KR20230118728A - 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법 - Google Patents

규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세입자 발생장치의 기화부에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 가열 코일과 열 전달률의 차이가 적은 재료가 액상을 머금고 있어 탄화를 방지할 수 있는 미세입자 발생장치의 기화부에 관한 것이다.
본 발명은 실리게이트, 바인더, 조공제 혼합하여 슬러리로 제조하고 성형, 건조 및 소결하여 제조되는 다공성 세라믹; 및 다공성 세라믹에 결합되어, 전류가 인가되면 발열하며 다공성 세라믹을 가열하는 저항가열체;를 포함하며, 발열체의 발열에 의해 다공성 세라믹에 담지된 액상을 기화시키는 것을 특징으로 하는 미세입자 발생장치의 다공성 세라믹 히터를 제공한다.

Description

규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법{PREPARING METHOD OF POROUS CERAMIC MADE OF MAGNESIUM SILICATE}
본 발명은 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법에 관한 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 액상 카트리지를 이용하는 미세입자 발생장치의 사시도이다.
종래 기술에 따른 미세입자 발생장치는, 배터리(미도시), 제어 회로(미도시) 등이 구비된 본체(3)의 상부와, 액상을 저장하는 액상 저장 탱크와 액상 저장 탱크로부터 액상을 공급받아 액상을 무화시키는 무화기가 구비되는 카트리지(1)를 구비한다. 본체(3)의 상부에 카트리지(1)가 교체식으로 탈부착되며, 본체(3)로부터 전력을 공급받아 액상을 가열하여 미세입자를 발생한다.
도 2는 종래 기술에 따른 액상 카트리지의 분해도이다.
카트리지는 액상을 저장하는 액상 저장 하우징(3001), 액상 저장 하우징(3001) 내에 설치되며 액상 저장 공간과 무화 공간을 구획하는 엘라스토머 캡 (3011), 엘라스토머 캡(3011) 하부에 설치되는 액상 저장 하우징(3001)의 일 단부에 설치되는 심지/코일 조립체(3002), 심지/코일 조립체(3002)를 고정하는 심지 하우징(3005), 엘라스토머 캡(3011)과 액상 저장 공간을 관통하는 캐뉼라(3009), 캐뉼라(3009)를 통과한 미세입자를 흡입하기 위해 탱크로부터 분리 된 마우스 피스(3017)와 마우스 피스(3017) 내에 설치되어 액적을 흡수하는 하나 이상의 흡수성 패드 (3019)를 포함한다.
심지/코일 조립체(3002)의 코일과 연결되며, 본체로부터 전력을 전달받기 위한 접촉 단자(3007)가 한 쌍 구비된다. 접촉 단자(3007)는 액상 저장 하우징(3001)을 관통하여, 일부는 하우징(3001) 밖으로 노출되며 나머지는 하우징(3001) 내에 위치한다.
또한 카트리지가 본체에 결합되기 전 하우징(3001) 외부로 노출된 접촉 단자(3007)를 보호하고, 액상이 누출되는 것을 방지하기 위해 커버(3015)가 하우징(3001)의 하부에 결합될 수 있다.
엘라스토머 캡(3011) 하부에 심지/코일 조립체(3002)가 설치되면, 하우징(3001) 하부에 형성된 기공을 통해 공기가 유입되어 심지/코일 조립체(3002)에서 액상을 무화시켜 형성된 미세입자와 함께 캐뉼라(3009)를 통해 흡입한다.
도 3은 종래 기술에 따른 액상 카트리지가 구비하는 심지/코일 조립체를 도시한 도면이다. 코일/심지 조립체(3002)는 실리카윅이나 스폰지 발포체 물질, 섬유 물질 등으로 제조된 심지(3002a) 외부에 코일(3002b)이 감긴 형태로, 전원이 인가되면 코일(3002b)이 발열하여 심지(3002a)가 머금고 있는 액상을 기화시킨다. 이때, 심지(3002a)와 코일(3002b)의 열전달 속도 차이로 인하여 액상과 심지(3002a)의 국부적인 탄화가 발생할 가능성이 있다. 액상이나 심지(3002a)가 탄화될 경우, 사용자가 흡입 시에 불쾌감을 유발할 수 있으며 만족감을 떨어트리게 된다. 따라서, 발열부의 탄화를 방지할 수 있는 구조의 개발이 요구된다.
이를 해결하기 위해, 액상이나 심지 대신 액상을 머금을 수 있는 다공성 세라믹 소재를 이용하는 발열부가 개발되고 있다.
대한민국 등록특허 10-2017920
본 발명은 세라믹 히터로 활용가능한 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 규산 마그네슘 원료 분말과 조공제를 혼합하여 혼합제를 마련하는 단계; 혼합제를 금형에 장입하는 단계; 금형에 장입된 혼합제를 일축 가압하고 가압 상태를 유지하여 다공성 세라믹을 성형하는 단계; 및 금형으로부터 성형된 다공성 세라믹 성형체를 탈형하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 일 예로, 규산 마그네슘 원료 분말은 구형 입자로 마련되는 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법을 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 예로, 구형 입자의 지름은 75~ 120㎛인 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법을 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 예로, 조공제는 아크릴 중합체인 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법을 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 예로, 조공제는 규산 마그네슘 원료 분말 대비 20wt% 이하로 첨가되는 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법을 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 예로, 조공제는 20㎛ 이상의 지름을 가지는 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법을 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 예로, 슬러리를 마련하는 단계에 다공성 세라믹의 결합 강도를 증가시키기 위해 바인더가 첨가되는 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법을 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 예로, 바인더는 규산 마그네슘 원료 분말 대비 10wt%이하로 첨가되는 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법을 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 예로, 슬러리를 금형에 장입하는 단계의 수행 전에 금형 내면에 윤활제 코팅이 이루어지는 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법을 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 예로, 윤활제는 BN-spray, GL-2002와 같은 윤활제가 이용되는 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법을 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 예로, 다공성 세라믹 성형체를 탈형 후 소결 공정을 수행하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법을 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 예로, 소결 공정을 수행하는 단계는, 일정한 승온 속도로 제1 온도까지 승온시킨 후 제1 시간 동안 탈바인딩(de-binding)하는 과정, 제1 온도보다 높은 제2 온도까지 일정한 승온 속도로 승온시킨 후 제2 온도를 제2시간 동안 유지하는 과정 및 로냉(furnace cooling) 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법을 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 예로, 소결 공정에서 제1 온도, 제2 온도, 제1 시간 및 제2 시간, 승온 속도를 조절함으로써 세라믹 성형체의 기공률 및 압축 강도를 조절하는 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법을 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 예로, 소결 공정에 의해 다공성 세라믹 성형체가 5~90MPa의 압축 강도를 가지는 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법을 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 예로, 소결 공정에 의해 바인더가 제거되고 다공성 세라믹 성형체는 10~55%의 기공률을 가지는 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법을 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 예로, 소결 공정 후 다공성 세라믹 성형체의 수축율은 10% ~ 25%(지름1.5cm 높이 1cm인 성형체 기준)인 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법을 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 예로, 규산 마그네슘 원료 분말은 밀링 공정에 의해 미립화되어 제공될 수 있는 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법을 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 예로, 규산 마그네슘 원료 분말은 나노 기공 및 거친 표면을 가져 평균 입도 대비 높은 비표면적을 가지는 것을 이용하는 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법을 제공한다.
본 발명이 제공하는 다공성 세라믹 제조 방법은, 규산 마그네슘 원료를 이용한 다공성 세라믹을 제조하는 방법을 제공한다.
또한 본 발명이 제공하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법은, 합성에 필요한 모든 원료를 국내에서 수급할 수 있어, 원료의 수급이 안정적이며 따라서 안정적인 생산이 가능하다는 장점이 있다. 또한, 다른 소재들에 비해 규산 마그네슘은 제조 단가가 저렴하며, 다른 소재들에 비해 낮은 온도(1000℃ 이하)에서 소결할 수 있어 다공성 세라믹 성형체의 생산 단가를 절감할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명이 제공하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법에 사용되는 원료인 규산 마그네슘은 식품 첨가제, 화장품, 의약용 제품군에 첨가가 가능할 정도로 유해성이 낮고 인체 안정성이 높다는 장점이 있다.
또한 본 발명이 제공하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법은, 낮은 소결 온도에서도 소결체가 높은 강도와 기공률을 가진다는 장점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 액상 카트리지를 이용하는 미세입자 발생장치의 사시도,
도 2는 종래 기술에 따른 액상 카트리지의 분해도,
도 3은 종래 기술에 따른 액상 카트리지가 구비하는 심지/코일 조립체를 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법을 도시한 플로우 차트,
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법을 도시한 플로우 차트,
도 6은 소결 공정을 수행하는 단계(S5)에서 시간에 따른 로 내의 온도를 도시한 그래프,
도 7은 소성 온도에 따른 세라믹 소결 성형체의 압축 강도 변화를 나타낸 그래프,
도 8은 세라믹 소결 성형체의 기공 특성을 분석한 그래프.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법을 도시한 플로우 차트이다.
본 발명이 제공하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법은, 규산 마그네슘 원료 분말과 조공제를 혼합하여 혼합제를 마련하는 단계(S1), 혼합제를 금형에 장입하는 단계(S2), 금형에 장입된 혼합제를 일축 가압하고 가압 상태를 유지하여 다공성 세라믹을 성형하는 단계(S3) 및 금형으로부터 성형된 다공성 세라믹 성형체를 탈형하는 단계(S4)를 포함한다.
이때, 규산 마그네슘 원료 분말은 구형 입자로, 지름이 75~ 120㎛인 것이 바람직하다. 규산 마그네슘 원료 분말을 미립화하기 위해, 볼밀과 같은 밀링 장치에서 미립화되는 밀링 공정을 수행한 후 제공될 수 있다. 규산 마그네슘 원료 분말은 나노 기공 및 거친 표면을 가져 평균 입도 대비 높은 비표면적을 가지는 것을 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 조공제는 아크릴 산으로 유도되는 아크릴 중합체인 것이 바람직하다. 조공제는 20㎛ 이상의 지름을 가지며, 규산 마그네슘 원료 분말 대비 20wt% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다. 조공제는
한편 혼합제를 마련하는 단계(S1)에서, 마그네슘 원료 분말과 조공제 외에, 다공성 세라믹 분말들의 결합 강도를 증가시키기 위해 바인더가 첨가될 수 있다. 바인더는 규산 마그네슘 원료 분말 대비 10wt%이하로 첨가되는 것이 바람직하다.
또한 혼합제를 금형에 장입하는 단계(S2)에서, 혼합제가 금형에 장입되기 전에 금형 내면에 성형체의 탈형을 돕는 윤활제 코팅이 이루어지는 것이 바람직하다. 윤활제로는 BN-spray, GL-2002 등이 이용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법을 도시한 플로우 차트이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법은, 제1 실시예에 따른 방법과 같이 규산 마그네슘 원료 분말과 조공제를 혼합하여 혼합제를 마련하는 단계(S1), 혼합제를 금형에 장입하는 단계(S2), 금형에 장입된 혼합제를 일축 가압하고 가압 상태를 유지하여 다공성 세라믹을 성형하는 단계(S3) 및 금형으로부터 성형된 다공성 세라믹 성형체를 탈형하는 단계(S4)를 수행한 후, 소결 공정을 수행하는 단계(S5)를 더 포함한다.
도 6은 소결 공정을 수행하는 단계(S5)에서 시간에 따른 로 내의 온도를 도시한 그래프이다.
소결 공정을 수행하는 단계(S5)는, 일정한 승온 속도로 제1 온도까지 승온시킨 후 제1 시간 동안 탈바인딩(de-binding)하는 과정, 제1 온도보다 높은 제2 온도까지 일정한 승온 속도로 승온시킨 후 제2 온도를 제2시간 동안 유지하는 과정 및 로냉(furnace cooling) 과정을 포함한다.
그래프에 도시된 예에서 제1 온도는 550℃, 제1 시간은 2시간이며, 제2 온도는 1300℃~1500℃, 제2 시간은 1시간이었다. 그러나, 제1 온도, 제1 시간, 제2 온도, 제2 시간은 이에 한정된 것이 아니며, 소결 공정에서 제1 온도, 제2 온도, 제1 시간 및 제2 시간, 승온 속도를 조절함으로써 세라믹 성형체의 기공률 및 압축 강도를 조절할 수 있다.
도 7은 소성 온도에 따른 세라믹 소결 성형체의 압축 강도 변화를 나타낸 그래프, 도 8은 세라믹 소결 성형체의 기공 특성을 분석한 그래프이다.
소결 공정에 의해 다공성 세라믹 성형체가 5~90MPa의 압축 강도를 가지는 것이 바람직하며, 소결 공정에 의해 바인더가 제거되고 다공성 세라믹 성형체는 10~55%의 기공률을 가지는 것이 바람직하다.
다음 표는 소결 온도에 따른 기공률을 정리한 것이다.
한편 소결 공정 후 다공성 세라믹 성형체의 수축율은 10% ~ 25%(지름1.5cm 높이 1cm인 성형체 기준)인 것이 바람직하다.
규산 마그네슘은 합성에 필요한 모든 원료를 국내에서 수급할 수 있어, 원료의 수급이 안정적이며 따라서 안정적인 생산이 가능하다는 장점이 있다. 또한, 다른 소재들에 비해 규산 마그네슘은 제조 단가가 저렴하며, 다른 소재들에 비해 낮은 온도(1000℃ 이하)에서 소결할 수 있어 다공성 세라믹 성형체의 생산 단가를 절감할 수 있다.
또한, 규산 마그네슘은 식품 첨가제, 화장품, 의약용 제품군에 첨가가 가능할 정도로 유해성이 낮고 인체 안정성이 높다는 장점이 있다.
한편, 규산 마그네슘 소재는 평균70㎛의 입자 크기를 가지지만 200m2/g 이상의 높은 비표면적을 보이며, 소결 시편 제작 시 1,000℃ 이하의 낮은 소결 온도에서도 소결체가 높은 강도와 기공률을 보여주었다.

Claims (18)

  1. 규산 마그네슘 원료 분말과 조공제를 혼합하여 혼합제를 마련하는 단계;
    혼합제를 금형에 장입하는 단계;
    금형에 장입된 혼합제를 일축 가압하고 가압 상태를 유지하여 다공성 세라믹을 성형하는 단계; 및
    금형으로부터 성형된 다공성 세라믹 성형체를 탈형하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    규산 마그네슘 원료 분말은 구형 입자로 마련되는 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    구형 입자의 지름은 75~ 120㎛인 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    조공제는 아크릴 중합체인 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    조공제는 규산 마그네슘 원료 분말 대비 20wt% 이하로 첨가되는 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    조공제는 20㎛ 이상의 지름을 가지는 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    슬러리를 마련하는 단계에 다공성 세라믹의 결합 강도를 증가시키기 위해 바인더가 첨가되는 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    바인더는 규산 마그네슘 원료 분말 대비 10wt%이하로 첨가되는 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    슬러리를 금형에 장입하는 단계의 수행 전에 금형 내면에 윤활제 코팅이 이루어지는 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    윤활제는 BN-spray, GL-2002와 같은 윤활제가 이용되는 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    다공성 세라믹 성형체를 탈형 후 소결 공정을 수행하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    소결 공정을 수행하는 단계는, 일정한 승온 속도로 제1 온도까지 승온시킨 후 제1 시간 동안 탈바인딩(de-binding)하는 과정, 제1 온도보다 높은 제2 온도까지 일정한 승온 속도로 승온시킨 후 제2 온도를 제2시간 동안 유지하는 과정 및 로냉(furnace cooling) 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    소결 공정에서 제1 온도, 제2 온도, 제1 시간 및 제2 시간, 승온 속도를 조절함으로써 세라믹 성형체의 기공률 및 압축 강도를 조절하는 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    소결 공정에 의해 다공성 세라믹 성형체가 5~90MPa의 압축 강도를 가지는 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    소결 공정에 의해 바인더가 제거되고 다공성 세라믹 성형체는 10~55%의 기공률을 가지는 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    소결 공정 후 다공성 세라믹 성형체의 수축율은 10% ~ 25%(지름1.5cm 높이 1cm인 성형체 기준)인 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    규산 마그네슘 원료 분말은 밀링 공정에 의해 미립화되어 제공될 수 있는 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    규산 마그네슘 원료 분말은 나노 기공 및 거친 표면을 가져 평균 입도 대비 높은 비표면적을 가지는 것을 이용하는 것을 특징으로 하는 규산 마그네슘을 이용한 다공성 세라믹 제조 방법.
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