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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.
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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㎜
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 .
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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