KR101770790B1 - 침수형 직접가열식 봉상형 메탈라이징 세라믹 히터의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 침수형 직접가열식 봉상형 메탈라이징 세라믹 히터의 제조방법에 관한 것으로서, 고열전도성 소재 및 내열충격성 소재가 첨가된 세라믹 조성물을 이용하여 로드 형상 또는 튜브 형상의 세라믹 성형체를 성형하는 세라믹 성형체 성형단계 및 고열전도성 소재 및 내열충격성 소재가 첨가된 세라믹 조성물을 이용하여 판상의 세라믹 그린시트를 성형하는 세라믹 그린시트 성형단계 및 상기 세라믹 그린시트의 일면에 적어도 둘 이상의 전극단자 패턴과, 각각의 상기 전극단자 패턴 간을 연결하는 저항 발열체 패턴을 형성하는 패턴 형성단계 및 상기 세라믹 성형체의 외주면 또는 상기 저항 발열체 패턴이 형성된 상기 세라믹 그린시트의 일면에 접착 슬러리를 도포한 후, 상기 저항 발열체 패턴이 형성된 상기 세라믹 그린시트의 일면을 상기 세라믹 성형체의 외주면에 말아서 일체화시키는 접착단계 및 상기 세라믹 그린시트가 일체화된 상기 세라믹 성형체를 소성하여 저항 발열체가 매립된 세라믹 히터 소결체를 획득하는 세라믹 히터 소결체 획득단계 및 상기 세라믹 히터 소결체의 각각의 전극단자에 리드선을 접합하는 리드선 접합단계를 포함하여 이루어진다.
상기와 같은 본 발명에 의하면, 세라믹 히터의 열 방출이 신속하게 이루어져 열교환 효율이 향상됨에 따라 소비전력이 절감되고, 내열충격성이 향상됨에 따라 내구성이 크게 향상된다.
또한, 단자 패턴에 협피치의 다수개의 배선으로 이루어진 분할단자 패턴을 형성함으로써, 전압 인가시 전류값이 다수개의 배선으로 분산되어 단자의 급속한 승온으로 인한 파손을 방지할 수 있다.
또한, 저항 발열체 패턴을 협피치의 다수개의 배선이 등간격으로 병렬 연결된 구조로 형성하여 다수개의 배선을 통해 전류부하가 분산되도록 함으로써, 전체적으로 열편차가 발생되지 않고 균일하게 방열되므로 사용 수명이 크게 향상될 뿐 아니라 수중에서 파손되더라로 누설전류가 작아 전기 안정성이 크게 향상된다.
또한, 세라믹 그린시트가 일체화된 세라믹 성형체를 Hot Isostatic Pressing(HIP, 열간 정수압 소결법) 방식으로 열압착함으로써, 세라믹 그린시트가 일체화된 세라믹 성형체의 성형밀도가 증가되어 저항 발열체 패턴 사이에 형성되는 미세 기공이 완전하게 제거됨으로 인해 최종적으로 소결되는 세라믹 히터 소결체의 내전압 등 전기적 특성이 향상됨과 아울러 수중에서 사용하기에 적합한 내구성을 제공할 수 있게 된다.

Description

침수형 직접가열식 봉상형 메탈라이징 세라믹 히터의 제조방법{Direct immersion heating rod or pipe type metallizing ceramic heater manufacturing method}
본 발명은 침수형 직접가열식 봉상형 메탈라이징 세라믹 히터의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고열전도성 소재 및 내열충격성 소재가 첨가된 세라믹 조성물을 이용하여 제조됨으로써, 열전도율이 현저하게 향상된 침수형 직접가열식 봉상형 메탈라이징 세라믹 히터의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기비데, 온수매트, 전기보일러, 순간온수기 또는 정수기에 온수를 공급하는 온수 공급장치에는 공급되는 물을 순간적으로 가열하기 위한 세라믹 히터가 구비된다.
이러한 세라믹 히터의 제조하는 종래의 방법은 알루미나를 주성분으로 하는 원통 형상의 세라믹 성형체 및 판상의 세라믹 시트를 예비 소성에 의해 성형한다.
그리고, 세라믹 시트의 일면에 텅스텐 등의 고융점 금속으로 이루어진 저항 발열체를 인쇄하고, 저항 발열체가 인쇄된 세라믹 시트의 일면을 세라믹 성형체의 외주면에 감아 접착한 후, 이를 일체로 소성하여 저항 발열체가 내장된 세라믹 소결체를 성형한다.
마지막으로 세라믹 소결체의 외면에 저항 발열체에 전원을 공급하기 위한 리드선을 접합하여 세라믹 히터를 완성하게 된다.
위와 같은 종래의 세라믹 히터는 열전도율이 금속에 비해 낮아 전압 인가시 발생되는 열이 외부로 신속하게 방출되지 않으므로 인해 내열 충격성 및 열교환 효율이 저하될 뿐 아니라 이로 인해 소비 전력이 많이 소요되는 문제점이 있다.
또한, 종래의 세라믹 히터는 도 1에 도시된 바와 같이, 세라믹 시트(10') 일면에 인쇄된 전극단자(20') 패턴이 두꺼운 배선으로 이루어져 저항이 낮으므로 전압이 인가되는 경우, 전극단자가 급격하게 승온되어 전극단자가 파손되는 일이 빈번하게 발생되고 있다.
아울러, 세라믹 시트 일면에 인쇄된 저항 발열체(30') 간의 배선 간격이 넓게 형성되므로 인해 전압 인가시 각 배선을 통해 흐르는 전류값이 높아 파손 시 고 누설 전류가 물속으로 흘러 감전의 위험성이 있을 뿐 아니라 저항 발열체와 인접한 부분에만 급속한 국부 승온이 발생되어 열충격에 취약한 문제점이 있다.
한국등록특허 0459868 “저온 소성 세라믹 히터용 조성물 및 세라믹 히터 제조방법”
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 고열전도성 소재 및 내열충격성 소재가 첨가된 세라믹 조성물을 이용하여 제조된 침수형 직접가열식 봉상형 메탈라이징 세라믹 히터의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 전극단자 패턴에 협피치의 다수개의 배선으로 이루어진 분할 전극단자 패턴을 형성한 침수형 직접가열식 봉상형 메탈라이징 세라믹 히터의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 저항 발열체 패턴을 협피치의 다수개의 배선이 등간격으로 병렬 연결된 구조로 형성하여 저항 발열체 패턴의 전류부하가 분산되도록 한 침수형 직접가열식 봉상형 메탈라이징 세라믹 히터의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 세라믹 그린시트가 일체화된 세라믹 성형체를 Hot Isostatic Pressing(HIP, 열간 정수압 소결법) 방식으로 열압착하는 것을 특징으로 하는 침수형 직접가열식 봉상형 메탈라이징 세라믹 히터의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 고열전도성 소재 및 내열충격성 소재가 첨가된 세라믹 조성물을 이용하여 로드 형상 또는 튜브 형상의 세라믹 성형체를 성형하는 세라믹 성형체 성형단계 및 고열전도성 소재 및 내열충격성 소재가 첨가된 세라믹 조성물을 이용하여 판상의 세라믹 그린시트를 성형하는 세라믹 그린시트 성형단계 및 상기 세라믹 그린시트의 일면에 적어도 둘 이상의 전극단자 패턴과, 각각의 상기 전극단자 패턴 간을 연결하는 저항 발열체 패턴을 형성하는 패턴 형성단계 및 상기 세라믹 성형체의 외주면 또는 상기 저항 발열체 패턴이 형성된 상기 세라믹 그린시트의 일면에 세라믹 접착 슬러리를 도포한 후, 상기 저항 발열체 패턴이 형성된 상기 세라믹 그린시트의 일면을 상기 세라믹 성형체의 외주면에 말아서 일체화시키는 접착단계 및 상기 세라믹 그린시트가 일체화된 상기 세라믹 성형체를 소성하여 저항 발열체가 매립된 세라믹 히터 소결체를 획득하는 세라믹 히터 소결체 획득단계 및 상기 세라믹 히터 소결체의 각각의 전극단자에 리드선을 접합하는 리드선 접합단계를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 세라믹 조성물은 Al2O3 85~96wt%와 h-BN, AlN을 포함하는 고열전도성 소재 및 Mulite, Zircon을 포함하는 내열충격성 소재 중 적어도 하나 이상을 포함하는 첨가제 3~12wt%와 Kaolin, Talc 및 Calcite를 포함하는 천연광물 소결촉진제 1~7wt%의 조성비율로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 접착단계 이후에 상기 세라믹 그린시트가 일체화된 상기 세라믹 성형체를 Hot water Iso Static Press(HIP) 방식으로 열압착하는 열 압착단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 각각의 상기 전극단자 패턴은 협피치의 다수개의 배선으로 이루어진 분할 전극단자 패턴을 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 저항 발열체 패턴은 협피치의 다수개의 배선이 등간격으로 병렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 의하면, 세라믹 히터의 열 방출이 신속하게 이루어져 열교환 효율이 향상됨에 따라 소비전력이 절감되고, 내열충격성이 향상됨에 따라 내구성이 크게 향상된다.
또한, 단자 패턴에 협피치의 다수개의 배선으로 이루어진 분할단자 패턴을 형성함으로써, 전압 인가시 전류값이 다수개의 배선으로 분산되어 단자의 급속한 승온으로 인한 파손을 방지할 수 있다.
또한, 저항 발열체 패턴을 협피치의 다수개의 배선이 등간격으로 병렬 연결된 구조로 형성하여 다수개의 배선을 통해 전류부하가 분산되도록 함으로써, 전체적으로 열편차가 발생되지 않고 균일하게 방열되므로 사용 수명이 크게 향상될 뿐 아니라 수중에서 파손되더라로 누설전류가 작아 전기 안정성이 크게 향상된다.
또한, 세라믹 그린시트가 일체화된 세라믹 성형체를 Hot Isostatic Pressing(HIP, 열간 정수압 소결법) 방식으로 열압착함으로써, 세라믹 그린시트가 일체화된 세라믹 성형체의 성형밀도가 증가되어 저항 발열체 패턴 사이에 형성되는 미세 기공이 완전하게 제거됨으로 인해 최종적으로 소결되는 세라믹 히터 소결체의 내전압 등 전기적 특성이 향상됨과 아울러 수중에서 사용하기에 적합한 내구성을 제공할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 세라믹 히터를 구성하는 세라믹 시트 상에 형성된 저항 발열체 패턴을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 침수형 직접가열식 봉상형 메탈라이징 세라믹 히터 제조방법의 공정순서를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 제조방법으로 제조되는 세라믹 성형체를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제조방법으로 제조되는 세라믹 그린시트를 도시한 것이다.
도 5의 (a)는 세라믹 그린시트의 일면에 형성되는 단자 패턴과 저항 발열체 패턴을 도시한 것이고, 도 5의 (b)는 단자 패턴과 대응되는 세라믹 그린시트 타면에 형성되는 인출단자 패턴을 도시한 것이다.
도 6은 세라믹 성형체 외면에 세라믹 그린시트를 말아서 접착하는 상태를 도시한 것이다.
도 7은 세라믹 그린시트가 일체화된 세라믹 성형체의 열압착되는 상태를 도시한 것이다.
도 8은 완성된 세라믹 히터를 도시한 것이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 침수형 직접가열식 봉상형 메탈라이징 세라믹 히터 제조방법의 공정순서를 도시한 것이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 제조방법으로 제조되는 세라믹 성형체를 도시한 것이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제조방법으로 제조되는 세라믹 그린시트를 도시한 것이고, 도 5의 (a)는 세라믹 그린시트의 일면에 형성되는 단자 패턴과 저항 발열체 패턴을 도시한 것이고, (b)는 단자 패턴과 대응되는 세라믹 그린시트 타면에 형성되는 인출단자 패턴을 도시한 것이고, 도 6은 세라믹 성형체 외면에 세라믹 그린시트를 말아서 접착하는 상태를 도시한 것이고, 도 7은 세라믹 그린시트가 일체화된 세라믹 성형체의 열압착되는 상태를 도시한 것이고, 도 8은 완성된 세라믹 히터를 도시한 것이다.
도 2 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 침수형 직접가열식 봉상형 메탈라이징 세라믹 히터 제조방법은 세라믹 성형체 성형단계(S1), 세라믹 그린시트 성형단계(S2), 패턴 형성단계(S3), 접착단계(S4), 열 압착단계(S5), 소성단계(S6) 및 리드선 접합단계(S7)를 포함한다.
세라믹 성형체 성형단계에서는 Al2O3 85~96wt%와 h-BN, AlN을 포함하는 고열전도성 소재 및 Mulite, Zircon을 포함하는 내열충격성 소재 중 적어도 하나 이상d을 포함하는 첨가제 3~12wt%와 Kaolin, Talc 및 Calcite를 포함하는 천연광물 소결촉진제 1~7wt%의 조성비율로 이루어진 고열전도성 소재 및 내열충격성 소재가 첨가된 세라믹 조성물 100wt%에 MC(Methyl Cellulose 5.0wt%, 이형제 3.0wt%, 글리세린 3.0wt%, 증류수 13.5wt%로 이루어진 바인더 24.5wt%를 첨가하여 밀링기로 혼합한 혼합물을 반죽기로 반죽하여 케이크 상으로 형성하고, 케이크 상으로 형성된 혼합물을 니딩기로 진공 탈포한 후 일정 크기로 절단한 배토를 일정온도로 저온 숙성한다.
그리고, 저온 숙성된 배토를 압출기를 이용한 압출성형을 통해 도 3의 (a)에 도시된 바와 같은 로드 형상 또는 (b)에 도시된 바와 같은 튜브형상의 세라믹 성형체(10)를 성형한다.(S1)
세라믹 그린시트 성형단계에서는 Al2O3 85~96wt%와 h-BN, AlN을 포함하는 고열전도성 소재 및 Mulite, Zircon을 포함하는 내열충격성 소재 중 적어도 하나 이상을 포함하는 첨가제 3~12wt%와 Kaolin, Talc 및 Calcite를 포함하는 천연광물 소결촉진제 1~7wt%의 조성비율로 이루어진 고열전도성 소재 및 내열충격성 소재가 첨가된 세라믹 조성물 100wt%에 유기첨가제 PVB를 메틸알콜 및 부틸알콜이 혼합된 혼합용제로 녹인 용액과 분산제 및 소포제를 투입하여 볼밀(Ball Mill)에서 24시간 볼밀링 하고, 탈포기에서 기포를 제거한 후, 테이프 캐스팅 방법으로 성형된 성형체를 적절한 크기로 절단하여 도 4에 도시된 바와 같은 일정 두께를 가지는 판상의 세라믹 그린시트(20)를 성형한다.
위와 같은 세라믹 그린시트(20)는 테이프 캐스팅 방법 외에 박막의 세라믹 그린시트 상부에 고열전도성 소재가 첨가된 세라믹 페이스트를 스크린 인쇄하여 제작하거나, 박막의 세라믹 그린시트를 적층한 후 열 압착하여 성형하는 방법이 사용될 수 있다.
그리고, 세라믹 그린시트(20)의 폭은 소결 후 수축율을 감안하여 세라믹 성형체의 길이 및 둘레보다 더 크게 형성하는 것이 바람직하다.(S2)
전술한 바와 같이, 세라믹 히터를 제조하기 위한 세라믹 성형체(10) 및 세라믹 그린시트(20)를 고열전도성 소재 및 내열충격성 소재가 첨가된 세라믹 조성물을 이용하여 제조함으로써, 세라믹 히터의 열전도율 및 내열충격성이 현저하게 향상된다.
이로 인해 세라믹 히터의 열 방출이 신속하게 이루어져 열교환 효율이 향상됨에 따라 소비전력이 절감되고, 내열충격성이 향상됨에 따라 내구성이 크게 향상된다.
패턴 형성단계에서는 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 세라믹 그린시트(20)의 일면에 적어도 둘 이상의 전극단자(30) 패턴과 각각의 전극단자(30) 패턴 간을 연결하는 저항 발열체(40) 패턴을 스크린 인쇄를 통해 인쇄한 후, 100℃에서 건조하여 세라믹 그린시트(20)의 일면에 전극단자(30) 패턴과 저항 발열체(40) 패턴을 형성한다.
여기서, 각각의 전극단자(30) 패턴은 협피치의 다수개의 배선으로 이루어진 분할 전극단자(31) 패턴과 분할 전극단자(31) 패턴을 상호 연결하는 연결 전극단자(32) 패턴을 포함한다.
위와 같이, 전극단자(30) 패턴에 협피치의 다수개의 배선으로 이루어진 분할 전극단자(31) 패턴이 형성됨으로 인해 전압 인가시 다수개의 배선으로 전류값을 분산시켜 단위 면적당 발열량을 낮춤으로써, 전극단자(30)의 급속한 승온으로 인한 전극단자(31)의 파손을 미연에 방지할 수 있게 된다.
그리고, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 각각의 전극단자(30) 패턴과 대응되는 세라믹 그린시트(20)의 타면에는 후술하는 리드선(60)이 접합되는 인출 전극단자(50) 패턴이 형성되며, 전극단자(30) 패턴과 인출 전극단자(50) 패턴의 일측에 통전공(H)을 형성한 후, 통전공(H)에 도전성 페이스트를 충진시켜 전극단자(30) 패턴과 인출 전극단자(50) 패턴을 전기적으로 연결한다.
한편, 전극단자(30)와 인출 전극단자(50)의 재료 및 도전성 페이스트의 재료는 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg), 은(Ag), 구리(Cu), 질화 알루미늄(AlN), 탄화 규소(SiC), 니켈(Ni) 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.
저항 발열체(40) 패턴은 협피치의 다수개의 배선이 등간격으로 병렬로 연결된 구조로 형성된다.
위와 같은 구조로 형성된 저항 발열체(40) 패턴은 다수개의 배선을 통해 전류부하가 분산되도록 함으로써, 전체적으로 열편차가 발생되지 않고 균일하게 방열되는 구조를 제공할 수 있어 사용 수명이 크게 향상될 뿐 아니라 수중에서 파손되더라도 누설전류가 작아 전기 안정성이 크게 향상된다.
한편, 저항 발열체(40) 재료는 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg), 은(Ag), 구리(Cu), 질화 알루미늄(AlN), 탄화 규소(SiC), 니켈(Ni) 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.(S3)
접착단계에서는 도 6에 도시된 바와 같이, 세라믹 성형체(10)의 외주면 또는 저항 발열체(40) 패턴이 형성된 세라믹 그린시트(20)의 일면에 세라믹 접착 슬러리를 도포한 후, 저항 발열체(40) 패턴이 형성된 세라믹 그린시트(20)의 일면을 세라믹 성형체(10)의 외주면에 말아서 세라믹 성형체(10)와 세라믹 그린시트(20)를 일체로 접착시킨 후, 100℃에서 건조한다.
이 때, 세라믹 성형체(10)와 세라믹 그린시트(20)를 일체로 접착시키기 위한 세라믹 접착슬러리는 접착성을 향상시키기 위해 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 마그네시아(MgO), 산화칼슘(CaO), 산화바륨(BaO)과 같은 세라믹 산화물, 점토(Kaolin), 활석(Talc), 석회석(Calcite)과 같은 천연광물 및 PVB(polyvinylbutyral), EC(ethyl cellulose)와 같은 바인더를 포함하여 이루어진다.
열 압착단계에서는 도 7에 도시된 바와 같이, 세라믹 그린시트(20)가 일체화된 세라믹 성형체(10)를 Hot Isostatic Pressing(HIP, 열간 정수압 소결법) 방식으로 열압착 한다.
여기서, Hot Isostatic Pressing(HIP, 열간 정수압 소결법) 방식은 80℃의 고온수가 채워진 밀폐된 챔버(C) 내에 세라믹 그린시트(20)가 일체화된 세라믹 성형체(10)를 넣고, 정수압으로 등방향에서 가압하여 열압착하는 방식이다.
위와 같이, 본 발명은 Hot Isostatic Pressing(HIP, 열간 정수압 소결법) 방식의 열압착 공정이 추가됨으로써, 세라믹 그린시트(20)가 일체화된 세라믹 성형체(10)의 성형밀도가 증가되어 저항 발열체(40) 패턴 사이에 형성되는 미세 기공이 완전하게 제거됨으로 인해 최종적으로 소결되는 세라믹 히터 소결체의 내전압 등 전기적 특성이 향상됨과 아울러 수중에서 사용하기에 적합한 내구성을 제공할 수 있게 된다.(S5)
소성단계에서는 세라믹 그린시트(20)가 일체화된 세라믹 성형체(10)를 메탈라이징 전기로에 넣고 수소/질소의 비율을 조절하고, 이슬점을 조절하는 방식으로 적정량의 수분을 첨가하면서 1600℃에서 소성하여 세라믹 히터 소결체를 획득한다.
이하에 도시된 <표1>은 첨가되는 고열전도성 소재 및 내열충격성 소재의 비율을 변화시킨 세라믹 조성물로 제조된 세라믹 성형체(10) 및 세라믹 그린시트(20)를 이용하여 상기 방법을 통해 소성 가공으로 획득한 세라믹 히터 소결체들의 물리적 특성을 실험한 것이다.
<표1>
Figure 112015093248972-pat00001
상기 <표1>에 도시된 바와 같이, 본 발명은 h-BN, AlN을 포함하는 고열전도성 소재 및 Mulite, Zircon을 포함하는 내열충격성 소재 중 하나 이상을 포함하는 첨가제 3~12wt%와 Kaolin, Talc 및 Calcite를 포함하는 천연광물 소결촉진제 1~7wt%로 첨가시 Al2O3 92~94wt% 조성에서 흡수율 0.3%이하로 나타나 수중에서 사용하기 적합한 것으로 나타났으며, 열전도도 또한 24~26W/mK로 양호한 결과를 나타냈다.(S6)
리드선 접합단계에서는 인출 전극단자(50)와 리드선(60)이 보다 잘 접합될 수 있도록 세라믹 히터 소결체의 외부로 노출된 인출 전극단자(50)와 리드선(60)에 Ni(니켈) 도금을 실시한다.
그리고, Ag-Cu합금을 이용하여 인출 전극단자(50)에 Ni(니켈) 도금된 리드선(60)을 고정한 후, 1000℃에서 브레이징 열처리하여 인출 전극단자(50)에 리드선(60)을 접합하여 도 8에 도시된 바와 같이, 세라믹 히터를 완성하게 된다.(S7)
위와 같은 방법으로 제조된 세라믹 히터를 물속에 넣고 100V 또는 220V의 전압을 인가하면, 1600W~2000W급 세라믹 히터는 승온온도 50℃ 승온유량 1000cc/min로, 3000W~5000W급 세라믹 히터는 승온온도 95℃ 승온유량 2000cc/min로 온수를 생산할 수 있게 된다.
이하에서는 본 발명의 다양한 실시예와 이들 실시예들에 대한 전기적 특성을 실험한 결과를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
<실시예1>
먼저, Al2O3 85~96wt%와 h-BN, AlN을 포함하는 고열전도성 소재 및 Mulite, Zircon을 포함하는 내열충격성 소재 중 적어도 하나 이상을 포함하는 첨가제 3~12wt%와 Kaolin, Talc 및 Calcite를 포함하는 천연광물 소결촉진제 1~7wt%의 조성비율로 이루어진 고열전도성 소재 및 내열충격성 소재가 첨가된 세라믹 조성물 100wt%에 MC(Methyl Cellulose 5.0wt%, 이형제 3.0wt%, 글리세린 3.0wt%, 증류수 13.5wt%로 이루어진 바인더 24.5wt%를 첨가하여 밀링기로 혼합한 혼합물을 반죽기로 반죽하여 케이크 상으로 형성하고, 케이크 상으로 형성된 혼합물을 니딩기로 진공 탈포한 후 일정 크기로 절단한 배토를 일정온도로 저온 숙성한다.
그리고, 저온 숙성된 배토를 압출기를 이용한 압출성형을 통해 로드 형상 또는 튜브 형상의 세라믹 성형체를 성형한다.
다음으로, Al2O3 85~96wt%와 h-BN, AlN을 포함하는 고열전도성 소재 및 Mulite, Zircon을 포함하는 내열충격성 소재 중 적어도 하나 이상을 포함하는 첨가제 3~12wt%와 Kaolin, Talc 및 Calcite를 포함하는 천연광물 소결촉진제 1~7wt%의 조성비율로 이루어진 고열전도성 소재 및 내열충격성 소재가 첨가된 세라믹 조성물 100wt%에 유기첨가제 PVB를 메틸알콜 및 부틸알콜이 혼합된 혼합용제로 녹인 용액과 분산제 및 소포제를 투입하여 볼밀(Ball Mill)에서 24시간 볼밀링 하고, 탈포기에서 기포를 제거한 후, 테이프 캐스팅 방법으로 성형된 성형체를 적절한 크기로 절단하여 일정 두께를 가지는 판상의 세라믹 그린시트를 성형한다.
그리고, 세라믹 그린시트 상부에 W-Paste로 저항 발열체 패턴을 인쇄한 후, 100℃에서 W-Paste를 완전히 건조하여 저항 발열체 패턴을 형성한다.
미리 준비한 세라믹 접착 슬러리를 저항 발열체 패턴이 인쇄된 세라믹 그린시트 상부에 붓으로 얇게 바르거나, 스크린 인쇄법으로 도포한 후, 저항 발열체 패턴이 인쇄된 세라믹 그린시트의 일면을 세라믹 성형체 외면에 말아서 접착한다.
세라믹 그린시트가 일체화된 세라믹 성형체를 80℃의 고온수가 채워진 밀폐된 챔버 내에서 정수압으로 등방가압하는 Hot Isostatic Pressing(HIP, 열간 정수압 소결법)을 이용하여 열압착함으로써, 성형밀도를 높이고 미세기공을 제거한다.
그리고, 세라믹 그린시트가 일체화된 세라믹 성형체를 메탈라이징 전기로에 넣고 수소/질소의 비율을 조절하고, 이슬점을 조절하는 방식으로 적정량의 수분을 첨가하면서 1600℃에서 소성하여 세라믹 히터 소결체를 획득한다.
다음으로, 저항 발열체와 연결되고 외부로 노출된 인출 전극단자와 리드선이 보다 잘 접합될 수 있도록 세라믹 히터 소결체의 외부로 노출된 인출 전극단자와 리드선에 Ni(니켈) 도금을 실시한 후, Ag-Cu합금을 이용하여 인출 전극단자에 Ni(니켈) 도금된 리드선을 고정한 후, 1000℃에서 브레이징 열처리하여 인출 전극단자에 리드선을 접합하여 세라믹 히터를 완성한다.
<실시예2>
<실시예1>과 나머지 조성은 동일하나, 고열전도성 소재 h-BN 대신 AlN 3~12wt%를 첨가한 세라믹 조성물을 이용하여 세라믹 성형체 및 세라믹 그린시트를 제조하였으며, 이하 나머지 공정은 <실시예1>과 동일하게 제작하였다.
<실시예3>
<실시예1>과 나머지 조성은 동일하나, 고열전도성 소재 AlN 대신 내열충격성 소재 Mulite 3~12wt%를 첨가한 세라믹 조성물을 이용하여 세라믹 성형체 및 세라믹 그린시트를 제조하였으며, 이하 나머지 공정은 <실시예1>과 동일하게 제작하였다.
<실시예4>
<실시예1>과 나머지 조성은 동일하나, 내열충격성 소재 Mulite 대신 내열충격성 소재 Zircon 3~12wt%를 첨가한 세라믹 조성물을 이용하여 세라믹 성형체 및 세라믹 그린시트를 제조하였으며, 이하 나머지 공정은 <실시예1>과 동일하게 제작하였다.
이하 <표2>는 상기 실시예들의 전기적 특성을 실험한 자료이다.
Figure 112015093248972-pat00002
본발명은 Al2O3 85~96wt%와 h-BN, AlN을 포함하는 고열전도성 소재 및 Mullite, Zircon을 포함하는 내열충격성 소재 중 적어도 하나 이상의 소재 3~12wt%와 잔량으로서 Kaolin, Talc 및 Calcite를 포함하는 천연광물로 이루어진 소결촉진제의 조성 비율로 이루어진 세라믹 조성물을 이용하여 제조된 세라믹 성형체 및 세라믹 그린시트를 이용하여 세라믹 히터를 제조함으로써, 상기 <표2>에 도시된 바와 같이, 수중절연저항, 수중절연내력 및 절연내력 등 전기적 특성이 향상됨과 동시에 누설전류가 0.3mA이하로 낮아 수중에서 사용하기 적합함을 알수 있다.
비록 본 발명이 상기 바람직한 실시 예들과 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서, 첨부된 특허 청구범위는 본 발명의 요지에 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
10 : 세라믹 성형체 20 : 세라믹 그린시트
30 : 전극단자 31 : 분할 전극단자
32 : 연결 전극단자 40 : 저항 발열체
50 : 인출 전극단자 60 : 리드선
H : 통전공 C : 챔버

Claims (5)

  1. 고열전도성 소재가 첨가된 세라믹 조성물을 이용하여 로드 형상 또는 튜브 형상의 세라믹 성형체를 성형하는 세라믹 성형체 성형단계와;
    고열전도성 소재가 첨가된 세라믹 조성물을 이용하여 판상의 세라믹 그린시트를 성형하는 세라믹 그린시트 성형단계와;
    상기 세라믹 그린시트의 일면에 적어도 둘 이상의 전극단자 패턴과, 각각의 상기 전극단자 패턴 간을 연결하는 저항 발열체 패턴을 형성하는 패턴 형성단계와;
    상기 세라믹 성형체의 외주면 또는 상기 저항 발열체 패턴이 형성된 상기 세라믹 그린시트의 일면에 세라믹 접착 슬러리를 도포한 후, 상기 저항 발열체 패턴이 형성된 상기 세라믹 그린시트의 일면을 상기 세라믹 성형체의 외주면에 말아서 일체화시키는 접착단계와;
    상기 세라믹 그린시트가 일체화된 상기 세라믹 성형체를 소성하여 저항 발열체가 매립된 세라믹 히터 소결체를 획득하는 소성단계와;
    상기 세라믹 히터 소결체의 각각의 전극단자에 리드선을 접합하는 리드선 접합단계를 포함하되,
    상기 접착단계 이후에
    상기 세라믹 그린시트가 일체화된 상기 세라믹 성형체를 Hot water Iso Static Press(HIP) 방식으로 열압착하는 열 압착단계를 더 포함하고,
    각각의 상기 전극단자 패턴은 협피치의 다수개의 배선으로 이루어진 분할 전극단자 패턴을 포함하며,
    상기 저항 발열체 패턴은 협피치의 다수개의 배선이 등간격으로 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 침수형 직접가열식 봉상형 메탈라이징 세라믹 히터의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 조성물은
    Al2O3 85~96wt%와 h-BN, AlN을 포함하는 고열전도성 소재 및 Mulite, Zircon을 포함하는 내열충격성 소재 중 적어도 하나 이상을 포함하는 첨가제 3~12wt%와 Kaolin, Talc 및 Calcite를 포함하는 천연광물 소결촉진제 1~7wt%의 조성비율로 이루어진 것을 특징으로 하는 침수형 직접가열식 봉상형 메탈라이징 세라믹 히터의 제조방법.
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