KR100497320B1 - 액적 크기 제어 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액적 크기 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 본 발명은 싸이클론을 액적분산장치에 결합시켜, 일측면에 액적 함유 운반기체 공급부(1)가 위치되고 상부에 미세액적 배출부(4)가 있으며 하부에서 싸이클론 장치(3)와 결합되고 내부 중앙에 축이 있어 여기에 액적 분산판(6)과 액적 충돌판(7)이 부착되어 있는 (이때 분산판은 공급된 액적이 통과할 수 있도록 적어도 하나 이상의 관통공(11)을 가지며, 충돌판은 액적의 유로를 싸이클론 장치로 유도하는 역할을 하며, 중앙축의 내부는 상기 배출부(4)와 연통되는 관이 형성되어 있다) 액적 분산 장치(2), 및 상기 액적 분산 장치와 격벽으로 분리되어 그의 하부에 위치되며 중앙 축에 의해 액적 분산 장치와 연결되고 저부에 거대 액적 유출부(9)를 갖춘 싸이클론 장치(3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 액적 크기 제어 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따르면 발생 액적의 크기를 수 미크론 이하로 제어할 수 있으며, 이와 같이 크기가 제어된 액적은 균일한 분포를 가진 미립자의 제조 및 디스플레이 및 반도체 공정에서의 박막 증착 및 에어로졸 에칭 등에 유리하게 사용할 수 있다.

Description

액적 크기 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING SIZE OF DROPLETS}

본 발명은 액적 크기 제어 장치 및 방법, 특히 액적 분산장치에 싸이클론이 결합된 액적 크기 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따라 크기가 제어된 액적은 미립자 제조, 및 반도체 및 디스플레이 분야에 있어서의 박막 증착 및 에어로졸 에칭 등에 유용하게 이용될 수 있다.

각종 가공용 소재, 세라믹 소재 및 합금을 제조하기 위해서는 서브 미크론(submicron) 이하의 크기를 지닌 미세한 입자의 제조가 선행되어야 하는데, 이러한 미립자들은 주로 분무열분해법에 의해 제조된다. 분무열분해법에 따르면, 일단 액적 발생기로부터 액적을 발생시켜, 이를 고온에서 건조 및 열분해시켜 서브 미크론 크기의 균일한 미립자로 가공한다. 미립자의 크기는 각종 소재의 제조시 중요한 요소로서, 분무열분해법에서의 입자의 크기는 주로 용액의 농도화를 통하여 조절되는데, 보다 미세한 입자를 제조하기 위해서는 용액의 농도를 저하시켜야 한다. 그러나, 이러한 용액의 농도저하는 입자의 생산량을 감소시키게 된다는 문제점을 유발시키게 된다. 따라서, 미립자의 생산량을 감소시키지 않으면서도 보다 미세한 입자를 다량으로 제조하기 위해서는 액적을 수 미크론 크기로 유지시켜야 한다.

또한, 반도체 제조공정 등에서 적당한 용액을 액적 발생기를 사용하여 미세한 액적으로 분무시키고, 이를 기판 상에 증착시켜 박막을 형성하는 방법은 종래의 CVD(chemical vapor deposition)등의 화학증착법에 비하여 박막의 성장속도가 매우 크고, 다성분의 박막제조에 있어서 균일한 조성을 지닌 박막을 제조할 수 있다는 장점을 지니고 있으며, 이때 액적 발생기에 의해 발생된 액적을 이용하여 제조된 박막의 특성은 액적의 특성에 크게 의존하므로, 다량의 액적을 수 미크론 크기로 일정하게 유지시키는 것이 매우 중요하다.

또한, 반도체 제조공정 등에서 에칭용액을 액적 발생기를 사용하여 미세한 액적으로 분무시키고 이를 저압 하에서 에칭 대상이 되는 기판 위에 충돌시켜 에칭을 이루는 에어로졸 에칭법(aerosol etching) 또한 종래의 건식법이나 에칭용액을 사용하여 화학적인 방법으로 에칭하는 습식법의 장점을 모두 구비한 에칭방법인데, 에어로졸 에칭법에서의 에칭효과는 액적발생기에 의해 발생된 액적의 크기 및 분포에 의존하기 때문에, 다량의 액적을 수 미크론 크기로 유지시켜야 한다.

한편, 싸이클론 장치는 원심력을 이용하여 공기와 함께 회전하는 오염물 중 공기는 외부로 배출하고 오염물만을 공기에서 분리하여 수집하는 장치이고, 분산판은 통상 다단으로 하고 관통공의 배열을 교차로 하여 다단설치 함으로써 기액 상호 접촉 및 와류발생, 회전운동으로 가스의 흡수를 최대로 높일 수 있으며, 또한 구조가 간단하여 설치비용 등을 절감할 수 있고, 판의 간격을 점증하여 압력손실을 최소화하여 동력비를 절감하는데 사용되고 있으며, 이들은 대부분 집진장치, 세정장치, 분사장치 등에 응용되고 있다.

이에, 본 발명에서는 상술한 바와 같은 싸이클론과 분산판의 특성을 응용하여 하나의 시스템으로 구축, 오염물이 아닌 액적을 상대로 수 미크론 내지 수십 미크론 크기의 다양한 액적을 제어하여 수 미크론 이하의 균일한 크기로 유지시켜 이 액적을 다양하게 이용할 수 있게 하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은

일측면에 액적 함유 운반기체 공급부(1)가 위치되고 상부에 미세액적 배출부(4)가 있으며 하부에서 싸이클론 장치(3)와 결합되고 내부 중앙에 축이 있어 여기에 액적 분산판(6)과 액적 충돌판(7)이 부착되어 있는 (이때 분산판은 공급된 액적이 통과할 수 있도록 적어도 하나 이상의 관통공(11)을 가지며, 충돌판은 액적의 유로를 싸이클론 장치로 유도하는 역할을 하며, 중앙축의 내부는 상기 배출부(4)와 연통되는 관이 형성되어 있다) 액적 분산 장치(2), 및

상기 액적 분산 장치와 격벽으로 분리되어 그의 하부에 위치되며 중앙 축에 의해 액적 분산 장치와 연결되고 저부에 거대 액적 유출부(9)를 갖춘 싸이클론 장치(3)

를 포함하는 것을 특징으로 하는 액적 크기 제어 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 본 발명의 장치를 이용한 액적 크기 제어방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 본 발명의 장치를 분무열분해 공정에 의한 무기 세라믹 또는 금속 미립자 제조, 또는 반도체 또는 디스플레이 소자의 박막 형성 또는 에칭 공정에 사용하는 방법을 제공한다.

이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 액적 크기 제어 장치를 보다 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 액적 크기 제어 장치의 개략적인 투시도이다. 본 발명에 따른 싸이클론 함유 액적 크기 제어 장치는 크게, 액적 함유 운반기체 공급부(1), 액적 분산장치(2), 싸이클론 장치(3), 미세액적 배출부(4) 및 거대액적 유출부(9)로 구성되며, 액적 분산장치(2)와 싸이클론 장치(3)는 격벽(5)에 의해 나뉘어져 있다. 도 1에서 점선으로 된 화살표는 액적이 포함된 운반기체의 흐름을 나타내고 있다.

상기 공급부(1)은 액적 분산장치(2)의 일측면에 위치되고 액적발생기(도시하지 않음) 내에 있는 분무용기에 연결되어 액적발생기에서 발생하는 액적이 포함된 운반기체를 상기 액적 분산장치(2)내로 공급하는 부분이다. 상기 공급부(1)는 본 발명에 따른 장치의 몸체 일측 상부 쪽에 위치되는 것이 바람직하다.

상기 액적 분산장치(2)는, 상부에 미세액적 배출부(4)가 있으며 하부에서 싸이클론 장치(3)와 결합된다. 상기 액적 분산장치(2)의 내부에는 상기 공급부(1)의 관에 대향하도록 설치된 하나 이상의 분산판(6)이 일정한 각도(θ)로 장치 중앙의 배출부(4) 축에 부착되어 있으며, 또한 액적이 포함된 운반기체의 유로를 싸이클론 장치로 유도하는 충돌판(7)이 싸이클론 장치 공급부(8) 뒤에 위치되어 배출부(4) 축에 부착되어 있다. 내부 중앙축에 연결되어 있는 액적 분산판(6)은 공급된 액적이 통과할 수 있도록 적어도 하나 이상의 100㎛∼10㎜ 크기의 관통공(11)을 가지며, 충돌판은 관통공이 없이 평판으로 되어 있다. 배출부(4) 축의 내부는 비어있어 이를 통해 생성 미세 액적이 배출된다.

상기 공급부(1)를 통하여 공급되는 액적이 포함된 운반기체는 원통형인 액적 분산장치(2)내에서 회전하면서 유동하고 이 액적이 포함된 운반기체는 액적 분산장치(2)내 배출부(4) 축에 배향하도록 설치된 하나 이상의 분산판(6)을 통과하면서 크기가 큰 액적들은 분산판(6)에 부딪쳐 액적 분산장치(2) 저부에 위치한 퇴수구(10)를 통해 복합 싸이클론 장치 저부에 위치한 유출부(9)로 떨어지며, 이는 회수되어 액적발생기로 재순환시킴으로써 재사용할 수 있다. 분산판(6)을 통과한 비교적 크기가 작은 액적이 포함된 운반기체는 충돌판(7)에 의해 액적 분산장치(2) 하부에 위치한 싸이클론 장치 공급부(8)로 배출된다.

싸이클론 장치(3)는 원통형이나 저부로 갈수록 점차 축관되며 저부에는 거대액적 유출부(9)가 구비되어 있으며 싸이클론 내부 중앙에서는 액적 분산장치의 배출부(9) 축을 일부 공유하고 있다. 액적 분산장치(2)를 통과한 액적이 포함된 운반기체는 싸이클론 장치(3)내에서 회전운동을 하면서 비교적 무게가 무거운 거대 액적은 싸이클론 장치(3)의 벽을 타고 흘러 싸이클론 장치(3) 저부에 위치한 유출부(9)를 통해 회수되고, 가벼운 미세액적은 싸이클론 장치(3) 중앙에 위치한 배출부(4)를 통해 외부로 배출된다.

도 2는 본 발명에 따른 액적 크기 제어장치의 종단면도이다. 도 2에서는 분산판(6)의 위치나 액적이 포함된 운반기체의 유로가 제대로 도시되지 않았으나, 회수되는 용액의 유로가 명확히 도시되어 있다. 도 2에서 특히 주목할 부분은 유출부(9)이며, 최초에는 유출부를 밸브로 밀폐시켜 놓으며 액적 분산장치(2)에서 제거된 액적이 퇴수구(10)를 통해 싸이클론 장치(3)의 벽을 타고 유출부(9)로 회수되고, 싸이클론 장치(3)에서 제거되는 액적도 마찬가지로 벽을 타고 유출부(9)로 회수되어 용액이 일정수위까지 차게되면 밸브를 열어 수위를 조절하면서 제거할 수 있고, 회수된 용액은 펌프를 이용하여 액적발생기로 재공급하여 재사용할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 액적 크기 제어장치의 횡단면도이다. 도 3에서는 싸이클론 장치(3)에 대해서는 도시하지 않았으나 액적 분산장치(2) 내에서의 액적이 포함된 운반기체의 유로가 명확히 도시되어 있다. 도 3에서 특히 주목할 부분은 충돌판(7)이 싸이클론 공급부(8) 뒤에 위치하여 액적이 포함된 운반기체의 유로가 싸이클론 장치(3)로 이동한다.

도 4는 본 발명에 따른 분산판과 충돌판을 보여주는 입체도이다. 도 4에서 주목해야 할 부분은 분산판(6) 간의 설치각(θ)이다. 여기서는 분산판을 7개만 기술하였으나 설치각(θ)을 조절하여 다수의 분산판(6)을 관통공(11)들이 서로 교차되도록 설치할 수 있을 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 분산판의 개략적인 구성도이다. 관통공의 직경(d)을 100㎛ ∼ 10㎜로 다양하게 변화할 수 있다. 분산판의 개수나 관통공의 직경을 변화시키면 액적의 크기의 제어가 가능하다.

상술한 바와 같이 본 발명의 액적 크기 제어장치는 싸이클론을 사용하여 서브 미크론 크기, 예를 들면 5 내지 15 미크론 범위로 액적을 제어할 수 있으며, 이를 다양한 분야에 이용할 수 있다.

예를 들어, 본 발명에 따른 장치를 이용하여 분무열분해법에 의한 무기 금속 또는 세라믹 미립자 등을 제조할 수 있으며, 제조가능한 미립자의 예로는

ZnO, Mn₃O₄, TiO₂, SiO₂, CuO, PbO 및 NiO 등의 단성분 산화물;

Ag, Ni, Cu, Pd 및 Au 등의 금속 입자;

YBa₂Cu₃O₇, BaTiO₃, SrTiO₃, BST, PZT 등의 다성분 입자;

Y₂O₃:Eu, Gd₂O₃:Eu, (YGd)BO₃:Eu, Zn₂SiO ₄:Mn, BaMgAl₁₀O₁₇:Mn, Sr₅(PO₄)₃Cl:Eu, (Ba,Sr)₂SiO₄:Eu, Y₂SiO₅:Tb, Y₂SiO₅:Ce, YAG:Ce, SrTiO₃:Pr,Al, BaAl₁₂O₁₉:Mn, YBO₃:Tb 등의 산화물계 형광체; 및

ZnS 또는 CdS 등의 황화물계 입자등이 있다.

또한, 본 발명의 액적 크기 제어장치로 제어된 액적은 반도체 또는 디스플레이 분야에 있어서의 박막 형성 또는 에어로졸 에칭 등에 유리하게 이용될 수 있다.

이하, 본 발명을 실리카 분말 합성을 통한 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하나, 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 실시예에 의해 한정되지 않는다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

비교예: 종래 분무열분해법에 의해 제조된 실리카 분말

실리카 분말의 원료물질로서 TEOS(테트라에틸오르토실리케이트)를 사용하였다. TEOS에 일정량의 질산을 첨가하여 용해시켜 분무용액을 제조하였다. 용액의 농도는 0.02M∼3M까지 변화시켰다. 제조된 분무용액은 액적을 대량으로 발생하는 초음파 분무장치를 이용하여 액적을 발생시켰으며 운반기체로 압축공기를 사용하여 고온의 반응로에서 건조 및 열분해 시켜 분말을 얻었다. 이때 반응기의 온도는 900℃로 유지하였다.

도 6은 0.5 M의 TEOS로 제조한 실리카 분말의 전자현미경 사진이다. 제조되어진 실리카 분말들은 구형을 유지하지만 10 미크론 이상의 큰 입자가 보여진다. 이는 액적발생기에서 발생된 액적의 크기가 수 미크론에서 수십 미크론으로 다양하기 때문이다.

도 8과 도 9에 이렇게 제조한 실리카 입자의 부피 및 개수에 대한 입도 분석 스펙트럼을 나타내었다. 도 8에서 보듯이 부피에 대한 입도 분석 결과도 0.4 ∼ 10㎛ 이상이며, 도 9에서 보듯이 개수에 대한 입도 분석 결과도 0.4 ∼ 5㎛ 이상의 분포를 나타낸다.

실시예: 본 발명에 따른 액적 크기 제어장치를 사용하여 분무열분해법에 의해 제조된 실리카 분말

제조조건은 비교예에서와 같고 단지 고온의 반응로로 들어가는 공급부 앞에 본 발명에 따른 도 1에 나타낸 바와 같은 액적크기 제어장치를 설치하여 액적을 통과시킨 후 미립자를 제조하였다. 분산판은 1 ∼ 7개로 변화시켰으며, 관통공의 직경은 1∼4 mm까지 변화시켰다.

도 7은 분산판 3개, 관통공 직경 2mm로 하는 액적크기제어 장치를 설치하여 제조한 실리카 입자의 전자현미경 사진으로, 본 발명에 따라 액적이 반응로로 들어가기 전에 큰 입자를 제거해줌으로 인해, 도 6과는 달리 써브미크론의 균일한 입자를 얻을 수 있었다. 도 8과 도 9에 이렇게 제조한 실리카 입자의 부피 및 개수에 대한 입도 분석 스펙트럼을 나타내었다. 도 8에서 보듯이 부피에 대한 입도 분석 결과는 0.4 ∼ 5㎛ 미만이며, 도 9에서 보듯이 개수에 대한 입도 분석 결과는 0.4 ∼ 3㎛ 분포를 나타냈다.

위와 같은 결과에서처럼 액적발생기에서 발생된 수 ∼ 수십 미크론 크기의 액적을 반응로에서 건조 및 열분해하기 전에 일정 크기 이상의 큰 입자를 복합 싸이클론 장치를 통해 제거하여 균일한 크기의 분말을 얻을 수 있었다. 도 9에서 보듯이 3㎛ 이상의 큰 분말들이 모두 제거되었지만 크기가 작은 0.4 ∼ 0.7㎛의 범위내의 분말도 종래 분무열분해법에 비해 상당히 감소한 것을 알 수 있다. 이는 본 발명의 복합 싸이클론 장치내에서 분산판을 다단으로 설치하고 관통공도 교차로 배열시켜 액적이 유동하면서 내부에서 와류가 발생되어 액적간 접촉이 생겨 액적의 크기가 커졌기 때문이다.

이상에서 상세히 설명하고 입증하였듯이, 본 발명에서는 분무열분해법에 의한 세라믹 및 금속 분말의 제조에 있어서, 복합 싸이클론 장치를 액적 크기제어장치로서 사용함으로써 분무열분해법에 의해 제조되는 세라믹 및 금속 분말을 균일한 서브 미크론 크기로 얻을 수 있으며, 이러한 세라믹 및 금속 분말은 다양한 전자부품 및 응용분야에서 그 기초 원료 분말로서 널리 활용될 수 있다.

도 1 내지 도 3은 각각, 본 발명의 실시예에 따른 액적 크기 제어 장치에 대한 개략적인 투시도, 종단면도 및 횡단면도이고,

도 4 는 본 발명의 장치에 사용된 분산판 및 충돌판에 대한 입체도이며,

도 5는 본 발명의 장치에 사용된 분산판의 개략도이고,

도 6 및 도 7은 각각, 실리카 미립자 형성용 분무용액의 농도가 0.5 M 일 때, 종래 분무열분해법에 따라 제조된 실리카 입자 및 본 발명에 따라 액적 크기 제어 장치를 거친 후 분무열분해법에 따라 제조된 실리카 입자의 전자현미경 사진이고,

도 8 및 도 9는, 종래 분무열분해법과 본 발명의 실시예에 따른 방법에서 제조된 실리카 분말에 대해, 각각 부피 대비 크기 및 개수 대비 크기로 나타낸 입도 분석 스펙트럼이다.

<도면의 부호에 대한 간단한 설명>

1: 액적 함유 운반기체 공급부 2: 액적 분산 장치

3: 싸이클론 4: 운반 기체 배출부

5: 격벽 6: 분산판

7: 충돌판 8: 싸이클론의 공급부

9: 거대 액적 유출부 10: 퇴수구

11: 관통공

Claims (8)

1. 일측면에 액적 함유 운반기체 공급부(1)가 위치되고 상부에 미세액적 배출부(4)가 있으며 하부에서 싸이클론 장치(3)와 결합되고 내부 중앙에 축이 있어 여기에 액적 분산판(6)과 액적 충돌판(7)이 부착되어 있으며, 이때 분산판은 공급된 액적이 통과할 수 있도록 적어도 하나 이상의 관통공(11)을 가지며, 충돌판은 액적의 유로를 싸이클론 장치로 유도하는 역할을 하며, 중앙축의 내부는 상기 배출부(4)와 연통되는 관이 형성되어 있는 액적 분산 장치(2), 및

   상기 액적 분산 장치와 격벽으로 분리되고 그의 하부에 위치되며 중앙 축에 의해 액적 분산 장치와 연결되고 저부에 거대 액적 유출부(9)를 갖춘 싸이클론 장치(3)를 포함하는 액적 크기 제어 장치.
2. 제 1항에 있어서, 분산판이 유입부와 대향하도록 설치되고, 충돌판은 액적이 포함된 운반기체의 유로에서 볼 때 싸이클론 장치 공급부 뒤에 설치되어 액적이 포함된 운반기체가 싸이클론 장치로 유동되도록 하는 것을 특징으로 하는 액적 크기 제어 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 싸이클론 장치가 하부로 내려가면서 점차 축관되는 구조를 가짐을 특징으로 하는 액적 크기 제어 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 관통공이 100㎛∼10㎜ 범위의 직경을 가짐을 특징으로 하는 액적 크기 제어 장치.
5. 액적분무장치에서 발생된 액적을 함유하는 운반기체를 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 액적 크기 제어 장치의 액적 함유 운반기체 공급부(1)에 도입하여 액적의 크기를 5 내지 15 미크론 범위로 제어하는 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 액적 분무장치가 초음파, 공기 노즐 및 초음파 노즐 액적 발생 장치 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 액적 크기 제어 방법.
7. 제 5 항에 있어서, 액적 크기제어 장치의 저부에서 유출된 액체를 상기 액적 분무장치로 재순환시키는 것을 특징으로 하는 액적 크기 제어 방법.
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