KR20020010573A - 실리카 수트 압출로부터의 티타늄-함유 실리카 유리허니컴 구조물 - Google Patents

실리카 수트 압출로부터의 티타늄-함유 실리카 유리허니컴 구조물 Download PDF

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케네스 이. 흐디나
기티모이 카
존 에프. 주니어 와이트
춘제 씨. 유
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알프레드 엘. 미첼슨
코닝 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 궁극적 적용에 따라 다양한 형상 및 크기를 갖는 티타늄-함유 실리케이트 유리 허니컴 구조물의 제조공정에 관한 것이다. 상기 티타늄-함유 유리 허니컴은 매우 낮은 열팽창 계수(CTE)를 가지며, 상기 CTE는 상기 허니컴에 결합된 부재의 CTE와 일치하도록 티타늄 레벨을 조절하므로써 변화시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 허니컴 구조물은 경량이면서 이의 단부면 상에 중량의 고체 로드를 지탱할 수 있다. 따라서, 본 발명의 허니컴은 거울과 같은 물체를 위한 경량 지지체로서 사용될 수 있다. 특히, 본 발명의 허니컴 지지체는 온도 극치(extremes)가 존재하는 외계 환경에 사용되는 거울에 사용될 수 있다. 상기 허니컴은 이러한 지지체를 제공하기 위해 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 허니컴의 중량이 부하로드 성능에 영향을 미치지 않고 상기 허니컴의 선택된 부위를 제거하므로써 더욱 감소되는 실시예를 개시한다.

Description

실리카 수트 압출로부터의 티타늄-함유 실리카 유리 허니컴 구조물{Titanium-containing silica glass honeycomb structure from silica soot extrusion}
유리로 제조된 통상의 구조물은 우리의 일상 생활과 분리될 수 없는 반면, 유리의 독특한 성질은 또한 고기술의 특정 적용을 위한 복잡한 구조물에 이용되고 있다. 유리를 포함하는 허니컴 구조물은 후자의 범주에 포함된다. 유리 허니컴은 채널의 배열과 함께 사용되며, 일반적으로 많은 개개의 유리관을 함께 용융시켜야 하는 다른 공정에 의해 제조되어 왔다. 이러한 방법으로 제조된 구조물은 용융 공정으로 인해 통상적으로 채널 직경 및 균일성에 제한이 있다. 상기 형태의 구조물은 또한 다른 물질로 제조되어 왔으나, 유리는 뜨겁게 인발되고, 새로운 적용 및 기술, 특히 고표면적이 요구되는 구조를 만들 수 있는 복합적인 독특한 성질을 제공한다. 상기와 같은 이용의 일례는 화학 작용을 조장하거나 촉진시킨다. 부가적인 이점은 유리 허니컴 제품으로부터 얻을 수 있는 고순도 및/또는 높은 정화성(clarity) 및 투명성이다. 따라서 유리로 이루어진 허니컴 구조물은 화학선에 의한 개시가 요구되는 반응을 지지하기 위한 이상적인 제품이다.
또한, 셀형의 구조이기 때문에, 유리 허니컴 구조물은 채널 축을 따라 상당히 강력하며, 고체 벌크 유리 보다 훨씬 가볍다. 따라서, 유리와 같은 제품의 지지체 및 샌드위치 구조물 형성에 의한 제품에 사용하는데 이상적이다(셀형 고체, 구조 및 특성, 제2판., 로나 제이. 깁슨 및 마이클 에프. 에쉬비, 1997). 유리 허니컴 물질은 예를 들어 외계 유료적재하중과 같은 중량이 중요시되는데 있어서 상당한 이점을 갖는다. 일례로서, 유리의 반사면을 지탱하는데 특히 유리하다. 상기 허니컴 지지체 물질은 또한 열적응력에 기인한 뒤틀림 또는 균열을 막기 위한 거울 물질의 저열팽창계수와 유사하다.
티타늄 함유 실리카 수트를 포함하는 실리카 수트는 고순도 용융 실리카(HPFSⓡ) 유리 및 극저팽창(ULETM) 유리 제조공정의 부산물이다. 현재까지, 필수적으로 순수한 실리콘 디옥사이드 또는 순수한 티타늄 함유 실리콘 디옥사이드 일지라도 통상적으로 폐기되는 폐물질로 생각되었다. 고순도 용융 실리카 및 ULETM에 대하여 급증하는 수요는 상기 폐물질 문제를 더욱 심화시키고 있다. 따라서, 비용적인 면 뿐만 아니라 경제적인 면에서 상기 폐흐름을 감소시키기 위한 요구가 크게 증대되고 있다. 상기 물질에 대한 상품 및 상업적인 적용을 찾는 것이 가장 바람직할 것이다.
종래 기술:
종래 공정은 유리 허니컴 구조물을 제조하기 위해 이용되었으나, 이는 본 발명의 공정과는 상당히 다르다. 상기 형태의 유리 허니컴 제품을 제조하기 위한 종래 기술은 개개의 속빈 섬유 또는 관을 함께 용융시키거나 또는 다채널 제품을 형성하도록 유리의 고체 조각을 가공하는 것 중 하나의 공정이다.
이러한 종래 공정은 몇가지 문제점을 가지고 있다. 첫째, 광학적으로 뜨겁게인발되어 다시 다발지어져(rebundled), 다시 속빈 채널의 파이너 및 파이너 배열에 순차적으로 넣을 수 있는 다채널 제품을 형성하기 위해 다수의 속빈 섬유를 용융시키는 것은 어렵다. 둘째, 다수의 속빈 관을 균일하게 완벽한 허니컴 구조물로 모으고 용융시키는 것은 어렵다. 셋째, 용이하게 취급할 수 있는 개개의 속빈 섬유의 직경은 균일하게 뜨겁게 인발될 수 있는 어셈블리 직경에 대하여 실질적인 한계가 존재하기 때문에, 허니컴 구조물을 만드는 방향의 첫째 다발에서 관의 수를 제한한다. 마지막으로, 다수의 깊은 채널을 유리제품으로 제작하는 것은 고비용이 들 뿐만 아니라 많은 시간이 소비된다.
셀커ⓡ(Celcorⓡ)(자동차 촉매 전환기용 기판으로서 상업적으로 사용되는 코디어라이트 허니컴 구조물) 및 유리-세라믹 혼합물과 같은 세라믹 허니컴 구조물은 특정 물질로부터 페이스트-압출되어 왔으나, 결과적인 허니컴 제품은 빛을 투과하지 못하였으며, 이의 이용성을 크게 감소시켰다. 또한, 상기 허니컴 제품은 자연적으로 결정상이며, 뜨겁게 인발되는 것과 같은 포스트 형성을 할 수 없었다. 또한, 상기 셀커ⓡ공정에 사용되는 원료 물질의 입자 크기는 본 발명에 사용되는 수트의 크기 보다 약 2차수가 크다. 상기 입자 크기는 직접 압출에 의해 압출될 수 있는 허니컴 구조물에 있어서 최소의 웨브(web) 두께에 상당한 영향을 미칠 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 고순도 실리카 수트에 대한 상업적인 적용을 제공하는데 있다.
따라서, 본 발명의 또 다른 목적은 실리카 수트에 대한 상업적인 적용을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 실리카 수트를 유리 제품으로 변환시키는 페이스트-압출 및 소결 공정을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 우수한 기계적 강도 및 탁월한 열 안정성을 가지고, 높은 광학적 정화도 및/또는 높은 UV 투과도를 갖는 유리 허니컴 구조물을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 여과, 물정제, 막 반응기, 흐름 조절기, 생체-반응기, 구조적 유전체, 및 구조적 지지체와 같은 기술에서 유리 허니컴 구조물을 이용하는데 있다.
본 발명의 요약
본 발명은 전술한 목적 및 종래 기술의 문제점을 해결하고자 한다. 특히, 본 발명은 실리카를 포함하는 유리 분말, 특히 고순도 용융 실리카 또는 티타늄이 도핑된 실리카(ULETM) 수트와 같은 도핑된 실리카 수트를 유리 허니컴 제품으로 전환하는 공정에 관한 것이다. 본 발명의 공정은 먼저 그 자체가 독특하고 유리한 성질을 갖는 제품을 제조하기 위하여 용융 실리카 수트를 이용하는 공지된 공정이다.
유리 허니컴 구조물은 종래의 허니컴 페이스트-압출 공정을 출발 물질로서 유리 분말을 사용하는 공정에 적용하므로써 수행될 수 있다. 본 발명은 특히 고순도 용융 실리카 및 실리카와 다른 물질, 예를 들어 최대 9%의 티타늄을 함유하는 실리카 수트로부터 유래된 수트로 제조된 높은 실리카 함량의 유리 허니컴 구조물에 초점을 두고 있다. 고순도 실리카는 필수적으로 순수한 실리콘 디옥사이드로 정의되며, 미량 물질(trace material)은 상기 순수한 실리콘 디옥사이드에 어떤 이점도 부가시키지 않는 오염물로 간주된다.
본 발명은 1999. 2. 19.자에 "실리카 수트 압출로부터의 티타늄-함유 실리카 유리 허니컴 구조물"의 명칭으로 씨. 찰스 유(C. Charles Yu), 존 에프, 와이트(John F. Wight), 기티모이 카(Gitimoy Kar) 및 케니스 이. 흐디나(Kenneth E. Hrdina) 등에 의해 출원된 미국 특허 가출원 제60/120,847호에 기초를 두고 있다.
본 발명은 유리형 허니컴 구조물에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 실리카 수트 레이스트로부터 압출에 의해 제조된 티타늄-함유 유리형 허니컴 구조물에 관한 것이다. 상기 구조물은 특히 낮은 열팽창계수 및 강한 로드 부하능에 기인하여 구조적 지지체로서 유용하다.
관련 출원:
본 발명은 하기의 공동 양도되고 계류중인 미국 특허출원에 관련되어 있다: 1997. 12. 19.자에 "셀형 허니컴 구조물의 제조방법"의 명칭으로 디. 에스티. 줄리엔(D. St. Julien) 등에 의해 출원된 미국 특허출원 제09/211,379호(attorney docket St. Julien 15); 1999. 4. 26.자에 "재인발된 모세관 이미징 저장기"의 명칭으로 보렐리 등에 의해 출원된 미국 특허출원 제09/299,766호; 및 1998. 7. 30.자에 "광자 구조물의 제조방법"의 명칭으로 보렐리 등에 의해 출원된 미국 특허출원 제09/360,672호(attorney docket Borreli 77); 및 1999. 4. 27자에 "재인발된 모세관 이미징 저장기"의 명칭으로 보렐리 등에 의해 출원된 제09/300,121호.
본 발명의 좀 더 나은 이해를 돕기 위하여 하기 관련 설명과 관련하여 첨부된 도면을 참조하여 설명한다:
도 1은 본 발명에 따른 유리 허니컴 제품의 측면 횡-단면도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 유리 허니컴 제품의 전면 단부의 상부를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3a-3d는 바람직한 횡-단면 채널의 형상을 도시하기 위하여 유리 허니컴 제품의 4가지 전면 단부를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따라 보다 낮은 부위는 재인발된, 유리 허니컴 제품의 측면 횡-단면도를 나타낸 것이다.
도 5는 압착된 오프닝을 갖는 제품의 일 단부를 갖는 U-자 형의 유리 허니컴 제품을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 도 1의 허니컴 유리 제품이 분할되어, 필수적으로 동일하고, 유한 길이를 가지며, 세로 길이는 횡-단면의 폭보다 상당히 긴 다수의 허니컴 제품을 걔략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 허니컴 유리 제품이 분할되어, 필수적으로 동일하고, 유한 길이를 가지며, 세로 길이는 횡-단면의 폭보다 상당히 긴 다수의 허니컴 제품을 걔략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 전면 단부가 컬럼형의 횡-단면 표면적 보다 큰 표면적을 가지며, 상기 전면 단부는 체중-부하 맴버를 지탱하는 벨마우스 경량의 유리 허니컴 제품을 걔략적으로 나타낸 도면이다.
정확성 및 간결성을 위하여 요소(element) 및 부품 등은 전체 도면을 통해서 동일한 표시 및 숫자로 나타낼 것이다.
정의에 있어서, 명세서에 사용된 "허니컴 구조물"은 10a 및 10b의 두가지 반대면, 길이 L의 바깥 세로 표면(20), 및 셀 벽(40)의 매트릭스를 가지고, 채널 배열, 셀 또는 통로 구멍(30)으로 정의되며, 여기서 각각의 반대면은 대응하는 횡-단면 표면적 및 평균 횡-단면 직경(각각 Da및 Db)을 가지며, 제1면 10a에서 제2면 10b까지의 세로 축을 따라 횡단하는 압축된 유리 제품(100)으로 기술된다. 상기 반대면은 상기 채널이 상기 허니컴 제품 각각에 대하여 평행하게 횡단하는 동일한 횡-단면 표면적을 갖는다. 상기 채널은 무작위 또는 각각으로부터 고정된 거리에 배열된다. 상기 거리는 셀벽 두께 t로 정의된다. 상기 채널은 또한 셀 벽에 의해 정의된 횡-단면의 형상 및 크기를 갖는다. 모든 밀폐된 형상(예를 들어, 원형, 타원형, 삼각형, 사각형, 직사각형, 육각형)이 가능하다. 개개의 채널은 모두 동일한 형상 또는 이들의 혼합일 수 있다. 상기 채널의 횡-단면 크기, d는 모든 채널에 대하여 고정되거나 또는 허니컴 제품내에서 다양화되거나 둘 중의 하나일 수 있다.상기 허니컴 제품은 제1 및 제2 반대면이 서로 평행하거나 또는 세로 축에 따라 휘어 있는 경우 그 자체가 선형 디자인일 수 있다.
본 발명을 위하여 디자인된 압출 공정은 예를 들어 미국 특허 제3,790,654호(배글리), 제3,905,743호(배글리), 제4,551,295호(가드너 등), 제4,902,216호(커닝햄), 및 제5,602,197호(존슨 등)의 코디어라이트 셀커TM를 제조하는데 사용되는 것과 유사하다. 반복을 피하기 위하여, 상기 대중적으로 이용 가능한 문헌은 본원의 참고문헌으로 포함된다. 하기에 지적된 것을 제외하고는 본 발명은 상기 문헌에 앞서 개시된 방법을 실질적으로 변화시키지 않는다.
다른 제조공정과 달리, 고순도 용융 실리카(HPFSⓡ) 수트는 특별히 고안된 환경하에서 독특한 불꽃 가수분해 또는 불꽃 연소 공정에 의해 생성된다. 고순도 실리콘을 함유한 화학물질은 1600℃ 이상의 온도에서 유지되는 단열된 봉합체에서 실리카 중간체를 형성하기 위하여 산소-수소 또는 산소-수소 불꽃으로 도입된다. 상기 실리카 중간체는 불꽃 가수분해 또는 불꽃 연소 반응으로부터 나노미터 크기의 범위에서 고체 실리콘 디옥사이드의 "씨(seeds)", 가스형 실리콘 모노옥사이드 및 다른 중간체 실리콘 함유 화합물을 포함한다. 상기 절연 봉합체는 상기 실리카 중간체가 상기 고체 실리콘 디옥사이드 "씨"가 자라서 상기 봉합체에서 배출되기 이전에 큰 입자를 동시에 생성하는 동안, 상기 봉합체내에서 고온(〉1600℃)하에서 연장된 잔류 시간을 체류하도록 고안된다.
이러한 관점에서, 실리카 수트는 잠재적으로 유용한 원료 물질로서 몇가지 독특한 성질을 갖는다. 예를 들어, 실리카 수트는 약 0.2마이크론의 평균 크기를 갖는 약 0.05 내지 0.4마이크론의 직경을 갖는 고순도의 조밀한 구형의 입자를 포함한다. 티타늄 함유 실리카 수트는 극저팽창(ULETM) 유리 제조공정의 부산물이다. 이는 조성물을 제외하고는 고순도 용융 실리카 수트의 특성과 유사하다. 두가지 수트 분말 모두 높은 입자 충전효율(packing efficiency)에 대해서 넓은 입자 크기 분포 전도를 갖는다. 80% 이상의 충전효율이 가능하지만, 실질적인 한계는 특히 압출 공정시 더 높은 값으로 제한된다. 상기 충전효율의 바람직한 값은 약 45% 내지 70%, 가장 바람직하게 65%이다.
본 발명과 종래 기술에 따른 공정간의 차이점 중 하나는 실리카 유리 수트가 출발 입자로서 사용되며, 낮은 소디움 함량 공정의 첨가제가 UV 투과에 적합한 적용을 위한 본 발명에 바람직하다는 점이다. 예를 들어, 스테아릭 에시드 및/또는 올레익 에시드는 페이스트 제형에서 유래된 수트용 윤활제로서 소디움 스테아레이트에 바람직하다. 에바놀ⓡ은 메토셀ⓡ보다 회분이 적기 때문에 더욱 바람직하다. 그러나, 최종 소결단계 이전에 압출물의 화학적 청정은 압출물이 출발 분말보다 더욱 순수한 정도로 소디움을 상당히 감소시킬 것이다.
본 발명과 종래 기술에 따른 공정간의 또 다른 차이점은 상기 수트 페이스트의 고체 로딩이 코디어라이트 셀커TM를 제조하기 위한 페이스트의 표준 50부피% 보다 큰 로딩인 고체 로딩 60 내지 63부피%(상기 수트의 부피를 페이스트의 부피로나눈 값 ×100%)라는 점이다. 이는 상기 수트 입자의 필수적인 구형의 형상 및 이의 크기 분포에 기인한다.
상기 유리 허니컴 구조물을 제조하기 위한 배합에 있어서 바인더로서 하나는 메토셀ⓡ을 사용하고 다른 하나는 에바놀ⓡ을 사용한 두가지 예가 하기에 개시되어 있다. 두가지 뱃치 모두 1" 직경 400/8 셀커ⓡ다이(평방 인치당 400 채널 및 0.008인치의 벽 두께를 갖는 평방 채널 격자-배열을 압출하기 위한 다이)를 통해 램 압출(3.5" 직경 배럴)될 수 있다. 배글리에 의한 미국 특허 제3,790,654호 및 커닝햄에 의한 미국 특허 제4,920,216호에 더욱 상세하게 개시되어 있다. 다른 직경 및 오거 압출기에 있어서, 하기 제형의 물 레벨은 다음과 같이 조절될 수 있다.
제형 1의 페이스트:
실리카 수트 1000.0gm
도우 메토셀ⓡF40M(Dow MethocelⓡF40M) 31.8gm
스레아릭 에시드(미세분말) 4.0gm
탈이온화된 물 275.0gm
제형 2의 페이스트:
실리카 수트 1000.0gm
듀폰트 에바놀ⓡ50-42(DuPont Evanolⓡ50-42) 28.7gm
스레아릭 에시드(미세분말) 3.7gm
탈이온화된 물 254.1gm
제형 1 및 2는 출발 페이스트를 제조하기 위한 용매로서 탈이온화된 물을 사용한다. 그러나, 수용성 유기용매 혼합물이 본 발명에 또한 유용하다. 적합한 유기용매는 저가의 알코올, 케톤, 아미드 및 에스테르이다. 상기 용매들은 균질한 혼합물을 제공하도록 물에서 충분히 용해되어야만 한다. 물 대비 용매의 비율은 95:5 내지 5:95까지 변화될 수 있다. 가장 바람직한 용매는 에탄올, 아세톤, 에틸 에틸 케톤, N,N-디메틸포름아미드 및 에틸 아세테이트(파버 등에 의한 미국 특허 제5,458,834호 참조)이다.
메토셀ⓡ배합에 있어서, 상기 건조 재료는 함께 터보혼합된다. 그 다음 물은 상기 분말 혼합이 페이스트를 형성하도록 혼련될 때 첨가된다. 상기 에바놀ⓡ배합에 있어서, 뜨거운 고분자 용액은 상기 뜨거운 물에 고분자 및 스테아릭 에시드를 첨가하므로써 제조된다. 이는 냉각되어 혼련시 상기 수트에 첨가된다. 방전된 청크(chunk)는 세번 스파게티된다. 그 다음, 고무형 페이스트 스파게티는 8mil 심 갭(shim gap) 및 칼날 마스크를 갖는 400/8 셀커ⓡ다이(미국 특허 제3,790,654호 및 제4,902,216호 참조)를 통해 압박된다. 상기 압출된 허니컴 구조물은 먼저 절연 건조되어 그린웨어가 생성된 후, 최대 900℃의 온도로 최대 2일 간의 번아웃을 통해 디바인드되어(debinded) 브라운웨어가 생성된다. 브라운웨어는 디바인드된 그린웨어를 소결하지 않는다(unsintered). 하기에 상기 그린웨어 조각으로부터 브라운웨어를 생성하기 위한 통상적인 디바인딩(열분해) 스케줄을 나타내었다:
20-200℃ @ 50℃/hr
200-600℃ @ 20℃/hr
600-900℃ @ 50℃/hr
6시간 동안 900℃로 유지
900-600℃ @ 50℃/hr로 냉각
600-20℃ @ 전원 없이 냉각
소결은 상기 온도가 850℃를 초과할 때 디바인딩의 최종 단계에서 시작된다. 결과적으로, 디바인딩 후 상기 허니컴 구조물은 연속적인 처리로 다루기에 충분한 기계적 강도를 갖는다.
고순도 용융 실리카(HPFSⓡ) 수트가 원료 물질로서 사용되는 경우, 화학 청정의 광학 단계가 수행된다. 상기 단계에서, 중간체 브라운웨어 제품은 다이 감(wear)으로부터 베타-OH 및 알카리(예를 들어, 소디움), 및 알카린토류 원소의 미량 오염물 및 철을 제거하기 위한 분위기를 함유하는 클로린 또는 플로린에서의 약 20분 보다 긴 기간동안 850℃ 내지 1300℃의 온도로 가열된다. 이러한 화학 청정이 요구되는 경우, 소결단계 이전에 실시된다.
상기 수트 허니컴 기판은 열린 다공성에서부터 광학 청정의 범주인 구조물을 얻기 위한 여러가지 온도로 소결될 수 있다. 상기 소결된 유리 허니컴은 예를 들어 통상적으로 계류중인 특허 출원(제1유리 셀커 섬유에 대한 미국 특허출원 제09/360,672호 및 제1유리 셀커 여과기에 대한 제09/299,766호 및 제09/300,121호) 이상으로 또한 점성적으로 다양한 형태로 형성될 수 있다.
투명한 HPFSⓡ허니컴 구조물은 진공하에서 1760℃ 이상의 온도로 브라운웨어 조각을 열처리하므로써 얻어졌다. 상기 유리 구조물을 소결하기 위한 통상적인 가열 스케줄은 하기와 같다:
a) 시편을 퍼니스에 로딩; 실온에서 진공으로 빨아들이고,
b) 약 50℃/분의 속도로 1000℃까지 퍼니스를 가열하며,
c) 5-15분 동안 1000℃에서 유지시키고,
d) 10-15℃/분의 속도로 1650℃까지 승온시키며,
e) 2℃/분의 속도로 1760℃까지 승온시키고,
f) 5-15분 동안 1760℃에서 유지시키며,
g) 아르곤 가스로 퍼니스를 뒤채우고(backfill),
h) 퍼니스의 전원을 끄고 제품이 퍼니스 속도에서 실온까지 냉각되도록 한다.
상술한 진공 가열 과정은 실시예를 기술하기 위함이다. 상기 가열단계는 또한 공기중에서, 또는 질소, 헬륨, 아르곤, 카본 디옥사이드, 형성 가스 및 유사물질, 및 이들의 혼합물과 같은 불활성 기체하에서 수행될 수 있다. 상기 가스 분위기는 주위 압력 미만, 바람직하게 이와 같거나 또는 그 이상에서 적용될 수 있다. 상이한 가열 속도 및 등온 유지 시간은 가스 분위기가 적용되는 경우 적용될 수 있다. 적합한 조건의 결정은 실험에 의해서 용이하게 결정될 수 있으며, 과도한 실험에 의해 결정되는 것은 아니다.
본 발명의 공정에 따라 제조된 상기 유리 허니컴 제품은 투명한 것이 바람직하지만, 또한 반투명 또는 불투명한 제품 또한 본 발명의 보호범위에 포함된다. 또한, 상기 유리 허니컴 제품은 무색이거나 또는 약간의 색조를 띈다. 착색은 코발트 옥사이드, 니켈 옥사이드 또는 이와 유사한 물질과 같은 공지된 유리 금속 옥사이드 도펀트의 미량을 포함시키므로써 달성된다.
출발 물질로서 실리카 수트를 이용한 상기 압출 공정으로부터 얻어진 유리 제품은 다른 공정에 비하여 독특한 특성 및 성질을 갖는다. 전술한 바와 같이, 유리 허니컴 구조물은 개개의 유리 관을 함께 용융시키므로써 제조될 수 있다. 상기 미정제물(crude) 공정은 모두 방해가 되며 제품의 단일성 측면에서 조절하기가 어렵다. 또한, 상기 공정은 개개의 채널에 대한 직경 범위에 있어서 크게 제한된다. 특정 크기 이하에서, 상기 공정은 바람직하지 않다.
유리 허니컴은 또한 출발 물질로서 그라운드 유리 분말을 이용한 압출공정으로부터 제조될 수 있다(전술한 미국 특허출원 제09/360,672호 및 제09/300,121호 참조). 이러한 상황에서, 상기 용융 공정의 몇가지 단점은 극복되지만, 다른 문제점들이 여전히 존재한다. 특히, 비단일성에 대한 문제는 상기 용융 공정과 대조하여 상당히 감소된다. 그러나, 상기 분말의 직경은 통상적으로 약 5 내지 약 50마이크론의 차수이다. 입자 크기는 상기 허니컴 내의 채널 벽의 두께와 상당한 관련이 있다. 우수한 압출성 및 기계적 강도를 위하여, 셀 벽의 두께는 통상적으로 적어도 5 내지 10 입자이다. 따라서, 상기 입자의 크기가 크면 클수록 상기 셀 벽의 최소두께는 증가한다. 본 발명에 따르면, 대응하는 얇은 벽을 갖는 유리 제품이 압출될 수 있기 때문에, 본 발명에 따른 입자 크기는 종래 유리 분말에 사용된 입자 크기보다 10 내지 100배 더욱 작다. 종래의 유리 분말은 용융 탱크 내화물 및 분쇄 매체로부터의 오염물을 갖게 된다. 상기 돌(stone)은 녹거나 또는 인발되지 않는다. 이들의 크기는 웨브 벽 두께가 인발될 수 있는 정도로 제한된다. 수트는 "돌"을 갖지 않는다.
하기에 개시된 바와 같이, 벽 두께는 필수적으로 채널 단면적 대비 총 허니컴 단변적의 비율인 열린 전면적(OFA)과 직접적으로 관련된다. 상기 벽의 두께가 얇아질수록, OFA는 높아지고 따라서 상기 허니컴의 무게는 가벼워진다. 상기 허니컴 제품의 무게 대비 부피비는 상기 유리 허니컴이 경량 지지체로서 사용된 경우 상당하다.
벽 두께는 또한 물질을 셀 벽으로 확산시키는 것을 포함하는 적용에 주요한 파라미터이다. 상기 특징이 고효율 여과 시스템 또는 막 반응기와 같은 데에 바람직하다면, 확산 속도가 크면 클수록, 각각의 공정에 대한 효율은 커진다. 본 발명에 따른 얇은 셀 벽은 상기 형태의 제품을 우수하게 고안할 수 있는 원동력이 된다. 본 발명의 제형 및 공정은 최소 약 10마이크론, 바람직하게 최소 약 40마이크론, 가장 바람직하게 최소 약 100마이크론의 채널 벽을 갖는 유리 허니컴 그린웨어(종래의 뜨거운 인발 또는 소결)를 압출할 수 있다.
또한, 본 발명에 사용되는 고순도 용융 실리카 및 상기 수트 부산물은 분말 공정에서 선택적으로 사용되는 상기 분말 실리케이트에 비해 탁월한 이점을 제공한다. 본 발명에 따른 고순도 용융 실리카는 매우 높은 UV 투과도가 얻어지는 매우 낮은 수준의 알카리 및 알카린 금속, 철 및 코퍼(예를 들어, 50-100ppm 이하)를 갖는 고순도의 실리카이다. 화학 방사(actinic radiation), 특히 자외선의 흡수를 포함한 적용에 있어서, 이러한 특성은 특히 유용하다. 상기 적용의 일례는 생체-반응기 및 인-시튜 물 정제를 포함한다.
본 발명에 사용되는 고순도 용융 실리카 수트는 또한 예를 들어 통상적으로 1100℃이상의 고연화점을 갖는 다른 물질에 비해 또 다른 이점을 제공한다. 이는 고온 적용에 이용되는 상기 물질로부터 제조된 허니컴 디바이스를 가능하게 한다.
상기 수트는 또한 알루미늄 옥사이드, 포스포러스 옥사이드 및 보론 옥사이드를 포함하는 유리-형성 금속 옥사이드(즉, Pyrexⓡ)로 더욱 이루어지지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게 이러한 금속 옥사이드의 양은 50% 이하이며, 나머지는 실리콘 디옥사이드이다. 상기 허니컴의 다른 성질들이 바람직한 것은 도펀트가 또한 상기 수트에 사용될 수 있다는 것이며, 예를 들어 굴절률을 변화시키거나 또는 착색(즉, 코발트 옥사이드)시키기 위한 도펀트는 최대 약 10%까지 사용될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 압출된 유리 허니컴 제품은 광학적으로 더욱 공정되어 상기 제품의 전체적인 횡-단면적을 좁힐 수 있다. 이는 점성적으로 축방향에서 상기 제품을 인발하는 모든 공정에 의해서 수행될 수 있다. 통상적으로, 이는 상기 유리 허니컴 제품이 점성적으로 아래로 인발되기에 충분히 부드러워지는 지점까지 상기 유리의 점도를 충분히 낮출 수 있는 온도로 가열된 환경에서 상기 제품을 재인발하므로써 수행된다. 이러한 방법에 있어서, 상기 개개의 채널 단면은 그 크기가 감소된다(보렐리에 의한 미국 특허출원 제09/300,121호 참조). HPFSⓡ허니컴 구조물에 있어서, 재인발이 용이한 온도는 1800℃ 이상의 범위이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 연장(elongation)은 상기 제품의 하나의 종부에서 수행되므로써 좁아진 채널 단면을 갖는 압착된(constricted) 단부가 제조된다. 이러한 형태의 제품은 동일하거나 또는 다수의 용액을 매우 작은 수용면적에 제공하는데 사용될 수 있다. 용액은 연속적으로 또는 중간 중간에 특정 적용에 요구되는 바에 따라 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 유리 허니컴 제품은 이의 세로 축을 따라 선형이거나 또는 곡선일 수 있다. 바람직한 일례에 있어서, 상기 세로 축은 U-자 형상의 제품으로 곡선화된다. 상기 U-자 형 제품의 단부는 상기 제품이 또한 재인발되는 바에 따라 동일하거나 또는 상이한 횡-단면적을 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 상기 유리 허니컴 제품은 뒤틀림력(torsional forces)이 적용되는 동안 재인발될 수 있다. 이는 세로 축 주변의 채널을 뒤틀며, 나선형의 허니컴 제품을 제공한다(리프 등에 의한 미국 특허 제5,633,066호).
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 상기 유리 허니컴 제품은 광학적으로 재인발된 후에 이의 세로 축을 따라 분할될 수 있다. 바람직한 일실시예에 있어서,절단 후, 세로 축을 따른 거리는 상기 허니컴의 횡-단면 직경보다 훨씬 크다. 이러한 방법에 있어서, 관은 다수의 채널을 갖도록 제조된다. 제2의 바람직한 실시예에 있어서, 절단 후 상기 세로 축을 따른 거리는 상기 허니컴의 횡-단면 직경과 같거나 더욱 짧으며, 따라서 허니컴된 플레이트 또는 스크린 제품이 제조된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 상기 허니컴 제품의 하나 또는 두가지 종부는 캡드(capped)되거나 또는 캐핑 물질(50)로 봉합될 수 있다. 상기 물질은 유리, 금속, 유기 고분자 또는 수지를 포함하는 공지된 고체 물질로 이루어질 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 물질들은 착색되거나 또는 무채화되며; 불투명, 반투명 또는 투명; 이들은 모든 두께를 갖는다. 또 다른 바람직한 실시예에 있어서, 상기 캐핑 물질의 두께 또는 굴절률은 균일하지 않으며, 집중되거나 발산되는 투과선을 위한 렌즈로서의 기능으로 고안된다. 또한 상기 캐핑 물질은 액체 또는 가스와 같은 다른 물질을 투과할 수 있다.
전술한 모든 실시예에 있어서, 채널은 물질로 채워지거나 또는 부분적으로 채워지거나 또는 코팅될 수 있다. 상기 물질은 고체, 액체, 가스 또는 이들의 혼합물이다. 특히, 모든 채널 이하로 채워질 것이다.
속빈 채널(30)의 상기 구조물 및 횡-단면의 형상은 상기 압출 공정시 사용된 다이에 의존한다. 본 발명에 따르면, 채널 구조물이 닫힌 벽(40)에 의해 정의된 횡-단면 형상을 갖는다. 상기 형상은 같거나 또는 다른 변을 갖는 예각 또는 둔각을 갖는 원, 타원형, 정다각형 및 다각형을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 형상은 대칭점 또는 면을 갖거나 또는 갖지 않는다. 바람직한 형상은 사각형, 삼각형, 육각형 및 원을 포함한다. 상기 속빈 채널은 상기 제품내에서 반복적인 패턴으로 존재하거나 또는 상기 횡-단면 표면을 따라 불규칙하게 위치된다. 하나 이상의 형상이 상기 허니컴의 횡-단면적 내에 형성될 수 있음은 본 발명의 범위에 포함된다. 또한, 상기 채널의 횡-단면적 크기는 상기 허니컴 횡-단면을 통해서 균일할 필요는 없다.
바람직한 일실시예에 있어서, 상기 채널의 크기는 상기 거리가 횡-단면 허니컴의 중앙으로부터 증가될 때 감소된다.
상기 채널과 분리된 벽의 두께 t는 하나의 채널에서 또 다른 채널까지 일정하거나 또는 하나의 채널에서 다른 채널 사이의 두께가 다양할 수 있다. 상기 허니컴 제품의 적용에 따라서, 두가지 디자인 중 하나가 바람직하다.
재인발전의 상기 압출되고 소결되지 않은 유리 허니컴 제품의 통상적인 특성은 예를 들어 다음과 같다:
상업적 셀 밀도(CD) 범위: 평방 인치당 16-900셀;
상업적 열린 전면적(OFA) 범위: 0.55-0.87;
상업적 기판 직경(D) 범위: 0.25-12인치;
다음 식으로부터 계산될 수 있는 상업적 채널 벽 두께(WT): OFA=((CD-0.5-t)/CD-0.5-t)/CD-0.5)2=(1-t(CD)0.5)2.
상기 범위들은 소성후 소결 축소에 기인하여 변화된다. 축소는 고체 로딩 및 소결의 정도에 기인하지만, 13-20% 사이의 등온 선형 축소 값이 통상적이다.
전술한 유리 고체 성질 및 상기 페이스트-압축 공정의 유연성의 독특한 결합에 기인하여 결과적인 용융 실리카 허니컴은 하기에 요약된 여러가지 적용에 사용될 수 있다.
생체-반응기: 실리카 표면은 생체-반응기로 공지되어 있다. 상기 허니컴 구조물의 셀은 배양에 사용될 수 있다. 또한, 특정 미생물의 생체대사는 특정 파장(거의 UV 영역에서)에서 낮은 세기의 빛 조사에 의해 상당히 향상될 수 있다. 양분 상류(up-steram)를 공급하므로써, 동시에 상기 셀 벽에서 성장한 미생물을 조사하는 동안(HPFS의 높은 UV 투과도의 이점을 가지므로써), 상기 투명한 실리카 허니컴 구조물은 유용한 생체-물질을 발생시키기 위한 생체-반응기로서 사용될 수 있다.
모세 흐름 조절기: 모세관은 이를 통과하는 유체의 흐름을 제한할 수 있다. 이들은 다수의 오리피스에 대하여 일정한 속도에서 상기 흐름을 조절할 수 있다. 그린 실리카 허니컴 구조물을 냉각 축소시킨 후(왁스 리필 및 축소 압출을 포함한 공정: 미국 특허출원 제09/211,379호, attorney docket number St. Julien 15) 소결하거나 또는 뜨거운 인발에 의한 뜨거운 축소 중 하나를 통해서 모세 채널을 갖는 극고 셀 밀도가 달성된다. 상기 허니컴 모세 흐름 조절기의 효율은 상기 모세 채널의 극고 충전 밀도에 기인하여 최대화된다. 고순도 실리카의 탁월한 화학 및 열적 안정성은 이러한 적용에 있어서 이점을 갖는다.
고효율 여과 시스템: 부분적으로 소결된 실리카 입자 압밀은 3-D 상호결합 구멍 구조물을 갖는다. 상기 수트 입자의 작은 크기 및 좁은 크기 분포에 기인하여, 결과적인 미세구조물은 높은 나노미터 범위의 중간 및 좁은 범위와 좁은 크기분포에서의 통로를 갖는 3-D 다공성 네트워크로 이루어질 것이다. 이는 울트라여과 적용에 이상적이다. 주요 메커니즘이 되는 점성적인 소결을 하여, 상기 다공성 통로의 크기는 다공성을 소실하지 않고 1050-1400℃ 사이의 열 처리에 의해 잘 조절될 수 있다. 결과적으로, 조절된 다공성 통로를 갖는 상기 부분적으로 소결된 실리카 허니컴 구조물은 상기 허니컴 셀을 통해 선택적인 채널링에 의한 여과에 이용될 수 있다. 높은 작동 효율은 높은 셀밀도, 얇은 셀 벽, 얇은(sharp) 통로 차단, 및 높은 다공성의 독특한 결합으로부터 달성된다. 고순도 실리카의 화학 및 열적 안정성은 이러한 적용에 있어서 이점을 갖는다.
막 반응기: 여과 시스템과 유사하지만 한가지 다른 점은 상기 막 반응기는 활성 시스템이라는 점이다. 상기 3-D 다공성 네트워크 내로 촉매를 로딩하고, 상기 허니컴 셀을 통해 다른 반응 유체를 채널링하므로써, 상기 화학 반응의 역학은 향상되고 평형이 변형될 수 있다. 결과적으로, 크기의 차수는 반응속도에서 증가하며, 생성물이 얻어질 수 있다.
인-시튜 수처리: 상기 적용은 또한 HPFS의 높은 UV 투과 성질을 이용한다. 유해 박테리아 및 바이러스는 상기 허니컴 구조물의 바깥으로부터 높은 세기의 UV를 조사하는 동안 상기 허니컴 구조물을 통해 오염된 물을 흘려주므로써 제거될 수 있다.
마이크로렌즈 배열: 높은 굴절률의 용융 유리를 갖는 HPFS 허니컴 셀을 침투시킨 후, 즉시 고굴절률 유리 및 HPFS(확산 메커니즘에 의해) 사이의 반응이 안전하게 조절될 수 있는 온도 범위로 낮춘다. 적합한 노출 시간을 갖는 바람직한 온도에서, 컬럼에 팽행한 주기적 배열로 구성된 독특한 유리 몸체를 제조하는 것이 가능하다. 개개의 컬럼내에서 굴절률(RI) 프로파일은 방사적으로 주기성을 갖는다. 그 다음 상기 유리 몸체는 이들의 특정 인덱스 컬럼 및 이들 사이의 공간 크기를 감소시키기 위해 재인발될 수 있다. 재인발 후, 상기 유리는 마이크로렌즈 배열로 구성된 얇은 디스크로 분할될 수 있다. 배열에서 선택된 렌즈는 패턴을 발생시키도록 마스크될 수 있다.
포토닉 밴드 갭 구조물: 1단계 또는 2단계 축소공정을 통해서 마이크론 크기 범위에서 주기성을 갖는 HPFS 구조물을 제조할 수 있다. 상기 1단계 접근은 뜨거운 재인발에 의해 간단히 셀 밀도를 증가시킨다. 제2단계 접근은 그린 실리카 허니컴 구조물(왁스 리필 및 축소 압출을 포함한 공정; 소결 후, 미국 특허출원 제09/211,379호 참조)의 냉각 축소로 시작되어 소결한 후, 뜨거운 재인발에 의해 뜨겁게 축소된다. 상이한 RI를 갖는 상기 2가지 매체의 규칙적인 배열은 상기 주기성이 마이크론 스케일로 접근함에 따라서 포토닉 밴드 갭이 발생된다; attorney docket 볼레리 77호로 1998. 7. 30.자로 출원된 미국 특허출원 제09/360,672호 참조. 패턴을 이루는 결함은 우수한 광학적 효과를 만들기 위해 상기 원래 허니컴 셀 구조물을 변형시키므로써 생성될 수 있다.
고온 유전체 물질: 폴리우레탄 포말(foam), 폴리스티렌 포말, 및 포말된 유리를 포함하는 많은 물질은 특정 안테나 및 런드버그(Lundberg) 렌즈와 같은 적용에 있어서 유전체로 사용되어 왔다. 고에너지 밀도 및 고온 적용에 있어서, 유기 고분자 물질은 더이상 바람직하게 수행할 수 없다. 다른 적용은 상기 물질내에서다른 유전상수 프로파일을 요구한다. 예를 들어, 상기 런드버그 렌즈는 동심 대칭인 코어에서 가장 높은 유전체 상수를 갖고 바깥 방향으로 갈수록 유전 상수가 감소되는 프로파일이 요구된다. 상기 유전상수는 특히 고융점 유리에 있어서 상기 물질의 속빈 구조물이 상기 포말된 구조물에서 정확성을 갖도록 하므로써 조절될 수 있다. 상기 유전 상수의 변경은 두가지 디자인 중 하나에 의해 용이하게 달성될 수 있다. 제1디자인은 거리가 안테나의 중앙으로부터 증가되므로써 상기 속빈 채널의 가장 큰 횡-단면적을 제공한다. 제2디자인은 모두 동일한 횡-단면을 갖는 채널을 제공한다. 단위 면적당 이러한 채널의 수는 거리가 상기 렌즈로부터 증가됨에 따라 증가한다.
허니컴 유리 제품을 제조하기 위한 상기 압출 공정은 상기 조성물 프로파일이 유전 프로파일에 걸쳐 부가적인 조절을 얻기 위해 프로파일이 압출 다이로 공급되는 공정을 통해서 조작될 수 있는 이점을 갖고 이러한 안테나 및 렌즈를 경제적으로 제조하기에 적합하다. 프로파일 조작은 포말 구조물에 실행되지 않다.
경량 구조물 지지체: 상기 나선형 디자인은 셀형 축을 따라 위치하는 큰 힘을 지탱하도록 충분히 견고하고 강한 물질을 제공하므로 전술한 허니컴 유리 디바이스는 또한 구조적 지지체로서 사용될 수 있다. 상기 허니컴 유리가 물리적으로 버틸 수 있고 강하지만, 이는 또한 매우 경량이다. 이는 무거운 물질, 특히 유리로서의 제품용을 위한 구조적 지지체로서 사용되기에 이상적이다. 거울용 종래 디자인은 필수적으로 크게 연마된 표면으로 가공된 유리 맴버를 이용하였다. 필수적으로 고체 벌크 유리인 상기 거울은 통상적으로 매우 무겁다. 지지체를 제조하기 위한 또 다른 종래의 접근은 유리 조각을 함께 용융시켜 경량의 코어를 만드는 것이었다. 상기 두가지 방법 모두는 값비싸고 많은 시간이 소요된다.
만약 상기 제품들이 외계 용도라면, 상기 제품의 벌크 중량은 그 디자인의 제한 요소가 되었다. 본 발명은 허니컴 유리로 제조된 매우 경량의 지지체를 가능하게 한다. 하나의 단부가 첨부되거나 또는 캡드된 지지체는 거울 요소(50)이다. 상기 디자인의 또 다른 특징은 상기 지지체의 팽창 계수가 상기 거울 요소의 것과 같게 디자인 될 수 있어 열적 변화는 상기 거울 요소의 뒤틀림 또는 물리적 분열을 일으키지 않는다. 이러한 이유에서, 종래에 허니컴 디자인으로 제조될 수 있었던 세라믹 물질은 그들의 팽창 계수가 상기 유리 거울 요소의 것과 매우 상이하므로 유용하지 않다. 그러나, 세라믹에 대한 종래의 압출 기술은 전술한 경량의 지지체, 상기 유리를 제조하기 위해 변형될 수 있다.
상기 거울 블랭크와 그 코어 사이의 열팽창 계수(CTE)의 불일치는 결합 작업시 상기 부품 사이의 영구 응력을 초래한다. 상기 부품들의 분열 또는 장기간의 크리프(creep)를 감소시키거나 제거하기 위하여 상기 응력을 최소화시키는 것이 바람직하다. 상기 CTE를 일치시키는 제2의 바람직한 이유는 온도 변화가 일어날 때 상기 부품들의 뒤틀림을 최소화시키기 위한 것이다. 최대 온도 변화는 10℃ 정도의 이동을 포함한다. 뒤틀림은 하나의 부품이 제2의 부품보다 더욱 많이 또는 적게 비례적으로 팽창하기 때문에 발생된다. 상기 뒤틀림은 바람직하지 않으며, 상기 부품들간의 CTE 변동을 최소화시키므로써 최소화될 수 있다. 60ppb/℃ 및 바람직하게 15ppb/℃ 미만의 불일치가 나타난다.
상기 허니컴 제품 및 유리 맴버 사이의 열팽창 계수를 일치시키기 위하여, 매우 낮은 CTE를 갖는 허니컴 제품용 유리를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 유리는 공지되어 있으며, 상품명 ULETM으로 코닝사에서 시판되고 있다. 상기 실리케이트 유리는 약 6 내지 8중량%의 TiO2, 바람직하게 약 7중량%의 TiO2함량을 함유한다. 상기 값을 벗어난 함량은 또한 다른 바람직한 값에 CTE를 테일러 하도록 제작될 수 있다.
경량의 허니컴 구조물을 제조하기 위하여 본 발명은 상기 허니컴 구조물의 유리의 양을 제한하도록 디자인한다. 이는 채널 벽의 두께를 최소화하고 상기 허니컴 구조물 내의 채널 오프닝을 최대화하므로써 달성된다. 이의 달성 정도는 상기 오프닝 면적(OA) 대비 상기 허니컴의 총단면적(TCA)의 비와 연관된 수학식에 의해 정의된다. 따라서, 상기 열린 전면적(OFA)은 OA/TCA와 같다. 본 발명에 있어서, OFA는 최대 0.995이다. 궁극적인 사용에 따라, 0.5 내지 0.995의 값이 바람직하다. 경량 지지체 구조물에 대하여 0.9 내지 0.995가 바람직하다. 0.9 이상의 값을 달성하기 위하여, 부가적인 공정단계가 요구된다. 예를 들어, 소결 후, 가공(예를 들어, 코어 드릴링, 물 제트 밀링 또는 분쇄 또는 연마에 의해 벽을 얇게 만드는 것) 또는 화학적인 에칭중 하나에 의해 상기 채널의 선택된 벽을 제거하는 것이 OFA 값을 증가시키기 위해 유용한 기술이다. 다른 선택적인 가공은 또한 당업자에게 공지되어 있다. 또한 상기 FOA 값을 증가시키기 위해 상기 채널 벽을 화학적으로 에칭시키는 것도 가능하다. OFA를 증가시키기 위한 또 다른 기술로서 압출 삼투 건조기술에 대하여 코닝 인코오포레이티드가 양도한 페이버 등에 의한 미국 특허 제5,458,834호에 개시되어 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는 거울과 같은 물체의 구조적 지지체를 위한 다수의 허니컴 제품을 이용하는 것이다. 다수의 허니컴 유니트가 디멘전이 약 10인치의 직경을 초과하기 시작할 때 먼저 이용된다. 상기 다수의 유니트는 개별적으로 위치되어 지지체의 개개의 받침으로서 작용한다. 선택적으로, 상기 개개의 허니컴 유니트는 함께 결합되어 큰 단일 구조적 지지체를 형성할 수 있다.
상기 허니컴 구조물에 거울면 또는 받침판을 결합시키기 위한 여러가지 방법이 존재하며(해기(Hagy) 등에 의한 미국 특허 제4,315,991호) 하기를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다:
(1) 950℃ 내지 1600℃의 온도에서 유리와 유리가 결합된다. 이는 상기 허니컴 구조물의 외형과 상기 유리 플레이트의 외형을 일치시키는 것을 포함한다. 둘째, 상기 두가지 구조물은 용융이 상기 두가지 반대면 사이에 일어나도록 함께 가열된다.
(2) 상기 유리 표면의 외형에 일치시키기 위하여 상기 허니컴 구조물을 일치시킨다. 그러나, 제2실시예에 있어서, 제2물질은 가열시 녹아서 상기 허니컴 구조와 플레이트 사이의 결합을 형성할 두가지 표면 사이에 위치한다. 이러한 공정에서의 통상적인 온도는 약 1100℃이다.
특히 상기 허니컴 제품의 양쪽 단부가 캡트된 곳에서, 상기 허니컴 지지체의 셀 벽은 상기 구조물에 상기 채널과 주위 분위기 사이의 큰 압력변화 차가 나타나지 않도록 가스채널이 필요하다. 상기 채널내로 가스를 도입하기 위한 몇가지 수단이 본 발명에 개시되어 있다. 실시예는 (ⅰ) 완전한 밀도로 소성되지 않으므로써 채널 사이에 열린 연결 다공성을 갖는 구조물, (ⅱ) 압출 후, 그러나 소성 전 또는 소성 후 등과 같은 공정 단계의 모든 수에서 상기 채널에 위치된 홀, 및 (ⅲ) 압출 가능한 혼합에 부가적인 채널 제습기(former)를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 통상적인 채널 제습기는 녹말 또는 카본 블랙이다. 이러한 물질은 압축 공정시 불활성 물질로서 작용하지만, 연소 또는 산화에 의해서 후에 제거되지 않는다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 압출된 허니컴 제품은 중량이 더욱 감소되는 반면, 구조적 지지체로서의 능력은 여전히 유지된다. 상기 실시예에 있어서, 하나의 반대 단부에서 다른 단부까지의 일정한 초기 원주를 갖는 원 허니컴 제품은 상기 두가지 반대 단부 사이의 특정 포인트에서 원주(circumference)를 감소시키도록 조립된다. 상기 방법에 있어서, 반대 단부의 횡-단면적은 상기 허니컴 지지체의 세로 축 중간점에서의 횡-단면적 보다 클 것이다. 실린더형의 지지체에 있어서, 이는 통상적으로 반대면 보다 작은 원면적을 갖는 중간-축의 횡-단면을 갖는 실린더를 생성한다; 반면 4각형 횡-단면을 갖는 허니컴 컬럼에 있어서, 직사각형(만약 두가지 반대면이 수평으로 유지된다면) 또는 사각형(만약 모든 면이 수평으로 유지된다면)의 형상에서 중간-세로의 횡-단면을 생성한다. 두가지 경우에 있어서, 세로 축의 중간 포인트에서 횡-단면적은 반대면의 횡-단면적 보다 작을 것이다.
상기 형태의 제품은 먼저 균일한 횡-단면적을 갖는 제품을 형성하기 위해 압출되므로써 제조된다. 중앙부로부터 물질의 연속적인 제거는 원래 물질을 상부 및하부에 둔 상태에서 기계적 또는 박리(ablative)법에 의해 달성된다. 이와 같이 형성된 제품은 이의 반대면 중 적어도 하나의 면에서 로드를 부하할 수 있는 능력을 보유해야 한다. 상기 구조물의 디자인은 특수한 적용에 따라 변화되지만, 원형 및 직사각형 형상의 반대 면이 바람직하다. 그 다음, 상기 제품의 상부 면은 다른 면이 상기 체중부하로드에 부착되도록 기반으로서 사용되고 프레임 또는 이와 유사 물질을 지탱하는데 사용되는 반면, 체중부하로드에 결합된다.
특정 작업의 요건 및 환경에 적합하도록 변형되는 다른 변형 및 변화는 당업자에게 분명할 것이므로, 본 발명은 설명의 목적으로 선택된 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명은 본 발명의 보호 범위를 벗어나지 않는 모든 변형 및 변화를 포함한다.
따라서 본 발명을 기술함에 있어서, 보호받고자 하는 범위는 하기 첨부된 청구항에 개시된다.

Claims (20)

  1. 최대 9%의 티타늄 디옥사이드를 포함하고, 제1 및 제2단부, 바깥 세로 표면, 및 세로 축을 따라 제1단면에서 제2단면까지 상기 세로 표면 내를 횡단하고, 세로 셀 벽에 의해 서로 분리되어 있는 채널을 포함하며, 고순도 용융 실리카 수트를 이용한 압출공정에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 실리케이트 유리 허니컴 제품.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제품은 포스포러스 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 보론 옥사이드, 게르마늄 옥사이드, 리튬 옥사이드, 소디움 옥사이드, 마그네슘 옥사이드, 포타슘 옥사이드, 칼슘 옥사이드 및 이들의 결합으로 이루어진 군으로부터 선택된 화합물을 최대 50%까지 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 허니컴 제품.
  3. 제1항에 있어서, 상기 채널은 상기 벽에 의해 정의된 횡-단면 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 허니컴 제품.
  4. 제3항에 있어서, 상기 형상은 예각 또는 둔각을 갖는 원형, 타원형, 정다각형, 다각형 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 유리 허니컴 제품.
  5. 제1항에 있어서, 상기 채널은 0.8㎜ 이상의 횡-단면 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 실리카 유리를 포함하는 유리 허니컴 제품.
  6. 제1항에 있어서, 상기 벽의 두께는 40마이크론 이상인 것을 특징으로 하는 실리카 유리를 포함하는 유리 허니컴 제품.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1단부 및 제2단부는 70% 내지 99.5%의 열린 전면적을 갖는 것을 특징으로 하는 실리카 유리를 포함하는 유리 허니컴 제품.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1단부 횡-단면적 및 제2단부 횡-단면적은 상이한 것을 특징으로 하는 유리 허니컴 제품.
  9. 제1항에 있어서, 상기 유리 허니컴 제품은 U-자 형상인 것을 특징으로 하는 유리 허니컴 제품.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제품의 횡-단면 직경은 상기 세로 축의 길이 이하인 것을 특징으로 하는 유리 허니컴 제품.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제품의 횡-단면 직경은 상기 세로 축의 길이보다 큰 것을 특징으로 하는 유리 허니컴 제품.
  12. 제1항에 있어서, 상기 유리는 가시광에 대하여 투명한 것을 특징으로 하는 유리 허니컴 제품.
  13. 제1항에 있어서, 적어도 상기 제1단부는 캡드(capped)된 것을 특징으로 하는 유리 허니컴 제품.
  14. 제14항에 있어서, 상기 제1단부는 거울형(mirrored) 유리 부재로 캡드되어 있으며, 상기 허니컴 채널은 상기 거울형 유리 부재의 뒷면에 접해 있는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 유리 허니컴 제품.
  15. 제15항에 있어서, 상기 허니컴 제품 및 상기 거울형 유리 부재는 온도 변화에 기인한 상기 유리 부재의 뒤틀림 또는 물리적 균열을 막도록 충분히 유사한 열팽창계수를 갖는 것을 특징으로 하는 유리 허니컴 제품.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제품은 상기 주위 환경과 압력을 같게 하기 위하여 상기 세로 셀 벽에 오프닝을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 허니컴 제품.
  17. 제1항에 있어서, 상기 바깥 세로 표면은 벨마우스를 포함하며, 상기 세로 축을 따른 모든 횡-단면 슬라이스의 면적은 상기 제1 및 제2단부에서 최대인 것을 특징으로 하는 유리 허니컴 제품.
  18. 제1항에 있어서, 상기 세로 축을 따른 횡-단면과 상기 제1 및 제2단면은 다각형 형상이고, 상기 제1 및 제2단면의 다각형 디멘전은 상기 세로 축을 따라 취한 모든 횡-단면이 디멘전보다 큰 것을 특징으로 하는 유리 허니컴 제품.
  19. 상기 거울형 유리 부재는 개별로 다수의 상기 허니컴 제품으로 따로따로 캡드된 것을 특징으로 하는 제15항에 따른 다수의 허니컴 제품의 이용법.
  20. 상기 거울형 유리 부재는 허니컴 제품의 집합체로 캡드된 것을 특징으로 하는 제15항에 따른 허니컴 제품의 이용법.
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