Built-in protection circuit module by using VO₂ temperature sensors

VO 2 온도센서를 이용한 전원차단 PCM 구성

송건화·최정범·손명우·유광수 ^†

Built-in protection circuit module by using VO ² temperature sensors

K. H. Song, J. B. Choi, M. W. Son, and K. S. Yoo ^† Abstract

Most portable mobile devices employ rechargeable lithium-ion batteries. This lithium-ion battery usually suffers from the possibility of explosion due to heat generation from surrounding atmosphere or internal deficiency during charging or at overuse. To solve these problems, most rechargeable batteries have a built-in protection circuit module (PCM). The resistance of a properly processed VO

critical temperature sensor (CTS) is changed dramatically at a critical temperature of around 68

C, which can replace some bi-metal, NTC, or PTC sensors embedded in PCM. Such VO

CTS consumes a very small current at the level of natural discharge. Experimental results showed that this CTS could be applied to a PCM as the PCM could protect the battery while keeping its power consumption at minimum.

Key Words : vanadium oxide, critical temperature sensor, protection circuit module

1. 서 론

오늘날에는 정보화기기 및 IT ^{산업의 발전으로 핸드}

폰 , 노트북 , mp3, 디지털카메라 , PMP 등 수많은 휴대 용 기기가 등장하였다 . 위와 같은 기기들의 대부분은 리튬이온 충전용 배터리를 사용한다 . 그러나 리튬이온 배터리는 충전할 때와 기기를 과도하게 사용할 때 배 터리 내외부의 온도가 급격히 상승하는 문제를 갖고 있다 . 급격한 온도상승은 배터리가 폭발하는 현상을 일 으키기도 한다 . 이러한 배터리의 폭발을 방지하기 위해

PCM(Protection circuit module) ^{을 사용하는데} PCM ^에

서는 온도 감지가 중요하다 . PCM 에 사용할 수 있는

온도 감지용 센서로는 바이메탈 , NTC, PTC 등이 있으 며 일반적으로 PTC ^{가 많이 사용되고 있는 실정이다} .

이상의 온도 감지용 센서와 감지기구 (sensing mech- anism) 가 다른 온도센서 물질로는 VO, VO 2 , TiO 2 , Fe 2 O 3 , NbO 2 , NiO 3 등의 반도성 산화물 세라믹스들이 사용된다 . 이와 같은 산화물들은 온도 , 압력 등이 변함

에 따라 결정구조가 변하여 절연체 및 반도체에서 금 속으로 상전이를 일으키는 MIT(Metal-insulator transi- tion) ^{특성을 나타낸다} . ^{또한 상전이 구간에서는 급격한}

광학적 , 전기적 변화를 나타내며 온도의 가열과 냉각에 따라 hysteresis 특성을 나타낸다 . 이 중에서 특정 온도 영역에서 전기저항이 10 ² ~10 ⁵ order 정도로 급격하게 변하는 산화물 반도체를 CTR(Critical temperature resistor) 라고 한다 . CTR 효과를 나타내는 대표적인 반 도성 세라믹스 재료에는 산화바나듐이 있다 ^[1] .

Vanadium-Oxygen system 은 산소 함량에 따라 안정 한 산화물인 VO, VO 2 , V 2 O 3 , V 3 O 5 , V 2 O 5 등이 있으며

V 3 O 5 와 VO 2 사이에는 V n O 2n−1 (4 ≤ n ≤ 8) 의 Magneli 상 이 존재하는 복잡하고 다양한 조성을 가지고 있는 계 이다 . ^{이 중에서} VO 2 는 상전이 온도인 68 ^o C ^{에서 단사}

정 결정구조에서 정방정 결정구조로 변화하는 물질이 다 . 이는 반강유전체에서 상유전체로의 상전이와 V-O- V ^{결합이 공유결합에서 금속결합으로 변하기 때문이라}

고 알려졌다 . 이와 같은 상전이 변화로 VO 2 는 68 ^o C

이하에서는 부도체였다가 온도가 증가함에 따라 68 ^o C

이상이 되면 금속성으로 변하여 도체가 되는 저항급변 현상이 있다 ^[2] . 바나듐산화물을 이용한 온도센서에 대 한 연구는 불순물 첨가에 따른 온도 - ^{저항 특성} ( ^저항 jumping 크기 ) 향상 , 바나듐산화물의 박 / 후막화 등이

서울시립대학교 신소재공학과

(Department of Materials Science and Engineering, University of Seoul)

†

Corresponding author: [email protected]

(Received : October 1, 2008, Revised : December 20, 2008

Accepted : December 27, 2008)

본 연구에서는 종래에 리튬이온 충전용 배터리에 사 용되고 있는 PTC 대신에 , PCM 에 대표적인 CTR 소재 인 VO 2 후막 온도센서를 사용하고 NMOS Field Effect Transistor(NMOSFET) 로 구성하여 충전용 배터 리의 내부 및 기기의 회로 과열로 인한 전원차단의 제 반특성을 측정평가하는데 주 목적을 두었다 .

2. 실험 방법

소자의 제조는 출발물질로 고순도의 V 2 O 5 (99.6 %, Aldrich) 를 사용하였으며 , High Energy Ball-milling (FRITSCH, Planetary mill P-6) ^{을 사용하여 얻은 미세}

한 파우더를 vehicle(56 wt% a-terpinel, 27 wt% 2- butoxy ethoxy, 11.5 wt% polyvinyl butyral-co-vinyl alcohol-co-vinyl acetate, 16.5 wt% polyethylene glycol)

과 함께 1 : 0.65 ( 파우더 : vehicle) 의 질량비로 Shaker (FINEPCR, Vortex mixer) 를 이용하여 12 시간 동안 혼 합하여 페이스트 (paste) ^{화 하였다} . ^{혼합된 페이스트를} silk-screen printing 법으로 알루미나 기판위에 후막으로 입혔다 . 이 소자를 급변온도센서로 제조하기 위하여 최 적 제조 공정조건인 60 ^o C 에서 10 분 동안 건조한 후

N 2 분위기에서 500 ^o C, 1 시간동안 열처리하였다 ^[5,6] . 특 히 정밀한 가스 주입량과 열처리 온도제어를 위해 반 도체 공정에 사용되는 전기로 (annealing tube furnace)

를 사용하였다 . 환원분위기에서 열처리한 후에는 여러 단계의 상 변화를 거쳐 VO 2 결정이 형성되었다 . V 2 O 5

에서 VO 2 로의 상변화는 V 2 O 5 → V 3 O 7 → V 4 O 9 → V 6 O 13 →

VO 2 의 순서로 환원과정이 일어난다고 알려져 있다 ^[7] .

소자의 전기적 특성을 알아보기 위해 온도 - ^{저항 특성}

을 측정하였다 . 정확한 온도의 제어 및 측정을 위해

Climatic Chamber(Vötsch, VC 4018) 를 사용하여 25 ~ 100 ^o C ^까지 3 ^o C/min ^{로 승온 및 감온 속도를 유지하였다} .

특히 상전이점 부근인 55 ^o C~75 ^o C 영역에서는 0.1 ^o C/

min 의 승온 및 감온속도로 소자의 온도 - 저항 특성을 측정하였다 .

측정된 소자의 연결단자를 NMOSFET 와 연결하여

one chip ^{화 하였으며} , ^{온도변화에 따른} NMOSFET ^의

스위칭 동작여부를 확인하였다 .

3. 결과 및 고찰

Fig. 1 은 온도상승에 따른 VO 2 온도센서의 온도 - 저항

특성과 NMOSFET ^{의 게이트 전압관계를 나타낸 것이}

다 . 이때 저항특성은 25 ^o C 와 80 ^o C 의 저항의 편차 ( 저항

jumping 크기 ) 가 10 ⁴ order 정도로 측정되었으며 다른 연구자들의 결과와도 일치함을 확인하였다 ^[5,8] .

이 때 , VO 2 후막 온도센서와 NMOSFET 를 집적화 하는 과정을 Fig. 2 에 나타내었는데 , (a) 는 알루미나 기 판위에 산화바나듐이 후막으로 도포된 상태이며 , (b) ^는

반도체소자와 온도센서가 결합되는 구조이고 , (c) 는

VO 2 와 NMOSFET 가 집적화된 반도체 온도센서이다 .

Fig. 3 ^은 VO 2 온도센서를 이용한 전원차단 보호모듈 회로를 나타낸 것이다 . 동작을 설명하면 상전이점인

68 ^o C ^{이하에서는} R1 ^인 VO 2 센서가 높은 저항 (R1 = 3 M Ω ) 을 유지하여 NMOSFET 가 OFF 되며 이때에는 배터리의 게이트 (V g ) 전원이 VO 2 센서에서 1.2 µ A 의 전류가 흘러 배터리 V g 의 전류소모가 자연방전 수준임 을 알 수 있었다 . 상전이점 68 ^o C 이상의 온도에서는

R1 인 VO 2 센서가 낮은 저항 (R1 = 300 Ω ) 으로 변하여

VO 2 센서에 12 mA ^{의 전류가 흘러서} NMOSFET ^가 ON 되고 배터리 V d 전원을 순간 방전하여 과열로 인한

V d 배터리의 폭발로부터 인명 및 기기를 보호하는 기 능을 할 수 있음을 보여주었다 . ^즉 , 68 ^o C 부근에서

NMOSFET 의 게이트 전압이 동작전압인 0.4 V 가 되고 , 68 ^o C 보다 높은 온도에서는 게이트 전압이 0.4 V 보다 높아 안정적으로 NMOSFET ^{가 매우 잘 동작됨을 알}

수 있다 .

Fig. 4 ^는 VO 2 와 NMOSFET ^{가 집적화된 반도체 온도}

센서의 동작특성 [Fig. (4a)] 및 출력특성 [Fig. (4b)] 에 대한 시뮬레이션 결과이다 . 시뮬레이션은 실제로 제작 한 NMOSFET ^{의 전류} - ^전압 (I-V) ^특성과 VO 2 온도센서 의 저항 변화 특성을 바탕으로 수행되었고 , 그 결과는 Fig. 1. VO

sensor resistance and NMOS gate voltage

according to the temperature change.

단일 NMOSFET ^{의 소자특성과 비교 되었다} . ^온도센서

의 등가회로 구성은 Fig. 3 과 같다 . Fig. 4(a) 는 드레인 전압이 0.05 V 와 1 V 에서 수행된 게이트 전압 변화에 따른 드레인 전류 특성변화 (I D -V G ) ^{의 시뮬레이션 결과}

이다 . VO 2 센서가 1.5 M Ω 이상의 높은 저항을 갖는 상전이 온도 이하에서는 NMOSFET 의 게이트 전극에 문턱전압 (threshold voltage) ^인 0.08 V ^{이상의 전압이}

인가되지 않기 때문에 소자가 구동되지 않는다 . 상전이 온도 이상에서는 VO 2 센서의 저항이 300 Ω 이하로 급

격히 감소하기 때문에 게이트 전극에 문턱전압 0.08 V ^{이상의 전압이 인가된다} . 또한 증가하는 게이트 전극

전압에 따라서 드레인 전류의 증가를 확인 할 수 있다 .

Fig. 2. (a) VO

temperature sensor, (b) Temperature sensor combined with semiconductor device, (c) Semi- conductor-type temperature sensor integrated the VO

thick film and MOS transistor.

Fig. 3. Power-off protection circuit module using VO

temperature sensors.

Fig. 4. (a) Gate voltage vs. drain current, (b) Drain voltage

vs. drain current.

가 on/off ^{동작을 하는 스위칭 소자 특성을 갖는 것을}

확인 할 수 있다 . Fig. 4(b) 는 NMOSFET 소자의 출력 특성인 드레인 전압에 따른 드레인 전류 특성 (I D -V D )

변화를 나타내고 있다 . 시뮬레이션은 문턱전압에서부 터 0.2 V 씩 게이트 전압을 증가시키면서 수행하였다 .

시뮬레이션 수행 결과 VO 2 센서가 저항의 감소에 따라 출력 전류가 증가하는 것을 확인할 수 있다 . VO 2 센서 의 저항변화로 인하여 단일 NMOSFET 소자 특성에 비해 다소 드레인 전류가 감소하는 것을 확인 할 수 있 었으나 , 2 × 10 ⁻⁴ A 정도의 우수한 출력 전류 특성을 확 인 할 수 있었다 . 위의 시뮬레이션 결과 VO 2 센서와

NMOSFET ^{가 집적화된 반도체 온도센서는 스위칭 소자}

로서의 우수한 특성을 가지는 것을 예측 할 수 있었고 , PCM 에서의 실용 가능성을 확인하였다 .

4. 결 론

본 연구에서는 VO 2 온도센서를 V 2 O 5 원료를 후막으 로 제작하여 환원 처리한 후 PCM 에 적용하여 온도변 화에 따른 VO 2 온도센서와 NMOSFET 의 게이트 전압 과 드레인 전류 , 드레인 전압과 드레인 전류와의 관계 등을 시뮬레이션 및 실장회로를 구성하여 실험한 결과 리튬이온 충전용 배터리의 PCM ^{에서 배터리의} 내 · 외 부 환경에 의한 발열이 발생할 때 신속한 전원차단 및 평상시에는 자연방전 수준으로 전류가 소모되어 소비 전류 특성이 매우 우수함을 보였다 .

참고 문헌

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5, pp. 2201-2206, 1974.

[2] K. S. Yoo, J. M. Kim, and H. J. Jung, “Electrical properties of semiconducting VO

-based critical temperature sensors”, J. Kor. Ceram. Soc. , vol. 30, no. 10, pp. 866-870, 1993.

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substrates”, J.

Phys and Chem. of Solids , vol. 63, pp. 965-967, 2002.

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to VO

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[8] J. Verkelis, Z. Bliznikas, K. Breive, V. Dikinis, and R. Sarmaitis, “Vanadium oxides thin films and fixed-temperature heat sensor with memory”, Sen- sors and Actuators A, vol. 68, pp. 338-343, 1998.

송 건 화(宋 建 和)

• 1957년 1월 15일생

• 1984년 2월 청주대학교 전자공학과 졸업 (공학사)

• 1991년 2월 연세대학교 대학원 졸업 (공학석사)

• 2005년 ~ 현재 서울시립대학교 대학원 박사과정

• 1984년 ~ 2000년 대우전자(주) VCR 연구소 선임연구원

• 2000년 ~ 2002년 우성기업(주) 연구소장

• 2002년 ~ 현재 티네스트 대표

• 주연구분야 : 센서, 액츄에이터

최 정 범(崔 湞 帆)

• 1980년 5월 11일생

• 2007년 2월 서울시립대학교 신소재공학과 (공학사)

• 2007년 8월 ~ 현재 서울시립대학교 대학원

석사과정

손 명 우(孫 明 佑)

• 1984년 10월 31일생

• 2008년 2월 서울시립대학교 신소재공학과 졸업(공학사)

• 2008년 3월 ~ 현재 서울시립대학교 대학원 석사과정

유 광 수(劉 光 洙)

• 1957년 1월 15일생

• 1981년 2월 한양대학교 무기재료공학과 (공학사)

• 1983년 2월 서울대학교 무기재료공학과 (공학석사)

• 1991년 8월 애리조나주립대학교 재료공 학과(공학박사)

• 1983년 ~ 1984년 현대산업전자(주) 반도 체사업부 사원

• 1984년 ~ 1987년 한국과학기술원 무기재 료연구실 연구원

• 1991년 ~ 1995년 한국과학기술연구원 세 라믹스연구부 선임연구원

• 1995년 ~ 현재 서울시립대학교 신소재공 학과 교수

• 1998년 ~ 현재 한국세라믹학회 편집간사, 총무운영이사, 수석운영이사, 감사 역임, (現)이사

• 2002년 ~ 현재 한국센서학회 학술이사, 편 집위원장 역임, (現)부회장

• 2005년 ~ 2007년 서울시립대학교 산업기 술연구소 소장

• 2007년 ~ 현재 서울시립대학교 공과대학 학장/산업대학원 원장

• 2007년 ~ 현재 한국공과대학장협의회 부 회장

• 주연구분야 : 세라믹센서, 압전세라믹스,

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