KR102267838B1 - Apparatus for manufacturing a nanostructure of silicon compound - Google Patents
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Abstract
제 1 진공 챔버와, 상기 제 1 진공 챔버 내에 위치하며 다공성 소재의 공극 내에 고체 실리콘이 담지된 담체와, 상기 담체에 열을 가하는 히터 및 상기 열에 의해 상기 담체로 부터 기화된 실리콘 가스를 이동시키는 실리콘 가스 분사모듈을 포함하는 원료공급부; 상기 실리콘 가스 분사모듈의 일측이 삽입되어 실리콘 가스를 제공받는 제 2 진공 챔버; 상기 제 2 진공 챔버 내로 반응가스를 공급하는 반응가스 분사부; 및 상기 반응가스와 상기 실리콘 가스의 반응으로 생성된 실리콘 화합물을 포집하는 포집부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 화합물 나노 구조체의 제조장치를 제공한다.A first vacuum chamber, a carrier positioned in the first vacuum chamber and having solid silicon supported in the pores of a porous material, a heater for applying heat to the carrier, and silicon for moving the vaporized silicon gas from the carrier by the heat a raw material supply unit including a gas injection module; a second vacuum chamber into which one side of the silicon gas injection module is inserted to receive silicon gas; a reaction gas injection unit supplying a reaction gas into the second vacuum chamber; and a collecting unit for collecting the silicon compound generated by the reaction of the reaction gas and the silicon gas.
Description
본 발명은 실리콘 화합물 나노 구조체의 제조장치에 대한 것으로, 반응가스와 실리콘 가스의 반응속도를 일정하게 하여 고순도의 실리콘 화합물을 대량 생산할 수 있는 실리콘 화합물 나노 구조체의 제조장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for manufacturing a silicon compound nanostructure, and to an apparatus for manufacturing a silicon compound nanostructure capable of mass-producing a high-purity silicon compound by making a reaction rate between a reaction gas and a silicon gas constant.
실리콘은 반도체 디스플레이 분야의 여러 소재로 사용되며, 반응하는 물질에 따른 실리콘 화합물 또한 여러 분야에 광범위하게 사용된다. Silicon is used as a variety of materials in the semiconductor display field, and a silicon compound depending on the reacting material is also widely used in various fields.
예를 들어, 실리콘 산화물의 경우, 최근 리튬 이온 전지의 음극의 소재로 연구되고 있다. 리튬 이온 전지의 음극으로는 전지의 충전 및 방전 효율이 우수한 탄소 전극이 일반적으로 사용되고 있으며, 약 375mAh/g의 전지용량을 가진다. 그러나 점차적으로 높아지고 있는 전지용량을 요구하는 차세대 리튬이온 전지의 음극 재료로 사용하기에는 탄소 전극은 제약이 따르므로, 탄소 전극을 대체하는 물질로 실리콘 나노 구조체 또는 실리콘 산화물 나노 구조체가 연구되고 있다. 실리콘 산화물 나노 구조체의 제조기술로써, Si-SiOx/C 코어쉘 구조 형성하여 실리콘 산화물을 음극 소재로 제조하는 기술, SiOx의 산소 함량과 입자 크기를 다양화하여 전지 수명을 개선하고자 하는 기술, 실리콘 나노 와이어를 이용하여 얇은 비정질 SiOx sheath를 형성함으로써 Si/SiOx 복합체를 형성하는 기술 등이 개발되고 있다.For example, silicon oxide has been recently studied as a material for anodes of lithium ion batteries. As a negative electrode of a lithium ion battery, a carbon electrode having excellent charging and discharging efficiency of the battery is generally used, and has a battery capacity of about 375 mAh/g. However, since the carbon electrode is limited to be used as a negative electrode material for a next-generation lithium ion battery that requires a gradually increasing battery capacity, a silicon nanostructure or a silicon oxide nanostructure is being studied as a material to replace the carbon electrode. As a manufacturing technology for silicon oxide nanostructures, a technology for manufacturing silicon oxide as an anode material by forming a Si-SiO x /C core-shell structure, a technology for improving battery life by diversifying the oxygen content and particle size of SiO x, A technique for forming a Si/SiO x composite by forming a thin amorphous SiO x sheath using a silicon nanowire is being developed.
또한, 실리콘 탄화물의 경우, 내화학성, 내산화성, 내열성, 내마모성이 우수하므로 강화복합소재, 우주항공신소재, 고온반응소재, 반도체제조공정용 도구 등 다양한 분야에 널리 활용되고 있다. 일반적으로 실리콘과 탄소의 공급원으로 CH3SiCl3, (CH3)2SiCl3, (CH3)3SiCl, SiCl4 등과 같은 액상 공급원을 이용하여, 화학기상반응을 적용함으로써 실리콘 탄화물을 제조할 수 있다. 이는 액상 공급원을 수소가스와 같은 운반가스로 버블링하여 기화시키고, 기화된 공급원과 운반가스의 혼합물을 진공챔버로 공급하며, 공급비율, 유량, 유체의 온도와 압력 등을 측정하고 제어하는 별도의 부속장치들이 다수 필요한 방법이다. 또한, 공급원들이 자체로 독성이 있어 취급이 매우 까다로우며, 반응결과 부산물인 HCl의 처리를 위한 스크러버와 같은 별도의 장비를 필요로 하고, 장비의 부식과 환경오염의 우려가 있다. In addition, since silicon carbide has excellent chemical resistance, oxidation resistance, heat resistance, and abrasion resistance, it is widely used in various fields such as reinforced composite materials, new aerospace materials, high-temperature reactive materials, and tools for semiconductor manufacturing processes. In general, silicon carbide can be prepared by applying a chemical vapor reaction using a liquid source such as CH 3 SiCl 3 , (CH 3 ) 2 SiCl 3 , (CH 3 ) 3 SiCl, SiCl 4 as a source of silicon and carbon. have. It vaporizes the liquid source by bubbling it with a carrier gas such as hydrogen gas, supplies a mixture of the vaporized source and carrier gas to the vacuum chamber, and measures and controls the supply ratio, flow rate, temperature and pressure of the fluid, etc. It is a method that requires many accessories. In addition, since the sources themselves are toxic, handling is very difficult, and separate equipment such as a scrubber is required for the treatment of HCl, which is a by-product of the reaction, and there is a risk of equipment corrosion and environmental pollution.
따라서, 실리콘 화합물은 현대 산업 분야에서 응용 및 적용 범위가 넓은 물질이지만, 상기와 같이 실리콘 화합물의 제조방법에 있어서 공정 과정이 복잡하고, 공정 제어가 까다로울 뿐만 아니라, 고비용의 공정과정을 거치게 되며, 환경의 문제까지 고려해야 하므로 상기의 문제점들을 해결하기 위한 기술 개발이 필요하다.Therefore, the silicon compound is a material with a wide range of applications and applications in modern industrial fields, but in the manufacturing method of the silicon compound as described above, the process process is complicated, the process control is difficult, and it undergoes a high-cost process, and the environment It is necessary to develop technology to solve the above problems because the problem of
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 종래보다 공정과정을 간소화하여 공정 제어를 개선할 수 있는 실리콘 화합물 나노 구조체의 제조장치를 제공하는 것에 목적이 있다.An object of the present invention is to provide an apparatus for manufacturing a silicon compound nanostructure capable of improving process control by simplifying the process compared to the prior art.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 반응가스와 실리콘 가스의 반응속도를 일정하게 하여 고순도의 실리콘 화합물을 대량 생산할 수 있는 실리콘 화합물 나노 구조체의 제조장치를 제공하는 것에 목적이 있다.In addition, another technical problem to be achieved by the present invention is to provide an apparatus for manufacturing a silicon compound nanostructure capable of mass-producing a high-purity silicon compound by making a constant reaction rate between a reaction gas and a silicon gas.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the object mentioned above, and other objects not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the following description.
상기의 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 제 1 진공 챔버와, 상기 제 1 진공 챔버 내에 위치하며 다공성 소재의 공극 내에 고체 실리콘이 담지된 담체와, 상기 담체에 열을 가하는 히터 및 상기 열에 의해 상기 담체로 부터 기화된 실리콘 가스를 이동시키는 실리콘 가스 분사모듈을 포함하는 원료공급부; 상기 실리콘 가스 분사모듈의 일측이 삽입되어 실리콘 가스를 제공받는 제 2 진공 챔버; 상기 제 2 진공 챔버 내로 반응가스를 공급하는 반응가스 분사부; 및 상기 반응가스와 상기 실리콘 가스의 반응으로 생성된 실리콘 화합물을 포집하는 포집부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 화합물 나노 구조체의 제조장치를 제공할 수 있다.In order to solve the above problems, the present invention provides a first vacuum chamber, a carrier located in the first vacuum chamber and having solid silicon supported in the pores of a porous material, a heater for applying heat to the carrier, and the carrier by the heat A raw material supply unit including a silicon gas injection module for moving the vaporized silicon gas from the; a second vacuum chamber into which one side of the silicon gas injection module is inserted to receive silicon gas; a reaction gas injection unit supplying a reaction gas into the second vacuum chamber; and a collecting unit configured to collect a silicon compound generated by the reaction of the reaction gas and the silicon gas.
상기 담체는 공극의 직경이 0.05 내지 1mm인 다공성 소재의 공극 내에 고체 실리콘이 담지된 것일 수 있다.The carrier may be one in which solid silicon is supported in pores of a porous material having a pore diameter of 0.05 to 1 mm.
상기 다공성 소재는 그라파이트, 알루미늄 나이트라이드 또는 실리콘 카바이드일 수 있다.The porous material may be graphite, aluminum nitride, or silicon carbide.
상기 히터는 1200 내지 2000℃의 온도 범위로 상기 담체에 열을 가할 수 있다.The heater may apply heat to the carrier in a temperature range of 1200 to 2000°C.
상기 실리콘 화합물 나노 구조체의 제조장치는, 상기 실리콘 가스 분사모듈 및 반응가스 분사부와 이격된 상부에 위치하여 상기 제 2 진공 챔버 내로 캐리어 가스를 분사하는 캐리어 가스 분사부를 포함할 수 있다. The apparatus for manufacturing the silicon compound nanostructure may include a carrier gas injection unit positioned at an upper portion spaced apart from the silicon gas injection module and the reaction gas injection unit to inject a carrier gas into the second vacuum chamber.
상기 반응가스는 아르곤, 수소, 산소 또는 수증기 중 선택된 하나 이상의 혼합 가스일 수 있다.The reaction gas may be one or more mixed gases selected from argon, hydrogen, oxygen, and water vapor.
상기 실리콘 가스 분사모듈은 상기 히터로부터 제공되는 열을 차단하는 수냉용 단열재와, 실리콘 가스 분사라인과, 상기 수냉용 단열재 내부를 관통하며 상기 실리콘 가스 분사라인의 외주면을 냉각시키는 수냉노즐을 포함하는 수냉노즐 카트리지를 구비할 수 있다.The silicon gas injection module includes a water-cooling insulator that blocks heat provided from the heater, a silicon gas injection line, and a water-cooling nozzle penetrating through the inside of the water-cooling insulator and cooling the outer circumferential surface of the silicon gas injection line. A nozzle cartridge may be provided.
상기 원료공급부는, 상기 수냉노즐 카트리지를 결합 및 교체할 수 있다.The raw material supply unit may combine and replace the water cooling nozzle cartridge.
상기 포집부는, 실리콘 화합물 가스가 유입되는 유입구와, 유입구를 통과한 실리콘 화합물 가스가 냉각 및 응축되어 실리콘 화합물 나노 구조체로 형성하는 포집 챔버로 이루어질 수 있다.The collecting unit may include an inlet through which the silicon compound gas is introduced, and a collecting chamber in which the silicon compound gas passing through the inlet is cooled and condensed to form a silicon compound nanostructure.
상기 포집부는, 상기 포집 챔버 내부에 설치되어 실리콘 나노 구조체를 포집하는 필터와, 상기 필터와 접하며 열매체 또는 냉매가 이동하는 열순환관을 구비하는 열교환 수단을 포함할 수 있다.The collection unit may include a filter installed inside the collection chamber to collect the silicon nanostructure, and a heat exchange means having a heat circulation tube in contact with the filter and through which a heat medium or refrigerant moves.
상기 필터는 적층 구조이고, 상기 열순환관은 상기 적층된 필터 사이에 개재되어 상기 필터 사이에 열매체 또는 냉매가 이동할 수 있다.The filter may have a stacked structure, and the heat circulation tube may be interposed between the stacked filters so that a heat medium or a refrigerant may move between the filters.
상기 열교환 수단은, 상기 반응가스 분사부와 연결되어 반응가스의 상태변화를 위한 에너지를 공급하는 열교환기를 포함할 수 있다.The heat exchange means may include a heat exchanger connected to the reaction gas injection unit to supply energy for changing the state of the reaction gas.
상기 실리콘 화합물 나노 구조체는, 나노 입자 또는 나노와이어의 혼합 구조를 갖는 것일 수 있다.The silicon compound nanostructure may have a mixed structure of nanoparticles or nanowires.
본 발명의 실시예에 따른 실리콘 화합물 나노 구조체의 제조장치는 종래보다 공정과정을 간소화하여 공정 제어를 개선할 수 있는 장점이 있다.The apparatus for manufacturing a silicon compound nanostructure according to an embodiment of the present invention has the advantage of improving process control by simplifying the process compared to the prior art.
또한, 반응가스와 실리콘 가스의 반응속도를 일정하게 하여 고순도의 실리콘 화합물을 대량 생산할 수 있는 장점이 있다.In addition, there is an advantage in that a high-purity silicon compound can be mass-produced by making the reaction rate of the reaction gas and the silicon gas constant.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 화합물 나노 구조체의 제조장치를 나타낸 단면도이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원료공급부의 담체의 구조를 나타낸 단면도이고,
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 포집부의 구조를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing an apparatus for manufacturing a silicon compound nanostructure according to an embodiment of the present invention;
2 is a cross-sectional view showing the structure of a carrier of a raw material supply unit according to an embodiment of the present invention;
3 and 4 are cross-sectional views showing the structure of a collecting unit according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments introduced below are provided as examples so that the spirit of the present invention can be sufficiently conveyed to those skilled in the art. Accordingly, the present invention is not limited to the embodiments described below and may be embodied in other forms. In addition, in the drawings, the length, thickness, etc. of layers and regions may be exaggerated for convenience. Like reference numerals refer to like elements throughout.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 화합물 나노 구조체의 제조장치를 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원료공급부의 담체의 구조를 나타낸 단면도이고, 도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 포집부의 구조를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing an apparatus for manufacturing a silicon compound nanostructure according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of a carrier of a raw material supply unit according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 3 and 4 are It is a cross-sectional view showing the structure of the collecting unit according to an embodiment of the present invention.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 화합물 나노 구조체의 제조장치는 제 1 진공챔버(110)를 포함하는 원료공급부(100)와, 제 2 진공챔버(200)와, 반응가스 분사부(300) 및 포집부(500)를 포함할 수 있다.1 to 4, the apparatus for manufacturing a silicon compound nanostructure according to an embodiment of the present invention includes a raw
제 2 진공챔버(200)는 실리콘 화합물 나노 구조체(23s)를 제조하기 위한 밀폐된 공간을 제공하며, 고순도의 실리콘 화합물 나노 구조체(23s)의 제조를 위해 제 2 진공챔버(200)의 내부는 일정한 진공도를 유지하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제 2 진공챔버(200)의 진공도는 10-2 내지 10-7 Torr일 수 있다.The
상기 제 2 진공챔버(200)에 실리콘 가스를 제공하는 원료공급부(100)는 제 1 진공챔버(110)와, 상기 제 1 진공챔버(110) 내에 위치하며 다공성 소재(21)의 공극 내에 고체 실리콘(22)이 담지된 담체(20)와, 상기 담체(20)에 열을 가하는 히터(120) 및 상기 열에 의해 상기 담체(20)로 부터 기화된 실리콘 가스를 이동시키는 실리콘 가스 분사모듈을 포함할 수 있다. 따라서 상기 담체(20)에 열을 가함으로써 다공성 소재(21)의 공극 내에 담지된 고체 실리콘(22)은 기화하여 제 2 진공 챔버(200) 내로 이동할 수 있다.The raw
즉, 고체 실리콘(22)을 담체(20)의 공극 내에 담지시킨 후, 열을 가하여 공극 내의 실리콘을 용융시키고, 기화를 통해 실리콘 가스를 형성시킬 수 있다. 담체(20)에 실리콘을 담지시키는 것은 담체 내에 실리콘을 미리 담지시킨 것을 사용할 수도 있으며, 고체 실리콘의 기화 과정에서 고온에 의해 고체 실리콘이 담체 내에 먼저 담지된 후 증발하여 실리콘 가스가 발산되도록 할 수도 있다. 이를 위하여, 기화되는 온도에서도 화학반응이 없는 안정한 소재의 용기 내에 담체를 위치시키고, 고체 실리콘은 다공성 소재(21)의 담체 상부에 적재되도록 할 수 있다. That is, after the
다공성 소재(21)의 공극 내에 고체 실리콘(22)으로 존재하다가 제 1 진공 챔버(110) 내에서 온도가 상승하면, 공극과 같은 크기의 미소 액적으로 변화하고 온도의 상승에 따라 증발할 수 있다. 담체(20) 내에 담지된 상태의 실리콘은 용융된다고 하더라도 표면적이 극대화된 상태로 증발함으로써 실리콘 가스의 공급이 효율적으로 이루질 수 있다. When the
따라서, 다공성 소재(21)의 공극 내에서만 고체 실리콘이 용융되고, 실리콘이 기화되어 공극을 통해서만 일정하게 순차적으로 제 1 진공챔버(110) 내부로 발산되므로, 실리콘 가스가 일정하게 제 2 진공챔버(200) 내로 공급되어 가스 압력을 일정 수준으로 유지할 수 있다. 또한, 실리콘 가스가 일정 수준으로 제 2 진공챔버(200) 내로 공급되어, 최종적으로는 반응가스와 일정한 속도의 반응이 이루어질 수 있으므로, 실리콘 화합물 나노구조체(23s)가 생성되는 시간 또는 반응량을 제어할 수 있다. Therefore, solid silicon is melted only in the pores of the
상기 담체(20)는 반응가스와의 반응 시간에 대해 효과적인 실리콘 가스의 공급을 위하여, 공극의 직경(a)이 0.05 내지 1mm인 다공성 소재(21)를 포함할 수 있다. 공극의 크기가 작을수록 실리콘 가스의 발산이 고르게 일어날 수 있으나 너무 작은 경우에는 발산이 효율적이지 못할 수 있으며, 공극의 크기가 너무 크다면 담체에 담지시키는 효과를 얻을 수 없다. 나아가서, 담체(20)의 공극률은 10~60%인 것이 바람직한데, 공극률이 너무 작으면 담체에 담지될 수 있는 실리콘의 양이 적어져서 효율적인 발산이 어려울 수 있으며, 공극률이 너무 크면 담체의 내구성이 저하되는 문제가 있다.The
또한, 효과적인 실리콘 가스의 공급을 위해 상기 히터(120)는 1200 내지 2000℃의 온도 범위로 상기 담체(20)에 열을 가할 수 있다. 실리콘은 상온에서의 녹는점이 1414℃, 끓는점이 3265℃이지만, 제 1 진공 챔버(110) 내부와 같이 압력이 낮아지면 끓는점이 크게 낮아질 수 있다. 따라서 진공 상태에서 1200 내지 2000℃의 온도 범위로 열처리하는 경우 고체의 실리콘은 액체상태를 거쳐 기체로 증발하여, 효과적으로 실리콘 가스를 제 1 진공 챔버(110) 및 제 2 진공 챔버(200) 내부로 공급할 수 있다. 또한, 원료공급부(100)내의 히터(110)로부터 제공되는 열의 손실을 최소화하기 위해 제 1 진공 챔버(110)의 내부는 단열재(130)를 구비할 수 있다.In addition, in order to effectively supply the silicon gas, the
상기 다공성 소재(21)는 상기의 온도 범위에서 화학 반응없이 안정하여 실리콘 화합물 나노 구조체(23s)의 형성에 영향을 최소화할 수 있는 그라파이트, 알루미늄 나이트라이드 또는 실리콘 카바이드로 이루어진 것일 수 있다. The
상기 원료공급부(100)에 구비되는 실리콘 가스 분사모듈은 상기 제 2 진공 챔버(200)에 일측이 삽입되어 실리콘 가스를 제공할 수 있다. 또한, 실리콘 가스 분사모듈은 수냉노즐 카트리지(C)를 구비할 수 있으며, 상기 수냉노즐 카트리지(C)는 상기 히터(120)로부터 제공되는 열을 차단하는 수냉용 단열재(140)와, 실리콘 가스 분사라인(150)과, 상기 수냉용 단열재(140) 내부를 관통하며 상기 실리콘 가스 분사라인(150)의 외주면을 냉각시키는 수냉노즐(미도시)을 포함할 수 있다. 따라서 실리콘 가스 분사라인(150)의 외주면의 온도를 조절함으로써, 실리콘 가스 분사라인(150)의 노즐이 막히는 것을 방지할 수 있으며, 제 2 진공 챔버(200) 내부로 이동하는 실리콘 가스의 온도가 조절되어 실리콘 나노 구조체 형성을 위한 반응가스와 반응이 더욱 효율적으로 이루어질 수 있다. 나아가서, 수냉노즐 카트리지(C)는 원료공급부(100)의 외측면에 챔버 결합구(160)를 구비하여 제 1 진공 챔버(110)와 제 2 진공 챔버(200) 사이를 관통하는 실리콘 가스 분사라인(150)을 더욱 견고하게 지지할 수 있다.One side of the silicon gas injection module provided in the raw
상기 실리콘 가스 분사라인(150)은 하나 이상을 구비하여, 반응가스가 제공되는 양 또는 반응속도에 따라 실리콘 가스의 분사량을 조절할 수 있다.The silicon
또한, 상기 원료공급부(100)는 상기 수냉노즐 카트리지(C)를 결합 및 교체할 수 있다. 따라서 실리콘 가스 분사라인(150)이 노후화되어도, 수냉노즐 카트리지(C)를 교체하여 결합함으로써 실리콘 화합물 나노 구조체 제조장치의 수명을 더욱 증가시킬 수 있으므로 공정비용 절감에 도움을 줄 수 있다.In addition, the raw
상기 제 2 진공 챔버(200) 내로 반응가스를 공급하는 반응가스 분사부(300)는 상기 원료공급부(100)의 실리콘 가스 분사라인(150)과 대응이 되는 위치에 구비될 수 있다. 상기 반응가스는 아르곤, 수소, 산소 또는 수증기 중 선택된 하나 이상의 혼합 가스일 수 있으며, 이때 생성되는 실리콘 화합물 나노 구조체(23s)는 실리콘 산화물로 이루어진 것일 수 있다. The reaction
또한, 반응가스가 탄소를 포함하는 경우, 이때 생성되는 실리콘 화합물 나노 구조체(23s)는 실리콘 탄화물로 이루어진 것일 수 있다. 예를 들어, 실리콘 탄화물을 형성하기 위한 전구체로써 반응할 수 있는 재료 중 선택될 수 있다. 이러한 재료는 일반적으로 실레인 또는 클로로실레인과 같은 실리콘을 포함하는 재료 및 탄소를 포함하는 재료로부터 선택되며, 실리콘 탄화물로 형성할 수 있는 성분을 포함할 수 있다. In addition, when the reaction gas contains carbon, the
상기 실리콘 화합물 나노 구조체의 제조장치는, 상기 실리콘 가스 분사모듈 및 반응가스 분사부(300)와 이격된 상부에 위치하여 상기 제 2 진공 챔버(200) 내로 캐리어 가스를 분사하는 캐리어 가스 분사부(400)를 포함할 수 있다. The apparatus for manufacturing the silicon compound nanostructure is located at an upper portion spaced apart from the silicon gas injection module and the reaction
캐리어 가스 분사부(400)는 실리콘 가스와 반응가스의 반응속도를 증가시키기 위하여 실리콘 가스 분사모듈의 실리콘 가스 분사라인(150) 및 반응가스 분사부(300)의 상부로 캐리어 가스를 분사할 수 있다. 즉, 반응가스와 기화된 실리콘 가스의 반응으로 생성된 실리콘 화합물 가스(23g)의 반응 속도 또는 이동 속도를 증가시키기 위하여 캐리어 가스를 분사할 수 있다. 따라서 캐리어 가스는 실리콘 가스와 반응가스의 화학반응에 참여하는 것이 아니라, 반응 속도 또는 이동 속도를 증가시키기 위한 목적으로 분사할 수 있으며, 아르곤 또는 수소 가스를 캐리어 가스로 사용할 수 있다.The carrier
상기 반응가스와 상기 실리콘 가스의 반응으로 생성된 실리콘 화합물을 포집하는 포집부(500)는 상기 캐리어 가스 분사부(400)의 상부에 위치할 수 있다. 포집부(500)는 실리콘 화합물 가스(23g)가 유입되는 유입구(520)와, 유입구(520)를 통과한 실리콘 화합물 가스(23g)가 냉각 및 응축되어 실리콘 화합물 나노 구조체(23s)로 형성하는 포집 챔버(510)로 이루어질 수 있다.The
상기 포집부(500)는 상기 포집 챔버(510) 내부에 설치되어 실리콘 나노 구조체(23s)를 포집하는 필터(550)와, 상기 필터(550)와 접하며 열매체 또는 냉매가 이동하는 열순환관(560)을 구비하는 열교환 수단을 포함할 수 있다.The collecting
즉, 담체(20)에서 기화한 실리콘 가스와 반응가스로 인해 실리콘 화합물 가스(23g)가 형성되고, 캐리어 가스로 인해 실리콘 화합물 가스(23g)는 유입구(520)로 이동할 수 있다. 이후 포집챔버 유입라인(525)을 통하여 포집챔버(510)의 내부로 이동한 실리콘 화합물 가스(23g)는 열순환관(560)을 구비하는 필터(550)에 의해 냉각되어 실리콘 화합물 나노 구조체(23s)로 응집되어 포집될 수 있다. 상기 실리콘 화합물 나노 구조체(23s)는 나노 입자 또는 나노와이어의 혼합 구조를 가질 수 있다.That is, the
포집부(500)에 구비된 진공펌프(540)는 실리콘 화합물 나노 구조체(23s)가 일정량 포집이 되면, 진공펌프의 가동을 중단할 수 있다. 이때 포집 챔버(510)의 내부는 일시적으로 압력이 증가하며 중력에 의해 실리콘 화합물 나노 구조체(23s)가 포집챔버(510)의 하부로 모이거나, 진공펌프(540)로 인해 일정한 공기가 주입되어 필터(550) 외부로 향하는 압력을 가함으로써 필터(550)에 포집된 실리콘 화합물 나노 구조체(23s)가 포집 챔버(510)의 하부로 모일 수 있다. 그리고, 포집 챔버(510)의 하부에 구비된 포집구를 개방함으로써 실리콘 화합물 나노 구조체(23s)를 수득할 수 있다. The
즉, 포집된 실리콘 화합물 나노구조체(23s)의 수득을 위해 포집 챔버(510)는 일측부 또는 하부에 포집구와 포집구 개폐 플레이트(510a)를 구비할 수 있다. 나아가서, 진공펌프(540)의 가동 중단 시 포집챔버 유입라인(525)을 통하여 제 2 진공챔버(200)로 공기가 역류하여 유입되는 것을 방지하기 위해, 상기 포집챔버 유입라인(525)의 일단부는 역류방지 개폐 플레이트(525a)를 구비할 수 있다.That is, in order to obtain the collected
즉, 실리콘 화합물 가스(23g)가 유입되어 실리콘 화합물 나노 구조체(23s)를 필터(550)에 포집하는 동안 진공펌프(540)는 가동되며, 역류방지 개폐 플레이트(525a)는 포집챔버 유입라인(525)을 개방시키고 포집구 개폐 플레이트(510a)는 포집구를 폐쇄할 수 있다. 이 후 필터(550)에 포집된 실리콘 화합물 나노 구조체(23s)를 외부로 수득하는 동안 진공펌프(540)는 가동이 중단되거나 포집챔버(510)로 공기를 주입하고, 역류방지 개폐 플레이트(525a)는 포집챔버 유입라인(525)을 폐쇄시키며, 포집구 개폐 플레이트(510a)는 포집구를 개방할 수 있다.That is, the
나아가서, 상기 필터(550)는 적층 구조이고, 상기 열순환관(560)은 상기 적층된 필터 사이에 개재되어 상기 필터 사이에 열매체 또는 냉매가 이동할 수 있다. 필터(550)가 적층된 것은 예를 들어, 부직포/금속망, 금속분말 소결체/유리섬유/금속망, 또는 공극이 큰 금속망/공극이 중간인 금속망/공극이 작은 금속망 등의 형태로 적층된 것일 수 있다.Furthermore, the
따라서, 열순환관(560)과 필터(550) 사이의 접촉면적을 증가시킴으로써, 열순환관(560)과 필터(550) 사이의 열교환 효율을 높일 수 있으며, 필터(550)가 금속성 물질로 이루어진 경우는 용접을 이용하여 열순환관(560)과 필터(550)를 고정결합시킬 수 있다. Therefore, by increasing the contact area between the
상기 필터(550)의 전면에 열순환관(560)이 위치하는 경우, 열순환관(560)의 표면이나 열순환관(560)과 필터 사이에 실리콘 화합물 나노구조체(23s)가 부착되어 열교환 효율이 감소될 수 있고, 세척에도 어려움이 있을 수 있으므로 열순환관(560)은 필터(550)의 후면이나 필터(550)의 내부에 개재되는 것이 바람직하다. When the
또한, 열교환 수단은 열순환관(560)과 연결되어 필터(550)의 온도를 제어하는 열제어부(570)를 구비할 수 있다. 따라서, 열제어부(570)를 조절함으로써 필터(560)와 열순환관(560) 사이의 열교환이 상시적으로 이루어지거나, 열제어부(570)에 입력된 시간동안 이루어질 수 있고, 열제어부(570)로 인해 필터(550)의 온도 또한 제어할 수 있다.In addition, the heat exchange means may include a
나아가서, 상기 열교환 수단은 상기 반응가스 분사부(300)와 연결되어 반응가스의 상태변화를 위한 에너지를 일부 공급할 수 있는 열교환기를 구비할 수 있다. 따라서 열순환관으로 인해 공급된 열을 반응 가스 분사부(300)의 가스 생성을 위한 기화열 공급에 도움을 줌으로써, 에너지의 손실을 최소화시키며 공정비용을 감소시킬 수 있다.Furthermore, the heat exchange means may include a heat exchanger that is connected to the reaction
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 화합물 나노 구조체의 제조장치는 고체 실리콘이 담지된 담체를 원료공급부로 이용하여 가해지는 열에 따라 반응하는 실리콘 가스의 양을 조절함으로써 종래보다 공정과정을 간소화하여 공정 제어를 개선할 수 있는 장점이 있다. 또한, 반응가스와 실리콘 가스의 반응속도를 일정하게 하여 고순도의 실리콘 화합물 나노 구조체를 대량 생산할 수 있는 장점이 있다.As described above, the apparatus for manufacturing a silicon compound nanostructure according to an embodiment of the present invention uses a solid silicon-supported carrier as a raw material supply unit and controls the amount of silicon gas that reacts according to the heat applied to the process process than in the prior art. It has the advantage of improving process control by simplifying the process. In addition, there is an advantage in that it is possible to mass-produce high-purity silicon compound nanostructures by making the reaction rate of the reaction gas and the silicon gas constant.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention within the scope without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. You will understand that it can be done.
20; 담체
21; 다공성 소재
22; 고체실리콘
23g; 실리콘 화합물 가스
23s; 실리콘 화합물 나노 구조체
100; 원료공급부
110; 제 1 진공챔버
C; 수냉노즐 카트리지
200; 제 2 진공 챔버
300; 반응가스 분사부
400; 캐리어 가스 분사부
500; 포집부
510; 포집 챔버
520; 유입구
540; 진공펌프
550; 필터
560; 열순환관
570; 열제어부20; carrier
21; porous material
22; solid silicon
23 g; silicon compound gas
23s; Silicon compound nanostructure
100; Raw material supply department
110; 1st vacuum chamber
C; Water Cooling Nozzle Cartridge
200; second vacuum chamber
300; Reaction gas injection part
400; carrier gas injection unit
500; collection unit
510; collection chamber
520; inlet
540; vacuum pump
550; filter
560; heat circulation tube
570; heat control unit
Claims (13)
상기 실리콘 가스 분사모듈의 일측이 삽입되어 실리콘 가스를 제공받는 제 2 진공 챔버;
상기 제 2 진공 챔버 내로 반응가스를 공급하는 반응가스 분사부; 및
상기 반응가스와 상기 실리콘 가스의 반응으로 생성된 실리콘 화합물을 포집하는 포집부;를 포함하고,
상기 실리콘 가스 분사모듈은 상기 히터로부터 제공되는 열을 차단하는 수냉용 단열재와, 실리콘 가스 분사라인과, 상기 수냉용 단열재 내부를 관통하며 상기 실리콘 가스 분사라인의 외주면을 냉각시키는 수냉노즐을 포함하는 수냉노즐 카트리지를 구비하는 것을 특징으로 하는 실리콘 화합물 나노 구조체의 제조장치.
A first vacuum chamber, a carrier positioned in the first vacuum chamber and having solid silicon supported in the pores of a porous material, a heater for applying heat to the carrier, and silicon for moving the vaporized silicon gas from the carrier by the heat a raw material supply unit including a gas injection module;
a second vacuum chamber into which one side of the silicon gas injection module is inserted to receive silicon gas;
a reaction gas injection unit supplying a reaction gas into the second vacuum chamber; and
Including; a collecting unit for collecting the silicon compound generated by the reaction of the reaction gas and the silicon gas;
The silicon gas injection module includes a water-cooling insulator that blocks heat provided from the heater, a silicon gas injection line, and a water-cooling nozzle penetrating through the inside of the water-cooling insulator and cooling the outer circumferential surface of the silicon gas injection line. An apparatus for manufacturing a silicon compound nanostructure comprising a nozzle cartridge.
상기 담체는 공극의 직경이 0.05 내지 1mm인 다공성 소재의 공극 내에 고체 실리콘이 담지된 것을 특징으로 하는 실리콘 화합물 나노 구조체의 제조장치.
The method of claim 1,
The carrier is an apparatus for manufacturing a silicon compound nanostructure, characterized in that solid silicon is supported in the pores of a porous material having a pore diameter of 0.05 to 1 mm.
상기 다공성 소재는 그라파이트, 알루미늄 나이트라이드 또는 실리콘 카바이드인 것을 특징으로 하는 실리콘 화합물 나노 구조체의 제조장치.
3. The method of claim 2,
The porous material is an apparatus for manufacturing a silicon compound nanostructure, characterized in that graphite, aluminum nitride or silicon carbide.
상기 히터는 1200 내지 2000℃의 온도 범위로 상기 담체에 열을 가하는 것을 특징으로 하는 실리콘 화합물 나노 구조체의 제조장치.
The method of claim 1,
The heater is an apparatus for manufacturing a silicon compound nanostructure, characterized in that for applying heat to the carrier in a temperature range of 1200 to 2000 ℃.
상기 실리콘 화합물 나노 구조체의 제조장치는, 상기 실리콘 가스 분사모듈 및 반응가스 분사부와 이격된 상부에 위치하여 상기 제 2 진공 챔버 내로 캐리어 가스를 분사하는 캐리어 가스 분사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 화합물 나노 구조체의 제조장치.
The method of claim 1,
The silicon compound nano-structure manufacturing apparatus, the silicon gas injection module and the silicon compound characterized in that it comprises a carrier gas injection unit located in the upper spaced apart from the reaction gas injection unit to inject the carrier gas into the second vacuum chamber. An apparatus for manufacturing a nanostructure.
상기 반응가스는 아르곤, 수소, 산소 또는 수증기 중 선택된 하나 이상의 혼합 가스인 것을 특징으로 하는 실리콘 화합물 나노 구조체의 제조장치.
The method of claim 1,
The reaction gas is an apparatus for manufacturing a silicon compound nanostructure, characterized in that at least one mixed gas selected from argon, hydrogen, oxygen, and water vapor.
상기 원료공급부는, 상기 수냉노즐 카트리지를 결합 및 교체할 수 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 화합물 나노 구조체의 제조장치.
The method of claim 1,
The raw material supply unit, a silicon compound nanostructure manufacturing apparatus, characterized in that it is possible to combine and replace the water cooling nozzle cartridge.
상기 포집부는, 실리콘 화합물 가스가 유입되는 유입구와, 유입구를 통과한 실리콘 화합물 가스가 냉각 및 응축되어 실리콘 화합물 나노 구조체로 형성하는 포집 챔버로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 화합물 나노 구조체의 제조장치.
The method of claim 1,
The collection unit comprises an inlet through which the silicon compound gas flows, and a collection chamber in which the silicon compound gas passing through the inlet is cooled and condensed to form a silicon compound nanostructure.
상기 포집부는, 상기 포집 챔버 내부에 설치되어 실리콘 나노 구조체를 포집하는 필터와, 상기 필터와 접하며 열매체 또는 냉매가 이동하는 열순환관을 구비하는 열교환 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 화합물 나노 구조체의 제조장치.
10. The method of claim 9,
The collecting unit includes a filter installed inside the collecting chamber to collect the silicon nanostructure, and a heat exchange means having a heat circulation tube in contact with the filter and through which a heat medium or a refrigerant moves. manufacturing equipment.
상기 필터는 적층 구조이고, 상기 열순환관은 상기 적층된 필터 사이에 개재되어 상기 필터 사이에 열매체 또는 냉매가 이동하는 것을 특징으로 하는 실리콘 화합물 나노 구조체의 제조장치.
11. The method of claim 10,
The filter has a stacked structure, and the heat circulation tube is interposed between the stacked filters so that a heating medium or a refrigerant moves between the filters.
상기 열교환 수단은, 상기 반응가스 분사부와 연결되어 반응가스의 상태변화를 위한 에너지를 공급하는 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 화합물 나노 구조체의 제조장치.
11. The method of claim 10,
The heat exchange means, the device for manufacturing a silicon compound nanostructure, characterized in that it comprises a heat exchanger connected to the reaction gas injection unit to supply energy for a change in the state of the reaction gas.
상기 실리콘 화합물 나노 구조체는, 나노 입자 또는 나노와이어의 혼합 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 나노 구조체의 제조장치.
The method of claim 1,
The silicon compound nanostructure is an apparatus for manufacturing a silicon nanostructure, characterized in that it has a mixed structure of nanoparticles or nanowires.
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