KR101967040B1 - 고온 증발원용 히터 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 제작이 간소화될 수 있으면서도 도가니 위치에 따라 가열 온도를 달리해야 하는 경우 그러한 온도 제어 운용도 용이하게 할 수 있으며 전기적 단락 위험이 적은 증발원용 히터를 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적에 따라 본 발명은 열선을 나선형으로 구성하고 상기 열선에 전원을 인가하기 위한 전원 접속부의 한쪽은 나선형 열선의 상단에서 인출되고, 다른 한쪽은 나선형 열선의 하단에서 인출되는 증발원용 히터를 제공한다.
상기에서 나선형 열선은 필요에 따라 나선을 이루는 권선의 간격을 조절하여 도가니에 전달하는 열량 내지 온도를 제어할 수 있다.

Description

고온 증발원용 히터{Heater for high temperature evaporator}

본 발명은 박막 증착에 사용되는 증발원용 히터에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 금속 박막 증착과 같이 고온에서 동작되는 히터 구조에 관한 것이다.

박막 증착 공정은 반도체, 디스플레이 소자, 태양전지 등을 비롯하여 각종 코팅 공정에서 필수적으로 실시된다. 특히, 금속 박막을 형성하는 경우, 1400℃ 정도의 고온 증발 공정이 실시되므로 그에 따라 고온을 앨 수 있는 히터를 도가니에 장착하여야 한다. 종래, 고온 증발원에 사용되는 히터의 구조는 원통형의 도가니 벽면에 밀착되는 정교한 형상을 갖고 있다. 도가니 벽면을 길이방향을 따라 왕복하는 열선과 열선를 고정시켜주는 고정 부재들이 결합되어 복잡한 형상을 이루는 경우가 대부분이다.

대한민국 등록특허 10-1605834, 공개특허 10-2015-0083716, 공개특허 10-2013-0073409호에 나와있는 증발원의 히터는 모두 상술한 바와 같이 도가니의 길이방향을 따라 배열된 히터 구조를 보인다.

금속용 고온 증발원의 경우, 노즐 부분에서 가열 온도가 충분히 높지 않으면 막힘현상(clogging)이 일어난다. 따라서 증발원 노즐 부분에서는 좀 더 높은 온도로 가열하는 것이 바람직하다. 그에 따라 상하부를 분할하여 두 개의 히터를 각각 다른 전력으로 동작시키거나 히터 배열을 서로 달리하거나 한다. 이러한 히터 구성은 정교한 형상에 따른 제작상의 어려움은 물론, 밀집된 열선의 배열로 인해 단락이 일어날 수 있는 위험부담이 있다. 또한, 길이방향으로 배열되는 열선에 의한 열 효율은 그다지 좋지 못하며, 동작으로 인해 쉽게 팽창변형되는 문제도 있다.

상기된 공보에 나타난 고온 증발원용 히터 구성 역시 도가니 길이방향인 세로로 배열된 열선들로 되어있어 도가니 상하부의 온도를 서로 달리하여야 할 경우, 두 개의 별도 히터를 제작 배치하여야 하기 때문에 제작과 설치가 복잡하다. 또한, 전원 접속부를 이루는 시작점과 종결점의 열선는 서로 인접하게 되어 단락 위험이 매우 크다는 문제를 그대로 지닌다.

따라서 본 발명의 목적은 제작이 간소화될 수 있으면서도 도가니 위치에 따라 가열 온도를 달리해야 하는 경우 그러한 온도 제어 운용도 용이하게 할 수 있으며 전기적 단락 위험이 적은 증발원용 히터를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적에 따라 본 발명은 열선을 나선형으로 구성하고 상기 열선에 전원을 인가하기 위한 전원 접속부의 한쪽은 나선형 열선의 상단에서 인출되고, 다른 한쪽은 나선형 열선의 하단에서 인출되는 증발원용 히터를 제공한다.

상기에서 나선형 열선은 필요에 따라 나선을 이루는 권선의 간격을 조절하여 도가니에 전달하는 열량 내지 온도를 제어할 수 있다.

즉, 본 발명은,

증발원용 히터에 있어서,

도가니를 감싸는 열선이 나선형으로 도가니 외벽을 감아 이루어지는 나선형 히터이며,

상기 나선형 히터의 전원접속부는 나선형으로 감겨 올라간 최상단의 열선 단부와 나선형의 최하단의 열선 단부에서 인출된 것을 특징으로 하는 나선형 히터를 제공한다.

상기에 있어서, 열선을 감는 간격을 조절하여 도가니 부위별 가열 정도를 제어하는 것을 특징으로 하는 나선형 히터를 제공한다.

상기에 있어서, 도가니의 노즐부는 다른 부분에 비해 열선이 감기는 간격을 더 좁게 하여 클로깅 현상을 방지하는 것을 특징으로 하는 나선형 히터를 제공한다.

상기에 있어서, 전원접속부에 해당하는, 나선형으로 감겨 올라간 최상단의 열선 단부 또는 나선형의 최하단의 열선 단부는 절연체로 된, 절연체로 된 튜브 안에 넣어져 전기적인 단락을 방지한 것을 특징으로 하는 나선형 히터를 제공한다.

본 발명에 따르면 나선형으로 된 증발원용 히터는 열선을 감는 간격 조절을 통해 도가니 위치별 온도 제어가 가능하여 도가니 상부의 온도를 좀 더 쉽게 높일 수 있다.

또한, 본 발명의 나선형 히터는 열팽창에 의한 히터 변형의 문제가 거의 발생하지 않으며, 열 효율이 매우 우수하다.

또한, 나선형으로 된 히터의 전원 접속부가 나선형 히터의 상하 단부에서 각각 인출되기 때문에 전기적인 단락 위험을 크게 낮출 수 있다.

도 1은 본 발명의 나선형 히터(100)와 이를 고정하고 있는 고정 부재(200)를 보여주는 단면도와 사시도 이다.
도 2는 본 발명의 나선형 히터(100)와 고정 부재(200)의 세부 구성을 좀 더 상세히 나타낸 사시도 이다.
도 3은 본 발명의 나선형 히터(100)와 고정 부재(200)의 결합부를 확대하여 보여주는 부분 확대도이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 1을 보면, 본 발명의 나선형 히터(100)와 이를 고정하는 고정 부재(200)에 상기 히터(100)가 결합된 단면형상이 나와있다. 나선형 히터(100)는 열선(와이어 형태)를 감아 제작된다. 증발원을 이루는 도가니(미도시) 외벽에 밀착될 수 있게 감기는 열선의 양단부는 전원이 연결되는 접원접속부가 된다. 종래 히터는 도가니 외벽에 밀착되되, 수평으로 둥글게 감기는 것이 아니라 수직방향으로 물결치듯이 구부러져 형성되었으며, 이러한 구조는 전원접속부를 이루는 열선 양단부는 서로 매우 근접하게 배치되고, 그에 따라 전기적인 단락 위험이 매우 컸다. 그러나 본 발명의 나선형 히터(100)는 도 1의 오른쪽에 도시한 바와 같이 전원 접속부(110, 120)가 될 열선의 양단부는 나선형 히터(100)의 상부와 하부에서 각각 인출되기 때문에 단락위험이 매우 감소된다.

또한, Al과 같은 금속 박막을 증착하는 증발원은 고온으로 동작하므로 기존과 같이 열선이 수직 방향으로 배열된 히터는 열 팽창으로 인해 쉽게 변형되어 그 수명이 짧다. 수직 방향의 배열과 더불어 방향 전환에 따른 굴곡부가 다수 있기 때문에 열 변형에 의해 쉽게 틀어지기 때문이다.

이에 비해 로드 타입(rod type)의 나선형 히터(100)는 열 팽창에 의한 변형이 거의 없어 안정적으로 사용될 수 있다. 또한, 나선형 히터(100)는 기존의 히터에 비해 도가니에 대한 가열 효율이 더 우수하다.

한편, 고온 증발원에서 일어나는 문제점 중 하나는 증발물이 분사되는 노즐 부위에서 증발물이 식으면서 일어나는 클로깅 현상이다. 이를 해결하기 위해, 노즐 부에 별도의 히터를 배치하기도 한다. 본 발명의 나선형 히터(100)는 열선을 감아 구성되기 때문에 필요에 따라 감는 간격을 더 촘촘히 하거나 더 넓게 할 수 있다. 그에 따라 노즐이 있는 도가니 상단부의 온도를 그 이외의 부분에 비해 더 고온으로 만들 수 있다. 이러한 구성은 별도의 히터와 별도의 고정 부재를 제작하고 별도의 전원을 설치하는 것에 비해 훨씬 간단한 문제 해결 수단이 된다. 도 1의 맨 오른편에 나와있는 나선형 히터(100)의 경우, 상부는 감는 열선의 간격이 좁아 촘촘하고, 그 이하로는 열선 간격을 좀 더 넓게 한 것이다. 상단의 밀도 높은 열선들로 인해 좀 더 고온으로 가열할 수 있어 노즐 부분에서 일어나는 클로깅 현상을 방지할 수 있다.

전원접속부(110, 120)는 나선형 히터(100)를 구성하는 열선의 양 단부가 되며, 본 발명은 전기적인 단락 위험을 줄이기 위해 열선 한쪽 단부는 나선형 히터의 상단(120)에서 인출하고, 반대쪽 단부는 하단(110)에서 인출하였다. 이러한 나선형 히터(100)는 도가니 외벽에 밀착배치되며, 고정을 안정적으로 하기 위해 고정부재(200)에 의해 지지 된다.

도 2는 나선형 히터(100)가 고정 부재(200)에 의해 고정된 상태를 좀 더 상세히 보여준다.

고정 부재(200)는 프레임(210)과 여기에 조립된 홀더 부재(220)를 포함한다. 상기 프레임(210)은 나선형 히터(100)의 둘레 방향을 따라 배열된 다수의 고리형 부재(230)들을 포함하며, 히터의 상단과 하단 또한 다소 폭이 넓은 고리로 커버 된다. 감겨진 열선을 줄마다 잡아주는 홀더 부재(220)가 다수 프레임(210)에 조립되며, 홀더 부재(220)는 열선이 홀딩될 수 있는 요부를 다수 구비한 막대형상이며, 다수의 홀더 부재(220)가 상기 프레임(210)의 평면에서 볼 때 방사상으로 조립될 수 있다. 고정 부재(200)에는 전원접속부(110, 120)를 구성하는 각각의 열선이 인출되는 경로를 안내하는 안내 부재(240)와 홀(250)이 제공된다. 안내 부재(240)는 히터 상부로부터 내려오는 전원접속부 열선(120)이 다른 열선과 접촉되지 않도록 절연체 튜브로 되어있다. 프레임(210)을 향하는 쪽은 개방된 관으로 구성될 수도 있을 것이다. 프레임(210)의 최하단의 고리에는 두 개의 홀(250)이 형성되어 히터 하부에서 내려오는 전원접속부 열선(110)과 상기 안내 부재(240)의 하단을 통과시킨다. 이러한 구성을 통해 전원접속부(110, 120)의 전기적 단락은 매우 안정적으로 방지될 수 있다.

상기 실시예는 다소 변형될 수 있다. 예를 들면, 전원접속부(110, 120)를 이루는 열선이 모두 하부로 안내되지 않고 상부나 다른 중간 부분으로 인출될 수 있고 그에 따라 안내 부재도 하부에서 상부로 인출되는 열선을 위하여 설치되거나 두가닥의 열선 각각에 대해 제공될 수 있을 것이다.

고정 부재(100)는 절연체로 구성되며 바람직하게는 세라믹을 소재로 한다.

도 3에는 고정 부재(100)의 구조가 좀 더 상세히 나와있다.

홀더 부재(220)의 한쪽 면('전면'이라고 부르기로 함)에는 히터(100)를 이루는 열선을 끼워넣어 고정할 수 있는 요부가 열선 간격에 맞추어 형성되어 있고, 반대 면(후면)에는 고정 부재(100)의 고리형 부재(230)에 홀딩 되기 위한 요부가 형성되어 있다. 열선의 두께와 간격이 고리형 부재의 두께와 간격에 비해 얇고 촘촘하여 홀더 부재(220)의 전면에 형성된 요부가 더 조밀하다. 나선형 히터(100)의 상부가 더 조밀하게 열선이 감기므로 홀더 부재(220)의 전면에 형성되는 요부도 그에 따라 조밀하여 진다.

이와 같은 나선형 히터는 고온 증발원에 적용되기에 매우 적합하다.

열선 자체는 W, Ta, 또는 Tl으로 구성될 수 있다.

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.

100: 나선형 히터
200: 고정 부재
110, 120: 전원 접속부
210: 프레임
220: 홀더 부재
230: 고리형 부재
240: 안내 부재
250: 홀

Claims (4)

1. 증발원용 히터에 있어서,
   도가니를 감싸는 열선이 나선형으로 도가니 외벽을 감아 이루어지는 나선형 히터이며,
   상기 나선형 히터는 고정 부재에 의해 고정되고,
   상기 고정 부재는,
   프레임;과 상기 프레임에 조립된 홀더 부재;를 포함하고,
   상기 프레임은 나선형 히터의 둘레 방향을 따라 배열된 다수의 고리형 부재들을 포함하며,
   감겨진 열선을 줄마다 잡아주는 홀더 부재들이 상기 프레임에 조립되며,
   상기 홀더 부재는 열선이 홀딩될 수 있는 요부를 다수 구비한 막대형상이며,
   상기 나선형 히터의 전원접속부는 나선형으로 감겨 올라간 최상단의 열선 단부와 나선형의 최하단의 열선 단부에서 인출되고,
   전원접속부에 해당하는, 나선형으로 감겨 올라간 최상단의 열선 단부와 나선형의 최하단의 열선 단부는, 상기 프레임의 최하단의 고리형 부재에 구비된 두 개의 홀에 각각 넣어져 전기적인 단락을 방지한 것을 특징으로 하는 나선형 히터.
2. 제1항에 있어서, 열선을 감는 간격을 조절하여 도가니 부위별 가열 정도를 제어하며, 도가니의 노즐부는 다른 부분에 비해 열선이 감기는 간격을 더 좁게 하여 클로깅 현상을 방지하는 것을 특징으로 하는 나선형 히터.
3. 제1항에 있어서, 히터 상부로부터 내려오는 전원접속부 열선이 다른 열선과 접촉되지 않도록 절연체 튜브로 된 안내부재에 넣어진 것을 특징으로 하는 나선형 히터.
4. 제3항에 있어서, 상기 프레임의 최하단의 고리형 부재에 구비되 두 개의 홀 중 하나에 상기 안내 부재의 하단을 통과시킨 것을 특징으로 하는 나선형 히터.
   

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