KR101456257B1 - 바탕층의 부가에 의해 향상된 결합력을 가지는 다공성세라믹 필터의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 세라믹 세그먼트 다수 개를 상호 접합시켜 다공성 세라믹 필터를 제조하는 방법으로서, 세라믹 세그먼트의 표면에 바탕재를 도포 및 건조하여 층("바탕층")을 형성하고, 상기 바탕층 상에 접합재를 도포 및 건조하여 층("접합층")을 형성한 후 세그먼트들을 접합시키며, 상기 바탕재는 세그먼트 표면 기공보다 큰 입경을 가진 세라믹 분말(a)과 세그먼트 표면 기공보다 작은 입경을 가진 세라믹 분말(b)을 동시에 포함하는 것으로 구성되어 있는 방법을 제공한다.

본 발명의 방법에 따르면, 무기바인더 또는 유기바인더 등의 접합층 구성 성분들이 세그먼트의 다공성 구조 내부로 흡입됨으로써 접합층 내부에 거대 기공 또는 이로 인한 크랙이 발생하는 현상을 방지함으로써, 필터의 열적, 기계적, 화학적 강도를 증대시킬 수 있으며 접합된 세그먼트들 간에 매우 우수한 결합력을 제공할 수 있다.

Description

바탕층의 부가에 의해 향상된 결합력을 가지는 다공성 세라믹 필터의 제조방법 {Process for Preparation of Porous Ceramic Filter Having Improved Bonding Strength by Addition of Ground Layer}

도 1은 일반적인 다공성 세라믹 필터용 세라믹 세그먼트의 모식도이다;

도 2는 일반적인 다공성 세라믹 필터의 필터링 과정의 모식도이다;

도 3은 종래의 방법에 의해 접착된 다공성 세라믹 필터의 부분 확대도이다;

도 4a, 4b, 4c 및 4d는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 다공성 세라믹 필터의 제조 과정에 대한 모식도들이다;

도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 접합된 다공성 세라믹 필터에서 소결 전의 부분 확대도이다;

<도면의 주요 부호에 대한 설명>

100: 세라믹 세그먼트

110: 바탕층

120: 접착층

본 발명은 바탕층의 부가에 의해 향상된 결합력을 가지는 하니컴 세라믹 필터의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 다수의 세라믹 세그먼트들을 적층, 건조, 플러깅 및 소결시켜 다공성 세라믹 필터를 제조하는 방법으로서, 세라믹 세그먼트의 표면에 바탕재를 도포 및 건조하여 층("바탕층")을 형성하고, 상기 바탕층 상에 접합재를 도포 및 건조하여 층("접합층")을 형성한 후 세그먼트들을 접합시키며, 상기 바탕재는 세그먼트 표면 기공보다 큰 입경을 가진 세라믹 분말(a)과 세그먼트 표면 기공보다 작은 입경을 가진 세라믹 분말(b)을 동시에 포함하는 것으로 구성되어 있다.

최근 대기오염으로 인해 이상 기후 현상이 발생하는 등 심각한 환경문제가 대두됨에 따라, 가솔린 차량에 비해 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC) 등의 유해 가스의 배출량이 적은 경유 자동차에 대한 관심이 증가하는 추세이다. 그러나, 경유 자동차는 질소 산화물(NOx) 등과 같은 입자상 물질(Particle Material)이 다량 배출되는 문제를 갖고 있다. 이에 따라, 경유 자동차의 디젤기관으로부터 배출되는 유해가스 및 입자상 물질을 제거하기 위한 매연여과장치(Diesel Particulate Filter, 이하, DPF라 함)에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

DPF는, 경유차 배출가스 중의 일산화탄소, 탄화수소, 입자상 물질 등을 포집하고, 소정의 간격으로 연료인 경유 등을 분사하며 차량의 운행 중에 발생하는 배 기열을 이용하여, 세라믹 필터에 코팅되어 있는 촉매와의 반응에 의해, 포집된 물질을 무해한 이산화탄소, 물 등으로 산화시킴으로써 필터를 재생시키는 장치이다.

이러한 매연여과장치에는 하니컴 구조로 이루어진 하니컴 세라믹 필터(honeycomb ceramic filter)가 주로 사용되고 있다.

도 1은 일반적인 하니컴 세라믹 필터용 세그먼트(10)의 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1의 하니컴 세라믹 필터의 필터링 과정의 모식도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 세라믹 세그먼트(10)는 일반적으로 단면이 사각형인 육각 기둥의 형태를 가지고 있고, 그것의 양 단면(20, 30)에서 서로 연통되는 다수의 셀들(12, 13)이 형성될 수 있도록 격벽들(11)이 교차하는 격자 모양의 구조로 이루어져 있다. 이들 셀들(12, 13)은 교번 배열 방식으로 플러깅 됨으로써, 플러그에 의해 밀폐된 폐쇄 셀(closed cell: 12)과 플러그가 형성되어 있지 않은 오픈 셀(open cell: 13)로 이루어져 있어서, 전체적으로 체크 무늬 또는 바둑판 무늬를 나타낸다.

이와 같은 구조의 다공성 세라믹 필터용 세라믹 세그먼트(10)에서, 배출가스의 입자상 물질들(40)은 다공성 세라믹 필터(10)의 전면(20)에 개구되어 있는 오픈 셀(13)로 유입되어 인접한 다공성 격벽(11)을 통과한 후, 후면(30)이 개방되어 있는 오픈 셀(13)로 배출된다. 이때, 배출가스의 입자상 물질들은 격벽(11)에 형성되는 미세 기공(도시하지 않음) 또는 후면의 폐쇄 셀(12)에 위치한 플러그(15)의 내측 단부(15a)에 포집된다. 즉, 배출가스에 포함되어 있는 입자상 물질들은, 전면(20)에서는 개방된 셀(13)이지만 후면(30)에서는 폐쇄된 셀(12)을 통과하면서 다 공성 격벽(11)에 걸리어 필터링이 행해진다.

이렇게 포집된 미립자가 다공성 세라믹 필터 내에 과량 축적되는 경우, 필터의 압력 손실이 커지고, 엔진(engine)의 출력 저하를 초래하게 되므로, 포집된 미립자를 정기적으로 전기 히터나 버너 등의 외부 착화 수단을 이용하여 연소시킴으로써 다공성 세라믹 필터의 재생이 행해진다. 따라서, 일반적으로 다공성 세라믹 필터는 어느 한 쪽이 재생중인 경우, 다른 한 쪽을 사용할 수 있도록 2 개/1 조 형식으로 탑재된 교대 재생 방식을 채택하고 있다.

도 3에는 종래의 방법에 의해 접합된 다공성 세라믹 세그먼트들의 접착 부위에 대한 확대도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 일반적으로 하니컴 세라믹 필터는, 다수의 다공성 세라믹 세그먼트들(60, 70)의 표면에 슬러리 형태의 접합층(52)을 도포하여 적층하고 건조 및 소결함으로써 제조된다. 경우에 따라서는, 접합층(52)과 세라믹 세그먼트(60, 70)의 표면 사이에 버퍼층의 역할을 하는 또 다른 접합층(51)을 부가할 수도 있다. 이렇게 접합된 세라믹 세그먼트들은, 그것이 장착될 매연여과장치의 구조에 맞추어 소정의 형태로 그것의 외형을 재단한 후 외벽에 접합층(52)을 도포한 뒤, 건조 및 소결시켜 제조한다.

그러나, 기공율이 매우 큰 다공성 세라믹 세그먼트(60, 70)의 표면에 슬러리 형태의 접합층(52)을 도포함에 있어서, 접합층(52)을 구성하는 성분들인 무기 바인더, 유기 바인더 등이 세그먼트의 내부로 과도하게 스며들어(sol migration), 접합제 내부에 거대 기공(55) 및 크랙이 발생하는 문제점이 확인되었다. 또한, 접합재 의 강도발현에 많은 기여를 하는 무기 졸들이 세그먼트 쪽으로 이동함으로써, 그로 인해 접합층의 강도가 저하되는 현상이 발생될 수 있다.

이러한 거대 기공(55)은, 앞서 설명한 바와 같은 세라믹 필터의 재생 과정에서 국소적인 고온를 유발하고 재생 온도의 불균일화에 의해 재생 효율을 저하시키며, 열응력에 의한 크랙 발생 등을 유발한다. 결과적으로, 세그먼트 상호간의 결합력이 약화되어 이후의 열처리 공정이나 촉매 함침 공정 등의 화학공정에서 접합된 세그먼트가 재차 분리되는 심각한 문제가 발생하게 된다.

이와 관련하여, 일본 특허출원공개 제2000-285878호에는 실란 커플링제(Silane Coupling Agent)를 이용하는 방법이 개시되어 있으나, 상기 실란 커플링제를 사용할 경우, 졸 성분이 실리카로 한정되고, 제조 비용이 상승되는 문제점이 있다. 또한, 일본 특허출원공개 제1994-161938호에는 폴리비닐알콜(PVA) 및 셀룰로오스(Cellulose) 계열의 친수성 유기 고분자를 유기 바인더로 사용하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 상기 기술에 의하더라도 졸 성분의 이동을 충분히 방지할 수 없으며, 유기 바인더의 함유량을 증가시킴에 따라 세그먼트의 접합강도가 저하되는 문제점이 있다.

또한, 일본 특허출원공개 제1999-088391호에는 세그먼트 표면의 거칠기를 조절하는 기술이 개시되어 있으나, 실제 압출공정에서 생산되는 세그먼트의 표면 거칠기의 편차가 크기 때문에 이를 조절하기 위한 공정이 용이하지 않으며, 그에 따른 기공율의 변화를 제어하기 어렵다는 문제점이 있다.

한편, 일본 특허출원공개 제2004-322097호에는 세그먼트 표면과 접착층 사이 에 상기 접착층과 점도를 달리하는 바탕층을 도포하는 기술이 개시되어 있다. 즉, 상대적으로 저점도의 바탕층을 세그먼트 표면에 도포하여 균일한 도포를 행한 후 고점도의 접착층을 부가하여, 접착층이 세그먼트 표면에 균일하게 도포되지 않고 부분적인 얼룩이 발생하여 접착강도가 저하되는 것을 방지하는 기술을 개시하고 있다. 그러나, 상기와 같은 저점도 바탕층과 고점도 접착층의 조성에 대해 설명되어 있지 않으므로, 접착강도 증가에 기여하는 그것의 정확한 반응기전을 정확히 알 수는 없으나, 적어도 저점도 물질이 고점도 물질에 비해 다공성 세그먼트 표면에 과도하게 흡입되는 결과를 초래할 수 있을 것으로 예상된다.

결과적으로, 상기 기술은 바탕층의 부가라는 새로운 개념을 제시하고는 있으나, 종래기술의 문제점을 근본적으로 해결하지는 못하는 것으로 생각되므로, 다공성 세라믹 필터의 제조과정에서 이러한 접합층 구성 성분들의 흡입 현상을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 세라믹 세그먼트의 바탕층을 형성하고, 상기 바탕층 상에 접합층을 형성한 후 세그먼트들을 접합시키고, 상기 바탕재가 세그먼트 표면 기공보다 큰 입경을 가진 세라믹 분말(a)과 세그먼트 표면 기공보다 작은 입경을 가진 세라믹 분말(b)을 동시에 포함 하는 경우, 접합 성분들이 세그먼트의 다공성 구조로 과량 흡입(suction)되는 문제점을 근본적으로 해소할 수 있으며, 접착강도가 매우 향상됨을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 하니컴 세라믹 필터의 제조방법은, 다수의 세라믹 세그먼트들을 적층, 건조, 플러깅 및 소결시켜 다공성 세라믹 필터를 제조하는 방법으로서, 세라믹 세그먼트의 표면에 바탕재를 도포 및 건조하여 층("바탕층")을 형성하고, 상기 바탕층 상에 접합재를 도포 및 건조하여 층("접합층")을 형성한 후 세그먼트들을 접합시키며, 상기 바탕재는 세그먼트 표면 기공보다 큰 입경을 가진 세라믹 분말(a)과 세그먼트 표면 기공보다 작은 입경을 가진 세라믹 분말(b)을 동시에 포함하는 것으로 구성되어 있다.

상기와 같이, 바탕층이 소정의 조성 및 입도를 가짐으로써, 접합층에 함유된 접합 성분들이 세그먼트의 다공성 구조로 지나치게 흡입됨으로써 초래되는 문제점들을 해소할 수 있고, 상기 바탕층 역시 접착 성분을 포함할 수 있는 바, 결과적으로 접합한 세그먼트들 간에 매우 우수한 결합력을 제공할 수 있다.

여기서, 상기 "세그먼트 표면 기공보다 큰 입경을 가진 세라믹 분말(a)"이란, 반드시 세그먼트 표면의 기공보다 큰 입경을 가진 세라믹 분말 만을 의미하는 것은 아니고, 대체로 세그먼트 표면의 기공과 동일하거나 또는 그 보다 큰 입경을 가진 세라믹 분말을 포함하는 개념으로 사용되고 있다.

상기 바탕층 및 접합층의 두께는 앞서 설명한 바와 같은 효과를 발휘하는 범위 내에서 적절히 조절될 수 있는 바, 하나의 바람직한 예에서, 상기 바탕층의 두께는 0.3 ~ 0.8 mm로, 상기 접합층의 두께는 1 ~ 3 mm로 각각 형성될 수 있다.

상기 바탕층의 두께가 너무 얇은 경우에는 실질적으로 수지의 흡입을 방지하기 위한 바탕층으로서의 역할을 다하지 못하며, 상기 접합층의 두께가 너무 얇은 경우에는 소망하는 정도의 결합력을 기대하기 어렵다. 반대로, 바탕층 및 접합층은 분진을 포집하고 촉매 담체로서의 기능을 수행하지는 않기 때문에, 바탕층 및 접합층의 두께가 너무 두꺼운 경우에는 하니컴 세라믹 필터의 단위체적당 비표면적이 줄어들게 되어, 상대적으로 필터의 성능이 저하되게 되므로 바람직하지 않다.

상기 접합층는 실질적으로 세라믹 세그먼트들 사이의 결합력을 발휘하는 층으로서, 이러한 접착력을 발휘하기 위해서는 소정량의 접합재의 세라믹 분말들이 세라믹 세그먼트의 다공성 구조에 흡입될 필요가 있는 바, 접합층에 도포되는 상기 접합재의 세라믹 분말의 크기가 너무 클 경우에는 세라믹 세그먼트의 다공성 구조에 흡입되지 못하므로 바람직하지 않다. 따라서, 상기 접합재의 세라믹 분말은 주로 작은 입경의 분말(b')로 이루어진 것이 바람직하다. 작은 입경의 분말(b')로 이루어진 경우에도, 바탕층에 의해 지나친 흡입 현상은 방지되므로 크게 문제되지 않는다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 바탕재는 세라믹 분말들(a, b), 세라믹 파이버, 무기물 졸, 유기 바인더 및 물을 포함하는 것으로 구성된 조성을 가질 수 있다.

즉, 상기 바탕층에는 세그먼트 표면 기공보다 큰 입경을 가진 세라믹 분말(a)과 세그먼트 표면 기공보다 작은 입경을 가진 세라믹 분말(b)을 동시에 포함한다. 상기 세라믹 분말(a)는 세그먼트 표면 기공보다 큰 입경을 가지는 바, 세그먼트 표면의 기공을 막으면서 동시에 상기 세라믹 분말(a) 사이에 소정의 공극을 형성하는 하고, 상기 세라믹 분말(b)는 상기 세라믹 분말(a)들 사이에 형성된 공극을 적절히 채움으로써, 상기 접합재 성분들이 세그먼트 표면으로 과도하게 이동하는 것을 방지할 수 있다.

따라서, 이들 세라믹 분말(a) 및 세라믹 분말(b)의 상호작용에 의하여, 상기 접합재 성분들이 등이 세그먼트 표면의 다공성 구조에 과도하게 흡입(Suction) 되는 것을 방지하고, 한편으로는 상기 접합재 성분들이 세그먼트 표면의 다공성 구조에 적절히 흡입될 수 있게 된다. 또한, 상기 바탕재에 포함된 성분들은 그 자체로 접착력을 발휘할 수 있는 바, 상기 접착층의 성분인 접착재와 함께 우수한 접착력을 발휘한다.

상기 세라믹 분말들(a, b)은 예를 들어, 고온의 소결 공정 또는 재생과정 등에 견딜 수 있는 물질이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 질화규소(Si₃N₄), 알루미나, 스테인레스 분말, 탄화규소(SiC)등이 사용될 수 있으나, 이들만으로 한정되지는 않는다.

상기 유기 바인더는 상온에서 층 구성성분들의 결합력을 제공하는 물질로서, 예를 들어, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알콜, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체, 고분자 고검화 폴리비닐알콜 로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

상기 무기졸 및 세라믹 파이버 등의 무기 성분들은 하니컴 필터의 소결 공정 후 층 구성성분들 간의 결합력을 제공하는 물질로서, 상기 무기졸은 예를 들어, 실리카 졸, 알루미나 졸 또는 이들의 혼합물 등의 콜로이달 졸이 사용될 수 있으며, 상기 세라믹 파이버는 예를 들어, 실리카, 멀라이트, 알루미나, 실리카-알루미나 등이 사용될 수 있으나 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

상기 세라믹 분말(a)의 양은, 상기 세그먼트 표면의 다공성 구조를 메우는 역할 및 소정의 공극을 형성하는 역할을 수행할 수 있는 정도로 포함되어야 하는 바, 세라믹 분말(a)의 양이 너무 많을 경우 상기 세라믹 분말(a)들 사이에 형성된 공극에 의해 상당량의 접합재 성분들이 흡입될 수 있고, 반면에, 세라믹 분말(a)의 양이 너무 적을 경우 세그먼트 표면의 기공을 거의 막지 못하게 되어 실질적으로 접합재 성분들의 흡입을 방지하기 위한 바탕층으로서의 역할을 다하지 못한다.

또한, 상기 세라믹 분말(b)의 양이 너무 많거나 적을 경우에는 접합재 성분이 세그먼트 내부 기공으로 과도하게 흡입되는 것은 방지하면서도 적절한 양의 접합재 성분이 세그먼트 내부 기공으로의 흡입을 유도하는 효과를 얻기 어렵다.

따라서, 바탕재 전체 중량을 기준으로, 상기 세라믹 분말(a)는 1 ~ 30 중량% 로 포함되어 있고, 상기 세라믹 분말(b)는 15 ~ 60 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.

세라믹 세그먼트를 다수 개 접합하여 제조되는 세라믹 필터는 고온의 소결 공정 또는 재생과정 등을 거치게 되므로, 바탕층 및 접합층 또한 고온에서 견딜 수 있어야 한다. 따라서, 상기 세라믹 분말은 내열성이 뛰어나고, 고온에서도 거의 변형이 없는 탄화규소(SiC) 분말이 바람직하고, 상기 세라믹 분말(a)의 입경은 세라믹 세그먼트 표면의 다공성 구조에 형성된 기공의 입경과 같거나 클 수 있으며, 예를 들어, 20 ㎛ 이상의 입경을 가진 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.

상기 세라믹 분말(b)의 입경은 상기 세라믹 분말(a)의 입경보다 작은 범위 내에서 상기 세라믹 분말(a)에 의해 생성된 공극을 통해 원활하게 이동하여 세그먼트 표면의 다공질 구조로 적절히 흡입됨으로써, 소정의 접착력을 발휘할 수 있는 크기로 조절할 수 있는 바, 예를 들어, 15 ㎛ 미만의 입경을 가진 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 세라믹 분말(a)는 25 ~ 35 ㎛의 입경을 가진 SiC 분말이고, 상기 세라믹 분말(b)는 0.5 ~ 1.2 ㎛의 입경을 가진 SiC 분말과 7 ~ 8 ㎛의 입경을 가진 SiC 분말의 혼합물일 수 있다.

상기 접합층의 소재로서, 상기 접합재는 실질적으로 세그먼트들 간의 접합력을 발휘하는 역할을 하는 바, 공지의 접합층 구성성분들이 사용될 수 있다. 하나의 바람직한 예에서, 상기 접합재는 세라믹 분말(b'), 세라믹 파이버, 무기물 졸, 유기 바인더 및 물을 포함하는 것으로 구성될 수 있다.

즉, 상기 세라믹 파이버, 무기물 졸, 유기 바인더 및 물은 바탕재의 성분과 관련하여 앞서 설명한 바와 같은 이유로 포함될 수 있으며, 바탕재에 포함되는 성분 중 접합재의 과도한 흡입현상을 방지하기 위해 첨가되는 세라믹 분말(a)는 여기에 포함되지 않는다.

상기 세라믹 분말(b')의 양이 너무 많을 경우 접합재에 포함되는 다른 구성성분 들이 상대적으로 줄어들게 되어 접합강도 및 유동성이 약해질 수 있으며, 반대로 너무 적을 경우에는 충분한 접착력을 발휘할 수 없기 때문에, 상기 세라믹 분말(b')은 바람직하게는 접합재 전체 중량을 기준으로, 30 ~ 60 중량%로 포함될 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 세라믹 분말(b')는 15 ㎛ 미만의 입경을 가진 하나 또는 둘 이상의 혼합물이며, 구체적인 예에서, 0.5 ~ 1.2 ㎛의 입경을 가진 SiC 분말과 7 ~ 8 ㎛의 입경을 가진 SiC 분말의 혼합물일 수 있다. 즉, 세그먼트의 기공보다 작은 입경을 가짐으로써, 상기 바탕층에 포함된 큰 입경을 가지는 세라믹 분말(a)들 사이를 통과하여 세그먼트 표면에 형성된 기공에 적절히 흡입되어 접착력을 발휘할 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 접합재에는 전체 중량을 기준으로 10 중량% 이하의 범위에서 세라믹 중공구 및/또는 클레이가 더 포함될 수 있다.

세라믹 중공구 및/또는 클레이는 상기 접합재 구성성분들의 보유력 및 담지력이 우수하고, 고온, 고압에 안정하며, 저비중인 동시에 적절한 강도를 갖기 때문에, 접합층에 소정의 접착력 및 강도를 부여할 수 있고, 접합재 페이스트 형성시 쉽게 파쇄되지 않으므로 취급이 용이한 장점을 가진다.

상기 세라믹 중공구는 예를 들어, 실리카, 알루미나, 멀라이트, 플라이 애쉬 등으로 구성될 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

상기 세라믹 중공구 및/또는 클레이의 첨가량이 너무 많으면 접합층 내에 접합 성분들의 양이 상대적으로 줄어들게 되고, 중공구가 많아지므로 접착력이 약해질 염려가 있으며, 반면에 너무 적은 경우, 이들 물질의 첨가 효과를 기대하기 어렵다. 따라서 상기 세라믹 중공구 및/또는 클레이는 상기 접합재의 전체 중량을 기준으로 10 중량% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 세라믹 중공구는 바람직하게는 다수의 멀라이트 위스커가 20 내지 100 ㎛ 외경의 중공구조를 이루고 있는 것일 수 있다. 여기서, 상기 "위스커"란 인장강도가 매우 높은 바늘형상 단결정을 의미한다. 일반적으로, 위스커는 서브미크론 크기에서 수십 ㎛ 범위의 직경과 10 이상의 에스펙트비(길이/직경비)를 가지며, 위스커의 직경이 작을수록 인장강도가 더욱 높아져 이론적인 강도에 가깝게 된다.

따라서, 멀라이트 위스커는 강도가 매우 높고, 다공성 필터로 사용시 재생 공정 등의 고온의 열순환에 견딜 수 있으므로 접합층에 소정의 강도를 부여할 수 있다. 더욱이, 멀라이트 위스커로 형성된 중공구는 상당한 온도까지 중공 구조를 유지한 이후에 접합재로서 작용하므로, 더욱 균일하고 안정적인 접합층이 형성될 수 있다.

상기 바탕층과 접합층은 바람직하게는 바탕재 또는 접합재를 도포한 후 80 내지 150℃로 가열 건조하여 형성할 수 있다. 즉, 상기 바탕재를 세라믹 세그먼트 상에 도포한 후 80 내지 150℃로 가열하여 건조한 다음 접합재를 도포하고, 재차 80 내지 150℃로 가열하여 건조함으로써 세라믹 세그먼트 상에 바탕층과 접합층이 형성된다.

상기 바탕재 또는 접합재의 도포 방법은 특별히 제한되지 않으며, 공지의 도포 방법을 이용하여 가능한 바, 예를 들어, 고무 롤(Roll) 및 고무 훼라 등을 이용하여 균일하게 도포할 수 있다.

구체적인 예에서, 상기 세라믹 세그먼트 상에 바탕재를 도포하고, 100℃에서 15 분간 건조한 다음, 건조된 세그먼트에 접합재를 도포 후 접합하여 100℃에서 재차 건조함으로써, 바탕층과 접합층을 형성할 수 있다.

본 발명은 또한 상기 방법으로 제조된 하니컴 세라믹 필터를 제공한다.

즉, 바탕층과 접합층이 형성된 세라믹 세그먼트를 순차적으로 적층한 후 소결을 통한 경화 과정을 거친 탄화규소 소결체를 소정의 외형으로 재단하여 하니컴 세라믹 필터를 제조할 수 있다. 상기 세라믹 세그먼트의 형상은 다양할 수 있으며, 하나의 바람직한 예에서 단면상으로 사각형인 직육면체 구조로 이루어질 수 있다. 또한, 서로 접합되는 세라믹 세그먼트들의 수는 촉매 성분이 담지되는 하니컴 세라믹 필터의 소망하는 규격에 따라서 적절히 결정된다.

상기 하니컴 세라믹 필터의 구조 및 제조방법은 공지되어 있는 바, 이에 관한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 4a, 4b, 4c, 4d 및 4e에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 다공성 세라믹 필터의 제조 과정이 일련의 공정도로서 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 다공성 세라믹 필터는 세라믹 세그먼트(100)를 제조하는 단계(4a), 세라믹 세그먼트(100) 상에 바탕층(110)을 형성하는 단계(4b), 바탕층(110) 상에 접착층(120)을 형성하는 단계(4c), 바탕층(110) 및 접착층(120)이 형성된 세라믹 세그먼트들(101, 102, 103, 104, 105, 106)을 순차적으로 적층하는 단계(4d), 및 상기 적층된 세그먼트들을 건조한 후, 소정의 형태로 외형을 재단하며, 상기 재단된 외면에 바탕층(110) 및 접착층(120)이 형성한 후, 적당한 압력을 가하며 건조 및 경화시키는 단계(4e)로 제조될 수 있다. 재단의 형태는 필요한 형상에 따라 다양할 수 있으며, 예를 들어, 도 4d의 점선에서와 같이 타원형 단면의 원기둥 형태일 수 있다.

도 5에는 본 발명에 따른 다공성 세라믹 필터에서 소결 전의 접합 부분의 단면 확대도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 5를 참조하면, 세라믹 세그먼트들(200, 210)의 표면에 바탕층(110)이 도포되어 있고, 바탕층(110) 상에 접합층(120)이 도포되어 있는 구조로 이루어져 있다. 즉, 세라믹 세그먼트들(200, 210)의) 사이에 바탕층(110), 접합층(120), 바탕층(110) 순서로 적층된다.

바탕층(110)은 접합층의 접합 성분이 세라믹 세그먼트들(200, 210)의 표면에 과도하게 흡입되는 것을 방지하기 위한 일종의 완충(buffer) 역할을 하는 층으로서, 바탕층을 구성하는 바탕재에는 세그먼트 표면 기공보다 큰 입경을 가진 세라믹 분말과 세그먼트 표면 기공보다 작은 입경을 가진 세라믹 분말을 동시에 포함되어 있음으로써, 상기 완충 역할을 수행함과 동시에 세그먼트 간의 접착강도를 향상시킨다.

접합층(120)은 바탕층(110) 상에 접착재를 도포함으로써 형성되고, 실질적으로 세라믹 세그먼트들(200, 210)의 접합 기능을 하는 층이다. 따라서, 접합층(120)에는 접합 성분들이 포함되는 바, 주요 성분으로서 예를 들어, 내열성이 우수하고, 고온에서 변형이 일어나지 않는 탄화규소 분말이 사용될 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

소결된 세그먼트의 표면에 바탕재를 도포하고, 100℃에서 15 분간 건조한 다음, 건조된 세그먼트에 접합재를 도포 후 접합하여 100℃에서 재차 건조함으로써, 세그먼트를 접합하였다. 이 때, 바탕재 및 접합재의 조성은 각각 하기 표 1 및 표 2와 같다.

<표 1> 바탕재의 조성(A)

<표 2> 접합재의 조성(B)

[실시예 2]

접합재의 조성을 하기 표 3과 같이 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 세그먼트를 접합하였다.

<표 3> 접합재의 조성(C)

[실시예 3]

접합재의 조성을 하기 표 4과 같이 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 세그먼트를 접합하였다.

<표 4> 접합재의 조성(D)

[비교예 1]

바탕재의 조성을 각각 하기 표 5과 같이 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 세그먼트를 접합하였다.

<표 5> 바탕재 조성(E)

[비교예 2]

접합재의 조성을 하기 표 6과 같이 한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 세그먼트를 접합하였다.

<표 6> 접합재의 조성(C)

[비교예 3]

접합재의 조성을 하기 표 7과 같이 한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 세그먼트를 접합하였다.

<표 7> 접합재의 조성(D)

[실험예]

상기 실시예와 비교예에서 접합된 세그먼트들에 대한 접합강도 테스트(3 point 곡강도)를 진행한 결과 하기 표 8의 결과를 얻었다.

<표 8>

상기 표 8에서 보는 바와 같이, 실시예 1 내지 3의 접합강도는 비교예 1 내지 3의 접합강도에 비하여 현저히 우수하고, 특히 실시예 3과 비교예 3의 접합강도를 비교하면 실시예 3의 접합강도가 두 배 이상 높은 것을 확인할 수 있다. 여기서, 상기 실시예의 바탕재 조성 A와 비교예의 바탕재 조성 E의 점도는 큰 차이를 보이지 않는 것으로 확인되었다. 즉, 바탕재 조성 A와 E의 가장 큰 차이점은 사용된 SiC의 입도의 분포의 차이이다. 따라서, 바탕재의 점도가 비슷한 수준에서도 사용된 입자의 입도에 따라 Sol migration을 방지하는 효과가 있음을 보여준다.

이상, 본 발명에 따른 실시예를 참조하여 발명의 내용을 상술하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 다공성 세라믹 필터의 제조방법은 세라믹 세그먼트의 표면에 바탕재를 도포 및 건조하여 층("바탕층")을 형성하고, 상기 바탕층 상에 접합재를 도포 및 건조하여 층("접합층")을 형성한 후 세그먼트들을 접합시키며, 상기 바탕재는 세그먼트 표면 기공보다 큰 입경을 가진 세라믹 분말(a)과 세그먼트 표면 기공보다 작은 입경을 가진 세라믹 분말(b)을 동시에 포함되어 있음으로써, 접합 성분들이 세그먼트의 다공성 구조로 과량 흡입(suction)되는 문제점을 근본적으로 해소할 수 있고, 우수한 접착강도의 다공성 세라믹 필터가 얻어질 수 있다.

Claims (16)

1. 다수의 세라믹 세그먼트들을 적층, 건조, 플러깅 및 소결시켜 다공성 세라믹 필터를 제조하는 방법으로서, 상기 세라믹 세그먼트의 표면에 바탕재를 도포 및 건조하여 층("바탕층")을 형성하고, 상기 바탕층 상에 접합재를 도포 및 건조하여 층("접합층")을 형성한 후 세그먼트들을 접합시키며, 상기 바탕재는 세그먼트 표면 기공보다 큰 입경을 가진 세라믹 분말(a)과 세그먼트 표면 기공보다 작은 입경을 가진 세라믹 분말(b)을 동시에 포함하며,

   상기 바탕재는 세라믹 분말들(a, b), 세라믹 파이버, 무기물 졸, 유기 바인더 및 물을 포함하는 것으로 구성된 조성을 갖도록 형성되고,

   상기 접합재는 15 ㎛ 미만의 입경을 갖는 세라믹 분말(b')로 이루어진 것을 특징으로 하는 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 바탕층의 두께는 0.3 ~ 0.8 mm이고, 상기 접합층의 두께는 1 ~ 3 mm인 것을 특징으로 하는 제조방법.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서, 바탕재 전체 중량을 기준으로, 상기 세라믹 분말(a)는 1 ~ 30 중량%로 포함되어 있고, 상기 세라믹 분말(b)는 15 ~ 60 중량%로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 세라믹 분말(a)은 세라믹 세그먼트 표면의 다공성 구조에 형성된 기공의 입경과 같거나 큰 범위에서 20 ㎛ 이상의 입경을 가진 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 제조방법.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 세라믹 분말(b)는 15 ㎛ 미만의 입경을 가진 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 제조방법.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 세라믹 분말(a)는 25 ~ 35 ㎛의 입경을 가진 SiC 분말이고, 상기 세라믹 분말(b)는 0.5 ~ 1.2 ㎛의 입경을 가진 SiC 분말과 7 ~ 8 ㎛의 입경을 가진 SiC 분말의 혼합물인 것을 특징으로 하는 제조방법.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 접합재는 세라믹 분말(b'), 세라믹 파이버, 무기물 졸, 유기 바인더 및 물을 포함하는 것으로 구성된 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 제조방법.
10. 제 9 항에 있어서, 접합재 전체 중량을 기준으로, 상기 세라믹 분말(b')는 30 ~ 60 중량%로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 세라믹 분말(b')는 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 제조방법.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 세라믹 분말(b')는 0.5 ~ 1.2 ㎛의 입경을 가진 SiC 분말과 7 ~ 8 ㎛의 입경을 가진 SiC 분말의 혼합물인 것을 특징으로 하는 제조방법.
13. 제 9 항에 있어서, 상기 접합재에는 전체 중량을 기준으로 10 중량% 이하의 범위에서 세라믹 중공구를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 세라믹 중공구는 다수의 멀라이트 위스커들이 20 내지 100 ㎛ 외경의 중공구조를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
15. 제 1 항에 있어서, 상기 바탕층과 접합층은 바탕재 또는 접합재를 도포한 후 80 내지 150℃로 가열 건조하여 형성하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
16. 제 1 항, 제 2 항, 제 5 항 내지 제 15 항 중 어느 하나에 따른 방법으로 제조된 하니컴 세리믹 필터.

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