KR20210008615A - The surface heater, paste composition for the same and the manufacturing method for the same - Google Patents

Abstract

The present invention relates to a surface heating element, a paste composition and a method of manufacturing the surface heating element, which is heated by electricity. The present invention can be used even at a high operating temperature of 400°C or higher, the elution of the material itself is suppressed, and the present invention has high fracture toughness, low coefficient of thermal expansion and heat resistance, thereby improving the reliability and lifespan of the product and having low electrical resistivity. According to one embodiment of the present invention, provided is the surface heating element, which contains at least one of NiCr, FeNiCr, or FeCoNi alloy, has an adhesive strength of 10 N or more with the substrate or insulating layer and electrical resistivity is 10^-2 or 10^-4 Ωcm, and does not contain isolated pores.

Description

면상 발열체, 패이스트 조성물 및 면상 발열체의 제조방법 {THE SURFACE HEATER, PASTE COMPOSITION FOR THE SAME AND THE MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}Planar heating element, paste composition, and manufacturing method of planar heating element {THE SURFACE HEATER, PASTE COMPOSITION FOR THE SAME AND THE MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}

본 발명은 쿡탑과 같은 가열장치 분야에서 전기를 이용하여 발열시키는 면상 발열체, 면상 발열체용 조성물 및 면상 발열체의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a planar heating element that generates heat using electricity in the field of a heating device such as a cooktop, a composition for a planar heating element, and a method of manufacturing the planar heating element.

전기 통전에 의해 열을 발생시키는 면상 발열체는 각종 난방 장치나 차량 또는 산업용 가열장치, 그리고 쿡탑(cooktop)과 같은 가정용이나 상업용 조리기기로까지 그 사용이 점차 확대되고 있다.Planar heating elements that generate heat by electric current are gradually expanding their use to various heating devices, vehicle or industrial heating devices, and domestic or commercial cooking appliances such as a cooktop.

종래에는 철, 니켈, 은, 백금 등의 금속 박판을 에칭한 금속 발열체 또는 탄화규소, 지르코니아, 탄소 등의 비금속 발열체를 소결한 세라믹 소결체 등이 면상 발열체로 사용되어 왔다.Conventionally, a metal heating element obtained by etching a thin metal plate such as iron, nickel, silver, or platinum, or a ceramic sintered body obtained by sintering a non-metallic heating element such as silicon carbide, zirconia, or carbon has been used as a planar heating element.

상기 금속 박판을 에칭한 종래의 금속 발열체는 열과 내구성이 약할 뿐만 아니라 발열 온도가 상대적으로 낮은(400℃) 저온용으로 주로 사용되었다. The conventional metal heating element obtained by etching the thin metal plate is mainly used for low temperature applications having relatively low heating temperature (400°C) as well as poor heat and durability.

한편 상기 비금속(특히 주로 세라믹) 소재를 이용한 면상 발열체는 소재의 특성 상 소성 또는 소결을 위한 고온의 열처리가 필수적이다. 그런데 면상 발열체의 경우 통상적으로 유리 또는 고분자 소재가 기판으로써 이용되는데 상기 고온의 열처리 동안 상기 기판의 변형 내지 파괴가 수반되는 문제점이 있다. On the other hand, the planar heating element using a non-metal (especially mainly ceramic) material requires high-temperature heat treatment for firing or sintering due to the characteristics of the material. However, in the case of a planar heating element, a glass or polymer material is typically used as a substrate, and there is a problem that the substrate is deformed or destroyed during the high-temperature heat treatment.

상기 문제점을 해결하고자 최근 들어 고온의 열처리를 대체할 수 있는 한국 등록특허 KR 10-1637122호(2016. 6. 30. 등록., 이하 '선행기술'이라 한다)의 광 소결법과 같이 면상 발열체 제조 방법이 소개되었다. In order to solve the above problems, a method for manufacturing a planar heating element, such as the optical sintering method of Korean Patent Registration No. KR 10-1637122 (registered on June 30, 2016, hereinafter referred to as'prior technology'), which can replace high-temperature heat treatment in recent years. Was introduced.

상기 선행기술에서의 광 소결법은 백색광을 이용하여 세라믹 파우더를 포함하는 패이스트에 광 에너지를 조사함으로써 세라믹 파우더 소재에서 발생하는 열로써 패이스트를 소결하는 방법이다.The optical sintering method in the prior art is a method of sintering the paste with heat generated from the ceramic powder material by irradiating light energy to a paste containing ceramic powder using white light.

그런데 상기 선행기술에서의 세라믹 파우더를 포함하는 면상 발열체는 다음과 같은 근본적인 문제를 가진다.However, the planar heating element including ceramic powder in the prior art has the following fundamental problems.

먼저 대부분의 세라믹 재료는 부도체이므로 도체인 금속 재료 대비 고유의 높은 비저항을 가진다. First, since most ceramic materials are non-conductors, they have inherent high resistivity compared to metallic materials, which are conductors.

세라믹 재료의 높은 비저항은 면상 발열체의 출력을 저하시켜서 그로 인해 최종 제품인 쿡탑의 작동 온도를 제한시키는 문제가 있다.The high specific resistance of the ceramic material reduces the output of the planar heating element, thereby limiting the operating temperature of the cooktop, which is the final product.

또한 세라믹 재료는 근본적으로 연성과 인성이 낮아 기계적 특성이 떨어지는 문제가 있다.In addition, ceramic materials have low ductility and toughness, and mechanical properties are poor.

특히 세라믹 재료의 낮은 인성은 면상 발열체의 반복되는 가열과 냉각 시 발생되는 열변형 또는 열응력과 함께 조리 기구에 의한 충격에 의한 면상 발열체의 탈락과 파괴까지 초래하게 된다.In particular, the low toughness of the ceramic material leads to the dropping and destruction of the planar heating element due to the impact of the cooking utensils along with the thermal deformation or thermal stress generated during repeated heating and cooling of the planar heating element.

이에 더하여 세라믹 재료는 쿡탑 등의 기판으로 많이 사용되는 글라스와 열팽창 계수 측면에서 큰 차이를 가진다.In addition, ceramic materials have a large difference in terms of coefficient of thermal expansion from glass, which is widely used as a substrate such as a cooktop.

기판과 면상 발열체의 열팽창 계수의 차이가 커지면 기판과 면상 발열체의 열변형량의 차이도 커지게 되어 그 결과 면상 발열체에 가해지는 열응력 내지 열충격이 더 커지게 되는 문제가 있다.When the difference in the coefficient of thermal expansion between the substrate and the planar heating element increases, the difference in the amount of thermal deformation between the substrate and the planar heating element increases, and as a result, there is a problem in that the thermal stress or thermal shock applied to the planar heating element increases.

한편 금속 재료가 면상 발열체로 적용되면, 금속 재료는 기판인 세라믹 재료와 재질이 다르므로 이로 인해 상기 선행기술에서의 상기 세라믹 재료와는 또 다른 문제점을 야기한다.On the other hand, when a metal material is applied as a planar heating element, the metal material is different from the ceramic material as the substrate, and thus, another problem is caused from the ceramic material in the prior art.

종래의 금속 재료로 이루어진 면상 발열체는 기판과의 밀착력 확보를 위해 금속 재료로 된 파우더에 추가적으로 기판과 접착 기능을 가지는 글래스 프릿을 수~수십 중량 %(이하 wt.% 또는 %라 한다)많이 첨가한 패이스트를 고온에서 충분한 시간동안 가열하는 열 소결법을 통해 제조되었다.In a conventional planar heating element made of a metal material, a glass frit having an adhesive function with the substrate is added to the powder made of a metal material in order to secure adhesion to the substrate in a large amount (hereinafter referred to as wt.% or %). It was produced through a thermal sintering method in which the paste is heated at high temperature for a sufficient time.

그러나 상기 열 소결법은 글래스 기판의 변형을 유발하는 근본적인 문제가 있다. 또한 글래스 프릿의 첨가량이 수 중량 % 이하로 첨가하면 금속 재료가 주성분인 면상 발열체와 기판과의 접착력이 낮아서 면상 발열체가 기판으로부터 박리 내지는 탈락된다. 반면 패이스트가 글래스 프릿을 많이 포함하면, 금속 재료가 가지는 고유의 낮은 비저항 특성은 가질 수 없는 근본적인 문제가 있다.However, the thermal sintering method has a fundamental problem that causes deformation of the glass substrate. In addition, when the glass frit is added in an amount of several percent by weight or less, the adhesion between the planar heating element, which is mainly composed of a metal material, and the substrate is low, so that the planar heating element is peeled off or detached from the substrate. On the other hand, if the paste contains a lot of glass frit, there is a fundamental problem that the inherent low resistivity characteristic of a metallic material cannot be obtained.

한편 상기 선행기술에서의 광 소결법은 기판 등의 변형을 방지하기 위해 순간적으로 강한 백색광을 조사하기 때문에 종래의 열 소결법 대비 균일한 소결이 어려우며 나아가 조사 에너지가 증가할수록 소결의 균일성이 저하되는 문제가 있다. Meanwhile, since the optical sintering method in the prior art instantaneously irradiates strong white light to prevent deformation of the substrate, it is difficult to achieve uniform sintering compared to the conventional thermal sintering method, and furthermore, as the irradiation energy increases, the uniformity of sintering decreases. have.

특히 짧은 시간 동안의 광 조사는 기판의 변형을 방지하는 이점이 있으나 소결되는 면상 발열체의 치밀화(densification)가 충분하게 일어나지 못한다. 그 결과 광 소결법은 금속 재료의 면상 발열체가 가지는 낮은 전기 비저항을 구현하기 어렵고 기판과 금속 재료를 포함하는 면상 발열체 간의 충분한 접착력을 확보하기 어렵다.In particular, light irradiation for a short time has the advantage of preventing deformation of the substrate, but densification of the sintered planar heating element does not occur sufficiently. As a result, in the optical sintering method, it is difficult to realize the low electrical resistivity of the planar heating element made of a metal material, and it is difficult to secure sufficient adhesion between the substrate and the planar heating element including the metal material.

반면 금속 재료를 포함하는 면상 발열체에서 조사되는 광 조사 에너지가 증가되면, 금속 파우더 간 네크(neck) 형성을 통한 전기 비저항 감소 효과가 얻어질 수도 있다. 그러나 광 조사 에너지가 너무 높으면, 기판의 변형과 함께 금속 파우더의 산화가 발생하여 전체 면상 발열체의 전기 비저항은 오히려 증가하게 되는 문제가 발생한다. On the other hand, when the light irradiation energy irradiated from the planar heating element including a metallic material is increased, an effect of reducing electrical resistivity may be obtained by forming a neck between metal powders. However, if the light irradiation energy is too high, oxidation of the metal powder occurs along with the deformation of the substrate, thereby causing a problem that the electrical resistivity of the entire planar heating element rather increases.

더 나아가 상기 선행기술의 광 소결법은 짧은 광조사 시간으로 인해 광 조사 에너지를 충분히 증가시켜도 면상 발열체를 구성하는 파우더들 사이의 기공(pore)을 근본적으로 제거할 수 없다. 그 결과 광 소결법은 면상 발열체와 기판과의 접착력을 확보할 수 없는 문제가 있다.Furthermore, the photo-sintering method of the prior art cannot fundamentally remove pores between powders constituting the planar heating element even if the light irradiation energy is sufficiently increased due to a short light irradiation time. As a result, the optical sintering method has a problem in that it is not possible to secure adhesion between the planar heating element and the substrate.

한편 상기 선행기술은 비록 금속 재료를 이용하여 광 소결 할 수 있다고 언급하고 있으나 금속 재료를 이용한 면상 발열체에 대해서는 실시예 등을 통해서 전혀 개시하고 있지 못하고 있다. Meanwhile, although the prior art mentions that photo-sintering can be performed using a metal material, the planar heating element using a metal material is not disclosed at all through Examples.

특히 상기 선행기술에서 기재하고 있는 금속 재료들은 그 자체적으로 융점이 높지 않다. 더 나아가 상기 선행기술에서의 금속 재료들은 다른 성분들과 합금을 형성하면 융점이 더 낮아진다. 그 결과 면상 발열체로 장시간 사용하게 되면 금속 성분들의 확산 내지는 용출이 발생하여 제품의 수명 및 신뢰성을 저하시키게 된다.In particular, the metallic materials described in the prior art do not themselves have high melting points. Furthermore, the metal materials in the prior art have a lower melting point when forming an alloy with other components. As a result, when used as a planar heating element for a long time, diffusion or elution of metal components occurs, thereby reducing the life and reliability of the product.

또한 상기 선행기술은 금속 재료로써 리튬, 나트륨, 칼륨, 카드늄, 수은, 붕소, 칼륨, 규소, 게르마늄 등의 성분들을 제시하고 있는데, 상기 기재된 성분들은 모두 면상 발열체로 사용되기 어렵거나 적용이 금지된 성분들일 뿐만 아니라 비금속이나 반도체까지도 포함하고 있는 문제가 있다.In addition, the prior art suggests components such as lithium, sodium, potassium, cadmium, mercury, boron, potassium, silicon, germanium as metal materials, and all of the above-described components are difficult to use as a planar heating element or are prohibited to be applied. There is a problem that includes not only non-metals but also non-metals and semiconductors.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 금속 재료를 주 성분으로 포함하는 면상 발열체, 패이스트 조성물 및 면상 발열체 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a planar heating element comprising a metal material as a main component, a paste composition, and a method of manufacturing a planar heating element in order to solve the above problems.

구체적으로 본 발명은 높은 연성 및/또는 인성을 확보하여 열응력 또는 열충격에 대한 저항성이 높고 외부로부터의 충격에 대한 저항성이 우수한 금속 재료를 주성분으로 포함하는 면상 발열체, 패이스트 조성물 및 면상 발열체 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Specifically, the present invention is a planar heating element comprising as a main component a metal material having high resistance to thermal stress or thermal shock and excellent resistance to external impact by securing high ductility and/or toughness, a paste composition, and a method of manufacturing a planar heating element It aims to provide.

본 발명은 면상 발열체에 가해지는 열 응력 또는 열 충격을 줄이기 위해 기판 및/또는 절연층과 면상 발열체 간의 열팽창 계수의 차이가 작은 고온용 금속 재료를 주성분으로 포함하는 면상 발열체, 패이스트 조성물 및 면상 발열체 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is a planar heating element, a paste composition, and a planar heating element comprising as a main component a metal material for high temperature having a small difference in the coefficient of thermal expansion between the substrate and/or the insulating layer and the planar heating element in order to reduce the thermal stress or thermal shock applied to the planar heating element. It aims to provide a manufacturing method.

또한 본 발명은 면상 발열체에 존재하는 고립기공을 채움으로써 면상 발열체와 기판 및/또는 절연층과의 접착력을 높일 수 있는 면상 발열체, 패이스트 조성물 및 면상 발열체 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a planar heating element, a paste composition, and a method of manufacturing a planar heating element that can increase adhesion between the planar heating element and a substrate and/or an insulating layer by filling the isolated pores present in the planar heating element.

또한 본 발명은 높은 융점의 금속 재료를 포함하고 있음에도 낮은 광 조사 에너지와 짧은 공정 시간 조건에서도 고립 기공을 효과적으로 채울 수 있는 면상 발열체, 패이스트 조성물 및 면상 발열체 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a planar heating element, a paste composition, and a method of manufacturing a planar heating element that can effectively fill isolated pores even under conditions of low light irradiation energy and short process time, even though it contains a metal material having a high melting point.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects and advantages of the present invention that are not mentioned can be understood by the following description, and will be more clearly understood by examples of the present invention. In addition, it will be easily understood that the objects and advantages of the present invention can be realized by the means shown in the claims and combinations thereof.

상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 면상 발열체는 NiCr, FeNiCr 또는 FeCoNi 합금 중 적어도 하나 이상을 포함하고 고립 기공을 포함하지 않는 것을 주요 기술적 특징으로 한다.The planar heating element according to an embodiment of the present invention for solving the above-described problems is a main technical feature that includes at least one of NiCr, FeNiCr, or FeCoNi alloy and does not include isolated pores.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 면상 발열체는 전기 비저항이 10^-2 내지 10^-4 Ω㎝ 범위를 가지게 된다.The planar heating element according to an embodiment of the present invention has an electrical resistivity in the range of 10 ^-2 to 10 ^-4 Ωcm.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 면상 발열체는 기판 및/또는 절연층과 10N 이상의 접착 강도를 가지게 된다.The planar heating element according to an embodiment of the present invention has an adhesive strength of 10N or more with the substrate and/or the insulating layer.

상기 NiCr 합금에서의 Cr의 함량은 5 내지 40 중량 %이고 잔부는 Ni이며, 상기 FeNiCr 합금에서의 Cr의 함량은 10 내지 20 중량 %이고 Fe의 함량은 5 내지 15 중량%이고 잔부는 Ni로 이루어진다.The content of Cr in the NiCr alloy is 5 to 40% by weight and the balance is Ni, the content of Cr in the FeNiCr alloy is 10 to 20% by weight, the content of Fe is 5 to 15% by weight, and the balance consists of Ni .

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 면상 발열체는 Ni, Ag, Mn, Zn, Cu, MgO, CuO, MnO₂ 또는 Bi₂O₃ 중 하나 또는 둘 이상의 성분을 추가로 포함할 수 있다.The planar heating element according to an embodiment of the present invention may further include one or more components of Ni, Ag, Mn, Zn, Cu, MgO, CuO, MnO ₂ or Bi ₂ O ₃ .

상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 패이스트 조성물은 NiCr, FeNiCr 또는 FeCoNi 합금 파우더와 나노 파우더를 포함하는 것을 다른 주요 기술적 특징으로 한다.Paste composition according to another embodiment of the present invention for solving the problems as described above is characterized in that it comprises NiCr, FeNiCr or FeCoNi alloy powder and nano powder.

상기 패이스트 조성물은 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.The paste composition may further include an additive.

상기 첨가제는 상기 나노 파우더의 균일한 분산을 위한 분산제일 수 있다.The additive may be a dispersant for uniform dispersion of the nano powder.

보다 구체적으로 상기 패이스트 조성물은 NiCr 합금, FeNiCr 합금 또는 FeCoNi 합금의 파우더 25~55 중량 %; 나노 파우더 10 내지 30 중량 %; 글래스 프릿(glass frit) 3 중량% 이하(0 중량 %는 제외); 유기바인더 20 내지 40 중량%; 용매 5 내지 15 중량%; 첨가제 1 내지 10 중량% 를 포함할 수 있다.More specifically, the paste composition is a powder of NiCr alloy, FeNiCr alloy, or FeCoNi alloy 25 to 55% by weight; 10 to 30% by weight of nano powder; 3% or less by weight of glass frit (excluding 0% by weight); 20 to 40% by weight of an organic binder; 5 to 15% by weight of solvent; It may contain 1 to 10% by weight of additives.

상기 합금 파우더의 평균 입도(D50)는 10㎚ 내지 10㎛일 수 있다.The average particle size (D50) of the alloy powder may be 10 nm to 10 μm.

상기 NiCr 합금에서의 Cr의 함량은 5 내지 40 중량 %이고 잔부는 Ni이며, 상기 FeNiCr 합금에서의 Cr의 함량은 10 내지 20 중량 %이고 Fe의 함량은 5 내지 15 중량%이고 잔부는 Ni로 이루어진다.The content of Cr in the NiCr alloy is 5 to 40% by weight and the balance is Ni, the content of Cr in the FeNiCr alloy is 10 to 20% by weight, the content of Fe is 5 to 15% by weight, and the balance consists of Ni .

상기 나노 파우더의 평균 입도(D50)는 1 내지 50 ㎚일 수 있다.The average particle size (D50) of the nano-powder may be 1 to 50 nm.

상기 나노 파우더는 Ni, Ag, Mn, Zn, Cu, MgO, CuO, MnO₂ 또는 Bi₂O₃ 중 하나 또는 둘 이상의 성분을 포함할 수 있다.The nano-powder may include one or two or more components of Ni, Ag, Mn, Zn, Cu, MgO, CuO, MnO ₂ or Bi ₂ O ₃ .

상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 면상 발열체 제조 방법은 기판 상에 NiCr 합금, FeNiCr 합금 또는 FeCoNi 합금 파우더와 나노 파우더를 포함한 패이스트 조성물을 코팅하는 단계와 상기 코팅 층을 광 소결하는 단계를 포함하는 것을 또 다른 주요 기술적 특징으로 한다.The method of manufacturing a planar heating element according to another embodiment of the present invention for solving the above-described problems includes coating a paste composition including NiCr alloy, FeNiCr alloy or FeCoNi alloy powder and nano powder on a substrate, and the coating Another major technical feature is that it includes the step of photo-sintering the layer.

구체적으로 본 발명의 다른 실시예에 따른 면상 발열체 제조 방법은 NiCr 합금, FeNiCr 합금 또는 FeCoNi 합금 파우더와 나노 파우더를 포함한 패이스트를 준비하는 단계; 기판 상에 상기 패이스트를 코팅하는 단계; 상기 코팅 층을 건조하는 단계; 상기 건조된 코팅 층을 광 소결하는 단계;를 포함할 수 있다.Specifically, a method of manufacturing a planar heating element according to another embodiment of the present invention comprises: preparing a paste including NiCr alloy, FeNiCr alloy or FeCoNi alloy powder and nano powder; Coating the paste on a substrate; Drying the coating layer; It may include; photo-sintering the dried coating layer.

상기 패이스트를 준비하는 단계는, 유기물 비히클(vehicle)에 상기 나노 파우더를 분산시키는 단계; 상기 나노 파우더가 분산된 유기물 비히클에 상기 합금 파우더를 재분산시키는 단계;를 포함할 수 있다.Preparing the paste may include dispersing the nano-powder in an organic vehicle; It may include; re-dispersing the alloy powder in the organic vehicle in which the nano-powder is dispersed.

또한, 상기 면상 발열체층을 코팅하는 단계 이전에 상기 기판 상에 절연층을 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.In addition, before the step of coating the planar heating element layer, it may further include forming an insulating layer on the substrate.

상기 광 소결하는 단계에서의 전체 광 조사 에너지는 40 내지 70 J/㎠일 수 있다. The total light irradiation energy in the photo-sintering step may be 40 to 70 J/cm2.

상기 NiCr 합금에서의 Cr의 함량은 5 내지 40 중량 %이고 잔부는 Ni이며, 상기 FeNiCr 합금에서의 Cr의 함량은 10 내지 20 중량 %이고 Fe의 함량은 5 내지 15 중량%이고 잔부는 Ni로 이루어진다.The content of Cr in the NiCr alloy is 5 to 40% by weight and the balance is Ni, the content of Cr in the FeNiCr alloy is 10 to 20% by weight, the content of Fe is 5 to 15% by weight, and the balance consists of Ni .

상기 나노 파우더는 Ni, Ag, Mn, Zn, Cu, MgO, CuO, MnO₂ 또는 Bi₂O₃ 중 하나 또는 둘 이상의 성분을 포함할 수 있다.The nano-powder may include one or two or more components of Ni, Ag, Mn, Zn, Cu, MgO, CuO, MnO ₂ or Bi ₂ O ₃ .

상기 기판은 유리, 결정화 유리(glass ceramics), Al₂O₃, AlN, 폴리이미드(polyimide), 또는 PEEK(PolyEthel-EthelKetone) 또는 세라믹스 중 어느 하나일 수 있다.The substrate may be any one of glass, crystallized glass, Al ₂ O ₃ , AlN, polyimide, or PEEK (PolyEthel-EthelKetone) or ceramics.

바람직하게는, 상기 기판은 유리 또는 결정화 유리일 수 있다.Preferably, the substrate may be glass or crystallized glass.

보다 바람직하게는, 상기 기판은 결정화 유리일 수 있다.More preferably, the substrate may be a crystallized glass.

상기 절연층은 붕소 질화물(boron nitride), 알루미늄 질화물(aluminum nitride)또는 실리콘 질화물(silicon nitride) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.The insulating layer may include any one of boron nitride, aluminum nitride, or silicon nitride.

상기 절연층은 추가적으로 글래스 프릿(glass frit)을 바인더로써 포함할 수 있다.The insulating layer may additionally include a glass frit as a binder.

상기 바인더 또는 글라스 프릿은 보로실리케이트(borosilicate) 성분 및/또는 벤토나이트(bentonite) 성분을 포함할 수 있다.The binder or glass frit may include a borosilicate component and/or a bentonite component.

본 발명에 따르면, 고융점을 가지는 금속 성분으로 설계된 면상 발열체를 제공함으로써 면상 발열체가 적용되는 전기 레인지의 사용온도를 더 높일 수 있고 더 나아가 고온에서 금속 성분의 용출을 방지하여 쿡탑 제품의 수명과 신뢰성을 향상시킬 수 있다. According to the present invention, by providing a planar heating element designed with a metal component having a high melting point, the operating temperature of the electric range to which the planar heating element is applied can be further increased, and furthermore, it is possible to prevent the elution of the metal component at high temperature, and the life and reliability of the cooktop product. Can improve.

또한 본 발명에 따른 면상 발열체 및 패이스트 조성물은 금속 고유의 높은 연성 및 파괴 인성 및 다른 금속 대비 낮은 열팽창 계수를 가지도록 설계되었다. 그 결과 온도 차이 및 하부의 기판 또는 절연층과 면상 발열체 간의 열팽창 계수의 차이에 의해 발생하는 열 응력과 열 충격이 감소되고 더 나아가 열 충격에 대한 저항성이 확보된다. 상기 감소된 열 응력 및 열 충격과 상기 확보된 저항성은 최종 제품인 전기 레인지와 같은 쿡탑의 수명과 신뢰성을 크게 향상시키는 효과를 제공한다.In addition, the planar heating element and paste composition according to the present invention are designed to have high ductility and fracture toughness inherent in metal and a low coefficient of thermal expansion compared to other metals. As a result, thermal stress and thermal shock caused by the difference in temperature and the coefficient of thermal expansion between the underlying substrate or insulating layer and the planar heating element are reduced, and further, resistance to thermal shock is secured. The reduced thermal stress and thermal shock and the secured resistance provide an effect of greatly improving the life and reliability of a cooktop such as an electric range, which is a final product.

또한 본 발명의 금속 성분으로 설계된 면상 발열체, 패이스트 조성물 및 제조 방법에서는 나노 파우더를 포함하고 있어 면상 발열체에 존재하는 고립 기공을 소결 과정 중에 액상으로 채움으로써 면상 발열체층과 기판 및/또는 절연층과의 접착력이 높아지고 더 나아가 면상 발열체층이 금속 고유의 낮은 비저항을 확보할 수 있는 효과를 제공한다.In addition, in the planar heating element, paste composition and manufacturing method designed with the metal component of the present invention, the planar heating element layer, the substrate and/or the insulating layer and the planar heating element layer and the substrate and/or the insulating layer are filled by filling the isolated pores present in the planar heating element with a liquid phase. The adhesion of the surface is increased, and furthermore, the planar heating element layer provides an effect of securing a low specific resistance inherent in the metal.

한편 본 발명의 면상 발열체 제조 방법은 광 소결을 채용함으로써 종래의 열 소결 방법 대비 고온 장시간 열처리 과정을 거치지 않을 수 있다. 이를 통해 본 발명의 제조 방법은 고온 장시간 공정을 배제함으로써 기판 및/또는 절연층의 재료 선택에 있어 설계의 자유도를 확보할 수 있다.Meanwhile, the method of manufacturing a planar heating element of the present invention may not undergo a high-temperature and long-term heat treatment process compared to the conventional thermal sintering method by employing optical sintering. Through this, the manufacturing method of the present invention can secure a degree of freedom in design in selecting a material for a substrate and/or an insulating layer by excluding a high-temperature, long-term process.

더 나아가 본 발명의 면상 발열체는 나노 파우더를 포함하는 패이스트와 광 소결 공정의 상승 작용으로 인해 기존 광 소결 대비 더 작은 광 조사 에너지와 더 짧은 공정 시간에서도 접착력이 높고 전기 비저항은 낮은 특성을 확보할 수 있다. 또한 광 조사 에너지의 감소는 기판의 변형을 방지하는데 더욱 유리하며 공정 시간의 감소는 외부 환경으로부의 면상 발열체층의 오염 방지에 더욱 유리한 효과가 있다.Furthermore, the planar heating element of the present invention has high adhesion and low electrical resistivity even with less light irradiation energy and shorter process time compared to conventional light sintering due to the synergistic effect of the photo-sintering process with the paste containing nano powder. I can. In addition, the reduction of the light irradiation energy is more advantageous in preventing the deformation of the substrate, and the reduction in the process time has a more advantageous effect in preventing contamination of the planar heating element layer in the external environment.

한편 본 발명의 면상 발열체 제조 방법은 고온 열처리에 필요한 단열 시스템의 필요성을 원천적으로 배제하고 더 나아가 환원성 공정 분위기를 위한 별도의 추가 설비가 필요치 않으므로 공정 설비가 간편해지는 효과를 가진다. 또한 본 발명에서의 광 소결 방법은 단위 공정 시간이 단축됨으로 인하여 전체 공정의 택 타임(tact time)을 줄여 생산성을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다. Meanwhile, the method of manufacturing a planar heating element of the present invention has the effect of simplifying the process equipment since the need for a heat insulation system required for high-temperature heat treatment is fundamentally excluded, and additional equipment for a reducing process atmosphere is not required. In addition, the optical sintering method in the present invention can obtain an effect of improving productivity by reducing the tact time of the entire process due to the reduction in unit process time.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 면상 발열장치를 기판(10) 위에서 바라본 평면도이다.
도 2는 도 1의 면상 발열장치를 A-A'를 따라 자른 부분의 일 예를 도시한 확대 단면도이다.
도 3은 도 1의 면상 발열장치를 A-A'를 따라 자른 부분의 다른 예를 도시한 확대 단면도이다.
도 4는 고출력 구동시 기판의 비저항 감소로 인해 면상 발열체층의 발열체에서 단락이 발생하여 히터 모듈이 파괴된 예를 도시한 것이다.
도 5는 패이스트 제조 시 상기 CrNi 합금 파우더와 NiCu 나노 파우더의 분산 순서의 변화에 따른 면상 발열체층(30)의 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 것이다.
도 6은 상기 나노 파우더가 첨가되지 않은 패이스트를 이용하여 60 J/㎠의 광 소결 조건으로 소결하여 형성한 면상 발열체층(30)의 접착 강도를 측정한 것이다.
도 7은 상기 나노 파우더가 20 중량% 첨가된 패이스트를 이용하여 60 J/㎠의 광 소결 조건으로 소결하여 형성한 면상 발열체층(30)의 접착 강도를 측정한 것이다.
도 8은 60 J/㎠의 광 조사 에너지 조건에서 각각 상기 나노 파우더가 포함되지 않은 패이스트와 상기 나노 파우더가 20 중량 % 첨가된 패이스트를 이용하여 형성된 면상 발열체층(30)의 표면을 주사전자현미경으로 관찰한 것이다.
도 9는 60 J/㎠의 광 조사 에너지 조건에서 각각 상기 나노 파우더가 포함되지 않은 패이스트(a)와 상기 나노 파우더가 20 중량 % 첨가된 패이스트(b) 및 상기 나노 파우더가 30 중량 % 첨가된 패이스트(c)를 이용하여 형성된 면상 발열체층(30)의 표면을 주사전자현미경으로 관찰한 것이다.1 is a plan view as viewed from above a substrate 10 of a planar heating device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view illustrating an example of a portion of the planar heating device of FIG. 1 cut along A-A'.
3 is an enlarged cross-sectional view showing another example of a portion of the planar heating device of FIG. 1 cut along A-A'.
4 illustrates an example in which a heater module is destroyed due to a short circuit in the heating element of the planar heating element layer due to a decrease in specific resistance of the substrate during high power driving.
5 is a view of the surface of the planar heating element layer 30 according to the change in the dispersion order of the CrNi alloy powder and the NiCu nanopowder during the manufacture of the paste with a scanning electron microscope (SEM).
6 is a measurement of the adhesive strength of the planar heating element layer 30 formed by sintering under a light sintering condition of 60 J/cm 2 using a paste to which the nano powder is not added.
7 is a measurement of the adhesive strength of the planar heating element layer 30 formed by sintering under a light sintering condition of 60 J/cm 2 using a paste to which 20% by weight of the nano powder is added.
FIG. 8 is a scanning electron showing the surface of the planar heating element layer 30 formed using a paste containing no nano powder and a paste containing 20% by weight of the nanopowder under the light irradiation energy condition of 60 J/㎠. It was observed under a microscope.
9 is a paste (a) that does not contain the nano-powder and a paste (b) in which 20% by weight of the nano-powder is added, and 30% by weight of the nano-powder is added under the light irradiation energy condition of 60 J/㎠ The surface of the planar heating element layer 30 formed using the pasted (c) was observed with a scanning electron microscope.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.The above-described objects, features, and advantages will be described later in detail with reference to the accompanying drawings, and accordingly, one of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to easily implement the technical idea of the present invention. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of known technologies related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description will be omitted. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals are used to indicate the same or similar elements.

이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.Hereinafter, it means that an arbitrary component is disposed on the "top (or lower)" of the component or the "top (or lower)" of the component, the arbitrary component is arranged in contact with the top (or bottom) of the component. In addition, it may mean that other components may be interposed between the component and any component disposed on (or under) the component.

또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.In addition, when a component is described as being "connected", "coupled" or "connected" to another component, the components may be directly connected or connected to each other, but other components are "interposed" between each component. It is to be understood that "or, each component may be "connected", "coupled" or "connected" through other components.

이하에서는, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 면상 발열체 및 그 제조 방법을 설명하도록 한다.Hereinafter, a planar heating element and a manufacturing method thereof according to some embodiments of the present invention will be described.

도 1 내지 3을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 레인지(1)는 전기 절연성의 재질로 이루어진 표면을 포함하는 기판(10)과, 상기 기판 상에 위치하는 절연층(또는 버퍼층이라 함, 20)과, 산화물 분말이 포함된 소정 분말이 소결(sintering)되어 기판(10) 상에 위치하는 절연층(20) 위에 위치하는 면상 발열체층(30)과, 면상 발열체층(30)에 전기를 공급하는 전력 공급부(50)를 포함한다.1 to 3, the electric range 1 according to an embodiment of the present invention includes a substrate 10 including a surface made of an electrically insulating material, and an insulating layer (or a buffer layer) positioned on the substrate. Ham, 20), and a predetermined powder containing oxide powder is sintered to the planar heating element layer 30 positioned on the insulating layer 20 positioned on the substrate 10, and the planar heat generating element layer 30 It includes a power supply unit 50 for supplying electricity.

이 때 기판(10)은 전기 레인지(1)를 이용하는 기기의 필요에 따라 다양한 크기와 형상으로 제작될 수 있다. 비한정적인 예로써 본 발명에서의 기판(10)은 판형의 부재일 수 있다. 또한 기판(10)은 필요에 따라 기판 내의 위치 별로 두께를 달리할 수 있다. 더 나아가 기판(10)은 필요에 따라 굴곡지게 하는 것도 가능하다.In this case, the substrate 10 may be manufactured in various sizes and shapes according to the needs of a device using the electric range 1. As a non-limiting example, the substrate 10 in the present invention may be a plate-shaped member. In addition, the thickness of the substrate 10 may be varied for each position within the substrate as necessary. Furthermore, the substrate 10 may be bent as necessary.

본 발명에서 기판(10)을 형성하는 재료는 절연 재료이면 족하고 특별히 한정되지는 않는다. 비한정적인 예로써 본 발명에서의 기판은 유리, 결정화 유리(glass ceramics), 알루미나(Al₂O₃), 질화알루미늄(AlN) 등의 세라믹 기판뿐만 아니라 PI(polyimide) 또는 PEEK(PolyEthel-EthelKetone)와 같은 고분자 재료도 사용 가능하다. 다만, 유리, 결정화 유리(glass ceramics) 또는 세라믹스 중 어느 하나를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 재료들은 기본적으로 절연성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 다른 재료들보다 내오염, 내지문 및 시각적 측면에서 유리하기 때문이다. 특히, 결정화 유리(glass ceramics)가 가장 바람직한데, 결정화 유리는 투명성과 미려함이라는 일반적인 비정질 유리의 장점에 더하여 다른 세라믹 재료들 대비 내충격성 및 저팽창성까지 확보할 수 있기 때문이다.The material for forming the substrate 10 in the present invention is not particularly limited as long as it is an insulating material. As a non-limiting example, the substrate in the present invention is not only ceramic substrates such as glass, crystallized glass, alumina (Al ₂ O ₃ ), aluminum nitride (AlN), but also PI (polyimide) or PEEK (PolyEthel-Ethel Ketone). Polymeric materials such as can also be used. However, it is preferable to include any one of glass, crystallized glass, or ceramics. This is because the materials are not only capable of securing basic insulation properties, but are also more advantageous in terms of stain resistance, anti-fingerprint and visual properties than other materials. In particular, crystallized glass (glass ceramics) is the most preferable because crystallized glass can secure impact resistance and low expansion properties compared to other ceramic materials in addition to the advantages of general amorphous glass such as transparency and beauty.

비한정적인 예로써 기판(10)의 양측 면 중 면상 발열체층(30)이 형성된 일측 면에는 기판(10) 위에 절연층(20)이 구비될 수도 있다. 만일 본 발명의 일 실시예에서의 전기 레인지가 상기 절연층(20)을 포함한다면, 상기 절연층(20)은 기판(10)의 전부 또는 기판의 일부에 형성되어야 한다. 여기서 기판의 일부란, 적어도 사용자가 전기 레인지의 작동 시 접촉할 수 있는 기판의 부분 및/또는 면상 발열체층과 기판과의 접촉 부분을 의미한다.As a non-limiting example, an insulating layer 20 may be provided on the substrate 10 on one side of the both side surfaces of the substrate 10 on which the planar heating element layer 30 is formed. If the electric range in the embodiment of the present invention includes the insulating layer 20, the insulating layer 20 must be formed on all or part of the substrate 10. Here, the part of the substrate means at least a part of the substrate that the user can contact when operating the electric range and/or a contact part between the planar heating element layer and the substrate.

기판 위에 형성된 소성 후의 절연층의 두께는 1 내지 100㎛가 바람직하다. 절연층의 두께가 1㎛보다 얇은 경우, 절연층의 전기적 안정성의 확보가 어려워진다. 반면에 절연층 두께가 100㎛를 초과하게 되면, 절연층과 기판 및 면상 발열체층과의 재료 또는 열팽창률 등의 차이에서 기인한 크랙 발생가능성이 높아지는 점과 재료가 많이 소요되고 공정 상의 시간이 증가한다는 점 그리고 광 소결시 광에너지의 깊이 방향으로의 침투가 어렵다는 점에서 문제가 발생한다.The thickness of the sintered insulating layer formed on the substrate is preferably 1 to 100 µm. When the thickness of the insulating layer is less than 1 µm, it becomes difficult to ensure electrical stability of the insulating layer. On the other hand, when the thickness of the insulating layer exceeds 100㎛, the possibility of cracking due to the difference in the material or thermal expansion coefficient between the insulating layer and the substrate and the planar heating element layer increases, and a lot of materials are required, and the process time increases. A problem arises in that it is difficult to penetrate into the depth direction of light energy during light sintering.

특히 광 에너지의 깊이 방향의 침투와 이를 통한 균일한 광소결의 향상을 위해 상기 소성 후의 절연층의 두께는 바람직하게는 50㎛ 이하, 보다 바람직하게는 30 ㎛ 이하가 적합하다. In particular, the thickness of the insulating layer after firing is preferably 50 µm or less, more preferably 30 µm or less in order to improve the penetration of light energy in the depth direction and uniform light sintering through it.

상기 절연층(20)은 고온에서도 안정적으로 비저항을 확보할 수 있는 붕소 질화물(boron nitride), 알루미늄 질화물(aluminum nitride)또는 실리콘 질화물(silicon nitride) 중 어느 하나를 주 성분으로서 포함하는 것이 바람직하다. 상기 성분들은 모두 세라믹 물질 기반의 절연체라는 공통점이 있다.The insulating layer 20 preferably contains any one of boron nitride, aluminum nitride, or silicon nitride, which can stably secure specific resistance even at high temperatures, as a main component. All of the above components have in common that they are ceramic material-based insulators.

만일 기판(10)과 면상 발열체층(30) 사이에 절연층(20)이 형성되면, 절연층은 고온에서 기판의 비저항 감소로 인해 유발될 수 있는 배면 누설 전류로 인한 사용자의 감전 사고를 예방할 수 있다. 또한 절연층(20)은 고온에서의 상대적으로 높은 비저항으로 인해 면상 발열체층(30)의 고출력 구동시 면상 발열체층(30)에서의 단락전류를 방지하여(도 4) 그 결과 면상 발열체층(30)의 파괴를 막을 수 있다. If the insulating layer 20 is formed between the substrate 10 and the planar heating element layer 30, the insulating layer can prevent the user from electric shock due to leakage current on the back surface that may be caused by a decrease in the resistivity of the substrate at high temperatures. have. In addition, the insulating layer 20 prevents short-circuit current in the planar heating element layer 30 when the planar heating element layer 30 is driven at high power due to relatively high specific resistance at high temperature (FIG. 4), and as a result, the planar heating element layer 30 ) Can be prevented from being destroyed.

본 발명의 실시예에서의 절연층(20)은 기판(10) 및/또는 면상 발열체층(30)과의 접착력을 확보함과 동시에 기판 대비 높은 고온 비저항을 가지고 더 나아가 인쇄 및 후속 공정과도 적합성(compatibility)를 가져야 한다.The insulating layer 20 in the embodiment of the present invention secures adhesion to the substrate 10 and/or the planar heating element layer 30 and has a high specific resistance at a high temperature compared to the substrate, and is further compatible with printing and subsequent processes. It should have (compatibility).

이를 위해 본 발명의 실시예에서는 절연층(20)에 무기질 바인더가 추가로 포함되는 것이 보다 바람직하다. 특히 본 발명의 실시예에서의 절연층(20)은 소성 온도를 감소시키고자 무기 바인더로써 글라스 프릿(glass frit)을 포함하는 것이 보다 바람직하다. 보다 구체적으로 본 발명의 실시예의 절연층(20)은 글라스 프릿으로써 보로실리케이트(borosilicate) 및/또는 벤토나이트(bentonite)를 포함한다. 특히 보로실리케이트의 열팽창계수는 기판(10)과 후속 면상 발열체층(30)의 열팽창 계수의 중간 정도인 50*10^-7m/℃ 정도의 값을 가지므로, 면상 발열체층(30)이 기판(10)과 열팽창 계수 차이로 인해 크랙이나 박리되는 것을 억제하는데 도움이 될 수 있다.To this end, in the embodiment of the present invention, it is more preferable that an inorganic binder is additionally included in the insulating layer 20. In particular, it is more preferable that the insulating layer 20 in the embodiment of the present invention includes a glass frit as an inorganic binder in order to reduce the firing temperature. More specifically, the insulating layer 20 of the embodiment of the present invention includes borosilicate and/or bentonite as a glass frit. In particular, since the coefficient of thermal expansion of the borosilicate has a value of about 50*10 ^-7 m/°C, which is an intermediate between the coefficient of thermal expansion of the substrate 10 and the subsequent planar heating element layer 30, the planar heating element layer 30 It can be helpful in suppressing cracking or peeling due to the difference between 10) and the coefficient of thermal expansion.

본 발명의 일실시예의 전기 레인지는 상기 절연층(20) 또는 기판(10) 상에 위치하는 면상 발열체층(30)을 포함한다. 이 때 면상 발열체층(30)의 발열체는 기판(10) 또는 절연층(20)의 평면 상에 소정의 모양으로 배치된다. An electric range according to an embodiment of the present invention includes a planar heating element layer 30 positioned on the insulating layer 20 or the substrate 10. In this case, the heating element of the planar heating element layer 30 is disposed in a predetermined shape on the plane of the substrate 10 or the insulating layer 20.

도 1을 참고한 일 예로서, 발열체는 절연층(20)의 표면 상에서 원주를 따라서 반원을 기준으로 방향을 바꾸어가며 지그재그로 연장되어 형성될 수 있다. 이 때 발열체는 제 1단자부(31)에서 제 2단자부(32)까지 직렬로 연결되고 발열체의 형상은 소정의 모양으로 형성될 수 있다.As an example with reference to FIG. 1, the heating element may be formed to extend zigzag while changing a direction based on a semicircle along a circumference on the surface of the insulating layer 20. In this case, the heating element is connected in series from the first terminal portion 31 to the second terminal portion 32, and the shape of the heating element may be formed in a predetermined shape.

이 때 본 발명의 실시예에서의 면상 발열체층(30)은 NiCr 합금 또는 FeNiCr 합금 또는 FeCoNi 합금을 포함한다. At this time, the planar heating element layer 30 in the embodiment of the present invention includes a NiCr alloy, a FeNiCr alloy, or a FeCoNi alloy.

본 발명의 실시예에서의 상기 NiCr 합금은 Ni을 기지로 하며 여기에 Cr이 용질로서 포함된다. 이 때, Cr의 함량은 10 내지 30 중량 %(wt.% 또는 이하 %라 함)가 바람직하다. 만일 Cr의 함량이 5 중량 %보다 낮은 경우, 내부식 특성이 떨어져서 고온이나 약품에 취약할 수 있다. 반면 Cr의 함량이 30 중량 %를 넘는 경우, 기지인 Ni이 가지는 면심 입방 격자의 특성인 가공성이 나빠지고 더 나아가 Ni-Cr 합금의 내열성이 감소한다. 그 결과 전기 레인지가 고온에서 장시간 사용되는 경우, 전기 레인지의 수명 및 신뢰성이 저하될 수 있다.The NiCr alloy in the embodiment of the present invention is based on Ni, and Cr is included as a solute. At this time, the content of Cr is preferably 10 to 30% by weight (wt.% or hereinafter referred to as %). If the content of Cr is lower than 5% by weight, corrosion resistance may be deteriorated, and thus it may be vulnerable to high temperatures or chemicals. On the other hand, when the Cr content exceeds 30% by weight, the workability, which is the characteristic of the face-centered cubic lattice of known Ni, deteriorates, and further, the heat resistance of the Ni-Cr alloy decreases. As a result, when the electric range is used at a high temperature for a long time, the life and reliability of the electric range may be deteriorated.

한편 본 발명의 실시예에서의 상기 FeNiCr 합금은 Fe을 기지로 하며 여기에 Ni 및 Cr이 용질로서 포함된다. 보다 구체적으로 본 발명에서의 FeNiCr 합금은 20 내지 40 중량%(또는 wt.% 또는 %)의 Ni와 15 내지 20 중량%의 Cr를 포함하고 잔부가 Fe인 합금이 바람직하다.Meanwhile, the FeNiCr alloy in the embodiment of the present invention is based on Fe, and Ni and Cr are included as solutes. More specifically, the FeNiCr alloy in the present invention is preferably an alloy containing 20 to 40% by weight (or wt.% or %) of Ni and 15 to 20% by weight of Cr and the balance being Fe.

만일 Cr의 함량이 15 중량 % 보다 낮은 경우, 내부식 특성이 떨어져서 고온이나 약품에 취약할 수 있다. 반면 Cr의 함량이 20 중량 %를 넘는 경우, 내열성이 감소하여 그 결과 전기 레인지가 고온에서 장시간 사용되는 경우 신뢰성이 저하될 수 있다.If the content of Cr is lower than 15% by weight, corrosion resistance may be deteriorated, and thus it may be vulnerable to high temperatures or chemicals. On the other hand, when the Cr content exceeds 20% by weight, heat resistance decreases, and as a result, reliability may decrease when the electric range is used for a long time at high temperature.

한편 Fe의 함량이 40 중량 % 보다 낮은 경우, 면상 절연체층(30)과 기판과의 접착 강도가 감소하는 문제와 함께 열팽창 계수가 높아지는 발생한다.On the other hand, when the content of Fe is less than 40% by weight, the problem of decreasing the adhesive strength between the planar insulator layer 30 and the substrate occurs and the coefficient of thermal expansion increases.

반면 Fe의 함량이 65 중량 %를 넘는 경우, 고온에서의 내산화 특성 및 내열 성이 떨어져서 그 결과 비저항이 지나치게 증가하는 문제가 발생할 수 있다.On the other hand, when the content of Fe exceeds 65% by weight, oxidation resistance and heat resistance at high temperatures are deteriorated, and as a result, the specific resistance may be excessively increased.

아래의 표 1은 본 발명의 실시예에서 면상 발열체층(30)을 형성하기 위해 사용한 NiCr 합금 또는 FeNiCr 과 현재 사용되거나 알려진 면상 발열체용 재료의 기계적 특성과 전기적 특성을 요약한 것이다.Table 1 below summarizes the mechanical properties and electrical properties of the NiCr alloy or FeNiCr used to form the planar heating element layer 30 in the embodiment of the present invention and the currently used or known material for the planar heating element.

<표 1> 면상 발열체용 재료의 기계적/전기적 특성<Table 1> Mechanical/electrical properties of materials for planar heating elements

먼저 Ag, NiCr 및 FeNiCr는 금속 특유의 연성 및 강성으로 인해 다른 세라믹 재료 대비 기계적 특성 중 하나인 파괴 인성이 매우 높음을 상기 표로부터 알 수 있다. 면상 발열체 재료의 파괴 인성이 높으면, 면상 발열체가 사용될 때 노출되는 열충격에 대한 재료 자체의 저항성이 높아지고 그 결과 전기 레인지의 수명 및 신뢰성은 크게 개선될 수 있다.First, it can be seen from the above table that Ag, NiCr, and FeNiCr have very high fracture toughness, which is one of mechanical properties compared to other ceramic materials, due to the ductility and rigidity of metals. When the fracture toughness of the planar heating element material is high, the resistance of the material itself to the thermal shock exposed when the planar heating element is used increases, and as a result, the life and reliability of the electric range can be greatly improved.

반면 LCO(Lanthanum Cobalt Oxide)나 MoSi₂는 세라믹 소재의 고유의 낮은 연성으로 인해 파괴 인성이 매우 열위임을 알 수 있다. 상기 세라믹 소재는 면상 발열체에 적용될 때 필연적으로 노출되는 열충격에 취약할 뿐만 아니라 조리 기구 등에 의한 반복적인 기계적 충격에 대한 저항성이 떨어지는 근본적인 문제점을 가진다. On the other hand, it can be seen that LCO (Lanthanum Cobalt Oxide) or MoSi ₂ has very inferior fracture toughness due to the inherent low ductility of ceramic materials. The ceramic material has a fundamental problem in that it is not only vulnerable to thermal shock that is inevitably exposed when applied to a planar heating element, but also has poor resistance to repeated mechanical shocks caused by cooking utensils.

이에 더하여 본 발명의 일 실시예에서의 NiCr 및 FeNiCr는 기존의 면상 발열체용 금속인 Ag 대비 열팽창 계수가 작음을 상기 표로부터 알 수 있다. 열팽창 계수는 면상 발열체가 사용시 노출되는 온도 변화에서 유래하는 열응력 또는 열충격을 결정하는 중요한 인자 중 하나이다. 만일 NiCr합금과 Ag가 동일한 온도 변화에 노출된다면, NiCr 합금은 Ag 대비 작은 열팽창 계수를 가지므로 그로 인해 NiCr 합금은 Ag 보다 더 작은 열충격 내지는 열응력을 받게 된다. 결국 NiCr 합금으로 된 면상 발열체의 감소된 열응력 내지는 열충격은 전기 레인지의 수명 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 유리한 효과로 귀결된다.In addition, it can be seen from the above table that NiCr and FeNiCr in an embodiment of the present invention have a smaller coefficient of thermal expansion compared to Ag, which is a metal for a conventional planar heating element. The coefficient of thermal expansion is one of the important factors determining the thermal stress or thermal shock resulting from the temperature change exposed when the planar heating element is used. If NiCr alloy and Ag are exposed to the same temperature change, the NiCr alloy has a smaller coefficient of thermal expansion than Ag, so that the NiCr alloy is subjected to a smaller thermal shock or thermal stress than Ag. In the end, the reduced thermal stress or thermal shock of the NiCr alloy planar heating element results in an advantageous effect that can improve the life and reliability of the electric range.

상기 표는 기계적 특성 이외에도 전기 비저항을 제시하고 있다. 면상 발열체용 재료로써 사용 가능한 재료들의 상온에서의 전기 비저항은 Ag을 제외하고 대부분 10^-2 내지 10^-5 Ω㎝정도의 비저항을 가진다. 면상 발열체의 전기 비저항이 10^-2 Ω㎝보다 높은 경우, 지나치게 큰 비저항으로 인해 발열체의 pattern을 설계할 수 없는 문제가 발생하기 쉽다. 또한 전기 비저항이 10^-2 Ω㎝보다 높으면, 면상 발열체의 출력이 지나치게 낮아 그 결과 발열 온도가 낮아서 조리기기로 사용하기에 부적합하다. 반면 면상 발열체의 전기 비저항이 10^-5 Ω㎝보다 낮게 되면, 지나치게 작은 비저항으로 인해 출력이 너무 높게 되어 전기통전에 의해 발생하는 열이 지나치게 높아짐에 따라 수명과 신뢰성 측면에서 부적합하다. In addition to the mechanical properties, the above table presents the electrical resistivity. The electrical resistivity of materials usable as a material for a planar heating element at room temperature, except for Ag, has a resistivity of approximately 10 ^-2 to 10 ^-5 Ωcm. When the electrical resistivity of the planar heating element is higher than 10 ^-2 Ωcm, it is easy to cause a problem that the pattern of the heating element cannot be designed due to excessively large resistivity. In addition, when the electrical resistivity is higher than 10 ^-2 Ωcm, the output of the planar heating element is too low, and as a result, the heating temperature is low, making it unsuitable for use as a cooking appliance. On the other hand, if the electrical resistivity of the planar heating element is lower than 10 ^-5 Ωcm, the output is too high due to an excessively small resistivity and the heat generated by electric current becomes too high, which is not suitable in terms of life and reliability.

상기 기준에 비추어 볼 때, Ag는 단독으로는 면상 발열체에 적합하지 않은 반면 본 발명의 일 실시예에서의 NiCr 합금 및 FeNiCr 합금은 다른 성분들과 혼합 가능함은 물론이거니와 단독 성분으로도 면상 발열체로 사용할 수 있음을 알 수 있다.In view of the above standards, Ag alone is not suitable for a planar heating element, whereas the NiCr alloy and FeNiCr alloy in one embodiment of the present invention can be mixed with other components, as well as used as a single component as a planar heating element. You can see that you can.

한편 상기 표에서는 제시하고 있지 않지만, 면상 발열체용 재료는 온도에 따른 전기 비저항의 변화가 작아야 한다. On the other hand, although not shown in the above table, the material for a planar heating element should have a small change in electrical resistivity depending on temperature.

재료의 전기 비저항은 일반적으로 온도의 변화에 따라 같이 변화한다. 다만 각각의 재료의 종류별 카테고리에 따라 온도에 따른 재료의 비저항의 변화 거동은 매우 상이하다.The electrical resistivity of a material generally changes with the change of temperature. However, the change behavior of the specific resistance of the material according to the temperature is very different depending on the category of each material type.

예를 들어 상기 표에서의 LC(Lanthanum Cobalt oxide)나 MoSi₂, SiC와 같은 세라믹 재료는 전기의 수송이 주로 격자의 진동(lattice vibration)에 의해 이루어진다. 세라믹 재료를 구성하는 격자들은 온도가 높아질수록 진동의 폭이 커지고 빨라진다. 따라서 세라믹 재료에서의 비저항은 온도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 가진다.For example, in ceramic materials such as LC (Lanthanum Cobalt Oxide), MoSi ₂ , and SiC in the above table, electricity is mainly transported by lattice vibration. The gratings constituting the ceramic material increase and increase the amplitude of vibration as the temperature increases. Therefore, the resistivity in ceramic materials tends to decrease with increasing temperature.

이와는 달리 상기 표에서의 Ag, NiCr합금 및 FeNiCr 합금과 같은 금속은 자유 전자에 의해 전기가 전도된다. 금속을 구성하는 격자들도 온도가 높아질수록 진동의 폭이 커지고 빨라진다. 다만 금속의 경우, 전기의 전달하는 자유 전자의 움직임은 격자의 진동에 의해 제약을 받게 된다. 따라서 온도가 올라갈수록 금속 내 격자의 진동이 빨라지고 폭도 커져 자유 전자의 움직임은 격자 진동에 의해 더욱 방해를 받게 된다. 그 결과 금속의 전기 비저항은 온도가 올라갈수록 증가하는 경향을 가지게 된다.In contrast, metals such as Ag, NiCr alloy, and FeNiCr alloy in the above table conduct electricity by free electrons. The gratings that make up the metal also have a larger and faster vibration width as the temperature increases. However, in the case of metal, the movement of free electrons that transmit electricity is limited by the vibration of the lattice. Therefore, as the temperature increases, the vibration of the lattice in the metal becomes faster and the width increases, and the movement of free electrons is more disturbed by the lattice vibration. As a result, the electrical resistivity of the metal tends to increase as the temperature increases.

본 발명의 일 실시예에서의 NiCr 합금 및 FeNiCr 합금의 전기 비저항의 변화는 상온에서부터 쿡탑의 최대 사용온도까지 온도 범위 내에서 5% 이내로 매우 작다. 만일 NiCr 합금 또는 FeNiCr 합금이 전기 레인지의 면상 발열체로 사용되면, 전기 레인지의 가동 초기에 필요한 초기돌입전류가 작아서 과전류로 인한 사용자의 위험이 제거될 뿐만 아니라 TRIAC와 같은 별도의 부품 없이도 전기 레인지의 안정적인 가동이 가능하다.The change in electrical resistivity of the NiCr alloy and the FeNiCr alloy in an embodiment of the present invention is very small within 5% within the temperature range from room temperature to the maximum use temperature of the cooktop. If NiCr alloy or FeNiCr alloy is used as a planar heating element of the electric range, the initial inrush current required at the beginning of operation of the electric range is small, thus eliminating the user's risk due to overcurrent, and the electric range is stable without additional parts such as TRIAC. Operation is possible.

반면 Ag가 전기 레인지의 면상 발열체로 사용되면, Ag의 지나치게 낮은 비저항과 높은 저항 온도변화 특성은 전기 레인지의 초기 가동 시 초기 돌입전류를 크게 증가시키는 위험과 함께 TRIAC와 같은 별도의 부품을 요하는 단점을 초래한다.On the other hand, when Ag is used as a planar heating element of an electric range, the excessively low specific resistance and high resistance temperature change characteristics of Ag require a separate component such as TRIAC along with the risk of greatly increasing the initial inrush current during the initial operation of the electric range. Results.

본 발명의 일 실시예에서 상기 면상 발열체층(30)은 패이스트 상태로 기판(10) 또는 절연층(20) 상에 후막 코팅된다.In one embodiment of the present invention, the planar heating element layer 30 is coated with a thick film on the substrate 10 or the insulating layer 20 in a paste state.

본 발명에서의 패이스트는 용매와 유기 바인더 등의 필수 구성성분과 각종 유기 첨가제와 같은 선택 성분이 포함된 비히클(Vehicle)과 소성(또는 소결) 후에 기판 상에서 주요 기능을 담당하는 무기물 등의 입자(powder)가 혼합된 상태의 재료를 의미한다.In the present invention, the paste is a vehicle containing essential components such as a solvent and an organic binder and optional components such as various organic additives, and particles such as inorganic substances that play a major function on the substrate after firing (or sintering). powder) is mixed.

구체적으로 본 발명의 일 실시예에서의 패이스트는 전체 패이스트를 100 중량 %로 할 때, NiCr 합금 또는 FeNiCr 합금 또는 FeCoNi 합금 파우더 40~60 중량 %, 나노 파우더 10 내지 30 중량 %, 글래스 프릿(glass frit) 5 중량% 이하(0 중량 %는 제외), 유기바인더 20 내지 40 중량%, 용매 5 내지 15 중량% 및 분산제를 포함하는 각종 첨가제 1 내지 10 중량%를 포함한다.Specifically, the paste in an embodiment of the present invention is a NiCr alloy or FeNiCr alloy or FeCoNi alloy powder 40 to 60% by weight, nano powder 10 to 30% by weight, glass frit when the total paste is 100% by weight ( glass frit) 5% by weight or less (excluding 0% by weight), 20 to 40% by weight of an organic binder, 5 to 15% by weight of a solvent, and 1 to 10% by weight of various additives including a dispersant.

본 발명의 면상 발열체층(30)의 형성을 위한 패이스트에 적용되는 NiCr 합금 또는 FeNiCr 합금 또는 FeCoNi 합금 파우더는 면상 발열체층(30)의 전기적 특성 및 기계적 특성을 결정한다. 특히 상기 합금 파우더는 최종 면상 발열체층(30)의 비저항을 결정함으로써 면상 발열체가 포함되는 전기 레인지의 성능을 결정한다. 더 나아가 상기 합금 파우더는 면상 발열체층(30)의 파괴 인성 및 접착력을 결정함으로써 전기 레인지의 수명 및 신뢰성에 큰 영향을 미친다.The NiCr alloy, FeNiCr alloy, or FeCoNi alloy powder applied to the paste for the formation of the planar heating element layer 30 of the present invention determines the electrical properties and mechanical properties of the planar heating element layer 30. In particular, the alloy powder determines the performance of the electric range in which the planar heating element is included by determining the specific resistance of the final planar heating element layer 30. Furthermore, the alloy powder has a great influence on the life and reliability of the electric range by determining the fracture toughness and adhesion of the planar heating element layer 30.

보다 구체적으로 본 발명의 실시예에서의 상기 NiCr 합금 또는 FeNiCr 합금 또는 FeCoNi 합금 파우더는 평균 입도(D50)가 10㎚ 내지 10㎛인 것이 바람직하다. 만일 합금 파우더는 입도(D50)가 10㎚보다 작은 경우, 파우더의 표면적이 지나치게 커지고 파우더의 활성이 높아진다. 그 결과 패이스트 상태에서 상기 합금 파우더의 분산이 균일하게 발생하지 못하는 문제가 발생한다. 반면 상기 합금 파우더는 입도(D50)가 10㎛보다 커지게 되면, NiCr 합금 또는 FeNiCr 합금 또는 FeCoNi 합금 파우더 사이의 네크가 적게 발생하거나 파우더가 균일하게 분산되지 못한다. 그 결과 비저항이 지나치게 커지고 면상 발열체층(30)과 하부의 기지(10) 또는 절연층(20) 사이의 접착력이 약해지는 단점이 있다.More specifically, the NiCr alloy or FeNiCr alloy or FeCoNi alloy powder in the embodiment of the present invention preferably has an average particle size (D50) of 10 nm to 10 μm. If the alloy powder has a particle size (D50) of less than 10 nm, the surface area of the powder becomes too large and the activity of the powder increases. As a result, there is a problem in that the dispersion of the alloy powder does not occur uniformly in the paste state. On the other hand, when the particle size (D50) of the alloy powder becomes larger than 10 μm, the neck between the NiCr alloy, FeNiCr alloy, or FeCoNi alloy powder occurs less, or the powder cannot be uniformly dispersed. As a result, there is a disadvantage in that the specific resistance is excessively increased, and the adhesion between the planar heating element layer 30 and the base 10 or the insulating layer 20 below it is weakened.

한편 본 발명에서의 상기 NiCr 합금 또는 FeNiCr 합금 또는 FeCoNi 합금 파우더는 다양한 방법에 의해 제조가 가능하다. 비 한정적인 예로써 전기선 폭발법이나 열-플라즈마 공정법 등을 통해서 제조가 가능하나, 반드시 상기 예시된 방법 이외에도 다양한 방법으로 제조할 수 있다.Meanwhile, the NiCr alloy or FeNiCr alloy or FeCoNi alloy powder in the present invention can be manufactured by various methods. As a non-limiting example, it may be manufactured through an electric wire explosion method or a thermal-plasma process method, but it may be manufactured by various methods other than the above-described method.

만일 상기 합금 파우더의 함량이 40 중량% 미만이면, 최종 면상 발열체층(30)의 비저항이 지나치게 커지게 된다. 또한 소결 이후 최종 면상 발열체층(30)의 두께가 너무 얇아지는 문제를 유발할 수 있다. 반면 상기 합금 파우더의 함량이 60 중량%를 초과하게 되면, 최종 면상 발열체층(30)과 하부의 절연층(20)과의 접착력이 떨어지게 된다.If the content of the alloy powder is less than 40% by weight, the specific resistance of the final planar heating element layer 30 becomes too large. Also, after sintering, the thickness of the final planar heating element layer 30 may become too thin. On the other hand, when the content of the alloy powder exceeds 60% by weight, adhesion between the final planar heating element layer 30 and the lower insulating layer 20 decreases.

한편 상기 나노 파우더는 본 발명의 면상 발열체층(30)을 형성 시 열 소결법 대비 상대적으로 저온인 광 소결 공정 온도에서도 액상을 형성함으로써 상기 합금 파우더들 사이의 기공(pore)를 메우게 된다.Meanwhile, when forming the planar heating element layer 30 of the present invention, the nano-powder fills pores between the alloy powders by forming a liquid phase even at a relatively low temperature light sintering process temperature compared to the thermal sintering method.

상기 나노 파우더의 상기 합금 파우더들 사이의 기공 메움은 본 발명의 면상 발열체층(30)의 특성을 극적으로 개선시킬 수 있다.The filling of the pores between the alloy powders of the nano-powder can dramatically improve the characteristics of the planar heating element layer 30 of the present invention.

나노 파우더의 상기 기공 메움은 본 발명의 면상 발열체층(30)의 비저항을 결정하는 합금 파우더들 사이의 전기적 연결을 높임으로써 면상 발열체층(30)의 비저항을 더욱 낮출 수 있다. 그 결과 본 발명에서의 면상 발열체층(30)은 나노 파우더로 인해 금속 고유의 낮은 비저항을 가질 수 있다.The filling of the pores of the nano-powder can further lower the specific resistance of the planar heating element layer 30 by increasing the electrical connection between alloy powders that determine the specific resistance of the planar heating element layer 30 of the present invention. As a result, the planar heating element layer 30 in the present invention may have a low specific resistance inherent to metal due to the nano powder.

상기 기공 메움은 면상 발열체층(30)과 하부의 기판(10) 또는 절연층(20)과의 접촉 면적을 넓힘으로써 면상 발열체층(30)의 접착 강도를 크게 향상시킬 수 있다. 특히 면상 발열체층(30)의 접착 강도 증가는 본 발명의 금속 재료를 포함하는 면상 발열체층(30)이 이종 재료인 기판(10) 또는 절연층(20)과 접착이 어렵다는 점에서 매우 고무적인 효과라 할 수 있다.The filling of the pores can greatly improve the adhesive strength of the planar heating element layer 30 by increasing a contact area between the planar heating element layer 30 and the lower substrate 10 or the insulating layer 20. In particular, the increase in the adhesive strength of the planar heating element layer 30 is a very encouraging effect in that it is difficult for the planar heating element layer 30 including the metal material of the present invention to adhere to the substrate 10 or the insulating layer 20 which is a different material. Can be said.

또한 상기 나노 파우더는 비교적 저온인 광 소결 공정 온도에서 액상을 형성함으로써 면상 발열체층(30)의 또 다른 주 성분인 상기 합금 파우더들을 액상으로 코팅함으로써 분위기로부터 상기 합금 파우더들을 보호할 수 있다. 이 결과 소결 공정 분위기로부터 합금 파우더들의 산화를 효과적으로 방지하여 면상 발열체층(30)의 비저항의 원하지 않는 증가를 효과적으로 방지할 수 있다.In addition, the nano-powder may protect the alloy powder from the atmosphere by coating the alloy powder, which is another main component of the planar heating element layer 30, in a liquid state by forming a liquid phase at a relatively low temperature of the optical sintering process. As a result, it is possible to effectively prevent oxidation of the alloy powder from the atmosphere of the sintering process, thereby effectively preventing an unwanted increase in the specific resistance of the planar heating element layer 30.

특히 광 소결 공정과 본 발명의 상기 나노 파우더가 포함된 패이스트를 이용하여 면상 발열체층(30)이 제조될 경우, 상기 나노 파우더의 첨가 효과는 더욱 극적인 효과를 가져올 수 있다.In particular, when the planar heating element layer 30 is manufactured using the photo-sintering process and the paste containing the nano-powder of the present invention, the addition effect of the nano-powder may bring a more dramatic effect.

광 소결 공정은 매우 짧은 공정 시간을 가지므로 기판(10) 또는 절연층(20)의 변형을 방지할 수 있는 장점이 있는 반면, 짧은 공정 시간으로 인해 상기 합금 파우더들 사이에 형성되는 연결 기공(interconnected pore)나 고립 기공(isolated pore)의 제거가 어렵다는 단점이 있다. The optical sintering process has an advantage of preventing deformation of the substrate 10 or the insulating layer 20 because it has a very short process time, whereas interconnected pores formed between the alloy powders due to a short process time There is a disadvantage in that it is difficult to remove pores or isolated pores.

구체적으로 설명하면, 일반적으로 광 소결 초기에서 중기까지는 상기 합금 파우더들 사이에 네크(neck)들과 상기 네크들 사이에 연결 기공이 형성된다. 소결 시간이 더 증가한 광 소결 말기에는 상기 연결 기공이 각각 분리된 고립 기공이 형성된다. 이때 광 소결 공정에서의 짧은 공정 시간은 통상적인 열 소결 공정과 달리 상기 고립 기공의 합체 내지는 성장과 입자 성장의 발생을 어렵게 한다. 따라서 상기 합금 입자들 사이에 위치하는 고립 기공은 광 소결 공정의 짧은 공정 시간으로 인해 상기 합금 입자들과 유사한 정도의 크기를 가지고 광 소결이 완료된 이후에 면상 발열체층(30) 내에 그대로 존재하게 된다. Specifically, in general, necks between the alloy powders and connecting pores between the necks are formed between the initial to the middle of the light sintering. At the end of the optical sintering when the sintering time is further increased, isolated pores in which the connecting pores are separated from each other are formed. In this case, the short process time in the optical sintering process makes it difficult to generate the coalescence or growth of the isolated pores and grain growth unlike a conventional thermal sintering process. Therefore, the isolated pores positioned between the alloy particles have a size similar to that of the alloy particles due to the short process time of the optical sintering process and remain in the planar heating element layer 30 after the optical sintering is completed.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 합금 파우더의 크기가 10㎚ 내지 10㎛인 점을 고려할 때, 상기 고립 기공의 평균 크기는 최대 10㎛를 초과하지 않는다. 다만 상기 합금 파우더도 일반적인 파우더와 같이 크기 면에서 분포를 가진다는 점을 감안하면, 상기 고립 기공의 평균 크기는 최대 수 ㎛ 정도이다.Considering that the size of the alloy powder according to an embodiment of the present invention is 10 nm to 10 μm, the average size of the isolated pores does not exceed a maximum of 10 μm. However, considering that the alloy powder also has a distribution in size like a general powder, the average size of the isolated pores is about a maximum of several μm.

한편 광 소결 동안 공정 시간이 충분히 길게 유지되면, 상기 합금 파우더들 사이의 고립 기공의 제거가 가능할 수도 있다. 그러나 공정 시간이 길어지면, 기판(10) 등의 변형이 지나치게 많이 일어날 뿐만 아니라 상기 합금 파우더들의 산화도 지나치게 많이 발생하게 된다. 그 결과 공정 시간이 길어질수록 면상 발열체층(30)과 하부의 기판(10) 또는 절연층(20)과의 접착력은 감소하고 면상 발열체층(30)의 비저항은 증가하게 되어, 광 소결 고유의 짧은 공정 시간 및 금속 합금 고유의 낮은 비저항이라는 이점은 없어진다.On the other hand, if the process time is maintained sufficiently long during optical sintering, it may be possible to remove isolated pores between the alloy powders. However, when the process time is prolonged, not only the deformation of the substrate 10 or the like occurs too much, but also the oxidation of the alloy powder occurs too much. As a result, as the process time increases, the adhesion between the planar heating element layer 30 and the lower substrate 10 or the insulating layer 20 decreases and the specific resistance of the planar heating element layer 30 increases. The advantages of processing time and low resistivity inherent in metal alloys are lost.

따라서 소결 마지막 단계에서 형성되는 상기 합금 파우더들 사이에 존재하는 고립 기공의 제거는 광 소결 공정을 통해서는 현실적으로 불가능하다. 그 결과 광 소결에 의해 형성되는 면상 발열체층(30)은 재료 고유의 비저항보다 더 높은 비저항을 필연적으로 가질 수 밖에 없다.Therefore, it is practically impossible to remove the isolated pores existing between the alloy powders formed in the final step of sintering through the optical sintering process. As a result, the planar heating element layer 30 formed by light sintering inevitably has a specific resistance higher than the specific resistance of the material.

본 발명의 상기 나노 파우더를 포함하는 패이스트를 이용하게 되면, 상기 합금 파우더들 사이에 존재하며 상기 합금 파우더들 크기와 유사한 크기를 가지는 고립 기공들이 광 소결 공정의 짧은 공정 시간 동안 상기 나노 파우더에 의해 형성된 액상에 의해 효과적으로 매워질 수 있다. 그 결과 본 발명의 나노 파우더를 이용한 면상 발열체층(30)은 짧은 공정 시간에도 불구하고 상기 합금 고유의 낮은 비저항을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 기판(10) 또는 절연층(20)의 변형을 방지하여 면상 발열체층(30)의 높은 접착 강도를 확보할 수 있다. 또한 본 발명의 나노 파우더를 이용한 면상 발열체층(30)은 상기 합금 파우더들 크기와 유사한 크기를 가지면서 상기 합금 파우더들 사이에 존재하는 고립기공들이 광 소결 동안 액상에 의해 채워짐으로써 상기 고립기공들을 포함하지 않는 미세조직적 특징을 가진다.When the paste containing the nano-powder of the present invention is used, isolated pores present between the alloy powders and having a size similar to the size of the alloy powders are formed by the nano-powder during a short process time of the optical sintering process. It can be effectively spicy by the liquid phase formed. As a result, the planar heating element layer 30 using the nano-powder of the present invention can not only secure the low specific resistance inherent to the alloy despite a short process time, but also prevent deformation of the substrate 10 or the insulating layer 20 High adhesion strength of the planar heating element layer 30 can be ensured. In addition, the planar heating element layer 30 using the nano-powder of the present invention has a size similar to the size of the alloy powders and contains the isolated pores by filling the isolated pores between the alloy powders by a liquid phase during light sintering. It has microstructural features that do not.

한편 상기 나노 파우더는 저온 융점을 가짐으로써 면상 발열체층(30)의 형성에 필요한 광 조사 에너지 또는 열 에너지를 감소시킬 수 있으므로, 에너지 및 공정 시간의 단축과 함께 기판(10)의 변형 또는 손상(damage) 방지에 더욱 유리한 이점이 있다. Meanwhile, since the nano-powder has a low-temperature melting point, light irradiation energy or thermal energy required for the formation of the planar heating element layer 30 can be reduced, thus reducing the energy and processing time and reducing the deformation or damage of the substrate 10. ) There is a more advantageous advantage in prevention.

특히 상기 나노 파우더는 광 소결 공정과 조합될 경우 소결도의 향상에 매우 효과적이다. 광소결 공정에서는 짧은 시간 동안 높은 광 에너지를 공급함으로써 면상 발열체층(30)을 형성한다. 특히 광 소결에서는 공정 시간이 종래의 열 소결 대비 짧으므로 합금 파우더들 사이의 간격이 매우 중요하다.In particular, the nano-powder is very effective in improving the degree of sintering when combined with an optical sintering process. In the photosintering process, the planar heating element layer 30 is formed by supplying high light energy for a short time. In particular, in optical sintering, since the process time is shorter than that of conventional thermal sintering, the spacing between alloy powders is very important.

소결도(또는 소결 밀도)를 높이기 위해서는 확산과 같은 물질 이동 현상이 발생해야 하고 확산거리는 확산계수와 공정 시간에 비례한다. 따라서 열 소결법 대비 공정 시간이 짧은 광 소결 공정에서는 물질 이동 현상이 더욱 제한적일 수 밖에 없다. In order to increase the degree of sintering (or sintering density), a mass transfer phenomenon such as diffusion must occur, and the diffusion distance is proportional to the diffusion coefficient and the process time. Therefore, in the optical sintering process, which has a shorter process time compared to the thermal sintering method, the mass transfer phenomenon is bound to be more limited.

만일 상기 합금 파우더들 사이의 공간을 나노 파우더가 메우게 되면, 비록 광 소결 공정에서의 공정 시간이 짧더라도 상기 합금 파우더들 사이에 위치하는 상기 나노 파우더들로 인해 물질 이동이 원활하게 일어날 수 있다. 그 결과 짧은 공정 시간에도 불구하고 본 발명에 의한 면상 발열체층(30)은 우수한 소결도를 가질 수 있다.If nano-powder fills the space between the alloy powders, even if the process time in the optical sintering process is short, material movement may occur smoothly due to the nano-powders located between the alloy powders. As a result, despite a short process time, the planar heating element layer 30 according to the present invention may have an excellent degree of sintering.

본 발명의 일 실시예에서의 상기 나노 파우더는 1 내지 50 ㎚의 입도(D50)를 가지는 것이 바람직하다.It is preferable that the nano-powder in one embodiment of the present invention has a particle size (D50) of 1 to 50 nm.

만일 상기 나노 파우더의 입도가 1㎚보다 작으면, 지나치게 작은 크기로 인해 나노 파우더의 응집(agglomeration)이 발생하여 패이스트 내부에서의 나노 파우더의 균일한 분산(dispersion)이 어렵고 더 나아가 패이스트 점도(viscosity)의 급격한 상승으로 인해 균일한 코팅 및 패이스트의 장시간 보관이 어려워지는 문제가 있다.If the particle size of the nano-powder is less than 1 nm, agglomeration of the nano-powder occurs due to the excessively small size, making it difficult to uniformly disperse the nano-powder inside the paste, and furthermore, the paste viscosity ( There is a problem that it is difficult to store a uniform coating and paste for a long time due to a rapid increase in viscosity).

반면 상기 나노 파우더의 입도가 50㎚보다 크면, 나노 파우더의 표면적이 지나치게 작아서 융점 저하 현상이 제대로 구현되기 어려운 문제가 있다. On the other hand, when the particle size of the nano-powder is larger than 50 nm, the surface area of the nano-powder is too small, so that it is difficult to properly implement the phenomenon of lowering the melting point.

본 발명의 일 실시예에서의 상기 나노 파우더는 전체 패이스트 대비 10 내지 30 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.The nano-powder in an embodiment of the present invention is preferably contained in an amount of 10 to 30% by weight based on the total paste.

만일 상기 나노 파우더의 함량이 10 중량 %보다 작다면, 소결 공정 중에 액상량이 적어서 액상은 상기 합금 파우더들 사이의 목(neck) 부분에만 소량 존재하게 된다. 이 경우 소결 초기의 기공은 서로 연결된 기공(interconnected pore) 형태로 남아있게 될 것이며, 소결이 진행되면서 기공이 고립(isolated)된 다음에도 상기 고립 기공(isolated pore)이 액상으로 채워질 수 있는 조건에 도달하는 데에는 매우 오랜 시간이 필요하기 때문이다. 특히 광 소결 공정과 같이 공정 시간이 짧은 경우, 고립 기공은 액상으로 채워지기 어려우므로 최종 생성되는 면상 발열체층(30)은 기공을 그대로 포함하게 되어 전기 비저항이 높아지고 기판(10)과의 밀착력이 떨어지는 문제가 발생되기 쉽다. If the content of the nano-powder is less than 10% by weight, the amount of liquid phase is small during the sintering process, so that a small amount of liquid phase is present only in the neck between the alloy powders. In this case, the pores at the initial stage of sintering will remain in the form of interconnected pores, and even after the pores are isolated as the sintering proceeds, the condition is reached in which the isolated pores can be filled with a liquid phase. Because it takes a very long time to do it. In particular, when the process time is short, such as in the optical sintering process, the isolated pores are difficult to be filled with a liquid, so the finally generated planar heating element layer 30 contains the pores as it is, resulting in high electrical resistivity and poor adhesion to the substrate 10. It is prone to problems.

반면 상기 나노 파우더의 함량이 30 중량 %보다 커지면, 소결 공정 중에 액상으로 존재하는 나노 파우더의 양이 지나치게 많게 된다. 그 결과 나노 파우더 자체의 산화가 과도하게 되어 면상 발열체층(30)의 비저항이 증가될 수 있다. 또한 소결 공장 중에 액상 량이 지나치게 많아 과도한 유동으로 인해 면상 발열체층(30)의 수축이 불균일하게 발생하고 상기 합금 파우더들의 네트워크(network)가 불균일하게 형성됨으로써 면상 발열체층(30)의 비저항이 상승되는 문제가 있다.On the other hand, when the content of the nano-powder is greater than 30% by weight, the amount of the nano-powder present as a liquid during the sintering process is excessively large. As a result, the oxidation of the nano-powder itself becomes excessive, so that the specific resistance of the planar heating element layer 30 may be increased. In addition, the amount of liquid phase in the sintering plant is too large, and due to excessive flow, the shrinkage of the planar heating element layer 30 occurs unevenly, and the network of the alloy powders is formed unevenly, thereby increasing the specific resistance of the planar heating element layer 30. There is.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 파우더는 Ni, Ag, Mn, Zn, Cu 등의 금속 재료를 하나 또는 둘 이상 포함할 수 있다. 또한 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 파우더는 MgO, CuO, MnO₂ 또는 Bi₂O₃의 산화물을 하나 또는 둘 이상 포함할 수 있다. 다만 상기 나노 파우더를 구성하는 상기 금속 또는 세라믹 성분들 각각은 융점 및 비중이 상이하므로 각각의 융점과 비중, 그리고 공정 조건에 맞게 액상량을 설정함으로써 나노 파우더의 첨가량을 조절하는 것이 보다 바람직하다.Nano powder according to an embodiment of the present invention may include one or two or more metal materials such as Ni, Ag, Mn, Zn, Cu. In addition, the nano-powder according to an embodiment of the present invention may include one or more oxides of MgO, CuO, MnO ₂ or Bi ₂ O ₃ . However, since each of the metal or ceramic components constituting the nano-powder has different melting points and specific gravity, it is more preferable to control the amount of the nano-powder added by setting the liquid phase amount according to each melting point, specific gravity, and process conditions.

패이스트 성분 중 글래스 프릿은 면상 발열체층(30)을 하부의 절연층(20)과 결합하게 하는 무기 결합제로서의 기능과 및 면상 발열체층(30)의 저항 특성을 조절하는 기능을 한다. 또한 글래스 프릿은 면상 발열체층(30)에 전극 보호 및 절연 특성을 부여한다.Among the paste components, the glass frit functions as an inorganic binder for bonding the planar heating element layer 30 to the lower insulating layer 20 and functions to control the resistance characteristics of the planar heating element layer 30. In addition, the glass frit imparts electrode protection and insulating properties to the planar heating element layer 30.

만일 글래스 프릿의 함량이 0 중량% 이면(다시 말하면 글래스 프릿이 포함되지 않으면), 최종 면상 발열체층(30)의 하부의 기판(10) 또는 절연층(20)과의 접착력이 약하게 된다. 반면 글래스 프릿의 함량이 5 중량%를 초과하게 되면, 최종 면상 발열체층(30)의 비저항이 지나치게 높아져서 출력이 낮아지는 문제가 발생한다.If the content of the glass frit is 0% by weight (that is, if the glass frit is not included), the adhesion to the substrate 10 or the insulating layer 20 under the final planar heating element layer 30 is weak. On the other hand, when the content of the glass frit exceeds 5% by weight, the specific resistance of the final planar heating element layer 30 becomes too high, resulting in a problem of lowering the output.

한편 본 발명의 일 실시예의 패이스트는 패이스트 내의 파우더들의 분산과 패이스트 점도의 과도한 상승을 억제하기 위해 상기 NiCr, FeNiCr 또는 FeCoNi 합금 파우더, 나노 파우더 등의 고형분들을 최대 70 중량 % 포함하는 것이 바람직하다. 상기 고형분들의 패이스트 내의 최대 함량이 65 중량 % 이하인 것이 보다 바람직하다. Meanwhile, the paste of an embodiment of the present invention preferably contains up to 70% by weight of solids such as NiCr, FeNiCr or FeCoNi alloy powder, nano powder, etc. in order to suppress the dispersion of powders in the paste and excessive increase in paste viscosity. Do. It is more preferable that the maximum content of the solids in the paste is 65% by weight or less.

패이스트 성분 중 유기 바인더는 상기 NiCr, FeNiCr 또는 FeCoNi 합금 파우더, 나노 파우더 등의 고형분들을 혼합 및 분산시키는 기능을 하며, 스크린 프린팅과 같은 패이스트의 코팅 시 패이스트의 유동성 및 코팅막의 안정성에 영향을 미친다. Among the paste ingredients, the organic binder functions to mix and disperse solids such as the NiCr, FeNiCr or FeCoNi alloy powder, nano powder, etc., and has an effect on the fluidity of the paste and the stability of the coating film when coating a paste such as screen printing. Crazy.

본 발명에서의 상기 유기 바인더는 열가소성 및/또는 열경화성 수지를 포함할 수 있다. 열가소성 바인더로는 아크릴, 에틸셀룰로오스, 폴리에스테르, 폴리설폰, 페녹시, 폴리아미트계 등이 사용될 수 있다. 열경화성 바인더로는 아미노, 에폭시, 페놀 등이 사용될 수 있다. 이 때 상기 유기 바인더는 단독으로 사용되거나 2종 이상을 혼합해서 사용할 수 있다.The organic binder in the present invention may include a thermoplastic and/or thermosetting resin. As the thermoplastic binder, acrylic, ethyl cellulose, polyester, polysulfone, phenoxy, polyamide, and the like may be used. As the thermosetting binder, amino, epoxy, phenol, and the like may be used. In this case, the organic binder may be used alone or in combination of two or more.

만일 유기 바인더의 함량이 20 중량% 미만이면, 면상 발열체의 코팅시 코팅막의 기계적 안정성이 떨어져서 코팅막이 안정적으로 유지되기 어려워 진다. 반면 유기 바인더의 함량이 40 중량%를 초과하게 되면, 높은 유동성으로 인해 코팅막의 기계적 안정성이 떨어지며 최종 면상 발열체층(30)의 두께가 지나치게 얇아지는 문제가 있다.If the content of the organic binder is less than 20% by weight, the mechanical stability of the coating film is deteriorated when the planar heating element is coated, and it becomes difficult to stably maintain the coating film. On the other hand, when the content of the organic binder exceeds 40% by weight, the mechanical stability of the coating film is deteriorated due to high fluidity, and there is a problem that the thickness of the final planar heating element layer 30 becomes too thin.

용매는 패이스트 내의 유기물, 특히 중합체의 완전한 용해를 확보하면서 대기압 하에서 비교적 낮은 수준의 열을 가했을 때에도 증발이 가능하도록 충분히 높은 휘발성을 갖는 것이 바람직하다. 또한 용매는 유기 매질에 함유된 임의의 다른 첨가제의 분해 온도 또는 비점 미만에서 잘 끓어야 한다. 즉, 150℃ 미만의 대기압 비점을 갖는 용매가 가장 흔하게 사용된다. It is preferable that the solvent has a sufficiently high volatility so that evaporation is possible even when a relatively low level of heat is applied under atmospheric pressure while ensuring complete dissolution of the organic matter in the paste, particularly the polymer. In addition, the solvent should boil well below the decomposition temperature or boiling point of any other additives contained in the organic medium. That is, a solvent having an atmospheric pressure boiling point of less than 150°C is most commonly used.

본 발명에서의 상기 용매는 유기 바인더의 종류에 따라 선택된다. 일반적으로 용매로써는 방향족 탄화수소류, 에테르류, 케톤류, 락톤류, 에테르 알콜류, 에스테르류 및 디에스테르류 등이 사용될 수 있다. 비한정적인 구체적인 예로써 그러한 용매로는 부틸카르비톨, 부틸카르비톨아세테이트, 아세톤, 크실렌, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 메틸 에틸 케톤, 에틸 아세테이트, 1,1,1-트리클로로에탄, 테트라클로로에틸렌, 아밀 아세테이트, 2,2,4-트리에틸 펜탄 디올-1,3-모노이소부티레이트, 톨루엔, 메틸렌 클로라이드 및 플루오로카본이 포함된다. 이 때 상기 용매는 단독으로 사용되거나 2종 이상을 혼합해서 사용할 수 있다. 특히 다른 용매(들)과 혼합된 용매는 바이더 중합체의 완전한 용해에 바람직하다.The solvent in the present invention is selected according to the type of organic binder. In general, aromatic hydrocarbons, ethers, ketones, lactones, ether alcohols, esters and diesters may be used as the solvent. As a non-limiting specific example, such solvents include butylcarbitol, butylcarbitol acetate, acetone, xylene, methanol, ethanol, isopropanol, methyl ethyl ketone, ethyl acetate, 1,1,1-trichloroethane, tetrachloroethylene, Amyl acetate, 2,2,4-triethyl pentane diol-1,3-monoisobutyrate, toluene, methylene chloride and fluorocarbons. In this case, the solvent may be used alone or in combination of two or more. In particular, solvents mixed with other solvent(s) are preferred for complete dissolution of the provider polymer.

만일 용매의 함량이 5 중량% 미만이면, 패이스트의 유동성이 크게 부족하여 스크린 프린팅과 같은 코팅에 의해 면상 발열체층(30)의 형성이 어렵게 된다. 반면 용매 함량이 15 중량%를 초과하게 되면, 패이스트의 높은 유동성으로 인해 코팅막의 기계적 안정성이 떨어지는 문제가 있다.If the content of the solvent is less than 5% by weight, the fluidity of the paste is largely insufficient, making it difficult to form the planar heating element layer 30 by coating such as screen printing. On the other hand, when the solvent content exceeds 15% by weight, there is a problem that the mechanical stability of the coating film is deteriorated due to the high fluidity of the paste.

본 발명에서의 패이스트는 첨가제로써 예컨데 가소제, 이형제, 분산제, 박리제, 소포제, 안정제 및 습윤제 등이 포함될 수 있다. 상기 첨가제들 가운데 특히 분산제가 포함되는 것이 바람직하다. 본 발명의 패이스트에는 상기 합금 파우더뿐만 아니라 미세한 나노 파우더를 고형분으로써 포함하고 있는데 상기 파우더들은 분산이 어렵고 그로 인해 패이스트의 점도를 급격히 상승시킬 가능성이 있기 때문이다. 분산제의 비한정적인 구체적인 예로써 인산계 분산제 등이 첨가될 수 있다.The paste in the present invention may include a plasticizer, a release agent, a dispersant, a release agent, a defoaming agent, a stabilizer and a wetting agent as additives. It is particularly preferable that a dispersant is included among the additives. The paste of the present invention contains not only the alloy powder but also the fine nano-powder as a solid content, because the powders are difficult to disperse and there is a possibility that the viscosity of the paste may be rapidly increased. As a non-limiting specific example of the dispersant, a phosphoric acid-based dispersant or the like may be added.

본 발명에서 면상 발열체층(30) 형성을 위한 상기 패이스트는 제조 후에 기판 또는 절연층의 표면에 코팅하게 된다. 상기 패이스트는 상기 합금 파우더 및 나노 파우더 등을 포함하는 고형분과 상기 유기용제, 유기바인더 및 첨가제를 믹서 및 3롤 밀을 이용하여 10~30℃의 온도로 2 내지 6시간 혼합함으로써 제조될 수 있다. 상기 패이스트 내에서 파우더들 특히 나노 파우더들 간의 분산을 위해 나노 파우더를 먼저 단독으로 패이스트 내에 분산시킨 후, 상기 합금 파우더를 첨가하여 다시 분산시키는 것도 바람직하다.In the present invention, the paste for forming the planar heating element layer 30 is coated on the surface of the substrate or the insulating layer after manufacture. The paste can be prepared by mixing solids including the alloy powder and nano powder, the organic solvent, organic binder, and additives at a temperature of 10 to 30° C. for 2 to 6 hours using a mixer and a three-roll mill. . In order to disperse the powders, particularly the nano powders, in the paste, it is preferable to first disperse the nano powders alone in the paste, and then add the alloy powder to disperse again.

상기 코팅 방법은, 비한정적인 일예로 스크린 인쇄기를 이용하여 패이스트를 도포함으로써 적용될 수 있다. 다른 예로는, 상기 패이스트를 별도의 가요성 기판 위에 캐스팅한 후, 케스팅된 층을 가열하여 휘발성 용매를 제거함으로써 그린 테이프를 형성한 후, 상기 테이프를 상기 기판 위에 롤러 등을 이용하여 적층함으로써 면상 발열체층이 형성될 수도 있다.The coating method may be applied by applying a paste using a screen printing machine as a non-limiting example. In another example, after casting the paste on a separate flexible substrate, heating the cast layer to remove a volatile solvent to form a green tape, and then laminating the tape on the substrate using a roller, etc. A heating element layer may be formed.

상기 코팅단계 이후, 소정의 온도에서 상기 코팅된 면상 발열체층(30)용 패이스트를 건조하는 단계가 포함된다. 상기 건조 단계는 통상 비교적 저온인 200℃ 이하에서 진행된다. 건조 단계에서는 주로 용매가 증발되게 된다.After the coating step, a step of drying the paste for the coated planar heating element layer 30 at a predetermined temperature is included. The drying step is usually carried out at a relatively low temperature of 200°C or less. In the drying step, the solvent is mainly evaporated.

상기 건조 단계 이후에는 소결과 같은 소성 공정에 의해 면상 발열체층(30)이 형성된다.After the drying step, the planar heating element layer 30 is formed by a firing process such as sintering.

면상 발열체의 제조 공정에 있어서 종래에는 금속 합금, 세라믹과 같은 고융점 성분들의 소성을 위해 고온의 장시간 열처리가 수행되었다. 상기 고온에서의 장시간 열처리는 내부 단열재와 같은 고립된 시스템을 필요로 한다. 나아가 오염 물질이 고온 장시간이라는 분위기에 의해 상기 면상 발열체를 오염시켜 면상 발열체를 손상시킬 수 있다. 또한 면상 발열체층(30) 하부의 절연층(20) 및/또는 기판(10)도 함께 장시간 동안 고온의 분위기에 노출되므로, 절연층(20) 및 기판(10)으로 사용 가능한 재료가 매우 한정적일 뿐만 아니라 절연층(20) 및 기판(10)의 오염 가능성이 높다는 문제가 있다.In the manufacturing process of the planar heating element, high-temperature heat treatment has been performed for a long time in order to sinter high melting point components such as metal alloys and ceramics. The long-term heat treatment at high temperature requires an isolated system such as an internal insulation. Furthermore, contaminants may contaminate the planar heating element by an atmosphere of high temperature for a long time, thereby damaging the planar heating element. In addition, since the insulating layer 20 and/or the substrate 10 under the planar heating element layer 30 are also exposed to a high-temperature atmosphere for a long time, the materials that can be used as the insulating layer 20 and the substrate 10 are very limited. In addition, there is a problem that there is a high possibility of contamination of the insulating layer 20 and the substrate 10.

이에 반해 본 발명의 면상 발열체의 제조 방법은 고온에서의 장시간 열처리하지 않는 열처리 방법을 적용하여 면상 발열체층(30)을 소성하는 것을 특징으로 한다. 이를 위해 본 발명의 면상 발열체 제조 방법에서는 극단파 백색광을 이용한 광소결 공정이 적용되었다.In contrast, the method of manufacturing a planar heating element according to the present invention is characterized in that the planar heating element layer 30 is fired by applying a heat treatment method that does not heat treatment for a long time at a high temperature. To this end, in the method of manufacturing a planar heating element of the present invention, a light sintering process using ultra-short white light was applied.

비한정적인 예로써 제논(Xenon) 램프로부터 발산되는 극단파 백색광이 이용될 수 있다. 이와 같은 극단파 백색광을 상기 건조된 면상 발열체용 패이스트에 조사하면, 극단파 백색광의 빛 에너지에 의해 패이스트가 소결되어 면상 발열체가 형성될 수 있다.As a non-limiting example, extreme white light emitted from a Xenon lamp may be used. When such an extreme-wave white light is irradiated onto the dried paste for a planar heating element, the paste may be sintered by the light energy of the ultra-short white light to form a planar heating element.

보다 구체적으로 극단파 백색광이 건조된 패이스트에 조사되면, 먼저 패이스트 내부에 존재하는 유기물, 특히 바인더가 번-아웃(burn-out)되게 된다. 앞서의 건조 단계에서는 패이스트를 구성하는 유기 비히클 성분들 가운데 주로 용매가 휘발되었다. 따라서 건조 단계 이후에는 잔류하는 유기 비히클 성분들 가운데 바인더 성분이 건조된 패이스트 내부에서 고체의 파우더 성분들을 결합시켜 건조된 패이스트의 기계적 강도를 유지할 수 있다. 이후 광소결 초기 단계에서는 조사된 극단파 백색광의 빛 에너지에 의해 바인더가 제거되게 되는데 이와 같은 현상 또는 단계가 바인더 번-아웃이다. More specifically, when the ultra-high frequency white light is irradiated onto the dried paste, organic substances, particularly the binder, which are present inside the paste, are burned out. In the previous drying step, the solvent was mainly volatilized among organic vehicle components constituting the paste. Therefore, after the drying step, among the remaining organic vehicle components, solid powder components may be combined in the paste where the binder component is dried to maintain the mechanical strength of the dried paste. Subsequently, in the initial stage of photosintering, the binder is removed by the light energy of the irradiated ultra-short white light. Such a phenomenon or step is the binder burn-out.

상기 바인더 번-아웃 이후에는 유기 비히클 성분 대부분은 더 이상 패이스트에 존재하지 않게 된다. 이에 따라 남은 파우더 성분들은 조사된 극단파 백색광에 의해 소결 되어 최종 면상 발열체층(30)을 형성하게 된다. 이 때 파우더 성분들 가운데 상기 NiCr, FeNiCr 또는 FeCoNi 합금 파우더들은 상기 극단파 백색광에 의해 소결 되어 각각의 파우더 사이에서 네크(neck)를 형성함으로써 면상 발열체층(30)의 거시적인 비저항을 감소시킬 수 있다.After the binder burn-out, most of the organic vehicle components are no longer present in the paste. Accordingly, the remaining powder components are sintered by the irradiated microwave white light to form the final planar heating element layer 30. At this time, among the powder components, the NiCr, FeNiCr or FeCoNi alloy powders are sintered by the microwave white light to form a neck between each powder, thereby reducing the macroscopic resistivity of the planar heating element layer 30. .

다만 광 소결에서는 순간적으로 강한 극단파 백색광을 조사하여 샘플에서 발생하는 열로 소결이 되는 방식이기 때문에 열 소결 대비 공정 시간이 짧고 균일한 소결이 어렵다. 따라서 상기 합금 파우더들은 광 소결 이후에도 수 많은 기공(특히 고립 기공)을 포함하게 되어 그 결과 면상 발열체층(30)의 거시적인 비저항이 벌크(bulk) 금속 소재 대비 높고 면상 발열체층(30)과 하부의 절연층(20) 또는 기판(10)과의 접착력이 약하게 되는 문제를 가진다.However, in optical sintering, since it is a method of sintering with heat generated from the sample by irradiating instantaneous intense white light, the process time is short compared to thermal sintering, and uniform sintering is difficult. Therefore, the alloy powders contain a large number of pores (especially isolated pores) even after light sintering, and as a result, the macroscopic resistivity of the planar heating element layer 30 is higher than that of the bulk metal material. There is a problem that the adhesive force with the insulating layer 20 or the substrate 10 is weakened.

한편 면상 발열체층(30)의 소결 밀도를 높여서 하부의 절연층(20) 또는 기판(10)과의 접착력을 높일 수 도 있다. 반면 샘플으로의 광 또는 열 에너지의 투입량이 증가되면, 열 소결에서는 기판이 변형되는 것을 피하지 못하게 되고 광 소결에서는 소결의 불균일성은 더욱 증가되게 된다. 또한 열 소결 및 광 소결 모두 금속 입자의 산화가 과도하게 발생되어 최종 면상 발열체층(30)의 비저항이 크게 증가되는 문제가 발생한다.Meanwhile, the sintered density of the planar heating element layer 30 may be increased to increase adhesion to the lower insulating layer 20 or the substrate 10. On the other hand, if the amount of light or thermal energy input to the sample is increased, the substrate cannot be deformed in thermal sintering, and the non-uniformity of sintering is further increased in optical sintering. In addition, both thermal sintering and optical sintering cause excessive oxidation of metal particles, resulting in a problem that the specific resistance of the final planar heating element layer 30 is greatly increased.

만일 본 발명의 일 실시예와 같이 나노 파우더가 패이스트에 포함되면, 상기 나노 파우더는 광 소결 과정 중에 상기 극단파 백색광에 의해 액상으로 용해되어 상기 합금 파우더들 표면을 웨팅(wetting) 시킨다. 그 결과 상기 나노 파우더에 의한 액상은 상기 합금 파우더들 표면에서의 과도한 산화를 방지할 수 있다.If the nano-powder is included in the paste as in an embodiment of the present invention, the nano-powder is dissolved in a liquid state by the microwave white light during the optical sintering process to wet the surfaces of the alloy powders. As a result, the liquid phase due to the nano-powder can prevent excessive oxidation on the surfaces of the alloy powders.

또한 상기 나노 파우더에 의한 액상은 광 소결 과정 중에 상기 합금 파우더들 사이에 형성되는 연결 기공(interconnected pore) 및 고립 기공(isolated pore)를 효과적으로 채우게 된다. 또한 상기 나노 파우더에 의한 액상은 상기 합금 파우더들의 유동을 증가시키게 된다. In addition, the liquid phase of the nano-powder effectively fills the interconnected pores and the isolated pores formed between the alloy powders during the optical sintering process. In addition, the liquid phase by the nano-powder increases the flow of the alloy powder.

광 소결 공정 중에 진행되는 액상의 일련의 상기 메커니즘에 의해 최종 면상 발열체층(30)의 비저항은 낮은 상태를 유지할 수 있고 소결 균일도는 향상되며 더 나아가 면상 발열체층(30)과 하부의 절연층(20) 또는 기판(10)과의 접착력은 크게 향상될 수 있다. The specific resistance of the final planar heating element layer 30 can be maintained low and the sintering uniformity is improved by a series of mechanisms in the liquid phase that proceeds during the optical sintering process, and furthermore, the planar heating element layer 30 and the lower insulating layer 20 ) Or the adhesion to the substrate 10 can be greatly improved.

이에 더하여 상기 나노 파우더에 의해 형성되는 액상은 면상 발열체층(30) 형성에 필요한 광 에너지를 낮출 수 있다. 그 결과 공정 시간 및 비용이 크게 줄어들 수 있다.In addition, the liquid phase formed by the nano-powder may lower light energy required to form the planar heating element layer 30. As a result, process time and cost can be significantly reduced.

본 발명의 광소결 공정에서의 전체 광 조사 에너지는 40 내지 70 J/㎠인 것이 바람직하다. 만일 전체 광 조사 에너지가 40 J/㎠보다 작으면, 상기 NiCr, FeNiCr 또는 FeCoNi 합금 파우더들 사이에 네크(neck)의 형성이 불완전하여 비록 나노 파우더에 의한 액상이 존재하더라도 광 소결이 되지 않는 문제가 있다. 반면 전체 광 조사 에너지가 70 J/㎠보다 커지게 되면, 지나치게 높은 광 조사 에너지로 인해 비록 나노 파우더에 의한 액상이 상기 NiCr, FeNiCr 또는 FeCoNi 합금 파우더들을 코팅하더라도 상기 합금 파우더들의 산화가 급속히 증가되어 면상 발열체층(30)이 박리되는 문제가 있다.It is preferable that the total light irradiation energy in the photosintering process of the present invention is 40 to 70 J/cm 2. If the total light irradiation energy is less than 40 J/㎠, the formation of a neck between the NiCr, FeNiCr, or FeCoNi alloy powders is incomplete, so even if a liquid phase by nano powders is present, there is a problem that light sintering is not possible. have. On the other hand, when the total light irradiation energy becomes larger than 70 J/㎠, the oxidation of the alloy powders rapidly increases even if the liquid phase by the nano powder coats the NiCr, FeNiCr or FeCoNi alloy powders due to excessively high light irradiation energy. There is a problem that the heating element layer 30 is peeled off.

한편 본 발명의 광 소결 공정은 전체 광 소결 공정 동안 1회 내지 30회의 펄스 수를 가지고 운영될 수 있다. 상기 펄스에서의 광 조사 시간은 1 내지 40 ms의 범위가 바람직하며, 펄스 간격(pulse gap 또는 off time)은 1 내지 500 ms의 범위가 바람직하다.Meanwhile, the optical sintering process of the present invention may be operated with the number of pulses 1 to 30 times during the entire optical sintering process. The light irradiation time in the pulse is preferably in the range of 1 to 40 ms, and the pulse gap or off time is preferably in the range of 1 to 500 ms.

본 발명의 광 소결 공정에 의해 최종 소결된 본 발명의 면상 발열체층(30)은 최종적으로 1 내지 100 ㎛의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 만일 면상 발열체층(30)의 두께가 1 ㎛보다 얇으면, 치수적으로 안정적인 면상 발열체층의 확보가 어려울 뿐만 아니라 국부적인 가열로 인해 면상 발열체층(30)의 열적 및 기계적 안정성이 저하되는 문제가 있다. 반면 면상 발열체층(30)의 두께가 100 ㎛보다 두꺼우면, 기판 및 절연층과 면상 발열체층(30) 간의 재료 또는 열팽창률 등의 차이에서 기인한 크랙 발생가능성이 높아지고 공정 상의 시간이 증가하는 문제가 있다. It is preferable that the planar heating element layer 30 of the present invention finally sintered by the optical sintering process of the present invention has a thickness of 1 to 100 μm. If the thickness of the planar heating element layer 30 is thinner than 1 µm, it is difficult to secure a dimensionally stable planar heating element layer, and the thermal and mechanical stability of the planar heating element layer 30 is deteriorated due to local heating. have. On the other hand, if the thickness of the planar heating element layer 30 is thicker than 100 μm, the possibility of cracking due to the difference in material or thermal expansion coefficient between the substrate and the insulating layer and the planar heating element layer 30 increases, and the process time increases. There is.

한편 본 발명의 상기 합금 파우더를 이용한 면상 발열체층(30)의 최종적인 전기 비저항은 10^-2 내지 10^-4 Ω㎝의 비저항을 가지는 것이 바람직하다.Meanwhile, it is preferable that the final electrical resistivity of the planar heating element layer 30 using the alloy powder of the present invention has a resistivity of 10 ^-2 to 10 ^-4 Ωcm.

만일 면상 발열체의 전기 비저항이 10^-2 Ω㎝보다 큰 경우, 지나치게 큰 비저항으로 인해 출력이 낮아지는 문제가 발생한다. 따라서 면상 발열체의 저항을 낮추기 위해 면상 발열체의 두께를 두껍게 해야 하는데, 면상 발열체의 두께가 두꺼워지면 이는 다시 면상 발열체의 열팽창 계수에 영향을 미쳐 그 결과 면상 발열체의 안정성이 크게 저하되는 문제가 있다. If the electrical resistivity of the planar heating element is greater than 10 ^-2 Ωcm, there is a problem that the output is lowered due to an excessively large resistivity. Therefore, in order to reduce the resistance of the planar heating element, the thickness of the planar heating element must be thickened.If the thickness of the planar heating element becomes thick, this again affects the thermal expansion coefficient of the planar heating element, resulting in a problem that the stability of the planar heating element is greatly reduced.

반면 면상 발열체의 전기 비저항이 10^-4 Ω㎝보다 작게 되면, 지나치게 작은 비저항으로 인해 허용전류 이상의 전류가 흐르게 되어 면상 발열체의 출력이 지나치게 높게 된다. 그 결과 면상 발열체의 저항을 낮추기 위해 두께를 얇게 해서 단자 저항을 높여야 하는데, 면상 발열체의 지나치게 얇은 두께는 면상 발열체의 내열성을 취약하게 하는 문제를 발생시킨다. On the other hand, when the electrical resistivity of the planar heating element is less than 10 ^-4 Ωcm, a current greater than the allowable current flows due to the excessively small resistivity, and the output of the planar heating element is too high. As a result, in order to reduce the resistance of the planar heating element, it is necessary to increase the terminal resistance by making the thickness thinner. However, the excessively thin thickness of the planar heating element causes a problem of weakening the heat resistance of the planar heating element.

또한 본 발명의 면상 발열체층(30)은 하부의 기판(10) 또는 절연층(20)과 적어도 10 N 이상의 접착 강도를 가지는 것이 바람직하다. 본 발명의 면상 발열체층(30)의 접착 강도의 상한은 없다. 그러나 만일 상기 접착 강도가 10 N보다 낮은 경우, 지나치게 낮은 접착 강도로 인해 면상 발열체층(30)의 탈락 내지는 파괴가 발생함으로써 전기 레인지의 수명 및 신뢰성이 저하되는 문제가 있다.In addition, it is preferable that the planar heating element layer 30 of the present invention has an adhesive strength of at least 10 N with the lower substrate 10 or the insulating layer 20. There is no upper limit of the adhesive strength of the planar heating element layer 30 of the present invention. However, if the adhesive strength is lower than 10 N, there is a problem in that the life and reliability of the electric range are deteriorated because the planar heating element layer 30 is detached or destroyed due to the excessively low adhesive strength.

실험예Experimental example

본 발명의 실험예에서는 NiCr 합금 파우더, NiCu 나노 파우더, 평균 분자량 100인 에틸셀룰로오스 성분의 바인더, 부틸카르비톨아세테이트 용매 및 인산계 분산제를 포함하는 면상 발열체용 패이스트를 사용하여 스크린 프린팅으로 면상 발열체층을 코팅한 후 건조 및 광 소결을 통해 면상 발열체층(30)이 제조되었다. In the experimental example of the present invention, a planar heating element layer by screen printing using a paste for a planar heating element containing a NiCr alloy powder, a NiCu nanopowder, a binder of an ethyl cellulose component having an average molecular weight of 100, a butylcarbitol acetate solvent, and a phosphoric acid-based dispersant. After coating, the planar heating element layer 30 was manufactured through drying and light sintering.

도 5는 패이스트 제조 시 상기 CrNi 합금 파우더와 NiCu 나노 파우더의 분산 순서의 변화에 따른 면상 발열체층(30)의 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 것이다.5 is a view of the surface of the planar heating element layer 30 according to the change in the dispersion order of the CrNi alloy powder and the NiCu nanopowder during the manufacture of the paste with a scanning electron microscope (SEM).

먼저 상기 패이스트 내의 파우더 총량을 70 중량 % 기준으로 NiCr 합금 파우더를 용매와 바인더와 분산제가 포함된 유기물 비히클(vehicle)에 분산된 후 NiCu 나노 파우더가 재분산되면, 상기 파우더들의 불균일한 분산으로 인해 최종 면상 발열체층(3)의 표면 조도가 불량인 것을 확인할 수 있다(도 5(a)).First, NiCr alloy powder is dispersed in an organic vehicle containing a solvent, a binder, and a dispersant based on 70% by weight of the total amount of powder in the paste, and then the NiCu nanopowder is re-dispersed, due to non-uniform dispersion of the powders. It can be seen that the surface roughness of the final surface heating element layer 3 is poor (Fig. 5(a)).

반면 상기 패이스트 내의 파우더 총량을 70 중량 % 기준으로 NiCu 나노 파우더가 용매와 바인더와 분산제가 포함된 유기물 비히클(vehicle)에 분산된 후 NiCr 합금 파우더가 재분산되면, 상기 파우더들의 균일한 분산을 확보할 수 있어 최종 면상 발열체층(3)의 표면 조도가 우수한 것을 확인할 수 있다(도 5(b)). On the other hand, when NiCu nanopowder is dispersed in an organic vehicle containing a solvent, a binder and a dispersant, and then the NiCr alloy powder is redispersed based on 70% by weight of the total amount of powder in the paste, uniform dispersion of the powders is ensured. It can be confirmed that the surface roughness of the final planar heating element layer 3 is excellent (Fig. 5(b)).

본 발명에서의 면상 발열체층(30)의 접착 강도는 Anton Paar사의 RST3 model scratch tester를 이용하여 측정하였다. 본 테스터기는 하중을 0~30 N까지 증가시켜가면서 접착 강도를 측정하며, 이 때 접착 강도는 팁의 스크레치 길이가 5 ㎜인 조건에서 측정되었다.The adhesive strength of the planar heating element layer 30 in the present invention was measured using Anton Paar's RST3 model scratch tester. The tester measures the adhesive strength while increasing the load from 0 to 30 N. At this time, the adhesive strength was measured under the condition that the scratch length of the tip was 5 mm.

아래의 표 2 내지 5는 본 발명의 광 소결 공정의 전체 광 조사 에너지 및 NiCu 나노 파우더 함량 변화에 따른 면상 발열체층(30)의 전기 비저항, 산소함량, 접착 강도 및 소결 수축율을 측정한 결과이다.Tables 2 to 5 below are results of measuring the electrical resistivity, oxygen content, adhesion strength, and sintering shrinkage of the planar heating element layer 30 according to the total light irradiation energy and NiCu nano powder content change in the light sintering process of the present invention.

<표 2> 전체 광 조사 에너지에 따른 특성 평가(NiCu 나노 파우더가 포함되지 않은 패이스트)<Table 2> Evaluation of characteristics according to the total light irradiation energy (paste without NiCu nano powder)

<표 3> 전체 광 조사 에너지에 따른 특성 평가(NiCu 나노 파우더가 10 중량 % 포함된 패이스트)<Table 3> Evaluation of properties according to total light irradiation energy (paste containing 10% by weight of NiCu nano powder)

<표 4> 전체 광 조사 에너지에 따른 특성 평가(NiCu 나노 파우더가 20 중량 % 포함된 패이스트)<Table 4> Evaluation of characteristics according to the total light irradiation energy (paste containing 20% by weight of NiCu nano powder)

<표 5> 전체 광 조사 에너지에 따른 특성 평가(NiCu 나노 파우더가 30 중량 % 포함된 패이스트)<Table 5> Evaluation of properties according to total light irradiation energy (paste containing 30% by weight of NiCu nano powder)

먼저 표 2의 NiCu 나노 파우더가 첨가되지 않은 패이스트는 광 조사 에너지가 40 J/㎠까지는 소결이 이루어지지 않거나 기판과의 접착이 매우 약하여 면상 발열체층(30)으로서 사용될 수 없는 것으로 측정되었다. 한편 광 조사 에너지가 50 J/㎠ 조건도 면상 발열체층(30)과 기판 과의 접착력이 매우 약한 것으로 측정되었다. 특히 면상 발열체층(30)과 기판 과의 접착력은 면상 발열체층(30)의 기계적인 내구성 및 수명을 결정할 수 있는 주요 인자이므로 약한 접착력은 면상 발열체층(30)의 신뢰성을 떨어뜨리는 문제가 있다. 반면 광 조사 에너지가 60~70 J/㎠ 조건은 본 발명의 면상 발열체층(30)이 가져야 할 전기 비저항 및 접착 강도 요건의 최소 요건은 만족시키는 것으로 나타났다. 광 조사 에너지가 70 J/㎠보다 높아지면 기판의 변형 등이 지나치게 발생하여 면상 발열체층(30)이 기판으로부터 박리되는 것으로 나타났다. 표 2의 광 조사 측정 결과로부터 NiCu 나노 파우더가 포함되지 않은 패이스트는 면상 발열체층(30)을 형성하기 위해 최소 60 J/㎠ 이상의 광 조사 에너지가 필요하며 더 나아가 프로세스 윈도우(process window)가 60~70 J/㎠의 매우 좁은 것을 알 수 있다.First, it was measured that the paste to which the NiCu nano-powder was not added in Table 2 could not be used as the planar heating element layer 30 because sintering was not performed or adhesion to the substrate was very weak until the light irradiation energy was 40 J/cm 2. On the other hand, it was measured that the adhesion between the planar heating element layer 30 and the substrate was very weak even under the condition where the light irradiation energy was 50 J/cm 2. In particular, since the adhesion between the planar heating element layer 30 and the substrate is a major factor that can determine the mechanical durability and life of the planar heating element layer 30, a weak adhesive force has a problem of deteriorating the reliability of the planar heating element layer 30. On the other hand, it was found that the light irradiation energy of 60 to 70 J/cm 2 satisfies the minimum requirements of the electrical resistivity and adhesive strength requirements of the planar heating element layer 30 of the present invention. It was found that when the light irradiation energy is higher than 70 J/cm 2, deformation of the substrate occurs excessively, and the planar heating element layer 30 is peeled off from the substrate. From the light irradiation measurement results shown in Table 2, the paste without NiCu nano-powder requires at least 60 J/㎠ or more light irradiation energy to form the planar heating element layer 30, and further, the process window is 60 It can be seen that it is very narrow of ~70 J/㎠.

도 6은 상기 나노 파우더가 첨가되지 않은 패이스트를 이용하여 60 J/㎠의 광 소결 조건으로 소결하여 형성한 면상 발열체층(30)의 접착 강도를 측정한 것이다.6 is a measurement of the adhesive strength of the planar heating element layer 30 formed by sintering under a light sintering condition of 60 J/cm 2 using a paste to which the nano powder is not added.

상기 조건에서 형성된 면상 발열체층(30)의 측정된 접착 강도는 약 11N임을 도 6 및 상기 표 2로부터 알 수 있다. It can be seen from Fig. 6 and Table 2 that the measured adhesive strength of the planar heating element layer 30 formed under the above conditions is about 11N.

한편 표 3의 NiCu 나노 파우더가 10 중량 % 첨가된 패이스트는 표 2의 상기 나노 파우더가 첨가되지 않은 패이스트와 유사한 광 조사 소결 특성을 가진다. 이는 본 발명의 실험예에서의 패이스트의 광 소결 특성을 변화시키기 위해서는 최소 10 중량 % 보다 많은 NiCu 나노 파우더가 필요함을 의미한다. 다만 각각의 나노 파우더마다 융점과 비중이 다르므로 면상 발열체층 형성을 위해 첨가되는 나노 파우더의 하한 값은 나노 파우더마다 다를 수 있다.On the other hand, the paste to which 10% by weight of the NiCu nanopowder of Table 3 is added has similar light irradiation sintering characteristics to the paste to which the nanopowder is not added of Table 2. This means that more than 10% by weight of NiCu nanopowder is required to change the photo-sintering properties of the paste in the experimental example of the present invention. However, since the melting point and specific gravity are different for each nano powder, the lower limit of the nano powder added to form the planar heating element layer may be different for each nano powder.

표 4는 NiCu 나노 파우더가 20 중량% 첨가된 패이스트의 광 소결 특성을 정리한 것이다. Table 4 summarizes the light sintering properties of pastes to which 20% by weight of NiCu nanopowder is added.

상기 나노 파우더가 10 중량 % 이하로 첨가된 상기 표 2 및 3의 결과와 달리 나노 파우더가 20 중량 % 첨가된 표 4의 패이스트의 경우, 40 J/㎠의 광 조사 에너지부터 전기 비저항이 낮고 기판과의 접착 강도가 우수한 면상 발열체층(30)이 형성된다. 이는 상기 나노 파우더가 20 중량 % 포함된 패이스트의 경우, 상기 나노 파우더가 10 중량 % 이하 포함된 패이스트 대비 약 50% 정도 낮은 광 에너지에 의해서도 더 우수한 특성을 가지는 면상 발열체층(30)이 형성될 수 있음을 의미한다.Unlike the results of Tables 2 and 3 in which the nano-powder was added in an amount of 10% by weight or less, in the case of the paste of Table 4 in which 20% by weight of the nano-powder was added, the electrical resistivity was low from the light irradiation energy of 40 J/㎠, and the substrate A planar heating element layer 30 having excellent adhesion strength to and is formed. This is, in the case of a paste containing 20% by weight of the nanopowder, a planar heating element layer 30 having more excellent properties is formed even by a light energy that is about 50% lower than that of a paste containing 10% by weight or less of the nanopowder. Means you can be.

또한 표 4는 광 에너지가 70 J/㎠까지는 나노 파우더가 20 중량 % 첨가된 패이스트는 전기 비저항과 접착 강도가 우수한 면상 발열체층(30)을 형성함을 보여준다.In addition, Table 4 shows that the paste to which 20% by weight of nano-powder is added up to 70 J/cm2 of light energy forms a planar heating element layer 30 having excellent electrical resistivity and adhesive strength.

도 7은 상기 나노 파우더가 20 중량% 첨가된 패이스트를 이용하여 60 J/㎠의 광 소결 조건으로 소결하여 형성한 면상 발열체층(30)의 접착 강도를 측정한 것이다.7 is a measurement of the adhesive strength of the planar heating element layer 30 formed by sintering under a light sintering condition of 60 J/cm 2 using a paste to which 20% by weight of the nano powder is added.

상기 조건에서 형성된 면상 발열체층(30)의 측정된 접착 강도는 30N의 하중에서도 박리나 탈락이 발생하지 않았다. 이는 도 7의 면상 발열체층(30)은 최소 30N 이상의 접착 강도를 가짐을 의미한다.The measured adhesive strength of the planar heating element layer 30 formed under the above conditions did not cause peeling or dropping even under a load of 30N. This means that the planar heating element layer 30 of FIG. 7 has an adhesive strength of at least 30N.

다만 광 에너지가 95 J/㎠로 증가되면, 나노 파우더가 20 중량 % 첨가된 패이스트도 면상 발열체층(30)의 박리가 발생하였다. 이는 95 J/㎠의 광 에너지가 조사되면 나노 파우더의 함량과 무관하게 기판의 변형 등이 지나치게 발생하여 면상 발열체층(30)이 기판으로부터 박리되기 때문인 것으로 판단된다.However, when the light energy is increased to 95 J/cm2, the paste to which 20% by weight of the nano powder is added also causes peeling of the planar heating element layer 30. It is considered that this is because when the light energy of 95 J/cm2 is irradiated, the surface heating element layer 30 is peeled off from the substrate due to excessive deformation of the substrate regardless of the content of the nano powder.

도 8은 60 J/㎠의 광 조사 에너지 조건에서 각각 상기 나노 파우더가 포함되지 않은 패이스트와 상기 나노 파우더가 20 중량 % 첨가된 패이스트를 이용하여 형성된 면상 발열체층(30)의 표면을 주사전자현미경으로 관찰한 것이다.FIG. 8 is a scanning electron showing the surface of the planar heating element layer 30 formed using a paste containing no nano powder and a paste containing 20% by weight of the nanopowder under the light irradiation energy condition of 60 J/㎠. It was observed under a microscope.

상기 나노 파우더가 포함되지 않은 패이스트에 의해 형성된 면상 발열체층(30)의 경우, 면상 발열체층(30)의 표면은 도 8 (a)에서와 같이 NiCr 합금 파우더들끼리 네크에 의해 상호 연결되고 상기 합금 파우더들 사이에는 고립 기공들이 형성된 미세조직을 가진다. In the case of the planar heating element layer 30 formed by a paste that does not contain the nano-powder, the surface of the planar heating element layer 30 is interconnected by a neck between NiCr alloy powders as shown in FIG. 8 (a). The alloy powder has a microstructure in which isolated pores are formed.

반면 상기 나노 파우더가 20 중량 % 포함된 패이스트에 의해 형성된 면상 발열체층(30)의 경우, 면상 발열체층(30)의 표면은 도 8 (b)에서와 같이 NiCr 합금 파우더들을 명확하게 구분할 수 없고 더 나아가 상기 합금 파우더들 사이에 위치하며 상기 합금 파우더들 크기과 유사한 크기를 가지는 고립 기공이 없는 매우 치밀한 미세조직을 가진다. 도 8 (b)의 미세조직은 상기 나노 파우더가 광 소결시 액상으로 용해되어 상기 합금 파우더들 사이의 기공을 효과적으로 메운 것에서 유래한다.On the other hand, in the case of the planar heating element layer 30 formed by a paste containing 20% by weight of the nano-powder, the surface of the planar heating element layer 30 cannot clearly distinguish NiCr alloy powders as shown in FIG. 8(b). Furthermore, it is located between the alloy powders and has a very dense microstructure without isolated pores having a size similar to that of the alloy powders. The microstructure of FIG. 8 (b) is derived from the fact that the nano-powder is dissolved in a liquid state during light sintering to effectively fill the pores between the alloy powders.

또한 상기 도 8 (a)와 (b)의 면상 발열체층(30)의 미세 조직 차이는 결국 면상 발열체층(30)과 기판과의 접착 강도 차이로 귀결된다. 다시 말하면, 상기 나노 파우더를 20 중량 % 포함한 면상 발열체층(30)의 접착 강도(30N 이상)가 나노 파우더를 포함하지 않은 면상 발열체층(30)의 접착강도(11N)보다 높은 이유는 상기 도 8 (b)의 면상 발열체층(30)은 기공을 가지는 도 8 (a)의 면상 발열체층(30)보다 치밀한 미세조직을 가지기 때문이다.In addition, the difference in microstructure of the planar heating element layer 30 of FIGS. 8 (a) and (b) results in a difference in adhesion strength between the planar heating element layer 30 and the substrate. In other words, the reason why the adhesion strength (30N or more) of the planar heating element layer 30 containing 20% by weight of the nano powder is higher than the adhesion strength 11N of the planar heating element layer 30 not including the nano powder is This is because the planar heating element layer 30 of (b) has a finer structure than the planar heating element layer 30 of FIG. 8(a) having pores.

한편 표 5의 NiCu 나노 파우더가 30 중량 % 첨가된 패이스트는 표 4의 상기 나노 파우더가 20 중량 % 첨가된 패이스트와 유사한 광 조사 소결 특성을 가진다. Meanwhile, the paste to which 30% by weight of the NiCu nanopowder of Table 5 is added has similar light irradiation sintering properties to the paste to which 20% by weight of the nanopowder of Table 4 is added.

다만 표 5에서는 상기 나노 파우더를 20 중량 % 이하로 포함한 다른 실험예 대비 전기 비저항과 산소 함량이 다소 높은 것을 보여준다. 또한 표 2 내지 5의 결과를 살펴보면, 동일 광 조사량 조건에서 상기 나노 파우더의 함량이 증가할수록 면상 발열체층(30)의 비저항과 산소 함량이 증가하는 경향이 있다. 상기 경향은 상기 나노 파우더가 높아질수록 NiCr 합금 파우더의 함량은 감소하면서 동시에 NiCr 합금 파우더 대비 낮은 융점을 가지는 나노 파우더들에서 기인한 액상 자체가 광 소결 과정 동안 산화 및 랜덤(random) 수축이 많이 발생하였기 때문인 것으로 판단된다.However, Table 5 shows that the electrical resistivity and oxygen content are somewhat higher than those of other experimental examples including 20% by weight or less of the nano powder. In addition, looking at the results of Tables 2 to 5, the specific resistance and oxygen content of the planar heating element layer 30 tend to increase as the content of the nano-powder increases under the same light irradiation condition. The tendency is that the content of the NiCr alloy powder decreases as the nanopowder increases, and at the same time, the liquid phase itself caused by the nanopowders having a lower melting point compared to the NiCr alloy powder has a lot of oxidation and random shrinkage during the optical sintering process. It is believed to be due to.

도 9는 60 J/㎠의 광 조사 에너지 조건에서 각각 상기 나노 파우더가 포함되지 않은 패이스트(a)와 상기 나노 파우더가 20 중량 % 첨가된 패이스트(b) 및 상기 나노 파우더가 30 중량 % 첨가된 패이스트(c)를 이용하여 형성된 면상 발열체층(30)의 표면을 주사전자현미경으로 관찰한 것이다. 9 is a paste (a) that does not contain the nano-powder and a paste (b) in which 20% by weight of the nano-powder is added, and 30% by weight of the nano-powder is added under the light irradiation energy condition of 60 J/㎠ The surface of the planar heating element layer 30 formed using the pasted (c) was observed with a scanning electron microscope.

도 9 (a) 및 (b)의 미세조직은 상기 도 8과 동일한 미세조직을 가짐을 확인할 수 있다. 반면 도 9 (c)는 도 9 (a)에서의 고립 기공보다 크기가 더욱 큰 구멍을 포함한 미세조직을 가짐을 보여준다.It can be seen that the microstructure of FIGS. 9 (a) and (b) has the same microstructure as that of FIG. 8. On the other hand, FIG. 9 (c) shows that it has a microstructure including pores that are larger in size than the isolated pores in FIG. 9 (a).

특히 도 9 (c)의 상기 구멍은 도 9 (a)의 고립 기공과는 크기 및 위치 면에서 확연히 구분된다. In particular, the hole of FIG. 9 (c) is clearly distinguished from the isolated pore of FIG. 9 (a) in terms of size and location.

구체적으로 도 9 (a)에서의 고립기공은 상기 합금 파우더들 사이에서만 위치한다. 반면 상기 도 9 (c)의 구멍은 액상으로 인해 상기 합금 파우더들이 모두 젖은(wetting) 상태에서 형성되므로 상기 합금 파우더들을 미세조직 상으로 구분하기 어려울 뿐만 아니라 그 위치 또한 랜덤하게(randomly) 분포한다.Specifically, the isolated pores in FIG. 9 (a) are located only between the alloy powders. On the other hand, since the hole of FIG. 9C is formed in a state where all the alloy powders are wet due to the liquid phase, it is difficult to distinguish the alloy powders into a microstructure, and their positions are also randomly distributed.

또한 도 9 (a)의 고립 기공은 앞서 설명한 바와 같이 평균 크기가 상기 합금 파우더와 유사한 반면, 도 9 (c)의 구멍은 평균 크기가 수십~수백 ㎛에 이를 정도로 고립 기공 대비 매우 크다.In addition, the isolated pores of FIG. 9 (a) have an average size similar to that of the alloy powder, as described above, whereas the pores of FIG. 9 (c) are very large compared to the isolated pores to such an extent that the average size reaches tens to several hundred μm.

나노 파우더가 패이스트에 30 중량 % 첨가되면, 소결 동안 유동되는 액상의 양이 지나치게 많아지고 소결 완료 후의 액상의 랜덤(random)한 수축이 많이 발생하여 도 9 (c)과 같은 미세조직이 형성되는 것으로 판단된다. 한편 상기 나노 파우더의 첨가량이 많더라도 상기 합금 파우더들 사이에 존재하는 고립 기공은 상기 나노 파우더에서 기인한 액상에 의해 효과적으로 메워진다. When 30% by weight of the nano-powder is added to the paste, the amount of liquid flowing during sintering is excessively large, and a lot of random shrinkage of the liquid phase after sintering is completed, thereby forming a microstructure as shown in FIG. 9(c). It is judged to be. Meanwhile, even if the amount of the nano-powder added is large, the isolated pores present between the alloy powders are effectively filled by the liquid phase resulting from the nano-powder.

결론적으로 표 5에서와 같이 나노 파우더가 패이스트에 30 중량% 첨가되는 경우, 광 소결 동안 생성되는 액상의 양은 광 소결 시 광 조사 에너지가 높아질수록 증가하게 된다. 그 결과 최종 면상 발열체층(30)의 접착력은 미세 기공의 나노 파우더의 액상에 의한 메움에 의해 확보되는 반면 면상 발열체층(30)의 비저항은 액상의 과도한 수축에 의해 높아지는 부작용도 발생하게 된다.In conclusion, as shown in Table 5, when 30% by weight of nanopowder is added to the paste, the amount of liquid phase generated during light sintering increases as the light irradiation energy increases during light sintering. As a result, the adhesive strength of the final planar heating element layer 30 is secured by the filling of the microporous nano-powder in the liquid phase, whereas the specific resistance of the planar heating element layer 30 increases due to excessive contraction of the liquid phase.

이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다. As described above with reference to the drawings illustrated for the present invention, the present invention is not limited by the embodiments and drawings disclosed in the present specification, and various by a person skilled in the art within the scope of the technical idea of the present invention. It is obvious that transformation can be made. In addition, even if not explicitly described and described the effects of the configuration of the present invention while describing the embodiments of the present invention, it is natural that the predictable effects of the configuration should also be recognized.

Claims (20)

NiCr, FeNiCr 또는 FeCoNi 합금 중 적어도 하나 이상을 포함하고;
기판 또는 절연층과 10N 이상의 접착 강도를 가지고;
전기 비저항이 10^-2 내지 10^-4 Ω㎝이며;
고립 기공을 포함하지 않는;
면상 발열체.
It contains at least one or more of NiCr, FeNiCr, or FeCoNi alloy;
It has an adhesive strength of 10N or more with the substrate or the insulating layer;
The electrical resistivity is 10 ^-2 to 10 ^-4 Ωcm;
Does not contain isolated pores;
Planar heating element.
제1항에 있어서,
상기 NiCr 합금에서의 Cr의 함량은 10 내지 30 중량 %이고, 잔부는 Ni이며;
상기 FeNiCr 합금에서의 Ni의 함량은 20 내지 40 중량 %이고, Cr의 함량은 15 내지 20 중량 %이고 잔부는 Fe인;
면상 발열체.
The method of claim 1,
The content of Cr in the NiCr alloy is 10 to 30% by weight, and the balance is Ni;
The content of Ni in the FeNiCr alloy is 20 to 40% by weight, the content of Cr is 15 to 20% by weight, and the balance is Fe;
Planar heating element.
제1항에 있어서,
상기 면상 발열체는 Ni, Ag, Mn, Zn, Cu, MgO, CuO, MnO₂ 또는 Bi₂O₃ 중 하나 또는 둘 이상의 성분을 추가로 포함하는;
면상 발열체.
The method of claim 1,
The planar heating element further comprises one or two or more of Ni, Ag, Mn, Zn, Cu, MgO, CuO, MnO ₂ or Bi ₂ O ₃ ;
Planar heating element.
제1항에 있어서,
상기 기판은 유리, 결정화 유리(glass ceramics), Al₂O₃, AlN, 폴리이미드(polyimide), 또는 PEEK(PolyEthel-EthelKetone) 또는 세라믹스 중 어느 하나인;
면상 발열체.
The method of claim 1,
The substrate is any one of glass, crystallized glass (glass ceramics), Al ₂ O ₃ , AlN, polyimide, or PEEK (PolyEthel-EthelKetone) or ceramics;
Planar heating element.
제1항에 있어서,
상기 절연층은 붕소 질화물(boron nitride), 알루미늄 질화물(aluminum nitride)또는 실리콘 질화물(silicon nitride) 중 하나 또는 둘 이상을 포함하는;
면상 발열체.
The method of claim 1,
The insulating layer includes one or two or more of boron nitride, aluminum nitride, or silicon nitride;
Planar heating element.
제5항에 있어서,
상기 절연층은 바인더로 글라스 프릿(glass frit)을 포함하는;
면상 발열체.
The method of claim 5,
The insulating layer includes a glass frit as a binder;
Planar heating element.
제6항에 있어서,
상기 바인더는 보로실리케이트(borosilicate) 및/또는 벤토나이트(bentonite)를 포함하는;
면상 발열체.
The method of claim 6,
The binder comprises borosilicate and/or bentonite;
Planar heating element.
NiCr 합금, FeNiCr 합금 또는 FeCoNi 합금 중 적어도 하나 이상을 포함하는 파우더 40~60 중량 %;
나노 파우더 10 내지 30 중량 %;
글래스 프릿(glass frit) 5 중량% 이하(0 중량 %는 제외);
유기바인더 20 내지 40 중량%;
용매 5 내지 15 중량%;
첨가제 1 내지 10 중량% 를 포함하는;
패이스트 조성물.
40 to 60% by weight of powder containing at least one or more of NiCr alloy, FeNiCr alloy, or FeCoNi alloy;
10 to 30% by weight of nano powder;
5% or less by weight of glass frit (excluding 0% by weight);
20 to 40% by weight of an organic binder;
5 to 15% by weight of solvent;
Containing 1 to 10% by weight of additives;
Paste composition.
제8항에 있어서,
상기 NiCr 합금에서의 Cr의 함량은 10 내지 30 중량 %이고, 잔부는 Ni이며;
상기 FeNiCr 합금에서의 Ni의 함량은 20 내지 40 중량 %이고, Cr의 함량은 15 내지 20 중량 %이고 잔부는 Fe인;
패이스트 조성물.
The method of claim 8,
The content of Cr in the NiCr alloy is 10 to 30% by weight, and the balance is Ni;
The content of Ni in the FeNiCr alloy is 20 to 40% by weight, the content of Cr is 15 to 20% by weight, and the balance is Fe;
Paste composition.
제8항에 있어서,
상기 합금 파우더의 평균 입도(D50)는 10㎚ 내지 10㎛인;
패이스트 조성물.
The method of claim 8,
The average particle size (D50) of the alloy powder is 10nm to 10㎛;
Paste composition.
제8항에 있어서,
상기 나노 파우더는 Ni, Ag, Mn, Zn, Cu, MgO, CuO, MnO₂ 또는 Bi₂O₃ 중 하나 또는 둘 이상의 성분을 포함하는;
패이스트 조성물.
The method of claim 8,
The nano-powder comprises one or two or more of Ni, Ag, Mn, Zn, Cu, MgO, CuO, MnO ₂ or Bi ₂ O ₃ ;
Paste composition.
제8항에 있어서,
상기 나노 파우더의 평균 입도(D50)는 1 내지 50 ㎚;
패이스트 조성물.
The method of claim 8,
The average particle size (D50) of the nano-powder is 1 to 50 nm;
Paste composition.
NiCr 합금, FeNiCr 합금 또는 FeCoNi 합금 중 적어도 하나 이상을 포함하는 파우더와 나노 파우더를 포함한 패이스트를 준비하는 단계;
기판 상에 상기 패이스트를 코팅하는 단계;
상기 코팅 층을 건조하는 단계;
상기 건조된 코팅 층을 광 소결하는 단계;
를 포함하는 면상 발열체의 제조 방법.
Preparing a paste including powder and nano-powder including at least one of NiCr alloy, FeNiCr alloy, or FeCoNi alloy;
Coating the paste on a substrate;
Drying the coating layer;
Photo-sintering the dried coating layer;
Manufacturing method of a planar heating element comprising a.
제13항에 있어서,
상기 패이스트를 준비하는 단계는,
유기물 비히클(vehicle)에 상기 나노 파우더를 분산시키는 단계;
상기 나노 파우더가 분산된 유기물 비히클에 상기 합금 파우더를 재분산시키는 단계;
를 포함하는 면상 발열체의 제조 방법.
The method of claim 13,
Preparing the paste,
Dispersing the nano-powder in an organic vehicle (vehicle);
Re-dispersing the alloy powder in the organic vehicle in which the nano-powder is dispersed;
Manufacturing method of a planar heating element comprising a.
제13항에 있어서,
상기 패이스트를 코팅하는 단계 이전에 기판 상에 절연층을 형성하는 단계;
를 더 포함하는 면상 발열체의 제조 방법.
The method of claim 13,
Forming an insulating layer on the substrate prior to the step of coating the paste;
A method of manufacturing a planar heating element further comprising a.
제13항에 있어서,
상기 기판은 유리, 결정화 유리(glass ceramics), Al₂O₃, AlN, 폴리이미드(polyimide), 또는 PEEK(PolyEthel-EthelKetone) 또는 세라믹스 중 어느 하나인;
면상 발열체의 제조 방법.
The method of claim 13,
The substrate is any one of glass, crystallized glass (glass ceramics), Al ₂ O ₃ , AlN, polyimide, or PEEK (PolyEthel-EthelKetone) or ceramics;
A method of manufacturing a planar heating element.
제15항에 있어서,
상기 절연층은 붕소 질화물(boron nitride), 알루미늄 질화물(aluminum nitride)또는 실리콘 질화물(silicon nitride) 중 어느 하나를 포함하는;
면상 발열체의 제조 방법.
The method of claim 15,
The insulating layer includes any one of boron nitride, aluminum nitride, or silicon nitride;
A method of manufacturing a planar heating element.
제13항에 있어서,
상기 NiCr 합금에서의 Cr의 함량은 10 내지 30 중량 %이고, 잔부는 Ni이며;
상기 FeNiCr 합금에서의 Ni의 함량은 20 내지 40 중량 %이고, Cr의 함량은 15 내지 20 중량 %이고 잔부는 Fe인;
면상 발열체의 제조 방법.
The method of claim 13,
The content of Cr in the NiCr alloy is 10 to 30% by weight, and the balance is Ni;
The content of Ni in the FeNiCr alloy is 20 to 40% by weight, the content of Cr is 15 to 20% by weight, and the balance is Fe;
A method of manufacturing a planar heating element.
제13항에 있어서,
상기 나노 파우더는 Ni, Ag, Mn, Zn, Cu, MgO, CuO, MnO₂ 또는 Bi₂O₃ 중 하나 또는 둘 이상의 성분을 포함하는;
면상 발열체의 제조 방법.
The method of claim 13,
The nano-powder comprises one or two or more of Ni, Ag, Mn, Zn, Cu, MgO, CuO, MnO ₂ or Bi ₂ O ₃ ;
A method of manufacturing a planar heating element.
제13항에 있어서,
상기 광 소결 단계에서의 전체 광 조사 에너지는 40 내지 70 J/㎠인;
면상 발열체의 제조 방법.The method of claim 13,
The total light irradiation energy in the light sintering step is 40 to 70 J/cm2;
A method of manufacturing a planar heating element.

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