KR20050011165A - 고강도 고성능 세라믹 단일체 필터의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 매연과 같은 나노입자 제거용 필터 등에 사용되는 고강도 고성능 세라믹 단일체 필터(Ceramic Monolithic Filter)의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 제조방법은 세라믹 단일체 필터를 가열한 후, 상기 세라믹 단일체 필터의 결정립(21) 표면에 면형(Facet, 23) 또는 반구형상(Hemispherical, 24)의 탄화규소 결정립을 생성한다.

상기 방법에 따르면, 단지 희석기체와 운반기체의 유량 제어를 통한 간단한 방식에 의해 세라믹 단일체 필터 결정립 표면에 면형 또는 반구형상의 탄화규소 결정립을 성장시켜 세라믹 단일체 필터 채널의 표면 형상을 변화시킴으로써, 비표면적을 증가시켜 필터의 효율을 증진시킨다.

Description

고강도 고성능 세라믹 단일체 필터의 제조방법{Method for Manufacturing Ceramic Monolithic Filter with High Strength and High Performance}

본 발명은 자동차 매연과 같은 나노입자 제거용 필터 등에 사용되는 세라믹 단일체 필터(Ceramic Monolithic Filter)의 제조방법에 관한 것으로, 더 자세하게는 세라믹 단일체 필터의 내부 채널 표면에 면형(Facet) 또는 반구형상의 탄화규소 결정을 성장시킴으로써 비표면적은 물론 강도가 향상되는 세라믹 단일체 필터의 제조방법에 관한 것이다.

자동차 매연 등 분진 제거를 위한 세라믹 단일체 필터는 연소기체의 흐름이 세라믹 단일체 필터의 셀(Cell) 벽을 통해 흐르며, 기체 내에 존재하는 분진이 필터 벽에 쌓여 배기가스 내의 입자상 물질을 걸러내게 된다. 하지만, 기존의 세라믹 필터로는 100nm 이하의 물질을 완전히 제거하기가 어렵다.

이에 본 출원인은, 세라믹과 같은 다공성 모재(Preform, 1)를 가열한 후, 상기 다공성 모재에 열분해된 탄소중간층(2')을 형성한 후, 휘스커 형상의 β-탄화규소층(3)을 침착하여 비표면적이 큰 다공성 재료를 제조하는 방법을 제안(특허출원 제2003-17100; 2003.3.19 출원)한 바 있다. 이 방법에 의해 제조된 필터는 비표면적이 커서 기존의 세라믹 필터로는 제거할 수 없는 100nm 이하의 물질을 제거할 수있다는 장점이 있지만, 탄화규소 휘스커를 성장시키는데 있어 탄소중간층의 형성을 필요로 한다.

따라서, 본 발명은 기존의 세라믹 단일체 필터 구조와는 달리, 탄소중간층을 형성하지 않고 보다 간단한 방식으로 세라믹 단일체 필터 내부 표면에 면형 또는 반구형상의 탄화규소 결정립을 생성시킴으로써, 세라믹 필터의 내부 표면 형상을 변화시켜 비표면적이 향상되고 강도를 증진시킨 세라믹 단일체 필터의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은, 일반적인 세라믹 단일체 필터의 구조에 대한 모식도이다.

도 2는, 본 발명에 부합되는 화학기상침착장치에 대한 개략 구성도이다.

도 3은, 본 발명에 따라 개질된 세라믹 단일체 필터의 구조에 대한 모식도이다.

도 4는, 본 발명에 따라 제조된 세라믹 단일체 필터에 대한 결정조직사진이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 ..... 다공성 모재(Preform)

2 .... 코팅층

3, 23, 24 .... 탄화규소층

10 .... 화학기상침착장치

11 .... 유량제어기

12 .... 반응관

13 .... 증발기

14 .... 진공펌프

15 .... 가스공급원

18 .... 항온조

21 .... 세라믹 단일체 필터 결정립

상기 목적 달성을 위한 본 발명은, 세라믹 단일체 필터의 제조방법에 있어서, 세라믹 단일체 필터를 준비하고 이를 가열하는 단계; 및 상기 세라믹 단일체 필터에 희석기체와 운반기체를 흘려보내어 상기 세라믹 단일체 필터의 결정립 표면에 탄화규소를 침착하여 β-탄화규소층을 형성하는 단계를 포함하는, 고강도 고성능 세라믹 단일체 필터의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 세라믹 단일체 필터의 제조는, 도 2와 같은 저압화학기상침투장치를 이용한다. 이러한 장치(10)는 기 출원된 특허출원 제2003-17100호에서도 개시되어 있다.

상기한 장치를 이용하여 본 발명의 세라믹 단일체 필터를 제조하기 위해서는, 먼저 받침대(Susceptor)에 세라믹 단일체 필터를 올려 놓고 이를 반응관(12)내에 장입하고, 발열체(12b)에 의해 세라믹 단일체 필터를 일정한 온도로 가열한다. 이때, 상기 반응관(12)은 진공펌프(14)에 의해 10torr 이하, 바람직하게는 3~ 10torr의 진공으로 유지하면서 가스공급원(15c)으로부터 희석기체를 도입하여 그 유량을 유량제어기(11b)를 통해 제어한다. 또한, 상기 반응관(12) 내의 온도는 1000~ 1300℃의 온도로 유지하도록 가열하는 것이 바람직하다. 그리고, 희석기체로는 수소가 바람직하다.

또한, 세라믹 단일체 필터로는 탄화규소, 코디어라이트(Cordierite) 등이 바람직하다.

그 다음, 상기 반응관(12)의 온도가 일정 온도에 이르면, 희석기체를 흘리면서 증발기(13)에 의해 반응물(13a)을 승화 또는 기화시켜 상기 반응관(12)으로 흘려보낸다. 본 발명에서 반응물로는 Si와 C가 함유된 물질이면 바람직한데, 이러한 물질로는, 예컨대 메틸트리클로로실렌(Methyltrichlorosilane, MTS, CH₃SiCl₃)을 들 수 있다. 반응물은 항온조(18)를 통해 항온 유지하도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 반응물을 운반기체는 희석기체와 동일할 수 있으며, 그 유량은 유량제어기(11c)에 의해 조절 가능하다. 이러한 상태에서 상기 희석기체와 반응물을 운반하는 운반기체의 유량을 일정 범위로 조절하면 상기 세라믹 단일체 필터 위에 β-탄화규소층이 침착된다.

이때, 본 발명의 화학기상침착에서 증착조건에 따라 다양한 형태의 탄화규소 층을 증착시킬 수 있으며, 이러한 다양한 형태의 탄화규소층은 모재가 되는 다공체 기공의 크기와 모양에 따라 적절한 형태로 선택될 수 있다. 본 발명에서는 탄화규소층의 형상을 휘스커 형상으로 하지 않고, 면형 또는 반구형상을 갖도록 한다. 상기 면형 또는 반구형상의 탄화규소층을 갖는 세라믹 단일체 필터는, 휘스커 형상의 탄화규소층을 갖는 세라믹 필터에 비하여 기하학적으로 탄화규소층과 세라믹 모재와의 계면접착력이 훨씬 좋아지며, 이러한 접착력의 향상을 통해 세라믹 다공체의 비표면적을 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 이를 위해, 상기 희석기체와 운반기체의 유량비(α)를 50이하의 범위에서 조절하는 것이다. 더욱 바람직하게는, 완벽하게 상기 탄화규소층의 형상을 면형 또는 반구형상을 갖도록 하기 위해서 상기 유량비(α)를 10미만, 가장 바람직하게는 1 이상에서 10미만의 범위에서 조절하는 것이다.

이러한 증착을 마친 후에는 희석기체 분위기 하에서 생성물을 상온까지 서냉시킨 다음 냉각이 종료되면 가스공급원(15a)로부터 질소기체 등을 퍼징(Purging)하여도 좋다. 또한, 증착이 종료된 후에 반응관(12)으로부터 발생되는 부산물을 회수조(19)에서 회수할 수 있다. 또한, 본 발명에서 증착압력은 진공펌프(14) 바로 앞쪽에 위치한 벨로우즈 밸브(Bellows Valve, 14a)를 사용하여 제어할 수 있다.

도 3은 이와같이 제조되는 세라믹 단일체 필터의 모식도를 보이는 구조도이다. 본 발명의 세라믹 단일체 필터는 도 3에 도시된 바와 같이, 세라믹 단일체 필터의 결정립(21)에 다양한 형태의 탄화규소층(23, 24)들이 성장된 구조를 보이고 있다. 도 3a와 도 3b는 모두 면형 탄화규소층(23)이 형성된 경우이고, 도 3c는 반구형상의 탄화규소층(24)이 형성된 경우이다.

따라서, 본 발명에 따르면, 탄소중간층을 형성하지 않고, 면형 또는 반구형상의 탄화규소 결정성장을 통해 세라믹 단일체 필터의 비표면적을 현저히 증가시킬 수 있다. 또한, 세라믹 단일체 필터를 구성하는 입자간의 병목현상(Necking)과 탄화규소 결정립에 의한 가교 및 지지 효과에 의해 탄화규소 결정성장공정 이전보다 세라믹 단일체 필터의 강도를 현저히 증가시킨다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

도 2와 같은 구조의 hot wall형 수평반응관을 구비한 저압화학기상침착장치를 이용하여 세라믹 단일체 필터를 제조하였다.

본 실시예에서 침착에 필요한 반응물로는 Si와 C의 함량비가 1:1인 MTS를 사용하였으며, 운반기체와 희석기체로는 99.9%의 수소를 사용하였고, 희석과 퍼징용으로 고순도의 질소를 사용하였다.

먼저, 상기 반응관 내에 세라믹 단일체 필터를 장입한 다음, 3torr 이하의 반응관 내의 온도를 약 1200℃로 승온한 후, 상기 세라믹 단일체 필터에 운반기체를 통해 반응물을 흘리는 동안 희석기체와 운반기체의 유량비(α)를 3 정도로 변화시키며, 공정시간을 10분에서 2시간 동안, β-탄화규소 결정을 성장시켰다.

도 4는, 상기와 같은 방법으로 제조된 세라믹 단일체 필터의 미세구조를 관찰한 사진으로, 도 4a는 반구형상의 탄화규소층이 성장된 경우이고, 도 4b는 면형 탄화규소층이 성장된 경우이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 탄화규소층이 성장된 각각의 미세 내부기공구조는 도 3의 모식도와 매우 유사함을 알 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 종래의 세라믹 단일체 필터와 달리, 탄소중간층을 형성하지 않고도 단지 희석기체와 운반기체의 유량 제어 및 온도 제어를 통한 간단한 방식에 의해 세라믹 단일체 필터의 내부 기공에 다양한 탄화규소 결정을 성장시켜 기공형상을 변화시킴으로써, 비표면적이 향상되는 것은 물론 강도가 증진된 세라믹 단일체 필터가 얻어지며, 이러한 세라믹 단일체 필터는 자동차 매연 등과 같은 나노입자 제거용 필터 등에 매우 유용하다.

Claims (5)

1. 세라믹 단일체 필터의 제조방법에 있어서,

   세라믹 단일체 필터를 준비하고 이를 가열하는 단계; 및

   상기 세라믹 단일체 필터에 희석기체와 운반기체를 흘려보내어 상기 세라믹 단일체 필터의 결정립(21) 표면에 탄화규소를 침착하여 β-탄화규소층(23, 24)을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 고성능 세라믹 단일체 필터의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 β-탄화규소층은 면형(Facet, 23) 또는 반구형상(24)인 것을 특징으로 하는 세라믹 단일체 필터의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 탄화규소의 침착은, 반응물로서 메틸트리클로로실렌(CH₃SiCl₃)을 사용하는 것을 특징으로 하는 세라믹 단일체 필터의 제조방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 세라믹 단일체 필터는, 10torr 이하의 진공하에서 1000~ 1300℃의 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 세라믹 단일체 필터의 제조방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 희석기체와 운반기체의 유량비(α)는 10미만의 범위에서 조절하는 것을 특징으로 하는 세라믹 단일체 필터의 제조방법.