KR102359101B1 - 직렬 다단 플라즈마를 이용한 분말 소재 합성 장치 및 방법 - Google Patents

직렬 다단 플라즈마를 이용한 분말 소재 합성 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의하면, 제1 플라즈마 반응 공간을 형성하는 제1 플라즈마 발생 모듈과, 상기 제1 플라즈마 반응 공간의 후류에 위치하는 제2 플라즈마 반응 공간을 형성하는 제2 플라즈마 발생 모듈과, 상기 제2 플라즈마 반응 공간의 후류에 위치하는 제3 플라즈마 반응 공간을 형성하는 제3 플라즈마 발생 모듈을 구비하는 플라즈마 분말 합성기를 포함하며, 상기 제1 플라즈마 반응 공간에서 복수의 이종 기본 소재들이 플라즈마에 의해 합성되어서 분말 형태의 제1 분말 합성물이 생성되며, 상기 제2 플라즈마 반응 공간에서 상기 제1 분말 합성물과 제1 추가 소재가 플라즈마에 의해 합성되어서 분말 형태의 제2 분말 합성물이 생성되며, 상기 제3 플라즈마 반응 공간에서 상기 제2 분말 합성물과 제2 추가 소재가 플라즈마에 의해 합성되어서 분말 형태의 제3 분말 합성물이 생성되는, 분말 소재 합성 장치가 제공된다.

Description

직렬 다단 플라즈마를 이용한 분말 소재 합성 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR SYNTHESIZING POWDER MATERIAL USING SERIES MULTISTAGE PLASMA}
본 발명은 분말 소재 합성 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이차전지의 음극재용 분말 소재를 합성하기에 적합한 장치 및 방법에 관한 것이다.
실리콘은 리튬과 합금반응하여 Li12Si5 상까지 형성되며 이론 용량은 4008mAh/g에 이른다. 이는 흑연(graphite)의 10배 이상의 고용량으로서, 흑연을 주로 음극재로 하는 현존하는 리튬이차전지의 한계를 극복할 수 있는 신소재로 주목받고 있다. 그러나, 실리콘은 충방전 과정에서 300%가 넘는 부피 변화로 인해 전극이 퇴화되어, 10 사이클 이내에서 대부분의 용량을 잃게 된다. 이는 충방전 과정에서 팽창과 수축이 지속적으로 반복되면서 전기적인 접촉을 잃게 되고, 그에 따라 전극 저항이 급격하게 증가하기 때문이다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 리튬과 반응하지 않으면서 부피변화를 완충해 줄 수 있는 비활성 물질을 첨가한 활성/비활성 화합물 또는 복합재를 사용하는 방안이 연구되고 있다.
대한민국 등록특허공보 등록번호 10-2012599 (2019.10.21)
본 발명의 목적은 플라즈마를 이용한 분말 소재 합성 장치 및 방법을 제공한는 것이다.
본 발명의 추가적인 목적은 플라즈마를 이용한 이차전지의 음극재용 분말 소재 합성 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 플라즈마 반응 공간을 형성하는 제1 플라즈마 발생 모듈과, 상기 제1 플라즈마 반응 공간의 후류에 위치하는 제2 플라즈마 반응 공간을 형성하는 제2 플라즈마 발생 모듈과, 상기 제2 플라즈마 반응 공간의 후류에 위치하는 제3 플라즈마 반응 공간을 형성하는 제3 플라즈마 발생 모듈을 구비하는 플라즈마 분말 합성기를 포함하며, 상기 제1 플라즈마 반응 공간에서 복수의 이종 기본 소재들이 플라즈마에 의해 합성되어서 분말 형태의 제1 분말 합성물이 생성되며, 상기 제2 플라즈마 반응 공간에서 상기 제1 분말 합성물과 제1 추가 소재가 플라즈마에 의해 합성되어서 분말 형태의 제2 분말 합성물이 생성되며, 상기 제3 플라즈마 반응 공간에서 상기 제2 분말 합성물과 제2 추가 소재가 플라즈마에 의해 합성되어서 분말 형태의 제3 분말 합성물이 생성되는, 분말 소재 합성 장치가 제공된다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 측면에 따르면, 복수의 이종 기본 소재들이 제1 플라즈마 반응 공간에서 합성되어서 분말 형태의 제1 분말 합성물이 생성되는 제1 플라즈마 합성 단계; 상기 제1 분말 합성물과 제1 추가 소재가 제2 플라즈마 반응 공간에서 합성되어서 분말 형태의 제2 분말 합성물이 생성되는 제2 플라즈마 합성 단계; 및 상기 제2 분말 합성물과 제2 추가 소재가 제3 플라즈마 반응 공간에서 합성되어서 분말 형태의 제3 분말 합성물이 생성되는 제3 플라즈마 합성 단계를 포함하는, 분말 소재 합성 방법이 제공된다.
본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로, 제1 플라즈마 반응 공간에서 복수의 이종 기본 소재들이 플라즈마에 의해 합성되어서 분말 형태의 제1 분말 합성물이 생성되고, 제2 플라즈마 반응 공간에서 제1 분말 합성물과 제1 추가 소재가 플라즈마에 의해 합성되어서 분말 형태의 제2 분말 합성물이 생성되며, 제3 플라즈마 반응 공간에서 제2 분말 합성물과 제2 추가 소재가 합성되어서 분말 형태의 제3 분말 합성물이 생성되므로, 효율적으로 분말 소재의 합성이 이루어질 수 있다. 특히, 제1 플라즈마 반응 공간에서 규소(Si)와 이산화규소(SiO2)가 합성되어서 SiOX(0<X<2)로 표현되는 실리콘산화물이 제1 분말 합성물로서 생성되고, 제2 플라즈마 반응 공간에서 제1 분말 합성물인 SiOX(0<X<2)가 탄소재인 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유와 합성되어서 제2 분말 합성물이 생성되며, 제3 플라즈마 반응 공간에서 제2 분말 합성물과 탄소재인 그래핀이 합성되어서 최종적으로 이차전지의 음극재로 적합한 분말 소재가 효율적으로 합성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분말 소재 합성 장치의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 분말 소재 합성 장치의 플라즈마 분말 합성기의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분말 소재 합성 방법을 개략적으로 설명하는 순서도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 분말 소재 합성 장치의 개략적인 구성이 블록도로서 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분말 소재 합성 장치(100)는 플라즈마 반응을 이용하여 분말 소재를 합성시키는 플라즈마 분말 합성기(110)와, 플라즈마 분말 합성기(110)에 플라즈마 발생을 위한 제1 전력을 공급하는 제1 전원(180)과, 플라즈마 분말 합성기(110)에 플라즈마 발생을 위한 제2 전력을 공급하는 제2 전원(183)과, 플라즈마 분말 합성기(110)에 플라즈마 발생을 위한 마이크로웨이브(microwave) 발생기(188)와, 플라즈마 분말 합성기(110)에 방전 기체를 공급하는 방전기체 공급기(190)와, 플라즈마 분말 합성기(110)에 합성 대상인 제1 기본 소재를 공급하는 제1 기본 소재 공급기(192)와, 플라즈마 분말 합성기(110)에 합성 대상인 제2 기본 소재를 공급하는 제2 기본 소재 공급기(194)와, 플라즈마 분말 합성기(110)에 합성 대상인 제1 추가 소재를 공급하는 제1 추가 소재 공급기(196)와, 플라즈마 분말 합성기(110)에 합성 대상인 제2 추가 소재를 공급하는 제2 추가 소재 공급기(198)를 포함한다. 본 실시예에서 분말 소재 합성 장치(100)는 이차전지의 음극재용 분말 소재를 합성하는 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
플라즈마 분말 합성기(110)는 플라즈마 반응을 이용하여 분말 소재를 합성한다. 도 2에는 플라즈마 분말 합성기(110)의 개략적인 구성이 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 플라즈마 분말 합성기(110)는 제1 기본 소재(D)와 제2 기본 소재(E)를 합성시켜서 제1 분말 혼합물(H)을 생성하기 위한 플라즈마를 발생시키는 제1 플라즈마 발생 모듈(120)과, 제1 플라즈마 발생 모듈(120)에서 생성된 제1 분말 합성물(H)과 제1 추가 소재(K)를 합성시켜서 제2 분말 합성물(M)을 생성하기 위한 플라즈마를 발생시키는 제2 플라즈마 발생 모듈(130)과, 제2 플라즈마 발생 모듈(130)에서 생성된 제2 분말 합성물(M)과 제2 추가 소재(G)를 합성시켜서 제3 분말 합성물(F)을 생성하기 위한 플라즈마를 발생시키는 제3 플라즈마 발생 모듈(140)과, 제1 플라즈마 발생 모듈(120)과 제2 플라즈마 발생 모듈(130)의 사이에 위치하는 제1 중간 통로부(150)와, 제2 플라즈마 발생 모듈(130)과 제3 플라즈마 발생 모듈(140)의 사이에 위치하는 제2 중간 통로부(160)과, 제1 플라즈마 발생 모듈(120)의 상류 측에 위치하는 기본 소재 도입부(171)와, 제3 플라즈마 발생 모듈(140)의 하류 측에 위치하는 합성 분말 배출부(176)를 포함한다. 본 실시예에서 플라즈마 분말 합성기(110)는, 연직 하방을 따라서 차례대로 기본 소재 도입부(171), 제1 플라즈마 발생 모듈(120), 제1 중간 통로부(150), 제2 플라즈마 발생 모듈(130), 제2 중간 통로부(160), 제3 플라즈마 발생 모듈(140), 합성 분말 배출부(176)가 차례대로 직렬 형태로 연결되어서 배치되도록 구성된다. 그에 따라, 플라즈마 분말 합성기(110) 내에서 분말이 중력에 의해 아래로 자연적으로 낙하하여 이동한다. 기본 소재 도입부(171), 제1 플라즈마 발생 모듈(120), 제1 중간 통로부(150), 제2 플라즈마 발생 모듈(130), 제2 중간 통로부(160), 제3 플라즈마 발생 모듈(140), 합성 분말 배출부(176) 각각은 이웃한 다른 구성들과 분리 가능하게 결합될 수 있다.
제1 플라즈마 발생 모듈(120)은 제1 기본 소재(D)와 제2 기본 소재(E)를 합성시켜서 제1 분말 합성물(H)을 생성하기 위한 플라즈마를 발생시킨다. 본 실시예에서 제1 기본 소재(D)는 분말 형태의 규소(Si)이고, 제2 기본 소재(E)는 분말 형태의 이산화규소(SiO2)이며, 제1 분말 합성물(H)은 SiOX(0<X<2)로 표현되는 분말 형태의 실리콘산화물이다. 제1 플라즈마 발생 모듈(120)은 플라즈마에 의한 제1 플라즈마 반응 공간(A)을 형성한다. 제1 플라즈마 반응 공간(A)에서 제1 기본 소재(D)인 규소(Si)와 제2 기본 소재(E)인 이산화규소(SiO2)가 플라즈마 반응에 의해 합성되어서 제1 분말 합성물(H)인 실리콘산화물(SiOX)이 생성된다. 제1 플라즈마 발생 모듈(120)은 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 사이에 발생하는 방전을 이용하여 제1 플라즈마 반응 공간(A)을 형성한다. 제1 플라즈마 발생 모듈(120)은 제1 전원(180)으로부터 직류 또는 교류 전력을 공급받아서 두 전극(121, 122)들 사이를 방전시킨다. 제1 플라즈마 발생 모듈(120)은 등록실용신안 제20-0425109호에 개시된 구성의 것일 수 있다. 제1 플라즈마 발생 모듈(120)의 연직방향(중력방향) 위와 아래에는 기본 소재 도입부(171)와 제1 중간 통로부(150)가 각각 위치한다. 제1 플라즈마 반응 공간(A)의 상단에는 제1 반응 공간 유입구(123)가 형성되고 제1 플라즈마 반응 공간(A)의 하단에는 제1 반응 공간 배출구(124)가 형성된다. 제1 반응 공간 유입구(123)를 통해 제1 플라즈마 반응 공간(A)은 기본 소재 도입부(171)의 내부 공간과 연통된다. 제1 반응 공간 유입구(123)를 통해서 제1 기본 소재(D)인 규소(Si)와 제2 기본 소재(E)인 이산화규소(SiO2)가 방전 기체와 함께 제1 플라즈마 반응 공간(A)으로 유입된다. 제1 플라즈마 반응 공간(A)에서 분말은 제1 반응 공간 유입구(123)로부터 제1 반응 공간 배출구(124) 쪽으로 중력에 의해 아래로 낙하하면서 이동한다. 제1 반응 공간 배출구(124)을 통해 제1 플라즈마 반응 공간(A)은 제1 중간 통로부(150)의 내부 공간과 연통된다. 제1 반응 공간 배출구(124)을 통해서 제1 플라즈마 반응 공간(A)에서 생성된 제1 분말 합성물(H)인 실리콘산화물(SiOX)이 제1 플라즈마 반응 공간(A)으로부터 배출되어서 제1 중간 통로부(150)의 내부 공간으로 유입된다.
제2 플라즈마 발생 모듈(130)은 제1 플라즈마 발생 모듈(120)에서 생성된 제1 분말 합성물(H)인 실리콘산화물(SiOX)과 제1 추가 소재(K)를 합성시켜서 제2 분말 합성물(M)을 생성하기 위한 플라즈마를 발생시킨다. 본 실시예에서 제1 추가 소재(K)는 탄소재로서, 탄소나노튜브(CNT)인 것으로 설명하는데, 이와는 달리 탄소나노섬유(CNF) 또는 탄소나노튜브(CNT)와 탄소나노섬유(CNF)를 모두 포함하는 것일 수 있다. 제2 플라즈마 발생 모듈(130)은 플라즈마에 의한 제2 플라즈마 반응 공간(B)을 형성한다. 제2 플라즈마 반응 공간(B)에서 분말 형태의 제1 분말 합성물(H)인 실리콘산화물(SiOX)과 제1 추가 소재(K)인 탄소나노튜브(CNT)가 플라즈마 반응에 의해 합성되어서 분말 형태의 제2 분말 합성물(M)이 생성된다. 제2 분말 합성물(M)은 실리콘산화물(SiOX)의 표면 전체에 걸쳐서 복수의 탄소나노튜브(CNT)들이 결합된 구조이다. 제2 플라즈마 발생 모듈(130)은 고주파(radio frequency) 전원에 의한 유도결합 플라즈마를 이용하여 제2 플라즈마 반응 공간(B)을 형성한다. 제2 플라즈마 발생 모듈(130)은 제2 전원(183)으로부터 고주파 전력을 공급받아서 유도결합 플라즈마를 발생시킨다. 제2 플라즈마 발생 모듈(130)은 등록특허 제10-2155631호에 개시된 구성의 것일 수 있다. 제2 플라즈마 발생 모듈(130)의 연직방향(중력방향) 위와 아래에는 제1 중간 통로부(150)와 제2 중간 통로부(160)가 각각 위치한다. 제2 플라즈마 반응 공간(B)의 상단에는 제2 반응 공간 유입구(133)가 형성되고 제2 플라즈마 반응 공간(B)의 하단에는 제2 반응 공간 배출구(134)가 형성된다. 제2 반응 공간 유입구(133)를 통해 제2 플라즈마 반응 공간(B)은 제1 중간 통로부(150)의 내부 공간과 연통된다. 제2 반응 공간 유입구(133)를 통해서 분말 형태의 제1 분말 합성물(H)인 실리콘산화물(SiOX)과 제1 추가 소재(K)인 탄소나노튜브(CNT)가 방전 기체와 함께 제2 플라즈마 반응 공간(B)으로 유입된다. 제2 플라즈마 반응 공간(B)에서 분말은 제2 반응 공간 유입구(133)로부터 제2 반응 공간 배출구(134) 쪽으로 중력에 의해 아래로 낙하하면서 이동한다. 제2 반응 공간 배출구(134)을 통해 제2 플라즈마 반응 공간(B)은 제2 중간 통로부(160)의 내부 공간과 연통된다. 제2 반응 공간 배출구(134)을 통해서 제2 플라즈마 반응 공간(B)에서 생성된 제2 분말 합성물(M)이 제2 플라즈마 반응 공간(B)으로부터 배출되어서 제2 중간 통로부(160)의 내부 공간으로 유입된다.
제3 플라즈마 발생 모듈(140)은 제2 플라즈마 발생 모듈(130)에서 생성된 제2 분말 합성물(M)과 제2 추가 소재(G)를 합성시켜서 제3 분말 합성물(F)를 생성하기 위한 플라즈마를 발생시킨다. 본 실시예에서 제2 추가 소재(G)는 탄소재로서, 그래핀(Graphene)인 것으로 설명한다. 제3 플라즈마 발생 모듈(140)은 플라즈마에 의한 제3 플라즈마 반응 공간(C)을 형성한다. 제3 플라즈마 반응 공간(C)에서 분말 형태의 제2 분말 합성물(M)과 제2 추가 소재(G)인 그래핀이 플라즈마 반응에 의해 합성되어서 분말 형태의 제3 분말 합성물(F)이 생성된다. 제3 분말 합성물(F)은 제2 분말 합성물(M)의 표면에 그래핀이 코팅된 구조이다. 제3 플라즈마 발생 모듈(140)은 마이크로웨이브(microwave)를 이용하여 플라즈마를 발생시켜서 제3 플라즈마 반응 공간(C)을 형성한다. 제3 플라즈마 발생 모듈(140)은 마이크로웨이브 발생기(188)로부터 마이크로웨이브를 공급받아서 플라즈마를 발생시킨다. 제3 플라즈마 발생 모듈(140)은 등록특허 제10-1913721호에 개시된 구성의 것일 수 있다. 제3 플라즈마 발생 모듈(140)의 연직방향(중력방향) 위와 아래에는 제2 중간 통로부(160)와 합성 분말 배출부(176)가 각각 위치한다. 제3 플라즈마 반응 공간(C)의 상단에는 제3 반응 공간 유입구(143)가 형성되고 제3 플라즈마 반응 공간(C)의 하단에는 제3 반응 공간 배출구(144)가 형성된다. 제3 반응 공간 유입구(143)를 통해 제3 플라즈마 반응 공간(C)은 제2 중간 통로부(160)의 내부 공간과 연통된다. 제3 반응 공간 유입구(143)를 통해서 제2 분말 합성물(M)과 제2 추가 소재인 그래핀이 방전 기체와 함께 제3 플라즈마 반응 공간(C)으로 유입된다. 제3 플라즈마 반응 공간(C)에서 분말은 제3 반응 공간 유입구(143)로부터 제3 반응 공간 배출구(144) 쪽으로 중력에 의해 아래로 낙하하면서 이동한다. 제3 반응 공간 배출구(144)을 통해 제3 플라즈마 반응 공간(C)은 합성 분말 배출부(176)의 내부 공간과 연통된다. 제3 반응 공간 배출구(144)을 통해서 제3 플라즈마 반응 공간(C)에서 생성된 제3 분말 합성물(F)이 최종 합성 소재로서 플라즈마 반응 공간(C)으로부터 배출되어서 합성 분말 배출부(176)의 내부 공간으로 유입된다.
제1 중간 통로부(150)는 제1 플라즈마 발생 모듈(120)과 제2 플라즈마 발생 모듈(130)의 사이에 위치한다. 제1 중간 통로부(150)는 내부에 제1 중간 통로(151)를 제공한다. 제1 중간 통로(151)의 연직방향 위에 제1 플라즈마 반응 공간(A)이 위치하고 제1 중간 통로(151)의 연직방향 아래에 제2 플라즈마 반응 공간(B)이 위치한다. 제1 중간 통로(151)는 제1 반응 공간 배출구(124)를 통해 제1 플라즈마 반응 공간(A)과 연통되고, 제2 반응 공간 유입구(133)을 통해 제2 플라즈마 반응 공간(B)과 연통된다. 제1 중간 통로부(150)에는 제1 중간 통로(151)와 연통되는 제1 추가 소재 공급구(155)가 형성된다. 제1 추가 소재 공급구(155)를 통해 제1 중간 통로(151)로 제1 추가 소재(K)인 탄소나노튜브(CNT)가 공급된다. 제1 중간 통로(151)에서 제1 분말 합성물(H)인 실리콘산화물(SiOX)과 제1 추가 소재(K)인 탄소나노튜브(CNT)가 고르게 섞이고 제2 반응 공간 유입구(133)를 통해 제2 플라즈마 반응 공간(B)으로 유입된다. 제1 중간 통로(151)의 바닥(157)은 분말의 낙하가 용이하도록 도시된 바와 같이 제2 반응 공간 유입구(133) 쪽을 향해 아래로 갈수록 좁아지는 것이 바람직하다.
제2 중간 통로부(160)는 제2 플라즈마 발생 모듈(130)과 제3 플라즈마 발생 모듈(140)의 사이에 위치한다. 제2 중간 통로부(160)는 내부에 제2 중간 통로(161)를 제공한다. 제2 중간 통로(161)의 연직방향 위에 제2 플라즈마 반응 공간(B)이 위치하고 제2 중간 통로(161)의 연직방향 아래에 제3 플라즈마 반응 공간(C)이 위치한다. 제2 중간 통로(161)는 제2 반응 공간 배출구(134)를 통해 제2 플라즈마 반응 공간(B)과 연통되고, 제3 반응 공간 유입구(143)을 통해 제3 플라즈마 반응 공간(C)과 연통된다. 제2 중간 통로부(160)에는 제2 중간 통로(161)와 연통되는 제2 추가 소재 공급구(165)가 형성된다. 제2 추가 소재 공급구(165)를 통해 제2 중간 통로(161)로 제2 추가 소재(G)인 그래핀이 공급된다. 제2 중간 통로(161)에서 제2 분말 합성물(M)과 제2 추가 소재(G)인 그래핀이가 고르게 섞이고 제3 반응 공간 유입구(143)를 통해 제3 플라즈마 반응 공간(C)으로 유입된다. 제2 중간 통로(161)의 바닥(167)은 분말의 낙하가 용이하도록 도시된 바와 같이 제3 반응 공간 유입구(143) 쪽을 향해 아래로 갈수록 좁아지는 것이 바람직하다.
기본 소재 도입부(171)는 제1 플라즈마 발생 모듈(120)의 위에 위치한다. 기본 소재 도입부(171)는 내부에 기본 소재 도입 공간(172)을 제공한다. 기본 소재 도입 공간(172)의 연직방향 아래에 제1 플라즈마 반응 공간(A)이 위치한다. 기본 소재 도입 공간(172)은 제1 반응 공간 유입구(123)를 통해 제1 플라즈마 반응 공간(A)과 연통된다. 기본 소재 도입부(171)에는 기본 소재 도입 공간(176)과 연통되는 기본 소재 공급구(173)가 형성된다. 기본 소재 공급구(173)를 통해 제1 기본 소재(D)인 분말 형태의 규소(Si)와 제2 기본 소재(E)인 분말 형태의 이산화규소(SiO2)가 기본 소재 도입 공간(172)으로 공급된다. 기본 소재 공급구(173)를 통해 방전 기체도 함께 기본 소재 도입 공간(172)으로 공급될 수도 있다. 기본 소재 도입 공간(172)에서 제1 기본 소재(D)인 분말 형태의 규소(Si)와 제2 기본 소재(E)인 분말 형태의 이산화규소(SiO2)가 고르게 섞이고 제1 반응 공간 유입구(123)를 통해 제1 플라즈마 반응 공간(A)으로 유입된다. 기본 소재 도입 공간(172)의 바닥(174)은 분말의 낙하가 용이하도록 도시된 바와 같이 제1 반응 공간 유입구(123) 쪽을 향해 아래로 갈수록 좁아지는 것이 바람직하다.
합성 분말 배출부(176)는 제3 플라즈마 발생 모듈(140)의 아래에 위치한다. 합성 분말 배출부(176)는 내부에 합성 분말 배출 공간(177)을 제공한다. 합성 분말 배출 공간(177)의 연직방향 위에 제3 플라즈마 반응 공간(C)이 위치한다. 합성 분말 배출 공간(177)은 제3 반응 공간 배출구(144)를 통해 제3 플라즈마 반응 공간(C)과 연통된다. 합성 분말 배출부(176)에는 합성 분말 배출 공간(177)과 연통되는 합성 분말 배출구(178)가 형성된다. 합성 분말 배출구(178)를 통해 제3 분말 합성물(F)이 플라즈마 분말 합성기(110)의 외부로 배출된다. 합성 분말 배출구(178)은 합성 분말 배출 공간(177)의 바닥(179)에 형성된다. 합성 분말 배출 공간(177)의 바닥(179)은 제3 분말 합성물(F)의 낙하가 용이하도록 도시된 바와 같이 합성 분말 배출구(178) 쪽을 향해 아래로 갈수록 좁아지는 것이 바람직하다.
제1, 제2, 제3 플라즈마 반응 공간(A, B, C), 제1, 제2 중간 통로부(150, 160), 기본 소재 도입부(171) 및 합성 분말 배출부(176)는 서로 연통되어 일체로 형성되는 관 구조를 갖는다.
제1 전원(180)은 플라즈마 분말 합성기(110)의 제1 플라즈마 발생 모듈(120)의 두 전극(121, 122)으로 제1 플라즈마 반응 공간(A)의 형성을 위해 직류 또는 교류 전력을 공급한다.
제2 전원(183)은 플라즈마 분말 합성기(110)의 제2 플라즈마 발생 모듈(130)로 유도결합 플라즈마에 의한 제2 플라즈마 반응 공간(B)의 형성을 위해 고주파 전력을 공급한다.
마이크로웨이브(microwave) 발생기(188)는 제3 플라즈마 발생 모듈(140)이 마이크로웨이브를 이용하여 제3 플라즈마 반응 공간(C)을 형성할 수 있도록, 마이크로웨이브를 발생시킨다. 마이크로웨이브 발생기(188)에서 발생된 마이크로웨이브는 도파관을 통해 제3 플라즈마 발생 모듈(140)로 전송된다.
방전기체 공급기(190)는 플라즈마 분말 합성기(110)에 플라즈마 방전에 필요한 방전 기체를 공급한다. 본 실시예에서 방전기체 공급기(190)를 통해 공급되는 방전기체는 플라즈마 분말 합성기(110)의 기본 소재 공급구(173)를 통해 기본 소재 도입 공간(172)으로 유입되는 것으로 설명한다.
제1 기본 소재 공급기(192)는 플라즈마 분말 합성기(110)에 제1 기본 소재(D)인 분말 형태의 규소(Si)를 공급한다. 제1 기본 소재 공급기(192)를 통해 공급되는 제1 기본 소재(D)는 플라즈마 분말 합성기(110)의 기본 소재 공급구(173)를 통해 기본 소재 도입 공간(172)으로 유입된다. 본 실시예에서는 제1 기본 소재 공급기(192)가 제1 기본 소재(D)로서 규소(Si)를 공급하는 것으로 설명하지만, 목표로 하는 합성 분말 소재에 따라서 달라질 수 있으며 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
제2 기본 소재 공급기(194)는 플라즈마 분말 합성기(110)에 제2 기본 소재인 분말 형태의 이산화규소(SiO2)를 공급한다. 제2 기본 소재 공급기(194)를 통해 공급되는 제2 기본 소재는 플라즈마 분말 합성기(110)의 기본 소재 공급구(173)를 통해 기본 소재 도입 공간(172)으로 유입된다. 본 실시예에서는 제2 기본 소재 공급기(194)가 제2 기본 소재(E)로서 이산화규소(SiO2)를 공급하는 것으로 설명하지만, 목표로 하는 합성 분말 소재에 따라서 달라질 수 있으며 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
제1 추가 소재 공급기(196)는 플라즈마 분말 합성기(110)에 제1 추가 소재(K)인 분말 형태의 탄소나노튜브(CNT)를 공급한다. 제1 추가 소재 공급기(196)를 통해 공급되는 제1 추가 소재(K)는 플라즈마 분말 합성기(110)의 제1 추가 소재 공급구(155)를 통해 제1 중간 통로(151)로 유입된다. 본 실시예에서는 제1 추가 소재 공급기(196)가 제1 추가 소재(K)로서 탄소나노튜브(CNT)를 공급하는 것으로 설명하지만, 목표로 하는 합성 분말 소재에 따라서 달라질 수 있으며 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
제2 추가 소재 공급기(198)는 플라즈마 분말 합성기(110)에 제2 추가 소재(G)인 분말 형태의 그래핀을 공급한다. 제2 추가 소재 공급기(198)를 통해 공급되는 제2 추가 소재(G)인 그래핀은 플라즈마 분말 합성기(110)의 제2 추가 소재 공급구(165)를 통해 제2 중간 통로(161)로 유입된다. 본 실시예에서는 제2 추가 소재 공급기(198)가 제2 추가 소재(G)로서 그래핀을 공급하는 것으로 설명하지만, 목표로 하는 합성 분말 소재에 따라서 달라질 수 있으며 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 분말 소재 합성 방법을 개략적으로 설명하는 순서도가 도시되어 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 분말 소재 합성 방법은 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 분말 소재 합성 장치(100)를 이용하는 것으로서 도 1 및 도 2와 함께 도 3을 참조하면, 분말 형태의 복수의 이종 기본 소재(D, E)들이 플라즈마 분말 합성기(110)로 투입되는 기본 소재 투입 단계(S10)와, 이종 기본 소재(D, E)들이 플라즈마 분말 합성기(110)에서 플라즈마 반응에 의해 합성되어서 분말 형태의 제1 분말 합성물(H)이 생성되는 제1 플라즈마 합성 단계(S20)와, 플라즈마 분말 합성기(110)로 분말 형태의 제1 추가 소재(K)가 투입되는 제1 추가 소재 투입 단계(S30)와, 제1 분말 합성물(H)과 제1 추가 소재(K)가 플라즈마 분말 합성기(110)에서 플라즈마 반응에 의해 합성되어서 분말 형태의 제2 분말 합성물(M)이 생성되는 제2 플라즈마 합성 단계(S40)와, 플라즈마 분말 합성기(110)로 분말 형태의 제2 추가 소재(G)가 투입되는 제2 추가 소재 투입 단계(S50)와, 제2 분말 합성물(M)과 제2 추가 소재(G)가 플라즈마 분말 합성기(110)에서 플라즈마 반응에 의해 합성되어서 분말 형태의 제3 분말 합성물(F)이 합성되는 제3 플라즈마 합성 단계(S60)를 포함한다.
기본 소재 투입 단계(S10)에서는 분말 형태의 복수의 이종 기본 소재(D, E)들이 플라즈마 분말 합성기(110)로 투입된다. 본 실시예에서는 복수의 이종 기본 소재(D, E)들이 제1 기본 소재(D)인 규소(Si)와 제2 기본 소재(E)인 이산화규소(SiO2)인 것으로 설명하는데, 이는 제3 분말 합성물(F)이 이차전지의 음극재용 분말 소재인 경우의 것으로서, 본 발명은 이에 제한되지 않으며 제3 분말 합성물(F)의 구조에 따라 기본 소재 투입 단계(S10)에서 투입되는 복수의 이종 기본 소재들의 종류는 달라질 수 있다. 기본 소재 투입 단계(S10)는 제1 기본 소재(D)가 제1 기본 소재 공급기(192)에 의해 플라즈마 분말 합성기(110)의 기본 소재 공급구(173)를 통해 기본 소재 도입 공간(172)으로 유입되고, 제2 기본 소재(E)가 제2 기본 소재 공급기(194)에 의해 플라즈마 분말 합성기(110)의 기본 소재 공급구(173)를 통해 기본 소재 도입 공간(172)으로 유입됨으로써 수행된다. 기본 소재 투입 단계(S10)를 통해 기본 소재 도입 공간(172)으로 투입된 제1 기본 소재(D)와 제2 기본 소재(E)는 중력에 의해 자연 낙하하여 제1 플라즈마 반응 공간(A)으로 유입된다. 기본 소재 투입 단계(S10)가 수행되면서 방전 기체도 함께 기본 소재 도입 공간(172)으로 유입될 수 있다.
제1 플라즈마 합성 단계(S20)에서는 이종 기본 소재(D, E)들이 플라즈마 분말 합성기(110)에서 플라즈마 반응에 의해 합성되어서 분말 형태의 제1 분말 합성물(H)이 생성된다. 제1 플라즈마 합성 단계(S20)는 제1 기본 소재(D)인 규소(Si)와 제2 기본 소재(E)인 이산화규소(SiO2)가 제1 플라즈마 반응 공간(A)에서의 플라즈마 반응에 의해 합성되어서 수행된다. 제1 플라즈마 합성 단계(S20)에서 생성된 제1 분말 합성물(H)은 제1 플라즈마 반응 공간(A)으로부터 중력에 의해 자연 낙하하여 제1 중간 통로(151)로 유입된다.
제1 추가 소재 투입 단계(S30)에서는 플라즈마 분말 합성기(110)로 분말 형태의 제1 추가 소재(K)가 투입된다. 본 실시예에서는 제1 추가 소재(K)가 탄소나노튜브(CNT) 또는 탄소나노섬유(CNF)인 것으로 설명하는데, 이는 제3 분말 합성물(F)이 이차전지의 음극재용 분말 소재인 경우의 것으로서, 본 발명은 이에 제한되지 않으며 제3 분말 합성물(F)의 구조에 따라 제1 추가 소재 투입 단계(S30)에 투입되는 제1 추가 소재(K)의 종류는 달라질 수 있다. 제1 추가 소재 투입 단계(S30)는 제1 추가 소재(K)가 제1 추가 소재 공급기(196)에 의해 플라즈마 분말 합성기(110)의 제1 추가 소재 공급구(155)를 통해 제1 중간 통로(151)으로 유입됨으로써 수행된다. 제1 추가 소재 투입 단계(S30)를 통해 제1 중간 통로(151)으로 투입된 제1 추가 소재(K)는 제1 분말 합성물(H)과 함께 중력에 의해 자연 낙하하여 제2 플라즈마 반응 공간(B)으로 유입된다.
제2 플라즈마 합성 단계(S40)에서는 제1 분말 합성물(H)과 제1 추가 소재(K)가 플라즈마 분말 합성기(110)에서 플라즈마 반응에 의해 합성되어서 분말 형태의 제2 분말 합성물(M)이 생성된다. 제2 플라즈마 합성 단계(S40)는 제1 분말 합성물(H)과 제1 추가 소재(K)인 탄소나노튜브(CNT) 또는 탄소나노섬유(CNF)가 제2 플라즈마 반응 공간(B)에서의 플라즈마 반응에 의해 합성되어서 수행된다. 제2 플라즈마 합성 단계(S40)에서 생성된 제2 분말 합성물(M)은 제2 플라즈마 반응 공간(B)으로부터 중력에 의해 자연 낙하하여 제2 중간 통로(161)로 유입된다.
제2 추가 소재 투입 단계(S50)에서는 플라즈마 분말 합성기(110)로 분말 형태의 제2 추가 소재(G)가 투입된다. 본 실시예에서는 제2 추가 소재(G)가 그래핀인 것으로 설명하는데, 이는 제3 분말 합성물(F)이 이차전지의 음극재용 분말 소재인 경우의 것으로서, 본 발명은 이에 제한되지 않으며 제3 분말 합성물(F)의 구조에 따라 제2 추가 소재 투입 단계(S50)에 투입되는 제2 추가 소재(G)의 종류는 달라질 수 있다. 제2 추가 소재 투입 단계(S50)는 제2 추가 소재(G)가 제2 추가 소재 공급기(198)에 의해 플라즈마 분말 합성기(110)의 제2 추가 소재 공급구(165)를 통해 제2 중간 통로(161)으로 유입됨으로써 수행된다. 제2 추가 소재 투입 단계(S50)를 통해 제2 중간 통로(161)으로 투입된 제2 추가 소재(G)는 제2 분말 합성물(M)과 함께 중력에 의해 자연 낙하하여 제3 플라즈마 반응 공간(C)으로 유입된다.
제3 플라즈마 합성 단계(S60)에서는 제2 분말 합성물(M)과 제2 추가 소재(G)가 플라즈마 분말 합성기(110)에서 플라즈마 반응에 의해 합성되어서 분말 형태의 제3 분말 합성물(F)이 합성된다. 제3 플라즈마 합성 단계(S60)는 제2 분말 합성물(M)과 제2 추가 소재(G)인 그래핀이 제3 플라즈마 반응 공간(C)에서의 플라즈마 반응에 의해 합성되어서 수행된다. 제3 플라즈마 합성 단계(S60)에서 생성된 제3 분말 합성물(F)은 제3 플라즈마 반응 공간(C)으로부터 중력에 의해 자연 낙하하여 합성 분말 배출 공간(177)으로 유입된다.
상기 실시예에서 플라즈마 분말 합성기(110)로 투입되는 제1 기본 소재(D), 제2 기본 소재(E), 제1 추가 소재(K) 및 제2 추가 소재(G)가 분말 형태인 것으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 액상 또는 기체상도 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
이상 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.
100 : 분말 소재 합성 장치 110 : 플라즈마 분말 합성기
120 : 제1 플라즈마 발생 모듈 130 : 제2 플라즈마 발생 모듈
140 : 제3 플라즈마 발생 모듈 150 : 제1 중간 통로부
160 : 제2 중간 통로부 171 : 기본 소재 도입부
176 : 합성 분말 배출부 180 : 제1 전원
183 : 제2 전원 188 : 마이크로웨이브 발생기
190 : 방전기체 공급기 192 : 제1 기본 소재 공급기
194 : 제2 기본 소재 공급기 196 : 제1 추가 소재 공급기
198 : 제2 추가 소재 공급기

Claims (22)

  1. 제1 플라즈마 반응 공간을 형성하는 제1 플라즈마 발생 모듈과, 상기 제1 플라즈마 반응 공간의 후류에 위치하는 제2 플라즈마 반응 공간을 형성하는 제2 플라즈마 발생 모듈과, 상기 제2 플라즈마 반응 공간의 후류에 위치하는 제3 플라즈마 반응 공간을 형성하는 제3 플라즈마 발생 모듈을 구비하는 플라즈마 분말 합성기를 포함하며,
    상기 제1 플라즈마 반응 공간에서 복수의 이종 기본 소재들이 플라즈마에 의해 합성되어서 분말 형태의 제1 분말 합성물이 생성되며,
    상기 제2 플라즈마 반응 공간에서 상기 제1 분말 합성물과 제1 추가 소재가 플라즈마에 의해 합성되어서 분말 형태의 제2 분말 합성물이 생성되며,
    상기 제3 플라즈마 반응 공간에서 상기 제2 분말 합성물과 제2 추가 소재가 플라즈마에 의해 합성되어서 분말 형태의 제3 분말 합성물이 생성되는,
    분말 소재 합성 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 분말 합성물은 상기 제1 플라즈마 반응 공간으로부터 낙하하여 배출되며,
    상기 제2 플라즈마 반응 공간은 상기 제1 플라즈마 반응 공간보다 아래에 위치하여 상기 제1 분말 합성물이 상기 제2 플라즈마 반응 공간으로 낙하하여 공급되며,
    상기 제2 분말 합성물은 상기 제2 플라즈마 반응 공간으로부터 낙하하여 배출되며,
    상기 제3 플라즈마 반응 공간은 상기 제2 플라즈마 반응 공간보다 아래에 위치하여 상기 제2 분말 합성물이 상기 제3 플라즈마 반응 공간으로 낙하하여 공급되며,
    상기 제3 분말 합성물은 상기 제3 플라즈마 반응 공간으로부터 낙하하여 배출되는,
    분말 소재 합성 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 플라즈마 분말 합성기는,
    상기 제1 플라즈마 발생 모듈과 상기 제2 플라즈마 발생 모듈의 사이에 위치하고 상기 제1 플라즈마 반응 공간과 상기 제2 플라즈마 반응 공간을 연통시키는 제1 중간 통로부와,
    상기 제2 플라즈마 발생 모듈과 상기 제3 플라즈마 발생 모듈의 사이에 위치하고 상기 제2 플라즈마 반응 공간과 상기 제3 플라즈마 반응 공간을 연통시키는 제2 중간 통로부를 더 구비하는,
    분말 소재 합성 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 중간 통로부로 상기 제1 추가 소재가 공급되며,
    상기 제2 중간 통로부로 상기 제2 추가 소재가 공급되는,
    분말 소재 합성 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1, 제2, 제3 플라즈마 반응 공간과 상기 제1, 제2 중간 통로부는 서로 연통되어 일체로 형성되는 관 구조를 갖는,
    분말 소재 합성 장치.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1, 제2, 제3 플라즈마 반응 공간을 수직 방향으로 배열되는,
    분말 수재 합성 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 플라즈마 발생 모듈은 직류 전원 또는 교류 전원에 의해 제1 전극과 제2 전극 사이에 발생하는 방전을 이용하여 상기 제1 플라즈마 반응 공간을 형성하는,
    분말 소재 합성 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 플라즈마 발생 모듈은 무선주파수 전원에 의한 유도결합 플라즈마를 이용하여 상기 제2 플라즈마 반응 공간을 형성하는,
    분말 소재 합성 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 플라즈마 발생 모듈은 마이크로웨이브를 이용하여 상기 제3 플라즈마 반응 공간을 형성하는,
    분말 소재 합성 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 이종 기본 소재들은 규소(Si)와 이산화규소(SiO2)를 포함하며,
    상기 제1 분말 합성물은 SiOX(0<X<2)로 표현되는 실리콘산화물이며,
    상기 제1 추가 소재와 상기 제2 추가 소재는 탄소재인,
    분말 소재 합성 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 추가 소재는 탄소나노튜브(CNT) 또는 탄소나노섬유(CNF)인,
    분말 소재 합성 장치.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 제2 추가 소재는 그래핀인,
    분말 소재 합성 장치.
  13. 직렬로 배치되는 복수개의 플라즈마 발생 모듈을 구비하는 플라즈마 분말 합성기를 포함하며,
    상기 복수개의 플라즈마 발생 모듈들 각각은 이종의 물질들이 플라즈마 반응에 의해 합성되어서 분말 합성물이 생성되는 플라즈마 반응 공간을 형성하며,
    상기 복수개의 플라즈마 발생 모듈들 중 하나의 플라즈마 발생 모듈에서 생성된 분말 합성물은 하류 측에 이웃하여 위치하는 다른 플라즈마 발생 모듈로 유입되는,
    분말 소재 합성 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 복수개의 플라즈마 발생 모듈들은 분말의 합성 순서에 따라 높이방향을 따라서 위로부터 아래로 차례대로 배치되어서 상기 플라즈마 분말 합성기 내에서 분말이 중력에 의해 낙하하여 이동하는,
    분말 소재 합성 장치.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 복수개의 플라즈마 발생 모듈들 중 이웃한 두 플라즈마 발생 모듈들 사이의 공간으로 상기 분말 합성물과 합성되는 합성 대상 소재가 공급되는,
    분말 소재 합성 장치.
  16. 복수의 이종 기본 소재들이 제1 플라즈마 반응 공간에서 합성되어서 분말 형태의 제1 분말 합성물이 생성되는 제1 플라즈마 합성 단계;
    상기 제1 분말 합성물과 제1 추가 소재가 제2 플라즈마 반응 공간에서 합성되어서 분말 형태의 제2 분말 합성물이 생성되는 제2 플라즈마 합성 단계; 및
    상기 제2 분말 합성물과 제2 추가 소재가 제3 플라즈마 반응 공간에서 합성되어서 분말 형태의 제3 분말 합성물이 생성되는 제3 플라즈마 합성 단계를 포함하는,
    분말 소재 합성 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 복수의 이종 기본 소재들은 규소(Si)와 이산화규소(SiO2)를 포함하며,
    상기 복수의 이종 기본 소재들을 상기 제1 플라즈마 반응 공간의 상류 측 공간으로 공급하는 기본 소재 투입 단계를 더 포함하는,
    분말 소재 합성 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 제1 추가 소재는 탄소재이며,
    상기 제1 추가 소재를 상기 제1 플라즈마 반응 공간과 상기 제2 플라즈마 반응 공간 사이의 공간으로 공급하는 제1 추가 소재 투입 단계를 더 포함하는,
    분말 소재 합성 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 제1 추가 소재는 탄소나노튜브(CNT) 또는 탄소나노섬유(CNF)인,
    분말 소재 합성 방법.
  20. 청구항 18에 있어서,
    상기 제2 추가 소재는 탄소재이며,
    상기 제2 추가 소재를 상기 제2 플라즈마 반응 공간과 상기 제3 플라즈마 반응 공간 사이의 공간으로 공급하는 제2 추가 소재 투입 단계를 더 포함하는,
    분말 소재 합성 방법.
  21. 청구항 18에 있어서,
    상기 제2 추가 소재는 그래핀(Graphene)인,
    분말 소재 합성 방법.
  22. 이종의 물질들이 서로 직렬로 이격되어 위치하는 복수개의 플라즈마 반응 공간들에서 각각 플라즈마 반응에 의해 합성되어서 분말 형태의 분말 합성물이 생성되는 복수의 플라즈마 합성 단계들을 포함하며,
    상기 복수의 플라즈마 합성 단계들은 순차적으로 수행되어서, 하나의 플라즈마 합성 단계에서 생성된 분말 합성물이 다음에 순차적으로 이어져서 수행되는 다른 플라즈마 합성 단계에서 이종의 물질과 합성되는,
    분말 소재 합성 방법.
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