2.1 실험 샘플 설계 및 제작

우수한 저항온도 계수의 망가닌에서 EMF 특성을 만족하고 T.C.R도 우수한 합금을 구성하기 위하여 망가닌의 망간을 낮추어 합금을 제작하였다. 기준 금속인 Cu-2wt%Ni에 Mn을 각 3 wt%와 5wt%, 10wt%, 12wt%의 합금을 진공용융로에서 용융하여 잉곳 형태로 제조하였고 표 2와 같다.

이후에 분산화 열처리와 상하부 편석제거를 통해 농도를 조정하고 압연 공정을 이용하여 판재 형태로 제조하였다.

제작된 합금의 조성을 확인하기 위해 EDX 분석을 수행하였으며, 전기적인 특성으로는 제작 합금의 저항, 온도변화에 따른 저항변화, EMF 특성 변화에 의한 전위차 등을 측정하였다. 전기적인 특성의 측정을 위해 BMS용 션트 저항의 구조를 15W 급의 상용 규격 크기로 제작하였고 그림 6과 같다^[8]. 그리고 각각 비저항이 다른 합금의 최종 저항 값을 일치시키기 위하여 저항 금속의 두께를 조정하여 샘플을 제작하였다.

2.2 실험 방법

대표 샘플의 단면 확인 결과 그림 7의 전자 빔 용접 부 단면과 같이 내부에 기공 혹은 결함이 없고 전체 면에 대하여 용입 깊이가 충분하여 미용접 부가 없는 상태를 확인할 수 있었다. 이는 전류 통전이 시료의 모든 면에서 가능한 상태로 전자 빔 용접을 이용한 션트 저항이 양호하게 제작되었음을 확인할 수 있다^[9].

동일 조건에서의 실험을 위해 각 조성의 션트를 일괄 100μΩ으로 제작하여 그림 6에 표시한 동일한 측정 지점에서 저항을 확인하였다. 저항 측정 샘플은 각 조성에 따라 제작된 20ea의 샘플을 대상으로 실험하였고 실험 결과 그림 8와 같이 각 저항은 합금 저항체의 동일 저항을 구현하기 위하여 저항 금속의 두께를 조정하여 일정한 산포의 저항을 구현할 수 있었다. 모든 망간 조성에서 각각 20개의 샘플이 0.101mΩ과 0.099mΩ 사이에 저항이 분포하여 저항 값 허용오차 F급(1%) 이내로 BMS용 션트의 특성을 만족하였고 각각 조성에 따라 평균 99.98μΩ, 99.85μΩ, 100.03μΩ, 100.12μΩ을 나타내었다.

그림 6 테스트 샘플의 정밀 치수

Fig. 6 precise measurement of the test sample

그림 7 용접 부 조직 검사

Fig. 7 Internal organization analysis of electron beam welding parts

동일 조건에서의 실험을 위해 각 조성의 션트를 일괄 100μΩ으로 제작하여 그림 6에 표시한 동일한 측정 지점에서 저항을 확인하였다. 저항 측정 샘플은 각 조성에 따라 제작된 20ea의 샘플을 대상으로 실험하였고 실험 결과 그림 8과 같이 각 저항은 합금 저항체의 동일 저항을 구현하기 위하여 저항 금속의 두께를 조정하여 일정한 산포의 저항을 구현할 수 있었다. 모든 망간 조성에서 각각 20개의 샘플이 0.101mΩ과 0.099mΩ 사이에 저항이 분포하여 저항 값 허용오차 F급(1%) 이내로 BMS용 션트의 특성을 만족하였고 각각 조성에 따라 평균 99.98μΩ, 99.85μΩ, 100.03μΩ, 100.12μΩ을 나타내었다.

그림 8 각 합금에 따른 저항

Fig. 8 Resistances for each metal alloy resistors

저항을 측정한 션트로부터 그림 9와 같이 온도 변화에 따른 션트의 저항 변화를 측정하였고, 결과로부터 각 저항체의 저항 온도 계수 값을 식 (1)와 같이 25℃에서 125℃까지 범위 내에서 산출하였다.

R1 : 고정저항기 측정 최저 온도에서의 저항

R2 : 고정저항기 측정 최대 온도에서의 저항

T1 : 측정 최초 온도 T2 : 측정 최대 온도

2.3 실험 결과

실험 결과 그림 9와 같이 3wt%, 5wt%, 10wt%, Mn이 포함된 Cu-Mn 합금에서는 각각 최종 T.C.R 평균 47.56ppm/℃과 44.55ppm/℃, 40.48ppm/℃의 저항온도계수가 측정되었으며, 표준 션트 저항으로 지정되어 사용되고 있는 망가닌 Cu-12Mn-2Ni 합금은 T.C.R 평균 30.11ppm/℃으로 가장 안정적인 특성이 나타나 Mn의 함량에 따라 비례적으로 T.C.R이 낮아짐을 확인하였다.

그림 9 온도에 따른 저항 값의 변화 경향

Fig. 9 Trends of changes in the resistance due to a change in temperature

실험 결과로부터 그림 10에는 망간 함량에 따라 각 시료의 T.C.R이 변화되는 추이를 나타내었으며, 모든 시료에서 BMS용 션트저항 특성에 부합하는 T.C.R 50ppm 이하를 만족하여 저항허용오차가 F급(±1%)인 정밀 저저항의 제작이 가능하다^[10]. 특히 현재 상용 사용 중인 Cu-12Mn-2Ni 망가닌은 이론적 최저 T.C.R이 ±20ppm으로 현재 시판중인 션트의 설계가 온도에 따른 저항의 안정상에 중점을 두고 있음을 확인할 수 있다.

그림 10 Cu-Mn 합금의 조성에 따른 저항 변화 저항온도 계수

Fig. 10Resistance changes with the T.C.R between 25 to 125℃ for the Cu-Mn alloy composition

그림 11에는 온도 변화에 따른 각 합금의 열기전력 상승을 나타내었다. 실험은 제벡효과와 펠티어의 영향을 고려한^[11] 전기적 발열 시험과 간접 발열을 기본으로 하는 환경발열 조건에서의 시험으로 구분되며 시험은 환경 발열 조건에서의 시험을 실시하였고 실험에 적용된 설비는 그림 12와 같다.

그림 11 온도에 땨른 열기전력 변화

Fig. 11 Voltage changes with the temperature for thermal electromotive force average

그림 12 온도에 땨른 열기전력 변화

Fig. 12 Therma EMF test equipment

EMF 특성은 적용 이차전지와 BMS에 따라 상온 25℃의 낮은 온도에서 열기전력 특성을 확인하는 시험 조건과 60℃의 높은 온도에서 특성을 확인하는 조건으로 나누어진다.

각 조건에서 열기전력은 낮을수록 션트 정밀성 향상에 중요한 역할을 하고, 각각 0.3μV와 3μV가 특성 합격의 기준이다. 실험 결과로부터 그림 13와 같이 모든 합금에서 높은 온도 EMF특성 기준인 3μV 이하는 특성을 만족하였지만 그림 14와 같이 낮은 온도 EMF 특성인 0.3μV는 합금 3wt%Mn과 5wt%Mn, 10wt%Mn 만이 특성을 만족하였다.

그림 13 Cu-Mn 합금 조성에 따른 높은 온도 열기전력 변화

Fig. 13 Voltage changes with the composition of the Cu-Mn alloy for High thermal EMF

EMF 특성 시험 결과로부터 션트의 안정과 온도 상승에 따라 기전력이 낮은 합금을 구현하기 위해서는 단자 금속인 Cu와 유사도가 가장 가깝고, 온도상승의 편차가 크지 않은 합금을 션트 금속으로 사용 할수록 EMF 특성이 안정됨을 확인할 수 있었다. 결과적으로 높은 합금 조성은 저항온도 계수는 안정할 수 있지만 이에 따라 저항 금속과 단자 금속의 열전도도와 전기전도도 차이에 의한 온도 구배가 발생함을 확인할 수 있다. 그리고 해당 온도 구배는 온도가 높은 금속에서 낮은 금속 쪽으로 전자의 이동을 활발히 하여 EMF특성에 악영향이 된다.

이상의 실험을 통해 안정적인 T.C.R과 EMF특성을 동시에 만족하는 합금 설계에서 허용 오차 및 경감 곡선으로 고려한 마진 설계를 포함해야 하며, 이를 위한 온도전체에서 Cu-Mn 합금조성에 따른 역기전력을 그림 15에 나타내었다. 결과로 부터 Cu-3Mn-2Ni 합금과 Cu-5Mn-2Ni 합금이 본 연구에서 설계한 BMS용 정밀 대전력 션트 저항의 특성을 만족하여 적절한 합금 설계가 이루어 졌음을 알 수 있다.

그림 15 Cu-Mn 합금의 조성과 온도에 따른 열기전력 특성

Fig. 15 E.M.F characteristic according to composition and temperature of Cu-Mn alloy