Cilt/Volume : 24
125. Sayı
|
|
ZnO VARİSTÖRLERİN MİKROYAPISAL VE ELEKTRİKSEL ÖZELLİKLERİ
MICROSTRUCTURAL AND ELECTRICAL PROPERTIES OF ZnO VARISTORS
Yrd. Doç. Dr. H. Özkan
TOPLAN ve Yrd. Doç. Dr. Yılmaz
KARAKAŞ
SA. Ü. Mühendislik Fakültesi Metalurji ve Malzeme Müh. Böl., Esentepe,
Sakarya
ÖZET
ZnO esaslı varistörler çok bileşenli yarı iletken seramiklerdir. Çok bileşenli oksit seramiklerin lineer olmayan elektriksel davranışları hem malzemenin mikroyapısına hem de ZnO tane sınırlarında oluşan ürünlerin yapısına bağlıdır. Varistörün ana bileşeni ZnO’tir. Ancak varistör olarak kullanılabilmesi için çok sayıda farklı metal oksit (Bi2O3, Sb2O3, CoO, MnO TiO2 gibi) katkıların yapılması gerekmektedir. Her ilave, kırılma voltajı, düzensizlik katsayısı gibi bir veya birkaç parametreyi kontrol eder.
ABSTRACT
The zinc oxide based varistors are multicomponent semi-conductor ceramic. The non-linear electrical behaviour of these type based oxide ceramics depend both on the ceramics microstructure of the device and on detailed processes occurring at the ZnO grains boundaries. The primary constituent of the varistor is ZnO. In addition to the ZnO, the varistor contains smaller amounts of the number of the metal oxide constituents (as Bi2O3, Sb2O3, CoO, MnO TiO2). Each addition control one or more parameters like the coefficient of non-linearity and breakdown voltage.
1. GİRİŞ
ZnO varistörler, lineer olmayan akım voltaj (E-J) karakteristikleri ile çok bileşenli seramik malzemeler olup, görevleri yüksek gerilim hatlarında ve elektronik devrelerde ani voltaj yükselmelerine karşı koruma sağlamaktadır. Bu amaçla devrelerde aşırı voltaj koruyucusu olarak kullanılarlar. Pratikte aşırı voltajdan korumak için dizayn edilen cihazlar; düşük maliyet ve yüksek güvenilirliğe sahiptirler [1 ].
ZnO varistörler ilk kez Japonya'da geliştirilmiş ve 1972 yılına kadar Amerika'da patent altında kullanılmıştır. ZnO varistörler lineer olmayan E-J karakteristikleri ile zener diotlarına benzer malzemelerdir. Fakat daha yüksek akım voltaj geçirim kabiliyetleri vardır. Varistör, ince yalıtkan bir film ile çevrilmiş ZnO tanelerini içerir. ZnO yarı iletkendir ve oda sıcaklığında öz direnci 1 ohm-cm den küçüktür.
2. ZnO Varistörlerin Üretilmesi ve Mikroyapısı
Çok bileşenli oksit seramiklerin lineer olmayan elektriksel özellikleri hem malzemenin mikroyapısına hem de ZnO'in tane sınırlarında oluşan ürünlerin yapısına bağlıdır. Varistörlerin ana bileşeni ZnO'tir. Ancak varistör olarak kullanılabilmesi için ZnO'e çok sayıda farklı metal oksit (Bi2O3, Sb2O3, MnO, CoO, Cr2O3) katkıların yapılması gerekmektedir. Her ilave kırılma voltajı, düzensizlik katsayısı gibi bir veya bir kaç parametreyi etkilemektedir [1].
ZnO varistörler; genellikle geleneksel seramik üretim yöntemi olan, metal oksit tozlarının karıştırılması ile üretilirler. ZnO ve diğer metal oksit ilaveler yaş olarak öğütülürler ve homojen olarak karışmaları sağlanır. Öğütme işleminden sonra karışım kurutulur ve granüle hale getirilir. Daha sonra karışım istenilen şekil verilmek üzere preslenmekte ve yüksek sıcaklıkta sinterlenmektedir. Tipik sinterleme sıcaklığı 1000-1400°C arasında varistörün bileşimine göre değişmektedir. Sinterlenen malzemeler elektrodlanmakta ve bu işlem için genellikle gümüş veya alüminyum kullanılmaktadır. Şekil 1'de ZnO varistörlerin basitleştirilmiş akış diyagramı ve sinterleme sonucunda oluşan fazlar verilmektedir.
Ticari bir ZnO varistörün mikroyapısında başlıca dört ana faz vardır[3]. Bunlar; ZnO fazı, Spinel, Bi'ça zengin fazlar ve Pyroklor fazıdır. Şekil 2'de ticari bir varistörün gerçek mikroyapısı görülmektedir. Şekilde, Pyroklor (Py) fazı hariç diğer fazların hepsi görülmektedir. Py fazı yüksek sıcaklıkta spinel ve Bi2O3 fazlarına dönüştüğü için görülemez. Sinterleme sırasında oluşan ürünlerin kimyasal bileşimleri oldukça komplekstir ve komplekslik her fazda devamlı bulunan katkı elementelerinden kaynaklanmaktadır.
Varistörlerin elektriksel karakteristiği, doğrudan malzemenin mikroyapısına bağlıdır. Sinterleme sonrası oluşan ZnO varistörlerin mikroyapısı blok model ile temsil edilmektedir (Şekil 3). Modelde yapı "k" kalınlığındaki yalıtkan alanlar ile birbirinden ayrılmış "L" boyutundaki iletken ZnO taneler şeklinde karakterize edilmektedir. Bu nedenle malzemeye voltaj uygulandığında varistör taneler arasında yer alan yalıtkan fazlardan dolayı akımı iletmemektedir. Akım ancak bu fazların voltaja dayanım noktası olarak tanımlanan ve "kırılma voltajı" olarak bilinen bir voltaj değerinden sonra akımı iletmektedir. Bu nedenle varistörün elektirksel özelliği ZnO tanelerin büyüklüğüne ve ara fazların miktarına bağlıdır. Kırılma voltajı ise şu şekilde ifade edilebilir [1];
vk
Ek =nb . vb = D . –—–– (1)
L
Burada, "Ek" Kırılma voltajı, "nb" bariyer sayısı, "L" ZnO tane boyutu, "vb" bariyer voltajı ve "D" sabiti ifade etmektedir.
3. Çok Bileşenli ZnO Varistörlerde Kullanılan Katkılar
1971 yılında Matsuoka [6] tarafından ZnO varistörler geliştirildiğinde, performansını arttırmak amacıyla ZnO ile birlikte pek çok katkılar kullanıldı. Bununla birliktüe, bunların en kullanışlı olanı ZnO-Bi2O3 bazlı seramiklerdi. Çünkü bu sistem hem basit hem de varistör olarak çalışan bir mikroyapıya sahip sitemdi.
ZnO-Bi2O3 ikili sistemlerinin a değeri yüksektir (> 10) fakat potansiyel bariyerler yüksek ohmic olmayan özellikler gösterecek kadar uygun değildir. CoO ve MnO gibi geçiş metal oksitlerinin ilavesi ile ohmic olmayan davranış oldukça artar ve a değeri 40'a ulaşır. Geçiş metal oksitler, taneler arası fazların ve bariyerlerin oluşumunu içerirler ve böylece yüksek ohmic olmayan davranışa katkıda bulunurlar. ZnO-Bi2O3-CoO-MnO seramik sistemine Sb2O3 ilavesi tane boyutunu düşürür, düzensizlik katsayısını ve kırılma voltajını arttırır. Bu özellikler, varistörlerin pratik uygulamalarında çok önemlidir. Sb2O3'ün iki önemli rolü vardır. Birincisi Zn7Sb2O12 oluşumu ile tane büyümesini sınırlar ve Bi'ça zengin faz içerisindeki Zn gibi iyonların çözünebilirliğini artırır. İkinci rol ise soğutma sırasında tane sınırlarındaki dağılım kusurlarının kontrolü açısından önemlidir. Sb, Co, Mn ve Bi ilaveleri tarafından belirlenen potansiyel bariyerler yüksek ohmic olmayan özelliklere sahiptirler. Li ve Al gibi 1+ ve 3+ valanslı ilaveler potansiyel bariyerleri etkilerler ve ZnO içerisinde E-J karakteristiğinin belirlenmesinde alıcı veya vericilerdir. Tablo 1'de ilaveler ve etkileri görülmektedir [6,7].
4. ZnO Varistörlerin Elektriksel Karakteristikleri
Varistörler belirli bir voltaja kadar yalıtkan olup kırılma voltajında iletken hale geçmektedir. Bu konumdan sonra tatbik edilen çok küçük voltaj artışına karşılık malzemeden yüksek akım geçmeye başlamakta ve eğri bir plato göstermektedir. Eğrinin bu konumdaki eğimi malzemenin özelliği hakkında bilgi vermektedir. Bu eğim "1/a" olarak ifade edilmektedir ve burada, a malzemenin düzensizlik katsayısıdır. Düzensizlik katsayısı 1 olduğunda malzeme için ohm kanunu geçerlidir.
ZnO varistörlerin, lineer olmayan E-J karakteristikleri Şekil 3'de verilmektedir. Şekilde görüldüğü gibi eğride; ön kırılma bölgesi, lineer olmayan bölge ve dönüş bölgesi olmak üzere üç önemli bölge vardır.
4.1. Düşük akımlı lineer bölge (Ön kırılma bölgesi)
Bu bölge alçak akım alanı olarak da bilinmektedir ve uygulamalar için oldukça önemlidir. Bu bölge, aşırı voltajın olmadığı varistör uygulamaları için önemlidir. Bu alanda çok az da olsa bir lineersizlik söz konusudur. Sıcaklık artışı ile birlikte kaçak akım da artmaktadır. Örneğin oda sıcaklığından 125°C'ye çıkıldığında kaçak akım 1mA/cm2’den 100 mA/cm2'ye artmaktadır. Diğer bir deyişle kaçak akımlar ısısal olarak artmakta ve ZnO varistörün elektirksel performansını sınırlamaktadır.
4.2. Lineer olmayan bölge
Kırılma voltajı varistör hareketinin esasını teşkil etmektedir. Akım, uygulanan voltajın yüksek lineersizlik gösteren bir fonksiyonudur ve aşağıdaki şekilde formülize edilebilir;
d (log I) d (log J)
a= –––––––– veya a = –––––––– (2)
d (log V) d (log E)
Varistörün geçirdiği akım [9];
I = C .Va veya J = C .Ea dır. (3)
a = Düzensizlik katsayısı ve C=Üretim prosesine bağlı katsayı
Düzensizlik katsayısı sabit bir değer olmayıp voltaja bağlı olarak değişmektedir. Bu değer ne kadar yüksek ise malzeme o kadar tercih edilir. Düzensizlik katsayısı sonsuz ise malzeme ideal bir varistör olarak tanımlanmaktadır. Ancak kullanılan varistör sistemlerinde düzensizlik katsayısı 25-50 olarak değişmektedir.
Kırılma alanının diğer ilginç ve önemli özelliği de sıcaklık, kimyasal kompozisyon ve üretim yöntemlerinden etkilenmemesidir [1].
4.3. Yüksek akımda dönüş noktası (Upturn)
Akım, lineer olmayan bölgenin limitlerinden daha yüksek ise (bu limit varistörün tipine bağlıdır) E-J karakteristiği düşük akım bölgesindeki gibi tekrar lineer hale gelir ve voltaj ile birlikte akım hızla artmaya başlar. Böylecek bu nakta dönüş noktası olarak adlandırılır. Bu bölge ZnO tanelerin özdirenci ile kontrol edilir ve E-J karakteristiği aşağıdaki gibi tanımlanabilir;
V= rt . I (4)
Burada "rt" ZnO tane özdirencidir.
REFERANSLAR
1. Levinson, L.M., Philipp, H.R., "Zinc Oxide Varistor-A Review "Ceramic Bulletin, Vol. 65, No: 4, pp. 639-646,1986.
2. Gupta, T.K., "Application of Zinc Oxide Varistör" J. Am. Ceram. Soc. 73 [7], 1817-1840 (1990).
3. Olsson, E., Falk, L. K. L., Dunlopand, D. L., Örsteland, K., "The Misrostructure of A ZnO Varistor Materials" Journal of Materials Science, 20, pp.4091-98, 1985
4. Karakaş, Y., "Chemical Processing, Phase Evolution, Grain Growh and Electrical Properties in ZnO Varistor Prepared by Oxide Coprecipiation Process" PhD., Department of Engineering Materials The University of Sheffield, July, 1995.
5. Matsuoka, M., "Nonohmic Propeties of Zinc Oxide" Japanese Journal of Applied Phys., Vol. 10, pp. 736-746, No: 6, June 1971
6. Moulson, A.J., Herbert., J.M., "Electroceramics" Chapman & Hall London, New York, 1990.
7. Eda, K. "Zinc Oxide Varistors" IEEE Electical Insulation Magazine, Vol: 5, No: 6, pp. 28-41, November/ December 1989.
8. Fan, J., Freer, R., "Improvement of The Non-linearity and Degradation Behaviour of ZnO Varistors" Br. Ceram. Trans. Vol:92, No:6, pp.221-226, 1993.
9. Levinson, L. M., Philipp, H. R., Schultz, W. N.," Outstanding Issues in Zinc Oxide Varistors Behavior" Applied Physics Laboratory 91CRD170, August GE. Research &
|
|
||||
|
Adres: |
Tel: |
(312) - 425 41 60 |
E-Posta: |
|
| Faks: |
(312) - 418 93 43 |
|||
|
|
||||
|
TÜRKİYE ÜNİVERSİTELERİ |
||||
|
ÜNİVERSİTELERİN METALURJİ, SERAMİK VE MALZEME BÖLÜMLERİ |
||||
Web Tasarım
|
||||