KR20180051765A - 대유량용 다공성 금속 멤브레인의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 금속 분말을 분급장치를 이용하여 입자 크기에 따라 분급하는 단계와, 상기 분급장치를 이용하여 입자 크기에 따라 분급한 금속 분말들에서 각각의 입자 크기를 갖는 금속 분말을 선별하여 충진 밀도 및 멤브레인의 기공도 제어를 위해 입자 크기에 따라 중량별로 담아 혼합기를 이용하여 혼합하는 단계와, 상기 혼합기를 통해 혼합이 이루어진 혼합분말과 바인더를 가열 혼합기에 투입하여 혼합하는 단계와, 탄성력을 갖는 폴리머 재질이 외부를 이루는 몰드에 상기 바인더와 상기 혼합분말의 혼합물을 장입한 후, 냉간 등방압 가압 장비를 사용하여 일정 압력으로 가압하여 성형하는 단계와, 내부가 비어있는 관형 형태를 갖는 성형 결과물을 몰드에서 탈형하는 단계와, 탈형된 성형 결과물을 진공 소결로에 장입하고, 상기 바인더가 열분해되는 온도보다 높고 상기 혼합분말의 용융온도보다 낮은 온도에서 유지하여 바인더를 탈지하고, 소결 온도로 승온하여 소결하는 단계와, 소결체를 전해연마액을 이용하여 전해연마 하는 단계와, 상기 전해연마액의 제거를 위해 세정하고 건조하는 단계 및 건조된 소결체의 미세 기공에 남아 있는 전해연마액 성분을 태워 제거하기 위해 진공 소결로에서 베이킹 공정을 수행하는 단계를 포함하는 다공성 금속 멤브레인의 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 다공성 금속 멤브레인의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제조방법이 간단하고, 공정 비용이 적게 들며, 기계적 강도가 우수하고, 기공도 제어가 용이하며, 표면 거칠기가 낮은 대유량용 다공성 금속 멤브레인을 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 웨이퍼 제조를 위해 사용되는 공정가스는 HCl, BCl3, CF4 등 대부분 독성이 강하여 반응챔버와 가스배관을 부식시키는 가스이다. 이러한 공정가스에 의한 불순물 입자들은 반응챔버의 오염 및 웨이퍼의 손상을 초래하여 반응챔버의 노화발생 및 웨이퍼의 수율을 저하시킨다.
그러므로, 반도체 제조설비로 연결되는 가스관의 일정 지점에 불순물 입자제어용 가스필터를 도입하는 것은 매우 중요하다. 불순물 입자제어용 가스필터는 제조공정에 사용되는 초고순도 가스 및 화학약품의 극청정성을 유지하여 제조공정의 안정성을 높여준다. 고내식성의 극청정 가스필터는 현재 반도체 생산공정뿐만 아니라 디스플레이, 정밀화학, 바이오, 원자력, 항공우주 등의 분야에서 모두 필요로 하는 핵심부품이다.
따라서, 불순물 입자제어용 극청정 가스 필터의 개발은 산업 고도화에 따라 관련 부품과 소재의 필요성이 커지는 현재 상황에서 매우 중요하다.
가스 필터는 가스를 투과하고 불순물 입자를 거르는 다공성 멤브레인(membrane)과, 이를 지지하고 가스관과 연결을 이루는 하우징(housing)으로 이루어져 있다. 가스필터에서 가장 핵심이 되는 부분은 기체가 직접적으로 통과하는 멤브레인이며, 최근 주목을 받고 있는 소재는 제조가 용이하고 높은 유체 투과도와 일정한 기공의 분포를 가지며 기공 표면이 매끄러워 더 높은 세척 용이성을 나타내는 금속 멤브레인이다.
금속 멤브레인은 세라믹이나 폴리머 멤브레인에 비해 높은 인장특성으로 파손의 위험이 없는 가스필터를 제조할 수 있다는 장점이 있다. 특히 니켈의 경우는 내식성과 소결특성이 좋아 멤브레인 제조에 적합하다. 하지만 보통의 금속 멤브레인의 경우 폴리머 멤브레인에 비해 기공의 크기가 크고 균일하지 않다. 따라서, 금속을 와이어 형태로 제조한 후 성형, 소결하는 방법이나 폴리머 용액 상에 분산시켜 슬러리로 제조한 후 소결하는 방법들을 사용해 왔다. 이러한 방법들을 사용한 가스 필터의 경우 높은 기공도를 가지고 있어 높은 통기성을 보이나, 제조 공정이 복잡하여 제조 단가가 높으며, 기공의 크기와 분포 제어의 어려움으로 인해 불순물입자 제어가 효율적이지 못하다는 단점을 가지고 있다.
한편, 금속분말을 이용한 필터 멤브레인의 경우, 금속섬유에 비해 단가가 저렴하고, 다양한 형상으로 성형이 가능하며, 좋은 기계적 강도를 보임에도 불구하고 30% 보다 낮은 기공도가 문제점으로 지적되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 제조방법이 간단하고, 공정 비용이 적게 들며, 기계적 강도가 우수하고, 기공도 제어가 용이하며, 표면 거칠기가 낮은 대유량용 다공성 금속 멤브레인을 제조하는 방법을 제공함에 있다.
본 발명은, 금속 분말을 분급장치를 이용하여 입자 크기에 따라 분급하는 단계와, 상기 분급장치를 이용하여 입자 크기에 따라 분급한 금속 분말들에서 각각의 입자 크기를 갖는 금속 분말을 선별하여 충진 밀도 및 멤브레인의 기공도를 고려하여 입자 크기에 따라 중량별로 담아 혼합기를 이용하여 혼합하는 단계와, 상기 혼합기를 통해 혼합이 이루어진 혼합분말과 바인더를 가열 혼합기에 투입하여 혼합하는 단계와, 탄성력을 갖는 폴리머 재질이 외부를 이루는 몰드에 상기 바인더와 상기 혼합분말의 혼합물을 장입한 후, 냉간 등방압 가압 장비를 사용하여 일정 압력으로 가압하여 성형하는 단계와, 성형 결과물을 상기 몰드에서 탈형하는 단계와, 탈형된 성형 결과물을 진공 소결로에 장입하고, 상기 바인더가 열분해되는 온도보다 높고 상기 혼합분말의 용융온도보다 낮은 온도에서 유지하여 바인더를 탈지하고, 소결 온도로 승온하여 소결하는 단계와, 소결체를 전해연마액을 이용하여 전해연마 하는 단계와, 상기 전해연마액의 제거를 위해 세정하고 건조하는 단계 및 건조된 소결체의 미세 기공에 남아 있는 전해연마액 성분을 태워 제거하기 위해 진공 소결로에서 베이킹 공정을 수행하는 단계를 포함하는 다공성 금속 멤브레인의 제조방법을 제공한다.
상기 분급장치는 서로 다른 체눈 크기를 갖는 체(sieve)들을 순차적으로 서로 다른 위치(높이)에 배치한 장치이고, 상기 분급장치의 최상부에는 체눈 크기가 제일 큰 체(sieve)가 장착되어 있고, 하부로 갈수록 체눈의 크기가 작은 체(siever)가 장착되어 있다.
상기 분급장치의 하부에는 체들을 진동시켜 원활하게 분급하기 위한 바이브레이터(vibrator)가 장착되어 있을 수 있고, 상기 바이브레이터에 의해 진동을 일으켜서 진동 에너지가 체들에 전달됨으로써 각각의 체에서 분급이 이루어지게 하는 것이 바람직하다.
제조되는 다공성 금속 멤브레인의 기공율, 기공 크기를 고려하여 상기 바인더는 파라핀 왁스를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 금속 분말은 스테인레스 스틸 분말, 하스텔로이(Hastelloy), 니켈(Nickel) 중에서 선택된 1종 이상의 분말을 사용할 수 있다.
상기 바인더는 상기 혼합분말 100중량부에 대하여 0.1∼5중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 냉간 등방압 가압 장비를 사용하여 일정 압력으로 가압하여 성형하는 단계는 1000∼3000 bar의 압력을 가하여 성형하는 것이 바람직하다.
상기 몰드는 전체적으로 직경에 비하여 길이가 큰 막대형 구조를 갖고, 상기 몰드의 중심부에 금속 재질의 내체부가 구비되어 있고 탄성력을 갖는 폴리머 재질의 외체부가 상기 내체부를 둘러싸면서 이격되게 구비되어 있으며, 상기 외체부와 상기 내체부 사이에는 공간이 형성되어 있어 상기 바인더와 상기 혼합분말의 혼합물을 수용할 수 있다.
상기 외체부와 상기 내체부 사이의 공간을 조절하여 다공성 금속 멤브레인의 두께를 결정할 수 있고, 상기 내체부의 직경을 조절하여 다공성 금속 멤브레인의 내부 직경(빈공간의 직경)을 결정할 수 있으며, 상기 몰드의 길이를 조절하여 다공성 금속 멤브레인의 길이를 결정할 수 있고, 상기 다공성 금속 멤브레인은 내부가 비어있는 관형 형태를 가질 수 있다.
상기 탈지는 400∼800℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 소결은 상기 바인더가 열분해되는 온도보다 높고 상기 혼합분말의 용융 온도보다 낮은 900∼1200℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 탈지 및 소결은 H2가 함유된 아르곤 가스 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 전해연마액은 황산(H2SO4), 인산(H3PO4), 증류수 및 계면활성제를 포함하는 전해연마액이거나, 황산(H2SO4), 인산(H3PO4), 증류수, 계면활성제 및 크롬(Cr)을 포함하는 전해연마액일 수 있다.
상기 베이킹은 상기 전해연마액 성분의 끓는점보다 높고 금속 멤브레인의 용융온도보다 낮은 150∼400℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 베이킹은 H2가 함유된 아르곤 가스 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 제조방법이 간단하고, 공정 비용이 적게 들며, 기계적 강도가 우수하고, 기공도 제어가 용이하다.
본 발명에 의해 제조된 다공성 금속 멤브레인은 낮은 표면 거칠기를 가질 수 있다.
도 1은 일 예에 따른 성형을 위한 몰드를 도시한 도면으로서, 길이에 수직한 방향으로 절단하여 바라본 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 몰드를 이용하여 제조된 관형의 다공성 금속 멤브레인을 도시한 도면으로서, 길이에 수직한 방향으로 절단하여 바라본 단면도이다.
도 3 내지 도 5는 실험예에 따라 제조된 관형의 다공성 금속 멤브레인의 표면을 보여주는 도면이다.
도 6은 실험예에 따라 제조된 관형의 다공성 금속 멤브레인에 대하여 플로우 테스트(Flow test)를 수행하여 그 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 도 1에 도시된 몰드를 이용하여 제조된 관형의 다공성 금속 멤브레인을 도시한 도면으로서, 길이에 수직한 방향으로 절단하여 바라본 단면도이다.
도 3 내지 도 5는 실험예에 따라 제조된 관형의 다공성 금속 멤브레인의 표면을 보여주는 도면이다.
도 6은 실험예에 따라 제조된 관형의 다공성 금속 멤브레인에 대하여 플로우 테스트(Flow test)를 수행하여 그 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 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. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
이하에서, 금속이라 함은 순수 금속뿐만 아니라 금속합금도 포함하는 의미로 사용한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대유량용 다공성 금속 멤브레인의 제조방법은, 금속 분말을 분급장치를 이용하여 입자 크기에 따라 분급하는 단계와, 상기 분급장치를 이용하여 입자 크기에 따라 분급한 금속 분말들에서 각각의 입자 크기를 갖는 금속 분말을 선별하여 충진 밀도 및 멤브레인의 기공도를 고려하여 입자 크기에 따라 중량별로 담아 혼합기를 이용하여 혼합하는 단계와, 상기 혼합기를 통해 혼합이 이루어진 혼합분말과 바인더를 가열 혼합기에 투입하여 혼합하는 단계와, 탄성력을 갖는 폴리머 재질이 외부를 이루는 몰드에 상기 바인더와 상기 혼합분말의 혼합물을 장입한 후, 냉간 등방압 가압 장비를 사용하여 일정 압력으로 가압하여 성형하는 단계와, 성형 결과물을 상기 몰드에서 탈형하는 단계와, 탈형된 성형 결과물을 진공 소결로에 장입하고, 상기 바인더가 열분해되는 온도보다 높고 상기 혼합분말의 용융온도보다 낮은 온도에서 유지하여 바인더를 탈지하고, 소결 온도로 승온하여 소결하는 단계와, 소결체를 전해연마액을 이용하여 전해연마 하는 단계와, 상기 전해연마액의 제거를 위해 세정하고 건조하는 단계 및 건조된 소결체의 미세 기공에 남아 있는 전해연마액 성분을 태워 제거하기 위해 진공 소결로에서 베이킹 공정을 수행하는 단계를 포함한다.
상기 분급장치는 서로 다른 체눈 크기를 갖는 체(sieve)들을 순차적으로 서로 다른 위치(높이)에 배치한 장치이고, 상기 분급장치의 최상부에는 체눈 크기가 제일 큰 체(sieve)가 장착되어 있고, 하부로 갈수록 체눈의 크기가 작은 체(siever)가 장착되어 있다.
상기 분급장치의 하부에는 체들을 진동시켜 원활하게 분급하기 위한 바이브레이터(vibrator)가 장착되어 있을 수 있고, 상기 바이브레이터에 의해 진동을 일으켜서 진동 에너지가 체들에 전달됨으로써 각각의 체에서 분급이 이루어지게 하는 것이 바람직하다.
제조되는 다공성 금속 멤브레인의 기공율, 기공 크기를 고려하여 상기 바인더는 파라핀 왁스를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 금속 분말은 스테인레스 스틸, 하스텔로이(Hastelloy), 니켈(Nickel) 중에서 선택된 1종 이상의 분말을 사용할 수 있다.
상기 바인더는 상기 혼합분말 100중량부에 대하여 0.1∼5중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 냉간 등방압 가압 장비를 사용하여 일정 압력으로 가압하여 성형하는 단계는 1000∼3000 bar의 압력을 가하여 성형하는 것이 바람직하다.
상기 몰드는 전체적으로 직경에 비하여 길이가 큰 막대형 구조를 갖고, 상기 몰드의 중심부에 금속 재질의 내체부가 구비되어 있고 탄성력을 갖는 폴리머 재질의 외체부가 상기 내체부를 둘러싸면서 이격되게 구비되어 있으며, 상기 외체부와 상기 내체부 사이에는 공간이 형성되어 있어 상기 바인더와 상기 혼합분말의 혼합물을 수용할 수 있다.
상기 외체부와 상기 내체부 사이의 공간을 조절하여 다공성 금속 멤브레인의 두께를 결정할 수 있고, 상기 내체부의 직경을 조절하여 다공성 금속 멤브레인의 내부 직경(빈공간의 직경)을 결정할 수 있으며, 상기 몰드의 길이를 조절하여 다공성 금속 멤브레인의 길이를 결정할 수 있고, 상기 다공성 금속 멤브레인은 내부가 비어있는 관형 형태를 가질 수 있다.
상기 탈지는 400∼800℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 소결은 상기 바인더가 열분해되는 온도보다 높고 상기 혼합분말의 용융 온도보다 낮은 900∼1200℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 탈지 및 소결은 H2가 함유된 아르곤 가스 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 전해연마액은 황산(H2SO4), 인산(H3PO4), 증류수 및 계면활성제를 포함하는 전해연마액이거나, 황산(H2SO4), 인산(H3PO4), 증류수, 계면활성제 및 크롬(Cr)을 포함하는 전해연마액일 수 있다. 상기 계면활성제는 에틸렌 글리콜, 물(water) 및 니코틴아마이드를 포함하는 것일 수 있다.
상기 베이킹은 상기 전해연마액 성분의 끓는점보다 높고 금속 멤브레인의 용융온도보다 낮은 150∼400℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 베이킹은 H2가 함유된 아르곤 가스 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대유량용 다공성 금속 멤브레인의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
원료 소재인 스테인레스 스틸(stainless steel), 하스텔로이(Hastelloy), 니켈(Nickel), 이들의 혼합물 등과 같은 금속 분말(powder)을 분급장치를 이용하여 입자 크기에 따라 분급한다. 상기 금속 분말은 10∼150㎛, 더욱 바람직하게는 50∼100㎛ 정도의 평균 입도를 갖는 분말을 사용한다. 상기 분급장치는 서로 다른 체눈 크기를 갖는 체(sieve)들을 순차적으로 서로 다른 위치(높이)에 배치한 장치이다. 예컨대, 상기 분급장치의 최상부에는 체눈 크기가 제일 큰 체(sieve)(예컨대, 125 ㎛의 체눈 크기를 갖는 체)가 장착되어 있고, 하부로 갈수록 체눈의 크기가 작은 체(siever)(예컨대, 38 ㎛의 체눈 크기를 갖는 체)가 장착되어 있다. 본 발명의 실험예에서는 6개의 체들이 장착된 분급장치를 이용하였는데, 125㎛의 체눈 크기를 갖는 제1 체, 106㎛의 체눈 크기를 갖는 제2 체, 90㎛의 크기를 갖는 제3 체, 75㎛의 크기를 갖는 제4 체, 45㎛의 체눈 크기를 갖는 제5 체, 38㎛의 체눈 크기를 갖는 제6 체가 장착되어 있는 것을 사용하였다. 이러한 분급장치를 이용하는 경우에, 각각의 입자 크기, 즉 125㎛ 이상, 106㎛ 이상 125㎛ 미만, 90㎛ 이상 106㎛ 미만, 75㎛ 이상 90㎛ 미만, 45㎛ 이상 75㎛ 미만, 38㎛ 이상 45㎛ 미만, 38㎛ 미만의 총 7가지 입자 크기를 갖는 금속 분말로 분급되게 된다.
또한, 상기 분급장치의 하부에는 체들을 진동시켜 원활하게 분급하기 위한 바이브레이터(vibrator)가 장착되어 있을 수 있다. 상기 바이브레이터는 진동을 일으키는 장치로서 진동 에너지가 체들에 전달됨으로써 각각의 체에서 분급이 활발하게 이루어지게 한다.
이러한 분급장치에 의해 금속 분말의 입자 크기에 따라 분급되게 된다.
상기 분급장치를 이용하여 분급한 금속 분말들에서 각각의 입자 크기를 갖는 금속 분말을 선별하여 입자 크기에 따라 중량별로 담아 혼합기(예컨대, 3차원 혼합기)를 이용하여 혼합한다. 입자 크기가 큰 금속 분말과 입자 크기가 작은 금속 분말을 혼합하는 경우에 입자 크기가 큰 금속 분말들끼리 혼합하는 경우에 비하여 충진 밀도를 높이고 기공 크기를 작게 할 수가 있는데, 이러한 점들을 고려하여 분급장치를 이용하여 분급한 금속 분말들을 입자 크기에 따라 선별하여 혼합함으로써 충진 밀도, 멤브레인의 기공율(기공도), 기공 크기 등을 제어할 수 있는 장점이 있다.
상기 혼합기를 통해 혼합이 이루어진 혼합분말과 바인더를 가열 혼합기에 투입하여 혼합한다. 상기 바인더로 일반적으로 성형을 용이하게 하기 위하여 사용하는 유기바인더를 사용할 수 있으나, 제조되는 다공성 금속 멤브레인의 기공율, 기공 크기 등을 고려할 때 파라핀 왁스를 사용하는 것이 가장 바람직하다. 상기 바인더는 상기 혼합분말 100중량부에 대하여 0.1∼5중량부 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 바인더의 함량이 0.1중량부 미만일 경우에는 성형이 어려움이 있을 수 있고, 상기 바인더의 함량이 5중량부를 초과하는 경우에는 목표하는 기공율보다 높아질 수 있다. 상기 가열 혼합기에서의 혼합은 80∼180℃ 정도의 온도에서 10분∼24시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.
상기 혼합분말들은 바인더로 인해 뭉쳐져 있으므로 분급할 때의 체눈 크기보다 큰 체눈(예컨대, 300∼800㎛)를 갖는 체(sieve)를 이용하여 분급할 수도 있다.
도 1은 일 예에 따른 성형을 위한 몰드를 도시한 도면으로서, 길이에 수직한 방향으로 절단하여 바라본 단면도이다. 도 1에 도시된 몰드는 관형의 다공성 금속 멤브레인을 제조하기 위한 몰드이다. 다공성 금속 멤브레인은 관형의 형태로 제조할 수도 있으나, 도시되지는 않았지만 디스크(Disk) 형태, 막대(rod) 형태 등으로 성형할 수도 있다.
상기 바인더와 상기 혼합분말의 혼합물을 탄성력을 갖는 폴리머 재질이 외부를 이루는 몰드(10)에 장입한 후, 냉간 등방압 가압(Cold isostatic pressing; 이하 'CIP'라 함) 장비를 사용하여 일정 압력(예컨대, 1000∼3000 Bar)을 유지하여 성형한다. CIP는 1분∼24시간 동안 수행하는 것이 바람직하다. 도 1에 도시된 바와 같이 몰드(10)에는 금속 재질의 내체부(12)가 중심부에 구비되고 내체부(12)를 둘러싸면서 이격되어 있는 탄성력을 갖는 폴리머 재질의 외체부(14)가 구비되어 있을 수 있으며, 상기 외체부(14)와 상기 내체부(12) 사이에는 공간이 형성되어 있어 분말(상기 바인더와 상기 혼합분말의 혼합물)을 수용할 수 있다. 상기 외체부(14)는 우레탄과 같이 탄성력을 갖는 폴리머 재질로 이루어져 있다. 상기 내체부(12)는 스테인레스 스틸과 같은 단단한(hard) 금속 재질로 이루어져 있다. 상기 외체부(14)와 상기 내체부(12) 사이의 공간은 관형 멤브레인의 두께를 결정하는 요소이며, 상기 외체부(14)와 상기 내체부(12) 사이의 공간을 조절하여 원하는 두께로 관형 멤브레인을 형성할 수 있다. 물론 CIP에 의해 가압하는 압력을 조절하여 관형 멤브레인의 두께를 조절할 수도 있다. 상기 몰드(10)는 전체적으로 직경에 비하여 길이가 큰(예컨대, 길이/직경의 비가 10 이상) 막대형 구조를 갖는다. 상기 몰드(10)의 길이는 관형 멤브레인의 길이를 결정하는 요소이며, 따라서 상기 몰드(10)의 길이를 조절하여 원하는 길이로 관형 멤브레인을 형성할 수 있다. 상기 내체부(12)의 직경은 관형 멤브레인의 내부 직경(빈공간의 직경)을 결정하는 요소이며, 따라서 상기 내체부(12)의 직경을 조절하여 원하는 내부 직경(빈공간의 직경)을 갖는 관형 멤브레인을 형성할 수 있다. 막대형이나 디스크형 멤브레인을 형성하는 경우에는 내체부가 구비되지 않은 몰드를 사용하면 된다.
성형된 결과물을 몰드(10)에서 탈형한다. 도 1에 도시된 몰드를 사용한 경우에 성형된 결과물은 내부가 비어있는 관형 형태를 갖게 된다.
성형된 결과물을 진공 소결로에 장입하고, 상기 바인더가 열분해되는 온도보다 높고 상기 혼합분말의 용융온도보다 낮은 온도(예컨대, 400∼800℃)에서 유지하여 바인더를 탈지하고, 소결 온도로 승온하여 소결한다. 바인더는 폴리머를 사용하기 때문에 일반적으로 400℃ 미만의 온도에서 열분해된다. 따라서, 소결로 온도를 400℃ 이상의 온도로 상승시키게 되면 바인더는 열분해되게 된다. 상기 탈지 및 소결은 환원 가스(예컨대, H2가 4% 함유된 아르곤 가스) 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 소결은 바인더가 열분해되는 온도보다 높고 상기 혼합분말의 용융 온도보다 낮은 온도(예컨대, 900∼1200℃, 더욱 바람직하게는 950∼1150℃)에서 수행하는 것이 바람직하다. 바인더의 열분해에 의해 기공이 발생하게 되며, 소결되는 과정에 의해서도 기공이 발생되어 다공성 멤브레인이 형성되게 된다. 상기 탈지는 탈지 온도(예컨대, 400∼800℃)에서 1분∼6시간 동안 유지하여 수행하는 것이 바람직하다. 상기 소결은 소결 온도(예컨대, 900∼1200℃, 더욱 바람직하게는 950∼1150℃)에서 10분∼12시간 동안 유지하여 수행하는 것이 바람직하다. 상기 소결은 상압보다 낮은 진공 상태(예컨대, 5.7 × 10-2 Torr)에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 탈지 온도까지는 0.1∼50℃/min의 승온속도로 승온하는 것이 바람직하며, 상기 소결 온도까지는 0.1∼50℃/min의 승온속도로 승온하는 것이 바람직하다.
소결 공정을 수행한 후, 상기 소결로 온도를 하강시켜 소결체를 언로딩한다. 상기 소결로 냉각은 전기로 전원을 차단하여 자연적인 상태로 냉각되게 하거나, 임의적으로 온도 하강률(예컨대, 10℃/min)을 설정하여 냉각되게 할 수도 있다.
CIP를 통해 성형된 성형물의 끝단은 오리발 모양의 형상이 나타나며, 이를 제거하기 위해 선반 가공을 통해 소결체의 끝을 잘라내는 가공 공정을 수행할 수도 있다.
이렇게 제조된 소결체는 다공성 금속 멤브레인으로서, 멤브레인의 내부 및 외부 표면에 있는 오염물 제거와 거칠기 감소를 위해 전해연마 공정을 수행한다. 전해연마는 본 발명의 목적을 해하지 않는 범위에서 전해연마가 가능한 모든 전해연마액이 사용될 수 있으나, 바람직하게는 황산(H2SO4), 인산(H3PO4), 증류수, 계면활성제 등을 포함하는 전해연마액을 사용하거나, 황산(H2SO4), 인산(H3PO4), 증류수, 계면활성제, 크롬(Cr) 등의 첨가제 등을 포함하는 전해연마액을 사용하며, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 계면활성제는 에틸렌 글리콜, 물(water) 및 니코틴아마이드를 포함하는 것일 수 있다. 상기 전해연마는 다공성 금속 멤브레이 관형일 경우에 내부와 외부 모두에 대하여 수행하는 것이 바람직하다.
전해연마 공정 후에, 전해연마액의 제거를 위해 세정 공정을 수행한다. 예를 들면, 전해연마액의 제거를 위해 멤브레인 전단부에 시수호수를 삽입하여 고압의 물로 약 1∼60분 동안 세정하고, 뜨거운 탈이온수(예컨대, 40∼90℃의 탈이온수)에 멤브레인을 침지시키고 초음파 세정을 진행한다.
상기 세정 공정이 완료되면, 세정액을 제거하기 위하여 건조한다. 상기 건조는 약 1∼60분 동안 질소를 분사하여 멤브레인에 묻어 있는 탈이온수를 제거하고, 대기 건조로에서 60∼150℃ 정도의 온도에서 10분∼24시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.
미세 기공(10 ㎛ 이하)에 남아 있는 전해연마액 성분(예컨대, 황, 인산)을 태워 제거하기 위해 진공 소결로에서 베이킹(baking) 공정을 수행한다. 상기 베이킹 공정은 환원 가스(예컨대, H2가 4% 함유된 아르곤 가스) 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 베이킹 공정은 황, 인산 등의 전해연마액 성분의 끓는점보다 높고 금속 멤브레인의 용융온도보다 낮은 온도(예컨대, 150∼400℃)에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 베이킹 공정은 상압보다 낮은 진공 상태(예컨대, 5.7 × 10-2 Torr )에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 베이킹 온도까지는 0.1∼50℃/min의 승온속도로 승온하는 것이 바람직하다.
상술한 공정들을 통해 다공성 금속 멤브레인을 용이하게 제조할 수 있다.
도 2는 관형의 다공성 금속 멤브레인을 도시한 도면으로서, 길이에 수직한 방향으로 절단하여 바라본 단면도이다. 도 2를 참조하면, 도 1에 도시된 몰드를 이용하여 제조한 다공성 금속 멤브레인(100)은 내부가 비어있는 관형 형태를 갖게 된다. 다공성 금속 멤브레인은 관형의 형태로 제조할 수도 있으나, 도시되지는 않았지만 디스크(Disk) 형태, 막대(rod) 형태 등으로 제조할 수도 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 실험예를 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실험예>
1. 소재 분급
원료 소재인 스테인레스 스틸(stainless steel) 316L 분말(powder)을 분급장치를 이용하여 1시간 동안 분급하였다. 상기 스테인레스 스틸 316L 분말은 70㎛의 평균 입도를 갖는 분말을 사용하였다. 상기 분급장치는 38∼125 ㎛ 체눈 크기를 갖는 체를 사용하였다. 상기 분급장치는 서로 다른 체눈 크기를 갖는 체(sieve)들을 순차적으로 서로 다른 위치(높이)에 배치한 장치이다. 예컨대, 상기 분급장치의 최상부에는 체눈 크기가 제일 큰 체(sieve)(예컨대, 125 ㎛의 체눈 크기를 갖는 체)가 장착되어 있고, 하부로 갈수록 체눈의 크기가 작은 체(siever)(예컨대, 38 ㎛의 체눈 크기를 갖는 체)가 장착되어 있다. 본 발명의 실험예에서는 6개의 체들이 장착된 분급장치를 이용하였는데, 125㎛의 체눈 크기를 갖는 제1 체, 106㎛의 체눈 크기를 갖는 제2 체, 90㎛의 크기를 갖는 제3 체, 75㎛의 크기를 갖는 제4 체, 45㎛의 체눈 크기를 갖는 제5 체, 38㎛의 체눈 크기를 갖는 제6 체가 장착되어 있는 것을 사용하였다. 이러한 분급장치를 이용하는 경우에, 각각의 입자 크기, 즉 125㎛ 이상, 106㎛ 이상 125㎛ 미만, 90㎛ 이상 106㎛ 미만, 75㎛ 이상 90㎛ 미만, 45㎛ 이상 75㎛ 미만, 38㎛ 이상 45㎛ 미만, 38㎛ 미만의 총 7가지 입자 크기를 갖는 분말로 분급되게 된다.
또한, 상기 분급장치의 하부에는 체들을 진동시켜 원활하게 분급하기 위한 바이브레이터(vibrator)가 장착되어 있다. 상기 바이브레이터는 진동을 일으키는 장치로서 진동 에너지가 체들에 전달됨으로써 각각의 체에서 분급이 활발하게 이루어지게 한다.
이러한 분급장치에 의해 분말의 입자 크기에 따라 분급되게 하였다.
2. 혼합
상기 분급장치를 이용하여 분급한 분말들에서 106㎛ 이상 125㎛ 미만 (52.5 g), 90㎛ 이상 106㎛ 미만 (52.5 g), 75㎛ 이상 90㎛ 미만 (52.5 g), 45㎛ 이상 75㎛ 미만 (52.5 g), 38㎛ 이상 45㎛ 미만 (194.5 g), 38㎛ (194.5 g) 미만의 총 6가지 입자 크기를 갖는 분말을 선별하여 입자 크기에 따라 중량별로 담아 30분 동안 3차원 혼합기를 이용하여 혼합하였다. 입자 크기가 큰 분말과 입자 크기가 작은 분말을 혼합하는 경우에 입자 크기가 큰 분말들끼리 혼합하는 경우에 비하여 충진 밀도를 높이고 기공 크기를 작게 할 수가 있는데, 이러한 점들을 고려하여 분급장치를 이용하여 분급한 분말들을 입자 크기에 따라 선별하여 혼합함으로써 충진 밀도, 기공율(기공도), 기공 크기 등을 제어할 수 있는 장점이 있다.
3. 바인더 혼합
상기 3차원 혼합기를 통해 혼합이 이루어진 혼합분말과 바인더인 파라핀 왁스를 가열 혼합기에 투입하여 120℃의 온도에서 1시간 30분 동안 혼합하였다. 상기 파라핀 왁스는 혼합분말 200g 기준 2.5 wt%의 비율로 투입하였다.
4. 혼합분말 분급
상기 혼합분말은 바인더로 인해 뭉쳐져 있으므로 500 ㎛ 체눈 크기를 갖는 체(sieve)를 이용하여 분급하였다.
5. 성형
상기 바인더와 상기 혼합분말의 혼합물 570g을 우레탄이 외부를 이루는 우레탄 몰드에 장입한 후, CIP 장비를 사용하여, 1500 Bar로 10분 동안 압력을 유지하여 성형하였다. 상기 우레탄 몰드는 600mm의 외경을 갖는 것을 사용하였다. 우레탄 몰드의 중심부에는 스테인레스 스틸 재질의 내체부가 구비되어 있다.
6. 소결
성형된 결과물을 진공 소결로에 장입하고, 아르곤(Ar) 가스(H2가 4% 함유된 아르곤 가스) 분위기에서 750℃의 온도에서 1시간 동안 유지하여 바인더를 탈지하고, 1050℃의 소결 온도에서 1시간 동안 유지하여 소결을 진행하였다. 상기 진공 소결로의 진공도는 5.7 × 10-2 Torr 정도 였다. 탈지 온도까지는 5℃/min의 승온속도로 승온하였으며, 소결 온도까지는 5℃/min의 승온속도로 승온하였다.
7. 가공
CIP를 통해 성형된 제품의 끝단은 오리발 모양의 형상이 나타나며, 이를 제거하기 위해 선반 가공을 통해 소결체의 끝을 잘라내었다.
8. 용접
마이크로 TIG(Micro TIG) 용접기를 이용하여 용접을 진행하였으며, 멤브레인과 동일한 소재를 사용한 가공품을 이용하여 용접을 진행하였다.
9. 세정 : 다공성을 갖는 멤브레인의 내부 및 외부 표면에 있는 오염물 제거와 거칠기 감소를 위해 다음과 같은 공정을 진행하였으며, 상기 공정은 다음과 같은 6단계로 진행하였다.
1) 전해연마 (Electrolytic polishing; EP)
멤브레인(mbembrane)의 내부 및 외부 2분 동안 전해연마액을 이용하여 전해연마 하였다. 상기 전해연마액으로는 황산(H2SO4) 30부피%, 인산(H3PO4) 60부피%, 증류수 5부피% 및 계면활성제 5부피%로 구성된 것을 사용하였다. 상기 계면활성제는 에틸렌 글리콜 70부피%, 물(water) 20부피% 및 니코틴아마이드 10부피%를 포함하는 것을 사용하였다.
2) 시수 세정
전해연마액의 제거를 위해 멤브레인 전단부에 시수호수를 삽입하여 고압의 물로 약 2∼3분 동안 세정하였다.
3) Hot 탈이온수(Deionized Water) 세정 및 초음파 세정
뜨거운 탈이온수(60℃의 탈이온수)에 멤브레인을 침지시키고 초음파 세정을 진행하였다. 2대의 시수 조를 이용하여 각각의 조에서 10분 동안 세정을 진행하였다.
4) 질소 건조
약 1∼2분 동안 질소를 분사하여 멤브레인에 묻어 있는 탈이온수를 제거하였다.
5) 대기 건조
대기 건조로에서 100℃에서 1시간 건조시켰다.
6) 베이킹(baking)
미세 기공에 남아 있는 전해연마액 성분(예컨대, 황, 인산)을 태워 제거하기 위해 진공 소결로에서 아르곤(Ar) 가스(H2가 4% 함유된 아르곤 가스) 분위기에서 250℃ 1시간 동안 베이킹(baking) 공정을 진행하였다. 상기 진공 소결로의 진공도는 5.7 × 10-2 Torr 정도 였다. 베이킹 온도까지는 5℃/min의 승온속도로 승온하였다.
도 3 내지 도 5는 실험예에 따라 제조된 관형의 다공성 금속 멤브레인의 표면을 보여주는 도면이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 금속 멤브레인의 표면에 무수히 많은 기공이 존재하여 다공성을 나타내는 것을 볼 수 있다.
실험예에 따라 제조된 관형의 다공성 금속 멤브레인에 대하여 플로우 테스트(Flow test)를 수행하여 그 결과를 표 1 및 도 6에 나타내었으며, 상기 플로우 테스트는 20±1℃의 온도에서 50±1%의 상대습도(Relative humidity), 대기압(0.988 bar) 조건에서 실시하였다.
| 전단압력(psig) | 유량(LPM) |
| 7.7 | 2041 |
| 14.6 | 4089 |
| 21.3 | 6169 |
| 29.1 | 8593 |
| 35.0 | 10373 |
| 43.5 | 12825 |
| 51.4 | 14952 |
| 58.1 | 16459 |
| 65.8 | 18190 |
| 72.1 | 19621 |
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
10: 몰드
12: 내체부
14: 외체부
100: 다공성 금속 멤브레인
12: 내체부
14: 외체부
100: 다공성 금속 멤브레인
Claims (8)
- 금속 분말을 분급장치를 이용하여 입자 크기에 따라 분급하는 단계;
상기 분급장치를 이용하여 입자 크기에 따라 분급한 금속 분말들에서 각각의 입자 크기를 갖는 금속 분말을 선별하여 충진 밀도 및 멤브레인의 기공도를 고려하여 입자 크기에 따라 중량별로 담아 혼합기를 이용하여 혼합하는 단계;
상기 혼합기를 통해 혼합이 이루어진 혼합분말과 바인더를 가열 혼합기에 투입하여 혼합하는 단계;
탄성력을 갖는 폴리머 재질이 외부를 이루는 몰드에 상기 바인더와 상기 혼합분말의 혼합물을 장입한 후, 냉간 등방압 가압 장비를 사용하여 일정 압력으로 가압하여 성형하는 단계;
성형 결과물을 상기 몰드에서 탈형하는 단계;
탈형된 성형 결과물을 진공 소결로에 장입하고, 상기 바인더가 열분해되는 온도보다 높고 상기 혼합분말의 용융온도보다 낮은 온도에서 유지하여 바인더를 탈지하고, 소결 온도로 승온하여 소결하는 단계;
소결체를 전해연마액을 이용하여 전해연마 하는 단계;
상기 전해연마액의 제거를 위해 세정하고 건조하는 단계; 및
건조된 소결체의 미세 기공에 남아 있는 전해연마액 성분을 태워 제거하기 위해 진공 소결로에서 베이킹 공정을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 금속 멤브레인의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 분급장치는 서로 다른 체눈 크기를 갖는 체(sieve)들을 순차적으로 서로 다른 위치(높이)에 배치한 장치이며,
상기 분급장치의 최상부에는 체눈 크기가 제일 큰 체(sieve)가 장착되어 있고, 하부로 갈수록 체눈의 크기가 작은 체(siever)가 장착되어 있으며,
상기 분급장치의 하부에는 체들을 진동시켜 원활하게 분급하기 위한 바이브레이터(vibrator)가 장착되어 있고,
상기 바이브레이터에 의해 진동을 일으켜서 진동 에너지가 체들에 전달됨으로써 각각의 체에서 분급이 이루어지게 하는 것을 특징으로 하는 다공성 금속 멤브레인의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 제조되는 다공성 금속 멤브레인의 기공율, 기공 크기를 고려하여 상기 바인더는 파라핀 왁스를 사용하고,
상기 금속 분말은 스테인레스 스틸, 하스텔로이(Hastelloy) 및 니켈(Nickel) 중에서 선택된 1종 이상의 분말을 사용하며,
상기 바인더는 상기 혼합분말 100중량부에 대하여 0.1∼5중량부 혼합하는 것을 특징으로 하는 다공성 금속 멤브레인의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 냉간 등방압 가압 장비를 사용하여 일정 압력으로 가압하여 성형하는 단계는 1000∼3000 bar의 압력을 가하여 성형하는 것을 특징으로 하는 다공성 금속 멤브레인의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 몰드는 전체적으로 직경에 비하여 길이가 큰 막대형 구조를 갖고,
상기 몰드의 중심부에 금속 재질의 내체부가 구비되어 있고 탄성력을 갖는 폴리머 재질의 외체부가 상기 내체부를 둘러싸면서 이격되게 구비되어 있으며,
상기 외체부와 상기 내체부 사이에는 공간이 형성되어 있어 상기 바인더와 상기 혼합분말의 혼합물을 수용하며,
상기 외체부와 상기 내체부 사이의 공간을 조절하여 다공성 금속 멤브레인의 두께를 결정하고,
상기 내체부의 직경을 조절하여 다공성 금속 멤브레인의 내부 직경(빈공간의 직경)을 결정하며,
상기 몰드의 길이를 조절하여 다공성 금속 멤브레인의 길이를 결정하고,
상기 다공성 금속 멤브레인은 내부가 비어있는 관형 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 다공성 금속 멤브레인의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 탈지는 400∼800℃의 온도에서 수행하고,
상기 소결은 상기 바인더가 열분해되는 온도보다 높고 상기 혼합분말의 용융 온도보다 낮은 900∼1200℃의 온도에서 수행하며,
상기 탈지 및 소결은 H2가 함유된 아르곤 가스 분위기에서 수행하는 것을 특징으로 하는 다공성 금속 멤브레인의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 전해연마액은 황산(H2SO4), 인산(H3PO4), 증류수 및 계면활성제를 포함하는 전해연마액이거나,
황산(H2SO4), 인산(H3PO4), 증류수, 계면활성제 및 크롬(Cr)을 포함하는 전해연마액인 것을 특징으로 하는 다공성 금속 멤브레인의 제조방법.
- 제7항에 있어서, 상기 베이킹은 상기 전해연마액 성분의 끓는점보다 높고 금속 멤브레인의 용융온도보다 낮은 150∼400℃의 온도에서 수행하고,
상기 베이킹은 H2가 함유된 아르곤 가스 분위기에서 수행하는 것을 특징으로 하는 다공성 금속 멤브레인의 제조방법.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160148489A KR101947423B1 (ko) | 2016-11-09 | 2016-11-09 | 대유량용 다공성 금속 멤브레인의 제조방법 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020160148489A KR101947423B1 (ko) | 2016-11-09 | 2016-11-09 | 대유량용 다공성 금속 멤브레인의 제조방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20180051765A true KR20180051765A (ko) | 2018-05-17 |
| KR101947423B1 KR101947423B1 (ko) | 2019-02-13 |
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ID=62486056
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114905041A (zh) * | 2022-07-19 | 2022-08-16 | 西部宝德科技股份有限公司 | 一种外光型粉末烧结多孔元件的制备方法 |
-
2016
- 2016-11-09 KR KR1020160148489A patent/KR101947423B1/ko active IP Right Grant
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| CN114905041A (zh) * | 2022-07-19 | 2022-08-16 | 西部宝德科技股份有限公司 | 一种外光型粉末烧结多孔元件的制备方法 |
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| KR101947423B1 (ko) | 2019-02-13 |
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