KR20230081742A - Method for manufacturing a ceramic structure using a binder jetting 3D printing method, and a ceramic structure manufactured using a binder jetting 3D printing method - Google Patents

Method for manufacturing a ceramic structure using a binder jetting 3D printing method, and a ceramic structure manufactured using a binder jetting 3D printing method Download PDF

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황광택
김진호
최정훈
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한국세라믹기술원
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Abstract

바인더 제팅(Binder Jetting) 3D 프린팅 방식을 이용한 세라믹 구조체의 제조 방법이 제공된다. 상기 세라믹 구조체의 제조 방법은, 구형의 알루미나(Al2O3) 분말, 및 표면 개질제가 혼합된 베이스 파우더를 준비하는 단계, 물, PVA(polyvinyl alcohol), 및 글래스 프릿(Glass Frit)을 포함하는 기능성 바인더를 준비하는 단계, 상기 베이스 파우더, 및 상기 기능성 바인더를 통해 바인더 제팅 3D 프린팅 방식으로 세라믹 구조체를 제조하는 단계, 및 상기 세라믹 구조체를 소결하는 단계를 포함할 수 있다. A method for manufacturing a ceramic structure using a binder jetting 3D printing method is provided. The method of manufacturing the ceramic structure includes preparing a base powder in which spherical alumina (Al 2 O 3 ) powder and a surface modifier are mixed, including water, polyvinyl alcohol (PVA), and glass frit. Preparing a functional binder, manufacturing a ceramic structure using the binder jetting 3D printing method using the base powder and the functional binder, and sintering the ceramic structure may be included.

Description

바인더 제팅 3D 프린팅 방식을 이용한 세라믹 구조체의 제조 방법, 및 바인더 제팅 3D 프린팅 방식을 이용하여 제조된 세라믹 구조체 {Method for manufacturing a ceramic structure using a binder jetting 3D printing method, and a ceramic structure manufactured using a binder jetting 3D printing method}Method for manufacturing a ceramic structure using a binder jetting 3D printing method, and a ceramic structure manufactured using a binder jetting method 3D printing method}

본 발명은 바인더 제팅 3D 프린팅 방식을 이용한 세라믹 구조체의 제조 방법, 및 바인더 제팅 3D 프린팅 방식을 이용하여 제조된 세라믹 구조체에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a ceramic structure using a binder jetting 3D printing method, and a ceramic structure manufactured using a binder jetting 3D printing method.

실리카, 알루미나, 지르코니아와 같은 세라믹 소재는 낮은 열팽창계수와 탁월한 내마모성, 내식성등 우수한 물리적, 화학적 특성으로 인해 우주항공, 의료, 친환경, 에너지 산업 등 다양한 분야에서 활발하게 적용되고 있다.Ceramic materials such as silica, alumina, and zirconia are actively applied in various fields such as aerospace, medical, eco-friendly, and energy industries due to their excellent physical and chemical properties such as low thermal expansion coefficient and excellent wear resistance and corrosion resistance.

하지만 세라믹 소재 고유의 특성상 우수한 기계적, 화학적, 열적 특성에도 불구하고 경도가 높고, 취성이 강해 복잡한 형상 가공이 요구되는 분야에는 적용이 힘든 애로사항이 존재한다. 세라믹 소재의 난성형성을 극복하고 가공성을 향상시키고자 3D 프린팅 기술을 적용하여 복잡한 형상 구현에 대한 기술수요가 증가하고 있다.However, due to the unique characteristics of ceramic materials, despite their excellent mechanical, chemical, and thermal properties, they have high hardness and strong brittleness, making them difficult to apply to areas requiring complex shape processing. Demand for complex shape implementation by applying 3D printing technology is increasing in order to overcome the intractability of ceramic materials and improve processability.

3D 프린팅 기술은 3차원으로 디자인된 디지털 데이터로부터 2차원 단면으로 원하는 재료를 반복 적층하여 3차원의 입체형상을 제조하는 공정 기술이다. 디자인 설계나 수정이 매우 자유로우며 기존 절삭가공보다 재료의 소모가 적고 불필요한 제작과정을 생략할 수 있어 제작공정 비용 및 시간이 크게 절감되는 장점이 있다. 적층 방식에 따라 다양한 종류의 3D 프린팅 설비가 개발되어 왔으며 이에 상응하는 새로운 3D 프린팅용 재료의 개발에 대해서도 수요가 점점 증가하고 있다.3D printing technology is a process technology that manufactures a three-dimensional solid shape by repeatedly stacking desired materials in a two-dimensional section from three-dimensionally designed digital data. It has the advantage of greatly reducing the cost and time of the manufacturing process because it is very free to design or modify the design, consumes less material than the existing cutting process, and eliminates unnecessary manufacturing processes. Various types of 3D printing facilities have been developed according to the layering method, and the demand for the development of new materials for 3D printing corresponding to them is gradually increasing.

최근 3D 프린팅 기술은 기존 고분자 위주의 소재에서 벗어나 세라믹과 같이 물리, 화학적으로 뛰어난 성능을 나타내는 새로운 소재를 고분자와 복합화 하여 3D 프린팅에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 지금까지 소재 산업에서는 수요산업에서 요구하는 높은 성능을 충족시키기 위한 신소재 개발에 집중해왔으나, 하지만 신소재 개발의 높은 비용과 상대적으로 느린 상용화 속도를 극복하기 위해 3D 프린팅과 같은 새로운 공정 기술과의 결합이 주목을 받고 있다. 3D 프린팅 기술의 종류로는 적층 방식과 활용 가능한 재료에 따라 SLS(Selective laser sintering), FDM(Fused deposition modeling), SLA(Stereo lithography apparatus), 잉크젯(Ink-jet), 바인더 제팅(Binder jetting) 등으로 구분할 수 있다.Recently, 3D printing technology has been actively researched to apply new materials that exhibit excellent physical and chemical performance, such as ceramics, to 3D printing by combining them with polymers, moving away from existing polymer-oriented materials. Until now, the material industry has focused on developing new materials to meet the high performance demanded by the demand industry. It's getting attention. Types of 3D printing technologies include SLS (Selective laser sintering), FDM (Fused deposition modeling), SLA (Stereo lithography apparatus), Ink-jet, Binder jetting, etc. can be distinguished by

이중 바인더 제팅 3D 프린팅 방식은 1993년 미국 메사추세츠공과대학(MIT)에서 'powder bed and inket head 3d printing'이라는 명칭으로 처음 개발된 기술로, 잉크젯 헤드를 이용하여 액체상태의 바인딩 물질을 파우더 재료에 선택적으로 분사하여 한층을 굳히면 베드가 한층 아래로 내려가고, 새로운 파우더를 얇게 도포한 후 다시 바인딩 물질을 분사하는 과정을 반복하면서 조형물을 적층하는 기술이다. 이러한 바인더 제팅 3D 프린팅 방식은, 압출, 사출, 프레스 등을 이용한 기존의 공정과 대비하여 복잡한 형상을 쉽게 만들 수 있고, 재료 선택의 폭이 넓으며, 공정 과정이 간단하다는 장점이 있다. 하지만, 소결체의 강도와 해상도가 상대적으로 낮다는 문제점이 있다. 이에 따라, 이러한 문제점들을 해결하기 위한 다양한 연구들이 이루어지고 있다. The double binder jetting 3D printing method is a technology first developed in 1993 at the Massachusetts Institute of Technology (MIT) under the name of 'powder bed and inket head 3d printing'. It is a technology to stack sculptures while repeating the process of spraying and hardening one layer, then the bed goes down, applying new powder thinly, and then spraying the binding material again. Compared to existing processes using extrusion, injection, press, etc., this binder jetting 3D printing method has the advantage of being able to easily create complex shapes, having a wide selection of materials, and having a simple process process. However, there is a problem that the strength and resolution of the sintered body are relatively low. Accordingly, various studies are being conducted to solve these problems.

본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 바인더 제팅 3D 프린팅 방식을 이용한 세라믹 구조체의 제조 방법, 및 바인더 제팅 3D 프린팅 방식을 이용하여 제조된 세라믹 구조체를 제공하는 데 있다. One technical problem to be solved by the present invention is to provide a method for manufacturing a ceramic structure using a binder jetting 3D printing method, and a ceramic structure manufactured using a binder jetting 3D printing method.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 강도가 향상된 세라믹 구조체 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다. Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a ceramic structure having improved strength and a manufacturing method thereof.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 해상도가 향상된 세라믹 구조체 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다. Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a ceramic structure with improved resolution and a manufacturing method thereof.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다. The technical problem to be solved by the present invention is not limited to the above.

상기 기술적 과제들을 해결하기 위하여, 바인더 제팅 3D 프린팅 방식을 이용한 세라믹 구조체의 제조 방법을 제공한다. In order to solve the above technical problems, a method of manufacturing a ceramic structure using a binder jetting 3D printing method is provided.

일 실시 예에 따르면, 상기 바인더 제팅 3D 프린팅 방식을 이용한 세라믹 구조체의 제조 방법은, 구형의 알루미나(Al2O3) 분말, 및 표면 개질제가 혼합된 베이스 파우더를 준비하는 단계, 물, PVA(polyvinyl alcohol), 및 글래스 프릿(Glass Frit)을 포함하는 기능성 바인더를 준비하는 단계, 상기 베이스 파우더, 및 상기 기능성 바인더를 통해 바인더 제팅 3D 프린팅 방식으로 세라믹 구조체를 제조하는 단계, 및 상기 세라믹 구조체를 소결하는 단계를 포함할 수 있다. According to one embodiment, the method of manufacturing a ceramic structure using the binder jetting 3D printing method includes preparing a base powder in which spherical alumina (Al 2 O 3 ) powder and a surface modifier are mixed, water, PVA (polyvinyl alcohol) and glass frit, preparing a ceramic structure using the binder jetting 3D printing method through the base powder and the functional binder, and sintering the ceramic structure. steps may be included.

일 실시 예에 따르면, 상기 세라믹 구조체를 제조하는 단계에서 상기 세라믹 구조체의 제조를 위한 BSL(Binder Saturation Level)이 제어됨에 따라, 상기 세라믹 구조체의 강도가 제어되는 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the manufacturing of the ceramic structure may include controlling the strength of the ceramic structure as a binder saturation level (BSL) for manufacturing the ceramic structure is controlled.

일 실시 예에 따르면, 상기 세라믹 구조체의 제조를 위한 BSL이 100% 초과 150% 미만으로 제어됨에 따라 상기 세라믹 구조체의 강도가 향상되는 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, as the BSL for manufacturing the ceramic structure is controlled to be more than 100% and less than 150%, the strength of the ceramic structure may be improved.

일 실시 예에 따르면, 상기 세라믹 소결체는 복수의 영역으로 구분되되, 상기 복수의 영역 각각의 BSL은 서로 다른 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the ceramic sintered body is divided into a plurality of regions, and each of the plurality of regions may include a different BSL.

일 실시 예에 따르면, 상기 글래스 프릿(Glass Firt)은 상기 기능성 바인더의 전체 중량 대비 5 wt% 초과 15 wt% 미만의 함량으로 사용되는 것을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the glass firt may be used in an amount greater than 5 wt% and less than 15 wt% based on the total weight of the functional binder.

일 실시 예에 따르면, 상기 표면 개질제는 흄드 실리카(Fumed Silica) 및 알루미늄 산화물(Aluminum oxide)을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the surface modifier may include fumed silica and aluminum oxide.

일 실시 예에 따르면, 상기 표면 개질제는 친수성을 가질 수 있다. According to one embodiment, the surface modifier may have hydrophilicity.

일 실시 예에 따르면, 상기 바인더 제팅 3D 프린팅 방식을 이용한 세라믹 구조체의 제조 방법은 상기 세라믹 구조체를 제조하는 단계 이후 상기 세라믹 구조체를 소결하는 단계 이전, 상기 세라믹 구조체를 건조하는 단계, 건조된 상기 세라믹 구조체의 표면에 잔존된 분말들을 제거하는 단계, 및 건조된 상기 세라믹 구조체에 잔존된 PVA를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. According to an embodiment, the method of manufacturing a ceramic structure using the binder jetting 3D printing method includes: after the step of manufacturing the ceramic structure and before the step of sintering the ceramic structure, the steps of drying the ceramic structure, and the dried ceramic structure The method may further include removing powders remaining on the surface of and removing PVA remaining in the dried ceramic structure.

일 실시 예에 따르면, 건조된 상기 세라믹 구조체에 잔존된 PVA를 제거하는 단계는, 3℃/min의 승온 속도로 550℃의 온도까지 열처리되는 것을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the step of removing the PVA remaining in the dried ceramic structure may include heat treatment to a temperature of 550 °C at a heating rate of 3 °C/min.

일 실시 예에 따르면, 상기 세라믹 구조체를 소결하는 단계는, 5℃/min의 승온 속도로 1400℃~1600℃의 온도까지 열처리되는 것을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the sintering of the ceramic structure may include heat treatment to a temperature of 1400°C to 1600°C at a heating rate of 5°C/min.

상기 기술적 과제들을 해결하기 위하여, 바인더 제팅 3D 프린팅 방식을 이용하여 제조된 세라믹 구조체를 제공한다. In order to solve the above technical problems, a ceramic structure manufactured using a binder jetting 3D printing method is provided.

일 실시 예에 따르면, 상기 바인더 제팅 3D 프린팅 방식을 이용하여 제조된 세라믹 구조체는, 코어-쉘(Core-Shell) 구조를 갖되 코어와 쉘의 BSL(Binder Saturation Level)이 서로 다른 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the ceramic structure manufactured using the binder jetting 3D printing method may have a core-shell structure, but the core and the shell may have different binder saturation levels (BSLs). .

일 실시 예에 따르면, 코어의 BSL은 50% 초과 100% 미만이고 쉘의 BSL은 100% 초과 150% 미만인 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the BSL of the core may be greater than 50% and less than 100%, and the BSL of the shell may be greater than 100% and less than 150%.

본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 구조체의 제조 방법은, 구형의 알루미나(Al2O3) 분말, 및 표면 개질제가 혼합된 베이스 파우더를 준비하는 단계, 물, PVA(polyvinyl alcohol), 및 글래스 프릿(Glass Frit)을 포함하는 기능성 바인더를 준비하는 단계, 상기 베이스 파우더, 및 상기 기능성 바인더를 통해 바인더 제팅 3D 프린팅 방식으로 세라믹 구조체를 제조하는 단계, 및 상기 세라믹 구조체를 소결하는 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라, 바인더 제팅 3D 프린팅 방식으로 제조되되, 소결체의 강도가 향상된 세라믹 구조체가 제공될 수 있다. A method for manufacturing a ceramic structure according to an embodiment of the present invention includes preparing base powder in which spherical alumina (Al 2 O 3 ) powder and a surface modifier are mixed, water, polyvinyl alcohol (PVA), and glass frit ( It may include preparing a functional binder including glass frit), preparing a ceramic structure using the binder jetting 3D printing method through the base powder and the functional binder, and sintering the ceramic structure. Accordingly, a ceramic structure manufactured by a binder jetting 3D printing method and having improved strength of a sintered body may be provided.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 구조체의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 구조체의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실험 예 1에 따른 세라믹 구조체의 형상을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 1400℃의 온도에서 소결된 본 발명의 비교 예에 따른 세라믹 구조체를 촬영한 사진이다.
도 7은 1450℃의 온도에서 소결된 본 발명의 비교 예에 따른 세라믹 구조체를 촬영한 사진이다.
도 8은 1500℃의 온도에서 소결된 본 발명의 비교 예에 따른 세라믹 구조체를 촬영한 사진이다.
도 9는 1550℃의 온도에서 소결된 본 발명의 비교 예에 따른 세라믹 구조체를 촬영한 사진이다.
도 10은 1600℃의 온도에서 소결된 본 발명의 비교 예에 따른 세라믹 구조체를 촬영한 사진이다.
도 11은 본 발명의 실험 예 1-1에 따른 세라믹 구조체를 촬영한 사진이다.
도 12는 본 발명의 실험 예 1-2에 따른 세라믹 구조체를 촬영한 사진이다.
도 13은 본 발명의 실험 예 1-3에 따른 세라믹 구조체를 촬영한 사진이다.
도 14는 본 발명의 실험 예 1-4에 따른 세라믹 구조체를 촬영한 사진이다.
도 15는 본 발명의 실험 예 1-5에 따른 세라믹 구조체를 촬영한 사진이다.
1 and 2 are flowcharts for explaining a method of manufacturing a ceramic structure according to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining an example of a ceramic structure according to an embodiment of the present invention.
4 is a view for explaining another example of a ceramic structure according to an embodiment of the present invention.
5 is a view for explaining the shape of a ceramic structure according to Experimental Example 1 of the present invention.
6 is a photograph of a ceramic structure according to a comparative example of the present invention sintered at a temperature of 1400 ° C.
7 is a photograph of a ceramic structure according to a comparative example of the present invention sintered at a temperature of 1450 ° C.
8 is a photograph of a ceramic structure according to a comparative example of the present invention sintered at a temperature of 1500 ° C.
9 is a photograph of a ceramic structure according to a comparative example of the present invention sintered at a temperature of 1550 ° C.
10 is a photograph of a ceramic structure according to a comparative example of the present invention sintered at a temperature of 1600 ° C.
11 is a photograph of a ceramic structure according to Experimental Example 1-1 of the present invention.
12 is a photograph of a ceramic structure according to Experimental Examples 1-2 of the present invention.
13 is a photograph of a ceramic structure according to Experimental Examples 1-3 of the present invention.
14 is a photograph of a ceramic structure according to Experimental Examples 1 to 4 of the present invention.
15 is a photograph of a ceramic structure according to Experimental Examples 1 to 5 of the present invention.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the technical spirit of the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content will be thorough and complete, and the spirit of the present invention will be sufficiently conveyed to those skilled in the art.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. In this specification, when an element is referred to as being on another element, it means that it may be directly formed on the other element or a third element may be interposed therebetween. Also, in the drawings, the thicknesses of films and regions are exaggerated for effective explanation of technical content.

또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. In addition, although terms such as first, second, and third are used to describe various elements in various embodiments of the present specification, these elements should not be limited by these terms. Therefore, what is referred to as a first element in one embodiment may be referred to as a second element in another embodiment.

여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.Each embodiment described and illustrated herein also includes its complementary embodiments. In addition, in this specification, 'and/or' is used to mean including at least one of the elements listed before and after.

명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. In the specification, expressions in the singular number include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In addition, the terms "comprise" or "having" are intended to designate that the features, numbers, steps, components, or combinations thereof described in the specification exist, but one or more other features, numbers, steps, or components. It should not be construed as excluding the possibility of the presence or addition of elements or combinations thereof.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.In addition, in the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 구조체의 일 예를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 구조체의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다. 1 and 2 are flowcharts for explaining a method of manufacturing a ceramic structure according to an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a view for explaining an example of a ceramic structure according to an embodiment of the present invention, and FIG. It is a drawing for explaining another example of a ceramic structure according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 베이스 파우더가 준비될 수 있다(S100). 일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 파우더는, 구형의 알루미나(Al2O3) 분말, 및 표면 개질제가 혼합되어 형성될 수 있다. 상기 표면 개질제는, 상기 베이스 파우더의 흐름성(flowability)을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 베이스 파우더를 통해 제조된 3D 프린팅 구조체는, 해상도 및 강도가 향상될 수 있다. Referring to FIGS. 1 and 2 , base powder may be prepared (S100). According to one embodiment, the base powder may be formed by mixing spherical alumina (Al 2 O 3 ) powder and a surface modifier. The surface modifier may improve flowability of the base powder. Accordingly, the 3D printing structure manufactured through the base powder may have improved resolution and strength.

일 실시 예에 따르면, 상기 표면 개질제는, 흄드 실리카(Fumed Silica) 및 알루미늄 산화물(Aluminum oxide)을 포함하되, 친수성을 가질 수 있다. 이와 달리, 상기 표면 개질제로서 소수성을 갖는 물질이 사용되는 경우, 3D 프린팅 과정에서 바인더의 침투가 용이하게 이루어지지 않는 문제점이 발생될 수 있다. 예를 들어, 상기 표면 개질제로서 Konasil(k-90) 제품이 사용될 수 있다. 이와 달리, 다른 예를 들어, 상기 표면 개질제로서 Aerosil(200), Aerosil(R-972), Aeroxide(ALU C) 등이 사용될 수 있다. 상술된 표면 개질제들의 특성이 아래의 <표 1> 및 <표 2>를 통해 정리된다. According to one embodiment, the surface modifier includes fumed silica and aluminum oxide, but may have hydrophilicity. In contrast, when a hydrophobic material is used as the surface modifier, a problem in that the binder does not easily penetrate during the 3D printing process may occur. For example, a product of Konasil (k-90) may be used as the surface modifier. Alternatively, for example, Aerosil (200), Aerosil (R-972), aeroxide (ALU C), and the like may be used as the surface modifier. The characteristics of the surface modifiers described above are summarized in <Table 1> and <Table 2> below.

PropertiesProperties Aerosil (200)Aerosil (200) Konasil (k-90)Konasil (k-90) Aerosil (R-972)Aerosil (R-972) Aeroxide (ALU C)Aeroxide (ALU C) Behavior in waterBehavior in water HydrophilicHydrophilic HydrophilicHydrophilic HydrophobicHydrophobic HydrophobicHydrophobic Mean size/nmMean size/nm 1212 77 1616 1313 Specific surface area m2/gSpecific surface area m 2 /g 200±25200±25 90±1590±15 110±20110±20 100±15100±15 Tamped density g/LTamped density g/L 500500 5050 5050 5050 Drying loss(2h at 105℃)%Drying loss(2h at 105℃)% < 1.5< 1.5 ≤ 1.0≤ 1.0 ≤ 2.0≤ 2.0 ≤ 5.0≤ 5.0 Ph-value(4%suspension)Ph-value (4% suspension) 3.6~4.33.6~4.3 3.7~4.73.7~4.7 3.6~4.43.6~4.4 4.5~5.54.5 to 5.5

구분division HydrophilicHydrophilic HydrophobicHydrophobic Aerosil
(200)
Aerosil
(200)
Konasil
(k-90)
Konasil
(k-90)
Aerosil
(R-972)
Aerosil
(R-972)
Aeroxide
(ALU C)
aeroxide
(ALU C)
안식각 (°)angle of repose (°) 52.6452.64 37.1137.11 2020 46.3246.32 흐름성지수Flowability index CohensiveCohensive Free-flowingFree-flowing Very Free-flowingVery Free-flowing CohensiveCohensive 접촉각 (°)Contact angle (°) 37.6337.63 37.4037.40 49.6949.69 60.4460.44 Powder bed표면 거칠기
(μm)
Powder bed surface roughness
(μm)
12.312.3 5.395.39 5.085.08 9.89.8

기능성 바인더가 준비될 수 있다(S200). 일 실시 예에 따르면, 상기 기능성 바인더는 물(H2O), PVA(polyvinyl alcohol), 및 글래스 프릿(Glass Frit)을 포함할 수 있다. 상기 글래스 프릿은 후술되는 세라믹 구조체의 강도를 향상시킬 수 있다. 이와 달리, 상기 글래스 프릿 없는 바인더를 통해 세라믹 구조체가 생성되는 경우, 세라믹 구조체의 강도가 저하될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 글래스 프릿은 상기 기능성 바인더 전체 중량 대비 5 wt% 초과 15 wt% 미만의 함량으로 사용될 수 있다. 상기 글래스 프릿이 5 wt% 포함된 경우, 10 wt% 포함된 경우, 및 15 wt% 포함된 경우 상기 기능성 바인더의 특성이 아래의 <표 3>을 통해 정리된다. A functional binder may be prepared (S200). According to one embodiment, the functional binder may include water (H 2 O), polyvinyl alcohol (PVA), and glass frit. The glass frit may improve the strength of a ceramic structure to be described later. In contrast, when a ceramic structure is created using a binder without the glass frit, strength of the ceramic structure may be reduced. According to one embodiment, the glass frit may be used in an amount greater than 5 wt% and less than 15 wt% based on the total weight of the functional binder. When the glass frit is included in 5 wt%, 10 wt%, and 15 wt%, the characteristics of the functional binder are summarized through <Table 3> below.

구분division 5 wt%5wt% 10 wt%10wt% 15 wt%15wt% Viscosity(mPa·S)Viscosity (mPa S) 5.595.59 6.536.53 6.816.81 Density(g/ml)Density (g/ml) 0.810.81 1.051.05 1.11.1 Surface tension(mN/m)Surface tension (mN/m) 19.2519.25 21.0621.06 25.0425.04 Volume of one Droplet(Pico liter)Volume of one Droplet (Pico liter) 8080 8080 8080 Fluid velocity(m/s)Fluid velocity (m/s) 33 33 33 Oh-1 Oh -1 5.165.16 5.275.27 5.645.64

상술된 <표 3>에서 Oh-1(Ohnesorge number) 값은 아래의 <수학식 1>, <수학식 2>, 및 <수학식 3>을 통해 계산될 수 있다. In the above-described <Table 3>, the value of Oh -1 (Ohnesorge number) can be calculated through <Equation 1>, <Equation 2>, and <Equation 3> below.

<수학식 1><Equation 1>

Figure pat00001
Figure pat00001

(γ: surface tension, ρ: density, v: flow, a: nozzle diameter, η: viscosity, NWe: Weber number, NRe: Reynolds number)(γ: surface tension, ρ: density, v: flow, a: nozzle diameter, η: viscosity, N We : Weber number, N Re : Reynolds number)

<수학식 2><Equation 2>

Figure pat00002
Figure pat00002

<수학식 3><Equation 3>

Figure pat00003
Figure pat00003

상기 베이스 파우더, 상기 기능성 바인더를 통해 바인더 제팅(Binder Jetting) 3D 프린팅 방식으로 세라믹 구조체를 제조할 수 있다(S300). 이후, 상기 세라믹 구조체를 건조하는 단계(S310), 건조된 상기 세라믹 구조체의 표면에 잔존된 분말들을 제거하는 단계(S320), 건조된 상기 세라믹 구조체에 잔존된 PVA를 제거하는 단계(S330), 및 상기 세라믹 구조체를 소결하는 단계(S400)가 수행될 수 있다. A ceramic structure may be manufactured by a binder jetting 3D printing method through the base powder and the functional binder (S300). Thereafter, drying the ceramic structure (S310), removing powders remaining on the surface of the dried ceramic structure (S320), removing PVA remaining on the dried ceramic structure (S330), and Sintering the ceramic structure (S400) may be performed.

보다 구체적으로, 상기 베이스 파우더 및 상기 기능성 바인더를 통해 제조된 상기 세라믹 구조체는, 80℃ 온도의 오븐에서 2시간 동안 건조된 후 표면에 잔존된 분말이 제거(De-powder)되고, 바인더에 함유되어 있던 PVA를 분해(de-binding)하기 위해 3℃/min의 승온 속도로 550℃의 온도까지 열처리될 수 있다. 최종적으로, 5℃/min의 승온 속도로 1400℃~1600℃의 온도까지 열처리되는 방법으로 소결된 후 5시간 동안 유지될 수 있다. More specifically, the ceramic structure manufactured through the base powder and the functional binder is dried in an oven at 80 ° C. for 2 hours, and then the powder remaining on the surface is removed (De-powder) and contained in the binder It may be heat-treated to a temperature of 550 ° C. at a heating rate of 3 ° C. / min in order to de-bind the PVA present thereon. Finally, after being sintered by a heat treatment method to a temperature of 1400 ° C to 1600 ° C at a heating rate of 5 ° C / min, it may be maintained for 5 hours.

일 실시 예에 따르면, 상기 세라믹 구조체를 제조하는 단계(S300)에서 상기 세라믹 구조체의 제조를 위한 BSL(Binder Saturation Level)이 제어됨에 따라, 상기 세라믹 구조체의 강도가 제어될 수 있다. 예를 들어, 상기 세라믹 구조체의 제조를 위한 BSL은 100% 초과 150% 미만으로 제어될 수 있다. 이에 따라, 상기 세라믹 구조체의 강도가 향상될 수 있다. According to an embodiment, in the manufacturing of the ceramic structure (S300), the strength of the ceramic structure may be controlled as a binder saturation level (BSL) for manufacturing the ceramic structure is controlled. For example, the BSL for manufacturing the ceramic structure may be controlled to be greater than 100% and less than 150%. Accordingly, the strength of the ceramic structure may be improved.

일 실시 예에 따르면, 상기 세라믹 구조체는 BSL의 구배가 형성되도록 제조될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 세라믹 구조체(SC)는 제1 내지 제5 영역(A1, A2, A3, A4, A5)으로 구분되되, 상기 제1 내지 제5 영역(A1, A2, A3, A4, A5)의 BSL이 서로 다르도록 제조될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 영역(A1)의 BSL은 50%, 상기 제2 영역(A2)의 BSL은 75%, 상기 제3 영역(A3)의 BSL은 100%, 상기 제4 영역(A4)의 BSL은 125%, 상기 제5 영역(A5)의 BSL은 150%가 되도록, 상기 세라믹 구조체가 제조될 수 있다. 상술된 바와 같이, BSL의 구배가 형성되도록 제조된 세라믹 구조체는, 일정한 BSL을 갖는 세라믹 구조체와 비교하여 강도가 향상될 수 있다. 상기 세라믹 구조체의 BSL 구배는, 가로로 한번에 형성되거나, 세로의 적층 형태로 형성된 후 눕히는 방법을 통해 형성될 수 있다. According to one embodiment, the ceramic structure may be manufactured to form a BSL gradient. For example, as shown in FIG. 3 , the ceramic structure SC is divided into first to fifth regions A 1 , A 2 , A 3 , A 4 , and A 5 , and the first to fifth regions SC. The BSLs of the five regions (A 1 , A 2 , A 3 , A 4 , and A 5 ) may be manufactured to be different from each other. Specifically, the BSL of the first area A 1 is 50%, the BSL of the second area A 2 is 75%, the BSL of the third area A 3 is 100%, and the BSL of the fourth area ( The ceramic structure may be manufactured such that the BSL of A 4 ) is 125% and the BSL of the fifth region A 5 is 150%. As described above, a ceramic structure manufactured to form a gradient of BSL may have improved strength compared to a ceramic structure having a constant BSL. The BSL gradient of the ceramic structure may be formed horizontally at once or formed in a vertical stacked form and then laid down.

또한, 다른 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 세라믹 구조체(SC)는 코어-쉘(Core-Shell) 구조를 갖되, 코어(C)와 쉘(S)의 BSL이 서로 다르도록 제조될 수 있다. 구체적으로, 코어(C)의 BSL은 50% 초과 100% 미만으로 제조될 수 있다. 이와 달리, 쉘(S)의 BSL은 100% 초과 150% 미만으로 제조될 수 있다. 상술된 바와 같이, 코어(C)와 쉘(S)의 BSL이 제어됨에 따라 상기 세라믹 구조체(SC)의 강도가 향상될 수 있다.In addition, for another example, as shown in FIG. 4, the ceramic structure (SC) has a core-shell structure, but is manufactured so that the BSL of the core (C) and the shell (S) are different from each other. It can be. Specifically, the BSL of the core (C) may be made more than 50% and less than 100%. Alternatively, the BSL of the shell S may be made greater than 100% and less than 150%. As described above, as the BSL of the core C and the shell S is controlled, the strength of the ceramic structure SC may be improved.

이상, 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 구조체 및 그 제조 방법이 설명되었다. 이하, 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 구조체 및 그 제조 방법의 구체적인 실험 예 및 특성 평가 결과가 설명된다. In the above, the ceramic structure and method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention have been described. Hereinafter, specific experimental examples and characteristic evaluation results of a ceramic structure and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will be described.

도 5는 본 발명의 실험 예 1에 따른 세라믹 구조체의 형상을 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining the shape of a ceramic structure according to Experimental Example 1 of the present invention.

실험 예 1에 따른 세라믹 구조체 제조Manufacturing of ceramic structure according to Experimental Example 1

구형의 알루미나(Al2O3) 분말 및 Konasil(k-90)이 V-mixer를 통해 150 rpm으로 5시간 동안 혼합하여 베이스 파우더를 제조하였다. 물, PVA(polyvinyl alcohol), 및 글래스 프릿(Glass Frit)을 혼합하고 교반하여 기능성 바인더를 제조하였다. Base powder was prepared by mixing spherical alumina (Al 2 O 3 ) powder and Konasil (k-90) at 150 rpm for 5 hours using a V-mixer. Water, polyvinyl alcohol (PVA), and glass frit were mixed and stirred to prepare a functional binder.

베이스 파우더와 기능성 바인더를 통해 바인더 제팅 3D 프린팅 방식으로, 도 5에 도시된 바와 같이 정육면체 형상을 갖는, 세라믹 구조체를 제조하였다. 구체적으로, Modeling 진행 후 층 두께 100μm, Build chamber 내부 Rotor speed 60 RPM, 및 일정한 BSL(Binding Saturation Level)로 설정된 조건에서 제조하였다. A ceramic structure having a regular hexahedron shape was manufactured as shown in FIG. 5 by using a binder jetting 3D printing method through a base powder and a functional binder. Specifically, after modeling, it was manufactured under conditions set to a layer thickness of 100 μm, a rotor speed of 60 RPM inside the build chamber, and a constant BSL (Binding Saturation Level).

제조된 세라믹 구조체는 80℃의 오븐에서 2시간 동안 건조하여 경화시키고, 표면에 남아있던 분말을 제거한 후 3℃/min의 승온 속도로 550℃의 온도까지 열처리하여 PVA를 제거하였다. 최종적으로, 5℃/min의 승온 속도로 1400℃~1600℃의 온도까지 열처리하는 방법으로 소결한 후 5시간 동안 유지하였다. The prepared ceramic structure was cured by drying in an oven at 80 ° C. for 2 hours, and after removing the powder remaining on the surface, heat treatment was performed to a temperature of 550 ° C. at a heating rate of 3 ° C./min to remove PVA. Finally, after sintering by a method of heat treatment up to a temperature of 1400 ℃ ~ 1600 ℃ at a heating rate of 5 ℃ / min and maintained for 5 hours.

실험 예 2에 따른 세라믹 구조체 제조Manufacturing of ceramic structure according to Experimental Example 2

상술된 실험 예 1에 따른 방법으로 세라믹 구조체를 제조하되, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1 내지 제5 영역(A1, A2, A3, A4, A5)의 BSL이 서로 다른 세라믹 구조체를 제조하였다. 구체적으로, 제1 영역(A1)의 BSL은 50%, 제2 영역(A2)의 BSL은 75%, 제3 영역(A3)의 BSL은 100%, 제4 영역(A4)의 BSL은 125%, 제5 영역(A5)의 BSL은 150%가 되도록, 세라믹 구조체를 제조하였다. 또한, 1400℃의 온도에서 소결이 진행되었다. A ceramic structure is manufactured by the method according to Experimental Example 1 described above, but as shown in FIG. 3 , the BSLs of the first to fifth regions A 1 , A 2 , A 3 , A 4 , and A 5 are mutually related to each other. Other ceramic structures were fabricated. Specifically, the BSL of the first area A 1 is 50%, the BSL of the second area A 2 is 75%, the BSL of the third area A 3 is 100%, and the BSL of the fourth area A 4 is 75%. The ceramic structure was manufactured such that the BSL was 125% and the BSL of the fifth region A 5 was 150%. Further, sintering was performed at a temperature of 1400°C.

실험 예 3에 따른 세라믹 구조체 제조Manufacturing of ceramic structure according to Experimental Example 3

상술된 실험 예 1에 따른 방법으로 세라믹 구조체를 제조하되, 도 4에 도시된 바와 같이, 코어-쉘(Core-shell) 구조를 갖는 세라믹 구조체를 제조하였다. A ceramic structure was manufactured by the method according to Experimental Example 1 described above, but as shown in FIG. 4, a ceramic structure having a core-shell structure was manufactured.

비교 예에 따른 세라믹 구조체 제조Manufacturing a ceramic structure according to a comparative example

상술된 실험 예 1에 따른 방법으로 세라믹 구조체를 제조하되, 기능성 바인더를 제조하는 과정에서 글래스 프릿(Glass Frit)을 사용하지 않았다. 또한, BSL은 100%로 제조되었다. A ceramic structure was manufactured by the method according to Experimental Example 1 described above, but glass frit was not used in the process of manufacturing a functional binder. Also, BSL was made at 100%.

도 6은 1400℃의 온도에서 소결된 본 발명의 비교 예에 따른 세라믹 구조체를 촬영한 사진이고, 도 7은 1450℃의 온도에서 소결된 본 발명의 비교 예에 따른 세라믹 구조체를 촬영한 사진이고, 도 8은 1500℃의 온도에서 소결된 본 발명의 비교 예에 따른 세라믹 구조체를 촬영한 사진이고, 도 9는 1550℃의 온도에서 소결된 본 발명의 비교 예에 따른 세라믹 구조체를 촬영한 사진이고, 도 10은 1600℃의 온도에서 소결된 본 발명의 비교 예에 따른 세라믹 구조체를 촬영한 사진이다. 6 is a photograph of a ceramic structure according to a comparative example of the present invention sintered at a temperature of 1400 ° C, and FIG. 7 is a photograph of a ceramic structure according to a comparative example of the present invention sintered at a temperature of 1450 ° C, 8 is a photograph of a ceramic structure according to a comparative example of the present invention sintered at a temperature of 1500 ° C, and FIG. 9 is a photograph of a ceramic structure according to a comparative example of the present invention sintered at a temperature of 1550 ° C, 10 is a photograph of a ceramic structure according to a comparative example of the present invention sintered at a temperature of 1600 ° C.

도 6 내지 도 10을 참조하면, 서로 다른 온도(1400℃, 1450℃, 1500℃, 1550℃, 1600℃에서 소결된 상기 비교 예에 따른 세라믹 구조체를 SEM(Scanning Electron Microscope) 촬영하여 나타낸다. 또한, 각각의 조건에서 제조된 세라믹 구조체들에 대한 특성을 측정하였고, 측정된 결과는 아래의 <표 4>를 통해 정리된다. 6 to 10, SEM (Scanning Electron Microscope) photographs are shown of ceramic structures according to the comparative examples sintered at different temperatures (1400 ° C, 1450 ° C, 1500 ° C, 1550 ° C, 1600 ° C). In addition, The characteristics of the ceramic structures manufactured under each condition were measured, and the measured results are summarized in <Table 4> below.

구분division 1400℃1400℃ 1450℃1450℃ 1500℃1500℃ 1550℃1550℃ 1600℃1600℃ 기공율(%)Porosity (%) 67.667.6 66.666.6 64.764.7 63.363.3 60.660.6 평균기공크기(μm)Average pore size (μm) 8.58.5 8.48.4 8.18.1 8.18.1 7.47.4 표면거칠기(μm)Surface roughness (μm) 15.515.5 14.314.3 13.213.2 12.812.8 12.312.3 밀도 (%)density (%) 38.738.7 39.239.2 40.540.5 43.243.2 47.047.0 소결체 강도(MPa)Sintered body strength (MPa) 2.322.32 2.332.33 3.523.52 4.684.68 4.894.89

실험 예 1-1에 따른 세라믹 구조체 제조Manufacturing a ceramic structure according to Experimental Example 1-1

상술된 실험 예 1에 따른 방법으로 세라믹 구조체를 제조하되, BSL 50% 조건 및 1400℃의 소결 온도에서 제조되었다. A ceramic structure was manufactured by the method according to Experimental Example 1 described above, but at a 50% BSL condition and a sintering temperature of 1400°C.

실험 예 1-2에 따른 세라믹 구조체 제조Manufacturing a ceramic structure according to Experimental Example 1-2

상술된 실험 예 1에 따른 방법으로 세라믹 구조체를 제조하되, BSL 75% 조건 및 1400℃의 소결 온도에서 제조되었다. A ceramic structure was manufactured by the method according to Experimental Example 1 described above, but at a sintering temperature of 1400° C. under conditions of 75% BSL.

실험 예 1-3에 따른 세라믹 구조체 제조Manufacturing of ceramic structures according to Experimental Examples 1-3

상술된 실험 예 1에 따른 방법으로 세라믹 구조체를 제조하되, BSL 100% 조건 및 1400℃의 소결 온도에서 제조되었다. A ceramic structure was manufactured by the method according to Experimental Example 1 described above, but at a 100% BSL condition and a sintering temperature of 1400°C.

실험 예 1-4에 따른 세라믹 구조체 제조Manufacturing of ceramic structures according to Experimental Examples 1-4

상술된 실험 예 1에 따른 방법으로 세라믹 구조체를 제조하되, BSL 125% 조건 및 1400℃의 소결 온도에서 제조되었다. A ceramic structure was manufactured by the method according to Experimental Example 1 described above, but at a BSL 125% condition and a sintering temperature of 1400°C.

실험 예 1-5에 따른 세라믹 구조체 제조Manufacturing of ceramic structures according to Experimental Examples 1-5

상술된 실험 예 1에 따른 방법으로 세라믹 구조체를 제조하되, BSL 150% 조건에서 제조되었다. A ceramic structure was manufactured by the method according to Experimental Example 1 described above, but under the condition of 150% BSL.

도 11은 본 발명의 실험 예 1-1에 따른 세라믹 구조체를 촬영한 사진이고, 도 12는 본 발명의 실험 예 1-2에 따른 세라믹 구조체를 촬영한 사진이고, 도 13은 본 발명의 실험 예 1-3에 따른 세라믹 구조체를 촬영한 사진이고, 도 14는 본 발명의 실험 예 1-4에 따른 세라믹 구조체를 촬영한 사진이고, 도 15는 본 발명의 실험 예 1-5에 따른 세라믹 구조체를 촬영한 사진이다. 11 is a photograph of a ceramic structure according to Experimental Example 1-1 of the present invention, FIG. 12 is a photograph of a ceramic structure according to Experimental Example 1-2 of the present invention, and FIG. 13 is an experimental example of the present invention. 1-3 is a photograph of a ceramic structure, FIG. 14 is a photograph of a ceramic structure according to Experimental Example 1-4 of the present invention, and FIG. 15 is a photograph of a ceramic structure according to Experimental Example 1-5 of the present invention. this is a picture taken

도 11 내지 도 15를 참조하면, 상기 실험 예 1-1 내지 1-5에 따른 세라믹 구조체를 SEM(Scanning Electron Microscope) 촬영하여 나타낸다. 도 11 내지 도 15에서 확인할 수 있듯이, 상기 실험 예 1-1 내지 1-5에 따른 세라믹 구조체는 다공성 구조를 갖는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIGS. 11 to 15 , the ceramic structures according to Experimental Examples 1-1 to 1-5 are photographed using a scanning electron microscope (SEM). 11 to 15, it can be seen that the ceramic structures according to Experimental Examples 1-1 to 1-5 have a porous structure.

또한, 상기 실험 예 1-1 내지 1-5에 따른 세라믹 구조체, 및 실험 예 2에 따른 세라믹 구조체에 대한 특성을 측정하였다. 측정된 결과는 아래의 <표 5>를 통해 정리된다. In addition, the characteristics of the ceramic structures according to Experimental Examples 1-1 to 1-5 and the ceramic structures according to Experimental Example 2 were measured. The measured results are summarized in <Table 5> below.

구분division 실험 예
1-1
Experiment example
1-1
실험 예
1-2
Experiment example
1-2
실험 예
1-3
Experiment example
1-3
실험 예
1-4
Experiment example
1-4
실험 예
1-5
Experiment example
1-5
실험 예
2
Experiment example
2
기공율(%)Porosity (%) 63.663.6 61.961.9 60.860.8 58.758.7 58.158.1 62.462.4 평균기공크기(μm)Average pore size (μm) 10.110.1 9.89.8 9.59.5 9.49.4 9.59.5 9.79.7 표면거칠기(μm)Surface roughness (μm) 12.512.5 12.012.0 11.811.8 10.910.9 12.112.1 10.610.6 밀도(%)density(%) 40.140.1 40.740.7 43.943.9 50.250.2 49.149.1 46.146.1 소결체 강도(MPa)Sintered body strength (MPa) 9.179.17 9.989.98 13.2513.25 23.3023.30 18.3618.36 26.1026.10

<표 4> 및 <표 5>에서 확인할 수 있듯이, 상기 실험 예 1-3 및 비교 예 따른 세라믹 구조체는 같은 조건(BSL 100%, 소결 온도 1400℃)에서 제조되었음에도 불구하고, 글래스 프릿(Glass Frit)의 사용 유무로 인해 현저한 소결체 강도의 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. As can be seen in <Table 4> and <Table 5>, although the ceramic structures according to Experimental Examples 1-3 and Comparative Example were manufactured under the same conditions (100% BSL, sintering temperature 1400 ° C), glass frit ), it was confirmed that a significant difference in the strength of the sintered body occurred with or without use.

구체적으로, 글래스 프릿이 사용되지 않은 상기 비교 예에 따른 세라믹 구조체는 2.32 MPa의 소결체 강도를 갖지만, 글래스 프릿이 사용된 상기 실험 예 1-3에 따른 세라믹 구조체는 13.25 MPa의 소결체 강도를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 글래스 프릿의 사용으로 인해 소결체의 강도를 현저하게 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. Specifically, it can be confirmed that the ceramic structure according to the Comparative Example in which the glass frit is not used has a sintered strength of 2.32 MPa, but the ceramic structure according to Experimental Examples 1-3 in which the glass frit is used has a sintered strength of 13.25 MPa. could Accordingly, it can be seen that the strength of the sintered body can be remarkably improved by using the glass frit.

또한, 상기 실험 예 1-1 내지 1-5에 따른 세라믹 구조체의 소결체 강도를 비교한 결과, BSL이 50%~125%(실험 예 1-1~실험 예 1-4)까지 증가함에 따라 소결체의 강도가 9.17 MPa 부터 23.30 MPa까지 지속적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 하지만, BSL이 125%~150%(실험 예 1-4~실험 예 1-5)까지 증가함에 따라 소결체의 강도가 23.30 MPa에서 18.36 MPa로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 소결체의 강도는 BSL 125%에서 최대값을 갖고, 하한 및 상한은 각각 100% 및 150%인 것을 확인할 수 있었다. In addition, as a result of comparing the strength of the sintered body of the ceramic structures according to Experimental Examples 1-1 to 1-5, as the BSL increased to 50% to 125% (Experimental Example 1-1 to Experimental Example 1-4), the sintered body It was confirmed that the strength continuously increased from 9.17 MPa to 23.30 MPa. However, it was confirmed that the strength of the sintered body decreased from 23.30 MPa to 18.36 MPa as the BSL increased to 125% to 150% (Experimental Example 1-4 to Experimental Example 1-5). That is, it was confirmed that the strength of the sintered body had a maximum value at 125% BSL, and the lower and upper limits were 100% and 150%, respectively.

결과적으로, 일정한 BSL로 세라믹 구조체를 제조하는 경우, BSL을 100% 초과 150% 미만으로 제어함으로써, 최종적으로 제조된 세라믹 구조체의 강도를 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. As a result, it can be seen that in the case of manufacturing a ceramic structure with a constant BSL, the strength of the finally manufactured ceramic structure can be improved by controlling the BSL to greater than 100% and less than 150%.

또한, 상기 실험 예 2에 따른 세라믹 구조체의 경우 상기 실험 예 1-1 내지 1-5 보다 높은 소결체 강도(26.10 MPa)를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 일정한 BSL을 갖는 세라믹 구조체 보다, BSL 구배가 형성된 세라믹 구조체의 강도가 높은 것을 확인할 수 있었다. In addition, in the case of the ceramic structure according to Experimental Example 2, it was confirmed that the sintered body strength (26.10 MPa) was higher than that of Experimental Examples 1-1 to 1-5. That is, it was confirmed that the strength of the ceramic structure having a BSL gradient was higher than that of the ceramic structure having a constant BSL.

실험 예 3-1에 따른 세라믹 구조체 제조Manufacturing a ceramic structure according to Experimental Example 3-1

상술된 실험 예 3에 따른 방법으로 세라믹 구조체를 제조하되, 쉘(S)의 BSL은 50%로 제조하고, 코어(C)의 BSL은 150%로 제조하였다. A ceramic structure was manufactured by the method according to Experimental Example 3 described above, but the BSL of the shell (S) was manufactured with 50% and the BSL of the core (C) was manufactured with 150%.

실험 예 3-2에 따른 세라믹 구조체 제조Manufacturing a ceramic structure according to Experimental Example 3-2

상술된 실험 예 3에 따른 방법으로 세라믹 구조체를 제조하되, 쉘(S)의 BSL은 75%로 제조하고, 코어(C)의 BSL은 125%로 제조하였다. A ceramic structure was manufactured by the method according to Experimental Example 3 described above, but the BSL of the shell (S) was manufactured with 75% and the BSL of the core (C) was manufactured with 125%.

실험 예 3-3에 따른 세라믹 구조체 제조Manufacturing a ceramic structure according to Experimental Example 3-3

상술된 실험 예 3에 따른 방법으로 세라믹 구조체를 제조하되, 쉘(S)의 BSL은 100%로 제조하고, 코어(C)의 BSL은 100%로 제조하였다. A ceramic structure was manufactured by the method according to Experimental Example 3 described above, but the BSL of the shell (S) was manufactured with 100% and the BSL of the core (C) was manufactured with 100%.

실험 예 3-4에 따른 세라믹 구조체 제조Manufacturing of ceramic structures according to Experimental Examples 3-4

상술된 실험 예 3에 따른 방법으로 세라믹 구조체를 제조하되, 쉘(S)의 BSL은 125%로 제조하고, 코어(C)의 BSL은 75%로 제조하였다. A ceramic structure was manufactured by the method according to Experimental Example 3 described above, but the BSL of the shell (S) was manufactured with 125% and the BSL of the core (C) was manufactured with 75%.

실험 예 3-5에 따른 세라믹 구조체 제조Manufacturing of ceramic structures according to Experimental Examples 3-5

상술된 실험 예 3에 따른 방법으로 세라믹 구조체를 제조하되, 쉘(S)의 BSL은 150%로 제조하고, 코어(C)의 BSL은 50%로 제조하였다. A ceramic structure was manufactured by the method according to Experimental Example 3 described above, but the BSL of the shell (S) was manufactured with 150% and the BSL of the core (C) was manufactured with 50%.

상술된 실험 예 3-1 내지 3-5에 따른 세라믹 구조체가 아래의 <표 6>을 통해 정리된다. 또한, 상술된 실험 예 3-1 내지 3-5에 따른 세라믹 구조체 각각에 대한 특성을 측정하였고, 측정된 결과는 아래의 <표 7>을 통해 정리된다. Ceramic structures according to Experimental Examples 3-1 to 3-5 described above are summarized in <Table 6> below. In addition, the characteristics of each of the ceramic structures according to Experimental Examples 3-1 to 3-5 were measured, and the measured results are summarized in <Table 7> below.

구분division 쉘 BSLshell BSL 코어 BSLcore BSL 실험 예 3-1Experimental Example 3-1 50%50% 150%150% 실험 예 3-2Experimental Example 3-2 75%75% 125%125% 실험 예 3-3Experimental Example 3-3 100%100% 100%100% 실험 예 3-4Experimental Example 3-4 125%125% 75%75% 실험 예 3-5Experimental Example 3-5 150%150% 50%50%

구분division 실험 예
3-1
Experiment example
3-1
실험 예
3-2
Experiment example
3-2
실험 예
3-3
Experiment example
3-3
실험 예
3-4
Experiment example
3-4
실험 예
3-5
Experiment example
3-5
기공율(%)Porosity (%) 58.458.4 59.859.8 60.860.8 60.860.8 61.261.2 평균기공크기(μm)Average pore size (μm) 9.39.3 9.49.4 9.59.5 9.49.4 9.69.6 표면거칠기(μm)Surface roughness (μm) 11.211.2 11.511.5 11.811.8 11.611.6 12.012.0 밀도(%)density(%) 46.346.3 45.545.5 43.943.9 43.843.8 43.543.5 소결체 강도(MPa)Sintered body strength (MPa) 10.1110.11 13.8913.89 15.2515.25 20.9320.93 17.3117.31

<표 6> 및 <표 7>에서 확인할 수 있듯이, 상기 실험 예 3-1 내지 3-5에 따른 세라믹 구조체의 소결체 강도를 비교한 결과, 쉘의 BSL이 50%~125%로 증가하고 코어의 BSL이 150%~75%로 감소함에 따라(실험 예 3-1~실험 예 3-4) 소결체의 강도가 10.11 MPa 부터 20.93 MPa까지 지속적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 하지만, 쉘의 BSL이 125%~150%로 증가하고 코어의 BSL이 75%~50%로 감소함에 따라(실험 예 3-4~실험 예 3-5) 소결체의 강도가 20.93 MPa에서 17.31 MPa로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. As can be seen in <Table 6> and <Table 7>, as a result of comparing the sintered strength of the ceramic structures according to Experimental Examples 3-1 to 3-5, the BSL of the shell increased to 50% to 125%, and the core As the BSL decreased from 150% to 75% (Experimental Example 3-1 to Experimental Example 3-4), it was confirmed that the strength of the sintered body continuously increased from 10.11 MPa to 20.93 MPa. However, as the BSL of the shell increased from 125% to 150% and the BSL of the core decreased from 75% to 50% (Experimental Example 3-4 to Experimental Example 3-5), the strength of the sintered body increased from 20.93 MPa to 17.31 MPa. A decrease was observed.

즉, 소결체의 강도는 쉘 BSL 125% 및 코어 BSL 75%에서 최대값을 갖고, 쉘 BSL 100% 및 코어 BSL 50%에서 하한을 가지며, 쉘 BSL 150% 및 코어 BSL 100%에서 상한을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 결과적으로 코어-쉘 구조의 세라믹 구조체를 제조하는 경우, 코어의 BSL을 50% 초과 100% 미만으로 제어하고, 쉘의 BSL의 100% 초과 150% 미만으로 제어함으로써, 최종적으로 제조된 세라믹 구조체의 강도를 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. That is, it can be confirmed that the strength of the sintered body has a maximum value at 125% of shell BSL and 75% of core BSL, a lower limit at 100% of shell BSL and 50% of core BSL, and an upper limit at 150% of shell BSL and 100% of core BSL. could As a result, when a core-shell structured ceramic structure is manufactured, the BSL of the core is controlled to be greater than 50% and less than 100%, and the BSL of the shell is controlled to be greater than 100% and less than 150%, so that the strength of the finally manufactured ceramic structure is controlled. can be improved.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.In the above, the present invention has been described in detail using preferred embodiments, but the scope of the present invention is not limited to specific embodiments, and should be interpreted according to the appended claims. In addition, those skilled in the art should understand that many modifications and variations are possible without departing from the scope of the present invention.

SC: 세라믹 구조체
A1~A5: 제1 내지 제5 영역
C: 코어
S: 쉘
SC: ceramic structure
A 1 to A 5 : first to fifth regions
C: core
S: shell

Claims (12)

바인더 제팅(Binder Jetting) 3D 프린팅 방식을 이용한 세라믹 구조체의 제조 방법에 있어서,
구형의 알루미나(Al2O3) 분말, 및 표면 개질제가 혼합된 베이스 파우더를 준비하는 단계;
물, PVA(polyvinyl alcohol), 및 글래스 프릿(Glass Frit)을 포함하는 기능성 바인더를 준비하는 단계;
상기 베이스 파우더, 및 상기 기능성 바인더를 통해 바인더 제팅 3D 프린팅 방식으로 세라믹 구조체를 제조하는 단계; 및
상기 세라믹 구조체를 소결하는 단계를 포함하는, 바인더 제팅 3D 프린팅 방식을 이용한 세라믹 구조체의 제조 방법.
In the method of manufacturing a ceramic structure using a binder jetting 3D printing method,
Preparing a base powder in which spherical alumina (Al 2 O 3 ) powder and a surface modifier are mixed;
preparing a functional binder including water, polyvinyl alcohol (PVA), and glass frit;
manufacturing a ceramic structure by a binder jetting 3D printing method through the base powder and the functional binder; and
A method of manufacturing a ceramic structure using a binder jetting 3D printing method comprising the step of sintering the ceramic structure.
제1 항에 있어서,
상기 세라믹 구조체를 제조하는 단계에서 상기 세라믹 구조체의 제조를 위한 BSL(Binder Saturation Level)이 제어됨에 따라, 상기 세라믹 구조체의 강도가 제어되는 것을 포함하는, 바인더 제팅 3D 프린팅 방식을 이용한 세라믹 구조체의 제조 방법.
According to claim 1,
A method of manufacturing a ceramic structure using a binder jetting 3D printing method, comprising controlling the strength of the ceramic structure as a binder saturation level (BSL) for manufacturing the ceramic structure is controlled in the manufacturing of the ceramic structure. .
제2 항에 있어서,
상기 세라믹 구조체의 제조를 위한 BSL이 100% 초과 150% 미만으로 제어됨에 따라 상기 세라믹 구조체의 강도가 향상되는 것을 포함하는, 바인더 제팅 3D 프린팅 방식을 이용한 세라믹 구조체의 제조 방법.
According to claim 2,
Method for manufacturing a ceramic structure using a binder jetting 3D printing method, comprising improving the strength of the ceramic structure as the BSL for manufacturing the ceramic structure is controlled to more than 100% and less than 150%.
제1 항에 있어서,
상기 세라믹 소결체는 복수의 영역으로 구분되되, 상기 복수의 영역 각각의 BSL은 서로 다른 것을 포함하는, 바인더 제팅 3D 프린팅 방식을 이용한 세라믹 구조체의 제조 방법.
According to claim 1,
The ceramic sintered body is divided into a plurality of regions, and the BSL of each of the plurality of regions includes a different one, a method of manufacturing a ceramic structure using a binder jetting 3D printing method.
제1 항에 있어서,
상기 글래스 프릿(Glass Firt)은 상기 기능성 바인더의 전체 중량 대비 5 wt% 초과 15 wt% 미만의 함량으로 사용되는 것을 포함하는, 바인더 제팅 3D 프린팅 방식을 이용한 세라믹 구조체의 제조 방법.
According to claim 1,
The method of manufacturing a ceramic structure using a binder jetting 3D printing method, comprising using the glass firt in an amount of more than 5 wt% and less than 15 wt% based on the total weight of the functional binder.
제1 항에 있어서,
상기 표면 개질제는 흄드 실리카(Fumed Silica) 및 알루미늄 산화물(Aluminum oxide)을 포함하는, 바인더 제팅 3D 프린팅 방식을 이용한 세라믹 구조체의 제조 방법.
According to claim 1,
The method of manufacturing a ceramic structure using a binder jetting 3D printing method, wherein the surface modifier includes fumed silica and aluminum oxide.
제6 항에 있어서,
상기 표면 개질제는 친수성을 갖는, 바인더 제팅 3D 프린팅 방식을 이용한 세라믹 구조체의 제조 방법.
According to claim 6,
The surface modifier has a hydrophilic property, a method of manufacturing a ceramic structure using a binder jetting 3D printing method.
제1 항에 있어서,
상기 세라믹 구조체를 제조하는 단계 이후 상기 세라믹 구조체를 소결하는 단계 이전,
상기 세라믹 구조체를 건조하는 단계;
건조된 상기 세라믹 구조체의 표면에 잔존된 분말들을 제거하는 단계; 및
건조된 상기 세라믹 구조체에 잔존된 PVA를 제거하는 단계를 더 포함하는, 바인더 제팅 3D 프린팅 방식을 이용한 세라믹 구조체의 제조 방법.
According to claim 1,
After the step of manufacturing the ceramic structure and before the step of sintering the ceramic structure,
drying the ceramic structure;
removing powders remaining on the dried surface of the ceramic structure; and
Method for manufacturing a ceramic structure using a binder jetting 3D printing method, further comprising removing PVA remaining in the dried ceramic structure.
제8 항에 있어서,
건조된 상기 세라믹 구조체에 잔존된 PVA를 제거하는 단계는, 3℃/min의 승온 속도로 550℃의 온도까지 열처리되는 것을 포함하는, 바인더 제팅 3D 방식을 이용한 세라믹 구조체의 제조 방법.
According to claim 8,
The step of removing the PVA remaining in the dried ceramic structure includes heat treatment up to a temperature of 550 ℃ at a heating rate of 3 ℃ / min, a method for manufacturing a ceramic structure using a binder jetting 3D method.
제1 항에 있어서,
상기 세라믹 구조체를 소결하는 단계는, 5℃/min의 승온 속도로 1400℃~1600℃의 온도까지 열처리되는 것을 포함하는, 바인더 제팅 3D 방식을 이용한 세라믹 구조체의 제조 방법.
According to claim 1,
The step of sintering the ceramic structure includes heat treatment to a temperature of 1400 ℃ ~ 1600 ℃ at a heating rate of 5 ℃ / min, a method of manufacturing a ceramic structure using a binder jetting 3D method.
바인더 제팅(Binder Jetting) 3D 프린팅 방식을 이용하여 제조된 세라믹 구조체에 있어서,
상기 세라믹 구조체는 코어-쉘(Core-Shell) 구조를 갖되 코어와 쉘의 BSL(Binder Saturation Level)이 서로 다른 것을 포함하는, 바인더 제팅(Binder Jetting) 3D 프린팅 방식을 이용하여 제조된 세라믹 구조체.
In the ceramic structure manufactured using the binder jetting 3D printing method,
The ceramic structure has a core-shell structure, but the core and the shell have different BSL (Binder Saturation Levels), a ceramic structure manufactured using a binder jetting 3D printing method.
제11 항에 있어서,
코어의 BSL은 50% 초과 100% 미만이고 쉘의 BSL은 100% 초과 150% 미만인 것을 포함하는, 바인더 제팅(Binder Jetting) 3D 프린팅 방식을 이용하여 제조된 세라믹 구조체.
According to claim 11,
A ceramic structure manufactured using a binder jetting 3D printing method, including a BSL of more than 50% and less than 100% of the core and a BSL of more than 100% and less than 150% of the shell.
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