KR20210109928A - Porous sintered titanium sheet and method of manufacturing thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a porous titanium sintered body and a manufacturing method thereof, and the present invention provides a porous titanium sintered body having a single structure so as to provide a diffusion layer for a water electrolytic positive electrode or an electric current collector with an optimized mass transfer and interfacial resistance value in a water electrolysis cell. The porous titanium sintered body includes a sheet-type titanium sintered body and a plurality of vertically oriented pores existing in the titanium sintered body.

Description

티타늄 다공질 소결체 및 이의 제조방법{POROUS SINTERED TITANIUM SHEET AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF} Titanium porous sintered compact and manufacturing method thereof

본 발명은 티타늄 다공질 소결체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수전해 장치 내에 확산층(Porous transfer layer) 또는 전지 집전체(Current collector)로 적용가능한 티타늄 다공질 소결체 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a porous titanium sintered body and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a porous titanium sintered body applicable as a diffusion layer or a current collector in a water electrolysis device and a method for manufacturing the same.

일반적으로 PEM 수전해 장치는 단위 셀이 여러 장 적층되는 형태로 스택을 구성하며, 단위 셀은 티타늄 분리판(bipolar plate), 확산층(porous transport layer), 양극 촉매(주로 IrOx), 양이온 교환막(proton exchange memebrane), 탄소계 확산층, 흑연 또는 티타늄 분리판 등으로 구성된다.In general, a PEM water electrolyzer consists of a stack in which several unit cells are stacked, and the unit cells include a titanium bipolar plate, a porous transport layer, an anode catalyst (mainly IrOx), and a cation exchange membrane (proton). exchange memebrane), a carbon-based diffusion layer, and a graphite or titanium separator.

종래에는 음극(cathode)에서는 탄소섬유를 확산체로 적용하고, 양극(anode)에서는 티타늄 페이퍼 또는 메쉬 등을 확산체로 적용하거나 티타늄 섬유를 이용한 나노 다공성 구조의 섬유층을 전기방사 방법의 형태로 형성시켜 PEM 수전해 장치에서의 확산체로 적용하는 구성을 개시하고 있다.Conventionally, carbon fiber is applied as a diffusion material at the cathode, and titanium paper or mesh is applied as a diffusion material at the anode, or a nano-porous fiber layer using titanium fibers is formed in the form of an electrospinning method to receive PEM power. Disclosed is a configuration applied as a diffuser in a solution device.

전기적 전도성을 확보(계면저항 극복)하면서 동시에 물 분배 및 생성물 기체(수소, 산소)의 제거를 최적화하기 위해서는 공극율(또는 공극(porosity))의 크기가 다른 구조체를 여러 장 적층하여 사용하여야 하는 문제점이 존재한다. 물 분배 및 생성물 기체의 제거와 관련된 물질전달을 향상시키기 위해서는 공극의 크기가 커야하며, 적층제 간 균일한 전기적 접촉을 위해서는 공극의 크기가 작아야하므로, 이와 관련하여 공극 크기의 최적화가 요구된다. 통산적으로 상용 PEM 수전해 장치에서는 5 내지 7장의 공극 크기가 상이한 확산체를 적층하여 사용하고, 적층체 간 접촉 전기전도성을 확보하기 위해 백금(Pt) 또는 이리듐(Ir) 등의 귀금속 소재를 코팅하여 사용하여야 하는 구조적 및 경제적 문제점이 존재한다.In order to secure electrical conductivity (overcoming interfacial resistance) and at the same time optimize water distribution and removal of product gases (hydrogen, oxygen), there is a problem that multiple structures with different porosity (or porosity) sizes must be stacked and used. exist. In order to improve the mass transfer associated with water distribution and product gas removal, the pore size must be large, and the pore size must be small for uniform electrical contact between the laminates. In this regard, optimization of the pore size is required. Generally, in commercial PEM water electrolysis devices, 5 to 7 diffusers with different pore sizes are stacked and used, and a noble metal material such as platinum (Pt) or iridium (Ir) is coated to secure contact electrical conductivity between the laminates. There are structural and economic problems that must be used.

대한민국 등록특허공보 제10-107341호Republic of Korea Patent Publication No. 10-107341 대한민국 등록특허공보 제10-1742724호Republic of Korea Patent Publication No. 10-1742724 미국 공개특허공보 제2019-0344345호US Patent Publication No. 2019-0344345

본 발명의 목적은, 수전해 장치 등의 양극으로 확산층 또는 전기 집전체로서 단일 구조체의 티타늄 다공질 소결체를 제공함으로써, 종래 기공의 크기가 상이한 다수 매의 다공체를 적층할 필요 없이 한 장의 형태로 구성하면서도, 수전해 셀 내에서 최적의 물 분배 및 생성물 기체의 제거를 최적화를 우수한 전기전도성을 제공하고자 함이다. An object of the present invention is to provide a titanium porous sintered body having a single structure as a diffusion layer or an electrical current collector as an anode of a water electrolysis device, etc. The aim is to provide excellent electrical conductivity, optimizing the optimal water distribution and product gas removal within the water electrolysis cell.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 형태에 따른 티타늄 다공질 소결체는 시트 형상의 티타늄 소결체; 및 상기 티타늄 소결체 내에 존재하며, 수직배향된 다수개의 기공(pore)을 포함한다.In order to achieve the above object, a porous titanium sintered body according to one embodiment of the present invention is a sheet-shaped titanium sintered body; and a plurality of vertically oriented pores that are present in the titanium sintered body.

상기 기공은 상기 시트 형상에 따른 일측 면으로부터 타측 면에 대하여 직경이 점진적으로 증가하는 것일 수 있다.The pores may have a diameter gradually increasing from one side to the other side according to the sheet shape.

상기 티타늄 다공질 소결체는 공극율(porosity)이 0.36 내지 0.487일 수 있다.The titanium porous sintered body may have a porosity of 0.36 to 0.487.

상기 기공(pore)의 평균 직경은 10 내지 40 μm일 수 있다.The average diameter of the pores may be 10 to 40 μm.

상기 티타늄 다공질 소결체는 맥멀린 수(McMullin Number)(NM)이 1.1 내지 5.1일 수 있다.The porous titanium sintered body may have a McMullin Number (NM) of 1.1 to 5.1.

상기 티타늄 다공질 소결체의 두께는 500 μm일 수 있다.The thickness of the porous titanium sintered body may be 500 μm.

또한, 본 발명의 일 형태에 따른 티타늄 다공질 티타늄 소결체의 제조방법은 티타늄 전구체, 용매, 바인더, 분산제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리를 분산시키는 단계; 상기 분산된 슬러리를 1차 동결공정을 통하여 슬러리 내 용매를 동결시켜 예비 성형체를 제조하는 단계; 상기 예비 성형체를 2차 동결공정을 통하여 상기 동결된 용매를 제거한 동결 성형체를 제조하는 단계; 및 상기 동결 성형체를 소결하는 단계를 포함한다.In addition, the method of manufacturing a porous titanium sintered body of titanium according to an embodiment of the present invention comprises the steps of preparing a slurry by mixing a titanium precursor, a solvent, a binder, and a dispersant; dispersing the slurry; Freezing the solvent in the slurry through the first freezing process of the dispersed slurry to prepare a green body; preparing a freeze-formed body from which the frozen solvent is removed through a secondary freezing process for the pre-formed body; and sintering the freeze-formed body.

상기 티타늄 전구체는 티타늄 수소화 분말일 수 있다.The titanium precursor may be a titanium hydrogenated powder.

상기 1차 동결공정은 온도구배 조건 하에서 상기 슬러리 내 용매를 수직배향으로 동결시키는 것일 수 있으며, 상기 1차 동결공정은 동결판(plate)와 대기의 온도차가 50 내지 70 ℃인 것일 수 있다.The primary freezing process may be to freeze the solvent in the slurry in a vertical orientation under a temperature gradient condition, and the primary freezing process may be a temperature difference of 50 to 70° C. between the freezing plate and the atmosphere.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 본 발명은 단일한 구조체의 티타늄 다공질 소결체를 제공함으로써, 수전해 셀 내에서 물질전달 및 계면저항 값이 최적화된 수전해 양극용 확산층 또는 전기 집전체를 제공하는 효과가 있다.According to the present invention as described above, the present invention provides a porous titanium sintered body having a single structure, thereby providing a diffusion layer or an electric current collector for a water electrolytic positive electrode with an optimized mass transfer and interfacial resistance value in the water electrolysis cell. have.

또한, 이로 인하여, 수전해 셀의 고전류밀도에서 효율적인 운전을 가능하게 하는 효과가 있다.In addition, due to this, there is an effect of enabling efficient operation at a high current density of the water electrolysis cell.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 다공질 소결체의 모식도를 도시한 것이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 다공질 소결체의 상부 표면(도 2a 내지 도 2c의 (a))과 하부 표면(도 2a 내지 도 2c의 (b)) 주사전자현미경(SEM) 이미지를 도시한 것이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 다공질 소결체와 비교예에 따른 티타늄 소결체의 수직 단면 주사전자현미경(SEM) 이미지를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 다공질 소결체의 수직 단면 일 부분의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 다공질 소결체의 기공 크기 분포 결과를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 다공질 소결체를 수전해 셀 양극용 확산층으로 적용한 수전해 셀의 성능분석 결과를 도시한 것이다.
1 shows a schematic diagram of a porous titanium sintered body according to an embodiment of the present invention.
2A to 2C are an upper surface (FIG. 2A to FIG. 2C (a)) and a lower surface (FIG. 2A to 2C (b)) of a porous titanium sintered body according to an embodiment of the present invention. image is shown.
3a and 3b are vertical cross-sectional scanning electron microscope (SEM) images of the porous titanium sintered body according to the embodiment of the present invention and the titanium sintered body according to the comparative example, respectively.
4 shows a scanning electron microscope (SEM) image of a portion of a vertical cross-section of a porous titanium sintered body according to an embodiment of the present invention.
5 shows the pore size distribution results of the porous titanium sintered body according to an embodiment of the present invention.
6 is a view showing a performance analysis result of a water electrolysis cell in which the titanium porous sintered body according to an embodiment of the present invention is applied as a diffusion layer for a positive electrode of the water electrolysis cell.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail. The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. As used herein, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase.

본 발명의 실시예에 따른 티타늄 다공질 소결체는 시트(sheet) 형상의 티타늄 소결체; 및 상기 티타늄 소결체 내에 존재하며, 수직배향된 다수개의 기공(pore)을 포함한다.A porous titanium sintered body according to an embodiment of the present invention includes a sheet-shaped titanium sintered body; and a plurality of vertically oriented pores that are present in the titanium sintered body.

상기 기공은 시트 형상의 티타늄 소결체의 횡단면을 기준으로 수직배향된 것이며, 수직배향된 다수개의 기공에 의하여 상기 시트 형상의 티타늄 소결체에 대하여 상기 다수개의 기공은 라멜라(lamella) 구조를 형성할 수 있다.The pores are vertically oriented with respect to the cross section of the sheet-shaped titanium sintered body, and the plurality of pores may form a lamellar structure with respect to the sheet-shaped titanium sintered body by the plurality of vertically oriented pores.

상기 티타늄 다공질 소결체는 상기 시트 형상에 따라 티타늄 다공질 소결체의 일측 면과 타측 면이 형성되며, 상기 기공은 상기 시트 형상에 따라 티타늄 다공질 소결체의 일측 면으로부터 타측 면에 대하여 직경이 점진적으로 증가하는 것일 수 있으며, 직경이 점진적으로 증가함에 따라 상기 기공은 테이퍼(taper) 형상일 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 기공은 상기 티타늄 다공질 소결체의 하부 면(또는 표면)으로부터 상부 면(또는 표면)으로 연장되어 형성되며, 이때의 기공은 하부 면(또는 표면)으로부터 상부 면(또는 표면)으로 갈수록 기공이 테이퍼(taper) 형태로 점진적으로 증가하는 것일 수 있다.The porous titanium sintered body has one side and the other side of the porous titanium sintered body according to the sheet shape, and the pores have a diameter from one side to the other side of the porous titanium sintered body according to the sheet shape. And, as the diameter gradually increases, the pores may have a tapered shape. More specifically, the pores are formed extending from the lower surface (or surface) of the porous titanium sintered body to the upper surface (or surface), in this case, the pores are formed from the lower surface (or surface) to the upper surface (or surface) The pores may gradually increase in a tapered shape.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 다공질 소결체의 모식도 및 부분 확대도를 도시한 것으로, 도 1은 참조하면, 티타듐 다공질 소결체(100)는 시트 형상의 티타늄 소결체(110)와 티타늄 소결체(110) 내에 수직배향으로 존재하는 다수개의 기공(130)을 포함하고 있음을 확인할 수 있으며, 다수개의 기공(130)이 수직배향 함에 따라 시트 형상의 티타늄 소결체(110)에서 수직으로의 라멜라 구조를 형성하는 것일 수 있다. 또한, 도 1의 확대도(오른쪽 이미지)를 참조하면, 기공(130)은 하부 면에서 상부 면으로 갈수록 직경이 점차적으로 증가하는 것이일 수 있으며, 이로 인하여 기공(130)은 테이퍼 형상을 갖는 것일 수 있다.1 is a schematic diagram and a partially enlarged view of a porous titanium sintered body according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1 is a reference, the titanium porous sintered body 100 is a sheet-shaped titanium sintered body 110 and a titanium sintered body ( It can be confirmed that the plurality of pores 130 present in the vertical orientation are included in 110), and as the plurality of pores 130 are vertically oriented, a vertical lamellar structure is formed in the sheet-shaped titanium sintered body 110 may be doing In addition, referring to the enlarged view (right image) of FIG. 1 , the pore 130 may have a gradually increasing diameter from the lower surface to the upper surface, whereby the pore 130 has a tapered shape. can

상기 티타늄 다공질 소결체는 공극율(porosity)이 0.2 내지 0.6일 수 있다.The titanium porous sintered body may have a porosity of 0.2 to 0.6.

상기 기공(pore)의 평균 직경은 10 내지 100 ㎛일 수 있다.The average diameter of the pores may be 10 to 100 μm.

상기 티타늄 다공질 소결체는 맥멀린 수(McMullin Number)(N M )이 1.1 내지 5.1일 수 있으며 보다 바람직하게 하게는 2 내지 5.1일 수 있으며, 보다더 바람직하게는 2 또는 5.1일 수 있다. 맥멀린 수는 하기의 식 1 내지 3에 의하여 정의될 수 있다.The titanium porous sintered body may have a McMullin Number ( N M ) of 1.1 to 5.1, more preferably 2 to 5.1, and even more preferably 2 or 5.1. The McMullin number may be defined by Equations 1 to 3 below.

[식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

[식 2][Equation 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

[식 3][Equation 3]

Figure pat00003
Figure pat00003

상기 식 1 내지 3에서, τ는 비틀림도(Tortuosity)이며, ε는 공극율(porosity)이며, D는 확산계수이며, i는 화학종이며, Deff는 유효확산계수이다. In Equations 1 to 3, τ is torsity, ε is porosity, D is diffusion coefficient, i is chemical species, and D eff is effective diffusion coefficient.

맥멀린 수(McMullin number)(Nm)는 비틀림과 기공의 함수로 전기화학적 분석을 통해 얻을 수 있으며, 다공체 내 확산 거동을 표현하는 대표적인 Bruggeman모델와 유사하지만 보다 정확한 유효계수를 얻을 수 있다. 보다 자세하게는 두 영역(zone)으로 구분된 폴리카보네이트 수조 내 전해질을 채우고 백금이 코팅된 티타늄을 Counter/Working 전극으로 사용하며, 사각파형의 전류를 인가하여 티타늄 다공질 소결체가 두 수조 사이에 위치할 때와 위치하지 않을 때 저항값을 측정하여 그 비(ratio)로 구할 수 있다. The McMullin number (N m ) can be obtained through electrochemical analysis as a function of torsion and pores, and it is similar to the representative Bruggeman model expressing diffusion behavior in a porous body, but more accurate effective coefficients can be obtained. In more detail, when the electrolyte in the polycarbonate tank divided into two zones is filled, platinum-coated titanium is used as the counter/working electrode, and a square wave current is applied to place the titanium porous sintered body between the two tanks. It can be obtained from the ratio by measuring the resistance value when it is not located.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 다공질 소결체의 제조방법은 티타늄 전구체, 용매, 바인더, 분산제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리를 분산시키는 단계; 상기 분산된 슬러리를 1차 동결캐스팅 공정을 통하여 슬러리 내 용매를 동결시켜 예비 성형체를 제조하는 단계; 상기 예비 성형체를 2차 동결건조 공정을 통하여 상기 동결된 용매를 제거한 동결 성형체를 제조하는 단계; 및 상기 동결 성형체를 소결하는 단계를 포함한다.In addition, the method of manufacturing a porous titanium sintered body according to an embodiment of the present invention comprises the steps of preparing a slurry by mixing a titanium precursor, a solvent, a binder, and a dispersant; dispersing the slurry; Freezing the solvent in the slurry through the first freeze-casting process of the dispersed slurry to prepare a green body; preparing a freeze-molded body from which the frozen solvent is removed through a secondary freeze-drying process for the green body; and sintering the freeze-formed body.

상기 티타늄 전구체는 티타늄 수소화(TiH2) 분말일 수 있으며, 상기 티타늄 전구체는 상기 슬러리 100 vol%에 대하여 15% 내지 25 vol%일 수 있다.The titanium precursor may be a titanium hydrogenated (TiH 2 ) powder, and the titanium precursor may be 15% to 25 vol% with respect to 100 vol% of the slurry.

상기 티타늄 수소화(TiH2) 분말은 입자크기(직경)가 20 내지 147 micron(㎛)일 수 있으며, 보다 바람직하게 47 내지 147 micron(㎛)일 수 있으며, 보다 더 바람직하게는 47 micron(㎛)일 수 있다.The titanium hydrogenated (TiH 2 ) powder may have a particle size (diameter) of 20 to 147 microns (㎛), more preferably 47 to 147 microns (㎛), even more preferably 47 microns (㎛) can be

상기 용매는 동결매체로서 작용하는 것으로, 상기 용매는 증류수(DI water)일 수 있다.The solvent acts as a freezing medium, and the solvent may be distilled water (DI water).

상기 바인더는 카르복시메틸셀룰로오스(Carboxymethylcellulose)일 수 있으며, 상기 바인더는 상기 티타늄 전구체 100 wt%에 대하여 2 wt%일 수 있다.The binder may be carboxymethylcellulose, and the binder may be 2 wt% based on 100 wt% of the titanium precursor.

상기 분산제는 폴리아크릴산 나트륨(polyacrylate sodium), BYK190 및 Triton X-100으로 이루어진 군에서 선택되는 1 또는 2 이상일 수 있으며, 상기 분산제는 상기 티타늄 전구체 100 wt%에 대하여 1 wt% 일 수 있다.The dispersant may be 1 or 2 or more selected from the group consisting of polyacrylate sodium, BYK190 and Triton X-100, and the dispersant may be 1 wt% based on 100 wt% of the titanium precursor.

상기 슬러리는 호모게나이저(homogenizer)에서 12 시간(h) 동안 분산시키는 것일 수 있다.The slurry may be dispersed in a homogenizer for 12 hours (h).

상기 1차 동결공정은 온도 구배 조건 하에서 상기 슬러리의 용매를 수직배향으로 동결시킬 수 있으며, 이로 인하여, 수직배향으로 동결된 예비 성형제를 제조하는 것일 수 있다. 또한, 상기 1차 동결공정은 상기의 제조방법에 의하여 제조되는 티타늄 다공질 소결체 내의 기공의 직경이 온도 구배에 의하여 수직방향으로 점진적으로 증가하거나 감소하여, 전체적으로 기공이 테이퍼(taper) 형상을 가질수 있다.In the first freezing process, the solvent of the slurry may be frozen in a vertical orientation under a temperature gradient condition, thereby preparing a preform frozen in the vertical orientation. In addition, in the first freezing process, the diameter of the pores in the porous titanium sintered body manufactured by the above manufacturing method is gradually increased or decreased in the vertical direction by the temperature gradient, so that the pores as a whole may have a tapered shape.

상기 1차 동결공정은 동결 캐스터(freeze caster)로서 동결판(plate)에서 수행할 수 있으며, 보다 구체적으로는, 냉각 주형(mold) 구비된 동결판에서 1차 동결공정을 수행하는 것일 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 냉각 주형(mold) 내에 상기 슬러리를 분산시켜 소정의 형상을 가지도록 캐스팅(casting)할 수 있으며, 상기 동결판의 상기 냉각 주형 내에서 1차 동결공정을 수행할 수 있다. 상기 소정의 형상은 시트(sheet) 형상일 수 있다.The primary freezing process may be performed on a freezing plate as a freeze caster, and more specifically, the primary freezing process may be performed on a freezing plate provided with a cooling mold. More specifically, the slurry may be dispersed in the cooling mold and cast to have a predetermined shape, and a primary freezing process may be performed in the cooling mold of the freezing plate. The predetermined shape may be a sheet shape.

상기 냉각 주형은 0.5 내지 400 W/m·K의 열전도율을 가지는 기재로 구성되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 0.5 내지 15 W/m·K의 열전도율을 가지는 기재로 구성되는 것일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 냉각 주형은 열전도율이 높은 구리, 스테인리스강 등의 금속 기재 내지는 건조 후 이형특성 향상을 위한 PET, KAPTON 등의 이형필름 기재로 구성될 수 있다. 보다 상세하게는 동결판과 슬러리 사이에 구리, 스테인리스 강 등의 금속 기재 또는 PET, KAPTON(polyimide film) 등의 이형필름 기재로 구성되는 냉각 몰드가 구비되며, 슬러리는 상기 금속 기재 또는 이형필름 기재 상에서 1차 동결공정을 수행하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 상기 금속 기재는 스테인리스 강일 수 있으며, 상기 이형필름 기재는 PET일 수 있다. 상기 기재(냉각 몰드)는 동결판에 의한 슬러리의 동결이 급격히 이루어지는 것을 방지하고, 이로 인하여 상기 기재 상에 위치하는 슬러리 내 용매의 동결이 수직배향으로 하부 표면에서부터 이뤄지도록 할 수 있다.The cooling mold may be composed of a substrate having a thermal conductivity of 0.5 to 400 W/m·K, preferably composed of a substrate having a thermal conductivity of 0.5 to 15 W/m·K. More specifically, the cooling mold may be formed of a metal substrate having high thermal conductivity, such as copper or stainless steel, or a release film substrate such as PET or KAPTON for improving release characteristics after drying. More specifically, a cooling mold comprising a metal substrate such as copper or stainless steel or a release film substrate such as PET or KAPTON (polyimide film) is provided between the freezing plate and the slurry, and the slurry is disposed on the metal substrate or the release film substrate. The primary freezing process may be performed, and preferably, the metal substrate may be stainless steel, and the release film substrate may be PET. The substrate (cooling mold) prevents the slurry from being rapidly frozen by the freezing plate, thereby allowing the freezing of the solvent in the slurry positioned on the substrate to be made from the lower surface in a vertical orientation.

상기 1차 동결공정은 상기 슬러리가 상온에 노출된 상태에서 수행하는 것일 수 있으며, 상기 상온은 20 내지 30 ℃일 수 있다. 상기 상온은 상기 슬러리가 존재하는 대기의 온도일 수 있으며, 상기 1차 동결공정은 상온의 대기와 동결판의 온도 구배(온도 차)가 존재하는 조건에서 수행하는 것이 바람직하다.The first freezing process may be performed in a state in which the slurry is exposed to room temperature, and the room temperature may be 20 to 30 °C. The room temperature may be the temperature of the atmosphere in which the slurry is present, and the first freezing process is preferably performed under conditions in which a temperature gradient (temperature difference) exists between the atmosphere at room temperature and the freezing plate.

상기 1차 동결공정은 상온의 대기와 동결판 사이에 형성된 온도 구배를 형성하며, 온도 구배에 의하여 상기 용매를 수직배향으로 동결시킨다. 보다 상세하게는, 상기 1차 동결공정은 상기 동결판 쪽에 접하는 슬러리의 하부 면으로부터 대기와 접하는 상부 방향으로의 슬러리 내 용매의 결빙이 시작되어, 기공이 수직배향으로 형성된 예비 성형체를 제조하는 것이다. 또한, 하부 면으로부터 결빙이 순차적으로 시작됨에 따라 용매의 결빙으로 형성되는 얼음 결정의 크기가 상이하게 형성된 예비 성형체를 제조할 수 있다. The first freezing process forms a temperature gradient formed between the atmosphere at room temperature and the freezing plate, and freezes the solvent in a vertical orientation by the temperature gradient. More specifically, in the first freezing process, the freezing of the solvent in the slurry in the upper direction in contact with the atmosphere from the lower surface of the slurry in contact with the freezing plate is started, and the pores are formed in a vertical orientation to prepare a preform. In addition, as the freezing is sequentially started from the lower surface, it is possible to manufacture a green body formed with different sizes of ice crystals formed by freezing of the solvent.

상기 1차 동결공정에서, 상기 슬러리 내 용매가 결빙된 얼음 결정이 하부 면에서부터 상부 면으로 형성됨에 따라, 티타늄(Ti)은 결빙된 얼음 결정들 사이에 갇힌 상태가 된다. 이로 인하여, 본 발명의 제조방법에 따라 제조되는 티타늄 다공질 소결체의 기공의 하부 표면에서 상부 표면으로 갈수록 기공의 크기가 점차적으로 증가하는 형태로의 제작을 가능하게 한다.In the first freezing process, as ice crystals in which the solvent in the slurry are frozen are formed from the lower surface to the upper surface, titanium (Ti) is trapped between the frozen ice crystals. Due to this, it is possible to manufacture in a form in which the size of the pores gradually increases from the lower surface to the upper surface of the pores of the porous titanium sintered body manufactured according to the manufacturing method of the present invention.

상기 1차 동결공정은 2 내지 15분(min) 동안 하는 것일 수 있다.The first freezing process may be performed for 2 to 15 minutes (min).

상기 1차 동결공정은 동결판의 온도가 -50 내지 -30 ℃에서 수행하는 것일 수 있으며, 동결판(plate)와 대기의 온도 차(온도 구배)가 50 내지 75℃를 유지하는 것일 수 있다.The primary freezing process may be performed at a temperature of -50 to -30 °C of the freezing plate, and the temperature difference (temperature gradient) between the freezing plate and the atmosphere may be maintained at 50 to 75 °C.

상기 2차 동결공정은 상기 1차 동결공정을 통해 제조된 예비 성형체의 동결된 용매를 제거하기 위한 것으로, 보다 상세하게는 1차 동결공정을 통해 형성된 얼음 결정의 용매를 제거하고, 용매가 제거된 공간에 기공(pore)을 형성하며, 티타늄 소결체의 다공성(porous)을 부여한다.The secondary freezing process is to remove the frozen solvent of the preform prepared through the primary freezing process, and more specifically, removes the solvent of the ice crystals formed through the primary freezing process, and removes the solvent. It forms pores in the space and gives the titanium sintered body porous.

상기 2차 동결공정은 -40 ℃에서 1 내지 24 시간(h) 동안 진공도는 0 내지 3 Torr에서 수행한다.The secondary freezing process is performed at -40 ° C. for 1 to 24 hours (h) at a vacuum degree of 0 to 3 Torr.

상기 소결하는 단계는 동결 성형체를 소결함으로써, 기계적 강성을 확보하고자 하는 것이다.The step of sintering is to secure mechanical rigidity by sintering the freeze-formed body.

상기 소결하는 단계는 1100 ℃에서, 2 내지 5 시간(h) 동안 수행하는 것일 수 있다.The sintering may be performed at 1100° C. for 2 to 5 hours (h).

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These Examples are for explaining the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited by these Examples.

실시예 1. 티타늄 다공질 소결체의 제조Example 1. Preparation of a porous titanium sintered body

TiH2 분말(입자크기(직경) 47 micron(㎛)) 15 vol%(전체 혼합한 슬러리 100 vol% 기준), TiH2 100 wt% 대비 바인더로서 카복시메틸셀룰로스(Carboxymethylcellulose) 2 wt%, TiH2 100 wt% 대비 분산제로서 BYK190 1 wt%를 증류수(DI water) 용매에서 혼합한 슬러리를 제조한다.TiH 2 powder (particle size (diameter) 47 micron (㎛)) 15 vol% (based on 100 vol% of the total mixed slurry), TiH 2 100 wt% of carboxymethylcellulose as a binder 2 wt%, TiH 2 100 Prepare a slurry in which 1 wt% of BYK190 as a dispersant is mixed in a solvent of distilled water (DI water) compared to wt%.

혼합된 슬러리를 호모게나이저(homogenizer)에서 1,000 rpm 교반속도로 4시간(h) 동안 분산시킨다.The mixed slurry was dispersed in a homogenizer at a stirring speed of 1,000 rpm for 4 hours (h).

이후, 냉각 몰드(mold)로서 PET(polyethylene terephthalate) 기재(열전도율: 0.5 W/m·K, 두께 18 ㎛, 표면장력 52 mN/m, 온도구배: 5 ℃)가 구비된 동결판(plate)을 준비한 후, 분산된 슬러리를 상온(30 ℃)에 노출시킨 상태에서 동결판(plate)의 PET 기재 상에 캐스팅(casting)하여 시트 형상으로 제조한다, PET 기재 상에 캐스팅된 슬러리를 15분(min) 동안 동결판의 온도 -30 ℃에서 동결공정(예비 동결 공정)으로 예비 성형체를 제조한다.Then, as a cooling mold, a PET (polyethylene terephthalate) substrate (thermal conductivity: 0.5 W/m·K, thickness 18 μm, surface tension 52 mN/m, temperature gradient: 5 ℃) equipped with a frozen plate After preparation, the dispersed slurry is exposed to room temperature (30° C.) and cast on a PET substrate of a freezing plate to prepare a sheet shape. The slurry cast on the PET substrate is heated for 15 minutes (min. ), a preform is prepared by the freezing process (pre-freezing process) at the temperature of the freezing plate at -30 ° C.

이후, 예비 성형체에 대하여 -40 ℃, 진공도 0 torr에서 24 시간(h) 동안 동결건조 공정을 통하여 용매를 제거하여 동결 성형체를 제조한다.Thereafter, the preform is prepared by removing the solvent through a freeze-drying process at -40 ° C. and a vacuum degree of 0 torr for 24 hours (h).

이후, 동결 성형체를 2℃/min의 승온속도로, 1100 ℃에서 2 시간 동안 소결하여 티타늄 다공질 소결체를 제조한다. Thereafter, the freeze-molded body is sintered at 1100° C. for 2 hours at a temperature increase rate of 2° C./min to prepare a porous titanium sintered body.

상기 실시예 1에서 제조된 티타늄 다공질 소결체에 대하여 수은흡착법(Mercury porosimetry)을 이용하여 측정한 공극율(porosity)은 0.48이고, 평균 기공 직경(pore diameter)는 40 ㎛이며, 맥멀린 상수(McMullin number)(Nm)는 2의 값을 보였다. 소결체의 두께는 500 ㎛이다.For the titanium porous sintered body prepared in Example 1, the porosity measured by mercury porosimetry was 0.48, the average pore diameter was 40 μm, and the McMullin number (McMullin number) ( Nm) showed a value of 2. The thickness of the sintered body is 500 μm.

실시예 2. 티타늄 다공질 소결체의 제조Example 2. Preparation of porous titanium sintered body

TiH2 분말(입자크기(직경) 47 micron(㎛)) 25 vol%(전체 혼합한 슬러리 100 vol% 기준), TiH2 100 wt% 대비 바인더로서 카복시메틸셀룰로스(Carboxymethylcellulose) 2 wt%, TiH2 100 wt% 대비 분산제로서 BYK190 1 wt%를 증류수(DI water) 용매에서 혼합한 슬러리를 제조한다.TiH 2 powder (particle size (diameter) 47 micron (㎛)) 25 vol% (based on 100 vol% of the total mixed slurry), TiH 2 100 wt% of carboxymethylcellulose as a binder, 2 wt%, TiH 2 100 Prepare a slurry in which 1 wt% of BYK190 as a dispersant is mixed in a solvent of distilled water (DI water) compared to wt%.

혼한된 슬러리를 호모게나이저(homogenizer)에서 1,000 rpm 교반속도로 4시간(h) 동안 분산시킨다.The mixed slurry was dispersed in a homogenizer at a stirring speed of 1,000 rpm for 4 hours (h).

이후, 냉각 몰드(mold)로서 PET 기재(열전도율: 0.5 W/m·K, 두께 18 ㎛, 표면장력 52 mN/m, 온도구배: 5 ℃)가 구비된 동결판(plate)을 준비한 후, 분산된 슬러리를 상온(30 ℃)에 노출시킨 상태에서 동결판(plate)의 PET 기재 상에 캐스팅(casting)하여 시트 형상으로 제조한다, PET 기재 상에 캐스팅된 슬러리를 30분(min) 동안 동결판의 온도 -30 ℃에서 동결공정(예비 동결 공정)으로 예비 성형체를 제조한다.Thereafter, as a cooling mold, a frozen plate equipped with a PET substrate (thermal conductivity: 0.5 W/m·K, thickness 18 μm, surface tension 52 mN/m, temperature gradient: 5° C.) was prepared, and then dispersed. The slurry is prepared in a sheet shape by casting it on a PET substrate of a freezing plate in a state of exposing it to room temperature (30 ° C). A preform is prepared by a freezing process (pre-freezing process) at a temperature of -30 °C.

이후, 예비 성형체에 대하여 -40 ℃, 진공도 0 torr에서 24 시간(h) 동안 동결건조 공정을 통하여 용매를 제거하여 동결 성형체를 제조한다.Thereafter, the preform is prepared by removing the solvent through a freeze-drying process at -40 ° C. and a vacuum degree of 0 torr for 24 hours (h).

이후, 동결 성형체를 2℃/min의 승온속도로, 1100 ℃에서 2 시간 동안 소결하여 티타늄 다공질 소결체를 제조한다. Thereafter, the freeze-molded body is sintered at 1100° C. for 2 hours at a temperature increase rate of 2° C./min to prepare a porous titanium sintered body.

상기 실시예 2에서 제조된 티타늄 다공질 소결체에 대하여 수은흡착법(Mercury porosimetry)을 이용하여 측정한 공극율(porosity)은 0.36이고, 평균 기공 직경(pore diameter)는 12 ㎛이며, 맥멀린 상수(McMullin number)(Nm)는 5.1의 값을 보였다. 소결체의 두께는 500 ㎛이다. For the titanium porous sintered body prepared in Example 2, the porosity measured by mercury porosimetry was 0.36, the average pore diameter was 12 μm, and the McMullin number (McMullin number) ( Nm) showed a value of 5.1. The thickness of the sintered body is 500 μm.

실시예 3. 티타늄 다공질 소결체의 제조Example 3. Preparation of porous titanium sintered body

TiH2 분말(입자크기(직경) 47 micron(㎛)) 15 vol%(전체 혼합한 슬러리 100 vol% 기준), TiH2 100 wt% 대비 바인더로서 카복시메틸셀룰로스(Carboxymethylcellulose) 2 wt%, TiH2 100 wt% 대비 분산제로서 BYK190 1 wt%를 증류수(DI water) 용매에서 혼합한 슬러리를 제조한다.TiH 2 powder (particle size (diameter) 47 micron (㎛)) 15 vol% (based on 100 vol% of the total mixed slurry), TiH 2 100 wt% of carboxymethylcellulose as a binder 2 wt%, TiH 2 100 Prepare a slurry in which 1 wt% of BYK190 as a dispersant is mixed in a solvent of distilled water (DI water) compared to wt%.

혼합된 슬러리를 호모게나이저(homogenizer)에서 1,000 rpm 교반속도로 4시간(h) 동안 분산시킨다.The mixed slurry was dispersed in a homogenizer at a stirring speed of 1,000 rpm for 4 hours (h).

이후, 냉각 몰드(mold)로서 스테인리스강(Stainless steel) 기재(열전도율: 15 W/m·K, 두께 18 ㎛, 표면장력 52 mN/m, 온도구배: 5 ℃)가 구비된 동결판(plate)을 준비한 후, 분산된 슬러리를 상온(30 ℃)에 노출시킨 상태에서 동결판(plate)의 스테인리스강 기재 상에 캐스팅(casting)하여 시트 형상으로 제조한다, 스테인리스강 기재 상에 캐스팅된 슬러리를 30분(min) 동안 동결판의 온도 -30 ℃에서 동결공정(예비 동결 공정)으로 예비 성형체를 제조한다.Thereafter, as a cooling mold, a stainless steel substrate (thermal conductivity: 15 W/m·K, thickness 18 μm, surface tension 52 mN/m, temperature gradient: 5° C.) equipped with a freezing plate After preparing a sheet shape by casting the dispersed slurry on a stainless steel substrate of a freezing plate in a state of exposing it to room temperature (30 ° C), the slurry cast on the stainless steel substrate is 30 A preform is prepared by a freezing process (pre-freezing process) at a temperature of -30°C of the freezing plate for minutes (min).

이후, 예비 성형체에 대하여 -40℃, 진공도 0 torr에서 24 시간(h) 동안 동결건조 공정을 통하여 용매를 제거하여 동결 성형체를 제조한다.Thereafter, the preform is prepared by removing the solvent through a freeze-drying process at -40°C and a vacuum degree of 0 torr for 24 hours (h).

이후, 동결 성형체를 2℃/min의 승온속도로, 1100 ℃에서 2 시간 동안 소결하여 티타늄 다공질 소결체를 제조한다. Thereafter, the freeze-molded body is sintered at 1100° C. for 2 hours at a temperature increase rate of 2° C./min to prepare a porous titanium sintered body.

상기 실시예 3에서 제조된 티타늄 다공질 소결체에 대하여 수은흡착법(Mercury porosimetry)을 이용하여 측정한 공극율(porosity)은 0.7이고, 평균 기공 직경(pore diameter)는 70 ㎛이며, 맥멀린 수(McMullin number)(Nm)는 1.1의 값을 보였다. 소결체의 두께는 500 ㎛이다.For the titanium porous sintered body prepared in Example 3, the porosity measured using Mercury porosimetry was 0.7, the average pore diameter was 70 μm, and the McMullin number (McMullin number) ( Nm) showed a value of 1.1. The thickness of the sintered body is 500 μm.

상기 실시예 1 내지 3에서 제조 조건 및 제조된 소결체의 주요 물성을 각각 하기 표 1 및 표 2에 정리하였다.The manufacturing conditions and main physical properties of the prepared sintered body in Examples 1 to 3 are summarized in Tables 1 and 2 below, respectively.

슬러리 혼합비(100 vol% 기준)Slurry mixing ratio (based on 100 vol%) 동결판 기재frozen plate Ti 전구체Ti precursor 바인더bookbinder 분산제dispersant TiHTiH 22 분말 powder 카복시메틸셀룰로스Carboxymethylcellulose BYK190BYK190 실시예 1Example 1 15 vol%15 vol% 2 wt%
(TiH2 100 wt% 대비)
2 wt%
(Compared to TiH 2 100 wt%)
1 wt%
(TiH2 100 wt% 대비)
1 wt%
(Compared to TiH 2 100 wt%)
PETPET
실시예 2Example 2 25 vol%25 vol% 2 wt%
(TiH2 100 wt% 대비)
2 wt%
(Compared to TiH 2 100 wt%)
1 wt%
(TiH2 100 wt% 대비)
1 wt%
(Compared to TiH 2 100 wt%)
PETPET
실시예 3Example 3 15 vol%15 vol% 2 wt%
(TiH2 100 wt% 대비)
2 wt%
(Compared to TiH 2 100 wt%)
1 wt%
(TiH2 100 wt% 대비)
1 wt%
(Compared to TiH 2 100 wt%)
스테인리스강
stainless steel

공극율porosity
(porosity)(porosity)
평균 기공 직경average pore diameter
(pore diameter)(pore diameter)
맥멀리 수McMurley Sue
(McMullin number)(Nm)(McMullin number)(Nm)
티타늄 다공체 소결체 두께Titanium porous body sintered body thickness
실시예 1Example 1 0.480.48 40 ㎛40 μm 22 500 ㎛500 μm 실시예 2Example 2 0.360.36 12 ㎛12 μm 5.15.1 500 ㎛500 μm 실시예 3Example 3 0.70.7 70 ㎛70 μm 1.11.1 500 ㎛500 μm

비교예. 티타늄 소결체comparative example. titanium sintered body

본 발명의 실시예에 따른 다공질 티타늄 소결체와 대비하기 위하여, 본 발명의 실시예 상에서의 '예비 동결 공정'과 '동결건조 공정'을 수행하지 않은 기존의 시트 형상의 티타늄 소결체(Series 1100; Mott Coporation(US))를 준비한다.In order to compare with the porous titanium sintered body according to the embodiment of the present invention, the conventional sheet-shaped titanium sintered body (Series 1100; Mott Corporation) that does not perform the 'pre-freezing process' and the 'freeze-drying process' in the embodiment of the present invention (US)) is prepared.

실험예 1. 모폴로지(morphology) 분석Experimental Example 1. Morphology analysis

상기 실시예 1 내지 3에서 제조된 각 소결체의 상부 표면과 하부 표면에 대하여 주사전자현미경(SEM) 이미지(배율: 500배)를 관찰하였으며, 이를 도 2a 내지 도 2c에 도시하였다(도 2a: 실시예 1, 도 2b: 실시예2, 도 2c: 실시예 3).A scanning electron microscope (SEM) image (magnification: 500 times) was observed for the upper surface and lower surface of each sintered body prepared in Examples 1 to 3, and it is shown in FIGS. 2a to 2c (Fig. 2a: implementation) Example 1, Figure 2b: Example 2, Figure 2c: Example 3).

도 2a 내지 도 2c에서 각 도면의 (a)는 각 실시예 소결체의 상부 표면 SEM 이미지이며, (b)는 각 실시예 소결체의 하부 표면 SEM 이미지이다(도 2c의 (b)(하부 표면)이미지는 도 2c의 (a)(상부 표면)이미지의 관찰 방향에 대하여 90° 회전하여 관찰된 이미지이다).2a to 2c, (a) of each figure is a top surface SEM image of each Example sintered body, (b) is a bottom surface SEM image of each example sintered body ((b) (lower surface) image of FIG. 2c is an image observed by rotating 90° with respect to the observation direction of (a) (upper surface) image of FIG. 2c).

도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 예비동결과정에서 동결판의 PET 기재(실시예 1, 2) 또는 스테인리스강 기재(실시예 3) 상과 접하는 소결체의 하부 표면은 기공의 크기가 작은 것을 확인할 수 있으며, 상온에 노출되는 소결체의 상부 표면은 하부 표면과 대비하여 기공의 크기가 큰 것을 확인할 수 있다. 이는 예비 성형체 제조(예비 동결 공정)에서, 동결판과 상온의 대기 사이의 발생되는 온도구배에 따른 것이며, 보다 구체적으로 동결판(PET 기재 또는 스테인리스 강 기재)과 접합는 소결체의 하부 표면으로부터 상부 표면으로 순차적으로 슬러리 내 용매의 결빙이 시작됨에 따라, 용매의 결빙으로 형성되는 얼음 결정의 크기가 상이하게 형성되기 때문이다. 이후의 결빙된 용매는, 동결성형체 제조시의 동결공정에서 제거되며, 용매가 제거된 공간은 기공(pore)을 형성하는 바, 이로 인하여, 본 발명의 실시예에 따른 소결체의 하부 표면과 상부 표면의 기공의 크기가 상이하게 형성되는 것이며, 보다 구체적으로는 하부 표면으로부터 상부 표면으로 갈수록 기공의 크기가 점진적으로 증가하는 테이퍼 형상임을 확인할 수 있다.2a to 2c, in the preliminary freezing process, it can be seen that the lower surface of the sintered body in contact with the PET substrate (Examples 1 and 2) or the stainless steel substrate (Example 3) of the freezing plate has small pores. In addition, it can be seen that the upper surface of the sintered body exposed to room temperature has a large pore size compared to the lower surface. This is according to the temperature gradient generated between the frozen plate and the ambient temperature in the preform manufacturing (pre-freezing process), and more specifically, the bonding with the freezing plate (PET substrate or stainless steel substrate) is from the lower surface of the sintered body to the upper surface. This is because as the freezing of the solvent in the slurry starts sequentially, the ice crystals formed by the freezing of the solvent have different sizes. After that, the frozen solvent is removed in the freezing process during the manufacture of the freeze-molded body, and the space from which the solvent is removed forms pores. It can be seen that the pore sizes are formed differently, and more specifically, it can be seen that the pore size is a tapered shape in which the pore size gradually increases from the lower surface to the upper surface.

실험예 2. 모폴로지(morphology) 분석Experimental Example 2. Morphology analysis

상기 실시예 1에서 제조된 소결체 및 상기 비교예에서 준비된 소결체에 대하여, 각각 소결체의 수직 단면(소결체 상부 표면에서 하부 표면으로의 단면)에 대하여 주사전자현미경(SEM) 이미지(배율: 100배)를 관찰하여, 이를 각각 도 3a(실시예 1), 도 3b(비교예)에 도시하였다.For the sintered body prepared in Example 1 and the sintered body prepared in the comparative example, a scanning electron microscope (SEM) image (magnification: 100 times) for a vertical cross-section (cross-section from the upper surface of the sintered body to the lower surface) of the sintered body, respectively It was observed and shown in Fig. 3A (Example 1) and Fig. 3B (Comparative Example), respectively.

도 3a를 참조하면, 상기 실시예 1에서 제조된 소결체는 수직단면에 대하여 다수개의 기공이 수직배향으로 형성되어 있음을 확인할 수 있으며, 이에 비하여, 도 3b를 참조하면, 비교예에서 준비된 소결체를 기공이 존재하나, 수직배향으로 형성되어 있는 기공은 존재하지 않음을 확인할 수 있다. 이는, 본 발명의 실시예 상의 '예비 동결 공정' 및 '동결건조 공정'에 따른 것임을 의미한다.Referring to FIG. 3A , it can be seen that the sintered body prepared in Example 1 has a plurality of pores formed in a vertical orientation with respect to a vertical cross section. In contrast, referring to FIG. 3B, the sintered body prepared in Comparative Example is Although this exists, it can be confirmed that the pores formed in the vertical orientation do not exist. This means that according to the 'pre-freezing process' and the 'lyophilization process' in the embodiment of the present invention.

실험예 3. 모폴로지(morphology) 분석Experimental Example 3. Morphology analysis

상기 실시예 1에서 제조된 소결체에 대하여, 소결체 수직 단면(상부 표면에서 하부 표면으로의 단면) 일 부분에 대하여 주사전자현미경(SEM) 이미지(배율: 500배)를 관찰하였으며, 이를 도 4에 도시하였다.With respect to the sintered body prepared in Example 1, a scanning electron microscope (SEM) image (magnification: 500 times) was observed for a portion of a vertical cross-section (cross-section from the upper surface to the lower surface) of the sintered body, which is shown in FIG. did.

도 4를 참조하면, 도 4의 상부 이미지는 상기 실시예 1에서 제조된 소결체의 수직 단면 이미지이며, 도 4의 하부 이미지는 상부 이미지의 파란색 박스로 표시된 이미지를 확대한 것이다.Referring to FIG. 4 , the upper image of FIG. 4 is a vertical cross-sectional image of the sintered body manufactured in Example 1, and the lower image of FIG. 4 is an enlarged image indicated by a blue box of the upper image.

도 4를 참조하면, 상기 실시예 1에서 제조된 소결체에 존재하는 다수개의 기공이 수직배향된 것을 확인할 수 있으며, 상술한 도 2a를 참조하면, 상기 실시예 1에서 제조된 소결체에 존재하는 다수개의 기공은 수직배향되며, 소결체의 하부 표면에서 상부 표면으로 직경이 점진적으로 증가하는 테이퍼 형상을 가지는 것임을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 4 , it can be confirmed that a plurality of pores present in the sintered body prepared in Example 1 are vertically oriented, and referring to FIG. 2A, a plurality of pores present in the sintered body prepared in Example 1 It can be seen that the pores are vertically oriented and have a tapered shape in which the diameter is gradually increased from the lower surface to the upper surface of the sintered body.

실험예 4. 기공의 크기 분석Experimental Example 4. Analysis of pore size

상기 실시예 1 및 2에서 제조된 소결체에 대하여 기공 크기의 분포를 수은흡착법(Mercury porosimetry)을 통하여 측정하였으며, 측정결과를 도 5에 도시하였다.The pore size distribution of the sintered compacts prepared in Examples 1 and 2 was measured through mercury porosimetry, and the measurement results are shown in FIG. 5 .

도 5를 참조하면, 실시예 1 및 2에서 제조된 소결체는 10 내지 100 ㎛의 기공분포를 보이는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 5 , it can be seen that the sintered bodies prepared in Examples 1 and 2 exhibit a pore distribution of 10 to 100 μm.

실험예 5. 수전해 셀 성능 분석Experimental Example 5. Water electrolysis cell performance analysis

상기 실시예 1에서 제조된 티타늄 다공질 소결체를 적용한 수전해 셀의 성능은 전류-전압 곡선으로 분석하였으며, 분석결과를 도 6에 도시하였다.The performance of the water electrolysis cell to which the porous titanium sintered body prepared in Example 1 is applied was analyzed by a current-voltage curve, and the analysis result is shown in FIG. 6 .

전류-전압 곡선의 분석은 60℃, 양극으로 이리듐 2 mg/cm2, 음극으로 카본담지 백금 1 mg/cm2, 분리막으로 Nafion 115막 조건의 25 cm2의 활성면적을 갖는 수전해 셀에서 수행하였으며, 이 때의 상기 실시예 1의 티타늄 다공질 소결체를 양극 쪽 기체 확산층으로 적용하였다.Analysis of the current-voltage curve was carried out in a water electrolysis cell having an active area of 25 cm 2 under the conditions of 60° C., iridium 2 mg/cm 2 as an anode, 1 mg/cm 2 carbon-supported platinum as a cathode, and Nafion 115 membrane as a separator. At this time, the titanium porous sintered body of Example 1 was applied as a gas diffusion layer on the anode side.

도 6을 참조하면, 상기 실시예 1의 티타늄 다공질 소결체를 적용한 경우(▲)로 표시하였으며, 상기 실시예 1의 티타늄 다공질 소결체를 적용하지 않은 경우를 (■)로 표시하였다.Referring to FIG. 6 , the case in which the porous titanium sintered body of Example 1 is applied is indicated by (▲), and the case in which the porous titanium sintered body of Example 1 is not applied is indicated by (■).

고전류밀도에서 전압 상승분이 실시예 1의 티타늄 다공질 소결체를 적용한 경우(▲)가, 상기 실시예 1의 티타늄 다공질 소결체를 적용하지 않은 경우(■) 보다, 낮음을 통해 양극 촉매 표면에서 발생하는 산소기체의 제거가 원활하면서 동시에 전해질(물)의 침투가 원활함을 확인할 수 있다.Oxygen gas generated on the surface of the anode catalyst through the case where the voltage increase at high current density was lower than when the titanium porous sintered body of Example 1 was applied (▲), compared to the case where the titanium porous sintered body of Example 1 was not applied (■) It can be seen that the removal of the electrolyte is smooth and the penetration of the electrolyte (water) is smooth.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기서 제시된 실시예들 이외에도 본 발며의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.On the other hand, the embodiments of the present invention disclosed in the present specification and drawings are merely presented as specific examples to aid understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. It is apparent to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains that other modifications based on the technical idea of the present invention can be implemented in addition to the embodiments presented here.

이상, 본 발명내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.Above, a specific part of the present invention has been described in detail, for those of ordinary skill in the art, it is clear that this specific description is only a preferred embodiment, and the scope of the present invention is not limited thereby. something to do. Accordingly, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (10)

시트 형상의 티타늄 소결체; 및
상기 티타늄 소결체 내에 존재하며, 수직배향된 다수개의 기공(pore)을 포함하는 티타늄 다공질 소결체.
sheet-shaped titanium sintered body; and
A porous titanium sintered body that is present in the titanium sintered body and includes a plurality of vertically oriented pores.
제 1 항에 있어서,
상기 기공은 상기 시트 형상에 따른 일측 면으로부터 타측 면에 대하여 직경이 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 티타늄 다공질 소결체.
The method of claim 1,
The pores are titanium porous sintered body, characterized in that the diameter gradually increases with respect to the other side from one side according to the sheet shape.
제 1 항에 있어서,
상기 티타늄 다공질 소결체는 공극율(porosity)이 0.36 내지 0.487인 것을 특징으로 하는 티타늄 다공질 소결체.
The method of claim 1,
The titanium porous sintered body is a porous titanium sintered body, characterized in that the porosity (porosity) of 0.36 to 0.487.
제 1 항에 있어서,
상기 기공(pore)의 평균 직경은 10 내지 40 ㎛인 것을 특징으로 하는 티타늄 다공질 소결체.
The method of claim 1,
The average diameter of the pores (pore) is a titanium porous sintered body, characterized in that 10 to 40㎛.
제 1 항에 있어서,
상기 티타늄 다공질 소결체는 맥멀린 수(McMullin Number)(NM)이 1.1 내지 5.1인 것을 특징으로 하는 티타늄 다공질 소결체.
The method of claim 1,
The titanium porous sintered body is a porous titanium sintered body, characterized in that McMullin Number (NM) is 1.1 to 5.1.
제 1 항에 있어서,
상기 티타늄 다공질 소결체의 두께는 500 ㎛인 것을 특징으로 하는 티타늄 다공질 소결체.
The method of claim 1,
The porous titanium sintered body has a thickness of 500 μm.
티타늄 전구체, 용매, 바인더, 분산제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;
상기 슬러리를 분산시키는 단계;
상기 분산된 슬러리를 1차 동결공정을 통하여 슬러리 내 용매를 동결시켜 예비 성형체를 제조하는 단계;
상기 예비 성형체를 2차 동결공정을 통하여 상기 동결된 용매를 제거한 동결 성형체를 제조하는 단계; 및
상기 동결 성형체를 소결하는 단계를 포함하는
티타늄 다공질 소결체의 제조방법.
preparing a slurry by mixing a titanium precursor, a solvent, a binder, and a dispersant;
dispersing the slurry;
Freezing the solvent in the slurry through the first freezing process of the dispersed slurry to prepare a green body;
preparing a freeze-formed body from which the frozen solvent is removed through a secondary freezing process for the pre-formed body; and
Including the step of sintering the freeze-formed body
A method for manufacturing a porous titanium sintered body.
제 7 항에 있어서,
상기 티타늄 전구체는 티타늄 수소화 분말인 것을 특징으로 하는 티타늄 다공질 소결체의 제조방법.
8. The method of claim 7,
The titanium precursor is a method of manufacturing a porous titanium sintered body, characterized in that the titanium hydrogenated powder.
제 7 항에 있어서,
상기 1차 동결공정은 온도구배 조건 하에서 상기 슬러리 내 용매를 수직배향으로 동결시키는 것을 특징으로 하는 티타늄 다공질 소결체의 제조방법.
8. The method of claim 7,
The first freezing process is a method of manufacturing a porous titanium sintered body, characterized in that the freezing of the solvent in the slurry in a vertical orientation under a temperature gradient condition.
제 9 항에 있어서,
상기 1차 동결공정은 동결판(plate)와 대기의 온도차가 50 내지 70 ℃인 것을 특징으로 하는 티타늄 다공질 소결체의 제조방법.
10. The method of claim 9,
The first freezing process is a method of manufacturing a porous titanium sintered body, characterized in that the temperature difference between the freezing plate and the atmosphere is 50 to 70 ℃.
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