KR100646471B1 - 물질을 분무시키는 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 물질을 분무시키는 방법 및 장치에 관한 것으로, 여기서 두개 이상의 서로 다른 성분은 연료 전지에 의해 형성된 불꽃(9)에 도입되며, 이러한 방식으로 성분들은 서로 반응하여 다성분 유리 입자를 형성한다. 불꽃(9)에 의하여, 다성분 유리 성분은 요망되는 표적에 분무된다. 제 1 성분은 가스 또는 증기로 불꽃에 도입되고, 제 2 성분은 액체 형태로 불꽃에 도입되어 실질적으로 불꽃 부근에서 가스에 의해 미립화된다. 제 1 및 제 2 성분은 연료 가스와 동일한 장치로 불꽃(9)에 공급된다. 액체 성분 및 기체 성분은 나노미터 정도의 크기를 지닌 입자로 형성되며, 이들의 상호 반응은 균질한 다성분 유리 입자를 형성시키는 방식으로 수행된다.

Description

물질을 분무시키는 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR SPRAYING OF A MATERIAL}
본 발명은 연료 가스에 의해 불꽃을 생성시키고, 두개 이상의 서로 다른 성분들을, 이들이 서로 조합하여 두개 이상의 성분으로 구성된 물질을 형성시키도록 불꽃에 도입시키는, 물질을 분무시키는 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 연료 가스가 불꽃을 생성시키도록 연료 가스를 공급하기 위한 수단, 두개 이상의 서로 다른 성분들을, 이들이 서로 조합하여 두개 이상의 성분들로 구성되며 불꽃에 의해 요망되는 표적에 분무될 수 있는 물질을 형성시키도록 불꽃에 도입하기 위한 수단을 포함하는, 물질을 분무시키는 장치에 관한 것이다.
고형 물질을 불꽃 분무 장치로 분무시키는 것은 공지되어 있다. 이러한 방법에 있어서, 분무 대상 물질은 고형 입자 형태로 불꽃 분무 장치에 의해 요망되는 표적으로 분무되는 불꽃 분무 건(gun)에 공급된다. 그러나, 입자 크기가 보다 작아지는 경우, 불꽃 분무 장치는 쉽게 오염되고 막히게 된다. 따라서, 예를 들어 20㎛ 미만의 크기를 지닌 입자를 분무하기 위해 불꽃 분무 장치를 이용하기가 어려워지며, 불꽃 분무 장치는 쉽게 막히고 이를 구성하는데 비용이 많이 든다. 또한, 분무 대상 고형 물질은 불꽃 분무 동안에 여러가지 상이한 상, 즉, 일부의 증기, 일부의 용융된 물질 및 부분적으로 용융 상태의 물질이며, 상기 물질이 냉각될 때 최종 결과물은 고르지 않게 된다.
US 특허 제 3,883,336호에서는 사염화규소가 증기로서 운반 가스로 작용하는 산소에 의해 불꽃 분무 건에 공급되는 장치가 기재되어 있다. 또한, 상기 특허문헌에는 에어로졸이 외부로부터 불꽃 분무 건의 불꽃으로 분무되어 유리를 제조하는 것이 기재되어 있다. 그러나, 에어로졸 생성은 복잡한 장치를 요구하며, 또한 에어로졸 형성은 액체의 점도가 특정 범위 내로 되게 요구하는데, 이러한 범위는 사용 대상 물질 조합을 제한한다. 또한, 이러한 방법에 의해 생성된 입자는 비교적 큰 크기, 즉, ㎛ 크기이다.
핀랜드 특허 제 98832호에서는 물질을 분무시키는 방법 및 장치로서, 분무 대상 액체 물질이 연료 가스에 의해 형성된 불꽃에 도입되고 실질적으로 불꽃 부근에서 가스와 함께 분무됨으로써 분무 및 불꽃 형성이 동일한 장치내에서 일어나는 것을 기재하고 있다. 상기 방법의 경우, 나노미터 크기의 입자는 간단하고 저렴한 방식으로 생산될 수 있다. 그러나, 조절된 조성물과 함께 여러가지 성분, 예를 들어, 다성분 유리로 구성된 물질을 생성하는데는 용액을 사용할 수 없다.
다성분 유리를 생성시키는 하나의 적용은 활성 섬유를 생성시키는 것이다. 활성 섬유의 생성시, 유리 물질이 희토류 금속, 예를 들어 에르븀으로 도핑되어야 한다. 에르븀은 활성 섬유가 공정의 대규모 및 고비용의 변형 없이 통상의 섬유 제조 방법에 의해 제조될 수 있도록 증기압이 충분히 낮을 것으로 예상되는 액체로서 이용될 수 없다. 이러한 이유 때문에, 활성 섬유를 제조하는데 일반적으로 사용된 방법은 실질적으로 비정질 이산화규소로 구성된 다공성의 예비성형체를 제조하는 방법이다. 예비성형체는 에르븀을 함유하는 액체 중에 담겨있다. 수시간 동안 함침시킨 후, 예비성형체는 건조되고 소결되어, 도핑된 섬유 예비성형체를 수득하게 된다. 이러한 방법의 단점으로는 명확하지 않은 도핑 품질, 및 수득된 최종 생성물의 특성에 손상을 입히는 물질의 응집화가 포함된다. 또한, 활성 섬유는 에어로졸 공정에 의해 제조될 수 있는데, 에르븀 함유 에어로졸은 초음파 방법에 의해 생성된다. 초음파 방법에 의해 별도로 생성된 에어로졸은 열 반응기로 보내어지며, 여기에서 에어로졸은 반응하여 다성분 유리가 생성된다. 이러한 방법의 결함은 복잡하다는 것과, 도핑이 어렵다는 것 및 생성된 입자의 크기가 크다는 것, 즉 입자가 약 1㎛ 정도의 크기를 갖는다는 것이다.
본 발명의 목적은 상술된 단점을 피할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 방법은 제 1 성분이 가스 또는 증기 상태로 불꽃에 도입되며, 제 2 성분이 액체 상태로 불꽃에 도입되어 실질적으로 불꽃 부근에서 가스에 의해 미립화되며, 제 1 성분 및 제 2 성분 둘 모두가 연료 가스와 동일한 장치로 불꽃에 제공됨을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 제 1 성분을 가스 또는 증기 상태로 불꽃에 도입하기 위한 가스관, 제 2 성분을 액체 형태로 불꽃에 도입하기 위한 액체관, 및 실질적으로 불꽃 부근에서 액체를 미립화시키기 위해 액체관 부근에 분무 가스를 도입하기 위한 가스관을 지니며, 상기 제 1 성분 및 제 2 성분 둘 모두가 연료 가스와 동일한 장치로 불꽃에 제공되도록 배열됨을 특징으로 한다.
본 발명의 본질적인 개념은 두개 이상의 서로 다른 성분이 불꽃으로 유도되는 것, 제 1 성분이 가스 또는 증기로서 불꽃에 유도되며, 제 2 성분이 액체 형태로 불꽃에 유도되고 실질적으로 불꽃 부근에서 가스에 의해 미립화되는 것, 및 제 1 및 제 2 성분 둘 모두가 연료 가스와 동일한 장치로 불꽃에 제공된다는 것이다. 따라서, 액체 성분 및 가스 성분은 나노미터 정도의 크기를 갖는 입자로 형성되며, 이들의 상호 반응은 예를 들어 균질한 다성분 유리 입자가 형성되는 방식으로 수행된다. 생성된 입자는 추가로 불꽃에 의해 다양한 물질의 표면상으로 유도되거나, 적합한 장치에 의해 별도의 입자로서 수집되어 예를 들어 활성 섬유를 생성시킬 수 있다.
본 발명의 장점은 매우 간단하며 비용이 많이 들지 않는 방식으로 다성분 유리 입자와 같은 두개 이상의 성분으로 구성된 매우 미세하며 균질한 입자를 생성시키는 능력에 있다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 더욱 상세하게 기술될 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 불꽃 분무 장치의 본체를 개략적으로 도시한 측면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 장치의 노즐 부분을 개략적으로 도시한 정면도이다.
도 1은 본 발명에 따른 불꽃 분무 장치를 도시한 것이다. 불꽃 분무 건(1)은 물질을 분무하기 위한 불꽃(9)을 형성시키기 위해 사용된다. 요망되는 가스는 가스 도관(2, 3, 4 및 5)을 따라서 불꽃 분무 건(1)에 공급된다. 가스 도관(2-5)을 따라서 불꽃을 형성시키는 연료 가스, 분무 대상 액체용 미립화 가스, 다성분 유리와 같은 2종 이상의 성분으로 구성된 물질의 한 성분(가스 또는 증기 형태), 및 가능하게는 반응을 조절하기 위한 생성 대상 가스가 공급된다. 가스 도관(2-5)의 수는 물론 불꽃 분무 건(1)에 공급할 필요가 있는 가스의 수에 따라 충분히 한다. 형성시키고자 하는 다성분 유리의 제 2 성분은 액체 도관(6)을 따라서 액체 형태로 불꽃 분무 건(1)에 공급된다. 상기 액체는 액체 도관(6)을 따라서 액체를 예를 들어 주입 펌프(7)로 펌핑시킴으로써 이송된다. 액체 도관(6)에 따른 액체의 이송은 또한 예를 들어 액체를 압력 탱크로부터 공급하거나 그 자체로서 공지된 또 다른 방법으로 수행될 수 있다.
도 1에 도시된 불꽃 분무 건(1)의 우측 단부에는, 연료 가스가 점화되어 불꽃을 형성시키고 액체가 미립화 가스에 의해 미립화되는 노즐(8)이 제공된다. 미립화는 실질적으로 불꽃(9) 부근에서 일어난다. 따라서, 액체 성분은 약 1 nm 정도의 크기를 갖는 매우 미세한 입자로 미립화될 수 있다. 유사하게, 균일하게 작은 입자는 가스 또는 증기 상태의 성분으로 형성될 수 있다. 두가지 성분 모두는 연료 가스와 동일한 장치로 불꽃에 공급된다. 바람직하게는, 불꽃으로 연료 가스의 공급, 제 1 성분의 공급 및 제 2 성분의 공급은 하나의 동일한 장치에서, 즉, 도 1에 도시된 바와 같이 공통 노즐(8)을 통해 수행된다. 따라서 분무 대상 다성분 유리 입자를 표적(10)으로 유도하는 것은 아주 용이하다. 제 1 및 제 2 성분의 입자는 서로 반응하여, 균질한 다성분 유리 입자를 형성한다. 다성분 유리 입자는 다양한 물질의 표면상으로 불꽃(9)에 의해 추가로 유도될 수 있거나 적합한 장치를 사용하여 별도의 입자로서 수집될 수 있다.
다성분 유리의 액체 성분은 액체 도관(6)을 따라서 불꽃 분무 건(1)에 이른다. 액체 도관(6)으로부터, 액체는 불꽃 분무 건(1)의 중심부에 있는 액체관(6a)으로 이송된다. 제 1 가스 도관(2)을 따라서, 액체를 미립화시키기 위한 가스가 액체관 주위의 제 1 가스관(2a)으로 도입된다. 제 2 가스 도관(3)을 따라서, 제 2 가스가 제 1 가스관(2a) 주위의 제 2 가스관(3a)으로 도입된다. 또한, 제 3 가스 도관(4)을 따라서, 제 3 가스가 제 2 가스관(3a) 주위의 제 3 가스관(4a)으로 도입되고, 제 4 가스 도관(5)을 따라서, 제 4 가스가 제 3 가스관(4a) 주위의 제 4 가스관(5a)으로 도입된다. 따라서, 액체관(6a) 및 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 가스관(2a, 3a, 4a 및 5a)은 서로 동축관들이다. 제 1 가스관(2a)으로부터 노즐(8)로 흐르는 가스는 액체관(6a)을 따라서 흐르는 액체를 소적으로 분무시킨다.
형성 대상 다성분 유리의 액체 성분은 요망되는 이온의 적합한 수성 또는 알코올 용액일 수 있다. 예를 들어, 활성 섬유, 즉 광 증폭 섬유(light intensifying fiber)의 제조시에, 에르븀 니트레이트, 물 또는 알코올, 및 물 또는 알코올 중에 용해 가능한 형태의 알루미늄을 함유하는 용액을 사용하는 것이 가능하다. 예를 들어, 제 2 가스 도관(2)을 따라서 노즐(8)에 액체를 미립화시키는 수소가 공급될 수 있다. 제 2 가스 도관(3)을 따라서 사염화규소 또는 사염화게르마늄이 가스 또는 증기 형태로 공급될 수 있으며, 제 3 가스 도관(4)을 따라서 산소가 공급될 수 있다. 노즐(8)을 지나서, 수소와 산소가 반응하여 불꽃을 형성한다. 불꽃에서의 반응 형성의 정확한 공정은 명백하지 않지만, 실제로는 사염화규소 또는 사염화게르마늄이 극소량의 이산화규소 또는 이산화게르마늄 입자를 형성시킴으로써 반응하며, 액체 입자가 산화에르븀 및 산화알루미늄을 형성시킴으로써 반응한다고 가정될 수 있다. 형성된 입자는 상기된 반응과 동시적으로 또는 개별적으로 반응하며 서로 결합하여 균질한 다성분 유리를 형성한다. 생성된 다성분 유리 입자는 불꽃(9)에 의해, 활성 섬유의 제조시에는 맨드렐(mandrel)인 표적(10)의 표면상으로 이송되어, 다성분 유리 입자가 맨드렐 표면상에 다공성의 유리 표면을 형성시킨다. 맨드렐 표면상에, 물질의 조성이 필요하다면 단순한 방식으로 변경될 수 있는 수가지의 유리층을 축적시키는 것이 가능하다. 이러한 축적 후, 맨드렐은 제거될 수 있으며, 생성된 예비성형체는 광섬유의 제조 공정으로부터 그 자체로서 공지되어 있는 방식으로 신터링된다.
제 4 가스 도관(5) 및 각각의 제 4 가스관(5a)은 필수적인 것은 아니다. 그러나, 이것들은 반응 조절을 예를 들어 아르곤 또는 또 다른 적합한 보호 가스를 제 4 가스 도관(5)을 따라서 그리고 추가로 제 4 가스관(5a)을 따라서 공급함으로써 개선시키기를 요망되는 경우 사용될 수 있다. 보호 가스는 외부 산소가 반응에 영향을 미치지 못하게 한다.
도 1에는, 명확성을 기하고자 불꽃 분무 건(1)이 실제 규모 보다 크게 제시되어 있음을 주지해야 한다. 효과적인 분무를 위해서는 예를 들어 분무 가스의 속도를 가능한 한 높게 유지시키는 것이 바람직하다. 따라서, 노즐(8)의 홀(hole)은 충분히 작게 만들어져야 한다. 또한, 액체관(6a) 및 제 1 가스관(2a)의 구조는 상기 관들이 다른 관의 한 내측에 구조적으로 2개의 중공 니들(needle)이 위치하도록 도시될 수 있다.
도 2는 노즐(8)의 정면도이다. 도 2는 노즐(8)의 중심을 따라 나 있는 액체관(6a) 단부의 홀을 도시한다. 제 1 가스관(2a)의 홀은 이러한 홀 주위에 도시될 수 있다. 제 2 가스관(3a)을 따라서 흐르는 가스는 구멍(11)을 경유하여 노즐(8)을 통해 도입되는 것으로 도시된다. 상응하는 방식으로, 제 3 가스관(4a)을 따라서 흐르는 가스는 구멍(12)을 경유하여 노즐(8)을 통해 도입되고, 제 4 가스관(5a)을 따라서 흐르는 가스는 구멍(13)을 경유하여 노즐(8)을 통해 유도된다. 노즐(8)의 홀 및 오리피스의 크기 및 형태는 요망 방식에 따라서 변할 수 있지만, 본질적으로는, 액체가 충분히 작은 소적으로 형성되어 생성시키고자 하는 입자의 크기를 충분히 작아지게 하고, 한편으로는 불꽃(9)을 형성시키기에 충분한 가스의 속도를 제공하도록 액체 및 노즐(8)에서의 미립화된 가스의 속도가 요망에 따라 조정될 수 있어야 한다.
도면 및 이와 관련된 설명은 단지 본 발명의 개념을 설명하도록 의도된다. 세부적으로, 본 발명은 청구의 범위내에서 변화될 수 있다. 따라서, 액체관 및 가스관의 위치 및 순서는 원하는 방식으로 변화될 수 있다. 또한, 연료 가스는 상기된 방식에서, 별도의 가스관을 따라서 노즐(8)로 공급하고자 하는 두개 이상의 가스로 구성될 수 있거나, 사용된 연료 가스는 산소와 아세틸렌의 혼합물과 같이 하나의 가스관을 따라서 노즐(8)로 공급된 가스 또는 가스 혼합물일 수 있다.

Claims (7)

  1. 다성분 유리 입자를 형성시키고 상기 입자를 표면 또는 표적에 분무하기 위한 방법으로서,
    - 노즐을 통해 연료 가스를 공급하고 연료 가스를 사용하여 불꽃을 생성시키는 단계,
    - 노즐을 통해 산소를 불꽃에 도입시키는 단계,
    - 노즐을 통해 다성분 유리 입자를 형성시키기 위한 제 1 성분을 가스 또는 증기 형태로 불꽃에 도입시키는 단계,
    - 노즐을 통해 다성분 유리 입자를 형성시키기 위한 희토류 금속 함유 액체로 구성된 제 2 성분을 불꽃을 향해 도입시키는 단계,
    - 노즐을 통해 미립화 가스를 불꽃을 향해 도입시키는 단계, 및
    - 제 2 성분을 미립화 가스와 함께 노즐을 통과시킨 후에 미립화시키고, 미립화된 제 2 성분을 불꽃에 도입시키므로써, 제 1 및 제 2 성분을 산소와 함께 서로 반응시켜 다성분 유리 입자를 형성시키는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 제 1 성분, 제 2 성분 및 연료 가스가 동일한 장치에 의해 불꽃에 공급됨을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 제 1 성분, 제 2 성분 및 연료 가스가 동축으로 불꽃에 공급됨을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중의 어느 한 항에 있어서, 다성분 유리 입자가 형성되어 활성 섬유를 제조할 수 있도록, 제 1 성분이 사염화규소 또는 사염화게르마늄 이며, 제 2 성분이 에르븀 니트레이트, 물 또는 알코올, 및 물 또는 알코올에 가용성인 형태의 알루미늄을 함유하는 용액임을 특징으로 하는 방법.
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