KR101531855B1 - Apparatus for manufacturing nano colloid solution and method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 외부로부터 금속와이어를 내부의 분산매로 공급받고 나노콜로이드를 제조하는 폭발챔버; 상기 폭발챔버로부터 이송튜브를 통하여 상기 나노콜로이드를 이송받고, 상기 나노콜로이드 내에 분산된 나노입자을 수집하여 저장하는 저장챔버; 상기 이송튜브에 연접되며, 상기 이송튜브 주변에 전기장을 형성시키는 분산유도유닛; 및 상기 저장챔버로부터 농도가 저감 된 상기 나노콜로이드를 이송받고, 상기 나노콜로이드의 온도를 하강시키는 냉각챔버를 포함하는 나노콜로이드 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an explosion chamber which receives a metal wire from the outside as a dispersion medium therein and produces a nano-colloid; A storage chamber for transferring the nanocolloid from the explosion chamber through a transfer tube, collecting and storing the nanoparticles dispersed in the nanocolloid; A dispersion inducing unit connected to the conveying tube and forming an electric field around the conveying tube; And a cooling chamber for transferring the nanocolloid having a reduced concentration from the storage chamber and lowering the temperature of the nanocolloid.
Description
본 발명은 나노콜로이드 제조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노콜로이드 제조를 위한 고전압 전기폭발 시 나노입자의 분산을 유도하고 제조된 나노콜로이드를 순환시켜 고농도의 미세 나노입자가 포함된 나노콜로이드 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.
More particularly, the present invention relates to a nano-colloid manufacturing apparatus which induces dispersion of nanoparticles upon high-voltage electrical explosion for manufacturing nanocolloids and circulates the nanocolloids produced thereby to produce high-concentration nanoparticles. ≪ / RTI >
최근 나노기술에 대한 관심과 아울러 콜로이드 나노입자에 대한 연구가 매우 활발히 진행되고 있으며, 콜로이드 나노입자를 활용하기 위한 나노입자 분산매의 제조방법은 전기분해법, 졸-겔법, 마이크로 에멀젼법 및 화학환원법 등이 있다. In recent years, research on colloidal nanoparticles has been actively conducted with interest in nanotechnology, and methods for preparing nanoparticle dispersion media for utilizing colloidal nanoparticles include electrolysis, sol-gel method, microemulsion method, and chemical reduction method have.
전기분해법과 졸-겔법은 제조비용이 높고 많은 양의 금속 콜로이드를 제조하기 어려운 단점이 있고, 마이크로 에멀젼법은 제조방법이 복잡하여 입자의 크기 및 형상을 제어하기 어려운 단점이 있어 실용성이 낮은 문제가 있다. The electrolysis method and the sol-gel method have a disadvantage in that the production cost is high and it is difficult to prepare a large amount of metal colloid, and since the microemulsion method has a complicated manufacturing method, it is difficult to control the size and shape of the particles, have.
화학환원법은 고분자 분산안정제의 존재 하에 환원력을 갖는 분산매를 이용한 금속염의 환원에 의하여 나노입자를 제조하는 것으로 제조방법이 간단하고 대량생산이 가능하다는 장점으로 나노금속입자 분산매의 제조에 많이 사용되고 있으나, 분산안정제의 사용과 부산물생성이 불가피 하여 친환경성이나 순도가 떨어진다는 단점이 있다.The chemical reduction method is widely used in the production of nano metal particle dispersion media because of its simple manufacturing method and its mass production capability by producing nanoparticles by reduction of a metal salt using a dispersion medium having a reducing power in the presence of a polymer dispersion stabilizer, The use of stabilizers and the production of by-products are inevitable, which leads to a disadvantage that the environment-friendliness and purity are inferior.
전기폭발법은 펄스파워(pulse power)를 이용하여 고전압 대전류가 금속와이어를 통과할 때, 금속와이어가 미세한 입자나 금속증기형태로 폭발하는 전기폭발을 분산매 내에서 진행하여 나노금속입자 분산매를 제조하는 공정으로서, 이 공정은 고순도, 균일한 크기의 나노입자를 제조할 수 있으며, 입자의 응집제어가 가능하고 코팅막 형성제어가 가능한 장점이 있을 뿐만 아니라 분산매의 종류에 제한이 없다는 특징이 있어 나노금속입자 분산매를 제조하는 공정으로서 활용도가 증가하고 있다.The electric explosion method uses a pulse power to generate an electrical explosion in a dispersion medium in which a metal wire is blown in the form of fine particles or metal vapor when a high voltage high current passes through a metal wire to manufacture a nano metal particle dispersion medium This process is advantageous in that it can produce nanoparticles of high purity and uniform size, can control the agglomeration of the particles and can control the formation of a coating film, The utilization of the dispersion medium is increasing.
이와 같은 전기폭발법을 통하여 제조된 나노입자는 의약, 향장학, 첨단 정보통신 기술에 이르기까지 활용되는 핵심기술로 각광을 받고 있다. 특히 나노금속입자를 분산매 내에 분산(dispersion), 부유(suspension)시킨 나노콜로이드를 제작하여 의약품, 화장품뿐만 아니라 전도성 페이스트와 잉크의 제조 등의 다양한 분야에 활용하고 있으며, 현재 이러한 제품들은 고기능성, 고부가가치성을 추구하는 방향으로 발전하는 추세에 있다. Nanoparticles produced through such an electric explosion method are attracting attention as a core technology that is utilized for medicine, flavor scholarship, and advanced information and communication technology. Particularly, nano-colloids are prepared by dispersing and suspending nano-sized metal particles in a dispersion medium. They are used in various fields such as pharmaceuticals and cosmetics as well as in the production of conductive pastes and inks. Currently, these products are highly functional, It is in the trend of developing toward the pursuit of value.
또한, 이러한 제품들의 발전에 따라, 더욱 양질의 나노콜로이드의 제조가 요구되는 실정이다. 그러나, 종래의 기술로는 전압, 입자의 응집, 분산력 등의 문제로 인하여 고농도의 나노콜로이드를 수득하는 데 한계가 있었다. In addition, with the development of these products, it is required to produce nanoparticles of better quality. However, conventional techniques have a limitation in obtaining high-concentration nano-colloids because of problems such as voltage, agglomeration of particles, and dispersing power.
따라서, 양질의 나노콜로이드를 제조하기 위해서는 더욱 미세한 나노입자를 고농도로 농축시키기 위한 효과적인 방법이 필요하다.
Therefore, in order to produce a high-quality nano-colloid, an effective method for concentrating finer nanoparticles at a high concentration is needed.
본 발명의 목적은 고전압을 인가하여 전기폭발을 실시함과 동시에 나노콜로이드 제조를 위한 전기폭발 순간에 나노입자의 분산을 유도하여 더욱 미세한 나노입자가 포함된 나노콜로이드를 제조하고, 이로써 제조된 나노콜로이드를 농축 순환시켜 고농도의 나노콜로이드를 얻기 위한 나노콜로이드 제조 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.An object of the present invention is to provide a nanocolloid containing fine nanoparticles by inducing dispersion of nanoparticles at the moment of electric explosion for nanocolloid production while applying electric voltage by applying a high voltage, To thereby obtain a nanocolloid having a high concentration. The present invention also provides an apparatus and a method for manufacturing a nanocolloid.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.
The technical objects to be achieved by the present invention are not limited to the above-mentioned technical problems.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 나노콜로이드 제조 장치는, 외부로부터 금속와이어를 내부의 분산매로 공급받고, 전기폭발에 의해 나노콜로이드를 제조하고, 이송튜브로 안내하는 폭발챔버; 상기 이송튜브에 연접되며, 상기 이송튜브 주변에 전기장을 형성시켜 나노콜로이드의 나노입자를 이송튜브에 밀집시키는 분산유도유닛; 상기 이송튜브에 밀집된 나노입자를 포함한 나노콜로이드를 수집하여 저장하는 저장챔버; 및 상기 저장챔버와 연결된 순환튜브를 통해 밀집되지 않은 나노입자를 포함한 나노콜로이드를 이송받아, 나노콜로이드의 온도를 하강시키는 냉각챔버;를 포함하되, 상기 냉각챔버로 이송되는 나노콜로이드는 저장챔버에 저장된 나노콜로이드 보다 농도가 낮을 수 있다. In order to achieve the above object, the present invention provides a nanocolloid manufacturing apparatus comprising: an explosion chamber which receives a metal wire from the outside as a dispersion medium in the inside thereof, manufactures nanocolloids by electric explosion, and guides the nanocolloids to a transfer tube; A dispersion induction unit connected to the transfer tube and forming an electric field around the transfer tube to densify nanoparticles of nanocolloids in the transfer tube; A storage chamber for collecting and storing nanocolloids containing nanoparticles densely packed in the transfer tube; And a cooling chamber for receiving the nanocolloid including nanoparticles not densified through the circulation tube connected to the storage chamber and lowering the temperature of the nanocolloid, wherein the nanocolloid transferred to the cooling chamber is stored in a storage chamber Concentrations may be lower than nano-colloids.
구체적으로, 상기 폭발챔버는 금속 재질일 수 있다.Specifically, the explosion chamber may be made of a metal material.
상기 폭발챔버는 알루미늄 재질일 수 있다.The explosion chamber may be made of aluminum.
상기 분산유도유닛은 양극과 음극이 절연체를 사이에 두고 교차로 적층형성된 유도전극일 수 있다.The dispersion induction unit may be an induction electrode in which an anode and a cathode are stacked alternately with an insulator interposed therebetween.
상기 분산유도유닛은 상기 나노콜로이드 제조 장치에 상시 작동되도록 설치될 수 있다.The dispersion induction unit may be installed to operate the nanocolloidal manufacturing apparatus at all times.
또한, 상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 나노콜로이드 제조 방법은, 분산매가 충진된 폭발챔버 내부로 금속와이어를 피딩시키는 단계(S10); 상기 폭발챔버 내의 전기폭발로 나노콜로이드를 생성시킴과 동시에 전기장에 의하여 콜로이드를 이송시키는 단계(S20); 상기 콜로이드 내에 분산된 나노입자를 수집하는 단계(S30); 및 상기에서 수집되지 않은 나노입자를 포함한 콜로이드를 냉각시켜 폭발챔버로 재유입시키는 단계(S40);를 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a nanocolloid, comprising: (S10) feeding a metal wire into an explosion chamber filled with a dispersion medium; (S20) of generating nanocolloid by electric explosion in the explosion chamber and transferring colloid by electric field; Collecting the nanoparticles dispersed in the colloid (S30); And cooling the colloid including the nanoparticles not collected in the above to re-enter the explosion chamber (S40).
구체적으로, 상기 단계(S20)에서의 상기 전기폭발은 500 내지 1500V의 전압이 인가되어 실시될 수 있다.Specifically, the electric explosion in the step S20 may be performed by applying a voltage of 500 to 1500V.
상기 단계(S20)의 나노입자는, 상기 단계(S10)의 금속와이어가 적어도 65%이상 변환되어 생성된 입자일 수 있다.The nanoparticles in step S20 may be particles formed by converting at least 65% of the metal wires in step S10.
상기 단계(S20)에서 상기 전기장은 상기 나노콜로이드의 제조 중 상시 형성될 수 있다.In the step S20, the electric field may be constantly formed during the production of the nanocolloid.
상기 단계(S20)의 전기폭발로 생성된 상기 나노콜로이드 내 상기 나노입자를 분산시키기 위하여 초음파가 더 조사될 수 있다.
Ultrasonic waves may further be irradiated to disperse the nanoparticles in the nanocolloid generated by the electric explosion of step S20.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 관련된 나노콜로이드 제조 장치 및 방법에 의하면, 고농도의 미세 나노입자가 포함된 양질의 나노콜로이드를 제조할 수 있고, 이와 같이 제조된 나노콜로이드의 균일한 분산상태를 장시간 보장할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하여 제조된 나노콜로이드를 이용하여 만들어진 이차 가공제품의 품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
According to the apparatus and method for producing a nanocolloid according to the present invention, it is possible to produce high-quality nanocolloids containing high-concentration fine nanoparticles and to ensure uniform dispersion of the prepared nanocolloids for a long time can do. In addition, the quality of the secondary processed product made using the nanocolloid produced by the present invention can be improved.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노콜로이드 제조 장치의 개념도이다.
도 2는 종래의 충전전압 340V 조건에서의 전류파형 곡선 그래프이고, 도 3은 본 발명의 충전전압 1223V 조건에서의 전류파형 곡선 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노콜로이드 제조 방법의 순서도이다.
한편, 도 5는 종래의 나노콜로이드 제조 장치를 이용하여 생성된 나노콜로이드 내의 나노입자를 확인하기 위한 TEM 사진이고, 도 6은 본 발명의 나노콜로이드 제조 장치 및 방법을 이용하여 생성된 나노콜로이드 내의 나노입자를 확인하기 위한 TEM 사진이다.1 is a conceptual diagram of a nanocolloid manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph of a current waveform curve at a conventional charge voltage of 340 V, and FIG. 3 is a graph of a current waveform curve at a charge voltage of 1223 V of the present invention.
4 is a flowchart of a method of manufacturing a nanocolloid according to an embodiment of the present invention.
Meanwhile, FIG. 5 is a TEM photograph for identifying nanoparticles in a nanocolloid produced using a conventional nanocolloid production apparatus, and FIG. 6 is a TEM photograph showing a nanocolloid produced in the nanocolloid using the apparatus and method of the present invention. It is a TEM photograph for identifying particles.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 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.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference symbols whenever possible. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노콜로이드 제조 장치의 개념도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 나노콜로이드 제조 장치(100)는 폭발챔버(110), 분산유도유닛(113), 저장챔버(120), 냉각챔버(130), 및 냉각유닛(150)을 포함한다. 1 is a conceptual diagram of a nanocolloid manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention. 1, an
본 발명과 관련된 액상 전기폭발법은 폭발챔버(110) 내부로 공급된 금속와이어(300)를 전기폭발에 의하여 나노입자로 형성시키는 것이다. 이러한 금속와이어(300)는 폭발챔버(110)의 상부에 별도로 구비된 피딩장치(200)에 의하여 외부로부터 폭발챔버(110) 내부에 수용된 액상 분산매(111)에 침지되도록 공급된다. 즉, 금속와이어(300)는 외부로부터 폭발챔버(110) 내부로 공급되면서 분산매(111)에 침지되어 있다가 고전압 전류가 인가되면서 발생되는 펄스파워에 의하여 전기폭발이 일어나 나노입자로 형성되는 것이다. 그리고, 이러한 금속와이어(300)의 피딩 및 전기폭발 과정은 얻고자 하는 나노콜로이드의 농도에 따라 수회차 반복될 수 있다.The liquid electrical explosion method according to the present invention is to form the
그리고, 여기서 분산매(111)는 나노입자, 즉, 분산질의 종류에 따라 달라질 수 있다. 구체적으로는 증류수, 물, 알코올, 벤젠, 아세톤 등의 액상의 용매 중 분산질과 잘 섞이는 성질의 용매를 분산매(111)로 선택할 수 있다. Here, the
이때, 인가되는 고전압 전류의 크기는 전기폭발 시 형성되는 금속분말의 입자크기에 직접적인 영향을 미친다. 왜냐하면, 도 2 및 도 3에서 보듯이 인가되는 전압의 크기에 따라 전기폭발 변환 효율에 차이가 있기 때문이다. 이러한 변환 효율은 폭발챔버(110) 내로 공급된 금속와이어(300)가 전기폭발에 의하여 나노입자로 변환된 양적 비율을 의미한다.In this case, the magnitude of the applied high voltage current directly affects the particle size of the metal powder formed in the electric explosion. This is because, as shown in FIG. 2 and FIG. 3, there is a difference in electric explosion conversion efficiency depending on the magnitude of the applied voltage. This conversion efficiency means a quantitative ratio in which the
여기서, 도 2는 종래의 기술과 관련된 340V의 전압이 인가되었을 때의 전류파형 곡선이며, 구체적으로는 충전용량이 2200㎌, 충전전압이 340V, 충전에너지가 127J, 첨두전류값이 675A, 및 펄스폭이 71㎲ec으로 측정되었다. 이와 같은 조건으로 전기폭발 실시 시, 340V로 충전하여서 액중 전기폭발법으로 나노입자를 제조하였으며 콘덴서뱅크의 충전용량을 증가시켜 에너지를 보완하였다. 그리고, 도 3은 본 발명과 관련된 고전압 인가 시 전류파형 곡선이며, 구체적으로는 충전용량이 170㎌, 충전전압이 1223V, 충전에너지가 127J, 첨두전류값이 825A, 및 펄스폭이 59㎲ec으로 측정되었다. 이와 같은 조건으로 전기폭발 실시 시, 종래의 충전에너지와 같은 값인 127J 상태에서 전압을 증가시키고 충전용량을 감소시켜 방전시간을 줄였다.2 is a current waveform curve when a voltage of 340 V related to the related art is applied. Specifically, the current waveform curve is 2200 kPa, the charging voltage is 340 V, the charging energy is 127 J, the peak current value is 675 A, The width was measured as 71 占 퐏 ec. When the electric explosion was performed under such conditions, the nanoparticles were prepared by the submerged electric explosion method by charging at 340V, and the energy was supplemented by increasing the charging capacity of the capacitor bank. 3 is a current waveform curve when a high voltage is applied according to the present invention. Specifically, the charging curve is a charge curve of 170 ㎌, a charging voltage of 1223 V, a charging energy of 127 J, a peak current value of 825 A, and a pulse width of 59 ec ec Respectively. When the electric explosion was performed under such conditions, the voltage was increased at 127 J, which is the same value as the conventional charge energy, and the charge capacity was reduced to reduce the discharge time.
도 2 및 도 3의 그래프를 비교하여 설명하면, 도 2의 종래기술과 관련된 전류파형은 상승하는 기울기가 완만한 반면, 도 3의 본 발명과 관련된 전류파형은 상승하는 기울기가 도 2의 그래프보다 급격한 것을 확인할 수 있다. 이로써 도 2에서 보다 도 3에서 가열시간이 더욱 단축되었으며, 동시에 전기폭발로 인한 나노입자 생성 후 분산매(111)에 의한 냉각으로 발생되는 순간적인 승화(금속고체ㅡ>금속기체) 시간을 단축하고 있음을 알 수 있다. 그리고, 이러한 차이로 인하여 종래의 기술보다 본 발명에서 에너지 손실을 줄이고 더 큰 전기폭발 에너지를 확보하여 입도가 더 미세한 나노입자의 수득률을 높일 수 있게 된다. 즉, 전기폭발법에 의한 금속분말 형성 시 인가되는 전압의 크기가 클수록 더욱 미세한 크기의 금속분말을 고농도로 수득할 수 있게 되는 것이다.2 and FIG. 3, the current waveform associated with the prior art of FIG. 2 has a gradual slope, whereas the current waveform associated with the present invention of FIG. 3 has a rising slope It can be confirmed that it is abrupt. This further shortens the heating time in FIG. 3 as compared with FIG. 2, and shortens the instantaneous sublimation time (metal solid: metal gas) caused by cooling by the
단, 폭발챔버(110) 내 전기폭발 차수가 반복되어 고농도 상태가 되었을 때 3kV 이상의 과도한 전압이 가해질 경우, 인가된 고전압이 금속와이어(300)를 통해 방전되지 않고 주변에 분산되어 있는 금속 나노입자를 통해서 방전되어 오히려 전기폭발로 나노입자를 생성시키는 데 어려움이 발생할 수 있으므로, 전기폭발 시 전압은 3kV 미만으로 실시하는 것이 바람직하다.However, when an excessive voltage of 3 kV or more is applied when the electric explosion order in the
한편, <표 1>은 전술된 도 2의 조건과 도 3의 조건에서 니켈 금속와이어를 액중 전기폭발을 실시하여 생성된 나노입자의 양을 ICP 질량분석법으로 측정한 것으로서, <표 1>의 결과를 살펴보면 본 발명의 고전압(1223V) 조건에서 나노입자의 수득률이 종래보다 약 14배 향상되었음을 확인할 수 있다.<Table 1> shows the results of the ICP mass spectrometry of the amount of nanoparticles produced by the submerged electric explosion of nickel metal wires under the condition of FIG. 2 and the conditions of FIG. 3, It can be seen that the yield of nanoparticles was improved about 14 times as compared with the conventional method under the high voltage (1223 V) condition of the present invention.
또한, 본 발명의 나노콜로이드 제조 장치(100)에서 폭발챔버(110)는 전기폭발을 실시하기 위하여 1000V 이상에 달하는 고전압이 직접 인가되는 부분으로서, 전압 인가 시 발생되는 전기폭발의 폭발력을 견디도록 하는 것이 바람직하다. 이러한 폭발챔버(110)는 알루미늄 또는 알루미늄합금으로 형성되어 가벼우면서도 내구성이 우수한 폭발챔버(110)를 구현하는 데 좋다.In addition, in the
이러한 폭발챔버(110)의 일측에는 일종의 이송튜브(160)가 연결된다. 이송튜브(160)는 폭발챔버(110)와 저장챔버(120) 사이에 연결되어, 이송튜브(160)를 통하여 폭발챔버(110) 내에서 전기 폭발에 의하여 생성된 나노콜로이드가 분출되면서 폭발챔버(110)로부터 저장챔버(120)로 이송된다.A kind of
이와 같이 나노콜로이드가 폭발챔버(110)로부터 저장챔버(120)로 이송되면, 전기폭발로 생성되어 나노콜로이드 내에 부유되어 있던 나노입자를 저장챔버(120)로 수집하게 된다. 그리고, 이와 동시에 폭발챔버(110) 내의 나노콜로이드 농도를 저감시키게 된다. When the nanocolloid is transferred from the
이렇게, 폭발챔버(110) 내의 나노콜로이드 농도가 저감되면, 본 발명에 의하여 생성된 나노입자가 순간적으로 응집되어 다시 크기가 커지는 것을 억제할 수 있다. 왜냐하면 보통 미세한 나노입자가 고농도로 모여있으면, 나노입자들이 서로 간의 정전기적 인력에 의하여 주변의 나노입자들과 모여 응집되는 현상이 발생되기 때문에, 본 발명의 폭발챔버(110) 내의 나노입자 농도가 저감되면 전기폭발로 생성된 나노입자들 사이의 응집이 억제되는 것이다.Thus, when the concentration of nanocolloids in the
또한, 폭발챔버(110)와 저장챔버(120)를 연결하는 이송튜브(160)에는 폭발챔버(110)에서 생성된 나노입자를 저장챔버(120) 측으로 유동되도록 유도하기 위한 분산유도유닛(113)이 설치된다. 이러한 분산유도유닛(113)은 양극과 음극이 절연체를 사이에 두고 교차로 적층형성된 일종의 유도전극으로서, 이송튜브(160)의 외측에 연접되도록 설치되어 전기장을 형성시켜 이송튜브(160) 내에 유동되는 나노콜로이드 및 나노입자에 영향을 미치게 된다.The
구체적으로는, 분산유도유닛(113)에 의하여 이송튜브(160)의 주변에 발생 된 전기장은 반대 극성의 전하를 가진 나노입자를 폭발챔버(110)로부터 분산유도유닛(113)이 형성된 이송튜브(160) 방향으로 유동되도록 유도시켜 폭발챔버(110)에서 나노입자를 분산시키게 된다. 이에 따라, 폭발챔버(110) 내의 나노입자 농도를 더욱 낮추어 전술된 나노입자들 사이의 응집이 효과적으로 억제된다. 동시에, 이송튜브(160)에 모인 나노입자는 서로 간에 같은 극성의 전하를 띄게 되어 나노입자 간의 응집이 발생 될 확률이 낮아지게 된다. 게다가 이송튜브(160)의 전기장 내로 유동 된 나노입자가 전기장의 영향으로 극성이 중성화되면서 이후 저장용기에 수집된 나노입자 간의 응집이 방지된다. Specifically, the electric field generated around the
이와 같은 분산유도유닛(113)은 본 발명의 나노콜로이드 제조 장치(100)에 상시 작동되면서 폭발챔버(110)로부터 이송튜브(160) 방향으로 나노콜로이드및 나노입자의 유동을 계속적으로 유도시키게 된다. 그리고, 전기폭발 시 폭발챔버(110) 내에 다량 생성된 나노입자를 순간적으로 이송튜브(160) 방향으로 유도하면서 폭발챔버(110) 내의 나노입자 농도를 저감시켜, 연속적으로 실시되는 전기폭발에도 나노입자가 응집되지 않고 미세한 나노입자 크기를 유지시키게 된다.The
한편, 폭발챔버(110) 또는 이송튜브(160)에는 적어도 하나의 초음파발생유닛(115)이 더 설치된다. 초음파발생유닛(115)은 폭발챔버(110) 또는 이송튜브(160)에 초음파를 조사하여 나노입자에 진동을 가하여 줌으로써, 인접한 나노입자가 서로 응집되는 것을 방지하고, 나노입자의 분산도를 증가시킬 수 있다. 초음파발생유닛(115)은 혼-타입, 배쓰-타입 등이 모두 가능하다. At least one ultrasonic
이어, 저장챔버(120)에는 이송튜브(160)와 별도로 순환튜브가 분기 형성된다. 순환튜브에는 저장챔버(120)에서 회수되고 남은 소량의 나노입자가 포함된 분산매(111)가 유동된다. 이러한 순환튜브는 저장챔버(120)에서 냉각챔버(130)로 안내하는 제1 순환튜브(171)와, 냉각챔버(130)에서 전체 나노콜로이드 제조 장치(100) 내 나노콜로이드 용액을 유동시키기 위하여 설치된 순환펌프(140)로 안내하는 제2 순환튜브(172)와, 순환펌프(140)에서 유출된 분산매(111)를 별도의 냉각유닛(150)을 거쳐 다시 냉각챔버(130)로 안내하는 제3 순환튜브(173), 및 순환펌프(140)에서 유출된 분산매(111)를 폭발챔버(110)로 안내하는 제4 순환튜브(174)를 포함하여 이루어진다.In the
여기서, 냉각챔버(130)는 제1 순환튜브(171)를 통하여 유입된 분산매(111)를 저장하고 냉각시킨다. 이렇게 분산매(111)를 냉각시키는 것은 전기폭발에 의하여 상승 된 나노콜로이드의 온도를 낮추기 위함이다. 만약 나노콜로이드의 온도가 장시간 고온으로 유지된다면, 고온의 조건에 장시간 노출되어 나노콜로이드 제조 장치(100)의 수명이 저하될 뿐만 아니라 나노콜로이드 및 나노입자에도 장시간 동안 고온의 영향을 주어 제조된 나노입자의 물성에 영향을 끼칠 수 있으므로, 나노콜로이드를 다시 냉각시켜 주는 것은 매우 중요하다.Here, the cooling
이와 같은 냉각챔버(130)는 저장된 분산매(111)의 부피보다 적어도 1배의 내부 빈공간이 확보되도록 형성되어 분산매(111)가 자연상태에서 효과적으로 냉각되도록 하는 것이 바람직하다. 그리고, 제2 및 제3 순환튜브(173)를 통하여 냉각챔버(130)에서 순환펌프(140)를 거쳐 냉각유닛(150)에서 냉각된 후 다시 냉각챔버(130)로 유입되는 구성을 통하여, 이러한 분산매(111)를 더욱 효과적으로 냉각시킬 수 있다.It is preferable that the
이때, 냉각유닛(150)은 통상의 냉각기 모듈을 사용하는 것이 모두 하며, 별도로 구비된 전원장치에 의하여 필요에 따라 냉각유닛(150)을 작동시키도록 구성되는 것이 좋다.At this time, it is preferable that the
전술된 바와 같이 냉각챔버(130) 내부의 분산매(111)는 순환펌프(140)를 통과하면서 일부의 분산매(111)는 냉각유닛(150)을 통하여 냉각되어 다시 냉각챔버(130)로 유입되고, 나머지 분산매(111)는 제4 순환튜브(174)를 통하여 폭발챔버(110)로 안내된다. The
제4 순환튜브(174)를 통하여 폭발챔버(110)로 유입된 분산매(111)는 나노콜로이드 내 나노입자의 농도가 매우 낮은 상태로서, 폭발챔버(110)로 유입되면서 폭발챔버(110) 내부의 나노콜로이드 농도를 저감시키는 데에도 영향을 주게 된다.
The
이하, 본 발명의 나노콜로이드 제조 방법에 대하여 후술한다.Hereinafter, the method for producing a nanocolloid of the present invention will be described below.
본 발명의 나노콜로이드 제조 방법은 금속와이어(300)를 폭발챔버(110) 내부로 피딩시키는 단계(S10), 전기폭발로 나노입자를 생성시킴과 동시에 전기장에 의하여 나노입자를 이송시키는 단계(S20), 생성된 나노입자를 따로 수집하는 단계(S30), 및 분산매(111)를 냉각시켜 폭발챔버(110)로 재유입시키는 단계(S40)을 포함한다.The method of manufacturing nanocolloids of the present invention comprises the steps of feeding a
이러한 나노콜로이드 제조 방법에 있어서, 우선 금속와이어(300)를 폭발챔버(110) 내부로 피딩시키고 폭발챔버(110) 내부에 수용된 분산매(111) 중에 침지시킨다. 이때 금속와이어(300)는 분산매(111) 중에 침지되면서 폭발챔버(110) 내부에 구비된 양극(117)과 음극(119)의 두 전극 사이에 장착된다. 이때 금속와이어(300)는 폭발챔버(110) 외부에 별도로 설치된 피딩장치(200)에 의하여 미리 설정된 길이와 시간간격으로 반복하여 공급되어, 액중 전기폭발이 반복하여 실시될 수 있도록 한다.In this nano-colloid manufacturing method, first, the
이와 같이 금속와이어(300)가 두 전극 사이에 장착되면, 두 전극에 순간적인 고전압을 인가하여 금속와이어(300)에 전기폭발을 실시하게 된다. 그리고, 이때 순간적으로 나노입자의 형성됨과 동시에 전기장에 의하여 나노입자가 이송튜브(160)를 통하여 폭발챔버(110) 외부로 이송된다.(S20)When the
여기서, 두 전극 사이에는 500 내지 1500V의 고전압이 인가되어 전기폭발이 실시되는 것이 특징이다. 이때, 인가되는 전압이 500V 미만이면 전압의 세기가 본 발명에서 얻고자하는 고농도의 미세한 나노입자를 얻기에는 부족한 수치이고, 인가되는 전압이 1500V 초과이면 나노콜로이드 제조 장치에 균열이 발생 되거나 과도하게 인가된 전류가 금속와이어가 아닌 나노콜로이드에 분산된 나노입자에 방전되어 오히려 나노입자의 생성을 방해하는 요인으로 작용 될 수 있다. Here, a high voltage of 500 to 1500 V is applied between the two electrodes to perform electric explosion. If the applied voltage is less than 500 V, the voltage intensity is insufficient for obtaining the high concentration fine nanoparticles to be obtained in the present invention. If the applied voltage is higher than 1500 V, cracks may be generated in the nanocolloid manufacturing apparatus, The generated current may be discharged to the nanoparticles dispersed in the nanocolloid rather than to the metal wire, and this may act as a factor that hinders the generation of the nanoparticles.
일례로, 전술된 도 3 및 <표 1>에서 설명한 실시예의 경우, 1223V의 전압을 인가하여 전기폭발을 실시하여 321.90 ㎎/ℓ의 나노입자를 수득하였다. 이와 같이 수득 된 나노입자는, 상기 단계(10)의 금속와이어가 적어도 65%이상 변환되어 생성된 입자로서, 이러한 변환 효율은 액중 전기폭발 장치에 의한 나노입자 생성에 있어서 종래의 기술보다 매우 향상된 것이다.For example, in the case of the embodiment shown in FIG. 3 and Table 1 described above, a voltage of 1223 V was applied to perform electrical explosion to obtain 321.90 mg / L of nanoparticles. The nanoparticles thus obtained are particles produced by converting at least 65% or more of the metal wires of the step (10), and the conversion efficiency is much improved as compared with the conventional technology in the production of nanoparticles by the submerged electric explosion device .
그리고, 수득 된 나노입자는 생성과 동시에 전기장에 의하여 이송튜브(160)를 따라 폭발챔버(110) 외부로 이송된다. 이러한 순간적인 이송은 전기폭발과 동시에 이송튜브(160)에 형성된 전기장에 의하여 가능한 것이다. 이때 전기장은 이송튜브(160)에 연접된 부분에 설치된 분산유도유닛(113)에 의하여 형성될 수 있다. 이와 같이 나노입자가 폭발챔버(110)로 부터 외부로 이송되면, 상대적으로 폭발챔버(110) 내부의 나노콜로이드 농도가 저감되어 생성된 나노입자의 응집이 방지되고 이어 실시되는 전기폭발 시 나노입자의 수득률을 더욱 높이는 효과가 있다.The nanoparticles thus obtained are simultaneously transferred to the outside of the
다음으로, 이송튜브(160)로 이송된 나노입자 및 나노콜로이드는 이송튜브(160)를 통과하여 저장튜브로 안내된다. 저장튜브에서는 나노콜로이드 내 분산된 나노입자를 수집하여 저장하고 나머지 분산매(111)를 별도로 설치된 순환튜브를 통하여 유출한다.(S30) 이때 분산매(111)에는 저장튜브에서 미처 수집되지 않은 미량의 나노입자가 포함되어 있을 수도 있으나, 저장챔버(120) 이전에 비하여 나노콜로이드의 농도가 50ppm이하로 현저하게 감소 된 것이다.Next, the nanoparticles and nanocolloids transferred to the
마지막으로, 저장튜브로부터 유출된 분산매(111)는 순환튜브를 따라 냉각되어 폭발챔버(110)로 재유입된다.(S40) 여기서, 분산매(111)를 냉각시키기 위하여, 냉각챔버(130)에서 분산매(111)를 식혀 온도를 낮출 수도 있고, 필요에 따라 별도로 설치된 냉각유닛(150)을 구동시켜 분산매(111)의 온도를 급격히 낮출 수도 있다.
Finally, the
한편, 도 5는 종래의 나노콜로이드 제조 장치를 이용하여 생성된 나노콜로이드 내의 나노입자를 확인하기 위한 TEM 사진이고, 도 6은 본 발명의 나노콜로이드 제조 장치(100) 및 방법을 이용하여 생성된 나노콜로이드 내의 나노입자를 확인하기 위한 TEM 사진이다.FIG. 5 is a TEM photograph for identifying nanoparticles in a nanocolloid produced by using a conventional nanocolloid manufacturing apparatus. FIG. 6 is a TEM photograph of a nanocolloid produced by the
도 5를 참조하여 설명하면, 종래의 나노콜로이드 제조 장치는 전압, 입자의 응집, 분산력 등의 문제로 인하여 미세한 나노입자를 고농도로 수득하는 데에 어려움이 있었다. 특히 전기폭발 시 고전압이 인가되면 고전압에 의한 폭발력으로 인하여, 나노콜로이드 제조 장치 내부 및 외부에 균열이 발생되어 내구성이 매우 떨어지게 되므로 약 300 내지 400V의 전압을 인가하여 전기폭발을 실시 할 수밖에 없었다. Referring to FIG. 5, conventional nanocolloid manufacturing apparatuses have difficulty in obtaining fine nanoparticles at a high concentration due to problems such as voltage, agglomeration of particles, and dispersing power. Particularly, when a high voltage is applied in an electric explosion, cracks are generated in the inside and outside of the nanocolloid manufacturing apparatus due to explosive force due to a high voltage, so that durability is very low. Therefore, electric explosion has to be performed by applying a voltage of about 300 to 400V.
이러한 종래의 나노콜로이드 제조 장치에서 약 340V의 전압을 인가하여 전기폭발을 실시하였을 경우, 도 5의 투과전자현미경(TEM) 사진에서 보듯이 생성된 나노입자가 응집되어 있을 뿐만 아니라 사이즈가 큰 나노입자로 성장한 나노입자들을 확인할 수 있다.In the conventional nanocolloid production apparatus, when a voltage of about 340 V was applied to perform electrical explosion, as shown in the TEM image of FIG. 5, the generated nanoparticles aggregated, Can be identified.
반면, 도 6은 본 발명의 나노콜로이드 제조 장치(100) 및 방법에 의하여 생성된 나노입자의 실시예의 사진으로서, 본 실시예에서는 나노입자의 분산도를 향상을 위한 초음파조사 및 전기장인가와 동시에 약 1223V의 전압에 의한 전기폭발이 함께 실시되었다. 여기서, 본 사진에서는 나노입자가 고루 분산되어 있는 상태를 확인할 수 있을 뿐만 아니라 종래에 비하여 사이즈가 큰 나노입자로 성장한 나노입자도 현저하게 감소되었음을 확인할 수 있다.FIG. 6 is a photograph of an embodiment of the nanoparticles produced by the
상기와 같이 구성되는 본 발명에 관련된 나노콜로이드 제조 장치 및 방법에 의하면, 고농도의 미세 나노입자가 포함된 양질의 나노콜로이드를 제조할 수 있고, 이와 같이 제조된 나노콜로이드의 균일한 분산상태를 장시간 보장할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하여 제조된 나노콜로이드를 이용하여 만들어진 이차 가공제품의 품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.According to the apparatus and method for producing a nanocolloid according to the present invention, it is possible to produce high-quality nanocolloids containing high-concentration fine nanoparticles and to ensure uniform dispersion of the prepared nanocolloids for a long time can do. In addition, the quality of the secondary processed product made using the nanocolloid produced by the present invention can be improved.
상기와 같은 나노콜로이드 제조 장치 및 방법은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.
The apparatus and method for manufacturing a nanocolloid as described above are not limited to the construction and the operation of the embodiments described above. The embodiments may be configured so that all or some of the embodiments may be selectively combined so that various modifications may be made.
100: 나노콜로이드 제조 장치 110: 폭발챔버
111: 분산매 113: 분산유도유닛
115: 초음파발생유닛 117: 폭발챔버 양극전극
119: 폭발챔버 음극전극 120: 저장챔버
130: 냉각챔버 140: 순환펌프
150: 냉각유닛 160: 이송튜브
171: 제1 순환튜브 172: 제2 순환튜브
173: 제3 순환튜브 174: 제4 순환튜브
200: 피딩장치 300: 금속와이어100: Nano colloid manufacturing apparatus 110: Explosion chamber
111: dispersion medium 113: dispersion induction unit
115: Ultrasonic generating unit 117: Explosion chamber anode electrode
119: explosion chamber cathode electrode 120: storage chamber
130: cooling chamber 140: circulation pump
150: Cooling unit 160: Feed tube
171: first circulation tube 172: second circulation tube
173: third circulation tube 174: fourth circulation tube
200: feeding device 300: metal wire
Claims (10)
상기 이송튜브에 연접되며, 상기 이송튜브 주변에 전기장을 형성시켜 나노콜로이드의 나노입자를 이송튜브에 밀집시키는 분산유도유닛;
상기 이송튜브에 밀집된 나노입자를 포함한 나노콜로이드를 수집하여 저장하는 저장챔버; 및
상기 저장챔버와 연결된 순환튜브를 통해 밀집되지 않은 나노입자를 포함한 나노콜로이드를 이송받아, 나노콜로이드의 온도를 하강시키는 냉각챔버;를 포함하되,
상기 냉각챔버로 이송되는 나노콜로이드는 저장챔버에 저장된 나노콜로이드 보다 농도가 낮은 것을 특징으로 하는 나노콜로이드 제조 장치.
An explosion chamber which receives a metal wire from the outside as a dispersion medium therein, manufactures nanocolloids by electric explosion and guides the metal nanowires to a transfer tube;
A dispersion induction unit connected to the transfer tube and forming an electric field around the transfer tube to densify nanoparticles of nanocolloids in the transfer tube;
A storage chamber for collecting and storing nanocolloids containing nanoparticles densely packed in the transfer tube; And
And a cooling chamber for receiving the nano-colloid including the uncleaved nanoparticles through the circulation tube connected to the storage chamber and lowering the temperature of the nano-colloid,
Wherein the nanocolloid transferred to the cooling chamber has a lower concentration than the nanocolloid stored in the storage chamber.
상기 폭발챔버는 금속 재질인 나노콜로이드 제조 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the explosion chamber is made of a metal.
상기 폭발챔버는 알루미늄 재질인 나노콜로이드 제조 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the explosion chamber is made of aluminum.
상기 분산유도유닛은 양극과 음극이 절연체를 사이에 두고 교차로 적층형성된 유도전극인 나노콜로이드 제조 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the dispersion induction unit is an induction electrode in which an anode and a cathode are stacked alternately with an insulator interposed therebetween.
상기 분산유도유닛은 상기 나노콜로이드 제조 장치에 상시 작동되도록 설치되는 나노콜로이드 제조 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the dispersion induction unit is installed to operate at all times in the nanocolloid manufacturing apparatus.
상기 폭발챔버 내의 전기폭발로 나노콜로이드를 생성시킴과 동시에 전기장에 의하여 콜로이드를 이송시키는 단계(S20);
상기 콜로이드 내에 분산된 나노입자를 수집하는 단계(S30); 및
상기에서 수집되지 않은 나노입자를 포함한 콜로이드를 냉각시켜 폭발챔버로 재유입시키는 단계(S40);를 포함하는 나노콜로이드 제조 방법.
(S10) feeding a metal wire into the explosion chamber filled with the dispersion medium;
(S20) of generating nanocolloid by electric explosion in the explosion chamber and transferring colloid by electric field;
Collecting the nanoparticles dispersed in the colloid (S30); And
(S40) cooling the colloid including the nanoparticles not collected in the above to re-enter the explosion chamber (S40).
상기 단계(S20)에서의 상기 전기폭발은 500 내지 1500V의 전압이 인가되어 실시되는 나노콜로이드 제조 방법.
The method of claim 6,
Wherein the electric explosion in the step (S20) is performed by applying a voltage of 500 to 1500V.
상기 단계(S20)의 나노입자는 상기 단계(S10)의 금속와이어가 적어도 65%이상 변환되어 생성된 입자인 나노콜로이드 제조 방법.
The method of claim 6,
Wherein the nanoparticles of step (S20) are particles produced by converting at least 65% or more of the metal wires of step (S10).
상기 단계(S20)에서 상기 전기장은 상기 나노콜로이드의 제조 중 상시 형성되는 나노콜로이드 제조 방법.
The method of claim 6,
Wherein the electric field is constantly formed during the production of the nanocolloid in the step (S20).
상기 단계(S20)의 전기폭발로 생성된 나노콜로이드 내 상기 나노입자를 분산시키기 위하여 초음파가 더 조사되는 나노콜로이드 제조 방법.
The method of claim 6,
Wherein the ultrasonic wave is further irradiated to disperse the nanoparticles in the nanocolloid generated by the electric explosion in the step (S20).
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