KR101300104B1 - 탄화규소 발열체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 목질계 물질을 발열체 형상으로 성형하여 성형체를 제조하는 성형 단계; 상기 성형체를 탄화하여 탄소 전구체로 제조하는 탄화 단계; 상기 탄화가 종료된 성형체를 금속 실리콘과 혼합한 후 진공 또는 불활성 가스 분위기에서 소결하는 탄화규소화 단계; 상기 탄화규소화 단계가 종료된 성형체의 외주면에 질화규소 분말 및 바인더 수지 혼합물을, 성형체를 구성하는 구조물이 하나로 일체화되도록 충전도포 하는 도포 단계; 상기 도포 단계가 종료된 성형체를 소결하는 소결 단계를 포함하는 탄화규소 발열체의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 탄화규소 발열체의 외주면에 질화규소를 충전도포하여 취성에 따른 파손을 방지함과 함께, 발열체의 단락을 방지할 수 있다.

Description

탄화규소 발열체의 제조방법{Preparation Methods of Silicon Carbide Heater}

본 발명은 탄화규소 발열체의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 목질계 물질을 원하는 발열체 형상으로 성형한 후 순차적으로 탄화 및 탄화규소화하여 복잡한 형상과 무관하게 다양한 모양으로 탄화규소 발열체를 제조하는 방법에 관한 것이다.

탄화규소(SIC)는 비산화물 세라믹스 중에서 가장 널리 사용되는 재료로써, 우수한 경도, 높은 기계적 강도 및 고온 강도, 우수한 내산화성과 높은 열전도도 및 넓은 밴드갭 에너지(2.8 ~ 3.2eV)를 갖는 반도체 특성을 갖고 있으며, 특히, 세라믹 재료에서는 찾아보기 힘든 수준의 낮은 비저항성(0.05 ~ 0.5Ω㎝)을 갖고 있어 전기 발열체로 널리 이용되고 있다.

그러나 상기 탄화규소는 강한 공유결합(covalent bonding)을 이루고 있어서 소결성이 낮다. 상기 소결(sintering)은 비금속 또는 금속의 분체를 가공하여 형성한 것을 융점 이하의 온도로 열처리한 경우, 분체 사이의 결합이 성형한 형태로 굳어지는 현상을 의미한다.

일반적으로 탄화규소는 2,000℃ 부근의 매우 높은 온도에서 마이크로미터 이하 크기의 입자를 출발 물질로 사용하거나 또는 매우 큰 압력으로 프레스하여 입자의 표면 에너지를 활성화시켜 소결시킨다.

그러나 이와 같은 방법은 대량 생산설비를 갖추기 어려우며, 제작비용이 많이 소요되는 공정이기 때문에 상용 제품에 적용하는 데는 한계가 있다.

따라서 탄화규소 분말 또는 탄소 분말을 바인더로서 유기 결합재 등을 이용하여 성형한 후에 고온 및 진공하에서 액상 실리콘을 성형체 내부에 존재하는 기공을 통하여 모세관 힘으로 침윤시키면, 탄화규소 분말 사이로 침윤된 액상 실리콘과 탄소 분말이 자발 반응하여 새로운 탄화규소가 생성되어 소결되는 반응 소결이라는 방법을 이용하는 것이 일반적이다.

액상실리콘이 나타나는 1,410℃ 이상이면, 탄화규소 성형체는 손쉽게 소결될 수 있어 상업적으로 널리 사용되고 있으며, 공업용 로(Furnace)에 이용되는 탄화규소 발열체도 이와 같은 방법으로 제작되는 것으로 알려져 있다.

그러나 전술한 방법으로 제작된 반응 소결 탄화규소 소결체는 필연적으로 상당량의 미반응 실리콘이 남아 있게 되어 전기 저항이 낮아짐으로, 전기 저항에 의한 발열체로 사용하기 위해서는 전류 증폭기를 추가적으로 설치해야 되는 단점을 지니게 된다.

따라서 반응 소결법으로 탄화규소 발열체를 제작하지 않고 재결정화 방법을 사용하여 잔류 실리콘 문제를 해결하기도 한다.

상기 재결정화 방법이란, 매우 미세한 탄화규소 입자와 조대한 입자를 혼합하여 성형체를 제작한 후, 이를 2,000℃ 부근으로 가열시킴으로써, 입자의 표면 에너지 차이에 의해 미세한 탄화규소 입자가 휘발되어 주위의 조대한 탄화규소 입자에 증착되게 하여 소결을 도모하는 방법이다.

일반적으로 반도체 비저항의 온도 의존성은 온도가 증가함에 따라 감소하는 NTC(Negative Temperature Coefficient) 현상을 보이다가, 다시 증가하는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 현상을 보이는 것으로 알려져 있으며, 온도 변화에 따른 비저항 변화가 작을수록 저항 발열체로 사용했을 경우, 온도 제어가 더 용이하다.

한편, 이와 같은 탄화규소 발열체는 그 형태가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 통상적으로 길이방향으로 확장된 원통형 형상의 D3, E형-F형이 있고; 상기 D3, E형-F형과 같은 원통형이지만, 발열부에 나선형의 홈이 형성되어 있는 SG형; 발열체의 발열부에 나선형의 홈이 있는 형태로서, 발열체의 한쪽만 단부를 갖는 SFR형; 튜브 모양의 U형; 및 3상 전원으로 사용되는 W형 등이 있다.

전술한 형태를 갖는 탄화규소 발열체는 취성이 높아 쉽게 파괴되는 문제점이 있다.

특히, 상기 SFR형 또는 W형 등과 같이 복잡한 형태의 탄화규소 발열체를 제조하는 경우, 탄화규소 발열체의 취성으로 인해 이를 제조하는 것이 용이하지 않다.

이에, 앞서 설명한 바와 같이, 탄화규소 발열체를 제조하기 위한 물질로서 탄화규소 및/또는 탄소 분말을 바인더 및 첨가제 등을 이용하여 성형한 후 탄화규소화하여 발열체로 제조할 수 있지만, 상기 탄화규소 분말을 이용하여 발열체의 모양을 성형하는 경우, 바인더의 혼합량이 증가하여 제조되는 발열체의 물성이 좋지 않고, 탄화규소로 제조한 후 성형 가공하기 때문에 대량생산에 용이하지 않다.

또한, 탄소 분말로 성형한 후 탄화규소로 제조하는 경우에는 탄소 분말 결정이 치밀하게 결합되어 제조된 탄화규소 발열체의 외부만이 탄화규소화되고, 그 내부에 존재하는 탄소 분말은 탄소 분말 상태로 존재하여 장기간 사용할 경우, 그 내부가 산화되어 발열체에 중공이 형성되는 문제점이 발생될 수 있다.

삭제

본 발명은 탄화규소 발열체의 외주면에 질화규소를 충전도포하여 탄화규소 발열체의 취성에 의한 파손을 방지할 수 있다.

본 발명은 목질계 물질을 발열체 형상으로 성형하여 성형체를 제조하는 성형 단계;

상기 성형체를 탄화하여 탄소 전구체로 제조하는 탄화 단계;

상기 탄화가 종료된 성형체를 금속 실리콘과 혼합한 후 진공 또는 불활성 가스 분위기에서 소결하는 탄화규소화 단계를 포함하는 탄화규소 발열체의 제조방법을 제공한다.

삭제

또한, 탄화규소 발열체의 외주면에 질화규소를 충전도포하여 취성에 따른 파손을 방지함과 함께, 발열체의 단락을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 탄화규소 발열체의 제조방법을 나타내는 흐름도,
도 2는 본 발명에 따른 탄화규소 발열체에 질화규소가 충전도포된 형태를 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 탄화규소 발열체에 질화규소가 충전도포된 형태를 나타내는 단면도이다.

본 발명은 목질계 물질을 발열체 형상으로 성형하여 성형체를 제조하는 성형 단계;

상기 성형체를 탄화하여 탄소 전구체로 제조하는 탄화 단계;

상기 탄화가 종료된 성형체를 금속 실리콘과 혼합한 후 진공 또는 불활성 가스 분위기에서 소결하는 탄화규소화 단계를 포함하는 탄화규소 발열체의 제조방법을 제공한다.

여기서, 상기 탄화규소화 단계가 종료된 성형체의 외주면에 질화규소를 충전도포하는 도포 단계 및 상기 도포 단계가 종료된 성형체를 소결하는 소결 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 탄화규소 발열체는 제철, 제강업, 화학공업 등의 산업분야와 소각로, 열사용 기기 등에 사용되는 발열체를 지칭한다.

또한, 본 발명에 따른 탄화규소 발열체의 형상은 길이방향으로 확장된 원통형 형상의 D3, E형-F형; 상기 D3, E형-F형과 같은 원통형이지만, 발열부에 나선형의 홈이 형성되어 있는 SG형; 발열체의 발열부에 나선형의 홈이 있는 형태로서, 발열체의 한쪽만 단부를 갖는 SFR형; 튜브 모양의 U형; 및 3상 전원으로 사용되는 W형 등이 대표적이지만, 이에 한정되지 않고 보다 복잡한 형상으로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 목질계 물질은 탄화규소 발열체를 제조하기 위한 기본 원료로서, 목질계로 이루어진 물질이라면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 바람직하게는 목분, 목재, 나무 등을 사용하는 것이 좋다.

이때, 상기 목질계 물질은 최종적인 탄화규소 발열체 형상으로 성형되어 성형체를 구성한다.

상기 목질계 물질의 성형방법은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 목재 또는 나무 등을 깎아 발열체 형상으로 성형하거나, 목질계 분말인 목분을 바인더 수지와 함께 혼합한 후 프레스하여 발열체 형상으로 성형할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 하기의 설명은 오로지 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 하기 설명에 의해 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 탄화규소 발열체의 제조방법을 나타내는 흐름도, 도 2는 본 발명에 따른 탄화규소 발열체에 질화규소가 충전도포된 형태를 나타내는 구성도, 도 3은 본 발명에 따른 탄화규소 발열체에 질화규소가 충전도포된 형태를 나타내는 단면도로서 함께 설명한다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 탄화규소 발열체의 제조방법은 목질계 물질을 발열체 형상으로 성형하여 성형체를 제조하는 성형 단계; 상기 성형체를 탄화하여 탄소 전구체로 제조하는 탄화 단계; 및 상기 탄화가 종료된 성형체를 금속 실리콘과 혼합한 후 진공 또는 불활성 가스 분위기에서 소결하는 탄화규소화 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 성형 단계는 목질계 물질을 최종적인 탄화규소 발열체 형상으로 성형한다.

여기서, 상기 탄화규소 발열체 형상을 목질계 물질로 미리 성형한 후 탄화 및 탄화규소화시키면, 탄화규소 분말을 성형할 경우 첨가되는 바인더, 특정적으로 바인더 수지의 함량을 감소시켜 제조되는 발열체의 물성을 향상시킬 수 있다.

특히, 상기 탄화규소 분말은 입자간 결합력이 낮아 하나의 형태를 이루기 위해서는 다량의 바인더가 소요되므로, 통상 탄화규소화, 즉 반응 소결하여 발열체를 제조한 뒤 후가공 단계에서 발열체를 성형하게 되는데, 이러한 경우 탄화규소 고유의 취성에 의해 발열체가 파괴되기 쉽다.

또한, 탄화규소 분말 및/또는 탄소 분말을 탄화규소화, 즉 반응 소결하여 발열체를 제조하는 경우, 상기 탄소 분말의 발열반응으로 인해 반응 소결 온도가 급격히 상승하여 제조되는 탄화규소 발열체가 쉽게 파손될 수 있다.

하지만, 본 발명에 따른 목질계 물질을 원료로 사용하여 탄화규소 발열체의 형상을 성형하고, 이를 탄화시킨 뒤 탄화규소화, 즉 반응 소결하면 전술한 탄화규소 분말 및/또는 탄소 분말을 이용하여 탄화규소를 제조한 것 보다 취성에 강한 특성을 갖는 탄화규소 발열체를 제조할 수 있다.

이와 같은 목질계 물질은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 목분, 목재, 나무 및/또는 섬유합판 등을 사용하는 것이 좋다.

또한, 상기 목질계 물질을 성형하는 방법은 사용자의 선택에 따라 어떠한 방법을 사용하여도 무방하지만, 목재 또는 나무 등을 깎아 발열체 형상으로 성형하거나, 목질계 분말인 목분을 바인더 수지와 함께 혼합한 후 프레스하여 발열체 형상으로 성형할 수 있다.

여기서, 상기 바인더 수지는 목분이 발열체 형상을 유지할 수 있도록 결합력을 제공하는 수지라면, 어떠한 것을 사용하여도 무방하며, 그 사용량은 제조되는 탄화규소 발열체의 물성에 영향을 미치지 않는 범위에서 사용자의 선택에 따라 사용될 수 있다.

다른 일례로서, 섬유합판을 탄화규소 발열체 모양으로 절단하여 사용할 수도 있다.

본 발명에 따른 탄화 단계는 상기 성형 단계가 종료되어 제조된 성형체를 탄화하여 탄소 전구체로 이루어진 성형체를 제조한다.

이때, 상기 탄화는 목질계 물질로 이루어진 성형체를 탄화시키는 방법이라면 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 성형체를 비산화분위기, 즉 진공 또는 불활성 가스 분위기에서 500 내지 1,300℃의 온도범위로 열처리하는 것이다.

이때, 상기 탄화는 진공 또는 불활성 가스 분위기나 열처리 시간에 따라 탄소 전구체의 탄소수율이 변화될 수 있으므로, 사용자의 선택에 따라 상기 탄화 조건을 조절하는 것이 가능하다.

본 발명에 따른 탄화규소화 단계는 상기 탄화가 종료된 성형체를 금속 실리콘과 혼합한 후 진공 분위기에서 소결, 바람직하게는 반응 소결시켜 탄화된 성형체를 탄화규소화함으로써 산화규소 발열체를 제조한다.

여기서, 상기 금속 실리콘과 탄화된 성형체를 반응시켜 탄화규소를 제조하는 소결 방법에는 여러 가지가 있다. 예를 들면, 상압소결(Pressureless Sintering), 열간가압소결(Hot Pressing), 열간등가압소결(Hot Isostatic Pressing) 및 액상 반응소결(Reaction Sintering)과 같은 소결 방법이 있다.

이 중에서 상압소결, 열간가압소결, 열간등가압소결과 같은 소결 방법은 고가의 미분(fine powder)을 주원료로 하고 소결조제(Sintering aids)를 사용해야 하므로 본 발명에 따른 목질계 물질을 기본 원료로 하는 탄화규소 발열체의 제조에는 적합하지 않다.

액상 반응 소결법은 미분의 원료 및 고가의 소결조제를 첨가하지 않고, 다른 소결법에 비하여 비교적 낮은 온도, 예를 들면 약 1,500 내지 1,700℃의 온도범위에서 소결이 가능할 뿐만 아니라, 소결 반응이 탄소와 용융 실리콘과의 발열 반응에 의해 매우 신속하게 진행되고, 소결시 수축이나 팽창 등의 치수 변화가 거의 없이 소결되는 장점이 있어, 정밀 치수 또는 복잡한 형상이나 대형의 제품을 쉽게 소결할 수 있다. 따라서 생산성 향상과 함께 에너지 비용을 절감할 수 있는 공정으로써, 본 발명에 적합하다.

상시 액상 반응 소결법은 한국등록특허 제10-0299099호에 개시되어 있으며, 본 발명은 동 특허에 개시된 액상 반응 소결법을 이용하는 것이 바람직하다.

전술한 탄화규소 발열체의 제조방법을 따라 제조된 본 발명에 따른 탄화규소 발열체는 탄화규소 분말 및/또는 탄소 분말을 반응 소결시켜 제조한 통상적인 발열체 보다 5배 이상으로 취성에 의한 파손율이 낮다.

한편, 본 발명에 따른 탄화규소 발열체가 탄화규소 분말 및/또는 탄소 분말을 반응 소결시켜 제조한 발열체 보다 취성에 의한 파손율이 낮다 하여도, 발열체 고유의 취성으로 인해 파손을 완전히 방지할 수 없다.

이에, 본 발명은 전술한 취성으로 인한 파손을 방지하기 위해 탄화규소 발열체를 제조하는 탄화규소화 단계가 종료된 성형체의 외주면에 질화규소 분말 및 바인더 수지 혼합물을 충전도포하는 도포 단계 및 상기 도포 단계가 종료된 성형체를 소결하는 소결 단계를 순차적으로 수행하여 최종적인 탄화규소 발열체를 제조할 수 있다.

상기 충전도포는 질화규소(SI₃N₄) 분말 및 바인더 수지 혼합물을 탄화규소 발열체인 성형체의 외주면에 도포하는 것 및 성형체를 구성하는 구조물이 하나로 일체화되도록 성형체 구조물의 사이에 충전되도록 도포하는 것을 포함한다.

여기서, 상기 성형체를 구성하는 구조물이 하나로 일체화되도록 충전도포되는 것을 설명하면, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 예시적으로 U자형 탄화규소 발열체의 원통형 바 사이 및 그 외주면에 질화규소가 충전되도록 하여 발열체가 질화규소에 의해 하나로 일체화된 형태를 갖도록 하는 것을 의미한다.

이때, 상기 탄화규소 발열체의 외주면에 충전도포된 질화규소로 인해 발열체의 단락이 방지될 수 있다.

한편, 상기 질화규소 분말 및 바인더 수지 혼합물을 구성하는 바인더 수지는 질화규소가 발열체의 외주면에 용이하게 결합될 수 있도록 하는 것으로서, 후공정인 소결 단계, 예를 들면 1,500 내지 1,700℃의 온도로 소결되는 단계에서 제거된다.

상기 바인더 수지는 전술한 목적을 갖는 당업계의 통상적인 바인더 수지라면 특별히 한정되지 않는다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모두 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모두 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (7)

1. 목질계 물질을 발열체 형상으로 성형하여 성형체를 제조하는 성형 단계;
   상기 성형체를 탄화하여 탄소 전구체로 제조하는 탄화 단계;
   상기 탄화가 종료된 성형체를 금속 실리콘과 혼합한 후 진공 또는 불활성 가스 분위기에서 소결하는 탄화규소화 단계; 상기 탄화규소화 단계가 종료된 성형체의 외주면에 질화규소 분말 및 바인더 수지 혼합물을, 성형체를 구성하는 구조물이 하나로 일체화되도록 충전도포 하는 도포 단계; 상기 도포 단계가 종료된 성형체를 소결하는 소결 단계를 포함하는 탄화규소 발열체의 제조방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 질화규소 분말 및 바인더 수지 혼합물을 충전도포한 후의 소결 단계는 1,500 내지 1,700℃의 온도범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄화규소 발열체의 제조방법.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 탄화규소화 단계는 1,500 내지 1,700℃의 온도범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄화규소 발열체의 제조방법.

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