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KR20240074077A - Ceramic slurry composition for 3d printing and manufacturing method high-strength ceramic structure using the same - Google Patents

Ceramic slurry composition for 3d printing and manufacturing method high-strength ceramic structure using the same Download PDF

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KR20240074077A
KR20240074077A KR1020220155345A KR20220155345A KR20240074077A KR 20240074077 A KR20240074077 A KR 20240074077A KR 1020220155345 A KR1020220155345 A KR 1020220155345A KR 20220155345 A KR20220155345 A KR 20220155345A KR 20240074077 A KR20240074077 A KR 20240074077A
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ceramic
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손정훈
박혜영
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국립창원대학교 산학협력단
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Abstract

An object of the present invention is to provide a ceramic slurry composition that can be used for 3D printing and has excellent strength, and a method for manufacturing a high-strength ceramic structure using the same. A ceramic slurry composition for 3D printing comprises: 60 to 80 parts by weight of ceramic particles coated with an inorganic binder precursor solution including sodium (Na); 15 to 35 parts by weight of a photocurable resin; and 0.1 to 5 parts by weight of a dispersant, wherein the photocurable resin includes 80 to 90 parts by weight of a photopolymerizable monomer, 1 to 10 parts by weight of a photoinitiator, and other additives.

Description

3D 프린팅용 세라믹 슬러리 조성물 및 이를 이용한 고강도 세라믹 구조체 제조방법{CERAMIC SLURRY COMPOSITION FOR 3D PRINTING AND MANUFACTURING METHOD HIGH-STRENGTH CERAMIC STRUCTURE USING THE SAME}Ceramic slurry composition for 3D printing and method of manufacturing a high-strength ceramic structure using the same {CERAMIC SLURRY COMPOSITION FOR 3D PRINTING AND MANUFACTURING METHOD HIGH-STRENGTH CERAMIC STRUCTURE USING THE SAME}

본 발명은 3D 프린팅용 세라믹 슬러리 조성물 및 이를 이용한 고강도 세라믹 구조체의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a ceramic slurry composition for 3D printing and a method of manufacturing a high-strength ceramic structure using the same.

세라믹 제품은 사출 성형(injection molding), 테이프 캐스팅(tape casting), 다이 프레싱(die pressing) 등의 제조공정을 거쳐 생산되어 왔으며 열적, 기계적 특성이 우수하여 다양한 분야에 적용되고 있다. 특히 항공우주, 바이오, 에너지 분야와 같은 첨단 세라믹 소재의 응용 분야에서는 제품의 고성능화를 위해서 세라믹의 기하학적 설계와 구조적 복잡성이 요구된다. 그러나 기존의 세라믹 제품의 제조공정은 금형을 사용하여 생산함으로써 생산성이 낮고 생산단가가 높아 기술적인 한계가 있다. 따라서 최근에는 금형을 사용하지 않고 복잡한 형태의 제품을 제작할 수 있는 3차원(3D) 프린팅 기술이 제안되고 있다. Ceramic products have been produced through manufacturing processes such as injection molding, tape casting, and die pressing, and are applied in various fields due to their excellent thermal and mechanical properties. In particular, in application fields of advanced ceramic materials such as aerospace, bio, and energy fields, geometric design and structural complexity of ceramics are required to improve product performance. However, the existing manufacturing process for ceramic products has technical limitations due to low productivity and high production costs due to the use of molds. Therefore, recently, three-dimensional (3D) printing technology has been proposed that can produce products of complex shapes without using molds.

다양한 3D 프린팅 기술에서 세라믹 제품은 일반적으로 분말 또는 슬러리로 제작된다. 분말을 사용하는 방법에는 선택적 레이저 소결(Selective laser sintering, SLS)과 선택적 레이저 용융(Selective laser melt, SLM) 기술이 있다. 이러한 분말을 사용하는 방법은 레이저 빔과 같은 에너지원을 이용하여 세라믹 또는 세라믹 입자에 코팅된 바인더를 용융시켜 입자를 선택적으로 결합시키기 때문에 많은 에너지를 소모한다. 또한, 이 장비는 적층 시 발생하는 수축 및 변형을 방지하는 기능을 갖추어야 하기 때문에 매우 고가이다.In various 3D printing technologies, ceramic products are typically made from powder or slurry. Methods for using powder include selective laser sintering (SLS) and selective laser melt (SLM) technologies. This method of using powder consumes a lot of energy because it uses an energy source such as a laser beam to selectively bind the particles by melting the ceramic or the binder coated on the ceramic particles. Additionally, this equipment is very expensive because it must have a function to prevent shrinkage and deformation that occurs during lamination.

세라믹 슬러리를 원료로 사용하는 방식은 열가소성 혹은 광경화성 수지와 세라믹을 혼합하여 슬러리로 제작되며, 열가소성 수지를 사용하여 노즐을 통해 압출된 재료를 적층하여 성형체(green body)를 제작하는 재료 압출(Material extrusion, ME) 방식과 광경화성 슬러리에 선택적으로 빛을 조사하여 3차원 형상을 생성하는 광경화성 수지 투사 (Digital light processing, DLP) 및 광경화성 수지 적층 조형(Stereolithography apparatus, SLA) 방법이 있다. 또한 광경화성 슬러리를 노즐을 통해 압출하여 재료를 적층한 후 빛을 조사하여 경화시키는 광중합형 재료 압출방식의 복합 3D 프린팅 방법도 존재한다. The method of using ceramic slurry as a raw material is to produce slurry by mixing thermoplastic or photocurable resin and ceramic, and material extrusion (material extrusion) uses thermoplastic resin to produce a green body by laminating materials extruded through a nozzle. extrusion (ME) method, photocurable resin projection (Digital light processing, DLP) and photocurable resin layered modeling (Stereolithography apparatus, SLA) method that creates a three-dimensional shape by selectively irradiating light to a photocurable slurry. There is also a composite 3D printing method using a light-curable material extrusion method that extrudes a photo-curable slurry through a nozzle, stacks the material, and then cures it by irradiating light.

세라믹 슬러리를 이용한 3D 프린팅 기술 중 DLP 및 SLA 프린팅 방식은 정밀도가 높아 복잡한 기하학적 구조를 만드는데 널리 사용될 수 있다. 사용되는 세라믹 슬러리는 세라믹 입자, 개시제 및 기타 첨가제를 포함하는 광경화성 수지, 및 분산제와 혼합된다. 하지만, DLP 및 SLA 프린팅은 단량체가 가교 중합체를 형성하면서 부피 수축이 발생하고, 치밀한 세라믹을 얻기 위한 소결 과정에서 크랙 및 휘어짐이 발생할 수 있다. 이러한 문제로 인해 복잡한 치수의 정확한 구현이 불가능하다.Among 3D printing technologies using ceramic slurry, DLP and SLA printing methods have high precision and can be widely used to create complex geometric structures. The ceramic slurry used is mixed with ceramic particles, a photocurable resin containing an initiator and other additives, and a dispersant. However, in DLP and SLA printing, volumetric shrinkage occurs as monomers form cross-linked polymers, and cracks and warping may occur during the sintering process to obtain dense ceramics. These problems make accurate implementation of complex dimensions impossible.

일반적인 세라믹 제품 제조공정에서 높은 치수 안정성을 갖는 성형체(green body) 및 소결체(sintered body)를 얻기 위해서는 세라믹의 고형분의 함량이 최대한 높아야 한다. 그러나, DLP 및 SLA 공법에 적용하기 위해서는 적절한 유동성과 점도를 갖는 세라믹 슬러리를 제조할 필요가 있다. 이는 입자 뭉침 방지 및 슬러리의 적층 면에 균일한 도포와 밀접한 관련이 있기 때문이다. In order to obtain green and sintered bodies with high dimensional stability in a general ceramic product manufacturing process, the solid content of the ceramic must be as high as possible. However, in order to apply it to DLP and SLA methods, it is necessary to manufacture ceramic slurry with appropriate fluidity and viscosity. This is because it is closely related to preventing particle agglomeration and uniformly applying the slurry to the stacked surface.

이처럼, 세라믹 슬러리 제조 기술은 성공적인 DLP 및 SLA 프린팅을 위한 핵심 기술이며, 많은 연구자들에 의해 DLP 및 SLA 3D 프린팅에 적합한 새로운 광중합성 세라믹 슬러리에 대한 연구가 이루어지고 있지만, 제품 형상의 복잡화됨에 따라 보다 적합한 물성의 3D 프린팅용 세라믹 슬러리 제조 기술이 여전히 요구되고 있는 실정이다.As such, ceramic slurry manufacturing technology is a key technology for successful DLP and SLA printing, and many researchers are conducting research on new photopolymerizable ceramic slurries suitable for DLP and SLA 3D printing. However, as product shapes become more complex, Ceramic slurry manufacturing technology for 3D printing with suitable physical properties is still required.

대한민국등록특허 제10-0533627호 (2005.12.06. 공고)Republic of Korea Patent No. 10-0533627 (announced on December 6, 2005)

본 발명의 목적은 3D 프린팅에 사용 가능하고 우수한 강도를 가지는 세라믹 슬러리 조성물 및 이를 이용한 고강도 세라믹 구조체를 제조하는 방법을 제공하는 데에 있다.The purpose of the present invention is to provide a ceramic slurry composition that can be used in 3D printing and has excellent strength, and a method of manufacturing a high-strength ceramic structure using the same.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 나트륨(Na)을 포함하는 무기 바인더 전구체 용액으로 코팅된 세라믹 입자 60 내지 80 중량부; 광경화성 수지 15 내지 35 중량부; 및 분산제 0.1 내지 5 중량부를 포함하는 세라믹 슬러리 조성물로, 상기 광경화성 수지는 광중합성 단량체 80 내지 90 중량부, 광개시제 1 내지 10 중량부, 및 기타 첨가제로 이루어지며, 상기 조성물에 광을 조사하여 광중합 후, 50 내지 200℃에서 1 내지 3 시간 에이징(aging)하여 강도를 향상시킨 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅용 세라믹 슬러리 조성물을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention includes 60 to 80 parts by weight of ceramic particles coated with an inorganic binder precursor solution containing sodium (Na); 15 to 35 parts by weight of photocurable resin; and 0.1 to 5 parts by weight of a dispersant, wherein the photocurable resin consists of 80 to 90 parts by weight of a photopolymerizable monomer, 1 to 10 parts by weight of a photoinitiator, and other additives, and photopolymerization is performed by irradiating light to the composition. Afterwards, a ceramic slurry composition for 3D printing is provided, characterized in that the strength is improved by aging at 50 to 200° C. for 1 to 3 hours.

상기 무기 바인더 전구체 용액은, 나트륨 전구체, 실리카 전구체 및 용매를 포함할 수 있다.The inorganic binder precursor solution may include a sodium precursor, a silica precursor, and a solvent.

상기 조성물은, 광경화성 수지 투사(Digital light processing, DLP) 방식 또는 광경화성 수지 적층 조형(Stereolithography apparatus, SLA) 방식의 3D 프린터에 사용될 수 있다.The composition can be used in a 3D printer using a photocurable resin projection (digital light processing, DLP) method or a photocurable resin lamination apparatus (SLA) method.

본 발명은 세라믹 분말 입자를 무기 바인더 전구체 용액에 침지하여 상기 세라믹 분말 입자를 무기 바인더 전구체로 코팅시키는 단계; 상기 무기 바인더 전구체로 코팅된 세라믹 분말 입자를 광중합성 단량체, 광개시제 및 분산제와 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 상기 제조된 슬러리에 광을 조사하여 성형체를 제조하는 단계; 상기 제조된 성형체를 에이징(aging)하는 단계; 및 상기 에이징된 성형체를 열처리하여 소성체를 제조하는 단계를 포함하는, 고강도 세라믹 구조체 제조방법을 제공한다.The present invention includes the steps of immersing ceramic powder particles in an inorganic binder precursor solution and coating the ceramic powder particles with the inorganic binder precursor; Preparing a slurry by mixing the ceramic powder particles coated with the inorganic binder precursor with a photopolymerizable monomer, a photoinitiator, and a dispersant; Manufacturing a molded body by irradiating light to the prepared slurry; Aging the manufactured molded body; and heat-treating the aged molded body to produce a sintered body.

상기 무기 바인더 전구체 용액은, 나트륨 전구체 50 내지 60 중량부, 실리카 전구체 30 내지 40 중량부 및 나머지 용매를 포함할 수 있다.The inorganic binder precursor solution may include 50 to 60 parts by weight of a sodium precursor, 30 to 40 parts by weight of a silica precursor, and the remaining solvent.

상기 에이징(aging)하는 단계는, 50 내지 200℃에서 1 내지 3 시간 동안 수행될 수 있다.The aging step may be performed at 50 to 200°C for 1 to 3 hours.

상기 소성체를 제조하는 단계는, 상기 에이징된 성형체를 900 내지 1,100℃에서 1 내지 3 시간 동안 열처리하여 수행될 수 있다.The step of manufacturing the fired body may be performed by heat treating the aged molded body at 900 to 1,100° C. for 1 to 3 hours.

또한, 본 발명은 상기의 제조방법에 따라 제조된, 고강도 세라믹 구조체를 제공한다.Additionally, the present invention provides a high-strength ceramic structure manufactured according to the above manufacturing method.

상기 고강도 세라믹 구조체는, 성형강도 및 소성강도가 향상될 수 있다.The high-strength ceramic structure can have improved forming strength and plastic strength.

상기 고강도 세라믹 구조체는, 3D 프린터를 사용하여 제조될 수 있다.The high-strength ceramic structure can be manufactured using a 3D printer.

본 발명에 따른 세라믹 슬러리 조성물은 종래의 소결 공정 대신 무기 바인더로 개질된 세라믹 입자를 이용하여 높은 강도를 가지고 열처리 과정에서 발생할 수 있는 변형을 최소화할 수 있어, 광중합을 이용한 3D 프린팅에서 복잡한 형상의 세라믹 제품을 생산하기 위해 유용하게 사용될 수 있다.The ceramic slurry composition according to the present invention has high strength by using ceramic particles modified with an inorganic binder instead of the conventional sintering process and can minimize deformation that may occur during heat treatment, making ceramics of complex shapes in 3D printing using light polymerization. It can be usefully used to produce products.

상기 무기 바인더는 유해물질을 방출하지 않아 친환경적이며, 열처리 후에도 분해되지 않고 유리상을 생성하여 고온 강도를 가질 수 있다. The inorganic binder is environmentally friendly as it does not emit harmful substances, and can have high-temperature strength by creating a glass phase without decomposing even after heat treatment.

또한, 본 발명에 따른 고강도 세라믹 구조체 제조방법은 종래의 소성 공정 전 무기 바인더의 에이징(aging) 공정을 적용하여 축합 효율을 향상시켜 높은 성형 강도(green strength)를 가질 수 있고, 소성 과정에서 세라믹 입자 사이의 유리전환 효율을 증가시켜 우수한 소성 강도(firing strength)를 얻을 수 있다.In addition, the method for manufacturing a high-strength ceramic structure according to the present invention can have high green strength by improving condensation efficiency by applying an aging process of the inorganic binder before the conventional firing process, and ceramic particles are formed during the firing process. By increasing the glass conversion efficiency, excellent firing strength can be obtained.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 슬러리, 세라믹 성형체 및 소성체 제조공정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 무기 바인더가 실리카에 코팅되는 메커니즘을 나타낸 것이다.
도 3은 무기 바인더로 코팅된 용융 실리카 (파란색 선) 및 원료 용융 실리카 (빨간색 선)의 시차주사열량분석(DSC) 스펙트럼이다.
도 4는 200℃에서 에이징된 무기 바인더를 가진 용융 실리카 (하단), 무기 바인더로 코팅된 용융 실리카 (중간), 및 원시 용융 실리카 코팅 (상단)의 열중량-시차열분석(thermal gravity differential temperature analyzer, TG-DTA) 스펙트럼이다.
도 5는 무기 바인더의 코팅 여부 및 에이징 온도에 따른 성형 및 소성 강도를 나타낸 것이다.
도 6은 에이징 온도에 따른 성형체의 파단면 미세구조 주사전자현미경(SEM) 이미지로, A는 코팅되지 않은 용융 실리카, B는 무기 바인더로 코팅된 용융 실리카이다,
도 7은 무기 바인더가 코팅된 용융 실리카를 이용하여 제조된 소성체의 파단면과 원료 용융 실리카로 제조된 소결체의 파단면의 미세조직 SEM 이미지이다.
도 8은 에이징 온도에 따른 성형체의 푸리에 변환 적외선 분광 분석(FT-IR) 스펙트럼으로, (a)는 원료 용융 실리카를 사용하여 제조된 성형체, (b)는 무기 바인더로 코팅된 용융 실리카를 사용하여 제조된 성형체이다.
도 9는 무기 바인더로 코팅된 용융 실리카를 사용하여 제조된 세라믹 본체(ceramic body)의 세라믹 공정에 따른 X선 광전자 분광분석(XPS) 스펙트럼으로, (a)는 성형체, (b)는 소성체이다.
도 10은 성형체 및 소성체의 각 단계에 대한 무기 바인더 결합 메커니즘의 개략도이다.
도 11은 무기 바인더로 코팅된 용융 실리카를 이용하여 제조된 샘플의 에이징 여부에 따른 소성 후 형상 및 원료 용융 실리카로 제작된 샘플의 소결 후 형상을 나타낸 것이다.
Figure 1 schematically shows a process for manufacturing a ceramic slurry, a ceramic molded body, and a fired body according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows the mechanism by which an inorganic binder is coated on silica.
Figure 3 is a differential scanning calorimetry (DSC) spectrum of fused silica coated with an inorganic binder (blue line) and raw fused silica (red line).
4 is a thermogravimetric differential temperature analyzer of fused silica with an inorganic binder aged at 200°C (bottom), fused silica coated with an inorganic binder (middle), and pristine fused silica coating (top). , TG-DTA) spectrum.
Figure 5 shows the forming and firing strength depending on whether the inorganic binder is coated and the aging temperature.
Figure 6 is a scanning electron microscope (SEM) image of the fracture surface microstructure of the molded body according to aging temperature, where A is uncoated fused silica and B is fused silica coated with an inorganic binder.
Figure 7 is a microstructure SEM image of the fractured surface of a sintered body manufactured using fused silica coated with an inorganic binder and the fractured surface of a sintered body manufactured using raw fused silica.
Figure 8 is a Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) spectrum of a molded body according to aging temperature. (a) is a molded body manufactured using raw fused silica, and (b) is a molded body manufactured using fused silica coated with an inorganic binder. This is a manufactured molded body.
Figure 9 is an .
Figure 10 is a schematic diagram of the inorganic binder binding mechanism for each stage of the molded body and the fired body.
Figure 11 shows the shape after sintering of a sample manufactured using fused silica coated with an inorganic binder depending on aging, and the shape after sintering of a sample made from raw fused silica.

이하, 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명자는 광중합을 이용한 3D 프린팅을 이용하여 복잡한 형상의 세라믹 제품을 생산하기 위해서 광경화성 슬러리를 제조하였고, 이의 강도가 보다 향상되고 열처리 과정에서 발생할 수 있는 변형이 최소화됨을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.The present inventor prepared a photocurable slurry to produce ceramic products of complex shapes using 3D printing using photopolymerization, and completed the present invention by confirming that its strength was further improved and deformation that may occur during heat treatment was minimized. did.

본 발명은 3D 프린팅용 세라믹 슬러리 조성물을 제공한다.The present invention provides a ceramic slurry composition for 3D printing.

보다 상세하게는, 상기 3D 프린팅용 세라믹 슬러리 조성물은 나트륨(Na)을 포함하는 무기 바인더 전구체 용액으로 코팅된 세라믹 입자 60 내지 80 중량부; 광경화성 수지 15 내지 35 중량부; 및 분산제 0.1 내지 5 중량부를 포함할 수 있다.More specifically, the ceramic slurry composition for 3D printing includes 60 to 80 parts by weight of ceramic particles coated with an inorganic binder precursor solution containing sodium (Na); 15 to 35 parts by weight of photocurable resin; and 0.1 to 5 parts by weight of a dispersant.

상기 세라믹 입자는 실리카, 알루미나, 지르코니아, 마그네시아, 뮬라이트, 티타니아, 또는 이의 혼합물을 포함할 수 있고, 바람직하게는 평균 입경이 5 내지 10 μm인 용융 실리카일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The ceramic particles may include silica, alumina, zirconia, magnesia, mullite, titania, or mixtures thereof, and are preferably fused silica with an average particle diameter of 5 to 10 μm, but are not limited thereto.

상기 무기 바인더 전구체 용액은 나트륨 전구체, 실리카 전구체 및 용매를 포함할 수 있다. 상기 용액은 나트륨 전구체 50 내지 60 중량부, 실리카 전구체 30 내지 40 중량부 및 나머지 용매로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The inorganic binder precursor solution may include a sodium precursor, a silica precursor, and a solvent. The solution may consist of 50 to 60 parts by weight of a sodium precursor, 30 to 40 parts by weight of a silica precursor, and the remaining solvent, but is not limited thereto.

상기 나트륨 전구체는 나트륨 메톡사이드, 나트륨 에톡사이드, 및 수산화나트륨으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있고, 바람직하게는 나트륨 메톡사이드(sodium methoxide, NaOMe)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The sodium precursor may be one or more selected from the group consisting of sodium methoxide, sodium ethoxide, and sodium hydroxide, and is preferably sodium methoxide (NaOMe), but is not limited thereto.

상기 중량 범위의 나트륨 전구체는 세라믹 입자의 망상 구조를 조절하여 이후 유리화 반응을 거쳐 소성 후에도 우수한 강도를 구현할 수 있게 한다.The sodium precursor in the above weight range adjusts the network structure of the ceramic particles, enabling excellent strength to be achieved even after firing through a vitrification reaction.

상기 실리카 전구체는 테트라에틸오르토실리케이트, 테트라메톡시실란, 테트라에톡시실란, 테트라프로폭시실란, 테트라부톡시실란, 테트라이소프로폭시실란, 메톡시트리에톡시실란, 디메톡시디에톡시실란, 에톡시트리메톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 에틸트리에톡시실란, 디메틸디메톡시실란, 디메틸디에톡시실란, 디에틸디에톡시실란, 테트라메톡시메틸실란, 테트라메톡시에틸실란, 테트라에톡시메틸실란 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있고, 바람직하게는 테트라에틸오르토실리케이트tetraethyl orthosilicate, TEOS)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The silica precursor is tetraethylorthosilicate, tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetrapropoxysilane, tetrabutoxysilane, tetraisopropoxysilane, methoxytriethoxysilane, dimethoxydiethoxysilane, Toxytrimethoxysilane, methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, ethyltriethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, diethyldiethoxysilane, tetramethoxymethylsilane, tetramethoxyethyl It may be selected from the group consisting of silane, tetraethoxymethylsilane, and combinations thereof, and is preferably tetraethyl orthosilicate (TEOS), but is not limited thereto.

상기 용매는 유기 용매를 포함할 수 있고, 예를 들면, 메틸알코올, 에틸알코올, 프로필알코올, 이소프로필알코올, 부틸알코올, 이소부틸알코올, 헥실알코올, 사이클로헥실알코올 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The solvent may include an organic solvent, for example, selected from the group consisting of methyl alcohol, ethyl alcohol, propyl alcohol, isopropyl alcohol, butyl alcohol, isobutyl alcohol, hexyl alcohol, cyclohexyl alcohol, and combinations thereof. It may be, but is not limited to this.

상기 무기 바인더 전구체 용액은 용해성을 위해 액상으로 제조될 수 있으며, 유무기 하이브리드 소재로 제조되어 기계적 강도가 우수한 무기물의 장점과 유연성 및 성형성이 유리한 유기물의 장점을 모두 가질 수 있다. The inorganic binder precursor solution can be prepared in a liquid state for solubility, and is made of an organic-inorganic hybrid material, so it can have both the advantages of an inorganic material with excellent mechanical strength and an organic material with advantageous flexibility and moldability.

상기 광경화성 수지는 광중합성 단량체 80 내지 90 중량부, 광개시제 1 내지 10 중량부, 및 기타 첨가제를 포함할 수 있다.The photocurable resin may include 80 to 90 parts by weight of a photopolymerizable monomer, 1 to 10 parts by weight of a photoinitiator, and other additives.

상기 광중합성 단량체는 아크릴레이트계 단량체를 포함할 수 있고, 상기 아크릴레이트계 단량체는 예를 들어, 에틸렌글리콜 디(메타)아크릴레이트, 1,2-프로필렌글리콜 디(메타)아크릴레이트, 1,3-부틸렌글리콜 디(메타)아크릴레이트, 1,4-부틸렌글리콜 디(메타)아크릴레이트, 1,6-헥산디올 디(메타)아크릴레이트, 디에틸렌글리콜 디(메타)아크릴레이트, 디프로필렌글리콜 디(메타)아크릴레이트, 트리에틸렌글리콜 디(메타)아크릴레이트, 테트라에틸렌글리콜 디(메타)아크릴레이트, 폴리 에틸렌글리콜 디(메타)아크릴레이트 및 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있고, 바람직하게는 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트(trimethylolpropane triacrylate, TMPTA)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The photopolymerizable monomer may include an acrylate-based monomer, and the acrylate-based monomer is, for example, ethylene glycol di(meth)acrylate, 1,2-propylene glycol di(meth)acrylate, 1,3 -Butylene glycol di(meth)acrylate, 1,4-butylene glycol di(meth)acrylate, 1,6-hexanediol di(meth)acrylate, diethylene glycol di(meth)acrylate, dipropylene Selected from the group consisting of glycol di(meth)acrylate, triethylene glycol di(meth)acrylate, tetraethylene glycol di(meth)acrylate, polyethylene glycol di(meth)acrylate, and trimethylolpropane triacrylate. There may be one or more, preferably trimethylolpropane triacrylate (TMPTA), but is not limited thereto.

상기 광개시제는 광(예를 들면, UV) 조사 시에 광중합 반응을 일으킬 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 케톤계 광중합 개시제, 유기과산화물계 광중합 개시제, 아조계 광중합 개시제 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있고, 바람직하게는 케톤계 광중합 개시제일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The photoinitiator is not particularly limited as long as it can cause a photopolymerization reaction when irradiated with light (e.g., UV), and may include, for example, a ketone-based photopolymerization initiator, an organic peroxide-based photopolymerization initiator, an azo-based photopolymerization initiator, or a combination thereof. It may be one or more selected from the group consisting of, and preferably may be a ketone-based photopolymerization initiator, but is not limited thereto.

상기 케톤계 광중합 개시제는, 예를 들어, 2,2-디메톡시-2-페닐 아세토페논, 2-메틸-1-[4-(메틸티오)페닐-2-모폴리노]프로판-1-온, 2-벤질-2N,N-디메틸라미노-1-(4-모폴리노페닐)-1-부타논, 이소프로필티옥산톤, 캠포퀴논, [4-(4-메틸페닐티오)페닐]페닐 케톤, 4-페닐벤조페논, 2-에틸안트라퀴논, 디-이오도부톡시플루오론, 디페닐 케톤, 디에톡시아세토페논, 1-하이드록시 사이클로헥실 페닐 케톤, 2-하이드록시-2-메틸-1-페닐-프로판-1-원, 벤조인 에테르, 벤조인, 벤조인 알킬 에테르, 아세토페논, 아미노아세토페논, 안스라퀴논, 티옥산톤, 케탈, 벤조페논, 크산톤 또는 2,4,6-트리메틸벤조일 디페닐 포스핀 옥사이드로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있고, 바람직하게는 1-하이드록시 사이클로헥실 페닐 케톤(1-hydroxy cyclohexyl phenyl ketone, HPCK)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The ketone photopolymerization initiator is, for example, 2,2-dimethoxy-2-phenyl acetophenone, 2-methyl-1-[4-(methylthio)phenyl-2-morpholino]propan-1-one , 2-benzyl-2N,N-dimethylamino-1-(4-morpholinophenyl)-1-butanone, isopropylthioxanthone, camphorquinone, [4-(4-methylphenylthio)phenyl]phenyl Ketone, 4-phenylbenzophenone, 2-ethylanthraquinone, di-iodobutoxyfluorone, diphenyl ketone, diethoxyacetophenone, 1-hydroxy cyclohexyl phenyl ketone, 2-hydroxy-2-methyl- 1-phenyl-propane-1-one, benzoin ether, benzoin, benzoin alkyl ether, acetophenone, aminoacetophenone, anthraquinone, thioxanthone, ketal, benzophenone, xanthone or 2,4,6 - It may be selected from the group consisting of trimethylbenzoyl diphenyl phosphine oxide, preferably 1-hydroxy cyclohexyl phenyl ketone (HPCK), but is not limited thereto.

바람직하게는, 상기 광개시제는 상기 광중합성 단량체 전체 100 중량부에 대하여, 2 내지 10 중량부 포함될 수 있고, 보다 바람직하게는 3 내지 5 중량부 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Preferably, the photoinitiator may be included in an amount of 2 to 10 parts by weight, more preferably 3 to 5 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total photopolymerizable monomer, but is not limited thereto.

상기 기타 첨가제는 UV 안정제, UV 흡수제, 산화 방지제, 접착 강화제, 저수축제, 광택제, 소포제, 안료 습윤제, 증점제 또는 발수 첨가제에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The other additives may be one or more selected from UV stabilizers, UV absorbers, antioxidants, adhesion enhancers, low shrinkage agents, brighteners, antifoaming agents, pigment wetting agents, thickeners, or water repellent additives, but are not limited thereto.

상기 분산제는 상기 무기 바인더 전구체 용액으로 코팅된 세라믹 입자가 상기 광경화성 수지에 잘 분산되도록 하는 물질이라면, 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, DISPERBYK-111, NTI-TERRA-210, SMD-13, SMD-33S, SMD-53N, Gendisper-201, Gendisper-202, Gendisper-601, Targon 886, Targon 1128, KH56, 또는 LSPERSE 39000을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The dispersant is not particularly limited as long as it is a material that allows the ceramic particles coated with the inorganic binder precursor solution to be well dispersed in the photocurable resin, for example, DISPERBYK-111, NTI-TERRA-210, SMD-13, SMD May include, but is not limited to -33S, SMD-53N, Gendisper-201, Gendisper-202, Gendisper-601, Targon 886, Targon 1128, KH56, or LSPERSE 39000.

바람직하게는, 상기 분산제는 상기 광중합성 단량체 전체 100 중량부에 대하여, 0.5 내지 3 중량부 포함될 수 있고, 보다 바람직하게는 1 내지 2 중량부 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Preferably, the dispersant may be included in an amount of 0.5 to 3 parts by weight, more preferably 1 to 2 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total photopolymerizable monomer, but is not limited thereto.

본 발명에 따른 3D 프린팅용 세라믹 슬러리 조성물은 광 조사하여 광중합 후, 50 내지 200℃에서 1 내지 3 시간 에이징(aging)하여 강도를 향상시킬 수 있다.The strength of the ceramic slurry composition for 3D printing according to the present invention can be improved by photopolymerization by irradiation with light and then aging at 50 to 200° C. for 1 to 3 hours.

또한, 상기 3D 프린팅용 세라믹 슬러리 조성물은 광경화성 수지 투사(Digital light processing, DLP) 또는 광경화성 수지 적층 조형(Stereolithography apparatus, SLA) 방식의 3D 프린터에 사용될 수 있다.Additionally, the ceramic slurry composition for 3D printing can be used in a 3D printer using a photocurable resin projection (digital light processing, DLP) or photocurable resin lamination apparatus (SLA) method.

본 발명은 상기의 세라믹 슬러리 조성물을 이용하여 고강도 세라믹 구조체를 제조하는 방법을 제공한다.The present invention provides a method of manufacturing a high-strength ceramic structure using the above ceramic slurry composition.

본 발명에 따른 고강도 세라믹 구조체의 제조방법은 세라믹 분말 입자를 무기 바인더 전구체 용액에 침지하여 상기 세라믹 분말 입자를 무기 바인더 전구체로 코팅시키는 단계; 상기 무기 바인더 전구체로 코팅된 세라믹 분말 입자를 광중합성 단량체, 광개시제 및 분산제와 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 상기 제조된 슬러리에 광을 조사하여 성형체를 제조하는 단계; 상기 제조된 성형체를 에이징(aging)하는 단계; 및 상기 에이징된 성형체를 열처리하여 소성체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.The method for manufacturing a high-strength ceramic structure according to the present invention includes the steps of immersing ceramic powder particles in an inorganic binder precursor solution and coating the ceramic powder particles with the inorganic binder precursor; Preparing a slurry by mixing the ceramic powder particles coated with the inorganic binder precursor with a photopolymerizable monomer, a photoinitiator, and a dispersant; Manufacturing a molded body by irradiating light to the prepared slurry; Aging the manufactured molded body; And it may include producing a fired body by heat treating the aged molded body.

본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 세라믹 분말 입자를 무기 바인더 전구체로 코팅시키는 단계는, 세라믹 분말 입자를 무기 바인더 전구체 용액에 침지함으로써 수행될 수 있다.In the manufacturing method according to the present invention, the step of coating the ceramic powder particles with an inorganic binder precursor may be performed by immersing the ceramic powder particles in an inorganic binder precursor solution.

보다 상세하게는, 상기 세라믹 분말 입자를 무기 바인더 전구체 용액에 20 내지 30℃에서 1 내지 3 시간 동안 침지시킨 후, 여과하여 세라믹 분말 입자만을 분리한 다음, 상기 입자를 70 내지 90℃에서 5 내지 15시간 건조시킴으로써 수행될 수 있다.More specifically, the ceramic powder particles are immersed in an inorganic binder precursor solution at 20 to 30°C for 1 to 3 hours, then filtered to separate only the ceramic powder particles, and then the particles are incubated at 70 to 90°C for 5 to 15 hours. This can be done by allowing time to dry.

상기 세라믹 입자는 실리카, 알루미나, 지르코니아, 마그네시아, 뮬라이트, 티타니아, 또는 이의 혼합물을 포함할 수 있고, 바람직하게는 평균 입경이 5 내지 10 μm인 용융 실리카일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The ceramic particles may include silica, alumina, zirconia, magnesia, mullite, titania, or mixtures thereof, and are preferably fused silica with an average particle diameter of 5 to 10 μm, but are not limited thereto.

상기 무기 바인더 전구체 용액은 나트륨 전구체, 실리카 전구체 및 용매를 포함할 수 있다. 상기 용액은 나트륨 전구체 50 내지 60 중량부, 실리카 전구체 30 내지 40 중량부 및 나머지 용매로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The inorganic binder precursor solution may include a sodium precursor, a silica precursor, and a solvent. The solution may consist of 50 to 60 parts by weight of a sodium precursor, 30 to 40 parts by weight of a silica precursor, and the remaining solvent, but is not limited thereto.

이에 상응하는 특징들은 상술된 부분에서 대신할 수 있다.Corresponding features may be substituted for the parts described above.

본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 슬러리를 제조하는 단계는 상기 무기 바인더 전구체로 코팅된 세라믹 분말 입자를 광중합성 단량체, 광개시제 및 분산제와 혼합함으로써 수행될 수 있다.In the manufacturing method according to the present invention, the step of preparing the slurry may be performed by mixing ceramic powder particles coated with the inorganic binder precursor with a photopolymerizable monomer, a photoinitiator, and a dispersant.

보다 상세하게는, 상기 무기 바인더 전구체로 코팅된 세라믹 분말 입자, 광중합성 단량체, 광개시제 및 분산제를 혼합하여 1000 내지 2000 rpm으로 5 내지 15분간 믹싱(mixing)함으로써 수행될 수 있다.More specifically, it can be performed by mixing ceramic powder particles coated with the inorganic binder precursor, photopolymerizable monomer, photoinitiator, and dispersant and mixing at 1000 to 2000 rpm for 5 to 15 minutes.

이에 상응하는 특징들은 상술된 부분에서 대신할 수 있다.Corresponding features may be substituted for the parts described above.

본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 성형체를 제조하는 단계는 상기 제조된 슬러리에 광을 조사함으로써 수행될 수 있다. In the manufacturing method according to the present invention, the step of manufacturing the molded body may be performed by irradiating light to the prepared slurry.

보다 상세하게는, 유동성을 가지는 상기 슬러리를 유리 몰드에 넣은 후, 광 조사에 의한 광중합 반응으로 성형체를 제조할 수 있다.More specifically, after putting the fluid slurry into a glass mold, a molded body can be manufactured through a photopolymerization reaction by light irradiation.

본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 제조된 성형체를 에이징(aging)하는 단계는 50 내지 200℃에서 1 내지 3 시간 동안 수행될 수 있다. In the manufacturing method according to the present invention, the step of aging the manufactured molded body may be performed at 50 to 200° C. for 1 to 3 hours.

상기 에이징 공정으로 인해 상기 세라믹 분말 입자에 코팅된 무기 바인더 전구체의 졸-겔 반응이 상기 세라믹 분말 입자 사이의 네트워크를 형성하여 입자간 접착력을 향상시킴으로써 성형 강도(green strength)를 향상시킬 수 있다.Due to the aging process, a sol-gel reaction of the inorganic binder precursor coated on the ceramic powder particles forms a network between the ceramic powder particles, thereby improving inter-particle adhesion, thereby improving green strength.

본 명세서에서, "졸(sol)-겔(gel) 법"이란, 액체에서 출발하여 미립자를 포함한 졸을 거쳐 고체의 골격 틈새에 액체 따위가 포함된 겔을 통하여 세라믹과 같은 무기 재료를 만드는 공정을 의미하며, 이를 통해 화학적 균일도가 높은 생성물을 얻을 수 있다.In this specification, the "sol-gel method" refers to a process of making an inorganic material such as ceramics starting from a liquid, passing through a sol containing fine particles, and then passing through a gel containing liquid etc. in the gaps between the solid skeleton. This means that a product with high chemical uniformity can be obtained.

본 발명의 일 실험예에 따르면, 상기 에이징 온도가 200℃까지 증가함에 따라 상기 입자간 네트워크가 더욱 강화되어 성형 강도가 향상됨을 확인하였다. 더불어, 이러한 네트워크의 강화로 이후 소성 과정에서 입자 사이의 네킹(necking) 영역을 증가시켜 유리화 효율을 향상시킬 수 있다.According to an experimental example of the present invention, it was confirmed that as the aging temperature increased to 200° C., the inter-particle network was further strengthened and the molding strength was improved. In addition, strengthening of this network can improve vitrification efficiency by increasing the necking area between particles during the subsequent firing process.

본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 소성체를 제조하는 단계는 상기 에이징된 성형체를 열처리함으로써 수행될 수 있다. 보다 상세하게는, 900 내지 1,100℃에서 1 내지 3 시간 동안 열처리하여 상기 무기 바인더 전구체를 유리화할 수 있다.In the manufacturing method according to the present invention, the step of manufacturing the fired body may be performed by heat treating the aged molded body. More specifically, the inorganic binder precursor may be vitrified by heat treatment at 900 to 1,100° C. for 1 to 3 hours.

본 발명의 일 실험예에 따르면, 상기 소성체는 열처리 전 에이징 공정을 거침으로써, 유리전환 효율이 향상되고, 소성 강도가 향상됨을 확인하였다.According to an experimental example of the present invention, it was confirmed that the glass conversion efficiency and firing strength were improved by subjecting the fired body to an aging process before heat treatment.

또한, 소결점 이하의 고온(1000℃) 열처리 과정을 거쳐 중합된 고분자가 분해되더라도 용융된 무기 바인더가 입자를 결합시켜 형태 및 치수를 유지할 수 있음을 확인하였다.In addition, it was confirmed that even if the polymer polymerized through a high temperature (1000°C) heat treatment process below the sintering point decomposes, the molten inorganic binder can bind the particles and maintain their shape and size.

즉, 본 발명에 따른 세라믹 입자 분말에 코팅된 무기 바인더 전구체는 졸-겔 반응 및 유리화(vitrification)를 통해 유리상으로 전환되어 우수한 소성 강도(firing strength)를 발현할 수 있고, 형상 및 치수 안정성이 높은 소성체(fired body)를 얻을 수 있다.That is, the inorganic binder precursor coated on the ceramic particle powder according to the present invention can be converted into a glass phase through a sol-gel reaction and vitrification to exhibit excellent firing strength and have high shape and dimensional stability. A fired body can be obtained.

본 발명에 따른 제조방법은, 3D 프린터를 이용하여 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The manufacturing method according to the present invention can be performed using a 3D printer, but is not limited thereto.

또한, 본 발명은 상기의 제조방법에 따라 제조된, 고강도 세라믹 구조체를 제공한다.Additionally, the present invention provides a high-strength ceramic structure manufactured according to the above manufacturing method.

상기 고강도 세라믹 구조체는, 성형강도 및 소성강도가 향상된 것일 수 있다.The high-strength ceramic structure may have improved forming strength and plastic strength.

상기 상기 고강도 세라믹 구조체는, 3D 프린터를 사용하여 제조될 수 있다.The high-strength ceramic structure can be manufactured using a 3D printer.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples to aid understanding. However, the following examples only illustrate the content of the present invention and the scope of the present invention is not limited to the following examples. Examples of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.

<실시예 1> 광경화성 슬러리형 수지의 제조<Example 1> Preparation of photocurable slurry type resin

광경화성 슬러리형 수지는 개질 용융 실리카, 아크릴레이트 단량체, 분산제 및 광개시제로 구성되었다. 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트(trimethylolpropane triacrylate, TMPTA)와 1-하이드록시 사이클로헥실 페닐 케톤(1-hydroxy cyclohexyl phenyl ketone, HPCK)은 각각 자외선(UV) 조사 하에서 아크릴레이트 단량체의 광라디칼 중합에 의해 광경화 고분자를 제조하기 위한 아크릴레이트 단량체와 광개시제로 사용되었다. TMPTA 및 HPCK는 Sigma-Aldrich (Germany)에서 구입하였다. DISPERBYK-111 (BYK, Wesel, Germany)을 분산제로 균일한 혼합물에 사용하였다. 혼합물 내 HPCK와 BYK-111의 혼합비는 TMPTA 중량 기준으로 각각 4 중량%와 1 중량%였다. The photocurable slurry-type resin consisted of modified fused silica, acrylate monomer, dispersant, and photoinitiator. Trimethylolpropane triacrylate (TMPTA) and 1-hydroxy cyclohexyl phenyl ketone (HPCK) are each photocured by photoradical polymerization of acrylate monomers under ultraviolet (UV) irradiation. It was used as an acrylate monomer and photoinitiator to prepare the polymer. TMPTA and HPCK were purchased from Sigma-Aldrich (Germany). DISPERBYK-111 (BYK, Wesel, Germany) was used as a dispersant for homogeneous mixtures. The mixing ratios of HPCK and BYK-111 in the mixture were 4% by weight and 1% by weight, respectively, based on the weight of TMPTA.

하기 표 1은 광경화 세라믹 슬러리의 조성(무게비)을 나타낸 것이다.Table 1 below shows the composition (weight ratio) of the photocurable ceramic slurry.

광경화성 수지
(단량체+광개시제)
photocurable resin
(monomer + photoinitiator)
개질 용융 실리카modified fused silica 분산제dispersant
3030 7070 0.30.3

본 실시예에서 세라믹 재료는 평균 입자 크기가 9.51μm인 용융 실리카(Sibleco, Korea)를 사용하였다. 열처리 후 세라믹 본체(ceramic body)의 기계적 강도를 향상시키기 위하여 무기 바인더를 포함하는 개질 용융 실리카를 하기와 같은 과정으로 제조하였다. In this example, fused silica (Sibleco, Korea) with an average particle size of 9.51 μm was used as the ceramic material. In order to improve the mechanical strength of the ceramic body after heat treatment, modified fused silica containing an inorganic binder was manufactured through the following process.

먼저, 출발 분말로 실리카를 ~25℃에서 1시간 동안 무기 바인더 용액에 침지시켰다. 상기 용액은 테트라에틸 오르토실리케이트(tetraethyl orthosilicate, TEOS), 나트륨 메톡사이드(sodium methoxide, NaOMe) 및 이소부틸 알코올(isobutyl alcohol, i-BuOH)로 구성되었다. TEOS, NaOMe 및 i-BuOH의 중량비는 각각 38, 56 및 6 중량%였다. TEOS, NaOMe 및 i-BuOH는 Sigma-Aldrich (Germany)에서 구입하였다. 이 용액에 실리카 비드를 침지한 후 필터(Advantec, Toyo, #5A)를 사용하여 여과하여 침지 용액과 실리카 비드를 분리하였다. 젖은 실리카 비드를 80℃에서 10시간 동안 건조시켰다. First, silica as a starting powder was immersed in an inorganic binder solution at ~25°C for 1 hour. The solution consisted of tetraethyl orthosilicate (TEOS), sodium methoxide (NaOMe), and isobutyl alcohol (i-BuOH). The weight ratios of TEOS, NaOMe, and i-BuOH were 38, 56, and 6 wt%, respectively. TEOS, NaOMe, and i-BuOH were purchased from Sigma-Aldrich (Germany). Silica beads were immersed in this solution and filtered using a filter (Advantec, Toyo, #5A) to separate the immersion solution from the silica beads. Wet silica beads were dried at 80°C for 10 hours.

무기 바인더로 코팅된 실리카 입자와 광경화성 수지를 1200 rpm으로 5분간 페이스트 믹서 (HanTech, Korea)를 이용하여 균일하게 혼합하였다.Silica particles coated with an inorganic binder and photocurable resin were uniformly mixed using a paste mixer (HanTech, Korea) at 1200 rpm for 5 minutes.

무기 바인더 코팅의 효과를 비교하기 위해, 무기 바인더가 코팅되지 않은 용융 실리카를 원료로 동일한 조성, 동일한 공정의 광경화성 수지를 이용하여 슬러리를 추가로 제조하였다.In order to compare the effect of the inorganic binder coating, a slurry was additionally prepared using fused silica without an inorganic binder coating as a raw material and a photocurable resin of the same composition and same process.

<실시예 2> 성형체(green body) 및 소성체(fired body)의 제작<Example 2> Production of green body and fired body

성형체 제작을 위해, 파괴강도(fracture strength) 측정을 위한 50 mm × 6 mm × 1 mm의 직육면체 형상으로 두 종류의 슬러리를 성형하였다. 라디칼 중합의 표면 산소 반응성을 방지하기 위해 성형된 슬러리에 슬라이스 유리를 덮었다. 365 nm의 주파장을 갖는 UV를 광라디칼 중합을 위해 5분간 조사하였다. 그 후, UV의 침투 깊이의 한계를 제한하여 시료의 앞면과 뒷면의 중합도가 균일하게 되도록 각 시료의 앞면과 뒷면에 5분간 UV를 재조사하였다. 성형(green) 및 소성 시료의 강도 한계를 높이기 위해 기존 공정에 열처리 전 에이징 공정을 추가로 1시간 동안 적용하였다. 또한, 에이징 온도에 따른 축합 반응 효율을 평가하기 위해, 각각 50, 100 및 200℃에서 수행하였다. 제작 샘플은 1시간 동안 1000℃에서 열처리되었다 (도 1).To manufacture the molded body, two types of slurries were molded into a rectangular parallelepiped shape of 50 mm × 6 mm × 1 mm to measure fracture strength. To prevent surface oxygen reactivity of radical polymerization, the molded slurry was covered with a slice of glass. UV light with a dominant wavelength of 365 nm was irradiated for 5 minutes for photoradical polymerization. Afterwards, the front and back sides of each sample were re-irradiated with UV light for 5 minutes to limit the UV penetration depth and to ensure uniform polymerization on the front and back sides of the sample. To increase the strength limit of green and fired samples, an aging process was applied for an additional hour before heat treatment to the existing process. Additionally, to evaluate the condensation reaction efficiency according to aging temperature, it was performed at 50, 100, and 200°C, respectively. Fabricated samples were heat treated at 1000°C for 1 hour (Figure 1).

<실험예 1> 개질된 용융 실리카 및 세라믹 본체의 특성 분석<Experimental Example 1> Characteristic analysis of modified fused silica and ceramic body

1. 실험방법 1. Experimental method

개질된 용융 실리카의 응축 거동은 시차주사열량계(DSC, DSC4000, PerkinElmer, USA)로 특성화되었다. 분석을 위해 샘플을 알루미늄 팬에 넣었다. 변위는 1 ℃·min-1의 가열 속도로 -50℃ ~ 400℃에서 측정되었다.The condensation behavior of the modified fused silica was characterized by differential scanning calorimetry (DSC, DSC4000, PerkinElmer, USA). Samples were placed in aluminum pans for analysis. Displacements were measured from -50°C to 400°C with a heating rate of 1°C·min -1 .

성형체의 파괴강도는 만능시험기(Instron 5566, Instron Corp, USA)를 이용하여 0.5 mm·min-1의 속도와 10,500 N의 제한 하중으로 3점 굽힘 모드에서 측정되었다. 시험은 상온에서 5회 실시하여 평균값을 구하였다. The fracture strength of the molded body was measured in three-point bending mode at a speed of 0.5 mm·min -1 and a limiting load of 10,500 N using a universal testing machine (Instron 5566, Instron Corp, USA). The test was conducted five times at room temperature and the average value was obtained.

성형체와 소성체의 파괴강도를 측정한 후, 주사전자현미경(SEM, JSM-5610, Jeol, Japan)을 이용하여 파단된 시편의 파단면을 분석하여 미세구조 및 형태를 분석하였다. After measuring the fracture strength of the molded body and the fired body, the fracture surface of the fractured specimen was analyzed using a scanning electron microscope (SEM, JSM-5610, Jeol, Japan) to analyze the microstructure and shape.

에이징 온도에 따른 성형체의 수산기(-OH) 소실을 푸리에 변환 적외선(FT-IR) 분광기 (FT-IR, FT/IR-6300; JASCO, Japan)로 분석하였다. 모든 측정은 4 cm-1의 분해능으로 4000 ~ 500 cm-1 범위에서 수행되었다. The loss of hydroxyl groups (-OH) in the molded body according to the aging temperature was analyzed using Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy (FT-IR, FT/IR-6300; JASCO, Japan). All measurements were performed in the range of 4000 to 500 cm -1 with a resolution of 4 cm -1 .

구성 원소들의 화학적 결합 상태는 X선 광전자 분광분석기(XPS, Al Kα X-ray 소스가 장착된 AXIS 초지연 라인 검출기)(한국기초과학연구원, KBSI, 대덕본부)로 측정되었다.The chemical bonding state of the constituent elements was measured with an X-ray photoelectron spectrometer (XPS, AXIS ultra-delayed line detector equipped with an Al Kα

2. 실험결과2. Experiment results

2-1. 실리카상의 무기 바인더의 응축 및 이의 열 거동 확인2-1. Condensation of inorganic binders on silica and confirmation of their thermal behavior

실리카의 전구체인 TEOS는 대기로부터 수분을 흡수하여 오르토실리실산(orthosililic acid)과 알코올로 분해된다 (가수분해 반응). 생성된 오르토실리실산은 출발 입자인 용융 실리카 표면의 수산기(-OH)와 축합하면서 수소 결합에 의해 코팅된다. 이 중축합 반응을 통해 -O-Si-O-(실록산) 결합이 형성된 골격을 갖는 산화물 미립자가 생성되고, 이것이 연결되어 용액이 겔화되고 건조되어 실리카 표면에 조밀한 막을 형성한다. 그리고 NaOMe는 가수분해 반응을 거쳐 NaOH가 생성되며 용융 실리카 표면에 코팅된다 (도 2).TEOS, a precursor of silica, absorbs moisture from the atmosphere and decomposes into orthosililic acid and alcohol (hydrolysis reaction). The produced orthosilicylic acid is coated by hydrogen bonding while condensing with the hydroxyl group (-OH) on the surface of the fused silica, which is the starting particle. Through this polycondensation reaction, oxide fine particles with a skeleton formed of -O-Si-O-(siloxane) bonds are created, which are connected to form a dense film on the surface of silica when the solution is gelled and dried. NaOMe undergoes a hydrolysis reaction to produce NaOH, which is coated on the surface of fused silica (Figure 2).

원료 용융 실리카에 대한 무기 바인더 전구체의 가수분해 및 축합 반응에 의해 코팅된 실리카의 열 거동을 비교 분석하였다.The thermal behavior of silica coated by hydrolysis and condensation reactions of an inorganic binder precursor with respect to raw fused silica was comparatively analyzed.

먼저, 원료 용융 실리카 및 무기 바인더로 코팅된 용융 실리카의 저온 영역에서의 시차주사열량분석(DSC) 스펙트럼을 나타낸 도 3을 참조하면, 무기 바인더로 코팅된 용융 실리카는 20℃에서 시작되어 140℃까지 반응이 진행되었다. 이 반응은 무기 바인더의 졸-겔 반응과 물리적으로 흡착된 수분의 탈수에 의한 발열 반응이다. 반면, 무기 바인더로 코팅되지 않은 용융 실리카는 온도 상승에 따라 발열 피크를 나타내지 않았고, 열 피크도 관찰되지 않았다. 이는 원료 용융 실리카가 저온 영역에서 반응하지 않음을 의미한다.First, referring to Figure 3, which shows differential scanning calorimetry (DSC) spectra in the low temperature region of raw fused silica and fused silica coated with an inorganic binder, fused silica coated with an inorganic binder starts at 20°C and goes up to 140°C. The reaction proceeded. This reaction is an exothermic reaction caused by the sol-gel reaction of the inorganic binder and the dehydration of physically adsorbed moisture. On the other hand, fused silica not coated with an inorganic binder did not show an exothermic peak as the temperature increased, and no thermal peak was observed. This means that the raw fused silica does not react in the low temperature region.

원료 실리카, 무기 바인더로 코팅된 실리카, 및 무기 바인더의 에이징 효과를 확인하기 위한, 무기 바인더로 코팅된 실리카를 200℃에서 1시간 에이징한 성형체의 열중량-시차열분석(TG-DTA)을 진행한 결과, 도 4를 참조하면, (a) 구간에서 중량 감소는 무기 바인더로 코팅된 시편에서만 볼 수 있다. 이 온도 범위(~400℃)에서 무기 바인더의 졸-겔 반응에서 -OH 기의 탈수에 의해 실라놀기(Si-OH)가 실록산기(Si-O-Si)로 변한다. 그리고 탈수로 인한 이 피크는 에이징된 샘플에서 더 높은 강도를 가지며, 이는 에이징된 샘플이 더 높은 탈수 효과, 즉 실록산으로의 더 높은 전환율을 갖는다는 것을 의미한다. To confirm the aging effect of raw silica, silica coated with an inorganic binder, and inorganic binder, thermogravimetric-differential thermal analysis (TG-DTA) was performed on molded bodies aged at 200°C for 1 hour with silica coated with an inorganic binder. As a result, referring to Figure 4, the weight reduction in section (a) can be seen only in the specimen coated with the inorganic binder. In this temperature range (~400°C), the silanol group (Si-OH) changes into a siloxane group (Si-O-Si) by dehydration of the -OH group in the sol-gel reaction of the inorganic binder. And this peak due to dehydration has a higher intensity in the aged sample, which means that the aged sample has a higher dehydration effect, i.e. a higher conversion rate to siloxane.

다음, (b) 구간에서는 유기물(광경화성 고분자)의 분해로 인해 유기물이 제거됨에 따라 샘플의 중량이 감소함을 확인할 수 있다. 또한, 이 부분에서 DTA 스펙트럼의 발열 피크를 관찰할 수 있다. 분해에 의한 발열 피크는 2단계로 진행되었다. 무기 바인더로 코팅된 실리카를 사용할 경우, 원료 실리카를 사용할 때보다 유기물 분해 속도가 더 빨라졌다. Next, in section (b), it can be seen that the weight of the sample decreases as the organic matter (photocurable polymer) is removed due to decomposition. Additionally, an exothermic peak in the DTA spectrum can be observed in this part. The exothermic peak due to decomposition proceeded in two stages. When silica coated with an inorganic binder was used, the rate of organic matter decomposition was faster than when raw silica was used.

(c) 구간에서는 무기 바인더의 액화 및 용융이 발생한다. 따라서 (d) 구간에서 무기 바인더를 사용하여 제조한 샘플에서 넓은 흡열 피크가 관찰되었다. In section (c), liquefaction and melting of the inorganic binder occurs. Therefore, a broad endothermic peak was observed in the sample prepared using an inorganic binder in section (d).

실리카는 원래 1000℃에서 액화되지 않지만, 나트륨을 첨가하면 실리카의 망상 구조를 깨뜨리고 액화되기 시작하여 입자 사이의 모세관력에 의해 유리질 물질을 생성한다. 따라서 무기 바인더가 적용된 샘플은 각 공정 동안 졸-겔 반응, 탈수 반응, 유리화 반응을 거쳐 소성 후에도 파괴강도를 발현할 수 있다. 반면, 무기 바인더가 코팅되지 않은 샘플은 유기 바인더의 기화 외에는 반응이 일어나지 않아 소성강도를 가질 수 없다.Silica does not originally liquefy at 1000°C, but when sodium is added, the network structure of silica is broken and it begins to liquefy, creating a glassy substance due to capillary forces between particles. Therefore, samples to which an inorganic binder is applied can develop fracture strength even after firing through a sol-gel reaction, dehydration reaction, and vitrification reaction during each process. On the other hand, samples that are not coated with an inorganic binder cannot have plastic strength because no reaction occurs other than vaporization of the organic binder.

2-2. 세라믹 성형체 및 소성체의 파괴강도(fracture strength) 확인2-2. Check the fracture strength of ceramic molded bodies and fired bodies

도 5를 참조하면, 무기 바인더를 코팅한 실리카를 출발 입자로 하여 제조된 성형체(green body)의 파괴강도(fracture strength)는 원료 실리카로 제조된 성형체의 파괴강도보다 높은 것으로 나타났다. 이는 UV 램프 및 광중합 과정에서 발생하는 열에 의한 무기 바인더의 축합 반응을 촉진하여 성형체의 밀도 증가에 기인하여 별도의 에이징 과정 없이 강도를 향상시킬 수 있다. 그리고 에이징 후에는 실리카 표면에 코팅된 무기 바인더의 졸-겔 반응이 용융 실리카 입자 사이에 네트워크를 형성하여 입자간 결합력을 향상시켜 성형 강도(green strength)가 향상된다. 앞서 도 3에 나타난 바와 같이, 저온 영역에서도 무기 바인더에 의한 축합 반응이 일어나기 때문에 50℃에서 에이징 후에도 성형 강도가 증가하였다. 그리고 에이징 온도가 증가함에 따라 출발 입자에 따른 성형 강도가 증가하였다. Referring to Figure 5, the fracture strength of a green body manufactured using silica coated with an inorganic binder as a starting particle was found to be higher than that of a green body manufactured with raw silica. This promotes the condensation reaction of the inorganic binder by the UV lamp and the heat generated during the photopolymerization process, thereby increasing the density of the molded body, thereby improving strength without a separate aging process. After aging, the sol-gel reaction of the inorganic binder coated on the silica surface forms a network between the fused silica particles, improving the bonding between particles, thereby improving green strength. As previously shown in Figure 3, the molding strength increased even after aging at 50°C because the condensation reaction due to the inorganic binder occurred even in the low temperature range. And as the aging temperature increased, the molding strength depending on the starting particle increased.

반면, 원료 실리카를 사용한 샘플은 에이징 온도가 높아져도 성형 강도의 차이가 거의 없었다. 오히려 200℃에서 에이징 후 성형 강도가 약간 감소하는 것으로 나타났다. 이는 유기 바인더의 약한 결합이 끊어져 유기 바인더 네트워크가 약해지기 때문이다. 이는 본 발명의 일 실시예에서 200℃ 이상의 온도에서 에이징 과정을 적용하지 않은 이유이기도 하다. 이러한 결합 손실에도 불구하고 무기 바인더로 코팅된 실리카를 출발 입자로 사용하는 경우, 에이징 온도가 증가함에 따라 샘플의 성형 강도가 증가하였다. 이는 무기 바인더의 에이징에 의해 실리카 입자 사이의 네트워크가 강화되기 때문이다.On the other hand, samples using raw silica showed little difference in molding strength even when the aging temperature increased. Rather, the molding strength was found to slightly decrease after aging at 200°C. This is because the weak bonds of the organic binder are broken, weakening the organic binder network. This is also the reason why the aging process was not applied at a temperature of 200°C or higher in one embodiment of the present invention. Despite this bond loss, when silica coated with an inorganic binder was used as the starting particle, the molded strength of the samples increased with increasing aging temperature. This is because the network between silica particles is strengthened by aging of the inorganic binder.

무기 바인더의 적용과 에이징 과정에 따른 출발 입자 사이의 네트워크 변화는 시편 파단면의 미세구조에서도 확인할 수 있다.Changes in the network between starting particles due to the application of inorganic binder and the aging process can also be confirmed in the microstructure of the fracture surface of the specimen.

도 6을 참조하면, 무기 바인더가 없는 모든 샘플은 에이징 온도와 관계없이 실리카 입자와 폴리머 사이에 명확한 경계를 가지며, 형태의 변화가 거의 없었다.Referring to Figure 6, all samples without an inorganic binder had a clear boundary between the silica particles and the polymer regardless of the aging temperature, and there was little change in shape.

한편, 무기 바인더가 코팅된 실리카를 이용하여 제조된 성형체는 광중합 후 실리카 입자의 표면에 코팅층이 형성되는 것을 확인하였다. 이 코팅층은 용융 실리카에 코팅된 무기질 바인더로 에이징 온도가 증가함에 따라 입자에 달라붙어 고분자와의 경계가 불분명하게 변한다. 이 코팅층의 성장은 실리카 입자 간 네트워크를 강화하고 성형체의 파괴강도를 향상시켰다. 또한, 이러한 네트워크의 강화는 소성 과정에서 입자 사이의 네킹 영역(necking area)을 증가시켜 유리화 효율을 향상시켰다. Meanwhile, it was confirmed that a molded body manufactured using silica coated with an inorganic binder had a coating layer formed on the surface of the silica particles after photopolymerization. This coating layer is an inorganic binder coated on fused silica, and as the aging temperature increases, it sticks to the particles and the boundary with the polymer becomes unclear. The growth of this coating layer strengthened the network between silica particles and improved the fracture strength of the molded body. In addition, strengthening of this network improved vitrification efficiency by increasing the necking area between particles during the firing process.

따라서 무기 바인더의 에이징 과정을 거쳐 소성 강도가 향상되었다. 구체적으로, 무기 바인더가 코팅된 실리카 출발 입자로 이루어진 성형체를 1000℃에서 열처리하여 제조된 소성 시험편은 에이징 온도가 증가함에 따라 증가하는 소성강도를 확보하였다. 에이징 공정을 적용하지 않고 바로 1000℃ 열처리한 소성체의 강도는 26.6 MPa, 200℃ 에이징 공정을 적용한 1000℃ 열처리 소성체는 38.8 MPa의 강도를 확보하였다. 이러한 10 MPa 이상의 강도 향상은 출발 입자 사이의 유리 재료의 전환 효율이 증가함을 의미한다.Therefore, the plastic strength was improved through the aging process of the inorganic binder. Specifically, a fired test piece manufactured by heat-treating a molded body made of silica starting particles coated with an inorganic binder at 1000°C secured a plastic strength that increased as the aging temperature increased. The strength of the sintered body heat-treated at 1000°C without applying the aging process was 26.6 MPa, and the strength of the sintered body heat-treated at 1000°C using the 200°C aging process was 38.8 MPa. This strength improvement of more than 10 MPa means that the conversion efficiency of the glass material between starting particles increases.

본 발명에 따른 실험예에서 소성 강도는 입자를 결합하는 유리상에 의해 발현된다. 이 유리질 형성 과정에서, 무기 바인더의 축합 반응에 의해 생성된 1000℃에서 실리카의 Si-O-Si 실록산 결합이 NaOH에 의해 끊어지고 (융점이 낮아짐), 규산나트륨이 액체 형태로 생성된다. 약간의 유동성이 있는 규산나트륨은 모세관력에 의해 입자 내부로 이동하고 입자의 좁은 공간으로 이동한다. 소성 후 온도가 낮아지면 액체 유리의 점도가 점차 증가하여 고체 유리를 형성한다. 따라서 소성 전 입자 사이의 네킹 포인트와 면적이 클수록 유리질의 생성이 증가하고 소성 강도가 높게 발현될 수 있다. 그 결과, 무기 바인더의 에이징 과정은 1000℃ 열처리 후 입자 사이에 생성되는 유리질의 양을 증가시키고 소성 강도를 향상시켰다. 이 결과는 도 7에 나타난 바와 같이, 1000℃에서 소성된 시료의 파단면의 미세구조를 통해서도 확인할 수 있다. 에이징 온도가 증가할수록 입자 사이의 유리체 결합 면적이 증가함을 확인하였다.In the experimental examples according to the present invention, the plastic strength is expressed by the glass phase that binds the particles. In this glass formation process, the Si-O-Si siloxane bond of silica at 1000°C created by the condensation reaction of the inorganic binder is broken by NaOH (lowering the melting point), and sodium silicate is produced in liquid form. Sodium silicate, which has some fluidity, moves inside the particle by capillary force and moves into the narrow space of the particle. As the temperature decreases after firing, the viscosity of the liquid glass gradually increases to form solid glass. Therefore, the larger the necking point and area between particles before firing, the more glassy is produced and the higher the firing strength can be. As a result, the aging process of the inorganic binder increased the amount of glass created between particles after heat treatment at 1000°C and improved the plastic strength. As shown in Figure 7, this result can also be confirmed through the microstructure of the fracture surface of the sample fired at 1000°C. It was confirmed that as the aging temperature increased, the vitreous bond area between particles increased.

2-3. 에이징 공정과 파괴강도 향상의 상관관계 확인2-3. Confirmation of correlation between aging process and improvement in fracture strength

본 발명의 일 실험예에 따라, 무기 바인더의 에이징 공정 도입과 에이징 온도 상승에 따라 성형체 및 소성체의 파괴강도가 향상됨을 확인하였다. 이러한 결과는 입자 간의 강화된 네트워크 때문이다. According to an experimental example of the present invention, it was confirmed that the fracture strength of the molded body and the fired body was improved as the aging process of the inorganic binder was introduced and the aging temperature was increased. This result is due to the strengthened network between particles.

또한, FT-IR과 XPS를 분석하여 어떤 종류의 결합이 증가 또는 감소되었는지 확인하였다.Additionally, FT-IR and XPS were analyzed to determine what type of binding was increased or decreased.

먼저, 도 8을 참조하면, 무기 바인더가 없는 실리카는 에이징 온도를 높여도 수산화기(-OH)의 변화가 거의 없었으나, 바인더를 적용한 시편은 에이징 온도가 높을수록 수산화기(-OH)가 감소하는 것으로 나타났다. 이는 용융 실리카에 코팅된 무기 바인더에서 축합 반응이 촉진되었기 때문이다. 본 발명의 일 실험예에서 사용된 무기 바인더인 TEOS와 NaOMe는 하기와 같이 반응한다.First, referring to Figure 8, silica without an inorganic binder showed little change in the hydroxyl group (-OH) even when the aging temperature was increased, but in the specimen to which a binder was applied, the hydroxyl group (-OH) decreased as the aging temperature increased. appear. This is because the condensation reaction was promoted by the inorganic binder coated on fused silica. TEOS and NaOMe, the inorganic binders used in an experimental example of the present invention, react as follows.

Si(OR)4 + 4H2O → Si(OH)4 + 4ROH (1)Si(OR) 4 + 4H 2 O → Si(OH) 4 + 4ROH (1)

Si(OH)4 → SiO2 + 2H2O (2)Si(OH) 4 → SiO 2 + 2H 2 O (2)

RONa + H2O → ROH + NaOH (3)RONa + H 2 O → ROH + NaOH (3)

상기 반응식 (1) 및 (3)에서와 같이, TEOS와 NaOMe는 공기 중의 수분과 반응하여 각각 실라놀기와 수산화나트륨을 형성한다. 동시에 생성된 실라놀기는 실록산으로 응축되어 SiO2의 골격을 형성한다 (반응 (2)). 이때 물의 증발로 인해 가수분해 반응이 느려지고 축합 반응이 우세해지면 탈수가 일어난다. 온도가 상승함에 따라 이러한 탈수 및 축합 반응이 가속화된다. 따라서, 반응 (1)에서 생성된 실라놀기(Si-OH)기가 실록산기로 바뀌면서 수산기가 환원된다. 이러한 반응은 비교적 낮은 온도에서만 발생한다. 구체적으로, 도 3 및 도 4의 DSC 및 TG-DTA 결과에서 볼 수 있듯이, -OH 기의 탈수는 20℃ ~ 140℃ 및 ~ 400℃에서 발생한다. 20℃ ~ 140℃ (참고 문헌에 따르면 최대 170℃ 영역)에서 물리적으로 흡착된 수산기는 탈수된다. 또한 ~400℃ 부근에서 실라놀기가 실록산기로 변하기 때문에 에이징 온도가 200℃일 때 가장 높은 결합 강도가 발현된 것으로 추측된다.As shown in the above reaction equations (1) and (3), TEOS and NaOMe react with moisture in the air to form silanol and sodium hydroxide, respectively. At the same time, the generated silanol group is condensed into siloxane to form a skeleton of SiO 2 (reaction (2)). At this time, when the hydrolysis reaction slows down due to evaporation of water and the condensation reaction becomes dominant, dehydration occurs. As temperature increases, these dehydration and condensation reactions accelerate. Therefore, the silanol group (Si-OH) generated in reaction (1) is converted to a siloxane group, and the hydroxyl group is reduced. These reactions occur only at relatively low temperatures. Specifically, as can be seen from the DSC and TG-DTA results in Figures 3 and 4, dehydration of the -OH group occurs at 20°C to 140°C and to 400°C. Between 20°C and 140°C (up to 170°C according to references), physically adsorbed hydroxyl groups are dehydrated. Additionally, since silanol groups change into siloxane groups around ~400℃, it is assumed that the highest bonding strength was developed when the aging temperature was 200℃.

더불어, 도 9의 XPS 스펙트럼을 통해서도 에이징에 따른 탈수 반응을 확인할 수 있다.In addition, the dehydration reaction due to aging can be confirmed through the XPS spectrum in Figure 9.

성형체의 경우, 에이징되지 않은 샘플에 비해 에이징 후 실록산기(Si-O-Si)가 증가하고 실라놀기(Si-OH)가 감소함을 확인할 수 있다. 각각의 경우, 1000℃에서 소성한 후, 에이징 과정을 거친 후 소성된 시편이 많은 Si-O-Si 결합과 유리질 Si-Na-O 결합을 갖는 것을 확인하였다. 반면, 에이징 없이 소결 공정을 거친 시편은 Si-O 그룹이 많아 결합 효율이 낮다. In the case of the molded body, it can be seen that the siloxane group (Si-O-Si) increases and the silanol group (Si-OH) decreases after aging compared to the non-aged sample. In each case, it was confirmed that the specimens fired at 1000°C and then subjected to an aging process had many Si-O-Si bonds and glassy Si-Na-O bonds. On the other hand, specimens that underwent a sintering process without aging have many Si-O groups and have low bonding efficiency.

무기 바인더의 에이징에 의해 변화되는 출발 입자 사이의 결합 메커니즘에 관한 도 10을 참조하면, (a)는 에이징 공정을 수행하기 전의 상태로, 에이징 전에는 무기 바인더 표면에 많은 수산기가 존재한다. (b)는 에이징 과정에서 저온 영역의 형태로, 저온 영역에서는 무기 바인더 표면에 물리적으로 흡착되어 있는 수산기의 탈착이 일어나 실라놀기가 형성된다. (c)에서는 수산기가 화학적으로 탈착되면서 실라놀기가 실록산기로 변하는 것을 볼 수 있다. 에이징 과정에서 (b)와 (c)의 과정이 수행된다. 이들 입자의 표면에 코팅된 무기 바인더는 다른 입자에 코팅된 무기 바인더와 축합 반응을 통해 실록산 결합을 형성한다. 앞서, 도 8 및 도9의 FR-IR 및 XPS 분석을 통해 이러한 실록산 결합의 양이 에이징 온도가 증가함에 따라 증가함을 확인하였다. 따라서 실록산기의 양이 증가할수록 성형 강도가 증가하였다. 그러나 이 축합 반응은 ~400℃까지 진행될 수 있으나 200℃ 이상의 온도에서는 광중합체를 구성하는 유기물의 분해로 인해 파괴강도가 저하될 수 있다. 증가된 입자간 결합의 양과 면적은 (d)의 유리화 과정에서 유리체로의 전환 효율을 증가시킬 수 있다. 따라서 실록산 결합의 양이 증가할수록 소성 강도도 증가하였다.Referring to FIG. 10 regarding the bonding mechanism between starting particles that changes due to aging of the inorganic binder, (a) is the state before performing the aging process, and before aging, many hydroxyl groups exist on the surface of the inorganic binder. (b) is a low-temperature region during the aging process. In the low-temperature region, hydroxyl groups physically adsorbed on the surface of the inorganic binder are desorbed to form silanol groups. In (c), you can see that the silanol group changes into a siloxane group as the hydroxyl group is chemically desorbed. During the aging process, processes (b) and (c) are performed. The inorganic binder coated on the surface of these particles forms a siloxane bond through a condensation reaction with the inorganic binder coated on other particles. Previously, it was confirmed through FR-IR and XPS analysis in FIGS. 8 and 9 that the amount of siloxane bonds increases as the aging temperature increases. Therefore, as the amount of siloxane groups increased, the molding strength increased. However, this condensation reaction can proceed up to ~400℃, but at temperatures above 200℃, the breaking strength may decrease due to decomposition of organic substances that make up the photopolymer. The increased amount and area of interparticle bonding can increase the conversion efficiency to a glass body during the vitrification process in (d). Therefore, as the amount of siloxane bonds increased, the plastic strength also increased.

도 11을 참조하면, 1000℃ 소성 후 에이징 처리 여부와 관계없이 수축 또는 변형과 같은 형태의 변화는 관찰되지 않았다. 이는 전술한 바와 같이 액상의 무기 바인더가 입자 사이에 위치하여 냉각 후 유리 상태가 되어 입자 사이에 결합되기 때문이다. 하지만 소결을 한 샘플은 뒤틀림이 일어났다. 유리질의 생성 없이 입자와 입자간 결합을 하여 수축이 발생하였기 때문이다.Referring to FIG. 11, no changes in shape such as shrinkage or deformation were observed after firing at 1000°C, regardless of whether or not there was aging treatment. This is because, as mentioned above, the liquid inorganic binder is located between the particles, becomes glassy after cooling, and binds between the particles. However, the sintered sample was distorted. This is because shrinkage occurred due to particle-to-particle bonding without the formation of glass.

이제까지 본 발명에 대한 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, we have looked at specific embodiments of the present invention. A person skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention may be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative rather than a restrictive perspective. The scope of the present invention is indicated in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent scope should be construed as being included in the present invention.

Claims (10)

나트륨(Na)을 포함하는 무기 바인더 전구체 용액으로 코팅된 세라믹 입자 60 내지 80 중량부;
광경화성 수지 15 내지 35 중량부; 및
분산제 0.1 내지 5 중량부를 포함하는 세라믹 슬러리 조성물로,
상기 광경화성 수지는 광중합성 단량체 80 내지 90 중량부, 광개시제 1 내지 10 중량부, 및 기타 첨가제로 이루어지며,
상기 조성물에 광을 조사하여 광중합 후, 50 내지 200℃에서 1 내지 3 시간 에이징(aging)하여 강도를 향상시킨 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅용 세라믹 슬러리 조성물.
60 to 80 parts by weight of ceramic particles coated with an inorganic binder precursor solution containing sodium (Na);
15 to 35 parts by weight of photocurable resin; and
A ceramic slurry composition containing 0.1 to 5 parts by weight of a dispersant,
The photocurable resin consists of 80 to 90 parts by weight of a photopolymerizable monomer, 1 to 10 parts by weight of a photoinitiator, and other additives,
A ceramic slurry composition for 3D printing, characterized in that the strength is improved by photopolymerizing the composition by irradiating light and then aging it at 50 to 200° C. for 1 to 3 hours.
제 1 항에 있어서,
상기 무기 바인더 전구체 용액은,
나트륨 전구체, 실리카 전구체 및 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅용 세라믹 슬러리 조성물.
According to claim 1,
The inorganic binder precursor solution is,
A ceramic slurry composition for 3D printing, comprising a sodium precursor, a silica precursor, and a solvent.
제 1 항에 있어서,
상기 조성물은,
광경화성 수지 투사(Digital light processing, DLP) 방식 또는 광경화성 수지 적층 조형(Stereolithography apparatus, SLA) 방식의 3D 프린터에 사용되는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅용 세라믹 슬러리 조성물.
According to claim 1,
The composition is,
A ceramic slurry composition for 3D printing, characterized in that it is used in a 3D printer using a photocurable resin projection (Digital light processing, DLP) method or a photocurable resin lamination apparatus (SLA) method.
세라믹 분말 입자를 무기 바인더 전구체 용액에 침지하여 상기 세라믹 분말 입자를 무기 바인더 전구체로 코팅시키는 단계;
상기 무기 바인더 전구체로 코팅된 세라믹 분말 입자를 광중합성 단량체, 광개시제 및 분산제와 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;
상기 제조된 슬러리에 광을 조사하여 성형체를 제조하는 단계;
상기 제조된 성형체를 에이징(aging)하는 단계; 및
상기 에이징된 성형체를 열처리하여 소성체를 제조하는 단계를 포함하는, 고강도 세라믹 구조체 제조방법.
Coating the ceramic powder particles with the inorganic binder precursor by immersing the ceramic powder particles in an inorganic binder precursor solution;
Preparing a slurry by mixing the ceramic powder particles coated with the inorganic binder precursor with a photopolymerizable monomer, a photoinitiator, and a dispersant;
Manufacturing a molded body by irradiating light to the prepared slurry;
Aging the manufactured molded body; and
A method of manufacturing a high-strength ceramic structure, comprising the step of heat-treating the aged molded body to produce a sintered body.
제 4 항에 있어서,
상기 무기 바인더 전구체 용액은,
나트륨 전구체 50 내지 60 중량부, 실리카 전구체 30 내지 40 중량부 및 나머지 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고강도 세라믹 구조체 제조방법.
According to claim 4,
The inorganic binder precursor solution is,
A method for manufacturing a high-strength ceramic structure, comprising 50 to 60 parts by weight of a sodium precursor, 30 to 40 parts by weight of a silica precursor, and the remaining solvent.
제 4 항에 있어서,
상기 에이징(aging)하는 단계는,
50 내지 200℃에서 1 내지 3 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 고강도 세라믹 구조체 제조방법.
According to claim 4,
The aging step is,
A method of manufacturing a high-strength ceramic structure, characterized in that it is carried out at 50 to 200 ° C. for 1 to 3 hours.
제 4 항에 있어서,
상기 소성체를 제조하는 단계는,
상기 에이징된 성형체를 900 내지 1,100℃에서 1 내지 3 시간 동안 열처리하여 수행되는 것을 특징으로 하는, 고강도 세라믹 구조체 제조방법.
According to claim 4,
The step of manufacturing the fired body is,
A method of manufacturing a high-strength ceramic structure, characterized in that it is performed by heat treating the aged molded body at 900 to 1,100° C. for 1 to 3 hours.
제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따라 제조된, 고강도 세라믹 구조체.
A high-strength ceramic structure manufactured according to any one of claims 4 to 7.
제 8 항에 있어서,
상기 고강도 세라믹 구조체는,
성형강도 및 소성강도가 향상된 것을 특징으로 하는, 고강도 세라믹 구조체.
According to claim 8,
The high-strength ceramic structure,
A high-strength ceramic structure characterized by improved forming strength and plastic strength.
제 8 항에 있어서,
상기 고강도 세라믹 구조체는,
3D 프린터를 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는, 고강도 세라믹 구조체.
According to claim 8,
The high-strength ceramic structure,
A high-strength ceramic structure manufactured using a 3D printer.
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