KR102453487B1

KR102453487B1 - 적외선 히터용 면상발열체.

Info

Publication number: KR102453487B1
Application number: KR1020200150101A
Authority: KR
Inventors: 이은호
Original assignee: (주) 예스티
Priority date: 2020-11-11
Filing date: 2020-11-11
Publication date: 2022-10-12
Also published as: KR20220064036A

Abstract

본 발명은 적외선 히터용 면상발열체에 관한 것으로서, 베이스 플레이트, 상기 베이스 플레이트 배치되는 발열체, 및 상기 발열체 상에 적층되는 커버 플레이트로 이루어지며, 상기 발열체는 상기 커버 플레이트의 일부를 관통하여 지지되도록 구성되며, 상기 베이스 플레이트 및 상기 커버 플레이트는 페이스트에 의해 접착되며, 상기 페이스트는 산화붕소(B₂O₃) 30 내지 40 중량%, 산화납(PbO) 10 내지 20 중량%, 산화비스무스(Bi₂O₃) 40 내지 50 중량%, 규산나트륨(sodium silicate) 5 내지 10 중량% 및 중공형 실리카(SiO₂) 5 내지 10 중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

적외선 히터용 면상발열체.{HEATING ELEMENT FOR INFRARED HEATER}

본 발명은 적외선 히터용 면상발열체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 대면적 디스플레이 제조공정의 기판처리장치에 적용되는 적외선 히터에 설치되어 대면적의 고온 면발열이 가능한 적외선 히터용 면상발열체에 관한 것이다.

평판 디스플레이를 제조할 때 기판을 처리하는 공정에서는 증착 장치와 어닐링 장치와 같은 기판처리장치가 사용되고 있다. 상기 기판처리장치는 기판이 로딩되어 증착이나 어닐링을 수행할 수 있도록 구성되는데, 상기 기판이 로딩되고 처리되도록 구성되는 챔버를 포함하는 본체, 상기 본체의 내부, 특히, 바닥에 설치되어 상기 기판을 처리하는데 필요한 열을 발생하는 히터를 포함하여 구성된다.

상기 히터는 일반적으로 적외선 히터를 적용하며, 이는 면상발열체를 이용하여 구성되고 있다. 종래의 면상발열체는 박판과 그 위에 형성되는 패턴형 열선으로 이루어지는데, 이러한 면상발열체를 사용하면 상기 히터가 고온에서 변형되는 문제점이 발생한다.

또한, 기판처리방법에 따라 소재 내 결정립의 크기와 형태가 달라지게 될 수 있으며, 이 경우 파티클의 발생이 문제가 될 수 있다.

또한, 종래의 면상발열체는 전체 면적에서의 발열 균일성이 불충분하여 대면적의 기판을 열처리할 때 균일한 열처리가 어려운 문제가 있었다.

대한민국 공개특허공보 10-2012-0093165호 미국 특허공보 제8,962,078호 대한민국 공개특허공보 10-2017-0016748호

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 면발열의 효율을 향상시켜 적외선 히터의 승온 온도를 높일 수 있는 면상발열체를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 파티클 생성을 억제하고 발열면에서의 온도 균일성을 향상시킴으로써 고품질의 기판처리가 가능한 적외선 히터용 면상발열체를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 면상 발열체는 베이스 플레이트, 상기 베이스 플레이트 배치되는 발열체, 및 상기 발열체 상에 적층되는 커버 플레이트로 이루어지며, 상기 발열체는 상기 커버 플레이트의 일부를 관통하여 지지되도록 구성되는 것으로서, 상기 베이스 플레이트 및 상기 커버 플레이트는 페이스트에 의해 접착되며, 상기 페이스트는 산화붕소(B₂O₃) 30 내지 40 중량%, 산화납(PbO) 10 내지 20 중량%, 산화비스무스(Bi₂O₃) 40 내지 50 중량%, 규산나트륨(sodium silicate) 5 내지 10 중량% 및 중공형 실리카(SiO₂) 5 내지 10 중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 발열체는 판형, 원통형, 코일스프링형 열선 또는 인쇄에 의해 형성된 발열 패턴일 수 있다.

또한, 상기 면상발열체는 블록으로 이루어질 수 있으며, 이를 통해 적외선 히터의 바닥에 복수개가 조립되어 발열부를 구성할 수 있다.

본 발명의 면상발열체는 면발열의 효율을 향상시킬 수 있도록 구성됨으로써 적외선 히터의 승온 온도를 높일 수 있다.

또한, 파티클 생성을 억제하고 발열면에서의 온도 균일성을 향상시킴으로써 고품질의 기판처리가 가능한 효과를 나타낸다.

또한, 블록 형태로 이루어짐으로써 히터의 바닥에 복수개를 조립하여 발열부를 구성할 수 있으며, 이를 통해 다양한 면적의 적외선 히터에 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 면상발열체의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 면상발열체의 외주연의 구조를 나타낸 단면도이다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명에 따른 면상발열체는 도 1에 도시된 바와 같이, 베이스 플레이트, 상기 베이스 플레이트 배치되는 발열체, 및 상기 발열체 상에 적층되는 커버 플레이트로 이루어지며, 상기 발열체는 상기 커버 플레이트의 일부를 관통하여 지지되도록 구성되는 것이다.

상기 발열체는 판형, 원통형, 코일스프링형 열선 또는 인쇄에 의해 형성된 발열 패턴을 적용할 수 있다. 특히, 판형 열선을 사용하는 것이 바람직한데, 적외선 히터로 적용하기 위하여 칸탈 열선(Kanthal APM wire)을 사용할 수 있다. 상기 칸탈 열선은 알루미늄(Al)을 주성분으로 하는 것으로서 고온으로 올라갈수록 저항열선이 열을 받게 되고 Al을 주성분으로 구성되기 때문에 상기 열선의 표면에 산화피막(Al₂O₃)이 형성되며, 이로 인하여 고온에서에 수명이 기존 열선에 비해 2 내지 4배로 길어지게 된다. 본 발명에서 사용하는 상기 칸탈 열선은 판형으로 이루어져 있기 때문에 상기 베이스 플레이트와 상기 커버 플레이트를 적층하면 적층 공간 내에서 기밀하게 배치될 수 있어 발열 효과를 향상시킬 수 있다.

상기 판형의 칸탈 열선은 두께가 1T 이하, 바람직하게는, 0.2 내지 0.4T로 이루어질 수 있으며, 이와 같은 박판을 적용함으로써 열선이 열변형되지 않고 구조적 안정성을 유지할 수 있다. 또한, 원통형 또는 코일 스프링형의 칸탈 열선을 사용하는 경우 상기 열선을 설치하기 위한 음각을 상기 베이스 플레이트에 형성함으로써 상기 베이스 플레이트와 커버 플레이트가 열선의 두께에 의해 이격되지 않고 접합하도록 할 수 있다.

또한, 상기 칸탈 열선은 패턴 형태로 배치되는데, 패턴의 형태와 패턴간의 간격에 따라 발열의 균일성과 발열 효율을 향상시킬 수 있으며, 이는 적용하는 적외선 히터의 용도나 종류에 따라 적절히 변경할 수 있다. 또한, 상기 열선의 양 끝단은 상기 베이스 플레이트의 일부를 관통하여 하부의 전원과 연결되며, 이를 통해 상기 열선에 전류를 공급하여 발열하게 된다. 이때, 상기 전원을 공급하는 전원선의 말단에 비발열부를 형성하고 이를 상기 열선과 접합함으로써 접합부위의 열에 의한 손상을 방지할 수 있다. 이러한 비발열부로는 세라믹 애자를 사용할 수 있다.

또한, 상기 칸탈 열선을 사용함으로써 종래의 적외선 히터인 마이카 히터, 스틸 히터, 알루미늄 히터에 비해 발열온도가 월등히 높아질 수 있으며, 종래에 최대 400℃ 정도까지 가열되던 히터의 성능을 800℃까지 높일 수 있게 된다.

또한, 인쇄에 의해 발열패턴을 형성하는 경우 실버 페이스트, 구리 페이스트 등을 사용하여 인쇄에 의해 목적하는 패턴을 베이스 플레이트 또는 커버 플레이트의 표면에 형성함으로써 발열체를 구성할 수 있다.

또한, 상기 베이스 플레이트와 커버 플레이트는 열전달과 융착에 용이한 재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 구체적으로는 세라믹 또는 석영 재질의 플레이트를 사용하는 것이 바람직하다.

세라믹 재질의 경우 상기 베이스 플레이트와 커버 플레이트를 접착한 후 융착로에서 융착시킴으로써 접합할 수 있다. 또한, 석영 재질의 플레이트의 경우 상기 베이스 플레이트와 커버 플레이트를 접착하고 에지부를 별도로 용접하여 융착시킬 수 있다. 상기 에지부를 융착하면 파티클 유출을 방지할 수 있으며, 고온 구동 시에도 파티클 발생을 억제할 수 있게 된다. 따라서 파티클 억제의 면에서 석영 재질의 플레이트를 사용하는 것이 유리하다.

또한, 상기 면상발열체는 소형으로 제조할 수 있고 두께를 얇게 제조할 수 있기 때문에 협소한 공간에도 설치가 유리한 장점이 있다. 상기 면상발열체는 블록식으로 구성되기 때문에 복수개의 면상발열체를 설치공간에 맞추어 조립함으로써 적외선 히터의 바닥면을 형성할 수 있다.

또한, 면상발열체의 외주연에 볼록부와 오목부를 구성하여 면상발열체끼리 서로 끼움결합되도록 구성할 수 있다. 이때 각각의 면상발열체가 전원과 연결되기 때문에 각각의 면상발열체가 별도로 구동하며 발열할 수 있다. 이 때문에 일부 면상발열체가 손상되는 경우 해당되는 면상발열체만 교체하면 적외선 히터를 정상적으로 구동할 수 있어 유지보수에 편리하다.

상기와 같이 베이스 플레이트와 커버 플레이트가 접착되어 면상발열체를 형성하기 위해서는 도 1에 도시된 것과 같이 각 플레이트의 외주연을 따라 페이스트를 발라 상기 플레이트의 가장자리를 따라 상기 베이스 플레이트와 커버 플레이트를 접착함으로써 일체화하게 된다.

또한, 도 2를 참조하여 상기 페이스트에 의한 접착 구조를 설명하면, 상기 베이스 플레이트와 커버 플레이트의 외주연을 따라 페이스트가 도포되며, 상기 열선의 양 끝단이 상기 커버 플레이트를 관통하여 하부의 전원과 연결될 때, 커버 플레이트의 관통부에 페이스트가 도포되어 열선이 상기 관통부에 기밀하게 고정되되록 형성할 수 있다. 또한, 상기 플레이트의 외주연을 따라 도포된 페이스트는 상기 발열체와 동일한 두께로 도포됨으로써 베이스 플레이트와 커버 플레이트가 결합할 때 플레이트 사이 공간에서 발열체를 기밀하게 개재(介在)할 수 있게 된다.

이러한 적층구조에서 상기 면상발열체는 지속적으로 열을 발생하기 때문에 페이스트로 접착해야 하는 부위에는 모두 고온용 페이스트를 사용하여 접착할 필요가 있다. 또한, 상기 면상발열체를 끼움결합하여 다수의 면상발열체를 히터 바닥에 설치하면 각각의 면상발열체로부터 발생하는 열에 의해 접착부위의 일부가 열화되어 열손실 또는 플레이트의 이탈이 발생할 수 있기 때문에 이에 적합한 고온용 페이스트를 사용하여 접착할 필요가 있다.

이러한 고온용 페이스트로는 대한민국 등록특허공보 10-0861575호, 10-1412791호에서와 같이 알루미나를 베이스로 하는 세라믹 페이스트를 들 수 있다. 상기 세라믹 페이스트는 알루미나계, 질화알루미늄계, 알루이노실리카계, 질화붕소계, 그라파이트계, 산화망간계, 산화규소계, 산화지르코늄계, 탄화규소계 등의 페이스트가 시판되고 있으며, 이를 적절히 사용하더라도 플레이트의 접착은 가능하다.

그러나 상기 면상발열체는 일단 접착하고 나면 장기간 사용이 가능해야 하며 고온 노출에 의해 접착 부분이 열화되거나 이탈되는 현상이 억제되어야 한다.

본 발명에서는 상기 플레이트로서 세라믹 또는 석영 플레이트를 사용하며, 특히, 바람직하게는 석영 재질의 내열성 유리 플레이트를 사용하고 있다. 이 경우 종래기술에 따른 페이스트는 상기 석영 재질의 플레이트 간 접착에 문제점을 나타내는데 장기간 접착력을 유지할 수 없기 때문에 면상발열체의 수명이 짧아 교체주기가 짧아지며 이로 인하여 유지보수에 많은 비용이 소요된다.

본 발명에서는 상기 플레이트를 접착하기 위한 페이스트로 산화붕소(B₂O₃) 30 내지 40 중량%, 산화납(PbO) 10 내지 20 중량%, 산화비스무스(Bi₂O₃) 40 내지 50 중량%, 규산나트륨(sodium silicate) 5 내지 10 중량% 및 중공형 실리카(SiO₂) 5 내지 10 중량%를 포함하는 고온용 페이스트를 사용하고 있다.

구체적으로 상기 고온용 페이스트는 산화붕소(B₂O₃) 30 내지 40 중량%, 산화납(PbO) 10 내지 20 중량%, 산화비스무스(Bi₂O₃) 40 내지 50 중량%, 규산나트륨(sodium silicate) 5 내지 10 중량% 및 중공형 실리카(SiO₂) 5 내지 10 중량%를 혼합한 혼합물 100 중량부에 대하여 물 10 내지 15 중량부를 배합하여 슬러리화한 것이다.

상기 산화붕소는 무기질계 바인더에 널리 사용되는 성분으로써 연화점을 높이며, 페이스트에 적용하면 내열성을 높여주고 고온에서의 안정성을 향상시켜 주게 된다. 상기 산화붕소의 함량이 너무 적은 경우에는 고온에서의 내열성이 저하되어 접합 부위의 내구성을 저하시킬 수 있고, 너무 많은 경우에는 접착력이 저하되어 플레이트의 접합시 불량을 일으킬 수 있으므로 상기 범위에서 함유되는 것이 바람직하다. 즉, 무기질계 바인더의 일종인 PbO-SiO₂-B₂O₃계, Bi₂O₃-SiO₂계, Bi₂O₃-B₂O₃-SiO₂계, Bi₂O₃-B₂O₃-SiO₂-BaO계 바인더가 연화온도가 400 내지 600℃로 고온 안정성이 우수한 것으로 알려져 있으며, 이러한 종래의 바인더의 조성을 고려할 때 상기 산화붕소를 함유하는 페이스트는 고온용으로 사용하기에 적합한 것을 알 수 있다.

또한, 상기 산화납은 산화붕소와 함께 널리 사용되는 성분으로서 페이스트의 연화점을 높여 고온 특성을 향상시키기 위하여 사용된다. 상기 산화납의 함량이 너무 적은 경우에는 고온에서의 내열성이 저하되어 접합 부위의 내구성을 저하시킬 수 있고, 너무 많은 경우에는 접착력이 저하되기 때문에 상기 범위에서 함유되는 것이 바람직하다.

상기 산화비스무스는 산화붕소와 함께 널리 사용되는 성분으로서 페이스트의 연화점을 높여 고온 특성을 향상시키기 위하여 사용된다. 상기 산화비스무스의 함량이 너무 적은 경우에는 고온에서의 내열성이 저하되어 접합 부위의 내구성을 저하시킬 수 있고, 너무 많은 경우에는 접착력이 저하되기 때문에 상기 범위에서 함유되는 것이 바람직하다.

규산나트륨은 고온 조건에서 실리카와 반응하여 산화물을 형성하게 되며 이를 통해 내열성을 나타내게 된다. 특히, 상기 규산나트륨은 상기 중공형 실리카와 병용함으로써 고온 안정성을 향상시킬 수 있게 된다. 다만 상기 함량 범위를 벗어나는 경우에는 내열성을 저하시키는 결과를 초래하기 때문에 상기 범위 내에서 함유되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 중공형 실리카는 입자 내부에 중공이 형성된 실리카 입자로서, 접착층에 미세공동(void)을 형성함으로써 열전달을 촉진시키는 기능을 수행하게 된다. 상기 중공형 실리카를 함유함으로써 상기 페이스트로 형성된 접합부위에 열이 가해지더라도 열을 일정시간 저장하다고 외부로 방출하는 효과를 나타내기 때문에 접합부위의 수명이 증가하는 것으로 나타났다. 상기 중공형 실리카의 함량이 너무 적으면 내열성이 불충분한 것으로 나타났으며, 너무 많은 경우에는 접착력이 저하되는 문제점이 있는 것으로 나타났으며, 규산나트륨과의 배합을 고려하여 상기 함량 범위에서 사용되는 것이 바람직하다.

상기 중공형 실리카는 알콕시실란의 수용액으로 액적을 만들고, 여기에 산을 가하여 상기 액적을 가수분해시킨 후, 다시 염기를 가하여 상기 액적을 결합시킴으로써 쉘을 형성한 후, 유기용매로 상기 쉘의 내부를 에칭하여 중공을 형성한 후, 이를 여과, 건조하여 제조할 수 있다. 이러한 중공형 실리카는 내부 공동이 40 내지 500㎚이며, 대한민국 등록특허공보 10-1724603호나 다른 문헌들에 개시된 통상의 제조방법으로 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 면상발열체의 성능을 평가하기 위하여 표 1에서와 같이 고온용 페이스트를 제조하고 이를 도포하여 면상발열체를 제조하였다. 상기 표 1에서 함량은 중량%이다. 각각의 페이스트는 표 1의 성분으로 이루어진 혼합물 100 중량부에 물 12 중량부를 배합하여 슬러리화한 것이다.

	페이스트1	페이스트2	페이스트3	페이스트4	페이스트5
PbO	12	50			12
Bi₂O₃	43		38	40	43
BaO				8
B₂O₃	35	30	36	36	35
규산나트륨	5			16	5
SiO₂		20	26		5
SiO₂(중공형)	5

도 1에서와 같은 구조의 0.5×0.5m 크기의 면상발열체를 제조하되 페이스트 1 내지 5를 도포하여 베이스 플레이트 및 커버 플레이트를 접착하였다. 상기 베이스 플레이트 및 커버 플레이트는 석영 재질의 내열 유리판(네오세람 N-0)을 사용하였으며, 발열체는 0.3T 두께의 박판 칸탈선을 사용하였다.

각각의 면상발열체에 전원을 인가하여 표면 온도가 800±2℃가 되도록 한 후 시간 경과에 따른 접착부위의 상태를 관찰하였으며, 박리현상, 뒤틀림 및 홀 발생 중 어느 하나의 현상이 발생하는 시간을 측정하였다. 그 결과 페이스트 1을 도포한 면상발열체는 300시간에서 홀 발생이 관찰되었다. 이에 대하여 페이스트 2 및 페이스트 3을 도포한 면상발열체는 각각 120시간, 140시간 경과 후 박리 현상이 나타나기 시작했으며, 페이스트 4를 도포한 면상발열체는 95시간 경과 후 홀 발생 및 박리가 발생하였고, 페이스트 5를 도포한 면상발열체는 82시간 경과 후 박리가 발생하였다. 각각의 페이스트에 대한 내열성 평가는 모두 우수한 것으로 나타났으나, 내열 유리판의 접합과 적외선 히터로의 적용시 내열성 지속시간에 차이가 나타나는 것을 확인하였으며, 본 발명에 따른 페이스트(페이스트 1)를 적용할 때 내구성이 향상되는 것으로 나타났다.

특히 중공형 실리카를 사용하지 않은 페이스트 5와 비교할 때 내열성 지속시간에 차이가 나타나는 점으로부터 중공형 실리카를 함유하는 페이스트를 사용해야 본 발명에서 목적하는 효과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.

또한, 페이스트 1에 대하여 아래와 같이 조성을 변경하여 면상발열체에 적용하고 표면 온도 800±2℃에서의 접착부위에 홀 발생이 관찰되는 시간을 측정한 결과는 표 2와 같다. 표 2에서 중공형 1은 표 1의 페이스트 1에서 사용된 중공형 실리카이다. 또한, 중공형 2는 비교실험을 위하여 평균입자크기가 25㎚이며, 중공의 크기가 3 내지 5㎚로 제조한 중공형 실리카로서, 2M의 염산 수용액에 Pluronic F-68과 메시틸렌을 상온에서 교반하고 여기에 테트라에틸오르소실리케이트(TEOS_를 첨가하여 6시간 동안 교반하고 디메톡시디메틸실란(DMDMS)을 첨가하고 다시 48시간 동안 교반한 후 암모니아수를 적하하여 pH를 7로 조절하고 12시간 동안 상온에서 숙성하여 침전물을 얻고, 상기 침전물을 세정 및 건조한 후 350℃에서 2시간 동안 소결하여 제조하였다.

	페이스트1	페이스트6	페이스트7	페이스트8	페이스트9
PbO	12	12	12	12	12
Bi₂O₃	43	43	43	40	40
BaO
B₂O₃	35	35	35	35	35
규산나트륨	5	5	1	12	1
SiO₂(중공형1)	5			1	12
SiO₂(중공형2)		5	9
내구성(시간)	300	260	190	160	225

표 2의 결과를 살펴보면, 중공형 실리카의 중공 크기가 변경되는 경우에 접착부위의 내구성이 저하되는 결과를 나타내었으며, 중공형 실리카의 함량에 의해서도 접착부위의 내구성이 저하되는 것으로 나타나 페이스트의 성분과 조성에 따라 접착 성능이 크게 달라지는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 페이스트 1을 적용하여 면상발열체를 제조하되 베이스 플레이트 및 커버 플레이트로 결정화 유리인 네오세람 N-0과 네오세람 N-11을 적용하여 제조하였을 때, 내구성이 각각 300시간, 298시간으로 나타나 석영 또는 세라믹 재질의 플리이트에 대한 접착성이 우수한 것으로 나타났다.

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.

Claims

베이스 플레이트, 상기 베이스 플레이트에 배치되는 발열체, 및 상기 발열체 상에 적층되는 커버 플레이트로 이루어지며, 상기 발열체는 상기 커버 플레이트의 일부를 관통하여 지지되도록 구성되는 면상발열체로서,
상기 베이스 플레이트 및 상기 커버 플레이트는 페이스트에 의해 접착되며,
상기 페이스트는 산화붕소(B₂O₃) 30 내지 40 중량%, 산화납(PbO) 10 내지 20 중량%, 산화비스무스(Bi₂O₃) 40 내지 50 중량%, 규산나트륨(sodium silicate) 5 내지 10 중량% 및 중공형 실리카(SiO₂) 5 내지 10 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 히터용 면상발열체.
청구항 1에 있어서,
상기 발열체는 판형, 원통형, 코일스프링형 열선 또는 인쇄에 의해 형성된 발열 패턴인 것을 특징으로 하는 적외선 히터용 면상발열체.
청구항 1에 있어서,
상기 면상발열체는 블록으로 이루어지며 적외선 히터의 바닥에 복수개가 조립되어 발열부를 구성하는 것을 특징으로 하는 적외선 히터용 면상발열체.