KR20060011550A

KR20060011550A - 점토결합 탄화규소, 그 제조방법 및 이를 이용한 세라믹발열체

Info

Publication number: KR20060011550A
Application number: KR1020040060438A
Authority: KR
Inventors: 이영현; 전영삼; 유동주
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2006-02-03

Abstract

본 발명은 점토결합 탄화규소에 관한 것으로, 탄화규소 분말에 점토성분을 함께 혼합하여, 매우 낮은 온도에서 성형체의 치밀화를 이루어낼 수 있다. 또한, 본 발명은 세라믹 히터 및 점화기 재료로서 그 실제 제품에 적용시에 상용전원에서 바로 사용할 수 있을 정도의 저항증진 효과를 볼 수 있다. 특히, 규소 침윤 단계가 필요없으므로 대량 생산에 유리하며, 소결온도를 낮춤으로써 비용절감을 가져올 수 있다.

탄화규소, 세라믹발열체, 점토결합

Description

점토결합 탄화규소, 그 제조방법 및 이를 이용한 세라믹 발열체{SILICON CARBIDE WITH CLAY, PREPARATION METHOD THEREOF, AND CERAMIC HEATER USING THE SAME}

도 1은 종래의 탄화규소 반응소결 방법을 보여주는 공정도이다.

도 2는 본 발명에 따른 탄화규소 소결방법을 보여주는 공정도이다.

도 3a 및 3b는 본 발명에 따른 점토결합 탄화규소의 성형 단계 및 소결 단계에서의 미세구조를 보여주는 모식도이다.

도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 발열체의 형태를 보여주는 모식도이다.

도 4b는 실제 제작된 세라믹 발열체의 발열 모습을 보여주는 사진이다.

도 5는 본 발명에 따른 반응결합 탄화규소의 발열특성을 보여주는 그래프이다.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

10:탄화규소 12:점토

14:첨가제

본 발명은 점토결합 탄화규소에 관한 것으로, 구체적으로는 히터 및 점화기로의 응용을 위한 세라믹 발열체 제작에 있어 발열체의 저항 조절 및 내부 구조 치밀화를 위하여 점토(Clay)를 추가로 포함하는 탄화규소 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.

열기기에 있어서 전기에 의한 가열을 위해 금속발열체가 사용되어 왔으며, 금속발열체 재료로 저렴한 가격의 니크롬선, 철크롬선, 칸탈선(Fe-Cr-Al) 등이 사용되고 있다.

한편, 가정용 가스보일러, 온수기, 건조기, 주방용 렌지 등에 있어 가스의 안전한 점화를 위해 사용되는 점화기와 공업용 노의 가열에 사용되는 히터 재료로 세라믹발열체가 널리 사용되고 있으며, 이 중에서 탄화규소(SiC)가 우수한 강도, 높은 녹는점 등의 특성과 경제성 등의 이유로 고열, 고강도를 요하는 분야에 널리 응용되고 있다.

그런데, 탄화규소의 이런 열적, 기계적 특성은 탄화규소의 강한 공유결합에 기인하는 것으로, 세라믹 성형체 제작에 이용되는 통상적인 소결 방법으로는 치밀한 구조를 만들기 어렵다.

일반적으로 적절한 소결 조제를 첨가하여 액상 소결하는 경우, 탄화규소 입자들 간에 이종 물질이 존재하게 되므로 탄화규소 고유의 우수한 특성이 모두 발휘되지 못하는 단점이 있으며, 붕소(Boron) 또는 탄소를 첨가하여 탄화규소를 상압 소결하는 경우에도 여전히 핫프레스(Hot Press:HP 또는 Hot Isostatic Press:HIP) 를 이용하여 성형 후, 고온(1900℃)에서 치밀화를 유도해야 하는 난점이 있어 그 산업화의 양산성을 떨어뜨리고 있었다.

최근에는 탄화규소 분말에 탄소(Carbon)나 수지(Resin)를 첨가한 후, 규소(Si)을 침윤시켜 탄화규소 분말사이의 치밀화를 화학 반응된 탄화규소로 이루어내는 반응 소결법이 개발되었다.

도 1은 상기 방법에 따른 제조 단계를 보여주는 공정도이다. 먼저, 분말상태의 탄화규소와 탄소를 혼합하고, 결합제를 포함시켜 프리폼(preform)을 형성한후 일정 형태로 성형한다. 성형 방법으로는 프레스 또는 사출방법에 의한다. 그 다음, 성형된 탄화규소/탄소 성형체에 규소를 침윤(infiltration)시키고 진공상태에서 소결하여 반응결합된(reaction bonded) 탄화규소를 제조한다. 이때, 소결온도는 1600 ~ 1800℃ 이상의 고온이 필요하다.

따라서, 탄화규소 를 산업 및 가정 분야에 적용하기 위해서는 좀 더 낮은 소결온도와, 실리콘 침윤을 별도의 공정에 의하지 않고, 한번에 분말을 배합하고 열처리시킬 수 있는 생산기술이 요망되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 앞서 설명한 종래기술의 탄화규소 치밀화에 있어 공정상의 여러 문제점을 해결하는 데 있다.

즉, 본 발명은 탄화규소 성형체의 소결시에 열처리 온도를 낮춰 그 제조단가를 낮추고, 진공이나 분위기 소결이 아닌 상압에서 소결하여 별도의 진공 소결 장비나, 고온가압장비(HIP, HP)를 구비할 필요가 없으며, 반응 소결 공정에서 규소를 침윤시키는 공정을 제거하여 그 양산성을 높이는데 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 탄화규소 히터 및 점화기로의 응용 시에 상용전원(110V, 220V)에서 사용할 수 있는 저항을 용이하게 조절할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 먼저 새로운 탄화규소 발열체 조성물로서, 탄화규소와 점토를 포함하여 구성되는 점토결합 탄화규소를 제공한다.

또한, 본 발명은 탄화규소 분말과 점토 및 첨가제를 혼합하여 혼합물을 얻고, 상기 혼합물을 프레스 또는 압출에 의하여 소정의 형태로 성형하여 성형물을 얻고, 상기 성형물을 상압하에서 소결하는 단계로 이루어지는 점토결합 탄화규소 제조방법을 제공한다.

본 발명의 제1특징에 따르면, 탄화규소 히터나 점화기의 분말 혼합공정 중 점토 성분을 첨가함으로써, 소결단계에서 그 치밀화 정도를 높이고, 이전에 쓰여오던 공정보다 공정온도를 낮춘다.

본 발명의 제 2특징에 따르면, 기존의 탄화규소 반응 소결의 경우, 높은 온도를 요구할 뿐만 아니라 진공 또는 가압 중에서 소결해야 했으나, 본 발명은 상압 소결로서 그 공정이 간단하고, 분말 배합 단계에서 규소를 혼합하거나 성형 단계 후에 별도의 규소를 침윤시키는 공정이 필요 없다.

본 발명의 제3특징에 따르면, 탄화규소로 제작된 히터나 점화기의 경우, 탄화규소 자체의 낮은 비저항 때문에 상용전원의 직접 이용이 어려웠으나 본 발명에 서와 같이 절연 특성이 우수한 점토 성분의 첨가로 상용전원 사용을 위한 그 성형체 자체의 저항을 높이는 효과를 볼 수 있다. 이는 실제로 건조기, 히터 등의 제품에 응용 시, 별도의 고가 변압장치 없이 바로 적용할 수 있는 편이성을 가지게 된다.

본 발명에서는 점토성분의 첨가로 탄화규소 분말간의 네킹(necking)이 점토로 이루어지므로 전도통로(conducting path)를 제한하게 되고, 따라서 탄화규소의 낮은 저항을 높여주는 결과를 가져왔다. 또한, 본 발명에서는 상용전원을 사용하기 위해서 금속-반도체 계열의 전도성 물질을 분말 배합단계부터 추가로 혼합할 수 있다.

본 발명은 기존의 방법과는 상이하게 분말 혼합단계에서 점토 성분을 1~3wt%로 혼합한다. 이와 같은 점토 성분은 탄화규소 성형체 및 소결체의 치밀도를 향상시키며, 특히 소결온도를 1300 ~ 1500℃ 정도로 낮출 수 있다. 1300℃ 보다 더 낮은 온도에서는 점토성분의 치밀화가 어렵고, 1500℃ 보다 더 높은 온도에서는 전도성 혼합물의 산화를 초래할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 점토결합 탄화규소 제조 단계를 보여주는 공정도이다. 분말혼합단계에서 탄화규소 및 점토를 혼합하고, 이를 프레스 또는 사출방법에 의하여 일정한 형태로 성형한다. 성형된 바디는 별도의 규소 침윤 단계없이 그대로 열처리하여 치밀한 소결체를 얻는다. 이때 소결은 진공이나 별도의 분위기 조건없이 공기중의 상압하에서 가능하며, 본 발명의 일실시예에서는 소결 조건으로 공기중에서 1400℃, 1 ~ 2시간의 열처리를 수행하였다.

본 발명에서 사용하는 점토는 천연산의 미립자 집합체로, 수분을 가하면 가소성(Plasticity)을 나타내고, 이것을 건조하면 강성(elasticity)을 나타내며, 적당한 온도에서 소결될 수 있는 것을 말한다. 본 발명의 일실시예에서 사용된 점토는 고령토광물(Kaolin Mineral), 피로필라이트(Pyrophyllite), 몬모릴로나이트 (Montmorillonite), 운모(Mica), 활석(Talc) 등이 함유되어 있으며, SiO₂성분이 47~64wt%, Al₂O₃가 23~40wt%, H₂O 가 5 ~ 25wt% 포함되어 있으며, 경우에 따라 K₂O 및 MgO를 더 포함할 수도 있다. 본 발명의 일실시예에서는 K₂O는 11.8wt%, MgO는 31.9wt%로 포함되었다.

도 3a 및 3b는 본 발명의 점토를 이용한 탄화규소의 치밀화 기구를 도시한 것이다. 도 3a는 분말혼합 후 성형된 바디의 미세구조를 보여주는 것으로, 탄화규소입자(10) 사이에 점토입자(12)와 기타 첨가제(14)가 혼합되어 있는 것을 볼 수 있다. 이와 같은 성형체를 공기중에서 1400℃로 열처리한 후의 소결체를 도 3b에 모식적으로 도시하였다. 탄화규소입자(10)를 점토성분(12)이 둘러싸고 치밀하게 결합되어 있는 미세구조를 볼 수 있다.

이와 같은 소결체는, 기존의 일반적인 고압조건 및 1900℃ 이상의 탄화규소 소결 조건과는 다르게, 상압 1400℃에서 그 치밀화를 이루어내었다는데 중요한 의의가 있다.

한편, 일반적인 방법으로 소결한 탄화실리콘 히터의 경우, 그 비저항이 0.01 ~ 0.1Ω㎝ 로 작기 때문에 전압 강하 및 고전류 사용을 위한 값비싼 장치가 필수적 으로 부착되어 사용되는 단점이 있었다.

만일, 기존의 탄화규소 히터에 상용전원(110 또는 220V)을 바로 사용하기 위해서는 아래의 기본적인 저항공식을 기초로, 길이를 증가시키거나, 단면적을 감소시켜야 한다.

R = ρㆍL/A , (ρ:비저항, L:길이, A:단면적)

그러나, 이와 같은 방법은 늘어난 길이와 줄어든 단면적으로 인해 그 응용에 있어 기계적 강도 저하라는 치명적인 문제를 발생시키게 된다.

반면, 본 발명은 절연체인 점토 성분의 함유로 인해, 소결체의 치밀도 향상 뿐만 아니라 점토 성분의 함량을 조절하여 소결체의 비저항을 수Ω ~ 수 십Ω대로 증가시킬 수 있어 히터 형상과 무관하게 그 실제 저항을 자유로이 변화시킬 수 있다. 특히, 절연체인 점토 성분의 함유로 인해 소결체의 치밀도가 향상되었으며, 비저항이 10⁴Ω·cm까지 증가되었다. 한편, 본 발명에서는 상용전원을 사용하기 위하여 저항조절을 위한 첨가제로 Al-Si, WSi₂ 등의 도전성 물질을 10~30wt% 범위로 혼합할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명의 특징을 더욱 구체적으로 설명한다.

점토결합 탄화규소의 제조

탄화규소의 조성은 SiC 70wt%, 도전성 첨가제로 Al-Si 30wt% 조성에 점토를 3wt% 첨가하여 혼합뭏을 얻고 상기 혼합물을 가압하여 성형체를 얻었다. 상기 성형 체를 1400℃ 공기 분위기에서 약 1시간동안 소결하였다. 점토 첨가에 의한 소결을 통해 전체 성형체의 비저항은 10⁴Ω·cm까지 상승하였다. 원하는 대역의 비저항 조절을 위해 Al-Si을 10 ~ 30%의 범위내에서 변화시킨 결과, Al-Si 30wt% 조성에서 상용전원 110V에서 사용가능한 히터를 제작하였다.

도 4a는 가압성형으로 제작한 히터의 모형을 보인 모식도이며, 도 4b는 실제 제작된 히터에 전극부를 형성하고, 전원이 인가되었을 때 발열되는 모습을 보여주는 사진이다.

본 발명에 따른 세라믹 히터는 점토결합 탄화규소를 구성하는 성분들의 조성을 조절하여 넓은 대역으로 저항을 조절할 수 있다. 또한, 그 형상에 따라 다양하게 전체 저항을 조절할 수 있어 실제로 쓰이게 될 용도에 따라 길이와 단면적을 조절하여 그 저항을 조절하여 보았다. 그 결과 형성된 세라믹 히터에서 수십Ω~수백Ω대의 다양한 대역의 저항을 얻을 수 있어, 그 용처에 따라 다양한 응용성을 제공할 수 있음을 알 수 있다.

발열특성

도 5는 상기 실시예에서의 자료를 기반하여, 본 발명으로 점토를 이용하여 탄화실리콘을 치밀화시켜 만든 세라믹 히터의 발열경향을 도시한 것이다. 인가전압으로 상용 110V를 가했을 때, 상온에서의 저항은 350Ω, 1250℃ 발열시의 저항은 20Ω 정도의 발열특성을 보여주었다.

이와 같은 발열경향으로부터 본 발명에 따른 점토결합 탄화규소로 이루어진 세라믹 발열체를 상용 전원에서 최고 온도 1250℃ 정도의 고온부터 약 800℃정도의 히터로서 사용될 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 낮은 비저항으로 인해 공업용으로만 주로 쓰이던 탄화규소 히터를 실생활용 가전, 조리기기, 위생기기 등에 포함되는 발열 수단으로 다양하게 적용할 수 있을 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 탄화규소 분말에 점토성분을 함께 혼합하여, 종래 기술과 비교하여 매우 낮은 온도에서 용이하게 성형체의 치밀화를 이루어낼 수 있다. 또한, 본 발명은 세라믹 히터 및 점화기 재료로서 그 실제 제품에 적용시에 상용전원에서 바로 사용할 수 있을 정도의 저항증진 효과를 볼 수 있다. 특히, 규소 침윤 단계가 필요없으므로 대량생산시 공정 수를 줄일 수 있으며, 소결온도를 낮춤으로써 그에 따른 비용절감을 가져올 수 있다.

Claims

탄화규소, 점토 1 ~ 3wt%, 및 도전성 첨가제 10 ~ 30wt%를 포함하여 구성되는 점토결합 탄화규소.
제1항에 있어서, 상기 점토의 성분은 고령토광물(Kaolin Mineral), 피로필라이트(Pyrophyllite), 몬모릴로나이트 (Montmorillonite), 운모(Mica), 활석(Talc) 을 함유하며, SiO₂를 47 ~ 64wt%, Al₂O₃를 23 ~ 40wt%, H₂O를 5 ~ 25wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 점토결합 탄화규소.
제1항에 있어서, 상기 도전성 첨가제는 Al-Si 또는 WSi₂ 인 것을 특징으로 하는 점토결합 탄화규소.
탄화규소, 점토 1 ~ 3wt%, 및 도전성 첨가제로 구성되는 점토결합 탄화규소로 이루어진 세라믹 발열체.
탄화규소 분말과 점토 1 ~ 3wt% 및 도전성 첨가제 10 ~ 30wt%를 혼합하여 혼합물을 얻고,

상기 혼합물을 가압하여 소정 형태의 성형물을 얻고,

상기 성형물을 상압하에서 소결하는 단계로 이루어지는

점토결합 탄화규소 제조방법.
제4항에 있어서, 상기 소결 단계에서 온도는 1300 ~ 1500℃인 것을 특징으로 하는 점토결합 탄화규소 제조방법.