KR101574754B1 - 마이크로파 플라즈마를 이용한 SiOx 나노입자 제조장치 및 이를 이용한 제조방법 - Google Patents
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Abstract
플라즈마를 이용한 SiOx 나노입자를 제조하는 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마 가스를 스월(Swirl) 형태로 주입하여 반응영역을 확대하고 입자 제조효율을 향상시킨 SiOx 나노입자 제조장치 및 제조방법에 관하여 개시한다.
본 발명은 반응 공간을 제공하는 반응 챔버와, 상기 반응챔버의 상측에 구비되며, 실리콘 전구체 가스를 주입하는 전구체 가스 주입부와, 플라즈마 가스를 스월 형태로 주입하는 스월 가스 주입부를 포함하며 플라즈마 소스로 마이크로파를 이용하는 마이크로파 플라즈마 토치부를 포함하는 마이크로파 플라즈마를 이용한 SiOx 나노입자 제조장치 및 이를 이용한 제조방법을 제공한다.
본 발명은 반응 공간을 제공하는 반응 챔버와, 상기 반응챔버의 상측에 구비되며, 실리콘 전구체 가스를 주입하는 전구체 가스 주입부와, 플라즈마 가스를 스월 형태로 주입하는 스월 가스 주입부를 포함하며 플라즈마 소스로 마이크로파를 이용하는 마이크로파 플라즈마 토치부를 포함하는 마이크로파 플라즈마를 이용한 SiOx 나노입자 제조장치 및 이를 이용한 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 플라즈마를 이용한 SiOx 나노입자를 제조하는 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마 가스를 스월(Swirl) 형태로 주입하여 반응영역을 확대하고 입자 제조효율을 향상시킨 SiOx 나노입자 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.
최근, 나노 기술에 대한 관심이 높아지면서 나노 분말에 대한 수요가 전 산업 분야에 걸쳐서 증가하고 있다.
나노 분말은 입자 크기가 미세화됨에 따라서 일반 분말에서 발현되지 않았던 물성이 나타나게 되어 전기전자 분야, 정밀 기계 부품, 촉매, 의약 및 생명 공학 등에 응용할 수 있는 가능성이 있다.
종래의 나노 분말을 제조할 수 있는 방법으로는 습식법, 기계적 분쇄법 등이 있다. 그러나, 습식법은 공정이 복잡하며 생산성이 낮고, 환경에 유해한 물질이 배출되어 상용화하는데 제약이 많은 문제점이 있었다. 또한, 기계적 분쇄법은 수백 nm 이하의 크기를 가지는 나노 분말을 제조하는데 어려움이 있고, 공정 중에 불순물이 개입될 여지가 많아 고품질의 나노 분말을 제조하기에 적합하지 않은 문제점이 있었다. 따라서, 상기의 방법 외에 플라즈마를 이용하여 나노 분말을 제조하는 방법이 선호되고 있다.
고주파 열 플라즈마를 사용하는 나노 분말 제조법은 10,000℃ 이상의 열원을 가지는 초고온의 열 플라즈마를 이용하여 나노미터 스케일의 분말을 제조할 수 있으며, 출발 물질로써 고상(solid phase), 액상(liquid phase), 상(gas phase)에 관계없이 나노 분말로 만들 수 있는 장점을 가지고 있다. 고체의 나노 분말의 제조 과정은 초고온의 열 플라즈마의 내부에 마이크로미터 스케일의 원료 물질이 통과되는 과정에서 원료 물질의 증발 및 기화가 일어나고, 기화된 입자들이 충돌에 의해 나노미터 스케일로 성장이 유도된 후에, 냉각 가스에 의한 급속냉각과정을 통해 이루어진다.
관련선행기술로는 대한민국 공개특허 10-2012-0130039호 (공개일자 2012년 11월 28일) '플라즈마 나노 분말 합성 및 코팅 장치와 그 방법'이 있다.
본 발명의 목적은 플라즈마 토치를 이용하여 다양한 SiOx 나노 입자를 제조할 수 있는 제조장치 및 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 고가의 진공부가 필요없는 대기압 플라즈마 SiOx 나노입자 제조장치를 제공함에 있다.
본 발명은 반응 공간을 제공하는 반응 챔버; 및 상기 반응챔버의 상측에 구비되며, 실리콘 전구체 가스를 주입하는 전구체 가스 주입부와, 플라즈마 가스를 스월 형태로 주입하는 스월 가스 주입부를 포함하며 플라즈마 소스로 마이크로파를 이용하는 마이크로파 플라즈마 토치부;를 포함하는 마이크로파 플라즈마를 이용한 SiOx 나노입자 제조장치를 제공한다.
상기 스월 가스 주입부로 산화가스를 공급하는 산화가스 공급부를 더 포함할 수 있다.
상기 반응챔버 내부에 구비되며, 상기 반응챔버 내부에서 생성되는 입자를 냉각하는 냉각부;를 더 포함할 수 있다.
상기 스월가스 주입부는 상기 전구체 가스 주입부의 주변에 방사상으로 배치되어, 스월가스가 연직방향에 대하여 25~45도 내측으로 경사진 방향으로 플라즈마 영역 중심을 향하여 주입되도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 스월 가스 주입부는 스월 가스가 평면적으로 접선방향에 대하여 원의 중심을 향하여 5~15도 내측으로 주입되도록 형성되면 더욱 바람직하다.
또한, 상기 반응 챔버의 후단에 구비되어 SiOx 입자를 포집하는 입자 포집부를 더 포함할 수 있으며, 상기 입자 포집부의 후단에 구비되어 산 배기가스를 처리하는 스크러버를 더 포함하는 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명은 반응 공간을 제공하는 반응 챔버와, 상기 반응챔버의 상측에 구비되며, 실리콘 전구체 가스를 주입하는 전구체 가스 주입부와, 플라즈마 가스를 스월 형태로 주입하는 스월 가스 주입부를 포함하며 플라즈마 소스로 마이크로파를 이용하는 마이크로파 플라즈마 토치부를 포함하는 마이크로파 플라즈마를 이용한 SiOx 나노입자 제조장치를 이용한 SiOx 나노입자 제조방법으로, 상기 스월 가스 주입부로 플라즈마 가스와 산화가스를 공급하여 원료가스와 산화가스가 와류(Vortex flow)를 따라 반응하도록 하는 것을 특징으로 하는 SiOx 나노입자 제조방법을 제공한다.
상기 Si 전구체 가스는 액상의 SiCl4 를 가스화한 것을 공급할 수 있다.
상기 플라즈마 가스는 질소 또는 아르곤을 사용하고, 상기 산화가스는 산소와 수소 혼합가스 또는 수증기 중의 어느 하나 또는 이들을 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 SiOx 나노입자 플라즈마를 반응기 중심에 집중시켜 보다 큰 부피의 고밀도 플라즈마 영역을 확보하고, 반응기체가 플라즈마 내에 머무는 체류시간을 증가시킬 수 있는 효과를 가져온다.
또한, 플라즈마를 집중시킴으로써 외벽이 과열되는 것으로 보호하고, 외벽에 의한 반응물의 오염을 방지하는 효과도 가져온다.
그리고, 본 발명에 따른 SiOx 나노입자 제조방법은 산화가스의 유량을 조절하여 다양한 산화수를 가지는 SiOx 나노입자를 제조할 수 있는 효과를 가져온다.
또한, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 SiOx 나노입자를 리튬2차전지의 음극활물질로 사용할 경우 우수한 용량 유지율을 확보할 수 있는 효과도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 SiOx 나노입자 제조장치를 나타낸 개념도,
도 2는 플라즈마 가스를 스월 형태로 주입한 경우(a)와, 수직으로 주입한 경우(b)의 플라즈마 형상을 나타낸 사진,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마 토치의 실시예를 개략적으로 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마 토치의 플라즈마 가스 공급의 평면을 나타낸 개략도,
도 5는 플라즈마 주입 형태에 따른 입자의 형상을 나타낸 사진,
도 6은 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 반응기의 내부 온도 분포를 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 반응기의 외부 온도 분포를 나타낸 그래프,
도 8은 플라즈마 가스의 유량과 반응가스의 유속에 따른 플라즈마의 형상과 길이 변화를 나타낸 사진,
도 9는 반응가스, 반응물의 비율, 유량을 달리하여 제조한 다양한 형태와 크기의 SiOx 나노입자를 나타낸 사진,
도 10은 다양한 산화수(x값)을 가지는 SiOx 나노입자들을 나타낸 사진,
도 11과 도 12는 본 발명에 따라 제조한 SiOx의 결정성과 미세구조를 나타낸 사진,
도 13은 본 발명에 따른 장치 및 방법으로 제조된 SiOx 나노입자들의 특성을 나타낸 그래프,
도 14는 SiOx와 결정질 실리콘 그리고 비정질 SiO로 제조된 각각의 2차 전지의 용량과 성능을 나타낸 그래프임.
도 2는 플라즈마 가스를 스월 형태로 주입한 경우(a)와, 수직으로 주입한 경우(b)의 플라즈마 형상을 나타낸 사진,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마 토치의 실시예를 개략적으로 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마 토치의 플라즈마 가스 공급의 평면을 나타낸 개략도,
도 5는 플라즈마 주입 형태에 따른 입자의 형상을 나타낸 사진,
도 6은 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 반응기의 내부 온도 분포를 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 반응기의 외부 온도 분포를 나타낸 그래프,
도 8은 플라즈마 가스의 유량과 반응가스의 유속에 따른 플라즈마의 형상과 길이 변화를 나타낸 사진,
도 9는 반응가스, 반응물의 비율, 유량을 달리하여 제조한 다양한 형태와 크기의 SiOx 나노입자를 나타낸 사진,
도 10은 다양한 산화수(x값)을 가지는 SiOx 나노입자들을 나타낸 사진,
도 11과 도 12는 본 발명에 따라 제조한 SiOx의 결정성과 미세구조를 나타낸 사진,
도 13은 본 발명에 따른 장치 및 방법으로 제조된 SiOx 나노입자들의 특성을 나타낸 그래프,
도 14는 SiOx와 결정질 실리콘 그리고 비정질 SiO로 제조된 각각의 2차 전지의 용량과 성능을 나타낸 그래프임.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 SiOx 나노입자 제조장치를 나타낸 개념도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 SiOx 나노입자 제조장치는 반응 공간을 제공하는 반응 챔버(110)와, 마이크로파를 이용하여 플라즈마를 발생시켜 실리콘 전구체 가스를 분해하여 Si 입자를 생성하는 마이크로파 플라즈마 토치부(120)와, 상기 반응 챔버(110) 내부에 구비되어 형성된 SiOx 나노입자를 냉각하는 냉각부(130)를 포함한다.
플라즈마 토치부(120)는 상기 반응챔버(110)의 상측에 구비되며, 실리콘 전구체 가스를 주입하는 전구체 가스 주입부(122)와, 플라즈마 가스를 스월(Swirl) 형태로 주입하는 스월 가스 주입부(124)를 구비한다.
전구체 가스 주입부(122)는 플라즈마 중심을 향하여 수직방향으로 가스를 주입하며, 스월 가스 주입부(124)는 스월 가스가 나선 형태로 주입되도록 형성된다.
전구체 가스 주입부(122)를 통해서는 실리콘 전구체 가스로 SiCl4 가스가 단독으로 공급되거나, 캐리어 가스로 아르곤(Ar) 또는 수소(H2) 등의 캐리어 가스가 혼합되어 주입될 수 있다.
스월 가스 주입부(124)로는 플라즈마 가스로 질소(N2) 또는 아르곤(Ar)이 주입될 수 있으며, 산화가스가 플라즈마 가스와 혼합되어 주입될 수 있다.
산화가스로는 산소와 수소의 혼합 가스 또는 공기(Air)가 사용될 수 있다.
본 발명은 마이크로파 플라즈마 토치부(120)에 플라즈마를 형성하기 위한 플라즈마 가스로 질소(N2) 또는 아르곤(Ar) 가스를 스월(Swirl)로 주입하는 것을 특징으로 한다. 플라즈마가 가스를 스월 형태로 주입하면 플라즈마가 반응기 중심에 집중되어 보다 큰 부피의 고밀도 플라즈마 영역을 확보할 수 있다.
또한, 반응 챔버(110)의 후단에는 SiOx 입자를 포집하기 위한 입자 포집부(150)와, 상기 입자 포집부(150)의 후단에 연결되어 산 배기가스를 중화시켜 처리하는 스크러버(160)를 포함한다.
도 2는 플라즈마 가스를 스월 형태로 주입한 경우(a)와, 수직으로 주입한 경우(b)의 플라즈마 형상을 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, (a)에 나타낸 바와 같이 플라즈마 가스를 스월 형태로 주입하면 와류(vortex flow)가 형성되며, 주입된 원료가스가 와류를 따라 반응하게 되므로, 원료가스가 플라즈마 영역에 체류하는 시간이 길어져 반응 효율이 향상되는 효과를 가져온다.
또한 와류(vortex flow)는 플라즈마를 반응챔버의 중심방향으로 집중시키는 역할을 하게 되어, 플라즈마와 토치 내벽과의 접촉을 감소시켜, 토치 내벽으로부터의 오염을 방지하는 효과와, 외벽을 보호하는 역할을 하게 된다.
또한, 플라즈마 끝단에 플레임(Flame)을 안정적으로 제어할 수 있으며, 플라즈마 가스 자체를 안정화하는 효과도 가져온다.
플라즈마 가스를 스월 형태로 주입하게 되면, 플라즈마 내에 가스의 이동경로가 스월 형태로 형성되어, 반응기체가 플라즈마 내에 머무는 체류시간(residence time)이 길어지게 되어 입자들간의 반응시간을 충분히 확보할 수 있어 결과적으로 반응효율이 향상되는 효과를 가져오게 된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마 토치의 실시예를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마 토치의 플라즈마 가스 공급의 평면을 나타낸 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 원료가스는 플라즈마 영역의 중심으로 수직방향으로 공급되고, 플라즈마 가스는 수직면에 대하여 25~45도 경사지게 플라즈마 영역으로 주입되도록 형성되어 있다.
또한, 평면적으로 보면 도 4에 도시된 바와 같이 플라즈마 가스는 방사상으로 균일한 간격으로 배치되어, 접선 방향에서 원의 중심을 향하여 5~15도 각을 가지고 공급되도록 형성되어 있다.
플라즈마 가스로는 질소(N2) 또는 아르곤(Ar) 가스가 사용될 수 있으며, 산화가스가 플라즈마 가스와 함께 공급될 수 있다.
산화가스로는 공기(Air), 수증기(H2O) 또는 이들의 혼합가스가 사용될 수 있다.
플라즈마 가스(또는 산화가스와 혼합된 플라즈마 가스)는 경사를 가지고 주입되어 스월 형태의 플라즈마를 형성하게 되고, 이 경로를 따라 이동하는 원료가스(Source gas)는 스월이 아닌 형태보다 상대적으로 긴 반응시간을 확보할 수 있게 된다.
표 1은 플라즈마 가스를 일반적인 형태(수직방향)으로 주입한 경우와, 스월 형태로 주입한 경우의 반응효율을 나타낸 것이다.
반응 효율은 주입된 원료가 완벽하게 나노입자화 되었을 때의 질량으 100%로 했을 때, 실제 얻어진 입자의 질량의 상대적인 비율을 백분율로 나타낸 것이다.
플라즈마 파워(15kW)등 다른 공정 조건은 모두 동일하게 실험하였다.
| 플라즈마 주입방식 | 주입량(slm) | 입자제조효율(%) |
| 일반방식 | 10 | 15.0 |
| 일반방식 | 15 | 17.5 |
| 일반방식 | 20 | 19.2 |
| 일반방식 | 25 | 20.3 |
| 일반방식 | 30 | 21.5 |
| Swirl방식 | 10 | 32.5 |
| Swirl방식 | 15 | 40.6 |
| Swirl방식 | 20 | 51.7 |
| Swirl방식 | 25 | 58.9 |
| Swirl방식 | 30 | 68.2 |
표 1을 살펴보면, 스월 방식으로 주입할 경우, 입자 제조 효율이 수직으로 주입한 경우보다 크게 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 원료 가스의 플라즈마 내 체류시간 증가에 의한 것으로 생각된다.
도 5는 플라즈마 주입 형태에 따른 입자의 형상을 나타낸 것이다.
좌측의 사진은 스월 형태로 플라즈마 가스를 주입한 경우 생성된 입자를 나타낸 것이고, 우측의 사진은 일반적인 방식(수직방향)으로 플라즈마 가스를 주입한 경우 생선된 입자를 나타낸 것이다.
스월 형태로 플라즈마 가스를 주입한 경우에 합성된 입자들은 비교적 일정하고 구의 형태를 나타내고 있음에 반해서, 일반적인 방식으로 플라즈마를 주입한 경우에 합성된 입자들은 특정한 형태를 가진다기 보다는 작은 입자들이 응집된 형태를 나타냈다. 이는 열플라즈마 특성을 갖는 마이크로파 플라즈마로 인해 넓은 에너지 분포를 갖는 플라즈마 영역을 통과하기 때문인 것으로 생각된다.
하지만, 스월 방식의 경우 도 3에서 살펴본 바와 같이 중심에 집중된 플라즈마 영역을 가지고 있어서, 균일한 에너지 영역을 통과하게 되므로, 균일한 입자 형태와 입자들 간의 응집이 방지된 나노 입자를 제조할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 반응기의 내부 온도 분포를 나타낸 그래프이다.
도 6의 그래프는 플라즈마 파워는 1.5kW 에서 측정한 것이다.
온도분포를 살펴보면, 플라즈마로부터 60cm 이격된 위치의 온도는 섭씨 500도 이하이고, 5cm 이격된 위치는 섭씨 1225도이다. 온도측정 센서의 측정한계로 인하여 더 이상 높은 온도에서의 측정은 불가하였다. 하지만 플라즈마 파워에 따른 온도변화를 예측해보면, 6.0kW의 파워로 플라즈마를 형성할 경우 5cm 이격된 위치에서 3000도 이상의 온도가 형성될 것을 예상할 수 있다. 일반적인 마이크로파 플라즈마의 최고밀도 영역에서의 온도는 약 3000~6000도로 알려져있다.
도 7은 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 반응기의 외부 온도 분포를 나타낸 그래프이다.
스월 플라즈마의 플라즈마 가스 유량을 각각 20slm, 25slm 으로 공급한 경우의 온도는 플라즈마 중심에서 5m 이격된 구간에서 섭씨 550도 이다. 같은 위치에서 내부온도가 1223도 인점을 고려하면, 내부와 외부의 온도차는 673도에 달한다. 이로부터 스월 플라즈마가 플라즈마를 집중시킴으로써 반응기로 전달되는 열을 감소시켜 반응기를 보호하는 효과를 가져오게 됨을 확인할 수 있다.
도 8은 플라즈마 가스의 유량과 반응가스의 유속에 따른 플라즈마의 형상과 길이 변화를 나타낸 것이다.
플라즈마의 형상과 길이는 플라즈마 가스와 반응가스의 종류, 그리고 유속에 따라 변화하는데, 스월 형태로 공급되는 플라즈마 가스는 플라즈마를 중심으로 집중시킨다.
그리고, 반응가스(또는 반응가스와 이송가스의 혼합가스)와 스월 형태로 공급되는 플라즈마 가스의 유속의 비율에 의해 플라즈마의 길이와 형태가 결정되나.
도 8의 (a)는 스월 플라즈마 가스만 주입되었을 경우의 플라즈마를 나타낸 것이고, (b)는 스월 플라즈마 가스와 반응가스를 동시에 주입한 경우의 플라즈마를 나타낸 것이고, (c)는 적정비율로 스월 플라즈마 가스와 반응가스를 주입한 경우의 플라즈마를 나타낸 것이다.
(a) 경우는, 스월 플라즈마가스는 질소를 사용하였으며, 유속 1 slm에 1.5 kW의 마이크로파 출력을 인가하였다.
(b)는 동일 스월가스와 출력에서 반응가스로 아르곤(Ar) 100 ccm과 SiCl4(l)가 1 ml 그리고 공기(Air)가 200 sccm를 주입한 것이다.
(c)는 동일 스월가스 및 출력에서 최적치에 해당하는 반응가스(아르곤 : 50 sccm, SiCl4(l) 1.5 ml, 공기 : 15 sccm)를 주입한 것이다.
반응가스로, 실리콘 전구체(SiCl4 또는 SiHCl3)와 산화가스로 수소(H2)와 산소(O2) 그리고 공기 또는 수증기(H2O)를 단독 혹은 병행으로 사용하여 SiOx 나노입자를 제조할 수 있다.
플라즈마 가스를 스월 형태로 주입하면, 플라즈마를 중심방향으로 집중시키게 된다. 플라즈마가 집중되면 토치 외벽으로부터 플라즈마를 격리시며 외벽이 과열에 의하여 변형되거나 식각되며 손상되는 것을 방지할 수 있다. 따라서 반응물이 토치 외벽에 의하여 오염되는 것을 방지할 수도 있다. 또한 플라즈마 내 원료가스의 체류시간을 증가시켜 반응효율을 향상시키며, 집중된 플라즈마 형상으로 인해 균일한 형상과 입도를 갖는 나노입자를 제조할 수 있게 된다.
도 9는 반응가스, 반응물의 비율, 유량을 달리하여 제조한 다양한 형태와 크기의 SiOx 나노입자를 나타낸 것이다. 도 10은 다양한 산화수(x값)을 가지는 SiOx 나노입자들을 나타낸 사진이다.
도 9를 참조하면, 제조된 SiOx 나노입자는 25~200 nm 의 직경을 가진다. 스월 형태로 플라즈마 가스를 주입함에 따라 입자의 형태는 상대적으로 균일성을 확보할 수 있다.
본 발명은 다양한 산화수를 갖는 SiOx 나노입자를 제조할 수 있는 장치와 방법을 제공한다. 또한, 본 발명에 따른 장치와 방법으로 제조된 SiOx 나노 입자를 리튬 기반 2차 전지의 음극 소재 활물질로 사용함으로써, 2차 전지의 전기적 특성을 향상시킬 수도 있다.
본 발명은 기화된 SiCl4 를 실리콘 전구체로 마이크로파 플라즈마 반응기로 주입하고, 산화가스로 수소와 산소 또는 수증기를 주입하여, SiOx(x=0.4~2.0) 가스를 응축시켜 나노입자로 제조한다.
산화가스로 산소만을 단독으로 사용하였을 경우, 주입량에 따라 입자들의 x값은 대부분 2에 가깝거나, 미반응 SiCl4 가 잔존할 수 있다. 반면 수소만을 단독으로 사용할 경우에는 주입량에 따라 삼염화실란(SiHCl3)과 염산이 대량 발생하거나, 미반응 SiCl4가 잔존할 수 있다.
수소와 산소를 일정한 비율로 혼합하여 주입하는 경우에는 SiOx 나노입자의 x값을 0.4~2.0 범위에서 제어할 수 있다.
또한 수증기(H2O)를 주입하는 경우에도 주입량에 따라 SiOx 나노입자의 x값을 변화시킬 수 있다.
본 발명은 SiOx 나노입자를 높은 결정질부터 순수비정질 상까지 다양한 결정성을 가지도록 제조할 수 있다.
도 11과 도 12는 본 발명에 따라 제조한 SiOx의 결정성과 미세구조를 나타낸 것이다.
비정질의 SiOx 나노입자를 리튬이차전지 음극 활물질로 적용할 경우, 충방전시 발생하는 실리콘의 부피팽창에 대한 버퍼로 작용하여 높은 충방전용량과 유지성능을 확보할 수 있다.
도 13은 본 발명에 따른 장치 및 방법으로 제조된 SiOx 나노입자들의 특성을 나타낸 것이다.
산화가스로 공기(Air)를 사용한 것으로, 나타낸 바와 같이 공기의 양에 따라 SiOx의 산화수가 변하는 것을 알 수 있다. 좌측에서부터 전체 공급 가스 중 각각 0.15vol%, 1.00vol%, 5.00vol%, 10.00vol% 으로 변화시킨 결과에 따라 산화수가 변화하는 것을 알 수 있다.
표 2는 산화가스 종류 및 주입량에 따른 SiOx 나노입자의 산화수(x값)를 나타낸 것이다.
| 산화 가스 | 주입량(vol.%) | X값(산화수) |
| Air | 0.00 | 0.42 |
| Air | 0.075 | 0.81 |
| Air | 0.15 | 1.18 |
| Air | 1.00 | 1.39 |
| Air | 5.00 | 1.48 |
| Air | 10.00 | 1.83 |
| O2 | 0.02 | 0.8 |
| O2 | 0.20 | 1.23 |
| O2 | 2.00 | 1.81 |
| H2O | 0.50 | 0.52 |
| H2O | 1.00 | 0.78 |
| H2O | 2.50 | 0.98 |
| H2O | 5.00 | 1.16 |
표 2에서 알 수 있듯이, 본 산화가스의 주입량을 조절하는 것으로 산화수를 다양하게 제어할 수 있다.
2차 전지 음극소재에서 결정질 실리콘은 4200mAh/g 의 높은 이론용량을 갖지만, 실질적으로는 충방전시 부피 팽창으로 인해 파괴되어 음극손실이 발생한다. 하지만 음극활물질의 나노입자화 및 SiOx의 산화수(x값) 제어를 통해 효과적으로 부피팽창에 대해 효과적으로 버퍼 역할을 하게되어 싸이클 특성을 향상을 가져올 수 있다.
도 14와 표 3은 SiOx와 결정질 실리콘 그리고 비정질 SiO로 제조된 각각의 2차 전지의 용량과 성능을 나타낸 것이다.
도 14에서 보이는 바와 같이, SiOx 마이크로 입자 또는 Si 나노입자의 경우, 급격한 용량 저하 현상이 나타나지만, 본 발명에 따른 방법으로 제조한 SiOx 나노입자의 경우 우수한 용량 유지율을 나타내는 것을 알 수 있다.
이러한 우수한 용량 유지율을 나타내는 것은 앞서 언급한 비정질 SiOx 상의 버퍼 역활에 따른 것으로 생각된다.
| Si nanoparticles | SiO microparticles | SiOx nanoparticles | |
| Initial C.E.(%) | 61.00 | 63.01 | 56.84 |
| 1st charge capacity(mAh/g) | 2846.91 | 1212.87 | 809.51 Max. 1103.30(@66cycles) |
| Retention(%, @100cycles) | 4.00 | 13.77(@50cycles) | 130.99 96.15(@66 to 100 cycles) |
전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 후술될 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110 : 반응챔버
120 : 마이크로파 플라즈마 토치부
122 : 전구체 가스 주입부
124 : 스월 가스 주입부
130 : 냉각부
150 : 입자 포집부
160 : 스크러버
120 : 마이크로파 플라즈마 토치부
122 : 전구체 가스 주입부
124 : 스월 가스 주입부
130 : 냉각부
150 : 입자 포집부
160 : 스크러버
Claims (12)
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- 반응 공간을 제공하는 반응 챔버와, 상기 반응챔버의 상측에 구비되며, 실리콘 전구체 가스를 주입하는 전구체 가스 주입부와, 플라즈마 가스를 스월 형태로 주입하는 스월 가스 주입부를 포함하며 플라즈마 소스로 마이크로파를 이용하는 마이크로파 플라즈마 토치부를 포함하는 마이크로파 플라즈마를 이용한 SiOx 나노입자 제조장치를 이용한 SiOx 나노입자 제조방법으로,
상기 스월 가스 주입부로 플라즈마 가스와 산화가스를 공급하여 원료가스와 산화가스가 와류(Vortex flow)를 따라 반응하도록 하되,
상기 Si 전구체 가스는 액상의 SiCl4 를 가스화한 것을 공급하고,
상기 플라즈마 가스는 질소 또는 아르곤을 사용하며,
상기 산화가스로는 산소와 수소를 일정한 비율로 혼합하여 공급함으로써 SiOx 나노입자의 x 값을 0.4~2.0 범위에서 제어하는 것을 특징으로 하는 SiOx 나노입자 제조방법.
- 반응 공간을 제공하는 반응 챔버와, 상기 반응챔버의 상측에 구비되며, 실리콘 전구체 가스를 주입하는 전구체 가스 주입부와, 플라즈마 가스를 스월 형태로 주입하는 스월 가스 주입부를 포함하며 플라즈마 소스로 마이크로파를 이용하는 마이크로파 플라즈마 토치부를 포함하는 마이크로파 플라즈마를 이용한 SiOx 나노입자 제조장치를 이용한 SiOx 나노입자 제조방법으로,
상기 스월 가스 주입부로 플라즈마 가스와 산화가스를 공급하여 원료가스와 산화가스가 와류(Vortex flow)를 따라 반응하도록 하되,
상기 Si 전구체 가스는 액상의 SiCl4 를 가스화한 것을 공급하고,
상기 플라즈마 가스는 질소 또는 아르곤을 사용하며,
상기 산화가스로는 수증기를 주입하되, 수증기의 주입량을 조절하여 SiOx 나노입자의 x 값을 제어하는 것을 특징으로 하는 SiOx 나노입자 제조방법.
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