KR101457146B1 - 탄화규소 필터의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄화규소 필터의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 복수의 셀로 이루어진 세그먼트를 제조한 후 열처리 하는 제 1 단계; 제 1 단계에서 제조된 세그먼트를 접합하여 세그먼트 집합물을 제조한 후, 상기 세그먼트 집합물의 외벽 면을 연삭가공하는 제 2 단계; 제 2 단계에서 제조된 세그먼트 집합물의 셀을 밀봉하여 밀봉된 세그먼트 집합물을 제조하는 제 3 단계; 및 제 3 단계에서 제조된 밀봉된 세그먼트 집합물을 열처리하는 제 4 단계를 포함하는 탄화규소 필터의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 종래의 탄화규소 필터의 제조방법에 있어서, 단위 세그먼트 별로 플러깅 공정을 수행하고, 소성 과정을 거치는 방법을 개선하여, 세그먼트 집합물 전체로 플러깅 공정 및 열처리 단계를 수행하고, 이에 따라 탄화규소 필터의 가공 오차를 개선하고 공정시간을 단축한 것을 특징으로 한다.
탄화규소 필터, 세그먼트, 가공 오차, 수축률, 플러깅, 공정 시간.
Description
본 발명은 탄화규소 필터의 제조방법에 관한 것으로, 탄화규소 필터를 구성하는 단위 세그먼트의 소성 과정 중 수축률 편차에 의해 발생하는 탄화규소 필터 전체의 가공 오차를 줄이고, 공정 시간을 단축할 수 있는 탄화규소 필터의 제조방법에 관한 것이다.
디젤 엔진은 가솔린 엔진에 비해 약 20 내지 30% 이상의 높은 연료 효율과 긴 내구성을 갖는다. 또한, 디젤 엔진은 가솔린 엔진에서 주로 배출되는 CO2, CO 및 증발 탄화수소 등의 배출량이 상대적으로 적어 환경적인 측면에서도 긍정적으로 평가되고 있다. 그러나, 디젤 엔진은 가솔린 엔진에 비해 배출 가스 방지 기술이 뒤떨어지며, 디젤 엔진에서 주로 배출되는 질소 산화물, 매연(soot) 등의 입자상 물질(Particulate Material; PM)은 대기 오염의 주범으로 인식되고 있다. 상기 입자상 물질은 도심 등에서 발생되는 다른 어떤 입자보다 많은 빛을 흡수하고, 따라서 시정을 감소시킨다. 또한, 상기 입자상 물질은 미세하고, 많은 양의 화학 물질을 포함하고 있어, 대기질 저하, 호흡기 질환, 또는 폐암 발생과 같은 건강상 및 재산상 피해를 유발한다.
디젤 엔진의 배출 가스 중 매연을 저감시키기 위한 방법으로는 엔진의 연소실 개선 또는 산화 촉매 (Diesel Oxidation Catalyst; DOC)를 사용하는 방법을 들 수 있다. 그러나, 상기 방법만으로는 매연을 완전히 제거하는데 한계가 있다.
이에 따라 입자상 물질을 세라믹 분진필터(DPF; Diesel Particulate Filter) 등을 이용하여 물리적으로 제거하는 방법이 주목을 받고 있는데, 이러한 세라믹 분진 필터는 일반적으로 다공질 허니컴 구조체로 되어 있다.
도 1은 이러한 DPF의 세라믹 분진 필터를 구성하는 세그먼트를 도시한 것이고, 도 2는 세라믹 분진 필터의 다공질 허니컴 구조체를 도시한 것이다. 다공질 허니컴 구조체는 배기 흐름과 평행하게 형성되는 다수의 셀(2)을 갖고, 인접 셀은 다공성 칸막이 벽으로 분리되고, 셀의 입구 측(1a) 및 출구 측(1b)의 단면은 밀봉재(4)에 의하여 교대로 밀봉되어 있다. 배기 가스(G)는 밀봉되지 않은 셀의 입구 측으로 도입되고, 도입된 배기가스는 셀의 출구 측이 밀봉되어 있어 다공성 칸막이 벽(3)을 통과하게 된다. 다공성 칸막이 벽을 통과하는 동안 입자상 물질은 다공성 칸막이 벽에 포집된다. 이렇게 포집된 입자상 물질이 과도하게 축적되면 필터의 압력손실 및 엔진 출력 저하가 초래될 우려가 있어, DPF에서는 포집된 입자상 물질을 일정시간마다 전기히터 또는 버너와 같은 외부 착화 수단으로 연소하여 제거하는 재생과정을 필요로 한다.
종래에 상기와 같은 세라믹 분진 필터의 소재로는 코디어라이트 (cordierite)계 세라믹이 주로 사용되어 왔다. 코디어라이트는 열충격성이 우수하고, 열팽창계수가 작기 때문에 열팽창 차이에 의한 크랙은 발생하지 않으며, 다양한 크기 및 형상의 구조체로 자유롭게 제조될 수 있다는 장점을 가진다. 그러나 코디어라이트는 녹는점이 낮기 때문에, 세라믹 분진 필터 등의 용도로 사용될 경우 구조체의 재생과정, 즉 고온의 열을 가하여 흡착된 분진을 제거하는 고온처리 과정에서 국부적으로 용해되거나 파괴되는 문제점을 가지고 있다.
이에 따라 최근에는 녹는점이 높고, 열전도 특성이 우수한 탄화규소(SiC; Silicon Carbide) 필터가 주목받고 있다. 탄화규소는 열전도도가 높아 세라믹 분진 필터의 재생과정에 유리한 장점이 있으나 열팽창 계수가 크기 때문에, 가열 및 냉각과정에서 발생하는 스트레스에 의해 균열(crack)이 발생한다는 문제점이 있다. 따라서 탄화규소 필터는 코디어라이트와 같이 모노리스(monolith) 형태로는 제작이 어렵고, 일반적으로 도 1에 도시한 바와 같이 사각 기둥 형상의 세그먼트로 제작한 후, 이를 다수 개 접합하여 집합체로 사용되고 있다. 도 3은 이러한 세그먼트 집합체를 도시한 것이다.
이러한 세그먼트가 집합된 탄화규소 필터를 제조하기 위하여 종래에는 복잡한 공정을 거쳐 제조하였는데, 도 4는 종래의 탄화규소 필터의 제조공정도이다.
상기 제조공정은 세그먼트 혼합물을 이용하여 허니컴 구조의 사각 기둥 형상의 세그먼트를 압출하는 단계(a), 세그먼트 셀의 입구 측 또는 출구 측을 교대로 밀봉하는 단계(b), 밀봉된 세그먼트를 소성하는 단계(c), 접합재를 이용하여 세그 먼트를 접합하여 일체화하는 단계(d); 외벽 면을 가공하는 단계(e)로 이루어진다.
이러한 종래의 공정은 탄화규소 필터의 생산성을 저하시키고, 세그먼트의 접합 공정에서 세그먼트의 상하 면의 정렬이 정확히 일어나기 어려워 탄화규소 필터 전체의 가공 오차 등의 문제점을 발생시킨다. 이러한 가공 오차는 단위 세그먼트들의 직진도 차이, 건조 및 소성 과정에서 발생되는 수축률의 편차 등이 그 원인이 되고 있다. 이러한 단위 세그먼트의 상하면의 정렬이 정확히 일어지 않는 경우에 접합 후 가공 공정에서 필터 전체의 가공오차를 줄이기 위하여 셀을 절단하는 경우 밀봉(plugging) 부위의 손상을 가져 올 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로, 탄화규소 필터의 제조공정을 개선하여 단위 세그먼트의 직진도의 차이, 건조 및 소결 공정에서 발생하는 수축률의 편차 및 세그먼트 정렬상의 정밀 오차 등에 기인하는 가공 오차를 줄이고, 공정 시간을 단축하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서 복수의 셀로 이루어진 세그먼트를 제조한 후 열처리 하는 제 1 단계; 제 1 단계에서 제조된 세그먼트를 접합하여 세그먼트 집합물을 제조한 후, 상기 세그먼트 집합물의 외벽 면을 연삭가공하는 제 2 단계; 제 2 단계에서 제조된 세그먼트 집합물의 셀을 밀봉하여 밀봉된 세그먼트 집합물을 제조하는 제 3 단계; 및 제 3 단계에서 제조된 밀봉된 세그먼트 집합물을 열처리하는 제 4 단계를 포함하는 탄화규소 필터의 제조방법을 제공한다.
상기 제조방법에 있어서, 제 1 단계의 열처리 온도는 500 내지 1000℃인 것이 바람직하다. 또한 상기 제조방법에 있어서, 제 4 단계의 열처리 온도는 1300 내지 1400℃인 것이 바람직하다.
본 발명의 탄화규소 필터의 제조방법은 단위 세그먼트의 직진도의 차이, 건조 및 소성 공정에서 발생하는 수축률의 편차 및 세그먼트 정렬상의 정밀 오차 등 에 기인하는 가공 오차를 개선하고, 공정 시간을 단축하였다.
본 발명은 복수의 셀로 이루어진 세그먼트를 제조한 후 열처리 하는 제 1 단계; 제 1 단계에서 제조된 세그먼트를 접합하여 세그먼트 집합물을 제조한 후, 상기 세그먼트 집합물의 외벽 면을 연삭가공하는 제 2 단계; 제 2 단계에서 제조된 세그먼트 집합물의 셀을 밀봉하여 밀봉된 세그먼트 집합물을 제조하는 제 3 단계; 및 제 3 단계에서 제조된 밀봉된 세그먼트 집합물을 열처리하는 제 4 단계를 포함하는 탄화규소 필터의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 복수의 셀로 이루어진 세그먼트를 접합하여 세그먼트 집합물을 제조한 후 세그먼트 집합물 전체를 밀봉하여 공정시간을 단축하고, 단위 세그먼트의 소결 공정에서 발생하는 수축률의 편자를 개선한 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 탄화규소 필터의 제조방법의 각 단계를 구체적으로 설명한다.
본 발명의 제 1 단계는 탄화규소 필터를 구성하는 단위 세그먼트를 제조하는 단계이다. 본 발명에서 탄화규소 세그먼트를 제조하는 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면 상기 세그먼트는 탄화규소 분말, 무기 바인더, 유기 바인더 및 조공제를 배합한 슬러리 또는 페이스트를 제조하고, 압출 성형, 절단, 및 건조 등의 일반적인 공정을 거쳐서 제조될 수 있다. 보다 구체적으로 세그먼트는 복수의 셀로 이루어져 사각 기둥 형태로 압출될 수 있으나, 압출 성형품의 형상이 특별히 제한되는 것은 아니다. 압출된 세그먼트는 마이크로 웨이브(microwave drying)에 통과시켜 성형품의 변형이 없도록 건조하고, 열풍 건조(hot air drying)를 통하여 세그먼트에 남아 있는 수분을 완전히 건조 시키는 과정을 거칠 수 있다.
종래에는 세그먼트의 제조단계에서 세그먼트의 셀을 밀봉하는 플러깅 공정을 수행하고, 소성 공정을 수행하였다. 그러나 단위 세그먼트 별로 플러깅 공정을 수행함에 따라 공정 시간이 길어지고, 소성 공정 중 단위 세그먼트의 수축률의 편차에 의하여 세그먼트의 접합 시 가공 오차가 발생하는 문제점이 있었다. 이에 따라 본 발명에서는 세그먼트의 제조 단계에서 플러깅 공정 및 소성 공정을 수행하지 않는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 세그먼트의 제조 단계 이후에 열처리 단계를 수행한 후 세그먼트의 접합단계에 적용될 수 있다. 열처리 단계를 통하여 세그먼트의 강도가 향상되어 세그먼트의 접합을 보다 수월하게 수행할 수 있다. 상기 열처리 단계의 온도는 세그먼트의 수축률의 편차를 유발하지 않는 범위 내에서 수행하여야 하고, 500 내지 1000℃인 것이 바람직하다. 상기 온도가 500℃ 미만이면 강도 향상이 충분하지 않고, 1000℃를 초과하면 세그먼트 수축률의 편차가 발생하게 된다.
본 발명의 제 2 단계는 제 1 단계에서 제조된 세그먼트를 접합하는 단계이다. 세그먼트를 접합하는 방법은 특별히 제한되지 않고, 예를 들면 세그먼트의 외주면에 접합재를 도포하고, 접합 및 건조시키는 방법을 들 수 있다. 이때 사용될 수 있는 접합재는 특별히 제한되지 않고, 실리카 솔 또는 알루미나 솔 등과 같이 이 분야에 알려진 통상의 접합재를 제한 없이 사용할 수 있다. 접합이 끝난 세그먼트 집합물은 열풍 건조기를 통하여 충분히 건조시켜서 세그먼트 집합물에 남아 있는 수분을 완전히 제거할 수 있다.
상기 제 2 단계를 통하여 접합된 세그먼트 집합물의 외벽 면을 가공하는 단계를 수행하고, 세그먼트 집합물의 셀을 밀봉하는 제 3 단계에 적용할 수 있다. 세그먼트 집합물의 외벽면을 가공하는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 연삭 공구를 사용하여 원형 또는 각형 등의 형태로 집합물의 외벽 면을 가공하는 방법을 사용할 수 있다. 이러한 외벽 면의 가공 시에 세그먼트 집합물의 셀이 오픈되는 경우가 있어, 이에 따라 외벽 면을 가공하는 단계는 외벽 마감재로 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 외벽 마감재로 처리하는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 접합재와 유사한 조성의 외벽 마감재로 외벽 면을 도포 및 건조하는 방법을 사용할 수 있다.
본 발명의 제 3 단계는 제 2 단계에서 제조된 세그먼트 집합물의 셀을 밀봉하는 단계이다. 세그먼트 집합물의 셀을 밀봉하는 방법은 특별히 제한되지 않고, 이 분야에서 알려진 통상의 방법을 사용할 수 있다. 예를 들면 세그먼트 슬러리 또는 페이스트와 유사한 조성물을 이용하여 세그먼트 집합물의 셀의 입구 측 또는 출구 측을 교대로 밀봉할 수 있다. 본 발명에서는 단위 세그먼트를 접합재로 접합한 후에 한번의 플러깅 공정을 수행하여 공정 시간을 단축할 수 있는 장점이 있다.
상술한 바와 같이 세그먼트를 접합하고, 외벽 면을 가공한 후에 플러깅 공정을 수행할 수 있고, 플러깅 공정을 수행한 후에 집합물의 외벽 면을 가공하는 공정을 수행할 수 도 있다.
본 발명의 제 4 단계는 제 3 단계에서 제조된 밀봉된 세그먼트 집합물을 열처리하는 단계이다.
밀봉된 세그먼트 집합물을 열처리함으로써, 세그먼트에 남아 있는 유기 바인더를 제거하고, 무기 바인더를 결정화하여 탄화규소의 결합을 강화하여 탄화규소 필터를 제조하게 된다. 본 발명에서는 단위 세그먼트 별로 소성 공정을 수행하지 않고, 집합된 상태에서 열처리 과정을 수행하여 세그먼트 수축률 편차에 의한 가공 오차를 줄였다.
상기 열처리 온도는 유기 바인더를 제거하고, 무기 바인더에 의하여 탄화규소를 결합할 수 있는 범위이면 특별히 제한되지 않는다.
예를 들어 무기 바인더로 탄화규소 분말 등을 사용하는 경우에는 1600℃이상인 것이 바람직하고, 점토 또는 장석 등을 사용하는 경우에는 1300 내지 14000℃인 것이 바람직하다. 상기 점토 또는 장석 등을 사용하는 경우는 별도의 분위기 제어 없이 산화분위기에서 열처리할 수 있어 보다 바람직하다.
탄화규소 필터는 상기 단계를 거친 후 일반적으로 캐닝(canning)되어 사용된다. 캐닝 공정은 탄화규소 필터를 철판으로 감싸고 철판 접합 면을 결합하는 방법으로 수행되고, 필터의 앞부분과 뒷부분에 파이프를 연결하여 자동차의 배기구에 접합하기 좋은 형태로 사용된다.
도 1은 탄화규소 필터를 구성하는 탄화규소 세그먼트의 사시도이다.
도 2는 탄화규소 필터를 구성하는 탄화규소 세그먼트의 단면도이다.
도 3은 탄화규소 세그먼트가 접합물에 의하여 접합된 탄화규소 필터의 사시도이다.
도 4는 종래 방법에 따른 탄화규소 필터의 제조공정도이다.
도 5는 본 발명에 따른 탄화규소 필터의 제조공정도이다.
<도면 부호의 설명>
1: 탄화규소 세그먼트 2: 셀
3: 다공성 칸막이 벽 4: 밀봉재
5: 접합재
Claims (6)
- 복수의 셀로 이루어진 세그먼트를 제조한 후 열처리 하는 제 1 단계;제 1 단계에서 제조된 세그먼트를 접합하여 세그먼트 집합물을 제조한 후, 상기 세그먼트 집합물의 외벽 면을 연삭가공하는 제 2 단계;제 2 단계에서 제조된 세그먼트 집합물의 셀을 밀봉하여 밀봉된 세그먼트 집합물을 제조하는 제 3 단계; 및제 3 단계에서 제조된 밀봉된 세그먼트 집합물을 열처리하는 제 4 단계를 포함하는 탄화규소 필터의 제조방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,제 1 단계의 열처리 온도는 500 내지 1000℃인 것을 특징으로 하는 탄화규소 필터의 제조방법.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,제 4 단계의 열처리 온도는 1300 내지 1400℃인 것을 특징으로 하는 탄화규소 필터의 제조방법.
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