KR20060093244A - 강도가 증진된 세라믹 발열체, 이의 제조 방법 및 상기 세라믹 발열체가 응용된 세라믹 히터 또는 점화기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 히터 및 점화기에 응용되는 세라믹 발열체에 있어서, 저항을 높이기 위한 형상 형성 후에 생기는 빈 공간에 강도 증진을 위한 절연성 세라믹 물질이 충진되어, 상용 전원에서 사용 가능한 저항을 갖고 동시에 강도가 증진된 세라믹 발열체, 이의 제조 방법, 및 상기 강도가 증진된 세라믹 발열체가 응용되어 상용 전원에서 사용 가능하고 취급 용이성이 증대된 세라믹 히터 또는 점화기에 관한 것이다.

Description

강도가 증진된 세라믹 발열체, 이의 제조 방법 및 상기 세라믹 발열체가 응용된 세라믹 히터 또는 점화기{CERAMIC HEATING ELEMENT WITH AN INPROVED HARDNESS, FABRICATION METHOD THEREOF AND CERAMIC HEATER OR LIGHTER TO WHICH THE CERAMIC HEATING ELEMENT IS APPLIED}
도 1은 강도 증진용 절연 물질의 충진 전 후의 세라믹 발열체의 모습을 보여주는 것으로, (가)는 충진 전의 모습이고, (나)는 충진 후의 모습이다.
도 2는 강조 증진용 절연물이 충진된 강도 증진 발열체의 발열 사진이다.
도 3은 강도 증진용 절연물이 충진된 강도 증진 발열체의 발열 경향을 보여주는 그래프로서, (ㄱ)과 (ㄴ)은 각각 시간에 따른 온도 및 전류를 보여주는 것이다.
본 발명은 히터 및 점화기에 응용되는 세라믹 발열체에 있어서, 저항을 높이기 위한 형상 형성 후에 생기는 빈 공간에 강도 증진을 위한 절연성 세라믹 물질이 충진되어, 상용 전원에서 사용 가능한 저항을 갖고 동시에 강도가 증진된 세라믹 발열체, 이의 제조 방법, 및 상기 강도가 증진된 세라믹 발열체가 응용되어 상용 전원에서 사용 가능하고 취급 용이성이 증대된 세라믹 히터 또는 점화기에 관한 것이다.
오늘날 가정용 보일러, 온수기, 건조기, 주방용 렌지 등을 사용함에 있어서, 가스의 안전한 점화를 위하여 여러 가지 점화기들이 널리 사용되고 있다. 이 중에서 세라믹 점화기는 높은 발화 온도가 가능하여 금속 저항 발열체와 다른 용도로 고온, 내산화를 요하는 용도에 많이 응용되고 있다. 또한, 원적외선 방출이라는 독특한 특성으로 인하여, 요즘에는 웰빙 바람을 타고 원적외선 방출 선풍기형 히터로의 적용도 많이 이루어지고 있다.
그러나, 이러한 세라믹 히터는 그 우수한 열적 특성에도 불구하고 낮은 비저항과 높은 취성파괴 특성 때문에 그 제작 및 사용에 어려움을 겪고 있다. 예컨대, 도전성을 지니며 강도가 우수하다는 탄화규소(SiC) 또는 이규화몰리브데늄(MoSi2) 발열체의 경우 봉형으로 제작되어 공업용 로의 가열 등에 널리 쓰이고 있으나, 잘 깨지는 특성 때문에 취급상에 주의를 요하며, 취급이 용이하지 않다. 또한, 낮은 비저항 (10-2Ωcm 이하)으로 인하여 별도의 전압 및 전류 조절기를 설치하여야 하기 때문에, 비용면에서도 불리하다. 따라서, 상용 전원 (110V 또는 220V)에서 사용할 수 있는 가정용 히터 및 이그나이터의 제작을 위하여, 비저항을 높이고 강도를 증진하는 것이 필수적이라 할 수 있다.
세라믹 히터 및 점화기 전체 형상에 있어서, 상용 전원에 직접 연결하여 사용하기 위하여, 저항을 높이기 위하여 단면적을 줄이거나, 전기적인 경로를 늘리는 방법을 취할 수 있으나, 이는 제품의 기계적 강도를 약화시키는 결과를 가져온다. 한편, 히터 및 점화기 재료의 비저항을 높이는 방법으로 다공성 구조를 갖도록 하는 방법도 있지만, 이 또한 원래 취성이 큰 세라믹 재료에 추가적인 강도 손실을 가져오며, 더욱이 공기중에 노출된 반응 면적 증가로 인하여 장시간 사용시 내산화성을 악화시키는 결과까지 가져온다.
따라서, 탄화규소를 산업 및 가정 분야에 적용하기 위해서는 좀 더 높은 비저항과 강도가 필요하나, 이 두 인자간 특성의 반비례 문제로 인하여 두 가지 특성을 모두 증진시킬 수 있는 새로운 방법이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 강도가 증진된 히터 또는 점화기로의 응용을 위한 세라믹 발열체를 제공하는데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 증진된 강도와 더불어 상용 전원(110V 또는 220V)에서 바로 사용할 수 있는 저항을 동시에 갖는 세라믹 발열체를 제공하는데 있다.
본 발명은 히터 및 점화기에 응용되는 세라믹 발열체에 있어서, 비저항을 높이기 위한 형상 형성 후에 생기는 빈 공간에 강도 증진을 위한 절연성 세라믹 물질이 충진되어, 상용 전원에서 사용 가능한 저항을 갖고 동시에 강도가 증진된 세라믹 발열체, 이의 제조 방법, 및 상기 강도가 증진된 세라믹 발열체가 응용되어 상용 전원에서 사용 가능하고 취급 용이성이 증대된 세라믹 히터 또는 점화기에 관한 것이다. 본 발명에 따르는 경우, 세라믹 발열체의 강도 증진에 있어서 다른 부가적인 장치를 필요로 하지 않기 때문에, 그 방법이 매우 간단하고 경제적이다.
상기한 바와 같이, 세라믹 발열체가 히터 또는 점화기로의 응용시에 필요한 저항 확보를 위하여, 다공성 구조, 또는 디자인 상으로 전체 단면적은 감소되고 길이는 증가된 구조 등의 다양한 구조를 갖는 경우, 필연적으로 빈 공간이 생기게 되며, 이로 인하여 기계적 강도가 약해지는 문제점이 발생하게 되는데, 본 발명은 상기의 빈 공간에 절연성을 띠고 열충격이 적은 물질을 채워 넣어 전기적 특성의 변화없이 그 강도를 증진시키는 기술을 제공하는 것이다. 이는 기존의 취성이 큰 세라믹 점화기의 보호를 위하여 외부에 실드(shield) 등의 별도의 장치를 제작하여 추가적으로 보완하는 방법과는 달리, 본 발명은 이러한 별도의 장치없이 세라믹 발열체 자체의 제작시에 모재 자체에 강도를 보완하는 기술을 제공하는 것이다.
우선, 본 발명은 히터 및 점화기에 응용되는 세라믹 발열체에 있어서, 원하는 형상으로 형성된 후 만들어진 빈 공간에 강도 증진을 위한 절연성 세라믹 물질이 충진되어, 원래의 전기적 특성은 변하지 않으면서 강도가 증진된 세라믹 발열체를 제공한다. 상기 절연성 세라믹 물질은 모재와 열팽창 계수가 비슷하고 열전도도가 우수하며 절연성을 띠는 물질로서, 세라믹 발열체로 히터 또는 점화기의 형상을 만든 후 생기는 빈 공간에 채워짐으로써 세라믹 발열체의 기계적 강도를 증진시켜, 취급의 용이성을 증대시킨다.
또한, 본 발명은 세라믹 발열체의 제조 공정 중에 형성된 빈 공간에 강도 증진을 위한 절연성 세라믹 물질을 충진시키는 단계를 포함하는 강도가 증진된 세라믹 발열체의 제조 방법을 제공한다. 보다 상세하게, 본 발명의 제조 방법은 세라믹 발열체의 원료 분말을 혼합하고 성형한 후, 얻어진 성형체를 원하는 발열체 형상으로 형성하고; 상기 발열체 형상의 형성 후에 발생하는 빈 공간에 강도 증진을 위한 절연성 세라믹 물질을 충진시키고; 1200 내지 1450 ℃에서 0.5 내지 3 시간 유지하여 소결하고; 얻어진 발열체의 전도성 말단에 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 강도가 증진된 세라믹 발열체 및 이의 제조 방법에 있어서, 상기 세라믹 발열체로서 사용되는 물질에는 특별한 제한이 없으며, 예컨대, 탄화규소, 이규화몰리브데늄 또는 탄소를 사용할 수 있다. 또한, 상기 절연성 세라믹 물질로서 상기한 바와 같이 모재와 열팽창 계수가 비슷하고 열전도도가 우수하며 절연성 세라믹 물질을 사용하며, 예컨대, 탄화규소/질화규소 복합체, 질화규소 또는 질화알루미늄을 사용할 수 있다.
상기 강도 증진 절연성 세라믹 물질로서 질화규소 또는 탄화규소/질화규소 복합체를 사용하는 경우, 상기 질화규소는 규소를 먼저 충진시킨 후, 소결단계에서 질소가스를 주입하여 충진 물질 중의 규소와 외부에서 주입된 질소와의 반응에 의하여 형성시킬 수 있으며, 이 때, 소결 유지 시간과 생성되는 질화규소의 양이 비례하므로, 유지 시간을 조절하여 질화규소의 생성량을 제어할 수 있다. 또한, 탄화규소/질화규소 복합체를 사용하는 경우, 질화규소의 생성량이 증가할수록 절연 특성이 우수해지며, 더욱 우수한 강도 증진 효과를 얻을 수 있다. 이 때, 모재인 탄화규소와의 열충격성을 고려하여 탄화규소/질화규소 간의 비율을 조절하여햐 하며, 탄화규소와 질화규소의 질량비는 3:7 내지 7:3인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기와 같이 절연성 세라믹 물질이 충진되어 강도가 증진된 세라믹 발열체가 응용된 세라믹 히터 또는 점화기를 제공한다. 본 발명에 따른 세라믹 히터 또는 점화기는 상용 전원에 바로 사용할 수 있는 저항을 갖추고 강도가 증진된 세라믹 발열체가 응용된 것이므로, 상용 전원에서 사용 가능하고, 운반 및 취급시의 용이성이 증대된 것을 특징으로 한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하겠으나, 이는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예
강도 증진 발열체의 제조
출발 물질로서 수 십 ㎛ 크기의 탄화규소, 마이크론 이하(submicron) 크기의 카본 블랙 분말을 사용하였다. 스펙트로 밀(spectro-mill)을 사용하여 상기 분말을 수 십 분간 혼합한 후, 가압 또는 사출 등의 방법을 통하여 상기 혼합된 분말을 성형하였다. 얻어진 성형체 위에 추가로 수 내지 수십 ㎛ 크기의 규소 분말을 추가로 첨가하고, 진공 분위기 하에서 1500 내지 1600 ℃에서 0.5 내지 3 시간 유지하였다. 이 단계에서 성형체의 카본과 상기 규소 공급 반응에 의하여 표면에서부터 내부로 탄화규소가 생성되었다. (Si+C=SiC)
상기에서 얻어진 탄화규소 성형체를 다이아몬드 톱 또는 다른 절단기를 사용하여 원하는 발열체 형상으로 형성하였다. 강도 증진용 충진 물질로서 수십 ㎛ 크기의 탄화규소 30 내지 70 중량%와 수 ㎛ 크기의 규소 30 내지 70 중량%를 물 또는 메탄올 등의 용매와 혼합하여 농도가 매우 진한 (용질 80 중량% 이상) 슬러리 상태로 제작하여, 디핑, 블러싱 등의 방법을 이용하여 상기 발열체 형상에서 발생하는 빈 공간에 채워 넣었다. 여기에 질소 가스를 주입한 후, 1200 내지 1450 ℃에서 0.5 내지 3 시간 유지하여, 강도 증진용 충진 물질 조성 중 규소와 외부에서 주입된 질소와 반응하여 질화규소를 형성하도록 하였다 (3Si+2N2=Si3N4). 이 때, 상기 유지 시간은 질화규소의 생성량과 비례하므로, 유지 시간을 조절함으로써 질화규소 생성량을 제어할 수 있다. 상기한 바와 같이, 질화규소의 생성량이 늘어날수록 절연 특성이 좋아지며, 강도 증진 효과를 더욱 많이 얻을 수 있다. 또한, 모재인 탄화규소와의 열 충격성을 고려하여, 탄화규소/질화규소 충진물의 양을 조절하여야 한다.
상기에서 얻어진 강도 증진용 충진 조성물이 충진된 세라믹 발열체의 전도성 말단에 은 전극을 페이스트를 이용하여 도포한 후, 650 ℃에서 1 시간 전극 소결하여 최종 세라믹 발열체를 제작하였다.
도 1은 본 실시예의 탄화규소로 제작한 점화기 및 그 빈 공간 사이에 강도 증진을 위한 탄화규소/질화규소 절연성 세라믹 물질이 충진된 후의 점화기 사진이다.
발열 실험
상기 실시예에서 제작된 강도가 증진을 위한 절연성 세라믹 물질이 충진된 세라믹 발열체를 사용하여 발열 실험하여 그 결과를 도 2 및 도 3에 나타내었다. 도 2는 상기 실시예에서 얻어진 세라믹 발열체가 응용된 세라믹 히터의 발열 모습을 보여주는 사진이며, 도 3은 인가 전압 115V에서의 발열 경향을 시간에 따른 발열량 [온도, (ㄱ)] 및 저항 [전류, (ㄴ)]를 보여주는 그래프이다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 인가 전압 115 V, 상온 저항 200 Ω, 1300 ℃ 발열시 30 Ω 정도의 발열 특성을 보여주었다.
본 발명에 의하여, 그 동안 비저항이 낮아 상용 전원 (110V, 220V)에서 구동 가능한 발열체 제작이 어려웠던 여러 발열 재료의 디자인 구상에 있어서 자유로움을 더 할 수 있고, 실제 발열체 생산시에는 별도의 추가 보호 장치 조립 공정의 수를 줄일 수 있다.

Claims (7)

  1. 히터 및 점화기에 응용되는 세라믹 발열체에 있어서, 저항을 높이기 위한 형상 형성 후에 생기는 빈 공간에 강도 증진을 위하여 세라믹 발열체 모재와 열팽창 계수가 비슷하고 열전도도가 우수한 절연성 세라믹 물질이 충진되어, 비저항이 우수하고 강도가 증진된 세라믹 발열체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 발열체가 탄화규소, 이규화몰리브데늄 및 탄소로 이루어진 군 중에서 선택된 물질을 모재로 하는 것이고, 상기 충진된 절연성 세라믹 물질이 탄화규소/질화규소 복합체, 질화규소 및 질화알루미늄으로 이루어진 군 중어서 선택된 물질인 세라믹 발열체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 충진된 절연성 세라믹 물질이 탄화규소와 질화규소를 3:7 내지 7:3의 질량비로 함유하는 탄화규소/질화규소 복합체인 세라믹 발열체.
  4. 세라믹 발열체의 모재 분말을 혼합하고 성형한 후, 얻어진 성형체를 원하는 발열체 형상으로 형성하고;
    상기 발열체 형상의 형성 후에 발생하는 빈 공간에 강도 증진을 위하여 상기 세라믹 발열체 모재와 열팽창 계수가 비슷하고 열전도도가 우수한 절연성 세라믹 물질을 충진시키고;
    1200 내지 1450 ℃에서 0.5 내지 3 시간 유지하여 소결하고;
    얻어진 발열체의 전도성 말단에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 증진된 강도를 갖는 세라믹 발열체의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 세라믹 발열체의 모재로서 탄화규소, 이규화몰리브데늄 또는 탄소를 사용하고, 상기 절연성 세라믹 물질로서 탄화규소/질화규소 복합체, 질화규소 또는 질화알루미늄을 사용하는 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 절연성 세라믹 물질로서 탄화규소와 질화규소를 3:7 내지 7:3의 질량비로 함유하는 탄화규소/질화규소 복합체를 사용하는 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 비저항이 우수하고 강도가 증진된 세라믹 발열체 또는 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 따라 제조된 세라믹 발열체가 응용되어, 상용 전원에서 바로 사용 가능하고 취급 용이성이 증대된 세라믹 히터 또는 점화기.
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