KR101086741B1 - 미립자 제조방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미립자를 제조하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 제조방법에 따르면, 미립자로 형성하려고 하는 원료를 용융한 용융 재료(1)는 액체 냉매(3)에 작은 방울(1a) 또는 제트류로 공급되고, 액체 냉매(3) 공급된 용융 재료의 주위에 형성된 증기막을 강제적으로 붕괴하여 증기 폭발을 촉진함으로써 미립자를 형성하고 냉각 응고한다. 이 제조방법 및 장치는 고융점의 원료로부터 미립자를 용이하게 제조할 수 있고, 종래에 개발된 기술에 의해서 제조하기 어려웠던 서브마이크론 수준의 미립자를 비교적 용이하게 제조할 수 있다. 이 제조방법 및 장치는 미립자 형성 조건과 냉각 응고 조건을 조절함으로써 목표 입자 크기를 갖는 비정질 미립자 또는 다결정 미립자를 제조할 수 있다.

용융 재료, 미립자, 액체 냉매, 증기막, 압력파, 비정질, 다결정

Description

미립자 제조방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING FINE PARTICLES}

본 발명은 미립자의 제조방법 및 제조장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게 설명하면, 본 발명은 미립자로 형성하려고 하는 재료를 용융하고 나서 냉매로 냉각해서 미립자를 생성하고 응고시키는 미립자의 제조방법 및 제조장치의 개량에 관한 것이다.

종래의 금속분말을 제조하는 방법으로는 용융 재료의 흐름에 고압의 물 제트류를 분사해서 금속분말을 얻는 물 분무법, 물 분무법에 사용되는 물 제트류 대신에 N₂ 가스나 Ar 가스를 분사하는 가스 분무법, 고속회전하는 회전 드럼내의 냉각수중에 용융 재료 제트류를 분사시키는 원심법이 있다. 또한 분쇄기 등을 사용한 기계적 분쇄 등의 파쇄법, 침전법이나 졸겔법 등의 축적법을 통하여 미립자가 제조된다.

그러나, 물 분무법 및 가스 분무법에서는 고압의 냉각수 또는 냉각가스의 흐름에 의해 용융 재료가 분말로 형성되므로 노즐의 구조가 복잡하고 과도한 부하가 노즐에 부과되어 노즐의 내구성이 떨어진다. 한편, 원심법에서는 회전 드럼의 고 속회전을 가능하게 하기 위해 장치의 구조가 복잡해진다. 게다가, 이 제조방법에서는 용융 금속이 충돌 에너지에 기초하여 분쇄된다. 따라서, 얻어진 입자 크기가 불균일하고 수율이 떨어진다. 또한 기계적 분쇄 등에 의한 분쇄법은 예를 들면 최소 크기가 대략 1O0μm 의 큰 입자만을 제조할 수 있다. 침전법과 같은 축적법에서는 최대 크기가 대략 1μm의 미립자를 제조할 수 있으며 1μm보다 큰 입자는 얻어지지 않았다. 그러므로, 종래의 미립자 제조방법 및 장치에서는 수 μm 내지 10μm 정도, 특히 3μm 정도의 크기의 미립자를 얻는 것은 곤란하다. 또한, 파쇄법에서는 미립화할 수 없고 큰 덩어리로서 남는 비율이 크기 때문에 수율이 나빠진다. 게다가, 입자 크기 분포가 분산되고 원하는 입자 직경을 갖는 미립자가 대량으로 얻어지지 않는다고 하는 문제가 있다.

종래 비정질 금속의 제조방법으로서는 액상 급냉법이 알려져 있다. 이 액상 급냉법에 따라, 용융 금속을 냉매 중에 분출시키는 것에 의해 용융 재료를 냉각 응고시켜서 비정질 금속이 제조된다. 액상 급냉법과 조합하여 냉각속도를 비교적 크게 할 수 있는 원심법에 의해서도, 일반적인 비등 냉각 또는 대류 냉각에 의한 열전달에서 두 액체(용융 재료와 냉매) 사이의 열류 속도는 한계 열류 속도로 한정된다. 따라서, 냉각속도는 10⁴∼10⁵ K/s로 제한되고, 비정질화할 수 있는 금속의 종류가 한정되어 문제가 있다.

이전에, 본 출원인은 미립자 또는 비정질 금속으로 변환할 원료를 용융한 용융 재료를 액상의 냉매 중에 작은 속도차로 공급해서 자발적인 기포 핵생성에 의한 비등을 일으키게 하고 압력파를 이용해서 용융 재료를 미립자 및 비정질 금속을 제조하기 위한 방법을 출원하였다(특허문헌 WO 01/81033 및 WO 01/81032 참조).

그러나, 본 출원인이 이전에 출원한 방법에 의하면, 예를 들면 800℃ 이상의 융점을 가진 고융점 원료를 사용했을 경우, 증기막은 응축에 의해서 충분히 파괴할 수 없다. 따라서, 용융 금속의 미립자 또는 비정질 재료의 생성을 완전히 달성할 수 없었다.

그러므로, 본 발명의 목적은 이전에 개발한 기술에 기초하여 미립자를 생산하기 위한 방법을 제공하는 것으로서, 고융점 원료를 사용해도 용이하게 미립화 할 수 있고, 먼저 개발한 기술에서는 용이하게 실현되지 않은 서브마이크론 정도의 미립자도 비교적 용이하게 제조할 수 있는 미립자의 제조방법을 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 다른 목적은 제조장치를 제공하는 것이다.

본 발명자가 상기 목적을 해결하기 위해서 연구를 거듭한 결과, 응축에 의해서만 붕괴할 수 있다고 생각되고 있었던 증기막이 소정의 조건에서 강제적으로 파괴될 수 있고, 증기막을 강제로 파괴하는 것에 의해 증기 폭발을 촉진시키면 서브마이크론 정도의 미립자도 비교적 용이하게 얻을 수 있고, 고융점의 원료도 물을 냉매로서 사용해서 용이하게 미립자로 생성될 수 있다는 것을 알게 되었다. 발명자는 이것에 기초하여 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 제1의 형태에서는, 미립자로 형성하려고 하는 원료를 용융한 용융 재료를 액체 냉매에 작은 방울 또는 제트류로서 공급하고, 이 액체 냉매에 공급된 상기 용융 재료의 주위에 형성된 증기막을 강제적으로 붕괴하여 증기 폭발을 촉진시켜, 미립화하는 동시에 냉각 응고하는 것을 특징으로 하는 미립자의 제조방법이 제공된다.

제1의 형태에 따르면, 액체 냉매 중에 공급된 용융 재료의 주위에 형성된 증기막을 강제적으로 붕괴하는 것에 의해 증기 폭발을 촉진함으로써, 서브마이크론 정도의 미립자도 비교적 용이하게 얻을 수 있다.

본 발명의 제2의 형태는 제1의 형태에 있어서, 상기 용융 재료를 상기 액체 냉매의 흐름 중에 공급해서 이 액체 냉매의 흐름에 들어간 상기 용융 재료의 속도와 이 액체 냉매의 흐름의 속도와의 상대 속도차를 생기게 함으로써 증기막을 강제적으로 붕괴시키는 것을 특징으로 하는 미립자의 제조방법이다.

이 제2의 형태에 따르면, 용융 재료와 액체 냉매 사이의 흐름 속도의 차이를 생기게 함으로써 증기막을 강제적으로 붕괴되게 하고, 이것에 의해 서브마이크론 정도의 미립자를 비교적 용이하게 얻을 수 있다.

본 발명의 제3의 형태는 제2의 형태에 있어서, 상기 액체 냉매의 흐름을 하나의 고속 제트류로 제어하고, 이 고속 제트류내에 용융 재료를 공급하는 것을 특징으로 하는 미립자의 제조방법이다.

이 제3의 형태에 따르면, 고속 제트류내에 들어간 용융 재료는 상대 속도차에 의해 전단력을 받고, 이것에 의해 증기막이 붕괴된다.

본 발명의 제4의 형태는 제2의 형태에 있어서, 상기 액체 냉매의 흐름을 복수의 고속 제트류를 충돌시켜서 형성하고, 용융 재료를 고속 제트류의 충돌 영역에 공급하는 것을 특징으로 하는 미립자의 제조방법이다.

이 제4의 형태에 따르면, 복수의 고속 제트류를 충돌시켜서 형성된 흐름 속에 들어간 용융 재료는 전단력을 받고, 이것에 의해 증기막이 붕괴된다.

본 발명의 제5의 형태는 제4의 형태에 있어서, 고속 제트류를 충돌시켜서 형성한 흐름을 가이드 부재 안에서 형성시켜서 흐름을 분산시키지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 미립자의 제조방법이다.

이 제5의 형태에 따르면, 복수의 고속 제트류를 충돌시켜서 형성된 흐름은, 증기막이 붕괴되어 미립자가 된 용융 재료와 함께 가이드 부재로 들어간다. 생성되는 압력파를 가이드 부재에 의해 구속 및 반사함으로써 미립화 효율을 높일 수 있다.

본 발명의 제6의 형태는 제4 또는 제5의 형태에 있어서, 복수의 고속 제트류를 액체 냉매의 풀의 액면 근방에서 충돌시켜, 용융 재료를 고속 제트류의 충돌 영역에 공급하는 것을 특징으로 하는 미립자의 제조방법이다.

이 제6의 형태에 따르면, 복수의 고속 제트류를 충돌 영역에 공급된 용융 재료는 전단력을 받고, 증기막이 붕괴되어진 상태에서 액체 용매의 풀에 회수된다.

본 발명의 제7의 형태는 제6의 형태에 있어서, 상기 액체 냉매의 풀이 용융 재료의 흐름에 대향해서 분출하는 분류인 것을 특징으로 하는 미립자의 제조방법이다.

이 제7의 형태에 따르면, 복수의 고속 제트류를 충돌 영역에 공급된 용융 재료는 전단력을 받고, 증기막이 붕괴된 상태에서 액체 용매의 분류와 함께 회수된다.

본 발명의 제8의 형태는 제4 내지 제7 형태의 어느 하나의 형태에 있어서, 고속 제트류를 충돌후에 형성되는 흐름의 방향에 대하여 4°이상 80°이하로 경사지게 하여 충돌시키는 것을 특징으로 하는 미립자의 제조방법이다.

이 제8의 형태에 따르면, 고속 제트류는 충돌에 의해 흩어지지 않고 하나의 흐름으로 공급된다.

본 발명의 제9의 형태는 제2의 형태에 있어서, 액체 냉매의 흐름을 이동 부재상에 액체 냉매를 공급하는 것에 의해 형성하고, 이 액체 냉매내에 용융 재료를 제공하는 것을 특징으로 하는 미립자의 제조방법이다.

이 제9의 형태에 따르면, 액체 냉매가 고체인 이동 부재상에 존재하므로, 액체 냉매의 변형이 억제되고 용융 재료와의 상대 속도차에 의한 증기막 붕괴가 효율적으로 촉진된다.

본 발명의 제10의 형태는 제9의 형태에 있어서, 이동 부재가 원반형상 또는 원추형의 회전체인 것을 특징으로 하는 미립자의 제조방법이다.

이 제10의 형태에 따르면, 용융 재료는 회전체에 공급된 액체 냉매상에 공급된다. 따라서, 회전체상의 액체 냉매와 용융 재료의 상대 속도차에 의해 증기막이 확실하게 붕괴된다.

본 발명의 제11의 형태는 제2 내지 제10 형태의 어느 하나의 형태에 있어서, 액체 냉매의 흐름과 용융 재료와의 속도차를 1 m/s보다 크게 조절하는 것을 특징으로 하는 미립자의 제조방법이다.

이 제11의 형태에 따르면, 액체 냉매의 흐름 속에 들어간 용융 재료는 1 m/s보다 큰 속도차에 의해 전단력을 받고, 이에 의해서 증기막이 붕괴되고 미립자가 형성된다.

본 발명의 제12의 형태는 제1의 형태에 있어서, 증기는 상기 액체 냉매에 공급되고, 이 증기의 응축에 의해 발생한 압력파에 의해서 증기막이 강제적으로 붕괴되는 것을 특징으로 하는 미립자의 제조방법이다.

이 제12의 형태에 따르면, 액체 냉매의 증기를 응축시킴으로써 압력파를 형성하고, 이것에 의해 용융 재료를 둘러싼 증기막을 붕괴시켜 미립자를 생성한다.

본 발명의 제13의 형태는 제12의 형태에 있어서, 액체 냉매의 증기와 함께 용융 재료를 액체 냉매의 흐름 속에 공급하는 것을 특징으로 하는 미립자의 제정방법이다.

이 제13의 형태에 따르면, 액체 냉매의 증기와 함께 액체 냉매의 흐름 속에 공급된 용융 재료는 증기의 응축에 의해 발생된 압력파를 받고, 이에 의해서 증기막이 붕괴되고 미립자를 생성한다.

본 발명의 제14의 형태는 제13의 형태에 있어서, 액체 냉매의 흐름을 가이드 부재 안에 형성시켜 흐름을 분산시키지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 미립자의 제조방법이다.

이 제14의 형태에 따르면, 액체 냉매는 증기막을 붕괴시킴으로써 형성된 용융 재료 미립자와 함게 가이드 부재에 공급된다.

본 발명의 제15의 형태는 제12의 형태에 있어서, 용융 재료를 액체 냉매의 풀에 공급하고, 용융 재료를 향해서 액체 냉매의 증기를 공급하는 것에 의해 증기막을 강제적으로 붕괴시키는 것을 특징으로 하는 미립자의 제조방법이다.

이 제15의 형태에 따르면, 증기의 응축에 의해 증기막이 강제적으로 붕괴된다.

본 발명의 제16의 형태는 제1 내지 제15의 어느 하나의 형태에 있어서, 미립자로 형성하려고 하는 원료가 용융재, 용광로 슬러그, 세라믹 및 금속으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 미립자의 제조방법이다.

이 제16의 형태에 따르면, 용융재, 용광로 슬러그, 세라믹 및 금속으로부터 선택되는 원료가 미립자로 형성된다.

본 발명의 제17의 형태는 제16의 형태에 있어서, 상기 미립자로 형성하려고 하는 원료가 융점 80O℃ 이상의 것인 것을 특징으로 하는 미립자의 제조방법이다.

이 제17의 형태에 따르면, 융점 800℃ 이상의 용융 재료도 비교적 용이하게 미립자로 형성될 수 있다.

본 발명의 제18의 형태는 제1 내지 17의 어느 하나의 형태에 있어서, 미립자가 형성되는 조건 및 냉각 응고 조건을 제어하는 것에 의해 미립자는 비정질 상태로 제조되는 것을 특징으로 하는 미립자의 제조방법이다.

이 제18의 형태에 따르면, 미립자가 형성되는 조건 및 용융 재료로부터 형성된 미립자의 냉각 상태를 제어하도록 냉각 응고 조건을 제어하는 것에 의해 미립자를 비정질 상태로 제조한다.

본 발명의 제19의 형태는 제1 내지 제17의 어느 하나의 형태에 있어서, 상기 미립자를 형성하는 조건 및 냉각 응고 조건을 제어하는 것에 의해 미립자는 원하는 결정립 크기를 가진 다결정의 형태로 제조되는 것을 특징으로 하는 미립자의 제조방법이다.

이 제19의 형태에 따르면, 미립자가 형성되는 조건 및 냉각 응고가 실행되는 조건을 제어하는 것에 의해 용융 재료로부터 형성된 미립자의 냉각상태를 조정하여 원하는 결정립 크기를 가진 다결정의 형태로 미립자를 제조한다.

본 발명의 제20의 형태는 제1 내지 제19의 어느 하나의 형태에 있어서, 액체 냉매는 염을 포함하는 것을 특징으로 하는 미립자의 제조방법이다.

이 제20의 형태에 따르면, 액체 냉매에 염의 첨가를 통하여 용융 재료를 둘러싼 증기막의 붕괴가 촉진된다.

본 발명의 제21의 형태는 제1 내지 제20의 어느 하나의 형태에 있어서, 액체 냉매는 액체 냉매와 증기막 사이의 기체-액체 계면을 교란시키는 무기 미립자를 포함하는 것을 특징으로 하는 미립자의 제조방법이다.

이 제21의 형태에 따르면, 액체 냉매에 액체 냉매와 증기막 사이의 기체-액체 계면을 교란시키는 무기 미립자를 첨가하는 것에 의해 증기막의 붕괴가 촉진된다.

본 발명의 제22의 형태는 제1 내지 제21의 어느 하나의 형태에 있어서, 용융 재료의 산화를 방지하면서 용융 재료가 액체 냉매에 공급되는 것을 특징으로 하는 미립자의 제조방법이다.

이 제22의 형태에 따르면, 산화에 의한 용융 재료의 저하를 방지하고 산화에 의한 증기 폭발의 억제를 방지함으로써 미립자의 형성을 촉진한다.

본 발명의 제23의 형태에서는, 미립자로 형성하려고 하는 원료를 용융한 용융 재료를 그 공급량을 제어하면서 공급하는 재료공급 수단, 용융 재료를 냉각 응고시키는 액체 냉매를 포함하는 냉각부, 미립자를 만들고 냉각 응고시키기 위해 액체 냉매에 공급된 용융 재료의 주위에 형성된 증기막을 강제적으로 붕괴하고 이에 의해 증기 폭발을 촉진시키는 증기막 붕괴 수단, 액체 냉매로부터 미립자를 회수하는 회수 수단을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 미립자의 제조장치이다.

이 제23의 형태에 따르면, 액체 냉매 중에 공급된 용융 재료의 주위에 형성된 증기막을 강제적으로 붕괴하는 것에 의해 증기 폭발을 촉진한다. 따라서, 서브마이크론의 미립자가 비교적 용이하게 제조될 수 있다.

도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 미립자 제조장치의 전체구성을 도시한 도면;

도 2 는 본 발명의 미립자 제조장치의 주요부의 확대도;

도 3 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 미립자 제조장치의 주요부의 확대도;

도 4 는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미립자 제조장치의 주요부의 확대도;

도 5 는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미립자 제조장치의 주요부의 확대도;

도 6 은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미립자 제조장치의 주요부의 확대 도;

도 7 은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미립자 제조장치의 주요부의 확대도;

도 8 은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미립자 제조장치의 주요부의 확대도;

도 9 는 실시예에서 제조된 미립자의 현미경사진; 및

도 10 은 실시예에서 제조된 미립자와 비교예에서 제조된 미립자의 X선 회절분석의 결과를 도시한 도면.

본 발명에 따른 미립자 제조방법은, 미립자로 형성하려고 하는 원료를 용융한 용융 재료를 액체 냉매에 공급하고, 공급된 용융 재료의 주위에 형성된 증기막을 강제적으로 붕괴시켜서 증기 폭발을 촉진시켜, 미립자를 형성하고 냉각 응고하는 것을 포함한다. 이 방법에 따르면, 고융점 원료를 사용해도 용이하게 미립자가 형성될 수 있고, 이전에 개발한 기술에서 용이하게 제조되지 않았던 서브마이크론 정도의 미립자도 용이하게 얻을 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 미립자 제조방법은 금속뿐만 아니라 예를 들면 용융재, 용광로 슬러그 및 세라믹 재료와 같은, 용융하고 냉각에 의해 응고되는 모든 재료에 적용될 수 있다.

상세한 것은 후술하지만 액체 냉매에 공급된 용융 재료의 주위에 형성된 증기막을 강제적으로 붕괴시키기 위하여 본 발명에 채용된 수단의 예는, 용융 재료를 액체 냉매의 흐름에 공급해서 이 액체 냉매의 흐름에 들어간 용융 재료와 액체 냉 매 사이에 흐름 속도의 차이(상대 속도차)를 발생시키는 것에 의해서 증기막을 붕괴하는 제1 수단, 용융 재료에 공급된 액체 냉매의 증기의 응축을 통하여 발생된 압력파에 의해 증기막을 강제적으로 붕괴하는 제2 수단을 포함한다.

미립자로 형성하려고 하는 원료를 용융한 용융 재료의 작은 방울 또는 제트류가 액체 냉매에 공급될 때, 액체 냉매에 공급된 용융 재료의 주위에는 증기막이 형성된다. 여기에서, 증기막은 용융 재료에 의해 가열된 액체 냉매가 증발함으로써 형성되고, 액체 냉매 증기에 의해 용융 재료 주위에 형성된다. 이 증기막은, 용융 재료로부터 제공되는 열에 의한 증발과 냉각에 의한 냉각 사이에 열 밸런스가 조정될 때 안정적으로 형성된다. 본 발명에 따르면, 이렇게 형성된 증기막이 강제적으로 붕괴되고 이에 의해서 증기 폭발을 촉진시킨다. 즉, 증기막을 강제적으로 붕괴시킴으로써, 자발적인 기포 핵생성에 의한 비등이 일어나서 용융 재료로부터 미립자를 형성한다.

자발적인 기포 핵생성에 의한 비등은 냉매의 내부에서 시작한다. 수중에서 핵생성 비등을 발생시키기 위해서는, 물과 냉매 사이의 표면 장력을 극복하고 기포핵이 형성되어야 한다. 핵생성 비등이 일어나는 온도가 자발적인 기포 핵생성 온도이다. 예를 들면, 물의 경우에 자발적인 핵생성 온도는 1기압하에서 313℃이다. 따라서, 증기막이 붕괴되어 용융 재료와 냉매의 접촉시에 계면 온도가 자발적인 기포 핵생성 온도 이상이면 냉매 중에 기포핵이 생성된다. 일단 기포핵이 형성되면, 이 조건은 10O℃에서 물이 비등하도록 허용하고, 계속적으로 증기가 모여서 폭발적인 방식으로 비등하게 된다. 게다가 자발적인 기포 핵생성에 의한 증기의 형성은 신속하게 진행되고 압력파의 발생을 동반한다. 이 압력파에 의해 용융 재료 방울이 부서져서 미립자를 형성하게 된다. 특히, 본 발명에서는 강제적으로 증기막이 붕괴되기 때문에, 용융 재료의 입자의 전체가 높은 압력파를 균일하게 받으며, 이에 의해 큰 덩어리를 남기는 일이 없이 효율적으로 미립자가 형성된다. 게다가, 용융 재료로부터 얻어진 미립자가 큰 비표면적을 갖기 때문에 냉각 속도가 더욱 빨라지고, 입자는 잠열 전달을 통해서 냉각 응고된다. 용융 재료의 미립자 형성시, 비표면적를 증가시킴에 의해서 냉각속도는 더욱 증가한다. 따라서, 냉매의 증발이 더욱 활성화되고, 이에 의해 압력파를 더 발생시킨다(포지티브 피드백). 이러한 피드백은 미립자의 형성을 촉진하고 급냉을 실현하다. 이 경우에, 용융 재료는 예를 들면 10⁷ K/s를 크게 상회하는 냉각 속도로 급속하게 냉각 응고될 수 있다.

본 발명에서, 미립자가 형성되는 조건 및 냉각 응고가 실행되는 조건을 적당하게 제어하는 것에 의해서 미립자는 비정질 상태 또는 다결정의 형태로 제조될 수 있다. 특히, 액체 냉매에 공급되는 용융 재료의 입자 크기, 증기막을 강제적으로 붕괴시키는 압력 등의 조건, 미립자의 입자 크기, 용융 재료와 액체 냉매의 일련의 접촉상태에서의 각각의 온도 등의 조건이 제어되면 냉각속도가 결정될 수 있다. 적절한 냉각 속도의 선택을 통하여, 제조되는 미립자의 종류, 즉 비정질 또는 다결정이 선택될 수 있고, 다결정의 경우에는 그 결정립 크기가 적절하게 조정될 수 있다.

본 발명의 미립자의 제조방법에 따르면, 용융 재료는 염주 형태(구슬 체인의 형태)로 또는 제트류로서 액체 냉매에 공급되고, 이렇게 공급된 용융 재료의 주변에 형성된 증기막은 강제적으로 붕괴된다. 이 경우, 적하된 용융 재료의 대부분의 체적은 냉매의 자발적인 기포 핵생성의 발생에 관여하며, 이에 의해 용융 재료 방울의 미립자의 형성이 촉진되어 미립자 회수율이 한층더 향상된다. 높은 효율(미립자 형성과 냉각속도)을 달성하기 위해서는, 용융 재료의 방울 크기는 작은 것이 바람직하며, 제트류는 좁은 것이 바람직하다.

액체 냉매에 공급되는 용융 재료의 작은 방울 크기를 감소시키거나 또는 제트류를 좁게 하기 위하여, 용융 재료는 냉매에 접촉하기 전에 초음파로 조사될 수 있다. 조사(irradiation)를 통하여, 어느 정도 감소된 크기를 갖는 방울 형태의 용융 재료가 액체 냉매에 공급될 수 있다. 따라서, 용융 재료 작은 방울의 비표면적이 증가하고 모든 작은 방울이 증기 폭발에 관여하기 때문에, 미립자의 형성이 더욱 촉진되고 냉각속도는 더한층 향상된다. 더욱이, 미립자 입자 크기 분포는 좁아지고, 즉 원하는 입자 크기를 갖는 미립자가 선택적으로 얻어질 수 있다.

본 발명에 따르면, 용융 재료를 둘러싸도록 형성된 증기막이 증기막의 응축을 기다리지 않고 강제적으로 붕괴된다. 따라서, 예를 들면 800℃ 이상의 비교적 높은 융점을 가진 미립자로 형성하려고 하는 원료도 용이하게 미립자로 형성될 수 있다.

본 발명의 미립자 제조방법에서는, 액체 냉매에 염이 첨가될 수 있다. 용융시에, 염은 용융 재료를 둘러싸는 증기막의 주위에 존재해서 기체-액체 계면의 상태을 교란하며, 이에 의해 증기막의 붕괴가 쉬워진다. 사용되는 염의 예에는 염화 리튬, 염화칼슘, 염화나트륨, 황산칼륨, 황산나트륨, 질산칼슘이 포함된다. 용융 재료와 반응하지 않는 종류의 염을 선택해서 사용하는 것이 바람직하다는 것은 말할 필요도 없다.

마찬가지로 기체-액체 계면의 상태를 교란하기 위하여, 액체 냉매에 무기 미립자가 추가될 수 있다. 이러한 무기 미립자는 증기막의 주위에 존재해서 기체-액체 계면을 교란하며, 이에 의해 증기막의 붕괴를 촉진한다. 무기 미립자의 예에는 실리카, 알루미나, 지루코니아, 다이아몬드 분말이 포함된다.

용융 재료가 금속과 같이 산화되기 쉬운 재료의 경우, 냉매에 공급되기 전에 공기에 접촉하면 재료가 산화될 우려가 있다. 용융 금속의 산화는 금속 자체의 성질을 변화시킨다. 산화막이 균일하게 생성되지 않으므로, 전체적으로 동시에 미립자의 생성 및 냉각을 달성하지 못할 수 있다. 그러므로, 증기 폭발을 잘 이용할 수 없어서 미립자 형성 효율이 떨어질 수 있다. 본 발명의 미립자 제조방법에 따르면, 용융 재료 특히 용융 금속은 산화를 방지하면서 액체 냉매에 공급될 수 있다.

본 발명의 제조방법을 실행하는 미립자 제조장치는, 미립자로 형성하려고 하는 원료를 용융한 용융 재료를 그 공급량을 제어하면서 공급하는 재료공급 수단, 용융 재료를 냉각 응고시키는 액체 냉매를 포함하고 있는 냉각부, 미립자를 제조하고 냉각 응고를 실행하기 위하여 액체 냉매에 공급된 용융 재료의 주위에 형성된 증기막을 강제적으로 붕괴하여 증기 폭발을 촉진시키는 증기막 붕괴 수단, 액체 냉매로부터 미립자를 회수하는 회수 수단을 포함한다.

이 장치에서, 용융 재료는 작은 방울의 형태로 공급되고, 액체 냉매에 공급된 용융 재료의 주위에 형성된 증기막을 강제적으로 붕괴하여 증기 폭발을 촉진시키고, 이에 의해 미립자를 형성하고 냉각 응고를 실행한다. 게다가, 응고된 미립자는 다른 작업을 하지 않고 냉매로부터 분리함으로써 회수될 수 있다. 따라서, 복잡한 구조의 분무 노즐, 고속 회전을 위한 구동기구 및 이들 구성요소에 부속된 동력 부분이 생략될 수 있고, 이에 의해 설비 비용이 절감된다. 이 장치는 우수한 내구성과 낮은 고장 가능성을 달성한다.

용융 재료와 액체 냉매의 양을 감소시킴으로써, 자발적인 기포 핵생성에 의한 비등은, 발생된 압력파가 냉매에 적하한 용융 재료의 미립자를 형성할 수 있는 정도로 억제된다. 비등의 제어를 통하여, 자발적인 기포 핵생성에 의한 비등으로 발생하는 압력파가 과도하게 커지는 것이 방지될 수 있고, 이에 의해 대규모 증기 폭발의 발생을 회피한다. 게다가, 냉각부에 남아있는 냉매의 양을 재료공급 수단에서 제어 실패에 의해서 용융 재료가 한번에 공급되는 경우에도 대규모 증기 폭발을 일으키지 않는 수준으로 함으로써, 재료공급 수단이 파손되어 대량의 용융 재료가 유출되더라도 사고로 연결되는 대규모 증기 폭발은 방지된다. 게다가 연구를 거듭한 결과, 소규모 증기 폭발이 오히려 증기 폭발에 관여하는 비표면적의 증대로 인하여 냉각 및 미립자 형성 효율을 향상시킨다는 것을 밝혀내었다.

본 발명의 미립자 제조장치는 액체 냉매에 용융 재료를 염주 형태 또는 제트류로 공급하는 재료공급 수단을 포함한다. 따라서, 용융 재료의 대부분의 체적이 자발적인 기포 핵생성의 발생에 관여하고, 이에 의해 용융 재료 방울로부터 미립자 의 형성이 촉진된다.

본 발명의 미립자 제조장치는 재료공급 수단과 냉매 사이에 있는 용융 재료에 대하여 초음파를 방사하는 초음파 방사 수단을 포함할 수 있다. 초음파 방사 수단(즉, 미립자를 형성하는 수단)을 통하여, 어느 정도 감소된 크기를 갖는 방울의 형태의 용융 재료가 냉매에 공급될 수 있다. 그러므로, 냉매에서 미립자의 형성이 더한층 촉진되고 냉각속도가 더한층 향상된다. 게다가, 초음파 조사를 통한 미립자를 형성하는 기술은 이미 확립되어 있으므로, 안전하고 간단한 방식으로 용융 재료의 일차 미립자의 형성이 실현된다.

또한 본 발명의 미립자 제조장치는 재료공급 수단으로부터 냉각부에 공급된 용융 재료의 산화를 방지하는 산화방지 수단을 포함할 수 있다. 따라서, 용융 재료는 산화되지 않고 냉매에 접촉할 수 있고, 이에 의해 자발적인 기포 핵생성에 의한 비등을 용이하게 한다. 게다가, 용융 재료 방울이 냉각부의 주위에 비산하는 것을 또한 방지할 수 있다.

(바람직한 실시형태)

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 바람직한 실시형태를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 미립자 제조방법을 실행하기 위한 제조장치를 개략적으로 도시한다. 도 2는 제조장치의 주요부를 도시하는 확대도이다. 이 제조장치는 재료공급 수단(10), 냉각부(20), 회수 수단(30)을 포함한다. 재료공급 수단(10)은 용융 재료(1)를 그 공급량을 제어하면서 공급한다. 냉각부(20)는 용융 재료(1)를 냉각 응고시키는 액체 냉매(3)을 공급하고 액체 냉매(3)를 재료공급 수단(10)으로 부터 공급된 용융 재료(1)와 혼합하고, 용융 재료의 작은 방울(1a)과 액체 냉매(3) 사이에 속도차를 발생시킴으로써 용융 재료(1)의 작은 방울(1a) 주위에 형성된 증기막을 강제적으로 붕괴하여 자발적인 기포 핵생성에 의한 비등을 이용해서 미립자를 형성하고 냉각시킨다. 회수 수단(30)은 액체 냉매(3)로부터 응고된 용융 재료 미립자를 회수한다. 재료공급 수단(10)과 냉각부(2O)는 또한 증기막 붕괴수단의 역활을 한다.

재료공급 수단(10)은 온도 유지 히터(11)를 구비하는 도가니(12)를 포함한다. 도가니(12)는 도가니의 바닥에 설치된 출구(12a)를 개폐하는 스토퍼(13), 도가니(12)내의 용융 재료(1)의 온도를 측량하는 열전대(14)를 포함하고 있다. 액추에이터(도시 생략)에 의해 상하로 이동되는 스토퍼(13)는 출구(12a)를 통하여 떨어지는 용융 재료(1)의 량을 제어하거나 또는 용융 재료(1)의 공급을 완전히 중지시킨다. 미립자 형성 효율을 높이고 사고로 연결되는 대규모 증기 폭발을 방지하기 위하여 바람직하게 용융 재료(1)의 공급량은 가능한 최소 수준으로 감소되고, 용융 재료(1)는 그 비표면적을 크게 한 상태로 공급된다. 따라서, 본 실시예에서는, 각각 몇 그램 정도의 무게를 가진 용융 재료(1)의 방울은 한 방울씩 염주 모양으로 공급된다. 그러나, 방울 크기에 특별한 제한 부과되는 것은 아니며, 높은 미립자 형성 효율을 달성하기 위해서는 용융 작은 방울의 크기를 더욱 작게 하는 것이 바람직하다. 예를 들면 용융 재료는 수 100μm의 크기를 가진 방울로 형성되고, 더 바람직하게는 용융 재료를 분무하고 만들어진 방울을 액체 냉매(3)와 접촉시킨다. 변경적으로, 용융 재료는 제트류 형태로 공급될 수 있다.

냉각부(20)는 액체 냉매(3)를 분류(고속 제트류)(3a)의 형태로 공급하고 분류(3a)가 용융 재료(1)의 작은 방울(1a)을 혼합되도록 하는 복수의 노즐(이하 "분류 노즐"이라고 한다)(21), 분류 노즐(21)을 통하여 공급된 액체 냉매(3)의 분류(3a)의 흐름을 안내하는 가이드 부재(22)를 포함하고 있다. 가이드 부재(22)는 분류 노즐(21)을 통하여 공급된 액체 냉매(3)의 분류(3a) 사이에서 충돌한 후에 액체 냉매(3)의 분산을 방지하는 효과뿐만 아니라, 생성되는 압력파를 구속 및 반사시키는 효과를 나타내며, 이에 의해 미립자의 형성 효율을 증가시킨다. 가이드 부재(22)가 필수적으로 구비되는 것은 아니다.

분류 노즐(21)은 액체 냉매(3)를 소정의 속도에서 소정의 각도로 공급한다. 비록 도면에는 2개의 분류 노즐이 도시되어 있지만, 3개 이상의 분류 노즐이 방사상으로 구비될 수 있다. 또한, 단지 하나의 분류 노즐(21)이 구비될 수도 있다. 본 발명에서는, 분류 노즐(21)를 통하여 공급된 고속의 분류에 용융 재료(1)의 작은 방울(1a)이 자유낙하 속도에 가까운 속도로 공급되고, 분류와 혼합되었을 때에 작은 방울(1a)은 분류와 작은 방울(1a) 사이의 큰 속도차에 의한 전단력을 받는다. 따라서, 각각의 작은 방울(1a)의 주변에 형성된 증기막은 강제적으로 붕괴되고, 증기 폭발이 촉진되며, 이에 의해 작은 방울은 미립자로 형성되고 입자는 냉각 응고된다.

이 분류 노즐(21)은 복수의 분류가 충돌한 후 하나의 아래쪽으로의 안정한 흐름이 되고 분류가 서로 충돌하는 위치의 윗쪽에 용융 재료(1)의 작은 방울(1a)이 공급되는 공간이 존재하도록 하는 각도로 구비되어 있다. 바람직하게, 각각의 노 즐(21) 각도는 연직방향에 대하여 4°이상 80°이하로 조절된다. 분류 노즐(21)를 통하여 공급된 분류(3a)가 반드시 아래쪽을 향할 필요는 없고, 분류는 연직방향 아래쪽으로부터 경사진 방향, 수평방향, 또는 윗쪽 방향으로 공급될 수 있다. 이 경우에, 작은 방울(1a)이 분류 노즐(21)를 통하여 공급된 분류와 효과적으로 혼합된다면 작은 방울(1a)의 공급방향에 특별한 제한이 부과되지 않는다.

바람직하게 작은 방울(1a)은 분류 노즐(21)을 통하여 공급된 분류(3a)가 서로 충돌하는 영역에 공급되는데, 왜냐하면 각각의 작은 방울(1a) 주위에 형성된 증기막에 전단력이 효과적으로 부여되고 이에 의해 증기막을 효율적인 방식으로 붕괴시키기 때문이다.

분류(3a)에 공급된 용융 재료(1)의 각각의 작은 방울(1a)의 주위에 형성된 증기막을 작은 방울(1a)과 분류(3a) 사이의 상대 속도차로 붕괴하기 위하여, 상대 속도차는 1 m/s 이상이 바람직하며, 더 바람직하게는 10 m/s 이상이 바람직하다. 따라서, 작은 방울(1a)이 자연낙하와 비슷한 방식으로 출구 바로 아래의 100 mm 에서 분류에 공급될 경우, 분류의 속도는 2.4 m/s 이상, 바람직하게는 12 m/s이상으로 조절된다. 용융 재료(1)가 약 0.1 내지 약 3 m/s의 속도를 갖는 제트류의 형태로서 공급될 경우, 분류의 속도는 3.3 m/s 이상, 바람직하게는 13 m/s이상으로 조절된다.

이제 각각의 작은 방울(1a) 주위에 형성된 증기막을 붕괴하고 이에 의해 용융 재료(1)를 액체 냉매(3)와 접촉하도록 하기 위한 조건을 설명한다. 액체 냉매(3)와 증기막 사이의 계면에서 켈빈-헤름홀츠(Kelvin-Helmholtz) 불안정이 일어나 게 하고, 계면의 대표적인 길이(이 경우에는 용융 재료(1)의 작은 방울(1a)의 직경)는 1 mm로 하고, 1기압의 물의 물성값을 참조해서 켈빈-헤름홀츠 불안정 파장이 1mm가 되는 냉매(3)에 관한 작은 방울(1a) 상대속도는 25 m/s로 계산된다. 이 가정에 근거하면, 용융 재료(1)의 각각의 작은 방울(1a)의 직경이 1mm 일 경우 상대속도 25 m/s의 물 분류가 작은 방울(1a)과 접촉하면 작은 방울(1a)의 주위에 형성된 증기막은 붕괴될 수 있다. 각각의 작은 방울의 직경이 500μm의 경우 상대속도 35 m/s의 물 분류가 작은 방울(1a)과 접촉하면 작은 방울(1a)의 주위에 형성된 증기막은 붕괴될 수 있다.

액체 냉매(3)는 미립자로 형성하려고 하는 용융 재료(예를 들면 용융 금속)와 접촉할 때 자발적인 기포 핵생성을 통해 비등을 일으킬 수 있는 액체이면 어떤 액체도 가능하다. 예를 들면 물, 액체 질소, 메탄올이나 에탄올 등의 유기용매나 그 밖의 액체를 사용할 수 있지만, 일반적으로는 경제성 및 안전성의 관점에서 물이 사용된다. 액체 냉매(3)는 용융 재료(1)의 종류에 따라 선택된다. 본 발명의 방법에서는, 증기막이 강제적으로 붕괴되므로 용융 재료(1)가 고융점이라도 물을 냉매로 사용할 수 있다. 증기막의 응축을 요구하는 이전에 개발된 기술의 경우에는 클로로플루오로카본 함유 냉매 또는 하이드로클로로플루오로카본 함유 냉매를 사용되었다. 대조적으로, 본 발명 방법의 경우에는 물을 사용할 수 있다.

용융 재료(1)의 융점이 높은 경우, 액체 냉매(3)에 염이 첨가될 수 있다. 첨가하는 염으로서는 예를 들면 염화리튬, 염화칼슘, 염화나트륨, 황산칼륨, 황산나트륨, 질산칼슘이 사용될 수 있다. 용융 재료와 반응하지 않는 종류의 염을 사 용하는 것이 바람직하다는 것은 말할 필요도 없다. 염을 포함하는 액체 냉매(3)로는 해수를 이용하는 것이 바람직하다.

액체 냉매(3)에 염을 첨가하는 경우 염이 용매에 용해되어 용융 재료를 덮는 증기막의 주위에 염이 존재하게 된다. 따라서, 증기막에 존재하는 물분자가 상대적으로 적어지고, 염의 이온이 냉매의 증발을 방해한다. 그러나, 증기막의 응축은 일반적인 방식으로 일어나기 때문에, 전체적인 프로세스는 응축의 방향으로 진행하며 이에 의해 증기막의 붕괴가 촉진될 수 있다.

회수 수단(30)은 예를 들면 필터이다. 본 실시예에서는 소정 크기를 갖는 용융 재료 미립자를 회수하기 위해 2개의 필터 즉, 제1 필터(31)와 제2 필터(32)가 사용된다. 제1 필터(31)는 목표 입자 크기보다 그물코가 크고, 제2 필터(32)는 목표 입자 크기보다 그물코가 작다. 제1 필터(31)를 통과하지만 제2 필터(32)를 통과하지 못하는 용융 재료 미립자가 제품으로서 회수된다. 제1 필터(31)에 의해 포획된 미립자는 도가니(12)로 되돌려져 재용융된 후에 미립자 형성 처리된다. 필터(31, 32)를 통과한 액체 냉매(3)는 회수 용기(33)에 회수된다.

이 제조 장치에서는, 사고로 연결되지 않는 정도의 소규모 자발적인 기포 핵생성에 의한 비등이 유도되며, 비등에 의해 발생된 압력파를 이용해서 액체 냉매(3)에 공급된 용융 재료(1)가 미립자로 형성된다.

이 제조장치는 적어도 재료공급 수단(10)으로부터 혼합 노즐(2)에 공급된 용융 재료(1)의 산화를 방지하는 산화방지 수단(60)을 포함하고 있다. 원한다면, 도가니(12)를 포함한 제조장치 전체를 불활성 분위기로 덮는 산화방지 수단이 구비하 여, 용융 재료가 도가니(12)에 저장되어 있을 때 용융 재료(1)가 산화되지 않도록 한다. 산화방지 수단(60)은 예를 들면 불활성 가스를 이용하며, 적어도 도가니(12)의 출구(12a)와 분류 노즐(21) 사이의 공간을 외부로부터 차폐하는 케이싱(61)을 포함하고 있고 이 케이싱은 불활성 가스로 충전되어 있다. 산화방지 수단(60)은 용융 재료(1)의 방울이 불활성 가스 분위기에 떨어지도록 구비되어 있다. 불활성 가스로는 예를 들면 아르곤이 사용된다.

상기와 같이 구성된 장치를 사용하여 용융 재료(1)의 미립자는 아래와 같이 제조될 수 있다.

우선, 복수 개의 분류 노즐(21)을 통해 소정량의 액체 냉매(3)가 공급되고, 가이드 부재(22)에 액체 냉매(3)의 고속류를 형성한다. 도가니(12)내의 용융 재료(1)는, 용융 재료(1)가 액체 냉매(3)와 직접 접촉할 때 용융 재료(1)와 액체 냉매(3) 사이의 계면 온도가 자발적인 기포 핵생성 온도보다 충분히 높은 온도가 되도록 가열되어 유지된다. 강제적으로 증기 폭발이 일어날 할 때까지의 대류 또는 방사에 의한 용융 재료(1)의 냉각을 고려하여, 용융 재료(1)의 가열 온도는 증기 폭발 발생 동안에 용융 재료(1)의 융점보다 충분하게 높게 되도록 결정한다.

그 후에, 재료공급 수단(10)의 스토퍼(13)를 상승시켜 용융 재료(1)를 도가니(12)로부터 한 방울씩 염주 모양으로 자유낙하시킨다. 용융 재료(1)는 분류 노즐(21)를 통하여 공급된 액체 냉매(3)의 고속류가 서로 충돌하는 영역에 공급된다. 용융 재료(1)의 작은 방울(1a)의 온도가 높기 때문에 막 비등을 통해 발생한 증기막으로 덮여진 각각의 작은 방울(1a)은 조대한 혼합물을 형성한다. 증기막은 용융 재료(1)로부터의 열에 의해 냉매/물의 증발을 통해서 용융 재료(1)의 각각의 작은 방울(1a) 주위에 형성된다. 용융 재료(1)로부터의 열을 받아서 진행하는 증발과 냉매에 의한 냉각 사이에 열 밸런스가 이루어질 경우 증기막은 안정하다. 그러나, 액체 냉매(3)의 고속류와 작은 방울(1a) 사이의 속도차에 의해 증기막은 강제적으로 붕괴된다. 용융 재료(1)의 작은 방울(1a)의 전체 표면이 동시에 액체 냉매(3)와 접촉하고, 각각의 작은 방울(1a)과 냉매(3) 사이의 계면 온도는 자발적인 기포 핵생성 온도 이상이 된다. 그러므로, 용융 재료의 입자를 둘러싸는 액체 냉매(3)(즉, 저온의 액체)에서 자발적인 기포 핵생성에 의한 비등이 일어난다. 자발적인 기포 핵생성에 의한 비등은 급속한 증발을 일으키고, 증기 기포의 갑작스러운 팽창을 야기하여 높은 압력파를 발생시킨다. 이 압력파는 매우 고속으로 전파되고, 용융 재료(1)의 모든 입자에 일제히 작용한다. 그 결과, 입자는 압력파에 의해 뜯어지고 부서져서 미립자를 형성한다. 이렇게 형성된 미립자의 비표면적은 커지고 입자의 냉각속도를 더욱 증가시킨다. 이것은 냉매로부터의 증발을 증가시키고, 증기막 형성, 증기막 붕괴, 자발적인 기포 핵생성에 의한 비등으로 이어져서 추가적인 압력파를 발생시킨다.

분산된 어느 입자로 증기막이 깨질 때, 거기에서 발생한 압력파가 다른 입자에 도달하도록 전파되고 이에 의해 자발적인 기포 핵생성에 의한 비등을 야기시킨다. 용융 재료(1)가 미립자로 형성될 때, 입자의 비표면적이 증가함에 따라 입자의 냉각속도가 증가한다. 그러므로, 냉매로부터의 증발이 증가하여 추가적인 압력파를 발생시키는 포지티브 피드백을 일으키고, 미립자의 형성이 촉진되고 입자는 신속하게 냉각된다. 따라서, 용융 재료(1)는 커다란 덩어리를 남기는 일 없이 효율적으로 미립자로 형성된다.

용융 재료(1)가 자발적인 기포 핵생성을 통하여 만들어진 수 μm의 기포로부터 발생하는 압력파를 이용하여 미립자로 형성되기 때문에, 서브마이크론 정도로부터 100μm 정도의 크기 범위를 갖는 미립자를 용이하게 제조할 수 있다. 본 발명에서는, 800℃ 의 높은 융점을 갖는 원료를 사용하는 경우에도 액체 냉매로서 물이 사용되며 수 μm 의 크기(특히, 3μm 정도의 미립자) 뿐만 아니라 미립자를 제조하기 위한 종래의 미립자 제조방법 및 장치에서는 제조할 수 없거나 제조하기 곤란했던 서브마이크론 정도의 미립자를 용이하게 제조할 수 있다. 게다가, 용융 재료가 큰 덩어리를 만들지 않고 미립자로 형성되기 때문에 미립자의 수율이 높아진다. 또한 만들어진 미립자의 입자 크기 분포가 집중하므로, 목표 크기의 미립자를 대량으로 제조된다. 이 경우, 단위 질량에 기초한 미립자의 형성 효율이 향상될 수 있다. 게다가, 미립자의 형성이 진행되면 미립자의 비표면적이 커지고 입자의 냉각속도가 증가한다.

이렇게 형성된 미립자와 액체 냉매(3)는 가이드 부재(22)에 낙하한다. 액체 냉매(3)는 제1 필터(31)와 제2 필터(32)를 통과하고 회수 탱크(33)에서 회수된다. 미립자는 필터(31) 혹은 필터(32)에 의해 포획된다.

이제 도 3 내지 도 8을 참조해서 본 발명의 다른 실시예를 설명한다.

도 3에는 노즐을 통해 고속 분류가 공급되는 가이드 부재(22)의 중심축 주위에 균등하게 구비되어 있는 8개의 분류 노즐(21)과 가이드 부재(22)을 포함하고 있 는 장치의 구성을 도시되어 있다. 이와 같은 방식으로 8개의 분류 노즐(21)이 구비되는 경우, 120 m/s 이상의 고속류 및 128 L/min 이상의 유량이 달성될 수 있고 따라서 미립자의 제조효율을 향상시킨다.

도 3에 도시된 실시예에서, 분류 노즐(21)을 통해서 공급된 분류는 가이드 부재(22) 안에서 흐르게 된다. 그러나본 발명은 이러한 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이 분류 노즐(21)을 통해서 공급된 분류는 냉매 저장소(23)에 채워진 액체 냉매(3)의 표면 근방에서 서로 충돌하도록 할 수 있다. 이 경우, 미립자는 냉매 저장소(23)에 채워진 액체 냉매(3) 안에서 제조되어, 회수부(23a)를 통해서 회수된다. 액체 높이를 거의 일정하게 하도록 새로운 액체 냉매(3)가 냉매 저장소(23)에 연속적으로 공급되고, 전체의 온도를 균일하게 하기 위하여 저장소의 바닥에는 교반장치(24)가 구비되어 있다. 교반장치(24)를 반드시 구비할 필요는 없다.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이 분류 노즐(21)를 통해서 공급된 분류(3a)는 분류에 대향하는 액체 냉매의 흐름(이 경우, 윗쪽을 향하는 액체 냉매 흐름)에 의해 수용될 수 있다. 특별히, 가이드 부재(22)에 냉매 공급관(25)이 구비될 수 있고, 분류(3a)는 냉매 공급관(25)으로부터 분류(25a)를 향해서 공급될 수 있다. 분류(25a)의 방향에 대해 특별한 제한은 없고, 분류(25a)가 반드시 위쪽을 향하는 것은 아니다. 즉, 분류(25a)가 비스듬하게 위를 향하거나 또는 비록 도시하지는 않았지만 수평방향을 향하도록 냉매 공급관(25)이 설치될 수 있다.

도 6에는 이동 부재에 액체 냉매(3)을 공급해서 흐름을 형성하고, 용융 재료 (1)의 작은 방울(1a)을 이렇게 형성된 냉매 흐름에 공급하는 것에 의해서 액체 냉매(3)와 작은 방울(1a)과의 상대 속도차를 이용하여 증기 폭발이 발생하는 실시형태가 도시되어 있다.

도 6에 도시된 실시예에서는 이동 부재로서 회전가능하게 설치된 원추형 부재(40)가 사용된다. 원추형 부재(40)는 원추형 본체(41), 본체(41)의 상부에 설치된 원추형 캡부재(42)를 포함하고 있다. 본체(41)와 캡부재(42)는 일체로 되어 있고 중심축에 대하여 회전하도록 되어 있다. 원추형 본체(41)의 중심부에는 하부로부터 상부를 향하여 액체 냉매(3)를 공급하는 공급관(43)이 구비되어 있고, 공급관(43)은 원추형 본체(41)의 정상부에 구비된 출구(44)와 연통한다. 따라서, 공급관(43)을 통하여 공급된 액체 냉매(3)는 출구(44) 밖으로 분출하고 원추형 캡부재(42)의 내부벽에서 반사되어 원추형 본체(41)의 표면상에서 흘러내린다.

도 6에 도시된 실시예에서 용융 재료(1)의 작은 방울(1a)은 회전하는 원추형 본체(41)의 표면에 흘러내리는 액체 냉매(3)에 공급된다.

이 경우, 액체 냉매(3)가 고체(즉, 원추형 본체(41))에서 흐르기 때문에, 액체 냉매(3)의 교란이 억제된다. 게다가, 원추형 본체(41)가 회전하기 때문에, 액체 냉매(3)와 작은 방울(1a) 사이의 속도차에 의한 증기막 붕괴가 원추형 본체(41)의 표면 근방에서 촉진된다.

이와 같은 베이스 트리거를 이용한 실시형태에서는 작은 방울(1a)이 비교적 작은 크기를 갖더라도 증기막이 용이하게 강제적으로 증기막을 붕괴될 수 있다. 그러므로, 작은 방울(1a)이 공급되는 경로에 초음파를 이용한 미세화 수단 또는 고 압가스를 이용한 가스 분무법과 같은 미세화 수단을 구비할 수 있다. 이러한 미세화 수단을 통해서 작은 방울의 급냉 효율은 현저하게 향상될 수 있다.

이동 부재는 원반형상이 될 수 있다. 액체 냉매(3)는 회전하는 무단 벨트 와 같은 일방향으로 이동하는 부재상에 공급될 수 있다. 즉, 이동 부재의 형태가 특별히 한정되는 것은 아니다.

상술한 실시형태에서는 용융 재료(1)의 작은 방울(1a)의 증기막이 작은 방울(1a)과 분류(3a) 사이의 속도차에 의해 강제적으로 붕괴된다. 그러나, 증기막은 증기 응축을 통해 발생된 압력파에 의해 강제적으로 붕괴될 수 있다.

도 7은 이와 같은 압력파를 사용한 실시예를 도시한다. 이 실시예에서는 액체 공급부(51)와 증기 공급부(52)를 포함하는 유체 노즐(50)을 사용하고, 냉매 증기(5)와 용융 재료(1)의 작은 방울(1a)은 액체 공급부(51)를 통해 공급된 액체 냉매(3)의 흐름에 혼합된다. 이러한 유체 노즐(5O)을 사용하여 냉매 증기(5)가 액체 냉매(3)와 혼합될 때 냉매 증기(5)는 신속하게 냉각되고 응축된다. 한편, 냉매 증기(5)와 함께 공급되는 작은 방울(1a)은 응축을 통해서 발생된 압력파를 받으며, 이에 의해 증기막이 강제적으로 붕괴되어 미립자를 형성하게 된다.

이와 같이 증기막을 붕괴시키는 압력파를 발생시키는 응축을 유도하기 위해서, 액체 냉매(3)와 냉매 포화온도 사이의 온도차는 10℃ 이상으로 조절되어야 한다. 바람직하게 온도차는 30℃ 이상이다. 공급되는 냉매 증기(5)의 량은 약 1 L/min 내지 약 300 L/min 정도가 되어야 한다. 액체 냉매(3)와 냉매 증기(5)의 유속은 특별히 한정되지 않으며, 유속이 상술한 바와 같이 고속으로 조정할 필요는 없다. 그러나, 유속은 0.5 m/s 이상으로 조절되는 것이 바람직하다.

냉매 증기(5)가 액체 냉매(3)를 구성하는 물질로 형성될 필요는 없다. 그러나, 본 발명에서는 액체 냉매(3)로서 물이 바람직하고, 냉매 증기(5)는 수증기이다.

증기 응축력에 의해 작은 방울(1a)의 증기막을 강제적으로 붕괴시키는 방법이 상술한 방법으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 도 8에 도시된 바와 같이, 작은 방울(1a)은 냉매 저장소(55)에 채워진 액체 냉매(3)에 공급될 수 있고, 냉매 증기(5)가 작은 방울(1a)을 둘러싸도록 냉매 증기(5)는 각각의 작은 방울(1a)에 증기 공급관(56)을 통해서 공급될 수 있다. 이러한 과정에 의해, 증기 공급관(56)을 통해 공급된 증기(5)는 응축하고, 각각의 작은 방울(1a)의 주위에 형성된 증기막은 응축을 통해 발생된 압력파에 의해 강제적으로 파괴된다. 이 경우, 미립자는 냉매자장소(55)에 채워진 액체 냉매(3)에서 제조되고, 회수부(55a)를 통해서 회수된다. 액체 높이를 거의 일정하게 하기 위해서 새로운 액체 냉매(3)가 냉매 저장소(55)에 연속적으로 공급되고, 전체 냉매의 온도를 균일하게 하기 위해서 교반장치(57)가 저장소의 바닥에 구비된다. 교반장치(57)를 반드시 설치할 필요는 없다.

상술한 실시형태에서는 산화방지 수단(40)으로서 불활성가스 분위기 충전된 케이싱(41)이 사용된다. 그러나, 케이싱(41)은 불활성가스 분위기 대신에 수소 또는 일산화탄소 등의 환원 가스 분위기로 충전될 수 있다. 변경적으로, 케이싱(41) 내를 압력을 감소시켜 산소 농도가 낮은 진공상태로 할 수 있다. 케이싱(41) 내의 압력이 감소되는 경우 자발적인 기포 핵생성에 의한 비등이 격렬하게 되고, 작은 방울(1a)로부터의 미립자 형성이 더욱 촉진될 수 있다. 제조 장치 전체를 불활성가스 분위기 또는 환원 가스 분위기에 설치하거나, 또는 압력이 감소된 케이싱내에 설치할 수 있다.

더욱이, 재료의 미세화를 위해서 용융 재료(1)에 미리 외력이 가해질 수 있고, 이렇게 미세화된 재료가 액체 냉매(3)에 공급될 수 있다. 예를 들면, 재료공급 수단(10)과 액체 냉매(3)의 사이에 용융 재료를 미세화하는 수단을 설치되는 경우, 용융 재료(1)의 작은 방울(1a)은 어느 정도 미세화되어 액체 냉매(3)에 공급될 수 있다. 이 경우, 작은 방울의 비표면적이 증가되고 따라서 증기막의 형성과 작은 방울의 냉각은 더욱 효율적이다 그 후에 증기막이 액체 냉매(3)에서 강제적으로 붕괴되고, 자발적인 기포 핵생성에 의한 비등을 일어나며, 비등을 통해서 발생된 압력파에 의해 용융 재료(1)는 더욱 미립화된다. 그러므로, 액체 냉매(3)에서의 용융 재료(1)의 미립화는 더한층 촉진되고, 재료의 냉각속도는 더한층 향상된다. 용융 재료(1)를 미세화하기 위하여, 바람직하게 미세화 기술로서 이미 확립되어 있는 초음파 조사 기술이 필요에 따라 추가적인 미세화 수단으로 사용된다. 예를 들면, 재료공급 수단(10)과 액체 냉매(3)의 분류(3a) 사이에 초음파 조사장치를 설치하고, 재료공급 수단(10)으로부터 공급된 용융 재료(1)의 작은 방울(1a)에 약 10kHz 내지 약 10MHz 의 초음파를 조사한다. 변경적으로, 용융 재료(1)의 작은 방울(1a)이 통과하는 공간에 전기장을 형성해서 작은 방울(1a)을 미세화하는 장치가 사용될 수 있다. 용융 재료(1)의 작은 방울(1a)을 미세화하는 것을 재료공급 수단(10)으로부터 용융 재료(1)가 공급된 직후에 실행되는 것이 바람직하다고 생각된 다.

상술한 실시예에서는, 도가니(12)의 출구(12a)로부터 용융 재료(1)가 작은 방울로 배출되어 분류(3a)가 서로 충돌하는 영역에 공급된다. 그러나, 용융 재료(1)는 출구(12a)를 통해 제트류 형태로 공급될 수 있다. 이 경우, 용융 재료(1)는 실형태로 공급되고 그 양은 적게 되어야 한다.

(실시예)

연자성재료인 Fe₇₈Si₉B₁₃(융점 985℃)이 원료로 사용되었다. 도 3에 도시한 장치를 사용하고, 분류가 서로 충돌하도록 8방향으로 배치한 분류 노즐(21)을 통해서 물 분류(유량 : 32L/min, 속도 : 84m/s, 수온 : 17℃)를 공급하였다. 원료는 작은 방울(크기 : 약 1.6mm)의 형태로 공급되어 미립자를 형성하였다.

도 9에 이렇게 얻어진 미세자의 전자현미경 사진을 나타낸다. 평균 입자 직경 37μm의 미립자가 얻어진 것이 확인되었다. 원료의 작은 방울이 신속하게 냉각되었기 때문에, 소위 증기 폭발에 의해 찢어진 또는 부서진 상태로 응고된 것이 밝혀졌다. 본 장치가 사용된 경우에서도 냉매의 유량을 감소시키거나 또는 냉매의 온도를 상승시킨 경우, 작은 방울의 냉각속도가 감소하고 이에 의해 실질적으로 구형의 미립자를 얻을 수 있다.

원료와 미립자에 대한 X선 회절분석을 하였다. 원료에서는 Fe₂B 와 α-Fe(Si)의 피크가 몇개 관찰되었지만, 급냉하여 형성된 미립자에는 현저한 피크가 관찰되지 않았다. 이러한 결과는 매우 높은 비정질 미립자가 만들어진 것을 나타 낸다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 종래에 비정질 미립자를 형성하는 것이 불가능한 것으로 생각되었던 철계 합금의 비정질 미립자를 형성하는 것이 가능하다.

(비교예)

분류와 작은 방울의 속도차를 1 m/s 미만으로 작게 해서 Fe₇₈Si₉B₁₃ 을 물 분류에 작은 방울 형태로 공급하였다. 그 결과, 증기 폭발을 유도할 수 없었으며 작은 방울은 직경 1.6mm 유지한 채 구상으로 응고되었다.

도 10은 실시예 및 비교예에서 얻어진 입자에 대한 X선 회절분석 결과를 나타낸다. 실시예에서 급냉에 의해서 얻어진 입자의 경우에, 현저한 비크가 관찰되지 않았다. 즉, 비정질 입자가 얻어진 것이 확인되었다. 대조적으로, 비교예에서 서냉으로 얻어진 입자의 경우에 Fe₂B 와 α-Fe(Si)의 피크가 몇개 관찰되고, 피크의 강도는 원재료에서 나타나는 상응하는 피크와 거의 같은 강도를 나타내었다. 즉, 비정질 입자를 형성하지 못하였다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 제조방법 및 장치는, 종래의 방법에 의해 미립자 또는 비정질 입자로 형성하기 곤란한 물질로부터 용이하게 미립자 또는 비정질 입자를 제조할 수 있다. 더욱이, 본 발명의 방법은 800℃ 이상의 융점을 갖는 재료에서도 가장 저렴하고 취급하기 쉬운 물을 냉매로서 사용해서 용이하게 미립자를 제조할 수 있다. 본 발명의 방법에서는 미립자를 형성하기 위한 조건이 적절하게 조정될 수 있으므로, 용도에 따라 비정질 또는 다결정 미립자의 크기를 조절할 수 있다. 본 발명의 방법은 종래의 방법에 의해서 불가능했던 재료로부터 서브마이크론 정도의 미립자를 제조할 수 있고, 따라서 본 발명의 방법은 종래의 방법으로 실현 곤란했던 새로운 재료를 제공할 수 있다.

더욱이, 예를 들면, 종래의 방법을 통해서 비정질 입자를 형성할 수 없는 재료로부터 본 발명의 방법을 통해서 제조된 비정질 미립자는 예를 들면 기계적인 합금, 소결, HIP(hot isostatic pressing) 에 의해서 벌크 재료로 제조될 수 있다. 이렇게 제조된 벌크 재료는 연자성 또는 다른 특징을 나타내는 자성재료, 수명이 긴 형상기억합금, 수소저장합금, 강인성 금속, 고내식성 금속, 초전도재료, 촉매재료 등의 다양한 재료에 응용될 수 있다. 이러한 재료에 사용될 경우, 벌크 재료는 예를 들면 재료에 인성을 부여하는 효과를 나타낸다.

Claims (23)

1. 미립자로 형성하려고 하는 원료를 용융한 용융 재료를 액체 냉매에 방울 또는 제트류로 공급하고, 액체 냉매에 들어가는 용융 재료와 액체 냉매 흐름 사이에 속도차를 발생시키는 것에 의해, 공급된 용융 재료의 주위에 형성된 증기막을 강제적으로 붕괴하고, 또한 이때의 용융 재료와 액체 냉매 사이의 계면온도가 용융 재료의 융점 이상의 온도로 되도록 하는 것에 의해 증기 폭발을 촉진함으로써 재료를 미립자로 형성하고 냉각 응고하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미립자 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 액체 냉매의 흐름은 하나의 고속 제트류로 제어되고, 용융 재료는 고속 제트류에 공급되는 것을 특징으로 하는 미립자 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 액체 냉매의 흐름은 복수의 고속 제트류를 충돌시켜서 형성되고, 용융 재료는 고속 제트류의 충돌 영역에 공급되는 것을 특징으로 하는 미립자 제조방법.
4. 제 3 항에 있어서, 액체 냉매의 흐름은 고속 제트류를 충돌시켜서 형성되고, 흐름을 분산시키지 않도록 흐름은 가이드 부재에서 형성되는 것을 특징으로 하는 미립자 제조방법.
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 고속 제트류는 액체 냉매의 풀의 액체 표면에서 충돌하게 되고, 용융 재료는 고속 제트류의 충돌 부분에 공급되는 것을 특징으로 하는 미립자 제조방법.
6. 제 5 항에 있어서, 액체 냉매의 풀은 용융 재료의 흐름에 대향하여 분출하는 분류의 형태인 것을 특징으로 하는 미립자 제조방법.
7. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 고속 제트류는 충돌을 통해 형성되는 흐름에 대하여 각각의 고속 제트류가 4°내지 80°사이의 경사각을 갖고 충돌되는 것을 특징으로 하는 미립자 제조방법.
8. 제 1 항에 있어서, 액체 냉매의 흐름은 이동 부재상에 액체 냉매를 공급하는 것에 의해 형성되고, 용융 재료가 액체 냉매에 공급되는 것을 특징으로 하는 미립자 제조방법.
9. 제 8 항에 있어서, 이동 부재는 원반형상 또는 원추형 회전체인 것을 특징으로 하는 미립자 제조방법.
10. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항, 제 4 항, 제 8 항 또는 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 액체 냉매와 용융 재료 사이의 속도차는 1 m/s 보다 크게 조절되는 것을 특징으로 하는 미립자 제조방법.
11. 미립자로 형성하려고 하는 원료를 용융한 용융 재료를 액체 냉매에 방울 또는 제트류로 공급하고, 액체 냉매의 증기를 액체 냉매중에 공급하고 이 증기의 응축에 의한 압력파에 의해, 공급된 용융 재료의 주위에 형성된 증기막을 강제적으로 붕괴하여 증기 폭발을 촉진함으로써 재료를 미립자로 형성하고 냉각 응고하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미립자 제조방법.
12. 제 11 항에 있어서, 용융 재료와 액체 냉매 증기는 액체 냉매의 흐름에 함께 공급되는 것을 특징으로 하는 미립자 제조방법.
13. 제 12 항에 있어서, 흐름을 분산시키지 않기 위하여 액체 냉매의 흐름은 가이드 부재에서 형성되는 것을 특징으로 하는 미립자 제조방법.
14. 제 11 항에 있어서, 증기막은 용융 재료를 향해서 액체 냉매의 증기를 공급하는 것에 의해 강제적으로 붕괴되고, 용융 재료는 액체 냉매의 풀에 공급되는 것을 특징으로 하는 미립자 제조방법.
15. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항, 제 4 항, 제 8 항, 제 9 항, 제 11 항, 제 12 항, 제 13 항 또는 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 미립자로 형성하려고 하는 원료는 용융재, 용광로 슬러그, 세라믹 재료, 금속에서 선택된 한 종류인 것을 특징으로 하는 미립자 제조방법.
16. 제 15 항에 있어서, 미립자로 형성하려고 하는 원료는 800℃ 이상의 융점을 갖는 것을 특징으로 하는 미립자 제조방법.
17. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항, 제 4 항, 제 8 항, 제 9 항, 제 11 항, 제 12 항, 제 13 항 또는 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 미립자가 형성되는 조건 및 냉각 응고가 실행되는 조건이 제어되고, 미립자는 비정질 상태로 제조되는 것을 특징으로 하는 미립자 제조방법.
18. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항, 제 4 항, 제 8 항, 제 9 항, 제 11 항, 제 12 항, 제 13 항 또는 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 미립자가 형성되는 조건 및 냉각 응고가 실행되는 조건이 제어되고, 미립자는 원하는 결정립 크기를 갖는 다결정으로 제조되는 것을 특징으로 하는 미립자 제조방법.
19. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항, 제 4 항, 제 8 항, 제 9 항, 제 11 항, 제 12 항, 제 13 항 또는 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 액체 냉매는 염을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 미립자 제조방법.
20. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항, 제 4 항, 제 8 항, 제 9 항, 제 11 항, 제 12 항, 제 13 항 또는 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 액체 냉매는 증기막과 액체 냉매 사이의 기체-액체 계면을 교란하는 무기 미립자를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 미립자 제조방법.
21. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항, 제 4 항, 제 8 항, 제 9 항, 제 11 항, 제 12 항, 제 13 항 또는 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 용융 재료는 용융 재료의 산화를 방지하면서 액체 냉매에 공급되는 것을 특징으로 하는 미립자 제조방법.
22. 미립자로 형성하려고 하는 원료를 용융한 용융 재료를 그 공급량을 제어하면서 공급하는 재료공급 수단, 용융 재료를 냉각 응고시키는 액체 냉매를 포함한 냉각부, 액체 냉매에 들어가는 용융 재료와 액체 냉매 흐름 사이에 속도차를 발생시키는 것에 의해 액체 냉매에 공급된 용융 재료의 주위에 형성된 증기막을 강제적으로 붕괴하고, 또한 이때의 용융 재료와 액체 냉매 사이의 계면온도가 용융 재료의 융점 이상의 온도로 되도록 하는 것에 의해 증기 폭발을 촉진시켜 미립자를 만들고 냉각 응고를 실행하는 증기막 붕괴 수단, 및 액체 냉매로부터 미립자를 회수하는 회수 수단을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 미립자 제조장치.
23. 미립자로 형성하려고 하는 원료를 용융한 용융 재료를 그 공급량을 제어하면서 공급하는 재료공급 수단, 용융 재료를 냉각 응고시키는 액체 냉매를 포함한 냉각부, 액체 냉매의 증기를 액체 냉매중에 공급하여 증기의 응축에 의한 압력파에 의해 액체 냉매에 공급된 용융 재료의 주위에 형성된 증기막을 강제적으로 붕괴하고, 또한 이때의 용융 재료와 액체 냉매 사이의 계면온도가 용융 재료의 융점 이상의 온도로 되도록 하는 것에 의해, 증기 폭발을 촉진시켜 미립자를 만들고 냉각 응고를 실행하는 증기막 붕괴 수단, 및 액체 냉매로부터 미립자를 회수하는 회수 수단을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 미립자 제조장치.

Images