KR20210007297A - 접착강도가 개선된 실링 유리 조성물 및 이를 이용한 실링재, 열교환기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실링재로 사용할 수 있는 유리 조성물 및 이를 이용한 실링재, 열교환기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 실링 유리 조성물은 SiO2, V2O5 및 B2O3를 포함하는 유리 프릿과 금속 첨가제를 포함를 포함하여, 종래의 실링 유리 조성물 대비 접착강도가 향상된 효과가 있다.
Description
본 발명은 접착강도가 개선된 실링 유리 조성물 및 이를 이용한 실링재, 열교환기에 관한 것이다.
금속 소재 간의 접합과 밀봉을 위한 소재로서 실링 유리 조성물이 널리 알려져 있다. 특히 고체산화물 연료전지와 같은 장치에서 연료간의 혼합을 막고 단위전지 내의 구성요소 사이의 접합을 위해 유리 실링재가 사용된다.
실링 유리 조성물은 피착재 표면의 요철에 침투하고 융착되어 물리적 결합을 하는 특성이 있고, 또한 실링 유리 조성물은 피착재와 화학적 반응으로 결합하는 화학적 결합을 하는 특성이 있다. 실링 유리 조성물은 상술한 특성을 기반으로 실링의 내부와 외부를 기밀 차단한다.
그러나, 기존의 실링 유리 조성물은 재료의 특성상 모재와의 접착강도가 약하다. 따라서, 기존의 실링 유리 조성물은 높은 접착강도가 요구되는 장치에 사용되기에 적절하지 않았다.
실링 유리 조성물이 폭넓게 사용되기 위해서는 접착강도를 개선할 필요가 있다.
본 발명은 연성 및 인성을 강화시켜 접착강도를 개선한 신규의 실링 유리 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 실링 유리 조성물의 접착강도를 최대화하기 위한 첨가제의 물성 조건을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 실링 유리 조성물은 유리 프릿에 금속 첨가제를 포함하는 것을 구성상 특징으로 한다.
유리 실링재의 접착강도가 충분치 못한 경우에 유리 실링재와 피착재의 계면이 파단되거나, 피착재가 파단되거나, 또는 유리 실링재가 파단될 수 있다. 본 발명에 따른 실링 유리 조성물은 금속 첨가제를 더 포함한다. 상기 금속 첨가제는 실링재와 피착재의 화학적 결합력을 향상시켜 피착재와 실링재 간의 파단을 지연시키거나 방지할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 실링 유리 조성물은 접착강도가 향상된다.
구체적으로 본 발명에 따른 실링 유리 조성물은 SiO2, V2O5 및 B2O3를 포함하는 유리 프릿; 및 금속 첨가제;를 포함한다.
아울러, 본 발명의 금속 첨가제는 Sn, Ag, Cu 및 Zn 가운데 1종 이상을 포함하는 금속을 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 금속 첨가제는 상기 조성물에 0.1~30 중량% 만큼 포함될 수 있고, 상기 금속 첨가제의 D50은 1~30㎛일 수 있다.
본 발명에 따른 실링 유리 조성물은 종래의 실링 유리 조성물 대비 접착강도가 향상되었다.
접착강도의 개선에 따라, 본 발명에 따른 실링 유리 조성물은 기존의 유리 실링재 대비 적용 대상이 매우 다양한 장점을 갖는다.
아울러, 본 발명에 따른 실링 유리 조성물은 금속간 접합재로 사용되는 에폭시 재료를 대신할 수 있다.
더 나아가 본 발명에 따른 실링 유리 조성물은 첨가제를 혼합하는 것만으로 복합재를 만들 수 있어 매우 간편하게 제조할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 비교예1에 따른 시편의 단면이 도시된 SEM 이미지이다.
도 2는 실시예4에 따른 시편의 단면이 도시된 SEM 이미지이다.
도 2는 실시예4에 따른 시편의 단면이 도시된 SEM 이미지이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
이하, 본 발명에 따른 실링 유리 조성물 및 이를 이용한 실링재, 열교환기에 대해 상세히 설명하기로 한다.
<실링 유리 조성물>
접착강도가 개선된 본 발명에 따른 실링 유리 조성물은 SiO2, V2O5 및 B2O3를 포함하는 유리 프릿; 및 금속 첨가제;를 포함한다.
먼저, 본 발명의 실링 유리 조성물에 포함되는 금속 첨가제에 대해 설명한다.
상술한 것처럼, 유리 실링재의 접착강도가 충분치 못한 경우에 유리 실링재와 피착재의 계면이 파단되거나, 피착재가 파단되거나, 또는 유리 실링재가 파단될 수 있다. 본 발명에 따른 실링 유리 조성물은 금속 첨가제를 더 포함한다. 상기 금속 첨가제는 실링재와 피착재의 화학적 결합력을 향상시켜 피착재와 실링재 간의 파단을 지연시키거나 방지할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 실링 유리 조성물은 접착강도가 향상된다.
상기 금속 첨가제는 비교적 저온에서 녹을 수 있고 유리 조성과 매칭이 잘 이루어지는 금속을 선택하는 것이 바람직하다. 이러한 관점에서 본 발명에 따른 금속 첨가제는 Sn, Ag, Cu 및 Zn 가운데 1종 이상을 포함하는 금속을 포함할 수 있다.
보다 바람직하게는, 상기 금속 첨가제는 SnAgCu계 합금을 포함할 수 있다. 상기 SnAgCu계 합금은 Sn : 95~99.8 %, Ag : 0.1~4%, Cu : 0.1~1%로 구성될 수 있다.
상기 금속 첨가제는 상기 조성물 100중량%를 기준으로 0.1~30 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 금속 첨가제가 0.1 중량% 미만으로 포함되는 경우에는 접착강도 향상 효과가 미비하다. 반대로 상기 금속 첨가제가 30 중량% 초과하여 포함되는 경우에는 오히려 실링재의 유리화를 방해할 수 있는 문제점이 있다.
또한, 상기 금속 첨가제는 D50이 5~15㎛인 입자 크기를 갖는 것이 바람직하다. 상기 금속 첨가제의 D50이 5㎛ 미만인 경우에는 실링 유리 조성에서 상기 금속 첨가제를 고르게 분포시키는 것이 어려워진다. 반대로 상기 금속 첨가제의 D50이 15㎛ 초과인 경우에도 입자의 분산성에 문제가 발생한다.
이처럼, 본 발명에 따른 실링 유리 조성물은 금속 첨가제를 포함하여 실링재의 접착강도가 개선된다.
다음으로, 본 발명의 실링 유리 조성물에 포함되는 유리 프릿에 대해 설명한다.
본 발명에 따른 유리 프릿은 SiO2, V2O5 및 B2O3를 주요 성분으로 포함한다.
먼저, SiO2는 유리형성능력을 향상시키며 유리의 망목구조를 형성하기 위한 성분에 해당한다. 본 발명에 따른 유리 프릿은 유리 프릿 100 중량%를 기준으로 상기 SiO2를 30~50 중량%의 범위로 포함할 수 있다. 상기 SiO2가 30 중량% 미만으로 포함되면 유리의 결정화가 쉽게 발생되어 실링 자체가 어려운 문제가 있다. 반대로 상기 SiO2가 50 중량%를 초과하여 포함되면 고온에서의 융합 흐름(fusion flow)이 급격히 높아짐에 따라 실링이 불충분해지는 문제점이 있다.
다음으로, B2O3는 SiO2와 더불어 충분한 유리화가 가능하도록 유리 형성제로서의 역할을 한다. 또한 B2O3는 유리의 용융 온도, 연화 온도, 고온 점도를 낮추고 유리 조성물의 결정화 양을 감소시키는 성분이다. 본 발명에 따른 유리 프릿은 상기 유리 프릿 100 중량%를 기준으로 상기 B2O3를 1~10 중량% 포함할 수 있다. 상기 B2O3가 1 중량% 미만으로 포함되면 연화점이 상승하여 유리의 결정화가 쉽게 발생될 수 있다. 반대로 상기 B2O3가 10 중량%를 초과하여 포함되면 실링재의 내수성이 약해지는 문제가 있다.
다음으로, V2O5는 글라스 프릿의 내구성을 높이면서도 연화점을 낮추는 성분이다. 본 발명에 따른 유리 프릿은 상기 유리 프릿 100 중량%를 기준으로 상기 V2O5를 10~30 중량%의 범위에서 포함한다. 상기 V2O5가 30 중량%를 초과하면 유리 프릿의 소성이 곤란해지기 쉬운 문제가 있다. 반대로 V2O5가 10 중량% 미만이면 유리 프릿의 연화점을 낮추는 효과가 충분히 발휘되기 어렵고 또한 유리 프릿의 내구성에 문제가 생길 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 유리 프릿은 실링재의 화학적 내구성과 내열성 향상을 위해 TiO2 및 Al2O3 가운데 1종 이상을 더 포함할 수 있다. 바람직하게는 TiO2 및 Al2O3 가운데 1종 이상이 1 ~ 10 중량%의 범위로 포함될 수 있다. 상기 성분들이 1 중량% 미만으로 포함되면 화학적 내구성과 내열성 향상 효과가 미미할 수 있고, 또한 10 중량%를 초과하여 포함되면 오히려 유리의 실투가 발생할 수 있는 문제가 있다.
아울러, 본 발명에 따른 유리 프릿은 Fusion flow를 향상시켜 실링 조건에서 적절한 퍼짐성을 유지할 수 있도록 Na2O, K2O, Li2O 및 NaF 가운데 1종 이상을 더 포함 할 수 있다. 바람직하게는, Na2O은 10~15 중량%로 포함될 수 있고, K2O는 7~10 중량%로 포함될 수 있고, Li2O은 1~5 중량%로 포함될 수 있으며, NaF는 3~10 중량%로 포함될 수 있다. 상기 성분들이 상술한 최소량 미만으로 포함되면 실링재가 실링 조건에서 적절한 퍼짐성이 유지되지 않을 수 있다. 반대로 상기 성분들이 상술한 최대량을 초과하여 포함되면 오히려 유리의 결정화가 쉽게 발생되어 실링이 어려워지는 문제가 있다.
또한 본 발명에 따른 실링 유리 조성물은 700 ℃ 이하의 열처리 공정(실링 공정)에 적합할 수 있도록 바람직하게는 700 ℃ 이하의 반구형 온도 (hemisphere temperature)를 가질 수 있다. 상기 반구형 온도는 고온 현미경을 이용하여 현미경 방법으로 측정할 수 있으며, 원통형인 시험 시편이 서로 융합하여 반구형 매스를 형성하는 온도를 의미한다. 본 발명에 따른 실링 유리 조성물이 700 ℃ 이하의 반구형 온도를 가짐으로써 약 500 ~ 700 ℃의 온도에서 충분한 기밀성을 확보할 수 있다.
<실링재 및 이를 포함하는 열교환기, 실링 방법>
본 발명은 앞서 언급한 실링 유리 조성물로 형성되는 실링재를 제공한다. 또한 본 발명에 따른 실링재는 열교환기에 바람직하게 적용될 수 있다. 특히 본 발명에 따른 실링재는 판형 열교환기에서 용매와 물이 흐르는 통로를 각각 기밀 밀봉하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 실링재는 금속 첨가제가 내부에 균질하게 포함되어 있는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 실링재는 ASTM D1002 측정법에 의한 인장 실험을 통해 측정한 전단 인장강도가 5 Mpa 이상일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 실링재는 ASTM D1002 측정법에 의한 압축 실험을 통해 측정한 전단 압축강도가 25 Mpa 이상일 수 있다. ASTM D1002 측정법은 실링재의 인장력을 실험하기 위한 측정법이다. 상기 전단 압축강도는 ASTM D1002 측정법에서 힘의 방향을 바꾸어 압축 실험을 통해 측정한 물성을 의미한다.
본 발명에 따른 열교환기의 실링 방법은 실링이 필요한 부분에 본 발명에 따른 실링 유리 조성물을 도포하는 등의 방식을 적용할 수 있고, 700 ℃ 이하의 온도에서 열처리하는 공정(실링 공정)을 통해 수행된다.
이하, 이하, 실시예를 통해 본 발명의 구체적인 태양을 살펴보기로 한다.
<
실시예
>
<실링 유리 조성물의 제조>
하기 표 1에 기재된 조성비를 갖는 유리 재료를 준비하였다. 준비된 유리 재료를 전기로에서 1200 ~ 1350 ℃의 온도 범위에서 용융시킨 후 트윈롤을 이용하여 건식으로 급냉하였다. 급냉하여 얻은 컬릿을 건식분쇄기로 분쇄 후 230 메쉬 시브에 통과시켜 D50 입경이 1 ~ 30 ㎛인 유리 프릿을 제조하였다.
| 성분 | 제조예1 | 제조예 2 | 제조예 3 |
| SiO2 | 41 | 41 | 41 |
| B2O3 | 6.5 | 7.5 | 8.5 |
| Na2O | 13 | 12 | 11 |
| K2O | 9 | 9 | 9 |
| Li2O | 3.5 | 3.5 | 3.5 |
| NaF | 5 | 5 | 5 |
| V2O5 | 20 | 20 | 20 |
| TiO2 | 2 | 2 | 2 |
| CTE Х10-7/℃ (열팽창계수) |
181.3 | 175.8 | 174.4 |
상기 유리 프릿 제조예들의 열팽창계수(CTE(x10-7/℃))는 TMA 장비(TMA-Q400 TA instrument)를 이용하여 측정하였다.
상기 유리 프릿 제조예와 하기 표 2에 기재된 금속 첨가제를 이용하여 실시예 및 비교예에 따른 실링 유리 조성물을 제조하였다. 본 발명의 실시예에 사용된 금속 첨가제들의 D50 입경은 모두 1 ~ 30 ㎛에 해당한다.
| 실시예1 | 실시예2 | 실시예3 | 실시예4 | 실시예5 | 비교예1 | |
| 유리프릿 | 제조예1 | 제조예1 | 제조예1 | 제조예2 | 제조예3 | 제조예1 |
| 금속첨가제 | Sn3Ag0 . 5Cu | Sn3Ag0 . 5Cu | Sn3Ag0 . 5Cu | Sn3Ag0 . 5Cu | Sn3Ag0 . 5Cu | 없음 |
| 금속첨가제 함량(중량%) | 10 | 20 | 30 | 15 | 25 | 0 |
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실험예
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상기 실시예 및 비교예에 의해 제조된 실링 유리 조성물을 이용하여 시편을 제작하고 접착강도를 측정하였다. 측정 결과를 하기 표 3에 정리하였다.
1. 시편 제작
실시예 및 비교예로 제작된 실링 유리 조성물을 SUS441과 SUS430 사이에 도포하고 650 ℃에서 5시간 열처리하였다. 이를 통해서, 모재 사이에 실링재가 형성된 시편을 얻었다.
2. 접착강도 측정
각 시편에 형성된 실링재의 접착강도는 하기와 같이 측정하였다.
전단 인장강도 : ASTM D1002에 의해 접착된 금속 시편의 접착 이음 강도를 측정함
전단 압축강도 : ASTM D1002 측정법을 준용하여 힘의 방향을 반대로 변경하여 압축강도를 측정
| 실시예1 | 실시예2 | 실시예3 | 실시예4 | 실시예5 | 비교예1 | |
| 전단 인장강도(Mpa) | 6.54 | 10.21 | 8.42 | 7.89 | 9.21 | 3.96 |
| 전단 압축강도(Mpa) | 25.81 | 37.20 | 32.41 | 29.51 | 35.23 | 19.65 |
상기 표 3에서 확인할 수 있는 것처럼, 실시예에 따른 실링재는 전단 인장강도가 5 Mpa 이상으로 측정되었고, 전단 압축강도가 25 Mpa 이상으로 측정되었다. 이와 비교하여, 비교예1에 따른 실링재는 접착강도가 우수하지 못한 것으로 확인된다. 다시 말해, 금속첨가제가 일정량 포함된 실시예에 따른 실링재는 비교예1 대비 접착강도가 개선된 것을 실험을 통해 확인할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 도 1에는 비교예1에 따른 시편의 단면이 도시되어 있고, 도 2에는 실시예 1에 따른 단면이 도시되어 있다.
특히 도 2를 살펴보면, 실시예 1에 따른 시편에는 금속 첨가제가 시편의 내부에 균질하게 분산되어 있는 것을 알 수 있다. 또한 도 2에서는 금속 첨가제가 소성 변형되어 형성된 내부 조직 형태가 확인된다. 상기 금속 첨가제는 실링재 내부에서 실링재의 연성과 인성을 강화시켜 실링재의 파단을 방지한다. 이에 따라, 실시예들은 비교예 대비 접착강도가 향상되는 것이다.
이상과 같이 본 발명에 대해 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
Claims (12)
- SiO2, V2O5 및 B2O3를 포함하는 유리 프릿; 및
금속 첨가제;를 포함하는
실링 유리 조성물.
- 제 1항에 있어서,
상기 금속 첨가제는
Sn, Ag, Cu 및 Zn 가운데 1종 이상을 포함하는 금속을 포함하는
실링 유리 조성물.
- 제 2항에 있어서,
상기 금속 첨가제는
SnAgCu계 합금을 포함하는
실링 유리 조성물.
- 제 1항에 있어서,
상기 금속 첨가제가 0.1~30 중량% 포함되는
실링 유리 조성물.
- 제 1항에 있어서,
상기 금속 첨가제의 D50은 1~30㎛인
실링 유리 조성물.
- 제 1항에 있어서,
상기 유리 프릿은
TiO2 및 Al2O3 가운데 1종 이상을 더 포함하는
실링 유리 조성물.
- 제 1항에 있어서,
상기 유리 프릿은
Na2O, K2O, Li2O 및 NaF 가운데 1종 이상을 더 포함하는
실링 유리 조성물.
- 제1항 내지 제7항 가운데 어느 한 항에 기재된 실링 유리 조성물이 소성되어 형성된 실링재.
- 제8항에 있어서
ASTM D1002 측정법에 의한 인장 실험을 통해 측정한 전단 인장강도가 5 Mpa 이상인 실링재.
- 제8항에 있어서
ASTM D1002 측정법에 의한 압축 실험을 통해 측정한 전단 압축강도가 25 Mpa 이상인 실링재.
- 제8항에 기재된 실링재를 포함하는 열교환기.
- 제1항 내지 제7항 가운데 어느 한 항에 기재된 실링 유리 조성물을 700 ℃ 이하에서 열처리하는 공정을 포함하는 열교환기의 실링 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190083498A KR20210007297A (ko) | 2019-07-10 | 2019-07-10 | 접착강도가 개선된 실링 유리 조성물 및 이를 이용한 실링재, 열교환기 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190083498A KR20210007297A (ko) | 2019-07-10 | 2019-07-10 | 접착강도가 개선된 실링 유리 조성물 및 이를 이용한 실링재, 열교환기 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20210007297A true KR20210007297A (ko) | 2021-01-20 |
Family
ID=74304957
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020190083498A KR20210007297A (ko) | 2019-07-10 | 2019-07-10 | 접착강도가 개선된 실링 유리 조성물 및 이를 이용한 실링재, 열교환기 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20210007297A (ko) |
-
2019
- 2019-07-10 KR KR1020190083498A patent/KR20210007297A/ko not_active Application Discontinuation
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