KR20000012663A - 전기발열체용 저온 열처리 저항 페이스트의 조성물 및 그제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Ru계 화합물, Ag계 화합물, Glass의 분말들이 유기물 매체에 분포되어 있는 페이스트가 특정물체(기판 등)에 도포되어 낮은 온도(600℃ 이하)에서 열처리하여도 물리·화학적으로 안정한 후막(또는 코팅)층을 형성하여 전극 등을 통해 가해주는 전기작용에 의해 발열을 일으키는 전기발열체용 저온 열처리 저항 페이스트 조성물에 관한 것이다.

Description

전기발열체용 저온 열처리 저항 페이스트의 조성물 및 그 제조 방법 {Composition of low temperature fired resistive paste for electric heater and fabricating method thereof}

본원의 발명은 Ru계 화합물, Ag계 화합물, Glass의 분말들이 유기물 매체에 분포되어 있는 페이스트(Paste)가 특정물체(기판 등)에 도포되어 낮은 온도(600℃ 이하)에서 열처리 과정을 거쳐 물리·화학적으로 안정한 후막층을 형성하며 전극 등을 통해 가해주는 전원에 의해 발열을 하게 되는 전기발열체용 저온 열처리 저항페이스트 조성물과 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 후막 저항 페이스트 물질은 유기물 매체에 금속, 유리, 세라믹분말의 혼합체가 분산되어 있는 것으로 전기적 부도체 기판 또는 물체에 코팅하여 도체, 부도체, 저항필름을 형성시켜 여러 가지 전자·전기 부품으로 활용된다.

대부분의 저항 페이스트는 크게 세 가지 주요 부분으로 구성된다. 전도성 상(Conductive Phase)들은 전기적 특성을 결정하며, 최종 후막의 기계적 특성에 영향을 주게된다. 유리질과 산화물의 혼합물인 무기 결합제(Binder)는 기판과 후막을 결합시키며 전도성 상들을 미세 분말의 형태로 분산을 시킨다. 유기 매체는 상기 전도성 분말들과 무기 결합제를 분산시키는 역할을 하며 특히, 후막 형성시 페이스트의 유동성에 크게 영향을 미친다.

상기와 같은 저항 페이스트는 스크린 프린팅(Screen Printing)법 또는 함침(Dipping)법 등과 같은 방법을 이용하여 전기적 부도체 기판 또는 물체에 막을 형성시켜 건조 후, 열처리과정을 거쳐 유기 매체를 제거한 후 후막형 발열체를 완성하게 된다. 이 경우 유기매체의 제거와 무기바인더인 유리 분체의 용융을 발생시켜 물리·화학적으로 안정한 후막을 형성시키는 열처리 공정은 약 800℃ 부근에서 수행된다. 또한 후막 저항발열체는 낮은 오믹(ohmic) 저항범위(0.1∼30Ω)를 가져야 한다.

그러나, 상기 제조 공정 중 열처리 온도는 비교적 고온으로 사용할 수 있는 기판 또는 물체를 제한하게 된다. 예를 들면 Anodized Aluminum과 같은 금속 기판은 높은 열전도율로 인한 열방산 특성이 상당히 우수하나, 상기와 같은 열처리 온도에서는 고온 산화가 일어나 사용이 불가능하다. 또한 일반 유리 기판은 가격이 낮은 장점이 있으나 고온에서는 구조가 불안정하여 일반적인 전기발열체용 저항 페이스트의 기판으로 사용이 역시 불가능하다. 이와 같이 페이스트의 고온 열처리 온도 때문에 그 온도에서 안정치 못한 기판 또는 물질은 다른 여러 장점을 갖고 있음에도 불구하고 발열 저항 페이스트의 기판 또는 본체로서 사용할 수 없는 문제점이 있다.

상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 Ru계 화합물, Ag계 화합물, Glass의 분말들의 조성 및 배합비를 변화시켜 600℃이하의 온도에서 열처리가 가능한 전기발열체용 저온 열처리 저항 페이스트를 제조하여 고온 열처리 공정에서 사용 불가능했던 기판 또는 물체(Anodized aluminum, Porcelain on metal, Glass) 들을 사용 가능케 하는데 있다.

상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명에 따른 저항 페이스트는 낮은 온도(600℃ 이하)에서 부분 용융이 일어나 후막 형성이 가능한 조성의 유리 분말들과 저항 조절용의 Ru계 화합물 분말, Ag계 화합물 분말을 유기바인더(Binder)와 유기 용제(Solvent)가 적정비율로 혼합되어 있는 유기물 매체에 분산시켜 저항 페이스트를 제조한다. 상기 각 성분의 구성비는 아래의 표1과 같은 범위내에서 조절 가능하다. 이러한 저온열처리 저항 페이스트는 전기발열체 형성 후 0.1∼30Ω의 저항값을 가져 상온∼300℃의 작동온도에서 사용 가능하다.

표1은 저온 열처리 저항 페이스트의 조성비를 나타낸다.

Ru계 화합물 분말	5∼75wt%
Ag계 화합물 분말	5∼75wt%
무기 바인더(Glass binder)	5∼40wt%
유기 바인더(Vehicle)	5∼45wt%

본 발명에 따른 전기발열체용 저온열처리 저항 페이스트의 제조에 관한 실시 예를 하기에서 보다 상세하게 살펴본다.

Ruthenium계 화합물[Ru metal, 산화물(RuO₂, Bi₂Ru₂O_6.5, Pb₂Ru₂O_6.5등)], Ag계 화합물[Ag 금속분말, Ag 금속 flake, Ag 산화물(Ag₂O)분말, Ag 합금(AgPd 등)분말, Ag 합금계 산화물(Ag_0.1Pd_0.9RhO₂등)]들과 600℃이하에서 부분 용융이 가능하며 주성분이 PbO-SiO₂-B₂O₃인 무기 바인더(유리 분말)들을 유기바인더인 ethyl-cellulose(3∼7wt%)와 용제인 terpineol(5∼38wt%)로 이루어진 유기 용제에 함께 넣어 3 롤 밀러(three-roll mill)를 이용하여 혼합하여 저항 페이스트를 제조한다.

이때 전도성 상은 미세 분말을 사용하게 되는 데 바람직스럽게는 Ru계 화합물 분말은 평균 입경이 0.01∼0.1㎛이고 비표면적이 5∼30m²/g인 것을 사용하며 Ag계 화합물 분말은 평균 입경이 0.1∼3㎛이고 최대입자크기(TOP SIZE)가 7㎛이하인 것을 사용한다. 무기바인더 분말은 조성비가 PbO가 30∼70 wt%, SiO₂가 10∼40 wt%, B₂O₃가 5∼30 wt%, ZnO가 0∼10 wt%, Al₂O₃가 0∼20 wt%를 함유된 것으로 분말 특성을 평균 입경이 0.2∼5㎛이고 최대입자크기(TOP SIZE)가 10㎛이하인 것이 양호하다.

상기와 같이 저항 페이스트의 제작을 위한 혼합과정에서 적절한 점도(Shear rate= 4s^-1인 경우 100∼150kcps)와 틱소트로픽(thixotropic) 또는 pseudo-plastic의 유동특성이 나타날 수 있도록 유기 용제의 양과 무기분말의 양을 표 1의 범위내에서 조절하고, 경우에 따라서 계면활성제(Oleic acid 등)와 thixotropic agent(TROYTHIX XYZ^TM)를 0.1∼1.0wt% 범위내에서 첨가하여 번짐, 톱날현상, 두께 편차를 방지하고, 건조과정과 바인더 제거(binder burnout) 과정에서 생길 수 있는 후막의 균열(crack)현상을 방지하기 위해 일정량의 가소제(Poly Ethylene Glycol, Dibutylphthalate 등)을 0.1∼3.0wt% 첨가하여 페이스트를 완성한다.

상기와 같이 제조된 저항용 페이스트는 기판(Anodized aluminum, Porcelain on metal, Glass)에 스크린 프린팅(screen printing) 방법 또는 디핑(dipping) 방법을 통해 후막 또는 코팅을 형성시킨 후 약 80∼120℃의 oven에서 5∼10분 정도 건조시킨다.

상기와 같이 건조된 후막이 형성된 시편을 약 550℃에서 30분간 열처리하여 화학적·물리적으로 안정한 전기 발열체용 후막을 형성한다.

표2는 상기의 제작공정을 통해 제조된 발열 후막소자의 면적 저항값들을 나타낸 것으로 각 구성분말의 함량이 변함에 따라 얻어지는 저항값도 변함을 알 수 있다.

표 2는 첨가조성에 따른 후막 저항체의 면적 저항을 나타낸다

상술한 바와 같이 본 발명은 낮은 온도(600℃ 이하)에서 부분 용융이 일어나 후막(코팅) 형성이 가능한 조성의 유리 분말들과 저항 조절용의 Ru계 산화물 분말, Ag 금속 또는 Ag 산화물 분말을 유기바인더(Binder)와 유기용제(Solvent)가 적정비율로 혼합되어 있는 유기물 매체에 분산시켜 제조된 전기발열체용 저온열처리 저항페이스트를 이용하여 후막(코팅)형 전기발열체를 제작함으로써, 후막 제조시 필수적인 공정인 열처리 공정의 온도를 낮추었다.

저온 열처리가 가능한 전기 발열체용 페이스트를 제조함으로 고온에서 사용하지 못했던 다양한 기판 또는 본체재료를 사용 가능케 하는데 본 발명의 효과가 있다.

또한 본 발명은 전도성 상의 조성을 조절함으로써 원하는 저항값을 가지는 페이스트를 제조할 수 있다.

Claims (12)

1. Ru계 화합물 및 Ag계 화합물 분말을 포함하는 전기 발열체용 조성물.
2. 제 1 항에 있어서 무기바인더 분말과 유기바인더을 함께 포함하는 전기 발열체용 페이스트.
3. 제 1 항에 있어서 Ru계 화합물 분말이 5∼75wt%이며 Ag계 화합물 분말이 5∼75wt% 포함되는 것을 특징으로 하는 전기 발열체용 조성물.
4. 제 2 항에 있어서 Ru계 화합물 분말이 5∼75wt%, Ag계 화합물 분말이 5∼75wt% 이며 무기바인더 분말이 5∼40wt%, 유기바인더가 5∼45wt% 포함되는 것을 특징으로 하는 전기 발열체용 페이스트.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 한 항에 있어서, 상기 조성물은 600℃이하의 온도에서 열처리가 가능한 저온 열처리 전기 발열체용 조성물.
6. 제 1 항에 있어서, Ru계 화합물 분말은 Ru metal, RuO₂, Bi₂Ru₂O_6.5, Pb₂Ru₂O_6.5등을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 발열체용 조성물.
7. 제 1 항에 있어서, Ru계 화합물 분말은 평균 입경이 0.01∼0.1㎛이고 비표면적이 5∼30m²/g인 것을 특징으로 하는 전기 발열체용 조성물.
8. 제 1 항에 있어서, Ag계 화합물 분말은 Ag 금속분말, Ag 금속 flake, Ag 산화물(Ag₂O)분말, Ag 합금(AgPd 등)분말 등을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 발열체용 조성물.
9. 제 1 항에 있어서, Ag계 화합물 분말은 평균 입경이 0.1∼3㎛이고 최대입자크기(TOP SIZE)가 7㎛이하인 것을 특징으로 하는 전기 발열체용 조성물.
10. 제 2 항에 있어서, 무기바인더 분말은 PbO가 30∼70 wt%, SiO₂가 10∼40 wt%, B₂O₃가 5∼30 wt%, ZnO가 0∼10 wt%와 Al₂O₃가 0∼20 wt%를 함유한 것을 특징으로 하는 전기 발열체용 페이스트.
11. 제 2 항에 있어서, 무기바인더 분말은 전이점(Tg)이 350∼500℃이고, 연화점(T_DSP)이 380∼530℃이며, 열팽창 계수가 90∼150×10^-7/℃ 정도인 것을 특징으로 하는 전기 발열체용 페이스트.
12. 제 2 항에 있어서, 무기바인더 분말은 평균 입경이 0.2∼5㎛이고 최대입자크기(TOP SIZE)가 10㎛이하인 것을 특징으로 하는 전기 발열체용 페이스트.