KR101556966B1 - 저온 소결법을 이용한 히터용 탄화규소(SiC) 다공체의 제조방법 - Google Patents

저온 소결법을 이용한 히터용 탄화규소(SiC) 다공체의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저온 소결법을 이용한 히터용 탄화규소(SiC) 다공체의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄화규소(SiC) 다공체에 1종, 2종, 4종의 금속분말 중에서 선택되는 분말을 첨가하여 슬러리(slurry) 용액을 만들어 줌으로써, 금속분말의 크기와 첨가되는 양에 따라 저항을 조절할 수 있고, 탄화규소 다공체에 금속분말과 산화물인 프리트(Frit) 분말을 이용하여 슬러리 용액을 만든 후 일반적인 디핑(Dipping) 방법 또는 스프레이(Spray) 방식으로 코팅하여 탄화규소 다공체에 슬러리 용액을 안착시켜 줌으로써, 히터의 크기와는 무관하게 다공체 히터의 제조가 용이하며, 400 내지 1000℃의 프리트(Frit) 분말의 소결온도만으로 전도성을 확보할 수 있음으로써, 저온 소결을 통한 가격 경쟁력을 확보할 수 있고, 프리트(Frit) 분말의 종류, 함량, 입자 크기에 따라 소결 온도의 조절이 가능하며, 헤어 드라이기, 순간온수기, 냉온수기, 세탁기용 건조기, 가스레인지에 적용할 수 있으므로 그 사용 및 적용 대상이 광범위하다.

Description

저온 소결법을 이용한 히터용 탄화규소(SiC) 다공체의 제조방법{The manufacturing method of silicon carbide porous for heater using low temperature sintering}
본 발명은 탄화규소(SiC) 다공체에 1종, 2종, 4종의 금속분말 중에서 선택되는 분말을 첨가하여 슬러리(slurry) 용액을 만들어 줌으로써, 금속분말의 크기와 첨가되는 양에 따라 저항을 조절할 수 있고, 탄화규소 다공체에 금속분말과 산화물인 프리트(Frit) 분말을 이용하여 슬러리 용액을 만든 후 일반적인 디핑(Dipping) 방법 또는 스프레이(Spray) 방식으로 코팅하여 탄화규소 다공체에 슬러리 용액을 안착시켜 줌으로써, 히터의 크기와는 무관하게 다공체 히터의 제조가 용이하며, 400 내지 1000℃의 프리트(Frit) 분말의 소결온도만으로 전도성을 확보할 수 있음으로써, 저온 소결을 통한 가격 경쟁력을 확보할 수 있고, 프리트(Frit) 분말의 종류, 함량, 입자 크기에 따라 소결 온도의 조절이 가능하며, 헤어 드라이기, 순간온수기, 냉온수기, 세탁기용 건조기, 가스레인지에 적용할 수 있으므로 그 사용 및 적용 대상이 광범위한 저온 소결법을 이용한 히터용 탄화규소(SiC) 다공체의 제조방법에 관한 기술이다.
최근 들어, 환경 문제로서 디젤 엔진의 배기가스 처리나, 산업 폐기물 소각시의 배기가스 처리(탈취) 등이 문제가 되고 있으며, 그 처리 방법으로서 내연기관의 배기 경로 상에 배기가스 필터를 설치해, 배기가스 중의 미립자를 포집해 더욱이 그 포집된 미립자를 발화 해 연소시킨다는 처리 기술이 넓게 연구되고 있다.
또한 각종 가정에서 사용하고 있는 많은 제품들인 헤어 드라이기, 순간온수기, 냉온수기, 세탁기용 건조기, 가스레인지, 보일러 등에 금속으로 만든 히터를 사용하고 있다.
하지만, 도 1에 도시한 바와 같은 금속류로 만든 알루미늄 히터의 경우는 플레이트(plate) 구조로 열 교환의 효과가 저조할 뿐만 아니라 내열 충격성에 대한 문제도 갖고 있다. 그러므로 예를 들어, 순간온수기와 냉온수기 및 보일러에 적용되는 경우, 열 교환의 효과가 저조하고 내열 충격성이 약하며, 헤어 드라이기와 세탁기용 건조기와 가스레인지에 적용되는 경우 전력 소모가 많은 문제점을 갖고 있다.
한편, 반응소결 탄화규소는 내열, 내부식 및 기계적 특성이 우수할 뿐만 아니라 제조공정의 경제성이 높기 때문에 고온 열 교환기 소재, 고온 구조재료 및 일반 내부식성 산업용 소재 등에 주로 응용되고 있다.
또한, 반응소결 탄화규소는 소결 후 성형체의 원래 치수와 형상을 유지할 수 있기 때문에 최소한의 가공만으로 원하는 형태의 탄화규소 제품을 제조할 수 있어 상업적 가치가 높은 것으로 평가되고 있다.
이러한 반응소결 탄화규소는 탄화규소와 잔류 규소로 구성되어 있으며, 성형체의 미세구조 및 밀도를 제어함으로써 다양한 기계적, 전기적 특성을 갖는 제품을 제조할 수 있다. 특히, 고순도 반응소결 탄화규소는 반도체 공정에 사용되는 반응관, 서셉터(susceptor) 및 히터(heater) 소재로 개발되어 사용되고 있으며, 최근에는 다공질 반응소결 탄화규소 제품이 디젤엔진용 분진필터로 사용되고 있다.
고온용 필터 개발을 위하여 가격 경쟁력이 높고 우수한 열, 기계적 특성을 갖는 다공질 반응소결 탄화규소 소재를 개발하기 위하여 탄화규소 및 카본으로 이루어진 성형체에 용융 규소를 침윤시켜 제조된 반응소결 탄화규소를 1800 ℃ 이상의 고온에서 잔류 규소 중 일부를 증발시켜 다공질 반응소결 탄화규소를 제조하는 기술 및 성형체에 과잉 그라파이트(graphite) 입자를 사용하여 반응소결 후 그라파이트를 산화시켜 제거하여 다공질 반응소결 탄화규소를 제조하는 기술이 알려져 있다.
그러나, 공지된 다공질 반응소결 탄화규소 제조공정은 다공질 반응소결 탄화규소 내 기공의 미세구조 및 기공율을 제어하는데 있어 어려움이 있다.
이외에도 무기질 소재를 사용하여 탄화규소 입자사이에 넥(neck)상을 형성한 점토 결합 다공질 탄화규소 소재가 개발되어 디젤 엔진 분진 필터 소재로 사용되고 있다.
그러나, 현재까지 개발된 다공질 탄화규소 소재는 파괴시 취성파괴가 일어나기 때문에 높은 신뢰성이 요구되는 발전용 고온 가스 필터 소재로 적용하는데 많은 문제점이 있다.
따라서 탄화규소(SiC) 다공체에 1종, 2종, 4종의 금속분말 중에서 선택되는 분말을 첨가하여 슬러리(slurry) 용액을 만들어 주어 금속분말의 크기와 첨가되는 양에 따라 저항을 조절할 수 있고, 탄화규소 다공체에 금속분말과 산화물인 프리트(Frit) 분말을 이용하여 슬러리 용액을 만든 후 일반적인 디핑(Dipping) 방법 또는 스프레이(Spray) 방식으로 코팅하여 탄화규소 다공체에 슬러리 용액을 안착시켜 주므로 히터의 크기와는 무관하게 다공체 히터의 제조가 용이하며, 400 내지 1000℃의 프리트(Frit) 분말의 소결온도만으로 전도성을 확보할 수 있어 저온 소결을 통한 가격 경쟁력을 확보할 수 있는 저온 소결법을 이용한 히터용 탄화규소(SiC) 다공체의 제조방법의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
KR 10-2007-0020641(2007. 2. 28)
이에 본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 착상된 것으로서, 탄화규소(SiC) 다공체에 1종, 2종, 4종의 금속분말 중에서 선택되는 분말을 첨가하여 슬러리(slurry) 용액을 만들어 줌으로써, 금속분말의 크기와 첨가되는 양에 따라 저항을 조절할 수 있는 저온 소결법을 이용한 히터용 탄화규소(SiC) 다공체의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한 본 발명의 목적은 탄화규소 다공체에 금속분말과 산화물인 프리트(Frit) 분말을 이용하여 슬러리 용액을 만든 후 일반적인 디핑(Dipping) 방법 또는 스프레이(Spray) 방식으로 코팅하여 탄화규소 다공체에 슬러리 용액을 안착시켜 주므로 히터의 크기와는 무관하게 다공체 히터의 제조가 용이한 저온 소결법을 이용한 히터용 탄화규소(SiC) 다공체의 제조방법을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 목적은 400 내지 1000℃의 프리트(Frit) 분말의 소결온도만으로 전도성을 확보할 수 있음으로써, 저온 소결을 통한 가격 경쟁력을 확보할 수 있는 저온 소결법을 이용한 히터용 탄화규소(SiC) 다공체의 제조방법을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 목적은 프리트(Frit) 분말의 종류, 함량, 입자 크기에 따라 소결 온도의 조절이 가능한 저온 소결법을 이용한 히터용 탄화규소(SiC) 다공체의 제조방법을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 목적은 헤어 드라이기, 순간온수기, 냉온수기, 세탁기용 건조기, 가스레인지에 적용할 수 있으므로 그 사용 및 적용 대상이 광범위한 저온 소결법을 이용한 히터용 탄화규소(SiC) 다공체의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 저온 소결법을 이용한 히터용 탄화규소(SiC) 다공체의 제조방법은 탄화규소 원료분말과 결합제를 혼합한 혼합물을 압출 성형기에 넣고 허니콤(honeycomb) 담체인 탄화규소 다공체를 압출 성형하는 단계(a)와; Pt, Au, Ag, Cu, Al, Fe 중에서 선택되는 1종의 금속분말, Ag-Pd, Fe-Cu, Fe-Ni, Al-Si, Cu-Sn 중에서 선택되는 2종의 금속분말, Fe-Cu-Ni-Mo인 4종의 금속분말 중에서 선택되는 분말과 프리트(Frit) 분말을 이용하여 디핑(Dipping)용 또는 스프레이(Spray)용 슬러리 용액을 제조하는 단계(b)와; 상기 탄화규소 다공체에 슬러리 용액을 디핑(Dipping) 방법 또는 스프레이(Spray) 방식으로 코팅하여 탄화규소 다공체에 슬러리 용액을 안착시켜 주는 단계(c)와; 상기 슬러리 용액이 안착된 탄화규소 다공체를 400 내지 1000℃로 전기로 내에서 열처리하는 단계(d); 을 포함함을 특징으로 한다.
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상기 본 발명에 있어서, 상기 단계(b)에서, 상기 금속분말과 프리트(Frit) 분말의 조성 비율은 각각 1 내지 5%와 95 내지 99%인 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 단계(d)에서, 열처리된 탄화규소 다공체는 헤어 드라이기, 순간온수기, 냉온수기, 세탁기용 건조기, 가스레인지에 적용할 수 있는 것을 포함함을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 저온 소결법을 이용한 히터용 탄화규소(SiC) 다공체의 제조방법은 다음과 같은 효과를 나타낸다.
첫째, 본 발명은 탄화규소(SiC) 다공체에 일종, 이종, 삼종의 금속분말 중에서 선택되는 분말을 첨가하여 슬러리(slurry) 용액을 만들어 줌으로써, 금속분말의 크기와 첨가되는 양에 따라 저항을 조절할 수 있다.
둘째, 본 발명은 탄화규소 다공체에 금속분말과 산화물인 프리트(Frit) 분말을 이용하여 슬러리 용액을 만든 후 일반적인 디핑(Dipping) 방법 또는 스프레이(Spray) 방식으로 코팅하여 탄화규소 다공체에 슬러리 용액을 안착시켜 줌으로써, 히터의 크기와는 무관하게 다공체 히터의 제조가 용이하다.
셋째, 본 발명은 400 내지 1000℃의 프리트(Frit) 분말의 소결온도만으로 전도성을 확보할 수 있음으로써, 저온 소결을 통한 가격 경쟁력을 확보할 수 있다.
넷째, 본 발명은 프리트(Frit) 분말의 종류, 함량, 입자 크기에 따라 소결 온도의 조절이 가능하다.
다섯째, 본 발명은 헤어 드라이기, 순간온수기, 냉온수기, 세탁기용 건조기, 가스레인지에 적용할 수 있으므로 그 사용 및 적용 대상이 광범위하다.
도 1은 종래의 알루미늄 히터를 나타낸 사진 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 저온 소결법을 이용한 히터용 탄화규소(SiC) 다공체의 제조 흐름도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 저온 소결법을 이용한 히터용 탄화규소(SiC) 다공체의 제조하는 과정에서 Dipping 방법으로 코팅하여 탄화규소 다공체에 슬러리 용액을 안착시켜 주는 상태를 나타낸 사진 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 저온 소결법을 이용한 히터용 탄화규소(SiC) 다공체를 나타낸 사진 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 저온 소결법을 이용한 탄화규소(SiC) 다공체를 히터 제품에 적용하기 위해 조립한 상태를 나타낸 사진 도면.
이하 첨부된 도면과 함께 본 발명의 바람직한 실시 예를 살펴보면 다음과 같은데, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명인 저온 소결법을 이용한 히터용 탄화규소(SiC) 다공체의 제조방법을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 저온 소결법을 이용한 탄화규소(SiC) 다공체 히터의 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 저온 소결법을 이용한 히터용 탄화규소(SiC) 다공체의 제조 흐름도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 저온 소결법을 이용한 히터용 탄화규소(SiC) 다공체의 제조하는 과정에서 Dipping 방법으로 코팅하여 탄화규소 다공체에 슬러리 용액을 안착시켜 주는 상태를 나타낸 사진 도면이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 저온 소결법을 이용한 히터용 탄화규소(SiC) 다공체를 나타낸 사진 도면이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 저온 소결법을 이용한 탄화규소(SiC) 다공체를 히터 제품에 적용하기 위해 조립한 상태를 나타낸 사진 도면이다.
도 2 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 저온 소결법을 이용한 히터용 탄화규소(SiC) 다공체의 제조방법은 탄화규소 원료분말과 결합제를 혼합한 혼합물을 압출 성형기에 넣고 허니콤(honeycomb) 담체인 탄화규소 다공체를 압출 성형하는 단계(a)와; Pt, Au, Ag, Cu, Al, Fe 중에서 선택되는 1종의 금속분말, Ag-Pd, Fe-Cu, Fe-Ni, Al-Si, Cu-Sn 중에서 선택되는 2종의 금속분말, Fe-Cu-Ni-Mo인 4종의 금속분말 중에서 선택되는 분말과 프리트(Frit) 분말을 이용하여 디핑(Dipping)용 또는 스프레이(Spray)용 슬러리 용액을 제조하는 단계(b)와; 상기 탄화규소 다공체에 슬러리 용액을 디핑(Dipping) 방법 또는 스프레이(Spray) 방식으로 코팅하여 탄화규소 다공체에 슬러리 용액을 안착시켜 주는 단계(c)와; 상기 슬러리 용액이 안착된 탄화규소 다공체를 400 내지 1000℃로 전기로 내에서 열처리하는 단계(d); 로 구성된다.
상기 저온 소결법을 이용한 탄화규소(SiC) 다공체 히터의 제조방법을 구성하는 기술적 단계들의 기능을 살펴보면 다음과 같다.
첫 번째로는, 탄화규소 다공체를 성형하는 단계(a)로서, 탄화규소 원료분말과 결합제를 혼합한 혼합물을 압출 성형기에 넣고 탄화규소 다공체(10)를 압출 성형하는 것이다. 여기서, 상기 탄화규소 다공체(10)는 허니콤(honeycomb) 담체인 것이다.
두 번째로는, 디핑(Dipping)용 또는 스프레이(Spray)용 슬러리 용액을 제조하는 단계(b)로서, 1종, 2종, 4종의 금속분말 중에서 선택되는 분말과 프리트(Frit) 분말을 이용하여 디핑(Dipping)용 또는 스프레이(Spray)용 슬러리 용액을 제조하는 것이다. 여기서, 상기 1종의 금속분말은 Pt, Au, Ag, Cu, Al, Fe 중에서 선택되는 것이고, 상기 2종의 금속분말은 Ag-Pd, Fe-Cu, Fe-Ni, Al-Si, Cu-Sn 중에서 선택되는 것이며, 상기 4종의 금속분말은 Fe-Cu-Ni-Mo인 것이다. 또한, 상기 금속분말과 프리트(Frit) 분말의 조성 비율은 각각 1 내지 5%와 95 내지 99%가 가장 바람직하나, 이외의 조성도 가능할 것이다.
세 번째로는, 탄화규소 다공체에 슬러리 용액을 안착시켜 주는 단계(c)로서, 상기 탄화규소 다공체에 슬러리 용액을 디핑(Dipping) 방법 또는 스프레이(Spray) 방식으로 코팅하여 탄화규소 다공체(10)에 슬러리 용액을 안착시켜 주는 것이다.
네 번째로는, 열처리하는 단계(d)로서, 상기 슬러리 용액이 안착된 탄화규소 다공체(10)를 400 내지 1000℃로 전기로 내에서 열처리하는 것이다. 여기서, 상기 전기로 내에서 열처리는 대기중의 분위기에서 수행되며, 또한 상기 열처리된 탄화규소 다공체(10)는 헤어 드라이기, 순간온수기, 냉온수기, 세탁기용 건조기, 가스레인지, 보일러, 배기가스 저감장치용 히터에 적용할 수 있는 것이다.
상술한 바와 같은 탄화규소 다공체(10)의 양쪽 끝단부에 전극부(20)를 형성되어 전기가 통할 수 있게 하여 히터(30)로 사용할 수 있게 하는 것이다.
그러므로 탄화규소(SiC) 다공체를 이용한 히터는 허니콤(honeycomb) 구조로 열효율을 극대화시킬 수 있고, 다양한 치수로 장착이 용이하며, 우수한 내열충격성과 내전압성을 갖는다. 또한 히터의 크기와 히터를 구성하는 재료의 성분양의 조절에 의해 저항의 범위를 다양하게 만들 수 있으며, 직류와 교류의 구분 없이 사용할 수 있는 것이다.
상술한 바와 같은, 저온 소결법을 이용한 히터용 탄화규소(SiC) 다공체의 제조방법은 헤어 드라이기, 순간온수기, 냉온수기, 세탁기용 건조기, 가스레인지에 적용하여 사용할 수 있으므로 그 사용 및 적용대상이 광범위하다.
도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었으며, 여기서 사용된 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이며, 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능할 것이며, 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 탄화규소 다공체 20 : 전극부
30 : 히터

Claims (5)

  1. 저온 소결법을 이용한 히터용 탄화규소(SiC) 다공체의 제조방법에 있어서,
    탄화규소 원료분말과 결합제를 혼합한 혼합물을 압출 성형기에 넣고 허니콤(honeycomb) 담체인 탄화규소 다공체를 압출 성형하는 단계(a)와;
    Pt, Au, Ag, Cu, Al, Fe 중에서 선택되는 1종의 금속분말, Ag-Pd, Fe-Cu, Fe-Ni, Al-Si, Cu-Sn 중에서 선택되는 2종의 금속분말, Fe-Cu-Ni-Mo인 4종의 금속분말 중에서 선택되는 분말과 프리트(Frit) 분말을 이용하여 디핑(Dipping)용 또는 스프레이(Spray)용 슬러리 용액을 제조하는 단계(b)와;
    상기 탄화규소 다공체에 슬러리 용액을 디핑(Dipping) 방법 또는 스프레이(Spray) 방식으로 코팅하여 탄화규소 다공체에 슬러리 용액을 안착시켜 주는 단계(c)와;
    상기 슬러리 용액이 안착된 탄화규소 다공체를 400 내지 1000℃로 전기로 내에서 열처리하는 단계(d); 을 포함함을 특징으로 하는 저온 소결법을 이용한 히터용 탄화규소(SiC) 다공체의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 단계(b)에서, 상기 금속분말과 프리트(Frit) 분말의 조성 비율은 각각 1 내지 5%와 95 내지 99%인 것을 특징으로 하는 저온 소결법을 이용한 히터용 탄화규소(SiC) 다공체의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 단계(d)에서, 열처리된 탄화규소 다공체는 헤어 드라이기, 순간온수기, 냉온수기, 세탁기용 건조기, 가스레인지에 적용할 수 있는 것을 포함함을 특징으로 하는 저온 소결법을 이용한 히터용 탄화규소(SiC) 다공체의 제조방법.
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