2.1 차단용량 향상을 위한 한류형 퓨즈의 동작 시간 설계

산업적으로 가장 많이 사용되는 한류형 퓨즈의 경우 매우 느린 동작 특성부터 매우 빠른 동작 특성까지 5가지 동작 특성으로 분류되며, 동작 특성은 정격전류 이상의 과전류에서 퓨즈가 동작하는 시간에 따라 결정 된다⁽⁵⁾. 이중 국제 규격으로 정의되어 메인 퓨즈의 특성으로 사용되는 빠른 동작 특성(Fast acting characteristic)과 지연 동작 특성(Time-lag characteristic)의 퓨즈는 각각 정격전류의 1000%에 해당하는 이상 전류에서 4ms이내, 20ms~150ms 사이에 용단 되어야한다⁽⁶⁾.

한류형 퓨즈의 동작 원리에서 회로의 전체 저항 변화로 인하여 유입 전류가 증가하면 온도가 급격히 상승하고 퓨즈의 가용체 중심 부분이 용융되어 증발하면서, 아크가 퓨즈 링크 양단에 발생한다. 그리고 발생된 아크로 인하여 퓨즈의 임피던스는 증가하게 되고 이에 따라 전류 감소와 함께 발생된 아크는 소멸하게 된다. 이런 퓨즈 가용체의 일련의 동작 과정을 그림. 4와 같이 나타 내었다. 퓨즈의 한계전류 이상의 전류에서 퓨즈는 용단하게 되고 아크 소멸이 완료되면 회로는 유입전류가 완전히 차단되어 고장 작동을 중지하게 된다⁽⁷⁾.

그림. 4와 같이 퓨즈의 동작 완료 시간은 pre-arcing 시간과 post-arcing 시간의 합을 의미하며, 이때 pre-arcing 시간은 부하전류(이상전류)에 좌우되고, post-arcing 시간은 전력원의 역률 혹은 사고 회로의 파라미터에 좌우된다. 그리고 폭발에 발생하는 에너지는 한계 전류의 최댓값과 총 용단 시간에 비례하며, 이는 그림. 4 그래프 상의 퓨즈 한계 전류의 면적과 같다. 즉 폭발의 힘을 감소시키기 위해서는 해당 면적을 좁게 유지하는 것이 중요하며, 그래서 인가되는 최대 전류 혹은 정격전류의 1000% 이상 높은 전류에서의 용단 시간을 조정해야 한다. 이 중 인가 전류는 회로의 이상에 의한 것으로 조정이 힘들고 때문에 정격전류의 1000% 이상 인가전류에서 동작 시간을 조정하여 폭발의 에너지를 낮출 수 있다. 정격전류의 1000% 이상 전류 인가 영역에서 퓨즈 가용체의 동작시간은 퓨즈링크를 통한 열이동 양과 속도에 영향을 받지 않은 이상적인 동작 영역으로 그림. 5와 같다. 즉 퓨즈의 동작시간을 조정하여 폭발 에너지를 감소시키는 것은 퓨즈 정격전류의 1000% 인가 영역에서 동작 시간을 조정하는 것과 같고 이는 퓨즈의 동작 특성에 따라 폭발 에너지가 달라짐을 의미한다.

통상적으로 지연 동작형 퓨즈의 경우 1000% 동작 시간이 0.02초~0.15초(20ms~150ms)이며, 지연동작 퓨즈의 적용이유는 전기기기 및 제품의 전원 On/Off 시 발생하는 돌입 전류에 대한 내구성을 확보하기 위함이다. 때문에 차단용량을 상승시키기 위하여 빠른 동작 특성의 퓨즈를 적용할 경우 퓨즈의 수명하락으로 교체 주기가 증가하게 되고 지연동작 특성 내에서 퓨즈의 차단용량을 상승시키기 위한 설계 방법으로 퓨즈 정격전류의 1000% 동작 시간을 20ms로 근접하게 하여 유지하는 것이 필요하다. 이와 같은 한류형 퓨즈의 특성에 따라 반밀폐형 퓨즈의 차단용량을 상승시키기 위한 첫 번째 방법으로 퓨즈 가용체의 용단시간을 20ms와 근접한 지연 동작형 특성으로 유지하였다.

2.2 퓨즈 링크 열 이동 및 재료 설계

이상 전류가 발생하는 회로의 저항이 R, 전류가 I 라면, 이상전류가 발생하여 순간 아크가 발생하고 소멸되는 과정까지 회로에 공급되는 에너지는 식(1)와 같다. 식(1)에서 저항이 일정하다면 회로에 공급되는 에너지와 I2t의 값은 비례한다. 따라서 I2t는 통과 에너지로써 퓨즈를 용융되게 하는 에너지의 크기를 나타내며, 용융되는 퓨즈 가용체의 용단 고유에너지와 같다. 퓨즈의 동작은 가용 체의 주울 열과 전도, 대류, 복사에 의한 열손실 사이의 에너지 균형 방정식으로 해석할 수 있다. 이때 에너지의 균형 방정식은 식(2)와 같다⁽⁸⁾.

ｍ: 밀도(kg/m²)

c : 비열용량(J/kg K)

T : 온도(K)

t : 시간(s)

k : 열전도율(W/mK)

D : 직경(m)

s : 단면적(m²)

I : 전류(A)

ρ0 : 비저항율(Ω/m)

α : 저항율의 온도계수(K-1)

h : 방사열손실계수(W/m²K)

식으로부터 퓨즈의 동작 특성이 결정되는 영역은 퓨즈 가용체의 고유 에너지를 나타내는 영역으로 적용된 가용체의 단면적 및 재료의 종류가 변하지 않으면 이동 시킬 수 없는 영역이다. 즉 식(3)과 같이 열의 이동이 없는 이상적인 계나 열이 이동하기 전 퓨즈의 동작이 발생하는 높은 전류 영역에서의 동작 시간은 가용체 재료의 고유 능력으로 판단할 수 있다.

퓨즈의 재료가 선택된 후 동작특성의 설계는 선경을 조정하여 정격전류의 1000%에서 동작 특성이 일치하게 조정 한 후, 열의 이동을 조정하여 정격전류 선을 이동 시키는 방법으로 접근할 수 있으며, 이는 I-T 커브의 전체 이동과 정격전류 선의 이동으로 결정된다. 이와 같은 I-T 커브 상에서 퓨즈의 동작 특성 설계 방법은 그림. 6과 같다⁽⁹⁾.

일반 적으로 퓨즈 정격전류의 1000% 전류에 대한 동작 시간을 빠르게 조정하기 위한 방법으로 퓨즈 가용제의 열전도도를 높이는 방법을 사용한다. 가용체의 열전도도 상승은 실제 용단이 발생하는 퓨즈 가용체 중심부의 온도 상승을 지연시켜 용단에 이르기 까지 더 높은 전류를 요구하도록 한다. 때문에 한류형 퓨즈의 정격전류를 상승시키게 되고 이에 따라 정격전류의 1000% 인가 전류도 더욱 높인다. 퓨즈 가용체 중심부의 온도 상승속도를 지연시키기 위한 방법은 가용체의 열전도도 상승 외에도 퓨즈 링크 간 가용체의 길이를 줄이는 방법을 통해서도 가능하다⁽¹⁰⁾. 즉, 퓨즈 링크 간 가용체 길가 짧아지면 전도를 통한 열이동 속도가 상승하여 퓨즈 중심부 온도 상승이 낮아지고, 가용체의 융점까지 도달하는 시간이 지연되어 빠른 동작 특성 방향으로 정격전력선이 이동한다.

일반적으로 빠른 동작 특성을 구현하기 위하여 가장 많이 사용되는 재료는 열전도도가 가장 높은 은(Ag)이다. 하지만 해당 재료는 빠른 동작 특성을 구현할 수 있으나 1차단에서 사용되는 지연동작 특성 구현이 어려우며, 재료의 양이 많이 사용됨으로 차단용량 상승을 기대하기 어렵다. 재료의 전기에 대한 폭발 특성을 결정하는 재료적 요인은 재료의 급격한 산화, 비산하는 금속 재료의 양, 급격한 온도 상승에 대한 원자의 비산 속도 등으로 판단할 수 있으며, 폭발 내성을 위하여 이상의 요인들에 대한 재료 설계가 필요 하다. 이중 높은 전류에 의해 원자 간의 결합이 파괴 되어 분말 형태로 비산하는 금속의 산화를 막기 위해서, 외부 공기와의 차단이 필요 하지만 공기 유입이 자유로운 반밀폐형 퓨즈는 급격한 산화로 인한 폭발 에너지가 상승하게 된다. 때문에 산화도가 높은 순금속 보다는 산화에 의한 폭발적인 반응을 줄일 수 있는 합금의 적용이 필요하고, 합금화에 의한 열전도도의 하락은 퓨즈 링크간의 거리를 짧게 유지하여 비산하는 재료의 양도 감소시킬 수 있게 된다.

2.3 실험 방법

인가 전류에 의해 용단이 용이한 재료의 특성은 온도 상승에 의한 저항의 상승이 수반되는 재료이다. 이와 같은 재료의 특성은 저항온도 계수(Temperature Coefficient of Resistance, 이하 : T.C.R)로 확인 가능하며, 보통 순금속의 T.C.R은 모든 금속에서 3000ppm/℃이상이지만 합금이 될수록 감소하는 경향이 있어 순금속이 퓨즈의 재료로 더욱 적합하다. 하지만 순금속의 경우 급격한 산화로 인한 폭발에 대한 내성이 부족하여 차단용량 상승을 기대하기 어렵기 때문에 합금화 되어도 T.C.R이 하락하지 않는 재료의 선정이 필요하고 이와 같은 특성을 지닌 금속이 Fe-Ni 계열 합금이다. Fe-Ni합금은 니켈 함량이 36%~43%일 때 원자간 선팽창 계수가 낮아 내열 합금으로 많이 쓰이며, 온도 상승에 따른 체적 상승률이 가장 낮은 합금으로 알려져 있어 본 연구의 특성 목표와 일치한다. 이에 따라 차단용량을 높이기 위한 가용체 설계를 위하여 실험에 사용된 합금의 조성과 특성은 표 1과 같고 각각의 정격에 해당하는 가용체 체적의 10%에 해당하는 주석(Sn) 도금을 실시하였다. 그리고 가용체의 제작과정은 그림. 7의 모식도와 같다.

실험은 250V 각형 초소형 퓨즈의 대표 정격으로 3.15A를 제작하여 실험 후 정격전류를 확장 하는 방법으로 시험을 진행하였고, 금속 와이어의 선경은 0.20Ø, 세부 특성조정을 위하여 표면에 주석 도금을 실시하여 샘플을 제작하였다. 초소형 퓨즈 제작 시 접합 용가재와 글라스 파이버의 열 이동 영향을 최소화하기 위하여 퓨즈링크에 퓨즈 가용체를 직접 용접하는 방법으로 샘플을 구성하였고 링크간의 거리는 그림. 8과 같이 4.0 mm~4.1mm로 유지하여 제작 기존의 제작 방법과 차별화하였다.

실험은 IEC60127-3에 제시된 표준 기판에 샘플 번호 1~63번까지 제작 실장 후, 모든 시료의 불량 단선 여부 등을 저 저항 측정기를 사용하여 확인하였다. 각 시료군은 최소 20개 이상의 예비 시료를 확보하고 모든 시료의 전기저항을 측정하고 표준 PCB 기판에 저항측정 값을 주기하였다. 이후 모든 시료는 Sorensen社 직류 전원 공급 장치를 사용하여 전류에 따른 용단 실험을 실시하였고, 각 전류에 따라 용단되는 시간을 분석하여 시험 결과를 도출하였다. 용단 실험간 전류는 ICE60127-1에 정의된 DC 정전류 모드에서 전류변화 량을 1% 이내로 유지하고, 변동 전압이 30V 이내 있도록 하였다. 실험은 전원 공급 장치 BOB社 SGI 330/150, 오실로스코프 Tektronix社 DPO 3022, 저항계측기 HIOKI社 3227mΩ hi-tester를 사용하였다.

2.4 실험 결과

그림. 9에는 제작된 퓨즈에 동일 선경 적용 시 합금 조성에 따른 저항 값을, 그리고 그림. 10에는 저항온도 계수 값을 나타낸다. 실험 결과 Fe-40wt%Ni의 저항은 13.01mΩ으로 가장 높았고, T.C.R은 2376ppm/℃로 가장 낮았다. 그리고 모든 합금이 2000ppm이상의 높은 T.C.R을 유지하여 퓨즈 가용체로의 특성 구현에 적합하였으며, 지연 동작 특성을 만족하기 위한 저항은 합금 함량이 높은 25wt%Ni, 40wt%Ni, 65wt%Ni 합금에서 구현 되었다.

이와 같은 결과로부터 전기전도성은 열전도성과 비례하기 때문에 상대적으로 짧은 퓨즈링크의 길이에 대하여 퓨즈 가용체의 저항이 높을수록 가용체 중심에서의 열 집중이 효율 적임을 확인할 수 있고 이로 인해 퓨즈의 정격전류 선이 낮은 전류 방향으로 이동하게 된다. 한정된 퓨즈링크 거리에서 회로 1차측 메인 퓨즈로 적용되기 위한 지연동작 특성은 정격 전류의 1000%에서 20ms~150ms의 동작 시간을 가져야 하며, 폭발의 에너지를 최소화하기 위해서 20ms 이상이며 최대한 근접한 동작 시간 조정이 필요하다.

각 합금을 적용한 퓨즈의 정격전류를 3.15A로 제작하여 전류에 따른 용단 시간을 측정하였고, 결과로부터 각각의 I-T 커브를 그림. 11에 나타내었다.

실험결과 Fe-40wt%Ni과 Fe-60wt%Ni이 퓨즈 지연동작 특성의 합격 기준인 정격전류의 1000%인가전류에 대한 용단 시간 20ms~150ms를 만족하였고, 이중 Fe-40wt%Ni는 정격전류의 1000% 인가 전류에 21ms~26ms로 20ms이상이며 근접하여 설계 특성과 일치하였다.

그림. 12는 합금 함량에 따른 최대 차단용량 전류와 폭음(dB)측정 결과 이다. 결과와 같이 모든 합금에서 반밀폐형 퓨즈 낮은 차단용량 제품의 특성인 AC 250V, 35A 이상의 폭발 특성을 확인할 수 있었고 Fe-40wt%Ni의 경우 최대 AC 250V, 121A의 돌입 전류에도 퓨즈의 외관이 손상되거나 표기 인식에 문제가 없었다.

이와 같은 결과는 서론에 정리한 것과 같이 정격전류의 1000% 인가전류에 대한 용단시간 조정을 통한 폭발 에너지 감소와, 퓨즈 가용체의 급격한 산화를 막기 위한 최소량의 가용체 적용, 반응성 감소를 위한 합금화, 비산을 최소화하기 위한 금속 팽창계수 조정 등, 퓨즈 폭발에 영향을 미치는 여러 요인에 대한 내폭발성 설계를 한 결과이다. Fe-40wt%Ni과 Fe-65wt%Ni은 모두 차단 용량 100A 이상의 높은 차단 용량 특성을 만족하였으며, 폭음 특성도 약 60dB 이하로 만족하였다. 하지만 정격전류의 1000%인가 전류에서 동작시간이 Fe-40t%Ni가 약 20ms로 설계에 부합하였고, 돌입전류에 대한 폭발 비산 에너지가 더 적다고 판단할 수 있어 최적의 합금 설계로 판단할 수 있다.

Fe-40wt%Ni을 적용하여 제작한 미니어처 퓨즈의 모든 정격전류 I-T 커브는 그림. 13 같다. 퓨즈의 모든 정격전류에서 차단용량과 용단특성을 만족하였고 기타 퓨즈 성능 특성도 만족하였다.