KR101233773B1 - 배기가스 정화를 위한 금속필터용 모재의 제조방법, 이를 적용한 금속필터용 모재 및 금속필터 - Google Patents

배기가스 정화를 위한 금속필터용 모재의 제조방법, 이를 적용한 금속필터용 모재 및 금속필터 Download PDF

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Abstract

배기가스 정화를 위한 금속필터용 모재의 제조방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 정화를 위한 금속필터용 모재의 제조방법은, 배기가스 정화를 위한 금속필터의 모재를 제작함에 있어서, 촉매 물질의 단위 면적당 코팅 면적이 평판에 비해 보다 확대되도록 금속 모재 표면에 요철을 형성하는 요철형성단계;를 포함하여 구성된다.

Description

배기가스 정화를 위한 금속필터용 모재의 제조방법, 이를 적용한 금속필터용 모재 및 금속필터{manufacturing method of metal plate for metal substrate to filter exhaust gas, metal plate for metal substrate using this and metal substrate thereof}
본 발명은 배기가스 정화를 위한 금속필터용 모재의 제조방법, 이를 적용한 금속필터용 모재 및 금속필터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 엔진에서 배출되는 배기가스를 필터링하는데 사용되는 금속필터용 모재의 제조방법과, 이를 적용한 금속필터용 모재 및 금속필터에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 엔진은 흡배기장치로서 연료를 실린더내 흡입기로 흡입하여 연소시킨 후 가스를 배출하며, 흡기장치로는 실린더로 흡입되는 공기 중 먼지 등을 제거하는 에어클리너와 각 실린더에 혼합기를 분배하는 흡기매니폴드로 구성되고, 배기장치로는 각 실린더의 배기가스를 종합하는 배기매니폴드, 배기파이프, 소음기 및 배기가스 중의 유해한 성분을 무해하게 산화, 환원시키는 촉매변환장치로 구성된다.
배기파이프상에 설치되는 촉매변환장치에는 백금촉매 등이 코팅되어 있어 배기파이프를 통과하는 배기가스 중 유해한 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물 등을, 무해한 이산화탄소, 물, 질소로 산화, 환원시키며, 이러한 촉매변환장치는 기능상 산화촉매변환장치와 삼원촉매변환장치로 구분되고 있다.
기존에는 자동차 배기가스 정화용 촉매 필터로서 세라믹이 주로 사용되었으나, 세라믹 필터는 진동이나 충격에 취약하여 금속용기인 하우징과 필터 사이에 금속섬유 등과 같은 탄성물질을 채워야 하므로, 제조시 공정이 복잡할 뿐만 아니라 자체 무게가 증가하고 제조원가가 높으며, 세라믹의 특성상 촉매활성온도까지 가온시키는데 상대적으로 많은 시간이 소요된다.
이러한 단점으로 인해, 근래에는 세라믹 필터보다 촉매의 도포면적이 크고 가열속도가 빠를 뿐만 아니라, 배기가스의 배압(back pressure)이 작아 엔진효율이 높고, 열충격에 강하며, 기계적 강도가 우수한 금속필터의 사용이 증가되고 있다.
예로써, 자동차의 배기계에 장착된 디젤산화촉매(DOC, diesel oxidation catalyst)필터 시스템, 선택적 환원촉매(SCR, selective catalytic reduction)필터 시스템, 디젤 엔진 입자상물질(De-PM, Diesel engine particulate material)필터 시스템 등에 금속필터가 적용되고 있다.
일반적으로 금속필터는 두께 100㎛이하의 금속 박판을 제조한 후, 또는 이를 주름지게 굴곡성형한 후, 촉매 물질(binder)와 원하는 배기가스 성분을 제거하기 위한 촉매 물질이 되는 백금(Pt, platinum), 로듐(Rh, rhodium), 제올라이트(zeolite), 바나듐(V, vanadium) 등의 화학 물질을 코팅시키는 과정을 거쳐 제작된다.
상기와 같은 과정을 거쳐 제작된 금속필터는 디젤 엔진의 엔진룸 또는 배기계에 장착되고 있으나, 체적 증가로 인한 성능 향상은 차량의 한정된 공간으로 인해 극히 제한적으로만 가능하므로, 동일한 체적에서 정화효율을 보다 향상시킬 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.
상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은, 금속필터의 체적을 동일하게 유지하면서도, 촉매 물질의 부착력을 보다 향상시킬 수 있고, 촉매 물질과 배기가스간의 반응면적을 증가시킴으로써 배기가스 정화 효율 또한 향상시킬 수 있는 배기가스 정화를 위한 금속필터용 모재의 제조방법, 이를 적용한 금속필터용 모재 및 금속필터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은, 배기가스 정화를 위한 금속필터의 모재를 제작함에 있어서, 촉매 물질(20)의 단위 면적당 코팅 면적이 평판에 비해 보다 확대되도록 금속 모재(10) 표면에 요철을 형성하는 요철형성단계;를 포함하여 구성되는 배기가스 정화를 위한 금속필터용 모재(10)의 제조방법을 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 요철형성단계에서는, 0.2㎛이상에서 1.5㎛이하의 높이, 깊이 또는 너비를 가지는 미세 요철을 균일하게 형성할 수 있다.
그리고, 상기 요철형성단계에서는, 평판에 부착된 상태에서 가장자리부가 둔각을 이루는 액상의 상기 촉매 물질(20)이, 상기 모재(10)에 부착된 상태에서 표면장력의 감소로 인해 예각을 이루게 될 정도의 사이즈와 밀도로 요철을 형성할 수 있다.
또한, 상기 요철형성단계에서는, 방전가공에 의해 0.2㎛이상에서 1.5㎛이하의 높이, 깊이 또는 너비를 가지는 미세 돌기 또는 홈이 외주면에 형성된 롤러(50)를 이용하여, 요철을 형성할 수 있다.
그리고, 상기 요철형성단계에서는, 2㎛이상에서 1.5㎛이하의 높이, 깊이 또는 너비를 가지는 미세 돌기 또는 홈이 외주면에 형성된 롤러(50)를 이용하여, 요철을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 배기가스 정화를 위한 금속필터용 모재(10)의 제조방법에 의해 제조되는 배기가스 정화를 위한 금속필터용 모재(10)를 다른 기술적 요지로 한다.
그리고, 배기가스 정화를 위한 금속필터에 있어서, 상기 배기가스 정화를 위한 금속필터용 모재(10); 및 백금(Pt, platinum), 로듐(Rh, rhodium), 제올라이트(zeolite), 바나듐(V, vanadium) 중 어느 하나로 구성되며, 상기 모재(10)의 요철면에 코팅되는 액상의 촉매 물질(20);을 포함하여 구성되는 배기가스 정화를 위한 금속필터를 또 다른 기술적 요지로 한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 구성에 의하면, 촉매 물질이 코팅되는 모판에 미세하게 요철을 형성함으로써, 촉매 물질의 젖음성을 향상시키고 표면 마찰에 의해 촉매 물질의 흐름성을 저하시키게 되어 촉매 물질의 부착력을 보다 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.
배기가스와 반응하는 촉매 물질의 표면적과 코팅량을 증가시킴으로써, 금속필터의 체적을 동일하게 유지하거나 오히려 축소하면서도, 촉매 물질의 부착력 및 코팅성능을 보다 향상시킬 수 있고, 촉매 물질과 배기가스간의 반응면적을 증가시킴으로써 배기가스 정화 효율 또한 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.
도 1 - 요철이 형성된 금속 모재의 표면에 촉매 물질이 코팅된 상태를 도시한 개념도
도 2 - 요철형성단계에서 롤러로 요철을 형성하는 일예를 도시한 개념도
도 3 - 방전가공 장비를 이용하여 롤러 표면에 요철을 형성하는 일예를 촬영한 사진
도 4 - 쇼트 블라스트 가공에 의해 롤러 표면에 요철을 형성하는 일예를 도시한 개념도
본 발명에 따른 배기가스 정화를 위한 금속필터용 모재의 제조방법, 이를 적용한 금속필터용 모재 및 금속필터는, 차량의 배기가스 정화용으로 사용되는 금속소재의 필터에 사용되는 금속 모재에 요철을 형성하여 촉매 물질의 도포성을 보다 향상시키는 제조방법과, 이를 적용하여 제작한 금속필터 및 금속 모재에 관한 것이다.
도 1은 요철이 형성된 금속 모재(10)의 표면에 촉매 물질(20)이 코팅된 상태를 도시한 개념도로, 본 발명에 따른 배기가스 정화를 위한 금속필터용 모재의 제조방법의 일실시예는, 평판형으로 제작된 금속 모재(10)에 요철을 형성하는 요철형성단계를 포함하여 구성된다.
평판에 요철을 형성함에 있어서는, 상기 금속 모재(10)의 요철면에 부착되는 액상의 상기 촉매 물질(20)의 표면장력을 감소시킬 수 있는 사이즈와 밀도로 형성되며, 액상의 촉매 물질(20) 내부로 도입되는 금속 모재(10)의 표면적을 최대한 확대시킬수록 촉매 물질(20)의 표면장력을 효과적으로 감쇠시킬 수 있다.
요철의 깊이가 깊고 밀도가 클수록 표면적을 보다 확대시킬 수 있으나, 일반적으로 금속필터는 두께 100㎛이하의 금속 박판을 이용하여 제작되고 있으므로, 배기가스의 진행에 따름 공기압을 고려하여 제작된 강도를 유지하기 위해서는, 0.2㎛이상에서 1.5㎛이하의 높이, 깊이 또는 너비를 가지는 미세한 사이즈로 요철을 형성하는 것이 바람직하다.
요철의 사이즈와 밀도는, 0.2㎛이상에서 1.5㎛이하의 사이즈 범위 내에서, 금속 모재(10)의 재질, 금속필터의 체적, 배기가스 저감효율 기준, 촉매 물질의 구성성분 등에 따라 그 정도가 다르게 적용될 수 있다.
도 2는 상기 요철형성단계에서 롤러(50)를 이용하여 상기 금속 모재(10)에 요철을 형성하는 일예를 도시한 개념도로, 0.2㎛이상에서 1.5㎛이하의 높이, 깊이 또는 너비를 가지는 미세한 돌기 또는 홈이 형성된 냉간압연용 롤러(워크롤)(50)로 평판형 금속 모재(10)의 표면을 가압시킨 상태로 회전시키면서 금속 모재(10) 전면에 균일하게 요철을 형성할 수 있다.
도 3은 방전가공 장비를 이용하여 롤러(50) 표면에 요철을 형성하는 일예를 촬영한 사진으로, 0.2㎛이상에서 1.5㎛이하의 미세한 돌기 내지 홈을 가지는 상기 롤러(50)를 제작함에 있어서는, 방전에 의한 열이나 전기적·기계적 힘이 전극의 표면을 침식하는 작용을 이용하여 금속이나 비금속을 여러 가지로 가공하는 방전가공(放電加工)에 의해 정밀하게 제작가능하다.
방전가공은 스파크가공(spark machining)이라고도 하는데, 전기의 양극과 음극이 부딪칠 때 일어나는 스파크로 가공하는 방법으로, 스파크로 발생된 열 에너지를 피가공물을 녹이거나 기화시켜 제거함으로써 원하는 형상으로 제작하게 되며, 피가공물의 가공부분은 아주 작은 입자가 되어 녹거나 기화되어 제거되기 때문에 정밀가공이 가능하게 된다.
방전가공을 상기 롤러(50) 제작에 적용함에 있어서는, 가공이 쉬운 황동(brass)이나 흑연으로 정밀하게 다이(die, mold)를 만든 다음, 가압에 의해 금속 모재(10)를 소성가공 가능한 강도를 가지는 금속재 또는 금속 복합 세라믹재로 제작된 롤러(50)형상의 피가공물과 접촉시키고, 접촉 틈새에서 방전이 일어나도록 함으로써 제작할 수 있다.
전기 방전에 의한 높은 열에너지를 이용함으로써, 금속을 소성가공시킬 수 있을 정도의 우수한 강도를 가지는 재료라도, 쉽게 가공할 수 있어, 기계적인 응력을 가하지 않고도 복잡하고 정밀한 모양으로 가공할 수 있으며, 컴퓨터 수치제어(CNC)를 적용하여 공정의 프로그램화, 자동화도 구현가능하다.
도 4는 쇼트 블라스트(shot blast) 가공에 의해 롤러(50) 표면에 요철을 형성하는 일예를 도시한 개념도로, 쇼트 블라스트(shot blast) 가공에 의해, 롤러(50)의 외주면에 2㎛이상에서 1.5㎛이하의 높이, 깊이 또는 너비를 가지는 미세 돌기 또는 홈을 균일하게 형성할 수 있다.
쇼트 블라스트(shot blast) 가공이란 금속 부품의 표면에 쇼트볼(shot ball)이라는 강구를 고속으로 금속의 표면에 투사하여 금속의 표면을 햄머링(hanmmering)하는 일종의 냉간 가공으로, 쇼트볼이 금속 표면에 고속 충돌하면서 쇼트볼의 운동에너지가 순간적으로 재료의 표면에 소성변형을 주고 표면에서 이탈하게 된다.
쇼트볼과 충돌 후 금속 모재(10) 표면에는 요철이 발생함과 동시에 얇은 소성 변형층이 형성되어 탄소성층과 경계를 형성하게 되는데, 요철이 형성된 부분의 표면은 잔류압축응력, 요철이 형성된 부분의 내부는 인장응력을 갖고 평형을 이루게 되므로, 반복적으로 인장응력이 작용되더라도 압축잔류응력으로 상쇄시키게 되어 압축잔류응력이 사라지게 될 때 까지 피로수명을 연장시킬 수 있다.
즉, 쇼트피닝 가공을 적용하면 금속 모재(10)의 표면적을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 금속 모재(10)의 표면에 가공경화를 일으켜 피로강도와 피로수명을 보다 증가시킬 수 있고, 동일한 두께로 금속 모재(10)를 제작함에 있어서도 요철이 형성되지 않은 평판형 금속 모재에 비해 고강도화를 구현할 수 있어, 경량화 또한 가능하다.
[표 1]은 가로 260㎛×세로 195㎛의 동일한 면적(50.7㎛2)에 대하여 표면적을 측정한 것으로, 요철이 형성된 금속모재(10)의 표면적이, 종래의 평판형 금속모재에 비해 3.5배 증가된 것을 확인할 수 있다.
구분 표면적(㎛2) 표면 이미지





종래의 평판형 금속모재





253,790
Figure 112010064257694-pat00001





요철이 형성된 금속모재





814,355
Figure 112010064257694-pat00002
상기 요철형성단계를 거쳐 제작된 금속 모재(10)상에 촉매 물질(20)을 도포하게 되면, 금속모재(10)상에 부착이 이루어지게 되는 촉매 물질(20)의 가장자리부가, 평판형 금속 모재에 부착되는 경우에 비해, 보다 작은 각도를 가지고, 동일한 질량이라도 보다 확대된 면적에 걸쳐 접촉이 이루어지게 된다.
즉, 요철이 형성된 상기 금속 모재(10)의 표면에 상기 촉매 물질(20)를 코팅하게 되면, 요철에 의해 액상의 상기 촉매 물질(20)의 표면장력이 감소되어, 상기 촉매 물질(20)의 단위 질량당 부착면적이 평판에 비해 보다 확대된 상태로 코팅이 이루어지게 된다.
도 4의 (a)는 한 방울의 촉매 물질(20)이 공지의 평판형 금속 모재(10)상에 부착된 경우를 도시한 것이고, 도 4의 (b)는 한 방울의 촉매 물질(20)이 요철형 금속 모재(10)상에 부착된 형상을 도시한 것이다.
도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 평판형 금속 모재상에 촉매 물질(20)가 부착됨에 있어서 가장자리부가 둔각(90°+α)을 이루는 경우, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 촉매 물질(20)의 가장자리부가 예각을 이루게 될 정도의 사이즈와 밀도로 요철을 형성하면 금속 모재(10)와 촉매 물질(20)간의 접촉면적 및 부착력을 현격히 증가시킬 수 있다.
요철이 형성된 금속 모재(10)는, 상기 요철형성단계를 거친 상태 그대로, 또는 파형판으로 굴곡가공된 후, 외통에 삽입, 브레이징되고, 슬러리 상태의 상기 촉매 물질(20)이 있는 장치에 담궈지거나, 외통의 일측에 연결된 진공상태의 석션(suction) 장비를 이용해 상기 촉매 물질(20)을 코팅하게 된다.
상기 촉매 물질(20)은, 백금(Pt, platinum), 로듐(Rh, rhodium), 제올라이트(zeolite), 바나듐(V, vanadium) 중 하나를 포함하여 구성되며, 상기 요철형성단계 이후의 공정은, 상기와 같은 공지의 배기가스 정화용 금속필터 제조방법을 따르므로, 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 발명에 따른 배기가스 정화용 금속필터의 금속 모재(10)와 금속필터 또한, 상기와 같은 구성을 가지는 배기가스 정화를 위한 금속필터용 모재(10)의 제조방법과, 배기가스 정화용 금속필터 제조방법을 따르므로 그 중복설명을 생략하기로 한다.
상기와 같은 구성을 가지는 배기가스 정화를 위한 금속필터용 모재의 제조방법, 이를 적용한 금속필터용 모재 및 금속필터에 의하면, 촉매 물질(20)과 촉매 물질이 코팅되는 금속 모재(10)에 미세하게 요철을 형성함으로써, 촉매 물질(20)의 젖음성을 향상시키고, 표면 마찰에 의해 촉매 물질의 흐름성을 저하시키게 되어 일부에 두껍게 집중되어 도포되는 것을 방지하며, 접촉면적 확장에 의해 촉매 물질(20)의 부착력을 보다 향상시키게 된다.
이에 따라, 금속필터의 체적을 동일하게 유지하거나 오히려 축소하면서도, 촉매 물질의 부착력 및 코팅성능을 보다 향상시킬 수 있고, 촉매 물질과 배기가스간의 반응면적을 증가시킴으로써 배기가스 정화 효율 또한 향상시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 상기 실시예들을 기존의 공지기술과 단순히 조합적용한 실시예와 함께 본 발명의 특허청구범위와 상세한 설명에서 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 변형하여 이용할 수 있는 기술은 본 발명의 기술범위에 당연히 포함된다고 보아야 할 것이다.
10 : 금속 모재 20 : 촉매 물질
50 : 롤러

Claims (7)

  1. 배기가스 정화를 위한 금속필터의 모재를 제작함에 있어서,
    촉매 물질(20)의 단위 면적당 코팅 면적이 평판에 비해 보다 확대되도록 금속 모재(10) 표면에 요철을 형성하는 요철형성단계;
    상기 요철형성단계는,
    상기 촉매 물질의 상기 표면에 대한 표면장력을 감소시킴으로써 젖음성을 향상시켜 단위 촉매 물질당 상기 표면에 대한 젖음 면적 내지 코팅 면적을 확대시키는, 0.2㎛이상에서 1.5㎛이하의 높이, 깊이 또는 너비를 가지는 미세 요철을 상기 표면 전체에 형성하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화를 위한 금속필터용 모재(10)의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 요철형성단계는,
    평판에 부착된 상태에서 가장자리부가 둔각을 이루는 액상의 상기 촉매 물질(20)이, 상기 모재(10)에 부착된 상태에서 표면장력의 감소로 인해 예각을 이루게 될 정도의 사이즈와 밀도로 요철을 형성하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화를 위한 금속필터용 모재(10)의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 요철형성단계는,
    방전가공에 의해 0.2㎛이상에서 1.5㎛이하의 높이, 깊이 또는 너비를 가지는 미세 돌기 또는 홈이 외주면에 형성된 롤러(50)를 이용하여, 요철을 형성하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화를 위한 금속필터용 모재(10)의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 요철형성단계는,
    쇼트 블라스트(shot blast)에 의해 2㎛이상에서 1.5㎛이하의 높이, 깊이 또는 너비를 가지는 미세 돌기 또는 홈이 외주면에 형성된 롤러(50)를 이용하여, 요철을 형성하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화를 위한 금속필터용 모재(10)의 제조방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 의한 상기 배기가스 정화를 위한 금속필터용 모재(10)의 제조방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화를 위한 금속필터용 모재(10).
  7. 배기가스 정화를 위한 금속필터에 있어서,
    제6항에 의한 상기 배기가스 정화를 위한 금속필터용 모재(10); 및
    백금(Pt, platinum), 로듐(Rh, rhodium), 제올라이트(zeolite), 바나듐(V, vanadium) 중 어느 하나로 구성되며, 상기 모재(10)의 요철면에 코팅되는 액상의 촉매 물질(20);
    을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화를 위한 금속필터.
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