KR101708971B1 - 금속 분말 제조장치 - Google Patents

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Abstract

금속 분말 제조장치가 개시된다. 본 발명인 금속 분말 제조장치는 금속 와이어를 공급하는 금속 와이어 공급부; 초음파를 발생시켜 상기 금속 와이어를 진동시키는 초음파 발생부; 상기 금속 와이어에 펄스전원을 인가하여 상기 금속 와이어가 전기폭발되도록 하는 전극; 및 전기 폭발에 의하여 상기 금속 와이어가 증기화된 경우, 증기화된 상기 금속 와이어에 열을 공급하여 증기화된 상기 금속 와이어가 서서히 냉각되도록 하는 냉각속도 조절부를 포함한다.

Description

금속 분말 제조장치{APPARATUS FOR PRODUCTION OF METAL POWDER}
본 발명은 금속 분말 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 펄스전원에 의한 전기폭발을 통하여 금속 분말를 제조할 수 있는 제조장치에 관한 것이다.
첨단산업의 발전에 따라 부품 및 시스템의 고성능화 및 소형화가 진행되고 있으며, 나노기술은 기존 기술의 한계성을 극복할 수 있는 것이다. 나노분말은 이러한 나노기술의 중요성을 이루어갈 수 있는 대안으로 제시되어, 현재 이에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
극미세 분말인 나노분말은 미세화(약 100㎚ 이하)에 따른 표면적의 증가로 인하여 기존의 재료에서는 얻을 수 없는 전자기적, 기계적 및 촉매 특성을 나타낼 수 있으므로, 초고강도 부품, 자성 부품, 열전 센서, 필터, 전지, 촉매 등에 적용되는 차세대 기능성 소재로서 산업 전반에 걸쳐 새로운 수요를 창출할 것으로 기대된다.
나노분말을 제조하는 방법은 다양한 관점에서 알려져 있지만, 그 중에서 펄스전원을 이용한 전기폭발법에 의한 금속 나노분말을 제조하는 기술이 활발하게 연구되고 있다. 전기폭발법에 의한 금속 나노분말 제조방법은 산업적인 응용 측면에서 매우 중요한 의의를 갖고 있고, 경제적으로 다른 방법에 비해 유리하다. 종래의 펄스전원을 이용한 전기폭발법은 기중 전기폭발법과 액중 전기폭발법으로 발전되어 왔다.
이와 같은 전기폭발법은 챔버 내부에 피딩된 금속 와이어에 펄스전원을 가하여 상기 와이어를 폭발시켜 증기화한 다음, 이를 분위기 가스 또는 액체에서 냉각/응축시켜 금속 나노분말을 제조하는 것이다.
이러한 전기폭발법에 의하면 증기화된 금속 와이어가 냉각되면서 금속 분말를 생성하게 되는데 금속 와이어를 구성하는 금속 입자들이 서로 뭉치거나 영겨붙음으로써 금속 분말이 생성되게 된다. 금속 분말은 각각의 금속 입자들이 자신의 표면에너지를 낮추기 위하여 서로 응집되거나, 금속 입자 표면의 화학결합 및 습기흡착으로 인한 응집현상에 의하여 생성되게 된다.
증기화된 금속 와이어가 급냉하는 경우에 금속 입자들의 응집현상을 제어하지 못하는 경우에는 금속 분말의 입도크기가 마이크로부터 나노 사이즈에 이르기까지 불규칙적으로 생성됨으로써 균일한 입도를 가지는 금속 분말을 제조하지 못하는 문제점이 있다.
한국공개특허 공개번호 제10-2011-0122277호는 균일한 입도를 가지는 나노분말을 제조하기 위한 진동자를 포함하고 있으나, 증기화된 금속와이어의 금속 입자가 냉각되는 속도를 조절하지 못하기 때문에 균일한 입도를 가지는 금속 분말을 제조하지 못하는 문제점이 있다. 또한, 진동자를 제어하지 못하기 때문에 요구되는 사이즈를 가지는 금속 분말을 제조하지 못하는 문제점이 있다.
이에 본 발명자는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 금속 와이어에 가하는 진동을 조절하고, 증기화된 금속 입자들의 냉각 속도를 제어함으로써 균일한 입도와 요구되는 사이즈를 가지는 금속 입자를 제조할 수 있는 장치를 개발하기에 이르렀다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 전기폭발에 의한 금속 분말 제조시 금속 분말의 입도를 균일하게 할 수 있는 금속 분말 제조장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 금속 분말 제조장치는 금속 와이어를 공급하는 금속 와이어 공급부; 초음파를 발생시켜 상기 금속 와이어를 진동시키는 초음파 발생부; 상기 금속 와이어에 펄스전원을 인가하여 상기 금속 와이어가 전기폭발되도록 하는 전극; 전기 폭발에 의하여 상기 금속 와이어가 증기화된 경우, 증기화된 상기 금속 와이어에 열을 공급하여 증기화된 상기 금속 와이어가 서서히 냉각되도록 하는 냉각속도 조절부를 포함할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 초음파 발생부는 상기 금속 와이어 공급부의 일 측에 배치되어 있고, 상기 금속 와이어 공급부를 통과하는 금속 와이어를 진동시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 초음파 발생부는 초음파의 주파수를 조절할 수 있는 초음파 조절부; 및 발생하는 초음파의 주파수를 표시하는 초음파 표시부를 더 포함할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 초음파 발생부가 발생하는 초음파의 주파수는 20 내지 100㎑인 것을 특징으로 할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 냉각속도 조절부는 증기화된 상기 금속 와이어에 열을 공급하는 가열부; 상기 가열부가 공급하는 열의 온도를 조절할 수 있는 온도 조절부; 상기 가열부의 온도를 측정하는 온도 측정부; 및 측정된 온도를 표시하는 온도 표시부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 금속 분말 제조장치는 상기 전기폭발이 액중에서 일어날 수 있도록 상기 전극 및 상기 금속 와이어가 잠길 수 있는 액체를 더 포함할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 초음파 발생부가 상기 금속 와이어 공급부를 통과하는 금속 와이어를 진동시킴으로써 상기 액체에 잠기는 금속 와이어를 진동시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 액체는 아이소프로필 알콜(IPA), 에탄올, 메탄올, 과산화수소 및 탈이온수로 구성된 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
하나의 실시예로 상기 가열부가 공급하는 열의 온도는 상기 액체의 끓는점보다 낮은 온도로 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 가열부가 공급하는 열의 온도는 상기 액체의 끓는점보다 10 내지 20℃ 낮은 온도로 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 가열부는 상기 전극 하부에 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 금속 분말 제조장치는 상기 전극이 펄스전원을 인가하도록 하는 스위치부를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 금속 와이어가 전기폭발하기 전에 금속 와이어를 구성하는 금속 입자들의 진동을 증가시켜 금속 와이어가 용이하게 전기폭발하게 할 수 있다. 또한, 금속 와이어에 가하는 진동을 조절함으로써 균일한 입도크기를 갖는 금속 분말을 제조할 수 있는 효과가 있다.
증기화된 금속 와이어의 금속 입자들이 냉각되는 속도를 조절함으로써 금속 입자들의 응집현상을 제어할 수 있어, 원하는 사이즈의 균일한 금속 분말을 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1본 발명의 실시예에 따른 금속 분말 제조장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 발생부를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 냉각속도 조절부를 설명하기 위한 개념도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 금속 분말 제조장치를 설명하기 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 발생부를 설명하기 위한 개념도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 냉각속도 조절부를 설명하기 위한 개념도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 금속 분말 제조장치(100)는 챔버(10), 금속 와이어 공급부(20), 초음파 발생부(30), 전극(40), 냉각속도 조절부(50) 및 스위치부(미도시)를 포함할 수 있다.
챔버(10)는 금속 와이어가 전기폭발될 수 있는 공간을 제공할 수 있고, 챔버(10)는 절연부(12)에 의하여 상부공간(10a) 및 하부공간(10b)로 구분될 수 있다.
금속 와이어 공급부(20)는 챔버(10)의 상부공간(10a)에 배치될 수 있고, 금속 와이어를 통과시켜 금속 와이어가 챔버(10)의 하부공간(10b)으로 공급되게 할 수 있다. 일 예로 금속 와이어 공급부(20)는 금속 와이어가 이동될 수 있는 중공이 형성될 수 있고, 상기 중공을 통하여 금속 와이어가 이동될 수 있다. 또한, 중공이 형성되어 있기 때문에 금속 와이어 이동시 금속 와이어가 안정하게 하부공간(10b)으로 공급될 수 있다.
상부공간(10a)에는 금속 와이어가 감겨져 있는 와이어롤(22)과 와이어롤(22)로부터 풀려나오는 금속 와이어를 금속 와이어 공급부(20)로 공급하는 한 쌍의 가이드롤러(24)가 배치될 수 있다.
또한, 상부공간(10a)에는 모터(미도시)가 배치될 수 있고, 모터는 와이어롤(22) 및 가이드롤러(24)에 회전력을 제공하여 와이어롤(22) 및 가이드롤러(24)가 회전되도록 할 수 있다. 와이어롤(22) 및 가이드롤러(24)의 회전에 의하여 금속 와이어가 금속 와이어 공급부(20)로 공급될 수 있다.
금속 와이어 공급부(20)를 통하여 공급된 금속 와이어는 아래에서 설명할 전극(40)에 근접하게 배치될 수 있다.
하부공간(10b)에는 분산용매를 포함하는 액체가 채워질 수 있고, 금속 와이어 공급부(20)를 통하여 공급되는 금속 와이어 및 아래에서 설명할 전극(40)은 액체에 잠길 수 있다. 액체에 금속 와이어와 전극(40)이 잠겨 있기 때문에 금속 와이어는 액중에서 전기폭발될 수 있다.
일 예로, 전기폭발을 위한 액체로는 오일, 절연유, 알콜류의 유기용매, 증류수 및 기타 유기용매 중에서 하나 이상이 사용될 수 있으나, 아이소프로필 알콜(IPA), 에탄올, 메탄올, 과산화수소 및 탈이온수 중 하나 이상이 액체로 사용되는 것이 바람직하다.
초음파 발생부(30)는 금속 와이어 공급부(20)의 일 측에 배치될 수 있고, 초음파를 발생시켜 금속 와이어를 진동시킬 수 있다. 금속 와이어가 진동되는 경우 금속 와이어를 구성하는 금속 입자들도 함께 진동할 수 있다. 따라서, 금속 와이어를 구성하는 금속 입자들이 진동하는 경우에는 진동하지 않는 금속 와이어를 전기폭발시키는 것보다는 적은 펄스전원을 전극(40)에 공급하여도 용이하게 전기폭발시킬 수 있다.
또한, 초음파 발생부(30)에 의하여 금속 와이어 공급부(20)를 통과하는 금속 와이어가 진동되는 경우에는 금속 와이어 전체에 진동이 전달되어 금속 와이어 자체가 진동될 수 있다. 따라서, 아래에서 설명할 액체에 잠기게 되는 금속 와이어를 진동시킬 수 있다.
진동 에너지가 금속 와이어를 구성하는 금속 입자들에 전달되는 경우 금속 입자들은 격자진동될 수 있고 전기폭발이 일어나는 지점과의 거리와 관계없이 전기폭발 후 냉각, 응집되어 제조되는 금속 분말이 균일한 입도를 가질 수 있다.
또한, 금속 와이어에 진동 에너지가 공급되기 때문에 금속 와이어를 전기폭발시키기 위하여 공급하여야하는 펄스전원의 세기를 줄일 수 있다.
초음파 발생부(30)는 금속 와이어를 진동시키는 초음파의 주파수를 조절할 수 있는 초음파 조절부(32) 및 금속 와이어를 진동시키기 위하여 발생하는 초음파의 주파수를 표시하는 초음파 표시부(34)를 더 포함할 수 있다. 일 예로 사용자의 사용 편의를 위하여 초음파 조절부(32) 및 초음파 표시부(34)는 챔버(10)의 외면에 배치되는 것이 바람직하다.
일 예로 사용자는 초음파 발생부(30)를 통하여 발생하는 초음파의 주파수를 초음파 조절부(32)를 통하여 조절할 수 있다. 초음파의 주파수는 금속 와이어를 구성하는 금속 입자 및 금속 와이어가 잠기는 액체의 종류에 따라서 적절히 조절될 수 있다. 일 예로 초음파 발생부(30)가 발생하는 초음파의 주파수는 20 내지 100㎑인 것이 바람직하다. 이는 초음파의 주파수가 20 내지 100㎑ 범위에서 조절되는 경우에 전기폭발이 용이하게 일어날 수 있고, 제조되는 금속 분말이 균일한 입도를 가질 수 있기 때문이다.
또한, 사용자는 초음파 표시부(34)를 통하여 발생되는 초음파의 주파수를 확인할 수 있다. 따라서, 사용자는 초음파의 주파수를 확인하면서 발생하는 초음파의 주파수를 조절할 수 있다.
이와 같이, 발생하는 초음파의 주파수를 조절할 수 있기 때문에 사용자는 제조하려는 금속 분말의 특성을 고려하여 금속 와이어를 구성하는 금속 입자의 종류에 따라 금속 와이어를 진동시킬 수 있다.
전극(40)은 금속 와이어에 펄스전원을 인가하여 금속 와이어가 전기폭발되도록 할 수 있다.
스위치부는 전극(40)이 금속 와이어에 펄스전원을 인가하도록 할 수 있고, 사용자는 스위치부를 제어함으로써 전원(40)에서 금속 와이어로 펄스전원이 인가되도록 할 수 있다. 일 예로 스위치부는 버튼 방식이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
냉각속도 조절부(50)는 전기 폭발에 의하여 금속 와이어가 증기화된 경우, 증기화된 금속 와이어에 열을 공급하여 증기화된 상기 금속 와이어가 서서히 냉각되도록 할 수 있다. 냉각속도 조절부(50)는 증기화된 금속 와이어를 구성하는 금속 입자들의 응집현상을 제어하기 위한 구성이다.
상기 냉각속도 조절부(50)는 가열부(52), 온도 조절부(54), 온도 측정부(56) 및 온도 표시부(58)를 포함할 수 있다.
가열부(52)는 증기화된 금속 와이어에 열을 공급할 수 있다. 또한, 가열부(52)는 전극(40)의 하부에 배치되는 것이 바람직하고 이는 액체의 대류현상을 이용하여 열을 효과적으로 증기화된 금속 와이어에 전달하기 위함이다.
온도 조절부(54)는 가열부(52)가 공급하는 열의 온도를 조절할 수 있고, 사용자는 온도 조절부(54)를 제어함으로써 가열부(52)가 공급하는 열의 온도가 조절될 수 있다.
온도 측정부(56)는 액체에 잠긴 상태로 가열부(52)의 일 측에 접한상태로 배치될 수 있고, 가열부(52)의 온도를 측정할 수 있다.
온도 표시부(58)는 온도 측정부(56)를 통하여 측정된 온도를 표시할 수 있다. 사용자는 온도 표시부(58)를 통하여 측정된 온도와 온도 조절부(54)를 통하여 공급하는 열의 온도를 비교함으로써 공급하려는 열이 제대로 전달되고 있는지 판단할 수 있다.
사용자가 챔버(10)의 외부에서 온도 표시부(58)를 통하여 측정된 온도를 용이하게 확인할 수 있고, 온도 조절부(54)를 통하여 온도를 용이하게 조절하기 위하여 온도 표시부(58) 및 온도 조절부(54)는 챔버(10)의 외면에 배치될 수 있다.
가열부(52)는 챔버(10)의 하부공간(10b)에 채워진 액체에 열을 공급함으로써 전기폭발에 의하여 증기화된 금속 와이어에 열을 공급할 수 있다.
이 경우 가열부(52)에서 공급되는 열의 온도는 액체의 끓는점보다 낮은 온도로 조절되는 것이 바람직하며 특히 액체의 끓는점보다 10 내지 20℃ 낮은 온도로 조절되는 것이 더욱 바람직하다. 일 예로, 아이소프로필 알콜(IPA)의 끓는점은 약 83℃이고, 에탄올의 끓는점은 약 78℃이며, 메탄올의 끓는점은 64℃이고, 과산화수소의 끓는점은 약 150℃이며, 탈이온수의 끓는점은 100℃이다.
가열부(52)에서 공급되는 열의 온도가 액체의 끓는점보다 높은 경우에는 액체가 끓어버림으로써 기화될 수 있고, 액체의 특성을 변화시킬 수 있기 때문이다. 또한, 액체의 기화 현상과 동시에 전기폭발에 의하여 액체내에 존재하는 금속 입자가 산소와 만나 산화될 수 있기 때문이다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
100: 금속 분말 제조장치 10: 챔버
20: 금속 와이어 공급부 30: 초음파 발생부
40: 전극 50: 냉각속도 조절부

Claims (12)

  1. 상부공간 및 액체가 채워진 하부공간이 내부에 형성되고, 상기 상부공간과 하부공간을 분할하는 절연부를 구비하는 챔버;
    상기 절연부를 관통하도록 배치되고, 상기 상부공간으로부터 상기 하부공간으로 금속 와이어가 이동하는 중공 통로를 제공하는 금속 와이어 공급부;
    초음파를 발생시켜 상기 금속 와이어를 진동시키는 초음파 발생부;
    상기 하부공간의 액체 내부에 배치되고, 상기 금속 와이어에 펄스전원을 인가하여 상기 금속 와이어가 전기폭발되도록 하는 전극;
    상기 하부공간의 액체 내부에 배치되어 상기 하부공간 내에서의 액중 전기 폭발에 의하여 상기 금속 와이어가 증기화된 경우에 상기 액체를 끓는점 미만의 온도로 가열하시키는 가열부를 구비하는 냉각속도 조절부를 포함하는, 금속 분말 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 발생부는 상기 금속 와이어 공급부의 일 측에 배치되어 있고,
    상기 금속 와이어 공급부를 통과하는 금속 와이어를 진동시키는 것을 특징으로 하는, 금속 분말 제조장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 발생부는
    초음파의 주파수를 조절할 수 있는 초음파 조절부; 및
    발생하는 초음파의 주파수를 표시하는 초음파 표시부를 더 포함하는, 금속 분말 제조장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 초음파 발생부가 발생하는 초음파의 주파수는 20 내지 100㎑인 것을 특징으로 하는, 금속 분말 제조장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 냉각속도 조절부는,
    상기 가열부가 공급하는 열의 온도를 조절할 수 있는 온도 조절부;
    상기 가열부의 온도를 측정하는 온도 측정부; 및
    측정된 온도를 표시하는 온도 표시부를 더 포함하는, 금속 분말 제조장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 발생부가 상기 금속 와이어 공급부를 통과하는 금속 와이어를 진동시킴으로써 상기 액체에 잠기는 금속 와이어를 진동시키는 것을 특징으로 하는, 금속 분말 제조장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 액체는 아이소프로필 알콜(IPA), 에탄올, 메탄올, 과산화수소 및 탈이온수로 구성된 군에서 선택된 하나 이상인, 금속 분말 제조장치.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 가열부가 공급하는 열의 온도는 상기 액체의 끓는점보다 10 내지 20℃ 낮은 온도로 조절되는 것을 특징으로 하는, 금속 분말 제조장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 가열부는 상기 전극 하부에 배치되는 것을 특징으로 하는, 금속 분말 제조장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전극이 펄스전원을 인가하도록 하는 스위치부를 더 포함하는, 금속 분말 제조장치.
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