KR102066143B1 - 알루미늄 금속분말을 이용한 허니콤 금속 구조체의 제조방법 및 이를 이용한 금속 촉매 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 알루미늄 금속분말을 이용한 허니콤 금속 구조체의 제조방법 및 이를 이용한 금속 촉매 모듈에 관한 것으로, 철(Fe)을 포함하는 기판을 적어도 하나 포함하는 허니콤(Honeycomb) 구조체를 준비하는 단계, 상기 기판의 적어도 일부에 수분에 의해 점착도가 증가하는 점착물질을 도포하는 단계, 상기 점착물질의 상부에 금속분말을 부착시키는 단계, 상기 점착물질과 수분을 접촉시켜 상기 금속분말을 상기 기판에 접착시키는 단계 및 상기 금속분말이 접착된 기판을 열처리하여 상기 기판에 결합된 금속분말로 이루어진 요철구조를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 알루미늄 금속분말을 포함하는 허니콤 금속 구조체의 제조방법 및 이를 이용한 금속 촉매 모듈에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 금속부재로 이루어진 허니콤(Honeycomb) 구조의 기판에 알루미늄 금속분말을 이용하여 요철구조를 형성하고 열처리를 통해 내열특성이 우수한 금속 구조체의 제조방법 및 이를 이용한 금속 촉매 모듈에 관한 것이다.
금속판, 금속망 등의 금속 구조체의 표면상에 다공성 담체층 및 활성 촉매 성분을 부착하여 금속 촉매 모듈을 제조할 수 있다. 이러한 금속 촉매 모듈은 종래의 세라믹 구조체를 이용하는 반응기에 비해, 열전도율이 높아서 빠른 온도 응답 특성을 가지고, 두께가 얇은 금속을 사용할 수 있기 때문에 단위 부피당 표면적을 증가시킬 수 있다. 또한, 금속 촉매 모듈의 압력강하를 줄일 수 있으며, 가공성이 우수하여 제작이 보다 용이하고, 기계적 강도가 높아 내구성이 향상되는 장점이 있다.
금속 구조체에 다공성 담체층 및 촉매를 피복하여 이를 고온에서 작동하는 촉매 반응기에 적용하는 경우 금속과 다공성 세라믹 담체와는 열팽창 계수 차이가 크기 때문에 다공성 담체층이 쉽게 박리되어 떨어지는 현상이 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 금속구조물 표면에 요철을 형성하고 여기에 다공성 담체층을 코팅하는 방법이 연구되고 있다.
철(Fe)-크롬(Cr)-알루미늄(Al)계(Fe-Cr-Al) 내열 금속 판재 표면에 Fe-Cr-Al 분말을 뿌리고 이를 소결하여 요철이 있는 Fe-Cr-Al 판재를 만든 후 여기에 다공성 감마 알루미나(γ-Alumina, γ-Al2O3)를 워시 코팅(Wash coating)하여 촉매 활성판을 제조한다. 이렇게 제조된 촉매 활성판은 상온 ~ 700℃에서 열이력 시험을 1000회 반복하여도 다공성 감마 알루미나가 박리되지 않고 내구성을 가질 수 있고 보고되고 있다 (대한민국 특허 제 10-1305451).
일반적으로 수백 마이크로미터 이하 크기의 분말이 판재 표면에 공급될 경우, 이동 중이나 취급 중에 판재를 기울이게 되면 분말이 판재표면에서 쉽게 떨어지는 문제가 발생한다. 이런 경우 요철이 판재 표면에 균일하게 형성되지 않는 단점이 있다. 또한 직경이 수백 마이크로미터 이하의 선재에 요철을 형성하고자 하는 경우에는, 선재의 단면이 원으로 되어 있어 요철 형성을 위해 뿌린 금속 분말을 선재의 표면에 부착시키는 것은 쉽지 않다고 판단된다. 특히, 허니콤(Honeycomb) 구조와 같이 표면적이 넓고 구조가 복잡한 금속 기판상에 금속 분말을 부착시켜 요철을 형성하는 것은 쉽지 않다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 허니콤 구조의 기판에 알루미늄 금속 분말을 이용하여 요철구조를 형성하고 열처리를 통해 내열특성이 우수한 허니콤 금속 구조체를 제조하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 허니콤 금속 구조체를 포함한 촉매 모듈을 제조하여, 다공성 담체층이 요철 구조에 의해 쉽게 탈리되지 않도록 부착력을 향상시키고, 급격한 열처리 환경에서도 촉매 모듈의 표면이 변화되지 않는 내열특성을 부여하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 철(Fe)을 포함하는 기판을 적어도 하나 포함하는 허니콤(Honeycomb) 구조체를 준비하는 단계, 상기 기판의 적어도 일부에 수분에 의해 점착도가 증가하는 점착물질을 도포하는 단계, 상기 점착물질의 상부에 금속분말을 부착시키는 단계, 상기 점착물질과 수분을 접촉시켜 상기 금속분말을 상기 기판에 접착시키는 단계 및 상기 금속분말이 접착된 기판을 열처리하여 상기 기판에 결합된 금속분말로 이루어진 요철구조를 형성하는 단계를 포함하는, 허니콤 금속 구조체 제조방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속분말을 접착시키는 단계는, 상기 금속분말이 점착물질에 부착된 기판 및 수분이 담긴 용기를 준비하는 단계, 상기 수분이 증발하여 상기 점착물질과 접촉하는 단계 및 상기 점착물질의 점착도가 증가하여 상기 금속분말이 상기 기판에 접착되는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열처리 단계는, 상기 금속분말이 접착된 기판을 제1 열처리하여 상기 기판과 상기 금속분말의 계면에 금속간화합물층을 형성하는 단계 및 상기 제1 열처리된 기판을 제2 열처리하여 상기 금속간화합물층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열처리 단계는, 상기 기판과 요철구조가 접촉되는 영역에는 공공이 형성되는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열처리 단계는, 상기 점착물질이 제거되는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 점착물질은 폴리비닐알코올(Polyvinylalcohol, PVA), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리프로필렌(Polypropylene, PP), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol, PEG), 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethyl methacrylate, PMMA), 폴리옥시메틸렌(Polyoxymethylene, POM), 폴리아크릴산(Polyarcylic acid, PAA) 및 스티렌-부타디엔 고무 카복시메틸 셀룰로오스 혼합물(Styrene-butadien rubber Carboxymethyl cellulose)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 또는 그 조합일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속분말은, 알루미늄(Al) 분말 또는 알루미늄(Al)-실리콘(Si)합금 분말을 포함 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 열처리하는 단계는 가열온도(TH)는 하기의 식(1)을 만족하고, 1분 내지 4시간동안 수행할 수 있다.
식(1): Tm ≤ TH ≤ 1.3*Tm
(여기서 Tm은 상기 금속 분말의 융점(Melting point))
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속간화합물층은 알루미나이드(Aluminide) 또는 실리사이드(Silicide)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 열처리는 900℃ 내지 1200℃에서, 10시간 내지 36시간동안 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 열처리 및 상기 제2 열처리는 연속적으로 수행될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열처리는 불활성 가스 또는 환원성 가스 분위기에서 수행할 수 있다.
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 철(Fe)을 포함하는 기판을 적어도 하나 포함하는 허니콤 구조체 및 상기 기판의 적어도 일부 면에 형성된 요철 구조를 포함하며, 상기 요철구조는 금속으로 이루어져 있고, 상기 기판과 요철구조가 접촉되는 영역에는 공공이 형성되어 있는, 허니콤 금속 구조체가 제공된다.
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 철(Fe)을 포함하는 기판을 적어도 하나 포함하는 허니콤 구조체, 상기 기판의 적어도 일부 면에 형성된 요철 구조 및 상기 요철구조의 상부를 도포하는 촉매층을 포함하며, 상기 요철구조는 금속으로 이루어져 있고, 상기 기판과 요철구조가 접촉되는 영역에는 공공이 형성되어 있는, 허니콤 금속 촉매 모듈이 제공된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 촉매층은 다공성 담체층 및 상기 다공성 담체층 내부에 포함된 금속촉매를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면 금속부재로 이루어진 허니콤 구조의 기판에 알루미늄 금속 분말을 이용하여 요철구조를 형성하고 열처리를 통해 내열특성이 우수한 허니콤 금속 구조체를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 허니콤 금속 구조체를 포함한 촉매 모듈을 제조하여, 다공성 담체층이 요철 구조에 의해 쉽게 탈리되지 않도록 부착력을 향상시키고, 급격한 열처리 환경에서도 촉매 모듈의 표면이 변화되지 않는 내열특성을 부여할 수 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 종래의 요철구조가 형성되어 있는 금속 촉매 모듈의 제조방법을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 허니콤 금속 구조체의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 허니콤 금속 구조체의 제조방법을 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속분말을 접착시키는 공정을 수행하기 위한 장치를 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판에 금속분말을 접착시키는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판에 금속분말을 접착시키는 방법을 나타내는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 허니콤 금속 구조체의 요철구조가 형성되어 있는 기판의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 구조체를 포함하는 금속 촉매 모듈의 단면을 나타내는 개략도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실험예에 따른 허니콤 금속 구조체의 제조방법을 나타내는 개략도이다.
도 11은 본 발명의 일 실험예에 따른 Al분말이 요철구조를 형성하고 있는 SUS430 허니콤 금속구조체의 단면을 나타내는 광학사진 및 SEM사진이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 담체층이 형성된 SUS430 허니콤 금속구조체의 단면을 나타내는 SEM 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 허니콤 금속 구조체의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 허니콤 금속 구조체의 제조방법을 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속분말을 접착시키는 공정을 수행하기 위한 장치를 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판에 금속분말을 접착시키는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판에 금속분말을 접착시키는 방법을 나타내는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 허니콤 금속 구조체의 요철구조가 형성되어 있는 기판의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 구조체를 포함하는 금속 촉매 모듈의 단면을 나타내는 개략도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실험예에 따른 허니콤 금속 구조체의 제조방법을 나타내는 개략도이다.
도 11은 본 발명의 일 실험예에 따른 Al분말이 요철구조를 형성하고 있는 SUS430 허니콤 금속구조체의 단면을 나타내는 광학사진 및 SEM사진이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 담체층이 형성된 SUS430 허니콤 금속구조체의 단면을 나타내는 SEM 사진이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
요철구조가 형성된 허니콤(Honeycomb) 금속 구조체의 제조방법
도 1 내지 도 3을 참조하여, 요철구조가 형성된 금속 구조체의 제조방법에 대하여 설명한다.
도 1은 종래의 요철구조가 형성되어 있는 금속 촉매 모듈의 제조방법을 나타내는 개략도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 요철구조가 형성되어 있는 금속 촉매 모듈의 경우, 내열성이 우수한 철(Fe)-알루미늄(Al)-크롬(Cr)계 금속 기판상에, 금속 분말을 접촉시킨 후, 열처리하여 요철구조가 형성된 금속 구조체를 제조하였다. 그러나, 금속 분말을 금속 기판의 상부에 접촉시키는 단계에서, 금속 기판의 상부에 금속 분말이 균일하게 분산되기 어렵고, 금속 분말이 잘 접촉되지 않아 열처리 전 취급이 용이하지 않았다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 허니콤 금속 구조체(1)의 제조방법을 나타내는 순서도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 허니콤 금속 구조체(1)의 제조방법을 나타내는 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 허니콤 금속 구조체(1) 제조방법은, 철(Fe)을 포함하는 기판(10)을 적어도 하나 포함하는 허니콤(Honeycomb) 구조체(15)를 준비하는 단계(S10), 기판(10)의 적어도 일부에 수분에 의해 점착도가 증가하는 점착물질(32)를 도포하는 단계(S20), 점착물질(32)의 상부에 금속분말(31)을 부착시키는 단계(S30), 점착물질(32)과 수분을 접촉시켜 금속분말(31)을 기판(10)에 접착시키는 단계(S40) 및 금속분말(31)이 접착된 기판(10)을 열처리하여 기판(10)에 결합된 금속분말(31)로 이루어진 요철구조(30)를 형성하는 단계(S50)를 포함할 수 있다.
먼저, 철(Fe)을 포함하는 기판(10)을 적어도 하나 포함하는 허니콤 구조체(15)를 도가니 내에 준비할 수 있다. 허니콤 구조체(15)는 하나 이상의 기판(10)이 벌집구조를 이루고 있는 구조체이며, 기판(10)은 허니콤 구조체(15) 내에서 서로 이격되어 배치될 수 있다. 허니콤 구조체(15)의 기판(10)은 금속분말(31)이 부착되는 장소를 제공하며, 후속되는 단계에서 금속분말(31)을 부착한 상태에서 열처리가 수행되게 된다. 허니콤 구조체(15)는 도가니에서 수평으로 준비 될 수도 있고, 수직으로 준비될 수도 있다.
예를 들어, 철을 포함하는 기판(10)은 SUS430 스테인리스강(Stainless steel)일 수 있다. SUS430 스테인리스강에는 16 내지 18중량%의 크롬(Cr) 원소가 함유되어 있어 SUS430 기판에 형상의 변화 없이 수 중량%의 알루미늄(Al) 원소를 포함하여 내열성이 있는 Fe-Cr-Al 금속 기판의 제조가 가능하다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 기판(10)의 적어도 일부에 수분에 의해 점착도가 증가하는 점착물질(32)을 도포하는 단계(S20)를 수행한다. 점착물질(32)은 본 발명의 기술분야에서 통상적으로 사용이 가능한 종류일 수 있다. 점착물질(32)은 폴리비닐알코올(Polyvinylalcohol, PVA), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리프로필렌(Polypropylene, PP), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol, PEG), 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethyl methacrylate, PMMA), 폴리옥시메틸렌(Polyoxymethylene, POM), 폴리아크릴산(Polyarcylic acid, PAA) 및 스티렌-부타디엔 고무 카복시메틸 셀룰로오스 혼합물(Styrene-butadien rubber Carboxymethyl cellulose)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 또는 그 조합일 수 있다. 바람직하게는, 점착물질(32)은 폴리비닐알코올일 수 있다. 점착물질(32)을 도포한 후 건조시킴으로써 허니콤 금속구조체(15)에 균일하게 형성할 수 있다. 이후, 점착물질(32)만으로는 기판(10)의 상부에 금속분말(31)을 부착시키기에 부족하기 때문에, 수분(w)과 접촉시켜 접착력을 향상시킬 수 있다. 점착물질(32)은 열처리단계에 의해 쉽게 제거될 수 있기 때문에 금속분말(31)의 기판(10)에 임시적으로 부착시키기 위해 소량으로 도포될 수 있다. 도포된 점착물질(32)은 기판(10)의 적어도 일부에 점착층을 형성할 수도 있다.
점착물질(32)은 기판(10)의 상부에 균일하게 도포될 수 있고, 기판(10)의 상부 및 하부 양면에 도포될 수도 있다. 허니콤 금속구조체(1)의 용도에 따라 필요한 만큼 기판(10)에 요철구조(30)가 형성되는 영역을 선택하여 점착물질(32)을 도포할 수 있다. 바람직하게는, 점착물질(32)은 기판(10)의 상부 및 하부 양측면에 균일하게 도포되어 코팅막을 형성할 수 있다. 이때, 점착물질(32)은 허니콤 구조체(15)에 스프레이식으로 분사되어 기판(10)의 상부 또는 하부에 도포될 수 있고, 바람직하게는, 점착물질(32) 용액이 담긴 용기에 허니콤 구조체(15)를 디핑하여 기판(10)에 균일하게 도포할 수도 있다.
다음으로, 점착물질(32)의 상부에 금속분말(31)을 부착시키는 단계(S30) 및 금속분말(31)을 기판(10)에 접착시키는 단계(S40)에 대하여 설명한다.
먼저, 점착물질(32)이 도포된 기판(10)을 포함하는 허니콤 구조체(15)의 빈 공간을 덮을 수 있을 만큼의 금속분말(31)을 겹겹이 적층되도록 로딩(loading)한다. 금속분말(31)을 허니콤 구조체(15)의 빈 공간을 충분히 채울만큼 투입한다. 도 3에 도시된 바와 같이 허니콤 구조체(15)의 빈 공간을 충분히 채울 만큼의 금속분말(31)이 채워질 경우, 일부의 금속분말(31a)은 기판(10)과 직접 접촉되게 되며, 따라서 기판(10)상에 미리 도포되어 있던 점착물질(32)과도 접촉되어 있는 상태가 된다. 한편, 그 외의 나머지 금속분말(31b)는 기판과 집적 접촉되는 금속분말(31a) 상부에 적층되게 됨에 따라 기판(10)과는 직접적으로 접촉이 되지 않은 상태이다.
그리고, 점착물질(32)과 수분(W)을 접촉시켜 금속분말(31)을 기판(10)에 접착시킨다. 점착물질(32)은 통상의 접착제에 비하여 접착력이 다소 부족하다. 그러나, 수분(W)과 만날 경우 점착도가 증가하여 금속분말(31)을 기판(10)에 접착시키기에 충분한 접착력을 가질 수 있다.
허니콤(Honeycomb)은 구조가 복잡하고, 수 백개의 가스통로(또는 구멍)가 형성되어 있으며 각각의 가스통로의 단면적이 작다. 기판상에 금속분말의 부착시키는 방법으로 스프레이 풀을 이용할 수 있다. 그러나, 스프레이 풀을 이용할 경우, 허니콤의 가스통로 내부까지 도포할 수 없는 단점이 있었다. 이에 액체 접착제를 사용하여 도포하였는데, 이는 중력방향에 따라 액체 접착제가 이동하게 된다. 그 결과, 허니콤의 위치에 따라 액체 접착제의 분포가 달라져서 금속분말의 부착량이 달라지고, 균일한 두께의 요철구조를 형성할 수 없는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로, 점착물질(32)을 도포하고 일부 건조시킨 후 수분(W)과의 접촉으로 접착력을 향상시키는 방법을 이용한다. 점착물질(32)을 도포하고 건조시킬 경우, 허니콤 금속구조체(15)가 복잡한 구조를 가지더라도 건조된 점착물질(32)이 균일하게 도포될 수 있다. 또한, 균일하게 도포된 점착물질(32)에 금속분말(31)을 접촉시키고 수분(W)을 공급하여 접착력을 증가시키면, 점착물질(32)과 직접 접착된 단일층의 금속분말(31a)을 균일하게 허니콤 금속구조체(15)에 접착시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속분말을 기판에 접착시키는 공정을 수행하기 위한 장치(100)의 개략도가 나타나 있으며, 도 5 및 도 6에는 금속분말(31)을 기판(10)에 접착시키는 단계(S40)를 더욱 구체적으로 표시한 순서도 및 개략도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 장치(100)는 금속분말(31)이 채워져 있는 허니콤 구조체(15)를 내부에 수용하는 챔버(110) 및 수분(W)을 공급할 수 있는 수분공급부(150)를 포함한다. 수분공급부(150)는 도 4와 같이 챔버(110)의 외부에서 수분공급부(150)가 구비되어 챔버(110) 내부로 수분(W)을 공급하도록 구성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고, 다른 예로서, 챔버(110) 내부에 구비되어 수분(W)을 제공할 수도 있다. 챔버(110)는 밀폐가 가능한 구조일 수 있다. 밀폐된 공간에서 수분(W)이 기판(10)의 점착물질(32)에 효과적으로 접촉될 수 있다.
도 5 및 도 6에 따르면, 금속분말(31)을 접착시키는 단계(S40)는, 금속분말(31)이 점착물질(32)에 부착된 기판(10) 및 수분을 제공할 수 있는 수분공급부(150)를 준비하는 단계(S41), 수분(W)이 증발하여 점착물질(32)과 접촉하는 단계(S42) 및 점착물질(32)의 점착도가 증가하여 금속분말(31)이 기판(10)에 접착되는 단계(S43)를 포함할 수 있다.
먼저, 점착물질(32)을 수분(W)과 접촉시키기 위해, 장치(100)의 챔버(110)에 허니콤 구조체(15)와 물이 담긴 수분공급부(150)를 준비(S41)한다. 장치(100)의 챔버(110)는 점착물질(32)과 수분(W)의 효과적인 접촉을 위해 밀폐될 수 있다. 수분공급부(150)는 챔버(110) 내에 준비될 수 있고, 챔버(110)의 외부에 연결되어 준비될 수도 있다.
다음으로, 수분공급부(150)에 담긴 수분(W)이 증발하여 허니콤 구조체(15)의 점착물질(32)과 접착(S42)한다. 점착물질(32)은 수분(W)을 흡수할 수 있기 때문에, 수분공급부(150)에서 공급된 수분(W)을 흡수하여 점착도가 증가한다. 허니콤 구조체(15)의 빈 공간에 채워져 있던 금속분말(31) 중, 점착물질(32)과 직접 부착된 금속분말(31a)은 점착물질(32)의 증가된 점착도에 의해 기판(10)과 접착할 수 있다. 그리고, 그 상부에 적층된 금속분말(31b)들은 허니콤 구조체(15)에서 쉽게 탈리될 수 있다. 금속분말(31)이 허니콤 구조체(15)의 빈 공간을 채울만큼 적층되어 있기 때문에, 기판(10)에 균일하게 금속분말(31)이 접착된다.
허니콤 구조체(15)의 내부 벽면에 접착되지 않은 금속분말(31b)를 제거하기 위해, 허니콤 구조체(15)를 가볍게 두드린다. 금속분말(31)은 허니콤 구조체(15)내에서 느슨하게 채워져 있기 때문에, 접착되지 않은 금속분말(31b)은 작은 충격에도 쉽게 제거될 수 있다. 이를 통해, 허니콤 구조체(15)의 기판(10)에 단일층의 금속분말(31a)을 접착시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속분말(31)은 알루미늄(Al) 분말 또는 알루미늄(Al)-실리콘(Si)합금 분말을 포함할 수 있다.
알루미늄(Al)을 포함하는 합금분말을 허니콤 금속 구조체(1)의 제조에 사용하여, 기판(10)에 요철구조(30)를 형성함과 동시에, 알루미늄(Al) 또는 실리콘(Si)을 첨가하여 철(Fe)을 포함하는 기판(10)에 내열특성을 부여할 수 있다.
한편, 알루미늄-실리콘 합금분말에서, 알루미늄의 함량은 알루미늄-실리콘 합금분말의 크기, 철(Fe)을 포함하는 기판(10)의 두께 등에 따라 조절할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 알루미늄(Al)-실리콘(Si)합금 분말은, 실리콘(Si)이 0.1 중량%이상, 40 중량% 이하이고, 알루미늄(Al)이 잔부를 구성할 수 있다. 다만, 이에 의해 본 발명의 실시예가 한정되는 것은 아니다. 실리콘의 함량이 증가할수록 알루미늄-실리콘 합금의 액상선 온도가 상승하여 열처리 온도가 증가한다.
다음으로, 단일층의 금속분말(31)이 접착된 기판(10)을 열처리하여 기판(10)에 결합된 금속분말(31)로 이루어진 요철구조(30)를 형성하는 단계(S50)에 대하여 설명한다.
종래의 기판의 상부에 요철구조를 형성하기 위한 방법으로, Fe-Cr-Al 기판의 상부에 Fe-Cr-Al 분말을 뿌리고 소결하여 요철구조를 형성하였다. 그러나, Fe-Cr-Al 분말을 기판의 상부에 뿌리는 경우 분말이 고정되지 않아 소결전 취급이 곤란한 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해 열처리 전 기판(10)에 금속분말(31)을 접착시켜(S40) 소결전 취급이 용이하게 한 뒤 요철구조(30)를 형성한다. 이때, 열처리하는 공정은 금속분말(31)이 부착된 면을 위로 하여 기판(10)을 수평으로 유지한 채로 수행할 수 있고, 기판(10)의 양면에 금속분말(31)이 부착된 경우, 기판(10)을 수직으로 세워서 수행할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 열처리 단계는 금속분말(31)이 접착된 기판(10)을 제 1 열처리하여 기판(10)과 금속분말(31)의 계면에 금속간화합물층(20)을 형성하는 단계 및 제 1 열처리된 기판(10)을 제 2 열처리하여 금속간화합물층(20)을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
먼저, 제 1 열처리하는 단계에 대하여 설명한다. 융점 이상의 온도에서 금속분말(31)은 액상이 되고 기판(10)에 포함된 금속원소와 반응하여 금속간화합물을 형성할 수 있다. 제 1 열처리를 수행하여 반응 후의 금속분말(31)은 대부분 금속간화합물을 포함할 수 있으며, 이와 동시에 금속분말(31)과 기판(10)의 계면에서 금속간화합물층(20)을 형성하게 된다. 금속분말(31)은 주변의 금속간화합물층(20)에 의해 고정되며 요철구조(30)를 형성한다.
한편, 제 1 열처리하는 단계는 가열온도(TH)는 하기의 식(1)을 만족하고, 1분 내지 내지 4시간동안 수행할 수 있다.
식(1): Tm ≤ TH ≤ 1.3*Tm
(여기서 Tm은 상기 금속 분말의 융점(Melting point), 단위는 절대온도(K))
알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 합금을 포함하는 금속분말(31)의 융점(Tm)은 알루미늄의 함량에 따라 달라질 수 있다. 알루미늄의 함량에 따라 정해지는 금속분말(31)의 융점보다 높은 온도에서 제 1 열처리하여 단시간에 금속간화합물을 포함하는 요철구조(30)와 금속간화합물층(20)을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속간화합물층(20)은 알루미나이드(Aluminide) 또는 실리사이드(Silicide)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 알루미나이드는 Fe-Al 금속간화합물인 Fe3Al, FeAl, FeAl2와 Fe2Al5 등을 포함할 수 있고, 상기 실리사이드는 Fe-Si 금속간화합물인 FeSi, Fe3Si 또는 FeSi2를 포함할 수 있다.
Fe-Al 이원계 상태도를 보면 안정한 알루미나이드(Aluminide) 화합물이 많음을 알 수 있고, 철을 포함하는 기판(10)의 상부에 부착되어 있는 알루미늄(Al)을 포함하는 금속분말(31)과의 반응으로 형성된 금속간 화합물층(20)은 알루미나이드(Aluminide)층을 포함할 수 있다.
알루미나이드 또는 실리사이드를 포함하는 금속간화합물층(20)의 두께는, 바람직하게 100㎛이하일 수 있다. 금속간화합물층(20)의 두께가 100㎛이상일 경우, 열팽창계수가 기판(10)과 다르기 때문에 고온-상온 열이력 시험에서 취성이 큰 금속간화합물층(20)에 균열(Crack)이 발생하고, 작은 조각들이 탈리되는 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 금속간화합물층(20)의 두께를 100㎛이하로 조절하는 것이 필요하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 열처리 단계는 점착물질(32)이 제거되는 단계를 포함할 수 있다.
점착물질(32)은 기판(10)의 상부에 금속분말(31)을 임시적으로 접착시키기 위해 필요한 것으로, 기판(10)의 적어도 일부에 소량 도포된다. 그리고 점착물질(32)의 주요 성분은 고분자 물질을 포함할 수 있다. 통상적으로 고분자 물질은 금속을 소결하기 위해 수행되는 열처리 온도에서 쉽게 제거될 수 있다. 점착물질(32)을 제거함으로써 허니콤 금속 구조체(1)에 이물질을 제거하여 금속분말(31)을 직접 소결시키는 방식과 동일한 요철구조(30)를 형성할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 예로, 제 1 열처리만 수행한 상태의 요철구조(30)가 형성되어 있는 기판(10)상에 다공성 담체층을 형성하여 촉매 모듈로 사용할 수도 있다. 온도 변화가 급격하지 않거나 저온 또는 일정한 온도에서 사용되는 촉매모듈의 경우, 열응력의 발생이 적어 금속간화합물층(20)의 균열이 생기지 않는다. 따라서, 제 1 열처리만 수행하여 금속간화합물층(20)을 제거하지 않고 사용될 수도 있다. 다만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 제 2 열처리하는 단계에 대하여 설명한다. 제 1 열처리된 기판(10)을 제 2 열처리하여 금속간화합물층(20)을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 제 1 열처리 단계에서 형성된 금속간화합물층(20)은 취성이 크고, 열팽창계수가 기판(10)과 달라 급격한 환경에서 금속간화합물층(20)에 균열(crack)이 형성되고 기판(10)의 상부에서 탈리되는 현상이 일어날 수 있다. 이는, 금속간화합물층(20)이 형성되어 있는 금속 구조체를 이용하여 촉매 모듈을 제조하였을 때, 급격한 온도가 변하는 환경에서 다공성 담체층의 분리와 더불어 금속간화합물층(20)의 균열로 금속 촉매 모듈의 표면에 형성된 촉매 성분들이 탈리될 수 있음을 의미한다. 따라서, 금속간화합물층(20)의 균열을 방지하기 위해 제 1 열처리보다 더 높은 온도에서 수행하는 제 2 열처리 단계에서 금속간화합물층(20)이 제거될 수 있다.
제 1 열처리 단계를 수행하면 금속간화합물을 포함하는 요철구조(30)와 금속간화합물층(20)이 기판(10)에 고정된다. 요철구조(30) 및 금속간화합물층(20) 내에 포함된 알루미늄 또는 실리콘의 농도는 기판(10)에서 보다 높고, 철의 농도는 기판(10)에서 보다 낮다. 따라서, 고온에서 제 2 열처리하는 단계를 수행하면 농도구배에 의해 요철구조(31)의 금속간화합물과 금속간화합물층(20) 및 기판(10)의 금속원소들이 상호확산하여 금속간화합물층(20)을 제거할 수 있다. 이때, 금속간화합물을 포함하는 요철구조(30)의 형상은 거의 변화하지 않은 상태로 기판(10)에 요철구조(30)를 형성한다. 제 2 열처리하는 단계를 통해 급격한 온도변화 환경에서 균열이 생길 수 있는 금속간화합물층(20)을 제거하고, 기판(10)에 요철구조(30)가 형성된 허니콤 금속구조체(1)를 제조할 수 있다. 허니콤 금속구조체(1)는 열팽창 계수 차이에 의한 균열형성을 방지하여 급격한 온도 변화 조건에서 우수한 내열 특성을 가질 수 있다.
금속간화합물층(20)을 제거하기 위한 제 2 열처리는 금속분말(31)의 크기 및 조성에 따라 열처리 온도와 시간이 달라질 수 있다. 요철구조(30)의 형성에 사용된 금속분말(31)의 크기가 클수록, 열처리 온도가 낮을수록 열처리 시간은 길어진다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 2 열처리 단계는 900℃ 내지 1200℃에서, 10시간 내지 36시간동안 수행할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 열처리 단계는 불활성 가스 또는 환원성 가스 분위기에서 수행할 수 있다. 다만, 이에 의해 본 발명의 실시예가 한정되는 것은 아니다.
금속분말(31)의 크기 및 조성에 따라, 금속분말(31)을 포함하는 요철구조(30)의 크기가 달라질 수 있다. 또한, 금속분말(31)과 기판(10)의 철이 반응하여 금속간화합물을 포함하는 요철구조(30)와 금속간화합물층(20)을 형성하므로, 금속간화합물층(20)의 두께 및 조성이 달라질 수 있다. 따라서, 제 2 열처리 단계는 금속간화합물층(20)을 제거하기 위해 금속간화합물층(20)의 두께 및 조성에 따라 가열 온도 및 가열 시간이 달라질 수 있다. 금속분말(31)의 크기가 커질수록, 금속간화합물층(20)에 포함되어 있는 용질금속이 확산되어 용매금속에 스며들기까지 긴 시간의 가열이 필요할 수 있다. 즉, 금속분말(31)의 입자의 크기가 클수록, 금속간화합물층(20)의 제거를 위한 열처리 시간 및 온도가 증가할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면 제 1 열처리 단계 및 제 2 열처리 단계는 연속적으로 수행될 수도 있다. 제 2 열처리는 금속간화합물층(20)을 제거하기 위해 제 1 열처리보다 고온에서 수행된다. 즉, 금속분말(31)이 부착된 기판(10)을 제 2 열처리 온도까지 가열하는 동안 금속분말(31)의 융점 이상의 온도에서 제 1 열처리를 수행할 수 있다. 이때, 금속간화합물층(20)이 형성되고 연속적으로 제 2 열처리를 수행하여 다시 금속간화합물층(20)을 제거하고 기판(10)에 요철구조(30)를 형성할 수 있다. 이러한 제 1 열처리 단계 및 제 2 열처리 단계는 동일한 열처리 장비 내에서 연속적으로 수행할 수 있다. 제 1 열처리를 수행하기 위해 가열하여 온도가 상승할 때, 금속분말(31)의 융점 이상에서 제 1 열처리가 수행되고, 연속적으로 온도를 상승시켜 제 2 열처리를 수행할 수 있다.
다른 예로서, 제 1 열처리 단계 및 제 2 열처리 단계는 시간적 이격을 두고 따로 수행될 수도 있다. 예를 들어, 열처리 온도에 따라 서로 다른 장비에서 각각 제 1 열처리 및 제 2 열처리 단계를 수행할 수 있고, 제 1 열처리 단계를 수행한 후 요철구조(30)가 형성된 기판(10)은 금속분말(31)이 금속간화합물을 형성하며 고정되어 있어 취급이 용이하기 때문에 이를 냉각시킨 후 다시 제 2 열처리를 수행할 수도 있다.
한편, 도 3을 참조하면, 열처리 단계는 기판(10)과 요철구조(30)가 접촉되는 영역에 공공(70)이 형성되는 단계를 더 포함할 수 있다.
열처리 단계에서 기판(10)에 포함되어 있는 금속원소, 예를 들어 철(Fe), 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)과 같은 원소와 금속간화합물층(20)에 포함되어 있는 알루미늄(Al) 또는 실리콘(Si)이 상호 확산하게 된다. 기판(10)의 철, 크롬 및 니켈은 금속분말(31) 쪽으로, 알루미늄 또는 실리콘은 기판(10) 쪽으로 이동한다. 이러한 상호 반대 방향으로 확산하는 금속원소들간의 확산계수의 차이가 있으며, 이러한 확산계수의 차이로 인하여 금속분말(31)이 접촉하는 영역의 기판(10)에는 커켄달 효과(Kerkendall effect)에 의한 공공(Void)(70)이 형성된다. 즉, 이는 기판(10) 내에 포함되어 있던 금속의 금속분말(31)로의 외확산(Outward diffusion)이 금속분말(31)에서 기판(10)으로의 내확산(Inward diffusion)에 비해 더 활발하게 일어났음을 의미한다. 이를 통해, 요철구조(30)의 형상이 변하지 않으면서 내열성을 향상시킬 수 있다. 금속분말(31)의 알루미늄 또는 실리콘이 기판(10)으로 확산되어 내열성이 향상될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 허니콤 금속 구조체(1)의 요철구조(30)가 형성되어 있는 기판(10)의 단면도이다. 도 7은 허니콤 구조체(15)에 요철구조(30)를 형성한 허니콤 금속 구조체(1)의 일부를 나타내는 확대도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 허니콤 금속 구조체(1)는 철(Fe)를 포함하는 기판(10)을 적어도 하나 포함하는 허니콤 구조체(15), 기판(10)의 적어도 일부 면에 형성된 요철구조(30)를 포함하며, 요철구조(30)는 금속으로 이루어져 있고, 기판(10)과 요철구조(30)가 접촉되는 영역에는 공공(70)이 형성될 수 있다.
금속간화합물층(20)은 고온의 열처리를 통해 기판(10)에 고용되어 제거되고, 기판(10)에 접착된 금속분말(31)이 요철구조(30)를 형성한다. 경우에 따라 기판(10)의 내부에는 기판(10)을 구성하는 금속원자의 외확산에 따른 공공(70)이 형성될 수 있다. 요철구조(30)를 통해 기판(10)에 코팅될 수 있는 다공성 담체층과의 부착력을 향상시키고, 열팽창 계수 차이에 의한 금속간화합물을 포함하는 요철구조(30)와 금속간화합물층(20)의 균열을 방지하여 허니콤 금속 구조체(1)의 내열특성을 향상시킬 수 있다. 도 6은 기판(10)의 상부에만 요철구조(30)가 형성되어 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 점착물질(32)을 기판(10)의 상부 및 하부에 도포하여 금속분말(31)을 부착시킬 경우, 요철구조(30)는 기판(10)의 양면에 형성될 수도 있다.
다음으로, 도 8을 참조하여, 허니콤 금속 촉매 모듈(2)에 대하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 허니콤 금속 촉매 모듈(2)의 기판(10)의 단면을 나타내는 개략도이다. 도 8은 허니콤 구조체(15)에 요철구조(30)를 형성한 허니콤 금속 촉매 모듈(2)의 일부를 나타내는 확대도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 허니콤 금속 촉매 모듈(2)은 철(Fe)를 포함하는 기판(10)을 적어도 하나 포함하는 허니콤 구조체(15), 기판(10)의 적어도 일부 면에 형성된 요철구조(30), 요철구조(30)의 상부를 도포하는 촉매층(60)을 포함하며, 요철구조(30)는 금속으로 이루어져 있고, 기판(10)과 요철구조(30)가 접촉되는 영역에는 공공(70)이 형성될 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 허니콤 금속 촉매 모듈(2)은 기판(10)에 요철구조(30)가 형성된 허니콤 금속 구조체(1)를 포함할 수 있다. 허니콤 금속 촉매 모듈(2)은 기판(10)의 요철구조(30) 상부에 촉매층(60)이 도포되어 있다. 또한, 촉매층(60)은 다공성 담체층(40) 및 다공성 담체층(40) 내부에 포함된 금속촉매(50)를 포함할 수 있다.
허니콤 금속 촉매 모듈(2)을 제조하기 위해, 먼저 허니콤 금속 구조체(1)의 요철구조(30)가 형성된 기판(10) 표면에 다공성 담체층(40)을 코팅하는 공정을 수행한다. 다공성 담체층(40)의 성분으로는 감마 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 타이타니아(TiO2), 지올라이트, 세리아(Ce2O3), 마그네시아(MgO), 바나데이트(V2O5), 산화코발트(CoOx), 산화철(FeOx), 산화텅스텐(WO3), 산화몰리브데늄(MoO3), 산화안티몬(SbO2) 및 희토류산화물(Sc, Y, La계 원소 산화물)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
다공성 담체층(40)을 코팅하기 위해 다공성 담체 입자를 워시 코팅(wash coating)하는 방법을 사용할 수 있다. 워시 코팅에 사용하는 다공성 담체 성분의 입자 크기, 슬러리 농도 및 용매는 통상적인 공정에 따라 수행될 수 있다. 또한, 다공성 담체층(40)의 코팅 효과를 향상시키기 위해 다공성 담체 슬러리는 계면활성제, 점결제 등 보조제를 포함할 수 있다.
한편, 다공성 담체층(40)은 요철구조(30)가 형성된 기판(10) 표면에 코팅막이 형성될 수 있을 정도로 치밀하게 형성될 수 있다. 바람직하게는 기판(10)의 표면에는 10㎛ 내지 100㎛ 두께 범위의 다공성 담체층(40)이 형성될 수 있다.
다음으로, 다공성 담체층(40)이 형성된 허니콤 금속 구조체(1)를 가열하여 다공성 담체층(40)에 함유된 수분, 점결제 등의 성분을 제거한다. 이 과정에서 다공성 담체 성분이 부분적으로 소결되면서 기판(10)의 표면에 접착되며, 다공성 담체층(40)이 균열화 되어 수㎛에서 수백㎛의 간격으로 균열된 구조의 다공성 담체층(40)이 형성된다. 이때 가열온도가 너무 높으면 다공성 담체층(40) 자체에서 소결이 일어나 다공성 담체층(40)의 비표면적을 낮추게 되므로 바람직하게는 900℃이하의 온도에서 가열한다. 또한, 그 온도가 너무 낮으면 수분이나 점결제 등의 첨가제의 제거가 곤란하므로 바람직하게는 150℃이상의 온도에서 가열한다. 상기의 공정을 통해서 금속 구조체(1)의 상부에 형성된 다공성 담체층(40)은 요철구조(30)의 사이에 부착되어 있으므로, 고온의 촉매 사용환경에 노출된 후에도 부착력이 견고하게 유지될 수 있다.
다공성 담체층(40)을 형성한 후에는 금속촉매(50)을 담지하는 과정을 수행함으로써 금속 촉매 모듈(2)을 제조한다. 다공성 담체층(40)에 담지되는 촉매활성 성분(50)은 귀금속 또는 전이원소 등 통상적으로 사용되는 금속촉매(50)일 수 있다. 다공성 담체층(40)에 금속촉매(50)을 담지하기 위해 금속촉매(50)이 용해된 용액에 다공성 담체층(40)이 형성된 허니콤 금속 구조체(1)를 담그어 용액이 다공질 구조 속으로 침투할 수 있고, 금속촉매(50)이 분산된 슬러리 상에 다공성 담체층(40)이 형성된 허니콤 금속 구조체(1)를 담그어 금속촉매(50)가 다공질 구조 속으로 들어갈 수 있다. 또는 금속촉매(50)이 균일하게 분포된 다공성 담체층(40)을 형성시키고, 이를 요철구조(30)가 형성된 금속 구조체(1)에 코팅하여 허니콤 금속 촉매 모듈(2)을 제조할 수 있다.
실험예
이하에서는 본 발명의 이해를 돕기 위한 실험예들을 설명한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 실시예들이 아래의 실험예들만으로 한정되는 것은 아니다.
도 9 내지 도 12를 참조하여, SUS430 허니콤 구조체과 알루미늄 분말 이용하여 요철구조가 형성된 허니콤 금속 구조체 및 허니콤 금속 촉매 모듈에 대하여 설명한다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실험예에 따른 허니콤 금속 구조체의 제조방법을 나타내는 개략도이다. 도 9 및 도 10을 참조하면, 본 실험예에 있어서, 허니콤 구조체의 기판은 스테인리스강인 SUS430을 사용한다. SUS430 스테인리스강은 16 내지 18중량%의 크롬(Cr) 원소가 함유되어 있어 SUS430 기판에 형상의 변화 없이 수 중량%의 알루미늄(Al) 원소를 첨가할 경우, 내열성이 있는 Fe-Cr-Al 금속 기판의 제조가 가능하다. 그리고, 허니콤 구조체는 직경(d)이 3cm이고, 높이(h)가 1.5cm인 원통형을, 금속분말은 알루미늄(Al) 분말을 준비한다.
먼저, 허니콤 구조체에 점착물질을 도포한다. 2% 내지 5%의 농도를 가진 폴리비닐알코올이 담긴 용기에 허니콤 구조체를 디핑(deeping)시키고 (도 9의 (a) 및 도 10의 (a)), 수분을 털어낸 뒤 건조시킨다.
그리고, 건조된 허니콤 구조체의 빈 공간에 크기가 38 ㎛ ~ 63 ㎛의 알루미늄 분말을 채우고(도 9의 (b) 및 도 10의 (b)), 물이 담긴 비커 내에 지지대 상에 허니콤 구조체를 놓고, 비커 상부를 비닐로 막아 밀폐시킨다(도 9의 (c) 및 도 10의 (c)). 상온에서 1시간 정도 방치하여 물이 증발하면 폴리비닐알코올의 점착도가 증가하여 알루미늄 분말이 허니콤 구조체의 기판에 접착한다. 이후, 허니콤 구조체를 꺼내어 접착되지 않은 알루미늄 분말을 제거한다(도 9의 (d) 및 도 10의 (d)). 알루미늄 분말은 허니콤 구조체의 빈 공간에서 느슨에서 채워져 있기 때문에, 약한 힘을 가해도 제거될 수 있다.
이후, 알루미늄 분말이 접착된 SUS430 허니콤 구조체를 아르곤(Ar)분위기, 1,000℃에서 9시간동안 열처리시킨다. 알루미늄 분말의 융점은 660℃이므로, 그 이상의 온도인 1,000℃에서 열처리공정을 수행할 경우, SUS430의 철과 알루미늄이 반응하여 알루미나이드층을 형성할 수 있다. 제 1 열처리 단계와 제 2 열처리 단계를 1,000℃에서 연속적으로 수행하여 알루미나이드층을 제거하고, 공기압축기 건을 이용하여 허니콤 구조체 내부를 정리한다. 알루미늄 분말에 의한 요철구조가 형성된 SUS430 허니콤 금속구조체를 제조하고 이를 '실험예 1'이라 칭한다. 하기의 [표 1]은 실험예 1의 제조공정시 허니콤 구조체의 무게변화를 나타내는 표이다.
[표 1]
상기 [표 1]을 참조하면, 아르곤(Ar) 분위기에서 열처리를 수행할 경우, 허니콤 금속 구조체가 형성되며 무게가 증가하는 것을 알 수 있다. 이는, 알루미늄 분말이 일부 산화되는 것을 의미한다. 그리고, 공기압축기 건을 이용하여 허니콤 구조체 내부를 정리하면, 접착되지 않은 알루미늄 분말이 모두 제거되기 때문에 무게가 감소한다.
그리고, 상기 실험예 1의 허니콤 구조체의 기판에 감마 알루미나 다공성 담체층을 형성한다. 증류수 60g과 감마 알루미나(γ-Al2O3) 40g을 혼합한 후 감마 알루미나의 입경이 50nm 내지 100nm가 될 때까지 습식 분쇄기(Attrition Mill)로 분쇄하여 슬러리를 제조한다. 그리고 실험예 1을 상기 제조된 슬러리에 담근 후 다시 꺼내어 표면에 남아있는 슬러리를 압축공기로 제거한다. 이후, 120℃에서 1시간 동안 건조 시켜 실제로 코팅된 감마 알루미나 담체층의 무게를 측정 한 후, 750℃에서 2시간동안 소성하여 다공성 담체층을 형성한다. 마지막으로 금속 촉매를 감마 알루미나 담체층에 담지하여 금속 촉매 모듈을 제조하고 이를 '실험예 2'라 지칭힌다.
도 11은 본 발명의 일 실험예에 따른 Al분말이 요철구조를 형성하고 있는 SUS430 허니콤 금속구조체의 단면을 나타내는 SEM사진이다.
열처리한 실험예 1을 절단하여 단면을 관찰하였다. 도 11의 (a)를 참조하면, 실험예 1의 SUS430 허니콤 금속 구조체는 기판의 양 면에 알루미늄 분말에 의한 요철구조가 형성된 것을 알 수 있다. 요철구조에 의해 표면이 거칠어진 상태를 확인할 수 있다. 열처리 공정을 통해 형성되었던 알루미나이드층은 고용화되며 제거되고 요철구조가 기판에 단단하게 고정되어 있는 것을 알 수 있다.
도 11의 (b)를 참조하면, 실험예 1의 요철구조를 형성한 영역에 공공(70)이 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 1000℃에서 열처리하는 동안 SUS430 기판에 포함되어 있는 철(Fe), 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)이 알루미늄 분말쪽으로 이동하고, 알루미늄 분말의 알루미늄(Al)은 기판쪽으로 이동한다. 이때, 철, 크롬 및 니켈의 이동도가 더 크기 때문에 더 많은 양이 이동하여 외확산을 하게 된다. 즉, 외확산에 의해 기판에는 공공이 형성되고, 알루미나이드층이 제거되면서 알루미늄 분말은 요철구조를 형성하게 된다. 하기의 [표 2]는 도 11의 (b)에 도시된 영역을 x-선 분광분석(Energy dispersive x-ray analysis, EDX)하여 해당 영역에서 알루미늄의 함량을 나타내는 표이다.
[표 2]
도 11의 (b) 및 [표 2]를 참조하면, SUS430 기판 내에 알루미늄(Al)의 함량이 증가한 것을 알 수 있다. 이는 본 발명의 허니콤 금속 구조체가 열처리에 의해 알루미늄 분말이 기판으로 확산하는 것을 나타낸다. 열처리 과정 중 기판의 금속원소와 알루미늄 분말이 빠른 반응을 거쳐 금속간화합물을 형성할 수 있다. 또한, 알루미늄 분말과 SUS430 기판의 계면에 형성된 알루미나이드층이 제거될 때, 알루미늄 분말은 형상을 유지하며 요철구조를 형성한다.
도 12는 본 발명의 일 실험예에 따른 다공성 담체층이 형성된 SUS430 허니콤 금속구조체의 단면을 나타내는 SEM 사진이다.
도 12는 실험예 2의 허니콤 금속 촉매 모듈을 절단한 후, 중간부의 단면을 관찰한 SEM 사진이다. 허니콤 금속구조체 기판의 중간 지점까지 요철구조가 잘 형성되어 있고, 이로 인해 다공성 감마 알루미나가 잘 부착되어 있는 것을 알 수 있다.
본 발명의 허니콤 금속 구조체(1)는 기판(10)의 표면에 요철구조(30)를 형성하고, 열처리를 통해 금속간화합물층(20)을 제거함으로써 기판(10)의 상부에 형성되는 다공성 담체층(40)의 부착력을 향상시키고 및 급격한 온도변화 환경에서도 표면의 변화가 작도록 내열특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.
1: 허니콤 금속 구조체
2: 허니콤 금속 촉매 모듈
10: 기판
15: 허니콤 구조체
20: 금속간화합물층
30: 요철구조
31: 금속분말
32: 점착물질
40: 다공성 담체층
50: 금속촉매
60: 촉매층
70: 공공
100: 장치
110: 챔버
150: 수분공급부
2: 허니콤 금속 촉매 모듈
10: 기판
15: 허니콤 구조체
20: 금속간화합물층
30: 요철구조
31: 금속분말
32: 점착물질
40: 다공성 담체층
50: 금속촉매
60: 촉매층
70: 공공
100: 장치
110: 챔버
150: 수분공급부
Claims (15)
- 철(Fe)을 포함하는 기판을 적어도 하나 포함하는 허니콤(Honeycomb) 구조체를 준비하는 단계;
상기 기판의 적어도 일부에 수분에 의해 점착도가 증가하는 점착물질을 도포하는 단계;
상기 점착물질의 상부에 금속분말을 부착시키는 단계;
상기 점착물질과 수분을 접촉시켜 상기 금속분말을 상기 기판에 접착시키는 단계; 및
상기 금속분말이 접착된 기판을 열처리하여 상기 기판에 결합된 금속분말로 이루어진 요철구조를 형성하는 단계;
를 포함하는, 허니콤 금속 구조체 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 금속분말을 접착시키는 단계는,
상기 금속분말이 점착물질에 부착된 기판 및 물이 담긴 용기를 준비하는 단계;
상기 물이 증발하여 상기 점착물질과 접촉하는 단계; 및
상기 점착물질의 점착도가 증가하여 상기 금속분말이 상기 기판에 접착되는 단계;
를 포함하는, 허니콤 금속 구조체 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 열처리 단계는,
상기 금속분말이 접착된 기판을 제 1 열처리하여 상기 기판과 상기 금속분말의 계면에 금속간화합물층을 형성하는 단계; 및
상기 제 1 열처리된 기판을 제 2 열처리하여 상기 금속간화합물층을 제거하는 단계;
를 포함하는, 허니콤 금속 구조체 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 열처리 단계는,
상기 기판과 요철구조가 접촉되는 영역에는 공공이 형성되는 단계를 더 포함하는, 허니콤 금속 구조체 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 열처리 단계는,
상기 점착물질이 제거되는 단계를 포함하는, 허니콤 금속 구조체 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 점착물질은, 폴리비닐알코올(Polyvinylalcohol, PVA), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리프로필렌(Polypropylene, PP), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol, PEG), 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethyl methacrylate, PMMA), 폴리옥시메틸렌(Polyoxymethylene, POM), 폴리아크릴산(Polyarcylic acid, PAA) 및 스티렌-부타디엔 고무 카복시메틸 셀룰로오스(Styrene-butadien rubber Carboxymethyl cellulose)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 또는 그 조합인, 허니콤 금속 구조체 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 금속분말은, 알루미늄(Al) 분말 또는 알루미늄(Al)-실리콘(Si)합금 분말을 포함하는, 허니콤 금속 구조체 제조방법. - 제3항에 있어서,
상기 제 1 열처리는 가열온도(TH)는 하기의 식 (1)을 만족하고, 1분 내지 4시간동안 수행하는, 허니콤 금속 구조체 제조방법.
식(1): Tm ≤ TH ≤ 1.3*Tm
(여기서 Tm은 상기 금속 분말의 융점(Melting point), 단위는 절대온도(K)) - 제3항에 있어서,
상기 금속간화합물층은 알루미나이드(Aluminide) 또는 실리사이드(Silicide)를 포함하는, 허니콤 금속 구조체 제조방법. - 제3항에 있어서,
상기 제 2 열처리는 900℃ 내지 1200℃에서, 10시간 내지 36시간동안 수행하는, 허니콤 금속 구조체 제조방법. - 제3항에 있어서,
상기 제 1 열처리 및 상기 제 2 열처리는 연속적으로 수행되는, 허니콤 금속 구조체 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 열처리는 불활성 가스 또는 환원성 가스 분위기에서 수행하는, 허니콤 금속 구조체 제조방법. - 삭제
- 삭제
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