KR101485833B1 - 양방향 펄스 연속충돌 방식을 통한 나노 미세입자 제조방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산업에 사용되는 금속, 세라믹, 유기물고분자 등의 원료를 고품질의 나노 미세입자로 제조 할 수 있는 양방향 펄스 연속충돌 방식을 통한 나노 미세입자 제조방법 및 그 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미세화가 가능한 원료입자를 양측에서 가속으로 분출시켜 상호 펄스(Pulse) 충돌방식에 의해 나노 크기의 미세입자로 제조할 수 있도록 한 것이다.
이는 나노입자의 크기로 제조하고자 하는 각종 원료입자(P)와 물(H)을 혼합하여 공급시키도록 하는 원료공급단계; 공급되는 원료입자와 물, 또는 한번 제조된 미세입자를 연속적으로 순환시켜 고르게 혼합하는 원료혼합단계; 원료혼합단계에서 혼합된 원료혼합액을 양측으로 분배시켜 피스톤의 작동으로 가압하여 고압, 고속으로 토출시키도록 하는 원료가속단계; 원료혼합액을 일정한 펄스로 급가속시키도록 하는 펄스발생단계; 상기 고압의 원료혼합액을 서로 다른 구경을 가지면서 일직선상으로 마주보게 설치되는 분사노즐을 통하여 고속으로 분사시켜 상호 정면충돌에 의해 미세한 미세입자로 제조토록 하는 원료충돌제조단계; 상기와 같이 제조되는 미세입자의 원료입자(P)와 물(H)을 분리시키도록 하는 원료분리단계;로 이루어져 구성된 것이다.

Description

양방향 펄스 연속충돌 방식을 통한 나노 미세입자 제조방법 및 그 장치{Nano-micro particles manufacturing method and device}

본 발명은 산업에 사용되는 금속, 세라믹, 유기물고분자 등의 원료를 고품질의 나노 미세입자로 제조할 수 있는 양방향 펄스 연속충돌 방식을 통한 나노 미세입자 제조방법 및 그 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미세화가 가능한 원료입자를 양측에서 가속으로 분출시켜 상호 펄스(Pulse) 충돌방식에 의해 나노 크기의 미세입자로 제조할 수 있도록 한 것이다.

일반적으로 미세화가 가능한 원료입자(금속, 세라믹, 유기물고분자 등)를 나노수준(1 나노 = 1 × 10 -9 m )으로 미립자화 하는 나노기술의 경우에는 원료입자의 크기를 1 내지 100 nm의 크기로 제조하여서 필요로 하는 해당 분야에 사용하고 있다.

이러한 나노기술의 응용분야는 생화학, 미생물, 섬유, 의료, 군사과학, 반도체, 에너지 등 인류가 생존하면서 필요한 모든 분야에 폭 넓게 적용되고 있을 뿐만 아니라 더 나아가 반드시 필요하게 되어 있다.

예컨데, 생명과학 분야의 경우에는 나노기술을 이용한 센서로 신체 내의 생화학적 현상들을 매우 짧은 시간 내에 정밀하게 측정할 수 있고, 또한 나노 입자를 활용한 전자소자가 개발되면 전산 속도는 매우 빨라지게 되어 새로운 산업적 적용이 생기게 된다.

또한 정보통신 분야에서도 나노기술로 인한 통신 속도가 빨라지게 되면 전 세계 사람과 영상회의를 실시간으로 진행할 수 있는 등 다양한 응용이 가능하고, 더욱이 나노기술이 연료전지장치에 적용되면 소규모 연료전지를 고효율로 광범위하게 사용되어 공해를 최소화하면서 에너지 문제를 해결해 갈 수 있을 것이다.

이와 같이 원료입자를 나노수준의 미립자화 하는 나노기술은 종래에도 이미 제안되어 있었다.

그 대표적인 금속 나노입자의 제조법들은 고온으로 증발시킨 금속의 증기를 가스 분자와 충돌시키고 이를 급냉시켜 미립자를 만드는 기상법, 금속 이온이 용해된 용액에 환원제를 첨가하여 미립자를 만드는 액상법 및 고상법 등 다양한 합성 방식이 사용되고 있다.

또한 상기와 같은 방법 외에도 입자들을 서로 충돌시키는 분쇄법이 있으며, 상기 분쇄법 중에서 습식 분쇄법은 고체를 용액에 함유시킨 슬러리를 가압 분사하여 충돌을 통해 미세입자를 만드는 방법이고, 이와 달리 건습 분쇄법은 가속되는 기체류에 따라서 고체 입자를 분사하고 충돌을 통해 미세입자를 만드는 방법이다.

그러나 상기 기상법, 액상법, 고상법 등은 고가의 상대 물질을 투입함으로 인하여 순수한 재료의 구조적 변형 또는 물성의 변화를 초래하는 문제점이 있기도 하고, 더구나 촉매, 분산제 등의 사용은 자연환경의 훼손이나 공해의 문제를 만들어 내기도 하였다.

또한 분쇄법의 건습 분쇄법의 경우 고체의 입자가 작아질수록 안정적 가속이 어려워져 나노입자 단위의 분체를 만들어 내는데는 그 한계와 어려움이 있었으며, 습식 분쇄법에 있어서도 원료의 고속 분사 문제, 고압으로 가압되는 노즐의 마모 문제 등에 따른 비용 면에서 큰 어려움이 있으며 대규모의 미세입자 생산에도 어려움이 있었다.

특히 종래 금속나노미립자 제조는 금속수용액을 이용해서 만들었기 때문에 특정한 산화제나 금속염 등을 반드시 사용하여야만 하고, 또한 기판증착분리 등을 통해 나노입자를 만드는 경우도 그 제조과정에서 사용되어지는 촉매 등으로 인한 공해문제 들을 해결해야만 한다.

그래서 산화제의 사용 후 제거, 환원제를 활용한 공해 물질 제거 등에 관한 많은 연구를 해오고 있으나 적절한 해결책을 얻기가 쉽지 않았다.

따라서 제조과정의 개선을 통해 제조 공정을 간소화시킬 수 있는 방안을 찾는 연구, 또는 화학적 방법이 아닌 입자들을 충돌시켜 미세화 시키는 물리적 제조공정에 대한 연구가 진행되고 있다.

하지만 이런 공정을 통해 고순도의 나노 물질을 대량으로 생산할 수 있는 방법은 아직 답보상태에 있는 것이 현실이다.

최근에 이르러서도 'Bio templated inorganic materials'(특허 US 8431506 B2 참조)에서 보는 바와 같이 미생물을 이용하여 나노입자 제조를 시도하는 등의 연구가 진행되기도 하지만, 이런 방법들도 생산에 따른 2차 공해의 문제점을 여전히 가지고 있어 종래의 제조 방법에서 크게 벗어나지 못하고 있다.

또한 충돌 방식을 통한 나노입자 제조에 관한 최근의 연구를 보면(일본 P 2003358557) 충돌의 효율을 높이기 위해서는 정면충돌을 해야만 하는데 이 특허는 측면충돌을 하고 있다.

이러한 방식은 좁은 반응 공간에서 고속 고압에 의한 물질의 팽창 및 압력 상승으로 인한 충돌물체의 감속현상을 해결하기 위하여 불가피하게 사용하게 되었으며, 또한 이런 문제들을 보완하기 위해 압축가스를 동시에 분사하는 방식을 사용하는 방식을 채택하였다.

그러나 이러한 방식 역시 압축가스를 사용하는데 따른 공해, 환경 등은 물론 구조적인 문제점이 있었으며, 이런 방식으로는 나노입자의 대량생산에는 한계가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 여러 가지 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 그 목적은 촉매, 프라즈마, 전기적충격 등을 사용하지 않고, 동종의 물질의 상호 직접 충돌을 통해 나노 크기의 미세입자를 제조할 수 있도록 하는 양방향 펄스 연속충돌 방식을 통한 나노 미세입자 제조방법 및 그 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 제조되는 미세입자의 구조 변화가 없고, 원소 물질이 보유하는 물리적 내지는 화학적 특성을 그대로 가지고 있는 순수하고도 균질한 나노 입자를 만들 수 있으면서도 값싼 설비비용으로 대량생산 할 수 있도록 하는 양방향 펄스 연속충돌 방식을 통한 나노 미세입자 제조방법 및 그 장치를 제공함에 있다.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명은 미세화가 가능한 원료입자를 물이라는 매개체와 혼합한 후, 양측에서 인위적으로 가속시켜 상호 펄스 충돌방식에 의해 나노 크기의 미세입자를 제조할 수 있도록 하는 방법을 특징으로 한다.

이러한 방법에 따른 제조장치는 원료입자와 물이 혼합된 상태의 원료혼합액이 공급되는 원료공급부와, 충돌의 속도를 높여 줄 수 있는 원료가속부와, 원료를 상호 충돌시켜 미세입자로 제조토록 하는 충돌제조부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

특히 본 발명에서는 고압이나 고속의 진행물질이 정면으로 충돌할 수 있는 상황을 항상 유지할 수 있게 해 줄 수 있는 실린더 장치와 노즐을 사용함으로 충돌과정에서 발생하는 감압 감속에 대한 문제를 해결할 수 있었으며, 따라서 입자의 미세화에 효율이 높은 정면충돌 작업을 할 수 있는 방법과 장치를 제시할 수 있었다.

또한 본 발명에서는 원료의 공급과 충돌과정이 연동 작동하도록 설계하여 작업자가 원하는 입자의 크기가 될 때까지 연속반복공정을 수행할 수 있도록 함으로써 대규모의 나노 크기의 미세입자의 생산이 가능하도록 함을 특징으로 하는 것이다.

상기와 같이 본 발명은 원료입자를 물과 함께 혼합하여 고압 고속으로 분사시켜 펄스(pulse) 충돌방식에 의한 상호 정면충돌의 반복과정을 통하여 나노 크기의 미세입자로 제조할 수가 있음으로써 매우 순수하고도 균질한 나노 크기의 미세입자를 대량으로 제조할 수 있는 효과를 가지게 된다.

즉, 본 발명은 제조공정에 따라 기존의 미립자 제조과정에서 수반하여 발생하는 공해물질의 사용이 전혀 필요가 없이 물을 매개체로 함으로써 고순도의 나노 물질을 경제적이면서도 대량으로 생산할 수 있음은 물론이고, 환경 오염을 시키지 않는 효과를 가지게 되는 것이다.

특히 본 발명은 금속, 세라믹, 유기물고분자 등의 모든 원료입자를 나노의 크기로 제조할 수 있음으로써 다양한 산업분야에 폭넓게 활용할 수 있는 효과도 가지게 되는 것이다.

도 1은 본 발명 제조방법에 따른 블럭도
도 2는 본 발명에 관한 전체적인 제조장치의 개념도
도 3은 본 발명 도2의 원료공급부 및 원료혼합부의 구성도
도 4는 본 발명 도2의 원료가속부의 구성도
도 5는 본 발명 도2의 펄스발생부의 구성도
도 6은 본 발명 도2의 원료충돌제조부의 구성도
도 7은 본 발명 도6의 요부를 보인 구성도
도8 및 도9는 본 발명 원료혼합액의 충돌에 따른 작동설명도
도 10은 본 발명 조절수단의 일부구성도

이하에서 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도면의 도1은 본 발명에 의한 일실시예인 상호 펄스(pulse) 충돌방식에 의한 나노 미세입자 제조방법에 따른 블럭도이고, 도2는 나노 미세입자 제조장치의 개념도이며, 도3 내지 도7은 본 발명의 핵심적인 장치들의 구성도이며, 도8 이하는 본 발명의 작동설명도를 나타낸 도면이다.

본 발명은 양방향 펄스 연속충돌 방식을 통한 나노 미세입자 제조방법은 물(H)과 원료입자(P)가 공급되는 원료공급단계, 공급되는 원료혼합액을 효과적이고도 고르게 혼합하는 원료혼합단계, 원료혼합액을 가압하여 고속으로 분사토록 하는 원료가속단계, 분사되는 원료혼합액을 일정한 펄스로 분사시키기 위한 펄스발생단계, 펄스로 분사되는 원료를 정면으로 충돌시켜 미세입자로 제조토록 하는 원료충돌제조단계, 나노 크기의 미세입자로 제조된 물과 미세입자를 분리토록 하는 원료분리단계로 구성된다.

이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

[원료공급단계]

상기 원료공급단계는 나노 크기로 제조하기 위한 금속, 세라믹, 유기물고분자 등과 같은 원료입자(P)와 매개체 역할을 수행하기 위한 물(H)을 적정한 비율로 공급하는 원료공급단계를 가진다.

상기 원료입자(P)는 나노 크기의 미세입자로 제조하기 위한 원료로서, 제조하고자 하는 원료의 종류에 따라 그 크기를 달리할 수 있고, 이러한 원료입자(P)는 물에 충분히 혼합될 수 있는 정도의 비율로 각각 공급하게 되며, 물(H)은 통상에서와 같은 물을 사용하게 된다.

[원료혼합단계]

상기 원료공급단계에 의해 공급되는 원료입자(P)를 탱크에 주입하여 모터의 구동력에 의해 회전되는 교반날개를 통하여 강제적으로 고르게 혼합하는 단계를 가진다.

이의 단계는 물속에 혼합되는 원료입자가 금속, 세라믹, 유기물고분자 등으로 이루어짐에 따라 매개체인 물 보다는 그 비중이 높기 때문에 물 속의 바닥으로 가라앉는 것을 방지하고, 물 속에서 원료입자가 고르게 혼합된 원료혼합액을 그대로의 상태로 다음 단계에 보내기 위함이다.

[원료가속단계]

물과 함께 고르게 혼합된 원료혼합액은 실린더에서 진퇴작동되는 피스톤에 의해 가압되어 고온 고압으로 가속된 상태로 다음 단계로 보내지게 되며, 이의 원료가속단계는 공급되는 원료혼합액을 고온 고압으로 가압하여 다음 단계로 보내기 위함이다.

[펄스발생단계]

상기와 같이 가압되어 배출되는 원료혼합액을 일정한 주기로 가속과 감속을 반복하도록 함으로써 상호 정면충돌에 따른 분쇄효율을 향상시키게 위한 것으로, 모터의 회전력을 직선으로 변환시켜 진퇴작동되는 피스톤의 압축 및 팽창으로 배관을 통과하는 원료혼합액이 일정한 주기로 급가속이 이루어지게 하여 펄스에 의한 충돌력을 향상시키게 되는 것이다.

즉, 원료가속단계에 의해 가속된 상태로 공급되는 원료혼합액을 동일한 속도로 공급할 경우 다음 단계인 원료충돌제조단계에서 상호 충돌에 따른 효율이 저하될 수 있음으로써 강약을 반복되게 하여 상호 충돌력을 증대시키게 된다.

[원료충돌제조단계]

전술한 원료가속단계에서 가압되어 고속이면서도 일정한 펄스로 공급되는 원료혼합액은 서로 다른 크기의 구경을 가진 한 쌍의 분사노즐에 의해 상호 정면충돌되어 미세입자로 제조되는 단계를 가진다.

작은 구경을 가지는 분사노즐에서 분사되는 원료혼합액이 큰 구경을 가지는 분사노즐에서 분사되는 원료혼합액 속으로 파고들면서 각각의 원료입자가 정면충돌되어 미세입자로 제조된다.

이때 서로 마주보는 각각의 분사노즐은 그 구경이 서로 달리 구성되면서 큰 구경의 분사노즐은 작은 구경의 분사노즐에 비하여 1.5 - 2배의 크기를 가지도록 구성됨으로써 각 분사노즐에서 분사되는 원료혼합액 속의 원료입자가 정면 충돌시 분쇄효율을 향상시키게 된다.

상기와 같은 일련의 단계는 원하는 미세입자의 크기가 될 때까지 연속 반복적으로 이루어지게 된다.

[원료분리단계]

상기와 같은 일련의 제조단계를 연속 반복적으로 이룬 후, 원하는 미세입자의 크기로 제조가 이루어지고 나면, 회수탱크로 회수하여 물과 나노 크기의 미세입자를 분리하는 단계를 가진다.

분리단계는 공지된 여러 가지 분리장치들을 이용하여 나노 크기의 미세입자와 물로 분리하게 되는 것이며, 이렇게 분리된 미세입자는 필요로 하는 산업에 활용함과 아울러, 물은 회수하여 사용하게 되는 것이다.

따라서 상기와 같은 제조방법을 순차적으로 거침으로써 원료입자는 나노 크기의 미세입자로 제조가 완료되는 것이고, 이렇게 제조되는 미세입자는 물과 분리되어 미세입자는 필요로 하는 산업이 활용하게 됨과 동시에, 순수한 물은 다른 여러 가지 용도로 사용하게 됨으로써 환경오염을 방지하게 되는 것이다.

상기와 같은 제조방법에 따른 제조장치는 첨부된 도면의 도2 이하에서 상세히 나타내고 있으며, 본 발명은 도면에서 보듯이 크게 구분하여 원료공급부(100), 원료혼합부(200), 원료가속부(300), 펄스발생부(400), 원료충돌제조부(500), 원료분리부(600)로 구성된다.

상기 원료공급부(100)는 나노 크기로 제조하기 위한 금속, 세라믹, 유기물고분자 등과 같은 원료입자(P)를 물(H)과 공급하기 위한 것으로, 이는 첨부된 도면의 도2 및 도3 에서 보듯이 공급호퍼(110)를 통하여 원료입자와 물을 적정비율로 혼합하여 공급하거나 또는 원료입자와 물을 각각 별도로 공급하게 된다.

상기 원료혼합부(200)는 공급되는 원료입자와 물을 혼합하기 위한 것으로 원통형의 탱크(210)를 갖추어 구성되고, 이 탱크(210)의 상부 일측에는 원료와 물이 공급되는 주입구(211)가 공급호퍼(110)와 연결되어 밸브(212)에 의해 제어되며, 반대측에는 리사이클에 따른 회수구(213)가 구비된다.

또 탱크(210)의 상부 중심부에는 모터(220)가 설치됨과 동시에, 탱크(210)의 내부에는 모터(220)의 회전축과 연결되어 회전구동되는 교반날개(221)가 다수로 설치되어 공급되는 원료를 고르게 교반하여 혼합하게 된다.

또한 탱크(210)의 하단 중심부에는 탱크(210)의 내부에서 충분히 혼합된 원료혼합액을 다음 단계로 배출하기 위한 배출구(230)가 설치되어 역시 밸브(231)에 의해 제어된다.

한편, 상기 탱크(210)의 외부에는 별도의 냉,난방장치와 연결되는 열교환기(240)가 더 설치될 수 있으며, 이의 열교환기(240)는 탱크(210)내의 온도를 항상 일정하게 유지하여 그 속에 담겨지는 원료혼합액이 온도 변화에 의해 산화되거나 또는 물리적, 화학적 변화를 일으켜 변환되는 것을 최소화하기 위한 것이다.

따라서 상기 원료공급부(100)에서는 공급호퍼(110)를 통해 물과 원료입자를 적정한 비율로 공급하게 되고, 원료혼합부(200)에서는 상기와 같이 공급되는 원료입자와 물을 고르게 혼합하게 된다.

즉, 원료혼합부(200)의 주입구(211)를 통하여 물과 함께 원료입자가 탱크(210)의 내부로 공급되면, 모터(220)가 구동되면서 교반날개(221)가 회전되고, 이에 따라 탱크(210)의 내부로 공급되는 원료입자는 물과 함께 고르게 혼합되어 원료혼합액을 이루게 된다.

상기와 같이 원료혼합액을 혼합하는 것은 나노 크기로 제조하기 위한 금속, 세라믹, 유기물고분자 등과 같은 원료입자들이 물보다는 비중이 높기 때문에 탱크(210)내에서 침전되는 것을 방지하면서도 물과 고르게 혼합될 수 있도록 하기 위함이다.

상기와 같이 고르게 혼합된 원료혼합액은 그 하부의 배출구(230)를 통하여 두 개로 구비되는 원료가속부(300) 측으로 분배되어 각각 공급된다.

상기 원료가속부(300)은 첨부된 도면의 도4 에서 더욱 상세히 나타내고 있으며, 이는 좌, 우 동일한 구조가 상호 마주보게 한 쌍으로 구비되어 원료혼합부(200)에서 공급되는 원료혼합액을 원료충돌제조부(500)로 각각 분사하는 기능을 제공하게 된다.

상기 원료가속부(300)는 한 쌍으로 구비되는 상호 동일한 구조를 가짐에 따라 그 하나만을 설명하기로 한다.

원료가속부(300)는 긴원통형으로 이루어지는 실린더(310)와, 이 실린더(310)의 내부에서 진퇴작동되어 원료혼합액을 압축토록 피스톤(320)과, 피스톤(320)을 작동시키도록 하는 모터(330)로 구성되고, 실린더(310)의 전면 일측에는 원료혼합액이 투입되는 투입구(340)가 연결됨과 동시에 전단에는 실린더(310)내에서 가압되는 원료혼합액이 고속으로 토출되는 토출구(350)가 배관(351)과 연결 구비된다.

이때 상기 투입구(340)와 토출구(350)상에는 원료혼합액이 원활하게 압축되어 유입 및 토출이 이루어지도록 역지밸브(360)가 각각 구비된다.

상기 실린더(310)는 원료혼합액이 유입되어 피스톤(320)에 의해 압축되는 기능을 제공하게 되는 것이며, 피스톤(320)은 모터(330)의 회전력이 크랭크축을 통하여 직선운동으로 변환되므로 진퇴작동되어져 실린더(310)내를 압축시키게 된다.

즉, 모터(330)의 회전력에 의해 피스톤(320)이 전진작동되면, 투입구(340)를 통하여 유입되는 원료혼합액을 강하게 압축하여 그 전단의 토출구(350)를 통하여 토출시키게 되고, 이와는 반대로 후진작동되면, 토출구(350)는 역지밸브(360)에 의해 폐쇄되면서 투입구(340)측으로 원료혼합액이 투입되는 것을 반복하게 됨으로써 원료혼합액을 고압, 고속으로 토출시키게 된다.

또한 상기 토출구(350)의 전단에는 배관(351)으로서 별도의 펄스발생부(400)가 설치되며, 이의 펄스발생부(400)는 첨부된 도면의 도5 에서 더욱 상세히 나타내고 있다.

이는 회전동력을 발생시키는 모터(410)와, 모터(410)의 동력을 풀리 등으로 전달받아 회전되는 회전체(420)와, 회전체(420)와 축결합되어 회전동력을 직선운동으로 변환시키기 위한 크랭크축(430)과, 크랭크축(430)의 동력에 의해 실린더(440)내에서 진퇴작동되는 피스톤(450)으로 구성되고, 상기 실린더(440)는 배관(351)과 연통되어 구비된다.

따라서 모터(410)에서 발생되는 회전동력은 회전체(420) 및 크랭크축(430)에 의해 직선운동으로 변환되어 펄스 제너레이터 실린더(440)내의 피스톤(450)으로 전달되어 압축 및 팽창을 반복하게 된다.

즉, 피스톤(450)의 진퇴작동에 따라 배관(351)내로 통과되는 원료혼합액의 토출압력을 가감함으로써 일정한 펄스로 가속과 감속을 반복하게 되어 상호 충돌에 따른 효율을 향상시키게 된다.

상기 원료충돌제조부(500)는 도면의 도6 및 도7 에서 보는 바와 같이 원통형을 이루면서 내부에는 밀폐되는 제조공간을 가지는 제조통(510)을 갖추어 구성되고, 이 제조통(510)의 양측에는 상호 마주보게 일직선상으로 설치되면서 서로 다른 구경을 가지는 한 쌍의 분사노즐(520)(530)이 설치되며, 제조통(510)의 하부에는 미세입자로 제조된 원료혼합액이 배출되는 배출구(540)가 설치된다.

또한 상기 배출구(540)에는 밸브(541)에 의해 제어되면서 원료혼합액이 원료혼합부(200)로 다시 회수되는 회수관(542)이 연결됨과 동시에, 제조가 완료된 원료혼합액을 다음 단계의 원료분리부(600)로 보내기 위한 배출관(543)이 연결 구비된다.

상기 제조통(510)은 대략 원통형의 구조를 가지면서 밀폐되는 구조를 갖추어 구성되고, 하부에는 배출구(540)가 설치됨과 동시에 중심부의 양측에는 두 개의 분사노즐(520)(530)이 상호 마주보게 설치되는 구조를 가진다.

상기 분사노즐(520)(530)은 서로 다른 구경을 가지면서 전술한 두 개의 원료가속부(300)의 토출구(350)와 각각 배관으로서 연결되어 구성되며, 구경이 큰 분사노즐(520)은 구경이 작은 분사노즐(530)에 비하여 1.5 - 2배의 크기를 가지는 것이 바람직하다.

만약, 두 개의 분사노즐(520)(530)의 구경이 동일하다면, 원료혼합액이 고압으로 분출하는 시점에서 두 개의 분사노즐이 같은 양을 분출하는 경우, 충돌 지점에서 서로의 가속도가 상쇄될 수 있으므로 이것을 방지하기 위하여 분사노즐(520)(530)의 구경을 서로 달리하게 된다.

따라서 첨부된 도면의 도8 및 도9 에서 보는 바와 같이 구경이 작은 분사노즐(530)에서 분사된 원료혼합액 방울은 구경이 큰 분사노즐(520)에서 분사된 원료혼합액 방울의 넓은 공간을 통과하면서 충돌하게 되는데, 구경이 큰 분사노즐(520)에서 분사된 원료혼합액의 방울이 구경이 작은 분사노즐(530)에서 분사된 원료혼합액 방울을 감싸고 진행하게 되므로 더욱 이상적인 충돌효과를 가져 올 수 있다.

또한 분사노즐(520)(530)의 구멍은 일직선상으로 구비되어 고속으로 분사되는 원료혼합액이 확산되지 않고 일직선상으로 분사될 수 있도록 구성된다.

고속 충돌에 사용되는 대부분의 노즐 형태는 입구는 넓고 출구는 입구보다 좁게 하여 제트현상을 만들어 팽창을 유도하고 있으나, 이러한 방식은 급속한 팽창 효과는 있지만 직진성이 현저히 떨어지게 되어 크기가 다른 용액 방울 관통에 따른 충돌 효과를 약화시킬 수 있다.

따라서 본 발명에서는 충돌의 효과를 극대화하기 위하여 분사노즐(520)(530)의 양측에서 동시에 분사되는 원료혼합액이 그 중간지점에서 정확히 상호 정면 충돌될 수 있도록 하기 위하여 분사노즐(520)(530)의 구멍을 일직선상으로 구비하게 된다.

이때 충돌장치에서의 작업을 통해 제조통(510)에 팽배하는 압력만큼 충돌 속도가 저하되는 것을 방지하기 위하여 원료혼합액의 주입 및 배출을 충돌 시점에 연동하여 최적의 충돌이 일어날 수 있도록 하는 연동제어방식으로 설계되어 연속순환 반응이 자동으로 수행하게 될 것이다.

한편, 상기 분사노즐(520)(530)의 외표면에는 도7 에서 나타낸 바와 같이 냉각수단(550), 가열수단(560), 조절수단(570)이 구비된다.

상기 냉각수단(550)은 일반적인 공지된 구성으로서 도면에서는 상세히 도시하지 않았지만, 분사노즐을 통하여 분사되는 원료혼합액에 의해 지나치게 온도가 상승할 경우 냉각수를 순환시켜 분사노즐의 관체를 일정온도로 냉각시키도록 한 구성이다.

또한 가열수단(560)은 전술한 냉각수단(550)와 반대의 개념으로서 온도가 지나치게 하강할 경우 전기적인 장치와 연결하여 히터를 히팅하여 항상 적정온도를 유지할 수 있도록 구성한 것이다.

이러한 냉각수단(550) 및 가열수단(560)은 통상에서와 같은 방법을 사용할 수 있으며, 예컨데 냉각수단(550)은 냉각수를 순환시키거나 또는 냉매사이클을 이용할 수 있고, 가열수단(560)은 역시 통상에서와 같은 방법으로서 내부에 히터선을 구비하여 히팅함으로써 항상 적정온도를 유지할 수 있을 것이다.

그리고, 조절수단(570)은 레이저를 이용한 위치조절과 분사노즐(520)(530)의 거리를 조절할 수 있도록 한 것으로, 이 역시 통상의 구조를 가지는 것으로 도면의 도9 에서 보듯이 전면에 4개의 센서(571)를 구비하여 양측 분사노즐(520)(530)의 거리를 조절할 수 있다.

상기 원료분리부(600)는 원료충돌제조부(500)에서 충돌방식에 의해 제조 완료된 원료혼합액을 공급받아 물과 나노 크기로 제조된 원료입자를 분리하게 된다.

이러한 원료분리부(600)는 통상에서와 같은 원심분리기나 또는 필터분리기 등 적합한 여러 가지를 구조의 분리기를 사용할 수 있으며, 분리되는 원료입자는 산업에 활용하게 됨과 아울러, 물은 오염이 되지 않았기 때문에 기타 여러 가지로 활용이 가능하게 되는 것이다.

따라서 상기와 같이 구성되는 본 발명의 작동상태를 살펴보면, 일정한 크기의 입자를 이루는 금속, 세라믹, 유기물고분자 등의 원료입자를 나노 크기의 미세입자로 제조하고자 할 경우, 이에 따른 원료입자를 물에 혼합하여 원료공급부(100)의 공급호퍼(110)로 투입하게 된다.

이때 원료입자는 대체적으로 분말상태로서 그 종류와 크기 등을 감안하여 물속에 충분히 혼합될 수 있는 비율로 공급하게 되는 것으로, 물과 원료입자를 각각 따로 투입하거나 또는 별도의 용기로서 먼저 혼합하여 투입할 수 있다.

상기 원료공급부(100)로 공급되는 물과 원료입자는 원료혼합부(200)의 주입구(211)을 통하여 탱크(210)의 내부로 유입되고, 이와 동시에 모터(220)가 작동되면서 교반날개(221)가 회전됨에 따라 물과 원료입자는 고르게 혼합된다.

이렇게 혼합이 적절히 이루어지면 배출구(230)의 밸브(231)가 열리면서 원료혼합액은 다음 단계인 원료가속부(300)로 보내지게 된다.

상기 원료가속부(300)는 동일한 두 개가 한 조를 이루는 것으로 배출구(230)를 통하여 양측으로 분배되어 보내지게 되고, 이의 원료가속부(300)에서는 첨부된 도면에서 보듯이 투입구(340)를 통하여 원료혼합액이 투입되면 모터(330)의 작동에 따라 피스톤(320)이 진퇴작동되어 실린더(310)내로 투입된 원료혼합액을 가압하게 되고, 이에 따라 고압으로 가압된 원료혼합액은 그 전단 토출구(350)를 통하여 다음 단계로 토출된다.

상기 피스톤(320)이 후진하면 토출구(350)는 역지밸브(360)에 의해 폐쇄됨과 동시에 투입구(340)측의 역지밸브(360)가 개방되면서 원료혼합액이 실린더(310)의 내부로 투입되고, 이와는 반대로 피스톤(320)이 전진되면 투입구(340)는 폐쇄되면서 토출구(350)는 개방되므로 가압되는 원료혼합액은 토출구(350)를 통하여 배관(351)을 거쳐 펄스발생부(400)로 토출된다.

펄스발생부(400)에서는 모터(410)의 회전동력이 회전체(420) 및 크랭크축(430)을 거쳐 직선동력으로 변환되어 실린더(440)내의 피스톤(450)을 진퇴작동시키게 되고, 이에 따라 상기 토출구(350)을 거쳐 배관(351)을 통과하는 원료혼합액을 가속 및 감속을 반복시키게 된다.

즉, 피스톤(450)이 전진하는 경우에는 배관(351)내를 통과 중인 원료혼합액이 진행하던 압력보다 피스톤(450)이 밀어주는 실린더(440)내의 용량만큼 추가되므로 갑작스런 압축현상을 가져오게 되므로써 원료가속부(300)에 의해 배관(351)을 통하여 강제적으로 진행하던 원료혼합액은 그 순간 급가속에 따른 순간추력(pik)이 발생되는 것이다.

이와는 반대로 피스톤(450)이 후퇴하면 배관(351)내를 통과하던 원료혼합액이 순간적으로 실린더(440)의 내부로 빨려 들어가게 되므로 흡입된 순간의 물량만큼 감속 감량현상이 발생되는 것이고, 이로 인하여 배관(351)의 내부는 주기적으로 압축과 팽창의 과정이 발생하게 되어 다음 단계인 원료충돌제조부(500)의 양측 분사노즐(520)(530)에서 펄스에 의한 충돌을 일으키게 된다.

이어서 배관(351)을 통과하는 원료혼합액은 다음 단계인 원료충돌제조부(500)의 양측 분사노즐(520)(530)을 통하여 제조통(510)내로 분사되고, 양측 분사노즐(520)(530)을 통하여 고압 및 고속과, 일정한 펄스로 분사되는 원료혼합액은 그 중심부에서 정면으로 충돌된다.

즉, 그 구경이 서로 다른 양측 분사노즐(520)(530)을 통하여 각각 분사되는 원료혼합액(A)은 상호 정면으로 충돌되고, 이렇게 충돌되는 원료혼합액(A)은 첨부된 도면의 도8 및 도9 에서 보는 바와 같이 큰 구경의 분사노즐(520)을 통하여 분사되는 원료혼합액(A)으로 작은 구경의 분사노즐(530)에 분사되는 원료혼합액(A)이 파고들면서 정면충돌이 일어나 분쇄되는 것이다.

상기와 같이 물(H)과 원료입자(P)가 혼합된 원료혼합액(A)은 상호 정면충돌에 의해 원료입자(P) 끼리 강하게 정면 충돌되어 미세입자로 분쇄되고, 이렇게 분쇄되는 미세입자는 제조통(510)내의 배출구(540)를 통해 배출되며, 배출되는 미세입자는 밸브(541)의 작동에 의해 회수관(542) 또는 배출관(543)으로 선택되어 배출된다.

즉, 1차 제조과정에 의해 원하는 크기의 미세입자로 제조가 이루어지지 않을 경우, 회수관(542)으로 회수하여 원료혼합부(200)의 회수구(213)로 순환시킴으로써 반복되는 제조공정을 거치게 된다.

이와 같이 원하는 나노 크기의 미세입자를 얻을 때 까지 연속 반복되는 배치(batch) 타입의 작업을 계속적으로 실시함으로써 본 발명에 따른 작업을 완료할 수가 있는 것이고, 이러한 결과 원하는 크기의 미세입자를 얻은 경우에는 밸브(541)의 작동에 의해 배출관(543)을 통하여 다음 공정인 원료분리부(600)로 보내지게 된다.

상기 원료분리부(600)에서는 통상에서와 같은 여러 방법으로 물(H)과 미세입자의 원료입자(P)를 분리하고, 분리된 원료입자(P)는 원하는 바와 같이 활용함과 아울러 물(H)은 기타 여러 가지 방법으로 활용하게 된다.

한편, 상기와 같은 본 발명은 원료혼합액이 고압으로 가압된 상태에서 분사노즐을 통해 일정한 펄스로 분사됨에 따라 제조하고자 하는 원료입자에 따라서는 온도변화가 심하게 발생될 수 있음으로써 이를 컨트롤 하기 위하여 냉각수단(550), 가열수단(560) 등을 설치하여 사용할 수 있고, 또한 양측 분사노즐의 간격이나 위치 등을 조절하기 위하여 이미 공지된 구성의 각종 조절수단(570)을 적용하여 사용할 수도 있을 것이다.

100:원료공급부 110:공급호퍼
200:원료혼합부 210:탱크
211:주입구 212,231,441:밸브
213:회수구 220,330,410:모터
221:교반날개 230,440:배출구
240:열교환기 300:원료가속부
310,440;실린더 320,450:피스톤
340:투입구 350:토출구
360:역지밸브 400:펄스발생부
420:회전체 430:크랭크축
500:원료충돌제조부 510:제조통
520,530:분사노즐 542:회수관
543:배출관 550:냉각수단
560:가열수단 570:조절수단
571:센서 600:원료분리부

Claims (10)

1. 나노입자의 크기로 제조하고자 하는 각종 원료입자(P)와 물(H)을 혼합하여 공급시키도록 하는 원료공급단계;
   공급되는 원료입자와 물, 또는 한번 제조된 미세입자를 연속적으로 순환시켜 고르게 혼합하는 원료혼합단계;
   원료혼합단계에서 혼합된 원료혼합액을 양측으로 분배시켜 피스톤의 작동으로 가압하여 고압,고속으로 토출시키도록 하는 원료가속단계;
   원료혼합액을 일정한 펄스로 급가속시키도록 하는 펄스발생단계;
   상기 고압의 원료혼합액을 서로 다른 구경을 가지면서 일직선상으로 마주보게 설치되는 분사노즐을 통하여 고속으로 분사시켜 상호 정면충돌에 의해 미세한 미세입자로 제조토록 하는 원료충돌제조단계;
   상기와 같이 제조되는 미세입자의 원료입자(P)와 물(H)을 분리시키도록 하는 원료분리단계;로 이루어져 구성됨을 특징으로 하는 양방향 펄스 연속충돌 방식을 통한 나노 미세입자 제조방법.
   
2. 각종 원료입자(P)와 물(H)을 혼합하여 공급호퍼를 통하여 공급토록 하는 원료공급부:
   원료입자와 물, 또는 한번 제조된 미세입자를 연속적으로 탱크로 순환시켜 모터에 의해 회전되는 교반날개로서 고르게 혼합하는 원료혼합부;
   혼합된 원료혼합액을 양측으로 분배시켜 모터의 회전동력으로 실린더내에서 진퇴작동되는 피스톤에 의해 가압하여 고압,고속으로 토출시키도록 하는 한 쌍의 원료가속부;
   상기 각 원료가속부에서 가압되는 원료혼합액을 일정한 펄스로 가속 및 감속시켜 양방향으로 공급토록 하는 펄스발생부;
   상기 펄스발생부의 원료혼합액을 서로 다른 구경을 가지면서 일직선상으로 마주보게 설치되는 각 분사노즐을 통하여 고속으로 분사시켜 상호 정면충돌에 의해 미세한 미세입자로 제조토록 하는 원료충돌제조부;
   상기와 같이 제조되는 미세입자의 원료입자(P)와 물(H)을 분리시키도록 하는 원료분리부;로 구성됨을 특징으로 하는 양방향 펄스 연속충돌 방식을 통한 나노 미세입자 제조장치.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 원료혼합액은 원료가속부에서 모터의 회전 구동을 실린더내에서 피스톤의 왕복운동으로 변환되는 진퇴작동으로 가압시켜 고압 고속의 상태로 펄스발생부를 거쳐 원료충돌제조부의 양측 분사노즐을 통해 공급토록 하는 것을 포함하는 양방향 펄스 연속충돌 방식을 통한 나노 미세입자 제조장치.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 펄스발생부의 펄스(pulse)를 이용한 순간추력(pik)을 발생시켜 양 분사노즐 사이에서의 충돌 효과를 높일 수 있도록 하는 것을 포함하는 양방향 펄스 연속충돌 방식을 통한 나노 미세입자 제조장치.
   
5. 제 2 항에 있어서,
   양 분사노즐의 구경을 서로 다르게 하여 원료혼합액의 정면 충돌이 일어나게 함으로써 작은 구경의 분사노즐에서 분사된 원료혼합액을 큰 구경의 분사노즐에서 분사된 원료혼합액이 감싼 형태로 충돌이 일어나도록 하여 충돌효과를 배가시키도록 한 것을 특징으로 하는 양방향 펄스 연속충돌 방식을 통한 나노 미세입자 제조장치.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 양 분사노즐의 구경이 작은 분사노즐에 비하여 큰 구경을 가지는 분사노즐의 구경이 적어도 1.2 - 2 배의 크기를 갖도록 구성한 것을 특징으로 하는 양방향 펄스 연속충돌 방식을 통한 나노 미세입자 제조장치.
   
7. 제 2 항에 있어서,
   상기 양측 분사노즐의 입구는 그 내경의 크기와 동일하게 일직선 형태의 분산노즐로 구성하여 원료혼합액의 분사시 직진성을 계속 유지할 수 있도록 하는 것을 포함하는 양방향 펄스 연속충돌 방식을 통한 나노 미세입자 제조장치.
   
8. 제 2 항에 있어서,
   상기 분사노즐상에 적정온도를 유지하기 위하여 냉각수단을 구비하는 것을 포함하는 양방향 펄스 연속충돌 방식을 통한 나노 미세입자 제조장치.
   
9. 제 2 항에 있어서,
   상기 분사노즐상에 적정온도를 유지하기 위하여 가열수단을 구비하는 것을 포함하는 양방향 펄스 연속충돌 방식을 통한 나노 미세입자 제조장치.
   
10. 제 2 항에 있어서,
    상기 분사노즐상에 분사노즐의 위치와 거리를 조절하기 위한 조절수단을 구비하는 것을 포함하는 양방향 펄스 연속충돌 방식을 통한 나노 미세입자 제조장치.
    
    

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