KR20200142317A

KR20200142317A - 면상 발열체 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20200142317A
Application number: KR1020190069421A
Authority: KR
Inventors: 정창우
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2019-06-12
Filing date: 2019-06-12
Publication date: 2020-12-22
Also published as: CN112087826A; EP3751958A1; KR102396584B1; CN112087826B; EP3751958B1; US20200396803A1

Abstract

본 발명은 전기를 이용하여 발열시키는 면상 발열체 및 면상 발열체의 제조 방법에 관한 것이다.
450℃ 이상의 높은 사용온도에서도 사용 가능하고 재료 자체의 용출이 억제되며 높은 파괴인성과 낮은 열팽창 계수 및 내열 특성을 가지면서 면상 발열체층과 기판과의 열팽창 계수 차이에 의한 열응력을 완화시킬 수 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 면상 발열체는, 기판; 상기 기판 위에 위치하며 (50~100)*10^-7 m/℃의 열팽창 계수를 가지는 버퍼층; 상기 버퍼층 위에 위치하며 NiCr 합금을 포함하는 면상 발열체층;을 포함할 수 있다.

Description

면상 발열체 및 그 제조방법 {THE SURFACE HEATER AND THE MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}

본 발명은 전기 레인지와 같은 가열장치 분야에서 전기를 이용하여 발열시키는 면상 발열체 및 면상 발열체의 제조 방법에 관한 것이다.

가정용이나 상업용 조리기기로 사용되는 쿡탑(cooktop)은 그 상면에 올려진 용기를 가열함으로써 용기에 담겨진 음식물을 가열하는 조리기기이다.

가스를 이용하여 화염을 발생시키는 가스 레인지 형태의 쿡탑은 가스의 연소 과정 중에 유독성 가스 등을 발생시킨다. 유독성 가스는 직접적으로 조리자의 건강에 나쁜 영향을 유발시킬 뿐만 아니라 실내의 공기까지도 오염시키는 문제를 유발한다. 또한 가스 레인지 형태의 쿡탑은 유독성 가스나 오염된 공기를 제거하기 위한 환기 시설을 필요로 하므로 그 결과 경제적으로도 추가적인 비용이 발생한다.

최근 들어 이러한 가스 레인지 형태의 쿡탑을 대체하고자 전기통전에 의해 열을 발생시키는 면상 발열체를 포함하는 전기 레인지 형태의 쿡탑이 많이 이용되고 있는 추세이다.

주로 철, 니켈, 은, 백금 등의 금속 박판을 에칭한 금속 발열체 또는 탄화규소, 지르코니아, 탄소 등의 비금속 발열체 등이 현재 면상 발열체로 사용되고 있다.

상기 면상 발열체들 중 금속 재료들은 고온에 지속적으로 노출되는 경우 열에 약하고 비금속 재료들은 제작이 어렵고 깨지기 쉬운 단점이 있다. 상기의 문제점을 개선하기 위해 금속, 금속 산화물, 세라믹 물질 등을 고온에서 장시간의 소성을 통해 제조한 면상 발열체도 최근 들어 이용되고 있다.

상기 소성용 면상 발열체들은 산화물이나 세라믹 대비 상대적으로 융점이 낮은 금속 성분들을 주성분으로 포함하고 있다. 이와 같이 저융점의 금속을 포함한 발열체 대부분은 융점의 한계로 인해 대부분 사용온도가 400℃ 부근으로 상대적으로 낮아서 고온의 조리 온도에 사용되기 어렵다는 문제가 있다. 더 나아가 기존의 저융점의 금속을 포함한 발열체는 쿡탑의 사용 중에 저융점 금속 성분의 용출로 인해 제품 신뢰성에 나쁜 영향을 미칠 수 있다.

반면 융점이 높은 일부 금속이나 금속산화물 또는 세라믹과 같은 고융점의 재료들을 소성을 통해 면상 발열체로 제조하기 위해서는 재료적 제약이 뒤따른다.

구체적으로 상기 고융점 성분들을 소성하기 위해서는 먼저 기판 물질이 고온의 소성 공정을 견딜 수 있도록 고융점을 가지는 재질로 한정될 수 밖에 없다. 기판 재료의 제약은 면상 발열체가 적용되는 쿡탑의 제품 설계에 있어 하나의 허들로 작용한다.

한편 면상 발열체도 재료적 측면에서 여러 가지 이슈가 있다. 예를 들어 은(Ag)와 같은 귀금속도 면상 발열체에 적용하게 되면, 고온에서의 노출로 인해 산화가 발생하는 문제가 있다. 세라믹 재료가 면상 발열체에 적용되면, 면상 발열체의 반복적인 가열과 냉각 때문에 세라믹 재료에 열피로 내지는 열충격이 가해져서 그 결과 쿡탑의 수명이 떨어지는 문제를 보인다.

특히 고융점을 가지는 성분들 가운데 금속산화물 또는 세라믹 재료들은 재료자체가 가지는 고유의 취성(embrittlement)으로 인해 낮은 파괴인성(fracture toughness)을 가진다.

한편 금속, 금속산화물 또는 세라믹 재료들 가운데 일부 성분들은 기판 대비 매우 높은 열팽창 계수(coefficient of thermal expansion, CTE)를 가진다. 면상 발열체의 열팽창 계수는 면상 발열체층과 기판 사이에서 발생하는 열 충격 내지는 열 응력을 직접적으로 결정하는 주요 인자이다. 면상 발열체층과 기판 사이의 열팽창 계수의 차이는 면상 발열체층과 기판 사이의 접착력을 약화시켜 그 결과 최종 제품인 쿡탑의 수명을 저하시키는 직접적인 원인으로 작용한다. 특히 면상 발열체층이 금속 성분을 포함하고 기판은 유리 및/또는 세라믹인 경우, 면상 발열체층과 기판 사이의 열팽창 계수의 차이는 이종 재료들 사이의 취약한 결합과 상호 작용하여 쿡탑의 신뢰성과 수명을 더욱 떨어뜨린다.

본 발명은 전기 레인지 쿡탑의 사용 온도뿐만 이보다 높은 450℃ 이상의 사용 온도에서도 사용 가능하며 전기 레인지의 사용시에도 용출되지 않는 면상 발열체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 높은 파괴 인성을 가져서 열 충격 등에 대한 저항성이 높고 더 나아가 상온에서부터 전기 레인지의 사용온도 범위까지 낮은 열팽창 계수를 가짐으로써 열 충격을 줄여 그로 인해 신뢰성과 수명을 향상시킨 면상 발열체를 제공하는 것을 다른 하나의 목적으로 한다.

한편 본 발명은 면상 발열체층과 기판 사이에 위치하여 면상 발열체층과 기판 사이의 열팽창 계수 차이로 인해 발생하는 열충격 내지는 열응력을 저감시킬 수 있는 버퍼층을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다. 특히 본 발명은 면상 발열체층 및 기판과 원하지 않는 반응을 일으키지 않고 고온에서도 안정적이며 더 나아가 면상 발열체층의 열팽창 계수와 기판의 열팽창 계수 사이의 열팽창 계수를 가지거나 면상 발열체의 열팽창 계수와 유사한 열팽창 계수를 가지도록 성분 및 조성범위를 제어한 버퍼층을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 면상 발열체의 제조 시 공정 시간을 단축시켜 높은 온도에서의 재료의 노출 시간을 줄임으로써 재료의 산화를 방지할 수 있는 면상 발열체 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히 본 발명은 공정의 통합 및 재료의 디자인을 통해 고온 소결 온도를 낮추고 공정 시간을 단축시켜 이로 인한 기판의 열변형 내지는 열파괴를 막을 수 있는 면상 발열체의 제조 방법을 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 면상 발열체의 제조 시 고온 공정의 적용을 배제함으로써 공정시간 및 에너지를 저감할 수 있고 이로 인해 기판의 재료적인 제약이 없는 면상 발열체의 제조 방법을 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 높은 공정 온도에서 기인한 재료의 산화를 막기 위한 환원성 공정 분위기가 요구되지 않는 면상 발열체의 제조 방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

450℃ 이상의 높은 사용온도에서도 사용 가능하고 재료 자체의 용출이 억제되며 높은 파괴인성과 낮은 열팽창 계수 및 내열 특성을 가지면서 면상 발열체층과 기판과의 열팽창 계수 차이에 의한 열응력을 완화시킬 수 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 면상 발열체는, 기판; 상기 기판 위에 위치하며 (50~100)*10^-7 m/℃의 열팽창 계수를 가지는 버퍼층; 상기 버퍼층 위에 위치하며 NiCr 합금을 포함하는 면상 발열체층;을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 기판은 유리, 결정화 유리(glass ceramics), Al₂O₃, AlN, 폴리이미드(polyimide), PEEK(PolyEthel-EthelKetone) 또는 세라믹스 중 어느 하나인 것;을 특징으로 하는 면상 발열체가 제공될 수 있다.

바람직하게는, 상기 버퍼층의 두께는 1~10 ㎛인 것;을 특징으로 하는 면상 발열체가 제공될 수 있다.

바람직하게는, 상기 버퍼층의 전기 비저항은 10⁴~10⁵ Ω㎝인 것;을 특징으로 하는 면상 발열체가 제공될 수 있다.

바람직하게는, 상기 버퍼층은 글래스 프릿을 포함하고; 상기 글래스 프릿은 60~70 wt. %의 SiO₂, 15~25 wt. %의 B₂O₃, 1~10 wt.%의 Al₂O₃, 10 wt.% 이하(단, 0%는 제외)의 알칼리 산화물 및 1 내지 5 wt.%의 BaO;를 포함하는 면상 발열체가 제공될 수 있다.

이 때, 상기 글래스 프릿의 연화점은 600~700℃인 것;을 특징으로 하는 면상 발열체가 제공될 수 있다.

바람직하게는, 상기 NiCr 합금에서의 Ni의 함량은 60 내지 95 wt.%인 것;을 특징으로 하는 면상 발열체가 제공될 수 있다.

바람직하게는, 상기 면상 발열체층의 전기 비저항은 10^-2 내지 10^-4 Ω㎝ 인 것;을 특징으로 하는 면상 발열체가 제공될 수 있다.

고온 소결 온도를 낮추고 공정 시간을 단축시켜 이로 인한 기판의 열변형 내지는 열파괴를 막을 수 있고 공정 시간을 단축시켜 높은 온도에서의 재료의 노출 시간을 줄임으로써 재료의 산화를 방지할 수 있는 본 발명의 다른 실시예에 따른 면상 발열체의 제조 방법은, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 위에 위치하며 (50~100)*10^-7 m/℃의 열팽창 계수를 가지는 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 버퍼층 위에 위치하며 NiCr 합금을 포함하는 면상 발열체층을 코팅하는 단계; 상기 코팅된 면상 발열체층을 건조하는 단계; 상기 건조된 면상 발열체층을 소결하는 단계;를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 버퍼층을 형성하는 단계는, 상기 버퍼층을 코팅하는 단계; 상기 코팅된 버퍼층을 건조하는 단계; 상기 건조된 버퍼층을 소결하는 단계;를 포함하고, 상기 건조된 버퍼층과 상기 건조된 면상 발열체층의 소결은 동시에 소결되는 것;을 특징으로 하는 면상 발열체의 제조 방법이 제공될 수 있다.

이 때, 상기 동시에 소결되는 단계는 750~950℃ 범위의 소결 온도에서 0.1~2 시간의 소결 시간 동안 소결되는 것;을 특징으로 하는 면상 발열체의 제조 방법이 제공될 수 있다.

또는, 면상 발열체의 제조 시 고온 공정의 적용을 배제함으로써 공정시간 및 에너지를 저감할 수 있고 이로 인해 기판의 재료적인 제약이 없으며 재료의 산화를 막기 위한 환원성 공정 분위기가 요구되지 않는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 면상 발열체의 제조 방법은, 상기 버퍼층을 형성하는 단계가, 상기 버퍼층을 코팅하는 단계; 상기 코팅된 버퍼층을 건조하는 단계; 상기 건조된 버퍼층을 소결하는 단계;를 포함하고, 상기 건조된 면상 발열체층의 소결은 광소결인 것;을 특징으로 할 수 있다.

바람직하게는, 상기 기판은 유리, 결정화 유리(glass ceramics), Al₂O₃, AlN, 폴리이미드(polyimide), PEEK(PolyEthel-EthelKetone) 또는 세라믹스 중 어느 하나인 것;을 특징으로 하는 면상 발열체의 제조 방법이 제공될 수 있다.

바람직하게는, 상기 버퍼층의 두께는 1~10 ㎛인 것;을 특징으로 하는 면상 발열체의 제조 방법이 제공될 수 있다.

바람직하게는, 상기 버퍼층의 전기 비저항은 10⁴~10⁵ Ω㎝인 것;을 특징으로 하는 면상 발열체의 제조 방법이 제공될 수 있다.

바람직하게는, 상기 버퍼층은 글래스 프릿을 포함하고; 상기 글래스 프릿은 60~70 wt. %의 SiO₂, 15~25 wt. %의 B₂O₃, 1~10 wt.%의 Al₂O₃, 10 wt.% 이하(단, 0%는 제외)의 알칼리 산화물 및 1 내지 5 wt.%의 BaO;를 포함하는 면상 발열체의 제조 방법이 제공될 수 있다.

이 때, 상기 글래스 프릿의 연화점은 600~700℃인 것;을 특징으로 하는 면상 발열체의 제조 방법이 제공될 수 있다.

바람직하게는, 상기 NiCr 합금에서의 Ni의 함량은 60 내지 95 wt.%인 것;을 특징으로 하는 면상 발열체의 제조 방법이 제공될 수 있다.

바람직하게는, 상기 면상 발열체층의 전기 비저항은 10^-2 내지 10^-4 Ω㎝ 인 것;을 특징으로 하는 면상 발열체의 제조 방법이 제공될 수 있다.

본 발명에 따르면 고융점을 가지는 금속 성분으로 설계된 면상 발열체를 제공함으로써 면상 발열체가 적용되는 전기 레인지의 사용온도를 450℃ 이상으로 기존 사용온도 대비 더욱 높일 수 있고 더 나아가 고온의 사용온도에서도 금속 성분의 용출을 방지하여 전기 레인지와 같은 쿡탑 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한 본 발명에 따른 면상 발열체는 금속 고유의 높은 파괴 인성과 함께 다른 금속 대비 낮은 열팽창 계수를 동시에 가지도록 설계됨으로써 쿡탑의 사용 중에 발생하는 온도 차이 및 하부의 기판 또는 버퍼층과 열팽창 계수의 차이에 의해 발생하는 열 충격에 대한 저항성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 나아가 열 충격 자체를 감소시킬 수 있다. 그 결과 본 발명은 실제 제품인 쿡탑의 수명과 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.

더 나아가 본 발명에 따른 면상 발열체는 기판과 면상 발열체층 사이에 위치하면서 면상 발열체층의 열팽창 계수와 기판의 열팽창 계수 사이의 열팽창 계수를 가지거나 면상 발열체의 열팽창 계수와 유사한 열팽창 계수를 가지도록 성분 및 조성범위를 제어한 버퍼층을 포함함으로써 기판과 면상 발열체의 열팽창 계수 차이로 인해 면상 발열체층에 발생하는 열충격 내지는 열응력을 저감시키는 효과를 제공한다. 또한 상기 버퍼층의 고온에서의 높은 전기 비저항은 면상 발열체에서 발생할 수 있는 누설 전류로부터 사용자를 보호하는 효과를 제공한다.

또한 본 발명의 면상 발열체는 온도에 따른 저항값의 변화인 저항 온도 계수가 낮은 금속을 적용함으로써 쿡탑의 초기 가동시 필요한 초기돌입전류를 낮추어 과전류에 따른 사용자의 안전성을 확보할 수 있고 더 나아가 TRIAC과 같은 제어 장치가 필요하지 않는 효과를 가진다.

또한 본 발명의 면상 발열체는 재료 자체가 다른 금속 대비 높은 저항값을 가짐으로써 다른 금속이나 세라믹 파우더의 혼합 없이 단독으로 면상 발열체로 사용이 가능하다. 이로써 본 발명의 면상 발열체는 다른 재료와의 반응성 및 패이스트의 안정성 및 보관성이 향상될 뿐만 아니라 재료비 측면에서도 코스트 다운 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 면상 발열체 제조 방법은 버퍼층을 포함하더라도 공정 시간을 단축시킴으로써 높은 공정온도에서의 재료의 노출시간을 줄임으로써 재료의 열에 의한 산화 내지는 변형을 방지할 수 있는 효과를 제공한다.

특히 본 발명의 면상 발열체 제조 방법은 버퍼층 및/또는 면상 발열체층의 제조 시 재료의 성분 및 조성범위의 설계를 통해 공정 온도를 낮춤으로써 기판을 포함한 재료의 산화 내지는 열변형을 억제하는 효과를 제공한다.

한편 본 발명의 면상 발열체 제조 방법은 고온 공정을 가급적 배제함으로써 공정 시간 및 에너지를 저감할 수 있고, 더 나아가 고온 장시간 열처리시 단열 시스템으로부터의 발생할 수 있는 재료의 오염을 원천적으로 배제함으로써 보다 우수한 품질의 면상 발열체를 제공할 수 있다. 고온 공정이 배제될 수 있는 본 발명의 면상 발열체 제조 방법은 고온 열처리에 필요한 단열 설비 시스템과 환원성 공정 분위기를 위한 별도의 추가 설비가 필요치 않으므로 공정 설비가 간편해지는 효과를 제공한다.

또한 본 발명에서의 면상 발열체 제조 방법은 단위 공정 시간(리드 타임)이 단축됨으로써 전체 공정의 택 타임(tact time)을 줄일 수 있어 그 결과 생산성을 향상시키는 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 면상 발열장치를 기판(10) 위에서 바라본 평면도이다.
도 2는 도 1의 면상 발열장치를 A-A'를 따라 자른 부분의 일 예를 도시한 확대 단면도이다.
도 3은 도 1의 면상 발열장치를 A-A'를 따라 자른 부분의 다른 예를 도시한 확대 단면도이다.
도 4는 고출력 구동시 기판의 비저항 감소로 인해 면상 발열체층의 발열체에서 단락이 발생하여 히터 모듈이 파괴된 예를 도시한 것이다.
도 5는 실시예 1의 조성을 가지는 글래스 프릿을 이용하여 제조된 버퍼층 상에 형성된 면상 발열체층의 SEM 이미지이다.
도 6은 비교예 1의 조성을 가지는 글래스 프릿을 이용하여 제조된 버퍼층 상에 형성된 면상 발열체층의 SEM 이미지이다.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.

이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.

또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.

이하에서는, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 면상 발열체 및 그 제조 방법을 설명하도록 한다.

도 1 내지 3을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 레인지(1)는 전기 절연성의 재질로 이루어진 표면을 포함하는 기판(10)과, 상기 기판 상에 위치하는 버퍼층(20)과, 산화물 분말이 포함된 소정 분말이 소결(燒結, sintering)되어 기판(10) 상에 위치하는 버퍼층(20) 위에 위치하는 면상 발열체층(30)과, 면상 발열체층(30)에 전기를 공급하는 전력 공급부(50)를 포함한다.

이 때 기판(10)은 전기 레인지(1)를 이용하는 기기의 필요에 따라 다양한 크기와 형상으로 제작될 수 있다. 비한정적인 일례로써 본 발명에서의 기판(10)은 판형의 부재일 수 있다. 또한 기판(10)은 필요에 따라 기판 내의 위치 별로 두께를 달리할 수 있다. 더 나아가 기판(10)은 필요에 따라 굴곡지게 하는 것도 가능하다.

본 발명에서 기판(10)을 형성하는 재료는 절연 재료이면 족하고 특별히 한정되지는 않는다. 비한정적인 예로써 본 발명에서의 기판은 유리, 결정화 유리(glass ceramics), 알루미나(Al₂O₃), 질화알루미늄(AlN) 등의 세라믹 기판뿐만 아니라 PI(polyimide) 또는 PEEK(PolyEthel-EthelKetone)와 같은 고분자 재료도 사용 가능하다. 다만, 유리, 결정화 유리(glass ceramics) 또는 세라믹스 중 어느 하나를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 재료들은 기본적으로 절연성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 다른 재료들보다 내오염, 내지문 및 시각적 측면에서 유리하기 때문이다. 특히, 결정화 유리(glass ceramics)가 가장 바람직한데, 결정화 유리는 투명성과 미려함이라는 일반적인 비정질 유리의 장점에 더하여 다른 세라믹 재료들 대비 내충격성 및 저팽창성까지 확보할 수 있기 때문이다.

기판(10)의 양측 면 중 면상 발열체층(30)이 형성된 일측 면에는 기판(10) 위에 버퍼층(20)이 위치한다. 본 발명의 일 실시예에서의 전기 레인지가 상기 버퍼층(20)을 포함하면, 상기 버퍼층(20)은 기판(10)의 전부 또는 기판의 일부에 형성되어야 한다. 여기서 기판의 일부란, 적어도 사용자가 전기 레인지의 작동시 접촉할 수 있는 기판의 부분 및/또는 면상 발열체층과 기판과의 접촉 부분을 의미한다.

상기 버퍼층(20)은 먼저 상기 기판과 면상 발열체층의 열팽창 계수의 차이에 의해 쿡탑의 구동(발열)시 발생되는 열충격 내지는 열응력과 그에 따른 면상 발열체층의 박리를 억제하는 기능을 한다.

만일 면상 발열체층(30)이 기판과 동일 또는 유사한 세라믹스 계열의 재료로 이루어진다면, 기판과 면상 발열체층은 동종 재료이므로 계면에서의 결합 강도가 높고 동시에 열팽창 계수도 유사하게 된다. 그러나 세라믹스 계열의 재료는 낮은 파괴인성을 가져서 작은 열응력 내지는 열충격에도 취약하다는 근본적인 문제가 있다.

반면 파괴인성이 우수한 종래의 금속 계열의 재료를 포함한 면상 발열체층은 파괴 인성은 우수하지만 기판과의 열팽창 계수 차가 클 뿐만 아니라 고온에서 유효 성분이 용출되는 문제가 있다.

특히 면상 발열체층이 금속 재료를 포함하여 기판과 서로 다른 이종 재료로 형성되는 경우, 기판과 면상 발열체층 사이의 약한 결합은 기판과 면상 발열체층의 열팽창 계수의 차이로 인해 더욱 약화되어 종국적으로는 면상 발열체층의 박리를 초래한다.

면상 발열체층(30)의 재질에 따른 특성은 아래의 표 1에 보다 구체적으로 정리되어 있다. 특히 아래의 표 1은 본 발명의 실시예에서 면상 발열체층(30)을 형성하기 위해 사용한 NiCr합금을 포함하여 현재 사용되거나 알려진 면상 발열체용 재료의 기계적 특성과 전기적 특성을 요약한 것이다.

<표 1> 면상 발열체용 재료의 기계적/전기적 특성

상기 표 1에서 알 수 있듯이, 먼저 Ag와 NiCr은 금속 특유의 연성 및 강성으로 인해 다른 세라믹 재료 대비 기계적 특성 중 하나인 파괴 인성이 매우 높음을 알 수 있다. 면상 발열체 재료의 파괴 인성이 높으면, 면상 발열체가 사용될 때 노출되는 열충격에 대한 재료 자체의 저항성이 높아지고 그 결과 전기 레인지의 수명 및 신뢰성은 크게 개선될 수 있다.

이에 더하여 본 발명의 실시예에서의 NiCr은 기존의 Ag 대비 열팽창 계수가 작음을 상기 표 1로부터 알 수 있다. 열팽창 계수는 면상 발열체가 사용시 노출되는 열변화에서 기인하는 열충격을 결정하는 중요한 인자 중 하나이다. 따라서 NiCr합금과 Ag가 동일한 온도변화에 노출되는 경우, NiCr 합금은 Ag 대비 작은 열팽창 계수를 가지므로 그로 인해 더 작은 열충격 내지는 열응력을 받게 된다. 그 결과 NiCr 합금으로 된 면상 발열체는 Ag로 된 면상 발열체 대비 열충격을 더 작게 받게 되어 전기 레인지의 수명 및 신뢰성 측면에서 보다 유리한 효과를 가질 수 있다.

한편 상기 표 1은 기계적 특성 이외에도 전기 비저항을 제시하고 있다. 면상 발열체용 재료로써 사용 가능한 재료들의 상온에서의 전기 비저항은 Ag을 제외하고 대부분 10^-2 내지 10^-5 Ω㎝정도의 비저항을 가진다. 왜냐하면 면상 발열체의 전기 비저항이 10^-2 Ω㎝보다 큰 경우, 지나치게 큰 비저항으로 인해 발열체의 pattern을 설계할 수 없는 문제가 발생하기 쉽다. 또한 전기 비저항이 10^-2 Ω㎝보다 높으면, 면상 발열체의 출력이 지나치게 낮아 그 결과 발열 온도가 낮아서 조리기기로 사용하기에 부적합하다. 반면 면상 발열체의 전기 비저항이 10^-5 Ω㎝보다 낮게 되면, 지나치게 작은 비저항으로 인해 출력이 너무 높게 되어 전기통전에 의해 발생하는 열이 지나치게 높아서 신뢰성 측면에서 부적합하다.

이러한 기준에 비추어 볼 때, Ag는 단독으로는 면상 발열체에 적합하지 않은 반면 본 발명의 실시예에서의 NiCr 합금은 다른 성분들과 혼합 가능함은 물론이거나와 단독 성분으로도 면상 발열체로 사용할 수 있음을 알 수 있다.

한편 상기 표 1에서는 제시하고 있지 않지만, 면상 발열체용 재료는 온도에 따른 전기 비저항의 변화가 작아야 한다.

일반적으로 재료의 전기 비저항은 온도의 변화에 따라 같이 변화한다. 다만 각각의 재료의 종류별 카테고리에 따라 온도에 따른 재료의 비저항의 변화 거동은 매우 상이하다.

예를 들어 상기 표 1에서의 LC(Lanthanum Cobalt oxide)나 MoSi₂, SiC와 같은 세라믹 재료는 전기의 수송이 주로 격자의 진동(lattice vibration)에 의해 일어난다. 세라믹 재료를 구성하는 격자들은 온도가 높아질수록 진동의 폭이 커지고 빨라진다. 따라서 세라믹 재료에서의 비저항은 온도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 가진다.

이와는 달리 상기 표 1에서의 Ag나 NiCr과 같은 금속은 자유 전자에 의해 전기가 전달된다. 금속에서도 금속을 구성하는 격자들은 온도가 높아질수록 진동의 폭이 커지고 빨라진다. 그런데 금속의 경우 전기의 전달은 자유 전자에 의해 주로 이루어지는데, 자유 전자의 움직임은 격자의 진동에 의해 제약을 받게 된다. 따라서 금속은 온도가 올라갈수록 격자의 진동이 빨라지고 폭이 커져서 자유 전자의 움직임을 더욱 방해하게 되어 그 결과 전기 비저항은 온도가 올라갈수록 증가하는 경향을 가지게 된다.

본 발명의 실시예에서의 NiCr 합금은 상온에서부터 전기 레인지가 사용될 수 있는 최대 사용온도까지의 전기 비저항의 변화가 5% 이내로 매우 작다. 그 결과 NiCr 합금이 전기 레인지의 면상 발열체로 사용되면, 전기 레인지의 가동 초기에 필요한 초기돌입전류가 작아서 위험이 제거될 뿐만 아니라 TRIAC와 같은 별도의 부품 없이도 전기 레인지의 안정적인 가동이 가능하다.

반면 Ag가 전기 레인지의 면상 발열체로 사용되면, Ag의 지나치게 낮은 비저항과 저항의 온도변화가 큰 특성으로 인해 전기 레인지의 초기 가동시 초기돌입전류를 크게 증가시켜야 되는 위험과 함께 TRIAC와 같은 별도의 부품이 반드시 필요한 단점이 있다.

본 발명의 실시예에서 기판 위에 위치하는 버퍼층의 소성 후의 최종 두께는 1 내지 10 ㎛ 가 바람직하다.

만일 버퍼층의 두께가 1 ㎛ 보다 얇은 경우, 버퍼층의 물리적인 두께가 기판과 면상 발열체층 사이의 열팽창 계수 차이에 의한 응력을 최소화하는데 충분하지 않는 문제가 있다.

만일 버퍼층의 두께가 10 ㎛보다 두꺼운 경우 기판과 면상 발열체층 사이의 열팽창 계수 차이로 인한 응력을 최소화하고 기판 및 면상 발열체층의 두께를 보정하는데 있어 효과적이지 못하다. 특히 면상 발열체층이 본 발명의 실시예의 NiCr과 같이 금속재료를 포함하는 경우, 면상 발열체층인 금속과 기판인 세라믹스 사이의 이종 결합에 있어서 버퍼층의 두께가 너무 두꺼우면 면상 발열체층과 하부의 기판 및/또는 버퍼층 사이의 접착 강도는 오히려 감소하게 된다.

또한 본 발명의 실시예의 버퍼층은 기판과 면상 발열체층의 두께를 보정하는 기능을 수행한다. 따라서 만일 버퍼층의 두께가 10 ㎛보다 두꺼운 경우 두께를 보정하는데 필요한 두께 이상의 재료가 소모되는 문제가 발생하게 된다. 반면 버퍼층의 두께가 1 ㎛보다 얇은 경우, 버퍼층에 의한 두께 보정 효과는 실현되기 어려워 지게 된다.

상기 버퍼층(20)은 고온에서 기판의 비저항 감소로 인해 유발될 수 있는 배면 누설 전류로 인한 사용자의 감전 사고를 예방할 수 있다. 또한 버퍼층(20)은 고온에서의 상대적으로 높은 비저항으로 인해 면상 발열체층(30)의 고출력 구동시 면상 발열체층(30)에서의 단락전류를 방지하여(도 4) 그 결과 면상 발열체층(30)의 파괴를 막을 수 있다.

이를 위해 본 발명에서의 버퍼층(20)은 10⁴ Ω㎝ 이상의 전기 비저항을 가져야 한다. 만일 버퍼층(20)의 전기 비저항이 10⁴ Ω㎝ 보다 낮다면, 고온에서의 단락전류의 방지나 면상 발열체층의 파괴를 방지하기 어려워 진다. 한편 버퍼층(20)의 전기 비저항은 더욱 높아도 무방하나 후술할 버퍼층과의 적합성과 재료적인 요인으로 인해 10⁵ Ω㎝ 보다 높아지기 어렵다.

이에 더하여 본 발명의 실시예에서의 버퍼층(20)은 기판(10) 및/또는 면상 발열체층(30)과의 접착력을 확보함과 동시에 상온 및 고온에서 접촉하는 기판(10) 및 면상 발열체(30)와 불필요한 반응을 하지 않아야 하고 더 나아가 인쇄 및 후속 공정과도 적합성(compatibility)를 가져야 한다.

이를 위해 본 발명의 실시예에서의 버퍼층(20)은 무기질 바인더가 포함되는 것이 보다 바람직하다. 특히 본 발명의 실시예에서는 소성 온도를 감소시키고자 무기 바인더로서 글라스 프릿(glass frit)을 포함하는 것이 보다 바람직하다.

보다 구체적으로 본 발명의 실시예의 버퍼층에서는 글라스 프릿으로 보로실리케이트(borosilicate) 유리를 포함한다. 상기 보로실리케이트의 열팽창계수는 면상 발열체층(30)의 열팽창 계수와 유사하거나 기판(10)과 후속 면상 발열체층(30)의 열팽창 계수의 중간 정도인 (50~100)*10^-7m/℃ 정도의 값을 가져서, 면상 발열체층(30)이 기판(10)과 열팽창 계수 차이로 인해 크랙이나 박리가 일어나는 것을 억제하는데 크게 도움이 되기 때문이다.

이 때 본 발명의 실시예의 버퍼층에서의 열팽창 계수의 상한이 면상 발열체층의 열팽창 계수와 유사한 이유는 버퍼층과 기판은 서로 유사한 세라믹-세라믹 적층인 반면 버퍼층과 면상 발열체층은 세라믹-금속 적층 구조이기 때문이다. 보다 자세히 설명하면, 먼저 세라믹-세라믹 적층 구조에서는 계면에서의 접착 강도가 높기 때문에 비록 열팽창 계수의 차이가 있다 하더라도 계면은 열충격 또는 열응력에 대한 저항성이 높다. 이에 반해 세라믹-금속 적층 구조는 계면에서의 접착 강도가 약해서 그로 인해 계면은 열충격 또는 열응력에 더 취약하기 때문이다.

본 발명의 실시예에서의 글래스 프릿은 유리의 기본 구조인 망목(network) 구조를 형성하는 망목 형성제(network former)로써 SiO₂를 포함한다.

일반적으로 유리의 망목 형성제로 사용 가능한 성분으로는 대표적으로 SiO₂, B₂O₃ 및 P₂O₅ 등이 사용되는 것으로 알려져 있다. 그런데 P₂O₅ 등은 본 발명의 글래스 프릿이 적용되는 버퍼층과 기판 및/또는 면상 발열체층 사이의 반응을 효과적으로 억제하지 못한다. 따라서 본 발명의 실시예는 버퍼층의 안정성 및 신뢰성을 향상시키고자 제1 망목 형성제로써 SiO₂를 포함하였다.

이 때 SiO₂는 60~70 중량 %(이하 wt. % 또는 %라 한다)를 포함하는 것이 바람직하다. 만일 SiO₂의 첨가범위가 60 % 미만인 경우, 망목 구조가 불안정하여 열팽창 계수가 지나치게 높고 더 나아가 유리 형성이 가능한 조성범위를 벗어나서 유리가 형성되기 어려울 수 있다. 반면 SiO₂의 첨가량이 70 %를 초과하는 경우, 지나치게 안정한 망목 구조와 망목 구조의 고온 안정성으로 인해 열팽창 계수가 지나치게 낮게 되고 더 나아가 이 경우 또한 유리 형성 온도가 지나치게 높다는 문제가 있다.

한편 본 발명의 실시예의 버퍼층은 제2 망목 형성제로써 B₂O₃를 포함한다. 이 때 B₂O₃는 15~25 중량 %(이하 wt % 또는 %라 한다)를 포함하는 것이 바람직하다. 만일 B₂O₃ 첨가범위가 15 % 미만인 경우, 망목 구조가 불안정하여 열팽창 계수가 지나치게 높고 더 나아가 유리 형성이 가능한 조성범위를 벗어나서 유리가 형성되기 어려울 수 있다. 반면 B₂O₃의 첨가량이 25 %를 초과하는 경우, 지나치게 안정한 망목 구조와 망목 구조의 고온 안정성으로 인해 열팽창 계수가 지나치게 낮게 되고 더 나아가 이 경우 또한 유리 형성 온도가 지나치게 높다는 문제가 있다.

한편 대부분의 유리는 망목 형성제에 의해 형성되는 망목 구조를 파괴하는 망목 수식제(network modifier)를 필수 구성 성분으로 포함하고 있다. 이와 같은 망목 수식제는 단독으로는 유리를 형성하지는 못하지만 망목 형성제와 일정한 비율로 혼합되면 공유결합적 성격의 화학결합으로 되어 있는 유리의 골격 구조를 절단하는 이온 결합성 산화물이다. 유리에 첨가되는 통상적인 망목 수식제로는 알칼리 금속 산화물 또는 알칼리 토금속 산화물이 많이 사용된다.

본 발명의 실시예의 버퍼층은 망목 수식제로 Na₂O 및/또는 K₂O와 같은 통상적인 알칼리 금속 화합물과 함께 BaO를 글래스 프릿에 포함한다.

본 발명의 실시예의 버퍼층에서 BaO를 포함한 이유는 BaO가 다른 알칼리 토금속 산화물 대비 유리의 열팽창 계수를 더 크게 증가시킬 수 있기 때문이다. 더 나아가 본 발명에서의 BaO는 유리의 용융점 및 연화점과 같은 특성 온도를 낮추는데 매우 효과적이다. 유리의 특성 온도에 미치는 BaO의 특성은 결국 본 발명의 글래스 프릿의 접착성 개선과 함께 후속 면상 발열체층과의 동시 소성 등의 공정성 개선에 큰 영향을 미친다.

본 발명의 실시예의 글래스 프릿에 있어서 알칼리 산화물의 첨가량은 10 % 이하이고 BaO의 첨가량은 1 내지 5 % 첨가하는 것이 바람직하다.

만일 BaO의 첨가량이 1 %보다 적다면, 이 경우 글래스 프릿은 지나치게 안정한 망목 구조로 인해 고온에서도 망목 구조가 안정하여 유리가 형성되기 어려우며, 유리가 형성되더라도 열팽창 계수가 지나치게 낮게 되는 문제가 있다.

반면 BaO의 첨가량이 5 %보다 많고 알칼리 산화물의 첨가량도 10 %보다 많으면, 유리 형성이 가능한 조성범위를 벗어나게 되고 비록 유리가 형성된다 하더라도 버퍼층의 열팽창 계수가 지나치게 커지는 문제가 있다.

다음으로 본 발명의 실시예의 버퍼층에서의 글래스 프릿은 중간제(intermediate)로 Al₂O₃를 글래스 프릿에 포함한다.

유리는 통상적으로 망목 구조를 안정화시키는 산화물들을 포함하며, 이러한 산화물들을 중간제(intermediate)라 한다. 일반적으로 Al₂O₃는 BaO와 함께 유리의 점도와 용융점 및 연화점 등의 특성 온도를 떨어뜨려 그 결과 저온에서도 유리가 쉽게 가공될 수 있게 한다.

본 발명의 실시예에서의 글래스 프릿은 Al₂O₃를 1~10 wt.% 포함하는 것이 바람직하다.

만일 Al₂O₃의 첨가량이 1 %보다 적다면, 이 경우 유리 형성이 가능한 조성범위를 벗어나게 되고 만일 유리가 형성된다 하더라도 망목 구조가 불안정하여 열팽창 계수가 지나치게 높고 더 나아가 유리 형성이 가능한 조성범위를 벗어나서 유리가 형성되기 어려울 수 있다.

반면 Al₂O₃의 첨가량이 10 %보다 많은 경우도 유리 형성이 가능한 조성범위를 벗어나게 되고, 만일 유리가 형성된다 하더라도 고온에서도 안정한 망목 구조로 인해 열팽창 계수가 낮을 뿐만 아니라 유리 형성 가능 온도가 지나치게 높게 되어 제조 단가도 높게 되는 문제가 발생할 수 있다.

본 발명의 실시예의 버퍼층은 상기 글래스 프릿을 포함하는 패이스트를 제조한 후 상기 패이스트를 기판(10) 상에 코팅하는 방법에 의해 제조된다.

본 발명에서의 패이스트는 용매와 유기 바인더 등의 필수 구성성분과 각종 유기 첨가제와 같은 선택 성분이 포함된 비히클(Vehicle)과 소성(또는 소결) 후에 기판 상에서 주요 기능을 담당하는 글래스 프릿 등의 입자(powder)가 혼합된 상태의 재료를 의미한다.

보다 구체적으로 본 발명의 실시예에서의 버퍼층의 패이스트는 유기 바인더 1 내지 10 wt. %, 용매 20 내지 40 wt.%, 첨가제 5 wt. %이하, 그리고 잔부는 먼저 상기 성분 및 조성범위를 가지는 보로실리케이트 글래스 프릿으로 구성된다.

본 발명의 실시예에서의 상기 유기 바인더는 열가소성 및/또는 열경화성 수지를 포함할 수 있다. 열가소성 바인더로는 아크릴, 에틸셀룰로오스, 폴리에스테르, 폴리설폰, 페녹시, 폴리아미트계 등이 사용될 수 있다. 열경화성 바인더로는 아미노, 에폭시, 페놀 등이 사용될 수 있다. 이 때 상기 유기 바인더는 단독으로 사용되거나 2종 이상을 혼합해서 사용할 수 있다.

만일 유기 바인더의 함량이 1 중량% 미만이면, 면상 발열체의 코팅시 코팅막의 기계적 안정성이 떨어져서 코팅막이 안정적으로 유지되기 어려워 진다. 반면 유기 바인더의 함량이 10 중량%를 초과하게 되면, 높은 유동성으로 인해 코팅막의 기계적 안정성이 떨어지며 최종 면상 발열체층(30)의 두께가 지나치게 얇아지는 문제가 있다.

본 발명의 실시예에서의 상기 용매는 패이스트 내의 유기물, 특히 중합체의 완전한 용해를 확보하고, 대기압하에서 비교적 낮은 수준의 열을 가했을 때에도 증발이 가능하도록 충분히 높은 휘발성을 갖는 것이 바람직하다. 또한 용매는 유기 매질에 함유된 임의의 다른 첨가제의 분해 온도 또는 비점 미만에서 잘 끓어야 한다. 즉, 150℃ 미만의 대기압 비점을 갖는 용매가 가장 흔하게 사용된다.

본 발명에서의 상기 용매는 유기 바인더의 종류에 따라 선택된다. 일반적으로 용매로써는 방향족 탄화수소류, 에테르류, 케톤류, 락톤류, 에테르 알콜류, 에스테르류 및 디에스테르류 등이 사용될 수 있다. 비한정적인 구체적인 예로써 그러한 용매로는 부틸카르비톨, 부틸카르비톨아세테이트, 아세톤, 크실렌, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 메틸 에틸 케톤, 에틸 아세테이트, 1,1,1-트리클로로에탄, 테트라클로로에틸렌, 아밀 아세테이트, 2,2,4-트리에틸 펜탄 디올-1,3-모노이소부티레이트, 톨루엔, 메틸렌 클로라이드 및 플루오로카본이 포함된다. 이 때 상기 용매는 단독으로 사용되거나 2종 이상을 혼합해서 사용할 수 있다. 특히 다른 용매(들)과 혼합된 용매는 바이더 중합체의 완전한 용해에 바람직하다.

만일 용매의 함량이 20 중량% 미만이면, 패이스트의 유동성이 크게 부족하여 스크린 프린팅과 같은 코팅에 의해 면상 발열체층(30)의 형성이 어렵게 된다. 반면 용매 함량이 40 중량%를 초과하게 되면, 패이스트의 높은 유동성으로 인해 코팅막의 기계적 안정성이 떨어지는 문제가 있다.

본 발명의 실시예에서의 상기 패이스트는 첨가제로써 예컨데 가소제, 이형제, 분산제, 박리제, 소포제, 안정제 및 습윤제 등이 포함될 수 있다. 비한정적인 예로써 인산계 분산제 등이 글래스 프릿 파우더의 균일한 분산을 위해 첨가될 수 있다.

상기의 글래스 프릿과 비히클을 포함하는 패이스트는 먼저 원하는 조성범위의 패이스트 구성 성분들을 칭량하는 단계와 칭량된 구성 성분들을 3 롤 밀(roll mill)과 패이스트 믹서를 이용하여 10~30℃의 온도에서 2 내지 6시간 동안 균일하게 혼합하는 단계를 거쳐 완성된다.

다음으로 상기 패이스트는 기판 위에 코팅된다. 상기 코팅의 비한정적인 일예로는 스크린 프린팅 공법이 있다. 코팅의 다른 예로는 상기 패이스트를 별도의 가요성 기판 위에 캐스팅한 후, 케스팅된 층을 가열하여 휘발성 용매를 제거함으로써 그린 테이프를 형성한 후, 상기 테이프를 상기 기판 위에 롤러 등을 이용하여 적층함으로써 면상 발열체층을 형성할 수도 있다.

상기 코팅단계 이후, 소정의 온도에서 상기 코팅된 버퍼층(20)용 패이스트를 건조하는 단계가 포함된다. 상기 건조 단계는 통상 비교적 저온인 200℃ 이하에서 진행되며, 건조 단계에서는 주로 용매가 증발되게 된다.

다음으로 건조된 상기 버퍼층(20) 내의 유효 성분인 유기 바인더를 태워 없애는 BBO(바인더 번 아웃, binder burn-out) 단계가 추가로 포함된다. 상기 BBO를 위해 소성 단계에서 일정 온도 유지 구간이 별도로 구비될 수 있다. 또는 소성 단계 내에서 상기 BBO가 발생하는 온도 구간에서만 가열속도를 느리게 하는 속도 조절 방법이 채택될 수도 있다.

상기 건조 및 BBO 단계 이후에는 소결과 같은 소성 공정에 의해 버퍼층(20)이 형성된다. 본 발명의 실시예의 버퍼층은 다양한 소결 방법에 의해 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예의 버퍼층은 비한정적인 하나의 실시예로 열 소결에 의해 형성될 수 있다.

한편, 본 발명 실시예에서의 글래스 프릿은 앞에서 살펴본 성분 및 조성범위로 인해 여러 가지의 특성 온도들이 결정된다. 그리고 상기 특성 온도들은 소결 조건에 지대한 영향을 미친다.

먼저 본 발명 실시예의 버퍼층의 글래스 프릿의 유리 전이 온도는 450~550 ℃의 온도 범위를 가진다. 유리가 형성된 후 가열되면 결정성 고체와 달리 정확한 용융점이 존재하지 않고 단지 부피 증가의 기울기 변화를 보이는 전이점이 존재하는데, 이 때의 온도를 유리 전이 온도라 한다.

또한 본 발명의 실시예의 버퍼층의 글래스 프릿은 600~700℃의 온도 구간에서 연화점을 가진다. 특히 연화점은 본 발명 실시예의 버퍼층의 형성 방법에 있어 매우 중요하다. 왜냐하면 본 발명의 실시예의 버퍼층이 형성되는 소성(또는 소결) 온도의 하한이 적어도 연화점보다는 높아야 하기 때문이다.

본 발명의 실시예의 버퍼층의 소결은 본 발명의 글래스 프릿이 가지는 상기의 열적 특성 온도들을 고려하여 결정되어야 한다. 구체적으로 본 발명의 실시예의 버퍼층이 형성되는 소결 조건은 소결 온도가 750~950℃ 범위와 소결 시간이 0.1~2 시간 범위인 것이 바람직하다.

만일 소결 온도가 750℃ 보다 낮거나 소결 시간이 0.1 시간보다 짧다면, 열 소결 동안 낮은 소결 온도 및 짧은 시간으로 인해 글래스 프릿의 점도가 높아서 유동성이 충분히 확보되지 못하여 그로 인해 버퍼층과 기판과의 결합 강도가 약해지고 버퍼층의 표면 조도가 지나치게 커지는 문제가 있다. 반면 소결 온도의 상한은 특별히 존재하지 않지만 만일 소결 온도가 950℃ 보다 높으면, 지나치게 높은 소결 온도로 인해 기판이 열변형 되거나 파괴되는 문제가 발생할 수 있다. 또한 소결시간이 2시간 보다 길면, 기판에 가해지는 열에너지가 너무 많아서 기판이 열변형될 가능성이 높아진다.

본 발명의 실시예의 전기 레인지는 상기 버퍼층(20) 상에 위치하는 면상 발열체층(30)을 포함한다. 이 때 면상 발열체층(30)의 발열체는 기판(10) 또는 버퍼층(20)의 평면상 소정의 모양으로 배치된다.

도 1을 참고한 일 예로서, 면상 발열체는 버퍼층(20)의 표면 상에서 원주를 따라서 반원을 기준으로 방향을 바꾸어가며 지그재그로 연장되어 형성될 수 있다. 이 때 면상 발열체는 제 1단자부(31)에서 제 2단자부(32)까지 직렬로 연결되며 그 형상은 소정의 모양으로 형성될 수 있다.

이 때 본 발명의 실시예에서의 면상 발열체층(30)은 Ni-Cr 합금을 포함한다. 본 발명에서의 Ni-Cr 합금은 Ni을 기지로 하며 여기에 Cr이 용질로서 포함된다. 이 때, Cr의 함량은 5 내지 40 중량 %(또는 wt.%)가 바람직하다. 만일 Cr의 함량이 5 wt.%보다 낮은 경우, 내부식 특성이 떨어져서 고온이나 약품에 취약할 수 있다. 반면 Cr의 함량이 40 wt.%를 넘는 경우, Ni이 가지는 면심 입방 격자의 특성인 가공성이 떨어지고 더 나아가 내열성이 감소하여 그 결과 전기 레인지가 고온에서 장시간 사용되는 경우 신뢰성이 저하될 수 있다.

구체적으로 본 발명의 실시예에서의 면상 발열체층(30)은 NiCr 합금으로 이루어진 파우더(powder)를 포함한다. 본 발명의 실시예에서의 상기 NiCr 합금 파우더는 평균 입도(D50)가 10㎚ 내지 10㎛인 것이 바람직하다. 만일 합금 파우더는 입도(D50)가 10㎚보다 작은 경우, 파우더의 표면적이 지나치게 커지고 활성이 높아져서 그로 인해 패이스트 상태에서 상기 합금 파우더의 분산이 균일하게 발생하지 못하는 문제가 발생한다. 반면 상기 합금 파우더는 입도(D50)가 10㎛보다 커지게 되면, NiCr 합금 파우더의 지나치게 큰 입도로 인해 파우더 사이의 네킹이 적게 발생하거나 분산이 균일하지 아니하여 그 결과 비저항이 지나치게 커지고 면상 발열체층(30)과 하부의 버퍼층(20) 사이의 접착력이 약해지는 단점이 있다.

본 발명의 NiCr 합금 파우더는 다른 무기물 및 비히클과 함께 면상 발열체층의 형성을 위한 패이스트에 포함된다. 이 때 면상 발열체의 패이스트는 적용되는 공법에 따라 패이스트의 조성이 결정된다.

보다 구체적으로 만일 면상 발열체층(30) 하부의 버퍼층(20)과 동시 소성(co-firing)된다면, 이 때의 면상 발열체용 패이스트는 글래스 프릿(glass frit) 3 중량 % 이하(0 중량 %는 제외), 유기바인더 10 내지 30 중량 %, 용매 5 내지 30 중량 %, 첨가제 1 내지 10 중량 % 및 잔부 NiCr 합금 파우더를 포함한다.

이 때, 상기 면상 발열체용 패이스트에서의 글래스 프릿은 버퍼층(20)의 글래스 프릿과 동일한 것이 보다 바람직하다. 만일 버퍼층(20)과 면상 발열체층(30)의 글래스 프릿이 동일하면, 버퍼층 및 면상 발열체층의 소성 조건이 동일하고 더 나아가 재료적 적합성(compatibility)이 우수하여 버퍼층과 면상 발열체층의 결합 강도가 높아질 수 있기 때문이다. 또한 버퍼층과 면상 발명체층의 동시 소성이 가능하면, 1회의 열 소결에 의해 버퍼층과 면상 발열체층의 형성이 완성되므로 기판의 열손상 및 공정에 소요되는 에너지가 줄어들게 되고 공정 시간이 단축되는 이점이 있다.

반면 본 발명의 면상 발열체층(30)이 극단파 백색광을 이용한 광소결 공정을 통해 형성된다면, 이 때의 면상 발열체용 패이스트는 유기바인더 10 내지 30 중량%, 용매 5 내지 30 중량%, 첨가제 1 내지 10 중량% 및 잔부 NiCr 합금 파우더를 포함한다. 다시 말하면 광소결 공정에 적용되는 면상 발열체용 패이스트에서는 글래스 프릿을 포함하지 않는 특징이 있다.

만일 본 발명의 면상 발열체층이 광소결 공정에 의해 형성되면, 기판 및 버퍼층(20)이 고온 및 장시간의 분위기에 노출되지 않으므로 기판 및 버퍼층의 외부로부터의 오염 가능성이 현저히 감소하게 된다. 이에 더하여 광소결 공정은 고온 및 장시간의 가열이 필요하지 않기 때문에 기판의 열손상 및 공정에 소요되는 에너지가 줄어들게 되고 공정 시간이 단축되는 이점이 있다.

본 발명의 일 실시예의 상기 면상 발열체층(30)은 먼저 패이스트 상태로 버퍼층(20) 상에 코팅된다. 그 후 상기 코팅된 패이스트를 건조하는 단계가 포함된다. 상기 건조 단계는 통상 비교적 저온인 200℃ 이하에서 진행되며, 건조 단계에서는 주로 용매가 증발되게 된다. 건조된 면상 발열체층(30)은 그 후 앞에서 살펴본 버퍼층의 소성 조건에 따라 버퍼층과 동시 소성되거나 또는 후술할 조건에 따라 극단파 백색광을 이용한 광소결 된다.

본 발명에서의 극단파 백색광은 비한정적인 예로써 제논(Xenon) 램프로부터 발산되는 극단파 백색광을 이용할 수 있다. 이와 같은 극단파 백색광을 상기 건조된 면상 발열체용 패이스트에 조사하면, 극단파 백색광에 의해 패이스트가 빛 에너지에 의해 소결되어 면상 발열체가 형성될 수 있다.

보다 구체적으로 극단파 백색광이 건조된 패이스트에 조사되면, 먼저 패이스트 내부에 존재하는 유기물, 특히 바인더가 BBO 되게 된다. 앞서의 건조 단계에서는 패이스트를 구성하는 유기 비히클 성분들 가운데 주로 용매가 휘발되게 된다. 따라서 건조 단계 이후에는 유기 비히클 성분들 가운데 바인더 성분이 건조된 패이스트 내부에서 고체의 NiCr 합금 파우더 성분들을 결합시킴으로써 건조된 패이스트의 기계적 강도를 유지할 수 있다. 이후 광소결 초기 단계에서는 조사된 극단파 백색광의 빛 에너지에 의해 바인더가 제거되게 되는데 이와 같은 현상 또는 단계가 BBO이다.

상기 BBO 이후에는 대부분의 유기 비히클 성분은 더 이상 패이스트에 존재하지 않게 된다. 이에 따라 남은 NiCr 합금 파우더 성분들은 조사된 극단파 백색광에 의해 소결 되어 최종 면상 발열체층(30)을 형성하게 된다. 이 때 파우더 성분인 NiCr 합금 파우더는 상기 극단파 백색광에 의해 소결 되어 각각의 파우더 사이에서 네크(neck)를 형성함으로써 면상 발열체층(30)의 거시적인 비저항을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 광소결 공정에서의 전체 광 조사 에너지는 40 내지 70 J/㎠인 것이 바람직하다. 만일 전체 광 조사 에너지가 40 J/㎠보다 작으면, NiCr 파우더 입자들 사이에 네크의 형성이 어려워져 그 결과 NiCr 파우더들 간의 결합이 형성되기 어려워 면상 발열체층(30)의 비저항이 지나치게 높아지게 된다. 또한 광소결 이후 면상 발열체층(30)은 기판과 충분한 접착 강도를 가지지 못하고 기판에서 탈락하는 경우가 발생하였다. 반면 전체 광 조사 에너지가 70 J/㎠보다 커지게 되면, 지나치게 높은 광 조사 에너지로 인해 NiCr 입자가 산화되어 그 결과 NiCr 입자 표면의 산화막으로 인해 면상 발열체층(30)의 비저항이 지나치게 올라가는 문제가 있다. 또한 지나친 광 조사 에너지로 인한 기판의 수축으로 인해 기판에 크랙이 발생하거나 심한 경우 기판이 깨지는 경우도 발생하였다.

한편 본 발명의 광 소결 공정은 전체 광 소결 공정 동안 1회 내지 30회의 펄스 수를 가지고 운영될 수 있다. 상기 펄스에서의 광 조사 시간은 1 내지 40 ms의 범위가 바람직하며, 펄스 간격(pulse gap 또는 off time)은 1 내지 500 ms의 범위가 바람직하다.

본 발명의 광 소결 공정에 의해 최종 소결된 본 발명의 면상 발열체층(30)은 최종적으로 1 내지 100 ㎛의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 만일 면상 발열체층(30)의 두께가 1 ㎛보다 얇으면, 치수적으로 안정적인 면상 발열체층의 확보가 어려울 뿐만 아니라 국부적인 가열로 인해 면상 발열체층(30)의 열적 및 기계적 안정성이 저하되는 문제가 있다. 반면 면상 발열체층(30)의 두께가 100 ㎛보다 두꺼우면, 기판 및 절연층과의 재료 또는 열팽창률 등의 차이에서 기인한 크랙 발생가능성이 높아지고 공정 상의 시간이 증가하는 문제가 있다.

한편 본 발명의 NiCr 합금 파우더를 이용한 면상 발열체층(30)의 최종적인 전기 비저항은 10^-2 내지 10^-4 Ω㎝의 비저항을 가지는 것이 바람직하다. 면상 발열체의 전기 비저항이 10^-2 Ω㎝보다 큰 경우, 지나치게 큰 비저항으로 인해 출력이 낮아지는 문제가 발생한다. 따라서 면상 발열체의 저항을 낮추기 위해 면상 발열체의 두께를 두껍게 해야 하는데, 면상 발열체의 두께가 두꺼워지면 이는 다시 면상 발열체의 열팽창 계수에 영향을 미쳐 그 결과 면상 발열체의 안정성이 크게 저하되는 문제가 있다. 반면 면상 발열체의 전기 비저항이 10^-4 Ω㎝보다 작게 되면, 지나치게 작은 비저항으로 인해 허용전류 이상의 전류가 흐르게 되어 면상 발열체의 출력이 지나치게 높게 된다. 그 결과 면상 발열체의 저항을 낮추기 위해 두께를 얇게 해서 단자 저항을 높여햐 하는데, 면상 발열체의 지나치게 얇은 두께는 면상 발열체의 내열성을 취약하게 하는 문제를 발생시킨다.

실시예

본 발명의 실시예에서의 버퍼층(20)는 아래의 표 2의 조성을 가지는 글래스 프릿을 이용하여 제조되었다.

<표 2> 글래스 프릿의 성분 및 조성범위

상기 실시예 1 및 비교예 1의 조성을 가진 글래스 프릿을 배치(batch) 한 뒤, 용매와 바인더와 함께 플래니터리 믹서에서 10~30℃의 온도로 2~6시간 동안 혼합하여 점도 100K cp의 패이스트를 제조하였다.

상기 패이스트는 스크린 인쇄기를 이용하여 유리 기판 상에 10~12㎛의 두께로 인쇄된 후 150℃/10분의 건조와 450℃/30분의 BBO를 거친 후 800~900℃/30분의 조건에서 소성되어, 본 발명의 최종 버퍼층이 제조되었다. 이 때 상기 실험예 1의 조성과 비교예 1의 조성을 가지는 버퍼층의 열팽창 계수는 각각 60*10^-7 m/℃와 30*10^-7 m/℃인 것으로 측정되었다.

다음으로 상기 실험예 1 및 비교예 1의 조성을 가지는 버퍼층 상에 NiCr 합금 파우더를 포함하는 패이스트를 이용하여 면상 발열체층이 형성되었다.

도 5와 도 6은 각각 실시예 1과 비교예 1의 조성을 가지는 글래스 프릿을 이용하여 제조된 버퍼층 상에 형성된 면상 발열체층의 SEM 이미지를 도시한다.

도 5의 면상 발열체층은 표면에 어떠한 결함이나 크랙이 없는 미세조직을 가진다. 도 5의 면상 발열체층의 우수한 표면 형상은 그 아래에 위치하며 면상 발열체층의 열팽창 계수와 유리 기판의 열팽창 계수의 중간 값의 열팽창 계수를 가지는 버퍼층이 면상 발열체층의 열응력을 줄여주었기 때문인 것으로 판단된다.

반면 도 6의 면상 발열체층은 표면에 많은 크랙을 가짐을 알 수 있다. 도 6의 면상 발열체층도 그 하부에 버퍼층을 가지나, 도 6에서의 버퍼층은 SiO₂가 많고 알칼리 성분이 적은 비교예 1의 조성의 글래스 프릿을 포함한다. 비교예 1의 글래스 프릿은 상기 조성적 특징으로 인해 지나치게 안정한 망목 구조를 가지고 그 결과 실시예 1의 글래스 프릿 대비 열팽창 계수가 더 낮은 특징을 가진다. 따라서 낮은 열팽창 계수를 가지는 버퍼층은 높은 열팽창 계수를 가지는 면상 발열체층에 가해지는 열 응력을 효과적으로 완화시키지 못하고, 그로 인해 수많은 크랙이 도 6의 면상 발열체층 표면에 발생되었다.

이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims

기판;
상기 기판 위에 위치하며 (50~100)*10^-7 m/℃의 열팽창 계수를 가지는 버퍼층;
상기 버퍼층 위에 위치하며 NiCr 합금을 포함하는 면상 발열체층;
을 포함하는 면상 발열체.
제1항에 있어서,
상기 기판은 유리, 결정화 유리(glass ceramics), Al₂O₃, AlN, 폴리이미드(polyimide), PEEK(PolyEthel-EthelKetone) 또는 세라믹스 중 어느 하나인 것;
을 특징으로 하는 면상 발열체.
제1항에 있어서,
상기 버퍼층의 두께는 1~10 ㎛인 것;
을 특징으로 하는 면상 발열체.
제1항에 있어서,
상기 버퍼층의 전기 비저항은 10⁴~10⁵ Ω㎝인 것;
을 특징으로 하는 면상 발열체.
제1항에 있어서,
상기 버퍼층은 글래스 프릿을 포함하고;
상기 글래스 프릿은 60~70 wt. %의 SiO₂, 15~25 wt. %의 B₂O₃, 1~10 wt.%의 Al₂O₃, 10 wt.% 이하(단, 0%는 제외)의 알칼리 산화물 및 1 내지 5 wt.%의 BaO;
를 포함하는 면상 발열체.
제5항에 있어서,
상기 글래스 프릿의 연화점은 600~700℃인 것;
을 특징으로 하는 면상 발열체.
제1항에 있어서,
상기 NiCr 합금에서의 Ni의 함량은 60 내지 95 wt.%인 것;
을 특징으로 하는 면상 발열체.
제1항에 있어서,
상기 면상 발열체층의 전기 비저항은 10^-2 내지 10^-4 Ω㎝ 인 것;
을 특징으로 하는 면상 발열체.
기판을 준비하는 단계;
상기 기판 위에 위치하며 (50~100)*10^-7 m/℃의 열팽창 계수를 가지는 버퍼층을 형성하는 단계;
상기 버퍼층 위에 위치하며 NiCr 합금을 포함하는 면상 발열체층을 코팅하는 단계;
상기 코팅된 면상 발열체층을 건조하는 단계;
상기 건조된 면상 발열체층을 소결하는 단계;
를 포함하는 면상 발열체의 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 버퍼층을 형성하는 단계는.
상기 버퍼층을 코팅하는 단계;
상기 코팅된 버퍼층을 건조하는 단계;
상기 건조된 버퍼층을 소결하는 단계;를 포함하고,
상기 건조된 버퍼층과 상기 건조된 면상 발열체층의 소결은 동시에 소결되는 것;
을 특징으로 하는 면상 발열체의 제조 방법.
제10항에 있어서,
상기 동시에 소결되는 단계는 750~950℃ 범위의 소결 온도에서 0.1~2 시간의 소결 시간 동안 소결되는 것;
을 특징으로 하는 면상 발열체의 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 버퍼층을 형성하는 단계는,
상기 버퍼층을 코팅하는 단계;
상기 코팅된 버퍼층을 건조하는 단계;
상기 건조된 버퍼층을 소결하는 단계;를 포함하고,
상기 건조된 면상 발열체층의 소결은 광소결인 것;
을 특징으로 하는 면상 발열체의 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 기판은 유리, 결정화 유리(glass ceramics), Al₂O₃, AlN, 폴리이미드(polyimide), PEEK(PolyEthel-EthelKetone) 또는 세라믹스 중 어느 하나인 것;
을 특징으로 하는 면상 발열체의 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 버퍼층의 두께는 1~10 ㎛인 것;
을 특징으로 하는 면상 발열체의 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 버퍼층의 전기 비저항은 10⁴~10⁵ Ω㎝인 것;
을 특징으로 하는 면상 발열체의 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 버퍼층은 글래스 프릿을 포함하고;
상기 글래스 프릿은 60~70 wt. %의 SiO₂, 15~25 wt. %의 B₂O₃, 1~10 wt.%의 Al₂O₃, 10 wt.% 이하(단, 0%는 제외)의 알칼리 산화물 및 1 내지 5 wt.%의 BaO;
를 포함하는 면상 발열체의 제조 방법.
제16항에 있어서,
상기 글래스 프릿의 연화점은 600~700℃인 것;
을 특징으로 하는 면상 발열체의 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 NiCr 합금에서의 Ni의 함량은 60 내지 95 wt.%인 것;
을 특징으로 하는 면상 발열체의 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 면상 발열체층의 전기 비저항은 10^-2 내지 10^-4 Ω㎝ 인 것;
을 특징으로 하는 면상 발열체의 제조 방법.