KR101079249B1 - Preparation method of porous ceramic film with nano-sized pores using low temperature process and porous ceramic film having nano-sized pores prepared thereby - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저온 열처리공정을 이용한 다공성 세라믹 후막의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 세라믹 분말과 유기물 기공 형성체 분말을 분말혼합하는 단계(단계 1); 상기 단계 1의 혼합분말을 상온진공분말분사법으로 모재 일측에 증착하는 단계(단계 2); 및 상기 증착막에서 열처리공정으로 유기물 기공 형성체를 제거하여 다공성 세라믹 후막을 제조하는 단계(단계 3)를 포함하는 저온 열처리공정을 이용한 다공성 세라믹 후막의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 다공성 세라믹 후막의 제조방법은 상온진공분말분사법을 이용하여 코팅막을 제조하고, 저온 열처리를 통해 모재와의 반응에 영향을 미치지 않는 다공성 막을 형성할 수 있으며, 상기 방법으로 제조된 다공성 세라믹 후막은 나노크기의 기공 및 입자분포를 가지므로 전극의 활성을 증가시켜 고체연료전지, 촉매, 염료감응태양전지 및 가스센서 등의 다공성 세라믹 후막에 유용하게 사용할 수 있다.The present invention relates to a method for producing a porous ceramic thick film using a low temperature heat treatment process, and more particularly, powder mixing of the ceramic powder and the organic pore former powder (step 1); Depositing the mixed powder of step 1 on one side of the base material by room temperature vacuum powder spraying (step 2); And it relates to a method of manufacturing a porous ceramic thick film using a low-temperature heat treatment process comprising the step (step 3) of manufacturing a porous ceramic thick film by removing the organic pore-form formed by the heat treatment step in the deposited film. In the method for preparing a porous ceramic thick film according to the present invention, a coating film may be prepared using a room temperature vacuum powder spraying method, and a porous film which does not affect the reaction with the base material through low temperature heat treatment may be formed. Since ceramic thick films have nano-sized pores and particle distribution, they can be usefully used in porous ceramic thick films such as solid fuel cells, catalysts, dye-sensitized solar cells, and gas sensors by increasing electrode activity.
세라믹 분말, 유기물 기공 형성체 분말, 상온진공분말분사법, 고체연료전지 Ceramic Powder, Organic Pore Formant Powder, Room Temperature Vacuum Powder Spraying, Solid Fuel Cell
Description
저온 열처리 공정을 이용한 다공성 세라믹 후막의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 나노크기의 기공을 가지는 다공성 세라믹 후막에 관한 것이다. The present invention relates to a porous ceramic thick film using a low temperature heat treatment process and a porous ceramic thick film having nano-sized pores produced thereby.
일반적으로 다공성막은 넓은 표면적을 통해 고효율을 얻는 분야에서 널리 사용되며, 예를 들어, 전극소재, 염료감응태양전지의 반도체 산화물 전극소재, 광촉매, 가스센서 후막 등의 분야에서 활발히 연구가 진행되고 있다.In general, the porous membrane is widely used in the field of obtaining high efficiency through a large surface area, for example, active research in the field of electrode material, semiconductor oxide electrode material of dye-sensitized solar cell, photocatalyst, gas sensor thick film.
고체산화물 연료전지는 중앙에 위치한 치밀한 전해질의 양면에 다공성의 공기극(cathod)과 연료극(anode)이 부착되어 있는 단위 구성요소와 상기 구성요소를 직렬 연결할 때 연료기체와 산화제(공기)의 혼합을 막고 전기적으로 연결해주기 위한 연결재로 구성된다. 공기극에서는 전극표면에 흡착된 산소가 해리/표면 확산을 거쳐 전극/전해질의 삼상계면으로 이동하여 전자를 얻어 산소이온으로 되고 생성된 산소이온은 전해질을 통해 연료극으로 이동하게 된다. 연료극에서는 확산된 산소이온과 수소가 반응하여 전자를 방출함과 동시에 물과 열을 생성하게 된다.The solid oxide fuel cell prevents the mixing of fuel gas and oxidant (air) when the components are connected in series with a unit component having a porous cathode and an anode attached to both sides of a centrally dense electrolyte. It consists of a connecting material for electrical connection. In the cathode, oxygen adsorbed on the surface of the electrode moves through the dissociation / surface diffusion to the three-phase interface of the electrode / electrolyte to obtain electrons to form oxygen ions, and the generated oxygen ions move to the anode through the electrolyte. In the anode, the diffused oxygen ions react with hydrogen to release electrons and generate water and heat.
고체산화물 연료전지의 구성요소 중 공기극은 높은 이온전도도와 전자전도도(50(Ω·㎝)-1 이상)를 갖고 산화분위기에서 안정하며 다른 구성요소와 화학반응 및 상호확산이 없을 뿐만 아니라 열평창계수가 유사한 다공성(30% 이상)막이어야 한다. 현재 공기극 재료로 사용되고 있는 재료로는 LaMnO3계, LaCoO3계 및 귀금속계를 들 수 있다.Among the components of the solid oxide fuel cell, the cathode has high ion conductivity and electron conductivity (50 (Ω · ㎝) -1 or more), is stable in an oxidizing atmosphere, free from chemical reactions and mutual diffusion with other components, and has a thermal window coefficient. Should be a similar porous (more than 30%) membrane. Materials currently used as cathode materials include LaMnO 3 , LaCoO 3 and precious metals.
또한, 공기극 관련 재료로는 전극 특성이 매우 우수한 물질로 BSCF(BaSrCoFeO) 단일상을 이용한 전극이 있으며(Z.Shao, S.M.Halle, Nature, 431(2004), 170-173), 니켈(Ni)을 사용하지 않고 전극을 구성하는 방법(Shanwen Tao, T.S.Irvine, Nature 2, (2003), 320-323)과 니켈(Ni)과 세리아(ceria)의 복합체를 사용하는 재료가 있다.In addition, the cathode-related material is a material having excellent electrode characteristics, and includes an electrode using a BSCF (BaSrCoFeO) single phase (Z. Shao, SMHalle, Nature, 431 (2004), 170-173), and nickel (Ni). There is a material that uses a composite of nickel (Ni) and ceria (Shanwen Tao, TSIrvine, Nature 2, (2003), 320-323) to construct the electrode without using it.
다공성 후막을 제조하는 종래 방법으로는 세라믹분말을 슬러리 또는 페이스트 형태로 제조하여 스크린프린트하고, 스크린프린트된 슬러리 또는 페이스트를 열처리하여 다공성 후막을 제조하는 방법이 널리 이용되고 있다. 그러나, 스크린 프린트 방법으로 세라믹 후막을 제조할 경우, 치밀화가 어렵다는 문제가 있다. 이를 극복하기 위해 스크린프린트 공정을 위한 페이스트 제조시 입자와 입자 사이에 열 처리 공정 중 쉽게 융해되어 채울 수 있는 유리상을 첨가하거나, 열처리시 가압열처리를 함으로써 치밀화를 도모하는 방법이 사용되기도 한다.As a conventional method of manufacturing a porous thick film, a method of manufacturing a ceramic thick film by preparing a ceramic powder in the form of a slurry or a paste and screen printing and heat treating the screen printed slurry or paste is widely used. However, when the ceramic thick film is manufactured by the screen printing method, there is a problem that densification is difficult. In order to overcome this problem, a method of achieving densification by adding a glass phase which can be easily melted and filled in the heat treatment process between the particles and the particles during the manufacturing of the paste for the screen printing process or by pressurizing heat treatment during the heat treatment may be used.
대한민국 등록특허 제284892호에서는 감/가압식 슬러리 코팅 장치를 이용하여 치밀막을 제조함에 있어서, 외부에서 압력을 가하여 다공성 지지체 양단에 압력차를 유발시켜 세라믹 고상 입자가 분산된 슬러리로부터 용매를 제거하여 코팅층을 지지체 위해 형성시키는 것을 특징으로 하는 슬러리 코팅법을 이용한 치밀막의 제조방법을 제시하고 있다.In Korean Patent No. 284892, in the manufacture of a dense membrane using a pressure reduction / pressure type slurry coating apparatus, pressure is applied from the outside to cause pressure difference between both ends of the porous support to remove the solvent from the slurry in which the ceramic solid particles are dispersed, thereby coating the coating layer. It proposes a method for producing a dense membrane using a slurry coating method, characterized in that formed for the support.
그러나, 기존의 세라믹 분말을 슬러리 또는 페이스트 형태로 제조하여 열처리하는 다공성 후막의 제조는 세라믹 소결을 위한 고온에서의 열처리를 수반함으로써, 공정의 복잡함과 열처리에 의한 모재 선택의 제한, 모재와의 반응등이 문제가 되는 단점이 있다.However, the manufacture of porous thick films which manufacture and heat-treat existing ceramic powders in the form of slurry or paste is accompanied by heat treatment at high temperature for ceramic sintering, which leads to the complexity of the process, the limitation of the selection of the base material by the heat treatment, and the reaction with the base material. There is a drawback to this problem.
이에, 본 발명자들은 저온 공정을 통한 다공성 세라믹 후막의 제조방법을 연구하던 중, 상온진공분말분사법을 이용하여 증착막을 제조하고, 저온 열처리를 통해 모재와의 반응에 영향을 미치지 않는 나노크기의 기공을 가지는 다공성 세라믹 후막의 제조방법을 개발하고, 본 발명을 완성하였다.Thus, the inventors of the present invention while studying a method of manufacturing a porous ceramic thick film through a low temperature process, preparing a deposited film by using a room temperature vacuum powder spray method, the nano-sized pores do not affect the reaction with the base material through low temperature heat treatment To develop a method for producing a porous ceramic thick film having a completed the present invention.
본 발명의 목적은 저온 열처리공정을 이용한 다공성 세라믹 후막의 제조방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a method for producing a porous ceramic thick film using a low temperature heat treatment process.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 제조방법으로 제조되는 나노크기의 기공을 가지는 다공성 세라믹 후막을 제공하는 데 있다.Still another object of the present invention is to provide a porous ceramic thick film having nano-sized pores produced by the above method.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 본 발명은 세라믹 분말과 유기물 기공 형성체 분말을 분말혼합하는 단계(단계 1); 상기 단계 1의 혼합분말을 상온진공분말분사법으로 모재 일측에 증착하는 단계(단계 2); 및 상기 증착막에서 열처리공정으로 유기물 기공 형성체를 제거하여 다공성 세라믹 후막을 제조하는 단계(단계 3)를 포함하는 저온 열처리공정을 이용한 다공성 세라믹 후막의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of powder mixing the ceramic powder and the organic pore-form powder (step 1); Depositing the mixed powder of
또한, 본 발명은 전극의 활성을 증가시켜 고체연료전지, 염료감응태양전지 및 가스센서 등의 후막에 유용하게 사용할 수 있는 나노크기의 기공을 가지는 다공성 세라믹 후막을 제공한다.In addition, the present invention provides a porous ceramic thick film having nano-sized pores that can be usefully used in thick films such as solid fuel cells, dye-sensitized solar cells and gas sensors by increasing the activity of the electrode.
본 발명에 따른 다공성 세라믹 후막의 제조방법은 상온진공분말분사법을 이 용하여 증착막을 제조하고, 저온 열처리를 통해 모재와의 반응에 영향을 미치지 않는 다공성 막을 형성할 수 있으며, 상기 방법으로 제조된 다공성 세라믹 후막은 나노크기의 기공 및 입자분포를 가지므로 전극의 활성을 증가시켜 고체연료전지, 촉매, 염료감응태양전지 및 가스센서 등의 다공성 세라믹 후막에 유용하게 사용할 수 있다.In the method of manufacturing a porous ceramic thick film according to the present invention, a deposition film may be prepared by using a room temperature vacuum powder spraying method, and a porous film which does not affect the reaction with the base material through low temperature heat treatment may be formed. Since ceramic thick films have nano-sized pores and particle distribution, they can be usefully used in porous ceramic thick films such as solid fuel cells, catalysts, dye-sensitized solar cells, and gas sensors by increasing electrode activity.
본 발명은 세라믹 분말과 유기물 기공 형성체 분말을 분말혼합하는 단계(단계 1); 상기 단계 1의 혼합분말을 상온진공분말분사법으로 모재 일측에 증착하는 단계(단계 2); 및 상기 증착막에서 열처리공정으로 유기물 기공 형성체를 제거하여 다공성 세라믹 후막을 제조하는 단계(단계 3)를 포함하는 저온 열처리공정을 이용한 다공성 세라믹 후막의 제조방법을 제공한다.The present invention comprises the steps of powder mixing the ceramic powder and the organic pore-former powder (step 1); Depositing the mixed powder of
이하, 본 발명을 도 1의 공정 흐름도와 도 3의 공정 도식도를 참조하여 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the process flowchart of FIG. 1 and the process schematic of FIG. 3.
먼저, 본 발명에 따른 상기 단계 1은 세라믹 분말과 유기물 기공 형성체 분말을 분말혼합하는 단계이다.First,
상기 단계 1의 세라믹 분말은 (La,Sr)MnO3, (La,Sr)CoO3, (La,Sr)FeO3, LSM- YSZ, NiO-YSZ, TiO2 및 Al2O3 등이 바람직하다.The ceramic powder of
또한, 상기 단계 1의 유기물 기공 형성체는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리이미드(PI) 및 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 등을 사용하는 것이 바람직하며, 폴리비닐리텐플루오라이드(PVDF, 이하 PVDF)를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. In addition, it is preferable to use polyvinylidene fluoride (PVDF), polyimide (PI), polymethyl methacrylate (PMMA), and the like as the organic pore-forming body of
또한, 상기 단계 1의 혼합은 세라믹 분말에 대하여 유기물 기공 형성체 함량이 5 - 50%의 부피비인 것이 바람직하다. 만약, 상기 함량이 5% 미만인 경우에는 미세기공의 개수가 감소하여 다공성 세라믹 후막을 제조하기 곤란하다는 문제가 있고, 50%를 초과하는 경우에는 미세기공의 개수가 증가하여 세라믹 후막의 강도가 저하되는 문제가 있다.In addition, the mixing of the
나아가, 상기 단계 1의 분말혼합은 분말을 세라믹 분말과 유기물 기공 형성체 분말을 습식 볼밀링 또는 건식 볼밀링 등을 사용할 수 있고, 세라믹 분말과 유기물 형성체 분말을 각각 다른 분산통에 장입하여 단계 2의 증착하는 과정에서 함께 혼합할 수 있다.In addition, the powder mixture of
다음으로, 본 발명에 따른 상기 단계 2는 상기 단계 1의 혼합분말을 상온진공분말분사법으로 모재 일측에 증착하는 단계이다.Next, the
상기 상온진공분말분사법의 제조공정은 도 2와 같은 복합코팅막 형성장치에 의해 수행될 수 있다. 상기 단계 1에서 제조된 혼합분말을 분말분산통(1)에 투입하 고, 증착실(2)에는 모재(4)를 장착한다. 상기 분말분산통(1) 내부에 캐리어가스통(7)으로부터 캐리어가스를 공급한다. 이때, 캐리어가스는 공기, 산소, 질소, 헬륨, 아르곤 등이 바람직하며, 복합코팅막을 형성하는데 있어서, 캐리어가스의 종류는 크게 영향을 미치지 않으므로 제조원가를 고려하여 저가의 가스도 사용 가능하다. 또한, 캐리어가스의 유량은 1 L/min 이상의 범위에서 조절하여 분말분산통(1) 내부의 혼합분말이 캐리어가스의 유입에 의해 비산되게 한다.The manufacturing process of the room temperature vacuum powder spraying method may be performed by the composite coating film forming apparatus as shown in FIG. The mixed powder prepared in
상기 캐리어가스는 증착실(2)까지 유입되게 하고 캐리어가스 투입 후 증착실 (2)내의 진공도는 진공펌프(5)를 이용하여 일정 범위가 유지되게 하는 것이 바람직하며, 본 발명에 따른 상온진공분말분사법은 최적의 코팅층을 얻기 위해 1 Torr의 진공도를 유지되게 하는 것이 더욱 바람직하다.The carrier gas is introduced to the deposition chamber (2) and after the carrier gas is injected into the deposition chamber (2) is preferably maintained to a certain range by using a vacuum pump (5), room temperature vacuum powder according to the present invention The spraying method is more preferably maintained at a vacuum of 1 Torr in order to obtain an optimal coating layer.
상기 분말 분산통(1)에 공급된 가스는 분산된 혼합분말 입자들을 증착실(2)의 노즐(3)까지 투입시키고 투입된 혼합분말 입자들은 노즐(3)을 통하여 증착실(2)에 위치한 모재(4)에 분산되게 하여 혼합분말의 코팅층을 형성한다. 이때, 상기 모재(4)는 0.1 - 10 ㎜/sec의 속도로 스테이지(6)에 의해 이동하게 되고, 모재(4)의 왕복횟수는 형성되는 코팅층의 두께에 따라 달라진다.The gas supplied to the
상기 노즐(3)은 모재(4)로부터 대략 1 - 40 ㎜의 거리로 이격된 하측에 상단부가 위치하게 되며, 노즐(3)의 폭은 0.1 - 0.2 ㎜가 되도록 하고, 노즐(3)의 길이는 5 - 300 ㎜가 되도록 한다.The
다음으로, 본 발명에 따른 상기 단계 3은 상기 증착막에서 열처리공정으로 유기물 기공 형성체 분말을 제거하여 다공성 세라믹 후막을 제조하는 단계이다.Next,
상기 단계 3의 열처리공정은 300 - 500 ℃의 온도범위에서 수행되는 것이 바람직하다. 만약, 500 ℃를 초과하는 고온에서 수행되는 경우에는 공정온도가 높아져서 모재와의 반응이 일어날 가능성이 높아지는 문제가 있고, 300 ℃ 미만인 온도에서 수행되는 경우에는 기공형성체가 충분히 제거되지 못하여 세라믹 내에 카본 등이 잔류하는 문제가 있다.The heat treatment process of
또한, 본 발명은 상술한 제조방법에 의해 제조되는 다공성 세라믹 후막을 제공한다.In addition, the present invention provides a porous ceramic thick film produced by the above-described manufacturing method.
본 발명에 따른 상기 다공성 세라믹 후막은 기공의 부피가 5 - 50 부피%인 것이 바람직하다. 5 부피% 미만이면, 미세기공의 개수가 감소하여 다공성 세라믹 후막을 제조하기 곤란한 문제가 있고, 50 부피% 초과하면, 미세기공의 개수가 증가하여 세라믹 후막의 강도가 저하되는 문제가 있다.The porous ceramic thick film according to the present invention preferably has a volume of 5-50% by volume. If the volume is less than 5% by volume, the number of micropores decreases, making it difficult to manufacture a porous ceramic thick film. If the volume is greater than 50% by volume, the number of the micropores increases, thereby decreasing the strength of the ceramic thick film.
본 발명에 따른 상기 다공성 세라믹 후막은 20 - 200 ㎚ 크기의 기공을 포함한다.The porous ceramic thick film according to the present invention includes pores having a size of 20-200 nm.
나아가, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 다공성 세라믹 후막의 용도를 제공한다. 본 발명에 따른 다공성 세라믹 후막은 나노크기의 기공 및 입자분포를 가지 므로 전극의 활성을 증가시켜 고체연료전지의 전극소재, 염료감응태양전지의 전극소재, 가스센서의 후막 등에 유용하게 사용할 수 있다.Furthermore, the present invention provides the use of the porous ceramic thick film prepared by the above method. Since the porous ceramic thick film according to the present invention has nano-sized pores and particle distribution, it can be usefully used to increase the activity of the electrode, so that the electrode material of the solid fuel cell, the electrode material of the dye-sensitized solar cell, the thick film of the gas sensor, and the like.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, the following examples are merely to illustrate the invention, the content of the present invention is not limited by the following examples.
<실시예 1> 다공성 세라믹 후막의 제조 1Example 1 Preparation of Porous Ceramic
단계 1: 세라믹 분말과 유기물 기공 형성체 분말을 분말혼합하는 단계Step 1: Powder Mixing Ceramic Powder and Organics Pore Formant Powder
LSM-YSZ(6 : 4) 세라믹 분말에 LSM-YSZ(6 : 4) 세라믹 분말에 대하여 PVDF를50%의 부피비로 첨가하고 지르코니아(4Y-TZP)볼과 알콜을 이용하여 6시간 동안 밀링하여 혼합하였다.To the LSM-YSZ (6: 4) ceramic powder, add PVDF to the LSM-YSZ (6: 4) ceramic powder in a volume ratio of 50%, and mix by milling for 6 hours using zirconia (4Y-TZP) balls and alcohol. It was.
단계 2: 상기 단계 1의 혼합분말을 상온진공분말분사법으로 모재 일측에 증착하는 단계Step 2: depositing the mixed powder of
상기 단계 1에서 제조된 혼합분말을 상온진공분말분사법을 이용하여 25 ㎜ 노즐을 통해 30 L/min 유량의 압축 공기를 이용, 분사하여 노즐과 10 ㎜ 거리의 실리콘 기판 위에 분사하여 10 - 50 ㎛ 두께의 후막을 증착하였다.The mixed powder prepared in
단계 3: 상기 증착막에서 열처리 공정으로 유기물 기공 형성체 분말을 제거 하여 다공성 세라믹 후막을 제조하는 단계Step 3: preparing a porous ceramic thick film by removing the organic pore-former powder by a heat treatment process in the deposited film
상기 단계 2에서 제조된 증착막을 500 ℃에서 1시간 동안 열처리 공정으로 PVDF를 제거하여 다공성 세라믹 후막을 제조하였다.PVDF was removed from the deposited film prepared in
<실시예 2> 다공성 세라믹 후막의 제조 2Example 2 Preparation of Porous
LSM-YSZ(6 : 4) 세라믹 분말에 대하여 PVDF를 30%의 부피비로 혼합하여 제조된 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 세라믹 후막을 제조하였다.A porous ceramic thick film was prepared in the same manner as in Example 1, except that PVDF was mixed at a volume ratio of 30% with respect to the LSM-YSZ (6: 4) ceramic powder.
<실시예 3> 다공성 세라믹 후막의 제조 3Example 3 Preparation of Porous
LSM-YSZ(6 : 4) 세라믹 분말에 대하여 PVDF를 20%의 부피비로 혼합하여 제조된 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 세라믹 후막을 제조하였다.A porous ceramic thick film was prepared in the same manner as in Example 1, except that PVDF was mixed at a volume ratio of 20% with respect to the LSM-YSZ (6: 4) ceramic powder.
<실시예 4> 다공성 세라믹 후막의 제조 4Example 4 Preparation of Porous
LSM-YSZ(6 : 4) 세라믹 분말에 대하여 PVDF를 10%의 부피비로 혼합하여 제조된 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 세라믹 후막을 제조하였다.A porous ceramic thick film was prepared in the same manner as in Example 1, except that PVDF was mixed at a volume ratio of 10% with respect to the LSM-YSZ (6: 4) ceramic powder.
<실시예 5> 다공성 세라믹 후막의 제조 5Example 5 Preparation of Porous
LSM-YSZ(6 : 4) 세라믹 분말에 대하여 PVDF를 5%의 부피비로 혼합하여 제조된 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 세라믹 후막을 제조하였다.A porous ceramic thick film was prepared in the same manner as in Example 1, except that PVDF was mixed at a volume ratio of 5% with respect to the LSM-YSZ (6: 4) ceramic powder.
<비교예 1> LSM-YSZ만으로 이루어진 세라믹 후막의 제조Comparative Example 1 Preparation of Ceramic Thick Film Made of LSM-YSZ Only
유기물 기공 형성체 분말인 PVDF를 첨가하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 세라믹 후막을 제조하였다.A ceramic thick film was prepared in the same manner as in Example 1, except that PVDF, which is an organic pore former powder, was not added.
<참고 실험예 1> 유기물 기공 형성체 분말인 PVDF 분말 분석<Reference Experimental Example 1> Analysis of PVDF Powder as Organic Pore Forming Powder
본 발명에서 사용되는 유기물 기공 형성체 분말인 PVDF 분말을 분석하기 위해, 주사전자현미경(SEM, JEOL, JSM-5800)으로 관찰하고, 그 결과를 도 4에 나타내었다.In order to analyze PVDF powder which is an organic pore-former powder used in the present invention, it was observed with a scanning electron microscope (SEM, JEOL, JSM-5800), and the results are shown in FIG. 4.
도 1은 PVDF 분말의 모양을 나타내는 주사전자현미경 사진(도 4의 (a))이고, PVDF의 입도분포(도 4의 (b))를 통해 입자크기가 3.5 ㎛인 것을 알 수 있다.1 is a scanning electron micrograph (Fig. 4 (a)) showing the shape of the PVDF powder, it can be seen that the particle size is 3.5 ㎛ through the particle size distribution (Fig. 4 (b)) of the PVDF.
<실험예 1> LSM과 YSZ의 혼합비율을 달리하여 증착된 세라믹 후막의 상분석Experimental Example 1 Phase Analysis of Ceramic Thick Films Deposited with Different Mixing Ratios of LSM and YSZ
LSM과 YSZ의 혼합비율을 달리한 세라믹 분말로 제조된 세라믹 후막의 상분석을 위해 X-선 회절분석기(XRD, Rigaku co., D-MAX 2200)로 분석하고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.For phase analysis of ceramic thick films made of ceramic powders having different mixing ratios of LSM and YSZ, an X-ray diffractometer (XRD, Rigaku co., D-MAX 2200) was analyzed and the results are shown in FIG. 5. .
도 5를 참조하면, LSM-YSZ(3:7), LSM-YSZ(5:5), LSM-YSZ(7:3), 및 LSM 세라믹 분말에 대하여 PVDF가 20%의 부피비로 혼합하고, 각각의 혼합분말을 상온진공분말분사법으로 모재 일측에 증착하여 제조된 증착막을 X-선 회절분석기로 분석하였다.5, PVDF is mixed in a volume ratio of 20% for LSM-YSZ (3: 7), LSM-YSZ (5: 5), LSM-YSZ (7: 3), and LSM ceramic powder, respectively. The mixed powder of was deposited on one side of the base material by room temperature vacuum powder spraying, and the deposited film was analyzed by X-ray diffractometer.
LSM 세라믹 분말로만 이루어진 증착막에서는 LSM 상만이 나타났으며, 그 이외의 코팅막에서는 LSM 및 YSZ 상이 모두 나타나는 것으로 보아 두 분말이 혼합되어 증착되었음을 알 수 있다. 또한, LSM 비율이 증가할수록 LSM 피크의 크기가 증가하는 것을 알 수 있다.Only the LSM phase appeared in the deposition film composed of LSM ceramic powder only, and both LSM and YSZ phases appeared in the other coating films, indicating that the two powders were mixed and deposited. In addition, it can be seen that as the LSM ratio increases, the size of the LSM peak increases.
<실험예 2> LSM-YSZ(6:4) 분말에 대하여 첨가되는 PVDF의 함량을 달리하여 증착된 세라믹 후막의 상분석Experimental Example 2 Phase Analysis of Ceramic Thick Films Deposited by Different Contents of PVDF Added to LSM-YSZ (6: 4) Powders
LSM-YSZ가 6:4로 혼합된 세라믹 분말에 첨가되는 PVDF의 함량을 달리하여 증착된 세라믹 후막의 상분석을 위해 X-선 회절분석기(XRD)로 분석하고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.The amount of PVDF added to the ceramic powder mixed with LSM-YSZ at 6: 4 was analyzed by X-ray diffractometer (XRD) for phase analysis of the deposited ceramic thick film, and the results are shown in FIG. 6. .
도 6을 참조하면, 상기 실시예 1, 2, 3, 4 및 5의 단계 2에서 제조된 증착막을 X-선 회절분석기로 분석한 결과, LSM 및 YSZ 상이 모두 나타나므로 LSM-YSZ가 포함된 코팅막이 증착되었음을 알 수 있다.6, as a result of analyzing the deposited film prepared in
<실험예 3> 상온진공분말분사법으로 증착된 막과 저온 열처리공정 후의 코팅막 분석Experimental Example 3 Analysis of the Film Deposited by Room Temperature Vacuum Spraying and the Coating Film After Low Temperature Heat Treatment
실시예 1의 단계 2에서 제조된 세라믹 후막과 단계 3에서 제조된 다공성 세라믹 후막의 미세구조를 분석하기 위해 주사전자현미경(SEM, JEOL, JSM-5800)과 X-선 분광분석(EDS, JEOL, JSM-5800) 맵핑(mapping)으로 분석하고, 그 결과를 도 7에 나타내었다.In order to analyze the microstructure of the ceramic thick film prepared in
도 7을 참조하면, 실시예 1의 단계 2에서 제조된 세라믹 후막의 표면을 나타낸 사진을 통해 제조된 후막이 치밀한 구조를 이루고 있음을 알 수 있고(도 7의 (a) 참조), X-선 분광분석 맵핑 결과, 정량분석을 통해 함유 원소인 Mn/(Mn+Zr+Y)의 비율이 0.598임을 통해 LSM-YSZ가 6 : 4 몰비율로 혼합되어 있음을 알 수 있고, 맵핑을 통해 균일하게 혼합되어 분포하고 있음을 알 수 있다(도 7의 (b) 참조). 또한, 실시예 l의 단계 3에서 제조된 다공성 세라믹 후막의 표면을 나타낸 사진을 통해 PVDF가 제거되어 기공이 형성되었음을 알 수 있고(도 7의 (c) 참조), 실시예 1에서 제조된 다공성 세라믹 후막의 단면을 나타낸 사진을 통해 LSM-YSZ가 모재 일측에 균일하게 증착되었음을 알 수 있다(도 7의 (d) 참조).Referring to FIG. 7, it can be seen from the photograph showing the surface of the ceramic thick film prepared in
<실험예 4> 다공성 세라믹 후막의 미세구조 분석 1Experimental Example 4 Analysis of Microstructure of Porous
실시예 1, 2, 3, 4, 5에서 제조된 다공성 세라믹 후막 및 비교예 1에서 제조된 세라믹 후막의 미세구조를 분석하기 위해 주사전자현미경(SEM, JEOL, JSM-5800)으로 분석하고, 그 결과를 도 8에 나타내었다.In order to analyze the microstructures of the porous ceramic thick films prepared in Examples 1, 2, 3, 4, and 5 and the ceramic thick films prepared in Comparative Example 1, the results were analyzed by scanning electron microscopy (SEM, JEOL, JSM-5800). The results are shown in FIG.
주사전자현미경을 분석을 통해, PVDF 함량이 증가할수록 기공이 증가함을 알 수 있다.Scanning electron microscope analysis shows that the pore increases as the PVDF content increases.
<실험예 5> 다공성 세라믹 후막의 미세구조 분석 2Experimental Example 5 Analysis of Microstructure of Porous
실시예 3에서 제조된 다공성 세라믹 후막의 미세구조를 분석하기 위해 투과전자현미경(TEM, JEOL, JSM-2100F) 및 X-선 분광분석(EDS, JEOL, JSM-2100F) 맵핑으로 분석하고, 그 결과를 도 9에 나타내었다.In order to analyze the microstructure of the porous ceramic thick film prepared in Example 3, it was analyzed by transmission electron microscope (TEM, JEOL, JSM-2100F) and X-ray spectroscopy (EDS, JEOL, JSM-2100F) mapping. Is shown in FIG. 9.
도 9의 (a)는 실시예 3에서 제조된 다공성 세라믹 후막의 미세구조를 나타내고,도 9의 (b)에서 YSZ 분포하고 있음을 알 수 있으며, 도 9의 (c)에서는 LSM이 분포하고 있음을 알 수 있다. 상기 분석을 통해 다공성 세라믹 후막에는 20 - 200 ㎚ 크기의 기공이 형성되었음을 알 수 있고, LSM-YSZ가 복합되어 다공성 세라믹 후막이 형성되었음을 알 수 있다.Figure 9 (a) shows the microstructure of the porous ceramic thick film prepared in Example 3, it can be seen that the YSZ distribution in Figure 9 (b), the LSM is distributed in Figure 9 (c) It can be seen. Through the analysis, it can be seen that pores having a size of 20-200 nm were formed in the porous ceramic thick film, and the porous ceramic thick film was formed by combining LSM-YSZ.
도 1은 본 발명에 따른 다공성 세라믹 후막의 제조공정을 나타낸 흐름도이고;1 is a flow chart showing a manufacturing process of a porous ceramic thick film according to the present invention;
도 2는 본 발명에 따른 다공성 세라믹 후막을 제조하기 위한 복합코팅형성장치의 모식도이고;2 is a schematic view of a composite coating forming apparatus for producing a porous ceramic thick film according to the present invention;
도 3은 본 발명에 따른 다공성 세라믹 후막의 제조공정을 나타낸 도식도이고;3 is a schematic view showing a manufacturing process of a porous ceramic thick film according to the present invention;
도 4는 다공성 형성체 분말인 PVDF 분말의 주사전자현미경 사진(도 4의 (a)) 및 입도분포(도 4의 (b))를 나타낸 그래프이고;Figure 4 is a graph showing a scanning electron micrograph (Fig. 4 (a)) and particle size distribution (Fig. 4 (b)) of the PVDF powder which is a porous forming powder;
도 5는 LSM과 YSZ의 혼합비율을 달리하여 증착된 세라믹 후막의 X-선 회절분석 결과이고;5 is X-ray diffraction analysis results of ceramic thick films deposited by varying the mixing ratio of LSM and YSZ;
도 6은 실시예 1,2,3,4 및 5의 단계 1에서 첨가되는 PVDF의 함량을 달리하여 증착된 세라믹 후막의 X-선 회절분석 결과이고;FIG. 6 shows the results of X-ray diffraction analysis of ceramic thick films deposited by varying the amount of PVDF added in
도 7은 실시예 1의 단계 2에서 제조된 세라믹 후막 및 실시예 1에서 제조된 다공성 세라믹 후막의 주사전자현미경 사진 및 X-선 분광분석 맵팅 결과이고;7 is a scanning electron micrograph and X-ray spectroscopic mapping results of the ceramic thick film prepared in
도 8은 실시예 1, 2, 3, 4, 5에서 제조된 다공성 세라믹 후막 및 비교예 1에서 제조된 세라믹 후막의 주사전자현미경 사진이고; 및8 is a scanning electron micrograph of the porous ceramic thick film prepared in Examples 1, 2, 3, 4, and 5 and the ceramic thick film prepared in Comparative Example 1; And
도 9는 실시예 3에서 제조된 다공성 세라믹 후막의 투과전자현미경 사진 및 X-선 분광분석 맵핑 분석결과이다.9 is a transmission electron micrograph and X-ray spectroscopic mapping analysis results of the porous ceramic thick film prepared in Example 3.
<도면의 중요부분에 대한 부호의 설명><Description of symbols for important parts of the drawings>
1: 분말분산통1: powder dispersion barrel
2: 증착실2: deposition chamber
3: 노즐3: nozzle
4: 모재4: base material
5: 진공펌프5: vacuum pump
6: x-y-z 스테이지6: x-y-z stage
7: 캐리어가스통7: carrier gas cylinder
8: 분사노즐8: spray nozzle
9: 혼합분말9: mixed powder
10: 기판 모재10: substrate substrate
11: 복합코팅막11: Composite coating film
12: 다공성 세라믹 후막12: porous ceramic thick film
S100: 분말혼합단계S100: powder mixing step
S200: 복합코팅막형성단계S200: complex coating film forming step
S300: 미세기공형성단계S300: micropore forming step
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