고기능세라믹히터의열충격내구신뢰성평가에의한 …-2-제 출 문 부품...
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고기능 세라믹히터의 열충격 내구신뢰성 평가에 의한고기능 세라믹히터의 열충격 내구신뢰성 평가에 의한고기능 세라믹히터의 열충격 내구신뢰성 평가에 의한고기능 세라믹히터의 열충격 내구신뢰성 평가에 의한
발열체 및 세라믹 구조의 최적화에 관한 신뢰성향상지원발열체 및 세라믹 구조의 최적화에 관한 신뢰성향상지원발열체 및 세라믹 구조의 최적화에 관한 신뢰성향상지원발열체 및 세라믹 구조의 최적화에 관한 신뢰성향상지원
최종보고서최종보고서최종보고서최종보고서( )( )( )( )
2005. 6. 302005. 6. 302005. 6. 302005. 6. 30
주관기관주관기관주관기관주관기관 :::: 주 세라트론주 세라트론주 세라트론주 세라트론( )( )( )( )
위탁기관위탁기관위탁기관위탁기관 :::: 한국산업기술대한국산업기술대한국산업기술대한국산업기술대
산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부
- 2 -
제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문
부품 소재통합연구단장 귀 하부품 소재통합연구단장 귀 하부품 소재통합연구단장 귀 하부품 소재통합연구단장 귀 하ㆍㆍㆍㆍ
본 보고서를 고기능 세라믹히터의 열충격 내구신뢰성 평가에 의한 발열체 및 세라"
믹 구조의 최적화에 관한 신뢰성향상지원 개발기간 과"( : 2004. 6. 1~2005. 5. 31)
제의 최종보고서로 제출합니다.
2005. 6. 30.2005. 6. 30.2005. 6. 30.2005. 6. 30.
주관기관명주관기관명주관기관명주관기관명 :::: 주 세라트론주 세라트론주 세라트론주 세라트론( )( )( )( )
주관책임자주관책임자주관책임자주관책임자 :::: 박현철박현철박현철박현철
연 구 원연 구 원연 구 원연 구 원 :::: 이도영이도영이도영이도영
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중소기업신뢰성향상지원사업 보고서 초록중소기업신뢰성향상지원사업 보고서 초록중소기업신뢰성향상지원사업 보고서 초록중소기업신뢰성향상지원사업 보고서 초록
관리번호관리번호관리번호관리번호
사 업 명사 업 명사 업 명사 업 명고기능 세라믹히터의 열충격 내구신뢰성 평가에 의한 발열체 및 세라
믹 구조의 최적화
키 워 드키 워 드키 워 드키 워 드 세라믹히터 텅스텐 몰리브덴 로드형 히터 발열체/ / / /
사업목표 및 내용사업목표 및 내용사업목표 및 내용사업목표 및 내용
최종 목표최종 목표최종 목표최종 목표1.1.1.1.
내구 신뢰성 실험 상온 반복내구시험 실시 후 불량률이(1) : 500 10,000cycle↔ ℃
미만일 것0.01%
내전압 반복내구시험 후 시수중 인가 시 미만일 것(2) : , 3,750V 0.5mA
절연저항 반복내구시험 후 이상 일 것(3) : ,100MOhm
인장강도 이상일 것(4) Lead : 4 f㎏
신뢰성 저해요인 정밀진단 내용신뢰성 저해요인 정밀진단 내용신뢰성 저해요인 정밀진단 내용신뢰성 저해요인 정밀진단 내용2.2.2.2.
불량 인장강도 불량 불량 산화불량 깨짐 및 갈라- OPEN , , Crack , brazing , Core Sheet
짐 등으로 인해 세라믹 히터의 신뢰성이 저하된다.
인 경우는 비파괴 검사 및 분석을 통해 나 이물에 의해 전류밀도의- OPEN SEM Void
증가로 응력이 작용하여 발열체 패턴폭을 감소시켜 발생하는 것으로 분석되었다.
인장강도불량은 분석 등을 통하여 유리질 성분이 많을 때 발열체의 매탈라이징- SEM
에 영향을 받아 인장강도 저하되고 용가재량이 적어 젖음성 상태가 나쁠 때 인장강도
저하 문제가 발생하였다.
불량은 외부 충격과 가 발생된 시트를 사용했을 경우 발생한다- Crack Burr .
산화는 분석을 통하여 전기로 환원분위기가 잘 되지 않는 것으로 나타- Brazing SEM
났다.
의 깨짐 및 갈라짐은 그린시트의 수축률 차이로 분석되었다- Rod core sheet .
고장원인분석 및 대처결과고장원인분석 및 대처결과고장원인분석 및 대처결과고장원인분석 및 대처결과3.3.3.3.
불량 나 이물에 의해 발생하기 때문에 발열체 패턴폭을 키워 상대적으로 응- OPEN Void
력의 한계치를 키우는 방법과 이물관리를 통해 불량을 줄였다OPEN
인장강도불량은 제조 시 성분을 제거하고 유리질 성분을 줄이고 용가재량을- Paste flux ,
개로 하여 젖음성 상태가 양호하도록 처리하였다2 .
불량은 외부충격 및 제조시 타발면에서 가 발생되지 않도록 금형관리- Crack Wafer Burr
를 주기적으로 하였다.
산화 불량은 오염원을 제거하고 전기로 환원분위기 상태를 테스트 후 브레이- brazing
징을 실시하였다.
깨짐 및 그린시트 갈라짐 불량은 수축률이 같은 와 그린시트를 사용하여 수- Core core
축률차이를 최소화하였으며 그린시트의 두께를 조정하였다.
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신뢰성 적용결과 사업전 후 정량적 비교신뢰성 적용결과 사업전 후 정량적 비교신뢰성 적용결과 사업전 후 정량적 비교신뢰성 적용결과 사업전 후 정량적 비교4. ( )4. ( )4. ( )4. ( )ㆍㆍㆍㆍ
곡강도- : 280MPa 300Mpa ( 100%)→
내전압 누설전류- ( ): 1mA 0.5mA, @3750V (100%)→
- Bulk Density: 3.69g/ 3.8g/ (97%)㎠ → ㎠
- Camber : 0.03 0.01 Max. (100%)㎜ → ㎜
절연저항- : 80 100 (100)%㏁ → ㏁
인장강도 상- Lead : 3 f 4 fol (100%)㎏ → ㎏
내구신뢰성- : 0.05% 0.01% (100%)→
기대효과 기술적 및 경제적 효과기대효과 기술적 및 경제적 효과기대효과 기술적 및 경제적 효과기대효과 기술적 및 경제적 효과3. ( )3. ( )3. ( )3. ( )
기술적 효과1)
저항온도계수 제어가 가능한 조성 설계 기술 확보- Paste
반복내구시험 등을 통해 신뢰성 향상 평가 기술 확보-
고정밀 패턴 설계 기술 확보-
실린더타입 제반 기술 확보- Rod/
특허 출원 건- 2
라운드형 세라믹 히터 및 그 제조방법 세라(10 2005-0052150, ; 10 2005-0052776,
믹 히터)
경제적 효과2)
해외인증 획득으로 안전성보장의 의미가 부가되어 세라믹히터의 이미지가 높아짐- UL .
신뢰성 향상을 위한 패턴 설계 변경 및 공정 개선 등을 바탕으로 불량 등- TCR, OPEN
의 고객 불만족사항을 해결하여 사업전 대비 의 매출이 증가하였고 국내 수요의76.2% ,
연 억원 정도의 수입대채 효과가 있을 것으로 판단된다60 .
적용분야적용분야적용분야적용분야4.4.4.4.
고데기용 히터로 양산적용을 하고 있고 및 실린더타입의 히터 기술 확보를 바탕- , Rod
으로 순간온수기 자동차용 비데용 히터로 고부가가치산업으로 적용이 가능하리라 판단, ,
된다.
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목 차목 차목 차목 차
제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111
제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222
제 절 세라믹 히터의 개요제 절 세라믹 히터의 개요제 절 세라믹 히터의 개요제 절 세라믹 히터의 개요1111
세라믹히터의 구조세라믹히터의 구조세라믹히터의 구조세라믹히터의 구조1.1.1.1.
2. Process2. Process2. Process2. Process
가 제조가 제조가 제조가 제조. Slurry. Slurry. Slurry. Slurry
나나나나. Tape Casting. Tape Casting. Tape Casting. Tape Casting
다 세라믹 히터 제작 공정다 세라믹 히터 제작 공정다 세라믹 히터 제작 공정다 세라믹 히터 제작 공정....
라라라라. Sintering. Sintering. Sintering. Sintering
마마마마. Brazing. Brazing. Brazing. Brazing
바 신뢰성 평가바 신뢰성 평가바 신뢰성 평가바 신뢰성 평가....
제 절 선진사 제품 분석제 절 선진사 제품 분석제 절 선진사 제품 분석제 절 선진사 제품 분석2222
판형판형판형판형1. (Plate type) heater1. (Plate type) heater1. (Plate type) heater1. (Plate type) heater
가 저항발열체 패턴가 저항발열체 패턴가 저항발열체 패턴가 저항발열체 패턴....
나 판형 히터의 특성나 판형 히터의 특성나 판형 히터의 특성나 판형 히터의 특성....
2. Rod type heater2. Rod type heater2. Rod type heater2. Rod type heater
가 저항발열체 패턴 분석가 저항발열체 패턴 분석가 저항발열체 패턴 분석가 저항발열체 패턴 분석....
나 의 특성나 의 특성나 의 특성나 의 특성. Rod type heater. Rod type heater. Rod type heater. Rod type heater
제 절 고장분석 및 고장제 절 고장분석 및 고장제 절 고장분석 및 고장제 절 고장분석 및 고장3 Mechanism3 Mechanism3 Mechanism3 Mechanism
1. Failure Mode1. Failure Mode1. Failure Mode1. Failure Mode
2. Failure Analysis2. Failure Analysis2. Failure Analysis2. Failure Analysis
가 불량가 불량가 불량가 불량. OPEN. OPEN. OPEN. OPEN
나 인장강도 불량나 인장강도 불량나 인장강도 불량나 인장강도 불량....
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다다다다. Crack. Crack. Crack. Crack
라 산화라 산화라 산화라 산화. Brazing. Brazing. Brazing. Brazing
마 불량마 불량마 불량마 불량. Rod type heater. Rod type heater. Rod type heater. Rod type heater
제 절 고기능 세라믹 히터 제작제 절 고기능 세라믹 히터 제작제 절 고기능 세라믹 히터 제작제 절 고기능 세라믹 히터 제작4444
1. Plate type heater1. Plate type heater1. Plate type heater1. Plate type heater
가 세라믹 구조 설계가 세라믹 구조 설계가 세라믹 구조 설계가 세라믹 구조 설계....
나 저항발열체 설계나 저항발열체 설계나 저항발열체 설계나 저항발열체 설계....
제조 및 분석제조 및 분석제조 및 분석제조 및 분석1) Paste1) Paste1) Paste1) Paste
저항발열체 패턴저항발열체 패턴저항발열체 패턴저항발열체 패턴2)2)2)2)
다 특성 비교다 특성 비교다 특성 비교다 특성 비교....
2. Rod type heater2. Rod type heater2. Rod type heater2. Rod type heater
가 제작 및 테스트가 제작 및 테스트가 제작 및 테스트가 제작 및 테스트. Core. Core. Core. Core
제작제작제작제작1) Core1) Core1) Core1) Core
테스트테스트테스트테스트2) Sheet Rolling2) Sheet Rolling2) Sheet Rolling2) Sheet Rolling
제 절 신뢰성 테스트제 절 신뢰성 테스트제 절 신뢰성 테스트제 절 신뢰성 테스트5555
신뢰성 테스트 방법신뢰성 테스트 방법신뢰성 테스트 방법신뢰성 테스트 방법1.1.1.1.
가속수명시험가속수명시험가속수명시험가속수명시험2.2.2.2.
제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333
제 장 사업목표 달성도 및 기대효과제 장 사업목표 달성도 및 기대효과제 장 사업목표 달성도 및 기대효과제 장 사업목표 달성도 및 기대효과4444
참고문헌참고문헌참고문헌참고문헌
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제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111
세라믹히터는 알루미나 그린시트에 열선을 인쇄하여 의 고온에서 소1500-1540℃
결하여 사용하는 제품으로 기존의 니크롬선 히터에 비해 승온속도가 빠르고 온도,
제어가 용이하여 인두기 고데기 순간온수기 비데기 자동차의 시동보조용 히터, , , ,
등 여러 제품 등에 많이 사용되고 있다.
산업의 발달과 더불어 전자제품은 고기능화 고효율화 소형화되어 가면서 관련 부, ,
품은 고집적화 고정밀화됨에 따라 그 기기에 사용되는 부품에 대한 높은 신뢰성의,
요구가 점차 증대하고 있고 부품의 신뢰성은 근본적으로 그 부품을 구성하는 재료,
의 신뢰성과 밀접한 관계가 있다 즉 재료의 시간의 경과와 함께 그 특성이 저하하.
여 외부로부터 가해지는 각종 스트레스를 견뎌내지 못할 때 부품의 고장으로 나타
나는 것이다.[1]
외부로부터 가해지는 스트레스 열화영향인자 는 열적 전자기적 환경적 기계적인( ) , , ,
것으로 분류할 수 있으며 열화되는 정도는 그 스트레스의 크기와 부하의 형태에,
의해 결정된다. [2]
세라믹히터의 경우에도 저항발열체의 단선 세라믹 의 등 외부환경에, Body crack,
많은 영향을 받는다 국내에서도 세라믹히터를 몇 개 업체에서 생산하고 있으나 아.
직 신뢰성 확보가 미비한 상태로 선진 경쟁사 대비 제품 경쟁력이 떨어져있는 것이
사실이다.
따라서 본 연구를 통해 세라믹히터의 가혹 환경 설정에 따른 전기적 기계적 특성의
열화 을 규명하고 발열체용 페이스트 제조기술 정밀패턴 인쇄기술 내Mechanism , ,
구신뢰성 평가에 초점을 맞추어 열적 전기적 특성에 영향을 주는 변수 제어를 통
하여 고부가가치의 신규제품 개발 및 응용제품향상에 이를 적용하고자 한다.
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제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222
제 절 세라믹 히터의 개요제 절 세라믹 히터의 개요제 절 세라믹 히터의 개요제 절 세라믹 히터의 개요1111
세라믹히터는 세라믹 기판에 열선을 인쇄하여 의 고온에서 소결하여1500-1540℃
사용하는 제품으로 기존의 니크롬선 히터에 비해 승온속도가 빠르고 온도 제어가,
용이하여 인두기 고데기 순간온수기 비데기 자동차의 시동보조용 히터등 여러, , , ,
제품 등에 많이 사용되고 있다.
이러한 세라믹 히터의 장점으로는 다음과 같다.
소형 경량으로 열효율이 좋다1) , .
승온속도가 빠르고 원하는 온도 분포를 얻을 수 있다2) .
기존 니크롬선히터에 비해 내열성 열충격에 강하다3) , .
회로가 세라믹으로 쌓여 있어 수명이 반영구적이다4) .
발열 시 균일한 열을 얻을 수 있고 전력 소비는 적다5) , .
절연성 내전압에 강하고 원적외선을 방사하여 건강에 이롭다6) , .
세라믹히터의 구조세라믹히터의 구조세라믹히터의 구조세라믹히터의 구조1.1.1.1.
세라믹 히터는 그림 처럼 저항발열체와 장의 알루미나 기판 로 나누어1 2 , Lead wire
진다 저항발열체는 알루미나 그린시트위에 실크스크린을 이용하여 패턴을 인쇄하.
고 절연 및 가열을 위해 알루미나 그린시트로 적층하여 패턴을 보호한다 이것을.
고온에서 소성하고 을 하여 를 접착하면 세라믹 히터를 완성한다Brazing Lead wire .
2. Process2. Process2. Process2. Process
가 제조가 제조가 제조가 제조. Slurry. Slurry. Slurry. Slurry
표 의 에 분산제 및 유기용매와 함께 에 넣고 시간 동안 원1 Raw Material Ball Mill 20
료를 분쇄 혼합한다, .
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그림 형 세라믹 히터의 구조그림 형 세라믹 히터의 구조그림 형 세라믹 히터의 구조그림 형 세라믹 히터의 구조1. Plate1. Plate1. Plate1. Plate
그림 형 세라믹 히터 제작 공정그림 형 세라믹 히터 제작 공정그림 형 세라믹 히터 제작 공정그림 형 세라믹 히터 제작 공정2. Plate2. Plate2. Plate2. Plate
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차 을 한 후 바인더와 가소제를 첨가하여 시간 동안 차1 Ball Milling 20 2 Ball Milling
하여 용 를 제조한 다음 진공탈포 과정을 통하여 제조시Tape casting slurry Slurry
생성된 기포를 제거한다.
표 세라믹 히터의 기판 구성 원료표 세라믹 히터의 기판 구성 원료표 세라믹 히터의 기판 구성 원료표 세라믹 히터의 기판 구성 원료1.1.1.1.
구분 Raw material 순도(%)
알루미나 Al2O3 95.83%
Flux &
additive
Talc 90
SiO2 99.5
CaCO3 99
Y2O3 99.99
나나나나. Tape Casting. Tape Casting. Tape Casting. Tape Casting
진공탈포가 끝난 에 를 이용하여 를 제조한다 이때Slurry Doctor Blade Creen Sheet .
제조시 사용된 에탄올 톨루엔의 유기용매를 개의 으로 나누어Slurry , MEK, 4 Zone
의 온도로 건조시켜 한다 에 이나 두께 편차를40-105 Casting . Green Sheet Crack℃
줄이기 위해 온도 조건 및 속도가 중요하다 그림 은 의 모Casting . 3 Tape casting
식도와 실제장비 사진이다.
장비a) Tape casting 모식도b) Tape casting
그림 장비 및 방법그림 장비 및 방법그림 장비 및 방법그림 장비 및 방법3. Tape Casting3. Tape Casting3. Tape Casting3. Tape Casting
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다 세라믹 히터 제작 공정다 세라믹 히터 제작 공정다 세라믹 히터 제작 공정다 세라믹 히터 제작 공정....
으로 성형한 를 일정한 크기로 타발 후 를 사용하Tape casting Green Sheet paste
여 저항 발열체 을 를 사용하여 인쇄하고 를 이용하Pattern Screen printer Laminator
여 장의 를 적층한다 이때의 적층압력은 온도 로 한2 Green Sheet . 60kgf/ , 30㎠ ℃
다 여기서 사용된 는 주관기업인 세라트론에서 자체 제작한 것으로 중심입경. Paste
이 인 텅스텐의 도체분말에 과 중량비로 로 하고 시간1-2 Vehicle 6:1 3Roll Mill 15㎛
이상 상온 숙성이후 의 점도가 되도록 조절하여 사용한다100,000-180,000cps .
라라라라. Sintering. Sintering. Sintering. Sintering
은 수지로에서 유기물을 시키고 의 고온에서Sintering burn out 1500-1540 W℃
와 알루미나 기판을 동시에 소성시킨다 이때 전기로는Paste . N2, H2상태의 환원 분
위기로 하여 전극이 산화되는 것을 막는다W .
마마마마. Brazing. Brazing. Brazing. Brazing
소성된 세라믹 기판의 전극과 의 접합을 위한 차 단계로 단자부전극에Lead wire 1
무전해 도금을 하고 용가재를 와 함께 전극 단자에 올려놓고 고정한Ni Lead wire
다음 N2와 H2상태의 환원 분위기의 전기로에서 로 열처리를 하여 접합한다900 .℃
바 신뢰성 평가바 신뢰성 평가바 신뢰성 평가바 신뢰성 평가....
된 완제품에 대하여 그림 와 같이 외관 특성검사 및 신뢰성 평가 테스트를Brazing 4 /
한다.
기본 검사기본 검사기본 검사기본 검사1) SPEC1) SPEC1) SPEC1) SPEC
치수 및 외관 저항검사 기초 검사를 한다, Spec .
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내구시험a) 내전압시험b)
온도포화시험c) 시험d) TCR
누설전류시험e) 절연저항시험f)
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인장강도시험g) 연속부하테스트h)
테스트i) Field
그림 신뢰성 평가 항목그림 신뢰성 평가 항목그림 신뢰성 평가 항목그림 신뢰성 평가 항목4.4.4.4.
내구시험내구시험내구시험내구시험2)2)2)2)
까지 승온 까지 냉각시켜 동안 내구신뢰성을 평가한다500 , 200 10,000cycle .℃ ℃
인장강도시험인장강도시험인장강도시험인장강도시험3)3)3)3)
세라믹히터의 의 접착력을 테스트한다Lead wire .
내전압시험내전압시험내전압시험내전압시험4)4)4)4)
세라믹 히터의 절연파괴 유무를 판단하기 위하여 미만으로 분간2500VAC, 1mA 1
통전시킨다.
누설전류시험누설전류시험누설전류시험누설전류시험5)5)5)5)
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전원을 인가하고 포화온도가 되었을 때 누설전류를 측정한다.
온도포화시험온도포화시험온도포화시험온도포화시험6)6)6)6)
전원을 인가하고 포화되는 온도를 측정한다.
시험시험시험시험7) TCR7) TCR7) TCR7) TCR
저항온도계수의 변화 유무를 통하여 제조 후 성분 불량유무를 검사한다Paste .
연속부하테스트연속부하테스트연속부하테스트연속부하테스트8)8)8)8)
실제 세라믹 구동회로에 장착하여 전원을 인가하여 연속부하 테스트를 한다.
시험시험시험시험9) Field9) Field9) Field9) Field
의 조건을 고려하여 전압 내전압 저항검사를 실시한다Field Aging , , .
제 절 선진사 제품 분석제 절 선진사 제품 분석제 절 선진사 제품 분석제 절 선진사 제품 분석2222
판형판형판형판형1. (Plate type) heater1. (Plate type) heater1. (Plate type) heater1. (Plate type) heater
가 저항발열체 패턴가 저항발열체 패턴가 저항발열체 패턴가 저항발열체 패턴....
일본 사의 형의 경우 그림 처럼 공구현미경으로 저항발열체 패턴 구조를K Plate 5 a)
분석하였다 분석결과 패턴 폭은 정도 패턴 간격은 정도이고 중앙에서. 500 300 ,㎛ ㎛
밖으로 향할수록 패턴간격 및 패턴 폭을 좁게 설계하였고 바깥쪽 테두리 부분은,
정도였다 전극의 단자부는 열충격 및 발열특성을 고려하여 패턴폭보다 상대310 .㎛
적으로 크게 설계하였다.
판형 히터 외형a) 저항발열체 패턴b)
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저항발열체 패턴 분석c) SEM
그림 일본 사 제품 분석그림 일본 사 제품 분석그림 일본 사 제품 분석그림 일본 사 제품 분석5. K5. K5. K5. K
그림 와 같이 전극재료로 사용된 의 입경이 내외인 분말을 사용하였5 c) Paste 1㎛
으며 이 육각형으로 소결이 잘 진행되었음을 보여주고 있다 특히 전극과 세, Crain . ,
라믹의 계면이 매우 균일하며 전극의 두께는 정도이다 성분은 텅스8-10 . Paste㎛
텐과 몰리브덴이 사용되었으며 저항값을 높이기 위해 재료로Flux ZrO2, A12O3,
SiO2 등의 산화물을 첨가한 것으로 판단된다.
나 판형 히터의 특성나 판형 히터의 특성나 판형 히터의 특성나 판형 히터의 특성....
일본 사 판형 히터의 특성을 확인하기 위하여 저항온도계수K (Temperature
강도 발열특성 등을 테스트하였다 히터의 특성은 표coefficient of Resistance), , . 2
와 같고 데이터는 개 시료의 평균값이다, 10 sample .
2. Rod type heater2. Rod type heater2. Rod type heater2. Rod type heater
가 저항발열체 패턴 분석가 저항발열체 패턴 분석가 저항발열체 패턴 분석가 저항발열체 패턴 분석....
일본의 사의 제품을 구입하여 위탁기관인 산업기술대에서 비파괴검사를 하H X-ray
였다 그림 은 선진사 제품 사진이며 그림 는 타입 발열체 비파괴검. 6 , 7 Rod X-ray
사를 한 것이다.
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표 일본 사 판형 히터 특성표 일본 사 판형 히터 특성표 일본 사 판형 히터 특성표 일본 사 판형 히터 특성2. K2. K2. K2. K
테스트 항목 조 건 결 과 측정 장비
Dimension( )㎣ - 70×15×1.3 버니어캘리퍼스
곡강도(MPa) 점 곡강도3 이상300만능시험기
(Instron 5543)
내전압
@2500V,
이하에서 분1mA 1
동안 없음NG
passPuncture tester
(HS-PCA510)
인장강도(kgf) - 6.2 Push pull scale
내구시험승온:500 ,℃
냉각:200℃
10,00 cycle
pass자체 장비
절연저항 DC500V ∞ 메가테스터
TCR (ppm/ )℃ 기준250℃ 2990 자체 장비
소비전력 (W) 포화온도 62.4슬라이닥스
디지털 멀티메터
온도특성
A 500~540
접촉식 온도계
(SK-6800)B 500~530
C 380~400
실린더 타입 히터 일본 사a) ( K ) 일본 사b) Rod type heater( H )
그림 선진사 제품 사진그림 선진사 제품 사진그림 선진사 제품 사진그림 선진사 제품 사진6.6.6.6.
- 17 -
그림 타입 발열체 검사그림 타입 발열체 검사그림 타입 발열체 검사그림 타입 발열체 검사7. Rod X-ray7. Rod X-ray7. Rod X-ray7. Rod X-ray
분석결과 의 의 경우 는 이고 패턴 폭은 단40W Rod heater size 5×70mm , 200 ,φ ㎛
자부 은 으로 외부 단자 패턴과 연결하였다 특히 단자부는 전기적으Via hole 0.3 . ,φ
로 병렬연결로 길게 처리하여 를 발열부의 아래쪽으로 향하게 했다Heating Point .
그림 에 의 발열체 패턴을 나타내었다8 Rod type heater .
그림 의 브레이징부 분석을 통해 용가재는 로 확인되었다9 SEM Ag .
그림 의 발열체 패턴그림 의 발열체 패턴그림 의 발열체 패턴그림 의 발열체 패턴8, Rod Type heater8, Rod Type heater8, Rod Type heater8, Rod Type heater
- 18 -
그림 부 분석그림 부 분석그림 부 분석그림 부 분석9. Brazing SEM9. Brazing SEM9. Brazing SEM9. Brazing SEM
표 일본 사 히터 특성표 일본 사 히터 특성표 일본 사 히터 특성표 일본 사 히터 특성3. H Rod type3. H Rod type3. H Rod type3. H Rod type
테스트 항목 조건 결과 측정 장비
Dimension( )㎣ - 5x70φ 버니어캘리퍼스
내전압이하에@2500V, ImA
서 분 동안 없음1 NGpass
Puncture tester
(HS-PCA510)
인장강도(kgf) - 6.2 Push pull scale
내구시험승온:500 ,℃
냉각:200℃10,000 cycle pass 자체 장비
절연저항 DC500V ∞ 메가테스터
TCR (ppm/ )℃ 기준250℃ 4050 자체 장비
소비전력 (W) 포화온도 40슬라이닥스/
디지털 멀티메터
표면온도 ( )℃ 포화온도 425접촉식 온도계
(SK-6800)
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나 의 특성나 의 특성나 의 특성나 의 특성. Rod type heater. Rod type heater. Rod type heater. Rod type heater
일본 사 히터의 특성을 확인하기 위하여 저항온도계수H Rod type (Temperature
강도 발열특성 등을 테스트하였다 히터의 특성은 표coefficient of Resistance), , .
와 같고 데이터는 개의 시료의 평균값이다3 , 10 sample .
제 절 고장분석 및 고장제 절 고장분석 및 고장제 절 고장분석 및 고장제 절 고장분석 및 고장3 Mechanism3 Mechanism3 Mechanism3 Mechanism
1. Failure Mode1. Failure Mode1. Failure Mode1. Failure Mode
세라믹 히터의 공정 및 에서 나타날 수 있는 고장모드는 표 와 같process Field 4
다.
표 세라믹 히터의표 세라믹 히터의표 세라믹 히터의표 세라믹 히터의4. Failure Mode4. Failure Mode4. Failure Mode4. Failure Mode
No Mode 용어설명
1 불량OPEN세라믹 히터의 저항발열체 이 일부분 혹은 여러Pattern
부분에서 단선이 되어 저항발열체의 기능을 못하는 상태
2인장강도저하
불량
세라믹 히터 단자부와 의 브레이징 접착력이Lead wire
미만 일때4kgf
3 불량Crack 세라믹 히터표면이나 내부에 갈라진 틈이 있는 상태
4산화Brazing
불량브레이징 단자부에 변색이 있는 상태
5 깨짐 불량Core 부분이 쪼개져 저항발열체의 기능을 못하는 상태Core
6그린시트 갈라짐
불량그린시트가 가라져 불량을 초래하는 상태OPEN
7 그린시트 접착불량그린시트 본딩부위가 떨어져 저항발열체의 기능을 못하
는 상태
2. Failure Analysis2. Failure Analysis2. Failure Analysis2. Failure Analysis
가 불량가 불량가 불량가 불량. OPEN. OPEN. OPEN. OPEN
불량은 세라믹히터의 저항발열체 패턴이 일부분 혹은 여러 부분에서 단선이OPEN
되어 저항발열체의 기능을 못하는 치명적인 불량모드이다.
- 20 -
위탁기관인 산업기술대의 비파괴검사 결과를 토대로 불량의 유형과X-ray OPEN
추정원인을 표 과 같이 정리하였다5 .
표 불량 유형 및 발생경로표 불량 유형 및 발생경로표 불량 유형 및 발생경로표 불량 유형 및 발생경로5. OPEN5. OPEN5. OPEN5. OPEN
Type 형태 발생가능 경로
A 이물에 의한 미인쇄
B이물 및 불량에 의한 미인쇄screen
이물 및 불량에 의한 손상screen Pattern
C 이물에 의한 손상Pattern
D 이물에 의한 손상Pattern
불량의 원인은 크게 가지로 세라믹 시트 내의 이물 및 유제OPEN 2 Screen hole
막힘으로 인한 미인쇄에 의한 단선과 이물 찍힘 파손 등Pattern , , Screen Pattern
의 결함이 전기적인 스트레스를 발생 및 가속화시키는 단선 나눌 수 있다 후자인.
경우는 현상으로 설명되어 진다migration .
은 금속에 전류밀도가 집중될 경우 발생하는 물질의 이동을 말한다Migration .
- 21 -
텅스텐 저항발열체의 경우 고온 분위기에서 직류 고전압이 인가되었을 때 저항 발
열체는 고전위측에서 저전위측으로 하여 양극측의 텅스텐이 감소하는 단Migration
선이 발생한다.[3]
또 그림 처럼 기공이나 이물이 있을 때 전류밀도 집중으로 인한 응력의, 10, 11, 12
변화로도 설명 되어진다 이런 현상은 온도조건이 고온일수록 가속화 된다.[4] .
그림 전극 패턴의 사진그림 전극 패턴의 사진그림 전극 패턴의 사진그림 전극 패턴의 사진10. SEM10. SEM10. SEM10. SEM
그림 에 의한 전류밀도 분포그림 에 의한 전류밀도 분포그림 에 의한 전류밀도 분포그림 에 의한 전류밀도 분포11. Void11. Void11. Void11. Void
그림 이물에 의한 불량 예그림 이물에 의한 불량 예그림 이물에 의한 불량 예그림 이물에 의한 불량 예12. Pattern12. Pattern12. Pattern12. Pattern
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실제 전극 을 그림 처럼 분석 결과 그림 와 같이 일부분에Pattern 10 SEM 11 Pattern
형태가 존재하였고 이부분에 전류밀도의 집중현상으로 전기적 스트레스 및Void ,
열의 국부적 편차에 의한 응력이 발생하고 이로 인해 전극이 단선되는 마모고장으
로 판단된다.
표 인장강도 불량 유형 및 발생경로표 인장강도 불량 유형 및 발생경로표 인장강도 불량 유형 및 발생경로표 인장강도 불량 유형 및 발생경로6.6.6.6.
Type 형태 발생가능 경로
A 전극의 메탈라이징 불량으로 인한 접착력 저하 발생
B오염에 의한 유막 형성으로 도금 층이Pattern
과의 접착력 저하되어 발생Pattern
C 용가재량 부족으로 인한 접착강도 저하 발생
D 가 들뜸으로 인한 접착강도 저하 발생Lead wire
- 23 -
나 인장강도 불량나 인장강도 불량나 인장강도 불량나 인장강도 불량....
인장강도는 와 단자부의 접착력 상태를 의미하며 접착력이 약하Lead wire Pattern
면 제품의 고데기 혹은 기타 기기 장착시 가 떨어져서 전원을 공급할 수Lead wire
없는 치명적인 불량이다.
표 과 같이 인장강도 불량유형을 주관기업인 세라트론 공구현미경 니콘6 ( , MM-60)
장비를 사용하여 측정하였다.
그림 은 히터 단자부분의 단면과 인장강도 시험 후 나타나는 파단모드8 Lead wire
를 간략히 나타내었다 여기서 는 각각 세라믹 기판 전극층 도금. a, b, c, d, e , , Ni
층 용가재층 부분이다, , lead wire .
그림 과 같이 세라믹 히터를 고정시키고 인장강도를 측정하였을 때 파단모드는13
그림 의 과 같이 브레이징 부분만 떨어져 나가는 경우는 없었으며14 b) Case1 ,
경우처럼 세라믹 부분까지 떨어져 나갈때는 이상으로 접착상태가 아주Case2 8kgf
우수하였다 파단모드의 대부분은 전극 패턴부분과 도금층과 분리되는 형태를 보였.
다 여기서 사용한 는 사의 를 사용하였다. Push pull gage Japan, Imada gage .
그림 인장강도 테스트그림 인장강도 테스트그림 인장강도 테스트그림 인장강도 테스트13.13.13.13.
- 24 -
히터 단자부a) Lead wire
파단 모드b)
그림 히터 단자부의 단면도 및 파단모드그림 히터 단자부의 단면도 및 파단모드그림 히터 단자부의 단면도 및 파단모드그림 히터 단자부의 단면도 및 파단모드14. Lead wire14. Lead wire14. Lead wire14. Lead wire
표 의 불량원인을 파악해 보면 인 경우는 그림 에서 보이듯이 많은 유6 A Mode 15
리질 성분이 형성되어 알루미나와 전극이 메탈라이징에 방해를 받은 것처럼 보인
다 이것은 그림 에서처럼 량에 따라 메탈라이징 접합강도가 달라진다는 유리. 16 flux
질 이동 이론 과도 일치하고 있다 는 단자부(glass migration theory) . [5] B Mode
오염으로 발생한 세척의 문제였고 는 브레이징 용가재량이 문제가 되었다, C Mode .
그림 에서처럼 용가재량이 개일 때 인장강도는 미만으로 젖음상태가 나빴17 1 4kgf
으며 용가재량이 개 이상일 경우는 인장강도가 이상으로 젖음상태가 양호하, 2 6kgf
였다 여기서 사용한 용가재는 이다 는 가 들뜸. BAg8, 0.5×3 . D Mode Lead wireφ ㎜
에 의한 지그 장착에 문제가 있어 개별적으로 지그 덮개를 제작하여 들뜸 문제를
해결하였다.
- 25 -
그림 알루미나 유리질 성분그림 알루미나 유리질 성분그림 알루미나 유리질 성분그림 알루미나 유리질 성분15.15.15.15.
그림그림그림그림 16. Modulus of rupture and Metal16. Modulus of rupture and Metal16. Modulus of rupture and Metal16. Modulus of rupture and Metal
- ceramic seal bursting force vs flux content- ceramic seal bursting force vs flux content- ceramic seal bursting force vs flux content- ceramic seal bursting force vs flux content
용가재 개a) : 1 용가재 개a) : 2 용가재 개a) : 3
그림 용가재량에 따른 상태그림 용가재량에 따른 상태그림 용가재량에 따른 상태그림 용가재량에 따른 상태17. Brazing17. Brazing17. Brazing17. Brazing
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다다다다. Crack. Crack. Crack. Crack
은 히터표면이나 내부에 갈라진 틈이 있는 상태로 알루미나와 같은 취성 재Crack
료에서는 재료 내부의 가장 취약한 부분이 파괴나 의 기점이 되고 강도 또한Crack
이 부분에 의해 결정되는 치명적인 불량모드이다 표 에 불량유형을 정 리. 7 Crack
하였다.
표 불량 유형 및 발생경로표 불량 유형 및 발생경로표 불량 유형 및 발생경로표 불량 유형 및 발생경로7. Crack7. Crack7. Crack7. Crack
Type 형태 발생가능 경로
A 취급 부주의로 인한 외부 충격으로 발생
B
히터 단자 시 발생한 이물Cavity Punch
로 인한 내부 으로 열충격에 의(Burr) Crack
한 미세크랙이 진행되어 발생
그림 쇼 타발 후 발생그림 쇼 타발 후 발생그림 쇼 타발 후 발생그림 쇼 타발 후 발생18. Cavi Burr18. Cavi Burr18. Cavi Burr18. Cavi Burr
는 깨짐 흔적으로 보아 취급 부주의로 인한 외부충격으로 및 깨짐이A Mode Crack
발생한 것으로 판단되고 의 초기 현상은 저항값이 계속 변화하는 형태를, B Mode
보였으며 그림 처럼 단자부의 발생으로 부분에서 응력이 집중, 18 Cavity Burr Crack
되고 열충격이 가해져 가속화되는 것으로 판단된다.
- 27 -
에서 전극을 구성하고 있는 금속이 산화되어 산화텅스텐이 된다 이때 체적B Mode .
팽창에 의해 기판을 구성하는 에 크랙이 발생한다는 보고 가 있으나Ceramics 3〔 〕
전극에는 산화가 일어난 것처럼 보이지 않는다.
그림 처럼 국내 화신기기의 인 내전압 누설전류 측정 장비를 이용하19 , HS-PCA510 ( )
여 이하에서 분간 통전시키고 절연파괴 유무로 여부를 체크하였2500V, 1mA 1 Crack
다.
그림 내전압 테스트그림 내전압 테스트그림 내전압 테스트그림 내전압 테스트19.19.19.19.
라 산화라 산화라 산화라 산화. Brazing. Brazing. Brazing. Brazing
표 과 같은 산화는 접합부에서 용가재의 원래색인 은색에서 변8 Brazing Lead wire
색되는 것으로 추후에 인장강도나 피로 수명에 문제가 될 수 있는 불량모드이다.
위탁기관인 산업기술대의 분석 자료인 그림 를 보면 산소 함유가 많SEM 15. a), b)
은 것으로 보아 전기로의 환원분위기에 문제가 있고 용가재가 비율이 약, Ag : Cu
인 것을 사용하는데 성분이 많이 검출되는 것으로 보아 다른 제품의 투입7 : 3 Cu
으로 인한 오염으로 판단된다.
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표 산화 불량 유형 및 발생경로표 산화 불량 유형 및 발생경로표 산화 불량 유형 및 발생경로표 산화 불량 유형 및 발생경로8. Brazing8. Brazing8. Brazing8. Brazing
Type 형태 발생가능 경로
A 전체적으로 검붉은색을 띠며 전기로에서 발생Brazing
B 검은색 띠의 형태로 나타나며 전기로에서 발생Brazing
C 검은색 점형태로 나타나며 전기로에서 발생Brazing
단자부 오염원 분석 붉은색 부분a) ( )
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단자부 오염원 분석 검은색 부분b) ( )
그림 산화 분석그림 산화 분석그림 산화 분석그림 산화 분석15. Brazing SEM15. Brazing SEM15. Brazing SEM15. Brazing SEM
표 불량 유형 및 발생경로표 불량 유형 및 발생경로표 불량 유형 및 발생경로표 불량 유형 및 발생경로9. Rod Type heater9. Rod Type heater9. Rod Type heater9. Rod Type heater
Type 형태 발생가능 경로
A 열충격시 성형체와 의 수축율차이로 인한 깨짐 발생sheet
B 의 두께가 얇음Rolling sheet
C 도포 불량Binder
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마 불량마 불량마 불량마 불량. Rod type heater. Rod type heater. Rod type heater. Rod type heater
표 와 같이 의 불량모드는 부분 깨짐 갈라짐9 Rod type heater Core , Sheet , Binder
도포 불량으로 나타났다.
는 성형체의 수축률이 의 수축률이 로A Mode Rod core 15%, Rolling sheet 16.7%
수축률 차이로 인한 깨짐이 발생하였고 는 수축률 및 의 두께가, B Mode sheet
로 얇고 수축률차이로 갈라짐으로 인한 불량이 발생하였다0.26 , Sheet OPEN . C㎜
는 도포 불량으로 발생하였다Mode Binder .
제 절 고기능 세라믹 히터 제작제 절 고기능 세라믹 히터 제작제 절 고기능 세라믹 히터 제작제 절 고기능 세라믹 히터 제작4444
1. Plate type heater1. Plate type heater1. Plate type heater1. Plate type heater
가 세라믹 구조 설계가 세라믹 구조 설계가 세라믹 구조 설계가 세라믹 구조 설계....
세라믹 히터의 전체 두께를 일정하게 하고 그림 에서처럼 층과 층 구조로 검20 2 3
토하였다 층 구조는 가운데 부분의 세라믹 기판에 발열체가 위치하기 때문에 열. 3
전달판에 충분한 열을 공급하지 못하는 문제가 발생되어 층 구조로 변경하였고2 ,
실제로 층 구조에서 히티의 표면온도가 정도 낮았다3 30-40 .℃
a) 2 Layer b) 3 Layer
그림 세라믹 히터의 구조 검토그림 세라믹 히터의 구조 검토그림 세라믹 히터의 구조 검토그림 세라믹 히터의 구조 검토20.20.20.20.
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제조사a) : Kanto, Japan 제조사 이영세라캠 국내b) : ,
그림 제조사에 따른그림 제조사에 따른그림 제조사에 따른그림 제조사에 따른21. ZrO21. ZrO21. ZrO21. ZrO2222의 입경의 입경의 입경의 입경 DATADATADATADATA
그림 별 분석그림 별 분석그림 별 분석그림 별 분석22. Paste SEM DATA22. Paste SEM DATA22. Paste SEM DATA22. Paste SEM DATA
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나 저항발열체 설계나 저항발열체 설계나 저항발열체 설계나 저항발열체 설계....
제조 및 분석제조 및 분석제조 및 분석제조 및 분석1) Paste1) Paste1) Paste1) Paste
중심입경이 인 분말과 첨가물의 종류 및 비율에 를 주관기1-2 W Paste A, B, C㎛
업인 주 세라트론의 자체 기술로 제조하고 위탁기관인 한국산업기술대에서 분석하( )
였다 그림 에 첨가물인. 21 ZrO2 입경 그림 에 분석 결과를DATA, 22 Paste SEM
나타내었다.
저항발열체 패턴저항발열체 패턴저항발열체 패턴저항발열체 패턴2)2)2)2)
본 과제를 통해 저항온도계수 의 변화가 작은 고기능 고신뢰성의 제조(TCR) , Paste
기술을 확보하여 세라믹 히터의 제어성능을 향상시켰으며 이것을 바탕으로, Pattern
제어기술 및 열분포를 고려하여 패턴 폭이 비저항이500 , 3.9×10㎛ -8인 고( -m)Ω
저항 제어 기술을 확보하였다 그림 은 별 저항발열체 패턴이다. 23 paste .
a) Paste A and C type b) Paste B type
그림 발열체 전극 패턴그림 발열체 전극 패턴그림 발열체 전극 패턴그림 발열체 전극 패턴23.23.23.23.
다 특성 비교다 특성 비교다 특성 비교다 특성 비교....
그림 과 같이 전극 패턴을 설계하고 제품을 제작하였다 제작된 제품의23 .
은 이고 특성은 표 과 같다 여기서 는 시료Dimension 70×15×1.3 10 . , Data 10ea㎣
의 평균값이고 입력전압은 이다 그림 에 별 온도포화 곡선, 120VAC, 60Hz . 24 Paste
을 그림 에 저항온도계수 그래프를 나타내었다, 25 .
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표 별 특성표 별 특성표 별 특성표 별 특성10. Paste10. Paste10. Paste10. Paste
그림 별 온도포화 곡선그림 별 온도포화 곡선그림 별 온도포화 곡선그림 별 온도포화 곡선24. Paste24. Paste24. Paste24. Paste
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그림 별 저항온도계수 그래프그림 별 저항온도계수 그래프그림 별 저항온도계수 그래프그림 별 저항온도계수 그래프25. Paste25. Paste25. Paste25. Paste
2. Rod type heater2. Rod type heater2. Rod type heater2. Rod type heater
는 그림 처럼 에 저항발열체를 인쇄하고 다른Rod type heater 26 Green sheet
를 하고 적층된 에 를 바르고 이것을Green sheet Lamination , Green sheet Bond
혹은 실린더 에 한 다음 건조시키고 건조된 성형체를 소성한다 그Rod core rolling .
리고 처리를 하여 를 접착하여 완성한다Brazing Lead wire .
그림 및 실린더타입 히터 제조 공정그림 및 실린더타입 히터 제조 공정그림 및 실린더타입 히터 제조 공정그림 및 실린더타입 히터 제조 공정26. Rod26. Rod26. Rod26. Rod
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가 제작 및 테스트가 제작 및 테스트가 제작 및 테스트가 제작 및 테스트. Core. Core. Core. Core
제작제작제작제작1) Core1) Core1) Core1) Core
초기의 은 그림 처럼 성형 방법으로 제작하였으나 성형체Core sample 27 a) CIP
표면이 거칠고 내경 및 외경 편차가 심하고 직진도 등의 문제가 있어 처럼 압출, , b)
성형법으로 재 제작하였다.
방법으로 제작한 샘플a) CIP 압출성형법으로 제작한 샘플b)
그림 제작그림 제작그림 제작그림 제작27. Core27. Core27. Core27. Core
압출성형체에 수축률 테스트를 한 결과 표 에서처럼 정도의 수축률을11 15%
보였다.
표 및 실린더 성형체의 소성 전후의 수출률표 및 실린더 성형체의 소성 전후의 수출률표 및 실린더 성형체의 소성 전후의 수출률표 및 실린더 성형체의 소성 전후의 수출률11. Rod core11. Rod core11. Rod core11. Rod core
테스트테스트테스트테스트2) Sheet Rolling2) Sheet Rolling2) Sheet Rolling2) Sheet Rolling
시 필요한 는 와 를 검토하였다Sheet Rolling Binder PVB PVA .
- 36 -
사용결과 는 용매를 사용해야 하므로 부착면이 용해되고 용매의 빠PVB PVB Sheet ,
른 휘발로 점도 관리가 곤란하고 소성 후 부풀음 현상이 나타났다 는 양호한. PVA
특성을 나타내어 표 처럼 두께 및 실린더 두께와 두께에12 Rod core Core Sheet
따른 접착력을 테스트 하였다.
표 그린시트 두께에 따른 부착력 테스트표 그린시트 두께에 따른 부착력 테스트표 그린시트 두께에 따른 부착력 테스트표 그린시트 두께에 따른 부착력 테스트12. Binder12. Binder12. Binder12. Binder
Rod type 실린더 type
6.97φ 4.19φ 두께Sheet 17.4φ 두께Sheet
PVA 5% ○ × 이하 가능0.26t ○ 이하 가능0.38t
PVA 10% ○ × 이하 가능0.38t ○ 이하 가능0.48t
PVA 15% ○ ○ ○ 모두 가능
여기서 사용한 테스트 두께는 이다Sheet 0.26, 0.31, 0.38, 0.43, 0.48, 0.61 .㎜
를 사용하는 것이 성형체 두께 혹은 두께에 관계없이PVA 15% core Green sheet
부착상태가 우수하므로 를 사용하는 것이 바람직하고 의 두PVA 15% Green sheet
께는 발열특성이나 작업성을 고려했을 때 가 적당하다0.38 .㎜
그림 는 와 의 수축률이 로 소성 전후의 사진이다28 Rolling Sheet Rod Core 15.2% .
그림 의 소성 전 후 상태그림 의 소성 전 후 상태그림 의 소성 전 후 상태그림 의 소성 전 후 상태28. Rod type heater , Sheet Rolling28. Rod type heater , Sheet Rolling28. Rod type heater , Sheet Rolling28. Rod type heater , Sheet Rolling
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제 절 신뢰성 테스트제 절 신뢰성 테스트제 절 신뢰성 테스트제 절 신뢰성 테스트5555
신뢰성 테스트 방법신뢰성 테스트 방법신뢰성 테스트 방법신뢰성 테스트 방법1.1.1.1.
내구시험 테스트는 주관기관인 주 세라트론에서 자체 제작한 내구시험기로 테스트( )
하였다 고데기용 히터의 경우 의 사용온도가 임을 고려하여 초간. , Field 200 7℃
하고 초간 냉각하여 을 테스트 하였다 이때의 히터 표면온Heating 20 10,000 cycle .
도는 시 냉각시 이고 이 경우 을 만족하면 최소Heating 500, 200 , 10,000cycle 1℃
년의 수명을 보장할 수 있다 여기서 저항발열체는 발열체 패턴은 그림. , Paste B,
의 를 사용하였다 내전압 누설전류 은 에서 분간 통전시켰다27 b) . ( ) 2500VAC, 1mA 1 .
표 은 신뢰성시험 이고 그림 은 내구시험사진이다13 DATA , 29 .
표 신뢰성시험표 신뢰성시험표 신뢰성시험표 신뢰성시험13. DATA13. DATA13. DATA13. DATA
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히터 내구시험기a) 히터 발열특성b)
그림 히터 내구시험그림 히터 내구시험그림 히터 내구시험그림 히터 내구시험29.29.29.29.
표 가속수명시험표 가속수명시험표 가속수명시험표 가속수명시험14. DATA14. DATA14. DATA14. DATA
가속수명시험가속수명시험가속수명시험가속수명시험2.2.2.2.
가속수명시험은 온도 조건은 신뢰성시험과 동일하게 하고 총setting 20,000 cycle
동안 테스트하였다 판정기준은 내전압은 로 분간 통전시켰을 때 누설전류. 3750V 1 ,
는 미만으로 하였다0.5mA .
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테스트 결과 저항온도계수는 포화온도는 로 가속수명시험2950±10ppm/ , 510℃ ℃
전보다 정도가 낮으나 측정오차나 에서의 제어온도가 정도임을 감안10 field 200℃ ℃
하면 가속수명시험 전후의 유의차가 없고 어떤 고장도 발견되지 않아 고데기용 세,
라믹 히터의 특성을 감안 할 때 년 정도의 수명예측이 가능하다 표 는 가속수2 . 14
명시험 이다DATA .
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제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333
본 연구를 통하여 세라믹 히터의 반복 열응력에 의한 원인 분석 및 개선방Failure
안 도출과 가혹 사용 환경 설정에 따른 전기적 특성 저항온도계수 내전압 저항( , , )
의 열화 규명으로 신뢰성 평가 기술의 향상과 고장원인 및 고장 메카Mechanism
니즘을 규명할 수 있었고 다음과 같은 결론을 얻었다.
불량은 크게 가지로 이물 및 유제 막힘으로 미인쇄1. OPEN 2 Screen hole Pattern
에 의한 단선과 이물 찍힘 파손 등의 결함이 전기적인 스트레스, , Screen Pattern
를 발생원으로 작용하여 저항발열체의 현상에 의한 단선으로 나눌 수 있Migration
다 이런 현상은 온도조건이 고온일수록 가속화 되는데 저항발열체 전극의. Pattern
폭과 을 넓게 조정하여 불량을 줄일 수 있다Pattern Cap OPEN .
인장강도는 부와 단자부의 파단모드로 볼 때 전극 패턴부분과2. Lead wire
도금충과 분리는 형태를 보였다 이런 경우는 알루미나와 전극이 메탈라이징에 방.
해를 받은 경우와 용가제량에 따라 인장강도 특성이 많이 좌우 되었다.
소량의 성분사용과 계면박리가 일어나지 않도록 용가재량으로 피접착제의 젖flux
음성 상태를 개선하여 인장강도를 증가시켰다.
은 히터표면이나 내부에 가장 취약한 부분에 응력이 집중되어 파괴되는 불3. Crack
량모드로 인 경우는 특성검사기의 내전압 누설전류 검사로 검출하였다Crack ( ) .
산화는 히터 특성에는 다소 경미한 고장모드이나 외관상 좋지 못하고4. Brazing ,
추후에 인장강도나 피로 수명에 문제가 될 수 있다 이 경우 대부분의 불량 유형은
전기로 환원분위기 문제 및 전기로 오염이 그 원인이었다.
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의 경우는 수축률 차이에 의한 깨짐 불량과 가 갈라져5. Rod type heater Sheet
불량이 나타나고 량과 도포상태 등에 따라서 불량이 발생하였다OPEN Binder .
의 자체 제작을 통해 제어 및 비저항이6. Paste A, B, C , TCR 3.gx10-8 인( -m)Ω
고저항 제어 기술 및 발열체 패턴 제어 기술을 통해 고기능 세라믹 히터 제작이 가
능하였다.
발열체 패턴 기술 및 기술 등을 통해 고정밀 및 실린더 타7. Sheet Bonding Rod
입의 히터를 제작할 수 있는 기반을 마련하였다.
의 온도조건으로 의 가속수명시험을 통해 절연저항이8. 200-500 20,000cycle℃
이상이고 내전압이 의 전압인가 시 누설전류가 미만이고 인장100 , 3750V 0.5mA ,㏁
강도가 이상을 확보하여 고데기용 히터로 적용할 경우 년 이상의 수명예측이4kgf 2
가능하였다.
본 연구를 통해 세라믹 히터 열적 전기적 특성에 영향을 주는 변수와 이런 변수의,
제어를 통해 고부가가치의 신규제품 개발 시스템 구축이 가능할 것으로 판단된다.
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제 장 사업목표 달성도 및 기대효과제 장 사업목표 달성도 및 기대효과제 장 사업목표 달성도 및 기대효과제 장 사업목표 달성도 및 기대효과4444
제 절 사업목표 달성도제 절 사업목표 달성도제 절 사업목표 달성도제 절 사업목표 달성도1111
본 연구를 통하여 다음과 같은 목표를 달성하였다.
재료 특성 평가재료 특성 평가재료 특성 평가재료 특성 평가1.1.1.1.
곡강도- : > 300Mpa (100%)
내전압 누설전류- ( ): <0.5mA, @3750V (100%)
- Bulk Density: > 3.8g/ (97%)㎠
- Camber : 0.01 Max. (100%)㎜
절연저항- : > 100 (100%)㏁
인장강도- Lead : > 4kgf (100%)
내구신뢰성- : <0.01% (100%)
세라믹 히터 최적화세라믹 히터 최적화세라믹 히터 최적화세라믹 히터 최적화2.2.2.2.
고장원인 분석- (95%)
발열체 구조 최적화- (95%)
세라믹 구조 최적화- (95%)
신규 응용 제품 개발 고정밀 인두기용 히터 개발신규 응용 제품 개발 고정밀 인두기용 히터 개발신규 응용 제품 개발 고정밀 인두기용 히터 개발신규 응용 제품 개발 고정밀 인두기용 히터 개발3. : (85%)3. : (85%)3. : (85%)3. : (85%)
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제 절 성과 및 기대효과제 절 성과 및 기대효과제 절 성과 및 기대효과제 절 성과 및 기대효과2222
신뢰성 향상을 위한 설계변경 도금공정 개선 선진제품과 신뢰성 비교 평Pattern , ,
가 등을 통해 및 내전압 불량 등과 같은 내부 고장이 감소하고 건OPEN , TCR 1 ,
불량 건 불량 건과 같은 고객 불만족 사항을 해결하여 사업전 대OPEN 3 , Crack 2
비 의 매출 증가가 이루어 졌다76.2% .
해외 인증 획득과 개선과 관련한 특허 및 세라믹 히터의 구조관련 특허UL TCR
출원으로 매출은 더욱 증가하리라 예상된다.
또한 본 기술을 순간온수기용 자동차용 의료기기용 히터 등의 새로운 응용분야에, , ,
적용가능하고 국내수요의 연 억원정도의 수입대체 효과가 있을 것으로 기 대 된, 60
다.
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참고문헌참고문헌참고문헌참고문헌
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