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KR101113713B1 - 소형 센서내장형 세라믹 기판 히터의 제조 방법 - Google Patents

소형 센서내장형 세라믹 기판 히터의 제조 방법 Download PDF

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KR101113713B1
KR101113713B1 KR1020090100957A KR20090100957A KR101113713B1 KR 101113713 B1 KR101113713 B1 KR 101113713B1 KR 1020090100957 A KR1020090100957 A KR 1020090100957A KR 20090100957 A KR20090100957 A KR 20090100957A KR 101113713 B1 KR101113713 B1 KR 101113713B1
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heater
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이지형
전광연
신현수
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(주) 세라트론
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Abstract

본 발명은 센서내장형 세라믹 기판 히터의 제조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소형타입이며 하나의 기판에 발열회로와 센서회로를 모두 인쇄하여 기판의 두께를 줄이고 다양한 소형 전자 기기에 적용할 수 있는 소형 센서내장형 세라믹 기판 히터의 제조 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 하나의 기판에 발열회로와 센서회로를 인쇄하여도 단자와 단자의 적정 간격을 유지시켜 소형의 세라믹 기판 히터에서 발생되던 인접한 단자들간의 통전의 문제를 해결하는 소형 센서내장형 세라믹 기판 히터의 제조 방법이다.

Description

소형 센서내장형 세라믹 기판 히터의 제조 방법{MANUFACTURING METHOD FOR A MINI TYPE CERAMIC HEATER WITH A BUILT IN SENSOR}
본 발명은 소형 타입의 세라믹 기판 히터의 제조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소형이며 하나의 기판에 발열회로와 센서회로를 모두 인쇄하여 기판의 두께를 줄이고 다양한 소형 전자 기기에 적용할 수 있는 소형 센서내장형 세라믹 기판 히터의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 세라믹히터는 세라믹기판에 열선(발열회로)을 인쇄하여 약 1600℃의 고온에서 소결하여 만들어진 발열체로 전기를 통전시 급속 발열하여 30초 이내에 800℃ 이상의 온도까지 승온이 가능하고, 내전압특성과 절연저항이 뛰어나 통전 시 노이즈가 발생하지 않는다. 또한, 통전시 세라믹 재료의 특성이 나타나 원적외선이 발생되면서 다양한 형태의 응용이 가능하며, 파마용 미용기구, 납땜인두, 열풍기, 건조기, 전기보일러 및 석유스토브의 기화기, 각종 금형 보온장치, 급탕기, 부인용 치료기, 마사지기와 같은 의료기기 등에 다양하게 적용할 수 있다.
이하, 종래의 세라믹 히터를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 선행특허 출원번호 10-2005-0083532호 세라믹 히터에 기재된 종래의 세라믹 히터를 나타낸 도이다.
제 1 기판 (10)과, 제 1 기판(10) 상부에 소정 패턴으로 구비되는 발열회로(14)와, 발열회로(14)의 패턴과 패턴 사이에 위치되는 온도센서회로(12)와, 제 1 기판 (10)에 적층되는 제 2 기판 (16)으로 이루어 진다.
온도센서회로(12) 및 발열회로(14)는 제1 기판 (10) 상부에 패턴이 형성된다. 이때, 상기 온도센서회로(12)와 발열회로(14)는 스크린 프린팅 기술을 통해 제 1 기판(10)의 상부에 직접 형성할 수 있거나, 또는 사진 식각 기술과 같은 반도체공정을 기술을 사용하여 먼저 온도센서회로(12) 또는 발열회로(14)의 패턴들 중 하나의 패턴을 제 1 기판(10)의 상부에 형성한 다음, 발열회로 또는 온도센서회로를 구성하는 재료를 증착 등의 공정으로 형성한 다음, 나머지 온도센서회로 또는 발열회로의 패턴을 마찬가지의 방식으로 사진 식각 기술을 사용하여 제 2 기판(10)의 상부에 형성한 다음에 증착을 통해 형성한다.
또한, 제 1 기판(10) 및 제 2 기판(16)은 도면에 도시된 바와 같이 사각형의 판상 모양을 가지고 있으나, 이는 다양한 모양의 판상이나 원형기둥과 같이 입체 구조로 변경할 수 있어, 모든 형태의 세라믹 히터에 적용 가능하다.
종래의 세라믹 히터의 경우 발열회로(14) 패턴 사이에 온도센서회로(12)가 위치되도록 하여 온도센서회로(12)가 발열온도를 정확하게 센싱할 수 있도록 하여 사용자가 세라믹 히터의 발열온도를 정밀하게 제어할 수 있도록 한다.
그리고, 발열회로(14) 및 온도센서회로(12)는 별도로 연결되어 있는 와이어(20)를 통해 전원을 공급받아 발열하며, 감지된 발열온도를 컨트롤러로 출력하게 된다.
발열회로(12)는 Pt, W, Mo, Ni, Ta, SiC, MoSi2 Ni-Cr 합금, Fe-Cr 합금 또는 이들의 합성물로 이루어지고, 온도센서회로는 Pt, W, Mo, Ni, Ta, SiC, MoSi2 Ni-Cr 합금 또는 Fe-Cr 합금 또는 이들의 합성물로 이루어지는 발열재료 또는, Mn, CO, Ni, Fe 등을 포함하는 NTC 더어미스터 재료 또는, BaTiO3, Y, Ce, La, Sn 등을 포함하는 PTC 더어미스터 재료 또는, 백금(Pt) 중 선택되는 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어지는 합성물로 구성된다. NTC 더어미스터 재료는 Mn, CO, Ni, Fe 등이고, 상기 PTC 더어미스터 재료는 BaTiO3, Y, Ce, La, Sn 등이다.
도 1의 경우는 제품의 사이즈가 60 × 15 ㎜ 이상이 되어야 하부층에 발열회로와 센서회로를 동시에 구현이 가능하고, 그 이하의 사이즈에는 제품의 구현이 불가능하며, 만약 그 이하의 사이즈로 구현되는 경우에는 발열회로와 센서회로의 통전으로 인하여 제품 신뢰성에 중대한 문제를 야기한다.
도 2는 선행특허 출원번호 10-2005-0083532호에 기재된 종래의 세라믹 히터의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이 제 1 기판(10)과, 제 1 기판(10) 상부에 소정 패턴으로 구비되는 발열회로(14)와, 제 1 기판(10)에 적층되는 중간 기판(18)과, 중간 기판(18) 상부에 소정 패턴으로 구비되는 온도센서회로(12)와, 중간 기판(18)에 적층되는 제 2 기판(16)으로 이루어진다. 발열회로(14) 및 온도센서회로(12)는 제 1 기판(10) 및 중간 기판(18) 상부에 각각 패턴이 형성된다.
이때, 도 1에서와 같이 온도센서회로(12)와 발열회로(14)는 스크린 프린팅 기술 또는 사진 식각 기술과 증착 등을 통해 형성되게 된다.
그리고, 도 1과 마찬가지로 제 1 기판(10), 중간기판(18) 및 제 2 기판(16)은 도면에 도시된 바와 같이 사각형의 판상 모양을 가지고 있으나, 이는 다양한 모양의 판상이나 원형기둥과 같이 입체 구조로 변경할 수 있어 모든 형태의 세라믹 히터에 적용가능 하다.
상술한 종래의 기술은 첫번째 발열체 제 1기판 상부에 발열 회로와 센서 회로를 인쇄하여 제 2기판으로 구성되었고, 두번째 제1 기판에 발열회로를 인쇄하고, 제2 기판에 센서 회로를 인쇄하여 제 3기판 이상으로 구성 되어 있다.
그러나 종래의 도 1, 2와 같은 센서 내장형 세라믹 히터는 기판으로 절연층을 구성한 센서 내장형 세라믹 히터용 기판으로 기판 크기가 60*15mm 정도의 크기를 가지는 것으로 이 보다 작은 소형의 세라믹 기판 히터에는 적용하기 곤란한 문제점이 있다.
또한 종래의 도 1, 2와 같이 같은 기판 위에 발열회로와 센서회로를 동시에 인쇄하였을 경우, 정격전압에서 센서회로와 발열회로의 상호 간섭이 발생되어 센서 회로에 노이즈를 발생시킬 수 있다. 따라서 상호 간섭 되지 않도록 회피설계를 해야 하는 설계상의 단점이 있으며 이러한 설계상의 단점은 다양한 저항과 크기의 제품을 구현하기 어려운 주요 원인이 된다.
또한 종래의 센서 내장형 세라믹 히터와 같이 3층 이상의 기판 구조로 이루어진다면 온도 감지에 대한 응답 속도가 저하되는 문제점이 있으며, 발열 단자부와 센서 단자부의 사이의 간격이 좁을 경우 내전압에 의한 통전이 발생되는 심각한 문 제점을 발생시키게 되므로 이에 대한 대책이 필요하다.
또한 종래의 기술은 기판으로 절연층을 만들어 구현한 센서 내장형 세라믹 히터용 기판으로 소형(Mini type)의 센서내장형 세라믹 기판 히터에는 발열 회로 및 배선을 구현하기가 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결한 것으로, 본 발명은 소형의 센서내장형 세라믹 기판 히터로서 하나의 기판에 발열회로를 정밀 인쇄 기술로 인쇄하고 그 위에 절연박막을 인쇄하여 절연시키고 절연박막 위에 다시 센서회로를 인쇄하여 기판의 두께를 최초화하고 그 위에 덮개 기판을 결합시키는 소형 센서내장형 세라믹 기판 히터의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 하나의 기판에 발열회로와 센서회로를 인쇄하여도 단자의 간격을 적정하게 유지시켜 소형의 세라믹 기판 히터에서 발생되던 인접한 타단자간의 통전의 문제를 해결하는 소형 센서내장형 세라믹 기판 히터의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기판 위에 발열회로와 상기 발열회로의 단자부를 정밀 인쇄 기술로 인쇄하는 단계와, 발열회로 위에 20~30㎛ 두께의 절연박막층을 인쇄하여 절연시키는 단계와, 절연박막층 위에 센서회로와 상기 센서회로의 단자부를 인쇄하고 상기 센서회로 위에 덮개 기판을 결합시키는 단계를 포함함을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 발열회로는 W 30%, Mo 70%,의 조성비율을 가지며, 절연 박막층은 Al2O3 93%, CaCO3 0.90%, Talc 3.40%, SiO2 1.85%, Y2O3 0.85%의 조성비율을 가 지며, 센서회로는 W 21%, Mo 49%, Al2O3 30%의 조성비율을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 발열회로 단자부는 상기 센서회로 단자부와의 간격을 최소 2mm~2.50mm 사이의 간격을 유지시키며 소형 센서내장형 세라믹 기판 히터는 60*7mm 또는 50*7mm 정도의 크기를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 하나의 기판에 발열회로와 센서회로 사이를 절연 박막을 적용하여 구현하여 양회로 사이의 절연성을 높여주며 박막이어서 발열 회로의 온도 감지에 대한 응답 속도가 매우 우수하다.
또한 종래의 기술로는 구현이 곤란한 소형(MINI TYPE)의 센서 내장형 세라믹히터이므로 이를 활용한 제품은 종래의 제품에 비하여 사이즈를 작게 구현할 수 있다.
또한 종래의 제품 보다 소형(MINI TYPE)의 센서 내장형 세라믹히터이며 센서 내장형 세라믹 히터의 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
본 발명은 소형(Mini type)의 세라믹 기판 히터를 제조시 절연 박막 기술을 이용하여 발열회로와 센서회로를 하나의 기판에 구현하여 세라믹 기판 히터의 두께를 최초화하는 세라믹 기판 히터의 제조 방법이다.
본 발명의 주요 공정은 종래의 세라믹 히터의 제조 공정과 유사하다. 다만 종래의 세라믹 히터의 경우 하부의 그린시트(Green Sheet)에 발열 회로를 인쇄 후 상부층과 접합하여 제조한다면, 본 발명은 하부 기판에 발열회로 인쇄 후 절연 박막을 인쇄하고, 그 위에 다시 센서 회로를 인쇄하여 상부 기판과 접합한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 세라믹 기판 히터의 측면도이다.
본 발명의 세라믹 기판 히터는 기판(200)과 발열회로(220), 절연박막(240)과 센서회로(260) 및 단자부(도면 미도시)를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 세라믹 기판 히터는 소형으로 50*7mm 정도의 크기를 가지는 미니 타입이며, 기판(200)에 발열 회로(220)를 정밀 인쇄 기술을 이용하여 인쇄하고, 발열회로(220) 위에 절연 박막 공법을 이용하여 20㎛ ~ 30㎛의 두께를 가지는 절연 박막(240)을 인쇄 한 후에 센서 회로(260)를 인쇄 하는 방식으로 제조되고 센서회로(260) 위에는 기판(200)의 커버를 덮는다.
본 발명은 절연 박막 공법을 이용하여 발열회로(220)와 센서회로(260) 사이의 절연성을 높여주고, 절연 박막이므로 발열 회로(220)의 온도 감지의 응답 속도가 아주 우수하다.
또한 본 발명은 절연 박막 공법을 이용하여 소형의 세라믹 기판 히터를 구현하므로 제품 크기 또한 요즘 추세에 맞는 소형으로 구현 가능하다.
종래의 경우 제 1 기판 히터에는 적용할 수 없었다.
또한 종래와 같은 기술을 본원발명과 같은 소형의 세라믹 기판 히터에 적용할 경우 인접 단자들간의 통전의 문제가 발생되어 제품 불량이 발생되는 중대한 문제점이 발생된다.
본 발명의 세라믹 기판 히터를 이루는 발열 회로(220)의 조성에 대하여 설명하면 W, Mo 파우더(Powder)를 적정 비율로 조합하여 발열회로 전극 페이스트(Paste)를 제조하여, 발열 회로(220)의 선 길이, 폭, 두께 등으로 회로의 저항을 설계하여 약 70 Ω 정도의 발열 저항을 구성한다.
전극 페이스트 (Paste)는 세라믹 히터 제품의 회로 패턴에 필요한 전기적 저항을 위해 전도성 금속 W과 Mo를 일정 비율로 혼합하여 제조되고, 이러한 전도성 금속과 유기 용매, 결합제를 섞어 유동성이 있는 상태(잉크와 유사)를 페이스트라고 한다.
구 분 W Mo CaCO3 Talc SiO2 계
조합비 (%) 30 70 100
표 1에는 발열 회로(220)의 조성비율을 나타낸 것으로 W 30%, Mo 70% 으로 이루어져 합100%를 이룬다.
다음으로 본 발명의 세라믹 기판 히터를 이루는 발열 회로(220) 위에 씌워지는 20㎛ ~ 30㎛의 두께를 가지는 절연 박막(240)의 조성에 대하여 설명한다.
절연 박막(240)의 조성은 Al2O3, CaCO3, Talc, SiO2, Y2O3 의 산화물 파우더(powder)를 적정 비율로 조합하여 절연층의 페이스트(Paste)를 제조하여, 발열회로(220)의 위에 20~30㎛ 두께로 절연층을 인쇄하여 발열 회로(220)와 센서 회로(260)의 절연층을 구성한다.
구 분 Al2O3 CaCO3 Talc SiO2 Y2O3 계
조합비 (%) 93 0.90 3.40 1.85 0.85 100
표 2에는 절연박막(240)의 조성비율을 나타낸 것으로, Al2O3 93%, CaCO3 0.90%, Talc 3.40%, SiO2 1.85%, Y2O3 0.85%로 이루어져 합100%를 이룬다.
다음으로 본 발명의 세라믹 기판 히터를 이루는 발열 절연 박막(240) 위에 구성되는 씌워지는 센서회로(260)의 조성에 대하여 설명한다.
본 발명에 의한 센서회로(260)의 조성은 W, Mo, Al2O3를 혼합한 파우더(powder)를 아래의 표 3과 같은 적정 비율로 조합하여 센서회로 전극 페이스트(Paste)을 제조하여, 센서회로(260)의 선 길이, 폭, 두께 등으로 회로의 저항을 설계하여 약 2 ㏀ 정도의 고저항을 구성한다. 고저항을 구성하는 이유는 센서 회로의 온도에 대한 저항 변화폭을 향상시키기 위해서이다.
구 분 W Mo Al2O3 계
조합비 (%) 21 49 30 100
표 3에는 센서회로(260)의 조성비율을 나타낸 것으로 W 21%, Mo 49%, Al2O3 30%로 이루어져 합100%를 이룬다.
전술한 바와 같이 본 발명의 주요 공정은 종래의 세라믹 히터의 제조 공정과 유사하지만 본 발명은 하부층에 발열회로 인쇄 후 절연 박막을 인쇄하고, 그 위에 다시 센서 회로를 인쇄하여 상부층과 접합한다.
본 발명에 의한 HTCC (High Temperature Co-firing Ceramic) 세라믹 기판 히터 제조 공정을 간단히 설명하면, 크게 성형 공정(Casting Process)와 가공 공정 (Green Process)와 최종 공정(End Process)로 이루어진다.
성형 공정(Casting Process)은 파우더 혼합(Powder Mixing), 볼 밀링(Ball Milling), 슬러리(slurry)의 점도를 조정 제어하기 위한 탈포(De-Air), 숙성(Aging), 후막성형(Casting)과 시트 권취(Sheet Rolling) 등으로 이루어진다.
다음의 가공 공정(Green Process)는 웨이퍼 펀치(Wafer Punch), 회로 인쇄(Pattern Print), 적층(Lamination)과 슬리팅(Slitting), 컷팅(Cutting) 공정으로 이루어진다.
최종 공정 공정(End Process)는 소성(Sintering), 셀 브레이크(Cell Break), 니켈 도금(Ni Plating), 리드 접합(Lead Brazing), 외관 검사 (Appearance Inspection), 전기적 검사(Electrical Inspection) 공정 등으로 구성된다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 의한 세라믹 기판 히터에 설치되는 단자부의 예를 나타낸 도이다.
본 발명은 하나의 기판 위에 발열회로(220)와 센서회로(260)를 인쇄하고 발열회로(220)와 센서회로(260) 사이를 절연박막 공법을 적용하여 절연시키고 또한 발열회로 단자(225)와 센서회로 단자(265)의 간격이 최소 2mm 이상을 유지시켜서 종래에서 발생되던 단자들간의 통전 문제를 해소시킨다.
세라믹 기판 히터에는 발열회로(220)의 단자부에는 220V 전압이 인가되고, 센서회로(260)의 단자부에는 최대 5V의 전압이 걸린다. 이때 양 단자부간의 간격이 적정하지 않는 경우에는 상술한 발열회로와 센서회로 단자들간의 통전 문제로 인한 제품의 신뢰성 문제가 야기되었던 것을 본 발명에서는 최적의 구조로 발열회로 단자(225)와 센서회로 단자(265)의 간격을 최소 2mm 이상을 유지시켜 문제를 해결하였다.
도 4를 참조하면 3가지의 예를 보인 미니타입 센서 내장형 세라믹 히터의 단자부 구조는 발열회로(220)의 단자(225)와 센서회로(260)의 단자(265)의 간격을 최소 2mm~2.50mm 사이의 간격을 유지시킨 것을 볼 수 있다.
본 발명은 미니타입 센서내장형 세라믹 기판 히터로서 제1기판에 발열 회로를 정밀 인쇄 기술을 이용하여 1차 인쇄하고, 그 위에 절연박막을 20㎛ ~ 30㎛의 두께로 인쇄하여 절연박막층을 형성시키고, 그 위에 센서 회로를 2차 인쇄 하여 제조한다.
이와 같이 발열회로와 센서회로 사이에 절연박막층을 형성한다면, 양 회로 사이의 절연성을 높여주고, 박막이므로 발열 회로의 온도를 센서회로가 빠르게 감지하여, 우수한 응답 속도를 나타내고, 제품의 소형화 구현 및 제조가 가능하다.
지금까지 본 발명의 실시 예의 구성 및 동작에 대해 설명하였다. 본 발명은 상술한 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형을 가할 수 있다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 종래의 세라믹 히터를 나타낸 도.
도 2는 종래의 세라믹 히터의 다른 예를 나타낸 도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 세라믹 기판 히터의 측면도
도 4은 본 발명의 일 실시 예에 의한 세라믹 기판 히터에 설치되는 단자부의 예를 나타낸 도
<도면의 주요부호에 대한 설명>
10 : 제 1 기판 12 : 온도센서회로
14 : 발열회로 16 : 제 2 기판
18 : 중간기판 200 : 기판
220 : 발열회로 240 : 절연박막
260 : 센서회로 225 : 발열회로 단자
265 : 센서회로 단자

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 기판 위에 W 30%, Mo 70% 의 조성비율을 가지는 발열회로와 상기 발열회로의 단자부를 정밀 인쇄 기술로 인쇄하는 단계와;
    상기 발열회로 위에 Al2O3 93%, CaCO3 0.90%, Talc 3.40%, SiO2 1.85%, Y2O3 0.85%의 조성비율을 가지는 절연박막층을 20~30 ㎛ 두께로 인쇄하여 절연시키는 단계와;
    상기 절연박막층 위에 W 21%, Mo 49%, Al2O3 30%의 조성비율을 가지는 센서회로와 상기 센서회로의 단자부를 인쇄하고 상기 센서회로 위에 덮개 기판을 결합시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 소형 센서내장형 세라믹 기판 히터의 제조 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 발열회로 단자부는 상기 센서회로 단자부와의 간격을 최소 2mm~2.50mm 사이의 간격을 유지시키는 것을 특징으로 하는 소형 센서내장형 세라믹 기판 히터의 제조 방법.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 소형 센서내장형 세라믹 기판 히터는 60*7mm 또는 50*7mm 정도의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 소형 센서내장형 세라믹 기판 히터의 제조 방법.
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