KR20140005189A - 환원된 세라믹 가열부재 - Google Patents

Abstract

전기 가열부재는 세라믹 물질로 구성된 본체(10)와 세라믹 물질의 환원 형태로 구성된 본체의 표면상에 전기 전도층와, 전압 소스에 연결을 위한 제1 및 제2 접촉 부위(20, 22)을 가진 전기 전도층과, 제1 및 제2 접촉 부위사이에 적어도 하나의 전기 전도성 경로로 구성되어 있다. 전기 전도층을 형성하기 위하여 가열부재 본체(10)는 본체의 표면에 전도층을 형성하기 위하여 충분한 온도로 환원분위기에 위치시킨다.

Description

환원된 세라믹 가열부재{REDUCED CERAMIC HEATING ELEMENT}

본 발명은 전기적으로 가열된 에어로졸-생성 시스템에서 에어로졸-형성 기판을 가열하기 위한 가열부재(heating element) 및 전기적으로 가열된 에어로졸 생성 시스템에서 에어로졸 형성 기판을 가열하기 위한 가열부재의 제조방법에 관한 것이다.

예를 들어 EP-A-0917830 같은 종래 문헌에서, 전기적 흡연장치의 세로를 따라 축방향으로 움직이고 원주 둘레에 간격을 두고 위치한 복수의 개별(discrete) 금속 가열부재로 구성되는 전기적으로 가열하는 담배 제품에 대한 가열부재에 대해 기술되어 있다. 가열 요소는 많은 금속 성형 단계를 요하기 때문에 필연적으로 제조하기에 복잡하고 비싸다.

내부 가열 요소는 담배 제품 내에 직접 삽입하는 것이 제안되어 왔다. 이것은 모든 열 에너지를 감각 미디어로 전송하므로 향상된 효율을 제공하며, 또한, 흡연 시스템의 크기를 축소시킬 수 있고, 특히 열피복 절연의 필요성을 감소시켜 그 직경을 줄일 수 있다.

발명자는 전기적으로 동작하는 흡연시스템 내에 제조하기 간단하고 저렴한 내부 가열부재로 사용하기 적합한 가열부재 및 디자인의 유연성을 제공하는 그러한 가열부재의 제조방법을 제공하는 것이 유리하고 판단했다.

본 발명이 해결하려는 과제는 전기적으로 동작하는 흡연시스템 내에 제조하기 간단하고 저렴한 내부 가열부재로 사용하기 적합한 가열부재 및 디자인의 유연성을 제공하는 그러한 가열부재의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 과제의 해결 수단은 세라믹으로 구성된 본체와, 본체 상 또는 내부에 형성된 전기 전도성 경로로 구성되고, 전기 전도성 경로는 세라믹 물질의 환원된 형태로 구성되며, 전압 소스와 연결을 위한 제1 및 제2 접촉 부위를 가진 전기 가열부재를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 세라믹 물질로 구성된 가열부재 본체를 형성하는 단계와; 세라믹 재료의 환원된 형태로 구성된 전도성 경로를 본체 상 또는 내에 형성하기에 충분한 온도에서 환원 분위에 가열부재 본체를 위치시키는 단계와; 전도성 경로에 전압 소스를 연결하기 위한 접촉부위를 제공하는 단계를 포함하는 전기 가열부재 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명은 전기적으로 동작하는 흡연시스템 내에 제조하기 간단하고 저렴한 내부 가열부재로 사용하기 적합한 가열부재 및 디자인의 유연성을 제공하는 그러한 가열부재의 제조방법을 제공할 수 있는 유리한 효과가 있다.

도 1a는 본 발명의 실시 예에 따른 가열부재를 도시한 것이다;
도 1b는 도 1a의 가열 요소의 단면 개략도이다;
도 2는 본 발명의 방법의 실시 예에 따른 프로세스 단계를 나타내는 흐름도이다; 및
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 흡연 물품에 사용되는 가열 요소의 개략도이다.

본 발명은 전기가열부재에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 전기적으로 가열된 에어로졸-생성 시스템에서 에어로졸-형성 기판을 가열하기 위한 가열부재(heating element)에 관한 것이다. 본 발명은 가열부재의 제조 방법에 관한 것이며, 그리고 전기적으로 가열된 에어로졸 생성 시스템에서 에어로졸 형성 기판을 가열하기 위한 가열부재의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 전기적으로 동작하는 흡연시스템에서 에어로졸 형성 기판을 가열하기 위한 가열부재로 응용하고, 전기적으로 동작하는 흡연시스템에서 에어로졸 형성 기판을 가열하기 위한 가열부재를 제조하는 방법에 응용한다.

예를 들어 EP-A-0917830 같은 종래 문헌에서, 전기적 흡연장치의 세로를 따라 축방향으로 움직이고 원주 둘레에 간격을 두고 위치한 복수의 개별(discrete) 금속 가열부재로 구성되는 전기적으로 가열하는 담배 제품에 대한 가열부재에 대해 기술되어 있다. 가열 요소는 많은 금속 성형 단계를 요하기 때문에 필연적으로 제조하기에 복잡하고 비싸다.

내부 가열 요소는 담배 제품 내에 직접 삽입하는 것이 제안되어 왔다. 이것은 모든 열 에너지를 감각 미디어로 전송하므로 향상된 효율을 제공하며, 또한, 흡연 시스템의 크기를 축소시킬 수 있고, 특히 열피복 절연의 필요성을 감소시켜 그 직경을 줄일 수 있다.

발명자는 전기적으로 동작하는 흡연시스템내에 제조하기 간단하고 저렴한 내부 가열부재로 사용하기 적합한 가열부재 및 디자인의 유연성을 제공하는 그러한 가열부재의 제조방법을 제공하는 것이 유리하고 판단했다.

본 발명의 제1 측면에 따르면, 전기적 가열부재는 세라믹 물질로 구성된 본체(main body)와 본체 상 또는 내부에 형성된 전기 전도성 경로로 구성되며, 전기전도성 경로는 세라믹 물질의 축소된 형상으로 구성되고, 전압 소스에 연결하기 위한 제1 및 제2 접촉 부위를 구비한 구성으로 제공된다.

전기 전도성 경로는 예를 들어, 미리 설정된 기간 동안 충분한 온도에서 환원 분위기에서 본체를 배치하여 형성할 수 있다. 또한, 전기 전도성 경로는 전기 화학적 환원 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 임의의 경우에도, 전기 전도성 경로는 본체의 표면 상에 전도층(layer)으로 형성하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 전도층의 깊이는 10 ㎛ 보다 작게 형성하는 것이다. 전도층의 깊이는 형성 시 처리온도와 기간 등의 조건을 선택함에 의하여 선택할 수 있다. 본체를 커버하는 정도는 환원공정 동안에 선택적으로 전도성 경로의 일부를 식각하거나 본체 부분을 마스킹함으로써 변경될 수 있다. 이 방법으로, 가열 요소의 원하는 저항을 얻을 수 있다. 바람직한 실시 예에서, 가열부재 저항은 0.5과 2 Ω(Ohms)사이이다.

본체는 금속산화물과 금속 산화물의 금속 성분으로 형성된 전도층으로 전체 또는 부분적으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 본체는 지리코니아와 지르코늄로부터 형성된 전도성 경로로 형성될 수 있다. 또는, 본체는 알루미나와 알루미늄으로 형성된 전도성 경로로 형성될 수 있다.

전기 전도성 경로는 저항성 히터로 수행할 수 있고 많은 설계 유연성을 허용하여, 여러 가지 방법으로 본체 상에 제공할 수 있다.

본체는 사출 성형 및 소결에 의해 형성될 수 있다. 본체의 모양과 크기는 특정 애플리케이션(application)에 맞게 선택할 수 있다.

전기 전도성 경로는 본체의 표면을 완전히 커버할 수 있다. 또한, 전기 전도성 경로는 본체의 표면을 패턴으로 형성할 수 있다. 패턴은 제1 및 제2 접촉 부위사이에 복수의 전기 전도성 경로로 정의할 수 있다.

바람직하게는 본체는 본체의 제1 종단에 위치한 제1 및 제2 접촉 부위와 본체의 제2 종단으로부터 및 종단까지 연장된 전기 전도성 경로를 가진 가늘고 긴 형상을 가질 수 있다.

본체는 예를들어 관 모양 또는 평면 모양같은 다른 모양으로 형성할 수 있다. 본 발명은 전도층을 형성하기 위한 도금 또는 증착 기술을 사용할 때 문제가 될 수 있는 가열 요소에 대하여 복잡한 형태의 사용을 허용할 수 있다.

바람직하게는, 본체는 실질적으로 원형 단면을 가진다. 이것은 에어로졸 형성 기판으로부터 삽입과 제거를 용이하게 할 수 있기 때문에 이점이 있다.

본체는 유리와 같은 패시베이션 층(passivation layer)으로 덮을 수 있다. 이것은 전도성 경로의 안정성을 증가시킨다.

본 발명의 제2 측면에 따르면, 본 발명의 제1 측면에 따른 하나 이상의 가열 요소로 구성된 에어로졸 형성 기판을 수용하기 위한 전기적으로 가열된 에어로졸 생성 시스템과 제1 및 제2 접촉 부위에서 가열부재와 연결된 전압 소스를 제공한다.

본 발명의 제3 측면에 따르면, 가열부재 본체와 세라믹 물질로 구성된 본체를 형성하는 단계와; 세라믹 재료의 환원된 형태로 구성된 전도성 경로를 본체 상 또는 내에 형성하기 위하여 가열부재 본체를 충분한 온도에서 환원 분위기에 위치시키는 단계와; 전도성 경로에 전압 소스를 연결하기 위한 전기 접촉부위를 제공하는 단계를 포함하는 전기 가열부재를 제조하는 방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 가열부재 본체를 형성하는 단계는 사출성형으로 구성된다. 또한, 가열부재 본체를 형성하는 단계는 열간 정수압 소결법, 슬립 주조, 건식 가압성형으로 구성할 수 있다. 가열부재 본체를 형성하는 단계는 가공을 더 포함할 수 있다. 가열부재 본체를 형성하는 단계는 소성 또는 소결을 더 포함할 수 있다.

환원 분위기는 바람직하게 실질적으로 산소가 없다. 환원 분위기에서 가열 요소의 본체를 위치시키는 단계는 수소 분위기나 일산화탄소 분위기에 본체를 위치시키는 것을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 수소 분위기는 수소 가스의 흐름으로 구성된다. 본체의 표면에 전도층을 형성하기에 충분한 온도는 분위기와 본체의 재료 구성에 따라 달라진다. 그러나 바람직한 충분한 온도는 200℃ 보다 높다. 보다 바람직하게는, 충분한 온도는 1000℃ 내지 1300 ℃사이이다. 바람직하게는, 환원 분위기에서 가열 요소 본체를 위치시키는 단계는 적어도 한 시간 이상동안 환원 분위기에서 가열부재 본체를 위치시키는 구성이며, 보다 바람직하게는 적어도 두 시간 동안 위치시키는 것이다.

바람직하게는, 상기 방법은 상기 환원 분위기에서 가열 요소 본체를 위치하는 단계에 이어서 가열부재 본체에 보호 층(passivation layer)을 형성하는 단계를 더 포함한다. 보호 층은 전도성 경로의 재산화를 방지하거나, 실질적으로 감소시킨다. 보호 층은 화학 기상 증착 또는 플라즈마 위상 증착 기술을 사용하여 유리로 형성할 수 있다.

본 발명의 제4 측면에 따르면, 가열부재 본체와 세라믹 물질로 구성된 본체를 형성하는 단계와; 환원 전해질에 가열부재 본체를 위치시키고 세라믹 재료의 환원된 형태로 구성된 전도성 경로를 본체 상 또는 내에 형성하기 위하여 가열부재 본체의 전기 화학적 환원을 수행하는 단계; 및 전도성 경로에 전압 소스를 연결하기 위한 접촉부위를 제공하는 단계를 포함하는 전기 가열부재를 제조하는 방법을 제공한다.

환원 전해질은 염화칼슘일 수 있다.

본 발명의 실시 예는 추가로 첨부 된 도면을 참조하여, 더 기술될 것이다;

도 1a와 1b는 본 발명에 따른 가열부재의 한 예를 보여준다. 가열 요소는 지르코니아(산화 지르코늄)로 형성된 본체(10)로 구성되어 있다. 본체는 일반적으로 팁 종단(12)와 두 개의 백(back) 종단(14, 16)을 가진 V 자 형상이다. 본체는 임의의 원하는 형태일 수 있으며, 예를 들어, 임의의 필요한 가공에 의하여 사출 성형에 의해 형성된다. 본체의 가공 후 견고한 본체를 형성하기 위하여 소성 및 소결된다. 본체(10)의 표면은 도 2를 참조하여 도시된 바와 같이, 금속 지르코늄 층(18)으로 덮여 있다. 지르코늄 층(18)은 지르코니아 본체(10)에 비해 상대적으로 전기 전도성이 있어 저항 가열 요소로 사용할 수 있다. 이 예에로, 지르코늄 층은 약 0.1 Ω/mm의 저항을 가진다.

전기 접점(20, 22)은 후면에 가열부재의 백 종단에 위치하며, 실버 페이스트로 형성된다. 실버 페이스트는 가열 요소와 외부 전원사이의 전기적 접촉을 제공하는데 사용되며, 이후 전기 연결은 바람직하게는 불활성 무산소 분위기에서 이루어진다. 전기 접점을 제공하는 다른 방법은 레이저 용접, 플라즈마 아크 용접 또는 가스 텅스텐 용접을 사용할 수 있다. 그러나, 환원된 세라믹의 산화를 방지하기 위해, 용접은 불활성 무산소 또는 동일한 환원 분위기에서 수행해야 한다.

전기 접점을 경유하여 가열부재에 전압을 적용하면 표면층에 전류 흐름을 야기시켜서, 표면층에 주울 가열의 결과를 가져온다. 도 1에서와 같이 가열부재에 8V 전압을 적용함에 의하여 가열부재의 온도의 증가는 400℃ 와 500℃사이를 보임이 관찰되었다.

도 1b는 가열부재(10)의 단면도이며, 지리코늄의 표면 층(18)을 보여준다. 도 2b는 스케일이 도시되어 있지 않다. 이 예에서 전도성 표면층의 두께는 100 ㎛ 보다 작으며, 바람직하게는 5 내지 10㎛ 사이이다. 그러나, 본체의 전도층과 환원되지 않은 부분사이의 경계가 명확하지 않을 수 있으므로 측정된 두께는 5 ㎛ 및 100 ㎛사이에서 변할 수 있다. 대신에, 세라믹의 환원 수준은 외부 표면 아래 거리로 떨어진다.

가열부재(10)는 원형 단면으로 형성된다. 가열부재의 두 다리는 실질적으로 반원형 단면으로 형성하며, 그래서 전체 단면은 전체 길이를 따라 거의 원형이 된다. 이것이 다른 모양을 가지는 것보다 용이하게 기판으로 및 기판으로부터 가열부재를 삽입 및 제거할 수 있게 한다.

도 1a와 1b에 도시된 바와 같이 가열 요소는 간단한 열 화학적 공정을 사용하여 제조할 수 있다. 성형 또는 다른 공정(process)에 의해 본체(10) 제작을 하고, 표면층(18)은 고온의 환원 분위기에서 본체를 위치하여 형성한다. 본체의 표면에서의 산소는 얇은 지르코늄 층을 남기기 위해 이러한 조건 하에서 제거된다.

도 2는 도 1과 같이 가열부재의 제조 방법에 따라 제공되는 단계를 도시한 것이다. 단계(200)에서 본체는 지르코니아 분말을 사출성형함에 의하여 원하는 모양으로 형성된다. 형성된 본체는 단계(210)에서는 수소 분위기에서 주입되고 단계(220)에서 1200℃로 가열한다. 수소 분위기는 수소가 흐르도록 구성한다. 수소의 흐름 속도는 본체의 환원 양과 비율을 제어할 수 있다. 본체가 환원 분위기에 있는 시간(duration)은 환원량과 최종 가열부재의 저항에 영향을 준다. 이러한 실시 예에서, 본체는 2시간 동안 환원 분위기를 유지한다. 이러한 공정은 본체 속으로 침투되어 본체의 표면 상에 전도층을 형성하게 된다. 단계(230)에서, 가열부재를 냉각한다. 이 단계에서, 원하는 임의의 표면 패터닝은 표준 에칭이나 포토 리소그래피 기술을 사용하여 형성할 수 있다. 단계(240)에서, 유리 보호층은 화학 기상 증착법을 사용하여 가열부재 본체에 형성한다. 가열 요소가 산소가 없는 환경에서 남아 있는 동안에 보호층이 형성되고, 임의의 에칭이나 포토 리소그래피 기술을 적용하기 전에 형성 될 수 있다. 단계(250)에서, 전기 접점은 실버 페이스트를 사용하여 가열 요소를 고정시키고 가열부재는 그것이 사용될 수있는 장치에 장착할 수 있다. 마지막으로 실버 페이스트로 마무리한다.

도 1a와 1b에 도시된 히터는 전기적으로 가열된 흡연 시스템에서 사용할 수 있고, 특히, 담배 맛 및 담배 맛 에어로졸을 생산하기 위해 담배 제품을 가열하기 위한 비교적 저온 열원을 채용한 흡연 장치라 할 수 있다. 이러한 형태의 가열 요소는 임의의 원하는 모양과 크기로 비교적 간단하고 저렴하게 제조할 수 있는 장점이 있다.

도 3은 분해된 형태로, 에어로졸 형성 기판을 사용한 가열 요소의 하나의 실시 예의 개략도이다. 도 3에서, 가열부재(30)은 도 1a와 같이 일반적으로 V 자형 구성이다. 절연층(32)은 전압 소스(34)가 포함된 가열부재로부터 흡연장치의 나머지 부분을 절연하기 위하여 가열부재의 백사이드(back side)에 제공된다. 전기 연결(36)은 전압 소스로부터 및 까지 절연층을 통과하여 가열부재(30)의 전기 접촉부위(32)로 확장된다. 가열 요소는 에어로졸 형성 기판(38)의 플러그에 삽입된다. 사용 중인 히터는 원하는 에어로졸을 생성하기 위하여 기판 물질(38)을 가열한다.

가열부재는 다양한 구성으로 형성될 수 있음은 명백하다. 예를 들어, 가열 요소는 오직 튜브의 내부 표면만 형성된 전도층을 가지고, 에어로졸 형성 플러그를 둘러싸는 중공 튜브로 형성될 수 있다. 이것은 튜브의 외부 표면에 형성된 전도층을 제거하거나 전기적으로 분리하여 얻을 수 있다.

또한, 가열 요소는 전기 가열 흡연장치를 참조하여 설명되었지만, 다른 애플리케이션을 위하여 균등하게 사용할 수 있다는 것은 분명하다. 이러한 형태의 가열부재의 모양과 구성의 유연성은 다양한 애플리케이션에 사용될 수 있다는 것을 의미한다.

Claims (15)

1. 세라믹으로 구성된 본체와, 본체 상 또는 내부에 형성된 전기 전도성 경로로 구성되고, 전기 전도성 경로는 세라믹 물질의 환원된 형태로 구성되며, 전압 소스와 연결을 위한 제1 및 제2 접촉 부위를 가진 전기 가열부재.
2. 청구항 1에 있어서,
   본체는 금속 산화물로 전체적으로 또는 부분적으로 형성되고, 전도성 경로는 금속 산화물의 금속 성분으로 형성됨을 특징으로 하는 전기 가열부재.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 본체는 지리코니아로 형성되고 전도층은 지르코늄으로 형성됨을 특징으로 하는 전기 가열부재.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전기 전도성 경로는 본체의 표면을 완전히 커버함을 특징으로 하는 전기 가열부재.
5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전기 전도성 경로는 본체의 표면 상에 패턴으로 형성됨을 특징으로 하는 전기 가열부재.
6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 본체는 실질적으로 원형 단면으로 가짐을 특징으로 하는 전기 가열부재.
7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
   본체는 본체의 제1 종단에 위치한 제1 및 제2 접촉 부위를 가진 연장된 형상과 본체의 제2 종단으로부터 및 종단까지 연장된 전기 전도성 경로를 가진 전기 가열부재.
8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
   본체의 외부 표면 상에 보호층을 포함하는 전기 가열부재.
9. 전압 소스는 제1 및 제2 접촉 부위에서 가열부재에 연결되고, 상기 청구항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 가열부재로 구성된 에어로졸 형성 기판을 수용하기 위한 전기 에어로졸 발생 시스템.
10. 세라믹 물질로 구성된 가열부재 본체를 형성하는 단계와; 세라믹 재료의 환원된 형태로 구성된 전도성 경로를 본체 상 또는 내에 형성하기에 충분한 온도에서 환원 분위기에 가열부재 본체를 위치시키는 단계와; 전도성 경로에 전압 소스를 연결하기 위한 전기적 접촉부위를 제공하는 단계를 포함하는 전기 가열부재 제조방법.
11. 청구항 10에 있어서,
    환원 분위기에서 가열부재 본체를 위치시키는 단계는 수소 분위기에서 본체를 위치시키는 구성으로 이루어진 전기 가열부재 제조방법.
12. 청구항 10 또는 청구항 11에 있어서,
    충분한 온도는 1,000℃ 내지 1,300℃사이임을 특징으로 하는 전기 가열부재 제조방법.
13. 청구항 10 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    환원 분위기에서 가열부재 본체를 위치시키는 단계에 이어서 가열부재 본체상에 보호층을 형성하는 단계를 더 부가함을 특징으로 하는 전기 가열부재 제조방법.
14. 청구항 10 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    가열부재 본체는 금형으로 제조 형성됨을 특징으로 하는 전기 가열부재 제조방법.
15. 본체는 세라믹 물질로 구성되고, 가열부재 본체를 형성하는 단계;
    환원 전해질에 가열부재 본체를 위치시키고 세라믹 재료의 환원된 형태로 구성된 전도성 경로를 본체 상 또는 내에 형성하기 위하여 가열부재 본체의 전기 화학적 환원을 수행하는 단계; 및
    전도성 경로에 전압 소스를 연결하기 위한 전기적 접촉부위를 제공하는 단계를 포함하는 전기 가열부재 제조방법.

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