KR20070119459A - 박막히터가 장착된 조리용기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 박막히터가 장착된 조리용기에 관한 것으로서, 조리 대상물이 수용된 상태로 조리되는 내통과 상기 내통을 단열이 가능한 상태로 감싸는 외통으로 이루어지는 용기 본체; 및 상기 내통의 외 표면에 박막히터가 포함된 소정두께의 적층구조를 형성함으로써, 저 전력 발열이 이루어져 내통을 가열하도록 된 발열수단을 포함하는 구성을 특징으로 한다.
상기한 본 발명은 별도의 발열장치를 사용하지 않고 충전지에 의한 자체발열이 가능한 구조의 발열수단을 구비함으로써, 취급 및 사용이 편리하여 여행지나, 이동 중인 차량 또는 비행기 기내에서의 사용이 가능한 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 균일한 두께를 갖는 박막 히터가 용기본체의 내통 외면에 전체적으로 장착되도록 함으로써, 용기 전체에 균일한 발열이 이루어지도록 하여 양호한 조리결과 물을 얻게 되는 동시에 화염이나 과열(overheating)로 인한 화재의 위험이 방지되는 효과를 갖는다.
Description
도 1은 종래의 야외용 조리용기를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명의 박막히터가 장착된 조리용기의 1실시 예를 도시한 사시도.
도 3은 도 2에서의 조리용기의 내부구조를 도시한 단면도.
도 4는 본 발명의 박막히터가 장착된 조리용기의 2실시 예를 도시한 사시도.
도 5는 본 발명의 박막히터가 장착된 조리용기의 3실시 예를 도시한 사시도.
도 6은 도 5에서의 조리용기의 내부구조를 도시한 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 발열수단의 일실시 예를 설명하기 위한 단면구조를 도시한 확대 단면도.
도 8은 본 발명에 따른 발열수단의 다른 실시 예를 설명하기 위한 단면구조를 도시한 확대 단면도.
도 9 내지 11는 본 발명에 따른 박막 히터 상에 형성되는 도전체 패턴의 다양한 실시 예를 보여주는 예시도.
도 12 내지 13은 본 발명에 따른 금속패드 및 박막 히터의 다양한 배치 패턴의 실시 예를 보여주는 예시도.
도 14는 본 발명에 따른 발열수단의 발열특성을 실험하기 위한 시편의 제원 을 나타낸 개략도.
도 15는 도 14의 시편에 일정한 전류(50W)를 인가한 상태에서 시간 변위에 따른 온도변화 값을 측정한 그래프.
도 16은 도 14의 시편에 규정된 시간(10초)동안 인가되는 전류량의 변위에 따른 온도변화 값을 측정한 그래프.
<도면중 주요부분에 대한 부호의 설명>
110: 용기본체 111: 외통
112: 공기층 113: 내통
113a: 간격유지돌기 115: 뚜껑
117: 접지포트 120: 발열수단
122: 절연막 123: 박막 히터
124: 도전체 패턴 125: 금속패드
127: 보호층 130: 전원공급장치
131: 접지단자
본 발명은 박막히터가 장착된 조리용기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 별도의 발열장치를 사용하지 않고 충전지에 의한 자체발열이 가능한 구조의 발열수단을 구비함으로써, 취급 및 사용이 편리하여 여행지나, 이동 중인 차량 또는 비행기 기내에서의 사용이 가능하도록 된 박막히터가 장착된 조리용기에 관한 것이다.
도 1은 종래의 야외용 조리용기를 도시한 사시도로서, 동 도면에서 보는 바와 같이 종래에는 "코펠"이라는 제품명으로 널리 야외용 조리 용기가 주로 사용되었다. 이와 같은 종래의 조리 용기(10) 용기 몸체(11)와 뚜껑(15)으로 구성되어 휴대용 가스버너 등을 이용해 조리물이 수납된 상태로 가열됨에 따라 조리가 이루어지도록 하고 있다.
그러나, 상기와 같은 조리 용기(10)는 조리를 위해서는 반드시 휴대용 가스버너와 같이 직접 가열이 이루어지도록 된 발열장비를 구비해야만 했다.
이에 대부분의 사용자는 여행 시 조리용기(10)와 더불어 휴대가 가능한 버너 및 부탄가스 등을 반드시 지참하게 되는 수고로움을 갖게 되었다.
뿐만 아니라, 별도의 취사시설이 갖추어져 있지 않은 숙박시설이나, 이동 중인 차량, 비행기 기내에서는 아예 이러한 조리방법 자체를 이용할 수 없는 문제가 있었다.
또한, 이러한 종래의 조리 용기(10)는 바닥면이 집중 가열되는 구조여서, 조리물이 골고루 익혀지지 못해 조리결과물이 양호하지 못한 문제가 있었다.
상기한 종래 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 별도의 발열장치를 사용하지 않고 충전지에 의한 자체발열이 가능한 구조의 발열수단을 구비함으로써, 취급 및 사용이 편리하여 여행지나, 이동 중인 차량 또는 비행기 기내에서의 사용이 가능하도록 된 박막히터가 장착된 조리용기를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 균일한 두께를 갖는 박막 히터가 용기본체의 내통 외면에 전체적으로 장착되도록 함으로써, 용기 전체에 균일한 발열이 이루어지도록 하여 양호한 조리결과 물을 얻게 되는 동시에 화염이나 과열(overheating)로 인한 화재의 위험이 방지되도록 하는 박막히터가 장착된 조리용기를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 발열수단의 구성 및 제작이 쉽고 간단하게 이루어지도록 함으로써, 조리용기의 디자인 설계를 자유롭게 할 수 있도록 하는 박막히터가 장착된 조리용기를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 발명에 따른 박막히터가 장착된 조리용기는 조리 대상물이 수용된 상태로 조리되는 내통과 상기 내통을 단열이 가능한 상태로 감싸는 외통으로 이루어지는 용기 본체; 및 상기 내통의 외 표면에 박막히터가 포함된 소정두께의 적층구조를 형성함으로써, 저 전력 발열이 이루어져 내통을 가열하도록 된 발열수단을 포함하는 구성을 특징으로 한다.
여기서, 상기 용기 본체의 내통과 외통 사이에 공기층이 형성되어 단열이 유 지되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 내통의 외경 둘레 또는 바닥면에 외통과의 소정간격을 유지시키기 위한 간격유지돌기가 적어도 하나 이상 복수 개로 형성되도록 하는 것이 바람직 하다.
여기서, 상기 용기본체의 하단에 외부로 돌출되어 외부전원을 공급받기 위한 접지포트를 형성할 수도 있다.
이하, 본 발명에 대한 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 박막히터가 장착된 조리용기의 1실시 예를 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2에서의 조리용기의 내부구조를 도시한 단면도이다.
동 도면에서 보는 바와 같은 본 발명에 따른 박막히터가 장착된 조리용기는 조리 대상물이 수용된 상태로 조리되는 내통(113)과 상기 내통(113)을 단열이 가능한 상태로 감싸는 외통(111)으로 이루어지는 용기 본체(110)와, 상기 내통(113)의 외 표면에 박막히터(123)가 포함된 소정두께의 적층구조를 형성함으로써, 저 전력 발열이 이루어져 내통(113)을 가열하도록 된 발열수단(120)을 포함한다.
우선, 상기 용기 본체(110)는 내통(113) 및 외통(111)의 이중구조로 제작하되, 상기 내통(113)을 열전도성이 우수한 재질로 제작하고, 외통(111)을 열전도를 차단하기 위한 단열성이 우수한 재질로 제작하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 용기 본체(110)의 내통(113)과 외통(111) 사이에 공기층(112)이 형성되도록 함으로써, 보다 뛰어난 단열효과가 유지되도록 할 수 있다.
이를 위해, 상기 내통(113)의 외경 둘레 또는 바닥면에 외통(111)과의 소정간격을 유지시키기 위한 간격유지돌기(113a)가 적어도 하나 이상 복수 개로 형성될 수 있다.
물론, 상기 외통(111)의 단열성이 매우 우수한 경우 내통(113)과의 사이에 공기층(112)을 형성하지 않고 밀착되도록 형성하는 것도 가능하다.
상기한 바와 같은 본 발명의 용기 본체(110)는 발열수단(120)에 소정의 전류를 인가시킴으로써, 자체 발열이 이루어져 내부에 수용된 조리물이 가열 조리가 이루어지는 것으로서, 전원 공급을 위한 접지포트(117)를 용기 본체(110)의 하단에 외부로 돌출되도록 형성한다.
이때, 상기 접지포트(117)의 설치위치는 특정 부위에 한정되는 것은 아니고, 접지가 용이한 용기 본체(110)의 어느 위치에라도 가능하다.
상기 접지포트(117)에는 도 3에서 보는 바와 같은 전원공급장치(130)가 접지단자(131)를 이용해 접속됨으로써, 전원 공급이 이루어지게 된다.
이때, 상기 전원공급장치(130)는 가정용 전원 뿐만 아니라 충전식 배터리 또는 휴대용 충전장비가 이용될 수 있다.
이때, 상기 발열수단(120)은 저 전력(예; 500 W 등) 구동이 가능한 박막 히터(123)를 포함하게 되는데, 이와 같은 박막 히터(123)는 외부 전원이 공급되면 매우 빠른 속도로 발열되고 급속 취사가 가능하게 된다.
이와 같은 발열수단(120)에 대한 자세한 물성에 대해서는 뒤에 자세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 박막히터가 장착된 조리용기의 2실시 예를 도시한 사시도로서, 본 발명의 용기 본체(110)의 형상을 휴대용 컵 형상으로 제작한 예를 설명하고 있다. 이와 같은 휴대용 컵은 직장이나 가정 내에서 뿐만 아니라 차량 내에서 간단하게 전원단자를 연결함으로써, 마시다 남은 커피를 재가열하여 뜨겁게 마시게 되는 등 개인용 커피포트의 역할을 수행하게 되는 이점을 갖게 된다.
도 5는 본 발명의 박막히터가 장착된 조리용기의 3실시 예를 도시한 사시도이고, 도 6은 도 5에서의 조리용기의 내부구조를 도시한 단면도이다.
동 도면에서 보여지는 바와 같은 본 발명은 용기 본체(110)의 형상을 평판형상으로 변형시켜 불판으로 사용할 수 있도록 한 예이다.
이때, 상기 본 발명은 상면에 불판(113)이 형성되고, 그 저면에 발열수단(120)이 장착되며, 상기 발열수단(120)과 소정간격을 유지하도록 된 베이스판(111)이 불판(113)을 지지하는 구조 설치된다.
이때, 상기 베이스판(111)의 일측에는 발열수단(120)과 전기적으로 연결되는 접지포트(117)가 형성되고, 불판(113)의 저면에는 적어도 하나 이상 복수개로 이루어지는 간격유지돌기(113a)가 형성될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 발열수단의 일실시 예를 설명하기 위한 단면구조를 도시한 확대 단면도로서, 본 발명의 발열수단(120)이 비 도전성 재질로 제작된 내통(113) 이면에 설치되는 예를 설명하고 있다.
동 도면에서 보는 바와 같은 본 발명의 발열수단(120)은 비 도전성 재질로 제작된 내통(113)와, 상기 내통(113)의 외면에 박막 형태로 장착되어 외부로부터 전원을 공급받아 자체 전기 저항에 따른 순간가열에 의하여 순간적으로 고온 발열되는 박막 히터(123)와, 상기 박막 히터(123)에 전기적 접합이 이루어지고, 외부로부터 공급된 전원이 박막 히터(123) 전면에 균일하게 인가될 수 있도록 하는 특정 패턴을 갖는 금속패드(125)와, 상기 금속패드(125) 및 박막 히터(123)가 외부환경으로부터 보호되도록 소정 두께로 코팅된 보호층(127)으로 구성된다.
이때, 상기 비 도전성 재질의 내통(113)의 소재로는 적어도 250℃ 이상에서도 견디는 열 강화 플라스틱, 내열성 수지, 세라믹, 유리, 도자기, 석재 등이 사용될 수 있다.
또한, 상기 보호층(127)은 열전도를 차단하기 위한 단열재가 형성되는 것이 바람직하다.
도 8은 본 발명에 따른 발열수단의 다른 실시 예를 설명하기 위한 단면구조를 도시한 확대 단면도로서, 본 발명의 발열수단(120)이 도전성 재질로 제작된 내통(113) 이면에 설치되는 예를 설명하고 있다.
동 도면에서 보는 바와 같은 본 발명의 발열수단(120)은 도전성 재질로 제작된 내통(113)와, 상기 내통(113)의 내면에 소정 두께로 코팅되어 전기적 절연특성 이 제공되는 동시에 우수한 열전도 특성이 제공되도록 한 절연막(122)과, 상기 절연막(122)의 하부에 박막 형태로 장착되어 외부로부터 전원을 공급받아 자체 전기 저항에 따른 순간가열에 의하여 순간적으로 고온 발열되는 박막 히터(123)와, 상기 박막 히터(123)에 전기적 접합이 이루어지고, 외부로부터 공급된 전원이 박막 히터(123) 전면에 균일하게 인가될 수 있도록 하는 특정 패턴을 갖는 금속패드(125)와, 상기 금속패드(125) 및 박막 히터(123)가 외부환경으로부터 보호되도록 소정 두께로 코팅된 보호층(127)으로 구성된다.
여기서, 상기 도전성 재질로 제작된 내통(113)의 두께는 0.3 mm ~ 1mm로 제작하는 것이 바람직하며, 그 소재로는 알루미늄 또는 스테인레스 스틸 등과 같은 금속이 사용되도록 할 수 있다.
또한, 상기 보호층(127)은 열전도를 차단하기 위한 단열재가 형성되는 것이 바람직하다.
이때, 도 7, 도 8에서와 같이 상기 박막 히터(123) 상에 별도의 도전체 패턴(124)를 형성함으로써, 전류가 박막 히터(123)의 전체면에 고르게 분산 공급되도록 하여 박막 히터(123)의 특정부위에 과도한 발열이 집중되는 것을 방지시켜 발열특성이 안정되도록 할 수 있다.
이하, 본 발명의 발열수단(120)을 구성하는 절연막(122), 박막히터(123), 도전체 패턴(124), 금속패드(125) 및 보호층(127) 등 각 구성요소에 대해 요구되는 물성 및 구성 조건에 대해 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 절연막(122)은 박막 히터(123)에서 발열된 열이 빠른 속도로 내통(113)로 전도될 수 있도록 최대한 두께를 얇게 함과 아울러 내통(113)와 박막 히터(123) 간을 전기적으로 절연시킬 수 있도록 알루미나(산화 알루미늄, Al2O3) 또는 마그네시아(산화 마그네슘, MgO) 등과 같은 세라믹 재질 또는 폴리머 물질을 이용한 절연막 또는 상기 두 가지 절연막의 혼합 물질 등으로 이루어진다.
그리고, 상기 절연막(122)은 박막 히터(123)에서 발열된 열이 빠른 속도로 내통(113)로 전도될 수 있을 정도의 얇은 두께를 갖도록 함과 아울러 내통(113)와 박막 히터(123) 간을 전기적으로 절연시킬 수 있을 정도로 0.5 μm ~ 500 μm 범위, 특히 0.5 μm ~ 200 μm 범위가 바람직하며, 재질에 따라 두께에 차이가 발생할 수도 있다.
이러한 절연막(122)의 조건은 다음과 같다.
먼저 절연막(122)이 내통(113)와 박막 히터(123) 간을 전기적으로 절연시켜야 하며, 외부 전원을 공급받는 박막 히터(123)를 전기적으로 고립(Electrical isolation) 시키기 위해서는 박막 히터(123)로 100V 정도의 전압이 인가될 때에 절연막(122)의 파괴가 발생하지 않아야 하고 절연막(122)의 전기적 누설 전류가 20 μA 이하로 되어야 한다.
또한, 박막 히터(123)에서 고온의 열이 발생할 때에 절연막(122)이 내 통(113) 및 박막 히터(123)로부터 각각 물리적 탈착이 발생하지 않도록 절연막(122)과 내통(113)간의 접촉성, 절연막(122)과 박막 히터(123) 간의 접촉성이 우수해야 한다.
또한, 박막 히터(123)에서 고온의 열이 발생할 때에 절연막(122)이 내통(113) 및 박막 히터(123)와 각각 화학적 반응을 일으키지 않으며 절연막(122)의 표면 조도가 우수해야 한다.
즉, 절연막(122)의 표면 조도가 우수하지 못할 경우에 절연막(122)이 박막 히터(123)의 전기적 비저항 특성에 영향을 미치기 때문에 절연막(122)은 박막 히터(123)의 전기적 비저항 특성에 영향을 미치지 않을 정도의 표면 조도를 갖는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같은 조건을 만족시킬 수 있도록 절연막(122)으로는 알루미늄 또는 스테인레스 스틸 등과 같은 금속 소재의 내통(113) 표면을 아크(Arc)로 산화시킨 산화 절연막이 사용되거나 내통 표면에 세라믹, 유리, 도자기 등이 코팅된 절연막 또는 알루미늄 또는 스테인레스 스틸 등과 같은 금속 소재의 내통(113) 표면에 폴리머(Polymer) 계열 물질(Polyimide, Polyamide, Teflon, PET 등)을 코팅시킨 폴리머 절연막 중 하나 또는 두 가지 이상을 내통(113) 표면에 형성시킨 절연막 등이 사용된다.
산화 절연막을 형성하는 방법의 일실시 예는 다음과 같다.
먼저, 알칼리 전해액에 담가져 있는 알루미늄(Al) 또는 베릴륨(Be) 또는 티타늄(Ti) 또는 스테인레스 스틸(Stainless Steel) 등의 금속 소재의 내통(113) 표면에 외부로부터 아크 등의 전기적 에너지를 인가시켜 내통(113) 표면 상의 금속 원자와 외부의 산소가 전기/화학적 반응을 일으키도록 하여 내통(113) 표면의 특성을 산화막 형태로 변환시키는 것에 의해 형성되도록 한다.
이러한, 산화 절연막으로는 Al2O3, ZrO3, Y2O3 등이 사용되며, 상기 산화 절연막을 내통(113) 위에 플라즈마 스프레이 코팅 방식(Plasma Spray Coating) 등으로 형성할 수도 있다.
이하, 산화 절연막을 내통 위에 형성하는 공정의 일실시 예에 대해 설명하면 다음과 같다.
먼저, 용기(bath) 내에 채워져 있는 알칼리 전해액의 농도를 평가하고, 알루미늄 소재의 내통(113)에 외부 전원이 공급될 수 있도록 알루미늄 소재의 내통(113)에 도선을 연결한 상태에서 이 알루미늄 소재의 내통(113)을 용기 내의 알칼리 전해액에 담그고 나서 이 알루미늄 소재의 내통(113)으로 외부 전원을 공급하여 알루미늄 소재의 내통(113) 표면을 산화시킨다.
다음, 산화 절연막 형성 공정에 의해 고주파 교류(AC) 형태의 강한 전원이 알루미늄 소재의 내통(113)에 가해짐에 따라 순간적으로 알루미늄 소재의 내통(113) 표면에 아크(Arc)가 발생되며, 그에 따라 산화가 치밀하고 핀홀(pinhole)의 농도가 매우 작은 산화 절연막이 알루미늄 소재의 내통(113) 표면에 형성된다.
이러한 산화 절연막 형성 공정을 이용하여 알루미늄 소재의 내통(113) 표면에는 산화 알루미늄이 형성될 수 있거나 티타늄 소재의 내통(113) 표면에는 산화 티타늄이 형성될 수 있거나 베릴륨 소재의 내통(113) 표면에는 산화 베릴륨이 형성될 수 있는 것이다.
한편, 폴리머 절연막은 금속 소재의 내통(113) 표면에 전기적 절연성이 확보되는 폴리머 계열의 물질을 균일한 두께로 코팅시키는 것에 의해 형성된다.
특히, 이러한 폴리머 절연막은 박막 히터(123)에서 열이 발열될 때에 열적 변형이 적어야 된다. 또한, 폴리머 절연막은 박막 히터(123)에서 고온의 열이 발열될 때에, 내통(113) 및 박막 히터(123)로부터 각각 물리적 탈착이 발생되지 않도록 접촉성이 우수해야 되고, 내통(113) 및 박막 히터(123)와 각각 화학적 반응을 일으키지 않아야 하며 표면 조도가 우수해야 한다.
상기 폴리머 절연막을 형성하는 공정의 일 실시예에 대해 설명하면 다음과 같다.
우선, 폴리머 절연막은 액상의 유기 폴리머 물질이 이용되어 형성되는데, 금속 소재의 내통(113) 표면에 균일한 두께로 코팅된다.
여기서, 코팅 방식으로는 스핀 코팅 방식(spin coating), 스프레이 코팅 방식(spray coating), 디핑 코팅 방식(dipping coating), 스크린 프린팅 방식(screen printing) 등이 사용된다.
또한, 폴리머 물질로는 폴리이미드(polyimide) 계열 물질, 폴리아미드(polyamide) 계열 물질, 테프론(teflon) 계열 물질, 페인트(paint) 계열 물질, 실버-스톤(silver-ston), 테프젤-에스(tefzel-s), 에폭시(epoxy), 고무(rubber) 등이 사용되거나 자외선(UV)에 대한 감광성이 있는 물질도 사용될 수 있다.
예를 들어, 폴리이미드 계열 물질을 스프레이 코팅 방식으로 내통(113)에 형성하는 공정의 일실시 예는 다음과 같다.
우선, 내통(113)을 아세톤(aceton), 아이소 프로필 알코올(IPA; Iso Propyl Alcohol) 등으로 유기 세척시키고 나서, 내통(113)을 고속(예; 2,000 rpm 이상)으로 자전시키면서 폴리이미드 계열 물질을 내통(113)에 분사한 후에 내통(113) 표면에 코팅된 폴리이미드 계열 물질을 열처리한다.
이러한, 스프레이 코팅 방식의 폴리머 절연막 형성 공정에 의해 내통(113) 표면에는 열적 안정성이 우수하고 글래시 템퍼러쳐(GT; glassy temperature)가 300 ℃이상인 폴리머 절연막이 형성된다.
또한, 폴리이미드 계열 물질 열처리 과정에서 폴리이미드 계열 물질을 서서히 냉각시킴으로써 폴리머 절연막과 내통(113) 간의 접착성이 우수해 지며, 스프레 이 코팅 과정에서 폴리머 계열 물질을 내통(113) 표면에 코팅시킴으로써 두께 균일도가 우수해지며, 폴리머 절연막의 핀홀의 농도가 매우 작아져서 전기적 누설 전류가 발생하지 않는다.
한편, 산화 절연막과 폴리머 절연막의 이중 절연막은 금속 소재의 내통(113) 표면에 산화 절연막을 형성시키고 나서 이 산화 절연막 위에 폴리머 계열의 물질을 균일한 두께로 코팅시키거나 반대로 금속 소재의 내통 표면에 폴리머 계열 물질을 코팅하고 그 위에 산화 절연막을 형성시킬 수 있다.
이러한 산화 절연막과 폴리머 절연막의 이중 절연막의 전체 두께는 산화 절연막을 단독으로 내통(113) 표면에 형성시킨 결과의 두께 및 폴리머 절연막을 단독으로 내통(113) 표면에 형성시킨 결과의 두께 각각의 총합에 비해 작으며, 각각의 단독 절연막에 비해 절연 파괴를 최소화 시킬 수 있다.
여기서, 산화 절연막 절연 파괴의 주된 사유로는 산화 절연막에 형성되는 핀홀에 기인하여 이 핀홀 내로 박막 히터(123)로 공급된 외부 전원이 전달되는 것에 의해 절연 파괴가 발생될 수도 있다.
그리고, 폴리머 절연막 절연 파괴의 주된 사유로는 폴리머 절연막 형성 시에 액상의 피알(PR) 도포에 의한 기포 발생 등에 기인하여 폴리머 절연막이 고화된 후 기포가 있던 부분에 절연 파괴가 발생될 수도 있다.
따라서, 산화 절연막 또는 폴리머 절연막 각각에 내재된 절연 파괴 발생을 산화 절연막과 폴리머 절연막의 이중 절연막으로 보완하는 것이 바람직하다.
이러한 절연막(122)의 두께는 0.5 μm ~ 500 μm 범위, 특히 0.5 μm ~ 200 μm 범위가 열 효율성을 위해 바람직하며(재질에 따라 두께에 차이가 발생함), 절연막(122)의 절연 파괴 전압(breakdown voltage)은 1,000 V 이상이며, 절연막(122)의 누설 전류(leakage current)는 100 V 전압이 될 때에 20 μA 이하이며, 박막 히터(123)에서 열이 발열될 때에(thermal cycle) 절연막(122)이 내통(113) 및 박막 히터(123) 각각으로부터 탈착(박리)이 발생되지 않도록 한다.
다음으로 박막 히터(123)에 대해 설명하면, 상기 박막 히터(123)는 절연막(122) 위에 0.05 μm ~ 수 μm 범위(예, 0.05 μm ~ 2 μm )의 두께를 갖는 박막 형태로 장착되며, 금속패드(125)를 통하여 외부 전원(직류 전원 또는 교류 전원)이 공급되면 자체 전기 저항에 의해 줄열(joule heating)을 발생시킨다.
여기서, 박막 히터(123)의 박막 특성, 즉 작은 부피로 인해 발열 속도 및 냉각 속도가 매우 빠르게 이루어질 수 있고, 자체 전기 저항에 의해 발열되는 온도가 500 ℃를 초과할 수도 있고, 기존의 히터와는 다르게 아주 빠른 온도 상승도 가능하다.
이러한 박막 히터(123)의 조건은 다음과 같다.
우선, 박막 히터(123)는 박막 특성으로 인해 기존의 히터에 비해 빠른 속도로 온도 상승이 가능하나, 이러한 박막 특성으로 인해 전류 흐름 속도(current flux) 등이 매우 커질 수 있기 때문에 자체적인 전기적/열적/화학적 내성이 요구된다.
즉, 박막 히터(123)는 전기적으로 높은 내압(heater strength)을 가져야 되며, 금속패드(125)를 통하여 지속적으로 인가되는 에너지에 대한 자체 저항성이 높아야지만 박막 히터(123)의 장시간 수명 유지가 가능하다.
또한, 박막 히터(123)는 절연막(122) 위에 장착되는데, 발열로 인해 절연막(122)이 탈착되지 않도록 하고 내통(113)과 절연막(122)간의 박리가 발생되지 않도록 해야 된다.
또한, 박막 히터(123)는 열 충격이 지속적으로 가해지는 소자인데, 이러한 열충격에 의해 자체 저항 변화의 현저한 증가가 일어나지 않도록 해야 한다.
또한, 박막 히터(123)는 공기 중(산소)에 노출된 상태로 고온으로 발열하는 경우도 있는데, 이러한 산화에 의해 자체 저항의 현저한 증가가 일어나지 않도록 해야 한다.
전술한 바와 같은 조건을 만족시킬 수 있도록 박막 히터(123)의 소재로는 융점이 높은 단일 금속(예; Ta, W, Pt, Ru, Hf, Mo, Zr, Ti 등)이 사용되거나 이들 금속을 조합한 2성분계 금속 합금물(예; TaW 등)이 사용되거나 금속-질화물(metal-nitride)을 조합한 2성분계 금속-질화물 계열(예; WN, MoN, ZrN 등)이 사용되거나 금속-규화물(metal-silicide)을 조합한 2성분계 금속-규화물 계열(예; TaSi, WSi 등)이 사용된다.
그리고, 박막 히터(123)가 수십 μm 이하(예; 0.05 μm ~ 2 μm 범위 등, 재질에 따라 두께에 차이가 발생함)의 두께를 갖도록 한다.
특히, 박막 히터(123)의 온도가 순간적으로 상승되게 하기 위해서, 즉 자체적으로 뜨겁게 달궈지는데 걸리는 시간이 최소화되기 위해서는 박막 히터(123) 자체의 히트 커패시티(heat capacity)를 매우 작게 하면 된다.
즉, 박막 히터(123)의 히트 커패시티는 두께를 매개변수로 하는 함수로 표현되는데, 박막 히터(123)의 두께가 얇아질수록 그 값이 작아진다. 반면에 박막 히터(123)의 수명은 두께가 얇아질수록 짧아질 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 박막 히터(123)의 온도를 순간적으로 상승시키고 수명을 연장시키기 위한 두 가지 조건을 만족시키기 위해 다양한 시뮬레이션과 실험을 통하여 박막 히터(123)의 최적 두께 범위를 도출할 수 있다. 한편, 박막 히터(123)의 소재에 따라 약간의 차이는 있으나 미세한 차이임을 밝혀 둔다.
즉, 다음의 수식에 근거하여 박막 히터(123)의 최적의 두께를 도출한다.
여기서, (resistivity)는 박막 히터(123) 소재의 고유한 비저항값이고, Rs(sheet resistance)는 박막 히터(123)의 면 저항값이고, t(thickness of film)는 박막 히터(123)의 두께이다. 한편, 두께와 고유 비저항값은 비례 관계에 있음을 알 수 있다.
따라서, 박막 히터(123) 소재의 비저항값 범위를 고려하여 전술한 매개변수를 입력 데이터로 이용하여 시뮬레이션을 하면 각 제품의 특성에 맞게 박막 히터(123)의 최적 두께 범위가 재질에 따라(예; 0.05 μm ~ 2 μm 등) 도출된다.
이러한 박막 히터(123)는 진공 증착 방식에 의해 절연막(122) 위에 형성되는데, 진공 증착 방식으로는 PVD(Sputtering, Reactive Sputtering, Co-Sputtering, Evaporation, E-beam 등) 및 CVD(LPCVD, PECVD 등)가 사용된다.
도 9 내지 11는 본 발명에 따른 박막 히터 상에 형성되는 도전체 패턴의 다양한 실시 예를 보여주는 예시도로서, 동 도면에서 보는 바와 같이 박막 히터(123) 상에는 박막 히터보다 전기 저항이 낮으며 열전도율이 높은 도전체 패턴(124)을 여러 가지 형상 및 모양을 다양한 간격으로 형성할 수 있다.
만약, 도전체 패턴(124)이 형성되지 않은 박막 히터(123)를 사용할 경우 전원 공급 초기에 박막 히터(123)의 전극 도입부와 중앙 부분 사이에 온도 차가 발생하여 박막 히터(123) 면 전체에 균일한 온도 분포가 이루어지지 못하거나 박막 히터(123)의 일 부분에 과 발열 현상이 발생하여 박막 히터(123)나 절연막(122) 등에 치명적인 손상(열화)을 발생시킬 수 있고 결과적으로 박막히터(123)의 수명이 극단적으로 짧아지게 될 수도 있다.
즉, 이러한 현상을 방지하고 전원 공급 초기에 보다 빠른 시간 안에 박막 히터(123)의 면 전체에 균일한 발열이 일어날 수 있도록 하기 위하여, 박막 히터(123) 상에 도 9 내지 11과 같이 여러 가지 형태 및 모양의 도전체 패턴(124)을 형성하게 되는 것이다.
이처럼, 박막 히터(123)에 도전체 패턴(124)을 형성하게 되면, 박막 히터(123)의 생산공정에서 도전체 패턴이 형성되지 않은 단일 박막 히터보다 생산 수율을 향상시킬 수 있게 되는데, 이는 도전체 패턴이 형성되지 않은 단일 박막 히터가 박막 히터 전체 중 일부분의 미세한 두께 차이나 스크래치 등의 일부 박막의 손상으로도 전체 저항체의 품질 저하로 이어지는 종래 문제점을 해결할 수 있게 되기 때문이다.
다음으로 금속패드(125)에 대해 설명하면, 상기 금속패드(125)는 박막 히터(123) 상에 장착되어, 외부로부터 공급된 전원을 박막 히터(123)로 균일하게 공 급하는 역할을 수행하게 된다. 여기서, 상기 금속패드(125)를 박막 히터(123) 면 전체에 고르게 접지되도록 설치함으로써, 박막 히터(123)의 모든 면에서 균일한(일정한) 전류 밀도를 가질 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
특히, 박막 히터(123)의 모든 면에서 균일한 전류 밀도를 가질 수 있도록 하기 위해서 금속패드(125)의 폭(두께)을 박막 히터(123)의 폭(두께)보다 더 크거나 같게 하는 것이 좋다.
도 12 내지 13은 본 발명에 따른 금속패드 및 박막 히터의 다양한 배치 패턴의 실시 예를 보여주는 예시도로서, 동 도면에서 보여 지는 바와 같이 금속패드(125)의 형상을 복수 개의 발열 박막 셀이 형성되도록 여러 가지 위치, 모양, 크기 및 개수를 가지는 패턴으로 형성할 수 있다.
이러한 박막 셀을 형성하는 이유는 한 번에 많은 전력이 공급될 때 전력 공급되는 부위의 금속패드(125)와 박막히터(123)의 접지부위가 과열로 인해 파괴되는 것을 방지시키는 동시에 발열 영역을 여러 개로 분할시켜 각 영역별 저항값의 제어가 가능하도록 하기 위함이다.
상기한 바와 같은 금속패드(125)를 형성하는 소재는 박막 히터(123)에서 열이 발열 될 때에, 금속패드(125)의 온도에 대한 안정성을 보장하고, 산화에 의한 저항 증가를 막고, 박막 히터(123)로부터 탈착되지 않도록 하기 위한 Al, Au, W, Pt, Ag, Ta, Mo, Ti, H, Cu 등과 같은 금속이 사용될 수 있다.
마지막으로, 상기 보호층(127)은 박막 히터(123) 및 금속 패드(125)의 외면에 장착되어 외부환경으로부터 박막 히터(123), 금속 패드(125)를 전기적/화학적으로 보호하게 되는데, 이러한 보호층(127)의 소재로는 SiNx, SiOx, AlOx, Polymer, Polyimide, 테프론 등이 사용될 수 있으며, 상기 보호층(127)의 두께는 열전도율과 보호기능을 발휘할 수 있는 최적의 두께로 재질에 따라 정해지며, 약 0.1 μm 내지 20 μm 범위인 것이 바람직하다.
이러한, 보호층(127)은 도전체 패턴(124)이 형성된 박막 히터(123)와 도전체 패턴이 형성되어 있지 않은 상태의 박막 히터(123) 모두에 형성될 수 있다.
도 14는 본 발명에 따른 발열수단의 발열특성을 실험하기 위한 시편의 제원을 나타낸 개략도이고, 도 15는 도 14의 시편에 일정한 전류(50W)를 인가한 상태에서 시간 변위에 따른 온도변화 값을 측정한 그래프가 도시되어 있으며, 도 16은 도 14의 시편에 규정된 시간(10초)동안 인가되는 전류량의 변위에 따른 온도변화값을 측정한 그래프가 도시되어 있다.
이때, 상기 도 14 내지 도 16을 통해 측정된 온도 값은 박막 히터(123), 도전체 패턴(124), 절연막(122), 금속패드(125), 내통(113) 등과 같은 각 구성 요소의 저항값, 두께, 소재 등에 따라 서로 다른 결과로 도출될 수 있음을 밝혀 둔다.
도 15에 도시된 바와 같이, 50 와트 전력이 인가될 시 일정 시간이 경과하면 287 ℃에서 임계(saturation) 특성이 나타남을 알 수 있다.
도 16에 도시된 바와 같이, 전력 변화에 따라 10초 동안 증가하는 표면 온도 변화는 선형적 증가 특성을 가지는 것을 알 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 발열수단(120)은 제품의 설계조건을 반영하여 박막 히터, 도전체 패턴, 절연막, 금속패드, 박막셀, 내통 등과 같은 각 구성 요소의 저항값, 두께, 소재 등을 서로 다르게 적용하여 표면 온도 도달 시간 및 소비 전력을 제품 특성에 맞게 감소시켜 최적의 제품을 생산할 수 있도록 한다.
상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 박막히터가 장착된 조리용기의 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.
우선, 조리물이 수용된 용기 본체(110)의 접지포트(117)에 전원공급장치(130)의 접지단자(131)가 연결되도록 하여 용기 본체(110)에 설치된 발열수단(120)에 전원이 공급되도록 한다.
이때, 상기 접지포트(117)에는 발열수단(120)이 과열되는 것을 방지하기 위한 바이메탈 스위치가 설치되도록 하여 자동온도조절이 이루어지도록 할 수 있다.
물론, 전원공급장치(130)에 별도의 제어부를 형성시켜 조리시간 또는 가열온도 등이 제어되도록 할 수도 있다.
상기 용기 본체(110)는 조리 상태에서 열손실을 최소화기 위해 뚜껑(115)이 닫힌 상태로 조리가 이루어지도록 할 수 있다.
다음, 상기 공급된 전원은 발열수단(120)의 금속패드(125)로 입력되고, 다시 박막 히터(123)의 전체 면적에 균일하게 공급되어 자체 발열이 이루어지게 되며, 내통(113)을 가열시켜 내부의 조리 대상물이 조리되도록 한다.
이때, 상기 박막 히터(123)는 저 전력의 외부 전원에서 급속 발열이 이루어지게 되는데, 이는 500W 전원을 인가했을 경우를 보면, 20초 만에 섭씨 120도 이상으로 급속 가열되는 특성을 갖게 됨에 따라 급속 취사가 가능하게 된다.
이상, 본 발명이 실시 예를 들어 설명되었으나, 본 발명의 실시 예는 단지 예시에 불과하며 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명이 속하는 분야의 기술자는 본원의 특허청구범위에 기재된 원리 및 범위 내에서 본 발명을 여러 가지 형태로 변형 또는 변경할 수 있다.
상기한 본 발명은 별도의 발열장치를 사용하지 않고 충전지에 의한 자체발열이 가능한 구조의 발열수단을 구비함으로써, 취급 및 사용이 편리하여 여행지나, 이동 중인 차량 또는 비행기 기내에서의 사용이 가능한 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 균일한 두께를 갖는 박막 히터가 용기본체의 내통 외면에 전체적으로 장착되도록 함으로써, 용기 전체에 균일한 발열이 이루어지도록 하여 양호한 조리결과 물을 얻게 되는 동시에 화염이나 과열(overheating)로 인한 화재의 위험이 방지되는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 발열수단의 구성 및 제작이 쉽고 간단하게 이루어지도록 함 으로써, 조리용기의 디자인 설계를 자유롭게 할 수 있게 되는 효과를 갖는다.
Claims (14)
- 조리 대상물이 수용된 상태로조리되는 내통(113)과 상기 내통(113)을 단열이 가능한 상태로 감싸는 외통(111)으로 이루어지는 용기 본체(110); 및상기 내통(113)의 외 표면에 박막히터(123)가 포함된 소정두께의 적층구조를 형성함으로써, 저 전력 발열이 이루어져 내통을 가열하도록 된 발열수단(120);을 포함하는 박막히터가 장착된 조리용기.
- 제 1항에 있어서,상기 용기 본체(110)의 내통(113)과 외통(111) 사이에 공기층(112)이 형성되어 단열이 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 박막히터가 장착된 조리용기.
- 제 2항에 있어서,상기 내통(113)의 외경 둘레 또는 바닥면에 외통(111)과의 소정간격을 유지시키기 위한 간격유지돌기(113a)가 적어도 하나 이상 복수 개로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막히터가 장착된 조리용기.
- 제 1항에 있어서,상기 용기 본체(110)의 하단에 외부로 돌출되어 외부전원을 공급받기 위한 접지포트(117)를 형성하는 것을 특징으로 하는 박막히터가 장착된 조리용기.
- 제 1항 내지 제 4항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,상기 발열수단(120)은,비 도전성 재질로 제작된 내통(113);상기 내통(113)의 이면에 박막 형태로 장착되어 외부로부터 전원을 공급받아 자체 전기 저항에 따른 순간가열에 의하여 순간적으로 고온 발열되는 박막 히터(123); 및상기 박막 히터(123)에 전기적 접합이 이루어지고, 외부로부터 공급된 전원이 박막 히터(123) 전면에 균일하게 인가될 수 있도록 하는 특정 패턴을 갖는 금속패드(125);를 포함하는 박막히터가 장착된 조리용기.
- 제 5항에 있어서,상기 발열수단(120)은,도전성 재질로 제작된 내통(113);상기 내통(113)의 이면에 소정 두께로 코팅되어 전기적 절연특성이 제공되는 동시에 우수한 열전도 특성이 제공되도록 한 절연막(122);상기 절연막(122)의 하부에 박막 형태로 장착되어 외부로부터 전원을 공급받아 자체 전기 저항에 따른 순간가열에 의하여 순간적으로 고온 발열되는 박막 히터(123); 및상기 박막 히터(123)에 전기적 접합이 이루어지고, 외부로부터 공급된 전원이 박막 히터(123) 전면에 균일하게 인가될 수 있도록 하는 특정 패턴을 갖는 금속패드(125);를 포함하는 박막히터가 장착된 조리용기.
- 제 6항에 있어서,상기 박막 히터(123) 상에 전류가 흐르기 위한 도전체 패턴(124)을 형성함으로써, 금속패드(125)를 통해 인가된 전류가 박막 히터(123)의 면 전체에 균일하게 공급되고, 발열특성이 안정되도록 하는 것을 특징으로 하는 박막히터가 장착된 조리용기.
- 제 6항에 있어서,상기 금속패드(125)가 복수 개의 발열 박막 셀이 형성되도록 패턴을 형성하 는 것을 특징으로 하는 박막히터가 장착된 조리용기.
- 제 6항에 있어서,상기 박막 히터(123)가 단일 금속 또는 상기 금속을 조합한 2 성분계 금속 합금물 또는 금속-질화물(metal-nitride)을 조합한 2 성분계 금속-질화물 또는 금속-규화물(metal-silicide)을 조합한 2 성분계 금속-규화물 또는 후막 도전성 페이스트 중 어느 하나를 소재로 하는 것을 특징으로 하는 박막히터가 장착된 조리용기.
- 제 6항에 있어서,상기 금속패드(125)는 상기 박막 히터(123)로 전류 밀도가 균일하게 전원을 공급할 수 있도록 그 폭이 상기 박막 히터의 폭보다 크거나 같도록 설정되고, 발열시 온도에 대해 안정하고 산화에 따른 저항 증가 및 물리적 박리가 방지되는 Al 또는 Au 또는 W 또는 Pt 또는 Ag 또는 Ta 또는 Mo 또는 Ti 중 어느 하나를 소재로 하는 것을 특징으로 하는 박막히터가 장착된 조리용기.
- 제 6항에 있어서,상기 절연막(122)은 내통(113)의 표면을 아크로 산화 형성한 산화 절연막 또는 내통(113)의 표면에 폴리머를 코팅 형성한 폴리머 절연막 또는 상기 산화 절연막과 폴리머 절연막을 상기 내통의 표면에 형성한 이중 절연막 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막히터가 장착된 조리용기.
- 제 11 항에 있어서,상기 절연막(122)이 1000 V 이상의 절연 파괴 전압을 가지며, 100 V 전압이 인가될 때에 20 ㎂ 이하의 누설 전류를 갖는 것을 특징으로 하는 박막히터가 장착된 조리용기.
- 제 11 항에 있어서,상기 산화 절연막은 산화 알루미늄 또는 산화 베릴륨 또는 산화 티타늄을 포함하는 금속 산화물 중 어느 하나이고, 상기 폴리머 절연막의 상기 폴리머는 폴리이미드(polyimide) 또는 폴리아미드(polyamide) 또는 테프론(teflon) 또는 페인트(paint) 또는 실버-스톤(silver-ston) 또는 테프젤-에스(tefzel-s) 또는 에폭시(epoxy) 또는 고무(rubber) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막히터가 장착된 조리용기.
- 제 6 항에 있어서,상기 금속패드(125) 및 박막 히터(123)가 외부환경으로부터 보호되도록 소정 두께로 보호층(127)이 코팅되는 것을 특징으로 하는 박막히터가 장착된 조리용기.
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