KR20120038998A - 히터, 특히 고온 히터 및 이의 생산 방법 - Google Patents

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미하엘 가이스
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게르하르트 슈미드마이어
필립 샬러
쥐르겐 살로몬
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베에스하 보쉬 운트 지멘스 하우스게랫테 게엠베하
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Abstract

본 발명은 히터, 특히 고온 히터를 생산하는 방법 및 예를 들면 가전 열 기구와 같은 고온 히터에 관한 것으로서, 전류가 흐를 때 열을 발생시키는 층이 가열 요소(14)로서의 캐리어 물질(12) 상에 제공되고, 자유롭게 흐르는 비전도성 베이스 물질 및 그 내부에 분산된 카본 나노튜브들로부터 형성된 제 1 전기 전도층(16)이 상기 캐리어 물질(12)에 적용되고, 상기 제 1 층(16)에 보호층(17)이 적용되고, 상기 보호층(17)이 적용될 때 적어도 부분적으로 상기 제 1 층(14) 내로 침투하고, 또는 그 내부에 카본 나토튜브가 분산된 기능층(21)이 상기 캐리어 물질(12)에 적용되고, 그리고 상기 층들(16, 17) 중 적어도 하나 또는 상기 기능층(21)은 스트립 형태의 접촉 요소(18)와 접촉되며, 그리고 상기 캐리어 물질에 적용된 층들(16, 17) 또는 상기 기능층(21)은 가열된다.

Description

히터, 특히 고온 히터 및 이의 생산 방법{HEATER, IN PARTICULAR HIGH-TEMPERATURE HEATER, AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF}
본 발명은 전류(electricity flow)로 열을 발생시키는 층이 기판 상에 제공되는 히터, 특히 고온 히터 및 히터, 특히 고온 히터의 생산 방법에 관한 것이다.
위와 같은 타입의 히터, 특히 고온 히터는 백색 제품 생산물에 대해 사용되며, 특히 베이킹 오븐, 토스터 또는 스토브 또는 유리 세라믹 홉(glass ceramic hob)을 위한 히터로서 사용된다. 이들 목적물들을 400℃ 이상의 온도까지 가열하기 위하여, 가열 로드(heating rod)가 현재까지 사용되어 왔는데, 인접한(bordering) 기판을 가열시키기 위하여 상기 가열로드로부터 열 복사(heat radiation)가 또한 발생하였다. 이러한 타입의 가열 로드들을 사용함으로써, 비균질(inhomogeneous) 가열 처리가 존재한다. 따라서 요리될 음식 또는 가열될 내용물에 대한 타겟화된 포커싱이 제공되지 않는다. 또한, 가열 와이어 및 기판 사이에 에어큐션(air cushion)이 존재하는데, 이는 열 전달에 있어서 부정적인 영향을 미친다.
비균질 가열 처리를 회피하기 위하여, 예를 들어 인덕션 홉(induction hob)이 공지되어 있는데, 이에 의하면 와전류(eddy current)에 의해 열이 직접 요리 포트(cooking pot) 내에서 발생된다. 이를 통해 요리될 음식의 균질한 가열이 달성되나, 획득 비용(acquisition cost)이 높고 요리될 음식을 가열하는데 특별한 포트를 필요로 한다. 위와 같은 고온 설비는 다른 백색 제품 프로덕트에 즉시 전이(transfer)될 수 없다.
플레이트형(plate-like) 가열 요소가 DE 10 2005 049 428 A1에 공지되어 있는데, 이는 가정 및 빌딩에서의 룸 에어컨디셔닝(room air-conditioning)에 사용된다. 복합 보드(composite board) 상에, 비전도성 물질들과의 플라스틱-섬유 혼합물의 가열층이 개시되었는데, 이는 배면측 상에 복합 구조물(composite contstuction)이 제공된 복합 보드(composite board) 또는 플래스터보드(plasterboard) 상에 적용(apply)된다. 스트립 형태의 접촉 요소가 상기 가열층의 접촉을 위해 제공되어 상기 플라스틱-섬유 혼합물 상의 상기 층의 표면 가열이 가능하게 된다. 가열층의 상기와 같은 배열 덕분에, 이와 같은 타입의 플랫 가열 설비(flat heating installation)들은 오직 50℃ 이하의 영역의 온도를 가능하게 하고, 따라서 백색 제품에서의 사용에 적당하지 않다. 또한 이와 같은 타입의 섬유 혼합물 또는 섬유 웹(fibre web)의 적용은 매우 비용 집약적(cost-intensive)이다.
동일한 내용이 예를 들어 DE 20 2005 013 822로부터 공지된 플랫 가열 요소에 대해 적용되는데, 이는 룸 에어컨디셔닝을 위한 가열 요소와 동일한 방식으로 구성된다. 종이형 섬유 구조를 갖는 이와 같은 타입의 복합 시스템들은 생산하기에 복잡하고 비용 집약적이다. 임의의 기하학으로의 개조(adaptation) 및 단순 적용이 또한 매우 어렵다.
DE 100 01 330 A1로부터 적어도 하나의 요리 영역(cooking zone)을 갖는 전기 핫 플레이트(electric hot plate)가 공지되어 있는데, 이는 유리 세라믹, 유리 또는 세라믹을 기판으로서 사용한다. 이의 하측에는, 요리 영역들의 가열을 위해, 열적 절연 커버층 이외에 전기 절연층이, 그 사이에 놓이도록 제공되는 열-저항 물질과 함께 제공된다. 상기 열-저항(heat-resistant) 물질은 전기 전도성 카본, 그라파이트 분자 또는 카본 섬유로 구성되는데, 이들은 전극들과 접촉된다. 상기 열-저항 요소는 열-저항 유기 또는 무기 재료들로 이루어진 바인더(binder)와 혼합될 수 있다. 그 위에 적용된 제 2 열적 절연 커버층은 외부 분위기에 대하여 상기 열-저항 요소를 기밀 실링(air-tightly sealing)시키며, 이에 의해 상기 커버층은 열-저항 유리 또는 에나멜층을 포함한다. 상기 핫 플레이트 바디의 어셈블리는 서로의 상부에 놓인 층들의 전기화학적 본딩에 의해 발생되며, 이에 의해 상기 열-저항 요소가 가열에 의해 400℃ 이상의 온도가 되도록 하며, 400 V 이상의 전압이 상기 핫 플레이트 몸체 및 상기 열-저항 요소에 인가된다.
요리 영역의 상기 층 구조는, 높은 전압들에 의해 접착 성질(adhesion property)들이 복잡하게 표현(complex presentation)된다는 단점을 가지며, 접촉이 전도층에 적접적으로 이루어지므로 접촉 방법의 자유로운 선택이 용이하지 아니하다.
또한, DE 103 36 920 A1에 가열을 위한 전기 오븐 플레이트가 공지되는데, 이는 DE 100 01 330 A1에 따른 전기 핫 플레이트의 구조와 관련이 있으며, 이러한 구조는 전기 베이킹 오븐, 쿠킹 오븐 또는 전기 오븐을 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 목적은, 가열 요소가 단순히 얇은 층으로서 적용될 수 있고 균질한 열 전달을 용이하게 하는 히터, 특히 고온 히터, 그리고 특히 고온 히터를 생산하는 방법을 제안하는 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은, 기판 상에 가열 요소를 생성하기 위하여, 유동성 있는(flowable) 베이스 물질로부터 형성되고 카본 나노튜브들이 그 안에 분산되는 제 1 전기 전도층이 적용되고, 보호층이 상기 제 1 층 상에 적용되고, 상기 보호층은 적어도 부분적으로 상기 제 1 층상으로의 적용에 의해 이를 침투하는 히터, 특히 고온 히터를 생산하는 제 1 대안적 방법에 의해 달성된다.
또한 상기 목적은, 내부에 카본 나노튜브가 분산된 기능층이 상기 기판상에 적용되는 히터를 생산하는 방법의 제 2 대안적 방법에 의해 달성된다.
상기 두 방법에 의하면 매우 얇은 가열 요소가 생성될 수 있는데, 이는 매우 빨리 가열될 수 있고 기판으로의 열 전달을 보다 용이하게 한다. 상기 제 1 충 및 보호층 또는 기능층의 적용 이후의 열 처리 프로세스를 통하여, 전도성 물질로서 선택된 카본 나노튜브들이 상기 제 1 층 및 보호층 또는 기능층에서 온도 저항 방식(temperature-resistant manner)으로 사용될 있고, 연소(burning)가 회피된다는 것이 판명된 것은 놀라운 일이다. 이를 통해, 대응하는 열적 쇼크 유연성 및 기판에의 기계적 본딩 뿐만 아니라 400℃ 이상의 온도에서의 동작을 용이하게 하는 가열 요소가 제공된다. 뒤이은 열처리 덕분에 또는 가열 과정 덕분에, 상기 제 1 층 및 보호층 또는 기능층과 함께 층들의 압축이 달성된다. 이는 고온 가열 요소들이 기밀성으로 또는 산소 기밀성으로(oxygen-tightly) 압축된다는 이점을 갖는다. 따라서 분산된 카본 나노튜브들의 온도 안정성이 달성된다.
본 방법의 바람직한 실시예에 따르면, 적어도 하나의 층 또는 기능층이 접촉 요소들과 접촉되고, 상기 기판에 적용된 층들 또는 기능층이 가열되는 것이 의도된다. 따라서 상기 접촉 요소 및 상기 기판의 증가된 기계적 본딩이 달성될 수 있다.
본 발명의 또다른 바람직한 실시예는, 상기 접촉 요소들이 스트립 형태인 것을 의도한다. 따라서 평평한(flat) 표면 가열이 달성될 수 있다.
본 방법의 바람직한 일실시예에 따르면, 적용된 상기 제 1 층 및 보호층 또는 적용된 상기 기능층은 특히 300℃ 내지 700℃의 온도로 가열되는 것이 의도된다. 이 열 처리 덕분에, 상기 층들의 소결 프로세스가 발생된다. 상기 층들 또는 기능층들의 압축이 특히 발생할 수 있다. 이는, 고온 히터가 대기분위기의 산소에 대하여 실링된 소결 프로세스에 의해 압축될 수 있고, 따라서 400℃ 이상의 온도에서 동작 시 적당하고 저항력이 있다(resistant)는 이점을 갖는다.
본 방법의 또다른 바람직한 실시예에 따르면, 상기 기판상에 적용된 상기 제 1 전기 전도층 및 보호층 또는 기능층들이 오직 스트립 형태의 접촉 요소들에 전압을 인가함으로써 가열되는 것이 의도된다. 이 구성은 고온 히터가 내부로부터 가열된다는 이점을 갖는다. 이는 예를 들어, 우선은 상기 제 1 전기 전도층의 유기 물질이 확산(diffuse out) 될 수 있거나, 이미 적용된 보호층을 통해 확산될 수 있다는 것을 가능하게 한다. 내부로부터의 가열은 기계적인 전압(mechanical votage)들이 상기 제 1 전기 전도층 내에서 전개(develop)되지 않는다는 이점을 갖는다. 따라서 이러한 가열은 상기 층의 안정성에 기여할 수 있다. 대안적으로 기판을 갖는 고온 히터가 핫 플레이트 또는 외부 열 소스 상으로만 적용되는 것이 의도되는데, 이를 통해 발생된 열이 아래쪽으로부터 위쪽으로 상승할 뿐만 아니라 상기 전기 전도층이 먼저 가열되고 나중에 다른 보호층이 가열되도록 한다. 이를 통해, 접촉 요소들에 의한 가열 요소의 직접 가열과 유사한 효과가 주어질 수 있다.
본 방법의 바람직한 실시예는 상기 제 1 층이 적용 후에 건조되고, 이후 상기 보호층이 적용되는 것을 의도한다. 이러한 건조 방법은, 추가적인 상기 보호층이 적용되기 전에 특히 수용성(water-soluble) 성분들이 증발(evaporate)될 수 있음에 따라 상기 제 1 층이 최소한 약간 압축된다는 이점을 갖는다. 이는 히터의 보다 얇은 구조에 도움을 준다.
본 방법의 또다른 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제 1 층, 그리고 이와 별도로 상기 보호층 또는 기능층이 스퀴지(squeegee)에 의한 스프레이 방법 또는 인쇄 방법에 의해 적용되는 것이 의도된다. 예를 들면, 스크인 인쇄 방법이 의도될 수 있는데, 이 경우 특히 반죽 같은 제 1 층이 쉬운 방식으로 상기 기판 상에 적용된다. 이후 제 2 보호층이 또한 특히 반죽 같은 형태로 동일한 방식으로 적용될 수 있다. 따라서 공지된 기술들이 고온 가열 요소들을 생산하는데 사용될 수 있다. 동일한 내용이 기판에 대한 기능층의 적용에 적용된다. 대안적으로 스프레이 또는 스프레잉 방법이 상기 제 1 및 제 2 층 또는 기능층을 상기 기판 상에 적용하기 위하여 의도될 수 있다. 이른바 스프레이 코팅, 딥 코팅(dip coating), 침지 코팅(immersion coating) 또는 스핀 코팅이 본 발명에 사용될 수 있다.
본 방법의 또다른 바람직한 실시예는, 상기 제 1 층이 전체 면적에 걸쳐 또는 서로에 대하여 인접한 스트립 형태로 적용되고, 상기 보호층이 상기 제 1층의 전체 면적에 걸쳐 적용되고 상기 기판을 완전히 덮는 것을 의도하는데, 이에 의해 스트립 형태의 접촉 요소들이 상기 제 1 층의 적용 이전 또는 이후에 적용된다. 따라서 전기 전도층으로서의 상기 제 1 층은 상기 스트립 형태의 접촉 요소들에 연결되고, 이후에 상기 스트립 형태의 접촉 요소들 상의 연결점 들을 제외하고 상기 보호층을 통한 전기 절연을 용이하게 한다. 상기 보호층이 상기 전기 전도층을 완전히 덮는 것 때문에, 상기 제 1 전기 전도층의 생성에 대해 수용성 물질들이 분산을 위한 베이시스로서 사용될 수 있다는 것이 또한 가능하게 된다. 이들은 또한 용매의 사용 없는 프로세싱이 가능하고 건전 위험성(health risk)를 나타내지 않는다는 이점을 갖는다.
본 방법의 또다른 바람직한 실시예는, 가열 영역 내에서 상기 기판 상으로의 제 1 층 또는 상기 기능층의 적용 이전에, 전기 절연층이 상기 기판상에 적용된다는 것을 의도한다. 이는 특히 상기 기판이 절연 물질로 이루어지지 않고 오히려 전기 전도성 물질 또는 약한 전기 전도성 물질로 이루어지는 때에 발생된다.
본 방법들의 바람직한 구현예는, 전기 비전도성 베이스 물질로서의 상기 제 1 층을 생성하는데 있어, 바림직하게는 예를 들어 검 아라빅(gum arabic)과 같은 분산제 (dispergent)를 포함하는 수용액, 특히 물 또는 증류된 물이 사용된다는 것을 의도한다. 이는, 기계의 세정에서 뿐만 아니라 분산제의 생성을 위한 용매의 사용 없이, 특히 전-영역 층(full-area layer)으로서의 간단한 적용을 가능하게 한다.
본 방법의 보다 바람직한 실시예는, 카본 나노튜브들 및/또는 그라파이트의 필러들이 상기 전기 비전도성 베이스 물질 내에 포함되고, 이러한 페이스트가 이후 인쇄될 수 있다는 것을 의도한다. 이 마지막 단계는, 바람직하게는 그라파이트를 갖는 에틸 실리케이트를 포함하는 보호층(상부 코팅)의 적용을 기술(describe)한다.
바람직하게는, 단일, 이중, 또는 다중벽(multi-walled) 나노튜브들이 본 발명에 사용될 수 있다. 특히 그라파이트 및 카본 나노튜브들의 조합은, 유동할 수 있는 분산제가 상기 기판 상으로의 상기 제 1 층의 전-영역 적용에 대해 달성된다는 이점을 갖는다.
상기 보호층 또는 기능층을 생성하기 위하여, 실리케이트, 특히 에틸 실리케이트가 무기층을 형성하도록 의도된다. 이는 특히 가열에 의한 열처리 이후에 무기층의 생성이 달성되며, 이는 사용에 있어 강인하고 기밀성이고, 따라서 400℃ 이상의 온도에서의 동작을 용이하게 한다. 동시에 이는 상기 기판에의 기계적 본딩 뿐만 아니라 열 쇼크 안정성을 제공한다.
본 방법의 또다른 바람직한 실시예에 따르면, 필러, 특히 그라파이트가 상기 보호층 내로 또는 상기 기능층 내로 분산되도록 의도된다. 이는 특히 상기 보호층이 제 1 전기 전도층 내로 침투(penetrate)하는 본 방법의 제 1 대안적인 실시예에서, 상기 필러 관계가 증가되고, 또한 이는 상기 제 2 층 내의 전도도(conductivity)를 증가시킨다. 따라서 접촉층이 임의의 시간에 그리고 다양한 장소에서 유연하게 적용될 수 있다. 상기 보호층은, 카본 나노튜브들보다는 공기 중에서 보다 온도-안정적인 그라파이트의 부가에 의해, 분위기의 산소에 대한 절연에 대한 역할을 할 뿐만 아니라, 침투(penetration) 및 이에 따른 필러의 무게 퍼센트 비율의 시프트 이후에 기능층에 효과적인 스루-접촉(through-contact)이 주어진다. 상기 층은 따라서 다음의 3가지의 모든 특성들을 갖는다:
1) 침투에 의한 본딩; 2) 분위기 산소에 대한 절연; 3) 스루-접촉을 위한 전도성의, 카본 나노튜브들이 없는 층.
상기 기능층이 카본 나노튜브들 및/또는 그라파이트를 포함하는 본 방법의 제 2 실시예에서는, 예를 들면 인쇄 프로세스에서와 같이 프로세스 층에서의 단순 적용이 양호한 본딩을 달성한다. 바람직하게는 보다 높은 전압을 위한 요소들이 또한 생산될 수 있다.
또한, 바람직하게는, 특히 검 아라빅인 접착 에이전트가 상기 제 1 층 내로 분산된다. 따라서 상기 제 1 층 및 기판의 접착성이 향상된다. 상기 검 아라빅은 상기 보호층[상부 코트(top coat)]의 적용 이전의 접착 에이전트로서의 역할을 한다. 따라서 상기 보호층(상부 코트)을 임프린팅할 때 상기 제 1 층(이전 코트)을 파괴하지 않는다는 것이 보장된다.
상기 검 아라빅은 상기 층들의 융해 침투(fusion penetration) 시 연소된다. 상기 보호층이 기밀성 방식으로 전개되기 전에, 상기 검 아라빅의 휘발성 있는 성분들은 분산된다. SDS나 트리톤(triton)과 같은 다른 계면 활성제가 또한 검 아라빅의 대안으로서 가능하다.
또한, 상기 태스크는 가열 요소 특히 열적 가전제품(thermal household appliance)과 같은 고온 가열 요소에 의해서도 해결되는데, 여기서는 기판 상에, 베이스 물질 및 그 내부에 분산된 카본 나노튜브들을 포함하는 제 1 전기 전도층 및 보호층이 제공되는데, 이는 최소한 부분적으로 상기 제 1 층내로 침투하며, 상기 제 1 층을 덮거나, 카본 나노튜브들이 내부에 분산된 기능층이 상기 기판 상에 적용된다. 가열 요소의 상술한 바와 같은 특별한 디자인은 열 쇼크 안정성 뿐만 아니라 고온 저항성을 달성하는 것을 가능하게 한다. 동시에, 기판 상의 가열 요소의 임의의 기하학이, 특히 고온 히터의 생성에 대하여 선택될 수 있다.
상기 가열 요소의 바람직한 구성은 상기 층들 또는 기능층이 접촉 요소들과 접촉되는 것을 의도한다. 따라서 간편한 연결이 달성될 수 있다.
상기 접촉 요소들은 바람직하게는 스트립 형태로 형성된다.
히터의 다른 바람직한 실시예는, 상기 층들 또는 기능층이 열 처리를 통해 압축되는 것을 의도한다. 이를 통해 온도 저항성 및/또는 열 쇼크 안정성이 또한 증가된다.
또한, 바람직하게는 상기 제 1 층 및 보호층 또는 기능층은 500㎛ 이하, 특히 100㎛ 이하의 층 두께를 갖는 가열 요소를 형성한다. 물질들의 선택에 의하여 아주 얇은 애플리케이션이 가능할 수 있다. 동시에 상기 제 1 전기 전도층 내에서 그리고 이에 따라 기판의 균질한 열 발생이 달성될 수 있다.
상기 히터는 바람직하게는, 0.1 내지 100 wt%의 농도의 카본 나노튜브들을 유동성 있는 베이스 물질내에, 특히 물 또는 증류된 물 내에 포함하는 제 1 층을 갖는다. 따라서 보다 낮은 전압과 함께 사용될 수 있도록 높은 전기 전도도가 주어질 수 있다. 바람직하게는 1 내지 3 wt% 농도의 카본 나노튜브들 및 필러로서 5 내지 50 wt% 농도의 그라파이트가 상기 베이스 물질 내에 제공된다. 그라파이트를 첨가함으로써, 상기 제 1 층 또는 혼합물의 유동 능력(flow capability)이 증가될 수 있다.
상기 히터의 대안적인 실시예에 따르면, 바람직하게는 실리케이트 특히 에틸 실리케이트를 포함하는, 상기 베이스 물질 내에 0.1 내지 100 wt% 농도의 카본 나노튜브들이 상기 기능층 내로 도입되는 것이 의도된다. 대안적으로 , 1 내지 3 wt% 농도의 카본 나노튜브들 및 5 내지 50 wt% 농도의 그라파이트의 매트릭스(matrix)가 상기 기능층 내로 도입된다. 이러한 타입의 혼합물 덕분에, 상기 기능층은 스크린 인쇄에 의해 적용될 수 있다. 동시에, 카본 나노튜브들의 안정성 뿐만 아니라 공기 절연이 충분히 달성된다.
상기 가열 요소는 바람직하게는 제 1 층 및 보호층 또는 기능층을 갖는 가열 요소를 포함하는데, 이는 100 Ohm/Sq 이하의 전기 저항을 갖는다. 이로써 가정에서의 일반적인 전압 공급원에 의해 큰 기판 상에서 400℃ 이상의 열 발생이 허용된다. 또한, 보다 향상된 기계적 안정성을 보장하기 위하여 상기 층들은 보다 얇게 설계될 수 있다.
히터의 생산을 위해, 바람직하게는 세라믹, 유리 세라믹, 세란 세라믹(Ceran ceramic), 알루미늄 산화물 세라믹, MgO, KER 520을 포함하는 기판이 제공되는 것이 바람직하다. 따라서 특히 백색 가전제품에서의 다양한 사용 영역이 가능하다. 동시에 보다 가격 효율적인 생산이 이를 통해 달성될 수 있다.
본 발명은 및 유리한 실시예들 및 이들의 보다 발전된 실시예들이 도면들에 도시된 예시들에 의해 이하에 보다 자세히 설명되고 기술된다. 본 명세서 및 도면들로부터 취해지는 특징들은 본 발명에 따라 단독으로 또는 임의의 조합으로 사용될 수 있다. 도면은 다음과 같다:
도 1은 히터의 제 1 실시예를 나타내는 개략적 단면도이고,
도 2는 도 1에 따른 히터의 개략적은 저면도이고,
도 3은 도 1에 대해 대안적인 히터의 개략적인 측면도이고,
도 4는 도 1에 대한 대안적인 실시예의 개략적인 측면도이고, 그리고
도 5는 도 1에 대한 또다른 대안적인 실시예의 개략적인 측면도이다.
히터(11), 특히 고온 히터의 개략적인 측면도가 도 1에 도시된다. 도 2는 개략적인 저면도를 도시한다. 상기 고온 히터(11)는, 예를 들어 백색 제품의 영역에서 사용 시 세라믹, 유리 세라믹, 세란 세라믹(Ceran ceramic), 알루미늄 산화물 세라믹 또는 이와 유사한 것으로서 설계될 수 있는 기판(12)을 포함한다. 그 아래에는, 가열 요소(14)가 가열 영역 내에 제공된다. 상기 가열 요소(14)는 제 1 전기 전도층(16)을 포함하며, 그 위에 보호층(17)이 적용된다. 상기 보호층(17)은 상기 제 1 전도층을 완전히 덮는 것이 바람직한데, 이에 의해 상기 기판(12) 상의 외부 분위기에 대해 전기적으로 절연되고 기계적으로 보호되는 방식으로 제공된다. 상기 제 1 전기 전도층(16)은, 예를 들어 상기 전기 전도층(16)을 접촉시키기 위해 기판(12)의 엣지로 안내하는 2개의 스트립 형태의 접촉 요소(18) 사이에서 연장된다. 상기 제 1 층(16)은, 서로에 대해 평행하게 배치되는 것이 바람직한 2개의 접촉 요소(18)들 사이에서 연장되며, 가열 영역을 형성한다. 상기 보호층(17)은, 예를 들어 오직 엣지 영역에서는 자유 접촉점(free contact point)이 생략될 수 있도록, 상기 제 1 층(16), 및 바람직하게는 상기 스트립 형태의 접촉 요소들(18)을 덮는다. 대안적으로 상기 제 1 층(16) 및 상기 보호층(17)이 먼저 적용되고 그 이후에 스트립 형태의 접속 요소들(18)이 상기 제 1 층(16) 및 보호층(17)에 의해 형성된 가열 영역으로 관통(bring through)되도록 의도될 수도 있다.
상기 제 1 전기 전도층(16)은 유동성 있는(flowable) 전기적 비전도성 베이스 물질을 포함하는데 이는 유동 가능하다. 수용성 베이시스(aqueous basis) 상의 분산제(dispersion)가 의도되는 것이 또한 바람직하다. 이 분산제에, 카본 나노튜브들이 전기적으로 전도성의 물질로서 분산된다. 또한, 상기 분산제는, 전기 전도성을 지원하고 유동 능력을 설정하기 위하여 필러, 특히 그라파이트를 포함한다. 접착 에이전트(adhesive agent)가 상기 분산제 내에 제공되는 것이 또한 바람직하다. 이는, 예를 들어 검 아라빅(gum arabic)일 수 있다. SDS나 트리톤(triton)과 같은 계면활성제(surfactant)들이 또한 사용될 수도 있다. 이를 통해, 반죽같은(pasty) 또는 유동성 있는 매스(mass)가 생성될 수 있으며, 이는 인쇄 공정이나 스프레잉 공정에서 상기 기판(12) 상에 적용될 수 있다. 이 분산제는 고온, 열적 쇼크(thermal shock)에 저항성이고 소수성(hydrophobic)이다. 상기 보호층(17)은, 접착 특성을 증가시키기 위해 접착 에이전트, 필러 또는 다른 분자들로 강화(enrich)될 수 있는 것이 바람직한 실리케이트를 포함하는 것이 바람직하다. 이를 통해, 열적 쇼크 안정성 뿐만 아니라 기판에 대한 기계적 본딩(mechanical bonding)이 향상될 수 있다. 상기 제1층을 침투하는(penetrating) 보호층(17) 덕분에, 상기 카본 나노튜브들은 또한 350℃ 이상의 온도에서 사용하기에 적합할 수 있는데, 그 이유는 상기 보호층(17)이 기밀성의 방식으로 상기 카본 나노튜브들을 밀봉(sealing)시키기 때문이다. 상기 전기 전도성 물질은, 반죽 상태의 물질을 형성하는 것을 용이하게 하는 카본 나노튜브들 및 그라파이트 또는 다른 전기적 전도성 입자들의 화합물을 포함하는데, 이는 스프레이될 수 있다.
도 1에 도시된 가열 요소(14)는 전기 비전도성 베이스 물질 및 이에 분산된 카본 나노튜브들의 성분들에 의해 생성되거나, 혹은 반죽 같은 또는 유동성 있는 매스를 형성하도록 먼저 카본 나노튜브들의 화합물이 다른 전기적 전도성 물질들과 혼합되고 나서 스크린 인쇄 처리의 방법으로 기판의 전체 표면상에 적용됨으로써 생성된다. 이어서 상기 스트립 형태의 접촉 요소들(18)이, 바람직하게는 전도성 페이스트, 특히 실버 전도성 페이스트의 적용에 의해, 스크린 인쇄 처리 시 임프린팅될 수 있다. 이들 접촉 요소들(18)은 또한 상기 제 1 층(16)의 적용 전에 상기 기판(12) 상에 제공될 수도 있다. 뒤이어, 본 발명의 생산 공정의 제 1 실시예의 변형예에 따르면, 상기 제 1 층(16)은 열처리될 수 있다. 이는, 분산제로서 형성된 상기 제 1 층(16)에 대한 베이스 물질 또는 수용성 베이시스의 경화(hardening) 또는 건조(drying up)를 발생시키며, 이는 상기 보호층(17)의 결과적인 통과율(subsequent penetration)을 증가시킨다는 이점이 있다. 상기 보호층은 스크린 인쇄 처리에 의해 적용되는 것이 바람직하다. 대안적으로 상기 보호층은 상기 제 1 층(16)의 중간 건조 처리 없이 적용될 수도 있다. 이어서, 바람직하게는 적어도 상기 보호층(17)이 소결(sintering)되도록, 기판 위에 적용된 상기 층들(17) 및 상기 접촉 요소들(18)을 갖는 상기 기판(12)이 열처리된다. 여기서 압축(compression)이 발생하여 상기 전도성 입자들이 보다 함께 프레스(press together)되도록 하는데, 이는, 증가된 접촉 수(contact number) 및 소형성(compactness)으로 인한 보다 낮은 명세 저항(spec. resistance)의 결과를 야기한다. 이는 또한 상기 제 1 층(16)의 전도도(conductivity)의 향상을 야기할 수 있다.
고온의 히터(11)는, 예를 들어 100㎛ 이하의 두께를 갖는 가열 요소(14)를 포함한다. 또한, 상기 기판(12) 상의 전기 전도층(16)의 전체 영역 배치 덕분에, 균질의 가열 및 열 복사가 가능하다.
상기 보호층(17)은 바람직하게는 반사기(reflector)에 할당될 수 있는데, 이는 상기 기판(12)에 대한 반대 방향으로 상기 가열 요소(14)로부터 전달되는 열 복사를 반사시켜 상기 기판(12)의 가열을 가속화시키기 위한 것이다.
도 1에 대한 대안적인 실시예가 도 3에 도시되는데, 상기 제 1 층(16) 및 보호층(17)의 연속적인 적용 대신에 기능층(functional layer)(21)이 적용되는 한도까지만 도시된다. 상기 기능층(21)은 상기 보호층(17)과 동일한 베이스 물질에 의해 생성된다. 내부에 카본 나노튜브들이 분산된 실리케이트, 바람직하게는 에틸 실리케이트가 본 발명에 사용된다. 카본 나노튜브들에 대한 상기 기능층(21)은 바람직하게는 다른 전도성 물질 및 다른 성분으로서 특히 바인딩 에이전트(binding agent), 특히 그라파이트를 포함할 수 있다. 이러한 타입의 기능층(21)에 의하면, 반죽 같은 물질이 주어지는 것을 가능하게 하며, 이는 스프레이 처리 또는 스크린 인쇄 처리에 의해 적용될 수 있다. 또한 뒤이은 열처리를 수단으로 하여, 소결 처리에 의한 상기 층의 압축이 또한 달성될 수 있으며, 이는 전도도를 증가시킨다. 대안적인 본실시예는 상술한 타입의 가열 요소(14)의 생산을 단순화시키며, 이에 의해 동시에 기계적 본딩 및 열적 안정성 뿐만 아니라 400℃ 이상의 온도에서의 동작에 대한 필요요건들이 또한 주어진다. 상기 스트립 형태의 접촉 요소들(18)은 상기 기능층(21)의 적용 이전 또는 이후에 상기 기판(12) 상에 적용될 수 있다.
도 1에 대한 대안적인 다른 실시예가 도 4에 도시된다. 본 실시예는, 기판(12)과 관련하여 절연되는 방식으로 상기 전기 전도층(16)을 배치하기 위하여 제 1 전기 전도층(16)의 적용 전에 전기 절연층(19)이 상기 기판(21)의 전체 영역에 걸쳐 적용된다는 점에서 도 1의 실시예와 상이하다. 상기 절연층(19)의 이와 같은 배치는 또한, 상기 제 1 전기 전도층(16) 및 상기 보호층(17)으로 구성된 혼합물을 적용하는 경우에 의도될 수 있다. 또한, 상기 기능층(21)의 상기 기판으로의 적용 전에, 전기 절연층(19)이 전체 표면에 걸쳐 적용될 수 있다.
도 1의 또다른 대안적인 실시예가 도 5에 도시된다. 본 실시예는 전체 영역의 제 1 전기 전도층(16) 대신에 스트립 형태의 층(16)이 적용된다는 점에서만 상이하다. 바(bar) 들이나 리브(rib)들은 용도의 대응하는 경우에 따른 기하학 및 윤곽(contour)으로 개조될 수 있다. 상기 스트립 기하학은 특정 영역들을 가열시킬 수 있다. 또한, 이는 개별적인 기판 상의 본딩 특성에 유리한 효과를 준다. 상기 스트립들은, 기판 상에서 특별히 상이한 가열 영역들이 구현될 수 있도록 임의의 방식으로 배치될 수 있다.

Claims (23)

  1. 히터, 특히 열 가전 기구용 히터 생산 방법에 있어서, 상기 히터에는 가열 요소(14)로서 기판(12) 상에 전류에 의해 열을 발생시키는 층이 제공되고,
    - 상기 기판(12) 상에 제 1 전기 전도층(16)이 제공되되, 상기 제 1 전기 전도층은 유동 가능한 베이스 물질 및 그 내부에 분산된 카본 나노튜브들로부터 형성되고,
    - 상기 제 1 층(16) 상에, 상기 제 1 층(16) 상으로의 적용 수단에 의해 상기 제 1 층을 적어도 부분적으로 침투하는 보호층(17)이 제공되고,
    - 그 내부에 카본 나노튜브들이 분산된 기능층(21)이 상기 기판(12) 상에 적용되는 것을 특징으로 하는 히터 생산 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 층들(16, 17)의 적어도 하나 또는 상기 기능층(21)은 접촉 요소(18)와 접촉되고, 상기 기판에 적용된 상기 층들(16, 17) 또는 상기 기능층(21)은 가열되는 것을 특징으로 하는 히터 생산 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 접촉 요소(18)는 스트립 형태인 것을 특징으로 하는 히터 생산 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판(12) 상에 적용된 층들(16, 17), 또는 상기 기능층(21)은 300℃ 내지 700℃의 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 히터 생산 방법.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 기판(12) 상에 적용된 상기 층(16), 상기 보호층(17) 또는 상기 기능층(21)은 상기 접촉 요소(18)에 전압을 인가함에 의해서만 가열되는 것을 특징으로 하는 히터 생산 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 전기 전도층(16)은 상기 기판(12) 상의 적용 이후에 건조되고, 상기 보호층(17)은 그 이후에 적용되는 것을 특징으로 하는 히터 생산 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 전기 전도층(16), 그리고 별도로 상기 보호층(17) 또는 상기 기능층(21)은 스퀴지에 의한 스프레잉 방법 또는 인쇄 방법에 의해 적용되는 것을 특징으로 하는 히터 생산 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 전기 전도층(16)은 상기 기판(12) 상에 전체 영역에 걸쳐 또는 스트립 형태로 적용되고, 상기 보호층(17)은 그 이후에 상기 제 1 층(16) 상에 전체 영역에 걸쳐 적용되고 상기 기판(12)을 덮으며, 상기 제 1 전기 전도층(16) 또는 보호층(17)의 적용 이전 또는 이후에 스트립 형태의 접촉 요소(18)가 상기 기판(12) 상에 적용되는 것을 특징으로 하는 히터 생산 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 가열 영역 내에서의 상기 제 1 전기 전도층(16) 또는 상기 기능층(21)의 적용 이전에, 전기 절연층(19)이 상기 기판(12) 상에 적용되는 것을 특징으로 하는 히터 생산 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 전기 전도층(16)을 생성하기 위하여, 전기 비전도성의 유동성 있는 베이스 물질로서, 수용액, 특히 물 또는 증류된 물이 사용되고, 이는 바람직하게는 예를 들어 검 아라빅과 같은 분산제를 포함하는 것을 특징으로 하는 히터 생산 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항에 있어서, 카본 나노튜브들 및/또는 그라파이트가, 상기 제 1 전기 전도층(16)의 베이스 물질 내로 또는 상기 기능층(21) 내로 전기 전도성의 유동성 있는 물질로서 분산되는 것을 특징으로 하는 히터 생산 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보호층(17) 또는 상기 기능층(21)의 생성을 위하여, 실리케이트, 특히 에틸 실리케이트가 무기층을 형성하도록 사용되는 것을 특징으로 하는 히터 생산 방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 필러, 특히 그라파이트가 상기 보호층(17) 또는 상기 기능층(21) 내로 분산되는 것을 특징으로 하는 히터 생산 방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 접착 에이전트, 특히 검 아라빅이 상기 제 1 층(16) 내로 분산되는 것을 특징으로 하는 히터 생산 방법.
  15. 히터, 특히 가전기구용 고온 히터로서, 가열 요소로서 기판(12) 상에 전기 흐름에 의해 열을 발생시키는 층을 포함하고, 상기 기판(12) 상에, 베이스 물질 및 그 내부에 분산된 카본 나노튜브들을 포함하는 제 1 전기 전도층(16) 및 상기 제 1 층(16)을 적어도 부분적으로 침투하는 보호층(17)이 제공되거나 또는 그 내부에 카본 나노튜브들이 분산된 기능층(21)이 상기 기판(12) 상에 적용되는 것을 특징으로 하는 히터.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 층들(16, 17) 또는 상기 기능층(21)은 접촉 요소(18)와 접촉되는 것을 특징으로 하는 히터.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 접촉 요소(18)는 스트립 형태인 것을 특징으로 하는 히터.
  18. 제 15 항 또는 제 17 항에 있어서, 상기 층들(16, 17) 또는 상기 기능층(21)은 열 처리에 의해 압축되는 것을 특징으로 하는 히터.
  19. 제 15항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 층(16, 17) 또는 상기 기능층(21)은 500㎛ 이하, 특히 100㎛ 이하의 층 두께를 포함하는 것을 특징으로 하는 히터.
  20. 제 15 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 전기 전도층(16)은 상기 유동성 있는 베이스 물질 내에 0.1 내지 100 wt% 농도의 카본 나노튜브들을 가지거나, 1 내지 3 wt% 농도의 카본 나노튜브들 및 5 내지 50　wt% 농도의 그라파이트가 상기 베이스 물질 내에 제공되는 것을 특징으로 하는 히터.
  21. 제 15 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기능층(21)은 상기 유동성 있는 베이스 물질 내에 0.1 내지 100 wt% 농도의 카본 나노튜브들을 가지거나, 1 내지 3 wt% 농도의 카본 나노튜브들 및 5 내지 50　wt% 농도의 그라파이트가 상기 베이스 물질 내에 제공되는 것을 특징으로 하는 히터.
  22. 제 15 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 층(16, 17)에 의해 생성된 상기 가열 요소(14) 또는 상기 기능층(21)은 100Ω/Sq 이하의 전기 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 히터.
  23. 제 15 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판(12)은 세라믹, 유리 세라믹, 세란 세라믹, 알루미늄 산화물 세라믹, MgO, 또는 KER500을 포함하는 것을 특징으로 하는 히터.
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