KR20160103893A

KR20160103893A - 다양한 형상과 크기의 홀을 포함한 세라믹 구조체 제조방법

Info

Publication number: KR20160103893A
Application number: KR1020150027360A
Authority: KR
Inventors: 김찬겸; 장제하
Original assignee: 김찬겸
Priority date: 2015-02-25
Filing date: 2015-02-25
Publication date: 2016-09-02

Abstract

반복적인 고온, 고압공정을 통해 세라믹구조체에 포함된 다수의 hole수, hole크기, hole형상 등의 제어가 가능해 졌으며 원하는 형태로 세라믹 구조체의 외형과 내부의 설계가 가능해 졌다.

Description

다양한 형상과 크기의 홀을 포함한 세라믹 구조체 제조방법{Manufacture method for making ceramic with the holes of the varied shape and size}

본 발명은 반복적인 고온, 고압 조건의 공정을 통해 세라믹 구조체의 형상, 세라믹 구조체에 포함된 Hole크기와 Hole 수, 한 세라믹 구조체에 크기가 다른 Hole을 형성하기 위한 제조방법과 결과물에 관한 것이다.

세라믹 구조체는 기본적으로 세라믹 분말을 사용해 고온의 조건에서 형상을 제어한다. 기존의 세라믹 다공성구조제어 방법으로는 분말사출성형, 젤-캐스팅, 직접응집성형, 금형성형, 압출성형, 사출성형 등이 사용되어져 왔다. 하지만, 이러한 제조방법은 한 구조체에서 유사한 크기와 단순한 형상제어가 가능하지만 한 구조체에 다양한 크기와 형상을 동시에 제어하는 데는 어려움이 있다. 하지만, 반복적인 고온/고압 과정을 통해 원하는 형상과 크기의 hole를 제어하고 한 구조체에 다양한 hole 크기와 다른 형상의 hole이 포함된 구조체를 제어할 수 있었다.

본 발명은 반복적인 고온/고압 과정을 통해 원하는 형상의 hole 모양과 다양한 크기의 hole size가 동시 다발적으로 내재된 세라믹 구조체를 제어하고 제조하는 방법이다.

세라믹구조체에 hole를 생성하기 위하여 1000

이하 온도에서 완전 연소가 일어나는 물질로 식물유래의 전분이 사용되었다, 전분은 아밀로오스와 아밀로펙틴으로 구분되며 기본적으로 두 물질은 포도당을 기본물질로 직선상구조로 결합되어 있다, 전분의 종류로는 근경류전분(감자, 타피오카), 곡류전분(쌀, 옥수수, 밀), 찰곡류전분(찹쌀, 찰옥수수), 고아릴로오스전분 등 일상에서 매일 접하고 있으며 매우 가격이 저렴하다.

본 발명에 따른 세라믹 구조 제어방법은 반복적인 고온/고압 과정을 통해 한 구조체에 다양한 hole 크기, 다수의 hole수, 다른 형상의 hole이 포함된 구조체 제어가 가능하기 때문에 세라믹의 재료종류에 따라 폭 넓은 범위의 사용이 가능하다. 광촉매 산화력을 나타내는 ZnO2, SiO2, SrTiO3, ZnO2 와 같은 물질로 구조체의 hole크기와 hole수를 제어하면 오염된 물의 필터로 사용이 가능하며 알루미나와 지르코니아 같은 생체용 세라믹를 사용할 경우 인체 인식이 가능한 생체재료 제작이 가능하다.

도 1은 도 2를 만들기 위한 기본 구조체로 도 1-(a)는 전분(50wt%)와 EVA(50wt%)이 혼합된 전분혼합물로 만든 원기둥형태(지름2mm)이며 도 1-(b)는 전분(50wt%)와 EVA(50wt%)이 혼합된 전분혼합물로 만든 반원기둥형태(지름15mm)이며 도 1-(c)는 전분혼합물(90wt%)과 흑연분말(10wt%)을 혼합하여 만든 반원기둥형태(지름15mm)이며 도 1-(d)는 HAP(50wt%)와 EVA(50wt%)이 혼합된 세라믹혼합물로 만든 원기둥형태(지름2mm)이며 도 1-(e)는 HAP(50wt%)와 EVA(50wt%)이 혼합된 세라믹혼합물로 만든 반원기둥형태(바깥지름22mm, 안지름 15mm)의 구조체이다.
도 2는 도 3를 만들기 위한 기본 구조와 배열방법이로 도 2-(a-1)은 도 1-(b)와 도 1-(e)를 조합한 구조이며 도 2-(a-2)은 도 1-(c)와 도 1-(e)를 조합한 구조이며 도 2-(b)은 도 1-(a)을 안쪽에 도 1-(d)을 바깥쪽에 조합한 구조이며 도 2-(c)은 도 1-(b)을 안쪽에 도 1-(d)을 바깥쪽에 조합한 구조이며 도 2-(d)은 도 1-(a)을 안쪽에 도 1-(e)을 바깥쪽에 조합한 구조이다.
도 3은 도 2에 의해 만들어진 원기둥의 구조체(지름2mm)이며 도 3-(a)는 원기둥형태가 길게 만들어진 형상이며 도 3-(b)는 도 2-(a-1, b, c, d)로부터 만들어진 도 3-(a) 형태의 절단면이며 도 3-(c)는 도 2-(a-2)로부터 만들어진 도 3-(a) 형태의 절단면이다.
도 4는 도 1과 도 3을 배열하고 고온/고압과정을 통해 발생된 구조체이며 도 4-(a)는 도 3-(c)를 여러가닥 묶어 놓는 형태이며 도 4-(b)는 도 3-(c)를 안쪽에 여러가닥 묶어 놓고 도 1-(a)를 바깥쪽에 여러가닥 묶어 놓은 형태이며 도 4-(c)는 도 3-(c)를 안쪽에 여러가닥 묶어 놓고 도 1-(e)를 바깥쪽에서 감싸고 있는 형태이며 도 4-(d)는 도 4-(c)보다 안쪽에 도 3-(c)를 적게 넣어 묶어 놓고 도 1-(e)를 바깥쪽에서 감싸고 있는 형태이며 도 4-(e)는 사각형태의 틀 안에 도 3-(c)를 안쪽에 여러가닥 묶어 놓은 형태이며 도 4-(f)는 도 1-(c) 2개를 안쪽에 위치하고 도 1-(e) 2개를 바깥쪽에서 감싸고 있는 형태이며 도 4-(g)는 도 4-(a, b, c, d, e, f)에 의해 만들어진 원기둥형태가 길게 만들어진 형상이며 도 4-(h, i, j, k)는 도 4-(a, b, c, d, e, f)로 만들어진 도 4-(g)의 단면형상이다.
도 5는 도 4가 고온/고압 과정과 금형 종류에 따라 다양한 형태와 크기(2mm~24mm)로 제어된 형상이다.
도 6은 도 1, 도 3, 도 5를 원하는 형상으로 배열하고 조합하여 도 6-(a, b, c)와 같이 구성된 형태를 보여주며 도 6-(a-1, b-1, c-1)은 도 6-(a, b, c)을 고온/고압 과정 후 소결과정을 통해 제어된 형상이다.

이하, 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예 등은 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

세라믹을 저온에서 형상제어하기 위하여 세라믹과 결합제가 혼합되어 세라믹혼합물이 사용되었다. 세라믹의 종류는 HAp, BCP, TCP, 지르코니아, 알루미나, 실리콘 나이트라이드, 실리콘 카바이드, 질화규소, 탄화규소, 질화 알루미늄 등 모든 종류의 세라믹 사용이 가능하며 이번 실험에서는 Hydroxyapatite(HAP)가 사용되었다. 결합제로는 wax, proffin, polypropylene, polyethylene, ethylene-vinyl acetate(EVA) 등의 사용이 가능하며 이번 실험에서는 EVA(Dupont. ELVAX 250)이 사용되었다.

hole를 제어하기 위한 전분혼합물로는 곡류전분(감자, 타피오카), 찰곡류전분(쌀, 옥수수, 밀), 근경류전분(찹쌀, 찰옥수수), 고아미로오스전분의 사용이 가능하며 전분혼합물을 만드는 과정에서는 300

이하 입자크기의 찰곡류전분이 사용되었으며 전분혼합물은 전분(50wt%)과 EVA(50wt%)가 혼합되었다, 도 3이후로는 실험진행상 세라믹혼합물과 전분혼합물과의 경계구분을 위해 전분혼합물(90wt%)에 흑연가루(10wt%)가 혼합되어 사용되었다, 최종소결온도는 1000

이상에서 진행되므로 hole 생성을 위해 전분혼합물에 흑연가루를 섞어도 동일한 결과가 나타난다.

도 1-(a, b)는 hole 생성목적으로 전분(50wt%)과 EVA(50wt%)가 혼합된 전분혼합물을 80

로 가열한 후 금형을 통해 원기둥과 반원기둥으로 형상이 제어된 형태이다, 도 1-(c)는 정열과정 중 세라믹혼합물과 전분혼합물과의 명확한 구분을 위해 전분혼합물(90wt%)에 흑연가루(10wt%)를 섞어 경계가 명확히 구분이 되도록 했다, 도 1-(d, e)는 HAp 가루(50%)와 EVA(50%)가 혼합된 세라믹혼합물을 80

로 가열한 후 금형을 통해 원기둥과 반원기둥으로 형상이 제어된 형태이다.

hole 생성을 위해 전분혼합물은 안에 위치하고 세라믹혼합물은 전분혼합물을 감싸도록 하여 1000

이상의 최종소결 후 전분혼합물이 없어지면서 hole이 되는 구조로 정렬한다, 도 2-(a-1, a-2, c)는 전분혼합물이 지름 15mm의 반원기둥형태로 2개가 들어가 원기둥을 이루고 있으며 도 2-(b, d)는 금형을 이용해 전분혼합물이 지름2mm의 원기둥으로 제어된 도 1-(a)가 도 1-(d, e)의 세리믹혼합물에 감싸지도록 한다.

안쪽은 전분혼합물로 구성되고 바깥쪽은 세라믹혼합물로 구성된 구조물은 70~100

의 고온으로 가열된 금형 안에서 60~150MPa의 고압과정을 통해 도 2-(a-1, a-2, b, c, d)는 균열이 없는 하나의 단일체로 만들어 진다, 도 3-(a)는 도 2의 결과를 보여주며 도 3-(b, c)는 도 3-(a)의 절단면(K)로 고온/고압 과정을 통해 균열이 없어지고 하나의 결합체로 만들어진 구조체를 보여주며 hole를 생성하는 기초단계이다.

도 3의 결과물은 필요한 hole 수만큼 하나의 묶음으로 정렬되고 반복적인 70~100

의 고온과 60~150MPa의 고압과정을 거쳐 하나의 결합체로 만들어진다, 이번실험에서는 원기둥과 사각형태가 도 3의 결과만으로 정렬되어 하나의 결합체가 되며 도 3의 결과물을 도 1-(e)가 감싸 하나의 결합체가 되도록 했다, 도 4는 도 3과 도 1의 결과물을 조합하여 하나의 결합체가 되도록 했다.

도 4-(g, h, i, j, k)는 반복적인 70~100

의 고온과 60~150MPa의 고압과정을 거쳐 균열이 없는 하나의 결합체가 되도록 했다, 도 5는 고온/고압과정 중 금형의 크기를 달리하여 2mm~24mm까지 다양한 형태와 크기로 제어되도록 했다, 세라믹혼합물은 모든 전분혼합물을 감싸는 구조로 되어있어 1000

이상의 고온과정을 거쳐 전분혼합물이 제거되도 세라믹혼합물은 유지되어 구조물을 이루도록 한다.

도 6은 전분혼합물이 다수 포함된 도 5의 구조체와 세라믹혼합물을 원하는 형상을 만들기 위한 위치에 배치하고 반복적인 70~100

의 고온과 60~150MPa의 고압과정을 거쳐 균열이 없는 하나의 결합체로 만들고 300~500

의 탈지공정과 1200~1300

의 소결과정을 거쳐 도 6-(a-1, b-1, c-1)의 구조체를 만들었다, 도 6-(c-1)은 같은 크기와 모양의 hole이 생성되고 사각금형을 이용해 최종산물이 사각형이 되도록 했으며 도 6-(a-1)은 도 5-(b, f)와 세라믹혼합물을 원형의 금형 안에 배치하여 최종산물에서는 두가지 크기의 hole이 중앙과 외벽쪽에 다른 크기와 다른 위치에 배치되도록 했으며 도 6-(b-1)은 도 5-(b), 도 4-(k), 세라믹혼합물을 원형의 금형 안에 배치하여 최종산물에서는 한가지 크기의 hole이 외벽쪽에 배치되고 중앙에는 큰 구멍이 생성되도록 배치하였다.

해당사항 없음.

Claims

a. 전분분말과 폴리머를 50wt%~75wt% : 50wt%~25wt% 무게비로 혼합하여 hole를 생성하는 전분혼합물을 합성하는 단계;
b, 세라믹분말과 폴리머를 50wt%~80wt% : 50wt%~20wt% 무게비로 혼합하여 세라믹혼합물을 합성하는 단계;
c, hole를 생성하기 위하여 전분혼합물과 세라믹혼합물을 고온, 고압 조건에서 결합하는 단계,
d, hole의 크기를 조절하기 위하여 전분혼합물과 세라믹혼합물을 반복적인 고온, 고압 과정을 되풀이하는 단계,
e, hole의 수를 조절하기 위하여 전분혼합물과 세라믹혼합물을 반복적인 고온, 고압 과정을 되풀이하는 단계.
f, 한 구조물에 서로 다른 크기의 hole이 생성되게 하기 위하여 반복적인 고온, 고압으로 다양한 크기와 형상으로 결합 된 전분혼합물 또는 세라믹혼합물 또는 전분혼합물과 세라믹혼합물의 결합물인 도 1, 도 3, 도 5와 같은 결합물질이 규칙적으로 또는 불규칙적으로 배열되는 단계.
제 1 항에 있어서, 상기 a) 단계에서 사용되는 전분분말은 포도당을 기본물질로 직선상구조로 결합된 근경류전분, 곡류전분, 찰곡류전분, 고아릴로오스전분 중 선택된 1종 이상을 사용하는 것을 특징으로 하는 전분혼합물.
제 2 항에 있어서, 근경류전분, 곡류전분, 찰곡류전분, 고아릴로오스전분 중 1종 이상, 2종 이상, 3종이상 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 전분혼합물.
제 2 항에 있어서, 전분혼합물에 색깔을 내기 위하여 흑연이나 잉크를 혼합 사용하는 것을 특징으로 하는 전분혼합물.
제 1 항에 있어서, 상기 b) 단계에서 사용되는 세라믹분말의 입자의 크기가 50nm~500㎛인 1종 이상의 바이오세라믹을 사용하는 것을 특징으로 하는 세라믹혼합물.
제 5 항에 있어서, 바이오세라믹은 2 상의 칼슘포스페이트, 트리칼슘포스페이트, 하드록시아파타이트, α-트리칼슘포스페이트, β-트리칼슘포스페이트, 무수 디칼슘포스페이트, 무수 모노칼슘포스페이트, 비정질 칼슘포스페이트, 옥타칼슘포스페이트, 디칼슘포스페이트 2수화물, 모노칼슘포스페이트 모노수화물 및 칼슘설페이트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 1종이거나 1종 이상 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 세라믹혼합물.
제 1 항에 있어서, 상기 a)와 b) 단계에서 사용되는 폴리머는 폴리에틸렌(Polyethylene), 왁스(Wax), 폴리프로필렌(Polypropylene), 에틸렌비닐아세테이트(Ethylene vinyl acetate), 케톤(Ketone)계 수지 등의 열가소송 수지에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 폴리머.
제 1 항에 있어서, 상기 c)에서 전분혼합물과 세라믹혼합물을 결합하기 위한 고온은 70~100°C 의 조건이고 고압은 60~150MPa 의 조건으로 전분혼합물과 세라믹혼합물이 층을 이루고 결할 될 수 있는 조건으로 제조하는 조건.
제 1 항에 있어서, 상기 d)에서 hole 크기를 조절하기 위하여 반복적인 고온, 고압 과정에 사용되는 전분혼합물과 세라믹혼합물의 결합 형상은 원기둥, 삼각기둥, 사각기둥인 것을 기본형상으로 하며 금형을 이용해 다양한 형상변화가 가능한 단계.
제 1 항에 있어서, 상기 d)에서 hole 크기를 조절하기 위하여 반복적인 고온, 고압 과정에 사용되는 전분혼합물과 세라믹혼합물의 초기 결합 크기는 0.5mm~20mm를 기본형상으로 하는 단계.
제 1 항에 있어서, 상기 e)에서 hole 수를 조절하기 위하여 반복적인 고온, 고압 과정에 사용되는 전분혼합물과 세라믹혼합물의 결합 형상은 원기둥, 삼각기둥, 사각기둥인 것을 기본형상으로 하며 금형을 이용해 다양한 형상변화가 가능한 단계.
제 1 항에 있어서, 상기 e)에서 hole 수를 조절하기 위하여 반복적인 고온, 고압 과정에 사용되는 전분혼합물과 세라믹혼합물의 초기 결합 크기는 0.5~20mm를 기본형상으로 하는 단계.
제 1 항에 있어서, 상기 f)에서 한 구조물에 서로 다른 크기의 hole를 생성하기 위하여 전분혼합물(도 1-a), 세라믹혼합물(도 1-d), 전분혼합물과 세라믹혼합물의 결합체(도 3-a, b, c) 중 1개 또는 2개 이상 사용되거나 전분혼합물(도 1-a), 세라믹혼합물(도 1-d), 전분혼합물과 세라믹혼합물의 결합체(도 3-a, b, c)들이 규칙적 또는 불규칙적으로 배열되어 형상이 제어되는 단계.