KR102173956B1 - 세라믹 장섬유를 이용하는 적외선 발열체 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예는 적층된 일 이상의 세라믹 섬유 직조 시트를 포함하는 세라믹 매트를 포함할 수 있으며, 상기 세라믹 섬유 직조 시트는 직조된 복수의 세라믹 섬유 스프레드 시트를 포함할 수 있는 적외선 발열체 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 종래 기술에서 필수적으로 요구되던 CVD 공정을 배제하고, 스프레드 시트의 두께 조절에 의해 천공 밀도를 용이하고 제어하고, 직조 시트의 적층수 조절에 의해 발열체 두께를 적절하게 제어할 수 있으며, 층간 접촉을 최소화하여 열전달을 억제함으로써 백 플래쉬(back flash) 안정성을 확보할 수 있다.
Description
본 발명은 적외선 발열체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 세라믹 장섬유 스프레드 시트를 직조하고 이를 적층하여 적외선 발열체로 이용함으로써 종래 기술에서 필수적으로 요구되던 CVD 공정을 배제하고, 스프레드 시트의 두께 조절에 의해 천공 밀도를 용이하고 제어하고, 직조 시트의 적층수 조절에 의해 발열체 두께를 적절하게 제어할 수 있으며, 층간 접촉을 최소화하여 열전달을 억제함으로써 백 플래쉬(back flash) 안정성을 확보할 수 있는 세라믹 장섬유를 이용하는 적외선 발열체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 환경 및 에너지에 대한 관심이 높아지면서 적외선을 이용한 효율적인 라디에이션 히터 개발이 요구되고 있다. 특히, 적외선을 이용한 라디에이션 히터는 가정용 버너, 개인 난방 또는 공공장소의 난방, 제지 또는 염색 산업의 대면적 균일 건조기, 유리 제품을 포함한 산업 자재의 어닐링로(annealing furnace), 고온열처리용 로, 쿠킹 오븐, 의류 또는 의학 장비 등 산업 전반에 널리 응용되고 있다.
일반적으로 적외선 라디에이션 히터는 에너지원과 발열체의 소재에 따라 다양하게 이용되며, 에너지원에 따라 크게는 전기식 히터(electric type IR heater), 가스식 히터(gas type heater using buring gas), 및 열매체 히터(heat medium type using steam and oil)로 구분될 수 있다. 이 중에서, 특히 가스식 히터는 대면적 가열이 가능하고, 상대적으로 낮은 가격에 운용할 수 있는 장점이 있어 개인용이나 가정용뿐만 아니라 산업계에서도 관심의 대상이 되고 있다. 가스식 라디에이션 히터는 LPG, 부탄 등 연료가스의 직접 연소에 의한 가열방식으로, 이 경우 연료가스가 자유 불꽃(free flame) 형태로 공기 중에서 연소되는데, 연소 영역이 좁아 연료 낭비가 심하고 불완전 연소에 의해 NOx 등 환경 오염 물질이 발생하는 문제점이 있다. 반면에, 다공성 세라믹판과 같은 발열체를 통과시키는 경우 믹싱 챔버 내부에서 공기와 연료가스가 적절하게 혼합된 가스를 다공성 발열체 내부로 스며들게 하여 연소가 이루어지므로, 대부분의 연소는 화학양론적인 완전 연소이며, 이 때 발생하는 산화 엔탈피는 다공성 발열체를 순간적으로 달구어 강한 라디에이션을 일으키게 된다. 이 경우 라디에이션은 적외선 복사(infraredradiation, IR)가 주를 이룬다. 또한, 연속적인 가스의 도입은 달구어진 다공성 세라믹의 상층부에서 자발적인 연소를 통한 연속적인 열복사를 일으킨다. 이러한 형태의 라디에이션 히터나 버너는 자유 불꽃을 이용하는 일반 버너와 달리 연료 사용량, 에너지 효율, 친환경적 측면에서 큰 이점을 가져 다양한 형태로의 개발 및 상용화 시도가 계속되고 있다.
라디에이션 발열체의 소재는 적외선 복사의 방사율과 발열체의 형상화 방법에 따라 구분될 수 있으며, 대표적으로는 각종 금속산화물계 세라믹과 비산화물계 세라믹을 포함한다. 예를 들어, 탄화규소, 바잘트(basalt), 알루미나, 실리카 등의 재료들이 적외선 방사 발열체로 이용될 수 있다.
특히, 탄화규소는 1000℃ 이상에서 내열 특성이 우수하고, 방사율이 0.9~1.0으로 NIR(near infrared) 영역에 있으며, 가시광 영역에서도 방사율이 높기 때문에 검은색으로 나타난다(black body effect). 이러한 특성에 의하여 탄화규소는 다른 세라믹 소재에 비하여 30% 이상 높은 라디에이션 효율을 나타내는 것으로 알려졌다.
그러나, 탄화규소는 난소결성 세라믹 소재로서, 파우더 형태의 원료로부터 제조하는 경우 2200℃ 이상의 높은 소결온도를 필요로 하며, 에너지 효율을 향상시키기 위한 다양한 형상으로 제조하기가 매우 어려운 문제가 있다.
도 1에 종래 기술에 따른 탄화규소 섬유를 이용한 적외선 발열체인 Shott사 및 Okli사의 발열체 제품 사진을 나타낸다.
도 1에 나타낸 종래 기술의 경우, 초핑된 탄화규소 섬유의 표면을 탄소코팅하고, 이를 고르게 분산하여 매트 형상으로 만든 후, 다시 CVD 공정을 통해 탄화규소를 코팅하여 쵸핑 섬유 간의 점접촉을 형성하고, 연료 가스의 원활한 통기를 위해 천공을 하여 탄화규소 매트 적외선 발열체를 제조하였다.
이와 같은 공정에 따르면, 탄화규소 섬유 촙의 배향의 균일성을 확보하기 어렵기 때문에 기공 사이즈 및 기공 제어가 어려운 문제가 있다. 또한, CVD 코팅에 의존하므로 사이즈가 5~10 mm인 섬유 촙이 쉽게 분리될 수 있어, 매트 사용 중 부스러기(debris) 발생이 심하고, 발열체 제품의 안정성, 내구성 및 제품 수명이 저하되는 문제를 초래할 수 있다. 또한, 제품이 취약하여 핸들링하는 과정 중 손상 및 파손이 빈번하게 발생한다. 또한, 고가의 공정인 CVD 공정이 필수적이므로, 경제성 및 효율성 측면에서 문제가 있다.
또한, 특허문헌 1은 멜트블로운법을 이용한 실리콘카바이드 매트 제조장치 및그 제조방법을 개시하고 있다. 특허문헌 1에 따르면, (a) 멜트블로잉법을 이용하여 폴리카보실란(PCS)을 방사 적층하여 프리매트를 형성하는 단계; 및 (b) 상기 폴리카보실란 프리매트를 1000~1500도 불활성 분위기에서 열처리하여 실리콘카바이드(SiC) 매트로 전환하는 단계를 포함하고, 상기 (a) 단계는 폴리카보실란(PCS)을 방사 적층하여 제1 프리매트를 형성하는 단계; 및 상기 제1 프리매트를 웜-롤(worm roll) 장치를 통하여 150~250도에서 가온 및 가압함으로써 부분 안정화와 동시에 섬유의 접촉을 유도하여 제2 프리매트를 형성하는 단계를 포함하여, 상기 웜-롤 장치의 통과 속도에 따라 상기 실리콘카바이드 매트의 섬유간 접촉도가 제어되는 것을 특징으로 한다.
그러나, 특허문헌 1에 개시된 방법에 따르면, 부직포 공정에 기반하므로 섬유 두께 또는 섬유간 기공 크기 등을 제어하기가 어렵고, 제품 사용 중 부직포의 특성상 붑스러기 발생이 심해 제품 수명, 신뢰성 및 안정성에 문제를 초래할 수 있다. 또한, 제품이 취약하여 핸들링하는 과정 중 손상 및 파손이 빈번하게 발생한다.
본 발명의 목적은 세라믹 장섬유를 이용하는 적외선 발열체 및 그 제조방법을 제공하는 것으로, 특히 세라믹 장섬유를 스프레딩하여 시트를 형성한 후 이를 다양한 방식에 의해 직조하고, 직조 시트를 필요한 두께만큼 적층시켜 세라믹 섬유 매트를 형성함으로써, 용이한 방법에 의해 발열체 두께 및 천공 밀도를 조절할 수 있으며, 내구성이 확보되어 핸들링간 손상 문제를 해결할 수 있고, 층간 접촉을 최소화하여 열전달을 억제함으로써 백 플래쉬(back flash) 안정성을 확보할 수 있는 세라믹 장섬유를 이용하는 적외선 발열체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는 적층된 일 이상의 세라믹 섬유 직조 시트를 포함하는 세라믹 매트를 포함할 수 있으며, 상기 세라믹 섬유 직조 시트는 직조된 복수의 세라믹 섬유 스프레드 시트를 포함할 수 있는 적외선 발열체에 관한 것이다.
상기 실시예에서, 상기 세라믹 섬유 직조 시트는 상기 직조된 복수의 세라믹 섬유 스프레드 시트 사이의 교차점에 형성된 천공을 더 포함할 수 있다. 상기 세라믹 섬유 스프레드 시트는 세라믹 장섬유를 포함할 수 있다. 상기 세라믹 매트의 두께(T)는 상기 세라믹 섬유 직조 시트의 적층수를 조절함으로써 제어될 수 있다. 상기 천공의 밀도(n)는 상기 세라믹 섬유 스프레드 시트의 두께(t)를 조절함으로써 제어될 수 있다. 상기 세라믹 섬유는 탄화규소 섬유, 바잘트 섬유(Basalt fiber), 알루미나 섬유, 탄소 섬유, 유리 섬유 및 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 상기 세라믹 섬유 직조 시트는 인접하는 세라믹 섬유 직조 시트와 세라믹 섬유 스프레드 시트 방향이 서로 교차되도록 적층될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 실시예는 ⅰ) 세라믹 장섬유 다발을 스프레딩하여 세라믹 섬유 스프레드 시트를 형성하는 단계; ⅱ) 상기 세라믹 섬유 스프레드 시트를 직조하여 세라믹 섬유 직조 시트를 형성하는 단계; 및 ⅲ) 상기 세라믹 섬유 직조 시트를 일 이상 적층하여 세라믹 매트를 형성하는 단계를 포함할 수 있는 적외선 발열체의 제조방법에 관한 것이다.
상기 실시예에서, 상기 ⅰ) 단계에서, 상기 세라믹 장섬유 다발은 일정 가닥 수의 세라믹 장섬유에 사이징제를 도포하여 하나의 다발로 형성한 것일 수 있다. 상기 ⅱ) 단계에서, 상기 세라믹 섬유 스프레드 시트 사이의 교차점에 천공을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 ⅱ) 단계에서, 직조는 2차원 직조 방식 또는 3차원 직조 방식에 의해 이루어질 수 있다. 상기 ⅲ) 단계에서, 상기 세라믹 매트의 두께(T)는 상기 세라믹 섬유 직조 시트의 적층수를 조절함으로써 제어될 수 있다. 상기 천공의 밀도(n)는 상기 세라믹 섬유 스프레드 시트의 두께(t)를 조절함으로써 제어될 수 있다. 상기 세라믹 섬유는 탄화규소 섬유, 바잘트 섬유(Basalt fiber), 알루미나 섬유, 탄소 섬유, 유리 섬유 및 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 상기 ⅲ) 단계에서, 상기 세라믹 섬유 직조 시트는 인접하는 세라믹 섬유 직조 시트와 세라믹 섬유 스프레드 시트 방향이 서로 교차되도록 적층될 수 있다.
본 발명에 따르면, 세라믹 장섬유를 스프레딩 및 직조하여 시트를 형성하고 이를 필요한 두께만큼 적층시킨 매트를 적외선 발열체로 이용함으로써, 스프레드 시트의 두께를 조절하여 천공 밀도를 제어하고, 직조 시트의 적층수를 조절하여 매트 두께를 제어할 수 있어 효율적인 공정에 의해 최적화된 효과를 발휘하는 적외선 발열체를 제공할 수 있다.
이와 같이 형성된 세라믹 장섬유를 이용한 적외선 발열체는 사용 중 부스러기가 발생하지 않고 제품의 내구성이 확보되어 핸들링간 발열체 손상 문제를 해결할 수 있으며, 발열체의 신뢰성 및 안정성을 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 적외선 발열체는 적층된 시트의 층간 접촉을 최소화하여 열전달을 억제함으로써 백 플래쉬 현상에 대한 안정성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 종래 기술에 있어서 요구되는 CVD 코팅 등의 고가의 공정을 수행할 필요 없이 경제적 및 효율적인 공정에 의해 우수한 물성 및 안정성을 갖는 적외선 발열체를 제조할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 탄화규소 섬유를 이용한 적외선 발열체인 Shott사 및 Okli사의 발열체 제품 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 발열체의 제조 단계별 형상을 나타내는 도면이다. (a)는 탄화규소 섬유 다발을 스프레딩하여 형성한 탄화규소 섬유 스프레드 시트이고, (b)는 탄화규소 섬유 스프레드 시트를 직조하여 형성한 탄화규소 섬유 직조 시트이며, (c)는 탄화규소 섬유 직조 시트를 적층하여 형성한 탄화규소 매트를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 발열체를 적용한 연소기를 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 발열체의 제조방법을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 SiC 매트를 나타내는 것으로, (a) 및 (b)는 각각 10 mm 및 1.5 mm 너비의 SiC 스프레드 시트를 2차원 직조 장비를 이용하여 직조한 직조 시트를 나타내며, (c)는 500수 SiC 섬유를 5 mm 너비로 스프레딩하여 만든 시트를 나타낸다.
도 6은 비교예 1에 따라 제조된 종래 기술에 따른 SiC 매트의 미세 조직을 나타내는 도면이다.
도 7은 비교예 2에 따라 제조된 종래 기술에 따른 SiC 매트 및 그 미세 조직을 나타내는 도면으로, (a)는 PCS 프리매트, (b)는 SiC 매트를 나타내고, (c)는 (b)에 나타낸 SiC 매트의 미세 조직을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 발열체의 제조 단계별 형상을 나타내는 도면이다. (a)는 탄화규소 섬유 다발을 스프레딩하여 형성한 탄화규소 섬유 스프레드 시트이고, (b)는 탄화규소 섬유 스프레드 시트를 직조하여 형성한 탄화규소 섬유 직조 시트이며, (c)는 탄화규소 섬유 직조 시트를 적층하여 형성한 탄화규소 매트를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 발열체를 적용한 연소기를 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 발열체의 제조방법을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 SiC 매트를 나타내는 것으로, (a) 및 (b)는 각각 10 mm 및 1.5 mm 너비의 SiC 스프레드 시트를 2차원 직조 장비를 이용하여 직조한 직조 시트를 나타내며, (c)는 500수 SiC 섬유를 5 mm 너비로 스프레딩하여 만든 시트를 나타낸다.
도 6은 비교예 1에 따라 제조된 종래 기술에 따른 SiC 매트의 미세 조직을 나타내는 도면이다.
도 7은 비교예 2에 따라 제조된 종래 기술에 따른 SiC 매트 및 그 미세 조직을 나타내는 도면으로, (a)는 PCS 프리매트, (b)는 SiC 매트를 나타내고, (c)는 (b)에 나타낸 SiC 매트의 미세 조직을 나타낸다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 하기의 설명에서는 구체적인 구성요소 등과 같은 많은 특정사항들이 도시되어 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 발열체는 적층된 일 이상의 세라믹 섬유 직조 시트를 포함하는 세라믹 매트를 포함할 수 있으며, 상기 세라믹 섬유 직조 시트는 직조된 복수의 세라믹 섬유 스프레드 시트를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 발열체에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 발열체의 제조 단계별 형상을 나타내는 도면으로, 세라믹 섬유로 탄화규소 섬유를 이용한 경우이다.
도 2에 도시된 실시예에서는, 탄화규소 섬유를 이용하였으나, 다른 실시예에 따르면 세라믹 섬유는 탄화규소 섬유, 바잘트 섬유(Basalt fiber), 알루미나 섬유, 탄소 섬유, 유리 섬유 및 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
먼저, 도 2(a)를 참조하면, 세라믹 섬유 스프레드 시트는 세라믹 장섬유를 포함할 수 있으며, 예를 들어 세라믹 장섬유 다발을 공지된 스프레딩 방법에 의해 스프레딩하여 형성될 수 있다.
도 2(b)를 참조하면, 세라믹 섬유 직조 시트는 두께 t를 갖는 이러한 세라믹 섬유 스프레드 시트를 평직 방식으로 직조하여 형성될 수 있다.
도 2에 도시된 실시예에 있어서는 평직 방식으로 직조된 경우를 나타내었으나, 다른 실시예에 있어서는 능직 방식, 수자직 방식 등의 다양한 2차원 직조 방식 또는 3차원 직조 방식이 모두 적용될 수 있다.
세라믹 섬유 직조 시트는 직조된 복수의 세라믹 섬유 스프레드 시트 사이의 교차점에 형성된 천공을 더 포함할 수 있다. 천공은 연료 가스의 원활한 통기를 위하여 형성될 수 있다.
천공의 밀도(n)는 세라믹 섬유 스프레드 시트의 두께(t)를 조절함으로써 제어될 수 있다. 종래 기술에 따른 SiC 촙을 이용한 SiC 매트 또는 부직포로 형성된 SiC 매트의 경우, 섬유의 두께 또는 섬유간 기공 크기를 제어하기 어렵고, 통기를 위하여 별도 공정에 의해 천공을 형성하여야 하는 문제가 있었다. 반면, 본 발명에 따르면, 세라믹 장섬유로 이루어지는 세라믹 섬유 스프레드 시트의 두께(t)를 조절함으로써 직조된 복수의 세라믹 섬유 스프레드 시트 사이의 교차점에 형성된 천공의 밀도(n)를 쉽게 제어할 수 있어, 공정의 효율성을 높이고, 균일한 물성 및 안정성을 확보할 수 있다.
도 2(c)를 참조하면, 세라믹 매트는 세라믹 섬유 직조 시트의 적층체를 포함할 수 있다.
세라믹 매트의 두께(T)는 적층체를 이루는 세라믹 섬유 직조 시트의 수, 즉 세라믹 섬유 직조 시트의 적층수를 조절함으로써 쉽게 제어될 수 있다. 종래 기술에 따른 SiC 촙을 이용한 SiC 매트 또는 부직포로 형성된 SiC 매트의 경우, 매트의 두께를 정밀하게 제어하는 것이 어려워 균일하고 안정적인 물성 확보가 곤란한 문제가 있었다. 반면, 본 발명에 따르면, 세라믹 매트가 세라믹 섬유 직조 시트의 적층체로 형성됨으로써, 용도 및 목적 등에 따라 원하는 두께(T)를 갖도록 세라믹 섬유 직조 시트의 적층수를 조절하여 간편한 방법으로 정밀하게 매트의 두께(T)를 제어할 수 있다.
세라믹 섬유 직조 시트의 적층체에 있어서 인접하는 세라믹 섬유 직조 시트들은 세라믹 섬유 스프레드 시트 방향이 서로 교차되도록 적층될 수 있다.
세라믹 매트는 단순 적층에 의해 형성되므로, 적층체를 이루는 층간 접촉이 최소화되어 열전달이 억제됨으로써 백 플래쉬 현상을 방지할 수 있다. 백 플래쉬 현상은 플레이트 하부에서 연소되는 역발화 현상으로 매우 위험하므로, 적외선 발열체를 이용하는 경우 이를 효과적으로 방지하는 것이 중요하다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 발열체는, 세라믹 섬유 스프레드 시트를 직조하여 직조 시트를 형성한 후, 이를 적층시켜 매트 형태로 형성한 것으로, 사용 중 부스러기 발생이 방지되고 내구성이 향상되어, 제품 수명, 신뢰성 및 안정성을 확보할 수 있다. 또한, 세라믹 섬유 스프레드 시트의 두께를 조절함으로써 천공 밀도를 용이하게 제어할 수 있으며, 세라믹 섬유 직조 시트의 적층수를 조절함으로써 세라믹 매트의 두께를 쉽게 제어할 수 있으므로, 용도 및 적용 환경 등에 따라 우수한 물성을 확보하면서 적절하게 적용될 수 있다. 또한, 세라믹 매트를 이루는 층간 접촉이 최소화되어 열전달이 억제됨으로써, 백 플래쉬 현상에 대하여 안정성을 확보할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 발열체를 적용한 연소기를 나타내는 모식도이다.
도 3을 참조하면, 챔버 내에 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 발열체를 배치하고, 공기와 연료가스가 적절하게 혼합된 가스를 챔버 내부로 투입시킴으로써 연소가 이루어지고, 이 때 발생하는 산화 엔탈피에 의해 발열체가 가열되어 강한 라디에이션을 일으키게 된다. 이 경우 라디에이션은 적외선 복사가 주를 이룬다. 또한, 연속적인 가스의 도입은 달구어진 발열체의 상층부에서 자발적인 연소를 통한 연속적인 열복사를 일으킬 수 있다.
이러한 형태의 라디에이션 히터나 버너는 자유 불꽃을 이용하는 일반 버너와 달리 연료 사용량, 에너지 효율, 친환경적 측면에서 큰 이점을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 적외선 발열체의 제조방법은 ⅰ) 세라믹 장섬유 다발을 스프레딩하여 세라믹 섬유 스프레드 시트를 형성하는 단계; ⅱ) 상기 세라믹 섬유 스프레드 시트를 직조하여 세라믹 섬유 직조 시트를 형성하는 단계; 및 ⅲ) 상기 세라믹 섬유 직조 시트를 일 이상 적층하여 세라믹 매트를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 발열체의 제조방법을 설명한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 발열체의 제조방법을 나타내는 도면이다. 도 4에 도시된 실시예에서는 세라믹 섬유로 탄화규소 섬유를 이용하였으나, 다른 실시예에 따르면 세라믹 섬유는 탄화규소 섬유, 바잘트 섬유(Basalt fiber), 알루미나 섬유, 탄소 섬유, 유리 섬유 및 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
도 4를 참조하면, 먼저 세라믹 장섬유 다발을 제공할 수 있다. 세라믹 장섬유 다발은 일정 가닥 수의 세라믹 장섬유에 사이징제를 도포하여 하나의 다발로 형성한 것이다. 예를 들어, 500수 세라믹 섬유인 경우, 500 가닥의 세라믹 장섬유에 사이징제를 도포하여 하나의 다발로 만든 것이다.
다음으로, 세라믹 장섬유 다발은 스프레딩 방법에 의해 스프레딩되어 세라믹 섬유 스프레드 시트를 형성할 수 있다. 섬유의 스프레딩 방법은 당해 기술분야에 널리 공지되어 있으며, 본 실시예에서는 공지된 방법 중 적절한 것을 선택하여 이용할 수 있다. 예를 들어, UD 스프레딩 방법이 이용될 수 있다.
종래 기술에 따른 SiC 촙을 이용한 매트의 경우 별도의 열처리 공정에 의해 표면의 사이징제를 제거하여야 한다. 반면, 본 실시예에 있어서는 세라믹 장섬유에 도포된 사이징제를 제거할 필요 없이 스프레딩하여 스프레드 시트를 형성할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 공정 효율성 및 경제성을 높일 수 있으며, 균일한 물성 확보가 가능해질 수 있다.
다음으로, 세라믹 섬유 스프레드 시트를 직조하여 세라믹 섬유 직조 시트를 형성할 수 있다.
도 4에 도시된 실시예에 있어서는 평직 방식으로 직조된 경우를 나타내었으나, 다른 실시예에 있어서는 능직 방식, 수자직 방식 등의 다양한 2차원 직조 방식 또는 3차원 직조 방식이 모두 적용될 수 있다.
또한, 직조 단계에서, 상기 세라믹 섬유 스프레드 시트 사이의 교차점에 천공을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 천공은 연료 가스의 원활한 통기를 위하여 형성될 수 있다.
이 때, 천공의 밀도(n)는 세라믹 섬유 스프레드 시트의 두께(t)를 조절함으로써 쉽게 제어될 수 있다. 종래 기술과 달리, 본 실시예에 따르면, 별도의 천공 공정을 수행할 필요 없이 직조 과정에서 천공이 형성될 수 있으며, 세라믹 섬유 스프레드 시트의 두께(t) 조절에 의해 천공의 밀도(n)를 조절할 수 있으므로, 공정의 효율성을 높이고, 균일한 물성 및 안정성을 확보할 수 있다.
다음으로, 세라믹 섬유 직조 시트를 일 이상 적층하여 세라믹 매트를 형성할 수 있다.
이 때, 세라믹 매트의 두께(T)는 적층체를 이루는 세라믹 섬유 직조 시트의 수, 즉 세라믹 섬유 직조 시트의 적층수를 조절함으로써 쉽게 제어될 수 있다. 종래 기술과 달리, 본 발명에 따르면, 세라믹 매트가 세라믹 섬유 직조 시트의 적층체로 형성됨으로써, 용도 및 목적 등에 따라 원하는 두께(T)를 갖도록 세라믹 섬유 직조 시트의 적층수를 조절하여 간편한 방법으로 정밀하게 매트의 두께(T)를 제어할 수 있다.
세라믹 섬유 직조 시트의 적층체에 있어서 인접하는 세라믹 섬유 직조 시트들은 세라믹 섬유 스프레드 시트 방향이 서로 교차되도록 적층될 수 있다.
본 실시예의 적외선 발열체 제조방법에 따르면, 종래 기술에서 필수적으로 요구되었던 세라믹 섬유 초핑 공정, 사이징제 제거 공정 및 CVD 코팅 공정 등을 배제할 수 있어, 공정 효율성 및 경제성을 높일 수 있으며, 쉽고 효과적인 방식으로 매트 두께 및 천공 밀도 등을 제어할 수 있어 제품의 수명, 신뢰성 및 안정성을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
폴리카보실란(PCS)을 톨루엔에 용해시켜 30~50% 농도의 폴리카보실란 용액을 제조하고, 제조된 용액을 공지된 방법을 이용하여 연속 용융 방사하여 섬유를 제조하였다. 섬유를 200℃가 유지되는 오븐에서 1시간 동안 안정화시킨 후, 1200~2000℃의 온도에서 열처리하여, SiC 섬유를 제조하였다. 본 실시예에서는 이와 같은 공지된 방법에 의해 SiC 섬유를 제조하였으나, 다른 실시예에서는 시판되는 상용 SiC 섬유를 사용할 수 있다.
500수 SiC 섬유(500가닥의 섬유에 사이징제를 도포하여 한 다발로 만든 것)을 공지된 방법인 UD 스프레딩법을 적용하여 각각 1.5 mm, 5 mm 및 10 mm 너비로 스프레딩하여 시트로 만든 후 지관에 권취하였다.
이 스프레드 시트를 2차원 직조 장비를 이용하여 직조하여, 10 cm 너비로 재단하였다. 이 직조 시트를 가로, 세로가 교차하도록 적층하여 3 mm 두께의 매트를 제조하였다.
도 5에 제조된 SiC 매트를 나타낸다. 도 5를 참조하면, (c)는 500수 SiC 섬유를 5 mm 너비로 스프레딩하여 만든 시트를 나타내고, (a) 및 (b)는 각각 10 mm 및 1.5 mm 너비의 SiC 스프레드 시트를 2차원 직조 장비를 이용하여 직조한 직조 시트를 나타낸다. (a) 및 (b)에서 원형 점선으로 표시된 부분은 교차하는 스프레드 시트 사이에 형성된 천공을 나타낸다.
이와 같이 제조된 SiC 매트는 장섬유 시트를 직조하고 이를 적층하여 매트를 형성함으로써, 사용 중 부스러기 발생이 억제되고 제품 내구성을 확보할 수 있으며, 단일 스프레드 시트 두께를 조절하여 천공 밀도를 제어하고, 직조 시트의 적층수를 조절하여 매트 두께를 제어할 수 있어 효율적인 공정 확보가 가능하다. 또한, 층간 접촉을 최소화하여 열전달을 억제함으로써 백 플래쉬 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
비교예 1
상용 SiC 섬유(Tyranno ZMI, UBE(일본))를 5~10 mm 크기의 촙으로 분쇄하였다. 분쇄된 촙을 400℃ 전기로에서 열처리하여 표면의 사이징제를 제거하였다. 사이징제가 제거된 촙에 대하여 카딩(carding) 및 롤링(rolling) 공정을 수행하여 배향을 진행하였다. 배향 플레이트 위에 촙이 서로 결합되지 않고 단순 분산배향된 매트를 CVD 반응 챔버에 장입한 후 일반적인 CVD 공정에 준하여 SiC 코팅을 수행하였다(코팅온도 1300℃, 코팅시간 10분). 제조된 SiC 매트의 미세 조직을 도 6에 나타낸다.
도 6으로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 이와 같이 형성된 SiC 매트는 CVD 코팅에 의존하므로 크기가 5~10 mm인 촙이 쉽게 분리되어, 매트 사용 중에 부스러기 발생이 심하고, 안정성 및 내구성이 저하된다. 고가의 CVD 공정이 필수적이므로 공정 효율성이 떨어지며, 매트 두께 및 섬유간 기공 크기 등의 적절한 제어가 어려운 문제가 있다. 또한, 제품이 매우 취약하여 핸들링간에 손상 및 파손이 빈번하게 발생하는 문제가 있다.
비교예 2
특허문헌 1에 개시된 방법과 유사한 방법에 따라, 폴리카보실란을 멜트블론 방사하여 부직포상의 프리매트를 제조하였다. 10 g의 하중을 주며 200℃에서 열산화 안정화를 실시한 후, 직경 15 cm의 원형으로 재단하였다. 1200℃에서 고온 열처리함으로써 SiC 매트를 제조하였다. 제조된 SiC 매트 및 그 미세 조직을 도 7에 나타낸다.
도 7로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 이와 같이 형성된 SiC 매트는 부직포 공정에 따라 제조되므로 매트 두께 및 섬유간 기공 크기 등의 적절한 제어가 어렵고, 부직포 공정의 문제점으로 제품 사용 중 부스러기가 발생하여 제품 수명과 신뢰성 및 안정성에 문제가 있다. 또한, 제품이 매우 취약하여 핸들링간에 손상 및 파손이 빈번하게 발생하는 문제가 있다.
상기 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
Claims (15)
- 가스식 적외선 라디에이션 히터에 이용되며,
적층된 일 이상의 세라믹 섬유 직조 시트를 포함하는 세라믹 매트를 포함하며,
상기 세라믹 섬유 직조 시트는 직조된 복수의 세라믹 섬유 스프레드 시트 및 상기 직조된 복수의 세라믹 섬유 스프레드 시트 사이의 교차점에 형성된 천공을 포함하며,
상기 천공의 밀도(n)는 상기 세라믹 섬유 스프레드 시트의 두께(t)를 조절함으로써 제어되는
적외선 발열체.
- 제1항에 있어서,
상기 세라믹 섬유 스프레드 시트는 세라믹 장섬유를 포함하는
적외선 발열체.
- 제1항에 있어서,
상기 세라믹 매트의 두께(T)는 상기 세라믹 섬유 직조 시트의 적층수를 조절함으로써 제어되는
적외선 발열체.
- 제1항에 있어서,
상기 세라믹 섬유는 탄화규소 섬유, 바잘트 섬유(Basalt fiber), 알루미나 섬유, 탄소 섬유, 유리 섬유 및 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는
적외선 발열체
- 제1항에 있어서,
상기 세라믹 섬유 직조 시트는 인접하는 세라믹 섬유 직조 시트와 세라믹 섬유 스프레드 시트 방향이 서로 교차되도록 적층되는
적외선 발열체.
- 적외선 발열체의 제조방법으로서,
ⅰ) 세라믹 장섬유 다발을 스프레딩하여 세라믹 섬유 스프레드 시트를 형성하는 단계;
ⅱ) 상기 세라믹 섬유 스프레드 시트를 직조하여 세라믹 섬유 직조 시트를 형성하는 단계; 및
ⅲ) 상기 세라믹 섬유 직조 시트를 일 이상 적층하여 세라믹 매트를 형성하는 단계를 포함하며,
상기 ⅱ) 단계에서, 상기 세라믹 섬유 스프레드 시트 사이의 교차점에 천공을 형성하는 단계를 더 포함하며,
상기 천공의 밀도(n)는 상기 세라믹 섬유 스프레드 시트의 두께(t)를 조절함으로써 제어되고,
상기 적외선 발열체는 가스식 적외선 라디에이션 히터에 이용되는
적외선 발열체의 제조방법.
- 제6항에 있어서,
상기 ⅰ) 단계에서, 상기 세라믹 장섬유 다발은 일정 가닥 수의 세라믹 장섬유에 사이징제를 도포하여 하나의 다발로 형성한 것인
적외선 발열체의 제조방법.
- 제6항에 있어서,
상기 ⅱ) 단계에서, 직조는 2차원 직조 방식 또는 3차원 직조 방식에 의해 이루어지는
적외선 발열체의 제조방법.
- 제6항에 있어서,
상기 ⅲ) 단계에서, 상기 세라믹 매트의 두께(T)는 상기 세라믹 섬유 직조 시트의 적층수를 조절함으로써 제어되는
적외선 발열체의 제조방법.
- 제6항에 있어서,
상기 세라믹 섬유는 탄화규소 섬유, 바잘트 섬유(Basalt fiber), 알루미나 섬유, 탄소 섬유, 유리 섬유 및 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는
적외선 발열체의 제조방법.
- 제6항에 있어서,
상기 ⅲ) 단계에서, 상기 세라믹 섬유 직조 시트는 인접하는 세라믹 섬유 직조 시트와 세라믹 섬유 스프레드 시트 방향이 서로 교차되도록 적층되는
적외선 발열체의 제조방법.
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