KR100728534B1 - 밀링시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밀링시스템에 관한 것으로서, 밀링기(100)로부터 이어지는 배출관(110)과 공급관(120)의 사이에 설치되어, 슬러리 등의 분쇄물을 입자의 크기에 따라 원심력으로 분급하고, 분급된 슬러리를 밀링기(100)에 재공급시키거나 배출시키는 분급장치를 포함한다. 따라서 분급장치로 하여 큰 입자의 슬러리를 선별적으로 분급시킨 후, 이를 밀링기에 재투입하여 반복적으로 분쇄시킴으로써, 종래의 순환식 밀링 방법에 비하여 동일한 분쇄물의 평균 입경을 얻는데 소요되는 시간이나 에너지를 크게 줄일 수 있으며, 최종적으로 슬러리에 포함된 입자들의 입도 분포 폭이 줄어드는 효과가 있다. 또한, 본 발명은, 나노 크기의 좁은 입도 분포 폭을 가지는 슬러리의 분급도 가능하여 예컨대, 반도체 소자 CMP용 슬러리의 제조방법에 적용 가능한 슬러리의 생산이 가능하게 되었다.

밀링기, 원심, 순환, 분급장치, 원심분리기, 사이클론 본체

Description

밀링시스템{MILLING SYSTEM}

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 밀링시스템의 구성도를 도시한 것이고,

도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 밀링시스템의 구성도를 도시한 것이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 밀링기 102 : 밀링챔버

110 : 배출관 120 : 공급관

130, 130' : 교반조 140 : 펌핑수단

142, 224 : 모터 144 : 밸브

200 : 하우징 210 : 원심분리기

211, 212 : 경사면 214, 302 : 출입구

216, 304 : 배출구 218, 306 : 배기구

219, 308 : 필터 220 : 회전장치

222 : 회전축 300 : 사이클론 본체

본 발명은 밀링시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 입경이 큰 입자만을 우선적/강제적으로 분급하여 밀링기에 재투입시킴으로써, 보다 효과적인 분쇄가 이루어질 수 있는 순환식 밀링시스템에 관한 것이다.

일반적으로 미세 분말을 얻기 위해서는 분쇄 과정을 거치게 되며, 이러한 분쇄 방법으로서는, 스탬프 밀(stamp mill) 등으로 치고 부수는 방법과 마쇄에 의한 방법 등이 있다.

여기서 마쇄의 방법은, 재료를 챔버에 넣고 교반하여 재료에 가해지는 충격으로 재료가 마쇄되는 것을 이용한 것으로서, 볼 밀(ball mill), 샌드 밀(sand mill), 핀 밀(pin mill), 비드 밀(bead mill) 등의 밀링시스템을 들 수 있다.

이들 밀링시스템은, 장치에 재료를 투입하고 일정 시간 교반을 행하는 배치식과, 순환식이 있으며, 특히, 순환식 밀링 시스템에서는 밀링챔버를 일차적으로 통과한 슬러리(분쇄 대상인 입자가 분산매에 현탁된 용액)를 다시 밀링기에 재투입시켜서 순환시키는 방식이다.

그런데, 이러한 순환식에서 슬러리의 재투입시 우선적으로 분쇄가 이루어져야 하는 큰 입경의 물질을 선택적으로 분쇄하는 것이 불가능하며, 더욱이 분쇄가 불필요한 작은 입경의 입자가 다시 분쇄됨으로써, 분쇄 효율의 저하와 입자 크기 분포가 넓어지는 결과를 가져온다.

종래의 습식 밀링 시스템에서는 위와 같은 문제점을 극복하기 위하여 밀링챔버나 교반축의 형상 변경, 또는 사용되는 비드(bead)의 볼 크기나 양, 그리고 공급 유속 등의 밀링 조건을 조절하여 분쇄 효율과 입도 분포 폭을 개선하려는 시도 등이 많이 있었으나, 여러 조건이 동시에 작용되기 때문에 기계적 설계로 해결할 수 있는 한계가 있었다.

따라서 다른 방법으로, 슬러리 중에 포함된 큰 입경의 입자를 우선적으로 분리한 다음 이를 밀링챔버로 순환시키고 분쇄가 불필요한 작은 입자는 분쇄 장치로 순환되지 않도록 교반조에 체류시키는 공정이 필요하였다. 이러한 분급 방법으로는 입자의 크기에 따른 침강 속도차에 의한 자연 침강법을 이용할 수있으나 이 또한, 입자가 서브 미크론(sub-micron) 크기의 콜로이드 상태가 되면 중력에 의한 침강 속도에 비하여 분산매와의 점성 저항이 커지게 되므로 침강 속도가 매우 작아지게 됨에 따라 자연 침강에 의한 분급 방법은 시간이 많이 소요되는 문제점이 있었다.

또, 다른 방법으로는, 교반조에 내벽을 따라 회전하는 패들(paddle)을 설치하고, 이를 저속 회전시켜 침강 속도차에 의한 입자 분급력을 발생시키는 방법이 있으나, 이 역시 입경이 어느 정도 큰 입자에는 적용이 되지만, 나노(nano) 크기의 입자가 분산되어 있는 슬러리에는 효율이 저하되어 분쇄 효율 향상을 기대하기 힘들었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 결점을 해소시키기 위하여 안출된 것으로서, 분급장치를 통하여 순환되는 슬러리를 신속하게 큰 입자로 분급시키고, 그 분급된 큰 입자를 밀링기에 우선적/강제적으로 공급시킴으로써, 분쇄 효율의 증가 및 최종적으로 슬러리에 포함된 입자들의 입도 분포 폭이 줄어드는 밀링시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 나노 크기의 좁은 입도 분포 폭을 가지는 슬러리의 분급도 가능하여 예컨대, 반도체 소자 CMP용 슬러리의 제조방법에 적용 가능한 슬러리를 생산할 수 있는 밀링시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 밀링시스템에 있어서, 밀링기로부터 이어지는 배출관과 공급관의 사이에 설치되어, 슬러리 등의 분쇄물을 입자의 크기에 따라 원심력으로 분급하고, 분급된 슬러리를 밀링기에 재공급시키거나 배출시키는 분급장치를 포함하는 밀링시스템을 제공한다.

본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기술되는 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 밀링시스템의 구성도를 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 밀링시스템의 구성도를 도시한 것이다.

도시된 바와 같이 밀링시스템은, 크게 밀링기(100)로부터 이어지는 배출관(110)과 공급관(120), 그리고 배출관(110)과 공급관(120)의 사이에 설치되는 분급장치로 구성된다.

여기서 밀링기(100)는 습식 수직형으로 그 내부에 슬러리의 분쇄가 이루어지 는 밀링챔버(102)가 설치되고, 밀링챔버(102)의 상측에는 밀링챔버(102)에서 교반 및 분쇄가 이루어지도록 모터 등의 어셈블리가 설치된다.

이와 같은 밀링기(100)에는 상측으로 어느 정도 분쇄된 슬러리가 배출되는 배출관(110)이 연결 설치되고, 밀링기(100)의 하측에는 분급장치를 통하여 분급 선별된 슬러리가 재공급되는 공급관(120)이 연결 설치된다.

한편, 배출관(110)과 공급관(120)의 사이에 슬러리 등의 분쇄물을 입자의 크기에 따라 원심력으로 분급하고, 분급된 슬러리를 밀링기(100)에 재공급시키거나 배출시키는 분급장치가 설치된다.

더욱 바람직하게는 배출관(110)과 분급장치의 사이 및 분급장치와 공급관(120)의 사이 중 적어도 하나에서 슬러리를 수집 또는 교반할 수 있는 교반조(130)(130')와, 슬러리를 펌핑하는 펌핑수단(140)이 더 포함된다. 즉, 교반조는 배출관(110)과 분급장치의 사이에 설치될 수 있고, 다르게는 분급장치와 공급관(120)의 사이에 설치될 수 있고, 다르게는 분급장치 전후 양측에 장착될 수도 있다.

먼저, 배출관(110)과 분급장치의 사이에 설치되는 교반조(130)는, 내부에 공간부가 형성되며, 그 내부 공간은 밀링기(100)에서 배출되는 슬러리를 임시저장 하는 장소이다. 따라서 교반조(130)의 후단에서 모터(142)와 밸브(144)로 구성되는 펌핑수단(140)에 의하여 분급장치에서의 분급 속도에 따라 적절하게 슬러리를 공급하게 된다.

위와 같이 분급장치와 공급관(120)의 사이에도 슬러리를 수집 또는 교반으로 임시 보관하였다가 밀링기(100)로 재투입시키는 교반조(130')와 교반조(130')의 전단에서 교반조(130')내의 슬러리를 펌핑하기 위한 펌핑수단(140)이 설치된다.

그리고 도 1의 제 1 실시예에 도시된 분급장치는, 내부에 공간을 형성하는 하우징(200)과, 하우징(200) 내부의 원심분리기(210)와, 회전장치(220)로 구성되어 진다.

원심분리기(210)는, 회전 속도의 조절이 가능한 연속식이 바람직하며, 산업적으로 사용되는 원통형 원심분리기(tubular bowl centrifuge), 다연실 원심분리기(multi-chamber centrifuge), 디스크 원심분리기(disk centrifuge) 등을 분급 조건에 따라 적어도 1개 이상을 적용할 수 있다.

예컨대, 도시된 원심분리기(210)의 상단은 원추형의 경사면(211)과 이 경사면(211)과 대응되는 방향의 경사면(212)이 하부에도 형성되어, 슬러리의 분산과 원심 분리된 슬러리의 배출을 돕게 된다. 이러한 원심분리기(210)는 중공의 원통형으로 배출관(110)과 연통 연결되는 출입구(214)가 상단에 형성되고, 하단에는 공급관(120)과 연통 연결되는 배출구(216)를 형성한다. 또한, 분급된 슬러리 중 작은 입자를 배출시키기 위하여 원심분리기(210)의 일측면에는 외부와 연통되는 배기구(218)가 수평 방향으로 더 형성된다. 이 배기구(218)는 원심분리기(210)의 상부측 또는 하부측 어느 곳에 형성되어도 무방하다.

그리고 바람직하게는 배출구(216)와 배기구(218)에는 배출되는 슬러리를 필터링하기 위한 필터(219, 219')가 더 포함된다. 도시된 바와 같이, 배기구(218)에 장착된 필터(219')는 원형 또는 판형의 형태로 형성되며, 원심분리 과정 중 상승선회와류를 탄 작은 입자들을 필터링하기 위한 것으로 상승선회와류를 타고 상승할 수 있는 입자가 속도 제어 없이 배기구(218)를 통해 배출되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 배출구(216)에 장착된 필터(219) 역시 원형 또는 판형의 형태로 형성되어 있으며, 상승선회와류를 타지 못하고 벽을 타고 흐르는 큰 입자들이 속도 제어 없이 유출되는 것을 방지할 수 있다. 상기 필터(219, 219')는 유출 속도의 완급을 조절하기 위한 것으로 원심분리기(210) 밖으로 유출되는 것을 조절할 수 있다. 물론, 필터(219)의 기공보다 큰 입자는 필터(219)를 통해 공급관(120)으로 진입할 수 없는 일상적인 필터 역할도 할 수 있다.

하우징(200)의 중심에 설치되는 원통형상의 회전장치(220)는, 그 상부면이 원추의 형태를 가지며, 그 원추의 중심부에 회전축(222)이 연결되고, 회전축(222)에 회전력을 부여하는 모터(224)가 설치된다. 모터(224)는 회전속도 조절이 가능한 것이 바람직하다.

그리고 도 2의 제 2 실시예에 도시된 분급장치는, 유체의 선회류(旋回流)에 의해서 생기는 원심력을 이용하는 사이클론 본체(300)로 이루어진다.

사이클론 본체(300)는 상부가 원통부이며 하부는 원추부로 이루어지고, 배출관(110)과 연결되는 출입구(302)가 사이클론 본체(300)의 측벽에 접선 방향으로 설치되며, 배출구(304)는 사이클론 본체(300)의 하단에 형성된다. 배출구(304)와 대응되는 사이클론 본체(300)의 상단에 분급된 슬러리 중 작은 입자가 상승선회와류를 타고 배출되는 배기구(306)가 형성된다.

그리고 바람직하게는 배출구(304)와 배기구(306)에는 배출되는 슬러리를 필터링하기 위한 필터(308, 308')가 더 포함된다. 도시된 바와 같이, 배기구(306)에 장착된 필터(308')는 원형 또는 판형의 형태로 형성되며, 원심분리 과정 중 상승선회와류를 탄 작은 입자들을 필터링하기 위한 것으로 상승선회와류를 타고 상승할 수 있는 입자가 속도 제어 없이 배기구(306)를 통해 배출되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 배출구(304)에 장착된 필터(308) 역시 원형 또는 판형의 형태로 형성되어 있으며, 상승선회와류를 타지 못하고 벽을 타고 흐르는 큰 입자들이 속도 제어 없이 유출되는 것을 방지할 수 있다. 상기 필터(308, 308')는 유출 속도의 완급을 조절하기 위한 것으로 사이클론 본체(300) 밖으로 유출되는 것을 조절할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 밀링시스템의 작용을 설명하면 다음과 같다.

삭제

다시 도 1을 참고하면 먼저, 순환식 밀링기(100)의 밀링챔버(102)에 공급된 슬러리는 분쇄 및 교반 과정을 거치면서 배출관(110)을 따라 배출되며, 배출관(110)을 통하여 배출된 슬러리는 원심분리기(210)의 출입구(214)로 유입된다. 이 때, 전단의 교반조(130)에서는 밀링기(100)에서 공급되는 슬러리의 유량과 원심분리기(210)에 투입되는 유량이 상이할 경우에 임시 저장장소이며, 교반조(130)에 저장되어 있던 슬러리는 펌핑수단(140)의 모터(142)에 의한 밸브(144)의 열림 작동으로 원심분리기(210)로 유입된다.

한편, 원심분리기(210)에 의한 분급 조건은 슬러리를 구성하는 입자와 분산매의 종류와, 회전장치(220)의 회전속도의 조절과, 펌핑수단(140)의 펌핑에 의한 슬러리의 유량 조절로 하여 분급 조건을 제어할 수도 있다.

회전속도에 의한 조절은 즉, 비교적 입자가 큰 슬러리일 경우에는 모터(224)의 회전속도를 느리게 하여 입자의 분포가 큰 상태로 분급이 이루어지고, 회전속도가 1000rpm이상일 경우에는 입자의 분포 폭이 좁은 상태의 슬러리를 분급할 수 있다.

그리고 원심분리기(210)의 경사면(211)을 따라 분산되면서 유입된 슬러리는 회전장치(220)의 고속의 회전 원심력에 의하여 현탁액이 포함되고 입경(particle diameter)이나 밀도가 큰 입자는 중력의 영향으로 서서히 바닥으로 가라앉아서 원심분리기(210)의 경사면(212)을 따라 원활히 필터(219)를 거쳐서 배출구(216)로 배출이 이루어지며, 입경이나 밀도가 작은 입자는 서서히 상층부로 이동되어 필터(219)와 배기구(218)를 통하여 배출이 이루어진다.

이렇게 원심분리기(210)의 바닥면에 가라앉은 큰 입자는 배출구(216)로 배출되어 우선 교반조(130')에 저장되어 지며, 밀링챔버(102)의 분쇄에 따라 적절하게 펌핑수단(140)을 통한 공급관(120)을 따라 밀링챔버(102)로 재투입된다.

이러한 순환과정이 반복적으로 수행되어 최종적으로는 입자들의 입도 분포 폭이 줄어든 슬러리를 제조할 수 있다.

그리고 도 2의 제 2 실시예에서의 작용은 위에서 설명한 제 1 실시예와 동일부분에 대해서는 설명을 생략하며 원심분리기 대신하여 나노 크기의 좁은 입도 분포 폭을 가지는 슬러리의 분급에 유리한 사이클론 분급장치를 중심으로 설명한다.

여기서 입자와 분산매의 종류 및 분쇄 목표 입경 등의 분급 및 밀링 조건에 따라 사이클론 본체(300)의 원통부와 원추부의 크기, 형태 및 사용 개수가 달라질 수 있다.

사이클론 본체(300)의 출입구(302)를 통하여 유입된 슬러리는 내부에 외류가 생기며, 이에 원료 속에 함유되어 있는 크기, 밀도가 큰 입자는 원심력에 위해서 선회하면서 원추벽에 모였다가 필터(308)와 배출구(304)를 통하여 배출된다. 한편, 슬러리 속의 기체 또는 대부분의 액체는 조건에 따라 크기, 밀도가 작은 입자를 수반하여 사이클론 본체(300)의 중심부에 모여서 상승선회와류를 형성한다. 이 상승류는 사이클론 본체(300)의 상단 필터(308)와 배기구(306)를 통하여 배출된다.

이러한 순환과정이 반복적으로 수행되어 최종적으로는 입자들의 입도 분포 폭이 줄어든 슬러리를 가질 수 있다.

이처럼, 본 발명은 분급장치를 통하여 큰 입자를 선별적으로 분급시킨 후, 이를 밀링기(100)에 투입하여 효과적인 반복 공정으로 분쇄시킬 수 있으며, 더욱이 나노 크기의 좁은 입도 분포 폭을 가지는 슬러리의 분급도 가능하게 되었다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 밀링시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 밀링시스템은, 분급장치로 하여 큰 입자의 슬러리를 선별적으로 분급시킨 후, 이를 밀링기에 재투입하여 반복적으로 분쇄시킴으로써, 종래의 순환식 밀링 방법에 비하여 동일한 분쇄물의 평균 입경을 얻는데 소요되는 시간이나 에너지를 크게 줄일 수 있으며, 최종적으로 슬러리에 포함된 입자들의 입도 분포 폭이 줄어드는 효과가 있다.

또한, 본 발명은, 나노 크기의 좁은 입도 분포 폭을 가지는 슬러리의 분급도 가능하여 예컨대, 반도체 소자 CMP용 슬러리의 제조방법에 적용 가능한 슬러리의 생산이 가능하게 되었다.

Claims (10)

1. 밀링시스템에 있어서,

   밀링기로부터 이어지는 배출관과 공급관의 사이에 설치되어, 슬러리 등의 분쇄물을 입자의 크기에 따라 원심력으로 분급하고, 분급된 슬러리를 상기 밀링기에 재공급시키거나 배출시키는 분급장치,

   를 포함하는 밀링시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 배출관과 상기 분급장치의 사이 및 상기 분급장치와 상기 공급관의 사이 중 적어도 하나에서 상기 슬러리를 펌핑하고 수집 또는 교반할 수 있는 펌핑수단과 교반조를 더 포함하는 밀링시스템.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 분급장치는,

   하우징과,

   상기 하우징의 내부에 설치되어 상기 배출관에 연통 연결되는 출입구와 상기 공급관과 연통 연결되는 배출구를 가지고 원심력을 이용하여 입자의 분급을 가능하게 하는 원심분리기와,

   상기 원심분리기의 내부에 설치되어 회전축에 연결된 모터에 의하여 회전하 는 회전장치,

   로 구성되는 밀링시스템.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 배출구에는 상기 배출구를 통해 유출되는 분급된 상기 슬러리의 유출 속도를 제어하기 위한 필터가 부착 설치되는 밀링시스템.
5. 제 3 항에 있어서,

   분급된 상기 슬러리 중 작은 입자를 배출시키기 위하여 상기 원심분리기의 일측면에는 외부와 연통되는 배기구가 더 형성되는 밀링시스템.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 배기구에는 상기 배기구를 통해 유출되는 상기 작은 입자의 유출 속도를 제어하기 위한 필터가 부착 설치되는 밀링시스템.
7. 제 3 항에 있어서,

   상기 원심분리기의 상부면과 하부면에는 경사면이 형성되는 밀링시스템.
8. 제 3 항에 있어서,

   상기 회전장치는, 원통형 형상을 가지며 그 상부면은 원뿔의 경사면이 형성되는 밀링시스템.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 분급장치는,

   원통부와 원추부로 이루어지는 사이클론 본체와,

   상기 사이클론 본체의 측벽에 접선 방향으로 설치되어 상기 배출관과 연결되는 출입구와,

   상기 공급관과 연통 연결되는 상기 사이클론 본체의 하단 배출구와 대응되는 상단에 형성되어 분급된 상기 슬러리 중 작은 입자가 상승선회와류를 타고 배출되는 배기구,

   로 구성되는 밀링시스템.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 배출구와 상기 배기구에는 분급된 상기 슬러리의 유출 속도를 제어하기 위한 필터가 부착 설치되는 밀링시스템.

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