KR101496331B1 - 고순도 튜브형 세라믹스 성형 장치 및 이를 이용한 고순도 튜브형 세라믹스 성형 방법 - Google Patents

고순도 튜브형 세라믹스 성형 장치 및 이를 이용한 고순도 튜브형 세라믹스 성형 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 금속 재질의 원통형 코어부의 외면을 감싸는 고무 재질의 내부 몰드; 상기 내부 몰드의 외면을 이격되어 감싸는 고무 재질의 외부 몰드; 및 상기 내부 몰드와 외부 몰드 사이에 형성되며, 상기 이격공간을 밀폐하면서 내부로 이동가능한 상부 덮개 및 하부 덮개를 포함하는 성형 몰드; 및 상기 성형 몰드 외부에서 압력을 가하는 압력가압부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 튜브형 세라믹스 성형 장치 및 이를 이용한 고순도 튜브형 세라믹스 성형 방법에 관한 것이다. 이에 의해, 몰드 내부에서 금속재질과 세라믹스 분체가 접촉되지 않아 순도가 개선된다. 또한, 몰드에 압력을 균일하게 가하여, 튜브 성형체의 형상이 왜곡되지 않고, 원료분말의 손실이 없는 세라믹스 성형체를 제조할 수 있다.
Figure R1020090129696
세라믹, CIP, 몰드

Description

고순도 튜브형 세라믹스 성형 장치 및 이를 이용한 고순도 튜브형 세라믹스 성형 방법{HIGH PURITY TUBE TYPE CERAMIC-MOLDING APPARATUS HIGH PURITY TUBE TYPE CERAMIC-MOLDING METHOD USING SAME}
본 발명은 고순도 튜브형 세라믹스 성형 장치 및 이를 이용한 고순도 튜브형 세라믹스 성형 방법에 관한 것이다.
세라믹스(ceramics)는 원래 도자기를 뜻한다. 점토 등 천연의 원료를 사용해서 만들며, 용기로 사용되어 왔다. 이에 대하여 파인 세라믹스는 고순도의 인공 원료를 사용해서 만들며, 전자재료, 정밀기계 재료 등 다양한 용도에 쓰인다. 또한, 최근에는 생체 재료로도 쓰인다. 파인 세라믹스는 금속이나 플라스틱에 비하여 녹이 슬지 않고 불에 타지 않으며 손상되지 않는 특징을 지닌다. 거기에 전자기적, 광학적, 기계적, 생체공학적으로 뛰어난 특성을 갖는 것이 많다. 파인 세라믹스의 주요한 응용으로는 텔레비전, 에어컨 등 가전제품의 각종 소자, 집적회로의 기반, 콘덴서, 가스누출 센서, 헤어 드라이어, 가스 레인지의 점화장치, 스페이스 셔틀의 내열 타일 등이 있다.
이러한 세리믹스를 제조하는 방법으로는, 슬립 캐스팅법, 원심 성형법, 사출 법, CIP (Cold isostatic pressing)법, HIP (Hot isostatic pressing)법, 프레스법 등이 있다. 특히, 튜브형태의 세라믹스를 성형하기 위해, 예를 들어, 슬립캐스팅법은, 석고 몰드에 레진들을 혼합한 슬러리 (slurry)를 주입하여 성형체를 제조하며, 원심성형법은 원통의 석고 형틀에 슬러리와 접촉, 회전, 건조를 수행하며 성형체를 제조한다. 그러나 슬립 캐스팅법 및 원심성형법의 경우, 슬러리를 제조하기 위해서는 분순물로 작용하는 추가 혼입이 필수적으로 사용되기 때문에, 순도가 99.99% 이상의 분체를 사용한다 하더라도 고순도를 유지한 성형체를 제조하기가 어렵다. 따라서, 고순도를 유지하는 방법으로 통상적으로 CIP 법이 이용된다.
도 1a 은 종래의 CIP 법에 사용되는 몰드의 단면을 도시한다. 도 1a을 참조하면, CIP 몰드 (100) 내부에는 금속 재질의 코어 (110)가 존재하며, 코어 (110) 와 우레탄 몰드 (또는 외부 몰드) (120) 사이에 주입된 세라믹스 분체 (130)가 압력에 의해 튜브 형상으로 성형된다. 그러나 금속재질의 코어 (110)와 세라믹스 분체 (130)가 압력에 의해 접촉하는 경우, 가압 및 이형시 코어 (110)의 금속재질의 분순물이 세라믹스 분체 (130)에 혼합되어 순도가 떨어진다.
또한, 압력이 가해질 때, 세라믹스 분체(130)가 충진된 부분의 상부와 하부에 가해지는 압력의 분균일로 인해 최종적으로 형성된 세라믹스의 형상이 도 1b와 같이 형성된다. 도 1b를 참조하면, 점선으로 표시된 모서리 부분 (1)은 모서리 압력의 분균일로 인해 성형되지 않은 부분과 크랙이 발생한다. 또한, 점선으로 표시된 중간 부분 (2) 과 같이 상 하부 압력 불균일로 인해 왜곡된 튜브 형상이 형성된다.
이와 같이, 종래의 CIP 법은 고순도의 세라믹스 성형체를 제조하기 어려우며, 성형품의 형상이 왜곡되고, 크랙부분의 제거로 인해 원료의 손실이 발생 (약 10%) 한다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 형상이 일정하고 원료 손실이 적으며, 고순도를 유지하는 고순도 튜브형 세라믹스 성형 장치 및 이를 이용한 고순도 튜브형 세라믹스 성형 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 고순도 튜브형 세라믹스 성형 장치는, 금속 재질의 원통형 코어부의 외면을 감싸는 고무 재질의 내부 몰드; 상기 내부 몰드의 외면을 이격되어 감싸는 고무 재질의 외부 몰드; 및 상기 내부 몰드와 외부 몰드 사이에 형성되며, 상기 이격공간을 밀폐하면서 내부로 이동가능한 상부 덮개 및 하부 덮개를 포함하는 성형 몰드; 및 상기 성형 몰드 외부에서 압력을 가하는 압력가압부를 포함하는 것을 특징으로 하여, 세라믹스 분체와 금속 코어의 접촉을 방직하여 고순도를 유지하며, 복수의 압력 전달 홀을 통해 균등한 압력을 가해 형상의 왜곡을 방지한다.
특히, 상기 상부 덮개 및 하부 덮개는 금속 재질의 덮개 코어부; 및 상기 덮개 코어부를 내부에 포함하는 고무 재질의 덮개 외부로 구성된 것을 특징으로 하여, 덮개가 압력에 견디도록 제작하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 상부 덮개 및 하부 덮개의 길이는 상기 내부 몰드 또는 외부 몰드 길이의 5% 이상 50% 이하인 것을 특징으로 하여, 세라믹 분말의 상하부에서 원 활한 압력을 전달할 수 있다.
여기서, 상기 성형 몰드는, 상기 코어부와 상기 내부 몰드 사이에 형성된 이형제를 더 포함하여, 세라믹 분체에 불순물이 섞이는 것을 효과적으로 차단할 수 있다.
또한, 상기 고순도 튜브형 세라믹스 성형장치는, 상기 성형 몰드의 외부를 진공 패킹하는 실링부를 더 포함하여, 내부의 세라믹스 분체를 완벽히 밀폐한다.
특히, 상기 압력가압부는 상기 성형몰드에 압력을 전달하도록 형성된 복수의 압력 전달 홀을 포함하여, 세라믹스 측면부에 더욱 균일한 압력을 전달할 수 있다.
본 발명에 따른, 고순도 튜브형 세라믹스 성형 방법은, (a) 금속 재질의 원통형 코어부 외부에 고무 재질의 내부 몰드를 형성하는 단계; (b) 상기 내부 몰드의 외면에 하부 덮개를 사이에 두고 이격 공간을 형성하도록 고무 재질의 외부 몰드를 형성하는 단계; (c) 상기 이격 공간에 세라믹 분말을 충진하는 단계; (d) 상부 덮개로 상기 이격공간의 상부를 밀폐하여 성형몰드를 형성하는 단계; (e) 상기 성형 몰드를 압력가압부에 투입 후, 상기 외부몰드로 상기 세라믹 분말의 측면부를 가압하고, 상기 상, 하부 덮계를 상기 이격공간 내부로 이동시키며 상기 세라믹 분말의 상, 하부를 가압하는 단계: (f) 상기 세라믹 분말에 가해진 압력을 해압한 후, 상기 성형 몰드로부터 성형된 튜브형 세라믹스를 회수하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 (a) 단계는, (a1) 금속 재질의 원통형 코어부의 외면에 이형제를 도포하는 단계; 및 (a2) 상기 이형제의 외면에 고부 재질의 내부 몰드를 형성하 는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 (c) 단계는, 플레이트 또는 스틱으로 세라믹 분말을 균일하게 충진하는 단계인 것을 특징으로 하여, 세라믹 분말을 균일하게 주입할 수 있다.
또한, 상기 (d) 단계와 (e) 단계 사이에, 상기 성형몰드의 외부를 진공 패킹하여 실링부를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 (e) 단계 중 세라믹 분말의 측면부의 가압은, 상기 압력가압부에 형성된 복수의 압력전달 홀을 통해 상기 외부몰드로 상기 세라믹 분말의 측면부를 가압하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의해, 몰드 내부에서 금속재질과 세라믹스 분체가 접촉되지 않아 순도가 개선된다. 또한, 몰드에 압력을 균일하게 가하여, 튜브 성형체의 형상이 왜곡되지 않고, 원료분말의 손실이 없는 세라믹스 성형 제품을 제조할 수 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 일 실시형태에 따른 고순도 튜브형 세라믹스 성형 장치 및 이를 이용한 고순도 튜브형 세라믹스 성형 방법에 대해서 상세히 설명한다. 다만, 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 고순도 튜브형 세라믹스 성형장치의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 고순도 튜브형 세라믹스 성형장치는 코어부 (110), 외부 몰드 (120), 내부 몰드 (140), 상부 덮개 (150), 하부 덮개 (160), 압력 가압부 (180), 및 압력전달 홀 (170)을 포함한다. 더욱 상세하게는, 내부 몰드 (140)는 금속 재질의 원통형 코어부 (110)의 외면을 감싸며, 외부 몰드 (120)는 내부 몰드 (140)의 외면을 이격되어 감싼다. 여기서 내부 몰드 (140)와 외부 몰드 (120)는 모두 고무 재질이다. 특히, 상기 코어부 (110)와 상기 내부 몰드 (140) 사이에 이형이 가능한 Si 오일 등의 유기 오일을 도포하는 것이 바람직하다. 또한, 상부 덮개 (150) 및 하부 덮개 (160)는 내부 몰드 (140)와 외부 몰드 (120)가 이격된 공간의 상부 및 하부에 각각 형성된다. 특히, 상, 하부 덮개 (150 및 160)는 내부 몰드 (140)와 외부 몰드 (120)의 이격공간을 밀폐하면서 내부로 이동가능하여 압력을 상, 하에서 가할 수 있다.
여기서, 상, 하부 덮개 (150 및 160)의 길이는 내부 몰드 (140) 또는 외부 몰드 (120) 길이의 5% 내지 50% 인 것이 바람직하다. 이는 내, 외부 몰드 사이의 세라믹 분말의 상하부에 원활한 압력을 전달하기 위함이다.
이와 같이, 외부 몰드 (120), 내부 몰드 (140), 상, 하부 덮개 (150 및 160)로 이루어진 구조를 성형 몰드로 지칭한다. 또한, 압력가압부 (180)는 이러한 성형 몰드 외부 중 측면에서 압력을 가하며, 특히 복수의 압력 전달 홀 (170)을 통해 균일하게 가압할 수 있다. 그 결과, 압력 가압부 (180)에서 전달되는 측면부의 압력 이외에도 상, 하부 덮개 (150 및 160)에서 가압되는 압력으로 인해 종래 기술과 같은 상, 하부 압력 불균형으로 이한 왜곡된 형상을 방지할 수 있다.
또한, 고무 재질의 내부 몰드 (140)로 인해 고순도 세라믹 분말 (130)이 금속 코어 (110)와 직접 접촉되지 않아, 가압 및 해압시에 불순물이 혼합되는 것을 방지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 고순도 튜브형 세라믹스 성형장치의 결합관계를 나타내는 구성도이다.
도 3을 참조하면, 그림 (a)에서 서스테인, 알루미늄 등의 금속 재질로 이루어진 원통형 코어부 (110)를 감싸도록 우레탄 등의 고무재질의 내부 몰드 (140)에 삽입한다. 이 경우, 전술한 이형제를 도포한 후에 삽입하는 것이 바람직하다. 그 후, 그림 (b)와 같이, 고무 재질의 외부 몰드 (120)에 이격공간을 형성하도록 삽입한다. 그 후, 그림 (c)와 같이, 상부 및 하부 덮개 (150 및 160)를 내부 몰드와 외부 몰드의 상, 하부의 이격공간의 상, 하에 각각 삽입한다. 이 경우 상, 하부 덮개 (150 및 160)는 이격공간을 밀폐하면서 내부로 이동가능하도록 형성된다. 더욱 상세하게는, 상, 하부 덮개 (150 및 160)는 경질 금속, 세라믹스등의 재질로 된 코어부 (10a 및 10b)를 우레탄 재질의 덮개 외부 (20a 및 20b)의 중심부의 홈과 일체화시켜 제작된다. 즉, 덮개 외부 (20a 및 20b)의 내부의 홈에 덮개 코어부 (10a 및 10b)가 포함되도록 구성된다. 여기서 덮개 코어부 (10a 및 10b)를 내장시키는 이유는 압력을 가하는 경우, 덮개 (150 및 160)의 내구성을 향상시키기 위함이다.
또한, 덮개 (150 및 160)를 삽입하는 경우, 고순도 세라믹 분체 (130)를 충진하기 위해 하부 덮개 (160)를 먼저 삽입하고 상부 덮개 (150)를 삽입한다. 그 후, 그림 (d)에 도시된 바와 같이, 진공으로 성형몰드 외부를 라텍스, 비닐 등의 재질로 진공으로 실링하여 실링부 (50)를 형성한다. 진공을 실링시, 도시된 진공 펌프 (40)를 이용하는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명에 따른 고순도 튜브형 세라믹스 성형장치의 성형몰드의 결합관계를 나타내는 상면도이다. 도 4를 참조하면, 상부덮개 (150)가 내무 몰드 (140)와 외부 몰드 (120) 사이에 충진된 고순도 세라믹 원료 분말 (130) 부분으로 밀려들어 가도록 삽입된다. 여기서 상부덮개 (150)는 전술한 바와 같이 덮개 외부 (2a) 내부에 경질 금속, 세라믹스 등의 재질로 된 덮개 코어부 (10a)가 내장된 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 고순도 튜브형 세라믹스 성형 장치를 이용하여 고순도 세라믹스 성형하는 방법을 나타내는 블록도이다.
도 5는 세라믹 분체를 충진하는 것을 제외하고는 도 4의 과정과 동일하므로 상세한 결합과정은 생략한다. 우선 금속 코어 (110)에 이형제를 도포한다 (S1). 그 후, 코어에 내부 몰드 (120)를 체결한다 (S2). 그리고, 내부 몰드 (140)와 외부 몰드 (120) 사이에 하부 덮개 (160)를 삽입한다 (S3). 그 다음, 이격공간에 세라믹 분말 (130)을 충진한다 (S4). 이 경우, 진동 플레이트 또는 막대 등을 이용하여 고순도 세라믹 분말 (130)을 이격공간에 균일하게 투입, 충진하는 것이 바람직하다. 그리고 세라믹 분말 (130)을 밀폐하도록 내부몰드 (140)와 외부 몰드 (120) 사이에 상부 덮개 (150)을 삽입하여 성형몰드를 형성한다 (S5). 그 후, 이와 같이 형성된 성형몰드를 라텍스 진공으로 패킹한다 (S6). 이 패킹은 진공으로 실링됨으로써, 내부의 세라믹스 분체를 완벽히 밀폐한다. 그 다음, 실링된 성형 몰드를 가압하도록 복수의 압력 전달 홀 (170)을 갖는 압력 가압부 (180)에 넣고 가압 및 해압한다 (S7). 여기서, 압력 가압부 (180)는 실링부 (50) 외부를 물로 채우고 수압으로 성형몰드의 상, 하, 측면을 가압 해압하는 것이 바람직하다. 그리고 최종적으로 성형 몰드로부터 성형된 튜브형 세라믹스를 회수한다 (S8).
아래의 표는 종래 기술에 따라 제조된 튜브형 세라믹스 제품과 본 발명에 따라 제조된 고순도 튜브형 세라믹스 제품의 순도 및 손실도를 나타낸다.
순도 미성형 손실비율
종래의 성형 몰드를 이용한 성형 제품 98~99.99% 20~30%
본 발명의 성형 몰드를 이용한 성형 제품 99.99~99.999999% 5%
표 1을 참조하면, 순도가 향상되며, 미성형 손실 비율이 15 내지 25% 정도 감소함을 알 수 있다.
여기서, 순도의 향상은 제조된 튜브형 세라믹스 성형 제품은 종래의 기술과 달리, 코어부의 금속 재질과 원료 분말인 고순소 세라믹스 분체가 직접 접촉하지 않아 고순도를 유지할 수 있기 때문이다. 또한, 미성형 손실 비율의 감소는 상, 하부 덮개를 통해 원료 분말을 상, 하에서도 가합하여 전체적으로 균일한 압력을 가함으로써, 기존의 제품처럼 모서리 부분의 미성형 부분이나 크랙이 발생하지 않아 원료 손실을 방지할 수 있기 때문이다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1a 은 종래의 CIP 법에 사용되는 몰드의 단면도.
도 1b 는 종래의 CIP 법에 의해 제조된 튜브형 세라믹스 성형품의 단면도
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 고순도 튜브형 세라믹스 성형장치의 단면도
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 고순도 튜브형 세라믹스 성형장치의 결합관계를 나타내는 구성도
도 4는 본 발명에 따른 고순도 튜브형 세라믹스 성형장치의 성형몰드의 결합관계를 나타내는 상면도
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 고순도 튜브형 세라믹스 성형 장치를 이용하여 고순도 세라믹스 성형 방법을 나타내는 블록도
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
110: 코어부 120: 외부 몰드
130: 고순도 세라믹 분체 140: 내부 몰드
150: 상부 덮개 160: 하부 덮개
170: 압력전달 홀 10a, 10b: 덮개 코어부
20a, 20b: 덮개 외부 40: 진공 펌프
50: 실링부

Claims (11)

  1. 금속 재질의 원통형 코어부의 외면을 감싸는 고무 재질의 내부 몰드;
    상기 내부 몰드의 외면을 이격되어 감싸는 고무 재질의 외부 몰드; 및
    상기 내부 몰드와 외부 몰드 사이에 형성되며, 상기 이격공간을 밀폐하면서 내부로 이동가능한 상부 덮개 및 하부 덮개를 포함하는 성형 몰드; 및
    상기 성형 몰드 외부에서 압력을 가하는 압력가압부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 튜브형 세라믹스 성형 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 상부 덮개 및 하부 덮개는,
    금속 재질의 덮개 코어부; 및
    상기 덮개 코어부를 내부에 포함하는 고무 재질의 덮개 외부로 구성된 것을 특징으로 하는 고순도 튜브형 세라믹스 성형 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 상부 덮개 및 하부 덮개의 길이는 상기 내부 몰드 또는 외부 몰드 길이의 5% 이상 50% 이하인 것을 특징으로 하는 고순도 튜브형 세라믹스 성형 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 성형 몰드는,
    상기 코어부와 상기 내부 몰드 사이에 형성된 이형제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 튜브형 세라믹스 성형 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 고순도 튜브형 세라믹스 성형 장치는,
    상기 성형 몰드의 외부를 진공 패킹한 실링부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 튜브형 세라믹스 성형 장치.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력가압부는 상기 성형몰드에 압력을 전달하도록 형성된 복수의 압력 전달 홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 튜브형 세라믹스 성형 장치.
  7. (a) 금속 재질의 원통형 코어부 외부에 고무 재질의 내부 몰드를 형성하는 단계;
    (b) 상기 내부 몰드의 외면에 하부 덮개를 사이에 두고 이격 공간을 형성하도록 고무 재질의 외부 몰드를 형성하는 단계;
    (c) 상기 이격 공간에 세라믹 분말을 충진하는 단계;
    (d) 상부 덮개로 상기 이격공간의 상부를 밀폐하여 성형몰드를 형성하는 단계;
    (e) 상기 성형 몰드를 압력가압부에 투입 후, 상기 외부몰드로 상기 세라믹 분말의 측면부를 가압하고, 상기 상, 하부 덮개를 상기 이격공간 내부로 이동시키며 상기 세라믹 분말의 상, 하부를 가압하는 단계:
    (f) 상기 세라믹 분말에 가해진 압력을 해압한 후, 상기 성형 몰드로부터 성형된 튜브형 세라믹스를 회수하는 단계를 포함하는 고순도 튜브형 세라믹스 성형 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    (a1) 금속 재질의 원통형 코어부의 외면에 이형제를 도포하는 단계; 및
    (a2) 상기 이형제의 외면에 고무 재질의 내부 몰드를 형성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 고순도 튜브형 세라믹스 성형 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    플레이트 또는 스틱으로 세라믹 분말을 균일하게 충진하는 단계인 것을 특징으로 하는 고순도 튜브형 세라믹스 성형 방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 (d) 단계와 (e) 단계 사이에,
    상기 성형몰드의 외부를 진공 패킹하여 실링부를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 튜브형 세라믹스 성형 방법.
  11. 제 7항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (e) 단계 중 세라믹 분말의 측면부의 가압은,
    상기 압력가압부에 형성된 복수의 압력전달 홀을 통해 상기 외부몰드로 상기 세라믹 분말의 측면부를 가압하는 것을 특징으로 하는 고순도 튜브형 세라믹스 성형 방법.
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