KR102643874B1 - 세라믹 부품 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 점토, 도석, 규석 및 장석을 포함하는 도자기 원료와 MgO 분말이 배합되고 성형 및 소성되어 형성된 세라믹 부품으로서, 화학 조성 성분으로 MgO가 20∼60 중량%, SiO2가 31∼60 중량%, Al2O3가 5∼20 중량%, Fe2O3, CaO, K2O, Na2O, P2O5, TiO2 및 MnO가 1∼5 중량%를 이루는 것을 특징으로 하는 세라믹 부품 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 열전도율이 높고 경량화가 가능하여 온열기, 온탕기, 마사지볼, 고데기 등에 사용될 수 있다.
Description
본 발명은 세라믹 부품 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전도율이 높고 경량화가 가능하여 온열기, 온탕기, 마사지볼, 고데기 등에 사용될 수 있는 세라믹 부품 및 그 제조방법에 관한 것이다.
온열기, 온탕기, 마사지볼 등에는 열이 잘 전달되고 원적외선 효과를 보기 위해 도자기질 원료에 희토류(17종), 게르마늄, 페라이트 등에서 하나 또는 둘 이상의 성분을 10∼80wt%로 첨가하여 사용하나, 열전도율(2W/m·K 이하)이 낮아 열손실이 많이 발생하는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 열전도율이 높고 경량화가 가능하여 온열기, 온탕기, 마사지볼, 고데기 등에 사용될 수 있는 세라믹 부품 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명은, 점토, 도석, 규석 및 장석을 포함하는 도자기 원료와 MgO 분말이 배합되고 성형 및 소성되어 형성된 세라믹 부품으로서, 화학 조성 성분으로 MgO가 20∼60 중량%, SiO2가 31∼60 중량%, Al2O3가 5∼20 중량%, Fe2O3, CaO, K2O, Na2O, P2O5, TiO2 및 MnO가 1∼5 중량%를 이루는 것을 특징으로 하는 세라믹 부품을 제공한다.
상기 세라믹 부품은 열전도율이 2 W/m·K보다 높다.
상기 세라믹 부품은 밀도가 2.52 g/cm3 보다 낮다.
상기 세라믹 부품은 온열기, 온탕기, 마사지볼 또는 고데기에 사용되는 부품이다.
또한, 본 발명은, (a) 점토, 도석, 규석 및 장석을 포함하는 도자기 원료에 MgO 분말을 배합하는 단계와, (b) 상기 도자기 원료와 상기 MgO 분말이 배합된 혼합 분말을 성형하는 단계 및 (c) 성형된 결과물을 소성하는 단계를 포함하며, 상기 (a) 단계에서 상기 도자기 원료와 상기 MgO 분말은 화학 조성 성분으로 MgO가 20∼60 중량%, SiO2가 31∼60 중량%, Al2O3가 5∼20 중량%, Fe2O3, CaO, K2O, Na2O, P2O5, TiO2 및 MnO가 1∼5 중량%를 이루도록 배합하는 것을 특징으로 하는 세라믹 부품의 제조방법을 제공한다.
상기 세라믹 부품은 열전도율이 2 W/m·K보다 높다.
상기 세라믹 부품은 밀도가 2.52 g/cm3 보다 낮다.
상기 세라믹 부품은 온열기, 온탕기, 마사지볼 또는 고데기에 사용되는 부품이다.
상기 소성은 1200∼1400℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명의 세라믹 부품에 의하면, 열전도율이 높고 경량화가 가능하여 온열기, 온탕기, 마사지볼, 고데기 등에 사용될 수 있다.
도 1은 실험예에 따라 제조된 소성체의 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 2는 실험예에 따라 제조된 소성체의 굽힘강도를 나타낸 그래프이다.
도 3은 실험예에 따라 제조된 소성체의 X-선회절(X-ray diffraction; XDR)를 나타낸 도면이다.
도 2는 실험예에 따라 제조된 소성체의 굽힘강도를 나타낸 그래프이다.
도 3은 실험예에 따라 제조된 소성체의 X-선회절(X-ray diffraction; XDR)를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
발명의 상세한 설명 또는 청구범위에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 세라믹 부품은, 점토, 도석, 규석 및 장석을 포함하는 도자기 원료와 MgO 분말이 배합되고 성형 및 소성되어 형성된 세라믹 부품으로서, 화학 조성 성분으로 MgO가 20∼60 중량%, SiO2가 31∼60 중량%, Al2O3가 5∼20 중량%, Fe2O3, CaO, K2O, Na2O, P2O5, TiO2 및 MnO가 1∼5 중량%를 이룬다.
상기 세라믹 부품은 열전도율이 2 W/m·K보다 높다.
상기 세라믹 부품은 밀도가 2.52 g/cm3 보다 낮다.
상기 세라믹 부품은 온열기, 온탕기, 마사지볼 또는 고데기에 사용되는 부품이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 세라믹 부품은, (a) 점토, 도석, 규석 및 장석을 포함하는 도자기 원료에 MgO 분말을 배합하는 단계와, (b) 상기 도자기 원료와 상기 MgO 분말이 배합된 혼합 분말을 성형하는 단계 및 (c) 성형된 결과물을 소성하는 단계를 포함하며, 상기 (a) 단계에서 상기 도자기 원료와 상기 MgO 분말은 화학 조성 성분으로 MgO가 20∼60 중량%, SiO2가 31∼60 중량%, Al2O3가 5∼20 중량%, Fe2O3, CaO, K2O, Na2O, P2O5, TiO2 및 MnO가 1∼5 중량%를 이루도록 배합한다.
상기 세라믹 부품은 열전도율이 2 W/m·K보다 높다.
상기 세라믹 부품은 밀도가 2.52 g/cm3 보다 낮다.
상기 세라믹 부품은 온열기, 온탕기, 마사지볼 또는 고데기에 사용되는 부품이다.
상기 소성은 1200∼1400℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 세라믹 부품을 더욱 구체적으로 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 세라믹 부품은, 점토, 도석, 규석 및 장석을 포함하는 도자기 원료와 MgO 분말이 배합되고 성형 및 소성되어 형성된 세라믹 부품이다. 상기 세라믹 부품은 온열기, 온탕기, 마사지볼 또는 고데기에 사용되는 부품이다. 고열전도성을 위해 도자기 원료(고령토(점토), 도석, 규석 장석 등)에 42.5 W/m·K 이상의 열전도도를 가지는 MgO를 혼합하여 배합하면 열전도율이 2 W/m·K 보다 높게 발현될 수 있다.
상기 세라믹 부품은 화학 조성 성분으로 MgO가 20∼60 중량%, SiO2가 31∼60 중량%, Al2O3가 5∼20 중량%, Fe2O3, CaO, K2O, Na2O, P2O5, TiO2 및 MnO가 1∼5 중량%를 이룬다. 더욱 구체적으로, 상기 Fe2O3는 0.1∼0.5 중량% 정도의 함량으로 함유되는 것이 바람직하고, 상기 CaO는 0.01∼0.5 중량% 정도의 함량으로 함유되는 것이 바람직하며, 상기 K2O는 0.5∼3 중량% 정도의 함량으로 함유되는 것이 바람직하며, 상기 Na2O는 0.1∼2 중량% 정도의 함량으로 함유되는 것이 바람직하고, 상기 P2O5는 0.01∼0.3 중량% 정도의 함량으로 함유되는 것이 바람직하며, 상기 TiO2는 0.001∼0.1 중량% 정도의 함량으로 함유되는 것이 바람직하고, 상기 MnO는 0.001∼0.1 중량% 정도의 함량으로 함유되는 것이 바람직하며, Fe2O3, CaO, K2O, Na2O, P2O5, TiO2 및 MnO의 전체 함량은 5 중량% 이하인 것이 바람직하다.
상기 세라믹 부품은 열전도율이 2W/m·K보다 높다. 예컨대, 상기 세라믹 부품은 열전도율이 2.5∼15 W/m·K 정도일 수 있다.
상기 세라믹 부품은 밀도가 2.52 g/cm3 보다 낮다. 예컨대, 상기 세라믹 부품은 밀도가 1.8∼2.5 g/cm3 정도일 수 있다.
이하에서, 이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 세라믹 부품의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
점토(예컨대, 고령토), 도석, 규석, 장석 등의 도자기 원료를 준비한다.
점토, 도석, 규석 및 장석을 포함하는 도자기 원료에 MgO 분말을 배합한다. 상기 도자기 원료와 상기 MgO 분말은 화학 조성 성분으로 MgO가 20∼60 중량%, SiO2가 31∼60 중량%, Al2O3가 5∼20 중량%, Fe2O3, CaO, K2O, Na2O, P2O5, TiO2 및 MnO가 1∼5 중량%를 이루도록 배합하는 것이 바람직하다. 고열전도성을 위해 도자기 원료(점토, 도석, 규석, 장석 등)에 42.5 W/m·K 이상의 열전도도를 가지는 MgO를 도자기 원료 100중량부에 대하여 15중량부 이상 포함시키면 열전도율을 2W/m·K보다 높게 발현시킬 수가 있다. 또한, MgO를 사용하면 온열기, 온탕기, 마사지볼, 고데기 등에 사용되는 세라믹 부품의 경량화(2.5g/cm3 이하)가 가능한 장점이 있다.
도자기 원료에 MgO 분말을 배합한 혼합 분말에 물을 혼합하여 슬러리를 형성한다. 고형분(도자기 원료와 MgO 분말)이 40∼70%를 이루도록 상기 물을 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 혼합은 볼 밀링 공정 등을 이용할 수 있다. 상기 볼 밀링 공정에 대하여 설명하면, 도자기 원료 및 MgO 분말이 담겨있는 볼 밀링기(ball milling machine)를 이용하여 일정 속도로 회전시켜 혼합한다. 상기 볼 밀링에 사용되는 볼은 알루미나, 지르코니아와 같은 세라믹 재질의 볼을 사용하는 것이 바람직하며, 볼은 모두 같은 크기의 것일 수도 있고 2가지 이상의 크기를 갖는 볼을 함께 사용할 수도 있다. 볼의 크기, 밀링 시간, 볼 밀링기의 분당 회전속도 등을 조절한다. 예를 들면, 입자의 크기를 고려하여 볼의 크기는 1㎜∼50㎜ 정도의 범위로 설정하고, 볼 밀링기의 회전속도는 50∼500rpm 정도의 범위로 설정할 수 있다. 볼 밀링은 1∼48시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 볼 밀링에 의해 혼합 분말은 미세한 크기의 입자로 분쇄되고, 균일한 입자 크기 분포를 갖게 된다.
혼합된 결과물을 건조하고 금형 등의 몰드에 담아 성형하거나, 슬러리를 몰드 등에 주입하여 성형한다.
성형된 결과물을 소성한다. 이하에서, 소성 공정에 대하여 구체적으로 설명한다.
성형된 결과물(성형물)을 전기로와 같은 퍼니스(furnace)에 장입하고 소성 공정을 수행한다. 상기 소성 공정은 1000∼1500℃ 정도의 온도에서 10분∼48시간 정도 수행하는 것이 바람직하다. 소성하는 동안에 퍼니스 내부의 압력은 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.
상기 소성은 1000∼1500℃ 범위의 온도에서 이루어지는 것이 바람직하다. 소성온도가 1000℃ 미만인 경우에는 불완전한 소성으로 인해 열적 또는 기계적 특성이 좋지 않을 수 있고, 1500℃를 초과하는 경우에는 에너지의 소모가 많아 비경제적일 뿐만 아니라 과도한 입자성장을 가져와 기계적 특성이 좋지 않을 수 있다.
상기 소성온도까지는 1∼50℃/min의 승온속도로 상승시키는 것이 바람직한데, 승온 속도가 너무 느린 경우에는 시간이 오래 걸려 생산성이 떨어지고 승온 속도가 너무 빠른 경우에는 급격한 온도 상승에 의해 열적 스트레스가 가해질 수 있으므로 상기 범위의 승온 속도로 온도를 올리는 것이 바람직하다.
또한, 상기 소성은 소성온도에서 10분∼48시간 동안 유지하는 것이 바람직하다. 소성 시간이 너무 긴 경우에는 에너지의 소모가 많으므로 비경제적일 뿐만 아니라 더 이상의 소성 효과를 기대하기 어려우며, 소성 시간이 작은 경우에는 불완전한 소성으로 인해 물성이 좋지 않을 수 있다.
또한, 상기 소성은 산화 분위기(예컨대, 산소(O2) 또는 공기(air) 분위기) 또는 환원 분위기에서 실시하는 것이 바람직하다.
소성 공정을 수행한 후, 퍼니스 온도를 하강시켜 소성체를 언로딩한다. 상기 퍼니스 냉각은 퍼니스 전원을 차단하여 자연적인 상태로 냉각되게 하거나, 임의적으로 온도 하강률(예컨대, 10℃/min)을 설정하여 냉각되게 할 수도 있다. 퍼니스 온도를 하강시키는 동안에도 퍼니스 내부의 압력은 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.
이렇게 제조된 세라믹 부품은 화학 조성 성분으로 MgO가 20∼60 중량%, SiO2가 31∼60 중량%, Al2O3가 5∼20 중량%, Fe2O3, CaO, K2O, Na2O, P2O5, TiO2 및 MnO가 1∼5 중량%를 이룬다. 이러한 세라믹 부품은 상기 세라믹 부품은 온열기, 온탕기, 마사지볼 또는 고데기에 사용될 수가 있다.
본 발명에 의해 제조된 세라믹 부품은 열전도율이 2 W/m·K보다 높다. 예컨대, 상기 세라믹 부품은 열전도율이 2.5∼15 W/m·K 정도일 수 있다.
또한, 상기 세라믹 부품은 밀도가 2.52 g/cm3 보다 낮다. 예컨대, 상기 세라믹 부품은 밀도가 1.8∼2.5 g/cm3 정도일 수 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 실험예들을 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예들에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
도자기 원료(고령토(점토), 도석, 규석 및 장석을 혼합한 원료)에 MgO 분말을 도자기 원료 100중량부에 대하여 20∼60중량부 배합하여 하기 표 1의 화학 조성을 이루게 하였다.
상기 도자기 원료, 상기 MgO 분말, 그리고 물을 혼합한 후, 볼밀(ball mill)에서 1∼5시간 동안 교반한 후 건조하였다.
건조된 혼합 분말을 100mesh의 체(cieve)로 체가름하였다.
이렇게 준비된 혼합 분말을 금형에 장입한 후, 50∼100MPa 범위에서 성형하였다.
성형체를 1,200∼1,400℃의 온도에서 1~4시간 동안 소성하여 소성체를 수득하였다.
| 질량분율 (wt.%) | M1 | M2 | M3 | M4 | M5 |
| SiO2 | 74.58 | 57.04 | 46.17 | 38.78 | 33.43 |
| Al2O3 | 21.14 | 16.16 | 13.09 | 10.99 | 9.48 |
| Fe2O3 | 0.35 | 0.27 | 0.22 | 0.18 | 0.16 |
| CaO | 0.20 | 0.15 | 0.12 | 0.10 | 0.09 |
| MgO | 0.61 | 24.00 | 38.48 | 48.32 | 55.45 |
| K2O | 1.94 | 1.48 | 1.20 | 1.01 | 0.87 |
| Na2O | 1.08 | 0.83 | 0.66 | 0.58 | 0.48 |
| P2O5 | 0.05 | 0.04 | 0.03 | 0.02 | 0.02 |
| TiO2 | 0.04 | 0.02 | 0.02 | 0.01 | 0.01 |
| MnO | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.01 |
이렇게 얻어진 소성체(M1, M2, M3, M4 및 M5)에 대하여 밀도, 굽힘강도, 열전도를 측정하여 아래의 표 2, 표 3 및 표 4에 나타내었다. 표 4에서 'MgO'는 순수 MgO의 열전도도를 나타낸다.
| M1 | M2 | M3 | M4 | M5 | |
| 밀도 (g/cm3) | 2.52 | 2.45 | 2.38 | 2.15 | 1.98 |
도 1은 실험예에 따라 제조된 소성체의 밀도를 나타낸 그래프이다.
| M1 | M2 | M3 | M4 | M5 | |
| 굽힘강도 (Mpa) | 130 | 119 | 108 | 79 | 20 |
도 2는 실험예에 따라 제조된 소성체의 굽힘강도를 나타낸 그래프이다.
| M1 | M2 | M3 | M4 | M5 | MgO | |
| 열전도도(W/m·K) | 2 | 3 | 3.5 | 4 | 10 | 42.5 |
도 3은 실험예에 따라 제조된 소성체의 X-선회절(X-ray diffraction; XDR)를 나타낸 도면이다.
실험예에 따라 제조된 소성체 중에서 'M1'은 MgO의 함량이 20중량% 미만인 경우로서 밀도가 높고 특히 열전도도가 2 W/m·K로서 낮은 것을 확인할 수 있다. 반면에, M2, M3, M4 및 M5는 MgO의 함량이 20중량% 이상인 경우로서 밀도가 2.52 g/cm3 보다 낮고 특히 열전도도가 3 W/m·K 이상으로서 2 W/m·K로서 높은 것을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
Claims (9)
- 점토, 도석, 규석 및 장석을 포함하는 도자기 원료와 MgO 분말이 배합되고 성형 및 소성되어 형성된 세라믹 부품으로서,
화학 조성 성분으로 MgO가 20∼60 중량%, SiO2가 31∼60 중량%, Al2O3가 5∼20 중량%, P2O5 및 MnO로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질이 0.01∼5 중량%를 이루고,
상기 세라믹 부품은 열전도율이 2 W/m·K보다 높은 것을 특징으로 하는 세라믹 부품.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 세라믹 부품은 밀도가 2.52 g/cm3 보다 낮은 것을 특징으로 하는 세라믹 부품.
- 제1항에 있어서, 상기 세라믹 부품은 온열기, 온탕기, 마사지볼 또는 고데기에 사용되는 부품인 것을 특징으로 하는 세라믹 부품.
- (a) 점토, 도석, 규석 및 장석을 포함하는 도자기 원료에 MgO 분말을 배합하는 단계;
(b) 상기 도자기 원료와 상기 MgO 분말이 배합된 혼합 분말을 성형하는 단계; 및
(c) 성형된 결과물을 소성하여 세라믹 부품을 수득하는 단계를 포함하며,
상기 (a) 단계에서 상기 도자기 원료와 상기 MgO 분말은 화학 조성 성분으로 MgO가 20∼60 중량%, SiO2가 31∼60 중량%, Al2O3가 5∼20 중량%, P2O5 및 MnO로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질이 0.01∼5 중량%를 이루도록 배합하고,
상기 세라믹 부품은 열전도율이 2W/m·K보다 높은 것을 특징으로 하는 세라믹 부품의 제조방법.
- 삭제
- 삭제
- 제5항에 있어서, 상기 세라믹 부품은 온열기, 온탕기, 마사지볼 또는 고데기에 사용되는 부품인 것을 특징으로 하는 세라믹 부품의 제조방법.
- 제5항에 있어서, 상기 소성은 1200∼1400℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 세라믹 부품의 제조방법.
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