JP2011157257A - ナノ粒子合成装置及びこれを用いたナノ粒子合成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明はナノ粒子形成装置及びナノ粒子合成方法を提供する。
【解決手段】本発明のナノ粒子形成装置は、プラズマを発生するプラズマ生成器１１０と、合成されたナノ粒子を回収する回収器１４０と、該プラズマ生成器１１０と該回収器１４０との間に配置され、該プラズマ生成器１１０から供給される原料を冷却させてナノ粒子を合成させる冷却流路１２１を備える冷却器１２０とを含み、該冷却流路１２１は、区間別に、ナノ粒子の移動方向に行くほど低い冷却温度を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ナノ粒子合成装置及び方法に関するもので、より詳細には、比較的大きいサイズのナノ粒子を効果よく合成するための装置及びこれを用いたナノ粒子合成方法に関するものである。

最近、セラミック或いは金属の粉末合成のために、高温プラズマ技術が採用されている。例えば、低温同時焼成セラミック（Low Temperature Co−Fired Ceramic：ＬＴＣＣ）及び高温同時焼成セラミック（High Temperature Co-fired Ceramic：ＨＴＣＣ）のようなセラミック基板の材料に使われるナノ粉末は、機械的粉砕法、ゾル−ゲル法、スプレー熱分解法、燃焼合成法、高温プラズマ合成法などによって合成されるが、最近は該高温プラズマ合成法が他の合成法を次第に代替する傾向にある。

一般的な高温プラズマ技術を用いたナノ粒子の合成技術は、前駆体（ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ）を誘導電場と気体の絶縁破壊により生成される高温雰囲気とに露出させた後、該高温雰囲気により気化した該前駆体を相対的に低い温度の気体流れを通過するようにする。これにより、該前駆体が急速冷却されるようにして、粉末形態のナノ粒子を合成するようにしている。

しかしながら、前述のような高温プラズマを用いたナノ粒子の合成技術は、大きいサイズのナノ粒子を形成するのに限界がある。例えば、前述のように、気化した前駆体を急速冷却する方式では、十分なサイズのナノ粒子として合成されるための反応時間が相対的に短くなるため、大きいサイズのナノ粒子を形成するのは難しい。特に、技術的な限界によって、現在の高温プラズマ合成装置では、１００ｎｍ以上の直径を有する球形のナノ粒子を安定して形成するのは難しい。

また、一般的な高温プラズマを用いたナノ粒子の合成技術は、合成されたナノ粒子が合成装置の内壁に蒸着され、該装置の内部を汚染させる現象が生じる。このような装置の汚染現象は、前記前駆体の急速冷却が行われる区間で集中する。このような装置の汚染が累積されると、ナノ粒子の合成効率が低下するという不都合がある。

本発明は上記の問題点に鑑みて成されたものであって、本発明の目的は、大きいサイズのナノ粒子を効率よく形成するナノ粒子合成装置及びこれを用いたナノ粒子合成方法を提供することにある。例えば、本発明の目的は、少なくとも１００ｎｍ以上の直径を有するナノ粒子を安定して合成する装置及びこれを用いたナノ粒子合成方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、ナノ粒子の合成過程において、合成されたナノ粒子が装置内壁に蒸着され、該装置の内部を汚染させるのを防止するナノ粒子合成装置及びこれを用いたナノ粒子合成方法を提供することにある。

上記目的を解決するために、本発明の好適な実施の形態によるナノ粒子形成装置は、プラズマを発生するプラズマ生成器と、合成されたナノ粒子を回収する回収器と、前記プラズマ生成器と前記回収器との間に配置され、前記プラズマ生成器から供給される原料を冷却させ、前記ナノ粒子を合成させる冷却流路を備える冷却器とを含み、前記冷却流路は、区間別に、前記ナノ粒子の移動方向に行くほど低い冷却温度を有する。

本発明の実施形態によれば、前記冷却流路は、前記ナノ粒子の移動方向に行くほどその断面積が増加するようにすることができる。

本発明の実施形態によれば、前記冷却器は、前記ナノ粒子の移動方向に行くほどその断面積が増加するような構造のセラミックチューブを備えることができる。

本発明の実施形態によれば、前記冷却器は、前記ナノ粒子の移動方向に沿って積層された複数の環状冷却板を備え、該複数の環状冷却板は、前記ナノ粒子の移動方向に行くほど中央開口の直径の大きい冷却板が位置するようにそれぞれ備えられることができる。

本発明の実施形態によれば、前記複数の環状冷却板間には、前記冷却流路の内壁に向けて冷却ガスが噴射されるように噴射角度が調節された噴射口が設けられ、前記冷却器は、前記噴射口のうち前記プラズマ生成器に相対的に近い噴射口に第１の冷却ガスを供給する第１の冷却ガス供給ラインと、前記噴射口のうち前記プラズマ生成器から相対的に遠い噴射口に、前記第１の冷却ガスに比べて低い温度の第２の冷却ガスを供給する第２の冷却ガス供給ラインとを備えることができる。

本発明の実施形態によれば、前記冷却器を基準にして前記プラズマ生成器の反対側に配置され、前記冷却流路に向けて前記ナノ粒子の移動方向と反対になる方向にガスを噴射する減速ガス供給器をさらに含むことができる。

本発明の実施形態によれば、前記プラズマ生成器、前記冷却器及び前記減速ガス供給器は、同一線上に一列に配置され、前記回収器は、前記冷却器の一側に配置されることができる。

本発明の実施形態によるナノ粒子形成装置は、プラズマ雰囲気が形成されたプラズマ生成空間に前駆体を通過させてナノ粒子を合成する合成部と、合成された前記ナノ粒子を回収する回収部とを含み、前記合成部は、前記プラズマ生成空間を有するプラズマ生成器と、前記ナノ粒子が合成される冷却流路を有する冷却器と、前記冷却流路に前記ナノ粒子の移動速度を減少させるための減速ガスを供給する減速ガス供給器とを備え、前記回収部は、前記冷却器の側壁に連結された回収管及び該回収管に連結された回収チャンバを備え、前記プラズマ発生器、前記冷却器及び前記ガス供給器は第１の線に沿って一列に順次配置され、前記回収管は前記冷却器の一側で前記第１の線に垂直な第２の線上に配置されることができる。

本発明の実施形態によれば、前記冷却流路は、前記減速ガス供給器へ行くほど低い冷却温度を有するようにすることができる。

本発明の実施形態によれば、前記冷却流路は、前記減速ガス供給器へ行くほどその断面積が増加するようにすることができる。

本発明の実施形態によれば、前記冷却器は、前記プラズマ生成器に隣接して配置された第１の冷却器と、該第１の冷却器に比べて前記プラズマ生成器から遠くに配置された第２の冷却器とを備え、前記第１の冷却器の冷却温度は前記第２の冷却器の冷却温度に比べて高くすることができる。

本発明の実施形態によれば、前記冷却器は、前記プラズマ生成器に隣接して配置された第１の冷却器と、該第１の冷却器に比べて前記プラズマ生成器から遠くに配置される第２の冷却器とを備え、前記第１の冷却器内の前記冷却流路は、前記第２の冷却器内の前記冷却流路に比べて小さな断面積を有することができる。

また、上記目的を解決するために、本発明の他の好適な実施形態によるナノ粒子合成方法は、プラズマ生成空間から原料を第１の方向に移動させるステップと、前記第１の方向に沿って移動する前記原料を冷却させてナノ粒子を合成するステップと、合成された前記ナノ粒子を回収するステップとを含み、前記ナノ粒子を合成するステップは、前記原料が前記第１の方向に移動する過程で漸進的に低い温度で冷却されるようにして行われることができる。

本発明の実施形態によれば、前記ナノ粒子を合成するステップは、前記原料の移動速度を減少させるステップをさらに備えることができる。

本発明の実施形態によれば、前記原料の移動速度を減少させるステップは、前記第１の方向に移動する前記ナノ粒子に向けて、前記第１の方向と反対になる第２の方向に冷却ガスを噴射して行われることができる。

本発明の実施形態によれば、前記原料の移動速度を減少させるステップは、前記ナノ粒子が合成される冷却流路の断面積が前記第１の方向に行くほど増加するようにして行われることができる。

本発明の実施形態によれば、前記ナノ粒子を合成するステップは、前記ナノ粒子が合成される冷却流路の内壁に向けて前記第１の方向に沿って冷却ガスを噴射するステップをさらに備えることができる。

本発明の実施形態によれば、前記ナノ粒子を回収するステップは、前記冷却流路を前記第１の方向に移動するナノ粒子を前記第１の方向に垂直な第３の方向に移動方向を変更させた後で行われることができる。

本発明の実施形態によるナノ粒子合成方法は、プラズマ雰囲気の形成されたプラズマ生成空間を前駆体が第１の方向に移動する過程において、前記前駆体を冷却させてナノ粒子を形成し、前記前駆体の冷却は前記第１の方向に行くほど漸進的に低い温度で冷却されるようにして行われることができる。

本発明の実施形態によれば、前記前駆体の冷却には、前記前駆体の移動速度を減速するステップをさらに含み、前記前駆体の移動速度を減速するステップは、前記第１の方向と反対になる第２の方向に、前記前駆体に向けて不活性ガスを供給して行われることができる。

本発明の実施形態によれば、前記前駆体の冷却には、前記前駆体の移動速度を減速するステップをさらに備え、前記前駆体の移動速度を減速するステップは、前記ナノ粒子が合成される冷却流路の断面積を、前記第１の方向に行くほど増加するようにして行われることができる。

本発明の実施形態によれば、前記前駆体の冷却は、前記ナノ粒子が合成される冷却流路の内部に、前記第１の方向に行くほど低い温度の冷却ガスを供給して行われることができる。

本発明によるナノ粒子合成装置は、ナノ粒子の合成のための原料を冷却させる冷却器を含み、該冷却器は原料の移動方向に行くほど冷却温度が低くなるように構成する。これにより、本発明によるナノ粒子合成装置は、ナノ粒子の合成時に原料が漸進的に冷却されるようにして、該原料の急冷（quick freezing、quenching）を防止し、より大きいサイズのナノ粒子を合成可能な構造を有することができる。

また、本発明の実施形態によるナノ粒子合成装置は、ナノ粒子の合成される冷却流路に沿って原料が移動する過程において、該原料の移動速度が減速されるような構造を有する。これにより、本発明によるナノ粒子合成装置は、該冷却流路内で該原料の滞留時間を増加させ、より大きいサイズのナノ粒子を合成する確率を増加させた構造を有することができる。

また、本発明によるナノ粒子合成方法は、ナノ粒子の合成される冷却流路に沿って原料が移動する過程において、該原料が漸進的に冷却されるようにして、該原料の急冷を防止する。これにより、本発明によるナノ粒子合成方法は、該冷却流路内で該原料の合成時間を十分にして、より大きいサイズのナノ粒子を合成することができる。

また、本発明の実施形態によるナノ粒子合成方法は、ナノ粒子の合成される冷却流路に沿って原料が移動する過程において、該原料の移動速度が減速されるようにする。これにより、本発明によるナノ粒子合成方法は該冷却流路内で該原料の滞留時間を増加させ、より大きいサイズのナノ粒子を合成することができる。

本発明の実施形態によるナノ粒子合成装置を示す模式図である。 本発明の実施形態によるナノ粒子合成過程を説明するための模式図である。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。次に示される各実施の形態は、当業者にとって本発明の思想が十分に伝達されるようにするために、例として挙げられるものである。従って、本発明は、以下に示している各実施の形態に限定されることなく、他の形態でも具体化される。また、本実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは同一の符号を付すようにし、その繰り返しの説明は可能な限り省略するようにしている。

本明細書で使われた用語は、実施形態を説明するためのものであって、本発明を制限しようとするものではない。本明細書において、単数形は文言で特別に言及しない限り複数形も含む。明細書で使われる「含む」及び／または「備える」とは、言及された構成要素、ステップ、動作及び／又は素子に、一つ以上の他の構成要素、ステップ、動作及び／又は素子の存在または追加を排除しないことに理解されたい。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態によるナノ粒子合成装置及びこれを用いたナノ粒子合成方法について説明すれば、次のとおりである。

図１は、本発明の実施形態によるナノ粒子合成装置を示す模式図であり、図２は、図１のナノ粒子合成装置のナノ粒子合成過程時の様子を示す模式図である。

図１を参照して、本発明の実施形態によるナノ粒子合成装置１００は、合成部１０１及び回収部１０２から構成される。前記合成部１０１は、プラズマ生成器１１０、冷却器１２０、及び減速ガス供給器１３０を備え、前記回収部１０２は回収器１４０を備える。前記プラズマ生成器１１０、前記冷却器１２０、及び前記減速ガス供給器１３０は、第１の線１０上に一列に配置される。一方、前記回収器１４０は、前記冷却器１２０の一側で前記第１の線１０に垂直な第２の線２０上に配置される。これにより、前記ナノ粒子形成装置１００の構成１１０、１２０、１３０、及び１４０は、略Ｌ字またはＴ字形態をなすことができる。ここで、前記第１の線１０は上下に垂直な線であり、これにより前記プラズマ生成器１１０、前記冷却器１２０、及び前記減速ガス供給器１３０は、上下に配置される。

前記プラズマ生成器１１０は、ナノ粒子の合成時に高温プラズマ雰囲気をなすプラズマ生成空間ａを提供する。一例として、前記プラズマ生成器１１０は、プラズマトーチ１１２、電源１１４、及び供給ライン１１６を備える。前記プラズマトーチ１１２は、前記プラズマ生成空間ａにプラズマ火花（plasma flame）を発生させる構成でもよい。前記電源１１４は高周波電源であってもよい。他の例として、前記電源１１４はＤＣ電源であってもよい。そして、前記流体供給ライン１１６は、前記プラズマ生成空間ａに多様な種類の流体を供給することができる。例えば、前記流体供給ライン１１６は、原料供給ライン１１６ａ、セントラルガス供給ライン１１６ｂ、及びキャリアガス供給ライン１１６ｃを備える。これに加えて、前記流体供給ライン１１６は、前記原料が前記装置１００の内壁に蒸着されるのを防止するシースガス（sheath gas）を供給するシースガス供給ライン（図示せず）をさらに備えることができる。

前記冷却器１２０は、前記プラズマ生成器１１０から移動した前記原料を冷却させる。一例として、前記冷却器１２０は第１の冷却器１２２及び第２の冷却器１２４を備える。前記第１の冷却器１２２及び前記第２の冷却器１２４は、これらの内部に流体が移動する冷却流路１２１を構成する。前記冷却流路１２１は、前記第１の線１０に平行な長手方向を有する。前記冷却流路１２１は前記原料が前記第１の方向Ｘ１へ移動する空間であり、また、前記原料が冷却されてナノ粒子が合成される空間であってもよい。

前記第１の冷却器１２２は、前記第２の冷却器１２４に比べて前記プラズマ生成器１１０に隣接するように配置される。前記第１の冷却器１２２は、セラミックチューブ１２２ａ及び該セラミックチューブ１２２ａを取り囲むセラミック絶縁体１２２ｂから構成されている。前記第２の冷却器１２４は、複数の冷却板１２４ａから構成されている。前記複数の冷却板１２４ａの各々は、中央の開けられたリング（ring）形状を有する。これに加えて、前記複数の冷却板１２４ａは、前記第１方向Ｘ１、例えば上下方向に積層された構造を有する。前記複数の冷却板１２４ａ間には、所定の冷却ガスが噴射される噴射口１２６が設けられる。該噴射口１２６は、冷却ガス供給ライン１２５から供給された冷却ガスを前記冷却流路１２１の内部に噴射する。ここで、前記噴射口１２６の噴射角度は、前記冷却流路１２１の内壁に向けて前記冷却ガスが噴射されるように調節することができる。これにより、前記冷却ガスは、ナノ粒子合成工程時に前記冷却流路１２１内で合成されたナノ粒子が前記冷却流路１２１の内壁に蒸着されるのを防止することができる。

一方、前記第１の冷却器１２２と前記第２の冷却器１２４とは異なる冷却温度に設定される。例えば、前記第１の冷却器１２２は、前記第２の冷却器１２４に比べて高い冷却温度に設定される。これに加えて、各々の前記第１及び第２の冷却器１２２、１２４はまた、区間別に、前記第１の方向Ｘ１へ行くほど低い冷却温度で冷却されるように構成できる。一例として、前記第１の冷却器１２２のセラミックチューブ１２２ａは、区間別に、第１の方向Ｘ１へ行くほど低い冷却温度を有するように設定される。このため、前記第１の冷却器１２２は複数のセラミックヒータを備えることができる。この場合、前記第１の方向Ｘ１へ行くほど低い加熱温度で設定されたセラミックヒータが配置されるように構成できる。また、前記第２の冷却器１２４は、前記第１の方向Ｘ１へ行くほど低い冷却温度の冷却ガスが噴射されるように構成できる。一例として、前記噴射口１２４ｂは上下にその複数が備えられ、該噴射口１２４ｂは前記第１の方向Ｘ１へ行くほど低い温度の冷却ガスを噴射するように配置される。このため、前記冷却ガス供給ライン１２５は、相対的に高い位置に配置された第１の噴射口１２６ａで冷却ガスを供給する第１の冷却ガス供給ライン１２５ａと、前記第１の噴射口１２６ａに比べて低い位置に配置された第２の噴射口１２６ｂで冷却ガスを供給する第２の冷却ガス供給ライン１２５ｂとを備える。前記第１の冷却ガス供給ライン１２５ａは、前記第２の冷却ガス供給ライン１２５ｂに比べて、高い温度の冷却ガスを供給する。

また、前記第１の冷却器１２２及び前記第２の冷却器１２４は、前記冷却流路１２１が前記第１の方向Ｘ１へ行くほどその断面積が増加するように構成できる。このため、前記第１の冷却器１２２の前記セラミックチューブ１２２ａは、前記第１の方向Ｘ１へ行くほどその断面積が増加するように構成できる。また、前記冷却板１２４ａは、異なる開口直径が上下に積層された構造を有する。前記第１の方向Ｘ１へ行くほど開口直径の大きい冷却板１２４ａが配置されるように構成できる。これにより、前記第１の冷却器１２２及び前記第２の冷却器１２４のうちの少なくともいずれか一つは前記第１の方向Ｘ１へ行くほどその断面積が増加するような構造の前記冷却流路１２１を構成することができる。

前記減速ガス供給器１３０は、前記冷却流路１２１に向けて前記原料及び前記ナノ粒子の移動速度を減少させるためのガス（以下、減速ガス）を供給する。一例として、前記減速ガス供給器１３０は、供給ポート１３２及び該供給ポ一ト１３２に連結された減速ガス供給ライン１３４を備えることができる。前記供給ポート１３２は、前記冷却器１２０を基準に前記プラズマ発生器１１０の反対側に配置される。これにより、前記減速ガス供給ライン１３４から供給された前記減速ガスは、前記供給ポート１３２によって前記第１の方向Ｘ１と反対になる第２の方向Ｘ２に前記冷却流路１２１に噴射されることができる。

前記回収器１４０は、合成されたナノ粒子を回収する。一例として、前記回収器１４０は、回収管１４２及び該回収管１４２に連結された回収チャンバ１４４を備える。前記回収管１４２の一端は前記冷却器１２０の側壁に連結され、その他端は前記回収チャンバ１４４に連結される。前記回収チャンバ１４４は、大体に前記冷却器１２０の一側に配置されることができる。これにより、前記冷却器１２０内で前記第１の方向Ｘ１に沿って移動する前記ナノ粒子は、前記回収管１４２により前記第１の方向Ｘ１に垂直な第３の方向Ｙに方向変更された後、前記回収チャンバ１４４に回収されることができる。

前述のように、本発明の実施形態によるナノ粒子合成装置１００は、ナノ粒子の合成のための原料を冷却させる冷却器１２０を備える。該冷却器１２０は、前記原料の移動方向に行くほど区間別に冷却温度が低くなるように構成された第１及び第２の冷却器１２２、１２４を備える。これにより、本発明によるナノ粒子形成装置１００は、ナノ粒子の合成時に前記第１の方向Ｘ１へ行くほど前記原料の冷却温度が次第に低い温度で冷却されるようにして、該原料の急冷を防止するような構造を有する。

本発明の実施形態によるナノ粒子合成装置１００は、前記第１の方向Ｘ１へ行くほどその断面積が増加するような構造の第１及び第２の冷却器１２２、１２４を備える。これにより、前記ナノ粒子は、前記冷却器１２０を移動する過程でその移動速度が減少するので、前記ナノ粒子合成装置１００は前記冷却流路１２１での前記原料の滞留時間を増加させるような構造を有する。

また、本発明の実施形態によるナノ粒子合成装置１００は、前記冷却器１２Oに前記ナノ粒子の移動方向と反対になる第２の方向Ｘ２に前記減速ガスを供給する減速ガス供給器１３０を備える。これにより、前記ナノ粒子合成装置１００は、前記ナノ粒子の合成時、前記冷却器１２０を移動する該ナノ粒子の移動速度を減少させ、前記冷却流路１２１での前記原料の滞留時間を増加させるような構造を有する。

続いて、前記構造のナノ粒子合成装置１００を用いたナノ粒子合成方法について詳細に説明する。ここで、前述のナノ粒子合成装置１００に対して重複する内容は省略または簡略にする。

図１及び図２を参照して、電源１１６は、前記プラズマトーチ１１２に所定の高周波電力を印加する。流体供給ライン１１６のセントラルガス供給ライン１１６ｂは、前記プラズマ生成空間ａにセントラルガス３０を供給する。前記セントラルガス３０としては、アルゴンガス（Ａｒ）が用いられる。前記セントラルガス３０は前記プラズマトーチ１１２により活性化され、これにより前記プラズマ生成空間ａにはプラズマ火花（ｐ）が生成される。そして、流体供給ライン１１６の原料供給ライン１１６ａ及びキャリアガス供給ライン１１６ｃは、前記プラズマトーチ１１２を通じて前記プラズマ生成空間ａに原料４０及びキャリアガス５０を各々供給する。前記原料４０は、合成しようとするナノ粒子７０の前駆体（ｐｒｅｃｕｓｏｒ）であってもよい。前記キャリアガス５０により、前記原料４０は冷却器１２０の冷却流路１２１を第１の方向Ｘ１に沿って効率よく移動することができる。また、減速ガス供給器１３０の減速ガス供給ライン１３４は、供給ポート１３２で減速ガス６０を供給する。前記供給ポート１３２を通じて供給された前記減速ガス６０は、前記冷却流路１２１を第２の方向Ｘ２へ移動する。

前記原料４０は、前記冷却器１２０の冷却流路１２１を移動する過程において、第１及び第２の冷却器１２２、１２４により順に冷却され、ナノ粒子７０に合成される。ここで、前記第１及び第２の冷却器１２２、１２４は、区間別に、前記第１の方向Ｘ１へ行くほど低い冷却温度で前記冷却流路１２１を冷却する。例えば、前記第１の冷却器１２２のセラミックチューブ１２２ａは、前記第１の方向Ｘ１へ行くほど冷却温度が低くなるように構成できる。また、前記第２の冷却器１２４の第１の冷却ガス供給ライン１２５ａは、相対的に高い位置にある第１の噴射口１２６ａで第１の冷却ガス８０を供給し、第２の冷却ガス供給ライン１２５ｂは第２の噴射口１２６ａで前記第１の冷却ガス８０に比べて低い温度の第２の冷却ガス９０を供給する。このため、前記原料４０は、前記冷却流路１２１を移動する過程において、区間別に次第に低い冷却温度で冷却される。これにより、前記冷却流路１２１での前記原料４０の急冷を防止し、より大きいサイズでのナノ粒子７０に合成される確率を高めることによって、大きいサイズのナノ粒子７０が合成されることができる。

また、前記冷却流路１２１は、前記第１の方向Ｘ１へ行くほどその断面積が増加するような構造に提供される。この場合、前記原料４０の移動速度は前記冷却流路１２１を移動する過程で減速されることができる。これと合せて、前記原料４０の移動速度の減速は、前述の前記減速ガス６０によっても行われる。このように、前記冷却流路１２１を移動する該原料４０の移動速度が減少するようにして、前記原料４０が前記冷却流路１２１内で滞留する時間を増加させることによって、より大きいサイズのナノ粒子７０に合成される確率を増加させることができる。該合成されたナノ粒子１００は、略粉末形態として球形状を有することができる。この時、前記のような方式で合成されたナノ粒子７０は、少なくとも１００ｎｍ以上の直径を有することができる。

前述のようなナノ粒子７０は、回収管１４２を通じて前記合成部１０１から排出され、回収部１０２に流入する。ここで、前記回収部１０２は前記合成部１０１の冷却部１２０の一側に配置されるので、前記ナノ粒子７０は前記第１の方向Ｘ１に大体垂直な第３の方向Ｙにその移動方向が変更された後、回収チャンバ１４４で回収することができる。この場合、前記回収部１０２が前記第１の線１０に沿って前記合成部１０１と一列に配置される場合に比べて、前記原料４０の移動速度を減少させることができ、これにより、より大きいサイズのナノ粒子７０が合成されることができる。

一方、前述のように、前記ナノ粒子合成装置１００は、前記冷却流路１２１内で前記原料４０の急冷を防止することによって、前記原料４０が前記冷却流路１２１の内壁に蒸着されるのを防止することができる。例えば、前記原料４０により装置１００の内部構成が汚染される現象が発生することがあると、このような汚染現象は前記原料４０の急冷が行われる領域に集中しうる。しかしながら、前述のように、本発明は前記原料１２１が前記冷却流路１２１内で急冷されるのを防止するので、前記冷却流路１２１の内壁が汚染されるのを防止することができる。

前述のように、本発明の実施形態によるナノ粒子合成装置１００を用いたナノ粒子合成方法は、ナノ粒子７０の合成される冷却流路１２１に沿って前記原料４０が移動する過程において、前記原料４０が漸進的に冷却されるようにして、前記原料４０の急冷を防止する。これにより、本発明によるナノ粒子形成方法は、前記冷却流路１２１内での前記原料４０の合成時間を十分に確保して、より大きいサイズのナノ粒子７０を合成することができる。

また、本発明の実施形態によるナノ粒子合成方法は、前記ナノ粒子７０の合成される冷却流路１２１に沿って原料４０が移動する過程において、前記原料４０の移動速度が減速されるようにする。これにより、本発明によるナノ粒子合成方法は、前記冷却流路１２１内で前記原料４０の滞留時間を増加させ、より大きいサイズのナノ粒子を合成することができる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００ ナノ粒子合成装置
１０１ 合成部
１０２ 回収部
１１０ プラズマ生成器
１１２ プラズマトーチ
１１４ 電源
１１６ 流体供給ライン
１２０ 冷却器
１２１ 冷却流路
１２２ 第１の冷却器
１２４ 第２の冷却器
１２５ 冷却ガス供給ライン
１２６ 噴射口
１３０ 減速ガス供給器
１３２ 供給ポート
１３４ 減速ガス供給ライン
１４０ 回収器
１４２ 回収管
１４４ 回収チャンバ

Claims (22)

1. プラズマを発生するプラズマ生成器と、
   合成されたナノ粒子を回収する回収器と、
   前記プラズマ生成器と前記回収器との間に配置され、前記プラズマ生成器から供給される原料が冷却されて前記ナノ粒子が合成される冷却流路を備える冷却器と、を含み、
   前記冷却流路は、区間別に、前記ナノ粒子の移動方向に行くほど低い冷却温度に設定されたナノ粒子合成装置。
2. 前記冷却流路は、前記ナノ粒子の移動方向に行くほどその断面積が増加する請求項１に記載のナノ粒子合成装置。
3. 前記冷却器は、前記ナノ粒子の移動方向に行くほどその断面積が増加するような構造のセラミックチューブを備える請求項２に記載のナノ粒子合成装置。
4. 前記冷却器は、前記ナノ粒子の移動方向に沿って積層された環状の冷却板を備え、
   前記冷却板は、前記ナノ粒子の移動方向に行くほど中央開口の直径が大きくなるようにそれぞれ設けられた請求項２に記載のナノ粒子合成装置。
5. 前記冷却板間には、前記冷却流路の内壁に向けて冷却ガスが噴射されるように噴射角度が調節された噴射口が設けられ、
   前記冷却器は、
   前記噴射口のうち相対的に前記プラズマ生成器に近い噴射口に第１の冷却ガスを供給する第１の冷却ガス供給ラインと、
   前記噴射口のうち前記プラズマ生成器から相対的に遠い噴射口に、前記第１の冷却ガスに比べて低い温度の第２の冷却ガスを供給する第２の冷却ガス供給ラインと、を備える請求項４に記載のナノ粒子合成装置。
6. 前記冷却器を基準にして前記プラズマ生成器の反対側に配置され、前記冷却流路に向けて前記ナノ粒子の移動方向と反対になる方向にガスを噴射する減速ガス供給器を、さらに含む請求項１に記載のナノ粒子合成装置。
7. 前記プラズマ生成器、前記冷却器及び前記減速ガス供給器は、同一線上に一列に配置され、
   前記回収器は、前記冷却器の一側に配置された請求項６に記載のナノ粒子合成装置。
8. プラズマ雰囲気の形成されたプラズマ生成空間に前駆体を通過させてナノ粒子を合成する合成部と、
   合成された前記ナノ粒子を回収する回収部とを含み、
   前記合成部は、前記プラズマ生成空間を有するプラズマ生成器と、前記ナノ粒子の合成される冷却流路を有する冷却器と、前記冷却流路に前記ナノ粒子の移動速度を減少させるための減速ガスを供給する減速ガス供給器とを備え、
   前記回収部は、
   前記冷却器の側壁に連結された回収管と、
   前記回収管に連結された回収チャンバとを備え、
   前記プラズマ発生器、前記冷却器、及び前記ガス供給器は、第１の線に沿って一列に順次配置され、
   前記回収管は、前記冷却器の一側で前記第１の線に垂直な第２の線上に配置されているナノ粒子合成装置。
9. 前記冷却流路は、前記減速ガス供給器へ行くほど低い冷却温度を有する請求項８に記載のナノ粒子合成装置。
10. 前記冷却流路は、前記減速ガス供給器へ行くほどその断面積が増加する請求項８に記載のナノ粒子合成装置。
11. 前記冷却器は、
    前記プラズマ生成器に隣接して配置された第１の冷却器と、
    前記第１の冷却器に比べて前記プラズマ生成器から遠くに配置される第２の冷却器とを備え、
    前記第１の冷却器の冷却温度は、前記第２の冷却器の冷却温度に比べて高い請求項８に記載のナノ粒子合成装置。
12. 前記冷却器は、
    前記プラズマ生成器に隣接して配置された第１の冷却器と、
    前記第１の冷却器に比べて前記プラズマ生成器から遠くに配置される第２の冷却器とを備え、
    前記第１の冷却器内の前記冷却流路は、前記第２の冷却器内の前記冷却流路に比べて小さな断面積を有する請求項８に記載のナノ粒子合成装置。
13. プラズマ生成空間から原料を第１の方向に移動させるステップと、
    前記第１の方向に沿って移動する前記原料を冷却させてナノ粒子を合成するステップとを含み、
    前記ナノ粒子を合成するステップは、前記原料が前記第１の方向に移動する過程で漸進的に低い温度で冷却されるようにして行われるナノ粒子合成方法。
14. 前記ナノ粒子を合成するステップは、前記原料の移動速度を減少させるステップをさらに含む請求項１３に記載のナノ粒子合成方法。
15. 前記原料の移動速度を減少させるステップは、前記第１の方向に移動する前記ナノ粒子に向かって、前記第１の方向と反対になる第２の方向に冷却ガスを噴射して行われる請求項１４に記載のナノ粒子合成方法。
16. 前記原料の移動速度を減少させるステップは、前記ナノ粒子が合成される冷却流路の断面積が前記第１の方向に行くほど増加するようにして行われる請求項１４に記載のナノ粒子合成方法。
17. 前記ナノ粒子を合成するステップは、前記ナノ粒子が合成される冷却流路の内壁に向けて、前記第１の方向に沿って冷却ガスを噴射するステップをさらに備える請求項１３に記載のナノ粒子合成方法。
18. 合成された前記ナノ粒子を回収するステップをさらに含み、
    前記ナノ粒子を回収するステップは、前記冷却流路を前記第１の方向に移動するナノ粒子を、前記第１の方向に垂直な第３の方向に移動方向を変更させた後で行われる請求項１３に記載のナノ粒子合成方法。
19. プラズマ雰囲気の形成されたプラズマ生成空間を前駆体が第１の方向に移動する過程において、該前駆体を冷却させてナノ粒子を形成し、該前駆体の冷却は前記第１の方向に行くほど漸進的に低い温度で冷却されるようにして行われるナノ粒子合成方法。
20. 前記前駆体の冷却には、前記前駆体の移動速度を減速するステップをさらに含み、
    前記前駆体の移動速度を減速するステップは、前記第１の方向と反対になる第２の方向に、前記前駆体に向けて不活性ガスを供給して行われる請求項１９に記載のナノ粒子合成方法。
21. 前記前駆体の冷却には、前記前駆体の移動速度を減速するステップをさらに含み、
    前記前駆体の移動速度を減速するステップは、前記ナノ粒子が合成される冷却流路の断面積を、前記第１の方向に行くほど増加するようにして行われる請求項１９に記載のナノ粒子合成方法。
22. 前記前駆体の冷却は、前記ナノ粒子が合成される冷却流路の内部に、前記第１の方向に行くほど低い温度の冷却ガスを供給して行われる請求項１９に記載のナノ粒子合成方法。

Images