KR102219134B1 - 직류 플라즈마 아크를 이용한 나노 분말의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

플라즈마 아크 방전을 이용하여 금속 또는 실리콘의 나노 분말을 연속적으로 대량 생산할 수 있는 직류 플라즈마 아크를 이용한 나노 분말의 제조 방법에 관한 것으로, 플라즈마를 형성하는 반응 가스로 충전되고, 외부 둘레의 표면에 냉각 부재가 형성된 플라즈마 반응기, 상기 플라즈마 반응기의 상부에 마련되고 나노 분말의 원료인 모재를 저장하는 호퍼, 상기 플라즈마 반응기의 내부에 마련된 도가니, 상기 도가니에 전기적으로 연결된 양극부, 상기 도가니 상에 마련되고 직류 방전에 의하여 열 플라즈마를 발생시키도록 마련된 음극의 토치, 상기 플라즈마 반응기의 하부에 마련되고 상기 나노 분말을 포집하는 포집통을 포함하고, 상기 양극부와 토치에 직류전원을 인가하는 것에 의해 상기 도가니에서 상기 열 플라즈마가 발생하여 상기 모재를 용융 및 기화시키고, 상기 플라즈마 반응기 내에서 상기 기화 상태의 증발 가스를 상기 냉각 부재로 냉각시켜 나노 분말이 생성되며, 상기 나노 분말은 자중으로 낙하 되어 상기 포집통에서 포집되는 구성을 마련하여, 금속 또는 실리콘의 나노 분말을 연속적이며 대량으로 생산할 수 있다.

Description

직류 플라즈마 아크를 이용한 나노 분말의 제조 방법{Manufacturing method of nanopowder using DC arc plasma and apparatus for manufacturing the same}

본 발명은 플라즈마 아크를 이용한 나노 분말 제조에서 미흡한 생산성을 극대화하도록 직류 플라즈마 아크를 이용한 나노 분말의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 플라즈마 아크 방전을 이용하여 금속 또는 실리콘의 나노 분말을 연속적으로 대량 생산할 수 있는 직류 플라즈마 아크를 이용한 나노 분말의 제조 방법에 관한 것이다.

고체 상태에 에너지를 가하면 액체로 되고 액체 상태에서 다시 에너지를 받으면 기체가 된다. 기체 상태에서 에너지를 더 가하면 기체는 이온화된 입자들로 만들어지게 되며, 이 이온화된 양이온과 전자 및 중성입자인 준 중성 기체들로 정의되는 입자를 플라즈마라고 한다. 즉 이러한 플라즈마는 고체, 액체, 기체와 함께 제4의 물질의 상태로 정의된다.

플라즈마는 기존의 상인 고체, 액체, 기체에 비해 고에너지를 가지고 있으며, 기체 분자나 원자가 고에너지를 가지고 있는 전자와 충돌에 의해 전자와 양이온 및 중성입자가 생성되고 공간 내에 하전입자의 수가 많아지면 전자와 양이온 사이에 흡인력도 커지며 전기적으로는 중성을 유지하려고 한다. 이러한 높은 에너지를 갖는 플라즈마를 이용하면 소재를 급속하게 증발시켜 기화를 유도하고 기화된 소재를 급냉 처리하여 나노 분말을 얻게 된다. 따라서, 공정이 매우 간단하고 유해물질이 없는 친환경적이다. 또한, 고순도 나노 분말을 제조할 수 있으며, 균일한 크기의 분말을 제조할 수 있다는 장점이 있다.

열 플라즈마(Thermal plasma)의 대표적인 발생 방법으로는 직류 또는 교류 아크(Arc) 방전을 발생하는 플라즈마와 고주파(Radio Frequency, RF) 자장에 의한 RF 플라즈마가 있다. RF 열 플라즈마는 대규모로 높은 순도의 나노 입자를 얻는데 가장 적합한 장치이다. RF 열 플라즈마 시스템은 외부환경, 특히 산소와의 접촉을 차단함으로써 생성물의 산화를 막을 수 있다. 또한, 전극이 없이 방전이 되기 때문에 높은 순도의 물질을 얻는 것이 가능하다.

상기 RF 플라즈마 장치는 플라즈마를 발생시키는 토치, 상기 토치 내부로 원료를 공급하는 원료 공급부, 반응 공간을 제공하는 반응 챔버 및 입자 포집부를 포함한다.

이와 같은 플라즈마 장치는 크게 이송식 플라즈마 장치와 비이송식 플라즈마 장치로 나누어져 있으며 비이송식 플라즈마 장치는 양극(애노드, anode)과 음극(캐소드, aathode)이 한곳에 있는 장치로 다소 높은 전력을 사용하여 나노 분말을 제조하며 다량의 분말을 제조할 수 있는 장점을 가지고 있지만 지속적인 가스 공급과 나노 크기의 분말을 제조하기 위해서는 마이크로 크기를 가진 재료를 공급해야 한다는 단점을 가지고 있다.

이에 비해 이송식 플라즈마 장치는 비이송식보다는 작은 전력으로 제조할 수 있고, 지속적인 가스 공급이 아닌 일정량의 가스만으로도 제조가 가능하며, 재료의 크기의 경우 어떠한 크기도 상관없는 벌크의 상태로도 제조할 수 있다. 또한, 비이송식 장치보다 전극의 수명이 길다는 장점이 있으나 이송식 플라즈마 장치보다 생산성이 미흡하다.

기존의 나노 분말의 제조는 대량 생산이 가능한 액체를 이용한 화학적 합성법이 많이 사용되고 있지만, 수질오염 문제를 피할 수가 없다. 또한, 기계적 제조법으로 볼밀을 이용하는 경우 나노급 생산이 어렵고, 불순물의 유입으로 순도를 유지할 수 없다는 문제가 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위한 기술의 일 예가 하기 문헌 1 내지 3 등에 개시되어 있다.

예를 들어, 하기 특허문헌 1에는 도 1에 도시된 바와 같이, 직류 전원(10)에 연결되며 음극으로 형성되고 노즐 가까이 위치하도록 형성되는 막대형 음극(11), 상기 노즐에 형성되며 양극으로 형성되고 상기 음극과 양극 사이에서 플라즈마를 형성하는 기체의 방전에 의해 생성된 플라즈마를 기능성 간극(15)에 뿜어 넣는 구멍으로 형성되며 양극 인입부 역할을 하는 노즐 양극(12), 양극으로 형성되고 기능성 기체 또는 기체혼합물 중 어느 하나가 도입되는 노즐형 양극 인입부를 통해 나온 플라즈마 형성기체와 반응하도록 원판형 관통부(30)로 형성된 기능성 간극(15), 상기 막대형 음극(11) 측으로부터 상기 노즐 양극(12)을 통과하는 플라즈마를 형성하는 기체를 공급하는 기체공급부, 기능성 간극(15)의 인출부인 양극 인출부(25), 원판형 관통부(30)와 연결된 기체 수집기 챔버(50)를 포함하는 직류 아크 플라즈마트론 장치에 대해 개시되어 있다.

또 하기 특허문헌 2에는 도 2에 도시된 바와 같이, 실리콘 분말 모재가 기화 및 냉각되어 나노 분말이 이루어지는 반응이 일어나는 반응기, 상기 반응기 내에 실리콘 분말 모재를 기화시키기 위한 열원을 공급하는 플라즈마 토치부, 원료인 실리콘 분말 모재를 고정시키는 홀더 및 크루시블, 반응 후 발생되는 폐 가스를 배출시키는 배기부, 토치부에 전원을 공급하는 DC 전원으로 구성된 이송식 플라즈마 장치에 대해 개시되어 있다.

한편, 하기 특허문헌 3에는 RF 열 플라즈마 장치에 RF 열 플라즈마 발생 가스를 공급하여 RF 열 플라즈마를 발생시키는 단계(단계 1), 상기 단계 1의 RF 열 플라즈마 발생 가스의 공급 방향에 대하여 반대방향으로 냉각 장치를 통해 냉각 가스를 주입하는 단계(단계 2) 및 상기 단계 1에서 발생된 RF 열 플라즈마에 실리콘 원료 분말을 공급하여 기화 및 냉각시키는 단계(단계 3)를 포함하고, 상기 단계 2의 냉각 가스의 유량은 65 내지 75 L/min 이고, 상기 단계 2의 냉각 장치의 노즐과 토치 출구와의 간격이 300㎜ 내지 400㎜인 것을 특징으로 하는 실리콘 나노 분말의 제조 방법에 대해 개시되어 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-0807806호(2008.02.20 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-1537216호(2015.07.10 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-1724359호(2017.04.03 등록)

상술한 바와 같은 기존의 플라즈마를 이용한 나노 분말의 제조는 비이송식 장치를 이용하였지만, 비이송식 장치는 마이크로 분말을 만들기 위한 전처리 공정이 필요하며, 지속적인 가스를 투입해야 한다는 단점을 가지고 있다.

또 플라즈마를 이용한 나노 분말의 제조를 위한 반응기 내에서 기상상태에서 입자생성은 과포화된 고체의 기상에서 균일한 핵 생성과 핵의 성장에 의해 이루어진다. 기상상태에서 균일 핵 생성을 하기 위해서는 높은 과포화도가 필요하다. 또한, 생성된 핵이 성장하여 입자가 되는 과정에서 입자 간 충돌과 융합에 의해 성장하게 되며, 입자는 구상이고 입자의 크기는 분위기 가스의 종류, 반응기 내부 압력및 석출되는 지점의 온도에 의해 좌우된다. 냉각으로 인한 핵 생성의 속도와 증발에 따른 과포화비에 따라 균일한 입자의 크기가 다르게 나타난다. 증발 초기에는 온도에 따라 증발하는 속도에 비해 냉각하는 속도가 빨라 과포화비는 급격하게 감소하게 된다. 반면 과포화비가 증가함에 따라 많은 핵 생성에 따라 입자들의 충돌 및 융합에 의해 입자의 크기는 커지게 된다. 따라서 균일한 핵 생성은 과포화비에 매우 민감하다. 또한, 금속증기의 기상에서 핵 생성에 따라 결정 핵이나 입자가 발생하게 되면 균일한 핵 생성보다 결정립상태에서의 석출 반응을 우선적으로 발생하게 되어 반응 초기에는 불균일한 핵생성이 나타날 수 있다는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 플라즈마 열에너지를 이용하여 분말 모재를 가스증발 및 응축하여 석출시켜서 금속 또는 실리콘의 나노 분말을 연속적으로 대량 생산할 수 있는 직류 플라즈마 아크를 이용한 나노 분말의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 공정이 간단하며 유해 물질이 없고, 고순도 및 균일한 입자 크기를 제조할 수 있는 직류 플라즈마 아크를 이용한 나노 분말의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 나노 분말의 제조 장치를 단순화하며, 이에 따라 나노 분말의 제조 비용을 절감할 수 있는 직류 플라즈마 아크를 이용한 나노 분말의 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 직류 플라즈마 아크를 이용한 나노 분말의 제조 방법은 플라즈마 반응기에서 직류 플라즈마 아크를 이용하여 나노 분말을 제조하는 방법으로서, (a) 나노 분말의 원료인 모재를 저장조 호퍼에 저장하는 단계, (b) 상기 단계 (a)에서 모재가 저장된 호퍼, 상기 모재를 도가니로 공급하는 정량공급장치 및 상기 플라즈마 반응기의 내부를 진공 상태로 유지하는 단계, (c) 상기 단계 (b)에서 진공 상태를 유지하면서 상기 정량공급장치로 상기 플라즈마 반응기 내부의 도가니에 상기 모재를 연속적으로 장입하는 단계, (d) 상기 도가니 또는 모재를 포함한 양극과 토치를 포함한 음극에 직류전원을 인가하여 직류 방전에 의해 상기 도가니 내에서 열 플라즈마를 발생시키는 단계, (e) 상기 열 플라즈마에 의해 상기 도가니에서 상기 모재를 용융 및 기화시키는 단계, (f) 상기 플라즈마 반응기 내에서 상기 기화 상태의 증발 가스를 냉각시켜 나노 분말을 생성하는 단계 및 (g) 상기 단계 (f)에서 냉각된 나노 분말을 자중으로 낙하시켜 포집통에서 상기 나노 분말을 포집하는 단계를 포함하고, 상기 정량공급장치는 투입 가이드 관과 결합되며, 내부에 스크루가 마련되고, 상기 스크루는 모터에 의해 작동되는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 직류 플라즈마 아크를 이용한 나노 분말의 제조 방법에서, 상기 저장조 호퍼는 상기 플라즈마 반응기의 상부에 마련되고, 상기 포집통은 상기 플라즈마 반응기의 하부에 마련된 것을 특징으로 한다.

삭제

또 본 발명에 따른 직류 플라즈마 아크를 이용한 나노 분말의 제조 방법에서, 상기 토치는 음극으로 기능 하고, 2개 이상이 마련되며, 각각의 토치는 독립적으로 전원을 공급받아서 운용되는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 직류 플라즈마 아크를 이용한 나노 분말의 제조 방법에서, 상기 모재는 벌크 상태 또는 분말 상태인 구리, 은, 금, 니켈의 금속 도체 및 벌크 상태 또는 분말 상태인 실리콘의 반도체 중의 어느 하나이고, 상기 나노 분말은 구리, 은, 금, 니켈의 나노 분말 또는 실리콘 나노 분말인 것을 특징으로 한다.

삭제

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 직류 플라즈마 아크를 이용한 나노 분말의 제조 방법에 의하면, 호퍼에서 도가니로의 모재 공급이 정량공급장치에 의해 연속적으로 실행되므로, 금속 또는 실리콘의 나노 분말을 연속적으로 제조할 수 있다는 효과가 얻어진다.

또 본 발명에 따른 직류 플라즈마 아크를 이용한 나노 분말의 제조 방법에 의하면, 2개 이상의 토치를 마련하므로, 연속적으로 공급되는 모재에 대해 도가니 내부에서 더욱 많은 플라즈마 열에너지를 발생시켜 나노 분말을 대량으로 생산할 수 있다는 효과가 얻어진다.

또한, 본 발명에 따른 직류 플라즈마 아크를 이용한 나노 분말의 제조 방법에 의하면, 플라즈마 반응기의 내부에서 나노 분말이 자중으로 포집통에 포집되는 구조이므로, 제조 장치의 구성을 단순화할 수 있다는 효과도 얻어진다.

도 1은 종래의 직류 아크 플라즈마트론 장치의 구성도,
도 2는 종래의 기술에 따른 실리콘 분말을 제조하기 위한 이송식 플라즈마 장치의 개략적인 도면,
도 3은 본 발명에 따른 나노 분말을 제조하기 위한 직류 이송식 플라즈마 장치를 도시한 개략적인 도면,
도 4는 도 3에 도시된 직류 이송식 플라즈마 장치의 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 직류 플라즈마 아크를 이용하여 나노 분말을 제조하는 과정을 설명하기 위한 공정도.

본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.

본원에서 사용하는 용어 "모재"는 직류 플라즈마 아크를 이용하여 제조될 나노 분말의 원료로서 벌크 상태 또는 분말 상태인 구리, 은, 금, 니켈 등의 금속 도체 및 벌크 상태 또는 분말 상태인 실리콘의 반도체 중의 어느 하나를 의미하고, 나노 분말은 구리, 은, 금, 니켈 등의 금속 나노 분말 또는 실리콘 나노 분말을 의미한다.

본 발명에 따른 직류 플라즈마 아크를 이용한 나노 분말의 제조 방법에서는 이송식 플라즈마 장치를 이용한다. 이와 같은 이송식 플라즈마 장치는 일정량의 가스만으로 제작이 가능하며, 비이송식보다 장치의 수명이 길고, 재료의 상태가 벌크인 상태여도 가능하여 금속을 사용하는 공장에서 사용하고 남은 고순도 재료를 이용하여 제작할 수 있어 전처리 공정이 필요 없다. 플라즈마를 이용한 제조 방법은 약 10,000℃에 이르는 고온을 이용하는 방법으로 원료를 용융 및 기화시킨 후 다시 냉각이 되면서 기화되었던 입자들이 나노입자로 제조되는 형식이다. 따라서 플라즈마를 이용하면 금속 또는 실리콘과 같은 물질을 나노 소재화할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 실시 예를 도면에 따라서 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 나노 분말을 제조하기 위한 직류 이송식 플라즈마 장치를 도시한 개략적인 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 직류 이송식 플라즈마 장치의 단면도이다.

본 발명에 따른 나노 분말의 제조 장치는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 직류 플라즈마 아크를 이용하여 나노 분말을 제조하는 장치로서, 플라즈마를 형성하는 기체로 충전되고, 외부 둘레에 냉각 부재가 형성된 플라즈마 반응기(200), 상기 플라즈마 반응기(200)의 상부에 마련되고 나노 분말의 원료인 모재를 저장하는 저장조인 호퍼(100), 상기 플라즈마 반응기(200)의 하부에 마련되고 상기 나노 분말을 포집하는 포집통(300)을 포함한다.

상기 호퍼(100)의 하부에는 플라즈마 반응기(200)의 내부로 모재를 연속적으로 공급하는 정량공급장치(110)가 결합되고, 이 정량공급장치(110)는 투입 가이드 관(120)과 결합되며, 도 3에 도시된 바와 같이 내부에 스크루가 마련되고, 스크루는 모터(111)에 의해 작동된다. 상기 모재는 벌크 상태 또는 분말 상태로 마련되고, 구리, 은, 금, 니켈 등의 금속 도체 또는 실리콘 등과 같은 반도체가 적용된다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고 원하는 나노 분말을 얻기 위해 그에 대응하는 금속 도체 또는 반도체의 벌크 상태 또는 분말 상태의 구조를 적용할 수 있다.

상기 호퍼(100)에서 공급되는 모재는 미리 정해진 속도로 회전하는 모터(111)에 의해 스크루가 회전하면서 투입 가이드 관(120)을 통해 정량의 모재가 플라즈마 반응기(200)로 공급된다. 이를 위해 모재의 공급량에 따라 모터(111)의 회전 속도를 제어하는 제어부가 마련될 수 있으며, 모터(111)로서는 스테핑 모터를 적용할 수 있다.

상술한 바와 같은 정량공급장치(110)는 모재의 크기, 공급 용량 등에 따라 또는 플라즈마 반응기(200)에서 모재의 용융 및 기화 양 및 시간에 따라 모재를 도가니(210)에 자동으로 또한 연속적으로 공급할 수 있다.

또 본 발명에 따른 나노 분말의 제조 장치에서는 플라즈마 반응기(200)에서의 용융 및 기화가 일정하게 진행되도록, 정량공급장치(110)는 플라즈마 반응기(200)의 내부와 함께 진공 상태로 유지된다.

상기 플라즈마 반응기(200)의 내부에는 모재의 용융 및 기화를 위한 도가니(210), 상기 도가니(210)에 전기적으로 연결된 양극부(220), 직류 방전에 의하여 열 플라즈마를 발생시키는 음극(cathode)의 토치(230)가 마련된다. 즉 직류 전원의 양극(anode)은 양극부(220), 도가니(210) 및 모재를 포함한다. 즉 직류전원은 양극부(220)를 통해 도가니(210)에 공급되고, 도가니(210)에 장입된 모재로 공급된다.

상기 도가니(210), 양극부(220) 및 음극인 토치(230)의 각각의 구조는 상술한 특허문헌 등에 개시된 구조와 동일한 구조를 적용할 수 있으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

한편, 상기 호퍼(100)에는 예를 들어 약 1kg 이상의 금속 분말로 이루어진 모재가 저장되며, 도가니(210)에서 기화되는 양에 대응하여 정량공급장치(110)에서 연속적으로 투입 가이드 관(120)을 통해 모재를 도가니(210)에 공급한다.

또 플라즈마 반응기(200)의 내부를 진공으로 형성한 후, 가스 공급관(240) 등을 통해 아르곤 및 질소 가스를 공급하여 플라즈마 반응기(200)의 내부에서 반응 자체가 불활성으로 유지되도록 형성된다.

또한, 플라즈마 반응기(200)의 내부 벽면의 온도는 일정하게 유지되도록, 반응기 외부 둘레의 표면에 냉각 부재로서 수냉장치 및 공냉장치가 마련된다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 도가니(210) 또는 분말 모재의 양극 및 토치(230)의 음극에 공급되는 직류전원에 의해 도가니(210) 내부에서 플라즈마 아크가 발생이 되고, 고온의 아크 열에 의해 투입 가이드 관(120)을 통해 공급된 모재가 기화되어 반응기 내부로 퍼져간다.

플라즈마 아크에 의해 발생된 열에너지의 대부분은 복사열에 의해 플라즈마 반응기(200) 내부 표면에 전달되고, 플라즈마 반응기(200) 벽의 전도 및 반응기 외벽의 표면에서 냉각 부재의 수냉 및 공냉 방식으로 외부 대기로 전달된다.

도 3 및 도 4에서는 하나의 도가니(210)에 2개의 토치(230)가 마련된 구조를 적용하여 도가니(210) 내부에서 더욱 많은 플라즈마 열에너지를 발생시켜서 모재의 기화를 증대시킨다. 그러나 이와 같은 구조에 한정되는 것은 아니고 공급되는 모재의 양 및 인가 전압의 크기 등에 따라 3개 이상의 토치를 적용할 수도 있다.

플라즈마 반응기(200)의 내부로 퍼져 나간 기화 가스는 아르곤 및 질소 가스의 영향과 더불어 냉각 부재에 의한 플라즈마 반응기(200)의 낮은 분위기 온도에 의해 급냉이 되면서 핵이 생성되고, 생성된 핵이 주변의 금속 또는 반도체 가스와 결합 성장하여 자중으로 플라즈마 반응기(200) 하부의 포집통(300)으로 포집이 된다. 이와 같은 나노 분말의 포집을 위해 플라즈마 반응기(200)의 하부, 즉 포집통(300)에 인접한 부분은 깔때기 형상으로 이루어진다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 직류 플라즈마 아크를 이용한 나노 분말의 제조 장치에서는 정량공급장치(110)에 의해 호퍼(100)에 저장된 모재가 연속적으로 공급되므로, 연속공정이 가능하며 생산량을 증대시킬 수 있다. 또 나노 분말이 자중에 의해 포집통(300)에 포집 되므로, 종래 기술과 같은 별도의 포집 장치를 마련할 필요가 없어 제조 장치의 구성을 단순화할 수 있다. 이에 따라 나노 분말의 제조 장치를 저렴하게 구성할 수가 있다.

다음에 본 발명에 따른 나노 분말의 제조 방법을 도 5에 따라 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 직류 플라즈마 아크를 이용하여 나노 분말을 제조하는 과정을 설명하기 위한 공정도이다.

본 발명에 따른 나노 분말의 제조는 직류 플라즈마 아크를 이용하여 나노 분말을 제조하는 방법으로서, 먼저 도 5에 도시된 바와 같이, 나노 분말의 원료인 모재를 저장조 호퍼(100)에 저장한다(S10). 이 모재는 예를 들어 벌크 상태 또는 분말 상태로 마련된 구리, 은, 금, 니켈 등의 금속 도체 또는 실리콘과 같은 반도체를 적용할 수 있다. 호퍼(100)에 모재가 충전된 상태에서 정량공급장치(110)와 플라즈마 반응기(200)의 내부를 진공 상태로 유지시킨다.

이어서, 플라즈마 반응기(200) 내부를 진공으로 유지시킨 후, 가스 공급관(240) 등을 통해 아르곤 및 질소 가스로 플라즈마 반응기(200)의 내부를 충전하여 반응 자체가 불활성으로 유지되도록 형성한다.

다음에 모터(111)가 작동하고, 이에 따라 정량공급장치(110)가 작동하여 호퍼(100)에 저장된 모재가 투입 가이드 관(120)을 통해 도가니(210)로 연속적으로 공급된다(S20).

상기 단계 S20에 의해 플라즈마 반응기(200) 내부의 도가니(210)에 모재가 연속적으로 장입되면, 양극부(220) 및 2개의 토치(230)에 직류전원이 공급되고, 이에 따라 상기 도가니(210) 내에서 직류 방전에 의해 모재에 대해 열 플라즈마가 발생한다(S30). 이때 각각의 토치(230)는 독립적으로 전원을 공급받아서 운용된다. 따라서, 도가니(210) 내에 2개 이상의 열 플라즈마를 발생시킬 수 있어 나노 분말을 대량으로 생산할 수 있다.

상술한 바와 같은 모재의 연속적인 공급량은 열 플라즈마의 발생량에 따라 미리 설정되고, 모터(111)의 제어에 의해 실행된다.

상기 단계 S30에서의 열 플라즈마에 의해 상기 도가니(210)에서 상기 모재가 용융 및 기화된다(S40).

그 후, 상기 플라즈마 반응기(200) 내에서 상기 단계 S40에 의해 기화 상태의 증발 가스는 플라즈마 반응기(200) 내부 표면에 전달되고, 플라즈마 반응기(200) 벽의 전도 및 반응기 외벽의 표면에 마련된 냉각 부재의 수냉 및 공냉 방식으로 냉각되어 나노 분말을 생성한다(S50).

상기 단계 S50에서 냉각된 나노 분말은 자중으로 플라즈마 반응기(200)의 하부로 낙하되어 자동적으로 포집통(300)에서 수집된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 나노 분말의 제조 방법에서는 나노 분말이 자중으로 포집되므로 제조 장치의 구성을 단순화 할 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

본 발명에 따른 직류 플라즈마 아크를 이용한 나노 분말의 제조 방법을 사용하는 것에 의해 금속 또는 실리콘의 나노 분말을 연속적이며 대량으로 생산할 수 있다.

100 : 호퍼
200 : 플라즈마 반응기
300 : 포집통

Claims (6)

1. 플라즈마 반응기에서 직류 플라즈마 아크를 이용하여 나노 분말을 제조하는 방법으로서,
   (a) 나노 분말의 원료인 모재를 저장조 호퍼에 저장하는 단계,
   (b) 상기 단계 (a)에서 모재가 저장된 호퍼, 상기 모재를 도가니로 공급하는 정량공급장치 및 상기 플라즈마 반응기의 내부를 진공 상태로 유지하는 단계,
   (c) 상기 단계 (b)에서 진공 상태를 유지하면서 상기 정량공급장치로 상기 플라즈마 반응기 내부의 도가니에 상기 모재를 연속적으로 장입하는 단계,
   (d) 상기 도가니 또는 모재를 포함한 양극과 토치를 포함한 음극에 직류전원을 인가하여 직류 방전에 의해 상기 도가니 내에서 열 플라즈마를 발생시키는 단계,
   (e) 상기 열 플라즈마에 의해 상기 도가니에서 상기 모재를 용융 및 기화시키는 단계,
   (f) 상기 플라즈마 반응기 내에서 상기 기화 상태의 증발 가스를 냉각시켜 나노 분말을 생성하는 단계 및
   (g) 상기 단계 (f)에서 냉각된 나노 분말을 자중으로 낙하시켜 포집통에서 상기 나노 분말을 포집하는 단계를 포함하고,
   상기 정량공급장치는 투입 가이드 관과 결합되며, 내부에 스크루가 마련되고, 상기 스크루는 모터에 의해 작동되는 것을 특징으로 하는 직류 플라즈마 아크를 이용한 나노 분말의 제조 방법.
2. 제1항에서,
   상기 저장조 호퍼는 상기 플라즈마 반응기의 상부에 마련되고, 상기 포집통은 상기 플라즈마 반응기의 하부에 마련된 것을 특징으로 하는 직류 플라즈마 아크를 이용한 나노 분말의 제조 방법.
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4. 제1항에서,
   상기 토치는 음극으로 기능 하고, 2개 이상이 마련되며,
   각각의 토치는 독립적으로 전원을 공급받아서 운용되는 것을 특징으로 하는 직류 플라즈마 아크를 이용한 나노 분말의 제조 방법.
5. 제1항에서,
   상기 모재는 벌크 상태 또는 분말 상태인 구리, 은, 금, 니켈의 금속 도체 또는 실리콘의 반도체 중의 어느 하나이고,
   상기 나노 분말은 구리, 은, 금, 니켈의 나노 분말 또는 실리콘 나노 분말인 것을 특징으로 하는 직류 플라즈마 아크를 이용한 나노 분말의 제조 방법.
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