KR101971645B1 - 플레이크 형상의 분말 코팅층을 포함하는 필터 및 이의 제조방법 - Google Patents

플레이크 형상의 분말 코팅층을 포함하는 필터 및 이의 제조방법 Download PDF

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박만호
이근학
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Abstract

본 발명의 목적은 여과율이 우수하면서도 동시에 투과율이 우수한 필터 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다. 이를 위하여 본 발명은 제1 기공크기를 갖는 다공성의 금속 지지체; 및 상기 지지체 상에 형성되고, 상기 제1 기공크기보다 작은 제2 기공크기를 갖는 금속 코팅층을 포함하되, 상기 코팅층은 플레이크 형상의 금속 분말들이 접합되어 3차원 기공구조를 갖는 것을 특징으로 하는 필터를 제공한다. 또한, 본 발명은 상기 필터의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 플레이크 형상의 제2 분말이 코팅층을 형성함에 따라 기공율이 증가하여 투과율이 증가할 뿐만 아니라, 유로가 더욱 복잡해짐에 따라 여과율도 동시에 증가하는 장점이 있다. 또한, 구형 분말을 이용하는 경우와 비교하여 동일 투과율 및 여과율을 얻기 위한 코팅층의 두께가 상대적으로 작아, 요구되는 코팅층 원료의 양을 줄일 수 있는 장점이 있다. 나아가, 코팅층을 형성하고 있는 플레이크 형상의 분말에 의하여 유로가 매우 복잡해지기 때문에 미세 입자 여과를 위한 추가적인 층을 도입할 필요가 없는 장점이 있다.

Description

플레이크 형상의 분말 코팅층을 포함하는 필터 및 이의 제조방법{FILTER COMPRISING A COATING LAYER OF FLAKE-LIKE POWDERS AND A PREPARATION METHOD THEREOF}
본 발명은 플레이크 형상의 분말 코팅층을 포함하는 필터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
산업이 발전함에 따라 반도체 장비용 필터, 가스 여과기용 필터 등에서 고효율의 필터를 요구하고 있다.
예를 들어, 반도체 산업에 있어서는 제조 공정에 사용되는 많은 공정가스에 함유되어 있는 극미량의 불순물 농도가 10억분의 몇 ppm 수준 또는 그 보다 낮은 경우에도 제품의 성능저하 및 제조 수율의 감소가 야기되어지는바, 공정가스 내의 불순물 입자를 제거하기 위하여 공정가스의 공급라인에 직렬로 연결되는 인라인(Inline) 가스 필터가 널리 이용되고 있다. 또한, 분진 방출에 대한 환경적 기준이 엄격해지면서 가스 여과기용 필터의 사용이 증가하고 있는 실정이다.
이와 같은 필터는 여과대상을 걸러내는 능력인 여과율과 여과대상을 포함하는 유체가 필터를 투과하는 정도인 투과율이 모두 우수해야 고효율의 필터라고 할 수 있다. 하지만 여과율을 높이기 위해 기공의 크기를 줄이면 투과율이 감소하는 문제가 발생하고, 투과율을 높이기 위해 기공의 크기를 키우면 여과율이 낮아지는 문제점을 가지고 있다. 투과율이 낮아지는 경우 전체 여과 효율이 떨어지는 문제가 있을 뿐만 아니라, 필터가 장착되는 장치에 과도한 부하가 걸릴 수 있는 문제점이 있다.
예를 들어 대한민국 공개특허 제10-2011-0127225호에는 압축점화 엔진으로부터 배출된 배기가스로부터 미립자 물질을 여과하기 위한 필터가 개시되어 있고, 구체적으로는 압축점화 엔진으로부터 배출된 배기가스 기체로부터 미립자 물질(PM)을 여과하기 위한 필터로서, 이 필터는 입구 표면과 출구 표면을 가진 다공질 기판을 포함하고, 입구 표면은 제 1 평균 공극 크기의 공극들을 함유하는 다공질 구조에 의해 출구 표면과 분리되며, 다공질 기판은 적어도 하나의 전이금속으로 촉진된 분자 시브를 포함하는 복수의 고형체 입자들을 포함하는 워시코트로 코팅되고, 워시코팅된 다공질 기판의 다공질 구조는 제 2평균 공극 크기의 공극들을 함유하며, 제 2 평균 공극 크기는 제 1 평균 공극 크기 미만인 것을 특징으로 하는 필터가 개시되어 있다. 그러나, 상기 기술은 미립자 물질이 유동하는 유로가 충분히 복잡하지 않아 여과율이 떨어질 수 있는 문제점이 있고, 또한, 공극의 크기에 따라 미립자 물질의 투과도도 떨어질 수 있는 문제점이 있다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-1064959호에는 가스터빈 및 압축기 유입공기 정화용 심층여과 에어필터 여재 및 이를 사용한 심층여과 에어필터 카트리지가 개시되어 있고, 구체적으로는 섬도가 0.5denier ~ 6denier인 정전 단섬유 부직포 여재와 스펀본드 지지층으로 이루어져 입자크기가 큰 먼지입자를 포집하는 첫 번째 층과; 섬도가 6denier ~ 20denier이고, 중량이 40g/㎡ ~ 200g/㎡의 이내로 외부 측은 일반 폴리에스테르보다 융점이 낮은 저융점 폴리에스테르 100%와 내부측은 일반 폴리에스테르 100%(Sheath / Core)로 이루어진 구조 형태 또는 외부 측과 내부측을 저융점 폴리에스테르 50%와 일반 폴리에스테르 50%(Side by Side)로 이루어진 구조 형태의 섬유로, 면속 5.3㎝/sec에서의 압력손실 0.5㎜Aq 이하의 절곡 가능한 저융점 폴리에스테르인 서멀본드 부직포 여재로 이루어져 누적 포집량을 증가시키는 중간층; 및 섬도가 0.07denier ~ 0.9denier 범위인 극세 정전 멜트브로운 여재로 이루어져 미세 먼지등 입자상물질의 응집 효과를 증대시켜 압력손실의 상승을 억제하며 누적 포집량을 배가시키며 절곡 가능한 마지막 층;으로 복합 형성되고, 그 복합 형성된 여재의 전체 중량이 100g/㎡ ~ 400g/㎡이며, 면속 5.3㎝/sec에서 NaCl 입자 효율 95%이상, 압력손실 4.5㎜Aq 이하의 절곡 가능하게 구성된 것을 특징으로 하는 가스터빈 및 압축기 유입공기 정화용 심층여과 에어필터 여재가 개시되어 있다. 그러나, 상기 필터는 부직포 여제를 원료로 사용함에 따라 여과 대상의 투과도가 떨어질 수 있는 문제점이 있다.
이에 본 발명의 발명자들은 필터의 여과율과 투과율을 동시에 향상시킬 수 있는 필터를 연구하여 본 발명을 완성하게 되었다.
대한민국 공개특허 제10-2011-0127225호 대한민국 등록특허 제10-1064959호
본 발명의 목적은 여과율이 우수하면서도 동시에 투과율이 우수한 필터 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.
이를 위하여 본 발명은 제1 기공크기를 갖는 다공성의 금속 지지체; 및 상기 지지체 상에 형성되고, 상기 제1 기공크기보다 작은 제2 기공크기를 갖는 금속 코팅층을 포함하되, 상기 코팅층은 플레이크 형상의 금속 분말들이 접합되어 3차원 기공구조를 갖는 것을 특징으로 하는 필터를 제공한다.
또한, 본 발명은 제1 기공크기를 갖는 다공성의 금속 지지체를 형성하는 단계; 상기 형성된 지지체 상에 습식 분말 분무 공정으로 플레이크 형상으로 금속 분말을 분무하여 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 코팅층을 소결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 필터의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 플레이크 형상의 제2 분말이 코팅층을 형성함에 따라 기공율이 증가하여 투과율이 증가할 뿐만 아니라, 유로가 더욱 복잡해짐에 따라 여과율도 동시에 증가하는 장점이 있다. 또한, 구형 분말을 이용하는 경우와 비교하여 동일 투과율 및 여과율을 얻기 위한 코팅층의 두께가 상대적으로 작아, 요구되는 코팅층 원료의 양을 줄일 수 있는 장점이 있다. 나아가, 코팅층을 형성하고 있는 플레이크 형상의 분말에 의하여 유로가 매우 복잡해지기 때문에 미세 입자 여과를 위한 추가적인 층을 도입할 필요가 없는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에서 제조된 필터 코팅층의 상면 SEM 사진이고,
도 2는 본 발명의 실시예와 비교예에서 제조된 필터의 측면 SEM 사진이고,
도 3은 본 발명의 실시예와 비교예에서 제조된 필터의 통기도를 보여주는 그래프이고,
도 4는 본 발명의 실시예와 비교예에서 제조된 필터의 통기도를 보여주는 추가적인 그래프이고, 및
도 5는 본 발명의 실시예와 비교예에서 제조된 필터의 기공 크기 분포를 보여주는 그래프이다.
본 발명은 필터, 특히 예를 들어 반도체 장비용 필터 또는 가스 여과기용 필터에 관한 것이고, 여과 대상에 대한 여과율이 우수하면서도 통기성도 우수한 필터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
우선 본 발명은 제1 기공크기를 갖는 다공성의 금속 지지체; 및
상기 지지체 상에 형성되고, 상기 제1 기공크기보다 작은 제2 기공크기를 갖는 금속 코팅층을 포함하되,
상기 코팅층은 플레이크 형상의 금속 분말들이 접합되어 3차원 기공구조를 갖는 것을 특징으로 하는 필터를 제공한다.
본 발명에서 '여과도' 또는 '여과율'은 여과대상 물질이 여과되는 정도를 의미하고, '투과도' 또는 '투과율' 또는 '통기성' 또는 '통기도'는 여과대상 물질이 필터를 투과하는 정도를 의미한다.
이하 본 발명의 필터를 각 구성별로 상세히 설명한다.
본 발명의 필터는 제1 기공크기를 갖는 다공성의 금속 지지체를 포함한다. 일반적으로 필터에서 지지체는 여과대상이 투과될 수 있는 조대한 기공크기를 갖고, 이를 통하여 여과 대상이 투과되어 그 위의 코팅층으로 이동되고, 여과 대상 중 일부가 지지체에 의하여 여과되기도 한다.
한편, 상기 다공성 지지체의 제1 기공 크기는 5㎛ 내지 100㎛인 것이 바람직하다. 상기 기공 크기가 5㎛ 미만인 경우에는 여과 대상의 투과율(통기성)가 떨어져 여과 효율이 떨어지는 문제점, 및 여과 장치에 부하가 심하게 걸리는 문제점이 있고, 기공 크기가 100㎛를 초과하는 경우에는 지지체의 기계적 특성이 저하되고 플레이크 형상의 금속 분말로 이뤄진 코팅층을 형성하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 필터는 상기 지지체 상에 형성되고, 제1 기공크기보다 작은 제2 기공크기를 갖는 금속 코팅층을 포함하며, 이때 상기 코팅층은 플레이크 형상의 금속 분말들이 접합되어 3차원 기공구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
지지층을 투과한 여과대상은 상기 코팅층에 형성된 3차원 기공구조를 통하여 흐르면서 여과가 수행된다. 즉, 상기 코팅층의 3차원 기공구조가 여과대상의 유로가 된다.
이때 본 발명의 코팅층의 제2 기공크기는 지지체의 제1 기공크기보다 작다. 지지체를 지나 코팅층에 도달한 여과대상은 지지체의 제1 기공크기보다 작은 제2 기공크기를 갖는 코팅층에서 3차원 기공구조 내를 흐르면서 여과되며, 코팅층의 제2 기공크기가 지지체의 제1 기공크기보다 작기 때문에, 지지체를 투과한 여과대상에 포함된 물질 중 작은 크기의 입자들이 코팅층에서 여과될 가능성이 높아지게 된다.
한편, 본 발명에 따른 코팅층은 구형 금속 분말이 아니라, 플레이크 형상의 금속 분말들이 접합되어 3차원 기공구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
플레이크 형상이란 구형과는 달리, 일정 두께를 갖고, 상면과 하면이 실질적으로 평평한 형태의 구조를 의미하며, 이때 상면과 하면은 원형, 또는 타원형 등의 형태일 수 있다.
플레이크 형상의 최장축 길이를 A, 최단축 길이를 B라고 하고, 두께를 C라고 할 때, 플레이크 형상의 금속 분말 크기는 다음과 같이 정의된다. 또한, 이하의 종횡비는 다음과 같이 정의된다.
등가직경 = (A×B)1/2
플레이크 형상의 금속 분말 크기 = Π×(등가직경/2)2
종횡비 = 등가직경/C
본 발명의 코팅층의 플레이크 형상의 금속 분말 크기는 등가직경이 5㎛ 내지 100㎛인 것이 바람직하다. 상기 등가직경이 5㎛ 미만인 경우에는 분말의 크기가 미세하여 압력손실이 커지는 문제점이 있고, 그 등가직경이 100㎛를 초과하는 경우에는 지지체의 1기공크기 보다 입자가 커져 기공을 막음으로써 압력손실이 커지는 문제점이 있다.
본 발명의 코팅층의 플레이크 형상의 금속 분말의 종횡비는 5 내지 100인 것이 바람직하다. 본 발명에서 플레이크 형상의 금속 분말의 종횡비가 5 미만인 경우에는 플레이크가 구형 형상이 되어 코팅층의 3차원 기공구조가 이루는 유로의 복잡도가 떨어져 여과대상에 대한 여과율이 저하되는 문제점이 있고, 상기 종횡비가 100을 초과하는 경우에는 소결과정에서 플레이크 형상이 무너져 코팅층의 기공크기 및 기공율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 코팅층의 기공율은 35% 내지 55% 범위인 것이 바람직하다. 상기 기공율이 35% 미만인 경우에는 여과대상의 투과율이 현저히 떨어져, 여과장치에 지나친 부하가 걸릴 수 있는 문제점이 있고, 상기 기공율이 55%를 초과하는 경우에는 여과대상에 대한 여과율이 저하되어 필터로서의 기능이 저하되는 문제점이 있다.
이때, 본 발명의 코팅층의 제2 기공크기는 지지체의 제1 기공크기보다 작고, 0.1㎛ 내지 1㎛의 범위인 것이 바람직하다. 상기 제2 기공크기가 0.1㎛ 미만인 경우에는 여과대상의 투과율이 현저히 떨어져 여과 효율이 저하되고, 여과장치에 지나친 부하가 걸릴 수 있는 문제점이 있고, 상기 제2 기공크기가 1㎛를 초과하는 경우에는 여과대상에 대한 여과율이 저하되어 필터로서의 기능이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 코팅층은 플레이크 형상의 금속 분말들이 접합되어 3차원 기공구조를 형성하며, 상기 형성된 3차원 기공구조는 여과대상이 이동하는 유로가 된다. 기존의 필터들의 경우 코팅층을 구형 분말을 이용하여 형성함에 따라 여과율 및 투과율이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명의 코팅층은 플레이크 형상의 금속 분말들을 이용함에 따라, 이들이 형성하게 되는 3차원 기공구조가 매우 복잡해져서, 여과대상이 필터를 통과할 때까지의 유로가 매우 복잡해지고 길어져서, 여과율이 향상된다. 또한, 본 발명에서 사용되는 플레이크 형상의 금속 분말들은 기존의 구형 분말들과는 달리, 서로 다양한 배향으로 쌓이게 되고, 폐기공이 형성되는 것이 방지되어, 이에 따라 기공율이 증가하여 결국 여과대상의 투과율이 향상된다.
결국 본 발명의 필터는 플레이크 형상의 금속 분말들 접합되어 3차원 기공구조를 갖는 코팅층을 포함함으로써, 구형 분말을 사용하는 경우와 비교하여, 동일 양의 원료를 사용하는 경우 더 두꺼운 코팅층을 형성할 수 있고, 그럼에도 불구하고, 구형 분말을 사용하는 경우보다 투과율이 더 향상될 수 있다. 코팅층이 두꺼워지면, 이에 따라 여과율은 더욱 향상될 수 있다. 또한, 동일한 두께의 코팅층을 형성하는 경우, 본 발명에 따른 코팅층은 구형 분말을 사용하는 경우보다 더 적은 양의 원료물질을 사용하게 되고, 그럼에도 불구하고, 투과율은 더 향상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 필터는 고도의 여과율이 요구되면서도 장치에 부하가 걸리는 것을 회피해야 하는 반도체 장비용 필터 또는 가스 여과기용 필터로 사용될 수 있으며, 그 외 다양한 응용분야에 적용이 가능하다.
한편, 본 발명의 지지체 및 코팅층은 스테인레스스틸 계열, Ni 계열, 또는 Ti 계열 금속의 지지체 및 코팅층일 수 있고, 지지체와 코팅층을 형성하는 물질은 동일하거나 또는 서로 상이할 수 있다.
이처럼 본 발명에 따른 필터는 기존의 구형 분말을 사용하는 경우와 비교하여 여과대상에 대한 여과율 및 투과율이 모두 향상되는 장점이 있다.
다음으로 본 발명은
제1 기공크기를 갖는 다공성의 금속 지지체를 형성하는 단계;
상기 형성된 지지체 상에 습식 분말 분무 공정으로 플레이크 형상의 금속 분말을 분무하여 코팅층을 형성하는 단계; 및
상기 코팅층을 소결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 필터의 제조방법을 제공한다.
이하 본 발명에 따른 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명의 제조방법은 제1 기공크기를 갖는 다공성의 금속 지지를 형성하는 단계를 포함한다.
일반적으로 필터에서 지지체는 여과대상이 투과될 수 있는 조대한 기공크기를 갖고, 이를 통하여 여과 대상이 투과되어 그 위의 코팅층으로 이동되고, 여과 대상 중 일부가 지지체에 의하여 여과되기도 한다. 상기 지지체를 형성하는 단계는 예를 들어, 금속 분말을 몰드에 장입한 후 성형하고, 이를 소결하는 방법으로 수행될 수 있으나, 반드시 이와 같은 방법에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 다공성 지지체의 제1 기공 크기는 5㎛ 내지 100㎛인 것이 바람직하다. 상기 기공 크기가 5㎛ 미만인 경우에는 여과 대상의 투과율(통기성)가 떨어져 여과 효율이 떨어지는 문제점, 및 여과 장치에 부하가 심하게 걸리는 문제점이 있고, 기공 크기가 100㎛를 초과하는 경우에는 지지체의 기계적 특성이 저하되고 플레이크 형상의 금속 분말로 이뤄진 제 2 층을 형성하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명에 따른 제조방법은 상기 형성된 지지체 상에 습식 분말 분무 공정으로 플레이크 형상의 금속 분말을 분무하여 코팅층을 형성하는 단계를 포함한다.
습식 분말 분무는 액상 혼합물을 분무하여 코팅층을 형성하는 방법으로, 액상 혼합물은 일반적으로 분말, 바인더 및 캐리어를 포함한다. 분무가 수행된 후, 1차적으로 캐리어가 증발되어 제거되고, 바인더는 분말들간 및 분말들과 기판사이의 접착력을 유지함으로써 그린 코팅이 형성된다. 이후 소결 등의 열처리를 통하여 바인더는 제거되고 분말간 및 분말과 기판간의 상호 확산에 의한 접착이 형성된다. 습식 분말 분무에서는 상대적으로 적은 양의 바인더가 사용되기 때문에, 이를 제거하는 공정이 매우 짧고 단일 로 내에서 연속 공정으로 수행될 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 제조방법은 상기와 같은 습식 분말 분무 공정을 이용하여 지지체 상에 플레이크 형상의 금속 분말을 분무하여 코팅층을 형성함으로써 판형, 튜브형, 원형, 요철형 등 다양한 형상의 지지체상에 복잡한 유로를 가지면서 균일한 두께를 갖는 코팅층을 형성할 수 있는 장점을 갖게 된다.
본 발명의 코팅층의 플레이크 형상의 금속 분말의 종횡비는 5 내지 100인 것이 바람직하다. 본 발명에서 플레이크 형상의 금속 분말의 종횡비가 5 미만인 경우에는 플레이크가 구형 형상이 되어 코팅층의 3차원 기공구조가 이루는 유로의 복잡도가 떨어져 여과대상에 대한 여과율이 저하되는 문제점이 있고, 상기 종횡비가 100을 초과하는 경우에는 소결과정에서 플레이크 형상이 무너져 코팅층의 기공크기 및 기공율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 제조방법은 상기 형성된 코팅층을 소결하는 단계를 포함한다. 이와 같은 소결을 통하여 습식 분말 분무 공정에서 사용된 바인더를 제거하고, 플레이크 형상의 금속 분말들이 서로 접합하여 3차원 기공구조를 형성하게 된다.
이때 상기 코팅층을 소결하는 단계는 600 oC 내지 1300 oC의 온도에서 30 분 내지 120 분동안 수행되는 것이 바람직하다. 만약 상기 소결 온도가 600 oC 미만인 경우 바인더가 충분히 제거되지 않고, 분말간 및 분말과 지지체 사이의 접착력이 충분히 담보되지 않는 문제점이 있고, 상기 소결 온도가 1300 oC 를 초과하는 경우에는 소결 과정에서 플레이크 형상이 무너져 코팅층의 기공 크기가 작아지거나 또는 기공율이 떨어져, 여과대상에 대한 여과율 및 투과율이 저하되는 문제점이 있다. 상기 소결 시간이 30 분 미만인경우에도 마찬가지로 바인더가 충분히 제거되지 않고, 분말간 및 분말과 지지체 사이의 접착력이 충분히 담보되지 않는 문제점이 있고, 120 분을 초과하는 경우에는 소결 과정에서 플레이크 형상이 무너져 코팅층의 기공 크기가 작아지거나 또는 기공율이 떨어져, 여과대상에 대한 여과율 및 투과율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 코팅층의 기공율은 35% 내지 55% 범위인 것이 바람직하다. 상기 기공율이 35% 미만인 경우에는 여과대상의 투과율이 현저히 떨어져, 여과장치에 지나친 부하가 걸릴 수 있는 문제점이 있고, 상기 기공율이 55%를 초과하는 경우에는 여과대상에 대한 여과율이 저하되어 필터로서의 기능이 저하되는 문제점이 있다.
이때, 본 발명의 코팅층의 제2 기공크기는 지지체의 제1 기공크기보다 작고, 0.1㎛ 내지 1㎛의 범위인 것이 바람직하다. 상기 제2 기공크기가 0.1㎛ 미만인 경우에는 여과대상의 투과율이 현저히 떨어져 여과 효율이 저하되고, 여과장치에 지나친 부하가 걸릴 수 있는 문제점이 있고, 상기 제2 기공크기가 1㎛를 초과하는 경우에는 여과대상에 대한 여과율이 저하되어 필터로서의 기능이 저하되는 문제점이 있다.
한편, 본 발명의 지지체 및 코팅층은 스테인레스스틸 계열, Ni 계열, 또는 Ti 계열 금속의 지지체 및 코팅층일 수 있고, 지지체와 코팅층을 형성하는 물질은 동일하거나 또는 서로 상이할 수 있다.
이하 본 발명을 실시예, 비교예 및 실험예를 통하여 보다 더 상세히 설명한다. 그러나, 이하의 실시예, 비교예 및 실험예는 본 발명을 설명하기 위한 예시일 뿐, 이하의 기재 내용에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
평균 30 μm 크기의 SUS316L 분말을 디스크형 몰드에 장입하여 일축가압 성형하여 성형체를 제조하였다. 성형체를 850 ℃에서 1 시간동안 소결하여, 두께 5 mm, 직경 20 mm의 디스크형상의 조대 기공의 다공성 지지체를 제조하였다.
상기 제조된 다공성 지지체 상에 습식 분말 분무 공정으로 등가직경 30 μm, 두께 1 μm의 플레이크 형상의 SUS316L 분말 0.146 g 폴리비닐알코올 바인더와 함께 에탄올에 혼합하여 혼합액을 제조한 후, 이를 분무하여 코팅층을 형성하였다. 상기 습식 분말 분무 공정시 분무노즐의 직경은 0.8mm, 분무노즐과 다공성 지지체 상 사이의 거리는 200mm로 고정하였다. 코팅층 형성 후 950oC 에서 30 분 동안 소결하여 필터를 제조하였다. 소결 후 코팅층의 두께는 139 μm였다.
<실시예 2>
플레이크 형상의 SUS316L 분말 0.288 g을 분무하여 코팅층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 필터를 제조하였다.
<실시예 3>
플레이크 형상의 SUS316L 분말 0.065 g을 분무하여 코팅층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 필터를 제조하였다.
<비교예 1>
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 필터를 제조하되, 직경 7 μm의 구형 분말 0.129 g을 사용하여 코팅층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 필터를 제조하였다. 소결 후 코팅층의 두께는 70 μm였다.
<비교예 2>
구형 분말 0.341 g을 사용하여 코팅층을 형성한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 필터를 제조하였다.
<비교예 3>
구형 분말 0.527 g을 사용하여 코팅층을 형성한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 필터를 제조하였다.
<비교예 4>
평균 30 μm 크기의 SUS316L 분말을 디스크형 몰드에 장입하여 일축가압 성형하여 성형체를 제조하였다. 성형체를 850 ℃에서 1 시간동안 소결하여, 두께 5 mm, 직경 20 mm의 디스크형상의 조대 기공의 다공성 지지체를 제조하였다.
<실험예 1>
제조된 필터의 기공 구조를 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다. 상기 실시예 1에 의하여 제조된 필터의 코팅층 상면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였고, 그 결과를 도 1에 나타내었다.
도 1에 따르면, 실제 본 발명의 실시예 1에 의하여 제조된 필터의 코팅층은 플레이크 형상의 분말들이 접합되어 형성되고 있다는 것을 확인할 수 있다.
<실험예 2>
제조된 필터의 기공율을 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다. 상기 실시예 1 및 비교예 1에 의하여 제조된 필터의 측면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였고, 그 결과를 도 2에 나타내었다. 또한, 주사전자현미경 관찰 결과로부터 화상 분석기를 이용하여 각 필터 코팅층의 기공율을 측정하였다. 실시예 1의 경우 기공율이 48 %이고, 비교예 1의 경우 기공율이 35 %임을 확인하였다. 즉, 실시예 1에 의하여 제조된 코팅층은 비교예 1의 코팅층과 비교하여 기공율이 약 37 % 이상 높아진다는 것을 알 수 있다. 이와 같이 본 발명의 필터는 코팅층의 기공율이 높아 여과대상의 투과율이 크게 개선되는 장점이 있다. 또한, 플레이크 형상의 분말이 이루는 매우 복잡한 3차원 기공구조에 의하여 여과대상의 여과율 또한 크게 개선되는 장점이 있다.
도 2를 보면, 실시예 1에 의하여 제조된 필터의 코팅층의 경우 플레이크 형상의 분말들이 판상 형태로 적층되어, 매우 복잡하고 기공율이 높은 유로를 형성하고 있다는 것을 알 수 있다. 반면, 비교예 1에 의하여 제조된 필터의 코팅층의 경우 서로 다른 크기의 구형 분말들이 적층되면서, 빈 공간을 채워, 기공율도 낮아지고, 기공의 크기도 작아진다는 것을 확인할 수 있다. 이를 통하여, 본 발명의 필터는 코팅층의 기공율을 일정 수준 이상으로 용이하게 유지할 수 있는 장점이 있다는 것을 알 수 있고, 복잡한 유로를 통하여 여과대상에 대한 여과율이 개선되는 효과가 있다는 것을 알 수 있다.
<실험예 3>
코팅층을 위한 원료 물질을 동일한 양으로 사용한 경우의 코팅층 차이를 확인하기 위하여 이하와 같은 실험을 수행하였다. 실시예 1과 비교예 1에서 제조된 필터의 코팅층 두께를 측정하였다. 실시예 1은 플레이크 형태의 분말을 0.146 g 사용하였고, 비교예 1은 구형 분말을 0.129 g 사용하여 거의 유사한 양의 원료 분말을 사용하였다. 측정 결과 실시예 1의 코팅층 두께는 139 μm인 반면, 비교예 1의 코팅층 두께는 70 μm에 불과하여, 실시예 1의 코팅층의 절반에 불과한 것을 확인하였다. 이를 통하여, 동일한 양의 원료물질을 사용하는 경우, 본 발명의 방법을 통하여 더 두꺼운 코팅층을 형성할 수 있다는 것을 알 수 있다. 코팅층이 두꺼워지면 그만큼 여과대상이 유동하는 유로가 길어지게 되고, 이에 따라 여과대상에 대한 여과율이 향상되는 효과가 있다. 따라서, 본 발명의 방법은 동일한 양의 원료물질을 사용하는 경우 더 우수한 여과율을 얻을 수 있는 필터를 제조할 수 있는 장점이 있다는 것을 알 수 있다.
<실험예 4>
코팅층을 위한 원료 물질을 동일한 양으로 사용한 경우의 통기도를 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다. 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 4의 필터에 대하여 Capillary Flow Porometer를 이용하여 필터의 한쪽 면에서 압축공기의 압력을 증가시키면서 필터를 투과시켜 반대쪽 면으로 투과되어 나오는 공기의 양을 측정하여, 압축공기의 압력 증가에 따른 투과되어 나오는 공기의 양을 측정하는 방법으로 통기도를 측정하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3에 따르면, 코팅층을 위한 원료물질의 양을 유사하게 하였을 때, 실시예 1의 코팅층이 비교예 1의 코팅층보다 두께가 더 두꺼움에도 불구하고, 통기도가 더 높다는 것을 확인할 수 있다. 이를 통하여, 본 발명의 실시예 1에 따른 필터는 비교예 1의 필터와 비교하여 여과대상에 대하여 여과도도 더 우수하고(두께가 더 두껍기 때문에), 나아가 통기도(투과도)도 더 우수하다는 것을 알 수 있고, 이는 필터의 효율이 우수할 뿐만 아니라, 필터가 장착되는 장치에 걸리는 부하량도 줄어들게 할 수 있는 효과가 있다는 것을 의미한다.
<실험예 5>
코팅층의 두께를 동일하게 했을 때 각 필터의 통기도를 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다. 실시예 1, 비교예 2 및 비교예 4의 필터에 대하여 Capillary Flow Porometer를 이용하여 필터의 한쪽 면에서 압축공기의 압력을 증가시키면서 필터를 투과시켜 반대쪽 면으로 투과되어 나오는 공기의 양을 측정하여, 압축공기의 압력 증가에 따른 투과되어 나오는 공기의 양을 측정하는 방법으로 통기도를 측정하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 실시예 1 필터의 코팅층 두께는 139 μm이고, 비교예 2 필터의 코팅층 두께는 165 μm로, 양 필터의 코팅층 두께는 유사하다.
도 4에 따르면, 유사한 두께의 코팅층의 경우 본 발명의 실시예 1에서 제조된 필터의 통기도가 비교예 2에서 제조된 필터의 통기도보다 우수하다는 것을 알 수 있다. 이를 통하여 본 발명에 따른 필터가 여과 효율이 우수하고, 장착되는 장치에 가하여 지는 부하량을 줄일 수 있다는 것을 알 수 있다.
<실험예 6>
서로 다른 형태의 분말을 이용하여 코팅층을 형성함에 있어, 코팅의 양을 증가시킴에 따른 필터의 기공크기 분포를 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다. 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 필터에 대하여 Capillary Flow Porometer를 이용하여, 낮은 표면장력과 낮은 증기압을 갖는 유체를 사용하여 필터를 완전히 함침시켜서 필터에 있는 모든 기공에 유체가 채워지도록 한 후 압축공기를 이용하여 서서히 압력을 증가시키는데, 압축공기압이 증가됨에 따라 시편내부를 관통해서 나오는 압축공기의 양과 압력을 측정하고, 유체가 제거된 상태에서 다시 한번 압축공기압을 증가시켜 투과되어 나오는 압축공기양과 압력을 측정하는 방법으로 기공크기를 측정하였고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5에 따르면, 실시예의 경우 및 비교예의 경우 모두 코팅의 양이 증가할수록 기공의 크기가 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 기공의 크기가 줄어들수록 보다 작은 입자를 필터를 통해 여과할 수 있다. 또한, 구형 분말로 코팅한 비교예와 비교하여, 플레이크 형상의 분말로 코팅한 실시예의 경우 평균 기공의 크기는 유사하지만 기공 크기의 분포가 더 넓다는 것을 확인할 수 있다. 이러한 영향으로 인해 플레이크 형상의 분말로 코팅을 실시할 경우, 구형 분말로 코팅한 경우에 비해서 더 넣은 크기 분포의 입자의 여과가 가능한 장점이 있다.

Claims (13)

  1. 금속 분말들의 성형에 의하여 형성되고, 제1 기공크기를 갖는 다공성의 금속 지지체; 및
    상기 지지체 상에 형성되고, 상기 금속 지지체와 확산 접합되며, 상기 제1 기공크기보다 작은 제2 기공크기를 갖는 금속 코팅층을 포함하되, 상기 코팅층은 플레이크 형상의 금속 분말들이 상호 확산 접합되어 3차원 기공구조를 갖는 것을 특징으로 하는 필터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 기공크기는 5㎛ 내지 100㎛ 인 것을 특징으로 하는 필터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 플레이크 형상의 금속 분말의 등가직경은 5㎛ 내지 100㎛ 인 것을 특징으로 하는 필터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 플레이크 형상의 금속 분말의 종횡비는 5 내지 100 인 것을 특징으로 하는 필터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 코팅층의 기공율은 35 % 내지 55 %인 것을 특징으로 하는 필터.
  6. 제1항에 있어서, 상기 코팅층의 제2 기공 크기는 0.1 ㎛ 내지 1 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 필터.
  7. 제1항에 있어서, 상기 필터는 반도체 장비용 필터 또는 가스 여과기용 필터인 것을 특징으로 하는 필터.
  8. 금속 분말들을 성형하여 제1 기공크기를 갖는 다공성의 금속 지지체를 형성하는 단계;
    상기 형성된 지지체 상에 습식 분말 분무 공정으로 플레이크 형상의 금속 분말을 분무하여 코팅층을 형성하는 단계; 및
    상기 코팅층을 소결하여, 상기 플레이크 형상의 금속 분말들을 상호 확산 접합시키고, 상기 코팅층과 상기 금속 지지체를 확산 접합시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 필터의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 기공 크기는 5 ㎛ 내지 100 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 필터의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 코팅층의 금속 분말 종횡비는 5 내지 100 으로 형성되는 것을 특징으로 하는 필터의 제조방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 코팅층을 소결하는 단계는 600 oC 내지 1300 oC의 온도에서 30 분 내지 120 분동안 수행되는 것을 특징으로 하는 필터의 제조방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 소결 후 코팅층의 기공율은 35 % 내지 55 %인 것을 특징으로 하는 필터의 제조방법.
  13. 제8항에 있어서, 상기 소결 후 코팅층의 기공 크기는 0.1 ㎛ 내지 1 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 필터의 제조방법.
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