KR20160064804A

KR20160064804A - 다공질 세라믹스 소재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20160064804A
Application number: KR1020140168942A
Authority: KR
Inventors: 황기영; 송인혁; 하장훈
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2014-11-28
Publication date: 2016-06-08

Abstract

본 발명은 다공질 세라믹스 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상기 다공질 세라믹스 소재는 세라믹 분말과 중공형의 기공 형성제를 포함하여 이루어지고, 구형 기공을 갖는 다공질층과 구형 기공이 상기 다공질층보다 억제된 치밀층이 서로 교대로 적층되며, 상기 기공 형성제는 폴리메틸메스아크릴레이트(Polymethylmethacrylate)로 이루어진 피막(Shell)과 상기 피막 내부가 비어있는 중공형 미세구인 것을 특징으로 한다.

Description

다공질 세라믹스 소재 및 그 제조방법{SERAMICS MATERIAL HAVING MULTI LAYERED PORE SUTRCTURE}

본 발명은 다공질 세라믹스 소재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 다공질층과 치밀층을 갖는 다공성 세라믹스 소재와, 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 다공질 세라믹스는 각종 고온용 구조재료나 각종 필터, 고온용 내화물, 고온로용 치구, 충격흡수재, 흡음재, 경량구조재, 단열재 등의 응용 분야를 가지고 있으며, 함침에 의해 제조되는 복합재료용 프리폼(preform) 등을 포함하면 광범위하게 사용되고 있는 소재이다.

그런데, 이러한 다공질 세라믹스 소재를 제조하기 위해서 기존에 사용하고 있는 방법으로는 함침법으로서, 고분자 스폰지를 이용하는 방법으로 원하는 세라믹 조성의 슬러리에 담근 후(dipping), 세라믹 슬러리가 코팅된 고분자 스폰지를 압축하여 여분의 슬러리를 제거하고, 건조 및 소결 공정을 거쳐, 여러 가지 조성의 다공질 세라믹스를 제조하는 방법이다.

이때, 표면에 세라믹 슬러리가 함침된 고분자 스폰지는 소결 공정 동안에 열분해 되어 기체로 날라 가며, 이로 인하여, 기공과 기공 사이의 지주(strut) 내부에 기공(스폰지의 지주가 위치했던 곳)을 남기게 된다. 상기 공정에 의해 제조된 다공질 세라믹스는 기공의 크기가 100 μm - 3 mm 정도로 매우 크고, 또한 기공과 기공 사이의 지주 내부에 기공을 포함하므로, 다공질 세라믹스의 강도가 낮다는 문제점을 갖고 있다. 즉 단열, 전도, 기타 여러 가지 우수한 특성을 보유하고 있더라도 기계적 특성이 우수하지 못하면 무용지물이 되기 때문이다.

그러나, 높은 기계적 특성을 유지하는 기능성 다공성 층을 측면에 보유함으로서, 많은 기계적 부하를 받는 치밀층과 적은 부하를 받는 다양한 기능을 가지고 있는 다공성 층이 다층으로 이루어질 수 있도록 만든다면 매우 창의적이다.

본 발명은 다층 기공 구조를 갖는 소재에 관한 것으로, 구형의 기공과 치밀한 층이 다층 기공을 구성하여 기계적 또는 열적 전기적 특성을 만족할 수 있는 소재를 제조하고자 한다.

상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 세라믹 분말과 중공형의 기공 형성제를 포함하여 이루어지고, 구형 기공을 갖는 다공질층과 구형 기공이 상기 다공질층보다 억제된 치밀층이 서로 교대로 적층되며, 상기 기공 형성제는 폴리메틸메스아크릴레이트(Polymethylmethacrylate)로 이루어진 피막(Shell)과 상기 피막 내부가 비어있는 중공형 미세구인 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹스 소재가 제공될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 다공질 세라믹스 소재의 최외곽층은 치밀층 또는 다공질층으로 이루어지고, 내부는 상기 다공질층과 치밀층이 교대로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 세라믹 분말은 지르코니아질, 알루미나질, 뮬라이트질, 코디어라이트질, 탄화규소질, 질화규소질, 질화알루미늄질, 이트리아질 및 점토질 중 어느 하나 이상일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 기공 형성제는 직경의 크기가 10~150 ㎛일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 다공질층은 30% 이상의 기공율을 가지며, 기공밀도가 10⁹개/㎤ 이상일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 다공질층 또는 치밀층은 두께가 점진적으로 변하도록 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 세라믹 분말과 중공형의 기공 형성제를 수분이 포함된 상태로 혼합 교반하여 치밀층의 슬러리 및 다공질층의 슬러리를 제조하는 단계와, 상기 치밀층의 슬러리 및 다공질층의 슬러리를 여러 층으로 슬립캐스팅(slip casting)하는 단계와, 상기 슬립캐스팅된 슬러리를 건조하여 성형체를 제조하는 단계, 및 상기 성형체를 소결하는 단계를 포함하는 다공질 세라믹스 소재의 제조방법이 제공될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 치밀층의 슬러리는 상기 세라믹 분말과 기공 형성제의 중량비가 100: 0.1~0.4이고, 상기 세라믹 분말과 증류수의 중량비는 4~6:1로 제조될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 다공질층 슬러리는 상기 치밀층 슬러리에 상기 기공 형성제를 상기 치밀층의 슬러리의 0.1~0.5중량%를 추가하여 제조될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 다공질층의 기공 형성제는 출발원료 전체 부피의 10~90%일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 기공 형성제는 직경의 크기가 10~150 ㎛인 폴리메틸메스아크릴레이트(Polymethylmethacrylate)이고, 상기 세라믹 분말은 지르코니아질, 알루미나질, 뮬라이트질, 코디어라이트질, 탄화규소질, 질화규소질, 질화알루미늄질, 이트리아질 및 점토질 중 어느 하나 이상일 수 있다.

본 발명의 적어도 일 실시예에 따르면, 다공질 세라믹스 소재는 기공율이 30% 이상의 고기공율을 갖고, 기공밀도가 10⁹개/㎤ 이상인 구형의 기공을 가진 다공성 세라믹스 부위와 기공이 억제된 치밀층으로 구별되는 층상 구조가 다층으로 배향됨으로써 높은 기계적 강도를 보유할 뿐만 아니라 단열 특성을 향상시킬 수 있다.

나아가, 다공질층에 구형의 기공을 갖도록 함으로써 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 많은 기계적 부하를 받는 치밀층과 적은 부하를 받는 다양한 기능을 가지고 있는 다공질층이 다층으로 이루어질 수 있도록 함으로써, 다공성 세라믹스 소재가 단열 소재 뿐만 아니라, 저유전율의 레이돔소재, 전파 흡수체, 반응용 지지체, 바이오 리엑터, 충격흡수재, 경량구조재, 건축재료, 흡음재, 우주망원경용 경량부재, 복합재료용 프리폼(preform) 등의 기능성 특성을 위해서도 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 기공 구조를 가지는 다공성 소재의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 5층 기공 구조를 가지는 지르코니아질 다공질 소재의 미세구조 사진이다.
도 3은 도 2에서의 다층 기공 구조에서 치밀층과 다공질층의 계면 및 다공질층의 미세구조 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 7층의 다층 기공구조에서 두께 변화를 감소시킬 수 있는 다공성 소재의 미세구조 사진이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일·유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 일 실시예에서는 기공을 갖는 다공질층과 상기 다공질층보다 기공이 억제된 치밀층이 번갈아 형성되는 다층 기공구조를 가지는 소재 및 이를 제조하는 공정이 제공된다.

특히 기공의 형태가 구형의 기공을 가지는 다공질층과 치밀층의 이중 구조로 이루어진 세라믹스를 제조하는 경우 기계저인 특성 면에서 특히 우수하다. 왜냐하면, 세라믹 소재는 기공과 같은 결함이 뾰족한 형태로 발생하면 결함의 위치에 하중이 집중되어 취성 파괴되는 특성을 보여 주는데 반하여, 기공의 모양이 구형이면 하중의 집중현상이 발생하지 않고 높은 기계적 특성을 보여 주는 장점이 있기 때문이다.

구형의 기공을 혼입하기 위하여 많이 사용하고 있는 기공 형성제로는 구형의 고분자 PMMA 입자가 있는데, 일반적으로 밀도가 1g/cm³ 정도로 원료분말로서 원활하게 사용될 수 있다. 그러나 소성 공정에서 구형의 PMMA 입자를 모두 열분해 하여 증발시키기 위해서는 많은 에너지가 소모되며, 이때 열분해된 기체성분이 제거되는 공정에서 다공질 재료에 결함을 유도하며, 발생되는 많은 유해한 기체 성분으로 인하여 환경오염 문제 등을 야기할 수 있다.

이를 보완하기 위하여 세라믹 분말과 기공 형성제(내부가 비어있는 중공형(中空形) 고분자 미세구)를 일정한 수분 및 일정한 교반 조건하에서 혼합하여, 세라믹 분말내에 고분자 중공형 미세구가 균일하게 혼합되는 슬러리를 제조하고, 이를 성형하여 소결함으로서 고기공율, 고강도 다공질 세라믹스 소재를 제조할 수 있다.

다공질층은 열처리시 쉽게 태워 보낼 수 있도록 내부가 비어있는 밀도가 0.1 g/cm³ 이하의 중공형 기공 형성제를 사용함으로서 에너지 절감과 환경 유해물질 배출을 저감할 수 있다. 기공 형성제로 사용하는 중공형 미세구란 폴리메틸메스아크릴레이트(Polymethylmethacrylate)로 구성된 피막(Shell)과 피막 내부가 비어 있는 직경 10~150㎛의 구형 소재이다. 그러나, 이와 같은 기공 형성제는 일반적인 건식 공정을 통하여 비중이 높은 세라믹 분말과 혼합할 경우 기공 형성제의 표피의 취약성으로 인하여 찢어지는 등 기공 형성제로의 역할을 다하지 못한다. 또한, 기공 형성제를 수분이 많은 습식 형태에서 혼합할 경우 비중 차이에 의하여 서로 분리된다.

본 발명의 일 실시예에서는 이와 같이 구형의 기공을 갖는 다공질층과 치밀한 층이 다층을 구성하여 기계적 또는 열적 전기적 특성을 만족할 수 있는 소재를 제조하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 30% 이상의 기공율을 갖고, 기공밀도가 10⁹개/㎤ 이상인 구형의 기공을 가진 다공성 세라믹스 부위와 기공이 억제된 치밀층으로 구분되는 층상 구조가 다층으로 배향되어져 있어서 높은 기계적 강도를 보유할 뿐만 아니라 우수한 단열 특성을 보여 줄 수 있는 복합 소재가 제공된다.

상기와 같이 기공율이 30% 이상이어야 고기공율 소재로서 경량화를 통한 응용 범위의 확대가 용이하고, 기공밀도가 10⁹개/㎤ 보다 높을수록 기공크기가 작아져서 상대적으로 기계적 강도가 우수하고 열충격에 강하므로, 기공밀도를 상기와 같이 한정한다.

이때, 최외곽에는 구형의 기공을 가진 다공질층이 형성되거나 기공이 억제된 치밀층이 형성될 수 있다. 이때, 최외곽에 치밀층이 형성되는 경우, 내부에서는 치밀층과 다공질층이 교대로 형성되고, 최외곽에 다공질층이 형성되는 경우에도 내부에서는 치밀층과 다공질층이 교대로 형성된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서의 다공질 세라믹스 소재는 전체적으로 치밀층과 다공질층이 교대로 적층되는 구조를 갖는다.

이와 같이, 치밀층과 다공질층은 교대로 적층되며, 적층되는 층수는 홀수가 바람직하며, 여러 층으로 만드는 것이 단열 측면에서 유리하며 다양한 기능성을 보유할 수 있다.

이때, 바깥층에 가해지는 높은 급격한 열을 분산시켜 열충격에 의한 파괴를 방지 할 수 있는 구조가 필요한 경우에는 최외곽에 다공질층을 형성하고, 치밀층과 다공질층의 복층구조로 이루어진 경우 치밀층은 기계적 강도를 요구하는 소재로서, 다공질층은 유전율을 낮춤으로으써 복합 기능을 할 수 있는 레이돔 등의 저유전율 소재에 응용할 수 있다. 그리고, 치밀층과 다공질층의 다층구조를 가지는 경우 치밀층은 기계적 강도를 요구하는 소재로서, 다공질층은 기능성 반응, 합성, 촉매, 필터 용도에 응용할 수도 있다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 비중이 높은 세라믹 분말과 비중이 낮은 기공 형성제(중공형(中空形) 고분자 미세구)의 혼합으로부터 제조되는 고기공율 층상구조를 갖는 다공질 세라믹스 소재의 제조방법에 대하여 설명하기로 한다.

먼저, 세라믹 분말과 기공 형성제(내부가 비어있는 중공형(中空形) 고분자 미세구)를 일정한 수분이 포함된 상태로 혼합하여 슬러리를 제조하고, 상기 슬러리를 여러 층으로 슬립캐스팅(slip casting)하고, 슬립캐스팅된 슬러리를 건조하여 성형체를 제조한 다음 상기 성형체를 소결하는 과정을 거친다. 이와 같은 과정을 거침으로써 다층 기공구조를 가지는 고기공율, 고강도 다공질 세라믹스 단열 소재가 제조된다.

이때, 상기 슬러리는 치밀층의 슬러리와 다공질의 슬러리를 구분하여 제조하는데, 상기 치밀층의 슬러리는 상기 세라믹 분말과 기공 형성제의 중량비가 100: 0.1~0.4이고, 상기 세라믹 분말과 증류수의 중량비는 4~6:1로 제조하는 것이 바람직하다. 다만, 증류수의 양이 과도하게 많으면 기공 형성제의 분리 현상이 일어나서 균일한 재료를 얻기가 어려우며, 증류수의 양이 너무 적으면 점도가 높으면 다층화 작업이 용이하지 않을 수 있으므로, 본 발명의 일 실시예에서는 세라믹 분말과 증류수의 중량비를 상기와 같이 한정한다.

그리고, 상기 다공질층 슬러리는 상기 치밀층 슬러리에 상기 기공 형성제를 상기 치밀층의 슬러리의 0.1~0.5중량%를 추가하여 제조된다. 만약, 상기 치밀층의 슬러리가 0.1중량%보다 낮은 경우에는 기공도가 낮아 효율성이 떨어지고, 0.5중량%를 초과하는 경우에는 점도가 증가하여 조절이 용이하지 않기 때문에 상기와 같이 한정한다.

본 발명의 일 실시예에서의 세라믹 분말은 지르코니아질, 알루미나질, 뮬라이트질, 코디어라이트질, 탄화규소질, 질화규소질, 질화알루미늄질 및 점토질(황토질) 중 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.

기공 형성제로 사용하는 중공형 미세구란 폴리메틸메스아크릴레이트 (Polymethylmethacrylate)로 구성된 피막(Shell)과 피막 내부가 비어있는 직경 10-150 ㎛의 구형 소재이며, 대기압에서 가열하면 분해되어 기체 상태로 날아가 고분자 미세구가 있던 자리가 기공을 형성하게 되는 재료를 말한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 기공 구조를 가지는 다공성 소재의 개념도이다. 도 1a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 얻고자 하는 가장 기본적인 모습으로 중간의 좁은 다공질을 형성하고 있지만 최외곽에는 치밀층을 형성한 경우를 예시한 것이다. 이를 단열 소재로 활용될 경우 다공질층에 의해 단열 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 최상의 기계적 특성을 발현할 수 있다.

도 1b를 참조하면, 도 1a에서와 같은 3층 구조이나, 도 1a에서 보다 넓은 다공질층을 보유하는 다공질 소재를 도시하였다. 이때는 단열 효과를 극대화시킬 수 있고 외부에 얇은 코팅층을 보유하여 강도의 증진 효과를 얻을 수 있다.

또한, 도 1c를 참조하면, 9층 구조를 가지고 있는 형태로서 최외곽 부분은 치밀층으로 이루어져 있으며, 내부는 다공질층과 치밀층이 교대로 형성되는 경우로서 본 발명의 일 실시예의 장점인 다층 기공 구조의 장점을 모두 살릴 수 있는 구조이다. 이때, 5층, 7층, 9층, 11층 등의 홀수 층으로 이루어질 수도 있다.

또한, 복합 다층 구조에서는 층수가 증가할수록 열 등의 각종 특성들의 조절이 한층 용이하다. 또한, 도 1d는 최외곽 부분(바깥쪽)이 다공질층인 3층 구조인 형태로서 이는 바깥 표면이 다공질층으로 되어 있어서 바깥부위의 강도가 높지 못한 단점을 가지고 있다. 그러나, 중심부에 치밀층이 존재함에 따라 전체적인 파괴강도는 증진시킬 수 있다. 뿐만 아니라 단열 소재로 응용시에는 표면에 극도의 높은 온도가 가해질 경우 다공질 소재가 열 충격성이 높아서 열을 분산시켜 열충격에 의한 파괴를 방지할 수 있는 장점을 보유하고 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 최외곽에 치밀층 또는 다공질층을 형성하고, 내부에는 치밀층 및 다공질층을 교대로 적층함으로써 필요에 따라 다른 구조를 선택할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 치밀층과 다공질층의 5층 구조로 이루어진 다공성 소재로, 5층 기공 구조를 가지는 지르코니아 다공성 소재의 미세구조를 나타낸 것이다. 이때, 지르코니아 슬립(slip)의 두께는 1mm 정도로 조절을 하였다.

이때, 치밀층의 열전도도가 3.5 W/mK인데 반하여 5층의 기공구조를 가진 경우에는 1.15 W/mK 단열 특성을 보여 주었다.

도 3a는 도 2에서의 다층 기공 구조에서 치밀층과 다공질층의 계면을 도시한 것이고, 도 3b는 도 2에서의 다공질층의 미세구조(파단면)을 도시한 것이다. 도 3a를 참조하면, 다공질층과 치밀층의 계면을 고찰해 보면, 큰 결함 없이 잘 연결된 것을 알 수 있다. 그리고, 도 3b를 참조하면, 다공질층에서는 중공형 미세구에 의한 기공이 잘 발달된 것을 관찰할 수 있었다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 7층의 다층 기공구조에서 두께가 점진적으로 변화되는 지르코니아질 다공성 소재의 미세구조를 나타낸 것이다. 지르코니아 슬립의 점도를 조절하여 다수의 층으로 이루어진 치밀층과 다공질층의 두께를 조절하면 용도에 따라 다양하게 응용할 수 있는 경사기능 특성을 부여할 수 있는 장점이 있다. 즉, 상기 치밀층 및 다공질층의 두께를 점진적으로 두껍거나 얇도록 형성할 수도 있고, 치밀층 또는 다공질층 중 어느 하나의 두께는 일정하게 하고 나머지 하나의 두께만 변화시킬 수도 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 대하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

[제1 실시예]

본 발명의 일 실시예에서 사용된 원료 분말은 지르코니아 분말 (<0.5 ㎛, HWYA-2, Guang Dong Huawang, China)이고, 기공 형성제로 직경이 80 ㎛이며, 밀도가 0.025 g/㎤인 중공형 미세구(hollow microsphere, 092DET80, Expancel, Sundsvall, Sweden)를 사용하였다.

원료 조합비는 지르코니아 분말 대비 기공 형성제인 중공형 미세구를 0.3 wt% 추가로 첨가하였다. 중공형 미세구는 속이 비어있는 형태로서 poly-methylmethacrylate 성분으로 이루어져 있으며 칭량된 분말은 습식으로 혼합되었으며, 용매는 증류수를 사용하였다. 구체적인 실시예는 다음과 같다.

일차적으로 슬립(slip)은 2가지 종류의 슬러리를 만들어 번갈아 가면서 석고 몰드에 붓는 방식으로 다층 기공구조를 만들었다. 이때 슬립의 두께는 슬러리의 점도에 따라 결정된다. 지르코니아 분말의 균일한 분산을 위하여 지르코니아 볼을 이용하여 습식에서 볼 밀링을 24시간 하였다. 이때, 세라믹 분말과 증류수의 중량비는 5:1 이다. 사용된 지르코니아 볼의 직경은 5mm이며, 분말과 볼의 중량비는 1:2 이다. 볼 밀링 속도는 200rpm으로 하였다.

이와 같이 제조된 슬립은 바로 치밀층을 제조하는 데 사용되었다. 다공질층의 슬립을 제조하기 위하여 상기의 치밀층 제조에 사용되는 슬립에 칭량된 중공형 미세구 0.3w%를 첨가하고 이차 볼밀링을 10분간 실시하였으며, 이때 밀링 속도는 100rpm으로 유지하였다. 볼 밀링시간이 짧고, 밀링 속도가 낮은 이유는 중공형 미세구가 볼 밀링공정으로 망가지는 것을 최소화하기 위함이다.

이와 같이 제조된 두 가지의 슬립용 슬러리는 다공질의 석고 몰드에 일정한 양을 부어서 두께를 조절할 수 있다. 즉, 도 2의 5층 기공 구조를 제조하기 위하여 일정양의 중공형 미세구가 없는 슬러리를 붓고 외관상 수분이 몰드내에 흡수된 후 다시 중공형 미세구가 있는 슬러리를 붓는 방법으로 계속적으로 5층의 다층 기공 구조를 제조한다. 이와 같이 제조된 시편은 상온에서 24시간 건조 후 60℃ 오븐에서 추가로 24시간 온풍 건조하였다. 소결온도는 1480℃에서 실시하였다. 그 후에 건조된 성형체는 전기로에서 2 ℃/min의 속도로 900 ℃까지 승온한 후, 1 ℃/min의 속도로 1480 ℃까지 승온하여 2.5시간 동안 대기 분위기에서 소결하였다. 열전도도를 특정한 결과 치밀층만으로만 이루어진 경우 열전도도가 3.5 W/mK인데 반하여 5층의 기공구조를 가진 경우에는 1.15 W/mK 단열 특성을 보여 주었다.

[제2 실시예]

이하에서는 제2 실시예에 대하여 설명하기로 한다.

상기의 제1 실시예과 동일한 조건으로 실험을 실시하였으며, 소결 후 슬립의 두께를 균일하지 않게 경사기능 특성을 부여하기 위하여, 주입하는 칭량된 슬러리 양에 변화를 주었다.

즉, 도 4와 같이 7층의 다층 기공구조를 제조하기 위하여 초기 장입되는 슬러리의 양을 변화시켜 두께 변화의 감소를 줄 수 있는 지르코니아 소재의 미세구조를 나타낸 것이다. 지르코니아 슬립의 점도를 조절하여 치밀층과 다공질층의 두께를 조절하면 용도에 따라 다양하게 응용할 수 있는 경사기능 특성이 부여되는 세라믹스 소재를 제조할 수 있는 장점이 있다.

즉, 도 4와 같이 초기에 일정양의 슬러리를 붓고 원하는 대로 슬립의 양을 줄여서 두께를 조절하는 것이다. 물론 중공형 기공 형성제가 첨가되는 경우 동일한 질량을 주입하면 기공 형성제에 의해 두께가 증가함으로 원하는 두께를 가지기 위해서는 첨가된 기공 형성제 양 만큼을 보완하여 두께를 조절하여야 한다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims

세라믹 분말과 중공형의 기공 형성제를 포함하여 이루어지고,
구형 기공을 갖는 다공질층과 구형 기공이 상기 다공질층보다 억제된 치밀층이 서로 교대로 적층되며,
상기 기공 형성제는 폴리메틸메스아크릴레이트(Polymethylmethacrylate)로 이루어진 피막(Shell)과 상기 피막 내부가 비어있는 중공형 미세구인 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹스 소재.
제1항에 있어서,
상기 다공질 세라믹스 소재의 최외곽층은 치밀층 또는 다공질층으로 이루어지고, 내부는 상기 다공질층과 치밀층이 교대로 형성되는 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹스 소재.
제1항에 있어서,
상기 세라믹 분말은 지르코니아질, 알루미나질, 뮬라이트질, 코디어라이트질, 탄화규소질, 질화규소질, 질화알루미늄질, 이트리아질 및 점토질 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹스 소재.
제1항에 있어서,
상기 기공 형성제는 직경의 크기가 10~150 ㎛인 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹스 소재.
제1항에 있어서,
상기 다공질층은,
30% 이상의 기공율을 가지며, 기공밀도가 10⁹개/㎤ 이상인 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹스 소재.
제1항에 있어서,
상기 다공질층 또는 치밀층은 두께가 점진적으로 변하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹스 소재.
세라믹 분말과 중공형의 기공 형성제를 수분이 포함된 상태로 혼합 교반하여 치밀층의 슬러리 및 다공질층의 슬러리를 제조하는 단계;
상기 치밀층의 슬러리 및 다공질층의 슬러리를 여러 층으로 슬립캐스팅(slip casting)하는 단계;
상기 슬립캐스팅된 슬러리를 건조하여 성형체를 제조하는 단계; 및
상기 성형체를 소결하는 단계를 포함하는 다공질 세라믹스 소재의 제조방법.
제7항에 있어서,
상기 치밀층의 슬러리는,
상기 세라믹 분말과 기공 형성제의 중량비가 100: 0.1~0.4이고, 상기 세라믹 분말과 증류수의 중량비는 4~6:1로 제조되는 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹스 소재의 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 다공질층 슬러리는 상기 치밀층 슬러리에 상기 기공 형성제를 상기 치밀층의 슬러리의 0.1~0.5중량%를 추가하여 제조하는 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹스 소재의 제조방법.
제9항에 있어서,
상기 다공질층의 기공 형성제는 출발원료 전체 부피의 10~90%인 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹스 소재의 제조방법.
제7항에 있어서,
상기 기공 형성제는 직경의 크기가 10~150 ㎛인 폴리메틸메스아크릴레이트(Polymethylmethacrylate)이고, 상기 세라믹 분말은 지르코니아질, 알루미나질, 뮬라이트질, 코디어라이트질, 탄화규소질, 질화규소질, 질화알루미늄질, 이트리아질 및 점토질 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹스 소재의 제조방법.