KR20060067860A - 순간 가열 방식의 조리용 가열 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 음식 등을 요리하는데 사용되는 조리용 가열 장치에 관한 것으로, 음식이 올려지는 금속판 후면측에 절연막을 장착시키고 그 하부에 박막 히터를 장착시킨 상태 또는 비 금속판 하부에 박막 히터를 장착시킨 상태에서 금속 패드를 통해 저전력 전원을 공급하여 박막 히터를 발열시켜 금속판 표면 온도를 순간적으로 가열시키는 방식의 조리용 가열 장치를 제공한다. 본 발명에 따르면, 저전력 전원으로 박막 히터를 순간적으로 높은 온도로 가열시킬 수 있어 요리 대기시간을 단축시킬 수 있도록 함과 아울러 소비 전력을 줄일 수 있도록 하는 효과와, 균일한 두께를 갖는 박막 히터가 모든 면에서 일정한 온도로 발열되기 때문에 조리용 가열 장치가 과열(overheating)되는 것을 방지할 수 있으며, 그에 따라 음식의 손상을 방지할 수 있도록 하는 효과, 및 금속판 표면에 절연막을 형성하고 절연막 위에 박막 히터를 형성하여 조리용 가열 장치 제조 공정 및 부품을 간소화 시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.

조리용 가열 장치, 순간 가열, 박막 히터, 절연막, 금속판, 도면체 패턴

Description

순간 가열 방식의 조리용 가열 장치{A heating apparatus for cooking device}

도 1 내지 4는 종래 방식에 따른 조리용 가열 장치에 대한 일실시 예 설명도.

도 5 및 도 6은 금속을 사용한 본 발명에 따른 순간 가열 방식의 조리용 가열 장치에 대한 일실시 예의 구성도.

도 7 및 도 8은 비 금속을 사용한 본 발명에 따른 순간 가열 방식의 조리용 가열 장치에 대한 일실시 예의 구성도.

도 9 내지 11는 박막 히터의 일 측에 형성된 도전체 패턴의 실시 예를 보여주는 예시도.

도 12 내지 13은 박막 히터 상에 패턴을 형성한 금속 패드의 실시 예를 보여주는 예시도.

도 14 내지 16는 본 발명이 적용된 조리용 가열 장치 및 표면 온도 측정 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명

21 : 금속판 22 : 절연막

23 : 박막 히터 24 : 금속 패드

25 : 온도 감지기 26 : 전기 연결 단자

27 : 지지대 28 : 도전체 패턴

29 : 보호층 30 : 비 금속판

본 발명은 음식 등을 요리하는데 사용되는 조리용 가열 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 음식이 올려지는 금속판 후면 측에 절연막을 장착시키고 절연막 하부에 박막 히터를 장착시킨 상태 또는 비 금속판(예 도자기, 유리) 후면 측에 박막 히터를 장착시킨 상태에서 금속 패드를 통하여 박막 히터로 저전력 전원을 공급하여 박막 히터를 발열시켜 금속판 표면 온도를 순간적으로 가열시키기 위한 순간 가열 방식의 조리용 가열 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 조리용 가열 장치로는 가스 불판, 가스 오븐, 컨벡션 오븐, 토스터기 등이 있다.

도 1은 종래 방식에 따른 가스 불판에 대한 일실시 예 설명도이고 도 2는 종래 방식에 따른 가스 오븐에 대한 일실시 예 설명도이며 도 3는 종래 방식에 따른 컨벡션 오븐에 대한 일실시 예 설명도이고 도 4는 종래 방식에 따른 토스터기에 대한 일실시 예 설명도이다.

도 1에 도시된 가스 불판 및 도 2에 도시된 가스 오븐은 점화 스파크에 의해 외부로부터 공급된 가스를 연소시켜 발생하는 빛,열로 금속판 위에 올려진 음식을 조리하는데 사용되며, 도 3에 도시된 컨벡션 오븐은 C-G 히터 또는 할로겐 램프에서 발열하는 열로 오븐 내에 넣어진 음식을 조리하는데 사용되며, 도 4에 도시된 토스터기는 식빵 등이 삽입되는 관통 둘레에 장착된 코일로 전기를 인가하여 코일에서 발열하는 열로 식빵 등을 조리하는데 사용된다.

그런데, 이러한 종래 기술들은 음식 조리 가능 온도가 되기까지 많은 시간이 걸리고, 수 KW의 고 전력이 소비되거나 많은 양의 가스가 소비되며, 전원 오프 또는 가스 공급 중단 이후에 조리용 가열 장치의 냉각이 느린 문제점이 있다.

즉, 가스 불판 및 가스 오븐으로 음식을 조리하기 위해서는 많은 양의 가스가 필요하며, 가스 폭발의 위험성이 있을 뿐 아니라 약한 세기의 불로 음식을 조리하데 많은 시간이 걸린다.

그리고, 컨벡션 오븐 및 토스터기 등 각각으로 음식을 조리하기 위해서는 각 할로겐 램프 및 코일을 발열시키는데 많은 시간이 걸린다. 특히 할로겐 램프 및 코일의 부피가 크기 때문에 발열 속도가 매우 느리고 조리 가능 온도가 되기까지는 많은 시간이 걸리고 고 전력이 소비되고 전원이 꺼진 이후에 할로겐 램프 및 코일의 냉각이 느리다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 음식이 올려지는 금속판 후면 측에 절연막을 장착시키고 절연막 하부에 박막 히터를 장착시 킨 상태 또는 비 금속판 후면에 박막 히터를 장착시킨 상태에서 금속 패드를 통하여 박막 히터로 저전력 전원을 공급하여 박막 히터를 발열시켜 금속판 표면 온도를 순간적으로 가열시키기 위한, 순간 가열 방식의 조리용 가열 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가열 장치는 음식을 가열하기 위한 금속판; 상기 금속판을 전기적으로 절연시키고 발생한 열을 상기 금속판으로 전도시키기 위하여 상기 금속판의 후면에 장착된 절연막; 상기 절연막의 하부에 박막 형태로 장착되어 외부로부터 전원을 공급받아 자체 전기 저항에 따른 순간가열에 의하여 순간적으로 고온 발열되는 박막 히터; 상기 박막 히터의 일측 및 타측에 장착되어 외부로부터 공급된 전원을 상기 박막 히터로 균일하게 공급하는 금속 패드; 및 상기 금속 패드에 접촉되어 전원을 공급하는 전기연결 단자;를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 가열 장치는 음식을 가열하기 위한 비 금속판; 상기 절연막의 하부에 박막 형태로 장착되어 외부로부터 전원을 공급받아 자체 전기 저항에 따른 순간가열에 의하여 순간적으로 고온 발열되는 박막 히터; 상기 박막 히터의 일측 및 타측에 장착되어 외부로부터 공급된 전원을 상기 박막 히터로 균일하게 공급하는 금속 패드; 및 상기 금속 패드에 접촉되어 전원을 공급하는 전기연결 단자;를 포함한다.

상기 발열장치의 박막 히터에는 일 측면에 전원 공급 초기에 보다 빠른 시간 안에 상기 박막 히터 면 전체에 균일하게 발열이 일어나도록 하고 상기 박막 히터의 전극 도입부와 박막 히터 중앙부의 온도차를 줄이기 위한 도전체 패턴이 형성될 수 있으며, 상기 금속 패드는 복수 개의 발열 박막 셀이 형성되도록 패턴을 형성할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 5 는 금속판을 사용한 본 발명에 따른 순간 가열 방식의 조리용 가열 장치에 대한 일실시 예의 구성도로서, 도면 기호 21은 금속판, 도면 기호 22는 절연막, 도면 기호 23은 박막 히터, 도면 기호 24는 금속 패드, 도면 기호 25는 온도 감지기, 도면 기호 26은 전기 연결 단자, 도면 기호 27은 지지대를 각각 나타낸다. 도 6 은 금속판과 도면체 패턴이 형성된 박막 히터를 사용한 본 발명에 따른 순간 가열 방식의 조리용 가열 장치에 대한 일실시 예의 구성도로서, 도면 기호 28은 도전체 패턴, 도면 기호 29는 보호층을 각각 나타낸다.

도 7은 비 금속판을 사용한 본 발명에 따른 가열장치 구조의 일 실시 예를 설명하기 위한 도면으로 도면 부호 30은 비 금속판을 나타낸다.

도 8는 비 금속판과 도면체 패턴이 형성된 박막 히터를 사용한 본 발명에 따른 전기 포트의 발열장치 구조의 또 다른 실시 예를 설명하기 위한 도면으로 도면 부호 28은 도전체 패턴, 29는 보호층을 타낸다.

본 발명에 따른 조리용 가열 장치는, 전원 플러그를 댁내 콘센트에 꽂는 사용자의 행위에 의해 전기 연결 단자(26) 및 금속 패드(24)를 통하여 박막 히터(23)로 저전력(예; 500 W 등)의 외부 전원이 공급되면 박막 히터(23)가 매우 빠른 속도로 발열(온도 상승, 즉 조리가 가능할 정도의 온도로 상승, 예; 200 ℃ 등)되고 금속판(21)으로 열이 전도된다. 이러한 상태에서 사용자가 금속판(21)의 상부에 음식 등을 올려서 조리를 하게 되는 것이다.

또한, 본 발명에서는 조리용 가열 장치의 전원 플러그를 댁내 콘센트로부터 뽑는 사용자의 행위에 의해 박막 히터(23)로의 외부 전원 공급이 차단되면 박막 히터(23)가 매운 빠른 속도로 냉각{온도 하강, 즉 조리용 가열 장치의 금속판(21)에 의해 빠른 시간 안에 사용자가 화상 등을 당하지 않을 정도의 온도로 하강}되고 금속판(21)으로 열이 전달되지 않는다.

금속판(21)의 두께는 0.3 mm ~ 3 mm이며, 그 소재로는 알루미늄 또는 스테인레스 스틸 등과 같은 금속이 사용된다.

절연막(22)은 박막 히터(23)에서 발열된 열이 빠른 속도로 금속판(21)으로 전도될 수 있도록 최대한 두께를 얇게 함과 아울러 금속판(21)과 박막 히터(23) 간을 전기적으로 절연시킬 수 있도록 알루미나(산화 알루미늄, Al₂O₃) 또는 마그네시아(산화 마그네슘, MgO) 등과 같은 세라믹 재질 또는 폴리머 물질을 이용한 절연막 또는 상기 두 가지 절연막의 혼합 물질 등으로 이루어진다.

그리고, 절연막(22)은 박막 히터(23)에서 발열된 열이 빠른 속도로 금속판(21)으로 전도될 수 있을 정도의 얇은 두께를 갖도록 함과 아울러 금속판(21)과 박막 히터(23) 간을 전기적으로 절연시킬 수 있을 정도로 0.5 μm ~ 500 μm 범위, 특히 0.5 μm ~ 200 μm 범위가 바람직하며, 재질에 따라 두께에 차이가 발생할 수도 있다.

이러한 절연막(22)의 조건은 다음과 같다.

절연막(22)이 금속판(21)과 박막 히터(23) 간을 전기적으로 절연시켜야 하며, 외부 전원을 공급받는 박막 히터(23)를 전기적으로 고립(Electrical isolation) 시키기 위해서는 박막 히터(23)로 100 V 정도의 전압이 인가될 때에 절연막(22)의 파괴가 발생하지 않아야 하고 절연막(22)의 전기적 누설 전류가 20 μA 이하로 되어야 한다.

또한, 박막 히터(23)에서 고온의 열이 발생할 때에 절연막(22)이 금속판(21) 및 박막 히터(23)로부터 각각 물리적 탈착이 발생하지 않도록 절연막(22)과 금속판(21)간의 접촉성, 절연막(22)과 박막 히터(23) 간의 접촉성이 우수해야 한다.

또한, 박막 히터(23)에서 고온의 열이 발생할 때에 절연막(22)이 금속판(21) 및 박막 히터(23)와 각각 화학적 반응을 일으키지 않으며 절연막(22)의 표면 조도가 우수해야 한다. 즉, 절연막(22)의 표면 조도가 우수하지 못할 경우에 절연막(22)이 박막 히터(23)의 전기적 비저항 특성에 영향을 미치지 때문에 절연막(22)은 박막 히터(23)의 전기적 비저항 특성에 영향을 미치지 않을 정도의 표면 조도를 갖는 것이 바람직하다.

전술한 바와 같은 조건을 만족시킬 수 있도록 절연막(22)으로는 알루미늄 또는 스테인레스 스틸 등과 같은 금속 소재의 금속판(21) 표면을 아크(Arc)로 산화시킨 산화 절연막이 사용되거나 금속판 표면에 세라믹, 유리, 도자기 등이 코팅된 절연막 또는 알루미늄 또는 스테인레스 스틸 등과 같은 금속 소재의 금속판(21) 표면에 폴리머(Polymer) 계열 물질(Polyimide, Polyamide, Teflon, PET 등)을 코팅시킨 폴리머 절연막 중 하나 또는 두 가지 이상을 금속판(21) 표면에 형성시킨 절연막 등이 사용된다.

산화 절연막을 형성하는 방법의 일실시 예는 다음과 같다.

알칼리 전해액에 담가져 있는 알루미늄(Al) 또는 베릴륨(Be) 또는 티타늄(Ti) 또는 스테인레스 스틸(Stainless Steel) 등의 금속 소재의 금속판(21) 표면에 외부로부터 아크 등의 전기적 에너지를 인가시켜 금속판(21) 표면 상의 금속 원자와 외부의 산소가 전기/화학적 반응을 일으키도록 하여 금속판(21) 표면의 특성을 산화막 형태로 변환시키는 것에 의해 형성된다.

산화 절연막으로는 Al₂O₃, ZrO₃, Y₂O₃ 등이 사용되며, 이 산화 절연막을 금속 판 위에 플라즈마 스프레이 코팅 방식(Plasma Spray Coating) 등으로 형성할 수도 있다. 이하, 산화 절연막을 금속판 위에 형성하는 공정의 일실시 예에 대해 설명하면 다음과 같다.

용기(bath) 내에 채워져 있는 알칼리 전해액의 농도를 평가하고, 알루미늄 소재의 금속판(21)에 외부 전원이 공급될 수 있도록 알루미늄 소재의 금속판(21)에 도선을 연결한 상태에서 이 알루미늄 소재의 금속판(21)을 용기 내의 알칼리 전해액에 담그고 나서 이 알루미늄 소재의 금속판(21)으로 외부 전원을 공급하여 알루미늄 소재의 금속판(21) 표면을 산화시킨다.

산화 절연막 형성 공정에 의해 고주파 교류(AC) 형태의 강한 전원이 알루미늄 소재의 금속판(21)에 가해짐에 따라 순간적으로 알루미늄 소재의 금속판(21) 표면에 아크(Arc)가 발생되며, 그에 따라 산화가 치밀하고 핀홀(pinhole)의 농도가 매우 작은 산화 절연막이 알루미늄 소재의 금속판(21) 표면에 형성된다.

이러한 산화 절연막 형성 공정에 의해 알루미늄 소재의 금속판(21) 표면에는 산화 알루미늄이 형성될 수 있거나 티타늄 소재의 금속판(21) 표면에는 산화 티타늄이 형성될 수 있거나 베릴륨 소재의 금속판(21) 표면에는 산화 베릴륨이 형성될 수 있는 것이다.

한편, 폴리머 절연막은 금속 소재의 금속판(21) 표면에 전기적 절연성이 확보되는 폴리머 계열의 물질을 균일한 두께로 코팅시키는 것에 의해 형성된다.

특히, 이러한 폴리머 절연막은 박막 히터(23)에서 열이 발열될 때에 열적 변형이 발생되지 않아야 된다. 또한, 폴리머 절연막은 박막 히터(23)에서 고온의 열 이 발열될 때에, 금속판(21) 및 박막 히터(23)로부터 각각 물리적 탈착이 발생되지 않도록 접촉성이 우수해야 되고, 금속판(21) 및 박막 히터(23)와 각각 화학적 반응을 일으키지 않도록 표면 조도가 우수해야 한다.

폴리머 절연막을 형성하는 공정의 일 실시예에 대해 설명하면 다음과 같다.

폴리머 절연막은 액상의 유기 폴리머 물질이 이용되어 형성되는데, 금속 소재의 금속판(21) 표면에 균일한 두께로 코팅된다.

여기서, 코팅 방식으로는 스핀 코팅 방식(spin coating), 스프레이 코팅 방식(spray coating), 디핑 코팅 방식(dipping coating), 스크린 프린팅 방식(screen printing) 등이 사용된다.

또한, 폴리머 물질로는 폴리이미드(polyimide) 계열 물질, 폴리아미드(polyamide) 계열 물질, 테프론(teflon) 계열 물질, 페인트(paint) 계열 물질, 실버-스톤(silver-ston), 테프젤-에스(tefzel-s), 에폭시(epoxy), 고무(rubber) 등이 사용되거나 자외선(UV)에 대한 감광성이 있는 물질도 사용될 수 있다.

예를 들어, 폴리이미드 계열 물질을 스프레이 코팅 방식으로 금속판(21)에 형성하는 공정의 일실시 예는 다음과 같다.

금속판(21)을 아세톤(aceton), 아이소 프로필 알코올(IPA; Iso Propyl Alcohol) 등으로 유기 세척시키고 나서, 금속판(21)을 고속(예; 2,000 rpm 이상)으로 자전시키면서 폴리이미드 계열 물질을 금속판(21)에 분사한 후에 금속판(21) 표면에 코팅된 폴리이미드 계열 물질을 열처리한다.

스프레이 코팅 방식의 폴리머 절연막 형성 공정에 의해 금속판(21) 표면에는 열적 안정성이 우수하고 글래시 템퍼러쳐(GT; glassy temperature)가 300 ℃이상인 폴리머 절연막이 형성된다.

또한, 폴리이미드 계열 물질 열처리 과정에서 폴리이미드 계열 물질을 서서히 냉각시킴으로써 폴리머 절연막과 금속판(21) 간의 접착성이 우수해 지며, 스프레이 코팅 과정에서 폴리머 계열 물질을 금속판(21) 표면에 코팅시킴으로써 두께 균일도가 우수해지며, 폴리머 절연막의 핀홀의 농도가 매우 작아져서 전기적 누설 전류가 발생하지 않는다.

한편, 산화 절연막과 폴리머 절연막의 이중 절연막은 금속 소재의 금속판(21) 표면에 산화 절연막을 형성시키고 나서 이 산화 절연막 위에 폴리머 계열의 물질을 균일한 두께로 코팅시키거나 반대로 금속 소재의 금속판 표면에 폴리머 계열 물질을 코팅하고 그 위에 산화 절연막을 형성시킬 수 있다.

이러한 산화 절연막과 폴리머 절연막의 이중 절연막의 전체 두께는 산화 절연막을 단독으로 금속판(21) 표면에 형성시킨 결과의 두께 및 폴리머 절연막을 단독으로 금속판(21) 표면에 형성시킨 결과의 두께 각각의 합에 비해 작으며, 각각의 단독 절연막에 비해 절연 파괴를 최소화 시킬 수 있다.

여기서, 산화 절연막 절연 파괴의 주된 사유로는 산화 절연막에 형성되는 핀홀에 기인하여 이 핀홀 내로 박막 히터(23)로 공급된 외부 전원이 전달되는 것에 의해 절연 파괴가 발생될 수도 있다.

그리고, 폴리머 절연막 절연 파괴의 주된 사유로는 폴리머 절연막 형성 시에 액상의 피알(PR) 도포에 의한 기포 발생 등에 기인하여 폴리머 절연막이 고화된 후 기포가 있던 부분에 절연 파괴가 발생될 수도 있다.

따라서, 산화 절연막 또는 폴리머 절연막 각각에 내재된 절연 파괴 발생을 산화 절연막과 폴리머 절연막의 이중 절연막으로 보완하는 것이 바람직하다.

이러한 절연막(22)의 두께는 0.5 μm ~ 500 μm 범위, 특히 0.5 μm ~ 200 μm 범위가 열전도 효율성을 위해 바람직하며(재질에 따라 두께에 차이가 발생함), 절연막(22)의 절연 파괴 전압(breakdown voltage)은 1,000 V 이상이며, 절연막(22)의 누설 전류(leakage current)는 100 V 전압이 될 때에 20 μA 이하이며, 박막 히터(23)에서 열이 발열될 때에(thermal cycle) 절연막(22)이 금속판(21) 및 박막 히터(23) 각각으로부터 탈착(박리)이 발생되지 않도록 한다.

박막 히터(23)는 절연막(22) 위에 0.05 μm ~ 수십 μm 범위(예, 0.05 μm ~ 30 μm )의 두께를 갖는 박막 형태로 장착되며, 금속 패드(24)를 통하여 외부 전원(직류 전원 또는 교류 전원)이 공급되면 자체 전기 저항에 의해 줄열(joule heating)을 발생시킨다.

여기서, 박막 히터(23)의 박막 특성, 즉 작은 부피로 인해 발열 속도 및 냉각 속도가 매우 빠르게 이루어질 수 있고, 자체 전기 저항에 의해 발열되는 온도가 500 ℃를 초과할 수도 있고, 기존의 시이즈 히터와는 다르게 아주 빠른 온도 상승도 가능하다.

이러한 박막 히터(23)의 조건은 다음과 같다.

박막 히터(23)는 박막 특성으로 인해 기존의 시이즈 히터에 비해 빠른 속도로 온도 상승이 가능하나, 이러한 박막 특성으로 인해 전류 흐름 속도(current flux) 등이 매우 커질 수 있기 때문에 자체적인 전기적/열적/화학적 내성이 요구된다.

즉, 박막 히터(23)는 전기적으로 높은 내압(heater strength)을 가져야 되며, 금속 패드(24)를 통하여 지속적으로 인가되는 에너지에 대한 자체 저항성이 높아야지만 박막 히터(23)의 장시간 수명 유지가 가능하다.

또한, 박막 히터(23)는 절연막(22) 위에 장착되는데, 발열로 인해 절연막(22)이 탈착되지 않도록 하고 금속판(21)과 절연막(22)간의 박리가 발생되지 않도록 해야 된다.

또한, 박막 히터(23)는 열 충격이 지속적으로 가해지는 소자인데, 이러한 열충격에 의해 자체 저항 변화의 현저한 증가가 일어나지 않도록 해야 한다.

또한, 박막 히터(23)는 공기 중(산소)에 노출된 상태로 고온으로 발열하는 경우도 있는데, 이러한 산화에 의해 자체 저항의 현저한 증가가 일어나지 않도록 해야 한다.

전술한 바와 같은 조건을 만족시킬 수 있도록 박막 히터(23)의 소재로는 융점이 높은 단일 금속(예; Ta, W, Pt, Ru, Hf, Mo, Zr, Ti 등)이 사용되거나 이들 금속을 조합한 2성분계 금속 합금물(예; TaW 등)이 사용되거나 금속-질화물(metal-nitride)을 조합한 2성분계 금속-질화물 계열(예; WN, MoN, ZrN 등)이 사용되거나 금속-규화물(metal-silicide)을 조합한 2성분계 금속-규화물 계열(예; TaSi, WSi 등)이 사용되거나 Ag/Pd과 같은 후막 도전성 페이스트 등이 사용된다.

그리고, 박막 히터(23)가 수십 μm 이하(예; 0.05 μm ~ 30 μm 범위 등, 재 질에 따라 두께에 차이가 발생함)의 두께를 갖도록 한다.

특히, 박막 히터(23)의 온도가 순간적으로 상승되게 하기 위해서, 즉 자체적으로 뜨겁게 달궈지는데 걸리는 시간이 최소화되기 위해서는 박막 히터(23) 자체의 히트 커패시티(heat capacity)를 매우 작게하면 된다.

즉, 박막 히터(23)의 히트 커패시티는 두께를 매개변수로 하는 함수로 표현되는데, 박막 히터(23)의 두께가 얇아질수록 그 값이 작아진다. 반면에 박막 히터(23)의 수명은 두께가 얇아질수록 짧아질 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 박막 히터(23)의 온도를 순간적으로 상승시키고 수명을 연장시키기 위한 두 가지 조건을 만족시키기 위해 다양한 시뮬레이션과 실험을 통하여 박막 히터(23)의 최적 두께 범위를 도출할 수 있다. 한편, 박막 히터(23)의 소재에 따라 약간의 차이는 있으나 미세한 차이임을 밝혀 둔다.

즉, 다음의 수식에 근거하여 박막 히터(23)의 최적의 두께를 도출한다.

여기서,

(resistivity)는 박막 히터(23) 소재의 고유한 비저항값이고, Rs(sheet resistance)는 박막 히터(23)의 면 저항값이고, t(thickness of film)는 박막 히터(23)의 두께이다. 한편, 두께와 고유 비저항값은 비례 관계에 있음을 알 수 있다.

따라서, 박막 히터(23) 소재의 비저항값 범위를 고려하여 전술한 매개변수를 입력 데이터로 이용하여 시뮬레이션을 하면 각 제품의 특성에 맞게 박막 히터(23)의 최적 두께 범위가 재질에 따라(예; 0.05 μm ~ 30 μm 등) 도출된다.

이러한 박막 히터(23)는 진공 증착 방식, 후막 스크린 인쇄 방법 등에 의해 절연막(22) 위에 형성되는데, 진공 증착 방식으로는 PVD(Sputtering, Reactive Sputtering, Co-Sputtering, Evaporation, E-beam 등) 및 CVD(LPCVD, PECVD 등)가 사용된다.

또한, 박막 히터(23) 하부(표면)에는 박막 히터(23)를 외부 이물질(예; 물기 등)로부터 보호하기 위한 히터 보호층(29)이 형성되는 것이 바람직하다. 여기서, 히터 보호층의 소재로는 무기 히터보호층류(SiNx, SiOx), 유기 히터보호층류(Polyimide, Polyamide, Teflon, PET 등) 등이 사용될 수 있다.

보호층은 도전체 패턴이 형성된 박막 히터와 도전체 패턴이 형성되어 있지 않은 상태의 박막 히터 모두에 형성될 수 있다.

한편, 도 9 내지 11에서와 같이, 박막 히터의 일 측면에는 여러 가지 형상 및 모양을 갖는 박막 히터보다 전기 저항이 낮으며 열전도율이 높은 도전체 패턴(28)이 형성될 수 있다.

도전체 패턴이 형성되지 않은 박막 히터를 사용할 경우 전원 공급 초기에 박막 히터의 전극 도입부와 중앙 부분 사이에 온도 차가 발생하여 박막 히터 면 전체에 균일한 온도 분포가 이루어지지 못하거나 박막 히터의 일 부분에 과발열 현상이 발생하여 박막 히터나 절연막 등에 손상이 발생할 수도 있다.

이러한 현상을 방지하고 전원 공급 초기에 보다 빠른 시간 안에 박막 히터 면 전체에 균일한 발열이 일어날 수 있도록 하기 위하여, 박막 히터의 일 측면에 도 9 내지 11과 같이 여러 가지 형태 및 모양의 도전체 패턴을 형성할 수 있다.

또한, 박막 히터에 도전체 패턴을 형성함으로써, 박막 히터 생산시 도전체 패턴이 형성되지 않은 단일 박막 히터보다 생산 수율을 향상시킬 수 있다. 도전체 패턴이 형성되지 않은 단일 박막 히터는 박막 히터 전체 중 일부분의 미세한 두께 차이나 스크래치 등의 일부 박막의 손상으로도 전체 저항체의 품질 저하를 가져와 박막 히터의 생산 수율을 떨어뜨릴 수 있기 때문이다.

금속 패드(24)는 박막 히터(23)의 일측 및 타측에 장착되어, 외부로부터 공급된 전원을 박막 히터(23)로 균일하게 공급한다. 여기서, 금속 패드(24)를 박막 히터(23)의 일측 및 타측에 각각 형성함으로써, 박막 히터(23)의 모든 면에서 균일한(일정한) 전류 밀도를 가질 수 있도록 할 수 있는 것이다.

특히, 박막 히터(23)의 모든 면에서 균일한 전류 밀도를 가질 수 있도록 하기 위해서 금속 패드(24)의 폭을 박막 히터(23)의 폭보다 더 크거나 같게 하는 것이 좋다.

한편, 본 발명의 금속 패드(15)는 도 12과 도 13에서와 같이 복수 개의 발열 박막 셀이 형성되도록 여러 가지 위치, 모양, 크기 및 개수를 가지는 패턴을 형성할 수도 있다.

또한 박막 히터(23)에서 열이 발열 될 때에, 금속 패드(24)의 온도에 대한 안정성을 보장하고, 산화에 의한 저항 증가를 막고, 박막 히터(23)로부터 탈착되지 않도록 하기 위해서 금속 패드(24)의 소재로는 Al, Au, W, Pt, Ag, Ta, Mo, Ti 등 과 같은 금속이 사용된다.

온도 감지기(25)는 박막 히터(23)에서 발열되는 온도를 감지하는 공지의 기능을 수행한다.

전기 연결 단자(26)는 조리용 가열 장치의 회로 기판(도면에 도시되지 않음) 상에 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 조리용 가열 장치의 다른 실시예는, 음식을 가열하기 위한 비 금속판(30); 상기 절연막의 하부에 박막 형태로 장착되어 외부로부터 전원을 공급받아 자체 전기 저항에 따른 순간가열에 의하여 순간적으로 고온 발열되는 박막 히터(23); 상기 박막 히터의 일측 및 타측에 장착되어 외부로부터 공급된 전원을 상기 박막 히터로 균일하게 공급하는 금속 패드(24); 및 상기 금속 패드에 접촉되어 전원을 공급하는 전기연결 단자(26);를 포함한다.

도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 금속판 대신 비 금속판(30)이 사용된 경우에는 비 금속판과 박막 히터 사이에 절연막을 구비하지 않아도 된다.

상기 박막 히터(23)의 일 측면에는 금속판을 사용하는 경우와 마찬가지로 전원 공급 초기에 보다 빠른 시간 안에 상기 박막 히터 면 전체에 균일하게 발열이 일어나도록 하고 상기 박막 히터의 전극 도입부에서 과 발열 현상이 일어나는 것을 방지하기 위한 도전체 패턴(28)과 박막 히터(23)를 외부 이물질 등으로부터 보호하기 위한 보호층(29)이 형성될 수 있다.

또한, 상기 금속 패드(24)는 금속판을 사용하는 경우와 마찬가지로 복수 개의 발열 박막 셀이 형성되도록 패턴을 형성할 수 있다.

비 금속판의 소재로는 적어도 250℃ 이상에서도 견디는 열 강화 플라스틱, 내열성 수지, 세라믹, 유리, 도자기 등이 사용된다.

도 14에는 본 발명이 적용된 조리용 가열 장치가 도시되어 있으며, 도 15에는 도 14에 도시된 조리용 가열 장치에 50 와트(Watt)를 인가했을 때 시간에 따른 표면 온도 변화를 측정한 그래프가 도시되어 있으며, 도 16에는 도 14에 도시된 조리용 가열 장치에 10초 동안 전력 변화를 주었을 때의 표면 온도 변화를 측정한 그래프가 도시되어 있다. 한편, 도 14 내지 16에 도시된 수치는 조리용 가열 장치의 일실시 예에 대한 수치이며, 박막 히터, 박막 히터 위에 입혀지는 도전체 패턴, 절연막, 금속 패드, 금속판 등과 같은 각 구성 요소의 저항값, 두께, 소재 등에 따라 서로 다른 결과로 도출될 수 있음을 밝혀 둔다.

도 15에 도시된 바와 같이, 50 와트 전력이 인가될 시 일정 시간이 경과하면 287 ℃에서 임계(saturation) 특성이 나타남을 알 수 있다.

도 16에 도시된 바와 같이, 전력 변화에 따라 10초 동안 증가하는 표면 온도 변화는 선형적 증가 특성을 가지는 것을 알 수 있다.

부가적으로, 조리용 가열 장치에 대한 제품 요구 사항을 반영하여 박막 히터, 도전체 패턴, 절연막, 금속 패드, 금속판 등과 같은 각 구성 요소의 저항값, 두께, 소재 등을 서로 다르게 적용하여 표면 온도 도달 시간 및 소비 전력을 제품 특성에 맞게 감소시켜 최적의 제품을 생산할 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예로, 전술한 순간 가열 방식의 조리용 가열 장치는 가 스 불판, 가스 오븐, 컨벡션 오븐, 토스터기 등에 장착될 수도 있거나 냄비, 후라이팬, 전기 포트 등과 같은 조리 기구에 장착될 수도 있다.

이상, 본 발명이 실시 예를 들어 설명되었으나, 본 발명의 실시 예는 단지 예시에 불과하며 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명이 속하는 분야의 기술자는 본원의 특허청구범위에 기재된 원리 및 범위 내에서 본 발명을 여러 가지 형태로 변형 또는 변경할 수 있다.

상기와 같은 본 발명은 조리용 가열 장치의 열 발생 수단으로 박막 히터를 장착시킴으로써, 저전력 전원으로 박막 히터를 순간적으로 높은 온도로 가열시킬 수 있으며, 그에 따라 사용자의 음식 조리 대기 시간을 단축할 수 있도록 함과 아울러 소비 전력을 줄일 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 균일한 두께를 갖는 박막 히터가 모든 면에서 일정한 온도로 발열되기 때문에 조리용 가열 장치가 과열(overheating)되는 것을 방지할 수 있으며, 그에 따라 음식의 손상을 방지할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 금속판 표면에 절연막을 형성하고 절연막 위에 박막 히터를 형성하거나 비금속 판 표면에 박막 히터를 형성함으로써, 조리용 가열 장치 제조 공정 및 부품을 간소화할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims (13)

1. 음식을 가열하기 위한 금속판(21);

   상기 금속판을 전기적으로 절연시키고 발생한 열을 상기 금속판으로 전도시키기 위하여 상기 금속판의 후면에 장착된 절연막(22);

   상기 절연막의 하부에 박막 형태로 장착되어 외부로부터 전원을 공급받아 자체 전기 저항에 따른 순간가열에 의하여 순간적으로 고온 발열되는 박막 히터(23);

   상기 박막 히터의 일 측 및 타 측에 장착되어 외부로부터 공급된 전원을 상기 박막 히터로 균일하게 공급하는 금속 패드(24); 및

   상기 금속 패드에 접촉되어 전원을 공급하는 전기연결 단자(26);

   를 포함하는 순간 가열 방식의 조리용 가열 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 박막 히터 면 전체의 균일한 발열을 유도하기 위하여 상기 박막 히터의 일 측면에 도전체 패턴(28)이 형성된 것을 특징으로 하는 순간 가열 방식의 조리용 가열 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 금속 패드(24)가 복수 개의 발열 박막 셀이 형성되도록 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 순간 가열 방식의 조리용 가열 장치.
4. 음식을 가열하기 위한 비 금속판(30);

   상기 절연막의 하부에 박막 형태로 장착되어 외부로부터 전원을 공급받아 자체 전기 저항에 따른 순간가열에 의하여 순간적으로 고온 발열되는 박막 히터(23);

   상기 박막 히터의 일측 및 타측에 장착되어 외부로부터 공급된 전원을 상기 박막 히터로 균일하게 공급하는 금속 패드(24); 및

   상기 금속 패드에 접촉되어 전원을 공급하는 전기연결 단자(26);

   를 포함하는 순간 가열 방식의 조리용 가열 장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 박막 히터 면 전체의 균일한 발열을 유도하기 위하여 상기 박막 히터의 일 측면에 도전체 패턴(28)이 형성된 것을 특징으로 하는 순간 가열 방식의 조리용 가열 장치.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 금속 패드(24)가 복수 개의 발열 박막 셀이 형성되도록 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 순간 가열 방식의 조리용 가열 장치.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 박막 히터(23)의 하부 측에는 박막 히터를 이물질로부터 보호하기 위한 히터 보호층(29)이 형성된 것을 특징으로 하는 순간 가열 방식의 조리용 가열 장치.
8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 박막 히터(23)가 단일 금속 또는 상기 금속을 조합한 2 성분계 금속 합금물 또는 금속-질화물(metal-nitride)을 조합한 2 성분계 금속-질화물 또는 금속-규화물(metal-silicide)을 조합한 2 성분계 금속-규화물 또는 후막 도전성 페이스트 중 어느 하나를 소재로 하는 것을 특징으로 하는 순간 가열 방식의 조리용 가열 장치.
9. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 금속 패드(24)는 상기 박막 히터(23)로 전류 밀도가 균일하게 전원을 공급할 수 있도록 그 폭이 상기 박막 히터의 폭보다 크거나 같도록 설정되고, 발열시 온도에 대해 안정하고 산화에 따른 저항 증가 및 물리적 박리가 방지되는 Al 또는 Au 또는 W 또는 Pt 또는 Ag 또는 Ta 또는 Mo 또는 Ti 중 어느 하나를 소재로 하는 것을 특징으로 하는 순간 가열 방식의 조리용 가열 장치.
10. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 절연막(22)은 상기 금속판(21)의 표면을 아크로 산화 형성한 산화 절연막 또는 상기 금속판(21)의 표면에 폴리머를 코팅 형성한 폴리머 절연막 또는 상기 산화 절연막과 폴리머 절연막을 상기 금속판(21)의 표면에 형성한 이중 절연막 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 순간 가열 방식의 조리용 가열 장치.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 절연막이 1000 V 이상의 절연 파괴 전압을 가지며, 100 V 전압이 인가될 때에 20 ㎂ 이하의 누설 전류를 갖는 것을 특징으로 하는 순간 가열 방식의 조리용 가열 장치.
12. 제 10 항에 있어서,

    상기 산화 절연막은 산화 알루미늄 또는 산화 베릴륨 또는 산화 티타늄 중 어느 하나이고, 상기 폴리머 절연막의 상기 폴리머는 폴리이미드(polyimide) 또는 폴리아미드(polyamide) 또는 테프론(teflon) 또는 페인트(paint) 또는 실버-스톤(silver-ston) 또는 테프젤-에스(tefzel-s) 또는 에폭시(epoxy) 또는 고무(rubber) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 순간 가열 방식의 조리용 가열 장치.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 폴리머 물질이 스핀 코팅 방식(spin coating) 또는 스프레이 코팅 방식(spray coating) 또는 디핑 코팅 방식(dipping coating) 또는 스크린 프린팅 방식(sreen printing) 중 어느 하나의 방식에 의해 상기 금속판 표면에 코팅되는 것을 특징으로 하는 순간 가열 방식의 조리용 가열 장치.

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