KR20220061204A - 2층 구조의 세라믹 전기발열체 및 전기납땜인두 - Google Patents
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Abstract
본 개시의 일 실시예에 의하면, 내부에 배치된 전도층 및 외부에 배치된 절연층을 포함하는 전기발열체를 포함하되, 절연층이 전도층을 감싸고, 전도층은 전기발열체의 헤드와 테일에서 절연층의 외부로 노출되는 2층 구조의 세라믹 전기발열체를 제공한다.
Description
본 개시는 전기발열체, 특히 전체 세라믹 구조를 갖는 전기발열체 및 전기 발열체의 용도에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 개시에 대한 배경정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
세라믹 전기발열체는 전도성 물질로서, 발화기구의 전기발열체로 사용될 수 있고, 점화 또는 가열은 세라믹의 대전 순간에 도달한 극히 높은 온도에 의해 실현된다. 전기발열체는 엔진 점화, 가스 스토브 점화, 온수기 점화, 적외선 방사원, 산소 센서 가열, 납땜 인두 팁 가열 등의 분야에서 사용될 수 있다. 세라믹 재료의 전기발열체는 빠른 시동(fast start-up), 고온 저항(high temperature resistance), 내식성(corrosion resistance), 고강도 및 긴 수명 등의 장점이 있다.
중국 특허 CN100484337C는 다층 원형 세라믹 전기 발열체 및 그 제조 방법을 개시하고 있으며, 구체적으로 세라믹 전기발열체의 저항층, 절연층 및 전도층이 Si3N4, Al2O3, Y2O3 및 MoSi2의 4가지 성분을 포함한다고 개시하고 있다. Si3N4는 네트워크 구조를 형성하는 데 사용되고, Al2O3 및 Y2O3는 네트워크 구조를 조정하는 데 사용되며 MoSi2는 전도성 발열 물질을 형성하는 데 사용된다.
상기와 같은 성분으로 제조된 세라믹 전기발열체는 반응속도가 높고 온도가 높아 원하는 온도에 도달하는 시간이 짧고, 수명이 길고 제조공정의 수율이 높아 제조원가가 낮다.
그러나 전술한 특허에 기재된 성분을 포함하는 복합 재료는 일부 사용 시나리오에서 여전히 다음과 같은 문제를 가지고 있다. 큰 저항 온도 계수 및 큰 임펄스 전류는 전력 공급 비용을 직접적으로 증가시키고, 전류 및 저항의 빠른 변화 속도는 전력 제어 알고리즘을 복잡하게 만든다.
또한, 중국 특허 CN105072718A는 2층 세라믹 전기발열체를 개시하고 있으며, 세라믹 전기발열체는 외부 절연층으로 완전히 덮인 내부 저항층 및 세라믹 전기발열체의 양단에 제공되는 전도성 커버를 포함한다(도 1 참조). 이러한 구조의 세라믹 전기발열체는 절연층으로 완전히 덮이고 부피가 크며 고온 분야에서 사용될 수 있다. 그러나 세라믹 전기발열체는 공간이 극히 제한된 여러 분야 에서는 적용되지 않는다.
현재 세계의 전기발열체 중, 스페인 JBC에서 생산하는 금속가열관의 직경이 가장 작고 조립 직경은 1.4 mm이다. JBC는 이 작은 금속관에 금속가열선을 설치하고, 고밀도의 열전도율이 높은 절연 분말을 이용하여 케이싱관과 금속선 사이를 이격시키는데, 이는 공정이 어렵고 비용이 높다.
또한, 기존의 전기납땜인두는 중공의 자기관에 평행한 전열선을 감아 발열체를 형성하였다. 기존의 전기납땜인두는 발열체의 구조적 한계로 인해 전기납땜인두의 크기를 더 이상 줄일 수 없었다. 그러나 기존의 대형 전기납땜인두는 점점 미세해지는 전자소자의 용접에 적합하지 않다. 기존의 전기납땜인두는 미세한 전자소자를 정확하게 용접할 수 없고 주변의 전자소자에 쉽게 영향을 미치게 된다. 따라서, 기존의 전자소자의 용접에 적합하도록 전기납땜인두를 더욱 소형화할 수 있도록, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 소형화된 발열체를 제공하고자 한다.
본 개시의 목적은 작은 직경, 신뢰성 있는 구조, 제어 가능한 비용 및 낮은 공정 난이도를 갖는 2층 세라믹 전기 발열체를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 개시는 2층 세라믹 구조를 갖는 전기발열체로서, 내부에 전도층 및 외부에 절연층을 포함하되, 절연층은 전도층을 감싸고, 전도층은 전기발열체의 머리 및 테일에서 절연층의 외부로 노출된다. 이러한 구조를 이용하여 저비용, 저공정 난이도로 신뢰할 수 있는 구조와 소량의 전체 세라믹 전기발열체를 얻을 수 있다. 이러한 구조를 갖는 전기발열체의 경우, 전기발열체의 직경은 1 mm 미만으로 제어될 수 있다.
공정의 어려움을 더 줄이기 위해 전도층의 테일은 절연층의 테일에 정렬된다. 작동 신뢰성을 더욱 향상시키기 위해 전도층의 테일에 블라인드 구멍 또는 홈을 포함한다. 바람직하게는 전도층의 테일은 'V'자형의 블라인드 구멍을 포함할 수 있다.
작동 중 임펄스 전류를 더 줄이기 위해 전도층의 성분 비율은 다음과 같다: 질화규소(silicon nitride): 탄화규소(silicon carbide): 이규화몰리브덴(molybdenum disilicide): 산화이트륨(yttrium oxide): 산화란타넘(lanthanum oxide): 산화알루미늄(aluminum oxide) = (200-700): (100-700): (600-1500): (40-80): (10-70): (5-50).
임펄스 전류를 더 줄이기 위한 전도층의 성분은 다음 비율과 같다: 질화규소: 탄화규소: 이규화몰리브덴: 산화이트륨: 산화란타넘: 산화알루미늄 = (300-600): (200-500): (800-1200): (50-70): (30-60): (20-30).
임펄스 전류를 더 줄이기 위한 전도층의 성분은 다음 비율과 같다: 질화규소: 탄화규소: 이규화몰리브덴: 산화이트륨: 산화란타넘: 산화알루미늄 = 500: 450: 900: 50: 45: 25.
작동 중 임펄스 전류를 더 줄이기 위한 절연층의 성분은 다음 비율과 같다: 질화규소: 탄화규소: 이규화몰리브덴: 산화이트륨: 산화란타넘: 산화알루미늄 = (400-900): (50-200): (500-800): (40-90): (30-80): (5-60).
임펄스 전류를 더 줄이기 위한 절연층의 성분은 다음 비율과 같다: 질화규소: 탄화규소: 이규화몰리브덴: 산화이트륨: 산화란타넘: 산화알루미늄 = (600-700): (100-150): (600-700): (50-70): (50-60): (20-40).
임펄스 전류를 더 줄이기 위한 절연층의 성분은 다음 비율과 같다: 질화규소: 탄화규소: 이규화몰리브덴: 산화이트륨: 산화란타넘: 산화알루미늄 = 550: 120: 650: 55: 60: 40.
전술한 바와 같이 세라믹 전기발열체는, 2층 세라믹 구조를 갖는 전기발열체를 포함하고, 전기발열체의 헤드에는 전도층 및 절연층을 덮는 금속 코팅이 제공된다. 전기발열체는 금속 코팅으로 코팅되지 않으므로 이러한 2층 구조의 소형 전체 세라믹 전기발열체는 전기납땜인두와 같은 더 작은 발열 전기 소자에 사용될 수 있다.
구조적 신뢰성과 가열 신뢰성을 더욱 향상시키기 위해 금속 코팅의 재질은 은동 및 티타늄의 합성재료이다.
작동 신뢰성를 더욱 높이기 위해, 전기발열체의 헤드가 금속 하우징에 삽입되어 음극 역할을 하고, 전기발열체의 테일에 노출된 전도층이 전극에 용접됨으로써 양극 역할을 한다.
본 개시의 일 실시예는 전기납땜인두를 더 작은 부피로 제공할 수 있다.
전술한 바와 같이 전기납땜인두는, 금속화된 헤드가 있는 세라믹 전기발열체를 포함하고, 세라믹 전기발열체의 헤드가 납땜인두 팁의 블라인드 구멍에 삽입되어 음극 역할을 한다. 세라믹 전기발열체의 테일은 양극 역할을 하기 위해 중앙전극에 용접된다.
헤드가 금속화되지 않은 세라믹 전기발열체를 포함하는 전기납땜인두는, 납땜인두 팁을 더 포함하고, 납땜인두 팁의 한쪽 끝에 블라인드 구멍이 제공(설치)된다. 블라인드 구멍 내에는 은동 및 티타늄 소재의 금속층이 제공된다. 세라믹 전기발열체를 납땜인두 팁의 블라인드 구멍에 삽입하여 금속층에 용접하고, 세라믹 전기발열체의 테일이 전극에 용접된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시의 일 실시예에 의하면, 내부에 배치된 전도층 및 외부에 배치된 절연층을 포함하는 전기발열체를 포함하되, 절연층이 전도층을 감싸고, 전도층은 전기발열체의 헤드와 테일에서 절연층의 외부로 노출되는 2층 구조의 세라믹 전기발열체를 제공한다.
본 개시의 2층 구조의 세라믹 전기발열체는 다음과 같은 효과가 있다.
1. 본 개시의 2층 구조의 세라믹 전기발열체는 전체 세라믹 계층 구조를 사용하고, 직경이 1 mm 미만인 소량의 전기발열체를 얻을 수 있다. 세라믹 전기발열체의 직경은 현존하는 가장 작은 전기발열체의 직경보다 0.4 mm 이상 작다. 또한 기존의 전기발열체 중 가장 작은 것에 비해 본 개시의 2층 구조의 전체 세라믹 전기발열체는 구조가 안정적이고 비용 및 공정 난이도가 낮으며, 전기발열체의 직경을 더욱 줄일 수 있는 효과가 있다.
2. 본 개시의 2층 구조를 가진 세라믹 전기발열체는 헤드가 금속화되지 않은 경우 열전쌍(thermocouple)으로 사용할 수도 있다. 테일에 용접된 중앙 전극을 열전쌍으로 사용할 수 있고, 중앙 전극을 열전쌍의 한 극으로 사용할 수 있으며, 전기발열체의 헤드의 전도층에 연결된 금속 재료 또는 연장 재료를 열전쌍의 다른 극으로 사용할 수 있다. 헤드의 가열 영역의 온도를 정확하게 제어할 수 있으며, 전기발열체의 온도도 감지할 수 있다.
3. 금속화된 헤드를 포함한 본 개시의 전기발열체는 800 ℃이하의 소형 가열 소자에 적합하며, 빠른 가열도 가능하다는 장점이 있다. 공간이 제한된 전기소자를 위해, 빠른 가열 및 신뢰도 향상 등의 장점이 있는 전기발열체를 제공한다. 예를 들어, 본 개시의 전기발열체는 전기납땜용인두에 사용될 수 있다.
4. 본 개시는 다른 저항온도계수(TCRs: Temperature Coefficients of Resistance)를 얻을 수 있다. 음의 온도계수에서 양의 온도계수로 임의의 변환이 이루어지므로, TCR=-500뿐만 아니라 TCR=5000 도 얻을 수 있다. 또한, 빠른 가열, 고온 저항성, 내식성 및 고강도 등 기존 세라믹 소재의 다양한 성능 이점이 보장된다.
5. 본 개시는 작은 임펄스 전류를 얻을 수 있다. 저항 TCR의 온도 계수가 클 때 임펄스 전류는 작고, 저항 TCR의 온도 계수가 작을 때도 임펄스 전류가 작다. 음의 TCR 또는 낮은 TCR의 경우, 시작 전류의 감소로 인해 전력 공급 및 제어 요소 지원 비용을 크게 줄일 수 있다. 이에 따라, 기존 세라믹 구조 재료소자의 실제 사용에 있어서, 보조제어 전자소자의 비용이 높고, 보조제어 전자소자의 제어가 어려운 문제를 효과적으로 해결함으로써, 국제 세라믹 재료구조소자와의 유사한 성능지수를 달성할 수 있다. 예를 들어 기존에 사용하던 100 W 전원공급장치를, 본 개시를 이용하여 60 W의 전원공급장치로 대체함으로써, 전원공급장치의 용량에 대한 요건을 줄일 수 있다.
도 1은 기존의 2층 세라믹 전기발열체의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 개시의 제1 실시예에 따른 2층 세라믹 전기발열체를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 개시의 제2 실시예에 따른 2층 세라믹 전기발열체를 나타낸 도면이다
도 4는 본 개시의 제1 실시예에 따른 2층 세라믹 전기발열체 및 금속 하우징을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 개시의 제2 실시예에 따른 2층 세라믹 전기발열체 및 금속 하우징을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 개시의 제3 실시예에 따른 전기납땜인두의 도면이다.
도 7은 도 6의 전기납땜인두의 단면도이다.
도 2는 본 개시의 제1 실시예에 따른 2층 세라믹 전기발열체를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 개시의 제2 실시예에 따른 2층 세라믹 전기발열체를 나타낸 도면이다
도 4는 본 개시의 제1 실시예에 따른 2층 세라믹 전기발열체 및 금속 하우징을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 개시의 제2 실시예에 따른 2층 세라믹 전기발열체 및 금속 하우징을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 개시의 제3 실시예에 따른 전기납땜인두의 도면이다.
도 7은 도 6의 전기납땜인두의 단면도이다.
이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 개시를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 개시에 따른 실시예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, i), ii), a), b) 등의 부호를 사용할 수 있다. 이러한 부호는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 부호에 의해 해당 구성요소의 본질 또는 차례나 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 또는 '구비'한다고 할 때, 이는 명시적으로 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 기존의 2층 세라믹 전기발열체의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 개시의 제1 실시예에 따른 2층 세라믹 전기발열체를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 개시의 제2 실시예에 따른 2층 세라믹 전기발열체를 나타낸 도면이다
도 4는 본 개시의 제1 실시예에 따른 2층 세라믹 전기발열체 및 금속 하우징을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 개시의 제2 실시예에 따른 2층 세라믹 전기발열체 및 금속 하우징을 나타낸 도면이다.
제1 실시예: 도 2 및 도 4를 참조하면, 2층 구조의 세라믹 전기발열체가 개시된다. 2층 구조의 세라믹 전기발열체는 내부에 배치된 전도층(1) 및 외부에 배치된 절연층(2)을 포함할 수 있다. 전도층(1)의 외부는 절연층(2)이 감싸되, 전기발열체의 헤드(3) 및 테일(4)에서 전도층(1)은 절연층(2)의 외부로 노출될 수 있다. 또한, 전도층(1) 및 절연층(2)은 세라믹 전기발열체의 테일(4)에서 정렬될 수 있다. 이러한 기술적 방법을 이용하여 지름 1 mm 미만의 2층 구조의 전체 세라믹 전기발열체를 얻을 수 있다.
본 개시의 2층 구조의 세라믹 전기발열체는 열전쌍(thermocouple)으로 사용할 수 있다. 전기발열체의 테일(4)의 전도층(1)은 중앙전극(7)에 용접될 수 있다. 중앙전극(7)은 열전쌍으로 사용할 수 있고, 열전쌍의 한 극으로 사용할 수 있으며, 전기발열체의 헤드(3)의 전도층(1)과 연결된 금속 재료 또는 확장 재료를 열전쌍의 다른 극으로 사용할 수 있다. 헤드(3)의 가열 영역의 온도를 정확하게 제어할 수 있으며, 동시에 전기발열체의 온도도 감지할 수 있다.
또한, 본 개시의 2층 구조의 세라믹 전기발열체는 전기발열체로 사용될 수 있다. 구체적으로, 전기발열체의 헤드(3)의 전도층(1) 및 절연층(2)이 금속 코팅(6)될 수 있다. 금속 코팅(6)은 내열성 소재로 되어 있다. 금속 코팅(6)에 사용되는 재료는 은동(silver copper) 및 티타늄(titanium)의 합성재료이다.
헤드(3)의 금속화(metalization) 및 테일(4)의 중앙전극(7)과의 용접을 이용함으로써, 본 개시의 전기발열체는 고객의 더 많은 요구 사항을 충족하도록 더 작은 가열 전기소자에 사용할 수 있다. 기존 세라믹 전기발열체에 비하여, 본 개시의 전체 세라믹 2층 구조의 전기발열체는 측면 전극을 생략하고, 헤드(3)는 음극과 연결되고, 테일(4)이 양극과 연결되어 직경이 작아지고 제어가 용이하다. 특히 800 ℃이하의 작은 가열 전기소자에 적합하며, 빠른 가열이 가능하다는 장점이 있다.
예를 들어, 세라믹 전기발열체의 제조자는 2층 구조의 전체 세라믹 전기발열체의 몸체, 즉 세라믹 전기발열체 몸체의 빈 구조만을 제조하여 판매할 수 있다. 이 세라믹 전기발열체의 몸체만을 구입한 고객은 중앙전극(7)을 용접하여 열전쌍으로 사용할 수 있다. 또는, 헤드(3)를 금속화하고, 전기발열체 몸체로 사용할 수 있다(도 2 및 도 3 참조).
물론, 세라믹 전기발열체의 제조자는 판매 전에 세라믹 전기발열체의 몸체의 빈 구조를 미리 금속화 및/또는 테일(4)과 중앙전극(7)의 용접을 수행할 수 있다. 따라서 고객은 헤드(3)가 금속화된 세라믹 전기발열체를 구입한 후에 금속 하우징(8)에 삽입하기만 하면 된다(도 4 참조).
세라믹 전기발열체의 제조자는 세라믹 전기발열체의 헤드(3)를 금속화하고 중앙전극(7)을 테일(4)과 용접할 수 있을 뿐만 아니라, 금속화된 세라믹 전기발열체를 금속 하우징(8)에 삽입하고 전기납땜인두와 같은 통합 제품을 판매할 수도 있다.
본 실시예에서, 전도층(1)의 성분 비율은 질화규소(silicon nitride): 탄화규소(silicon carbide): 이규화몰리브덴(molybdenum disilicide): 산화이트륨(yttrium oxide): 산화란타넘(lanthanum oxide): 산화알루미늄(aluminum oxide) = (200-700): (100-700): (600-1500): (40-80): (10-70): (5-50) 로 준비한다. 절연층(2)의 성분 비율은 질화규소: 탄화규소: 이규화몰리브덴: 산화이트륨: 산화란타넘: 산화알루미늄 = (400-900): (50-200): (500-800): (40-90): (30-80): (5-60) 로 준비한다.
전도층(1)의 성분 비율은 다음과 같을 수 있다. 질화규소: 탄화규소: 이규화몰리브덴: 산화이트륨: 산화란타넘: 산화알루미늄 = (200-700): (100-700): (600-1500): (40-80): (10-70): (5-50). 다만 이에 한정되지 않고, 성분 비율은 다양하게 선택될 수 있다.
예를 들어, 전도층(1)의 성분 비율은 질화규소: 탄화규소: 이규화몰리브덴: 산화이트륨: 산화란타넘: 산화알루미늄 = 200: 100: 600: 40: 10: 5 일 수 있다.
예를 들어, 전도층(1)의 성분 비율은 질화규소: 탄화규소: 이규화몰리브덴: 산화이트륨: 산화란타넘: 산화알루미늄 = 400: 300: 800: 60: 30: 15 일 수 있다.
예를 들어, 전도층(1)의 성분 비율은 질화규소: 탄화규소: 이규화몰리브덴: 산화이트륨: 산화란타넘: 산화알루미늄 = 600: 500: 1000: 70: 50: 30 일 수 있다.
예를 들어, 전도층(1)의 성분 비율은 질화규소: 탄화규소: 이규화몰리브덴: 산화이트륨: 산화란타넘: 산화알루미늄 = 500: 600: 1300: 50: 60: 45 일 수 있다.
예를 들어, 전도층(1)의 성분 비율은 질화규소: 탄화규소: 이규화몰리브덴: 산화이트륨: 산화란타넘: 산화알루미늄 = 700: 700: 1500: 80: 70: 50 일 수 있다.
절연층(2)의 성분 비율은 다음과 같을 수 있다. 질화규소: 탄화규소: 이규화몰리브덴: 산화이트륨: 산화란타넘: 산화알루미늄 = (400-900): (50-200): (500-800): (40-90): (30-80): (5-60). 다만 이에 한정되지 않고, 성분 비율은 다양하게 선택될 수 있다.
예를 들어, 절연층(2)의 성분 비율은 질화규소: 탄화규소: 이규화몰리브덴: 산화이트륨: 산화란타넘: 산화알루미늄 = 400: 50: 500: 40: 30: 5 일 수 있다.
예를 들어, 절연층(2)의 성분 비율은 질화규소: 탄화규소: 이규화몰리브덴: 산화이트륨: 산화란타넘: 산화알루미늄 = 500: 100: 600: 60: 70: 35 일 수 있다.
예를 들어, 절연층(2)의 성분 비율은 질화규소: 탄화규소: 이규화몰리브덴: 산화이트륨: 산화란타넘: 산화알루미늄 = 700: 150: 700: 50: 40: 30 일 수 있다.
예를 들어, 절연층(2)의 성분 비율은 질화규소: 탄화규소: 이규화몰리브덴: 산화이트륨: 산화란타넘: 산화알루미늄 = 800: 90: 650: 70: 40: 50 일 수 있다.
예를 들어, 절연층(2)의 성분 비율은 질화규소: 탄화규소: 이규화몰리브덴: 산화이트륨: 산화란타넘: 산화알루미늄 = 900: 200: 800: 90: 80: 60 일 수 있다.
본 개시의 다른 실시예로서 전도층(1)의 성분 재료 및/또는 절연층(2)의 성분 재료는 추가로 텅스텐 카바이드(tungsten carbide, WC)를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 다른 실시예로서 전도층(1)의 성분 재료 및/또는 절연층(2)의 성분 재료는 추가로 산화이터븀(ytterbium oxide, Yb2O3)을 더 포함할 수 있다.
여기에 본 개시의 2층 구조의 세라믹 전기발열체는 그라우팅(grouting) 방식을 이용하여 제조되며, 다음과 같은 단계를 포함한다.
제1 과정: 혼합 슬러리(mixed slurry)를 준비한다. 질화규소, 탄화규소, 이규화몰리브덴, 산화이트륨, 산화란타넘 및 산화알루미늄 분말을 중량비에 따라 물과 혼합하여 균일하게 저은 후 용기에 담는다. 여기서 다층 세라믹 전기발열체의 층에 따라, 다른 혼합 슬러리가 준비되고 다른 용기에 적재되어 대기한다.
본 개시의 일 실시예로서, 상술한 성분 재료의 비율은 총 중량: 물 중량 = 1: (1-4) 이다.
제2 과정: 그라우팅 및 성형이다. 양단이 오픈된 그라우팅 금형을 그라우팅 기계에 올려놓는다. 그라우팅 금형의 내경은 0.8 mm이다. 혼합 세라믹 슬러리는 그라우팅 기계에 주입되어 그라우팅 및 성형을 시작한다. 세라믹 전기발열체의 층수에 따라 단계별로 그라우팅을 하고, 외층부터 내층까지 순차적으로 그라우팅을 수행한다.
제3 과정: 소결(sintering)이다. 수분을 잃고 건조된 세라믹 소자를 그라우팅 금형에서 꺼내고, 소결 금형에 넣는다. 마지막으로 세라믹 블랭크로 가득 찬 소결 금형을 소결로에 넣어 1400 ℃의 온도와 2000-5,000 Kpa의 압력에서 7 - 12 시간 동안 소결한다.
제4 과정: 소결된 세라믹 재료 소자를 소결 금형에서 꺼내어 외부 트리밍을 수행하고, 세라믹 전기발열체 블랭크를 얻는다.
본 개시에 따라 얻은 2층 구조의 세라믹 전기발열체는 직경이 0.8 mm인 세라믹 전기발열체이다. 기존 가장 작은 크기의 전기발열체에 비해 부피가 줄어들 뿐 아니라 본 개시의 전기발열체는 구조적으로 신뢰성이 높고, 비용 및 공정 난이도가 낮으며, 발열체의 직경을 더욱 줄일 수 있다.
전술한 프로세스에 따라 얻은 2단 구조의 세라믹 전기발열체 블랭크는 직접 판매될 수도 있고, 2단 구조의 세라믹 전기발열체 블랭크의 헤드가 금속화되고 테일이 중앙전극에 용접된 후 판매될 수도 있다. 금속 하우징에 삽입된 후 헤드가 금속화 된 세라믹 전기발열체가 판매될 수도 있다.
본 개시의 복합재료로 제조된 세라믹 전기발열체를 이용함으로써 다른 저항온도계수(TCRs: Temperature Coefficients of Resistance)를 얻을 수 있다. 음의 온도계수에서 양의 온도계수로 임의의 변환이 이루어지므로, TCR=-500뿐만 아니라 TCR=5000 도 얻을 수 있다. 또한 빠른 가열, 고온 저항성, 내식성 및 고강도 등 기존 세라믹 소재의 다양한 성능 이점이 보장된다.
작은 임펄스 전류를 얻을 수 있다. 저항 TCR의 온도 계수가 클 때 임펄스 전류는 작고, 저항 TCR의 온도 계수가 작을 때도 임펄스 전류가 작다. 음의 TCR 또는 낮은 TCR의 경우, 시작 전류의 감소로 인해 전력 공급 및 제어 요소 지원 비용을 크게 줄일 수 있다. 이에 따라, 기존 세라믹 구조 재료소자의 실제 사용에 있어서, 보조제어 전자소자의 비용이 높고, 보조제어 전자소자의 제어가 어려운 문제를 효과적으로 해결함으로써, 국제 세라믹 재료구조소자와의 유사한 성능지수를 달성할 수 있다.
제2 실시예: 도 3 및 도 5를 참조하면, 본 개시의 제2 실시예는 제1 실시예를 기준으로 수정된다.
본 실시예에서 전기발열체는 내부에 배치된 전도층(1) 및 외부에 배치된 절연층(2)을 포함할 수 있다. 전도층(1)의 외부는 절연층(2)이 감싸되, 전기발열체의 헤드(3) 및 테일(4)의 전도층(1)은 절연층(2)의 외부로 노출될 수 있다. 또한, 본 개시의 세라믹 전기발열체의 테일(4)의 전도층(1)은 홈(groove) 또는 블라인드 홀(blind hole)을 포함할 수 있다. 사각홈, 원형홈, 다각형홈, 원형 블라인드 홀, 테이퍼 블라인드 홀, V자형 블라인드 홀 등이 설치될 수 있다. 본 개시에서 전도층(1)의 테일(4)은 'V'자형 블라인드 홀(5)을 포함할 수 있다. 이러한 기술적 방법을 이용하여 지름 1 mm 미만의 2층 구조의 전체 세라믹 전기발열체를 얻을 수 있다.
기술된 2층 구조의 전체 세라믹 전기발열체의 경우, 중앙전극(7)은 전기발열체의 테일(4)의 전도층(1)의 V자형 블라인드 홀에 용접된다. 중앙전극(7)은 블라인드 홀(5)에 부분적으로 삽입되고, 부분적으로 전기발열체의 외부에 노출될 수 있다. 게다가 중앙전극(7)과 V자형 블라인드 홀(5) 사이의 틈은 땜납(solder)과 같은 다른 물질로 채워질 수 있다. 중앙전극(7)과 전기발열체 사이의 연결 안정성이 더욱 보장된다.
본 개시에서 중앙전극(7)에 용접된 전기발열체를 열전쌍으로 사용할 수 있다. 2층 구조의 전체 세라믹 전기발열체의 헤드(3)가 추가로 금속화된 후, 중앙전극(7)에 용접된 전기발열체는 전기발열체로 사용될 수도 있다. 금속화 공정은 헤드(3)가 금속 코팅(6)으로 코팅되고, 전도층(1)과 절연층(2)이 동시에 금속 코팅(6)으로 감싸지는 것이다. 본 개시에서 금속의 재질은 은동 및 티타늄의 합금이다. 물론 금속화된 전기발열체의 헤드를 금속 하우징에 삽입하여 음극 전극이 될 수 있으며, 노출된 중앙전극(7)을 양극으로 사용할 수도 있다.
예를 들어, 세라믹 전기발열체의 제조자는 2층 구조의 전체 세라믹 전기발열체의 몸체, 즉 세라믹 전기발열체 몸체의 빈 구조만을 제조하여 판매할 수 있다. 고객은 중앙전극(7)을 용접하여 열전쌍으로 사용할 수 있다. 또는 헤드(3)를 금속화(metalization)하고, 전기발열체 몸체로 사용할 수 있다(도 2 및 도 3 참조).
물론, 세라믹 전기발열체의 제조자는 판매 전에 세라믹 전기발열체의 몸체의 빈 구조를 미리 금속화 및/또는 테일(4)과 중앙전극(7)의 용접을 수행할 수 있다. 따라서 고객은 헤드(3)가 금속화된 세라믹 전기발열체를 구입 후에 금속 하우징(8)에 삽입하기만 하면 된다(도 4 참조).
세라믹 전기발열체의 제조자는 세라믹 전기발열체의 헤드(3)를 금속화하고 중앙전극(7)을 테일(4)과 용접할 수 있을 뿐만 아니라, 금속화된 세라믹 전기발열체를 금속 하우징(8)에 삽입하고 전기납땜인두와 같은 통합 제품을 판매할 수 있다.
또한, 본 개시의 제2 실시예에 따른 2층 구조 세라믹 전기발열체의 전도층(1) 및 절연층(2)의 성분 재료는 본 개시의 제1 실시예와 동일하다. 준비 과정도 동일하지만, 본 개시의 제2 실시예에서 그라우팅 금형의 내경은 1 mm이고, 그라우팅을 이용해 얻은 세라믹 전기발열체의 직경은 1 mm이다.
도 6은 본 개시의 제3 실시예에 따른 전기납땜인두의 도면이다.
도 7은 도 6의 전기납땜인두의 단면도이다.
제3 실시예: 도 6 및 도 7을 참조하면, 본 개시의 제3 실시예는 제1 실시예 또는 제2 실시예에 따른 세라믹 전기발열체를 전기납땜인두와 같은 작은 가열 부품에 사용할 수 있다.
2층 세라믹 전기발열체 블랭크를 사용하고, 2층 세라믹 전기발열체 블랭크의 헤드(3)는 금속 코팅(6)으로 코팅되며, 금속 코팅(6)의 재질은 은동 및 티타늄의 합성재료이다.
또한, 본 개시의 일 실시예로 세라믹 전기발열체는 헤드(3) 부근의 전면부와 테일(4) 부근의 후면부로 나뉘는데, 전면부의 직경이 후면부보다 작다.
전기납땜인두는 납땜인두 팁(11)을 포함하고, 납땜인두 팁(11)의 일단은 작업단이며 타단은 블라인드 홀을 포함한다. 세라믹 전기발열체의 전면부(10)는 부분적으로 블라인드 홀에 삽입되어, 세라믹 전기발열체의 금속화된 헤드가 납땜인두 팁과 접촉될 수 있다. 세라믹 전기발열체의 테일에 있는 전도층은 금속 와이어(12)의 일단과 축방향으로 용접되고, 금속 와이어의 타단은 금속 전극(18)에 용접된다. 또한, 열전쌍 와이어(=금속 와이어)의 외벽은 절연 슬리브(13)로 감싸지고, 금속 와이어(12) 근처의 금속 전극(18)의 외부는 상부 절연 슬리브(14)로 감싸진다. 금속 전극(18, 예를 들어 스테인리스강)의 다른 부분은 테일 튜브(15)로 감싸진다. 절연 슬리브(13) 및 상부 절연 슬리브(14)의 외벽은 외부 튜브(16)로 감싸진다. 금속 슬리브(17)는 외부 튜브(16)의 외벽 및 납땜인두 팁(11)의 외벽 사이에 끼워져, 금속 슬리브(17)의 일단은 납땜인두 팁(11)을, 타단은 외부 튜브(16)를 감싼다.
금속 와이어(12) 및 금속 슬리브(17)는 열전쌍의 두 극을 형성하도록 서로 다른 재료로 만들어질 수 있다. 따라서 전극 및 구조 구성요소로 사용하는 동안 온도 측정의 목적을 달성할 수 있다.
본 개시의 또 다른 실시형태로 전기납땜인두가 블라인드 홀에 통합적으로 형성된다. 은동 및 티타늄의 합성 금속재료가 블라인드 홀에 제공되고, 금속화되지 않은 세라믹 전기발열체의 헤드가 직접 블라인드 홀에 삽입되어 용접된다. 따라서 전기발열체의 헤드가 금속층과 접촉한다.
본 개시의 전기납땜인두를 사용함으로써 더욱 미세해지는 전자용접산업에 적응하도록 전기납땜인두는 더욱 소형화될 수 있다. 이는 용접 중 온도 측정 및 온도 제어를 용이하게 할 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 전도층
2: 절연층
3: 헤드
4: 테일
5: 블라인드 홀
6: 금속 코팅
7: 중앙전극
10: 전면부
11: 납땜인두 팁
12: 금속 와이어
13: 절연 슬리브
14: 상부 절연 슬리브
15: 테일 튜브
16: 외부 튜브
17: 금속 슬리브
18: 금속 전극
2: 절연층
3: 헤드
4: 테일
5: 블라인드 홀
6: 금속 코팅
7: 중앙전극
10: 전면부
11: 납땜인두 팁
12: 금속 와이어
13: 절연 슬리브
14: 상부 절연 슬리브
15: 테일 튜브
16: 외부 튜브
17: 금속 슬리브
18: 금속 전극
Claims (11)
- 내부에 배치된 전도층 및 외부에 배치된 절연층을 포함하는 전기발열체를 포함하되,
상기 절연층이 상기 전도층을 감싸고,
상기 전도층은 상기 전기발열체의 헤드와 테일에서 상기 절연층의 외부로 노출되는 2층 구조의 세라믹 전기발열체. - 제1항에 있어서,
상기 전도층의 테일은 상기 절연층의 테일과 정렬되는 2층 구조의 세라믹 전기발열체. - 제1항에 있어서,
상기 전도층의 테일은 블라인드 홀(blind hole) 또는 홈(groove)을 포함하는 2층 구조의 세라믹 전기발열체. - 제2항에 있어서,
상기 전도층의 테일은 'V'자 형의 블라인드 홀을 포함하는 2층 구조의 세라믹 전기발열체. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전도층의 성분 비율은,
질화규소(silicon nitride): 탄화규소(silicon carbide): 이규화몰리브덴(molybdenum disilicide): 산화이트륨(yttrium oxide): 산화란타넘(lanthanum oxide): 산화알루미늄(aluminum oxide) = (200-700): (100-700): (600-1500): (40-80): (10-70): (5-50) 인 2층 구조의 세라믹 전기발열체. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 절연층의 성분 비율은,
질화규소: 탄화규소: 이규화몰리브덴: 산화이트륨: 산화란타넘: 산화알루미늄 = (400-900): (50-200): (500-800): (40-90): (30-80): (5-60) 인 2층 구조의 세라믹 전기발열체. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기발열체의 헤드에는 상기 전도층 및 상기 절연층을 덮는 금속 코팅이 되는 2층 구조의 세라믹 전기발열체. - 제7항에 있어서,
상기 금속 코팅의 소재는 은동 및 티타늄의 합성재료인 것을 특징으로 하는 2층 구조의 세라믹 전기발열체. - 제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 전기발열체의 헤드는 음극 역할을 하도록 금속 하우징에 삽입되고,
상기 전기발열체의 테일에 노출된 상기 전도층은 양극 역할을 하도록 전극에 용접되는 2층 구조의 세라믹 전기발열체. - 제7항에 따른 세라믹 전기발열체를 포함하는 전기납땜인두로서,
상기 세라믹 전기발열체의 헤드는 납땜인두 팁의 블라인드 홀에 삽입되고, 상기 전기발열체의 테일은 전극에 용접되는 전기납땜인두. - 제1항 내지 제6항에 따른 세라믹 전기발열체 중 하나를 포함하는 전기납땜인두로서,
납땜인두 팁을 더 포함하되,
상기 납땜인두 팁은 일단에 블라인드 홀을 포함하고, 금속층은 상기 블라인드 홀 내에 포함되되,
상기 금속층의 성분은 은동 및 티타늄의 합금이고,
상기 세라믹 전기발열체의 헤드는 상기 납땜인두 팁의 블라인드 홀에 삽입되어 금속층에 용접되고, 상기 세라믹 전기발열체의 테일은 전극에 용접되는 것을 특징으로 하는 전기납땜인두.
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