KR101097397B1 - 펄스 자기장을 이용한 금속 나노분말 분급 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 펄스 자기장을 이용한 금속 나노분말 분급 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금속 나노입자 분산액에 펄스 자기장을 인가하는 방식을 이용하여, 나노 분말입자의 크기별 분급이 정밀하게 이루어질 수 있도록 한 펄스 자기장을 이용한 금속 나노분말 분급 장치 및 방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 금속 나노입자 분산액이 흐르는 분급기 관과; 상기 분급기 관의 길이방향을 따라 설치되어, 분급기 관내의 나노입자 분산액에 분급을 위한 펄스 자기장을 발생시키는 펄스 자기장 발생장치와; 상기 펄스 자기장 발생장치에 전원을 공급하기 위한 펄스전원장치; 로 구성된 것을 특징으로 하는 펄스 자기장을 이용한 금속 나노분말 분급 장치 및 방법을 제공한다.

펄스 자기장, 금속, 나노분말, 분급 장치, 펄스전원장치, 분급기 관, 분산액

Description

펄스 자기장을 이용한 금속 나노분말 분급 장치 및 방법{Method and apparatus for size classification of metallic nanoparticles by using pulsed magnetic fields}

본 발명은 펄스 자기장을 이용한 금속 나노분말 분급 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금속 나노입자 분산액에 펄스 자기장을 인가하는 방식을 이용하여, 나노입자의 크기별 분급이 정밀하게 이루어질 수 있도록 한 펄스 자기장을 이용한 금속 나노분말 분급 장치 및 방법에 관한 것이다.

다양한 물리적 방법으로 제조되는 나노분말은 일반적으로 사이즈 분포가 매우 넓은 것이 특징이며, 이로 인해 그 응용에 있어서 큰 걸림돌이 되고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위한 종래의 나노분말 분리 방법으로서, 액상에서는 필터를 이용한 분리 방법과 원심 분리를 이용하는 방법 등이 사용되고, 기상에서는 부유상태에서 정전기를 인가하여 분급하는 방법 등이 사용되고 있다.

상기 필터를 이용한 분리 방법은 필터의 눈 막힘 때문에 대량으로 분급하기 어려운 단점이 있고, 또한 필터 표면에 나노분말이 부착되어 손실이 발생하는 문제점이 있다.

상기 원심 분리를 이용한 방법은 회수되는 분말이 강한 원심력에 의해서 응집되는 문제점이 있고, 또한 대량 생산을 위한 연속공정에 적용하기 어려운 단점이 있다.

한편, 분산된 액체를 장시간 놓아두면서 침강시키는 방법은 200nm 이하의 입자는 침전되지 않으므로 곤란하고, 또한 나노입자가 수중에서 산화되기 쉬운 금속의 경우에는 값싸고 무해한 용매인 물을 사용하기 어려운 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 액체 중에 분산되어 있는 나노분말을 대량생산을 위한 연속공정에 적용 가능한 방법으로 분급할 수 있도록 함으로써, 액중 전기폭발법으로 나노분말이 제조된 상태처럼 분산성이 뛰어난 상태에서 분급 적용이 효과적이며, 액중 전기폭발법에 의한 나노분말 제조 방법의 연속 공정에 적용할 수 있는 펄스 자기장을 이용한 금속 나노분말 분급 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 금속 나노입자 분산액 이 흐르는 분급기 관과; 상기 분급기 관의 길이방향을 따라 설치되어, 분급기 관내의 나노입자 분산액에 분급을 위한 펄스 자기장을 발생시키는 펄스 자기장 발생장치와; 상기 펄스 자기장 발생장치에 전원을 공급하기 위한 펄스전원장치; 로 구성된 것을 특징으로 하는 펄스 자기장을 이용한 금속 나노분말 분급 장치를 제공한다.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 분급기 관의 일측단부는 금속 나노입자 분산액이 주입되는 입구로 형성되고, 타측단부에는 분급된 나노입자가 크기별로 배출되도록 다수개의 배출구가 형성된 것임을 특징으로 한다.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 펄스 자기장 발생장치는: 분급기 관이 내재되도록 소정 위치에 절단된 갭을 갖는 자성체 코어와; 자성체 코어의 갭 반대쪽에 감겨지는 코일; 로 구성된 것을 특징으로 한다.

또는, 상기 펄스 자기장 발생장치는 자성체 코어를 배제시킨 공심형 코일 구조로 채택될 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 펄스전원장치는: 상기 코일에 전류를 공급하거나 차단하는 스위칭 제어를 받게 되는 스위치와; 상기 코일에 흐르는 전류를 충전하는 커패시터와; 상기 커패시터와 병렬로 연결되어, 커패시터가 역방향으로 충전되는 것을 방지하는 다이오드; 로 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 커패시터는 전해 콘덴서 또는 고전압 커패시터중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 금속 나노입자 분산 액을 분급기 관을 따라 흐르게 하는 단계와; 금속 나노입자 분산액이 분급기 관의 출구를 향해 흐르면서 펄스 자기장에 지속적으로 노출되는 단계와; 나노입자가 펄스 자기장에 의하여 분급기 관의 아래쪽으로 힘을 받게 되는 단계와; 사이즈가 큰 나노분말 입자들이 분급기 관의 아래쪽 부분으로 침강하여 모이는 단계와; 분급기 관의 출구에서 아래쪽에 모인 큰 나노분말 입자와 그 위쪽에 모인 작은 나노분말 입자를 별도로 추출하여 최종 분급이 이루어지는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 펄스 자기장을 이용한 금속 나노분말 분급 방법을 제공한다.

본 발명의 다른 구현예에서, 상기 금속 나노입자 분산액이 분급기 관내를 흐를 때, 분급기 관의 구간별로 시간적으로 세기가 변하는 펄스형태의 자기장을 인가하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 분급기 관의 입구 부분에 있는 금속 나노입자 분산액에 긴 펄스 자기장을 인가하고, 상기 분급기 관의 출구 부분에 있는 금속 나노입자 분산액에는 짧은 펄스 자기장을 인가하는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 금속 나노분말입자 분산액에 펄스 자기장을 크기, 펄스폭, 반복률을 조절하면서 인가하여, 나노분말입자의 크기별 분급이 정밀하게 이루어질 수 있다.

이에, 현재까지 금속 나노분말입자의 크기별 분급이 어려워 상용화에 걸림돌 이 되었던 나노분말의 물리적 제조기술이 경제적이면서도 완성도 높은 기술로 발전하는데 기여할 수 있다.

특히, 물리적 방법으로 제조되는 고순도의 나노분말을 수백 nm의 분말야금 응용에서부터 수십 nm의 바이오 응용 및 인쇄전자 기술에 이르기 까지 응용분야별로 다양한 사이즈의 분말을 분급 생산하여 상업성을 높일 수 있다.

또한, 액중 전기폭발에 의한 나노분말 제조기술에 적용하여, 그 제조에서 분급 및 농축에 이르기까지 연속 순환공정을 설계하는데 기여할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

일반적으로, 액체 중에 분산되어 있는 입자에 힘을 작용하는 방법은 일반적으로 모든 입자에 적용되는 중력(원심력)과 자성입자에 작용하는 자기력이 있다.

예를 들어, 본원 출원인에 의하여 출원되어 이미 등록받은 바 있는 "액중 전기폭발에 의한 나노분말 제조 방법 및 장치(등록번호: 10-0726713)"에 의하여 제조된 액체중의 분산 나노입자에 힘을 작용시키는 방법은 중력(원심력)과 자기력을 들 수 있다.

본 발명은 "액중 전기폭발에 의한 나노분말 제조 방법 및 장치(등록번호: 10-0726713)"에 의하여 제조된 나노입자에 펄스 자기장을 인가하는 방식을 적용하여 나노분말입자의 분급 및 농축에 이르기까지 연속 순환공정을 실현시킬 수 있도 록 한 것이다.

이에, 본 발명에서는 도전성이 좋은 금, 은, 구리 등의 금속입자에 시간적으로 세기가 변하는 펄스형태의 자기장을 인가하여, 입자표면에 페러데이 법칙에 의한 유도전류를 발생시키고, 이 전류에 의한 반발력으로 입자에 힘을 가하는 방법을 적용함으로써, 펄스의 형태(크기, 펄스폭, 반복률)와 나노분말 분산액 유량 등의 파라메터를 변수로 하여, 분급되는 입자의 사이즈를 제어할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

한편, 펄스 자기장을 이용한 금속 나노분말 분급 원리는 첨부한 도 4에 나타낸 바와 같이, 비자성 금속 도체의 경우는 코일에 의해서 인가되는 자기장의 시간적 변화에 따라, 금속 나노입자(도체)의 표면에 반대방향의 전류가 유도되고, 이때 유도된 전류와 코일의 구동전류간에 서로 반발력이 발생하게 되어, 결국 코일로부터 금속 나노입자를 밀어낼 수 있는 힘이 발생한다.

이러한 원리는 아래의 수학식 1에 나타낸 페러데이의 법칙이다.

도선(도체)으로 이루어진 폐루프를 통과하는 자기장의 시간변화가 폐루프를 일주하는 전기장을 만들고, 이 전기장에 의해서 흐르는 전류는 폐루프를 통과하는 자속의 시간변화를 방해하는 방향이다.

따라서, 비자성 도체에 힘을 가하기 위해서는 펄스형태의 전류가 필요하고, 펄스 또한 전류가 지속적으로 증가하거나 감소하는 방향으로만 유지되어야 효과적이며, 이에 전류가 급하게 상승하고 천천히 하강하면 나노입자가 한쪽 방향으로의 힘을 더 크게 받을 수 있어서 나노입자를 어느 한 방향으로 움직이게 할 수 있다.

특히, 금속 나노입자가 힘을 받아 움직이면 입자의 크기에 따라서 이동 속도에 차이가 발생하게 되고, 이는 원심분리기의 원리와 같은 것으로서, 입자의 사이즈에 따른 이동 속도의 차이로 인하여 나노입자(분말)에 대한 분급이 용이하게 이루어질 수 있다.

여기서, 본 발명에 따른 펄스 자기장을 이용한 금속 나노분말 분급 장치를 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 펄스 자기장 발생장치를 나타내는 개략도이고, 도 2는 도 1의 코일이 설치된 비자성 금속 나노분말 분급 장치를 나타내는 개략도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 펄스 자기장을 이용한 금속 나노분말 분급 장치의 구성을 보면, 펄스 자기장 발생장치(20) 및 펄스전원장치(30), 그리고 분급기 관(10)으로 나누어진다.

상기 펄스 자기장 발생장치(20) 즉, 펄스 자기장 발생용 코일은 자성체 코어(21)와, 이 자성체 코어(21)에 감아진 코일(22)로 구성되고, 특히 자성체 코어(21)의 소정 위치에는 절단된 갭(26)이 형성되며, 이때 절단된 갭(26)의 반대쪽에 상기 코일(22)이 감겨진다.

본 발명의 바람직한 구현예로서, 펄스 자기장 발생장치(20)를 자성체 코어가 배제된 공심형 코일 구조로도 구현할 수 있는 바, 예를 들어 일반적인 튜브에 코일을 감은 것으로 구비하여 분급기 관(10)의 인접 위치에 배열시키기만 하여도 분급기 관(10)으로 펄스 자기장을 인가시킬 수 있다.

상기 펄스전원장치(30)는 자성체 코어(21)의 절단된 갭(26)의 반대쪽에 감겨지는 코일(22)에 전류를 공급하기 위한 장치로서, 코일(22)에 흐르는 전류를 충전하는 커패시터(36)와, 코일에 흐르는 전류를 방전하는 스위치(32, 예를들어 일종의 반도체 스위치인 SCR 스위치 및 IGBT 스위치, 기타 기계적 스위치 및 릴레이 등)로 구성되며, 미도시되었지만 스위치(32)에는 스위칭 제어 신호를 보내는 제어부가 연결되고, 커패시터(36)에는 별도의 충전수단이 연결된다.

또한, 상기 커패시터(36)와 병렬로 다이오드(34)를 설치하여 커패시터(36)가 역방향으로 충전되는 것을 방지하는 동시에 전류 감소가 완만하게 이루어지도록 한다.

이때, 상기 커패시터(36)를 전해 콘덴서로 사용하여 저전압에서 사용 가능하도록 하고, 또는 상기 커패시터(36)로서 고전압 커패시터를 사용하여 빠른 펄스를 얻을 수 있도록 한다.

상기 분급기 관(10)은 나노입자 분산액이 흐르게 되는 관으로서, 상기 자성체 코어(21)의 소정 위치에 절단된 갭(26)내에 위치되도록 함으로써, 분급기 관(10)을 지나는 금속 나노입자들이 자기장의 영향을 받도록 한다.

보다 상세하게는, 상기 분급기 관(10)은 소정 길이를 갖는 것으로 구비되며, 일측단부에는 나노입자 분산액을 주입하는 입구가 되고, 타측단부는 분급된 큰 나 노입자와 작은 나노입자의 출구가 된다.

도 2에서 보는 바와 같이, 상기 분급기 관(10)에는 그 길이방향을 따라 다수개의 펄스 자기장 발생장치(20)가 등간격으로 배열되는 바, 상술한 바와 같이 각 펄스 자기장 발생장치(20)의 자성체 코어(21)에 형성된 갭(26)내에 분급기 관(10)이 내재된 상태가 된다.

여기서, 상기와 같은 구성을 기반으로 이루어지는 본 발명의 펄스 자기장을 이용한 금속 나노분말 분급 방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 분급기 관(10)의 일측단부 즉, 입구를 통해 금속 나노입자 분산액을 주입시켜서, 금속 나노분말입자 분산액을 분급기 관(10)을 따라 흐르게 한다.

이에, 분급기 관(10)의 길이방향을 따라 설치된 펄스 자기장 발생장치(20)에서 분급기 관(10)내를 흐르는 나노입자 분산액에 펄스 전류를 인가하게 되는 바, 펄스 전류 형태의 예는 첨부한 도 3에 나타낸 바와 같다.

즉, 상기 펄스전원장치(30)의 스위치(32)가 온되면, 커패시터(36)의 충전전류가 상기 펄스 자기장 발생장치(20)의 자성체 코어(21)에 감겨진 코일(22)에 인가되어 기자력이 발생되도록 하고, 이 기자력으로 인하여 자성체 코어(21)의 절단된 갭(26)에 평등 자기장이 발생되어, 결국 상기 갭(26)내에 위치된 분급기 관(10) 및 그 내부의 나노 입자들이 자기장의 영향을 받게 된다.

따라서, 상기 분급기 관(10)의 입구인 주입구를 통해 주입된 나노분말 분산액은 분급기 관(10)의 출구를 향해 흐르면서 펄스 자기장에 지속적으로 노출된다.

이에, 상기 분급기 관(10)내의 나노입자 즉, 액중에 분산된 나노입자는 펄스 자기장에 의하여 분급기 관(10)의 아래쪽으로 힘을 받아서, 분급기 관(10)의 출구 부분에서는 사이즈가 큰 나노분말 입자들이 분급기 관(10)의 아래쪽 부분으로 침강되며 집중적으로 모이게 되고, 결국 분급기 관(10)의 출구에서 아래쪽에 모인 큰 나노분말 입자와 그 위쪽에 모인 작은 나노분말 입자를 별도로 추출하여 최종 분급이 이루어지게 된다.

예를 들어, 상기 분급기 관(10)내에 도전성이 좋은 금, 은, 구리 등의 금속나노입자 분산액이 흐를 때, 분급기 관(10)의 길이방향 구간별로 시간적으로 세기가 변하는 펄스형태의 자기장을 인가하되, 바람직하게는 분급기 관(10)의 입구 부분에 대응되는 코일(22)에서 긴 펄스 자기장이 만들어지도록 하고, 분급기 관(10)의 출구 부분에 대응되는 코일(22)에서 짧은 펄스 자기장이 만들어지도록 함으로써, 분급기 관(10)내의 금속 나노분말입자를 큰 입자와 작은 입자로 분급시키는 정밀도를 높일 수 있다.

좀 더 상세하게는, 분급기 관(10)의 입구 부분에서부터 긴 펄스 자기장을 제공하여 분급기 관(10)내의 큰 나노분말입자가 힘을 많이 받으면서 아래쪽으로 침강되도록 하고, 분급기 관(10)의 출구측으로 갈수록 짧은 펄스 자기장을 제공하여 분급기 관(10)내의 중간 크기의 나노분말입자가 힘을 받으면서 큰 입자 위쪽에 침강되도록 하는 방식을 채택함으로써, 분급기 관(10)내의 금속 나노분말입자를 큰 입자와 작은 입자로 분급시키는 정밀도를 높일 수 있다.

이에 따라, 상기 분급기 관(10)의 출구 부분을 상부와 하부로 구분되는 다수개의 배출구 구조를 적용하여, 상부 및 하부로 구분된 배출구를 통해 배출되는 분 산액을 각각 모으면 큰 입자와 작은 입자로 분급된 상태의 나노분말을 얻을 수 있고, 물론 분급기 관(10)의 출구를 상부 및 하부로 구분하는 배출 구조는 분급의 정도에 따라서 결정할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 펄스 자기장을 이용한 금속 나노분말 분급 장치의 펄스 자기장 발생장치 및 펄스전원장치에 대한 일 실시예를 나타내는 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 펄스 자기장 발생장치 및 펄스전원장치가 분급기 관에 설치된 것을 나타내는 개략도,

도 3은 본 발명에 따른 펄스 자기장 발생장치 및 펄스전원장치로부터 발생되는 펄스 전류 형태의 예를 보여주는 그래프,

도 4는 펄스 자기장에 의한 금속 나노분말 분급 원리를 설명하는 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 분급기 관 20 : 펄스 자기장 발생장치

21 : 자성체 코어 22 : 코일

26 : 절단된 갭 30 : 펄스전원장치

32 : 스위치 34 : 다이오드

36 : 커패시터

Claims (9)

1. 금속 나노입자 분산액이 흐르는 분급기 관(10);

   상기 분급기 관(10)의 길이방향을 따라 설치되어, 분급기 관(10)내의 나노입자 분산액에 분급을 위한 펄스 자기장을 발생시키는 펄스 자기장 발생장치(20);

   상기 펄스 자기장 발생장치(20)에 전원을 공급하기 위한 펄스전원장치(30);

   로 구성되며,

   상기 펄스 자기장 발생장치(20)는 분급기 관(10)이 내재되도록 소정 위치에 절단된 갭(26)을 갖는 자성체 코어(21)와, 자성체 코어(21)의 갭(26) 반대쪽에 감겨지는 코일(22)로 구성된 것을 특징으로 하는 펄스 자기장을 이용한 금속 나노분말 분급 장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 분급기 관(10)의 일측단부는 금속 나노입자 분산액이 주입되는 입구로 형성되고, 타측단부에는 분급된 나노입자가 크기별로 배출되도록 다수개의 배출구가 형성된 것임을 특징으로 하는 펄스 자기장을 이용한 금속 나노분말 분급 장치.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 펄스 자기장 발생장치(20)는:

   자성체 코어를 배제시킨 공심형 코일 구조로 채택되는 것을 특징으로 하는 펄스 자기장을 이용한 금속 나노분말 분급 장치.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 펄스전원장치(30)는:

   상기 코일(22)에 전류를 공급하거나 차단하는 스위칭 제어를 받게 되는 스위치(32)와;

   상기 코일(22)에 흐르는 전류를 충전하는 커패시터(36)와;

   상기 커패시터(36)와 병렬로 연결되어, 커패시터(36)가 역방향으로 충전되는 것을 방지하는 다이오드(34);

   로 구성된 것을 특징으로 하는 펄스 자기장을 이용한 금속 나노분말 분급 장치.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 커패시터는 전해 콘덴서 또는 고전압 커패시터중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 펄스 자기장을 이용한 금속 나노분말 분급 장치.
7. 삭제
8. 금속 나노입자 분산액을 분급기 관(10)을 따라 흐르게 하는 단계;

   금속 나노입자 분산액이 분급기 관(10)의 출구를 향해 흐르면서 펄스 자기장에 지속적으로 노출되는 단계;

   나노입자가 펄스 자기장에 의하여 분급기 관(10)의 아래쪽으로 힘을 받게 되는 단계;

   사이즈가 큰 나노분말 입자들이 분급기 관(10)의 아래쪽 부분으로 침강하여 모이는 단계;

   분급기 관(10)의 출구에서 아래쪽에 모인 큰 나노분말 입자와 그 위쪽에 모인 작은 나노분말 입자를 별도로 추출하여 최종 분급이 이루어지는 단계;

   를 포함하고,

   상기 금속 나노입자 분산액이 분급기 관(10)내를 흐를 때, 분급기 관의 구간별로 시간적으로 세기가 변하는 펄스형태의 자기장을 인가하는 것을 특징으로 하는 펄스 자기장을 이용한 금속 나노분말 분급 방법.
9. 청구항 8에 있어서,

   상기 분급기 관(10)의 입구 부분에 있는 금속 나노입자 분산액에 긴 펄스 자기장을 인가하고, 상기 분급기 관(10)의 출구 부분에 있는 금속 나노입자 분산액에는 짧은 펄스 자기장을 인가하는 것을 특징으로 하는 펄스 자기장을 이용한 금속 나노분말 분급 방법.

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