KR20180129908A - 적외선 가열 유닛 - Google Patents

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Abstract

공지된 적외선 가열 유닛은 공정 공간을 수용하는 하우징, 및 가열 설비를 포함하는 노를 갖고, 공정 공간은 석영 유리로 제조된 노 라이닝에 의해 적어도 부분적으로 경계 설정된다. 이를 기초로 하여, 가열 물품을 600 ℃를 초과하는 온도까지 적외선 복사에 의해 에너지 효율적으로 그리고 균일하게(균질하게) 가열할 수 있는 적외선 가열 유닛을 제공하기 위해, 본 발명은, 가열 설비가 인쇄 전도체와 접촉하는 접촉 표면을 포함하는 적어도 하나의 가열 기재에 의해 형성되고, 인쇄 전도체는, 전기 전도성이고 전류가 흐를 때에 열을 발생시키는 저항 재료로 제조되고, 가열 기재(9)는 적외선 스펙트럼 범위에서 흡수하는 추가 성분이 매립되는 도핑된 석영 유리로 이루어지고, 노 라이닝 중 적어도 일부를 형성하는 것을 제안한다.

Description

적외선 가열 유닛
본 발명은 공정 공간을 수용하는 하우징, 및 가열 설비를 포함하는 노(furnace)를 갖는 적외선 가열 유닛에 관한 것으로, 공정 공간은 석영 유리로 제조된 노 라이닝에 의해 적어도 부분적으로 경계 설정된다.
600 ℃ 초과의 온도로 가열 물품을 가열하는 데에 사용되는 산업용 전기 가열로는 단파, 중파 및/또는 장파 적외선 복사를 방출하는 적외선 라디에이터를 가열 설비로서 흔히 사용한다.
전기 가열 요소로부터 가열 물품으로의 열 전달은 열 전도, 대류 및/또는 열 복사에 기초하여 발생한다. 이와 관련하여, 한 가지 근본적인 문제는 가용 복사 출력을 가열 물품을 향해 (높은 출력 효율로) 가능한 한 효과적으로 그리고 동시에 높은 균질성으로 방출하는 방법이다. 적외선 방출기는 적외선 복사를 위한 점 또는 선 모양의 방출 특성을 보이거나, 또는 공간적 적외선 방출기로서, 적외선 방출기는 가열될 가열 물품의 표면의 기하학적 형태에 맞게 조정될 수 있고 2차원 또는 3차원 표면의 균질한 복사를 가능하게 하는 2차원 또는 3차원 방출 특성을 보인다.
적외선 방출기는 일반적으로 전류가 흐를 때에 열을 발생시키는 저항 재료로 제조된 전기 가열 요소를 구비한다. 튜브 모양의 적외선 램프를 사용하는 것이 일반적인데, 코일 형태의 저항선은 석영 유리로 제조된 클래딩 튜브에 의해 둘러싸여, 튜브로부터의 거리를 유지하고 튜브에 본질적으로 접촉하지 않는다. 적외선 방출기의 다른 실시예에서, 예를 들어 와이어, 트랙 또는 저항 재료로 제조된 층과 같은 전기 가열 요소는 이하 "가열 기재"로 지칭되는 다른 비전기식 수동 가열 요소(passive heating substrate)를 가열하는 역할을 한다.
에너지 손실이 낮으면서 공정 온도가 높은 것을 보장하기 위해, 공정 공간은 단열 노 라이닝에 의해 둘러싸여 있는데, 단열 노 라이닝은, 예를 들어 전통적인 노의 경우에, 단열 벽돌로 이루어진다. 내화 점토(fireclay)로 제조된 노 라이닝이 마련된 하우징을 갖는 전기 가열식 머플 노는, 예를 들어 독일 특허 제1 973 753 U호로부터 공지되어 있다. 공정 공간의 천정 벽에 배치되는 석영으로 둘러싸인 가열 코일을 갖는 적외선 라디에이터가 가열 설비로서 사용된다. 그러나, 이러한 타입의 노 라이닝은 높은 열 용량을 가지며, 이는 긴 가열 및 냉각 시간과 낮은 에너지 효율을 초래한다. 내화 점토로 제조된 노 라이닝의 사용은 또한 공정 공간 내부의 청결 상태를 제한한다.
상기 단점은 독일 특허 제10 2012 003 030 A1호로부터 공지된 노에서 극복되는데, 상기 노는 축방향으로 평행하도록 배치된 석영 유리 튜브들로 제조된 노 라이닝을 포함한다. 이와 관련하여, 석영 유리 튜브는 불투명한 석영 유리로 제조된 연결 질량체(connecting mass)에 의해 공정 공간을 향한 쪽에서 서로 연결되는데, 동시에 연결 질량체는 적외선 복사가 공정 공간의 경계벽에서 반사되도록 확산 반사체의 역할을 수행한다. 이에 의해, 최대 90%의 고도의 효율이 달성된다.
유리판의 열 처리를 위한 연속 노(continuous furnace)는 미국 특허 제4 133 667 A호로부터 공지되어 있다. 적외선 방출기는 이송 설비 위와 아래의 공정 공간에 배치된다. 석영 유리로 제조된 롤러 상에 위치되면, 유리판은 운반 설비에 의해 공정 공간을 통해 운반된다. 석영 유리 롤러를 포함하는 유사한 운반 설비가 또한 일본 특허 제4715019 B2호로부터 공지된 연속 노와 관련하여 설명되어 있다.
가열 물품과 적외선 라디에이터 사이의 거리는 복사의 균질성에 중요한 역할을 한다. 다수의 세장형 적외선 램프들의 축-평행 배열과 관련하여, 경험적인 경험 법칙에 따르면 균질한 복사에 필요한 최소 거리는 적외선 램프의 중심 거리의 약 1.5 배와 동일하다. 따라서, 개별적인 적외선 램프들 사이의 짧은 거리 및 램프 장치와 가열 물품 사이의 먼 거리가 균질한 복사에 유리하다. 전자의 대안(램프들 간의 가까운 거리)은 물리적 및 기술적 한계를 겪고 보다 높은 제조 비용과 관련되어 있다. 후자의 대안(적외선 램프와 가열 물품 간의 먼 거리)은 이 공정에서 사용되는 복사 출력의 효율을 낮게 만들고 가열 표면의 단위 면적당 비교적 낮은 복사 출력을 초래한다.
국제 공개 제WO1999/025154 A1호로부터 공지된 공간 적외선 방출기의 실시예는 전기 저항 요소와 직접적이고 연속적으로 접촉하는 석영 유리로 제조된 공간적 평면형의 튜브 모양 또는 다면체 가열 기재를 사용한다. 저항 요소는, 예를 들어 구불구불한 형상을 가지며, 가열 기재의 표면에 필름, 스크린 인쇄 또는 박층 인쇄 기술에 의해 도포된 후에 번인된다.
이 실시예에서, 가열 요소는 주변 클래딩 튜브를 가열하지 않고, 인쇄 전도체 형태의 직접적이고 연장된 공간 컨택트를 통해 석영 유리 가열 기재를 직접 가열하여, 가열 요소와 가열 기재 사이의 열 전달은 주로 열 전도 및 대류에 의해 발생하며, 이는 열 전달의 균질성 및 효율의 정도에 긍정적 영향을 미칠 수 있다.
석영 유리는 부식, 온도, 및 온도 사이클 내성이 우수하고 고순도로 사용할 수 있다. 따라서, 가열 기재 재료로서 사용되는 석영 유리는 고온의 가열 공정에서도 순도, 온도 안정성 및 불활성 측면에서 엄격한 요구 사항을 충족시킨다.
그러나, 석영 유리는 열 전도율이 비교적 낮아 단열재로서 흔히 사용된다. 재료가 접촉 표면 상에 도포되는 저항 요소에 의해 가열될 수동 가열 기재로서 사용되면, 그리고 벽 두께가 얇으면, 접촉 표면의 일면에서의 불균질한 온도 분포가 반대쪽 가열 기재의 면에서 유지될 수 있다는 위험이 있다. 극단적인 경우에, 실제로 활성인 전기 가열 요소는 반대쪽 가열 기재의 면 상에 이미징될 수 있다. 이는 가열 요소 재료의 높은 점유 밀도에 의해서만 해소될 수 있지만, 비용이 많이 든다. 두꺼운 가열 기재 벽의 경우에, 가열 기재의 급속한 가열 및 냉각이 필요하기 때문에, 출력 효율이 저하되고 급속한 온도 변화가 불가능해진다.
본 발명의 목적은 600 ℃ 초과의 온도까지 적외선 복사에 의한 가열 물품의 에너지 효율적이고 균일한(균질한) 가열을 가능하게 하는 적외선 가열 유닛을 제공하는 것이다.
상기 목적은 위에서 특정한 타입의 적외선 가열 유닛을 기초로 하여 본 발명에 따라 충족되는데, 가열 설비는 저항 재료와 접촉하는 접촉 표면을 포함하는 적어도 하나의 가열 기재에 의해 형성되고, 저항 재료는, 전기 전도성이고 전류가 흐를 때에 열을 발생시키며, 가열 기재는,
ㆍ적외선 스펙트럼 범위에서 흡수하는 추가 성분이 매립되는 도핑된 석영 유리로 이루어지고;
ㆍ노 라이닝의 적어도 일부를 형성한다.
본 발명에 따른 적외선 가열 유닛에서, 노 라이닝은 저항 재료의 인쇄 전도체에 의한 열적 여기 시에 적외선 복사를 방출하도록 유도될 수 있는 재료로 적어도 부분적으로 이루어진다. 따라서, 노 라이닝은 열적 활성 또는 열적 활성화 가능한 노 라이닝이다. 재료는, 특히 열적 여기 시에, 적외선 스펙트럼 범위에서 흡수하는 추가 성분이 매립되는 도핑된 석영 유리이다. 상기 재료는 간단히 "IR 블랙 유리(IR black glass)"라고도 지칭되며, 이 용어는 재료의 시각적 착색을 지칭하지 않고 재료가 실온 또는 상승된 온도에서 적외선 파장 범위의 복사선을 흡수한다는 점을 나타낸다.
따라서, IR 블랙 유리는 노 라이닝의 적어도 일부를 형성하고, 동시에 가열 설비의 일부를 형성하며, 이에 따라 IR 블랙 유리의 열적 여기를 위한 저항 재료로 제조된 전기적 인쇄 전도체와 관련된다. 따라서, 전기적 인쇄 전도체에 의해 열적으로 여기되는 노 라이닝의 영역에서, IR 복사 방출용 IR 블랙 유리는 가열 기재이며 가열 설비의 일부인 반면, IR 블랙 유리는 열적으로 여기되지 않는 IR 블랙 유리에 의한 노 라이닝의 다른 영역에서 노 라이닝의 일부일 뿐이다. 이는 또한 전기적 인쇄 전도체에 의해 점유된 IR 블랙 유리가 있는 노 라이닝의 영역에 도포되고, 이에 따라 실제로 발행하는 열적 여기없이 열적 수단에 의해 기능적으로 여기될 수 있다.
가장 단순하고 흔히 바람직한 선호되는 경우에, 노 라이닝은 전체가 IR 블랙 유리로 이루어진다. 다른 실시예에서, 노 라이닝의 일부만이 IR 블랙 유리로 이루어진다. 개개의 실시예와 관계없이, 노 라이닝의 단일 영역 또는 다중 영역이 가열 기재로서 제공된다. 가열 기재라는 용어가 아래에 제공되는 설명에서 단수로 사용되는 경우, 이 용어는 또한 다중 가열 기재를 포함해야 한다.
따라서, 인쇄 전도체에 의한 열적 여기 시에, 가열 기재는 실제 IR 복사 방출 요소이다. 가열 기재 재료는 중량 및 부피 측면에서 가열 기재 재료의 가장 큰 분율을 차지하는 석영 유리(비정질 SiO2)를 함유하며 기계적 및 화학적 특성, 예를 들어 내열성, 강도 및 부식성에 결정적인 영향을 미친다.
SiO2 이외에 석영 유리는 최대 10 중량%의 다른 산화물, 질화물 또는 탄화물 성분을 함유할 수 있다. 석영 유리는 부식, 온도, 및 온도 사이클 내성이 우수하고 고순도로 사용할 수 있다. 따라서, 최대 1100 ℃의 온도를 갖는 고온 가열 공정에서도 가열 기재 재료로 생각할 수 있다. 크리스토발라이트(cristobalite) 함량이 낮으면, 즉 1% 이하이면, 실투(devitrification) 경향이 낮고, 이에 따라 사용 중에 균열 형성의 위험이 낮아진다. 그 결과, 예를 들어 반도체 제조 공정에서 입자의 부재, 순도 및 명백한 불활성과 관련한 엄격한 요건조차도 충족된다.
가열 기재는 본질적으로 석영 유리, 즉 비정질 재료로 이루어지기 때문에, 예를 들어, 평면형, 곡선형 또는 파형 패널, 원형, 타원형 또는 다각형 단면 또는 보울(bowl)을 갖는 실린더 또는 튜브 형상, 돔 또는 도가니 형상의 형태로 본 용례에 적합한 기하학적 형상으로 쉽게 형상화될 수 있다.
석영 유리에 매립된 추가 성분은 석영 유리 매트릭스 내에 균일하게 또는 특별히 불균일하게 분산된 별개의 비정질 또는 결정질 상을 형성한다. 추가 성분은 가열 기재의 광학 및 열적 특성에 결정적이다. 보다 구체적으로는, 780 nm 내지 1 mm의 파장 범위인 적외선 스펙트럼 범위의 흡수에 영향을 준다. 추가 성분은, 특히 열적 여기 시에 이 스펙트럼 범위의 복사선의 적어도 일부에 대해 매트릭스 성분의 흡수율보다 높은 흡수율을 나타낸다.
추가 성분의 상 영역은 석영 유리 매트릭스의 광학 결함으로서 작용하며, 그 자체가 열 흡수 효과를 갖는다. 키르히호프(Kirchhoff)의 열 복사 법칙에 따르면, 열적 평형 상태에서 실제 바디의 흡수율(αλ)과 방사율(ελ)은 동일하다.
αλ = ελ (1)
따라서, 추가 성분은 가열 기재 재료에 의한 적외선 복사 방출을 초래한다. 방사율(ε)은 스펙트럼 반구형 반사율(Rgh)과 투과율(Tgh)을 알고 있는 경우에 다음과 같이 계산될 수 있다.
ελ = 1-Rgh - Tgh (2)
이와 관련하여, "방사율"은 "스펙트럼 노멀 방사 정도(spectral normal degree of emission)"라고 이해해야 한다. 방사율은 "Black-Body Boundary Conditions"(BBC)의 이름으로 공지되고 "상승된 온도에서 투명한 재료 및 반투명한 재료의 투과율 및 방사율의 결정(DETERMINING THE TRANSMITTANCE AND EMITTANCE OF TRANSPARENT AND SEMITRANSPARENT MATERIALS AT ELEVATED TEMPERATURES)"(J. Manara, M. Keller, D. Kraus, M. Arduini-Schuster; 5th European Thermal-Sciences Conference, The Netherlands (2008))에 공표되어 있는 측정 원리에 의해 결정된다.
추가 성분은 도핑된 석영 유리는 추가 성분이 없는 경우보다 열 복사를 위한 더 높은 흡수율을 갖는다. 그 결과, 인쇄 전도체로부터 가열 기재로의 개선된 열 전도, 보다 신속한 열의 분배, 및 가열 물품을 향한 보다 높은 방출 속도가 초래된다. 이에 의해, 단위 면적당 더 높은 복사 출력을 제공하고, 얇은 가열 기재 벽에 대해서도 및/또는 비교적 낮은 인쇄 전도체 점유 밀도로도 균질한 방출 및 균일한 온도 필드를 생성하는 것이 가능하다.
가열 기재 내의 추가 성분은 바람직하게는 적어도 부분적으로 원소 실리콘으로 존재하고, 2 내지 8 ㎛의 파장을 위한 가열 기재 재료에서, 600 ℃의 온도에서 적어도 0.6의 방사율(ε)을 그리고 1,000 ℃의 온도에서 적어도 0.7의 방사율(ε)을 달성하는 양으로 매립되어 있다.
따라서, 가열 기재 재료는 2 ㎛ 내지 8 ㎛, 즉 적외선 복사 파장 범위의 열 복사에 대해 높은 흡수 및 방출 출력을 갖는다. 이는 가열 기재 표면에서의 반사를 감소시켜, 투과율이 무시할 정도로 작다고 가정하면, 2 내지 8 ㎛의 파장 및 1,000 ℃ 초과 온도에서의 결과적인 반사도는 최대로 0.25이고 600℃ 초과 온도에서 최대 0.4이다.
균일한 방출 및 높은 방사율로 인해, 가열 물품과 가열 기재 간의 거리가 짧게 유지될 수 있으며, 이는 복사 강도를 증가시키고, 이에 따라 효율이 증가된다. 거리는 일부 용례에 대해 바람직하게는 5 mm 미만이다. 예를 들어, 소위 "릴 투 릴(reel-to-reel)" 제조 공정에서, 시트 모양 또는 필름 모양의 가열 물품은 가열 기재를 고속으로 통과한다. 거리가 짧으면 가열 물품에 대해 100 kW/m2 초과, 심지어는 200 kW/m2 초과의 높은 출력 밀도가 가능하게 된다. 높은 방사율을 갖는 노 라이닝은 가열 공정의 고도의 효율에 기여한다. 회절된 분율이 노 라이닝에 효과적으로 재흡수되고 즉시 다시 방출될 수 있다는 점에서 손실이 또한 최소화된다. 따라서, 반사된 열 복사에 의한 재현 불가능한 가열이 감소되며, 이는 균일하거나 특정한 불균일한 온도 분포에 기여한다.
적외선 방출기의 바람직한 실시예에서, 추가 성분은 원소 형태의 반도체 재료, 바람직하게는 원소 실리콘을 함유한다. 반도체 상(semiconductor phase)의 미세 입자 영역은 매트릭스에서 광학적 결함으로서 작용하고, 가열 기재 재료가 층의 두께에 따라 눈에 의해 검게 보이거나 흑회색으로 보이게 할 수 있다. 한편, 결함은 또한 가열 기재 재료의 전체 열 흡수에 영향을 미친다. 이는, 한편으로는 가전자대(valence band)와 전도대(conduction band) 간의 에너지(밴드갭 에너지)가 온도에 따라 감소하고, 다른 한편으로는, 활성화 에너지가 충분히 높으면 전자가 가전자대로부터 전도대로 상승되는 취지로, 주로 원소 형태로 존재하는 미세 분포된 실리콘 상의 특성에 기인하는데, 이는 흡수 계수의 명백한 증가와 관련된다. 열적으로 활성화된 전도대의 모집단(population)은 특정 파장(예를 들어, 1,000 nm)에 대해 실온에서 어느 정도 투명하고 고온에서 불투명하게 되는 반도체 재료를 초래한다. 따라서, 흡수 및 방사율은 가열 기재 재료의 온도가 증가함에 따라 급격하게 증가할 수 있다. 이 효과는 특히 반도체의 구조(비정질/결정질) 및 도핑에 따라 좌우된다. 예를 들어, 순수 실리콘은 약 600 ℃에서 방출이 눈에 띄게 증가하여 약 1,000 ℃로부터 포화 상태에 이른다.
따라서, 반도체 재료, 특히 바람직하게 사용되는 원소 실리콘은 유리질 매트릭스 재료를 검게 만들고, 실온에서 뿐만 아니라, 예를 들어 600 ℃ 초과의 고온에서 그렇게 만드는 효과를 갖는다. 그 결과, 고온에서의 높은 광대역 방출 측면에서 양호한 방출 특성이 달성된다. 이와 관련하여, 반도체 재료, 바람직하게는 원소 실리콘은 매트릭스 내에 분산되는 자체 Si 상을 형성한다. 이 Si 상은 복수의 준금속 또는 금속(단, 추가 성분의 중량 분율에 관하여 단지 최대 50 중량%까지의, 더 바람직하게는 20 중량% 이하의 금속)을 함유할 수 있다. 이와 관련하여, 가열 기재 재료는 개기공율(open porosity)을 나타내지 않고, 단지 0.5% 미만의 폐기공율(closed porosity)을 나타내며, 적어도 2.19 g/cm3의 특정 밀도를 갖는다. 따라서, 가열 기재 재료는 가열 기재 재료의 순도 또는 기밀성이 중요한 용례에 매우 적합하다.
가열 기재 재료의 열 흡수는 추가 성분의 분율에 따라 좌우된다. 따라서, 실리콘의 중량 분율은 바람직하게는 적어도 0.1%이어야 한다. 한편, 실리콘 부피 분율이 높으면 석영 유리 매트릭스의 화학적 및 기계적 특성에 악영향을 미칠 수 있다. 이를 고려하면, 실리콘으로 구성된 추가 성분의 중량 분율은 바람직하게는 0.1 내지 5%의 범위이다.
실리콘이 별개의 실리콘 상으로 존재하고 평균 최대 치수가 20 ㎛ 미만, 바람직하게는 3 ㎛ 초과인 비구형 형태를 포함하는 경우, 특히 높은 방사율이 달성될 수 있다.
이와 관련하여, 실리콘 상의 비구형 형태는 또한 높은 기계적 강도를 갖고 균열 형성 경향이 낮은 가열 기재 재료에 기여한다. "최대 치수"란 용어는 현미경 사진에서 보이는 바와 같이 실리콘 상의 고립된 영역의 가장 긴 길이를 가리킨다. 위에서 언급한 평균은 마이크로 사진에서 가장 긴 모든 길이의 중앙값이다.
석영 유리로 제조되고 실리콘 상이 매립되어 있는 매트릭스를 갖는 복합 재료로 만들어진 구성요소가 공지되어 있다. 국제 공개 제WO2015067688 A1호에 따르면, 이들 구성요소는, 예를 들어 산화 또는 어닐링 공정, 에피택시 또는 화학 기상 증착에 사용하기 위한 반응기, 피팅 또는 웨이퍼 홀더를 제조하는 데에 사용된다. 본 발명에 따른 열적 활성화 가능한 노 라이닝 재료로서 사용하기 위해, 가열 기재는 바람직하게는 번인(burn-in)된 후막 층의 형태로 제공되는, 가열 기재 상에 배치된 전기 저항 재료로 제조된 인쇄 전도체를 갖는다.
상기 후막 층은, 예를 들어 스크린 인쇄에 의한 레지스터 페이스트로부터 또는 잉크젯 인쇄에 의한 금속 함유 잉크로부터 생성되고, 이어서 고온에서 번인된다. 인쇄 전도체는 바람직하게는, 예를 들어, 백금, 금, 은 및 이들을 기초로 한 합금과 같이 공기에 노출될 때에 임의의 서비스 수명 감소, 산화 반응 생성물을 유도하지 않는 귀금속 함유 재료로 이루어진다.
가능한 한 균질한 온도 분포와 관련하여, 적어도 1 mm, 바람직하게는 적어도 2 mm의 개재 공간이 인쇄 전도체의 인접한 섹션들 사이에 유지되도록 접촉 표면을 덮는 선 패턴으로서 인쇄 전도체를 제공하는 것이 유리한 것으로 입증되었다.
인쇄 전도체는, 예를 들어 나선형 또는 구불구불한 선 패턴으로 연장된다. 가열 기재 재료의 흡수 용량이 높으면 가열 표면의 인쇄 전도체 점유 밀도가 비교적 낮더라도 균질한 방출이 가능하게 된다. 낮은 점유 밀도는 인쇄 전도체의 인접한 섹션들 사이의 최소 거리가 1 mm 이상, 바람직하게는 2 mm 이상이라는 것을 특징으로 한다. 인쇄 전도체의 섹션들 사이의 거리가 크면, 특히 진공 상태에서 고전압으로 작동할 때에 발생할 수 있는 플래시오버(flashover)가 방지된다.
본 발명에 따른 적외선 방출기의 특히 유리한 실시예는, 가열 기재가 인쇄 전도체를 향하는 표면을 포함하고, 상기 표면의 적어도 일부가 다공성 석영 유리로 이루어진 커버 층을 갖도록 구성됨으로써, 인쇄 전도체가 적어도 부분적으로 커버 층 내에 매립되는 것을 특징으로 한다.
이와 관련하여, 불투명한 석영 유리로 제조된 커버 층은 확산 반사체의 역할을 하는 동시에 인쇄 전도체를 보호하고 안정화시킨다. 불투명한 석영 유리로 제조된 이 타입의 커버 층의 효과 및 제조는 공지되어 있으며, 예를 들어 국제 공개 제WO2006/021416 A1에 기술되어 있다. 커버 층은 액체에 비정질 SiO2 입자를 함유하는 분산물로부터 생성된다. 이는 인쇄 전도체를 향하는 가열 기재 표면에 도포되고, 건조되어 그린 층을 형성하며, 상기 그린 층은 고온에서 소결된다. 그린 층의 소결 및 인쇄 전도체의 번인은 바람직하게는 하나의 동일한 가열 공정에서 진행된다.
노 라이닝이 도핑된 석영 유리로 제조된 상부면을 포함하는 본 발명에 따른 적외선 가열 유닛의 실시예는 많은 산업 가열 용례에 적합하다.
통상, 상부면은 공정 공간에 있어서의 가열 물품과는 정반대의 면이다. 이와 관련하여, 상부면은, 가열 기재로서 제공되고 열적 여기를 위해 인쇄 전도체에 의해 점유된다는 점에서 가열된 표면(heated surface)의 역할을 동시에 할 수 있다. 이와 관련하여, 인쇄 전도체는 바람직하게는 가열 기재에 있어서의 공정 공간의 반대쪽의 면 상에 위치된다.
가장 단순한 경우, 노 라이닝은 전체가 도핑된 석영 유리로 이루어진다. 이와 관련하여, 공정 공간은 IR 블랙 유리로 제조된 노 라이닝에 의해 모든 면이 둘러싸일 수 있다. 공정 공간을 준-폐쇄 상태로 만들면, 공정 공간 내에서 발생된 대류가 또한 가열 물품을 가열하는 데에 이용된다. 다른 실시예에서, 공정 공간은 통상적으로, 예를 들어 연속 노에서와 같이 개방면, 개구 또는 통로를 포함한다.
5 mm 미만의 플레이트 두께를 갖는 플레이트 형태의 가열 기재를 제공하는 것이 유리한 것으로 입증되었다.
얇은 가열 기재는 낮은 열 질량을 갖고 급격한 온도 변화를 허용한다. 이를 위해 강제 냉각이 필요하지 않다.
본 발명에 따른 적외선 가열 유닛의 특히 바람직한 실시예는 연속 노의 형태로 설계되고, 공정 공간을 통해 가열 물품을 운반하기 위해 운반 설비를 포함하는데, 운반 설비는 공정 공간을 통해 연장되고 가열 물품이 지지되는 석영 유리로 제조된 지지 요소를 포함한다.
상기 실시예는 연속적인 통과로 가열 물품의 처리를 가능하게 한다. 균일한 IR 방출 및 높은 방사율로 인해, 가열 물품과 가열 기재 간의 거리가 짧을 수 있으며, 이는 복사 강도 및 이에 따라 효율을 증가시킨다. 가열 물품은, 통과되는 동안에도, 예를 들어 1,000 ℃까지 균일한(균질한) 가열에 노출된다.
가열 물품을 위한 지지 요소는 석영 유리, 특히 도핑되지 않은 석영 유리 또는 Al2O3가 도핑된 석영 유리로 이루어진다. 상기 지지 요소는 그 열적 안정성 및 화학적 불활성 뿐만 아니라 고순도를 특징으로 한다. 이에 의해, 전체 시스템의 고순도가 보장되게 된다. 더욱이, 급격한 온도 변화 공정은 냉각없이도 달성될 수 있어, 가능한 불순물의 문제가 있는 입자 운반과 항상 관련된 유동 냉각 매체를 포기할 수 있게 한다. 따라서, 본 발명에 따른 적외선 가열 유닛은 반도체 제조 공정에 사용하기에 매우 적합하다.
바람직하게는, 운반 설비는 서로 평행하게 그리고 서로 일정 거리를 두고 연장되는 2개의 연속 운반 벨트를 포함하고, 지지 요소는 운반 벨트 사이의 거리에 걸쳐 있고 토크 방지 방식으로 운반 벨트에 연결되는 석영 유리 실린더의 형태로 제공된다.
롤러 컨베이어 형태인 연속 노를 위한 전통적인 운반 설비는 서로 평행하게 그리고 서로 일정 거리를 두고 연장되는 2개의 연속 운반 벨트를 포함한다. 원형 실린더는 이송 방향을 가로지르는 반경 방향 단면에 배치되고 운반 벨트에 의한 마찰에 의해 회전하게 되어, 롤러 상에 지지된 가열 물품은 롤러 자체가 운반 방향을 따라 이동하는 일 없이 롤링 운동에 의해 공정 공간을 통해 운반된다. 이와 달리, 본 발명에 따른 운반 설비는 회전할 수 없도록 그 단부가 운반 벨트에 연결된 석영 유리 실린더를 갖는다. 회전이 가능하지 않도록 2개의 운반 벨트 상의 지지로 인해, 진동이 최소화된다. 그리고, 또한 마모에 의한 입자의 형성이 감소된다. 지지 요소의 특히 매우 적합한 실시예는 2개의 평행한 튜브 모양의 격실이 개재 핀에 의해 분리되는, 트윈 튜브 기하 형태를 갖는 소위 상업용 "트윈 튜브"이다. 석영 유리로 제조된 트윈 튜브는 트윈 튜브의 특별한 기하 형태에 의해 더욱 더 증가되는, 이 재료로 인해 생기는 높은 파괴 내성을 포함한다.
적외선 가열 유닛에 대한 추가 개선은 석영 유리 실린더가 불투명한 석영 유리로 이루어진 코팅을 포함하는 경우 달성된다.
불투명한 석영 유리로 이루어진 코팅은 적외선 복사를 위한 확산 반사체로서 작용하여 열 처리의 효율에 기여한다. 코팅은 석영 유리 실린더를 전체적으로 또는 부분적으로 피복한다. 코팅은 가열 물품의 임의의 미끄럼에 대항하는 특정한 거칠기를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 적외선 가열 유닛의 노 라이닝은 적어도 하나의 가열된 면(heated side)을 포함하고, 가열 설비는 가열된 면당 100 kW/m2를 초과하는 범위의 표면적 당 전체 출력 밀도를 발생시키도록 설계된다.
가열 기재로서 설계된 노 라이닝은 현재 선택적인 가열 표면(heating surface)의 역할을 한다. 예를 들어, 모든 면이 폐쇄된 직사각형 경계 벽을 갖는 노에서, 노 라이닝은 6개의 편평한 면을 갖는다. 가열 표면으로 설계되어 사용되는 6개의 면을 고려하면, 표면적(n) 당 전체 출력 밀도는 적어도 6 x 100 kW/m2, 바람직하게는 적어도 6 x 200 kW/m2이다. 예를 들어, 3개의 면에서 가열 표면의 역할을 하는 선택적인 노 라이닝을 갖도록 설계된 직사각형 단면을 갖는 연속 노를 고려하면, 표면적 당 전체 출력 밀도는, 예를 들어, 적어도 3 x 100 kW/m2, 바람직하게는 적어도 3 x 200 kW/m2이다.
이하에서, 본 발명은 예시적인 실시예 및 도면을 기초로 하여 보다 상세하게 예시된다. 개략도로 나타내는 도면에서:
도 1은 가열 처리를 위한 본 발명에 따른 디바이스의 종단면을 도시하고;
도 2는 가열 처리를 위한 본 발명에 따른 디바이스의 공정 공간의 영역의 횡단면을 도시하며;
도 3은 운반 벨트 상에 지지 요소의 브라켓 연결의 상세도를 도시하고;
도 4는 공정 공간의 천정 영역에 설치하기 위한 가열 기재를 도시한다.
도 1 및 도 2는 노 하우징(2)을 갖는 연속 노(1) 형태의 본 발명에 따른 적외선 가열 유닛의 실시예를 도시하는데, 노 하우징 내에는 열 처리를 위한 공정 공간(3)이 위치되고, 노 하우징에는 공정 공간(3)을 통해 가열 물품(5)을 연속적으로 운반하기 위한 운반 시스템이 끼워진다.
운반 시스템(4)은, 서로 평행하게 그리고 일정 거리를 두고 위치되는 2개의 연속 운반 벨트(4.1), 및 투명한 석영 유리로 제조된 트윈 튜브(4.2) 형태의 지지 요소를 포함하고, 지지 요소는 운반 벨트들 사이의 거리에 걸쳐 있고 회전할 수 없도록 운반 벨트 상에 유지되며, 가열 물품(5)이 열 처리 동안에 지지 요소 상에 지지된다.
트윈 튜브(4.2)의 토크 방지 브라켓 연결의 상세도가 도 3에 도시되어 있다. 클램핑 스프링(6)이 트윈 튜브(4.2)의 단부를 둘러싸고, 운반 벨트들(여기에는 도시되지 않음) 중 하나의 벨트 상의 토크 방지 위치에 고정시킨다. 클램핑 스프링(6)은 엘보우에 연결되고, 엘보우는 운반 벨트(4.1) 중 하나에 고정된다.
길이 x 너비 x 높이(L x W x H)와 관련하여 트윈 튜브(4.2)의 치수는 1,000 mm x 34 mm x 14 mm이고, 벽 두께는 약 2 mm이다. 트윈 튜브(4.2)의 서로 간의 거리는 가열 물품(5)의 무게 및 기하학적 형태에 따라 변화한다. 램프 제조용 석영 유리 튜브 상에서 금층(gold layer)의 번인을 위해 본 발명에 따른 디바이스(1)를 사용하는 경우, 트윈 지지 튜브들 간의 거리를 150 mm로 설정하는 것이 일반적이다.
도 2는 공정 공간(3)의 내부를 볼 수 있는, 본 발명에 따른 디바이스(1)의 도 1과 비교하여 다소 확대된 단면도를 도시한다. 공정 공간은 2,000 mm의 높이, 420 mm의 너비, 및 145 mm의 높이(바닥 영역(3.3)에서 천정 영역(3.1)의 노 라이닝까지 계산됨)를 갖는다.
공정 공간(3)은 천정 영역(3.1), 측면 영역(3.2), 및 바닥 영역(3.3)에서 단층 단열재(7)에 의해 둘러싸인다. 단열재(7)는 알루미늄 산화물 및 실리콘 산화물에 기초한 내화성 고온 매트로 이루어지며, 단열재는 25 mm의 두께를 포함한다. 공정 공간(3)의 상부면(3.1) 및 측벽(3.2)은 복합 재료(IR 블랙 유리)로 제조된 플레이트로 완전히 라이닝되는데, 플레이트에서 원소 실리콘으로 이루어진 결정상은 석영 유리로 이루어진 매트릭스 내에 미세하게 분산된다. 상부면을 경계 설정하는 밀봉 플레이트(9)에서, 복합 재료로 제조된 기재(10)(도 4 참조)의 후방면은 불투명한 석영 유리로 제조된 반사 층(12) 내에 매립된 구불구불한 모양의 인쇄 전도체(11)와 접촉한다. 상기 천정 플레이트(9)는 적외선 방출기의 역할을 동시에 수행하고 도 4에 의해 보다 상세하게 예시되어 있다.
본 발명에 따른 디바이스(1)는 연속 노(연속 20 kW의 출력)로서 작동되고 연속 소결 공정에 사용된다. 이를 위해, 상부면 상에 금이 코팅된 구성요소, 예를 들어 L x W x H = 1,000 x 34 x 14 mm의 치수를 갖는 석영 튜브가 코팅의 번인을 위해 운반 시스템(4)의 트윈 튜브(4.2) 상에 배치되고 200 mm/min의 속도로 고온 공정 공간(3)을 통해 안내된다. 총 10 개의 튜브가 나란히 배치되어 시간당 약 100 개의 튜브 처리량을 얻는다. 디바이스(1)는 100 mm의 높이 간격(운반 시스템의 트윈 튜브(4.2)와 천정 영역(3.1) 사이의 거리) 및 420 mm의 너비 간격을 포함한다. 천정 플레이트(9)와 가열 물품 사이의 자유 거리는 그 높이 치수에 따라 좌우되고 약 50mm이다. 냉각 디바이스는 필요하지 않으며 제공되지 않는다.
디바이스(1)를 통과한 후에, 튜브 상의 코팅은 매우 양호한 표면 접착력을 갖는 시각적으로 균질한 표면을 갖는다. 표면에 대한 금의 접착력은 접착 테이프 박리 시험을 사용하여 결정된다. 상기 시험은 상업적으로 이용 가능한 접착 테이프, 예를 들어 3M에 의해 제조된 스카치 접착 테이프를 금 코팅 표면 상에 부착한 다음, 테이프를 한 동작으로 단번에 떼어내는 것을 포함한다. 금의 접착 강도가 불충분하면, 금속 잔류물이 테이프의 접착 표면 상에 남아 있게 된다. 금속 코팅된 표면은, 본 발명에 따른 디바이스(1)가 가열 물품(5) 또는 다른 표면에 대한 마찰로 인해 입자를 방출할 수 있었던 이동 지지 요소를 사용하지 않기 때문에, 입자 또는 이물질에 의한 어떠한 손상도 보이지 않았다. 더욱이, 공정 공간(3)은, 공정이 오염없이 작용하고 이 영역에서도 입자를 발생시키지 않도록, 본질적으로 석영 유리로 제조된 표면을 포함한다.
도 4는 상방 방향에서 공정 공간을 폐쇄하는 천정 플레이트(9)의 개략도를 도시한다. 천정 플레이트는 형상이 직사각형이며 105 mm x 105 mm의 측방향 치수와 2.5 mm의 플레이트 두께를 갖는다. 복합 재료로 제조된 기재(10)는 눈에 시각적으로 반투명한 효과를 갖는다. 현미경으로 검사했을 때, 개기공이 없고, 최대 평균 치수가 10 ㎛ 미만인 폐기공이 대부분이다. 원소 실리콘(Si 상)의 비구형 상 영역은 매트릭스 내에 균질하게 분포된다. Si 상의 중량 분율은 5%이다. Si 상 영역의 최대 평균 치수(중앙값)는 약 1 내지 10 ㎛ 범위 내에 있다. 복합 재료는 기밀식이며, 2.19 g/cm3의 밀도를 갖고 약 1,200 ℃의 온도까지의 공기 에서 안정적이다.
매립된 Si 상은 복합 재료의 전체 불투명도에 기여할뿐만 아니라 복합 재료의 광학 특성 및 열 특성에도 영향을 미친다. 상기 복합 재료는 고온에서 높은 열 복사 흡수 및 높은 방사율을 나타낸다.
실온에서, IR 블랙 유리의 방사율은 적분 구(integrating sphere)를 사용하여 측정된다. 적분 구는 정상적인 방사율이 계산될 수 있는 스펙트럼 반구형 반사율(Rgh) 및 스펙트럼 반구형 투과율(Tgh)를 측정하는 데에 사용될 수 있다. 고온에서의 방사율은 FTIR 분광계(Bruker IFS 66v 푸리에 변환 적외선(FTIR; Fourier Transformation Infrared))에 의해 2 내지 18 ㎛의 파장 범위에서 측정되며, FTIR 분광계에는 BBC 샘플 챔버가 추가의 광학 시스템에 의해 결합되어, 전술한 BBC 측정 원리를 적용한다. 이와 관련하여, 샘플 챔버에는 샘플 홀더의 앞뒤에 있는 반구 안에 온도 조절 장치가 달린 흑체(black body) 환경이 마련되고, 검출기가 있는 빔 출구가 마련된다. 샘플은 별개의 노에서 미리 결정된 온도로 가열되고, 측정을 위해, 미리 결정된 온도로 설정된 흑체 환경을 갖는 샘플 챔버의 빔 경로로 전달된다. 검출기에 의해 검출된 강도는 방출, 반사, 및 투과 부분, 즉 샘플 자체에 의해 방출된 강도, 전방 반구로부터 샘플에 입사되고 샘플에 의해 반사된 강도, 및 후방 반구로부터 샘플에 입사되고 샘플에 의해 투과된 강도로 구성된다. 개별적인 파라미터, 즉 방출, 반사, 및 투과의 정도를 결정하기 위해 3가지 측정이 수행되어야 한다.
2 내지 약 4 ㎛의 파장 범위에서 복합 재료 상에서 측정된 방출 정도는 온도의 함수이다. 온도가 높을수록, 방출이 높다. 600 ℃에서, 2 내지 4 ㎛의 파장 범위에서의 정상적인 방출 정도는 0.6 초과이다. 1000 ℃에서, 2 내지 8 ㎛의 전체 파장 범위에서의 정상적인 방출 정도는 0.75 초과이다.
인쇄 전도체(11)는 기재(10)의 상부(13) 상의 백금 저항 페이스트로부터 생성된다. 인쇄 전도체의 양단부는 이들 양단부에 용접된, 전기 에너지 공급을 위한 클램프를 갖는다. 인쇄 전도체(3)는 인쇄 전도체의 인접한 섹션들 사이에 2 mm의 균등한 거리가 유지되도록 천정 플레이트(9)의 가열 표면을 타이트하게 덮는 구불구불한 프로파일을 나타낸다. 도시된 단면에서, 인쇄 전도체(11)는 1 mm의 폭 및 20 ㎛의 두께를 갖는 직사각형 프로파일을 갖는다. 인쇄 전도체는 기재(10)의 상부(13)와 직접 접촉하여 기재(10)로의 최대 열 전달이 달성된다. 대향하는 바닥면(14)은 공정 공간(3)을 경계 설정하는 동시에, 열 복사를 위한 방출 표면의 역할을한다. 방출 방향은 방향 화살표(15)에 의해 지시되어 있다.
불투명한 기공 함유 석영 유리로 제조된 반사 층(12)은 공정 공간의 반대쪽에 있는 기재(10)의 상부(13)에 도포된다. 반사 층은 약 1.7 mm의 평균 층 두께를 가지며, 균열이 없고 약 1.7 g/cm3의 높은 밀도를 특징으로 하며, 1,100 ℃ 이상의 온도에서 열적으로 안정적이다. 반사 층(12)은 인쇄 전도체(11)를 완전히 덮으므로 주변의 화학적 또는 기계적 영향으로부터 전도체를 보호한다.
도 1 및 도 2에 도시된 연속 노(1)의 실시예에서, 공정 공간(3)의 천정 플레이트(9) 및 서로 대향하게 위치된 2개의 측벽(3.2)만이 IR 블랙 유리로 이루어지는 반면, 운반 시스템(4)의 지지 요소 아래에 있는 바닥은 가열 필라멘트가 없는 트윈 튜브의 평행 배열에 의해 형성된다. 상기 트윈 튜브 배열은 처리 공간(3)을 향하는 쪽에 불투명한 석영 유리로 제조된 반사 층을 구비한다. 반사 층은 약 10 나노미터 내지 50 마이크로미터 범위의 직경을 갖는 작은 석영 유리 입자로 이루어진다. 단단히 소결되고 이에 따라 다공성인 SiO2 재료(그 기공은 공기로 채워짐)는 아주 작은 구조로 인해 약 5㎡/g의 상당한 비표면적을 갖는다. 이러한 큰 표면은 적외선 복사에 의한 석영 유리의 직접 가열을 통해 기공 내의 공기의 급속한 간접 가열을 촉진시킨다.
연속 노의 다른 실시예에서, 천정과 측벽 및 바닥의 라이닝 모두는 IR 블랙 유리로 이루어지고 천정 플레이트(9)에 대해 기술된 방식으로 인쇄 전도체가 그 후방면에 마련된다. 따라서, 라이닝은 기본적으로 (필요에 따라) IR 방출기로서 작동될 수 있다.
도 2 내지 도 4에서 도 1과 동일한 참조 번호가 사용되는 한, 이들 참조 번호는 도 1의 설명에 의해 보다 상세히 예시된 바와 구조적으로 동일하거나 동등한 구성요소 및 부품을 나타낸다.
본 발명에 따른 적외선 가열 유닛은 연속 공정에서 적외선 복사에 의한 매우 균일한(균질한) 가열을 약 1,000 ℃까지 가능하게 한다. 매우 균질한 방출 및 높은 방사율로 인해, 가열 물품과 IR 방출기 요소 간의 거리가 짧게 유지될 수 있으며, 이는 복사 강도를 강하게 증가시키고, 이에 따라 에너지 효율이 증가된다. 이와 관련하여, 가열 효율은 전례없는 수준의 효율을 보이는데, 이는 방사율이 (1,000 ℃에서) 0.75 초과인 공정 공간의 준-블랙 라이닝을 기반으로 한다. 높은 방사율로 인해, 공정 공간으로부터 흡수된 후방 산란은 손실이 최소화되도록 제품의 가열을 위한 공정 공간으로 즉시 되돌려진다. 공정 공간을 준-폐쇄 상태로 만들면, 공정 공간 내에서 발생된 대류가 또한 가열에 이용된다. 200 kW/m2를 초과하는 높은 출력 밀도는 주로 가열 물품과 IR 방출기 간의 거리가 짧기 때문에 발생된다.
공정 공간과 마찬가지로, 투명한 석영 유리로 제조된 운반 시스템은 전체 시스템의 높은 순도를 촉진시킨다. 순도 측면에서, IR 가열 유닛은 반도체 용례에 매우 적합하다. 더욱이, 냉각이 필요하지 않아 팬에 의해 영향을 받는 입자 운동이 없다.
천정 플레이트(9)를 제조하는 방법을 일례로서 아래에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
그 제조는 국제 공개 제WO2015067688 A1호에 기술된 슬러리 캐스팅 절차를 이용한다. 비정질 석영 유리 그레인은 고온의 염소 처리 과정에서 미리 정제되어 크리스토발라이트(cristobalite) 함량이 1 중량% 미만이 되도록 한다. 250 ㎛ 내지 650 ㎛ 범위의 그레인 크기를 갖는 석영 유리 그레인은 78%의 고체 함량을 갖는 균질한 기본 슬러리가 형성되도록 탈이온수로 습식 밀링된다.
이어서, 밀링 비드를 기본 슬러리로부터 제거하고, 83 중량%의 고체 함량이 달성될 때까지 실리콘 분말의 충전물이 혼합된다. 실리콘 분말은 D97 값이 약 10 ㎛이고 입자 크기가 2 ㎛ 미만인 미세 분율이 미리 제거된 좁은 입자 크기 분포를 갖는 비구형 분말 입자를 주로 함유한다.
실리콘 분말로 채워진 슬러리는 또 다른 12 시간 동안 균질화된다. 실리콘 분말은 전체 고체 함량의 중량 분율의 5%를 차지한다. 미리 균질화된 슬러리 중의 SiO2 입자는 약 8 ㎛의 D50 값과 약 40 ㎛의 D90 값을 특징으로 하는 입자 크기 분포를 갖는다.
슬러리는 시판중인 다이 캐스팅 머신의 다이 내에서 캐스팅되고 다공성 플라스틱 멤브레인을 사용하여 탈수되어 다공성 그린 바디(green body)를 형성한다. 그린 바디는 직사각형 플레이트의 형상을 갖는다. 결속된 물을 제거하기 위해, 그린 바디는 폭기로(aerated furnace) 내에서 약 90 ℃에서 5일 동안 건조된다. 냉각 후에, 이에 따라 취득한 다공성 블랭크는, 2.5 mm의 플레이트 두께를 갖는, 제조될 석영 유리 플레이트의 최종 치수에 근접하게 기계적으로 가공된다. 소결을 위해, 블랭크는 공기의 존재 하에 소결로(sintering furnace) 내에서 1390 ℃의 가열 온도로 1 시간에 걸쳐 가열되고, 이 온도에서 5 시간 동안 유지된다.
이에 따라 취득한 석영 유리 플레이트(10)는 밀도가 2.1958 g/cm3인 기밀성 복합 재료로 이루어지며, 이때, 서로 분리되어 있고 그 크기 및 형태가 공정에서 사용되는 Si 분말의 크기 및 형태에 본질적으로 대응하는 원소 Si 상의 비구형 영역이 불투명한 석영 유리로 이루어진 매트릭스 내에 균질하게 분포된다. 최대 평균 치수(중앙값)는 약 1 내지 10 ㎛ 범위 내에 있다. 매트릭스는 눈에 반투명하게 보인다. 현미경으로 검사했을 때, 개기공이 없고, 최대 평균 치수가 10 ㎛ 미만인 폐기공이 대부분이다. 밀도를 기초로 하여 계산된 기공률은 0.37%이다. 복합 재료는 약 1200 ℃의 온도까지 공기 중에서 안정적이다.
석영 유리 플레이트(10)는 약 1 ㎛의 평균 표면 거칠기(Ra)가 달성되도록 표면에서 폴리싱되고 있다. 구불구불한 형상의 인쇄 전도체(11)는 스크린 인쇄 절차에 의해 그 폴리싱된 상부(5)에 도포된다. 이를 위해, 시판중인 백금 함유 저항 페이스트가 사용된다.
인쇄 전도체(11)가 건조된 후에, 석영 유리 페이스트(10)의 상부(13)에 슬러리 층이 도포된다. 이 슬러리는 84 중량%의 고체 함량이 달성될 때까지 균질한 안정적인 기본 슬러리에 약 5 ㎛의 그레인 크기를 갖는 구형 입자 형태의 비정질 SiO2 그레인을 혼합함으로써 (실리콘 분말을 추가하지 않고) 전술한 타입의 기본 SiO2 슬러리의 변형에 의해 달성된다. 이 혼합물은 25 rpm의 속도로 회전하는 텀블링 밀(tumbling mill)에서 12 시간 동안 균질화된다. 이에 따라 획득한 슬러리는 84%의 고체 함량 및 약 2.0 g/cm3의 밀도를 갖는다. 석영 유리 그레인의 밀링 후에 획득한 슬러리 중의 SiO2 입자는 약 8 ㎛의 D50 값과 약 40 ㎛의 D90 값을 특징으로 하는 입자 크기 분포를 갖는다.
미리 알코올로 세척하여, 석영 유리 플레이트(10)를 상기 슬러리에 수초 동안 침지시켰다. 그 결과, 석영 유리 플레이트(10) 상에 약 2 mm의 두께를 갖는 균질한 슬러리 층이 형성된다. 바닥면(146)을 닦은 후, 슬러리 층은 초기에 실온에서 약 5 시간 동안 건조되고, 이어서 IR 방출기에 의해 공기 중에서 건조된다. 건조된 슬러리 층은 균열이 없고 2 mm보다 약간 작은 평균 두께를 갖는다.
이어서, 건조된 인쇄 전도체 및 건조된 슬러리 층은 번인되고 및/또는 소결로 내에서 공기 중에 소결된다. 가열 프로파일은 1200 ℃의 가열 온도를 포함한다. 유지 시간은 예시적인 실시예에서 2 시간이다. 그 후, 인쇄 전도체 (11)는 번인되고, 슬리커 층(slicker layer)(12)은 불투명하지만 시각적으로 조밀하고 기포가 거의 없다.
IR 블랙 유리로 제조된 가열 요소를 포함하는 본 발명에 따른 적외선 가열 유닛은 낮은 열 질량을 갖고, 이에 따라 빠른 반응 시간(<10s)을 가지며, (인쇄 전도체의 점유 밀도에 따라) 방출이 매우 균질하다. IR 블랙 유리는 매우 우수한 방출 특성(광대역, 고온에서의 높은 방출)을 제공할 뿐만 아니라 반도체 공정에서 요구되는 순도를 보유한다. 더욱이, 타일은 추가 냉각을 필요로 하지 않는다.
본 명세서에 기술된 타입인 편평한 플레이트 모양의 IR 방출기가 장착된 적외선 가열 유닛은, 매우 높은 출력 밀도(가열된 면당 >100 kW/m2)에서 높은 공정 속도(>100 m/s) 및 예를 들어 벨트 상에서 IR 방출기를 통과하는 가열 물품까지의 짧은 거리(<5mm)를 구현하기 위해 인쇄 산업에서 사용될 수 있다. 전기 전도성 금속 층은 스크린 인쇄 절차에 의해 도포될 수 있다.
3D 인쇄는 또 다른 응용 분야이다. 단위 면적당 높은 출력과 높은 작동 온도(최대 약 1,000 ℃)로 인해, 인쇄된 금속 분말은 부분적으로 소결되고 및/또는 소결될 수 있다.
이와 관련하여, 본 발명에 따른 적외선 가열 유닛은, 예를 들어 모든 면이 폐쇄되는 챔버 노로서 설계될 수 있다. 직사각형 단면을 갖는 챔버 노는 가열 기재로서 제공되는 6개의 편평한 노 라이닝을 보유하고 적어도 600 kW/m2(가열된 면당 적어도 100 kW/m2)의 출력 밀도를 발생시킬 수 있고 심지어는 더욱 더 큰 출력 밀도(가열된 면당 적어도 200 kW/m2)를 발생시킬 수 있다.
기본적으로, 본 출원을 위한 석영 유리의 우수한 특성은, 예를 들어 높은 온도 사이클 내성, 화학적 불활성, 높은 강도, 및 순도를 갖게 된다.

Claims (12)

  1. 공정 공간(3)을 수용하는 하우징(2), 및 가열 설비를 포함하는 노(1)를 갖고, 상기 공정 공간(3)은 석영 유리로 제조된 노 라이닝에 의해 적어도 부분적으로 경계 설정되는 것인 적외선 가열 유닛에 있어서,
    상기 가열 설비는 인쇄 전도체(11)와 접촉하는 접촉 표면(13)을 포함하는 적어도 하나의 가열 기재(9)에 의해 형성되고, 상기 인쇄 전도체는, 전기 전도성이고 전류가 흐를 때에 열을 발생시키는 저항 재료로 제조되며, 상기 가열 기재(9)는,
    ㆍ적외선 스펙트럼 범위에서 흡수하는 추가 성분이 매립되는 도핑된 석영 유리로 이루어지고;
    ㆍ노 라이닝(3.1, 3.2, 3.3)의 적어도 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 적외선 가열 유닛.
  2. 제1항에 있어서, 상기 노 라이닝(3.1, 3.2, 3.3)은 전체가 도핑된 석영 유리로 제조되는 것을 특징으로 하는 적외선 가열 유닛.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가열 물품과 상기 가열 기재 간의 거리는 5 mm 미만으로 설정되는 것을 특징으로 하는 적외선 가열 유닛.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추가 성분은 원소 실리콘이고, 2 내지 8 ㎛의 파장을 위한 가열 기재 재료에서, 600 ℃의 온도에서 적어도 0.6의 방사율(ε)을 그리고 1,000 ℃의 온도에서 적어도 0.7의 방사율(ε)을 달성하는 양으로 매립되어 있는 것을 특징으로 하는 적외선 가열 유닛.
  5. 제4항에 있어서, 가열 기재(9)의 중량에 대한 실리콘의 양은 0.1 내지 5 중량%의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 적외선 가열 유닛.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인쇄 전도체(11)는 번인(burn-in)된 후막 층으로서 그리고 상기 접촉 표면(13)을 덮는 라인 패턴으로서 제공되어, 대체로 적어도 1 mm, 바람직하게는 적어도 2 mm의 개재 공간이 인쇄 전도체의 인접한 섹션들 사이에 유지되는 것을 특징으로 하는 적외선 가열 유닛.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 접촉 표면(13)은 다공성 석영 유리로 이루어진 커버 층(12)에 의해 적어도 부분적으로 덮이는 것을 특징으로 하는 적외선 가열 유닛.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 기재(9)는 플레이트 형상이고 5 mm 미만의 플레이트 두께를 갖도록 제공되는 것을 특징으로 하는 적외선 가열 유닛.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공정 공간(3)을 통해 가열 물품(5)을 운반하는 운반 설비(4)가 제공되고, 이 운반 설비는 공정 공간(3)을 통해 연장되고 석영 유리로 제조된 지지 요소(4.2)를 포함하며, 상기 지지 요소 상에 가열 물품이 지지되는 것을 특징으로 하는 적외선 가열 유닛.
  10. 제9항에 있어서, 상기 운반 설비(4)는 서로 평행하게 그리고 서로 일정 거리를 두고 연장되는 2개의 연속 운반 벨트(4.1)를 포함하고, 상기 지지 요소는 운반 벨트(4.1) 사이의 거리에 걸쳐 있고 토크 방지 방식으로 운반 벨트(4.1)에 연결되는 석영 유리 실린더(4.2)의 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는 적외선 가열 유닛.
  11. 제10항에 있어서, 상기 석영 유리 실린더(4.2)는 불투명한 석영 유리로 이루어진 코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 가열 유닛.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노 라이닝은 적어도 하나의 가열된 면을 포함하고, 상기 가열 설비는 가열된 면(heated side)당 100 kW/m2를 초과하는 범위의 표면적 당 전체 출력 밀도를 발생시키도록 설계되는 것을 특징으로 하는 적외선 가열 유닛.
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