KR20210122556A - 유도 가열 장치 - Google Patents

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KR20210122556A
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김범수
유영민
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Abstract

유도 가열 장치가 개시된다. 개시된 유도 가열 장치는 조리 용기가 안착되는 쿠킹 플레이트; 및 쿠킹 플레이트의 아래에 설치되어, 자기장을 생성하도록 구성되는 복수의 유도 가열 코일; 을 포함하고, 쿠킹 플레이트는 소결 세라믹 판재; 및 소결 세라믹 판재의 하면에 배치되고, 산업용 섬유로 직조된 원단과 폴리아미드계 수지(Polyimide resin)로 마련되는 보강재 층;을 포함한다.

Description

유도 가열 장치{INDUCTION HEATING APPARATUS}
본 발명은 가열 코일을 이용한 유도 가열 장치에 관한 것으로, 상세하게는 강도 및 내열특성을 확보할 수 있도록 개선된 구조를 가지는 쿠킹 플레이트를 포함하는 유도 가열 장치에 관한 것이다.
유도 가열 장치는 유도 가열의 원리를 이용하여 식품을 가열 조리하는 조리 장치이다. 유도 가열 장치는 조리 용기가 놓이는 쿠킹 플레이트와, 전류가 인가되면 자기장을 발생시키는 유도 코일을 구비한다.
코일에 전류가 인가되어 자기장이 발생되면 조리 용기에 2 차 전류가 유도되고, 조리 용기 자체의 저항 성분에 의해 줄열(joule heat)이 발생하게 된다. 따라서, 고주파 전류에 의해 조리 용기가 가열되고 조리 용기에 담긴 식품이 조리되는 것이다.
이러한 유도 가열 조리기기는, 가스레인지의 열 효율(조리 용기 가열 효율)이 약 45%인 반면, 유도 가열 조리기기의 열 효율은 90% 정도로 높아, 조리시간을 절약할 수 있다.
또한, 유도 가열 조리기기는, 조리 용기 자체를 발열원으로 이용하므로, 화석 연료를 연소시켜 그 연소열을 통해 조리 용기를 가열하는 가스 레인지 또는 등유 풍로 등에 비하여 유해 가스의 발생이 없으며, 화재 발생의 위험이 없어 안전하고, 눌러 붙지 않아 청소가 용이하여 최근 시장이 확대되고 있다.
본 발명은 강도 및 내열특성을 확보할 수 있도록 개선된 구조를 가지는 쿠킹 플레이트를 포함하는 유도 가열 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 사상에 따른 유도 가열 장치는 조리 용기가 안착되는 쿠킹 플레이트; 및 상기 쿠킹 플레이트의 아래에 설치되어, 자기장을 생성하도록 구성되는 복수의 유도 가열 코일;을 포함하고, 상기 쿠킹 플레이트는, 소결 세라믹 판재; 및 상기 소결 세라믹 판재의 하면에 배치되고, 산업용 섬유에 폴리아미드계 수지(Polyimide resin)를 함침시켜 마련되는 보강재 층;을 포함한다.
상기 소결 세라믹 판재의 열팽창계수는 10-6·K-1 내지 3*10-6·K-1일 수 있다.
상기 소결 세라믹 판재의 두께는 3mm 이상 12mm 이하일 수 있다.
상기 소결 세라믹 판재는, 점토를 LAS (Li2O-Al2O3-SiO2) 또는 MAS (MgO-Al2O3-SiO2)와 혼합하여 마련될 수 있다.
상기 쿠킹 플레이트는, 상기 소결 세라믹 판재의 일면에 형성되는 유약 코팅층;을 더 포함할 수 있다.
상기 산업용 섬유는, 아라미드 섬유, 탄소 섬유 및 유리 섬유를 포함하는 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 산업용 섬유의 중량비는 200g/m2 내지 800g/m2일 수 있다.
상기 아라미드 섬유는, p-페닐렌 디아민(p-Phenylene diamine, PPD)과 테레프탈로일 클로라이드(Terephthaloyl chloride, TPC)의 중합으로 제조되는 p-아라미드 섬유를 포함할 수 있다.
상기 산업용 섬유는, 1,000 내지 6,000 데니어 범위의 아라미드 섬유를 직조하여 마련될 수 있다.
상기 유리 섬유는, Al2O2, SiO2 및 CaO를 포함하는 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 유리 섬유는, B2O3, F, MgO 및 Fe2O3를 포함하는 군에서 선택된 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
상기 탄소 섬유는, 폴리아크릴로니트릴(polyacrilonitrile;　PAN)계　섬유를 원사로 하여 마련될 수 있다.
상기 폴리아미드계 수지는, 파우더 형태로 마련될 수 있다.
상기 폴리아미드계 수지의 분해 온도(Decomposition Temperature)는 300℃ 이상일 수 있다.
상기 소결 세라믹 판재는, 연속 고압 밸트 프레스 장비로 압착하고, 건조, 유약 및 소결 과정을 거쳐 마련될 수 있다.
이 때, 소결온도는 1,000℃ 이상 1,300℃ 이하일 수 있다.
상기 소결 세라믹 판재는, 단위 표면적당 기공이 차지하는 면적의 비율이 10% 이상 15%이하일 수 있다.
상기 보강재 층의 두께는 0.1 내지 1.0 mm일 수 있다.
상기 쿠킹 플레이트는, JIS A 1509-4 규격에 따른 굽힘 강도가 600N 이상일 수 있다.
상기 쿠킹 플레이트는, 상기 소결 세라믹 판재가 상기 보강재 층에 150 내지 250℃ 에서 적층되어 마련될 수 있다.
본 발명의 사상에 따르면, 강도 및 내열특성을 확보할 수 있도록 개선된 구조를 가지는 쿠킹 플레이트를 포함하는 유도 가열 장치를 제공할 수 있다.
이에 따라, 기존 쿠킹 플레이트의 소재로 사용되는 내열 유리를 대체할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 외관을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 조리기기의 본체와 쿠킹 플레이트를 분리한 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치가 조리 용기를 가열하는 원리를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 쿠킹 플레이트와 유도 가열 코일의 구성을 나타낸 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 쿠킹 플레이트의 구조를 도시한 도면이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 p-아라미드 섬유가 중합되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 7은 PAN계 섬유를 원사로 하여 탄소 섬유를 제조하는 과정을 나타낸 도면이다.
본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에서 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물 또는 변형예들도 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 할 것이다.
설명 중 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 뜻하지 않은 이상 복수의 표현을 포함할 수 있다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등의 명확한 설명을 위해 과장된 것일 수 있다.
본 명세서에서 '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지칭하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 외관을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 유도 가열 장치(1)는, 유도 가열 장치(1)의 외관을 형성하고, 유도 가열 장치(1)를 구성하는 각종 부품이 설치되는 본체(10)를 포함한다. 본체(10)는 상면이 개방된 박스 형상으로 마련될 수 있다.
본체(10)의 상면에는 조리 용기가 놓여질 수 있는 평판 형상을 갖는 쿠킹 플레이트(20)가 마련될 수 있다.
종래에는, 유도 가열 조리기기의 상판, 즉 쿠킹 플레이트(20)의 소재로서 열팽창계수가 0.5*10-6·K-1로 일반 유리(9.0*10-6·K-1)에 비해 낮은 내열 유리를 주로 사용하였다. 하지만, 투명한 내열 유리는 외관의 패턴 자유도는 낮아 패턴 디자인 설계에 제한이 있었다.
한편, 유도 가열 조리기기의 상판에 적용되는 소재는, 열충격에 의한 보호를 위해 열팽창계수가 낮아야 한다. 본 발명에서는, 유도 가열 조리기기에서 요구되는 내열 특성을 유지하면서 외관 패턴 자유도를 높이기 위해 소결 세라믹 판재를 도입하였다.
한편, 기존 소재로 사용되는 내열 유리를 대체하기 위해서는, 소결 세라믹 판재의 기계적 물성, 예를 들어, 자유낙하 충격 강도, 굽힘 강도 등을 내열 유리 동등 이상으로 확보할 필요가 있다. 이에 본 발명에서는, 소결 세라믹 판재(24)의 강도를 보강할 수 있는 별도의 보강재 층(25)을 도입하였다.
쿠킹 플레이트(20)의 구성인 소결 세라믹 판재(24) 및 보강재 층(25)의 기능에 대해서는 더욱 자세하게 설명하도록 한다.
한편, 쿠킹 플레이트(20) 상에는 사용자에게 조리 용기가 가열될 수 있는 위치를 안내하는 안내 마크(21-1, 21-2, 22)가 형성될 수 있다. 이하에서는, 안내 마크의 개수가 세 개에 해당하는 것으로 설명하나, 안내 마크의 개수는, 이에 한정되는 것은 아니며, 둘 이상의 개수이면 제한 없이 포함될 수 있다.
또한, 쿠킹 플레이트(20)의 일 측에는 사용자로부터 제어 명령을 수신하고, 사용자에게 유도 가열 장치(1)의 동작 정보를 표시하는 유저 인터페이스(23)가 마련될 수 있다. 다만, 유저 인터페이스(23)의 위치는, 쿠킹 플레이트(20) 상에 한정되는 것은 아니며, 본체(10)의 정면 및/또는 측면 등 다양한 위치에 마련될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 조리기기의 본체와 쿠킹 플레이트를 분리한 상태를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 유도 가열 장치(1)는, 쿠킹 플레이트(20)의 아래에 마련되어, 쿠킹 플레이트(20) 상에 놓여진 조리 용기를 가열하는 복수의 유도 가열 코일(31-1, 31-2, 31-3; 31) 및 유저 인터페이스(23)를 구현하고, 각종 전자 부품을 수용하는 메인 어셈블리(32)를 포함하는 가열층(30)을 포함한다.
복수의 유도 가열 코일(31)은 전자기 유도로 인해 가열되어 쿠킹 플레이트(20)에 안착된 조리 용기를 가열한다.
유도 가열 코일(31)은 전류가 인가되면 수직 방향으로 자기장을 형성시키도록 대략 원형으로 감겨 있는 코일을 포함한다. 유도 가열 코일(31)은 열원으로 사용되며 쿠킹 플레이트(20)의 하측에 배치되어 쿠킹 플레이트(20)로 열을 전달한다. 냄비 등의 조리 용기는 쿠킹 플레이트(20)로 전도된 열에 의해 가열된다. 본 발명에서 유도 가열 코일(31)을 열원으로 설명하였지만, 유도 가열 코일(31) 대신에 유도 가열 방식을 이용하는 인덕션 히터(Induction Heater)나 전기 저항 방식을 이용하는 레디언트 히터(Radiant Heater)가 열원이 될 수도 있다.
이 때, 복수의 유도 가열 코일(31) 각각은, 안내 마크(21-1, 21-2, 22)에 대응되는 위치에 마련될 수 있다.
구체적으로, 복수의 유도 가열 코일(31)은, 하나의 제1 유도 가열 코일(31-1), 다른 하나의 제1 유도 가열 코일(31-2) 및 하나의 제2 유도 가열 코일(31-3)을 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2는, 두 개의 제1 유도 가열 코일(31-1, 31-2)과 하나의 제2 유도 가열 코일(31-3)이 마련되는 것으로 도시하였으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 유도 가열 장치(1)는, 적어도 하나의 제1 유도 가열 코일(31-1) 및 적어도 하나의 제2 유도 가열 코일(31-3)을 포함할 수 있다.
즉, 유도 가열 장치(1)에 포함되는 제1 유도 가열 코일(31-1, 31-2)의 개수 및 제2 유도 가열 코일(31-3)의 개수 각각은 하나 이상이면 제한없이 포함될 수 있다.
복수의 유도 가열 코일(31) 각각은, 조리 용기를 가열하기 위한 자기장 및/또는 전자기장을 생성할 수 있다.
예를 들어, 유도 가열 코일(31)에 구동 전류가 공급되면, 도 3에 도시된 바와 같이, 유도 가열 코일(31)의 주변에 자기장(B)이 유도될 수 있다.
특히, 유도 가열 코일(31)에 시간에 따라 크기와 방향이 변화하는 전류, 즉 교류 전류가 공급되면, 유도 가열 코일(31)의 주변에 시간에 따라 크기와 방향이 변화하는 자기장(B)이 유도될 수 있다.
유도 가열 코일(31) 주변의 자기장(B)은 강화 유리로 구성된 쿠킹 플레이트(20)를 통과할 수 있으며, 쿠킹 플레이트(20) 위에 놓여진 조리 용기(C)에 도달할 수 있다.
시간에 따라 크기와 방향이 변화하는 자기장(B)으로 인하여 조리 용기(C)에는 자기장(B)을 중심으로 회전하는 와전류(eddy current) (EI)가 발생할 수 있다. 이와 같이, 시간적으로 변화하는 자기장(B)으로 인하여 와전류가 발생하는 현상을 전자기 유도 현상이라 한다. 와전류(EI)로 인하여 조리 용기(C)에는 전기 저항 열이 발생할 수 있다. 전기 저항 열은 저항체에 전류가 흐를 때 저항체에 발생하는 열로써, 줄 열(joule heat)이라고도 한다. 이러한 전기 저항 열에 의하여 조리 용기(C)가 가열되며, 조리 용기(C)에 담긴 조리 대상이 가열될 수 있다.
이처럼, 복수의 유도 가열 코일(31) 각각은, 전자기 유도 현상과 전기 저항 열을 이용하여 조리 용기(C)를 가열할 수 있다.
또한, 가열층(30)은, 쿠킹 플레이트(20)의 일측에 마련된 유저 인터페이스(23)의 하부에 위치하고, 유저 인터페이스(23)를 구현하는 메인 어셈블리(32)를 포함할 수 있다.
메인 어셈블리(32)는, 유저 인터페이스(23)를 구현하기 위한 디스플레이, 스위칭 소자, 집적 회로 소자 등과, 이들이 설치되는 인쇄 회로 기판(printed circuit board, PCB)을 포함하는 인쇄 기판 어셈블리(printed board assembly, PBA)일 수 있다.
메인 어셈블리(32)의 위치는, 도 2에 도시된 바에 한정되지 않으며, 다양한 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 유저 인터페이스(23)가 본체(10)의 전면에 설치되는 경우, 메인 어셈블리(32)는, 가열층(30)과 별도로 본체(10)의 전면 후방에 배치될 수 있다.
복수의 유도 가열 코일(31)의 아래에는 복수의 유도 가열 코일(31)을 가동하기 위한 인쇄 회로 기판 어셈블리(미도시)가 마련될 수 있다. 복수 인쇄 회로 기판 어셈블리에는 복수의 유도 가열 코일(31)에 구동 전류를 공급하기 위한 구동 회로와 복수의 유도 가열 코일(31)의 동작을 제어하기 위한 제어 회로 등이 마련될 수 있다.
이상에 설명된 바와 같이, 유도 가열 장치(1)는 조리 용기가 놓이는 평판 형상을 갖는 쿠킹 플레이트(20)와, 조리 용기를 가열하기 위한 복수의 유도 가열 코일들(31)과, 복수의 유도 가열 코일들(31)을 가동하기 위한 구동 회로 및 제어 회로를 포함할 수 있다.
이하에서는 쿠킹 플레이트(20)의 구성 및 각 구성의 기능이 더욱 자세하게 설명된다.
본 실시예에서는 도 2 및 도3과 같이 3개의 조리 영역을 가진 유도 가열 장치(1)를 예로 들어 도시한다. 이 경우 각 조리 영역에 대응하는 각 유도 코일부(16)는 모두 동일한 구성으로 이루어지므로, 설명의 편의를 위해 도 4에서는 하나의 조리 영역에 대한 구성 만을 도시하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 장치의 쿠킹 플레이트와 유도 가열 코일의 구성을 나타낸 분해 사시도이다. 도 4를 참조하면, 보강재 층(25)은 소결 세라믹 판재(24)의 하면에 결합된다.
개시된 실시예에 따른 쿠킹 플레이트(20)는 소결 세라믹 판재(24)와, 소결 세라믹 판재(24)의 하면에 배치되고, 산업용 섬유로 직조된 원단과 폴리아미드계 수지(Polyimide resin)로 마련되는 보강재 층(25)으로 구성될 수 있다.
소결 세라믹 판재(24)는 조리 용기를 올려 놓을 수 있도록 평판 형상을 갖고, 열팽창계수가 낮은 소재로 마련될 수 있다. 예를 들어, 소결 세라믹 판재(24)는 유도 가열 장치의 플레이트 상판 소재로서 요구되는 내열특성 조건을 만족시키기 위해, 10-6·K-1 내지 3*10-6·K-1 범위의 열팽창계수를 갖는 소재로 마련될 수 있다.
개시된 실시예에 따르면, 소결 세라믹 판재(24)는 점토(Clay)를 기재 물질(Base Material)인 LAS (Li2O-Al2O3-SiO2) 또는 MAS (MgO-Al2O3-SiO2)와 혼합하여 마련될 수 있다
LAS (Li2O-Al2O3-SiO2) 또는 MAS (MgO-Al2O3-SiO2)와 같이 세라믹 소재의 함량이 많을수록 내열 특성이 양호하다. 다시 말해, 세라믹 소재의 함량이 많을수록 소결 세라믹 판재(24)의 열팽창계수가 낮아진다. LAS (Li2O-Al2O3-SiO2) 또는 MAS (MgO-Al2O3-SiO2) 소재는 이온결합과 공유결합이 공존하여 저열 팽창하는 특성이 있어, 열팽창계수를 낮출 수 있기 때문이다.
본 발명에서는 쿠킹 플레이트(20)에 적용되는 소결 세라믹 판재(24)의 내열특성을 확보하기 위해, LAS (Li2O-Al2O3-SiO2) 또는 MAS (MgO-Al2O3-SiO2)의 함량을 중량%로, 50% 이상 확보하고자 하였다.
내열특성만을 고려한다면 LAS (Li2O-Al2O3-SiO2) 또는 MAS (MgO-Al2O3-SiO2)의 함량은 높을수록 좋다. 그러나, LAS (Li2O-Al2O3-SiO2) 또는 MAS (MgO-Al2O3-SiO2)의 함량이 지나치게 높을 경우, 소결 세라믹 판재(24)를 제조할 수 있는 공정성 확보가 어려워질 수 있다. 본 발명에서는 점토(Clay)를 LAS (Li2O-Al2O3-SiO2) 또는 MAS (MgO-Al2O3-SiO2)와 혼합할 때, 유동성을 확보하기 위해, LAS (Li2O-Al2O3-SiO2) 또는 MAS (MgO-Al2O3-SiO2) 함량의 상한을 90%로 한정하였다.
한편, 소결 세라믹 판재(24)는, 고온에서 연속 고압 밸트 프레스 장비로 압착하여 3 내지 12mm 두께를 가지도록 마련될 수 있다. 이후, 건조, 유약 및 소결 과정을 거쳐 최종 소결 세라믹 판재(24)를 제조할 수 있다.
이 때, 소결온도는 유약 코팅 과정을 고려하여 1,000℃ 이상으로 한정할 수 있다. 다만, 소결온도가 과도하게 높은 경우에는 유약 코팅층에 균열이 발생하는 문제점이 있어, 소결온도 상한을 1,300℃으로 한정하였다.
아울러, 소결 세라믹 판재(24)의 일면에는 유약 코팅층이 배치될 수 있으며, 보다 상세하게 소결 세라믹 판재(24)는 연마 및 유약처리로 인해 95 이상의 광택도를 가질 수 있다.
한편, 소결 세라믹 판재(24)의 기공율은, 10 내지 15%일 수 있다. 기공율은, 단위 표면적당 기공이 차지하는 면적 비율을 의미한다. 다만, 다공성 세라믹 기판(210)의 기공율 범위가 전술한 예에 한정되는 것은 아니고, 실시 예에 따라 냄새 배임 및 색 배임을 조절하기 위해 기공율의 범위가 적절하게 조절될 수 있다.
소결 세라믹 판재(24)가 게시된 발명에 따른 유도 가열 장치(1)의 쿠킹 플레이트(20)에 적용될 경우, 소결 세라믹 판재(24)의 일면에 형성된 유약 코팅층은 조기 용기를 바라보도록 배치될 수 있으며, 후술할 소결 세라믹 판재(24)의 타면에 형성되는 보강재 층(25)이 유도 가열 코일(31)을 바라보도록 배치될 수 있다.
보강재 층(25)은 소결 세라믹 판재(24)의 강도를 보강하기 위해 마련된 층으로, 본 발명에서는 내열특성이 우수한 폴리아미드계 수지(Polyimide resin)와 폴리아미드계 수지가 함침될 수 있는 산업용 섬유로 직조된 원단으로 보강재 층(230)을 마련하였다.
폴리아미드계 수지(Polyimide resin)는 소수성 고분자로, 기계적 특성 특히 충격특성이 우수한 결정성 플라스틱이다.
본 발명에서는 유도 가열 장치(1)의 상판 소재로 활용하기 위해, 열중량 분석(Thermogravimetric analysis, TGA)으로 측정한 열분해 온도(Decomposition Temperature)가 300℃ 이상인 폴리아미드계 수지를 적용함으로써 유도 가열 장치(1)의 내열 특성을 확보할 수 있다.
한편, 폴리아미드계 수지(Polyimide resin)는, 용제 사용에 의한 유해물질을 최소화하기 위해 파우더 형태로 마련될 수 있다.
산업용 섬유의 중량비는 200g/m2 내지 800g/m2의 범위에서 선택될 수 있다.
소결 세라믹 판재(24)는 굽힘 강도, 자유낙하 충격 강도 등 유도 가열 장치(1)의 상판 소재로서 요구되는 물성 조건이 열위하다는 문제가 있다. 이에, 본 발명에서는 중량비가 200g/m2 이상인 산업용 섬유를 도입하여, 쿠킹 플레이트(20)의 강도를 보강하고자 하였다. 다만, 산업용 섬유의 중량비가 과다할 경우에는, 쿠킹 플레이트(20)가 두꺼워지고, 이에 자기장이 이동하는 구간이 길어지므로 유도가열 시, 자기 효율을 확보할 수 없어, 섬유 중량비를 상한을 800g/m2으로 한정하였다.
산업용 섬유는 아라미드 섬유, 탄소 섬유 및 유리 섬유를 포함하는 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
산업용 섬유의 일 실시예인 아라미드 섬유는, p-페닐렌 디아민(PPD, p-Phenylene diamine)과 테레프탈로일 클로라이드(TPC, Terephthaloyl chloride)의 중합으로 제작된 p-아라미드 섬유를 포함할 수 있다.
p-아라미드 섬유가 중합되는 과정을 도 6에 나타내었다.
도 6을 참조하면, p-페닐렌 디아민(p-Phenylene diamine, PPD)과 테레프탈로일 클로라이드(Terephthaloyl chloride, TPC)의 중합 반응에 의해 p-아라미드 수지(PPD-T)로 제조될 수 있다.
중합된 p-아라미드 수지(PPD-T)는, 에어 갭 습식 방사(air-gap wet-spinning), 세정(washing), 중화(Neutralization), 건조(Drying) 및 권취(Winding) 과정을 거쳐 p-아라미드 섬유로 제조된다.
보강재 층(25)이 아라미드 섬유를 직조한 원단으로 마련될 경우, 아라미드 섬유를 직조한 원단은 1,000 내지 6,000 데니어 범위의 아라미드 섬유를 사용하여 제조될 수 있다.
산업용 섬유의 다른 일 실시예인 탄소 섬유는 경량, 고강도, 고내열성 등의 특성을 지닌 소재로, 전구체　섬유를 열 전환 함으로써 제조되는 것이 일반적이다.
개시된 실시예에 따르면, 탄소 섬유는 폴리아크릴로니트릴(polyacrilonitrile;　PAN)계　섬유를 원사(Raw silk)로 하여 마련될 수 있다.
탄소 섬유를 제조하는데 가장 적절한 전구체(Precursor)로 알려진　PAN　섬유는 일련의 안정화(Stabilization 또는 Oxidation), 탄화, 그리고 선택적으로 흑연화 공정 단계와 일련의 표면처리(Surface treatment)와 사이징(Sizing) 처리단계를 거쳐 최종적으로 탄소 섬유로 전환될 수 있다.
도 7은 PAN계 섬유를 원사로 하여 탄소 섬유를 제조하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 탄소 섬유는 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다. 먼저, 원사로서 PAN 섬유가 200 내지 300℃의 내염화 화로를 통과하면서 산화 또는 공기 분위기에서 일정한 장력이 인가됨에 따라, 고리형 구조를 갖는 내염화사가 제조된다.
이어서, 내염화사가 1,000 내지 2,000℃의 탄화 화로에 공급되며, 내염 화사의 고리는 탄화(carbonisation)를 일으켜 탄화사가 제조된다.
한편, 탄화사가 선택적으로 2,000 내지 3,000℃의 흑연화 화로에 공급되며, 탄화사가 흑연화 화로를 통과하며 흑연화사가 제조된다.
이어서, 흑연화사가 사이징 표면처리 공정을 거치며 최종 섬유 섬유로 제조된다.
산업용 섬유의 또 다른 일 실시예인 유리 섬유는, 직경에 따라 크게 직경 7 내지 12㎛의 chopped long glass fiber, 직경 4 내지 6㎛의 glass wool,　직경 0.3 내지 3㎛의 micro fiber 등으로 분류된다.
개시된 실시예에 따르면, 유리 섬유는 ASTM D578에 명시된 E-유리섬유로 마련될 수 있다. 상기 유리 섬유는, Al2O2, SiO2 및 CaO를 포함하는 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
한편, 유리 섬유는, 제조 공정에 따라 B2O3, F, MgO 및 Fe2O3를 포함하는 군에서 선택된 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
전술한 산업용 섬유에 폴리아미드계 수지(Polyimide resin)를 함침시킨 후, HOT PRESS 설비에서 소결 세라믹 판재와 함께 150 내지 250℃의 온도조건에서 접합하여 유도 가열 장치의 상판 즉, 일체형 쿠킹 플레이트(20)를 제조할 수 있다.
이와 같이 마련된 소결 세라믹 판재(24) 및 보강재 층(25)을 적용한 유도 가열 장치(1)에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
먼저, 유도 가열 장치의 상판 즉, 쿠킹 플레이트의 소재로 내열유리 대신 소결 세라믹 판재를 적용함으로써 유도 가열 장치의 외관 패턴 자유도를 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 굽힘 강도, 밀착력 및 자유 낙하 충격 강도 등 유도 가열 장치의 현 규격 내용 범위를 충족시킬 수 있다.
구체적으로, 제조된 쿠킹 플레이트(20)의 JIS A 1509-4 규격에 따른 굽힙강도는 600N 이상, ASTM 규격에 따른 Peel Test에서의 접착력은 120N 이상, 자유 낙하 충격 강도는 3.2J 이상으로 나타나 충분한 강도를 확보할 수 있었고, 쿠킹 플레이트(20)의 최상면에 배치되는 소결 세라믹 판재의 열팽창계수는, 10-6·K-1 내지 3*10-6·K-1로, 유도 가열 장치에 적용할 경우, 사용온도 범위를 300℃ 이상으로 확보할 수 있었다.
이하, 개시된 실시예에 따른 쿠킹 플레이트(20)를 구성하는 보강재 층(25)의 소재에 따른 쿠킹 플레이트(20)의 물성 측정 실험에 대해 구체적으로 설명하도록 한다. 후술하는 실시 예는 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐이며 발명의 기술적 사상이 후술하는 실시 예들에 의해 제한되는 것은 아니다.
Al2O3 와 SiO2를 주성분으로 하는 LAS 또는 MAS 소재를 점토와 혼합하고, 연속 고압 밸트 프레스 장비로 압착한 후, 건조-유약-소결 일련의 과정을 거쳐 소결 세라믹 판재를 제조하였다. 이 때, 소결 처리는 1,150℃에서 진행하였다.
이 후, 하기 표 1에 따른 특성을 갖는 산업용 섬유에, 분해 온도가 300℃ 이상인, 파우더 타입(powder type)의 폴리아미드계 수지(Polyimide resin)를 함침시킨 후, HOT PRESS 설비에서 소결 세라믹 판재와 함께 200℃의 온도조건에서 접합하여 유도 가열 장치의 쿠킹 플레이트(20)를 제조하였다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3
섬유 종류 유리 섬유 탄소섬유 아라미드 섬유
Spec E-Glass #570 12K 450P p-aramide
Denier 5,300 7,290 3,000
Tensile Strength(kgf) 37.5 62.1 70
Tenacity(g/d) 7.1 8.5 23
Elongation of Breaking (%) 3.9 1.4 3.9
Modulus(g/d) 1130 873 550
Toughness 13.9 10.1 60
Fabric Weight(g/m2) 577.4 465.5 363
경사(ea/inch) 6.1 7.1 13
위사(ea/inch) 6.1 7.1 13
실시예 1은, 소결 세라믹 판재의 보강재 층에 적용되는 산업용 섬유의 종류로 유리 섬유(E-Glass #570)로 직조된 원단을 사용한 경우이다. 유리 섬유로 직조된 원단은 6.1 x 6.1의 경사 위사 밀도를 갖는다.
실시예 2는, 소결 세라믹 판재의 보강재 층에 적용되는 산업용 섬유의 종류로 7,290 de를 가지는 탄소 섬유(12K 450P)로 직조된 원단을 사용한 경우이다. 탄소 섬유로 직조된 원단은 7.1 x 7.1의 경사 위사 밀도를 갖는다.
실시예 3은, 소결 세라믹 판재의 보강재 층에 적용되는 산업용 섬유의 종류로 3000 de를 가지는 아라미드 섬유로 직조된 원단을 사용한 경우이다. 아라미드 섬유로 직조된 원단은 13 x 13의 경사 위사 밀도를 갖는다.
한편, 비교예 1은 내열 유리를 종래 쿠킹 플레이트의 소재로 적용한 경우이다.
소결 세라믹 판재를 보강하기 위해, 본 발명에서 도입한 보강재 층에 적용되는 재료들의 종류에 따른 쿠킹 플레이트(실시예 1 내지 3, 비교예 1)의 기계적 물성 평가(굽힘 강도, 접착제 밀착력 및 자유낙하강도) 및 내열특성 결과를 하기 [표 2]에 나타내었다.
쿠킹 플레이트의 물성은 아래의 방법으로 측정하였다.
굽힘 강도(JIS A 1509-4)
쿠킹 플레이트를 150 x 300 mm 규격으로 제작하고 이를 두 개의 지지로드에 올렸다. 이 때, 각각의 지지 로드 중심에서 판재 가장자리까지의 길이는 약 5 mm가 되도록 한다. 이어서, 두 개의 지지로드 중앙 상단에 설치한 가압로드를 이용하여 매초(1±2)N/mm2의 속도로 하중을 가하고 판재의 파괴 시의 최대 하중인 파괴 하중(F)을 산출하여 판재의 굽힘 파괴 하중(S) 및 굽힘 강도(R)를 측정하였다.
접착제 밀착력
쿠킹 플레이트에 폴리우레탄 접착제를 도포한 후 25 x 200 mm 크기의 테스트 스트립을 접착시켜 샘플을 제조하였다. 접착제가 건조되어 테스트 스트립이 쿠킹 플레이트에 결합되면, 테스트 스트립의 일단을 잡아 당기며 테스트 스트립의 세라믹 기판에 대한 접착제 밀착력을 측정하였다.
자유낙하 충격 강도
발포 폼 상단에 쿠킹 플레이트를 고정시키고 쿠킹 플레이트의 상단에서 추를 자유낙하 시키며 쿠킹 플레이트의 자유낙하 강도를 측정하였다. 추의 무게와 추가 떨어지는 지점을 변경하며 쿠킹 플레이트에 인가되는 충격 강도를 조절하였다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1
소재 유리 섬유 탄소 섬유 아라미드 섬유 -
Spec. E-Glass #570 12K 450P P-aramide 내열 유리
굽힘 강도(N) 1,100 1,500 800 1,500
Resin 밀착력(N) 120 120 120 -
자유낙하
충격강도(J)		 2.4 3.2 2.4 3.2
열팽창계수
(10-6·K-1)		 2.5~2.8 0.8 -0.1 0.5
[표 2]에서 각각의 물성에 대한 요구 물성은 해당 쿠킹 플레이트를 유도 가열 장치의 상판에 적용할 수 있는지 여부를 기준으로 평가하였다. 구체적으로, 600 N 이상의 굽힘 강도를 나타내는지 여부, 120 N 이상의 접착제 밀착력을 나타내는지 여부, 3.2 J 이상의 자유 낙하 충격 강도 실험 조건을 만족하는지 여부를 기준으로 쿠킹 플레이트의 물성을 평가하였다.
상기 표 1 및 표 2를 참조하면, 본 발명에 따른 산업용 섬유에 폴리아미드계 수지(Polyimide resin)를 함침시킨 보강재 층을 적용할 경우, 기존의 쿠킹 플레이트의 소재로 사용되는 내열 유리와 동등 이상의 강도 또는 내열특성을 확보할 수 있음을 확인할 수 있었다.
구체적으로, 실시예 1 내지 실시예 3은 각각 산업용 섬유로서 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유를 사용한 경우이고, 비교예 1은 산업용 섬유 대신 기존의 내열유리를 사용한 경우로, 실시예 1 내지 실시예 3에서는 굽힘 강도가 각각 1,100N, 1,500N, 800N, 접착제 밀착력이 각각 120N, 자유낙하 충격강도가 각각 2.4J, 3.2J, 2.4J로 나타났다.
실시예 1 내지 실시예 3 모두, 굽힘 강도, 접착제 밀착력, 자유낙하 충격강도 실험의 요구 물성 기준을 만족함을 확인하였다.
특히 실시예 2는 굽힘 강도, 접착제 밀착력 및 자유낙하 충격강도의 결과가 가장 우수하여, 쿠킹 플레이트의 소재로 가장 적합하다는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 실시예 1 내지 실시예 3 모두, 열팽창계수가 3*10-6·K-1 이하로 나타나, 내열특성 실험의 요구 물성 기준을 만족함을 확인하였다.
이와 같이 개시된 실시예에 따른 유도 가열 장치는, 쿠킹 플레이트의 소재로 소결 세라믹 판재를 적용하여 내열 특성 및 외관의 패턴 자유도를 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 산업용 섬유에 폴리아미드계 수지(Polyimide resin)를 함침시킨 보강재 층을 도입하여 굽힘 강도, 밀착력 및 자유 낙하 충격 강도 등 유도 가열 장치의 현 규격 내용 범위를 충족시킬 수 있으므로, 쿠킹 플레이트의 소재로 사용되는 내열 유리를 대체할 수 있다.
이상에서는 특정의 실시예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나, 상기한 실시예에만 한정되지 않으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.
1: 유도 가열 장치 10: 본체
20: 쿠킹 플레이트 21-1, 21-2, 22: 안내 마크
23: 유저 인터페이스 24: 소결 세라믹 판재
25: 보강재 층 30: 가열층
31: 유도 가열 코일 32: 메인 어셈블리

Claims (20)

  1. 조리 용기가 안착되는 쿠킹 플레이트; 및
    상기 쿠킹 플레이트의 아래에 설치되어, 자기장을 생성하도록 구성되는 복수의 유도 가열 코일; 을 포함하고,
    상기 쿠킹 플레이트는,
    소결 세라믹 판재; 및
    상기 소결 세라믹 판재의 하면에 배치되고, 산업용 섬유에 폴리아미드계 수지(Polyimide resin)를 함침시켜 마련되는 보강재 층;을 포함하는 유도 가열 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 소결 세라믹 판재의 열팽창계수는 10-6·K-1 내지 3*10-6·K-1인 유도 가열 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 소결 세라믹 판재의 두께는 3 내지 12mm인 유도 가열 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 소결 세라믹 판재는,
    점토를 LAS (Li2O-Al2O3-SiO2) 또는 MAS (MgO-Al2O3-SiO2)와 혼합하여 마련되는 유도 가열 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 쿠킹 플레이트는,
    상기 소결 세라믹 판재의 일면에 형성되는 유약 코팅층;을 더 포함하는 유도 가열 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 산업용 섬유는,
    아라미드 섬유, 탄소 섬유 및 유리 섬유를 포함하는 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 유도 가열 장치.
  7. 제 1항 또는 제6항에 있어서,
    상기 산업용 섬유의 중량비는 200g/m2 내지 800g/m2인 유도 가열 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 아라미드 섬유는,
    p-페닐렌 디아민(p-Phenylene diamine, PPD)과 테레프탈로일 클로라이드(Terephthaloyl chloride, TPC)의 중합으로 제조되는 p-아라미드 섬유를 포함하는 유도 가열 장치.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 산업용 섬유는,
    1,000 내지 6,000 데니어 범위의 아라미드 섬유를 직조하여 마련되는 유도 가열 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 유리 섬유는,
    Al2O2, SiO2 및 CaO를 포함하는 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 유도 가열 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 유리 섬유는,
    B2O3, F, MgO 및 Fe2O3를 포함하는 군에서 선택된 1종 이상을 더 포함하는 유도 가열 장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소 섬유는,
    폴리아크릴로니트릴(polyacrilonitrile;　PAN)계　섬유를 원사로 하여 마련되는 유도 가열 장치.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 폴리아미드계 수지는,
    파우더 형태로 마련되는 유도 가열 장치.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 폴리아미드계 수지의 분해 온도(Decomposition Temperature)는 300℃ 이상인 유도 가열 장치.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 소결 세라믹 판재는,
    연속 고압 밸트 프레스 장비로 압착하고, 건조, 유약 및 소결 과정을 거쳐 마련되는 유도 가열 장치.
  16. 제 15항에 있어서,
    소결온도는 1,000 내지 1,300℃인 유도 가열 장치.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 소결 세라믹 판재는,
    단위 표면적당 기공이 차지하는 면적의 비율이 10 내지 15%인 유도 가열 장치.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 보강재 층의 두께는 0.1 내지 1.0 mm인 유도 가열 장치.
  19. 제 1항에 있어서,
    상기 쿠킹 플레이트는,
    JIS A 1509-4 규격에 따른 굽힘 강도가 600N 이상인 유도 가열 장치.
  20. 제 1항에 있어서,
    상기 쿠킹 플레이트는,
    상기 소결 세라믹 판재가 상기 보강재 층에 150 내지 250℃ 에서 적층되어 마련되는 유도 가열 장치.
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