KR101170996B1 - 나노 입자용 분급 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 균일한 크기의 나노분말을 양산하기 위한 분말 분급장치에 대한 것으로서, 본 발명의 분말 분급장치를 나노분말을 제조하는 장치의 채취단계 이전에 추가로 삽입하여, 분말 크기에 따른 관성의 차이를 이용하여 일정 크기의 분말을 분리할 수 있는 장치에 관련된 발명이다.
본 발명의 나노 입자용 분급장치의 기술적 수단은, 가스 흐름의 세기를 노즐 구멍의 크기를 통해 조절하는 노즐판과, 상기 노즐판에서 하방으로 이격되어 위치하고, 높이를 조절하여 가스 흐름의 세기를 조절하는 높이조절판과, 상기 높이조절판의 하방에 부착되고, 가스 흐름의 주통로와 부통로로 구성된다.

Description

나노 입자용 분급 장치{SEPARATION DEVICE FOR NANO PARTICLES}
본 발명은 균일한 크기의 나노분말을 양산하기 위한 분말 분급장치에 대한 것으로서, 본 발명의 분말 분급장치를 나노분말을 제조하는 장치의 채취단계 이전에 추가로 삽입하여, 분말 크기에 따른 관성의 차이를 이용하여 일정 크기의 분말을 분리할 수 있는 장치에 관련된 발명이다.
나노분말 소재는 기존의 벌크 소재와 다른 특이하고 유용한 성질을 가지고 있어, 다양한 산업 및 과학기술 분야에 광범위하게 사용되고 있다.
나노분말은 화학적인 방법으로 액상공정을 이용하여 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 플라즈마, 증발/응축, 전기폭발법과 같은 물리적인 방법으로 기상공정을 이용하여 제조할 수도 있다.
일반적으로 화염법 또는 전기폭발법과 같은 기상공정은 고순도 및 고수율이 요구되는 나노분말 소재의 양산에 널리 사용되고 있다. 그러나, 기상법의 종류와 재료, 양산조건 등에 따라 제조되는 분말의 크기가 균일하지 않고, 수 나노미터에서 수 마이크론까지의 넓은 크기분포를 갖는 문제가 발생한다. 특히 서브마이크론 이상인 큰 분말의 발생은 반도체 패키징 또는 자동차 엔진 윤활유 첨가제 등의 소재로 사용될 때 제품의 품질을 저하시키는 원인이 되고 있다.
기본적으로 기상공정으로 금속 나노분말을 제조하는 장치에는 수 마이크론 이상의 분말을 중력침강법으로 제거하기 위한 버퍼트랩과 서브마이크론 이상의 분말을 채취 또는 제거하기 위한 사이클론이 장착되어 있을 수 있으나, 그 효과는 좋지 않은 실정이다.
본 발명은 나노분말을 양산할 수 있는 기상공정법의 하나인 전기폭발법으로 제조된 다양한 크기 범위의 분말을 대상으로, 관성의 차이를 이용하여 서브마이크론 크기 이상의 분말을 분리할 수 있는 가상 임팩터 방식의 분급장치를 제공하기 위한 것이다.
일반적으로 기상에 부유되어 있는 금속분말의 거동을 지배하는 메커니즘으로는 중력침강, 관성에 의한 충돌, 브라운 운동에 의한 확산, 온도차에 의한 열 영동, 하전된 분말의 정전기력에 의한 전기적 이동 등이 있다. 관성에 의한 충돌의 경우 관성력이 커지는 좁은 직경의 노즐 가속 구간 직후에 충돌판을 위치시켜 공기의 흐름이 직각으로 꺾이게 함으로써 특정 크기 이하의 분말은 작은 관성으로 인해 공기의 흐름을 따라 이동하는 반면, 특정 크기 이상의 큰 분말은 관성이 크기 때문에 직각으로 꺾이는 부분에서 공기의 흐름을 따라가지 못하고 벗어나면서 충돌판 표면에 충돌, 부착되어 제거되는 현상을 의미하며, 이것은 통상적인 임팩터의 원리로 설명된다.
그러나 통상적인 임팩터의 경우 충돌판 표면에 큰 입자가 지속적으로 누적되어 유로가 막히는 문제가 발생할 수 있고, 충돌판 표면에 충돌했으나 부착되지 않거나 또는 부착되었던 입자가 시간이 지난 후 다시 떨어져 나오는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 충돌판에 누적된 분말을 다른 용도로 활용하지 못하고 폐기할 수밖에 없다.
이러한 통상적인 임팩터의 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 충돌판 위치에 물리적인 충돌판 대신 좁은 유로를 만들어 임팩터의 문제를 해결할 수 있는 가상 임팩터의 원리를 적용하였다. 즉, 기상공정을 이용하는 금속 나노분말 제조설비에 서브마이크론 분말 분리용 가상 임팩터 장치를 삽입하여 관성의 차이로 금속분말 중 서브마이크론 이상의 큰 분말을 분리하는 것을 본 발명의 목표로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 나노 입자용 분급장치의 기술적 수단은, 가스 흐름의 세기를 노즐 구멍의 크기를 통해 조절하는 노즐판과, 상기 노즐판에서 하방으로 이격되어 위치하고, 높이를 조절하여 가스 흐름의 세기를 조절하는 높이조절판과, 상기 높이조절판의 하방에 부착되고, 가스 흐름의 주 유동통로와 부 유동통로로 구성된 가상 충돌판을 포함한다.
상기 노즐판은 압력손실이 적으면서 가스 흐름을 빠르게 유지하기 위하여, 중앙을 중심으로 대칭이 되도록 원주 방향으로 상기 노즐 구멍을 형성할 수 있다.
상기 노즐판은 압력손실이 적으면서 가스 흐름을 빠르게 유지하기 위하여, 상부는 기체 흐름을 원활하게 상기 노즐판 쪽으로 유도하기 위하여 원뿔 형태로 할 수 있다.
상기 높이 조절판은 높이 조절수단을 구비할 수 있다.
상기 높이 조절판은 높이 조절을 통해 분리시키고자 하는 입자의 크기를 조절할 수 있다.
상기 가상 충돌판은 가스의 유동을 주유동과 부유동으로 분리할 수 있는 주 유동통로와 부 유동통로로 구성한다.
상기 가상 충돌판에 형성된 구멍의 크기를 조절하여 분리되는 입자의 크기를 조절할 수 있다.
상기 가상 충돌판은 원주 방향으로 서로 다른 반경에서 2열의 구멍이 뚫려 있고, 각 열의 구멍을 통해 서로 다른 크기의 입자를 채집할 수 있다.
상기 가상 충돌판의 안쪽 1열의 흐름을 채집용기에 별도로 연결시킨다.
상기 나노 입자용 분급장치는 버퍼트랩 이후에 설치될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 나노분말의 양산공정에서 제조되는 분말 중 특정 크기 이상의 분말을 효과적으로 분리하여 일정한 크기 이하의 나노분말을 양산할 수 있다. 즉, 제품의 품질을 저하시키는 원인이 되는 서브마이크론 이상의 큰 분말을 사전에 분리함으로써 제품의 품질을 향상시킬 수 있다. 또한 나노분말을 입도별로 채취할 수 있어 고품질의 나노분말을 양산할 수 있다.
도 1은 본 발명의 장치를 기상공정에 의한 금속 나노분말 제조설비에 적용한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 분말 분리용 나노 입자용 분급장치의 상세도이다.
도 3a는 본 발명의 가상 충돌판의 평면도이고, 도 3b는 본 발명의 가상 충돌판의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 분말 분리용 나노 입자용 분급장치의 상류와 하류에서 측정한 금속분말의 입경분포 비교 그래프이다.
도 5a와 5b는 본 발명의 나노 입자용 분급장치의 상류(도5a)와 하류(도5b)에서 채취한 금속분말의 SEM 비교사진이다.
본 발명은 일정 크기 범위의 금속 나노분말을 양산하기 위한 분말 분급장치에 관한 것으로, 분말의 관성을 이용하여 제조되는 분말의 거동을 제어하여 특정 크기 이상인 분말을 분리하는 기술에 관한 것이다.
본 발명의 분급장치를 통해 넓은 범위의 입자 크기로 양산되는 분말 중 품질 저하의 원인이 되는 서브마이크론 크기 이상인 분말을 분리할 수 있다. 따라서 제조되는 분말을 크기 그룹별로 분리하여 고품질의 나노분말의 양산을 가능하게 하고, 크기 그룹별로 적절한 용도의 제품으로 활용할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 장치를 기상공정에 의한 금속 나노분말 양산용 제조설비에 적용한 구성도이다. 나노 입자 발생장치(600)(여기서, 전기 폭발 챔버)에서 생성되는 나노 입자가 장치 내부의 가스의 흐름을 따라 버퍼트랩(100)을 통과한 후, 본 발명의 나노 입자용 분급장치인 가상 임팩터 장치(200)를 통과한다. 여기서, 송풍기(500)는 가스의 흐름을 발생시킨다. 가스는 불활성 가스인 아르곤이나 질소를 사용할 수 있다. 나노 입자용 분급장치 후에는 최종적으로 금속분말 채취장치(400)가 위치한다.
본 발명의 나노 입자용 분급장치(일명 가상 임팩터 장치)는 분급을 통해서 희망하지 않는 크기의 입자는 채집용기(300)에 축적되고, 희망하는 입자의 나노크기 입자는 최종적으로 금속분말 채취 장치를 통해 축적된다. 상기 채취용기(300)는 도 2에 상세히 도시되어 있는 가상 충돌판(30)의 안쪽 1열의 부 유동통로(32)를 통해 분리되는 서브마이크론 크기 이상의 금속 분말을 중력침강에 의해 채취하고, 가스는 다시 주 흐름으로 되돌려 보내는 구조를 갖고 있다. 이 채취용기(300)에 채취되는 서브마이크론 이상의 금속 분말은 별도로 채취하여 사용할 수 있다.
상기 도 1의 금속 나노분말 양산용 제조설비는 폐쇄회로 형태로 기체가 송풍기(500)에 의해 순환된다. 분말제조설비 속의 금속 와이어를 일정한 시간 간격으로 폭발챔버에 공급하면서 고전압(약 30 kV), 대전류(105 A/mm2)를 순간적으로 챔버 내의 금속 와이어에 방전시키면 고온에 의해 금속 와이어가 금속 증기로 기화된다. 그 후 기화된 나노입자는 상온인 주위 기체(질소가스)에 의해 급속히 냉각되면서 다양한 크기의 금속 분말이 제조된다. 이렇게 제조된 금속 분말은 송풍기에 의해 폭발챔버로부터 배출되어, 1차적으로 버퍼트랩에서 5 ㎛ 이상인 분말이 중력침강에 의해 분리된다. 이후 분리되지 않은 크기의 금속 분말은 순환되는 기체에 의해 제조설비의 하류로 이송되며, 보다 정교하게 서브마이크론 분말을 분리할 수 있는 나노 입자용 분급장치(가상 임팩터 장치)로 이동하게 된다. 분말의 관성력을 이용하는 본 발명의 가상 임팩터 장치는 0.5 ㎛ 이상의 크기를 갖는 분말을 분류할 수 있도록 설계하였다.
도 2는 본 발명의 나노 입자용 분급장치의 상세도이다. 본 발명의 나노 입자용 분급장치는 노즐판(10)과 높이 조절판(20)과 가상 충돌판(30)으로 구성된다. 가스의 흐름은 노즐판(10)의 노즐 구멍(12)을 먼저 통과하고, 주 유동통로(31)와 부 유동통로(32)가 구비된 가상 충돌판(30)의 상기 두 유동통로를 통해서 가스의 흐름이 통과한다. 노즐 구멍(12)는 부 유동통로(32)와 대응되도록 구멍의 크기를 동일 또는 유사하게 하는 것이 바람직하다.
상기 노즐판에서 하방으로 이격되어 위치하고, 높이를 조절하여 가스 흐름의 세기를 조절하는 높이조절판(20)이 상기 노즐판과 가상 충돌판의 사이에 설치된다.
상기 높이 조절판(20)은 가스 흐름의 압력손실이 낮으면서 서브마이크론 금속분말의 분리가 잘 이루어지도록 상기 노즐판(10)과 가상 충돌판(30)의 간격을 조절할 수 있는 기능을 갖는다. 이를 위한 상기 높이 조절판(20)은 높이 조절수단(21)을 구비한다. 상기 높이 조절수단은 볼트 등의 회전을 통해서 간단히 구현될 수 있다. 이러한 높이 조절을 통해 분리를 희망하는 입자의 크기를 적절하게 조절할 수 있다.
상기 노즐판은 압력손실이 적으면서 가스 흐름을 빠르게 유지하기 위하여, 중앙을 중심으로 대칭이 되도록 원주 방향으로 상기 노즐 구멍을 형성할 수 있다. 가스 흐름의 세기는 이러한 노즐 구멍의 크기 및 형상 그리고 노즐판위에 형성된 위치를 통해 조절 가능하다.
가능한 노즐판의 형상은 압력손실이 적으면서 가스 흐름을 빠르게 유지하기 위하여 중앙을 중심으로 대칭이 되도록 원주 방향으로 8개의 노즐 구멍이 같은 간격으로 뚫려 있고, 중앙 상부는 기체 흐름을 원활하게 노즐쪽으로 유도하기 위하여 원뿔 형태일 수 있다. 노즐의 구멍의 크기나 개수 또는 형상은 입자의 크기를 조절하기 위해 적절하게 변경될 수 있다.
도 2에서 분말을 포함한 기체 유동이 주 유동과 부 유동으로 나누어지게 되며, 주 유동에는 관성력이 작은 금속 분말이 포함되어 흐르게 되고, 부 유동에는 관성력이 큰 금속 분말이 포함되어 흐르게 되어 별도로 설치된 채집용기(300)에 채취된다. 여기서 기체의 주 유동이 발생하는 곳을 주 유동통로(31)이고, 부 유동이 발생하는 곳을 부 유동통로(32)이다. 상기 노즐판 밑에 위치하는 가상 충돌판(30)에는 큰 금속 분말이 포함된 부 유동을 위해 상기 가상 충돌판(30)의 하단에 부 유동통로(32)에서 연장되는 입자 수집통로(41)가 연결된다. 가상 충돌판의 구멍(주 유동통로와 부 유동통로)의 크기를 조절하여 희망하는 크기의 입자를 분리할 수 있다.
도 3은 본 발명의 가상 충돌판의 상세도이다. 도 3a는 본 발명의 가상 충돌판(30)의 평면도이고, 도 3b는 본 발명의 가상 충돌판(30)의 단면도이다. 상기 가상 충돌판(30)은 가스의 유동을 주유동과 부유동으로 분리할 수 있는 주 유동통로(31)와 부 유동통로(30)로 구성된다. 즉, 상기 가상 충돌판은 원주 방향으로 서로 다른 반경에서 2열의 구멍이 뚫려 있다. 이러한 각 열의 구멍을 통해 입자들의 관성을 이용하여 분리를 희망하는 비정상적으로 큰 입자와 희망하는 크기의 작은 입자를 채집한다.
도 3a의 가상 충돌판(30)의 평면도에서 볼 수 있듯이, 상기 가상 충돌판(30)은 원주 방향으로 2열의 구멍이 뚫린 형태이다. 가스 흐름에 포함된 서브마이크론 이상의 금속 분말이 관성에 의해 흐름에서 분리될 수 있도록, 가상 충돌판은 부 유동통로(32)를 형성하는 안쪽 1열의 구멍들이 상기 노즐판의 구멍에 대응한 위치에 같은 폭으로 뚫려 있다. 주 유동통로(31)를 형성하는 바깥쪽 1열의 구멍들은 관성이 작은 서브마이크론 이하의 금속 분말을 포함한 가스 흐름이 하류로 이동할 수 있도록 폭이 뚫려 있다. 상기 가상 충돌판의 부 유동통로(32)의 흐름은 채집용기(300)에 별도로 연결된다.
본 발명의 나노 입자용 분급장치를 이용하여 서브마이크론 이상의 큰 분말을 분리하여 별도의 포집용기인 채집용기(300)에 담겨지고, 이보다 작은 나노분말들은 제조설비에서 가스의 흐름에 따라 하류로 이동하여 최종 채취단계에서 채취할 수 있다. 본 발명의 입자 분급장치를 금속 나노분말 제조설비에서 적용함으로 제품의 품질을 저하시키는 서브마이크론(약 0.5 μm) 크기 이상의 분말을 분리시킬 수 있다. 전술하였지만, 분리시키고자 하는 입자의 크기는 본 장치의 구성들의 형상이나 크기 또는 위치를 변경시키면서 조절할 수 있다.
도 4의 x축은 입자의 크기를 나타내고, y축은 입자 크기별 농도를 나타낸다. 도 4는 본 발명의 상기에 따른 기상공정에 의한 금속 나노분말 제조설비에 설치된 서브마이크론 분말 분리용 나노 입자용 분급장치의 상류(상단)와 하류(하단)에서 광학입자계수기를 사용하여 측정한 금속분말의 입경분포를 나타낸 것이다.
두 데이터 선의 왼편이 높고, 오른편이 낮은 것은 상대적으로 두 경우 모두 입도가 작은 입자들이 많았다는 것을 의미한다. 그리고 금속분말 입경 분포도(도 4)의 우측에서 분급장치 후단의 데이터 선이 분급장치 전단의 데이터 선 아래 놓이는 것은 본 발명의 입자 분급장치를 통해 상대적으로 굵은 입자들의 분리가 이루어졌다는 것을 보여준다.
여기서, 나노 입자용 분급장치의 하류에서 크기가 0.5 ㎛ 이상인 분말의 농도가 분급장치 상단에서의 농도에 비해 상대적으로 더 낮고, 크기가 커질수록 상류와 하류의 분말 농도의 차이가 증가함을 알 수 있다. 즉, 나노 입자용 분급장치에 의해 0.5 ㎛ 이상인 분말이 분리되는 것을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 분급장치인 가상 임팩터 장치의 상류와 하류에서 필터를 이용하여 채취한 금속 분말을 주사전자현미경(SEM)으로 측정한 사진이다. 상류에서는 큰 분말들이 많이 보이지만, 하류에서는 대부분 작은 분말들만 보인다. 이것은 가상 임팩터 장치를 통과하면서 큰 분말들이 분리되었음을 정성적으로 나타낸다.
상기의 본 발명은 바람직한 실시 예를 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 기술 범위 내에서 상기 본 발명의 상세한 설명과 다른 형태의 실시 예들을 구현할 수 있을 것이다. 여기서 본 발명의 본질적 기술범위는 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 노즐판 11: 원추형 노즐
12: 노즐 구멍 20: 높이 조절판
21: 높이 조절수단 30: 가상 충돌판
31: 주 유동통로 32: 부 유동통로
41: 큰 입자 수집통로 100: 버퍼트랩
200: 나노 입자용 분급장치 300: 채집용기
400: 금속분말 채취장치 500: 송풍기
600: 전기폭발 챔버

Claims (9)

  1. 가스 흐름의 세기를 노즐 구멍의 크기를 통해 조절하는 노즐판;
    상기 노즐판에서 하방으로 이격되어 위치하고, 높이를 조절하여 가스 흐름의 세기를 조절하는 높이조절판;
    상기 높이조절판의 하방에 부착되고, 가스 흐름의 주 유동통로와 부 유동통로로 구성된 가상 충돌판을 포함하는, 나노 입자용 분급장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 노즐판은 압력손실이 적으면서 가스 흐름을 빠르게 유지하기 위하여, 중앙을 중심으로 대칭이 되도록 원주 방향으로 상기 노즐 구멍을 형성한, 나노 입자용 분급장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 노즐판은 압력손실이 적으면서 가스 흐름을 빠르게 유지하기 위하여, 상부는 기체 흐름을 원활하게 상기 노즐판 쪽으로 유도하기 위하여 원뿔 형태인 것인, 나노 입자용 분급장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 높이 조절판은 높이 조절수단을 구비한, 나노 입자용 분급장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 높이 조절판은 높이 조절을 통해 분리시키고자 하는 입자의 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는, 나노 입자용 분급장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 가상 충돌판은 원주 방향으로 서로 다른 반경에서 2열의 구멍이 뚫려 있고, 각 열의 구멍을 통해 서로 다른 크기의 입자를 채집하는 것을 특징으로 하는, 나노 입자용 분급장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 구멍의 반경을 조절하여 분리되는 입자의 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는, 나노 입자용 분급장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 가상 충돌판의 상기 부 유동통로의 흐름을 채집용기에 별도로 연결시킨, 나노 입자용 분급장치.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 나노 입자용 분급장치는 버퍼트랩 이후에 설치된, 나노 입자용 분급장치.
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