KR101367836B1 - 전기폭발법을 이용한 나노분말 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기폭발법을 이용한 나노분말 제조방법에 관한 것으로, 와이어를 나선형 스프링 구조로 성형하는 단계와, 상기 성형된 와이어를 공급기에 공급하는 단계와, 상기 공급기에 공급된 와이어를 챔버 내부로 공급한 후 와이어에 고전압을 인가하여 상기 와이어를 전기적으로 폭발시키는 전기폭발단계 및, 상기 전기폭발단계에서 상기 와이어가 폭발하여 생성된 나노분말을 회수하는 단계를 포함하여 이루어지되, 상기 나선형 스프링 구조로 성형된 와이어는 0.4 ~ 0.8mm의 피치와, 10 ~ 13회의 권취수와, 1 ~ 2mm의 직경을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

전기폭발법을 이용한 나노분말 제조방법{Producing method of nanopowders using the electrical wire explosion}
본 발명은 전기폭발법을 이용한 나노분말 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 설명하면, 나선형 스프링 구조의 와이어를 공급하여 나노분말을 생산량을 향상시킬 수 있는 전기폭발법을 이용한 나노분말 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 단일 금속 분말을 제조하는 방법은 아토마이제이션(atomization), 액상환원법, 플라즈마를 이용하는 방법 등이 있다.
그러나, 아토마이제이션 방법으로는 나노크기로 분말을 제조할 수 없고 대략 50㎛정도 크기의 분말을 제조할 수 있다.
액상환원법은 나노크기로 몇 가지 귀금속만을 제조할 수 있어 일반적인 금속 분말에는 적용할 수가 없다는 단점이 있다.
플라즈마 방법은 생산에 비해 전력 소모가 크며 분말 포집할 때 산화를 방지시키는 별도의 장치가 필요하다는 등의 문제점을 가지고 있어 종래의 방법으로는 나노크기의 금속 분말을 안정적으로 생산할 수가 없었다.
이와 같은 문제점을 해결한 방법으로 등록특허 10-0394390호에 "전기폭발법에 의한 금속 나노분말 제조방법 및 장치"가 개시되어 있다.
상기 종래의 기술은 와이어 공급장치에서 반응기 내부로 와이어를 공급하는 단계와, 와이어 공급장치 내의 측정롤러로 와이어의 폭발길이를 측정하는 단계와, 와이어 폭발길이 측정신호로 스파크갭의 구동신호를 발생하는 단계와, 구동신호가 스파크 갭의 구동전극에 공급될 때까지 축전지를 충전하는 단계와, 스파크 갭의 구동신호로 충전된 축전지의 고전압이 스파크 갭의 고전압전극과 저전압전극 사이의 절연체를 관통해 반응기의 고전압전극에 공급되는 단계와, 상기 고전압으로 반응기 내로 공급된 와이어가 폭발하여 나노금속분말을 얻는 단계와, 나노금속분말을 정확한 산소압에서 포집하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그러나, 종래의 기술은 생산된 분말을 포집하는 장치가 다단의 버퍼 싸이클론, 필터 및, 호퍼로 구성되어 복잡함에도 불구하고 생산된 분말의 수율이 50~60% 밖에 되지 않는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 종래 직선형태로 공급되는 와이어를 나선형 스프링 구조로 공급하여 나노분말의 생산량을 수배에서 수십배까지 늘릴 수 있는 전기폭발법을 이용한 나노분말 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 및 기타 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시에에 따르면, 와이어를 나선형 스프링 구조로 성형하는 단계와, 상기 성형된 와이어를 공급기에 공급하는 단계와, 상기 공급기에 공급된 와이어를 챔버 내부로 공급한 후 와이어에 고전압을 인가하여 상기 와이어를 전기적으로 폭발시키는 전기폭발단계 및, 상기 전기폭발단계에서 상기 와이어가 폭발하여 생성된 나노분말을 회수하는 단계를 포함하여 이루어지되, 상기 나선형 스프링 구조로 성형된 와이어는 0.4 ~ 0.8mm의 피치와, 10 ~ 13회의 권취수와, 1 ~ 2mm의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 전기폭발법을 이용한 나노분말 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 목적은 와이어를 공급기에 공급하는 단계와, 상기 공급기에 공급된 와이어를 나선형 스프링 구조로 성형하고, 상기 성형된 와이어를 챔버 내부로 공급한 후 상기 성형된 와이어에 고전압을 인가하여 상기 와이어를 전기적으로 폭발시키는 전기폭발단계 및, 상기 전기폭발단계에서 상기 와이어가 폭발하여 생성된 나노분말을 회수하는 단계를 포함하여 이루어지되, 상기 나선형 스프링 구조로 성형된 와이어는 0.4 ~ 0.8mm의 피치와, 10 ~ 13회의 권취수와, 1 ~ 2mm의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 전기폭발법을 이용한 나노분말 제조방법을 제공한다.
삭제
상기 나선형 스프링 구조로 성형된 와이어의 단부는 클로즈 엔드, 오픈 엔드, 탄젠트 테일 엔드 및, 피그 테일 엔드 중 어느 하나의 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
전술한 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 종래 직선형태로 공급되는 와이어를 나선형 스프링 구조로 공급하여 나노분말의 생산량을 수배에서 수십배까지 늘릴 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기폭발법을 이용한 나노분말 제조 공정도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기폭발법을 이용한 나노분말 제조 공정도.
도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 전기폭발법을 이용한 나노분말을 제조하기 위한 제조장치의 개략도.
도 4은 본 발명의 일실시예에 따른 와이어의 형상을 도시하는 도면.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기폭발법을 이용한 나노분말 제조 공정도, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기폭발법을 이용한 나노분말 제조 공정도, 도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 전기폭발법을 이용한 나노분말을 제조하기 위한 제조장치의 개략도, 도 4은 본 발명의 일실시예에 따른 와이어의 형상을 도시하는 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전기폭발법을 이용한 나노분말 제조방법은 성형단계(S110), 공급단계(S120), 전기폭발단계(S130), 회수단계(140)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 본 발명의 일실시예에 따른 전기폭발법을 이용한 나노분말 제조방법에 사용되는 장치(100)는 도 3에 도시된 바와 같이 와이어 공급기(110), 접지전극(120a)과 고전압전극(120b)이 구비된 챔버(120), 나노분말이송라인(130), 버퍼트랩(140), 싸이클론(150) 및, 메쉬필터(160) 등으로 구성되어 금속 나노분말 제조에 사용되는 일반적인 장치인바, 장치에 대한 상세한 설명은 생략한다.
성형단계(S110)는 와이어(10)를 나선형 스프링 구조로 성형하는 것으로서, 나선형 스프링 구조로 성형된 와이어(10)의 피치(Pitch)는 0.4 ~ 0.8mm, 권취수는 10 ~ 13, 직경은 1 ~ 2mm 갖는 것이 바람직하다.
또한, 나선형 스프링 구조로 성형된 와이어(10)의 단부는 도 3을 참조하면, (a)클로즈 엔드, (b)오픈 엔드, (c)탄젠트 테일 엔드 및, (d)피그 테일 엔드 중 어느 하나의 형상으로 형성된다.
공급단계(S120)는 성형단계(S110)에서 나선형 스프링 구조로 성형된 와이어(10)를 공급기(110)에 공급하는 것이다.
전기폭발단계(S130)는 공급기(110)에 공급된 와이어(10)를 챔버 내부로 공급한 후 와이어(10)에 고전압을 인가하여 전기 폭발하도록 하여 나노분말이 생성되게 한다.
여기서, 와이어(10)의 재질이 구리(Cu)일 경우 필요한 에너지와 전압은 아래와 같은 식에 의해 구해진다.
이때, 와이어(10)의 직경(d) 및 길이(l)는 0.4mm, 80mm이고, 구리(Cu)의 승화에너지(Ws )는 47.8J/mm3이다.
[수학식 1]
Figure 112013106267314-pat00001
Ws: 주입되는 단위부피와이어의 승화에너지(J)
ws: 재료 고유의 승화 에너지(J/mm3)
d: 와이어 직경(mm), ㅣ: 와이어 길이(mm)
위의 식에 실제 조건을 기입하여 계산을 하면,
Figure 112013106267314-pat00002
된다.
즉, 480.5J 만큼의 에너지를 와이어에 주입하면 해당길이만큼의 와이어를 승화시킬 수 있다. 하지만 전기폭발법을 이용하여 본래의 목적인 나노분말을 제조하기 위해서는 와이어에 주입되는 에너지를 증가시켜야 하는데 그 정도를 표현할 수 있는 값이 필요하다. 따라서, "K" 값이라는 인자를 도입하면 Ws와, K는 아래와 같은 관계를 갖는다.
여기서, K는 wire material의 overheat 또는 super heating factor로 정의한다.
[수학식 2]
Figure 112013106267314-pat00003
W: 1회 폭발시 펄스전원부에서 와이어로 주입되는 에너지(J)
K값을 수학적으로 나타내면 수학식 2에 의하여 펄스전원부에서 와이어로 주입되는 에너지와 와이어의 승화에너지 비율이 된다. 만약 "K"값이 "1"이라면 펄스전원부에서 와이어로 주입된 에너지가 오직 와이어를 승화시키는 데에만 사용되었다라고 볼 수 있다. 하지만 전기폭발법의 본래 목적은 나노분말을 제조하는 것이므로 K값이 1보다 클수록 나노크기의 분말형성이 유리하다. 실험적으로 K값이 "2"이상이 되면 100nm 급의 나노분말 제조가 가능하므로 수학식 2는 아래 수학식 3으로 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112013106267314-pat00004
따라서, K=2 일 때 펄스전원부에서 와이어로 주입되는 에너지는 961.0J이 된다. 한편, 이 에너지가 회로 및 케이블을 통해서 와이어에 실제로 주입될 때 약 15%의 손실이 발생하는데 이를 감안하여 과잉의 에너지를 주입해야 한다. 이 값을 U로 표시하면 아래 수학식 4와 같다.
[수학식 4]
Figure 112013106267314-pat00005
U : 손실을 고려한 펄스전원부의 에너지 (J)
η : 회로 및 고전압케이블의 효율 (85%)
W는 961.0J이므로,
Figure 112013106267314-pat00006
된다.
상기와 같은 1130.6J 만큼의 에너지를 주입하기 위해서는 필요한 전압(V)을 아래 수학식 5와 같이 계산할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112013106267314-pat00007
V : 주입되는 에너지를 인가하기 위한 전압 (kV)
C : 콘덴서용량 (㎌)
위의 수학식 5를 이용해 필요한 전압을 구하면 아래와 같다.
Figure 112013106267314-pat00008
최종적으로 직경 0.4mm, 길이 80mm인 구리(Cu) 재질의 와이어를 K 값이 2라는 조건으로 나노분말을 제조하기 위한 필요전압은 19.4kV가 된다.
위의 식을 통해 구해진 전압을 사용하여 와이어(10)의 단위체적당 스프링의 지름과 피치(Pitch)의 변화에 따른 나노분말의 생산량을 아래 그래프 1에 나타내었다.
[그래프 1]
Figure 112013106267314-pat00009
위의 그래프 1에 나타낸 것처럼 본 발명에 따른 나노분말의 생산량은 스프링의 지름이 클수록 생산량이 많고, 스프링의 피치(Pitch)가 증가하면 생산량이 감소되는 것을 알 수 있다.
즉, 와이어의 직경이 동일하더라도 스프링의 지름과 피치(Pitch)를 조절함으로써 나노분말의 생산량을 종래에 비해 수배에서 수십배까지 쉽게 늘릴 수 있다.
회수단계(S140)는 전기폭발단계(S130)에서 생성된 나노분말을 회수하는 것이다.
한편, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기폭발법을 이용한 나노분말 제조 공정도로서, 도 2에 도시된 본 발명의 다른 실시예는 공급단계(S210)에서 와이어(10)를 공급기(110)에 공급하여 공급기(110)에서 와이어(10)를 나선형 스프링 구조로 성형한 후 챔버(120)의 내부로 공급하는 것을 제외하고는 도 1에 도시된 본 발명의 일실시예와 대동소이한바, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하였지만, 당해 기술 분야에 숙련된 사람은 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
S110: 성형단계
S120, S210: 공급단계
S130, S220: 전기폭발단계
S140, S230: 회수단계
110: 와이어 공급기
120: 챔버
120a: 접지전극
120b: 고전압전극
130: 나노분말이송라인
140: 버퍼트랩
150: 싸이클론
160: 메쉬필터

Claims (4)

  1. 와이어를 나선형 스프링 구조로 성형하는 단계;
    상기 성형된 와이어를 공급기에 공급하는 단계;
    상기 공급기에 공급된 와이어를 챔버 내부로 공급한 후 와이어에 고전압을 인가하여 상기 와이어를 전기적으로 폭발시키는 전기폭발단계; 및,
    상기 전기폭발단계에서 상기 와이어가 폭발하여 생성된 나노분말을 회수하는 단계;를 포함하여 이루어지되,
    상기 나선형 스프링 구조로 성형된 와이어는 0.4 ~ 0.8mm의 피치와, 10 ~ 13회의 권취수와, 1 ~ 2mm의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 전기폭발법을 이용한 나노분말 제조방법.
  2. 와이어를 공급기에 공급하는 단계;
    상기 공급기에 공급된 와이어를 나선형 스프링 구조로 성형하고, 상기 성형된 와이어를 챔버 내부로 공급한 후 상기 성형된 와이어에 고전압을 인가하여 상기 와이어를 전기적으로 폭발시키는 전기폭발단계; 및,
    상기 전기폭발단계에서 상기 와이어가 폭발하여 생성된 나노분말을 회수하는 단계;를 포함하여 이루어지되,
    상기 나선형 스프링 구조로 성형된 와이어는 0.4 ~ 0.8mm의 피치와, 10 ~ 13회의 권취수와, 1 ~ 2mm의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 전기폭발법을 이용한 나노분말 제조방법.
  3. 삭제
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 나선형 스프링 구조로 성형된 와이어의 단부는 클로즈 엔드, 오픈 엔드, 탄젠트 테일 엔드 및, 피그 테일 엔드 중 어느 하나의 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기폭발법을 이용한 나노분말 제조방법.
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