KR100421435B1 - 고강도.고열전도성 히터용 세라믹 기판 및 그 제조방법 - Google Patents
고강도.고열전도성 히터용 세라믹 기판 및 그 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR100421435B1 KR100421435B1 KR10-2001-0023201A KR20010023201A KR100421435B1 KR 100421435 B1 KR100421435 B1 KR 100421435B1 KR 20010023201 A KR20010023201 A KR 20010023201A KR 100421435 B1 KR100421435 B1 KR 100421435B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- ceramic
- powder
- thermal conductivity
- tape
- added
- Prior art date
Links
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims abstract description 50
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 32
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 24
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims abstract description 21
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims abstract description 15
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 15
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 12
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 11
- 229910052845 zircon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- GFQYVLUOOAAOGM-UHFFFAOYSA-N zirconium(iv) silicate Chemical compound [Zr+4].[O-][Si]([O-])([O-])[O-] GFQYVLUOOAAOGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 239000005995 Aluminium silicate Substances 0.000 claims abstract description 10
- 235000012211 aluminium silicate Nutrition 0.000 claims abstract description 10
- NLYAJNPCOHFWQQ-UHFFFAOYSA-N kaolin Chemical compound O.O.O=[Al]O[Si](=O)O[Si](=O)O[Al]=O NLYAJNPCOHFWQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- KZHJGOXRZJKJNY-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Si]=O.O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O.O=[Al]O[Al]=O.O=[Al]O[Al]=O KZHJGOXRZJKJNY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 229910052863 mullite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 22
- 239000012744 reinforcing agent Substances 0.000 claims description 11
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 238000010304 firing Methods 0.000 claims description 7
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- FPAFDBFIGPHWGO-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxomagnesium;hydrate Chemical compound O.[Mg]=O.[Mg]=O.[Mg]=O.O=[Si]=O.O=[Si]=O.O=[Si]=O.O=[Si]=O FPAFDBFIGPHWGO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 5
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 3
- 238000007639 printing Methods 0.000 claims description 3
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 claims description 2
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims 2
- QGQFOJGMPGJJGG-UHFFFAOYSA-K [B+3].[O-]N=O.[O-]N=O.[O-]N=O Chemical compound [B+3].[O-]N=O.[O-]N=O.[O-]N=O QGQFOJGMPGJJGG-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 abstract description 9
- 239000002994 raw material Substances 0.000 abstract description 6
- 239000000454 talc Substances 0.000 abstract description 5
- 229910052623 talc Inorganic materials 0.000 abstract description 5
- 238000003475 lamination Methods 0.000 abstract description 4
- 238000000465 moulding Methods 0.000 abstract description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 abstract description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 abstract description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 abstract description 3
- -1 calsite Chemical compound 0.000 abstract description 2
- 229910001120 nichrome Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 230000035939 shock Effects 0.000 abstract description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 abstract description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 abstract 2
- 230000003796 beauty Effects 0.000 abstract 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 abstract 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 239000011368 organic material Substances 0.000 abstract 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 abstract 1
- 239000000306 component Substances 0.000 description 15
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 8
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 7
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 6
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 description 4
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N Calcium oxide Chemical compound [Ca]=O ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N N-Butanol Chemical compound CCCCO LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 3
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910021532 Calcite Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 239000002671 adjuvant Substances 0.000 description 2
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- DOIRQSBPFJWKBE-UHFFFAOYSA-N dibutyl phthalate Chemical compound CCCCOC(=O)C1=CC=CC=C1C(=O)OCCCC DOIRQSBPFJWKBE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 2
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 2
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 2
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 2
- RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N yttrium(III) oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Y+3].[Y+3] RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910017109 AlON Inorganic materials 0.000 description 1
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N Aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002202 Polyethylene glycol Substances 0.000 description 1
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 description 1
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 description 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- RXDDZPRSFAQJOC-UHFFFAOYSA-N butylbenzene;phthalic acid Chemical compound CCCCC1=CC=CC=C1.OC(=O)C1=CC=CC=C1C(O)=O RXDDZPRSFAQJOC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000292 calcium oxide Substances 0.000 description 1
- BRPQOXSCLDDYGP-UHFFFAOYSA-N calcium oxide Chemical compound [O-2].[Ca+2] BRPQOXSCLDDYGP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000000280 densification Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 235000021323 fish oil Nutrition 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000953 kanthal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000012533 medium component Substances 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 description 1
- 229920002037 poly(vinyl butyral) polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920001223 polyethylene glycol Polymers 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 238000009849 vacuum degassing Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
- C04B35/10—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on aluminium oxide
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
- C04B35/16—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on silicates other than clay
- C04B35/18—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on silicates other than clay rich in aluminium oxide
- C04B35/185—Mullite 3Al2O3-2SiO2
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
- H05B3/00—Ohmic-resistance heating
- H05B3/10—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
- H05B3/12—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
- H05B3/14—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material the material being non-metallic
- H05B3/141—Conductive ceramics, e.g. metal oxides, metal carbides, barium titanate, ferrites, zirconia, vitrous compounds
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/60—Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
- C04B2235/602—Making the green bodies or pre-forms by moulding
- C04B2235/6025—Tape casting, e.g. with a doctor blade
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
- C04B35/63—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B using additives specially adapted for forming the products, e.g.. binder binders
- C04B35/632—Organic additives
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
본 발명은 강도, 열전도율 및 내열충격이 양호한 히터용 세라믹 기판의 조성과 그 제조 방법에 관한 것으로, 기존의 니크롬선, 칸탈선등의 금속히터는 정밀 온도제어가 어렵고 열선의 산화에 의해 쉽게 단락되며, 소비전력이 높은 단점이 있고, 알루미나에 산화물을 첨가하여 치밀화시킨 세라믹 히터는 열전도율이 낮아 소비전력이 높고, 강도가 낮아 가열과 냉각 과정중에 파괴되는 현상이 종종 일어난다. 이러한 단점을 보완하고 알루미나에 열전도율을 높이고자 알루미늄나이트라이드, 보론나이트라이드를 첨가하고, 강도를 높이고자 저가의 천연원료인 카올린, 탈크 및 칼사이트와 지르콘, 뮬라이트를 첨가하여 조성을 설계하였다. 또한 설계된 조성으로 세라믹 기판을 고성능화하기 위해 용매첨가에 의한 입자크기제어, 유기물첨가에 의한 테입성형용 슬러리제조법, 성형 및 소결밀도를 높이기 위한 적층방법, 도체의 산화방지를 위한 가습환원분위기 소결방법등의 제조 방법에 대한 공정을 확립하였다.
이와같은 조성과 공정으로 제조된 히터용 세라믹 기판은 강도와 열전도율이 50%이상으로 증가하므로서 소비전력이 75%로 줄어들고, 사용중 파괴가 일어나지 않아 영구히 사용할 수 있어 미용기구, 납땜인두, 난방기구, 의료기구등 가전 및 산업용 히터로 사용할 수 있는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 강도와 열전도성이 높고 내열충격이 양호한 히터(heater)용 세라믹 기판(基板)의 조성과 그 제조방법에 관한 것이다.
현재 니크롬선, 칸탈선(kanthal wire)등의 금속 히터와 알루미나에 산화규소 (SiO2), 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO), 산화티탄(TiO2)을 중량비로 7∼8% 혼합한 세라믹과 도체를 일체화시킨 히터가 사용되고 있으나 전자는 사용하기에는 편리하나 모든 전자부품의 경박단소화 추세에 보조를 같이 할수 없으며 열손실이 높은 단점이 있고, 후자는 열전도율이 낮아 열전달이 쉽게 이루어지지 않으므로 소비전력이 높을 뿐만 아니라 강도가 낮아 급격한 전압변화에 깨지거나 열싸이클(ther mal cycle)이 반복되면서 열의 방사가 늦어 미세 크랙(crack)이 발생하여 500℃ 이상의 고온에서 사용하기에는 불안정하다.
따라서 본 발명에서는 현재 사용되고 있는 히터의 단점을 개선하고자 단일 원료 자체가 열전도율이 높은 보론나이트라이드(BN), 알루미늄나이트라이드(AlN)를 첨가하여 열전도성을 향상시키고자 하였고, 강도를 향상시키고자 뮬라이트(Mullite), 지르콘(Zircon)을 첨가하였다. 또한 부족한 알루미나 성분의 공급, 도체와 세라믹과의 부착력 향상 및 소결촉진을 위해 고가의 시약 대신 저가의 국내산 천연원료인 카올린(kaolin), 칼사이트(calcite)를, 고온에서 급격하게 알루미나 입자가 비대성장하여 물성을 저하시킨 것을 방지하고자 탈크(Talc)를 첨가하여 열전도율, 강도 및 내열성이 우수한 세라믹 히터의 조성을 제공하는데 발명의 목적이 있으며,
또한 원하는 특성이 나오도록 히터용 세라믹 기판을 만드는 방법 즉 입자제어, 슬러리제조, 테입성형, 그린쉬트제작, 그린쉬트위에 도체의 인쇄,테입의 적층 및 소성분위기등을 실시예 같이 제어함으로써 완전한 히터용 세라믹 기판을 제작하는 방법을 개발하는데 발명의 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고강도.고열전도성 히터용 세라믹 기판의 제조방법을 도시한 플로우 챠트
도 2a 내지 도 2c는 히터용 세라믹 기판의 제조방법에 있어서, 슬러리에서 세라믹 테이프를 거쳐 세라믹 기판을 제조하는 공정을 도시한 공정도
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 히터용 세라믹 기판의 제조방법은 주성분인 알루미나 분말(Al2O3) 78~93 wt%에 카올린 분말, 탈크 분말, 칼사이트 분말이 혼합되어 조성성분을 이루는 보강제 7~11wt%를 첨가한다(S101).위에서 알루미나 분말이 78wt% 이하인 경우, 제품의 강도가 저하되고, 알루미나 분말이 93wt% 이상인 경우, 제품 소성에 완전하게 이루어지지 않는다.상기 보강제는 제품의 강도 및 열전도율 향상을 위해 첨가되며, 보강제의 조성 성분인 카올린 분말, 탈크 분말 및 칼사이트 분말은 국내에서 생산되는 천연 광물로서, 저렴한 가격으로 구입할 수 있는 장점이 있다.상기 보강제에서 카올린 분말 : 탈크 분말 : 칼사이트 분말의 혼합비율(%)은 카올린 42 ~ 57% : 23 ~ 29% : 20 ~ 29%이다. 상기 혼합비율(%)은 실험에 의해 경험적으로 산출된 것이다.또한, 상기 카올린 분말, 탈크분말, 칼사이트 분말은 SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO 및 기타 성분으로 이루어져 있으며, 카올린 분말의 산화알루미늄(Al2O3) 성분은 주성분인 주성분인 알루미나 분말(Al2O3)의 알루미나 성분을 보충하고, 카올린, 칼사이트, 탈크의 산화칼슘(CaO)과 산화규소(SiO2) 성분은 기판의 치밀화, 도체와 기판과의 접착력 증진 작용을 하고, 탈크의 산화마그네슘(MaO) 성분은 알루미나의 입성장 제어하는 작용을 한다.
또한, 본 발명에 따른 히터용 세라믹 기판의 제조방법은, 고성능화를 위해. 주성분인 알루미나 분말과 보강제가 혼합된 혼합물에 보론나이트라이드(BN). 알루미늄나이트라이드(AIN), 뮬라이트(mulite), 및 지르콘(zircon)으로 이루어진 군(group) 중에서 1종 또는 2종 이상으로 이루어진 첨가물을 선택적으로 첨가할 수 있다(S102).상기 보론나이트라이드(BN), 알루미늄나이트라이드(AIN)는 성분 자체가 열전도율이 높이 세라믹 기판의 열전도율을 향상시키며, 뮬라이트(mulite)와 지르콘(zircin)은 치밀 소결, 입성장제어 및 강도증진에 효과가 있다.이후, 본 발명에 따른 제조방법은 상기와 같이 혼합된 혼합분말을 유기성 바이더에 첨가하여 슬러리(Slurry)를 제조한다(S103). 이후, 상기 슬러리를 테이프 케스터(Tape caster)에 공급하여 테이프 케이팅을 하므로서, 0.4mm ~ 0.6mm 두께의 세라믹 테이프(ceramic tape)를 성형한다(S104). 성형된 세라믹 테이프를 적당한 크기의 세라믹 쉬트로 절단한다(S105). 절단된 소정 크기의 세라믹 쉬트에 도체를인쇄하므로서, 베이스 기판을 완성한다(S106). 인쇄된 베이스 기판에 인쇄되지 않은 세라믹 쉬트들를 적층하여 결합시킨다(S107). 이후, 가습 환원분위기에서 상기 적층된 세라믹 쉬트를 소성하여 본 발명의 세라믹 기판(그린쉬트)을 제조한다(S108).상기 세라믹 테이프를 성형하는 단계(S104)에서 세라믹 테이프를 성형하는 공정을 도 2a를 참조하여 설명하기로 한다.테이프 케스터(10)의 챔버(11)에 슬러리(1)가 채워진 상태에서, 닥터 블레이드(13)의 개방하므로서, 슬러리(1)가 캐리어 테이프(15) 위로 흘러 세라믹 테이프(21) 위에 슬러리가 도포되고, 건조 챔버(17)를 통과하여 건조된 세라믹 테이프(21)가 테이크 업 롤(19 : take-up roll)에 감긴다. 이 때, 닥터 블레이드(13)의 개방높이에 따라 세라믹 테이프(21)의 두께가 결정된다. 절단기로 세라믹 쉬트를 소정의 크기로 절단한 후, 캐리어 테이프를 세라믹 쉬트에서 분리한다.또한, 도 2b에 도시된 바와같이, 절단기에 의해 소정크기로 절단된 세라믹 쉬트들 중 어느 한 세라믹 쉬트에 도체(25)를 인쇄하여 베이스 기판(23a)을 만든다(S106). 상기 도체(25)는 고온용 하드메탈(hard metal)에 적합하다.이후, 도 2c에 도시된 바와같이, 적층장치(hot press)에서 베이스 기판(23a)의 상하부면에 인쇄되지 않은 제 1, 제 2 및 제 3 세라믹 쉬트(23b, 23c, 23d)를 적층하여 결합시킨다(S107). 이때, 적층장치는 베이스 기판과 세라믹 쉬트들 사이에 첨가되는 유기성 바인더가 용융되어 베이스 기판과 세라믹 쉬트들이 서로 접착될 수 있도록 90℃, 25kg/㎠의 분위기를 유지하는 것이 중요하다.마지막으로, 1600℃의 가습 환원위기에서 상기 쉬트를 소성하여 그린쉬트를 제조한다(S108).[실시예]
표 1. 세라믹 기판의 조성
표 2. 보강제의 성분
본 발명에서는 표 1에 나타낸 바와 같이 시료 1∼5와 시료 6-1을 중량비로 천칭하였다. 이때 알루미나의 순도는 99.8%였고, 보강제 성분은 표 2와 같다. 천칭된 원료, 용매와 분산제(n-부틸알콜, 톨루엔, 알코올, 피쉬오일)양을 1:1로, 전체양이 500g이 되게하여 1ℓ의 테프론 포트에 넣은후 볼(Al2O3 ball)도 함께 넣어 평균 입자크기가 1㎛내외가 되게끔 볼밀에서 1차 분쇄·혼합한 후, 혼합물에 결합제와 가소제등의 유기물(폴리비닐부티랄, 디부틸프탈레이트, 부틸벤젠프탈레이트, 폴리에틸렌글리콜)을 고상원료 100g에 대해 6g 첨가하여 2차 혼합하고 진공탈포를 행하여 테입성형용 슬러리를 제조하였다. 진공 탈포된 슬러리는 닥터브레이드 (doctor blade)를 사용하여 두께 0.4∼0.6㎜로 쉬트를 성형하였고 계속해서 40∼80℃로 유지된 건조기를 통과시켜 건조하여 히터용 세라믹 쉬트를 제조하였다. 건조된 세라믹 쉬트를 적당한 크기로 절단한 후, 도체 인쇄를 하고, 세라믹 기판(그린쉬트)의 두께가 2.0㎜가 되게끔 4장을 쌓은 후 적층몰드(laminating mold) 위에 올려놓고 온도를 90℃로 유지하게 한 다음 적층장치(laminator)를 이용하여 25㎏/㎠의 압력으로 적층한 후 상온에서 건조하였다. 소성은 산화분위기에서 1600℃, 4시간 유지하여 소성한 후 로냉하여 특성을 측정하였다.
실험결과는 표3에 나타내었는데, 시료 5는 흡수율이 높게 나타난 것으로 보아 소성온도 1600℃가 낮아 소성이 완전하게 이루어지지 못하였고 시료 6-1은 약간의 부풀음 현상이 나타났고, 그 외에는 소성이 대부분 진행되었다. 꺾임강도는 보강제 또는 보강제와 지르콘을 혼합첨가한 경우가 거의 비슷하여 160~190㎫를 나타내었고 BN을 첨가한 경우는 10% 정도 증가하였으나 AlN을 첨가한 경우는 20% 정도 낮게 나타났다. AlN의 경우 산화분위기에서는 일부 O2와 반응하여 AlON으로 반응되기 때문인 것으로 사료된다. 그러나 BN첨가의 경우는 소결이 완전하게 이루어지지 않았음(흡수율 1.94%)에도 불구하고 강도가 가장 높게 나타났다.
열전도도 시험결과 산화분위기에서 소성했을 때 알루미나에 보강제만 첨가한 시료 1, 2와 BN을 첨가한 시료 5는 약 15.0 W/m·k이었으나 보강제와 지르콘을 동시첨가한 시료 3의 경우는 본 실험범위의 다른 시료보다 20%증가해 가장 높은 열전도도를 나타내었다. 그러나 AlN을 첨가한 시료 6-1은 산화규소의 고용으로 AlN 다결정체(polytype)가 생성되어 매우 낮은 값 9.3 W/m·k를 나타내었다.
따라서 강도는 알루미나에 보강제와 BN을 동시 첨가할 때가, 열전도율은 보강제와 지르콘을 동시 첨가한 경우가 현재 상용되고 있는 것보다 매우 높은 값을 얻을 수 있었다.
표 3. 소성분위기에 따른 기판의 특성(소성온도:1600℃)
소성은 1차적으로 저온에서 유기물을 충분히 제거하여야 하고, 2차적으로 히터용 기판으로 사용할 수 있도록 완전하게 치밀화가 이루어짐과 동시에 도체가 베이스(base) 기판과 충분히 접착할 수 있도록 해야 한다. 도체는 공기 중에서 소성하면 산화되어 히터로서 사용할 수 없으므로, 히터로서 사용할 수 있게끔 하려면 대부분이 가습 환원분위기에서 소결하여야만 한다. 따라서 800℃까지는 질소분위기로 하여 유기물을 태워 없어지게 한 다음, 그 이후 소성온도에서는 70% 질소와 30% 수소를 혼합한 혼합가스가 로점이 40℃인 가습분위기를 통과하게 하였는데 가스량은 분당 2㏄로 흘려보내면서 1550℃∼1600℃로 4시간 동안 유지하여 소성한 후 로냉하였는데, 300℃까지는 수소·질소 혼합가스를 흘려주었다. 이때 혼합가스를 가습분위기에 통과시키는 것은 슬러리제조시 첨가한 유기물로 인해 O2분압이 낮아지면 첨가하는 유기물이 완전히 제거되지 못할 수 있으므로 O2분압 조절을 위해 water의 양이 4.2v/o(노점 40℃)가 되게끔 하였다.
실험후 강도 및 열전도율의 특성을 보면, 먼저 강도의 경우 시료 1과 2는 산화분위기에서와 거의 비슷한 값을 나타내었으나 지르콘을 첨가한 경우 산화분위기보다 30% 정도 시료 1과 2와 비교하여 35% 정도 증가한 값을 나타내었다. 보강제와 mullite를 함께 첨가한 시료 4의 경우 산화분위기보다 20% 이상 증가하였고, 특히 BN을 첨가한 시료 5는 산화분위기로 1600℃에서는 완전 소결이 이루어지지 않았으나 가습 환원분위기에서는 완전소결이 이루어졌고 강도도 50% 이상 증가하였다. 열전도율의 경우 가습 환원분위기에서 소결한 경우 대체적으로 열전도율 값이 높게 나타냈는데 특히 BN을 첨가한 시료를 30% H2＋ 70% N2분위기로 소결한 경우 매우 높은 값인 23.3W/m·k의 열전도율을 나타내었다. 또한 지르콘을 첨가한 시료 3이 다른 시료보다 20% 증가한 상태였고 AlN을 첨가한 경우는 부풀음 현상으로 인해 오히려 다른 시료보다 낮게 나타났다.
따라서 강도와 열전도율에 영향을 미치는 인자로는 알루미나에 첨가되는 첨가제와 소성분위기등에 크게 영향을 받는 것으로 나타났는데, 특히 지르콘을 첨가한 경우는 분위기에 무관하게 강도가 증진하였으나 BN을 첨가한 경우는 환원분위기에서 강도와 열전도율이 크게 증가함을 알 수 있었다.
[실시예 2]
AlN을 첨가한 시료 6-1의 경우 원료 분쇄·혼합에서부터 적층이 완료될때까지 공정은 실시예 1과 동일한 방법이었고 다만 소성만을 아래와 같이 달리하였다. AlN을 첨가한 시료를 산화분위기와 환원분위기에서 소결한 경우 가습환원분위기에서가 산화분위기보다 더 낮은 값을 나타내었으므로 가습하지 않고 5% H2와 95% N2분위기 즉 미미한 정도의 환원분위기로 소결을 행한 결과 소결이 이루어짐과 동시에 강도는 알루미나에 보강제 첨가보다는 30%정도 높고 보강제에 지르콘을 동시 첨가한 효과와 거의 대등한 값을 나타내었다.
열전도율은 다른 어느것보다도 높게 나타났는데, 그 이유는 소결분위기를 중성분위기로 하는데서 치밀화로 이루어졌고 또한, 탈크를 산화이트리아(Y2O3)로 대체하므로서 산화규소(SiO2)와 산화마그네슘(MgO)이 감소하여 산소량을 줄였고, 이트리아는 소결조제 역할을 할 수 있었기 때문일 것이라 사료된다.
본 발명에 의해 제조한 세라믹 기판은 강도와 열전도율 향상과 열전도율 향상으로 소모전력이 60W에서 45W로 낮출 수 있어 에너지 절약이 획기적으로 이루어지고 또한 열원의 회복력이 빨라져 사용중 파손불량율을 거의 제거할 수 있었다. 고가(5000∼8000원/㎏)의 원료를 저가(300~500원/㎏)의 천연원료로 대체하고, 여러 종류의 특성향상 첨가제를 첨가하여 강도를 향상시킴으로서 열사이클(냉각-가열)에 의해 발생되었던 크랙이 생성되지 않아 열선의 단락 없이 영구히 사용할 수 있는 효과가 있다.
Claims (3)
- 주성분인 알루미나 분말(Al2O3) 78~93 wt%에 카올린 분말, 탈크 분말, 칼사이트 분말로 이루어진 보강제 7~11wt%가 첨가되는 것을 특징으로 하는 고강도 고열전도성 히터용 세라믹 기판.
- 제 1 항에 있어서,주성분인 알루미나 분말과 보강제가 혼합된 혼합물에 보론나이트라이드(BN), 알루미늄나이트라이드(AIN), 뮬라이트(mulite), 및 지르콘(zircon)으로 이루어진 군(group) 중에서 1종 또는 2종 이상으로 이루어진 첨가물이 첨가될 수 있는 것을 특징으로 하는 고강도 고열전도성 히터용 세라믹 기판.
- 주성분인 알루미나 분말(Al2O3) 78~93 wt%에 카올린 분말, 탈크 분말, 칼사이트 분말이 혼합되어 조성성분을 이루는 보강제 7~11wt%를 첨가하는 단계(S101)와,고성능화를 위해, 주성분인 알루미나 분말과 보강제가 혼합된 혼합물에 보론나이트라이트(BN), 알루미늄나이트라이드(AIN), 뮬라이트(mulite), 및 지르콘(zircon)으로 이루어진 군(group) 중에서 1종 또는 2종 이상으로 이루어진 첨가물을 선택적으로 첨가하는 단계(S102)와,상기와 같이 혼합된 혼합분말을 유기성 바이더에 첨가하여 슬러리(Slurry)를 제조하는 단계(S103)와,상기 슬러리를 테이프 케스터(Tape caster)에 공급하여 테이프 케이팅을 하므로서, 0.4mm ~ 0.6mm 두께의 세라믹 테이프(ceramic tape)를 성형하는 단계(S104)와,성형된 세라믹 테이프를 적당한 크기의 세라믹 쉬트로 절단하는 단계(S105)와,절단된 소정 크기의 세라믹 쉬트에 도체를 인쇄하므로서, 베이스 기판을 완성하는 단계(S106)와,베이스 기판에 인쇄되지 않은 세라믹 쉬트들를 적층하여 결합시키는 단계(S107)와,가습 환원분위기에서 상기 적층된 세라믹 쉬트를 소성하여 세라믹 기판을 제조하는 단계(S108)로 구성되는 것을 특징으로 하는 고강도, 고열전도성 히터용 세라믹 기판 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR10-2001-0023201A KR100421435B1 (ko) | 2001-04-28 | 2001-04-28 | 고강도.고열전도성 히터용 세라믹 기판 및 그 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR10-2001-0023201A KR100421435B1 (ko) | 2001-04-28 | 2001-04-28 | 고강도.고열전도성 히터용 세라믹 기판 및 그 제조방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20020083677A KR20020083677A (ko) | 2002-11-04 |
| KR100421435B1 true KR100421435B1 (ko) | 2004-03-09 |
Family
ID=27703004
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR10-2001-0023201A KR100421435B1 (ko) | 2001-04-28 | 2001-04-28 | 고강도.고열전도성 히터용 세라믹 기판 및 그 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR100421435B1 (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012087021A2 (ko) * | 2010-12-22 | 2012-06-28 | (주)존인피니티 | 세라믹히터 방열플레이트 제조방법 |
| KR101198213B1 (ko) | 2010-09-17 | 2012-11-07 | 서울대학교산학협력단 | 열전 소자용 다결정 세라믹의 제조 방법 |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100710679B1 (ko) * | 2005-10-25 | 2007-04-23 | 아프로시스템 주식회사 | 히터 기판의 팽창 방법 |
| KR20160000086U (ko) | 2015-12-11 | 2016-01-08 | 한태규 | 현장 작업용 자립식 세라믹 전열날 적용 폴리스티렌류 단열재 절단기 |
| CN106854075A (zh) * | 2016-11-28 | 2017-06-16 | 安徽省春谷3D打印智能装备产业技术研究院有限公司 | 3d打印氮化铝陶瓷材料及其制备方法 |
-
2001
- 2001-04-28 KR KR10-2001-0023201A patent/KR100421435B1/ko not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101198213B1 (ko) | 2010-09-17 | 2012-11-07 | 서울대학교산학협력단 | 열전 소자용 다결정 세라믹의 제조 방법 |
| WO2012087021A2 (ko) * | 2010-12-22 | 2012-06-28 | (주)존인피니티 | 세라믹히터 방열플레이트 제조방법 |
| WO2012087021A3 (ko) * | 2010-12-22 | 2012-08-30 | (주)존인피니티 | 세라믹히터 방열플레이트 제조방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20020083677A (ko) | 2002-11-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101386539B (zh) | 氮化铝陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN102826853A (zh) | 一种高强度氮化铝陶瓷基板及其制造方法 | |
| CN109592978B (zh) | 高功率led/ld照明用暖白光高显指荧光陶瓷及其制备方法与应用 | |
| CN108947539A (zh) | 一种用于手机背板的氮化硅陶瓷材料及其制备方法 | |
| JP6397130B2 (ja) | 焼結セラミック構成要素及びその形成方法 | |
| CN110128127B (zh) | 一种具有高压电性能及高温稳定性的铁酸铋-钛酸钡基无铅压电陶瓷及其制备方法 | |
| CN111393151A (zh) | 一种掺杂氧化锆的氧化铝陶瓷基板及其制备工艺 | |
| CN104310976A (zh) | 一种高耐磨耐高温陶瓷 | |
| KR100421435B1 (ko) | 고강도.고열전도성 히터용 세라믹 기판 및 그 제조방법 | |
| US4935390A (en) | Mullite-based ceramic body | |
| CN109809795A (zh) | 一种保温储热性好的纳米釉面陶瓷煲及其制备方法 | |
| CN107266046A (zh) | 一种氧化铝荧光陶瓷片及其制备方法和应用 | |
| TWI262178B (en) | Carrier for sintering ceramic electronic part | |
| JPH05238810A (ja) | 黒色アルミナ焼結体 | |
| JPS5951716B2 (ja) | 発熱体の製造方法 | |
| WO2023005948A1 (zh) | 一种双层稀土离子掺杂钇铝石榴石陶瓷及其制备方法 | |
| KR20210036141A (ko) | 질화알루미늄 소결체 및 질화알루미늄 소결체의 제조방법 | |
| KR20110130619A (ko) | 착색 세라믹 조성물 및 그의 제조방법 | |
| CN107937790A (zh) | 一种氧化铝基金属陶瓷材料及其制备方法 | |
| JP2000211969A (ja) | 低温焼成磁器およびこれを備えた電子部品 | |
| CN110981491A (zh) | 一种重结晶碳化硅材料及其制备方法 | |
| JPH04209761A (ja) | ジルコニア磁器及びその製造方法 | |
| CN107117947A (zh) | 一种高耐磨耐高温陶瓷及其制备方法 | |
| WO2017195954A1 (ko) | 다결정 투광성 업컨버팅 알파사이알론 세라믹스 및 그 제조방법 | |
| KR20190118893A (ko) | 적층형 세라믹 히터를 위한 그린시트 및 그 제조방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20090220 Year of fee payment: 6 |
|
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |