KR20180056859A - 마이크로파에 의해 가열되는 급속 하이브리드 발열체 - Google Patents

마이크로파에 의해 가열되는 급속 하이브리드 발열체 Download PDF

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Abstract

마이크로파에 의한 발열특성이 우수하고 열적 및 기계적인 충격에 안정되며, 직접 및 간접 조사에 의한 가열될 수 있고, 급속 승온과 같은 온도조절이 용이한 마이크로파에 의해 가열되는 하이브리드 발열체를 제시한다. 그 발열체는 마이크로파에 의해 가열되는 유전체로써, 판재의 형성되는 복수개의 관통홀 또는 복수개의 삽입홈 또는 그들의 조합에 수용되거나 소결되거나 코팅된 몰리브덴계 유전체를 포함하고, 몰리브덴계 유전체는 몰리브덴실리사이드(Molybdenum Silicide) 또는 몰리브덴설파이드(Molybdenum Sulfide) 또는 몰리브덴실리사이드(Molybdenum Silicide) 또는 몰리브덴설파이드(Molybdenum Sulfide)에 다른 유전체가 복합된 복합유전체 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어진다.

Description

마이크로파에 의해 가열되는 급속 하이브리드 발열체{Hybrid heater rapidly heated by microwave}
본 발명은 마이크로파에 의해 가열되는 발열체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마이크로파에 의해 가열되는 유전체가 혼재하는 하이브리드 발열체를 관한 것이다.
마이크로파는 파장이 1m 이하로부터 1mm 이하인 원적외선 부근의 서브밀리파까지를 포함하는 전자기파이다. 마이크로파는 초단파보다 주파수가 높고 파장이 짧으므로, 직진성, 반사, 굴절, 간섭 등의 성질은 빛과 거의 비슷하다. 피가열체에 마이크로파가 닿으면, 상기 피가열체를 구성하는 쌍극자가 마이크로파의 전계에 의해 그 축의 배열 방향을 급속히 변화시키는 과정에서 마찰열이 발생되어 상기 피가열체는 가열된다. 피가열체를 가열하는 방법은 상기 피가열체에 마이크로파를 직접 조사하거나 마이크로파에 의해 발열되는 유전체의 발열에 의해 간접적으로 가열하는 것이다. 마이크로파를 이용한 보일러 등에서와 같이 고에너지를 필요로 하는 장치는 주로 유전체의 발열에 의한 간접 가열 방식이 적용된다.
국내공개실용신안 제2011-0007453호에 의하면, 규조토, 산화철, 탄화규소, 알루미나 등을 혼합하여 성형함으로써, 혼합물의 배합률에 따라 발열온도를 다르게 하는 발열체를 제시하고 있다. 하지만, 혼합물로 이루어진 발열체는 온도의 경사를 조절하는 것이 어려워서 열적 충격을 방지하지 못하므로, 발열체의 파손이 쉽게 일어난다. 더욱이, 고에너지가 적용되면, 유전체의 혼합물은 발열특성이 균일하지 못하고, 열적 충격 등에 의해 쉽게 손상이 일어나며, 기계적으로 불안정하다. 경우에 따라, 피가열체의 가열은 마이크로파를 직접 또는 간접적으로 가열하는 혼합 방식이 적용할 필요가 있지만, 이에 대응하기 어렵다.
한편, 발열체는 시간에 따라 발열되는 발열특성이 각자 고유의 형태를 가진다. 이러한 고유한 발열특성은 상기 발열체를 적용하는 과정에서 온도조절에 어려움이 있다. 예를 들어, 탄화규소는 약 750℃ 정도까지는 발열에 의한 온도 상승이 급격하게 일어나나, 이상의 온도에서는 온도 상승이 서서히 일어난다. 이러한 온도 상승의 특성은 발열체를 활용하는 공정, 특히 1,000℃ 이상을 요구하는 공정에서는 탄화규소를 발열체로 적용하기 어렵게 한다.
예를 들어, 티탄산계 마찰소재를 제조하는 공정은 하소를 할 때 800℃ 이하, 800~1,000℃, 1,000~1,100℃ 등과 같이 다양한 온도 조건으로 실시한다. 티탄산계 마찰소재의 제조공정에 따르면, 800℃에서 1,100℃까지의 온도를 빠른 시간으로 승온하여야 최적의 화학반응이 일어난다. 이에 따라, 티탄산계 마찰소재를 제작하기 위해서는 50℃/분 내지 100℃/분의 승온속도가 필요하다. 이와 같이, 급속 승온속도를 가져야만 최적의 티탄산계 마찰소재를 얻을 수 있다. 그런데, 종래의 전기저항은 승온속도가 약 20℃/분이므로 티탄산계 마찰소재의 제조에는 적용할 수 없다. 또한, 단일한 마이크로파 발열체는 다양한 온도조건을 만족하기 어렵다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 마이크로파에 의한 발열특성이 우수하고 열적 및 기계적인 충격에 안정되며, 직접 및 간접 조사에 의한 가열될 수 있으며, 온도 상승 특성을 적절하게 조절할 수 있는 마이크로파에 의해 가열되는 급속 하이브리드 발열체를 제공하는 데 있다.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 마이크로파에 의해 가열되는 급속 하이브리드 발열체의 하나의 예는 마이크로파에 의해 가열되는 유전체로써, 판재 및 상기 판재의 형성되는 복수개의 관통홀 또는 복수개의 삽입홈 또는 그들의 조합에 수용된 몰리브덴계 유전체를 포함한다. 이때, 상기 몰리브덴계 유전체는 몰리브덴실리사이드(Molybdenum Silicide) 또는 몰리브덴설파이드(Molybdenum Sulfide) 또는 상기 몰리브덴실리사이드(Molybdenum Silicide) 또는 몰리브덴설파이드(Molybdenum Sulfide)에 다른 유전체가 복합된 복합유전체 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어진다.
본 발명의 하나의 예에 있어서, 상기 판재는 탄화규소 및 탄화규소 화합물 중의 어느 하나일 수 있고, 상기 판재는 탄화규소 및 탄화규소 화합물 중의 어느 하나에 산화철, 알루미나(Al2O3), 산화칼슘(CaO), 실리카(SiO2), 산화티타늄(TiO2), 산화마그네슘(MgO), 산화구리(CuO), 티탄산바륨(BaTiO3) 및 이트리아-안정화 지르코니아(Yttira Stabilized Zirconia, YSZ) 중에서 선택된 어느 하나의 산화물 또는 그들이 혼합된 복합물일 수 있다. 상기 다른 유전체는 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 구리(Cu), 타이타늄(Ti), 철(Fe), 니켈(Ni) 및 이트륨(Y) 중에 선택된 어느 물질의 산화물 또는 상기 산화물의 화합물 또는 상기 산화물을 기반으로 한 산화염물일 수 있다.
본 발명의 바람직한 하나의 예에 있어서, 상기 판재 및 상기 몰리브덴계 유전체는 실리콘 고용체 Si1-xRx(R;은 고용물질; x는 원자량 비) 또는 알루미늄계 인산염에 의해 접합될 수 있다. 상기 몰리브덴계 유전체는 원통 형태일 수 있고, 상기 몰리브덴계 유전체는 띠 형태일 수 있으며, 상기 판재는 상기 마이크로파가 투과되는 적어도 하나의 관통홀을 포함할 수 있고, 관통홀의 최대 직경은 5mm보다 큰 것이 바람직하다.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 마이크로파에 의해 가열되는 급속 하이브리드 발열체의 다른 예는 마이크로파에 의해 가열되는 유전체로써,
상기 유전체는 몰리브덴 유전체를 포함하여 소결된 소결체 또는 모재에 코팅한 코팅물 중의 어느 하나이며, 상기 몰리브덴계 유전체는 몰리브덴실리사이드(Molybdenum Silicide) 또는 몰리브덴설파이드(Molybdenum Sulfide) 또는 상기 몰리브덴실리사이드(Molybdenum Silicide) 또는 몰리브덴설파이드(Molybdenum Sulfide)에 다른 유전체가 복합된 복합유전체 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어진다.
본 발명의 다른 예에 있어서, 상기 소결체 또는 상기 코팅물은 탄화규소 및 탄화규소 화합물 중의 어느 하나 또는 탄화규소 및 탄화규소 화합물 중의 어느 하나에 산화철, 알루미나(Al2O3), 산화칼슘(CaO), 실리카(SiO2), 산화티타늄(TiO2), 산화마그네슘(MgO), 산화구리(CuO), 티탄산바륨(BaTiO3) 및 이트리아-안정화 지르코니아(Yttira Stabilized Zirconia, YSZ) 중에서 선택된 어느 하나의 산화물 또는 그들이 혼합된 복합물일 수 있다. 상기 코팅물은 바인더에 의해 혼합되며, 상기 바인더는 실리콘 고용체 Si1-xRx(R;은 고용물질; x는 원자량 비) 또는 알루미늄계 인산염일 수 있다.
본 발명의 마이크로파에 의해 가열되는 하이브리드 발열체에 의하면, 몰리브덴계 유전체를 포함한 하이브리드 발열체를 사용함으로써, 마이크로파에 의한 발열특성이 우수하고 열적 및 기계적인 충격에 안정된 물성을 가진다. 또한, 몰리브덴계 유전체의 분율을 조절하여, 발열체의 발열온도를 자유롭게 조절할 수 있고, 예를 들어 티탄산계 마찰소재 공정 등에서 요구되는 급속 승온을 이룰 수 있다. 나아가, 판재에 마이크로파가 투과하는 관통홀을 두어, 피가열체를 직접가열 및 간접가열을 동시에 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 마이크로파에 의해 가열되는 하이브리드 발열체가 적용되는 사례인 가열로를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 적용되는 복합유전체의 시간에 따른 발열특성을 탄화규소 및 몰리브덴실리사이드와 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 의한 마이크로파에 의해 가열되는 제1 하이브리드 발열체를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 마이크로파에 의해 가열되는 제2 하이브리드 발열체를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 의한 마이크로파에 의해 가열되는 제3 하이브리드 발열체를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에 의한 마이크로파에 의해 가열되는 제4 하이브리드 발열체를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명에 의한 하이브리드 발열체에서, 탄화규소 및 몰리브덴계 유전체의 시간에 따른 발열특성을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
본 발명의 실시예는 몰리브덴계 유전체를 혼재시킨 하이브리드 유전체를 사용함으로써, 마이크로파에 의한 발열특성이 우수하고 열적 및 기계적인 충격에 안정된 물성을 가지면, 온도를 자유롭게 조절할 수 있는 하이브리드 발열체를 제시한다. 이를 위해, 하이브리드 발열체 및 상기 발열체가 적용된 가열로를 구체적으로 살펴보기로 한다. 또한, 피가열체를 직접적 또는 간접적으로 혼합하여 가열하는 방식을 상세하게 설명하기로 한다. 여기서, 하이브리드란 서로 다른 유전체가 혼재된 것을 말한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 마이크로파에 의해 가열되는 하이브리드 발열체가 적용되는 사례인 가열로를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1에 의하면, 본 실시예에 의한 가열로는 주성분이 알루미나 등의 세라믹 재질로 성형되어 피가열체(60)를 내장하는 육면체의 하이브리드 발열체(30)를 제작한다. 하이브리드 발열체(30)는 마이크로파에 의해 열이 발생되어 피가열체(60)를 가열한다. 경우에 따라, 하이브리드 발열체(30)의 내면에는 발열 코팅막이 도포될 수 있다. 상기 발열 코팅막은 예를 들어, 세라믹 합성물 50~74중량%에 알루미나계 무기접착제 25~45중량%를 넣고 물 1~5중량%를 혼합한 후 점도가 약 2000cps가 될 때까지 교반하여 세라믹 코팅액을 조성한다. 이후, 상기 조성된 세라믹 코팅액을 하이브리드 발열체(30)의 내벽에 두께가 대략 1~3㎜가 되도록 도포한 후 상온에서 건조시켜 발열 코팅막을 형성할 수 있다.
본 발명의 가열로는 박스 형상으로 된 금속 케이스(10)를 구비하고, 금속 케이스(10) 내부에는 단열용 내열보드(20)를 설치한다. 상기 발열 코팅막이 형성된 상기 발열체(30)는 단열용 내열보드(20)의 좌우 측면으로부터의 일정한 간격이 되도록 이격되어 배치된다. 단열용 내열보드(20)의 좌우측면에는, 도시된 바와 같이, 대략 수백MHz~수십GHz의 마이크로파를 발생시킬 수 있는 마이크로파 발진기(40)가 장착된다. 발열체(30)를 마이크로파 발진기(40)가 설치되어 있는 단열용 내열보드(20)의 좌우측면으로부터 이격시키는 이유는, 하이브리드 발열체(30)가 마이크로파 발진기(40)에 과도하게 근접하면 마이크로파의 반사로 인한 동작 장애가 발생할 수 있기 때문이다.
한편, 단열용 내열보드(20)의 측면에는 마이크로파 발진기(40)로부터 방사되는 마이크로파가 방해받지 않고 직접 단열용 내열보드(20)를 통과하여 하이브리드 발열체(30)에 닿을 수 있도록 바람직하게는 마이크로파 통로(42)를 형성한다. 마이크로파 통로(42)는 도파관(50)과 연결되는 것이 바람직하다. 그리고 하이브리드 발열체(30)의 내부 중앙에는 내부 온도를 최대 2000℃까지 측정할 수 있도록 온도센서를 장착함이 바람직하다. 이상에서 본 발명의 실시예에 따른 발열체 및 마이크로파 발진기를 이용한 발열체 가열로에 대해 예시하였다. 하지만, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형하여 실시할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 발열체는 상기한 가열로 이외에 소성로, 대형 난방장치, 가스처리장치 등의 가열을 목적으로 하는 다양한 장치에 적용 가능하다.
본 발명의 하이브리드 발열체는 몰리브덴계 화합물을 기반으로 하는 몰리브덴계 유전체이다. 구체적으로, 몰리브덴계 유전체는 몰리브덴실리사이드(Molybdenum Silicide) 또는 몰리브덴설파이드(Molybdenum Sulfide) 또는 상기 몰리브덴실리사이드(Molybdenum Silicide) 또는 몰리브덴설파이드(Molybdenum Sulfide)에 다른 유전체가 복합된 복합유전체 중에서 선택된 어느 하나의 물질이다. 상기 다른 유전체는 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 구리(Cu), 타이타늄(Ti), 철(Fe), 니켈(Ni) 및 이트륨(Y) 중에 선택된 어느 물질의 산화물 또는 상기 산화물의 화합물 또는 상기 산화물을 기반으로 한 산화염물일 수 있다.
상기 복합유전체의 경우, 마이크로파에 의한 발열(microwave heating or dielectric heating) 특성을 변화시킨다. 마이크로파에 의한 발열은 물질의 유전적(dielectric) 특성과 관련이 있는데, 이 발열 현상은 유전 손실탄젠트(dielectric loss tangent, tan δ)값이 특정한 범위 내에 있는 물질들(주로 유전체)에서 발견된다. 이 범위보다 높은 손실 탄젠트값을 갖는 물질은 마이크로파를 반사하고, 이 보다 낮은 손실 탄젠트 값을 갖는 물질은 이를 투과한다. 손실 탄젠트는 온도 의존적인 함수로 일반적으로 물질의 온도에 비례한다. 따라서 물질의 손실 탄젠트값을 인위적으로 조절한다면, 온도구간에 따라 마이크로파에 의해 순차적으로 급속 발열을 일으키는 발열체로서 적용이 가능하다.
도 2는 본 발명의 실시예에 적용되는 복합유전체의 시간에 따른 발열특성을 탄화규소 및 몰리브덴실리사이드와 비교하여 나타낸 그래프이다. 도면에서 A는 탄화규소의 발열특성, B는 상온에서의 손실 탄젠트값이 마이크로파 흡수 범위 보다 낮은 어떤 유전 물질의 발열 특성, C는 본 발명의 몰리브덴계 복합유전체의 발열특성 및 D는 가열로의 온도분포이다.
도 2에 의하면, 탄화규소는 약 700℃가 지나면 마이크로파의 흡수율이 떨어지면서 승온속도가 줄어들기 시작한다(A 참조). 이는 전술한 바와 같이 탄화규소의 손실 탄젠트값이 온도 증가에 따라 증가하면서 마이크로파 흡수 범위를 벗어나기 때문이다. 한편 상온에서의 손실 탄젠트값이 마이크로파 흡수 범위 보다 낮은 어떤 유전 물질은 1,200℃에서 비로소 손실 탄젠트값이 마이크로파의 흡수 범위 안에 위치하여 발열을 시작한다(B 참조). A곡선과 B곡선 사이의 차이로 인한 두 물질의 발열 온도 상의 불연속성으로 인해, 두 물질을 동시에 적용하는 고온 영역까지의 고속 승온은 이론적으로 불가능하다.
그런데, 본 발명의 실시예에 의한, 몰리브덴 복합유전체는 몰리브덴실리사이드 또는 몰리브덴설파이드가 혼합됨으로써, 기존 유전 물질의 발열 온도 하강 효과를 얻을 수 있다(C 참조).이렇게 되면, 도시된 바와 같이, 대략 700℃ 부근에서 마이크로파 흡수 및 발열 효과가 떨어지기 시작한 탄화규소를 대신하여 몰리브덴 복합유전체가 고온 영역까지의 발열을 유도하는 발열체로서 역할을 할 수 있게 되며, 물질의 배합을 통해 A와 C 두 물질의 온도 상의 연속성을 조절한다면, 하이브리드 발열체의 고속 승온이 가능하다(D 참조).
본 발명의 하이브리드 발명체는 2개의 실시예로 구분하여 설명하기로 한다. 구체적으로, 하나는 몰리브덴계 유전체를 모재 발열체의 관통홀 및 패턴에 물리적으로 삽입하여 형성하는 제1 실시예이고, 다른 하나는 몰리브덴계 유전체 분말을 성형되거나 코팅하는 제2 실시예이다. 이와 같이, 하이브리드 발열체는 몰리브덴계 실리사이드 또는 몰리브덴계 설파이드를 상기 모재 발열체와 물리적으로 혼합하는 제1 실시예와 몰리브덴계 실리사이드 또는 몰리브덴계 설파이드가 다른 발열체와 복합되는 몰리브덴계 복합유전체를 모두 포함한다. 여기서, 몰리브덴계 실리사이드에는 MoSi2가 있고, 몰리브덴계 설파이드는 MoS2가 바람직하다.
<제1 실시예>
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 의한 마이크로파에 의해 가열되는 제1 하이브리드 발열체(30a)를 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 제1 하이브리드 발열체(30a)는 도 1에서 설명한 하이브리드 발열체(30)의 변형예이다.
도 3에 의하면, 제1 하이브리드 발열체(30a)는 판재(31) 및 관통홀(34)에 삽입되는 몰리브덴계 유전체 봉(32)로 이루어진다. 판재(31)는 평판 형태이며, 몰리브덴계 유전체 봉(32)은 원통 형태가 바람직하다. 몰리브덴계 유전체 봉(32)은 서로 일정한 간격을 두고, 서로 독립적으로 배열된다. 판재(31)는 탄화규소 및 탄화규소 화합물 중의 어느 하나일 수 있으며, 상기 탄화규소 화합물은 그 질화물 또는 모재 산화물이 혼합된 것이다. 판재(31)는 상기 탄화규소 및 탄화규소 화합물에 별도의 판재 산화물이 혼합될 수 있다. 상기 판재 산화물은 산화철, 알루미나(Al2O3), 산화칼슘(CaO), 실리카(SiO2), 산화티타늄(TiO2), 산화마그네슘(MgO), 산화구리(CuO), 티탄산바륨(BaTiO3) 및 이트리아-안정화 지르코니아(Yttira Stabilized Zirconia, YSZ) 중에서 선택된 어느 하나의 산화물 또는 그들의 복합물일 수 있다.
상기 판재 산화물은 바인더와 혼련, 소결하는 공정으로 제조할 수 있다. 이때, 상기 바인더는 카르복실메틸 셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 폴리에틸렌옥사이드, 트리에탄올아민, 폴리비닐알코올, 전분 및 폴리아크릴산 화합물로부터 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다. 판재(31) 및 몰리브덴계 유전체 봉(32)은 실리콘 고용체 또는 알루미늄계 인산염으로 이루어진 접합제(33)에 의해 접착되어 소결된다. 이에 대해서는, 추후에 상세하게 설명하기로 한다. 상기 제2 발열물질에서, 상기 탄화규소 또는 탄화규소 화합물은 전체 중량에서 적어도 60중량%를 차지하는 것이 좋다. 상기 중량이 60중량%보다 작으면 상기 봉(32)에 의한 발열온도를 정밀하게 조절하기 어렵고, 실리콘 고용체 또는 알루미늄계 인산염으로 이루어진 접합제(33)에 의한 접합 효과가 저하된다.
제1 하이브리드 발열체(30a)의 변형예는 판재(31) 및 관통홀(34a)에 삽입되는 몰리브덴계 유전체 봉(32a)로 이루어질 수 있다. 관통홀(34a)는 판재(31)를 관통한 홀(hole)이 아니고, 판재(31)의 일부가 리세스된 홈이다. 상기 변형예를 이루는 구성요소는 구조적인 차이를 제외하고, 앞에서 설명한 것과 동일하다.
한편, 판재(31)는 탄화규소가 주를 이루기 때문에 상대적으로 낮은 온도인 대략 700℃ 근처에서 최대로 발열하고, 몰리브덴계 유전체는 대략 700℃ 내지 2,000℃ 이상으로 발열된다. 몰리브덴계 유전체의 발열특성은 앞에서 설명한 바와 같다. 본 발명의 실시예에 의한 제1 하이브리드 발열체(30a)는 전체에서 몰리브덴계 유전체 봉(32)이 차지하는 분율을 조절하여, 제1 발열체(30a)의 발열온도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 몰리브덴계 유전체의 분율이 커지면, 제1 발열체(30a)의 발열온도는 높아진다. 이때, 상기 몰리브덴계 유전체 봉(32)이 차지하는 분율은 상기 봉(32)의 개수 또는 개개의 봉(32)의 부피를 달리하여 조절할 수 있다.
판재(31) 및 몰리브덴계 유전체의 봉(32)은 실리콘 고용체 또는 알루미늄계 인산염로 이루어진 접합제(33)에 의해 접착된다. 본 발명의 접합제(33)는 접합 부분이 충분한 접합 강도를 유지하는 것이 필요하다. 즉, 제1 발열체(30a)는 제작 또는 운전 중일 때 받을 수 있는 기계적 충격, 열적인 환경 변화에 의한 잔류응력, 고온으로 인한 열충격 등에 의해 접합 부분이 손상되기 때문이다. 종래의 접합재는 종래의 세라믹 접합용 접합제는 규산 탄산나트륨, 실리카, 알루미나, 산화지르코늄 등이 있다. 약 800℃ 이상의 고온 공정에서는 수명이 짧아져서, 약 800℃ 이상의 고온 공정에서 발열하는 제1 발열체(30a)를 제작하는 것은 거의 불가능하다. 왜냐하면, 제1 발열체(30a)를 약 1,200℃ 이상의 고온의 환경에서 사용한다고 할 때, 종래의 접합제는 위의 온도에서 장시간 사용한다면 접합제 조성물은 경시변화를 일으키고, 접합 부분에 큰 응력집중이 발생하게 된다. 이러한 응력집중에 의해 접합 부분에는 크랙(crack)이 발생하게 된다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 의한 제1 하이브리드 발열체(30a)를 접합하는 접합제로서 실리콘 고용체인 Si1-xRx(R;은 고용물질; x는 원자량 비) 및 알루미늄계 인산염(Aluminum base phosphate)을 제시한다. 상기 접합제의 고용물질(R)은 실리콘이 풍부한 영역에서 실리콘과 함께 액상을 유지하고, 융점이 800℃ 이상인 물질이다. 고용물질(R)은 알루미늄, 티타늄, 철, 마그네슘, 구리 및 바륨 중에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
알루미늄계 인산염은 수소 결합을 갖는 망목구조로 만들어지며 알루미늄과의 이온 결합력의 증대로 활성도가 양호해지고 축적, 침지되며 이로 인해 교반 시 및 건조 시 고압축화가 진행되어 고밀도 접합제를 형성한다. 상기 알루미늄계 인산염은 판재(31) 및 몰리브덴계 유전체(MoSi2)의 봉(32)의 접합에서 기계적 강도 및 압축성, 내열성 등을 높이는 역할을 한다. 알루미늄계 인산염의 예로써, 인산수소알루미늄(Aluminum hydrogen phosphate)이 있다.
본 발명의 제1 하이브리드 발열체(30a)를 이루는 판재(31) 및 몰리브덴계 유전체 봉(32)은 실리콘 원자를 함유한다. 실리콘 고용체 Si1-xRx(R;은 고용물질; x는 원자량 비) 접합제(33)의 고용물질(R)은 실리콘과 같은 결정구조를 가지고, 원자반경이 유사하며, 전기음성도가 비슷하고, 가전자가 유사한 물질이다. 그 중에서도 특히 상태도 상에서 실리콘이 풍부한 영역에서 실리콘과 함께 액상을 유지하고 실리콘과 안정적으로 합성될 수 있는 물질이 바람직하다. 이러한 조건을 모두 만족하는 고용물질(R)로는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 구리(Cu) 및 바륨(Ba) 중에서 선택된 어느 하나이다. 상기 고용물질(R)은 실리콘과 같은 결정구조를 가지고, 원자반경이 유사하며, 전기음성도가 비슷하고, 가전자가 유사한 물질이므로, 판재(31) 및 몰리브덴계 유전체 봉(32)을 구성하는 실리콘 원자와의 접합력이 우수하다.
본 발명의 제1 하이브리드 발열체(30a)는 판재(31) 및 몰리브덴계 유전체 봉(32)과 접착력이 우수한 실리콘 고용체 및 알루미늄계 인산염 접합제(33)로 접합함으로써, 접합부분의 경시변화가 거의 없고 응력집중이 발생하지 않는다. 이에 따라, 제1 하이브리드 발열체(30a)를 장시간 사용하여도, 제1 발열체(30a)가 손상되지 않는다. 특히, 제1 하이브리드 발열체(30a)를 1200℃ 이상의 고온에 사용하여도, 열적 충격에 의한 손상이 일어나지 않는다. 또한, 제1 하이브리드 발열체(30a)는 전체에서 몰리브덴계 유전체 봉(32)이 차지하는 분율을 조절하여, 제1 발열체(30a)의 발열온도를 자유롭게 조절할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 마이크로파에 의해 가열되는 제2 하이브리드 발열체(30b)를 설명하기 위한 도면이다. 이때, 제2 하이브리드 발열체(30b)는 판재(31)에 몰리브덴계 유전체 봉(32)이 채워지지 않은 복수개의 관통홀(34b)이 형성되어 있는 것을 제외하고, 제1 하이브리드 발열체(30a)와 동일하다. 따라서 중복되는 부분에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 제2 하이브리드 발열체(30b)는 도 1에서 설명한 하이브리드 발열체(30)의 변형예이다.
도 4에 의하면, 제2 하이브리드 발열체(30b)는 몰리브덴계 유전체 봉(32) 및 관통홀(34b)을 포함한다. 관통홀(34b)은 판재(31)에 형성된 빈 공간을 말한다. 즉, 관통홀(34b)은 마이크로파가 그대로 통과된다. 이렇게 되면, 판재(31) 및 몰리브덴계 유전체 봉(32)은 자체적으로 열을 발생하여 피가열체(도 1의 60)를 간접적으로 가열하나, 관통홀(34b)을 통과한 마이크로파는 피가열체(60)를 직접 가열한다. 본 발명의 실시예의 제2 하이브리드 발열체(30b)는 간접가열 및 직접가열이 혼합된다. 몰리브덴계 유전체 봉(32) 및 관통홀(34b)의 개수, 직경 및 배치는 본 발명의 실시예에 의한 제2 발열체(30b)가 사용되는 용도 및 환경에 따라 다르게 설정될 수 있다.
이때, 관통홀(34b)는 제1 발열체(30a)의 관통홀(34, 34a)와는 달리, 마이크로파를 투과하므로, 적절한 최대 직경을 가져야 한다. 통상적으로 마이크로파는 245 내지 915 MHz 정도이므로, 관통홀(34b)는 최대 직경은 5mm보다 커야 하고, 바람직하게는 7mm보다 커야 한다. 최대 직경의 한계는 본 발명의 실시예에 의한 제2 발열체(200)의 구조 등을 고려하여 설정할 수 있다. 관통홀(34b)은 직경이 동일한 원, 장공 형태 중의 어느 하나이며, 도면에서는 장공 형태를 표현하였다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 마이크로파에 의해 가열되는 제3 하이브리드 발열체(30c)를 설명하기 위한 도면이다. 이때, 제3 하이브리드 발열체(30c)는 판재(31)에 띠 형상의 몰리브덴계 유전체 패턴(35)을 포함하는 것을 제외하고, 제1 하이브리드 발열체(30a)와 동일하다. 따라서 동일한 참조부호에 대한 구체적인 생략하기로 한다. 제3 하이브리드 발열체(30c)는 도 1에서 설명한 하이브리드 발열체(30)의 변형예이다.
도 5에 의하면, 제3 하이브리드 발열체(30c)는 판재(31) 및 충진홈(37)에 충진되는 띠 형상의 몰리브덴계 유전체(MoSi2) 패턴(35)으로 이루어진다. 이때, 몰리브덴계 유전체 패턴(35) 및 충진홈(37)은 앞에서 설명한 실리콘 고용체 또는 알루미늄계 인산염 접합제(36)에 의해 접합된다. 이에 따라, 여기서의 실리콘 고용체 또는 알루미늄계 인산염 접합제(36)는 도 2에서 설명한 접합제(33)와 그 특성이 실질적으로 동일하다. 본 발명의 실시예에 의한 제3 하이브리드 발열체(30c)는 전체에서 몰리브덴계 유전체 패턴(35)이 차지하는 분율을 조절하여, 제3 발열체(30c)의 발열온도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 몰리브덴계 유전체(MoSi2)의 분율이 커지면, 제3 발열체(30c)의 발열온도는 높아진다. 이때, 상기 몰리브덴계 유전체 패턴(35)이 차지하는 분율은 상기 패턴(35)의 개수 또는 개개의 패턴(35)의 폭 및 삽입홈(37)의 깊이를 달리하여 조절할 수 있다.
본 발명의 제1 내지 제3 하이브리드 발열체를 이루는 몰리브덴계 유전체는 관통홀 또는 삽입홈에 형성된다. 이와 같은 관통홀 또는 삽입홈은 몰리브덴계 유전체 수용부라고 한다. 몰리브덴계 유전체 수용부는 본 발명의 발열체가 적용되는 장치의 형상, 발열온도 등을 고려하여, 관통홀 또는 삽입홈을 적절하게 선택될 수 있다. 경우에 따라, 판재(31)는 관통홀 및 삽입홈이 서로 조합된 몰리브덴계 유전체 수용부를 둘 수 있다. 상기 몰리브덴계 유전체 수용부에 충진된 몰리브덴계 유전체는 몰리브덴계 유전체 구조체이다.
<제2 실시예>
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 마이크로파에 의해 가열되는 제4 하이브리드 발열체(30d)를 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 제4 발열체(30d)의 몰리브덴계 유전체는 분말형태로 성형하거나 코팅하는 것을 제외하고, 앞에서 설명한 몰리브덴계 유전체와 동일하다. 이에 따라, 중복되는 부분에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 제4 하이브리드 발열체(30d)는 도 1에서 설명한 하이브리드 발열체(30)의 변형예이다.
도 6에 의하면, 몰리브덴계 유전체 분말(39)은 제1 내지 제3 발열체(30a, 30b, 30c)에서 설명한 판재(31)가 분말화되어 소결되거나 바인더(도시되지 않음)에 의해 모재(40)에 코팅될 수 있다. 만일, 소결되는 경우라면, 모재(40)는 필요하지 않다. 이때, 몰리브덴계 유전체의 특성 및 분율은 제1 내지 제3 발열체(30a, 30b, 30c)에 상세하게 언급되어 있으므로, 이를 참조하기로 한다. 이때, 상기 바인더는 실리콘 고용체 Si1-xRx(R;은 고용물질; x는 원자량 비) 또는 알루미늄계 인산염 중의 어느 하나일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 발열체를 이용하여 티탄산칼륨 휘스커를 제조하는 것을 예로 들기로 한다. 티탄산계 마찰소재인 티탄산칼륨 휘스커를 하소하는 공정을 예로 들면, 하소하는 조건은 1,000℃ 이하에서 1~2시간 가열하거나, 800~1,000℃, 1시간 이내로 1차 하소하고 1,000~1,100℃ 조건에서 0.5~1시간으로 2차 하소하거나, 800~850℃, 0.5~1시간의 조건으로 하소한 것을 건조 후 분쇄하고 분쇄된 파우더를 1,000~1,100℃으로 0.5~1시간 동안 가열할 수 있다. 이를 위해서는, 하이브리드 발열체는 800~1,100℃ 온도조건을 적절하게 설정하여야 한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 발열체에서, 탄화규소 및 본 발명의 몰리브덴계 복합유전체의 시간에 따른 발열특성을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 7에 의하면, 티탄산칼륨을 하소할 때 시간-온도의 영역(a)에서는 하한온도(T1) 및 상한온도(T2)에서 진행된다. 하한온도(T1)은 대략 800℃ 정도이고, 상한온도(T2)는 1,100℃ 정도라고 볼 수 있다. 마이크로파에 의한 탄화규소(SiC)의 발열체의 온도 증가는 하한온도(T1)까지는 급격하게 일어나다가, 상한온도(T2)까지는 서서히 일어난다. 마이크로파에 의한 몰리브덴계 복합유전체의 온도 증가는 탄화규소에 의한 복사열로 인하여 하한온도(T1)까지 서서히 진행되다가, 하한온도(T2)를 지나면서 마이크로파 흡수에 따른 자체적인 발열로 인하여 급격하게 상승한다. 다시 말해, 하한온도(T1)까지의 온도상승은 몰리브덴계 복합유전체보다 탄화규소의 영향이 크므로, 상기 온도상승은 탄화규소가 주도한다고 할 수 있다. 마찬가지로, 하한온도(T1)에서 상한온도(T2)까지의 온도상승은 몰리브덴계 복합유전체가 주도한다. 여기서, 주도한다는 것은 온도상승에 상대적으로 큰 영향을 미치는 것을 말한다.
이와 같이, 본 발열의 실시예에 의한 하이브리드 발열체에서, 몰리브덴계 유전체가 차지하는 분율을 조절하면, 위와 같은 온도조절을 적절하게 수행할 수 있다.
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
10; 금속 케이스 20; 단열성 내열보드
30; 하이브리드 발열체
30a, 30, 30c, 30d; 제1 내지 제4 하이브리드 발열체
31; 판재 32; 몰리브덴계 유전체 봉
33, 36; 접합제
34, 34a, 34b; 관통홀
35; 몰리브덴계 유전체 패턴
37; 충진홈 40; 마이크로파 발진기
42; 마이크로파 통로 50; 도파관
60; 피가열체

Claims (12)

  1. 마이크로파에 의해 가열되는 유전체로써,
    판재; 및
    상기 판재의 형성되는 복수개의 관통홀 또는 복수개의 삽입홈 또는 그들의 조합에 수용된 몰리브덴계 유전체를 포함하며,
    상기 몰리브덴계 유전체는 몰리브덴실리사이드(Molybdenum Silicide) 또는 몰리브덴설파이드(Molybdenum Sulfide) 또는 상기 몰리브덴실리사이드(Molybdenum Silicide) 또는 몰리브덴설파이드(Molybdenum Sulfide)에 다른 유전체가 복합된 복합유전체 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 가열되는 급속 하이브리드 발열체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 판재는 탄화규소 및 탄화규소 화합물 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 가열되는 급속 하이브리드 발열체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 판재는 탄화규소 및 탄화규소 화합물 중의 어느 하나에 산화철, 알루미나(Al2O3), 산화칼슘(CaO), 실리카(SiO2), 산화티타늄(TiO2), 산화마그네슘(MgO), 산화구리(CuO), 티탄산바륨(BaTiO3) 및 이트리아-안정화 지르코니아(Yttira Stabilized Zirconia, YSZ) 중에서 선택된 어느 하나의 산화물 또는 그들이 혼합된 복합물인 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 가열되는 급속 하이브리드 발열체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 다른 유전체는 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 구리(Cu), 타이타늄(Ti), 철(Fe), 니켈(Ni) 및 이트륨(Y) 중에 선택된 어느 물질의 산화물 또는 상기 산화물의 화합물 또는 상기 산화물을 기반으로 한 산화염물인 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 가열되는 급속 하이브리드 발열체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 판재 및 상기 몰리브덴계 유전체는 실리콘 고용체 Si1-xRx(R;은 고용물질; x는 원자량 비) 또는 알루미늄계 인산염에 의해 접합되는 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 가열되는 급속 하이브리드 발열체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 몰리브덴계 유전체는 원통 형태인 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 가열되는 급속 하이브리드 발열체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 몰리브덴계 유전체는 띠 형태인 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 가열되는 급속 하이브리드 발열체.
  8. 제1항에 있어서, 상기 판재는 상기 마이크로파가 투과되는 적어도 하나의 관통홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 가열되는 급속 하이브리드 발열체.
  9. 제8항에 있어서, 상기 관통홀의 최대 직경은 5mm보다 큰 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 가열되는 급속 하이브리드 발열체.
  10. 마이크로파에 의해 가열되는 유전체로써,
    상기 유전체는 몰리브덴 유전체를 포함하여 소결된 소결체 또는 모재에 코팅한 코팅물 중의 어느 하나이며,
    상기 몰리브덴계 유전체는 몰리브덴실리사이드(Molybdenum Silicide) 또는 몰리브덴설파이드(Molybdenum Sulfide) 또는 상기 몰리브덴실리사이드(Molybdenum Silicide) 또는 몰리브덴설파이드(Molybdenum Sulfide)에 다른 유전체가 복합된 복합유전체 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 가열되는 급속 하이브리드 발열체.
  11. 제10항에 있어서, 상기 소결체 또는 상기 코팅물은 탄화규소 및 탄화규소 화합물 중의 어느 하나 또는 탄화규소 및 탄화규소 화합물 중의 어느 하나에 산화철, 알루미나(Al2O3), 산화칼슘(CaO), 실리카(SiO2), 산화티타늄(TiO2), 산화마그네슘(MgO), 산화구리(CuO), 티탄산바륨(BaTiO3) 및 이트리아-안정화 지르코니아(Yttira Stabilized Zirconia, YSZ) 중에서 선택된 어느 하나의 산화물 또는 그들이 혼합된 복합물인 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 가열되는 급속 하이브리드 발열체.
  12. 제10항에 있어서, 상기 코팅물은 바인더에 의해 혼합되며, 상기 바인더는 리콘 고용체 Si1-xRx(R;은 고용물질; x는 원자량 비) 또는 알루미늄계 인산염인 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 가열되는 급속 하이브리드 발열체.


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