WO2018088625A1 - 도전성 페이스트 및 면상 발열체 - Google Patents

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WO2018088625A1
WO2018088625A1 PCT/KR2016/014393 KR2016014393W WO2018088625A1 WO 2018088625 A1 WO2018088625 A1 WO 2018088625A1 KR 2016014393 W KR2016014393 W KR 2016014393W WO 2018088625 A1 WO2018088625 A1 WO 2018088625A1
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WO
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heating element
conductive paste
layer
content
insulating layer
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PCT/KR2016/014393
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조용우
이은태
신은지
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엘지전자 주식회사
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64—Burning or sintering processes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/14—Conductive material dispersed in non-conductive inorganic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/14—Conductive material dispersed in non-conductive inorganic material
    • H01B1/16—Conductive material dispersed in non-conductive inorganic material the conductive material comprising metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/10—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/12—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
    • H05B3/14—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material the material being non-metallic
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/10—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/16—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor the conductor being mounted on an insulating base

Definitions

  • the present invention relates to a conductive paste for producing a planar heating element and to a planar heating element that is efficiently generated at a temperature of 500 to 900 ° C prepared using the same.
  • the heating element may be made in various forms. Recently, a planar heating element having a form of cotton is used in various fields. The planar heating element has the advantage of higher thermal efficiency and less electromagnetic wave generation amount than the conventional heating wire.
  • the planar heating element is produced by printing a conductive paste on a substrate and then sintering.
  • the conductive material In order to make the conductive material into a planar heating element, the conductive material must be a material suitable for sintering on the substrate.
  • the material of the heating element a metallic material or a ceramic material is used.
  • the resistivity value is basically small, there is an advantage that a high efficiency heating element can be manufactured.
  • the metal-based material hardly changes its volume upon sintering, it is not necessary to consider the difference in shrinkage with the substrate, which makes it easy to manufacture a planar heating element.
  • the conductive ceramic material has the advantage that there is almost no change in the specific resistance value even at a high temperature of more than 900 °C.
  • the conductive ceramic material has a higher specific resistance than the metal conductor, when the heating element containing the conductive ceramic material is heated to a low temperature, its efficiency is lower than that of the heating element containing the metal conductor. Therefore, the ceramic material is used for a heating element that generates heat at a temperature of 900 ° C or higher.
  • the heating element made of only a ceramic material has a very high heat generation temperature and a sintering temperature for manufacturing the same, the chemical reaction between the sintered body and the substrate is problematic in manufacturing the planar heating element.
  • the conventional conductive ceramic material has not been sintered on the substrate but has been sintered by the ceramic material alone. Accordingly, the ceramic material has not been used as a planar heating element but as a heating element having a constant volume (for example, a rod-shaped heating element).
  • each of the metal-based material and the ceramic material is not suitable for use as a planar heating element material that generates heat at a temperature of 500 to 900 ° C.
  • the metal-based material is not efficient due to the increase in the specific resistance
  • the ceramic material is not efficient due to the high specific resistance, and is not suitable for producing a heating element in the form of a plane.
  • the material constituting the heat generating layer can be oxidized, which is a factor that reduces the efficiency of the surface heating element.
  • the present invention is to solve the above problems, the present invention is to provide a conductive paste for producing a planar heating element that generates heat at a temperature of 500 to 900 °C.
  • an object of this invention is to provide the electrically conductive paste which can lower a sintering temperature in manufacturing a surface heating element.
  • an object of the present invention is to provide a conductive paste capable of suppressing the occurrence of cracks on the surface of a heating element and suppressing a chemical reaction between the heating element and another material in manufacturing the planar heating element.
  • an object of the present invention is to provide a planar heating element that generates heat efficiently at a temperature of 500 to 900 ° C.
  • an object of the present invention is to provide a planar heating element that can be uniformly generated without insulation breakdown at a temperature of 500 to 900 °C.
  • the present invention provides a conductive paste comprising a conductive ceramic powder, a metal-based powder and a sintering aid.
  • the conductive ceramic powder is Lanthanum Cobaltite (LC), Lanthanum Strontium Chromite (LSC), Lanthanum strontium manganite (LSM), Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite (LSCF), Lanthanum manganite (LMO), Lithium Manganese Nickel Oxide (LMO) LMNO).
  • LC Lanthanum Cobaltite
  • LSC Lanthanum Strontium Chromite
  • LSM Lanthanum strontium manganite
  • LSCF Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite
  • LMO Lanthanum manganite
  • LMO Lithium Manganese Nickel Oxide
  • the content of the conductive ceramic powder may be 20 to 70 wt%.
  • the metal-based powder may be made of at least one of Ag, Ag-Pd, RuO 2 , Pt, Cu, Zn, Ag-Pt and Ni.
  • the content of the metal-based powder may be 20 to 70 wt% based on the total mass of the conductive paste.
  • the content of the sintering aid may be 0.1 to 10 wt%.
  • the sintering aid may consist of a mixture of first and second sintering aids, wherein the melting temperature of the sintering aid is between the melting temperature of the first sintering aid and the melting temperature of the second sintering aid Can be.
  • the metal-based powder is characterized in that the metal-based material consisting of a single element, based on the total mass of the conductive paste, the content of the conductive ceramic powder is 30.0 to 37.5wt%, the metal-based powder The content of 35.0 to 45.0wt%, the content of the sintering aid may be 2.0 to 10.0wt%.
  • the metal-based powder is characterized in that made of a metal alloy, based on the total mass of the conductive paste, the content of the conductive ceramic powder is 20.0 to 25.0wt%, the content of the metal-based powder is 45.0 To 55.0wt%, the content of the sintering aid may be 2.0 to 10.0wt%.
  • the content of the conductive ceramic powder is 30.0 to 35.0wt%
  • the content of the metal-based powder is characterized in that 35.0 to 45.0wt%
  • the sintering aid May be made of 3.0 to 4.0 wt% CuO and 0.5 to 0.7 wt% V 2 O 5 based on the total mass of the conductive paste.
  • the present invention is made of a substrate, a ceramic, an insulating layer formed on the substrate, a conductive ceramic, a metal-based material and a sintering aid, and formed to cover the heating layer and the heating layer formed on the insulating layer A planar heating element including a glaze layer is provided.
  • the heating temperature of the heating layer may be 500 to 900 °C.
  • the insulating layer may have a specific resistance of 100 k ⁇ / cm or more.
  • the insulating layer is 50 to 80 wt% Al 2 O 3 , 5 to 30 wt% SiO 2 , 5 to 30 wt% ZrO 2 , 5 to 20 wt% TiO 2 , 5 To 20 wt% of ZnO.
  • the thickness of the insulating layer may be 10 to 150 ⁇ m.
  • the specific resistance of said heat generating layer is 1.0 ⁇ 10 - 4 ⁇ / cm or less.
  • the overglazed layer may include at least one of SiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2, and ZnO, and Glass Frit, Li 2 CO 3 , V 2 O 5 , Na 2 CO 3 , CuO, It may consist of at least one of B 2 O 3 and Bi 2 O 3 .
  • the insulating layer and the overglaze layer may be made of the same material.
  • planar heating element that can stably and uniformly generate heat at a temperature of 500 to 900 °C.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a cross section of a conventional planar heating element.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the planar heating element according to an embodiment of the present invention.
  • 3A is a photograph of a heating layer manufactured using a conductive paste including Glass Frit.
  • FIG. 3B is an enlarged photograph of FIG. 3A.
  • FIG. 4 is a photograph of a heating layer manufactured using the conductive paste according to the present invention.
  • FIG. 5 is a photograph comparing the heat generating layer prepared by using the conductive paste including Glass Frit and the conductive paste according to the present invention.
  • 6A is a photograph of the planar heating element described in FIG. 1.
  • 6B is a photograph of the planar heating element described in FIG. 2.
  • the conductive paste according to the present invention comprises a conductive ceramic powder, a metal powder and a sintering agent.
  • the conductive paste according to the present invention makes use of the advantages of each of the conductive ceramic and the metal-based material, and at the same time, can compensate for the disadvantages of each of the conductive ceramic and the metal-based material.
  • the heating layer included in the planar heating element according to the present invention may be manufactured by printing the conductive paste on a substrate and then sintering the conductive paste.
  • the sintering temperature is high, it is difficult to suppress the chemical reaction between the sintered bodies and the manufacturing cost is high.
  • planar heating element made of only a metal-based material, since the sintering temperature itself is low, it is not necessary to use a material for lowering the sintering temperature, and there is no need to suppress the chemical reaction between the sintered bodies.
  • the conventional conductive ceramic material has not been utilized as a planar heating element because the heat generation temperature is very high, it is not necessary to consider the chemical reaction between the sintered body and the substrate.
  • glass frits have been used to lower the sintering temperature of a conductive ceramic material
  • glass frits are composed of various elements, and when sintered on a substrate, a chemical reaction between the glass frit and the substrate is problematic.
  • the conductive paste according to the present invention includes a low temperature sintering aid different from Glass Frit.
  • the conductive paste according to the present invention is used for producing a planar heating element that generates heat at 500 to 900 °C.
  • the conductive paste according to the present invention should be capable of sintering at 600 to 1000 ° C.
  • the surface hardness of the heat generating layer made of the conductive paste according to the present invention should be 9H or more (pencil hardness tester measurement result), and the heat generating layer a specific resistance of 1.0 ⁇ 10 - should be more than 4 ⁇ / cm.
  • the contents of the conductive ceramic powder, the metal powder and the sintering aid are contents for satisfying the above conditions.
  • the conductive ceramic serves as conductive particles for high temperature heat generation. Since the conductive ceramic has a spinel structure, it suppresses an increase in resistance value due to a temperature rise when the plane heater generates heat, and suppresses the positive temperature coefficient (PTC) property of the metal powder included in the plane heater.
  • PTC positive temperature coefficient
  • the conductive ceramic powder can be made of at least one of Lanthanum Cobaltite (LC), Lanthanum Strontium Chromite (LSC), Lanthanum strontium manganite (LSM), Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite (LSCF), Lanthanum manganite (LMO), and Lithium Manganese Nickel Oxide (LMNO).
  • LC Lanthanum Cobaltite
  • LSC Lanthanum Strontium Chromite
  • LSM Lanthanum strontium manganite
  • LSCF Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite
  • LMO Lanthanum manganite
  • LMNO Lithium Manganese Nickel Oxide
  • the present invention is not limited thereto, and the conductive ceramic powder may be formed of any ceramic material having conductivity.
  • the content of the conductive ceramic powder in the conductive paste increases, the efficiency of the heating layer that generates heat at high temperature increases, but the efficiency of the heating layer that generates heat at low temperature decreases. Therefore, the content of the conductive ceramic powder may vary depending on the main heating temperature of the planar heating element.
  • the content of the conductive ceramic powder affects the sintering temperature and the surface hardness of the planar heating layer. Specifically, as the content of the conductive ceramic powder increases, the sintering temperature increases, and sintering tends to be poor. In addition, as the content of the conductive ceramic powder increases, the surface hardness after sintering decreases.
  • the content of the conductive ceramic powder is preferably 20 to 70 wt% based on the total mass of the conductive paste.
  • the present invention is not limited thereto, and the content of the conductive ceramic powder may increase as the main heating temperature of the planar heating element increases.
  • the conductive ceramic powder shrinks in volume upon sintering. Because of this, the conductive paste shrinks during sintering. When the conductive paste is printed on the substrate and then sintered, the substrate also shrinks in volume. That is, the volume of the conductive paste and the substrate shrinks during sintering.
  • Shrinkage difference between the conductive paste and the substrate due to sintering has a great influence on the bonding force between the heating layer and the substrate. Specifically, as the difference in shrinkage between the conductive paste and the substrate increases, the bonding force decreases. In order to increase the bonding force between the heat generating layer and the substrate, the shrinkage of the conductive paste and the substrate should be similar.
  • the content and type of the conductive ceramic powder affect the shrinkage rate of the conductive paste, the content or type of the conductive ceramic powder should vary according to the shrinkage rate on the substrate.
  • the metal-based powder is used to lower the resistance of the surface heating element. Specifically, since the conductive ceramic has a relatively high specific resistance, the resistance value of the planar heating element can increase. Since the metal powder has a lower specific resistance than the conductive ceramic, the resistance value of the heating element can be lowered.
  • the metal powder may be made of at least one of a metal, a metal oxide, and an alloy.
  • the metallic powder may be made of at least one of Ag, Ag-Pd, RuO 2 , Pt, Cu, Zn, Ag-Pt, and Ni.
  • the present invention is not limited thereto.
  • the content of the metal-based powder may vary depending on the main heating temperature of the planar heating element.
  • the metal-based material included in the heat generating layer is oxidized at high temperature.
  • the specific resistance value of the heating layer may change, which adversely affects the efficiency of the planar heating element.
  • the overglaze layer to be described later can be used to suppress the oxidation of the metal-based material, but the metal-based material is partially oxidized as the use of the planar heating element is repeated. For this reason, when the content of the metal-based powder is too high, the efficiency of the heating element is reduced due to the change in resistivity due to the oxidation of the metal-based material.
  • metal alloys such as Ag-Pd and Ag-Pt have higher resistance to oxidation than metal-based materials composed of a single element.
  • the amount of resistance increase with increasing temperature of the metal alloy is smaller than that of the metal-based material composed of a single element. For this reason, when using a metal alloy, the content of the metal powder may be higher than when using a metal material composed of a single element.
  • the content of the metal-based powder may be 20 to 70 wt% based on the total mass of the conductive paste.
  • the present invention is not limited thereto, and as the main heating temperature of the planar heating element is lowered, the content of the metal powder may further increase.
  • the sintering aid lowers the high sintering temperature of the ceramic powder, aggregates the ceramic powder and the metal-based powder, and increases the surface hardness of the heating element itself and the adhesion between the heating element and the substrate.
  • the sintering aid inhibits the chemical reaction between the substrate or the insulating layer and the surface heating element that may occur during the sintering process. That is, as the content of the sintering aid in the planar heating element becomes higher, the heating element has a higher strength and is stably bonded to the substrate.
  • the exothermic temperature of the planar heating element according to the present invention is 500 to 900 °C
  • sintering of the conductive paste is preferably performed at a temperature of 600 to 1000 °C.
  • the sintering aid serves to sinter completely at the sintering temperature.
  • the sintering aid may consist of at least one of Li 2 CO 3 , V 2 O 5 , Na 2 CO 3 , CuO, B 2 O 3 and Bi 2 O 3 .
  • the content of the sintering aid may be 0.1 to 10 wt% based on the total mass of the conductive paste.
  • the sintering may not be intact at a temperature of 600 to 1000 ° C., and the sintering layer may not have a surface hardness of a predetermined level or more even when sintered.
  • a pencil hardness tester may be used to measure the surface hardness of the heating layer.
  • the surface hardness of the heating layer must be 9H or higher.
  • the content of the sintering aid was less than 0.1wt%, the surface hardness of the exothermic layer was measured to be 1H or less, and when the content of the sintering aid was 0.1wt% to 10wt%, the surface hardness of the exothermic layer was measured to be 9H or more.
  • the content of the sintering aid is more than 10wt%, the specific resistance of the heat generating layer is excessively increased, and the efficiency of the heat generating body is lowered.
  • the volume of the sintering aid shrinks during sintering.
  • the content of the sintering aid exceeds 10wt%, the effect of shrinkage of the sintering aid is increased, thereby decreasing the bonding force between the substrate and the heat generating layer, and increasing the surface hardness of the heat generating layer. Decreases.
  • the sintering aid is melted during the sintering process to aggregate the ceramic powder and the metal-based powder. For this reason, the sintering of the conductive paste should proceed at a temperature higher than the melting point of the sintering aid, and the exothermic temperature of the planar heating element should be lower than the melting point of the sintering aid.
  • the sintering aid has a different melting point depending on the kind thereof.
  • the sintering aid may consist of different kinds of compounds. Specifically, it may consist of a mixture of first and second sintering aids. At this time, the melting temperature of the sintering aid may be between the melting temperature of the first sintering aid and the melting temperature of the second sintering aid. Through this, the present invention, by controlling the melting point of the sintering aid, it is possible to control the sintering temperature.
  • the conductive paste may include at least one solvent for mixing the aforementioned components.
  • the solvent is removed during the sintering of the conductive paste.
  • the solvent may be a mixture of ethylene carbonate (EC) and texanol ester alcohol (texanol).
  • EC ethylene carbonate
  • texanol texanol ester alcohol
  • the composition of the materials used in the conductive paste for producing the planar heating element having a heat generation temperature of 700 to 800 ° C will be described. If the exothermic temperature of the exothermic layer is 700 to 800 ° C., the sintering should be at a temperature exceeding 800 ° C., preferably at a temperature of about 850 ° C.
  • the specific resistance value of the heat generating layer should be below a certain level. Specifically, in order to generate heat with high heat generating efficiency at a temperature of 700 to 800 ° C., the specific resistance of the heat generating layer should be 1.0 ⁇ 10 ⁇ 4 ⁇ / cm or less.
  • the specific resistance of the heat generating layer 1.0 ⁇ 10 - is a 4 ⁇ / cm or less
  • the surface hardness of the heat generating layer is at least 9H
  • conductive paste may be configured as follows.
  • Example 1 the conductive paste, 30.0 to 35.0 wt% Lanthanum Strontium Chromite (LSC), 35.0 to 45.0 wt% Ag, 2.0 to 10.0 wt% Li 2 O based on the total mass of the conductive paste , 20.0 to 25.0 wt% of the solvent.
  • the solvents are texanol and EC.
  • the specific resistance of 1.0 ⁇ 10 heat generating elements regardless of the temperature in excess of 4 ⁇ / cm.
  • the specific resistance of the heating element at 500 to 900 ° C. exceeds 1.0 ⁇ 10 ⁇ 4 ⁇ / cm.
  • the content of Li 2 O when the content of Li 2 O is less than 2.0wt%, the surface hardness of the heat generating layer is less than 9H, sintering is not well done at 850 °C.
  • the content of Li 2 O exceeds 10.0wt%, the specific resistance of the heating element regardless of the temperature of 1.0 ⁇ 10 - in excess of 4 ⁇ / cm.
  • Example 2 the conductive paste, based on the total mass of the conductive paste, 20.0 to 25.0 wt% Lanthanum Strontium Chromite (LSC), 45.0 to 55.0 wt% Ag-Pd, 2.0 to 10.0 wt% Li 2 O, 20.0 to 25.0 wt% of the solvent.
  • the solvents are texanol and EC.
  • Example 2 since Example 2 uses a metal alloy, the content of the conductive ceramic powder is decreased, and the content of the metal-based material is increased.
  • the specific resistance of the heat generating layers according to Examples 1 and 2 was 1.0 ⁇ 10 ⁇ 4 ⁇ / cm or less.
  • Example 3 the conductive paste, based on the total mass of the conductive paste, 20.0 to 25.0 wt% Lanthanum Strontium Chromite (LSC), 45.0 to 55.0 wt% Ag-Pd, 1.0 to 2.0 wt% Li 2 CO 3 , 18.8 to 29.1 wt% of the solvent.
  • the solvents are texanol and EC.
  • the conductive paste is 32.5 to 37.5 wt% Lanthanum Strontium Chromite (LSC), 35.0 to 45.0 wt% Ag, 2.0 to 3.0 wt% V 2 O based on the total mass of the conductive paste. 5 , 20.0 to 25.0 wt% of the solvent.
  • the solvents are texanol and EC.
  • the conductive paste is based on the total mass of the conductive paste, 30.0 to 35.0 wt% Lanthanum strontium manganite (LSM), 35.0 to 45.0 wt% Ag, 3.0 to 4.0 wt% CuO, 0.5 To 0.7 wt% of V 2 O 5 , 20.0 to 26.0 wt% of the solvent.
  • the solvents are texanol and EC.
  • the melting point of CuO can be sintered at 850 ° C even though 1326 ° C.
  • the sintering temperature is higher than 850 °C is a problem of the chemical reaction of the substrate and the exothermic layer.
  • the sintering aid melts at a temperature lower than the exothermic temperature of the exothermic layer, preventing the exothermic layer from functioning. do.
  • a metal-based material and a sintering aid is the second embodiment to the case outside of the content range of 5, 9H or more of the surface hardness, 1.0 ⁇ 10 described in Example 1 - 4 ⁇ / cm resistivity of less than It is not possible to manufacture a heating layer having a sintering at 850 °C.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a cross section of a conventional planar heating element.
  • the planar heating element 100 includes a substrate 110, a heating layer 120, and an overglaze layer 130.
  • the substrate 110 should be made of a material having a high specific resistance so that current flowing through the heating layer 120 does not leak.
  • the substrate 110 may be made of glass, and may be made of a metal-based material having a high specific resistance according to the use of the planar heating element.
  • the material that may be used as the substrate 110 is not limited thereto.
  • the heat generating layer 120 of the conventional planar heating element is disposed to contact the substrate 110.
  • the heat generating layer 120 may be made of a conductive material.
  • the heating layer 120 may be formed in different thicknesses according to the heating temperature.
  • the heating layer 120 may be formed to 1 to 200 ⁇ m.
  • the present invention is not limited thereto.
  • the conventional planar heating element includes an overglaze layer 130.
  • the overglaze layer 130 covers the heating layer 120 to prevent oxidation of the heating layer 120.
  • the overglaze layer 130 is formed to prevent oxidation of the metallic material.
  • the overglaze layer 130 described above is unnecessary.
  • the specific resistance of the substrate 110 may decrease as the temperature of the planar heating element increases.
  • the substrate loses insulation characteristics at a temperature higher than a predetermined temperature, and leakage current flowing to the substrate is generated. This becomes a factor of shortening the life of the planar heating element.
  • the planar heating element according to the present invention has a heat generation temperature of 500 to 900 ° C., a problem of leakage current flowing to the substrate occurs, and a problem of oxidizing the metal-based material included in the heat generating layer also occurs.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the planar heating element according to an embodiment of the present invention.
  • the planar heating element 200 includes a substrate 210, a heating layer 220, an overglazed layer 230, and an insulating layer 240.
  • the substrate 210 is made of a material having a high specific resistance so that a current flowing to the substrate does not leak, similar to a substrate used for the conventional planar heating element 100.
  • the resistivity of the substrate may be 2 k ⁇ / cm.
  • the material forming the substrate may be the same as the substrate included in the planar heating element 100.
  • the insulating layer 240 may be disposed on the substrate.
  • the insulating layer prevents leakage current flowing to the substrate 210 as the temperature of the planar heating element rises.
  • the insulating layer may be made of a composite ceramic composed of at least one of SiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2, and ZnO.
  • the insulating layer may be composed of only one kind of material, and may be formed of a mixture or a multilayer structure.
  • the sintering temperature can be lowered and the shrinkage rate during sintering can be reduced as compared with the case where only one type of material is used.
  • the sintering temperature is lower than when the insulating layer 240 is composed only of Al 2 O 3 , and the insulating layer 240 after sintering The bonding force between the substrates 210 increases.
  • the insulating layer 240 is more preferably made of a mixture of a plurality of different materials. Specifically, the insulating layer 240 is sintered at a temperature of 850 °C or more, and should be made of a similar composition to the shrinkage rate when sintering the substrate.
  • the insulating layer 240 may be 50 to 80 wt% Al 2 O 3 , 5 to 30 wt% SiO 2 , 5 to 30 wt% ZrO 2 , 5 to 20 wt% TiO 2 , 5 to It may consist of 20 wt% ZnO.
  • the insulating layer 240 is difficult to sinter at a temperature of 850 ° C., and the insulating layer 240 after sintering ) May be peeled off from the substrate 210.
  • the insulating layer 240 should have a specific resistance value of 100 k ⁇ / cm or more.
  • the insulating layer formed has a specific resistance value of 300 k? / Cm. Therefore, the leakage current of the insulating layer 240 having the above-described composition can be suppressed.
  • the insulating layer 240 not only insulates the substrate and the heating layer 220, but also serves to evenly transfer the heat generated from the heating layer 220 to the entire surface heating element. Through this, it is possible to solve the local heating problem generated in the surface heating element.
  • the insulating layer 240 may be formed to a thickness of 1 to 150 ⁇ m.
  • the insulating layer 240 has an insulation function and a local heat suppression function from a thickness of 1 ⁇ m. If the insulating layer 240 is formed to a thickness of less than 1 ⁇ m, it does not function as an insulation, it is not possible to suppress local heat generation.
  • the insulating layer 240 is formed to a thickness of 10 ⁇ m or more, the leakage current and local heat suppression effect is significantly increased, the maximum effect at a thickness of 100 to 150 ⁇ m.
  • the insulating layer 240 is formed to be 150 ⁇ m or more, sintering is difficult, and even if sintering is performed, the possibility of peeling or cracking increases.
  • the insulating layer is formed to less than 30 ⁇ m, it is possible to print a single insulating layer by the Sreen Printing method.
  • the insulating layer is formed to 30 to 50 ⁇ m, it is possible to form a plurality of insulating layers by printing a plurality of times by the Sreen Printing method.
  • each of the layers constituting the insulating layer may be made of different materials.
  • the insulating layer is formed to 50 to 80 ⁇ m, it is possible to form a single layer or a multilayer insulating layer by a bar coating method.
  • each of the layers constituting the insulating layer may be made of different materials.
  • the insulating layer 240 is composed of a plurality of layers, there may be two advantages.
  • the thickness of the insulating layer 240 when the thickness of the insulating layer 240 is to be increased, it may be usefully used. Specifically, the thicker the layer to be sintered, the greater the likelihood that sintering will occur unevenly or sintering will not occur completely.
  • the insulating layer having a multilayer structure is formed through a plurality of repetitive sintering, even if the thickness of the insulating layer increases, it is possible to have a uniform and high strength.
  • the insulating layer is disposed between the substrate and the heat generating layer.
  • the insulating layer may react with the substrate during sintering and may react with the exothermic layer.
  • the reaction with the substrate and the heat generating layer can be effectively suppressed.
  • the insulating layer is composed of two layers, one of the two layers in contact with the substrate is made of a material having less reactivity with the material constituting the substrate, and the layer in contact with the heat generating layer is a material constituting the heating layer. It may be composed of a material having a low reactivity with. Through this, it is possible to effectively suppress the chemical reaction with the substrate and the heating layer.
  • the insulating layer when the insulating layer is formed to 100 ⁇ m or more, after forming the insulating layer on a separate sheet, it can be laminated on the substrate 240.
  • the above-described method of forming the insulating layer is only one embodiment for carrying out the present invention, but is not limited thereto.
  • the heating layer 220 may be disposed on the insulating layer 240.
  • the heat generating layer 220 may be formed of materials forming the above-described conductive paste.
  • at least one kind of solvent included in the conductive paste is removed during the sintering process.
  • the materials forming the heating layer 220 are conductive ceramics, metal-based materials, and sintering aids.
  • the thickness of the heating layer 220 may vary depending on the heating temperature of the planar heating element.
  • the heating layer 220 may be formed to a thickness of 1 to 200 ⁇ m, but is not limited thereto.
  • the heating temperature of the heating layer 220 may be 500 to 900 °C.
  • the overglaze layer 230 may be formed of a composite ceramic composed of at least one of SiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2, and ZnO, and any one of the sintering aids and glass frit.
  • the overglaze layer 230 may be made of 50 to 80 wt% of a composite ceramic and 20 to 50 wt% of Glass Frit.
  • the overglaze layer 230 may be made of the same material as the insulating layer 240.
  • Table 2-4 Manufacturing the planar heating element using a conductive paste made of a composition, such as the specific resistance is 1.0 ⁇ 10 - if the surface hardness that the 4 ⁇ / cm or less was determined whether or not the above 9H. The measurement results are shown in Table 5.
  • FIG. 3A is a photograph of a heating layer manufactured using a conductive paste including glass frit
  • FIG. 3B is an enlarged photograph of FIG. 3A.
  • Figure 4 is a photograph of the heating layer produced using the conductive paste according to the present invention.
  • Figure 5 is a photograph comparing the heat-generating layer prepared by using a conductive paste containing a glass frit and the conductive paste according to the present invention.
  • the left photograph of FIG. 5 is a photograph of a heating layer manufactured by using a conductive paste including Glass Frit. Referring to the left photograph of FIG. 5, it can be seen that a heat generating layer (gray layer) is formed on the insulating layer (white layer), and it can be confirmed that a portion of the heat generating layer is stained. The spot is formed by a chemical reaction between the heating layer and the insulating layer.
  • the right picture of Figure 5 is a picture of the heat generating layer manufactured using the conductive paste according to the present invention. Referring to the photo on the right of FIG. 5, it can be confirmed that the heating layer (gray layer) is formed on the insulating layer (white layer), and no spots can be found. Through this, it can be seen that the heating element did not cause a chemical reaction with the insulating layer during the sintering process.
  • FIG. 6A is a photograph of the planar heating element described in FIG. 1. Referring to FIG. 6A, it can be seen that the temperature of the plane heating element locally generates high heat.
  • FIG. 6B is a photograph of the planar heating element described in FIG. 2. Referring to FIG. 6B, it can be seen that heat is uniformly generated in most regions of the planar heating element.
  • planar heating element including the insulating layer and the overglaze layer generates heat more uniformly than the planar heating element including only the overglaze layer.

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Abstract

본 발명은 500 내지 900℃의 온도에서 효율적으로 발열되는 면상 발열체에 관한 것이다. 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 기판, 세라믹으로 이루어지고, 상기 기판위에 형성되는 절연층, 도전성 세라믹, 금속계 물질 및 소결 조제로 이루어지고, 상기 절연층 위에 형성되는 발열층 및 상기 발열층을 덮도록 형성되는 오버글레이즈 층을 포함하는 면상 발열체를 제공한다. 본 발명에 따르면, 500 내지 900℃의 온도에서 안정적으로, 균일하게 발열 될 수 있는 면상 발열체를 제공할 수 있게 된다.

Description

도전성 페이스트 및 면상 발열체
본 발명은 면상 발열체 제조를 위한 도전성 페이스트 및 이를 이용하여 제조된 500 내지 900℃의 온도에서 효율적으로 발열되는 면상 발열체에 관한 것이다.
전류를 흘려서 열을 발생시키는 전기 저항체를 발열체라 한다. 발열체는 다양한 형태로 이루어질 수 있다. 최근에는 면의 형태를 가지는 면상 발열체가 다양한 분야에 사용되고 있다. 면상 발열체는 종래 열선보다 열효율이 높고, 전자파 발생량이 적다는 장점이 있다.
면상 발열체는 기판 위에 도전성 페이스트를 인쇄한 후 소결시킴으로써 제조된다. 도전성 재료를 면상 발열체로 제조하기 위해서는, 도전성 재료가 기판 위에서 소결시키기에 적합한 재료이어야 한다.
발열체의 재료로 금속계 물질 또는 세라믹 재료가 사용된다.
금속계 물질의 경우, 기본적으로 비저항 값이 작기 때문에 높은 효율의 발열체를 제조할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 금속계 물질은 소결 시 그 부피변화가 거의 없기 때문에, 기판과의 수축률 차이를 고려할 필요가 없어 면상 발열체로 제조하기가 용이하다는 장점이 있다.
다만, 금속계 물질은 온도 상승과 함께 저항이 점점 증가한다. 금속계 물질을 포함하는 발열체를 낮은 온도(500℃ 이하)로 발열시키는 경우, 상술한 비저항 상승은 크게 문제가 되지 않는다. 하지만, 발열체의 발열 온도가 높아질수록 비저항 상승은 발열체의 효율을 저하시키는 주된 요인이 된다. 따라서, 금속계 물질은 500℃ 이하의 온도로 발열되는 발열체에 사용된다.
한편, 도전성 세라믹 재료는 900℃를 넘는 고온에서도 비저항 값 변화가 거의 없다는 장점이 있다. 하지만, 도전성 세라믹 재료는 금속 도체보다 비저항 값이 높기 때문에, 도전성 세라믹 재료를 포함하는 발열체를 낮은 온도로 발열시키는 경우, 금속 도체를 포함하는 발열체보다 그 효율이 떨어진다. 따라서, 세라믹 재료는 900℃ 이상의 온도로 발열되는 발열체에 사용된다.
한편, 세라믹 재료만으로 이루어지는 발열체는 그 발열 온도가 매우 높고, 이를 제조하기 위한 소결 온도 또한 매우 높기 때문에, 면상 발열체 제조 시 소결체와 기판 간의 화학반응이 문제된다. 이로 인하여, 종래 도전성 세라믹 재료는 기판 위에서 소결되지 않고, 세라믹 재료 단독으로 소결되어 왔다. 이에, 세라믹 재료는 면상 발열체가 아니라 일정한 부피를 가지는(예를 들어 봉 형태의 발열체) 발열체로 활용되어 왔다.
상술한 바와 같이, 금속계 물질 및 세라믹 재료 각각은 500 내지 900℃의 온도에서 발열되는 면상 발열체 재료로 활용되기에 부적합하다. 구체적으로, 500 내지 900℃의 온도에서, 금속계 물질은 비저항 증가로 인하여 효율이 좋지 않고, 세라믹 재료는 높은 비저항으로 효율이 좋지 않으며, 면 형태의 발열체로 제조하기 부적합하다.
이로 인하여, 종래에는 500 내지 900℃의 온도에서 높은 효율로 발열 되는 면상 발열체 재료가 없는 실정이다.
한편, 면상 발열체가 고온으로 올라가게 되면 기판이 절연 특성을 잃어버려 누설 전류가 발생된다. 이로 인하여, 국부 발열 현상이 일어나게 되며, 이는 면상 발열체의 수명을 단축 시키는 요인이 된다.
한편, 발열층이 공기 중에 노출된 상태로 발열되는 경우, 발열층을 이루는 물질이 산화될 수 있으며, 이는 면상 발열체의 효율을 저하시키는 요인이 된다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하고자, 본 발명은 500 내지 900℃의 온도에서 발열되는 면상 발열체 제조를 위한 도전성 페이스트를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 면상 발열체를 제조함에 있어서, 소결온도를 낮출 수 있는 도전성 페이스트를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 면상 발열체를 제조함에 있어서, 발열체 표면에서의 crack발생을 억제하고, 발열체와 다른 물질 간의 화학반응을 억제할 수 있는 도전성 페이스트를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 500 내지 900℃의 온도에서 효율적으로 발열되는 면상 발열체를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 500 내지 900℃의 온도에서 절연 파괴되지 않고 균일하게 발열 될 수 있는 면상 발열체를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 도전성 세라믹 파우더, 금속계 파우더 및 소결 조제를 포함하는 도전성 페이스트를 제공한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 도전성 세라믹 파우더는 Lanthanum Cobaltite(LC), Lanthanum Strontium Chromite(LSC), Lanthanum strontium manganite(LSM), Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite(LSCF), Lanthanum manganite(LMO), Lithium Manganese Nickel Oxide (LMNO) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 도전성 페이스트의 전체 질량을 기준으로, 상기 도전성 세라믹 파우더의 함량은 20 내지 70 wt%일 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 금속계 파우더는 Ag, Ag-Pd, RuO2, Pt, Cu, Zn, Ag-Pt 및 Ni 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 도전성 페이스트의 전체 질량을 기준으로, 상기 금속계 파우더의 함량은 20 내지 70 wt%일 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 소결 조제는, Li2CO3, Li2O, V2O5, Na2CO3, CuO, B2O3 및 Bi2O3 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 도전성 페이스트의 전체 질량을 기준으로, 상기 소결 조제의 함량은 0.1 내지 10 wt%일 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 소결 조제는, 제1 및 제2소결 조제의 혼합물로 이루어질 수 있고, 상기 소결 조제의 용융 온도는 상기 제1소결 조제의 용융 온도와 상기 제2소결 조제의 용융 온도 사이일 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 금속계 파우더는 단일 원소로 이루어지는 금속계 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하고, 상기 도전성 페이스트의 전체 질량을 기준으로, 상기 도전성 세라믹 파우더의 함량은 30.0 내지 37.5wt%이고, 상기 금속계 파우더의 함량은 35.0 내지 45.0wt%이고, 상기 소결 조제의 함량은 2.0 내지 10.0wt%일 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 금속계 파우더는 금속 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하고, 상기 도전성 페이스트의 전체 질량을 기준으로, 상기 도전성 세라믹 파우더의 함량은 20.0 내지 25.0wt%이고, 상기 금속계 파우더의 함량은 45.0 내지 55.0wt%이고, 상기 소결 조제의 함량은 2.0 내지 10.0wt%일 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 도전성 페이스트의 전체 질량을 기준으로, 상기 도전성 세라믹 파우더의 함량은 30.0 내지 35.0wt%이고, 상기 금속계 파우더의 함량은 35.0 내지 45.0wt%인 것을 특징으로 하고, 상기 소결 조제는 도전성 페이스트의 전체 질량을 기준으로, 3.0 내지 4.0wt%의 CuO, 0.5 내지 0.7wt%의 V2O5로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명은 기판, 세라믹으로 이루어지고, 상기 기판 위에 형성되는 절연층, 도전성 세라믹, 금속계 물질 및 소결 조제로 이루어지고, 상기 절연층 위에 형성되는 발열층 및 상기 발열층을 덮도록 형성되는 오버글레이즈 층을 포함하는 면상 발열체를 제공한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 발열층의 발열 온도는 500 내지 900℃일 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 절연층은 비저항이 100kΩ/cm이상일 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 절연층은 SiO2, Al2O3, ZrO2, TiO2 및 ZnO 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 절연층은, 50 내지 80 wt% 의 Al2O3, 5 내지 30 wt%의 SiO2, 5 내지 30 wt%의 ZrO2, 5 내지 20 wt%의 TiO2, 5 내지 20 wt%의 ZnO로 이루어질 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 절연층의 두께는 10 내지 150㎛일 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 절연층의 두께는 100 내지 150㎛ 일 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 발열층의 비저항은 1.0×10- 4Ω/cm 이하일 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 오버글레이즈 층은 SiO2, Al2O3, ZrO2, TiO2 및 ZnO 중 적어도 하나와 Glass Frit, Li2CO3, V2O5, Na2CO3, CuO, B2O3 및 Bi2O3 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 절연층 및 상기 오버글레이즈 층은 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 500 내지 900℃의 온도에서 안정적으로, 균일하게 발열 될 수 있는 면상 발열체를 제공할 수 있게 된다.
도 1은 종래 면상 발열체의 단면을 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 면상 발열체의 단면도이다.
도 3a는 Glass Frit을 포함하는 도전성 페이스트를 사용하여 제조된 발열층의 사진이다.
도 3b는 도 3a를 확대한 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 도전성 페이스트를 사용하여 제조된 발열층의 사진이다.
도 5는 Glass Frit을 포함하는 도전성 페이스트 및 본 발명에 따른 도전성 페이스트 각각을 사용하여 제조된 발열층을 비교한 사진이다.
도 6a는 도 1에서 설명한 면상 발열체의 사진이다.
도 6b는 도 2에서 설명한 면상 발열체의 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 도전성 페이스트는 도전성 세라믹 파우더, 금속계 파우더 및 소결 조제(Sintering Agent)를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 도전성 페이스트는 도전성 세라믹 및 금속계 물질 각각의 장점을 살림과 동시에, 도전성 세라믹 및 금속계 물질 각각의 서로의 단점을 보완할 수 있도록 한다.
한편, 본 발명에 따른 면상 발열체에 포함된 발열층은 기판 위에 상기 도전성 페이스트를 인쇄한 후, 소결시킴으로써 제조될 수 있다. 소결 온도가 높을 경우, 소결체 간의 화학반응을 억제하기 어렵고, 제조 비용이 높아진다.
종래 금속계 물질만으로 이루어지는 면상 발열체의 경우, 소결 온도 자체가 낮기 때문에 소결 온도를 낮추기 위한 물질을 사용할 필요가 없었으며, 소결체 간의 화학반응을 억제할 필요가 없었다.
한편, 종래 도전성 세라믹 재료는 발열 온도가 매우 높기 때문에 면상 발열체로 활용되지 않았고, 소결체와 기판 간의 화학 반응을 고려할 필요가 없었다.
한편, 종래에는 도전성 세라믹 재료의 소결 온도를 낮추기 위해 Glass Frit이 사용되었으나, Glass Frit은 다양한 원소로 구성되어 있기 때문에, 기판 위에서 소결 시킬 경우, Glass Frit과 기판 간의 화학 반응이 문제된다.
상술한 문제를 해결 하기 위해, 본 발명에 따른 도전성 페이스트는 Glass Frit과는 다른 저온 소결 조제를 포함한다.
이하에서는, 본 발명에 따른 도전성 페이스트에 포함된 구성요소들 각각에 대하여 설명한다. 구체적으로, 본 명세서에서는 도전성 페이스트를 이용하여 제조된 발열층의 물리적 성질을 도전성 페이스트에 포함된 물질의 종류 및 함량과 연관 지어 설명한다.
한편, 본 발명에 따른 도전성 페이스트는 500 내지 900℃에서 발열되는 면상 발열체 제조에 사용된다. 이를 위해, 본 발명에 따른 도전성 페이스트는 600 내지 1000℃에서 소결될 수 있어야 하고, 본 발명에 따른 도전성 페이스트로 제조된 발열층의 표면 경도는 9H 이상(연필경도 시험기 측정 결과)이어야 하며, 발열층의 비저항은 1.0×10- 4Ω/cm 이하이어야 한다. 본 명세서에서, 별도의 언급이 없는 한 도전성 세라믹 파우더, 금속계 파우더 및 소결 조제의 함량은 상술한 조건을 충족시키기 위한 함량이다.
도전성 세라믹은 고온 발열을 위한 도전성 입자 역할을 한다. 도전성 세라믹은 spinel 구조를 가지므로, 면상 발열체의 발열 시 온도 상승에 따른 저항 값 상승을 억제하며, 면상 발열체에 포함된 금속계 파우더의 positive temperature coefficient(PTC) 특성을 억제한다.
도전성 세라믹 파우더는 Lanthanum Cobaltite(LC), Lanthanum Strontium Chromite(LSC), Lanthanum strontium manganite(LSM), Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite(LSCF), Lanthanum manganite(LMO), Lithium Manganese Nickel Oxide (LMNO) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 도전성 세라믹 파우더는 도전성을 가지는 모든 세라믹 재료로 이루어질 수 있다.
도전성 페이스트에서 도전성 세라믹 파우더의 함량이 증가할수록, 고온으로 발열되는 발열층의 효율은 증가하나, 저온으로 발열되는 발열층의 효율은 감소한다. 따라서, 면상 발열체의 주 발열 온도에 따라, 도전성 세라믹 파우더의 함량이 달라질 수 있다.
한편, 도전성 세라믹 파우더의 함량은 소결 온도 및 면상 발열층의 표면 경도에 영향을 준다. 구체적으로, 도전성 세라믹 파우더의 함량의 증가할수록, 소결 온도가 상승하고, 소결이 잘되지 않는 경향성이 나타난다. 또한, 도전성 세라믹 파우더의 함량의 증가할수록, 소결 후 표면 경도가 감소한다.
상술한 바에 따르면, 도전성 세라믹 파우더의 함량은 도전성 페이스트의 전체 질량을 기준으로 20 내지 70 wt%임이 바람직하다. 다만, 이에 한정되지 않고, 면상 발열체의 주 발열 온도가 높아질수록, 도전성 세라믹 파우더의 함량은 더 증가할 수 있다.
한편, 도전성 세라믹 파우더는 소결 시, 그 부피가 수축된다. 이로 인하여, 도전성 페이스트는 소결 시 수축된다. 도전성 페이스트를 기판 위에 인쇄한 후, 소결시키는 경우, 기판 역시 그 부피가 수축된다. 즉, 도전성 페이스트와 기판은 소결 시 그 부피가 수축된다.
소결에 따른 도전성 페이스트 및 기판 각각의 수축률 차이는 발열층과 기판간의 결합력에 큰 영향을 준다. 구체적으로, 도전성 페이스트와 기판의 수축률 차이가 클수록 결합력이 감소한다. 발열층과 기판 간의 결합력을 증가시키기 위해서는, 도전성 페이스트와 기판의 수축률이 유사하여야 한다.
도전성 세라믹 파우더의 함량 및 종류는 도전성 페이스트의 수축률에 영향을 주기 때문에, 기판에 수축률에 따라 도전성 세라믹 파우더의 함량 또는 종류가 달라져야 한다.
한편, 금속계 파우더는 면상 발열체의 저항을 낮추기 위해 사용된다. 구체적으로, 도전성 세라믹은 비교적 높은 비저항을 가지기 때문에, 면상 발열체의 저항 값이 상승할 수 있다. 금속계 파우더는 도전성 세라믹보다 낮은 비저항을 가지므로, 발열체의 저항 값을 낮출 수 있다.
금속계 파우더는 금속, 금속 산화물 및 합금 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 금속계 파우더는 Ag, Ag-Pd, RuO2, Pt, Cu, Zn, Ag-Pt 및 Ni 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않는다.
도전성 페이스트에서 금속계 파우더의 함량이 증가할수록, 저온으로 발열되는 면상 발열체의 효율은 증가하나, 고온으로 발열되는 면상 발열체의 효율은 감소한다. 따라서, 면상 발열체의 주 발열 온도에 따라, 금속계 파우더의 함량이 달라질 수 있다.
한편, 발열층에 포함된 금속계 물질은 고온에서 산화된다. 금속계 물질이 산화됨에 따라 발열층의 비저항 값이 변할 수 있으며, 이는 면상 발열체의 효율에 좋지 않은 영향을 준다. 후술할 오버글레이즈 층을 이용하여, 금속계 물질의 산화를 억제할 수는 있지만, 면상 발열체의 사용을 반복함에 따라 금속계 물질은 일부가 산화된다. 이 때문에, 금속계 파우더의 함량이 지나치게 높은 경우, 금속계 물질 산화에 따른 비저항 변화로 인하여 발열체의 효율이 감소한다.
한편, Ag-Pd 및 Ag-Pt와 같은 금속 합금은 단일 원소로 이루어지는 금속계 물질보다 산화에 대한 저항성이 높다. 또한, 금속 합금은 온도 증가에 따른 저항 증가량이 단일 원소로 이루어지는 금속계 물질보다 작다. 이 때문에, 금속 합금을 사용할 경우, 단일 원소로 이루어지는 금속계 물질을 사용할 때보다 금속계 파우더의 함량이 높아질 수 있다.
금속계 파우더의 함량은 도전성 페이스트의 전체 질량을 기준으로 20 내지 70wt%일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 면상 발열체의 주 발열 온도가 낮아질수록, 금속계 파우더의 함량은 더 증가할 수 있다.
소결 조제는 세라믹 파우더의 높은 소결 온도를 낮추고, 세라믹 파우더 및 금속계 파우더를 응집시켜, 발열체 자체의 표면 경도 및 발열체와 기판과의 접착력을 높인다. 또한, 소결 조제는 소결과정에서 일어날 수 있는 기판 또는 절연층과 면상 발열체 간의 화학반응을 억제한다. 즉, 면상 발열체에서 소결 조제의 함량이 높아질수록, 발열체는 높은 강도를 가지며, 기판과 안정적으로 결합한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 면상 발열체의 발열 온도는 500 내지 900℃이므로, 도전성 페이스트의 소결은 600 내지 1000℃의 온도에서 수행되는 것이 바람직하다. 소결 조제는 상기 소결 온도에서 온전히 소결이 이루어지도록 하는 역할을 한다.
이를 위해, 소결 조제는 Li2CO3, V2O5, Na2CO3, CuO, B2O3 및 Bi2O3 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
한편, 면상 발열체에서 소결 조제의 함량이 증가할수록 면상 발열체의 저항 값이 증가한다. 이로 인하여, 소결 조제의 함량이 증가할수록 면상 발열체의 효율이 떨어지는 문제가 있다.
이에, 소결 조제의 함량은 도전성 페이스트의 전체 질량을 기준으로 0.1 내지 10 wt%일 수 있다.
소결 조제의 함량이 0.1wt%미만인 경우, 600 내지 1000℃의 온도에서 소결이 온전히 되지 않을 수 있으며, 소결되더라도 발열층이 일정 수준 이상의 표면 경도를 가지지 못한다.
여기서, 발열층의 표면 경도 측정을 위해 연필경도 시험기가 사용될 수 있다. 면상 발열체가 제품으로 활용되기 위해서는 발열층의 표면 경도가 9H 이상이어야 한다. 소결 조제의 함량이 0.1wt% 미만인 경우, 발열층의 표면 경도는 1H이하로 측정되었으며, 소결 조제의 함량이 0.1wt% 내지 10wt%인 경우, 발열층의 표면 경도는 9H 이상으로 측정되었다.
한편, 소결 조제의 함량이 10wt%를 초과하는 경우, 발열층의 비저항이 지나치게 상승하여 발열체의 효율이 떨어진다. 또한, 소결 시 소결 조제는 그 부피가 수축되는데, 소결 조제의 함량이 10wt%를 초과하는 경우 소결 조제의 수축에 의한 영향이 커져, 기판과 발열층 간의 결합력을 저하되고, 발열층의 표면 경도가 감소한다.
한편, 소결 조제는 소결 과정에서 용융되어 세라믹 파우더 및 금속계 파우더를 응집시킨다. 이 때문에, 도전성 페이스트의 소결은 소결 조제의 녹는점보다 높은 온도에서 진행되어야 하며, 면상 발열체의 발열 온도는 소결 조제의 녹는점보다 낮아야 한다.
하기 표 1과 같이, 소결 조제는 그 종류에 따라 녹는점이 상이하다.
종류 녹는점(℃)
B2O3 450
V2O5 690
Li2CO3 723
Bi2O3 817
Na2CO3 851
CuO 1326
소결 조제는 서로 다른 종류의 화합물로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 제1 및 제2소결 조제의 혼합물로 이루질 수 있다. 이때, 소결조제의 용융 온도는 상기 제1소결 조제의 용융 온도와 상기 제2소결 조제의 용융 온도 사이일 수 있다. 이를 통해, 본 발명은 소결 조제의 녹는점을 조절함으로써, 소결 온도를 조절할 수 있게 된다.
한편, 도전성 페이스트는 상술한 구성요소들을 혼합하기 위한 적어도 하나의 용매를 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 용매는 도전성 페이스트의 소결과정에서 제거된다.
예를 들어, 상기 용매는 Ethylene carbonate(EC)와 Texanol Ester Alcohol(texanol)의 혼합물로 이루어질 수 있다.
이하에서는, 발열온도가 700 내지 800℃인 면상 발열체를 제조하기 위한 도전성 페이스트에 사용된 소재들의 조성에 대하여 설명한다. 발열층의 발열 온도가 700 내지 800℃인 경우, 소결은 800℃를 초과하는 온도에서 이루어져야 하며, 바람직하게는 약 850℃의 온도에서 이루어져야 한다.
한편, 발열층의 비저항 값은 일정 수준 이하이어야 한다. 구체적으로, 700 내지 800℃의 온도에서 높은 발열 효율로 발열되기 위해서는, 발열층의 비저항은 1.0×10-4Ω/cm 이하가 되어야 한다.
약 850℃의 온도에서 소결이 이루어지고, 발열층의 비저항이 1.0×10- 4Ω/cm 이하가 되고, 발열층의 표면 경도가 9H 이상이 되도록, 도전성 페이스트는 하기와 같이 구성될 수 있다.
실시 예1에 있어서, 도전성 페이스트는, 상기 도전성 페이스트의 전체 질량을 기준으로, 30.0 내지 35.0wt%의 Lanthanum Strontium Chromite(LSC), 35.0 내지 45.0wt%의 Ag, 2.0 내지 10.0wt%의 Li2O, 20.0 내지 25.0wt%의 용매로 이루어질 수 있다. 여기서, 용매는 texanol 및 EC이다.
상기 조성에서, LSC의 함량이 30.0wt% 미만인 경우, 500 내지 900℃ 에서 발열체의 비저항이 1.0×10- 4Ω/cm를 초과한다. 한편, LSC의 함량이 35.0wt%를 초과하는 경우, 온도에 상관없이 발열체의 비저항이 1.0×10- 4Ω/cm 을 초과하며, 850℃에서 소결이 잘 이루어지지 않는다.
한편, 상기 조성에서, Ag 의 함량이 35.0wt% 미만인 경우, 온도에 상관없이 발열체의 비저항이 1.0×10- 4Ω/cm를 초과한다. 한편, Ag 의 함량이 45.0wt%를 초과하는 경우, 500 내지 900℃ 에서 발열체의 비저항이 1.0×10-4Ω/cm를 초과한다.
한편, 상기 조성에서, Li2O의 함량이 2.0wt% 미만인 경우, 발열층의 표면 경도가 9H미만이 되며, 850℃에서 소결이 잘 이루어지지 않는다. 한편, Li2O의 함량이 10.0wt%를 초과하는 경우, 온도에 상관없이 발열체의 비저항이 1.0×10- 4Ω/cm를 초과한다.
실시 예2에 있어서, 도전성 페이스트는, 상기 도전성 페이스트의 전체 질량을 기준으로, 20.0 내지 25.0wt%의 Lanthanum Strontium Chromite(LSC), 45.0 내지 55.0wt%의 Ag-Pd, 2.0 내지 10.0wt%의 Li2O, 20.0 내지 25.0wt%의 용매로 이루어질 수 있다. 여기서, 용매는 texanol 및 EC이다.
실시 예1과 2를 비교하면, 실시 예2는 금속 합금을 사용하였기 때문에, 도전성 세라믹 파우더의 함량이 감소하고, 금속계 물질의 함량이 증가하였다. 실시 예 1 및 2에 따른 발열층의 비저항은 1.0×10-4Ω/cm이하 이었다.
실시 예3에 있어서, 도전성 페이스트는, 상기 도전성 페이스트의 전체 질량을 기준으로, 20.0 내지 25.0wt%의 Lanthanum Strontium Chromite(LSC), 45.0 내지 55.0wt%의 Ag-Pd, 1.0 내지 2.0wt%의 Li2CO3, 18.8 내지 29.1wt%의 용매로 이루어질 수 있다. 여기서, 용매는 texanol 및 EC이다.
실시 예4에 있어서, 도전성 페이스트는, 상기 도전성 페이스트의 전체 질량을 기준으로, 32.5 내지 37.5wt%의 Lanthanum Strontium Chromite(LSC), 35.0 내지 45.0wt%의 Ag, 2.0 내지 3.0wt%의 V2O5, 20.0 내지 25.0wt%의 용매로 이루어질 수 있다. 여기서, 용매는 texanol 및 EC이다.
실시 예3 및 4와 같이, Li2CO3및 V2O5을 사용하는 경우, Li2O보다 적은 양을 사용하더라도, 9H 이상의 표면 경도를 가지는 발열층을 얻을 수 있었다.
실시 예5에 있어서, 도전성 페이스트는, 상기 도전성 페이스트의 전체 질량을 기준으로, 30.0 내지 35.0wt%의 Lanthanum strontium manganite(LSM), 35.0 내지 45.0wt%의 Ag, 3.0 내지 4.0wt%의 CuO, 0.5 내지 0.7wt%의 V2O5, 20.0 내지 26.0wt%의 용매로 이루어질 수 있다. 여기서, 용매는 texanol 및 EC이다.
실시 예5와 같이, 소결 조제를 혼합하여 사용하는 경우, CuO의 녹는점이1326℃에도 불구하고, 850℃에서 소결시킬 수 있게 된다. 여기서, CuO의 함량이 4.0wt%를 초과하거나, V2O5의 함량이 0.5wt% 미만인 경우, 소결 온도가 850℃보다 높아져 기판과 발열층의 화학반응이 문제가 된다. 한편, CuO의 함량이 3.0wt% 미만이거나, V2O5의 함량이 0.7wt% 을 초과하는 경우, 소결 조제가 발열층의 발열온도보다 낮은 온도에서 용융되기 때문에 발열층이 제기능을 하지 못하게 된다.
한편, 상기 실시 예 1에서 설명한 바와 같이, 도전성 세라믹 파우더, 금속계 물질 및 소결 조제가 상기 실시 예 2 내지 5의 함량 범위를 벗어나는 경우, 9H 이상의 표면 경도, 1.0×10- 4Ω/cm 이하의 비저항을 가지는 발열층을 제조할 수 없으며, 850℃에서 소결을 수행할 수 없게 된다.
이하에서는, 본 발명에 따른 면상 발열체에 대하여 설명하기에 앞서 종래 면상 발열체의 구조에 대하여 설명한다.
도 1은 종래 면상 발열체의 단면을 나타내는 단면도이다.
종래, 면상 발열체(100)는 기판(110), 발열층(120) 및 오버글레이즈 층(130)을 포함하여 이루어진다.
기판(110)은 발열층(120)으로 흐르는 전류가 누설되지 않도록 비저항이 높은 물질로 이루어져야 한다. 예를 들어, 기판(110)은 글래스로 이루어질 수 있으며, 면상 발열체의 용도에 따라, 비저항이 높은 금속계 물질로 이루어질 수 있다. 다만, 기판(110)으로 사용될 수 있는 소재는 이에 한정되지 않는다.
종래 면상 발열체의 발열층(120)은 기판(110)과 접하도록 배치 된다. 발열층(120)은 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 발열층(120)은 발열 온도에 따라 서로 다른 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 발열층(120)은 1 내지 200 ㎛로 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않는다.
한편, 종래 면상 발열체는 오버글레이즈 층(130)을 포함한다. 오버글레이즈 층(130)은 발열층(120)의 산화를 막도록 발열층(120)을 덮는다. 특히, 오버글레이즈 층(130)은 발열층(120)이 금속계 물질로 이루어지는 경우, 금속계 물질의 산화를 막도록 이루어진다.
한편, 상기 발열층(120)이 도전성 세라믹 재료로만 이루어지는 경우, 발열층(120)이 산화되는 문제점이 발생되지 않기 때문에 상술한 오버글레이즈 층(130)은 불필요하다.
한편, 기판(110)의 비저항은 면상 발열체의 온도가 증가할수록 감소할 수 있다. 이에 따라, 일정 온도 이상에서는 기판이 절연 특성을 잃어버리게 되고, 기판으로 흐르는 누설 전류가 발생한다. 이는 면상 발열체의 수명을 단축시키는 요인이 된다.
발열 온도가 500℃ 이하에서는 기판으로 흐르는 누설 전류의 문제가 발생되지 않았다. 하지만, 본 발명에 따른 면상 발열체는 발열 온도가 500 내지 900℃이기 때문에, 기판으로 흐르는 누설 전류의 문제가 발생하며, 발열층에 포함된 금속계 재료가 산화되는 문제도 발생한다.
이하에서는, 상술한 문제들을 해결하기 위한 면상 발열체에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 면상 발열체의 단면도이다.
본 발명에 따른 면상 발열체(200)는 기판(210), 발열층(220), 오버글레이즈 층(230), 절연층(240)을 포함하여 이루어진다.
기판(210)은 종래 면상 발열체(100)에 사용되는 기판과 마찬가지로, 기판으로 흐르는 전류가 누설되지 않도록 비저항이 높은 물질로 이루어진다. 예를 들어, 기판의 비저항은 2kΩ/cm일 수 있다. 기판을 이루는 재질은 종래 면상 발열체(100)에 포함된 기판과 동일할 수 있다.
절연층(240)은 기판 위에 배치될 수 있다. 절연층은 면상 발열체의 온도가 올라감에 따라 기판(210)으로 흐르는 누설전류가 발생되는 것을 방지한다. 절연층은 SiO2, Al2O3, ZrO2, TiO2 및 ZnO 중 적어도 하나로 구성된 복합 세라믹으로 이루어질 수 있다.
절연층은 한 종류의 물질만으로 구성될 수도 있고, 혼합물 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
절연층을 혼합물로 구성하는 경우, 한 종류의 물질만으로 구성하는 경우와 비교할 때, 소결 온도를 낮추고, 소결 시 수축률을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 절연층(240)을 SiO2 및 Al2O3의 혼합물로 구성하는 경우, Al2O3만으로 구성한 경우와 비교할 때, 소결 온도가 더 낮으며, 소결 후 절연층(240)과 기판(210) 사이의 결합력이 증가한다.
따라서, 절연층(240)은 복수의 서로 다른 물질들의 혼합물로 이루어지는 것이 더욱 좋다. 구체적으로, 절연층(240)은 850℃ 이상의 온도에서 소결되고, 기판과 소결 시 수축률이 유사한 조성으로 이루어져야 한다.
예를 들어, 절연층(240)은 50 내지 80 wt% 의 Al2O3, 5 내지 30 wt%의 SiO2, 5 내지 30 wt%의 ZrO2, 5 내지 20 wt%의 TiO2, 5 내지 20 wt%의 ZnO 로 이루어질 수 있다. 여기서, SiO2, Al2O3, ZrO2, TiO2 및 ZnO 중 적어도 하나가 상기 함량의 범위를 벗어나는 경우, 절연층(240)은 850℃의 온도에서 소결되기 어려우며, 소결 후 절연층(240)이 기판(210)으로부터 박리될 수 있다.
한편, 500 내지 900℃에서 발생되는 누설전류를 억제하기 위해서, 절연층(240)은 100kΩ/cm이상의 비저항 값을 가져야 한다. 예를 들어, 50 내지 80 wt% 의 Al2O3, 5 내지 30 wt%의 SiO2, 5 내지 30 wt%의 ZrO2, 5 내지 20 wt%의 TiO2, 5 내지 20 wt%의 ZnO 로 이루어지는 절연층은 300kΩ/cm의 비저항 값을 가진다. 따라서, 상술한 조성으로 이루어지는 절연층(240) 누설전류를 억제할 수 있게 된다.
한편, 절연층(240)은 기판과 발열층(220)을 절연시킬 뿐 아니라, 발열층(220)에서 발열되는 열을 면상 발열체 전체로 고르게 전달하는 역할을 한다. 이를 통해, 면상 발열체에서 발생되는 국부 발열 문제를 해결할 수 있게 된다.
보다 구체적으로, 절연층(240)은 1 내지 150㎛의 두께로 형성될 수 있다. 절연층(240)은 1㎛의 두께부터 절연기능 및 국부발열 억제기능을 가진다. 절연층(240)이 1㎛ 미만의 두께로 형성되는 경우, 절연기능을 하지 못하며, 국부발열을 억제할 수 없다.
한편, 절연층(240)이 10㎛ 이상의 두께로 형성되는 경우, 누설전류 및 국부발열 억제효과가 월등히 상승하며, 100 내지 150㎛의 두께에서 그 효과가 최대가 된다.
한편, 절연층(240)을 150㎛ 이상으로 형성하는 경우, 소결이 어려우며, 소결이 이루어지더라도, 박리나 균열이 발생될 가능성이 높아진다.
절연층을 30㎛ 미만으로 형성하는 경우, Sreen Printing 방식으로 단층의 절연층을 인쇄할 수 있다. 절연층을 30 내지 50㎛으로 형성하는 경우, Sreen Printing 방식으로 복수 회 인쇄하여 다층의 절연층을 형성할 수 있다. 이때, 절연층을 이루는 층 각각은 서로 다른 소재로 이루어질 수 있다.
한편, 절연층을 50 내지 80㎛으로 형성하는 경우, Bar coating 방식으로 단층 또는 다층의 절연층을 형성할 수 있다. 이때, 절연층을 이루는 층 각각은 서로 다른 소재로 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같이, 절연층(240)은 복수의 층들로 이루어지는 경우, 두 가지 이점이 있을 수 있다.
첫 번째로, 절연층(240)의 두께를 크게 하고자 하는 경우, 유용하게 활용될 있다. 구체적으로, 소결시키고자 하는 층의 두께가 두꺼울수록 소결이 불 균일하게 일어나거나, 소결이 완전히 일어나지 못할 가능성이 커진다. 복수 회의 반복적인 소결을 통해 다층 구조의 절연층을 형성하는 경우, 절연층의 두께가 커지더라도 균일하고 높은 강도를 가질 수 있게 된다.
두 번째로, 물질 간 반응성을 고려하여, 절연층과 기판 또는 절연층과 발열층 간의 화학반응을 억제할 수 있다. 구체적으로, 절연층은 기판과 발열층 사이에 배치된다. 이러한 경우, 절연층은 소결 도중 기판과 반응할 수 있으며, 발열층과 반응할 수 있다. 절연층을 서로 다른 소재로 이루어지는 다층구조로 형성하는 경우, 기판 및 발열층과의 반응을 효과적으로 억제할 수 있다.
예를 들어, 절연층을 두 개의 층으로 구성하고, 두 개의 층 중 기판과 접하는 층은 기판을 구성하는 물질과의 반응성이 적은 물질로 구성하고, 발열층과 접하는 층은 발열층을 구성하는 물질과의 반응성이 적은 물질로 구성할 수 있다. 이를 통해, 기판 및 발열층과의 화학반응을 효과적으로 억제할 수 있게 된다.
한편, 절연층을 100 ㎛이상으로 형성하는 경우, 절연층을 별도의 sheet에 형성한 후, 기판(240) 위에 라미네이트 할 수 있다.
상술한 절연층을 형성하는 방식은 본 발명을 실시하기 위한 일 실시 예일 뿐이며 이에 한정되지 않는다.
발열층(220)은 절연층(240) 위에 배치될 수 있다. 발열층(220)은 상술한 도전성 페이스트을 이루는 소재들로 이루어질 수 있다. 여기서, 도전성 페이스트에 포함된 적어도 한 종류의 용매는 소결과정에서 제거된다. 따라서, 발열층(220)을 이루는 물질은 도전성 세라믹, 금속계 물질 및 소결 조제이다.
발열층(220)의 두께는 면상 발열체의 발열온도에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 발열층(220)은 1 내지 200㎛의 두께로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
한편, 발열층(220)의 발열온도는 500 내지 900℃일 수 있다.
한편, 오버글레이즈 층(230)은 발열층(220)에 포함된 금속계 물질의 산화를 방지하도록, 발열층(220)을 덮는다.
오버글레이즈 층(230)은 SiO2, Al2O3, ZrO2, TiO2 및 ZnO 중 적어도 하나로 구성된 복합 세라믹과 상기 소결 조제 및 Glass Frit 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 오버글레이즈 층(230)은 50 내지 80 wt%의 복합 세라믹과 20 내지 50 wt%의 Glass Frit으로 이루어질 수 있다.
한편, 오버글레이즈 층(230)은 절연층(240)과 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
이하에서는, 실시 예 및 실험 예들을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만, 후술할 실시 예 및 실험 예들에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석되지 않는다.
하기 표 2 내지 4와 같은 조성으로 이루어지는 도전성 페이스트를 이용하여 면상 발열체를 제조하고, 비저항이 1.0×10- 4Ω/cm 이하인지 여부와 표면 경도가 9H 이상인지 여부를 측정하였다. 측정 결과는 표 5에 나타내었다.
　단위(wt%) 실험 예1 실험 예2 실험 예3 비교 예 1 비교 예2
Ag 42.7 40.6 36.1 44 32.4
LSC 32.3 31.5 31.5 33.4 32.4
Li2O 2.4 5.3 9.8 0 12.6
Binder 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9
Solvent 21.7 21.7 21.7 21.7 21.7
　단위(wt%) 실험 예4 실험 예5 실험 예6 비교 예3 비교 예4
AgPd 52.5 49.7 45.6 54.8 42.2
LSC 22.7 22.4 22.2 22.6 22.8
Li2O 2.2 5.3 9.6 0 12.4
Binder 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9
Solvent 21.7 21.7 21.7 21.7 21.7
단위(wt%) 실험 예7 실험 예8 실험 예9
Ag 42.5 45 -
AgPt - - 52
LSC 35.3 - 23
LSM - 33 -
CuO - 3.5 -
V2O5 2.5 0.6 -
Li2CO3 - - 1.6
Binder 0.9 0.9 0.9
Solvent 18.8 17 22.5
비저항 표면 경도
실험 예1 1.0×10-4Ω/cm 이하 9H 이상
실험 예2 1.0×10-4Ω/cm 이하 9H 이상
실험 예3 1.0×10-4Ω/cm 이하 9H 이상
실험 예4 1.0×10-4Ω/cm 이하 9H 이상
실험 예5 1.0×10-4Ω/cm 이하 9H 이상
실험 예6 1.0×10-4Ω/cm 이하 9H 이상
실험 예7 1.0×10-4Ω/cm 이하 9H 이상
실험 예8 1.0×10-4Ω/cm 이하 9H 이상
실험 예9 1.0×10-4Ω/cm 이하 9H 이상
비교 예1 측정안함 9H 미만
비교 예2 1.0×10-4Ω/cm 초과 9H 이상
비교 예3 측정안함 9H 미만
비교 예4 1.0×10-4Ω/cm 초과 9H 이상
한편, 소결 조제 대신 Glass Frit을 포함하는 면상 발열체를 제조하였다.
도 3a는 Glass Frit을 포함하는 도전성 페이스트를 사용하여 제조된 발열층의 사진이고, 도 3b는 도 3a를 확대한 사진이다.
도 3a를 참조하면, 발열체 표면에 crack이 발생된 것을 확인할 수 있다. 이는 발열층의 단선 요인이 된다.
한편, 도 3b를 참조하면, 표면의 일부가 절연층과 반응하여 변색된 것을 확인할 수 있다. 이는, 발열층의 저항 상승의 요인이 되며, crack 발생 요인이 된다.
한편, 도 4는 본 발명에 따른 도전성 페이스트를 사용하여 제조된 발열층의 사진이다.
도 4를 참조하면, 발열층에 crack이 발생되지 않은 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 5는 Glass Frit을 포함하는 도전성 페이스트 및 본 발명에 따른 도전성 페이스트 각각을 사용하여 제조된 발열층을 비교한 사진이다.
도 5의 왼쪽 사진은 Glass Frit을 포함하는 도전성 페이스트를 사용하여 제조된 발열층의 사진이다. 도 5의 왼쪽 사진을 참조하면, 절연층(흰색층) 위에 발열층(회색층)이 형성된 것을 확인할 수 있고, 발열층의 일부분에 얼룩이 있는 것을 확인할 수 있다. 상기 얼룩은 발열층과 절연층 간의 화학반응으로 인하여 형성된 것이다.
한편, 도 5의 오른쪽 사진은 본 발명에 따른 도전성 페이스트를 사용하여 제조된 발열층의 사진이다. 도 5의 오른쪽 사진을 참조하면, 절연층(흰색층) 위에 발열층(회색층)이 형성된 것을 확인할 수 있고, 어떠한 얼룩도 발견할 수 없다. 이를 통해, 발열체는 소결과정에서 절연층과 화학반응을 일으키지 않았다는 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 1 및 2에서 설명한 면상 발열체를 제조하였다.
도 6a는 도 1에서 설명한 면상 발열체의 사진이다. 도 6a를 참조하면, 면상 발열체에서 국부적으로 온도가 높게 발열하는 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 6b는 도 2에서 설명한 면상 발열체의 사진이다. 도 6b를 참조하면, 면상 발열체의 대부분의 영역에서 균일하게 발열 되는 것을 확인할 수 있다.
도 6a 및 6b를 비교하면, 절연층 및 오버글레이즈 층을 포함하는 면상 발열체는 오버글레이즈 층 만을 포함하는 면상 발열체보다 균일하게 발열 되는 것을 확인할 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
또한, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (24)

  1. 도전성 세라믹 파우더;
    금속계 파우더; 및
    소결 조제를 포함하는 도전성 페이스트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 세라믹 파우더는 Lanthanum Cobaltite(LC), Lanthanum Strontium Chromite(LSC), Lanthanum strontium manganite(LSM), Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite(LSCF), Lanthanum manganite(LMO), Lithium Manganese Nickel Oxide (LMNO) 중 적어도 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 페이스트의 전체 질량을 기준으로,
    상기 도전성 세라믹 파우더의 함량은 20 내지 70wt%인 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속계 파우더는 Ag, Ag-Pd, RuO2, Pt, Cu, Zn, Ag-Pt 및 Ni 중 적어도 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 페이스트의 전체 질량을 기준으로,
    상기 금속계 파우더의 함량은 20 내지 70wt%인 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 소결 조제는,
    Li2CO3, Li2O, V2O5, Na2CO3, CuO, B2O3 및 Bi2O3 중 적어도 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 페이스트의 전체 질량을 기준으로,
    상기 소결 조제의 함량은 0.1 내지 10wt%인 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 소결 조제는,
    제1 및 제2소결 조제의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하고,
    상기 소결 조제의 용융 온도는 상기 제1소결 조제의 용융 온도와 상기 제2소결 조제의 용융 온도 사이인 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 금속계 파우더는 단일 원소로 이루어지는 금속계 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하고,
    상기 도전성 페이스트의 전체 질량을 기준으로,
    상기 도전성 세라믹 파우더의 함량은 30.0 내지 37.5wt%이고, 상기 금속계 파우더의 함량은 35.0 내지 45.0wt%이고, 상기 소결 조제의 함량은 2.0 내지 10.0wt%인 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 금속계 파우더는 금속 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하고,
    상기 도전성 페이스트의 전체 질량을 기준으로,
    상기 도전성 세라믹 파우더의 함량은 20.0 내지 25.0wt%이고, 상기 금속계 파우더의 함량은 45.0 내지 55.0wt%이고, 상기 소결 조제의 함량은 2.0 내지 10.0wt%인 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 페이스트의 전체 질량을 기준으로,
    상기 도전성 세라믹 파우더의 함량은 30.0 내지 35.0wt%이고, 상기 금속계 파우더의 함량은 35.0 내지 45.0wt%인 것을 특징으로 하고,
    상기 소결 조제는 도전성 페이스트의 전체 질량을 기준으로, 3.0 내지 4.0wt%의 CuO, 0.5 내지 0.7wt%의 V2O5로 이루어지는 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트.
  12. 기판;
    세라믹으로 이루어지고, 상기 기판 위에 형성되는 절연층;
    도전성 세라믹, 금속계 물질 및 소결 조제로 이루어지고, 상기 절연층 위에 형성되는 발열층; 및
    상기 발열층을 덮도록 형성되는 오버글레이즈 층을 포함하는 면상 발열체.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 발열층의 발열 온도는 500 내지 900℃인 것을 특징으로 하는 면상 발열체.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 절연층은 비저항이 100kΩ/cm이상인 것을 특징으로 하는 면상 발열체.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 절연층은 SiO2, Al2O3, ZrO2, TiO2 및 ZnO 중 적어도 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 면상 발열체.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 절연층은 서로 다른 물질들의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 면상 발열체.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 절연층은,
    50 내지 80 wt% 의 Al2O3, 5 내지 30 wt%의 SiO2, 5 내지 30 wt%의 ZrO2, 5 내지 20 wt%의 TiO2, 5 내지 20 wt%의 ZnO로 이루어지는 것을 특징으로 하는 면상 발열체.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 절연층은 복수의 층들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 면상 발열체.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 복수의 층들 중 상기 기판과 접하는 층은,
    상기 복수의 층들 중 상기 발열층과 접하는 층과 서로 다른 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 면상 발열체.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 절연층의 두께는 10 내지 150㎛인 것을 특징으로 하는 면상 발열체.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 절연층의 두께는 100 내지 150㎛ 인 것을 특징으로 하는 면상 발열체.
  22. 제12항에 있어서,
    상기 발열층의 비저항은 1.0×10- 4Ω/cm 이하인 것을 특징으로 하는 면상 발열체.
  23. 제12항에 있어서,
    상기 오버글레이즈 층은 SiO2, Al2O3, ZrO2, TiO2 및 ZnO 중 적어도 하나와 Glass Frit, Li2CO3, V2O5, Na2CO3, CuO, B2O3 및 Bi2O3 중 적어도 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 면상 발열체.
  24. 제12항에 있어서,
    상기 절연층 및 상기 오버글레이즈 층은 동일한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 면상 발열체.
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