KR101750200B1 - 전단력을 이용한 열지 제조 방법 및 이에 의해 제조된 열지 - Google Patents

전단력을 이용한 열지 제조 방법 및 이에 의해 제조된 열지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전단력을 이용한 열지 제조 방법 및 이에 의해 제조된 열지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전단력을 이용하여 연료 분말과 산화제 분말을 균질하게 분쇄 및 혼합함으로써 반응성을 향상시킬 수 있는 전단력을 이용한 열지 제조 방법 및 이에 의해 제조된 열지에 관한 발명이다.

Description

전단력을 이용한 열지 제조 방법 및 이에 의해 제조된 열지{A method of manufacturing heat paper using shearing force and thereby producing a heat paper}
본 발명은 전단력을 이용한 열지 제조 방법 및 이에 의해 제조된 열지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전단력을 이용하여 연료 분말과 산화제 분말을 균질하게 분쇄 및 혼합함으로써 반응성을 향상시킬 수 있는 전단력을 이용한 열지 제조 방법 및 이에 의해 제조된 열지에 관한 발명이다.
일반적으로 상온에서 이온전도성이 없는 고상 무기염 전해질(Inorganic salt electrolytes)을 화약 열원(Pyrotechnic heat source) 방식으로 짧은 시간에 용융시킴으로써 활성화되는 열전지는 구조적 안정성, 신뢰성 그리고 장기 보관성이 우수한 전지이다.
이러한 열전지는 외부에서 인가되는 활성화 신호에 의한 착화기의 작동으로 화약 열원을 연소시켜 내부온도를 약 500℃로 유지함으로써 출력을 발생시킨다.
하지만 열전지 내부에 순차적으로 적층된 열원 중 일부가 점화되지 않는 경우가 발생하면 발동시간이 느려져 방전실패로 연결될 수 있다.
또한, 방전 중에 점화되지 않은 열원이 점화되는 경우가 발생하면 전지적층부로 과도한 열에너지가 유입되어 양극(FeS2)의 분해를 일으키게 되고, 이로 인하여 발생하는 열이 더해져 심하게는 열전지의 열폭주를 유발하게 된다.
한국 등록특허공보 제10-1508632호
본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위한 것으로, 일정 크기 이상의 전단력을 이용하여 연료(Zr) 분말과 산화제(BaCrO4) 분말의 입자 크기를 균질하게 분쇄 및 혼합하여 반응성을 향상시키는데 목적이 있다.
또한, 길이 및 직경이 서로 다른 유리 섬유를 사용함으로써 유리 섬유와 Zr/BaCrO4 와의 결합력 및 응집력을 증가시키고, 열지의 취급성을 향상시키는데 목적이 있다.
또한, Zr/BaCrO4 입자 크기보다 작은 크기의 기공이 형성된 유리 필터 위에 열지 시트를 형성시킴으로써 Zr/BaCrO4 입자들이 외부로 유출되는 것을 막아 열지의 균질성을 확보하여 열지의 열적 특성을 향상시키는데 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
일정 크기 이상의 전단력을 이용하여 연료인 지르코늄(Zr) 분말과 산화제인 크롬산바륨(BaCrO4) 분말을 분쇄 및 혼합시켜 Zr/BaCrO4 를 제조하는 단계(A1);
상기 Zr/BaCrO4 와 유리 섬유를 혼합한 후에 응집제를 첨가하고, 상기 유리 섬유와 상기 Zr/BaCrO4 를 교반시켜 슬러리를 제조하는 단계(A2);
상기 슬러리를 유리 필터 위에 분산시켜 열지 시트를 형성하는 단계(A3);
상기 열지 시트를 압착 및 건조하는 단계(A4)를 포함하는 열지의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기의 제조 방법에 의하여 제조된 열지를 제공한다.
또한, 본 발명의 상기 열지는 열전지용 점화 물질인 것을 특징으로 하는 열지를 제공한다.
본 발명에 따르면, 일정 크기 이상의 전단력을 이용하여 연료(Zr) 분말과 산화제(BaCrO4) 분말의 입자 크기를 균질하게 분쇄 및 혼합하여 비표면적을 향상시킴으로써 반응성을 극대화시키고, 길이 및 직경이 서로 다른 유리 섬유를 사용함으로써 유리 섬유와 Zr/BaCrO4 의 결합력 및 응집력을 강화시킬 수 있는 효과가 있다.
상기 유리 섬유 중 길이가 길고 직경이 큰 유리 섬유를 열지의 지지체로 사용하여 열지의 취급성 및 강도를 증가시키고, 비교적 길이가 짧고 직경이 작은 유리 섬유를 이용하여 Zr/BaCrO4 와의 결합이 용이하도록 함으로써 열적 특성 저하를 최소화하고 열전지의 성능을 균일하게 유지할 수 있는 효과가 있다.
또한, Zr/BaCrO4 입자 크기보다 작은 크기의 기공이 형성된 유리 필터 위에 Zr/BaCrO4 와 유리 섬유가 혼합된 슬러리를 분산시켜 열지 시트를 형성함으로써, Zr/BaCrO4 입자들이 외부로 유출되는 것을 막아 열지의 열적 특성이 저하되는 것을 원천적으로 차단하게 되어, 열지의 균질성을 확보하고 열적 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 Zr/BaCrO4 분말의 분쇄 및 혼합 원리 개념도.
도 2는 본 발명의 열지 제조 시 사용한 수초지기 장치의 개념도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 열지 사진.
도 4는 본 발명의 비교예에 따라 제조된 열지 사진.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 열지의 주사 현미경 사진.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 열지를 적용한 열전지 방전 성능 그래프.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명은 전단력을 이용한 열지 제조 방법 및 이에 의해 제조된 열지에 관한 발명으로 본 발명의 열지 제조 방법은,
일정 크기 이상의 전단력을 이용하여 연료인 지르코늄(Zr) 분말과 산화제인 크롬산바륨(BaCrO4) 분말을 분쇄 및 혼합시켜 Zr/BaCrO4 를 제조하는 단계(A1);
상기 Zr/BaCrO4 와 유리 섬유를 혼합한 후에 응집제를 첨가하고, 상기 유리 섬유와 상기 Zr/BaCrO4 를 교반시켜 슬러리를 제조하는 단계(A2);
상기 슬러리를 유리 필터 위에 분산시켜 열지 시트를 형성하는 단계(A3);
상기 열지 시트를 압착 및 건조하는 단계(A4);
를 포함하여 이루어진다.
상기 (A1) 단계를 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 Zr/BaCrO4 분말의 분쇄 및 혼합 원리 개념도를 도시한 것으로, 분산기(In-line disperser)를 형성하는 회전자(200)와 고정자(100)는 작은 간극을 사이에 두며, 상기 회전자(200)가 일정 속도 이상으로 회전하게 되면, 일정 크기 이상의 전단력이 발생하면서 상기 분산기 내부에 Zr 분말과 BaCrO4 분말의 평균 입자가 짧은 시간 내에 1~3㎛ 크기로 분쇄되면서 균질하게 혼합되어 Zr/BaCrO4 가 제조되는 것이다.
상기 Zr과 상기 BaCrO4 의 분쇄 및 혼합 시에는 일정량의 물이 혼합되어 수용액 상태로 분쇄 및 혼합되어지며, 상기 Zr/BaCrO4 중 Zr 분말은 15~50 중량% 포함되고, BaCrO4 분말은 50~85 중량% 포함되는 것이 바람직하다.
상기 Zr과 상기 BaCrO4 의 분쇄 및 혼합 과정에서 상기 Zr과 상기 BaCrO4 의 분말이 수십 마이크로(㎛) 크기 이상으로 분쇄되어 혼합 될 경우 열지의 균질성이 저하되며, 초지 공정상에서 문제를 유발하여 원하고자 하는 열지를 얻을 수 없게 된다.
상기 (A2) 단계는 열지의 구성성분인 유리 섬유를 물에 첨가하여 해리한 후, 응집제를 첨가하여 상기 유리 섬유와 상기 Zr/BaCrO4 를 결합시켜 슬러리를 제조하는 공정이다.
상기 (A2) 단계에서 사용되는 상기 유리 섬유는 두 종류로 이루어진다.
상기 유리 섬유 중 어느 하나의 유리 섬유는 열지의 강도를 향상시켜 취급이 용이하도록 상대적으로 길게 형성되는 것으로, 직경이 6~9㎛, 길이가 6~8mm이며 중량비가 10~30%이 되도록 일정량의 물과 함께 분쇄기(Waring blender)에서 해리되어 열지의 지지체로 사용되어진다.
상기 유리 섬유 중 다른 하나의 유리 섬유는 상기 Zr/BaCrO4 와의 결합력을 향상시켜 열적 특성의 저하를 최소화시키고자 상대적으로 짧게 형성되는 것으로, 직경이 0.8~2.5㎛, 길이가 3~5mm이며, 중량비가 70~90%이 되도록 일정량의 물과 함께 분쇄기에서 해리되어 사용되어진다.
본 발명에서 사용되는 상기 유리 섬유의 평균 길이는 1~10mm인 것으로, 상기 유리 섬유의 길이가 1mm 미만일 때에는 해리 효율이 낮아져 물이 잘 빠지지 않고, 100mm를 초과할 때에는 슬러리의 분산성이 낮아져 열지 형성 시 문제점을 유발시키게 된다.
해리된 각각의 상기 유리 섬유를 상기 (A1) 단계에서 생성된 상기 Zr/BaCrO4 수용액과 혼합한 후 응집제를 첨가하여 슬러리를 제조하게 된다.
상기 응집제는 유기 응집제로서, 폴리아크릴아미드(polyacrylamide) 및 폴리아크릴에시드(polyacrylacid)로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되어지며, 상기 유기 응집제는 슬러리의 총 중량부에 대해 0.5~3.0 중량부 포함되어진다.
상기 응집제의 첨가 후 500rpm/min으로 2~5분간 교반을 실시하게 되며, 상기 유리 섬유와 상기 Zr/BaCrO4 는 가교 결합되어진다.
상기 (A3) 단계는 도 2를 참조하여 설명하도록 한다. 도 2는 본 발명의 열지 제조 시 사용한 수초지기 장치의 개념도를 도시한 것이다.
상기 (A3) 단계에서는 상기 (A2) 단계에서 얻어진 상기 슬러리를 슬러리 탱크(10)로 이송하고, 상기 슬러리 탱크(10) 내부의 상기 슬러리를 헤드박스(20)로 공급하게 된다.
상기 헤드박스 내부에는 와이어 메쉬(21)와 상기 와이어 메쉬(21) 위에 형성된 유리 필터(22)가 구성되어 있으며, 상기 슬러리는 상기 유리 필터(22) 위에 올려지게 된다.
자연탈수부 및 흡입탈수부에서 자연탈수 및 흡입탈수가 진행되면 상기 슬러리는 1~2㎛ 크기의 기공을 갖는 상기 유리 필터(22) 위에 균일하게 분산되어 열지 시트(23)를 형성하게 된다.
만약, 와이어 메쉬(21) 위에 상기 유리 필터(22)를 올려놓지 않는다면 상기 와이어 메쉬(21)의 크기보다 작은 슬러리 내의 유리 섬유 및 Zr/BaCrO4 입자가 물과 함께 유출되어 백수(50)로 빠져나가 원하고자 하는 열지 시트(23)를 얻을 수 없게 된다.
또한, 기공의 크기가 3㎛ 이상인 유리 필터를 사용하여 열지 시트(23)를 형성하게 되면 강한 흡입력에 의해 유리 필터의 기공으로 유리 섬유 및 Zr/BaCrO4 입자들이 통과하여 백수(50)로 빠져나가게 될 뿐만아니라, 유리 필터의 기공에 입자들이 끼워져 탈수 불량을 초래하게 되므로 원하고자 하는 열지를 얻을 수 없게 된다.
상기 (A4) 단계에서는 상기 (A3) 단계 후 얻어진 상기 열지 시트를 압착 및 건조하여 회수하게 된다.
상기 (A3) 단계 후 얻어진 상기 열지 시트를 회수하면 약 300% 이상의 수분을 함유하고 있어 취급성이 곤란하다.
따라서, 롤링 공정을 통해 상기 열지 시트를 압착함으로써 상기 열지 시트(23)의 밀도를 높여 균질성을 향상시키고, 함수율을 낮춰 취급이 용이하도록 만든 다음 상기 유리 필터(22)에서 상기 열지 시트(23)를 탈거하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 제조 방법에 의하여 제조된 열지를 제공할 수 있으며, 또한 본 발명의 상기 열지는 열전지용 점화 물질인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기의 제조 방법에 의하여 제조된 열지는 일정 크기 이상의 전단력을 이용하여 연료(Zr) 분말과 산화제(BaCrO4) 분말의 입자 크기를 균질하게 분쇄 및 혼합하여 비표면적을 향상시킴으로써 반응성을 극대화시키고, 길이 및 직경이 서로 다른 유리 섬유를 사용함으로써 유리 섬유와 Zr/BaCrO4 의 결합력 및 응집력을 강화시킬 수 있게 된다.
또한, 상기 유리 섬유 중 길이가 길고 직경이 큰 유리 섬유를 열지의 지지체로 사용하여 열지의 취급성 및 강도를 증가시키고, 길이가 짧고 직경이 작은 유리 섬유를 이용하여 Zr/BaCrO4 와의 결합이 용이하도록 함으로써 열적 특성 저하를 최소화하고 열전지의 성능을 균일하게 유지할 수 있게 된다.
또한, Zr/BaCrO4 입자 크기보다 작은 크기의 기공이 형성된 유리 필터 위에 Zr/BaCrO4 와 유리 섬유가 혼합된 슬러리를 분산시켜 열지 시트를 형성함으로써, Zr/BaCrO4 입자들이 외부로 유출되는 것을 막아 열지의 열적 특성이 저하되는 것을 원천적으로 차단하게 되어 열지의 균질성을 확보하고 열적 특성을 향상시킬 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 열지 사진을 도시하고 있고, 도 4는 본 발명의 비교예에 따라 제조된 열지 사진을 도시하고 있으며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 열지의 주사 현미경 사진을 도시하고 있다.
실시예와 비교예는 다음과 같이 제조된다.
실시예 1
평균 입자크기가 2 ㎛인 Zr 분말 28 중량 %와 입자크기가 1~500 ㎛로 불균일하게 섞여 있는 BaCrO4 분말 72 중량%를 일정량의 물과 함께 혼합한 후, 분산기에 투입하고, 회전 속도를 8,000 rpm/min으로 약 10분간 3회 순환시켜 분쇄 및 균질 혼합을 진행하여 Zr/BaCrO4 수용액을 제조한 후 슬러리 탱크(10)로 이송하였다.
직경이 크고, 길이가 긴 유리 섬유 30 중량 %, 직경이 작고, 길이가 짧은 유리 섬유 70 중량 %를 각각 일정량의 물과 함께 분쇄기(Waring blender)에 첨가한 후, 15,000 rpm/min으로 2분씩 2회 해리하였다.
이 후, 앞서 만들어진 Zr/BaCrO4 수용액에 해리된 상기 유리 섬유를 첨가한 후, 유기 응집제 폴리아크릴아미드(Polyacrylamid)를 전체 중량의 0.5 중량부를 첨가하였다. 상기 유리 섬유와 Zr/BaCrO4 간의 응집 및 분산이 이루어지도록 5분간 500 rpm/min으로 교반한 후, 열지 시트의 평량을 맞추어 헤드박스(20)로 이송시켰다. 헤드박스(20) 내부에 있는 와이어 메쉬(21) 및 1.5 ㎛크기의 기공을 가지고 있는 유리필터(22) 위에 슬러리를 분산시켜 열지 시트를 형성하였다. 다음으로, 와이어 메쉬(21)위에 유리 필터(22)를 탈거하여 롤러로 이송한 후 압착하여 열지를 얻었다.
비교예 1
평균 입자크기가 2 ㎛인 Zr 분말을 28 중량 %과 입자크기가 1~500 ㎛로 불균일하게 섞여 있는 BaCrO4 분말 72 중량%를 일정량의 물과 함께 혼합한 후, 볼-밀믹서(ball-mill mixer)를 이용하여 200 rpm/min으로 약 24시간 분쇄 및 혼합하여 Zr/BaCrO4 수용액을 제조한 후 슬러리 탱크(10)로 이송하였다. 이 후 공정은 실시예 1과 동일한 조건하에 열지를 제조하였다.
분쇄횟수
 1회 2회 3회 4회 5회 10회

목록		 BaCrO4 평균입자 크기 3.9 2.4 2.4 3.7 3.7 2.9
Zr 평균
입자 크기		 1.2 1.1 1.2 1.2 1.2 1.4
표 1은 전단력을 이용한 Zr/BaCrO4의 평균입자 크기를 나타낸 것이다. 전단력을 이용한 Zr/BaCrO4의 평균입자 크기는, 기존의 볼밀링 공정을 사용할 경우 24시간 동안 혼합해야 목적하고자 하는 Zr/BaCrO4의 입자 크기를 얻을 수 있게 되지만, 본 발명에서는 기존의 볼밀링 공정을 사용할 경우보다 짧은 시간 동안 혼합하여도 목적하고자 하는 Zr/BaCrO4의 입자 크기를 얻을 수 있게 된다.
발열량(cal/g) 연소속도(㎝/s) 점화감도시험
실시예 1 438.3 48.6 점화
비교예 1 378.7 18.6 점화
표 2는 상기 실시예 및 상기 비교예에 따라 제조된 열지의 열적 특성을 비교하고 있다. 실시예의 방법으로 얻어진 열지의 발열량 및 연소속도는 비교예의 방법으로 얻어진 열지의 발열량 및 연소속도 보다 뛰어난 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 열지를 적용한 열전지 방전 성능 그래프를 도시하고 있다.
본 발명의 제조 방법으로 얻어진 열지를 열전지에 적용 후 방전시험을 진행하였을 때 열전지가 문제없이 발동되며, 일정 시간이 지난 후에도 문제없이 정상적으로 작동되는 것을 확인할 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 슬러리 탱크
20 : 헤드 박스
21 : 와이어 메쉬
22 : 유리 필터
23 : 열지
30 : 자연탈수부
40 : 흡입탈수부
50 : 백수부
100 : 고정자(stator)
200 : 회전자(rotor)
300 : 입자 유동통로(flow path)

Claims (16)

  1. 일정 크기 이상의 전단력을 이용하여 연료인 지르코늄(Zr) 분말과 산화제인 크롬산바륨(BaCrO4) 분말을 분쇄 및 혼합시켜 Zr/BaCrO4 를 제조하는 단계(A1);
    상기 Zr/BaCrO4 와 유리 섬유를 혼합한 후에 응집제를 첨가하고, 상기 유리 섬유와 상기 Zr/BaCrO4 를 교반시켜 슬러리를 제조하는 단계(A2);
    상기 슬러리를 유리 필터 위에 분산시켜 열지 시트를 형성하는 단계(A3);
    상기 열지 시트를 압착 및 건조하는 단계(A4);를 포함하며,
    상기 (A1) 단계는 분산기를 이용하며, 상기 분산기를 형성하는 회전자와 고정자는 작은 간극을 사이에 두어, 상기 회전자가 일정 속도 이상으로 회전하게 되면 일정 크기 이상의 전단력이 발생하면서 상기 분산기 내부에 지르코늄(Zr) 분말과 크롬산바륨(BaCrO4) 분말의 평균 입자 크기가 1~3㎛로 분쇄되면서 혼합되고,
    상기 (A2) 단계에서 상기 Zr/BaCrO4 에 혼합되는 상기 유리 섬유는 두 종류인 것으로,
    상기 유리 섬유 중 어느 하나의 유리 섬유는 직경이 6~9㎛이고, 길이가 6~8mm 이며, 중량비가 10~30%이고,
    상기 유리 섬유 중 다른 하나의 유리 섬유는 직경이 0.8~2.5㎛이고, 길이가 3~5mm 이며, 중량비가 70~90%인 것
    을 특징으로 하는 열지 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (A1) 단계에서 Zr과 BaCrO4 의 분쇄 및 혼합 시 일정량의 물이 혼합되어 수용액이 형성되는 것을 특징으로 하는 열지 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (A2) 단계에서 상기 유리 섬유와 상기 Zr/BaCrO4 는 가교 결합되는 것을 특징으로 하는 열지 제조 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (A2) 단계에서 상기 유리 섬유는 각각 물과 함께 해리된 후 Zr/BaCrO4 수용액과 혼합되는 것을 특징으로 하는 열지 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (A3) 단계는,
    상기 슬러리를 슬러리 탱크로 이송하는 단계;
    상기 슬러리 탱크의 상기 슬러리를 헤드박스로 공급하는 단계;
    상기 슬러리를 유리 필터에 균일하게 분산시키기 위해 자연탈수부 및 흡입탈수부에서 자연탈수 및 흡입탈수가 진행되는 단계;
    를 포함하는 열지 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (A4) 단계에서 상기 열지 시트의 압착은 롤링 공정을 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열지 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 (A2) 단계에서 상기 응집제는 유기 응집제로서, 폴리아크릴아미드(polyacrylamide) 및 폴리아크릴에시드(polyacrylacid)로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 열지 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 (A1) 단계에서 혼합된 Zr/BaCrO4 중 Zr 분말은 15~50 중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 열지 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 (A1) 단계에서 혼합된 Zr/BaCrO4 중 BaCrO4 분말은 50~85 중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 열지 제조 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제8항에 있어서,
    상기 유기 응집제는 상기 슬러리의 총 중량부에 대해 0.5~3.0 중량부 포함되는 것을 특징으로 하는 열지 제조 방법.
  15. 삭제
  16. 삭제
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