KR0180110B1 - 세라믹 필터의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 테이프 캐스팅 방법을 이용하여 두께가 일정한 세라믹 그린시트를 제조하고, 이를 엠보싱 가공 처리한 후 서로 직각방향으로 돌려서 적층하여 소결함으로써 고정원 및 이동원 등의 배기가스에서 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 첨가제를 혼합하여 슬러리화하고, 이를 테이프 캐스팅 방법을 이용해서 두께가 일정한 그린 시트를 성형, 엠보싱 가공한 후 최종 생성물의 용도에 맞게 절단하고 적층한 상태로 700℃내지 1700℃의 온도범위에서 소결 처리하여 다공성 벽면의 기공률을 10% 내지 80%로 하여서 제조한다.

본 발명의 방법에 의해 제조된 세라믹 필터는 소각로, 석탄화력 발전소, 석탄가스화 복합발전소, 경위매연제거장치, 수처리용 필터에 사용할 수 있으며 그 외에 이를 응용하여 열교환기, 기체 및 유체 등의 분리용 필터 또는 그 지지체, 촉매 담체 등에 사용이 가능하다.

Description

세라믹 필터의 제조방법(METHOD FOR PREPRING CERAMIC FILTERS)

제1도는 세라믹 그린시트를 엠보싱 가공한 후의 개략적인 사시도이다.

제2도는 제1도의 시트들을 서로 직각 방향으로 돌려 쌓아 소결한 세라믹 필터의 개략적인 사시도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 편평한 부분 2 : 돌출된 부분

3, 3' : 필터의 전단면 및 후단면 4, 4' : 필터의 양 측면

[발명의 목적]

본 발명은 테이프 캐스팅 공정으로 세라믹 시트를 만든 후 이를 가공하고 적층하여 세라믹 필터를 만듦으로써 보다 용이하고, 보다 저렴하게 세라믹 필터를 제조할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]

본 발명은 세라믹 필터를 제조하는 방법에 관한 것이다. 좀 더 상세하게는 테이프 캐스팅 방법에 의해 세라믹 시트를 제조한 후 이를 엠보싱 가공하여 적층 및 소결하여 기체나 액체, 즉 유체중의 분진 내지 입자상 물질을 제거, 저감 및 분리시키는 용도의 세라믹 필터를 제조하는 방법에 관한 것이다.

필터의 용도를 나누어 보면 크게 고정원과 이동원으로 나눌 수 있으며 고정원의 용도로는 소각로, 석탄화력발전소, 석탄가스화 복합발전 등이 있고 이동원은 경유자동차의 매연제거용 필터 등이 있다. 일반적으로 고정원에서 분진 등을 포집하는 데에는 여과포나 전기 집진 장치를 사용하여 왔는데 이중 전기 집진 장치는 시설비는 많이 들고, 여과포는 주로 고분자계로 만들어져 그 사용온도가 250℃를 넘을 경우 사용할 수가 없어 반드시 냉각장치를 설치하여야만 한다. 또한 이동원의 경우 그 설치공간 및 에너지원의 부족으로 말미암아 필터의 적용이 기술적으로 고정원에 비해 훨씬 어렵고, 그 배기가스가 고온이기 때문에 본격적인 실용화가 이루어지지 않은 상태이다.

이에 비해 세라믹 필터는 내열성이 우수하여 냉각장치 등을 설치할 필요가 없고 설치비가 적어지기 때문에 중, 소형의 배기가스 정화장치에 적합하다. 또한 석탄가스화 복합발전의 용도 등에서와 같이 고온의 배기가스를 이용하여 복합 발전을 할 경우 가스중의 입자상물질이 터빈 블레이드를 손상시킬 우려가 있기 때문에 필터가 필수적인데 그 배기가스의 온도가 매우 높기 때문에 세라믹 필터 외의 다른 대안이 없는 실정이다. 이러한 것은 이동원의 경우도 마찬가지로 그 배기가스의 온도가 높기 때문에 적용 가능한 필터로서 세라믹 필터가 주로 연구되고 있는 실정이다.

기존의 개발된 세라믹 필터의 경우 일반적으로 봉 타입이 가장 보편적으로 쓰이고 있으나, 이의 표면적이 크지 않아 필터 시스템의 배압을 감소시키기 위하여는 그 필터의 개수가 많아져 그 크기가 커질 뿐 아니라 전체 시스템의 비용이 증가하는 단점이 있다. 또한 이동원용 등으로 개발된 세라믹 화이버 필터의 경우 그 여과효율과 배압 특성은 비교적 우수하나 장시간 사용시 세라믹 화이버의 열화로 인해 필터의 여과효율이 감소할 뿐만 아니라 화이버가 배기 가스 중에 포함되어 이차공해를 발생할 우려가 있다.

한편, 세라믹 하니컴 필터의 경우 유럽특허 공개번호 제 36321호에 기재된 바와 같이 통상 세라믹 하니컴 각각의 구멍 입구부와 출구부를 상호 교환시켜 밀폐시킴으로써 배기가스가 반드시 하니컴의 다공성 벽면을 통과하도록 하여 분진 등을 그 벽면에 포집시키는 구조로 되어 있다. 이러한 필터는 여과효율과 배압 특성이 우수할 뿐만 아니라 화이버상이 아니기 때문에 전술한 바와 같은 문제점이 없어 그 성능상 우수한 것으로 알려져 있으나 그 가격이 매우 고가이어서 실용화에 문제점이 있다.

이와 같이 세라믹 하니컴 필터가 고가인 이유는 그 제조 공정이 어려운 때문으로 그를 설명하면 다음과 같다. 즉 하니컴 필터는 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 세라믹 하니컴은 가솔린 자동차의 촉매 담체로서 현재 많이 사용되고 있는 것으로 이를 하니컴 필터로 제조하기 위하여는 각 채널의 구멍을 서로 엇갈리게 첵크 무늬 패턴으로 일정 두께를 막아야 하는 공정을 거쳐야 하며 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.

[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 테이프 캐스팅 공정으로 세라믹 그린 시트를 만든 후 이를 엠보싱 형태로 가공하고 적층하여 세라믹 필터를 만듦으로써 보다 용이하고, 보다 저렴하게 세라믹 필터를 제조할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

[발명의 구성 및 작용]

본 발명의 세라믹 필터의 제조는 세라믹 분말을 주원료로 하고 여기에 첨가제를 혼합하여 통상의 방법으로 슬러리화하고, 이를 테이프 캐스팅 방법을 이용하여 세라믹 그린시트를 성형한 후, 엠보싱 가공처리하고, 이들을 서로 직각 방향으로 돌려서 적층한 상태로 소결하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 좀더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

첨부 도면 중, 도1은 세라믹 그린시트를 엠보싱 가공한 후의 개략적인 사시도 이다.

세라믹 그린 시트를 테이프 캐스팅 공정에 의해 제조하는 방법은 집적회로용 알루미나 기판 및 멀티 래이어 세라믹 캐패시터 등의 전자부품에서 보편적으로 쓰이고 있는 방법으로 그 공정은 비교적 잘 알려져 있다. 본 발명에서는 이러한 제조공정과 유사한 방법으로 제조된 약 0.5 내지 3mm 정도의 두께를 갖는 세라믹 그린시트를 롤러 및 프레스 등을 이용하여 가압함으로써 시트 상에 편평한 부분(1)과 돌출된 부분(2)이 형성되게끔 엠보싱 처리를 한다.

이 경우 사용 가능한 재료의 예를 들면 하니컴의 원료로 가장 많이 쓰이는 코디어라이트를 비롯하여 뮬라이트, 알루미나, 실리카, 실리콘카바이드, 타이태니아, 지르코니아, 실리콘 나이트라이드 등이 바람직하지만 이에 한정되는 것은 아니다.

일반적인 테이프 캐스팅 공정으로 세라믹 그린 시트를 제조할 경우 그 시트가 딱딱하기 때문에 그 표면에 소정의 높이까지 요철을 형성하는 것이 불가능하다. 따라서, 본 발명에서는 원료 조성중 세라믹 원료 외의 각종 첨가제의 조성을 달리함으로써 이를 해결하였다.

즉, 일반적인 테이프 캐스팅 공정의 경우 세라믹물질의 분산을 돕기 위한 분산제, 세라믹 테이프의 성형강도를 향상시키기 위한 결합제 그리고 그의 유연성을 향상시키기 위한 가소제 등을 각각 세라믹 원료에 대하여 0.5 내지 2중량%, 2 내지 8중량%, 2 내지 5중량%를 첨가하였다.

본 발명에서는 일반적인 테이프 캐스팅 공정에 비해 결합제 및 가소제의 양을 크게 증가시켜 각각 세라믹 원료에 대하여 8 내지 20중량% 및 10 내지 30중량% 첨가한 결과 세라믹 시트의 엠보싱이 가능하게 된다. 이 경우 사용 가능한 결합제는 니트로셀룰로즈, 폴리아크릴산에스테르, 폴리비닐부티랄, 에틸셀룰로스 그리고 가소제로는 부틸벤질프탈레이트, 다이부틸프탈레이트, 다이옥틸프랄레이트 등이 바람직하지만 이에 한정되는 것은 아니다.

첨부 도면 중, 도2는 도1의 엠보싱 가공을 한 세라믹 그린 시트를 일정 크기로 절단하여 각각의 시트를 서로 직각이 되게 돌려서 쌓아 소결한 후의 세라믹 필터의 개략적인 사시도 이다. 도2에서와 같이 적층된 각각의 시트는 약 700 내지 1700℃의 온도에서 소결과정을 거칠 때 서로 견고히 결합하게 되며, 이때 각 시트의 기공특성은 조공제 등을 통한 일반적인 세라믹 제조 공정을 통하여 조절한다.

본 발명의 방법에 의해 제조된 세라믹 필터의 다공성 벽면의 기공률은 10 내지 80%이다.

이러한 필터의 경우 필터의 전단면(3)과 후단면(3')에서 배기가스가 들어올 경우 그 가스는 반드시 가스가 들어온 구멍의 위, 아래에 있는 다공성 벽을 통하여 필터의 양 측면(4,4')를 통과하도록 되어 있기 때문에 분진 등이 그 벽면에 포집되게 된다.

도2에서 나타낸 필터의 경우 세라믹 시트에서 돌출된 부분의 높이를 적게 할수록 필터의 단위 부피당 표면적을 크게 할 수 있기 때문에 기존의 봉 타입의 필터에 비해 배압이 상당량 감소할 뿐 아니라, 장치의 소형화가 가능하다. 또한, 본 방법에 의해 세라믹 필터를 제조할 경우 전술한 세라믹 하니컴 필터에서와 같은 플러깅 공정이 필요 없을 뿐만 아니라 소결공정 역시 한번으로 가능하기 때문에 그 가격 또한 저렴할 것으로 기대된다.

또한, 압출성형방법에 의해 제조되는 하니컴필터의 경우 그 크기가 커질수록 입출시 필요한 압력이 기하급수적으로 커져 큰 필터의 경우 제조가 어려운 반면 본 발명의 경우 테이프 캐스팅 시의 제고 가능한 세라믹 시트의 크기가 최대 1m 이상이기 때문에 보다 큰 필터를 용이하게 제조할 수 있다. 이때 필터의 여과효율은 그 용도에 맞는 원료를 선택하여 다공성 벽면의 기공량 및 기공크기 그리고 기공분포 등을 조절함으로써 조정이 가능하다.

또한 상기와 같은 구조의 필터에서 배기가스의 입구부를 하나로 하고자 할 필요가 있을 경우 상기 도2의 전단면(3)이나 후단면(3') 중 하나를 세라믹 매트 등의 물질로 막거나 또는 필터를 집어넣는 케이스인 캔의 구조에서 금속 등을 이용하여 막음으로써 입구부를 하나로 할 수 있다. 아울러 출구부의 경우도 이와 같은 방법으로 막아 출구부의 통로를 단일화할 수도 있다.

본 발명을 이용하여 제조한 필터의 경우 그 모양이 육면체가 되어 여러개의 필터를 배치할 경우 기존 하니컴필터의 원기둥 모양에 비해 필요 없는 공간이 줄어들어 소형화가 가능하다. 아울러 여러 개의 필터를 배치할 경우 하니컴필터는 각각의 필터를 진동 등에 견딜 수 있게 세라믹 매트 등으로 감싸주고 이를 각각의 캔으로 보호하는 것이 필요한 반면 본 발명에서 제안한 필터의 경우 육면체 중 입구부와 출구부를 제외한 나머지 면에 세라믹 매트를 배치할 경우 전체적으로 하나의 캔을 이용하는 것이 가능해 캔의 비용 또한 절감할 수 있다.

이하 실시예를 통하여 본 발명의 효과를 좀 더 구체적으로 살펴보지만 하기 예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

카올린 분말을 25중량%, 하소 카올린을 20중량%, 활석을 30중량%, 알루미나 15중량%, 조공제인 흑연을 10중량% 섞고 볼 밀에서 혼합한다. 혼합한 분말에 분산제로서 피시오일을 1중량%, 톨루엔과 에틸알콜의 혼합물을 30중량% 첨가한 후 다시 볼 밀에서 혼합한다. 여기에 결합제로서 폴리비닐부티랄을 10중량%, 가소제로서 다이옥틸프탈레이트를 15중량% 첨가하여 다시 습식 혼합을 실시한다. 제조된 슬러리를 감압 하에서 탈포한 후 테이프 캐스팅 장비에서 닥터 블레이드의 높이를 2mm로 조절하여 세라믹 시트를 제조한다. 48시간 건조된 세라믹 시트는 소결 수축량을 고려하여 150mm의 정사각형 모양으로 절단한 후 압축 프레스를 이용하여 엠보싱가공을 한 후 적층한다. 소결은 첨가된 결합제와 가 소제의 탈지를 고려하여 500℃까지는 분당 1℃로 그 이후는 분당 4℃의 속도로 승온시켜 1450℃에서 3시간 소결한다.

소결된 필터의 물성을 수은 압입 기공측정기로 측정한 결과 기공량은 40%, 평균기공크기는 20마이크론이었다.

[실시예 2]

알루미나 분말 82중량%에 액상 소결제제 및 비정상 입자성장 억제제인 플럭스로서 실리카, 마그네시아, 캘시아를 각각 1중량% 그리고 조공제로서 흑연을 15중량% 첨가한 후 볼 밀에서 혼합한다. 이 후 분산제로서 피시 오일을 2중량% 첨가하고 용매로서 톨루엔, 에틸알콜, 부틸알콜을 40중량% 첨가하여 다시 혼합한다. 그 다음 결합제로서 니트로 셀룰로오즈를 12중량%, 다이부틸프랄레이트를 17중량% 첨가한 후 혼합하여 슬러리를 제조한다. 제조된 슬러리를 감압 하에서 탈포를 행하여 캐스팅에 적합한 점도를 갖게 한다. 슬러리를 두께 1mm로 테이프 캐스팅하여 세라믹 그린 시트를 제조한다. 건조된 시트는 요철이 형성되어 있는 두 개의 롤러 사이를 통과시켜 엠보싱가공한 후 200mm의 정사각형 모양으로 절단한다. 절단된 시트는 서로 직각 방향이 되게 돌려서 적층한 후 소결을 행한다. 소결은 탈지를 위하여 500℃까지는 분당 1℃로 그 이후는 분당 4℃의 속도로 승온시켜 1400℃에서 3시간 소결한다. 소결 후 필터의 기공량 및 평균 기공 크기는 각각 30%, 10마이크론이었다.

Claims (5)

1. 세라믹 분말을 주원료로 하고 여기에 첨가제를 혼합하여 통상의 방법으로 슬러리화하고, 이를 테이프 캐스팅 방법을 이용하여 세라믹 그린 시트를 성형한 후 엠보싱 가공 처리하고 이들을 서로 직각 방향으로 돌려서 적층한 상태로 소결하는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 세라믹은 코디어라이트, 뮬라이트, 알루미나, 실리카, 실리콘 카바이드, 타이태니아, 지르코니아 및 실리콘 나이트라이드 중에서 적어도 하나 이상을 선택하여서 됨을 특징으로 하는 세라믹 필터의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 첨가제 중에서 결합제는 세라믹 분말에 대하여 결합제를 8 내지 20중량%, 가소제를 10 내지 30중량% 첨가하는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 그린 시트의 두께는 약 0.5 내지 3mm로 하고, 롤러 또는 프레스의 장비를 이용하여 상기 그린 시트를 엠보싱 가공하는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터의 제조방법.
5. 제1항 내지 제4항에 따른 방법으로 제조된 세라믹 필터를 소각로, 석탄화력 발전소, 석탄가스화 복합발전소, 경유매연제거장치, 열교환기, 수처리용 필터, 기체 및 유체 등의 분리용 필터 및 지지체, 촉매 담체 등에 사용하는 방법.