KR101719364B1 - 초고온용 마이크로파 서셉터 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초고온용 마이크로파 서셉터에 관한 것으로서 티탄산 알루미늄(Al₂TiO₅), 그라파이트, 및 붕소계 비산화물을 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 마이크로파 서셉터는 티탄산 알루미늄(Al₂TiO₅) 분말, 그라파이트 분말, 및 붕소계 비산화물 분말을 혼합하여 혼합물을 제조하는 공정; 상기 혼합물을 성형하는 공정을 포함하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

Description

초고온용 마이크로파 서셉터 및 이의 제조방법{High Temperature Microwave Susceptor and Manufacturing Method Thereof}

본 발명은 초고온용 마이크로파 서셉터 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 1600℃ 이상의 산화 분위기에서 사용가능한 마이크로파 서셉터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

마이크로파 가열은 가열시 신속히 높은 온도로 승온되는 가열특성을 가지고 있다. 일반적으로 마이크로파 서셉터라 함은 소위 가정용 전자레인지로 불리는 마이크로파 가열장치 또는 마이크로파 가열오븐에서 마이크로파를 흡수 가열된 후에 지속적인 승온상태가 유지되는 물질이라 정의될 수 있다.

종래 이러한 발열물질로서는 보열효과를 갖는 세라믹조성의 물질을 이용하였으며, 예를 들어 찜질용인 경우에는 이러한 물질을 분말화하거나 구형화하여 팩에 장입하고 사용시 뜨거운 온수에 담가 세라믹 물질이 뜨거워지면 이 팩을 찜질팩으로 사용한다. 또한, 보열효과를 갖는 온열유지기구로서 예를 들어 요식업소 등에서 음식물이 빨리 식지 않게 가열하여 음식물을 담아내는 도기류의 기물(器物)의 경우에는 이러한 기물을 뜨거운 온수에 장시간 담갔다가 사용하거나 가스레인지와 같은 화열기구를 이용하여 가열하게 되어있다.

그러나 이러한 종래 기술의 찜질용 세라믹물질이나 온열유지기구로서의 기물 등은 요구된 온도까지 승온되는 가열특성과 사용시 요구된 온도에서 장시간 요구온도가 유지되는 냉각특성이 좋지 않다. 즉, 이들은 요구된 온도까지 승온되는데 소요시간이 길고 요구온도의 유지시간이 짧은 문제점이 있다. 무엇보다도 종래 기술의 물질은 온수 또는 가스레인지와 같은 직접가열방식으로 가열하여 사용하여야 하는 제약이 있다.

일반적으로 마이크로파는 금속에서는 반사가 일어나며 세라믹에 대해서는 투과되는 특성을 지닌다. 하지만 주변온도가 여기되는 분위기를 가질 경우 급격히 반응하여 드라마틱하게 승온되는 특성을 지니고 있다. 이것은 유전률과 관계되는 것으로 알려져 있으며 유전율이 높은 세라믹에 대해서는 좀 더 빠르게 반응한다. 잘 알려진 마이크로파 서셉터로는 탄소, 탄화규소 등이 있다. 특히, 탄소의 경우는 상당히 빠르게 반응하는 유용한 마이크로파 반응 물질이지만 산화분위기에서 승온할때는 산소와 반응하여 일산화탄소 및 이산화탄소로 분해되어 내구성이 문제가 된다.

현재 상업용으로 사용되는 열선의 경우, 1300℃ 이내에서는 금속열선이, 1500℃ 이내에서는 SiC 발열체가, 1700℃ 이내는 수퍼칸탈(Si₂Mo)이 사용된다. 이저항발열체 들은 산화분위기에서 상당한 내구성을 가지고 있다. 카본재 히터는 진공이나 분위기 가스 중에 주로 사용되며 높게는 2500℃ 이상에서도 사용하는 경우가 있다.

이런 저항 발열체들은 마이크로웨이브파에 비하여 에너지 소모량이 상당히 높아 에너지 효율이 매우 낮다.

따라서 상기와 같은 저항발열체가 가지는 낮은 에너지 효율을 해결하고 산화분위기에서도 고온으로 사용 가능한 마이크로파 서셉터에 대한 개발이 필요한 실정이다.

대한민국 공개특허공보 10-2000-0059947호 대한민국 등록특허공보 10-0226807호

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 종래의 저온 위주의 기구에 사용되는 마이크로파 발열 물질이 아닌 1600℃ 이상의 고온을 발생시킬수 있는 마이크로파 발열 물질을 적용한 초고온용 마이크로파 서셉터 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 마이크로파 가열기에서 가열시 신속히 높은 온도로 승온되는 가열특성과 승온상태가 장시간 지속되는 특성을 갖는 초고온용 마이크로파 서셉터 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 초고온용 마이크로파 서셉터는 티탄산 알루미늄(Al₂TiO₅), 그라파이트, 및 붕소계 비산화물을 포함하는 것을 특징으로 하며, 더욱 상세하게는, 티탄산 알루미늄 20 내지 80 부피부, 그라파이트 20 내지 80 부피부, 및 붕소계 비산화물 1 내지 10 부피부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 붕소계 비산화물은 탄화붕소(B₄C) 또는 질화붕소(BN)인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 초고온용 마이크로파 서셉터의 제조방법은 티탄산 알루미늄(Al₂TiO₅) 분말, 그라파이트 분말, 및 붕소계 비산화물 분말을 혼합하여 혼합물을 제조하는 공정; 상기 혼합물을 성형하는 공정을 포함하되, 상기 혼합물을 제조하는 공정은 티탄산 알루미늄 20 내지 80 부피부, 그라파이트 20 내지 80 부피부, 및 붕소계 비산화물 1 내지 10 부피부를 혼합하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의해 제조된 마이크로파 서셉터는 마이크로파 발열 특성이 우수하므로, 이를 적용한 마이크로파 가열기는 일반 저항발열체를 사용하는 경우에 비하여 전기효율이 매우 우수하며 발열체의 비용 또한 저렴한 것이 특징이다.

또한, 1600℃ 이상의 고온에서 사용가능하여 초고온에 적용가능한 효과를 나타낸다.

또한, 마이크로파 가열기에서 가열시 신속히 높은 온도로 승온되는 가열특성과 승온상태가 장시간 지속되는 특성을 나타낸다.

도 1은 마이크로파 전기로에서 발열후 발생되는 B₂O₃ 용융액과 Al₂TiO₅ 지지체를 나타내는 사진이다.
도 2는 전기로의 내부온도 1,600℃에서 서셉터의 발열모습을 나타낸 사진이다.
도 3은 전기로의 내부온도 1,630℃에서 서셉터의 발열모습을 나타낸 사진이다.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명의 초고온용 마이크로파 서셉터는 티탄산 알루미늄(Al₂TiO₅), 그라파이트, 및 붕소계 비산화물을 포함하는 것을 특징으로 한다. 즉, 상기 세섭터 물질로서 그라파이트와 붕소화합물인 탄화붕소(B₄C) 또는 질화붕소(BN)를 사용하되, 서셉터의 순간발열을 견뎌내는 구조재로 티탄산 알루미늄을 사용하는 것이 본 발명의 기술적 특징이다.

또한, 고온으로 승온할 때 티탄산 알루미늄의 수축과 붕소계 비산화물의 산화생성물을 이용하여 산소의 침투를 억제하고 산화에 의한 그라파이트의 구조를 유지하고자 한 것이 본 발명의 기술적 특징이다.

본 발명에서 사용된 그라파이트는 인조 흑연(artificial griphite)으로서 석유, 코크스 등을 필러로 하고 콜타르 등을 바인더로 하여 2,500~3,000℃로 가열하여 인공적으로 만든 흑연으로 천연 비늘 모양의 흑연에 가깝다. 흑연화 온도나 원료에 따라 약간의 차이는 있지만 천연물에 비하면 결정자는 수백 Å 정도로 다소 작고 규칙성도 적다.

천연 그라파이트는 인상흑연, 토상흑연 등이 있는데, 인상흑연은 결정편암이나 편마암과 함께 산출되며, 흔히 그것에 수반되는 석회암 속에 산재한다. 토상흑연은 화강암, 섬록암, 유문암, 편마암 등에 맥 또는 렌즈 모양을 이루고 산출되며, 접촉변질작용(接觸變質作用)에 의하여 석탄에서 변성하여 탄층과 수반하여 산출된다. 이는 불순물을 많이 함유하고 있어 본 발명에서 이루고자하는 고온에서는 불순물이 녹거나 반응하여 단열재와 반응하는 등의 문제를 야기시키기 때문에 사용할 수 없다.

본 발명에 첨가되는 붕소화합물인 탄화붕소(B₄C) 또는 질화붕소(BN)는 약 1,000℃의 산화분위기에서 산화되어 B₂O₃를 생성하는데 다량일 때는 녹아내리는 등의 문제를 만들지만 소량을 첨가할 경우 그라파이트 입자간의 공극으로 용융침투하거나 그라파이트의 표면을 코팅하여 그라파이트가 산화되는 것을 막아주는 산화방지막을 생성하게 된다. 이는 기상에서의 확산보다 액상에서의 확산이 훨씬 늦기 때문에 일어나는 현상이다.

또한, 붕소화합물인 탄화붕소(B₄C) 또는 질화붕소(BN)는 마이크로파를 흡수하여 자체적으로도 열을 발생하는 물질이며 그라파이트와 함께 서셉터의 주요 물질이다.

본 발명에 첨가되는 티탄산 알루미늄(Al₂TiO₅)은 내열충격성이 약 650℃ 정도로 일반적인 산화물세라믹으로는 할 수 없는 역할을 한다.

즉, 그라파이트가 산화되기 시작할 경우, 분자간의 결합력은 떨어지고 장시간 사용할 경우 그라파이트 구조체의 형상이 무너지는 결과를 낳는다. 이는 로 내부에 2차적인 오염이나 그라파이트 입자간 마이크로파에 의한 아크를 생성하여 로 전체의 구조를 무너뜨리는 결과를 초래할 수 있다.

이런 이유로 티탄산 알루미늄의 첨가는 그라파이트의 구조를 유지해 주는 역할을 한다. 통상적으로 많이 사용되는 고온용 구조세라믹 원료로서 알루미나나 마그네시아, 지르코니아 등은 열충격 온도가 약 170~220℃로 매우 낮아 마이크로파를 흡수한 그라파이트나 붕소계 비산화물의 급격한 열 증가를 견딜수 없다.

또 하나의 중요한 사용목적은 티탄산 알루미늄의 경우 약 900℃ 이상부터 입자들의 결합에 의해 8~15%의 수축이 발생하는데 이는 그라파이트와 붕소계 비산화물 입자를 응집시켜주는 효과를 준다. 즉, 붕소계 비산화물과 유사한 역할로 내부로의 산소침투를 방해하도록 하였다.

본 발명은 그라파이트 20~80 부피부와 붕소계 비산화물인 탄화붕소(B₄C) 또는 질화붕소(BN) 1~10 부피부, 티탄산 알루미늄을 20~80 부피부를 혼합하고 이를 성형하여 마이크로파 서셉터를 제조한다.

상기 그라파이트를 상기 함량범위보다 적게 사용하거나 너무 많이 사용할 경우, 마이크로파 흡수 효율이 감소하게 되며, 상기 붕소계 비산화물의 함량이 너무 적거나 너무 많은 경우 산화방지막 형성이 불충분하거나 마이크로파 흡수 효율이 감소하는 문제가 발생한다.

또한, 상기 티탄산 알루미늄을 상기 함량범위보다 적게 사용하거나 너무 많이 사용할 경우, 서셉터의 구조적 내구성이 감소하게 된다.

상기 마이크로파 서셉터는 티탄산 알루미늄 분말, 그라파이트 분말, 및 붕소계 비산화물 분말을 혼합하여 혼합물을 제조하는 공정; 상기 혼합물을 성형하는 공정을 통해 제조된다.

상기 혼합물을 성형하는 방법은 일반적인 세라믹 제조공정에서 사용되는 슬립캐스팅(Slip Casting) 법 또는 프레스법 등으로 제조할 수 있다.

슬립캐스팅의 경우, 상기 혼합물과 바인더 및 용매를 혼합하여 슬러리형태로 만들고 이를 석고틀에 부어 일정 형상으로 성형을 하는 방법이다. 좀 더 상세하게는 drain법이나 내경을 가지고 있는 석고틀에서 제조할 수 있다.

프레스법은 상기 혼합물과 바인더 및 용매를 믹싱 후 스프레이 드라이어를 거쳐 분말을 제조하여 유압식 또는 기계식의 프레스에서 그 형상을 성형하는 방법으로서, 건식 프레스법이라고 불려진다.

습식 프레스법도 가능한데, 이 경우에는 스프레이 드라이어를 사용하지 않고 슬러리를 점도가 높게 제작한 후 채거름을 하여 분말을 제조하게 된다.

위에 예시된 방법 외에도 제품의 형상에 따라서 닥터블레이드법이나 CIP법 또는 압출법 등으로 제조될 수 있다.

일 실시예에 따른 본 발명의 마이크로파 서셉터의 제조공정은 다음과 같다.

티탄산 알루미늄 분말을 다음과 같이 준비하였다. 증류수 20kg에 분산제(sannopco 5468CF) 50g을 첨가하여 충분히 혼합하였다. 이때, 필요에 따라 제품의 성형강도를 위하여 결합제로 PVA, PEG 또는 TEG를 20g 이내로 준비하여 첨가한다.

여기에 알루미나(스미토모 AES-11C) 10kg과 티타니아(Dupont R-902) 8kg을 혼합하여 볼 밀링하였다. 볼 밀링은 30~50 rpm에서 2시간 정도 진행하였다. 볼 밀링된 제품은 종이나 천 등의 유기필터나 석고틀에 넣어 탈수하고 대기 중에 5일간 건조하여 전기로에서 500~800℃로 2시간 하소하였다. 이는 알루미나와 티타니아의 pre-sintering으로 두 입자의 접합만 이루어진 것이다. 이때 첨가된 분산제와 결합제 등의 유기 첨가제는 거의 산화되어 미량만 남게 된다.

이후 가소된 티탄산 알루미늄을 분쇄기나 유발에 넣어 곱게 분쇄하고 80mesh 정도의 sus-mesh 망을 이용하여 채 거름하였다.

에탄올 800g 및 그라파이트 1000g을 stiring mixer를 이용하여 그라파이트에 에탄올을 골고루 혼합하여 준비하였다. 그라파이트의 경우, 용매를 물로 사용할 경우 젖음성이 좋지 않기 때문에, 젖음성을 높이기 위하여 실란 등으로 표면처리를 하거나 유기용매를 사용하는 것이 바람직하다.

에탄올을 용매로 혼합된 그라파이트를 미리 준비된 티탄산 알루미늄 분말 1000g을 첨가하고 골고루 혼합하였다. 여기에 용도에 맞게 물을 첨가하는데, 본 실시예에서는 물을 2000g 첨가하여 석고틀에서 제작하였다.

각 구성성분의 함량을 달리하며 표 1과 같은 조성으로 4종류의 서셉터 시제품을 제조하였다.

시제품번호	graphite(부피부)	B4C(BN)(부피부)	Al2TiO5(부피부)
1	40	10 부피부	50 부피부
2	60 부피부	10 부피부	30 부피부
3	55 부피부	5 부피부	40 부피부
4	50 부피부	0 부피부	50 부피부

모든 시제품에서 약 10분 만에 최고 온도인 1630℃ 정도를 기록하였으며 시제품 1과 2에서는 시간이 경과할수록 B₂O₃로 여겨지는 용융액이 아래로 흘러내리는 것으로 나타났다. 도 1은 시제품 1의 마이크로파 전기로에서 발열 후 발생되는 B₂O₃ 용융액과 티탄산 알루미늄 지지체의 상태를 나타내는 것인데, 용융액이 발생하여 흘러내리는 것을 육안으로 확인할 수 있다.

또한, 도 2 및 3에 시제품 2 및 3의 온도에 따른 상태 변화를 관찰한 결과를 나타내고 있다.

시제품 3에서는 도 3과 같이 흘러내리는 B₂O₃ 용융액이 바닥부분에 약간 흔적이 남아있었다. 시제품 4의 경우는 용융액이 없으나 약 8시간 정도 이후부터 온도가 자꾸 떨어지는 것을 확인하였다. 이는 그라파이트의 산화에 의한 고온 상태의 서셉터의 손실로 인한 것으로 보인다. 또한, 시제품 3에서는 8시간씩 3회 이상을 견디는 것을 확인하였다. 따라서 붕소계 비산화물을 포함하지 않는 경우 초고온용 서셉터로서는 부적합한 것으로 나타났으며, 티탄산 알루미늄(Al₂TiO₅), 그라파이트, 및 붕소계 비산화물을 포함함으로써 초고온에서 사용 가능한 서셉터를 제조할 수 있음을 확인하였다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

Claims (5)

1. 티탄산 알루미늄(Al₂TiO₅), 그라파이트, 및 붕소계 비산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 초고온용 마이크로파 서셉터.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 붕소계 비산화물은 탄화붕소(B₄C) 또는 질화붕소(BN)인 것을 특징으로 하는 초고온용 마이크로파 서셉터.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   티탄산 알루미늄 20 내지 80 부피부, 그라파이트 20 내지 80 부피부, 및 붕소계 비산화물 1 내지 10 부피부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초고온용 마이크로파 서셉터.
   
4. 청구항 1의 초고온용 마이크로파 서셉터의 제조방법으로서,
   티탄산 알루미늄 분말, 그라파이트 분말, 및 붕소계 비산화물 분말을 혼합하여 혼합물을 제조하는 공정;
   상기 혼합물을 성형하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 초고온용 마이크로파 서셉터의 제조방법.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   티탄산 알루미늄 20 내지 80 부피부, 그라파이트 20 내지 80 부피부, 및 붕소계 비산화물 1 내지 10 부피부를 혼합하여 혼합물을 제조하는 공정;
   상기 혼합물을 성형하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 초고온용 마이크로파 서셉터의 제조방법.

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