KR20190032499A - 적외선 패널 라디에이터 및 적외선 패널 라디에이터의 제조 방법 - Google Patents
적외선 패널 라디에이터 및 적외선 패널 라디에이터의 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
전기 절연 재료로 이루어진 기판을 구비하며, 이 기판의 표면에 전기 전도성을 가지며 전류가 흐르는 경우에 열을 발생시키는 저항기 재료로 이루어진 인쇄 전도체가 부착되어 있는 적외선 패널 라디에이터의 제조 방법을 제공하며, 이 방법은,
(a) 상기 기판을 제공하는 단계; 및
(b) 기판의 표면에 인쇄 전도체를 부착하는 단계를 포함한다.
단위 면적당 높은 복사선 출력의 균질한 복사선 방사를 보이는 적외선 패널 라디에이터의 제조를 위한 간단하면서도 저렴한 방법을 안출하기 위해, 본 발명은, 단계 (a)에 따라, 비정질 매트릭스 성분과 반도체 재료 형태의 추가적 성분을 포함한 복합재로 제조된 기판을 제공하며, 인쇄 전도체는 일정한 기하학적 형상을 갖는 형상 부품으로서 제공되어, 단계 (b)에 따라 상기 인쇄 전도체와 상기 기판이 서로 영구적으로 연결되도록 상기 기판의 표면에 적절하게 부착된다는 점을 제안한다.
(a) 상기 기판을 제공하는 단계; 및
(b) 기판의 표면에 인쇄 전도체를 부착하는 단계를 포함한다.
단위 면적당 높은 복사선 출력의 균질한 복사선 방사를 보이는 적외선 패널 라디에이터의 제조를 위한 간단하면서도 저렴한 방법을 안출하기 위해, 본 발명은, 단계 (a)에 따라, 비정질 매트릭스 성분과 반도체 재료 형태의 추가적 성분을 포함한 복합재로 제조된 기판을 제공하며, 인쇄 전도체는 일정한 기하학적 형상을 갖는 형상 부품으로서 제공되어, 단계 (b)에 따라 상기 인쇄 전도체와 상기 기판이 서로 영구적으로 연결되도록 상기 기판의 표면에 적절하게 부착된다는 점을 제안한다.
Description
본 발명은, 전기 절연 재료로 이루어진 기판을 구비하며, 이 기판의 표면에 전기 전도성을 가지며 전류가 흐르는 경우에 열을 발생시키는 저항기 재료로 이루어진 인쇄 전도체가 부착되어 있는 적외선 패널 라디에이터의 제조 방법으로서,
(a) 기판을 제공하는 단계; 및
(b) 기판의 표면에 인쇄 전도체를 부착하는 단계를 포함하는 제조 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 전기 절연 재료로 이루어진 기판을 구비하며, 이 기판의 표면에 전기 전도성을 가지며 전류가 흐르는 경우에 열을 발생시키는 저항기 재료로 이루어진 인쇄 전도체가 부착되어 있는 적외선 패널 라디에이터에 관한 것이다.
본 발명의 범위 내에서 적외선 패널 라디에이터는 2차원 또는 3차원 방사 특성을 갖는데, 그 라디에이터들은 예를 들면 플라스틱 재료의 폴리머화, 래커의 경화, 또는 피가열 제품 상의 페인트의 경화에 이용될 뿐만 아니라, 반도체 또는 광전지 산업에서 열처리에도 이용된다.
그러한 특별한, 특히 2차원 방사 특성으로 인해, 본 발명의 적외선 방사체는, 가열될 피가열 제품의 표면의 기하학적 형상에 맞추기가 특히 용이하여, 2차원 또는 3차원 구조를 갖는 피가열 제품의 표면의 균질한 조사를 실현 가능하게 한다.
저항기 재료로 이루어진 전기 저항기 요소가 적외선 패널 라디에이터의 실제 가열 요소인 적외선 패널 라디에이터와는 달리, 본 발명에 따른 적외선 패널 라디에이터의 저항기 요소는 이하에서 "기판"으로서 지칭하는 다른 구성 요소를 가열하는 데에 이용된다. 전기 저항기 요소로부터 기판으로의 열전달은 열의 전도, 대류 및/또는 복사에 기초할 수 있다.
공지의 적외선 패널 라디에이터는 흔히 석영 유리로 이루어진 실린더형 방사체 튜브를 갖는 복수의 적외선 방사체를 포함한다. 이러한 패널 라디에이터에서, 방사체 튜브는 그 종방향 축선이 소정 평면 내에서 서로 평행하게 연장하도록 적절히 배치되어, 조사될 피가열 제품의 기하학적 형상에 그 기하학적 형상이 맞춰질 수 있는 2차원 램프 배열이 얻어진다. 통상적으로, 코일형 저항기 와이어가 방사체 튜브 내에 그 방사체 튜브와 접촉하지 않거나 본질적으로 접촉하지 않게 배치된다. 저항기 와이어로부터 방사체 튜브로의 열전달은 본질적으로 열복사에 의해 이루어진다.
게다가, 가열 요소가 지지체(기판)에 바로 적용된 적외선 패널 라디에이터가 공지되어 있다. 그 기판은 다양한 특별한 형상을 가질 수 있는데, 예를 들면 플레이트형, 타일형, 평면형, 튜브형, 다면체형으로 구성될 수 있다. 그러한 방사체의 가열 요소는, 인쇄 전도체로부터 지지체로의 열전달이 주로 열전도에 의해 이루어지도록 지지체와 직접 접촉한다.
전기 저항기 요소가 석영 유리로 이루어진 기판에 직접 접촉하는 그러한 형태의 적외선 패널 라디에이터가 WO 1999/025154 A1로부터 공지되어 있다. 저항기 요소는 예를 들면 사행형 형상을 가지며, 필름, 스크린 인쇄 또는 박층 인쇄 기법에 의해 기판 표면에 도포된 후에 소성(burning in)된다. 이러한 맥락에서, 인쇄 전도체는, 저항기 요소로부터 석영 유리로의 열전달이 열전도와 대류에 의해 주로 이루어지도록 석영 유리 기판과 2차원적으로 직접 접촉하여, 출력 효율에 긍정적인 영향을 가질 수 있다.
석영 유리로 이루어진 기판은 양호한 내부식성, 내온성 및 온도 사이클링 저항(temperature cycling resistance)을 가지며, 높은 순도로 입수 가능하다. 따라서, 적외선 방사체를 위한 기판 재료로서 순도 및 불활성에 관한 요구조건이 엄격한 고온 가열 프로세스에 대해서도 꽤 적합하다. 하지만, 근본적으로, 석영 유리는 비교적 낮은 열전도도를 가지며, 심지어는 단열재로서도 이용된다. 따라서, 기판 벽이 얇다면, 불균일한 열 분포의 우려가 있고, 극단적인 경우에는 그 기판의 반대측에서 전기 저항기 요소의 향상을 반영한 패턴으로서 눈에 띌 수도 있다. 이는 비록 비용이 많이 들긴 하지만 인쇄 전도체의 높은 점유 밀도에 의해서만 상쇄될 수 있다. 기판 벽이 두껍다면, 전력 효율과 응답 시간이 나빠진다(이는 기판의 신속한 가열 및 냉각이 필요할 때에 신속한 온도 변화가 불가능하다는 점을 의미한다).
기판에 적용된 인쇄 전도체는 통상 작은 단면적을 가져, 제조하는 데에 비용이 많이 들고 기계적 응력에 대해 단지 낮은 내성만을 갖는다. 그 결과, 제조 프로세스 중에 불량 인쇄 전도체가 기판에 도포될 수 있다. 기판에 불량 인쇄 전도체의 도포는 많은 양의 스크랩과 높은 제조비용을 수반한다.
이는 특히 인쇄 기법에 의해, 예를 들면 스크린 인쇄 또는 잉크젯 인쇄에 의해 제조된 인쇄 전도체에 적용되는 데, 그러한 기법에서는 가열 요소에서의 있을 수 있는 불량이 인쇄 프로세스의 완료 후 이에 따라 기판에 대한 도포 후에나 검출될 수 있다. 게다가, 인쇄된 인쇄 전도체의 제조는, 인쇄에 이용되는 잉크가 흔히 귀금속, 예를 들면 백금, 금 또는 은을 높은 분율로 함유하고 있기 때문에 비용 집약적이다.
인쇄된 인쇄 전도체를 플라스틱 필름에 도포하는 것이 통상적이다. 하지만, 플라스틱 재료에 도포된 인쇄 전도체는, 플라스틱 필름이 통상 제한된 내온성만을 갖고 있어 좁은 온도 범위에서만 이용될 수 있다는 점에서 적외선 패널 라디에이터의 제조에는 불리하다. 특히 가열 요소의 저항기 요소를 형성하는 인쇄 전도체의 경우에, 인쇄 전도체 필름의 사용은 불리한 것으로 입증되었다.
따라서, 본 발명은, 단위 면적당 높은 복사선 출력의 균질한 복사선 방사를 보이는 적외선 패널 라디에이터의 제조를 위한 간단하면서도 저렴한 방법을 제공한다는 과제에 기초한다.
본 발명은 또한 단위 면적당 높은 복사선 출력을 갖고 특히 얇은 기판 벽이 균일하게 가열될 수 있게 하는 적외선 패널 라디에이터를 제공한다는 과제에 기초한다.
적외선 방사체의 제조 방법과 관련하여, 상기한 과제는 전술한 형태의 방법에 기초하여 본 발명에 따라, 단계 (a)에 따라, 비정질 매트릭스 성분과 반도체 재료 형태의 추가적 성분을 포함한 복합재로 제조된 기판을 제공하며, 인쇄 전도체는 일정한 기하학적 형상을 갖는 형상 부품으로서 제공되어, 단계 (b)에 따라 인쇄 전도체와 기판이 서로 영구적으로 연결되도록 기판의 표면에 적절하게 부착된다는 점에서 충족된다.
본 발명의 기저 근거는, 첫 번째로 적외선 패널 라디에이터가 열 여기 가능 재료로 제조되고 두 번째로 인쇄 전도체가 반제품으로서 제공된다면, 예를 들면 150,000W/㎡보다 높은 복사선 출력 등의 높은 복사선 출력을 갖는 적외선 패널 라디에이터가 특히 용이하면서도 저렴하게 제조될 수 있다는 점이다.
일정한 기하학적 형상을 갖는 사전 제조된 형상 부품으로서 인쇄 전도체를 제공하면, 인쇄 전도체의 제조 중에 발생할 수 있는 제조상 실수를 조기에 인지할 수 있게 된다. 특히 인쇄 기법을 사용하여 제조되는 인쇄 전도체와는 달리, 인쇄 전도체 형상 부품들을 기판에 접합하는 단계 전에 그 기능적 능력에 대해 형상 부품들을 체크하는 것이 실현 가능하다. 예를 들면, 인쇄 전도체가 별개의 요소라면 그 인쇄 전도체에 전압을 인가하기가 용이하다. 이에 의해, 불량 인쇄 전도체는 제거될 수 있고, 이는 불량 전도체를 기판에 연결하기 전에 행해질 수 있어, 스크랩이 덜 생성되고 이에 따라 제조비용 또한 낮출 수 있다.
인쇄된 인쇄 전도체와 달리, 반제품 형태로 제공되는 사전 제조된 인쇄 전도체는, 비용 집약적 재료의 사용, 예를 들면 첫 번째로 흔히 백금 등의 귀금속을 높은 분율로 포함하고 두 번째로 잉크로서의 적합성에 대해 엄격한 요건을 충족해야 하는 고가의 인쇄 잉크의 사용이 사전에 행해질 수 있다는 점에서 또 다른 이점을 수반한다.
인쇄 전도체는 예를 들면 펀칭, 레이저 커팅 또는 주조 등의 다양한 제조 기법을 통해 제조될 수 있다. 바람직하게는, 형상 부품은 열적 분리 공정의 사용을 통해 또는 펀칭에 의해 금속 시트로부터 제조된다. 열적 분리 또는 펀칭 공정의 사용은, 인쇄 전도체가 대량으로 제조될 수 있게 하여, 재료 및 제조비용을 낮게 유지하는 데에 기여한다.
다양한 제조 기법이 이용될 수 있기 때문에, 인쇄 기법에 의해 처리하기가 곤란하거나 힘든 재료더라도 인쇄 전도체를 형성하도록 가공될 수 있다. 인쇄 전도체가 전기 전도성을 갖고 전류가 흐르는 경우에 열을 발생시키는 저항기 재료로 제조되기 때문에, 인쇄 전도체가 가열 요소로서 기능한다. 하지만, 높은 복사선 출력으로 2차원적으로 균일하게 방사하는 적외선 방사체는 인쇄 전도체가 기판에 연결된 후에나 얻어진다. 본 발명에 따르면, 인쇄 전도체는 기판의 표면에 형상 부품으로서 부착되고 기판에 영구적으로 연결된다. 이러한 맥락에서, 인쇄 전도체는 기계적 및 열적 수단 모두에 의해 또는 비전도성층에 의해 기판에 접합될 수 있다. 가장 간단한 경우에, 인쇄 전도체는 기판에 서로 느슨하게 접촉한 상태로 접합된다.
인쇄 전도체는 기판의 적어도 일부가 국부적으로 가열될 수 있게 하는 "로컬" 가열 요소로서 기능한다. 인쇄 전도체는 복합재로 제조된 기판의 일부를 가열하도록 적절히 치수 설정된다. 이러한 맥락에서, 인쇄 전도체에 의해 가열되는 부분이 실제 적외선 복사선 방사 요소이다. 기판과 접촉하는 인쇄 전도체가 기판 표면과 직접 접촉하기 때문에, 특히 컴팩트하고 이에 따라 저렴하게 제조된 적외선 패널 라디에이터가 얻어진다.
전기 저항기 요소로부터 지지대((support rack)로의 열전달은 주로 열전도에 의해 이루어지지만, 대류 및/또는 열복사에 의해 기초할 수도 있다.
기판이 비정질 매트릭스 성분과 반도체 재료 형태의 추가적 성분을 포함하기 때문에, 높은 복사선 출력으로의 적외선 복사선의 방사에 특히 유리한 고에너지 여기 상태를 취할 수 있는 기판이 얻어진다. 그 복합재의 조성은 복합재가 실제 적외선 복사선 방사 요소를 형성하도록 적절히 선택된다. 이와 관련하여, 복합재는 이하의 성분을 함유한다.
- 비정질 매트릭스 성분은 중량 및 부피의 측면에서 복합재에서의 가장 큰 분율을 차지한다. 그 매트릭스 성분은 복합재의 기계적 및 화학적 특성, 예를 들면 그 내온성, 강도, 부식 특성에 대해 중요하다. 매트릭스 성분이 비정질이기 때문에(바람직하게는 유리로 이루어짐), 기판의 형상을 적외선 방사체의 해당 용례에서의 기존의 요건에 결정질 재료로 이루어진 기판보다 더 용이하게 맞출 수 있다.
매트릭스 성분은 미도핑 또는 도핑 석영 유리로 이루어지고, 적용 가능하다면, SiO2 외에 산화물, 질화물 또는 탄화물 성분을 최대 10중량%의 양으로 함유할 수 있다.
- 게다가, 본 발명에 따르면, 반도체 재료 형태의 추가적 성분이 매트릭스 성분 내에 매립된다. 그 성분은 비정질 매트릭스 성분 내에 분산된 고유의 비정질 또는 결정질 상을 형성한다.
반도체는 ΔE≒3eV 이하의 폭을 갖는 금지대(forbidden band)에 의해 서로 떨어질 수 있는 원자가 전자대와 전도대를 포함한다. 금지대의 폭은 예를 들면 Ge의 경우 0.72eV, Si의 경우 1.12eV, InSb의 경우 0.26eV, GaSb의 경우 0.8eV, AlSb의 경우 1.6eV, CdS의 경우 2.5eV이다. 반도체의 전도도는 원자가 전자대로부터 얼마나 많은 전자가 금지대를 가로질러 전도대에 도달하는 지에 의존한다. 기본적으로, 상온에서 단지 수개의 전자만이 금지대를 가로질러 전도대에 도달하여, 반도체 재료는 상온에서 통상 단지 낮은 전도도를 갖는다. 하지만, 반도체의 전도도는 본질적으로 온도에 의존한다. 반도체 재료의 온도가 상승하면, 전자를 원자가 전자대로부터 전도대로 상승시킬 충분한 에너지가 존재할 가능성 역시 증가한다. 따라서, 반도체의 전도도는 온도의 상승에 따라 증가한다. 반도체 재료는 온도가 적절하다면 양호한 전기 전도도를 보인다.
추가적 성분은 균일하게 분포되거나 별개의 상으로서 특정적으로 불균일하게 분포된다. 추가적 성분은 기판의 광학적 및 열적 특성에 대해 중요한데, 보다 구체적으로, 780㎚ 내지 1㎜의 파장 범위를 갖는 적외선 스펙트럼 영역의 흡수를 초래한다. 추가적 성분은 그 스펙트럼 영역의 복사선의 적어도 일부분에 대해 매트릭스 재료보다 높은 흡수율을 보인다.
매트릭스 내에서 추가적 성분의 상 영역은 광학적 결함으로써 작용하여, 예를 들면 복합재가 그 층의 두께에 따라 상온에서 육안으로 볼 때 검은색 또는 검은 회색(grey-blackish)으로 보이게 한다. 게다가, 그러한 결함은 열 흡수 효과도 갖는다.
복합재 내에 존재하는 추가적 성분의 종류 및 양은 바람직하게는 600℃의 복합재에서 2㎛ 내지 8㎛의 파장에 대해 적어도 0.6의 방사율 ε를 초래하도록 하는 것이 적절하다.
특히 높은 방사율은, 추가적 성분이 추가적 성분 상으로서 존재하고 20㎛ 미만, 바람직하게는 3㎛ 미만의 최대 평균 치수를 갖는 비구형 모폴로지(morphology)를 포함한다면 얻어질 수 있다.
이러한 맥락에서, 추가적 성분의 비구형 모폴로지는 또한 복합재의 높은 기계적 강도와 낮은 크랙 형성 경향에도 기여한다. 여기서, "최대 치수"란 용어는 현미경 사진에서 볼 수 있는 바와 같은 추가적 성분 상의 고립 영역의 최장 치수를 가리킨다. 상기한 평균은 현미경 사진에서 모든 최장 치수들의 중간값이다.
열 복사선의 Kirchhoff 법칙에 따르면, 열평형 상태에서 실체(real body)의 흡수율 αγ와 방사율 εγ는 동일하다.
αγ = εγ (1)
따라서, 추가적 성분은 기판 재료에 의한 적외선 복사선의 방사를 야기한다. 방사율 εγ는 스펙트럼 반구 반사율 Rgh와 투과율 Tgh를 알고 있다면 다음과 같이 계산할 수 있다.
εγ = 1-Rgh - Tgh (2)
이러한 맥락에서, "방사율(emissivity)"는 "스펙트럼 정상 방사율(spectral normal degree of emission)"인 것으로 이해해야 할 것이다. 이는 "Black-Body Boundary Conditions"(BBC)라는 명칭으로 알려져 있고 "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))로 발행된 측정 원리에 의해 결정된다.
추가적 성분이 없는 경우와 비교해, 비정질 매트릭스 성분은 복합재 내에서, 즉 추가적 성분과 조합되어 더 높은 열복사선 흡수율을 갖는다. 이는 인쇄 전도체로부터 기판으로의 개선된 열 전도도, 열의 보다 신속한 분배, 및 기판을 향한 보다 높은 방사율을 가져온다. 이에 의해, 얇은 기판 벽 및/또는 비교적 낮은 인쇄 전도체 점유 밀도에 대해서도 단위 면적당 보다 높은 복사선 출력을 제공하고 균질한 방사 및 균일한 온도 장을 생성하는 것이 실현 가능하다. 얇은 벽 두께를 갖는 기판은 열 질량이 낮아 신속한 온도 변화가 가능하다. 이를 위해 냉각이 요구되지 않는다.
본 발명에 따른 방법의 특히 바람직한 실시예에서, 추가적 성분의 종류 및 양은 1,000℃의 온도의 복합재에서 2㎛ 내지 8㎛의 파장에 대해 적어도 0.75의 방사율 ε를 초래하도록 존재한다.
따라서, 그 복합재는 2㎛ 내지 8㎛의 열 복사선에 대해, 즉 적외선 복사선의 파장 범위에서 높은 흡수 및 방사 파워를 갖는다. 이는, 투과가 무시할 정도로 작다는 가정 하에 2㎛ 내지 8㎛의 파장에 대해 얻어지는 반사율은 1,000℃ 이상의 온도에서 최대 0.25, 그리고 600℃ 이상의 온도에서 최대 0.4이도록 복합재의 표면에서의 반사를 감소시킨다. 따라서, 반사된 열 복사선에 의한 재현 불가능한 가열이 방지되어, 균일한 또는 원하는 불균일한 온도 분포에 기여한다.
인쇄 전도체와 기판의 연결을 접합 공정, 바람직하게는 기계적 접합, 접착 또는 용접에 의해 생성하는 것이 유리한 것으로 입증되었다.
접합 공정은 적어도 2개의 구성 요소의 영구적 연결을 달성한다. 이러한 맥락에서, 구성 요소들 간의 연결은 적어도 개별 접합 부위에서 생성될 수 있다. 본 발명에 따르면, 인쇄 전도체는 형상 부품으로서 존재하며, 이는 일정한 기하학적 형상을 가짐을 의미한다. 기판은 일정한 형상으로서 존재하거나 인쇄 전도체와 기판이 접합될 때에 무형의 물질로서 존재할 수 있다. 바람직하게는, 기판도 일정한 기하학적 형상으로 존재한다. 이에 의해, 기판 상에서의 인쇄 전도체의 위치 설정이 특히 간단해 진다.
유리하게는, 인쇄 전도체와 기판은 기계적 접합, 접착, 납땜, 또는 용접에 의해 서로 연결될 수 있다. 기계적 접합과 관련하여, 압입 작업이 특히 유리한 것으로 입증되었다. 이를 위해, 기판에는 인쇄 전도체의 형상에 상응하는 함몰부, 예를 들면 인쇄 전도체가 압입될 홈이 마련될 수 있다.
대안적으로, 유리 기판이 유리 땜납에 의해 인쇄 전도체에 연결될 수 있다. 유리 땜납은 특히 낮은 연화 온도를 갖는 것을 특징으로 하여, 그 땜납들은 유리에 대한 재료의 열 생성 연결부를 생성하는 데에 이용될 수 있다. 그 제조 공정은 금속의 납땜과 유사하지만, 유리 땜납 연결은 계통적으로는 접착 연결로서 분류된다. 접착 연결은 생성하기 특히 용이하다는 점에서 유리하다. 게다가, 접착제의 특성은 연결될 재료의 재료 특성에 부합하도록 조절될 수 있다. 예를 들면, 접착제(유리 땜납)의 열팽창계수가 인쇄 전도체의 열팽창계수와 기판의 열팽창계수 사이에 있도록 적절히 선택된다.
용접 연결은 인쇄 전도체와 기판에 에너지를 도입함으로써 생성된다. 그 프로세스에서, 인쇄 전도체와 기판 모두가 적어도 부분적으로 용융되고 그 용융된 영역이 냉각될 때에 서로 연결된다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 수정예에서는 비전도성층에 의해 기판에 연결되는 인쇄 전도체를 제공한다.
비전도성층은 전기 절연체로서 기능하여, 인쇄 전도체에 의해 생성된 열을 기판에 전달할 수는 있지만, 열을 거의 생성할 수 없다. 따라서, 비전도성층은 기판의 가열에 거의 기여하지 않는다. 에너지의 주된 입력은 인쇄 전도체에 의해 이루어져, 인쇄 전도체의 기하학적 형상이 첫 번째로 열적으로 여기될 기판의 영역을 획정하고 두 번째로 기판 내에 입력되는 열의 크기를 결정하도록 된다. 따라서, 비전도성층의 층 두께에서의 편차, 특히 기판에 대한 비전도성층의 불균일(어쩌면 단지 부분적인) 도포가 기판 내로의 열 입력과 기판 온도 분포에 상당한 영향을 미치진 않는다.
탄화규소(SiC), 이규화 몰리브덴(MoSi2), 탄탈(Ta) 또는 내고온 강으로 이루어진 금속 시트를 이용하여 형상 부품을 제조하는 것이 유리한 것으로 입증되었다.
상기한 재료들은, 즉 탄화규소(SiC), 이규화 몰리브덴(MoSi2), 탄탈(Ta) 또는 내고온 강은 예를 들면 금, 백금 또는 은 등의 귀금속에 비해 저렴하다. 게다가, 상기한 재료들은 큰 노력을 들여야만 인쇄 프로세스에서 처리될 수 있지만, 적외선 패널 라디에이터의 제조에 반제품으로서 이용될 수 있는 형상체로는 용이하게 재성형될 수 있다. 게다가, 그 재료들은, 공기에 대해 내산화성이 있어 인쇄 전도체를 보호하기 위해 인쇄 전도체를 덮는 추가적 층(커버층)을 반드시 필요로 하게 하지 않는다는 점에서 유리하다.
하지만, 불투명 석영 유리로 제조된 커버층을 제공하는 것이 유리한 것으로 입증되었다. 이러한 형태의 커버층은 확산 반사기로서 기능하는 동시에 인쇄 전도체를 보호하고 안정시킨다. 불투명 석영 유리로 이루어진 그러한 형태의 커버층의 제조는 예를 들면 WO 2006/021416 A1에 개시되어 있다. 그 커버층은 액체에 비정질 SiO2 입자를 함유한 분산물로 생성된다. 그 분산물은 인쇄 전도체를 향한 기판 표면에 도포되고 건조되어, 그린 층(green layer)을 형성하고, 이 그린 층은 고온에서 소결된다.
유리하게는, 형상 부품은 나선형 또는 사행형 라인 패턴을 갖는 섹션을 포함한다. 이에 의해, 단일 인쇄 전도체에 의한 기판 표면의 균일한 커버가 실현될 수 있다. 단일 인쇄 전도체는 전류 소스에 연결하고 그로부터 트리거되기가 특히 쉽다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 수정예에서, 단계 (b)에 따른 기판의 표면에 대한 인쇄 전도체의 부착에 선행하여, 형상 부품의 단부에, 라인 패턴의 단면적보다 큰 단면적을 갖는 전도성 트랙을 마련한다.
바람직하게는, 그 라인 패턴은 평면 내에서 연장한다. 인쇄 전도체의 전기적 접촉을 단순화시키기 위해, 인쇄 전도체가 가열 영역에서보다 전기 접촉 영역에서 더 낮은 온도를 갖도록 하는 것이 유리한 것으로 입증되었다. 이를 실현하기 위해, 인쇄 전도체에는 인쇄 전도체보다 큰 단면적을 갖는 전도성 트랙이 마련될 수 있다. 보다 큰 단면적으로 인해, 전도성 트랙은 저항이 보다 낮고, 따라서 인쇄 전도체 자체보다 상당히 덜 강하게 가열된다.
인쇄 전도체와 전도성 트랙은 단일 부품 또는 복수의 부품으로서 제공되는 유닛을 형성할 수 있다. 인쇄 전도체와 전도성 트랙의 단일 부품 유닛은 단일 프로세스 단계에서, 예를 들면 금속 시트로부터 펀칭함으로써 또는 레이저 커팅에 의해 제조될 수 있다. 이 경우, 예를 들면 전도성 트랙은 금속 시트의 주어진 두께에서 인쇄 전도체보다 큰 폭을 갖는다. 대안적으로, 인쇄 전도체와 전도성 트랙을 기판의 표면에 단일 유닛으로서 부착하기 전에 추가적 프로세스 단계에서 연결하는 것도 역시 실현 가능하다. 예를 들면, 전도성 트랙과 인쇄 전도체는 서로 용접될 수 있다.
인쇄 전도체의 단부에 접점 요소를 마련하는 것이 유리한 것으로 입증되었다. 접점 요소는 인쇄 전도체의 전기적 접촉을 단순화시키는 기능을 하여, 이들은 바람직하게는 플러그 이음의 플러그 요소를 형성한다. 플러그 이음은 접점 요소를 전류 공급원에 분리 가능하게 연결하는 수단이다. 이에 의해, 인쇄 전도체는 도전에 대해, 특히 전류/전압 소스에 대해 분리 및 연결하기가 특히 용이하다.
이러한 맥락에서, 전도성 트랙과 인쇄 전도체를 동일 재료로 제조하는 것이 유리한 것으로 입증되었다.
전도성 트랙과 인쇄 전도체의 연결은 이들 두 구성 요소가 동일 재료로 제조된다면, 예를 들면 납땜에 의해 특히 용이하게 생성될 수 있다.
적외선 패널 라디에이터와 관련하여, 상기한 과제는 전술한 형태의 적외선 패널 라디에이터에 기초하여 본 발명에 따라, 기판이 비정질 매트릭스 성분과 반도체 재료 형태의 추가적 성분을 포함한 복합재로 제조되며, 인쇄 전도체는 일정한 기하학적 형상을 갖는 형상 부품으로서, 인쇄 전도체와 기판이 서로 영구적으로 연결되도록 기판의 표면에 적절하게 부착된다는 점에서 충족된다.
본 발명에 따른 적외선 패널 라디에이터는, 첫 번째로 열 용례를 위한 재료로 이루어진 기판과, 두 번째로 기판에 연결되는 일정한 기하학적 형상을 갖는 인쇄 전도체를 포함한다.
인쇄 전도체가 일정한 기하학적 형상을 갖는 형상 부품이기 때문에, 특히 높은 기계적 안정성을 갖고 또한 높은 정밀도로 제조될 수 있다.
인쇄된 인쇄 전도체와 달리, 반제품 형태로 제공되는 사전 제조된 인쇄 전도체는, 비용 집약적 재료의 사용, 예를 들면 첫 번째로 흔히 백금 등의 귀금속을 높은 분율로 포함하고 두 번째로 잉크로서의 적합성에 대해 엄격한 요건을 충족해야 하는 고가의 인쇄 잉크의 사용이 사전에 행해질 수 있다는 점에서 또 다른 이점을 수반한다.
인쇄 전도체는 예를 들면 펀칭, 레이저 커팅 또는 주조 등의 다양한 제조 기법을 통해 제조될 수 있다. 기판과 조합되어, 인쇄 전도체는, 2차원적으로 균일하게 방사하는 적외선 방사체를 형성하며, 이는 기판의 적어도 일부분가 국부적으로 가열될 수 있게 하는 "로컬" 가열 요소로서 기능한다. 인쇄 전도체는, 특별한 재료, 즉 비정질 매트릭스 성분과 반도체 재료 형태의 추가적 성분을 포함한 복합재로 제조되는 기판의 일부를 가열하도록 적절히 치수 설정된다. 그 복합재가 실제 적외선 방사 요소이다. 기판이 비정질 매트릭스 성분과 반도체 재료 형태의 추가적 성분을 포함하기 때문에, 적외선 복사선의 방사에 특히 유리한 고에너지 여기 상태를 취할 수 있는 기판이 얻어진다. 복합재의 조성과 관련하여, 본 발명에 따른 방법과 관련하여 상기한 설명을 참조할 것이다.
본 발명에 따른 적외선 패널 라디에이터의 바람직한 실시예는, 각각 전기적으로 개별적으로 트리거될 수 있는 일정한 기하학적 형상을 갖는 복수의 인쇄 전도체를 기판에 부착하도록 제공된다.
복수의 인쇄 전도체의 제공은, 적외선 패널 라디에이터에 의해 달성될 수 있는 조사 강도의 개별적 트리거링 및 적응을 실현할 수 있다. 한편, 기판의 복사선 출력은 인쇄 전도체의 인접하는 섹션들 간의 거리를 적절히 선택함으로써 조절될 수 있다. 이러한 맥락에서, 기판의 섹션들은 상이한 조사 강도로 적외선 복사선을 방사하도록 상이한 정도로 가열된다.
대안적으로, 인쇄 전도체들은 상이한 작동 전압 또는 작동 전류를 통해 작동시키도록 개별적으로 전기적으로 제어될 수도 있다. 특히 기판의 가장자리 영역이 흔히 기판의 중간 영역보다 덜 강력하게 가열되는 것으로 드러났다. 한 가지 가능한 이유는, 가장자리 영역이 예를 들면 적외선 패널 라디에이터의 중간 영역보다 빨리 냉각되도록 가장자리 영역에서 그 주변에 대한 온도 구배가 더 크기 때문이다. 각 인쇄 전도체에 인가되는 작동 전압 및/또는 작동 전류의 편차는 기판의 온도 분포를 용이하면서 신속하게 조절할 수 있게 한다.
비정질 매트릭스 성분이 석영 유리이고 반도체 재료가 원소 형태로 존재하며, 그 반도체 재료의 중량 분율이 0.1% 내지 5% 범위인 것이 유리한 것으로 입증되었다.
이러한 맥락에서, 비정질 매트릭스 성분과 추가적 성분은 600℃ 미만의 온도에서 전기 절연 특성을 갖는 것이 유리한 것으로 입증되었다.
석영 유리는 전기 절연체이며, 강도가 높을 뿐만 아니라, 내부식성, 내온성 및 온도 사이클 저항성이 양호하고, 고순도로 입수 가능하다. 따라서, 1,100℃에 이르는 온도의 고온 가열 프로세스에서도 가능한 매트릭스 재료이다. 냉각이 요구되지 않는다.
매트릭스 내에서 반도체 상의 미세 입자 영역은 광학적 결함으로써 작용하여, 예를 들면 복합재가 그 층의 두께에 따라 상온에서 육안으로 볼 때 검은색 또는 검은 회색(grey-blackish)으로 보이게 한다. 한편, 그 결함은 복합재의 전체 열 흡수율에도 영향을 미친다. 이는, 한편으로는 원자가 전자대와 전도대 간에 에너지(밴드갭 에너지)가 온도에 따라 감소하고, 다른 한편으로는 활성화 에너지가 충분히 높다면 전자가 원자가 전자대에서 전도대로 상승하고, 이는 흡수 효율에 있어서의 뚜렷한 증가를 수반한다는 취지에서, 원소 형태로 존재하는 반도체의 미세 분포 상의 특성에 기인한다. 전도대의 열적 활성화 점유는 반도체 재료가 특정 파장(예를 들면, 1,000㎚부터)에 대해 상온에서 소정 정도로 투명하고 고온에서는 불투명하게 한다.
따라서, 흡수율과 방사율은 복합재의 온도의 증가에 따라 극적으로 증가할 수 있다. 이러한 효과는 무엇보다도 반도체의 구조(비정질/결정질) 및 그 도핑에 의존한다.
바라직하게는, 추가적 성분은 원소 규소이다. 예를 들면, 순수 규소는 약 600℃부터 방사율에서 현저한 증가를 보이며, 약 1,000℃에서 포화 상태에 도달한다.
따라서, 반도체 재료, 특히 바람직하게 이용되는 원소 규소는 유리질 매트릭스 재료를 상온에서는 물론 600℃ 이상의 고온에서 검게 만든다. 그 결과, 고온에서 높은 광대역 방사의 측면에서 양호한 방사 특성이 달성된다. 이러한 맥락에서, 반도체 재료, 바람직하게는 원소 규소는 매트릭스 내에 분산된 그 자신의 Si 상을 형성한다. 이는 복수의 반금속 또는 금속을 함유할 수 있으며(하지만, 금속들은 각각 추가적 성분의 중량 분율에 대해 최대 50중량% 이하, 보다 양호하게는 20중량% 이하), 이에 의해 복합재는 개기공률은 보이지 않았고 기껏해야 최대 0.5% 미만의 폐기공율과 적어도 2.9g/㎤의 비밀도(specific density)를 갖는다. 따라서, 이는 지지대에 특히 적합하며, 이와 관련하여, 지지대를 제조하는 재료의 순도 및 기밀성이 절대적으로 필요하다.
복합재의 열 흡수는 추가적 성분의 분율에 의존한다. 따라서, 추가적 성분의 중량 분율은 적어도 0.1%가 바람직하다. 한편, 추가적 성분의 부피 분율이 높다면, 매트릭스의 화학적 및 기계적 특성에 역효과를 가질 수도 있다. 이를 고려하면, 추가적 성분의 중량 분율은 바람직하게는 0.1 내지 5% 범위이다.
비정질 매트릭스 성분이 석영 유리이고 바람직하게는 SiO2가 적어도 99.99%이고 크리스토발라이트(cristobalite) 함유량이 최대 1%인 화학적 순도를 갖는 것이 특히 유리한 것으로 입증되었다. 매트릭스에서의 크리스토발라이트 함유량이 낮다는 것, 즉 1% 이하라는 것은, 실투(devitrification) 경향이 작고, 따라서, 적외선 패널 라디에이터로서의 사용 중에 크랙 형성의 우려가 낮아, 반도체 제조 프로세스에서 통상 명백한 입자의 부재, 순도 및 불활성에 관한 엄격한 요건을 충족하도록 보장한다.
본 발명을 이하에서 예시적인 실시예 및 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 개략적 도면에서,
도 1은 사전 제조된 인쇄 전도체용 형성 부품이 기판 표면에 부착되어 있는 적외선 패널 라디에이터의 제1 실시예를 도시하며,
도 2는, 사전 제조된 인쇄 전도체가 형상 부품의 형태로 마련되어 기판의 표면에 연결되고 있는, 적외선 패널 라디에이터의 제조를 위한 본 발명에 따른 방법의 실시예를 도시하며,
도 3은, 인쇄 전도체가 차지한 표면에 유리층이 도포되어 있는, 본 발명에 따른 적외선 패널 라디에이터의 제2 실시예의 측면도를 도시하며,
도 4는, 인쇄 전도체가 유리 땜납에 의해 기판 표면에 연결된, 본 발명에 따른 적외선 패널 라디에이터의 제3 실시예의 측면도를 도시하며,
도 5는, 인쇄 전도체와 기판이 압입 공정에 의한 기계적 수단에 의해 서로 연결된, 본 발명에 따른 적외선 패널 라디에이터의 제4 실시예의 측면도를 도시한다.
도 1은 사전 제조된 인쇄 전도체용 형성 부품이 기판 표면에 부착되어 있는 적외선 패널 라디에이터의 제1 실시예를 도시하며,
도 2는, 사전 제조된 인쇄 전도체가 형상 부품의 형태로 마련되어 기판의 표면에 연결되고 있는, 적외선 패널 라디에이터의 제조를 위한 본 발명에 따른 방법의 실시예를 도시하며,
도 3은, 인쇄 전도체가 차지한 표면에 유리층이 도포되어 있는, 본 발명에 따른 적외선 패널 라디에이터의 제2 실시예의 측면도를 도시하며,
도 4는, 인쇄 전도체가 유리 땜납에 의해 기판 표면에 연결된, 본 발명에 따른 적외선 패널 라디에이터의 제3 실시예의 측면도를 도시하며,
도 5는, 인쇄 전도체와 기판이 압입 공정에 의한 기계적 수단에 의해 서로 연결된, 본 발명에 따른 적외선 패널 라디에이터의 제4 실시예의 측면도를 도시한다.
도 1은 전체적으로 도면 부호 100으로 나타낸 본 발명에 따른 적외선 패널 라디에이터의 제1 실시예를 도시한다. 적외선 패널 라디에이터(100)는, 플레이트형 기판(101), 인쇄 전도체(102) 및 이 인쇄 전도체(102)의 전기적 접촉을 위한 2개의 전도성 트랙(103a, 130b)을 포함한다.
플레이트형 기판(101)은 석영 유리 형태의 비정질 매트릭스 성분을 포함한다. 이 매트릭스 성분 내에 원소 규소의 상이 비구형 영역의 형태로 균일하게 분포된다. 플레이트형 기판(101)은 100㎜의 길이 l, 100㎜의 폭 b 및 2㎜의 두께를 갖는다.
인쇄 전도체(102)는 단일 부품으로부터 형성되며, 플레이트형 기판(101) 상에 배치하기에 용이한 평면형이고 면적을 갖는 3차원 형상 부품을 형성한다. 인쇄 전도체(102)는 고내온성 강(2.4816)으로 제조되며, 강 플레이트로부터 펀칭에 의해 생성된다. 인쇄 전도체(102)의 각 단부는, 인쇄 전도체(102)와 함께 강 플레이트로부터 펀칭되어 그 상에 배치된 전도성 트랙(103a, 130b)을 구비한다. 본 발명에 따른 적외선 방사체의 대안적인 개선예에서(도 1에서는 도시 생략), 전도성 트랙(103a, 130b)은 인쇄 전도체(102)의 단부에 용접된다. 용접된 전도성 트랙을 갖는 적외선 패널 라디에이터의 제조 프로세스는 이하에서 도 2에 기초하여 보다 상사하게 설명한다.
도 1에서와 동일한 도면 부호가 다른 도면에 도시한 실시예들에서 사용되는 한, 그 도면 부호들은 본 발명에 따른 적외선 패널 라디에이터의 제1 실시예의 설명에 의해 앞서 보다 상세하게 설명한 바와 구조에서 동일하거나 등가의 구성 요소 또는 부품들을 가리킨다.
도 2에 기초하여, 적외선 패널 라디에이터(100)를 제조하는 본 발명의 방법을 일례로서 보다 상세하게 설명한다.
기판(101)(반제품 1)의 제조
그 제조는 WO 2015/067 688 A1에 기재된 바와 같은 슬러리 주조 공정에 따라 이루어진다. 비정질 석영 유리 입자를 미리 고온 염소 처리 공정에서 정제하여, 그 크리스토발라이트 함유량이 1중량% 이하로 되도록 보장한다. 250㎛ 내지 650㎛ 범위의 입자 사이즈를 갖는 석영 유리 입자를 탈이온수를 이용하여 습식 분쇄하여, 78%의 고상분 함유량을 갖는 균질한 기본 슬러리를 형성한다.
이어서, 분쇄용 비드를 기본 슬러리로부터 제거하고 규소 분말을 83중량%의 고상분 함유량에 도달할 때까지 추가한다. 규소 분말은, D97 값이 대략 10㎛이고 2㎛ 미만의 미세 입자 분획은 미리 제거한 좁은 입자 사이즈를 갖는 비구형 분말 입자를 함유한다.
규소 분말이 채워진 슬러리는 12시간 동안 더 균질화된다. 규소 분말은 총 고상분 함유량의 5%의 중량 분율을 차지한다. 미리 균질화된 슬러리 내의 SiO2 입자는 약 8㎛의 D50 값과 약 40㎛의 D90 값을 특징으로 하는 입자 크기 분포를 갖는다.
그 슬러리는 상업용 다이캐스팅 기계의 다이에서 주조하고 다공성 플라스틱 맴브레인을 이용하여 탈수하여 다공성 그린 바디를 형성한다. 그 그린 바디는 직사각형 플레이트의 형상을 갖는다. 결합수를 제거하기 위해, 그린 바디는 폭기식 로(aerated furnace) 내에서 5일 동안 대략 90℃에서 건조한다. 냉각 후에, 이렇게 얻어진 다공성 블랭크는 4㎜의 플레이트 두께를 갖는 제조될 석영 유리 플레이트의 최종 치수에 근사하도록 기계 가공한다. 소결을 위해, 그 블랭크를 공기의 존재 하에서 소결로 내에서 1390℃의 가열 온도로 1시간에 걸쳐 가열하고 그 온도로 5시간 동안 유지한다.
이렇게 얻어진 석영 유리 플레이트가 기판(101)이다. 그 기판은, 서로 떨어져 있고 그 사이즈 및 모폴로지가 그 프로세스에 이용된 Si 분말에 본질적으로 상응하는 원소 Si 상의 비구형 영역이 불투명 석영 유리로 이루어진 매트릭스 내에 균질하게 분포되어 있는, 2.1958g/㎤의 밀도를 갖는 기밀 복합재로 이루어진다. 그 최대 평균 치수(중간값)는 약 1㎛ 내지 10㎛ 범위이다. 그 매트릭스는 육안으로 반투명 내지 투명으로 보인다. 현미경 검사 시에, 개기공은 보이지 않으며, 기껏해야 10㎛ 미만의 최대 평균 치수를 갖는 폐기공을 보였고, 그 밀도에 기초한 기공율은 0.37 %이다. 그 복합재는 대략 1,150℃의 온도에 이르기까지 공기 중에 안정하다.
인쇄 전도체(102)(반제품 2)의 제조
인쇄 전도체(102)를 제조하기 위해, 인쇄 전도체를 형성하도록 의도된 형상 부품을 두께 0.2㎜ 폭 500㎜ 및 길이 2000㎜의 탄탈 시트로부터 펀칭한다. 펀치 형태의 펀칭 툴이 펀칭에 이용되며, 이에 의해 편평한 기재가 그 카운터파트로서 이용된다. 펀칭된 인쇄 전도체(102)는 사행형 라인 프로파일을 갖고 있고, 하나의 평면 내에서 서로 인접하게 위치한 2개의 사행형 구조를 포함한다. 도 2-I는 펀칭된 인쇄 전도체(102)를 도시한다. 그 인쇄 전도체(102)는 60㎜의 길이와 60㎜의 폭에 걸쳐 연장한다.
전도성 트랙(103a, 130b)에 대한 인쇄 전도체(102)의 용접
인쇄 전도체(102)는 완성된 적외선 패널 라디에이터(100)에서 방사체의 소위 "핫" 존을 형성한다. 인쇄 전도체(102)의 전기적 접촉을 위해 "콜드" 존이 필요하다. 도 2-II에 도시한 바와 같이, 이를 위해 전도성 트랙(103a, 130b)이 인쇄 전도체(102)의 단부들에 용접된다. 전도성 트랙(103a, 130b)들은 동일하도록 마련되는데, 40㎜의 길이, 5㎜의 폭 및 0.4㎜의 두께를 포함한다.
전도성 트랙(103a, 130b)이 마련된 인쇄 전도체(102)의 기판(101)에의 부착
도 2-III는 전도성 트랙(103a, 130b)이 마련된 인쇄 전도체(102)를 기판(101)에 부착하는 것을 도시한다. 먼저, 인쇄 전도체(102)가 기판(101)의 상면에 배치한다. 유리 땜납을 도포하고 그 연화 온도로 가열하여, 액체 유리 땜납이 인쇄 전도체(102)와 기판 표면을 폐쇄하게 한다. 유리 땜납의 소결 후, 인쇄 전도체(102)와 기판(101)은 유리 땜납 접합이 형성되고 있는 중에 냉각시킨다.
반사기 층의 적용(선택적)
이어서, 인쇄 전도체(102)가 부착된 기판(101)의 상면 및 그 인쇄 전도체(102)에 슬러리 층이 도포된다. 이 슬러리는, 전술한 형태의 기본 SiO2 슬러리(추가된 규소 분말이 없음)를, 균질하고 안정한 기본 슬러리에, 약 5㎛의 입자 사이즈를 갖는 구형 입자 형태의 비정질 SiO2 입자를 84중량%의 고형분 함량에 도달할 때까지 혼합함으로써 수정하여 얻어진다. 이 혼합물은 25rpm의 속도로 회전하는 텀블링 밀에서 12시간 동안 균질화된다. 이렇게 얻어진 슬러리는 84%의 고상분 함유량과 약 2.0g/㎤의 밀도를 갖는다. 석영 유리의 분쇄 후에 얻어진 슬러리 내의 SiO2 입자는 약 8㎛의 D50 값과 약 40㎛의 D90 값을 특징으로 하는 입자 크기 분포를 갖는다.
그 슬러리는 알코올로 미리 세정된 기판(101)의 상면에 수초 동안 분무된다. 그 결과, 약 2㎜의 두께를 갖는 균질한 슬러리층이 기판(101) 상에 형성된다. 건조된 슬러리는 크랙이 없고 2㎜ 미만의 작은 두께를 갖는다.
이어서, 건조된 슬러리층은 소결로 내에서 공기 중에 소결한다.
도 3은 전체적으로 도면 부호 300으로 나타낸 본 발명에 따른 적외선 패널 라디에이터의 제2 실시예의 측면도를 도시한다. 적외선 라디에이터(300)는 플레이트형 기판(301), 인쇄 전도체(302) 및 커버층(303)을 포함한다.
플레이트형 기판(301)은 직사각형 형상을 하며, 그 플레이트 두께가 2.5㎜이다. 그 기판은 석영 유리로 이루어진 매트릭스를 갖는 복합재로 이루어진다. 그 매트릭스는 육안으로 반투명 내지 투명으로 보인다. 현미경 검사 시에, 개기공은 보이지 않으며, 기껏해야 10㎛ 미만의 최대 평균 치수를 갖는 폐기공을 보인다. 원소 규소의 상이 매트릭스 내에 비구형 영역의 형태로 균일하게 분포된다. 그 영역은 5%의 중량 분율을 차지한다. 규소 상 영역의 최대 평균 치수(중간값)는 약 1㎛ 내지 10㎛ 범위이다. 그 복합재는 기밀하고 2.19g/㎤의 밀도를 가지며, 공기 중에서 대략 1,150℃의 온도에 이르기까지 안정하다.
매립된 규소 상은 복합재의 전체 불투명도에 기여할 뿐만 아니라, 복합재의 광학적 및 열적 특성에도 영향을 준다. 그러한 복합재는 고온에서 열 복사선의 높은 흡수율과 높은 방사율을 보인다.
상온에서, 복합재의 방사율은 적분구(integrating sphere)를 이용하여 측정한다. 이는 스펙트럼 반구 반사율 Rgh와 스펙트럼 반구 투과율 Tgh를 측정할 수 있고, 이로부터 정상 방사율(normal emissivity)이 계산될 수 있다. 고온에서의 방사율은 BBC 샘플 챔버가 추가적 광학계에 의해 결합되어 상기한 BBC 측정 원리를 적용한 FTIR 분광계(Bruker IFS 66v Fourier Transformation Infrared (FTIR))에 의해 2 내지 18㎛의 파장 범위에서 측정된다. 이러한 맥락에서, 샘플 챔버에는 반구 내에서 샘플 홀더의 앞뒤에 온도 조절되는 흑체 환경과, 검출기를 갖는 비임 출구 개구가 마련된다. 샘플은 별도의 노에서 미리 정해진 온도로 가열되고, 측정을 위해 흑체 환경이 미리 정해진 온도로 설정된 상태에서 샘플 챔버의 비임 경로 내로 옮겨진다. 검출기에 의해 감출되는 강도는, 방사, 반사, 및 투과 부분에 의해 이루어지는데, 다시 말해, 샘플 자체에 의해 방사되는 강도, 전면 반구로부터 샘플에 입사되고 샘플에 의해 반사되는 강도, 및 후면 반구로부터 샘플에 입사되고 샘플을 투과하는 강도로 이루어진다. 이를 3가지 측정은 개별 파라미터, 즉 방사율, 반사율, 및 투과율을 결정하기 위해 수행될 필요가 있다.
2㎛ 내지 약 4㎛의 파장 범위에서 복합재에 대해 측정되는 방사율은 온도의 함수이다. 온도가 높을수록 방사율이 높다. 600℃에서, 2㎛ 내지 4㎛의 파장 범위에서 정상 방사율은 0.6 이상이다. 1,000℃에서, 2㎛ 내지 8㎛의 전체 파장 범위에서 정상 방사율은 0.75 이상이다.
인쇄 전도체(302)는 탄탈 시트를 레이저 비임에 의해 형상 부품으로 절단함으로써 탄탈 시트로부터 제조된다. 형상 부품은 일정한 기하학적 형상을 가지며, 그 형상 부품은 단일 부품을 구조를 가지며, 인쇄 전도체(203)의 인접한 섹션들 간의 거리 a가 2㎜인 아르키메데스 나선형 형상을 갖는다. 인쇄 전도체(302)는 적어도 0.02㎟의 단면적과 1㎜의 폭 및 20㎛의 두께를 갖는다. 탄탈로 이루어진 접점(도시 생략)이 그 나선의 양측에서 인쇄 전도체에 용접된다. 접점은 적어도 0.5㎟의 단면적을 갖는다. 접점이 인쇄 전도체보다 큰 단면적을 갖기 때문에, 그 접점들은 인쇄 전도체(302)보다 전기 저항이 낮고, 이에 따라 전류가 통과해 흐를 때에 인쇄 전도체(302)보다 덜 강력하게 가열된다. 따라서, 접점은 온도를 낮추는 효과를 가져, 접점에 의한 인쇄 전도체(302)의 전기적 접촉이 보다 간단해지게 한다.
인쇄 전도체(302)는, 유리로 이루어진 커버층(303)이 인쇄 전도체가 마련된 기판(301)의 표면(304)에 도포된다는 점에서 기판(301)에 확고하게 연결된다. 커버층(303)은 기판의 열팽창 계수와 인쇄 전도체의 열팽창 계수 사이의 범위 내의 열팽창 계수를 갖는 유리로 제조된다. 기판(301)의 열팽창 계수는 0.54 10- 6 K-1이며, 인쇄 전도체(302)의 열팽창 계수는 6.4 10- 6 K-1이며, 커버층(303)의 열팽창 계수는 0.54 10- 6 K- 1이다. 커버층(303)은 1.8㎜의 평균 층 두께를 갖는다. 커버층(303)은 기판(301)의 전체 가열 영역을 덮는다. 커버층은 인쇄 전도체(302)를 완전히 덮고, 이에 따라 주위의 화학적 또는 기계적 영향으로부터 인쇄 전도체(302)를 보호한다.
도 4는 전체적으로 도면 부호 400으로 나타낸 본 발명에 따른 적외선 패널 라디에이터의 제3 실시예의 측면도를 도시한다. 적외선 패널 라디에이터(400)는 도 3의 설명에서 설명한 바와 같은 형태의 기판(301)은 물론 인쇄 전도체(402) 및 커버(403)를 포함한다. 인쇄 전도체(402)는 유리 땜납(407)에 의해 기판 표면(404)에 연결된다.
인쇄 전도체(402)는, 1.5㎜의 균등한 간격이 인쇄 전도체의 인접한 섹션들 사이에 유지될 정도로 타이트하게 기판(301)의 가열 표면을 덮는 사행형 프로파일을 갖는다. 도시한 단면도에서, 인쇄 전도체(402)는 적어도 0.05㎟의 단면적과 1㎜의 폭 및 50㎛의 두께를 갖는다.
유리 땜납은 낮은 연화 온도를 갖는 유리로서, 접착제 그룹에 속한다. 유리 땜납을 위한 처리 공정은 금속의 납땜과 유사하다. 낮은 연화 온도로 인해, 유리 땜납은 처리 온도에서 액체이다. 하지만, 기판은 처리 온도에서 고체이다.
이용되는 유리 땜납은 유리 분말과 유기 결합제로 이루어진 유리 페이스트, 예를 들면 독일 마인쯔에 소재한 Schott AG의 유리 땜납 No. 018-385이다. 상기한 유리 땜납은 8.4ppm/K의 열팽창 계수 α(20-300), 3.14g/㎤의 밀도, 992℃의 유리 전이 온도 및 1,000℃의 용융 온도를 갖는다.
적외선 패널 라디에이터(400)의 제조 중에, 인쇄 전도체가 고내온 강의 시트로부터 펀칭함으로써 형상 부품으로서 먼저 제조된다. 이어서, 기판(301)의 표면이 가열되고 유리 땜납의 층이 도포된다. 인쇄 전도체(402)는 유리 땜납층 상에 배치되고 그 유리 땜납층이 연화될 때까지 그 유리 땜납층과 함께 가열되어, 유리 땜납층이 냉각될 때에 접합이 첫 번째로 유리 땜납층과 기판(301) 사이에, 두 번째로 유리 땜납층과 인쇄 전도체(402) 사이에 생성되도록 된다. 기계적 및 화학적 스트레스로부터 보호를 위해, 인쇄 전도체(402)와 유리 땜납층에는 최종적으로 전이 유리로 이루어진 커버층(402)이 마련되는데, 그 커버층은 유리 땜납의 열팽창 계수와 인쇄 전도체(402)의 열팽창 계수 사이의 범위 내의 열팽창 계수를 갖는다.
도 5는, 인쇄 전도체(402)와 기판(501)이 압입 공정에 의한 기계적 수단에 의해 서로 연결된, 본 발명에 따른 적외선 패널 라디에이터(500)의 제4 실시예의 측면도를 도시한다.
기판(501)은 도 3의 기판(301)과 동일 재료로 제조된다. 도 3의 기판(301)과는, 기판(501)의 표면에 인쇄 전도체(402)의 기하학적 형상에 상응하는 홈(502)이 마련된다는 점에서 상이하다. 기부에서 홈 폭은 1.2㎜이고 홈 깊이는 0.04㎜이다. 홈(502)의 측면은 다소 경사져 있고, 이는 인쇄 전도체(402)와 기판(501)이 기계적 수단에 의해 보다 용이하게 연결되게 한다. 석영 유리로 이루어진 커버층(503)이 기판(502)의 표면과 인쇄 전도체(402)에 도포된다. 대안적인 실시예(도시 생략)에서, 커버층이 마련되지 않는다. 커버층(503)의 기능은 화학적 및 기계적 영향으로부터 인쇄 전도체(402)를 보호하는 것이다. 특히, 고내온성 강 또는 이규화 몰리브덴으로 이루어진 인쇄 전도체는, 커버층이 없어도 되도록 내고온성을 갖는다.
Claims (9)
- 전기 절연 재료로 이루어진 기판을 구비하며, 이 기판의 표면에 전기 전도성을 가지며 전류가 흐르는 경우에 열을 발생시키는 저항기 재료로 이루어진 인쇄 전도체가 부착되어 있는 적외선 패널 라디에이터의 제조 방법으로서,
(a) 상기 기판을 제공하는 단계; 및
(b) 상기 기판의 표면에 상기 인쇄 전도체를 부착하는 단계
를 포함하는, 제조 방법에 있어서,
단계 (a)에 따라, 비정질 매트릭스 성분과 반도체 재료 형태의 추가적 성분을 포함한 복합재로 제조된 기판을 제공하며, 상기 인쇄 전도체는 일정한 기하학적 형상을 갖는 형상 부품으로서 제공되어, 단계 (b)에 따라 상기 인쇄 전도체와 상기 기판이 서로 영구적으로 연결되도록 상기 기판의 표면에 적절하게 부착되는 것을 특징으로 하는 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 인쇄 전도체와 기판의 연결은 접합 공정, 바람직하게는 기계적 접합, 접착 또는 용접에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 제조 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 인쇄 전도체는 비전도성층에 의해 상기 기판의 표면에 연결되는 것을 특징으로 하는 제조 방법. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 형상 부품은 열적 분리 공정의 사용을 통해 또는 펀칭에 의해 금속 시트로부터 제조되는 것을 특징으로 하는 제조 방법. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
탄화규소(SiC), 이규화 몰리브덴(MoSi2), 탄탈(Ta) 또는 내고온 강으로 이루어진 공작물을 이용하여 상기 형상 부품을 제조하는 것을 특징으로 하는 제조 방법. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단계 (b)에 따른 상기 기판의 표면에 대한 상기 인쇄 전도체의 부착에 선행하여, 상기 형상 부품의 단부에, 라인 패턴의 단면적보다 큰 단면적을 갖는 전도성 트랙을 마련하는 것을 특징으로 하는 제조 방법. - 제6항에 있어서,
상기 전도성 트랙과 상기 인쇄 전도체는 동일 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 제조 방법. - 전기 절연 재료로 이루어진 기판을 구비하며, 이 기판의 표면에 전기 전도성을 가지며 전류가 흐르는 경우에 열을 발생시키는 저항기 재료로 이루어진 인쇄 전도체가 부착되어 있는 적외선 패널 라디에이터에 있어서,
상기 기판은 비정질 매트릭스 성분과 반도체 재료 형태의 추가적 성분을 포함한 복합재로 제조되며, 상기 인쇄 전도체는 일정한 기하학적 형상을 갖는 형상 부품으로서 제공되며, 상기 인쇄 전도체와 상기 기판이 서로 영구적으로 연결되도록 상기 기판의 표면에 적절하게 부착되는 것을 특징으로 하는 적외선 패널 라디에이터. - 제8항에 있어서,
각각 개별적으로 전기적으로 트리거될 수 있는 복수의 인쇄 전도체 형상 부품이 상기 기판에 부착되는 것을 특징으로 하는 적외선 패널 라디에이터.
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