KR20000049585A - 프레스 법을 이용한 다공성 세라믹 필터 제조방법 - Google Patents

Abstract

산업혁명 이후 현대 사회의 가장 큰 문제점으로 부각되는 것 중에 하나가 환경문제이며 산업이 발달함에 따라 인간이 원하는 생활환경은 적극적인 관심을 가지고 접근되어야한다.

대기문제에서 가장 크게 대두되는 것 중에 하나는 스모그의 원인이 되기도 하는 미세입자에 의한 환경오염이며 현재 우리나라에서 오염원으로 점차 주목되는 것이 경유자동차이다.

현재 경유자동차 매연제거용으로 사용되는 하니컴(honeycomb) 형태의 다공성 세라믹 필터는 압출성형법을 사용하여 필터를 제조하고 하나의 셀 입구를 플러깅(plugging) 공정을 통하여 수작업으로 메우고 그 주변의 셀은 반대 방향에서 플러깅하여 제조함으로서 초기에 한 방향으로 유입되는 배기가스는 세라믹 필터의 셀로 진입한 후, 다공성 벽체를 통과한다. 다공성 벽체를 통과하는 배기가스내의 매연 등은 기공을 거치면서 걸러지게되어 주변의 셀로 들어가는 가스에는 여과된 형태로 진입하게된다. 주변으로 진입한 여과된 배기가스는 필터링(filtering)된 상태로 밖으로 나가게 되는 구조를 가진다. 경유자동차 매연제거용으로 상용되는 다공성 세라믹 필터는 평균 기공경(pore size)이 약 10 여 마이크로 미터(㎛) 크기이고 기공률이 약 40 ∼ 60 % 이다. 경유자동차 매연제거용으로 사용되기 위한 다공성 세라믹 필터의 조건으로 여겨지는 것으로는 내열성, 내화학성, 배압특성, 내구성 등이 있으며 필터링이 이루어진 다공성 세라믹 필터는 재생과정을 통하여 연속적으로 사용된다.

본 발명은 일정 조성의 분말과 첨가제를 습식 혼합한 후 스프레이 드라이어(spray dryer) 등을 사용하여 원하는 크기의 분말을 제조하고 이 분말을 press로 성형한 후 적층·소결하여 다공성의 세라믹 필터를 제조하는 것이다.

본 발명의 방법에 의해 제조된 세라믹 필터는 기공경이 0.05 ∼ 70 ㎛인 세라믹 plate(판) 형태로 소결전에 적층하거나 소결후 접착하여 육면체로 제조된다. 이렇게 제조된 세라믹 필터 담체는 도시 쓰레기 소각장, 석탄 화력 발전소, 석탄 가스화 복합 발전소, 경유 매연 제거 장치, 수처리용 필터에 사용할 수 있으며 그 외에 이를 응용하여 각 산업 공정의 열교환기, 기체 및 유체 등의 분리용 필터 또는 그 지지체, 촉매담체 등에 사용이 가능하다.

Description

프레스 법을 이용한 다공성 세라믹 필터 제조방법{The manufacturing method of porous ceramic filter using press}

본 발명은 인체와 생태계 전반에 걸쳐 현재 심각한 피해를 주고 있는 기체나 액체, 즉 유체 중의 분진 내지 입자상 물질을 효과적으로 제거, 저감 그리고 분리시키는데 있어 일반적인 환경 및 고온·고압·산 또는 염기성 분위기 등의 특수한 상황에서도 그 성능을 발휘하도록 설계된, press를 이용한 세라믹 필터의 제조방법에 대한 것이다.

좀더 상세하게는 현재 경유자동차 매연제거용으로 상용되는 다공성 세라믹 필터는 평균 기공경(pore size)이 약 10 여 마이크로 미터(㎛) 크기이고 기공률이 약 40 ∼ 60 % 이다. 경유자동차 매연제거용으로 사용되기 위한 다공성 세라믹 필터의 조건으로 여겨지는 것으로는 내열성, 내화학성, 배압특성, 내구성 등이 있으며 필터링이 이루어진 다공성 세라믹 필터는 재생과정을 통하여 연속적으로 사용된다.

본 발명은 일정 조성의 분말, 첨가제 및 기공의 크기를 조절하기 위한 카본계, 염류, 목재분말을 습식 혼합한 후 스프레이 드라이어(spray dryer) 등을 사용하여 원하는 크기의 분말을 제조하고 이 분말을 press로 성형한 후 적층·소결하여 다공성의 세라믹 필터를 제조하는 것이다.

본 발명의 방법에 의해 제조된 세라믹 필터는 기공경이 0.05 ∼ 70 ㎛인 세라믹 plate(판) 형태로 소결전에 적층하거나 소결후 접착하여 육면체로 제조된다. 이렇게 제조된 세라믹 필터 담체는 기공의 자유로운 조절을 통하여 도시 쓰레기 소각장, 석탄 화력 발전소, 석탄 가스화 복합 발전소, 경유 매연 제거 장치, 수처리용 필터 등에 알맞은 기공을 가진 필터를 공급하여 사용할 수 있으며 그 외에 각 산업 공정의 열교환기, 기체 및 유체 등의 분리용 필터 또는 그 지지체, 촉매담체 등에 사용이 가능하다.

본 발명은 다공성 세라믹 필터기판을 일반적인 press법으로 제조하는데 있어 사용되는 원료 ,원료의 배합, 조공제의 성분, 제조방법 및 plate의 형상 등의 총괄적인 제조방법들과 적층방법을 다루기 위한 것이고 이것들을 일정한 형태의 형상으로 적층한 후 소결하거나 소결 후 접착하여 높은 생산성, 실용적인 디자인, 절제된 제조공정 및 품질관리를 이루기 위한 것이다. 또, 이와같은 컴팩트(compact)한 세라믹 필터의 개발로 인하여 분진 등의 특성에 맞는 필터를 적용하여 장치의 성능을 향상시키고 정화장치의 설치면적의 최소화와 설비비를 절감하여 경제적인 이익을 창출하고자 하였다.

필터의 용도를 나누어 보면 크게 고정원과 이동원으로 나눌 수 있으며 고정원의 용도로는 소각로, 석탄 화력 발전소, 석탄 가스화 복합 발전 등이 있고 이동원은 경유 자동차의 매연 제거용 필터 등이 있다. 일반적으로 고정원에서 분진 등을 포집하는 데에는 여과포나 전기 집진 장치를 사용하여 왔는데 이중 전기 집진 장치는 시설비가 많이 들고 여과포는 주로 고분자계로 만들어져 그 사용 온도가 260 ℃를 넘을 경우 사용할 수가 없고 응축수 등에 취약한 특성을 나타내는가 하면 전단 설비로 반드시 냉각 장치를 설치하여야만 한다.

또한, 이동원의 경우 그 설치 공간 및 에너지원의 부족으로 말미암아 필터의 적용이 기술적으로 고정원에 비해 훨씬 어렵고, 그 배기 가스가 고온이고 버너방식의 재생에 있어서도 세라믹 필터 내에서 분진의 소화에 의한 열충격 등에 의해 세라믹 필터가 파손되거나 열화되는 등 본격적인 실용화가 어려운 상태이다.

고분자 및 종이 필터에 비해 세라믹 필터는 내열성이 우수하여 냉각 장치 등을 설치할 필요가 없어 설치비가 적어지기 때문에 중·소형의 배기 가스 정화 장치에 적합하다. 또한 석탄 가스화 복합 발전의 용도 등에서와 같이 고온의 배기 가스를 이용하여 복합 발전을 할 경우 가스층의 입자상 물질이 터빈 블레이드를 손상시킬 우려가 있기 때문에 필터가 필수적인데 그 배기가스의 온도가 매우 높기 때문에 세라믹 필터 외의 다른 대안이 없는 실정이다. 이러한 것은 이동원의 경우도 마찬가지로 그 배기 가스의 온도가 높기 때문에 적용 가능한 필터로서 세라믹 필터가 주로 연구되고 있는 실정이다.

기존의 개발된 세라믹 필터의 경우 일반적으로 봉 타입이 가장 보편적으로 쓰이고 있으나, 이의 표면적이 크지 않아 필터 시스템의 배압을 감소시키기 위해서는 그 필터의 개수가 많아져 그 크기가 커질 뿐 아니라 전체 시스템의 비용이 증가하는 단점이 있다. 또한 이동원용 등으로 개발된 세라믹 화이버(fiber) 필터의 경우 그 여과 효율과 배압 특성은 비교적 우수하나 장시간 사용할 때 세라믹 화이버의 열화로 인해 필터의 여과 효율이 감소할 뿐만 아니라 화이버가 배기가스 중에 포함되어 배출시 2차 공해를 발생할 우려가 있다.

한편, 세라믹 하니컴 필터의 경우 하니컴 세라믹 필터 각각의 구멍의 입구부와 출구부를 상호 교환시켜 밀폐시킴으로써 배기 가스가 반드시 하니컴의 다공성 벽변을 통과하도록 하여 분진 등을 그 벽면에 포집시키는 구조로 되어 있다. 이러한 필터는 여과 효율과 배압 특성이 우수할 뿐만 아니라 화이버 상이 아니기 때문에 전술한 바와 같은 문제점이 없어 그 성능이 우수한 것으로 알려져 있으나 그 가격이 매우 고가이어서 실용화에 문제점이 있다.

이와 같은 하니컴 세라믹 필터가 고가인 이유는 그 제조 공정이 까다롭기 때문으로 그를 설명하면 다음과 같다. 즉 하니컴 필터는 원료의 혼합, 압출 성형, 건조 그리고 소결 등의 공정에 의하여 각 채널의 양 끝단이 뚫려져 있는 플로우 쓰루형(flow-through type) 하니컴을 먼저 제조한다. 이와 같은 플로우 쓰루형 세라믹 하니컴은 가솔린 자동차의 촉매 담체로서 현재 많이 사용되고 있는 것으로 이를 하니컴 필터로 제조하기 위해서는 각 채널의 구멍을 서로 엇갈리게 체크 무늬 패턴으로 일정한 두께를 주고 막아야 하는 공정을 거쳐야 하며 이를 플러깅 공정이라 한다. 이러한 공정은 플로우 쓰루형 하니컴의 각각의 구멍이 소결로 인하여 그 모양이나 위치가 일정하지 않기 때문에 자동화가 용이하지 않다. 아울러 플러깅 공정이 끝난 후 플러깅 물질을 소결하기 위하여 이차 소결이 필요한데 이와 같이 제조공정이 복잡하고 일부 공정의 경우 자동화가 어렵기 때문에 그 가격이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고 개선하기 위한 것으로, 원료분말과 첨가제를 일정 비율로 습식 혼합한 후 스프레이 드라이어 등의 분말제조방법으로 구형의 혼합분말을 제조한다. 이 분말을 press를 이용하여 원하는 형태로 성형한 후 적층하여 고온에서 소결하고 후가공 처리하여 ceramic filter를 제조하는 방법이다.

좀 더 상세하게는 원료배합에 있어서 조공제의 크기, 종류 및 양을 달리하여 기공경을 조절하고자 하였다. 그 예는 다음과 같다.

＜원료배합의 예 1＞

먼저 원료분말로는 활석(talc) 20 ∼ 60 %, 카올린 10 ∼ 40 %, 하소카올린 10 ∼ 40 % 및 알루미나 5 ∼ 25 %와 조공제로 카본계 화합물을 10 ∼ 40 %, 결합제 0.1 ∼ 10 %, 가소제 G.1 ∼ 25 %, 이형제 및 분산제를 소량 첨가한 후 용매로는 물을 30 ∼ 70 % 첨가하여 습식 혼합하는 방법.

＜원료배합의 예 2＞

활석(talc) 20 ∼ 60 %, 카올린 10 ∼ 40 %, 하소카올린 10 ∼ 40 % 및 알루미나 5 ∼ 25 %와 조공제로 염류를 10 ∼ 85 %, 결합제 0.1 ∼ 10 %, 가소제 G.1 ∼ 25 %, 이형제 및 분산제를 소량 첨가한 후 용매로는 물을 30 ∼ 70 % 첨가하여 습식 혼합하는 방법.

＜원료배합의 예 3＞

활석(talc) 20 ∼ 60 %, 카올린 10 ∼ 40 %, 하소카올린 10 ∼ 40 % 및 알루미나 5 ∼ 25 %와 조공제로 목재분말을 5 ∼ 65 %, 결합제 0.1 ∼ 10 %, 가소제 G.1 ∼ 25 %, 이형제 및 분산제를 소량 첨가한 후 용매로는 물을 30 ∼ 70 % 첨가하여 습식 혼합한다.

위의 3가지 방법 등으로 제조된 원료는 스프레이 드라이어 등을 사용하여 1 ∼ 100 ㎛이 되도록 구형의 분말을 제조하고 건조한 후 일반적인 press에 일정량을 주입한 후 요철이 있는 금형을 이용하여 도 2, 3, 4, 5와 같이 두께가 약 0.2 ∼ 10 mm 이하이고 요철의 높이가 약 0.1 ∼ 10 mm인 형상의 압분체를 제조한다.

제조된 압분체는 부서지기 쉬우므로 다루는데 있어서 주의하여야 하며 로(furnace)에서 1200 ∼ 1450 ℃로 약 3 ∼ 120 여 시간 소성(sintering)하여 기공경이 0.05 ∼ 70 ㎛인 세라믹 plate(판)를 제조한다. 이렇게 제조된 plate는 접착제를 사용하여 접착하거나 자체결합을 하여 적층한 후 적정온도에서 수 일간 건조하여 굳혀 도 1과 같은 육면체형상의 세라믹 필터를 제조한다.

제조된 세라믹 필터는 목적에 따라 여러 크기와 모양을 갖도록 각각의 금형을 사용하여 여러 형태를 갖도록 제조하여 필요로 하는 수요처에 맞도록 제조하고자 하였다.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

1 : 완성된 세라믹 필터의 전면

2 : 완성된 세라믹 필터의 측면

3 : 다공성 세라믹 plate의 윗면

4 : 다공성 세라믹 plate의 아랫면

5 : 다공성 세라믹 plate의 지지대

6, 7 : 필터 브리지

본 발명은 여러 분말과 첨가제를 습식·혼합하고 스프레이 드라이어 등을 이용하여 직경이 1 ∼ 100 ㎛인 분말을 제조하여 이 분말을 일반적인 press를 사용하여 도 2, 3, 4, 5와 같이 여러 형상의 세라믹 압분체를 만든 후 소성시켜 plate를 제조하고 plate의 방향을 여러 각도로 바꾸어 적층한 후, 접착제를 사용하여 접착하거나 적층 후 소결하는 방식의 자체결합을 유도하여 도 1과 같은 세라믹 필터를 제조하는 것이다.

plate의 적층방법은 목적에 따라 여러 가지로 변경할 수 있으며 다음은 그 중 몇가지의 plate 적층방법의 예이다.

＜plate 적층방법의 예 1＞

도 2과 같은 형상의 plate를 0°와 180°, 0°와 90°로 적층하는 방법.

도 2과 같은 형상의 plate를 0°와 180°로 적층하면 촉매 담체에서와 같은 형상으로 제조되는데 전면(도 2의 1)으로 유입된 기체상은 세라믹 plate를 통과한 후 양 측면이 막혀 있으므로 그 반대편인 후면으로 투과하게된다.

도 2와 같은 형상의 plate를 0°와 90°로 적층하면 도 1과 같은 형상의 세라믹 필터를 제작할 수 있다.이렇게 제조된 세라믹 필터에서 여과(filtering) 방식은 도 1에서 세라믹 필터의 전면(도 1의 1)과 후면으로 기체상이 주입되어 세라믹 plate를 통과한 후 양 측면(도 1의 2)으로 투과하게된다.

＜plate 적층방법의 예 2＞

도 3와 같은 형상의 plate를 0°와 90°및 0°와 180°로 적층하는 방법.

도 3와 같은 형상의 plate를 0°와 90°로 적층하면 도 1의 전면으로 기체상이 유입되고 측면으로 기체상이 유출된다. 물론 후면과 하나의 측면은 막혀있어서 한 쪽으로 유입된 기체는 필터 plate를 통과한 후 다른 한 쪽으로 배출된다. 또, 0°와 180°로 적층을 하면 기체상은 전면으로 유입된 후에 양 측면이 막혀있으므로 후면으로만 배출된다. 이 때는 기체의 흐름이 한 방향으로만 이루어진다.

＜plate 적층방법의 예 3＞

도 4과 같은 형상의 plate를 0°와 90°및 0°와 180°로 적층하는 방법.

도 4과 같은 형상의 plate를 0°와 90°및 0°와 180°로 적층하면 '적층방법의 예 1'과 같은 방식이 이루어진다.

＜plate 적층방법의 예 4＞

도 2과 도 3를 번갈아 가면서 0°와 90°로 적층하는 방법.

도 2과 도 3를 번갈아 가면서 0°와 90°로 적층을 하면 도 1의 전면과 후면으로 유입된 기체상은 필터 plate를 통과한 후 한쪽의 측면이 막혀 있으므로 다른 한쪽의 측면으로만 투과된다. 반대로 한쪽의 측면으로 기체상을 유입시키면 전면과 후면으로 투과하게된다.

＜plate 적층방법의 예 5＞

도 3과 도 5를 번갈아 가면서 0°와 180°로 적층하는 방법.

도 3과 도 5를 번갈아 가면서 0°와 180°로 적층을 하면 도 1의 한 쪽면을 제외한 3방향으로 기체가 유입되어 세라믹 plate를 통과한 후 나머지 한 쪽면으로 유출된다. 즉 도 3을 도 5의 위와 아래도 180°회전시켜 적층을 하면 후면을 제외한 전면과 두 측면에서 기체가 유입된다. 유입된 기체는 세라믹 plate를 통과하여 filtering이 일어나고 그 기체는 후면으로 방출된다.

위와 같이 여러 방식으로 적층된 필터에서 분진포집은 전면(도 1의 1)으로 분진이 함유된 기체상이 들어가서 도에서 판의 윗 면(도의 3)으로 유입되어 약 0.05 ∼ 70 ㎛의 미세 기공을 투과하여 아래 면(도 의 4)으로 유출되어(또는 아래면에서 윗 면으로) 도 1의 측면(도 1의 2)으로 투과되는 것이다. 미세 먼지 등의 분진을 함유한 투과된 기체상은 필터의 윗 면(또는 아래 면)에 분진 등이 걸러지게 되어 초기에 유입되었던 분진이 함유된 기체는 분진이 제거된 깨끗한 기체가 되어 여과되는 것이다.

필터의 여과면적의 증가는 필터 내 작용하는 배압의 감소 및 필터의 성능 향상과 직결되기 때문에 커다란 개선이라 할 수 있다. 도 1, 도 2, 도 3은 press의 금형 모양만을 변경하여 제조될 수 있는 세라믹 필터 plate 형상의 예이다. 도 3과 도 5와 같은 형태의 모양은 다른 두 가지와는 조금 다른데, 도2와 도 4는 기체가 앞면과 뒷면에서 유입되어 좌측과 우측의 양면으로 배기되도록 설계되어 있는 반면, 도 3는 기체가 한 방향으로만 유입 또는 배출될 수 있는 방식이고 도 5는 3방향으로 유입 또는 배출 될 수 있다. 또 도 3의 내부에 놓여진 브리지는 'S'자 형태로 브리지의 개수를 줄여 여과면적을 늘리고자 하였다. 도 4와 같은 형태는 하중에 대한 필터의 구조적 문제점에 의해 일정 간격 이상은 넓히지 못하지만 요철의 간격을 조절하여 세라믹 필터의 여과면적을 증가시킨 것이다.

본 발명품을 이용한 필터의 재생 방식에서도 가스버너를 이용한 분진의 소실방식이나 air pulse를 이용한 분진의 탈리방식이나 등 다양하게 적용할 수 있다. 기존에 사용된 폐쇄된 구조의 하니컴 필터에서 문제시되었던 열충격을 본 발명품은 개방형 구조의 잇점으로 개선 및 제거한 것도 그 특징 중에 하나이다.

이와 같이 금형의 형태만을 교체함으로서 여러 가지 크기와 형태를 가진 필터를 기능과 목적에 따라 균일한 품질로 제작 할 수 있다는 것이 이 press 법의 특징이기도 하다.

본 발명은 위에서 언급하였듯이 기존의 종이 필터나 고분자 필터, 봉형태의 필터나 하니컴 형태의 필터의 단점을 제거하고자 한 것이다. 또, 사용자의 목적이나 기능, 설계의 변경 등에 따른 갖가지 크기와 형태를 가진 필터를 생산하는데 용이하게 하고자 하였다.

내열성, 내식성 등 필터 사용상 열악한 조건의 경우, 기존의 종이 필터나 고분자 필터는 그 열악한 환경을 극복하는데 제한적인 취약성을 갖고 있다. 또, 봉형태의 세라믹 필터는 설치면적에 비하여 여과면적의 크기가 작아 실효성이 떨어지는 단점을 갖고 있으며 하니컴 필터의 경우 제조단가가 높고 구조적인 형상에 의한 취약한 열적특성으로 많은 문제점을 가지고 있는 실정이다. 이에 본 세라믹 다공성 필터는 내열성, 내식성이 뛰어나고 단위 부피당 여과면적이 크며 구조적인 형상에 따른 취약한 열적특성을 개선하고 일반적으로 사용되는 press를 이용하여 생산성이 뛰어나며 조공제의 종류를 변화시킴으로서 기공의 조절을 자유로이 할 수 있으며 수요처의 상황에 따라 제품의 종류를 빠르게 교체할 수 있도록 단순히 여러 형태의 금형을 교체하여 사용할 수 있는 장점이 있다.

특히 혼합비의 제어를 통한 세라믹 필터 자체의 기공경 및 기공률의 조절과 제조공정의 단일화는 제조공정 단계별로 발생할 수 있는 산재된 불량률을 크게 개선할 수 있어 생산성의 향상을 가져올 수 있으며, 금형의 변화만으로도 용도별로 다양한 형태의 필터를 생산할 수 있어 사용자가 필요로 하는 형태의 세라믹 필터를 생산할 수 있으므로 그 동안 제한된 설계방법에 따른 고충을 크게 개선하였다고 할 수 있다.

Claims (2)

1. press를 이용한 고온·고압용 세라믹 필터의 제조에 있어서;

   일정한 배합비를 갖도록 원료를 혼합하고 스프레이 드라이어를 이용하여 세라믹 분말을 생산하는 방법에서 기공을 조절하는 방편으로 조공제를 카본계, 염류, 목재분말 등을 사용한 것.
2. press를 이용한 고온·고압용 세라믹 필터의 제조에 있어서;

   press를 이용하여 일정한 규격의 제품을 생산하는 방법과 press 금형의 다양한 모양 변화(다각형 포함)와 적층방식을 통하여 최종 제품인 세라믹 필터의 기능과 형태를 손쉽게 변화시키거나 문제점을 개선하는 방법.