KR102199451B1 - 마이크로웨이브를 이용한 나노분말 제조장치 - Google Patents

마이크로웨이브를 이용한 나노분말 제조장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고상 혹은 액상의 전구체를 기화하고 기화된 전구체를 플라즈마 반응하여 나노분말을 석출시키는 과정을 단일의 반응기 내에서 구현하는 마이크로웨이브를 이용한 나노분말 제조장치에 관한 것으로서, 본 발명의 일 형태에 따르면, 마이크로웨이브를 발생시키는 발진기, 상기 발진기에서 발생된 마이크로웨이브를 전달하는 도파관, 상기 도파관에 결합되어 마이크로웨이브를 전달받으며, 상기 마이크로웨이브와 공급받는 플라즈마 가스를 통해 금속화합물전구체를 가열하여 기화시키는 기화영역과 기화된 금속화합물전구체에서 금속분말을 석출하기 위한 플라즈마 반응영역이 형성되는 반응기를 포함하는 마이크로웨이브를 이용한 나노분말 제조장치가 개시된다.

Description

마이크로웨이브를 이용한 나노분말 제조장치{Deposition Device for Nano Powder Using Microwave}
본 발명은 마이크로웨이브를 이용한 나노분말 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고상 혹은 액상의 전구체를 기화하고 기화된 전구체를 플라즈마 반응하여 나노분말을 석출시키는 과정을 단일의 반응기 내에서 구현하는 마이크로웨이브를 이용한 나노분말 제조장치에 관한 것이다.
NiCl2, LiCl 등 메탈할라이드 화합물과 같은 금속화합물을 전구체로 활용하여 플라즈마를 이용한 나노분말을 제조하는 방법이 지속적으로 연구개발 되어왔다.
이러한 플라즈마를 이용한 나노분말 제조방법은 아크 플라즈마, RF 플라즈마, 마이크로웨이브 플라즈마 등을 이용하는 방법으로, 예를 들어 SiCl4, TiCl4, LiCl, NiCl2 등 메탈할라이드 화합물을 전구체로 하여 수소 플라즈마에 의해 HCl을 생성하고 그 결과로 Si, Ti, Li, Ni 등을 제조하는 방법이다. 이 중, 소모성 전극이 없어 생산에 유리하고 에너지 전달효율이 높은 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 방법들이 최근 들어 많은 연구자들에 의해 개발되고 있다.
그러나 플라즈마에 의한 방법은 투입된 전구체가 플라즈마와 반응하는 반응율이 높지 않아 이를 극복하기 위한 방법들에 대한 연구가 필요한 실정이다.
특히, 대부분의 할라이드 화합물은 1,300℃ ~ 1,400℃ 이상의 끓는점을 가지고 있어 고체상 혹은 액체상으로 투입될 수 밖에 없고, 이렇게 고체 혹은 액체상으로 투입될 경우 플라즈마와 반응하는 수율은 더욱 낮을 수 밖에 없는 실정이다.
따라서, 수율을 높이기 위하여 이러한 전구체들을 가열하여 기화할 필요가 있는데, 전기로나 유도가열 등 별도의 수단을 이용하여 전구체를 기화하는 방법은 1,000℃이상의 고온으로 온도를 올리거나 고온을 유지하기 위해서는 부피가 커질 수 밖에 없고 구조가 복잡해지며, 에너지 효율이 극히 불량해질 수 밖에 없는 단점을 가지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 간단한 구조로서 금속화합물전구체를 플라즈마 반응 전에 기화시킬 수 있는 마이크로웨이브를 이용한 나노분말 제조장치를 제공하는 것이 과제이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 형태에 따르면, 마이크로웨이브를 발생시키는 발진기, 상기 발진기에서 발생된 마이크로웨이브를 전달하는 도파관, 상기 도파관에 결합되어 마이크로웨이브를 전달받으며, 상기 마이크로웨이브와 공급받는 플라즈마 가스를 통해 금속화합물전구체를 가열하여 기화시키는 기화영역과 기화된 금속화합물전구체에서 금속분말을 석출하기 위한 플라즈마 반응영역이 형성되는 반응기를 포함하는 마이크로웨이브를 이용한 나노분말 제조장치가 개시된다.
상기 반응기는, 마이크로웨이브가 유입되는 도파관에 결합되며, 내부에 플라즈마가 형성되는 공간이 형성되고, 플라즈마 가스가 유입되는 컨덕터, 상기 도파관으로부터 상기 컨덕터로 유입되는 마이크로웨이브를 투과시키는 쿼츠, 상기 컨덕터 내부에 구비되며, 금속화합물전구체가 수용되고, 상기 컨덕터로 전달되는 마이크로웨이브에 의해 가열되어 상기 금속화합물전구체가 가열되는 기화영역을 형성하고, 기화된 금속화합물전구체가 배출되도록 일측이 개구되도록 형성된 서셉터를 포함하며, 상기 서셉터에서 배출된 금속화합물전구체가 상기 컨덕터내부에서 플라즈마 반응되는 플라즈마 반응영역이 형성될 수 있다.
상기 서셉터는, 상기 컨덕터가 상기 도파관과 연통되도록 개구된 부분에 대응하는 높이에 위치되며, 상기 서셉터의 개구된 부분은 상기 도파관과 연통되도록 개구된 부분의 높이방향 중간에 위치될 수 있다.
또는, 상기 반응기는, 마이크로웨이브가 유입되는 도파관에 결합되며, 내부에 플라즈마가 형성되는 공간이 형성되고, 플라즈마 가스가 유입되는 컨덕터, 상기 도파관으로부터 상기 컨덕터로 유입되는 마이크로웨이브를 투과시키도록 상기 컨덕터가 상기 도파관과 연통되도록 개구된 부분에 구비되는 쿼츠, 상기 아우터 컨덕터의 내부에 상기 아우터 컨덕터와 동축으로 배치되고, 내부에 금속화합물전구체가 투입되는 공간이 형성되며, 조사되는 마이크로웨이브에 의해 가열되어 기화영역을 형성하는 서셉터를 포함하며, 상기 서셉터에서 배출된 금속화합물전구체가 상기 컨덕터내부에서 플라즈마 반응되는 플라즈마 반응영역이 형성될 수 있다.
상기 서셉터의 끝단은 상기 컨덕터의 내부에 위치될 수 있다.
마이크로웨이브 전송을 위한 도미넌트 모드의 폭과 높이가 각각 a,b이고, 상기 도파관의 폭과 높이가 na, b인 경우(이 때, 상기 n은 2이상의 정수이다), 상기 반응기는, 마이크로웨이브가 유입되는 도파관에 결합되고, 내부에 플라즈마가 형성되는 공간이 형성되며, 플라즈마 가스가 유입되고, 상기도파관의 폭방향과 평행한 길이방향 중심축을 가지도록 결합되는 컨덕터, 상기 도파관으로부터 상기 컨덕터로 유입되는 마이크로웨이브를 투과시키는 쿼츠, 상기 컨덕터 내부에 구비되며, 상기 컨덕터 내 전기장의 제1피크 지점에 구비되며 마이크로 웨이브에 의해 가열되어 상기 금속화합물전구체를 기화시키는 기화영역을 형성하는 서셉터를 포함하여, 투입된 금속화합물이 상기 서셉터에서 기화된 후, 상기 컨덕터 내 전기장의 제2피크 지점에서 플라즈마 반응에 의해 처리되는 플라즈마 반응영역이 형성될 수 있다.
상기 서셉터는, 마이크로웨이브의 조사에 의해 발열되는 파우더가 충진된 용기로 형성될 수 있다.
상기 파우더는 흑연 또는 SiC 또는 흑연과 SiC의 혼합물을 포함하는 재질로 형성될 수 있다.
상기 서셉터는, 마이크로웨이브의 조사에 의해 발열되는 막대형상의 로드가 복수개 이격 배치되어 형성될 수 있다.
상기 로드는 흑연 또는 SiC 또는 흑연과 SiC의 혼합물을 포함하는 재질로 형성될 수 있다.
상기 서셉터는, 흑연 또는 SiC 또는 흑연과 SiC의 혼합물을 포함하는 재질로 형성될 수 있다.
상기 도파관은, 상기 발진기에서 발생된 마이크로웨이브가 전달되는 주도파관, 상기 주도파관으로터 분기된 분기도파관을 포함하고, 상기 주도파관과 분기도파관은 각각 상기 반응기와 결합되어 마이크로웨이브를 상기 반응기의 이격된 위치로 전달하며, 그 중 하나는 기화영역에 전달되고, 나머지 하나는 플라즈마 반응영역에 전달될 수 있다.
본 발명의 다른 형태에 따르면, 마이크로웨이브를 발생시키는 제1발진기, 상기 제1발진기에서 발생된 마이크로웨이브를 전달하는 제1도파관, 마이크로웨이브를 발생시키는 제2발진기, 상기 제2발진기에서 발생된 마이크로웨이브를 전달하는 제2도파관, 플라즈마 가스 및 금속화합물전구체가 공급되도록 구비되며, 상기 제1도파관 및 제2도파관과 각각 상호 이격된 위체에서 결합되며, 상기 제1도파관으로부터 전달받은 마이크로웨이브를 통해 금속화합물전구체를 가열하여 기화시키는 기화영역이 형성되고, 상기 제2도파관으로부터 전달받은 마이크로웨이브를 통해 기화된 금속화합물전구체를 플라즈마 반응 시키는 플라즈마 반응영역이 형성되는 반응기를 포함하는 마이크로웨이브를 이용한 나노분말 제조장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 마이크로웨이브를 이용한 나노분말 제조장치에 따르면, 별도의 가열기 같은 구조적 장치 없이 간단한 구조로 금속화합물전구체를 기화시킬 수 있어, 장치의 부피가 작아지고 단가가 저렴해지며 우수한 에너지 효율로서 플라즈마 반응율을 극대화 시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
아래에서 설명하는 본 출원의 바람직한 실시예의 상세한 설명뿐만 아니라 위에서 설명한 요약은 첨부된 도면과 관련해서 읽을 때에 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 도면에는 바람직한 실시예들이 도시되어 있다. 그러나, 본 출원은 도시된 정확한 배치와 수단에 한정되는 것이 아님을 이해해야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 나노분말 제조장치의 일 예를 도시한 도면;
도 2는 도 1의 반응기의 제1실시예를 도시한 단면도;
도 3은 플라즈마 반응에 의해 일어나는 변화를 도시한 화학식;
도 4는 도 1의 반응기의 제2실시예를 도시한 단면도;
도 5는 도 1의 반응기의 제3실시예를 도시한 분해 사시도;
도 6은 도 5의 반응기의 단면도;
도 7은 반응기의 제1실시예 내지 제3실시예의 서셉터의 일 예를 도시한 도면;
도 8은 반응기의 제1실시예 내지 제3실시예의 서셉터의 다른 예를 도시한 도면;
도 9는 본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 나노분말 제조장치의 다른 예를 도시한 도면;
도 10은 본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 나노분말 제조장치의 또다른 예를 도시한 도면 이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예에 따른 마이크로웨이브를 이용한 나노분말 제조장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 마이크로웨이브를 발진하는 마그네트론(20), 마그네트론에 전원을 공급하는 전원공급장치(10), 상기 마그네트론에서 발진된 로웨이브를 전달하는 도파관(60), 전달된 마이크로웨이브를 이용해 플라즈마를 발생시키는 반응기(100)를 포함할 수 있다. 상기 반응기(100)는 전달받은 마이크로웨이브로서 금속화합물전구체가 가열되어 기화되는 기화영역 및 기화된 금속화합물전구체를 플라즈마 반응시켜 금속분말을 석출하는 플라즈마 반응영역이 형성될 수 있다.
상기 반응기(100)는 여러가지 형태로 이루어질 수 있는데, 그 중 상기 반응기(100)의 제1실시예를 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 반응기(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 도파관(60)을 수직으로 관통하는 형태의 컨덕터(110) 및 퀴츠()와 서셉터(120)를 포함할 수 있다.
상기 컨덕터(110)는 상기 도파관(60)을 수직으로 관통하는 형태로 구비되며, 내부에 플라즈마 생성을 위한 공간이 형성될 수 있다.
그리고, 상기 도파관(60)의 마이크로웨이브가 상기 컨덕터(110) 내부로 유입되기 위하여 상기 도파관(60)과 만나는 부분은 개구()되며, 그 위치에 쿼츠(130)가 구비된다.
상기 쿼츠(130)는 마이크로웨이브는 투과시키면서 가스의 유입은 차단시키는 기능을 수행한다.
상기 서셉터(120)는 상기 컨덕터(110) 내부에 구비되며, 금속화합물전구체(50)가 수용되는 공간을 형성하고, 상기 컨덕터(110)로 전달되는 마이크로웨이브에 의해 가열되어 그 열로써 수용된 금속화합물전구체(50)가 가열되어 기화되도록 구비된다.
이러한 서셉터(120)는 일측이 개구되도록 형성되어 기화된 금속화합물전구체(50)가 서셉터(120)의 개구된 측으로 확산되도록 구비될 수 있다. 이때, 상기 서셉터(120)는 자연스러운 기체확산을 도모하도록 상측방향으로 개구될 수 있다.
즉, 상기 서셉터(120)는 상기 금속화합물전구체(50)가 가열되어 기화되는 기화영역(VA)을 형성하며, 상기 서셉터(120)에서 기화되어 배출된 금속화합물전구체가 상기 컨덕터(110)에서 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 반응에 의해 플라즈마 처리가 되며, 이 영역을 플라즈마 반응영역(PA)이라 칭하며, 상기 플라즈마 반응영역(PA)은 상기 컨덕터(110) 내부에 형성될 수 있다.
이 때, 상기 서셉터(120)는 상기 컨덕터(110)가 상기 도파관(60)과 연통되도록 개구된 개구부()와 마주보는 위치에 형성될 수 있다.
또한, 상기 서셉터(120)의 개구된 부분이 상기 컨덕터(110)가 상기 도파관(60)과 연통되도록 개구된 개구부()의 높이방향 중간에 위치될 수 있다.
따라서, 상기 컨덕터(110)가 상기 도파관(60)과 연통되도록 개구된 개구부()를 통해 컨덕터(110) 내부로 조사되는 마이크로웨이브 중 일부는 상기 서셉터(120)를 가열하고, 나머지 일부는 상기 서셉터(120)에서 기화되어 배출되는 금속화합물전구체를 플라즈마 처리할 수 있다.
이 때, 상기 컨덕터(110)에는 플라즈마 형성을 위한 플라즈마 가스가 유입될 수 있다. 상기 플라즈마 가스는 마이크로웨이브를 통해 플라즈마를 생성하거나 또는 생성된 플라즈마를 안정화 시키는 가스일 수 있으며, 일예로 아르곤이나 질소 등의 불활성 가스를 포함할 수 있다.
또한, 상기 컨덕터(110)에는 반응가스가 유입될 수 있다. 상기 반응가스는 상기 플라즈마 가스와 함께 상기 컨덕터에 유입될 수 있으며, 수소를 포함할 수 있다.
상기 금속화합물전구체(50)는 금속원소와 다른 원소의 화합물일 수 있다. 본 실시예에서는 금속원소와 염소의 화합물인 금속염화물, 예를 들어 TiCl4, NiCl2, LiCl, SiCl4, TaCl4 등일 수 있으며, 또는 금속원소와 불소의 화합물인 금속 불화물 일 수도 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 금속화합물전구체로서 TiCl4가 적용된 것을 예로 들어 설명하면, 상기 플라즈마 영역에서 TiCl4가 반응가스인 H2와 플라즈마 반응을 하게 되면, 수소(H2) 2개 분자가 4H가 되며 TiCl4도 해리되어 Ti와 4Cl로 되고, 각 H 들이 염소(Cl)과 반응하여 염화수소(4HCl)가 되며, Ti는 금속 파우더 형태로 석출될 수 있다.
이하, 도 4를 참고하여, 반응기의 제2실시예에 대해서 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 반응기(200)는, 컨덕터(210), 쿼츠(230) 및 서셉터(220)를 포함할 수 있다.
상기 컨덕터(210)와 쿼츠(230)는 전술한 제1실시예의 컨덕터(210)와 실질적으로 유사하므로, 자세하 설명은 생략하기로 한다.
상기 서셉터(220)는 상기 컨덕터(210)의 내부에 상기 컨덕터(210)와 동축으로 배치되며, 양 단이 개구되어 그 내부에 금속화합물전구체가 투입되며 가열되는 공간을 형성할 수 있다.
상기 컨덕터(210)의 내부에는 플라즈마 가스가 유입되며, 상기 서셉터(220)에는 금속화합물전구체와 캐리어 가스 및 플라즈마 가스가 유입될 수 있다.
또한, 반응가스가 플라즈마 가스와 함께 컨덕터(210) 내부에 유입되거나 또는 금속화합물전구체와 함께 서셉터(220) 내부에 유입될 수 있다. 물론, 상기 컨덕터(210)와 서셉터(220)에 같이 투입될 수 있다.
이 때, 상기 플라즈마 가스 및 금속화합물전구체, 반응가스는 모두 같은 흐름방향을 가질 수 있다. 본 실시예에서는 하측에서 상측으로 흐르는 흐름방향을 가지는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
한편, 상기 서셉터(220)의 끝단의 위치는 상기 컨덕터(210)의 내부에 상기 플라즈마 가스의 흐름방향으로 상기 쿼츠(230)보다 더 뒤쪽으로 이격된 위치에 형성될 수 있다.
또한, 상기 서셉터(220)는 상기 컨덕터(210) 내부로 유입된 마이크로웨이브를 상기 플라즈마 반응영역(PA) 측으로 전달하도록 구비될 수 도 있다. 이를 위하여 상기 서셉터(220)은 전도성 재질로 형성되며, 상기 컨덕터(210)와의 간격 등이 마이크로웨이브를 전달할 수 있도록 구비될 수 있다.
그리고, 상기 컨덕터(210)에 유입되는 플라즈마 가스는 상기 컨덕터(210) 내에서 스월을 형성할 수 있다.
이를 위하여, 상기 플라즈마 가스가 공급될 때 스월을 일으키는 방향으로 공급되거나 또는 컨덕터(210)의 내주면 또는 서셉터(220)의 외주면에 스월을 일으킬 수 있는 가이드(미도시)등의 별도 구조물이 형성될 수 있다.
따라서, 컨덕터(210) 내부로 조사되는 마이크로웨이브에 의해 상기 서셉터(220)가 가열되며, 그에 따라 상기 서셉터(220) 내부에 위치된 금속화합물전구체가 가열되어 기화되는 기화영역(VA)이 형성될 수 있다.
한편, 상기 마이크로웨이브 중 일부는 전술한 바와 같이 상기 서셉터(220)를 가열하며, 나머지는 상기 서셉터(220)의 외주면과 컨덕터(210)의 내주면 사이로 이동되어 상기 서셉터(220)의 끝단 측으로 이동된다.
상기 서셉터(220)에서 가열되어 기화된 금속화합물전구체는 상기 서셉터(220)의 끝단으로부터 상기 컨덕터(210) 내부로 배출되고, 이 때 상기 마이크로웨이브에 노출되어 플라즈마 처리가 이루어지는 플라즈마 반응영역(PA)이 형성될 수 있다.
이하, 도 5 및 도 6을 참고하여 상기 반응기(300)의 제3실시예에 대해서 설명하기로 한다.
마그네트론(20)으로부터 발진되는 마이크로웨이브의 전송을 위한 도미넌트 모드(dominant mode)는 도파관(60)의 폭에 의해 결정된다. 예를 들어, 상기 도파관(60)의 폭을 a라 할 경우, 예를 들어 2.45GHz 마이크로웨이브의 경우 WR340(a=86.36mm) 규격을 따를 경우 TE10모드가 도미넌트 모드가 될 수 있다.
본 실시예에서는 상기 도파관(60)의 폭이 TE10모드일 때의 두배(2a)일 때를 예로 들어 설명하기로 한다.
상기 도파관(60)의 폭이 TE10모드일 때의 두배(2a)가 되면 TE20모드가 되어 도 5에 도시된 바와 같이, 도파관(60) 내에서 서로 평행한 두 사인파형의 전기장 분포를 나타낼 수 있다. 이 때 상기 두 사인파형의 전기장 분포는 서로 대칭을 이룰 수 있다.
따라서, 상기 마이크로웨이브의 전기장은 상기 도파관(60)의 폭방향과 직교를 이루는 길이방향으로 같은 위치에서 상기 폭방향으로 이격되어 두 지점의 피크를 이룰 수 있으며, 이를 각각 제1피크 지점(P1)과 제2피크 지점(P2)이라 칭하기로 한다.
이 때, 상기 도파관(60)과 결합되는 반응기(300)는 컨덕터(310)와 쿼츠(330) 및 서셉터(320)를 포함할 수 있다.
상기 컨덕터(310)는 상기 마이크로웨이브가 유입되는 도파관(60)에 결합되고, 내부에 플라즈마가 형성되는 공간이 형성되며, 플라즈마 가스가 유입되도록 원형단면을 가지는 관의 형태로 형성될 수 있다. 이 때, 상기 컨덕터(310)는 상기 도파관(60)의 제1피크 지점(P1)과 제2피크 지점(P2)을 관통하도록 상기 도파관(60)의 폭방향과 평행한 길이방향 중심축을 가지며 결합될 수 있다.
그리고, 상기 컨덕터(310)의 도파관(60)과 결합된 부분은 마이크로웨이브의 유입을 위해 개구되며, 상기 개구된 부분에는 마이크로웨이브를 투과시키는 쿼츠(330)가 구비될 수 있다.
그리고, 상기 서셉터(320)는 상기 컨덕터(310) 내부에 구비되며 상기 컨덕터(310) 내 전기장의 제1피크 지점(P1)에 조사되는 마이크로웨이브에 의해 가열되어 그 열로서 상기 서셉터(320) 내부의 금속화합물전구체를 기화시키는 기화영역(VA)을 형성할 수 있다.
이 때, 플라즈마 가스 및 반응가스와 금속화합물전구체의 흐름방향은 상기 제1피크 지점(P1)에서 제2피크 지점(P2)으로 흐르는 방향일 수 있다.
그리고, 상기 서셉터(320)의 끝단은 상기 컨덕터(310) 내의 제1피크 지점(P1)과 제2피크 지점(P2) 사이에 위치될 수 있다. 따라서, 기화된 금속화합물전구체는 상기 서셉터(320)의 끝단을 통해 상기 커덕터로 유입되며, 컨덕터(310)로 유입된 금속화합물전구체가 상기 제2피크 지점(P2)에서 플라즈마 반응에 의해 처리되는 플라즈마 반응영역(PA)이 형성될 수 있다.
한편, 전술한 실시예들의 서셉터(120,220)에 대해서 설명하기로 한다.
상기 서셉터(120,220)는 마이크로웨이브를 흡수하여 발열 혹은 기화영역(VA)내의 금속화합물전구체에 열을 전달하고, 마이크로웨이브를 플라즈마 반응영역(PA)으로 전달할 수 있는 흑연 막대 혹은 흑연분말과 같은 재질로 이루어질 수 있다.
상기 서셉터(120)는 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 일측이 개방된 원통용기 형태로 이루어지며, 상기 용기의 내부에 흑연이나 SiC 또는 이들의 혼합물을 포함하는 재질로 형성되는 파우더(122)가 충진된 형태로 이루어질 수 있다. 또는 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 서셉터(220)가 양 측이 개방된 관의 형태로 이루어지며, 그 내부에 흑연이나 SiC 또는 이들의 혼합물을 포함하는 재질로 형성되는 파우더(222)가 충진된 형태로 이루어질 수 있다.
또는 상기 서셉터(120)는 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이, 일측이 개방된 원통 용기 형태로 이루어지며, 상기 용기의 내부에 흑연이나 SiC 또는 이들의 혼합물을 포함하는 재질로 형성되는 로드(124)가 일정간격 이격된 형태로 이루어질 수 있다. 또는 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 서셉터(220)가 양 측이 개방된 관의 형태로 이루어지며, 그 내부에 흑연이나 SiC 또는 이들의 혼합물을 포함하는 재질로 형성되는 로드(224)가 일정간격 이격된 형태로 이루어질 수도 있다.
또는 도면에 도시하지 않았지만, 서셉터(120, 220) 자체가 흑연 또는 SiC 또는 흑연과 SiC의 혼합물을 포함하는 재질로 형성될 수도 있을 것이다.
따라서, 조사되는 마이크로웨이브에 의해 상기 파우더(122,222)나 로드 (124, 224)또는 서셉터(120, 220) 자체가 발열하게 되어 그 열로서 금속화합물전구체를 가열하여 기화시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로웨이브를 이용한 나노분말 제조장치는 도 9에 도시된 바와 같이, 발진기(20)와 도파관(60) 및 반응기(400)를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 도파관(60)은 상기 발진기(20)에서 발생된 마이크로웨이브가 전달되는 주도파관(62) 및 상기 주도파관(62)으로터 분기된 분기도파관(64)을 포함할 수 있다.
상기 주도파관(62)과 분기도파관(64) 사이에는 마이크로웨이브를 분배하는 웨이브분배기(66)가 구비될 수 있다.
따라서, 상기 발진기(20)에서 발진된 마이크로웨이브는 상기 주도파관(62)으로 전달되다가 상기 웨이브분배기(66)에서 일부가 분기되어 분기도파관(60)으로 분기될 수 있다.
상기 분기도파관(64)은 도 9에 도시된 바와 같이 Y자 형태로 적어도 2갈래 이상 분기되어 각각 상기 반응기(400)와 결합되어 마이크로웨이브를 상기 반응기(400)의 이격된 위치로 전달하며, 그 중 하나는 기화영역(VA)에 전달되고, 나머지 하나는 플라즈마 반응영역(PA)에 전달될 수 있다.
그리고, 상기 반응기(400)는 전술한 제1실시예 내지 제3실시예의 반응기(400)와 유사하게 컨덕터(410) 내의 기화영역(VA)에 서셉터(420가 구비될 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로웨이브를 이용한 나노분말 제조장치는 도 10에 도시된 바와 같이, 제1발진기(22)와 제1도파관(68a), 제2발진기(24)와 제2도파관(68b) 및 반응기(500)를 포함할 수 있다.
상기 제1발진기(22)와 제2발진기(24)는 각각 독립적으로 마이크로웨이브를 발진하는 구성요소 일 수 있다.
그리고, 상기 제1도파관(68a)은 상기 제1발진기(22)에서 발생된 마이크로웨이브를 전달하며, 제2도파관(68b)은 상기 제2발진기(24)에서 발생된 마이크로웨이브를 전달할 수 있다.
그리고, 상기 반응기(500)는 플라즈마 가스 및 금속화합물전구체가 공급되도록 구비되며, 상기 제1도파관(68a) 및 제2도파관(68b)과 각각 상호 이격된 위치에서 결합되며, 상기 제1도파관(68a)으로부터 전달받은 마이크로웨이브를 통해 금속화합물전구체를 가열하여 기화시키는 기화영역(VA)이 형성되고, 상기 제2도파관(68b)으로부터 전달받은 마이크로웨이브를 통해 기화된 금속화합물전구체를 플라즈마 반응 시키는 플라즈마 반응영역(PA)이 형성되는 구성요소일 수 있다.
그리고, 상기 반응기(500)는 전술한 제1실시예 내지 제3실시예의 반응기(500)와 유사하게 컨덕터(510) 내의 기화영역에 서셉터(520)가 구비될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
20: 마그네트론 60: 도파관
100, 200, 300, 400, 500: 반응기
110, 210, 310, 410, 510: 컨덕터
120, 220, 320, 420, 520: 서셉터
130: 쿼츠
PA: 플라즈마 반응영역 VA: 기화영역

Claims (13)

  1. 마이크로웨이브를 발생시키는 발진기;
    상기 발진기에서 발생된 마이크로웨이브를 전달하는 도파관;
    상기 도파관에 결합되어 마이크로웨이브를 전달받으며, 상기 마이크로웨이브와 공급받는 플라즈마 가스를 통해 금속화합물전구체를 가열하여 기화시키는 기화영역과 기화된 금속화합물전구체에서 금속분말을 석출하기 위한 플라즈마 반응영역이 형성되는 반응기;를 포함하며,
    상기 반응기는,
    마이크로웨이브가 유입되는 도파관에 결합되며, 내부에 플라즈마가 형성되는 공간이 형성되고, 플라즈마 가스가 유입되는 컨덕터, 상기 컨덕터 내부에서 상기 도파관과 만나는 부분에 위치하며 상기 도파관으로부터 상기 컨덕터로 유입되는 마이크로웨이브를 내부로 투과시킴과 동시에 가스유입을 차단하는 쿼츠, 상기 컨덕터 내부에 구비되며, 금속화합물전구체가 수용되고, 상기 컨덕터로 전달되는 마이크로웨이브에 의해 가열되어 상기 금속화합물전구체가 가열되는 기화영역을 형성하고, 기화된 금속화합물전구체가 배출되도록 일측이 개구되도록 형성된 서셉터를 포함하고,
    상기 서셉터는 상하방향을 따라 상부가 개방 형성되며 상기 기화영역을 형성하고, 상기 기화영역의 상부에 상기 서셉터에서 배출된 금속화합물전구체가 상기 컨덕터내부에서 플라즈마 반응되는 플라즈마 반응영역이 형성되는 마이크로웨이브를 이용한 나노분말 제조장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 서셉터는,
    상기 컨덕터가 상기 도파관과 연통되도록 개구된 부분에 대응하는 높이에 위치되며, 상기 서셉터의 개구된 부분은 상기 도파관과 연통되도록 개구된 부분의 높이방향 중간에 위치되는 나노분말 제조장치.
  4. 마이크로웨이브를 발생시키는 발진기;
    상기 발진기에서 발생된 마이크로웨이브를 전달하는 도파관;
    상기 도파관에 결합되어 마이크로웨이브를 전달받으며, 상기 마이크로웨이브와 공급받는 플라즈마 가스를 통해 금속화합물전구체를 가열하여 기화시키는 기화영역과 기화된 금속화합물전구체에서 금속분말을 석출하기 위한 플라즈마 반응영역이 형성되는 반응기; 를 포함하며,
    상기 반응기는,
    마이크로웨이브가 유입되는 도파관에 결합되며, 내부에 플라즈마가 형성되는 공간이 형성되고, 플라즈마 가스가 유입되는 컨덕터, 상기 컨덕터 내부에서 상기 도파관과 만나는 부분에 위치하며 상기 도파관으로부터 상기 컨덕터로 유입되는 마이크로웨이브를 내부로 투과시킴과 동시에 가스유입을 차단하는 쿼츠 및 상기 아우터 컨덕터의 내부에 구비되어 내부에 금속화합물전구체가 투입되는 공간이 형성되며, 조사되는 마이크로웨이브에 의해 가열되어 기화영역을 형성하고, 상기 아우터 컨덕터와 동축으로 배치되어 상기 쿼츠를 통해 조사되는 마이크로웨이브를 플라즈마 반응영역측으로 전달하는 서셉터를 포함하고,
    상기 서셉터는 상하방향을 따라 상부가 개방 형성되며 상기 기화영역을 형성하고, 상기 기화영역의 상부에 상기 서셉터에서 배출된 금속화합물전구체가 상기 컨덕터내부에서 플라즈마 반응되는 플라즈마 반응영역이 형성되는 마이크로웨이브를 이용한 나노분말 제조장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 서셉터의 끝단은 상기 컨덕터의 내부에 위치되는 마이크로웨이브를 이용한 나노분말 제조장치.
  6. 마이크로웨이브를 발생시키는 발진기;
    상기 발진기에서 발생된 마이크로웨이브를 전달하는 도파관;
    상기 도파관에 결합되어 마이크로웨이브를 전달받으며, 상기 마이크로웨이브와 공급받는 플라즈마 가스를 통해 금속화합물전구체를 가열하여 기화시키는 기화영역과 기화된 금속화합물전구체에서 금속분말을 석출하기 위한 플라즈마 반응영역이 형성되는 반응기; 를 포함하며,
    마이크로웨이브 전송을 위한 도미넌트 모드가 TE10모드인 경우의 도파관의 폭과 높이가 각각 a,b일 때,
    상기 도파관의 폭과 높이가 na, b이고,(이 때, 상기 n은 2이상의 정수이다),
    상기 반응기는 마이크로웨이브가 유입되는 도파관에 결합되고, 내부에 플라즈마가 형성되는 공간이 형성되며, 플라즈마 가스가 유입되고, 상기 도파관의 폭 방향과 평행한 길이방향 중심축을 가지도록 결합되는 컨덕터, 상기 컨덕터 내부에서 상기 도파관과 만나는 부분에 위치하며 상기 도파관으로부터 상기 컨덕터로 유입되는 마이크로웨이브를 내부로 투과시킴과 동시에 가스유입을 차단하는 쿼츠 및 상기 컨덕터 내부에 구비되며, 상기 컨덕터 내 전기장의 제1피크 지점에 구비되며 마이크로 웨이브에 의해 가열되어 상기 금속화합물전구체를 기화시키는 기화영역을 형성하는 서셉터를 포함하며,
    상기 서셉터는 상하방향을 따라 상부가 개방 형성되며 상기 기화영역을 형성하고,
    투입된 금속화합물이 상기 서셉터에서 기화된 후, 상기 기화영역의 상부에 위치한 상기 컨덕터 내 전기장의 제2피크 지점에서 플라즈마 반응에 의해 처리되는 플라즈마 반응영역이 형성되는 마이크로웨이브를 이용한 나노분말 제조장치.
  7. 제1항, 제4항 또는 제6항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 서셉터는,
    마이크로웨이브의 조사에 의해 발열되는 파우더가 충진된 용기로 형성되는 마이크로웨이브를 이용한 나노분말 제조장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 파우더는 흑연 또는 SiC 또는 흑연과 SiC의 혼합물을 포함하는 재질로 형성되는 마이크로웨이브를 이용한 나노분말 제조장치.
  9. 제1항, 제4항 또는 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 서셉터는,
    마이크로웨이브의 조사에 의해 발열되는 막대형상의 로드가 복수개 이격 배치되어 형성되는 마이크로웨이브를 이용한 나노분말 제조장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 로드는 흑연 또는 SiC 또는 흑연과 SiC의 혼합물을 포함하는 재질로 형성되는 마이크로웨이브를 이용한 나노분말 제조장치.
  11. 제1항, 제4항 또는 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 서셉터는, 흑연 또는 SiC 또는 흑연과 SiC의 혼합물을 포함하는 재질로 형성되는 마이크로웨이브를 이용한 나노분말 제조장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 도파관은,
    상기 발진기에서 발생된 마이크로웨이브가 전달되는 주도파관;
    상기 주도파관으로터 분기된 분기도파관을 포함하고,
    상기 주도파관과 분기도파관은 각각 상기 반응기와 결합되어 마이크로웨이브를 상기 반응기의 이격된 위치로 전달하며, 그 중 하나는 기화영역에 전달되고, 나머지 하나는 플라즈마 반응영역에 전달되는 마이크로웨이브를 이용한 나노분말 제조장치.
  13. 삭제
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