KR101780899B1

KR101780899B1 - 다공성 구조체 및 다공성 구조체의 제조 방법

Info

Publication number: KR101780899B1
Application number: KR1020160111133A
Authority: KR
Inventors: 고영학; 문영욱; 최익준
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2016-03-11
Filing date: 2016-08-30
Publication date: 2017-09-21
Also published as: KR20170106158A

Abstract

일 실시예에 따른 다공성 구조체는, 압출용 용기 내 하부에 배치된 제1 슬러리의 압출에 의해 형성된 제1 필라멘트; 상기 압출용 용기 내 상부에 배치된 제2 슬러리의 압출에 의해 형성된 제2 필라멘트; 상기 제1 슬러리가 쉘 부분에 채워지고 상기 제2 슬러리가 코어 부분에 채워진 제3 필라멘트;를 포함하고, 상기 압출용 용기에서 연속 압출에 의해, 상기 제1 필라멘트, 상기 제3 필라멘트 및 상기 제2 필라멘트가 순차적으로 적층될 수 있다.

Description

다공성 구조체 및 다공성 구조체의 제조 방법{POROUS SCAFFOLD AND METHOD FOR PRODUCING POROUS SCAFFOLD}

본 발명은 다공성 구조체 및 다공성 구조체의 제조 방법에 관한 것으로서, 기공 구조가 연속적으로 변화하는 다공성 구조체 및 다공성 구조체의 제조 방법에 관한 것이다.

다공성 세라믹 소재는 소재의 화학적 특성과 구조 등의 제어를 통해 다양한 물성(고온 안정성, 전자기적 특성, 유전특성, 생체특성 등)의 구현이 가능하여, 환경정화용 필터/멤브레인, 연료전지용 전극, 의료용 임플란트 등 다양한 산업분야에서 광범위하게 활용되고 있는 핵심부품이다.

다공성 세라믹 소재 부품의 성능은 소재를 이루고 있는 기공 구조(기공율, 기공크기, 기공형상, 기공배열도 등)에 의해 크게 영향을 받으며, 특히 기공구조가 연속적으로 변하는 독특한 미세구조를 갖는 경사기능형 다공성 세라믹 소재는 기존의 획일화된 기공구조를 갖는 다공성 소재에 비해 월등히 우수한 성능을 발휘할 수 있다.

현재까지 경사기능형 다공성 세라믹 소재를 제조할 수 있는 다양한 방법들이 개발되었으며, 테잎 캐스팅을 이용하여 기공율이 다른 세라믹 필름을 제조하고 적층하는 방식의 멀티 테잎 캐스팅법, 폴리머 스폰지의 형상을 국부적으로 변형하여 스폰지 표면을 세라믹 슬러리로 코팅하는 방식의 스폰지 복제법, 경사기능형 구조를 갖는 폴리머 몰드에 세라믹 슬러리를 채워 넣는 방식의 사출 성형법 및 세라믹 함량이 다른 세라믹 슬러리들을 여러 층으로 캐스팅하고 동결하는 방식의 동결 주조법들이 개발되었다.

하지만, 전통적인 제조방법의 경우 기공구조(예, 기공율, 기공 크기 등)가 서로 다른 여러 개의 층을 적층하여 하나로 결합된 형태로 제조되며, 이 경우 기공구조가 서로 다른 층간의 계면(interface) 부분이 장기간 사용시 약화되어 궁극적으로 파괴 또는 분리가 되어, 다공성 소재/부품의 성능을 급격히 저하시키는 문제점이 있다.

또한, 자유형상제조기술을 이용한 다공성 세라믹 소재 제조 기술은, 다공체의 기공 크기나 모양 등을 단순히 변화시켜 경사기능형 기공구조를 구현하는 수준으로, 연속적으로 기공구조가 변하는 세라믹 소재 제조에는 아직 시도되지 않았다.

예를 들어, 2012년 5월 18일에 출원된 KR 10-2012-0053291에는 '경사기공 구조를 갖는 다공성 세라믹 소결체의 제조방법'에 대하여 개시되어 있다.

Mechanical Properties and in vitro Cell Compatibility of Hydroxyapatite Ceramics with Graded Pore Structure, Biomaterials 2002, 23[21], 4285-94 Fabrication of Porous Bioceramics with Porosity Gradients Similar to the Bimodal Structure of Cortical and Cancellous Bone, J Mater Sci Mater Med 2007, 18[12], 2251-6 Bioinspired Structure of Bioceramics for Bone Regeneration in Load-bearing Sites, Acta Biomaterialia 2007, 3[6], 896-904 Fabrication of Titanium Scaffolds with Porosity and Pore Size Gradients by Sequential Freeze Casting, Material Letters 2009, 63[17], 1545-1547

일 실시예에 따른 목적은 기공율과 기공 크기가 연속적으로 변하는 독특한 기공구조를 가짐으로써, 기존 다공성 소재의 문제점인 낮은 계면결합력 및 이로 인한 계면 파괴(interfacial failure) 등의 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 다공성 구조체 및 상기 다공성 구조체의 제조 방법을 제공하는 것이다.

일 실시예에 따른 목적은 기존의 압출법 또는 공압출법과는 달리 서로 다른 물질로 구성된(예, 세라믹/캠핀 슬러리 내 세라믹 분율 제어) 여러 층을 적층하여 하나의 압출용 피드로드(feedrod)로 만들고, 이를 연속적으로 압출하여 서로 다른 층으로 구성된 독특한 코어-셀 (core-shell) 구조를 갖는 필라멘트를 제조할 수 있는 다공성 구조체 및 상기 다공성 구조체의 제조 방법을 제공하는 것이다.

일 실시예에 따른 목적은 다층 연속 압출법을 이용하여 제조된 코어-셀 (core-shell) 구조를 갖는 필라멘트를 컴퓨터 기반 3차원적 성형 장치를 이용하여 순차적으로 적층하여, 궁극적으로 기공구조가 연속적으로 변하는 독특한 미세구조를 갖는 다공성 소재를 제조할 수 있는 다공성 구조체 및 상기 다공성 구조체의 제조 방법을 제공하는 것이다.

일 실시예에 따른 목적은 기공구조가 소재/부품의 핵심 성능을 좌우하는 다양한 산업분야 (의료용 소재(지지체, 스캐폴드), 에너지, 환경, 구조 분야)에 적용 가능한 다공성 구조체 및 상기 다공성 구조체의 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 다공성 구조체는, 압출용 용기 내 하부에 배치된 제1 슬러리의 압출에 의해 형성된 제1 필라멘트; 상기 압출용 용기 내 상부에 배치된 제2 슬러리의 압출에 의해 형성된 제2 필라멘트; 및 상기 제1 슬러리가 쉘 부분에 채워지고 상기 제2 슬러리가 코어 부분에 채워진 제3 필라멘트;를 포함하고, 상기 압출용 용기에서 연속 압출에 의해, 상기 제1 필라멘트, 상기 제3 필라멘트 및 상기 제2 필라멘트가 순차적으로 적층될 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 제1 슬러리 또는 상기 제2 슬러리에는 세라믹 분말이 포함되고, 상기 제1 슬러리 또는 상기 제2 슬러리 내 세라믹 분말의 함량이 서로 다를 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 제1 슬러리 또는 상기 제2 슬러리에는 캠핀이 더 포함되고, 동결 건조에 의해 상기 캠핀이 제거되어 상기 제1 필라멘트, 상기 제2 필라멘트, 또는 상기 제3 필라멘트 내에 기공이 형성될 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 제1 슬러리 내 세라믹 함량이 상기 제2 슬러리 내 세라믹 함량보다 높고, 상기 제1 필라멘트, 상기 제3 필라멘트 및 상기 제2 필라멘트 순으로 기공율이 증가될 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 다공성 구조체의 제조 방법은, 캠핀 액상에 세라믹 분말이 혼합된 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리가 제조되는 단계; 상기 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리로부터 압출용 피드로드가 제조되는 단계; 상기 압출용 피드로드가 압출되어 세라믹 필라멘트가 제조되는 단계; 상기 세라믹 필라멘트가 적층되어 세라믹 구조체가 제조되는 단계; 상기 세라믹 구조체 내 캠핀이 제거되도록 동결 건조되는 단계; 및 상기 세라믹 구조체가 고온 열처리되는 단계;를 포함하고, 상기 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리는 서로 다른 세라믹 함량을 구비하고, 상기 세라믹 필라멘트가 적층되면서 상기 세라믹 구조체 내 기공율이 점진적으로 변화될 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리로부터 압출용 피드로드가 제조되는 단계, 상기 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리가 각각 동결 주조되는 단계; 및 상기 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리가 서로 결합되는 단계;를 포함할 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리가 각각 동결 주조되는 단계에서, 상기 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리는 각각 금속 몰드에 주입되어 -80 내지 30℃에서 동결될 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리가 결합되는 단계에서, 상기 동결 주조된 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리가 접합된 후 상온에서 압력이 가해질 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 압출용 피드로드가 압출되어 세라믹 필라멘트가 제조되는 단계에서, 상기 압출용 피드로드는 압출용 용기에 삽입되어 연속적으로 압출될 수 있다.

일 실시예에 따른 다공성 구조체 및 상기 다공성 구조체의 제조 방법에 의하면, 기공율과 기공 크기가 연속적으로 변하는 독특한 기공구조를 가짐으로써, 기존 다공성 소재의 문제점인 낮은 계면결합력 및 이로 인한 계면 파괴(interfacial failure) 등의 문제점을 근본적으로 해결할 수 있다.

일 실시예에 따른 다공성 구조체 및 상기 다공성 구조체의 제조 방법에 의하면, 기존의 압출법 또는 공압출법과는 달리 서로 다른 물질로 구성된(예, 세라믹/캠핀 슬러리 내 세라믹 분율 제어) 여러 층을 적층하여 하나의 압출용 피드로드(feedrod)로 만들고, 이를 연속적으로 압출하여 서로 다른 층으로 구성된 독특한 코어-셀 (core-shell) 구조를 갖는 필라멘트를 제조할 수 있다.

일 실시예에 따른 다공성 구조체 및 상기 다공성 구조체의 제조 방법에 의하면, 다층 연속 압출법을 이용하여 제조된 코어-셀 (core-shell) 구조를 갖는 필라멘트를 컴퓨터 기반 3차원적 성형 장치를 이용하여 순차적으로 적층하여, 궁극적으로 기공구조가 연속적으로 변하는 독특한 미세구조를 갖는 다공성 소재를 제조할 수 있다.

일 실시예에 따른 다공성 구조체 및 상기 다공성 구조체의 제조 방법에 의하면, 기공구조가 소재/부품의 핵심 성능을 좌우하는 다양한 산업분야 (의료용 소재(지지체, 스캐폴드), 에너지, 환경, 구조 분야)에 적용 가능하다.

도 1은 일 실시예에 따른 다공성 구조체의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리로부터 제조된 압출용 피드로드를 도시한다.
도 3은 압출용 피드로드가 압출되어 세라믹 필라멘트가 제조되는 단계를 도시한다.
도 4는 세라믹 필라멘트가 적층되어 세라믹 구조체가 제조되는 단계를 도시한다.
도 5는 필라멘트의 미세구조를 나타내는 광학 현미경 이미지이다.
도 6는 세라믹 구조체의 광학 현미경 이미지이다.
도 7은 제1 세라믹 필라멘트, 제2 세라믹 필라멘트 및 제3 세라믹 필라멘트의 기공 구조를 나타내는 주사전자현미경 이미지이다.
도 8은 다공성 구조체 내 기공 구조의 변화를 나타내는 모식도이다.

이하, 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

일 실시예에 따른 다공성 지지체는, 압출용 용기 내 하부에 배치된 제1 슬러리의 압출에 의해 형성된 제1 필라멘트, 상기 압출용 용기 내 상부에 배치된 제2 슬러리의 압출에 의해 형성된 제2 필라멘트 및 상기 제1 슬러리가 쉘 부분에 채워지고 상기 제2 슬러리가 코어 부분에 채워진 제3 필라멘트를 포함할 수 있다.

이때, 제1 슬러리 및 제2 슬러리는 압출용 용기로부터 연속 압출되어, 제1 필라멘트, 제3 필라멘트 및 제2 필라멘트가 순차적으로 적층될 수 있다.

예를 들어, 제1 슬러리 또는 제2 슬러리에는 세라믹 분말 또는 금속 분말이 포함될 수 있다.

구체적으로, 제1 슬러리 및 제2 슬러리에는 서로 동일하거나 다른 세라믹 분말 또는 금속 분말이 포함될 수 있다. 또는, 제1 슬러리 및 제2 슬러리 내 세라믹 분말 또는 금속 분말이 서로 다른 함량으로 구성될 수 있다.

또한, 제1 슬러리 또는 제2 슬러리에는 캠핀이 더 포함될 수 있다.

상기 캠핀은 동결 건조에 의해 제1 필라멘트, 제2 필라멘트, 또는 제3 필라멘트로부터 제거될 수 있고, 캠핀이 채워졌던 공간에 기공이 형성될 수 있다.

그러나, 기공 형성을 위한 캠핀 이외에 다른 물질이 포함될 수 있음은 당연하며, 예를 들어 제1 슬러리 또는 제2 슬러리에는 캠포 또는 나프탈렌 등이 포함될 수 있다.

또한, 제1 슬러리 또는 제2 슬러리에는 분산제 또는 고분자 바인더 등이 더 포함될 수 있다.

전술된 바와 같이 제1 슬러리 및 제2 슬러리 내 세라믹 분말 또는 금속 분말이 서로 다른 함량으로 구성된 경우, 제1 슬러리 및 제2 슬러리의 압출 및 적층에 의해 제조된 다공성 지지체에는 경사 기능성 기공 구조가 형성될 수 있다.

구체적으로, 제1 슬러리 내 세라믹 함량이 제2 슬러리 내 세라믹 함량보다 높은 경우, 제1 필라멘트 내 기공율이 작고, 제2 필라멘트 내 기공율이 크게 나타날 수 있다. 그리고 제3 필라멘트 내 기공율은 제1 필라멘트 내 기공율보다 크고 제2 필라멘트 내 기공율보다 작게 나타날 수 있다. 이와 같이 제1 필라멘트, 상기 제3 필라멘트 및 상기 제2 필라멘트 순으로 기공율이 증가될 수 있다.

반면, 제1 슬러리 내 세라믹 함량이 제2 슬러리 내 세라믹 함량보다 낮은 경우, 제1 필라멘트, 상기 제3 필라멘트 및 상기 제2 필라멘트 순으로 기공율이 감소될 수 있음은 당연하다.

또한, 제1 슬러리 및 제2 슬러리 내 조성물 또는 조성비를 다르게 함으로써, 다공성 지지체 내에 물리적 또는 화학적 성질이 점진적으로 변화하는 양상을 나타내게 할 수 있다. 그리고 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리 외에 제3 세라믹 슬러리, 제4 세라믹 슬러리 등이 압출용 용기에 더 채워질 수 있음은 당연하다.

이하에서는 제1 슬러리, 특히 제1 세라믹 슬러리 및 제2 슬러리, 특히 제2 세라믹 셀러리 내 알루미나 분말이 서로 다른 함량으로 포함된 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.

도 1은 일 실시예에 따른 다공성 구조체의 제조 방법을 나타내는 순서도이고, 도 2는 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리로부터 제조된 압출용 피드로드를 도시하고, 도 3은 압출용 피드로드가 압출되어 세라믹 필라멘트가 제조되는 단계를 도시하고, 도 4(a) 내지 (c)는 세라믹 필라멘트가 적층되어 세라믹 구조체가 제조되는 단계를 도시한다.

도 1을 참조하여, 일 실시예에 따른 다공성 구조체는 다음과 같이 제조될 수 있다.

우선, 캠핀 액상에 세라믹 분말이 혼합된 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리가 제조된다(S10).

예를 들어, 세라믹 분말을 액상의 캠핀(camphene)과 혼합하고, 소량의 분산제를 첨가한 후 60℃ 온도에서 24시간 동안 볼밀(ball-mill)하여 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리를 제조할 수 있다.

이때, 분산제는 세라믹 입자의 고른 분산을 위해 올리고머 폴리에스터(oligomeric polyester)로 마련될 수 있다.

상기 제1 세라믹 슬러리 내 세라믹 분말의 함량은 40vol%이고, 제2 세라믹 슬러리 내 세라믹 분말의 함량은 10vol%이 될 수 있다.

이어서, 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리로부터 압출용 피드로드(initial feedrod)가 제조된다(S20).

이때, 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리가 각각 동결 주조된 후에, 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리가 서로 결합된다.

상기 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리가 각각 동결 주조되는 단계에서, 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리는 각각 금속 몰드에 부어져 -80 내지 30℃, 예를 들어 -10℃에서 동결된다. 이에 의해 세라믹 함량이 서로 다른 두 가지 종류의 세라믹/캠핀 성형체가 제조될 수 있다.

상기 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리가 서로 결합되는 단계에서, 세라믹 함량이 서로 다른 두 가지 종류의 세라믹/캠핀 성형체가 압출용 용기 내에 이중층으로 적층된다.

이때, 도 2에 도시된 바와 같이, 세라믹 함량이 높은 제1 세라믹 슬러리(A)로 제조된 세라믹/캠핀 성형체가 압출용 용기 내에 하부에 배치되고, 세라믹 함량이 낮은 제2 세라믹 슬러리(B)로 제조된 세라믹/캠핀 성형체가 압출용 용기 내에 상부에 배치될 수 있다.

이와 같이 압출용 용기 내에 두 가지 종류의 세라믹/캠핀 성형체가 적층된 후에 상온에서 낮은 압력을 가하여 압출용 피드로드가 제조될 수 있다.

이때 두 가지 종류의 세라믹/캠핀 성형체의 층 높이는 조절 가능하다.

그런 다음, 압출용 피드로드가 압출되어 세라믹 필라멘트가 제조된다(S30).

특히, 도 3을 참조하여, 압출용 피드로드가 압출용 용기에 삽입되어 연속적으로 압출될 수 있다.

이에 의해 초기에는 세라믹 함량이 높은(Φ = 40vol%) 제1 세라믹 슬러리(A)만 포함하는 제1 세라믹 필라멘트가 압출되고, 순차적으로 세라믹 함량이 낮은(Φ = 10vol%) 제2 세라믹 슬러리(B)가 함량이 높은(Φ = 40vol%) 제1 세라믹 슬러리(A)에 의해 감싸진 형태의 코어(core)-셀(shell) 구조를 갖는 제3 세라믹 필라멘트가 압출되고, 최종적으로 세라믹 함량이 낮은(Φ = 10vol%) 제2 세라믹 슬러리(B)만 포함하는 제2 세라믹 필라멘트가 압출될 수 있다.

이어서, 세라믹 필라멘트가 적층되어 세라믹 구조체가 제조된다(S40).

구체적으로, 제1 세라믹 필라멘트, 제3 세라믹 필라멘트 및 제2 세라믹 필라멘트가 연속적으로 적층됨으로써 경사 기능형 미세 구조를 갖는 다공성 세라믹 구조체가 제조될 수 있다.

특히, 도 4(a) 내지 (c)를 참조하여, 세라믹 구조체의 하부에는 세라믹 함량이 높은(Φ = 40vol%) 제1 세라믹 슬러리(A)만 포함하는 제1 세라믹 필라멘트가 적층되고, 중간에는 세라믹 함량이 낮은(Φ = 10vol%) 제2 세라믹 슬러리(B)가 함량이 높은(Φ = 40vol%) 제1 세라믹 슬러리(A)에 의해 감싸진 형태의 코어(core)-셀(shell) 구조를 갖는 제3 세라믹 필라멘트가 적층되고, 상부에는 세라믹 함량이 낮은(Φ = 10vol%) 제2 세라믹 슬러리(B)만 포함하는 제2 세라믹 필라멘트가 적층될 수 있다.

특히, 적층된 제3 세라믹 필라멘트들 내에서도 경사 기능형 미세 구조가 형성될 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 제3 세라믹 필라멘트 중 하부에 배치된 제3 세라믹 필라멘트에서 보다 복수 개의 제3 세라믹 필라멘트 중 상부에 배치된 제3 세라믹 필라멘트에서 제2 세라믹 슬러지의 양이 많아지므로, 코어의 크기가 증가될 수 있다.

또한, 세라믹 구조체 내 캠핀이 제거되도록 동결 건조되고(S50), 세라믹 구조체가 고온 열처리된다(S60).

상기 동결 건조 기술에 의해 세라믹 구조체 내 캠핀이 제거됨으로써 그 부분이 기공으로 형성될 수 있다.

또한, 세라믹 구조체를 고온 열처리함으로써 세라믹 분말 부분이 더욱 치밀화될 수 있다. 이때, 고온 열처리는 상온으로부터 분당 5도(5℃/min)의 승온 속도로 1600℃까지 상승시킨 후, 이 온도에서 3시간 동안 유지함으로써 수행된다.

이와 같이 일 실시예에 따른 다공성 구조체의 제조 방법은, 기공율과 기공 크기가 연속적으로 변하는 독특한 기공구조를 가짐으로써, 기존 다공성 소재의 문제점인 낮은 계면결합력 및 이로 인한 계면 파괴(interfacial failure) 등의 문제점을 근본적으로 해결할 수 있다.

그리고 서로 다른 물질로 구성된(예, 세라믹/캠핀 슬러리 내 세라믹 분율 제어) 여러 층을 적층하여 하나의 압출용 피드로드로 만들고, 이를 연속적으로 압출하여 서로 다른 층으로 구성된 독특한 코어-셀(core-shell) 구조를 갖는 필라멘트를 제조할 수 있다.

게다가, 다층 연속 압출법을 이용하여 제조된 코어-셀(core-shell) 구조를 갖는 필라멘트를 컴퓨터 기반 3차원적 성형 장치를 이용하여 순차적으로 적층하여, 궁극적으로 기공구조가 연속적으로 변하는 독특한 미세구조를 갖는 다공성 소재를 제조할 수 있다.

이상 일 실시예에 따른 다공성 구조체 및 일 실시예에 따른 다공성 구조체의 제조 방법에 대하여 설명되었으며, 이하에서는 전술된 일 실시예에 따른 다공성 구조체의 제조 방법에 의해 제조된 다공성 구조체의 미세 구조 및 기공 구조에 대하여 분석된다.

도 5는 필라멘트의 미세구조를 나타내는 광학 현미경 이미지이다.

도 5를 참조하여, 압출이 진행됨에 따라, 초기에는 세라믹 함량이 높은 (Φ = 40vol%) 제1 세라믹 슬러리가 포함된 제1 세라믹 필라멘트가 압출되고, 압출이 연속적으로 진행됨에 따라, 세라믹 함량이 낮은 (Φ = 10vol%) 제2 세라믹 슬러리가 코어 부분에 채워지고 세라믹 함량이 높은 (Φ = 40vol%) 제1 세라믹 슬러리가 쉘 부분에 채워진 제3 세라믹 필라멘트가 압출되고, 압출이 연속적으로 더 진행됨에 따라, 세라믹 함량이 낮은 (Φ = 10vol%) 제2 세라믹 슬러리가 포함된 제2 세라믹 필라멘트가 압출된 것을 확인할 수 있다.

도 6는 세라믹 구조체의 광학 현미경 이미지이다.

도 6을 참조하여, 연속압출법에 의해 압출된 세라믹 필라멘트를 3차원적으로 연속적으로 적층하여, 아래 부분은 세라믹 함량이 높은 (Φ = 40vol%) 제1 세라믹 슬러리가 포함된 제1 세라믹 필라멘트로 이루어진 층이 형성되고, 중간에는 세라믹 함량이 높은 (Φ = 40vol%) 제1 세라믹 슬러리 내에 세라믹 함량이 낮은 (Φ = 10vol%) 제2 세라믹 슬러리가 연속적으로 존재하는 제3 필라멘트로 이루어진 층이 형성될 수 있으며, 윗 부분에는 세라믹 함량이 낮은 (Φ = 10vol%) 제2 세라믹 슬러리가 포함된 제2 세라믹 필라멘트로 이루어진 층이 형성되었음을 확인할 수 있다.

이때, 제3 필라멘트로 이루어진 층 내에서도 세라믹 함량이 높은 (Φ = 40vol%) 제1 세라믹 슬러리 내에 포함되는 제2 세라믹 슬러리의 양이 변화되어 경사기능형 구조가 형성됨을 확인할 수 있다.

도 7은 제1 세라믹 필라멘트, 제2 세라믹 필라멘트 및 제3 세라믹 필라멘트의 기공 구조를 나타내는 주사전자현미경 이미지이다.

도 7을 참조하여, 다공성 구조체에서 아래 부분은 상대적으로 치밀한 층으로 이루어져 있으며, 아래에서 위로 올라갈수록 다공성 층이 점진적으로 증가하고 있으며, 제일 위층은 다공성 층만으로 이루어져 있음을 확인할 수 있다.

예를 들어, 다공성 구조체에서 아래 부분에서 기공율(p)은 약 3vol%이고, 다공성 구조체에서 제일 위층에서 기공율(p)은 약 85vol%이다.

특히, 치밀한 층과 다공성 층 간에 균열이나 갈라짐 없이 강하게 상호 결합되어 있음을 확인할 수 있다.

도 8은 다공성 구조체 내 기공 구조의 변화를 나타내는 모식도이다.

도 8을 참조하여, 상대적으로 치밀하게 형성된 부분 내부에 존재하는 다공성 층의 크기가 소재의 아래에서 위로 올라갈수록 점진적으로 증가하고 있으며, 이에 따라 다공성 구조체 내 국부적인 기공율이 점진적으로 증가함을 확인할 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

A: 제1 세라믹 슬러리
B: 제2 세라믹 슬러리

Claims

압출용 용기 내 하부에 배치된 제1 슬러리의 압출에 의해 형성된 제1 필라멘트;
상기 압출용 용기 내 상부에 배치된 제2 슬러리의 압출에 의해 형성된 제2 필라멘트; 및
상기 제1 슬러리가 쉘 부분에 채워지고 상기 제2 슬러리가 코어 부분에 채워진 제3 필라멘트;
를 포함하고,
상기 압출용 용기에서 연속 압출에 의해, 상기 제1 필라멘트, 상기 제3 필라멘트 및 상기 제2 필라멘트가 순차적으로 적층되는 다공성 구조체.
제1항에 있어서,
상기 제1 슬러리 또는 상기 제2 슬러리에는 세라믹 분말이 포함되고,
상기 제1 슬러리 및 상기 제2 슬러리 내 세라믹 분말의 함량이 서로 다른 다공성 구조체.
제2항에 있어서,
상기 제1 슬러리 또는 상기 제2 슬러리에는 캠핀이 더 포함되고,
동결 건조에 의해 상기 캠핀이 제거되어 상기 제1 필라멘트, 상기 제2 필라멘트, 또는 상기 제3 필라멘트 내에 기공이 형성되는 다공성 구조체.
제2항에 있어서,
상기 제1 슬러리 내 세라믹 함량이 상기 제2 슬러리 내 세라믹 함량보다 높고, 상기 제1 필라멘트, 상기 제3 필라멘트 및 상기 제2 필라멘트 순으로 기공율이 증가되는 다공성 구조체.
캠핀 액상에 세라믹 분말이 혼합된 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리가 제조되는 단계;
상기 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리로부터 압출용 피드로드가 제조되는 단계;
상기 압출용 피드로드가 압출되어 세라믹 필라멘트가 제조되는 단계;
상기 세라믹 필라멘트가 적층되어 세라믹 구조체가 제조되는 단계;
상기 세라믹 구조체 내 캠핀이 제거되도록 동결 건조되는 단계; 및
상기 세라믹 구조체가 고온 열처리되는 단계;
를 포함하고,
상기 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리는 서로 다른 세라믹 함량을 구비하고, 상기 세라믹 필라멘트가 적층되면서 상기 세라믹 구조체 내 기공 구조가 점진적으로 변화되는 다공성 구조체의 제조 방법.
제5항에 있어서,
상기 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리로부터 압출용 피드로드가 제조되는 단계,
상기 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리가 각각 동결 주조되는 단계; 및
상기 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리가 서로 결합되는 단계;
를 포함하는 다공성 구조체의 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리가 각각 동결 주조되는 단계에서, 상기 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리는 각각 금속 몰드에 주입되어 -80 내지 30℃에서 동결되는 다공성 구조체의 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리가 결합되는 단계에서, 상기 동결 주조된 제1 세라믹 슬러리 및 제2 세라믹 슬러리가 접합된 후 상온에서 압력이 가해지는 다공성 구조체의 제조 방법.
제5항에 있어서,
상기 압출용 피드로드가 압출되어 세라믹 필라멘트가 제조되는 단계에서,
상기 압출용 피드로드는 압출용 용기에 삽입되어 연속적으로 압출되는 다공성 구조체의 제조 방법.