KR100665082B1 - 허니컴 구조체 성형용 다이 및 허니컴 구조체 제조 방법 - Google Patents

허니컴 구조체 성형용 다이 및 허니컴 구조체 제조 방법 Download PDF

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Abstract

허니컴 구조체 성형용 다이 및 그 다이를 이용하여 허니컴 구조체를 제조하는 방법이 개시되는데, 상기 다이에서는 압출된 허니컴 구조체의 건조 및 소성 후 중앙부에서와 외주부 근처에서의 셀 피치의 변화가 억제되어, 균일한 셀 피치를 가지는 허니컴 구조체가 제조될 수 있다. 허니컴 구조체(honeycomb structure) 성형용 다이(1)는, 셀 블록(3)들 사이에 형성되는 홈이 있는 슬릿(groovy slit; 2)이 마련된 전면부 및 상기 슬릿(2)과 연통하는 뒷 구멍(back hole; 4)이 마련된 후면부를 포함한다. 상기 다이(1)는, 인접 셀 블록(3)의 피치(P)가 상기 전면의 중앙부로부터 외주부를 향하여 단계적으로 커지는 구조를 가지고 있다.

Description

허니컴 구조체 성형용 다이 및 허니컴 구조체 제조 방법{DIE FOR FORMING HONEYCOMB STRUCTURE AND METHOD OF MANUFACTURING HONEYCOMB STRUCTURE}
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 허니컴 구조체 성형용 다이의 기본 구조를 도시하는 예시도로서, 도 1a는 전면을 도시하는 평면도이고, 도 1b는 부분 단면도이다.
도 2는 실시예 및 비교예에서 셀 피치의 위치를 측정하는 것을 보여주는 예시도이다.
도 3은 실시예의 결과를 보여주는 그래프이다.
도 4는 비교예의 결과를 보여주는 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 허니컴 구조체 성형용 다이 2 : 슬릿
3 : 셀 블록 4 : 뒷 구멍
P : 피치
본 발명은 허니컴 구조체(honeycomb structure)의 압출에 사용되기 위한 허 니컴 구조체 성형용 다이에 관한 것이다.
최근, 열 및 부식에 대한 저항에 있어서 우수한 세라믹으로 제조된 허니컴 구조체는, 디젤 엔진으로부터 배출된 입자를 포획하기 위한 디젤 매연 여과 장치(diesel particulate filter; DPF) 및 자동차 배기 가스를 정화하는 촉매를 운반하기 위한 촉매 담체(catalyst carrier)와 같은 다양한 분야에 사용되고 있다.
일반적으로, 압출에 의해 얻어진 허니컴 구조체[성형품(成形品); formed article]는 건조되고 소성(燒成; fired)되어 허니컴 구조체로 제조된다. 이러한 허니컴 구조체를 압출하는 데에 사용되는 다이는, 스테인리스 강, 철 또는 이와 유사한 물질로 제조된 모체(matrix)의 전면에는 복수 개의 셀 블록(cell block)의 옆에 홈이 있는 슬릿(groovy slit)이 배치되고, 모체의 후면에는 그 슬릿과 연통하는 뒷구멍(back hole)이 배치된 구조를 가진다. 슬릿으로부터 압출된 원재료(점토)를 성형하게 되면, 허니컴 구조체를 가지는 성형품이 얻어진다. 즉, 슬릿을 통하여 통과되고 압출된 점토는, (구멍을 통과하는) 각각의 셀을 둘러싼 격벽(partition wall)을 형성하고, 셀 블록은 점토의 흐름을 막아서, 셀이 되는 중공부(hollow portion)를 형성하게 된다.
또한, 종래의 허니컴 구조체 성형용 다이에서는, 인접한 셀 블록의 간격(pitch)이 모두 일정하지만, 그러한 다이를 이용하여 압출되고 건조 및 소성을 통해 얻어진 허니컴 구조체에서는, 셀의 간격(셀 피치; cell pitch)이 일정하지 않다. 외주부(外周部)의 셀 피치가 중앙부의 셀 피치보다 더 작은 경우가 있다. 이것은 아마도 건조 시간 등에서의 불균일한 가열에 의한 변형(deformation)/왜곡 (distortion)이 발생함으로써, 셀 피치가 중앙부와 외주부 근처에서 변화하기 때문인 것으로 보인다. 외주부 근처에서의 셀 피치가 감소하는 경우, 전체 허니컴 구조체의 바깥 치수가 감소하여, 제품 표준을 벗어나는 경우가 종종 있다(이러한 종래의 상황에 관한 종래 기술 문헌은 발견되지 않음).
본 발명은 이러한 종래 상황의 관점에서 개발된 것으로, 본 발명의 목적은 허니컴 구조체 성형용 다이 및 그 다이를 이용하여 허니컴 구조체를 제조하는 방법을 제공하는 것으로서, 상기 다이에서는 압출된 허니컴 구조체의 건조 및 소성 후 중앙부에서와 외주부 근처에서의 셀 피치의 변화가 억제되어, 균일한 셀 피치를 가지는 허니컴 구조체가 제조될 수 있다.
본 발명에 따르면, 허니컴 구조체 성형용 다이(제1 허니컴 구조체 성형용 다이)가 마련되는데, 이 다이는 홈이 있는 슬릿(groovy slit)이 마련되고, 각각의 상기 슬릿은 셀 블록들 사이에 형성되는 것인 전면부; 및 뒷 구멍(back hole)이 마련되고, 각각의 상기 뒷 구멍은 상기 슬릿과 연통하는 것인 후면부를 포함하고, 인접 셀 블록의 피치가 상기 전면의 중앙부로부터 외주부를 향하여 단계적으로 커진다.
또한, 본 발명에 따르면, 허니컴 구조체 성형용 다이(제2 허니컴 구조체 성형용 다이)가 마련되는데, 이 다이는 홈이 있는 슬릿이 마련되고, 각각의 상기 슬릿은 셀 블록들 사이에 형성되는 것인 전면부; 및 뒷 구멍이 마련되고, 각각의 상기 뒷 구멍은 상기 슬릿과 연통하는 것인 후면부를 포함하고, 상기 전면 중앙부의 소정 영역에서는 인접 셀 블록의 피치가 균일하고, 상기 소정 영역의 외곽 영역으 로부터 외주부를 향해서는 상기 피치가 단계적으로 커진다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 제1 및 제2 허니컴 구조체 성형용 다이를 이용하여 허니컴 구조체를 제조하는 방법이 마련된다.
본 발명에서의 허니컴 구조체 성형용 다이 및 허니컴 구조체 제조 방법에 따르면, 압출된 허니컴 구조체의 건조 및 소성 후 중앙부와 외주부 근처 사이에서의 셀 피치의 변화가 억제되어, 균일한 셀 피치를 가지는 허니컴 구조체가 제조될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 전면을 도시하는 평면도와 측면에서 바라본 부분 단면도로서, 본 발명에 따른 허니컴 구조체 성형용 다이의 기본 구조를 도시한다. 본 발명에서, 허니컴 구조체 성형용 다이(1)는 복수 개의 셀 블록(3)에 의해 형성된 홈이 있는 슬릿(2)이 마련된 표면부(전면부) 및 상기 슬릿(2)과 연통하는 뒷 구멍(4)이 마련된 후면부를 구비한다. 뒷 구멍으로부터 주입된 성형용 원재료(점토)가 슬릿(2)으로부터 압출되는 경우, 허니컴 구조체를 가지는 성형품이 얻어진다.
또한, 이러한 기본 구조 이외에도, 본 발명에 따른 제1 허니컴 구조체 성형용 다이는, 인접한 셀 블록(3)의 피치(P)가 전면의 중앙부로부터 외주부를 향함에 따라 단계적으로 증가하는 특징적 구조를 가지고 있다.
전술한 바와 같이, 통상적으로 최종 제품인 허니컴 구조체[소성품(燒成品); fired article]는, 셀 블록의 피치가 모두 일정한 종래의 다이를 이용하여 허니컴 구조체를 성형하고(성형품), 이에 후속하여 건조 및 소성함으로써 얻어진다. 이러 한 허니컴 구조체에서는 외주부 근처의 셀 피치가 중앙부의 셀 피치보다 작은 경우가 있는데, 이는 건조 시간 등에서의 불균일한 가열에 의한 변형/왜곡이 발생하기 때문이다. 이러한 경우, 통상적으로 허니컴 구조체의 중앙부 일부분에서의 셀 피치는 가장 넓고, 외주부로 향할수록 점차적으로 셀 피치가 좁아진다.
셀 피치의 변동을 억제하고 균일한 셀 피치를 가지는 이러한 허니컴 구조체를 얻기 위하여, 건조 시간 등에서 발생하는 수축의 변화를 허용할 수 있도록, 외주부 근처에서의 셀 피치가 중앙부의 셀 피치보다 큰 성형품이 압출 단계에서 준비될 수 있다. 허니컴 구조체의 압출 단계에서, 다이의 슬릿을 통과한 점토는 셀을 분할하는 격벽을 형성하고, 셀 블록은 점토의 흐름을 막아서 셀이 되는 중공부를 형성한다. 따라서, 성형품의 셀 피치는 다이의 인접하는 셀 블록의 피치와 일치하게 된다.
그러므로, 제1 허니컴 구조체 성형용 다이는 인접하는 셀 블록의 피치가 다이 전면의 중앙부에서 외주부를 향하여 단계적으로 넓어지는 방식으로 구성된다. 압출이 이러한 다이를 이용하여 수행되는 경우, 셀 피치가 중앙부에서 외주부를 향함에 따라 단계적으로 넓어지는 허니컴 구조체(성형품)가 얻어진다.
인접 셀 블록의 피치 증가량은 단계당 0.005 내지 0.1 mm가 바람직하다는 것을 상기하여야 한다. 단계당 증가량이 0.005 mm 미만이 되면, 셀 피치의 증가 효과가 거의 없어진다. 단계당 증가량이 0.1 mm를 초과하게 되면, 셀 사이의 압출되는 점토량이 차이로 인한 압출성(extrudability)의 문제가 발생한다. 보다 세부적인 (피치) 증가량을 얻기 위하여, 먼저 균일한 셀 블록의 피치를 가진 종래 구조의 다이를 이용하여 허니컴 구조체(성형품)가 압출되고, 그 다음 건조 및 소성을 통하여 허니컴 구조체(소성품)이 얻어진다. 그 허니컴 구조체에 대하여, 중앙부에서 외주부를 향함에 따라 셀 피치가 줄어드는 정도를 조사한다. 조사 결과를 기초로, 최종 셀 피치의 변화를 보상하여 균일한 셀 피치를 얻기 위한 값으로 피치 증가량이 설정될 수 있다.
본 발명에 따른 제2 허니컴 구조체 성형용 다이에서는, 상기 제1 벌집 성형용 다이에서와 동일한 방식으로, 셀 피치의 변화를 억제하기 위한 목적으로 외주부 근처에서의 셀 피치가 중앙부에서의 셀 피치보다 넓도록 된 성형품이 준비된다. 특징적 구조에서, 인접한 셀 블록(3)의 피치(P)는 소정 영역(이하에서는 "중앙 영역"으로 지칭함)에서는 균일하고, 상기 중앙 영역 외곽의 소정 영역(이하에서는 "외곽 영역"으로 지칭함)으로 향함에 따라 단계적으로 커진다.
전술한 바와 같이, 건조 시간 등에서의 불균일한 가열에 의한 변형/왜곡의 발생으로 인해 최종 셀 피치의 변화가 일어난 경우, 허니컴 구조체의 중앙부 일부분에서의 셀 피치는 가장 넓고, 외주부로 향할수록 점차적으로 셀 피치가 좁아진다. 그러나, 많은 경우에 있어서, 외주부로부터 어느 정도 멀리 떨어진 중앙부 일부분 근처에서는 셀 피치의 변화가 상대적으로 작다.
따라서, 제2 허니컴 구조체 성형용 다이에서는, 다이의 전면이 중앙 영역과 외곽 영역으로 분할되고, 셀 피치의 변화가 상대적으로 적은 중앙부 일부분 근처 영역에 대응하는 다이의 중앙 영역에서는 인접 셀 블록의 피치가 균일하고, 다이 외곽 영역에서만 외주부를 향함에 따라 인접 셀 블록의 피치가 단계적으로 커진다.
중앙 영역과 외곽 영역 사이의 경계를 결정하기 위하여, 우선 허니컴 구조체 성형용 다이를 이용하여 셀 블록의 피치가 모두 균일한 종래의 구조를 가진 허니컴 구조체(성형품)가 성형된다. 건조 및 소성에 의해 얻어진 허니컴 구조체(소성품)에 대하여, 셀 피치가 조사된다. 셀 피치의 변화가 허용 범위에 있는 허니컴 구조체의 중앙부 일부분 근처 영역에 대응하는 다이 표면의 영역이, 중앙 영역으로 간주되고, 그 중앙 영역의 외곽의 영역은 외곽 영역으로 간주될 수 있다. 외곽 영역에서의 바람직한 인접 셀 피치의 증가량 및 세부적인 증가량을 결정하는 방법은 제1 허니컴 구조체 성형용 다이와 유사하다.
제2 허니컴 구조체 성형용 다이에서는, 중앙 영역에서의 인접 셀 블록의 피치가 균일하기 때문에, 제2 다이는 허니컴 구조체의 중앙부 일부분 근처에서도 셀 피치의 미세 조정이 있는 제1 허니컴 구조체 성형용 다이보다는 약간 열악하지만, 보다 용이하게 준비된다는 점에서 이점이 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 허니컴 구조체 제조 방법이 설명될 것이다. 본 발명에 따른 허니컴 구조체 제조 방법은 상기 제1 및 제2 허니컴 구조체 성형용 다이를 이용하여 허니컴 구조체가 제조되는 것을 특징으로 한다. 전술한 바와 같이, 상기 제1 및 제2 허니컴 구조체 성형용 다이가 사용되는 경우, 건조 시간에서의 불균일한 가열에 의한 변형/왜곡이 발생함으로써, 최종 셀 피치가 줄어드는 경향이 있는 외주부 근처 외주부를 향하여 사전에 셀 피치를 크게 한 성형품이 얻어진다. 따라서, 건조 및 소성을 통해 최종적으로 얻어진 허니컴 구조체의 셀 피치가 균일하도록 설정될 수 있다.
본 발명에 따른 특정의 제조 방법은, 상기 제1 및 제2 허니컴 구조체 성형용 다이가 다이로써 이용된다는 점을 제외하고는 종래의 공지된 허니컴 구조체 형성 방법과 유사하다는 것을 유의하여야 한다. 즉, 소정의 원재료가 반죽되어 성형용 점토 혼합물이 얻어지고, 그 점토 혼합물은 지그(jig)에 장착된 다이의 뒷 구멍으로 공급되어 압출됨으로써 성형품이 얻어지고, 그렇게 얻어진 성형품은 소정의 조건으로 건조되고 소성된다.
이하, 보다 상세한 실시예에 따라서 본 발명이 설명될 것이지만, 본 발명은 이하의 실시예로 한정되지 않는다.
(실시예)
도 1a에 도시된 바와 같이 종 방향 및 횡 방향 각각에 대해 24개의 셀 블록이 있는 허니컴 구조체 성형용 다이가 준비된다. 이 다이는, 외주부로부터 중심부를 향한 10개의 셀 블록에 해당하는 영역은 외곽 영역으로 지칭되고, 그 외곽 영역의 안쪽 영역은 중앙 영역으로 지칭되며, 상기 중앙 영역에서의 인접 셀 블록의 피치는 1.55 mm이고, 외곽 영역의 피치는 내측에서 외주부로 향하는 각각의 셀 블록에 대하여 상기 중앙 영역의 피치로부터 0.01 mm 씩 커지는 방식으로 구성된다.
이러한 허니컴 구조체 성형용 다이는 다이 지그(die jig)에 장착되고, Si-SiC 규질 점토 재료의 점토 혼합물이 압출되어 허니컴 구조체가 형성된다. 상기 점토 혼합물은, 물, 유기 점결제(organic binder), 계면 활성제, 공극 형성 효과를 가진 자당(전분)(蔗糖, sucrose), 성형 수지(forming resin) 및 보조 소결 조제(sintering agent)인 탄산 칼슘을, 25 : 75 질량비를 가지는 금속 실리콘(Me-Si)과 SiC 분말 재료에 첨가하고 그것을 반죽함으로써 얻어진다는 점을 유의하여야 한다.
압출에 의해 얻어진 성형품은 1시간 동안 마이크로파 건조(microwave drying) 및 열풍 건조(hot air drying)로써 건조되고, 이에 후속하여 60시간 동안 1450℃로 소성함으로써, 정방형의 외주부 형상을 가지고, 종 방향 및 횡 방향 각각에 24개의 셀을 포함하는 허니컴 구조체(소성품)를 얻게 된다. 이 허니컴 구조체는 종 방향의 중심에서 종 방향으로 수직 절단되었고, 그 절단면 상에서 셀 피치가 측정되었다.
도 2에 도시된 바와 같이, 셀 피치의 측정은 허니컴 구조체(10)의 절단면 상의 4개의 선(A, B, C, D) 상에 위치한 셀들에 대하여 수행되었다. 그래프의 가로축을 따른 "셀 위치"의 값에 대하여, 1 및 24의 값은 각각의 선의 대향하는 단부에서 외주부에 가장 근접한 셀에 상응한다는 점을 유의하여야 한다. 측정 결과는 도 3에 도시되었다. 어떤 선에 대해서도 셀 피치의 변화가 작다는 것이 확인되었는데, 선들 간의 셀 피치의 차이가 거의 존재하지 않으며, 전체 부분에서의 셀 피치는 실질적으로 균일하다.
(비교예)
인접 셀 블록의 피치는 모두 1.55 mm인 종래 구조의 허니컴 구조체 성형용 다이가 이용되었다는 점을 제외하고는 전술한 실시예에서와 동일한 방식으로 허니컴 구조체가 얻어졌으며, 그와 유사하게 셀 피치가 측정되었다. 측정 결과는 도 4에 도시되었다. 도 4에 도시된 바와 같이, 외주부로 향함에 따라 셀 피치가 줄어드는 것이 확인되고, 인접 셀 블록의 피치가 균일한 종래 구조의 허니컴 구조체 성 형용 다이를 이용하여 준비된 허니컴 구조체에서는, 중앙부와 외주부 사이의 셀 피치 차이가 크다는 것이 확인된다.
본 발명은 바람직하게는 디젤 엔진으로부터 배출된 입자를 포획하기 위한 디젤 매연 여과 장치(DPF) 및 자동차 배기 가스 또는 그 유사 물질을 정화하는 촉매를 운반하기 위한 촉매 담체(catalyst carrier)에 이용되는 허니컴 구조체를 제조하는 데에 활용될 수 있다.

Claims (4)

  1. 허니컴 구조체 성형용 다이로서,
    홈이 있는 슬릿(groovy slit)이 마련되고, 각각의 상기 슬릿은 셀 블록 사이에 형성되는 것인 전면부; 및
    뒷 구멍(back hole)이 마련되고, 각각의 상기 뒷 구멍은 상기 슬릿과 연통하는 것인 후면부를 포함하고,
    인접 셀 블록의 피치(pitch)가 상기 전면부의 중앙부로부터 외주부를 향하여 단계적으로 커지는 것인 허니컴 구조체 성형용 다이.
  2. 허니컴 구조체 성형용 다이로서,
    홈이 있는 슬릿이 마련되고, 각각의 상기 슬릿은 셀 블록 사이에 형성되는 것인 전면부; 및
    뒷 구멍이 마련되고, 각각의 상기 뒷 구멍은 상기 슬릿과 연통하는 것인 후면부를 포함하고,
    상기 전면부의 중앙부의 소정 영역에서는 인접 셀 블록의 피치가 균일하고, 상기 소정 영역의 외곽 영역으로부터 외주부를 향해서는 상기 피치가 단계적으로 커지는 것인 허니컴 구조체 성형용 다이.
  3. 허니컴 구조체 성형용 다이를 이용하여 허니컴 구조체를 제조하는 방법으로 서,
    상기 다이는,
    홈이 있는 슬릿이 마련되고, 각각의 상기 슬릿은 셀 블록 사이에 형성되는 것인 전면부; 및
    뒷 구멍(back hole)이 마련되고, 각각의 상기 뒷 구멍은 상기 슬릿과 연통하는 것인 후면부를 포함하고,
    인접 셀 블록의 피치가 상기 전면의 중앙부로부터 외주부를 향하여 단계적으로 커지는 것인 허니컴 구조체 제조 방법.
  4. 허니컴 구조체 성형용 다이를 이용하여 허니컴 구조체를 제조하는 방법으로서,
    상기 다이는,
    홈이 있는 슬릿이 마련되고, 각각의 상기 슬릿은 셀 블록 사이에 형성되는 것인 전면부; 및
    뒷 구멍이 마련되고, 각각의 상기 뒷 구멍은 상기 슬릿과 연통하는 것인 후면부를 포함하고,
    상기 전면 중앙부의 소정 영역에서는 인접 셀 블록의 피치가 균일하고, 상기 소정 영역의 외곽 영역으로부터 외주부를 향해서는 상기 피치가 단계적으로 커지는 것인 허니컴 구조체 제조 방법.
KR1020050110117A 2004-11-17 2005-11-17 허니컴 구조체 성형용 다이 및 허니컴 구조체 제조 방법 KR100665082B1 (ko)

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