KR20140137142A - 하니 코일 현상을 이용한 다공성 물질의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 점성이 있는 물질을 일정 높이에서 떨어뜨리면 코일 형상이 형성되는 하니 코일 현상을 이용하여 내부에 다수의 공극을 가진 다공성 물질을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은, (a) 노즐과 이 노즐로부터 하향 이격된 위치에 주조틀을 배치하는 단계와, (b) 다공성 물질의 소재를 가열하여 용융시키는 단계와, (c) 상기 (b)단계에서 용융된 소재를 상기 노즐로 공급하는 단계와, (d) 상기 용융된 소재를 상기 노즐을 통하여 상기 주조틀로 낙하시킴으로써 상기 용융된 소재가 하니 코일 현상에 의해 내부에 공극이 형성된 다공성 구조를 갖도록 하는 단계와, (e) 상기 (d)단계를 통해 다공성 구조를 갖게 된 소재를 냉각하여 다공성 물질을 얻는 단계를 포함하여 이루어지는 하니 코일 현상을 이용한 다공성 물질의 제조방법을 제공한다.

Description

하니 코일 현상을 이용한 다공성 물질의 제조방법{Method for manufacturing porous material using liquid rope coil effect}

본 발명은 다공성 물질의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 점성이 있는 물질을 일정 높이에서 떨어뜨리면 코일 형상이 형성되는 하니 코일 현상을 이용하여 내부에 다수의 공극을 가진 다공성 물질을 제조하는 방법에 관한 것이다.

다공성 물질은 내부에 빈 공간인 공극(pore)을 가짐으로써 천연 고분자 화합물이나 바이러스 등의 콜로이드 용액이 통과할 수 없는 물질을 말한다.

다공성 물질은 수소 가스 또는 메탄 가스 등을 흡착하여 저장한다든지, 높은 공극률에 의해 단열 성능을 갖도록 하는 등 여러 가지 기능을 부여한 소재를 제조하는 데에 널리 쓰이고 있다.

이러한 다공성 물질의 대표적인 예로는 제올라이트가 일반 대중들에게까지도 알려져 있으며, 제조 공정을 단순화함과 아울러 기존의 제올라이트를 능가하는 유용한 기능의 다공성 물질을 얻기 위한 노력이 다방면으로 이루어지고 있다.

다공성 물질을 제조하기 위한 방법으로는 여러 가지가 있는데, 하기 선행기술문헌의 특허문헌 1과 같이 화학적 반응에 의해 다공성 구조를 갖도록 하는 방법들이 주를 이루고 있다. 이처럼 화학적 프로세스를 거쳐 다공성 물질을 제조하는 데에는 공정을 진행하기 위한 고비용의 플랜트가 구축되어야 할 뿐만 아니라, 유해한 화학물질을 안전하기 관리하여야 할 필요가 있다.

[특허문헌 1] 대한민국 등록특허 제10-0576732호(명칭 : 금속-포르메이트 다공성 결정물질 및 그 제조방법, 특허권자 : 학교법인 포항공과대학교)

전술한 바와 같이, 현재의 일반적인 다공성 물질을 제조하기 위한 방법들은 화학적 반응을 이용하고 있기 때문에, 고가의 비용이 소요됨은 물론 유해 화학물질의 관리 부주의시 안전 사고가 발생할 우려가 크다는 문제가 있다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 개선하기 위해 개발된 것으로서, 그 목적은, 저렴한 비용으로 다공성 물질을 제조할 수 있을 뿐만 아니라 공정 수행이 안전하게 이루어질 수 있는 하니 코일 현상을 이용한 다공성 물질의 제조방법을 제공하는 데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, (a) 노즐과 이 노즐로부터 상하 이격된 위치에 주조틀을 배치하는 단계와, (b) 다공성 물질의 소재를 가열하여 용융시키는 단계와, (c) 상기 (b)단계에서 용융된 소재를 상기 노즐로 공급하는 단계와, (d) 상기 용융된 소재를 상기 노즐을 통하여 상기 주조틀로 부음으로써 상기 용융된 소재가 하니 코일 현상에 의해 내부에 공극이 형성된 다공성 구조를 갖도록 하는 단계와, (e) 상기 (d)단계를 통해 다공성 구조를 갖게 된 소재를 냉각하여 다공성 물질을 얻는 단계를 포함하여 이루어지는 하니 코일 현상을 이용한 다공성 물질의 제조방법을 제공한다.

상기 구성에 있어서, 상기 (a)단계에서 노즐과 주조틀의 이격 높이를 조절함으로써, 상기 (d)단계를 통해 형성되는 상기 다공성 구조의 공극 크기를 조절할 수 있다.

위와 같이 구성된 본 발명은 다공성 물질의 소재를 가열 융융시켜 부은 후 냉각시키는 간단한 공정을 통해 다공성 물질을 제조하게 되므로, 공정 프로세스가 간소하고 소요되는 비용도 저렴할 뿐만 아니라, 종래의 화학적인 프로세스 관리가 배제되므로 공정 수행이 안전하게 이루어지는 효과가 있다.

특히, 본 발명에 따라 제조되는 다공성 물질은 내부에 형성된 공극으로 인해 보다 가벼운 중량의 물질을 제조할 수 있으므로, 다양한 산업 분야에 적용이 될 수가 있을 것이다. 예컨대, 다공성 물질의 소재가 유리인 경우, 공극률이 높은 다공성 유리 제품을 제조하면 단열 성능이 우수한 유리 제품을 얻을 수가 있다.

도 1은 하니 코일의 형성 원리를 설명하기 위해 점성 물질을 붓는 모습을 나타낸 그림이다.
도 2는 도 1에서 하니 코일이 형성될 때 점성 물질의 하단부가 좌굴되는 모습을 나타낸 그림이다.
도 3은 하니 코일의 형성 모습을 예시한 그림이다.
도 4는 하니 코일의 형성시 좌굴되는 모습을 나타낸 그림이다.
도 5는 본 발명에 따른 다공성 물질의 제조방법에 대한 흐름도이다.
도 6은 본 발명에 따라 다공성 물질을 제조하는 과정을 나타낸 모식도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

먼저, 본 발명에 따른 다공성 물질의 제조방법을 수행하기 위한 원리를 설명한다.

본 발명에서는 다공성 물질을 제조하기 위해 하니 코일 현상(Honey Coil 또는 Liquid Rope Coil Effect)으로 알려진 물리적 원리를 응용한다.

하니 코일 현상이란, 꿀과 같이 점성이 있는 물질(이하, '점성 물질'이라 함)을 일정 높이에서 부으면 점성 물질이 고이는 위치에서 코일의 형상을 만들면서 적층되는 현상을 말하는데, 해당 점성 물질의 점성이나 유동성 등과 같은 물리적 특성, 직경 및 속도에 따라 외관상 다소의 차이는 있다.

그리고, 이렇게 코일이 형성되는 과정에서 코일의 내측에 있던 공기가 점성 물질에 둘러싸이게 됨으로써, 코일은 수많은 공기방울을 머금은 상태가 된다.

도 1은 하니 코일의 형성 원리를 설명하기 위해 점성 물질을 붓는 모습을 나타낸 그림인데, 점성 물질을 일정 높이에서 부으면 도 1과 같이 상부에서는 중력에 의해 점성 물질의 줄기가 인장되어 직경이 점차 줄어들게 되고, 하부에서는 바닥면과 만나면서 일정 구간 압축력이 발생하게 된다.

그리고, 압축을 받은 점성 물질 줄기의 하단은 도 2에 도시된 그림과 같이 좌굴이 발생하게 되며, 좌굴 발생 이후에는 점성 물질 줄기가 인장을 받게 됨으로써 더 이상 외측으로 나아가지 못하고 좌측 또는 우측으로 회전하게 된다.

점성 물질 줄기의 회전 속도가 빠르지 않을 경우에는 즉시 퍼져서 회전하는 흐름만 있지만, 회전 속도가 빠를 경우에는 형성된 코일이 퍼지기 전에 그 다음 코일이 형성되어 도 3의 그림과 같이 일정 높이(h)와 직경(d)을 갖는 코일이 적층 형성된다.

또, 점성 물질 줄기의 회전 속도가 더 빨라지게 되면 코일의 적층 높이가 높아지게 됨으로써, 도 4의 그림과 같이 코일 자체의 좌굴(buckling)이 발생하게 된다. 이때 코일에 둘러싸인 내측의 공기가 점성 물질에 의해 갇히게 되어 결국 공기방울을 머금은 물질인 다공성 물질이 된다.

특히, 점성 물질을 붓는 높이가 낮을수록 점성 물질 줄기가 회전하면서 바닥에 고여있는 점성 물질에 흡수되면서 퍼지게 되지만, 점성 물질을 붓는 높이가 높을수록 점성 물질 줄기의 직경은 가늘어지고 속도는 증가하게 되어 바닥에 고여있는 점성 물질에 흡수되기 전에 코일을 형성하게 된다.

한편, 점성 물질에 갇히는 공기방울의 크기는 형성되는 코일의 직경과 관련이 있다. 즉, 직경이 큰 코일이 형성될 때 큰 공기방울이 형성되며, 직경이 작은 코일이 형성될 때는 작은 크기의 공기방울이 형성된다. 일반적으로, 점성 물질을 내리붓는 높이가 높아질수록 형성되는 코일의 직경은 작아지게 되는데, 이에 따라 공기방울의 크기가 큰 다공성 물질을 만들고자 할 경우에는 점성 물질을 붓는 높이를 낮추어주고, 공기방울의 크기가 작은 다공성 물질을 만들고자 할 경우에는 점성 물질을 붓는 높이를 높여주면 된다.

코일의 크기 및 공기방울의 크기는 물질마다 달라지기 때문에 사용하고자 하는 물질을 융융 상태(즉, 점성을 가진 상태)에서 반복 실험을 통해 특성을 파악한 후, 원하는 크기의 공기방울(공극)을 포함하는 다공성 물질을 제조할 수가 있다.

또, 위의 설명과 같이 점성 물질을 부어서 코일을 형성하고 이 코일이 좌굴됨에 따라 공기방울이 포함된 상태가 되도록 하는 과정을 반복하게 되면 공기방울의 수가 증가하게 되므로, 과정의 반복 회수를 조절함으로써 다공성 물질의 기공률을 제어할 수가 있다.

<실시예>

도 5는 본 발명에 따른 다공성 물질의 제조방법에 대한 흐름도이고, 도 6은 본 발명에 따라 다공성 물질을 제조하는 과정을 나타낸 모식도이다.

본 발명의 실시예에서는 금속 또는 유리를 다공성 물질로 제조하기 위한 소재(이하, '다공성 물질의 소재')로 사용하게 되며, 이 다공성 물질의 소재(M1)를 용융시키기 위한 용융로(1)와, 용융된 소재(M2)를 붓기 위한 노즐(2a)이 구비된 컨테이너(2), 그리고 노즐(2)로부터 용융된 소재(M2)를 내리부을 때 일정한 형상으로 제작하기 위한 주조틀(3)을 준비한다.

본 발명의 제1단계인 (a)단계에서는 위와 같이 준비된 노즐(2a)이 구비된 컨테이너(2)와 주조틀(3)을 서로 상하 이격된 상태로 배치한다. 즉, 주조틀(3)을 바닥에 배치함과 아울러 이 주조틀(3)로부터 일정 높이에 컨테이너(2)를 배치함으로써, 노즐(2a)로부터 하향 이격된 위치에 주조틀(3)이 위치하는 배치가 이루어지도록 한다(S1).

제2단계인 (b)단계에서는 다공성 물질의 소재(M1)를 용융로(1)에 장입하여 이 다공성 물질의 융융 온도까지 가열함으로써 다공성 물질의 소재(M1)를 용융시킨다(S2). 이렇게 용융된 다공성 물질의 소재는, 본 발명의 원리에서 설명한 점성 물질과 동일한 상태가 된다. 즉, 용융된 다공성 물질의 소재는 점성을 가진 상태가 되는 것이다.

제3단계인 (c)단계에서는 위의 (b)단계에서 용융된 소재(M2)를 노즐(2a)이 구비된 컨테이너(2)로 공급한다(S3). 이때, 컨테이너(2)에는 용융된 소재(M2)의 수위를 유지하기 위한 오버플로우 라인(overflow line : 2b)을 융용로(1)와 연통하도록 설치하는 것이 바람직하다.

제4단계인 (d)단계에서는 컨테이너(2)로 공급된 용융된 소재(M2)를 노즐(2a)을 통하여 주조틀(3)로 붓는다(S4-1). 그러면, 용융된 소재(M2)가 전술한 바와 같은 하니 코일 현상에 의해 내부에 공극(P)이 형성된 다공성 구조를 갖게 된다(S4-2).

제5단계인 (e)단계에서는 위와 같이 다공성 구조를 갖게 된 소재를 공냉 또는 별도의 냉각장치를 이용하여 냉각시킴으로써(S5-1) 다공성 물질(M3)을 얻는다(S5-2). 이렇게 얻어진 다공성 물질(M3)은 주조틀(3)로부터 탈형하여 원하는 목적에 맞게 사용하면 된다.

한편, 상기 (d)단계를 통해 형성되는 다공성 구조의 공극(P) 크기를 조절하기 위해서는, 상기 (a)단계에서 노즐(2a)과 주조틀(3)의 이격 높이를 미리 조절해두면 된다. 즉, 본 발명의 원리에서 설명한 바와 같이, 점성 물질을 내리붓는 높이가 높아질수록 형성되는 코일의 직경은 작아지게 되고, 직경이 작은 코일이 형성될 때는 작은 크기의 공극이 형성되므로, 공극(P)의 크기가 큰 다공성 물질(M3)을 얻고자 할 경우에는 노즐(2a)과 주조틀(3)의 이격 높이를 짧게 함으로써 용융된 소재(M2)를 붓는 높이를 낮추어주고, 공극(P)의 크기가 작은 다공성 물질(M3)을 얻고자 할 경우에는 노즐(2a)과 주조틀(3)의 이격 높이를 길게 함으로써 용융된 소재(M2)를 붓는 높이를 높여주면 된다.

이상에서는 본 발명을 바람직한 실시예에 의거하여 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

1 : 용융로 2 : 컨테이너
2a : 노즐 2b : 오버플로우 라인
3 : 주조틀 M1 : 다공성 물질의 소재
M2 : 용융된 소재 M3 : 다공성 물질

Claims (2)

1. (a) 노즐과 이 노즐로부터 상하 이격된 위치에 주조틀을 배치하는 단계;
   (b) 다공성 물질의 소재를 가열하여 용융시키는 단계;
   (c) 상기 (b)단계에서 용융된 소재를 상기 노즐로 공급하는 단계;
   (d) 상기 용융된 소재를 상기 노즐을 통하여 상기 주조틀로 부음으로써 상기 용융된 소재가 하니 코일 현상에 의해 내부에 공극이 형성된 다공성 구조를 갖도록 하는 단계;
   (e) 상기 (d)단계를 통해 다공성 구조를 갖게 된 소재를 냉각하여 다공성 물질을 얻는 단계를 포함하여 이루어지는 하니 코일 현상을 이용한 다공성 물질의 제조방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 (a)단계에서 노즐과 주조틀의 이격 높이를 조절함으로써, 상기 (d)단계를 통해 형성되는 상기 다공성 구조의 공극 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 하니 코일 현상을 이용한 다공성 물질의 제조방법.

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