금속/금속산화물 매트릭스의 화염분사에 의한 전기가열소자 형성 방법 document_id A220623037993

생산된 일련의 소자가 가능한한 공차에 근접한 전기저항으로 제조되어야 한다는 것은 모든 상업적 전기 가열소자의 생산과정에 요구되는 기본적인 사항이다. 전기 가열소자를 생산하는 종래의 기법은 통상적으로 스트립 형태 또는 와이어 형태의 저항 합금의 사용에 기초하였었다. 일반적으로 스트립 형태 또는 와이어 형태로 저항 합금을 이용하여 제조되는 종래의 가열소자는 특정한 소자 디자인에 부수적인 요구 저항의 ±5% 저항 공차내에서 처리되어 왔다. 그러나, 자동 제조기법의 개선으로 인해, 최근에 종래 전기저항 가열소자의 제조 공차는 요구 저항의 ±2.5%일 정도로 개선되었다. 영국 특허출원 제0992465호에는 얇게 스퍼터링된 탄탈륨 금속 필름의 결정 구조를 변화시키기 위해 펄스형 전압을 사용하는 기법이 개시되어 있다. 이러한 스퍼터링된 필름은 초기 침착시 임의의 결정 구조를 가질 때, 일반적으로 상당히 많은 그레인 바운더리를 갖는 다결정 형태로 구성되어 있다. 이러한 필름의 전기저항은 다결정 금속 매트릭스내에서 수많은 그레인 바운더리에 비례한다. 그레인 바운더리가 많을수록, 저항은 커진다. 영국 특허출원 제0992464호에 따르면, 필름을 재결정화하는 어닐링 처리 형태로 다결정 구조를 초기에 "표준화"하기 위해 열이 사용되어, 그레인 바운더리(입계)의 갯수 및 전기저항을 감소시키고 있다. 어닐링/표준화 처리과정은 정밀하지 않으며, 따라서 스퍼터링된 필름은 충분한 재결정이 실행되어 저항을 최종 요구값 보다 약간 높은 수준으로 감소시킬 때까지, 한정된 상태로 열처리된다. 그후, 상기 스퍼터링된 필름은 일련의 고전압 펄스를 받게 된다. 이러한 고전압 펄스의 효과는 결정 필름내의 가장 높은 저항 지점에서, 즉 그레인 바운더리에서 실제로 필름을 국부적으로 어닐링하여 매우 국부적인 가열을 유발시켜, 그레인 바운더리의 갯수를 감소시킨다. 따라서, 이러한 고전압 펄스의 사용 이면에 감추어진 토대는 필름내에 매우 국부적인 가열영역을 발생시켜, 마이크로 크기로 어닐링/표준화 가열효과를 생성하고, 이렇게 하므로써 금속 필름의 결정 구조를 변화시킨다는 점이다. 저항을 그 통상적인 안정 온도 이상으로 가열하는 효과는 "필름 저항도의 증가" 또는 "그 표면에서 그레인 바운더리를 따라 필름에 대한 산화의 결과"로 불리워진다. 일본 특허 공개 제10032951호에는 프린트 헤드에 인가된 작고 뚜꺼운 필름 가열장치의 연속 작동시 펄스형의 고전압 공급부가 사용된다고 개시되어 있다. 명시적으로 언급하는 것은 아니지만, 일본 특허 공개 제10032951호에 개시되어 있는 가열소자는 알루미나 유전체 기판상에 프린트된 반도체성 물질 스크린으로 제조된다. 이러한 장치의 저항은 온도의 증가에 따라 감소되며, 소형 회로의 정밀한 온도 제어가 어렵다. 일본 공개 출원 제10032951호의 기법은 가열 장치의 작동중 저항을 연속적으로 제어하는 수단으로서 이중 전압 공급부의 사용 방법을 설명하고 있으며, 이에 따라 열 출력 및 가열소자의 온도는 프린트 헤드를 가열시키는데 사용되고 있음을 설명하고 있다. 가열소자로의 초기 전원은 일정한 전류 공급에 의해 이루어지므로, 오옴의 연산법칙에 따라 열 출력은 일정한 전류 공급 I에 대해 I2R 이며, 저항(R)이 균일한 수준으로 유지될 때, 가열 출력은 상대적으로 일정하게 된다. 따라서, 일본 공개 출원 제10032951호는 다음과 같은 두 가지 동작에 의해 가변저항 반도체 가열소자의 저항을 일정하게 유지하는 방법에 관한 것이다. 1. 이상적으로 요구되는 것보다 낮은 레벨에서 소자의 저항에 따라 열 출력의 레벨을 제공하는 소자에 일정한 전류 공급을 인가. 2. 프린트 헤드 히터의 저항을 일정하게 유지시켜 작동시 일정한 온도를 보장할 수 있는 레벨 및 비율로, 고전압 펄스의 형태로 부가의 전기에너지를 연속적으로 인가. 최근에 전기 가열소자를 생산하기 위한 또 다른 기법이 사용되고, 이러한 기법은 절연 기판이나 도전성 기판상에 금속 산화물을 화염분사하여 침착시키는 단계를 포함한다. 이들은 전기 전류가 저항성 산화물 침착을 통해 한쪽 전기 접점으로부터 제2접점으로 측방향으로 흐르는 소자 형태(제1소자로 언급되는)와; 전기 전류가 저항성 산화물의 두께를 통해 한쪽 접점면으로부터 다른쪽 접점면으로 수직으로 흐르는 소자 형태(제2소자로 언급되는)와; 본래의 저항성 산화물층이 자체 제어 특성을 갖는 제2산화물층과 조합되는 이러한 소자와 함께, 전류는 직렬 저항으로 작용하는 상술한 두 산화물층의 두께를 통해 한쪽 접점면으로부터 제2접점면으로 흐르는 소자 형태(제3소자로 언급되는)를 포함한다. 저항성 금속 산화물의 화염분사 침착 처리과정에 의해 생산된 등가의 전기저항 가열소자는 동일한 상업적 시장에서 준비된 승인을 얻기 위해 동일한 공차로 제조될 수 있다는 것은 기본적이다. 종래의 전기저항 가열소자에 있어서, 저항 합금 와이어 또는 스트립이 사용되는 특정 디자인에 대해 이러한 와이어 또는 스트립의 저항은 특정 소자에 이용된 물질의 중량에 직접적으로 의존한다는 것이 쉽게 증명될 수 있다. 금속 산화물의 화염분사 침착에 의해 제조된 소자에도 동일한 원리가 적용된다. 그러나, 일련의 장기간의 경험적 시도에 의해 본 발명자는 금속 산화물의 화염분사 침착에 의해 생산된 일련의 전기 소자의 중량은 요구 디자인값의 ±10% 정도로 변화되는 분사 저항값으로서 ±1%의 공차내로 양호하게 유지될 수 있다는 것을 인식할 수 있게 되었다. 또한, 저항 변화는 중량 변화와 일치하지는 않으며, 이와는 독립적인 것으로 여겨진다. 제조과정중 일련의 소자의 저항을 측정하고 각각의 소자가 특정한 저항 레벨에 도달하면 이러한 처리과정을 중단하므로써, 다양한 생산 처리과정 변수를 제어하기 위한 여러가지 가능한 경험적 방법이 심각하게 고려되었다. 이러한 접근방법이 어느 정도 실행되었지만, 완전히 만족스럽지는 못하였으며, 체적이 큰 대량 생산 처리과정에 적용할 수 있는 것으로는 여겨지지 않는다. 저항성 산화물 매트릭스를 통해 도전 방법의 변경에 기초한 또 다른 방법이 발견되었다. 와이어 또는 스트립 형태를 취하는 종래 저항 합금 물질의 주어진 길이에 대해 단면적이 클수록 저항은 낮아지며 또한 반대로 도전성이 커지는 것은 널리 인지되는 사실이며 입증할 수 있는 사실이다. 이러한 사실이 허용되는 이유는 단면적이 클수록 전자를 위한 합금 결정 매트릭스를 통해 이동하는 전자를 위한 도전 통로를 더 많이 제공하기 때문이다. 금속 산화물의 화염분사 침착에 의해 생산된 소자에도 동일한 원리가 적용된다. 그러나, 화염분사된 금속 산화물 매트릭스의 단면적에 대한 야금 실험에 따르면, 적절한 산화물 영역으로 둘러싸인 금속 영역으로 구성되어 있고 이러한 매트릭스를 통한 가능한 도전 통로는 산화물의 중간층을 통해 한쪽 금속 영역으로부터 일련의 영역으로 형성되어 있다는 것을 나타내고 있다. 일반적으로 금속 영역들 사이에 배치된 금속 산화물은 그 순수한 형태에 있어서 대기 온도에서 절연체이며, 이를 기초로 하여 형성되어 있는 분사된 금속/금속 산화물은 대기 온도에서 240vac 등의 낮은 전압에서는 도전 특성을 나타내지 못한다. 상세한 경험적 및 이론적 작업에 따르면, 산화물내에 역장(force field)를 생성하는 상기 금속 영역으로부터 이동되어진 금속 영역을 둘러싸는 산화물층 내부에 존재하는 자유전자로 인해, 화염분사된 금속/금속 산화물 매트릭스 내부의 도전 방법이 가장 유력하다는 것을 나타내고 있으며; 또한 이러한 역장은 중첩되거나 충돌되고, 전자는 인가된 전압 방향으로 흐를 것임을 나타내고 있다. 금속/금속 산화물은 금속 성분과, 상기 금속 성분으로부터 산화에 의해서 생긴 금속 산화물의 친화적 혼합체로서, 이들 성분 각각은 매트릭스에 서로에 대해서 혼성으로 배치되어 있다. 금속 영역으로부터 주위 산화물 매트릭스내로의 자유전자의 이동(migration)은, 금속 영역을 포함하는 금속의 작업 기능은 주변 매트릭스를 포함하는 산화물의 작업 기능보다 낮다는 사실에 의한 것이다. 또한, 금속 영역을 둘러싸는 산화물 매트릭스를 포함하는 산화물은 성분에 있어서 화학량론적이지 않으며, 그 어느 것도 규칙적인 결정 매트릭스 구조는 아니다. 화염분사 처리과정은 융융된 또는 반용융된 입자에 의존하며, 이러한 입자는 다른 입자들과 상호로킹되도록 변형되는 표면상에 투사되어, 급속히 열처리된다. 따라서, 화염분사 침착에 의해 생성된 임의의 다결정 금속/금속 산화물 구조는 전자 평형상태하에 있지 않으며, 그 결과 금속과 금속 산화물 사이의 작업 기능의 편차로 인해 전자는 금속 영역으로부터 금속 산화물 매트릭스내로 외측으로 이주하여, 전자력 필드를 생산하며; 전자 이주의 밀도는 각각의 작업 기능에서의 편차에 의존한다는 것을 알 수 있다. 또한, 화염분사된 금속/금속 산화물 매트릭스의 도전성은 화염분사된 금속 산화물 매트릭스의 내부에서 인접하거나 중첩되어 있는 전자력 필드의 갯수에 의존한다는 것을 알 수 있다. 화염분사된 금속/금속 산화물 매트릭스는 불충분한 인접의 중첩된 전자력 필드에서 생산되며, 그 결과 주어진 금속/금속 산화물 체적에 대해 도전성이 너무 낮아 또는 역으로 저항이 너무 높아지며; 금속 산화물 매트릭스내의 이러한 분리된 역장(force field)을 상호연결되게 하는 방법이 이용되므로써, 화염분사 침착 처리과정에 의해 제조된 전기저항 가열소자의 특정 디자인에 대해 금속 산화물 매트릭스의 도전성을 원하는 레벨로 증가시키고, 금속/금속 산화물의 설정 체적을 이용한다.