KR101517584B1 - 미세분말 제조장치 및 방법 - Google Patents

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한국기계연구원
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Abstract

미세분말제조 장치 및 방법이 개시된다. 용융 원료 공급부는 원료 물질을 용융시켜 용융된 원료를 공급한다. 회전부는 용융 원료 공급부 하부에 위치한 회전체 상에 용융 원료의 얇은 막이 형성되도록 회전체를 회전시킨다. 혼합 가스 공급부는 회전체의 끝단 바깥쪽에 형성된 얇은 막에 가스 및 금속 분말이 혼합된 혼합 가스를 공급하여 원료 분말을 제조한다. 또한, 혼합 가스 생성부는 얇은 막에 공급되는 혼합 가스를 생성하며, 가스 생성부는 혼합 가스 생성부에 가스를 공급하고, 금속 금속 분말 공급부는 혼합가스 생성부에 분말을 공급한다. 수직 이동 부재는 회전체에 연결 형성되며 상하로 이동 가능하게 한다.

Description

미세분말 제조장치 및 방법{Apparatus and Method for Manufacturing Minute Powder}
본 발명은 미세분말 제조 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 회전체에 용융 원료를 유출시키고, 유출된 용융원료에 가스 및 금속 분말이 혼합된 혼합 가스를 분사하여 미세분말을 제조하는 미세분말 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.
미세분말은 금속을 미세한 가루로 만든 것으로, 도료, 회화구, 금/은색 인쇄 잉크, 화학공업용촉매나 불꽃의 원료 및 금속환원제 등과 같이 다양한 분야에 이용된다.
최근에 미세분말은 솔더용 파우더 또는 솔더용 페이스트 등과 같이 전자부품의 솔더링에 주로 이용되고 있으며, 그 수요가 점차 증대되고 있는 실정이다. 이동통신기기의 소형화, 다중밴드화, 고주파화 추세에 따라 부품분야의 고집적화 및 소형화가 요구되고 있다. 이에 따라 칩 제조분야에서는 칩 자체의 미세화, 집적화가 진행되고 있으며 패키지분야에서는 경박단소화 된 새로운 패키지와 실장방법이 개발되고 있다. 이에 따라, 솔더파우더 또는 솔더페이스트를 이용한 와이어리스 패키지의 수요는 더욱 증대될 것이며, 이에 향후솔더페이스트, 솔더파우더 등과 같은 금속분말의 수요 또한 증대할 것이다.
미세분말의 제조방식에는 다양한 종류가 있으며, 미세분말은 보다 미세한 사이즈를 가져야 하고, 또한 그 생산성 내지 생산수율이 높아야 한다. 일반적으로 미세분말을 제조하는 방법으로는 고체금속을 분쇄하는 분쇄법과 석출과 같은 화학적 방법을 통한 습식법, 그리고 금속소재를 용융시킨 뒤 분사노즐을 이용하여 분무하는 분무법 등이 사용된다. 상기 방법 중, 상기 분무법은 사용하는 냉각매체에 따라 물과 같은 액체를 사용하는 수분사법과 가스를 사용하는 가스 분무법으로 구분할 수 있다.
종래 가스 분무법(Gas Atomization)에 의한 미세분말제조방법은 일반적으로 용융금속을 분사노즐을 통하여 흘려주면서 상온의 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 가스를 분사하여 금속분말을 제조하며, 제조된 금속분말의 입자크기가 평균 100㎛ 정도로 형성되었다. 금속은 용융온도에 따라 아연(Zn), 알루미늄(Al), 주석(Sn) 등과 같이 낮은 융점을 갖는 소재와 스테인레스강, 구리(Cu), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co) 등과 같이 높은 융점을 갖는 금속 또는 다원계 합금 등으로 구분할 수 있다.
이러한 가스 분무법은 더욱 작은 금속 분말은 보다 미세한 사이즈를 요구하고 있다. 이에 본 발명은 기존 기술보다 작은 미세분말을 제조하고자 한다.
대한민국 공개특허 제 10-2011-0049487호에서는 미세한 사이즈의 미세 금속 분말을 정밀하게 제조할 수 있는 금속분말 제조 장치를 개발하였으나, 회전체에 용융 원료를 유출시키고, 가스를 분사하여 10㎛이하의 미세분말을 제조할 수 없다.
그리고 대한민국 등록특허 제 10-1143887호에서는 가스 분무법을 이용한 금속복합분말의 제조방법을 개발하였으나, 회전체에 용융 원료를 유출시켜 회전체 끝단 바깥쪽에 용융된 원료의 얇은 막을 형성하여 10㎛이하의 미세 액적 및 미세분말을 제조할 수 없다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 금속, 금속의 합금 및 금속/세라믹 복합물질 중 적어도 하나로 이루어진 미세 원료 분말을 제공하는 미세분말 제조 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 회전체에 용융 원료를 유출시키고, 가스 및 금속 분말이 혼합된 혼합가스를 분사하여 미세 원료 분말을 제조하는 미세분말제조 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 미세분말제조 장치는, 원료 물질을 용융시켜 용융된 원료를 공급하는 용융 원료 공급부, 상기 용융 원료 공급부 하부에 위치한 회전체 상에 상기 용융 원료의 얇은 막이 형성되도록 회전체를 회전 시키는 회전부 및 상기 회전체 끝단 바깥쪽에 에 형성된 상기 얇은 막에 가스 및 금속 분말이 혼합된 혼합 가스를 공급하여 원료 분말을 제조하는 혼합 가스 공급부를 포함하며, 상기 회전체에 연결 형성되며 상하로 이동 가능한 수직 이동 부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 미세분말제조 장치는, 상기 얇은 막에 공급되는 상기 혼합 가스를 생성하는 혼합가스 생성부, 상기 혼합 가스 생성부에 가스를 공급하는 가스 공급부 및 상기 혼합 가스 생성부에 금속 분말을 공급하는 금속 금속 분말 공급부를 더 포함하며, 상기 회전체에 연결 형성되며 상하로 이동 가능한 수직 이동 부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 미세분말 제조방법은, 원료 물질을 용융시켜 용융된 원료를 공급하는 단계, 상기 용융 원료 공급부 하부에 위치한 회전체 상에 상기 용융 원료의 얇은 막이 형성되도록 회전체를 회전 시키는 단계, 상기 회전체 상에 형성된 상기 얇은 막에 가스 및 금속 분말이 혼합된 혼합 가스를 공급하여 원료 액적을 제조하는 단계 및 상기 제조된 원료 액적을 냉각시켜 원료 분말을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따른 미세분말제조 장치 및 방법에 의하면, 금속, 금속의 합금 및 금속/세라믹 복합물질 중 적어도 하나로 이루어진 원료 분말을 제조할 수 있다. 예를 들면, 10㎛이하의 원료 분말을 제조할 수 있다.
또한, 회전체에 용융 원료를 유출시키고, 유출된 용융원료에 가스 및 금속 분말이 혼합된 혼합 가스를 분사하여 원료 분말을 제조할 수 있다. 예를 들면, 10㎛이하의 원료 분말을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세분말 제조장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전체의 형상을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원료 분말의 제조과정을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 공급부의 작동방식을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐의 형태가 도시된 도면이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세분말 제조 방법을 도시한 순서도이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명할 수 있다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 할 수 있다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 당업자에게 자명하거나 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세분말 제조장치를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 미세분말제조 장치(100)는 용융 원료 공급부(110), 혼합 가스 공급부(120), 회전부(130), 수직 이동 부재(140)를 포함한다. 상기 혼합 가스 공급부(120)는 가스 공급부(150), 금속 분말 공급부(160) 및 혼합가스 생성부(170)를 포함한다.
용융 원료 공급부(110)는 원료 물질을 용융시켜 용융된 원료를 공급한다. 이를 위해 용융 원료 공급부(110)는 교반모터(111), 임펠러(112), 조작부(113), 수용부(114), 히터(115) 및 도가니(116)을 포함할 수 있다.
용융 원료 공급부(110)는 원료 물질을 용융시키기 위한 도가니(116) 및 히터(115)가 구비되고, 도가니(116)의 상측으로 원료물질이 수용되는 투입수단이 구비된다. 상기 원료물질은 잉곳의 형태일 수 있다. 또한 원료 물질은 금속, 금속의 합금 및 금속/세라믹 복합물질 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 원료 물질은 이종 물질로 형성 수 있다. 즉, 원료 물질은 두 가지 이상의 물질을 혼합하여 형성된 물질일 수 있다.
용융 원료 공급부(110)는 투입수단으로 조작부(113) 및 수용부(114)를 포함한다. 수용부(114)는 내부에 원료물질이 수용될 수 있다. 수용부(114)는 도가니 중심에서 일방향으로 치우친 부분에 회전축이 형성되어 회전축을 중심으로 회동할 수 있도록 형성될 수 있다. 수용부(114)의 몸체 일측에는 사용자 조작에 의해 수용부(114)를 일방향으로 기울여 수용부(114) 내부에 수용된 원료물질이 도가니(116) 내부로 투입될 수 있도록 하는 조작부(113)가 연결될 수 있다. 조작부(113)는 일단이 수용부(114)에 연결되고, 타단이 용융 원료 공급부(110)의 외측으로 노출되도록 형성되어 사용자가 노출된 타단을 파지하여 당기게 되면 수용부(114)가 회전축을 중심으로 파지하는 방향으로 상승하게 되어 내부에 수용된 원료물질이 도가니(116) 내부로 투입될 수 있다. 이때, 모터와 조작스위치 등을 구비하여 사용자가 조작 스위치를 조작함으로써, 수용부(114)가 모터의 작동에 의해 일방향으로 기울어지도록 구성할 수 있다.
용융 원료 공급부(110)는 도가니(116)를 가열하여 원료물질을 용융시키기 위한 히터(115)를 구비한다. 도가니(116)는 상측으로 원료물질이 수용될 수 있도록 상방이 개구되어 있다. 또한, 도가니(116)는 상부에서 하부로 갈수록 수용면적이 좁아지도록 형성될 수 있다.
용융 원료 공급부(110)는 원료 물질이 투입되어 교반될 수 있도록 교반수단을 포함한다. 교반수단은 교반모터(111) 및 임펠러(112)를 포함한다. 교반모터(111)는 용융 원료 공급부(100) 일측에 구비되어 회전력을 생성한다. 임펠러(112)는 상기 회전력을 이용하여 원료물질이 교반되도록 회전한다.
회전부(130)는 용융 원료 공급부 하부에 위치한 회전체 상단(131)의 윗면에 용융 원료의 얇은 막이 형성되도록 회전체를 회전시킨다. 회전부(130)는 회전체 전체일 수도 있고, 회전체를 포함할 수도 있다. 상기 회전체의 회전 속도는 100rpm 내지 300,000rpm일 수 있다.
회전 속도는 100rpm 이하일 경우 미세분말의 제조가 어렵고, 300,000rpm 이상일 경우 회전체 장비의 제작이 어렵다. 따라서, 회전체의 회전속도는 100rpm 내지 300,000rpm 인 것이 바람직하다. 회전체의 재질은 금속, 합금 및 세라믹 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 또한, 회전체의 형상은 콘형, 원판형, 역콘형, 접시형, 아크형 중 어느 하나일 수 있다.
혼합 가스 공급부(120)는 회전체에 형성된 얇은 막에 가스 및 금속 분말이 혼합된 혼합 가스를 공급하여 원료 분말을 제조할 수 있다. 상기 원료 분말은 최종적으로 제조되는 분말을 의미할 수 있다.
혼합 가스 공급부(120)는 가스 및 금속 분말이 혼합된 혼합 가스를 회전체 끝단에 분사한다. 즉, 회전체 상면의 가장자리에 분사한다. 혼합가스의 압력은 5 내지 100bar이고, 분사가스의 온도는 25 내지 750℃일 수 있다.
분사가스 압력은 5bar이하인 경우는 20㎛이하 크기의 미분 제조가 어려우며, 100bar이상인 경우는 장비 제작에 어려움이 있다. 분사가스의 온도는 25℃이하인 경우는 비용이 소모되며, 750℃이상일 경우 장비 제작이 어렵다. 따라서 혼합 가스의 압력은 5 내지 100bar이고, 분사가스의 온도는 25 내지 750℃인 것이 바람직하다.
혼합 가스 공급부(120)는 노즐을 이용하여 혼합 가스를 공급하며, 노즐은 홀형(hole type) 또는 오픈 슬릿형(open slit type)일 수 있다. 홀형 및 오픈 슬릿형에 대해서는 도 5를 참조하여 후술한다.
혼합가스 공급부(120)는 혼합 가스를 가압하는 가압부를 포함할 수 있다. 가압부는 가스공급배관과 연장되어 연결되며, 가스공급배관 상에는 가열부가 설치될수 있다. 따라서, 가압부 및 가열부에 의해 가압 및 가열된 고온 고압의 혼합 가스가 노즐을 통해 회전체 끝단을 향해 분출될 수 있다.
상기 혼합 가스는 혼합 가스 생성부(170)에서 생성된 혼합 가스일 수 있다. 또한, 혼합 가스를 생성하기 위해 혼합되는 가스 및 금속 분말은 가스 공급부(150) 및 금속 분말 공급부(160)에서 공급될 수 있다.
가스 공급부(150)는 가스 저장 유닛(151) 및 가스 가열 유닛(152)를 포함할 수 있다. 가스 공급부(150)는 혼합 가스 생성부(170)로 가스를 공급할 수 있다.
이때, 가스 저장 유닛(151)의 저장된 가스를 가스 가열 유닛(152)에서 가열하여 혼합 가스 생성부(170)로 가스를 공급할 수 있다. 가스 가열 유닛(152)에서 가스가열은 혼합 가스 공급부(120)에서 분사되는 가스의 상대 속도를 증가시킨다. 상기 상대 속도는 금속 분말과 금속 액적의 상대 속도이다. 상기 가스는 N2, Ar, He등과 같은 비활성 기체, 공기, 산소가 혼합된 가스 중 하나 또는 이들의 혼합가스일 수 있다. 또한, 상기 가스는 금속 분말 공급부(160)로부터 공급된 금속 분말과 함께 혼합 가스 생성부(170)에서 혼합될 수 있다.
금속 분말 공급부(160)는 금속 분말 저장 유닛(161) 및 금속 분말 가열 유닛(162)를 포함할 수 있다. 금속 분말 공급부(160)는 혼합 가스 생성부(170)로 금속 분말을 공급할 수 있다.
이때, 금속 분말 저장 유닛(161)의 저장된 금속 분말을 금속 분말 가열 유닛(162)에서 가열하여 혼합 가스 생성부(170)로 가스를 공급할 수 있다. 금속 분말 가열 유닛(162)에서 금속 분말 가열은 수분을 제거하여 금속분말의 흐름성을 좋게 하고 가열된 가스와 혼합될 때 온도저하가 발생하지 않아 가스가열은 혼합 가스 공급부(120)에서 분사되는 가스의 상대 속도를 증가시킨다. 상기 상대 속도는 금속 분말과 금속 액적의 상대 속도이다. 또한, 상기 금속 분말은 가스 공급부(150)로부터 공급된 가스와 함께 혼합 가스 생성부(170)에서 혼합될 수 있다.
또한, 분사되는 분말의 종류는 금속, 합금 및 세라믹 분말 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 금속 분말의 입도는 0.01~500㎛일 수 있다. 금속 분말의 입도가0.01㎛이하는 충격력이 약해 미세분말 제조가 어렵고, 500㎛이상은 출구가 막혀 분사되기 어렵다. 따라서 분사되는 분말의 입도는 0.01~500 ㎛인 것이 바람직하다. 회전체의 끝단에 형성된 얇은 막 및 1차 액적에 대하여, 형성된 그 물질과 융점이 다른 금속 및 세라믹 분말을 분사할 경우 1~200μm 크기의 이종 혼합 금속분말 및 복합분말이 제조될 수 있다.
혼합 가스 생성부(170)는 가스 공급부(150) 및 금속 분말 공급부(160)로부터 공급되는 가스 및 금속 분말을 혼합하여 혼합 가스를 생성할 수 있다. 혼합 가스 생성부(170)는 생성된 혼합 가스가 회전체에 형성된 용융 원료의 얇은 막에 분사되도록 가스 공급부(120)로 혼합 가스를 공급할 수 있다.
이 때, 혼합 가스의 가스는 금속 분말이 액적에 빠른 속도로 도달할 수 있도록 압력을 가하며, 혼합 가스의 금속 분말은 액적을 미세한 원료 분말로 만드는 역할을 한다. 이러한 이유로, 가스와 금속 분말이 혼합된 혼합 가스를 분사하는 경우, 가스나 금속 분말을 따로 분사하는 경우보다 더욱 미세한 원료 분말을 제조할 수 있다.
보다 자세하게 설명하면, 미세한 원료 분말을 제조하기 위해서는 분사가스의 속도를 증가시키거나, 분사 물질의 밀도를 높여야 한다. 본 발명은 분사 가스의 속도를 높이기 위하여 가열된 가스를 이용한다. 또한, 분사 물질의 밀도를 높이기 위하여 물에 비해 7.8배, 비활성 기체에 비해 약 7,000배 정도 높은 금속 분말을 분사 물질로 이용한다. 즉, 종래의 물을 이용한 수분사나, 가스를 이용한 경우보다 금속 분말의 밀도가 높아 더욱 미세한 원료 분말을 제조할 수 있다. 이 때, 0.1~500 ㎛크기이고, 금속 분말과 금속 액적의 상대 속도가 10m/s이상이면, 10㎛크기의 금속 분말을 제조할 수 있다. 또한, 상대 속도가 25m/s이상이면, 1㎛크기의 금속 분말을 제조할 수 있다.
수직 이동 부재(140)는 회전체에 연결 형성되며 회전부(130)가 상하로 이동 가능하도록 할 수 있다. 수직 이동 부재(140)는 상하로 움직일 수 있는 회전 모터 및 실린더 중 적어도 하나일 수 있다.
수직 이동 부재(140)는 상하로 이동함으로써, 제조하고자 하는 분말의 크기를 제어할 수 있다. 즉, 제조하고자 하는 분말의 크기에 맞추어 수직 이동 부재(140)의 위치를 정할 수 있다.
수직 이동 부재(140)는 회전부(130)의 하단에 나사산 형태의 스크류가 형성되어 회전 운동을 직선운동으로 변화시킴으로써, 상하 운동을 할 수 있다. 또한, 수직 이동 부재(140)는 유압 또는 가스압 실린더를 사용하여 상하 운동을 할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전체의 형태을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 회전부(130)의 회전체는 다양한 형태를 가질 수 있다.
도 2(a)와 도 2(c)를 비교하여 설명하면, 도 2(a)는 각x 가 -70도 내지 0도인 경우이며, 도 2(c)는 각 y가 0도 내지 70도인 경우를 나타낸다. 즉, 각 x는 -70도 내지 70도를 이룰 수 있다.
-70도 보다 작은 경우(예. -80도)에는 분사 가스 및 분말에 의해 분쇄된 액적에 가해지는 충격력이 작아 액적의 미세화가 어려운 단점이 있다. 70도 보다 큰 경우(예. 80도)에는 액적이 상부로 반사되어 분출 되므로 회전체의 거리조절이 어려우며 초기 분사가 어려운 단점이 있다. 따라서, 회전체의 각 x는 -70도 내지 70도를 이루는 것이 바람직하다. 이때, 시계방향은 +부호를 가지며, 반시계 방향은 ?부호를 가진다.
보다 상세하게 설명하면, 도 2(a)는 회전체의 각 x가 -70도 내지 0도인 경우를 나타낸다. 회전체의 각 x가 -70도 내지 0도인 경우, 회전체의 모양은 삼각형일 수 있다. 따라서, 회전체가 -70도 내지 0도인 경우에 용융된 원료는 회전체의 표면을 따라 흐르기 때문에 회전을 적게 하여도 원료 분말을 용이하게 제조할 수 있다. 그러나 다른 회전체에 비해 크기가 크다는 단점이 있을 수 있다. 또한, 회전체에 가하지는 분사가스 압력이 적어 회전체의 고장이나 무리 없이 혼합 가스에 의해 원료 분말을 미세하게 제조할 수 있다.
도 2(c)는 회전체의 각 x가 0도 내지 70도인 경우를 나타낸다. 회전체의 각 x가 0도 내지 70도인 경우, 회전체의 모양은 역콘형일 수 있다. 회전체의 각 x가 0도 내지 70도인 경우, 용탕의 유출 방향과 반대 방향으로 힘을 받게 되어 회전체 위에 형성된 액적 막을 얇게 형성할 수 있다.
도 2(b)는 회전체의 모양이 원판형인 경우를 나타낸다. 회전체가 원판인 경우, 도 2(a) 및 도 2(e)에 비해 용융된 원료가 회전체의 표면을 따라 흐르기 어렵기 때문에 회전을 비교적 많이 하여야 원료 분말을 제조할 수 있다. 그러나, 회전이 많아짐에 따라 막이 얇게 형성되어 더욱 미세크기의 분말을 제조할 수 있다. 또한, 회전체가 원판인 경우, 다른 회전체에 비해 크기가 작고, 제작이 간단하다.
도 2(d)는 회전체의 모양이 접시형인 경우를 나타낸다. 회전체가 접시형인 경우, 도 2(a) 및 도 2(e)에 비해 용융된 원료가 회전체의 표면을 따라 흐르기 어렵기 때문에 회전을 비교적 많이 하여야 원료 분말을 제조할 수 있다. 그러나, 회전이 많아짐에 따라 막이 얇게 형성되어 더욱 미세크기의 분말을 제조할 수 있다.
도 2(e)는 회전체의 모양이 아크형인 경우를 나타낸다. 회전체가 아크형인 경우에 용융된 원료는 회전체의 표면을 따라 흐르기 때문에 회전을 적게 하여도 원료 분말을 용이하게 제조할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원료 분말의 제조과정을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 회전부(130)의 회전체 위에서 용융원료의 박막이 원료 액적화되는 과정을 모식적으로 나타낸다.
도 3(a)는 원료 공급부로부터 공급된 용융된 원료가 회전체 상부 표면으로 하강한 이미지를 나타낸다.
도 3(b)는 회전체의 회전과정 초기의 이미지를 나타낸다. 하강된 용융된 원료는 회전체의 원심력에 의해 얇게 펴지기 시작하며, 회전체 상부 표면에 용융 원료의 얇은 막을 형성해간다
도 3(c)는 도 3(b)보다 회전체의 더 많은 회전이 일어난 후의 이미지를 나타낸다. 도 3(b)와 마찬가지로 용융된 원료는 회전체의 원심력에 의해 더욱 얇게 펴지며, 회전체 상면에 용융 원료의 얇은 막을 형성한다. 또한 상기 얇은 막은 회전체 상부 표면 전체에 걸쳐 균일한 두께로 형성된다.
도 3(d)는 도 3(c)보다 회전체의 더 많은 회전이 일어난 후의 이미지를 나타낸다. 도 3(c)보다 회전체의 더 많은 회전은 회전체 상면 끝단 바깥쪽에 액적 구역을 형성한다. 도 3(d)에서는 도식적으로 도시되었지만 실제로는 회전체 끝단에서 흘러내릴 수도 있다. 이때, 회전체에 금속 액적이 떨어지면 충격력에 의해 깨지거나, 얇은 막을 형성할 수 있다. 얇은막은 원심력에 비례하여 더욱 얇게 형성되므로, 회전체의 직경은 커야 하며, 회전속도는 빨라야 한다.
결과적으로, 회전체 끝단 바깥쪽에 형성된 용융원료의 상기 얇은 막이나 상기 액적 구역은 분사되는 가스와 충돌하여 미세 액적을 만든다. 상기 미세 액적의 크기는 10㎛이하이다. 또한, 상기 가스의 압력은 5 내지 100bar이고, 온도는 25 내지 750℃일 수 있다. 상기 만들어진 미세 액적은 냉각되어 응고되고, 응고된 액적은 미세분말로 회수된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 공급부의 작동방식을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 도 4(a)는 혼합 가스 공급부(120)에서 혼합 가스를 공급할 경우, 좌측 가스 공급부는 회전체의 좌측 끝단에 혼합 가스를 공급하며, 우측 가스 공급부는 회전체의 우측 끝단에 혼합 가스를 공급할 수 있다. 이 경우, 분사거리 d가 짧기 때문에 회전체가 받는 분사압은 높아진다. 따라서, 혼합 가스 공급부(120)가 낮은 분사압을 분사하여도 미세분말을 제조할 수 있다.
도 4(b)는 혼합 가스 공급부(120)에서 혼합 가스를 공급할 경우, 좌측 가스 공급부는 회전체의 우측 끝단에 혼합 가스를 공급하며, 우측 가스 공급부는 회전체의 좌측 끝단에 혼합 가스를 공급할 수 있다. 이 경우, 분사거리 d가 길기 때문에 회전체가 받는 분사압은 낮아진다. 따라서, 혼합 가스 공급부(120)와 회전체의 거리를 줄여 분사압을 높일 수 있다. 이때, 수직 이동 부재를 이용하여 혼합 가스 공급부(120)와 회전체의 거리를 조절할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐의 형태가 도시된 도면이다.
도 5를 참조하면, 혼합 가스 공급부(120)의 분사 노즐(121, 123) 및 용탕 출구(122, 124)를 아래쪽에서 위쪽으로 올려다 본 형태가 도시된 도면이다.
도 5(a)는 홀형 분사 노즐을 보여주고 있다. 상기 홀형 분사 노즐은 복수의 원형 노즐(122)이 일정한 간격으로 배열되어 용탕 출구(122)을 중심으로 환형을 형성하며, 복수의 원형 노즐 (122)을 통해 혼합가스를 분사할 수 있다.
도 5(b)는 오픈 슬릿형 노즐을 보여주고 있다. 상기 오픈 슬릿형 노즐은 고리형 노즐(123)을 통해 혼합가스를 분사할 수 있으며, 고리형 노즐(123) 안쪽으로 용탕 출구(124)를 형성할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 미세분말제조 장치(100)는 다음과 같은 방법으로 동작한다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세분말 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 6를 참조하면, 미세분말 제조 방법에 있어서, 용융 원료 공급부(110)는 원료 물질을 용융시켜 용융된 원료를 회전체 상에 공급한다(S110).
회전부(130)는 회전체를 회전시키면서 회전체 상에 용융 원료의 박막을 형성한다(S120). 이때, 용융 원료의 박막을 형성하기 위한 회전체의 속도는 100rpm 내지 300,000rpm일 수 있다. 또한, 회전체의 재질은 금속, 합금 및 세라믹 중 적어도 어느 하나일 수 있으며, 회전체의 형상은 콘형, 원판형, 역콘형, 접시형, 아크형 중 어느 하나일 수 있다.
혼합 가스 공급부(120)는 회전부(130)가 형성한 박막에 가스 및 금속 분말이 혼합된 혼합가스를 공급하여 원료 액적을 형성한다(S130). 이때, 혼합가스는 회전체의 끝단 바깥쪽에 분사되어 원료 액적을 형성할 수 있다. 상기 혼합 가스의 압력은 5 내지 100bar이고, 분사가스의 온도는 25 내지 750℃일 수 있다.
마지막으로, 혼합 가스 공급부(120)가 혼합 가스를 공급하여 형성한 원료 액적을 냉각시켜 원료 분말을 제조한다(S140). 이때, 혼합 가스는 혼합 가스 생성부(170)가 가스 공급부(150) 및 금속 분말 공급부(160)로부터 공급되는 가스 및 금속 분말을 혼합하여 생성되며, 생성된 혼합 가스는 회전체에 형성된 용융 원료의 얇은 막에 공급될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
110: 용융 원료 공급부
111: 교반모터
112: 임펠러
113: 조작부
114: 수용부
115: 히터
116: 도가니
120: 혼합 가스 공급부
130: 회전부
140: 수직 이동 부재

Claims (22)

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  16. 원료 물질을 용융시켜 용융 원료를 회전체 상에 공급하는 단계;
    상기 회전체를 회전시켜 끝단이 돌출된 용융 원료의 박막을 형성하는 단계;
    상기 박막의 끝단에 가스 및 금속 분말이 혼합된 혼합 가스를 공급하여 원료 액적을 형성하는 단계; 및
    상기 원료 액적을 냉각시켜 원료 분말을 제조하는 단계를 포함하는 미세분말 제조방법.
  17. 삭제
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 용융 원료의 박막에 융점이 다른 금속 및 세라믹 분말을 분사하여 1 내지 200 μm 크기의 금속 분말 및 복합 분말을 제조하는 미세분말 제조방법.
  19. 제 16항에 있어서,
    상기 원료 물질은 금속, 금속의 합금 및 금속/세라믹 복합물질 중 적어도 어느 하나를 포함하는 미세분말 제조방법.
  20. 제 16항에 있어서,
    상기 원료 분말은 10㎛ 이하인 미세분말 제조방법.
  21. 제 16항에 있어서,
    상기 혼합 가스의 압력은 5 내지 100bar이고, 온도는 25 내지 750℃인 미세분말 제조방법.
  22. 삭제
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