KR101059958B1 - 전기 핫 플레이트 - Google Patents

Abstract

핫플레이트에 관해 개시된다. 핫플레이트는 기판에 전기적 저항에 의한 발열층을 포함하며, 발열층은 산화물 반도체 물질 또는 실리카로 형성된 다수의 도전성 나노파티클이 물리적으로 연계(necking)된 조직을 가진다.

조리, 핫플레이트, 발열층, 가열장치

Description

전기 핫 플레이트{Electric hot plate}

조리 등 다양한 분야에 사용 가능한 핫플레이트에 관해 개시되며, 특히 판상 발열체를 이용한 경량 박형 핫 플레이트에 관해 기술된다.

종래의 가열장치, 예를 들어 조리용 가열장치는 주물로 된 히터의 내부에 코일형 열선이 내장되어 있는 핫플레이트 방식과 세라믹 상판 하부에 소위 하이라이트 히터(발열체)가 마련된 하이라이트 방식이 있다. 기존 하이라이트 방식의 가열장치는 대류와 복사에 의해서 세라믹 상판이 간접 가열하는 구조를 가지므로 열효율이 낮고, 승온 속도도 느려서 목표 온도, 예를 들어 끓는 온도까지 도달하는 시간이 길다. 또한, 상판과 발열체가 일정한 간격을 유지하고 있을 뿐 아니라 바닥 부분간의 일정한 공간 확보로 인해 전체 높이가 높아지게 된다. 이에 따르면 조리용기가 놓이는 상판의 높이가 높아지게 되고, 따라서 조리중에 있는 용기의 불안정성이 증가하게 된다.

예시적 실시예들에 따르면, 높은 열이용 효율을 가지는 핫플레이트가 제공된다.

또한, 예시적 실시예들에 따르면 경량 박형화가 가능한 핫플레이트가 제공된다.

또한, 저소비전력화로 휴대용으로의 설계가 가능한 핫플레이트가 제공된다.

일 실시예에 따르면,

가열 대상이 놓이는 내열성 판재(plate);

내열성 판재의 일면에 형성되는 것으로 다수의 도전성 나노파티클이 물리적으로 연계(necking)된 전기적 발열층(發熱層);

상기 발열층에 전기를 공급하는 전원부; 그리고

상기 내열성 판재를 지지하는 하우징;을 구비하는 핫플레이트가 제공된다.

한 실시예에 따르면, 상기 나노 파티클은 산화물 반도체 물질 또는 실리카로 형성된다. 상기 산화물 반도체는 ZnO, InO, SnO, MgO 중의 적어도 어느 하나의 물질에 Al, Ga, In, Sb, C, Sn 중 하나 이상의 물질을 도핑한 물질이다.

다른 실시예에 따르면, 상기 전원부는 내장 배터리를 포함한다.

또 다른 실시예에 따르면, 상기 내열성 판재는 투명하다.

또 다른 실시예에 따르면, 상기 전기적 발열층은 상기 내열 판재의 내면에 형성될 수 있다.

또 다른 실시예에 따르면, 상기 전기적 발열층은 상기 조리용기가 놓이는 상 기 내열 판재의 외면에 형성될 수 있다.

또 다른 실시예에 따르면 상기 전기적 발열층은 상기 내열 판재의 가장자리로부터 떨어진 중앙 부분에만 형성될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 실시 예들에 따른 핫 플레이트를 설명한다.

도 1, 2는 본 실시 예에 따른 핫플레이트(10)의 외관을 서로 다른 방향에서 보이는 사시도이며, 도 3은 핫 플레이트(10)의 그 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 핫플레이트(10)는 면상 발열체(11)와 이를 지지하는 하우징(12, 또는 프레임)을 구비한다. 하우징(12)의 상부에 피가열체, 예를 들어 조리용기가 놓이는 상기 면상 발열체(11)가 마련되어 있다. 상기 면상 발열체(11)는 내열성 판재(11a)와 그 일면에 형성되는 박막 형태의 전기적 발열층(發熱層, 11c) 및 발열층(11c)에 전력을 공급하기 위한 두개의 전극(11d, 11d)를 포함한다. 상기 내열성 판재(11a)는 투명, 반투명 또는 불투명 재료로 제조될 수 있으며, 다른 실시예에 따르면 투명 세라믹 재료, 구체적인 실시예에 따르면 산화물 계열로서 실리콘옥사이드(SiO₂), 칼슘옥사이드(CaO), 알루미늄옥사이드(Al₂O₃) 등으로 형성된다. 이러한 내열성 판재(11a)에는 용기가 놓이는 위치를 표시하는 내열 내화성 마크(11b)가 표시될 수 있다.

한편, 상기 전기적 발열층(11c)은 다수의 도전성 나노파티클이 물리적으로 연계(necking)된 물리적 구조를 가진다. 즉, 전기적 발열층(11c)은 내열성 판 재(11a)의 일면, 즉 상면 또는 저면에 시이트 형태로 형성되는 것으로 도전성 나노파티클이 물리적으로 넥킹(즉, 연결)된 조직(texture)을 가짐으로써 전기적 경로가 넥킹에 의해 형성되는 구조를 가진다. 이러한 도전성 발열층(11c)의 나노 파티클은 실리카 또는 산화물반도체 등으로 된 다수의 도전성 나노파티클이 물리적으로 연계(necking)된 성긴 조직(loose texture) 구조를 가질 수 있다. 이는 후술되는 제조공정에서 열처리 조건에 따르는 것으로 치밀한 조직(Close-Packed Texture)을 가지게 할 수 도 있고, 다른 실시 예에 따르면 완전한 막 상태를 가질 수 도 있다. 이러한 발열층(11c)은 단일의 적층으로 형성될 수 있지만, 도 4에 도시된 바와 같이 또는 동종 물질층 또는 이종물질층을 포함하는 2 층 이상의 다중 층(111c, 112c, 113c)을 포함할 수 있다. 이러한 단일층 또는 다중층 구조의 발열층(11c)은 보호층(11d)등에 의해 보호될 수 있으며, 이는 탄소 박막, Si 나노 입자, 산화물 나노 입자 등으로 형성될 수 있다. 상기 발열층(11c)에 연결되는 전극(11d)은 과장되게 상징적으로 표현되었다. 실제적으로는 전극(11d)은 발열층(11c)에 비해 매우 큰 두께를 가질 수 있으며 외부로 부터의 전기적 접속을 위한 다양한 형태의 구조로 구현이 가능할 것이다.

이하, 상기 내열성 판재(11a)에 대한 발열층(11c)의 형성, 즉 판상 발열체(11)의 제조 과정을 간략히 살펴본다.

내열성 유리나 세라믹 등으로 된 내열성 판재(11a)를 준비한 후 이를 크리닝한다. 크리닝은 판재를 손상시키지 않는 공지의 솔벤트 또는 에쳔트 등을 이용할 수 있다.

상기 크리닝과는 별도로 나노파티클 분산액을 조제(준비)한다. 용매로서는 메탄올과 수산화 칼슘의 혼합액, 메탄올과 수산화칼슘이 혼합된 혼합액, 벤젠(benzene) 단일 물질, 물(water)이 이용되며, 나노파티클로서는 도핑 된 산화물 반도체로서 ZnO, SnO, MgO, InO 중의 적어도 어느 하나와 실리카 중 적어도 어느 하나가 이용될 수 있다. 도펀트로는 In, Sb, Al, Ga, C, Sn 중에 적어도 어느 하나가 이용된다. 분산액을 조제하는 과정에서 용매를 50~200℃로 가열한 상태에서 전구체로서 위에 언급된 산화물 반도체 나노파티클을 첨가한다.

크리닝된 판재에 상기 나노파티클 분산액을 코팅한다. 코팅법은 전술한 바와 같은 다양한 방법이 이용될 수 있으며, 그 코팅 영역은 판재의 전체 또는 판재에서 획정된 적어도 어느 한 영역이다.

나노파티클 분산액이 코팅된 판재를 열처리 하여 나노파티클에 의한 발열층을 판재의 일면, 즉 상면 또는 저면에 형성한다. 이때에 열처리에 의해 나노파티클이 분산되어 있는 용매의 증발(건조)가 수반된다. 어떤 경우에는 용매의 증발이 별도로 수행될 수 있으나, 일반적으로는 열처리에 수반하여 동시에 진행될 수 있다. 그러나 열처리시 건조가 먼저 진행되고 그 후에 잔류하는 나노파티클에 대한 소결(sintering)이 이루어져 나노파티클이 물리적으로 연계(necking)된 발열층을 얻을 수 있게 된다. 전술한 코팅 및 열처리 과정은 1 회 이상 수행될 수 있고, 따라서 다층 구조의 발열층을 얻을 수 있게 된다.

발열층의 양측에 전술한 전극(전기 터미널)을 형성된다. 전극은 금속, 전도성 에폭시, 전도성 페이스트, 솔더, 전도성 필름 등으로 형성할 수 있다. 금속 전 극은 증착 방법에 의해 형성되고, 전도성 에폭시 또는 전도성 페이스트 전극은 공지의 스크린 프린팅, 솔더는 솔더링 방법으로 형성되고, 그리고 전도성 필름은 라미네이팅 방법에 의해 형성될 수 있다.

전술한 바와 같은 방법에 의해 배선을 연결한다. 배선은 전극에 대해 와이어 본딩, 솔더링 방법 등에 의해 형성될 수 있다.

최종적으로 보호층을 상기 발열층 위에 형성한다. 보호층은 유전체 산화물, 페릴린 나노입자, 고분자 필름 등을 사용하여 형성되며, 나노 입자, 유전체 산화물 또는 페릴린 보호층은 증착 방법으로 형성되며, 나노파티클 보호층은 스프레이 코팅, 스핀 코팅 또는 디핑 방법 등에 의해 형성될 수 있다. 역시 이러한 보호층의 형성과정은 1 회 실시될 수 도 있으며, 다른 실시 예에 따르면 복수 회 실시될 수 있다.

상기와 같은 과정을 거쳐 얻어진 발열판재는 기존의 하이라이트 방식 가열장치에 비해 매우 높은 열효율과 빠른 승온속도, 경박 단소한 특징을 가진다.

도 5는 본 실시 예에 따른 80W 발열판재의 한 샘플에 대한 220V 하에서의 승온 속도를 10회 반복하여 측정해 보인 그래프이다. 이는 반복동작에 따른 재현성을 검토하기 위한 것으로서 10회에 걸친 테스트에서 비슷한 전기적 특성을 가짐을 알 수 있다.

도 6a는 도 5와 같은 결과를 보인 발열판재의 부위별 온도 분포를 보이는 그래프이며, 도 6b는 6a의 A-A 선 단면에서의 온도 분포를 보이는 그래프이다.

도 6a, 6b에서 발열판재의 좌우측부분에서 낮은 온도가 분포하는데, 이 부분 은 발열층에 대한 전극층 형성 부분으로 발열이 일어나지 않는 부분이다. 그리고 도 6a에서 상하 부분에 온도 큰 구배가 나타나는데, 이것은 대류 등에 따른 주위로의 열손실에 따른 것으로 보인다. 도 6a와 6b에 도시된 바와 같이, 전극이 형성되는 부위 및 상하 가장자리 일부를 제외하고 전체적으로 매우 고른 온도 분포가 나타남을 알 수 있다.

도 7a 및 도 7b는 본 실시예에 따른 핫 플레이트와 종래 하이라이트 방식의 핫 플레이트의 발열특성의 시뮬레이션 결과를 각각 보인다. 도 7a와 도 7b의 각 도면에서 상부 이미지는 핫 플레이트의 평면적인 열 분포를 보이며, 하부 이미지는 핫 플레이트의 횡단방향으로의 열분포를 보인다. 시뮬레이션 조건에서 주위 온도는 공통적으로 20도이며, 본 실시예는 세라믹 상판에 80W의 발열층이 전면적으로 형성된 직접 가열, 종래 핫플레이트는 동일 크기의 세라믹 상판의 하부에 1.5cm 간격을 두고 80W의 하이라이트 발열체를 위치시킨 간접 가열의 조건하에서 시뮬레이션 결과이다.

도 7a, 7b의 비교를 통해서 본 실시 예에 따른 핫 플레이트는 전면적이 발열(가열)이 가능하고, 고온의 열중심이 넓게 분포되며, 종래 핫 플레이트 는 부분적인 발열(가열)과 함께 고온의 열중심이 좁게 분포되었음을 알 수 있다.

도 8a, 8b는 본 실시 예에 따른 핫 플레이트와 종래 간접 가열 방식의 핫 플레이트의 실제 발열 상태를 보이는 사진이다.

도 8a에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 핫 플레이트는 전면적으로 고른 발열이 일어나며, 반면에 도 8b에 도시된 바와 같이 종래 핫플레이트는 하부의 발 열체의 모양에 대응하는 국부적인 발열이 일어남을 알 수 있다. 그런데, 여기에서 도 8a에 도시된 본 실시 예에 따른 핫 플레이트는 220V 80W이며, 도 8b에 도시된 종래 핫 플레이트는 220V 1800W이다. 이를 통해서 본 실시 예에 따른 핫 플레이트는 종래 핫 플레이트에 비해 소비전력이 낮으면서도 고 소비전력의 종래 핫 플레이트에 비해 양호한 발열이 가능함을 알 수 있다.

도 9a 및 도 9b는 각각 도 8a 및 도 8b에 도시된 핫 플레이트의 시간-온도 변화를 보이는 그래프이다. 도 8a, 8b를 비교해보면, 본 실시 예에 따른 80W의 핫 플레이트와 1800W의 종래 핫 플레이트는 공히 60초 만에 300도에 도달하는 비슷한 시간-온도 변화 특성을 보인다. 즉, 본 실시 예에 따른 핫 플레이트는 종래 핫 플레이트에 비해 낮은 소비전력으로 가지면서도 비슷한 열특성을 가짐을 알 수 있다.

상기한 바와 같이 본 실시 예에 따른 핫 플레이트는 종래 핫 플레이트에 비해 매우 낮은 소비전력으로서도 일반적인 가열장치, 예를 들어 조리용 핫 플레이트로 적용이 가능하다. 이와 같이 낮은 소비전력, 예를 들어 80W의 소비전력은 통상적인 조리용 가열장치에 비해 극히 낮은 것으로서 배터리 등에 의해 구동이 가능하다. 즉, 최근의 충전 배터리는 급격히 고성능화하고 있는데, 80VA의 구현이 용이하다. 따라서 다른 실시 예에 따른 핫 플레이트는 그 하우징 내에 배터리를 내장할 수 도 있다. 물론 발열체 내에 배터리가 내장되므로 배터리를 열원으로 부터 보호하는 수단을 요구될 것이다. 이러한 수단은 현 기술수준에 비추어 어렵지 않다.

도 10은 배터리를 내장한 핫 플레이트(10a)를 상징적으로 예시한다.

도 10을 참조하면, 핫플레이트(10a)는 전술한 바와 같은 면상 발열체(11)와 이를 지지하는 하우징(12, 또는 프레임)을 구비한다. 하우징(12)의 상부에 피가열체, 예를 들어 조리용기가 놓이는 상기 면상 발열체(11)가 마련되어 있다. 한편, 상기 하우징(12)에는 상기 면상 발열체(11)에 전력을 공급하기 위한 배터리 등의 내부전원(13) 및 내부 회로부(14)가 내장된다. 내부 회로부(14)는 도 1에 도시된 전술한 실시 예의 핫 플레이트(10)에도 마련될 수 있으며, 본 실시 예의 핫 플레이트(10a)에 있어서, 내부전원(13)은 1회용 전지 또는 충전용 전지등을 적용할 수 있으며, 내부 전원(13)이 충전용 전지를 적용하는 경우, 상기 내부 회로부(14)는 충전용 전지에 대한 충전회로를 더 포함할 수 있다.

전술한 실시 예들의 핫 플레이트는 최근 주방설비의 설치 추세에 따라 소위 빌트인의 구성을 가질 수 있으며, 또한 핫 플레이트는 동시에 여러가지의 조리를 행할 수 있도록 복수의 발열층을 가질 수 있으며, 이들 각각에는 개별적으로 제어되는 전력이 인가될 수 있다.

지금까지, 본원 발명의 이해를 돕기 위하여 모범적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.

도 1은 본 실시 예에 따른 핫플레이트의 그래픽으로 구현해 보인 사시도이다.

도 2는 본 실시 예에 따른 핫플레이트의 외관을 서로 다른 방향에서 보이는 사시도이다.

도 3은 도 1, 2에 도시된 핫플레이트의 그 단면도이다.

도 4는 다른 실시예에 따른 핫플레이트에서 다층 구조의 발열층을 도시한다.

도 5는 한 실시 예에 따른 80W 발열판재의 한 샘플에 대한 220V 하에서의 승온 속도를 10회 반복하여 측정해 보인 그래프이다.

도 6a는 도 5와 같은 결과를 보인 발열판재의 부위별 온도 분포를 보이는 그래프이다.

6b는 도 6a의 A-A 선 단면에서의 온도 분포를 보이는 그래프이다.

도 7a 및 도 7b는 본 실시예에 따른 핫 플레이트와 종래 하이라이트 방식의 핫 플레이트의 발열특성의 시뮬레이션 결과를 각각 보인다.

도 8a, 8b는 본 실시 예에 따른 핫 플레이트와 종래 간접 가열 방식의 핫 플레이트의 실제 발열 상태를 보이는 사진이다.

도 9a 및 도 9b는 각각 도 8a 및 도 8b에 도시된 핫 플레이트의 시간-온도 변화를 보이는 그래프이다.

도 10은 다른 실시예에 따른 핫 플레이트의 단면 구조를 상징적으로 도시한 단면도이다.

Claims (9)

1. 가열 대상이 놓이는 내열성 판재(plate);

   내열성 판재의 일면에 형성되는 것으로, 산화물 반도체 물질 또는 실리카로 형성된 도전성 나노파티클들이 물리적으로 연결(necking)되어 있는 성긴 조직(loose texture)을 가지는 전기적 발열층(發熱層);

   상기 발열층에 전기를 공급하는 전원부; 그리고

   상기 내열성 판재를 지지하는 하우징;을 구비하는 핫플레이트.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 산화물 반도체는 ZnO, SnO, MgO 중의 적어도 어느 하나의 물질에 Al, Ga, In, Sb, C, Sn 중 하나 이상의 물질을 도핑한 물질인 것을 특징으로 하는 핫플레이트.
4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 전원부는 내장 배터리를 구비하는 것을 특징으로 하는 핫플레이트.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 내장 배터리는 충전용 전지를 포함하며, 상기 전원부는 충전 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 핫플레이트.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 전기적 발열층은 상기 내열 판재의 내면과 외면 중의 어느 한 면에 형성되는 것을 특징으로 하는 핫플레이트.
7. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 전기적 발열층은 상기 내열 판재의 내면과 외면 중의 어느 한 면에 형성되는 것을 특징으로 하는 핫플레이트.
8. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 발열 판재에는 발열층이 복수개 마련되며, 각 발열층은 독립적으로 전력이 인가되는 것을 특징으로 하는 핫플레이트.
9. 제 4 항에 있어서,

   상기 발열 판재에는 발열층이 복수개 마련되며, 각 발열층은 독립적으로 전력이 인가되는 것을 특징으로 하는 핫플레이트.

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