KR20240047136A - 수송기관의 브레이크 장치에서 발생한 미세먼지를 포집하기 위한 다공성 세라믹 폼 - Google Patents

수송기관의 브레이크 장치에서 발생한 미세먼지를 포집하기 위한 다공성 세라믹 폼 Download PDF

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KR20240047136A
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황광택
김진호
한규성
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한국세라믹기술원
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Abstract

본 발명은 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 코디어라이트(cordierite, 2MgO·2Al2O3·5SiO2), 뮬라이트(mullite, 3Al2O3·2SiO2), 탄화규소(SiC) 또는 이들의 혼합물과 같이 내열성을 갖는 다공성 세라믹 폼으로, 상기 다공성 기공을 향해 돌출되어 형성된 다수의 휘스커가 벽체의 표면에 형성되어 있으며, 상기 휘스커는 뮬라이트(mullite, 3Al2O3·2SiO2), ZnO, TiO2 및 탄화규소(SiC)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 침상형 세라믹 재질을 포함하는 다공성 세라믹 폼을 제공한다.

Description

수송기관의 브레이크 장치에서 발생한 미세먼지를 포집하기 위한 다공성 세라믹 폼{Dust collecting porous ceramic foam for capturing dust generated in break apparatus of transportation means}
본 발명은 다공성 세라믹 폼에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수송기관의 브레이크 장치에서 로터와 브레이크 패드의 마찰에 의해 발생한 미세먼지를 포집하기 위한 다공성 세라믹 폼에 관한 것이다.
수송기관의 증가로 인해 비배기관(비배기계)에 의해 방출된 입자들 (미세먼지)이 증가하고 있다.
배기계 미세 먼지 규제가 강화되면서 수송기관의 비배기관(비배기계)에서 발생하는 미세먼지도 최근 이슈가 되고 있다. 비배기계에서 발생하는 미세먼지 발생원은 브레이크 마모, 타이어 마모 등이 있다. 브레이크 패드와 로터(rotor)의 마찰로 인해 미세한 분진과 인체에 해로운 물질이 발생한다.
브레이크 패드의 마모에 의해 발생되는 미세먼지는 입자의 크기가 작아 인체 및 환경에 직접적인 영향을 미칠 수 있다. 특히, 도시지역에서, 교통량의 증가로 인한 브레이크 장치에서 나오는 미립자의 양이 증가하고 있다.
자동차 등의 수송기관에는 브레이크 패드, 타이어 등의 마모에 의해 발생하는 미세먼지를 회수하는 장치가 구비되지 않아 대기환경이 오염되는 문제가 있었고, 브레이크 패드, 타이어 등 수송기관의 비배기계에서 발생하는 미세먼지를 포집할 수 있는 필터의 개발이 요구되고 있다.
브레이크 패드, 타이어 등 수송기관의 비배기계에서 발생하는 미세먼지를 포집하기 위한 포집필터는 관련 환경의 특수성(온도, 수분, 진동 등)으로 인해 새로운 개념의 필터 소재와 기술이 요구되고 있다.
특히, 브레이크 장치에서 발생하는 미세먼지를 포집하기 위한 포집필터는 마찰에 의해 수백도 이상(최고 700℃) 표면 온도의 상승이 예상되는 브레이크 패드 주변에 설치되어야 하므로 내열성 확보가 요구되며, 도로변 빗물 및 먼지 등에 의한 필터의 오염과 차량 주행에 따른 진동 발생 등에 대한 내구성이 우수한 필터 소재의 개발이 필요하다.
NOx와 SOx는 촉매나 자체 발화에 의한 제거가 가능하지만, 비배기계에서 발생하는 미세먼지는 산화가 어려운 조성으로 효과적인 미세먼지 포집이 가능한 소재의 개발과 이를 적용한 부품의 개발, 포집먼지를 제거할 수 있는 차별화된 기술이 적용되어야 한다.
대한민국 공개특허공보 제10-2017-0085015호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 수송기관의 브레이크 장치에서 로터와 브레이크 패드의 마찰에 의해 발생한 미세먼지를 포집하기 위한 필터용 조성물 및 이를 이용한 필터를 제공함에 있다.
본 발명은 알루미나(Al2O3), 코디어라이트(cordierite, 2MgO·2Al2O3·5SiO2), 뮬라이트(mullite, 3Al2O3·2SiO2), 탄화규소(SiC) 또는 이들의 혼합물과 같이 내열성을 갖는 다공성 세라믹 폼으로, 상기 다공성 기공을 향해 돌출되어 형성된 다수의 휘스커가 벽체의 표면에 형성되어 있으며, 상기 휘스커는 뮬라이트(mullite, 3Al2O3·2SiO2), ZnO, TiO2 및 탄화규소(SiC)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 침상형 세라믹 재질을 포함하는 다공성 세라믹 폼을 제공한다.
본 발명은 상기 기공의 기공율이 40∼90%,인 다공성 세라믹 폼을 제공한다.
본 발명은 상기 기공(셀) 크기가 50㎛∼2㎜ 정도인 다공성 세라믹 폼을 제공한다.
본 발명은 표면에 물방울이 맺히는 것을 억제하기 위하여 소수성(hydrophobic) 코팅막이 형성된 다공성 세라믹 폼을 제공한다.
본 발명은 상기 소수성 코팅막 직경이 10㎚∼2㎛ 인 다공성 세라믹 폼을 제공한다.
본 발명에 의하면, 수송기관의 브레이크 장치에서 로터와 브레이크 패드의 마찰에 의해 발생한 미세먼지를 효율적으로 포집할 수 있다. 수송기관의 동시 발생하는 미세먼지를 줄여줌으로써 대기환경오염을 방지할 수 있다.
도 1 및 도 2는 수송기관의 브레이크 장치에서 발생한 미세먼지를 포집하기 위한 포집장치의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3은 포집장치가 브레이크 장치에 결합된 모습의 일 예를 보여주는 도면이
다.
도 4는 다공성 세라믹 폼의 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 벽체의 표면에서 휘스커가 돌출된 구조의 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 다공성 세라믹 폼의 다른 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 제1 영역(A)과 제2 영역(B)을 더욱 명확하게 나타내기 위하여 도 6에 나타낸 다공성 세라믹 폼의 일부를 절단하여 나타낸 도면이다.
도 8은 실험예 1에서 폴리머 폼으로 사용된 폴리우레탄 폼을 보여주는 사진이다.
도 9는 실험예 1에 따라 폴리머 폼에 세라믹 슬러리가 딥 코팅되어 건조된 모습을 보여주는 사진이다.
도 10는 실험예 1에 따라 제조된 다공성 세라믹 폼을 보여주는 사진이다.
도 11a 내지 도 11c는 실험예 1에 따라 제조된 다공성 세라믹 폼의 미세구조를 보여주는 주사전자현미경(SEM; scanning electron microscope) 사진이다.
도 12은 실험예 2에 따라 휘스커가 형성된 다공성 세라믹 폼을 보여주는 사진이다.
도 13a 내지 도 14c는 실험예 2에 따라 휘스커가 형성된 다공성 세라믹 폼의 미세구조를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 약, 실질적으로 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
발명의 상세한 설명 또는 청구범위에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소를 더포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서, 수송기관이라 함은 자동차, 트럭, 버스, 철도차량 뿐만 아니라, 오토바이크 등의 2륜차도 포함하는 의미로 사용한다. 또한, 다공성 세라믹 폼(porous ceramic foam)에서 기공이라 함은 벽체와 벽체 사이의 셀(cell)을 형성하는 기공뿐만 아니라 벽체에 형성된 기공도 포함하는 것으로 사용한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 포집장치는, 수송기관의 브레이크 장치에서 로터와 브레이크 패드의 마찰에 의해 발생한 미세먼지를 포집하기 위한 장치로서, 상기 로터의 외측면 일부를 감싸는 제1 컬렉터와, 상기 로터의 바깥둘레면 일부를 감싸는 상부 컬렉터와, 상기 로터의 내측면 일부를 감싸는 제2 컬렉터를 포함하고, 상기 제1 컬렉터와 상기 제2 컬렉터는 다공성 세라믹 폼(porous ceramic foam)으로 이루어진다.
상기 포집장치는 전체 외관상 U자형으로 구비되어 상기 U자형 내부로 상기 로터를 부분 수용하도록 구성되는 것이 바람직하다.
상기 제1 컬렉터는 상기 로터의 외측면과 마주하게 구비되고, 상기 제2 컬렉터는 상기 로터의 내측면과 마주하게 구비되며, 상기 제2 컬렉터는 디스크 형상의 로터를 기준으로 상기 제1 컬렉터가 있는 반대편에 위치되고, 상기 제1 컬렉터와 상기 제2 컬렉터는 상기 로터를 기준으로 서로 마주하게 배치되는 것이 바람직하다.
상기 포집장치는 상기 제1 컬렉터를 덮어 보호하고 상기 제1 컬렉터로 유입된 미세먼지가 외부로 유출되는 것을 억제하기 위한 제1 컬렉터 커버와, 상기 제2 컬렉터를 덮어 보호하고 상기 제2 컬렉터로 유입된 미세먼지가 외부로 유출되는 것을 억제하기 위한 제2 컬렉터 커버를 더 포함할 수 있다.
상기 상부 컬렉터를 보호하기 위한 상부 컬렉터 커버가 상기 상부컬렉터 상부에 더 구비되어 있을 수 있다.
상기 상부 컬렉터에서 걸러진 깨끗한 공기가 외부로 빠져나갈 수 있도록 상기 상부 컬렉터 커버에 구멍들이 형성되어 있을 수 있다.
상기 다공성 세라믹 폼은 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 코디어라이트(cordierite, 2MgO·2Al2O3·5SiO2), 뮬라이트(mullite, 3Al2O3·2SiO2) 및 탄화규소(SiC)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 세라믹 재질로 이루어질 수 있다.
상기 다공성 세라믹 폼은 기공율이 40∼90%를 이루는 것이 바람직하다.
상기 다공성 세라믹 폼은, 미세먼지가 유입되는 통로 역할을 하는 기공(셀(cell))과, 상기 기공(셀(cell)) 사이에서 다공성 세라믹 폼의 골격(strut)을 이루는 벽체를 포함할 수 있으며, 다수의 휘스커가 상기 벽체의 표면에서 기공(셀(cell))을 향해 돌출되어 있을 수 있다.
상기 휘스커는 뮬라이트(mullite, 3Al2O3·2SiO2), ZnO, TiO2 및 탄화규소(SiC)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 침상형 세라믹 재질로 이루어질 수 있다.
상기 다공성 세라믹 폼은 제2 영역에 비해 상대적으로 작은 크기의 기공들이 분포하는 제1 영역과, 상기 제1 영역에 비해 상대적으로 큰 크기의 기공들이 분포하는 제2 영역을 포함할 수 있고, 상기 제1 영역은 상기 제2 영역에서 포집되는 미세먼지보다 더 작은 크기의 미세먼지를 포집할 수 있다.
상기 제1 영역보다 상기 제2 영역이 상기 로터에 더 인접하게 위치되는 것이 바람직하다.
상기 상부 컬렉터는 다공성 세라믹 폼으로 이루어질 수 있다.
상기 제1 컬렉터 및 상기 제2 컬렉터는 상기 로터의 바깥 둘레면 일부를 덮도록 돌출된 단턱부를 갖는 다공성 세라믹 폼으로 이루어질 수 있다.
상기 다공성 세라믹 폼은 소수성 코팅막으로 도포되어 있고 소수성을 나타낼 수 있다.
상기 제1 컬렉터와 상기 제2 컬렉터는 사행(serpentine type) 형태로 배열된 리브들과, 리브와 리브 사이의 빈 공간을 이루는 채널을 포함할 수있다.
상기 리브들은 곡선형 형태를 이루는 것이 바람직하다.
상기 제1 컬렉터와 상기 제2 컬렉터에서, 리브의 단부에는 리브블럭이 구비될 수 있고, 상기 리브블럭은 리브와 리브를 연결하는 매개체이며, 상기 로터와 상기 브레이크 패드의 마찰에 의해 발생한 미세먼지는 상기 채널의 유입구를 통해 유입될 수 있고, 상기 로터의 회전축인 X축에 수직한 Y축 방향으로는 상기 채널의 유입구와 리브블럭 사이의 빈 공간이 상기 채널을 이루는 영역이고, 상기 X축 및 Y축에 수직한 Z축 방향으로는 리브와 리브 사이의 빈 공간이 상기 채널을 이루는 영역일 수 있다.
이하에서, 수송기관의 브레이크 장치에서 발생한 미세먼지를 포집하기 위한 포집장치를 더욱 구체적으로 설명한다.
<실시예 1>
도 1 및 도 2는 수송기관의 브레이크 장치에서 발생한 미세먼지를 포집하기 위한 포집장치의 일 예를 도시한 도면이다. 도 3은 포집장치가 브레이크 장치에 결합된 모습의 일 예를 보여주는 도면이다. 도 4는 다공성 세라믹 폼의 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 브레이크 장치는 브레이크 패드(brake pad)(20)와 로터(rotor)(10) 사이에 발생하는 마찰에 의해 제동을 수행하는 장치이다. 상기 브레이크 장치는 차축에 연결되어 회전하는 디스크 형상의 로터(10)와, 로터(10)의 회전을 제동하기 위해서 로터(10)에 축 방향(X)(디스크 형상을 이루는 면에 수직한 방향)으로 압력을 가하기 위한 브레이크 패드(20)와, 브레이크 패드(20)를 로터(10)에 밀착시키거나 로터(10)와 접촉된 브레이크 패드(20)를 로터(10)로부터 이격시켜 로터(10)의 회전을 제어하기 위한 브레이크 캘리퍼(brake caliper)(30)를 포함한다. 로터(rotor)(10)는 차축에 연결되어 회전하는 디스크 형상의 장치이다. 로터(10)는 X축에 수직인 제1 디스크면(10a)과, 제1 디스크면에 평행한 제2 디스크면(10b)을 포함할 수 있다. 제1 디스크면(10a)과 제2 디스크면(10b)은 림(rim)등에 의해 결합되어 있을 수 있다.
브레이크 패드(brake pad)(20)는 로터(10)에 축 방향(X 방향)(디스크 형상을 이루는 면에 수직한 방향)으로 압력을 가하여 로터(10)의 회전을 제동하기 위한 장치이다. 브레이크 패드(20)는 제1 디스크면(10a)에 압력을 가하기 위한 제1 패드(미도시)와, 제2 디스크면(10b)에 압력을 가하기 위한 제2 패드(미도시)를 포함할 수 있다. 브레이크 패드(20)는 축 방향(X 방향)을 따라 이동할 수 있도록 브레이크 캘리퍼(brake caliper)(30)에 실장된다.
브레이크 캘리퍼(30)는 브레이크 패드(20)를 로터(10)에 밀착시키거나 로터(10)와 접촉된 브레이크 패드(20)를 로터(10)로부터 이격시켜 로터(10)의 회전을 제어하기 위한 장치이다. 브레이크 패드(20)는 브레이크 캘리퍼(30) 내부에 수용되고, 제 1 디스크면(10a)을 바라보며 로터(10)와 마주하게 구비되는 제1 패드(미도시)와, 제 2 디스크면(10b)을 바라보며 로터(10)와 마주하게 구비되는 제2 패드(미도시)를 포함할 수 있다. 브레이크 캘리퍼(30)는 로터(10)의 일부를 감싸도록 전체 외관상 U자형으로 구비될 수 있다.
브레이크 패드(20)와 로터(rotor)(10)의 마찰로 인해 인체에 해로운 미세먼지가 발생한다. 특히, 브레이크 패드(20)의 마모에 의해 발생되는 미세먼지는 입자의 크기가 작아 인체 및 환경에 직접적인 영향을 미칠 수 있다. 특히, 도시지역에서, 교통량의 증가로 인한 브레이크 장치에서 나오는 미립자의 양이 증가하고 있다.
수송기관의 브레이크 장치에서 발생한 미세먼지를 포집하기 위한 포집장치는 마찰에 의해 수백도 이상 표면 온도의 상승이 예상되는 브레이크 패드(20) 주변에 설치되어야 하므로 내열성 확보가 요구되며, 도로변 빗물 및 먼지 등에 의한 장치의 오염과 차량 주행에 따른 진동 발생 등에 대한 내구성이 우수한 필터 소재의 개발이 필요하다.
NOx와 SOx는 촉매나 자체 발화에 의한 제거가 가능하지만, 브레이크장치에서 발생하는 미세먼지는 산화가 어려운 조성으로 효과적인 미세먼지 포집이 가능한 소재의 개발과 이를 적용한 부품의 개발, 포집먼지를 제거할 수 있는 차별화된 기술이 적용되어야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 포집장치는 브레이크 패드(20)와 로터(10)의 마찰에 의해 발생한 미세먼지(분진)를 포집하는 장치이다. 상기 포집장치는 자동차의 주행 중 브레이킹 시 로터(10)와 브레이크 패드(20)가 접촉되면서 브레이크 패드(20)나 로터(10)가 마모되어 발생되는 미세먼지(분진)을 흡입하여 포집한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 포집장치는 교체가 가능하도록 구비될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 포집장치는 어느 정도의 시간 동안 사용 후에 교체하거나 미세먼지를 제거한 후에 재사용이 가능할 수도 있다.
브레이크 패드(20)와 로터(10) 사이의 마찰에서 발생하는 미세먼지를 흡입하기 위해서 포집장치는 브레이크 패드(20)와 브레이크 캘리퍼(30)의 위치에 따라 형상, 설치 위치 등이 변할 수 있다.
바람직하게는, 상기 포집장치는 수송기관의 정주행 방향에서 바라볼 때 브레이크 패드(20)의 위치보다 후방(로터의 회전방향에서 볼 때 브페이크 패드 보다 후방)에 설치되는 것이 바람직하다. 브레이크 패드(20)의 위치보다 후방에 포집장치를 설치하는 것은, 수송기관이 정주행 할 때, 브레이크 패드(20)와 로터(10)사이의 마찰에 의해 발생하는 미세먼지(분진)가 바람 등에 포집장치로 유입되기가 유리하고 더욱 많은 미세먼지를 포집할 수가 있기 때문이다. 수송기관이 정주행 할 때, 브레이크 패드(20)와 로터(10) 사이의 마찰에 의해 발생된 미세먼지(분진)의 대부분은 바람 등에 의해 후방으로 이동하게 되고 브레이크 패드(20)의 위치보다
후방에 설치된 포집장치로 유입되어 포집될 수가 있다. 상기 포집장치는 전원이 없이도 미세먼지를 포집할 수 있게 구비될 수 있다. 자동차가 주행 중 흐르는 공기의 방향(공기의 흐름)에 의해 자연스럽게 미세먼지(분진)가 포집장치로 효율적으로 흡입될 수가 있다.
상기 포집장치는 로터(10)의 일부를 감싸는 형태로 구비될 수 있다.
상기 포집장치는 로터(10)의 일부를 감싸도록 전체 외관상 U자형으로 구비될 수 있다. 포집장치는 U자형 내부로 로터(10)를 부분 수용하도록 구성된다.
상기 포집장치는 로터(10)의 외측면(제1 디스크면(10a)) 일부를 감싸는 제1 컬렉터(collector)(110), 로터(10)의 바깥 둘레면 일부를 감싸는 상부 컬렉터(130), 로터(10)의 내측면(제2 디스크면(10b)) 일부를 감싸는 제2 컬렉터(collector)(120)를 포함할 수 있다. 제1 컬렉터(110)는 로터(10)의 외측면(제1 디스크면(10a))과 마주하게 구비된다. 제2 컬렉터(120)는 로터(10)의 내측면(제2 디스크면(10b))과 마주하게 구비된다. 제2 컬렉터(120)는 디스크 형상의 로터(10)를 기준으로 제1 컬렉터(110)가 있는 반대편에 위치되게 설치된다. 제1 컬렉터(110)와 제2 컬렉터(120)는 로터(10)를 기준으로 서로 마주하게 배치된다. 제1 컬렉터(110)와 제2 컬렉터(120)는 로터(10)와 이격되게 배치된다.
상부 컬렉터(130)는 로터(10)의 바깥 둘레면 일부를 감싸도록 구비된다. 상부 컬렉터(130)는 제1 컬렉터(110)와 제2 컬렉터(120)에 연결되어 있을 수 있다. 상부 컬렉터(130)도 로터(10)와 이격되게 설치된다.
제1 컬렉터(110)와 제2 컬렉터(120)를 보호하고 채널로 유입된 미세먼지가 외부로 유출되는 것을 억제하기 위한 컬렉터 커버(160, 170)가 더 구비될 수도 있다. 컬렉터 커버(160, 170)는 가공성이 양호하고 무게가 가벼운 합성수지, 예컨대 열경화성 합성수지 등의 재질로 이루어질 수 있으나, 금속, 금속합금 등과 같이 내구성이 양호하고 충격에 견딜 수 있는 재료가 사용될 수도 있다. 컬렉터 커버는 제1 컬렉터(110)를 덮어 보호하고 채널로 유입된 미세먼지가 외부로 유출되는 것을 억제하기 위한 제1 컬렉터 커버(160)와, 제2 컬렉터(120)를 덮어 보호하고 채널로 유입된 미세먼지가 외부로 유출되는 것을 억제하기 위한 제2 컬렉터 커버(170)를 포함할 수 있다. 제1 컬렉터 커버(160)는 제1 컬렉터(110)를 기준으로 로터(10)의 반대편에 구비되고, 제2 컬렉터 커버(170)는 제2 컬렉터(120)를 기준으로 로터(10)의 반대편에 구비된다. 컬렉터 커버(160, 170)는 로터(10)로 먼지 등의 이물질이 유입되는 것을 방지하는 역할을 할 수도 있다.
제1 컬렉터 커버(160)는 제1 컬렉터(110)의 측면을 완전히 덮는 형태로 구성되어 있고, 제1 컬렉터(110)의 측면과 밀착되게 구성되어 있을 수 있다.
제2 컬렉터 커버(170)는 제2 컬렉터(120)의 측면을 완전히 덮는 형태로 구성되어 있고, 제2 컬렉터(120)의 측면과 밀착되게 구성되어 있을 수 있다.
제1 컬렉터 커버(160)에는 제1 컬렉터(110)에서 걸러진 깨끗한 공기가 외부로 빠져나갈 수 있도록 구멍들이 형성되어 있을 수 있다. 로터(10)와 브레이크 패드(20)의 마찰에 의해 발생한 미세먼지는 제1 컬렉터(110)에서 포집되고, 제1 컬렉터(110)를 통과한 깨끗한 공기는 제1 컬렉터 커버(160)의 구멍들을 통해서 배출되도록 함으로써 로터(10)의 주변의 온도가 상승하는 것을 억제할 수 있다. 제2 컬렉터 커버(170)에도 제2 컬렉터(120)에서 걸러진 깨끗한 공기가 외부로 빠져나 갈 수 있도록 구멍들이 형성되어 있을 수 있다. 로터(10)와 브레이크 패드(20)의 마찰에 의해 발생한 미세먼지는 제2 컬렉터(120)에서 포집되고, 제2 컬렉터(120)를 통과한 깨끗한 공기는 제2 컬렉터 커버(170)의 구멍들을 통해서 배출되도록 함으로써 로터(10)의 주변의 온도가 상승하는 것을 억제할 수 있다.
상부 컬렉터(130)를 보호하기 위한 상부 컬렉터 커버(180)가 더 구비될 수도 있다. 상부 컬렉터 커버(180)는 가공성이 양호하고 무게가 가벼운 합성수지, 예컨대 열경화성 합성수지 등의 재질로 이루어질 수 있으나, 금속, 금속합금 등과 같이 내구성이 양호하고 충격에 견딜 수 있는 재료가 사용될 수도 있다. 상부컬렉터 커버(180)는 상부 컬렉터(130) 상부에 구비될 수 있다. 상부 컬렉터 커버(180)는 로터(10)의 바깥 둘레면에 배치되어 로터(10)로 먼지 등의 이물질이 유입되는 것을 방지하는 역할을 할 수도 있다. 상부 컬렉터 커버(180)에는 상부 컬렉터(130)에서 걸러진 깨끗한 공기가 외부로 빠져나갈 수 있도록 구멍들이 형성되어 있을 수 있다. 로터(10)와 브레이크 패드(20)의 마찰에 의해 발생한 미세먼지는 상부 컬렉터(130)에서 포집되고, 상부 컬렉터(130)를 통과한 깨끗한 공기는 상부 컬렉터 커버(180)의 구멍들을 통해서 배출되도록 함으로써 로터(10)의 주변의 온도가 상승하는 것을 억제할 수 있다.
제1 컬렉터(110)와 제2 컬렉터(120)는 일단에서 타단까지가 직선형인 것으로 이루어질 수도 있고, 더욱 바람직하게는 일단에서 타단까지 곡선형(도 2)에서 210 참조)인 것으로 이루어지는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 제1 컬렉터(110)와 제2 컬렉터(120)는 디스크 형상을 갖는 로터(10)의 디스크 곡률과 동일하게 곡선형 형태를 이루는 것이 바람직하다. 곡선형 형태를 이루는 제1 컬렉터(110)와 제2 컬렉터(120)의 곡률은 디스크 형상을 갖는 로터(10)의 디스크 곡률(curvature)과 동일한 것이 바람직하다.
브레이크 패드(20)와 로터(10) 사이의 마찰에 의해 발생하는 미세먼지(분진)는 제1 컬렉터(110)와 제2 컬렉터(120)에 유입된다. 제1 컬렉터(110)와 제2 컬렉터(120)는 다공성 세라믹 폼(porous ceramic foam)으로 이루어진다. 로터(10)와 브레이크 패드(20)의 마찰에 의해 수백도 이상 표면 온도의 상승이 예상되는 로터(10) 주변에 제1 컬렉터(110)와 제2 컬렉터(120)가 설치되므로 내열성 확보가 요구되고, 빗물이나 먼지 등에 의한 오염과 차량 주행에 따른 진동 발생 등에 대하여 내구성이 요구된다. 이러한 점들을 고려하여 제1 컬렉터(110)와 제2 컬렉터(120)는 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 코디어라이트(cordierite, 2MgO·2Al2O3·5SiO2), 뮬라이트(mullite, 3Al2O3·2SiO2), 탄화규소(SiC) 또는 이들의 혼합물과 같이 내열성을 갖는 다공성 세라믹 폼(세라믹 다공체)으로 이루어지는 것이 바람직하다. 제1 컬렉터(110) 및 제2 컬렉터(120)는 로터(10)의 바깥 둘레면 일부를 덮도록 돌출된 단턱부(200)를 갖는 다공성 세라믹 폼으로 이루어질 수 있다.
상기 다공성 세라믹 폼은 무수히 많은 기공들을 갖는 다공체이다. 상기 다공성 세라믹 폼은 미세먼지가 유입되는 통로 역할을 하는 기공(셀(cell))과, 상기 기공(셀(cell)) 사이에서 다공성 세라믹 폼의 골격을 이루는 벽체를 포함한다. 다공성 세라믹 폼에서 벽체와 벽체 사이의 큰 기공을 셀(cell)이라고도 하며, 벽체에도 상기 셀보다는 작은 기공들이 형성되어 있으며, 다공성 세라믹 폼에서 기공이라 함은 벽체에 형성된 기공뿐만 아니라 상기 셀도 포함한다.
상기 다공성 세라믹 폼은 기공율이 40∼90%, 더욱 바람직하게는 60∼85% 정도인 것이 바람직하다. 기공율이 너무 낮을 경우에는 미세먼지 필터링 효율이 낮을 수 있고, 기공율이 너무 높을 경우에는 진동 충격 등에 쉽게 크랙 등의 생기거나 깨지거나 하여 내구성이 저하될 수 있다. 상기 다공성 세라믹 폼에 분포하는 기공(셀) 크기는 50㎛∼2㎜ 정도인 것이 바람직하고, 벽체에 형성되는 기공의 크기는 50㎚∼50㎛ 정도인 것이 바람직하다.
상기 다공성 세라믹 폼은 표면에 물방울이 맺히는 것을 억제하기 위하여 소수성(hydrophobic) 코팅막으로 도포되어 있을 수 있다. 소수성을 갖게 하기 위하여 다공성 세라믹 재질에 소수성을 갖는 물질을 코팅하여 다공성 세라믹 폼을 제조할 수 있다. 친수성(hydorphilic)을 가질 경우에 다공성 세라믹 폼의 표면에
물방울이 다량으로 맺힐 수 있어서 필터링 효과가 저하될 수 있다. 소수성 코팅막은 10㎚∼2㎛ 정도의 두께로 구비되는 것이 바람직하다.
소수성 코팅막은 페이스트, 현탁액(suspension) 또는 콜로이드(colloid)를 다공성 세라믹 폼의 외곽 표면에 코팅하고 400∼1000℃ 정도의 온도에서 열처리하여 형성할 수 있다. 소수성 코팅막을 형성하기 위한 예로서 보에마이트-TiO2 졸을 코팅하는 경우를 예로 들 수 있다.
보에마이트-TiO2 졸은 다음과 같이 제조할 수 있다.
보에마이트(boehmite)를 증류수 등의 용매에 첨가하고 60℃ 정도의 온도에서 가수분해(hydrolysis) 시키고, 여기에 질산(HNO3) 등의 산(acid)을 첨가하여 용액화(peptization)하여 보에마이트 졸을 형성한다.
TiO2 전구체를 증류수 등의 용매에 첨가하고 50℃ 정도의 온도에서 가수분해(hydrolysis) 시키고, 여기에 질산(HNO3) 등의 산(acid)을 첨가하여 용액화(peptization)하여 TiO2 졸을 형성한다. 상기 TiO2 전구체는 TTIP(Titanium isopropoxide) 등일 수 있다.
상기 보에마이트 졸과 상기 TiO2 졸을 혼합하여 보에마이트-TiO2 졸을 수득한다.
상부 컬렉터(130)도 다공성 세라믹 폼으로 이루어질 수 있다. 상부 컬렉터(130)는 알루미나(Al2O3), 코디어라이트(cordierite, 2MgO·2Al2O3·5SiO2), 뮬라이트(mullite, 3Al2O3·2SiO2), 탄화규소(SiC) 또는 이들의 혼합물과 같이 내열성을 갖는 다공성 세라믹 폼으로 이루어지는 것이 바람직하다. 상부 컬렉터(130)는 로터(10)의 바깥 둘레면에 배치되어 로터(10)로 먼지 등의 이물질이 유입되는 것을 방지하는 역할도 한다.
이하에서, 다공성 세라믹 폼을 제조하는 방법을 구체적으로 설명한다.
다공성 세라믹 폼를 제조하기 위하여 기판(substrate)으로 다공성의 폴리머 폼(polymer foam)(예컨대, 폴리우레탄 폼(polyurethane foam))을 사용한다.
상기 폴리머 폼은 스펀지(sponge)와 같이 탄성이 있는 다공성 물질이다. 상기 폴리머 폼의 기공율, 기공 크기 등은 이후 제조되는 다공성 세라믹 폼의 기공율, 기공 크기 등에 영향을 미친다. 제조하려는 다공성 세라믹 폼의 형상에 대응되게 폴리머 폼(polymer foam)을 형성한 후 초음파 세척 등을 통해 세척하고 건조한다. 다공성 세라믹 폼이 로터(10)의 바깥 둘레면 일부를 덮도록 돌출된 단턱부(200)를 갖는 경우에 폴리머 폼도 단턱부를 갖는 형태로 형성한다. 상기 건조는 폴리머 폼의 용융온도보다 낮은 30∼90℃ 정도의 오븐(Oven)에서 수행하는 것이 바람직하다.
세라믹 원료, 바인더 및 용매를 포함하는 출발원료를 준비한다.
상기 세라믹 원료는 제작할 다공성 세라믹 폼(세라믹 다공체)의 주 소재이다. 상기 세라믹 원료는 알루미나(Al2O3) 분말, 코디어라이트(cordierite, 2MgO·2Al2O3·5SiO2) 분말, 뮬라이트(mullite, 3Al2O3·2SiO2) 분말, 탄화규소(SiC) 분말 또는 이들의 혼합분말 등일 수 있다. 제조되는 다공성 세라믹 폼의 기공율, 기공 크기, 강도 등을 고려하여 상기 세라믹 원료는 10㎚∼40㎛, 더욱 바람직하게는 100㎚∼30㎛인 정도의 평균입경을 갖는 분말을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 출발원료는 유리 프릿(Glass frit)을 더 포함할 수 있다. 상기 유리 프릿은 상기 출발원료에 상기 세라믹 원료 100중량부에 대하여 0.01∼45중량부, 더욱 바람직하게는 0.1∼40중량부 정도 함유되는 것이 바람직하다. 상기 유리 프릿은 소결온도를 낮추고, 다공성 세라믹 폼 자체에 Si를 함유시키는 역할을 역할을 할 뿐만 아니라, 휘스커의 성장성을 향상시키는 역할을 할 수 있다.
상기 용매(solvent)는 증류수 등일 수 있다.
상기 바인더는 폴리비닐알콜(polyvinyl alchol; PVA), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol; PEG) 등을 사용할 수 있다. 상기 바인더는 세라믹 슬러리의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 상기 바인더는 상기 출발원료에 상기 세라믹 원료 100중량부에 대하여 1∼50중량부 정도 함유되는 것이 바람직하다.
상기 출발원료는 분산제를 더 포함할 수도 있다. 상기 분산제는 상업적으로 판매되고 있는 물질을 사용할 수 있으며, 그 사용에 특별한 제한이 있는 것은 아니다. 상기 분산제는 출발원료에 상기 세라믹 원료 100중량부에 대하여 0.1∼25중량부 함유되는 것이 바람직하다.
상기 출발원료를 혼합하여 세라믹 슬러리(ceramic slurry)를 형성한다.
상기 세라믹 슬러리(ceramic slurry)를 폴리머 폼에 딥 코팅(Dip coating) 한다. 상기 폴리머 폼을 상기 세라믹 슬러리에 완전히 담그고, 진공 분위기에서 딥 코팅을 수행하는 것이 바람직하다. 딥 코팅 후, 폴리머 폼에 함유된 과량의 슬러리를 빼기 위해 외력을 주어 폴리머 폼을 압축했다가 압축을 해제하여 원래의 폴리머 폼 형태로 복귀되게 하고, 이러한 방식에 의해 폴리머 폼에 함유된 일부 슬러리가 폴리머 폼에서 빠져나오게 할 수도 있다.
딥 코팅이 이루어진 폴리머 폼을 건조한다. 상기 건조는 폴리머 폼의 용융 온도보다 낮은 30∼90℃ 정도의 오븐(Oven)에서 수행하는 것이 바람직하다.
딥 코팅이 이루어진 폴리머 폼을 소결한다. 딥 코팅이 이루어진 폴리머 폼을 퍼니스(furnace) 등에 장입하고, 폴리머 폼의 타는 온도보다 높은 제1온도(예컨대, 400∼800℃)까지 승온시킨 후, 소정 시간 동안 유지하여 폴리머(polymer) 성분이 태워져서 제거되게 하며, 소결온도(예컨대, 1100∼1600℃)까지 승온시킨 후, 상기 소결온도에서 소정 시간 동안 유지하여 소결하여 다공성 세라믹 폼을 얻는다. 상기 세라믹 원료로 알루미나(Al2O3) 분말, 지르코니아(ZrO2) 분말, 코디어라이트(cordierite, 2MgO·2Al2O3·5SiO2) 분말, 뮬라이트(mullite, 3Al2O3·2SiO2) 분말을 사용한 경우에 상기 소결은 공기(air), 산소(O2)와 같은 산화 분위기에서 수행하는 것이 바람직하며, 상기 세라믹 원료로 탄화규소(SiC) 분말을 사용한 경우에는 환원 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 소결온도까지는 1∼50℃/min의 승온속도로 상승시키는 것이 바람직한데, 승온 속도가 너무 느린 경우에는 시간이 오래 걸려 생산성이 떨어지고 승온 속도가 너무 빠른 경우에는 급격한 온도 상승에 의해 열적 스트레스가 가해질 수 있으므로 상기 범위의 승온 속도로 온도를 올리는 것이 바람직하다. 소결 공정을 수행한 후, 퍼니스 온도를 하강시키는데, 상기 퍼니스 냉각은 퍼니스 전원을 차단하여 자연적인 상태로 냉각되게 하거나, 임의적으로 온도 하강률(예컨대, 10℃/min)을 설정하여 냉각되게 할 수도 있다. 퍼니스 온도를 하강시키는 동안에도 퍼니스 내부의 압력은 일정하게 유지하는 것이 바람직하다. 상기 소결 공정에서 유기물(또는 폴리머) 성분은 태워져 없어지게 되며, 소결은 유기물 성분이 타는 온도보다 높은 온도에서 이루어지므로 소결 공정이 완료되면 유기물 성분은 모두 제거되게 되며, 폴리머가 위치하는 공간은 기공을 이루고 소결 공정을 거친 소결체는 다공성을 띠게 된다.
이렇게 제조된 다공성 세라믹 폼은 무수히 많은 기공들을 갖는 다공체이다. 상기 다공성 세라믹 폼은 미세먼지가 유입되는 통로 역할을 하는 기공(셀 (cell))과, 상기 기공(셀(cell)) 사이에서 다공성 세라믹 폼의 골격(strut)을 이루는 벽체를 포함한다.
상기 다공성 세라믹 폼에 휘스커가 형성되어 있을 수도 있다. 더욱 구체적으로, 상기 다공성 세라믹 폼은, 미세먼지가 유입되는 통로 역할을 하는 기공(셀(cell))과, 상기 기공(셀(cell)) 사이에서 다공성 세라믹 폼의 골격(strut)을 이루는 벽체를 포함할 수 있으며, 다수의 휘스커가 상기 벽체의 표면에서 기공(셀(cell))을 향해 돌출되어 있을 수 있다.
상기 휘스커는 뮬라이트(mullite, 3Al2O3·2SiO2), ZnO, TiO2 및 탄화규소(SiC)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 침상형 세라믹 재질로 이루어질 수 있다. 상기 휘스커는 사람의 코털에 비유될 수 있고, 기공은 콧구멍에 비유될 수 있으며, 상기 벽체는 코벽(콧구멍을 둘러싸는 코의 부분)에 비유될 수 있다. 사람의 코에 코털이 있으므로 콧구멍으로 유입되는 먼지 등을 더 잘 필터링할 수 있는데, 본 발명의 발명자들은 이러한 점을 고려하여 벽체의 표면으로부터 휘스커가 돌출된 구조를 생각해내었다. 도 5는 벽체의 표면에서 휘스커가 돌출된 구조의 일예를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 다공성 세라믹 폼은 미세먼지가 유입되는 통로 역할을 하는 기공(셀(cell))(112)과, 기공(셀(cell)) 사이에서 다공성 세라믹 폼의 골격(strut)을 이루는 벽체(114)를 포함하며, 다수의 휘스커(116)가 벽체(114)의 표면에서 기공(셀(cell))(112)을 향해 돌출되어 있으며, 이에 따라 미세먼지의 필터링 효과를 극대화할 수가 있다. 상기 휘스커는 필터링시의 차압이 높아지는 것을 억제하면서 미세먼지를 효과적으로 포집하는 역할을 한다.
이하에서, 벽체의 표면에서 돌출된 휘스커가 구비된 다공성 세라믹폼을 제조하는 방법을 설명한다.
먼저, 뮬라이트(mullite, 3Al2O3·2SiO2) 재질로 이루어진 휘스커를 다공성 세라믹 폼 표면에 형성하는 방법을 설명한다.
휘스커를 구성하는 성분의 소스 물질, 바인더 및 용매를 포함하는 출발원료를 준비한다. 상기 소스 물질은 제조할 휘스커의 주 소재를 구성하는 성분의 소스(source)를 제공하는 역할을 한다. Al 소스로는 알루미나(Alumina), 알루미늄트리부톡사이드(Alumininum tri sec butoxide)과 같은 Al 금속염 등이 사용될 수 있고, Si 소스로는 실리카 졸(Silica sol), TEOS(Tetraethyl orthosilicate), 유리(Glass), 유리 프릿(Glass frit), 플라이애쉬(Fly ash), 장석(Feldspar), 카올린(Kaolin), 점토(Clay), 키아나이트(Kyanite) 등이 사용될 수 있다. 상기 소스 물질은 뮬라이트 분말을 더 포함할 수도 있는데, 상기 뮬라이트 분말은 뮬라이트 결정성장의 씨드(seed) 역할을 한다. 또한, 소스 물질은 F 소스로 작용하는 AlF3, NH4F와 같은 물질을 더 포함할 수도 있다.
상기 용매(solvent)는 증류수 등일 수 있다.
상기 바인더는 폴리비닐알콜(polyvinyl alchol; PVA), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol; PEG) 등을 사용할 수 있다. 상기 바인더는 세라믹 슬러리의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 상기 바인더는 상기 출발원료에 상기 소스물질 100중량부에 대하여 1∼50중량부 정도 함유되는 것이 바람직하다.
상기 출발원료는 분산제를 더 포함할 수도 있다. 상기 분산제는 상업적으로 판매되고 있는 물질을 사용할 수 있으며, 그 사용에 특별한 제한이 있는 것은 아니다. 상기 분산제는 출발원료에 상기 소스 물질 100중량부에 대하여 0.1∼25중량부 함유되는 것이 바람직하다.
상기 출발원료는 증점제를 더 포함할 수도 있다. 상기 분산제는 상업적으로 판매되고 있는 물질을 사용할 수 있으며, 그 사용에 특별한 제한이 있는 것은 아니다. 상기 증점제는 후술하는 세라믹 슬러리의 점도를 높여 침전속도를 감소시키는 역할을 한다. 상기 증점제는 출발원료에 상기 소스 물질 100중량부에 대하여 0.1∼25중량부 함유되는 것이 바람직하다.
상기 출발원료를 혼합하여 세라믹 슬러리(ceramic slurry)를 형성한다.
상기 세라믹 슬러리(ceramic slurry)를 다공성 세라믹 폼에 딥 코팅(Dip coating) 한다. 상기 다공성 세라믹 폼을 상기 세라믹 슬러리에 완전히 담그고, 진공 분위기에서 딥 코팅을 수행하는 것이 바람직하다.
딥 코팅이 이루어진 다공성 세라믹 폼을 건조한다. 상기 건조는 30∼90℃ 정도의 오븐(Oven)에서 수행하는 것이 바람직하다.
딥 코팅이 이루어진 다공성 세라믹 폼을 소결한다. 딥 코팅이 이루어진 다공성 세라믹 폼을 퍼니스(furnace) 등에 장입하고, 소결온도(예컨대, 1100∼1600℃)까지 승온시킨 후, 상기 소결온도에서 소정 시간 동안 유지하여 소결하여 휘스커가 형성된 다공성 세라믹 폼을 얻는다. 상기 소결은 공기(air), 산소(O2)와 같은 산화 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 소결온도까지는 1∼50℃/min의 승온속도로 상승시키는 것이 바람직한데, 승온 속도가 너무 느린 경우에는 시간이 오래 걸려 생산성이 떨어지고 승온 속도가 너무 빠른 경우에는 급격한 온도상승에 의해 열적 스트레스가 가해질 수 있으므로 상기 범위의 승온 속도로 온도를 올리는 것이 바람직하다. 소결 공정을 수행한 후, 퍼니스 온도를 하강시키는데, 상기 퍼니스 냉각은 퍼니스 전원을 차단하여 자연적인 상태로 냉각되게 하거나, 임의적으로 온도 하강률(예컨대, 10℃/min)을 설정하여 냉각되게 할 수도 있다. 퍼니스 온도를 하강시키는 동안에도 퍼니스 내부의 압력은 일정하게 유지하는 것이 바람직하다. 상기 소결 공정에서 유기물(또는 폴리머) 성분은 태워져 없어지게 되며, 소결은 유기물 성분이 타는 온도보다 높은 온도에서 이루어지므로 소결 공정이 완료되면 유기물 성분은 모두 제거되게 된다.
이렇게 제조된 다공성 세라믹 폼은 무수히 많은 기공들을 갖는 다공체로서, 미세먼지가 유입되는 통로 역할을 하는 기공(셀(cell))과, 상기 기공(셀(cell)) 사이에서 다공성 세라믹 폼의 골격(strut)을 이루는 벽체를 포함하며, 다수의 뮬라이트 휘스커가 상기 벽체의 표면에서 기공(셀(cell))을 향해 돌출되어 있
이하에서, ZnO 재질로 이루어진 휘스커를 다공성 세라믹 폼 표면에 형성하는 방법을 설명한다.
용매에 휘스커를 구성하는 성분의 소스 물질을 혼합하여 씨드 용액(seed solution)을 형성한다. 상기 소스 물질은 제조할 휘스커의 주 소재인 ZnO를 구성하는 성분의 소스(source)를 제공하는 역할을 한다. 상기 소스 물질로는 Zn의 소스(source) 역할을 하는 질산아연 6수화물(zinc nitrate hexahydrate; Zn(NO3)2·6H2O) 등을 사용할 수 있다. 상기 용매는 에탄올과 같은 알콜 등일 수 있다. 상기 씨드 용액을 다공성 세라믹 폼에 딥 코팅(Dip coating) 한다.
상기 다공성 세라믹 폼을 상기 씨드 용액에 완전히 담그고, 진공 분위기에서 딥 코팅을 수행하는 것이 바람직하다.
딥 코팅이 이루어진 다공성 세라믹 폼을 어닐링(annealing) 한다.
상기 어닐링에 의해 씨드 용액이 다공성 세라믹 폼에 잘 접착될 수가 있다. 상기 어닐링은 120∼300℃ 정도의 오븐(Oven)에서 수행하는 것이 바람직하다.
휘스커를 구성하는 성분의 소스 물질, 성장촉진제, 바인더 및 용매를 포함하는 출발원료를 준비한다.
상기 소스 물질은 제조할 휘스커의 주 소재인 ZnO를 구성하는 성분의 소스(source)를 제공하는 역할을 한다. 상기 소스 물질로는 Zn의 소스(source)역할을 하는 질산아연 6수화물(zinc nitrate hexahydrate; Zn(NO3)2·6H2O) 등을 사용할 수 있다.
상기 성장촉진제는 헥사메틸렌테트라민(Hexamethylenetetramine) 분말 등을 사용할 수 있다. 상기 성장촉진제는 상기 출발원료에 상기 소스 물질 100중량부에 대하여 50∼200중량부 정도 함유되는 것이 바람직하다.
상기 바인더는 폴리비닐알콜(polyvinyl alchol; PVA), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol; PEG) 등을 사용할 수 있다. 상기 바인더는 세라믹 슬러리의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 상기 바인더는 상기 출발원료에 상기 소스물질 100중량부에 대하여 1∼50중량부 정도 함유되는 것이 바람직하다.
상기 용매는 에탄올과 같은 알콜 등일 수 있다.
상기 출발원료를 혼합하여 성장 용액을 형성한다.
상기 성장 용액을 어닐링이 이루어진 다공성 세라믹 폼에 딥 코팅(Dip coating) 한다. 상기 다공성 세라믹 폼을 상기 성장 용액에 완전히 담그고, 진공 분위기에서 딥 코팅을 수행하는 것이 바람직하다.
성장 용액으로 딥 코팅이 이루어진 다공성 세라믹 폼을 다공성 세라믹 폼을 소결한다. 성장 용액으로 딥 코팅이 이루어진 다공성 세라믹 폼을 퍼니스(furnace) 등에 장입하고, 소결온도(예컨대, 1000∼1500℃)까지 승온시킨 후, 상기 소결온도에서 소정 시간 동안 유지하여 소결하여 휘스커가 형성된 다공성 세라믹 폼을 얻는다. 상기 소결은 공기(air), 산소(O2)와 같은 산화 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 소결온도까지는 1∼50℃/min의 승온속도로 상승시키는 것이 바람직한데, 승온 속도가 너무 느린 경우에는 시간이 오래 걸려 생산성이 떨어지고 승온 속도가 너무 빠른 경우에는 급격한 온도 상승에 의해 열적 스트레스가 가해질 수 있으므로 상기 범위의 승온 속도로 온도를 올리는 것이 바람직하다. 소결 공정을 수행한 후, 퍼니스 온도를 하강시키는데, 상기 퍼니스 냉각은 퍼니스 전원을 차단하여 자연적인 상태로 냉각되게 하거나, 임의적으로 온도 하강률(예컨대, 10℃/min)을 설정하여 냉각되게 할 수도 있다. 퍼니스 온도를 하강시키는 동안에도 퍼니스 내부의 압력은 일정하게 유지하는 것이 바람직하다. 상기 소결 공정에서 유기물(또는 폴리머) 성분은 태워져 없어지게 되며, 소결은 유기물 성분이 타는 온도보다 높은 온도에서 이루어지므로 소결 공정이 완료되면 유기물 성분은 모두 제거되게 된다.
이렇게 제조된 다공성 세라믹 폼은 무수히 많은 기공들을 갖는 다공체로서, 미세먼지가 유입되는 통로 역할을 하는 기공(셀(cell))과, 상기 기공(셀(cell)) 사이에서 다공성 세라믹 폼의 골격(strut)을 이루는 벽체를 포함하며, 다수의 ZnO 휘스커가 상기 벽체의 표면에서 기공(셀(cell))을 향해 돌출되어 있다.
이하에서, SiC 재질로 이루어진 휘스커를 다공성 세라믹 폼 표면에 형성하는 방법을 설명한다.
다공성 세라믹 폼을 튜브로 등의 성장장치에 장입한다. 휘스커(whisker) 성장의 소스로 사용될 실리카 분말(Silica powder)과 카본 분말(Carbonpowder)을 준비한다. 상기 실리카 분말(Silica powder)과 카본 분말(Carbonpowder)은 1:1 내지 1:2의 중량비를 이루게 하는 것이 바람직하다. 성장장치 내의온도를 반응온도(예컨대, 1350∼1600℃)로 상승시키고, 캐리어 가스(Carrier gas)를 이용하여 실리카 분말(Silica powder)과 카본 분말(Carbon powder)을 성장장치로 유입되게 하여 다공성 세라믹 폼 표면에서 SiC 휘스커가 성장되게 한다.
이렇게 제조된 다공성 세라믹 폼은 무수히 많은 기공들을 갖는 다공체로서, 미세먼지가 유입되는 통로 역할을 하는 기공(셀(cell))과, 상기 기(셀(cell))공 사이에서 다공성 세라믹 폼의 골격(strut)을 이루는 벽체를 포함하며, 다수의 SiC 휘스커가 상기 벽체의 표면에서 기공(셀(cell))을 향해 돌출되어 있다.
다공성 세라믹 폼을 제조하는 방법과 다공성 세라믹 폼에 휘스커를 형성하는 방법을 설명하였으나, 다공성 세라믹 폼의 제조 방법과 휘스커의 형성 방법은 다양할 수 있으며 상술한 예들에 한정되는 것은 아니다.
상부 컬렉터(130)는 상술한 다공성 세라믹 폼으로 이루어질 수도 있지만, 세라믹 섬유가 네트워크 형태로 얽혀있는 세라믹 섬유 필터로 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상부 컬렉터(130)에 분포하는 기공들은 50㎚∼10㎛의 평균 크기를 갖는 것이 바람직하다. 상기 세라믹 섬유는 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 코디어라이트(cordierite, 2MgO·2Al2O3·5SiO2), 뮬라이트(mullite, 3Al2O3·2SiO2), 탄화규소(SiC) 또는 이들의 혼합물과 같이 내열성을 갖는 세라믹 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
세라믹 섬유 재질의 상부 컬렉터(130)는 세라믹 섬유를 전기방사하여 제조하는 등의 방법으로 제조할 수 있다. 예컨대, 세라믹 섬유를 포함하는 용액을 전압차 1∼100kV, 방사 유속 0.1∼10㎖/hr, 방사 거리 2∼50㎝, 노즐의 구멍 크기 0.01∼2.0㎜의 조건으로 전기방사를 실시하여 세라믹 섬유가 네트워크 형태로얽혀있는 세라믹 섬유 필터를 제조할 수 있다.
<실시예 2>
포집장치의 구성은 상기 실시예 1과 동일하고, 제1 컬렉터(110), 제2 컬렉터(120) 또는 상부 컬렉터(130)를 구성하는 다공성 세라믹 폼만이 다르게 구성되며, 따라서 포집장치에 대한 설명은 생략한다. 이하에서, 실시예 1에서와 다른 다공성 세라믹 폼에 대하여만 설명한다.
제1 컬렉터(110)와 제2 컬렉터(120)는 다공성 세라믹 폼(porousceramic foam)으로 이루어진다. 제1 컬렉터(110)와 제2 컬렉터(120)는 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 코디어라이트(cordierite, 2MgO·2Al2O3·5SiO2), 뮬라이트(mullite, 3Al2O3·2SiO2), 탄화규소(SiC) 또는 이들의 혼합물과 같이 내열성을 갖는 다공성 세라믹 폼으로 이루어지는 것이 바람직하다. 제1 컬렉터(110) 및 제2 컬렉터(120)는 로터(10)의 바깥 둘레면 일부를 덮도록 돌출된 단턱부(200)를 갖는 다공성 세라믹 폼으로 이루어질 수 있다.
상기 다공성 세라믹 폼은 기공율이 40∼90%, 더욱 바람직하게는 60∼85% 정도인 것이 바람직하다. 기공율이 너무 낮을 경우에는 미세먼지 필터링 효율이 낮을 수 있고, 기공율이 너무 높을 경우에는 진동 충격 등에 쉽게 크랙 등의 생기거나 깨지거나 하여 내구성이 저하될 수 있다. 상기 다공성 세라믹 폼에 분포하는 기공(셀) 크기는 50㎛∼2㎜ 정도인 것이 바람직하고, 벽체에 형성되는 기공의 크기는 50㎚∼50㎛ 정도인 것이 바람직하다.
상부 컬렉터(130)도 다공성 세라믹 폼으로 이루어질 수 있다. 상부 컬렉터(130)는 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 코디어라이트(cordierite, 2MgO·2Al2O3·5SiO2), 뮬라이트(mullite, 3Al2O3·2SiO2), 탄화규소(SiC) 또는 이들의 혼합물과 같이 내열성을 갖는 다공성 세라믹 폼으로 이루어지는 것이 바람직하다. 상부 컬렉터(130)는 로터(10)의 바깥 둘레면에 배치되어 로터(10)로 먼지 등의 이물질이 유입되는 것을 방지하는 역할도 한다.
상기 다공성 세라믹 폼은 무수히 많은 기공들을 갖는 다공체이다.
상기 다공성 세라믹 폼은 미세먼지가 유입되는 통로 역할을 하는 기공(셀(cell))과, 상기 기공(셀(cell)) 사이에서 다공성 세라믹 폼의 골격(strut)을 이루는 벽체를 포함한다.
상기 다공성 세라믹 폼은 제2 영역(B)에 비해 상대적으로 작은 크기의 기공들이 분포하는 제1 영역(A)과, 제1 영역(A)에 비해 상대적으로 큰 크기의 기공들이 분포하는 제2 영역(B)을 포함한다.
도 6은 제2 영역(B)에 비해 상대적으로 작은 크기의 기공들이 분포하는 제1 영역(A)과, 제 영역(A)에 비해 상대적으로 큰 크기의 기공들이 분포하는 제2 영역(B)을 포함하는 다공성 세라믹 폼을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 7은 제1 영역(A)과 제2 영역(B)을 더욱 명확하게 나타내기 위하여 도 6에 나타낸 다공성 세라믹 폼의 일부를 절단하여 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 다공성 세라믹 폼은 제2 영역(B)에 비해 상대적으로 작은 크기의 기공들(제1 크기의 기공들)이 분포하는 제1 영역(A)과, 제1 영역(A)에 비해 상대적으로 큰 크기의 기공들(제2 크기의 기공들)이 분포하는 제2 영역(B)을 포함할 수 있고, 제1 영역(A)은 제2 영역(B)에서 포집되는 미세먼지보다 더 작은 크기의 미세먼지를 포집할 수 있다. 제2 크기의 기공들은 제1크기의 기공들보다 평균입경이 크고, 제1 영역(A)보다 제2 영역(B)이 상기 로터에 더 인접하게 위치되는 것이 바람직하다.
제1 영역(A)과 제2 영역(B)을 포함하는 다공성 세라믹 폼은 표면에 물방울이 맺히는 것을 억제하기 위하여 소수성(hydrophobic) 코팅막으로 도포되어 있을 수 있다. 소수성을 갖게 하기 위하여 다공성 세라믹 재질에 소수성을 갖는 물질을 코팅하여 다공성 세라믹 폼을 제조할 수 있다. 친수성(hydorphilic)을 가질 경우에 다공성 세라믹 폼의 표면에 물방울이 다량으로 맺힐 수 있어서 필터링 효과가 저하될 수 있다. 소수성 코팅막은 10㎚∼2㎛ 정도의 두께로 구비되는 것이 바람직하다.
이하에서, 제1 영역(A)과 제2 영역(B)을 포함하는 다공성 세라믹 폼을 제조하는 방법을 설명한다.
다공성 세라믹 폼를 제조하기 위하여 기판(substrate)으로 다공성의 폴리머 폼(polymer foam)(예컨대, 폴리우레탄 폼(polyurethane foam))을 사용한다.
상기 폴리머 폼은 스펀지(sponge)와 같이 탄성이 있는 다공성 물질이다. 상기 폴리머 폼의 기공율, 기공 크기 등은 이후 제조되는 다공성 세라믹 폼의 기공율, 기공크기 등에 영향을 미친다. 제조하려는 다공성 세라믹 폼의 형상에 대응되게 폴리머 폼(polymer foam)을 자른 후 초음파 세척 등을 통해 세척하고 건조한다. 상기 건조는 폴리머 폼의 용융 온도보다 낮은 30∼90℃ 정도의 오븐(Oven)에서 수행하는 것이 바람직하다.
세라믹 원료, 바인더 및 용매를 포함하는 출발원료를 준비한다.
상기 세라믹 원료는 제작할 다공성 세라믹 폼(세라믹 다공체)의 주 소재이다. 상기 세라믹 원료는 알루미나(Al2O3) 분말, 지르코니아(ZrO2) 분말, 코디어라이트(cordierite,2MgO·2Al2O3·5SiO2) 분말, 뮬라이트(mullite, 3Al2O3·2SiO2) 분말, 탄화규소(SiC)분말 또는 이들의 혼합분말 등일 수 있다. 제조되는 다공성 세라믹 폼의 기공율, 기공 크기, 강도 등을 고려하여 상기 세라믹 원료는 10㎚∼40㎛, 더욱 바람직하게는 100㎚∼30㎛인 정도의 평균입경을 갖는 분말을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 출발원료는 유리 프릿(Glass frit)을 더 포함할 수 있다. 상기 유리 프릿은 상기 출발원료에 상기 세라믹 원료 100중량부에 대하여 0.01∼45중량부, 더욱 바람직하게는 0.1∼40중량부 정도 함유되는 것이 바람직하다. 상기 유리프릿은 소결온도를 낮추고, 다공성 세라믹 폼 자체에 Si를 함유시키는 역할을 할 뿐만 아니라, 휘스커의 성장성을 향상시키는 역할을 할 수 있다.
상기 용매(solvent)는 증류수 등일 수 있다.
상기 바인더는 폴리비닐알콜(polyvinyl alchol; PVA), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol; PEG) 등을 사용할 수 있다. 상기 바인더는 세라믹 슬러리의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 상기 바인더는 상기 출발원료에 상기 세라믹 원료 100중량부에 대하여 1∼50중량부 정도 함유되는 것이 바람직하다.
상기 출발원료는 분산제를 더 포함할 수도 있다. 상기 분산제는 상업적으로 판매되고 있는 물질을 사용할 수 있으며, 그 사용에 특별한 제한이 있는 것은 아니다. 상기 분산제는 출발원료에 상기 세라믹 원료 100중량부에 대하여 0.1∼25중량부 함유되는 것이 바람직하다.
상기 출발원료를 혼합하여 세라믹 슬러리(ceramic slurry)를 형성한다.
상기 세라믹 슬러리(ceramic slurry)를 폴리머 폼에 딥 코팅(Dipcoating) 한다. 상기 폴리머 폼을 상기 세라믹 슬러리에 완전히 담그고, 진공 분위기에서 딥 코팅을 수행하는 것이 바람직하다. 딥 코팅 후, 폴리머 폼에 함유된 과량의 슬러리를 빼기 위해 외력을 주어 폴리머 폼을 압축했다가 압축을 해제하여 원래의 폴리머 폼 형태로 복귀되게 하고, 이러한 방식에 의해 폴리머 폼에 함유된 일부 슬러리가 폴리머 폼에서 빠져나오게 할 수도 있다.
딥 코팅이 이루어진 폴리머 폼을 건조한다. 상기 건조는 폴리머 폼의 용융 온도보다 낮은 30∼90℃ 정도의 오븐(Oven)에서 수행하는 것이 바람직하다.
딥 코팅이 이루어진 폴리머 폼을 소결한다. 딥 코팅이 이루어진 폴리머 폼을 퍼니스(furnace) 등에 장입하고, 폴리머 폼의 타는 온도보다 높은 제1온도(예컨대, 400∼800℃)까지 승온시킨 후, 소정 시간 동안 유지하여 폴리머(polymer) 성분이 태워져서 제거되게 하며, 소결온도(예컨대, 1100∼1600℃)까지 승온시킨 후, 상기 소결온도에서 소정 시간 동안 유지하여 소결하고, 로냉하여 다공성 세라믹 폼을 얻는다. 상기 세라믹 원료로 알루미나(Al2O3) 분말, 지르코니아(ZrO2) 분말, 코디어라이트(cordierite, 2MgO·2Al2O3·5SiO2) 분말, 뮬라이트(mullite, 3Al2O3·2SiO2) 분말을 사용한 경우에 상기 소결은 공기(air), 산소(O2)와 같은 산화 분위기에서 수행하는 것이 바람직하며, 상기 세라믹 원료로 탄화규소(SiC) 분말을 사용한 경우에는 환원 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 소결온도까지는 1∼50℃/min의 승온속도로 상승시키는 것이 바람직한데, 승온 속도가 너무 느린 경우에는 시간이 오래 걸려 생산성이 떨어지고 승온 속도가 너무 빠른 경우에는 급격한 온도 상승에 의해 열적 스트레스가 가해질 수 있으므로 상기 범위의 승온 속도로 온도를 올리는 것이 바람직하다. 소결 공정을 수행한 후, 퍼니스 온도를 하강시키는데, 상기 퍼니스 냉각은 퍼니스 전원을 차단하여 자연적인 상태로 냉각되게 하거나, 임의적으로 온도 하강률(예컨대, 10℃/min)을 설정하여 냉각되게 할 수도 있다. 퍼니스 온도를 하강시키는 동안에도 퍼니스 내부의 압력은 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.
상기 소결 공정에서 유기물(또는 폴리머) 성분은 태워져 없어지게 되며, 소결은 유기물 성분이 타는 온도보다 높은 온도에서 이루어지므로 소결 공정이 완료되면 유기물 성분은 모두 제거되게 되며, 폴리머가 위치하는 공간은 기공을 이루고 소결공정을 거친 소결체는 다공성을 띠게 된다.
이렇게 제조된 다공성 세라믹 폼은 무수히 많은 기공들을 갖는 다공체로서, 미세먼지가 유입되는 통로 역할을 하는 기공(셀(cell))과, 상기 기공(셀(cell)) 사이에서 다공성 세라믹 폼의 골격(strut)을 이루는 벽체를 포함하며, 제1영역(A)에 비해 상대적으로 큰 크기의 기공들이 분포하는 제2 영역(B)과 동일 또는 유사한 크기의 기공들(제2 크기의 기공들)이 분포한다.
제2 영역(B)에 비해 상대적으로 작은 크기의 기공들(제1 크기의 기공들)이 분포하는 제1 영역(A)을 형성하기 위하여 세라믹 원료, 바인더 및 용매를 포함하는 출발원료를 준비한다. 상기 세라믹 원료는 다공성 세라믹 폼의 주성분인 세라믹과 동일한 재질의 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 세라믹 원료는 알루미나(Al2O3) 분말, 지르코니아(ZrO2) 분말, 코디어라이트(cordierite, 2MgO·2Al2O3·5SiO2) 분말, 뮬라이트(mullite, 3Al2O3·2SiO2) 분말, 탄화규소(SiC) 분말 또는 이들의 혼합분말 등일 수 있다. 제조되는 다공성 세라믹 폼의 기공율, 기공 크기, 강도 등을 고려하여 상기 세라믹 원료는 10㎚∼40㎛, 더욱 바람직하게는 100㎚∼30㎛인 정도의 평균입경을 갖는 분말을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 출발원료는 유리 프릿(Glass frit)을 더 포함할 수 있다. 상기유리 프릿은 상기 출발원료에 상기 세라믹 원료 100중량부에 대하여 0.01∼45중량부, 더욱 바람직하게는 0.1∼40중량부 정도 함유되는 것이 바람직하다. 상기 유리프릿은 소결온도를 낮추고, 다공성 세라믹 폼 자체에 Si를 함유시키는 역할을 역할을 할 뿐만 아니라, 휘스커의 성장성을 향상시키는 역할을 할 수 있다.
상기 용매(solvent)는 증류수 등일 수 있다.
상기 바인더는 폴리비닐알콜(polyvinyl alchol; PVA), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol; PEG) 등을 사용할 수 있다. 상기 바인더는 세라믹 슬러리의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 상기 바인더는 상기 출발원료에 상기 세라믹 원료 100중량부에 대하여 1∼50중량부 정도 함유되는 것이 바람직하다.
상기 출발원료는 분산제를 더 포함할 수도 있다. 상기 분산제는 상업적으로 판매되고 있는 물질을 사용할 수 있으며, 그 사용에 특별한 제한이 있는것은 아니다. 상기 분산제는 출발원료에 상기 세라믹 원료 100중량부에 대하여 0.1∼25중량부 함유되는 것이 바람직하다.
상기 출발원료를 혼합하여 세라믹 슬러리(ceramic slurry)를 형성한다.
상기 세라믹 슬러리(ceramic slurry)를 제2 크기의 기공들이 분포하는 다공성 세라믹 폼에 코팅한다. 상기 코팅은 다공성 세라믹 폼을 세라믹 슬러리에 완전히 담그는 것이 아니라, 코팅하려는 다공성 세라믹 폼의 끝부분(표면 부분)만 담궜다가 빼는 방식으로 선택적으로 실시한다. 이러한 방식으로 코팅하게 되면, 다공성 세라믹 폼 전체가 코팅되는 것이 아니라 코팅하려는 선택 부분만 코팅할 수 있으며, 다공성 세라믹 폼의 표면에서 일정 깊이까지만 슬러리가 코팅되게 되고, 슬러리가 코팅된 부분은 코팅되지 않은 부분보다 작은 크기의 기공들(제1 크기의 기공들)이 분포하게 된다. 슬러리가 코팅되지 않은 부분은 제1 영역(A)에 비해 상대적으로 큰 크기의 기공들(제2 크기의 기공들)을 가지는 다공성 세라믹 폼의 영역(제2 영역)이 되고, 슬러리가 코팅된 부분은 제2 영역(B)에 비해 상대적으로 작은 크기의 기공들(제1 크기의 기공들)을 가지는 다공성 세라믹 폼의 영역(제1 영역)이 되게 된다.
선택적 코팅이 이루어진 다공성 세라믹 폼을 건조한다. 상기 건조는 30∼90℃ 정도의 오븐(Oven)에서 수행하는 것이 바람직하다.
선택적 코팅이 이루어진 다공성 세라믹 폼을 소결한다. 선택적 코팅이 이루어진 다공성 세라믹 폼을 퍼니스(furnace) 등에 장입하고, 폴리머의 타는 온도보다 높은 제1 온도(예컨대, 400∼800℃)까지 승온시킨 후, 소정 시간 동안 유지하여 폴리머(polymer) 성분이 태워져서 제거되게 하며, 소결온도(예컨대, 1000∼1500℃)까지 승온시킨 후, 상기 소결온도에서 소정 시간 동안 유지하여 소결하여 제1 영역(A)과 제2 영역(B)이 형성된 다공성 세라믹 폼을 얻는다. 상기 세라믹 원료로 알루미나(Al2O3) 분말, 지르코니아(ZrO2) 분말, 코디어라이트(cordierite, 2MgO·2Al2O3·5SiO2) 분말, 뮬라이트(mullite, 3Al2O3·2SiO2) 분말을 사용한 경우에 상기 소결은 공기(air), 산소(O2)와 같은 산화 분위기에서 수행하는 것이 바람직하며, 상기 세라믹 원료로 탄화규소(SiC) 분말을 사용한 경우에는 환원 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 소결온도까지는 1∼50℃/min의 승온속도로 상승시키는 것이 바람직한데, 승온 속도가 너무 느린 경우에는 시간이 오래 걸려 생산성이 떨어지고 승온 속도가 너무 빠른 경우에는 급격한 온도 상승에 의해 열적 스트레스가 가해질 수 있으므로 상기 범위의 승온 속도로 온도를 올리는 것이 바람직하다. 소결 공정을 수행한 후, 퍼니스 온도를 하강시키는데, 상기 퍼니스 냉각은 퍼니스 전원을 차단하여 자연적인 상태로 냉각되게 하거나, 임의적으로 온도 하강률(예컨대, 10℃/min)을 설정하여 냉각되게 할 수도 있다. 퍼니스 온도를 하강시키는 동안에도 퍼니스 내부의 압력은 일정하게 유지하는 것이 바람직하다. 상기 소결 공정에서 유기물(또는 폴리머) 성분은 태워져 없어지게 되며, 소결은 유기물 성분이 타는 온도보다 높은 온도에서 이루어지므로 소결 공정이 완료되면 유기물 성분은 모두 제거되게 된다.
이렇게 제조된 다공성 세라믹 폼은 무수히 많은 기공들을 갖는 다공체로서, 미세먼지가 유입되는 통로 역할을 하는 기공(셀(cell))과, 상기 기공(셀(cell)) 사이에서 다공성 세라믹 폼의 골격(strut)을 이루는 벽체를 포함하며, 제1영역(A)에는 제2 영역(B)에 비해 상대적으로 작은 크기의 기공들(제1 크기의 기공들)이 분포하고, 제2 영역(B)에는 제1 영역(A)에 비해 상대적으로 큰 크기의 기공들(제2 크기의 기공들)이 분포한다.
제1 영역(A)과 제2 영역(B)을 포함하는 다공성 세라믹 폼은 다음과 같은 방법으로 제조할 수도 있다. 이하에서, 제1 영역(A)과 제2 영역(B)을 포함하는 다공성 세라믹 폼을 제조하는 다른 예를 설명한다.
제1 영역(A)과 제2 영역(B)을 포함하는 다공성 세라믹 폼를 제조하기 위하여 기판(substrate)으로 다공성의 폴리머 폼(polymer foam)(예컨대, 폴리우레탄 폼(polyurethane foam)) 2개를 사용한다. 2개의 폴리머 폼(제1 폴리머 폼과 제2 폴리머 폼)은 서로 다른 기공 크기(PPI; Pore per inch)를 갖는 것을 사용하는데, 예컨대 제1 폴리머 폼의 평균 기공 크기는 제2 폴리머 폼의 평균 기공 크기보다 작은 것을 사용한다. 상기 제1 및 제2 폴리머 폼은 스펀지(sponge)와 같이 탄성이 있는 다공성 물질이다. 상기 폴리머 폼의 기공율, 기공 크기 등은 이후 제조되는 다공성 세라믹 폼의 기공율, 기공 크기 등에 영향을 미친다. 제작될 시편의 사이즈(size)에 맞게 제1 및 제2 폴리머 폼(polymer foam)을 자른 후 초음파 세척 등을 통해 세척하고 건조한다. 상기 건조는 폴리머 폼의 용융 온도보다 낮은 30∼90℃ 정도의 오븐(Oven)에서 수행하는 것이 바람직하다.
세라믹 원료, 바인더 및 용매를 포함하는 출발원료를 준비한다.
상기 세라믹 원료는 제작할 다공성 세라믹 폼(세라믹 다공체)의 주소재이다. 상기 세라믹 원료는 알루미나(Al2O3) 분말, 지르코니아(ZrO2) 분말, 코디어라이트(cordierite,2MgO·2Al2O3·5SiO2) 분말, 뮬라이트(mullite, 3Al2O3·2SiO2) 분말, 탄화규소(SiC)분말 또는 이들의 혼합분말 등일 수 있다. 제조되는 다공성 세라믹 폼의 기공율, 기공 크기, 강도 등을 고려하여 상기 세라믹 원료는 10㎚∼40㎛, 더욱 바람직하게는 100㎚∼30㎛인 정도의 평균입경을 갖는 분말을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 출발원료는 유리 프릿(Glass frit)을 더 포함할 수 있다. 상기 유리 프릿은 상기 출발원료에 상기 세라믹 원료 100중량부에 대하여 0.01∼45중량부, 더욱 바람직하게는 0.1∼40중량부 정도 함유되는 것이 바람직하다. 상기 유리프릿은 소결온도를 낮추고, 다공성 세라믹 폼 자체에 Si를 함유시키는 역할을 역할을 할 뿐만 아니라, 휘스커의 성장성을 향상시키는 역할을 할 수 있다.
상기 용매(solvent)는 증류수 등일 수 있다.
상기 바인더는 폴리비닐알콜(polyvinyl alchol; PVA), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol; PEG) 등을 사용할 수 있다. 상기 바인더는 세라믹 슬러리의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 상기 바인더는 상기 출발원료에 상기 세라믹 원료 100중량부에 대하여 1∼50중량부 정도 함유되는 것이 바람직하다.
상기 출발원료는 분산제를 더 포함할 수도 있다. 상기 분산제는 상업적으로 판매되고 있는 물질을 사용할 수 있으며, 그 사용에 특별한 제한이 있는 것은 아니다. 상기 분산제는 출발원료에 상기 세라믹 원료 100중량부에 대하여 0.1∼25중량부 함유되는 것이 바람직하다.
상기 출발원료를 혼합하여 세라믹 슬러리(ceramic slurry)를 형성한다.
상기 세라믹 슬러리(ceramic slurry)를 제1 및 제2 폴리머 폼에 딥코팅(Dip coating) 한다. 상기 제1 및 제2 폴리머 폼을 상기 세라믹 슬러리에 완전히 담그고, 진공 분위기에서 딥 코팅을 수행하는 것이 바람직하다. 딥 코팅 후, 제1 및 제2 폴리머 폼에 함유된 과량의 슬러리를 빼기 위해 외력을 주어 제1 및 제2폴리머 폼을 압축했다가 압축을 해제하여 원래의 폴리머 폼 형태로 복귀되게 하고, 이러한 방식에 의해 제1 및 제2 폴리머 폼에 함유된 일부 슬러리가 제1 및 제2 폴리머 폼에서 빠져나오게 할 수도 있다.
딥 코팅이 이루어진 제1 폴리머 폼과 딥 코팅이 이루어진 제2 폴리머 폼을 겹치고, 겹친 상태에서 건조한다. 상기 건조는 제1 및 제2 폴리머 폼의 용융 온도보다 낮은 30∼90℃ 정도의 오븐(Oven)에서 수행하는 것이 바람직하다.
제1 폴리머 폼과 제2 폴리머 폼이 겹쳐져서 건조된 결과물을 소결한다. 제1 폴리머 폼과 제2 폴리머 폼이 겹쳐져서 건조된 결과물을 퍼니스(furnace)에 장입하고, 제1 및 제2 폴리머 폼의 타는 온도보다 높은 제1 온도(예컨대, 400∼800℃)까지 승온시킨 후, 소정 시간 동안 유지하여 폴리머(polymer) 성분이 태워져서 제거되게 하며, 소결온도(예컨대, 1100∼1600℃)까지 승온시킨 후, 상기 소결온도에서 소정 시간 동안 유지하여 소결하고, 로냉하여 제1 영역(A) 및 제2 영역(B)이 형성된 다공성 세라믹 폼을 얻는다. 상기 세라믹 원료로 알루미나(Al2O3) 분말, 지르코니아(ZrO2) 분말, 코디어라이트(cordierite, 2MgO·2Al2O3·5SiO2) 분말, 뮬라이트(mullite, 3Al2O3· 2SiO2) 분말을 사용한 경우에 상기 소결은 공기(air), 산소(O2)와 같은 산화 분위기에서 수행하는 것이 바람직하며, 상기 세라믹 원료로 탄화규소(SiC) 분말을 사용한 경우에는 환원 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 소결온도까지는 1∼50℃/min의 승온속도로 상승시키는 것이 바람직한데, 승온 속도가 너무 느린 경우에는 시간이 오래 걸려 생산성이 떨어지고 승온 속도가 너무 빠른 경우에는 급격한 온도 상승에 의해 열적 스트레스가 가해질 수 있으므로 상기 범위의 승온 속도로 온도를 올리는 것이 바람직하다. 소결 공정을 수행한 후, 퍼니스 온도를 하강시키는데, 상기 퍼니스 냉각은 퍼니스 전원을 차단하여 자연적인 상태로 냉각되게 하거나, 임의적으로 온도 하강률(예컨대, 10℃/min)을 설정하여 냉각되게 할 수도 있다. 퍼니스 온도를 하강시키는 동안에도 퍼니스 내부의 압력은 일정하게 유지하는 것이 바람직하다. 상기 소결 공정에서 유기물(또는 폴리머) 성분은 태워져 없어지게 되며, 소결은 유기물 성분이 타는 온도보다 높은 온도에서 이루어지므로 소결공정이 완료되면 유기물 성분은 모두 제거되게 되며, 폴리머가 위치하는 공간은 기공을 이루고 소결 공정을 거친 소결체는 다공성을 띠게 된다.
세라믹 슬러리가 코팅된 제1 폴리머 폼과 제2 폴리머 폼이 겹쳐져서 소결되게 되면 하나의 몸체로 이루어진 다공성 세라믹 폼이 형성되게 된다. 제1 폴리머 폼과 제2 폴리머 폼은 서로 다른 기공 크기(PPI; Pore per inch)를 갖는 것을 사용하는데, 제1 폴리머 폼이 위치하던 영역과 제2 폴리머 폼이 위치하던 영역은 서로 다른 기공 크기를 갖게 되며, 이에 따라 제2 영역에 비해 상대적으로 작은 크기의 기공들(제1 크기의 기공들)을 가지는 영역(제1 영역)과 제1 영역에 비해 상대적으로 큰 크기의 기공들(제2 크기의 기공들)을 가지는 영역(제2 영역)이 구분된 다공성 세라믹 폼을 얻을 수가 있다.
이렇게 제조된 다공성 세라믹 폼은 무수히 많은 기공들을 갖는 다공체로서, 미세먼지가 유입되는 통로 역할을 하는 기공(셀(cell))과, 상기 기공(셀(cell)) 사이에서 다공성 세라믹 폼의 골격(strut)을 이루는 벽체를 포함하며, 제1영역(A)에는 제2 영역(B)에 비해 상대적으로 작은 크기의 기공들(제1 크기의 기공들)이 분포하고, 제2 영역(B)에는 제1 영역(A)에 비해 상대적으로 큰 크기의 기공들(제2 크기의 기공들)이 분포한다.
제2 영역에 비해 상대적으로 작은 크기의 기공들(제1 크기의 기공들)을 가지는 영역(제1 영역)과 제1 영역에 비해 상대적으로 큰 크기의 기공들(제2 크기의 기공들)을 가지는 영역(제2 영역)이 구분된 다공성 세라믹 폼에도 휘스커가 형성되어 있을 수 있다. 더욱 구체적으로, 다공성 세라믹 폼의 제1 영역(A)은 미세먼지가 유입되는 통로 역할을 하는 기공(셀(cell))과, 상기 기공(셀(cell)) 사이에서 다공성 세라믹 폼의 골격(strut)을 이루는 벽체를 포함하며, 다수의 휘스커가 상기 벽체의 표면에서 기공(셀(cell))을 향해 돌출되어 있을 수 있고, 다공성 세라믹 폼의 제2 영역(B)도 미세먼지가 유입되는 통로 역할을 하는 기공(셀(cell))과, 상기 기공(셀(cell)) 사이에서 다공성 세라믹 폼의 골격(strut)을 이루는 벽체를 포함하며, 다수의 휘스커가 상기 벽체의 표면에서 기공(셀(cell))을 향해 돌출되어 있을 수 있으며, 다공성 세라믹 폼의 제1 영역(A)에 형성된 기공들은 다공성 세라믹 폼의 제2 영역(B)에 형성된 기공들에 비하여 그 크기가 상대적을 작게 분포한다.
상기 휘스커는 뮬라이트(mullite, 3Al2O3·2SiO2), ZnO, TiO2 및 탄화규소(SiC)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 침상형 세라믹 재질로 이루어질 수 있다. 다수의 휘스커가 벽체의 표면에서 기공(셀(cell))을 향해 돌출되어 있으며, 이에 따라 미세먼지의 필터링 효과를 극대화할 수가 있다. 상기 휘스커는 필터링시의 차압이 높아지는 것을 억제하면서 미세먼지를 효과적으로 포집하는 역할을 한다.
다공성 세라믹 폼 표면에 휘스커를 형성하는 방법은 실시예 1에서 설명한 방법과 동일하므로 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다.
이하에서, 본 발명에 따른 실험예들을 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예들에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실험예 1>
다공성 세라믹 폼을 제작하기 위하여 기판(substrate)으로 다공성의 폴리머 폼(polymer foam)(더욱 구체적으로는 폴리우레탄 폼(polyurethane foam))을 사용하였다. 상기 폴리머 폼은 스펀지(sponge)와 같이 탄성이 있는 다공성 물질이다. 제작될 시편의 사이즈(size)에 맞게 폴리머 폼(polymer foam)을 자른 후 초음파 세척을 통해 세척한 후, 오븐(Oven)에서 70℃에서 24시간 동안 건조하였다.
도 8은 실험예 1에서 폴리머 폼으로 사용된 폴리우레탄 폼을 보여주는 사진이다. 도 10을 참조하면, 폴리우레탄 폼은 다공성의 스펀지 형상을 띠고 있는 것을 볼 수 있다.
용질과 용매를 준비하고, 용질(solute)과 용매(solvent)의 비는 50:50의 중량비로 측량하였다. 상기 용질은 알루미나 분말(Alumina powder)과 유리 프릿(Glass frit)를 사용하였다. 알루미나 분말(Alumina powder)과 유리 프릿(Glass frit)은 47.5:2.5의 중량비로 사용하였다. 상기 알루미나 분말은 제작할 다공성 세라믹 폼(세라믹 다공체)의 주 소재이고, 상기 유리 프릿은 소결온도를 낮추고, 다공성 세라믹 폼 자체에 Si를 함유시키는 역할을 역할을 할 뿐만 아니라, 뮬라이트(Mullite)의 성장성을 향상시키는 역할을 할 수 있다. 상기 용매(solvent)는 증류수를 사용하였다.
비커에 용매인 증류수를 넣은 후 마그네틱바를 이용하여 교반(stirring) 하면서 분산제(Dispersant)(BYK-111)를 상기 용질 100중량부에 대하여 1중량부 첨가하였다. 분산제 투입 후 30분 동안 교반한 후, 주재료인 알루미나 분말을 용매에 투입하고 1시간 동안 교반하였다. 알루미나 분말이 분산된 용매에 유리 프릿을 첨가하고 1시간 동안 교반한 다음, 바인더인 PVA(Polyvinyl alcohol) 용액(PVA solution)을 상기 용질 100중량부에 대하여 5중량부 첨가하고 1시간 동안 교반하여 세라믹 슬러리(ceramic slurry)를 형성하였다. 상기 PVA 용액은 분자량이 89000~99000 정도인 PVA(Polyvinyl alcohol)가 증류수에 10wt% 용해된 용액을 사용하였다. 상기 PVA 용액은 세라믹 슬러리의 접착력을 향상시키는 역할을 한다.
상기 세라믹 슬러리(ceramic slurry)를 폴리머 폼에 딥 코팅(Dip coating) 하였다. 폴리머 폼을 세라믹 슬러리에 완전히 담그고, 진공 분위기에서 5분 동안 딥 코팅을 수행하였다. 딥 코팅 후, 폴리머 폼에 함유된 과량의 슬러리를 빼기 위해 외력을 주어 폴리머 폼 두께의 2/3 이하로 압축했다가 압축을 해제하여 원래의 폴리머 폼 형태로 복귀되게 하였으며, 이러한 방식에 의해 폴리머 폼에 함유된 일부 슬러리가 폴리머 폼에서 빠져나오게 하였다.
딥 코팅이 이루어진 폴리머 폼을 오븐에서 80℃의 온도로 3시간 동안 건조하였다. 도 13은 폴리머 폼에 세라믹 슬러리가 딥 코팅되어 건조된 모습을 보여주는 사진이다.
딥 코팅이 이루어진 폴리머 폼을 소결하였다. 폴리머 폼을 퍼니스(furnace)에 장입하고, 분당 5℃의 속도로 550℃까지 승온시킨 후, 550℃에서 1시간 동안 유지하여 폴리머(polymer) 성분이 태워져서 제거되게 하였으며, 분당 5℃의 속도로 1450℃까지 승온시킨 후, 1450℃에서 3시간 동안 유지하여 소결하였으며, 이후 로냉하여 다공성 세라믹 폼을 얻었다. 상기 소결은 공기(air)분위기에서 수행하였다. 이렇게 제조된 다공성 세라믹 폼을 도 14에 나타내었다.
도 11a 내지 도 11c는 실험예 1에 따라 제조된 다공성 세라믹 폼의 미세구조를 보여주는 주사전자현미경(SEM; scanning electron microscope) 사진이다.
도 9a 내지 도 9c를 참조하면, 다공성 세라믹 폼은 무수히 많은 기공들을 갖는 다공체임을 확인할 수 있다.
<실험예 2>
실험예 1에 따라 제조된 다공성 세라믹 폼을 에탄올에 담궈서 초음파 세척한 후, 오븐에서 75℃의 온도로 24시간 동안 건조하였다.
용질과 용매를 준비하고, 용질(solute)과 용매(solvent)의 비는 34.66:65.34의 중량비로 측량하였다. 상기 용질은 뮬라이트 분말(Mullite powder), AlF3 분말 및 실리카 졸을 사용하였다. 상기 뮬라이트 분말(Mullite powder), 상기 AlF3 분말 및 상기 실리카 졸은 13.33:13.33:8의 중량비로 사용하였다. 상기 뮬라이트 분말은 뮬라이트 결정 성장의 씨드(seed) 역할을 하고, 상기 AlF3 분말은 Al과 F이온의 소스(source) 역할을 하며, 상기 실리카 졸은 Si 이온의 소스 역할을 한다. 상기 용매(solvent)는 증류수를 사용하였다.
비커에 용매인 증류수를 넣은 후 마그네틱바를 이용하여 교반(stirring) 하면서 분산제(Dispersant)(BYK-111)를 상기 용질 100중량부에 대하여 1중량부 첨가하였다. 분산제 투입 후 1시간 동안 교반한 후, 실리카 졸(Silica sol)을 천천히 첨가하고 30분 동안 교반하였다. 실리카 졸이 첨가된 용매에 AlF3 분말을 첨가하고 1시간 동안 교반하였다. AlF3 분말이 첨가된 용매에 뮬라이트 분말(Mullite powder)를 첨가하고 1시간 동안 교반하였다. 뮬라이트 분말이 첨가된 용매에 증점제인 CMC(Carboxylic methyl cellulose) 용액을 상기 용질 100중량부에 대하여 5중량부 첨가하고 30분 동안 교반한 후, 바인더인 PVA 용액을 상기 용질100중량부에 대하여 5중량부 첨가하고 1시간 동안 교반하여 세라믹 슬러리를 형성하였다. 상기 CMC 용액은 CMC(Carboxylic methyl cellulose)가 증류수에 0.1wt% 용해된 용액을 사용하였다. 상기 CMC 용액은 코팅액의 점도를 높여 침전속도를 감소시키는 역할을 한다. 상기 PVA 용액은 분자량이 89000~99000 정도인 PVA(Polyvinylalcohol)가 증류수에 10wt% 용해된 용액을 사용하였다. 상기 PVA 용액은 세라믹 슬러리의 접착력을 향상시키는 역할을 한다.
상기 세라믹 슬러리(ceramic slurry)를 실험예 1에 따라 제조된 다공성 세라믹 폼에 딥 코팅(Dip coating) 하였다. 다공성 세라믹 폼을 세라믹 슬러리에 완전히 담그고, 진공 분위기에서 5분 동안 딥 코팅을 수행하였다.
딥 코팅이 이루어진 다공성 세라믹 폼을 오븐에서 80℃의 온도로 3시간 동안 건조하였다.
딥 코팅이 이루어진 다공성 세라믹 폼을 소결하였다. 다공성 세라믹 폼을 퍼니스(furnace)에 장입하고, 분당 5℃의 속도로 1400℃까지 승온시킨 후, 1400℃에서 3시간 동안 유지하여 소결하였으며, 이후 로냉하여 휘스커가 형성된 다공성 세라믹 폼을 얻었다. 상기 소결은 공기(air) 분위기에서 수행하였다. 실험예 2에 따라 휘스커가 형성된 다공성 세라믹 폼을 도 12에 나타내었다.
도 13a 내지 도 13d는 실험예 2에 따라 휘스커가 형성된 다공성 세라믹 폼의 미세구조를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 13 내지 도 14를 참조하면, 다공성 세라믹 폼은 무수히 많은 기공들을 갖는 다공성체임을 확인할 수 있다. 또한, 다공성 세라믹 폼에 휘스커가 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.
<실험예 3>
실험예 1에 따라 제조된 다공성 세라믹 폼을 에탄올에 담궈서 초음파 세척한 후, 오븐에서 75℃의 온도로 24시간 동안 건조하였다.
용질과 용매를 준비하고, 용질(solute)과 용매(solvent)의 비는 20:80의 중량비로 측량하였다. 상기 용질은 상기 다공성 세라믹 폼의 주성분인 알루미나와 동일한 재질인 알루미나 분말을 사용하였다.
비커에 용매인 증류수를 넣은 후 마그네틱바를 이용하여 교반(stirring) 하면서 분산제(Dispersant)(Darvan C)를 상기 용질 100중량부에 대하여 10중량부 첨가하였다. 분산제 투입 후 1시간 동안 교반한 후, 알루미나 분말을 첨가하고 1시간 동안 교반하였다. 알루미나 분말이 첨가된 용매에 바인더인 PVA 용액을 상기 용질 100중량부에 대하여 50중량부 첨가하고 1시간 동안 교반하여 세라믹 슬러리를 형성하였다. 상기 PVA 용액은 분자량이 89000~99000 정도인 PVA(Polyvinyl alcohol)가 증류수에 10wt% 용해된 용액을 사용하였다. 상기 PVA 용액은 세라믹 슬러리의 접착력을 향상시키는 역할을 한다.
상기 세라믹 슬러리(ceramic slurry)를 실험예 1에 따라 제조된 다공성 세라믹 폼 표면에 코팅 하였다. 상기 코팅은 다공성 세라믹 폼을 세라믹 슬러리에 완전히 담그는 것이 아니라, 코팅하려는 다공성 세라믹 폼의 끝부분(표면)만 담궜다가 빼는 방식으로 선택적으로 실시하였다. 이러한 방식으로 코팅하게 되면, 다공성 세라믹 폼 전체가 코팅되는 것이 아니라 코팅하려는 선택 부분만 코팅할 수 있으며, 다공성 세라믹 폼의 표면에서 일정 깊이까지만 슬러리가 코팅되게 되고, 슬러리가 코팅된 부분은 코팅되지 않은 부분보다 상대적으로 작은 크기의 기공들 (제1 크기의 기공들)이 분포하게 된다. 슬러리가 코팅되지 않은 부분은 상대적으로 큰 크기의 기공들(제2 크기의 기공들)을 가지는 다공성 세라믹 폼의 영역(제2영역)이 되고, 슬러리가 코팅된 부분은 상대적으로 작은 크기의 기공들(제1 크기의 기공들)을 가지는 다공성 세라믹 폼의 영역(제1 영역)이 되게 된다.
선택적 코팅이 이루어진 다공성 세라믹 폼을 오븐에서 80℃의 온도로 3시간 동안 건조하였다.
선택적 코팅이 이루어진 다공성 세라믹 폼을 소결하였다. 선택적 코팅이 이루어진 다공성 세라믹 폼을 퍼니스(furnace)에 장입하고, 분당 5℃의 속도로 550℃까지 승온시킨 후, 550℃에서 1시간 동안 유지하여 폴리머(polymer) 성분이 태워져서 제거되게 하였으며, 분당 5℃의 속도로 1250℃까지 승온시킨 후, 1250℃에서 3시간 동안 유지하여 소결하였으며, 이후 로냉하여 다공성 세라믹 폼을 얻었다. 상기 소결은 공기(air) 분위기에서 수행하였다.
이렇게 제조된 다공성 세라믹 폼은 제2 영역(B)에 비해 상대적으로 작은 크기의 기공들(제1 크기의 기공들)을 가지는 제1 영역(A)과 제1 영역(A)에 비해 상대적으로 큰 크기의 기공들(제2 크기의 기공들)을 가지는 제2 영역(B)을 포함한다.
<실험예 4>
제1 영역(A)과 제2 영역(B)을 포함하는 다공성 세라믹 폼을 제작하기 위하여 기판(substrate)으로 다공성의 폴리머 폼(polymer foam)(더욱 구체적으로는 폴리우레탄 폼(polyurethane foam)) 2개를 사용하였다. 2개의 폴리머 폼(제1폴리머 폼과 제2 폴리머 폼)은 서로 다른 기공 크기(PPI; Pore per inch)를 갖는 것을 사용하였는데, 예컨대 제1 폴리머 폼의 평균 기공 크기는 제2 폴리머 폼의 평균 기공 크기보다 작은 것을 사용하였다. 상기 제1 및 제2 폴리머 폼은 스펀지(sponge)와 같이 탄성이 있는 다공성 물질이다. 제작될 시편의 사이즈(size)에 맞게 제1 및 제2 폴리머 폼(polymer foam)을 자른 후 초음파 세척을 통해 세척한 후 오븐(Oven)에서 70℃에서 24시간 동안 건조하였다.
용질과 용매를 준비하고, 용질(solute)과 용매(solvent)의 비는 50:50의 중량비로 측량하였다. 상기 용질은 알루미나 분말(Alumina powder)과 유리프릿(Glass frit)를 사용하였다. 알루미나 분말(Alumina powder)과 유리 프릿(Glass frit)은 47.5:2.5의 중량비로 사용하였다. 상기 알루미나 분말은 제작할 다공성 세라믹 폼(세라믹 다공체)의 주 소재이고, 상기 유리 프릿은 소결온도를 낮추고, 다공성 세라믹 폼 자체에 Si를 함유시키는 역할을 역할을 할 뿐만 아니라, 뮬라이트(Mullite)의 성장성을 향상시키는 역할을 할 수 있다. 상기 용매(solvent)는 증류수를 사용하였다.
비커에 용매인 증류수를 넣은 후 마그네틱바를 이용하여 교반(stirring) 하면서 분산제(Dispersant)(BYK-111)를 상기 용질 100중량부에 대하여 중량부 첨가하였다. 분산제 투입 후 30분 동안 교반한 후, 주재료인 알루미나 분말을 용매에 투입하고 1시간 동안 교반하였다. 알루미나 분말이 분산된 용매에 유리 프릿을 첨가하고 1시간 동안 교반한 다음, 바인더인 PVA(Polyvinyl alcohol) 용액(PVA solution)을 상기 용질 100중량부에 대하여 5중량부 첨가하고 1시간 동안 교반하여 세라믹 슬러리(ceramic slurry)를 형성하였다. 상기 PVA 용액은 분자량이 89000~99000 정도인 PVA(Polyvinyl alcohol)가 증류수에 10wt% 용해된 용액을 사용하였다. 상기 PVA 용액은 세라믹 슬러리의 접착력을 향상시키는 역할을 한다.
상기 세라믹 슬러리(ceramic slurry)를 제1 및 제2 폴리머 폼에 딥 코팅(Dip coating) 하였다. 제1 및 제2 폴리머 폼을 세라믹 슬러리에 완전히 담그고, 진공 분위기에서 5분 동안 딥 코팅을 수행하였다. 딥 코팅 후, 제1 및 제2 폴리머 폼에 함유된 과량의 슬러리를 빼기 위해 외력을 주어 제1 및 제2 폴리머 폼 두께의 2/3 이하로 압축했다가 압축을 해제하여 원래의 폴리머 폼 형태로 복귀되게 하였으며, 이러한 방식에 의해 제1 및 제2 폴리머 폼에 함유된 일부 슬러리가 제1 및 제2 폴리머 폼에서 빠져나오게 하였다.
딥 코팅이 이루어진 제1 폴리머 폼과 딥 코팅이 이루어진 제2 폴리머 폼을 겹치고, 겹친 상태에서 오븐에서 80℃의 온도로 3시간 동안 건조하였다.
제1 폴리머 폼과 제2 폴리머 폼이 겹쳐져서 건조된 결과물을 소결하였다. 제1 폴리머 폼과 제2 폴리머 폼이 겹쳐져서 건조된 결과물을 퍼니스(furnace)에 장입하고, 분당 5℃의 속도로 550℃까지 승온시킨 후, 550℃에서 1시간 동안 유지하여 폴리머(polymer) 성분이 태워져서 제거되게 하였으며, 분당 5℃의 속도로 1450℃까지 승온시킨 후, 1450℃에서 3시간 동안 유지하여 소결하였으며, 이후 로냉하여 다공성 세라믹 폼을 얻었다. 상기 소결은 공기(air)분위기에서 수행하였다. 세라믹 슬러리가 코팅된 제1 폴리머 폼과 제2 폴리머 폼이 겹쳐져서 소결되게 되면 하나의 몸체로 이루어진 다공성 세라믹 폼이 형성되게 된다. 제1 폴리머 폼과 제2 폴리머 폼은 서로 다른 기공 크기(PPI; Pore per inch)를 갖는 것을 사용하였는데, 제1 폴리머 폼이 위치하던 영역과 제2 폴리머 폼이 위치하던 영역은 서로 다른 기공 크기를 갖게 되며, 이에 따라 제2 영역에 비해 상대적으로 작은 크기의 기공들(제1 크기의 기공들)을 가지는 영역(제1 영역)과 제1 영역에 비해 상대적으로 큰 크기의 기공들(제2 크기의 기공들)을 가지는 영역(제2영역)이 구분된 다공성 세라믹 폼을 얻을 수가 있다.
<실험예 5>
실험예 1에 따라 제조된 다공성 세라믹 폼을 에탄올에 담궈서 초음파 세척한 후, 오븐에서 75℃의 온도로 24시간 동안 건조하였다.
비커에 용매인 에탄올을 넣은 후 질산아연 6수화물을 첨가하고 1시간 동안 교반하여 씨드 용액(seed solution)을 형성하였다. 질산아연 6수화물과 에탄올이 6:94의 중량비를 이루도록 상기 질산아연 6수화물을 첨가하였다. 상기 질산아연 6수화물(zinc nitrate hexahydrate; Zn(NO3)2·6H2O)은 Zn의 소스(source) 역할을 한다.
상기 씨드 용액을 실험예 1에 따라 제조된 폴리머 폼에 딥 코팅(Dip coating) 하였다. 다공성 세라믹 폼을 씨드 용액에 완전히 담그고, 진공 분위기에서 20분 동안 딥 코팅을 수행하였다.
딥 코팅이 이루어진 다공성 세라믹 폼을 오븐에서 200℃의 온도로 3시간 동안 어닐링(annealing)을 수행하였다. 상기 어닐링에 의해 씨드 용액이 다공성 세라믹 폼에 잘 접착될 수가 있다.
비커에 용매인 에탄올을 넣은 후 질산아연 6수화물과 헥사메틸렌테트라민(Hexamethylenetetramine) 분말을 첨가하고, 여기에 PVA 용액을 첨가한 후 1시간 동안 교반하여 성장 용액(growth solution)을 형성하였다. 질산아연 6수화물, 헥사메틸렌테트라민 분말 및 에탄올이 0.004:0.002:99.994의 중량비를 이루도록 상기 질산아연 6수화물과 헥사메틸렌테트라민 분말을 첨가하였다. 상기 질산아연 6수화물(zinc nitrate hexahydrate)은 Zn의 소스(source) 역할을 하고, 상기 헥사메틸렌테트라민 분말은 Al과 F의 소스 역할을 한다. 상기 PVA 용액은 분자량이 89000~99000 정도인 PVA(Polyvinyl alcohol)가 증류수에 10wt% 용해된 용액을 사용하였다. 상기 PVA 용액은 성장 용액의 접착력을 향상시키는 역할을 한다.
상기 성장 용액에 어닐링이 이루어진 다공성 세라믹 폼을 담그어서 코팅하였다. 상기 성장 용액의 온도를 95℃가 되게 하고 다공성 세라믹 폼을 24시간 동안 담그어서 코팅하였다.
성장 용액으로 코팅된 다공성 세라믹 폼을 증류수가 담긴 비이커에 담고 천천히 흔들어서 세척하였다.
세척된 다공성 세라믹 폼을 소결하였다. 다공성 세라믹 폼을 퍼니스(furnace)에 장입하고, 분당 5℃의 속도로 1200℃까지 승온시킨 후, 1200℃에서 1시간 동안 유지하여 소결하였으며, 이후 로냉하여 ZnO 재질의 휘스커가 형성된 다공성 세라믹 폼을 얻었다. 상기 소결은 공기(air) 분위기에서 수행하였다.
<실험예 6>
다공성 세라믹 폼을 제작하기 위하여 기판(substrate)으로 다공성의 폴리머 폼(polymer foam)(더욱 구체적으로는 폴리우레탄 폼(polyurethane foam))을 사용하였다. 상기 폴리머 폼은 스펀지(sponge)와 같이 탄성이 있는 다공성 물질이다. 제작될 시편의 사이즈(size)에 맞게 폴리머 폼(polymer foam)을 자른 후 초음파 세척을 통해 세척한 후, 오븐(Oven)에서 70℃에서 24시간 동안 건조하였다.
용질과 용매를 준비하고, 용질(solute)과 용매(solvent)의 비는 50:50의 중량비로 측량하였다. 상기 용질은 실리콘 카바이드 분말(Silicon carbide powder)과 유리 프릿(Glass frit)를 사용하였다. 실리콘 카바이드 분말과 유리 프릿(Glass frit)은 47.5:2.5의 중량비로 사용하였다. 상기 실리콘 카바이드 분말은 제작할 다공성 세라믹 폼(세라믹 다공체)의 주 소재이고, 상기 유리 프릿은 소결온도를 낮추고, 다공성 세라믹 폼 자체에 Si를 함유시키는 역할을 역할을 할 뿐만 아니라, SiC의 성장성을 향상시키는 역할을 할 수 있다. 상기 용매(solvent)는 증류수를 사용하였다.
비커에 용매인 증류수를 넣은 후 마그네틱바를 이용하여 교반(stirring) 하면서 분산제(Dispersant)(BYK-111)를 상기 용질 100중량부에 대하여 1중량부 첨가하였다. 분산제 투입 후 30분 동안 교반한 후, 주재료인 실리콘 카바이드 분말을 용매에 투입하고 1시간 동안 교반하였다. 실리콘 카바이드 분말이 분산된 용매에 유리 프릿을 첨가하고 1시간 동안 교반한 다음, 바인더인 PVA(Polyvinyl alcohol) 용액(PVA solution)을 상기 용질 100중량부에 대하여 5중량부 첨가하고 1시간 동안 교반하여 세라믹 슬러리(ceramic slurry)를 형성하였다.
상기 PVA 용액은 분자량이 89000~99000 정도인 PVA(Polyvinyl alcohol)가 증류수에 10wt% 용해된 용액을 사용하였다. 상기 PVA 용액은 세라믹 슬러리의 접착력을 향상시키는 역할을 한다.
상기 세라믹 슬러리(ceramic slurry)를 폴리머 폼에 딥 코팅(Dip coating) 하였다. 폴리머 폼을 세라믹 슬러리에 완전히 담그고, 진공 분위기에서 5분 동안 딥 코팅을 수행하였다. 딥 코팅 후, 폴리머 폼에 함유된 과량의 슬러리를 빼기 위해 외력을 주어 폴리머 폼 두께의 2/3 이하로 압축했다가 압축을 해제하여 원래의 폴리머 폼 형태로 복귀되게 하였으며, 이러한 방식에 의해 폴리머 폼에 함유된 일부 슬러리가 폴리머 폼에서 빠져나오게 하였다.
딥 코팅이 이루어진 폴리머 폼을 오븐에서 80℃의 온도로 3시간 동안 건조하였다.
딥 코팅이 이루어진 폴리머 폼을 소결하였다. 폴리머 폼을 퍼니스(furnace)에 장입하고, 분당 5℃의 속도로 550℃까지 승온시킨 후, 550℃에서 1시간 동안 유지하여 폴리머(polymer) 성분이 태워져서 제거되게 하였으며, 분당 5℃의 속도로 1450℃까지 승온시킨 후, 1450℃에서 3시간 동안 유지하여 소결하였으며, 이후 로냉하여 다공성 세라믹 폼을 얻었다. 상기 소결은 환원 분위기에서 수행하였다.
이렇게 제조된 다공성 세라믹 폼을 에탄올에 담궈서 초음파 세척한 후, 오븐에서 75℃의 온도로 24시간 동안 건조하였다.
건조된 다공성 세라믹 폼을 튜브로 중앙에 넣고 튜브로의 입구에는 휘스커(whisker) 성장의 소스로 사용될 실리카 분말(Silica powder)과 카본 분말(Carbon powder)을 알루미나 플레이트 위에 장착하였다. 상기 실리카 분말과 상기 카본 분말은 1:1.6의 중량비를 이루게 하였다. 캐리어 가스(Carrier gas)로 아르곤(Ar)을 사용하며, 캐리어 가스의 유량은 0.2L/min을 하였다. 반응온도는 1450℃로 하여 4시간 동안 실시하여 SiC 휘스커가 성장되게 하였다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당 분야에서 통상의 지식을 가진자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
10: 로터(rotor)
20: 브레이크 패드
30: 브레이크 캘리퍼
110: 제1 컬렉터
120: 제2 컬렉터
130: 상부 컬렉터
140: 리브
150: 채널
155: 유입구
160: 제1 컬렉터 커버
170: 제2 컬렉터 커버
180: 상부 컬렉터 커버

Claims (5)

  1. 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 코디어라이트(cordierite, 2MgO·2Al2O3·5SiO2), 뮬라이트(mullite, 3Al2O3·2SiO2), 탄화규소(SiC) 또는 이들의 혼합물과 같이 내열성을 갖는 다공성 세라믹 폼으로,
    상기 다공성 기공을 향해 돌출되어 형성된 다수의 휘스커가 벽체의 표면에 형성되어 있으며, 상기 휘스커는 뮬라이트(mullite, 3Al2O3·2SiO2), ZnO, TiO2 및 탄화규소(SiC)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 침상형 세라믹 재질을 포함하는 다공성 세라믹 폼.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기공의 기공율이 40∼90%,인 다공성 세라믹 폼.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기공(셀) 크기는 50㎛∼2㎜ 정도인 다공성 세라믹 폼.
  4. 제1항에 있어서,
    표면에 물방울이 맺히는 것을 억제하기 위하여 소수성(hydrophobic) 코팅막이 형성된 다공성 세라믹 폼.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 소수성 코팅막은 10㎚∼2㎛ 인 다공성 세라믹 폼.
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