KR102160145B1

KR102160145B1 - 이송식 열플라즈마를 이용한 나노분말 연속제조장치

Info

Publication number: KR102160145B1
Application number: KR1020180111591A
Authority: KR
Inventors: 김태윤
Original assignee: 김태윤
Priority date: 2018-09-18
Filing date: 2018-09-18
Publication date: 2020-09-25
Also published as: KR20200032499A

Abstract

본 발명은 이송식 열플라즈마를 이용한 나노분말 연속제조장치에 관한 것으로, 연속적으로 나노분말을 생산하기 위하여 플라즈마 전극 및 도가니를 이용하여 원료물질을 기화시키는 반응챔버, 상기 반응챔버의 일측에 연결되며 상기 원료물질을 상기 반응챔버로 공급시키는 원료공급부, 상기 반응챔버의 내측 상부에서 상기 기화된 원료물질 또는 결정화된 나노분말을 포집 및 이송시키며 폐 루프를 따라 이동하는 이송필름, 상기 반응챔버의 타측에 연결되며 상기 이송필름을 통해 이송된 나노분말을 회수하는 수거부를 포함하고, 상기 원료공급부는 나선상으로 감긴 스크류의 회전에 의해 원료물질을 진공상태에서 상기 반응챔버로 공급하는 자동피딩장치를 포함할 수 있고, 상기 도가니는 회전 또는 높이조절이 가능하며 이중구조를 가질 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 대량으로 나노분말의 생산 및 회수가 가능하며 증발 양과 증발 속도를 유동적으로 조절할 수 있고 연속적으로 균질의 나노분말을 대량으로 얻을 수 있다.

Description

이송식 열플라즈마를 이용한 나노분말 연속제조장치{APPARATUS FOR MANUFACTURING NANOPOWDER USING THERMAL PLASMA}

본 발명은 이송식 열플라즈마를 이용한 나노분말 연속제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이송식 열플라즈마를 이용하여 나노분말을 대량으로 생산 가능하며 연속적으로 원료물질 공급, 나노분말 제조 및 수거할 수 있는 이송식 열플라즈마를 이용한 나노분말 연속제조장치에 관한 것이다.

일반적으로 나노분말은 1dimension의 크기가 100nm 미만의 소재를 지칭한다. 나노분말에 대한 기술은 물질의 원자 및 분자 수준에서 제어 및 조작을 가능케 함으로써 소재는 물론 전기, 전자, 바이오, 화학, 환경, 에너지 등 전 산업분야에서 혁신적인 변화를 몰고 오고 있다.

이러한 나노분말을 제조하는 방법으로 습식법, 기계적 분쇄법 등이 있으나 습식법의 경우 공정이 복잡하고 생산성이 낮으며 환경에 유해한 물질이 배출되는 문제가 있고, 기계적 분쇄법은 일정 크기 이하의 나노분말을 제조하는데 어려움이 있다.

최근에는 플라즈마를 이용하여 나노 분말을 제조하는 방법이 개시되고 있다. 열 플라즈마를 이용한 나노분말의 제조는 10000℃ 정도의 열원을 갖는 초고온의 열플라즈마에 원료 입자를 투입하면 높은 온도에 의해 완전히 원자 상태로 기화 되었다가 다시 냉각이 되면서 기화되었던 원자들이 나노입자로 nucleation 되는 원리를 이용한다.

열 플라즈마를 이용한 나노분말의 제조공법은 토치의 구조에 따라 이송식(Transferred type)과 비이송식(Non-transferred type)으로 구분할 수 있다. 비이송식의 경우 모든 전극이 토치 내부에 장착되어 토치 내부의 전극에서 아크를 발생시키고 아크는 후방에서 나오는 캐리어가스에 의해 외부로 분출된다. 이송식의 경우 음극과 양극이 일정 간격 이격되며 이격 간격을 조절하여 아크 길이를 조절한다.

대한민국 등록특허 제 10-0788412호에서는 열 플라즈마를 이용하여 나노분말을 제조하는 장치가 개시되어 있다. 상기 등록특허는 전원공급부(110), 플라즈마 토치부(120), 반응 챔버(130), 진공 펌프(140), 냉각 튜브(150), 포집부(160), 스크러버(170)을 포함하며, 반응 챔버에서 플라즈마에 의해 증발된 시료는 냉각 튜브를 통과하면서 나노 분말로 결정화되고 포집부에서 수거되는 구조가 개시되어 있다.

그러나 위와 같은 구조를 이용하는 경우 원료물질의 연속 공급이 어렵고 냉각 튜브를 거친 후 별도의 포집장치를 통해 나노분말이 포집되므로 나노분말의 수거 과정이 복잡하며 연속적인 수거가 어려운 문제가 있다.

또한, 상기 구조에서 증발량을 조절하거나 서로 다른 종류의 원료물질을 기상에서 합성하는데 제약이 있는 문제가 있다.

(문헌 0001) 대한민국 등록특허 제10-0788412호(등록일:2007.12.17.) (문헌 0002) 대한민국 등록특허 제10-1055991호(등록일:2011.08.04.)

위와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명의 목적은 나노분말의 대량 생산이 용이하고 연속적 생산이 가능하며 균일한 입도를 갖는 나노분말을 효율적으로 수거하기 위한 나노분말 연속제조장치를 제공하는 것이다.

또한, 원료소재의 증발량 조절이 용이하며 서로 다른 원료물질을 기상에서 합성할 수 있는 나노분말 연속제조장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이송식 열플라즈마를 이용한 나노분말 연속제조장치는 플라즈마 전극 및 도가니를 이용하여 원료물질을 기화시키는 반응챔버, 반응챔버의 일측에 연결되며 원료물질을 반응챔버로 공급시키는 원료공급부, 반응챔버의 내측 상부에서 기화된 원료물질 또는 결정화된 나노분말을 포집 및 이송시키며 폐 루프를 따라 이동하는 이송필름, 반응챔버의 타측에 연결되며 이송필름을 통해 이송된 나노분말을 회수하는 수거부를 포함한다.

또한, 이송필름에 연결되며 이송필름을 설정된 온도로 냉각시키는 냉각판을 더 포함할 수 있다.

또한, 이송필름의 일측에 접촉되어 이송필름에 의해 이송되는 나노분말을 긁어내는 스크래퍼를 더 포함할 수 있다.

또한, 원료공급부는 원료물질을 반응챔버 내부로 공급하는 자동피딩장치를 더 포함하고, 자동피딩장치는, 피딩하우징, 피딩하우징 내부에 나선상으로 구비된 피딩스크류, 피딩스크류를 구동시키는 피딩모터 및 피딩하우징에 연결되며 원료물질을 반응챔버 내부로 공급하는 피딩노즐을 포함하고, 피딩하우징의 내부가 진공상태에서 피딩스크류의 회전에 의해 압출방식으로 원료물질을 이동시킬 수 있다.

또한, 반응챔버를 지지하여 설정된 높이에 위치시키는 지지프레임 및 지지프레임에 결합되고 플라즈마 전극에 연결되며 볼스크류의 구동에 따라 플라즈마 전극의 높이를 조절하는 전극높이조절수단을 더 포함할 수 있다.

또한, 반응챔버를 지지하여 설정된 높이에 위치시키는 지지프레임 및 지지프레임에 결합되고 도가니에 연결되며 볼스크류의 구동에 따라 도가니의 높이를 조절하는 도가니높이조절수단을 더 포함할 수 있다.

또한, 반응챔버를 지지하여 설정된 높이에 위치시키는 지지프레임, 지지프레임에 결합되고 도가니에 연결되며 수직으로 연장 형성된 도가니중심축, 도가니중심축의 둘레를 따라 구비된 제1기어 및 제1기어와 맞물리면서 도가니중심축을 회전시키는 제2기어를 더 포함할 수 있다.

또한, 도가니는, 아랫방향으로 침강된 형상의 제1트랙, 제1트랙의 외측 둘레보다 큰 내측 둘레를 가지며 아랫방향으로 침강된 형상의 제2트랙 및 제1트랙과 제2트랙의 사이에 구비되며 제1트랙과 제2트랙을 차단시키는 차단턱을 포함할 수 있다.

또한, 자동피딩장치는 복수이고 제1트랙 및 상기 제2트랙에 각각 원료물질을 공급할 할 수 있다.

또한, 자동피딩장치는 복수이고 제1트랙 및 제2트랙에 각각 서로 다른 원료물질을 공급할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 다양한 원료물질을 이용하여 나노분말을 대량생산하기 용이하고 이송필름에서 기화된 원료물질을 포집하여 나노분말로 결정화시켜 나노분말의 생산 과정과 시간이 단출될 수 있다.

또한, 다중 구조를 갖는 도가니에 의해 원료물질의 증발량이 조절 가능하며 서로 다른 원료물질을 기상에서 합성시킬 수 있다.

또한, 도가니의 높이조절과 회전 및 전극의 높이조절을 통하여 아크의 길이와 플라즈마의 온도를 조절하기 용이하며, 증발 속도와 양을 조절할 수 있다.

또한, 자동피딩장치로부터 원료물질의 공급량과 속도를 조절하기 용이하다.

또한, 다수의 전극을 동시에 적용함으로 나노분말 생산을 극대화할 수 있다.

또한, 진공상태에서 나노분말을 생성, 포집, 포장하는 구조로 대기노출에 따른 표면 산화를 방지하여 나노분말의 산소함유량을 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노분말 연속제조장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노분말 연속제조장치를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노분말 연속제조장치를 나타낸 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동피딩장치를 나타낸 측면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도가니의 구조를 나타낸 상세도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도가니 및 도가니전극을 나타낸 상세도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 전극을 나타낸 상세도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 4개의 나노분말 연속제조장치의 모듈화를 나타낸 예시도이다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노분말 연속제조장치를 개략적으로 나타낸 블록도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노분말 연속제조장치를 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노분말 연속제조장치를 나타낸 측단면도이다.

도 1 내지 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이송식 열플라즈마를 이용한 나노분말 연속제조장치는 플라즈마 전극(160) 및 도가니(110)를 이용하여 원료물질을 기화키는 반응챔버(100), 상기 반응챔버(100)의 일측에 연결되며 상기 원료물질을 상기 반응챔버(100)로 공급시키는 원료공급부(200), 상기 반응챔버(100)의 내측 상부에서 상기 기화된 원료물질 또는 결정화된 나노 분말을 포집 및 이송시키며 폐 루프를 따라 이동하는 이송필름(180), 상기 반응챔버(100)의 타측에 연결되며 상기 이송필름(180)을 통해 이송된 나노분말을 회수하는 수거부(300)를 포함한다.

본 발명의 전체 구조를 간략히 설명하면, 반응챔버(100) 내부에 플라즈마 전극(160), 도가니(110), 이송필름(180)이 구비되고, 반응챔버(100)의 일측에 원료물질이 공급되는 원료공급부(200)가 구비되고 타측에 나노물질이 수거되는 수거부(300)가 구비된다. 상기 반응챔버(100)의 하부에는 상기 반응챔버(100)를 지지하면서 설정된 높이에 위치시키는 지지프레임이 구비될 수 있으며, 상기 지지프레임은 상기 반응챔버(100) 뿐만 아니라 상기 수거부(300) 또는 원료공급부(200)를 각각 설정된 높이로 지지할 수 있다. 상기 원료공급부(200)에서 공급되는 원료물질은 상기 반응챔버(100)의 내부에서 기화 및 응축되어 나노분말로 변화되고, 상기 변화된 나노분말은 상기 수거부(300)에서 수거된다.

본 발명의 반응챔버(100)는 밀폐구조를 가지며 일측은 상기 원료공급부(200)와 연결되는 소재공급포트(101)와, 진공펌프(P) 등과 연결되는 진공포트(102)가 구비되고, 타측은 상기 수거부(300)와 연통되도록 연결된다. 상기 반응챔버(100), 수거부(300) 및 원료공급부(200)는 진공상태를 유지하는 것이 바람직하다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동피딩장치(210)를 나타낸 측면도이다.

도 5를 참고하면, 본 발명의 원료공급부(200)는 원료물질을 상기 반응챔버(100) 내부로 공급하는 자동피딩장치(210)를 포함할 수 있다.

상기 자동피딩장치(210)는 피딩하우징(211), 상기 피딩하우징(211) 내부에 나선상으로 구비된 피딩스크류(212) 및 상기 피딩스크류(212)를 구동시키는 피딩모터(215) 및 상기 피딩하우징(211)에 연결되며 상기 원료물질을 상기 반응챔버(100) 내부로 공급하는 피딩노즐(214)을 포함하고, 상기 피딩하우징(211)의 내부가 진공상태에서 상기 피딩스크류(212)의 회전에 의해 압출방식으로 상기 원료물질을 이동시킬 수 있다.

상기 피딩하우징(211)은 본 발명에서 원통형상으로 밀폐구조를 갖고 내부에서 진공 상태를 유지된다. 상기 피딩하우징(211)의 일측에 상기 피딩노즐(214)이 연결되고 타측에 상기 피딩모터(215)가 연결될 수 있다. 또한, 상기 피딩하우징(211)은 상기 피딩노즐(214)이 상기 반응챔버(100)의 내부에 구비된 도가니(110)로 원료물질을 원활히 공급하도록 상기 반응챔버(100)의 일측과 연결될 수 있다.

상기 피딩하우징(211)에는 원료 물질이 공급되는 개폐구(213)가 구비되며, 상기 개폐구(213)는 상기 피딩하우징(211)의 내부 진공 환경에 영향을 최소화하도록 로드락 방식의 밸브를 이용하는 것이 바람직하다. 상기 개폐구(213)를 통해 유입된 원료물질은 상기 피딩스크류(212)의 회전에 의해 상기 피딩노즐(214)의 방향으로 이동된다. 상기 피딩노즐(214)은 상기 반응챔버(100)의 내부에 구비된 도가니(110)로 상기 원료물질을 연속적으로 공급할 수 있다.

또한, 상기 피딩하우징(211)의 외측에는 상기 피딩하우징(211)의 내부에 수용되는 원료물질이 설정된 온도를 갖도록 하는 피딩히터(216)가 연결될 수 있으며, 상기 피딩히터(216)는 복수일 수 있다.

상기 피딩하우징(211)의 일측은 상기 소재공급포트(101)와 결합되며, 이 경우 상기 피딩하우징(211)에 연결된 상기 피딩노즐(214)은 상기 반응챔버(100)의 내부에 위치하게 된다. 상기 피딩노즐(214)의 형상과 구조는 다양할 수 있으며, 상기 피딩노즐(214)은 복수일 수 있다.

본 발명의 반응챔버(100) 내측 하부에는 도가니(110)와 플라즈마 전극(160)이 구비된다. 상기 도가니(110)와 플라즈마 전극(160)은 서로 일정 거리 이격되도록 배치되며 상기 플라즈마 전극(160)에서 발생되는 플라즈마는 상기 도가니(110)의 방향으로 아크를 발생시킨다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도가니(110)의 구조를 나타낸 상세도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도가니(110) 및 도가니전극(120)을 나타낸 상세도이다.

도 6 및 도 7을 참고하면, 상기 도가니(110)는 도가니전극(120)과 연결되며 고온의 분위기에 견딜 수 있으며 전류가 통하도록 그래파이트(Graphite)로 이루어질 수 있다. 상기 도가니전극(120)은 상기 도가니(110)의 하부 중심에 연결되고 상기 도가니전극(120)에는 냉각수가 별도로 유입 및 배출될 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에서 상기 도가니(110)는 이중구조를 가질 수 있다.

상기 도가니(110)는, 아랫방향으로 침강된 형상의 제1트랙(111), 상기 제1트랙(111)의 외측 둘레보다 큰 내측 둘레를 가지며 아랫방향으로 침강된 형상의 제2트랙(112) 및 상기 제1트랙(111)과 상기 제2트랙(112)의 사이에 구비되며 상기 제1트랙(111)과 제2트랙(112)을 차단시키는 차단턱(113)을 포함할 수 있다. 상기 제1트랙(111)과 제2트랙(112)에는 각각 상기 자동피딩장치(210)로부터 공급된 원료물질이 수용될 수 있고, 상기 제1트랙(111)과 제2트랙(112)에 맞추어 상기 플라즈마 전극(160)은 복수일 수 있다. 예를 들어, 상기 플라즈마 전극(160)은 제1트랙(111)에 2개의 플라즈마 전극(160)이 배치되고 제2트랙(112)에 4개의 플라즈마 전극(160)이 배치될 수 있다. 상기 플라즈마 전극(160)은 상기 제1트랙(111) 또는 제2트랙(112)의 둘레를 고려하여 그 개수와 위치가 결정될 수 있다.

상기 제1트랙(111) 및 제2트랙(112)에는 같은 소재의 원료물질이 공급되거나 서로 다른 소재의 원료물질이 공급될 수 있다. 이 경우 상기 자동피딩장치(210)는 복수이고 상기 제1트랙(111) 및 상기 제2트랙(112)에 각각 상기 원료물질을 공급한다. 즉, 상기 피딩노즐(214)은 각각 상기 제1트랙(111) 및 제2트랙(112)에 같은 소재이거나 다른 소재의 원료물질을 공급한다.

상기와 같이 이중구조를 갖는 본 발명의 도가니(110)는 같은 소재의 원료물질이 공급된 경우 제1트랙(111)과 제2트랙(112)의 위치와 온도의 차이로 인하여 증발 양이나 속도를 효과적으로 조절할 수 있다. 또한, 서로 다른 소재의 원료물질이 공급된 경우 상기 서로 다른 원료물질을 기상에서 합성할 수 있으므로 복합나노분말의 제조가 더욱 용이한 장점이 있다.

본 발명의 일 실시예에서 상기 도가니(110)의 높이를 조절하는 도가니높이조절수단(140), 또는 상기 도가니(110)를 회전시키는 도가니회전수단(150)이 구비될 수 있다.

도 4를 참조하여 설명하면, 상기 도가니(110)에는 상기 반응챔버(100)를 관통하면서 도가니(110)에 연결되며 수직으로 연장 형성된 도가니중심축(130)이 구비되는데, 상기 도가니회전수단(150)은 상기 도가니중심축(130)의 둘레를 따라 구비된 제1기어(151) 및 상기 제1기어(151)와 맞물리면서 상기 도가니중심축(130)을 회전시키는 제2기어(152)를 더 포함할 수 있다. 이 경우 상기 제2기어(152)는 모터와 연결되며 상기 모터의 작동에 따라 회전될 수 있다. 구체적으로, 상기 도가니중심축(130)은 상기 지지프레임의 내측에 위치되며, 상기 도가니중심축(130)의 하부에 상기 제1기어(151)가 고정 결합되고, 상기 제2기어(152)는 상기 제1기어(151)와 맞물린 상태로 상기 모터에 연결될 수 있다. 상기 모터의 작동에 따라 상기 제2기어(152)는 수직선을 중심으로 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하며, 상기 제1기어(151)는 상기 제2기어(152)의 회전에 의해 상기 도가니(110)를 시계방향 또는 반시계방향으로 회전시킨다. 상기 모터는 유압에 의해 구동되는 유압모터일 수 있고, 상기 제1기어(151)와 제2기어(152)는 스퍼기어, 웜기어 또는 베벨기어 등의 구조를 가질 수 있다.

상기와 같은 구조를 갖는 본 발명에서는 상기 도가니중심축(130)과 연결된 도가니(110)를 회전시켜 상기 도가니(110)에 수용된 원료물질의 온도를 조절 가능하며, 이에 따라 상기 원료물질의 증발 속도나 증발 양을 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 도가니(110)에 수용된 원료물질은 위치에 따라 온도나 증발량이 다를 수 있는데, 본 발명에서는 상기 도가니(110)를 회전시킴에 따라 고른 원료물질의 증발이 가능케 하고 도가니(110)의 내부에 수용된 원료물질과 플라즈마 전극(160)의 상대적 위치를 멀거나 가깝게 조절하여 증발 속도나 증발 양을 조절한다.

또한, 본 발명에서 상기 도가니높이조절수단(140)은 상기 지지프레임에 결합되고 상기 반응챔버(100)를 관통하면서 상기 도가니(110)에 연결되며 볼스크류(Ball screw)의 구동에 따라 상기 도가니(110)의 높이를 조절한다. 예를 들어, 상기 도가니높이조절수단(140)은 본 발명의 도면에 도시되진 않았으나 수직방향으로 연장 형성되며 나선상으로 감긴 제1스크류축(143)(미도시), 상기 제1스크류축(143)을 회전시키는 제1스크류모터(144)(미도시), 상기 제1스크류축(143)에 체결되며 상기 제1스크류축(143)의 회전에 따라 상하 왕복운동하는 제1볼너트(145)(미도시)를 포함하며, 상기 제1볼너트(145)는 상기 도가니중심축(130)과 고정되어 상기 제1볼너트(145)의 상하 왕복운동에 의해 상기 도가니중심축(130) 및 도가니(110)가 상하 왕복운동하는 구조를 가질 수 있다. 이 경우 상기 제1볼너트(145)의 양측은 별도로 상기 지지프레임에 연결되어 왕복운동에 따른 수평방향 이탈이 방지될 수 있다. 상기 제1볼너트(145)의 형상을 다양할 수 있으며, 상기 제1스크류축(143)은 복수일 수 있다.

상기 도가니높이조절수단(140)이 구비된 본 발명은 도가니(110)의 높낮이의 조절이 용이하여 아크의 길이나 플라즈마 온도에 따른 원료물질의 증발량을 쉽게 조절할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 전극(160)을 나타낸 상세도이다.

도 3 및 도 8을 참고하면, 본 발명의 플라즈마 전극(160)은 상기 도가니(110)에서 일정 거리 이격 구비되며 열음극을 형성한다. 상기 플라즈마 전극(160)의 단부에는 텅스텐으로 구성된 팁(161)이 체결될 수 있으며, 하부에는 냉각수가 별도로 유입 및 배출될 수 있다. 또한, 상기 플라즈마 전극(160)은 수직방향으로 연장 형성된 전극중심축(162)과 상기 전극중심축(162)의 일측에 전원과 연결되는 연결단자(163)가 구비될 수 있다. 이 경우 상기 냉각수는 상기 전극중심축(162)의 내부로 유입될 수 있다.

본 발명에서 상기 플라즈마 전극(160)의 높이를 조절하는 전극높이조절수단(170)이 더 포함될 수 있다. 구체적으로 상기 전극높이조절수단(170)은 상기 지지프레임에 결합되고 상기 플라즈마 전극(160)에 연결되며 볼스크류(Ball screw)의 구동에 따라 상기 플라즈마 전극(160)의 높이를 조절할 수 있다. 상기 전극중심축(162)이 상기 반응챔버(100)의 내부를 관통하면서 상기 플라즈마 전극(160)과 연결되는 경우 상기 전극높이조절수단(170)은 상기 전극중심축(162)의 높이를 조절하여 상기 플라즈마 전극(160)의 높이를 조절할 수 있다.

예를 들어, 상기 전극높이조절수단(170)은 상기 지지프레임에 결합되고 수직방향으로 연장 형성되며 제2스크류모터(172)의 작동에 따라 회전하는 제2스크류축(171), 상기 제2스크류축(171)에 체결되며 상기 제2스크류축(171)의 회전에 따라 상하 왕복운동하는 제2볼너트(173)를 포함하고, 상기 제2볼너트(173)와 상기 전극중심축(162)이 서로 연결되어 상기 제2볼너트(173)의 상하 왕복운동에 따라 상기 전극중심축(162)과 연결된 플라즈마 전극(160)이 상하 운동될 수 있다. 상기 제2스크류축(171), 제2스크류모터(172), 제2볼너트(173)의 구조는 상술한 제1스크류축(143), 제1스크류모터(172), 제2볼너트(145)의 구조와 동일할 수 있다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에서는 플라즈마 전극(160)의 높이가 제어되어 상기 플라즈마 전극(160)에서 발생되는 아크의 길이 또는 원료물질의 증발량이나 증발속도를 조절할 수 있다.

상기 도가니(110)의 회전, 도가니(110)의 높이조절 또는 플라즈마 전극(160)의 높이조절은 본 발명의 목적 범위 내에서 다양한 구성 또는 구조를 갖도록 변경될 수 있다.

상기 플라즈마 전극(160)은 복수일 수 있으며, 상기 복수의 플라즈마 전극(160)은 도가니의 형상에 따라 일정 간격 이격 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 도가니가 상술한 이중구조를 갖는 경우 상기 플라즈마 전극(160)은 제1트랙(111)에 2개, 제2트랙(112)에 4개가 배치되는데, 다수의 플라즈마 전극(160)을 동시에 적용함으로 나노분말 생산을 극대화할 수 있다.

본 발명의 이송필름(180)은 상기 플라즈마 전극(160)과 도가니(110)를 통해 기화된 원료물질을 포집 및 이송시키는데, 상기 이송필름(180)은 상기 도가니(110)와 일정 거리 이격되도록 구비되며 상기 이송필름(180)의 일부 또는 전부는 상기 반응챔버(100)의 상부에 구비된다.

상기 이송필름(180)은 금속으로 형성되고, 전기적 또는 자기적 성질에 의해 상기 기화된 원료물질을 상기 이송필름(180)의 표면에 포집시킬 수 있다.

상기 이송필름(180)은 폐 루프를 따라 이동하는데, 상기 이송필름(180)의 양 측에는 각각 수평방향으로 연장 형성되며 이송필름(180)을 지지하는 이송축(181)이 구비되고 상기 한 쌍의 이송축(181)의 내부로는 각각 냉각수가 유입될 수 있다. 상기 이송필름(180)은 상기 반응챔버(100)에서 상기 수거부(300)의 방향으로 연장되며 상기 반응챔버(100)에서 포집된 원료물질을 상기 수거부(300)로 이송시킨다. 즉, 상기 이송필름(180)은 상기 폐 루프를 따라 무한궤도 상에서 이동하면서 상기 반응챔버(100)의 내부에서 상기 수거부(300)의 내부를 이동한다. 또한, 상기 이송축(181)은 냉각수의 유입 또는 배출이 용이하도록 상기 반응챔버(100) 또는 수거부(300)를 수평방향으로 관통하도록 구비될 수 있다.

상기 반응챔버(100) 또는 수거부(300)의 외측에는 상기 이송필름(180) 또는 이송축(181)을 회전시키는 모터가 구비될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 상기 이송필름(180)에 연결되며 상기 이송필름(180)을 설정된 온도로 냉각시키는 냉각판(182)을 더 포함할 수 있다.

상기 냉각판(182)은 상기 이송필름(180)을 설정된 온도로 냉각시키는데 상기 이송필름(180)의 내측 면에 접촉될 수 있다. 이 경우 상기 이송필름(180)의 외측면에는 상기 기화된 원료물질이 포집되고, 상기 냉각판(182)을 통해 설정된 온도로 냉각되어 상기 반응챔버(100)에서 상기 수거부(300)의 방향으로 이동되면서 응축되어 나노분말로 결정화될 수 있다. 상기 냉각판(182)을 통한 이송필름(180)의 냉각은 냉각수를 이용하거나 설정된 온도의 불활성기체를 이용한 것일 수 있다.

상기 이송필름(180)의 일측에는 상기 이송필름(180)에 접촉되어 상기 이송필름(180)에 의해 이송되는 나노분말을 긁어내는 스크래퍼(183)가 구비될 수 있다. 상기 스크래퍼(183)는 상기 이송필름(180)의 폭 방향으로 연장 형성되며 상기 수거부(300)에 위치된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 스크래퍼(183)는 상기 이송필름(180)의 하부 표면과 접촉되며 상기 스크래퍼(183)에 의해 상기 나노분말은 상기 이송필름(180)에서 이탈하여 수거부(300)를 통해 수거된다.

본 발명의 수거부(300)는 상기 이송필름(180)으로부터 이탈된 나노분말을 포집하는 제1포집부(310)와, 상기 제1포집부(310)와 연결되며 제1포집부(310)를 통해 포집된 나노분말을 포집 및 이송시키는 제2포집부(320) 및 상기 제2포집부(320)를 통해 이동된 나노분말이 회수되는 분말회수부(330)로 구성될 수 있다.

구체적으로, 상기 제1포집부(310)에는 진공펌프(P) 등과 연결된 진공포트(102)가 구비되고, 내부가 진공인 환경에서 상기 나노분말을 하부 방향으로 이동시킨다. 상기 제1포집부(310)에는 로드락(Load lock)밸브나 게이트밸브가 구비될 수 있으며 진공 상태를 유지하면서 상기 나노분말을 포집 및 이동시키기 위한 다양한 구성이 추가로 구비될 수 있다. 상기 제2포집부(320)에는 진공펌프(P) 등과 연결된 진공포트(102)가 구비되고, 상기 제1포집부(310)와 동일한 구성을 가질 수 있다. 상기 제1포집부(310)와 제2포집부(320)를 통과한 나노분말은 분말회수부(330)에서 최종적으로 회수된다. 상기 제1포집부(310)와 제2포집부(320)는 각각 독립적으로 진공 환경이 조성되는 것이 바람직하며, 내부 압력은 서로 다를 수 있다.

또한, 상기 수거부(300)의 상부에는 투명 소재로 형성된 뷰포트(301)가 구비되고 상기 뷰포트(301)를 통해 상기 수거부(300)의 내부 상황을 시각적으로 확인할 수 있다.

상기 분말회수부(330)는 포장용기(340)가 연결될 수 있으며, 로드락 밸브가 구비되어 진공상태에서 정해진 양만큼 포장용기(340)의 내부로 나노분말을 이동시킨다. 또한, 상기 분말회수부(330)에는 스크류컨베어가 구비될 수 있으며, 상기 스크류컨베어는 나산상으로 감긴 스크류의 회전에 따라 진공상태를 유지하면서 나노분말을 정해진 위치로 이동시키는 역할을 수행한다.

위와 같은 구성을 갖는 본 발명은 이송식 열플라즈마를 이용하여 나노분말을 생산하는데 있어서 자동피딩장치(210)와 이송필름(180)의 구성으로 나노분말의 대량 생산이 용이하고 원료물질의 증발량과 증발속도를 유동적으로 조절할 수 있으며, 진공상태에서 보다 균질의 나노분말을 회수할 수 있다.

본 발명에서 상기 원료공급부(200), 반응챔버(100), 수거부(300)는 모두 진공포트(102)가 구비되어 진공펌프(P)와 연결됨으로써 진공 환경에서 원료물질의 공급, 나노분말의 생성 및 수거를 진행할 수 있다. 상기한 진공환경을 유지하는 본 발명은 진공상태에서 나노분말을 생성, 포집, 포장하는 구조로 대기노출에 따른 표면 산화를 방지하여 나노분말의 산소함유량을 최소화할 수 있다. 또한, 상기 자동피딩장치(210), 이송필름(180), 제1포집부(310) 및 제2포집부(320) 등의 구성으로부터 원료물질의 공급, 나노분말을 생성, 포집, 포장이 연속적으로 이루어져 대량생산이 더욱 용이하다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 4개의 나노분말 연속제조장치의 모듈화를 나타낸 예시도이다.

도 9에 도시된 바와 같이 상기 나노분말 연속제조장치는 4개를 병렬로 연결하여 하나의 모듈로 운영할 수 있다. 이 경우 상기 진공펌프(P), 자동피딩장치(210), 냉각수 등을 통합 운영함으로써 나노분말의 효율적인 생산을 도모할 수 있다.

위와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따르면 연속적으로 원료물질을 반응챔버로 공급하고, 반응챔버에서 생성된 나노분말을 연속적으로 회수할 수 있으며, 원료물질의 공급, 나노분말의 생산 및 수거를 자동화시키기 용이하다. 또한, 진공 환경에서 진행됨에 따라 양질의 나노분말을 생산, 포집 및 수거할 수 있다.

100 : 반응챔버
101 : 소재공급포트 102 : 진공포트
110 : 도가니 111 : 제1트랙
112 : 제2트랙 113 : 차단턱
120 : 도가니전극 130 : 도가니중심축
140 : 도가니높이조절수단
143 : 제1스크류축 144 : 제1스크류모터
145 : 제1볼너트
150 : 도가니회전수단 151 : 제1기어
152 : 제2기어
160 : 플라즈마 전극 161 : 팁
162 : 전극중심축 163 : 연결단자
170 : 전극높이조절수단 171 : 제2스크류축
172 : 제2스크류모터 173 : 제2볼너트
180 : 이송필름 181 : 이송축
182 : 냉각판 183 : 스크래퍼
200 : 원료공급부 210 : 자동피딩장치
211 : 피딩하우징 212 : 피딩스크류
213 : 개폐구 214 : 피딩노즐
215 : 피딩모터 216 : 피딩히터
300 : 수거부
301 : 뷰포트
310 : 제1포집부 320 : 제2포집부
330 : 분말회수부 340 : 포장용기
400 : 지지프레임
P : 진공펌프

Claims

플라즈마 전극 및 도가니를 이용하여 원료물질을 기화시키는 반응챔버;
상기 반응챔버의 일측에 연결되며 상기 원료물질을 상기 반응챔버로 공급시키는 원료공급부;
상기 반응챔버의 내측 상부에서 상기 기화된 원료물질 또는 결정화된 나노분말을 포집 및 이송시키며 폐 루프를 따라 이동하는 이송필름;
상기 반응챔버의 타측에 연결되며 상기 이송필름을 통해 이송된 나노분말을 회수하는 수거부;를 포함하고,
상기 이송필름의 양측에 각각 수평방향으로 연장 형성되어 상기 이송필름을 지지하는 한 쌍의 이송축을 더 포함하며,
상기 이송축의 내부에는 냉각수가 각각 유입되고,
상기 이송필름에 연결되며 상기 이송필름을 설정된 온도로 냉각시키는 냉각판을 더 포함하며,
상기 냉각판은 상기 이송필름의 내측 면에 접촉되어 냉각수나 불활성기체를 이용하여 상기 이송필름을 설정된 온도로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 이송식 열플라즈마를 이용한 나노분말 연속제조장치.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 이송필름의 일측에 접촉되어 상기 이송필름에 의해 이송되는 나노분말을 긁어내는 스크래퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이송식 열플라즈마를 이용한 나노분말 연속제조장치.
제 1항에 있어서,
상기 원료공급부는 상기 원료물질을 상기 반응챔버 내부로 공급하는 자동피딩장치를 더 포함하고,
상기 자동피딩장치는,
피딩하우징;
상기 피딩하우징 내부에 나선상으로 구비된 피딩스크류;
상기 피딩하우징 외측에 연결되어 상기 피딩하우징 내부에 수용되는 원료물질을 설정된 온도로 가열하는 피딩히터;
상기 피딩스크류를 구동시키는 피딩모터; 및
상기 피딩하우징에 연결되며 상기 원료물질을 상기 반응챔버 내부로 공급하는 피딩노즐;을 포함하고,
상기 피딩하우징의 내부가 진공상태에서 상기 피딩스크류의 회전에 의해 압출방식으로 상기 원료물질을 이동시키는 것을 특징으로 하는 이송식 열플라즈마를 이용한 나노분말 연속제조장치.
제 4항에 있어서,
상기 반응챔버를 지지하여 설정된 높이에 위치시키는 지지프레임; 및
상기 지지프레임에 결합되고 상기 플라즈마 전극에 연결되며 볼스크류의 구동에 따라 상기 플라즈마 전극의 높이를 조절하는 전극높이조절수단;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이송식 열플라즈마를 이용한 나노분말 연속제조장치.
제 4항에 있어서,
상기 반응챔버를 지지하여 설정된 높이에 위치시키는 지지프레임; 및
상기 지지프레임에 결합되고 상기 도가니에 연결되며 볼스크류의 구동에 따라 상기 도가니의 높이를 조절하는 도가니높이조절수단;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이송식 열플라즈마를 이용한 나노분말 연속제조장치.
제 4항에 있어서,
상기 반응챔버를 지지하여 설정된 높이에 위치시키는 지지프레임;
상기 지지프레임에 결합되고 상기 도가니에 연결되며 수직으로 연장 형성된 도가니중심축;
상기 도가니중심축의 둘레를 따라 구비된 제1기어; 및
상기 제1기어와 맞물리면서 상기 도가니중심축을 회전시키는 제2기어;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이송식 열플라즈마를 이용한 나노분말 연속제조장치.
제 4항에 있어서,
상기 도가니는,
아랫방향으로 침강된 형상의 제1트랙;
상기 제1트랙의 외측 둘레보다 큰 내측 둘레를 가지며 아랫방향으로 침강된 형상의 제2트랙; 및
상기 제1트랙과 상기 제2트랙의 사이에 구비되며 상기 제1트랙과 제2트랙을 차단시키는 차단턱;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이송식 열플라즈마를 이용한 나노분말 연속제조장치.
제 8항에 있어서,
상기 자동피딩장치는 복수이고 상기 제1트랙 및 상기 제2트랙에 각각 상기 원료물질을 공급하는 것을 특징으로 하는 이송식 열플라즈마를 이용한 나노분말 연속제조장치.
제 8항에 있어서,
상기 자동피딩장치는 복수이고 상기 제1트랙 및 상기 제2트랙에 각각 서로 다른 원료물질을 공급하는 것을 특징으로 하는 이송식 열플라즈마를 이용한 나노분말 연속제조장치.