KR101773944B1 - 세라믹 가열체 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 세라믹 및 금속 혼합 분말과, 분산제와, 바인더를 포함하는 것으로, 상기 세라믹 및 금속 혼합 분말은: 질화알루미늄(AlN) 및 질화규소(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 세라믹 및 금속 혼합 분말의 80 내지 95 중량%를 가진 비산화물계 세라믹 분말; 및 상기 세라믹 및 금속 혼합 분말 100중량부당 5 내지 20 중량부를 가진 금속 분말;을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 가열체 조성물을 개시한다.

Description

세라믹 가열체 조성물{Ceramic composition for heater}
본 발명은 헤어 드라이기, 순간온수기, 냉온수기, 세탁기용 건조기, 가스레인지, 보일러 등에 사용되는 히터에 적용되는 세라믹 가열체의 조성물에 관한 것이다.
각종 가정에서 사용하고 있는 많은 제품들인 헤어 드라이기, 열풍기, 순간온수기, 냉온수기, 세탁기용 건조기, 가스레인지, 보일러 등에 금속으로 만든 히터를 사용하고 있다. 하지만, 금속류로 만든 히터의 경우는 코일(Coil) 내지는 방열 플레이트(plate) 구조로 열 교환의 효과가 저조할 뿐만 아니라 내부식성 등에 의한 내구성 문제로 수명이 짧으며, 다량의 전자파를 발산하는 문제점을 갖고 있다. 그러므로 예를 들어, 순간온수기와 냉온수기 및 보일러에 적용되는 경우, 열 교환의 효과가 저조하고 내부식성이 약하며, 헤어 드라이기, 열풍기, 세탁기용 건조 기와 가스레인지에 적용되는 경우 전력 소모가 많은 문제점을 갖고 있다.
이런 문제점을 해결하기 위하여, 탄화규소 비산화물계 세라믹스 히터를 적용할 수 있다.
탄화규소(SiC) 비산화물계 세라믹스 히터는 내열성 및 열전도성이 우수하여 히터 재료로 많이 응용되고 있다.
그러나, 탄화규소의 경우 내수성이 낮아 수분과의 접촉 시 쉽게 열화되어 히터로서의 기능을 상실하게 된다. 또한, 탄화규소의 경우 온도에 따른 저항의 변화가 커서 별도의 컨트롤 장치가 필수적이며, 히터로 사용하기에는 저항이 너무 낮아서 상압 전기를 사용할 수 없어 별도의 변압기가 필요하다는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1321517호
본 발명은 열전도율, 내부식성, 내열충격성, 강성이 우수한 세라믹 가열체 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 목표는 전력 소모량이 많지 않으며, 변압기가 불필요한 적정한 저항치를 갖는 세라믹 가열체 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명은, 세라믹 및 금속 혼합 분말과, 분산제와, 바인더를 포함하는 것으로, 상기 세라믹 및 금속 혼합 분말은: 질화알루미늄(AlN), 및 질화규소(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 세라믹 및 금속 혼합 분말의 80 내지 95 중량%를 가진 비산화물계 세라믹 분말; 및 상기 세라믹 및 금속 혼합 분말 100중량부당 5 내지 20 중량부를 가진 금속 분말;을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 가열체 조성물을 개시한다.
이 경우, 상기 세라믹 및 금속 혼합 분말 100중량부당 3 내지 30 중량부를 가진 메틸셀룰로오스를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속 분말은, 알루미늄, 구리, 및 니켈 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 금속 분말은 규소를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 세라믹 분말은, 탄화 규소(SiC)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 내열성, 내부식성, 강도, 내열 충격성이 우수한 세라믹 가열체를 제조할 수 있다.
또한, 산, 알칼리, 수분 등에 대한 내부식성이 우수하여, 피가열물과의 직접 접촉에 의한 가열이 가능하고, 적절한 저항을 부여할 수 있음으로써, 다양한 분야에서 적용 가능하다.
도 1은 본 발명의 세라믹 가열체 조성물로 제작된 세라믹 가열체의 일예를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 세라믹 가열체의 미세 구조를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 가열체 조성물을 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 세라믹 가열체 조성물은, 세라믹 및 금속 혼합 분말과, 분산제와, 바인더를 포함한다.
상기 세라믹 및 금속 혼합 분말은 비산화물계 세라믹 분말과, 금속 분말을 가진다.
비산화물계 세라믹 분말은 비산화물계 세라믹스로 이루어진다. 비산화물계 세라믹스는 탄화물, 질화물, 붕화물 세라믹 등에, 금속 원소(Si, Ti, Al, Zr 등)와 탄소(C), 질소(N), 붕소(B) 같은 원소가 결합되어 구성된다.
이 경우, 상기 비산화물계 세라믹 분말은 질화알루미늄(AlN), 탄화규소(SiC) 및 질화규소(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함한다.
질화알루미늄은 열전도율이 우수하다. 이에 따라서, 상기 질화알루미늄을 주 재료로 히터를 제작하게 도면, 고효율의 히터가 제작 가능하다.
탄화규소는 우수한 내부식성, 내열충격성, 열전도도 등의 특성이 있어 상기 탄화규소로 히터를 제작하면 내부식성이 우수한 히터의 제작이 가능하다
질화규소는 내열성, 강도, 내열충격성 등이 우수하다. 상기 질화규소로 히터를 제작하면, 내구성이 우수한 히터 제작이 가능하다.
본 발명에 따르면, 질화알루미늄만을 비산화물계 세라믹 분말 소재로 사용할 수 있다. 이와 달리 질화규소를 비산화물계 세라믹 분말 소재로 사용할 수 있다. 이와 더 달리, 질화알루미늄 및 질화규소를 함께 혼합하여서, 비산화물계 세라믹 분말을 제조할 수 있다.
상기 비산화물계 세라믹 분말은 저항값이 107 Ω 정도로 저항이 히터의 기능을 하기에는 너무 높다.
따라서 본 발명에서는 상기 비산화물계 세라믹 분말에, 금속분말을 혼합한다. 상기 금속분말은 상기 비산화물계 세라믹 분말과 혼합되어서, 상기 세라믹 가열체가 10-1 Ω 내지 103 Ω의 저항을 가지도록 하여서, 히터의 기능을 행할 수 있도록 한다. 이 경우, 상기 금속 분말은, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 및 니켈(Ni) 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 비산화물계 세라믹 분말의 평균 입자 직경은 1 ㎛ 내지 50 ㎛ 인 것이 바람직하고, 이 경우, 금속 분말의 평균 입자 직경은 50 ㎚ 내지 300㎚ 인 것이 바람직하다. 이는 비산화물계 세라믹 분말의 평균 입자 직경이 1 ㎛ 미만인 경우, 금속 분말과의 혼련성이 열화되고, 비산화물계 세라믹 분말의 평균 입자 직경이 50 ㎛를 초과하는 경우에는, 저항이 높게 되어서 히터 기능을 하기 힘들어지기 때문이다. 이 경우, 금속 분말의 평균 입자 직경이 50 ㎚ 미만이 경우엔 비산화물 사이를 전도성을 가지고 서로 연결되도록 하기 쉽지 않으며, 금속 분말의 평균 입자 직경이 300㎚를 초과하는 경우에는 전체적으로 적절한 전도성을 갖도록 비산화물계 세라믹 분말과 혼합될 수 없기 때문이다.
상기 금속 분말과 비산화물계 세라믹 분말은, 물을 첨가한 상태에서 5시간 내지 15시간 혼합하여서, 슬러리 상태로 되도록 할 수 있다.
이 경우, 분산제와, 바인더를 더 포함한다.
상기 분산제는 상기 비산화물계 세라믹 분말과 금속 분말이 잘 분산되도록 한다. 상기 분산제로는 고분자의 형태를 띠는 지방산 계통의 물질 중 적어도 하나 이상이 사용 가능하다. 이 경우, 상기 분산제는 세라믹 및 금속 혼합 분말 100 중량부 대비 3 내지 30의 중량부를 갖는 것이 바람직하다.
바인더는 금속 분말과 비산화물계 세라믹 분말 사이를 결합시키는 기능을 한다. 상기 바인더로는 폴리비닐알콜(PVA), 폴리비닐카보네이트(PVC) 등이 사용 가능하다. 이 경우, 상기 바인더는 세라믹 및 금속 혼합 분말 100 중량부 대비 2 내지 30의 중량부를 갖는 것이 바람직하다.
한편, 첨가물로서 메틸셀룰로오스를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 메틸셀룰로오스는 복수개의 통로를 갖도록 파이프 형태로_압출 성형하는 공정에서 성형 성능을 좋게 하는 기능을 한다.
이 경우, 상기 메틸셀룰로오스는 세라믹 및 금속 혼합 분말 100 중량부 대비 2 내지 30의 중량부를 갖는 것이 바람직하다. 상기 메틸셀룰로오스가 2 중량부 미만인 경우에는 압출성형이 제대로 되지 않는 문제점이 있고, 메틸셀룰로오스가 30 중량부를 초과하는 경우에는 성형 이후의 공정에서 형체 유지가 어려워진다는 문제점이 있기 때문이다.
한편 상기 금속 분말은 규소를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 비산화물계 세라믹 분말은, 탄화 규소(SiC)를 더 포함할 수 있다. 상기 탄화 규소는 전기전도성이 우수하다. 따라서 절연성인 상기 질화알루미늄(AlN) 및 질화규소(Si3N4) 중 적어도 하나와 혼합되면, 적절한 전기 전도성을 가질 수 있게 된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 슬러리를 압출하고 건조하면, 세라믹 가열체(125)의 외형을 만들고, 1400℃ 이상의 고온으로 소결(燒結)하고 열처리하여 세라믹 가열체(125)가 형성될 수 있다. 상기 열처리는 상기 소결 온도보다 낮은 온도로 세라믹 가열체(125)를 가열하는 과정으로, 열처리로 인해 세라믹 가열체(125)의 경도(hardness)가 강화될 수 있다.
이 경우, 도 2에 도시된 바와 같이 금속 분말(ME) 성분이 비산화물계 세라믹 분말(CE) 성분 사이에 개재되어 세라믹 가열체(125)가 통전(通電) 가능하게 형성된다. 상기 금속 분말(ME) 성분의 중량% 를 변경하여 세라믹 가열체(125)의 저항값을 변경할 수 있다.
압출 성형하고 소결하여 열교환 표면적이 크게 확대된 세라믹 가열체(125)가 형성되므로, 금속 소재의 히터보다 콤팩트(compact)하여 설치 면적을 줄일 수 있고, 제조 비용도 절감되며, 에너지 효율도 향상된다.
상기 세라믹 가열체는 헤어 드라이기, 열풍기, 순간온수기, 냉온수기, 세탁기용 건조기, 가스레인지, 보일러, 및 배기가스 저감장치 등의 다양한 분야에 효과적으로 사용될 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 세라믹 가열체(125)의 외벽(126)은 단면이 원형인 파이프 형상이나 이에 한정되는 것은 아니며, 예컨대, 단면이 삼각형, 사각형 등의 다각형 파이프 형상일 수도 있다.
도 1에 확대된 단면 형상으로 도시된 바와 같이, 상기 격자 내벽(128)의 외면에는 촉매(131)가 도포된다. 도 1에 도시되진 않았으나, 상기 외벽(126)의 외면에도 촉매(131)가 도포될 수 있다. 세라믹 가열체(125)에 액체 상태의 촉매(131)를 분무(spray)하거나 액체 상태의 촉매(131)에 세라믹 가열체(125)를 디핑(dipping)하고 건조하여 상기 촉매(131)를 도포할 수 있다. 예컨대, 상기 촉매(131)는 백금(Pt)계, 팔라듐(Pd)계 촉매일 수 있다.
촉매(131)는 상기 내부 공간의 공기 중에 포함된 성분 중 적어도 하나의 성분을 분해하는 분해 반응을 촉진한다. 부연하면, 건조 대상물에서 예컨대, 일산화탄소, 탄화수소 등 불완전 연소 물질이나 악취를 느끼게 하는 물질이 방출될 수도 있는데, 상기 촉매(131)가 상기 불완전 연소 물질이나 악취 물질의 분해가 촉진될 수 있다. 이로 인해, 상기 건조 대상물의 건조 품질이 더욱 향상될 수 있다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 세라믹 가열체 조성물을 이용하여 복수개의 통로를 갖는 세라믹 가열체를 제작하게 되면, 산, 알칼리, 수분 등에 대한 내부식성이 우수하여, 피가열물과의 직접 접촉에 의한 가열이 가능하다. 또한, 세라믹 가열체에 금속 혹은 금속 산화물 등의 촉매를 코팅하는 것이 가능하다.
코팅된 촉매는 가열체를 가열하였을 때 일정 온도 이상에서 활성도가 극대화하는 특징이 있어서 특정 성분의 분해에 적합한 성능을 가지게 된다. 즉, 복수개의 통로를 통과시키는 유체를 가열하는 기능뿐만 아니라 촉매 반응을 이용하여 특정한 성분의 분해, 제거가 가능하다.
따라서 본 발명의 세라믹 가열체 조성물로 제작된 세라믹 가열체는 일반 산업, 및 농축산 현장에서 발생하는 악취의 제거 장치, 제연장치, 환경법 상의 배출 금지된 성분의 제거 장치에 적용 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
125: 세라믹 가열체
126: 외벽
128: 격자 내벽
131: 촉매
CE: 비산화물계 세라믹 분말
ME : 금속분말

Claims (6)

  1. 세라믹 및 금속 혼합 분말과, 분산제와, 바인더를 포함하는 것으로,
    상기 세라믹 및 금속 혼합 분말은:
    질화알루미늄(AlN) 및 질화규소(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함하고, 전체 세라믹 및 금속 혼합 분말의 80 내지 95 중량%를 가진 비산화물계 세라믹 분말; 및
    상기 전체 세라믹 및 금속 혼합 분말의 5 내지 20 중량%를 가진 금속 분말;을 포함하고,
    상기 분산제는 고분자의 형태를 띠는 지방산 계통의 물질 중 적어도 하나 이상으로 이루어지고, 세라믹 및 금속 혼합 분말 100 중량부 대비 3 내지 30의 중량부를 갖고,
    상기 바인더는 폴리비닐알콜(PVA), 및 폴리비닐카보네이트(PVC) 중 적어도 하나 이상으로 이루어지고, 세라믹 및 금속 혼합 분말 100 중량부 대비 2 내지 30의 중량부를 가지며,
    상기 금속 분말 성분이 상기 비산화물계 세라믹 분말 성분 사이에 개재되어 세라믹 가열체가 통전(通電) 가능하게 형성된 것을 특징으로 하는 세라믹 가열체 조성물.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 세라믹 및 금속 혼합 분말의 3 내지 30 중량부를 가진 메틸셀룰로오스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 가열체 조성물.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 금속 분말은, 알루미늄, 구리, 및 니켈 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 가열체 조성물.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 금속 분말은 규소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 가열체 조성물.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 세라믹 분말은, 탄화 규소(SiC)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 가열체 조성물.
  6. 삭제
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