KR101738857B1 - 마이크로파 감응 조성물 및 감응 소재 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 마이크로파에 감응하여 발열되는 감응 소재 제조 방법에 관한 것으로서, 마이크로파 감응 소재는 탄화규소가 40~58중량%, 질화규소가 20~38중량%, 산화마그네슘이 5~15중량%, 이산화규소가 5~15중량%, 산화알루미늄이 10~20중량%, 이산화티타늄이 1~10중량%, 산화리튬이 1~10중량% 및 금속화합물이 0.1~1중량%의 성분비를 가지는 조성물을 통하여 제조된다.

Description

마이크로파 감응 조성물 및 감응 소재 제조 방법{MICROWAVE SENSITIZED COMPOSITION AND METHOD FOR MANUFACTURING SENSITIZED MATERIAL}
본 발명은 마이크로파 감응 조성물 및 감응 소재 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마이크로파에 감응하여 발열되는 감응 조성물을 통하여 감응 소재를 제조하는 방법에 관한 것이다.
종래의 금속성 발열 소재는 코일 형상으로 제조되는 것을 특징으로 하고, 유기용재 용해 장치, 열교환기, 가열로 등 산업용 히터에 사용하였으며, 특허문헌 1에 개시된 바와 같이 전기온돌장치 등 가정용 히터에 사용하였고, 마이크로웨이브 히터, 헤어 드라이 및 다리미 등 다양하게 사용하였다. 예를 들어, 가열로는 전기 에너지를 열 에너지로 전환하는 금속성 발열 소재가 포함된다.
금속성 발열 소재는 1000℃ 이상의 고온에서도 녹지 않고, 산화되지 않은 니크롬선을 포함하고, 니크롬선은 니켈, 크롬을 주 성분으로 한다.
그러나, 종래의 금속성 발열 소재는 코일 형상으로 제조되기 때문에 다양한 발열을 요하는 산업에 적용하기 어렵고, 수명이 짧으며, 장기 전기소모량 많은 문제점이 있다.
1. 한국등록실용신안 제20-0307217호(2003.02.28.)
본 발명은 세라믹의 감응 발열체를 주 조성물로 하여 다양한 형상으로 성형 가능한 마이크로파 감응 조성물 및 감응 소재 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 저열팽창성 소결결합제와 금속화합물을 조성물에 포함하여 내열 충격성 및 발열량을 증가시키는 마이크로파 감응 조성물 및 감응 소재 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 마이크로파 감응 소재용 조성물은 탄화규소 및 질화규소로 이루어진 감응 발열체; 산화마그네슘, 이산화규소, 산화알루미늄, 이산화티타늄 및 산화리튬으로 이루어진 저열팽창성 소결결합제 및 니켈, 코발트 및 탄화텅스텐 중 적어도 하나로 이루어진 금속화합물을 조성물로 포함한다.
상기 탄화규소는 40~57중량%, 상기 질화규소는 20~37중량%, 상기 산화마그네슘은 5~15중량%, 상기 이산화규소는 5~15중량%, 상기 산화알루미늄은 10~20중량%, 상기 이산화티타늄은 1~10중량%, 상기 산화리튬은 1~10중량% 및 상기 금속화합물은 0.1~1중량%의 성분비를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 마이크로파 감응 소재 제조 방법은, 탄화규소가 40~57중량%, 질화규소가 20~37중량%, 산화마그네슘이 5~15중량%, 이산화규소가 5~15중량%, 산화알루미늄이 10~20중량%, 이산화티타늄이 1~10중량%, 산화리튬이 1~10중량% 및 금속화합물이 0.1~1중량%의 성분비를 가지는 조성물을 건식으로 혼합하여 건식 혼합물을 제조하는 건식혼합 단계; 상기 건식 혼합물에 물을 혼합하여 습식 혼합물을 제조하는 습식혼합 단계; 상기 습식 혼합물을 숙성시켜 숙성 혼합물을 제조하는 숙성 단계; 상기 숙성 혼합물을 판상, 봉상, 주상 및 허니컴 중 하나의 형상으로 성형하여 성형 벌크체를 제조하는 성형 단계; 상기 성형 벌크체를 건조시켜 건조 벌크체를 제조하는 건조 단계 및 상기 건조 벌크체를 소성시켜 마이크로파 감응 소재를 제조하는 소성 단계를 포함한다.
본 발명의 마이크로파 감응 소재 제조 방법은, 상기 성형 단계에서 숙성 혼합물에 카본블랙 및 흑연을 포함하는 기공형성제를 포함하여 혼합되는 것을 특징으로 하고, 상기 소성 단계에서 기공형성제가 분해되어 다공성 벌크체인 마이크로파 감응 소재가 제조되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 세라믹의 감응 발열체를 주 조성물로 하여 다양한 형상으로 성형 가능하므로, 발열을 요하는 감응 소재의 응용 범위를 넓힐 수 있다.
본 발명은 저열팽창성 소결결합제와 금속화합물을 조성물에 포함하여 내열충격성 및 발열량을 증가시키므로, 마이크로파에 감응하여 발열시 급격한 온도 변화에도 크랙이 발생되지 않고 견딜 수 있는 감응 소재를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 마이크로파 감응 소재 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 마이크로파 감응 소재의 열팽창계수를 도시한 예이다.
도 3은 마이크로파 감응 소재의 미세 구조를 도시한 예이다.
도 4는 마이크로파 감응 소재의 감응 시간에 따른 발열곡선을 도시한 예이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 마이크로파 감응 소재 제조 방법을 도시한 흐름도로서, 마이크로파 감응 소재용 조성물은, 탄화규소(SiC) 및 질화규소(Si3N4)로 이루어진 감응 발열체와, 산화마그네슘(MgO), 이산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 이산화티타늄(TiO2) 및 산화리튬(Li2O)로 이루어진 저열팽창성 소결결합제와, 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 탄화텅스텐(WC) 중 적어도 하나로 이루어진 금속화합물을 포함한다.
탄화규소 및 질화규소로 이루어진 세라믹 소재를 포함하는 감응 발열체는, 수초 내지 수십초 내에서 사용자가 원하는 온도까지 발열할 수 있고, 저비용으로 고에너지를 발휘할 수 있으며, 판상, 봉상, 주상 및 허니컴 중 하나의 형상으로 성형하는데 사용될 수 있다.
세라믹 소재는 산화철(Fe2O3), 자철석(Fe3O4), 탄화규소, 질화규소 및 그라파이트(graphite)를 포함하고, 금속원소에 산소, 탄소 및 질소 등과 결합된 산화물, 탄화물 및 질화물로 이루어진다. 본 발명은 탄화물인 탄화규소 및 질화물인 질화규소로 이루어진 세라믹 소재의 감응 발열체를 조성물에 포함한다.
산화철 및 자철석은 마이크로파에 반응하면 급격하게 발열되지만, 소결온도가 낮아 온도 범위가 제한되는 문제점이 있고, 구조적으로 결정이 불안정하여 온도 변화에 의해 크랙이 발생되는 문제점이 있다.
그라파이트는 마이크로파에 반응하면 급격하게 발열되지만, 600℃ 이상의 고온이 되면 내산화저항성이 낮아져 내구성이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 산화철, 자철석 및 그라파이트보다 발열량이 낮지만, 내구성이 뛰어난 탄화규소 및 질화규소로 이루어진 감응 발열체를 주 조성물로 한다.
본 발명은 마이크로파에 감응하여 발열시 급격한 온도 변화에도 크랙이 발생되지 않고 견딜 수 있는 내열충격성을 고려한 산화마그네슘, 이산화규소, 산화알루미늄, 이산화티타늄 및 산화리튬로 이루어진 저열팽창성 소결결합제를 조성물에 포함한다.
소결겹합제는 조성물에 포함되어 혼합되면, 안정화된 형상으로 결정화되어 내열충격성을 높이는데 사용되고, 발열시 급격한 온도 변화에도 크랙이 발생되지 않기 위해 사용된다.
본 발명은 발열량을 증가시키는 니켈, 코발트 및 탄화텅스텐 중 적어도 하나로 이루어진 금속화합물을 조성물에 포함한다.
본 발명은 조성물에서 탄화규소는 40~57중량%, 질화규소는 20~37중량%, 산화마그네슘은 5~15중량%, 이산화규소는 5~15중량%, 산화알루미늄은 10~20중량%, 이산화티타늄은 1~10중량%, 산화리튬은 1~10중량% 및 금속화합물은 0.1~1중량%의 성분비를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 각 소재의 성분비로 조성물이 혼합되어 내열충격성이 향상되는 결정구조를 가지는 마이크로파 감응 소재를 제공한다.
조성물이 전술한 성분비를 초과하면 각 소재가 발현되어 고온에서 열적으로 불안정되어 크랙이 발생되고, 이하이면 내열충격성을 만족하는 결정구조가 형성되지 못하는 문제점이 있다. 본 발명은 전술한 성분비의 조성물을 통하여 발열시 급격한 온도 변화에도 크랙이 발생되지 않고 견딜 수 있는 감응 소재를 제공할 수 있다.
마이크로파 감응 소재 제조 방법은, 조성물을 건식혼합, 습식혼합, 숙성, 성형, 건조 및 소성 단계로 이루어진다.
마이크로파 감응 소재 제조 방법은, 탄화규소가 40~57중량%, 질화규소가 20~37중량%, 산화마그네슘이 5~15중량%, 이산화규소가 5~15중량%, 산화알루미늄이 10~20중량%, 이산화티타늄이 1~10중량%, 산화리튬이 1~10중량% 및 금속화합물이 0.1~1중량%의 성분비를 가지는 조성물을 건식으로 혼합하여 건식 혼합물을 제조한다.
건식혼합 단계에서 조성물을 5~10분 동안 건식으로 혼합하여 건식 혼합물을 제조할 수 있다. 건식혼합 단계에서 조성물을 5~10분을 초과하면 제조 공정시간이 늘어나는 문제점이 있고, 용기와 건식 혼합물 간이 마찰열이 발생되는 문제점이 있기 때문에, 조성물을 5~10분 동안 건식으로 혼합하여 건식 혼합물을 제조할 수 있다.
건식혼합 후, 건식 혼합물에 물을 혼합하여 습식 혼합물을 제조하고, 습식 혼합물을 숙성시켜 숙성 혼합물을 제조한다.
습식혼합 단계에서 건식 혼합물에 물을 혼합하고, 10~20분 동안 믹싱하여 습식 혼합물을 제조할 수 있다. 숙성 단계에서 습식 혼합물을 24~74시간 동안 숙성시켜 숙성 혼합물을 제조할 수 있다.
습식혼합 단계에서 10~20분을 초과하면, 제조 공정시간이 늘어나는 문제점이 있고, 용기와 습식 혼합물 간이 마찰열이 발생되는 문제점이 있기 때문에, 건식 혼합물에 물을 혼합하고, 10~20분 동안 믹싱하여 습식 혼합물을 제조할 수 있다.
숙성 단계에서 습식 혼합물을 24~74시간을 초과하여 숙성하여도 되나, 제조 공정시간이 늘어나는 문제점이 있고, 24~74시간이면 습식 혼합물의 수분이 골고루 분산될 수 있다.
숙성 후, 숙성 혼합물을 판상, 봉상, 주상 및 허니컴 중 하나의 형상으로 성형하여 성형 벌크체를 제조한다.
성형 단계에서 숙성 혼합물에 카본블랙 및 흑연을 포함하는 기공형성제를 포함하여 혼합되는 것을 특징으로 할 수 있다. 기공형성제는 표면발열량을 높이는 효과가 있다.
숙성 혼합물은 90~95중량%, 카본블랙은 1~5중량% 및 흑연은 1~5중량%의 성분비를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다. 본 발명은 기공 크기 또는 기공량을 고려하여 숙성 혼합물에 전술한 성분비의 기공형성제를 포함하여 혼합될 수 있다. 본 발명은 열팽창 또는 열팽창을 흡수하는 버퍼를 제공하여 사용 수명을 향상시키기 위하여 숙성 혼합물에 전술한 성분비의 기공형성제를 포함하여 혼합될 수 있다.
성형 후, 성형 벌크체를 건조시켜 건조 벌크체를 제조하고, 건조 벌크체를 소성시켜 마이크로파 감응 소재를 제조한다.
건조 단계에서 성형 벌크체를 12~72시간 동안 건조시켜 건조 벌크체를 제조할 수 있고, 소성 단계에서 건조 벌크체를 1300~1500℃에서 소성시켜 마이크로파 감응 소재를 제조할 수 있다.
건조 단계에서 성형 벌크체를 12~72시간을 초과하면 제조 공정시간이 늘어나는 문제점이 있고, 이하이면 벌크체에 수분이 남아 소결시 크랙이 발생되는 문제점이 있다. 본 발명은 건조 단계에서 성형 벌크체를 12~72시간 동안 건조시켜 수분을 완전히 제거할 수 있다.
소성 단계에서 건조 벌크체를 1300~1500℃를 초과하면 내열충격성을 고려한 결정구조의 감응 소재로 제조되지 않을 수 있고, 이하이면 강도가 낮아지는 문제점이 있다.
도 2는 본 발명의 마이크로파 감응 소재의 열팽창계수를 도시한 예로서, 마이크로파 감응 소재의 열팽창계수(CTE: Coefficient of Thermal Expansion)는 30~1000℃ 구간에서 4.87×10-6/℃ 이하이다. 열팽창계수는 일정한 압력 아래에 있는 소재의 열팽창과 온도 사이의 비율이다.
마이크로파 감응 소재는 기존의 알루미노규산염(aluminosilicate)계 산화물결합(oxide bonding) 탄화규소보다 낮은 열팽창계수를 가지고, 단일상(monocrystalline) 탄화규소와 비슷한 수준의 열팽창계수를 가진다. 알루미노규산염계 산화물결합 탄화규소는 30~1000℃ 구간에서 6.0×10-6/℃ 이하의 열팽창계수를 가지고, 단일상 탄화규소는 4.6×10-6/℃ 이하의 열팽창계수를 가진다.
마이크로파 감응 소재는 도 2에 도시된 바와 같이, 마이크로파에 반응하여 발열시 급격한 온도 변화에도 크랙이 발생되지 않고, 내열충격성이 높은 저열팽창계수를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
도 3은 마이크로파 감응 소재의 미세 구조를 도시한 예로서, 마이크로파 감응 소재는 성형 단계에서 숙성 혼합물에 카본블랙 및 흑연을 포함하는 기공형성제와 혼합되고, 소성 단계에서 기공형성제가 분해되어 다공성 벌크체로 제조된다.
카본블랙은 400~500℃에서 분해되고, 흑연은 700~800℃까지 벌크체의 형상을 유지하다가 저열팽창성 소결결합제가 용융임계점인 1300~1500℃에 도달하여 소결이 일어날 때 산화분해되어 기공이 형성된다.
본 발명의 마이크로파 감응 소재를 이용하여 세라믹 히터를 제조하는 경우, 90kW의 열량을 갖는 세라믹 히터는 275kW의 열량을 갖는 적외선 히터보다 약 3배 정도의 열량을 절감하는 효과를 가질 수 있다.
본 발명의 마이크로파 감응 소재를 이용하여 3um 필름코팅용 반응용기 히터를 제조하는 경우, 200~400℃에서 동작되는 3um 필름코팅용 반응용기 히터는 적외선 히터보다 90% 이상의 열량을 절감하는 효과를 가질 수 있다.
도 4는 마이크로파 감응 소재의 감응 시간에 따른 발열곡선을 도시한 예로서, 마이크로파 감응 소재에 대한 조성물의 성분비에 따른 발열곡선을 도시한 예이다.

Claims (4)

  1. 탄화규소 및 질화규소로 이루어진 감응 발열체;
    산화마그네슘, 이산화규소, 산화알루미늄, 이산화티타늄 및 산화리튬으로 이루어진 저열팽창성 소결결합제 및
    니켈, 코발트 및 탄화텅스텐 중 적어도 하나로 이루어진 금속화합물을 포함하여 제조되는 마이크로파 감응 소재용 조성물로서,
    상기 탄화규소가 40~57중량%, 질화규소가 20~37중량%, 산화마그네슘이 5~15중량%, 이산화규소가 5~15중량%, 산화알루미늄이 10~20중량%, 이산화티타늄이 1~10중량%, 산화리튬이 1~10중량% 및 금속화합물이 0.1~1중량%의 성분비를 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로파 감응 소재용 조성물.
  2. 삭제
  3. 탄화규소가 40~57중량%, 질화규소가 20~37중량%, 산화마그네슘이 5~15중량%, 이산화규소가 5~15중량%, 산화알루미늄이 10~20중량%, 이산화티타늄이 1~10중량%, 산화리튬이 1~10중량% 및 금속화합물이 0.1~1중량%의 성분비를 가지는 조성물을 건식으로 혼합하여 건식 혼합물을 제조하는 건식혼합 단계;
    상기 건식 혼합물에 물을 혼합하여 습식 혼합물을 제조하는 습식혼합 단계;
    상기 습식 혼합물을 숙성시켜 숙성 혼합물을 제조하는 숙성 단계;
    상기 숙성 혼합물을 판상, 봉상, 주상 및 허니컴 중 하나의 형상으로 성형하여 성형 벌크체를 제조하는 성형 단계;
    상기 성형 벌크체를 건조시켜 건조 벌크체를 제조하는 건조 단계 및
    상기 건조 벌크체를 소성시켜 마이크로파 감응 소재를 제조하는 소성 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 감응 소재 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 성형 단계에서 숙성 혼합물에 카본블랙 및 흑연을 포함하는 기공형성제를 포함하여 혼합되는 것을 특징으로 하고,
    상기 소성 단계에서 기공형성제가 분해되어 다공성 벌크체인 마이크로파 감응 소재가 제조되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 감응 소재 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100470316B1 (ko) * 2002-05-24 2005-02-07 신일산업 주식회사 세라믹 발열체 및 그 제조방법
JP3870015B2 (ja) * 2000-08-03 2007-01-17 株式会社住友金属エレクトロデバイス 誘電体磁器組成物及びその製造方法

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