KR101238888B1 - 세터판 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

세터판 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 이 제조 방법은 알루미나 조성물을 압출하여 알루미나 지지체를 형성하는 공정; 상기 알루미나 지지체에 지르코니아 계열 조성물을 습식 코팅하여 지르코니아 코팅층을 형성하는 공정; 및 얻어진 생성물을 소결하는 공정을 포함한다.
상기 제조 방법은 지르코니아가 양면 코팅된 세라믹 세터판을 압출법과 딥 코팅법을 이용하여 제조하는 방법에 관한 것으로, 지르코니아 층의 양면 코팅을 통해서 스프레이 코팅법 및 슬립 캐스팅에서 나타나는 고비용의 공정 복잡성을 해결하고, 양면코팅을 통해 비효율적인 세터판 사용의 문제점을 해결할 수 있다.

Description

세터판 및 그의 제조 방법{SETTER PLATE AND METHOD OF PRODUCING SETTER PLATE}
본 발명은 세터판 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
세라믹 세터판은 세라믹 전자 부품을 고온 소결로 제조시, 피소성체(소결 후 목적하는 전자 부품이 되는 것)를 지지하는 역할을 하는 물질로서, 고온에서 파손이나 형상 변화가 일어나서는 안 된다. 이를 위하여, 세라믹 세터판으로는 녹는점이 높고(2030℃), 가격도 저렴한 알루미나 계통이 물질이 일반적으로 사용되고 있다.
그러나 알루미나 계통의 세터판은, 이 세터판에 금속 산화물을 위치시킨 후, 고온에서 소결시, 세터판과 금속 산화물의 반응이 종종 발생하여, 사용 영역에 제한이 있다. 예를 들어 고체 산화물 연료 전지의 음극 물질인 니켈 옥사이드를 알루미나로 구성된 세터판 위에서 소결하게 되면 세터판과 니켈 옥사이드가 반응하여 니켈 알루미네이트(NiAl2O4)가 형성될 수 있고, 이는 음극의 활성을 저하시킬 수 있어, 연료 전지의 성능을 저하시키는 주요 원인이 되고 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위해 고체 산화물 연료 전지에서는, 녹는점이 높고 니켈과 반응성이 없는 지르코니아 세터판이 사용되고 있다. 지르코니아 세터판은, 지르코니아를 프레스법 등을 통하여, 제조하였으나, 이 경우 강도가 낮아 대면적화가 불가능한 문제점이 있었다.
이에, 최근에는 프레스법이나 슬립캐스팅법을 통해서 지르코니아 혹은 알루미나 지지체를 형성하고, 형성된 지지체를 1000℃ 이상의 고온에서 소결하고, 소결 생성물을 원하는 형태로 가공한 뒤, 얻어진 생성물에 지르코니아 층을 스프레이 코팅 및 소결 방식으로 형성하여, 세터판을 제조하고 있다. 그러나 이 방법 또한, 다음과 같은 문제점이 있다.
프레스법 및 슬립캐스팅법을 이용하여 세터판의 구성 요소인 지지체를 제조하는 공정은, 그린 바디 상태에서의 취급이 용이하지 않아 파손에 의한 불량률이 높다. 특히, 프레스법은 형성된 지지체의 표면 조도가 다소 높고, 슬립캐스팅법은 경제적이지 않다. 또한, 지르코니아층을 스프레이 코팅법으로 형성하기에, 최종 생성된 세터판의 표면 조도가 증가되는 문제가 있다. 이에, 표면 조도를 감소시켜, 균일한 두께가 얻어지도록, 표면 가공, 즉 정밀 가공을 실시해야한다.
종래 세터판의 제조 방법의 일 예로, 일본 특허 공개 제2002-154884호는 적층형 세라믹 기판의 제조방법에 관한 것으로서, 전자부품 소성용 치구를 스프레이 코팅법과 유사한 용사 코팅을 이용하여 제조하는 방법에 관한 것이다. 그러나 이 방법은 스프레이 코팅법을 이용하므로, 앞서 설명한 바와 같이, 코팅시 표면의 굴곡이 유발하기 때문에 평평한 세터판 제조를 위해서 양면을 연마해야 하는 단점을 지니고 있다.
대한민국 특허공개 제1989-0005780호는 전자부품용 세라믹 세터에 관한 것으로서 슬립캐스팅을 이용하여 제조하는 것이다. 일본특허공개 제2002-154884호는 스프레이 코팅층을 이용하여 이종재질을 코팅하는 것으로서 전자 부품용 소성 지그를 제조하는 방법을 특징으로 한다.
결론적으로, 상술한 종래기술들은 지지체를 만들고, 이 지지체 위에 지르코니아 층을 스프레이 코팅법으로 코팅한 후, 양면을 연마해서 세터판을 제조하는 방법으로서, 세터판을 제조하는 공정이 까다롭고 복잡함에 따라 제조 공정 비용이 많이 드는 문제점이 있다.
본 발명의 일 구현예는 경제적이고, 간단한 공정으로 세터판을 제조할 수 있는 세터판의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 구현예는 장 수명을 나타내는 세터판을 제조할 수 있는 세터판의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 구현예는 알루미나 분말, 상기 알루미나 분말 100 중량부에 대하여 1 중량부 내지 20 중량부의 탈크, 상기 알루미나 분말 100 중량부 대비 3.0 중량부 내지 10.0 중량부의 바인더, 상기 알루미나 분말 100 중량부 대비 1 중량부 내지 5 중량부의 분산제, 상기 알루미나 분말 100 중량부 대비 1 중량부 내지 5 중량부의 가소제 및 상기 알루미나 분말 100 중량부 대비 5 중량부 내지 30 중량부의 기공제를 상기 알루미나 분말 100 중량부 대비 15 중량부 내지 30 중량부의 용매 중에서 혼합하여 제조되는 알루미나 조성물을 준비하는 공정; 상기 알루미나 조성물을 압출하여 알루미나 지지체를 형성하는 공정; 상기 알루미나 지지체에 지르코니아 계열 조성물을 습식 코팅하여 지르코니아 코팅층을 형성하는 공정; 및 얻어진 생성물을 소결하는 공정을 포함하는 세터판의 제조 방법을 제공한다.
삭제
상기 습식 코팅 공정은 딥 코팅(dip coating) 공정으로 실시할 수 있다.
상기 알루미나 지지체는 두께 0.5 mm 이상, 기공도 10% 이상일 수 있다.
상기 지르코니아 코팅층의 두께는 10㎛ 이상일 수 있다.
상기 소결 공정은 1300℃ 내지 1600℃에서 실시할 수 있다.
상기 지르코니아 코팅층을 형성하는 공정 전에, 상기 알루미나 지지체를 1000℃ 내지 1300℃에서 소성하는 공정을 추가로 실시할 수 있다.
삭제
삭제
상기 알루미나 조성물에서, 상기 바인더는 에틸 셀룰로오스, 메틸 셀룰로오스 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있고, 상기 지르코니아 조성물에서, 상기 바인더는 폴리비닐 부티랄(Polyvinyl butyral), 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacrylate), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌(Polyethylene) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
상기 알루미나 조성물에서, 상기 기공제는 카본블랙, 그라파이트, 전분, 셀룰로오스 계열 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
상기 알루미나 조성물 및 지르코니아 조성물에서, 상기 가소제는 디옥틸프탈레이트(Dioctyl phthalate), 디부틸프탈레이트(Dibutyl phthalate), 벤질 부틸 프탈레이트(Benzyl butyl phthalate), 폴리에틸렌 글리콜 (Polyethylene glycol) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
상기 알루미나 조성물 및 지르코니아 조성물에서, 상기 분산제(해교제)는 글리세릴 트리올레이트(glyceryl trioleate), 트리글리세라이드(triglycerides) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 세터판은 간단하고 경제적인 방법으로 제조될 수 있고, 장수명을 나타낼 수 있다. 또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 세터판의 제조 방법은, 세터판에 표면에 형성되는 지르코니아 코팅층 표면의 구성 성분(예, Yttria Doped Zirconia (YSZ), Calcia Doped Zirconia (CSZ)와 같은 지르코니아 계통의 물질) 및 기공도를 제어할 수 있어, 목적에 따라 다양한 종류의 세터판을 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 세터판의 제조 방법은, 연속식 제조가 가능해서 세타판을 대량 생산할 수 있고, 대면적화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 세터판의 제조방법을 나타낸 공정도.
도 2는 종래 기술을 이용한 세터판의 제조 방법을 나타낸 공정도.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 세타판의 단면 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 실시예 3에 따라 제조된 세터판의 표면을 나타낸 SEM 사진.
도 5은 실시예 3에 따라 제조된 세터판의 단면을 나타낸 SEM 사진.
도 6은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 세터판의 기공도를 측정하여 나타낸 그래프.
도 7은 실시예 4 및 비교예 2에 따라 제조된 세터판의 연료 전지의 전류 밀도 및 출력 밀도를 측정하여 나타낸 그래프.
본 발명의 일 구현예는 알루미나 함유 조성물을 압출하여 제조된 알루미나 지지체 및 상기 알루미나 지지체에, 지르코니아 함유 조성물을 습식 코팅하여 형성된 지르코니아 코팅층을 포함하는 세터판을 제공한다.
상기 알루미나 지지체는, 알루미나 함유 조성물을 압출하여 제조함에 따라, 종래 프레스법 등에 비하여, 우수한 표면 평탄도를 나타낼 수 있다. 또한, 상기 지르코니아 코팅층을, 습식 코팅 공정, 바람직하게는 딥 코팅 공정으로 형성함에 따라, 표면 평탄도가 더욱 우수해질 수 있다. 따라서, 본 발명의 세터판은 표면 평탄도 향상을 위하여 연마 공정을 별도로 실시할 필요가 없다.
이러한 구성을 갖는 세터판의 제조 방법은 알루미나 함유 조성물을 압출하여 알루미나 지지체를 형성하는 공정; 상기 알루미나 지지체에 지르코니아 함유 조성물을 습식 코팅하여 지르코니아 코팅층을 형성하는 공정; 및 얻어진 생성물을 소결하는 공정을 포함한다. 이와 같이, 본 발명의 일 구현예에 따른 제조 방법은, 종래 프레스법 또는 슬립 캐스팅, 소결 공정, 스프레이 코팅, 소결 공정 및 정밀 가공 공정을 포함하는 제조 방법에 비하여, 압출 공정, 딥 코팅 및 소결 공정으로 구성되는, 간단하고 단순한 공정으로, 세터판을 제조할 수 있다.
이하 본 발명의 제조 방법의 각 공정에 대하여 첨부된 도 1을 들어, 자세하게 설명하기로 한다.
먼저 알루미나 함유 조성물을 준비한다(S1).
상기 알루미나 함유 조성물은 알루미나 분말, 바인더, 분산제, 가소제 및 기공제를 용매 중에서 혼합하여 제조한다. 또한, 수축율을 보다 용이하게 제어하기 위하여 탈크를 첨가할 수도 있다. 이를 자세하게 설명하면, 알루미나 분말을, 선택적으로 탈크와 함께, 바인더와 혼합하고, 이 혼합물에 기공제를 투여한다. 이어서, 용매를 첨가하여 바인더가 접착성을 나타내도록 한다. 가소제 및 분산제 첨가 순서는 중요하지 않기에, 상기 바인더 첨가 공정시 함께 첨가할 수도 있고, 용매 첨가 공정시 함께 첨가할 수도 있다.
상기 알루미나 조성물에서, 탈크를 더욱 사용하는 경우, 탈크의 사용량은 알루미나 분말 100 중량부에 대하여 1 중량부 내지 20 중량부일 수 있다. 탈크의 사용량이 상기 범위에 포함되는 경우, 수축율을 제어하여 지르코니아와의 동시 소결시 지르코니아 표면에서 나타나는 기계적인 스트레스를 최소화 할 수 있는 장점이 있다.
상기 알루미나 조성물에서, 알루미나(또는 알루미나 분말과 탈크, 즉 세라믹)의 함량은 알루미나 조성물 전체 중량 대비 65 중량% 내지 85 중량%일 수 있다.
상기 바인더는 에틸 셀룰로오스, 메틸 셀룰로오스 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 상기 바인더의 함량은 알루미나 분말 100 중량부 대비 3.0 중량부 내지 10.0 중량부일 수 있다.
상기 가소제는 디옥틸프탈레이트(Dioctyl phthalate), 디부틸프탈레이트(Dibutyl phthalate), 벤질 부틸 프탈레이트(Benzyl butyl phthalate), 폴리에틸렌 글리콜 (Polyethylene glycol) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 상기 가소제의 함량은 알루미나 분말 100 중량부 대비 1 중량부 내지 5 중량부일 수 있다.
상기 기공제는 카본블랙, 그라파이트, 전분, 에틸 셀룰로오스와 같은 셀룰로오스 계열 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 상기 기공제의 함량에 따라 세터판의 기공율이 제어되기 때문에 목적에 알맞게 기공제의 양을 조절할 수 있으나, 대표적으로는, 상기 기공제를 상기 알루미나 분말 100 중량부 대비 5 중량부 내지 30 중량부의 함량으로 사용할 수 있다. 또한, 연료 전지의 다공성 음극 제조시 지지체로 사용시에는 세터판의 기공도가 30% 이상이 되도록 기공제를 투여할 수 있다.
상기 분산제는 글리세릴 트리올레이트(glyceryl trioleate), 트리글리세라이드(triglycerides) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 상기 분산제의 함량은 알루미나 분말 100 중량부 대비 1 중량부 내지 5 중량부일 수 있다.
상기 용매는 물, 톨루엔, 알코올 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 상기 용매의 함량은 알루미나 분말 100 중량부 대비 15 중량부 내지 30 중량부일 수 있다.
상기 알루미나 함유 조성물을 압출하여 알루미나 지지체를 형성한다(S2).
상기 압출 공정은 제습 상태의 상온 조건하에서 실시할 수 있다. 압출 공정의 습도는, 압출되어 얻어지는 지지체가 수분을 흡수하여 휘어지지 않을 정도로 적절하게 조절하는 것이 좋다.
또한, 상기 압출 공정은 진공 조건 하에서 실시하는 것이 압출물에 기포가 형성되지 않으므로 좋다. 또한, 상기 압출 공정에서 사용되는 다이의 홀 두께는 최소 0.5mm 이상이 좋고, 바람직하게는 0.5mm 내지 2.5 mm인 것이 좋다. 다이의 홀 두께가 0.5mm 이상이면, 압출시 변형이 일어나지 않아, 편평한 세터판을 얻을 수 있다.
상기 공정으로 제조된 알루미나 지지체는 두께가 0.5 mm 이상일 수 있고, 바람직하게는 0.5mm 내지 2.5nm일수 있다. 상기 알루미나 지지체의 두께가 상기 범위에 포함되는 경우, 얻어지는 세터판이 기계적 충격으로부터 자유로워지므로, 보다 장시간 사용할 수 있고, 적절한 강도를 유지할 수 있으며, 이 지지체에 형성되는 지르코니아 코팅층이 알루미나 지지체에 잘 부착되어 있을 수 있다.
또한, 상기 알루미나 지지체는 기공도가 10% 이상일 수 있고, 바람직하게는 10% 내지 30%일 수 있다. 알루미나 지지체의 기공도가 상기 범위에 포함되는 경우, 열충격으로 인한 문제를 보다 잘 해결할수 있고, 취급이 보다 용이하며, 소결 공정(소성 공정을 더욱 형성하는 경우에는 소성 공정)에서 바인더 탈지가 보다 잘 일어날 수 있다.
지르코니아 코팅층을 형성하는 공정을 실시하기 전에, 상기 알루미나 지지체를 1000℃ 내지 1300℃에서 소성하는 공정을 추가로 실시할 수 있다. 이 소성 공정시, 바인더가 탈지될 수 있다. 이와 같이, 소성 공정을 더욱 실시하는 경우, 알루미나 지지체의 휘어짐을 보다 효과적으로 방지할 수 있고, 지르코니아 코팅층을 보다 균일하게 형성할 수 있다. 또한 소성 공정을 실시한 후, 소성된 알루미나 지지체에 지르코니아 코팅층을 형성한 후, 소결 공정을 실시하는 것이, 세터판이 휘어짐과 깨짐 문제가 거의 발생되지 않을 수 있다.
이어서, 상기 알루미나 지지체에 지르코니아 함유 조성물을 습식 코팅하여 지르코니아 코팅층을 형성한다(S3). 상기 습식 코팅 공정은 딥 코팅 공정으로 실시하는 것이, 표면 평탄도를 보다 향상시킬 수 있어, 바람직하다. 상기 딥 코팅 공정은, 상기 알루미나 지지체를 상기 지르코니아 계열 조성물에 담그는 공정으로 실시하며, 이 공정은 10초 내지 60초 동안 실시할 수 있다. 상기 습식 공정을 딥 코팅 공정으로 실시하므로, 지르코니아 코팅층을 알루미나 지지체의 양면에 동시에 형성할 수 있어, 세터판의 활용율이 증가되며, 수명이증가할 수 있다.
상기 공정으로 제조된 지르코니아 코팅층의 두께는 10㎛ 이상일 수 있고, 바람직하게는 10㎛ 내지 100㎛일 수 있다. 지르코니아 코팅층의 두께가 상기 조건을 만족하는 경우, 코팅층 형성을 적절한 공정으로 실시할 수 있고, 알루미나와 연료 전지의 전극과 반응을 효과적으로 억제할 수 있다. 상기 지르코니아 코팅층은 알루미나 지지체의 일면에 형성된 코팅층의 두께를 말한다.
상기 지르코니아 코팅층은 다공성일 수 있고, 이때 기공도는 10% 내지 30%일 수 있다. 지르코니아 코팅층의 기공도가 상기 범위에 포함되는 경우, 강도를 유지하면서, 소결 공정에서 바인더 탈지가 보다 잘 일어날 수 있다.
상기 지르코니아 함유 조성물은 지르코니아 분말, 바인더, 분산제 및 가소제 를 용매에 첨가하여 제조할 수 있다.
상기 바인더는 폴리비닐 부티랄(Polyvinyl butyral), 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacrylate), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌(Polyethylene)의 이들의 조합으로 이루어진 군 및 셀룰로오스 계통인 메틸 셀룰로오스, 에틸 셀룰로오스의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 상기 바인더의 함량은 지르코니아 분말 100 중량부 대비 5.0 중량부 내지 15.0 중량부일 수 있다.
상기 가소제는 디옥틸프탈레이트(Dioctyl phthalate), 디부틸프탈레이트(Dibutyl phthalate), 벤질 부틸 프탈레이트(Benzyl butyl phthalate), 폴리에틸렌 글리콜 (Polyethylene glycol) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 상기 가소제의 함량은 지르코니아 분말 100 중량부에 대하여, 3.0 중량부 내지 9.0 중량부일 수 있다.
상기 분산제는 글리세릴 트리올레이트(glyceryl trioleate), 트리글리세라이드(triglycerides) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 상기 분산제의 함량은 지르코니아 분말 100 중량부에 대하여 1.0 중량부 내지 5.0 중량부일 수 있다.
상기 용매는 물, 톨루엔, 알코올 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 상기 용매는 지르코니아 함유 조성물의 점도가 적절한 수준, 예를 들어 50cps 내지 300pcs가 얻어질 수 있을 정도의 함량으로 사용하면 되며, 특별하게 한정할 필요는 없다.
상기 지르코니아 함유 조성물에서, 지르코니아 분말의 함량은, 지르코니아 함유 조성물 전체 중량에 대하여, 10 중량% 내지 20 중량%일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 상기 지르코니아 분말은 평균 입경이 1.5㎛ 이하, 좋게는 2.5㎛ 내지 1.5㎛인 것을 사용하는 것이, 습식 코팅 후, 소결 공정시 소결성이 좋아 표면 크랙 현상이 나타나지 않는다.
상기 지르코니아 함유 조성물은 기공제를 더욱 포함할 수도 있다. 이 기공제는 카본블랙, 그라파이트, 전분, 셀룰로오스 계열 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 만약 기공제를 추가할 경우 상기 기공제의 함량은 지르코니아 100 중량부에 대하여 15.0 중량부 이하로 조절하는 것이 좋다.
상기 지르코니아 함유 조성물의 점도는 50 cps 내지 300 cps를 들 수 있으나, 원하는 두께의 코팅층을 형성할 수 있을 정도로 조절하면 되며, 이에 한정되는 것은 아니다.
이어서, 얻어진 생성물을 소결한다(S4). 이 소결 공정은 1300℃ 내지 1600℃에서 실시할 수 있다. 소결 공정을 상기 범위의 온도에서 실시하는 경우, 적절한 강도를 갖는 세터판을 제조할 수 있다.
또한, 상기 소결 공정은 2 시간 내지 6 시간 동안 실시할 수 있다. 소결 공정을 이 시간 범위에서 실시하는 경우, 지르코니아 코팅층을 효과적으로 소결할 수 있어, 표면이 벗겨지는 문제점이 없고, 알루미나 지지체 또한 적절하게 소결될 수 있어, 기공도를 적절한 범위에서 유지할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 구현예에 따른 세터판 제조 방법은 종래 방법보다 공정이 매우 간단하고 경제적이다. 종래 세터판 제조 방법은, 도 2에 나타낸 것과 같이, 가압 프레스법 또는 슬립 캐스팅을 이용하여 알루미나 지지체를 생성하고(P1), 소결한 후(P2), 스프레이법으로 지르코니아 코팅층을 형성하고(P3), 이를 다시 소결하고(P4), 표면 가공 및 절단하는 공정(P5)을 포함한다. 이러한 공정은 세터판의 연속식 제조가 불가능 하고 표면 가공 및 절단 등의 매우 복잡한 공정이 필요하게 되어 제조 공정비가 비싸다.
특히, 가압프레스법 또는 슬립캐스팅은 제조된 알루미나 지지체의 취급이 용이하지 않기 때문에 파손에 의한 불량률이 높다. 또한, 알루미나 지지체에 스프레이법을 통해서 코팅된 지르코니아 코팅층은, 코팅층의 두께가 균일하지 않으며 표면 조도가 커서 편평도를 높이기 위해서는 정밀가공이 필요하게 된다. 정밀 가공후 완성품 제조 수율이 낮아지기 때문에 소재 및 유틸리티 사용 비용, 인력 및 시간 낭비 등이 많은 문제점이 발생하게 된다.
이에 대하여, 본 발명의 일 구현예에 따른 세터판 제조 방법은 세터판의 대면적화가 가능하며, 연속식 대량 생산이 가능하고, 도 3에 나타낸 것과 같이, 제조된 세터판(1)은 알루미나 지지체(10)의 양면에 지르코니아 코팅층(12)을 형성할 수 있어, 세터판의 양면 모두 사용이 가능해 세터판의 수명이 더 오래 지속 될 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
알루미나분말을 폴리 비닐부티랄 바인더와 혼합하고, 이 혼합물에 그라파이트 기공제를 투여하였다. 이어서, 얻어진생성물에 물 용매, 디옥티프탈레이트 가소제 및 글리세릴 트리올레이트 분산제를 첨가하고 얻어진 혼합물을 플래터링 밀링 장비를 사용하여 혼합하여, 알루미나 함유 조성물을 제조하였다. 상기 알루미나 함유 조성물에서, 탈크는 알루미나 분말 100 중량부에 대하여 8 중량부, 폴리비닐부티랄 바인더는 알루미나 분말 100 중량부에 대하여 10 중량부, 분산제는 알루미나 분말 100 중량부에 대하여 1.5 중량부, 가소제는 알루미나 분말 100 중량부에 대하여 2.0 중량부, 그라파이트 기공제는 알루미나 분말 100 중량부에 대하여 10 중량부, 용매는 물을 이용하였으며 알루미나 분말 100 중량부에 대하여 20 중량부이었다. 알루미나 분말의 함량은 조성물 전체 중량에 대하여 66.1 중량%이었다.
상기 알루미나 함유 조성물이 점도가 증가되면, 이 알루미나 함유 조성물을 다이의 홀 두께가 2.0mm인 압출 장치에 투입하여, 제습, 상온 및 진공 상태에서 압출하여 알루미나 지지체를 형성하였다.
상기 공정으로 제조된 알루미나 지지체는 두께가 2.0 mm이었고, 기공도는 25 %였다.
이어서, 상기 알루미나 지지체를 40x32 ㎠ 크기로 자른 후, 상온에서 마이크로 오븐을 이용하여 건조하였다. 건조된 알루미나 지지체를 1300℃에서 소성하였다. 이 소성 공정에 따라 바인더 탈지 및 가소결이 동시에 일어나서 알루미나 가소결체가 제조되었다.
소성된 상기 알루미나 지지체, 즉 알루미나 가소결체를 지르코니아 함유 조성물에 30 초 동안 담그는 딥 코팅을 실시하여, 알루미나 가소결체 양면에 지르코니아 코팅층을 형성하였다. 제조된 지르코니아 코팅층의 두께는 35 ㎛이었다.
상기 지르코니아 함유 조성물은 평균 입경이 1.5 ㎛인 지르코니아를 폴리비닐부티랄 바인더, 글리세릴 트리올레이트 분산제, 디옥틸프탈레이트 가소제를 톨루엔 용매에 첨가하고, 용해시킨 후, 이 혼합물에 톨루엔과 알코올의 혼합 용매(6:4 부피비)를 첨가하여, 최종 조성물 점도가 200cps가 되게 제조한 것을 사용하였다. 이때, 상기 지르코니아의 함량은 전체 조성물에 대하여 16.2 중량%를 사용하였으며, 바인더는 지르코니아 100 중량부에 대하여, 10.0 중량부, 분산제는 6.0 중량, 가소제는 2 중량부 및 용매는 500 중량부를 사용하였다.
이 공정에 따라 얻어진 생성물을 1550℃에서 소결하여, 세터를 제조하였다.
(실시예 2)
1500℃에서 소결 공정을 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 세터를 제조하였다.
(실시예 3)
1450℃에서 소결 공정을 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 세터를 제조하였다.
(비교예 1)
시판되고 있는 Kerafol사(독일) 세터판을 사용하였다.
상기 실시예 3에 따라 제조된 세터판의 표면에 대한 SEM 사진을 도 4에 나타내었고, 단면의 일부에 대한 SEM 사진을 도 5에 나타내었다. 도 4에 나타낸 것과 같이, 다공성 지르코니아 코팅층이 형성되어 있음을 알 수 있다. 이와 같이 다공성 지르코니아 코팅층을 갖는 세터판은 세라믹 탈지 공정시 매우 효과적으로 적용될 수 있다.
또한, 도 5에 나타낸 것과 같이, 알루미나 지지체 표면에 지르코니아 코팅층이 약 30㎛ 두께로 균일하게 잘 형성되어 있고, 소결 후, 지르코니아 코팅층이 알루미나 지지체와 잘 결합되어 있음을 알 수 있다.
아울러, 상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조된 세터판의 기공도를 수은 Porosimetry법을 이용하여 측정하여, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6에 나타낸 것과 같이, 기공제 사용량 및 소결 공정 온도를 조절함에 따라, 세터판의 기공도를 용이하게 조절할 수 있음을 알 수 있다.
(실시예 4)
Ni 도핑된 이트리아 안정화 지르코니아(Ni-Doped yttria stabilized zirconia: Ni-YSZ) 애노드 전극, GDC(gadolium doped cera) 버퍼 박막층이 형성된 YSZ 전해질 및 LSCF(La-Sr-Co-Fe 산화물) 양극을 순차적으로 적층하여 단위 전지를 제조하고, 상기 애노드 전극과 접하도록 상기 실시예 3에서 제조된 세터판을 위치시킨 후, 1400℃에서 소결하여, 연료 전지를 제조하였다.
(비교예 2)
실시예 3에서 제조된 세터판 대신에, 비교예 1의 세터판을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일하게 실시하여 연료 전지를 제조하였다.
상기 실시예 4 및 비교예 2의 연료 전지의 0.0V 내지 1.2V에서의 전류 밀도 및 출력 밀도를 측정하여, 그 결과를 도 7에 나타내었다. 도 7에 나타낸 것과 같이, 실시예 3의 세터판을 사용한 실시예 4의 경우, 비교예 2에 비하여 성능 저하가 작음을 알 수 있다. 또한 이 결과로부터, 실시예 3의 세터판은, 세퍼탄과 연료 전지의 전극과의 반응성이 기존 시판되는 세터판(비교예 1)보다 충분히 억제되어 있음을 알 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (16)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 알루미나 분말, 상기 알루미나 분말 100 중량부에 대하여 1 중량부 내지 20 중량부의 탈크, 상기 알루미나 분말 100 중량부 대비 3.0 중량부 내지 10.0 중량부의 바인더, 상기 알루미나 분말 100 중량부 대비 1 중량부 내지 5 중량부의 분산제, 상기 알루미나 분말 100 중량부 대비 1 중량부 내지 5 중량부의 가소제 및 상기 알루미나 분말 100 중량부 대비 5 중량부 내지 30 중량부의 기공제를 상기 알루미나 분말 100 중량부 대비 15 중량부 내지 30 중량부의 용매 중에서 혼합하여 제조되는 알루미나 조성물을 준비하는 공정;
    상기 알루미나 조성물을 압출하여 알루미나 지지체를 형성하는 공정;
    상기 알루미나 지지체에 지르코니아 계열 조성물을 습식 코팅하여 지르코니아 코팅층을 형성하는 공정; 및
    얻어진 생성물을 소결하는 공정을 포함하는 세터판의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 습식 코팅 공정은 딥 코팅 공정으로 실시하는 것인 세터판의 제조 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 알루미나 지지체는 두께 0.5 mm이상, 기공도 10% 이상인 것인 세터판의 제조 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 지르코니아 코팅층의 두께는 10 ㎛ 이상인 세터판의 제조 방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 소결 공정은 1300℃ 내지 1600℃에서 실시하는 것인 세터판의 제조 방법.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 지르코니아 코팅층을 형성하는 공정 전에, 상기 알루미나 지지체를 1000℃ 내지 1300℃에서 소성하는 공정을 추가로 실시하는 것인 세터판의 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제3항에 있어서,
    상기 바인더는 에틸 셀룰로오스, 메틸 셀룰로오스 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 세터판의 제조 방법.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 기공제는 카본블랙, 그라파이트, 전분, 셀룰로오스 계열 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 세터판의 제조 방법.
  13. 제3항에 있어서,
    상기 지르코니아 조성물은 지르코니아 분말, 바인더, 분산제, 가소제 및 용매를 포함하는 것인 세터판의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 바인더는 폴리비닐 부티랄(Polyvinyl butyral), 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacrylate), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌(Polyethylene) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 세터판의 제조 방법.
  15. 제3항 또는 제13항에 있어서,
    상기 가소제는 디옥틸프탈레이트(Dioctyl phthalate), 디부틸프탈레이트(Dibutyl phthalate), 벤질 부틸 프탈레이트(Benzyl butyl phthalate), 폴리에틸렌 글리콜 (Polyethylene glycol) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 세터판의 제조 방법.
  16. 제3항 또는 제13항에 있어서,
    상기 분산제는 글리세릴 트리올레이트(glyceryl trioleate), 트리글리세라이드(triglycerides) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 세터판의 제조 방법.
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