KR20190052050A - 적외선 방사 소자 - Google Patents

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KR20190052050A
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Abstract

본 발명은 석영 유리로 제조된 클래딩 튜브(cladding tube)를 포함하는 적외선 방사체(infrared emitter)에 관한 것이며, 클래딩 튜브는 적외선 방사 소자로서의 가열 필라멘트(heating filament)를 둘러싸고, 가열 필라멘트는 전류 피드스루(current feedthroughs)를 통해 클래딩 튜브 외부의 전기 커넥터(electrical connector)에 연결된다. 사용 수명과 출력 밀도를 향상시키기 위해, 본 발명은 가열 필라멘트가 전기 절연 재료로 제조된 표면을 갖는 캐리어 플레이트를 포함하고, 그 표면은 전류가 흐를 때 열을 발생시키는 재료로 제조된 인쇄 도체에 의해 덮이는 것을 제안한다.

Description

적외선 방사 소자
본 발명은 석영 유리로 제조된 클래딩 튜브(cladding tube)를 포함하는 적외선 방사체(infrared emitter)에 관한 것이며, 클래딩 튜브는 적외선 방사 소자로서의 가열 필라멘트(heating filament)를 둘러싸고, 가열 필라멘트는 전류 피드스루(current feedthroughs)를 통해 클래딩 튜브 외부의 전기 커넥터(electrical connector)에 연결된다.
본 발명의 범위에서의 적외선 방사체들은 2차원 또는 3차원 방사 특성을 나타낸다; 그것들은, 예를 들어, 가열 제품 상에서 도료(paint)의 건조를 위해 또는 래커(lacquer)의 경화(curing)를 위해 또는 플라스틱 재료의 중합(polymerisation)을 위해 사용되며, 뿐만 아니라 반도체 또는 광전지(photovoltaics) 산업에서 반도체 웨이퍼의 열 처리(thermal treatment)를 위해서도 사용된다.
공지되어 있는 적외선 방사체들은, 유리로 제조된 클래딩 튜브 내부에, 가열 도체(heating conductor) 또는 가열 필라멘트로서 코일-형상 저항기 와이어(coil-shaped resistor wire) 또는 저항기 테이프(resistor tape)를 포함한다. 와이어 또는 테이프는 클래딩 튜브와 접촉이 없거나 본질적으로 접촉이 없다. 저항기 와이어에서 클래딩 튜브로의 열 전달은 본질적으로 열 방사(thermal radiation)에 의해 이루어진다. 가열 필라멘트라고도 지칭되는, 가열 도체는 백열 램프에서, 적외선 방사체에서 또는 퍼니스(furnace)에서, 전류-전도성 백열 필라멘트, 글로우 와이어(glow wire) 또는 글로우 코일(glow coil)로서 사용되며, 평평하거나 길이방향 축을 중심으로 꼬이거나(twisted) 감긴(coiled), 테이프로서 길쭉한 형태(elongated form, 세장형)로 일반적으로 존재한다. 탄소 섬유 기반의 발열체(heating element)는 상대적으로 높은 전기 저항과 함께 우수한 기계적 안정성을 보이며, 비교적 빠른 온도 변화가 진행되는 것을 가능하게 한다.
이러한 유형의 적외선 방사체에서, 저항 재료로 제조된 전기 저항 요소는 방사체의 실제 적외선-방사 요소이다. 석영 유리로 제조된 클래딩 튜브는 적외선에 본질적으로 투과성이어서, 저항 요소에 의해 방출된 방사선은 방사선의 큰 손실없이 가열 제품으로 전달된다.
전기적 특성과 관련하여, 가열 필라멘트의 전기 저항에 특별한 초점이 맞춰지고 있다. 한편으로, 전기 저항은 부하(load)에 노출되는 동안에도 시간에 따라 일정해야 하며, 다른 한편으로, 일반적인 전압(예를 들어 230 V)으로 짧은 길이의 가열 필라멘트도 작동할 수 있도록 가능한 한 높아야 한다.
테이프-형상의 가열 필라멘트의 경우, 공칭 전기 저항은, 원칙적으로, 단면적에 의해 그리고, 특히, 테이프의 두께에 의해 조절될 수 있다. 그러나, 테이프의 두께는 기계적 안정성과 사전-결정된 최소 사용 수명을 고려하여 제한된 정도로만 감소될 수 있다. 이러한 제한은, 조사 길이(irradiation length)가 1 m 이상인 경우와 같이, 특히 사용 중인 가열 필라멘트가 높은 기계적 부하에 노출되는 경우에 뚜렷하다.
테이프-형상의 탄소 가열 필라멘트를 구비한 적외선 방사체는, 예를 들어, DE 100 29 437 A1 으로부터 공지되어 있다. 코일-형 탄소 테이프는 클래딩 튜브의 벽으로부터 거리를 두고 위치되며 그것의 중심축을 따라 배치된다. 연결 러그(connecting lug)를 갖춘 접촉부(contact)가 탄소 테이프의 단부에 제공되며, 클래딩 튜브의 크림핑 영역(crimping area)을 통해 외부 전기 연결부로 안내된다. 클래딩 튜브의 내부는 산화(oxidation)로 인한 발열체의 저항의 변화를 방지하기 위해 설치 중에 진공처리된다. 탄소 방사체들의 출력 밀도(power density)는 금속 발열체들을 포함하는 적외선 방사체들에 비해 코일-형 탄소 테이프의 넓은 표면적으로 인해 비교적 높다. 따라서, 그것들은, 방사체 길이가 1 미터 미만으로 제한되는 적용에도, 원칙적으로, 또한 적합하다. 그러나, 코일-형 테이프로 인해 방출 특성이 완전히 균질하게 되지 않고, 보다 높은 출력 밀도(소위 핫스폿(hotspot))의 그리고 보다 낮은 출력 밀도(콜드 스폿(cold spot))의 영역들을 포함하게 된다는 것이 문제이다. 이는, 특히, 패널 라디에이터(panel radiator)의 경우에, 가열 제품으로부터 보다 먼 거리를 유지하여 방사가 보다 균질하도록 함으로써, 사용 중에 고려되어야 한다. 그러나, 이러한 조치는 방사체의 효율을 희생시킨다.
탄소 가열 필라멘트를 구비한 적외선 방사체 외에도, 소위 Kanthal® 발열체를 구비한 방사체들이 공지되어 있다. 그것들은 광대역 적외선 스펙트럼을 나타내며, 최대 1000℃까지의 온도에서 전형적으로 작동된다. 균질성이 부족한 방사 특성 면에서의 단점들은 탄소 발열체를 구비한 방사체에 대해 전술한 바와 유사하다.
Kanthal(칸탈) 코일을 구비한 적외선 방사체는, 예를 들어, US 3 699 309 로부터 공지되어 있다. Kanthal 코일은 유리로 제조된 클래딩 튜브 내에 위치되며, 반원형 단면을 갖고 세라믹 섬유 재료(Al2O3-SiO2)로 제조된 실린더형 로드(cylindrical rod) 상에 지지된다. 이러한 유형의 지지는 Kanthal 코일의 "핫스폿(hot spots)"을 방지하기 위한 것이다. 이는 적외선 방사체의 방사 범위가 클래딩 튜브의 둘레(circumference)를 따라 반경 방향으로 더 이상 360°가 아니며, 오히려 Kanthal 코일과 접촉하는 지지 로드의 면적만큼 감소된다는 점에서 단점이다.
따라서 본 발명은, 단위 면적당 높은 방사 출력(radiation power)을 갖고, 특히, 1 m 이하의 짧은 조사 길이로도 230 V의 일반 산업용 전기 전압에 의해 또한 작동될 수 있도록 충분히 높은 시트 저항(sheet resistance)을 갖는, 그리고 긴 사용 수명을 특징으로 하는, 적외선 방사체를 발명하려는 목적에 기초한다.
전술한 목적은, 가열 필라멘트가 전기 절연 재료로 제조된 표면을 갖는 캐리어 플레이트(carrier plate)를 포함하고, 상기 표면은 전류가 흐를 때 열을 발생시키는 재료로 제조된 인쇄 도체(printed conductor)에 의해 덮이는, 앞서 명시한 유형의 적외선 방사체에 기초하는 본 발명에 따라 달성된다.
본 발명은, 전기 절연 재료로 제조된 표면을 갖는 캐리어 플레이트가 가열 필라멘트의 역할을 하는, 석영 유리로 제조된 클래딩 튜브 내의 적외선 방사체를 발명하는 아이디어에 기초한다. 이와 관련하여, 캐리어 플레이트는 그 자체가 전기 절연 재료로부터 형성되어, 그 전체 표면이 전기적으로 절연될 수 있다. 이러한 캐리어 기판은, 캐리어 기판의 표면의 적어도 하나의 측면에 적용되고 전류가 흐를 때 열을 발생시키는 인쇄 도체에 의해, 적외선 스펙트럼 범위에서 방사선을 방출하도록 유도된다. 캐리어 플레이트의 광학적 및 열적 특성들은, 780 ㎚와 1 ㎜ 사이의 파장 범위인, 적외선 스펙트럼 범위에서의 흡수를 가져온다. 이에 따라, 인쇄 도체에 의해 가열되는 캐리어 플레이트의 부분은 실제 적외선-방출 소자이다.
대안으로, 예를 들어 캐리어 플레이트에 표면 층의 형태로 적용되는 전기 절연 재료에 의해, 표면 중 부분 영역만이 전기적으로 절연이 되도록 설계될 수도 있다. 이 경우, 인쇄 도체는 표면의, 또는 표면 층의, 전기 절연 영역만을 덮는다. 이렇게 함으로써, 적외선-방출 소자로서, 캐리어 플레이트의 방사 특성은 국부적으로 최적화 될 수 있다.
캐리어 플레이트에 연결되는 인쇄 도체는 그 표면과 직접 접촉하고 있기 때문에, 특히 콤팩트한 적외선 방사체가 얻어진다. 적외선-방출 소자의 콤팩트한 설계로 인해, 높은 방사선 밀도로 작은 표면의 표적화된 국부 조사(targeted local irradiation)를 수행하는 것이 가능하다.
저항 재료로 제조된 전기 저항 요소가 방사체의 실제 가열 요소인, 종래 기술에 따른 적외선 방사체와는 대조적으로, 본 발명에 따른 적외선 방사체의 저항 요소는, 여기에서 인쇄 도체의 형태로, 사용되어, 이하에서 "기판" 또는 "캐리어 플레이트"라고 지칭되는, 다른 구성요소를 가열한다. 인쇄 도체로부터 캐리어 플레이트로의 열 전달은, 주로, 열 전도에 의해 이루어지지만, 대류 및/또는 열 복사에 기초할 수도 있다.
클래딩 튜브 안으로 통합됨으로써, 본 발명에 따른 적외선 방사체는, 사용 시, 예를 들어 산화 분위기와 같은, 주변 환경의 영향으로부터 보호된다. 이는, 주변 환경 영향과는 본질적으로 무관한, 비교적 균질한 방사 특성과 결합된, 높은 방사 출력으로 결과한다. 또한, 클래딩 튜브를 포함하는 실시형태는 방사체의 설치와, 경우에 따라서는, 유지 보수를 용이하게 한다.
본 발명에 따른 적외선 방사체의 바람직한 실시형태는 캐리어 플레이트를 덮는 인쇄 도체의 재료가 비귀금속(non-precious metal)인 것으로 구성된다.
비귀금속인 인쇄 도체의 재료는 작은 표면적 상에서 높은 전기 비저항(specific electrical resistance)을 특징으로 하며, 이는 비교적 낮은 전류 흐름에서도 높은 온도가 달성되는 결과로 이어진다. 예를 들어, 백금, 금 또는 은과 같은 귀금속의 비율이 높은 인쇄 도체와는 달리, 비귀금속으로 제조된 인쇄 도체 재료는 전기적 특성들을 희생하지 않고 상당히 저비용이다.
가열 도체가 부착된 캐리어 플레이트는 석영 유리로 제조된 클래딩 튜브 안으로 통합되며, 이는 인쇄 도체의 사용 수명을 연장시키는데, 왜냐하면 화학적 및/또는 기계적 기초 위에서 주변 환경 조건들에 의한 인쇄 도체 상으로의 임의의 부식 공격이 방지되기 때문이다. 비귀금속 또는 비귀금속 합금으로 제조된 인쇄 도체는 이러한 종류의 부식 공격에 특히 민감하다.
인쇄 도체의 재료는 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 실리콘 카바이드(SiC), 몰리브덴 디실리사이드(MoSi2), 크롬 실리사이드(Cr3Si), 폴리실리콘(Si), 알루미늄(Al), 탄탈(Ta), 구리(Cu), 및 내고온성 강(high temperature-resistant steel)으로 이루어진 그룹으로부터 하나 이상의 요소를 포함하는 것이 유리하다. 이러한 유형의 인쇄 도체 재료는 50 내지 약 100 Ohm/□ 범위의 시트 비저항(specific sheet resistance)을 갖는다. 각각의 전기적 및 열적 특성들로 인해, 이러한 그룹으로부터의 재료들은 본 발명에 따른 적외선 방사체의 캐리어 플레이트의 열적 여기(thermal excitation)의 기능을 수행하며, 또한, 저비용으로 제조될 수 있다.
또한, 캐리어 플레이트가 적어도 2개의 재료 층들에 의해 형성되는 것이 유리한 것으로 입증되었다. 이와 관련하여, 캐리어 플레이트는 기초 재료 층 및 표면 재료 층에 의해 형성될 수 있으며, 2개의 재료 층들은 전기 저항이 다를 수 있거나, 또는, 전기 저항이 동일한 경우, 상이한 방사율(radiation emissivity)을 가질 수 있다. 이에 의해, 적외선 방사 소자로서의 캐리어 플레이트의 광학적 및 열적 특성들은, 그리고 이에 따라 그것의 방사 특성들은, 개별 용도에 맞게 최적화될 수 있다. 명백히, 상기 유리한 실시형태는 서로 상하로 하나의 스택(stack) 내에서의 2층 시스템(two-layer system)에 국한되지는 않는다. 재료 층들은 서로 인접하거나 나란히 배치될 수도 있다.
캐리어 플레이트의 재료와 관련하여, 그 재료가, 매트릭스 성분에 의해 그리고 반도체 재료 형태의 추가 성분에 의해 형성되는, 복합 재료를 포함하는 것이 유리한 것으로 입증되었다.
캐리어 플레이트의 재료는 열에 의해 여기될 수 있으며, 매트릭스 성분 및 추가 성분으로서의 반도체 재료에 의해 형성되는 복합 재료를 포함한다. 캐리어 플레이트의 광학적 및 열적 특성들은 적외선 스펙트럼 범위에서의 흡수를 가져온다. 고려할 수 있는 매트릭스 성분들은 산화물 또는 질화물 재료를 포함하며, 여기에 추가 성분으로서 반도체 재료가 임베딩된다.
이와 관련하여, 매트릭스 성분이 석영 유리이고 바람직하게는 최소 99.99％ SiO2의 화학적 순도와 최대 1％의 크리스토발라이트 함량을 갖는 것이 유리하다.
석영 유리는 양호한 부식-, 온도-, 및 온도 충격- 저항성의 앞서 언급한 장점들을 가지며, 항상 고순도로 이용가능하다. 따라서, 그것은 최대 1100℃까지의 온도로 고온 가열 공정에서도 고려할 수 있는 기판 또는 캐리어 플레이트이다. 냉각은 요구되지 않는다.
매트릭스의 크리스토발라이트 함량이 낮은 것은, 즉 1％ 이하인 것은, 실투 경향(devitrification tendency)이 낮은 것을 보장하며, 이에 따라, 사용 중 크랙 형성의 위험이 낮은 것을 보장한다. 그 결과, 반도체 제조 공정에 흔히 존재하는, 입자의 부재, 순도, 및 불활성에 관한 엄격한 요구사항들 조차도 충족된다.
캐리어 플레이트 재료의 열 흡수는 추가 성분의 분율에 의존한다. 따라서, 추가 성분의 중량 분율은 바람직하게는 적어도 0.1％이어야 한다. 다른 한편으로, 추가 성분의 부피 분율이 높은 것은 매트릭스의 화학적 및 기계적 특성들에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 이를 고려하여, 추가 성분의 중량 분율은 0.1％ 내지 5％의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
적외선 방사체의 바람직한 실시형태에서, 추가 성분은 원소 형태의 반도체 재료를 함유하며, 바람직하게는 원소 실리콘을 함유한다.
반도체는 가전자대(valence band)와 전도대(conduction band)를 가지며, 그 가전자대와 전도대는
Figure pct00001
까지의 폭을 갖는 금지대(forbidden band)에 의해 서로 분리되어 있을 수 있다. 반도체의 전도도는 가전자대로부터 얼마나 많은 전자들이 금지대를 가로질러 전도대에 도달할 수 있는지에 의존한다. 기본적으로, 실온(room temperature)에서는 몇몇 전자들만이 금지대를 가로질러 전도대에 도달할 수 있어서, 반도체는 실온에서 일반적으로 낮은 전도도만을 갖는다. 그러나, 반도체의 전도도는 본질적으로 온도에 의존한다. 반도체 재료의 온도가 상승하는 경우, 전자를 가전자대로부터 전도대로 상승시키기에 충분한 에너지가 존재할 가능성이 또한 증가한다. 따라서, 반도체의 전도도는 온도가 증가함에 따라 증가한다. 온도가 충분히 높은 경우, 반도체 재료는 우수한 전기 전도도를 나타낸다.
매트릭스에서 반도체 상(semiconductor phase)의 미세-입자 영역은 광학적 결함으로 작용하며, 캐리어 플레이트 재료를, 두께에 따라, 실온에서 육안으로 검은색 또는 짙은 회색으로 보이게 할 수 있다. 다른 한편으로, 그 결함은 캐리어 플레이트의 재료의 전체적인 열 흡수에 또한 영향을 미친다. 이는 원소 형태로 존재하는 반도체의 미세-분산된 상(fine-distributed phases)의 특성들에 주로 기인하며, 이에 따라, 한편으로, 가전자대와 전도대 사이의 에너지(밴드갭 에너지(bandgap energy))가 온도에 따라 감소하고, 다른 한편으로, 활성화 에너지가 충분히 높은 경우 전자들이 가전자대로부터 전도대로 상승되며, 이는 흡수 계수의 분명한 증가와 관련된다. 전도대의 열적으로 활성화된 점유는 반도체 재료를 (예를 들어 1000 ㎚와 같은) 특정 파장에 대해 실온에서 어느 정도 투명하게 하고, 고온에서 불투명하게 한다. 따라서, 흡수와 방사율은 캐리어 플레이트의 온도가 증가함에 따라 갑자기 증가할 수 있다. 이러한 효과는, 특히, 반도체의 구조(비정질/결정질) 및 도핑에 의존한다. 예를 들어, 순수 실리콘은 약 600℃에서부터 방사의 뚜렷한 증가를 보이며, 약 1000℃에서부터 포화에 도달한다.
캐리어 플레이트의 재료의 스펙트럼 방사율 ε는 2 ㎛와 8 ㎛ 사이의 파장에 대해 600℃의 온도에서 적어도 0.6 이다.
키르히호프(Kirchhoff)의 열 방사의 법칙에 따르면, 열평형 상태에 있는 실체(real body)의 흡수율
Figure pct00002
과 방사율
Figure pct00003
은 동일하다.
Figure pct00004
따라서, 반도체 성분은 기판 재료에 의한 적외선의 방사로 이어진다. 스펙트럼 반구형 반사율(spectral hemispherical reflectance)
Figure pct00005
및 투과율
Figure pct00006
가 알려져 있는 경우, 방사율
Figure pct00007
은 다음과 같이 계산될 수 있다:
Figure pct00008
이 문맥에서, "방사율"(emissivity)은 "스펙트럼 정상 방사율"(spectral normal degree of emission)인 것으로 이해되어야 한다. 이는, "블랙-바디 경계 조건"(Black-Body Boundary Conditions, BBC)으로 알려져 있으며 "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)에서 공표된, 측정 원리에 의해 측정된다.
따라서, 반도체 재료는, 그리고 특히 바람직하게 사용되는 원소 실리콘은, 실온에서 뿐만 아니라, 예를 들어, 600℃ 이상의, 고온에서도, 유리질 매트릭스 재료를 검게 만드는 효과가 있으며, 이는 고온에서 높은 광대역 방사의 면에서 우수한 방사 특성이 얻어지는 결과로 나타난다. 이와 관련하여, 반도체 재료는, 바람직하게는 원소 실리콘은, 매트릭스 내에 분산된 자체 Si 상을 형성한다. 이러한 상은 복수의 준금속 또는 금속을 함유할 수 있다 (그러나, 추가 성분의 중량 분율을 기준으로, 최대 50 중량％ 까지만 금속을 함유하며, 더 바람직하게는 20 중량％ 이하의 금속을 함유한다). 이와 관련하여, 캐리어 플레이트 재료는 개방 다공성(open porosity)을 나타내지 않으며, 기껏해야, 0.5％ 미만의 폐쇄 다공성(closed porosity)을 나타내고 적어도 2.19 g/cm3의 비밀도(specific density)를 갖는다. 따라서, 그것은, 캐리어 플레이트의 순도 또는 가스 기밀성(gas tightness)이 중요한, 적외선 방사체에 적합하다.
본 발명에 따른 적외선 방사체용 적외선 방사 재료로서 사용하기 위해, 캐리어 플레이트 재료는 인쇄 도체에 의해 덮이며, 이는 바람직하게는 소성된 후막층(burned-in thick film layer)의 형태로 제공된다.
이러한 후막층은 스크린 프린팅(screen printing)에 의해 저항체 페이스트(resistor paste)로부터, 또는 잉크젯 프린팅(inkjet printing)에 의해 금속-함유 잉크로부터, 형성되며, 후속하여 고온에서 소성된다.
가능한 한 균일한 온도 분포와 관련하여, 인쇄 도체의 이웃하는 섹션들 사이에 적어도 1 ㎜의, 바람직하게는 적어도 2 ㎜의, 사이 공간이 남도록 캐리어 플레이트의 표면 영역을 덮는 라인 패턴(line pattern)으로서 인쇄 도체를 제공하는 것이 유리한 것으로 입증되었다.
캐리어 플레이트 재료의 흡수 용량이 높은 것은 가열 표면의 인쇄 도체 점유 밀도가 비교적 낮은 경우에도 균일한 방사를 가능하게 한다. 낮은 점유 밀도는 인쇄 도체의 이웃하는 섹션들 사이의 최소 거리가 1 ㎜ 이상인 것을, 바람직하게는 2 ㎜ 이상인 것을, 특징으로 한다. 인쇄 도체의 섹션들 사이의 거리가 먼 것은, 특히 진공에서 고전압으로 작동 시 발생할 수 있는, 플래시오버(flashover)를 방지한다. 인쇄 도체는, 예를 들어, 나선형 또는 사행(meandering) 라인 패턴으로 연장된다.
인쇄 도체의 재료에 대한 있을 수 있는 부식 공격을 줄이기 위해, 적용되는 인쇄 도체를 포함하여 캐리어 플레이트를 진공 하에서, 또는 일련의 질소, 아르곤, 크세논, 크립톤 또는 중수소(deuterium)로부터 하나 이상의 가스를 포함하는 보호 가스 분위기 하에서, 클래딩 튜브 내에 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 적외선 방사체는 진공 작동에 특히 적합하지만, 개별적인 경우에, 석영 유리 클래딩 튜브 내에서 캐리어 플레이트를 둘러싸는 보호 가스 분위기를 갖는 것은 인쇄 도체 재료에 대한 산화적 변화를 방지하기에 충분하다.
본 발명에 따른 적외선 방사체의 바람직한 개선형태에서는, 각각 개별적으로 전기적으로 제어될 수 있는 복수의 인쇄 도체들이 캐리어 플레이트에 적용된다.
복수의 인쇄 도체들의 제공은 적외선 방사체로 달성될 수 있는 조사 강도(irradiation intensity)의 개별 제어 및 맞춤을 실현가능하게 한다. 한편으로, 캐리어 플레이트의 방사 출력은 인쇄 도체의 이웃하는 섹션들의 거리의 적절한 선택을 통해 조절될 수 있다. 이와 관련하여, 캐리어 플레이트의 섹션들은, 상이한 조사 세기로 적외선을 방사하도록, 상이한 정도로 가열된다. 각각의 인쇄 도체들에 인가되는 작동 전압 및/또는 작동 전류의 변화는 캐리어 플레이트 내에서 온도 분포의 쉽고 빠른 조절을 가능하게 한다.
또한, 본 발명의 유리한 개선형태는 클래딩 튜브 내에 배치된 인쇄 도체들을 구비한 복수의 캐리어 플레이트들로 구성되며, 그 캐리어 플레이트들 각각은 개별적으로 전기적으로 제어될 수 있다. 이러한 본 발명의 실시형태는 가열 제품의 기하구조에 맞추어진 방사체 변형형태들을 가능하게 한다. 따라서, 예를 들어 단일 클래딩 튜브 내에 복수의 캐리어 플레이트들을 일렬로 배치함으로써, 캐리어 플레이트들의 개별적 제어로 인해 개개의 부분-영역들에서 상이한 방사 세기를 갖는 패널 라디에이터가 구현될 수 있다.
클래딩 튜브가, 부분-영역들에서, 불투명한 고 반사 석영 유리로 제조된 코팅을 구비하는 것이 유리한 것으로 또한 입증되었다. 특히 슬릿-형상의 라디에이터(slit-shaped radiator)의 형성을 위해, 클래딩 튜브의 둘레에 180° 내지 330°의 각도 범위로 코팅이 적용되는 것이 유리하다. 이러한 유형의 코팅은 가열 필라멘트의 적외선을 반사하고, 이에 따라 가열 제품에 관한 적외선 방사의 효율을 향상시킨다. 반사체 층(reflector layer)이라고도 불리는, 코팅은 불투명한 석영 유리로 이루어지며, 약 1.1 ㎜의 평균 층 두께를 갖는다. 그것은 크랙(crack)의 부재와 약 2.15 g/cm³의 높은 밀도를 특징으로 하며, 최대 1100℃ 이상의 온도에서까지 열적으로 안정하다. 코팅은 바람직하게는 클래딩 튜브의 둘레의 330°의 각도 범위를 덮으며, 이에 따라 클래딩 튜브의 띠 형상(strip shape)에 해당하는 길쭉한 부분-영역을 비어 있는 채로 그리고 적외선에 대해 투명한 채로 남겨둔다. 이러한 설계는 소위 슬릿-형상 방사체의 제조를 용이하게 한다.
본 발명에 의하면, 단위 면적당 높은 방사 출력(radiation power)을 갖고, 특히, 1 m 이하의 짧은 조사 길이로도 230 V의 일반 산업용 전기 전압에 의해 또한 작동될 수 있도록 충분히 높은 시트 저항(sheet resistance)을 갖는, 그리고 긴 사용 수명을 특징으로 하는, 적외선 방사체가 제공된다.
이하에서, 본 발명은 예시적인 실시형태에 기초하여 보다 상세히 설명된다.
도 1은 석영 유리로 제조된 클래딩 튜브 안으로 통합된 적외선 방사체의 개략적인 부분도를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 적외선 방사체를 구비한 클래딩 튜브를 통한 단면을 도시한다.
도 3은 Kanthal 코일을 구비한 종래의 방사체와 비교하여 본 발명에 따른 적외선 방사체의 방사 특성의 다이어그램을 도시한다.
도 1은, 석영 유리로 제조된 클래딩 튜브(101) 안으로 통합된, 본 발명에 따른 적외선 방사체의 제1 실시형태를 도시하며, 거기에는, 전체로서, 참조번호 100이 할당되어 있다. 클래딩 튜브(101)는 길이방향 축(L)을 갖는다. 도 1은, 캐리어 플레이트(102), 인쇄 도체(103), 및 인쇄 도체(103)의 전기적 접촉을 위한 2개의 접촉 영역들(104a, 104b)를 구비한, 적외선 방사체(100)의 부분도를 도시한다.
접촉 영역들(104a, 104b)은 그것들에 용접된 가는 와이어들(thin wires)(105a, 105b)을 구비하며, 가는 와이어들은 클래딩 튜브(101)의 연결 베이스(108)에서 크림핑(107) 내의 접촉 표면들(106a, 106b)로 이어진다. 가는 와이어들(105a, 105b)은 높은 작동 온도에서 와이어들의 열 신장(thermal elongation)을 보상하기 위해, 5 ㎜의 길이방향 섹션 상에, 스프링 와이어 코일들(spring wire coils)(115a, 115b)을 구비한다.
연결 베이스(108)에서는, 접촉 와이어들(109a, 109b)이 외부로 안내되고 크림핑(107) 내의 접촉 표면들(106a, 106b)에 용접에 의해 또한 연결된다.
비귀금속으로 제조된 인쇄 도체(103)가 산화로부터 보호되도록, 클래딩 튜브(101)의 내부에는 부압(negative pressure)(진공)이 형성되거나 또는 불활성 가스가 사용되어서 클래딩 튜브의 내부에 비-산화 분위기(non-oxidising atmosphere)를 형성한다.
캐리어 플레이트(102)는 석영 유리 형태의 매트릭스 성분을 갖는 복합 재료를 포함한다. 이러한 매트릭스 성분에는 원소 실리콘의 상(phase)이 비구형 영역들(non-spherical areas)의 형태로 균일하게 분포된다. 매트릭스는 눈에 반투명 내지 투명하게 보인다. 현미경 관찰에서, 그것은 개방 기공(open pore)을 나타내지 않으며, 기껏해야 최대 평균 크기가 10 ㎛ 미만인 폐쇄 기공(closed pore)을 나타낸다. 원소 실리콘의 상(phase)은 비구형 영역들의 형태로 매트릭스 내에 균일하게 분포된다. 그것은 5％의 중량 분율을 차지한다. 실리콘 상 영역들(silicon phase areas)의 최대 평균 크기(중간값)는 약 1 ㎛ 내지 10 ㎛의 범위 내에 있다. 복합 재료는 가스-기밀성이며, 2.19 g/cm3의 밀도를 갖고, 최대 약 1150℃의 온도까지 공기 중에서 안정하다. 임베딩된 실리콘 상은 복합 재료의 전체적인 불투명도에 기여할 뿐만 아니라, 복합 재료의 광학적 및 열적 특성들에도 영향을 미친다. 이러한 복합 재료는 고온에서 높은 열방사 흡수와 높은 방사율을 나타낸다. 캐리어 플레이트(102)는 외견상 검으며, 100 ㎜의 길이 l, 15 ㎜의 폭 b, 그리고 2 ㎜의 두께를 갖는다.
2 ㎛ 내지 약 4 ㎛의 파장 범위에서 캐리어 플레이트(102)의 복합 재료에 대해 측정된 방사율은 온도의 함수이다. 온도가 더 높을수록, 방사량이 더 높아진다. 600℃에서, 2 ㎛ 내지 4 ㎛의 파장 범위에서의 정상 방사율은 0.6 이상이다. 1000℃에서, 2 ㎛ 내지 8 ㎛의 전체 파장 범위에서의 정상 방사율은 0.75 이상이다.
인쇄 도체(103)는 사행형(meander-shaped)이도록 제공된다. 인쇄 도체(103)용 재료는 텅스텐과 몰리브덴 그리고 또한 폴리실리콘과 같은 비귀금속을 본질적으로 포함하며, 적절한 배치의 인쇄 도체가 스크린-프린팅가능한 페이스트에 의해 캐리어 플레이트(102)에 적용되었으며, 이후에 소성되었다.
본 발명에 따른 적외선 방사체의 대안적인 실시형태에서, 캐리어 플레이트(102)는 실리콘 나이트라이드(silicon nitride)(Si3N4)의, 또는 실리콘 카바이드(SiC)의, 세라믹으로 이루어진 재료를 포함하며, 두 경우 모두 외견상 짙은 회색 내지 검은색이다. SiC로 제조된 기본 재료 층을 갖는 캐리어 플레이트는 그 표면에 SiO2로 제조된 표면 층이 적용되며, 그것은 금속성 인쇄 도체에 관해 전기적으로 절연성이다.
외견상 짙은 갈색 또는 짙은 회색인 유리 세라믹(예를 들어 NEXTREMA®)이 캐리어 플레이트 재료로서 또한 적합하며, 예를 들어 SIGRADUR® 재료로 제조된 플레이트처럼, 유리질 탄소(glassy carbon)로 제조된 캐리어 플레이트도 마찬가지다.
캐리어 플레이트(102)에 대한 또 다른 대안적인 재료는 최대 400℃까지의 온도로 가열될 수 있는 폴리이미드 플라스틱 재료이다. 특히, (수 초의) 특히 빠른 켜지는 시간(power-on time)이 요구되는 적용 분야에서, 열 질량(thermal mass)이 낮은 폴리이미드 필름으로 제조된 캐리어 플레이트가 유리하다. 또한, 캐리어 플레이트(102)로서의 이러한 폴리이미드 필름에는 비귀금속으로 제조된 인쇄 도체(103)가 적용된다. 석영 유리로 제조된 클래딩 튜브 안으로 통합되기 때문에, 비-산화 분위기에서 작동될 수 있다.
도 2는 적외선 방사체가 내부에 배치된 클래딩 튜브(101)의 길이방향 축(L)에 수직한 단면을 도시한다. 클래딩 튜브(101)의 외주면(external circumferential surface)에는, 캐리어 플레이트(102)의 길이에 상응하는 길이에 걸쳐, 석영 유리로 제조된 반사체 층(200)이 적용되며, 원주의 330°를 덮는다. 이는 클래딩 튜브 상에, 캐리어 플레이트에 의해 방사된 적외선을 빠져나갈 수 있게 하는, 좁고 길쭉한 개방 표면을 갖는 소위 슬릿-형상 방사체로 결과한다.
도 3은 Kanthal 코일을 구비한 종래의 방사체(curve B)와 비교하여 본 발명에 따른 적외선 방사체(curve A)의 출력 스펙트럼을 도시한다. 이 경우, 본 발명에 따른 적외선 방사체의 캐리어 플레이트는, 위에서 상세하게 기술된 바와 같이, 석영 유리 형태의 매트릭스 성분 및 거기에 균일하게 분포된 원소 실리콘의 상(phase)으로 제조된, 복합 재료에 의해 형성된다. 이 경우, 인쇄 도체 재료는 텅스텐이다. 이러한 IR 방사체의 캐리어 플레이트의 인쇄 도체의 온도는 1000℃로 조정된다. Kanthal 코일을 구비한 참조 방사체는 약 1000℃의 온도에서 또한 작동된다. 본 발명에 따른 적외선 방사체는 curve B로 표시된 참조 방사체보다 curve A의 피크(peak)에서 1500 ㎚ 내지 약 5000 ㎚의 파장 범위에서 약 25％ 더 높은 출력을 갖는다는 것이 분명하다.

Claims (15)

  1. 석영 유리로 제조된 클래딩 튜브(101)를 포함하는 적외선 방사체로서, 클래딩 튜브는 적외선 방사 소자로서의 가열 필라멘트를 둘러싸고, 가열 필라멘트는 전류 피드스루를 통해 클래딩 튜브 외부의 전기 커넥터에 연결되는, 적외선 방사체에 있어서,
    가열 필라멘트는 전기 절연 재료로 제조된 표면을 갖는 캐리어 플레이트(102)를 포함하고, 상기 표면은 전류가 흐를 때 열을 발생시키는 재료로 제조된 인쇄 도체(103)에 의해 덮이는 것을 특징으로 하는, 적외선 방사체.
  2. 제1항에 있어서,
    인쇄 도체(103)의 재료는 비귀금속인 것을 특징으로 하는, 적외선 방사체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    인쇄 도체(103)의 재료는 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 실리콘 카바이드(SiC), 몰리브덴 디실리사이드(MoSi2), 크롬 실리사이드(Cr3Si), 알루미늄(Al), 탄탈(Ta), 폴리실리콘(Si), 구리(Cu), 및 내고온성 강으로 이루어진 그룹으로부터 하나 이상의 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는, 적외선 방사체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    캐리어 플레이트(102)는 적어도 2개의 재료 층들에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 적외선 방사체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    캐리어 플레이트(102)는 복합 재료를 포함하며, 상기 복합 재료는 매트릭스 성분에 의해 그리고 반도체 재료 형태의 추가 성분에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 적외선 방사체.
  6. 제5항에 있어서,
    매트릭스 성분은 석영 유리이고 바람직하게는 최소 99.99％ SiO2의 화학적 순도와 최대 1％의 크리스토발라이트 함량을 갖는 것을 특징으로 하는, 적외선 방사체.
  7. 제5항에 있어서,
    추가 성분은 원소 형태의 반도체 재료를, 바람직하게는 원소 실리콘을, 함유하는 것을 특징으로 하는, 적외선 방사체.
  8. 제5항에 있어서,
    추가 성분의 적절한 유형 및 양은, 600℃의 온도에서의 캐리어 플레이트(102)에서, 방사율 ε가 2 내지 8 ㎛의 파장에 대해 적어도 0.6이 되도록, 존재하는 것을 특징으로 하는, 적외선 방사체.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    캐리어 플레이트(102)는 0.5％ 미만의 폐쇄 다공성을 갖고 2.19 g/cm3의 비밀도를 갖는 것을 특징으로 하는, 적외선 방사체.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각 개별적으로 전기적으로 제어될 수 있는 복수의 인쇄 도체(103)들이 캐리어 플레이트(102)에 적용되는 것을 특징으로 하는, 적외선 방사체.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    인쇄 도체(103)들을 구비한 복수의 캐리어 플레이트(102)들이 클래딩 튜브(101) 내에 배치되며, 그 캐리어 플레이트(102)들 각각은 개별적으로 전기적으로 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는, 적외선 방사체.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    캐리어 플레이트에 적용되는 인쇄 도체(103)를 구비한 캐리어 플레이트(102)는 진공 하에서, 또는 일련의 질소, 아르곤, 크세논, 크립톤 또는 중수소(deuterium)로부터 하나 이상의 가스를 포함하는 보호 가스 분위기 하에서, 클래딩 튜브(101) 내에 유지되는 것을 특징으로 하는, 적외선 방사체.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    인쇄 도체(103)는 소성된 후막층으로서 제공되는 것을 특징으로 하는, 적외선 방사체.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    클래딩 튜브(101)의 부분 영역들은 불투명한 고 반사 석영 유리로 제조된 코팅(200)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 적외선 방사체.
  15. 제14항에 있어서,
    코팅(200)은 클래딩 튜브(101)의 둘레에 180° 내지 330°의 각도 범위에 걸쳐 적용되는 것을 특징으로 하는, 적외선 방사체.
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