기 절연층은 Ag 패스를 차단하여 방전물질에 한층 더 높은 절연성을 부여하고, 정전기에 대한 내성을 향상시켜 써프레서(120)를 전자부품에 장착시 DC 쇼트 현상을 해결할 수 있게 된다.
여기서, 상기 방전물질의 일례로써 SiC-ZnO계의 성분을 포함하는 것으로 설명하였지만 이에 한정하는 것은 아니며, 상기 방전물질은 상기 제1내부전극(211a) 및 제2내부전극(212a)을 구성하는 성분에 맞는 반도체 물질 또는 금속입자를 포함하는 비전도성 물질이 사용될 수 있다
이때, 상기 공극형성부재(215)의 내벽에 도포되는 상기 방전물질층(215a,215b,215c)은 공극형성부재(215)의 내벽을 따라 도포되는 제1부분(215a)과 상기 제1부분(215a)의 상단으로부터 상기 방호시트층(213)의 상부면을 따라 제1내부전극(211a)과 대향하여 접촉하도록 연장되는 제2부분(215b) 및 상기 제1부분(215a)의 하단으로부터 상기 방호시트층(213)의 하부면을 따라 제2내부전극(212a)과 대향하여 접촉하도록 연장되는 제3부분(215c)을 포함할 수 있다.
이를 통해, 상기 방전물질층(215a,215b,215c)은 상기 공극형성부재(215)의 내벽뿐만 아니라 상기 공극형성부재(215)의 상부단과 하부단으로부터 상기 제2부분(215b) 및 제3부분(215c)이 각각 연장되도록 형성됨으로써 상기 제1내부전극(211a) 및 제2내부전극(212a)과의 접촉면적을 넓힐 수 있도록 한다.
이러한 구성에 의해, 상기 방전물질층(215a,215b,215c)을 구성하는 성분의 일부가 정전기 스파크에 의해 기화됨에 따라 방전물질층(215a,215b,215c)의 일부가 손상되더라도 상기 방전물질층(215a,215b,215c)이 제 기능을 수행할 수 있도록 함으로써, 정전기에 대한 내성을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 방호시트층(213)은 복수의 공극형성부재(215)가 구비될 수도 있다. 이와 같이, 상기 공극형성부재(215)의 개수가 증가되면, 정전기의 방전 경로가 증가됨으로써, 정전기에 대한 내성을 높일 수 있다.
상기 제1시트층(211) 및 제2시트층(212) 사이에 배치되는 방호시트층(213)은 상기 제1시트층(211) 및 제2시트층(212)과 동일한 면적을 갖도록 구비될 수도 있지만, 서로 대응되는 제1내부전극(211a) 및 제2내부전극(212a)이 겹쳐지는 면적을 포함하고 상기 제1시트층(211) 및 제2시트층(212)보다 좁은 면적을 갖도록 구비될 수도 있음을 밝혀둔다.
상기 커패시터층(220a,220b)은 안테나와 같은 전도체(12)로부터 유입되는 통신 신호를 감쇄없이 통과시키기 위한 것으로, 감전보호부(210)와 전기적으로 병렬 접속될 수 있다. 예를 들면, 커패시터층(220a,220b)은 감전보호부(210)의 상부 및 하부 중 적어도 하나 또는 상부 및 하부 모두에 배치될 수 있다.
여기서, 커패시터층(220a,220b) 각각은 복수의 시트층이 적층된 것일 수 있다. 이때, 커패시터층(220a,220b)을 구성하는 복수개의 시트층은 유전율을 갖는 절연체로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 세라믹 재료로 이루어질 수 있다.
예를 들면, 세라믹 재료는 Er2O3, Dy2O3, Ho2O3, V2O5, CoO, MoO3, SnO2, BaTiO3 중 선택된 1종 이상을 포함하는 금속계 산화 화합물로 이루어지거나, 페라이트로 이루어질 수 있으며, 저온동시소성세라믹(LTCC) 또는 고온동시소성세라믹(HTCC) 등이 사용될 수 있다. 더불어, 상기 세라믹 재료는 ZnO 계열의 바리스터 재료, 또는 Pr 및 Bi 계 재료 등이 사용될 수도 있으며, 금속계 산화 화합물로 언급한 Er2O3, Dy2O3, Ho2O3, V2O5, CoO, MoO3, SnO2, BaTiO3는 일례로서 이해되어야 할 것이며 언급하지 않은 다른 종류의 금속계 산화 화합물 역시 사용될 수 있음을 밝혀둔다.
이때, 상기 커패시터층(220a,220b)을 구성하는 복수의 커패시터 전극들은 서로 마주하는 한 쌍의 커패시터 전극 사이의 간격(d1)이 15~100㎛의 범위를 갖도록 구비될 수 있으며, 예를 들면, 20㎛의 간격을 갖도록 구비될 수 있다.
한편, 감전보호소자(200)는 감전보호부(210)와 커패시터층(220a,220b)이 서로 다른 전극 간격 및 전극 폭으로 구성될 수 있다.
즉, 서로 대향하여 배치된 한 쌍의 내부전극(211a,212a) 사이의 간격은 커패시터 전극(221a,222a,223a,224a,225a,226a,227a,228a) 사이의 간격과 동일할 수 있다.
이때, 감전보호부(210)와 커패시터층(220a,220b) 사이의 간격은 한 쌍의 내부전극(211a,212a) 사이의 간격보다 클 수 있다.
즉, 상기 한 쌍의 내부전극(211a,212a)을 따라 흐르는 정전기 또는 누설전류가 인접한 커패시터 전극으로 누설되지 않도록 내부전극(211a,212a)과 충분한 간격을 확보하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 커패시터층(220a,220b)과 상기 감전보호부(210) 사이의 거리는 15~100㎛일 수 있으며, 상기 한 쌍의 내부전극(211a,212a) 사이의 간격보다 2배이상 큰 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 한 쌍의 내부전극(211a,212a) 사이의 간격이 10㎛인 경우, 상기 커패시터층(220a,220b)과 상기 감전보호부(210) 사이의 거리는 20㎛이상일 수 있다.
이와 같이, 감전보호소자(100)는 커패시터층(220a,220b)을 구비함으로써, 정전기를 통과시키고, 외부전원의 누설전류를 차단하는 기능과 아울러, 사용하고자 하는 목적에 따른 통신 대역에 적합한 커패시턴스를 용이하게 제공할 수 있다. 즉, 이와 같은 커패시터층(115a,115b)에 의해, 정전기에 대하여 내부 회로를 보호하기 위한 써프레서, 바리스터 또는 제너 다이오드와 함께 RF 수신감도를 높이기 위한 별도의 부품을 같이 사용하던 종래와는 달리, 하나의 감전보호소자(100)를 통해 정전기에 대한 보호는 물론 RF 수신감도를 높일 수 있는 장점이 있다.
다른 실시예로서, 도 6에 도시된 바와 같이, 감전보호소자(300)는 일정 간격 이격되어 수평으로 배치된 한 쌍의 내부전극(314a,314b)을 포함할 수 있다. 즉, 적어도 한 쌍의 시트층(311,312)의 내부에는 내부전극(314a,314b)이 공극을 형성하도록 서로 이격 배치된다. 바람직하게는 상기 한 쌍의 내부전극(314a,314b)은 동일 평면상에서 평행한 방향으로 일정간격 이격배치된다.
여기서, 한 쌍의 내부전극(314a,314b) 사이에는 공극(320)이 형성될 수 있다. 여기서, 공극(320)은 한 쌍의 내부전극(314a,314b)의 높이보다 큰 높이로 형성될 수 있고, 한 쌍의 내부전극(314a,314b)의 간격보다 큰 너비로 형성될 수 있다. 이와 같이, 공극(320)의 체적이 확장되면, 정전기에 의한 방전시 내부전극(314a,314b)으로부터 미세한 파티클이 발생하더라도 내부전극(314a,314b) 사이의 공간이 넓기 때문에 파티클에 의해 발생할 수 있는 결함의 발생률을 감소시킬 수 있다. 이때, 상기 공극은 정전기 유입시 한 쌍의 내부전극(314a,314b)에 의해 방전이 개시되는 공간으로서, 상기 공극의 체적은 정전기에 대한 내성을 만족하도록 설정하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 공극의 체적은 상기 감전보호소자(300)의 총 체적 대비 1-15%일 수 있다.
구체적으로 설명하면, 상기 한 쌍의 내부전극(314a,314b)은 상기 제1시트층(311)의 상부면에 간극을 형성하도록 상호 이격배치된다. 여기서, 상기 한 쌍의 내부전극(314a,314b) 사이의 간극은 10~100㎛일 수 있다. 이와 같은 한 쌍의 내부전극(314a,314b)은 상기 제1시트층(311)의 상부면에 패턴인쇄된다.
이때, 서로 대응되는 한 쌍의 내부전극(314a,314b) 사이에는 정전기를 방호하고 과전압으로부터 회로 보호 소자 및 주변 회로들을 보호하고 누설전류를 차단하기 위한 공극(320)이 구비된다.
이러한 공극(320)은 동일 평면상에 서로 평행하게 배열되는 상기 한 쌍의 내부전극(314a,314b) 사이에 배치되며 공기가 채워질 수 있도록 중공형으로 구비되며, 상기 공극(320)의 개방된 상부측에 상기 제2시트층(312)이 적층된다.
이와 같은 공극(320)은 복수개로 구비되어 상기 내부전극(314a,314b)의 폭방향을 따라 이격 배치될 수도 있다. 이와 같이, 상기 공극(320)의 개수가 증가되면, 정전기의 방전 경로가 증가됨으로써, 정전기에 대한 내성을 향상시킬 수 있다.
이때, 상기 공극(320)은 상기 제1시트층(311)의 상부면으로부터 상기 내부전극(314a,314b)의 상부단까지의 높이를 초과하는 높이를 갖도록 형성된다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 공극(320)은 내부전극(314a,314b)의 전체높이보다 초과하는 높이를 갖도록 구비됨으로써 전체적인 공극(320)의 체적이 확대될 수 있도록 한다.
이를 통해, 정전기의 방전시 상기 내부전극(314a,314b)으로부터 미세한 파티클이 발생하더라도 넓은 공간을 갖는 공극(320)을 통해 파티클에 의해 발생할 수 있는 결함의 발생률을 감소시킬 수 있다.
이때, 상기 공극(320)은 서로 이격배치되는 한 쌍의 내부전극(314a,314b)의 상부면 또는 하부면 상으로 연장되도록 구비될 수 있다.
더불어, 상기 공극(320)은 한 쌍의 내부전극(314a,314b)의 폭과 동일한 폭으로 구비될 수 있으며, 이때, 상기 공극(320)은 한 쌍의 내부전극(314a,314b)의 두께보다 크게 구비될 수 있다.
이와 같은 공극(320)은 상기 한 쌍의 내부전극(314a,314b) 사이에 공극재가 패턴인쇄된 후 소결과정에서 가해지는 열에 의해 상기 공극재가 제거됨으로써 형성된다. 여기서, 상기 공극재는 제1시트층(311) 및 제2시트층(312)을 적층한 후 소체를 형성하기 위하여 압착하는 과정에서 상기 공극(320)이 압력에 의해 변형되거나 파손되는 것을 방지하기 위하여 사용된다.
이를 위해, 상기 공극재는 고온의 열에 의해 분해되는 재질로 이루어짐으로써 복수의 시트층을 적층한 후 소성하는 과정에서 제거될 수 있도록 한다. 일례로, 상기 공극재는 200~2000℃ 사이의 온도범위에서 분해되는 재질로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 한 쌍의 내부전극(314a,314b)은 다각형, 원형, 타원형, 나선형 및 이들이 조합된 다양한 형상 및 패턴으로 구비될 수 있다. 그리고, 서로 대향되는 내부전극들은 서로 동일한 패턴 및 형상으로 구비될 수도 있고, 다른 패턴 및 형상을 갖도록 구비될 수도 있다.
한편, 상기 한 쌍의 내부전극(314a,314b)이 서로 마주하는 단부 사이에는 일정간격 이격되는 간극이 형성되고, 상기 간극의 중심으로 그 부근에 상기 공극(320)이 구비된다. 이때, 상기 공극(320)의 내벽에는 상기 내부전극(314a,314b)의 높이방향을 따라 일정 두께로 도포되는 방전물질층이 구비된다. 이때, 상기 방전물질층은 상기 공극(320)의 내벽에만 구비될 수도 있지만, 상기 공극(320)의 개방된 상부를 덮도록 도포될 수도 있음을 밝혀둔다. 즉, 상기 방전물질층은 상기 공극(320)의 내벽뿐만 아니라 상기 공극(320)의 개방된 상부단을 연결하여 연장될 수 있다.
한편, 상기 소체를 구성하는 제1시트층(311) 및 제2시트층(312)은 제1시트층(311)의 상부에 제2시트층(312)이 직접 적층될 수도 있지만, 상기 제1시트층(311)의 상부면에 형성되는 한 쌍의 내부전극(314a,314b) 및 공극(320)의 높이에 해당하는 별도의 버퍼층이 적층될 수도 있다. 이러한 버퍼층은 내부전극(314a,314b)의 높이 및 공극(320)의 높이에 해당하는 높이편차를 없애주는 역할을 수행한다.
상기 감전보호소자는 도 7a 내지 도 7c에 도시된 바와 같은 감전보호소자(400)일 수 있다. 이러한 감전보호소자(400)는 감전보호부(410) 및 커패시터층(420a,420b)을 포함한다.
감전보호부(410)는 바리스터 물질층(412,414) 및 복수의 내부전극(416,416',418)을 포함한다.
이때, 상기 바리스터 물질층은 제1바리스터 물질층(410) 및 제2바리스터 물질층(420)이 교대로 적어도 2개의 층으로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 제1바리스터 물질층(410) 및 상기 제2바리스터 물질층(420)은 ZnO, SrTiO3, BaTiO3, SiC 중 하나 이상을 포함하는 반도성 재료, 또는 Pr 및 Bi 계 재료 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 바리스터 물질층은 바리스터 물질의 입경이 항복전압(Vbr)을 만족할 수 있도록 설정하는 것이 바람직하다.
상기 내부전극은 제1바리스터 물질층(410) 상에 일정 간격(L)으로 이격된 복수의 제1내부전극(412,412') 및 제2바리스터 물질층(420) 상에 일정 간격(L)으로 이격된 복수의 제2내부전극(422)을 포함할 수 있다.
여기서, 바리스터(400)의 항복전압(Vbr)은 가장 인접한 제1내부전극(412,412')과 제2내부전극(422) 사이에 각각 형성되는 단위 항복전압의 합일 수 있다. 즉, 바리스터(400)의 항복전압(Vbr)은 제1내부전극(412,412')과 제2내부전극(422) 사이에 각각 형성되는 단위 항복전압, 및 전기적으로 직렬 형성되는 제1내부전극(412,412')과 제2내부전극(422)의 개수에 따라 결정될 수 있다.
상기 제1내부전극(412,412') 및 상기 제2내부전극(422) 각각은 적어도 일부가 중첩되지 않도록 배치될 수 있다. 즉, 상기 제1내부전극(412,412') 및 상기 제2내부전극(422) 각각은 적어도 일부가 중첩되도록 교차 배치되거나, 서로 중첩되지 않도록 서로의 사이에 교차 배치될 수 있다.
이때, 상기 제1내부전극 또는 상기 제2내부전극은 정전기 또는 누설전류가 내부전극(412,412',422)의 인접한 외부전극(미도시)으로 누설되지 않고, 내부전극(412,412',422) 사이에서 정상적으로 진행할 수 있도록 간격이 설정되는 것이 바람직하다.
예를 들면, 하나의 제1내부전극(412,412')과 이웃하는 제2내부전극(422) 사이의 이격 간격(L)은 상기 제1내부전극(412,412')과 상기 제2내부전극(422) 사이의 최단 거리(d1)와 상기 이웃하는 다른 제2내부전극(422) 사이의 최단 거리(d2)의 합보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.
이와 함께, 상기 제2내부전극(422)은 인접한 외부전극(미도시)과의 거리가 제1내부전극(412,422) 사이의 이격 간격보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.
구체적으로 설명하면, 상기 제1바리스터 물질층(410)은 두 개의 제1내부전극(412,412')이 구비될 수 있고, 상기 두 개의 제1내부전극(412,412')은 동일 평면상에 나란하게 이격 배치될 수 있다.
그리고, 상기 제2바리스터 물질층(420)은 일면에 제2내부전극(422)이 구비될 수 있다.
이때, 상기 제1바리스터 물질층(410) 및 제2바리스터 물질층(420)은 상기 제2내부전극(422)이 두 개의 제1내부전극(412,412')과 상하방향으로 일정간격 이격된 상태로 배치될 수 있도록 상,하방향으로 적층된다.
더불어, 상기 제2내부전극(422)은 양 단부측이 상기 두 개의 제1내부전극(412,412')의 일단부측과 서로 일정영역 중첩될 수 있도록 배치될 수 있다. 이를 위해, 상기 제2내부전극(422)의 중앙부가 상기 두 개의 제1내부전극(412,412') 사이에 형성되는 간극(L1)의 중앙부에 위치되도록 배치될 수 있다.
여기서, 두 개의 제1내부전극(412,412')이 형성되는 제1바리스터 물질층(410)은 도 8a에 도시된 바와 같이, 하나의 제2내부전극(422)이 형성되는 제2바리스터 물질층(420)의 상부에 적층될 수도 있고, 선택적으로, 제2바리스터 물질층(420)의 하부에 적층될 수도 있다.
도 8b에 도시된 바와 같이, 감전보호부(410)는 제1내부전극(416,416') 및 제2내부전극(418)에 의해 형성되는 단위 소자가 병렬로 복수 개로 구비될 수 있다. 즉, 감전보호부(410)는 두 개의 제1내부전극(416,416')이 형성된 두 개의 제1바리스터 물질층(412)과 하나의 제2내부전극(418)이 형성된 하나의 제2바리스터 물질층(414)이 교대로 적층되는 형태일 수 있다.
이때, 상기 두 개의 제1바리스터 물질층(412)은 상기 제2바리스터 물질층(414)의 상,하부에 각각 배치되는 형태로 적층될 수 있다. 여기서, 상기 제2바리스터 물질층(414)에 형성된 제2내부전극(418)은 양 단부측이 상부에 배치되는 제1내부전극(416,416') 및 하부에 배치되는 제2내부전극(418)의 일단부측과 각각 일정영역 중첩되도록 배치된다.
그리고, 상기 제2바리스터 물질층(414)의 상부에 배치되는 제1내부전극(416,416')과 제2바리스터 물질층(414)의 하부에 배치되는 제1내부전극(416,416')은 상,하 방향으로 나란하게 배치될 수 있고, 수직한 방향으로 이격배치되는 제1내부전극들(416,416')의 사이에 제2내부전극(418)이 배치될 수 있다.
이때, 상기 제2내부전극(418)의 중앙부는 동일 평면상에 배치되는 두 개의 제1내부전극(212,412') 사이에 형성되는 간격(L)의 중앙부에 위치되도록 배치될 수 있다.
이와 같은 제1바리스터 물질층(412) 및 제2바리스터 물질층(414)은 상술한 바와 같은 제1내부전극(416,416') 및 제2내부전극(418)의 간격(d1,d2) 또는 그 사이의 간격(L)을 만족하면서 다양한 적층 순서로 배치될 수 있다.
예를 들면, 상기 두 개의 제2바리스터 물질층(414)은 상기 제1바리스터 물질층(412)의 상,하부에 각각 배치되는 형태로 적층될 수 있다.
여기서, 상기 제2바리스터 물질층(414)에 형성된 제2내부전극(418)은 양 단부측이 상부와 하부에 각각 이격 배치되는 한 쌍의 제1내부전극(416,416')과 서로 중첩되는 위치에 배치될 수 있다.
이때, 상기 제2내부전극(418)은 정전기 또는 누설전류가 외부전극(미도시)으로 누설되지 않고, 제1내부전극(212')으로 정상적으로 진행할 수 있도록 간격이 설정되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 제2내부전극(418)은 인접한 외부전극(미도시)과의 거리가 제1내부전극(416,416') 사이의 간격(d1,d2)보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 제1바리스터 물질층(412) 및 제2바리스터 물질층(414)을 복수 적층함에 따라 정전기의 방전 경로가 증가됨으로써, 정전기에 대한 내성을 향상시킬 수 있다.
한편, 제1내부전극(412,412') 및 제2내부전극(422)은 그 사이에 형성되는 단위 항복전압에 따라 바리스터(400)의 항복전압(Vbr)을 만족하기 위한 개수가 결정될 수 있다. 즉, 제1내부전극(412,412') 및 제2내부전극(422)에 의해 형성된 단위 소자는 2개인 경우로 설명하였으나, 이에 한정되지 안하고, 단위 항복전압의 크기에 따라 복수개로 형성될 수 있다.
이와 같이, 제1바리스터 물질층(410) 및 제2바리스터 물질층(420)을 복수 적층함에 따라 정전기의 방전 경로가 증가됨으로써, 정전기에 대한 내성을 향상시킬 수 있다.
이와 같은 바리스터(400,400')는 제1내부전극(412,412')과 제2내부전극(422)이 바리스터 물질층에 구비되기 때문에, 정전기 인가시, 바리스터 물질의 비선형 전압 특성에 의해 제1내부전극(412,412')과 제2내부전극(422) 사이의 전기적 저항이 낮아져 정전기를 통과시킬 수 있다. 따라서, 바리스터 물질은 순간적으로 높은 정전기에 의해서도 절연파괴되지 않고 정전기를 통과시킬 수 있다.
상기 커패시터층(420a,220b)은 안테나와 같은 전도체(12)로부터 유입되는 통신 신호를 감쇄없이 통과시키기 위한 것으로, 감전보호부(410)와 전기적으로 병렬 접속될 수 있다. 예를 들면, 커패시터층(420a,420b)은 감전보호부(410)의 상부 및 하부 중 적어도 하나 또는 상부 및 하부 모두에 배치될 수 있다.
여기서, 커패시터층(420a,420b) 각각은 복수의 시트층이 적층된 것일 수 있다. 이때, 커패시터층(420a,420b)을 구성하는 복수개의 시트층은 유전율을 갖는 절연체로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 세라믹 재료로 이루어질 수 있다.
예를 들면, 세라믹 재료는 Er2O3, Dy2O3, Ho2O3, V2O5, CoO, MoO3, SnO2, BaTiO3 중 선택된 1종 이상을 포함하는 금속계 산화 화합물로 이루어지거나, 페라이트로 이루어질 수 있으며, 저온동시소성세라믹(LTCC) 또는 고온동시소성세라믹(HTCC) 등이 사용될 수 있다. 더불어, 상기 세라믹 재료는 ZnO 계열의 바리스터 재료, 또는 Pr 및 Bi 계 재료 등이 사용될 수도 있으며, 금속계 산화 화합물로 언급한 Er2O3, Dy2O3, Ho2O3, V2O5, CoO, MoO3, SnO2, BaTiO3는 일례로서 이해되어야 할 것이며 언급하지 않은 다른 종류의 금속계 산화 화합물 역시 사용될 수 있음을 밝혀둔다.
이때, 상기 커패시터층(420a,420b)을 구성하는 복수의 커패시터 전극들은 서로 마주하는 한 쌍의 커패시터 전극 간의 간격이 15~100㎛의 범위를 갖도록 구비될 수 있으며, 예를 들면, 20㎛의 간격을 갖도록 구비될 수 있다.
또한, 상기 커패시터층(420a,420b)과 감전보호부(410) 사이의 거리는 상기 제1내부전극(416)과 상기 제2내부전극(418) 사이의 최단 거리와, 상기 이웃하는 다른 제1내부전극(416')과 제2내부전극(418) 사이의 최단 거리의 합보다 클 수 있다.
즉, 상기 제1내부전극(416,416') 또는 상기 제2내부전극(418)을 따라 흐르는 정전기 또는 누설전류가 인접한 커패시터 전극으로 누설되지 않도록 내부전극(416,416',418)과 충분한 간격을 확보하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 커패시터층(420a,420b)과 상기 감전보호부(410) 사이의 거리는 15~100㎛일 수 있으며, 상기 제1내부전극(416,416')과 상기 제2내부전극(418) 사이의 간격보다 2배이상 큰 것이 바람직하다. 예를 들면, 제1내부전극(416,416')과 상기 제2내부전극(418) 사이의 간격이 10㎛인 경우, 상기 커패시터층(420a,420b)과 상기 감전보호부(410) 사이의 거리는 20㎛ 이상일 수 있다.
이와 같이, 감전보호소자(100)는 커패시터층(420a,420b)을 구비함으로써, 정전기를 통과시키고, 외부전원의 누설전류를 차단하는 기능과 아울러, 사용하고자 하는 목적에 따른 통신 대역에 적합한 커패시턴스를 용이하게 제공할 수 있다. 즉, 이와 같은 커패시터층(124a,124b)에 의해, 정전기에 대하여 내부 회로를 보호하기 위한 써프레서, 바리스터 또는 제너 다이오드와 함께 RF 수신감도를 높이기 위한 별도의 부품을 같이 사용하던 종래와는 달리, 하나의 소자를 통해 정전기에 대한 보호는 물론 RF 수신감도를 높일 수 있는 장점이 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10 : 휴대용 전자장치 12a,12b,12c,12d : 전도체
14 : 회로부 100,200,300 : 감전보호소자
211,212,311,312: 시트층 211a,212b,314a,314b: 내부전극
231,232,331,332 : 외부전극 225 : 공극형성부재
125a,125b,125c,324 : 방전물질층 216,320 : 공극
410,420 : 바리스터 물질층
412,412',422 : 내부전극
14 : 회로부 100,200,300 : 감전보호소자
211,212,311,312: 시트층 211a,212b,314a,314b: 내부전극
231,232,331,332 : 외부전극 225 : 공극형성부재
125a,125b,125c,324 : 방전물질층 216,320 : 공극
410,420 : 바리스터 물질층
412,412',422 : 내부전극
Claims (31)
- 전자장치의 인체 접촉가능 전도체와 내장 회로부 사이를 연결하는 감전보호소자로서,
상기 전도체로부터 유입되는 정전기를 통과시키며, 상기 회로부의 접지로부터 유입되는 외부전원의 누설전류를 상기 전도체로 전달되지 않도록 차단하는 감전보호부; 및
상기 감전보호부의 양단과 병렬 접속되고, 상기 전도체로부터 유입되는 통신 신호를 통과시키는 커패시터부를 포함하는 감전보호소자. - 제1항에 있어서,
상기 감전보호부는 하기의 식을 만족하고,
Vbr > Vin,
여기서, Vbr은 상기 감전보호부의 항복전압이며,
Vin은 상기 전자장치의 외부전원의 정격전압이고,
상기 정격전압은 국가별 표준 정격전압인 감전보호소자. - 제1항에 있어서,
상기 감전보호부와 상기 커패시터부는 하기의 식을 만족하는 감전보호소자.
Vcp > Vbr이고,
여기서, Vbr은 상기 감전보호부의 항복전압,
Vcp는 상기 커패시터부의 절연파괴 전압 - 제1항에 있어서,
상기 통신 신호는 무선 통신 주파수 대역을 갖는 감전보호소자. - 제1항에 있어서,
상기 감전보호부는,
복수의 시트층이 적층된 소체; 및
상기 소체의 내부에 일정 간격 이격되어 배치된 적어도 한 쌍의 내부전극을 포함하고,
상기 커패시터부는 적어도 하나의 커패시터층을 포함하는 감전보호소자. - 제5항에 있어서,
상기 한 쌍의 내부전극은 동일 평면상에서 배치되는 감전보호소자. - 제5항에 있어서,
상기 감전보호부는 상기 한 쌍의 내부전극 사이에 형성된 공극을 더 포함하는 감전보호소자. - 제7항에 있어서,
상기 공극은 상기 한 쌍의 내부전극 사이에서 복수개로 구비되는 감전보호소자. - 제7항에 있어서,
상기 공극은 내벽에 높이방향을 따라 일정 두께로 도포되는 방전물질층이 구비되는 감전보호소자. - 제9항에 있어서,
상기 방전물질층은 상기 공극의 내벽을 따라 도포되는 제1부분과 상기 제1부분의 상단으로부터 외측으로 연장되는 제2부분 및 상기 제1부분의 하단으로부터 외측으로 연장되는 제3부분을 포함하고,
상기 제2부분은 상기 한 쌍의 내부전극 중 하나와 접촉되고, 상기 제3부분은 상기 한 쌍의 내부전극 중 다른 하나와 접촉되는 감전보호소자. - 제5항에 있어서,
상기 소체는 유전율을 갖는 절연체로 이루어지는 감전보호소자. - 제5항에 있어서,
상기 내부전극은 Ag, Au, Pt, Pd, Ni, Cu 중 어느 하나 이상의 성분을 포함하는 감전보호소자. - 제9항에 있어서,
상기 방전물질층은 금속입자를 포함하는 비전도성 물질 또는 반도체 물질로 이루어지는 감전보호소자. - 제5항에 있어서,
상기 커패시터부와 상기 감전보호부 사이의 간격은 상기 감전보호부의 상기 한 쌍의 내부전극 사이의 간격보다 큰 감전보호소자. - 제1항에 있어서,
상기 감전보호부는,
제1바리스터 물질층 및 제2바리스터 물질층이 교대로 적층된 적어도 2개의 바리스터 물질층, 상기 제1바리스터 물질층 상에 일정 간격(L)으로 이격된 복수의 제1내부전극, 및 상기 제2바리스터 물질층 상에 일정 간격(L)으로 이격된 복수의 제2내부전극을 포함하고,
상기 커패시터부는 적어도 하나의 커패시터층을 포함하는 감전보호소자. - 제15항에 있어서,
상기 감전보호부의 항복전압(Vbr)은 가장 인접한 제1내부전극과 제2내부전극 사이에 각각 형성되는 단위 항복전압의 합인 감전보호소자. - 제15항에 있어서,
상기 제1내부전극 및 상기 제2내부전극 각각은 적어도 일부가 중첩되도록 배치되는 감전보호소자. - 제15항에 있어서,
상기 제1내부전극 및 상기 제2내부전극 각각은 서로 중첩되지 않도록 배치되는 감전보호소자. - 제15항에 있어서,
상기 제1내부전극 또는 상기 제2내부전극의 이격 간격(L)은 상기 제1내부전극과 상기 제2내부전극 사이의 최단 거리(d1)와 이웃하는 다른 제2내부전극 사이의 최단 거리(d2)의 합보다 큰 감전보호소자. - 제15항에 있어서,
상기 제1바리스터 물질층 및 상기 제2바리스터 물질층은 ZnO, SrTiO3, BaTiO3, SiC 중 하나 이상을 포함하는 반도성 재료, 또는 Pr 및 Bi 계 재료 중 어느 하나인 감전보호소자. - 제1항에 있어서,
상기 감전보호부와 상기 커패시터부는 하기의 식을 만족하는 감전보호소자.
Vbr > Vin, Vcp > Vbr이고,
여기서, Vbr은 상기 감전보호부의 항복전압,
Vin은 상기 전자장치의 외부전원의 정격전압,
Vcp는 상기 커패시터부의 절연파괴 전압 - 제15항에 있어서,
상기 커패시터부와 상기 감전보호부 사이의 거리는 상기 제1내부전극과 상기 제2내부전극 사이의 최단 거리(d1)와 이웃하는 다른 제2내부전극 사이의 최단 거리(d2)의 합보다 큰 감전보호소자. - 제15항에 있어서,
상기 커패시터층은 복수의 시트층으로 이루어지고, 세라믹재료로 이루어지는 감전보호소자. - 인체 접촉가능 전도체;
회로부; 및
상기 전도체와 상기 회로부 사이를 연결하는 청구항 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 기재된 감전보호소자를 포함하는 감전보호기능을 갖는 휴대용 전자장치. - 제24항에 있어서,
상기 전도체는 상기 전자장치와 외부기기의 통신을 위한 안테나, 메탈 케이스, 및 도전성 장신구 중 적어도 하나를 포함하는 감전보호기능을 갖는 휴대용 전자장치. - 제25항에 있어서,
상기 메탈 케이스는 상기 전자장치의 하우징의 측부를 부분적으로 둘러싸거나 전체적으로 둘러싸도록 구비되는 감전보호기능을 갖는 휴대용 전자장치. - 제25항에 있어서,
상기 메탈 케이스는 상기 전자장치의 하우징의 전면 또는 후면에 외부로 노출되도록 구비되는 카메라를 둘러싸도록 구비되는 감전보호기능을 갖는 휴대용 전자장치. - 전자장치의 인체 접촉가능 전도체와 내장 회로부 사이에를 연결하는 소자로서,
상기 전도체로부터 유입되는 정전기를 통과시킴과 아울러 상기 회로부의 접지로부터 유입되는 외부전원의 누설전류를 상기 전도체로 전달되지 않도록 차단하는 감전보호부; 및
상기 전도체로부터 유입되는 통신 신호를 감쇄 없이 통과시키도록 상기 감전보호부와 병렬 접속된 커패시터부;를 포함하고,
상기 커패시터부는 적어도 하나의 커패시터층을 포함하고,
상기 커패시터층은 복수의 시트층 및 복수의 커패시터 전극으로 이루어지며,
상기 복수의 시트층은 세라믹 재료로 이루어지며,
상기 커패시터부와 상기 감전보호부 사이의 간격은 상기 감전보호부의 내부전극 사이의 간격 및 상기 커패시터 전극 사이의 간격 보다 큰 감전보호소자. - 제28항에 있어서, 상기 감전보호부는,
복수의 시트층이 적층된 소체; 및
상기 소체의 내부에 일정 간격 이격되어 배치된 적어도 한 쌍의 내부전극;을 포함하는 감전보호소자. - 제28항에 있어서, 상기 감전보호부는,
제1바리스터 물질층 및 제2바리스터 물질층이 교대로 적층된 적어도 2개의 바리스터 물질층, 상기 제1바리스터 물질층 상에 일정 간격(L)으로 이격된 복수의 제1내부전극, 및 상기 제2바리스터 물질층 상에 일정 간격(L)으로 이격된 복수의 제2내부전극을 포함하는 감전보호소자. - 제29항 또는 제30항에 있어서, 상기 커패시터부는,
상기 감전보호부의 상부 및 하부 중 어느 하나, 또는 감전보호부의 상부 및 하부 모두에 일정 간격을 두고 배치되는 적어도 하나 이상의 커패시터층을 포함하는 감전보호소자.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| A107 | Divisional application of patent | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
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| J301 | Trial decision |
Free format text: TRIAL NUMBER: 2017105000122; TRIAL DECISION FOR CORRECTION REQUESTED 20171031 Effective date: 20180323 |
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| J121 | Written withdrawal of request for trial | ||
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| J302 | Written judgement (patent court) |
Free format text: TRIAL NUMBER: 2018205003772; JUDGMENT (PATENT COURT) FOR CORRECTION REQUESTED 20180427 Effective date: 20180824 |
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| J122 | Written withdrawal of action (patent court) | ||
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