KR102554012B1 - 박막형 열선과 전극을 포함한 세라믹 히터 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 발열량을 맞춤형으로 제공할 수 있고 제조 공정이 단순화된 새로운 형태의 세라믹 히터를 제공하고자 한다.
본 발명에 따르면, 세라믹 기판 상에 전극과 발열 패턴(열선 패턴)을 PVD 증착으로 형성한 세라믹 히터를 제공한다.

Description

박막형 열선과 전극을 포함한 세라믹 히터 및 그 제조방법{Ceramic heaters including thin film type heater and electrode and their manufacturing methods}

본 발명은 세라믹 히터에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 박막 증착으로 구성된 열선과 전극을 포함한 세라믹 히터에 관한 것이다.

기존의 세라믹 히터는 발열부분을 세라믹이 감싸서 보호하는 역할을 하거나 세라믹에 발열 물체를 접합 도포하여 발열을 일으키는 형태로 되어 있다. 열선에 의해 발열이 일어나면 세라믹체가 가열되어 원적외선 방출에 의해 주변 온도를 올려주는 방식이다. 그러나 이러한 세라믹 히터는 열선과 세라믹체가 밀착되기 어렵고 열 전달 효율이 떨어진다. 또한, 구성하는 열선의 소재, 굵기와 길이에 따라 저항이 달라지는데, 상용화된 열선을 사용하기 때문에, 소재와 굵기가 이미 정하여져 있어 길이만 변수로 할 수 있을 뿐이다. 따라서 필요에 따른 맞춤형 히터를 제조하는 데 한계가 있다. 즉, 세라믹 히터의 용도는 매우 다양하여, 의료용, 각종 소자 제조에 사용되는 공업용, 일반 온열기용이 포함된다. 특히, 의료용과 공업용은 히터의 발열 온도에 대한 성능이 균일성을 나타낼 필요가 있다.

등록특허 10-2150811호는 세라믹스 히터를 공개하며, 세라믹 원판 내부에 발열체를 매립하여 구성하고 있다.

본 발명의 목적은 발열량을 맞춤형으로 제공할 수 있고 제조 공정이 단순화된 새로운 형태의 세라믹 히터를 제공하고자 한다.

본 발명에 따르면, 세라믹 기판 상에 전극과 발열 패턴(열선 패턴)을 PVD 증착으로 형성한 세라믹 히터를 제공한다.

상기에서, 전극 패턴은 Cu를 스퍼터링으로 형성하고, 발열 패턴은 Ni합금을 스퍼터링으로 증착한다.

상기에서, 세라믹 히터의 발열량을 조절하기 위해, 발열 패턴의 저항을 박막 증착 두께로 조절할 수 있으며, 주어진 세라믹 기판에 대해 열선의 길이를 조절하는 수단으로 발열 패턴을 다양하게 형성할 수 있다.

상기에서, 세라믹 기판에 형성되는 발열 패턴은 마스크를 덮고 증착 후 마스크를 제거하는 방식으로 형성하거나, 기판 면에 대해 증착 후, 패턴을 따라 레이저 가공으로 불필요한 부분을 제거하는 식으로 형성될 수 있다.

상기에서, 발열 패턴은 증착 후, 군데 군데 펀칭으로 기판과 증착면에 구멍을 다수 형성함으로써, 발열 패턴의 열선 길이를 길게 하는 효과를 낼 수 있다.

본 발명에 따르면, 세라믹 기판 자체에 발열 패턴과 전극을 물리증착으로 형성함으로써, 간소화 된 방법으로 세라믹 히터를 제작할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 증착하는 발열 패턴의 막 소재와 막 두께 및 패턴 형태를 제어하여 발열에 필요한 저항을 선택적으로 구성할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 세라믹 기판 상에 직접 발열 패턴과 전극이 접하여 형성되므로, 가열 효율이 좋고, 세라믹 기판으로부터 방출되는 원적외선 효과를 손실없이 활용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 세라믹 기판의 내열성으로 인해 원하는 수준의 높은 온도까지 도달하는 히터를 제작할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 세라믹 히터의 구성을 보여주는 사진이다.
도 2는 본 발명의 세라믹 히터를 제작하는 데 사용될 수 있는 마스크의 실시예를 보여주는 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 세라믹 히터 제품 실시예를 보여주는 사진이다.

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

도 1은 본 발명에 따른 세라믹 히터의 구성을 보여주는 사진이다.

기판(10)을 세라믹 소재로 된 것을 준비하고, 여기에 전극(100) 패턴과 열선에 해당하는 발열 패턴(200)을 PVD증착 방법중 하나인 스퍼터링(sputtering) 방식을 이용하여 코팅으로 형성한다. 전극은 제1 전극과 제2 전극이 서로 전기적으로 이격되게 형성되고 발열 패턴은 제1 전극에서 출발하여 제2 전극에 도달하는 형태로 길이와 두께를 갖도록 구현된다.

먼저, 전극은 Cu(copper)(또는 Cu계 합금일 수 있다)를 sputtering 방법으로 기판 상에 증착하고 열선은 Ni합금을 소재로 하여 역시 스퍼터링 방법으로 증착한다. 전극(100)과 열선 발열 패턴(200)은 경계부가 닿아 있어 전기적으로 접속된다.

이때, 열선의 저항은 증착막의 두께를 이용해 대략적으로 조절한다.

이후, 발열량이나 최종 저항은 패턴을 통해 조절 할 수 있다.

열선의 패턴은 스퍼터링 이전에 패턴 마스킹을 통해 일정한 모양으로 만들 수 있다.

즉, 기판(10) 면적 중 전극이 점유할 부분을 제외하고 열선이 점유할 면적에 대해 열선의 길이를 예상하여 패턴을 그리고, 패턴에 대해 Ni합금(Ni-Cr, 또는 Ni-Cu를 포함한다)이 증착될 수 있도록 증착 제외 부분에 마스크를 배치한다.

다음, 스퍼터링을 실시하여 열선 패턴을 형성한다. 증착 전, 예상한 열선 패턴의 길이를 산출할 수 있으므로, 그에 근거하여 열선의 저항치에 맞게 열선의 증착 두께를 결정하여 증착한다.

전극과 발열 패턴의 막 두께는 0.1 내지 3.0, 바람직하게는 0.2 내지 3.0μm로 할 수 있고, 이는 주어진 기판 면적, 그에 따라 구성될 수 있는 발열 패턴의 열선 길이, 그리고 히터에서 필요한 최고 도달 온도를 고려하여 상기 범위 안에서 선택한다. 또한, 발열 패턴의 막 두께는 히터의 수명과 안정적인 동작 신뢰성과도 관련되므로 적정 두께를 갖는 것이 좋다.

열선 패턴은 두 개의 전극(제1 전극 및 제2 전극)을 서로 연결하되, 여러번 구부러진 형상으로 되어 길이를 길게 하여 저항치를 증가시킬 수 있다. 이를 위해, 도 1의 발열 패턴에는 제1 전극과 제2 전극을 연결하는 열선이 단락되지 않게 하는 세로선 공백부(300)이 있고, 구부러진 형상을 구현하기 위한 브랜치형 공백부(310, 350)가 다수 형성된다. 이들은 후술되겠지만 마스크(600)에 의해 가려지는 부분이 된다. 브랜치형 공백부는 세로선 공백부로부터 가지처럼 뻗어나온다.

증착이 완료된 후, 세라믹 히터에 전원을 인가하여 동작시킨 상태에서 발열 패턴(200)에 의한 저항치를 측정하여 본래 예상치에 맞도록 열선 길이를 조절하는 수단으로서, 열선 패턴 일부에 하나 이상, 다수의 구멍을 내어 펀칭부(400)를 형성한다. 펀칭부(400)를 형성함으로써 열선의 길이가 길어지는 효과가 있어 열선 두께가 정해진 상태에서 저항치를 증가시킬 수 있다. 펀칭부는 열선의 구부러짐을 명백히 표현하며, 주로 세로선 공백부와 브랜치 공백부의 교점이나 브랜치 공백부의 단부에 형성된다. 열선은 펀칭부를 끼고 구부러지거나 구부러지는 외측 코너부에 펀칭부가 형성된다.

이와 같은 발열 패턴의 제어는 세라믹 히터가 도달할 수 있는 최고 온도를 제어하는 요인이 된다. 열선이 여러번 구부러져 열선의 길이를 길게 한 효과를 내도록 다수의 중심선 공백부와 브랜치형 공백부를 형성하면 세라믹 히터의 최고도달 온도를 높일 수 있다.

도 2에는 도 1의 열선 발열 패턴(200)을 형성하는데 사용될 수 있는 마스크(600)의 실시예를 보여준다.

전극(100)이 증착되는 부분을 가리는 전극 부 마스킹(610)과 발열 패턴에서 열선의 길이를 길게하기 위해 열선이 구불구불하게 형성되는 효과를 내기 위해 열선 증착이 이루어지지 않고 전기적으로 공백을 이루게 하는 열선 공백부 마스킹(620)을 포함한다. 열선 공백부 마스킹(620)은 발열 패턴부를 양쪽으로 가르듯 놓이는 중심선 부분과 중심선을 가로질러 중심선으로부터 뻗어나오는 브랜치부가 있으며, 브랜치의 형상과 개수에 의해 발열 패턴의 저항치를 다양하게 조절할 수 있다. 즉, 동일한 막 두께의 발열 패턴에 대해서도 패턴에 의해 열선의 길이를 다양하게 조절할 수 있으며, 선폭의 조절이 가능한 분해능의 한도 내에서 다수의 구부러짐을 구현할 수 있다. 마스크의 브랜치만으로도 열선의 구부러짐을 구현할 수 있지만, 좀 더 명확하게 하여 열선의 합선이 일어나지 않도록 열선이 구부러지는 부분에 대해 구멍을 낸 펀칭부를 형성하는 것이 바람직하다. 일정 막 두께에 대해 열선의 길이가 길수록 저항이 증가하여 고온의 히터를 만들 수 있다. 좌측 마스크 패턴보다 우측의 것은 열선의 길이를 훨씬 더 증가시킨 것이다. 이외에도 더욱 다양한 발열 패턴을 구사하여 발열 패턴의 저항을 제어할 수 있다.

한편, 발열 패턴의 형성은 발명 패턴부 전면적에 대해 증착을 실시한 다음, 레이저를 이용하여 증착막의 일부를 제거하여 구현할 수도 있다. 마스크를 제작하여 배치할 필요가 없고, 레이저 가공기에 패턴을 입력하여 증착막에 대해 패턴을 형성하는 방식이다.

본 세라믹 히터는 기존 온열을 이용한 찜질기를 비롯한 의료기기 및 안마기에 적용이 가능하다.

기존 온열 의료기기등에 사용 되는 PTC 히터의 경우 발열에 따라 저항 값이 변하여 별도의 온도 조절 장치 없이 사용 가능 하여 많이 사용 하고 있으나 110℃ 이상의 고온으로 사용하기에는 한계가 있다.

또한, 히터에 PCB 기판을 사용하는 경우, 110℃ 이상으로 가열하면 PCB 기판이 견디지 못하는 문제가 있지만 세라믹 기판은 고온에 대해 충분히 내구성이 있으며, 의료 기기나 안마기용 히터로서 세라믹 기판은 가열에 의하여 원적외선을 방출하기 때문에 치료 효과를 증대시킬 수 있어 바람직하다.

따라서 열전도가 좋으면서 고온에서도 안정적인 세라믹 기판을 사용 하는 것이다.

하지만, 110℃ 이하의 온도에서 동작하는 히터를 만들 경우에는 세라믹 기판이 아닌 PCB용 기판을 이용하여 상술한 바와 같은 방법으로 히터를 제작할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 세라믹 히터(500) 제품 실시예를 보여주는 사진이다.

발열 패턴부분은 절연체로 감싸고, 전극에는 전선을 연결하여 전원 접속부를 갖춘 형태이다.

상술된 사항에서 별도의 정의가 없는 경우, 본 명세서에서 사용된 모든 기술 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다 또는 "가지다"라고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 단수형은 문맥에 의해 복수형을 포함할 수 있다.

또한, 본 명세서에서, "~ 위에, ~ 상에 또는 ~ 상부에" 라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.

또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다"거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

또한, 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시 예에 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

10: 기판
100: 전극
200: 발열 패턴
300, 310, 350: 공백부
400: 펀칭부
500: 히터
600: 마스크
610: 전극 부 마스킹
620: 열선 공백부 마스킹

Claims (7)

1. 세라믹 히터에 있어서,
   세라믹 기판;
   상기 세라믹 기판 상에 PVD 물리 증착으로 형성된 전극;
   상기 전극에 전기적으로 접속되어 저항을 갖고 전원 인가시 발열 할 수 있는 열선 형태를 갖도록 상기 세라믹 기판 상에 PVD 물리 증착으로 형성된 발열 패턴;을 포함하고,
   상기 전극은 서로 전기적으로 분리되도록 간격을 두고 형성된 제1 전극과 제2 전극을 포함하고,
   상기 발열 패턴은 열선이 제1 전극에서 출발하여 제2 전극에 도달하는 형태를 갖도록 증착되는 면적 중 증착이 이루어지지 않거나 제거된 열선 공백부를 포함하고,
   열선 공백부는 발열 패턴을 세로로 가르는 세로선 공백부와 세로선 공백부로부터 브랜치처럼 뻗어나온 브랜치 공백부를 포함하여 열선의 구부러짐을 구현하고,
   발열 패턴의 막 두께와 열선에 해당하는 부분의 길이를 조절하는 발열 패턴의 형상 제어를 통해 발열 패턴의 저항을 조절하고, 전극과 발열 패턴의 막 두께는 0.1 내지 3.0μm에서 선택되고,
   발열 패턴의 증착이 완료된 후, 세라믹 히터에 전원을 인가하여 동작시킨 상태에서 발열 패턴에 의한 저항치를 측정하여 본래 예상치에 맞도록 열선 패턴 일부에 구멍을 내어 펀칭부를 형성하며, 펀칭부는 세로선 공백부와 브랜치 공백부의 교점과 브랜치 공백부의 단부에 형성되어 열선의 구부러짐을 명백히 표현하며, 세라믹 히터의 최고 도달 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
   
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 전극은 Cu 또는 Cu계 합금을 포함하고, 발열 패턴은 Ni 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
5. 제4항에 있어서, 발열 패턴은 Ni-Cr, 또는 Ni-Cu를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
6. 삭제
7. 세라믹 히터의 제조방법으로서,
   세라믹 기판을 준비하고,
   세라믹 기판 면적 중 전극이 점유할 부분을 제외하고 열선이 점유할 면적에 대해 열선의 길이를 예상하여 패턴을 그리고, 패턴에 대해 Ni합금이 증착될 수 있도록 증착 제외 부분에 마스크를 배치하고,
   상기 세라믹 기판 상에 PVD 물리 증착을 이용하여 전극과 발열 패턴을 형성하되,
   상기 전극은 서로 전기적으로 분리되도록 간격을 두고 형성된 제1 전극과 제2 전극을 포함하고,
   상기 발열 패턴은 상기 전극에 전기적으로 접속되어 저항을 갖고 전원 인가시 발열 할 수 있는 열선 형태로 형성하되, 열선이 제1 전극에서 출발하여 제2 전극에 도달하는 형태를 갖도록 증착되는 면적 중 상기 마스크에 의해 증착이 이루어지지 않거나 제거된 열선 공백부를 포함하고,
   열선 공백부는 발열 패턴을 세로로 가르는 세로선 공백부와 세로선 공백부로부터 브랜치처럼 뻗어나온 브랜치 공백부를 포함하여 열선의 구부러짐을 구현하고,
   발열 패턴의 막 두께와 열선에 해당하는 부분의 길이를 조절하는 발열 패턴의 형상 제어를 통해 발열 패턴의 저항을 조절하며, 전극과 발열 패턴의 막 두께는 0.1 내지 3.0μm로 조절하고,
   발열 패턴의 증착이 완료된 후, 세라믹 히터에 전원을 인가하여 동작시킨 상태에서 발열 패턴에 의한 저항치를 측정하여 본래 예상치에 맞도록 열선 패턴 일부에 구멍을 내어 펀칭부를 형성하며, 펀칭부는 세로선 공백부와 브랜치 공백부의 교점과 브랜치 공백부의 단부에 형성되어 열선의 구부러짐을 명백히 표현하며, 세라믹 히터의 최고 도달 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터의 제조방법.
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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