초록 ▼

1. 최종목표
인덕션 레인지(Induction Range) 는 유도가열(Induction Heating, IH) 방식을 이용하여 금속물체를 가열하는 차세대 전열 기구 이다. 현재 인덕션 레인지의 큰 문제점은 워킹 코일(Working Coil)의 줄 열(Joul Heating)과 기기 상부의 피가열체로부터 전달되는 열에 의해 워킹 코일이 불필요하게 과열되는 것이다. 이러한 불요열(不要熱)로 인해 1) 워킹 코일의 냉각 효과가 감소하고, 2) 장시간 연속 운전에 제약이 따르며 3) 워킹 코일이 열에 의해 영구 변형 되는 문제점이

1. 최종목표
인덕션 레인지(Induction Range) 는 유도가열(Induction Heating, IH) 방식을 이용하여 금속물체를 가열하는 차세대 전열 기구 이다. 현재 인덕션 레인지의 큰 문제점은 워킹 코일(Working Coil)의 줄 열(Joul Heating)과 기기 상부의 피가열체로부터 전달되는 열에 의해 워킹 코일이 불필요하게 과열되는 것이다. 이러한 불요열(不要熱)로 인해 1) 워킹 코일의 냉각 효과가 감소하고, 2) 장시간 연속 운전에 제약이 따르며 3) 워킹 코일이 열에 의해 영구 변형 되는 문제점이 발생한다. 현재 (주)디포인덕션은 기기 내부에 설치한 에어 가이드(Air Guide)와 쿨링 팬(Cooling Pan)을 이용한 공랭(空冷) 방식으로 워킹 코일을 냉각하고 있으나 냉각 효과가 충분치 않은 탓에 워킹 코일의 과열로 인한 고장 및 수리 접수가 끊이지 않고 있다. 또한 공랭 방식으로 인해 워킹 코일 및 기기 내부에 미세 먼지가 쌓이게 되고 쿨링 팬의 핵심부품인 모터의 소음과 잔 고장으로 인한 불만 사례도 계속 되고 있다. 본 과제에서는 워킹 코일 하부에 알루미늄 방열판을 위치시킨 다음, 이들을 물리적으로 연결해주는 낮은 전기전도도 ? 높은 열전도도의 고분자 세라믹 복합체로 몰딩하여 단일 구조체로 제작하여 불요열을 제거 및 차단하였다. 이러한 불요열 제거 기술을 이용하면 1) 장시간 연속 운전이 가능하고 2) 저 출력의 쿨링 팬의 사용으로 소음 및 잔 고장 발생 빈도가 감소하며 3) 인덕션 레인지 기기의 부피 축소 효과를 거둘 수 있다.
2. 개발내용 및 결과
워킹 코일의 불요열을 제거하기 위해 워킹 코일과 알루미늄 방열판을 고분자 세라믹 복합체로 함께 몰딩하는 방법을 사용하였다. 1차와 2차 프로토 타입의 제작과 실험결과를 통해 고분자 복합체의 혼합 비율과 방열판의 형태, 제작틀을 수정하면서 3차 프로토 타입을 제작했다. 3차 프로토 타입에서 상당히 개선된 실험결과를 얻을 수 있었고 이 과제의 최종 결과물로 결정하게 되었다. 다수의 샘플을 제작해 다양하고 정밀한 반복 실험을 진행함으로써 신뢰성을 높이면 실용화 단계까지 나아갈 수 있다.
3. 사업성과
? 기술적 성과
인덕션레인지의 열발생 문제는 인덕션레인지의 내구성과 직접적으로 관계된 주요한 기술적 과제이다 코일에서의 열발생 문제는 인덕션레인지의 . 내구성을 저하시키며, 인덕션레인지에 대한 소비자의 신뢰도와 감소시키며 잔고장의 원인이 되어 애프터서비스의 주된 원인이 되고 있다. 워킹 코일 하부에 알루미늄 방열판을 위치시킨 다음, 이들을 물리적으로 연결해주는 낮은 전기 전도도 ? 높은 열전도도의 고분자 세라믹 복합체로 몰딩하여 단일 구조체로 제작하는 불요열을 제거 및 차단하였다. 이러한 불요열 제거 기술을 이용하면 1) 장시간 연속 운전이 가능하고 2) 저 출력의 쿨링 팬의 사용으로 소음 및 잔 고장 발생 빈도가 감소하며 3) 인덕션 레인지 기기의 부피 축소 효과를 거둘 수 있다. 본 사업에서 설계한 구조체로 실제 인덕션레인지를 구동하는 상황보다 훨씬 벗어난 상황(냄비에 4L의 기름을 붓고 연속 운전하여 기름의 끓는점까지 가열하였다)에서 실험을 해 본 결과, 냉각팬을 떼고도 인덕션레인지의 구동이 가능함을 확인할 수 있었고, 냉각팬의 제거로 인해 냉각팬에 의한 피가열체의 냉각효과를 없앨 수 있었다. 또한 가장 빈번하게 A/S 수요가 있었던 냉각펜 고장을 방지할 수 있다.
? 경제적 성과
본 사업에서 개발한 코일을 고분자 세라믹 복합체로 몰딩한 인덕션레인지로 기존의 모델에 비해 코일에서 발생된 열에 의한 파손 및 오작동을 방지할 수 있다. 또한 냉각펜을 제거하고도 충분히 인덕션레인지를 가동시킬 수 있어 소음 차단 및 냉각펜의 A/S 수요를 없앨 수 있다. 이러한 설계는 인덕션레인지의 제품개선으로 인덕션레인지의 대중성을 확보하는데 큰 역할을 할 뿐만 아니라, 다른 회사의 제품과 차별화함으로서 시장 점유율을 크게 높일 수 있을 것으로 예상된다. 코일의 열발생을 효과적으로 제거하는 설계로 인해 실제 상황보다 훨씬 가혹한 실험 상황에서 단 한번도 오작동을 일으키지 않았으며, 이는 인덕션레인지의 내구성 향상을 의미한다. 현재 요청되는 A/S 대부분이 코일의 과열에 인한 문제와 냉각팬 고장임을 감안할 때, 본 설계는 회사의 A/S 관련 운영비를 크게 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 이와 함께 냉각팬의 소음을 제거함으로써 소비자들에게 좀 더 쾌적한 요리 환경을 만들어 줄 수 있을 것이다. 이러한 새로운 설계에 의한 개선은 인덕션레인지 제품 자체의 대중성을 확보하는 데에 핵심적인 역할을 할 것이다. 특히 안전성이나 요리의 간편함을 중시하는 젊은 층의 소비자들을 시작으로 기존의 가스레인지를 대체해 나가기 시작하면 수년 이내에 60~70% 의 시장 점유를 예상할 수 있다.
? 사회적 성과(일자리 창출 등)
본 사업에서 수행한 기술로서 기존의 가스레인지를 대체하는 새로운 조리기구 시장에 대비하여 일자리 창출에 도움을 줄 것으로 기대되며, 고분자 세라믹 복합체로 코일을 몰딩한 기술은 코일이 적용되는 자기소자 전반에 걸쳐 활용이 가능하다. 인덕션레인지와 같은 원리로 구동되는 변압기의 경우 코일에서 발생되는 열을 효과적으로 바깥으로 전달하는 디자인 설계를 적용해 안전성과 내구성의 향상을 기대할 수 있다.
4. 향후추진계획
실레인 커플링제로 표면 개질 이후 분말 파쇄가 본 과제의 최대 문제점이다. 입자들이 뭉쳐 무게가 증가함에 따라 경화 중에 아래로 침전되는 양이 증가하기 때문에 구조체 내부의 충진제 부피비가 균일하지 못하다. 즉 몰딩 구조체의 핵심 지역인 워킹 코일과 방열판을 사이에 있는 충진제 보다 경화 중침전으로 인해 구조체 상부에 쌓여 있는 충진제량이 훨씬 많아지는 현상이 발생한다 . 이를 위해서 볼 밀(Ball Mill), 비드 밀(Bead Mill), 어트리션 밀(Attrition Mill) 등을 통해 AlN 입자를 수 마이크로 또는 수백 나노 까지 파쇄하여 최대한 침전되는 양을 줄여야 한다. 만약 입자를 미세화 하여도 침전 문제가 해결 되지 않을 경우 보다 빠르게 선경화되는 수지 및 경화제를 사용하거나 각 워킹 코일별 크기에 맞는 틀과 이에 맞는 덮개를 제작하여 틀을 미세하게 원형으로 흔들어주면서 경화시키는 방법도 생각해 볼 수 있다. 두 번째 문제점은 구조체 내부에 생성되는 기포 제거다. 기포의 량은 충진제의 량, 알루미늄과 맞닫는 부위가 많을수록 증가한다. 이를 방지하기 위해 방열판에 곳곳에 구멍(D8 )을 뚫어 몰딩하면 기포감소 효과와 더불어 구멍사이로 침투한 복합체가 방열판을 단단히 잡고 있기 때문에 복합체의 소모량도 줄일 수 있으며. 이에 따라 방열판의 날개 부분의 노출 부위가 더욱 많아지기 때문에 냉각 효과도 증진 시킬 수 있다. 만약 이런 방법이 적절하지 않다고 판단되면 일단 진공 오븐에서 경화해보고, 차선책으로 에폭시에 탈포제 및 소포제를 첨가하는 방법이 있다. 하지만 탈포제 및 소포제를 첨가하기 위해선 별도의 에폭시 용해제가 필요하고, 이에 따라 복합체의 열전도도가 감소할 우려가 있기 때문에 최후선책으로 고려하여야 한다.

목차 Contents

• 산학 공동기술개발지원사업 최종보고서...1
• 최종보고서 제출서...2
• 지식재산권 출원.등록비 집행내역...3
• Ⅰ. 총괄현황...3
• Ⅱ. 세부집행내역...3
• 사업비사용실적보고서...4
• Ⅰ. 총괄현황...4
• Ⅱ. 과제개발비 세부집행내역...4
• 개발결과의견서...7
• 최종보고요약서(초록)...8
• 목 차...11
• 제 1장. 서 론...12
• 제 1절 현황 및 개발 목표...12
• 제 2절 해결방안...12
• 제 2장. 과제개발 내용 및 방법...13
• 제 1절 배경이론...13
• 제 2절 COMSOL 시뮬레이션 결과 분석...16
• 제 3절 실험 방법...18
• 제 4절 실험 결과 및 분석...21
• 제 3 장. 사업성과...35
• 제 1절 기술적 성과...35
• 제 2절 경제적 성과...36
• 제 3절 사회적 성과 및 활용 성과...36
• 제 4장. 결 론...36
• 제 1절 개발 결과...36
• 제 2절 문제점 및 향후 진행 방향...37
• 참고자료...39
• 위탁연구보서...40