KR20180129070A - 박막면상 발열체와 그 제조방법 및 이를 이용한 박막 면상 발열기기 - Google Patents

박막면상 발열체와 그 제조방법 및 이를 이용한 박막 면상 발열기기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 박막면상 발열체 제조방법 및 이를 이용한 박막 면상 발열기기에 관한 것으로서, (S1) 기판(10)의 상면 또는 하면에 발열체 소재의 박막층(20)을 증착하는 단계; (S2) 상기 박막층(20) 상부에 보호막층(30)을 형성하는 단계; (S3) 상기 박막층(20)과 접촉되도록 전극층(40)을 형성하는 단계; 및 (S4) 상기 전극층(40)과 전원을 연결하는 단계;를 포함하며, 전원을 통해 인가되는 전류에 의해 상기 박막층(20)에 전류가 흐르면서 저항에 의한 저항발열이 발생되도록 구성되는 것을 특징으로 하며, 인가되는 전류에 의해 세라믹소재 기판에 적절한 저항을 갖는 발열 소재가 균일하게 도포된 박막층을 통해 박막층 전면이 발열되므로, 균일한 열공급이 가능하여 급격한 열충격이 방지될 뿐만 아니라, 종래의 저항열선에 비해 매우 작은 발열체 부피로 인하여 매우 빠른 온도상승이 가능하게 되어 균일한 발열 및 빠른 발열에 의한 에너지 절감 효과가 있다.

Description

박막면상 발열체와 그 제조방법 및 이를 이용한 박막 면상 발열기기{Thin film heating material, Manufacturing method thereof and Planar heating apparatus}
본 발명은 박막면상 발열체와 그 제조방법 및 이를 이용한 박막 면상 발열기기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 세라믹소재 기판에 발열이 될 수 있도록 적절한 저항을 갖는 발열 소재를 균일하게 도포되도록 박막으로 증착하여, 형성된 박막층을 통해 전류 인가시 박막층 전면이 발열토록 하는 박막면상 발열체와 그 제조방법 및 이를 이용한 박막 면상 발열기기에 관한 것이다.
일반적으로 전기를 인가하는 발열체는 전기 저항에 의한 저항열(joule heating)을 이용한 발열 방식으로 발열체 소재를 선 모양으로 만드는 열선 발열체 방식을 사용하고 있다.
이와 같은 열선 저항 발열체는 수mm 정도 직경을 갖는 열선 소재로 구성되어 있어서, 열선을 통해 외부 전기를 인가시 열선 저항체를 통해 전기가 흐르면서 저항에 의해 발열이 되는 방식이므로, 적정한 발열체 온도를 위해서 온도 상승시간이 필요하다. 즉, 발열체의 부피에 비례하여 발열체 체적이 발열에 기여할수 있는 온도로 상승하도록 온도 상승 시간이 필요하게 된다. 그러므로 빠른 온도 상승 및 하강을 필요로 하는 전열 기구의 경우 발열체 자체의 부피를 최소화 하여 빠른 온도 상승 및 하강이 되도록 하는것이 필요하다.
즉, 전열 기구에서 열을 방출하는 부위인 열판이 일정한 온도에 도달하도록 하기 위해서는 열판에 접촉하는 발열체인 열선이 열판에 균일하게 접촉하도록 하여야 발열체인 열선의 열이 고르게 열판을 통해 전달이 되게 되며, 이를 위해 열판에 접촉한 열선을 여러 방향으로 구부려 지그 재그 형태로 열판에 위치시켜 놓게 된다.
그러나, 이와 같이 배치된 열선들 사이에서는 공간이 생기게 되어, 온도구배에 따라 발열되는 열선과 열선 사이에 위치하는 열판에서는 가장 낮은 온도 구간을 형성하게 되고, 반대로 열선이 맞닿는 열판의 위치에서는 가장 높은 온도가 형성되어 열선 간의 공간적 배치에 따른 부득이한 온도 균일도 문제가 발생 되게 된다.
또한 열선은 발열체가 선이기 때문에 열을 방출하는 열선의 면적은 열판의 면적에 비해 매우 적게 되고, 이에 따라 면적을 가진 열판의 어느 정도의 발열 온도를 위해서는 열판의 구현 온도보다 훨씬 높은 열선 발열체의 온도가 필요하게 된다. 이때, 높은 온도 발열시 열선이 산화 되거나 단선이 생기게 되면 발열이 아예 안되게 되어 발열체인 열선의 까다로운 고온 신뢰성 특성이 요구된다.
또한, 열선에 의해 발열되는 열판의 측면에서도, 전기에 의해 발열되는 저항 발열체에서 열만 전달받도록 열판은 절연 특성을 갖는 세라믹 소재로 주로 이루어져 있다. 그러므로 세라믹 소재의 열판은 열선의 급격한 발열시 큰 열충격을 받게 되어, 다소 빠른 발열이 필요하거나 높은 온도의 발열이 요하는 곳에서 열충격에 의한 열판이 깨지는 등의 문제점을 나타내고 있다.
국내 등록실용신안공보 제 20-0211093호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 제1 목적은 세라믹소재 기판에 발열이 될 수 있도록 적절한 저항을 갖는 발열 소재를 균일하게 도포되도록 박막으로 증착하여, 형성된 박막층을 통해 전류 인가시 박막층 전면이 발열토록 하는 박막면상 발열체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 제2 목적은 세라믹소재 기판에 증착된 박막층을 통해 전류 인가시 박막층 전면이 발열토록 함으로써, 균일한 열공급이 가능하면서도 급격한 열충격이 방지되는 박막면상 발열체를 이용한 박막 면상 발열기기 및 전열기기를 제공하는 것이다.
상술한 바를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 박막면상 발열체 제조방법은,
(S1) 기판(10)의 상면 또는 하면에 발열체 소재의 박막층(20)을 증착하는 단계;
(S2) 상기 박막층(20) 상부에 보호막층(30)을 형성하는 단계;
(S3) 상기 박막층(20)과 접촉되도록 전극층(40)을 형성하는 단계; 및
(S4) 상기 전극층(40)과 전원을 연결하는 단계;를 포함하며,
전원을 통해 인가되는 전류에 의해 상기 박막층(20)에 전류가 흐르면서 저항에 의한 저항발열이 발생되도록 구성되는 것을 특징으로 한다
또한, 본 발명에 따른 박막면상 발열체 제조방법에서,
상기 기판(10)은, 유리(Glass), 세라믹 유리, 질화실리콘(Si3N4), 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AlN)에서 선택된 적어도 어느 하나의 성분으로 구성된 세라믹 기판인 것을 특징으로 한다
또한, 본 발명에 따른 박막면상 발열체 제조방법에서,
상기 박막층(20)에 증착되는 발열체 소재는, 탄화 텅스텐(WC), 탄화 실리콘(SiC), 또는 금속계로 내열 및 내산화성이 우수한 니켈-크롬 합금(NiCr), 실리콘-크롬합금(SiCr), 니켈-크롬-철(NiCrFe), 철-크롬-알루미늄(FeCrAl) 합금으로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 성분을 포함하는 것을 특징으로 한다
또한, 본 발명에 따른 박막면상 발열체 제조방법에서,
상기 박막층(20)은 발열체 소재를 상기 기판(10)의 상면에 진공증착되어 성막되며, 증착박막의 두께는 0.01㎛ ~ 10㎛인 것을 특징으로 한다
또한, 본 발명에 따른 박막면상 발열체 제조방법에서,
상기 박막층(20)은 증착된 박막의 면저항이 1~100Ω/m2 인 것을 특징으로 한다
또한, 본 발명에 따른 박막면상 발열체 제조방법에서,
상기 보호막층(30)은, 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘(Si3N4) 또는 이들의 혼합인 산화질화실리콘(SiOxNy) 이거나, 또는 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AlN) 또는 이들의 혼합인 산화질화실리콘(AlOxNy) 소재를 증착하여 형성하거나,
또는 상기 소재와 솔벤트가 혼합된 액상 혼합물을 코팅처리한 후, 코팅막을 경화시켜 형성하는 것을 특징으로 한다
또한, 본 발명에 따른 박막면상 발열체 제조방법에서,
상기 전극층(40)은, 은, 구리 또는 알루미늄에서 선택된 1종 또는 1종 이상의 합금, 또는 이들을 함유하는 합금을 이용하여 상기 박막층(20) 위에 성막하여 형성하거나, 또는 은, 구리 또는 알루미늄에서 선택된 1종 또는 1종 이상의 합금, 또는 이들을 함유하는 합금 페이스트 재료를 상기 박막층(20)과 접촉되도록 도포하여 형성하는 것을 특징으로 한다
또한, 본 발명에 따른 박막면상 발열체 제조방법에서,
상기 전극층(40)은 상기 박막층(20)과 접촉되도록 형성하되, 가열하고 경화시켜 상기 박막층(20)과의 부착력을 향상시키고 도전성도 강화되도록 구성되는 것을 특징으로 한다
또한, 본 발명에 따른 박막면상 발열체 제조방법으로 박막면상 발열체를 제조한다.
또한, 본 발명에 따른 박막면상 발열기기는,
본 발명에 따라 제조된 박막면상 발열체를 이용하되,
기판의 상면 또는 하면에 박막층이 형성된 상기 박막면상 발열체의 상면 또는 하면, 또는 상기 박막층이 형성된 면과 대응되는 상기 박막면상 발열체의 면상에 피사체(P)를 구비하여, 상기 피사체(P)가 상기 박막층으로부터 전달되는 열을 즉각적으로 받거나, 또는 상기 기판을 통해 면상으로 전달되는 열을 전달받는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 박막면상 전열기기는,
본 발명에 따라 제조된 박막면상 발열체를 이용하되,
기판의 상면 또는 하면에 박막층이 형성된 상기 박막면상 발열체의 상면 또는 하면, 또는 상기 박막층이 형성된 면과 대응되는 상기 박막면상 발열체의 면상에 피사체(P)를 구비하여, 상기 피사체(P)가 상기 박막층으로부터 전달되는 열을 즉각적으로 받거나, 또는 상기 기판을 통해 면상으로 전달되는 열을 전달받는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의해 제조된 박막면상 발열체, 이를 이용한 발열기기 및 전열기기는 세라믹소재 기판에 적절한 저항을 갖는 발열 소재가 균일하게 도포된 박막층을 통해 전류 인가시 박막층 전면이 발열되므로, 균일한 열공급이 가능하여 급격한 열충격이 방지될 뿐만 아니라, 종래의 저항열선에 비해 매우 작은 발열체 부피로 인하여 매우 빠른 온도상승이 가능하게 되어 균일한 발열 및 빠른 발열에 의한 에너지 절감 효과가 있다.
도 1의 (a),(b)는 본 발명의 일실시예에 따라 제조되는 박막면상 발열체의 기판위에 발열소재 박막층이 형성된 평면도와 단면도를 개략적으로 나타내는 도면,
도 2의 (a),(b)는 도 1의 발열소재 박막층 위에 보호막층이 형성된 평면도와 단면도를 개략적으로 나타내는 도면,
도 3의 (a),(b)는 도 2의 보호막층이 덮이지 않은 발열소재 박막층 위에 전극층이 형성된 평면도와 단면도를 개략적으로 나타내는 도면,
도 4의 (a),(b)는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 박막면상 발열체가 기판 상면 또는 하면에 형성되고, 대응되는 하면 또는 상면에 피사체가 배치되고 전극층에 전원이 연결된 상태를 나타내는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 사용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1의 (a),(b)는 본 발명의 일실시예에 따라 제조되는 박막면상 발열체의 기판위에 발열소재 박막층이 형성된 평면도와 단면도를 개략적으로 나타내는 도면, 도 2의 (a),(b)는 도 1의 발열소재 박막층 위에 보호막층이 형성된 평면도와 단면도를 개략적으로 나타내는 도면, 도 3의 (a),(b)는 도 2의 보호막층이 덮이지 않은 발열소재 박막층 위에 전극층이 형성된 평면도와 단면도를 개략적으로 나타내는 도면, 도 4의 (a),(b)는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 박막면상 발열체가 기판 상면 또는 하면에 형성되고, 대응되는 하면 또는 상면에 피사체가 배치되고 전극층에 전원이 연결된 상태를 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막면상 발열체 제조방법을 설명하면 아래와 같다.
(S1) 기판(10)의 상면 또는 하면에 발열체 소재의 박막층(20)을 증착하는 단계
여기서, 기판(10)은 세라믹 기판이 바람직하며, 세라믹 기판은 유리(Glass), 세라믹 유리, 질화실리콘(Si3N4), 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AlN)을 사용하여 제작된다.
또한, 증착되는 발열체 소재는 세라믹 기판 소재와 열팽창 계수 차이가 작은 세라믹계의 탄화 텅스텐(WC), 탄화 실리콘(SiC), 또는 금속계로 내열 및 내산화성이 우수한 니켈-크롬 합금(NiCr), 실리콘-크롬합금(SiCr), 니켈-크롬-철(NiCrFe), 철-크롬-알루미늄(FeCrAl) 합금 등으로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 성분으로 구성된 소재이다.
이와 같은 발열체 소재는 진공증착 방식으로 기판(10)의 상면에 증착되어 성막되며, 이때 증착박막 두께는 0.01㎛ ~ 10㎛, 바람직하게는 0.1㎛ ~ 5㎛가 되도록 한다.
이와 같이 증착박막 두께를 한정하는 이유는 증착된 박막의 면저항이 대략 1~100Ω/m2 정도 갖도록 하기 위함이다.
(S2) 박막층(20) 상부에 보호막층(30)을 형성하는 단계
보호막층(30)은 절연특성을 갖는 보호막으로, 표면경도를 높여 스크래치 등을 방지하도록 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘(Si3N4) 또는 이들의 혼합인 산화질화실리콘(SiOxNy) 이나 고경도를 갖는 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AlN) 또는 이들의 혼합인 산화질화실리콘(AlOxNy) 소재를 증착하여 형성하거나,
또는 이들 소재와 솔벤트가 혼합된 액상 혼합물을 스프레이 방식으로 코팅처리한 후, 가열공정에 의해 솔벤트를 증발시켜 코팅막이 경화되면서 보호막층이 형성되도록 한다.
여기서, 보호막층(30)은 박막층(20) 중 전극층(40)을 형성할 부분은 제외한 부분에 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 재료를 이용하여 형성된 보호막층은 열전달이 용이하게 된다.
(S3) 박막층(20)과 접촉되도록 전극층(40)을 형성하는 단계
전극층(40)은 박막층(20)의 일부와 접촉되도록 형성되는 것으로, 보호막층(30)이 형성되지 않은 부분에 형성되어, 인가되는 전원에 의한 전류를 박막층에 전달한다.
이와 같은 전극층(40)은, 전도성이 우수한 은, 구리 또는 알루미늄 등에서 선택된 1종 또는 1종 이상의 합금, 또는 이들을 함유하는 합금을 이용하여 도금방식으로 박막층(20) 위에 성막하여 형성하거나, 또는 은, 구리 또는 알루미늄 등에서 선택된 1종 또는 1종 이상의 합금, 또는 이들을 함유하는 합금 페이스트 재료를 인쇄방식으로 박막층(20)과 접촉되도록 도포하여 형성한다.
이와 같이, 박막층(20) 일부에 전극층(40)을 형성한 후, 소정온도로 전극층(40)을 가열처리하여 전극층(40)을 경화시킨다. 이때, 경화되는 전극층(40)은 박막층(20)과 부착력을 향상시켜 강해지면서 도전성도 강화되게 된다.
(S4) 전극층(40)과 전원부를 연결하는 단계
전극층(40)과 전원을 연결하여 인가되는 전류에 의해 박막층에 전류가 흐르면서 박막층에서는 저항에 의한 저항발열이 발생하게 된다.
상술한 제조방법에 따라 세라믹 기판(10)위 상면 또는 하면에 박막 발열체, 보호막 및 전극을 형성하여 제조된 박막면상 발열체는, 박막면상 발열체의 상면 또는 하면, 또는 박막층이 형성된 면과 대응되는 박막면상 발열체의 면상에 피사체(P)를 구비하여, 피사체(P)가 박막층으로부터 전달되는 열을 즉각적으로 받거나, 또는 기판을 통해 면상으로 전달되는 열을 전달받을 수 있다. 즉, 피사체(P)는 즉각적인 열공급을 면상으로 고르게 받을 수 있거나 또는, 박막 면상 발열체의 발열에 따라 기판을 통해 전달되는 온도에 의해 승온되므로, 기판면상의 피사체는 급격하지 않으면서도 빠르게 전달되는 면상으로 공급되는 열전이에 의해 열을 고르게 전달받을 수 있게 된다.
이와 같은 박막면상 발열체는 박막 면상 발열기기 또는 전열기기에 응용이 가능함은 물론이다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 기판 20: 박막층
30: 보호막층 40: 전극층

Claims (11)

  1. (S1) 기판(10)의 상면 또는 하면에 발열체 소재의 박막층(20)을 증착하는 단계;
    (S2) 상기 박막층(20) 상부에 보호막층(30)을 형성하는 단계;
    (S3) 상기 박막층(20)과 접촉되도록 전극층(40)을 형성하는 단계; 및
    (S4) 상기 전극층(40)과 전원을 연결하는 단계;를 포함하며,
    전원을 통해 인가되는 전류에 의해 상기 박막층(20)에 전류가 흐르면서 저항에 의한 저항발열이 발생되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 박막면상 발열체 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기판(10)은, 유리(Glass), 세라믹 유리, 질화실리콘(Si3N4), 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AlN)에서 선택된 적어도 어느 하나의 성분으로 구성된 세라믹 기판인 것을 특징으로 하는 박막면상 발열체 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 박막층(20)에 증착되는 발열체 소재는, 탄화 텅스텐(WC), 탄화 실리콘(SiC), 또는 금속계로 내열 및 내산화성이 우수한 니켈-크롬 합금(NiCr), 실리콘-크롬합금(SiCr), 니켈-크롬-철(NiCrFe), 철-크롬-알루미늄(FeCrAl) 합금으로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막면상 발열체 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 박막층(20)은 발열체 소재를 상기 기판(10)의 상면에 진공증착되어 성막되며, 증착박막의 두께는 0.01㎛ ~ 10㎛인 것을 특징으로 하는 박막면상 발열체 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 박막층(20)은 증착된 박막의 면저항이 1~100Ω/m2 인 것을 특징으로 하는 박막면상 발열체 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 보호막층(30)은, 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘(Si3N4) 또는 이들의 혼합인 산화질화실리콘(SiOxNy) 이거나, 또는 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AlN) 또는 이들의 혼합인 산화질화실리콘(AlOxNy) 소재를 증착하여 형성하거나,
    또는 상기 소재와 솔벤트가 혼합된 액상 혼합물을 코팅처리한 후, 코팅막을 경화시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 박막면상 발열체 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 전극층(40)은, 은, 구리 또는 알루미늄에서 선택된 1종 또는 1종 이상의 합금, 또는 이들을 함유하는 합금을 이용하여 상기 박막층(20) 위에 성막하여 형성하거나, 또는 은, 구리 또는 알루미늄에서 선택된 1종 또는 1종 이상의 합금, 또는 이들을 함유하는 합금 페이스트 재료를 상기 박막층(20)과 접촉되도록 도포하여 형성하는 것을 특징으로 하는 박막면상 발열체 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 전극층(40)은 상기 박막층(20)과 접촉되도록 형성하되, 가열하고 경화시켜 상기 박막층(20)과의 부착력을 향상시키고 도전성도 강화되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 박막면상 발열체 제조방법.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되는 박막면상 발열체.
  10. 제 9항의 박막면상 발열체를 이용하되,
    기판의 상면 또는 하면에 박막층이 형성된 상기 박막면상 발열체의 상면 또는 하면, 또는 상기 박막층이 형성된 면과 대응되는 상기 박막면상 발열체의 면상에 피사체(P)를 구비하여, 상기 피사체(P)가 상기 박막층으로부터 전달되는 열을 즉각적으로 받거나, 또는 상기 기판을 통해 면상으로 전달되는 열을 전달받는 것을 특징으로 하는 박막면상 발열기기.
  11. 제 9항의 박막면상 발열체를 이용하되,
    기판의 상면 또는 하면에 박막층이 형성된 상기 박막면상 발열체의 상면 또는 하면, 또는 상기 박막층이 형성된 면과 대응되는 상기 박막면상 발열체의 면상에 피사체(P)를 구비하여, 상기 피사체(P)가 상기 박막층으로부터 전달되는 열을 즉각적으로 받거나, 또는 상기 기판을 통해 면상으로 전달되는 열을 전달받는 것을 특징으로 하는 박막면상 전열기기.
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