KR0180108B1 - 세라믹 필터의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 테이프 캐스팅 방법을 이용하여 두께가 일정한 세라믹 그린시트를 제조하고, 이를 사각형 모양의 시트, 내부를 다시 사각형 모양으로 절단한 세라믹 그린 시트로 가공하고 이를 순서대로 적층 및 소결함으로써 고정원 및 이동원 등의 배기 가스에서 발생하는 분진 및 입자상 물질을 제거하기 위한 세라믹 필터를 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 세라믹 필터를 제조하는 방법은 세라믹 분말을 주원료로 하고 여기에 각종 첨가제를 혼합하여 슬러리화하고, 이를 통상의 테이프 캐스팅 방법을 이용해 두께가 일정한 그린 시트를 성형한 후, 적절한 모양으로 가공하여 적층한 상태로 ℃내지 1700℃의 온도 범위에서 소결 처리하여 필터의 기공률을 10% 내지 80%로 하여서 제조한다.

본 발명의 방법에 의해 제조된 세라믹 필터는 소각로, 석탄화력 발전소, 석탄가스화 복합발전소, 경유매연 제거장치, 수처리용 필터에 사용할 수 있으며 그 외에 이를 응용하여 열교환기, 기체 분리막을 비롯한 각종 분리막의 지지체, 촉매담체 등에 사용이 가능하다.

Description

세라믹 필터의 제조방법

본 발명은 테이프 캐스팅 방법을 이용하여 두께가 일정한 세라믹 그린시트를 제조하고, 이를 사각형 모양의 시트, 사각형 모양에서 내부를 다시 절단한 시트로 가공한 후 이를 순서대로 적층하여 소결 함으로써 고정원 및 이동원 등이 배기 가스에서 발생하는 분진 및 입자상 물질을 제거하기 위한 세라믹 필터를 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 세라믹 필터의 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 테이프 캐스팅 방법에 의해 세라믹 그린 시트를 제조한 후 이를 적절한 모양으로 절단하고 적층한 후 소결하여서 유체 중의 분진 내지 입자상 물질을 제거, 저감 그리고 분리시키는 용도로 사용할 수 있는 세라믹 필터의 제조 방법에 관한 것이다.

세라믹 필터의 경우 내열성, 내화학적 성질 등이 뛰어나기 때문에 기존의 종이 필터나 각종 고분자로 제조된 필터가 사용될 수 없는 분야에 적극 이용되고 있다. 이러한 분야로 각종 소각로, 석탄 화력 발전소, 석탄 가스화 화력 발전소, 경유 자동차의 매연 제거 장치 등을 들 수 있으며 필터의 기공량이나 기공 크기를 조절하거나 또는 세라믹 필터를 지지체로 다른 미세한 기공을 갖는 물질을 코팅할 시 각종 멤브레인으로도 활용이 가능하다.

기존의 개발된 세라믹 필터의 경우 일반적으로 슬립 캐스팅이나 압출에 의해 제조되는 봉 타입의 필터가 가장 보편적으로 사용되고 있다. 그러나, 이와 같은 필터는 단위 부피당 표면적이 크지 않기 때문에 필터의 가장 중요한 특성 중의 하나인 배압 특성이 떨어진다. 따라서 이와 같은 필터를 사용할 때 배압을 감소시키기 위하여 필터의 개수를 증가시켜야 하며 이로 말미암아 필터 시스템의 크기가 증가하게 된다. 또한 여러 개의 필터를 사용하기 때문에 각 필터를 지지하는 캐닝 비율이 증가하는 단점도 있다.

또한, 경유 매연 제거용으로 개발된 세라믹 하니컴 필터의 경우 유럽 공개 특허 제 36321호에 기재된 바와 같이 통상 세라믹 하니컴 각각의 구멍의 입구부와 출구부를 상호 교환시켜 밀폐시킴으로써 배기 가스가 반드시 하니컴의 다공성 벽면을 통과하도록 하여 분진 등을 그 벽면에 포집시키는 구조로 되어 있다. 이와 같은 필터는 각각의 구멍들이 전술한 봉 타입의 필터와 같은 역할을 하기 때문에 그 배압 특성이 우수한 것으로 알려져 있으나, 그 가격이 매우 고가이어서 실용화에 문제점이 있다.

이와 같이 세라믹 하니컴 필터가 고가인 이유는 그 제조 공정이 복잡하고 자동화가 용이하지 않기 때문이다. 즉 하니컴 필터의 원료의 혼합, 압출 성형, 건조 그리고 소결 등의 공정에 의하여 각 채널의 양 끝단이 뚫려져 있는 플로우 쓰루형 하니컴을 먼저 제조한다. 이와 같은 플로우 쓰루형 하니컴은 현재 가솔린 자동차의 3원 촉매용 담체로 많이 사용되고 있는 것으로 이를 필터로 제조하기 위하여는 각각의 구멍의 입구부와 출구부를 상호 교환시켜 밀폐시켜야 하는데 이를 플러깅 공정이라 한다. 이러한 공정은 플로우 쓰루형 하니컴의 각각의 구멍이 소결로 인하여 그 모양이나 위치가 일정하지 않기 때문에 자동화가 용이하지 않다. 아울러 플러깅 공정이 끝난 후 플러깅 물질을 소결하기 위하여 이차 소결이 필요한데 이와 같이 제조 공정이 복잡하고 일부 공정의 경우 자동화가 어렵기 때문에 그 가격이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 테이프 캐스팅 공정으로 세라믹 그린 시트를 제조한 후, 이를 적절한 모양으로 절단함으로써 보다 용이하고 보다 저렴하게 세라믹 필터를 제조할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

제1도는은 세라믹 그린시트를 가공한 후의 모양들을 나타낸 개략적인 사시도 이다.

제2도는 제2도의 가공된 그린시트를 적층하여 소결한 세라믹 필터의 개략적인 사시도 이다.

제3도는 세라믹 그린시트를 제1도와 다른 모양으로 가공하였을 때의 모양을 나타낸 개략적인 사시도 이다.

제4도는 제2도의 세라믹 필터의 구멍 속에 다른 가공된 세라믹 물질을 삽입한 모양을 나타낸 개략적인 사시도 이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 3 : 세라믹 그린 시트 2, 4 : 내부가 절단된 세라믹 그린 시트

5 : 구멍 6 : 지지대

7 : 골판지 모양의 세라믹 그린 시트

본 발명의 세라믹 필터의 제조 방법은 세라믹 분말을 주원료로 하고 통상적인 테이프 캐스팅 방법으로 일정한 두께의 세라믹 그린 시트를 성형한 후 이를 사각형 모양으로 절단 가공한 것과, 그 내부를 다시 사각형 모양으로 절단한 세라믹 그린 시트를 순서대로 적층한 상태 하에서 소결하여서 제조함을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의하면 상기 내부가 절단된 세라믹 그린 시트는 소결시 시트의 휨 현상을 방지하고 기계적 강도를 증가시킬 목적으로 하나 이상의 지지대를 형성할 수 있으며, 상기 적층되는 세라믹 그린 시트 사이에 소결시 시트의 휨 현상을 방지하고 기계적 강도를 증가시킬 목적으로 골판지 모양으로 가공된 세라믹 그린 시트를 삽입할 수 있다.

본 발명에 따른 방법으로 제조된 세라믹 필터는 소각로, 석탄화력 발전소, 석탄 가스화 복합 발전소, 경유 매연 제거 장치, 열교환기, 수처리용 필터, 기체 및 유체 등의 분리용 필터 등에 사용할 수 있다.

이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도1은 세라믹 그린시트를 제조한 후의 적절한 모양으로 절단된 그린시트의 개략적인 사시도 이다. 도1과 같은 세라믹 그린 시트를 테이프 캐스팅 공정에 의해 제조하는 방법은 집적 회로용 알루미나 기판 및 멀티 래이어 세라믹 캐패시터 등의 세라믹 전자 부품에서 보편적으로 쓰이고 있는 방법으로 그 공정은 비교적 잘 알려져 있다. 본 발명에서는 이러한 제조공정과 유사한 방법으로 제조된 세라믹 그린 시트를 커터, 롤러 또는 프레스의 장비 등을 이용하여 적절한 모양으로 절단한다.

이 경우 사용 가능한 재료의 예를 들면 세라믹에서 보편적으로 쓰이고 있는 알루미나를 비롯하여 코디어라이트, 뮬라이트, 실리카, 실리콘 카바이드, 타이 태니아, 지르코니아 및 실리콘 나이트라이드 중에서 선택하여 사용하는 것이 바람직하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

도1에서 부호 1과 3은 0.1 내지 2mm의 두께를 갖는 세라믹 그린 시트를 사각형으로 절단한 모양을 나타낸 것이며, 부호 2와 4는 역시 0.1 내지 2mm의 두께를 갖는 세라믹 그린 시트(1, 3)의 내부를 다시 사각형으로 절단한 모양을 나타낸 것이다. 여기에서 내부가 절단된 세라믹 그린 시트(4)는 역시 내부가 절단된 세라믹 그린 시트(2)와 동일한 모양으로 가공된 것으로 필터 제조시에는 도1에 나타낸 바와 같이 서로 반대 방향으로 배치를 한 후 적층을 하게 된다.

첨부 도면 중, 도1은 본 발명에서 제공하고자 하는 세라믹 필터의 기본적인 엘리먼트를 나타낸 것으로, 필터 제조는 이러한 엘리먼터를 반복 적층함으로써 이루어진다. 한편 세라믹 그린 시트의 모양은 정사각형이 바람직하나 직사각형을 비롯한 다른 모양도 가능하다.

도2는 도1의 세라믹 그린 시트(1, 2, 3, 4)들을 반복하여 적층한 후 700내지 1700℃의 온도 범위에서 소결한 세라믹 필터의 개략적인 사시도 이다. 각각의 세라믹 그린 시트는 소결 과정을 통하여 서로 견고히 결합하게 되며, 이때 필터의 기공률은 10 내지 80%이며, 각 시트의 기공 특성은 조공제 등을 통한 일반적인 다공성 세라믹스의 제조 공정을 거쳐 조절한다. 필터에 있어서 기공 특성은 단위 부피당 표면적과 같이 필터의 가장 중요한 특성인 여과 효율과 배압을 좌우하기 때문에 이의 적절한 조절은 매우 중요하다.

도2에서 부호 5의 구멍을 통하여 들어간 배기 가스는 그 양 측면과 끝이 밀폐되어 있기 때문에 그 위 또는 아래의 다공성 벽면을 통하여 반대의 구멍, 예를 들어 세라믹 그린 시트(4)에 의해 형성된 구멍으로 배출되게 되며, 이때 배기 가스에 포함된 분진 및 입자상 물질이 다공성 벽면의 미세한 기공에 포획되어진다

도2에서 나타낸 세라믹 필터의 경우 세라믹 그린 시트(1, 2, 3, 4)의 두께를 얇게 할수록 세라믹 필터의 단위 부피당 표면적을 크게 할 수 있으므로 기존의 필터에 비해 배압 특성이 우수할 뿐만 아니라 이에 따라 장치의 소형화가 가능하다. 또한 본 발명의 방법에 의해 세라믹 필터를 제조할 경우 전술한 세라믹 하니컴 필터와 같은 플러깅 공정이 필요 없을 뿐만 아니라 소결 공정 역시 한 번으로 가능하기 때문에 그 제조 원가를 낮출 수 있다.

또한, 하니컴 필터와 같이 압출 성형법에 의해 제조되는 필터의 경우 그 크기가 커질수록 압출시 필요한 압력이 기하 급수적으로 커져 큰 필터의 경우 제조가 어렵고, 이에 따라 그 가격이 매우 비싸게 된다. 이에 반해 본 발명의 경우 테이프 캐스팅시의 제조 가능한 세라믹 그린 시트의 크기가 최대 1m 이상이기 때문에 상기와 같은 문제점이 발생하지 않는다. 아울러 세라믹 그린 시트의 두께 역시 수십 마이크론에서 수 밀리미터까지 조절이 가능하므로 용이하게 필터의 표면적을 증가시킬 수 있다.

본 발명을 이용하여 제조한 필터의 또 다른 장점은 그 모양이 육면체인 점이다. 기존 하니컴 필터의 경우 각 필터의 모양이 원기둥이기 때문에 여러 개의 필터를 배치시 필요 없는 공간이 발생하게 된다. 또한 여러 개의 필터를 배치시 하니컴 필터는 각각의 필터를 진동 등에 견딜 수 있게 세라믹 매트 등으로 감싸주고 이들을 각각의 캔으로 보호하는 것이 필요하다. 반면 본 발명을 이용하여 제조한 필터는 육면체 모양이기 때문에 여러 개의 필터를 배치시에도 필요 없는 공간이 발생하지 않으며 필터 사이에 세라믹 매트 등을 배치할 경우 전체적으로 하나의 캔을 이용하는 것이 가능해 캔의 제조비용 또한 절감할 수 있다.

한편, 도2에서 나타낸 필터의 경우 그 원료가 되는 물질에 따라 소결시 세라믹 그린 시트(1, 3)가 중력에 의해 휘는 현상이 발생할 수 있다. 도3은 이와 같은 현상을 방지하기 위한 것으로 세라믹 그린 시트의 내부를 절단할 때, 가운데에 지지대(6)를 남긴 세라믹 그린 시트를 나타낸 것이다. 도3의 시트를 도1의 세라믹 그린 시트(2, 4) 대신 사용할 경우 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있을 뿐만 아니라 기계적 강도 또한 증가하게 된다. 도3의 세라믹 그린 시트는 지지대(6)를 하나만 설치한 경우를 나타낸 것으로 지지대의 개수를 복수로 할 수도 있다. 다만 지지대(6)의 개수가 증가할수록 배기 가스가 여과되는 표면적이 감소하기 때문에 배압이 증가하므로 필터의 원료, 제조 공정 및 용도에 따라 적절한 조절이 필요하다.

도4는 소결시 세라믹 그린 시트가 중력에 의해 휘는 현상을 방지하기 위한 다른 방법을 기술한 것으로 도2의 구멍에 다른 가공된 세라믹 물질을 삽입한 모양을 나타낸 개략적인 사시도 이다. 즉, 도4에서 부호 7은 골판지 모양으로 가공된 구불구불한 세라믹 그린 시트로서 이 역시 세라믹 그린 시트를 적절한 모양으로 가공된 두 개의 롤러 사이를 통과시킴으로써 제조할 수 있다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같으며, 본 발명이 다음의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

알루미나 분말을 96중량%에 액상 소결 제제 및 비정상 입자 성장 억제제인 플러스로서 실리카, 마그네시아 그리고 캘시아를 각각 1, 2 그리고 1중량% 첨가한다. 여기에 기공을 형성시키기 위한 카본 분말을 세라믹 분말 대비 20중량% 첨가하고 분산제 및 용매를 첨가하여 볼 밀에서 혼합한다. 이때 분산제로는 피시 오일을 용매로서는 톨루엔, 에틸알콜 및 부틸알콜을 사용하였으며, 각각의 첨가량은 세라믹 원료대비 0.5, 40중량%였다. 10시간 정도 혼합한 후 결합제로서 폴리비닐부티랄 6중량%, 플라스티사이저로서 다이부틸프탈레이트를 3중량% 첨가하여 다시 25시간 혼합하여 균질한 슬러리를 제조한다.

제조된 슬러리를 질소압을 이용하여 슬러리 탱크에 출토한 후 감압하에서 탈포하여 슬러리 중의 기포와 과량의 용매를 제거하여 캐스팅에 적합한 점도를 갖게 하였다. 슬러리를 닥터 블레이드의 높이 10mm로 조정된 테이프 캐스팅 장비로 이동하여 폴리에스테르 필름 위에서 일정한 두께로 캐스팅한다. 제조된 세라믹 그린 시트를 도1에 나타낸 시트와 같이 절단하기 위하여 제작된 시트 커터기를 이용하여 길이 12cm의 정사각형 모양으로 절단한다. 절단된 시트는 도1에 나타낸 순서대로 적층하여 소결한다. 소결은 분당 5℃의 속도로 승온시켜 1450℃에서 6시간 유지한다. 소결 후 필터의 기공량 및 평균 기공 크기는 50% 및 18마이크론이었다.

[실시예 2]

카올린 분말을 25중량%에 하소 카올린을 20중량%, 활석을 30중량%, 알루미나를 15중량% 첨가하고 기공을 형성시키기 위한 조공제로서 흑연을 10중량% 첨가한다. 혼합한 분말에 분산제로서 피시오일을 1중량%, 톨루엔과 에틸알콜의 혼합물을 30중량% 첨가한 후 볼 밀에서 24시간 혼합한다.

혼합된 슬러리에 결합제로서 니트로 셀룰로오즈를 6중량%, 플라스티사이저로서 폴리옥틸프탈레이트를 5중량% 첨가한 후 다시 볼 밀에서 24시간 혼합한다. 제조된 슬러리를 감압하에서 탈포한 후 테이프 캐스팅 장비에서 닥터 블레이드의 높이를 0.8mm로 조절하여 세라믹 그린 시트를 제조한다. 48시간 건조된 시트는 폴리에스테르 필름으로부터 분리한 후 크기 150mm x 200mm의 직사각형 모양으로 절단한다. 이때 양 측면과 끝단의 지지대폭의 크기는 10mm로 일정하게 하였다.

그 다음 골판지 모양의 세라믹 시트를 제조하기 위하여 조성은 같으나 그 두께가 0.4mm인 세라믹 그린 시트를 제조한다. 이 그린 시트를 골판지 모양(콜류 게이션)으로 가공된 두 개의 롤러 사이를 통과시켜 골판지형의 세라믹 그린 시트를 제조한다.

절단된 시트와 각 시트의 사이에 골판지형의 그린 시트를 삽입하며 차례로 적층한다. 소결은 1350℃까지 분당 4℃의 속도로 승온시켜 5시간 행한다. 소결 후 필터의 물성을 수은 압입 기공 측정기로 측정한 결과 기공량은 35%, 평균 기공크기는 15마이크론이었다.

본 발명의 방법에 의하면, 테이프 캐스팅 방법으로 세라믹 그린 시트를 제조하고, 이를 사각형 모양의 시트, 그리고 다시 내부를 사각형 또는 중앙에 지지대가 형성되도록 절단 가공한 시트를 순서대로 적층하고 소결시킴으로써 세라믹 하니컴 필터에 비해 플러깅 공정이 필요 없고, 소결도 한번에 가능하며, 대면적의 필터 제조시 압출 방법에 비해 용이하며, 엠보싱 가공에 비해 결합제 및 가소제를 많이 사용하지 않아도 되고, 배기 가스의 입구부와 출구부가 직각 방향이 아니라 동일 방향인 특징이 있다.

Claims (6)

1. 세라믹 분말을 주원료로 하고 통상적인 테이프 캐스팅 방법으로 일정한 두께의 세라믹 그린 시트를 성형한 후 이를 사각형 모양으로 절단 가공한 것과, 그 내부를 다시 사각형 모양으로 절단한 세라믹 그린 시트를 순서대로 적층한 상태 하에서 소결하여서 제조됨을 특징으로 하는 세라믹 필터의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 분말은 알루미나, 코디어라이트, 뮬라이트, 실리카, 실리콘 카바이드, 타이태니아, 지르코니아 및 실리콘 나이트라이드 중에서 선택하여서 됨을 특징으로 하는 세라믹 필터의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 그린 시트의 두께는 약 0.1 내지 2mm로 하고, 커터기, 롤러 또는 프레스의 장비를 이용하여 해당 세라믹 그린 시트를 절단하는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 내부가 절단된 세라믹 그린 시트는 소결시 시트의 휨 현상을 방지하고 기계적 강도를 증가시킬 목적으로 하나 이상의 지지대를 형성하여서 됨을 특징으로 하는 세라믹 필터의 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 적층되는 세라믹 그린 시트 사이에 소결시 시트의 휨 현상을 방지하고 기계적 강도를 증가시킬 목적으로 골판지 모양으로 가공된 세라믹 그린 시트를 삽입하는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터의 제조방법.
6. 제1항 내지 제5항에 따른 방법으로 제조된 세라믹 필터를 소각로, 석탄 화력 발전소, 석탄 가스화 복합 발전소, 경유 매연 제거 장치, 열교환기, 수처리용 필터, 기체 및 유체 등의 분리용 필터 등에 사용하는 방법.