KR20020086988A

KR20020086988A - 나노분말 제조 장치

Info

Publication number: KR20020086988A
Application number: KR1020010026025A
Authority: KR
Inventors: 정용훈; 임근희; 김광수; 이홍식
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2001-05-12
Filing date: 2001-05-12
Publication date: 2002-11-21
Also published as: KR100407160B1

Abstract

본 발명은 종래에 제조해 오던 나노금속 분말 및 나노 세라믹 분말의 물성을 그대로 유지하면서도 나노분말의 생산성을 극대화시키도록 한 나노분말 제조 장치에 관한 것으로, 입력되는 고밀도 전류를 챔버내의 금속 와이어에 인가하여 상기 금속 와이어를 폭발시키는 전극부; 상기 금속 와이어를 상기 챔버내로 공급하되, 다수의 금속 와이어를 교대로 상기 챔버내로 공급하는 금속 와이어 공급부; 상기 챔버내로 공급되는 상기 다수의 금속 와이어의 강성을 낮추는 변형부; 및 상기 각각의 금속 와이어의 폭발시 발생하는 주변의 다른 금속 와이어로의 충격파 전달을 억제하는 댐핑부를 구비하여, 다중 연속피딩이 가능한 장치를 전기폭발 장비에 적용함으로써, 실질적으로 하나의 전기폭발 장비가 기존에 사용되어 오던 여러 대의 전기폭발 장비의 생산성을 대체할 수 있다.

Description

나노분말 제조 장치{An apparatus for producing a nanopodwer}

본 발명은 나노분말 제조 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 여러개의 금속 와이어를 교대로 공급하여 나노분말을 제조하는 장치에 관한 것이다.

현대 산업기술의 급속한 발달로 극도의 미세한 부품 및 이를 이용한 기기들의 요구에 부합하는 새로운 재료의 필요성에 의해서, 종래의 마이크로미터 크기의 재료에 비해 탁월한 성질을 갖는 수십∼수백 나노미터 이하의 나노분말의 합성 및 응용에 관한 연구가 21세기를 선도하는 첨단재료과학의 연구분야로 관심을 모으고 있다.

나노분말의 제조는 기계적 에너지에 의한 입자들의 단순 파괴로는 용이하지 않은 것으로 알려져 있다. 대신에, 그들은 일반적으로 특정 가스 내에서 과포화된 증기를 균일하게 응축시키는 공정이 주로 이용되고 있는데, 이러한 증기를 발생시키는데 사용되는 실질적인 방법으로는 화학적인 방법과 물리적인 방법이 있다.

화학적인 방법은 가스들 사이의 화학반응을 이용하여 재료의 증기를 발생시키는 방법이고, 물리적인 방법은 증발에 의해서 재료의 증기를 발생시키는 방법이다.

물리적인 방법은 화학적 반응에 비해 불순물의 생성을 억제할 수 있어서 높은 순도의 분말을 생산할 수 있지만, 생산성이 낮은 단점이 있는 반면에, 상기 화학적인 방법은 분말의 생산성은 높으나, 합성되는 분말의 응집도가 크고 순도가 떨어진다는 단점이 있다.

또한, 재료계에 따라서는 물리적인 방법에 의해서 재료를 증발시키는데, 매우 높은 온도가 요구되기 때문에 전통적인 DC가열이 효과적이지 못할 수 있다. 이런 경우에 펄스 파워(pulsed power)를 이용한 기술들은 매우 효과적인 도구라고 할 수 있다. 예를 들면, 고출력 펄스 레이저(high-power pulsed laser) 또는 펄스 이온빔(pulsed ion beam)은 거의 모든 종류의 재료를 증발 시킬 수 있다. 실험적으로 펄스 레이저 또는 펄스 이온빔을 사용하여 나노분말을 생산할 수 있음이 증명되었다.

하지만, 이러한 기술들을 이용하여 분말을 생산하기 전에 선결되어야 할 문제들이 있는데, 펄스 레이저의 경우에는 레이저의 에너지 효율이 실질적으로 응용하기에는 너무 낮고, 레이저에 의한 재료의 증발 속도가 분말을 생산하기에 충분하지 않다는 문제점이 있다.

펄스 이온빔의 경우에는 빔(beam) 발생 영역에서 진공이 필요한 반면, 증발 영역에서는 특정한 가스 분위기가 필요하다는 문제가 있게 된다. 이 문제는 빔 가속챔버와 분말을 생산하는 영역사이에 마일라 필름(Mylar film)을 삽입시킴으로써 일시적으로 해결하였으나, 얼마간의 이온빔을 인가한 후에는 역시 새롭게 바꾸어주어야 한다는 문제가 여전히 남게 된다.

이에 비해, 펄스 파워를 이용한 또 하나의 기술인 전기폭발법은 매우 효과적인 도구라고 할 수 있다.

전기폭발(WEE) 실험은 Nairne(1774)가 스퍼터링(sputtering)에 흥미를 가지고 여러 실험을 하던 중, 금속 와이어에 높은 전류를 흘리면 저항발열에 의해 금속 와이어가 폭발하여 기화된다는 것을 이용하여 개발한 것이 시초이다.

Michael Faraday(1857)는 광학현미경에 의한 입자 크기의 측정과 형태 연구를 통한 전기폭발 현상을 조사하였고, 진공 분위기에서 금(gold) 와이어를 폭발시킴으로써 금이 코팅된 거울(gold coating mirror)을 성공적으로 준비하였다.

그 이후의 전기폭발에 대한 실험은 흔히 전기폭발의 아버지로 불리는 John A. Anderson(1920)때까지 보고되지 않았다. 그는 분광기에 의한 연구를 실시하였고, 전기폭발시 거의 태양의 온도에 접근한다는 이론을 제시하였다. Bennett(1962)은 streak camera와 interferometer를 조합한 실험을 실행하여 전기폭발 반응이 빛을 방출하며 진행하는 동안 충격파가 발생되는 것을 관찰하였다. 이외에도 커다란 폭발음과 많은 양의 빛 방출이 항상 관찰되었는데, 이들은 10⁴K 이상의 온도로 매우 빠르게 증가함으로써 수행되었다.

전기폭발에 대한 상당한 양의 연구가 수소폭탄의 개발기간 동안 미국에서 실행되었다. 미국에서는 1962∼1964년 사이에 전기폭발법을 이용하여 금속 분말을 제조하는 동안에 발생하는 충격파와 강한 섬광, 이들의 화학적인 화합물 등과 같은 현상에 대한 포괄적인 연구 결과를 4권의 책으로 출판하였다.

하지만, 기술적인 한계로 인하여 전기폭발의 공정 경로가 충분히 심도 있게 연구되지는 못하였다. 거의 같은 시기인 1970년대 중반에 러시아에서는 나노분말의 연구 프로그램이 만들어졌다. 특히, 톰스크 공과대학(TPU ; Tomsk Polytechnic University)의 고전압연구소(HVRI ; High-Voltage Research Institute)에서는 이 시기에 전기폭발에 의한 나노분말의 생산에 관한 연구를 시작하였는데, 이들의 연구는 기존에 실험해오던 매우 빠른 반응을 하는 고전압용 갭 스위치(gap switch)와 축전기 등의 축적된 경험을 바탕으로 시작과 동시에 빠르게 진보하였으며, 현재는 금속 및 세라믹, 금속간 화합물 등의 나노분말 생산과 응용분야에 초점을 두고 꾸준한 노력을 해오고 있다.

1980년대 후반부터 본격적으로 연구되기 시작한 전기폭발법을 이용한 나노분말의 합성은 러시아를 비롯하여 미국, 일본과 유럽에서 활발한 연구가 진행중이며, 일부 재료에 대해서는 이미 산업화를 하고 있는 실정이다. 특히, 일본에서는 21세기에 기본이 될 최첨단의 기술과 재료들을 개발하는 것을 목표로 하는 “ERATO”(Exploratory Research for Advanced Technology)라는 정부의 지원 프로그램 중에서 「전기폭발법에 의한 나노분말의 제조 기술」을 포함시켜서 중점적으로 연구하고 있다.

전기폭발법은 고밀도 전류가 금속 와이어를 통과할 때, 금속 와이어가 미세한 입자나 증기 형태로 폭발하는 현상을 이용하여 나노분말을 제조하는 방법으로,도 1에 도시된 바와 같이 금속 와이어에 고밀도 전류를 아주 짧은 시간 동안 인가시키면(도 1에서 (a)) 그 금속 와이어의 방전에 의해서 고온의 플라즈마(도 1에서 (b))가 발생하여 나노분말이 합성(도 1에서 (c))된다.

즉, LC 회로에 전압을 인가하면, 금속 와이어를 통과하는 전류가 최대 10∼100 kA까지 증가하면서 저항 발열을 유도하여 금속 와이어가 빠르게 가열되고, 10μsec 이내에 초기체적에 비해 2∼3배나 팽창한 후 폭발하게 된다. 이때, 유도된 전자들은 금속 원자들 사이에 국부화된다. 결과적으로 저항이 급속히 증가하며, 금속 와이어의 폭발로 급속히 감소하게 된다.

특히, 전기폭발법은 다른 제조방법에 비해 값싼 비용으로 1∼50 μsec의 짧은 시간 동안 극히 높은 온도에 도달하기 때문에, 금속 와이어 전체가 동시에 기화하여 원재료의 조성을 갖는 분말의 합성이 가능하며, 금속 와이어에 공급되는 에너지를 제어함으로써 평균 분말 크기를 조절할 수 있다.

도 2는 전기폭발법의 기구를 도식적으로 나타낸 것으로서, 전극(electrode) 사이에 위치한 금속 와이어에 강력한 충격전류를 인가하게 되면(도 2에서 (a)) 금속 와이어는 먼저 저항 발열에 의해 용융이 되며, 계속적인 온도 상승에 따라 금속 와이어의 표면은 주위의 매개체에 의해 냉각되는 반면 금속 와이어 내부는 액적(droplet)을 형성하여 액적 간에 방전이 일어나서 기화하게 된다(도 2에서 (b)). 그 기화된 금속 가스는 핀치 효과와 관성의 법칙 때문에 금속 와이어 내부에 구속되어 있다가 압력이 임계값 이상으로 도달되면 순간적으로 팽창하여 충격파를형성하고 금속 미립자와 가스가 고속으로 분출되어 미세한 입자를 형성하게 된다(도 2에서 (c)).

이렇게 생성된 미세한 입자들은 어떤 특정 조건에서는 주위의 매개체와 반응하여 물리적이나 화학적으로 다른 재료를 만들 수 있다. 금속 와이어의 재료나 주위의 가스 종류에 따라 금속 분말, 산화물, 질화물, 탄화물 분말, 합금 분말, 화학적 화합물이나 복합재료 분말들을 얻을 수 있다.

도 3은 전기폭발 장비에 사용되는 LC회로를 간략하게 나타낸 것으로서, 전원 공급기에서 발생한 전하는 축전기(캐패시터; C)가 특정 전압을 갖을 때까지 저장되고, 갭 스위치 역할을 하는 갭 전극(10, 12; gap electrode)의 영향으로 자발 방전에 의해서 금속 와이어(18)가 폭발되도록 연결된다. 일반적으로, 전기폭발법에 대한 주요 정보는 전압과 전류의 파형(wave form) 형태로부터 얻을 수 있다. 도 3에서, 미설명 부호 14는 고압이 인가되는 평판형 전극이다.

도 4는 도 3의 실제 회로도로서, 갭 전극(10, 12) 사이의 거리(S1)를 조절하여 평판형 전극(14)과 금속 와이어(18)의 일측 종단간의 거리(S2) 및 상기 금속 와이어(18)의 타측 종단과 접지 전극(16)간의 거리(S3)가 각각 1mm가 되도록 하여야 한다. 상기 거리(S2, S3)가 "0"이 되면 납땜(welding)으로 인하여 연속적인 공정이 어렵게 되고, 상기 거리(S2, S3)가 1mm 이상이 되면 공기중에 에너지 손실이 커져서 에너지 효율이 떨어지게 된다. 도 4에서, 상기 금속 와이어(18)는 상하로 마주보면서 압착하는 롤러(22, 24) 및 휠(20)에 의해 상기 평판형 전극(14)측으로 이송된다.

도 5는 도 4의 단면도로서 싱글 연속 피딩장치를 사용하는 종래의 전기폭발 장비의 단면도이고, 도 6은 도 5에 도시된 싱글 연속 피딩장치의 상세 단면도이며, 도 7은 도 6에 도시된 변형부의 상세 단면도이다.

고전압 케이블(26)을 통해서 대전류(I)가 싱글 연속 피딩장치에 인가되면, 그 대전류(I)는 갭 전극(10, 12)에 잔류하고 있다가 금속 와이어(18)가 휠(20)과 롤러(22, 24)에 의해 평판형 전극(14)에 접근하게 되면 자발 방전에 의해서 나노분말이 합성된다. 여기서, 상기 싱글 연속 피딩장치는 한 개의 금속 와이어(18)만을 상기 휠(20)과 롤러(22, 24)를 통해 평판형 전극(14)측으로 연속적으로 이송시킨다.

상기 싱글 연속 피딩장치의 일측면 즉, 상기 금속 와이어(18)가 챔버(28)내로 이송되는 부위에는 상기 휠(20)에서 공급된 금속 와이어(18)가 절연체(40)를 지나 상기 챔버(28)에 공급될 수 있도록 절연체(40)에 원통형 홈을 내고 나선형 모양의 변형부(30)가 설치된다.

그리고, 상기 변형부(30)는 원통형의 부쉬(31; bush)와 나선형 모양의 관으로 형성된 카넬(32; canal)로 구성된다. 상기 부쉬(31)는 상기 카넬(32)의 축을 받추어 주고, 상기 카넬(32)은 휠(20)과 롤러(22, 24)를 통해 이송되는 금속 와이어(18)의 강성을 최소화시켜 가급적 수평으로 상기 평판형 전극(14)에 도달할수 있도록 내경이 0.5Φ∼1Φ이내이며 초당 100 mm이상의 속도로 통과시 금속 와이어(18)의 마찰에 견딜 수 있는 저마찰재료를 사용한다.

이와 같이 구성된 종래의 싱글 연속 피딩장치에서 사용하는 전기폭발법은 다른 제조법에 비해 값싼 비용으로 1∼50μsec의 짧은 시간 동안 극히 높은 10⁴∼10⁶K의 온도에 도달할 수 있고, 금속 와이어 전체가 동시에 기화되기 때문에 원재료의 조성을 갖는 분말의 합성이 가능하며, 금속 와이어에 공급되는 에너지를 제어함으로써 평균 분말 크기를 조절할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 금속 와이어 주위의 분위기를 조절함으로써 금속 나노분말뿐만 아니라 산화물·질화물·탄화물 분말, 합금 분말, 화학적 화합물이나 복합재료 나노분말들을 만들 수 있어서 여러 산업분야에 대한 응용이 크게 기대되고 있다.

하지만, 금속와이어 폭발시 주위로 전파되는 날카로운 충격파로 인해, 종래에는 오직 하나의 금속 와이어만 연속적으로 공급하는 싱글 연속 피딩 장치를 사용하였기 때문에, 시간당 최대 생산량이 수백그램 정도 밖에 되지 않는 생산성 문제로 인하여, 가격이 매우 고가여서 특정 분야를 제외하고는 사용을 꺼리는 실정이다.

또한, 나노분말 제조시 생성되는 충격파로 인한 폭발음이 상당히 커서 소음 차단을 위한 별도의 설치비가 과다하게 투자되어야 하는 등의 작업 환경에 대한 각별한 관리가 요구되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 종래에 제조해 오던 나노금속 분말 및 나노 세라믹 분말의 물성을 그대로 유지하면서도 나노분말의 생산성을 극대화시키도록 한 나노분말 제조 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 금속 와이어 폭발시 생성되는 충격파로 인한 소음을 최소화하도록 한 나노분말 제조 장치를 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 전기폭발법의 원리를 설명하는 도면,

도 2는 일반적인 전기방전에 의한 전기폭발법의 메카니즘을 설명하는 도면,

도 3은 일반적인 전기폭발법에 사용되는 RLC회로도,

도 4는 도 3의 실제 회로도,

도 5는 종래의 싱글 연속 피딩장치를 사용하는 전기폭발 장비의 단면도,

도 6은 도 5에 도시된 싱글 연속 피딩장치의 상세 단면도,

도 7은 도 6에 도시된 변형부의 상세 단면도,

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 간접 댐핑 방식을 적용한 나노분말 제조 장치의 단면도,

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리형 충격흡수튜브를 장착한 직접 댐핑 방식의 나노분말 제조 장치의 단면도,

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 일체형 충격흡수튜브를 장착한 직접 댐핑 방식의 나노분말 제조 장치의 단면도이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10, 12 : 갭 전극14 : 평판형 전극

16, 17, 19 : 접지 전극18 : 금속 와이어

20 : 휠22, 24 : 롤러

26 : 고전압 케이블28 : 챔버

30 : 변형부40 : 절연체

50, 60, 70 : 댐핑부

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노분말 제조 장치는, 입력되는 고밀도 전류를 챔버내의 금속 와이어에 인가하여 상기 금속 와이어를 폭발시키는 전극부; 상기 금속 와이어를 상기 챔버내로 공급하되, 다수의 금속 와이어를 교대로 상기 챔버내로 공급하는 금속 와이어 공급부; 상기 챔버내로 공급되는 상기 다수의 금속 와이어의 강성을 낮추는 변형부; 및 상기 각각의 금속 와이어의 폭발시 발생하는 주변의 다른 금속 와이어로의 충격파 전달을 억제하는 댐핑부를 구비한다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 나노분말 제조 장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 간접 댐핑 방식을 적용한 나노분말 제조 장치의 단면도이다.

본 발명의 실시예에 따른 간접 댐핑 방식을 적용한 나노분말 제조 장치는 고전압 갭 스위치 역할을 하는 갭 전극(10, 12)과 다수의 금속 와이어(18)에 고밀도 전류를 공급하는 평판형 전극(14) 및 상/하/좌/우로의 이동이 가능한 접지 전극(16, 17, 19)으로 구성되어 챔버(28)내에 설치된 전극부; 휠(20), 롤러(22, 24), 모터(도시 생략), 지지대(도시 생략) 등으로 구성되어 상기 다수의 금속 와이어(18)를 상기 챔버(28)내로 교대로 공급하는 금속 와이어 공급부; 상기 다수의 금속 와이어(18)가 상기 챔버(28)내로 공급되는 부위 즉, 상기 챔버(28)의 일측면에 절연체(40)에 의해 지지되는 형태로 설치되고 상기 금속 와이어 공급부를 통해 상기 챔버(28)내로 공급되는 다수의 금속 와이어(18)의 강성을 낮추어 주는 변형부(30); 상기 챔버(28)내에 수직으로 설치되어 상기 다수의 금속 와이어(18)의 폭발시 발생되는 충격파를 분산 및 흡수하는 댐핑부(50)를 구비한다.

상기 전극부의 갭 전극(10, 12)과 평판형 전극(14)은 구리, 황동, SUS를 비롯하여 전기 전도도가 높으면서 고융점을 갖는 W-Cu 또는 Cr-Cu와 같은 접점 재료를 사용하며, 상기 접지 전극(16, 17, 19)는 전기 전도도가 우수한 구리나 동 또는 고융점 재료인 텅스텐(W)을 사용한다.

상기 금속 와이어 공급부의 휠(20)은 종래의 휠을 여러개 일체화시킨 형상과 같이 이루어져서 다수의 금속 와이어(18)가 좌우로 일정 간격으로 감겨져 있고, 상기 롤러(22, 24)는 상기 휠(20)을 구동시켜 주되 표면에 V자 홈이 가공되어 있어서상기 다수의 금속 와이어(18)가 일정한 속도로 상기 변형부(40)를 통해 챔버(28)내로 이송되도록 하며, 지지대(도시 생략)는 상기 휠(20)과 롤러(22, 24)를 충격에도 견고하게 지지할 수 있는 아크릴로 구성된다.

상기 변형부(30)는 상기 절연체(40)내에 수직되게 설치되되, 다수개의 변형부가 그 절연체(40)내에 설치된다. 본 발명의 실시예에서는 3개의 변형부(30)가 상기 절연체(40)내에 설치되는 것으로 하였다. 즉, 본 발명의 실시예에서는 상기 챔버(28)내로 교대로 공급되는 금속 와이어(18)의 수가 3개 이므로 3개의 변형부(30)를 설치한 것으로서, 상기 금속 와이어 공급부에서 챔버(28)내로 한번에 동시에 공급할 수 있는 금속 와이어(18)의 수가 증가하면 상기 변형부(30)의 수 역시 동일하게 증가한다.

상기 절연체(40)는 상기 챔버(28)와 금속 와이어 공급부의 절연 유지 및 상기 금속 와이어 공급부의 지지대(도시 생략)를 고정시켜 주는 절연특성이 우수한 테프론 또는 MC나일론, 알루미나 등으로 제작된다.

상기 댐핑부(50)는 2개로 구성되고, 그 각각의 일단은 상기 3개의 변형부(30) 사이에 접착되고, 그 각각의 타단은 상기 평판형 전극(14)의 일측에 접착되어 상기 챔버(28) 내부를 각각 독립적인 3개의 공간으로 구획한다. 그에 따라, 독립적으로 구획된 공간내에서 공정중에 생성되는 충격파가 주변의 다른 금속 와이어에 전파되는 것을 방지한다. 상기 챔버(28)를 몇 개의 독립된 공간으로 구획할 것인가에 따라 상기 댐핑부(50)의 수가 결정됨은 물론이다.

상기 댐핑부(50)에 의해 상기 챔버(28)가 3개의 독립적인 공간으로 구획됨에따라 각각의 공간에는 접지 전극이 각각 설치된다.

상기 도 8의 댐핑부(50)는 간접 댐핑 방식의 댐핑부로서, 테프론으로 이루어진다. 본 발명의 실시예에서는 상기 댐핑부(50)와 접촉하고 있는 평판형 전극(14)과 절연체(40) 및 챔버(28) 내부의 접촉면을 모두 특수 접착제를 이용하여 고압에도 견딜 수 있도록 견고하게 접착시킨다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리형 충격흡수튜브를 장착한 직접 댐핑 방식의 나노분말 제조 장치의 단면도로서, 상술한 도 8의 구성과 차이나는 점은 도 8에서는 간접 댐핑 방식의 댐핑부를 사용하였는데, 도 9에서는 직접 댐핑 방식을 채용한 분리형 댐핑부(60)를 사용하였다는 점이 차이난다.

즉, 도 9에서의 분리형 댐핑부(60)는 절연특성 및 감쇄능이 우수한 폴리프로필렌, 열경화성 페놀수지, 테프론과 같은 재료를 이용하여 실린더 형태로 가공한 충격 흡수튜브(SAT; Shocking Absorption Tube)로서, 챔버(28) 중심의 높이만큼 여러개의 견고한 받침대(도시 생략)를 세우고 그 위에 분리형 충격 흡수튜브 즉, 분리형 댐핑부(60)를 각각 고정시킨 것으로서, 상기 분리형 댐핑부(60)내로 금속 와이어(18)가 통과할 수 있도록 하여 강성에 의한 금속 와이어(18)의 휨 방지 및 충격파 흡수를 동시에 가능하게 한다.

상기 분리형 댐핑부(60)는 재질에 따라 외경이 15Φ∼30Φ이고, 내경이 2Φ∼10Φ이며, 전체 길이는 실험 조건에 따라 80∼200mm이다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 일체형 충격흡수튜브를 장착한 직접 댐핑 방식의 나노분말 제조 장치의 단면도로서, 상술한 도 8 및 도 9의 구성과 차이나는 점은 도 8에서는 간접 댐핑 방식의 댐핑부를 사용하였고, 도 9에서는 직접 댐핑 방식을 채용한 분리형 댐핑부(60)를 사용하였으며, 도 10에서는 직접 댐핑 방식을 채용한 일체형 댐핑부(70)를 사용하였다는 점이 차이난다.

즉, 도 10에서의 일체형 댐핑부(70)는 절연특성 및 감쇄능이 우수한 폴리프로필렌, 열경화성 페놀수지, 테프론과 같은 재료를 이용하여 실린더 형태로 가공한 충격 흡수튜브(SAT; Shocking Absorption Tube)로서, 상기 일체형 댐핑부(70)내로 금속 와이어(18)가 통과할 수 있도록 분리형 충격 흡수튜브와 변형부를 하나의 절연관을 가공하여 제작한 것이다. 상기 일체형 댐핑부(70)는 이송 부위의 간편한 탈/부착이 가능한 구성이므로 설치가 간편하고 챔버 소요 면적을 줄일 수 있다.

상기 일체형 댐핑부(70)는 재질에 따라 외경이 15Φ∼30Φ이고, 내경이 2Φ∼10Φ이며, 전체 길이는 실험 조건에 따라 120∼240mm이다.

상기 도 9 및 도 10의 직접 댐핑 방식의 댐핑부(60, 70)는 도 8의 간접 댐핑부(50)와는 다르게 챔버 중심축을 기준으로 하여 좌우 수평으로 일정 간격의 구멍을 내어 충격 흡수튜브와 변형부(30)를 각각 삽입한 것으로서, 그 충격 흡수튜브 자체가 금속 와이어(18)의 가이드 및 보호 역할을 하여 금속 와이어(18)의 휨 또는 끊어짐을 사전에 차단하므로 변형부(30)와 금속 와이어 공급부를 간소화시킬 수 있고, 상기 간접 댐핑 방식의 댐핑부(50)보다 챔버 소요 면적을 줄이게 된다.

한편, 상기 도 9 및 도 10의 직접 댐핑 방식의 댐핑부(60, 70)를 채용한 챔버(28)내에서의 금속 와이어(18) 폭발시 충격 흡수튜브에 일부 잔존하게 되는 분말 또는 금속 와이어(18) 자체의 기계적, 화학적 결함에 의해 생성되는 와이어 조각(fracture)이 상기 충격 흡수튜브 내부에 쌓여서 막히거나 납땜이 되는 것을 방지하기 위해서, 상기 챔버(28)를 15도∼30도 내의 각도로 경사지게 해준다.

이어, 본 발명에 따른 나노분말 제조 장치의 동작에 대해 도 8의 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 금속 와이어 공급부의 모터(도시 생략)가 특정 속도로 구동이 되면 그 모터에 연결되어 있는 롤러(22, 24)가 회전하면서 휠(20)을 구동시킨다. 그에 따라, 그 휠(20)에 좌우 일정 간격으로 감겨 있는 3개의 금속 와이어(18)가 각각의 변형부(30)를 통해 챔버(28)의 각 구획된 공간(댐핑부(50)에 의해 3개로 구획된 공간)내로 교대로 공급된다.

그리고, 고밀도 전류가 캐패시터를 통하여 상기 갭 전극(10, 12)에 인가되면 갭 전극(10, 12) 사이의 절연체인 공기가 전류의 흐름을 차단하고 있다가, 상기 챔버(28)의 각 구획된 공간으로 공급된 상기 각각의 금속 와이어(18)가 평판형 전극(14)에 일정거리까지 접근하게 되면 각각 절연파괴(breakdown)가 일어나면서 대전류가 상기 각각의 금속 와이어(18)에 인가되고, 이로 인하여 상기 챔버(28)의 구획된 공간내에서 플라즈마가 발생하여 나노분말이 합성된다. 즉, 상기 갭 전극(10, 12)은 고밀도 전류를 차단 및 공급하는 스위치 역할을 한다. 또한, 상기금속 와이어(18)가 상기 평판형 전극(14) 및 접지 전극(16, 17, 19)과 접촉하게 되면 폭발시 접촉부위에서 납땜(welding)이 되어 연속적으로 공정이 이루어지지 않는 문제점이 발생하게 되므로, 공정 중 상기 금속 와이어(18)가 평판형 전극(14) 및 접지 전극(16, 17, 19)과 각각 1mm씩 간격을 유지하도록 한다. 이를 유지하기 위해서는 갭 전극(10, 12)간의 거리를 실험조건에 따라 조절해 주어야 한다.

이와 같이 하여 생성된 나노분말(미세한 입자)들은 어떤 특정 조건에서는 주위의 매개체와 반응하여 물리적이나 화학적으로 다른 재료를 만들 수 있다. 또한, 상기 금속 와이어(18)의 재료나 주위의 가스 종류에 따라 금속 분말, 산화물, 질화물, 탄화물 분말, 합금 분말, 화학적 화합물이나 복합재료 분말들을 얻을 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 나노분말 제조 장치의 동작에 대해 도 8의 도면을 참조하여 설명하였는데, 도 9 및 도 10의 경우에도 상술한 도 8의 구성에 의한 동작과 거의 동일한 동작이 수행된다. 즉, 도 8의 경우에는 간접 댐핑부(50)에 의해 3개의 공간으로 구획된 챔버(28)의 각 공간에서 자발 방전에 의한 나노분말이 합성되었는데, 도 9 및 도 10의 경우에는 직접 댐핑부인 충격 흡수튜브(60, 70)내에서 금속 와이어(18)의 폭발이 행해진다는 차이점이 있다.

이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 다중 연속피딩이 가능한 장치를 전기폭발 장비에 적용함으로써, 실질적으로 하나의 전기폭발 장비가 기존에사용되어 오던 여러 대의 전기폭발 장비의 생산성을 대체할 수 있다.

이로 인해, 장비에 소요되는 비용의 절감과 전기폭발 장비의 나노분말 생산성 극대화를 통하여 제조되는 나노분말의 경쟁력을 갖출 수 있어서 금속합금의 강도를 능가하는 세라믹, 극미세 기공으로 구성된 극미세 필터, 초고밀도 집적회로 반도체 및 분자크기의 마이크로전자소자 분야를 위시하여 우주 항공용 고온구조재료와 센서, 촉매, 차세대전지, 수소 저장재료 등과 같은 다양한 기능의 첨단 재료로의 응용이 보다 용이하게 된다.

그리고, 금속 와이어 폭발시 주위로 전파되는 날카로운 충격파에 의해 발생하는 다른 금속 와이어의 휨 또는 끊어짐을 방지할 수 있는 댐핑부를 챔버 내부에 설치하여 충격파를 분산 및 흡수할 수 있으므로, 나노분말의 생산성을 극대화시키는 이점이 있다.

한편, 본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims

입력되는 고밀도 전류를 챔버내의 금속 와이어에 인가하여 상기 금속 와이어를 폭발시키는 전극부;

상기 금속 와이어를 상기 챔버내로 공급하되, 다수의 금속 와이어를 교대로 상기 챔버내로 공급하는 금속 와이어 공급부;

상기 챔버내로 공급되는 상기 다수의 금속 와이어의 강성을 낮추는 변형부; 및

상기 각각의 금속 와이어의 폭발시 발생하는 주변의 다른 금속 와이어로의 충격파 전달을 억제하는 댐핑부를 구비하는 것을 특징으로 하는 나노분말 제조 장치.
제 1항에 있어서,

상기 전극부는 상기 입력되는 고밀도 전류를 차단 및 공급하는 갭 전극, 상기 금속 와이어와 일정 간격을 유지한 채 상기 금속 와이어에 상기 고밀도 전류를 공급하는 평판형 전극 및, 상기 각각의 금속 와이어에 대해 일대일로 설치되되 상/하/좌/우로의 이동이 가능한 접지 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 나노분말 제조 장치.
제 2항에 있어서,

상기 평판형 전극 및 접지 전극은 상기 금속 와이어와 1mm의 간격을 유지하는 것을 특징으로 하는 나노분말 제조 장치.
제 1항에 있어서,

상기 변형부는 상기 금속 와이어가 상기 챔버내로 공급되는 부위에 절연체에 의해 지지되는 형태로 설치되되, 상기 챔버내로 공급되는 금속 와이어의 수와 동일한 수의 변형부가 상기 금속 와이어 공급부에 의해 이송되어 오는 금속 와이어의 이송 방향과 동일 선상에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 나노분말 제조 장치.
제 4항에 있어서,

상기 댐핑부는 일단이 상기 변형부들 사이에 접착되고 타단이 상기 평판형 전극의 일측에 접착되어 상기 챔버 내부를 각각 독립적인 다수의 공간으로 구획시킨 것을 특징으로 하는 나노분말 제조 장치.
제 4항에 있어서,

상기 댐핑부는 상기 다수의 변형부 각각의 가로 방향의 동일 축상에서 상기 각각의 변형부와는 분리되게 설치되되, 상기 각각의 금속 와이어가 상기 각각의 댐핑부내를 통과하는 것을 특징으로 하는 나노분말 제조 장치.
제 6항에 있어서,

상기 댐핑부의 재질은 폴리프로필렌, 열경화성 페놀수지, 테프론중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 나노분말 제조 장치.
제 7항에 있어서,

상기 댐핑부는 외경이 15Φ∼30Φ이고, 내경이 2Φ∼10Φ이며, 전체 길이는 80∼200mm인 것을 특징으로 하는 나노분말 제조 장치.
제 4항에 있어서,

상기 댐핑부는 상기 다수의 변형부 각각의 가로 방향의 동일 축상에서 상기 각각의 변형부와 일체로 설치되되, 상기 각각의 금속 와이어가 상기 각각의 댐핑부내를 통과하는 것을 특징으로 하는 나노분말 제조 장치.
제 9항에 있어서,

상기 댐핑부의 재질은 폴리프로필렌, 열경화성 페놀수지, 테프론중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 나노분말 제조 장치.
제 10항에 있어서,

상기 댐핑부는 외경이 15Φ∼30Φ이고, 내경이 2Φ∼10Φ이며, 전체 길이는 120∼240mm인 것을 특징으로 하는 나노분말 제조 장치.