KR20080095975A - 하니컴 세라믹 필터용 탄화규소 세그먼트의 제조방법 - Google Patents

하니컴 세라믹 필터용 탄화규소 세그먼트의 제조방법 Download PDF

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공영민
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Abstract

본 발명은 매연여과장치(DPF)인 하니컴 세라믹 필터용 탄화규소 세그먼트의 제조방법으로서, 압출 후 소정 크기로 커팅한 세그먼트 성형물을 건조한 다음, 플러깅 및 소결하는 과정으로 구성되고, 상기 소결 과정에서 용융 고착되어 셀 모서리부를 밀폐시킬 수 있는 물질(밀폐제)을 상기 플러깅 과정에서 세그먼트 양측 단부면의 격벽 상에 부가하는 탄화규소 세그먼트의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 하니컴 세라믹 필터용 탄화규소 세그먼트의 제조방법은, 플러깅 과정시 소결 과정에서 용융 고착되어 셀 모서리를 밀폐시킬 수 있는 물질(밀폐제)을 세그먼트 양측 단부면의 격벽 상에 부가함으로써, 플러그와 격벽 사이에 생기는 미세한 틈 또는 플러그의 누락으로 인해 배출가스 중의 유해 입자가 필터링 되지 않고 대기 중으로 배출되는 문제를 방지할 수 있고, 셀 격벽에 대한 플러그의 결합력을 향상시켜 충격, 진동 등의 외력에 의해서도 플러그의 단리를 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

하니컴 세라믹 필터용 탄화규소 세그먼트의 제조방법 {Process for Preparation of Silicon Carbide Segment for Honeycomb Ceramic Filter}
도 1은 일반적인 하니컴 세라믹 필터용 탄화규소 세그먼트의 사시도이다;
도 2는 일반적인 하니컴 세라믹 필터의 필터링 과정의 모식도이다;
도 3은 종래의 방법에 의해 제조된 탄화규소 세그먼트에 삽입된 플러그의 부분 확대도이다;
도 4a 및 4b는 본 발명의 하나의 실시예에 의한 하니컴 세라믹 필터용 탄화규소 세그먼트의 플러깅 과정의 모식도들이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 의한 하니컴 세라믹 필터용 탄화규소 세그먼트의 단면 확대도이다;
도 6 내지 도 8은 본 발명이 적용될 수 있는 일부 예시적인 세그먼트들의 유입부 측 단면과 배출부 측 단면에 대하 모식도들이다.
본 발명은 매연여과장치(DPF)인 하니컴 세라믹 필터용 탄화규소 세그먼트의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 압출 후 소정 크기로 커팅한 세그먼트 성형물을 건조한 다음, 천공, 플러깅 및 소결하는 과정에 의해 하니컴 세라믹 필터용 탄화규소 세그먼트를 제조하는 방법으로서, 소결 과정에서 용융 고착되어 셀 모서리를 밀폐시킬 수 있는 물질(밀폐제)을, 상기 플러깅 과정에서 세그먼트 양측 단부면의 격벽 상에 부가하는 것으로 구성되어 있어서, 셀의 모서리에도 누락이 없이 플러깅이 이루어짐으로써, 플러그와 격벽 사이의 결합력이 향상되고 불충분한 플러깅재 충진으로 인해 입자상 물질 또는 분진이 새어나가는 현상(miss plugging)을 방지하여 필터링을 거치지 않고 배출되는 가스를 최소화함으로써, 필터링 성능이 매우 우수한 탄화규소 세그먼트의 제조방법에 관한 것이다.
최근 대기오염으로 인해 이상 기후 현상이 발생하는 등 심각한 환경문제가 대두됨에 따라, 가솔린 차량에 비해 일산화탄소, 탄화수소 등의 유해 가스의 배출량이 적은 경유자동차에 대한 관심이 증가하는 추세이다. 그러나, 경유 자동차는 질소 산화물(NOx)과 soot와 같은 입자상 물질(Particulate Matter: PM)이 다량 배출되는 문제를 갖고 있다. 이에 따라, 경유 자동차의 디젤기관으로부터 배출되는 유해가스 및 입자상 물질을 제거하기 위한 매연여과장치(Diesel Particulate Filter, 이하, DPF라 함)에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
DPF는, 경유차 배출가스 중의 입자상 물질(PM)을 포집하고, 소정의 간격으로 연료인 경유 등을 분사하며 차량의 운행 중에 발생하는 배기열을 이용하여, 세라믹 필터에 코팅되어 있는 촉매와의 반응에 의해, 포집된 물질을 인체에 무해한 이산화 탄소, 물 등로 산화시킴으로써 필터를 재생시키는 장치이다.
이러한 매연여과장치에는 하니컴 구조로 이루어진 하니컴 세라믹 필터(honeycomb ceramic filter)가 주로 사용되고 있다.
도 1은 일반적인 하니컴 세라믹 필터용 탄화규소 세그먼트의 개략적 사시도이고, 도 2는 도 1의 하니컴 세라믹 필터의 필터링 과정의 모식도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 세라믹 세그먼트(10)는 일반적으로 단면이 사각형인 육각 기둥의 형태를 가지고 있고, 그것의 양 단면(20, 30)에서 서로 연통되는 다수의 셀들(12, 13)이 형성될 수 있도록 격벽들(11)이 교차하는 격자 모양의 구조로 이루어져 있다. 이들 셀들(12, 13)은 교번 배열 방식으로 플러깅 됨으로써, 플러그에 의해 밀폐된 폐쇄 셀(closed cell: 12)과 플러그가 형성되어 있지 않은 오픈 셀(open cell: 13)로 이루어져 있어서, 전체적으로 체크 무늬 또는 바둑판 무늬를 나타낸다.
이와 같은 구조의 다공성 세라믹 필터용 세라믹 세그먼트(10)에서, 배출가스의 입자상 물질들(40)은 다공성 세라믹 필터(10)의 전면(20)에 개구되어 있는 오픈 셀(13)로 유입되어 인접한 다공성 격벽(11)을 통과한 후, 후면(30)이 개구되어 있는 오픈 셀(13)로 배출된다. 이때, 배출가스의 입자상 물질들은 격벽(11)에 형성되는 미세 기공(도시하지 않음) 또는 후면의 폐쇄 셀(12)에 위치한 플러그(15)의 내측 단부(15a)에 포집된다. 즉, 배출가스에 포함되어 있는 입자상 물질들은, 전면(20)에서는 개방된 셀(13)이지만 후면(30)에서는 폐쇄된 셀(12)을 통과하면서 다공성 격벽(11)에 걸리어 필터링이 행해진다.
이렇게 포집된 미립자가 다공성 세라믹 필터 내에 과량 축적되는 경우, 필터의 압력 손실이 상승하고, 엔진(engine)의 출력 저하를 초래하게 되므로, 포집된 미립자를 정기적으로 전기 히터나 버너 등의 외부 착화 수단을 이용하여 연소시킴으로써 다공성 세라믹 필터의 재생이 행해진다. 따라서, 일반적으로 다공성 세라믹 필터는 어느 한 쪽이 재생중인 경우, 다른 한 쪽을 사용할 수 있도록 2 개/1 조 형식으로 탑재된 교대 재생 방식을 채택하기도 하였다.
이러한 하니컴 세라믹 필터에 있어서, 배출가스의 입자상 물질들이 격벽을 통과할 수 있도록 하기 위해, 하니컴 세라믹 필터의 양 단면에 교대로 플러깅 된 플러그는 배출가스가 새어나가지 못하도록 격벽과 완전히 결합되어 있을 필요가 있다.
도 3은 종래의 방법에 의해 제조된 탄화규소 세그먼트에 삽입된 플러그의 부분 확대도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 상기 플러깅 과정시 플러깅 슬러리(페이스트)는 응집력이 높기 때문에, 예를 들어 사각형의 단면 형상을 갖는 셀에 삽입될 때, 격벽(11)의 모서리(16)에 플러깅 슬러리 또는 페이스트(Paste)가 충분히 채워지지 못함으로써, 플러그(15)와 격벽 모서리(16)의 사이에 틈이 발생할 수 있다. 플러그(15)와 격벽 모서리(16) 사이의 이러한 틈은 많은 문제점들을 유발한다.
첫째, 배출가스가 상기 틈을 통해 유입됨으로써 효과적인 필터링이 행해지지 못한다. 앞서의 설명과 같이, 배출가스는 전면의 오픈 셀을 통과한 후 그러한 오픈 셀에 인접한 셀을 통해 후면으로 배기된다. 배출가스가 배기되는 후면의 오픈 셀은 전면의 폐쇄 셀과 연결되어 있으므로, 폐쇄 셀의 모서리에 형성된 틈으로 배출가스가 유입되면, 다공성 격벽에 의한 필터링이 행해지지 않은 상태로 가스가 통과하게 된다.
둘째, 격벽에 대한 플러그의 결합력이 떨어져 플러그의 단리가 유발될 수 있다. 차량에 장착된 하니컴 세라믹 필터에는 외부로부터 많은 충격과 진동 등이 인가되는 바, 그것을 구성하고 있는 탄화규소 세그먼트에도 동일한 외력이 인가된다. 따라서, 격벽에 대한 플러그의 결합력이 높지 않으면서 그러한 외력에 의해 플러그가 단리되면서 필터링이 행해지지 않은 배출가스가 그대로 배기된다.
그러나, 현재까지 이러한 플러그와 격벽 모서리 사이에 틈이 발생하는 현상을 방지하기 위한 기술은 존재하지 않는다.
플러그와 격벽 사이의 결합력을 향상시키기 위한 방법으로서, 예를 들어, 한국 등록특허 제368883호는, 종래 플러깅 페이스트가 상부로부터 하부로 삽입됨에 따라 중력이 페이스트를 하방으로 끌어당겨 셀로부터 이탈되게 하여 테이퍼링 또는 총알 모양의 플러그를 형성시킴으로써 셀 격벽과의 결합력을 약하게 하는 문제를 해결하기 위하여, 중력 및 진동력을 이용하여 플러깅 페이스트가 바닥에서 상부로 이동되도록 하는 기술을 개시하고 있다. 그러나, 상기 기술에 의하더라도 셀의 모서리에 페이스트가 충분히 도포되지 못하는 문제가 여전히 발생한다.
한편, 본 발명과는 무관하나, 일본 특허출원공개 제2003-176709호 및 제2002-309922호에는 플러그의 외단면에 미립자가 퇴적함으로써 유입측 유로를 좁히는 현상을 방지하기 위하여, 배기가스 유입측의 단면에 형성된 플러그의 외면에 돌 출부를 형성하는 기술을 각각 개시하고 있다. 상기 기술들은 공통적으로 돌출부를 형성하는 바, 이러한 돌출부의 형성은 현실적으로 용이하지 않으므로 실용화에 한계가 있다.
따라서, 단위셀들의 모서리를 완전히 채움으로써, 폐쇄 셀로의 배출가스의 유입 및 배기를 방지하고 플러그와 셀 격벽의 결합을 단단하게 하여 높은 필터링 효율을 갖게 하기 위한 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 심도있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 소결 과정에서 용융 고착되어 셀 모서리를 밀폐시킬 수 있는 물질(밀폐제)을 플러깅 과정에서 세그먼트 양측 단부면의 격벽 상에 부가하는 경우, 셀 격벽과 플러그 사이의 틈 발생을 방지하고 상호간의 결합력을 향상시킴으로써, 매우 우수한 필터링 효율이 얻어질 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 하니컴 세라믹 필터용 탄화규소 세그먼트의 제조방법은, 압출 후 소정 크기로 커팅한 세그먼트 성형물을 건조한 다음, 천공, 플러깅 및 소결하는 과정에 의해 매연여과장치(DPF)인 하니컴 세라믹 필터용 탄화규소 세 그먼트를 제조하는 방법으로서, 소결 과정에서 용융 고착되어 셀 모서리를 밀폐시킬 수 있는 물질(밀폐제)을, 상기 플러깅 과정에서 세그먼트 양측 단부면의 격벽 상에 부가하는 것으로 구성되어 있다.
따라서, 셀의 모서리에도 누락이 없이 플러깅이 이루어짐으로써, 플러그와 격벽 사이의 결합력이 향상되고 불충분한 플러깅재 충진으로 인해 입자상 물질 또는 분진이 새어나가는 현상(miss plugging)을 방지하여 필터링을 거치지 않고 배출되는 가스를 최소화함으로써, 필터링 성능이 매우 우수한 탄화규소 세그먼트의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 하니컴 세라믹 필터용 탄화규소 세그먼트의 제조방법은, 구체적인 예에서, SiC 분말 및 파이버, 바인더로서 유기물, 산화물, 수분 등을 포함하는 페이스트를 압출하는 과정(1), 상기 압출물을 소정의 크기로 커팅하는 과정(2), 상기 커팅된 성형물을 마이크로파로 1차 건조하는 과정(3), 열풍을 사용하여 2차 건조하는 과정(4), 허니컴 세그먼트의 유로 또는 셀(cell)을 선택적으로 플러깅(plugging)하는 과정(5), 및 소결하는 과정(6)으로 구성되고, 상기 플러깅 과정(5)에서 세그먼트 양측 단부면의 격벽 상에 밀폐제를 부가한다.
상기 밀폐제는 플러깅 과정에서 양측 단부면의 격벽 상에 부가되었다가 추후 소결 과정에서 셀 격벽의 모서리에 소결 고착된다. 따라서, 플러깅 페이스트가 실질적으로 채워지는 부위는, 세그먼트의 각 단위셀들의 축 방향에 직교하는 단면 형상에서 완만한 모서리를 가진 대략 사각형의 셀 공간 만이다. 따라서, 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 플러그가 각진 격벽 모서리를 채우지 못하더라도, 밀폐 제가 그러한 모서리 틈을 대신 채우게 된다.
상기 밀폐제는 소결 과정에서 용융 고착되어 셀 모서리를 밀폐시킬 수 있고, 세라믹 필터의 사용 중에 용융 내지 열화되지 않는 물질이라면 특별히 제한되는 것은 않으며, 예를 들어, 글라스 플릿(glass frit), MgO, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MnO, ZnO, 물유리, 벤토나이트, 붕산(Boric acid), 붕사(Borax), CaCO3, 질산나트륨(Sodium nitrate), 장석 등을 사용할 수 있다. 이러한 소재는 하나 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수 있으며, 특히 바람직하게는 글라스 플릿이 사용될 수 있다.
상기 플러깅 과정은 단지 플러깅 페이스트를 셀에 삽입하는 과정만을 의미하는 것은 아니고, 플러깅 페이스트를 세그먼트의 셀에 삽입하기 위한 전단계로서의 천공 과정, 셀에 선택적으로 삽입된 플러깅 페이스트의 가열 및/또는 소결 과정을 포함하여, 세그먼트에 플러그가 선택적으로 형성되는 과정 전반을 의미한다. 한편, 플러깅 과정은 가열 및/또는 소결 전의 하니컴 필터 성형체에 대해 수행될 수도 있고, 가열 및/또는 소결 후의 하니컴 필터 소결체에 대해 수행될 수도 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 밀폐제는 플러깅 과정에서 부가되는 바, 천공 작업 또는 플러깅 페이스트를 삽입하는 과정의 전 및/또는 후에 부가될 수 있다.
상기 밀폐제를 부가하기 위한 하나의 바람직한 예에서, 밀폐제 함유 조성물을 세그먼트 양측 단부면에 롤링 작업에 의해 도포한 후, 필름을 부착하여 천공 작업을 행할 수 있다.
이 경우, 격벽 상에 도포된 밀폐제 함유 조성물은 그 중 밀폐제가 소결 과정에서 용융되고, 그러한 용융물은 표면장력의 최소화를 위해 셀의 모서리로 이동하며, 예를 들어, 상온 냉각시 그대로 고화됨으로써, 셀의 모서리부에 밀폐제를 부가할 수 있다.
상기 밀폐제 함유 조성물은 밀폐제 외에 유기바인더, 용매 등을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 유기바인더는, 예를 들어, 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 메틸셀룰로오스(methylcellulose), 에틸셀룰로오스(ethylcellulose), 카르복실메틸셀룰로오스(carboxymethylcellulose) 등이 사용될 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니며, 하나 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수도 있다. 상기 용매는, 예를 들어, 물, 벤젠 같은 유기 용매, 또는 메탄올 같은 알코올 등이 사용될 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 천공 작업은, 세그먼트 양측 단부면의 셀들이 교번 방식으로 개방 및 폐쇄될 수 있도록, 선택적인 셀들에 한해 플러깅 페이스트를 주입하기 위한 전단계 공정이다. 천공 작업은 상기 필름을 세그먼트의 양측 단부면에 부착하기 전에 행할 수도 있으나, 목적하는 셀에 정확하게 천공되도록 하기 위해, 미천공 필름을 세그먼트의 양측 단부면에 부착한 후, 소정의 셀들에 대해 천공을 행하는 것이 바람직하다.
필름의 천공 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 레이저광 등을 소정 부위에 조사하는 방법, 가열된 침상체를 소정 부위에 관통시키는 방법 등이 사용될 수 있다.
상기 필름의 종류는, 예를 들어, 가열 또는 레이저광에 의해 용융되는 필름이 사용될 수 있으며, 주로 세그먼트 양측 단부면 상에 고정될 수 있도록 점착층을 갖고 있는 필름이 사용되고 있다. 즉, 접착 필름은 기재층과 점착층을 포함하는 것으로 구성되어 있으며, 상기 기재층은, 예를 들어, 폴리에스테르, 폴리올레핀, 할로겐화 폴리올레핀 등의 폴리머 재료로 형성될 수 있으며, 상기 점착층은, 예를 들어, 아크릴계 점착제 등으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 필름은 밀폐제를 포함할 수 있는 바, 경우에 따라서는, 상기 점착층에 밀폐제를 첨가한 필름이 사용할 수도 있고, 또는 밀폐제를 포함하는 별도의 층이 부가된 필름이 사용될 수도 있으며, 또는 필름 기재 상에 밀폐제를 필러로서 첨가한 필름이 사용될 수도 있다. 즉, 밀폐제 성분을 함유하고 있는 접착 필름을 세그먼트 양측 단부면에 부착한 후 천공작업을 행함으로써, 궁극적으로 밀폐제가 세그먼트 양측 단부면의 격벽 상에 부가될 수 있다.
상기 필름의 두께는 강도, 천공 작업의 용이성 등을 고려하여 약 10∼100 ㎛가 바람직하다.
밀폐제 함유 조성물을 도포하거나 또는 밀폐제를 포함하는 접착 필름을 부착함으로써, 밀폐제를 해당 부위에 부가하는 경우, 밀폐제는 10 내지 500 ㎛ 두께로 부가되는 것이 바람직하다. 상기 두께가 너무 얇으면 충분한 양의 밀폐제가 셀 모서리를 균일하게 밀폐하기 어렵고, 반대로 너무 두꺼우면 밀폐제의 양이 지나치게 많아져 다공성 구조의 셀 내부로 용융 유입됨으로써 필터링 성능을 약화시킬 우려가 있으므로 바람직하지 않다.
상기 플러깅 페이스트의 삽입 공정은 플러깅 페이스트를 용기에 넣고, 선택적으로 천공 작업을 행한 하니컴 세라믹 필터의 단부면을 상기 슬러리형의 플러깅 페이스트에 침지하여, 선택적으로 천공된 셀에 플러깅 페이스트를 충진하는 과정을 거친다. 이 때, 플러깅 페이스트는 압입 등의 방법으로 하니컴 성형체의 상부에서 하부로 또는 바닥에서 상부로 삽입될 수도 있고, 중력 및 진동력을 이용하여 플러깅 페이스트가 바닥에서 상부로 형성되게 할 수도 있다. DFP용으로 적절한 하니컴 성형체를 형성시키기 위하여, 어느 하나의 단부면이 플러깅 과정을 거친 후, 이미 플러깅 된 단부면이 상방을 향하도록 뒤집고, 건조 및 소결 단계 전에 대향하는 단부면에 상기 공정을 반복한다.
상기 플러깅 페이스트에 포함되는 플러그의 원료는 하니컴 세라믹 필터에 사용될 수 있는 원료와 공통되는 원료가 사용될 수 있는 바, 예를 들어, 코디어라이트, 멀라이트, 알루미나, 스피넬, 지르코니아, 탄화규소, 탄화규소-코디에라이트계 복합 재료, 규소-탄화규소계 복합 재료, 질화규소, 리튬알루미늄 실리케이트, 티탄산알루미늄, 제올라이트 등의 각종 세라믹, Fe-Cr-Al계 금속 등의 금속, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 재질로 이루어진 분말이나 섬유상(fiber), 또는 이들의 혼합이 가능하나 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 플러깅 페이스트 삽입 공정을 거친 다음, 플러깅 페이스트를 셀 격벽에 결합시키기 위해, 플러그와 함께 하니컴 구조물은 플러깅 페이스트에 함유된 물을 제거하기 위하여 건조되며, 그 후 적절한 온도에서 소결된다. 이 때, 소결 온도는 사용된 플러깅 물질에 따라 달라진다. 예를 들면, 표준 코디어라이트(standard cordierite) 플러그는 약 1400℃의 온도에서 소결될 수 있으며, 플러그의 종류에 900∼1300℃ 범위의 온도로 낮아질 수도 있다.
본 발명은 상기 방법으로 제조된 하니컴 세라믹 필터용 탄화규소 세그먼트를 제공한다.
상기와 같이 폐쇄 셀의 모서리부에 밀폐제가 포함되어 있는 하니컴 세라믹 필터용 탄화규소 세그먼트는, 제조방법에 한정됨이 없이, 그 자체로 신규한 구조이다. 따라서, 본 발명은 또한 양측 단면에 서로 연통되는 다수의 셀들이 형성될 수 있도록 격벽들이 교차하는 격자 모양의 구조로 이루어져 있으며, 이들 셀들은 교번 배열 방식으로 플러깅 됨으로써, 플러그에 의해 밀폐된 폐쇄 셀과 플러그가 형성되어 있지 않은 오픈 셀로 이루어져 있고, 상기 폐쇄 셀의 모서리부에 밀폐제가 포함되어 있는 구조를 갖는 하니컴 세라믹 필터용 탄화규소 세그먼트를 제공한다.
이러한 하니컴 세라믹 필터용 탄화규소 세그먼트는 상기 밀폐제로 인해 셀 모서리부의 틈이 밀폐되고, 폐쇄 셀의 플러그와 격벽과의 결합력을 향상시킴으로써, 배출가스의 유입 및 필터링 효율의 저하, 불충분한 결합력으로 인해 외부적 충격 등에 의해 유발될 수 있는 플러그의 단리 등 모서리부에 형성된 틈으로 인해 발생할 수 있는 많은 문제들을 효과적으로 해결할 수 있으므로 필터링 효율이 우수하다.
상기 격벽들의 교차 형태 및 격자 모양 등은 특별히 제한되지 않는 바, 격벽들이 교차되어 형성된 셀들의 단면 형상 역시 다양할 수 있으며, 삼각형, 사각형, 팔각형 등 다각형 또는 이들의 조합을 포함한다.
상기 격벽들의 교차 형태 및 셀의 단면 형상은 예를 들어, 바둑판 또는 체크 무늬 모양으로 구성될 수도 있고(도 1 참조), 6각형의 단면을 갖는 셀들의 각 면에 3각형의 단면을 갖는 셀이 형성된 구조(hex-tri cell; 도 6 참조), 격벽들의 간격을 각각 크고 작게 구성하여, 큰 4각형과 작은 4각형 셀이 형성되고, 이에 따라, 사각형 셀들의 각 면에 직사각형의 셀이 위치하는 구조(double-pitch cell; 도 7 참조), 8각형의 단면을 갖는 셀의 상하, 좌우의 4 면에는 4 각형의 셀이 위치하고, 대각선의 네 면은 다른 8각형 셀의 대각선의 네 면과 접하는 구조(octo-square cell; 도 8 참조) 등을 들 수 있으나, 이들 만으로 한정되는 것은 아니다. 하나의 바람직한 예에서, 상기 셀들의 구조는 팔각형과 사각형이 조합된 octo-square cell 구조일 수 있다.
한편, 필터링을 수행할 수 있도록, 상기 세그먼트에 있어서 양측 단면 중 배출 가스가 유입되는 유입부에 오픈 셀이 형성된 경우, 필터링된 가스가 배출되는 배출부에는 폐쇄 셀이 형성되고, 반대로, 유입부에 폐쇄 셀이 형성된 경우 배출부에는 오픈 셀이 형성된다. 이때, 단위 셀에 오픈 셀과 폐쇄 셀을 교번 배열 방식으로 배열할 때, 필터링 효율을 극대화할 수 있도록, 유입부 측 단면에 오픈 셀의 면적을 상대적으로 크게 구성하고, 배출부 측 단면에서 폐쇄 셀의 면적을 크게 구성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 6 내지 도 8의 배열 방식을 갖는 세그먼트의 경우, 유입부 측 단면은 각각 도 6a, 7a 및 8a의 배열 방식으로 구성하고, 배출부 측 단면은 유입부측 단면에 대응되도록 도 6b, 7b 및 8b의 배열 방식으로 구성하여, 유입부 측 단면에 오픈 셀의 면적을 상대적으로 크게 할 수 있다.
상기 탄화규소 세그먼트 자체의 형상은 다양할 수 있으며, 하나의 바람직한 예에서 단면상으로 사각형인 직육면체 구조로 이루어질 수 있다. 서로 접합되는 탄화규소 세그먼트들의 수는 촉매 성분이 담지되는 하니컴 세라믹 필터의 소망하는 규격에 따라서 적절히 결정된다.
본 발명은 또한 상기 탄화규소 세그먼트를 다수 개 접합하여 제조된 하니컴 세라믹 필터를 제공한다.
상기 하니컴 세라믹 필터의 구조 및 세그먼트의 접합 방법 등의 제조 방법은 공지되어 있는 바, 이에 관한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
이하에서는, 본 발명의 실시예들에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다
도 4a 및 4b에는 본 발명에 따른 하니컴 세라믹 필터용 탄화규소 세그먼트의 플러깅 과정이 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 소정의 압출 공정으로 제조된 탄화규소 세그먼트 성형체(100)는 양측 단부면(200, 300)에서 서로 연통되는 다수의 오픈 셀(120)들이 형성될 수 있도록 격벽들(110)이 교차하는 격자 모양의 구조로 이루어져 있다.
이러한 성형체(100)의 일측 단부면(200)에 밀폐제 함유 조성물(도시되지 않음)을 롤링 등의 방법으로 도포한 후 필름(500)을 부착하거나, 밀폐제 함유 조성물을 도포하는 대신 밀폐제 함유 필름(500)을 부착한다.
그런 다음, 각각의 셀(130)에 대응하는 부위에 선택적으로 레이저광 등을 조 사하여 천공 작업을 행하고, 플러깅 페이스트가 담겨 있는 욕조(도시하지 않음) 침지함으로써 플러깅 페이스트를 삽입한 후, 건조를 행한다.
또한, 성형체(100)의 대향 단부면(300)에 대해서도 상기 과정을 반복적으로 수행한다.
그 결과, 셀들은 교번 배열 방식으로 플러깅 됨으로써 플러그에 의해 밀폐된 폐쇄 셀(130)과 플러그가 형성되어 있지 않은 오픈 셀(120)이 만들어진다.
최종적으로 소결을 행하면, 유기성분들은 분해 제거되고 무기성분들이 상호 결합되는데, 그러한 소결 과정에서 밀폐제가 셀 모서리에 용융 고착되어, 플러깅 페이스트가 도포되기 어려운 셀 모서리를 효과적으로 폐쇄시킨다.
도 5에는 본 발명에 따른 하니컴 세라믹 필터용 탄화규소 세그먼트의 단면이 모식적으로 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 하니컴 세라믹 필터용 탄화규소 세그먼트(100a)는 폐쇄 셀(130)의 모서리가 밀폐제(400)에 의하여 완전히 폐쇄됨으로써, 플러그(150)와 격벽(110) 사이에 틈이 존재하지 않게 된다. 따라서, 배출가스의 입자상 물질들은 탄화규소 세그먼트(100a)의 전면(200)에 개구되어 있는 오픈 셀(120) 만으로 유입되고, 다공성의 격벽(110)을 통과한 뒤, 인접한 격벽를 통해 후면(300)에서 개방되어 있는 오픈 셀(120)로 배기된다.
따라서, 플러그와 격벽 사이에 생기는 미세한 틈 또는 플러그의 누락으로 인해 배출가스 중의 유해 입자가 필터링 되지 않고 대기 중으로 배출되는 문제를 방지할 수 있으므로, 필터링 효율을 크게 높일 수 있다.
이상, 본 발명에 따른 실시예를 참조하여 발명의 내용을 상술하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 하니컴 세라믹 필터용 탄화규소 세그먼트의 제조방법은, 플러깅 과정시 소결 과정에서 용융 고착되어 셀 모서리를 밀폐시킬 수 있는 물질(밀폐제)을 세그먼트 양측 단부면의 격벽 상에 부가함으로써, 플러그와 격벽 사이에 생기는 미세한 틈 또는 플러그의 누락으로 인해 배출가스 중의 유해 입자가 필터링 되지 않고 대기 중으로 배출되는 문제를 방지할 수 있고, 셀 격벽에 대한 플러그의 결합력을 향상시켜 충격, 진동 등의 외력에 의해서도 플러그의 단리를 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 압출 후 소정 크기로 커팅한 세그먼트 성형물을 건조, 플러깅 및 소결하는 과정에 의해 매연여과장치(DPF)인 하니컴 세라믹 필터용 탄화규소 세그먼트를 제조하는 방법으로서, 소결 과정에서 용융 고착되어 셀 모서리를 밀폐시킬 수 있는 물질(밀폐제)를, 상기 플러깅 과정에서 세그먼트 양측 단부면의 격벽 상에 부가하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 밀폐제는 글라스 플릿(glass frit), MgO, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MnO, ZnO, 물유리, 벤토나이트, 붕산(Boric acid), 붕사(Borax), CaCO3, 질산나트륨(Sodium nitrate), 및 장석으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 밀폐제는 글라스 플릿인 것을 특징으로 하는 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 밀폐제를 포함하는 도포 조성물을 세그먼트 양측 단부면에 롤링 작업에 의해 도포한 후, 필름을 부착하여 천공 작업을 행하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 도포 조성물은 밀폐제, 유기바인더 및 용매를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 밀폐제가 포함되어 있는 필름을 세그먼트 양측 단부면에 부착한 후 천공 작업을 행하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 필름은 점착층에 밀폐제를 첨가한 필름, 밀폐제를 포함하는 별도의 층이 부가된 필름, 또는 필름 기재 상에 밀폐제를 필러로서 첨가한 필름 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 밀폐제는 10 내지 500 ㎛ 두께로 부가되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 하나에 따른 방법으로 제조된 하니컴 세라믹 필터용 탄화규소 세그먼트.
  10. 양측 단면에 서로 연통되는 다수의 셀들이 형성될 수 있도록 격벽들이 교차하는 격자 모양의 구조로 이루어지고, 상기 셀들은 교번 배열 방식으로 플러깅 됨으로써, 플러그에 의해 밀폐된 폐쇄 셀과 플러그가 형성되어 있지 않은 오픈 셀로 이루어져 있고, 상기 폐쇄 셀의 모서리부에 밀폐제가 포함되어 있는 구조의 하니컴 세라믹 필터용 탄화규소 세그먼트.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 따른 탄화규소 세그먼트를 다수 개 접합하여 제조된 하니컴 세라믹 필터.
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