KR101455744B1

KR101455744B1 - 의료기기용 바이오 세라믹스의 제조방법과, 이 방법에 사용되는 의료기기용 바이오 세라믹스 소결장치

Info

Publication number: KR101455744B1
Application number: KR1020140085152A
Authority: KR
Inventors: 남한우; 권은진
Original assignee: 주식회사 한빛나노의료기; 주식회사 성조파인세라믹
Priority date: 2014-07-08
Filing date: 2014-07-08
Publication date: 2014-11-04

Abstract

본 발명은 의료기기용 바이오 세라믹스의 제조방법과, 이 방법에 사용되는 의료기기용 바이오 세라믹스 소결장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 음이온, 원적외선 등의 인체에 유익한 흑운모, 세리사이트, 맥반석, 금강약돌, 토르말린, 화산석 및 엽장석의 세라믹 분말을 분쇄 및 배합된 원재료를 가압 성형하고, 상기 가압된 성형물을 열처리 과정을 통해 소결시켜 의료기기용 온열매트, 전기제품, 허리벨트, 다용도 매트, 방석, 베개, 목걸이, 팔찌 등과 이와 관련된 제품에 사용하는 의료기기용 바이오 세라믹스의 제조방법과, 이 방법에 사용되는 의료기기용 바이오 세라믹스 소결장치에 관한 것으로,
본 발명에 따른 의료기기용 바이오 세라믹스 제조방법은, 분쇄된 분말과 바이더를 혼합한 원재료를 가압 성형시켜 가압 성형물을 성형하는 공정과, 상기 가압 성형물을 터널형 소결장치를 통해 예열하면서 열원부에서 발산되는 열기를 통해 가압 성형물을 소결하는 단계와; 외부공기를 순환시켜 1차 급냉하는 단계와, 가압 성형물을 외부 차단시킨 상태로 취성온도 이하로 서냉시키는 단계, 및 다시 외부 공기를 순환시켜 열교환을 통해 2차 급냉단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

의료기기용 바이오 세라믹스의 제조방법과, 이 방법에 사용되는 의료기기용 바이오 세라믹스 소결장치{Method for manufacturing bio ceramics and Tunnel-type sintering furnace}

본 발명은 의료기기용 바이오 세라믹스의 제조방법과, 이 방법에 사용되는 의료기기용 바이오 세라믹스 소결장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 음이온, 원적외선 등의 인체에 유익한 흑운모, 세리사이트, 맥반석, 금강약돌, 토르말린, 화산석 및 엽장석 등의 세라믹 분말을 분쇄 및 배합된 원재료를 가압 성형하고, 상기 가압된 성형물을 열처리 과정을 통해 소결시켜 의료기기용 온열매트, 전기제품, 허리벨트, 다용도 매트, 방석, 베개, 목걸이, 팔찌 등과 이와 관련된 제품에 사용하는 의료기기용 바이오 세라믹스의 제조방법과, 이 방법에 사용되는 의료기기용 바이오 세라믹스 소결장치에 관한 것이다.

주지하는 바와 같이 의료 보조기 등에 설치되어 가열을 통해 인체에 유익한 다량의 원적외선 등을 발산하는 의료기기용 바이오 세라믹스는, 분쇄된 세라믹 분말과 바인더를 소정의 비율로 배합한 원재료를 가압 성형하여 가압 성형물을 성형하는 가압 성형공정과, 상기 가압 성형물을 소결하여 조직 분말의 계면이 서로 용융되고 결정의 성장과 달라붙음을 반복하여 원적외선을 다량 방출하는 원재료 특유의 무기물 특성을 유지하면서 내구성과 강도가 증대되도록 하는 소결공정을 통해 제조된다.

그러고, 이러한 바이오 세라믹스는 그 특성상, 급격히 가열시키거나 냉각시키면 열충격에 의해 표면이 파괴되거나 표면이 거칠어지는 문제점이 야기될 수 있다.

즉, 가열구간에서 가압 성형물을 급격히 가열시키면 가압 성형물에서 기화된 유기가스가 급속히 배출되면서 표면 손상을 초래하고, 또 냉각구간에서 고온으로 가열된 가압 성형물을 급격히 냉각시키면 열충격에 의한 응력에 의해 바이오 세라믹스의 표면 균열이나 파손이 야기될 수 있다.

한편, 종래에는 주로 상자형 전기로를 이용하여 상기 가압 성형물을 소결하여 바이오 세라믹스를 형성하고 있으며, 상기 상자형 전기로를 통한 가압 성형물의 소결형태는 외부와 밀폐된 상자로에 가압 성형물들을 투입한 다음, 10 시간 이상 가열하여 소결하는 형태이다.

그런데, 상기 상자형의 전기로는, 그 특성상 상자로 내부의 온도편차가 발생되므로, 상자로의 각 지점에 적재 및 투입된 가압 성형물에 균일한 가열이 어렵다.

즉, 상기 상자형 전기로는 열원과 상자형 전기로 내에 적재 또는 배치된 가압 성형물 사이의 거리가 다르고, 또 상자형 전기로 내의 온도 분포가 균일하지 아니한 관계로, 열원과 가까운 부위는 과 소결이 되고 멀리 있는 부위는 안정된 소결이 이루어지지 아니하여 소결에 따른 품질의 균일성을 확보하기 어렵다.

상기 바이오 세라믹스의 손상 원인을 본 발명자가 분석한 결과, 의료기기용 바이오 세라믹스는 응력 집중자의 크기가 매우 작고 많이 분포가 되어 있어, 계면, 내부 미세균열, 내부기공, 입자모서리 등의 취성원인이 되고, 특히 냉각구간의 573℃ 부근에서 상기 표면 균열 및 파손이 심화되는 것으로 확인되었다.

상기 취성이 되는 원인을 제거하거나 조절해야 우수한 품질의 바이오 세라믹스를 얻을 수 있지만, 기존의 상자형 전기로 방식으로서는 취성의 원인을 모두 제거하기 어렵고, 열원과의 거리에 따라 온도 기울기가 달라져 세라믹스마다 응력이 발생하고, 열 충격이 가해져 세라믹스가 파괴되는 현상이 자주 발생하게 된다.

또한, 상기 상자형의 전기로는 가압 성형물을 소결공간 내에 일괄하여 투입하고 또 소결을 마친 의료기기용 바이오 세라믹스를 일괄하여 배출하여야 하므로, 작업에 따른 번거로움과 함께 작업의 연속성을 확보하기 어려운 한계성을 갖는다.

한편, 일본국 공개특허 소61-101469호 공보와, 일본국 공개특허 평6-273051호 공보에서는 전기로가 회전하며 세라믹스를 소결하도록 한 기술 내용을 제시하고 있고, 대한민국 특허공고 제 0181354호에서는 세라믹스의 파손을 막기 위해 1차 소결 후 한정온도 영역에서 2차 소결시 회전하는 방안을 제시하고 있다.

이와 같이 회전형 소결로 내에 가압 성형물을 투입시켜 소결하면, 온도 편차에 따른 제품의 불균일성은 일부 극복할 수 있으나, 가압 성형물을 노심관에 대량으로 채울 수 없고 공정이 복잡하며 연속적인 작업이 구현되지 아니한 관계로 생산성이 저하되고, 또 회전을 통한 소결과정에 가압 성형물의 계면이 손상되어서 불량 발생률이 높은 단점을 갖고 있다.

KR

10-2005-0119095

A

상기한 문제점을 해소하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 가압 성형공정을 통해 성형된 가압 성형물을 열처리하여 소결시켜 의료기기용 바이오 세라믹스를 제조함에 있어, 상기 소결공정 및 소결공정을 구현하는 소결로를 개량하여 품질의 균일 및 안정성과 생산성이 향상되도록 한 의료기기용 바이오 세라믹스의 제조방법과, 이를 구현하는 의료기기용 바이오 세라믹스 소결장치를 제공함에 있다.

상기한 목적은, 본 발명에서 제공되는 하기 구성에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 의료기기용 바이오 세라믹스의 제조방법은,

분쇄된 세라믹 분말과 바인더를 혼합한 원재료를 가압 성형시켜 가압 성형물을 성형하는 성형공정과, 상기 성형된 가압 성형물을 열처리 과정을 통해 소결시켜 의료기기용 바이오 세라믹스를 성형하는 소결공정을 포함하여 구성된 의료기기용 바이오 세라믹스 제조방법에 있어서,

상기 소결 공정은, 터널형 소결로에 형성된 예열 집진구간부에 가압 성형물을 통과시켜 열원부에서 발산되는 열기를 통해 예열하면서, 예열되는 가압 성형물에서 휘발된 유기가스를 집진구를 통해 강제 흡기하여 집진하는 예열 집진단계와;

상기 예열된 가압 성형물을 소결구간에 통과시켜, 열원부에서 발산되는 열기를 통해 가압 성형물을 소결하는 소결단계와;

상기 소결된 가압 성형물을, 외부공기를 순환시켜 흡기하는 폐열 회수기가 형성된 1차 급냉구간부에 통과시켜 가압 성형물을 취성온도 범위까지 급냉시키는 1차 급냉단계와;

상기 1차 급냉구간부에 의해 급냉된 가열 성형물을 외부 차폐된 상태로 취성 온도범위 이하로 서냉시키는 서냉단계; 및

상기 서냉된 가열 성형물을, 외부공기를 순환시켜 흡기하는 폐열 회수기가 형성된 2차 급냉구간부에 통과시켜, 폐열 회수기의 흡기작용에 의해 강제 유입된 외부공기와의 열교환을 통해 가압 성형물을 2차 급냉시키는 2차 급냉단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 소결단계에는 예열 집진단계에 의해 예열된 가압 성형물을, 850℃까지 가열하여 계면의 용융을 유도하고, 상기 850℃까지 예열된 가압 성형물을 1050℃까지 가열하여 입자간의 네킹을 형성시켜 두 개의 기공을 하나의 기공으로 합치면서 가압된 성형체의 부피를 수축시킨 다음, 상기 가압 성형물을 1150℃의 온도로 15분 내지 30분간 가열을 지속시켜 소결을 완료하도록 한다.

보다 바람직하게는, 상기 취성 온도범위는 580℃ 내지 550℃로 이루어져, 1차 급냉단계에서는 소결된 가압 성형물을 580℃까지 1차 급냉하고, 서냉단계에서는 1차 급냉된 가압 성형물을 외부와 차폐된 상태로 550℃까지 서냉하는 한편, 2차 급냉단계에서는 서냉된 가압 성형물을 상온으로 급냉하도록 구성된다.

한편, 본 발명에 따른 의료기기용 바이오 세라믹스의 소결장치는,

터널형 소결로와, 상기 터널형 소결로에 배치되어 소결을 요하는 가압 성형물을 일방향으로 이동시키는 이송롤러부, 및 상기 이송롤러부의 상부와 하부에 등간격으로 배치되어, 이송롤러부에 의해 일방향으로 이동하는 가압 성형물을 가열하여 소결하는 열원부를 포함하여 구성되고,

상기 이송롤러부에 안치되어 가압 성형물이 통과하는 터널형 소결로에는, 열원부를 통해 가압 성형물을 예열하며 집진기를 통해 가압 성형물에서 휘발된 유기가스를 흡기하여 집진하는 예열 집진구간부와;

상기 예열 집진구간부를 통과한 가압 성형물을 열원부를 통해 순차적으로 가열시켜 소결하는 소결구간부와;

폐열 회수기를 통해 외부공기를 순환 흡기하여 상기 소결된 가압 성형물을 순환 흡기된 외부공기와 열교환시켜서 취성온도범위까지 급냉시키는 1차 급냉구간부와;

외부 차폐된 상태를 형성하여, 상기 1차 급냉구간부에 의해 급냉된 가열 성형물을 이송시키면서 서냉시키는 서냉구간부; 및

상기 서냉구간부를 통과하면서 취성온도 범위 이하로 서냉된 가열 성형물을, 폐열 회수기를 통해 순환 유입된 외부공기와 열교환시켜서 급냉하는 2차 급냉구간부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 터널형 소결로의 예열 집진구간부에는 외부와 연통하는 하나 이상의 압력 조절공이 형성되어, 상기 집진구를 통한 유기가스의 강제 흡기과정에 압력 조절공을 통해 외부공기가 유입되어 예열 집진구간부의 감압 발생이 억제되어서, 예열 집진구간부에 잔류된 유기가스가 집진기에 안정되게 흡기되어 집진되도록 구성한다.

보다 바람직하게는, 상기 이송롤러부는, 터널형 소결로에 등간격으로 관통하여 배치되며 세라믹 재질로 제작된 복수의 이송봉과; 상기 터널형 소결로의 외측 양편에 배치되며, 상기 터널형 소결로를 관통한 이송봉의 양단을 지지하는 구동롤러를 포함하여 구성되어, 상기 구동롤러가 열원부에서 방출되는 고온의 열기에 직접 노출되지 아니하도록 구성한다.

그리고, 상기 구동롤러에 안착되는 이송봉의 양단에는 코일부재가 권취되어, 이송봉은 양단은 외경에 권취된 코일부재에 의해 강성이 보완되는 한편, 구동롤러와의 직접적인 마찰이 방지되도록 구성한다.

또한, 상기 소결구간부에는, 예열 집진구간부를 통과한 가압 성형물 850℃까지 가열하여 계면의 용융을 유도하는 1 구간과, 상기 850℃까지 예열된 가압 성형물을 1050℃까지 가열하여 입자간의 네킹을 형성시켜 두 개의 기공을 하나의 기공으로 합치면서 가압된 성형체의 부피를 수축시키는 2 구간, 및 상기 가압 성형물을 1150℃까지 가열 및 가열된 상태로 지속시켜 소결을 완료하도록 구성된다.

전술한 바와 같이 본 발명에서는, 성형공정을 통해 성형된 가압 성형물을 소결함에 있어, 연속적인 열처리와 온도편차의 발생이 적은 소결장치를 채택하여 소결에 따른 안정성과 연속성이 확보되도록 함으로써, 성형된 바이오 세라믹스의 음이온 및 원적외선의 방출이 극대화되어 의료용에 적합하고, 항취, 향균작용을 갖도록 하는 유익한 효과가 제공된다.

그리고, 본 발명에서는 상기 소결장치의 터널형 소결로에, 예열 집진구간과 소결구간과 1차 급냉구간과 서냉구간 및 2차 급냉구간을 단계적으로 마련하여, 가압 성형물의 예열과 소결 및 냉각에 요구되는 최적의 조건을 형성함으로써, 품질의 안정성과 균일성의 확보가 가능하다.

특히, 본 발명에서는 냉파가 예상되는 취성 온도범위에서 서냉하도록 구성함으로써, 전체적으로는 신속한 냉각을 도모하면서도, 가압 성형물의 취성 발생이 억제되므로, 생산성의 향상과 함께 품질 안정성의 확보가 가능하다.

그리고, 가압 성형물의 냉각 과정에 폐열 회수기에 의해 회수된 폐열은 의료기기용 바이오 세라믹스의 성형에 따른 다양한 공정에 활용될 수 있어서, 에너지의 절감이 가능하다.

또한, 상기 소결장치의 이송롤러부는, 구동롤러가 터널형 소결로에 내설되지 아니하고, 외부에 노출된 형태로 내열성 재질로 제작된 이송봉을 구동롤러가 지지하도록 구성된 형태로 이루어져, 구동롤러가 열원부에서 제공되는 열기에 의해 열손상되는 현상이 예방되므로 장치의 내구성이 확보되고, 또 코일부재에 의해 이송봉과 구동롤러 사이의 안정된 마찰을 통한 동력전달이 구현되고, 또 이송봉과 구동롤러 사이의 직접적인 마찰에 의한 파손이 예방될 수 있다.

도 1은 본 발명에서 바람직한 실시예로 제안하고 있는 의료기기용 바이오 세라믹스의 소결장치의 외형 구성을 보여주는 사시도이고,
도 2는 본 발명에서 바람직한 실시예로 제안하고 있는 의료기기용 바이오 세라믹스의 소결장치의 전체 구성을 보여주는 정단면도이고,
도 3은 상기 1과 도 2에 도시된 의료기기용 바이오 세라믹스의 소결장치에 있어, 이송 롤러부를 구성하는 이송봉과 구동롤러 사이의 지지상태를 보여주는 것이고,
도 4와 5는 상기 도 1과 2에 도시된 의료기기용 바이오 세라믹스의 소결장치를 통한 의료기기용 바이오 세라믹스의 소결과정을 순차적으로 보여주는 작용 상태도이고,
도 6은 본 발명에 따른 의료기기용 바이오 세라믹스 제조방법을 순차적으로 보여주는 흐름도이고,
도 7은 본 발명에 따른 의료기기용 바이오 세라믹스 제조방법에 따라 제조되는 의료기기용 바이오 세라믹스의 성분 분석표이고,
도 8은 본 발명에 따른 의료기기용 바이오 세라믹스 제조방법에 있어, 소결공정에 따른 가열온도와 시간을 도시한 것이고,
도 9와 도 10은 본 발명에 따른 의료기기용 바이오 세라믹스 제조방법에 있어, 소결온도에 따른 가압 성형물의 색상 및 체적 변화를 보여주는 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에서 바람직한 실시예로 제안하고 있는 의료기기용 바이오 세라믹스의 제조방법과, 이를 구현하는 소결장치를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에서 바람직한 실시예로 제안하고 있는 의료기기용 바이오 세라믹스의 소결장치의 외형 구성을 보여주는 사시도이고, 도 2는 본 발명에서 바람직한 실시예로 제안하고 있는 의료기기용 바이오 세라믹스의 소결장치의 전체 구성을 보여주는 정단면도이고, 도 3은 상기 1과 도 2에 도시된 의료기기용 바이오 세라믹스의 소결장치에 있어, 이송 롤러부를 구성하는 이송봉과 구동롤러 사이의 지지상태를 보여주는 것이고, 도 4와 5는 상기 도 1과 2에 도시된 의료기기용 바이오 세라믹스의 소결장치를 통한 의료기기용 바이오 세라믹스의 소결과정을 순차적으로 보여주는 작용 상태도이다.

본 발명은 분쇄 및 배합된 원재료를 가압 성형시켜 가압 성형물(100)들을 성형하는 성형공정과; 상기 성형된 가압 성형물(100)들을 본 발명에서 제안하고 있는 터널형 성형장치(1)를 통해 소결시켜 바이오 세라믹(100')을 성형하는 소결 공정을 포함하며, 먼저 본 명세서에서는 상기 소결공정을 구현하는 소결장치(1)를 상술하기로 한다.

상기 의료기기용 바이오 세라믹스의 소결장치(1)는, 도 1 내지 도 5에서 보는 바와 같이 터널형 소결로(10)와; 상기 터널형 소결로(10) 내에 배치되어 소결을 요하는 가압 성형물(100)을 일방향으로 이동시키는 이송롤러부(20); 및 상기 이송롤러부(20)의 상부와 하부에 이격되게 배치되어, 이송롤러부(20)에 의해 일방향으로 이동하는 가압 성형물(100)들의 소결에 따른 열기를 발산하는 열원부(30)를 포함한다.

상기 터널형 소결로(10)의 내벽에는 열원부(30)에서 방출되는 열기를 차단하는 단열층(10a)이 형성되고, 상기 소결을 요하는 가압 성형물(100)들의 이송을 도모하는 이송롤러부(20)는 도 3에서 보는 바와 같이 터널형 소결로(10)에 등간격으로 관통하여 배치되며 세라믹 재질로 제작된 복수의 이송봉(21)과, 상기 터널형 소결로(10)의 외측 양편에 배치되며, 상기 터널형 소결로(10)를 관통한 이송봉(21)의 양단을 각각 지지하는 구동롤러(22)를 포함한다.

여기서, 상기 소결로(10)의 외측에 배치되는 구동롤러(22)들은 단일 구동모터(미도시)와 체인 스프라켓 구조로 연결되어서, 단일 구동모터의 구동에 의해 각 구동롤러들은 일괄하여 회전하도록 구성된다.

본 실시예와 같이 상기 구동롤러(22)를 열원부(30)와 단열상태가 확보된 터널형 소결로(10)의 외측에 노출되게 배치하여, 상기 터널형 소결로(10)를 관통하여 외부에 노출된 이송봉(21)의 양단이 구름롤러(22)에 각각 지지되도록 함으로써, 상기 구동롤러(22)가 열원부(30)에서 발산되는 열기에 의해 열손상되는 현상이 예방되도록 한다.

그리고, 상기 이송봉(21)은 우수한 내열성과 강도를 갖는 세라믹 재질로 제작되고, 본 실시예에서는 도 3a와 도 3b와 같이 상기 구동롤러(22)와 외접하여 지지되는 이송봉(21)의 양단에 강선으로 이루어진 코일부재(23)를 권취하여, 세라믹 재질로 제작된 이송봉(21)의 내구성을 보완하는 한편, 금속재로 제작된 구동롤러(22)와 세라믹 재질로 제작된 이송봉(21)의 직접적인 마찰을 방지하고 있다.

또한, 상기 이송봉(21)의 양단에 권취된 코일부재(23)는 강자성체로 구성되며, 이와 외접하는 구동롤러(22)에는 자석을 배치하여서, 상기 이송봉(21)에 권취된 코일부재(23)는 구동롤러(22)에 내설된 자석(22a)에 의해 구동롤러의 표면에 보다 안정되게 밀착되어서, 구름하도록 구성하는 것이 바람직하다.

그리고, 본 실시예에서는 이러한 소결장치(1)를 구현함에 있어, 상기 이송롤러부(20)의 각 이송봉(21)에 안치되어 가압 성형물(100)이 통과하는 터널형 소결로(10)에 가압 성형물(100)의 소결에 적합한 소결조건을 조성하는 각 구간부(A, B, C, D)를 형성하여, 이들 구간부(A, B, C, D)에 의해 유기적으로 이루어지는 소결작용에 의해 가압 성형물(100)을 소결한 의료기기용 바이오 세라믹스(100')의 품질의 균일성 및 안정성을 확보하고, 특히 신속한 냉각과정을 통해 향상된 생산성을 갖도록 한다.

이를 상술하자면, 본 실시예에서는 상기 터널형 소결로(10)에, 열원부(30)를 통해 가압 성형물(100)을 예열하며, 집진기(40)를 통해 가압 성형물(100)에서 휘발된 유기가스를 흡기하여 집진하는 예열 집진구간부(A)와; 상기 예열 집진구간부(A)를 통과한 가압 성형물(100)을 열원부(30)를 통해 순차적으로 가열시켜 소결하는 소결구간부(B)와; 폐열 회수기(50)를 통해 순환 흡기창(12)을 통해 유입되는 외부공기를 순환 흡기하여, 상기 소결된 가압 성형물(100)을 순환 흡기창(12)을 통해 유입되어 순환하는 외부공기와 열교환시켜서 취성온도 범위까지 급냉시키는 1차 급냉구간부(C)와; 외부 차폐된 상태를 형성하여, 상기 1차 급냉구간부(C)에 의해 급냉된 가열 성형물(100)을 이송시키면서 서냉시키는 서냉구간부(D); 및 상기 서냉구간부(D)를 통과하면서 취성온도 범위 이하로 서냉된 가열 성형물(100)을, 폐열 회수기(50)를 통해 순환 유입되는 외부공기와 열교환시켜 급냉하는 2차 급냉구간부(E)를 순차적으로 형성한다.

바람직한 실시예를 보여주는 도 4를 보면, 상기 터널형 소결로(10)의 예열 집진구간부(A)에는 외부와 연통하는 하나 이상의 압력 조절공(11)이 형성되어, 상기 집진구(40)를 통한 유기가스의 강제 흡기과정에 압력 조절공(11)을 통해 외부공기가 예열 집진구간부(A) 내로 유입되어 예열 집진구간부(A)의 감압 발생이 억제되도록 한다.

따라서, 상기 집진구(40)에 의해 가압 성형물(100)에서 휘발된 유기가스가 유입되어 예열 집진구간부(A)에 감압 상태가 형성되면, 감압된 예열 집진구간부(A)에는 압력 조절공(11)을 통해 외부공기가 유입되어 외부와 평행상태를 형성하므로, 집진구(40)는 예열 집진구간부(A)의 공기를 포함하는 유기가스를 지속적으로 흡기하여 집진하는 것이 가능하다.

그리고, 상기 소결구간부(B)에는, 예열 집진구간부(A)를 통과한 가압 성형물(100) 850℃까지 가열하여 계면의 용융을 유도하는 1구간(B1)과, 상기 850℃까지 예열된 가압 성형물(100)을 1050℃까지 가열하여 입자간의 네킹을 형성시켜 두 개의 기공을 하나의 기공으로 합치면서 가압된 성형체의 부피를 수축시키는 2구간(B2), 및 상기 가압 성형물(100)을 1150℃까지 가열하고 및 상기 온도로 15분 내지 30분 가량 지속시켜 소결을 완료하는 3구간(B3)이 순차적으로 형성되어, 단계적으로 가압 성형물을 가열하여 소결하도록 구성되며, 상기 소결구간부를 통과하면서 가압 성형물에 잔류된 잔량의 바인더는 모두 휘발하여 제거된다.

그리고, 도 6은 본 발명에 따른 의료기기용 바이오 세라믹스 제조방법을 순차적으로 보여주는 흐름도이고, 도 7은 본 발명에 따른 의료기기용 바이오 세라믹스 제조방법에 따라 제조되는 의료기기용 바이오 세라믹스의 성분 분석표이고, 도 8은 본 발명에 따른 의료기기용 바이오 세라믹스 제조방법에 있어, 소결공정에 따른 가열온도와 시간을 도시한 것이고, 도 9와 도 10은 본 발명에 따른 의료기기용 바이오 세라믹스 제조방법에 있어, 소결온도에 따른 가압 성형물의 색상 및 체적 변화를 보여주는 것이다.

한편, 하기에서는 본 발명에서 제안하고 있는 의료기기용 바이오 세라믹스 제조에 따른 성형공정과 소결공정을 단계적으로 상술하기로 한다.

[성형공정]

도 6과 도 7에서 보는 바와 같이 95%의 맥반석과, 0.5%의 흑운모와, 0.5%의 토르말린(전기석), 1%의 세리사이트와, 0.5%의 화산석과,2%의 금강약돌과, 0.5%의 엽장석을 입자의 크기가 5~6㎛까지 습식 분쇄한 후, 95~105℃사이에서 항량이 될 때까지 분무 건조를 통해 건조한 세라믹 분말과, 바인더를 혼합한 원재료를 프레스 방식의 가압 성형기에 투입시켜, 550~650㎏/㎠의 압력으로 압축시켜 가압 성형물을 성형한다.

그리고, 이와 같이 성형된 가압 성형물들은 전술한 본 발명에 따른 소결장치의 이송롤러부에 투입되어 소결로에 형성된 각 구간부에서 단계적인 소결공정이 이루어져, 의료기기용 바이오 세라믹스를 형성하게 되며, 하기에서는 도 1 내지 도 9를 참조하여 소결공정을 단계적으로 상술하기로 한다.

[소결공정]

- 예열 집진단계

도 2와 도 4와 같이 상기 터널형 소결로(10)에 형성된 예열 집진구간부(A)에 가압 성형물(100)을 통과시켜 열원부(30)에서 발산되는 열기를 통해 가압 성형물(100)을 예열하면서, 예열되는 가압 성형물(100)에서 휘발된 유기가스를 집진구(40)를 통해 강제 흡기하여 집진한다.

상기 터널형 소결로(10)를 통과하는 가압 성형물(100)들은 이형제가 도포된 트레이(T)에 정렬되며, 상기 가압 성형물(100)을 정렬한 트레이(T)는 이송롤러부(20)에 안착되어서 터널형 소결로(10)를 통과하게 된다.

그리고, 상기 예열 집진구간부(A)를 통과하면서 가압 성형물(100)은 750℃의 온도까지 서서히 가열되어 예열되고, 이러한 예열에 의해 가압 성형물(100)에 다량 잔류된 유기가스는 서서히 가압 성형물(100)에서 배출되어 집진기(40)에 흡기하여 집진된다.

이때, 상기 예열 집진구간부(A)에 형성된 압력 조절공(11)은, 터널형 소결로(11)의 내부와 외부 사이의 압력 편차에 따라 외부공기를 유입시켜, 집진기(40)를 통해 흡기된 공기량에 상응하는 외부공기가 예열 집진구간부(A)에 유입되도록 구성함으로써, 예열 집진구간부(A)의 감압 발생 없이 집진기(40)는 지속적으로 휘발된 유기가스를 안정되게 흡기하여 집진한다.

- 소결단계

상기 예열 집진단계에 의해 예열된 가압 성형물(100)들은, 도 2와 도 6 및 도 7같이 터널형 소결로(10)에 형성된 소결구간(B)을 통과하면서 열원부(30)에서 단계적으로 발산되는 열기를 통해 고온 가열되어 소결된다.

이를 상술하자면, 상기 소결구간부에 진입된 가압 성형물(100)들은, 1구간(B1)에서 최초 850℃까지 가열하여 계면의 용융을 유도하고, 2구간(B2)에서 상기 850℃까지 예열된 가압 성형물(100)을 1050℃까지 가열하여 입자간의 네킹을 형성시켜 두 개의 기공을 하나의 기공으로 합치면서 가압된 성형체의 부피를 수축시킨 다음, 제 3구간(B3)에서 상기 가압 성형물(100)을 1150℃까지 최종 가열시켜 소결을 완료한다.

그리고, 이러한 고열 가열을 통한 소결과정에, 가압 성형물에 일부 잔류된 잔류 유기가스는 완전히 휘발하게 제거된다.

본 실시예와 같이 소결구간부에 단계적인 고온 가열을 도모하는 1구간과 2구간 및 3구간을 형성하면 가압 성형물들의 급속 가열이 방지되고, 결과적으로 가압 성형물에 잔류되어 휘발되는 유기가스가 서서히 배출되므로, 유기가스의 급속한 배출에 의해 소결되는 가압 성형물의 표면 손상이 예방될 수 있다.

그리고, 상기 가압 성형물의 가열온도에 따라 색상이나 경도가 결정되므로, 작업자는 요구되는 의료기기용 바이오 세라믹스의 강도나 색상을 고려하여 열원부에서 발산되는 열기의 온도나 시간을 조절하여서, 최종 색상과 강도를 결정하게 된다.

즉, 소결 온도에 따른 시료의 색상변화를 보여주는 것으로, 가압 성형물의 경우 소결 온도에 따라 계면의 색상이 변화한다.

예컨대, 도 9와 같이 800℃ 경우 강도가 거의 없는 가소결만 되었고 1000℃ ~ 1050℃에서는 가소결된 상태보다 짙은 색상과 상대적으로 높은 강도를 갖고, 또 1150℃에는 밤색으로 소결되면서 최고의 강도를 갖는다.

그리고, 도 10과 같이 1150℃를 초과하여 열처리하여 소결하면, 가압 성형물 자체의 수축이 발생되어서 형상의 변형이 초래되므로, 1150℃를 넘지 않도록 한다.

이와 같이 고온 가열을 통해 소결을 마친 가압 성형물(100)들은 후술되는 1차 급냉단계와 서냉단계 및 2차 급냉단계를 통해 냉각되어서, 가압 성형물을 소결시킨 의료기기용 바이오 세라믹스를 형성하게 된다.

- 1차 급냉단계

본 단계는, 도 2와 도 4, 및 도 6에서 보는 바와 같이 상기 소결을 마친 가압 성형물(100)을, 폐열 회수기(50)를 통해 순환 흡기창(12)을 통해 유입되는 외부공기를 순환 흡기하여, 순환 흡기창(12)을 통해 유입되어 순환하는 외부공기와 가압 성형물을 열교환시켜서, 가압 성형물(100)을 취성온도 범위까지 급냉시키는 단계이다.

본 발명에서와 같이 상기 1150℃에서 취성 온도범위인 580℃ 내지 550℃까지 급냉하더라도, 가압 성형물(100)의 균일이나 파손이 발생되지 아니하며, 이와 같이 외부 환기를 통해 가압 성형물(100)을 급냉시키게 되면, 고온 가열된 가압 성형물(100)의 냉각에 따른 신속성이 확보되고 결과적으로 생산성이 향상되는 이점을 갖는다.

- 서냉단계

그런데, 본 발명자가 관찰한 결과 상기 취성 온도범위인 580℃ 내지 550℃까지 급냉을 실시하면, 급냉에 따른 열충격에 의한 응력에 의해 냉각되는 가압 성형물의 균열이나 파손이 발생된다.

이를 해소하고자 본 발명에서는, 상기 1차 급냉구간부에 의해 급냉된 가열 성형물을 외부 차폐된 상태로 취성 온도범위 이하로 서냉시키도록 한다.

- 2차 급냉단계

본 단계에서는, 상기 서냉된 가열 성형물을, 도 2와 도 5에서 보는 바와 같이 외부 공기를 강제 유입시키는 집진구가 형성된 2차 급냉구간부에 통과시켜, 폐열 회수기의 흡기작용에 의해 강제 유입된 외부공기와의 열교환을 통해 가압 성형물을 2차 급냉시켜, 가압 성형물을 소결시켜 냉각한 의료기기용 바이오 세라믹스를 형성한다.

이때, 상기 폐열 회수기(50)를 통해 흡입된 고온의 폐열은, 세라믹 성형에 따른 다양한 장치에 사용될 수도 있으며, 본 발명에서는 일예로 도 2와 같이 예열 집진구간부에 일부 유입시켜서, 가압 성형물의 예열에 따른 열원을 보조하도록 하고 있다.

1. 소결장치 10. 터널형 소결로
10a. 단열층
11. 압력 조절공 12. 순환 흡기창
20. 이송롤러부 21. 이송봉
22. 구동롤러 23. 코일부재
30. 열원부
40. 집진기 50. 폐열 회수기
A. 예열 집진구간부 B. 소결구간
B1. 1구간 B2. 2구간
B3. 3구간 C. 1차 급냉구간부
D. 서냉구간부 E. 2차 급냉구간부
100. 가압 성형물
100'. 의료기기용 바이오 세라믹스
T. 트레이

Claims

분쇄된 세라믹 분말과 바인더를 혼합한 원재료를 가압 성형시켜 가압 성형물을 성형하는 성형공정과, 상기 성형된 가압 성형물을 열처리 과정을 통해 소결시켜 의료기기용 바이오 세라믹스를 성형하는 소결공정을 포함하여 구성된 의료기기용 바이오 세라믹스 제조방법에 있어서,
상기 소결 공정은, 터널형 소결로에 형성된 예열 집진구간부에 가압 성형물을 통과시켜 열원부에서 발산되는 열기를 통해 예열하면서, 예열되는 가압 성형물에서 휘발된 유기가스를 집진구를 통해 강제 흡기하여 집진하는 예열 집진단계와;
상기 예열된 가압 성형물을 소결구간에 통과시켜, 열원부에서 발산되는 열기를 통해 가압 성형물을 소결하는 소결단계와;
상기 소결된 가압 성형물을, 외부공기를 순환시켜 흡기하는 폐열 회수기가 형성된 1차 급냉구간부에 통과시켜 가압 성형물을 취성온도 범위까지 급냉시키는 1차 급냉단계와;
상기 1차 급냉구간부에 의해 급냉된 가열 성형물을 외부 차폐된 상태로 취성 온도범위 이하로 서냉시키는 서냉단계; 및
상기 서냉된 가열 성형물을, 외부공기를 순환시켜 흡기하는 폐열 회수기가 형성된 2차 급냉구간부에 통과시켜, 폐열 회수기의 흡기작용에 의해 강제 유입된 외부공기와의 열교환을 통해 가압 성형물을 2차 급냉시키는 2차 급냉단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 의료기기용 바이오 세라믹스의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 소결단계에는 예열 집진단계에 의해 예열된 가압 성형물을, 1구간에서 850℃까지 가열하여 계면의 용융을 유도하고, 2구간에서 상기 850℃까지 예열된 가압 성형물을 1050℃까지 가열하여 입자간의 네킹을 형성시켜 두 개의 기공을 하나의 기공으로 합치면서 가압된 성형체의 부피를 수축시킨 다음, 3구간에서 상기 가압 성형물을 1150℃까지 가열하고 가열된 상태를 지속시켜 소결을 완료하는 것을 특징으로 하는 의료기기용 바이오 세라믹스의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 취성 온도범위는 580℃ 내지 550℃로 이루어져, 1차 급냉단계에서는 소결된 가압 성형물을 외부공기와의 열교환을 통해 580℃까지 1차 급냉하고, 서냉단계에서는 1차 급냉된 가압 성형물을 외부와 차폐된 상태로 550℃까지 서냉하는 한편, 2차 급냉단계에서는 외부공기와의 열교환을 통해 서냉된 가압 성형물을 상온으로 급냉하도록 구성된 것을 특징으로 하는 의료기기용 바이오 세라믹스의 제조방법.
터널형 소결로와, 상기 터널형 소결로에 배치되어 소결을 요하는 가압 성형물을 일방향으로 이동시키는 이송롤러부, 및 상기 이송롤러부의 상부와 하부에 등간격으로 배치되어, 이송롤러부에 의해 일방향으로 이동하는 가압 성형물을 가열하여 소결하는 열원부를 포함하여 구성되고,
상기 이송롤러부에 안치되어 가압 성형물이 통과하는 터널형 소결로에는, 열원부를 통해 가압 성형물을 예열하며, 집진기를 통해 가압 성형물에서 휘발된 유기가스를 흡기하여 집진하는 예열 집진구간부와;
상기 예열 집진구간부를 통과한 가압 성형물을 열원부를 통해 순차적으로 가열시켜 소결하는 소결구간부와;
폐열 회수기를 통해 외부공기를 순환 흡기하여 상기 소결된 가압 성형물을 순환 흡기된 외부공기와 열교환시켜서 취성온도범위까지 급냉시키는 1차 급냉구간부와;
외부 차폐된 상태를 형성하여, 상기 1차 급냉구간부에 의해 급냉된 가열 성형물을 이송시키면서 서냉시키는 서냉구간부; 및
상기 서냉구간부를 통과하면서 취성온도 범위 이하로 서냉된 가열 성형물을, 폐열 회수기를 통해 순환 유입된 외부공기와 열교환시켜서 급냉하는 2차 급냉구간부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 의료기기용 바이오 세라믹스의 소결장치.
제 4항에 있어서, 상기 터널형 소결로의 예열 집진구간부에는, 외부와 연통하는 하나 이상의 압력 조절공이 형성되어, 상기 집진구를 통한 유기가스의 강제 흡기과정에 압력 조절공을 통해 외부공기가 유입되어 예열 집진구간부의 감압 발생이 억제되어서, 상기 예열 집진구간부에 잔류된 유기가스가 집진기에 안정되게 흡기되어 집진되도록 구성한 것을 특징으로 하는 의료기기용 바이오 세라믹스의 소결장치.
제 4항에 있어서, 상기 이송롤러부는, 터널형 소결로에 등간격으로 관통하여 배치되며 세라믹 재질로 제작된 복수의 이송봉과; 상기 터널형 소결로의 외측 양편에 배치되며, 상기 터널형 소결로를 관통한 이송봉의 양단을 지지하는 구동롤러를 포함하여 구성되어, 상기 구동롤러가 열원부에서 방출되는 고온의 열기에 직접 노출되지 아니하도록 구성한 것을 특징으로 하는 의료기기용 바이오 세라믹스 소결장치.
제 4항에 있어서, 상기 소결구간부에는, 예열 집진구간부를 통과한 가압 성형물 850℃까지 가열하여 계면의 용융을 유도하는 1 구간과, 상기 850℃까지 예열된 가압 성형물을 1050℃까지 가열하여 입자간의 네킹을 형성시켜 두 개의 기공을 하나의 기공으로 합치면서 가압된 성형체의 부피를 수축시키는 2 구간, 및 상기 가압 성형물을 1150℃의 온도로 가열시켜 소결하는 3구간이 순차적으로 형성된 것을 특징으로 하는 의료기기용 바이오 세라믹스 소결장치.