KR102004035B1

KR102004035B1 - 탄소 발열체

Info

Publication number: KR102004035B1
Application number: KR1020170065488A
Authority: KR
Inventors: 이영준; 양갑승; 김상완
Original assignee: 엘지전자 주식회사; 전남대학교산학협력단
Priority date: 2017-05-26
Filing date: 2017-05-26
Publication date: 2019-07-25
Also published as: US11096249B2; EP3425997B1; CN108934087A; EP3425997A3; KR20180129446A; CN108934087B; EP3425997A2; US20180343704A1

Abstract

본 발명은 전기 오븐과 같은 가열장치 분야에서 사용되는 탄소 히터를 제조하기 위한 탄소 발열체에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 탄소와 실리콘 탄화물을 포함하고, 열전도도가 1.6 W/m·K 이상인 발열체이며, 상기 발열체 내에서 실리콘 탄화물의 결정화도는 X선 회절 분석 결과 반값의 최대폭(full width of half maximum)이 0.14 이상인 것을 특징으로 하는 발열체를 제공함으로써, 탄소 히터에서의 절연파괴와 스파크 및 플라즈마의 발생을 방지하고 탄소 히터의 복사효율을 높일 수 있으며, 탄소 히터의 단자부 근방에서의 발열체의 파괴 내지는 단선을 방지하여 수명을 향상시킬 수 있다.

Description

탄소 발열체{A CARBON HEATING ELEMENT}

본 발명은 오븐과 같은 조리기기 분야에서 사용되는 탄소 히터의 가열원인 탄소 발열체에 관한 것이다.

가정용이나 상업용 조리기기로 히터를 이용한 오븐(Oven)이 최근 널리 사용되고 있다.

도 1은 오븐의 일반적인 구조를 도시한 사시도이다.

도 1을 참조하면, 오븐(1)에는 조리할 음식이 놓이는 캐비티(2)와, 캐비티(2)를 개방하기 위한 도어(3)와, 캐비티(2)로 열을 가하는 다수의 히터(6)가 포함된다.

특히 상기 히터(6)에는 하나 이상의 히터가 장착되고, 상기 히터(6)는 캐비티의 외부에서 커버(8)에 의해 보호되어 있다.

또한, 오븐(1)에는 전자파 가열방식이 적용되도록 하기 위하여 캐비티(2)의 상면 외부에 마그네트론(4)이 장착된다. 마그네트론(4)에서 발생되는 전자기파는 소정의 도파관 및 스티러를 통하여 상기 캐비티(2)의 내부공간으로 전자파를 방사한다.

또한, 상기 캐비티의 내부공간의 상측에는 필요에 따라 시즈히터(Sheath heater, 5)가 장착되어 있다.

히터들 가운데 상기 시즈히터(5)와 상기 히터(6)에는 복사가열방식을 이용하는 탄소 히터가 주로 사용되고 있다.

종래에는 탄소 히터의 발열체로써 탄소 함량이 90% 이상인 섬유상의 탄소재료로 된 탄소 섬유(Carbon fibers, CFs)를 주로 사용하였다.

그런데 탄소섬유는 '탄소'라는 재료로 이루어지므로, 탄소 자체가 가지는 마이크로웨이브 흡수 특성을 그대로 가진다.

또한 탄소섬유는 '섬유'라는 형태의 특성상 본질적으로 섬유길이 대 섬유직경의 비가 매우 클 수 밖에 없다는 고유의 특성도 지닌다.

이와 같은 탄소섬유의 고유의 특성은 탄소 히터의 가열원으로써 탄소섬유를 사용할 때 몇 가지 문제점을 만든다.

도 2는 종래의 탄소 히터(10)를 간략히 도시한 것이고, 도3은 상기 어셈블리에서 탄소 섬유를 구성하는 각각의 탄소 필라멘트를 도시한 것이다.

도 2를 참조하면, 종래의 탄소 히터(10)는 석영 재질의 관(11), 탄소 섬유(13), 그리고 탄소 섬유(13)의 양단에 연결된 금속 와이어(15)를 포함하여 구성된다.

이때, 관(11)의 양단을 통해서는 금속 와이어(14)와 전기적으로 연결되어 관(11) 외부로 노출되는 외부 전극(17)이 구비되어 있다.

석영 재질의 관(11)은 내부가 밀봉되며, 내부에 배치된 탄소 섬유(13)가 고온(예: 1,000 ~ 1,200 ℃ 등)에서 산화되지 않도록 진공 또는 불활성 가스가 채워져 있다.

도 2에서의 탄소 섬유는, 도 3에서 도시한 바와 같이 각각의 탄소 필라멘트들로 이루어진다. 이 필라멘트들은 직경뿐만 아니라 필라멘트-필라멘트 간 간격이 수 ㎛ 정도이다.

따라서 외부에서 전압이 공급되면, 필라멘트들 사이에는 매우 좁은 거리(간격)에서 전압이 가해지므로 그 결과 매우 높은 전압이 인가되게 된다. 예를 들어, 1 ㎛의 간격에 10V의 외부 전압이 인가되면, 필라멘트-필라멘트 사이에는 약 107 V/m의 고전압이 가해진다.

이 경우 필라멘트들은 국부적인 고전압으로 인해 절연파괴가 발생할 가능성이 높고, 때로는 스파크(Spark)가 발생하기도 한다.

또한 비록 필라멘트들의 절연파괴나 스파크는 발생되지 않더라도, 관(11) 내부의 불활성 가스 분위기로 인해 고전압 조건에서는 플라즈마(Plasma)가 발생될 가능성이 매우 높아진다.

종래에는 플라즈마 등의 반응과 플라즈마 광의 캐빈으로의 진행을 억제하고자 탄소 히터 에셈블리와 캐빈 사이에 쉴드(Shield) 부재를 설치하였다.

그러나 상기 쉴드 부재는 플라즈마 광을 차폐시킬 뿐만 아니라 탄소히터로부터 방출되는 복사광까지도 일부 차단시키므로, 오븐의 복사효율을 크게 저하시키는 문제점이 있다.

따라서 탄소 히터의 발열체로써 종래의 탄소 섬유가 아닌 새로운 형태의 탄소 발열체에 대한 수요가 고조되고 있다.

본 발명과 관련된 종래 기술로는 한국공개특허공보 10-2011-0109697호(2011. 10. 06.)이 있다.

본 발명은 카본 히터에 있어서, 고전압 하에서도 절연파괴나 스파크가 발생하지 않는 새로운 탄소 히터를 위한 탄소 발열체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 카본 히터 내부의 봉입가스와 고전압하에서도 플라즈마를 발생시키지 않는 새로운 탄소 히터를 위한 탄소 발열체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면, 탄소와 실리콘 탄화물을 포함하고, 열전도도가 1.6 W/m·K 이상인 발열체이며, 상기 발열체 내에서 실리콘 탄화물의 결정화도는 X선 회절 분석 결과 반값의 최대폭(full width of half maximum)이 0.14 이상인 것을 특징으로 하는 발열체가 제공될 수 있다.

바람직하게는, 상기 실리콘 탄화물은 β-실리콘 탄화물과 α-실리콘 탄화물을 포함하는 발열체이다.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 탄소와 실리콘 탄화물을 포함하고, 열전도도가 1.6 W/m·K 이상인 발열체이며, 상기 발열체 내의 산소의 총량은 2 wt.% 이하인 것을 특징으로 하는 발열체가 제공될 수 있다.

삭제

바람직하게는, 상기 발열체의 최대 표면 온도는 1,100℃ 이하인 것을 특징으로 하는 발열체이다.

바람직하게는, 상기 발열체의 비저항은 (11~16)*10^- ²Ω㎝인 것을 특징으로 하는 발열체이다.

바람직하게는, 상기 발열체는 속이 막힌 형태인 것을 특징으로 하는 발열체 이다.

또한, 상기 발열체는 중공 형태인 것을 특징으로 하는 발열체이다.

본 발명의 탄소 발열체는, 기존의 탄소 섬유를 사용하는 탄소 히터와는 달리, 섬유 형상 고유의 단점인 필라멘트들 사이에서 국부적인 전압 집중이 발생하지 않으므로 절연파괴나 스파크를 원천적으로 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 탄소 발열체는, 기존의 탄소 섬유를 사용하는 탄소 히터와는 달리, 필라멘트들 사이에서 국부적인 고전압으로 인한 플라즈마 발생을 원천적으로 방지할 수 있고, 더 나아가 쉴드 부재가 필요하지 않아 복사효율의 저하도 개선시킬 수 있다.

이와 더불어 본 발명의 탄소 발열체는, 출발 물질을 파우더들과 수지로 된 바인더를 사용함으로써, 다양한 크기 및 형상의 오븐에 필요한 원하는 형상의 탄소 히터를 손쉽게 제작할 수 있다.

또한, 본 발명의 탄소 발열체는 성분 및 조성범위와 열처리 조건을 변화시킴으로써 탄소 발열체의 비저항 및 출력을 제어할 수 있어, 탄소 히터의 전기적 설계의 자유도를 개선시킬 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 탄소 발열체는 우수한 열전도도를 가짐으로써 외부 전원이 공급되는 단자부 근방에서 열의 효율적인 분산을 도모할 수 있다. 그 결과 탄소 히터의 단자부 근방에서의 발열체의 파괴 내지는 단선을 방지하여 수명을 향상시킬 수 있다.

한편 본 발명의 탄소 발열체는, 기존 탄소 섬유 대비 상대적으로 표면적의 비율이 작으므로, 고온에서 흔히 발생할 수 있는 표면 산화 내지는 표면 침식에 대한 저항성이 상대적으로 우수하다. 또한, 이로 인해 기존 탄소 섬유에서 반드시 필요로 하였던 표면 코팅 등의 후처리 공정을 생략할 수 있어 리드 타임(Lead time)을 개선하여 생산성을 높일 수 있다는 또 다른 장점을 가진다.

도 1은 전기 오븐의 일반적인 구조를 도시한 사시도이다.
도 2는 종래의 탄소 섬유 어셈블리의 구성을 간략히 도시한 도면이다.
도 3은 도2의 탄소 섬유의 확대도이다.
도 4는 본원 발명의 탄소 복합체 조성물을 이용하여 탄소 발열체를 만드는 제조 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 5는 본원 발명의 탄소 히터를 간략히 도시한 도면이다.
도 6은 제3 탄화 열처리에 따른 본원 발명의 탄소 발열체의 전기 전도도를 도시한 도면이다.
도 7은 제3 탄화 열처리에 따른 본원 발명의 탄소 발열체의 전기 비저항과 출력을 도시한 도면이다.
도 8은 제3 탄화 열처리에 따른 본원 발명의 탄소 발열체의 열 전도도를 도시한 도면이다.
도 9는 실리콘 탄화물 소재의 주요 결정 다형들의 온도 안정영역을 도시한 도면이다.
도 10은 서로 다른 소결 온도에 따른 실리콘 탄화물(SiC)와 실리콘 산화물(SiO₂)의 XRD 패턴을 도시한 도면이다.
도 11은 열 전도도가 낮은 탄소 발열체의 파괴를 예시한 사진이다.
도 12는 본원 발명의 탄소 발열체의 XRD 패턴과 제3 탄화 열처리 온도에 따른 FWHM의 측정 결과를 나타낸 도면이다.
도 13은 본원 발명의 탄소 발열체를 각각 제3 탄화 열처리 전과 후에 SEM-EDS로 성분 분석한 결과를 도시한 도면이다.
도 14는 전기 비저항에 따른 탄소 발열체의 출력과 표면 온도를 도시한 도면이다.
도 15는 본원 발명의 탄소 발열체 조성물들의 제3 탄화 열처리에 따른 수율 측정 결과를 도시한 도면이다.
도 16은 본원 발명의 속이 막힌 탄소 발열체의 형상을 예시한 도면이다.
도 17은 본원 발명의 중공을 갖는 튜브 형상의 탄소 발열체를 예시한 도면이다.
도 18은 본원 발명의 중공을 갖는 튜브의 일부가 절개되어 원호 상에 개방부가 형성된 형상의 탄소 발열체를 예시한 도면이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 또한, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.

본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "개재"되거나, 각 구성 요소가 다른 구성 요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

또한, 본 발명을 구현함에 있어서 설명의 편의를 위하여 구성요소를 세분화하여 설명할 수 있으나, 이들 구성요소가 하나의 장치 또는 모듈 내에 구현될 수도 있고, 혹은 하나의 구성요소가 다수의 장치 또는 모듈들에 나뉘어져서 구현될 수도 있다.

이하, 본원에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소 발열체와 이를 제조하는 방법을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에서의 탄소 발열체는 우선 고온 히터로서 사용되기 위한 발열체의 주성분으로서 작용할 수 있는 무기물 파우더와 상기 파우더 입자들을 서로 결합시키기 위한 바인더를 필수적인 성분으로 포함한 발열체 조성물을 만드는 것으로부터 출발한다.

먼저, 무기물 파우더는 아래의 표 1에서 나타난 것처럼, 다양한 성분의 무기물을 포함할 수 있다.

<표 1. 무기물 파우더의 특성>

본 발명에서의 출발물질인 탄소 발열체용 조성물에서는 상기 무기물 파우더가 1종 이상이 포함된 것을 특징으로 한다.

특히, 실리콘 탄화물이 가장 바람직한데, 이는 실리콘 탄화물은 발열체로서 반드시 구비해야 할 전기비저항과 전기전도도를 안정적으로 유지할 수 있기 때문이다. 더 나아가 실리콘 탄화물이 없이 탄소 복합체 조성물이 형성될 경우에는 전기 비저항이 지나치게 높아서 히터로서 사용되기 어렵기 때문이다.

한편, 지르코늄 산화물과 몰르브데늄 실리사이드의 경우 발열체로 사용하기에는 비저항이 지나치게 낮다는 단점은 있으나, 다른 성분이 주성분으로서 이루어진 발열체의 비저항을 조절하기 위해 첨가될 수도 있다.

반면, 실리콘 산화물 및 알루미늄 산화물은 고유의 높은 비저항으로 인해, 최종 생성되는 탄소 히터의 비저항을 조절하기 위한 비저항 조절제로서 첨가된다.

이 때, 전체 조성물 가운데 실리콘 탄화물은 50 내지 75 % 첨가되는 것이 바람직하다.

실리콘 탄화물 함량이 50% 보다 작은 경우 제조된 최종 탄소 히터의 비저항이 지나치게 높고 열전도도가 감소하여 발열체의 단선이 발생하기 쉬우며, 실리콘 탄화물 함량이 75%를 넘어가는 경우 탄소 히터의 비저항이 히터로서 사용하기 어려울 정도로 낮아지기 때문이다.

한편, 전체 조성물 가운데 실리콘 산화물은 최대 24%로 첨가되는 것이 바람직하다. 실리콘 산화물의 함량이 24%를 초과하는 경우 열전도도가 급격히 하락하여 단자 단선이 발생할 수 있기 때문이다. 또한 실리콘 산화물 고유의 높은 비저항으로 인해, 제조된 탄소 히터의 비저항이 지나치게 높아서 히터의 길이를 줄이거나 단면적을 넓히는 등의 추가적인 설계변경이 필요할 수 있기 때문이다.

물론, 실리콘 산화물 외에도 알루미늄 산화물을 혼합하거나 또는 알루미늄 산화물만으로 비저항 조절제를 구성할 수도 있다. 이때, 알루미늄 산화물로만 비저항 조절제가 이루어지더라도 실리콘 산화물과 동일한 이유로 그 함량은 최대 24%로 제한된다.

다음으로, 본 발명에서는 바인더로서 유기물 수지를 포함한다.

바인더는 탄소 히터의 발열체로서 역할을 수행하는 무기물 파우더들이 고온에서 확산 또는 용융에 의해 결합되기 이전에, 비교적 저온에서 상기 파우더들 사이의 기계적인 결합(접착)을 위해 첨가되는 성분이다.

또한 본 발명에서의 바인더는 최종 생성물인 탄소 히터의 주요 성분인 탄소의 공급원으로서도 그 기능을 수행한다.

본 발명에서는 바인더의 일 실시예로써, 우수한 내열성을 가지는 페놀 수지의 일종인 노블락(Novolac) 수지를 사용하였다. 노블락 수지는 페놀과 포름알테히드와의 반응으로 생성되는 페놀 수지에서, 촉매가 촉매가 산(Acid)일 경우 만들어 지는 페놀수지 중 하나이다.

그러나 본 발명에서는 바인더로써 페놀 수지, 특히 노블락 수지를 반드시 한정하는 것은 아니다. 구체적으로 노블락 수지 이외에도 페놀 수지 중에서 레졸(resol) 수지도 본 발명의 바인더로써 가능하다. 또한 페놀 수지 이외에도 아크릴 수지 등과 같이, 일반적으로 접착 기능을 담당하는 바인더로서 사용될 수 있는 유기물 수지는 모두 가능하다

본 발명에서의 바인더로서의 수지는 전체 조성물 가운데 15 내지 30 % 첨가되는 것이 바람직하다.

수지의 함량이 15% 보다 작은 경우 후속 압출 공정에 의한 압출물이 부서지기 쉬울 뿐만 아니라 최종 형성된 탄소 발열체 내의 탄소의 함량이 지나치게 적어 탄소 발열체의 비저항이 스펙 대비 지나치게 높아지게 된다.

반면 수지의 함량이 30% 초과인 경우 사출공정 후의 압출물 형상의 안정성이 떨어져 최종 탄소 발열체의 치수 불량 가능성이 높아지고, 최종 탄소 발열체 내의 탄소 함량이 높아져서 탄소 발열체의 비저항이 스펙 대비 지나치게 낮아진다는 문제점이 있다.

또한, 본 발명에서의 탄소 발열체용 조성물은 압출공정시 조성물과 다이(Die)와의 마찰을 줄이기 위한 윤활제를 포함한다. 본 발명에서는 최종 결과물이 탄소 히터이므로, 윤활제 성분으로 탄소를 포함하는 것이 보다 바람직하다.

본 발명에서 사용할 수 있는 윤활제로서는 흑연(Graphite), 카본 블랙(Carbon black), 그리고 활성탄소(Activated carbon)등이 사용될 수 있다. 특히 흑연은 가장 광범위하게 사용되는 윤활제로, 압출공정 중에 윤활 특성이 매우 우수하다.

한편, 본 발명자들은 흑연의 윤활제로서의 기능 이외에 노블락 수지의 경화제로서의 기능을 확인하였다.

일반적으로 노블락 수지는 노블락 수지 단독으로는 경화되지 않는 것으로 알려져 있다. 특히 열경화를 위해서는 통상 헥사민(Hexamine)이라는 별도의 경화제가 반드시 필요한 것으로 알려져 있다.

본 발명에서는, 아직 어떠한 메커니즘에 의한 것인지는 알 수 없으나, 본 발명의 탄소 복합체 조성물에 흑연을 포함시킨 경우에는, 압출 과정 이후에 별도의 경화제 첨가 없이도 탄소 복합체 조성물이 자체적으로 경화가 진행되는 것을 확인하였다.

물론 노블락 수지를 사용하는 경우에도 헥사민과 같은 별도의 경화제를 본 발명의 조성물에 추가적으로 포함해도 무방하다.

반면 바인더로 또 다른 페놀 수지 중에서 레졸(resol) 수지를 사용할 경우에는, 별도의 경화제는 불필요하다. 왜냐하면, 레졸 수지는 일반적으로 별도의 경화제 없이도 그 자체만으로도 열경화가 가능하기 때문이다.

이 외에도 아크릴 수지 등과 같은 다른 수지를 바인더로 사용하는 경우, 필요에 따라 경화제를 이용하거나 또는 열경화 또는 광경화를 이용하여 바인더를 경화시킬 수도 있다. 만일 광경화를 이용하는 경우 광개시제가 추가로 포함될 수도 있으며, 이외에도 각종 첨가제도 포함될 수 있다.

본 발명에서의 흑연의 첨가량은 전체 조성물 가운데 0.1 내지 10 % 인 것이 바람직하다.

흑연의 첨가량이 0.1% 보다 작은 경우 압출 공정 중 조성물과 다이와의 마찰이 증가하고, 압출 공정 이후에 경화가 불충분하여 압출물의 형상 안정성이 떨어져 최종 탄소 히터의 치수 불량 가능성이 높아지는 문제가 있다.

반면 흑연의 첨가량이 10%를 초과하게 되면, 경화 반응이 압출 공정 중에 지나치게 빨리 진행되어 오히려 압출과 같은 가공이 어려워지고, 최종 탄소 발열체 내의 탄소 함량이 높아져서 탄소 발열체의 비저항이 스펙 대비 낮아진다는 문제점이 있다.

다음으로, 본 발명에서의 탄소 발열체용 조성물을 이용하여 탄소 히터를 만드는 제조 방법에 대해 설명한다.

본 발명에서 사용한 탄소 히터의 제조 방법은, 상기 조성물을 이용한 다른 기능 재료의 제조 방법에서 사용하는 일반적인 방법을 그대로 적용할 수 있다.

보다 구체적으로, 도 4에서 도시한 바와 같이, 본 발명에서 사용한 제조 방법은 먼저 무기물 파우더와 페놀 수지 바인더를 혼합하는 과정(S 100)부터 시작한다.

상기 혼합 과정은 원하는 성분 및 조성범위의 원재료를 어트리션 밀(Attrition mill)과 같은 장치를 이용하여 원하는 시간 동안 충분히 혼합하는 단계이다.

다음으로 혼합된 조성물은 고분자 사출분야에서 널리 사용되는 일반적인 압출기를 이용하여 열 압출한다(S 200). 본 발명에서 적용한 압출 조건은 100~200℃에서 60rmp의 속도를 이용하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 압출 조건은 무기물 파우더 및 바인더의 성분과 조성 범위에 따라 변경 가능하다.

또한 본 발명에서는 상기 압출 공정 대신 금형을 이용한 사출 공정도 적용할 수도 있다.

압출된 조성물은 고온에서 안정화 열처리 과정을 겪는다(S 300).

안정화 열처리 공정(S 300)은 바인더의 탄소와 산소의 결합 구조를 유도하기 위한 열처리 과정이다. 안정화 열처리 공정의 결과로 압출된 탄소 복합체 조성물이 압출된 형상을 그대로 유지하여 기계적 안정성을 확보할 수 있도록 바인더가 경화된다.

본 발명에서는 대기 중에서 270~320℃, 10분~2시간의 조건에서 안정화 열처리 과정을 수행하였다.

안정화 열처리 공정이 270℃보다 낮으면 바인더의 경화를 담보할 수 없게 된다. 반면에, 안정화 열처리 온도의 상한은 기술적으로는 한계가 없으나 에너지 측면에서는 지나치게 고온으로 올리지 않는 것이 바람직하다.

다음으로, 경화된 조성물은 탄화 열처리 과정을 거친다(S 400).

상기 탄화 열처리 단계는 조성물을 구성하는 구성 성분들 가운데 휘발 성분을 휘발시키는 아웃가싱(Out-gassing)과 남은 성분들을 탄화시켜 최종 생성물인 탄소 발열체의 유효 성분을 만드는 것을 목적으로 한다.

본 발명에서는 탄화 열처리 과정을 3단계로 구분하여 수행하였다.

제1 탄화 열처리 공정은 질소와 같은 불활성 가스 분위기에서 후속 제2 탄화 열처리 단계 대비 비교적 저온인 600~1,000℃의 온도에서 10분~2시간 동안 진행된다.

제1 탄화 열처리 공정은, 주로 바인더 성분 가운데 탄소를 제외한 다른 성분들과 조성물의 성분 가운데 바인더 이외의 다른 성분들에 포함된 불순물 등에서 존재할 수 있는 탄소 이외의 기타 성분들을 휘발시키는 것을 목적으로 한다.

이 과정 직후, 바로 제2 탄화 열처리 과정을 거친다. 제2 탄화 열처리 공정에서는 아웃가싱 단계 이후 남은 탄소 복합체 조성물의 성분들을 탄화시키며, 질소와 같은 불활성 가스 분위기 하에서 1,200~1,400℃의 온도에서 10분~4시간 동안 수행된다.

제2 탄화 열처리 공정의 온도가 1,200℃보다 낮은 경우, 성분들의 탄화가 불완전하여 탄소 전극의 발열체의 전기 전도도가 낮아지는 문제가 있다.

반면에, 제2 탄화 열처리 공정의 온도가 1,400℃보다 높은 경우, 바인더 재료 등으로부터 기인한 "-C-C-" 구조체의 기화가 지나치게 많이 발생하여, 탄소 전극의 발열체의 수율이 크게 저하되는 문제가 발생한다.

상기 탄화 열처리 과정은 생산성 향상을 위해 제1 탄화 열처리 과정과 제2 탄화 열처리 과정으로 구분되지 않고 통합하여, 하나의 탄화 열처리 과정으로 운용될 수도 있다.

또한, 본 발명에서는 상기 제2 탄화 열처리 과정 이후에 탄소 히터의 기계적 및/또는 전기적 특성의 조정 내지는 향상을 위해 별도의 제3 탄화 열처리 공정을 포함한다.

제3 탄화 열처리 공정은 질소와 같은 불활성 가스 분위기 하에서 1,500~1,700℃의 온도에서 10분~4시간 동안 수행된다.

제3 탄화 열처리 공정의 온도가 1,500℃보다 낮은 경우, 낮은 열전도도로 인해 탄소 발열체의 단선을 초래할 수 있다.

반면, 제3 탄화 열처리 공정의 온도가 1,700℃보다 높은 경우, 실리콘 탄화물의 결정화도가 높아지게 되어 그 결과 탄소 발열체의 비저항이 지나치게 감소하게 된다.

본 발명자들은 탄소 발열체용 조성물의 성분 및 조성범위에 따라 최종 탄소 발열체의 물성이 조절될 수 있음을 확인하였다.

더 나아가, 본 발명의 탄소 히터 제조 방법을 통해, 동일한 조성물이라 하더라도 최종 생성물인 탄소 발열체의 특성을 변화시킬 수 있음도 확인하였다.

상기 제3 열처리 과정 이후에 제조된 탄소 복합체는 커넥터와 봉입관과 결합되어, 도 5에 예시된 바와 같이 최종 제품인 탄소 히터로 제작된다.

실제 탄소 히터는 상기 탄소 복합체로 만든 발열체(21)와 상기 발열체(21)를 지지하면서 외부로부터 전원을 공급하는 커넥터(24)를 포함한다. 또한 상기 발열체를 둘러 싸면서 내부에 불활성 가스를 포함하는 관(22)과 홈부(23), 상기 발열체에 외부로부터 전기를 공급하기 위한 금속와이어(25), 금속편(26), 외부전극(27), 애자 (28) 및 터미널 단자(29) 등도 포함된다.

이하 다양한 실시예를 통해, 본원 발명을 보다 더 상세하게 예시를 통해 설명한다. 다음의 실시예들은 본원 발명을 보다 더 명확하게 설명하기 위하여 예시한 것에 불과하며, 실시예들로 본원발명이 한정되는 것은 아니다.

실시예

앞에서의 표 1에서의 무기물 파우더 성분 중에서, 실리콘 탄화물(SiC) 50~75wt.%(이하 % 또는 wt.%라 한다)를 기본으로 하여 비저항 조절제로서 실리콘 산화물(SiO₂)을 24 wt.% 이하로 추가로 포함한 무기물 파우더에, 바인더로서 노블락 수지를 15~30 wt.% 포함하고, 그리고 윤활제로서 흑연을 0.1~10wt.% 포함시킨 4 성분계(Quaternary) 조성물을 준비하였다.

준비된 4 성분계 조성물는 도 4에 도시된 방법에 따라, 먼저 원재료 혼합 단계를 거쳐 균일하게 혼합된 후, 압출 성형되었고, 이후 안정화 열처리 과정과 제1 내지 제3 탄화 열처리 과정을 거친 후, 최종 탄소 발열체로 가공되어 전기적 특성을 평가하였다.

도 6 및 7은 본 발명의 실시예의 조성 가운데 실리콘 탄화물 59%, 실리콘 산화물 15%, 바인더 수지 23% 및 윤활제 3%를 포함한 조성물의 제3 탄화 열처리 온도에 따른 전기 전도도 특성(도 6) 및 비저항과 출력 특성(도 7)을 도시한 것이다.

먼저 도 6에서 도시된 바와 같이, 제3 탄화 열처리 온도가 증가함에 따라 탄소 발열체의 전기 전도도는 증가함을 알 수 있다.

또한 전기 전도도의 역수인 전기 비저항은, 제3 탄화 열처리 온도가 증가함에 따라 감소하는 것을 도 7 로부터 알 수 있다.

한편, 제3 탄화 열처리 공정 온도에 따른 본 발명의 탄소 발열체의 특성변화는 위와 같은 전기적 특성에만 국한되지 않는다.

도 8은 조성물의 제3 탄화 열처리 온도에 따른 열 전도도 특성을 도시한 것이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 탄소 발열체는 제3 탄화 열처리 공정 온도가 증가함에 따라 열전도도가 증가하다가 그 이후 안정화되거나 약간 감소하는 경향을 보인다.

도 6 내지 8에서의 제3 탄화 열처리 온도에 따른 탄소 발열체의 전기적 및 열적 특성의 변화는 제3 탄화 열처리 온도에 따라 탄소 발열체용 조성물 내의 성분 및 미세조직의 변화에서 기인한다.

먼저 본 발명의 조성물을 구성하는 무기물 재료 가운데 실리콘 탄화물은 β-SiC라 불리는 입방정상(Cubic)과 70 여종의 육방정상(Hexagonal), 그리고 170 여종의 능면정상(Rhombohedral)이 있고, 통상 입방정상을 제외한 나머지는 α-SIC로 통칭된다(세라미스트 제13권 제6호, 2010년 12월, 페이지 64~74 참조).

상기 실리콘 탄화물은 도 9의 상태도에서 도시된 바와 같이, 1,000~2,700℃ 이상의 영역에 걸쳐 결정 구조가 다른 상이 존재하게 된다.

이러한 실리콘 탄화물은 본 발명의 실시예의 조성물에 포함된 실리콘 산화물과는 융점, 열전도도, 그리고 전기적 특성들이 표 1에 나타난 바와 같이 크게 차이가 있다.

먼저 융점에 있어, 실리콘 산화물의 융점은 대략 1,600℃이고, 이 융점보다 높은 온도에서 실리콘 산화물은 고체 상태로 존재하지 못한다.

도 10은 다른 연구자들(Ceramics International 38 (2012) pp. 5223-5229)이 발표한 XRD 패턴을 도시한 것이다.

도 10은 실리콘 탄화물과 실리콘 탄화물이 온도에 따라 안정도가 변화함을 제시한다. 보다 구체적으로, 1,600℃ 이상에서 실리콘 산화물은 더 이상 안정한 상으로 존재하지 못하며, 1,500℃에서의 실리콘 산화물대 실리콘 탄화물의 회절 피크의 강도 비가 1,400℃에서의 강도 비보다 작은 것으로 보아 실리콘 산화물의 국부적인 분해가 1,500℃에서 이미 진행되고 있음을 알 수 있다.

본 발명에서의 도 6 내지 도 8의 결과도 이와 잘 부합한다.

도 8에서는 온도가 증가함에 따라 탄소 발열체의 열전도도가 증가하다가 그 이후 다시 감소하거나 일정한 값을 보인다. 특히 온도가 1,600℃까지는 열전도도가 계속 증가하는 값을 보인다.

이는 앞에서의 표 1에서 나온 바와 같이, 실리콘 탄화물과 실리콘 산화물의 열전도도 차이에서 기인한다.

열전도도가 낮은 실리콘 산화물은 제3 열처리 온도가 증가함에 따라 불안정해지고 그 결과 조성물에 포함된 주위의 탄소와 결합하여 열전도도가 높은 실리콘 탄화물로 상전이 된다. 열전도도가 높은 실리콘 탄화물의 비율이 증가함에 따라 탄소 발열체의 거시적인 열전도도는 증가하게 된다.

그리고 제3 열처리 온도가 더 증가하더라도 상기 상전이는 이미 1,600℃에서 거의 완료되었기 때문에, 더 높은 온도로 가열하더라도 탄소 발열체의 열전도도는 거의 변화가 없거나 약간 감소하는 것으로 측정되었다.

본 발명에서의 탄소 발열체의 열 전도도는 1.6 W/m·K 이상인 것을 특징으로 한다. 탄소 발열체의 열 전도도가 1.6 W/m·K보다 낮을 경우 탄소 발열체에 전압을 가했을 때 단자 근방에서 열이 제대로 분산되지 못하게 되고, 그 결과 탄소 발열체에 과도한 열응력 내지는 열충격이 가해져서 세라믹 재질의 취성(brittle) 특성을 가지는 탄소 발열체에 파괴가 일어나기 때문이다.

도 11은 탄소 발열체에 과도한 열응력이 가해진 후 발열체가 파괴된 탄소 발열체 어셈블리를 예시한 사진이다.

한편, 도 6 및 7은 제3 탄화 열처리 온도가 증가함에 따라 탄소 발열체의 전기 전도도는 증가하고 전기 비저항은 감소하는 것을 나타내고 있다.

탄소 발열체의 전기적 특성의 변화 역시 미세조직 및 성분에 의해 결정된다.

먼저 앞서 설명한 바와 같이, 제3 탄화 열처리 온도가 증가함에 따라 실리콘 산화물은 국부적으로 용융되어 조성물 내에 존재하는 탄소와 결합하여 실리콘 탄화물로 상전이 된다.

따라서 탄소 발열체 내에서 전기 비저항이 큰 실리콘 산화물은 비율이 줄어들고 반면에 전기 비저항이 작은 실리콘 탄화물은 비율이 증가하게 된다.

그 결과 제3 탄화 열처리 온도가 증가함에 따라 탄소 발열체의 전기 비저항은 감소하게 된다(전기 전도도는 증가하게 된다).

그런데 제3 탄화 열처리 온도가 1,700℃보다 높아지더라도, 열 전도도와는 달리, 전기 전도도는 지속적으로 증가한 후 포화되는 것으로 나타난다.

이는 탄소 발열체를 구성하는 실리콘 탄화물의 변화에서 기인한다.

도 12는 본 발명에 의한 탄소 발열체의 X선 회절(X-ray diffraction, XRD) 패턴과, 실리콘 탄화물의 결정화도를 나타내기 위해 조사한 X선 회절 분석 결과에서의 반값의 최대폭(full width of half maximum, 이하 FWHM)을 도시한 것이다.

본 발명에서의 XRD 실험은 Bruker사의 D8 Advance 모델을 사용하였다. 이 때 작동 조건은 Cu Kα의 파장을 사용하여 60kV, 80mA의 가속 조건에서 0.2도/초의 스캔 속도로 측정하였고, Diffrac. Measurement center/Diffrac. EVA의 소프트웨어를 이용하여 XRD 패턴을 측정 및 분석하였다.

본 발명에서의 XRD 실험 결과, 제3 탄화 열처리 온도가 1,800℃ 이상 증가함에 따라, FWHM의 값이 0.12로 줄어듬을 알 수 있다.

이는 열처리 온도가 1,800℃ 이상을 높아짐에 따라, 탄소 발열체의 최초 조성물 내에 존재하는 실리콘 탄화물뿐만 아니라 제 3 탄화 열처리에 의해 생성된 실리콘 탄화물의 결정화도가 높아짐을 의미한다.

다시 말하면 결정화도가 높아진 실리콘 탄화물 내에는 여러 가지 결함(defect)가 줄어들게 되어, 그 결과 전기 전도도가 증가(전기 비저항은 감소)하게 된다.

본 발명에서의 탄소 발열체는 도 12의 XRD 결과로부터 β-실리콘 산화물과 α-실리콘 탄화물을 모두 포함함을 알 수 있다. 특히 α-실리콘 탄화물은 β-실리콘 산화물 대비 상대적으로 열 전도도가 높고 밴드 갭이 크다는 점에서 바람직하다.

또한 본 발명의 탄소 발열체는 FWHM의 값이 0.14 이상인 것이 바람직하다. 상기 FWHM의 값이 0.14보다 작으면, 실리콘 탄화물의 결정화도가 지나치게 높아서 그 결과 전기 전도도가 지나치게 높고 전기 비저항은 작아지기 때문이다.

도 13은 본 발명의 실시예의 조성 가운데 실리콘 탄화물 56%, 실리콘 산화물 18%, 바인더 수지 23% 및 윤활제 3%를 포함한 조성물을 각각 제3 탄화 열처리 전과 후에 SEM-EDS로 성분 분석한 결과를 도시한 것이다.

열처리 전 발열체 조성물에는 산소함량이 약 17% 포함된 것으로 측정되었으나, 열처리 후에는 산소 함량이 약 1% 정도인 것으로 측정되었다.

본 발명의 탄소 발열체에 존재할 수 있는 산소는 실리콘 산화물 형태로 출발물질인 조성물에 포함되어 있으므로, 상기 제3 탄화 열처리 후에 존재하는 산소 역시 실리콘 산화물로 존재할 것이다.

다면, 도 12에서 도시된 바와 같이, XRD 분석 결과에서는 EDS 분석결과와는 달리 아무런 산화물에 대한 피크가 관찰되지 않았다.

따라서 도 13의 산소는 일부 분해되지 않은 SiO₂ 이거나 SiO₂ 이외의 형태로 존재하는 실리콘 산화물에 포함된 산소인 것으로 예상된다.

한편, 본 발명에서의 탄소 발열체 내의 산소 함량은 EDS의 오차 범위 등을 감안하더라도 2% 이하인 것이 바람직하다.

산소의 함량이 2%를 초과하게 되면, 제3 탄화 열처리 후에도 남아있는 실리콘 산화물의 양이 지나치게 많아 열 전도도가 낮고, 전기 비저항이 너무 높기 때문이다.

도 14는 탄소 발열체의 비저항에 따른 탄소 발열체 표면온도와 출력을 도시한 것이다.

일반적으로, 비저항이 높을수록 탄소 발열체의 특정 온도까지 가열시 소비되는 출력(에너지)은 작아진다.

그러나 탄소 히터를 포함하는 오븐에서의 가열 온도가 발열체를 둘러 싸는 관인 석영(quartz)의 상용온도인 약 1,100℃인 점을 감안하면, 본 발명에서의 탄소 발열체의 전기 비저항은 (11~16) *10^-2Ω㎝인 것이 바람직하다.

전기 비저항이 11*10^- ²Ω㎝보다 작으면, 원하는 탄소 발열체의 가열 온도를 얻기 위한 출력이 지나치게 높게 되어 에너지 효율 측면에서 바람직하지 못하다.

반면, 전기 비저항이 16*10^- ²Ω㎝보다 커지면, 전기 비저항과 더불어 열 전도도가 낮아져서 탄소 발열체의 파괴가 쉽게 발생할 수 있다.

도 15는 본 발명의 실시예의 조성물 가운데 실리콘 탄화물 (56~62)%, 실리콘 산화물 (12~18)%, 바인더 수지 23% 및 윤활제 3%를 포함한 조성물들의 제3 탄화 열처리에 의한 수율 측정 결과를 도시한 것이다.

본 발명에서의 수율은, 제3 탄화 열처리 전의 투입된 원재료, 즉 조성물의 무게로 최종 생성물인 탄소 발열체의 무게를 나눈 값으로 정의된다.

도 15를 살펴보면, 제3 탄화 열처리 온도가 증가하더라도 본 발명에서의 상기 실시예들의 조성물의 수율 변화는 크지 않음을 알 수 있다. 오히려 실리콘 산화물(SiO₂)의 함량이 증가할수록 수율은 크게 감소하는 경향을 가지는 것으로 나타났다.

이와 같은 수율의 측정 결과는, 앞에서 설명한 본 발명의 탄소 발열체의 제3 탄화 열처리에 따른 성분과 미세조직의 변화와 잘 일치한다.

보다 구체적으로 살펴보면, 제3 탄화 열처리 온도가 1,500℃ 이상 증가함에 따라, 본 발명의 탄소 발열체 조성물 내의 실리콘 산화물은 국부적으로 용융되어 조성물 내에 존재하는 탄소와 결합하여 실리콘 탄화물로 상전이 된다.

이는 상대적으로 무거운 실리콘 산화물이 더 가벼운 실리콘 탄화물로 상전이됨을 의미하며, 그 결과 생성물인 탄화 발열체의 무게는 감소하여 수율도 줄어들게 된다.

그리고 상기 상전이의 분율이 증가할수록, 다시 말하면 탄소 발열체 조성물 내의 실리콘 산화물 함량이 증가할수록, 제3 탄화 열처리에 따른 무게 감소가 커지게 되고 그 결과 수율은 더 감소하게 된다.

본 발명의 탄소 발열체(110)는 도 16을 통해 살펴본 바와 같이 원형 단면 막대 형상(도 16의 (a) 참조), 사각형 단면 막대 형상(도 16의 (b) 참조), 및 삼각형 단면 막대 형상(도 16의 (c) 참조) 등 속이 막힌 벌크(Bulk) 형태로 다양한 형상으로 제공될 수 있다.

또한, 본 발명의 탄소 발열체는 다른 형상을 가질 수 있다.

도 17을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소 히터에 포함되는 탄소 발열체(210)에 대한 하나의 예시적 형상을 나타내고 있다.

즉, 도 17에 도시된 탄소 발열체(210)는 중공(210a)을 갖는 튜브 형상으로 이루어져 있다.

여기서, 중공(210a)의 크기 또는 탄소 발열체(210) 전체 단면적에 비해 중공(210a)이 차지하는 비율 등은 다양하게 변경 가능하며, 도시된 형태에 한정되지 않는다.

도 18을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소 히터에 포함되는 탄소 발열체(210)에 대한 다른 하나의 예시적 형상을 나타내고 있다.

즉, 도 18에 도시된 탄소 발열체(210)는 중공(210a)을 갖는 튜브 형상으로 이루어지는데, 도 17에서 살펴본 탄소 발열체(210)와 달리 튜브의 일부가 절개되어 원호 상에 개방부(210b)가 형성된 형상으로 이루어진다.

도 17 및 도 18에 도시된 탄소 발열체(210)는 개방부(210b, 도 10 참조)의 유무에 있어서 차이는 있으나, 중공(210a)을 갖는 공통점이 있다.

이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

1: 오븐 2: 캐비티
3: 도어 4: 마그네트론
5: 시즈히터 6: 히터
11: 관 13: 탄소 섬유
15: 금속 와이어 17: 외부 전극
19: 금속편 21: 탄소 발열체
22: 관 23: 홈부
24: 커넥터 25: 금속 와이어
26: 금속편 27: 외부 전극
28: 애자 29: 터미널 단자
S 100: 혼합 공정 S 200: 압출 공정
S 300: 안정화 열처리 공정 S 400: 탄화 열처리 공정
110: 탄소 발열체 210: 탄소 발열체
210a: 중공 210b: 개방부

Claims

탄소와 실리콘 탄화물을 포함하고,
열전도도가 1.6 W/m·K 이상인 발열체이며,
상기 발열체 내에서 실리콘 탄화물의 결정화도는 X선 회절 분석 결과 반값의 최대폭(full width of half maximum)이 0.14 이상인
것을 특징으로 하는 발열체.
제1항에 있어서,
상기 실리콘 탄화물은 β-실리콘 탄화물과 α-실리콘 탄화물을 포함하는 발열체.
삭제
삭제
탄소와 실리콘 탄화물과 실리콘 산화물을 포함하고,
열전도도가 1.6 W/m·K 이상인 발열체이며,
상기 발열체 내의 산소의 총량은 2 wt.% 이하인 것을 특징으로 하는 발열체.
제1항에 있어서,
상기 발열체의 최대 표면 온도는 1,100℃ 이하인 것을 특징으로 하는 발열체.
제1항에 있어서,
상기 발열체의 비저항은 (11~16) *10^- ²Ω㎝인 것을 특징으로 하는 발열체.
제1항에 있어서,
상기 발열체는 속이 막힌 형태인 것을 특징으로 하는 발열체.
제1항에 있어서,
상기 발열체는 중공 형태인 것을 특징으로 하는 발열체.