KR100648001B1 - 세라믹 히터 - Google Patents

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조숙철
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Abstract

본 발명에 의한 세라믹 히터는 알루미나 기판 및 저항 발열체를 포함하는 세라믹 히터에 있어서, 알루미나 기판은 알루미나 90 ~ 96중량%, 활석 2 ~ 5중량%, 실리카 1 ~ 3중량%, 탄산칼슘 0.5 ~ 1중량%, 및 이트리아 0.5 ~ 1중량%로 이루어지며, 저항 발열체는 텅스텐 단독, 또는 텅스텐과 몰리브덴 혼합물, 또는 텅스텐과 몰리브덴 혼합물에 지르코늄 산화물을 첨가한 것으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 알루미나 기판과 저항 발열체 간의 밀착성이 높고, 온도변화에 따른 저항변화가 작으며, 승온속도가 빠르다. 이에 따라 부하의 변동이 작고, 온도제어 회로의 부하손실을 줄일 수 있으며, 고출력이 가능하다.
세라믹 히터, 알루미나, 저항 발열체, 텅스텐, 몰리브덴

Description

세라믹 히터{CERAMIC HEATER}
도 1은 세라믹 히터의 한 예에 대한 분해사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 대한 온도특성 그래프를 도시한 것이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10, 12: 알루미나 기판 14: 브레이징(brazing) 접합 단자
16: 리드(lead) 20: 저항 발열체
본 발명은 세라믹 히터에 관한 것이다.
도 1은 세라믹 히터의 한 예에 대한 분해사시도이다.
도 1을 참조하면, 세라믹 히터는 알루미나 기판(10, 12), 저항 발열체(20), 및 브레이징 접합 단자(14)로 이루어지며, 브레이징 접합 단자(14)에는 리드(16)가 접합된다.
알루미나 기판(10, 12)의 재료로는 저순도 알루미나에 소결 보조제를 첨가한 것이나 고순도의 알루미나가 사용되는데, 보통은 전자가 많이 사용된다. 전자의 예로서 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 산화마그네슘(MgO), 및 산화칼슘(CaO)으로 이루어지는 혼합물을 들 수 있다.
저항 발열체(20)로는 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 등의 고융점 금속을 사용한다.
리드(16)를 브레이징 접합 단자(14)에 접합하는 방법으로는 브레이징 접합 단자(14)부분의 저항 발열체(20)에 니켈도금 후 브레이징 재료를 사용하여 리드(16)를 접합하는 방법을 취한다.
종래의 세라믹 히터는 알루미나 기판(10, 12)과 저항 발열체(20)간에 밀착성이 떨어진다는 문제가 있었다. 이러한 문제로 인하여 시간경과에 따라 저항 발열체(20)가 불량해져 그 저항이 높아지고, 이로 인해 전원이 공급되었을 때 저항 발열체(20)가 단선되거나 알루미나 기판(10, 12)에 균열이 발생하였다. 뿐만 아니라 온도변화에 따라 저항변화가 심하여 온도제어가 어렵고 구동회로의 전력소모가 많았다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 알루미나 기판과 저항 발열체 간의 밀착성을 높이고, 온도변화에 따른 저항변화를 작게 함과 아울러, 고출력이 가능하도록 하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 세라믹 히터는 알루미나 기판 및 저항 발열체를 포함하는 세라믹 히터에 있어서, 알루미나 기판은 알루미나 90 ~ 96중량%, 활석 2 ~ 5중량%, 실리카 1 ~ 3중량%, 탄산칼슘 0.5 ~ 1중량%, 및 이트리 아 0.5 ~ 1중량%로 이루어지며, 저항 발열체는 텅스텐 단독, 또는 텅스텐과 몰리브덴 혼합물, 또는 텅스텐과 몰리브덴 혼합물에 지르코늄 산화물을 첨가한 것으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 세라믹 히터는 알루미나 기판(10, 12)의 재료로서 알루미나(Al2O3), 활석(talc), 실리카(SiO2), 탄산칼슘(CaCO3), 및 이트리아(yttria; Y2O3)를 사용하고, 저항 발열체(20)의 재료로서 텅스텐(W) 단독, 또는 텅스텐(W)과 몰리브덴(Mo) 혼합물, 또는 텅스텐(W)과 몰리브덴(Mo) 혼합물에 지르코늄 산화물(ZrO2)을 첨가한 것을 사용한다.
더 구체적으로는, 알루미나 기판(10, 12)은 알루미나 90 ~ 96중량%, 활석 2 ~ 5중량%, 실리카 1 ~ 3중량%, 탄산칼슘 0.5 ~ 1중량%, 및 이트리아 0.5 ~ 1중량%로 이루어진다.
여기서, 알루미나의 함량이 90중량% 미만이면 강도저하의 문제가 있고, 96중량%를 초과하면 치밀성이 떨어지거나 소결온도가 높아야 되는 문제가 있다. 활석의 함량이 2중량% 미만이면 세라믹 치밀성이 떨어지고, 5중량%를 초과하면 세라믹 결정이 거칠고 커지며 강도저하 문제가 있다. 실리카의 함량이 1중량% 미만이면 세라믹 치밀성이 떨어지고, 3중량%를 초과하면 세라믹 결정이 거칠고 커지며 강도저하 문제가 있다. 탄산칼슘의 함량이 0.5중량% 미만이면 세라믹 치밀성이 떨어지고, 1중량%를 초과하면 세라믹 결정이 거칠고 커지며 강도저하의 문제가 있다. 이트리아 의 함량이 0.5중량% 미만이면 세라믹 치밀성이 떨어지고, 1중량%를 초과하면 세라믹 결정이 거칠고 커지며 강도저하의 문제가 있다.
한편, 본 발명의 저항 발열체(20)에 사용되는 텅스텐과 몰리브덴 혼합물은 텅스텐 10 ~ 30중량% 및 몰리브덴 70 ~ 90중량%로 이루어지는 것이 바람직하다. 여기서, 텅스텐의 함량이 10중량% 미만이면 히터의 승온속도가 느려지는 문제가 있고, 30중량%를 초과하면 승온속도가 빨라져 온도 제어가 어려워진다.
또한, 텅스텐과 몰리브덴 혼합물은 텅스텐 30 ~ 50중량% 및 몰리브덴 50 ~ 70중량%의 혼합물에 지르코늄 산화물을 소정량 첨가하여 이루어지는 것이 바람직하다. 첨가되는 지르코늄 산화물의 양은 텅스텐과 몰리브덴 혼합물에 대해서 30중량% 정도가 바람직하다. 여기서, 텅스텐의 함량이 30중량% 미만이면 히터의 승온속도가 느려지는 문제가 있고, 50중량%를 초과하면 승온속도가 빨라져 온도 제어가 어려워지는 문제가 있다. 한편, 지르코늄 산화물을 첨가함으로써 승온속도 및 고저항 제어가 가능해진다.
이하에서 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세히 살펴본다.
실시예 1
알루미나 분말(평균입경: 1.7㎛, 순도: 99.83%) 93.7중량%, 활석(평균입경: 11.4㎛, 순도: 90%) 3.3중량%, 실리카(평균입경: 1.8㎛, 순도: 99.5%) 1.6중량%, 탄산칼슘(평균입경: 2.9㎛, 순도: 99%) 0.66중량%, 및 이트리아(평균입경: 4.7㎛, 순도: 99.99%) 0.62중량%로 이루어진 세라믹 조성물의 원료를 배합하고, 여기에 분산제, 가소제, 바인더, 유기용매를 투입하여, 볼밀, 탈포, 숙성과정을 거쳐 슬러리 를 제조하고, 닥터블레이드법을 이용하여 테입 캐스팅을 함으로써, 알루미나 기판(10, 12)의 소결 전 상태인 세라믹 그린 시트를 제조한다.
중심입경이 1.0 ~ 2.0㎛인 텅스텐 분말을 비이클(vehicle)과 약 6 : 1의 중량비로 혼합한다. 이 혼합물을 2롤(roll), 3롤(roll) 밀(mill) 과정을 거쳐 15시간 이상 상온 방치 후 점도를 조절하여 페이스트(paste)를 만들어서, 상기 세라믹 그린 시트 상에 원하는 저항 발열체(20) 패턴을 인쇄한 다음, 그 위에 또 하나의 세라믹 그린 시트를 적층하고, 1500 ~ 1540℃의 고온의 환원분위기에서 소결하여 저항 발열체(20)를 동시 소성시키고, 브레이징 접합 단자(14)에 리드(16)를 브레이징하여 세라믹 히터를 완성한다.
실시예 2
실시예 1과 동일한 방법으로 세라믹 그린 시트를 제조한다.
중심입경이 1.0 ~ 2.0㎛인 텅스텐 분말 20중량%와, 중심입경이 1.0 ~ 2.0㎛인 몰리브덴 분말 80중량%를 혼합하고, 여기에 비이클(vehicle)을 약 6 : 1의 중량비로 혼합한다. 이후의 공정은 실시예 1과 동일하다.
실시예 3
실시예 1과 동일한 방법으로 세라믹 그린 시트를 제조한다.
중심입경이 1.0 ~ 2.0㎛인 텅스텐 분말 40중량%와, 중심입경이 1.0 ~ 2.0㎛인 몰리브덴 분말 60중량%를 혼합하고, 여기에 중심입경이 2㎛인 지르코늄 산화물을, 이 텅스텐과 몰리브덴 혼합물에 대해서 30중량% 첨가하고, 또한 여기에 비이클(vehicle)을 약 6 : 1의 중량비로 혼합한다. 이후의 공정은 실시예 1과 동일하다.
실시예 1, 2, 및 3에 의해서 완성된 세라믹 히터에 대한 각종 특성 데이터를 하기 표 1에 기재하였다.
저항온도계수 (×10-6/℃) 인장강도 (kgf) 승온시간 (초) 승온속도 (℃/s) 초기저항 (Ω) 포화전류 (A) 입력전압 (V) 소비전력 (W)
실시예 1 4060 8.2 16.2 12.3 68.6 0.50 120 60
실시예 2 3200 7.2 13.4 14.9 68.4 0.57 120 68.4
실시예 3 2990 7.2 12.9 5.5 68.7 0.59 120 70.8
상기 표 1에서 승온시간 및 승온속도는 입력전압 120V AC 60Hz, 기준온도 200℃에서의 값이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 대한 온도특성 그래프를 도시한 것이다. 본 그래프는 K 타입의 접촉식 온도센서를 세라믹 히터 표면에 부착하고, 전류계를 세라믹 히터와 직렬로 연결하고, 슬라이닥스로 세라믹 히터에 전압을 공급하여, 10초 단위로 세라믹 히터 표면온도가 포화될 때까지 측정하였다. 여기서 입력전압은 120V AC 60Hz로 하였다.
본 발명은 알루미나 기판과 저항 발열체 간의 밀착성이 높고, 온도변화에 따른 저항변화가 작으며, 승온속도가 빠르다. 이에 따라 부하의 변동이 작고, 온도제어 회로의 부하손실을 줄일 수 있으며, 고출력이 가능하다.
이상에서 살펴본 본 발명은 기재된 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에 게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (3)

  1. 알루미나 기판 및 저항 발열체를 포함하는 세라믹 히터에 있어서,
    상기 알루미나 기판은 알루미나 90 ~ 96중량%, 활석 2 ~ 5중량%, 실리카 1 ~ 3중량%, 탄산칼슘 0.5 ~ 1중량%, 및 이트리아 0.5 ~ 1중량%로 이루어지며,
    상기 저항 발열체는 텅스텐 단독, 또는 텅스텐과 몰리브덴 혼합물, 또는 텅스텐과 몰리브덴 혼합물에 지르코늄 산화물을 첨가한 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 텅스텐과 몰리브덴 혼합물은 텅스텐 10 ~ 30중량% 및 몰리브덴 70 ~ 90중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 텅스텐과 몰리브덴 혼합물에 지르코늄 산화물을 첨가한 것은 텅스텐 30 ~ 50중량% 및 몰리브덴 50 ~ 70중량%의 혼합물에 지르코늄 산화물을 소정량 첨가하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
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