KR20070038021A - 세라믹 담체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 세라믹 담체에 관한 것으로서, 셀 개개의 형상을 다각형으로 형성하되, 각 셀의 격벽 모서리 부분을 둥글게 형성하여 유체 관통면적을 최대화하되, 촉매가 낭비되지 않게 하는 세라믹 담체를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 격벽과, 상기 격벽에 의해 형성되며, 각 모서리가 둥근 다각형 단면을 갖는 다수의 셀을 포함하는 세라믹 담체를 제공한다.
월 플로우 필터(wall flow filter), 촉매 코팅층, 세라믹 담체, 촉매 컨버터

Description

세라믹 담체 {CERAMIC CATALYST SUPPORT}
도 1은 종래 기술에 따른 세라믹 담체에서 셀 격벽의 단면이 사각형인 경우를 나타내는 단면도.
도 2는 도 1의 셀 격벽구조에 촉매제가 도포되어 촉매 코팅층이 형성된 것을 나타내는 단면도.
도 3은 종래 기술에 따른 세라믹 담체에서 셀 격벽의 단면이 육각형인 경우를 나타내는 단면도.
도 4는 도 3의 셀 격벽구조에 촉매제가 도포되어 촉매 코팅층이 형성된 것을 나타내는 단면도.
도 5는 종래 기술에 따른 세라믹 담체의 원형 셀 격벽구조에 촉매제가 도포되어 촉매 코팅층이 형성된 것을 나타내는 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 세라믹 담체에서 셀 격벽의 단면이 사각형인 실시예를 나타내는 단면도.
도 7은 도 6의 셀 격벽구조에 촉매제가 도포되어 촉매 코팅층이 형성된 것을 나타내는 단면도.
도 8은 본 발명에 따른 세라믹 담체에서 셀의 격벽구조가 사각형인 경우 셀 열의 각각의 셀과 인접한 열의 셀들을 엇갈리게 배열한 실시예를 나타내는 단면도.
도 9는 본 발명에 따른 세라믹 담체에서 셀 격벽의 단면이 육각형인 실시예를 나타내는 단면도.
도 10은 도 9의 셀 격벽구조에 촉매제가 도포되어 촉매 코팅층이 형성된 것을 나타내는 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1, 11, 21, 101, 111, 121: 셀 격벽
2, 12, 22, 102, 112, 122: 셀 관통부
3, 13, 23, 103, 113, 123: 셀 격벽면
4, 14, 24, 104, 114, 124: 촉매 코팅층
5, 15, 25, 105, 115, 125: 촉매 코팅층 모서리
6, 16, 26, 106, 116, 126: 촉매 코팅층 변
본 발명은 세라믹 담체에 관한 것으로서, 특히, 촉매 코팅층이 효과적으로 도포되게 하고, 구조적인 강도를 높일 수 있도록 셀 격벽 면의 모서리 부분을 둥글게 형성하는 세라믹 담체에 관한 것이다.
일반적으로 가스 또는 액체의 불순물을 제거하는 필터 또는 가스 또는 액체의 유해성분을 반응시켜 무해한 성분으로 배출하기 위한 촉매 구조체로서 세라믹 담체가 사용된다. 세라믹 담체의 셀 격벽 내면에는 상기 유체가 관통되는 동안 산 화 또는 환원이 일어날 수 있도록 촉매 물질이 코팅되며, 이러한 촉매 물질의 코팅층에서 일어나는 산화 또는 환원 작용에 의해 유해성분이 정화된다. 즉, 산화 또는 환원촉매가 코팅된 세라믹 담체는 관통된 관을 통과하는 동안 관의 표면에서 촉매 반응이 일어나는 촉매로 사용되거나 월 플로우(wall flow) 방식의 촉매나 필터로서도 사용될 수 있다. VOC(휘발성유기화합물: Volatile organic compounds)용, 수질관리 용도 등의 액체정화용, 자동차 배기가스 정화 용도 등의 기체정화용으로 사용될 수 있으며, 촉매 물질은 각각의 용도에 따라 달라질 수 있다.
예를 들면, 세라믹 담체를 사용하는 촉매는 자동차 엔진의 배기장치에 적용될 수 있다. 자동차 엔진에서 연료를 연소시켜 동력을 발생시키는 동안에는 연료의 불완전 연소에 따른 일산화탄소, 미연소 탄화수소 및 질소산화물 등과 같은 유해한 배기가스가 발생한다. 따라서, 이러한 배기가스를 외부로 배출시키는 자동차의 배기관에 촉매 컨버터를 부착할 수 있는데 이러한 촉매 컨버터의 하나로서 내부 격벽면에 촉매가 도포된 세라믹 담체를 사용할 수 있다. 상기 촉매 컨버터는 배기가스 중의 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)를 산화시켜 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O)로 변환하는 산화촉매와, 질소화합물(NOx)을 질소(N2)와 산소(O2)로 각각 환원시키는 환원촉매 등이 사용되고 있다. 이러한 촉매 컨버터를 부착하는 경우, 자동차 엔진의 배기과정에서 엔진의 배기압력이 높아지면 엔진출력이 낮아지게 되므로 동일한 배기가스 접촉면적에 대해 배압이 낮아지는 구조가 바람직하다. 또한, 촉매제는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh)과 같은 고가의 금속재료와 알루미나(Al2O3)가 혼합된 촉매제로서 셀 격벽면 내부에 코팅되므로 촉매제의 양을 적게 사용하면서도 동일한 효과를 낼 수 있는 것이 비용적인 관점에서 바람직하다.
이러한 세라믹 담체의 각 셀의 단면 형상은 삼각형, 사각형, 육각형 등의 다각형 형상 또는 원형으로 형성될 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 종래 기술에 따른 세라믹 담체를 설명한다.
도 1 및 도 3은 종래 기술에 따른 세라믹 담체에서 셀 격벽의 단면 형상이 사각형 또는 육각형인 경우를 나타내는 단면도이고, 도 2 및 도 4는 도 1 및 도 3의 셀 격벽 내면에에 촉매제가 도포되어 촉매 코팅층이 형성된 것을 나타내는 단면도이다.
도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 종래의 세라믹 담체는 사각형 형상의 셀 격벽(1)과 격벽으로 둘러싸인 셀 관통부(2)를 포함한다. 이러한 격벽구조 내부면(3)에 촉매물질이 도포되어 촉매 코팅층(4)을 형성하게 된다.
이러한 셀 구조에서는 셀 격벽(1) 내부 모서리에서 촉매물질의 점성에 의한 표면장력에 의해, 촉매 코팅층(4)의 모서리(5)가 변(6)보다 두꺼워지는 것이 일반적이다. 따라서, 모서리(5)에는 불필요한 촉매가 더 사용되기 때문에, 고가의 촉매가 낭비되는 문제점이 있다.
도 3 및 도 4에서는 셀 격벽(11) 내부의 셀 관통부(12) 단면 형상을 육각형으로 하여, 촉매 코팅층(14) 모서리(15)에서의 촉매제 응집 현상이 완화되기는 하였으나, 셀 격벽면(13)의 단면 형상이 육각형이기 때문에 여전히 변(16)에 비해 모 서리(15)의 코팅층 두께는 더 두꺼움을 알 수 있다. 즉, 셀 격벽면의 단면 형상이 다각형을 이루는 한 촉매 코팅층의 모서리의 두께가 변의 두께보다 두꺼울 수밖에 없다.
또한, 다각형의 셀 단면 형상을 갖는 경우 셀 격벽 모서리에서 응력이 집중되므로 모서리 부분이 취약한 문제점이 있다.
도 5는 종래 기술에 따른 세라믹 담체의 원형 셀 격벽구조에 촉매제가 도포되어 촉매 코팅층이 형성된 것을 나타내는 단면도이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 모서리 부분의 촉매제 응집현상을 방지하고, 모서리에서의 응력 집중을 방지하기 위하여 셀 격벽(21)의 내부 격벽면의 단면 형상을 원형으로 하는 경우에는 촉매 코팅층(24)의 두께는 균일하게 형성되는 반면에, 셀 격벽(21)의 두께는 일정하지 않으며, 동일한 면적에서 비교한 경우, 셀 관통부(22)의 전체 단면적이 셀 격벽의 내부 격벽면의 단면 형상이 다각형인 경우보다 줄어들기 때문에, 관통부(22)의 면적을 최대화하는데 어려움이 따른다. 특히, 세라믹 담체가 자동차 배기관의 촉매 컨버터로 사용되는 경우, 동일한 면적에서, 상대적으로 다각형 셀을 갖는 세라믹 담체에 비해 배압이 높아지기 때문에 비효율적인 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 셀 개개의 형상을 다각형으로 형성하되, 각 셀의 격벽 모서리를 둥글게 형성하여 유체 관통면적을 최대화하되, 촉매가 낭비되지 않게 하는 세라믹 담체를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 구조적으로 취약한 격벽의 모서리 부분을 둥글게 형성함으로써 동일한 셀 관통부 면적을 가지면서도 구조적으로 강화된 세라믹 담체를 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 격벽과, 상기 격벽에 의해 형성되며, 각 모서리가 둥근 다각형 단면을 갖는 다수의 셀을 포함하는 세라믹 담체를 제공한다.
상기 담체의 단면에서 상기 다수의 셀은 서로 나란하게 정렬되어 다수의 셀 열을 형성할 수 있으며, 이때, 상기 다수의 셀 열은 하나의 셀 열의 셀 각각의 중심과 상기 셀 열에 인접한 셀 열의 셀들 사이의 격벽이 서로 대응하여 엇갈림 배열되도록 배치되는 것이 바람직하다. 상기 각각의 셀의 단면 형상은 직각삼각형, 이등변 삼각형, 정 삼각형등의 삼각형 형상으로 이루어질 수 있으며, 특히, 상기 각각의 셀의 단면 형상이 직사각형인 경우 이러한 엇갈린 셀의 형상은 구조적 강도의 면에서 효과적이다.
또한, 상기 각각의 셀의 단면 형상이 육각형으로 이루어져 전체적으로 하니컴 구조를 이루는 것이 더욱 바람직하다.
이하에서는 첨부된 도 6 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 6은 본 발명에 따른 세라믹 담체에서 셀 격벽의 단면형상이 사각형인 실 시예를 나타내는 단면도이고, 도 7은 그 셀 격벽구조에 촉매가 도포되어 촉매 코팅층이 형성된 것을 나타내는 단면도이며, 도 8은 본 발명에 따른 세라믹 담체에서 셀의 격벽구조가 사각형인 경우 셀 열의 각각의 셀과 인접한 열의 셀들을 엇갈리게 배열한 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 6 및 도 7은 세라믹 담체의 셀의 형상이 사각형인 경우를 나타낸 것으로서, 본 실시예는 모서리가 둥근 사각형 단면을 갖는 사각형의 셀 격벽(101)을 구비하며, 상기 셀 격벽에 의해 형성되는 셀 관통부(102)가 형성된다. 그리고 상기 셀 관통부(102)를 통과하는 유체를 정화하기 위해 셀 관통부(102)의 내부 격벽면(103)에 산화제 또는 환원제와 같은 촉매제가 도포되어 형성되는 촉매 코팅층(104)을 포함한다.
기본적으로 다각형의 단면 형상을 갖는 구조는 힘에 대해 등방성(isotropic) 구조가 아니므로 구조적 적합조건(compatibility condition)을 만족하지 않는다. 특히, 도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이 셀 격벽면(103)의 단면 형상이 사각형이며, 각각의 셀을 바둑판 모양으로 배열하는 경우에는 다수의 셀을 구비하는 세라믹 담체는 구조적 적합성이 낮아 특정 방향의 외력에 취약하며, 도면의 예에서는 가로 또는 세로 방향의 쪼개짐에 약하다.
도 8에 나타낸 실시예는 기본적으로 도 6 및 도 7에 나타낸 실시예와 각 셀의 격벽(111)에 의한 내부면(113)의 단면 형상과, 그에 따른 셀 관통부(112)와 촉매 코팅층(114)의 형상은 동일하지만, 셀 열들을 벽돌의 육각 쌓기 형태로 각 열의 셀이 인접한 열의 셀과 서로 엇갈리게 배치되도록 배열한 것이다. 즉, 다수의 셀 열은 하나의 셀 열의 셀 각각의 중심과 상기 셀 열에 인접한 셀 열의 셀들 사이의 격벽이 서로 대응하도록 셀 들을 배열한 것이다. 이러한 셀 배열은 도 6 및 도 7에서 설명하였던 바둑판 배열에 비해 구조적 적합성을 높일 수 있는데, 예를들면, 셀의 격벽이 엇갈려 있는 방향에 대한 취약성이 줄어들 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 세라믹 담체에서 셀 격벽의 단면 형상이 육각형인 실시예를 나타내는 단면도이고, 도 10은 도 9의 셀 격벽구조에 촉매가 도포되어 촉매 코팅층이 형성된 것을 나타내는 단면도이다.
도 9 및 도 10에 나타낸 실시예는 기본적으로 도 6 및 도 7에 나타낸 실시예에서 셀의 단면형상을 육각형으로 형성한 것이다. 즉, 모서리 부분에 만곡한 라운드부를 갖는 육각형의 셀 격벽(121)에 의해, 셀 격벽면(123)에 내부로 셀 관통부(122)가 형성되며, 상기 셀 격벽면(123)에 촉매제가 도포되어 형성되는 촉매 코팅층(124)을 포함한다.
상기 촉매 코팅층의 촉매제는 정화되는 유체에 따라, 산화제, 환원제, 또는 산화제와 환원제를 모두 포함하는 촉매제가 사용될 수 있다.
본 발명에서 모서리를 둥글게 한다는 것의 의미는 실질적으로 모서리 부분에 촉매가 적층되는 현상을 현저히 감소시키기 위해 의도적으로 셀의 모서리를 소정의 곡률을 갖도록 둥글게 형성한다는 의미이므로 통상적인 셀의 가공 공정에서 발생하는 라운딩 또는 공차와는 전혀 다른 의미이며, 가공 상 형성되는 둥근 부분보다는 큰 곡률반경과 범위를 가진다. 이러한 곡률반경과 곡률범위는 촉매 코팅층의 모서리 부분과 변의 부분의 두께가 가능한 균일하게 형성되게 하면서도 셀 관통부의 면 적을 최대한으로 하기 위한 것으로서 셀의 크기와 도포되는 촉매의 양, 도포 위치, 또는 촉매 코팅 방식에 따라 달라질 수 있다.
전술한 실시예에서 각각의 셀의 단면 형상들이 직사각형과, 육각형인 예를 들었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 정삼각형, 이등변 삼각형, 직각 삼각형 등의 삼각형 형상일 수도 있고, 또한 패턴을 형성할 수 있는 다른 다각형의 형상으로 형성할 수도 있다.
이하 도 7 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 작용효과를 설명한다.
본 발명에 따른 세라믹 담체에서는 각각의 다각형 셀에 모서리가 형성되지 않기 때문에 촉매제의 점성에 의한 촉매 응집현상이 발생하지 않고 촉매 코팅층(104, 114, 124)의 변(106, 116, 126)과 모서리(105, 115, 125) 부분의 두께가 균일하게 된다. 따라서, 고가의 촉매제가 불필요하게 낭비되는 것을 방지할 수 있고, 셀 관통부(102, 112, 122)를 통과하는 유체와의 접촉면적을 최대한 확보할 수 있어서, 통과 유체를 효과적으로 정화할 수 있다.
또한, 도면에서 알 수 있듯이, 모서리 부분의 불필요한 촉매 코팅층의 응집 부분이 제거되는 대신 그 부피만큼 격벽이 형성되므로 격벽(101, 111, 121)의 모서리 부분의 두께가 두꺼워 지고, 이에 따라, 응력이 집중되는 격벽 모서리의 구조적 취약성을 보강할 수 있다.
또한, 다수의 다각형 셀이 배열된 세라믹 담체는 외력에 대해 등방성이 아니지만, 사각형의 셀을 엇갈리게 하거나 셀을 육각형으로 형성하여 구조적 특성을 개선할 수 있다. 즉, 세라믹 담체는 용도에 따라 셀 밀도가 수십 CPSI(Cells Per Square Inch)인 경우에서 약 1200 CPSI이상인 경우까지 사용될 수 있고, 육각형의 셀의 경우 세라믹 하니콤 담체는 비교적 등방성 구조에 가까운 구조적 적합성을 가져 상대적으로 경량의 고효율 담체를 제조할 수 있지만 셀의 형상이 복잡하므로 가공 원가가 높아지거나 형상을 정밀하게 제조하기 힘든 점이 있는 반면에, 사각형의 셀의 경우 상대적으로 제조는 쉬우나 구조적 적합성은 낮으므로, 사용자는 용도나 비용을 고려하여 적절하게 선택하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 세라믹 담체의 셀 구조는 세라믹 원료를 압출기에 공급한 후, 지금까지 상술한 바와 같은 셀의 구조를 갖는 금형 내에서 압출하여 일정한 단면을 가진 연속체로 성형하는 압출성형 공정에 의해 제작될 수 있다.
본 발명에서 모서리를 둥글게 한다는 것의 의미는, 전체적으로 원래의 다각형을 유지하면서도, 모서리 부분을 격벽과 사선으로 절개한 형상, 모서리 부분을 격벽과 사선으로 여러 번 절개하여 원호에 가까운 형상으로 절개한 형상 및 모서리를 원호 형상으로 절개한 형상을 모두 포함하는 의미이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 또는 변경이 가능하다는 것이, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 세라믹 담체의 셀 형상을 다각형 형태로 하여 통과하는 유체와의 접촉면적을 최대화 하면서도, 셀 격벽 모서리의 라운딩 부에 의해 불필요한 촉매제의 응집현상을 방지하여 고가의 촉매제 낭비를 줄일수 있어서 제조원가가 절감되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 응력이 집중되는 모서리 부분의 셀 격벽이 종래의 세라믹 담체보다 두꺼워 질 수 있어, 구조적으로 취약부분이 보강되어 강화될 수 있는 다른 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 셀의 형상을 사각형으로 형성하는 경우에도, 그 배열을 벽돌 육각쌓기와 같이 엇갈리게 셀을 배열함으로써 특정 방향에 대해 취약하지 않은 세라믹 담체를 제조할 수 있는 또 다른 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 격벽과,
    상기 격벽에 의해 형성되며, 각 모서리가 둥근 다각형 단면을 갖는 다수의 셀
    을 포함하는 세라믹 담체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 담체의 단면에서 상기 다수의 셀은 서로 나란하게 정렬되어 다수의 셀 열을 형성하는
    세라믹 담체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 다수의 셀 열은 하나의 셀 열의 셀 각각의 중심과 상기 셀 열에 인접한 셀 열의 셀들 사이의 격벽이 서로 대응하여 엇갈림 배열이 되도록 배치된
    세라믹 담체.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각각의 셀의 단면 형상이 삼각형인
    세라믹 담체.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각각의 셀의 단면 형상이 직사각형인
    세라믹 담체.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각각의 셀의 단면 형상이 육각형인
    세라믹 담체.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 셀의 모서리 부분은 격벽과 사선으로 절개하여 둥글게 형성되는
    세라믹 담체.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 셀의 모서리 부분은 격벽과 사선으로 여러 번 절개하여 둥글게 형성되는
    세라믹 담체.
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