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문제 정의
- SiC-TiB2와 SiC-ZrB2 도전성 복합체의 최적 설계 요소와 제조기법을 찾을 목적으로 상대밀도, 꺾임강도, Young's 계수, EDS와 XRD분석, 파단면의 미세구조 관찰과 전기 저항률, 저항온도계수를 측정 · 평가하여 향후 상압 소결에 의한 SiC계 세라믹 발열체의 최적 조건을 찾고자 하였다.
- 본 연구에서는 보다 더 경제적인 면을 고려하여 소결온도가 더 낮은 고온 가압소결법(hot pressing)으로 전도성 세라믹 재료를 개발 할 목적으로 β-SiC에 ZrB2 또는 TiB2를 혼합하고 소결조제 Al2O3+Y2O3를 첨가하여 1,650℃에서 액상소결(LPS)하였다.
제안 방법
- SiC계 세라믹 발열체를 응용해 간이 시제품을 설계 · 제작하였다.
- 각 발열체의 실험 설비는 기본적으로 수조 골격, 제어함과 알루미늄 프로 파일을 이용한 외형 틀로 이루어져 있으며, 표시부는 디지털 표시 방식을 통하여 제어함의 겉 뚜껑에 전압, 전류와 전력 및 온도를 표시하도록 하였고, 제어부는 TPR를 채용하여 돌입전류와 최고 허용 전류를 제한하도록 설계하였다. 각 실험설비의 그 밖의 특징들은 다음과 같다.
- 개발과정을 통하여 SiC계 세라믹 발열체 제작을 위한 기초기반 기술을 확보하였다. 대량 생산을 위한 세라믹 발열체의 일반적인 특징에 관한 개발 · 검토을 통하여 SiC계 세라믹 발열체를 상압소결방식으로 제조하여 시제품을 제작하였다.
- 세라믹 발열체에서 가장 중요한 요인은 접촉저항이 승온 속도에 가장 큰 영향을 주는 것으로 나타났다. 경제성 평가를 위해 물의 승온 및 보온력을 측정하였다. SiC계 세라믹 발열체는 돌과 같은 특성을 나타나기 때문에 전력을 투입하고 10분까지는 분당 약 0.
- 기존에 2개의 흑연 너트를 사용하여 조립하던 것을 흑연 너트를 사용하지 않고, 동 너트와 시편을 직접 연결하는 방식으로 설계하여 접촉저항을 줄이도록 설계하였다.
- 대량 생산을 위한 세라믹 발열체의 일반적인 특징에 관한 개발 · 검토을 통하여 SiC계 세라믹 발열체를 상압소결방식으로 제조하여 시제품을 제작하였다.
- 7배 높기 때문에 제품의 사용 기간이 길어질수록 에너지 절감 효과를 얻을 수 있어, 경제성 면에서는 대단히 유리하게 평가 된다. 또한 SiC계 세라믹 발열체의 장점을 그대로 이용하여 복합화 함으로써 도전성, 내산화성, 기계적 강도등 저온(1000℃이하) 및 고온용 도전재료의 최적 조건을 분석하여 고효율 세라믹 발열체를 시험 제작하였다.
- 특히 적외선 방사체로 사용하기 위해서는 적절한 입도가 필요하기 때문에 20μm이상의 입도를 가진 원료들은 메쉬를 이용한 후 입도분석을 하였으며, SiC의 입도분석에 따른 방사특성은 그림 1과 같다. 또한 이러한 가능성 진단을 통하여 최적의 조건을 찾은 후 경제성 평가를 위해 생산이 가장 간단하고 대량 생산이 가능한 상압 소결법으로 SiC계 세라믹 발열체의 모델을 제작하였고, 경제성 평가을 위한 비교 대상은 일반적으로 가장 많이 사용되는 쉬스 발열체를 채택하였으며, 간이 저장식 온수 시스템을 제작하여 물의 승온 속도와 온도 유지에 대한 경제성을 평가하였다.
- 수조통은 그 크기에 따라 약간씩 변화되어지지만, 물용량 10ℓ가 채워지고, 온도가 올라감에 따른 물의 부피상승에 따른 여유분이 발생하도록 설계·제작하였다. 물의 상승 온도를 감지하기 위하여 수조통 내부에 온도센서를 삽입한 형태를 취하였다.
- 를 첨가하여 액상소결방식으로 소결온도를 1650℃까지 낮추는 연구를 진행하였다. 상압소결방식을 도입하여 한 번의 공정으로 대량 생산이 가능한 SiC계 세라믹 발열체를 개발하였다[14].
- 소결첨가제인 Al2O3+Y2O3를 첨가하여 액상소결방식으로 소결온도를 1650℃까지 낮추는 연구를 진행하였다. 상압소결방식을 도입하여 한 번의 공정으로 대량 생산이 가능한 SiC계 세라믹 발열체를 개발하였다[14].
- 수조통은 그 크기에 따라 약간씩 변화되어지지만, 물용량 10ℓ가 채워지고, 온도가 올라감에 따른 물의 부피상승에 따른 여유분이 발생하도록 설계·제작하였다.
- SiC계 세라믹 발열체를 응용해 간이 시제품을 설계 · 제작하였다. 쉬스 발열체와 비교하여 성능 검증을 통하여 경제성 평가를 행하였고, SiC계 세라믹 발열체의 응용 분야와 경제적인 파급효과에 대해 분석하였다.
- 외함은 알루미늄 프로 파일 골재를 이용하여 설계·제작하였고, 제어함의 크기는 700(w)×900(h)×230(d)로 내부에 제어부, 변압기, 출력부들을 제작 배치하였다.
- 첫 번째 실험은 세라믹 bus bar의 가공이 잘못되어 가공을 새롭게 하였지만, 충격에 약하여 조립 압을 줄 수 없으며, 가공시 많은 열에 의해 bus bar가 뒤틀리는 현상으로 인하여 시편과 조립 시 단자가 깨지는 현상이 발생하여서 세라믹 bus bar 사용을 하지 못하였다.
- 첫 번째 실험조건은 전체 저항 1.8Ω, 시험 전압 50V를 투입하였고, 물의 온도가 8.9 → 70.4℃까지 상승하는데 소요된 시간은 약 91분이 소비되었고, 두 번째 실험조건은 전체 저항 1.7Ω, 시험 전압 45V를 투입하였고, 물의 온도가 7.9 → 70.1℃까지 상승하는데 소요된 시간은 약 126분이 소비되었다.
- 출력부는 변압기을 사용하여 0, 30, 35, 40, 45, 50V Tap 전압으로 설계하여, SiC계 세라믹 발열체와 흑연 단자와 연결 시 발생되는 접촉저항에 따라 Tap 전압을 변환하여 출력 전력을 제어하기 위하여 설계하였다.
대상 데이터
- 쉬스 발열체는 출력부를 따로 설계하지 않고, TPR을 통한 출력 제어를 제어하였고, 제어함의 크기는 505(w)×750(h)×230(d)로 내부에 출력부들을 제작 배치하였다.
- 알루미늄 프로파일은 714(w)×1007(h)×430(d)의 크기로 설계하였다.
- 알루미늄 프로파일은 900(w)×1350(h)×450(d)의 크기로 설계·제작하였다.
성능/효과
- 0℃씩 상승하여 물의 온도가 70℃에 이르는 시간은 약 62분이 소비되었다. 결과적으로 보면 SiC계 세라믹 발열체가 쉬스 발열체 보다 약 1.1배 느리게 상승하고 있다. 보온력에 대한 실험으로 물의 온도가 70℃에 도달하여 전력이 자동 차단되었다가 다시 투입되는 시간을 실험한 결과 쉬스 발열체는 약 15분이 소비되었고, SiC계 세라믹 발열체는 약 40분이 소비되어 약 2.
- 두 번째 실험은 내장형 수조를 기존 내장형과 달리 내부 이상시 발열체 재조립이 가능하도록 설계 제작하였고, 기존 전체 저항 1.8Ω에서 0.8 ~ 0.9Ω으로 현저히 접촉저항을 줄였다.
- 1배 느리게 상승하고 있다. 보온력에 대한 실험으로 물의 온도가 70℃에 도달하여 전력이 자동 차단되었다가 다시 투입되는 시간을 실험한 결과 쉬스 발열체는 약 15분이 소비되었고, SiC계 세라믹 발열체는 약 40분이 소비되어 약 2.7배 높은 보온력을 나타냈다.
- SiC는 일반적으로 내마모성, 열전도성, 열충격저항성, 강도와 내산화성이 우수하지만 SiC를 기저로한 세라믹스의 취성이 낮아 응용에 제한을 받으며, 1000℃이하에서는 전기저항률이 負(-)저항 온도계수이기 때문에 온도상승과 함께 전류를 억제할 수가 없어 과열이 발생한다. 본 논문에서 평가된 세라믹 발열체를 하나의 몸체로 제작하여 접촉 저항을 최대한 줄이면 쉬스 발열체보다 1.1배 느린 초기 상승 온도 속도를 높일 수 있을 것으로 사료된다. 보온력에서는 SiC계 세라믹 발열체가 쉬스 발열체보다 약 2.
- 쉬스 발열체와의 비교 그래프는 그림 2에 나타냈다. 세라믹 발열체에서 가장 중요한 요인은 접촉저항이 승온 속도에 가장 큰 영향을 주는 것으로 나타났다. 경제성 평가를 위해 물의 승온 및 보온력을 측정하였다.
- 3 → 70℃까지 상승하는데 소요된 시간은 약 78분이 소비되었다. 승온 속도를 관찰한 결과 전력 투입후 15분까지는 약 2℃ 상승하였지만, 15분 후부터는 승온 속도가 빨라져 30분후에는 약 분당 1℃씩 상승하는 결과를 나타내었다. 쉬스 발열체와의 비교 그래프는 그림 2에 나타냈다.
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