KR102265383B1 - 박막 적층 발열체 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 박막 적층 발열체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 제1증착물 및 제2증착물이 교대로 적층되어 형성되되, 상기 제1증착물은 Ni, Ni합금, 금속산화물 중에서 선택된 어느 하나이고, 상기 제2증착물은 Al, Al합금 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 박막 적층 발열체 및 그 제조방법을 이용함으로써, 저융점의 금속을 순간적으로 녹여 짧은 시간 내에 접합하는 공정을 수행할 수 있도록 하여, 고온의 열에 의해 유해 가스가 발생하지 않아, 작업자의 건강을 지키면서, 작업환경의 안전성을 상승시키는 효과가 있다. 또한, 짧은 시간 내에 고온 발열이 가능하여 순간적인 점화 및 발화가 요구되는 장치에 적용가능하며, 적은 양의 외부 에너지를 통하여 상대적으로 큰 열을 발생시키므로, 에너지 절감 효과가 있다.

Description

박막 적층 발열체 및 그 제조방법{Thin film laminated heating element and manufacturing method thereof}

본 발명은 박막 적층 발열체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 두 가지 이상의 소재를 나노 사이즈의 두께의 박막으로 반복 연속 적층하여 짧은 시간 안에 원소 간의 확산에 의해 고온의 열이 발생하도록 하는 박막 적층 발열체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

자연계가 존재하는 소재들은 순수한 원소의 상태를 유지하는 것보다 원소들끼리 서로 섞여 엔트로피를 증가시키는 방향으로 진행하고자 하는 성질이 있다. 엔트로피를 증가시키는 비가역적 반응을 함으로써 원소들은 서로 혼합된 상태에서 안정상을 이루게 된다. 또한 순수한 금속 소재들은 산소 등과 반응하여 산화물 형태를 이루게 되는데, 이때 순수한 금속 상태보다 엔탈피가 낮아지게 되므로, 에너지적으로 안정한 상태가 된다.

각 소재들은 엔트로피가 증가되거나 엔탈피가 낮아지는, 즉 에너지적으로 안정한 상태로 이동 시에, 두 상태의 엔탈피 차이만큼 발열이 발생하게 되는 발열 과정이 동반된다.

고체 상태의 원소들의 혼합은 이종 이상의 원소 간 물리적 확산 현상에 의해 이루어지게 되어 두 소재의 계면에서부터 확산에 의해 점차 섞이는 확산층이 확장되게 된다.

종래의 발열체를 이용하여 저융점의 금속을 순간적으로 녹여 짧은 시간 안에 접합하는 공정을 시행할 시에, 고온의 열에 의해 유해 가스가 발생하게 되어 작업자의 건강을 위협하고, 작업환경의 안전성을 저하시킨다.

또한, 종래의 발열체는 고온의 열을 발생시키기 위하여 긴 시간이 소요되므로, 점화 및 발화에는 적합하지 않다는 한계가 있다.

또한, 소재에 전기를 통하게 하여 소재가 가지고 있는 저항을 이용하여 발열을 하게 되므로, 발열을 위하여 큰 에너지가 필요하다는 문제가 있다.

공개특허공보 제10-2005-0011766호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 저융점의 금속을 순간적으로 녹여 짧은 시간 내에 접합하는 공정을 수행할 수 있도록 하여, 고온의 열에 의해 유해 가스가 발생하지 않아, 작업자의 건강을 지키면서, 작업환경의 안전성을 상승시키는 박막 적층 발열체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 짧은 시간 내에 고온 발열이 가능하여 순간적인 점화 및 발화가 요구되는 장치에 적합한 박막 적층 발열체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 적은 양의 외부 에너지를 통하여 상대적으로 큰 열을 발생시키므로, 에너지 절감이 가능한 박막 적층 발열체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 박막 적층 발열체는,

제1증착물(12) 및 제2증착물(13)이 교대로 적층되어 형성되되,

상기 제1증착물(12)은 Ni, Ni합금, 금속산화물 중에서 선택된 어느 하나이고,

상기 제2증착물(13)은 Al, Al합금 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 박막 적층 발열체에서,

상기 Ni합금은, Ni에 Cr, V, Si, Mo, W, Zn, Cu 중 적어도 한 개 이상의 원소와 혼합된 합금인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 박막 적층 발열체에서,

상기 Al합금은, Al에 Cr, Si, Mo, Cu, Zn, Mn 중 적어도 한 개 이상의 원소와 혼합된 합금인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 박막 적층 발열체에서,

상기 금속산화물은, Fe₂O₃, CuO, NiO, WO₃, Bi₂O₃, ZnO, Cr₂O₃, MoO₃ 중 적어도 한 가지 이상을 포함한 산화물 또는 혼합 산화물인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 박막 적층 발열체에서,

상기 제1증착물(12) 및 상기 제2증착물(13)의 두께는 5~100nm인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 박막 적층 발열체를 제조하기 위한 박막 적층 발열체 제조방법은,

기판(10) 상에 상기 제1증착물(12) 및 상기 제2증착물(13)을 교대로 적층하여 적층 구조체(11)를 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 박막 적층 발열체 제조방법에서,

상기 제1증착물(12) 및 상기 제2증착물(13)은, 상기 기판(10) 상에 물리적 기상 증착 방식 또는 스퍼터링 증착 방식을 이용하여 증착되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 박막 적층 발열체 제조방법에서,

상기 적층 구조체(11)를 상기 기판(10)에서 박리하거나, 또는 상기 기판(10)과 일체화하여 박막 적층 발열체를 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 박막 적층 발열체 및 그 제조방법을 이용함으로써, 저융점의 금속을 순간적으로 녹여 짧은 시간 내에 접합하는 공정을 수행할 수 있도록 하여, 고온의 열에 의해 유해 가스가 발생하지 않아, 작업자의 건강을 지키면서, 작업환경의 안전성을 상승시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 짧은 시간 내에 고온 발열이 가능하여 순간적인 점화 및 발화가 요구되는 장치에 적용가능하다는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 적은 양의 외부 에너지를 통하여 상대적으로 큰 열을 발생시키므로, 에너지 절감 효과가 있다.

도1은 본 발명에 따른 박막 적층 발열체에서 기판 상에 제1증착물 및 제2증착물이 증착된 것을 도시한 도면.
도2는 본 발명에 따른 박막 적층 발열체에서 기판 상에 제1증착물 및 제2증착물이 교대로 반복 증착된 것을 도시한 도면.
도3은 본 발명에 따른 박막 적층 발열체에서 제1증착물 및 제2증착물로 구성된 적층 구조체를 기판으로부터 박리하는 것을 도시한 도면.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.

도1은 본 발명에 따른 박막 적층 발열체에서 기판 상에 제1증착물 및 제2증착물이 증착된 것을 도시한 도면, 도2는 본 발명에 따른 박막 적층 발열체에서 기판 상에 제1증착물 및 제2증착물이 교대로 반복 증착된 것을 도시한 도면, 도3은 본 발명에 따른 박막 적층 발열체에서 제1증착물 및 제2증착물로 구성된 적층 구조체를 기판으로부터 박리하는 것을 도시한 도면이다,

본 발명에 따른 박막 적층 발열체는, 제1증착물(12) 및 제2증착물(13)이 교대로 반복 적층되어 형성되되, 상기 제1증착물(12)은 Ni, Ni합금, 금속산화물 중에서 선택된 어느 하나이고, 상기 제2증착물(13)은 Al, Al합금 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

제1증착물(12)과 제2증착물을 서로 다른 이종의 원소가 포함된 소재를 사용함으로써, 전압이 인가되거나 열이 가해지는 등 외부에서 자극에 주어졌을 때 제1증착물(12)의 소재와 제2증착물(13)의 소재가 경계면에서 확산에 의해 용이하게 섞이게 되거나, 금속산화물의 산소가 치환하여 알루미늄 산화물로 형성되며 발열이 이루어지게 된다. 이때, 섞임 또는 산화물 형성시 발생되는 에너지를 이용하여 발열체로 이용할 수 있게 된다.

이때, Ni합금은, Ni에 Cr, V, Si, Mo, W, Zn, Cu 중 적어도 한 개 이상의 원소와 혼합된 합금이고, Al합금은, Al에 Cr, Si, Mo, Cu, Zn, Mn 중 적어도 한 개 이상의 원소와 혼합된 합금으로 한다.

여기서, 제1증착물(12)로 Ni 또는 Ni합금을 이용하고, 제2증착물(13)로 Al 또는 Al합금을 이용하여 이들을 반복하여 적층하고, 전압이 인가되거나 열이 가해지는 등 외부에서 자극에 주어졌을 때 제1증착물(12)의 소재와 제2증착물(13)의 소재의 경계면에서 각 소재의 자유전자가 경계면을 넘어 타 소재로 이동하는 확산 현상이 일어나고 타 소재와의 재 결합시 발열반응에 의해 열이 발생하게 되므로, 발열체를 형성하게 되는 것이다.

즉, 이종 소재가 접촉시 서로 확산에 의해 섞이는 과정에서 각 소재에 속해있던 자유전자의 에너지 준위 차이에 따라 타 소재와의 재 결합시 열을 방출하며 결합하는 발열 현상이 동반되게 되는 것이다. 그러므로 소재 선택시 엔트로피 차이가 큰 이종 소재 조합을 선택하고, 이 소재들이 서로 접하게 되는 면적을 최대화 하며, 또한 확산이 매우 짧은 시간에 이루어지도록 두 소재간 간격을 매우 짧게 유지하도록 하면 매우 짧은 시간에 동시 다발적 확산에 의한 섞임이 발생하며 이를 통해 순간적 발열이 일어나게 된다.

또한, 반복 적층되는 제1증착물(12) 및 제2증착물(13)의 각각의 증착 두께가 나노 크기 이므로 확산은 경계면 뿐만 아니라 전체 영역에서 일어날 수 있게 된다.

이때, 이종 소재 간의 섞임에 의하여 발열이 일어나더라도, 유해가스가 발생하지 않기 때문에, 작업 환경의 안전성이 상승하게 된다.

또한, 본 발명의 제1증착물(12)로 사용되는 금속산화물은, Fe₂O₃, CuO, NiO, WO₃, Bi₂O₃, ZnO, Cr₂O₃, MoO₃ 중 적어도 한 가지 이상을 포함한 산화물 또는 혼합 산화물인 것을 특징으로 한다.

여기서, 제1증착물(12)로 금속산화물을 이용하게 되면, 전압이 인가되거나 열이나 약품이 가해지는 등 외부의 자극이 주어졌을 때 금속산화물에 포함된 산소가 제2증착물(13)인 Al 또는 Al합금과 반응하여 산화알루미늄으로 변환시 큰 발열현상이 일어나게 되는데, 이때 산소 가스도 발생할 수 있게 된다. 이와 같이 산화물과 금속간의 적층은 많을 발열 및 산소가스 등이 동반되므로 순간적 점화 장치에 적용 가능한 발열체가 될 수 있다.

여기서, 제1증착물(12)과 제2증착물(13)의 두께는 5~100nm로 하는 것이 바람직하다. 이는 제1증착물(12)과 제2증착물(13)이 접촉 경계면 뿐만 아니라 전 영역에서 확산이 일어나도록 하기 위한 것이다.

또한, 이와 같이 제1증착물(12)과 제2증착물(13)을 교대로 반복 적층하되 제1증착물(12)과 제2증착물(13)을 1세트로 하여 대략 1000층 정도로 적층하게 되면 수십 마이크로 미터의 적층 구조체(11)가 된다.

한 층의 제1증착물(12)과 인접한 한 층의 제2증착물(13) 간의 섞임에 의하여 발생하는 에너지를 1Q라고 가정하면, 위와 같이 1000층으로 적층된 마이크로 미터 두께의 적층 구조체(11)는 동시 다발적인 소재 간의 섞임에 의하여 짧은 시간 안에 1000Q의 에너지를 발생시키므로, 순간적인 자체 발열에 의한 점화장치 또는 저융점 소재를 녹여서 접합이 가능하도록 하는 용접장치로 사용가능하다.

이과 같은 박막 적층 발열체를 제조하기 위하여,

본 발명에 따른 박막 적층 발열체 제조방법은, 기판(10) 상에 제1증착물(12) 및 제2증착물(13)을 교대로 반복하여 적층하여 적층 구조체(11)를 형성한다.

여기서, 기판(10)은 세라믹 기판이 바람직하며, 세라믹 기판은 유리(glass), 세라믹 유리, 질화실리콘(Si₃N₄), 산화알루미늄(Al₂O₃), 질화알루미늄(AlN)을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 도1 내지 도3에는 기판(10) 상에 제1증착물(12)을 증착하고, 제1증착물(12) 상에 제2증착물(13)을 증착하고, 다시 제1증착물(12)을 증착하면서 반복하는 구조체(11)를 도시하였으나, 이에 한정하지 않고, 기판(10) 상에 제2증착물(13)을 증착하고, 제2증착물(13) 상에 제1증착물(12)을 증착하여 적층 구조체(11)를 형성하여도 무방함은 물론이다.

여기서, 제1증착물(12) 및 제2증착물(13)을 증착하는 방법으로는, 물리적 기상 증착 방식을 이용하거나 회전하는 기판(10) 상에 스퍼터링 증착 방식을 이용하는 것이 바람직하나, 이에 한정하는 것은 아니며, 제1증착물(12) 및 제2증착물(13)을 균일한 두께로 증착할 수 있는 어떠한 방법을 사용하여도 무방하다.

또한, 제1증착물(12) 및 제2증착물(13)을 증착시키기 위하여, 제1증착물(12)을 토출하는 제1증착물 소스(미도시)와 제2증착물(13)을 토출하는 제2증착물 소스(미도시)가 구비될 수 있으며, 이때 제1증착물(12)이 증착될 시에는 제2증착물 소스(미도시)의 토출구는 소스덮개에 의하여 덮혀지고, 제2증착물(13)이 증착될 시에는 제1증착물 소스(미도시)의 토출구가 소스덮개에 의하여 덮혀지도록 구성할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 박막 적층 발열체를 제조하기 위하여, 적층 구조체(11)를 기판(10)에서 박리하여 이용하거나, 또는 기판(10)과 적층 구조체(11)를 일체화하여 이용하는 것이 가능하다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 수정이나 변형이 가능할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특히 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 기판 11 : 적층 구조체
12 : 제1증착물 13 : 제2증착물

Claims (8)

1. 제1증착물(12) 및 제2증착물(13)이 교대로 반복되어 적층되어 형성되되,
   상기 제1증착물(12)은 Ni, Ni합금 중에서 선택된 어느 하나이고,
   상기 제2증착물(13)은 Al, Al합금 중에서 선택된 어느 하나이며,
   상기 제1증착물(12) 및 상기 제2증착물(13)은, 기판(10) 상에 물리적 기상 증착 방식 또는 스퍼터링 증착 방식을 이용하여 두께 5~100nm로 증착되고,
   상기 제1증착물(12)의 소재와 상기 제2증착물(13)의 소재의 접합 경계면 및 전체 영역에서 각 소재가 경계면을 넘어 타 소재로 이동하여 섞이는 동시 다발적 확산에 의해 순간 발열이 일어나는 것을 특징으로 하는 박막 적층 발열체.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 Ni합금은, Ni에 Cr, V, Si, Mo, W, Zn, Cu 중 적어도 한 개 이상의 원소와 혼합된 합금인 것을 특징으로 하는 박막 적층 발열체.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 Al합금은, Al에 Cr, Si, Mo, Cu, Zn, Mn 중 적어도 한 개 이상의 원소와 혼합된 합금인 것을 특징으로 하는 박막 적층 발열체.
   
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항의 박막 적층 발열체를 제조하기 위하여,
   기판(10) 상에 상기 제1증착물(12) 및 상기 제2증착물(13)을 교대로 반복 적층하여 적층 구조체(11)를 형성하며,
   상기 제1증착물(12) 및 상기 제2증착물(13)은, 기판(10) 상에 물리적 기상 증착 방식 또는 스퍼터링 증착 방식을 이용하여 두께 5~100nm로 증착되고,
   상기 제1증착물(12)의 소재와 상기 제2증착물(13)의 소재의 접합 경계면 및 전체 영역에서 각 소재가 경계면을 넘어 타 소재로 이동하여 섞이는 동시 다발적 확산에 의해 순간 발열이 일어나는 것을 특징으로 하는 박막 적층 발열체 제조방법.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 제1증착물(12) 및 상기 제2증착물(13)은, 상기 기판(10) 상에 물리적 기상 증착 방식 또는 스퍼터링 증착 방식을 이용하여 증착되는 것을 특징으로 하는 박막 적층 발열체 제조방법.
   
8. 제 6항에 있어서,
   상기 적층 구조체(11)를 상기 기판(10)에서 박리하거나, 또는 상기 기판(10)과 일체화하여 박막 적층 발열체를 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 적층 발열체 제조방법.

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