KR101158188B1

KR101158188B1 - 나노 입자 합성 장치 및 이를 이용한 나노 입자 합성 방법

Info

Publication number: KR101158188B1
Application number: KR1020100009118A
Authority: KR
Inventors: 송순모; 김효섭; 김건우; 김상혁; 권상훈; 허강헌
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2010-02-01
Publication date: 2012-06-19
Also published as: US20120285817A1; US20110186419A1; KR20110089630A; US8641873B2; JP2011157257A; US8641976B2

Abstract

본 발명은 나노 입자 형성장치에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 나노 입자 형성장치는 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 생성기, 합성된 나노 입자를 회수하는 회수기, 그리고 플라즈마 생성기와 회수기 사이에 배치되며 플라즈마 생성기로부터 공급되는 원료를 냉각시켜 나노 입자를 합성시키는 냉각 유로를 구비하는 냉각기를 포함하되, 냉각 유로는 나노 입자의 이동 방향으로 갈수록 구간별로 낮은 냉각 온도를 갖는다.

Description

나노 입자 합성 장치 및 이를 이용한 나노 입자 합성 방법{APPARATUS FOR SYNTHESIZING NANO PARTICLES, AND METHOD FOR SYNTHESIZING THE NANO PARTICLES WITH THE SAME}

본 발명은 나노 입자 합성 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비교적 큰 사이즈의 나노 입자를 효과적으로 합성하기 위한 장치 및 이를 이용한 나노 입자의 합성 방법에 관한 것이다.

최근 세라믹 혹은 금속의 분말 합성을 위해 고온 플라즈마 기술이 채용되고 있다. 예컨대, 저온 동시 소성 세라믹(Low Temperature Co-fired Ceramic:LTCC) 및 고온 동시 소성 세라믹(High Temperature Co-fired Ceramic:HTCC) 등과 같은 세라믹 기판의 재료로 사용되는 나노 분말은 기계적 분쇄법, 졸-겔 법, 스프레이 열분해법, 연소 합성법, 그리고 고온 플라즈마 합성법으로 합성될 수 있으나, 최근에는 상기 고온 플라즈마 합성법이 다른 합성법들을 점차 대체하는 추세에 있다.

일반적인 고온 플라즈마 기술을 이용한 나노 입자의 합성 기술은 전구체(precursor)를 유도 전기장과 기체의 절연파괴에 의해 생성되는 고온 분위기에 노출시킨 후, 상기 고온 분위기에 의해 기화된 상기 전구체를 상대적으로 낮은 온도의 기체 흐름을 통과되도록 한다. 이에 따라, 상기 전구체가 급속냉각되도록 하여, 분말 형태의 나노 입자들을 합성한다.

그러나, 상기와 같은 고온 플라즈마를 이용한 나노 입자의 합성 기술은 큰 크기의 나노 입자를 형성하는데 한계를 갖는다. 예컨대, 상기와 같이, 기화된 전구체를 급속냉각하는 방식으로는 충분한 크기의 나노 입자로 합성되기 위한 반응 시간이 상대적으로 짧아지게 되므로, 큰 크기의 나노 입자를 형성하기 어렵다. 특히, 기술적인 한계로 인해, 현재의 고온 플라즈마 합성 장치로는 100nm 이상의 직경을 갖는 구형의 나노 입자를 안정적으로 형성하기 어렵다.

또한, 일반적인 고온 플라즈마를 이용한 나노 입자의 합성 기술은 합성된 나노 입자들이 합성 장치의 내벽에 증착되어, 장치 내부를 오염시키는 현상이 발생된다. 이와 같은 장치의 오염 현상은 상기 전구체의 급속냉각이 이루어지는 구간에서 집중된다. 이러한 장치의 오염이 누적되면, 나노 입자의 합성 효율이 저하된다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 큰 사이즈의 나노 입자를 효율적으로 형성하는 나노 입자 합성 장치 및 이를 이용한 나노 입자 합성 방법을 제공하는 것에 있다. 예컨대, 본 발명의 일 목적은 적어도 100nm 이상의 직경을 갖는 나노 입자를 안정적으로 합성하는 장치 및 이를 이용한 나노 입자의 합성 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 나노 입자의 합성 과정에서, 합성된 나노 입자가 장치 내벽에 증착되어, 장치 내부를 오염시키는 것을 방지하는 나노 입자 합성 장치 및 이를 이용한 나노 입자의 합성 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 실시예에 따른 나노 입자 형성장치는 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 생성기, 합성된 나노 입자를 회수하는 회수기, 그리고 상기 플라즈마 생성기와 상기 회수기 사이에 배치되며, 상기 플라즈마 생성기로부터 공급되는 원료를 냉각시켜 상기 나노 입자를 합성시키는 냉각 유로를 구비하는 냉각기를 포함하되, 상기 냉각 유로는 상기 나노 입자의 이동 방향으로 갈수록 구간별로 낮은 냉각 온도를 갖는다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 냉각 유로는 상기 나노 입자의 이동 방향으로 갈수록 단면적이 증가할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 냉각기는 상기 나노 입자의 이동 방향으로 갈수록 단면적이 증가하는 구조의 세라믹 튜브를 구비할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 냉각기는 상기 나노 입자의 이동 방향을 따라 적층된 환형의 냉각판들을 포함하고, 상기 냉각판들은 상기 나노 입자의 이동 방향으로 갈수록 중앙 개구의 직경이 큰 냉각판들이 위치되도록 구비될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 냉각판들 사이에는 상기 냉각 유로의 내벽을 향해 냉각 가스가 분사되도록 분사 각도가 조절된 분사구들이 제공되고, 상기 냉각기는 상기 분사구들 중 상대적으로 상기 플라즈마 생성기에 가까운 분사구들로 제1 냉각가스를 공급하는 제1 냉각가스 공급라인 및 상기 분사구들 중 상대적으로 상기 플라즈마 생성기로부터 먼 분사구들로 상기 제1 냉각가스에 비해 낮은 온도의 제2 냉각가스를 공급하는 제2 냉각가스 공급라인을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 냉각기를 기준으로 상기 플라즈마 생성기의 반대편에 배치되고, 상기 냉각 유로를 향해 상기 나노 입자의 이동 방향과 반대되는 방향으로 가스를 분사하는 감속가스 공급기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 플라즈마 생성기, 상기 냉각기, 그리고 상기 감속가스 공급기는 동일선상에 일렬로 배치되고, 상기 회수기는 상기 냉각기의 일측에 배치될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 나노 입자 형성장치는 플라즈마 분위기가 조성된 플라즈마 생성공간에 전구체를 통과시켜 나노 입자를 합성하는 합성부 및 합성된 상기 나노 입자를 회수하는 회수부를 포함하고, 상기 합성부는 상기 플라즈마 생성공간을 갖는 플라즈마 생성기, 상기 나노 입자가 합성되는 냉각 유로를 갖는 냉각기, 그리고 상기 냉각 유로로 상기 나노 입자의 이동 속도를 감소시키기 위한 감속가스를 공급하는 감속가스 공급기를 포함하고, 상기 회수부는 상기 냉각기의 측벽에 연결된 회수관 및 상기 회수관에 연결된 회수 챔버를 포함하되, 상기 플라즈마 발생부, 상기 냉각기 및 상기 가스 공급부는 제1 선을 따라 일렬로 순차 배치되고, 상기 회수관은 상기 냉각기의 일측에서 상기 제1 선에 수직한 제2 선 상에 배치될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 냉각 유로는 상기 감속가스 공급부로 갈수록 낮은 냉각 온도를 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 냉각 유로는 상기 감속가스 공급부로 갈수록 단면적이 증가할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 냉각기는 상기 플라즈마 생성기에 인접하게 배치된 제1 냉각기 및 상기 제1 냉각기에 비해 상기 플라즈마 생성기에 멀리 배치되는 제2 냉각기를 포함하되, 상기 제1 냉각기의 냉각온도는 상기 제2 냉각기의 냉각온도에 비해 높을 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 냉각기는 상기 플라즈마 생성기에 인접하게 배치된 제1 냉각기 및 상기 제1 냉각기에 비해 상기 플라즈마 생성기에 비해 멀리 배치되는 제2 냉각기를 포함하되, 상기 제1 냉각기 내 상기 냉각 유로는 상기 제2 냉각기 내 상기 냉각 유로에 비해 작은 단면적을 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 나노 입자 합성 방법은 플라즈마 생성공간에 원료를 제1 방향으로 이동시키는 단계, 상기 제1 방향을 따라 이동되는 상기 원료를 냉각시켜 나노 입자를 합성하는 단계, 그리고 합성된 상기 나노 입자를 회수하는 단계를 포함하되, 상기 나노 입자를 합성하는 단계는 상기 원료가 상기 제1 방향으로 이동되는 과정에서 점진적으로 낮은 온도로 냉각되도록 하여 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 나노 입자를 합성하는 단계는 상기 원료의 이동 속도를 감소시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 원료의 이동 속도를 감소시키는 단계는 상기 제1 방향으로 이동되는 상기 나노 입자를 향해, 상기 제1 방향의 반대되는 제2 방향으로 감속가스를 분사하여 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 원료의 이동 속도를 감소시키는 단계는 상기 나노 입자가 합성되는 냉각 유로의 단면적이 상기 제1 방향으로 갈수록 증가되도록 하여 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 나노 입자를 합성하는 단계는 상기 나노 입자가 합성되는 냉각 유로의 내벽을 향해 상기 제1 방향을 따라 냉각 가스를 분사하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 나노 입자를 회수하는 단계는 상기 냉각 유로를 상기 제1 방향으로 이동하는 나노 입자를 상기 제1 방향에 수직한 제3 방향으로 이동 방향을 전환시킨 후 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 나노 입자 합성 방법은 플라즈마 분위기가 조성된 플라즈마 생성공간을 전구체가 제1 방향으로 이동되는 과정에서, 상기 전구체를 냉각시켜 나노 입자를 형성하되, 상기 전구체의 냉각은 상기 제1 방향으로 갈수록 점진적으로 낮은 온도로 냉각되도록 하여 이루어진다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전구체의 냉각은 상기 전구체의 이동 속도를 감속하는 단계를 더 포함하되, 상기 전구체의 이동 속도를 감속하는 단계는 상기 제1 방향의 반대되는 제2 방향으로 상기 전구체를 향해 감속가스를 공급하여 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전구체의 냉각은 상기 전구체의 이동 속도를 감속하는 단계를 더 포함하되, 상기 전구체의 이동 속도를 감속하는 단계는 상기 나노 입자가 합성되는 냉각 유로의 단면적을 상기 제1 방향으로 갈수록 증가하도록 하여 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전구체의 냉각은 상기 나노 입자가 합성되는 냉각 유로의 내부에 상기 제1 방향으로 갈수록 낮은 온도의 냉각가스를 공급하여 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 나노 입자 합성 장치는 나노 입자의 합성을 위한 원료를 냉각시키는 냉각기를 구비하되, 상기 냉각기는 원료의 이동 방향으로 갈수록 냉각 온도가 낮아지도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 나노 입자 합성 장치는 나노 입자의 합성시 원료가 점진적으로 냉각되도록 하여, 상기 원료의 급랭(quick freezing, quenching)을 방지함으로써, 보다 큰 사이즈의 나노 입자를 합성할 수 있는 구조를 가질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 나노 입자 합성 장치는 나노 입자가 합성되는 냉각 유로를 따라 원료가 이동되는 과정에서, 상기 원료의 이동 속도가 감속되도록 하는 구조를 가질 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 나노 입자 합성 장치는 상기 냉각 유로 내에서 상기 원료의 체류 시간을 증가시켜, 보다 큰 사이즈의 나노 입자를 합성할 수 있는 확률을 증가시킨 구조를 가질 수 있다.

본 발명에 따른 나노 입자 합성 방법은 나노 입자가 합성되는 냉각 유로를 따라 원료가 이동되는 과정에서, 상기 원료가 점진적으로 냉각되도록 하여, 상기 원료의 급랭을 방지할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 나노 입자 합성 방법은 상기 냉각 유로 내에서 상기 원료의 합성 시간을 충분하게 하여, 보다 큰 사이즈의 나노 입자를 합성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 나노 입자 합성 방법은 나노 입자가 합성되는 냉각 유로를 따라 원료가 이동되는 과정에서, 상기 원료의 이동 속도가 감속되도록 할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 나노 입자 합성 방법은 상기 냉각 유로 내에서 상기 원료의 체류 시간을 증가시켜, 보다 큰 사이즈의 나노 입자를 합성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노 입자 합성 장치를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 나노 입자 합성 과정을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공될 수 있다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 명세서에서 사용된 용어들은 실시예을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 나노 입자 합성 장치 및 이를 이용한 나노 입자 합성 방법을 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노 입자 합성 장치를 보여주는 도면이고, 도 2는 도 1의 나노 입자 합성 장치의 나노 입자 합성 과정시의 모습을 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 나노 입자 합성 장치(100)는 합성부(101) 및 회수부(102)로 이루어질 수 있다. 상기 합성부(101)는 플라즈마 생성기(110), 냉각기(120), 그리고 감속가스 공급기(130)를 구비하고, 상기 회수부(102)는 회수기(140)를 구비할 수 있다. 상기 플라즈마 생성기(110), 상기 냉각기(120), 그리고 상기 감속가스 공급기(130)는 제1 선(10) 상에 일렬로 배치될 수 있다. 이에 반해, 상기 회수기(140)는 상기 냉각기(120)의 일측에서 상기 제1 선(10)에 수직한 제2 선(20) 상에 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 나노 입자 형성 장치(100)의 구성들(110, 120, 130, 140)은 대체로 'L'자 또는 'T'자 형태를 이룰 수 있다. 여기서, 상기 제1 선(10)은 상하로 수직한 선이고, 이에 따라 상기 플라즈마 생성기(110), 상기 냉각기(120), 그리고 상기 감속가스 공급기(130)는 상하로 배치될 수 있다.

상기 플라즈마 생성기(110)는 나노 입자의 합성시 고온 플라즈마 분위기를 이루는 플라즈마 생성공간(a)을 제공할 수 있다. 일 예로서, 상기 플라즈마 생성기(110)는 플라즈마 토치(112), 전원(114), 그리고 공급라인(116)을 포함할 수 있다. 상기 플라즈마 토치(112)는 상기 플라즈마 생성공간(a)에 플라즈마 불꽃(plasma flame)을 발생시키는 구성일 수 있다. 상기 전원(114)은 고주파 전원일 수 있다. 다른 예로서, 상기 전원(114)은 DC 전원일 수도 있다. 그리고, 상기 유체 공급라인(116)은 상기 플라즈마 생성공간(a)으로 다양한 종류의 유체들을 공급할 수 있다. 예컨대, 상기 유체 공급라인(116)은 원료 공급라인(116a), 센트럴 가스 공급라인(116b), 그리고 캐리어 가스 공급라인(116c)을 구비할 수 있다. 이에 더하여, 상기 유체 공급라인(116)은 상기 원료가 상기 장치(100)의 내벽에 증착되는 것을 방지하는 시스 가스(sheath gas)를 공급하는 시스 가스 공급라인(미도시됨)을 더 구비할 수 있다.

상기 냉각기(120)는 상기 플라즈마 생성기(110)으로부터 이동된 상기 원료를 냉각시킬 수 있다. 일 예로서, 상기 냉각기(120)는 제1 냉각기(122) 및 제2 냉각기(124)를 구비할 수 있다. 상기 제1 냉각기(122) 및 상기 제2 냉각기(124)는 내부에 유체가 이동되는 냉각 유로(121)를 구성할 수 있다. 상기 냉각 유로(121)는 상기 제1 선(10)에 평행한 길이 방향을 가질 수 있다. 상기 냉각 유로(121)는 상기 원료가 상기 제1 방향(X1)으로 이동되는 공간이고, 또한 상기 원료가 냉각되어 나노 입자가 합성되는 공간일 수 있다.

상기 제1 냉각기(122)는 상기 제2 냉각기(124)에 비해 상기 플라즈마 생성기(110)에 인접하게 배치될 수 있다. 상기 제1 냉각기(122)는 세라믹 튜브(122a) 및 상기 세라믹 튜브(122a)를 둘러싸는 세라믹 절연체(122b)로 구성될 수 있다. 상기 제2 냉각기(124)는 복수의 냉각판들(124a)로 구성될 수 있다. 상기 냉각판들(124a) 각각은 중앙이 개방된 링(ring) 형상을 가질 수 있다. 이에 더하여, 상기 냉각판들(124a)은 상기 제l 방향(X1), 예컨대 상하 방향으로 적층된 구조를 가질 수 있다. 상기 냉각판들(124a) 사이에는 소정의 냉각가스가 분사되는 분사구들(126)이 제공될 수 있다. 상기 분사구들(126)은 냉각가스 공급라인(125)으로부터 공급받은 냉각가스를 상기 냉각 유로(121) 내부로 분사할 수 있다. 여기서, 상기 분사구들(126)의 분사 각도는 상기 냉각 유로(121)의 내벽을 향해 상기 냉각가스가 분사되도록 조절될 수 있다. 이에 따라, 상기 냉각가스는 나노 입자 합성 공정시 상기 냉각 유로(121) 내에서 합성된 나노 입자가 상기 냉각 유로(121)의 내벽에 증착되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 상기 제1 냉각기(122)와 상기 제2 냉각기(124)는 서로 상이한 냉각 온도가 설정될 수 있다. 예컨대, 상기 제1 냉각기(122)는 상기 제2 냉각기(124)에 비해 높은 냉각 온도가 설정될 수 있다. 이에 더하여, 각각의 상기 제1 및 제2 냉각기들(122, 124) 또한 상기 제1 방향(X1)으로 갈수록 구간별로 낮은 냉각 온도로 냉각되도록 구성될 수 있다. 일 예로서, 상기 제1 냉각기(122)의 세라믹 튜브(122a)는 제1 방향(X1)으로 갈수록 구간별로 낮은 냉각 온도를 갖도록 설정될 수 있다. 이를 위해, 상기 제1 냉각기(122)는 복수의 세라믹 히터들을 구비할 수 있으며, 이 경우 상기 제1 방향(X1)으로 갈수록 낮은 가열 온도로 설정된 세라믹 히터들이 배치되도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 제2 냉각기(124)는 상기 제1 방향(X1)으로 갈수록 낮은 냉각 온도의 냉각가스가 분사되도록 구성될 수 있다. 일 예로서, 상기 분사구(126)는 상하로 복수개가 구비되며, 상기 분사구(126)들은 상기 제1 방향(X1)으로 갈수록 낮은 온도의 냉각가스를 분사하도록 배치될 수 있다. 이를 위해, 상기 냉각가스 공급라인(125)은 상대적으로 높은 위치에 배치된 제1 분사구들(126a)로 냉각가스를 공급하는 제1 냉각가스 공급라인(125a) 및 상기 제1 분사구들(126a)에 비해 낮은 위치에 배치된 제2 분사구들(126b)로 냉각가스를 공급하는 제2 냉각가스 공급라인(125b)을 구비하되, 상기 제1 냉각가스 공급라인(125a)은 상기 제2 냉각가스 공급라인(125b)에 비해, 높은 온도의 냉각 가스를 공급할 수 있다.

또한, 상기 제1 냉각기(122) 및 상기 제2 냉각기(124)는 상기 냉각 유로(121)가 상기 제1 방향(X1)으로 갈수록 단면적이 증가하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 상기 제1 냉각기(122)의 상기 세라믹 튜브(122a)는 상기 제1 방향(X1)으로 갈수록 단면적이 증가하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 냉각판들(124a)은 서로 상이한 개구 직경들이 상하로 적층된 구조를 가지되, 상기 제1 방향(X1)으로 갈수록 개구 직경이 큰 냉각판들(124a)이 배치되도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 냉각기(122) 및 상기 제2 냉각기(124) 중 적어도 어느 하나는 상기 제1 방향(X1)으로 갈수록, 단면적이 증가되는 구조의 상기 냉각 유로(121)를 구성할 수 있다.

상기 감속가스 공급기(130)는 상기 냉각 유로(121)를 향해 상기 원료 및 상기 나노 입자의 이동속도를 감소시키기 위한 가스(이하, 감속가스)를 공급할 수 있다. 일 예로서, 상기 감속가스 공급기(130)는 공급포트(132) 및 상기 공급포트(132)에 연결된 감속가스 공급라인(134)을 포함할 수 있다. 상기 공급포트(132)는 상기 냉각기(120)를 기준으로 상기 플라즈마 발생부(110)의 반대편에 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 감속가스 공급라인(134)으로부터 공급받은 상기 감속가스는 상기 공급포트(132)에 의해 상기 제1 방향(X1)에 반대되는 제2 방향(X2)으로 상기 냉각 유로(121)에 분사될 수 있다.

상기 회수기(140)는 합성된 나노 입자를 회수할 수 있다. 일 예로서, 상기 회수기(140)는 회수관(142) 및 상기 회수관(142)에 연결된 회수 챔버(144)를 구비할 수 있다. 상기 회수관(142)의 일단은 상기 냉각기(120)의 측벽에 연결되고, 타단은 상기 회수 챔버(144)에 연결될 수 있다. 상기 회수 챔버(144)는 대체로 상기 냉각기(120)의 일 측에 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 냉각기(120) 내에서 상기 제1 방향(X1)을 따라 이동되는 상기 나노 입자는 상기 회수관(142)에 의해 상기 제1 방향(X1)에 수직한 제3 방향(Y)으로 방향이 전환된 후, 상기 회수 챔버(144)에 회수될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 나노 입자 합성 장치(100)는 나노 입자의 합성을 위한 원료를 냉각시키는 냉각기(120)를 구비하되, 상기 냉각기(120)는 상기 원료의 이동 방향으로 갈수록 구간별로 냉각 온도가 낮아지도록 구성된 제1 및 제2 냉각기들(122, 124)을 구비할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 나노 입자 형성 장치(100)는 나노 입자의 합성시 상기 제1 방향(X1)으로 갈수록 상기 원료의 냉각 온도가 점차 낮은 온도로 냉각되도록 하여, 상기 원료의 급랭을 방지하는 구조를 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 나노 입자 합성 장치(100)는 상기 제1 방향(X1)으로 갈수록 단면적이 증가하는 구조의 제1 및 제2 냉각기들(122, 124)을 구비할 수 있다. 이에 따라, 상기 나노 입자는 상기 냉각기(120)를 이동하는 과정에서 그 이동 속도가 감소되므로, 상기 나노 입자 합성 장치(100)는 상기 냉각 유로(121)에서의 상기 원료의 체류 시간을 증가시키는 구조를 가질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 나노 입자 합성 장치(100)는 상기 냉각기(120)에 상기 나노 입자의 이동 방향에 반대되는 제2 방향(X2)으로 상기 감속가스를 공급하는 감속가스 공급기(130)를 구비할 수 있다. 이에 따라, 상기 나노 입자 합성 장치(100)는 상기 나노 입자의 합성시, 상기 냉각기(120)를 이동하는 상기 나노 입자의 이동속도를 감소시켜, 상기 냉각 유로(121)에서의 상기 원료의 체류 시간을 증가시키는 구조를 가질 수 있다.

계속해서, 상기와 같은 구조의 나노 입자 합성 장치(100)를 이용한 나노 입자의 합성 방법에 대해 상세히 설명한다. 여기서, 앞서 살펴본 나노 입자 합성 장치(100)에 대해 중복되는 내용은 생략하거나 간소화할 수 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 전원(114)은 상기 플라즈마 토치(112)에 소정의 고주파 전력을 인가할 수 있다. 그리고, 유체 공급라인(116)의 센트럴 가스 공급라인(116b)은 상기 플라즈마 생성공간(a)으로 센트럴 가스(30)를 공급할 수 있다. 상기 센트럴 가스(30)로는 아르곤 가스(Ar)가 사용될 수 있다. 상기 센트럴 가스(30) 상기 플라즈마 토치(112)에 의해 활성화되며, 이에 따라 상기 플라즈마 생성공간(a)에는 플라즈마 불꽃(P)이 생성될 수 있다. 그리고, 유체 공급라인(116)의 원료 공급라인(116a) 및 캐리어 가스 공급라인(116c)은 상기 플라즈마 토치(112)를 통해, 상기 플라즈마 생성공간(a)으로 원료(40) 및 캐리어 가스(50)를 각각 공급할 수 있다. 상기 원료(40)는 합성하고자 하는 나노 입자(70)의 전구체(precusor)일 수 있다. 상기 캐리어 가스(50)에 의해 상기 원료(40)는 냉각기(120)의 냉각 유로(121)를 제1 방향(X1)을 따라 효과적으로 이동될 수 있다. 또한, 감속가스 공급기(130)의 감속가스 공급라인(134)은 공급포트(132)로 감속가스(60)를 공급할 수 있다. 상기 공급포트(132)를 통해 공급된 상기 감속가스(60)는 상기 냉각 유로(121)를 제2 방향(X2)으로 이동할 수 있다.

상기 원료(40)는 상기 냉각기(120)의 냉각 유로(121)를 이동하는 과정에서, 제1 및 제2 냉각기들(122, 124)에 의해 차례로 냉각되어, 나노 입자(70)로 합성될 수 있다. 여기서, 상기 제1 및 제2 냉각기들(122, 124)은 상기 제1 방향(X1)으로 갈수록 구간별로 낮은 냉각 온도로 상기 냉각 유로(121)를 냉각할 수 있다. 예컨대, 상기 제1 냉각기(122)의 세라믹 튜브(122a)는 상기 제1 방향(X1)으로 갈수록 냉각 온도가 낮아지도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 제2 냉각기(124)의 제1 냉각가스 공급라인(125a)은 상대적으로 높은 위치에 있는 제1 분사구들(126a)로 제1 냉각 가스(80)를 공급하고, 제2 냉각가스 공급라인(125b)은 제2 분사구들(126b)로 상기 제1 냉각 가스(80)에 비해 낮은 온도의 제2 냉각 가스(90)를 공급할 수 있다. 따라서, 상기 원료(40)는 상기 냉각 유로(121)를 이동하는 과정에서, 구간별로 점차 낮은 냉각 온도로 냉각될 수 있다. 이에 따라, 상기 냉각 유로(121)에서의 상기 원료(40)의 급랭을 방지하여, 보다 큰 사이즈로의 나노 입자(70)로 합성될 확률을 높임으로써, 결과적으로 큰 사이즈의 나노 입자(70)가 합성될 수 있다.

또한, 상기 냉각 유로(121)는 상기 제1 방향(X1)으로 갈수록 단면적이 증가하는 구조로 제공될 수 있다. 이 경우 상기 원료(40)의 이동 속도는 상기 냉각 유로(121)를 이동하는 과정에서 감속될 수 있다. 이와 더불어, 상기 원료(40)의 이동 속도의 감속은 앞서 살펴본 상기 감속가스(60)에 의해서도 이루어질 수 있다. 이와 같이, 상기 냉각 유로(121)를 이동하는 상기 원료(40)의 이동 속도가 감소되도록 하여, 상기 원료(40)가 상기 냉각 유로(121) 내에서 체류하는 시간을 증가시킴으로써, 보다 큰 사이즈의 나노 입자(70)로 합성될 확률을 증가시킬 수 있다. 합성된 나노 입자(70)는 대체로 분말 형태로서 구 형상을 가질 수 있다. 이때, 상기와 같은 방식으로 합성된 나노 입자(70)는 적어도 100nm 이상의 직경을 가질 수 있다.

상기와 같은 나노 입자(70)는 회수관(142)을 통해 상기 합성부(101)로부터 배출되어, 회수부(102)에 유입될 수 있다. 여기서, 상기 회수부(102)는 상기 합성부(101)의 냉각기(120)의 일측에 배치되므로, 상기 나노 입자(70)는 상기 제1 방향(X1)에 대체로 수직한 제3 방향(Y)으로 그 이동방향이 전환된 후, 회수 챔버(144)로 회수될 수 있다. 이 경우, 상기 회수부(102)가 상기 제1 선(10)을 따라 상기 합성부(101)와 일렬로 배치되는 경우에 비해, 상기 원료(40)의 이동 속도를 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 보다 큰 사이즈의 나노 입자(70)가 합성될 수 있다.

한편, 상술한 바와 같이, 상기 나노 입자 합성 장치(100)는 상기 냉각 유로(121) 내에서 상기 원료(40)의 급랭을 방지함으로써, 상기 원료(40)가 상기 냉각 유로(121)의 내벽에 증착되는 것을 방지할 수 있다. 예컨대, 상기 원료(40)에 의해 장치(100)의 내부 구성이 오염되는 현상이 발생될 수 있으며, 이러한 오염 현상은 상기 원료(40)의 급랭이 이루어지는 영역에 집중될 수 있다. 그러나, 앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 상기 원료(40)가 상기 냉각 유로(121) 내에서 급랭되는 것을 방지하므로, 상기 냉각 유로(121)의 내벽이 오염되는 것을 방지할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 나노 입자 합성 장치(100)를 이용한 나노 입자의 합성 방법은 나노 입자(70)가 합성되는 냉각 유로(121)를 따라 상기 원료(40)가 이동되는 과정에서, 상기 원료(40)가 점진적으로 냉각되도록 하여, 상기 원료(40)의 급랭을 방지할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 나노 입자 형성 방법은 상기 냉각 유로(121) 내에서 상기 원료(40)의 합성 시간을 충분하게 하여, 보다 큰 사이즈의 나노 입자(70)를 합성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 나노 입자 합성 방법은 상기 나노 입자(70)가 합성되는 냉각 유로(121)를 따라 원료(40)가 이동되는 과정에서, 상기 원료(40)의 이동 속도가 감속되도록 할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 나노 입자 합성 방법은 상기 냉각 유로(121) 내에서 상기 원료(40)의 체류 시간을 증가시켜, 보다 큰 사이즈의 나노 입자를 합성할 수 있다.

이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예는 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 나노 입자 합성 장치
101 : 합성부
102 : 회수부
110 : 플라즈마 생성기
112 : 플라즈마 토치
114 : 전원
116 : 유체 공급라인
120 : 냉각기
121 : 냉각 유로
122 : 제1 냉각기
124 : 제2 냉각기
125 : 냉각가스 공급라인
126 : 분사구들
130 : 감속가스 공급기
132 : 공급포트
134 : 감속가스 공급라인
140 : 회수기
142 : 회수관
144 : 회수챔버

Claims

플라즈마를 발생시키는 플라즈마 생성기;
합성된 나노 입자를 회수하는 회수기; 및
상기 플라즈마 생성기와 상기 회수기 사이에 배치되며, 상기 플라즈마 생성기로부터 공급되는 원료가 냉각되면서 상기 나노 입자가 합성되는 냉각 유로를 구비하는 냉각기를 포함하되,
상기 냉각 유로는 상기 나노 입자의 이동 방향으로 갈수록 구간별로 낮은 냉각 온도로 설정된 나노 입자 합성 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 냉각 유로는 상기 나노 입자의 이동 방향으로 갈수록 단면적이 증가하는 나노 입자 합성 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 냉각기는 상기 나노 입자의 이동 방향으로 갈수록 단면적이 증가하는 구조의 세라믹 튜브를 구비하는 나노 입자 합성 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 냉각기는 상기 나노 입자의 이동 방향을 따라 적층된 환형의 냉각판들을 포함하고,
상기 냉각판들은 상기 나노 입자의 이동 방향으로 갈수록 중앙 개구의 직경이 큰 냉각판들이 위치되도록 제공된 나노 입자 합성 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 냉각판들 사이에는 상기 냉각 유로의 내벽을 향해 냉각 가스가 분사되도록 분사 각도가 조절된 분사구들이 제공되고,
상기 냉각기는:
상기 분사구들 중 상대적으로 상기 플라즈마 생성기에 가까운 분사구들로 제1 냉각가스를 공급하는 제1 냉각가스 공급라인; 및
상기 분사구들 중 상대적으로 상기 플라즈마 생성기로부터 먼 분사구들로 상기 제1 냉각가스에 비해 낮은 온도의 제2 냉각가스를 공급하는 제2 냉각가스 공급라인을 포함하는 나노 입자 합성 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 냉각기를 기준으로 상기 플라즈마 생성기의 반대편에 배치되고, 상기 냉각 유로를 향해 상기 나노 입자의 이동 방향과 반대되는 방향으로 가스를 분사하는 감속가스 공급기를 더 포함하는 나노 입자 합성 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 플라즈마 생성기, 상기 냉각기, 그리고 상기 감속가스 공급기는 동일선상에 일렬로 배치되고,
상기 회수기는 상기 냉각기의 일측에 배치된 나노 입자 합성 장치.
플라즈마 분위기가 조성된 플라즈마 생성공간에 전구체를 통과시켜 나노 입자를 합성하는 합성부; 및
합성된 상기 나노 입자를 회수하는 회수부를 포함하고,
상기 합성부는:
상기 플라즈마 생성공간을 갖는 플라즈마 생성기;
상기 나노 입자가 합성되는 냉각 유로를 갖는 냉각기; 및
상기 냉각 유로로 상기 나노 입자의 이동 속도를 감소시키기 위한 감속가스를 공급하는 감속가스 공급기를 포함하고,
상기 회수부는:
상기 냉각기의 측벽에 연결된 회수관; 및
상기 회수관에 연결된 회수 챔버를 포함하되,
상기 플라즈마 발생부, 상기 냉각기 및 상기 가스 공급부는 제1 선을 따라 일렬로 순차 배치되고,
상기 회수관은 상기 냉각기의 일측에서 상기 제1 선에 수직한 제2 선 상에 배치된 나노 입자 합성 장치.
제 8 항에 있어서,
상기 냉각 유로는 상기 감속가스 공급부로 갈수록 낮은 냉각 온도를 갖는 나노 입자 합성 장치.
제 8 항에 있어서,
상기 냉각 유로는 상기 감속가스 공급부로 갈수록 단면적이 증가하는 나노 입자 합성 장치.
제 8 항에 있어서,
상기 냉각기는:
상기 플라즈마 생성기에 인접하게 배치된 제1 냉각기; 및
상기 제1 냉각기에 비해 상기 플라즈마 생성기에 멀리 배치되는 제2 냉각기를 포함하되,
상기 제1 냉각기의 냉각온도는 상기 제2 냉각기의 냉각온도에 비해 높은 나노 입자 합성 장치.
제 8 항에 있어서,
상기 냉각기는:
상기 플라즈마 생성기에 인접하게 배치된 제1 냉각기; 및
상기 제1 냉각기에 비해 상기 플라즈마 생성기에 멀리 배치되는 제2 냉각기를 포함하되,
상기 제1 냉각기 내 상기 냉각 유로는 상기 제2 냉각기 내 상기 냉각 유로에 비해 작은 단면적을 갖는 나노 입자 합성 장치.
플라즈마 생성공간에 원료를 제1 방향으로 이동시키는 단계; 및
상기 제1 방향을 따라 이동되는 상기 원료를 냉각시켜 나노 입자를 합성하는 단계;
상기 나노 입자를 합성하는 단계는 상기 원료가 상기 제1 방향으로 이동되는 과정에서 점진적으로 낮은 온도로 냉각되도록 하여 이루어지는 나노 입자 합성 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 나노 입자를 합성하는 단계는 상기 원료의 이동 속도를 감소시키는 단계를 더 포함하는 나노 입자 합성 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 원료의 이동 속도를 감소시키는 단계는 상기 제1 방향으로 이동되는 상기 나노 입자를 향해, 상기 제1 방향의 반대되는 제2 방향으로 감속가스를 분사하여 이루어지는 나노 입자 합성 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 원료의 이동 속도를 감소시키는 단계는 상기 나노 입자가 합성되는 냉각 유로의 단면적이 상기 제1 방향으로 갈수록 증가되도록 하여 이루어지는 나노 입자 합성 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 나노 입자를 합성하는 단계는 상기 나노 입자가 합성되는 냉각 유로의 내벽을 향해 상기 제1 방향을 따라 냉각 가스를 분사하는 단계를 더 포함하는 나노 입자 합성 방법.
제 13 항에 있어서,
합성된 상기 나노 입자를 회수하는 단계를 더 포함하되,
상기 나노 입자를 회수하는 단계는 상기 냉각 유로를 상기 제1 방향으로 이동하는 나노 입자를 상기 제1 방향에 수직한 제3 방향으로 이동 방향을 전환시킨 후 이루어지는 나노 입자 합성 방법.
플라즈마 분위기가 조성된 플라즈마 생성공간을 전구체가 제1 방향으로 이동되는 과정에서, 상기 전구체를 냉각시켜 나노 입자를 형성하되, 상기 전구체의 냉각은 상기 제1 방향으로 갈수록 점진적으로 낮은 온도로 냉각되도록 하여 이루어지는 나노 입자 합성 방법.
제 19 항에 있어서,
상기 전구체의 냉각은 상기 전구체의 이동 속도를 감속하는 단계를 더 포함하되,
상기 전구체의 이동 속도를 감속하는 단계는 상기 제1 방향의 반대되는 제2 방향으로 상기 전구체를 향해 감속가스를 공급하여 이루어지는 나노 입자 합성 방법.
제 19 항에 있어서,
상기 전구체의 냉각은 상기 전구체의 이동 속도를 감속하는 단계를 더 포함하되,
상기 전구체의 이동 속도를 감속하는 단계는 상기 나노 입자가 합성되는 냉각 유로의 단면적을 상기 제1 방향으로 갈수록 증가하도록 하여 이루어지는 나노 입자 합성 방법.
제 19 항에 있어서,
상기 전구체의 냉각은 상기 나노 입자가 합성되는 냉각 유로의 내부에 상기 제1 방향으로 갈수록 낮은 온도의 냉각가스를 공급하여 이루어지는 나노 입자 합성 방법.