줄 발열
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1. 개요
줄 발열은 전기 저항을 이용하여 열을 발생시키는 기술을 말한다. 작동 원리는 재료의 전기 저항률과 전력 밀도에 의해 결정되며, 저항선, 리본, 코일 등 다양한 형태로 구성된다. 열선은 튜브형, 스크린 인쇄형, 방사형, 에칭 포일형 등 여러 종류가 있으며, 금속 합금, 세라믹, 반도체 등 다양한 재료로 만들어진다. 가정용 기기, 산업 공정, 과학 기기, 자동차 산업 등 다양한 분야에 활용되며, 수명은 제품 유형과 사용 방식에 따라 다르다. 안전과 관련된 국제 표준이 존재한다.
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- 전기 - 전기장
전기장은 공간의 각 지점에서 단위 전하가 받는 힘으로 정의되는 벡터장으로, 전하 또는 시간에 따라 변하는 자기장에 의해 발생하며, 전기력선으로 표현되고 맥스웰 방정식으로 기술되는 전자기장의 한 요소이다. - 전기 - 전압
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볼츠만 상수 k는 온도와 에너지를 연결하는 상수이며, 기체 상수와 아보가드로 상수의 비로 정의되고, SI 단위계에서 1.380649×10⁻²³ J/K의 값을 가지며, 거시 물리학과 미시 물리학을 연결하는 중요한 역할을 한다. - 열역학 - 열기관
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2. 작동 원리
발열체의 기본적인 작동 원리는 전류가 저항을 통과할 때 열이 발생하는 줄의 법칙에 기반한다.
2. 1. 저항과 저항률

가열 요소에 사용되는 재료는 비교적 높은 전기 저항률을 가지는데, 이는 재료가 전류에 저항하는 정도를 나타내는 값이다. 특정 크기의 가열 요소 재료가 갖는 전기 저항은 ''푸이예의 법칙''에 따라 다음과 같이 결정된다.
여기서
가열 요소 재료의 ''와이어 길이당 저항''(Ω/m)은 ASTM 및 DIN 표준에 정의되어 있다.[13][15][14] ASTM에서는 지름이 0.127mm보다 큰 와이어는 ±5% Ω/m의 허용 오차 내로, 더 얇은 와이어는 ±8% Ω/m의 허용 오차 내로 유지하도록 규정하고 있다.
2. 2. 전력 밀도
가열 요소의 성능은 종종 요소의 전력 밀도를 특성화하여 정량화된다. 전력 밀도는 가열 요소에서 출력되는 전력을 요소의 가열된 표면적으로 나눈 값으로 정의된다.[2] 전력 밀도는 열유속의 척도이며, 일반적으로 제곱 밀리미터당 와트 또는 제곱 인치당 와트로 표현된다.전력 밀도가 낮은 가열 요소는 더 비싼 경향이 있지만, 전력 밀도가 높은 가열 요소보다 수명이 더 길다.[3]
미국에서는 전력 밀도를 '와트 밀도'라고 부르는 경우가 많다. 때로는 '와이어 표면 부하'라고도 한다.
3. 구성 요소
발열체는 저항 가열기, 절연체, 리드, 단자 등으로 구성된다. 저항 가열기는 저항선, 리본, 코일 등 다양한 형태로 제작된다. 절연체는 저항 가열기를 전기적, 열적으로 절연하는 역할을 한다.[5] 리드는 발열체를 전원에 연결하며,[12] 단자는 활성 저항 재료를 리드선으로부터 절연시킨다.[12]
3. 1. 저항 가열기
저항 가열기는 저항선, 리본, 코일 등 다양한 형태로 제작된다.3. 1. 1. 와이어
저항선은 매우 길고 가늘며 원형 단면을 가진 저항기이다. 전선과 마찬가지로 저항선의 직경은 미국 전선 규격(AWG)과 같은 게이지 시스템으로 측정되는 경우가 많다.[4]
3. 1. 2. 리본
저항 리본 발열체는 둥근 저항선을 납작하게 만들어 모서리가 둥근 직사각형 단면을 갖도록 제작된다.[12] 리본의 폭은 일반적으로 0.3~4mm이다. 리본이 그보다 넓으면 더 넓은 스트립에서 잘라내며, 이 경우 저항 스트립이라고 부를 수 있다. 와이어에 비해 리본은 더 좁은 반경으로 구부릴 수 있으며, 부피 대비 표면적 비율이 높기 때문에 더 빠르게, 더 저렴한 비용으로 열을 발생시킬 수 있다. 반면 리본의 수명은 와이어의 수명보다 짧은 경우가 많으며, 리본의 단위 질량당 가격은 일반적으로 더 높다.[12] 많은 응용 분야에서 저항 리본은 운모 카드 또는 그 한쪽에 감겨 있다.[12]3. 1. 3. 코일
저항 코일은 코일 형태로 감긴 저항선이다.[12] 코일은 매우 촘촘하게 감겨 있으며 사용 시에는 원래 길이의 최대 10배까지 늘어난다. 코일은 직경과 피치(단위 길이당 코일 수)에 따라 분류된다.3. 2. 절연체
저항 가열기를 환경 및 이물질로부터 전기적, 열적으로 절연하는 역할을 한다.[5] 일반적으로 600°C보다 높은 온도에서 작동하는 요소에는 세라믹 절연체가 사용된다.[12] 알루미나, 이산화 규소, 산화 마그네슘은 세라믹 가열 요소 절연체에 일반적으로 사용되는 화합물이다. 더 낮은 온도에서는 더 광범위한 재료가 사용된다.3. 3. 리드
전기 리드는 발열체를 전원에 연결하는 역할을 한다. 일반적으로 활성 저항 재료만큼 산화에 대한 저항이 높지 않은 구리와 같은 전도성 재료로 만들어진다.[12]3. 4. 단자
단자는 활성 저항 재료를 리드선으로부터 절연시키는 역할을 한다. 단자는 낮은 저항률 및/또는 더 큰 직경을 가짐으로써 활성 재료보다 낮은 저항을 갖도록 설계되었다. 또한 활성 재료보다 낮은 산화 저항을 가질 수 있다.[12]4. 종류
발열체는 현수형, 매립형, 지지형으로 분류된다.[12]
- 현수형: 저항 가열기가 세라믹이나 운모 절연체에 부착된 형태이다. 대류와 복사를 통해 열을 전달하며, 공기로 둘러싸여 있어 전도 방식으로는 열을 전달할 수 없다.
- 매립형: 저항 가열기가 절연체에 내장된 형태이다. 절연체를 통해서만 전도로 열을 전달한다.
- 지지형: 현수형과 매립형이 결합된 형태이다. 전도, 대류, 복사 모두를 통해 열을 전달할 수 있다.
4. 1. 튜브형 (Calrods®)

튜브형 발열체(또는 상품명인 Calrods®[6]로도 불림)는 보통 전기 절연체와 금속 튜브 모양의 외피로 둘러싸인 미세한 저항선 코일로 구성된다. 절연은 일반적으로 산화 마그네슘 분말이며, 외피는 구리나 강철 합금으로 만들어진다. 흡습성 절연체에 습기가 들어가지 않도록 끝 부분에는 세라믹이나 실리콘 고무와 같은 절연 재료 비드 또는 둘의 조합이 장착되어 있다. 튜브는 분말을 압축하고 열 전달을 최대화하기 위해 다이로 인발된다. 튜브형 발열체는 토스터 오븐처럼 직선 막대이거나, 전기 스토브, 오븐, 커피 메이커와 같이 가열될 영역을 가로지르도록 모양을 만들 수 있다.
4. 2. 스크린 인쇄형
세라믹 절연 금속판에 스크린 인쇄된 금속-세라믹 트랙은 1990년대 중반부터 주전자 및 기타 가전 제품의 부품으로 널리 사용되고 있다.[1]4. 3. 방사형
방사 가열 요소(열 램프)는 대부분 가시광선 대신 적외선을 방출하기 위해 최대 전력 미만으로 작동하는 고출력 백열 전구이다. 이것들은 일반적으로 복사열 공간 히터와 음식 보온기에 있으며, 길고 튜브 형태이거나 'R40' 반사경 램프 형태이다. 반사경 램프 스타일은 생성되는 가시광선을 최소화하기 위해 종종 빨간색으로 착색된다. 튜브 형태는 다음과 같은 다양한 형식으로 제공된다.- 금 코팅Gold coated영어—특허받은 필립스 헬렌 램프로 유명해졌다. 금 이색성 필름이 내부에 증착되어 가시광선을 감소시키고 단파 및 중파 적외선의 대부분을 통과시킨다. 주로 사람을 난방하는 데 사용된다. 현재 많은 제조업체에서 이 램프를 제조하고 있으며 지속적으로 개선되고 있다.
- 루비 코팅Ruby coated영어—금 코팅 램프와 동일한 기능을 하지만 비용이 훨씬 저렴하다. 가시적인 눈부심은 금색 변형보다 훨씬 높다.
- 투명Clear영어—코팅이 없으며 주로 생산 공정에 사용된다.
4. 4. 탈착식 세라믹 코어형
탈착식 세라믹 코어형 요소는 코일형 저항 가열 합금 와이어를 사용하는데, 이 와이어는 하나 이상의 원통형 세라믹 세그먼트를 통과한다. 이를 통해 (출력과 관련된) 필요한 길이를 만들 수 있으며, 중심 막대의 유무에 관계없이 제작 가능하다. 이 요소는 한쪽 끝이 밀봉된 금속 외피 또는 튜브에 삽입된다. 이러한 유형의 요소는 일반적으로 압력 하에서 유체 가열과 관련된 공정을 중단하지 않고 교체하거나 수리할 수 있다는 장점이 있다.4. 5. 에칭 포일형
에칭 포일 발열체는 일반적으로 저항선 발열체와 동일한 합금으로 만들어지지만, 금속 포일의 연속 시트에서 시작하여 복잡한 저항 패턴으로 끝나는 감산 방식의 포토 에칭 공정으로 생산된다. 이러한 발열체는 의료 진단 및 항공우주와 같은 정밀 가열 응용 분야에서 흔히 사용된다.4. 6. 폴리머 PTC 히터

저항 히터는 온도가 증가함에 따라 저항률이 기하급수적으로 증가하는 전도성 PTC 고무 재료로 만들 수 있다.[7] 이러한 히터는 차가울 때 높은 전력을 생성하고 빠르게 일정한 온도로 가열된다. 기하급수적으로 증가하는 저항률로 인해 히터는 이 온도 이상으로 가열될 수 없으며, 이 온도 이상에서는 고무가 전기 절연체 역할을 한다. 온도는 고무 생산 중에 선택할 수 있으며, 일반적인 온도는 0°C에서 80°C 사이이다.
이것은 점별 자기 조절 및 자기 제한 히터이다. ''자기 조절''은 히터의 모든 지점이 조절 전자 장치의 필요 없이 독립적으로 일정한 온도를 유지한다는 것을 의미한다. ''자기 제한''은 히터가 임의의 지점에서 특정 온도를 초과할 수 없으며 과열 방지 장치가 필요하지 않다는 것을 의미한다.
4. 7. 후막 히터
후막 히터는 얇은 기판에 인쇄할 수 있는 저항 가열기의 일종이다.

금속, 세라믹, 유리, 폴리머 등 다양한 기판에 금속 또는 합금이 포함된 두꺼운 필름 페이스트를 사용하여 인쇄할 수 있다.[8] 가장 일반적인 기판은 알루미늄 6061-T6, 스테인리스 스틸, 백운모 또는 금운모 시트이다. 히터의 적용 및 작동 특성은 선택한 기판 재료의 열 특성에 따라 크게 달라진다.
두꺼운 필름 히터는 그리들, 와플 메이커, 스토브 상단 전기 가열, 가습기, 전기 주전자, 열 밀봉 장치, 온수기, 다리미 및 스티머, 헤어 스트레이트너, 보일러, 3D 프린터의 가열 베드, 열전사 헤드, 글루건, 실험실 가열 장비, 의류 건조기, 베이스보드 히터, 워밍 트레이, 열 교환기, 자동차 앞 유리, 사이드 미러, 냉장고 성에 제거 등 제빙 및 김서림 방지 장치 등 다양한 분야에 사용된다.[9]
대부분의 응용 분야에서 열 성능과 온도 분포는 두 가지 주요 설계 변수이다. 기판 전체에서 균일한 온도 분포를 유지하기 위해 저항 회로의 국부적 전력 밀도를 변경하여 회로 설계를 최적화할 수 있다. 최적화된 히터 설계는 가열 전력을 제어하고 히터 기판 전체의 국부 온도를 조절하는 데 도움이 된다. 비교적 작은 영역에서 서로 다른 전력 밀도를 가진 두 개 이상의 가열 구역이 필요한 경우, 단일 기판에서 구역 가열 패턴을 만들 수 있다.
두꺼운 필름 히터는 저항의 온도 변화에 따라 크게 두 가지로 분류할 수 있다. 온도가 증가함에 따라 저항이 감소하는 부온도 계수(NTC) 히터와, 온도가 상승하면 저항이 증가하여 히터 전력이 감소하는 정온도 계수(PTC) 히터가 있다. PTC 히터는 전력이 고정된 온도에서 안정되기 때문에 자체 조절된다. 반면 NTC형 히터는 히터 런어웨이를 제어하기 위해 온도 조절 장치 또는 열전대가 필요하다. NTC 히터는 PTC 히터보다 일반적으로 더 빠르게 작동하므로, 히터 온도를 미리 결정된 설정점으로 빠르게 올려야 하는 경우에 사용된다.
4. 8. 액체
전극 보일러는 물줄기를 통과하는 전기를 사용하여 증기를 생성한다. 작동 전압은 일반적으로 단상 또는 삼상 교류로 240V~600V 사이이다.[10]4. 9. 레이저 히터
레이저 히터는 매우 높은 온도를 달성하기 위해 사용되는 발열체이다.[11]5. 재료
발열체 재료는 기계적, 열적, 전기적 특성을 고려하여 선택된다.[5] 발열체가 견디는 넓은 작동 온도 때문에 재료 특성의 온도 의존성은 흔히 고려되는 사항이다.
5. 1. 금속 합금
저항 가열 합금은 공기 중에서 600°C 이상에서 전기 가열 목적으로 사용할 수 있는 금속이다. 600°C 이하에서 작동하는 저항기에 주로 사용되는 저항 합금과는 구별된다.[12]합금의 원자 대부분은 이름에 나열된 원자와 일치하지만, 미량 원소로 구성되기도 한다. 미량 원소는 작업성, 형태 안정성, 산화 수명과 같은 기계적 특성에 상당한 영향을 미치기 때문에 저항 합금에서 중요한 역할을 한다.[12] 미량 원소 중 일부는 기본 원자재에 존재할 수 있으며, 다른 일부는 재료의 성능을 개선하기 위해 의도적으로 첨가될 수 있다. '오염 물질'과 '강화 물질'이라는 용어는 미량 원소를 분류하는 데 사용된다.[5] 오염 물질은 일반적으로 수명 감소 및 제한된 온도 범위와 같은 바람직하지 않은 영향을 미친다. 강화 물질은 제조업체에서 의도적으로 첨가하며 산화층 접착력 증가, 형상 유지 능력 향상, 고온에서의 수명 연장과 같은 개선 사항을 제공할 수 있다.
가열 요소에 사용되는 가장 일반적인 합금은 다음과 같다.
5. 1. 1. Ni-Cr(Fe) 합금 (니크롬, 크로멜)
니켈-크롬(철) 저항 가열 합금은 니크롬 또는 크로멜로도 알려져 있으며, ASTM 및 DIN 표준에 의해 설명된다.[13][14] 이러한 표준은 합금에 포함되어야 하는 니켈과 크롬의 상대적 비율을 명시한다. ASTM에서는 다른 미량 원소와 함께 다음 세 가지 합금을 명시한다.- 80% 니켈, 20% 크롬
- 60% 니켈, 16% 크롬
- 35% 니켈, 20% 크롬
니크롬 80/20은 비교적 높은 저항을 가지고 있고 처음 가열될 때 크롬 산화물의 부착층을 형성하기 때문에 가장 일반적으로 사용되는 저항 가열 합금 중 하나이다. 이 층 아래의 재료는 산화되지 않아 와이어가 끊어지거나 타는 것을 방지한다.
5. 1. 2. Fe-Cr-Al 합금 (칸탈®)
칸탈®로도 알려진 Fe-Cr-Al 저항 가열 합금은 ASTM 표준에 의해 설명된다.[15] 제조업체들은 알루미늄에 비해 니켈의 원자재 비용이 상대적으로 높은 경향이 있기 때문에 Ni-Cr(Fe) 합금 대신 이 종류의 합금을 사용하기도 한다. 단점은 Fe-Cr-Al 합금이 Ni-Cr(Fe) 합금보다 더 취성이 있고 연성이 떨어져 더 섬세하고 고장 나기 쉽다는 것이다.[16]반면, Fe-Cr-Al 합금 표면에 형성되는 산화 알루미늄 층은 Ni-Cr(Fe)에 형성되는 경향이 있는 산화 크롬 층보다 열역학적으로 더 안정하여 Fe-Cr-Al이 부식에 더 잘 견딘다.[16] 그러나 습도는 Fe-Cr-Al의 와이어 수명에 Ni-Cr(Fe)보다 더 해로울 수 있다.[12]
Fe-Cr-Al 합금은 스테인리스강과 마찬가지로 400°C~575°C 온도 범위에서 장기간 가열된 후 실온에서 취성을 겪는 경향이 있다.[17]
5. 1. 3. 기타 합금
- 구리니켈: 저온 가열에 사용된다.
- 고온 가마의 발열체는 백금, 텅스텐 이규화물/몰리브덴 이규화물, 몰리브덴(진공 가마)을 포함한 특수 재료로 만들어지는 경우가 많다.
5. 2. 세라믹 및 반도체
- 이규화 몰리브덴(MoSi2)은 몰리브덴의 규화물인 금속간 화합물로, 주로 발열체로 사용되는 내화 세라믹이다. 중간 정도의 밀도를 가지며 2030°C의 융점을 가지고, 전기 전도성이 있다. 고온에서 이산화 규소의 부동태화 층을 형성하여 추가 산화를 방지한다. 유리 산업, 세라믹 소결, 열처리로, 반도체 확산 야금로 등에 사용된다.
- 탄화 규소는 가연성 가스에 점화하도록 설계된 발열체인 고온 표면 점화기에 사용되며, 가스 오븐 및 의류 건조기에서 흔히 사용된다.
- 질화 규소는 최근 가스 보일러 및 디젤 엔진 예열 플러그용 표면 점화기로 사용되고 있다. 이러한 발열체 또는 예열 플러그는 최대 1400°C의 온도를 달성하며 휘발유 또는 등유에 빠르게 점화한다. 이 물질은 디젤 및 스파크 점화 엔진의 다른 연소 부품 및 마모 부품에도 사용된다.[18]
- PTC 세라믹 소자: PTC 세라믹 재료는 저항의 양의 온도 계수(즉, 가열 시 저항 증가) 때문에 명명되었다. 대부분의 세라믹은 ''음''의 계수를 갖지만, 이러한 재료(흔히 티탄산 바륨 및 티탄산 납 복합재)는 고도로 비선형적인 열 반응을 보이며, 조성에 따라 달라지는 임계 온도 이상에서는 저항이 급격히 증가한다. 이러한 동작은 이 물질이 자기 조절 히터 역할을 하게 하는데, 차가울 때는 전류가 흐르고 뜨거울 때는 전류가 흐르지 않기 때문이다.[19] 이 물질의 박막은 의류,[20] 자동차 뒷유리 성에 제거 히터,[21] 및 벌집 모양 소자에 사용되며, 더 비싼 헤어 드라이어, 공간 히터 및 대부분의 현대식 펠릿 난로에 사용된다. 이러한 발열체는 950°C~1000°C의 온도에 도달할 수 있으며 빠르게 평형 상태에 도달할 수 있다.
- 석영 할로겐 적외선 히터도 복사열을 제공하는 데 사용된다.
6. 응용 분야
발열체는 가정, 상업, 산업 환경에서 광범위하게 활용된다.
- '''가정용 기기:''' 오븐, 토스터, 전기 스토브, 온수기, 난방기와 같은 일반적인 가정용 기기는 기능을 수행하는 데 필요한 열을 발생시키기 위해 열선에 의존한다.
- '''산업 공정:''' 산업 현장에서 열선은 제어된 온도가 필요한 금속 제련, 플라스틱 성형 및 화학 반응과 같은 공정에 필수적이다.
- '''과학 기기:''' 실험실에서는 배양기, 용광로 및 분석 기기를 포함한 다양한 장비에 열선을 사용한다.
- '''자동차 산업:''' 열선은 열선 시트, 뒷유리 제상기 및 엔진 블록 히터와 같은 차량에 사용된다.

7. 수명
가정용 제품의 발열체 수명은 제품 유형과 사용 방식에 따라 500시간에서 5,000시간 사이이다.[12] 얇은 와이어나 리본은 같은 온도에서 두꺼운 와이어나 리본보다 수명이 짧다.[12]
미국 재료 시험 협회는 저항 가열 재료에 대한 표준화된 수명 시험을 설명한다. 전기 가열에 사용되는 Ni-Cr(Fe) 합금[22] 및 Fe-Cr-Al 합금[23]에 대한 가속 수명 시험은 재료의 주기적 산화 저항을 측정하는 데 사용된다.
8. 포장
저항선과 리본은 주로 스풀에 감겨져 배송된다.[12] 일반적으로 선이 얇을수록 스풀도 작아진다. 경우에 따라 스풀 대신 페일 팩이나 링을 사용할 수도 있다.
9. 안전
가정용 기기에 사용되는 발열체에 대한 일반적인 안전 요구 사항은 국제전기기술위원회(IEC)에서 정의한다.[24] 이 표준은 절연 강도, 연면 거리 및 누설 전류와 같은 매개 변수에 대한 제한을 명시하며, 발열체의 정격에 대한 허용 오차도 제공한다.
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