KR101565891B1 - 플라즈마 아크 방전 장치 - Google Patents

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KR101565891B1
KR101565891B1 KR1020140151314A KR20140151314A KR101565891B1 KR 101565891 B1 KR101565891 B1 KR 101565891B1 KR 1020140151314 A KR1020140151314 A KR 1020140151314A KR 20140151314 A KR20140151314 A KR 20140151314A KR 101565891 B1 KR101565891 B1 KR 101565891B1
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정국채
김종우
김동수
장세훈
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한국기계연구원
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/14—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes using electric discharge

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  • Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)

Abstract

본 발명은 플라즈마 아크(Plasma Arc)를 발생시켜 분말을 제조하는 조업챔버부 및 상기 조업챔버부에서 제조된 분말을 포집하는 포집챔버를 포함하는 플라즈마 아크 방전 장치에 있어서, 상기 조업챔버부는, 상기 조업챔버부의 내부에 위치하는 음극인 전극봉; 상기 조업챔버부의 내부에 위치하는 양극인 나노분말모재; 상기 조업챔버부의 내부에 위치하고, 상기 나노분말모재를 둘러싸는 냉각수 공급라인을 포함하고, 상기 냉각수 공급라인은, 제1냉각수 공급라인 및 상기 제1냉각수 공급라인과 인접하여 위치하는 제2냉각수 공급라인을 포함하는 플라즈마 아크 방전 장치에 관한 것으로, 상기 나노분말모재의 위치에 따라 상이한 온도의 냉각수를 공급하여 냉각 온도를 제어할 수 있다.

Description

플라즈마 아크 방전 장치{A Plasma Arc Discharge Apparatus}
본 발명은 플라즈마 아크 방전 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플라즈마 아크(Plasma Arc)를 이용하여 나노분말을 제조하는 나노분말 합성용 플라즈마 아크 방전 장치에 관한 것이다.
전자회로나 배선기판, 저항, 콘덴서, IC 패키지 등의 전자부품의 제조에 있어서, 도체 피막이나 전극을 형성하기 위해 도전성의 금속분말이 이용되고 있다.
이와 같은 금속분말에 요구되는 특성이나 성상으로는 불순물이 적은 것, 평균 입경이 0.01∼10㎛ 정도의 미세한 분말인 것, 입자형상이나 입경이 가지런한 것, 응집이 적은 것, 페이스트 속에서의 분산성이 좋은 것, 결정성이 양호한 것 등을 들 수 있다.
근년, 전자부품이나 배선기판의 소형화에 수반하여, 도체 피막이나 전극의 박층화나 파인 피치화가 진행되고 있기 때문에 더욱 미세하고 구형상이며 또한 고결정성의 금속분말이 요망되고 있다.
이와 같은 미세한 금속분말을 제조하는 방법의 하나로서, 플라즈마를 이용하고, 반응용기 내에 있어서 금속원료를 용융 및 증발시킨 후, 금속증기를 냉각하고 응결시켜 금속분말을 얻는 플라즈마 장치가 알려져 있다.
이러한 플라즈마 장치에서는 금속증기를 기상(氣相) 중에서 응결시키기 때문에 불순물이 적고, 미세하며 구형상이고 또한 결정성이 높은 금속입자를 제조하는 것이 가능하다.
도 1은 종래의 나노 분말을 제조하기 위한 이송식 플라즈마 장치를 도시한 개략적인 도면이다.
일반적으로, 플라즈마 장치는 직류 또는 교류를 이용하여 양쪽 극간에 아크 방전을 시켜 내부의 기체를 플라즈마화 하는 장치를 말한다.
이때, 상기 플라즈마는 열플라즈마일 수 있으며, 상기 열플라즈마 발생수단은, 예를 들어, 일반적인 형태의 텅스텐 음극 봉과 동으로 된 허스(hearth)에 놓여진 모재 간의 직류 아크 방전을 이용하는 구조일 수 있다.
상기 열플라즈마의 가장 큰 특징은, 온도가 초고온(104K)에 달하고, 열용량이 크기 때문에, 대부분의 대상물을 신속하게 가열시켜 용융/증발이 가능하다.
토치의 구조에 따라 비이송식(non-transferred type)과 대상물을 양극으로 하여 토치의 음극에서 직접 아크를 집중하는 이송식(transferred type)으로 구별될 수 있다.
보다 구체적으로 도 1을 참조하면, 이송식 플라즈마 장치는 나노분말모재가 기화 및 냉각되어 나노분말이 이루어지는 반응이 일어나는 반응기와; 상기 반응기 내에 나노분말모재를 기화시키기 위한 열원을 공급하는 플라즈마 토치부와; 원료인 나노분말모재를 고정시키는 홀더 및 크루시블; 반응 후 발생되는 폐가스를 배출시키는 배기부; 토치부에 전원을 공급하는 DC 전원 등으로 구성된다.
상기 토치부는 토치 내의 텅스텐 음극과 가공대상 물질인 나노분말모재를 양극으로 하여 아크를 발생시켜서 수직 방향으로 작동가스를 분사시킨다.
또한, 상기 텅스텐 음극과 상기 나노분말모재의 양 전극은 플라즈마의 고온을 극복할 수 있도록 냉각수를 이용하여 냉각시키게 된다.
한편, 상기 나노분말모재의 경우, 상기 크루시블에 포함된 상태로, 상기 홀더에 고정될 수 있으며, 상기 홀더의 이동에 따라, 상하운동을 할 수 있다.
이때, 상술한 바와 같이, 상기 나노분말모재는 냉각수를 이용하여 플라즈마 고온을 극복할 수 있는데, 상기 크루시블에 포함된 상태이기 때문에, 상기 나노분말모재의 위치에 따라 상이한 온도의 냉각수를 공급하여 냉각 온도를 제어하는 것이 용이하지 않은 문제점이 있다.
한국공개특허 10-2011-70400
본 발명이 해결하고자 하는 나노분말모재의 위치에 따라 상이한 온도의 냉각수를 공급하여 냉각 온도를 제어할 수 있는 새로운 구조의 플라즈마 아크 방전 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 지적된 문제점을 해결하기 위해서 본 발명은 플라즈마 아크(Plasma Arc)를 발생시켜 분말을 제조하는 조업챔버부 및 상기 조업챔버부에서 제조된 분말을 포집하는 포집챔버를 포함하는 플라즈마 아크 방전 장치에 있어서, 상기 조업챔버부는, 상기 조업챔버부의 내부에 위치하는 음극인 전극봉; 상기 조업챔버부의 내부에 위치하는 양극인 나노분말모재; 상기 조업챔버부의 내부에 위치하고, 상기 나노분말모재를 둘러싸는 냉각수 공급라인을 포함하고, 상기 냉각수 공급라인은, 제1냉각수 공급라인 및 상기 제1냉각수 공급라인과 인접하여 위치하는 제2냉각수 공급라인을 포함하는 플라즈마 아크 방전 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 나노분말모재는 원통형인 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 방전 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 조업챔버부는 상기 나노분말모재를 지지하기 위한 플레이트부 및 상기 플레이트부의 하면과 연결되어, 상기 플레이트부를 이동시키기 위한 플레이트부 이동수단을 더 포함하는 플라즈마 아크 방전 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제1냉각수 공급라인에 공급되는 냉각수의 온도는 상기 제2냉각수 공급라인에 공급되는 냉각수의 온도보다 높고, 상기 전극봉과의 이격 간격이 적을 수록 상기 냉각수 공급라인에 공급되는 냉각수의 온도가 높은 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 방전 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 나노분말모재와 상기 냉각수 공급라인의 사이에 위치하는 중간부재를 더 포함하며, 상기 중간부재의 내측면은 상기 나노분말모재와 접촉하고, 상기 중간부재의 외측면은 상기 냉각수 공급라인과 접촉하는 플라즈마 아크 방전 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제1냉각수 공급라인 및 상기 제2냉각수 공급라인은 각각 독립적으로 냉각수가 공급되는 고리형 라인인 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 방전 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제1냉각수 공급라인 및 상기 제2냉각수 공급라인은 연속적인 나선형 라인인 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 방전 장치를 제공한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 상기 나노분말모재를 둘러싸는 냉각수 공급라인을 포함하고, 상기 냉각수 공급라인은, 제1냉각수 공급라인 및 상기 제1냉각수 공급라인과 인접하여 위치하는 제2냉각수 공급라인을 포함함으로써, 상기 나노분말모재의 위치에 따라 상이한 온도의 냉각수를 공급하여 냉각 온도를 제어할 수 있다.
도 1은 종래의 나노 분말을 제조하기 위한 이송식 플라즈마 장치를 도시한 개략적인 도면이다.
도 2a는 일반적인 나노분말 합성용 플라즈마 아크 방전 장치를 도시한 개략적인 구성도이고, 도 2b는 일반적인 나노분말 합성용 플라즈마 아크 방전 장치를 도시한 개략적인 사시도이다.
도 3a는 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 아크 방전 장치의 조업챔버부의 구성을 도시한 개략적인 사시도이고, 도 3b는 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 아크 방전 장치의 조업챔버부의 구성의 작동을 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.
도 4a는 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 아크 방전 장치의 조업챔버부의 구성을 도시한 개략적인 사시도이고, 도 4b는 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 아크 방전 장치의 조업챔버부의 구성의 작동을 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 플라즈마 아크 방전 장치의 조업챔버부의 구성을 도시한 개략적인 사시도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 도면에 관계없이 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소와 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2a는 일반적인 나노분말 합성용 플라즈마 아크 방전 장치를 도시한 개략적인 구성도이고, 도 2b는 일반적인 나노분말 합성용 플라즈마 아크 방전 장치를 도시한 개략적인 사시도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 일반적인 나노분말 합성용 플라즈마 아크 방전 장치는 크게 플라즈마 아크(Plasma Arc)를 발생시켜 분말을 제조하는 조업챔버부(100)와, 상기 조업챔버부(100)에서 제조된 분말을 포집하는 포집챔버(200)를 포함한다. 또한, 상기 포집챔버(200)에서 포집된 분말을 저장하는 후처리챔버(300)와, 상기 조업챔버부(100)에 연속적으로 가스를 주입하는 가스순환부(400)를 포함하여 구성된다.
상기 조업챔버부(100)는 대략 원통형으로 형성되며, 상기 조업챔버부(100) 내부에는 음극(-)인 텅스텐(W)의 전극봉(122)과 양극(+)인 금속의 나노분말모재(124)를 지지하는 구리(Cu)전극판(126)으로 구성된 아크발생부(120)가 형성된다.
상기 아크발생부(120)를 구성하는 상기 전극봉(122)과 나노분말모재(124)의 양 전극은 플라즈마(Plasma)의 고온을 극복할 수 있도록 냉각수를 이용하여 냉각시키게 되고, 양 전극 사이의 간격과 방향을 아래에서 설명할 조정레버(190)로 상기 조업챔버부(100) 외부에서 인위적으로 조절할 수 있다.
상기 구리(Cu)전극판(126)은 상기 아크발생부(120)에서 용융된 나노분말모재(124a)를 담을 수 있도록 하고, 상기 나노분말모재(124)와 밀착시켜 열이 잘 전도될 수 있도록 하며, 상기 조업챔버부(100) 내의 진공상태를 형성할 때 상기 조업챔버부(100)와 리크(Leak)가 발생하지 않도록 씰링(Sealing)을 하여 고정되게 한다.
그리고, 상기 조업챔버부(100) 외부 일측에는 상기 가스순환부(400)를 통해 일정한 속도의 가스가 상기 아크발생부(120)로 주입되도록 하는 제 1 가스주입부(140)가 형성되며, 상기 조업챔버부(100) 하측에는 조업챔버부(100) 내의 가스대류를 위해 가스가 주입되는 제 2 가스주입부(150)가 형성될 수 있다.
상기 구리(Cu)전극판(126)의 하부에는 상기 아크발생부(120)로 나노분말모재(124)를 연속적으로 공급하기 위한 나노분말모재 공급부(160)가 형성된다.
상기 나노분말모재 공급부(160)는 상기 아크발생부(120)로 나노분말모재(124)를 일정한 속도로 공급할 수 있도록 하고, 경우에 따라 고속 또는 저속으로 공급할 수 있도록 한다.
또한, 상기 조업챔버부(100)에는 플라즈마(Plasma)에 의해 가열되지 않도록 전체를 냉각시킬 수 있게 냉각수가 순환되는 조업챔버부 냉각수공급관(170)이 구비되어 상기 조업챔버부(100)를 일정 온도로 유지할 수 있도록 하고, 상기 아크발생부(120)의 음극(-)의 조절과 아크(Arc) 발생을 관찰하기 위한 뷰파인더(View finder)창(180)이 상기 조업챔버부(100)의 전방과 좌우에 형성되며, 상기 아크발생부(120)의 음극(-)을 상하, 전후, 좌우로 조절하기 위한 조정레버(190)가 더 형성될 수 있다.
한편, 상기 조업챔버부(100)의 측방에는 튜브로 연결된 포집챔버(200)가 설치된다. 상기 포집챔버(200)는 대략 원통형으로 형성되며, 내부에는 상기 조업챔버부(100)에서 생성된 분말이 응착되는 포집판(220)이 형성된다.
상기 포집판(220)은 대략 원통형으로 회전 가능하도록 형성되며, 겉면에 망이 씌워져 분말이 용이하게 걸러지도록 한다.
상기 포집판(220)의 하단에는 상기 포집판(220)이 회전하면서 포집판(220)에 응착된 분말을 아래에서 설명할 후처리챔버(300)로 분리하기 위한 스크래퍼(Scrapper,240)가 설치된다.
그리고, 상기 포집챔버(200)의 내부 일측에는 상기 포집판(220)에 응착되지 않은 분말을 포집하기 위한 포집챔버글로브(Glove)(260)가 형성되며, 상기 조업챔버부(100)에서 가열된 가스의 이송에 의한 포집챔버(200)의 온도상승을 방지하기 위해 상기 포집챔버(200) 전체를 냉각시키기 위한 포집챔버 냉각수공급관(270)이 설치된다.
상기 포집챔버(200)의 일측면에는 상기 포집판(220)의 분말포집상태를 관찰하기 위한 뷰파인더(View finder)창(280)이 형성되며, 상기 조업챔버부(100)에 공급되는 가스의 충진을 위한 가스주입구(250)가 형성된다. 상기 포집챔버(200)의 하부에는 튜브로 연결되어 상기 포집챔버(200)에서 포집된 분말을 저장하는 후처리챔버(300)가 형성된다. 상기 후처리챔버(300)에는 상기 포집챔버(200)에서 포집된 분말을 저장하는 분말저장용기(320)와 상기 분말저장용기(320)를 불활성기체 분위기 상태에서 분리작업하기 위한 후처리챔버글로브(Glove)(340)가 형성된다.
상기 분말저장용기(320)는 상기 포집챔버(200)와 연결된 튜브에 직접 장/탈착이 가능하도록 형성되며, 금속 성분의 분말이 반응하지 않도록 항상 불활성가스로 충진되도록 한다.
한편, 상기 조업챔버부(100)와 포집챔버(200)가 연결되어 상기 조업챔버부(100)로 연속적으로 가스를 주입하도록 형성된 상기 가스순환부(400)의 일측에는 가스를 강제 순환시키는 순환팬(420)이 구비되며, 상기 포집챔버(200)의 일측에는 상기 조업챔버부(100)와 포집챔버(200) 등의 진공상태를 만들기 위한 부스터펌프(500) 및 로타리펌프(600)가 구비된다.
그리고, 상기 조업챔버부(100)의 일측에는 상기 아크발생부(120)의 전극에 전원을 공급하는 전원부(700)가 설치되며, 상기 조업챔버부(100) 및 포집챔버(200)를 냉각시키도록 순환되는 냉각수를 공급하는 냉각수공급기(800)가 더 설치된다.
이러한 냉각수공급기(800)는 상기 조업챔버부(100) 및 포집챔버(200) 외에도 음극(-)의 전극봉(122)과 양극(+)의 나노분말모재(124)를 냉각시키도록 공급관(도시되지 않음)으로 연결되어 냉각수가 공급되며, 상기 순환팬(420)과 부스터펌프(500)에도 상기 공급관이 연결되어 냉각수가 공급된다.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 일반적인 나노분말 합성용 플라즈마 아크 방전 장치의 작용에 대해서 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 아크발생부(120)에 나노분말모재(124)를 장입한 후 상기 조업챔버부(100), 포집챔버(200) 및 후처리챔버(300)를 밀봉하여 상기 챔버들의 내부를 상기 부스터펌프(500)와 로터리펌프(600)를 작동시켜 약 10-3Torr의 진공상태로 형성되게 한다.
그런 다음, 상기 가스주입구(250)의 제1가스주입구(254)로 상기 아크발생부(120)의 아크(Arc) 발생을 위해 불활성기체인 아르곤(Ar)을 주입한 다음, 상기 순환팬(420)을 회전시켜 상기 조업챔버부(100), 포집챔버(200) 및 후처리챔버(300) 내로 상기 아르곤(Ar)가스를 순환시키도록 한다.
상기 조업챔버부(100)에 아르곤(Ar)가스가 채워지게 되면, 상기 전원부(700)로부터 상기 아크발생부(120)에 연결된 음극(-)과 양극(+)으로 전원을 공급하여 상기 아크발생부(120)에서 플라즈마 아크(Plasma Arc)를 발생하도록 한다.
이때, 상기 나노분말모재(124)의 산화를 방지하고 환원성 분위기를 형성하여 상기 나노분말모재(124)의 증발속도를 높이기 위해, 상기 가스주입구(250)의 제2가스주입구(252)로 수소(H2)가스를 주입할 수 있다.
또한, 상기 아크발생부(120)의 음극(-)을 상기 조정레버(190)로 조절하여 상기 나노분말모재(124)가 골고루 용융되도록 한다.
이렇게 용융된 나노분말모재(124a)는 상기 제 1 가스주입부(140) 및 제 2 가스주입부(150)로 주입된 가스와 결합하여 금속증기로 증발되어 응축되면서 금속분말을 생성하게 된다.
상기 아크발생부(120)의 플라즈마 아크(Plasma Arc)에서 생성된 분말은 상기 운송기체와 증발·응축되어 상기 포집챔버(200)로 이송되고, 이렇게 이송된 분말은 상기 포집챔버(200) 내의 포집판(220)의 망에 걸러지면서 포집되며, 상기 스크래퍼(Scrapper)의 왕복작동에 의해 분말들이 상기 후처리챔버(300)로 직접 연결된 튜브를 통해 상기 후처리챔버(300) 내의 분말저장용기(320)에 저장된다.
상기와 같이 분말저장용기(320)에 저장된 분말은 상기 후처리챔버글로브(Glove)(340)로 상기 후처리챔버(300) 내의 불활성기체 분위기 상태에서 상기 분말저장용기(320)를 분리하여 외부로 운송하게 된다.
그리고, 상기 포집챔버(200)에 분말들과 함께 운송된 상기 운송기체는 포집판(220)을 거쳐 상기 순환팬(420)의 회전력에 의해 가스순환부(400)를 순환하여 다시 상기 조업챔버부(100)로 주입됨으로써 가스가 연속적으로 공급되어 나노분말을 대량생산할 수 있게 된다.
이로써, 플라즈마 아크 방전 장치를 통해, 나노분말을 생산할 수 있다.
이때, 상술한 바와 같이, 상기 텅스텐 음극과 상기 나노분말모재의 양 전극은 플라즈마의 고온을 극복할 수 있도록 냉각수를 이용하여 냉각시키게 된다.
하지만, 상기 나노분말모재를 냉각시킴에 있어서, 일반적인 구조에서는 냉각수를 통하여, 상기 나노분말모재의 위치에 따른 냉각 온도를 제어하는 것이 어렵다. 즉, 상기 일반적인 구조의 플라즈마 아크 방전 장치에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 나노분말모재는 구리 전극판(126)에 의해 지지되고 있고, 상기 나노분말모재를 냉각시키는 것은 상기 구리 전극판에 냉각수를 순환시키는 방식에 의해 냉각하므로, 상기 나노분말모재의 위치별로 냉각 온도를 제어하는 것은 불가능하다.
이에 따라, 본 출원인은 상기 나노분말모재의 위치에 따라 상이한 온도의 냉각수를 공급함으로써, 나노분말모재의 냉각 온도를 제어할 수 있는 플라즈마 아크 방전 장치를 제공하고자 한다.
도 3a는 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 아크 방전 장치의 조업챔버부의 구성을 도시한 개략적인 사시도이고, 도 3b는 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 아크 방전 장치의 조업챔버부의 구성의 작동을 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.
본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 아크 방전 장치는 후술하는 바를 제외하고는 상술한 도 2a 및 도 2b의 일반적인 구조의 플라즈마 아크 방전 장치와 동일할 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 상술한 바와 같이, 플라즈마 아크 방전 장치는 크게 플라즈마 아크(Plasma Arc)를 발생시켜 분말을 제조하는 조업챔버부(100)와, 상기 조업챔버부(100)에서 제조된 분말을 포집하는 포집챔버(200)와, 상기 포집챔버(200)에서 포집된 분말을 저장하는 후처리챔버(300)와, 상기 조업챔버부(100)에 연속적으로 가스를 주입하는 가스순환부(400)를 포함하여 구성된다.
본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 아크 방전 장치에서도 상술한 바의 구성을 포함할 수 있으며, 다만, 본 발명에서는 상기 조업챔버부에 특징이 있는 것으로 이해될 수 있다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 아크 방전 장치의 조업챔버부(1100)는, 상기 조업챔버부의 내부에 위치하는 음극(-)인 텅스텐(W)의 전극봉(1160)과 양극(+)인 나노분말모재(10)를 포함한다.
이때, 본 발명에서 상기 나노분말모재(10)는 원통형으로 구성되는 것을 특징으로 한다. 이는 후술하는 냉각수 공급라인과의 접촉특성을 위한 것으로, 이에 대해서는 후술하기로 한다.
또한, 상기 조업챔버부는 양극(+)인 상기 나노분말모재(10)를 지지하기 위한 플레이트부(1110)를 포함하며, 즉, 상기 나노분말모재(10)는 상기 플레이트부(1110)의 상면에 배치될 수 있다. 이때, 상기 플레이트부(1110)는 평판타입으로, 상술한 도 2a 및 도 2b의 구리 전극판(126)과 대응될 수 있다.
또한, 상기 플레이트부(1110)의 하면과 연결되어, 상기 플레이트부(1110)를 이동시키기 위한 플레이트부 이동수단(1120)을 포함한다. 이때, 상기 플레이트부 이동수단(1120)은 상술한 도 2a 및 도 2b에서의 나노분말모재 공급부(160)와 대응될 수 있다.
계속해서, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 조업챔버부의 내부에 위치하고, 상기 나노분말모재(10)를 둘러싸는 냉각수 공급라인(1130)을 포함한다.
상기 냉각수 공급라인(1130)은 제1냉각수 공급라인(1130a), 상기 제1냉각수 공급라인(1130a)과 인접하여 위치하는 제2냉각수 공급라인(1130b), 상기 제2냉각수 공급라인(1130b)과 인접하여 위치하는 제3냉각수 공급라인(1130c) 및 상기 제3냉각수 공급라인(1130c)과 인접하여 위치하는 제4냉각수 공급라인(1130b)을 포함할 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 냉각수 공급라인의 개수를 제한하는 것은 아니다.
한편, 본 발명에서 상기 제1냉각수 공급라인(1130a) 내지 상기 제4냉각수 공급라인(1130d)에 공급되는 냉각수의 온도는 상이한 것을 특징으로 한다.
예를 들어, 상기 제1냉각수 공급라인(1130a)에 공급되는 냉각수의 온도는 상기 제2냉각수 공급라인(1130b)에 공급되는 냉각수의 온도보다 높은 것을 특징으로 하고, 또한, 상기 제2냉각수 공급라인(1130b)에 공급되는 냉각수의 온도는 상기 제3냉각수 공급라인(1130c)에 공급되는 냉각수의 온도보다 높은 것을 특징으로 하며, 또한, 상기 제3냉각수 공급라인(1130c)에 공급되는 냉각수의 온도는 상기 제4냉각수 공급라인(1130d)에 공급되는 냉각수의 온도보다 높은 것을 특징으로 한다.
이러한 공급되는 냉각수의 온도는 상기 전극봉(1160)과의 이격 간격에 따라 결정되며, 즉, 상기 전극봉과의 이격 간격이 적을 수록 상기 냉각수 공급라인에 공급되는 냉각수의 온도가 높게 된다.
이때, 본 발명에서는 상기 제1냉각수 공급라인 내지 상기 제4냉각수 공급라인에 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급부(1140)를 포함하며, 상기 냉각수 공급부(1140)는 상기 제1냉각수 공급라인 내지 상기 제4냉각수 공급라인에 각각 상이한 온도의 냉각수를 공급할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 나노분말모재는 플라즈마의 고온을 극복할 수 있도록 냉각수를 이용하여 냉각시키게 되는데, 상기 전극봉과의 이격 간격이 적은 제1냉각수 공급라인(1130a)의 영역에 위치하는 나노분말모재의 경우, 멜팅이 되어야 하므로, 낮은 온도의 냉각수를 공급하는 경우, 나노분말모재의 멜팅이 용이하지 않게 된다.
하지만, 상기 전극봉과 이격 간격이 가장 큰 상기 제4냉각수 공급라인(1130d)의 영역에 위치하는 나노분말모재의 경우, 플라즈마의 고온을 극복하여 멜팅이 되지 않아야 하므로, 따라서, 상기 제4냉각수 공급라인에 공급되는 냉각수의 온도가 가장 낮은 것이 바람직하다.
이러한 이유로, 상기 나노분말모재를 냉각함에 있어서, 상기 나노분말모재의 위치에 따라 상이한 온도의 냉각수를 공급하는 것이 필요하다.
따라서, 본 발명에서는 상기 제1냉각수 공급라인(1130a) 내지 상기 제4냉각수 공급라인(1130d)에 공급되는 냉각수의 온도를 상이하게 함으로써, 상기 나노분말모재의 위치에 따라 상이한 온도의 냉각수를 공급할 수 있다.이하, 설명의 편의를 위하여, 상기 제1냉각수 공급라인이 위치하는 영역을 나노분말모재의 상단부로, 상기 제4냉각수 공급라인이 위치하는 영역을 나노분말모재의 하단부로 정의할 수 있다.
즉, 본 발명에서는 상기 나노분말모재의 상단부에 공급되는 냉각수의 온도가 상기 나노분말모재의 하단부에 공급되는 냉각수의 온도보다 높은 것으로 이해될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 냉각수 공급라인(1130)은 상기 나노분말모재(10)와 접촉하는 것을 특징으로 하며, 따라서, 본 발명에서는 상기 나노분말모재와 상기 냉각수 공급라인의 접촉에 의하여, 상기 냉각수 공급라인의 냉각 온도가 상기 나노분말모재에 용이하게 전달될 수 있다.
이때, 상술한 바와 같이, 본 발명에서 상기 나노분말모재(10)는 원통형으로 구성되는 것을 특징으로 하며, 따라서, 상기 나노분말모재와 상기 냉각수 공급라인이 접촉면적을 최대한 확보하기 위하여, 상기 냉각수 공급라인은 고리형으로 이루어지는 것이 바람직하다.
한편, 도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 나노분말모재(10)의 상단부가 용융됨에 따라, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 플레이트부 이동수단(1120)을 이동시킴으로써, 상기 플레이트부(1110)를 이동시켜, 상기 나노분말모재(10)를 연속적으로 공급할 수 있다.
도 4a는 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 아크 방전 장치의 조업챔버부의 구성을 도시한 개략적인 사시도이고, 도 4b는 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 아크 방전 장치의 조업챔버부의 구성의 작동을 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.
본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 아크 방전 장치는 후술하는 바를 제외하고는 상술한 제1실시예에 따른 플라즈마 아크 방전 장치와 동일할 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 아크 방전 장치의 조업챔버부(1200)는, 상기 조업챔버부의 내부에 위치하는 음극(-)인 텅스텐(W)의 전극봉(1260)과 양극(+)인 나노분말모재(10)를 포함한다.
이때, 본 발명에서 상기 나노분말모재(10)는 원통형으로 구성되는 것을 특징으로 하며, 이는 상술한 바와 같다.
또한, 상기 조업챔버부는 양극(+)인 상기 나노분말모재(10)를 지지하기 위한 플레이트부(1210)를 포함하며, 즉, 상기 나노분말모재(10)는 상기 플레이트부(1210)의 상면에 배치될 수 있다.
또한, 상기 플레이트부(1210)의 하면과 연결되어, 상기 플레이트부(1210)를 이동시키기 위한 플레이트부 이동수단(1220)을 포함한다.
계속해서, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 조업챔버부의 내부에 위치하고, 상기 나노분말모재(10)를 둘러싸는 냉각수 공급라인(1230)을 포함한다.
상기 냉각수 공급라인(1230)은 제1냉각수 공급라인(1230a), 상기 제1냉각수 공급라인(1230a)과 인접하여 위치하는 제2냉각수 공급라인(1230b), 상기 제2냉각수 공급라인(1230b)과 인접하여 위치하는 제3냉각수 공급라인(1230c) 및 상기 제3냉각수 공급라인(1230c)과 인접하여 위치하는 제4냉각수 공급라인(1230b)을 포함할 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 냉각수 공급라인의 개수를 제한하는 것은 아니다.
한편, 본 발명에서 상기 제1냉각수 공급라인(1230a) 내지 상기 제4냉각수 공급라인(1230d)에 공급되는 냉각수의 온도는 상이한 것을 특징으로 하며, 이는 상술한 바와 같으므로, 이하 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이때, 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 아크 방전 장치의 조업챔버부는 상기 나노분말모재(10)와 상기 냉각수 공급라인(1230)의 사이에 위치하는 중간부재(1250)를 포함하며, 상기 중간부재(1250)의 내측면은 상기 나노분말모재(10)와 접촉하고, 상기 중간부재(1250)의 외측면은 상기 냉각수 공급라인(1230)과 접촉할 수 있다.
상술한 도 3a 및 도 3b에서와 같이, 본 발명에서는 상기 나노분말모재와 상기 냉각수 공급라인의 선 접촉에 의하여, 상기 냉각수 공급라인의 냉각 온도가 상기 나노분말모재에 용이하게 전달될 수 있다. 하지만, 본 발명의 제1실시예에서는 상기 냉각수 공급라인과 접촉하는 영역의 나노분말모재의 냉각은 용이할 수 있으나, 상기 냉각수 공급라인과 접촉하지 않는 영역의 나노분말모재의 냉각은 용이하지 않을 수 있다.
따라서, 본 발명의 제2실시예에서는 상기 중간부재가 상기 나노분말모재와 면 접촉함으로써, 즉, 나노분말모재와 접촉하는 영역을 증대시킴으로써, 상기 냉각수 공급라인의 냉각 온도가 상기 나노분말모재에 보다 더 용이하게 전달될 수 있다.
한편, 상기 중간부재는 상기 나노분말모재와의 접촉면적을 증대시키기 위하여, 상기 나노분말모재와 동일한 형상인 원통형으로 구성될 수 있으며, 또한, 냉각 온도를 용이하게 전달하기 위하여 금속재로 이루어지는 것이 바람직하다.
계속해서, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 아크 방전 장치의 조업챔버부는 상기 중간부재(1250)의 상부에 위치하는 컨테이너부(1261)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 중간부재(1250)와 상기 컨테이너부(1261)는 일체형으로 구성될 수 있다.
상기 컨테이너부(1261)는 상기 나노분말모재의 용융물이 하측으로 흘러내리는 것을 방지할 수 있으며, 또한, 상기 컨테이너부에 흘러내려온 용융물의 경우도 계속적인 증발이 이루어질 수 있다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 플라즈마 아크 방전 장치의 조업챔버부의 구성을 도시한 개략적인 사시도이다.
본 발명의 제3실시예에 따른 플라즈마 아크 방전 장치는 후술하는 바를 제외하고는 상술한 제1실시예에 따른 플라즈마 아크 방전 장치와 동일할 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 플라즈마 아크 방전 장치의 조업챔버부(1300)는, 상기 조업챔버부의 내부에 위치하는 음극(-)인 텅스텐(W)의 전극봉(1360)과 양극(+)인 나노분말모재(10)를 포함한다.
이때, 본 발명에서 상기 나노분말모재(10)는 원통형으로 구성되는 것을 특징으로 하며, 이는 상술한 바와 같다.
또한, 상기 조업챔버부는 양극(+)인 상기 나노분말모재(10)를 지지하기 위한 플레이트부(1310)를 포함하며, 즉, 상기 나노분말모재(10)는 상기 플레이트부(1310)의 상면에 배치될 수 있다.
또한, 상기 플레이트부(1310)의 하면과 연결되어, 상기 플레이트부(1310)를 이동시키기 위한 플레이트부 이동수단(1320)을 포함한다.
계속해서, 도 5를 참조하면, 상기 조업챔버부의 내부에 위치하고, 상기 나노분말모재(10)를 둘러싸는 냉각수 공급라인(1330)을 포함한다.
이때, 상술한 제1실시예에서의 냉각수 공급라인들은 각각 독립적으로 냉각수가 공급되는 고리형 라인에 해당하나, 제3실시예에서의 냉각수 공급라인은 연속적인 나선형 라인에 해당한다.
또한, 본 발명의 제3실시예에서는, 상기 나노분말모재의 하단부에 위치하는 영역의 냉각수 공급라인에 냉각수 주입부가 위치하며, 상기 나노분말모재의 상단부에 위치하는 냉각수 공급라인에 냉각수 배출부가 위치하게 된다.
또한, 본 발명의 제3실시예에서는 상기 냉각수 공급라인에 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급부(1340)를 포함한다.
즉, 상기 냉각수 공급부(1340)는 상기 냉각수 주입부를 통해 냉각수를 주입하며, 상기 냉각수 공급라인(1330)을 거친 냉각수는 다시 상기 냉각수 배출부를 통해 상기 냉각수 공급부(1340)로 유입되게 된다.
한편, 본 발명에서는 상기 나노분말모재의 상단부에 공급되는 냉각수의 온도가 상기 나노분말모재의 하단부에 공급되는 냉각수의 온도보다 높은 것으로 이해될 수 있다.
본 발명의 제3실시예에서도 마찬가지이며, 즉, 냉각수 주입부를 통해 주입된 제1온도의 냉각수는, 상기 냉각수 공급라인(1330)을 따라 이동하면서 나노분말모재를 냉각시키게 되며, 상기 제1온도의 냉각수는 온도가 점차적으로 상승하게 되어, 상기 냉각수 배출부를 통해 배출되는 시점에서는 냉각수가 제2온도로 상승하게 된다.
따라서, 본 발명의 제3실시예에서도 상기 나노분말모재의 상단부에 공급되는 냉각수의 온도가 상기 나노분말모재의 하단부에 공급되는 냉각수의 온도보다 높게 되며, 결국, 상기 나노분말모재의 위치에 따라 상이한 온도의 냉각수를 공급할 수 있다.
이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (7)

  1. 플라즈마 아크(Plasma Arc)를 발생시켜 분말을 제조하는 조업챔버부 및 상기 조업챔버부에서 제조된 분말을 포집하는 포집챔버를 포함하는 플라즈마 아크 방전 장치에 있어서,
    상기 조업챔버부는,
    상기 조업챔버부의 내부에 위치하는 음극인 전극봉; 상기 조업챔버부의 내부에 위치하는 양극인 나노분말모재; 상기 조업챔버부의 내부에 위치하고, 상기 나노분말모재를 둘러싸는 냉각수 공급라인을 포함하고,
    상기 냉각수 공급라인은, 제1냉각수 공급라인 및 상기 제1냉각수 공급라인과 인접하여 위치하는 제2냉각수 공급라인을 포함하고,
    상기 제1냉각수 공급라인 및 상기 제2냉각수 공급라인은 각각 독립적으로 냉각수가 공급되고,
    상기 제1냉각수 공급라인 및 상기 제2냉각수 공급라인에 상이한 온도의 냉각수를 공급하여, 상기 나노분말모재의 위치에 따라 냉각온도를 제어하는 플라즈마 아크 방전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노분말모재는 원통형인 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 방전 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 조업챔버부는 상기 나노분말모재를 지지하기 위한 플레이트부 및 상기 플레이트부의 하면과 연결되어, 상기 플레이트부를 이동시키기 위한 플레이트부 이동수단을 더 포함하는 플라즈마 아크 방전 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1냉각수 공급라인에 공급되는 냉각수의 온도는 상기 제2냉각수 공급라인에 공급되는 냉각수의 온도보다 높고,
    상기 제1냉각수 공급라인과 상기 전극봉의 이격 간격은, 상기 제2냉각수 공급라인과 상기 전극봉의 이격 간격보다 적은 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 방전 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노분말모재와 상기 냉각수 공급라인의 사이에 위치하는 중간부재를 더 포함하며,
    상기 중간부재의 내측면은 상기 나노분말모재와 접촉하고, 상기 중간부재의 외측면은 상기 냉각수 공급라인과 접촉하는 플라즈마 아크 방전 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1냉각수 공급라인 및 상기 제2냉각수 공급라인은 각각 고리형 라인인 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 방전 장치.
  7. 플라즈마 아크(Plasma Arc)를 발생시켜 분말을 제조하는 조업챔버부 및 상기 조업챔버부에서 제조된 분말을 포집하는 포집챔버를 포함하는 플라즈마 아크 방전 장치에 있어서,
    상기 조업챔버부는,
    상기 조업챔버부의 내부에 위치하는 음극인 전극봉; 상기 조업챔버부의 내부에 위치하는 양극인 나노분말모재; 상기 조업챔버부의 내부에 위치하고, 상기 나노분말모재를 둘러싸는 냉각수 공급라인을 포함하고,
    상기 냉각수 공급라인은 연속적인 나선형 라인이고,
    상기 나노분말모재의 상단부에 공급되는 냉각수의 온도를 상기 나노분말모재의 하단부에 공급되는 온도보다 높게 하여, 상기 나노분말모재의 위치에 따라 냉각온도를 제어하는 플라즈마 아크 방전 장치.
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