KR101127114B1 - 세라믹 히터와 그 제조방법 및 가열장치 및 헤어 아이론 - Google Patents

세라믹 히터와 그 제조방법 및 가열장치 및 헤어 아이론 Download PDF

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Abstract

고온에서의 절연저하를 방지하여 내구성이 좋은 세라믹 히터를 제공하기 위해, 외표면과 매설된 도체 패턴을 갖는 세라믹체를 포함하는 세라믹 히터에 있어서, 도체 패턴을, 저항 발열체로 되는 리턴부가 형성되도록 설치된 도체로 하고, 리턴부에 있어서 인접하는 도체에 끼워진 세라믹부의 보이드 점유율을 0.01~50%의 범위로 했다.

Description

세라믹 히터와 그 제조방법 및 가열장치 및 헤어 아이론{CERAMIC HEATER AND PRODUCTION METHOD THEREFOR AND HEATING DEVICE AND HAIR IRON}
본 발명은 센서 가열용 히터, 특히 자동차용 공연비 검지센서 가열용, 기화기용 히터, 헤어 아이론, 납땜 인두 등에 사용하는 세라믹 히터와, 그것을 사용한 가열장치 및 헤어 아이론에 관한 것이다.
종래부터, 산화알루미늄을 주성분으로 하는 세라믹스 중에 W, Re, Mo 등의 고융점 금속으로 이루어지는 발열 저항체를 매설해서 이루어지는 산화알루미늄 세라믹 히터가 널리 사용되고 있다.
예를 들면, 원기둥형상의 세라믹 히터를 제조하는 경우는 도 10에 나타내는 바와 같이, 세라믹 성형체(12)와 세라믹 그린시트(13)를 준비하며, 세라믹 그린시트(13)의 한쪽 면에 W, Re, Mo 등의 고융점 금속으로 이루어지는 발열 저항체(14)와 리드 인출부(15)를 형성하고, 전극 패드를 이면(다른쪽 면)에 형성(도시생략)한 후, 발열 저항체(14)와 리드 인출부(15)가 내측으로 되도록 세라믹 성형체(12)에 감아서 밀착 소성한다. 또, 리드 인출부(15)와 전극 패드는 세라믹 그린시트(13)에 형성된 스루홀(16)에 의해 접속되어 있다(예를 들면 특허문헌1 참조).
이렇게 종래의 세라믹 히터는 페이스트형상의 발열 저항체(14)를 세라믹 성 형체(12) 및 세라믹 그린시트(13)와 동시 소성함으로써 형성되어 있다. 그리고 이렇게 해서 만들어지는 세라믹 히터의 발열 저항체는 복수회 되접어진 곡절된 형상으로 되어 있다(특허문헌 2의 도 1 등).
또한, 특허문헌3~특허문헌5에는 한쌍의 파지부재의 기부를 축으로 개폐 가능하게 연결하고, 베어링부에 설치된 스프링의 가압에 의해 상시 양 파지부재의 선단부를 서로 개방함과 아울러, 양 파지부재의 선단부의 개구부의 내측에 각각 히터판을 구비한 헤어 아이론이 개시되어 있다.
이 헤어 아이론은 세라믹제 절연판에 니크롬선을 감아서 양면을 다시 절연판으로 덮은 히터판을 판형상체로 끼워 맞추거나, 판 스프링에 의해 눌려서 히터판으로부터의 열을 판형상체에 전달하는 구조로 되어 있었다.
[특허문헌1]일본 특허공개 2001-126852호 공보
[특허문헌2]일본 특허공개 2001-102156호 공보
[특허문헌3]일본 특허공개 2000-232911호 공보
[특허문헌4]일본 특허공개 2002-291517호 공보
[특허문헌5]일본 특허공개 2000-14438호 공보
그러나 최근 세라믹 히터는 보다 고온환경하에서 사용되도록 되고, 이것에 의해 내구성의 저하가 문제로 되고 있었다. 즉, 고온에서의 연속 통전을 행하면, 인접한 패턴 사이의 절연성이 열화되어서 내구성이 저하되고, 결국에는 스파크를 일으키거나 단선되거나 한다는 문제가 발생하게 되고 있다.
또한, 니크롬선로 이루어지는 발열체를 절연판에 감아서 제작된 히터는 가열 통전의 반복에 의해 단선되거나, 발열체가 공기 중의 수분과 반응해서 반응층을 형성하여 발열체의 저항값이 커져서, 소정의 전압에서 소정의 온도에 도달하지 않을 우려가 있으며, 내구성이 떨어진다는 문제가 있었다.
또한, 니크롬선로 이루어지는 히터판은 발열체를 균일하게 히터판에 배치하는 것이 어려워 판형상체의 가열면을 균일하게 가열할 수 없다는 문제가 있었다.
또한, 히터판의 가열면과 판형상체의 면이 균등하게 열적으로 접촉하고 있지 않으므로, 히터판의 열을 판형상체에 균등하게 전달하는 것이 어려워 가열면의 온도를 균일하게 할 수 없다는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 고온에서의 절연 저하를 방지하여 내구성이 좋은 세라믹 히터를 제공하는 것을 제1의 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 판형상체의 가열면을 균일하게 가열할 수 있는 가열장치 및 헤어 아이론을 제공하는 것을 제2의 목적으로 한다.
이상의 제1의 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 세라믹 히터는 외표면과 매설된 도체 패턴을 갖는 세라믹체를 포함하고, 상기 도체 패턴은 저항 발열체로 되는 리턴부가 형성되도록 설치된 도체로 이루어지며, 상기 리턴부에 있어서 인접하는 도체에 끼워진 세라믹부의 보이드 점유율이 0.01~50%인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 인접하는 도체에 끼워진 세라믹부란, 상기 도체의 두께와 실질적으로 동일한 두께를 갖고 상기 외표면을 따른 내부영역으로서 정의되는 도체 형성영역에 있어서, 도체에 끼워진 세라믹 부분을 말한다.
또한, 본 발명에 따른 세라믹 히터의 제1의 제조방법은 제1의 세라믹 그린시트의 표면에 도체 페이스트를 소정의 패턴으로 형성하는 공정과,
상기 제1의 세라믹 그린시트의 도체 페이스트가 형성된 면에, 적어도 상기 도체 패턴과 같은 두께를 갖고, 상기 제1의 세라믹 그린시트보다 유연한 제2의 세라믹 그린시트를 적층함으로써 세라믹 그린시트 적층체를 제작하는 공정과,
상기 세라믹 그린시트 적층체를 세라믹 성형체에 접합하는 공정과,
그 접합한 세라믹 그린시트 적층체 및 세라믹 성형체를 소성하는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 세라믹 히터의 제2의 제조방법은,
세라믹 그린시트의 표면에 도체 페이스트를 소정의 패턴으로 형성하는 공정과,
상기 소정의 패턴에 있어서의 도체 페이스트 사이에 절연물을 충전하는 공정과,
상기 도체 페이스트 사이에 절연물이 충전된 세라믹 그린시트를, 상기 도체 페이스트가 형성된 면을 접합면으로 해서 세라믹 성형체에 접합하는 공정과,
상기 접합한 세라믹 그린시트 및 세라믹 성형체를 소성하는 공정을 포함해서 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2의 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 가열장치는 저항 발열체가 매설된 판형상 세라믹스체로 이루어지고, 0.5~5.0㎜의 범위의 두께를 갖는 히터판과,
제1과 제2의 면을 갖고 그 제1의 면에 상기 히터판이 설치되며 상기 제2의 면을 가열면으로 해서, 그 가열면이 평면부와 그 주변의 모따기부로 이루어지는 판형상체를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 헤어 아이론은, 본 발명에 따른 세라믹 히터 또는 본 발명에 따른 가열장치를 이용하여 구성된 것을 특징으로 한다.
<발명의 효과>
이상의 본 발명에 따른 세라믹 히터는, 상기 도체 사이에 있어서의 세라믹체의 보이드 점유율이 0.01~50%이므로 고온에서의 절연 저하를 방지할 수 있어 내구성이 높은 세라믹 히터를 제공할 수 있다.
즉, 세라믹 히터의 발명은 상기 도체 사이의 세라믹부에 있어서의 보이드 점유율이 어느 일정한 범위 내이면, 고온에서의 절연 저하를 방지할 수 있음을 발견해서 완성시킨 것이다.
또한, 본 발명에 따른 가열장치는 판형상 세라믹스체에 저항 발열체를 매설함으로써 수증기 등에 저항 발열체가 노출되지 않아 내구성이 뛰어남과 아울러 반복 급속 가열이 가능하고, 또 가열면 내의 온도차를 작게 할 수 있으므로 피가열물을 균등하게 가열할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 헤어 아이론은 본 발명에 따른 세라믹 히터 또는 본 발명에 따른 가열장치를 구비함으로써, 내구성이 높은 헤어 아이론을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 헤어 아이론에 있어서, 본 발명에 따른 가열장치를 구비함으로써 가열면에 국소적인 고온부가 생기지 않으므로, 예를 들면 모발을 부분적으로 고온 가열하여 손상을 줄 우려가 없는 헤어 아이론을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실시형태1의 세라믹 히터의 구성을 나타내는 일부 파단사시도이다.
도 2는 도 1의 세라믹 히터에 있어서의 X-X선에 대한 단면도이다.
도 3은 실시형태1의 원기둥형상의 세라믹 히터에 있어서의 도체 사이를 확대해서 나타내는 단면도이다.
도 4는 실시형태1의 변형예에 따른 평판형상의 세라믹 히터에 있어서의 도체 사이를 확대해서 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 실시형태2의 헤어 아이론의 구성을 나타내는 일부 노치측면도이다.
도 6은 도 5의 헤어 아이론에 사용하는 히터판과 판형상체의 위치관계를 나타내는 정면도이다.
도 7은 도 6의 X-X선에 대한 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 실시형태2의 변형예의 가열장치의 단면도이다.
도 9는 실시형태2의 가열장치에 사용하는 히터판의 평면도이다.
도 10은 종래예의 세라믹 히터의 전개도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1:세라믹 히터 2:세라믹 심재
3:세라믹 시트 4:발열 저항체
5:리드 인출부 6:스루홀
7:전극 패드 8:리드부재
A:원기둥형상 세라믹 히터에 있어서의 도체 사이의 영역
B:평판형상 세라믹 히터에 있어서의 도체 사이의 영역
51:가열장치 50:파지부재
52:축 53:코일 스프링
54:베어링부 55:판형상체
55a:가열면 57: 히터판
58:저항 발열체 59:스프링
61:리드선
이하, 본 발명에 따른 실시형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다.
<실시형태1>
도 1은 본 발명에 따른 실시형태1의 세라믹 히터(1)의 일부 파단사시도이며, 도 2는 도 1의 X-X선에 대한 단면도이다.
본 실시형태1의 세라믹 히터(1)는 세라믹 심재(2)와 세라믹 시트(3)로 이루어지는 세라믹체 중에 발열 저항체(4)가 내장되어서 이루어진다. 여기서 발열 저항체(4)는 도체 패턴에 있어서의 리턴부로 이루어지고, 이 발열 저항체(4)가 형성되 는 부분에 있어서 근접하는 도체 사이에 있는 세라믹체의 보이드 점유율이 0.01~50%인 것을 특징으로 하는 것이다.
이 세라믹 히터(1)는 발열 저항체(4)와 리드 인출부(5)가 표면에 형성되고, 전극 패드(7)가 이면에 형성된 세라믹 그린시트(소성 후는 세라믹 시트(3))를, 발열 저항체(4)와 리드 인출부(5)가 내측으로 되도록 세라믹 성형체(소성 후는 세라믹 심재(2))에 감아서 밀착 소성함으로써 얻어진다. 또, 리드 인출부(5)와 전극 패드(7)는 세라믹 시트(3)에 형성된 스루홀(6)에 의해 접속되어 있다.
세라믹체는 세라믹 성형체가 소성되어 이루어지는 세라믹 심재(2)와, 세라믹 그린시트가 소성되어 이루어지는 세라믹 시트(3)로 구성된다. 이 세라믹체는 산화알루미늄질 세라믹스, 질화규소질 세라믹스, 질화알루미늄질 세라믹스, 탄화규소질 세라믹스 등의 각종 세라믹스로 이루어지고, 특히 주성분으로서 산화알루미늄 또는 질화규소를 채용하는 것이 바람직하며, 이것에 의해 급속승온 및 내구성이 우수한 세라믹 히터(1)를 얻을 수 있다. 예를 들면 산화알루미늄 세라믹스의 경우, Al2O3 88~95중량%, SiO2 2~7중량%, CaO 0.5~3중량%, MgO 0.5~3중량%, ZrO2 1~3중량%로 이루어지는 조성의 것을 사용하는 것이 바람직하다. Al2O3 함유량이 88중량%미만이면, 유리질이 많아지므로 통전시의 마이그레이션이 커질 우려가 있다. 한편, Al2O3 함유량이 95중량%를 초과하면, 세라믹 히터(1) 중에 내장된 발열 저항체(4)의 금속층 내에 확산되는 유리량이 감소하고, 세라믹 히터(1)의 내구성이 열화될 우려가 있다. 또, 질화규소질 세라믹스의 경우, 주성분인 질화규소에 대하여 소결 조제로서 3~12중량%의 희토류 원소 산화물과 0.5~3중량%의 Al2O3, 또한 소결체에 함유되는 SiO2량으로서 1.5~5중량%가 되도록 SiO2를 혼합하는 것이 바람직하다. 여기서 나타내는 SiO2량이란, 질화규소 원료 중에 함유되는 불순물 산소로부터 생성되는 SiO2와, 다른 첨가물에 함유되는 불순물로서의 SiO2와, 의도적으로 첨가한 SiO2의 총합이다. 또, 모재의 질화규소에 MoSi2나 WSi2를 분산시키는 것에 의해, 모재의 열팽창율을 발열 저항체(4)의 열팽창율에 근접시킴으로써 발열 저항체(4)의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 발열 저항체(4)는 사행(蛇行)한 도체 패턴에 의해 구성되고, 이 발열 저항체(4)에 대하여 저항값이 1/10정도로 되도록 형성된 리드 인출부(5)가 접속된다. 이들은 통상 작업을 간편화하기 위해, 세라믹 그린시트(소성 후에는 세라믹 시트(3)로 됨)상에 발열 저항체(4) 및 리드 인출부(5)를 동시에 프린트 형성하는 경우가 많다. 또, 본 발명에 있어서의 리턴부는, 원하는 저항값으로 되도록 U자로 꺾여 접힌 형상이나 사행하는 형상도 포함하는 것이다.
여기서 세라믹 히터(1)의 치수에 대해서는, 예를 들면 외경 내지는 폭을 2~20㎜, 길이를 40~200㎜정도로 할 수 있다. 자동차의 공연비 검지 센서 가열용 세라믹 히터(1)로서는, 외경 내지는 폭을 2~4㎜, 길이를 50~65㎜로 하는 것이 바람직하다. 또, 자동차용 용도로는 발열 저항체(4)의 발열길이가 3~15㎜로 되도록 하는 것이 바람직하다. 발열길이가 3㎜보다 짧아지면, 통전시의 승온을 빠르게 할 수 있지만, 세라믹 히터(1)의 내구성을 저하시킨다. 발열길이를 15㎜보다 길게 하면 승온속도가 느려지고, 승온속도를 빠르게 하고자 하면 세라믹 히터(1)의 소비전력이 커지므로 바람직하지 않다. 또, 발열길이란, 도 1에 나타내는 사행하는 발열 저항체(4)의 길이방향의 길이이며, 이 발열길이는 그 목적으로 하는 용도에 따라 적절히 선택되는 것이다.
또한, 도 2에 있어서 세라믹 심재(2)와 세라믹 시트(3) 사이에 경계선을 그리고 있지만, 실제로는 미소성의 세라믹 성형체와 세라믹 그린시트가 접합된 후, 소성됨으로써 이 접합면으로서의 경계는 없어지는 경우가 많다.
본 실시형태1에서는, 세라믹 히터(1)의 전극 패드(7)에 소성 후 1차 도금층을 형성하는 것이 바람직하다. 이 1차 도금층은 리드부재(8)를 전극 패드(7)의 표면에 납땜할 때에 땜납재의 흐름을 좋게 하고, 납땜강도를 늘리기 위해서이다. 1차 도금층은 1~5㎛ 두께로 함으로써 밀착력이 높아지므로 바람직하다. 1차 도금층의 재질로서는 Ni, Cr, 혹은 이들을 주성분으로 하는 복합재료가 바람직하고, 내열성이 우수한 Ni를 주성분으로 하는 도금이 보다 바람직하다.
또한, 습도가 높은 분위기 중에서 사용할 경우, Au계, Cu계 땜납재를 사용한 쪽이 마이그레이션이 발생하기 어려워지므로 바람직하다. 땜납재로서는 Au, Cu, Au-Cu, Au-Ni, Ag, Ag-Cu계인 것이 내열성이 높아 바람직하다. 특히 Au-Cu 땜납, Au-Ni 땜납, Cu 땜납이 내구성이 높기 때문에 보다 바람직하다. 땜납재의 표면에는 고온 내구성 향상 및 부식으로부터 땜납재를 보호하기 위해 통상 Ni로 이루어지는 2차 도금층을 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 리드부재(8)의 재질로서는 발열 저항체(4)로부터의 열전달에 의해 사용 중에 리드부재(8)의 온도가 상승하므로, 내열성이 양호한 Ni계나 Fe-Ni계 합금 등을 사용하는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명의 특징으로 하는 부분은, 도체 패턴이 내장되어서 이루어지는 세라믹 히터(1)에 있어서, 도체 패턴은 발열 저항체(4)를 구성하는 리턴부를 갖고, 그 리턴부에서 인접하는 임의의 도체 사이에 있어서의 세라믹체의 보이드 점유율이 0.01~50%로 되어 있는 점에 있다. 또, 그 리턴부에서 인접하는 임의의 도체 사이에 있어서의 세라믹체의 보이드 점유율은, 보다 바람직하게는 0.1~40%, 더욱 바람직하게는 1~20%이다. 보이드 점유율이 0.01%미만이면, 급속승온과 급속강온을 반복한 경우, 가열부인 발열 저항체(4)가 가열 팽창했을 때 발열 저항체(4) 주위의 세라믹체의 열의 산일(散逸)이 불충분하므로 세라믹체의 열팽창이 발열 저항체(4)의 열팽창에 따르지 않고, 발열 저항체의 가장자리부(41)에 응력이 집중하여 크랙이 발생하거나 단선될 우려가 있다. 한편, 이 보이드 점유율이 50%보다 크면, 고온에서 연속 통전을 행한 경우, 가열부인 발열 저항체(4) 주위의 세라믹체의 절연성이 열화되어 내구성능이 저하되는 경향이 있다. 또, 세라믹 그린시트를 세라믹 성형체에 그대로 접착해서 밀착 소성시키면, 상기 범위의 보이드 점유율보다 큰 수치로 되어버린다. 따라서 상기 범위의 보이드율로 하기 위해서는 후술의 제조방법이 채용된다.
도 2는 길이방향에 수직인 단면의 일례를 나타내는 단면도(도 1에 나타내는 X-X선 단면도)이며, 도체 패턴의 리턴부(발열 저항체(4))에 있어서의 도체가 세라믹 심재(2)의 외주 원형상으로 배치된 상태를 나타내고 있다. 여기서, 도체 사이에 있어서의 세라믹체의 보이드 점유율이 0.01~50%란, 도 3에 나타내는 바와 같이 근접하는 임의의 도체 패턴(도 3에 있어서의 4a와 4b) 사이에 있어서의 세라믹체의 보이드를 측정했을 때의 점유율이 0.01~50%인 것을 의미한다. 그리고 세라믹체의 보이드 점유율이 0.01~50%인 부분은 길이방향에 수직으로 발열 저항체(4)를 절단하는 단면의 어떤 부분이어도 된다. 또, 도체 사이란, 세라믹체가 원기둥형상일 경우는 도 3에 나타내는 바와 같이, 근접하는 도체 패턴(4a)의 상변과 도체 패턴(4b)의 상변을 세라믹 심재(2)의 외주 원(바꿔 말하면, 세라믹체의 외표면)을 따라 연결한 선과, 도체 패턴(4a)의 하변과 도체 패턴(4b)의 하변을 세라믹 심재(2)의 외주 원을 따라 연결한 선과, 도체 패턴(4a, 4b)의 표면으로 둘러싸여지는 영역(A)을 말한다. 또, 세라믹체가 평판형상일 경우에는 도 4에 나타내는 바와 같이, 근접하는 도체 패턴(4c)의 상변과 도체 패턴(4d)의 상변을 연결한 선과, 도체 패턴(4c)의 하변과 도체 패턴(4d)의 하변을 연결한 선과, 도체 패턴(4c, 4d)의 표면으로 둘러싸여지는 영역(B)을 말한다.
또한, 본 명세서에 있어서, 세라믹체가 원기둥형상일 경우에 있어서의, 세라믹 심재(2)의 외주와 그 외주를 따라 그 외주로부터 도체의 두께만큼 떨어진 외주에 의해 끼워진 원환영역, 세라믹체가 평판형상일 경우에 있어서의, 각 도체의 상변에 접하도록 연결된 선과, 각 도체의 하변에 접하도록 연결된 선에 의해 끼워진 내부영역을 도체 형성영역이라고 한다. 즉, 상술과 같이 정의되는 도체 사이는 도체 형성영역 중 인접하는 도체 사이에 위치하는 부분을 말한다.
또한, 본 실시형태1의 세라믹 히터에서는 인접하는 도체 사이에 있어서 존재하는 보이드의 외표면을 따른 길이가, 도체의 간격의 1/2의 길이이하인 것이 바람직하다. 즉, 도체 패턴의 리턴부에 있어서, 인접하는 도체 사이를 외표면을 따라 연결하는 임의의 선상에서 도체 사이에 있어서의 세라믹체 중에 이 선의 길이(도체 사이의 거리)의 1/2을 넘는 길이의 보이드가 존재하지 않는 것이 바람직하다. 보이드의 길이가 도체 사이의 거리의 1/2을 초과하면, 고온에서 연속 통전을 행한 경우에 가열부인 발열 저항체(4)로 둘러싸여지는 세라믹체의 절연성이 열화되고, 이것에 의해 내구성이 열화된다. 또, 임의의 선이란, 예를 들면 도 3에 나타내는 원기둥형상의 세라믹 히터의 경우에 있어서는, 영역(A) 내에 있어서의 인접하는 도체 패턴(4a)과 도체 패턴(4b)을 외표면을 따라 연결하는 임의의 선을 말한다. 이 경우의 임의의 선은, 도 3에 나타내는 원기둥형상 세라믹 히터의 단면도의 외곽선(세라믹체의 외표면)으로 이루어지는 원의 중심과 거의 같은 중심을 갖는 원호형상의 곡선으로 된다. 또, 도 4에 나타내는 평판형상의 세라믹 히터의 경우에 있어서는 영역(B) 내에 있어서의 인접하는 도체 패턴(4c)과 도체 패턴(4d)을 연결하는 임의의 직선을 말한다.
또한, 본 발명에 있어서는 도체 패턴, 특히 발열 저항체(4)를 구성하는 도체의 두께가 5~100㎛인 것이 바람직하다. 도체 패턴의 두께가 5㎛미만에서는 근접하는 임의의 상기 도체 사이의 보이드는 방지할 수 있지만, 고온 연속 내구, 고온 사이클 내구시험에 있어서 가열부인 발열 저항체(4)의 저항변화 및 단선을 일으켜 내구성능이 열화된다. 한편, 도체 패턴의 두께가 100㎛를 초과하면, 인접하는 임의의 도체 사이의 보이드율을 50%이하로 억제하는 것이 어려워지는 경향이 있다.
다음에, 근접하는 임의의 도체 사이에 있어서의 세라믹체의 보이드 점유율을 0.01~50%로 하기 위한 방법에 대해서 서술한다.
일례로서, 제1의 세라믹 그린시트의 표면에 도체 패턴을 형성하고, 제1의 세라믹 그린시트의 도체 패턴 형성면측에 적어도 도체 패턴의 두께와 대략 같은 두께, 바람직하게는 같은 두께이며 제1의 세라믹 그린시트보다 유연한 제2의 세라믹 그린시트를 적층시키는 방법을 채용할 수 있다. 이 방법에 의하면, 도체 패턴의 두께분의 공극을 유연한 제2의 세라믹 그린시트로 메움으로써 패턴 사이의 보이드를 배제할 수 있다. 여기서 제2의 세라믹 그린시트는 제1의 세라믹 그린시트보다 유연할 필요가 있고, 제2의 세라믹 그린시트가 유연하면, 도체 패턴을 실시한 제1의 세라믹 그린시트에 유연한 제2의 세라믹 그린시트를 접합했을 때에, 적어도 도체 사이의 중심부에 있어서 양쪽의 세라믹 그린시트끼리가 밀착되기 때문이다. 여기서 이 세라믹 그린시트의 경도는 디지털 인디케이터(미츠토요제)로 측정을 행하여, φ1㎜의 침이 30초동안에 침입하는 깊이가 200㎛이상인 것이 바람직하다. 세라믹 그린시트의 경도, 즉 상기 침입깊이가 200㎛미만에서는 도체 사이에 틈없이 접촉하지 않으므로 보이드가 형성되어 버리기 때문이다. 또, 패턴 사이의 공극을 감소시키기 위해 프레스 등을 이용하여 압력을 가해도 된다.
또한, 다른 방법으로서 페이스트를 스크린 인쇄하는 방법도 채용할 수 있다. 이 방법은 이하와 같이 이루어진다. 우선, 세라믹 그린시트에 발열 저항체(4)와 리드 인출부(5)를 스크린 인쇄로 행한다. 이때, 스크린 인쇄로 도포하는 페이스트는 고융점 금속(W, Mo, Re 등)을 주성분으로 하는 분말과 접착성분으로 이루어지는 유기수지계 바인더, 주로 에틸셀룰로오스, 니트로셀룰로오스 및 희석제로서 사용되는 유기용매, 주로 T.P.O(테르피네올), D.B.P(디부틸프탈레이트), D.O.P(디옥틸프탈레이트), B.C.A(부틸카르비톨아세테이트) 등을 혼합해서 이루어지는 것이다. 이들 페이스트를 생(生) 두께 5~150㎛의 범위에서 인쇄한다. 또, 발열 저항체(4)의 저항값이 리드 인출부(5)의 저항값의 약 10배로 되도록 선폭, 인쇄두께, 혹은 페이스트의 비저항 등을 조정해서 도체 패턴을 형성한다. 다음에, 근접하는 도체 사이의 두께분의 공극을 충전하기 위해 절연물을 함유하는 페이스트를 스크린 인쇄로 실시한다. 이때에 사용하는 페이스트는 고융점의 절연물로, 주로 세라믹 그린시트와 동일 조성, 즉, Al2O3 88~95중량%, SiO2 2~7중량%, CaO 0.5~3중량%, MgO 0.5~3중량%, ZrO2 1~3중량%로 이루어지는 산화알루미늄 세라믹스에 접착성분으로 이루어지는 유기수지계 바인더, 주로 에틸셀룰로오스, 니트로셀룰로오스 및 희석제로서 사용되는 유기용매, 주로 T.P.O(테르피네올), D.B.P(디부틸프탈레이트), D.O.P(디옥틸프탈레이트), B.C.A(부틸카르비톨아세테이트) 등을 혼합해서 이루어지는 것이다. 또, 페이스트로서는 세라믹 그린시트 조성 이외에 산화알루미늄 단일성분, 혹은 체적 고유 저항이 108Ω이상인 절연성을 갖는 것을 사용할 수 있다. 여기서 페이스트의 점도는 50d㎩?s~1000d㎩?s의 범위에서 조정하여 인쇄하는 것이 바람직하다. 페이스트의 점도가 50d㎩?s이하로 되면 인쇄성은 뛰어나지만 생(生) 밀도가 낮으므로, 건조수축량이 커져 도체 패턴 상변부에 단차가 생기고, 소성 후에 보이드가 발생하기 쉬워진다. 또, 1000d㎩?s이상의 점도에서는 레벨링성이 저하되므로 피막 중에 보이드 등이 생기기 쉬워지기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 스크린 인쇄는 발열 저항 체, 및 리드 인출부를 반전시킨 스크린에서 행한다.
또한 다른 방법으로서 디스펜서를 사용한 충전방법도 채용할 수 있다. 상술과 같이, 페이스트 점도가 1000d㎩?s이상인 것은 본 밀도를 높게 설정할 수 있게 되고, 건조수축에 의한 수축량을 한없이 작게 할 수 있으므로 도체 사이의 공극을 확실히 충전시킬 수 있지만, 스크린 인쇄에 의한 방법은 바람직하지 않아서 채용할 수 없다. 따라서 이러한 고점도의 페이스트를 사용할 경우에는 디스펜서를 사용한 충전방법을 바람직하게 채용할 수 있다.
이렇게 스크린 인쇄 또는 디스펜서를 사용하는 방법에서는 도체 패턴 위가 아니라 도체 사이에 절연물을 충전시킬 수 있는 점에서 유효한 방법이다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 원기둥형상의 세라믹 성형체에 세라믹 그린시트가 감겨서 소성되어 이루어지는 세라믹체에 대하여 개시하고 있지만, 본 발명은 평판형상의 세라믹 성형체, 혹은 세라믹 그린시트에 도체 등의 인쇄를 실시한 세라믹 그린시트를 접합하여 소성되어서 이루어지는 세라믹체도 포함하는 것이다.
<실시형태2>
다음에, 본 발명에 따른 실시형태2의 가열장치(51)에 대하여 설명한다.
도 5는 본 실시형태2의 가열장치(51)를 사용한 헤어 아이론(100)의 일구성예를 나타내는 일부 절개측면도이다. 이 도 5에 있어서 부호 50은 파지부재이며, 부호 52는 한쌍의 파지부재(50)를 개폐 가능하게 연결하는 축이고, 부호 53은 베어링부(54) 내에 장착되어서 양 파지부재의 선단부를 항상 개방방향으로 미는 코일 스프링이다. 부호 55는 양 파지부재(50)의 선단부에 형성된 개구부(56)에 각각 끼워 맞춰서 마주 보는 판형상체(55)이며, 부호 57은 판형상체(55)의 이면에 밀착된 히터판을 나타낸다.
도 6은 도 5의 가열장치(51)로부터 꺼낸 히터판(57)과 판형상체(55)의 위치관계를 나타내는 정면도이며, 도 7은 그 X-X선 단면도이다. 히터판(57)의 열은 히터판(57)의 한쪽 주면(57a)을 통해 판형상체(55)의 한쪽 주면(55b)에 전달되어 판형상체(55)의 다른쪽 주면인 가열면(55a)을 균일하게 가열할 수 있다.
이러한 구성으로 함으로써, 소형의 세라믹스제 히터판(57)을 사용해서 넓은 가열면(55a)을 갖는 판형상체(55)를 효율적으로 균일하게 가열할 수 있다.
이 도 5의 헤어 아이론은 파지부재(50)를 손가락으로 눌러서 판형상체(55) 사이에 머리카락을 끼워, 머리카락을 균등하게 가열할 수 있다.
즉, 본 실시형태2의 가열장치(51)는 판형상 세라믹스체에 저항 발열체(58)를 매설한 히터판(57)과, 피가열물을 가열하는 가열면(55a)을 구비한 판형상체(55)로 이루어지고, 판형상체(55)의 한쪽 주면(55b)과 상기 히터판(57)의 한쪽 주면(57a)이 접촉하는 가열장치(51)이다. 그리고 본 발명에서는 상기 가열면(55a)이 평면부와 그 주변에 구비된 C면 혹은 곡면의 모따기부로 이루어지고, 히터판(57)의 두께(H)가 0.5~5㎜인 것을 특징으로 한다. 히터판(57)은 판형상 세라믹스체의 내부에 저항 발열체(58)가 매설되어 있어, 저항 발열체(58)를 대기로부터 차단하여 저항 발열체(58)가 대기 중에 함유되는 수분 등에 의해 부식되는 것을 방지할 수 있다. 또, 판형상 세라믹스체의 내부에 매설되어 있는 저항 발열체(58)는 그 자체가 갖는 전기저항에 의해 일정한 전력이 인가되면 소정의 온도로 쥴(joule) 발열하여, 히터 판(57)을 발열체로서 요구되는 소정 온도로 승온시킬 수 있다.
그리고 상기 가열면(55a)이 평면부와 그 주변에 구비된 C면 혹은 곡면의 모따기부로 이루어짐으로써 피가열물이 가열면(55a)에 슬라이딩하면서 삽입되어도 피가열물에 손상을 줄 우려가 적다. 이렇게 피가열물이 모발일 경우에는 모발에 손상을 주기 어렵게 하기 위해, 상기 모따기부가 C면일 경우, 그 크기(Wc)는 0.1~5㎜이면 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.3~4㎜이다. 더욱 바람직하게는 1~3㎜이다. 또, 상기 모따기부가 곡면일 경우, 곡면과는 끝면에 수직인 단면에 있어서 원호나 2차 곡선으로 형성함으로써 그 폭(Wr)이 0.2~5㎜이면 피가열물로의 손상을 적게 하는 점에서 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.3~4㎜이며, 더욱 바람직하게는 1~3㎜이다.
또한, 히터판(57)의 두께(H)는 0.5~5.0㎜이면 히터판(57)의 열을 판형상체(55)에 효율적으로 전달할 수 있다. 히터판(57)의 두께가 0.5㎜미만이면, 판형상체(55)의 한쪽 주면의 평탄도가 0.02~0.2㎜로 크기 때문에 히터판(57)을 장착했을 때에 응력이 가해져 히터판(57)이 파손될 우려가 있다.
또한, 히터판(57)의 두께가 5㎜를 초과하면, 히터판(57)을 판형상체(55)에 장착해도 히터판(57)의 한쪽 주면(57a)이 변형되는 일이 없고, 히터판(57)의 한쪽 주면(57a)과 판형상체(55)의 한쪽 주면(55b)이 넓게 접촉할 수 없으며, 판형상체(55)의 가열면(55a)을 균일하게 가열할 수 없기 때문이다.
따라서, 히터판(57)의 두께는 0.5~5㎜이면 히터판(57)의 한쪽 주면(57a)과 판형상체(55)의 한쪽 주면(55b)이 각각 아울러 변형되므로 가열면(55a)을 넓게 균 일한 온도로 가열할 수 있다. 더욱 바람직하게는 히터판(57)의 두께는 1~3㎜이다.
또한, 판형상체(55)의 한쪽 주면(55b)과 히터판(57)의 한쪽 주면(57a) 사이에 전열(傳熱)부재(63)를 구비하는 것이 바람직하다. 전열부재(63)가 있으면 상기 표면조도(Ra)의 히터판(57)의 한쪽 주면(57a)과 판형상체(55)의 한쪽 주면(55b) 사이의 열전달이 보다 용이하게 되고, 히터판(57)의 열을 판형상체(55)에 효율적으로 전달할 수 있어서 바람직하다.
전열부재(63)는 규소계 수지 혹은 열전도율이 큰 금속 미립 분말을 혼합한 수지인 것이 바람직하다. 상기 금속 미립 분말로서 금, 은, 동, 니켈은 열전도율이 커서 바람직하고, 보다 바람직하게는 은이다. 또, 수지로서는 규소 수지나 불소 수지를 사용할 수 있다. 또한, 전열부재는 판형상체(55)의 한쪽 주면인 가열면(55a)과 히터판(57)의 한쪽 주면(57a) 사이의 간극을 없앨 수 있음과 아울러, 상기 판형상체(55)와 히터판(57)의 열팽창차에 의한 신축 어긋남이 발생해도 전열부재(63)에 의해 가열면(55a)과 주면(57a) 사이의 열전도를 변화시키는 일 없이 가열면(55a)의 온도차가 커지는 것을 막을 수 있어서 바람직하다.
또한, 본 발명의 가열장치(51)는 히터판(57)의 한쪽 주면(57a)의 표면조도(Ra)가 1~30인 것이 바람직하다. 히터판(57)의 한쪽 주면(57a)의 표면조도(Ra)가 1.0을 하회하면 판형상체(55)와의 접촉면을 통해 균등하게 열을 전달하는 것이 곤란하여, 피가열면(55a)의 면내 온도차가 커질 우려가 있기 때문이다. 또, 상기 표면조도(Ra)가 30을 초과하면, 표면조도가 지나치게 커져서 판형상체(55)와의 실질적인 접촉면적이 작아져 판형상체(55)를 균일하게 가열할 수 없게 될 우려가 있기 때문이다. 더욱 바람직하게는, 히터판(57)의 한쪽 주면의 표면조도(Ra)는 3~10이다.
도 5, 6의 가열장치(51)는 판형상체(55)의 클로(55c)로 히터판(57)을 눌러 판형상체(55)와 히터판(57)을 접촉시키고 있지만(도 7), 클로(55c)로 히터판(57)을 직접 누르는 대신, 도 8에 나타내는 바와 같이 클로에 고정된 스프링(59)으로 히터판(57)을 눌러 판형상체(55)의 한쪽 주면(55b)과 히터판(57)의 한쪽 주면(57a)을 탄성적으로 눌러서 접촉시킬 수도 있다. 스프링(59)의 압압부를 복수 설정함으로써 히터판(57)과 판형상체(55)의 주면을 넓은 범위에서 접촉시킬 수 있으므로 바람직하다. 그리고 스프링(59)은 복수의 지점을 구비한 판 스프링으로 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 판형상 세라믹스체는 산화알루미늄, 뮬라이트, 또는 질화규소 중 어느 하나를 주성분으로 하는 세라믹인 것이 바람직하다. 상기 세라믹은 열전도율이 비교적 크고, 내식성이 뛰어나며, 고온에서의 절연 저항이 커서 바람직하다.
또한, 판형상 세라믹스체가 산화알루미늄일 경우, 그 산화알루미늄 함유량이 80~98질량%인 것이 바람직하다. 이것은 상기 판형상 세라믹스체의 열전도율은 16.7~25.21W/(m?K)로 크고, 300℃에서의 고온 절연 저항이 1013Ω?㎝이상으로 크며, 굴곡강도가 300㎫이상으로 커지기 때문이다. 산화알루미늄 함유량이 80질량%를 하회하면 Mn, Ca, Si 등의 소결 조제나 불순물이 증대해서 고온에서의 절연 저항이 저하될 우려가 있기 때문이다.
또한, 산화알루미늄 함유량이 99.5질량%를 초과하면 소결 조제가 적어 1700℃이하의 비교적 낮은 온도에서 치밀하게 소결시키는 것이 곤란해지고, 저렴하게 양산하는 것이 곤란해지기 때문이다.
또한, 본 발명의 판형상체(55)는 도전성 금속인 것이 바람직하다. 금속은 열전도율이 200W/(m?K)이상으로 크고, 히터판(57)의 열을 가열면(55a)에 균일하게 전달할 수 있기 때문이다. 상기의 금속으로서는 알루미늄, 철이나 이들의 합금이 바람직하다. 금속으로 이루어지는 판형상체(55)의 열팽창계수는 8~25×10-6/℃이하인 것이 바람직하지만, 특히 판형상 세라믹스체의 열팽창계수에 가까운 8~17×10-6/℃의 범위가 바람직하다. 판형상체(55)와 히터판(57)의 열팽창차에 의해 주면(57a)과 주면(55b)의 간격이 불균일해져 열전도가 균일하게 행해지지 않게 되고, 온도분포의 균일성이 손상될 우려가 있기 때문이다. 또, 피가열물을 가열면(55a)에 접촉시켜 가열면(55a)으로부터 피가열물에 열을 전달하는 것이지만, 이때 피가열물과 가열면(55a)이 접촉하면서 슬라이딩하므로 가열면(55a)에 정전기가 발생할 우려가 있지만, 가열면(55a)에 도전성이 있으면 이 정전기를 도피시키는 효과가 있어 바람직하다.
또한, 판형상체(55)와 히터판(57)이 접촉하는 접촉면의 면적이 가열면(55a)의 면적의 20~80%인 것이 바람직하다. 20%를 하회하면 판형상체(55)의 가열면(55a)을 균일하게 가열할 수 없어질 우려가 있기 때문이다. 또, 판형상체(55)와 히터 판(57)이 접촉하는 접촉면의 면적이 가열면(55a)의 면적의 80%를 초과하면 히터판(57)이 커지고, 가열장치(51)의 가격이 고가로 되어 공업적으로 이용하는 것이 곤란해질 우려가 있기 때문이다. 더욱 바람직하게는 접촉면의 면적이 가열면(55a)의 면적의 30~60%이다.
또한, 판형상체(55)의 두께(B)는 0.2~10㎜인 것이 바람직하다. 이것은 0.2㎜보다 작으면 판 스프링(59)으로 히터판(57)과 고정할 때에, 강도가 작아서 판형상체(55)가 변형되어 간극이 발생하거나, 한쪽 접촉 등의 문제가 발생하여 가열면(55a)의 면내 온도차가 커질 우려가 있기 때문이다. 또, 판형상체(55)의 두께가 10㎜를 초과하면 열용량이 커져 히터판(57)을 가열해도 판형상체(55)의 가열면(55a)의 온도가 빨리 승온되지 않을 우려가 있기 때문이다. 두께(B)는 더욱 바람직하게는 1~3㎜이다.
또한, 판형상체(55)의 두께는 주면(55b)과 가열면(55a) 사이의 거리에서 3점의 평균값으로 나타낼 수 있다.
이러한 판형상체(55)는 열전도율이 200W/(m?K)이상인 금속으로 구성하는 것이 바람직하지만, 히터판(57)과 면접촉하기 위해 그 주변부에 클로(55c)를 구비하고, 주변부의 두께를 크게 하여 열용량을 크게 해서 가열면의 온도차를 작게 하는 것이 바람직하다.
다음에, 본 발명의 가열장치(51)의 제조방법이나 그 외의 구성을 설명한다.
히터판(57)은 산화알루미늄질 소결체나 뮬라이트질 소결체, 질화규소질 소결체 등의 내열성 세라믹스로 이루어지고, 예를 들면 산화알루미늄질 소결체로 이루 어질 경우에는 산화알루미늄(Al2O3), 실리카(SiO2), 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO) 등에 적당한 유기용제, 용매를 첨가 혼합해서 슬러리형상으로 함과 아울러 이것을 종래 주지의 닥터 블레이드법이나 캘린더 롤법에 의해 시트형상으로 성형해서 세라믹 그린시트를 얻는다. 다음에 상기 세라믹 그린시트에 적당한 펀칭가공을 실시한다.
저항 발열체(58)는 텅스텐, 몰리브덴 등의 금속재료로 이루어지고, 상기 텅스텐 등의 금속 분말에 적당한 유기용제, 용매를 첨가 혼합해서 얻은 저항 발열체 페이스트를 판형상 세라믹스체로 이루어지는 세라믹 그린시트에 미리 종래 주지의 스크린 인쇄법에 의해 소정 패턴으로 인쇄 도포해 둠으로써 판형상 세라믹스체의 내부에 저항 발열체(58)를 매설할 수 있다. 그리고 저항 발열체(58)를 매설한 생(生)의 히터판은 고온(약 1600℃)에서 소성함으로써 히터판(57)을 제작할 수 있다. 이때 상기 표면조도를 얻기 위해서는 히터판(57)의 표면의 결정 사이즈를 0.5~5㎛가 되도록 소성온도나 시간을 조정하는 것이 바람직하다.
저항 발열체(58)의 양단이 히터판(57)의 끝부에 도출되어 있고, 상기 끝부에 도출된 양단은 히터판(57)에 형성된 개구(A)에 의해 노출되고, 리드선(61)이 땜납 등의 땜납재를 통해서 납땜 부착된다. 저항 발열체(58)의 양단을 노출시키는 개구(A)는 저항 발열체(58)와 리드선(61)을 납땜시키는 영역을 형성하는 작용을 하고, 판형상 세라믹스체로 되는 세라믹 그린시트에 미리 펀칭가공법에 의해 구멍을 형성해 둠으로써 히터판(57)의 끝부에 형성된다. 상기 개구(A)는 또한 그 측벽에 리드선(61)의 지름에 대응한 크기의 오목부(62)가 형성되어 있고, 개구(A) 내에 있어서 저항 발열체(58)와 리드선(61)을 납땜할 때, 개구(A)의 측벽에 형성된 오목부(62) 내에 리드선(61)을 삽입시키면 리드선(61)을 노출하는 저항 발열체(58)의 상면 중앙부에 정확하게 위치맞춤할 수 있으며, 이것에 의해 리드선(61)을 저항 발열체(58)에 땜납재를 통하여 매우 강고하게 납땜 부착할 수 있게 된다.
또한, 상기 개구(A)에 있어서 저항 발열체(58)에 납땜되는 리드선(61)은 니켈 등의 금속으로 이루어지고, 상기 리드선(61)은 저항 발열체(58)를 외부 전기회로에 접속시킴과 아울러 외부 전기회로로부터 저항 발열체(58)에 소정의 온도로 쥴 발열을 일으키는데 필요한 일정한 전력을 공급하는 작용을 한다.
리드선(61)은 노출되는 저항 발열체(58)의 상면 중앙부에 개구(A)의 측벽에 형성된 오목부(62)를 이용해서 정확하게 접촉시킴과 아울러 그 접촉부에 용융하는 땜납 등의 땜납재를 공급함으로써 저항 발열체(58)에 강고하게 납땜 부착된다.
이렇게 해서, 본 발명의 가열장치(51)에 의하면 리드선(61)을 통하여 저항 발열체(58)에 일정한 전력을 공급하고, 저항 발열체(58)를 일정한 온도로 쥴 발열시킴으로써 발열체로서 기능한다.
또한, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위이면 다양한 변경은 가능하고, 예를 들면 상술의 실시형태2에서는 노출되는 저항 발열체(58)에 땜납 등의 땜납재를 통해 리드선(61)을 부착했지만, 그 부착을 개구(A) 내에 수지나 유리 등을 충전함으로써 보강하거나, 개구(A) 내에 내열성 재료를 충전함과 아울러 이것을 절연판으로 덮음으로써 보강해도 된 다. 이 경우, 저항 발열체(58)와 리드선(61)의 부착이 보다 강고하게 되어 바람직하다. 또, 상술의 실시예에서는 저항 발열체(58)에 땜납 등의 땜납재를 통해 리드선(61)을 부착했지만 저항 발열체(58)상에 리드선(61)을 접촉시킴과 아울러 그 접촉을 개구(A) 내에 수지나 유리 등을 충전하여 유지함으로써 부착해도 된다.
상기 가열장치(51)는 실리콘 그리스 등을 통해 금속제 판형상체(55)와 접촉시키지만, 이때 판형상체(55)와 세라믹제 히터판(57)의 전열부재(63)이기도 한 완충재의 두께는 5~100㎛인 것이 바람직하다. 이것은 헤어 인두용 세라믹제 히터판(57)과 판형상체(55)가 접하기 위해 세라믹제 히터판(57)과 금속제 판형상체(55)를 직접 접촉시키면, 자기의 세라믹 히터판(57)과 금속제 판형상체(55)의 휘어짐이나 가열시의 열팽창에 의한 변형에 의해 접합면이 균일하게 접촉하지 않고 한쪽 접촉해 버려 스폿적으로 열전도가 발생하여 가열면(55a)의 온도차가 커질 우려가 있었다. 전열부재(63)인 완충재의 두께는 필요 최소한이면 되지만, 반대로 지나치게 두꺼워도 세라믹 히터와 금속판의 열전도가 악화되는 문제가 발생할 우려가 있어 전열부재(63)의 두께는 1~100㎛가 바람직하다.
이상의 실시형태2의 헤어 아이론에 있어서, 히터판(57)은 실시형태1에서 설명한 발열 저항체(4)를 구성하는 리턴부를 갖는 도체 패턴을 갖추고 있고, 그 리턴부에서 인접하는 임의의 도체 사이에 있어서의 세라믹체의 보이드 점유율이 0.01~50%로 되어 있는 것이 바람직하다(예를 들면 실시형태1의 도 4에 나타내는 판형상의 세라믹 히터로 이루어지는 히터판을 사용함). 이렇게 하면 히터판(57)의 내구성을 높게 할 수 있으므로 보다 내구성이 높은 헤어 아이론을 제공할 수 있다. 또, 그 리턴부에서 인접하는 임의의 도체 사이에 있어서의 세라믹체의 보이드 점유율은, 보다 바람직하게는 0.1~40%, 더욱 바람직하게는 1~20%이다.
[실시예1]
Al2O3을 주성분으로 하고, SiO2, CaO, MgO, ZrO2를 합계 10중량% 이내가 되도록 조정한 세라믹 그린시트를 준비하고, 이 표면에 W(텅스텐) 분말 바인더와 용제로 이루어지는 페이스트를 이용하여 발열 저항체(4)와 리드 인출부(5)를 프린트했다.
또한, 이면에는 전극 패드(7)를 프린트했다. 발열 저항체(4)는 발열길이 5㎜로 4왕복의 패턴으로 되도록 제작했다.
그리고, 도체 사이에 절연물을 충전시키기 위해 절연물을 함유한 페이스트를 스크린 인쇄로 행했다. 이때, 도체 사이에 있어서의 세라믹체의 보이드 점유율을 변화시키기 위해 스크린 인쇄를 실시하지 않은 것, 페이스트의 점도를 변화시켜서 스크린 인쇄를 행한 것을 준비했다.
그리고, W로 이루어지는 리드 인출부(5)의 말단에는 스루홀(6)을 형성하고, 여기에 페이스트를 주입함으로써 전극 패드(7)와 리드 인출부(5) 사이의 도통을 취했다. 스루홀(6)의 위치는 납땜을 실시한 경우에 납땜부의 내측에 들어가도록 형성했다.
이렇게 해서 준비된 세라믹 그린시트를 세라믹 성형체의 주위에 밀착시켜 1600℃에서 소성함으로써 세라믹 히터(1)로 했다.
이렇게 해서 얻어진 세라믹 히터(1)에 대하여, 1200℃의 연속 통전을 100시간 행한 후의 저항변화를 측정함으로써 내구성을 평가했다. 각 로트n=10으로 평가했다.
또한, 초기의 저항값에 대하여 15%이상 저항값이 변화된 것은 단선으로서 카운트했다.
또한, 각 로트n=3의 샘플에 대하여, 소성 후의 발열 저항체(4)의 단면을 SEM 관찰하고 보이드율을 측정했다. 이들의 결과를 표 1에 나타낸다.
샘플 No 보이드율 보이드 길이 히터형상 패턴두께 평가결과 판정
*1 0.005 1/10 원기둥 10 16 ×
2 0.01 1/10 원기둥 20 13 ○
3 0.1 1/10 원기둥 20 10 ○
4 1 1/10 원기둥 20 8 ◎
5 10 1/10 원기둥 20 6 ◎
6 20 1/10 원기둥 20 7 ◎
7 40 1/10 원기둥 20 11 ○
8 50 1/10 원기둥 20 14 ○
*9 60 1/10 원기둥 20 17 ×
10 10 3/10 원기둥 20 11 ○
11 10 1/2 원기둥 20 13 ○
12 10 1/10 판형상 20 8 ◎
13 10 1/10 원기둥 3 14 ○
14 10 1/10 원기둥 5 10 ○
15 10 1/10 원기둥 70 11 ○
16 50 1/10 원기둥 110 14 ○
각 샘플의 재질은 모두 산화알루미늄이며, ＊표시를 한 샘플은 본 발명의 범위 외의 것이다.
표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 도체 사이에 있어서의 세라믹체의 보이드 점유율이 50%를 초과하는 샘플 No9에 있어서, 또한 보이드 점유율 0.005%의 샘플 No1에 있어서 15%이상 저항값이 변화되는 단선이 발생했다. 이것에 대하여 보이드 점유율이 50%이하인 샘플에 대해서는 단선이 발생하지 않아 양호한 내구성을 나타냈다.
또한, 보이드 점유율이 발명 내의 범위이면, 다른 요인 보이드 길이, 패턴 두께가 변화되어도 내구성능에 유의함은 없었다.
[실시예2]
우선, 도 9에 나타내는 바와 같은 세라믹제 히터판을 얻기 위해, Al2O3을 주성분으로 하고, SiO2, CaO, MgO, ZrO2를 합계 10중량% 이내가 되도록 조정한 세라믹 시트에 W로 이루어지는 저항 발열체를 프린트했다. 저항 발열체의 양단을 노출시키는 개구(A)는 저항 발열체와 리드선을 납땜시키는 영역을 형성하는 작용을 하고, 히터판으로 되는 세라믹 그린시트에 미리 펀칭가공법에 의해 구멍을 형성해 둠으로써 히터판의 끝부에 형성된다. 상기 개구(A)는 또한 그 측벽에 리드선의 지름에 대응한 크기의 오목부가 형성되어 있고, 개구(A) 내에 있어서 저항 발열체의 인출부와 리드선을 납땜을 행하기 위한 것이다. 이어서, 저항 발열체의 표면에 세라믹 시트와 대략 동일한 성분으로 이루어지는 코트층을 형성해서 충분히 건조한 후, 또한 상기 세라믹 시트와 대략 동일한 조성의 세라믹스를 분산시킨 밀착액을 도포하고, 이렇게 해서 준비된 세라믹 시트끼리를 적층 밀착하고, 1500~1600℃에서 소성했다.
또한, 상기 저항 발열체의 인출부의 표면에 Ni로 이루어지는 두께 3㎛의 도금층을 형성한 후, Ag로 이루어지는 땜납재를 사용해서 Ni를 주성분으로 하는 리드선(61)을 환원 분위기 중, 1030℃로 접합하여 히터판을 얻었다.
상기의 방법에서 얻어진 히터판과 판형상체를 조합하고, 히터판의 두께, 표면조도(Ra), 스프링 압압의 유무, 전열부재의 유무나 재질을 변경한 헤어 아이론을 제작했다.
그리고, 제작된 헤어 아이론의 가열면의 표면의 온도분포를 니혼덴시제(TG-6200) 온도분포 측정장치에 의해 온도분포를 측정하고, 가열면의 표면의 최고온도와 최저온도를 산출하여 최고온도와 최저온도의 차를 온도편차로서 측정했다.
그 결과를 표 2에 나타낸다.
시료 No. 히터판
두께(㎜)		 전열부재 히터판의
표면조도(Ra)		 스프링 압압 가열면
온도편차(℃)
*1 0.3 무 1 무 파손
*2 0.3 무 10 무 파손
3 0.5 무 2 무 19
4 0.5 무 2 무 19
5 0.5 규소계 수지 0.5 무 16
6 0.5 규소계 수지 1 무 15
7 0.5 규소계 수지 3 유 13
8 1 규소계 수지 6 유 12
9 1 규소계 수지 10 유 13
10 1 규소계 수지 20 무 14
11 1 규소계 수지 30 무 14
12 3 규소계 수지 40 무 16
13 5 금속미립자 3 무 11
14 5 무 3 무 19
15 5 무 3 무 19
*16 7 무 1 무 22
*17 7 무 10 무 24
판형상체 두께 1.5㎜, 판형상체?히터판 접촉면적과 가열면 면적비율 70%에서 평가했다.
또한, *표시는 본 발명의 범위 외의 것을 나타낸다.
표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 시료 No.3~15와 같이 히터판의 두께가 0.5~5㎜인 시료는 가열면의 온도편차가 19℃이하로 작아 뛰어난 특성을 나타냈다.
이것에 대하여 시료 No.1, 2는 히터판의 두께가 0.3㎜로 작아서 히터판을 판형상체에 장전하면 히터판이 파손되었다. 또, 시료 No.16, 17과 같이 히터판의 두께가 7㎜인 것은 가열면 온도편차가 22℃이상으로 커서 바람직하지 않았다.
또한, 판형상체와 히터판 사이에 전열부재를 구비한 시료 No.5~13은 가열면 온도편차가 16℃이하로 더욱 온도편차가 작아서 바람직한 것을 알 수 있었다.
또한, 히터판의 주면의 표면조도가 1~30㎛인 시료 No.6~11은 가열면의 온도편차가 15℃이하로 작아서 더욱 바람직한 것을 알 수 있었다.
또한, 스프링으로 판형상체의 한쪽 주면과 히터판의 한쪽 주면을 누른 시료No.7~9는 가열면 온도편차가 13℃이하로 되어 온도편차가 개선되는 것이 판명되었다.
[실시예3]
다음에 히터판의 주성분인 Al2O3의 함유량을 70%~99.8%의 사이에서 조정하여 세라믹 시트를 제조하고, 이들을 실시예2에서 서술한 방법으로 히터판을 제작했다. 이들 Al2O3의 조성량이 다른 재료로 200℃에서의 고온 절연 강도와 굴곡강도를 측정했다. 굴곡강도는 20개의 시험편을 제작하여 JIS규격의 4점 굴곡강도 시험에 준해서 측정하고, 그 평균값으로 나타냈다.
시료 No. 산화알루미늄 함유율(%) 고온 절연 저항 강도
21 70 1010Ω?㎝이상 250㎫
22 75 1011Ω?㎝이상 275㎫
23 80 1013Ω?㎝이상 300㎫
24 90 1013Ω?㎝이상 310㎫
25 99.5 1013Ω?㎝이상 320㎫
26 99.8 1013Ω?㎝이상 328㎫
표 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 산화알루미늄 함유량이 80~99.5%인 시료 No.23~25는 고온 절연 저항이 1×1013Ω?㎝이상으로 커서 헤어 아이론으로서 사용해도 히터 가열 전원으로부터의 누전이 없어서 보다 바람직한 것을 알 수 있었다. 또, 굴곡강도가 300㎫이상으로 커서 저항 발열체를 반복하여 급속하게 가열해도 열응력에 의해 파손될 우려가 적어서 바람직한 것을 알 수 있었다.
그러나 시료 No.21, 22와 같이 산화알루미늄 함유량이 70, 75질량%로 적으면 고온에서의 절연 저항이 1011Ω?㎝이하로 작아서 히터판을 통해 누전될 우려가 있었다. 또, 시료 No.26은 산화알루미늄 함유량이 99.8질량%로 커서 1700℃이상의 소성 온도에서 소결시키는 것이 필요하며, 저렴하게 양산하는 것은 어려웠다.
더욱 바람직하게는 시료 No.24, 25와 같이 산화알루미늄 함유량이 90~99.5%이면 굴곡강도가 커서 바람직한 것을 알 수 있었다.
또한, 산화알루미늄 함유량은 제작된 판형상 세라믹스체를 ICP 정량 분석해서 구했다.
[실시예4]
다음에, 판형상체의 외형을 4㎜×80㎜×20㎜(두께×길이×폭)로 고정하고 히터판의 길이를 차레로 변경하여 접촉면적 및 가열면적 비율을 변경한 헤어 아이론을 실시예2와 마찬가지로 제작했다.
그리고, 히터판과 판형상체 사이에 전열부재로서 규소계 수지를 구비하여 스프링으로 누른 상태에서 저항 발열체에 정격 전압을 인가하고 실온에서 가열면의 최고온도부가 200℃의 포화온도로 될 때까지의 시간을 가열면 포화시간으로서 측정했다.
그 결과를 표 4에 나타낸다.
시료 No. (판형상체?히터판 접촉면적/
가열면적) 비율(%)		 판형상체 두께(㎜) 가열면 포화시간
(sec)
31 5 2 68
32 10 2 63
33 20 3 60
34 30 3 57
35 50 0.1 56
36 50 0.2 50
37 50 1 46
38 50 4 46
39 50 10 47
40 50 12 52
41 60 3 53
42 80 4 60
43 100 4 65
표 4로부터 면적비율이 20~80%인 시료 No.33~42는 가열면 포화시간이 60초이하로 작아서 뛰어난 특성을 나타내는 것을 알 수 있었다.
또한, 면적비율이 30~60%인 시료 No.34~41은 가열면 포화시간이 57초이하로 작아서 더욱 뛰어난 특성을 나타내는 것을 알 수 있었다.
한편, 히터판(57)과 판형상체(55)의 접촉면적과 가열면 접촉면적 비율이 20%를 하회하는 시료 No.31, 32는 포화시간이 63초이상으로 커서 바람직하지 않았다.
또한, 시료 No.43과 같이 접촉면적이 80%를 넘으면 히터판이 지나치게 커져서 히터판의 비용이 고가로 되어 산업적인 이용가치가 낮았다.
또한, 판형상체의 두께가 0.2~10㎜인 시료 No.36~39는 가열면 포화시간이 50초이하로 작아서 바람직한 것을 알 수 있었다.

Claims (20)

  1. 외표면과 매설된 도체 패턴을 갖는 세라믹체를 포함하고,
    상기 도체 패턴은 저항 발열체로 되는 리턴부가 형성되도록 설치된 도체로 이루어지고,
    상기 리턴부의 도체의 두께만큼 떨어져 있고 또한 리턴부의 도체에 각각 접하는 2개의 평면 사이에 위치하는 층상의 세라믹체에 의해 정의되는 도체 형성영역에 있어서, 인접하는 도체에 끼워진 세라믹체의 보이드가 점유하는 체적율에 의해 정의되는 보이드 점유율이 0.01~50%인 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 도체 형성영역에 있어서 인접하는 도체 사이를 연결하는 임의의 선에 대해서 해당 선 위의 보이드 내에 있어서의 길이가 상기 인접하는 도체 사이의 간격의 1/2이하인 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 도체의 두께가 5~100㎛의 범위로 설정된 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  4. 제1의 세라믹 그린시트의 표면에 도체 페이스트를 소정의 패턴으로 형성하는 공정:
    상기 제1의 세라믹 그린시트의 도체 페이스트가 형성된 면에, 적어도 상기 도체 패턴과 같은 두께를 갖고, 상기 제1의 세라믹 그린시트보다 유연한 제2의 세라믹 그린시트를 적층함으로써 세라믹 그린시트 적층체를 제작하는 공정;
    상기 세라믹 그린시트 적층체를 세라믹 성형체에 접합하는 공정;및
    그 접합한 세라믹 그린시트 적층체 및 세라믹 성형체를 소성하는 공정을 포함해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터의 제조방법.
  5. 세라믹 그린시트의 표면에 도체 페이스트를 소정의 패턴으로 형성하는 공정;
    상기 소정의 패턴에 있어서의 도체 페이스트 사이에 절연물을 충전하는 공정;
    상기 도체 페이스트 사이에 절연물이 충전된 세라믹 그린시트를, 상기 도체 페이스트가 형성된 면을 접합면으로 해서 세라믹 성형체에 접합하는 공정;및
    상기 접합한 세라믹 그린시트 및 세라믹 성형체를 소성하는 공정을 포함해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 절연물을 충전하는 공정이 페이스트를 스크린 인쇄함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 절연물을 충전하는 공정이 디스펜서를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터의 제조방법.
  8. 저항 발열체가 매설된 판형상 세라믹스체로 이루어지고, 0.5~5.0㎜의 범위의 두께를 갖는 히터판과,
    제1과 제2면을 갖고 그 제1면에 상기 히터판이 설치되며 상기 제2면을 가열 면으로 해서, 그 가열면이 평면부와 그 주변의 모따기부로 이루어지는 판형상체를 구비한 것을 특징으로 하는 가열장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 판형상체의 제1면과 상기 히터판 사이에 전열부재를 구비한 것을 특징으로 하는 가열장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 전열부재가 규소계 수지 혹은 금속미립자를 함유하는 수지인 것을 특징으로 하는 가열장치.
  11. 제8항에 있어서, 상기 히터판의, 상기 제1면에 대향하는 면의 표면조도(Ra)가 1~30㎛의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 가열장치.
  12. 제8항에 있어서, 상기 판형상체와 상기 히터판을 누르는 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 가열장치.
  13. 제8항에 있어서, 상기 판형상 세라믹스체가 산화알루미늄, 뮬라이트, 또는 질화규소 중 어느 하나를 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 가열장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 판형상 세라믹스체가 산화알루미늄를 주성분으로 하고, 산화알루미늄 함유량이 80~99.5질량%인 것을 특징으로 하는 가열장치.
  15. 제8항에 있어서, 상기 판형상체가 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가열장치.
  16. 제8항에 있어서, 상기 판형상체와 상기 히터판이 접촉하고 있는 접촉부분의 면적이 상기 가열면의 면적의 20~80%인 것을 특징으로 하는 가열장치.
  17. 제8항에 있어서, 상기 판형상체의 두께가 0.2~10.0㎜인 것을 특징으로 하는 가열장치.
  18. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 세라믹 히터를 구비한 가열장치 또는 제8항 내지 제17항 중 어느 한 항에 기재된 가열장치로서:
    모발을 피가열물로 하는 것을 특징으로 하는 가열장치.
  19. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 세라믹 히터 또는 제8항 내지 제17항 중 어느 한 항에 기재된 가열장치를 구비한 것을 특징으로 하는 헤어 아이론.
  20. 연결된 한쌍의 파지부재를 구비하고, 상기 파지부재의 선단에 각각, 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 세라믹 히터 또는 제8항 내지 제17항 중 어느 한 항에 기재된 가열장치를 구비한 것을 특징으로 하는 헤어 아이론.
KR1020067027130A 2004-06-25 2005-06-24 세라믹 히터와 그 제조방법 및 가열장치 및 헤어 아이론 KR101127114B1 (ko)

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