KR20090048110A - 비대칭 밀봉으로 배압차를 개선한 허니컴 구조체 및 그제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비대칭 밀봉으로 배압차를 개선한 허니컴 구조체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압출시 금형은 기존의 저밀도부터 고밀도의 금형을 그대로 사용을 하여 세그먼트를 압출해 내는 것은 기존의 방법과 동일하지만 다음 공정인 밀봉공정에서 한 쪽 단면부와 그 반대쪽 단면부의 밀봉율을 달리함으로써 입력단부의 셀 내부면적과 출력단부의 셀 내부 면적을 달리하여 배압차이를 줄일 수 있는 비대칭 밀봉 허니컴 구조체 및 그 제조방법을 제공한다.

허니컴 구조체, 세그먼트, 밀봉재

Description

비대칭 밀봉으로 배압차를 개선한 허니컴 구조체 및 그 제조방법{Honeycomb structure body with an asymmetric plugging configuration for improving back pressure difference and preparation method thereof}

본 발명은 내연기관, 보일러 등의 배출 가스 중의 미립자 포집 필터 등에 이용되는 하니컴 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 사용시의 열 응력에 의해 파손되는 일이 적고, 경제적으로 유리한 공정에 의해 제조할 수 있는 허니컴 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근 디젤 엔진에 대한 관심이 높아감에 따라 연비 및 친환경성을 개선하기 위한 디젤 엔진 기술 및 배기 가스 후처리 장치에 대한 관심이 높아지고 있다.

배기 가스의 후처리 장치는, 촉매가 담지된 매연여과장치(DPF: diesel particulate filter)를 적용한 배기가스 정화 시스템를 디젤 차량에 장착하여 엔진에서 배출되는 입자상 물질(PM; particulate matter) 및 각종 분진(ash)를 포집, 재생(regeneration)을 함으로써 인체에 무해한 가스를 대기 중에 내보내는 것을 목 적으로 하고 있다.

일반적으로 매연여과장치를 적용하면 배출되는 미세입자의 95% 이상을 여과할 수 있다. 이렇게 포집된 입자상 물질을 주기적으로 태워 없애야만 필터가 장기간 역할을 할 수가 있는데, 포집된 입자상 물질을 주기적으로 태워 없애는 것을 재생(regeneration)이라고 한다.

입자상 물질이 연소되지 않고 매연여과장치 내의 필터 내벽에 침적되어 결과적으로 배기 시스템 내에 배압차 문제를 유발하여 엔진에 무리를 주게 되어 연비가 떨어진다든지 하는 또 다른 문제를 야기하고 있다. 따라서, 이와 같은 배압 문제를 해결하기 위하여 매연여과장치의 셀 형상을 최적화하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

일반적으로 고려되고 있는 매연여과장치의 설계는 입력 단부의 구멍크기를 출력 단부의 구멍 크기보다 크게 설계하는, 이른바 비대칭 셀구조가 설득력을 얻고 있다.

즉, 입력 단부의 구멍을 크게 설계함으로써 입력 단부의 구멍 단면적이 면적이 출력 단부의 구멍 단면적보다 크게 되고, 따라서 연료첨가제의 잔존물인 분진(ash)이 쌓일 수 있는 면적이 넓어져서 동일 양의 분진이 침적하더라도 침적층의 두께가 얇아 일반적인 매연여과장치에 비해서 배압차가 낮으며, 매연여과장치에 대한 세정 주기도 길다는 장점이 있다.

또한 나노 크기의 입자상 물질을 포집하기 위한 고사양의 엔진에는 이러한 비대칭, 고밀도의 매연여과장치가 적용되고 있어서 이러한 설계 방식은 향후 적용 되는 매연여과장치의 주된 설계로 자리잡을 것으로 예상된다.

하지만, 이러한 비대칭 세그먼트를 제조하기 위해서는 비대칭 압출 금형을 사용하여야 하는데, 이러한 비대칭 압출 금형은 제조하기도 복잡할 뿐 아니라, 제조 비용도 높으며, 또한 금형의 파손시 수리하는데도 매우 복잡하며 비용도 많이 들어서 생산성이 낮다는 지적이 있다.

또한 실리콘 카바이드(SiC) 압출에 사용하는 금형은 일반 금속보다 내마모성이 높은 재질로 제조해야 하므로 제조단가가 매우 높다는 단점이 있다.

따라서, 고밀도 셀구조를 가지면서 배압차를 개선하는 압출 금형의 형상 설계의 최적화는 제품 특성 및 제조 공정에서도 절실히 요구되고 있는 현실이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 기존의 세그먼트의 생산 방식을 그대로 적용하면서 밀봉 방법만 달리 함으로써, 매연여과장치 내부에서의 배압 차이를 줄여 엔진에 무리를 주지 않으므로 엔진효율을 증대시킬 수 있는 허니컴 구조체 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 자유로운 밀봉이 가능하기 때문에 배압 설계에 용이하며 저밀도 세그먼트부터 고밀도 세그먼트에 동일하게 적용할 수 있기 때문에 다른 방식에 비해 매우 유리한 허니컴 구조체 및 그 제조 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

다수의 허니컴 세그먼트를 포함하되, 각 허니컴 세그먼트는 다공성 격벽에 의하여 다수의 셀로 구분되며, 셀들은 서로 평행한 상태로 허니컴 세그먼트의 축방향으로 연장되어 있으며, 각 셀의 유입 단부와 배출 단부 중 어느 한 단부는 충전재에 의하여 밀봉되며, 전체 셀에서의 유입 단부의 밀봉 비율은 배출 단부의 밀봉 비율보다 작은 것을 특징으로 하는 허니컴 구조체를 제공한다.

상기 본 발명의 허니컴 구조체는 길이방향에 수직인 단면에 있어서, 밀봉을 한 구멍의 수가 적은 단면부의 폐구멍 수의 비율은 10% 이상 50% 미만이고, 바람직하게는 20% 이상 49%이하가 좋으며, 더욱 바람직하게는 30% 이상 45%이하가 좋다. 또한 전단면과 후단면의 폐구멍 수의 비율의 합은 100%인 것이 바람직하다.

상기 본 발명의 허니컴 구조체에 포함되는 다공질 세라믹 부재는 규소 및 세라믹 복합재로 형성되어 있는 것이 바람직하고, 기공율이 30~80%인 것이 바람직하다. 또한 세라믹 부재의 격벽의 표면 조도가 1.0~30.0㎛인 것이 좋고, 두께는 0.05~1㎜인 것이 바람직하며 셀은 다각형 형상이며 격벽은 그 표면에 적어도 일부에 촉매 코팅층을 갖는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로 실리콘 카바이드(SiC) 분말, 조공제, 유기 바인더, 물, 무기 바이더를 조합한 혼련 공정을 통하여 혼합된 페이스트를 압출시켜 다수의 셀이 형성되어 있는 세그먼트를 제조하는 단계; 세그먼트의 셀의 단부를 레이져 펀처를 통해 밀봉하는 단계; 세그먼트를 소성하는 단계; 세라믹 접합제를 이용하여 세그먼트를 조합하여 세그먼트 접합 블록으로 제조하는 단계; 세그먼트 접합 블록의 외형을 가공하는 단계; 외형 가공이 끝난 세그먼트 접합 블록의 외벽부를 세라믹 접합재와 동일하거나 유사한 재료로 도포하는 단계; 세그먼트 접합 블록을 열처리하여 산화시키는 단계로 이루어지는 허니컴 구조체 제조방법을 제공한다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단인 허니컴 구조체 제조방 법에 있어 상기 레이져펀처를 통해 제조된 세그먼트는 레이져펀처 공정을 통해서 원하는 홀에 구멍을 생성한 것이며, 한 면의 개공율이 반대쪽의 개공율보다 큰 것이 바람직하며, 세그먼트를 밀봉공정에서 밀봉재의 조성은 세그먼트의 조성과 동일하거나 유사한 것이 바람직하며, 세그먼트 접합 블록 제조시 세라믹 접합재는 SiC분말, 세라믹 화이버, 세라믹 비드, 유기바인더, 무기바인더를 적절량 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 허니컴 구조체 및 그 제조 방법은 디젤엔진에 무리를 주지 않는 매연여과장치 설계가 가능하고 현재 공정에 적용중인 금형을 그대로 사용할 수 있으므로 제조비용 상승이 없고, 밀봉공정에서 자유로운 밀봉 패턴이 가능하므로 배압차 설계에 용이하다. 또한 저밀도 세그먼트부터 고밀도 세그먼트에 동일하게 적용할 수 있기 때문에 타 방식에 비해 매우 유리한 효과를 가진다.

본 발명은 다수의 셀이 격벽을 사이에 두고 길이방향으로 나란히 배열되어 있고, 이들 셀의 어느 일방의 단부를 밀봉하여 이루어지는 주상 다공질 세라믹 부재의 하나 또는 복수개의 조합으로 이루어지는 허니컴 구조체로서, 상기 허니컴 구조체는 단면부의 각 구멍의 형상과 면적이 동일하며, 단지 밀봉이 되어 있는 구멍 수의 비율이 전단부와 후단부에 차이가 있는 세라믹 부재로 이루어진 허니컴 구조 체에 관한 것이다. 상기 허니컴 구조체는 길이방향에 수직인 단면에 있어서, 밀봉을 한 구멍의 수가 적은 단면부의 폐구멍 수의 비율은 10% 이상 50% 미만이고, 전단면과 후단면의 폐구멍 수의 비율의 합은 100%인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 기존의 세그먼트의 생산방식을 그대로 적용하면서 밀봉(plugging)방법만 달리 함으로써 필터내의 배압차 문제를 해결하는데 그 특징이 있으며, 압출시 금형은 기존의 저밀도부터 고밀도의 금형을 그대로 사용을 하여 세그먼트를 압출해 내는 것은 기존의 방법과 동일하지만 다음공정인 밀봉공정에서 한쪽 단면부와 그 반대쪽 단면부의 밀봉율을 달리함으로써 입력단부의 셀내부 면적과 출력단부의 셀 내부 면적비를 달리하여 결과적으로 배압차이를 줄일 수 있다.

한쪽 단면부의 밀봉율을 50% 미만으로 하고, 반대면의 단면부는 그 나머지 부분을 밀봉하는 것이다. 이렇게 하여 밀봉율이 낮은 면을 입력단부로 하여 필터를 제조하게 되면 비대칭 세그먼트에서의 배압차 개선효과와 동일한 효과를 얻을 수 있게 된다. 이 때 밀봉율은 배압차이, 열전달특성, 세그먼트의 강도특성 등을 고려하여 일정하게 또는 주기적으로 밀봉위치를 설정할 수가 있다. 여기서 중요한 점은 한 단면부의 밀봉율이 10% 이상 50% 미만이며, 기존 금형을 그대로 적용하는 바둑판 모양의 형상이며, 단지 밀봉공정중에 선택적인 밀봉에 의해서 입력단부의 open cell 수를 많게 하여 상대적으로 출력단부에는 밀봉수가 많아지게 되므로 엔진에서 배출되는 PM(particle matter) 및 각종 Ash가 입력단부에 포집되어 배압차가 생기는 것을 방지할 수 있어 DPF의 수명을 연장시킬 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1에서 본 발명의 한 실시예에 따른 허니컴 구조체(1)의 사시도로서, 하니컴 구조체(1)는 복수의 허니컴 세그먼트(2)를 포함한다.

다수의 허니컴 세그먼트(2)가 접합제를 이용하여 일체화시켜 집합체를 만들고, 상기 집합체를 원형 단면, 타원 단면, 삼각 단면 그 밖의 단면이 되도록 가공하고, 주위를 코팅제층(4)을 형성함으로서 도 1에 도시된 허니컴 구조체(1)가 제조된다.

도 2(a)는 도 1에 도시된 허니컴 구조체(1)을 구성하는 어느 하나의 허니컴 세그먼트(2)의 사시도, 도 2(b)는 도 2(a)의 횡단면이다.

허니컴 세그먼트(2)는 다공질 격벽(6)에 의해 구획된 다수의 셀(5)을 포함하며, 각 셀(5)은 유체 유동 채널(fluid flowing channel)의 기능을 수행한다. 셀(5)은 이웃하는 셀들과 평행한 상태로 허니컴 세그먼트(2)의 축 방향으로 연장되어 있다.

허니컴 세그먼트(2)의 각 셀(5)은 유입단부(도 2b의 좌측단부) 및 배출단부(도 2b)의 배출 단부로 구분되며, 각 셀(5)의 유입 단부와 배출 단부 중 어느 한 단부가 충전재(7)에 의해 밀봉되어 있다.

상기와 같은 구조를 갖는 다수의 허니컴 세그먼트(2)가 포함된 허니컴 구조 체(1)가 장착된 매연여과장치에서는, 도 2(b)의 화살표에 도시한 바와 같이 배출 가스는 개방된 유입 단부를 통하여 셀(5) 내로 유입된 후, 다공질의 격벽(6)을 통과하여 인접한 다른 셀(5)의 개방된 배출 단부를 통하여 배출된다.

배출 가스가 격벽(6)을 통과하는 과정에서 배출 가스에 함유된 미립자가 격벽(6)에 포집됨으로서 배출 가스가 정화된다.

도 2 (a)에 도시된 허니컴 세그먼트(2)는 그 단면이 정방형상을 갖고 있지만, 삼각형 단면, 육각형 단면 등의 적절한 다각형의 단면 형상으로 할 수 있으며, 셀(5) 역시 삼각형, 육각형, 원형, 타원형 등과 같이 다양한 단면 형상을 가질 수 있다.

허니컴 세그먼트(2)의 재료는 특별히 한정하는 것은 아니며, 강도, 내열성의 관점에서 코디어라이트, 멀라이트, 알루미나, 스피넬, 탄화규소, 탄화규소-코디어라이트계 복합재, 규소-탄화규소 복합재, 질화규소, 리튬알루미늄 실리케이트, 티탄산 알루미늄, Fe-Cr-Al계금속으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 혹은 복수 종을 조합한 재료를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 적용범위는 압출방식으로 제조된 모든 세라믹 허니컴에 적용가능하다. 따라서 세그먼트의 조성방식을 살펴보면 재결정화방식은 30um 정도의 탄화규소분말과 1um 미만의 미세한 탄화규소 분말을 2000℃ 이상의 고온 환원분위기에서 재결정화하여 제조된 탄화규소 세그먼트이고, RBSC(Reaction Bonding Silicon Carbide)방식은 30um 정도의 탄화규소분말과 규소분말, 탄소 source를 약 1600℃ 이상의 환원분위기에서 반응시켜서 규소와 탄소가 반응하여 SiC로 전환되면서 30um 의 탄화규소분말을 결합시키는 방식이다.

또한 산화물결합 탄화규소질 세그먼트는 30um 정도의 탄화규소분말과 SiO2, Al2O3 등의 산화물을 1400℃ 이상의 산화분위기에서 열처리하여, 이러한 산화물이 액상소결되어 탄화규소 입자를 결합시키는 방식으로 실시예에서 이를 사용하였다. 추가로, 코디어라이트 재질 및 aluminium titanate 재질로 만든 DPF가 있다.

열전도율의 관점에서 허니컴 세그먼트(2)의 재료로서는 탄화규소 또는 규소-탄화규소 복합 재료가 적합하다.

허니컴 세그먼트(2)의 제조에서는, 전술한 것 중에서 선택된 재료에 메틸셀룰로오스, 히드록시프로폭실셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리비닐알코올 등의 바인더, 계면활성제나 물 등을 첨가하여 가소성의 배토를 마련하고, 이 배토를 압출 성형하여 격벽(6)에 의해 구획된, 축 방향으로 연장된 다수의 셀(5)을 갖는 허니컴 형상으로 만든다. 그리고, 최종적으로 마이크로파, 열풍 등에 의해 건조시킨 후, 소결함으로써 허니컴 세그먼트(2)를 제작할 수 있다.

이상에 의해 제작된 허니컴 세그먼트(2)의 각 셀(5)의 유입 단부 또는 배출 단부를 충전재(7)를 이용하여 선택적으로 밀봉하는 것이 바람직하다. 또한, 각 셀(5)의 유입 단부 또는 배출 단부를 인접하는 셀(5)과 교호 형태, 즉 체크 무늬 형태로 밀봉하는 것이 바람직하다.

충전재(7)에 의한 각 셀(5)의 유입 단부 또는 배출 단부의 밀봉은 다음과 같 은 과정을 통하여 이루어진다.

허니컴 세그먼트(2)의 단부(예를 들어, 유입 단부)를 수지 필름으로 덮은 상태에서, 개방하고자 하는 셀(5)에 레이저광을 조사하여 수지 필름을 제거하여 개방시키고, 이후 개방된 셀(5)의 단부에 슬러리형 충전재(7)를 압입한다.

이와 같이 셀(5)의 단부에 충전재(7)를 압입한 후, 건조시켜 소성함으로써 도 2(a) 및 도 2(b)에 도시된 구조를 갖는 허니컴 세그먼트(2)가 구성된다. 이 때, 충전재(7)는 허니컴 세그먼트(2)의 재료와 동일한 재료를 이용할 수 있다.

본 발명에 따른 허니컴 구조체에 있어서, 각 허니콤 세그먼트(2)를 구성하는 전체 셀(5)의 유입 단부 중 충전제(7)로 밀봉되지 않은 유입 단부의 비율은 10% 내지 50% 미만이고, 전체 셀(5)의 배출 단부 중 충전제(7)로 밀봉된 배출 단부의 비율은 50% 초과 내지 90% 이하가 바람직하다.

이와 같은, 허니컴 세그먼트(2)를 포함하는 허니컴 구조체에서는 셀들(5)의 유입 단부와 배출 단부를 비대칭 형상으로, 특히 유입 단부의 밀봉 비율이 배출 단부의 밀봉 비율보다 작다.

이러한 구조에서는, 각 격벽(6)에 입사상 물질의 침적층이 형성되더라도 배기 가스가 배출되는 배출 단부의 개방 비율이 상대적으로 넓기 때문에 배압 차가 현저히 감소하여 배기 가스의 원활한 배출이 이루어진다.

한편, 허니컴 세그먼트(2)를 접합하는 접착제(9)의 재료로서는, 허니컴 세그 먼트(2)의 재료에 맞는 것이 사용된다. 이 때문에, 접착제(9)로서는 세라믹스를 주성분으로 한 것이 적합하며, 탄화규소, 질화규소, 코디어라이트, 알루미나, 멀라이트 등의 무기 입자 또는 섬유와 콜로이달 실리카, 콜로이달 알루미나 등의 콜로이달 졸의 혼합물에 필요에 따라 금속 섬유 등의 금속, 조공재(造孔材), 각종 세라믹스 입자 등을 첨가한 재료를 선택할 수 있다.

접착제(9)의 열전도율로서는 0.1∼5 W/m·K가 양호하며, 0.2∼3 W/m·K인 것이 보다 바람직하다. 접착제(9)의 열전도율이 0.1 W/m·K 미만인 경우에는 허니컴 세그먼트(2) 사이의 열전달을 억제하여 허니컴 구조체 내의 온도를 불균일하게 하기 때문에 바람직하지 못하다. 한편, 열전도율이 5 W/m·K를 초과하는 경우에는 접합 강도가 저하되는 동시에 제조상 곤란해진다. 접착제(9)의 열팽창율로서는, 열충격 등으로 크랙이 생기는 것을 막을 필요가 있기 때문에, 비교적 낮은 것이 바람직하다. 이 때문에, 접착제(9)의 열팽창율은 1×10-6∼8×10-6/℃의 범위인 것이 바람직하고, 1.5×10-6∼7×10-6/℃의 범위인 것이 보다 바람직하며, 2×10-6∼6×10-6/℃의 범위인 것이 가장 바람직하다.

허니컴 구조체(1)의 제조에서는, 후술하는 배치 패턴의 조건에 의해 접착제(9)가 도포된 복수의 허니컴 세그먼트(2), 즉 접착제가 측면에 배치된 복수의 허니컴 세그먼트(2)를 정렬시켜 맞대고, 맞대어진 허니컴 세그먼트(2)를 압압함으로써, 조립하여 임시 허니컴 세그먼트 적층체를 형성한다. 압압력은 특별히 제한되지 않지만, 0.3∼3 kgf/㎠ 정도, 보다 바람직하게는 0.5∼2 kgf/㎠ 정도의 압력으로 행한다. 이 압압에 의해 인접한 허니컴 세그먼트(2)는 접착제(9)를 매개로 서 로 접합된다.

그 후에는 임시 허니컴 세그먼트 적층체를 건조실 내에서 가열함으로써, 접착제(9)를 건조 고화한다. 가열은, 예컨대 50∼150℃의 온도에서 행할 수 있고, 접착제(9)의 건조 고화에 의해 허니컴 세그먼트(2)가 강고하게 접합된 허니컴 세그먼트 적층체가 제작된다. 이 허니컴 세그먼트 적층체에 대하여, 원형 단면, 타원 단면, 삼각 단면 그 밖의 단면이 되도록 연삭 가공하고, 주위를 코팅제층(4)에 의해 피복함으로써 허니컴 구조체(1)를 제작한다.

본 발명에 있어서, 다공질 세라믹 부재의 소재로는 규소-세라믹 복합재를 사용하지만, 이 복합 부재를 사용하면, 부재의 열 전도율이 향상될 뿐만 아니라, 특히 세라믹 입자 사이에 개재하는 규소에 의해서 세라믹 입자간 결합력이 증대하고, 그것에 의해 상기 크랙의 발생을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.

세라믹 입자 사이에 규소를 개재시켜서 접합하여 이루어지는 규소-세라믹 복합재로 형성되는 다공질 세라믹 부재는, 규소를 개재시키고 있지 않은 경우와 비교하여 영률이 낮아지는 경향이 있고, 그 영률이 낮아지면, 같은 힘을 가했을 때의 휨량이 작아지기 때문에, 같은 정도의 디젤 엔진의 진동이나 배기가스의 압력에 의한 진동에서는 그 세라믹 부재의 벽부가 휘는 일이 없고, 그 결과, 격벽에 축적된 애쉬가 잘 박리되지 않는다.

상기 서술한 애쉬의 박리를 쉽게 하기 위해서는, 허니컴 구조체 (예를 들어, 다공질 세라믹 부재) 의 격벽의 기공률을 30∼80% 로 하는 것, 격벽의 표면 조 도 (Ra) 를 1.0∼30.0㎛ 로 하는 것, 또는 격벽의 두께를 0.15∼0.45㎛ 로 하는 것이 유효하다.

본 발명에 있어서, 허니컴 구조체의 격벽의 기공률, 그 표면 조도 (Ra), 그 두께를 상기한 바와 같은 수치 범위 내로 한 경우, 대량의 미립자를 포집할 수 있음과 동시에, 대량의 애쉬가 축적되더라도 애쉬의 박리를 용이하게 할 수 있다.

본 발명에 의하면, 규소-세라믹 복합재가 세라믹스와 규소이라는 2 종류의 상이한 물성을 갖는 재료가 서로 혼합되어 구성되어 있기 때문에, 기공률을 비교적으로 크게 한 경우에, 격벽 상에 축적되는 애쉬를 박리하기 쉽다.

상기 서술한 바에서 알 수 있듯이, 본 발명에 있어서는, 허니컴 구조체를 구성하는 다공질 세라믹 부재를, 세라믹스와 규소로 이루어지는 것, 특히 세라믹 입자 사이에 접합제로서의 작용을 갖는 규소를 개재시켜 입자간 접합한 것으로 이루어지는 규소-세라믹 복합재로 형성한 점에 특징이 있고, 특히, 이러한 복합재로 이루어지는 격벽의 기공률을 30∼80% 로 비교적으로 크게 하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직한 범위는 30∼65% 이다.

본 발명에 있어서, 상기 메카니즘은 반드시 분명한 것은 아니지만, 상기 기공률이 30% 미만인 경우, 배기가스의 유입이 부분적으로밖에 일어나지 않아, 벽부 전체의 애쉬를 박리시키는 데에 충분한 진동이 일어나지 않으므로, 애쉬를 용이하게 박리시킬 수 없는 것으로 생각된다.

한편, 격벽의 기공률이 80% 를 초과하는 경우, 배기가스의 유입은 용이하게 되지만, 진동이 공진하지 않고, 오히려 상쇄되기 때문에, 애쉬의 박리 효과가 낮아 지는 것으로 생각된다. 물론 단순히 벽 내에 부착되기 쉬워지기 때문이라고도 생각할 수 있다. 또한, 기공률이 80% 를 넘으면, 강도가 저하되어 열충격에도 약하게 된다.

상기 격벽의 표면 조도는, JIS B 0601-2001 에 규정된 산술 평균 조도 (Ra) 로 환산하여, 1.0∼30.0㎛의 범위인 것이 바람직하다.

그 격벽의 표면 조도 (Ra) 가 1.0 미만인 경우, 메카니즘이 확실하지는 않지만, 배기가스의 유입이 일어나기 어렵고, 영률이 낮다는 점에서, 배기가스 유입에 의한 진동이 일어나기 어려워, 애쉬의 박리 효과가 작아진다. 한편, 격벽의 표면 조도(Ra) 가 30.0㎛ 를 넘는 것에서는 배기가스의 유입이 일어나기 쉬워지지만, 진동이 공진하지 않고 상쇄되기 때문에, 애쉬의 박리 효과가 작아지는 것으로 생각된다. 물론 단순히 벽 내에 부착되기 쉬워지기 때문이라고도 생각할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서, 벽부의 두께는, 0.05~1㎜ 의 범위로 하는 것이 열충격에 강하고, 또한 애쉬를 박리시키기 쉽게 하는 점에서 바람직하다.

벽부의 두께가 1㎜ 보다 큰 경우에는, 배기가스의 유입이 일어나기 어렵고, 영률이 낮다는 점에서, 배기가스 유입에 의한 진동이 일어나기 어렵기 때문에, 애쉬의 박리 효과가 작아지고, 한편, 벽부의 두께가 0.05㎜ 미만인 경우에는, 배기가스의 유입이 일어나기 쉬워지지만, 진동이 공진하지 않고 상쇄되기 때문에, 애쉬의 박리효과가 작아지며, 여기에 추가하여, 강도가 저하되어 열충격에도 약해지게 된다.

이러한 허니컴 필터에서는, 압력 손실의 증가를 효과적으로 억제할 수 있기 때문에, 종래의 필터와 비교하여, 단위 체적당 미립자의 포착 가능한 양이 많아지고, 필터의 재생이 필요해질 때까지의 기간이 길어진다.

또한, 미립자 (애쉬) 의 축적량이 많아지면 그 상태에서는 사용하기가 불가능하게 되어, 배기관으로부터 꺼내어 역세정하거나, 폐기하게 되지만, 이러한 역세정 등을 필요로 하기까지의 기간도 길게 할 수 있어, 수명이 길어진다. 이하, 역세정 등을 하기까지의 기간을 간단히 수명이라고 한다.

본 발명인 허니컴 구조체에 있어 셀(5)의 단면은 다각형 형상으로 사각형과 팔각형인 것을 특징으로 하며 셀(5)의 모서리부는, 라운드 (곡선형)로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 그 이유는, 셀의 모서리부에 있어서의 응력 집중을 방지할 수 있어, 크랙의 발생을 방지할 수 있기 때문이다.

다음으로, 세라믹 부재의 격벽 표면에 금속 산화물의 분말이 혼입된 용액을 도포하여 함침시킨다. 그 때, 110∼200℃로 2 시간 정도 가열하여 건조시킨 후, 본 소성을 실시한다. 본 소성의 온도는, 바람직하게는 500∼1000℃ 이고, 처리 시간은 1∼20 시간이 바람직하다. 소성 온도가 500℃ 보다 낮으면 결정화가 진행되지 않기 때문이고, 한편, 1000℃ 보다도 높으면, 결정이 지나치게 진행되어 표면적이 저하되는 경향이 있기 때문이다. 또한, 이들 공정 전후의 질량을 측정함으로써, 담지량을 계산할 수 있다. 또, 알루미나 함침을 실시하기 전에, 세라믹 부재의 격벽에 있어서, 각각의 입자 표면에 습윤성을 향상시키는 처리를 실시하는 것이 바람직하다. 예를 들어, HF 용액에 의해 탄화규소 입자 표면을 개질시키면, 촉매 용액과의 습윤성이 향상되게 되어, 촉매 코팅층을 형성한 후의 표면 조도가 높은 것이 된다.

상기 허니컴 구조체는, 특별히 한정하지는 않으나 규소-세라믹 복합재로 이루어지는 다공질 세라믹 부재를 복수개 결속시켜 하나의 구조체로 형성하여 이루어지는 것이 바람직하다. 세그먼트는 하기와 같이 다른 조성으로도 제작가능하다.

재결정화방식은 30um 정도의 탄화규소분말과 1um 미만의 미세한 탄화규소 분말을 2000℃ 이상의 고온 환원분위기에서 재결정화하여 제조된 탄화규소 세그먼트이고 RBSC(Reaction Bonding Silicon Carbide)방식은 30um 정도의 탄화규소분말과 규소분말, 탄소 source를 약 1600℃ 이상의 환원분위기에서 반응시켜서 규소와 탄소가 반응하여 SiC로 전환되면서 30um의 탄화규소분말을 결합시키는 방식이다. 또한 산화물결합 탄화규소질 세그먼트는 30um 정도의 탄화규소분말과 SiO2, Al2O3 등의 산화물을 1400℃ 이상의 산화분위기에서 열처리하여, 이러한 산화물이 액상소결되어 탄화규소 입자를 결합시키는 방식을 가지고 있으며, 그 밖에 코디어라이트 재질 및 aluminium titanate 재질로 만든 DPF가 있다.

본 발명은 차량의 입자상 물질을 함유하는 배기가스 정화용 필터로서 사용되는 것이 바람직하다.

본 발명은 실리콘 카바이드(SiC) 분말, 조공제, 유기 바인더, 물, 무기 바이더를 조합한 혼련 공정을 통하여 혼합된 페이스트를 압출시켜 다수의 셀이 형성되어 있는 세그먼트를 제조하는 단계; 세그먼트의 셀의 단부를 레이져 펀처를 통해 밀봉하는 단계; 세그먼트를 소성하는 단계; 세라믹 접합제를 이용하여 세그먼트를 조합하여 세그먼트 접합 블록으로 제조하는 단계; 세그먼트 접합 블록의 외형을 가공하는 단계; 외형 가공이 끝난 세그먼트 접합 블록의 외벽부를 세라믹 접합재와 동일하거나 유사한 재료로 도포하는 단계; 세그먼트 접합 블록을 열처리하여 산화시키는 단계로 이루어지는 허니컴 구조체 제조방법에 관한 것이다.

이하 제조 프로세스를 설명한다.

SiC분말, 조공제, 유기바인더, 물, 무기바인더를 적당량 조합한 후 혼련과정을 거쳐 균일하게 혼합된 혼합 페이스트를 제조한다. 위의 혼합 페이스트를 압출기에 투입하여 일정크기의 세그먼트를 제조한다. 위의 압출 세그먼트를 마이크로웨이브 건조기에 투입하여 압출세그먼트에 포함된 수분의 일정량을 균일하게 건조시킨 후 열풍건조기를 투입하여 압출 세그먼트에 포함되어 있는 수분을 완전히 제거한다.

세그먼트의 밀봉공정에 앞서, 레이져펀처 공정을 통해서 원하는 홀에 구멍을 생성해 주는데, 이 때 한 면의 개공율이 반대쪽의 개공율보다 커야 한다. 이렇게 해야 최종 제작된 소성 세그먼트에서 각 면의 개공율이 다르게 되어 비대칭셀의 효과를 얻을 수 있다. 레이져펀쳐를 통해 제조된 세그먼트를 밀봉공정을 통해서 밀봉을 하게 되는데 밀봉재의 조성은 세그먼트의 조성과 동일하거나 유사하게 제조된다.

세그먼트의 입자성질에 따라서 환원분위기에서 소성할 수 있고, 산화분위기에서 소성할 수 있다. 본 발명은 세그먼트의 밀봉율의 차이에 따른 비대칭셀 효과를 나타내는 것이기 때문에 어느 소성분위기에서 사용하더라도 문제가 없다. 소성 이 끝난 세그먼트를 적당량 조합하여 세그먼트 접합 블록을 제조한다. 이 때 사용하는 세라믹 접합재는 SiC분말, 세라믹 화이버, 세라믹 비드, 유기바인더, 무기바인더를 적당량 조합하여 균일하게 혼합한 후 사용할 수 있다. 접합이 끝나면 열풍건조기에 투입하여 세라믹접합재에 포함되어 있는 수분을 완전히 제거한다.

다음으로 세그먼트 접합 블록을 일정형태로 외형가공을 한다. 가공방법은 연삭, 절삭을 할 수도 있고, 톱을 사용하여 절단할 수 있다.

외형가공이 끝난 가공품의 외벽부를 세라믹 접합재와 동일하거나 유사한 재료나 일반 코팅제로 도포를 하여 준다. 이렇게 함으로써 외벽가공부위의 오픈 셀을 막아줄 수 있고 제품의 강도도 보완할 수 있다. 외벽도포가 끝나면 열풍건조기에 투입하여 외벽도포재에 포함되어 있는 수분을 완전히 제거할 수 있다. 최종 외벽도포품을 열처리로에 투입하여 500~1000℃ 사이의 산화분위기 속에서 열처리를 한다. 이렇게 함으로써 외벽도포재에 포함된 유기바인더를 제거할 수 있으며, 외벽도포제에 포함된 무기바인더가 화학적으로 결합하여 강도를 증진시킬 수 있다. 열처리가 끝나면 DPF용 SiC 허니컴 담체가 완성된다.

[실시예]

이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 이는 발명의 구체적인 이해를 돕기 위한 것으로 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다

실험방법은 아래와 같은 구조의 설비이며, 실험방법과 결과는 아래와 같다.

1) 카본블랙 분말 로딩 후 배압테스트

장치내에 실험예1, 2, 비교예3 세그먼트를 장착하고 carbon black 분말 20g을 로딩한 후 air를 통과하였을 때 P1과 P2의 배압차를 알아본 내용이다. 실험예1은 33% 밀봉한 것이고, 실험예2는 43.2% 밀봉, 비교예는 기존의 50%를 밀봉한 것이다. 비교예에서 배압차를 100%로 하였을 때 실험예1과 2는 비교예 배압차의 65%, 85%임을 나타낸다. 정확한 수치는 기입하지 않는 것이 좋을 것 같아서 비율로 표시하고자 한다.

	비교예	실험예1	실험예2
배압차 비율	100%	65%	85%

2) 일정 배압차를 나타내는 카본블랙 분말 로딩 양 비교

장치내에 실험예1, 2, 비교예3 세그먼트를 테스트함에 있어서 동일한 배압차를 나타내는 카본블랙분말의 로딩양을 비교한 것이다. 이것도 마찬가지로 로딩양을 비율로 표시하고자 한다.

	비교예	실험예1	실험예2
로딩양 비율	100%	135%	127%

배압차를 테스트해본 결과 PM 로딩에 따른 배압차가 분명히 개선된 결과를 나타내 주었으며, 동일한 배압차를 나타내는데 필요한 PM 로딩양에 있어서도 더 많은 것으로 보아 재생주기의 연장에도 효과가 있음을 알 수 있다.

이하 구체적으로 밀봉된 세그먼트의 도면을 이용하여 기술한다. 하기의 도면은 일 실시예에 불과할 뿐 특별히 기술범위를 한정시킨 것은 아니다.

도 3(a)는 일반적인 허니컴 세그먼트의 정면도, 도 3(b)는 비대칭압출금형을 통해 생산된 비대칭 세그먼트의 단면도, 도 3(c) 및 3(d)는 본 발명의 각 실시예에 따른 허니텀 세그먼트의 정면도로서, 일부의 셀의 유입 단부를 밀봉하고 있는 충전재의 배열을 도시하고 있다.

도 3(a)에 도시된 일반적인 허니컴 세그먼트를 구성하는 다수의 셀 의 유입 단부 중 50%의 유입 단부가 충전제로 밀봉된 상태이다.

도 3(b)는 비대칭 세그먼트의 단면도로서, 비대칭 압출금형을 사용하여 제작한 것으로 제조하기 복잡할 뿐 아니라 비용도 많이 들고 생산성이 매우 낮은 단점이 있다.

도 3(c)에서는 셀의 유입 단부 중 33%의 유입 단부가 충전제로 밀봉된 구조를 도시한다. 도 3(a)에 도시된 일반적인 허니컴 세그먼트과 비교하여, 셀의 유입 단부가 더 많이 개방(6.8%)되어 있으며, 이 비율과 비례하여 더 많은 입자상 물질 또는 분진을 포집할 수 있다.

한편, 도 3(d)에서는 43.2%의 셀의 유입 단부가 밀봉된 구조를 도시하고 있다. 밀봉 방식을 다양화 함으로써 셀의 유입 단부와 배출 단부의 밀봉율을 조절할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 유입 단부와 배출 단부의 비대칭 밀봉율로 인하여 매연여과장치 내에서의 배압차를 개선할 수 있다.

본 발명은 매연여과장치에 한정하는 것은 아니며, 환경에 대한 영향을 고려하여 배기 가스의 미립자 성분 및 유해물질의 제거에 필요한 다른 분야에도 유용하게 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 세그먼트의 결합체인 허니컴 구조체를 보인 사시도이다.

도 2는 본 발명에 따른 일 실시예로서 세그먼트(a), 상기 세그먼트의 내부구조(b)를 보인 사시도 및 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 일 실시예로서 종래의 밀봉과정(a)과 대비되는 밀봉예(c), (d)를 도시한 단면도이다. (b)는 비대칭 세그먼트에 관한 단면도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1: 허니컴 구조체 2: 허니컴 세그먼트

4: 코팅층 5: 셀

6: 격벽 7: 충전재

9: 접착제

Claims (12)

1. 다수의 허니컴 세그먼트를 포함하되, 각 허니컴 세그먼트는 다공성 격벽에 의하여 다수의 셀로 구분되며, 셀들은 서로 평행한 상태로 허니컴 세그먼트의 축방향으로 연장되어 있으며,

   각 셀의 유입 단부와 배출 단부 중 어느 한 단부는 충전재에 의하여 밀봉되며, 전체 셀에서의 유입 단부의 밀봉 비율은 배출 단부의 밀봉 비율보다 작은 것을 특징으로 하는 허니컴 구조체
2. 제 1항에 있어서

   전체 셀에서의 유입 단부의 밀봉 비율은 10% 내지 50% 미만인 것을 특징으로 하는 허니컴 구조체
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   허니컴 세그멘트는 다공질 부재로서, 규소 및 세라믹 복합재로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 허니컴 구조체
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   허니컴 세그멘트는 기공율이 30~80%이고 표면 조도가 1.0~30.0㎛인 것을 특징으로 하는 허니컴 구조체
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   격벽의 두께가 0.05~1㎜인 것을 특징으로 하는 허니컴 구조체
6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   셀은 그 단면 형상이 다각형인 것을 특징으로 하는 허니컴 구조체
7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   셀은 단면 모서리부가 라운드형상인 것을 특징으로 하는 허니컴 구조체
8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   격벽의 표면은 적어도 일부에 형성된 촉매 코팅층을 갖는 것을 특징으로 하는 허니컴 구조체
9. 실리콘 카바이드(SiC) 분말, 조공제, 유기 바인더, 물, 무기 바이더를 조합한 혼련 공정을 통하여 혼합된 페이스트를 압출시켜 다수의 셀이 형성되어 있는 세그먼트를 제조하는 단계;

   세그먼트의 셀의 단부를 밀봉하되, 한 단부의 밀봉율은 다른 단부의 밀봉율보다 크게 밀봉하는 단계;

   세그먼트를 소성하는 단계;

   세라믹 접합제를 이용하여 세그먼트를 조합하여 세그먼트 접합 블록으로 제조하는 단계;

   세그먼트 접합 블록의 외형을 가공하는 단계;

   외형 가공이 끝난 세그먼트 접합 블록의 외벽부를 코팅제로 도포하는 단계;

   세그먼트 접합 블록을 열처리하여 산화시키는 단계로 이루어지는 허니컴 구조체 제조방법.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 열처리 단계는 500~1000℃ 의 온도 하에서 실시되는 것을 특징으로 하는 허니컴 구조체 제조방법.
11. 제 9항에 있어서,

    세그먼트를 밀봉공정에서 밀봉재의 조성은 세그먼트의 조성과 동일한 것을 특징으로 하는 허니컴 구조체 제조방법.
12. 제 9항에 있어서,

    세그먼트 접합 블록 제조시 세라믹 접합재는 SiC분말, 세라믹 화이버, 세라믹 비드, 유기바인더, 무기바인더를 적절량 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 허니컴 구조체 제조방법.

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