KR20110063635A - 세라믹 히터 - Google Patents
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Abstract
피가열물의 가열 시간을 단축할 수 있고, 표면의 온도 분포를 작게 할 수 있는 열 전달성이 우수한 세라믹 히터를 제공한다.
판상의 세라믹체(1)의 내부에 발열체(2)를 갖고, 세라믹체(1)의 주면에 다수의 무기질의 입자(6)가 고착되어 있는 세라믹 히터(10)이다. 세라믹 히터(10)의 주면의 비표면적이 다수의 입자(6)가 고착되어 있는 것에 의해 증대되고, 피가열물로의 열 전달의 효율이 좋아져 가열 시간을 단축할 수 있다. 또한, 세라믹체(1)의 주면의 온도 분포를 작게 할 수 있다.
판상의 세라믹체(1)의 내부에 발열체(2)를 갖고, 세라믹체(1)의 주면에 다수의 무기질의 입자(6)가 고착되어 있는 세라믹 히터(10)이다. 세라믹 히터(10)의 주면의 비표면적이 다수의 입자(6)가 고착되어 있는 것에 의해 증대되고, 피가열물로의 열 전달의 효율이 좋아져 가열 시간을 단축할 수 있다. 또한, 세라믹체(1)의 주면의 온도 분포를 작게 할 수 있다.
Description
본 발명은 헤어 아이론, 수가열용 히터, 산소 센서, 공연비 센서, 글로 플러그 등에 사용되는 세라믹 히터에 관한 것이다.
종래, 헤어 아이론의 히터 및 수가열용 및 연료의 액화, 기화용 등의 히터 및 산소 센서, 공연비 센서, 글로 플러그 등의 히터에는 세라믹 히터가 사용되어지고 있다. 이들의 용도에 사용되는 세라믹 히터로서는, 예를 들면 도 6에 나타내는 바와 같이, 세라믹 기체(101) 중에 발열 저항체(102)가 매설되고, 이 발열 저항체(102)의 단부와 전기적으로 접속된 리드부(103) 및 외부 전극(전극 패드)(104)에 땜납재를 통해 리드 부재(105)가 접속된 구성의 세라믹 히터(110)가 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1을 참조.). 여기에서, 도 6은 종래의 세라믹 히터의 예를 나타내는 사시도이다.
상기 용도에 대표되는 세라믹 히터에는 그 사용 시에 피가열물을 소망의 온도로 가열하는데에 시간이 오래 걸리는 경우가 있기 때문에 소망의 가열 처리를 행하기 위해서 가열 시간을 더욱 단축시키는 것이 요구되어지고 있다. 또한, 피가열물을 가열할 때에 세라믹 히터의 표면의 온도 분포에 의해 피가열물로의 열의 전달이 불균일하게 되어서 피가열물에 온도 불균일이 발생해 버리는 경우가 있기 때문에 피가열물을 균일하게 가열할 수 있는 것도 요구되어지고 있다. 또한, 가열할 때에 큰 온도 분포가 발생하는 세라믹 히터는 반복 사용할 경우에 온도 분포에 의해 발생하는 열응력을 견디지 못하고 세라믹 기체가 갈라져 버리는 경우가 있다.
이들의 문제에 대하여 최근 세라믹 히터에는 피가열물의 보다 급속한 가열이 가능해서 가열 시간을 단축할 수 있음과 아울러 표면의 온도 분포를 작게 할 수 있고, 또한 보다 고온에서의 승강온을 반복하는 가혹한 사용 환경 아래에 있어서도 충분한 내구성을 구비하는 것이 요구되어지고 있다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며 피가열물의 가열 시간을 단축할 수 있고, 표면의 온도 분포를 작게 할 수 있고, 내구성도 우수하고, 열 전달성이 우수한 세라믹 히터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 세라믹 히터는 판상의 세라믹체의 내부에 발열체를 갖고, 상기 세라믹체의 주면에 다수의 무기질의 입자가 고착되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 세라믹 히터는 상기 구성에 있어서 상기 입자는 세라믹스인 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 세라믹 히터는 상기 구성에 있어서 상기 세라믹체의 양쪽 주면에 다수의 상기 입자가 고착되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 세라믹 히터는 상기 구성에 있어서 다수의 상기 입자는 상기 주면의 상기 발열체에 대응하는 영역에 고착되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 세라믹 히터는 상기 구성에 있어서 다수의 상기 입자는 상기 주면의 상기 발열체에 대응하는 영역 사이의 영역에도 고착되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 세라믹 히터는 상기 구성에 있어서 상기 입자는 상기 세라믹체보다 열 전도율이 높은 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 세라믹 히터는 상기 구성에 있어서 상기 입자는 상기 세라믹체와 주성분이 같은 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 세라믹 히터는 상기 구성에 있어서 상기 세라믹체의 상기 주면의 외주부에 상기 입자가 고착되어 있지 않은 영역이 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 세라믹 히터는 상기 구성에 있어서 상기 입자는 각진 형상인 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 세라믹 히터는 상기 구성에 있어서 상기 입자는 상기 세라믹체의 결정 입자보다 큰 것을 특징으로 하는 것이다.
(발명의 효과)
본 발명의 세라믹 히터에 의하면 판상의 세라믹체의 내부에 발열체를 갖고, 상기 세라믹체의 주면에 다수의 무기질의 입자가 고착되어 있으므로 세라믹 히터의 세라믹체의 주면의 비표면적이 다수의 입자가 고착되어 있는 것에 의해 증대되고, 피가열물을 가열할 때의 열 전달 시에 고착되어 있는 입자가 소위 핀 효과를 나타내므로 피가열물로의 열 전달의 효율이 좋아져 가열 시간을 단축할 수 있게 된다. 또한, 세라믹 히터의 세라믹체의 주면의 온도 분포를 작게 할 수 있기 때문에 반복 사용할 경우에 있어서의 열응력에 의한 히터 갈라짐의 방지에도 효과가 있는 것이 된다.
도 1은 본 발명의 세라믹 히터의 실시 형태의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 세라믹 히터의 A-A선 단면을 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 세라믹 히터의 실시 형태의 다른 예를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 세라믹 히터의 실시 형태의 또 다른 예를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 세라믹 히터의 실시 형태의 또 다른 예를 나타내는 사시도이다.
도 6은 종래의 세라믹 히터의 예를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 세라믹 히터의 A-A선 단면을 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 세라믹 히터의 실시 형태의 다른 예를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 세라믹 히터의 실시 형태의 또 다른 예를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 세라믹 히터의 실시 형태의 또 다른 예를 나타내는 사시도이다.
도 6은 종래의 세라믹 히터의 예를 나타내는 사시도이다.
이하, 본 발명의 세라믹 히터의 실시 형태의 예를 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은 본 발명의 세라믹 히터의 실시 형태의 일례를 나타내는 사시도이며 도 2는 도 1에 나타내는 세라믹 히터의 A-A선 단면을 나타내는 단면도이다.
본 예의 세라믹 히터(10)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 세라믹체(1)의 내부에 발열 저항체(2)가 매설되어 있고, 이 발열 저항체(2)의 단부와 전기적으로 접속된 리드부(3) 및 외부 전극(전극 패드)(4)에 땜납재를 통해 리드 부재(5)가 접속된 구성이다. 그리고, 본 예의 세라믹 히터(1)의 세라믹체(1)의 주면에는 다수의 무기질의 입자(6)가 고착되어 있다. 또한, 도 1에 나타내는 예에 있어서는 세라믹체(1)의 주면에 입자(6)가 고착되어 있는 모양을 이해하기 쉽게 나타내기 위해서 입자(6)의 개수에 대해서는 도시를 생략해서 극단적으로 적게 나타내고 있다.
본 발명의 세라믹 히터(10)에 의하면 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이 세라믹체(1)의 주면에 다수의 무기질의 입자(6)가 고착되어 있으므로 세라믹체(1)의 주면의 비표면적이 입자(6)에 의해 증대되고, 비가열물을 가열할 때의 피가열물에 대한 복사열의 복사 효율 또는 열 전달의 효율이 좋아져 종래의 세라믹 히터에 비해 피가열물을 급속하게 가열할 수 있는 것이 되고, 가열 시간을 단축할 수 있는 것이 된다.
이러한 세라믹 히터(10)에 의해 피가열물을 급속하게 가열할 수 있는 것은 세라믹 히터(10)의 판상의 세라믹체(1)의 주된 표면인 주면에 다수의 무기질의 입자(6)가 고착되어 있음으로써 세라믹체(1)의 주면의 비표면적이 입자(6)에 의해 증대되고, 열 방산 면적이 늘어나기 때문이다. 즉, 다수의 무기질의 입자(6)가 소위 핀 효과를 나타내는 것으로서 기능하기 때문이다.
또한, 본 발명의 세라믹 히터(10)에 의하면 세라믹체(1)의 주면에 다수의 입자(6)가 고착되어 있으므로 반복 사용할 경우에 있어서의 세라믹체(1)의 갈라짐 방지에도 효과가 있다. 그것은 세라믹 히터(10)의 세라믹체(1)의 주면에 다수의 무기질의 입자(6)를 고착시킴으로써 세라믹체(1)의 주면에 있어서의 열 방산 면적이 커지고, 세라믹체(1)에 있어서의 온도 불균일이 저감되게 되므로 세라믹 히터(10)의 내부에 있어서의 온도 분포를 완화할 수 있기 때문이다. 또한 동시에 세라믹 히터(10)에 있어서의 온도 분포를 완화할 수 있음으로써 세라믹 히터(10) 자체의 내부에 있어서의 온도차를 작게 할 수 있음과 아울러 이 세라믹 히터(10)에 의해 가열되는 피가열물의 온도 불균일을 작게 할 수 있는 효과도 있다.
본 발명의 세라믹 히터(10)에 있어서 입자(6)는 세라믹스인 것이 바람직하다.
입자(6)가 세라믹스임으로써 소성에 의해 세라믹체(1)의 주면에 대하여 입자(6)를 소결시켜서 강고하게 고착시킬 수 있음과 아울러 세라믹체(1)와의 열팽창 차를 다른 무기질인 금속 재료 등과 비교해서 작게 할 수도 있으므로 세라믹 히터(10)의 가열·냉각 시에 입자(6)가 세라믹체(1)의 주면으로부터 탈락하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 피가열물이 유체이며, 특히 강알칼리 또는 강산 등의 유체를 가열할 때에는 그들에 대하여 입자(6)가 세라믹체(1)와 마찬가지로 우수한 내약품성을 갖고 있으므로 세라믹 히터(10)의 수명을 입자(6)에 금속 재료를 사용한 경우에 비교해서 연장시킬 수 있다.
또한, 입자(6)로서 사용할 수 있는 다른 무기질의 재료로서는 알루미나(산화 알루미늄), 질화 알루미늄, 탄화 규소 등이 있다. 세라믹체(1)의 주면에 알루미나, 질화 규소로 이루어지는 입자(6)를 고착시키기 위해서는 각각의 분말을 유기 바인더 및 유기 용제를 사용해서 페이스트상으로 하고, 세라믹체(1)가 되는 성형체에 스크린 인쇄 등으로 도포 후에 동시 소성하면 좋다. 또한, 탄화 규소로 이루어지는 입자(6)를 고착시키기 위해서는 소결시킨 세라믹체(1)의 주면에 세라믹 용사 등으로 고착시키면 좋다.
다수의 입자(6)의 크기로서는 수㎛∼100㎛ 레벨의 것을 선택한다. 또한, 입자(6)의 크기의 폭을 크게 함으로써 큰 입자(6) 사이를 작은 입자(6)로 메우는 것이 가능해 지고, 세라믹체(1)의 주면의 표면적을 보다 크게 할 수 있다.
또한, 다수의 입자(6)가 고착되어 있는 범위에서의 입자(6)의 수의 밀도는 세라믹체(1)의 주면의 면적의 30% 이상 90% 이하의 면적을 차지하도록 해 두는 것이 바람직하다. 면적이 30% 미만에서는 세라믹체(1)의 주면의 표면적을 본 발명의 효과가 얻어지도록 크게 하기 위해서는 부족한 경향이 있고, 또한 피가열물과의 비접촉 부분이 많아지기 때문에 피가열물에 균일하게 열을 전달하기 어려워지는 경향이 있다. 한편, 면적이 90%를 초과하면 세라믹체(1)의 주면에 있어서 입자(6)끼리가 응집체로서 존재하도록 되기 위해서 세라믹체(1)의 주면의 표면적을 효과적으로 크게 하는 것이 어려워지는 경향이 있고, 또한 피가열물과의 접촉이 나빠지기 때문에 피가열물에 균일하게 열을 전달하기 어려워지는 경향이 있다.
또한, 입자(6)의 형상은 구형상을 비롯하여 판상, 다각기둥상, 다각추상, 다면체상 등이어도 좋다. 그 중에서도, 도 2에 나타내는 바와 같이, 입자(6)가 구형상이나 둥그스런 형상인 것보다 각진 형상인 것에 의해 입자(6)의 비표면적을 크게 할 수 있으므로 핀 효과를 크게 할 수 있고, 더욱 열을 효율 좋게 전달할 수 있게 되므로 바람직하다. 또한, 입자(6)가 각진 형상이면 후술하는 바와 같이 복수의 세라믹 히터(10)를 겹쳐 놓아 두는 경우에 취급하기 쉽다는 이점도 있다.
또한, 본 발명의 세라믹 히터(10)에 있어서는, 도 3에 도 2와 마찬가지의 단면도로 나타내는 바와 같이, 세라믹체(1)의 양쪽 주면에 다수의 입자(6)가 고착되어 있는 것이 바람직하다. 도 3은 본 발명의 세라믹 히터의 실시 형태의 다른 예를 나타내는 단면도이다. 이 경우에는, 도 2에 나타내는 예와 같이, 세라믹체(1)의 주면의 한쪽에만 입자(6)가 고착되어 있는 경우와 비교해서 세라믹 히터(10)의 세라믹체(1)의 주면의 비표면적이 양면에 있어서 증대되므로 양면에 있어서 열 전달의 효율을 높일 수 있고, 피가열물인 유체중에 투입해서 가열하는 경우에 효율 좋게 가열할 수 있고, 피가열물의 가열 시간을 단축할 수 있다. 또한, 세라믹체(1)의 양쪽 주면에 대하여 각각 배치된 피가열물을 효율 좋게 가열 시간을 단축해서 가열할 수 있다. 또한, 양쪽 주면에 있어서 온도 분포를 작게 할 수 있고, 반복 사용할 경우에 있어서 세라믹체(1)가 한쪽 주면측으로 휘거나 하는 것을 억제할 수 있으므로 내구성도 우수한 것이 된다.
또한, 본 발명의 세라믹 히터(10)에 있어서 다수의 입자(6)는, 도 4에 도 1과 마찬가지의 사시도로 나타내는 바와 같이, 세라믹체(1)의 주면의 발열체(2)에 대응하는 영역에 고착되어 있는 것이 바람직하다. 도 4는 본 발명의 세라믹 히터의 실시 형태의 또 다른 예를 나타내는 사시도이다. 도 4에 나타내는 예에서는 도 1에 나타내는 예와 마찬가지로 세라믹체(1)의 내부에 있어서 한 쌍의 리드부(3) 사이에서 발열체(2)가 3번 되접혀진 소위 사행형상으로 배치되어 있고, 다수의 입자(6)도 그 발열체(2)에 대응하는 주면의 영역에 사행형상의 패턴에 고착되어 있다.
세라믹체(1)의 주면의 전면에 다수의 입자(6)가 고착되어 있으면 전면에 있어서 열 전달의 효율이 좋아지지만 리드부(3)에 대응하는 영역에도 열 전달이 양호해지고, 리드부(3)에 대응하는 영역의 온도도 상승함과 아울러 외부 전극(4)의 온도도 상승해서 외부 전극(4)의 납땜부에 땜납재에 의해 전기적으로 접속되어 있는 리드 부재(5)가 분리되어 버릴 가능성이 있다. 이것에 대하여 세라믹체(1)의 주면 중에서도 발열체(2)에 대응하는 영역, 즉 세라믹체(1)의 내부의 발열체(2)를 주면에 투영한 영역에 다수의 입자(6)가 고착되어 있는 경우에는 발열체(2)에 대응하는 영역으로부터 효율 좋게 열 전달을 행할 수 있는 것이 되고, 리드 부재(5)가 분리되어 버리는 것을 방지하면서 피가열물을 급속하게 가열할 수 있어서 가열 시간을 단축할 수 있는 것이 된다.
또한, 본 발명의 세라믹 히터(10)에 있어서는 다수의 입자(6)는, 도 5에 도 4와 마찬가지의 사시도로 나타내는 바와 같이, 세라믹체(1)의 주면의 발열체(2)에 대응하는 영역 사이의 영역에도 고착되어 있는 것도 바람직하다. 도 5는 본 발명의 세라믹 히터의 실시 형태의 또 다른 예를 나타내는 사시도이다. 도 5에 나타내는 예에서는 도 4에 나타내는 예와 마찬가지로 세라믹체(1)의 내부에 있어서 한 쌍의 리드부(3) 사이에서 발열체(2)가 3번 되접혀진 사행형상으로 배치되어 있고, 다수의 입자(6)도 그 발열체(2)에 대응하는 주면의 사행형상의 영역에 추가해서 그 사이의 영역에도 고착되어 있고, 다수의 입자(6)의 전체로서는 발열체(2)를 커버하는 사각형상의 패턴에 고착되어 있다.
이와 같이 다수의 입자(6)가 세라믹체(1)의 발열체(2)에 대응하는 영역에 고착되어 있음과 아울러 발열체(2)에 대응하는 영역 사이의 영역에도 고착되어 있는 경우에는 세라믹체(1)의 주면의 발열체(2)에 대응하는 영역과 그 사이의 영역의 양쪽에서 또한 발열체(2)에 대응해서 효율 좋게 열 전달을 행할 수 있고, 열 효율을 더욱 높일 수 있음과 아울러 양쪽 영역에 걸쳐 세라믹 히터(10)의 세라믹체(1)의 주면에 있어서의 온도 분포를 균일하게 해서 온도 불균일을 작게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 세라믹 히터(10)에 있어서는 피가열물로의 열 전달의 효율을 더욱 높이는 점에서는 입자(6)는 세라믹체(1)보다 열 전도율이 높은 것이 바람직하다. 구체적으로는, 세라믹체(1)가 알루미나질 세라믹스로 이루어지는 경우이면 입자(6)에는 질화 알루미늄으로 이루어지는 것을 사용하면 좋고, 세라믹체(1)가 질화 규소질 세라믹스로 이루어지는 경우이면 입자(6)에는 탄화 규소로 이루어지는 것을 사용하면 좋다.
또한, 본 발명의 세라믹 히터(10)에 있어서 입자(6)는 세라믹체(1)와 주성분이 같은 것이 바람직하다. 입자(6)의 주성분이 세라믹체(1)의 주성분과 같을 때에는 주성분이 같으므로 양자의 열 팽창을 같게 할 수 있고, 입자(6)와 세라믹체(1) 사이에 발생하는 열응력을 작게 할 수 있으므로 세라믹 히터(10)의 사이클 통전 시나 반복 사용할 경우에 입자(6)의 탈락이나 세라믹체(1)의 갈라짐을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 세라믹 히터(10)에 있어서는, 도 1, 도 4 및 도 5에도 나타내어져 있는 바와 같이, 세라믹체(1)의 주면의 외주부에 입자(6)가 고착되어 있지 않은 영역이 있는 것이 바람직하다. 세라믹체(1)의 주면에 있어서 외주부에도 다수의 입자(6)가 고착되어 있으면 열응력에 의해 세라믹체(1)가 변형되었을 때에 외주부에 고착된 입자(6)를 기점으로 해서 세라믹체(1)의 가장자리부에 크랙이 발생하는 경우가 있고, 이 크랙이 진전되어서 세라믹체(1)의 갈라짐으로 이어지는 경우가 있다. 이것에 대하여 세라믹체(1)의 주면의 외주부에 입자(6)가 고착되어 있지 않은 영역이 있는 것에 의해 세라믹체(1)의 외주부, 특히 가장자리부에 있어서의 열응력에 의한 크랙의 발생을 억제하고, 세라믹체(1)의 갈라짐의 발생을 억제할 수 있다.
이와 같이 세라믹체(1)의 주면의 외주부에 형성되는 입자(6)가 고착되어 있지 않은 영역은 발열체(2)에 대응하는 영역 외의 세라믹체(1)의 부분에 주면의 외주를 따라 형성되도록 한다. 이렇게 세라믹체(1)의 주면의 외주부에 입자(6)가 고착되어 있지 않은 영역을 형성함으로써 세라믹체(1)의 외주 단부로의 열 확산을 작게 해서 외주 단부에서의 열응력을 작게 할 수 있다.
그런데, 본 발명의 세라믹 히터(10)에서는 세라믹체(1)의 취급으로서 주면에 다수의 입자(6)가 고착되어 있으므로 이 주면에 접촉되어 있는 것에 걸리기 쉽게 되어 있고, 세라믹체(1)가 겹쳐져 있을 때에는 각각이 서로 부착되어 핸들링하기 어려운 경우가 있다. 이러한 때는, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 다수의 입자(6)는 각진 형상으로 하면 좋다. 이것에 의해 세라믹체(1)끼리의 접촉이 입자(6)의 선단의 점접촉으로 되므로 세라믹체(1)끼리의 부착을 방지해서 취급하기 쉬운 것이 된다.
또한, 본 발명의 세라믹 히터(10)에 있어서는 입자(6)는 세라믹체(1)의 결정 입자보다 큰 것이 바람직하다. 입자(6)의 크기가 세라믹체(1)의 결정 입자의 크기보다 크기 때문에 입자(6)가 작으면 입계가 많이 존재하므로 열 전도의 손실이 많아지는 경향이 있는 것에 대해서 입자(6)에 의한 열 전도가 좋아지기 때문이다.
이 때 입자(6)의 크기는, 예를 들면 세라믹체(1)의 결정 입자의 크기가 1∼5㎛인 것에 대해서 30∼200㎛ 정도의 크기로 하는 것이 세라믹체(1)의 결정 입자에 비해 충분한 열 전도의 양호함을 확보할 수 있는 점에서 바람직하다. 또한, 그렇게 입자(6)가 세라믹체(1)의 결정 입자보다 큰 것에 의해 피가열물을 세라믹 히터(10)에 직접 적재한 경우에 있어서 세라믹체(1)와 피가열물의 거리를 입자(6)가 개재되어 충분히 확보할 수 있으므로 가열 중의 이상 시에 세라믹체(1)가 갈라지는 경우가 있어도 피가열물이 피해를 입는 사태를 감소할 수 있는 점에서도 바람직하다.
또한, 입자(6)의 크기 및 세라믹체(1)의 결정 입자의 크기는 SEM(주사형 전자 현미경) 사진으로 확대해서 관찰하고, 각 입자(6) 및 결정 입자에 대해서 관찰되는 최대 길이부를 크기로 하고, 100개의 입자(6) 및 결정 입자에 대해서 구한 크기의 평균치를 각각의 크기로 하면 좋다.
이어서, 본 발명의 세라믹 히터의 제조 방법에 대해서 설명한다.
세라믹체(1)로서는 산화물 세라믹스, 질화물 세라믹스, 탄화물 세라믹스 등의 절연성을 구비한 세라믹스를 사용할 수 있다. 구체적으로는, 알루미나질 세라믹스, 질화 규소질 세라믹스, 질화 알루미늄질 세라믹스, 탄화 규소질 세라믹스 등을 사용할 수 있다. 그 중에서도, 내산화성의 점으로부터는 알루미나질 세라믹스를 사용하는 것이 바람직하다.
우선, 이러한 세라믹스로 이루어지는 세라믹체(1)를 제작하기 위해 상기 세라믹스 성분에 SiO2, CaO, MgO, ZrO2 등의 소결 조제를 함유시켜서 조제한 세라믹 슬러리를 시트상으로 성형하고, 세라믹 그린시트를 제작한다. 또는, 상기 성분을 혼합해서 프레스 등으로 판상의 성형체를 제작한다.
이 세라믹체(1)가 되는 세라믹 그린시트 또는 성형체의 한쪽 주면에 발열체(2), 리드부(3)가 되는 저항체 페이스트 또는 도전성 페이스트의 패턴을 각각 스크린 인쇄 등의 수법을 사용해서 형성한다. 발열체(2) 및 리드부(3)의 재료로서는 세라믹체(1)와의 동시 소성에 의해 제작이 가능한 W, Mo, Re 등의 고융점 금속을 주성분으로 하는 것을 사용한다. 저항체 페이스트 및 도전성 페이스트는 이들의 고융점 금속에 세라믹 원료, 바인더, 유기 용제 등을 조합해 혼련함으로써 제작할 수 있다. 또한, 이 때 세라믹 히터(10)의 용도에 따라 발열체(2)가 되는 저항체 페이스트 또는 도전성 페이스트의 패턴의 길이나 되접혀진 패턴의 거리·간극이나 패턴의 선폭을 변경함으로써 발열체(2)의 발열 위치나 저항치를 소망의 값으로 설정한다.
그리고, 이 패턴이 형성된 세라믹 그린시트 또는 성형체에 또한 동일 재질의 세라믹 그린시트 또는 성형체와 적층액을 사용해서 적층해 밀착시킴으로써 내부에 발열체(2) 및 리드부(3)를 갖는 세라믹체(1)가 되는 판상의 성형체가 얻어진다.
여기서, 세라믹체(1)의 표면에 다수의 입자(6)를 고착시키는 방법에 대해서 설명한다. 입자(6)의 고착 방법은 크게 나누어 소성 전에 고착시키는 방법과 소성 후에 고착시키는 방법이 있다. 각각에 대해서 설명한다.
다수의 입자(6)를 세라믹체(1)의 주면에 소성 전에 고착시키는 방법에는, 예를 들면 다수의 입자(6)를 바인더, 유기 용제 등과 조합해 혼련해서 제작한 페이스트를 스크린 인쇄 등으로 세라믹체(1)가 되는 세라믹 그린시트 또는 성형체의 주면에 도포하는 방법이 있다. 다른 방법으로서는 같은 페이스트를 사용한 디핑 방법, 스프레이 방법 등이 있다. 디핑 방법에 사용되는 페이스트는 스크린 인쇄법에 사용되는 페이스트보다 점성을 늘려 제작하고, 반대로 스프레이 방법에서 사용되는 페이스트는 스크린 인쇄법에서 사용되는 페이스트보다 점성을 낮추어서 제작한다.
또한, 이렇게 해서 세라믹체(1)의 주면에 인쇄 또는 도포된 입자(6)와 세라믹체(1)의 고착력을 늘리기 위해서는 프레스기를 사용해서 판상의 성형체를 입자(6) 상으로부터 가압하는 것이 효과적이다. 또는, 판상의 성형체를 겹쳐 건조시키는 것에 의해서도 마찬가지로 고착력을 늘리는 효과를 얻을 수 있다.
이렇게 해서 생성된 판상의 성형체를 소성함으로써 내부에 발열체(2)를 갖고 주면에 다수의 입자(6)가 고착되어 있는 세라믹체(1)를 얻을 수 있다.
또한, 다수의 입자(6)를 세라믹체(1)의 주면에 소성 후에 고착시키는 방법으로서는 판상의 성형체를 소성해서 얻어진 세라믹체(1)의 주면에 세라믹 용사에 의해 다수의 입자(6)를 고착시키는 방법이 있다. 이 경우는 세라믹스계의 코팅 재료를 가열해서 용융 내지 반용융의 미립자의 상태로 해서 세라믹체(1)의 주면에 고속으로 충돌시킴으로써 다수의 입자(6)를 고착시킬 수 있다. 또는, 입자(6)와 저융점의 유리를 유기 바인더 및 유기 용제를 사용해서 페이스트상으로 하고, 이 페이스트를 인쇄 도포한 후 베이킹함으로써 다수의 입자(6)를 고착시키도록 해도 좋다.
이어서, 주면에 다수의 입자(6)가 고착되어 있는 세라믹체(1)에 발열체(2) 및 리드부(3)와 마찬가지로 해서 형성된 전극 패드(외부 전극)(4) 상에 땜납재를 통해서 리드 부재(5)를 접합한다. 땜납재로서는 Au-Cu, Ag, Ag-Cu 등을 주성분으로 하는 것을 사용할 수 있다. 또한, 리드 부재(5)로서는 Ni, Ni 합금, 백금, 구리 등의 저저항의 금속으로 이루어지는 선재를 사용할 수 있다.
실시예
도 1∼도 3에 나타내는 본 발명의 세라믹 히터(10)를 이하와 같이 해서 제작했다.
우선, Al2O3을 주성분으로 하고, SiO2, CaO, MgO, ZrO2가 합계로 10질량% 이내가 되도록 조정한 세라믹 그린시트를 제작했다. 그리고, 이 세라믹 그린시트의 표면에 발열체(2)와 리드부(3) 및 전극 패드(4)가 되는 W를 주성분으로 하는 도전성 페이스트를 스크린 인쇄법으로 각각의 패턴에 인쇄했다. 이들이 인쇄된 세라믹 그린시트와 인쇄되지 않은 동일 재료, 동일 형상의 세라믹 그린시트를 동일의 조성의 세라믹스를 분산시킨 적층액을 도포해서 적층하고, 판상의 성형체를 얻었다.
이어서, 이 적층된 판상의 성형체의 주면에 스크린 인쇄법으로 다수의 입자(6)를 인쇄 도포했다. 또한, 양쪽 주면에 입자(6)를 고착시키는 시료에서는 한쪽 주면에 인쇄해서 건조한 후에 다른 쪽 주면에 마찬가지로 스크린 인쇄법으로 입자(6)를 인쇄해서 건조했다.
입자(6)를 스크린 인쇄하는데에 사용되는 페이스트는 수㎛∼100㎛의 크기의 알루미나를 주성분으로 하는 세라믹스 입자와 바인더 및 유기 용제를 혼합해서 제작했다. 바인더에는 에틸셀룰로스를 주성분으로 하는 수지를, 유기 용제에는 TPO 및 DBP로 이루어지는 유기 용제를 사용했다. 페이스트의 인쇄 건조 후에 판상의 성형체로의 입자의 고착력을 늘리기 위해서 프레스기를 사용해서 5×104 ~ 50×104Pa의 압력으로 1∼10초 사이의 조건으로 성형체의 주면으로의 가압을 행했다.
이렇게 해서 얻어진 판상의 성형체를 1500∼1600℃의 환원 분위기(질소 분위기) 중에서 소성했다.
이어서, 세라믹체(1)의 주면의 외부 전극(전극 패드)(4) 상에 전해 도금으로 두께가 2∼4㎛인 Ni 도금 막을 형성하고, 땜납재로서 Ag납을 사용해서 전극 패드(4)와 Ni로 이루어지는 φ0.8mm×길이 50mm의 리드 부재(5)를 접합했다.
이상과 같이 해서 제작된 세라믹 히터(10)의 세라믹체(1)의 주면의 온도 분포를 서모그래피를 사용해서 측정했다. 측정에 사용된 시료는 세라믹체(1)의 주면에 입자(6)가 고착되어 있지 않는 종래의 세라믹 히터를 비교예의 시료 1로 하고, 세라믹체(1)의 한쪽 주면에 다수의 입자(6)가 부착되어 있는 본 발명의 실시예를 시료 2로 했다.
측정에 있어서는 각각 시료 1, 시료 2의 발열체(2)의 최고 온도가 300℃로 되는 전력을 인가했다. 발열체(2)의 온도가 최고 온도에서 정상 상태가 되었을 때의 각 시료의 세라믹체(1)의 주면의 최저 온도를 측정하면 시료 1에서는 약 270℃였던 것에 대해 시료 2에서는 약 290℃였다. 이 결과로부터 본 발명에 의하면 세라믹체(1)의 주면에 다수의 입자(6)가 고착되어 있음으로써 주면의 온도 분포를 작게 할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
이어서, 피가열물로의 열 전달의 효율을 확인하기 위해서 시료 1, 2의 세라믹 히터와 동등한 사이즈로 두께가 1.5mm인 철판을 각각의 시료의 세라믹체(1)의 주면에 두고, 철판의 표면의 소정 최고 온도까지의 도달 시간 및 정상 상태가 된 때에서의 철판의 표면의 최고 온도와 최저 온도의 차를 조사했다. 평가에는 상기 비교예의 시료 1 및 실시예의 시료 2를 사용해서 비교했다.
각 시료에 같은 전력을 인가하고, 최고 온도까지의 시간을 확인한 바, 시료 1에서는 최고 온도까지의 도달 시간이 약 30초이며 정상 상태에서의 최고 온도와 최저 온도의 차는 약 10℃이었다. 이것에 대하여 시료 2에서의 최고 온도까지의 도달 시간은 약 15초이며 정상 상태에서의 최고 온도와 최저 온도의 차는 약 5℃였다. 이 결과로부터 본 발명에 의하면 세라믹체(1)의 주면에 다수의 입자(6)가 고착되어 있음으로써 피가열물의 가열 시간을 단축할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
1: 세라믹체 2: 발열체
6: 입자 10: 세라믹 히터
6: 입자 10: 세라믹 히터
Claims (10)
- 판상의 세라믹체의 내부에 발열체를 갖고, 상기 세라믹체의 주면에 다수의 무기질의 입자가 고착되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
- 제 1항에 있어서,
상기 입자는 세라믹스인 것을 특징으로 하는 세라믹 히터. - 제 1항에 있어서,
상기 세라믹체의 양쪽 주면에 다수의 상기 입자가 고착되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터. - 제 1항에 있어서,
다수의 상기 입자는 상기 주면의 상기 발열체에 대응하는 영역에 고착되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터. - 제 4항에 있어서,
다수의 상기 입자는 상기 주면의 상기 발열체에 대응하는 영역 사이의 영역에도 고착되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터. - 제 1항에 있어서,
상기 입자는 상기 세라믹체보다 열 전도율이 높은 것을 특징으로 하는 세라믹 히터. - 제 2항에 있어서,
상기 입자는 상기 세라믹체와 주성분이 같은 것을 특징으로 하는 세라믹 히터. - 제 1항에 있어서,
상기 세라믹체의 상기 주면의 외주부에 상기 입자가 고착되어 있지 않은 영역이 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터. - 제 1항에 있어서,
상기 입자는 각진 형상인 것을 특징으로 하는 세라믹 히터. - 제 1항에 있어서,
상기 입자는 상기 세라믹체의 결정 입자보다 큰 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
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