KR20010111152A - 플라즈마를 이용한 고순도 미분체 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 세라믹 또는 금속 와이어에 순간적으로 고전압을 가하여 플라즈마 상태로 만든 상태에서 고전압의 충격에 의해 미분체로 만드는 플라즈마를 이용한 고순도 미분체 제조장치에 관한 것으로, 개스가 채워져 있는 개스실과; 상기 개스실 내부에 금속 와이어를 공급하는 금속 와이어 공급부와; 고전압·고전류를 발생시키는 전원공급장치와; 상기 전원공급장치에서 제공되는 고전압·고전류의 전원을 저장하는 캐패시터와; 상기 고전압 캐패시터에 저장된 전원을 상기 금속 와이어에 인가하는 스위칭 장치와; 상기 스위칭 장치와 금속 와이어 사이에 흐르는 전류를 조절하는 전류조절수단과;로 구성되어 인가하는 에너지를 조절하여 미분체의 크기를 조절할 수 있고, 성분 조성비를 균일하게 할 수 있으며, nm 수준의 미분체를 만들 수 있다. 또한, 본 발명은 오염물질을 사용하지 않으므로 환경오염도 방지할 수 있다.

Description

플라즈마를 이용한 고순도 미분체 제조장치{an apparatus for making highly pure and fine grains}

본 발명은 플라즈마를 이용한 고순도 미분체 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 세라믹 또는 금속 와이어에 순간적으로 고전압을 가하여 플라즈마상태로 만든 상태에서 고전압의 충격에 의해 미분체로 만드는 플라즈마를 이용한 고순도 미분체 제조장치에 관한 것이다.

현재 미분체를 제조하는 기술로는 분말 각각의 성분, 크기, 특징에 따라 파쇄기를 이용한 기계적 분쇄 및 파쇄법, 금속을 액상으로 용융 시킨 후 가스, 물등을 이용하여 급속냉각하는 분무법, 화학반응을 이용하는 환원법, 전해석출법, 침전법, 열분해법, 등이 있으나 침전법에 의해 제조되는 금속입자들은 크기 및 형태의 조절이 어렵고 다량의 용매 사용으로 인하여 제조된 입자 내부에 많은 불순물이 남아 있는 단점이 있다.

또한, 분쇄나 파쇄법으로는 나노사이즈(nano-size)의 미분체를 제조하기가 어렵다. 화학적인 방법으로 미분체를 제조할 경우 침전된 입자들을 고온에서 열처리하기 때문에 입자들의 응집이 일어나 균일한 크기의 입자를 얻기가 어렵다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서,

본 발명의 목적은 금속이나 세라믹을 고순도의 미분체로 제조하는 플라즈마를 이용한 고순도 미분체 제조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 분말 크기의 조절이 수월하고 불순물에 의한 2차오염이 없는 분말을 제조할 수 있는 플라즈마를 이용한 고순도 미분체 제조장치를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 금속미분체 제조장치의 구성을 보이는 구성도,

도 2(a)∼(c)는 금속 와이어와 전기단자 사이에 발생하는 전로 파괴현상을 설명하는 설명도,

도 3은 와이어에 인가되는 에너지와 승화에너지의 비에 따라 생성되는 입자의 크기를 나타낸 표이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

11 : 전류조절수단 12 : 개스실

13 : 와이어 공급부 21 : 와이어 권취기

22 : 롤러 23 : 양극단자

24 : 음극단자 25 : 금속와이어

위와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 장치는 개스가 채워져 있는 개스실과; 상기 개스실 내부에 금속 와이어를 공급하는 금속 와이어 공급부와; 고전압·고전류를 발생시키는 전원공급장치와; 상기 전원공급장치에서 제공되는 고전압·고전류의 전원을 저장하는 고전압 캐패시터와; 상기 고전압 캐패시터에 저장된 전원을 상기 금속 와이어에 인가하는 스위칭 시스템과; 상기 스위칭 시스템과 금속 와이어 사이에 흐르는 전류를 조절하는 전류조절수단과;로 구성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명을 실시예를 들어 첨부된 도면에 의거 상세히 설명한다.

도 1에 본 발명에 의한 금속미분체 제조장치의 구성을 보이는 구성도가 도시된다.

금속 와이어 공급부(13)는 금속 와이어가 감겨있는 권취기(21)를 롤러(22)의 구동에 의해 풀어서 금속 와이어를 개스실(12)의 내부에 공급한다. 개스실(12)은 내부에 공급된 금속 와이어(25)에 고전압·고전류를 인가하는 전기단자(23, 24)를 구비한다. 전원공급장치(Vs)는 1∼10 KV의 전원을 고압 캐패시터(Co)에 공급한다. 고압 캐패시터(Co)는 상기 전원공급장치(Vs)에서 1∼10 KV의 전원을 공급받아 저장한다. 스위칭 장치(S1)는 온 상태로 스위칭되어 상기 고압 캐패시터(Co)에 저장된 전하를 전류조절수단(11)을 통해 전기단자(23, 24)에 인가한다. 전기단자(23, 24)는 그들 사이에 금속 와이어(25)가 개재되어 상기 고압 캐패시터(Co)에서 공급되는 고전압을 상기 금속 와이어(25)에 인가한다.

금속 와이어(25)가 금속 와이어 공급부(13)에서 개스실(12)로 공급되어 전기단자(23, 24) 사이에 놓이게 된다. 스위칭 장치(S1)를 온상태로 동작하게 하여 캐패시터(Co)에 저장된 전하를 전기단자(23, 24) 사이에 인가한다. 양극 전기단자(23)와 금속 와이어(25) 사이에 간격이 있으므로, 그 사이에 고전압 1∼10 KV이 인가되어 방전이 발생한다. 방전은 금속 와이어(25)로부터 전자가 양극 전기단자(23)로 개스실(12)에 채워진 개스(예를 들면, N₂)를 통하여 흐르는 현상이다.

금속 와이어(25)와 양극단자(23) 사이에 고전압이 인가되므로 금속 와이어(25)의 표면에서 전자나 금속의 증기가 방출된다. 방출된 전자는 양극단자(23)로 이동하는 사이에 개스실(12)에 채워져 있는 개스의 분자와 부딪혀서 다수의 전자와 양이온을 발생시킨다. 이렇게 발생되어 양극단자(23)에 유입되는 전자전류밀도(단위면적당 전류) j는

j∝ exp(αd) 여기서, α는 전자의 충돌전리계수

이 전리계수 α는 양극단자(23)와 금속 와이어(25) 사이에 인가되는 전압에 비례하여 변한다. 전리계수 α는 기압 p₀에 반비례한다.

한편, 금속 와이어(25)와 음극단자(24) 사이에서는 전자와 기체 분자의 충돌에 의한 전리로 발생하는 전류, 양이온이 기체와 충돌하여 발생하는 β작용과 양이온이 음극단자(24)에 충돌하여 발생하는 γ 작용에 의해 전류가 발생한다.

금속 와이어(25)와 양극단자(23) 및 음극단자(24) 사이에 전로파괴가 발생하여 무한대의 전류가 흐르게 된다. 이때 발생하는 전로 파괴 현상을 도 2(a)∼(c)에 도시한다.

음극단자(24)를 출발한 전자는 도 2(a)와 같은 전자사태를 형성한다. 충돌 전리로 생긴 양이온은 드리프트 속도가 작기 때문에 뒤에 남게 된다. 전자사태의 선단이 양극에 달하면 전자는 즉시 양극에 흡수되어 나중에는 도 2(b)와 같은 양이온의 원추형 기둥이 남는다. 양극부근의 양이온 밀도는 극히 크므로 전계는 그 근방에서 대단히 강해져 P, Q에서 발생한 전자(전자사태로부터 방사된 빛에 의한 전리로 생긴 전자)를 흡인한다. 이 전자는 흡인되면서 전자사태를 만들어 순차 음극쪽으로 진전해 간다. 흡인된 전자는 양이온이 기둥속에 유입하고 도전율이 큰 플라즈마 상태의 방전로를 형성하는데 이것이 스트리머이다. 스트리머의 선단은 도 2(c)와 같이 연속해서 전자사태를 흡인해서 음극으로 향하고 결국에는 전극간이 스트리머로 교락(bridge-over)된다. 이것에 의해 전로 파괴로 된다. 즉, 양이온에 의한 γ작용이 없어도 공간 전하에 의한 고전계와 광전리 등의 작용에 의해 극히 단시간 내에 전로 파괴가 일어난다. 전극간에 가해지는 전압이 1KV 이상일 때 전자사태는 양극에 도달하기 전에 스트리머로 전환해서 전로파괴가 일어난다. 전로파괴에 이르게 되면 αd 가 15∼20 정도가 된다. 따라서, 전로파괴가 발생한 금속 와이어(25)를 흐르는 전류는 3.26×10⁶∼4.86×10⁸(A)이 된다.

전로파괴에 의해 상기 크기의 전류가 금속 와이어(25)를 통해서 흐르게 되면 그 금속 와이어(25)에 발생하는 열은 열량식

Q=0.24I²Rt(I:전류, R: 저항, t: 시간) 에 의해 대략 산출해 볼 수 있다. 그러나 금속 와이어의 저항에 의해 열이 발생하는 시간은 극히 짧은 1μ초 이내이고, 그 후에는 액체에서 기체로 기체에서 플라즈마 상태로 변한다.

따라서, 저항에 의해 열이 발생하는 극히 짧은 시간인 1μ초 이내라고 가정하고, 금속 와이어(25)는 직경 0.3mm, 길이 50mm 알루미늄인 경우, 상기 금속 와이어의 저항은 대략 0.00015 Ω으로 가정한다.

Q=0.24×( 3.26×10⁶)²×1.5×10^-5×10^-6

= 0.24×10.6276×10×1.5≒ 38.2 cal 이다.

즉, 1μ초 동안 직경 0.3mm, 길이 50mm의 알루미늄 와이어에는 대략 38.2 cal 의 열이 발생한다. 알루미늄의 비열은 0.21, 비중은 2.7, 녹는점은 660。C 이므로, 직경 0.3mm, 길이 50mm의 알루미늄 금속 와이어의 무게는 38.15×10^-6g 이고, 이것을 1℃ 높이는데 필요한 열량은 2.96×10^-6cal 이다. 따라서, 상기 알루미늄 와이어에 1μ초 동안 1 KV를 인가했을 때, 알루미늄 와이어에 대략 38.2 cal의 열이 발생하므로 온도는 대략 1.29×10⁷℃ 에 이르게 된다. 이 온도는 고체에서 액체로 변할 때 필요한 열과 액체에서 기체로 변할 때 필요한 열을 계산하지 않은 것이나, 저온 플라즈마의 온도는 수만도이므로, 상기의 열량으로도 알루미늄의 와이어에서는 열이 발생하여 액체 상태에서 기체 상태를 거쳐 플라즈마 상태로 변화된다.

여기서, 금속 와이어가 액체상태에서 기체 상태로 변하면, 저항이 앞서 계산한 값보다 크게 상승하고 그 값을 측정하기 어렵다. 그렇기 때문에, 캐패시터에 저장되는 에너지 E=1/2 CV²(여기서, C:캐패시터의 정전용량, V: 캐패시터 양단의 전압)으로 계산해보면, E=1/2 *50㎌*(1KV)²≒ 25J로서 열량으로 계산하면 대략 6 cal이어서 크게 차이가 나지만, 이때의 알루미늄 와이어의 온도는 2.02×10⁶℃이다. 저온 플라즈마의 온도는 수만도이므로, 상기의 열량으로도 알루미늄의 와이어는 액체 상태에서 기체 상태를 거쳐 플라즈마 상태로 변화된다.

전로파괴에 의하여 전류는 무한히 크게 흐르지 않고 수 μ초 후에 전류조절수단(11)에 의해 수십 A 의 전류가 나머지 수 m초 동안 흐르게 된다. 그리하여 초기 수 μ초 이내에 플라즈마 상태로 변한 금속 와이어는 개스실(12)의 내부에서 확산되어 플라즈마 상태에서 전류는 계속 흘러서 열이 계속 발생한다. 이 열에 의해 플라즈마 상태의 금속입자는 팽창하여 1000 m/s 의 초음속으로 충격파를 발생시키면서 주위의 가스(예를 들어, N2, He, Ar 등)로 퍼져나간다. 이렇게 확산된 금속 플라즈마는 과냉각되어 12℃/s의 짧은 냉각시간을 거쳐 미분체가 형성되어 개스실(12)의 바닥에 쌓이게 된다. 이렇게 생성할 수 있는 알루미늄 미분체의 입자크기는 50∼200nm 이다. 본 실시예에서는 알루미늄의 예를 들어 설명하였지만, 은, 금, 백금, 티타늄, 텅스텐 등 와이어로 만들 수 있는 금속들은 모두 가능하다.

또한, 개스실(12)에 채워지는 기체의 성분을 조정하여 금속분말 뿐만 아니라 원하는 세라믹 입자를 생성할 수 있으며, 입자의 크기를 조절할 수 있다.

도 3에 와이어에 인가되는 에너지와 승화에너지의 비에 따라 생성되는 입자의 크기를 나타낸다.

1) 캐패시터(Co)에 충전되는 에너지는 와이어에 인가할 에너지의 1.25배를저장하고, Al 와이어를 N₂기체에서 승화에너지에 해당하는 에너지를 인가하면, 평균표면 직경이 18 nm 인 Al 분말이 생성된다.

2) 캐패시터(Co)에 충전되는 에너지는 와이어에 인가할 에너지의 1.25 배에 해당되는 에너지를 저장하고, Al 와이어를 N₂+O₂기체에서 승화에너지의 60%에 해당하는 에너지를 인가하면, TEM 사진에 의하여 계산된 평균직경 29 nm 인 95%의 Al 분말과 5%의 Al₂O₃분말이 생성된다.

3) 캐패시터(Co)에 충전되는 에너지는 와이어에 인가할 에너지의 1.428 배에 해당되는 에너지 11KJ/g 를 저장하고, Al 와이어를 N₂+O₂기체에서 승화에너지의 60%에 해당하는 에너지를 인가하면, TEM 사진에 의하여 계산된 평균직경 29 nm 인 80%의 Al 분말과 20%의 Al₂O₃분말이 생성된다.

4) 캐패시터(Co)에 충전되는 에너지는 와이어에 인가할 에너지의 1.428 배에 해당되는 에너지 11KJ/g를 저장하고, Al 와이어를 N₂+O₂기체에서 승화에너지의 70%에 해당하는 에너지를 인가하면, TEM 사진에 의하여 계산된 평균직경 29 nm 인 20%의 Al 분말과 80%의 Al₂O₃분말이 생성된다.

5) 캐패시터(Co)에 충전되는 에너지는 와이어에 인가할 에너지의 1.428 배에 해당되는 에너지 11KJ/g를 저장하고, Al 와이어를 N₂+O₂기체에서 승화에너지의 70%에 해당하는 에너지를 인가하면, TEM 사진에 의하여 계산된 평균직경 45 nm 인 20%의 Al 분말과 80%의 Al₂O₃분말이 생성된다.

6) 캐패시터(Co)에 충전되는 에너지는 와이어에 인가할 에너지의 2.5 배에 해당되는 에너지 37 KJ/g를 저장하고, Al 와이어를 NH₃기체에서 승화에너지의 1.2배에 해당하는 에너지를 인가하면, 30%의 Al 분말과 70%의 AlN 분말이 생성된다.

7) 캐패시터(Co)에 충전되는 에너지는 와이어에 인가할 에너지의 1.428 배에 해당되는 에너지 7.3 KJ/g를 저장하고, Fe 와이어를 공기가 채워진 개스실(12)에서 승화에너지의 60%에 해당하는 에너지를 인가하면, 평균직경 54 nm인 Fe₃O₄+Fe₂O₃의 분말이 생성된다.

8) 캐패시터(Co)에 충전되는 에너지는 와이어에 인가할 에너지의 1.428 배에 해당되는 에너지 6.0 KJ/g를 저장하고, Fe 와이어를 공기가 채워진 개스실(12)에서 승화에너지의 60%에 해당하는 에너지를 인가하면, 평균직경 34 nm인 Fe₃O₄의 분말이 생성된다.

9) 캐패시터(Co)에 충전되는 에너지는 와이어에 인가할 에너지의 1.67 배에 해당되는 에너지 25 KJ/g를 저장하고, Ti 와이어를 N₂+O₂기체가 채워진 개스실(12)에서 승화에너지의 1.5배에 해당하는 에너지를 인가하면, 평균직경 31 nm인 TiO₂의 분말이 생성된다.

10) 캐패시터(Co)에 충전되는 에너지는 와이어에 인가할 에너지의 1.67 배에 해당되는 에너지 18 KJ/g를 저장하고, Cu 와이어를 N₂가 채워진 개스실(12)에서 승화에너지의 2배에 해당하는 에너지를 인가하면, 평균직경 69 nm인 Cu의 분말이 생성된다.

11) 캐패시터(Co)에 충전되는 에너지는 와이어에 인가할 에너지의 1.25 배에 해당되는 에너지 5.9 KJ/g를 저장하고, Pt 와이어를 Ar+He이 채워진 개스실(12)에서 승화에너지의 1.8배에 해당하는 에너지를 인가하면, 평균직경 29 nm인 Pt의 분말이 생성된다.

본 발명에 의한 플라즈마를 이용하여 미분체를 제조함으로써 인가하는 에너지를 조절하여 미분체의 크기를 조절할 수 있고, 성분 조성비를 균일하게 할 수 있으며, nm 수준의 미분체를 만들 수 있다.

또한, 본 발명은 오염물질을 사용하지 않으므로 환경오염도 방지할 수 있다.

Claims (3)

1. 개스가 채워져 있는 개스실과;

   상기 개스실 내부에 금속 와이어를 공급하는 금속 와이어 공급부와;

   고전압·고전류를 발생시키는 전원공급장치와;

   상기 전원공급장치에서 제공되는 고전압·고전류의 전원을 저장하는 캐패시터와;

   상기 고전압 캐패시터에 저장된 전원을 상기 금속 와이어에 인가하는 스위칭 장치와;

   상기 스위칭 장치와 금속 와이어 사이에 흐르는 전류를 조절하는 전류조절수단과;로 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 고순도 미분체 제조장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 캐패시터에 저장되는 에너지와 상기 금속 와이어에 인가되는 에너지를 조절하여 금속 미분체의 입자의 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 고순도 미분체 제조장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 개스실에 채워지는 기체의 종류를 달리하여 생성되는 미분체의 종류를 선택하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 고순도 미분체 제조장치.