KR101561995B1

KR101561995B1 - 희토류가 함유된 나노파티클 포집장치

Info

Publication number: KR101561995B1
Application number: KR1020130159947A
Authority: KR
Inventors: 강경태; 노윤수
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2015-10-20
Also published as: KR20150072617A

Abstract

본 발명은 희토류가 함유된 나노파티클 포집장치에 관한 것으로서, 특히 샘플에 포함되어 있는 희토류를 레이저를 이용하여 나노파티클 형태로 포집할 수 있는 희토류가 함유된 나노파티클 포집장치에 관한 것이다.
본 발명의 희토류가 함유된 나노파티클 포집장치는, 희토류가 포함된 샘플이 상면에 놓여 이를 지지하는 스테이지와; 상기 스테이지를 덮어 외부로부터 상기 샘플이 배치된 내부를 밀폐시키는 챔버와; 상기 챔버 내부에서 상기 샘플의 상부에 배치되는 포집기판과; 상기 샘플에 레이저빔을 조사하여 상기 샘플로부터 희토류가 함유된 나노파티클을 생성시키는 레이저기기를 포함하여 이루어지되, 상기 샘플에서 생성되어 방출된 희토류가 함유된 나노파티클은 상부에 배치된 상기 포집기판에 부착되어 포집되는 것을 특징으로 한다.

Description

희토류가 함유된 나노파티클 포집장치 { APPARATUS FOR COLLECTING NANO-PARTICLE HAVING RARE EARTH RESOURCES }

본 발명은 희토류가 함유된 나노파티클 포집장치에 관한 것으로서, 특히 샘플에 포함되어 있는 희토류를 레이저를 이용하여 나노파티클 형태로 포집할 수 있는 희토류가 함유된 나노파티클 포집장치에 관한 것이다.

첨단산업에 널리 쓰이며 산업계의 비타민이라고 불리는 희토류는 대부분 란탄족(Lanthanum)으로 최외각 전자껍질의 구조가 동일하기 때문에 원자의 크기 및 화학적 성질이 유사하여 이들을 서로 분리하여 추출하는 기술이 어려운 것으로 알려져 있다.

기존의 희토류 분리/추출 및 포집 기술은 용매 활용 추출법이 있는데, 이는 낮은 추출효율과 유독한 용매로 인한 심각한 환경오염 문제가 대두되고 있다.

이에 따라 희토류를 깨끗하고 효율적인 방법으로 분리추출 및 포집하는 방법이 요구되고 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-0927466호에는, 레이저를 이용하여 표적 동위원소를 준안정 상태로 동위원소-선택적으로 광펌핑한 후, 그 준안정 상태의 원자를 여기상태를 거쳐 연속준위 또는 자동이온화준위로 광이온화시키는 것을 포함하는 이터븀 동위원소 분리방법이 게재되어 있다.

그러나, 이러한 종래의 방법은 광이온화 후 전기장 이용하여 분리추출하여야 하는바 여기에 사용되는 장치가 고가이고, 포집되는 양도 매우 적다.

대한민국 등록특허공보 제10-0927466호

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 비교적 저렴한 비용으로 희토류가 함유된 나노파티클을 샘플에서 용이하게 생성할 수 있고, 샘플에서 방출되는 희토류가 함유된 나노파티클을 보다 많이 포집할 수 있는 희토류가 함유된 나노파티클 포집장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 희토류가 함유된 나노파티클 포집장치는, 희토류가 포함된 샘플이 상면에 놓여 이를 지지하는 스테이지와; 상기 스테이지를 덮어 외부로부터 상기 샘플이 배치된 내부를 밀폐시키는 챔버와; 상기 챔버 내부에서 상기 샘플의 상부에 배치되는 포집기판과; 상기 샘플에 레이저빔을 조사하여 상기 샘플로부터 희토류가 함유된 나노파티클을 생성시키는 레이저기기를 포함하여 이루어지되, 상기 샘플에서 생성되어 방출된 희토류가 함유된 나노파티클은 상부에 배치된 상기 포집기판에 부착되어 포집되는 것을 특징으로 한다.

상기 스테이지는 상기 샘플을 상기 챔버의 내부에서 수평방향으로 이동시킨다.

상기 포집기판은 상기 챔버의 내측면에 탈착 가능하게 결합된다.

상기 챔버의 내측면에 상기 포집기판을 지지하기 위한 지지턱이 형성된다.

상기 지지턱은 상기 챔버의 내측면에 상하방향으로 회전 가능하게 장착되되, 상기 챔버의 내측면에는 상기 지지턱의 하면에 접하여 상기 지지턱이 하방향으로 미리 설정된 일정각도 이상으로 회전되는 것을 저지하는 스토퍼가 형성된다.

일단이 상기 챔버의 내측면에 결합되고 타단이 상기 지지턱에 결합되어 상기 지지턱에 회전력을 부가하는 스프링을 더 포함하여 이루어지되, 상기 지지턱에는 상기 스프링에 의해 상기 스토퍼와 접하는 방향으로 회전력이 가해진다.

상기 레이저기기는 상기 챔버의 외부에서 상기 챔버의 상부에 배치되고, 상기 챔버의 상면에는 상기 레이저기기에서 조사된 레이저빔이 투과하기 위한 석영렌즈가 장착되며, 상기 포집기판에는 상기 석영렌즈를 투과한 레이저빔이 관통하여 상기 샘플에 조사되도록 하는 관통공이 형성된다.

상기 포집기판에는 상기 관통공의 둘레를 따라 상기 샘플이 배치된 하방향으로 중공돌기가 돌출 형성된다.

상기 중공돌기는 하방향으로 갈수록 그 외경이 점점 작아지는 뿔대 형상으로 형성된다.

상기 샘플 및 포집기판은 액체 속에 배치되어 있을 수도 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 희토류가 함유된 나노파티클 포집장치에 따르면, 비교적 저렴한 비용으로 샘플에서 희토류가 함유된 나노파티클을 용이하게 생성하고, 이를 보다 많이 포집할 수 있다..

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 희토류가 함유된 나노파티클 포집장치의 구조도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 희토류가 함유된 나노파티클 포집장치를 이용하여 희토류가 함유된 나노파티클를 포집하는 상태를 도시한 구조도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 희토류가 함유된 나노파티클 포집장치의 챔버 내부에 포집기판을 장착하는 과정을 도시한 설치과정도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 포집기판의 사시도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 포집기판을 이용하여 희토류가 함유된 나노파티클를 포집하는 상태를 도시한 구조도.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 희토류가 함유된 나노파티클 포집장치의 구조도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 희토류가 함유된 나노파티클 포집장치를 이용하여 희토류가 함유된 나노파티클를 포집하는 상태를 도시한 구조도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 희토류가 함유된 나노파티클 포집장치의 챔버 내부에 포집기판을 장착하는 과정을 도시한 설치과정도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 포집기판의 사시도이며, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 포집기판을 이용하여 희토류가 함유된 나노파티클를 포집하는 상태를 도시한 구조도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 희토류가 함유된 나노파티클 포집장치는, 스테이지(10)와, 챔버(20)와, 포집기판(30)과, 레이저기기(40)를 포함하여 이루어진다.

상기 스테이지(10)는 상면에 희토류가 포함되어 있는 원석 등의 샘플(50)이 놓여지는 것으로써, 상기 스테이지(10)는 상기 샘플(50)을 지지한다.

위와 같은 스테이지(10)는 상면에 놓인 상기 샘플(50)을 X축 및 Y축 즉 수평방향으로 이동시킬 수 있도록 한다.

상기 챔버(20)는 하방향이 개방되어 있는 육면체 또는 원기둥 형상으로 형성되어 상기 스테이지(10)를 덮어 밀폐시킨다.

상기 챔버(20)에 의해 상기 스테이지(10)의 상면에 놓인 상기 샘플(50)은 외부와 차단된다.

상기 포집기판(30)은 상기 챔버(20) 내부에서 상기 샘플(50)의 상부에 배치된다.

이러한 상기 포집기판(30)은 상기 샘플(50)에서 생성되어 방출되는 상기 희토류가 함유된 나노파티클(51)을 포집하는 역할을 한다.

상기 레이저기기(40)는 상기 샘플(50)에 레이저빔(41)을 조사하는 것으로써, 상기 레이저기기(40)를 이용하여 상기 샘플(50)에 레이저빔(41)을 조사하게 되면 상기 샘플(50)은 가열되면서 증기와 같은 형태로 상기 희토류가 함유된 나노파티클(51)을 생성하여 외부로 방출하게 된다.

그리고 상기 레이저빔(41)에 의해 증기 형태로 방출되는 상기 희토류가 함유된 나노파티클(51)은 상기 샘플(50)의 상부에 배치된 상기 포집기판(30)의 저면에 부착되어 상기 포집기판(30)에 의해 포집되게 된다.

상기 포집기판(30)은 저면에 포집된 상기 희토류가 함유된 나노파티클(51)을 차후에 용이하게 수거하기 위해, 상기 챔버(20)의 내측면에 탈착 가능하게 결합되도록 한다.

이를 위해 본 실시예에서는 상기 챔버(20)의 내측면에 상기 포집기판(30)의 하부를 지지하기 위한 지지턱(22)이 형성되어 있다.

상기 지지턱(22)이 고정형인 경우에는 상기 포집기판(30)을 비스듬하게 삽입하여 상기 포집기판(30)의 하부가 상기 지지턱(22)의 상면에 접하여 지지되도록 한다.

그러나 바람직하게는 본 실시예와 같이 상기 지지턱(22)이 상기 챔버(20)의 내측면에서 상하방향으로 회전 가능하게 장착되도록 한다.

그리고 상기 챔버(20)의 내측면에는 회전하는 상기 지지턱(22)의 하면에 접하여 상기 지지턱(22)이 하방향으로 미리 설정된 일정각도 이상으로 회전되지 않도록 저지하는 스토퍼(23)가 형성되도록 한다.

더욱 바람직하게는 도 3에 도시된 바와 같이, 일단이 상기 챔버(20)의 내측면에 결합되고 타단이 상기 지지턱(22)에 결합되어 상기 지지턱(22)에 회전력을 부가하는 스프링(24)을 더 포함하여 이루어지도록 한다.

상기 지지턱(22)에는 상기 스프링(24)에 의해 상기 스토퍼(23)와 접하는 방향으로 회전력이 가해져 상기 지지턱(22)이 반자동으로 회전될 수 있게 된다.

이때 상기 스프링(24)은 토션스프링으로 이루어짐이 바람직하다.

따라서, 상기 포집기판(30)을 상기 지지턱(22)의 상면에 지지되도록 하고자 할 경우에는 우선 도 3(a)에 도시된 바와 같이 상기 포집기판(30)을 상기 지지턱(22)의 하부에 배치한다.

상기 포집기판(30)이 상승하여 상기 지지턱(22)과 접하게 되면, 도 3(b)에 도시된 바와 같이 상기 지지턱(22)은 상기 스프링(24)을 압축시키면서 반시계방향으로 회전하게 된다.

상기 포집기판(30)이 도 3(c)에 도시된 바와 같이 상기 지지턱(22)을 밀고 완전히 상승하게 되면, 상기 지지턱(22)은 압축된 상기 스프링(24)의 탄성복원력에 의해 시계방향으로 회전하여 상기 스토퍼(23)와 접하게 된다.

그 후 도 3(d)에 도시된 바와 같이 상기 포집기판(30)을 약간 하강시켜 상기 포집기판(30)의 하면이 상기 지지턱(22)에 의해 지지되도록 한다.

이때, 상기 지지턱(22)은 그 하면이 상기 스토퍼(23)에 접하여 지지되기 때문에 상기 포집기판(30)의 하중에도 불구하고, 회전되지 않고 그 상태를 유지하면서 상기 포집기판(30)을 지지하게 된다.

상기 포집기판(30)을 분리시키고자 할 경우에는, 상기 포집기판(30)을 상방방향으로 올린 후 상기 지지턱(22)을 회전시킨 상태에서 상기 포집기판(30)을 하강시켜 분리하도록 한다.

위와 같은 상기 지지턱(22)은 최소한 상기 챔버(20)의 양측에 형성되도록 하고, 상기 지지턱(22)이 회전되도록 하는 구조는 적어도 어느 한쪽 이상에 설치되어야 한다.

또한, 상기 지지턱(22)이 형성되지 않은 곳에는 연성재질의 고무판 등을 설치하여, 상기 포집기판(30)과 상기 챔버(20)의 내측면 사이를 통해 증기 형태로 발생된 상기 나노파티클(51)이 유출되지 않도록 함이 바람직하다.

그리고, 상기 레이저기기(40)는 상기 챔버(20)의 내부에 배치될 수도 있으나, 바람직하게는 본 실시예와 같이 상기 챔버(20)의 외부에 배치되도록 한다.

또한, 상기 레이저기기(40)는 상기 챔버(20)의 측면에 배치될 수도 있으나, 바람직하게는 본 실시예와 같이 상기 챔버(20)의 상부에 배치되도록 한다.

이때, 상기 챔버(20)의 상면에는 상기 레이저기기(40)에서 조사된 레이저빔(41)이 투과하기 위한 석영렌즈(21)가 장착되고, 상기 포집기판(30)에는 상기 석영렌즈(21)를 투과한 레이저빔(41)이 관통하여 상기 샘플(50)에 조사되도록 하는 관통공(31)이 형성된다.

이때, 상기 관통공(31)은 상하부가 동일한 직경일 수도 있고, 상부에서 하부로 갈수록 직경이 작아지는 형상 즉 테이퍼진 형상으로 형성될 수도 있다.

따라서, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 레이저빔(41)이 조사되면, 상기 레이저빔(41)은 상기 석영렌즈(21)를 투과한 후 상기 관통공(31)을 관통하여 상기 샘플(50)에 조사된다.

상기 레이저빔(41)이 상기 샘플(50)에 조사됨에 따라 상기 샘플(50)은 가열되면서 상기 희토류가 함유된 나노파티클(51)이 생성되어 증기 형태로 방출하게 된다.

증기 형태로 방출된 희토류가 함유된 나노파티클(51)은 상승하다가 상부에 배치된 상기 포집기판(30)의 하면에 접하여 부착됨으로써 포집되게 된다.

상기 샘플(50)의 한 위치에 레이저빔(41)이 일정시간 조사되면, 상기 스테이지(10)를 이용하여 상기 샘플(50)을 수평방향으로 이동시킨 후, 다시 상기 레이저빔(41)을 상기 샘플(50)의 새로운 위치에 조사한다.

따라서, 위와 같은 본 발명의 포집장치를 이용하여 상기 샘플(50)에서 방출된 희토류가 함유된 나노파티클(51)을 용이하게 포집하여 수거할 수 있다.

이때, 상기 포집기판(30)에 상기 관통공(31)이 없고 상기 포집기판(30)이 투명한 재질로 이루어져 상기 레이저빔(41)이 상기 포집기판(30)을 투과하도록 할 경우에는, 증기 형태로 방출된 상기 희토류가 함유된 나노파티클(51)이 상승하여 상기 레이저빔(41)의 경로 상에 위치하는 상기 포집기판(30)의 하면에 부착되어 조사 중인 상기 레이저빔(41)의 투과력 등을 저하시킬 수 있고, 상기 레이저빔(41)이 조사되는 경로에서 상기 포집기판(30)의 하면에 부착된 희토류가 함유된 나노파티클(51)은 지속적으로 상기 레이저빔(41)에 조사됨으로써 심각한 특성변화가 발생될 수 있다.

따라서, 본 실시예와 같이 상기 포집기판(30)에 상기 레이저빔(41)이 통과할 수 있는 관통공(31)을 형성함으로써, 위와 같은 문제점을 보완할 수 있다.

또한, 상기 포집기판(30)은 불투명재질 또는 상면에 금속막이 코팅되도록 함으로써, 일부 산란된 상기 레이저빔(41)이 상기 포집기판(30)을 투과하여 상기 샘플에 조사되는 것을 차단할 수 있다.

한편, 상기 포집기판(30)에는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 상기 관통공(31)의 둘레를 따라 상기 샘플(50)이 배치된 하방향으로 중공돌기(32)가 돌출 형성될 수도 있다.

상기 중공돌기(32)는 하방향으로 갈수록 그 외경이 점점 작아지는 뿔대 형상으로 형성된다.

이러한 상기 중공돌기(32)에 의해 상기 샘플(50)에서 방출된 희토류가 함유된 나노파티클(51)이 상기 관통공(31)을 통해 상기 포집기판(30)의 상부로 이동되는 것을 최소화할 수 있다.

즉, 상기 중공돌기(32)가 없으면 상기 포집기판(30)의 하면으로 올라온 희토류가 함유된 나노파티클(51)은 수평방향으로 이동하다가 상기 관통공(31)을 통해 일부가 상기 포집기판(30)의 상부로 유출될 수 있다.

그러나, 상기 관통공(31)의 주변에 상기 중공돌기(32)를 형성하게 되면, 상기 포집기판(30)의 하면으로 올라온 희토류가 함유된 나노파티클(51)이 수평방향으로 이동하다가 상기 중공돌기(32)에 의해 걸려 상기 관통공(31)을 통해 상기 포집기판(30)의 상부로 유출되는 것이 저지된다.

따라서, 상기 중공돌기(32)를 상기 관통공(31)의 주변에 형성함으로써, 상기 포집기판(30)에 보다 많은 희토류가 함유된 나노파티클(51)을 포집시킬 수 있다.

또한, 상기 중공돌기(32)를 하방향으로 점점 작아지는 뿔대 형상으로 형성함으로써, 상기 샘플(50)에서 방출되어 상승하는 상기 희토류가 함유된 나노파티클(51)이 상기 중공돌기(32)를 타고 상기 포집기판(30)의 하면으로 이동하도록 안내될 수 있다.

위와 같이, 본 발명의 희토류가 함유된 나노파티클 포집장치를 이용하여 상기 샘플(50)에서 생성되어 방출된 희토류가 함유된 나노파티클(51)을 용이하고, 보다 많이 포집하여 수거할 수 있다.

한편, 본 발명은 상기 레이저기기(40)를 제외하고 다른 구성들이 물과 같은 액체 속에 배치되어 상기 희토류가 함유된 나노파티클(51)을 액체 또는 상기 포집기판을 통해 포집할 수도 있다.

이 경우에는 최소한 상기 샘플(50) 및 포집기판(30)은 액체 속에 배치되어 있도록 하여, 상기 샘플(50)에서 생성되어 방출된 희토류가 함유된 나노파티클(51)이 상기 액체 속에 분산되거나 상기 포집기판(30)에 부착되도록 한다.

본 발명인 희토류가 함유된 나노파티클 포집장치는 전술한 실시예에 국한하지 않고, 본 발명의 기술 사상이 허용되는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

10 : 스테이지,
20 : 챔버, 21 : 석영렌즈, 22 : 지지턱, 23 : 스토퍼, 24 : 스프링,
30 : 포집기판, 31 : 관통공 ,32 : 중공돌기,
40 : 레이저기기, 41 : 레이저빔
50 : 샘플, 51 : 희토류가 함유된 나노파티클.

Claims

희토류가 포함된 샘플이 상면에 놓여 이를 지지하는 스테이지와;
상기 스테이지를 덮어 외부로부터 상기 샘플이 배치된 내부를 밀폐시키는 챔버와;
상기 챔버 내부에서 상기 샘플의 상부에 배치되는 포집기판과;
상기 샘플에 레이저빔을 조사하여 상기 샘플로부터 희토류가 함유된 나노파티클을 생성시키는 레이저기기를 포함하여 이루어지되,
상기 샘플에서 생성되어 방출된 희토류가 함유된 나노파티클은 상부에 배치된 상기 포집기판에 부착되어 포집되고,
상기 레이저기기는 상기 챔버의 외부에서 상기 챔버의 상부에 배치되고,
상기 챔버의 상면에는 상기 레이저기기에서 조사된 레이저빔이 투과하기 위한 석영렌즈가 장착되고,
상기 포집기판에는 상기 석영렌즈를 투과한 레이저빔이 관통하여 상기 샘플에 조사되도록 하는 관통공이 형성되고,
상기 포집기판에는 상기 관통공의 둘레를 따라 상기 샘플이 배치된 하방향으로 중공돌기가 돌출 형성된 것
을 특징으로 하는 희토류가 함유된 나노파티클 포집장치.
청구항1에 있어서,
상기 스테이지는 상기 샘플을 상기 챔버의 내부에서 수평방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 희토류가 함유된 나노파티클 포집장치.
청구항1에 있어서,
상기 포집기판은 상기 챔버의 내측면에 탈착 가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 희토류가 함유된 나노파티클 포집장치.
청구항3에 있어서,
상기 챔버의 내측면에 상기 포집기판을 지지하기 위한 지지턱이 형성된 것을 특징으로 하는 희토류가 함유된 나노파티클 포집장치.
청구항4에 있어서,
상기 지지턱은 상기 챔버의 내측면에 상하방향으로 회전 가능하게 장착되되,
상기 챔버의 내측면에는 상기 지지턱의 하면에 접하여 상기 지지턱이 하방향으로 미리 설정된 일정각도 이상으로 회전되는 것을 저지하는 스토퍼가 형성된 것을 특징으로 하는 희토류가 함유된 나노파티클 포집장치.
청구항5에 있어서,
일단이 상기 챔버의 내측면에 결합되고 타단이 상기 지지턱에 결합되어 상기 지지턱에 회전력을 부가하는 스프링을 더 포함하여 이루어지되,
상기 지지턱에는 상기 스프링에 의해 상기 스토퍼와 접하는 방향으로 회전력이 가해지는 것을 특징으로 하는 희토류가 함유된 나노파티클 포집장치.
삭제
삭제
청구항1에 있어서,
상기 중공돌기는 하방향으로 갈수록 그 외경이 점점 작아지는 뿔대 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 희토류가 함유된 나노파티클 포집장치.
청구항1에 있어서,
상기 샘플 및 포집기판은 액체 속에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 희토류가 함유된 나노파티클 포집장치.