재료의 방사율을 증가시키기 위한 장치 및 방법 document_id A220623031472

높은 방사율을 갖는 표면을 지닌 재료는 효율적인 열의 흡수 및 방출과 같은 여러 가지 유용한 기능을 한다. 특히, 전기 가열 요소는 산업적 용도의 리액터 및 오븐과 같은 다양한 디바이스에서 사용된다. 가열 요소에 공급되는 전기 에너지는 가열 요소에서 열로 전환되어 가열 요소로부터 디바이스에 의해 처리되는 공작물 또는 디바이스의 소정 부품과 같은 다른 물체로 전달된다. 여러 가지 디바이스에서, 복사는 중요한 열전달 모드이다. 예컨대, 반도체 웨이퍼를 처리하는 데 사용되는 리액터에서, 가열 요소는 웨이퍼를 유지하는 캐리어로부터 이격되어, 복사 열전달에 의해 캐리어로 열을 전달한다. 복사 열전달에 있어서, 가열 요소로부터 전달되는 열의 양은 가열 요소의 온도에 의해 증가되며, 또한 가열 요소의 방사율에 따라 직접적으로 변동한다. 이것은 가열되는 부분에 의해 흡수되는 열 또는 복사 에너지의 양에 있어서도 동일하게 적용된다. 이하에서 더욱 논의하겠지만, 방사율은 표면으로부터 방출되는 복사 에너지의 양과 "흑체(black body)"라고 일컫는 이론적으로 완벽한 방출면에 의해 방출되는 복사 에너지의 양의 비로, 표면과 방출면 모두 동일한 온도이다. 표면의 방사율은 흑체의 방사율에 대한 백분율로 정할 수 있다. 높은 방사율을 갖는 가열 요소는 주어진 온도에서 보다 많은 에너지를 방출한다. 불행하게도, 가열 요소로 사용하기 위한 다른 바람직한 속성을 갖는 많은 재료들은 또한 비교적 낮은 방사율을 갖는다. 현재, 표면 방사율을 증가시키기 위해서 가장 폭넓게 이용되는 방법은 표면적을 증가시키기 위한 기계적 표면 가공과, 고방사율 재료로 표면을 코팅하는 것이다. 기계적 표면 가공은 다양한 홈 커팅, 널링 및 다른 형태의 블래스팅을 포함한다. 이들 가공은 때때로 제어하기 어려우며, 특히 어떤 저항 히터 요소와 같은 매우 얇은 부분에 대해서 단독으로 이용될 때 바람직하지 않은 결과를 때때로 야기할 수 있다. 통상, 상기 가공들이 방사율을 그다지 크게 증가시키지는 않는다는 점이 가장 중요하다. 예컨대, 샌드 블래스팅 또는 쇼트 피닝(shot peening) 처리후에 몰리브덴 시트의 방사율은 14 - 15% 내지 20 - 25% 증가한다. 표면 방사율을 증가시키기 위한 다른 방법론은 제1 재료의 표면을 방사율이 높은 제2 재료로 코팅하는 것이다. 이에 의해, 표면의 방사율은 통상적으로 코팅재의 방사율과 동일해진다. 따라서, 실온에서 바람직한 고방사율 결과를 얻을 수 있지만, 통상 고온과 강한 열 및 압력 또는 민감한 환경에 있어서 코팅재의 신뢰성이 낮다. 이에 대한 한가지 원인은, 예컨대 베이스 재료와 코팅재 간의 선팽창의 차이이다. 복수 회의 열 사이클 후, 코팅재에 균열이 발생하기 시작하여 코팅재가 박리될 수 있다. 더욱이, 많은 코팅재가 낮은 기계적 강도를 지니고, 설치 또는 채용중에 쉽게 벗겨지거나 표면으로부터 분리될 수 있다. 마지막으로, 반도체, 의학, 식품, 약품 등과 같은 산업 용례에 있어서는 코팅재에 의한 처리의 오염과 처리 환경과의 화학적 친화성에 대한 문제가 있다. 표면 방사율을 증가시키는 다른 가능한 방법은, 매우 불균일한 표면 조직을 형성하도록 조정되는 화학적 기상 증착(CVD) 처리와 같은 코팅 처리를 이용하여 베이스 재료와 동일한 성분을 갖는 코팅재를 도포하는 것이다. 이러한 코팅재의 주요 문제점은 기계적 강도가 매우 낮고 베이스 재료의 표면에 대한 접착력이 낮다는 것이다. 따라서, 당업계에서의 모든 노력에도 불구하고 가열 요소와 같은 요소의 방사율을 증가시키기 위한 다른 개선된 방법이 필요하다.