KR100522460B1 - 소형 세라믹 비드 성형장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 세라믹 비드의 성형장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가압용기에 채워진 슬러리를 노즐로 이송하여 낙하시킴으로써 졸-겔 반응을 유도하여 직경 2.0㎜이하의 세라믹 비드(ceramic bead)를, 특히 0.1㎜이하의 소형 세라믹 비드를 제조하기 위한 세라믹 비드 성형장치에 관한 것이다.

본 발명은 가압용기로 이송된 세라믹 슬러리의 겔화 현상을 방지하기 위한 분쇄 혼합기와, 상기 분쇄 혼합기에서 점도가 낮아진 슬러리가 노즐로 이송되도록 구동력을 발생시키는 가압부와, 이송된 슬러리를 작은 방울로 형성시켜 낙하시키는 초음파 진동노즐과, 상기 초음파 진동노즐의 높낮이를 조절하는 높낮이 조절장치와, 상기 진동노즐에서 떨어지는 작은 방울의 슬러리를 포집하고, 이를 구형화 시키기 위한 용액을 담고있는 포집용기와; 상기 가압용기내의 슬러리의 소모량을 측정할 수 있는 계량부와; 그리고 상기 분쇄 혼합기의 임펠러 RPM을 비롯하여, 가압부의 압력, 초음파 진동노즐의 진동 주파수, 진동노즐의 높낮이, 슬러리의 소모량 등이 표시되고, 또 이들을 필요에 따라 조절할 수 있는 조작부 등을 포함하여 구성된다.

Description

소형 세라믹 비드 성형장치{Small size ceramic bead forming device}

본 발명은 세라믹 비드의 성형장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가압용기에 채워진 슬러리를 노즐로 이송하여 낙하시킴으로써 졸-겔 반응을 유도하여 직경 2.0㎜이하의 세라믹 비드(ceramic bead)를, 특히 0.1㎜이하의 소형 세라믹 비드를 제조하기 위한 세라믹 비드 성형장치에 관한 것이다.

일반적으로 세라믹 비드는 몰드(mold)를 이용하는 방법, 텀블링(tumbling)을 이용하는 방법, 슬러리를 이용하는 방법 등의 세 가지로 대별된다. 몰드를 이용하는 방법은 비드의 직경이 대략 3.0㎜ 이상의 비드 제조에 이용되고, 텀블링을 이용하는 방법은 비드의 직경이 대략 3.0㎜ 이하의 비드 제조에 이용되며, 슬러리를 이용하는 방법은 바인더의 졸-겔 프로세서를 이용하는 방법과 왁스를 용제로 하는 슬러리를 이용하는 방법으로 구분되는데, 대략 1.0에서 3.0㎜까지의 직경을 가지는 비드의 제조에 사용된다.

구형의 세라믹 비드가 어떻게 형성되고, 이를 어떻게 고형화시켜 제조하게 되는가에 대하여는 이미 등록특허공보 0262141호(2000.7.15)자 소형 세라믹 비드의 제조 방법에 자세히 설명되어 있다. 여기에는, 세라믹 분말 및 바인더에 물을 분산시켜 슬러리를 제조하고, 이를 노즐로 통과시키면 작은 방울이 형성되게 되는데, 이를 하부용기에 담긴 용제에 적하시켜 세라믹 비드가 제조된다. 상기 하부용기의 용제는 소수성의 구형화 용제 및 친수성의 고형화 용제가 들어 있어, 상기 용제를 통과하면서 구형화와 고형화가 수행되게 된다. 그러나, 상기 용제는 소수성이 우수한 석유계 용제를 사용하고, 이어 바인더의 졸-겔 반응을 일으키게 하는 고형화 용제를 사용하게 되므로 높은 구형화 정도를 가지는 세라믹 비드의 제조가 가능하지만, 상대적으로 시스템이 복잡하고 고가이며, 관리나 사후 처리에 다소의 문제점이 있게된다.

한편, 도 1은 일반적인 세라믹 비드 성형장치에 사용되는 가압용기를 나타내는 것으로, 통상 상부 혹은 하부의 배출구와 슬러리 등의 액상을 휘저어 주는 교반기(101)와 가압용기(102)에 공급되는 압력을 조절하는 레귤레이터(103)로 구성되어 있으며, 용액의 상태에 따라 가압용기(102)와 임펠러(104)의 재질을 달리하고 있다. 이러한 형식의 가압용기는 용량이 상대적으로 크게 될 경우, 제조 시간의 경과에 따라서 세라믹의 특성상 점도(viscosity) 변화가 많이 생기게 되는데, 이런 이유로 해서 비교적 용량이 큰 세라믹 슬러리용으로는 부적합하게 된다. 그리고, 대용량의 슬러리를 담는 용기의 경우, 통상 내부를 볼 수 없는 재질이 대부분이고, 따라서 슬러리의 잔량을 정확히 계량하기 위해서는 별도의 장치가 부가되어야 한다. 여기에 부착되는 계량장치는 일반적으로 부력을 이용하는 것이 일반적이나, 이 또한 슬러리의 점도가 높아 점성이 강한 경우에는 감도가 떨어지는 단점이 있어 역시 세라믹 슬러리용에는 부적합하다.

아울러, 일정한 점도를 유지하는 세라믹 슬러리일지라도 가압용기와 노즐 사이를 연결하는 10㎜이하의 좁은 관을 통하여 이송이 되게 되면 점도가 변하게 되며, 마지막 단계인 노즐에 도달해서는 더욱더 점도가 높아지게 되어 결국 노즐이 막히는 등의 문제점이 나타나게 된다.

따라서, 본원 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 점도 변화가 심하고, 요변성이 많이 나타나는 미분체로 이루어진 세라믹 슬러리를 안정적인 점도로 유지하면서도 대량의 세라믹 비드 제조가 가능한 장치를 제공함을 목적으로 하고 있다.

또한, 본원 발명에 따른 성형장치는 초음파 진동자에 의한 진동노즐을 사용하므로 직경 0.1㎜이하의 더욱 작은 방울의 형성이 가능하고, 동시에 노즐의 막힘이 억제되며, 아울러 종래 2중의 용제를 사용하여 구형화 및 고형화를 수행하는 하부용액을 단일용액으로 하여 제조가 가능하도록 함에도 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 소형 세라믹 비드 성형장치는 상부에 슬러리 주입구, 모터, 가압부를 구비하고, 내면은 테프론으로 코팅 처리를한 가압용기와; 상기 가압용기로 이송된 고점도 세라믹 슬러리의 겔화 현상을 방지하고, 이를 분산시키기 위한 분쇄 혼합기와; 상기 분쇄 혼합기에서 점도가 낮아진 슬러리가 노즐로 이송될 수 있도록 가압하는 가압부와; 상기 이송된 슬러리의 순간점도를 저점도로 떨어뜨려 작은 방울로 형성시키고, 이를 낙하시킬 수 있도록 하는 초음파 진동노즐과; 상기 초음파 진동노즐의 높낮이를 조절하는 높낮이 조절장치와; 상기 진동노즐에서 떨어지는 작은 방울의 슬러리를 포집하고, 이를 구형화 시키기 위한 용액을 담고있는 포집용기와; 상기 가압용기 내의 슬러리의 소모량을 측정할 수 있는 계량부와; 그리고 상기 분쇄 혼합기의 임펠러 RPM의 비롯하여, 가압부의 압력, 초음파 진동노즐의 주파수, 노즐의 높낮이, 슬러러의 소모량 등이 표시되고, 또 이들을 필요에 따라 조절할 수 있는 조작부 등으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 분쇄 혼합기는, 세라믹 슬러리를 보다 더 잘 분산시킬 수 있도록 하기 위하여 분쇄 혼합용 매체를 사용하는 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명에 의한 초음파 진동노즐은, 초음파 진동자를 사용하여 구성되며, 바람직하게는 10내지 40㎑대의 초음파 진동자를 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 포집용기의 용액은, 다가의 이온(multi-charged ion)으로 된 단일의 반응용액으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 안정적인 점도를 유지하면서 동시에 대량의 세라믹 비드의 생산이 가능하며, 아울러 초음파 진동자를 사용하므로 직경 0.1㎜이하의 더욱 작은 방울의 형성이 가능하고, 동시에 노즐의 막힘도 억제된다. 또한 하부용액을 2중으로 하여야 제조할 수 있었던 세라믹 비드를 단일용액으로도 충분히 제조가 가능하게 된다.

다음에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 성형장치에 대하여 첨부된 도면을 기초하면서 자세히 설명하고자 한다.

먼저, 도 2는 본 발명에 따른 성형장치의 전체 개략도를 나타낸 것이다. 세라믹 분말 및 바인더는 물에 분산시켜 제조된 세라믹 슬러리를, 상부에 형성된 슬러리 주입구를 통하여 가압용기(1)로 주입된다. 상기 가압용기(1)는 슬러리의 주입과 임펠러의 탈착이 용이하도록 제작되어지고, 특히, 그 하부는 45도 기울기로 제작되어 있어, 하부 분쇄 혼합기(2)로의 슬러리 유입이 용이하게 된다. 또한, 가압용기의 내면은 슬러리와 화학적 반응이 일어나지 않도록 테프론 코팅 처리되어, 제조과정중 세라믹 슬러리가 상기 테프론 코팅면(8)에 붙지 않게된다.

주입된 세라믹 슬러리는 통상 점도 20,000센티포아즈(cP) 이하의 겔 상태이나, 노즐로 이송되기에 적당한 점도를 가지게 하기 위하여 별도의 처리 과정이 필요하게 된다. 본원 발명에서는 이를 위하여 가압용기(1)의 하부 저면에다 분쇄 혼합기(2)를 설치하여, 여기서 유입된 상기 세라믹 슬러리의 겔을 분산 처리하게 된다. 이렇게 분산된 세라믹 슬러리는 1,000센티포아즈 이하로 점도가 낮아지게 되어, 진동노즐(4)로 이송되기에 적당한 상태가 된다.

한편, 상기 세라믹 슬러러가 진동노즐(4)로 이송되기 위하여는, 다소의 구동력이 필요하게 되는데, 대략 0.5내지 10.0kgf/㎠ 정도의 압력이면 적당하다. 따라서 본원 발명에서는 가압용기(1) 상부에 가압부(3)가 설치되어, 외부에서 압축기를 통하여 공기를 가압용기(1) 내부로 불어넣는 방식이 사용된다. 이를 위하여 가압부(3)는 외부에서 공기가 유입되는 관과, 유입되는 공기의 압력을 적절히 조절가능한 레규레이터를 포함하여 이루어진다.

따라서, 상기 가압부(3)에 의하여 분쇄 혼합기(2)를 거쳐 점도가 낮아진 슬러리는 연결관을 통하여 곧바로 진동노즐(4)로 이송되게 되고, 이때 노즐을 통과하면서 작은 방울이 형성되게 된다. 그리고, 이렇게 형성된 작은 방울의 슬러리는 그 하부에 위치한 포집용기(21)의 졸-겔 반응용액속으로 떨어지게 되고, 여기서 구형화 및 고형화 단계를 거쳐 소형의 세라믹 비드가 제조되게 된다.

종래, 구형화를 위하여 소수성이 우수한 석유계 용제와, 바인더의 졸-겔 반응을 일으키게 하는 고형화 용제로 이루어진 2종의 반응용액을 사용하므로 높은 구형화 정도를 가지는 세라믹 비드의 제조가 가능하지만, 상대적으로 시스템이 복잡하고 고가이며, 관리나 사후 처리에 다소의 문제점이 있게 된다. 따라서 본원 발명에서 사용되는 반응용액은 단일의 용액으로 하여 구형화와 함께 고형화가 동시에 이루어지도록 하는데, 바람직하게는 다가의 이온(multi-charged ion)으로 이루진 용액이 사용된다. 상기와 같이 단일의 용액을 사용하므로 2중 용액을 사용하여 처리되는 것에 비하여 구형화 정도가 다소 떨어질 수 있으나, 본원 발명을 통해 제작되는 세라믹 비드는 그 크기가 매우 소형이 되므로, 상대적으로 구형화 정도가 낮게 되는 것이 보상되는 효과가 있다.

한편, 최적의 구형화를 가지는 세라믹 비드를 제조하기 위해서는 상기 진동노즐(4)과 포집용기(21) 사이의 간격이 중요하다. 상기 간격이 너무 작게 되면, 상기 포집용기(21) 속으로 떨어진 작은 방울이 용기속의 용액과 반응하여 구형화가 채되기도 전에 바로 고형화가 되게 되므로, 구형화 정도가 매우 낮은 세라믹 비드가 제조되는 원인이 된다. 따라서 상기 문제를 해결하기 위하여 상기 진동노즐(4)의 높이가 조절되도록 하는, 높낮이 조절장치(5)가 본원 발명에 따른 성형장치의 일측에 설치되어 최적의 진동노즐(4)의 높이가 되도록 적절히 가변된다.

그리고, 세라믹 비드의 제작과정에서 가압용기내로 주입된 슬러리의 소모량을 실시간으로 측정하기 위하여 본 성형장치의 하부측에는 계량부(6)가 설치되어 있어, 제조과정에서 소모된 슬러리의 양을 정확하게 측정할 수가 있다. 또 측정된 소모량은 바로 조작부에 디스플레이가 되므로, 슬러리의 소모량이 실시간으로 정확하게 파악이 가능하다. 만약, 가압용기내 슬러리의 잔량이 일정치 이하로 낮아질 경우, 이를 경고하거나 전원이 곧바로 차단되도록 하는 안전장치를 별도로 설치하는 것도 바람직하다.

또한, 본원 발명에서는 제조 과정에서 중요한 장치의 상태를 실시간으로 파악하여 디스플레이 시켜주고, 동시에 조절되도록 하는 별도의 조작부(7)가 마련된다. 여기에는, 분쇄 혼합기의 임펠러 RPM을 비롯하여, 가압부의 압력, 초음파 진동노즐의 주파수, 초음파 진동노즐의 높낮이, 슬러리 소모량 등이 표시되고, 또 이들을 필요에 따라 조절이 될 수 있도록 하여, 작업의 편리성 및 효율성이 향상 되도록 한다.

도 3은 가압용기의 평면도로, 도면에 나타난 바와 같이, 가압용기(1)의 상부 일측에는 슬러리를 주입할 수 있는 주입구(9)가 형성되고, 상기 주입구(10)와 인접한 위치에는 내부 임펠러에 동력을 공급하기 위한 모터(10)가 장착되며, 또 다른 일측에는 가압용기 내부를 가압할 수 있는 가압부(3)가 설치되는 구조로 이루어진다. 여기서 상기 가압부(3)는 앞서 설명한대로, 슬러리가 진동노즐로 이송되도록 압축기와 연결된 유입관을 통하여 공기를 불어 넣도록 하고, 이때의 압력은 레귤레이터를 통하여 조절이 가능하도록 구성된다.

본원 발명에서는 가압용기내로 주입된 슬러리가 곧바로 하부로 유입되어 분쇄 및 혼합이 용이하게 되도록 하기 위하여, 그 하부에는 분쇄 혼합기(2)가 설치되는데, 도 4는 상기 분쇄 혼합기(2)의 상세도를 나타내고 있다. 본 장치에서 분쇄 혼합기(2)는 가압용기 상부에 설치된 모터로부터 동력을 공급받아 회전을 하게 되는 임펠러(12)에 의해서 세라믹 슬러리가 적절히 분산되게 된다.

또한, 상기 분쇄 혼합기(2)에는 분쇄 혼합용 매체(11)가 미리 충진될 수 있도록 하여, 임펠러(12)의 회전과 함께 상기 충진된 분쇄 혼합용 매체(11)에 의해서도 겔화가 일어난 세라믹 슬러리를 보다 더 잘 분산시킬 수가 있게 된다. 상기 분쇄 혼합용 매체(11)는 오염 등의 문제가 발생되지 않도록 같은 재질을 가지는 세라믹 비드이면 바람직하다. 그리고 본원 장치에 사용되는 임펠러(12)와 외부용기(13)의 내벽은 마모가 적게 일어나는 초경합금 혹은 우레탄을 사용하여 제작된다.

도 5는 작은 방울의 슬러리를 형성하여 하부의 포집용기(21)에다 낙하시키기 도록 하는 초음파 진동노즐(4)의 상세도이다. 본원 발명의 초음파 진동노즐(4)은 진동을 발생시키는 초음파 진동자(14)와, 상기 초음파 진동자(14)에 전기를 공급하는 전선(23)과, 분쇄 혼합기에서 이송되는 슬러리를 노즐에 주입하기 위한 연결관(22) 및 다수개의 노즐(24)을 포함하여 이루어진다. 즉, 본원 발명에서는 초음파 진동자(14)에서 발생되는 초음파 진동이 직접 노즐에 전달될 수 있도록 다수개의 노즐(24) 상부에 부착되며, 슬러리의 상태에 따라서 정해진 진동 주파수를 가지는 초음파 진동자가 사용될 수도 있다.

예를 들어 점도가 낮은 유체의 경우, 유체가 노즐을 통과하면서 노즐끝단 부분에는 액주가 형성되고, 하부로 내려 오면서 점차 응집력이 약해져 액적으로 낙하하게 된다. 그러나 액적, 즉 방울의 크기를 소형으로 하기 위하여는 특수한 노즐이나 별도의 장치가 필요하게 되는데, 이를 위하여 본원 발명에서는 초음파 진동자가 이용된다. 즉, 초음파 진동자의 주파수에 의하여 노즐을 통과하면서 순간적으로 점도가 낮은 액적으로 변화가 생기게 되고, 주파수 변화에 따라서 액적의 크기도 가변 가능하게 된다.

특히, 본원 발명에서는 주파수가 10내지 40㎑인 초음파 진동자(14)가 사용되게 되는데, 점도에 따라 주파수를 가변하면서 실험한 결과, 점도가 1,000센티포아즈 이상의 슬러리의 경우에는 28㎑, 그 이하의 슬러리 경우에는 40㎑의 진동 주파수를 선택하는 것이 가장 바람직하다. 따라서 슬러리의 점도에 따라서 적절하게 진동 주파수를 선택한 후, 다수개의 노즐(24)로 통과시키게 되면, 점도가 순간적으로 약 500센티포아즈 이하로 낮아지게 되면서, 그 크기 또한 약 0.001㎖이하의 작은 방울이 형성되게 된다.

한편, 세라믹 비드 제조시 노즐의 위치 또한 매우 중요하므로, 본 발명에서는 초음파 진동노즐에서 형성된 작은 방울의 슬러리를 포집하는 졸-겔 반응용액과 다수개의 노즐 사이의 간격이 조절이 되는 높낮이 조절장치(5)가 사용되는데, 상기 높낮이 조절장치(5)는 그림 6에서 보는 바와 같이 별도의 소형모터(15), 지지대(16), 가이드(17), 받침대(18), 노즐 받침대(19) 및 나사식 리프트(20) 등으로 이루어진다.

상기 높낮이 조절장치(5)는 설계시 노즐 하중으로 인한 영향을 최대한 받지 않도록 하여 제작되고, 아울러 나사식 리프트(20)와 가이드(17)를 이용하여 연속적인 높낮이 변화가 가능하도록 하여 제작된다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 노즐이 초음파를 이용하여 진동되기 때문에 소형뿐만아니라, 직경 0.1㎜ 이하의 초소형 세라믹 비드도 제조가 가능하다. 나아가 고점도 슬러리를 사용할 수가 있어 범용성이 강하며, 제조공정이 하나의 장치를 통하여 일관되게 이루어지므로 정량화된 공정변수의 적용이 가능하게 되어 생산의 자동화가 쉽게 달성될 수가 있다는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다. 그리고, 이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범부 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이다.

이상에서 살펴 본 바와 같이 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 기대된다.

먼저, 본 발명에 의해 제공되는 소형 세라믹 비드 성형장치는 초음파 진동방식이 아닌 종래의 방식을 사용하는 것보다 약6배 이상의 생산량 증가를 얻을 수가 있으며, 아울러 제조과정에서 정량화된 공정변수를 적용할 수 있어 동일한 품질을 기대할 수가 있다. 그리고, 무엇보다 초음파에 의해 발생되는 진동을 이용하기 때문에 소형뿐만 아니라 초소형 세라믹 비드의 제작이 가능해지게 된다.

또한, 본원 발명에 따른 성형장치는 혼합 분쇄기와 함께 초음파 진동방식이 이용되기 때문에 노즐이나 이송관 등의 막힘이 생기지 않아 고점도 슬러리도 사용할 수가 있어 무엇보다 범용성이 강하다. 아울러 하부용액을 단일용액으로 할 수 있어 종래의 것보다 효과적으로 세라믹 비드를 제조할 수 있으며, 나아가 본 장치의 사용을 통하여 무인 자동화를 이룩할 수 있는 계기를 제공할 수가 있게된다.

도 1은 일반적인 가압용기를 나타내는 개략도.

도 2는 본 발명에 따른 성형장치의 전체 개략도.

도 3는 본 발명에 따른 가압용기의 평면도.

도 4는 본 발명에 따른 분쇄 혼합기의 상세도.

도 5는 본 발명에 따른 초음파 진동노즐의 상세도.

도 6은 본 발명에 따른 초음파 진동노즐의 높낮이 조절장치의 상세도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1....가압용기 2....분쇄 혼합기

3....가압부 4....진동노즐

5....높낮이 조절장치 6....계량부

7....조작부 8....테프론 코팅면

9....주입구 10....모터

11....분쇄 혼합용 매체 12....임펠러

13....외부용기 14....초음파 진동자

15....소형모터 16....지지대

17....가이드 18....받침대

19....노즐 받침대 20....나사식 리프트

21....포집용기 22....연결관

23....전선 24....노즐

Claims (4)

1. 상부에 슬러리 주입구, 모터, 가압부를 구비하고, 내면은 테프론으로 코팅 처리를 한 가압용기(1)와;

   상기 가압용기로 이송된 고점도 세라믹 슬러리의 겔화 현상을 방지하고, 이를 분산시키기 위한 분쇄 혼합기(2)와;

   상기 분쇄 혼합기에서 점도가 낮아진 슬러리가 노즐로 이송될 수 있도록 가압하는 가압부(3)와;

   상기 이송된 슬러리의 순간점도를 저점도로 떨어뜨려 작은 방울로 형성시키고, 이를 낙하시킬 수 있도록 하는 초음파 진동노즐(4)과;

   상기 초음파 진동노즐의 높낮이를 조절하는 높낮이 조절장치(5)와;

   상기 진동노즐에서 떨어지는 작은 방울의 슬러리를 포집하고, 이를 구형화 시키기 위한 용액을 담고있는 포집용기(21)와;

   상기 가압용기 내의 슬러리의 소모량을 측정할 수 있는 계량부(6)와;

   그리고 상기 분쇄 혼합기의 임펠러 RPM을 비롯하여, 가압부의 압력, 초음파 진동노즐의 주파수, 노즐의 높낮이, 상기 슬러러의 소모량 등이 표시되고, 또 이들을 필요에 따라 조절할 수 있는 조작부(7)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 소형 세라믹 비드 성형장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 분쇄 혼합기는, 세라믹 슬러리를 보다 더 잘 분산시킬 수 있도록 하기 위하여 분쇄 혼합용 매체(11)를 사용하는 것을 특징으로 하는 소형 세라믹 비드 성형장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 초음파 진동노즐은, 주파수가 10내지 40㎑대인 초음파 진동자(14)를 사용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 소형 세라믹 비드 성형장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 포집용기의 용액은, 다가의 이온(multi-charged ion)으로 된 단일의 반응용액으로 이루어진 것을 특징으로 하는 소형 세라믹 비드 성형장치.