KR20180011649A - 촉매가 코팅된 매연 필터의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

촉매가 코팅된 매연 필터의 제조 방법은 개구된 일단과 막혀 있는 타단을 포함하는 적어도 하나 이상의 유입 채널과, 막혀 있는 일단과 개구된 타단을 포함하며 상기 유입 채널과 교대로 배치되는 적어도 하나 이상의 유출 채널과, 이웃하는 유입 채널과 유출 채널 사이의 경계를 정의하는 적어도 하나 이상의 다공성 월과, 상기 적어도 하나 이상의 유입 채널 중 적어도 하나 이상의 내부에 위치하는 적어도 하나 이상의 제1지지체와, 상기 적어도 하나 이상의 유출 채널 중 적어도 하나 이상의 내부에 위치하는 적어도 하나 이상의 제2지지체를 포함하는 기본 매연 필터를 준비하는 단계; 상기 유입 채널들 또는 유출 채널들에 제1촉매 슬러리를 주입하는 단계; 상기 유출 채널들 또는 유입 채널들을 통하여 가스를 불어 넣거나 상기 유입채널들 또는 유출 채널들을 통하여 가스를 흡입하여 제1촉매 슬러리의 일부를 유입 채널들 또는 유출 채널들로부터 배출하는 단계; 상기 유출 채널들 또는 유입 채널들에 제2촉매 슬러리를 주입하는 단계; 상기 유입 채널들 또는 유출 채널들을 통하여 가스를 불어 넣거나 상기 유출 채널들 또는 유입 채널들을 통하여 가스를 흡입하여 제2촉매 슬러리의 일부를 유출 채널들 또는 유입 채널들로부터 배출하는 단계; 그리고 제1촉매 슬러리의 일부와 제2촉매 슬러리의 일부가 배출된 매연 필터를 건조/소성하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

촉매가 코팅된 매연 필터의 제조 방법{METHOD OF MANUFACTURING CATALYZED PARTICULATE FILTER}
본 발명은 촉매가 코팅된 매연 필터의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유입 채널들과 유출 채널들 사이의 경계를 정의하는 다공성 월과, 상기 유입 채널들 중 적어도 하나 이상에 위치하는 제1지지체와, 상기 유출 채널들 중 적어도 하나 이상의 내부에 위치하는 제2지지체를 포함하는 매연 필터에서 상기 월과 제1, 제2지지체에 촉매를 효과적으로 코팅할 수 있도록 하는 촉매가 코팅된 매연 필터의 제조 방법에 관한 것이다.
디젤 엔진과 같은 내연 기관이나 각종 연소 장치 등으로부터 배출되는 가스에는 입자상 물질(Particulate Matter; PM)이 포함되어 있다. 이러한 PM이 그대로 대기 중에 방출되면 환경 오염을 일으키기 때문에 배출 가스의 배기계에는 PM을 포집하기 위한 매연 필터(particulate filter)가 탑재되어 있다.
상기 매연 필터는 유체의 흐름에 따라 플로우 쓰루 타입(flow-through type)의 매연 필터와 월 플로우 타입(wall flow type)의 매연 필터로 구분될 수 있다.
플로우 쓰루 타입의 매연 필터에 따르면, 하나의 채널로 유입된 유체는 다른 채널로 이동하지 않고 상기 하나의 채널 내에서만 흐른다. 이에 따라, 배압의 증가는 최소화되나, 유체에 포함된 입자상 물질을 포집하기 위한 수단이 필요하며 필터 성능이 떨어질 수 있다.
월 플로우 타입의 매연 필터는 하나의 채널로 유입된 유체가 이웃하는 다른 채널로 이동한 후 상기 다른 채널을 통하여 매연 필터로부터 배출된다. 즉, 유입 채널로 유입된 유체가 다공성 벽을 통하여 유출 채널로 이동하고, 다시 유출 채널을 통하여 매연 필터로부터 배출된다. 유체가 다공성 벽을 통과할 때, 유체에 포함된 입자상 물질은 다공성 벽을 통과하지 못하고 포집되게 된다. 월 플로우 타입의 매연 필터는 배압을 다소 증가시킬 수 있으나, 입자상 물질을 거르는데 효과적이다. 이에 따라, 월 플로우 타입의 매연 필터가 주로 사용된다.
차량에는 매연 필터와 함께 적어도 하나 이상의 촉매 컨버터가 탑재된다. 상기 촉매 컨버터는 배기 가스에 포함된 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx)을 정화하도록 되어 있다.
상기 촉매 컨버터는 매연 필터와 물리적으로 분리되어 장착될 수도 있고, 매연 필터에 촉매를 코팅함으로써 매연 필터에 병합될 수도 있다. 촉매가 코팅된 매연 필터를 촉매가 코팅된 매연 필터(Catalyzed Particulate Filter; CPF)라고 부르기도 한다.
CPF에서 촉매는 유입 채널과 유출 채널을 구분하는 다공성 월에 코팅되며, 유체는 상기 다공성 월을 지나가며 코팅된 촉매와 접촉하게 된다. 다공성 월에 의하여 구분되는 유입 채널과 유출 채널 사이에는 압력 차이가 존재하게 되고, 이로 인하여 유체는 다공성 월을 빠르게 지나가게 된다. 따라서, 촉매와 유체의 접촉 시간이 짧아 촉매 반응이 충분하게 일어나지 못한다.
또한, 다공성 월에 코팅된 촉매가 두꺼우면, 촉매가 월에 형성된 세공(micropore)을 막아 유입 채널로부터 유출 채널로의 유체의 흐름을 방해할 수 있다. 이에 따라, 배압이 증가하게 된다. 배압의 증가를 최소화하기 위하여 CPF에서는 월에 촉매가 얇게 코팅되게 된다. 이에 따라, CPF에 코팅된 촉매의 양이 부족해 촉매 반응이 충분하게 일어나지 못할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 유입 채널과 유출 채널(이하, 통칭하여 '셀'이라고 한다.)의 개수(밀도)를 증가시켜, 촉매가 코팅될 수 있는 월의 표면적을 증가시킬 수 있다. 그러나, 한정된 공간에서 셀의 밀도가 증가하면, 월의 두께가 줄어들게 된다. 월의 두께 감소는 필터 성능을 악화시킬 수 있다. 따라서, 셀의 밀도도 한계 밀도 이상으로 증가시키지 못한다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 배압의 증가를 최소화하면서도 촉매 로딩량을 늘릴 수 있는 촉매가 코팅된 매연 필터의 제조 방법을 제공하는 것이다.
특히, 유입 채널들과 유출 채널들 내에 촉매의 상당량이 로딩되는 제1, 제2지지체들을 배치함으로써, 다공성 월에 코팅되는 촉매의 로딩량을 줄이면서도 매연 필터에 코팅되는 전체 촉매의 로딩량을 늘릴 수 있는 촉매가 코팅된 매연 필터의 제조 방법을 제공하고자 한다.
또한, 제1, 제2지지체들이 포함된 촉매가 코팅된 매연 필터에서 유입 채널들과 유출 채널들에 서로 다른 촉매들을 코팅할 수 있는 촉매가 코팅된 매연 필터의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터의 제조 방법은 개구된 일단과 막혀 있는 타단을 포함하는 적어도 하나 이상의 유입 채널과, 막혀 있는 일단과 개구된 타단을 포함하며 상기 유입 채널과 교대로 배치되는 적어도 하나 이상의 유출 채널과, 이웃하는 유입 채널과 유출 채널 사이의 경계를 정의하는 적어도 하나 이상의 다공성 월과, 상기 적어도 하나 이상의 유입 채널 중 적어도 하나 이상의 내부에 위치하는 적어도 하나 이상의 제1지지체와, 상기 적어도 하나 이상의 유출 채널 중 적어도 하나 이상의 내부에 위치하는 적어도 하나 이상의 제2지지체를 포함하는 기본 매연 필터를 준비하는 단계; 상기 유입 채널들 또는 유출 채널들에 제1촉매 슬러리를 주입하는 단계; 상기 유출 채널들 또는 유입 채널들을 통하여 가스를 불어 넣거나 상기 유입채널들 또는 유출 채널들을 통하여 가스를 흡입하여 제1촉매 슬러리의 일부를 유입 채널들 또는 유출 채널들로부터 배출하는 단계; 상기 유출 채널들 또는 유입 채널들에 제2촉매 슬러리를 주입하는 단계; 상기 유입 채널들 또는 유출 채널들을 통하여 가스를 불어 넣거나 상기 유출 채널들 또는 유입 채널들을 통하여 가스를 흡입하여 제2촉매 슬러리의 일부를 유출 채널들 또는 유입 채널들로부터 배출하는 단계; 그리고 제1촉매 슬러리의 일부와 제2촉매 슬러리의 일부가 배출된 매연 필터를 건조/소성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 유입 채널들과, 유출 채널들과, 다공성 월들과, 제1, 제2지지체들은 동일한 방향으로 연장되어 있을 수 있다.
상기 제1촉매 슬러리는 유입 채널들의 내벽과 제1지지체들 또는 유출 채널들의 내벽과 제2지지체들에 코팅되고, 제2촉매 슬러리는 유출 채널들의 내벽과 제2지지체들 또는 유입 채널들의 내벽과 제1지지체들에 코팅될 수 있다.
상기 제1촉매 슬러리의 일부를 유입 채널들 또는 유출 채널들로부터 배출하는 단계에서는 유입 채널들의 내벽 또는 유출 채널들의 내벽으로부터 제거되는 촉매 슬러리의 양이 제1지지체들의 표면 또는 제2지지체들의 표면에서 제거되는 촉매 슬러리의 양보다 많을 수 있다.
상기 제2촉매 슬러리의 일부를 유출 채널들 또는 유입 채널들로부터 배출하는 단계에서는 유출 채널들의 내벽 또는 유입 채널들의 내벽으로부터 제거되는 촉매 슬러리의 양이 제2지지체들의 표면 또는 제1지지체들의 표면에서 제거되는 촉매 슬러리의 양보다 많을 수 있다.
상기 유입 채널들의 내벽에 코팅되는 촉매의 양은 유출 채널들을 통하여 불어 넣는 가스의 압력 또는 유입 채널들을 통하여 흡입하는 가스의 압력을 조절함으로써 조절될 수 있다.
상기 유출 채널들의 내벽에 코팅되는 촉매의 양은 유입 채널들을 통하여 불어 넣는 가스의 압력 또는 유출 채널들을 통하여 흡입하는 가스의 압력을 조절함으로써 조절될 수 있다.
하나의 양상에서, 상기 제1, 제2지지체는 상기 다공성 월과 동일한 재질로 제작될 수 있다.
다른 하나의 양상에서, 상기 제1, 제2지지체는 서로 동일한 재질로 제작되고, 상기 다공성 월과 다른 재질로 제작될 수 있다.
상기 제1, 제2촉매 슬러리의 점도는 200cpsi 이상으로 조절될 수 있다.
상기 제1, 제2촉매 슬러리의 점도는 제1, 제2촉매 슬러리로 제조되는 제1, 제2촉매 고형분의 함량, 제1, 제2슬러리의 pH, 상기 제1, 제2촉매 고형분이 분쇄된 입자 크기에 따라 조절될 수 있다.
상기 제1, 제2촉매 슬러리로 제조되는 제1, 제2촉매 고형분의 평균 입도는 상기 다공성 월의 평균 세공 크기보다 크게 조절될 수 있다.
하나의 양상에서, 상기 제1촉매 슬러리와 상기 제2촉매 슬러리는 동일한 조성을 가질 수 있다.
다른 양상에서, 상기 제1촉매 슬러리와 상기 제2촉매 슬러리는 서로 다른 조성을 가질 수 있다.
상기 제1촉매 슬러리는 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT) 촉매 슬러리이고, 상기 제2촉매 슬러리는 선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매 슬러리일 수 있다.
상술한 바와 같이, 적어도 하나 이상의 유입 채널중 적어도 하나 이상의 내부에 제1지지체를 배치하고, 적어도 하나 이상의 유출 채널 중 적어도 하나 이상의 내부에 제2지지체를 배치하며, 상기 제1, 제2지지체에 촉매의 상당량을 코팅하고 다공성 월에 코팅되는 촉매의 로딩량을 줄임으로써 배압 증가를 최소화하며 촉매 로딩량을 증가시킬 수 있다.
또한, 월의 두께를 유지하면서 촉매 로딩량, 유체와 촉매와의 접촉 면적(시간)을 늘릴 수 있으므로, 충분한 필터 성능과 촉매 성능을 얻을 수 있다.
더 나아가, 제1지지체와 제2지지체에 서로 다른 타입의 촉매들을 코팅시킴으로써, 제한된 공간 내에 배치되는 촉매들의 자유도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터의 일부 유입 채널과 유출 채널을 도시한 정면도이다.
도 4는 월 플로우 타입의 매연 필터에서 촉매 코팅량에 따른 질소산화물의 정화율을 도시한 그래프이다.
도 5는 플로우 쓰루 타입의 담체에서 촉매 코팅량에 따른 질소산화물의 정화율을 도시한 그래프이다.
도 6은 월 플로우 타입의 매연 필터에서 촉매 코팅량에 따른 배압을 도시한 그래프이다.
도 7은 플로우 쓰루 타입의 담체에서 촉매 코팅량에 따른 배압을 도시한 그래프이다.
도 8은 플로우 쓰루 타입의 담체에서 셀 밀도에 따른 배압을 도시한 그래프이다.
도 9는 월 플로우 타입의 매연 필터에서 셀 밀도에 따른 배압을 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터의 제조 방법을 순차적으로 도시한 개략도이다.
도 11은 촉매 슬러리의 점도에 따라 다공성 월에 코팅되는 촉매의 양을 도시한 그래프이다.
도 12는 촉매 슬러리로 제조되는 고형분의 평균 입도에 따라 다공성 월에 코팅되는 촉매의 양을 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터는 차량뿐만 아니라 화석 연료를 태워 에너지를 얻고 그 과정에서 발생되는 가스를 대기 중으로 배출하는 다양한 장치에 적용될 수 있다. 본 명세서에서는 상기 촉매가 코팅된 매연 필터가 차량에 적용되는 것을 예시하나, 차량에만 적용되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
차량에는 동력을 발생시키기 위한 엔진이 탑재되어 있다. 상기 엔진은 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 연소시켜 화학적 에너지를 기계적 에너지로 변환한다. 엔진은 흡기 매니폴드에 연결되어 연소실 내부로 공기를 유입받으며, 배기 매니폴드에 연결되어 연소 과정에서 발생된 배기 가스는 배기 매니폴드에 모인 후 차량의 외부로 배출되게 된다. 상기 연소실 또는 흡기 매니폴드에는 인젝터가 장착되어 연료를 연소실 또는 흡기 매니폴드 내부로 분사한다.
상기 엔진에서 발생된 배기 가스는 배기 가스를 통하여 차량 외부로 배출된다. 상기 배기 장치는 배기 파이프와 배기 가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation; EGR) 장치를 포함할 수 있다.
상기 배기 파이프는 상기 배기 매니폴드에 연결되어 배기 가스를 차량의 외부로 배출시킨다.
배기 가스 재순환 장치는 배기 파이프 상에 장착되어 엔진에서 배출되는 배기 가스는 상기 배기 가스 재순환 장치를 통과한다. 또한, 상기 배기 가스 재순환 장치는 상기 흡기 매니폴드에 연결되어 배기 가스의 일부를 공기에 섞어 연소 온도를 제어한다. 이러한 연소 온도는 상기 배기 가스 재순환 장치에 구비된 EGR 밸브(도시하지 않음)를 ON/OFF 제어함으로써 조절될 수 있다. 즉, EGR 밸브를 ON/OFF 제어함으로써 흡기 매니폴드에 공급되는 배기 가스의 양을 조절한다.
상기 배기 장치에는 배기 파이프에 장착되어 배기 가스에 포함된 입자상 물질을 포집하는 매연 필터를 더 포함할 수 있다. 상기 매연 필터는 배기 가스에 포함된 입자상 물질 외의 유해한 물질을 정화하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조로, 본 발명의 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터의 단면도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터의 일부 유입 채널과 유출 채널을 도시한 정면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터(1)는 하우징 내에 적어도 하나 이상의 유입 채널(10)과, 적어도 하나 이상의 유출 채널(20)을 포함한다. 상기 복수개의 유입 채널(10)과 유출 채널(20)은 월(30)에 의하여 구획되어 있다. 또한, 상기 적어도 하나 이상의 유입 채널(10) 중 적어도 하나 이상의 내부에는 제1지지체(40)가 배치되고, 상기 적어도 하나 이상의 유출 채널(20) 중 적어도 하나 이상의 내부에는 제2지지체(40')가 배치될 수 있다.
본 명세서에서 유입 채널(10)과 유출 채널(20)은 모두 '셀'로 통칭될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 하우징의 형상은 원통 형상이고 셀의 형상은 사각형인 것을 예시하였으나, 하우징의 형상과 셀의 형상은 예시된 형상들에 한정되지 아니한다. 또한, 본 명세서에서는 유입 채널(10)에는 제1지지체(40)가 배치되고 유출 채널(20)에는 제2지지체(40')가 배치되는 것을 예시하였으나, 이에 한정되지 아니한다. 즉, 유입 채널(10)에는 제2지지체(40')가 배치되고 유출 채널(20)에는 제1지지체(40)가 배치될 수 있다. 설명의 편의 상, 이하에서는 유입 채널(10)에는 제1지지체(40)가 배치되고 유출 채널(20)에는 제2지지체(40')가 배치되는 것을 예시한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 유입 채널(10)은 배기 가스의 흐름을 따라서 연장되어 있다. 상기 유입 채널(10)의 전단은 개구되어 배기 가스가 상기 유입 채널(10)을 통하여 매연 필터(1)의 내부로 유입된다. 상기 유입 채널(10)의 후단은 제1플러그(12)에 의하여 막혀 있다. 따라서, 매연 필터(1) 내부의 배기 가스는 유입 채널(10)을 통하여 매연 필터(1) 외부로 유출될 수 없다.
상기 유출 채널(20)은 배기 가스의 흐름을 따라서 연장되어 있으며, 상기 유입 채널(10)과 평행하게 배치될 수 있다. 상기 유출 채널(20)의 주위에는 적어도 하나 이상의 유입 채널(10)이 위치하고 있다.
예를 들어, 셀의 형상이 사각형이면, 유출 채널(20)의 4개의 면은 월(30)에의하여 둘러싸여 있다. 상기 4개의 면 중 적어도 하나 이상의 면은 유출 채널(20)과, 이에 이웃하는 유입 채널(10) 사이에 위치하게 된다. 셀의 형상이 사각형이면, 유출 채널(20)은 4개의 이웃하는 유입 채널(10)에 의하여 둘러싸이고 유입 채널(10)은 4개의 이웃하는 유출 채널(20)의하여 둘러싸일 수 있으나, 이에 한정되지는 아니한다.
상기 유출 채널(20)의 전단은 제2플러그(22)에 의하여 막혀 있어 배기 가스가 유출 채널(20)을 통하여 매연 필터(1)의 내부로 유입될 수 없다. 상기 유출 채널(20)의 후단은 개구되어 매연 필터(1) 내부의 배기 가스는 상기 유출 채널(20)을 통하여 매연 필터(1)의 외부로 유출되게 된다.
월(30)은 이웃하는 유입 채널(10)과 유출 채널(20) 사이에 배치되어 경계를 정의한다. 상기 월(30)은 그 내부에 적어도 하나 이상의 세공(micropore)이 형성된 다공성 월(30)일 수 있다. 상기 다공성 월(30)은 이웃하는 유입 채널(10)과 유출 채널(20)을 유체적으로 연통한다. 따라서, 유입 채널(10)로 유입된 배기 가스는 상기 다공성 월(30)을 통하여 유출 채널(20)로 이동할 수 있다. 또한, 상기 다공성 월(30)은 배기 가스에 포함된 입자상 물질은 통과시키지 않는다. 배기 가스가 다공성 월(30)을 통하여 유입 채널(10)에서 유출 채널(20)로 이동할 때, 상기 배기 가스에 포함된 입자상 물질은 다공성 월(30)에 의하여 걸러진다. 상기 다공성 월(30)은 알루미늄 티타네이트(aluminum titanate), 코디어라이트(codierite), 실리콘 카바이드(silicon carbide) 등에 의하여 제작될 수 있다.
상기 유입 채널(10)의 내벽을 형성하는 다공성 월(30)에는 제1촉매(50)가 코팅될 수 있다. 상기 유입 채널(10)의 내벽을 형성하는 다공성 월(30)에 코팅되는 제1촉매(50)는 제한되지 않는다. 즉, 설계 의도에 따라, 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT) 촉매, 삼원 촉매, 산화 촉매, 탄화수소 트랩 촉매, 선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매 등 다양한 제1촉매(50)가 상기 유입 채널(10)의 내벽을 형성하는 다공성 월(30)에 코팅될 수 있다.
상기 유출 채널(20)의 내벽을 형성하는 다공성 월(30)에는 제2촉매(50')가 코팅될 수 있다. 상기 유출 채널(20)의 내벽을 형성하는 다공성 월(30)에 코팅되는 제2촉매(50')는 제한되지 않는다. 즉, 설계 의도에 따라, 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT) 촉매, 삼원 촉매, 산화 촉매, 탄화수소 트랩 촉매, 선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매 등 다양한 제2촉매(50')가 상기 유출 채널(20)의 내벽을 형성하는 다공성 월(30)에 코팅될 수 있다. 또한, 상기 제1촉매(50)와 제2촉매(50')는 동일하거나 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 제1촉매(50)는 LNT 촉매이고, 제2촉매(50')는 SCR 촉매일 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다.
상기 제1지지체(40)는 상기 유입 채널(10)들 중 적어도 하나 이상의 내부에 배치되고, 상기 제2지지체(40')는 상기 유출 채널(20)들 중 적어도 하나 이상의 내부에 배치될 수 있다. 도 1 내지 도 3에서는, 상기 제1, 제2지지체(40, 40')가 유입 채널(10) 및/또는 유출 채널(20)이 연장되는 방향에 평행하게 연장되어 있는 것을 도시하였으나, 이에 한정되지 아니한다. 즉, 상기 제1, 제2지지체(40, 40')는 유입 채널(10) 및/또는 유출 채널(20)이 연장되는 방향에 수직 또는 비스듬하게 연장될 수 있다. 상기 제1, 제2지지체(40, 40')가 유입 채널(10) 및/또는 유출 채널(20)이 연장되는 방향에 수직 또는 비스듬하게 연장되는 경우, 상기 제1, 제2지지체(40, 40')의 양단 중 적어도 하나는 상기 셀을 구획하는 다공성 월(30)에 접촉하지 않을 수 있다. 또한, 상기 제1, 제2지지체(40, 40')가 유입 채널(10) 및/또는 유출 채널(20)이 연장되는 방향에 평행하게 연장되는 경우, 상기 제1, 제2지지체(40, 40')는 채널(10 또는 20)의 전체 길이만큼 연장될 수도 있고, 채널(10 또는 20)의 일부 길이만큼 연장될 수도 있다.
상기 제1, 제2지지체(40, 40')에는 촉매가 코팅될 수 있다. 상기 제1, 제2지지체(40, 40')에 각각 코팅되는 촉매들의 종류는 제한되지 않는다. 즉, 설계 의도에 따라, 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT) 촉매, 삼원 촉매, 산화 촉매, 탄화수소 트랩 촉매, 선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매 등 다양한 촉매가 제1, 제2지지체(40, 40')에 코팅될 수 있다. 또한, 상기 제1, 제2지지체(40, 40')에 코팅되는 촉매들은 서로 동일하거나 다를 수 있다. 더 나아가, 상기 제1지지체(40)에 코팅되는 촉매는 제1촉매(50)와 동일하거나 다를 수 있고, 상기 제2지지체(40')에 코팅되는 촉매는 제2촉매(50')와 동일하거나 다를 수 있다. 또한, 상기 제1지지체(40)에는 제1촉매(50)가 코팅되고, 제2지지체(40')에는 제2촉매(50')가 코팅될 수 있다. 앞에서 언급한 바와 같이, 상기 제1촉매(50)와 제2촉매(50')는 동일하거나 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 제1지지체(40)에 코팅되는 제1촉매(50)는 LNT 촉매이고, 제2지지체(40')에 코팅되는 제2촉매(50')는 SCR 촉매일 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다. 더 나아가, 각 지지체(40, 40')의 일면과 타면에 다른 종류의 촉매를 코팅할 수도 있다.
한편, 제1, 제2지지체(40, 40')는 필터의 역할을 수행하기 위하여 구비되는 것이 아니라 촉매(50, 50')를 잡아 두기 위하여 구비되는 것이므로, 반드시 다공성 재질로 제작될 필요가 없다. 즉, 제1, 제2지지체(40, 40')는 상기 다공성 월(30)과 동일한 재질로 제작되거나 다른 재질로 제작될 수 있다. 제1, 제2지지체(40, 40')가 다공성 재질로 제작된다고 하더라도, 제1, 제2지지체(40, 40')에 의하여 구획되는 채널(10 또는 20)의 두 부분 사이에는 압력 차이가 거의 없으므로, 배기 가스는 거의 제1, 제2지지체(40, 40')를 통과하지 않고 제1, 제2지지체(40, 40')와 월(30)을 따라 이동하게 된다. 또한, 제1, 제2지지체(40, 40')는 필터의 역할을 수행할 필요가 없으므로, 제1, 제2지지체(40, 40')를 두껍게 형성할 필요가 없다. 즉, 제1, 제2지지체(40, 40')의 두께는 월(30)의 두께보다 얇게 형성할 수 있으며, 이는 배압의 증가를 최소화하게 된다. 제1, 제2지지체(40, 40')가 다공성 재질로 제작되면, 상기 촉매(50, 50')는 제1, 제2지지체(40, 40')의 표면과 제1, 제2지지체(40, 40') 내부의 세공(micropore)에 코팅되게 된다. 이와는 달리, 제1, 제2지지체(40, 40')가 비다공성(non-porous) 재질로 제작되면, 상기 촉매(50, 50')는 제1, 제2지지체(40, 40')의 표면에 코팅되게 된다.
앞에서 언급한 바와 같이, 상기 제1, 제2촉매(50, 50')는 상기 제1, 제2지지체(40, 40')와 다공성 월(30)에 모두 코팅될 수 있다. 이 경우, 상기 제1, 제2지지체(40, 40')에 코팅되는 제1, 제2촉매(50, 50')의 양은 다공성 월(30)에 코팅되는 제1, 제2촉매(50, 50')의 양보다 많을 수 있다. 다공성 월(30)은 필터의 역할을 수행하므로 다공성 월(30)에는 제1, 제2촉매(50, 50')를 얇게 코팅할 수 있다. 그러나, 제1, 제2지지체(40, 40')는 필터의 역할을 수행할 필요가 없으므로, 제1, 제2지지체(40, 40')에는 제1, 제2촉매(50, 50')를 두껍게 코팅할 수 있다. 이에 따라, 매연 필터(1)에 코팅되는 촉매의 양을 증가시킬 수 있다. 여기서, 촉매의 양은 단위 길이 또는 단위 면적 당 코팅되는 촉매의 양을 의미한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터의 작동을 설명하기로 한다.
도 4는 월 플로우 타입의 매연 필터에서 촉매 코팅량에 따른 질소산화물의 정화율을 도시한 그래프이고, 도 5는 플로우 쓰루 타입의 담체에서 촉매 코팅량에 따른 질소산화물의 정화율을 도시한 그래프이다.
도 4와 도 5는 동일한 엔진을 동일한 모드에서 운전하며 측정한 데이터를 도시하고 있다. 실험에 사용된 매연 필터의 단면적, 부피 및 촉매 코팅량은 실험에 사용된 담체의 단면적, 부피 및 촉매 코팅량과 동일하나, 매연 필터의 셀의 개수는 담체의 셀의 개수와 다르다. 매연 필터의 월은 필터의 기능을 수행해야 하므로 월의 두께를 얇게 하지 못하고 이에 따라 셀의 개수가 적다. 그러나, 담체의 월은 필터의 기능을 수행할 필요가 없으므로 월의 두께를 얇게 하고 이에 따라 셀의 개수는 많다. 실험에 사용된 매연 필터의 셀 밀도는 300cpsi(cell per square inch)이고, 월의 두께는 12mil(1/1,000 inch)이며, 담체의 셀 밀도는 400cpsi이고 월의 두께는 3mil이다.
도 4 및 도 5를 참고하면, 동일한 양의 촉매가 코팅된 조건에서 매연 필터의 질소산화물의 정화율은 담체의 질소산화물의 정화율보다 5% ~ 15%만큼 작다. 또한, 매연 필터 또는 담체에 코팅되는 촉매의 양이 증가할수록 정화율의 차이도 커지게 된다. 동일한 체적에 형성되는 셀의 개수가 증가하면, 월과 배기 가스의 접촉 면적(접촉 시간)이 증가하게 된다. 따라서, 동일한 양의 촉매가 코팅된다고 하더라도 플로우 쓰루 타입의 담체는, 월 플로우 타입의 매연 필터에 비해, 촉매와 배기 가스의 접촉 면적(접촉 시간)을 증가시키므로 정화율이 향상되게 된다. 앞에서 언급한 바와 같이, 본 실시예에서 제1, 제2지지체(40, 40')는 플로우 쓰루 타입의 담체와 동일한 역할을 하게 된다. 따라서, 제1, 제2촉매(50, 50')를 월(30)에 코팅하는 것보다 제1, 제2지지체(40, 40')에 코팅하는 것이 질소산화물의 정화율을 향상시킬 수 있다.
도 6은 월 플로우 타입의 매연 필터에서 촉매 코팅량에 따른 배압을 도시한 그래프이고, 도 7은 플로우 쓰루 타입의 담체에서 촉매 코팅량에 따른 배압을 도시한 그래프이다.
도 6과 도 7은 동일한 엔진을 동일한 모드에서 운전하며 측정한 데이터를 도시하고 있다. 실험에 사용된 매연 필터의 단면적, 부피는 실험에 사용된 담체의 단면적, 부피와 동일하고, 실험에 사용된 매연 필터의 셀 밀도는 300cpsi(cell per square inch)이고, 월의 두께는 12mil(1/1,000 inch)이며, 담체의 셀 밀도는 400cpsi이고 월의 두께는 3mil이다.
도 6 및 도 7을 참고하면, 동일한 양의 촉매가 코팅된 조건에서 매연 필터에 걸리는 배압은 담체에 걸리는 배압의 5배 이상임을 알 수 있다. 또한, 매연 필터에 코팅되는 촉매의 양이 늘어날수록 매연 필터에 걸리는 배압은 크게 증가하나, 담체에 코팅되는 촉매의 양이 늘어나더라도 담체에 걸리는 배압은 조금 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서, 배압 측면에서 코팅되는 촉매의 양이 늘어날수록 월 플로우 타입의 매연 필터보다 플로우 쓰루 타입의 담체가 유리한 것을 알 수 있다. 앞에서 언급한 바와 같이, 본 실시예에서 제1, 제2지지체(40, 40')는 플로우 쓰루 타입의 담체와 동일한 역할을 하게 된다. 따라서, 제1, 제2촉매(50, 50')를 월(30)에 코팅하는 것보다 제1, 제2지지체(40, 40')에 코팅하는 것이 배압 증가를 최소화하게 된다.
도 8은 플로우 쓰루 타입의 담체에서 셀 밀도에 따른 배압을 도시한 그래프이고, 도 9는 월 플로우 타입의 매연 필터에서 셀 밀도에 따른 배압을 도시한 그래프이다.
도 8에서 x축은 셀 밀도와 월의 두께를 함께 기재하고 있다. 예를 들어, 300cpsi/4mil은 셀 밀도가 300cpsi이고 월의 두께가 4mil임을 의미한다. 도 8은 동일한 단면적의 담체에서 셀의 개수만을 변화시키며 측정한 데이터이다. 도 8을 참고하면, 플로우 쓰루 타입의 담체에서 셀의 개수가 증가하여도 배압의 증가가 작은 것을 알 수 있다. 앞에서 언급한 바와 같이, 본 실시예에서 제1, 제2지지체(40, 40')는 플로우 쓰루 타입의 담체와 동일한 역할을 하게 된다. 따라서, 제1, 제2지지체(40, 40')의 개수를 증가시키더라도 배압의 증가가 작을 것이 예상된다.
도 9에서 점선은 월의 두께가 8mil인 경우를 나타내고, 일점쇄선은 월의 두께가 12mil인 경우를 나타내며, 실선은 월의 두께가 13mil인 경우를 나타낸다. 도 9에서는 셀의 밀도에 따른 배압의 변화가 크기 때문에 셀의 밀도에 따른 배압을 기준 배압에 대한 비로 나타내었다. 도 9는 동일한 단면적의 매연 필터에서 셀의 개수만을 변화시키며 측정한 데이터이다. 도 9를 참고하면, 월 플로우 타입의 매연 필터에서 셀의 개수가 증가하면 배압도 이에 따라 증가함을 알 수 있다. 특히, 월의 두께가 두꺼울수록 배압의 증가도 큼을 알 수 있다. 매연 필터는 필터의 기능을 수행하므로 월의 두께가 두꺼울수록 필터의 성능이 좋아지게 된다. 그러나, 월의 두께가 두꺼우면 형성될 수 있는 셀의 개수도 한정되고 배압의 증가도 크게 된다.
도 4 내지 도 9를 종합적으로 참고하면, 매연 필터(1)에 코팅되는 촉매의 양이 증가하면, 질소산화물의 정화율도 상승한다. 그러나, 매연 필터(1)에 코팅되는 촉매의 양이 증가하면 배압도 함께 상승한다. 또한, 월 플로우 타입의 매연 필터(1)에서는 배압 및 (필터 성능을 확보하기 위한) 월(30)의 두께 때문에 셀의 개수가 한정되게 된다.
그러나, 플로우 쓰루 타입의 담체에는 코팅되는 촉매의 양이 증가하여도 배압의 증가가 작고, 필터 성능을 확보할 필요가 없기 때문에 월의 두께를 충분히 얇게 형성하여 셀의 개수도 대폭 증가시킬 수 있다. 본 실시예에 따른 제1, 제2지지체(40, 40')는, 앞에서 언급한 바와 같이, 필터로서 기능할 필요가 없고, 단지 제1, 제2촉매(50, 50')를 담아두기 위한 담체로 작용한다. 따라서, 플로우 쓰루 타입의 담체와 동일한 기능을 수행하게 된다. 결국, 제1, 제2지지체(40, 40')의 개수가 증가하여도 배압의 증가는 최소화되게 된다. 또한, 얇은 두께의 제1, 제2지지체(40, 40')를 사용할 수 있으므로, 매연 필터(1)에 장착되는 제1, 제2지지체(40, 40')의 개수도 충분히 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 제1, 제2지지체(40,40')는 지지하는 제1, 제2촉매(50, 50')의 양도 증가시킬 수 있고, 제1, 제2촉매(50, 50')와 배기 가스의 접촉 시간(접촉 면적)을 늘릴 수 있어 질소산화물 정화 성능을 향상시킬 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터의 제조 방법을 순차적으로 도시한 개략도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 촉매가 코팅된 매연 필터(1)는 기본(bare) 매연 필터를 준비함으로써 제작되기 시작한다(S100). 앞에서 설명한 바와 같이, 상기 기본 매연 필터는 적어도 하나 이상의 유입 채널(10)과, 적어도 하나 이상의 유출 채널(20)과, 이웃하는 유입 채널(10)과 유출 채널(20) 사이의 경계를 정의하는 적어도 하나 이상의 다공성 월(30)과, 상기 적어도 하나 이상의 유입 채널 중 적어도 하나 이상의 내부에 위치하는 제1지지체(40)와, 상기 적어도 하나 이상의 유출 채널 중 적어도 하나 이상의 내부에 위치하는 제2지지체(40')를 포함한다. 상기 기본 매연 필터는 압출 등의 방법으로 제작한 후 양 단을 제1, 2플러그(12, 22)로 막아 제작할 수 있다.
S100 단계에서 기본 매연 필터가 제작되면, 유입 채널(10)들 또는 유출 채널(20)들에 제1촉매 슬러리(52)를 주입한다(S110). 이 경우, 제1촉매 슬러리(52)는 유입 채널(10) 또는 유출 채널(20)들을 채우고 있다. 설명의 편의를 위하여, 본 명세서에서는 유입 채널(10)들에 제1촉매 슬러리(52)를 주입하고 유출 채널(20)들에 제2촉매 슬러리(54)를 주입하는 것을 예시하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, S110 단계에서는 유입 채널(10)에 제1촉매 슬러리(52)를 주입하고 유출 채널(20)에는 제1, 제2촉매 슬러리(52, 54) 중 어느 것도 주입되지 않는다.
여기서, 제1, 제2촉매 슬러리(52, 54)를 제조하는 방법을 간단히 설명하면 다음과 같다.
먼저 목표하는 촉매의 조성과 동일한 촉매 고형분을 준비한다. 예를 들어, 목표하는 촉매가 LNT 촉매인 경우에는 Al2O3, CeO2, Ba, Pt, Pd, Rh 등을 포함하는 하나 이상의 촉매 고형분을 준비한다. 또한, 목표하는 촉매가 SCR 촉매인 경우에는 제올라이트, Cu 등을 포함하는 하나 이상의 촉매 고형분을 준비한다. 또한, 제1, 제2촉매(50, 50')의 종류에 따라 제1, 제2촉매 고형분을 각각 준비할 수 있다.
그 후, 촉매 고형분에 물을 혼합하여 촉매 고형분을 습식 분쇄한다. 이 때, 촉매 고형분의 함량은 20wt% ~ 40wt% 수준이 되도록 한다. 여기서, 물에 습식 분쇄된 촉매 고형분을 촉매 슬러리라고 명칭하기로 한다.
또한, 촉매 슬러리에 아세트산 등의 산 성분을 첨가함으로써 촉매 슬러리의 pH를 조절할 수 있으며, 촉매 슬러리의 pH에 의해 촉매 슬러리의 점도가 변화게 된다. 즉, 상기 촉매 슬러리의 점도는 고형분의 함량, 슬러리의 pH, 고형분이 분쇄된 입자 크기에 따라 조절될 수 있다. 본 실시예에서는 제1, 제2촉매 슬러리(52, 54)의 점도를 각각 200cpsi 이상으로 조절함으로써 제1, 제2촉매 슬러리(52, 54)가 다공성 월(30)의 세공을 통과하지 못하도록 한다.
또한, 다공성 월(30)에 코팅되는 제1, 제2촉매의 양은 제1, 제2촉매 고형분의 평균 입도에 의하여 조절될 수 있다. 본 실시예에서는, 제1, 제2촉매 슬러리(52, 54)가 다공성 월(30)을 통과하지 못하도록 제1, 제2촉매 고형분의 평균 입도를 조절한다. 즉, 다공성 월(30)의 평균 세공 크기(average pore size)보다 제1, 제2촉매 고형분의 평균 입도를 크게 조절한다.
S110 단계를 수행하고 난 뒤, 유출 채널(20)들을 통하여 가스를 불어 넣거나 유입 채널(10)들을 통하여 가스를 흡입하여 제1촉매 슬러리(52)의 일부를 유입 채널(10)로부터 배출한다(S120). 예를 들어, 유출 채널(20)들에는 블로어(도시하지 않음)를 연결하여 상기 유출 채널(20)에 가스를 불어 넣을 수 있다. 이와는 달리, 유입 채널(10)에 진공 펌프(도시하지 않음)를 연결하여 상기 유입 채널(10)로부터 가스를 흡입할 수 있다. 또한, 유출 채널(20)에 가스를 불어 넣음과 동시에 유입 채널(10)로부터 가스를 흡입할 수도 있다.
S120 단계에서 가스를 불어 넣거나 가스를 흡입하면 유입 채널(10)과 유출 채널(20) 사이에 압력차가 발생한다. 상기 압력차에 의하여 가스는 유출 채널(20)을 통과한 후 유입 채널(10)로부터 배출된다. 이 때, 유입 채널(10)들에 충진된 제1촉매 슬러리(52) 중 일부는 상기 가스와 함께 유입 채널(10)들로부터 배출된다.
한편, S120 단계에서는 상기 다공성 월(30)을 사이에 두고 유입 채널(10)과 유출 채널(20) 사이의 압력차가 크게 걸리고, 이에 따라 가스는 다공성 월(30)을 상대적으로 빠르게 통과한다. 따라서, 유입 채널(10)들의 내벽을 형성하는 다공성 월(30)에 묻었던 제1촉매 슬러리(52)들 중 상당한 양이 상기 유입 채널(10)들의 내벽을 형성하는 다공성 월(30)로부터 제거되어 유입 채널(10)로부터 배출된다.
그러나, 앞에서 설명한 바와 같이, 하나의 제1지지체(40)는 하나의 유입 채널(10) 내에 위치하므로 제1지지체(40)에 의하여 구획되는 유입 채널(10)의 두 부분 사이에는 압력 차이가 거의 없다. 이에 따라, 가스는 거의 제1지지체(40)를 통과하지 않고 제1지지체(40)와 유입 채널(10)의 내벽을 형성하는 다공성 월(30)을 따라 이동하게 된다. 따라서, 제1지지체(40)에 묻었던 제1촉매 슬러리(52)들 중 매우 일부만이 상기 제1지지체(40)로부터 제거되어 유입 채널(10)로부터 배출된다.
다시 설명하면, 제1촉매 슬러리(52)가 충진된 유입 채널(10)로부터 가스를 흡입하거나 유출 채널(20)에 가스를 불어 넣으면, 유입 채널(10)의 내벽을 형성하는 다공성 월(30)에서 제거되는 제1촉매 슬러리(52)의 양이 제1지지체(40)의 표면에서 제거되는 제1촉매 슬러리(52)의 양보다 많게 된다. 결과적으로, 유입 채널(10)의 내벽을 형성하는 다공성 월(30)에 코팅되는 제1촉매(50)의 양은 적고 제1지지체(40)에 코팅되는 제1촉매(50)의 양은 많게 된다. 유입 채널(10)의 내벽을 형성하는 다공성 월(30)에 코팅되는 제1촉매(50)의 양을 줄임으로써 사용 시 배압의 증가를 억제할 수 있고, 제1지지체(40)에 코팅되는 제1촉매(50)의 양을 늘림으로써 전체 촉매 로딩량을 증가시킬 수 있다. 이와 같이, 다공성 월(30)들에 코팅되는 촉매의 양은 불어 넣거나 흡입하는 가스의 압력을 조절함으로써 조절될 수 있다. 즉, 불어 넣거나 흡입하는 가스의 압력이 높으면, 다공성 월(30)들에 코팅되는 촉매의 양은 줄어들게 된다. 이와는 달리, 불어 넣거나 흡입하는 가스의 압력이 낮으면, 다공성 월(30)들에 코팅되는 촉매의 양은 늘어나게 된다. 이 때, 지지체(40, 40')에 코팅되는 촉매의 양은 불어 넣거나 흡입하는 가스의 압력에 크게 종속되지는 않는다.
또한, 다공성 월(30)들에 코팅되는 촉매의 양은 촉매 슬러리의 점도와 촉매 고형분의 평균 입도에 의존된다. 여기서, 다공성 월(30)들에 코팅되는 촉매의 양은 가스를 불어 넣거나 흡입한 후 최종적으로 남는 촉매의 양을 의미한다.
도 11은 촉매 슬러리의 점도에 따라 다공성 월에 코팅되는 촉매의 양을 도시한 그래프이고, 도 12는 촉매 슬러리로 제조되는 고형분의 평균 입도에 따라 다공성 월에 코팅되는 촉매의 양을 도시한 그래프이다.
도 11 및 도 12에 도시된 그래프들은 다공성 월(30)의 평균 세공 크기가 12um이고 공극율(porosity)이 55%인 다공성 월(30)을 사용하여 실험을 수행한 결과를 나타낸다.
도 11에 도시된 바와 같이, 다공성 월(30)들에 코팅되는 촉매의 양은 촉매 슬러리의 점도가 100cpsi 정도에서 최대값이고, 촉매 슬러리의 점도가 증가할수록 급격하게 감소한다. 본 실시예에서와 같이, 촉매 슬러리의 점도가 200cpsi 이상이면, 다공성 월(30)에는 적은 양의 촉매만이 코팅되게 된다. 앞에서 언급한 바와 같이, 다공성 월(30)에 코팅되는 촉매의 양이 적으면, 배압의 증가가 억제된다.
도 12에 도시된 바와 같이, 다공성 월(30)들에 코팅되는 촉매의 양은 촉매 슬러리로 제조되는 촉매 고형분의 평균 입도가 증가할수록 감소된다. 예를 들어, 촉매 고형분의 평균 입도가 12um 이상이면 다공성 월(30)에 코팅되는 촉매의 양은 50g/L 이하가 되고, 촉매 고형분의 평균 입도가 18um 이상이면, 다공성 월(30)에 코팅되는 촉매의 양은 20g/L 이하가 된다. 앞에서 언급한 바와 같이, 다공성 월(30)에 코팅되는 촉매의 양이 적으면 배압의 증가가 억제된다. 따라서, 촉매 슬러리로 제조되는 촉매 고형분의 평균 입도를 다공성 월(30)의 평균 세공 크기보다 크게 조절하여 다공성 월(30)에 코팅되는 촉매의 양을 줄이고, 이에 따라 배압의 증가를 억제할 수 있다.
결과적으로, 본 발명의 실시예에서는 배압의 증가를 억제하기 위하여 촉매 슬러리의 점도를 200cpsi 이상으로 설정하고 촉매 고형분의 평균 입도는 다공성 월(30)의 평균 세공 크기보다 크게 설정된다.
다시 도 10을 참고하면, S120 단계에서 제1촉매 슬러리(52)의 일부가 유입 채널(10)로부터 배출되면, 유출 채널(20)들에 제2촉매 슬러리(54)를 주입한다(S130).
S130 단계를 수행하고 난 뒤, 유입 채널(10)들을 통하여 가스를 불어 넣거나 유출 채널(20)들을 통하여 가스를 흡입하여 제2촉매 슬러리(54)의 일부를 유출 채널(20)로부터 배출한다(S140). 예를 들어, 유입 채널(10)들에는 블로어(도시하지 않음)를 연결하여 상기 유입 채널(10)에 가스를 불어 넣을 수 있다. 이와는 달리, 유출 채널(20)에 진공 펌프(도시하지 않음)를 연결하여 상기 유출 채널(20)로부터 가스를 흡입할 수 있다. 또한, 유입 채널(10)에 가스를 불어 넣음과 동시에 유출 채널(20)로부터 가스를 흡입할 수도 있다.
S140 단계에서 가스를 불어 넣거나 가스를 흡입하면 유입 채널(10)과 유출 채널(20) 사이에 압력차가 발생한다. 상기 압력차에 의하여 가스는 유입 채널(10)을 통과한 후 유출 채널(20)로부터 배출된다. 이 때, 유출 채널(20)들에 충진된 제2촉매 슬러리(54) 중 일부는 상기 가스와 함께 유출 채널(20)들로부터 배출된다. 이 때, 유출 채널(20)들의 내벽을 형성하는 다공성 월(30)에 묻었던 제2촉매 슬러리(54)들 중 상당한 양이 상기 유출 채널(20)들의 내벽을 형성하는 다공성 월(30)로부터 제거되어 유출 채널(20)로부터 배출된다. 또한, 하나의 제2지지체(40')는 하나의 유출 채널(20) 내에 위치하므로 제2지지체(40')에 의하여 구획되는 유출 채널(20)의 두 부분 사이에는 압력 차이가 거의 없다. 이에 따라, 제2지지체(40')에 묻었던 제2촉매 슬러리(54)들 중 매우 일부만이 상기 제2지지체(40')로부터 제거되어 유출 채널(20)로부터 배출된다. 결과적으로, 유출 채널(20)의 내벽을 형성하는 다공성 월(30)에 코팅되는 제2촉매(50')의 양은 적고 제2지지체(40')에 코팅되는 제2촉매(50')의 양은 많게 된다. 유출 채널(20)의 내벽을 형성하는 다공성 월(30)에 코팅되는 제2촉매(50')의 양을 줄임으로써 사용 시 배압의 증가를 억제할 수 있고, 제2지지체(40')에 코팅되는 제2촉매(50')의 양을 늘림으로써 전체 촉매 로딩량을 증가시킬 수 있다.
그 후, 제1촉매 슬러리(52)의 일부와 제2촉매 슬러리(54)의 일부가 배출된 매연 필터는 건조/소성하여(S150), 촉매가 코팅된 매연 필터(1)의 제조가 완료된다.
본 발명의 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터(1)의 제조 방법을 사용하여 매연 필터를 제조하면, 유입 채널(10)의 내벽을 형성하는 다공성 월(30)과 제1지지체(40)에 코팅되는 제1촉매(50)와, 유입 채널(20)의 내벽을 형성하는 다공성 월(30)과 제2지지체(40')에 코팅되는 제2촉매(50')는 서로 다른 종류의 촉매들일 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다. 즉, 제1촉매(50)와 제2촉매(50')는 동일한 종류의 촉매일 수 있다.
또한, 필터 기능을 수행하는 다공성 월(30)에는 적은 양의 촉매가 코팅되어 배압의 증가가 억제되며, 필터로서의 역할을 수행하지 않고 촉매를 지지하는 기능을 수행하는 제1, 제2지지체(40, 40')에 많은 양의 촉매를 코팅할 수 있다. 이에 따라 촉매의 성능이 향상된다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

Claims (15)

  1. 개구된 일단과 막혀 있는 타단을 포함하는 적어도 하나 이상의 유입 채널과, 막혀 있는 일단과 개구된 타단을 포함하며 상기 유입 채널과 교대로 배치되는 적어도 하나 이상의 유출 채널과, 이웃하는 유입 채널과 유출 채널 사이의 경계를 정의하는 적어도 하나 이상의 다공성 월과, 상기 적어도 하나 이상의 유입 채널 중 적어도 하나 이상의 내부에 위치하는 적어도 하나 이상의 제1지지체와, 상기 적어도 하나 이상의 유출 채널 중 적어도 하나 이상의 내부에 위치하는 적어도 하나 이상의 제2지지체를 포함하는 기본 매연 필터를 준비하는 단계;
    상기 유입 채널들 또는 유출 채널들에 제1촉매 슬러리를 주입하는 단계;
    상기 유출 채널들 또는 유입 채널들을 통하여 가스를 불어 넣거나 상기 유입채널들 또는 유출 채널들을 통하여 가스를 흡입하여 제1촉매 슬러리의 일부를 유입 채널들 또는 유출 채널들로부터 배출하는 단계;
    상기 유출 채널들 또는 유입 채널들에 제2촉매 슬러리를 주입하는 단계;
    상기 유입 채널들 또는 유출 채널들을 통하여 가스를 불어 넣거나 상기 유출 채널들 또는 유입 채널들을 통하여 가스를 흡입하여 제2촉매 슬러리의 일부를 유출 채널들 또는 유입 채널들로부터 배출하는 단계; 그리고
    제1촉매 슬러리의 일부와 제2촉매 슬러리의 일부가 배출된 매연 필터를 건조/소성하는 단계;
    를 포함하는 촉매가 코팅된 매연 필터의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유입 채널들과, 유출 채널들과, 다공성 월들과, 제1, 제2지지체들은 동일한 방향으로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1촉매 슬러리는 유입 채널들의 내벽과 제1지지체들 또는 유출 채널들의 내벽과 제2지지체들에 코팅되고, 제2촉매 슬러리는 유출 채널들의 내벽과 제2지지체들 또는 유입 채널들의 내벽과 제1지지체들에 코팅되는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터의 제조 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1촉매 슬러리의 일부를 유입 채널들 또는 유출 채널들로부터 배출하는 단계에서는 유입 채널들의 내벽 또는 유출 채널들의 내벽으로부터 제거되는 촉매 슬러리의 양이 제1지지체들의 표면 또는 제2지지체들의 표면에서 제거되는 촉매 슬러리의 양보다 많은 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터의 제조 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제2촉매 슬러리의 일부를 유출 채널들 또는 유입 채널들로부터 배출하는 단계에서는 유출 채널들의 내벽 또는 유입 채널들의 내벽으로부터 제거되는 촉매 슬러리의 양이 제2지지체들의 표면 또는 제1지지체들의 표면에서 제거되는 촉매 슬러리의 양보다 많은 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터의 제조 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 유입 채널들의 내벽에 코팅되는 촉매의 양은 유출 채널들을 통하여 불어 넣는 가스의 압력 또는 유입 채널들을 통하여 흡입하는 가스의 압력을 조절함으로써 조절되는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터의 제조 방법.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 유출 채널들의 내벽에 코팅되는 촉매의 양은 유입 채널들을 통하여 불어 넣는 가스의 압력 또는 유출 채널들을 통하여 흡입하는 가스의 압력을 조절함으로써 조절되는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1, 제2지지체는 상기 다공성 월과 동일한 재질로 제작되는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1, 제2지지체는 서로 동일한 재질로 제작되고, 상기 다공성 월과 다른 재질로 제작되는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터의 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1, 제2촉매 슬러리의 점도는 200cpsi 이상으로 조절되는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1, 제2촉매 슬러리의 점도는 제1, 제2촉매 슬러리로 제조되는 제1, 제2촉매 고형분의 함량, 제1, 제2슬러리의 pH, 상기 제1, 제2촉매 고형분이 분쇄된 입자 크기에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터의 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1, 제2촉매 슬러리로 제조되는 제1, 제2촉매 고형분의 평균 입도는 상기 다공성 월의 평균 세공 크기보다 크게 조절되는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터의 제조 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1촉매 슬러리와 상기 제2촉매 슬러리는 동일한 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터의 제조 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1촉매 슬러리와 상기 제2촉매 슬러리는 서로 다른 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1촉매 슬러리는 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT) 촉매 슬러리이고, 상기 제2촉매 슬러리는 선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매 슬러리인 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터의 제조 방법.
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