KR101362823B1 - 상온 상압에서의 전자빔 조사를 이용한 기체상 코어-쉘 나노입자의 제조장치 및 제조방법 - Google Patents

상온 상압에서의 전자빔 조사를 이용한 기체상 코어-쉘 나노입자의 제조장치 및 제조방법 Download PDF

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Abstract

쉘 물질 전구체 발생기와 코어물질 발생기 및 입자 코팅 반응기를 구비하여 상온 상압에서의 전자빔 조사를 이용하여 기체상 코어-쉘 나노입자를 제조하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 기체상 코어-쉘 나노입자를 제조하는 장치로서, 상온 상압에서 작동 유체에 의해 쉘 물질 전구체를 발생시키는 쉘 물질 전구체 발생부, 작동 유체에 의한 코어 물질을 발생시키는 코어 물질 발생부, 상기 쉘 물질 전구체 발생부와 상기 코어 물질 발생부로부터 유입된 쉘 물질 전구체와 코어 물질로 코어-쉘 나노입자를 형성하는 입자코팅 반응부, 상기 입자코팅 반응부로부터 생성된 코어-쉘 나노입자를 포집하는 입자 포집기 및 상기 입자코팅 반응부에 전자빔을 조사하는 전자빔 조사장치를 포함하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 상온 상압에서의 전자빔 조사를 이용한 기체상 코어-쉘 나노입자의 제조장치 및 제조방법을 이용하는 것에 의해, 모든 장치가 상온 상압에서 운용하면서 작동 유체에 의해 코어물질 발생기에서 코어 나노입자를 발생시키고 작동 유체에 의해 쉘 물질 전구체 발생기에서 쉘 물질 전구체 증기를 발생시키므로, 코어-쉘 나노입자를 용이하게 제조할 뿐만 아니라, 고압을 위한 장치가 필요 없으므로, 그 제조장치가 간소화되고, 비용을 절감할 수 있다는 효과가 얻어진다.

Description

상온 상압에서의 전자빔 조사를 이용한 기체상 코어-쉘 나노입자의 제조장치 및 제조방법{Production appararatus of gas-phase core-shell nanoparticle using electron beam at room temperature and atmospheric pressure and method thereof}
본 발명은 상온 상압(room temperature and atmospheric pressure)에서의 전자빔 조사를 이용하여 기체상(gas-phase)에서 코어- 쉘(core-shell) 나노입자를 제조하는 코어- 쉘 나노입자 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 쉘 물질 전구체 발생기와 코어물질 발생기 및 입자 코팅 반응기를 구비하여 상온 상압에서의 전자빔 조사를 이용하여 기체상 코어-쉘 나노입자를 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 쉘 물질 전구체 발생기와 코어물질 발생기에서 작동 유체를 사용하여 각각의 쉘 물질 전구체 증기와 코어 나노입자를 발생시키고, 입자 코팅 반응기에서 전자빔 조사 에너지를 이용하여, 상온 상압에서 운용할 수 있으면서도, 작동 유체의 유량 조절로 쉘 두께를 조절할 수 있으며, 입자 코팅 반응기에서 코어-쉘 나노입자를 발생시키는 기술에 관한 것이다.
나노기술이란 나노미터 정도로 아주 작은 크기의 소자를 만들고 제어하는 기술로서 분자와 원자를 다루는 초미세 기술이여서 높은 기술 집약도가 필요한 분야이다. 최근 나노기술을 활용한 소비재와 산업용품 이용이 급증하고 있다. 이처럼 나노기술은 의약품, 화장품, 반도체 등 다양한 형태로 우리의 일상생활에 침투해 오고 있다. 나노소재는 기존물질보다 훨씬 강도가 높거나 독특한 전기적 특성을 지녀 활용가치가 크고 그 응용범위가 매우 광범위하여 그에 따른 여러 분야에 걸쳐 연구의 필요성이 있다.
또 코어-쉘 나노입자는 중심에 존재하는 코어물질 위에 쉘을 형성하는 물질이 둘러싼 구조로 이루어져 있다. 이러한 구조를 가지는 코어-쉘 나노입자는 2가지 이상의 물질이 단순히 혼합되어있는 경우나, 합금으로 존재하는 경우와는 구분되며 각각의 코어와 쉘에 어떤 물질을 사용하느냐에 따라서 적어도 2가지 이상의 특성을 나타내는 복합기능의 나노소재를 제공할 수 있어 촉매, 항암치료제, 태양전지 등의 다양한 분야에도 활용되고 있다. 이에 따라 금속-금속, 금속-세라믹, 금속-유기물, 유기물-유기물 구조를 비롯한 다양한 조합의 코어-쉘 구조 나노입자에 대해서도 진전이 계속되고 있다.
예를 들어 하기 특허문헌 1에는 실온에서 벌크 고체로부터 나노입자를 고속 발생시키는 방법이 개시되어 있고, 하기 특허문헌 2에는 금속전구체와 계면활성제를 용매 안에 첨가한 후 교반하여 혼합물이나 착화합물로 만든 후 용액 상태에서 바로 전자빔을 조사하여 금속 나노입자를 제조하는 방법에 대해 개시되어 있다.
또, 하기 비특허문헌 1에서는 Ag 나노입자 표면을 진공자외선램프(Vacuum Ultraviolet lamp)를 이용한 광유도 화학 증착을 이용하여 상압에서 SiO2를 코팅시켜 코어-쉘 구조를 만들어 Ag-SiO2 복합 나노입자를 제조하고, 작동 유체 유량과 진공자외선램프의 간섭필터를 사용한 자외선 강도 조절로 코팅 두께를 조절하였다.
하기 비특허문헌 2 또한 NaCl 나노입자 표면을 진공자외선램프를 이용한 광유도 화학 증착을 이용하여 SiO2를 코팅시켜 코어-쉘 구조를 만들어 NaCl-SiO2 복합 나노입자를 제조하고, 상압에서 광유도 입자 코팅 반응기 전후에 한 쌍의 미분 영동도 분석기(Differential Mobility Analyzer)를 배치하여 코팅입자의 두께를 측정하였다.
대한민국 공개특허공보 제2006-0007372호(2006.01.24 공개) 대한민국 공개특허공보 제2011-0038430호(2011.04.14 공개)
(비특허 문헌 1) Adam M Boies 외, SiO2 coating of silver nanoparticles by photoinduced chemical vapor deposition Nanotechnology 20 (2009) 295604 (8pp) (비특허 문헌 2) Zhang 외, Growth of coatings on aerosolized nanoparticles by photoinduced chemical vapor deposition. J Nanopart Res 10:173-178
기체상 나노입자 코팅 반응기는 다양한 방법으로 구성될 수 있고, 본 발명의 기체상에서 코어 나노입자를 발생 또는 제조하는 부분과 전자빔 조사를 이용하여 코팅 물질을 분해시켜서 화학증기를 코어 나노입자 표면 위에 코팅하는 부분이 분리되어 있기 때문에 입자의 성분-상-구조에 대한 제어가 훨씬 용이하며, 전자빔과 관련한 코어-쉘 나노입자 제조에 관한 장치는 특별히 시도된 바가 없어 이를 개발할 필요성이 대두되고 있다.
본 발명의 목적은 쉘 물질 전구체 발생기와 코어물질 발생기에서 작동 유체에 의해 각각 쉘 물질 전구체 증기와 코어 나노입자를 발생시키고, 발생된 입자가 입자 코팅 반응기에서 전자빔 조사 에너지에 의해 코어-쉘 형태의 나노 입자를 형성하는 코어-쉘 나노입자의 제조장치 및 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상온 상압에서 전자빔 조사 에너지에 의해 코어-쉘 형태의 나노 입자를 형성하는 코어-쉘 나노입자의 제조장치 및 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 나노입자의 코팅 두께를 조절하는 코어-쉘 나노입자의 제조장치 및 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 쉘 두께를 조절하는 코어-쉘 나노입자의 제조장치 및 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 코어 입자를 포함하는 액체상의 쉘 전구체 물질을 기체상으로 발생한 후 전자빔 반응을 통해 코어-쉘 형태의 나노입자를 형성하는 코어-쉘 나노입자의 제조장치 및 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 코어-쉘 나노입자 제조장치는 기체상 코어-쉘 나노입자를 제조하는 장치로서, 상온 상압에서 작동 유체에 의해 쉘 물질 전구체를 발생시키는 쉘 물질 전구체 발생부, 작동 유체에 의한 코어 물질을 발생시키는 코어 물질 발생부, 상기 쉘 물질 전구체 발생부와 상기 코어 물질 발생부로부터 유입된 쉘 물질 전구체와 코어 물질로 코어-쉘 나노입자를 형성하는 입자코팅 반응부, 상기 입자코팅 반응부로부터 생성된 코어-쉘 나노입자를 포집하는 입자 포집기 및 상기 입자코팅 반응부에 전자빔을 조사하는 전자빔 조사장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 코어-쉘 나노입자 제조장치에 있어서, 상기 쉘 물질 전구체 발생기는 기포발생기(Bubbler) 또는 증발기(Evaporator)인 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 코어-쉘 나노입자 제조장치에 있어서, 상기 쉘 물질 전구체는 액상인 트리메틸알루미늄(Trimethylaluminum)인 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 코어-쉘 나노입자 제조장치에 있어서, 상기 쉘 물질 전구체는 액상인 지르코늄(IV) T 부톡사이드(Zirconium(IV) tert-butoxide)인 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 코어-쉘 나노입자 제조장치에 있어서, 상기 쉘 물질 전구체는 바나듐(V) 옥시트리이소프로폭사이드(Vanadium(V) oxytriisopropoxide),　 바나듐(V) 옥시트리에톡사이드(Vanadium(V) oxytriethoxide), 바나듐(V) 옥시트리프로폭사이드(Vanadium(V) oxytripropoxide)　중의 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 코어-쉘 나노입자 제조장치에 있어서, 상기 쉘 물질 전구체는 액상인 트리에틸갈륨(Triethylgallium) 또는 트리메틸갈륨(Trimethylgallium)인 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 코어-쉘 나노입자 제조장치에 있어서, 상기 코어 물질은 나노 분말(nano-powder) 형태 또는 전구체 용액과 반응을 일으키지 않고 혼합될 수 있는 콜로이드상의 나노입자 용액인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 코어-쉘 나노입자 제조방법은 (a) 작동 유체에 의한 쉘 물질 전구체 발생기에서 전구체 증기를 발생시키는 단계, (b) 작동 유체에 의한 코어 물질 발생기에서 코어 나노입자를 발생시키는 단계, (c) 입자 코팅 반응기에서 쉘 물질 전구체를 분리하여 코어-쉘 나노입자를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 (c) 단계는 전자빔 조사장치에서 공급되는 전자빔에 의해 실행되고, 상기 (a) 내지 (c) 단계는 상온 상압에서 실행되고, 상기 코어 물질 발생기에서의 코어 나노입자 발생은 증발응축법 또는 분무 방식으로 실행되는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 코어-쉘 나노입자 제조방법에 있어서, 상기 쉘 물질 전구체는 액상인 트리메틸알루미늄(Trimethylaluminum)인 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 코어-쉘 나노입자 제조방법에 있어서, 상기 쉘 물질 전구체는 액상인 지르코늄(IV) T 부톡사이드(Zirconium(IV) tert-butoxide)인 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 코어-쉘 나노입자 제조방법에 있어서, 상기 쉘 물질 전구체는 바나듐(V) 옥시트리이소프로폭사이드(Vanadium(V) oxytriisopropoxide),　 바나듐(V) 옥시트리에톡사이드(Vanadium(V) oxytriethoxide), 바나듐(V) 옥시트리프로폭사이드(Vanadium(V) oxytripropoxide)　중의 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 코어-쉘 나노입자 제조방법에 있어서, 상기 쉘 물질 전구체는 액상인 트리에틸갈륨(Triethylgallium) 또는 트리메틸갈륨(Trimethylgallium)인 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 코어-쉘 나노입자 제조방법에 있어서, 상기 (b) 단계에서의 코어 나노입자는 나노 분말(nano-powder) 형태 또는 전구체 용액과 반응을 일으키지 않고 혼합될 수 있는 콜로이드상의 나노입자 용액인 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 코어-쉘 나노입자의 제조장치 및 제조방법에 의하면, 모든 장치가 상온 상압에서 운용하면서 작동 유체에 의해 코어물질 발생기에서 코어 나노입자를 발생시키고 작동 유체에 의해 쉘 물질 전구체 발생기에서 쉘 물질 전구체 증기를 발생시키므로, 코어-쉘 나노입자를 용이하게 제조할 뿐만 아니라, 고압을 위한 장치가 필요 없으므로, 그 제조장치가 간소화되고, 비용을 절감할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또, 본 발명에 따른 코어-쉘 나노입자의 제조장치 및 제조방법에 의하면, 쉘 물질 전구체 증기의 분해와 분해에 의해 생성된 쉘 물질이 코어 나노 입자 표면을 코팅하는 것이 입자 코팅 반응기에서 전자빔 조사에 의해 동시에 실행되므로, 코어-쉘 나노입자를 고속이며, 연속적으로 제조할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또, 본 발명에 따른 코어-쉘 나노입자의 제조장치 및 제조방법에 의하면, 작동 유체의 유량을 조절, 전자빔의 조사강도를 조절 및 전자빔 윈도우 두께 및 재질의 변형을 통해 코어-쉘 나노입자의 코팅 두께를 조절할 수 있다는 효과도 얻어진다.
도 1은 본 발명에 따른 기체상 코어-쉘 나노입자의 제조장치의 블록도 이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 상온 상압에서의 전자빔 조사를 이용한 기체상 코어-쉘 나노입자의 제조장치의 모식도이다.
도 3은 상온 상압에서의 전자빔 조사를 이용한 기체상 코어-쉘 나노입자의 제조장치의 입자 코팅 반응기의 단면도 및 측면도이다.
도 4는 도 2의 입자 코팅 반응기의 전자빔 윈도우의 모식도이다.
도 5는 도 2의 입자 코팅 반응기의 오링의 모식도이다.
도 6은 상온 상압에서의 전자빔 조사를 이용한 기체상 코어-쉘 나노입자의 제조장치의 쉘 물질 전구체 발생기의 모식도이다.
도 7은 상온 상압에서의 전자빔 조사를 이용한 기체상 코어-쉘 나노입자의 제조장치의 분무기 또는 네뷸라이저를 이용하는 경우 코어 물질 발생기의 모식도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따르는 상온 상압에서의 전자빔 조사를 이용한 기체상 코어-쉘 나노입자의 제조장치의 모식도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시 예에 따르는 상온 상압에서의 전자빔 조사를 이용한 기체상 코어-쉘 나노입자의 제조장치의 모식도이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시 예에 따르는 상온 상압에서의 전자빔 조사를 이용한 기체상 코어-쉘 나노입자의 제조장치의 모식도이다.
도 11 및 도 12는 상온 상압에서의 전자빔 조사를 이용한 기체상 코어-쉘 나노입자의 제조장치에서 전자빔 반응기 내 유동의 주 방향이 전자빔 조사 방향과 같은 방향으로 이루어진 전자빔 반응기 실시 예의 단면도 및 측면도이다.
도 13은 본 발명의 제6 실시 예에 따른 코어-쉘 나노입자의 제조장치의 모식도이다.
도 14는 본 발명의 제7 실시 예에 따르는 상온 상압에서의 전자빔 조사를 이용한 기체상 코어-쉘 나노입자의 제조장치의 모식도이다.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.
통상의 화학적 기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD) 또는 물리적 기상증착(Physical Vapor Deposition, PVD)방법에 의하여 제조되는 코어-쉘 형태의 나노입자의 제조에 있어서, 본 발명에 적용되는 코어물질은 통상의 코어물질로서 사용되는 것이면 어느 것이나 제한 없으며, 상기 코어 물질 발생기에서 코어물질로 전환된 다음, 입자 코팅 반응기에 의하여 코팅되어 코어 쉘 입자로 전환될 수 있다.
본 발명의 코어 쉘 나노입자 제조장치에 의해 코팅될 수 있는 입자로는 예를 들어, TiO2-SiO2, SnO2(코어)-SiO2(쉘), TiO2(코어)-SnO2(쉘), TiO2(코어)-SnO2+SiO2(쉘) 복합 입자 (참조: Lee et al., J. Mater. Sci., 2003), Fe2O3-SiO2, Ag-SiO2 ( 참조: Boies et al., Nanotechnology, 20, 295604, 2009), Au-SiO2, Al-C2H4, Al2O3/SiO2, Al2O3/ZrO2, 또는 SiO2/ZrO2등이 있다. 또한 전자빔 조사 에너지가 매우 크므로 모든 물질이 분해가 가능하며 이에 따라 쉘 물질 선택의 폭이 커진다.
본 발명에 따른 코어-쉘 나노입자의 제조장치 및 제조방법에서는 모든 구성 요소가 상온 상압에서 운용하면서 작동 유체에 의해 코어물질 발생기에서 코어 나노입자를 발생시키고, 작동 유체에 의해 쉘 물질 전구체 발생기에서 쉘 물질 전구체 증기를 발생시키며, 쉘 물질 전구체 발생기와 코어물질 발생기로부터 유입되는 쉘 물질 전구체 증기와 코어 나노입자가 입자 코팅 반응기에서 코어-쉘 나노입자를 형성할 수 있다.
또, 본 발명에 따른 코어-쉘 나노입자의 제조장치 및 제조방법에서, 쉘 물질 전구체 발생기는 작동 유체에 의해 쉘 물질 전구체 증기가 발생하고 작동 유체에 의해 입자 코팅 반응기로 보내진 쉘 물질 전구체 증기가 전자빔에서 분해되어 쉘 물질로 변화 후, 입자 코팅 반응기로 유입되어온 코어 나노입자를 전자빔 조사 에너지에 의해 코팅하여 코어-쉘 물질을 형성, 즉 쉘 물질 전구체 증기의 분해와 분해에 의해 생성된 쉘 물질이 코어 나노 입자 표면을 코팅하는 것이 입자 코팅 반응기에서 전자빔 조사에 의해 동시에 일어나게 된다.
또한 쉘 물질 전구체 발생기와 입자 코팅 반응기 사이에 온도 모니터링 및 제어 가능한 열선을 장착하여 쉘 물질 전구체 증기의 응축을 방지하고, 입자 코팅 반응기 후단에 전기로를 설치하여 코어-쉘 나노입자를 구형화 시킬 수 있으며, 입자 코팅 반응기 밑단에 온도 조절장치를 설치하여 원활한 코어-쉘 나노입자를 얻기 위한 환경을 조성함과 동시에, 입자 코팅 반응기 후단에 입자 크기/분포 측정 장치를 구비하여 코어-쉘 나노입자의 크기/분포를 측정할 수 있다.
또한 쉘 물질 전구체 발생기로 유입되는 작동 유체의 유량을 조절하여 쉘 물질 전구체증기의 양을 조절하여 코어-쉘 나노입자의 코팅 두께를 조절할 수 있고, 전자빔의 조사강도를 조절하여 코어-쉘 나노입자의 코팅 두께를 조절할 수 있으며, 전자빔 윈도우 두께 및 재질의 변형을 통해서도 코어-쉘 나노입자의 코팅 두께를 조절할 수 있다.
또한 입자 코팅 반응기에 전자빔 조사로 분해된 화학 물질을 원하는 물질로 바꾸기 위해 추가적으로 필요한 물질을 투입하기 위한 포트를 설치하여 코어-쉘 나노입자가 원활히 생성될 수 있다.
또한 코어 나노입자를 발생시키는 단계를 생략하고 분말 상태의 코어 나노입자를 쉘 물질 전구체 용액에 포함시켜 쉘 물질 전구체 발생기에서 코어 나노입자와 쉘 물질 전구체 증기를 함께 기체상으로 발생시켜 입자 코팅 반응기에서 쉘 물질 전구체가 분해되고 나노입자 표면 위에 증착되어 코어-쉘 나노입자를 제조할 수 있다. 또는 전구체 용액과 반응을 일으키지 않고 혼합될 수 있는 콜로이드상의 나노입자 용액을 전구체 물질 용액과 혼합하여 이용하는 것도 가능하다.
본 발명에 따른 기체상 코어-쉘 나노입자의 제조장치의 기본적인 구성을 도 1에 따라 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 기체상 코어-쉘 나노입자의 제조장치의 블록도 이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 코어-쉘 나노입자의 제조장치는 전자빔 조사를 이용하여 기체상 코어-쉘 나노입자를 제조하는 장치로서, 작동 유체에 의해 쉘 물질 전구체 발생시키는 쉘 물질 쉘 물질 전구체 발생부(10), 작동 유체에 의한 코어 물질을 발생시키는 코어 물질 발생부(20), 상기 쉘 물질 쉘 물질 전구체 발생부(10)와 코어 물질 발생부(20)로부터 유입된 쉘 물질 전구체와 코어 물질로 코어-쉘 나노입자를 형성하는 입자코팅 반응부(30), 상기 입자코팅 반응부(40)로부터 생성된 코어-쉘 나노입자를 포집하는 입자 포집기(40) 및 상기 입자코팅 반응부(30)에서 쉘 물질 전구체 증기의 분해와 분해에 의해 생성된 쉘 물질이 코어 나노 입자 표면을 코팅되도록 입자코팅 반응부(30)에 전자빔을 조사하는 전자빔 조사장치(50)를 구비한다.
다음에, 도 1에 도시된 코어-쉘 나노입자의 제조장치의 구성에 대해 각각의 실시 예에 따라 구체적으로 설명한다.
< 제1 실시 예 >
본 발명의 제1 실시 예를 도 2 내지 도 7에 따라 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따르는 상온 상압에서의 전자빔 조사를 이용한 기체상 코어-쉘 나노입자의 제조장치의 모식도이고, 도 3은 상온 상압에서의 전자빔 조사를 이용한 기체상 코어-쉘 나노입자의 제조장치의 입자 코팅 반응기의 단면도 및 측면도이고, 도 4는 도 2의 입자 코팅 반응기의 전자빔 윈도우의 모식도이고, 도 5는 도 2의 입자 코팅 반응기의 오링의 모식도이고, 도 6은 상온 상압에서의 전자빔 조사를 이용한 기체상 코어-쉘 나노입자의 제조장치의 쉘 물질 전구체 발생기의 모식도이며, 도 7은 상온 상압에서의 전자빔 조사를 이용한 기체상 코어-쉘 나노입자의 제조장치의 분무기 또는 네뷸라이저를 이용하는 경우 코어 물질 발생기의 모식도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 코어-쉘 나노입자의 제조장치에서, 쉘 물질 전구체 발생부(10)는 작동 유체의 유량을 조절하는 제1 유량 조절기(11) 및 상기 제1 유량 조절기(11)에서 공급된 작동 유체에서 쉘 물질 전구체를 생성하는 쉘 물질 전구체 발생기(12)를 구비한다.
또 상기 코어 물질 발생부(20)는 작동 유체의 유량을 조절하는 제2 유량 조절기(21) 및 상기 제2 유량 조절기(21)에서 공급된 작동 유체에서 코어 물질을 생성하는 코어 물질 발생기(22)를 포함하고, 상기 입자코팅 반응부(30)는 캐리어 가스의 유량을 조절하는 제3 유량 조절기(31), 상기 제3 유량 조절기에서 공급된 상기 캐리어 가스, 쉘 물질 쉘 물질 전구체 발생기(12)에서 공급된 쉘 물질 전구체 및 코어 물질 발생기(22)에서 공급된 코어 물질을 반응시키는 입자 코팅 반응기(32)를 구비한다.
한편, 상기 제1 유량 조절기(11)와 상기 쉘 물질 쉘 물질 전구체 발생기(12)는 제1 공급관(111)에 의해 연결되고, 상기 쉘 물질 쉘 물질 전구체 발생기(12)와 상기 입자 코팅 반응기(32)는 제2 공급관(112)에 의해 연결되며, 상기 제2 유량 조절기(21), 코어 물질 발생기(22)와 상기 입자 코팅 반응기(32)는 제3 공급관(211)에 의해 연결되며, 상기 제3 유량 조절기(31)와 상기 입자 코팅 반응기(32)는 제4 공급관(311)에 의해 연결된다. 또 상기 입자 코팅 반응기(32)에서 생성된 코어-쉘 나노 입자는 배출관(312)을 통해 배출된다. 상기 제1 공급관(111) 내지 제4 공급관(311) 및 배출관(312)은 유체의 상태를 확인하기 위해 투명 관으로서, 예를 들어 글라스 관, 투명 플라스틱 관 등을 사용하거나 금속관 등을 사용하는 것이 바람직하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
이 제1 실시 예에서는 도 2에 도시된 바와 같이 제2 공급관(112)이 입자 코팅 반응기(32)의 상부에 결합되고, 제3 공급관(211) 및 제4 공급관(311)이 입자 코팅 반응기(32)의 하부에 결합된 상태를 나타내었지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 작동 유체의 종류와 캐리어 가스의 종류에 따라 그 결합 상태는 변경 가능하다.
한편, 도 3에 도시된 구조에서는 제4 공급관(311)이 2개 마련된 구조를 도시하였지만, 이러한 구조도 캐리어 가스의 종류, 공급 조건(공급 속도 또는 유량 등)에 따라 하나 이상 마련하면 된다.
또 상기 제1 유량 조절기(11), 제2 유량 조절기(21) 또는 제3 유량조절기(31)는 작동 유체 또는 캐리어 기체의 공급을 제어하는 질량 유량계(Mass flow controller) 또는 로터메터(Rotameter)를 사용하는 것이 바람직하다.
또한 상기 쉘 물질 전구체 발생기(12)에서 쉘 물질 전구체 증기발생은 상온 상압에서 실행되며, 예를 들어 도 6에 도시된 바와 같이, 기포발생기(Bubbler) 또는 증발기(Evaporator)를 사용하며, 예를 들어 코어-쉘(SiO2) 나노입자 제조를 위한 쉘 물질 전구체의 물질은 TEOS(Tetraethylorthosilicate), TMOS(Tetramethyl orthosilicate), TMS(tetramethyl-silane) 중의 어느 하나를 사용한다. 단 분무기의 경우 쉘 물질 전구체 발생기(12) 후단은 상온 상압이 맞으나 전단은 약 40 psi 정도의 상압보다 높은 압력이 필요할 수도 있다.
상기 쉘 물질 전구체의 물질로 티타늄 테트라이소프로폭사이드(titanium tetraisopropoxide)를 사용하는 경우, 코어-쉘(TiO2) 나노입자의 제조가 가능하다.
또 상기 쉘 물질 전구체 물질로 트리메틸알루미늄(Trimethylaluminum)를 사용할 경우 코어-쉘 나노입자로서 Al2O3 제조가 가능하며, 상기 쉘 물질 전구체 물질로 지르코늄(IV) T 부톡사이드(Zirconium(IV) tert-butoxide)를 사용할 경우 중공 나노입자로서 ZrO2 제조가 가능하다.
또한 본 발명은 상기 쉘 물질 전구체로서 촉매제, 사진현상제 및 자동차 변환기내의 산화 촉매제로도 사용되고 섬유염색, 세라믹 착색시에도 사용되는 바나듐 산화물을 사용할 수 있다. 즉, 바나듐(V) 옥시트리이소프로폭사이드(Vanadium(V) oxytriisopropoxide),　 바나듐(V) 옥시트리에톡사이드(Vanadium(V) oxytriethoxide), 바나듐(V) 옥시트리프로폭사이드(Vanadium(V) oxytripropoxide)　중의 어느 하나를 사용할 경우, 바나듐산화물의 중공 나노입자로서 VxOy의 제조가 가능하다. 상기 VxOy로서 예를 들어, 삼산화바나듐(V2O3), 오산화바나듐(V2O5) 등을 열거할 수 있다.
또한 상기 쉘 물질 전구체는 액상인 트리에틸갈륨(Triethylgallium) 또는 트리메틸갈륨(Trimethylgallium)를 사용할 경우, 갈륨산화물의 중공 나노입자로서 Ga2O3 제조가 가능하다.
그러나 본 발명은 상기 쉘 물질 전구체에 한정되는 것은 아니고, 하기 표 1에 나타낸 물질을 사용할 수 있다.
Figure 112012102326506-pat00001
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제2 공급관(112)에는 상기 쉘 물질 전구체 발생기(12)에서 발생된 전구체 증기의 응축을 방지하기 위해 가열 수단(13)이 장착되며, 상기 가열 수단(13)은 예를 들어 열선(Heating Tape) 또는 전기로(Furnace)를 사용하지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 제2 공급관(112)을 일정 온도 이상으로 가열할 수 있는 구성이면 좋다.
또 상기 가열 수단(13)에 의한 가열 온도를 제어하고 모니터링하기 위해 가열 제어부(14)가 마련되며, 상기 가열 제어부(14)는 가열 수단(13)이 제1 공급관(111) 및 쉘 물질 전구체 발생기(12)의 온도보다 20~25℃ 높게 설정하도록 제어한다.
상기 코어 물질 발생기(22)는 도 2 및 도 7에 도시된 바와 같이, 제3 연결관(211)을 통해 제2 유량 조절기(21)와 입자 코팅 반응기(32)가 직접 연결된 구조이며, 상기 코어 물질 발생기(22)가 콜로이드 용액을 이용하여 코어 물질을 발생시킬 경우, 분무기(Atomizer), 네뷸라이저(nebulizer) 또는 정전 분무기(Electrospray) 중의 어느 하나를 구비하고, 수분의 제거를 위해 드라이어를 구비하는 것이 바람직하다. 또한 상기 코어 물질 발생기(22)가 건식으로 분말을 이용하여 주형 물질을 발생시킬 경우, 이젝터를 사용하여 기체상으로 비산시키는 구조를 채택할 수 있다.
또 상기 코어 물질 발생기(22)는 기체상에서 직접 코어 입자를 제조 및 발생 시, 전기로, 플라즈마를 에너지로 이용한 입자 발생기, 고온 와이어를 이용한 입자 발생기, 스파크 방전기를 이용한 입자 발생기, 확산화염을 이용한 입자 발생기, 전자빔을 이용한 입자 발생기, 고온 와이어를 이용한 입자 발생기 중의 어느 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제3 공급관(211)에는 상기 코어 물질 발생기(22)에서 생성된 코어 물질의 구형화(Sintering)를 위해 코어 물질 발생기(22)와 입자 코팅 반응기(32) 사이에 전기로(Furnace) 또는 열선(Heating Tape)을 마련하는 것이 바람직하다. 또 상기 제3 공급관(211)에는 상기 코어 물질 발생기(22)에서 생성된 코어 물질의 단분산 입자 또는 복잡분산 입자를 조절하기 위해 코어 물질 발생기(22)와 입자 코팅 반응기(32) 사이에 미분 영동도 분석기(Differential mobility Analyzer)를 마련하는 것이 바람직하다.
또 상기 쉘 물질 전구체 발생기(12)에서의 쉘 물질 전구체 증기발생 작동 유체 또는 상기 코어 물질 발생기(22)에서의 코어 나노입자 발생 작동 유체는 불활성 기체로서, 질소, 헬륨, 아르곤 중의 어느 하나를 사용한다. 또한 상기 캐리어 가스도 불활성 기체를 사용하며, 예를 들어, 상온 상압의 질소 또는 헬륨을 사용한다.
한편, 본 발명에 따른 코어-쉘 나노입자의 제조장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 배출관(312)에서 배출되는 나노입자를 포집하기 위한 입자 포집기(40)를 구비한다. 상기 입자 포집기(40)는 입자 포집백, 트랩, 사이클론 또는 필터를 사용하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
이 입자 포집기(40)에서의 입자 포집은 여과기, 전기장 또는 온도 구배에 의한 트랩, 사이클론, 또는 필터에 의해 실행된다. 또 상기 입자 포집기(40)는 대용량으로 입자를 포집하기 위한 백필터(Bag Filter)를 구비한다.
한편 입자 코팅 반응기(32)는 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 전자빔 조사장치(50)에서 조사되는 전자빔을 통과시키고, 외부 대기의 투입을 방지하는 전자빔 윈도우(321) 및 상기 전자빔 윈도우(321)의 둘레 부분을 밀봉하는 오링(322)을 구비한다. 이러한 입자 코팅 반응기(32)는 사용되는 전자빔 윈도우(321)의 형태와 크기에 맞춰 제작되며, 입자 코팅 반응기(32)의 제작 시 유동의 재순환이 발생하지 않도록 설계하는 것이 바람직하다. 또 상기 입자 코팅 반응기(32)에서의 쉘 물질 전구체의 분해 및 코어-쉘 나노입자의 형성은 상압에서 수행되는 것이 바람직하다. 전자빔 세기에 따라 입자 코팅 반응기의 온도가 상온보다는 높아질 수 있고, 화학적인 반응을 원활하게 하기 위해 추가적인 온도조절 장치에 의해 섭씨 수백 도까지 상승된 온도를 이용할 수도 있다.
따라서, 전자빔 조사장치(50)에서 조사되는 전자빔의 투과율은 전자빔 윈도우(321)의 두께 또는 전자빔 윈도우(321)의 재질에 의해 조절되며, 예를 들어 전자빔 윈도우(321)는 도 4에 도시된 바와 같이, 대략 사각형상으로 이루어지고, 두께별 캡톤 필름과 두께별 알루미늄 호일을 마련하여 원하는 나노입자의 제조에 따라 선택적으로 사용하면 된다.
다음에 상술한 바와 같은 나노입자의 제조장치에 의해 코어-쉘 나노 입자를 생성하는 방법에 대해 설명한다.
먼저 제1 유량 조절기(11)에서 조절되고, 제1 공급관(111)를 통해 공급된 작동 유체에 대해 도 6에 도시된 바와 같은 쉘 물질 전구체 발생기(12)에서 쉘 물질 전구체 증기를 발생시킨다. 이러한 작동 유체의 공급은 질량 유량계(Mass flow controller) 또는 로터메터(Rotameter)에 의해 제어되고, 쉘 물질 전구체 증기의 발생은 상온 상압에서 실행된다. 한편 상기 작동 유체는 상압보다 높은 압력으로 상기 쉘 물질 전구체 발생기에 공급되어도 된다.
상기 쉘 물질 전구체 발생기(12)에서 생성되어 제2 공급관(112)를 통해 공급되는 쉘 물질 전구체 증기는 쉘 물질 전구체의 응축을 방지하기 위해 가열 수단(13)에 의해 전구체 증기의 발생의 온도보다 20~25℃ 높게 가열된다. 이와 같은 가열 온도의 설정은 가열 제어부(14)에 의해 실행된다.
또 상기 쉘 물질 전구체 발생기(12)에서 쉘 물질 전구체 증기를 입자 코팅 반응기(32)에 공급됨과 동시에 코어 물질 발생기(22)에서도 제3 공급관(211)를 통해 입자 코팅 반응기(32)로 코어 물질을 공급한다. 상기 코어 물질 발생기(22)에서의 코어 나노입자 발생은 증발응축법 또는 분무 방식으로 실행하는 것이 바람직하다.
또한, 가열 수단(13)에 의해 가열된 쉘 물질 전구체 증기와 코어 물질이 입자 코팅 반응기(32)에 공급됨과 동시에 제3 유량 조절기(31)를 통해 공급된 캐리어 가스도 입자 코팅 반응기(32)에 공급된다. 상기 캐리어 가스는 상기 전구체 증기의 농도 및 체류시간 조절을 위해 사용된다.
입자 코팅 반응기(32)에 작동 유체와 캐리어 가스가 공급되면, 전자빔 처리부의 제어 수단(미도시)에 의해 전자빔 조사장치(50)가 작동되어 전자빔을 조사하고, 이 전자빔에 의해 쉘 물질 전구체 발생기(12)로부터 유입된 전구체가 상온 상압에서 분리된다. 즉, 상기 입자 코팅 반응기(32)에서의 에너지 전달은 상기 전자빔 조사장치(50)에서 공급된 전자빔에 의해 실행된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 나노입자의 제조방법에서 상기 쉘 물질 전구체 증기의 발생, 코어 나노입자의 발생, 쉘 물질 전구체의 분해 및 코어-쉘 나노입자의 형성은 작동 유체에 의해 상온 상압에서 실행된다. 또는 상기 쉘 물질 전구체 증기의 발생과 쉘 물질 전구체의 분해 및 코어-쉘 나노입자의 형성은 작동 유체에 의해 저압에서 실행되어도 좋다. 즉, 상기 쉘 물질 전구체 증기의 발생은 쉘 물질로 쓰이는 화학증기의 누설을 방지하기 위해 저압에서 실행되어도 좋다.
상술한 바와 같은 과정에서 생성된 코어-쉘 나노입자는 입자 포집기(40)에 의해 포집된다.
또 본 발명에 따른 나노입자의 제조방법에서 생성되는 나노입자의 크기 및 농도의 조절은 상기 쉘 물질 전구체 발생기(12)로 유입되는 작동 유체의 유량을 조절하여 전구체 증기의 발생량 조절, 제3 유량 조절기(31)를 통해 공급된 캐리어 가스 유량을 조절하여 전구체 증기의 농도 및 체류시간 조절, 전자빔의 조사 강도 조절. 전자빔 윈도우(321)의 투과율, 전자빔 출구와 전자빔 윈도우 사이의 거리 조절을 통해 전구체 증기의 분해량을 증가시키는 것에 의해 실행된다.
< 제2 실시 예 >
다음에, 본 발명의 제2 실시 예를 도 8에 따라 설명한다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따르는 상온 상압에서의 전자빔 조사를 이용한 기체상 코어-쉘 나노입자의 제조장치의 모식도이다.
이 제2 실시 예에서 제1 실시 예와 동일 부분에 대해서는 동일 부호를 부여하고 반복적인 설명은 생략한다.
이 제2 실시 예는 화학반응물 및 촉매제 역할 또는 체류시간 조절을 수행하는 물질의 공급을 조절하는 제4 유량 조절기(25), 상기 제4 유량 조절기(25)와 입자 코팅 반응기(32)를 연결하는 제5 공급관(251) 및 상기 배출관(312)에 나노입자의 구형화를 위한 가열 수단(60)이 마련된 것을 특징으로 한다. 이 제4 유량 조절기(25)도 질량 유량계(Mass flow controller) 또는 로터메터(Rotermeter)를 사용한다.
상기 가열 수단(60)은 일 예로서 열선(Heating Tape) 또는 전기로(Furnace)를 사용하지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 배출관(312)을 일정 온도 이상으로 가열할 수 있는 구성이면 좋다.
이 제2 실시 예에 의하면 제1 실시 예 효과에 부가하여, 가열 수단(60)을 마련하는 것에 의해 생성되는 코어-쉘 나노 입자의 구형화를 달성할 수 있다는 효과도 얻어진다.
< 제3 실시 예 >
다음에, 본 발명의 제3 실시 예를 도 9에 따라 설명한다.
도 9는 본 발명의 제3 실시 예에 따르는 상온 상압에서의 전자빔 조사를 이용한 기체상 코어-쉘 나노입자의 제조장치의 모식도이다.
이 제3 실시 예에서 제2 실시 예와 동일 부분에 대해서는 동일 부호를 부여하고 반복적인 설명은 생략한다.
이 제3 실시 예는 배출관(312)에서 배출되는 나노입자가 가열 수단(60)에 의해 가열되며, 나노입자의 크기 분포를 측정하는 입자 크기/분포 측정 장치(70)를 마련한 것이다.
또 이러한 입자 크기/분포 측정 장치(70)는 주사식 이동도 입자 크기 측정장치(Scanning Mobility Particle Sizer) 또는 광학식 에어로졸 입자 측정장치일 수 있으며, 추가적으로 입자의 현미경 관찰을 위해 투과전자현미경 그리드(Transmission Electron Microscope, TEM grid) 또는 입자 샘플러를 구비할 수 있다.
이 제3 실시 예에 의하면 제2 실시 예 효과에 부가하여, 입자 코팅 반응기(32)에서 생성되는 나노 입자의 크기 등을 확인할 수 있으므로, 원하는 조건으로 작동 유체의 유량 조절, 캐리어 가스의 유량 조절, 전자빔의 강도 조절 등을 준실시간적으로 용이하게 실현할 수 있다는 효과도 얻어진다.
또 제3 실시 예에서는 입자 크기/분포 측정 장치(70)가 가열 수단(60)과 입자 포집기(40) 사이에 마련된 구조에 대해 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 도 1에 도시된 구조에서 입자 포획기(40) 대신에 입자 크기/분포 측정 장치(70)를 마련하여도 좋다.
< 제4 실시 예 >
다음에, 본 발명의 제4 실시 예를 도 10에 따라 설명한다.
도 10은 본 발명의 제4 실시 예에 따르는 상온 상압에서의 전자빔 조사를 이용한 기체상 코어-쉘 나노입자의 제조장치의 모식도이다.
이 제4 실시 예에서 제1 실시 예와 동일 부분에 대해서는 동일 부호를 부여하고 반복적인 설명은 생략한다.
이 제4 실시 예는 쉘 물질 전구체 발생기(12)에서 생성된 전구체와 캐리어 가스를 혼합하여 입자 코팅 반응기(32)로 공급하는 것이다.
즉, 도 10에 도시된 바와 같이, 제2 공급관(112)가 TEE관(113)에 의해 제4 공급관(311)과 연결되어 전구체와 캐리어 가스를 혼합하여 입자 코팅 반응기(32)로 공급하는 것이다.
이 제4 실시 예에 의하면, 공급관이 단일화되어 입자 코팅 반응기(32)의 내부 상태의 제어가 용이하다는 장점이 얻어진다.
< 제5 실시 예 >
다음에 본 발명의 제5 실시 예를 도 11 및 도 12에 따라 설명한다.
도 11 및 도 12는 상온 상압에서의 전자빔 조사를 이용한 기체상 코어-쉘 나노입자의 제조장치에서 전자빔 반응기 내 유동의 주 방향이 전자빔 조사 방향과 같은 방향으로 이루어진 전자빔 반응기 실시 예의 단면도 및 측면도이다.
즉, 상기 제1 내지 제4 실시 예에 있어서는 도 1 등에 도시된 바와 같이, 입자 코팅 반응기(32) 내 유동의 주 방향이 전자빔 조사장치(50)에서 조사된 전자빔과 대략 수직인 방향으로 이루어진 구성에 대해 기술하였다.
일반적으로 전자빔이 조사되는 부분과 가까운 면은 조사되는 부분과 먼 곳에 비해 온도가 높다.
따라서 이전 실시 예들에서는 전자빔이 입자 코팅 반응기(32)의 상부에서 조사되어 유동의 주 방향과 직교하는 구조로 되어 있어서, 열영동에 의해 입자가 입자 코팅 반응기(32) 내벽에 침착될 수 있는 가능성이 있다.
도 11 및 도 12와 같은 실시 예에서는 이러한 문제를 해결하기 위해, 입자 코팅 반응기(32) 내에서 입자가 생성된 후 전자빔 조사 방향과 유동의 주 방향이 일치하도록 전자빔 조사장치(70)의 위치를 변경하였다.
즉, 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제5 실시 예에 따른 코어-쉘 나노입자의 제조장치는 각각의 공급관(112,311)이 상면 또는 하면에 마련되고, 측면에 전자빔 조사장치(50)가 마련되며, 이 전자빔 조사장치(50)에 대항하는 측면에 배출관(312)을 마련한 구조이다.
또 이와 같이, 전자빔 조사 방향과 유동의 주 방향이 일치하도록 마련한 구조는 도 11의 단면도에 도시된 바와 같이, 입자 코팅 반응기(32)의 내부가 배출관(312)을 향해 대략 깔때기 형상으로 이루어진다. 따라서, 입자 코팅 반응기(32)에서 배출관(312)으로의 나노입자 배출이 더욱 집약될 수 있다. 즉, 전자빔 조사에 의한 열영동 효과는 생성된 입자들이 캐리어 가스와 함께 전자빔 반응기 밖으로 용이하게 배출되도록 기여할 수 있다.
그 밖의 구성 요소, 즉 전자빔 조사장치(50)에 대항하는 측면에 배출관(312)을 마련한 구조 이외에 제1 실시 예 내지 제4 실시 예의 각각의 구성을 제 5 실시 예에도 적용할 수 있다.
상기 입자 코팅 반응기(32)의 내부가 직육면체 형상으로 이루어지고, 이에 따라 전자빔 윈도우가 다각형상으로 이루어진 실시 예와는 달리 도 12는 윈도우(321)를 대략 원형으로 형성하고, 이에 따라 입자 코팅 반응기(32)의 내부가 배출관(312)을 향해 원통형으로 이루어진 구조를 도시한 것이다. 도 12에 도시된 바와 같은 구조를 채택하는 것에 의해서도 도 11에 도시된 바와 같이, 전자빔 조사에 의한 열영동 효과가 달성되어, 생성된 입자들이 캐리어 가스와 함께 입자 코팅 반응기(32) 밖으로 용이하게 배출되도록 기여할 수 있다.
< 제6 실시 예 >
다음에 본 발명의 제6 실시 예를 도 13에 따라 설명한다.
도 13은 본 발명의 제6 실시 예에 따른 코어-쉘 나노입자의 제조장치의 모식도이다.
*이 제6 실시 예에서는 코어 나노입자를 발생시키는 단계를 생략하고 분말 상태의 코어 나노입자를 쉘 물질 전구체 용액에 포함시켜 쉘 물질 전구체 발생기에서 코어 나노입자와 쉘 물질 전구체 증기를 함께 기체상으로 발생시켜 입자 코팅 반응기에서 쉘 물질 전구체가 분해되고 코어-쉘 나노입자를 제조하는 제조장치의 모식도이다.
즉 상기 제1 내지 제5 실시 예에서는 코어-쉘 나노입자를 제조하는 과정에 서 쉘 물질 쉘 물질 전구체 발생기(12) 및 코어 물질 발생기(22)가 분리된 구성으로 설명하였지만, 이 제6 실시 예에서는 코어 나노입자와 쉘 물질 전구체 증기를 함께 기체상으로 발생시키는 구성을 마련한 것이다.
즉 도 13에 도시된 바와 같이, 코어-쉘 나노입자 제조장치가 작동 유체에 의해 코어 나노입자와 쉘 물질 전구체 증기를 함께 기체상으로 발생시키는 발생수단(80), 상기 발생수단(80)에서 유입된 기체상에서 쉘 물질 전구체를 분해하여 코어-쉘 나노입자를 형성하는 입자 코팅 반응기(32), 상기 입자 코팅 반응기(32)로부터 생성된 코어-쉘 나노입자를 포집하는 입자 포집기(40) 및 상기 입자코팅 반응부(30)에서 쉘 물질 전구체 증기의 분해와 분해에 의해 생성된 쉘 물질이 코어 나노 입자 표면을 코팅되도록 입자코팅 반응부(30)에 전자빔을 조사하는 전자빔 조사장치(50)를 구비한다.
상기 발생수단(80)에서의 코어 나노입자는 나노 분말(nano-powder) 형태 또는 전구체 용액과 반응을 일으키지 않고 혼합될 수 있는 콜로이드상의 나노입자 용액을 사용한다.
또 제6 실시 예에 따른 코어-쉘 나노입자 제조장치는 상기 발생수단(80)으로 공급되는 작동 유체의 유량을 조절하는 유체 조절기(11), 상기 제1 유량 조절기(11)와 상기 발생수단(80)을 연결하는 제1 공급관(111), 상기 발생수단(80)과 상기 입자 코팅 반응기(32)를 연결하는 제2 공급관(112) 및 상기 입자 코팅 반응기(32)로 공급되는 캐리어 가스의 유량을 조절하는 가스 조절기(31), 상기 가스 조절기(31)와 상기 입자 코팅 반응기(32)를 연결하는 가스 공급관(311) 및 상기 입자 코팅 반응기(32)에서 생성된 나노 입자를 배출하는 배출관(312)을 구비한다.
또한 상기 입자 코팅 반응기(32)에서의 상기 코어 나노입자와 쉘 물질 전구체 용액의 분해는 초음파 분산법에 의해 실행될 수 있다.
이 제6 실시 예에서도 제1 실시 예와 마찬가지로, 상기 발생수단(80)과 입자 코팅 반응기(32)를 연결하는 제2 공급관(112)에는 전구체 증기의 응축을 방지하기 위해 열선(Heating Tape) 또는 전기로(Furnace)가 마련되고, 상기 열선 또는 전기로에 의한 가열 온도를 제어하고 모니터링하는 가열 제어부를 구비한다,
즉 이 제6 실시 예에서도, 상기 발생수단(80)의 구성을 제외하고 나머지 구성은 상기 제1 내지 제5 실시 예의 구성을 적용할 수 있다.
이와 같이, 작동 유체에 의해 코어 나노입자와 쉘 물질 전구체 증기를 함께 기체상으로 발생시키는 발생수단(80)을 마련하는 것에 의해 코어-쉘 나노입자 제조장치를 간략화할 수 있다.
< 제7 실시 예 >
다음에, 본 발명의 제7 실시 예를 도 14에 따라 설명한다.
도 14는 본 발명의 제7 실시 예에 따르는 상온 상압에서의 전자빔 조사를 이용한 기체상 코어-쉘 나노입자의 제조장치의 모식도이다.
이 제7 실시 예에서도 제1 실시 예와 동일 부분에 대해서는 동일 부호를 부여하고 반복적인 설명은 생략한다.
이 제7 실시 예는 도 14에 도시된 바와 같이, 상기 입자 코팅 반응기(32)에 입자 코팅 반응기(32) 내의 온도 조절을 위해 온도 조절 수단(330)을 마련한 것이다.
이 온도 조절 수단(330)은 열전 소자, 열교환기, 히터 중의 어느 하나인 것을 사용한다.
이 제7 실시 예에 의하면, 공급관이 단일화되어 입자 코팅 반응기(32)의 내부 상태의 제어가 용이하다는 장점이 얻어진다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명에 따른 전자빔 조사를 이용한 기체상 코어-쉘 나노입자의 제조장치 및 제조방법은 코어-쉘 나노입자를 제조하는 기술에 적용된다.
10 : 쉘 물질 전구체 발생부
11 : 제1 유량 조절기
12 : 쉘 물질 전구체 발생기
20 : 코어 물질 발생부
21 : 제2 유량 조절기
22 : 코어 물질 발생기
30 : 입자코팅 반응부
31 : 제3 유량 조절기
32 : 입자코팅 반응기
40 : 입자 포집기
50 : 전자빔 조사장치

Claims (13)

  1. 기체상 코어-쉘 나노입자를 제조하는 장치로서,
    상온 상압에서 작동 유체에 의해 쉘 물질 전구체를 발생시키는 쉘 물질 전구체 발생부,
    작동 유체에 의한 코어 물질을 발생시키는 코어 물질 발생부,
    상기 쉘 물질 전구체 발생부와 상기 코어 물질 발생부로부터 유입된 쉘 물질 전구체와 코어 물질로 코어-쉘 나노입자를 형성하는 입자코팅 반응부,
    상기 입자코팅 반응부로부터 생성된 코어-쉘 나노입자를 포집하는 입자 포집기 및
    상기 입자코팅 반응부에 전자빔을 조사하는 전자빔 조사장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 코어-쉘 나노입자 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 쉘 물질 전구체 발생기는 기포발생기(Bubbler) 또는 증발기(Evaporator)인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 나노입자 제조장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 쉘 물질 전구체는 액상인 트리메틸알루미늄(Trimethylaluminum)인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 나노입자 제조장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 쉘 물질 전구체는 액상인 지르코늄(IV) T 부톡사이드(Zirconium(IV) tert-butoxide)인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 나노입자 제조장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 쉘 물질 전구체는 바나듐(V) 옥시트리이소프로폭사이드(Vanadium(V) oxytriisopropoxide),　 바나듐(V) 옥시트리에톡사이드(Vanadium(V) oxytriethoxide), 바나듐(V) 옥시트리프로폭사이드(Vanadium(V) oxytripropoxide)　중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 나노입자 제조장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 쉘 물질 전구체는 액상인 트리에틸갈륨(Triethylgallium) 또는 트리메틸갈륨(Trimethylgallium)인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 나노입자 제조장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 코어 물질은 나노 분말(nano-powder) 형태 또는 전구체 용액과 반응을 일으키지 않고 혼합될 수 있는 콜로이드상의 나노입자 용액인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 나노입자 제조장치.
  8. (a) 작동 유체에 의한 쉘 물질 전구체 발생기에서 전구체 증기를 발생시키는 단계,
    (b) 작동 유체에 의한 코어 물질 발생기에서 코어 나노입자를 발생시키는 단계,
    (c) 입자 코팅 반응기에서 쉘 물질 전구체를 분리하여 코어-쉘 나노입자를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 (c) 단계는 전자빔 조사장치에서 공급되는 전자빔에 의해 실행되고, 상기 (a) 내지 (c) 단계는 상온 상압에서 실행되고, 상기 코어 물질 발생기에서의 코어 나노입자 발생은 증발응축법 또는 분무 방식으로 실행되는 것을 특징으로 하는 코어-쉘 나노입자 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 쉘 물질 전구체는 액상인 트리메틸알루미늄(Trimethylaluminum)인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 나노입자 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 쉘 물질 전구체는 액상인 지르코늄(IV) T 부톡사이드(Zirconium(IV) tert-butoxide)인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 나노입자 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 쉘 물질 전구체는 바나듐(V) 옥시트리이소프로폭사이드(Vanadium(V) oxytriisopropoxide),　 바나듐(V) 옥시트리에톡사이드(Vanadium(V) oxytriethoxide), 바나듐(V) 옥시트리프로폭사이드(Vanadium(V) oxytripropoxide)　중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 나노입자 제조방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 쉘 물질 전구체는 액상인 트리에틸갈륨(Triethylgallium) 또는 트리메틸갈륨(Trimethylgallium)인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 나노입자 제조방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서의 코어 나노입자는 나노 분말(nano-powder) 형태 또는 전구체 용액과 반응을 일으키지 않고 혼합될 수 있는 콜로이드상의 나노입자 용액인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 나노입자 제조방법.
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KR20060118818A (ko) * 2005-05-17 2006-11-24 한국기계연구원 진공 플라즈마를 이용한 나노입자 제조장치
US20110042611A1 (en) 2008-02-11 2011-02-24 Centrum Fur Angewandte Nanotechnologie (Can) Gmbh Reactor for the manufacture of nanoparticles
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