KR20040089094A

KR20040089094A - 반응된 알루미늄 또는 구리 나노 입자의 제조 방법

Info

Publication number: KR20040089094A
Application number: KR10-2004-7009773A
Authority: KR
Inventors: 게리 에이. 포잔스키; 윌리엄 에이. 헨드릭슨; 브라이언 제이. 왈커; 마이클 제이. 피
Original assignee: 아베카 인코포레이션
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2002-12-17
Publication date: 2004-10-20
Also published as: AU2002360641A1; DE10297575T5; WO2003053614A1; JP2005513264A

Abstract

본 발명은 실온에서 고체인 물질의 증기를 형성하여, 상기 고체 물질의 증기를 불활성 기체 운반 매질 중에 제공함으로써 나노입자(20)를 제조하고 수집하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 상기 고체 물질의 일부분 이상은 상기 기류 내에서 고체화된다. 상기 기류 및 물질은 건식 기계적 펌핑 시스템을 통하여 기체 운반 환경 중에서 이동된다. 상기 입자가 상기 건식 기계적 펌핑 시스템 내에 있거나 상기 나노입자가 상기 건식 기계적 펌핑 시스템을 통하여 이동된 후에, 상기 증기화된 물질 및 나노입자는 불활성 액체 수집 매질(26)과 접촉된다. 수집 전의 중간 단계에서, 상기 나노입자는 반응성 증기 또는 액체 방울에 노출되어서 상기 나노입자와 반응하여 반응된 나노입자를 형성한다.

Description

반응된 알루미늄 또는 구리 나노 입자의 제조 방법{A process for the manufacture of reacted aluminum or copper nanoparticles}

많은 방법이 작은 입자 및 특히 작은 금속 입자의 제조에 이용될 수 있다. 이러한 방법은 폭 넓은 범위의 기술을 다루고 폭 넓은 효과를 나타낸다. 몇몇 방법은 건식 입자를 제조하고, 반면에 다른 방법은 습식 분산물에서 입자를 제조한다. 입자 코팅을 위한 방법은 통상적으로 입자를 용액에 침지하는 단계 및 상기 입자를 건조하는 단계, 또는 더 최근에는 유동화층에 입자를 지지하는 단계 및 상기 유동화 시스템으로 액체를 도입하여 상기 지지된 입자를 코팅하는 단계를 포함하는데, 이는 미국 특허 제 5,962,082호에 개시되어 있다. 이러한 다단계방법(macroprocess)은 극히 작은 입자, 특히 나노미터의 단위의 입자를 코팅하는데는 효과적이지 않다.

초극세 금속 분말, 특히 자기 금속/금속 산화물 분말(흔히 자기 안료로 지칭됨)을 제조하는 기체 증발 기술의 용도를 개시하고 있는 수많은 참조 문헌들이 발행되었다. 이러한 참조 문헌들은 전부 건식 방법에 관한 것이고 액체와의 접촉을 수반하지는 않는다. Yatsuya 등은 Jpn.J.Appl.Phys., 13, 749 (1974)에서 탄화수소 오일의 박막 상에서의 금속의 증발(evaporation)(VEROS 기술)을 포함하고 있으며 이는 Kimura(상기한 내용)와 유사하다. Nakatani 등은, J. Magn. Magn. Mater., 65,261 (1987)에서 표면 활성제가 탄화수소 오일속으로 직접 기화된 강자성 금속(Fe, Co, 또는 Ni)의 분산물을 안정화시키고 금속 원자 기술을 사용하여 자성유체(ferrofluid)를 제공하는 방법을 개시하고 있다. 상기 금속 원자 기술은 고진공(10^-3Torr 미만의 압력)을 필요로 하여서 금속 원자가 상기 기체상에서 제2 종과 접촉할 기회를 갖기 전에 별개의 금속 원자가 분산 매질의 표면 상에 부딪힌다. 이러한 금속 원자 방법에서, 핵형성 및 입자 성장은 상기 기체상이 아니라 상기 분산 매질에서 일어난다. 따라서, 입자 크기는 상기 분산 매질에 달려있고 용이하게 조절되지 않는다. 게다가, 미국 특허 제 4,576,725호는 강자성 금속의 기화, 냉각 노즐을 통과하는 동안의 상기 금속 증기 및 불활성 기체의 단열 팽창으로 상기 금속을 응축하고 작은 금속 입자를 형성하는 단계 및 염기성 액체의 표면 상으로의 고속의 입자의 충돌을 포함하는 자성유체의 제조 방법을 개시하고 있다.

Kimura 및 Bandow는 Bull. Chem. Soc. Japan, 56,3578 (1983)에서 미세 금속 입자의 비역학적 분산을 개시하고 있다. 이러한 비수성 매질 중 콜로이드성 금속 분산물의 제조 방법은 또한 기체 증발 기술을 사용한다. 미세 금속 입자 및 상기 기체 증발 기술에 관한 C.Hayashi의 통상적인 참조 문헌은 Physics Today, December 1987, p. 44 및 J. Vac. Sci. 및 Tech., A5, p. 1375 (1987)에서 확인할 수 있다.

EPA 209403 (Toyatoma)은 기체 증발법을 사용하는 유기 화합물의 건조된 미세 입자의 제조 방법을 개시하고 있다. 증가된 친수성을 갖는, 상기 미세 입자는 수성 매질에서 분산될 수 있다고 알려져 있다. 얻어진 입자 크기는 500 옹스트롬에서 4 마이크로미터이다. 이러한 입자는 기계적 에너지를 제공하여 응집체를 분쇄하는 초음파에 의해 분산되어, 본 발명의 기술분야에 본래 공지된 입자가 된다. 상기 얻어진 분산물은 응집에 대한 개선된 안정성을 가진다.

기류에 의해 분산 매질로 전달되는 분산성 물질에 대한 다른 참조 문헌으로는 미국 특허 제 1,509,824호를 포함하는데, 이는 가압된 기류에서 액체 매질로, 기화 또는 원자화 중 어느 하나에 의해 생성된, 분자적으로 분산된 물질을 주입하여 상기 분산된 물질의 응축이 액체 중에서 일어나는 것을 개시하고 있다. 따라서, 입자 성장은 전술한 바와 같이, 상기 기체상에서가 아니라, 상기 분산 매질에서 일어난다. 게다가, 제시된 실시예는 모두 원소 형태의 물질이고, 이들 모두는 실온에서 평가할 수 있는 증기압을 가진다.

미국 특허 제 5,030,669호는, (a) 비원소(nonelemental) 안료 또는 전구체를를 비반응성 기류의 존재하에서 비원소적인 안료로 기화시키는 단계; (b) 비원소 안료의 전구체 입자가 존재하는 경우, 상기 비원소 안료의 미세 전구체 입자와 반응할 수 있는 제2 기체를 제공하여 상기 제2 기체를 상기 비원소 안료의 미세 전구체 입자와 반응시켜서 미세 비원소 안료 입자를 제공하는 단계; (c) 상기 기류 중의 미세 비원소 안료 입자를 분산 매질로 수송하여, 상기 매질에 비원소 안료 입자의 분산물을 제공하는 단계로 본질적으로 이루어진 방법을 개시하고 있는데, 상기 입자는 0.1 마이크로미터 미만의 평균 직경을 가지고, 상기 방법은 0.001 내지 300 Torr의 범위의 대기압 아래의 반응기에서 일어난다.

미국 특허 제 5,106,533호는 유기 매질 중에 분산된 0.1 마이크로미터 미만의 평균 크기(직경)를 갖는 안료 입자를 포함하는 비수성 분산물을 제공한다. 상기 발명은 물 또는 물-함유 매질 중에 분산된 0.1 마이크로미터 미만의 평균 크기(직경)를 갖는 일정한 부류의 무기 안료 입자를 포함하는 수성 분산물을 제공한다. 상기 분산물은 제조하는데 시간이 거의 필요하지 않고, 더 안정적이며, 더 균일한 크기 분포, 더 작은 수평균 입경를 가지고, 표면 돌기가 거의 없고, 또한 밀링 매질이 있기 때문에 분산된 물질의 오염 및 기계 부품의 마모를 피하는데, 이러한 문제는 미립자의 기계적 그라인딩을 사용하는 종래의 방법에 의해 제조된 분산물에 대하여 전술되어 있다. 게다가, 상기 최종 분산물에서 얻어진 미세 입자 크기를 얻기 위해 상기 안료의 화학적 전처리가 일체 필요하지 않는다. 상기 분산물의 안료는 더 좁은 크기 분포(표준 편차가 통상적으로 ±0.5 x의 범위이고, x는 수평균 입경임)를 가지는 것으로 확인되었고, 내응집성이 더 크고(즉, 상기 분산물은 안정적이어서, 즉, 침전된 입자가 실질적으로 없고, 즉, 상기 입자의 10%만이 25℃에서 12 시간 이상이 되어야 침전함), 및 기계적으로 분산된 안료 분산물에 비하여, 탁도의 결여, 증가된 투명도, 및 더 큰 착색강도(tinctorial strength)에 의해 나타나는 바와 같이 더 우수한 전반적인 안정성 및 색을 나타낸다. 게다가, 상기 방법은 응집체를 분쇄하기 위한, 초음파와 같은 기계적 에너지를 일체 필요로 하지 않는다. 상기 분산 매질과 접촉하기 전에 건식 초미세 안료 입자의 유리(isolation)가 없기 때문에 응집체가 형성되지 않는다. 임의의 유기 또는 무기 안료의 분산물 또는 안료 전구체로부터 생성될 수 있는 분산물은 초미세 안료 입자를 생성하는 기상 증착 기술에 의해 제조된다. 벌크 안료는 기화가 일어날 때까지 감압 하에서 가열된다. 상기 안료가 기류의 존재하에서 기화하며, 여기서 상기 기체는 바람직하게는 불활성(비반응성)이나, 상기 안료와 반응하지 않는 임의의 기체가 사용될 수 있다. 상기 초미세 안료 입자는 기류에 의해 습식 분산 매질로 수송되고 상기 기류를 버블링시키거나 상기 분산 매질 상에 기류를 충돌시킴으로써 거기에서 침전된다.

미국 특허 제 6,267,942호는 구형의 실리카 입자의 제조 방법를 개시하고 있다. 알칼리 실리케이트 및 산의 혼합액 중에 분산된 실리카 겔 입자는 0.05 내지 3.0 마이크로미터의 평균 입자 크기를 가질 필요가 있다. 상기 실리카 겔 입자의 평균 입자 크기가 0.05 미크로 미터보다 작은 경우에는, 상기 얻어진 구형의 실리카 입자의 기계적 강도가 작을 것이고, 불규칙한 입자가 형성되기 쉬어서, 이는 바람직하지 않다. 유사하게, 상기 실리카 겔 입자의 평균 입자 크기가 3.0 마이크로미터보다 큰 경우에는, 상기 얻어진 구형의 실리카 입자의 기계적 강도가 작을 것이고, 불규칙한 입자가 형성되기 쉬어서, 이는 바람직하지 않다. 상기 실리카 겔 입자의 평균 입자 크기의 더 바람직한 범위는 0.1 내지 1.0 마이크로미터이다.

입자 코팅 기술에서의 더 최근의 발전은 유동화층 시스템의 사용이고, 특히, 미국 특허 제 5,962,082호(Hendrickson 등)에서 개시된 바와 같은, 자기 유동화층 시스템이다. 상기에서, 자기장은 자기 반응 입자의 층을 유동화시킨다. 상기 자기 반응 입자 및/또는 유동화층으로 운반된 다른 입자는 상기 유동화 환경에서 제공된 물질(예를 들면, 액체)로 코팅된다. 상기 코팅 조성물은 심지어 자기 입자에서 비자기 입자로 변형될 수 있다. 이러한 방법은 상기 코팅 두께에 대한 탁월한 조절을 제공하고, 대용량의 코팅된 입자를 제조할 수 있고, 또한 많은 다른 장점을 제공한다. 그러나, 상기 방법은 0.1 내지 100 나노미터의 단위의 초극세 입자에는 사용될 수 없다.

미국 특허 제 5,958,329호는 고속으로 나노입자(상기 문헌에서 1 내지 50 나노미터 직경의 입자로 정의됨)를 제조하는 방법 및 장치를 개시하고 있다. 두 개의 챔버가 폭이 좁은 덕트로 분리된다. 소스 물질이 하부 챔버로부터 제공되고, 상기 소스 물질은 가열된다(예를 들면, 기화되고 이후 연속적으로 상부 챔버로 공급됨). 상기 상부 챔버에서, 나노입자는 핵을 이루고, 하부 챔버로부터 공급된 증기가 상부 챔버의 기체(불활성 또는 반응성)와 충돌하는 경우 상기 나노입자가 형성된다. 냉각된 침전 사이트(예를 들면, 핑거(Finger) 107로 정의됨)는 상기 입자를 수집하고, 이후 상기 입자는 상기 수집 사이트로부터 스크랩된다. 상기 입자는 자연적인 연결성 기류에 의해 상기 수집 사이트로 이동된다고 알려져 있다.

미국 특허 제 5,128,081호는 알루미늄 산화물 나노결정 세라믹 물질의 바람직한 상분리 방법을 개시하고 있다. 상기 나노입자는 저온 표면(20)에서 수집된다. 상기 입자의 산화 이후, 진공 챔버(상기 입자가 형성된 곳)는 진공화되고 상기 산화 입자는 수집되어서 진공 및 선택적으로 산소 및/또는 공기와 같은 다양한 대기 조건 하에서 공고해진다.

이러한 입자 제조 및 입자 시험 방법에서의 수집 방법은 성가시고, 비효울적이며, 고비용이고, 시간이 소요되고 상기 입자에 손상을 준다. 상기 수집 방법을 위해, 상기 챔버는 개방되어야 하고 입자는 침전 표면으로부터 스크랩(scraped)된다. 이는 상기 시스템의 장시간의 정지를 필요로 한다. 상기 침전 표면으로부터 입자의 스크랩핑은 몇몇 입자를 파손시키고 나머지 입자가 응집되도록 할 수 있다. 스크랩핑은 또한 상기 침전 표면을 손상시킨다. 상기 작고 늘어난 핑거 침전 표면은 단지 소량의 물질의 제조 및 수집을 가능케하고, 수집된 입자의 적층은 상기 표면 상의 침전 효율을 감소시킨다. 상기 입자의 코팅이 행해질 수 있으나, 건조되고 응집된 입자의 재분산으로써 행해질 뿐이다.

입자 수집의 대체 방법은 여과이다. 이는 입자의 소스, 여과 매질 및 진공 소스를 차례로 위치시킴으로써 수행된다. 상기 필터는 두 개의 표면, 즉 상기 입자 소스와 접한 하나의 전면과 상기 진공 소스와 접한 나머지 후면을 가진다. 상기 후면에서의 감압은 상기 전면에서의 고압이 기체와 입자를 상기 필터 쪽으로 밀어내는 것을 가능케하고, 상기 입자는 필터에 가두어진다. 여과 시스템에는 많은 문제가 있는데, 특히 나노입자에 관해서 그러하다. 예를 들면, 1 내지 100 나노미터의평균 입경을 갖는 나노입자를 수집하기 위해서는, 필터의 최대 세공 크기가 약 1 나노미터 미만이어야 한다. 이러한 여과 표면을 가로질러 효과적인 압력을 유지하는 것은 어렵고, 심지어 입자가 모이기 시작하기 전에도 마찬가지이다. 나노입자가 상기 필터 표면 상에 모일 때, 기류(및 압력 구동 움직임)는 더 제한되고, 입자가 거의 모일 수가 없고, 또한 처리 효율은 감소한다. 상기 입자는 급속하게 세공을 막히게 하여 입자는 효율적으로 모이지 않는다.

미국 특허 제 5,857,840호는 폐쇄 컨테이너를 진공으로 만들기 위한 진공 펌프 시스템을 개시하고 있는데, 이는 진공 펌프 및 상기 폐쇄 컨테이너와 진공 펌프를 연결하는 관에 제공된 집진기(dust collector)를 포함하고 있으며, 상기 관은 상기 폐쇄 컨테이너와 집진기를 연결하는 제1 주요관 및 상기 원심성 집진기와 진공 펌프를 연결하는 제2 주요관; 상기 제1 주요관으로부터 갈라지고 상기 진공 펌프에 연결된 분기관; 상기 분기관에 배치된 금속 메시 집진기; 및 상기 주요관 및 분기관 사이를 스위치로 바꾸기 위한 관 스위치 장치를 포함한다. 상기 집진기는 먼지 소스 및 진공 펌프의 사이에 제공되고, 건조 펌프를 포함할 수 있다.

입자, 특히 알루미늄 또는 구리 금속 입자는 필러, 활성 매질, 폭발물, 촉매, 화학적 활성 물질, 흡수제, 화학 분석, 자기 감지 물질, 장식재, 꼬리표 물질(taggant), 및 반사성 물질(reflective material)로서의 다양한 용도를 가지고 있다. 본 발명은 금속 입자의 분야에 관한 것이다. 또한 바람직하게는 알루미늄 또는 구리 금속 나노입자 제조 및 알루미늄 또는 구리 금속 나노입자 제조 장치, 및 선택적으로 제조 동안 반응되고, 특히 표면 반응 또는 표면 코팅되는 알루미늄 또는 구리 금속 나노입자 제조 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 안료 분산물을 제공하는 장치의 일구현예의 개략도이다.

도 2a 및 2b는 본 발명의 실시에 특히 유용한 도가니 구조물을 도시한다.

도 3은 본 발명의 일반적인 태양을 묘사하는 흐름도이다.

나노입자의 수집에 있어서 증가된 수집 효율을 갖는 입자 제조 및 수집 시스템은 입자 소스, 건식 기계적 펌핑 시스템, 및 입자 수집 표면을 제공한다. 상기 입자 수집 표면에 앞서서 또는 동시에 하는 건식 기계적 펌핑 시스템의 배치는 입자를 습윤하게 하여 응집체로 만들지 않고서, 입자 이동력을 유지시켜주고, 또한 둘 중 하나의 요인에 의한 만큼 수집 효율을 매우 효과적으로 증가시킨다.

안료의 작은 입자는 독특한 수집 방법과 함께 사용된 임의의 증발법에 의해 제조되는데 상기 수집 방법은 매우 효과적인 정도까지 상기 방법의 제조 효율을 증가시킨다. 상기 방법은 안료를 증발시키는 단계, 상기 기화된 안료 물질을 비반응성 기체상과 결합시키는 단계 및 이후 기계적 펌프를 제공하는 단계를 포함하는데, 상기 펌프는 상기 기체상 안료를 상기 기계적 펌프를 통하여 액체 응축-수집 구역으로 향하게 하거나 상기 기체상을 기계적 펌프 내의 결합 액체 응축-수집 구역으로 끌어당긴다. 상기 액체 응축/수집 액과의 접촉으로부터 안료 물질을 응축 제거한 후에 잔존하는 비안료 기체 물질은 상기 물질 흐름으로부터 제거되고, 반면에 상기 응축된 안료 입자를 갖는 액체 응축 상은 이미 액상 중 안료 입자의 분산물이 될 수 있고, 또한 상기 비안료 기체 물질은 분리되고, 상기 액체 응축상 캐리어가 제거되고, 상기 입자는 예를 들면 건식 입자로서 수집된다. 공지된 선행 기술 방법과 비교하면, 상기 중간 위치된 기계적 펌프 또는 동시 기계적 펌프 및 응축-수집 구역의 사용은 25% 이상 내지 100% 이상까지 상기 공정의 전체 수집/제조 효율을 매우 효율적이고 예상 밖으로 증가시킨다.

금속 나노입자의 수집 방법은 실온에서 고체인 금속의 증기를 형성하는 단계; 상기 금속의 증기가 불활성 기체 운반 매질 속으로 제공되는 단계; 상기 기류 내에서 상기 금속의 일부분 이상을 고화시켜서 금속 나노입자를 형성하는 단계; 건식 기계적 펌핑 시스템을 통하여 기체 운반 환경으로 상기 금속 나노입자를 이동시키는 단계; 및 상기 금속 나노입자가 건식 기계적 펌핑 시스템 내에 존재하는 동안 또는 상기 나노입자가 건식 펌핑 시스템을 통하여 이동한 후, 상기 금속 나노입자를 불활성 액체 수집 매질과 접촉시키는 단계를 포함한다. 상기 금속류는 바람직하게는 3000℃ 아래의 기화 온도를 갖는 금속류이고, 예를 들면, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Y, La, Ac, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Al, In, Tl, Sn, Pb, 이들 금속류의 혼합물 및 합금이고 요망된다면, 심지어 란탄족 및 악티늄족도 가능하다.

결합된 반응 금속(특히 알루미늄 또는 구리) 입자, 및 금속 입자(예를 들면 알루미늄 또는 구리)의 수집에 대한 증가된 수집 효율을 갖는 반응 금속(특히 알루미늄 또는 구리) 입자, 특히 나노입자 수집 시스템은 알루미늄 또는 구리 입자의 소스, 상기 알루미늄 또는 구리 입자에 대한 반응 구역, 건식 펌핑 시스템, 및 입자 수집액 또는 건식 수집 표면을 포함한다. 상기 반응 알루미늄 또는 구리 입자 수집액 또는 구역에 앞서서 또는 상기 입자 수집액 또는 구역과 동시에 하는 건식 펌핑 시스템의 배치는, 입자를 습윤하게 하여 응집체로 만들 가능성 없이, 알루미늄 또는 구리 입자 이동을 유지시켜주고, 또한 수집 효율을 증가시킨다. 알루미늄 또는 구리 입자의 소스는 통상적으로 증발/응축 시스템으로의 불활성 기류를 갖는 증발/응축 공정을 포함한다. 이후 입자는 반응하여, 알루미늄 또는 구리 입자의 적어도 부분적 응축 중 또는 그 후에 상기 불활성 기체와 또는 부가하여 반응성 기체를 도입한다. 상기 알루미늄 또는 구리 나노입자 표면과 밀접하게 결합하거나 반응할 수 있는 증기 또는 방울로서 상기 반응물을 제공함으로써, 반응(입자의 표면 상에서의 인시튜 중합을 포함함)의 정도 및 균일성에 대한 탁월한 조절성이 크게 개선된다.

금속 나노입자, 금속 산화물 나노입자, 반금속 나노입자, 안료 나노입자 물질(예를 들면, 유기 물질, 금속 산화물) 및 다른 안료는 현재 수 년 동안 공지되어 왔다; 그러나, 이러한 물질의 제조 효율은 상기 현행 방법에 비해 여전히 극히 낮다. 이러한 사실은 대용량의 나노입자가 필요로 하는 분야, 특히 인쇄용 잉크, 페인트, 고분자 착색제 및 토너의 분야의 다양한 성형품에서 이러한 장점이 있는 물질의 이용가능성 및 그에 따른 이용에 해로운 영향을 미친다.

본 발명에 따른 나노입자의 수집에 대한 증가된 수집 효율을 갖는 입자 수집 시스템은 입자의 소스(특히 증발성 소스), 기계적 펌핑 시스템, 및 입자 수집 표면을 포함한다. 상기 입자 수집액 매질에 앞서서 또는 동시에 하는 기계적 펌핑 시스템의 배치는, 입자를 영구적으로 습윤하게 하여 상기 입자를 응집체로 만들지 않고서, 입자 이동 노력을 유지시켜주고, 또한 수집 효율을 매우 효과적이고 상당히 증가시킨다.

상기 나노입자 소스 및 진공 펌프 사이의 수집 유닛의 배치는 시스템의 진공 유지 및 관련된 고 증발 속도에 심각한 문제를 일으킨다. 습식 수집 시스템은 또한 진공 환경에서 작동하기에 어렵다.

나노입자의 소스가 제공된다. 상기 안료의 소스는 입자가 제조되고 있는 제1 소스가 될 수 있다(예를 들면, 스퍼터링, 분무 건조, 증발, 기상 응축, 기상 중합 등). 코팅 또는 취급 방법을 위한 나노입자의 소스는 또한 입자의 제2 소스가 될 수 있는데, 상기 입자는 미리 제조되고 분리되어 취급된다(예를 들면, 코팅, 표면산화, 표면 에칭, 등). 상기 나노입자는 기체 매질에 제공되는데, 상기 기체 매질은 상기 입자를 기류 중에 지지할 수 있기에 충분한 기체 밀도를 가진다. 즉, 상기 기체가 이동되는 경우, 입자가 운반될 수 있기에 충분한 기체가 존재해야 한다. 나노입자(예를 들면, 1 내지 100 nm, 바람직하게는 1 내지 80 nm, 또는 1 내지 70 nm, 및 1 내지 50 nm 만큼 작은 수평균 직경을 갖는 입자)에 있어서는, 단지 작은 기압, 예를 들면 0.25 Torr 이상이 필요하나, 0.25 Torr보다 더 큰, 0.4 Torr보다 더 큰, 0.6 Torr보다 더 큰, 및 0.75 Torr보다 더 큰, 0.9 Torr보다 더 큰 고압이 바람직하다.

반응 알루미늄 또는 구리 나노입자의 수집에 증가된 수집 효율을 갖는 알루미늄 또는 구리 반응 입자 수집 시스템은 알루미늄 또는 구리 입자의 소스, 건식 펌핑 시스템, 및 입자 수집 표면을 포함한다. 상기 반응 알루미늄 또는 구리 입자 수집 표면에 앞선 건식 펌핑 시스템의 위치 설정은, 입자가 응집하게 만들지 않으면서, 알루미늄 또는 구리 입자 이동 노력을 유지시켜주고, 또한 수집 효율을 증가시킨다. 반응성 기체상의 제공은 상기 알루미늄 또는 구리 입자와의 반응이 상기 기체상 및 알루미늄 또는 구리 입자 표면 사이에서 일어나도록 하거나, 또는 상기 입자가 분산되어 있는 동안 액체가 상기 입자의 표면을 코팅하도록 하고, 상기 액체는 연속적으로 반응된다. 알루미늄 또는 구리 입자의 소스는 통상적으로 증발/응축 시스템으로의 불활성 기류를 갖는 증발/응축 공정을 포함한다. 이후 입자는 반응하여, 알루미늄 또는 구리 입자의 적어도 부분적 응축 중 또는 그 후에 상기 불활성 기체와 또는 상기 불활성 기체에 부가하여 반응성 기체를 도입한다. 상기 알루미늄 또는 구리 나노입자 표면 또는 상기 표면을 균일하게 코팅할 수 있는 액체 응축물과 밀접하게 결합하거나 반응할 수 있는 증기로서 상기 반응물을 제공함으로써, 반응(입자의 표면 상에서의 인시튜 중합을 포함함)의 정도 및 균일성에 대한 탁월한 조절성이 크게 개선된다.

상기 알루미늄 또는 구리 나노입자 소스 및 진공 펌프 사이의 수집 유닛의 배치는 시스템의 진공 유지 및 관련된 고 증발 속도에 심각한 문제를 일으킨다는 사실을 본 출원인에 의해 확인되었다. 다른 습식 수집 시스템은 또한 진공 환경에서 작동하기에 어렵다; 그러나, 습식 수집 시스템의 처리는 수 많은 다른 용매 중 슬러리를 제공하고, 이는 인시튜 중압 기술에 의해 후처리되어서 상기 나노입자를 코팅할 수 있다. 상기 얻어진 슬러리는 인시튜 중합법에 의해 후처리되어서 용액 중의 상기 입자를 코팅할 수 있다. 얻어진 슬러리 중의 입자는 불화 중합체, 예를 들면 테프론 및 폴리비닐리덴 디플루라이드(PVdF)로 코팅될 수 있다. 이는 테프론 또는 PVdF 코팅을 제공하는 고압 반응기 기술을 이용하는 초기 가공과는 구별된다. 이는 인시튜 중합체 코팅 공정에서 이러한 중합체의 최초 공지된 응용이다.

알루미늄 또는 구리 나노입자로 응축될 수 있는 증발된 알루미늄 또는 구리 금속의 소스가 제공된다. 상기 소스는 입자가 제조되고 있는(예를 들면, 스퍼터링, 분무 건조, 증발, 공중 응축, 공중 중합 등) 제1 소스가 될 수 있고 또는 바람직하게는 본 발명의 방법 흐름 내에서 증발 및 응축에 의해 제공될 수 있다. 나노입자의 소스는 또한 입자의 제2 소스가 될 수 있는데, 여기에서 상기 입자는 미리 제조되고 분리되어 취급된다(예를 들면, 코팅, 표면 산화, 표면 에칭, 등). 상기 알루미늄 또는 구리 나노입자는 기체 매질에 제공되는데, 상기 기체 매질은 상기 입자를 기류 중에 지지할 수 있기에 충분한 기체 밀도를 가진다. 즉, 상기 기체가 이동되는 경우, 입자가 운반될 수 있기에 충분한 기체가 존재해야 한다. 나노입자(예를 들면, 1 내지 100 nm, 바람직하게는 1 내지 80 nm, 또는 1 내지 70 nm, 및 1 내지 50 nm 만큼 작은 수평균 직경을 갖는 입자)에 있어서는, 단지 작은 기압, 예를 들면 0.25 Torr 이상이 필요하나, 0.25 Torr보다 더 큰, 0.4 Torr보다 더 큰, 0.6 Torr보다 더 큰, 및 0.75 Torr보다 더 큰, 0.9 Torr보다 더 큰 고압이 바람직하다.

본 발명에 따른 분산물이 제조될 수 있는 방식의 비제한적인 예는 다음을 포함한다:

a) 유기, 무기, 금속(나중에 적어도 표면 산화된), 금속 산화물, 또는 안료나 안료 전구체를 비반응성 기류 또는 반응성 기류의 존재하에서 기화시켜서 초미세(예를 들면, 수 평균 또는 중량 평균 직경이 1 내지 100 나노미터임) 입자(특히 안료 또는 안료 전구체 입자)를 제공하는 단계,

b) 기계적 펌프에 의해 상기 기류 중에 부유된 초미세 나노미터 입자를 액체 분산 매질로 수송하는 단계(예를 들면 기계적 펌프는 상기 분산 매질 앞에 위치하거나 상기 액체 분산 매질을 포함하고, 상기 기체는 상기 입자를 포함하거나 상기 분산 매질과 밀접하게 접촉하는 입자를 포함하여 상기 매질 중에 입자의 분산물을 제공함),

c) 상기 기체(입자가 부존재하는)는 상기 분산 매질로부터 분리되고, 및

d) 상기 수집된 안료 입자를 운반하는데 사용되는 분산 매질 또는 상기 안료입자로부터 선택적으로 분리되어 비분산 안료 입자를 제공하는 분산 매질.

안료 및 유기 안료는 본 발명의 기술분야에서 공지된 물질이고 당업자에게 확립된 의미를 가진다. 안료의 목록 및 소스의 유용한 요약은http://www.marketresearch.com/product/display.asp?ProductID=510628&view=toc에서 확인할 수 있고, 여기에서 안료 및 염료에 대한 참조 문헌을 구입할 수 있으며, 목록 및 참조문헌는 인용에 의해 본원에 통합되어 있다. 유기 안료는 하기와 같은 발색단을 포함하는 안료이다: 아조 타입, 프탈로시아닌 타입, 퀴나크리돈 타입, 안트라퀴논 타입, 디옥사진 타입, 인디고 타입, 티오인디고 타입, 페리논 타입, 페릴렌 타입, 이소인돌렌 타입, 등. 그 밖의 예는 당업자에게 분명하다. 유기 안료의 대표적인 예는 F.H.Moser 및 A.L.Tomas의 "Phthalocyanine Compounds", Rheinhold Publishing Corporation, New York(1963)에서 상세히 기재되어 있는 금속 프탈로시아닌류이다. 전형적인 금속 프탈로시아닌류 및 프탈로시아닌 화합물류는 비치환된 금속 프탈로시아닌, 알루미늄 프탈로시아닌, 알루미늄 폴리클로로프탈로시아닌, 안티몬 프탈로시아닌, 바륨 프탈로시아닌, 베릴륨 프탈로시아닌, 카드뮴 헥사데카클로로 프탈로시아닌, 카드뮴 프탈로시아닌, 칼슘 프탈로시아닌, 세륨 프탈로시아닌, 크롬 프탈로시아닌, 코발트 프탈로시아닌, 코발트 클로로프탈로시아닌, 구리 4-아미노프탈로시아닌, 구리 브로모클로로프탈로시아닌, 구리 4-클로로프탈로시아닌, 구리 4-니트로프탈로시아닌, 구리 프탈로시아닌, 구리 폴리클로로프탈로시아닌, 듀테리오메탈 프탈로시아닌, 디소프로슘 프탈로시아닌, 에르븀 프탈로시아닌, 유로퓸 프탈로시아닌, 가돌리늄 프탈로시아닌, 갈륨 프탈로시아닌, 게르마늄 프탈로시아닌, 하프늄 프탈로시아닌, 할로겐 치환 메탈프탈로시아닌, 홀뮴 프탈로시아닌, 인듐 프탈로시아닌, 아이언 프탈로시아닌, 아이언 폴리할로프탈로시아닌, 란탄 프탈로시아닌, 페닐프탈로시아닌, 리튬 프탈로시아닌, 루테슘 프탈로시아닌, 마그네슘 프탈로시아닌, 망간 프탈로시아닌, 머큐리 프탈로시아닌, 몰리브덴 프탈로시아닌, 네오디뮴 프탈로시아닌, 니켈 프탈로시아닌, 니켈 폴리할로프탈로시아닌, 오스뮴 프탈로시아닌, 팔라듐 프탈로시아닌, 팔라듐 클로로프탈로시아닌, 알콕시메탈프탈로시아닌, 알킬아미노메탈프탈로시아닌, 알킬머캡토프탈로시아닌, 아르알킬아미노메탈프탈로시아닌, 아릴옥시메탈프탈로시아닌, 아릴머캡토프탈로시아닌, 구리 프탈로시아닌 피페리딘, 시클로알킬아미노메탈프탈로시아닌, 디알킬아미노메탈프탈로시아닌, 디아르알킬아미노메탈프탈로시아닌, 디시클로알킬아미노메탈프탈로시아닌, 헥사데카히드로메탈프탈로시아닌, 이미도메틸프탈로시아닌, 옥타아자메탈프탈로시아닌, 테트라아자메탈프탈로시아닌, 테트라-4-아세틸아미노메탈프탈로시아닌, 테트라-4-아미노벤조일메탈프탈로시아닌, 테트라-4-아미노메탈프탈로시아닌, 테트라클로로메틸메탈프탈로시아닌, 테트라이아조메탈프탈로시아닌, 테트라-4,4-디메틸옥타아자메탈프탈로시아닌, 테트라-4,5-디페닐옥타아자메탈프탈로시아닌, 테트라-(6-메틸벤조티아조일)메탈프탈로시아닌, 테트라-p-메틸페닐아미노메탈프탈로시아닌, 테트라메틸메탈프탈로시아닌, 테트라나프토트리아조일메탈프탈로시아닌, 테트라-4-나프틸메탈프탈로시아닌, 테트라-4-니트로메탈프탈로시아닌, 테트라-페리-나프틸렌-4,5-옥타아자메탈프탈로시아닌, 테트라-2,3-페닐렌옥시드메탈프탈로시아닌, 테트라-4-페닐옥타아자메탈프탈로시아닌, 테트라페닐메탈프탈로시아닌, 테트라피리딜메탈프탈로시아닌, 테트라-4-트리플루오로메틸머캡토프탈로시아닌, 테트라-4-트리플루오로메틸메탈프탈로시아닌, 4,5-티오나프텐옥타아자프탈로시아닌, 플라티눔 프탈로시아닌, 포타슘 프탈로시아닌, 로듐 프탈로시아닌, 사마륨 프탈로시아닌, 실버 프탈로시아닌, 실리콘 프탈로시아닌, 소디움 프탈로시아닌, 토륨 프탈로시아닌, 툴륨 프탈로시아닌, 틴 클로로프탈로시아닌, 틴 프탈로시아닌, 티타늄 프탈로시아닌, 우라늄 프탈로시아닌, 바나듐 프탈로시아닌, 바나딜 프탈로시아닌, 이테르븀 프탈로시아닌, 아연 클로로프탈로시아닌, 및 아연 프탈로시아닌을 포함한다.

사용될 수 있고 상업적으로 이용가능한 다른 유기 안료류의 예는 Anthrapyrimidine Yellow (C.I. Pigment Yellow 108), Disazo Yellow GG (C.I. Pigment Yellow 128), Quinacridone Magenta Y (C.I. Pigment Red 122), Phthalo Blue beta (C.I. Pigment Blue 15:3), Phthalo Blue alpha (C.I. Pigment Blue 15:2), Permanent Red 2B (calcium) (C.I. Pigment Red 48:2), Quinacridone Magenta B (C.I. Pigment Red 202), Palioto.RTM. Yellow 183 (no C.I. No.), Diarylide Yellow (C.I. Pigment 21108), Wachtung Red B (C.I. Pigment Red 48), Perinone Orange (C.I. Pigment Orange 43), Tetrachloroisoindolinone Yellow R (C.I. Pigment Yellow 110), Perylene Red Y (C.I. Pigment Red 224), 및 Perylene Maroon (C.I. Pigment Red 179)을 포함한다. 다른 예는 당업자에게 명백하고 Lambourne(하기 참조)과 같은 참조 문헌에서 확인될 수 있다.

몇 가지 방법이 안료 분산물을 특성 분석하는데 이용될 수 있다. 가장 통상적인 방법은 소정의 크기 범위 내에 해당하는 안료의 중량%로 표현된 입자 크기 분포와 관련된다. R. Lambourne은 "Paint and Surface Coatings", John Wiley & Sons, (1987), p.132에서 하기와 같은 두 개의 주요한 부류의 안료에 대한 통상적인 크기를 열거하고 있다: 유기 안료: 0.01 내지 1.00 마이크로미터 (10 내지 1000 nm) 무기 안료: 0.10 내지 5.00 마이크로미터 (100 내지 5000 nm).

이러한 값은 종래의 분산 기술에 통상적으로 대항되는 입자 크기의 전반적인 범위를 나타낸다. 입자 크기의 분포는 입자 형성의 방법에 달려 있다. 기계적 밀링이 입자를 분쇄하는데 사용되는 경우에는, 극히 폭 넓은 분포가 얻어진다. 예를 들면, EP 1 544 839는 순수한 안료의 화학적 전처리를 수반하는 용이하게 분산된 구리 프탈로시아닌을 얻는 방법을 개시하고 있다. 통상적인 결과(참조 문헌의 표 3)는 0.440 마이크로미터 (440 nm)의 분포 폭을 갖는 0.069 마이크로미터 (69 nm)의 중량 평균 입경을 나타낸다. 훨씬 더 폭이 좁은 분포는 본 발명인 기체 증발 기술을 사용함으로써 얻어진다.

상기 기체-운반 매질은 상기 알루미늄 또는 구리 입자와 반응할 수 있거나 반응해왔고 또는 상기 기체에서 몇몇의 잔존 반응성 물질을 가질 수 있다. 이는 운반하고 수집하는 표면의 보호를 위해 매우 바람직하고, 상기 초기에 접촉하는 기체상(동시에 또는 바람직하게는 나중에 상기 기류에 제공될 수 있는 별개의 반응성 성분에 대치됨)은 상기 장치 환경에 상대적으로 불활성이다. 질소, 이산화탄소, 공기 등과 같은 기체가 바람직하다.

상기 기체 운반 매질 및 알루미늄 또는 구리 나노입자에 대한 추진 시스템은 기체용 건식 기계적 펌핑 시스템이다. 건식 펌핑 시스템을 사용하여 윤활제에 의한입자의 오염을 방지할 수 있다. 이러한 기체용 건식 펌핑 시스템은 펌프에서 수집이 일어나지 않는 전달용 공기, 미립자 및 증기에 관한 반도체 산업 분야에서 공지되어 있다. 이는 펌프 주입구에서 진공 조건을 유지하기 위하여 무급유 실(oil-less seal)을 이용하는 펌핑 시스템이다. 상기 문헌에서의 이러한 건식 펌프 및 건식 진공 펌프의 예는 미국 특허 제 4,452,572호(Rovert Evard)에서 확인되고, 이는 종래의 진공 펌프에 부가된 단계로서 작용하는 건식 진공을 발생시킨다. 관 모양의 다이어프램은 다이어프램을 가로지르는 차압을 허용하여 다이어프램으로 하여금 펌핑 챔버부의 외곽에 합치시키고 따라서 가스를 상단 밸브를 통하여 배출하도록 만든다. 미국 특허 제 5,971,711은 Roots 시스템 펌프계 건식 펌프를 포함하여 펌프용 조절 시스템을 개시하고 있다.

미국 특허 제 6,050,787호는 튜브의 양 말단에 또는 인접하여 주입구 및 배출구를 갖는 샤프트 상에 뻗쳐있고, 이에 의해 봉해진 자기 응답 탄성 튜브를 포함하는 건식 펌프를 제공한다. 주입구에 국한하여 자기장이 밀폐부에서 발생된다. 이러한 자기장은 상기 튜브에 실질적으로 동심원적이고, 이후 자기장 쪽으로 원주를 돌면서 확장됨으로써 반응한다. 이는 상기 튜브 및 샤프트 사이의 볼륨을 만들어 내고, 자기장의 영향 밖의 튜브의 길이는 샤프트 상에 봉해진 채로 남는다. 펌프의 축을 따르는 연속적인 자기장의 이동은, 이러한 볼륨 및 주입구에서 배출구까지의 상기 볼륨 내에서 폐쇄된 임의의 매질을 수송하고, 그 후 자기장의 감소는 상기 볼륨의 소비를 낳는다. 이러한 사이클은 펌핑 작용을 낳는다.

기계적 건식 펌프의 다른 일반적인 개시는 미국 특허 제 6,090,222호; 제6,161,575호; 제 5,846,062호에 제공되는데, 이에 의해 상기 공정 기체는 세 개의 구획, 기체 주입 펌프 부분, 중앙 구동 모터 부분, 및 기체 배출 펌프 부분을 통하여 수송된다. 펌프의 중앙에 구동 모터를 배치함으로써, 이중 샤프트를 한쪽 말단에서만 지지되게 하고, 따라서 펌프의 개방 말단에 모터를 설치하여 펌프 부분에 이용하기 위해 용이하게 제거될 수 있는 말단 플레이트로 폐쇄된 펌프를 고안하는 것이 가능해졌다. 자기 커플링에 의해 상기 이중 샤프트 펌프의 동시 처리는 압력 소모를 줄이고 처리 압력의 범위를 연장시킬 수 있다.

알루미늄 또는 구리 나노입자용 수집 매질은 정전기 표면 수집기, 정전기 필터 수집기, 세공 표면(예를 들면, 융해된 입자 표면), 원심력 수집기, 습식 스크러버(scrubber), 액체 매질 수집기 및 물리적 필터 수집기를 포함한다. 상기 액체 매질 수집기(액체와 미립자의 연속적인 분리를 수반함)는 본 발명의 실시에 더 잘 따른다. 또한 습식 스크러버로 알려진, 이러한 액체 수집 매질은 이러한 배열에 더 잘 따르는데, 이는 공정 및 안전 요인이 더 휘발성인 용매를 상기 나노입자용 형성 챔버로부터 이용될 수 있게 하기 때문이다. 습식 스크러버는 또한 후처리 및 인시튜 중합에 의한 중합체 코팅, 특히 불화중합체 코팅의 경우에 있어서, 적당한 슬러리를 제공한다. 이러한 예는 테프론, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVdF), 및 이들의 각각의 공중합체이다. 이는 고압 반응기 기술을 사용하여 상기 중합체 코팅을 달성하는 분야에서의 초기 가공과는 구별된다. 이러한 기술은 금속 입자, 안료, 산화물, 및 질화물을 코팅하는데 사용될 수 있다. 이는 인시튜 중합체 코팅 방법에서 이러한 중합체의 최초로 공지된 응용이다.

나노입자 소스, 건식 펌프 및 수집기의 현 배열의 사용은, 비록 동일한 나노입자 소스가 존재하는 경우에도, 동일한 필터 및 동일한 펌프는 다른 순서로 사용되는 종래의 소스, 필터 펌프 시스템에 비하여 100% 만큼 입자 수집 효율을 증가시키는 것으로 확인되었다. 이러한 펌핑 기구의 배열의 이용은 또한 나노입자의 수집에 이롭다. 펌프의 주입구로 저휘발성 용매를 주입하여 나노입자를 기류에 채움으로써, 상기 건식 펌프는 또한 수집 효율이 90% 보다 더 우수한 습식 스크러버로 사용될 수 있다. 적당한 용매는 다양한 이용가능성이 있는 Isopar® 매질 및 Purasolv® 매질이다.

금속의 작은 입자는 독특한 수집 및 반응 방법을 갖는 증발법에 의해 제조되는데, 상기 방법은 매우 큰 정도까지 상기 공정의 제조 효율을 증가시킨다. 상기 공정은 금속을 증발시키는 단계 및 이후 상기 기체상 금속을 액체 응축-수집 구역으로 끌어당기거나 상기 기계적 펌프 내에서 액체 응축-수집 구역을 결합시키는 기계적 펌프를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 금속 물질을 응축 제거한 후에 잔존하는 비금속 기체 물질은 상기 물질 흐름으로부터 제거되고, 반면에 상기 응축된 금속 입자를 갖는 액체 응축 상은 분리되고, 상기 액체 응축상 캐리어가 제거되고, 상기 입자는 수집된다. 공지된 선행 기술 방법과 비교하면, 상기 중간 위치된 기계적 펌프 또는 동시 기계적 펌프 및 응축-수집 구역의 사용은 25% 이상까지 상기 공정의 전체 수집/제조 효율을 증가시킨다.

금속, 유기 물질, 금속 산화물 및 다른 안료와 같은 나노입자 물질의 존재는 현재 수 년 동안 공지되어 왔다; 그러나, 이러한 물질의 제조 효율은 상기 현행 공정에 비해 여전히 극히 낮다. 이는 다양한 성형품에서, 특히 나노미립자 알루미늄에 관한 에너지 물질의 분야에서, 이러한 물질의 이용가능성 및 그에 따른 이용에 해로운 영향을 미친다. 이러한 물질의 수 많은 군사적 및 비군사적 응용은, 최종 생산물에 통합되거나 적어도 연구 및 개발 업무에 있어서 이러한 물질을 시험할 수 있기에 적당한 이러한 물질의 대량 공급이 부족하기 때문에 아직 달성하지 못한 채 남아있다.

금속과 같은, 나노상 물질을 형성하기 위한 가장 흔히 사용되는 기술은 불활성 기체 응축, 즉 동력학 기체 응축, 방법(Siegel, R.W. 및 Eastman, J.A., Material Research Symposium Proceedings, 132, p.3, 1989; 및 Granquist, C.G. 및 Buhrman, J., J. Appl. Phys., 47, p.2200, 1976)이다. 이러한 기술에서, 금속은 기화되고 불활성 기체의 저압 플럭스(flux)와 접촉함으로써 재응축된다. 알루미늄을 녹이고 기화시켜 나노상 금속으로 변화되게하는데 사용되는 통상적인 방법은 저항 가열법(resistive heating)이다. 텅스텐이나 탄탈 가열 요소 또는 금속간 세라믹 바 중 하나의 사용을 통하여, 알루미늄은 상기 금속의 고온 표면과의 접촉에 의한 전도 가열로부터 증발된다. 금속간 세라믹의 사용은, 합금 공정에 의해 대부분의 금속을 부식시키는 알루미늄의 능력때문에 금속 가열 요소에 있어서 바람직하다. 이는 오버앰핑(overamping) 등에 의한 저항 회로의 단락을 일으킨다. 이는 알루미늄 증발에서 금속간 물질(AIN, BN 및 TiB₂)의 사용을 낳는다. 산업적으로, 알루미늄은 저항 가열된 금속간 바의 사용에 의해 다른 지지체(마이라(Mylar), 나일론,등) 상에 증기 코팅된다(Ploos, S., Van Astel, J.J.A., 및 Kooi, E.,J. Electrochemical Soc., 120, p.840, 1973; Rynee, D.M., Solid State Tech., 11, p.48, 1968; Learn, A.J., Electrochemical Soc., 123(6), p.894, 1976; 및 Learn, A.J., Thin Solid Films, 20, p.261, 1974).

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 분산물을 제공하는 장치(10)는 외부 전원 장치(미도시)에 연결된 전극(15)에 의해 지지된 도가니를 갖고, 기화성 안료(16) 또는 안료 전구체(17)를 포함하는 노(12)를 구비하고 있다. 기체 주입 튜브(18)는 비반응성 기체(19)가 봉해진 노(12)에 도입되도록 하고 미세 입자(20)의 형성을 보조하고 전달 튜브(22)를 통하여 수집 용기(24)로 수송하는 것을 용이하게 한다. 수집 용기(24)는 액체 분산 매질(26)을 포함하고, 튜브 말단(21)을 갖는 전달 튜브(22)는 수송된 안료 입자(20) 및 비반응성 기체(19)가 매질(26)(도 1) 속으로 버블링하도록 만들거나 튜브 말단(21)을 갖는 전달 튜브(22)를 통하여 수송된 안료 입자(20) 및 비반응성 기체(19)가 매질(26) 상에 부딪히도록 만든다. 컨덴서(32)가 구비되어 액체 매질(26)로부터 수집 용기(24)로 임의의 증발된 액체를 되돌려준다. 컨덴서(32)는 트랩(38) 및 펌프(40)에 연결된다. 펌프(40)가 사용되어 사용되기 전 또는 사용하는 동안 전 장치(10)를 배출시킨다. 우회 밸브(34) 및 우회 튜브(36)는 금속(16) 증발의 개시 전에 노(12)를 비우는 것을 용이하게 만든다. 밸브(42 및 44)는 펌프(40)로부터 장치(10)의 분리를 가능케 한다.

본 발명의 분산물을 제공하기 위한 다른 반응기 고안이 계획되었는데, 여기에는 Metal Vapor Synthesis in Organometallic Chemistry, J.R. Blackborow 및 D.Young Springer-Verlag(New York), 1979에 개시된 로터리 금속 원자 반응기 및 Jpn. J. Appl. Phys., 13, 749,(1974)에 개시된 스핀닝 디스크 어셈블리를 포함하고, 이때 상기 기계적 펌프의 위치는 가스상에서 운반된 금속 입자의 가스상을 생성시키는 시스템의 뒤 및 응축/수집 구역 사이 또는 이와 일치하여 있다. 반응기의 두 가지 타입 모두 금속 입자의 분산물을 생성시키는데 사용될 수 있다. 게다가, 분리된 금속 분자를 생성시키기 위해 직접 증발될 수 있는 금속은 이러한 반응기에서 사용되어서 본 발명의 분산물을 제조할 수 있다.

저항 가열이외에, 열을 금속에 적용하는 다른 수단이 계획될 수 있다. 이는 레이저 가열, 유도 가열, 플라즈마 제트, 플라즈마 아크 방전, 레이저 플래싱, 스퍼터링 및 당업자에게 공지된 다른 방법을 포함한다.

저항 가열된 바는 고진공(< 10^-5Torr)에서 1600℃까지 온도에 이를 수 있다. 이러한 온도에서, ~5 Torr 정도의 압력은 도 1의 데이터로부터 알루미늄 금속을 "플래시" 증발시키는데 필요하다. 다른 방법에 의해 계산되고 측정된 알루미늄에 대한 증기압 곡선(Honig, R., 1978 Jannaf Thermochemical Tables; 및 Stull, D, Ind. Eng. Chemistry, 39, p.517, 1947)으로부터, 비록 상기 다른 방법 사이에 약간의 일치가 있더라도, 고속 증발이 나머지 방법을 제외한 한가지 방법에 의해 예측될 수 있는 폭 넓은 처리 조건이 있다는 사실을 확인할 수 있다. 이러한 분야에서는 오직 실험만이 고 생산 속도에서 불활성 기체 응축 시스템을 처리하기 위한 정확한 파라미터를 증명할 수 있다.

"플래시" 증발은 용융된 금속이 일정 조건의 알루미늄의 비점 위로 과열되고 즉시 증기로 변환되는 조건이다(Learn, A.J., Thin Solid Films, 20, p.261, 1974). 고진공 시스템에서, 적절한 양의 에너지가 이용될 수 있다면 알루미늄의 용융 및 기화가 모두 용이하다. 상기 저항 가열 방법에 있어서; 그러나, 한번에 소량의 물질을 기화시키는데 이용가능한 충분한 에너지만이 있다. 이러한 이유로 흔히 와이어 공급 메카니즘이 저항 가열/기화 방법(Rynee, D.M., Solid State Tech., 11, p.48, 1968; Learn, A.J., Electrochemical Soc., 123(6), p.894, 1976)을 가지고 통상적으로 사용된다. 가열 및 기화의 전도 방법으로서, 저항 가열 방법에서 전도에 의해 전달된 에너지는 작은 접촉 면적의 사용으로 최대화되고 와이어 공급 메카니즘에 의해 공급된 소량의 재료를 연속적으로 증발시킨다. 상기 와이어 공급 메카니즘은 저항 가열/기화 기술의 요구에 특히 적합하고, 이후 상기 증발/생성 속도는 와이어 공급 메카니즘 매칭에 의해 결정되나, 전도-구동 방법에 의해 증발될 수 있는 알루미늄의 양을 초과해서는 안 된다. 그러나, 고 전압 및 공급 속도에서도, 최종 생성 속도는 알루미늄 나노입자의 제조를 위해서 산업적으로 적당한 방법은 아니다. 통상적인 저항 바는 4 볼트 및 830 암페어에서 작동되어서 3324 와트의 전압을 소산(dissipate)한다. 발생된 온도는 ~1500℃이다. 통상적인 증발 속도는 1 바 당 0.10 g/min이다. 이는 매우 낮아서 저항 바의 배터리는 흔히 증기 코팅에 적당한 응집체 생성 속도를 형성하는데 사용된다. 이는 상업상 마이라 폴리에스테르 및 나일론 웹 코팅물에 대해 통상적으로 행해지는 바와 같이 2/10 미크론 미만의 깊이까지 지지체를 증기 코팅하는데 충분하다. 비록 이는 증기 코팅 처리에 충분하지만, 대규모 나노입자 생산용으로는 규모화할 수 있는 공정은 아니다.

저항 가열은 또한 다른 결점을 가지고 있다. 상기 증기가 나노입자로 핵화되기에 필요한 불활성 기체에 노출되는 경우 온도 증감이 대류로부터 저항 가열된 바에서 나타난다. 상기 바의 말단은 상기 알루미늄 금속이 상기 바 상으로 공급되는 중심보다 더 고온이다. 이는 두 개의 결과를 가진다. 먼저, 알루미늄 금속을 기화시키는데 필요한 초과 에너지는 불활성 기류의 대류성 가열 때문에 손실된다. 두 번째, 바의 온도는 또한 상기 대류성 손실 때문에 상당히 떨어진다. 이러한 온도 저하는 상기 시스템의 전반적인 작동 파라미터(온도, 압력)을 바람직하지 않은 영역으로 만든다. 상대적 비교에 의하면, 바람직하지 않은 영향은 비점 아래의 물의 완만한 증발 대 물이 직접 증기로 변하는 비점 아래의 과열에서 일어나는 급속한 증발 및 증기 발생에 대응한다.

상기 시스템으로 기류를 도입함으로써 일어나는 부가적인 압력이 또한 인자가 된다. 대부분의 변변찮은 진공 펌프는 시스템으로 기체의 도입 없이 폐쇄 진공 시스템에서 50 mTorr 미만의 최고 압력에 이를 수 있다. 진공 챔버에 기류를 부가하면 이러한 기본 압력을 상당히 변화시키고, 이때 근진공(near vacuum)에서 주위 조건 기체의 팽창이 더 큰 기체 볼륨을 낳고 상기 볼륨은 시스템으로부터 펌핑되어야 한다. 이러한 기본 압력은 또한 선 팽창 및 압축의 존재에 따라 증가할 수 있는데, 상기 선팽 및 압축은 시스템 내에서 진공 챔버 및 트랩의 존재에 따라 일어난다(Brunner, W.F. 및 Batzer, T.H., "Practical Vacuum Techniques", Krieger Publishing Co., New York, 1974; 및 O'Hanlon, J.F., "A User's Guide to VacuumTechnology", Wiley, New York, 1980).

상기 저항 가열된 바 상의 기체 접촉에 따라 관찰되는 온도 하강과 함께 기본 압력의 이러한 증가는 시스템의 작동 파라미터를 증기압 곡선 아래로 만든다.

적당한 생산 속도에서 작동하는 이러한 불활성 기체 응축 공정에 있어서, 금속 (상기 조건에서는 알루미늄)을 기화시키는 방법은 시스템에서의 적당한 기류 및 압력 특징을 유지하는 동안 상기 시스템에 대한 높은 작동 온도를 가능케 한다고 확인되었다.

물질의 큰 기화 속도는 또한 유도 가열에 의해 영향 받을 수 있다. 금속 자체로 직접 연결하여 금속을 가열 및 기화시킬 수 있는 능력을 가지고 있으므로, 대규모의 생산 방법에서 이용할 수 있는 분명한 기술이다. 이용가능한 에너지를 직접 금속 자체로 주입하는 능력 때문에, 온도 및 압력의 견지에서 더 큰 작동 창이 또한 있을 수 있다. 사용되는 소규모 유도 유닛은 Mark 6, 10 KHz, 15 kW Pilar 유닛일 수 있다. 코일 및 선 손실 때문에, 단지 15 KW의 80%만이 유도 도가니에 금속 전하(charge)를 도입하기 위해 이용될 수 있다. 알루미늄 금속의 반강유전성(antiferroelectric) 성질에 따라, 이러한 전력의 단지 30 내지 50%만이 금속 전하와 효과적으로 결합하여 상기 알루미늄 금속을 가열 및 기화시킬 수 있다. 이러한 사실은 알루미늄의 단지 2-3 lbs만이 시간당 상기 유닛으로부터 기화될 수 있다. 금속의 용융 및 기화와 이러한 기술의 결합은 이차 세계 대전 이후 충분히 확립되었다(Davies, E.J., 및 Simpson, P., "Induction Heating Handbook", McGraw-Hill, London, 1979; Davies, E.J., "Conduction and Induction Heating",Peregrinus, London, 1990). 본원에서 사용된 15 kW 유닛으로부터의 결과는 이러한 시스템에서 이용가능한 주문-설계(custom-designed) 및 제조에 따라서 표준 600 kW 유닛 이상의 전력에서 규모화 될 수 있다. 진공 챔버 및 유도 코일은 용이하게 이용될 수 있거나 용이하게 제조될 수 있다. 이는 이러한 프로젝트 동안 개발된 비공개 시스템의 제1 부분을 포함한다. 상기 시스템의 제2 부분은 진공 펌핑 시스템이고, 이는 증기 코팅 및 반도체 산업으로부터 충분히 확립되고 개발되어 왔다. 상기 시스템의 제3 부분은 알루미늄 나노입자 및 액체 매질 중의 이들의 분산물의 수집이다. 상기 시스템의 마지막 부분은 상기 공정의 불화중합체 코팅부이고, 여기에서 상기 나노입자는 보호 중합체 코팅물로 코팅되어 산화를 방지한다.

알루미늄 나노입자의 수집은 또한 나노미립자 슬러리의 제조에 있어서 문제가 된다. 나노상 물질의 제조를 위한 대부분의 종래의 시도는 초저 진공 조건에서의 금속 공급 원료를 기화시키는 단계 및 열영동(thermophoresis)에 의한 액체 질소 저온 핑거 시스템 상 또는 충돌 및 세팅에 의한 대용량의 팽창 챔버의 벽에 형성된 나노입자를 수집하는 단계로 이루어져 있다(Siegel, R.W. 및 Eastman, J.A., Material Research Symposium Proceedings, 132, p.3, 1989; Granquist, C.G. 및 Buhrman, J., J. Appl. Phys., 47, p.2200, 1976). 이는 독특한 비응집된 나노입자를 형성할 수 없는 능력을 포함하여 수집에 몇 개의 단점을 가진다. 비록 <10 mm의 평균 입자 크기가 주장되더라도, 이것이 주로 형성된 물질의 미결정의 주요 입자 크기이다. 이러한 미결정은 상기 수집 공정 동안 이러한 평균 미결정 크기보다 훨씬 더 큰 입자 크기로 응집된다. 이러한 수집 방법은 또한 순수 금속 시스템에 있어서 산화 문제를 낳으므로, 상기 건식, 반응성 나노입자의 표면은 추가 취급 전에 일정 방식으로 보호될 필요가 있다. 이는 통상적으로 챔버로의 산소 주입을 조절함으로써 나노입자의 외부면을 산화시켜서 얇은 산화물 층을 형성하여 조절되지 않은 대기에서 이들의 연소의 가능성을 제거하는 방식으로 이루어진다. 이러한 산화는 본질적으로 나노입자의 벌크에서 유용한 연료를 파괴한다. 알루미늄 금속을 위한 대부분의 부동화층은 깊이가 10 nm까지이다. 30 nm 이하의 직경의 입자의 경우, 현재 금속의 대부분이 이와 같다. 그러나, 부동화 산화물의 박층을 얻기가 어렵다(Granquist, C.G. 및 Buhrman, J., J. Appl. Phys., 47, p.2200, 1976; Aumann, C.E., Skofronick, G.L. 및 Martin, J.A., J. Vac. Sci. Tech. B, 13(3), p. 1178, 1995. Dixon, J.P., Martin, J.A., 및 Thompson, 미국 특허 제 5717159,(1997년 2월)).

액체에서 수집은 두 개의 장점을 가진다. 첫째, 입자 위의 임시 액체 커버를 제공함으로써 산화로부터 입자의 표면을 보호한다. 둘째, 상기 공정은 안정한 방식으로 취급될 수 있는 슬러리를 제공한다. 이러한 액체 분산 매질은 용매, 중합체 단량체, 또는 프리폴리머일 수 있다(Dixon, J.P., Martin, J.A., 및 Thompson, 미국 특허 제 5,717,159,(1997년 2월); Hendrickson, W.A., Wright, R.E., Allen, R.C. Baker,J.A., 및 Lamanna, W.M., 미국 특허 제 5,030,669).

증발된 안료를 이용하는 종래의 공정은 안료 나노입자의 즉시의 분산물이 흔히 상기 수집액에서 나노입자의 안정한 분산물의 형성에 있어서 유리하다는 사실을 확인하였다. 종래에 이용된 상기 수집 시스템은 상기 수집액을 통하여 먼지-함유기체 (dust-laden gas)를 버블링시키고 기체 자체로부터 나노입자 물질을 집진하는 스파징(sparging) 유닛이었다.

나노입자의 산화를 방지하는 불화중합체 코팅물은 본 프로젝트 상에서 배경 공정으로 초기에 사용되었다. 이러한 코팅물의 적응은 초기 시도의 GER 시스템에 의해 형성된 비수성 슬러리 중 알루미늄 나노입자 상의 코팅물의 인시튜 성장에 의해 행해졌다. 이는 폴리스티렌, 폴리아닐린 및 다른 코팅물이 무기 산화물에 적용되는 공정과 유사하다. 불화중합체의 사용은 반응성 알루미늄 나노입자의 외부에 유연하고, 비균열 코팅물을 제공하는 것이다. 이는 산화로부터 반응성 표면을 보호하고 또한 고에너지성 알루미늄/불소 반응으로부터 상기 시스템에 추가 상승(boost)을 제공하여 알루미늄 트리플루오라이드(AlF₃)을 형성할 수 있다. 이러한 불화중합체 및 이들의 공중합체의 형성은 수년 동안 Viton® 불화중합체 및 PVdF의 생산에서 행해져 왔다. 이전의 입자 코팅 실험과는 대조적으로, 이러한 중합 반응은 고압 반응기에서 운전되어 상기 기체 불화단량체를 액화시키고 중합을 적당한 속도에서 진행하도록 만든다. 그러나, 이러한 기술은 잘 개발되었고, 표준 장비 및 부품이 이러한 공정에 이용가능하다. 불화중합체(예를 들면, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF) 및 이의 공중합체 Viton®)는 1960년대 초부터 산업적 규모로 상업적으로 제조되어 왔다(Rexford, D.R., 미국 특허 제 3,051,677호; 및 Lo, E.S., 미국 특허 제 3,178,399호).

본원에서 이용되는 본 발명에 따른 독점 공정을 위한 초기 시스템 셋업은 도1에 도시되어 있다. 상기 프로젝트에서의 초기 노력은 파일럿 시스템용 코일 및 도가니 크기를 최적화하는데 사용되었다. 이러한 최적화는 본 발명의 실시 범위에서 제한으로서 해석되어서는 안되나, 최근에 실행되는 작동 규모 내에서 본 발명을 실시하는 최적 모드에 관한 면에서만은 유익하다. 금속 및 금속 산화물에 있어서 유용한 파일럿 시스템용 최적 코일은 통상의 구리 튜빙으로 만들어진 2.75 인치(7.9 cm) 직경, 6 회전, 6 인치(15.2 cm) 높이 코일로 확인되었다. 이는 2-2.5 인치(5.1-7.0 cm) 직경, 2 인치 (5.1 cm) 높이의 시스템용 도가니를 보유할 수 있는데, 이는 60g의 물질로 채워질 수 있다. 상기 코일은 초기에 SiC 시멘트로 코팅되어 상기 도가니를 절연하고 알루미늄 침전으로부터 코일을 보호한다. 다른 무기, 불활성, 비반응성, 열적 안정성 코팅물(금속 질화물, 다른 금속 탄화물, 세라믹 등)은 또한 또는 대체용으로 사용될 수 있다. 도 2의 개략도는 또한 초기 진공 챔버 셋업을 도시하는데, 여기에서 도가니로부터 핵화된 증기가 작은 굴뚝/깔대기(chimney/fummel) 위로 운반되어서 상기 진공 시스템으로부터 흡입을 이용하는 액체 수집 용기를 통하여 스파징된다. 알루미늄이 전술한 논의에서 주로 언급되었지만, 하기에서 더욱 상세하게 언급되는 바와 같이, 3000℃ 미만의 기화 온도를 갖는 모든 금속류가 본 발명의 실시에 유용하다.

상기 유도 유닛이 1500-1600℃ 및 4-6 Torr에서 1-2 시간 미만 동안 알루미늄 금속 전하를 기화시키는 것 같지만, 선행 기술의 액체 수집 시스템(응축/수집 구역 다음에 펌프가 위치하고, 그 결과 가스상은 상기 응축/수집 구역의 말단 또는 아래에 위치된 펌프로부터 가스상에 적용된 감압에 의해 액체 수집 매질 속으로 당겨짐)은 흔히 1 리터의 분산물에 대해 1% 미만의 농도를 낳고, 입자로 선택된 증발된 물질이 50 중량%에 가까운 수율로 실험실에서 최적화된다. 이러한 공정은 흔히 증발되는 알루미늄의 각 60g에 대해 2-3 g 미만의 물질을 생성했다. 상기 공정이 본 발명의 파일럿 구조에서 이용되는 저항 가열기와 동일한 기류 및 온도의 일반적인 파라미터에서 작동하지만, 물질의 수집은 매우 작은 채로 존재하고, 증발된 물질의 50 중량%를 초과하지는 않는다.

나노입자의 저 발생의 원인으로 생각되는 주요 이유는 스파징 용기(상기 응축/수집 용기)의 수집 효율이 매우 낮다는 것이다. 이러한 타입의 시스템이 나노입자를 수집하는데 반드시 이상적인 방법은 아니지만, 상기 시스템은 종래에 더 작은 저항 시스템에서 잘 작동되었다. 상기 진공 트랩 및 컨덴서는 또한 물질이 스파징액을 지나도록 만드는 임의의 과잉 물질을 포함하는 것 같지는 않다. 본 발명자들이 선행 기술의 수집 시스템의 결함을 설명하기 위해 제한하는 또 다른 이유는. 나노입자(예를 들면 알루미늄)가 상기 노의 진공 배기 위로 이동하지 않고 말단 또는 후펌핑 시스템에 의해 액체 수집 시스템으로 전달되지 않았다는 것이다. 형성된 알루미늄 나노입자는 진공 챔버 벽과 튜브 및 도가니 자체 상에 모인다고 생각되었다. 이러한 영역에서의 상기 물질의 축적을 근거로, 이러한 사실이 상기 시스템으로부터 나노입자의 저발생의 주요한 원인의 하나로 생각되었다. 이러한 새로운 노 형태는 노 수집 시스템을 상기 고급 직쇄 알루미나 튜브(예를 들면, 상기 노의 내부는 질화물, 탄화물 또는 다른 열적 안정성, 비반응성[증기상에 대해] 물질 및 특히 무기 물질로 번갈아 코팅될 수 있음)로 대체하여 이루어졌는데, 상기 튜브는 유도 코일 내부에 포함되어 있고, 여기에서 상기 도가니는 코일과 동일한 수준에서 튜브 내부의 세라믹 막대 상에 지지될 수 있다. 투시창이 또한 도가니 및 알루미나 튜브 위에 바로 설치되어서 금속 증발 동안의 용융된 금속의 거동 및 나노분말, 나노미립자 발달 과정을 관찰할 수 있었다. 이러한 생산 운전 동안 도가니에서의 금속 용융 및 증발을 첫 번째 관찰한 결과 본 발명자들은 종래에는 보고되어 공지되지 않은 두 가지 사실을 알게되었다. 비록 상당히 고속으로 증발되고 있지만, 금속은 또한 상기 챔버 밖으로 나노입자 연기를 흘려보내는 알루미나 튜브의 벽 상에 상당한 양의 용융 금속(~30-40 중량%)을 스퍼터링하고 있었다. 본 발명자들은 두 번째로 관찰을 통하여 방출된 다량의 알루미늄 증기가 실제로 세라믹 가이드 튜브의 저온 표면 상에 코팅되는 것을 알게되었다. 이러한 증기의 높은 발생은 시스템으로 기류가 부족한 결과임을 본 발명자들에 의해 확인되었다. 본 발명의 실싱에 있어서 기류는 더 작은 저항 증발 시스템에서 사용되었던 것과 동일한 수준 (1 리터/분)으로 초기에 유지되었다. 비록 이러한 파라미터는 더 작은 시스템에서 낮은 증발 속도로 잘 수행되었지만, 유도 시스템에서 더 큰 증발 속도로 생성된 모든 증기를 핵화시키기에 부족하였고, 심지어 본 발명의 실시에 있어서도 그러하였다. 따라서, 증발 속도를 증가시킴에 따라 더 큰 기류 속도가 바람직하다고 확인되고, 이는 본 발명의 실시에 따라서 가장 효율적으로 제공될 수 있다. 다량의 증기가 낮은 기류 속도에서 형성되었지만, 이후 수집될 수 있는 나노입자로 변환되지 않았다. 공정의 두 번째 상태는 이러한 오류의 연결 및 또한 상기 프로젝트의 스케일 업으로 구성되어 있었다.

초기에, 상기 프로젝트는 선행 기술인 증발 입자 형성 시스템으로부터 MKS 기체 유량계를 이용하였는데, 미국 특허 제 5,030,669호에서 개시된 바와 같이, 안료 형성 공정은 약 2 리터/분의 최대 기류를 운반하였다. 비록 이러한 기류가 현재 설치된 펌핑 시스템을 가지고 6 Torr 미만의 전체 챔버 압력을 낳을 수 있지만, 이는 현재 사용되는 기류에 의한 1500℃에서의 도가니로부터 발생된 증기를 핵화시키기에는 충분하지 않다. 상기 공정 동안 일어나는 금속 스패터(spatter)의 양은 도가니의 벽 두께를 증가시킴으로서 제거되어 용융 금속과 유도장의 커플링을 피할 수 있었다. 거의 100% 전환율로 생성된 나노입자의 양을 증가시키는 것은 세라믹 가이드 튜브를 통하여 흘러서 증기 형성 동안 도가니 주위로 진행하는 불활성 기체(질소 또는 아르곤)의 양을 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 도가니의 벽 두께가 금속 스패터를 감소시키기 위해 증가함에 따라, 도가니에 채워질 수 있는 물질의 양도 또한 감소하고 상기 증발 공정 동안 용융 금속의 일정한 재충진을 필요로 하였다. 수동 와이어 공급기가 설치되어서 이러한 공정이 일어나는 것을 가능케 하였다. 알루미늄 증기를 핵화시키는데 필요한 기체의 증가량은 먼저 다수의 0-1 리터/분 MKS 기체 유량계에 공급되었으나, 이는 불충분하다고 판명되었기 때문에, 더 큰 0-20 리터/분 MKS 기체 유량계가 구입되어서 설치되었다. 알루미늄 증기를 핵화시키는데 필요한 불활성 기체의 양은 통상적으로 10-12 리터/분의 유량이었다. 알루미늄 증기를 핵화시키는데 필요한 기체의 증가량은 상기 시스템에 대한 전 성능 파라미터에서 예상하지 못한 효과를 가졌다. 필요한 가스의 양이 증가함에 따라,상기 시스템의 전압력은 거의 13-15 Torr까지 증가하였다. 27 m³/시간 Alcatel® 진공 펌프 (15 ft³/분[cfm])가 Leybold® E-150 진공 펌프 (100 cfm)로 대체되어서 전 시스템 압력을 감소시키고 증가된 필요한 기류를 공급하였다. 알루미늄 나노입자를 위한 통상적인 수집액은 Isopar®G, 습식 토너 공정에서 이용되는 지방족 탄화수소이었고, 이는 이러한 공정에 간한 초기 연구에서 사용되었다(Matijevic, E., Chem. Mat., 5, p.412, 1993; Johnson, J.E. 및 Matijevic, E., Coll. Poly. Sci., 270, p.353, 1992; Huang, C., Partch, R.E., 및 Matijevic, E., Coll. Int. Sci., 170, p. 275, 1995; Huang, C. 및 Matijevic, E., J. Mat. Res., 10(5), p. 1329, 1995; Partch, R.E., Gangolli, S.G., Matijevic, E., Cai, W., 및 Arajs, S., J. Coll. Int. Sci., 144, p. 27, 1991).

용이하고 안전한 용매이지만, Isopar® G는 코팅 공정이 일어난 후 코팅된 나노입자로부터 제거하기에 극히 어려웠다. 연속적인 프로세싱에서 이러한 알루미늄 슬러리를 이용하는 능력을 개선하기 위하여, 수집은 더 휘발성의 유기 용매(예를 들면, 헥산 용매)에서 시작되었는데, 상기 유기 용매는 수집 후에 증발되어서, 알루미늄 나노입자와 같은 나노입자 뒤에 남을 수 있었다. 고 증기압 용매가 상기 시스템의 전체 작동 압력에 부정적인 영향을 줄 수 있지만, 헵탄/액체 질소 슬러리에서 수집 용기를 냉경하는(chilling) 것은 충분한 온도로 헥산 용매를 냉각시킬 수 있고, 이 때의 증기압은 무시할 만하다는 것을 확인하였다. 저온의 사용은 또한 가연성 헥산 증기와 관련된 위험요소를 제거하였다. 이후 상기 헥산 알루미늄 슬러리는 불활성 중합체 성분(예를 들면, 불화중합체 코팅)이 나노입자에 적용될 수 있는 고압 중합체 반응기에서 처리되었다. Isopar® G에서 알루미늄 나노입자의 분산물은 본래 매우 안전한데, 이는 Isopar®가 비휘발성 용매이어서 공기 노출로부터 반응성 알루미늄 나노입자를 보호할 수 있기 때문이다. 반대로, 헥산 용매는 휘발성 용매이어서 정상 분위기 조건의 노출 후에 증발하고, 수집되어 재활용될 수 있다. 상기 수집/응축 구역은 변형되어서 수집 용기가 상기 시스템으로부터 제거된 후 고압 반응 용기로서 작용할 수 있게 만들 수 있다. 이는 2 리터 스테인리스 스틸 반응기 용기의 하반부를 사용함으로써 실행될 수 있는데, 상기 용기는 단순히 스테인리스 스틸 2 리터 용기이다. 이는 두 개의 볼 밸브가 부착된 맞춤식 커버에 설치된다. 선행 기술의 시스템으로부터 이러한 변형된 수집/반응 용기를 제거는 상기 볼 밸브를 폐쇄하여 진공 펌프 시스템 및 증발 챔버로부터 상기 수집 용기를 봉인함으로써 실행될 수 있다. 이후 상기 변형된 수집/반응 용기는 선행 기술의 시스템으로부터 제거되어 불활성 대기 글로브 박스에 위치될 수 있는데, 여기에서 고압 반응기 헤드가 본 시스템의 제거 후 수집 용기 상에 위치될 수 있다. 이후 반응기 용기는 상기 글로브 박스로부터 제거되고 가스상 불화단량체로 충진되어서 상기 코팅 공정을 진행시킬 수 있다. 선행 기술의 시스템은, 이 지점에서 주요한 진공 글래스 구조를 이루었고, 현재 스테인리스 부품(추가적인 보호 코팅이 존재하거나 부존재함) 및 파이핑의 구조를 이루어 상기 시스템의 안정성을 증가시킨다.

공정은 또한 이때 진행되어서 시스템의 공정 온도를 증가시켰다. 얻어진 최대 도가니 온도가 ~1500-1600℃였지만, 시스템의 작동 압력은 여전히 거의 15 Torr이였다. 상기 시스템에서 두 개 이상의 펌핑 업그레이드가 분당 350 세제곱 피트(cfm)를 초과하여 유량을 증가시키지만, 증발 챔버의 압력은 요구되는 기류에서 ~ 12 Torr로 유지되어서 발생된 알루미늄 증기를 핵화시켜서 나노입자로 만들었다. 유도 유닛에서 최대 온도는 1600℃로 유지되어서, 이 시스템이 증발시킬 수 있다고 예상되는 최대값은 거의 0.5 gm/분 정도이었다.

소규모 샘플의 생산을 위해 적당한 시스템이지만, 이는 이러한 물질의 대규모 생산에도 실용적인 방법으로 고려되지는 않았다. 작은 생산량으로는, 산업적인 생산까지 이러한 공정을 규모화할 가능성은 거의 없었다. 시간당 거의 2-3 lbs의 알루미늄을 기화시키 위해서 15 kW 필라 유닛으로부터 이용가능한 충분한 에너지가 있지만, 이러한 에너지의 단지 작은 부분만이 실제로 금속의 기화에 소비되었다.

상기 유도 유니트 파워를 사용하여 알루미늄을 플래쉬 증발시키기에 적합한 값까지 상기 시스템 진공을 심화(deepening)한 실질적으로 개선된 진공 시스템이 고안되었다. 이는 상기 시스템의 생산 속도를 0.5 gm/분으로부터 약 2 g/분으로 증가시켰다. 비록 상기 증발 속도 및 대응되는 나노분말 생산속도가 실질적으로 증가되었지만, 상기 먼지-함유 기체를 수집액을 통하여 스파징함으로서 상기 나노입자 물질을 수집하는 능력은 심각하게 제한되었다. 상기 시스템 진공을 깊게 하여 더 높은 생산 속도가 얻어지도록 하기 위하여, 더 높은 기체 흐름이 또한 발생하였으며, 그에 따라 상기 수집액을 통하여 스파징된 기체의 양을 4 배 증가시켰다. 낮은 생산 속도에서 낮은 유속 (약 10 리터/분)으로, 상기 나노분말의 수집은 상기 스파징 수집 용기를 사용하여 거의 80-90%이었다. 상기 스파징 용기를 통한 기체의 더높은 유속으로, 상기 나노분말의 수집은 심각하게 감소하였으며, 상기 기류 중에 슬러리가 혼입(entrainment)되는 것 또한 문제가 되었다.

상기 불화중합체 코딩 공정을 위한 반응 용기로서 또한 두배가 된 상기 초기 2 리터 수집 용기는 이 유량에서는 임의의 양의 슬러리를 보유하기에는 불충분하였다. 상기 2 리터 용기 중의 대부분의 슬러리 및 수집 액체는 분출되어 펌핑 스택 (stack) 전의 상기 입구 콘덴서, 트랩 및 필터를 적신 후 진공 펌프로 도입된다. 이는 미립자 및 HTPB 프리폴리머의 혼합물로 막힌 후에 세척 및 재구성되어야 할 필요가 있는, 2개의 펌프 및 2개의 블로어가 최종적으로 손실되도록 한다. 상기 수집 용기로부터의 이러한 슬러리 유출 (outflow)은, 심지어 상기 스파징 용기를 약 5 갤론까지 크게 한 경우에도, 결코 중단되지 않았다. 용기의 이 크기는 너무 커서 나노-알루미늄 슬러리가 존재하는 경우 용이하게 또는 안전하게 취급할 수 없었다. 상기 수집 용기 중에 메시 충진 (mesh packing)이 또한 상기 수집 용기로부터 슬러리가 혼입되는 것을 중단시키기 위하여 또한 이용되었으나, 상기 기류 중의 상기 액체의 혼입을 중지시키지 못하였다. 또한 혼입된 나노입자 알루미늄을 연소 없이 상기 메시 충진으로부터 제거하기는 극히 어려웠다. 상기 기체에 혼입된 슬러리를 다시 상기 용기로 순환시키기 위하여 부착된 사이클론을 갖는 2 갤론 수집 용기가 결국 상기 기체를 스파징하고 상기 액체 슬러리를 재수집하기 위하여 이용되었다. 이에 의하여 상기 2 갤론 수집 용기 중에 상기 생산물 슬러리가 보유될 수 있도록 되었으나, 상기 스파징 수집 유닛의 수집 효율은 발생된 총 분말의 경우 20 %까지 떨어졌다. 분말 침적 (build-up)으로부터 상기 시스템에 대한 손실을 조합하면, 이는 수용할 수 없는 것이었다. 상기 공정 라인 중에 작은 벤추리 스크러버를 사용하는 것이 상기 수집 효율을 높이기 위하여 또한 시도되었다. 비록 그것을 사용하는 것이 상기 시스템의 총 처리 압력에는 영향을 미치지 않았으나, 그의 수집 효율은 이전에 이용된 스파징 방법에 비하여 상당한 개선을 보이지는 않았다.

제1 진공 시스템 재설계를 통한 습식 수집 방법 (wet collection method)이 전체적으로 실패함에 따라, 다음으로 건식 배플/녹아웃 포트가 충돌에 의하여 상기 건조된 분말을 수집하기 위하여 이용되었다. 상기 시스템을 특정한 시간 동안 운전하고, 정지시킨 다음, 상기 물질의 건식 수집이 가능하도록 상기 녹아웃 포트 내로 주위 공기를 천천히 흘러주는 단계로 구성되는 조 부동화 공정 (crude passivation process)를 거쳤다. 상기 건식 방법의 수집 효율은 40-60 %이고, 수집된 건조 분말의 비표면적은 60-80 m²/g 범위이었다.

60 g까지의 건조 물질 시료가 1-2 시간의 운전 시간에 걸쳐서 수집될 수 있었으나, 상기 부동화 공정은 이 시스템으로 종종 제어하기 어려웠다. 상기 건조 알루미늄 시료는 상기 부동화 공정 후에 종종 연소된다. 상기 알루미늄 나노입자는 상기 수집 (녹아웃) 용기에 상당한 깊이까지 축적되고, 부동화 공정 동안, 나노분말의 최상단층 (top layer)만이 부동화된다. 이에 의하여 최상층 아래에 있는 물질의 벌크를 부동화되지 않은 채로 남겨두어 대기 중 산소에 여전히 활성화된다. 상기 초기 물질 조각 (crust)이 제거 공정 동안 일단 부서지면, 상기 부동화되지 않은 물질은 개방된 공기 중에서 종종 연소되었다. 재현성 있는 방식으로 상기 나노입자 물질을 안전하게 취급하고 처리하기 위하여 액체 수집의 개선된 방법이 요구되고 있었다.

특허 기술 (proprietry technique)의 파생화가 이 수집 문제를 극복하기 위하여 이용되었다. 이전의 작업은 동시에 액체 중에 생성된 나노입자를 수집하고 또한 증발 챔버에 진공을 공급하기 위한 고출력 흡입기 (aspirator)를 사용하였다. 이는 실험실 수준에서 충분하게 잘 작동하였으나, 안료이외의 다른 물질에 대하여는 파일롯트 수준에서 적용하기 어려웠다. 이 기술은 상기 시스템 진공을 증가시키기 위하여 본 적용에서 약간의 변형을 가하여 이제 상당히 개량되었다. 조합된 액체 수집/진공 공급 시스템을 사용함으로써, 고속 증발 및 액체 수집을 위한 종전의 많은 장애들이 극복되었다. 상기 시스템의 현재 능력은 상기 스크러버 시스템을 접촉하는 물질의 거의 90 %의 액체 수집 효율을 갖는 10 g/분의 증발 속도이다.

알루미늄 금속에 대한 10 g/분의 증발 속도는 상기 시스템 내의 상당한 에너지 손실이 있다는 것을 나타내고, 또한 상기 시스템의 총 출력의 25-33% 만이 상기 물질을 증발시키는데 사용되는 것을 나타낸다. 이들 손실은 상기 도가니를 가열하는데, 상기 저온 알루미늄을 그의 융점 및 비점까지 가열하는데 또는 상기 시스템 중의 기체 흐름에 대한 일반적 대류 열 손실에서 발생할 수 있다.

시간당 상기 물질의 증발 속도는 500-600 g/시간일 수 있지만, 다른 인자들이 상기 시스템의 상기 효율 및 생산성에 영향을 미친다. 이 작업에 대한 상기 도가니는 약 20 g의 물질을 보유한다. 사소한 정도의 시간이 상기 알루미늄 금속을 예열하는데 소비되었으나, 상기 알루미늄 금속은 약 2 분 후에 거의 증발되었다.그러나, 전체 생산 속도는 각 연속적 충진 (charge)이 없어진 후 상기 도가니 (crucible)를 다시 채우는데 필요한 시간에의하여 또한 영향을 받는다. 상기 시스템에 사용된 초기 와이어 공급 스풀은 와이어 피트당 0.6 g의 무게를 갖는 알루미늄 1100 급 3/64 인치 직경이었다. 이는 각 금속 충진에 대하여 상기 도가니에 약 40 피트의 와이어가 도입되는 것을 필요로 하였다. 이는 알루미늄 증발 처리에서 사용되던 통상의 기계적 와이어 공급으로 30 분 보다 많은 시간을 필요로 하나, 본 발명의 시스템 상의 간단한 수동 작동 메카니즘은 상기 도가니로의 공급 시간을 상기 시간의 1/3로 줄일 수 있도록 한다.

이 시스템으로부터 물질의 대규모 생산 역시 입자 크기 제어 및 물질 부식의 관점에서 중요하다. 상기 시스템 중의 불활성 플럭스 (flux) 기체의 백 압력 (back pressure)를 증가시킴으로써 상기 불활성 기체 응축 방법에 의하여 형성된 나노입자의 입자크기를 조절할 수 있는 능력에 대하여 문헌 중에 종종 참조되어 있다 (Siegel, R.W. 및 Eastman, J.A., Material Research Symposium Proceedings, 132, p.3, 1989; Granquist, C.G. 및 Buhrman, J., J.Appl.Phys., 47, p.2200, 1976; Aumann, C.E., Skofronick, G.L. 및 Martin, J.A., J. Vac. Sci. Tech. B, 13(3), p.1178, 1995).

고온에서 금속 증기 시스템을 사용하는 것도 또한 상기 시스템을 위한 구성 (construction) 물질의 수명에 예측하지 못한 영향을 미쳤다. 도가니는 보론 나이트라이드 및 그의 복합체 (Advanced Ceramics, Cleveland, Ohio)와 같은, 알루미늄 증발에 일반적으로 사용된 세라믹으로부터 기계로 만들어졌다. 상기 시스템에 사용된 단열 및 세라믹 튜브는 종종 가열 및 냉각 공정에서 심한 열적 스트레스를 겪는다. 더욱이, 상기 알루미나 가이드 튜브 내에 금속의 침적은 상기 시스템 중의 세라믹 슬리브 상에 바람직하지 않은 영향을 미친다. 그 자체가 유도 코일에 근접하여 있기 때문에, 상기 세라믹 튜브의 내부의 금속 침적은 자체 전류 및 전압을 생성하기 시작할 것이다. 이는 상기 유도 코일 및 상기 금속 사이의 상기 세라믹이 유전적 파괴 (dielectric breakdown)를 겪도록 한다. 낮은 유전 강도 물질에 대하여, 상기 금속 침적 및 유도 코일 사이의 연결은 상기 금속 침적이 일어난 후에는 아주 용이하게 이루어질 수 있다. 이는 두개의 극 (pole) 사이를 단락시킨 다음 정지시킨다. 비슷하게, 가열 및 냉각 주기 동안 유도된 열적 스트레스로부터 상기 세라믹 라이너의 크랙킹은 또한 상기 튜브 내부의 상기 금속에 코일을 노출시켜, 상기 코일을 또한 단락시킬 수 있다. 상기 튜브 내의 물질의 침적은 상기 시스템을 통한 기류를 증가시키고 상기 금속이 상기 튜브 내부에 축적되지 못하게 함으로써 감소될 수 있다. 상기 금속 침적에 대한 진정한 해결은 아니나, 그것은 사용된 알루미나 튜브의 수명을 증가시키고 또한 상기 시스템을 위한 운전 시간 (run time)을 증가시킨다. 그러한 높은 운전 온도에서, 이 스트레스 크랙킹을 방지하기 위하여 램프 업 및 램프 다운은 극히 서서히 이루어져야 한다. 이는 단열 및 다른 고온 물질을 갖는 상기 알루미나 가이드 튜브의 심각한 강화에 더하여, 비록 주기적인 교환이 상기 열적 스트레스 및 크랙킹으로 인하여 여전히 필요하지만 알루미나 튜브 상에 가해지는 변형을 감소시키고 생산 운전 중의 과도한 파단 (failure)을 방지하는데 도움이 되었다.

문헌에는 불활성 기체 응축 방법에 의하여 생성될 수 있는 나노입자 금속에 관한 기사가 많으나, 실험실 규모 양 이외에서 생성된 이들 물질의 생산 크기의 로트는 자주 없었다. 사실, Argonide Corporation (Sanford, Florida)에 의한 여러 시도에도 불구하고, 어떠한 회사도 나노상 금속의 영역에서 시장을 아직 개발하지 못하였다. 플래시 증발에 의한 고생산 속도를 확보하기 위하여 금속 증기압력 곡선 위에서 처리할 필요성에 대하여 종전에 논의되었던 두드러진 특징으로부터, 여러 금속이 나노상 물질의 고속도 생산을 위한 공정에 적용될 수 있다.

본 발명의 코팅 및 반응성 양상은, 비록 본 명세서에서는 일차적으로 금속에 대하여 기술될 것이나, 금속, 유기물질, 세라믹, 유리, 무기물 등을 포함한, 3000 ℃ 아래에서 증발되고 실온에서 고체로 응축될 수 있는 임의의 물질과 함께 사용될 수 있다. 상기 시스템에 사용될 임의의 기대되는 금속에 대한 제1 조건은 융점이다. 최대 온도 1600∼1700 ℃까지만 다다를 수 있는 시스템에 대하여, 탄탈륨, 몰리브덴, 및 텅스텐과 같은 내화성 금속은 상기 시스템의 능력의 범위를 벗어난다. 티타늄, 지르코늄 및 백금과 같은, 고융점 금속은 또한 상기 시스템의 에너지 용량 범위를 벗어난다. 상기 시스템의 유도장은 이들 물질의 일부에 대한 도가니 시험에서 관찰된 바와 같이 이들 금속을 약 1600 ℃의 온도까지 주로 가열할 것이다.

철, 코발트 및 니켈과 같은 강자성 금속에 대하여, 본 방법의 사용은 가능하지만, 고융점으로 인하여 알루미늄과 같은 속도로 수행하기는 어렵다. 철이 상기 시스템으로부터 플래시 증발될 수 있는 영역이 있지만, 필요로 하는 극히 낮은 압력은 아주 고용량 진공 시스템을 사용하는 것을 배제시킨다. 확산 펌프와 같은 다른 형태의 펌프가 러프 펌프 (roughing pump)와 연결되어 필요한 낮은 진공 압력을 얻기 위하여 사용될 수 있지만, 이들 형태의 펌프는 상기 기체 상으로부터 나노입자를 핵화하는 데 필요로 하는 기류 조건 하에서 작동하지 않는다. 이것이 정적 진공 시스템 중의 바람직한 장치일지라도, 기류의 첨가에 의하여 그 용도가 사라졌다. 이들 강자성 금속의 증발은 고용량 시스템 없이는 어려울 것이며 심지어는 그들의 분산이 문제가 될 것이다. 이들 나노입자는 구 생산 시스템에서는 아주 낮은 생산 속도 (예, 1-2 g/일)로 형성되었다. 이는 유도 시스템을 작업하는 추가적인 잇점을 어느 정도 설명하여 주는 것이며, 상기 시스템이 작동되는 온도 및 압력에서는 어떠한 철 증발도 일어나지 않아야 한다는 것을 나타낸다. 상기 철 금속과 직접적으로 결합으로부터 유래하는 추가의 에너지는 이 시스템에서 어느 정도의 증발이 일어나도록 하였다. 용액 중의 상기 자성 입자의 전체 크기는 약 2.0 미크론이다. 건조된 시료의 TEM 으로부터, 상기 입자가 나노크기 (약 20 nm)이고, 아마도 이들 나노입자가 강한 자성 모멘트를 가지고 있다는 사실로 인하여, 응집되어 있다는 것이 관찰되었다. 이 자성 인력은 큰 보풀이 있는 입자를 형성시킨다. 이들 금속이 본 발명의 시스템에서 가공될 수 있으나, 합리적 생산 속도를 얻기 위하여 극복하여야 할 펌프 용량 및 입자 안정성에 관한 문제는 만만찮은 것이다.

완전한 규모의 시스템은 용매 또는 용매/프리폴리머 나노입자 슬러리를 생산하기 위하여 4개의 주요 장비를 갖는다. 상기 4개의 주요 장비는 1) 유도 전력원, 2) 진공 챔버 및 공급 시스템, 3) 진공 펌프 및 4) 액체 수집 시스템이다. 이는 현재까지 상업적 기준으로 만들어진 가장 큰 유도 유닛이다. 15 kW 파일롯트 유닛으로부터 이 크기 유닛까지의 대규모화 인자는 약 40이다. 가능한 최대 생산 속도에서, 상기 15 kW 유닛은 80% 이상의 수집 효율로 시간당 1 파운드를 증발시킬 수 있다. 이는 600 kW 유닛에 대하여 30 파운드/시간 (66 kg/시간)을 약간 넘는 것에 해당한다. 이는 플라즈마 및 플레임 연소 시스템과 같은, 당업계의 다른 산업적 시스템으로부터 얻을 수 있는 속도와 비교할 수 있는 속도이다. 1 유닛에 대하여 250,000 파운드/년의 나노상 물질을 얻을 수 있다. 이는 플레임 연소 유닛으로부터 얻을 수 있는 시간 당 톤의 생산 수준은 아니지만, 여러 유닛으로부터 나온 산출물을 하나의 생산 배터리로 조합하면 이것에 비교할 만한 물질의 산출물을 얻을 수 있을 것이다. 안전성 관점에서, 하나의 극히 큰 유닛 주문-설계된 유닛을 작동하는 것 보다는 많은 작은 유닛을 갖는 것이 또한 합리적일 수 있다. 만약 사고가 발생하는 경우, 하나의 작은 유닛만이 사고 중지 (catastrophic failure)를 격게되어, 재산 손실 및 인명 손상을 줄일 수 있다. 하나의 작은 유닛의 손실은 또한 전체 생산이 중단되기 보다 상기 결함있는 유닛을 수리하면서 전체 시설에 대하여 생산을 계속할 수 있도록 할 수 있다.

업자들이 주장하는 동일한 일을 할 수 있는 다른 더 비싼 장비와 비교하면, 이 시스템은 이 프로젝트에서 주요 장비에 대하여 극히 낮은 비용이 소비된다. 대규모화 동안 상기 시스템의 생산 또는 효율의 증가는 생산물 물질의 가격에 큰 영향을 미친다.

폭발 또는 군사적 적용에 더하여, 나노입자, 특히 안료 또는 금속 나노입자 및 특히 알루미늄 나노입자 및 그들의 분산물의 생산을 위한 이 완전하게 개발된시스템은 페인트, 토너, 잉크, 착색제 시스템, 플라스틱/수지 착색, 코팅 착색, 약제학적 착색 등을 위한 안료 분산물을 형성하는데 있어서 중요한 출구 (outlet)를 발견할 것이다.

건조, 코팅되고 탈코팅된 나노입자 안료 시료 (5 g)는 또한 상업적 프라이머 (primer) 및 토너 용도로 제조되었다. 프린트 잉크 및 토너의 생산을 위한 안료 나노입자 잉크젯트 잉크의 건조된 탈코팅된 시료 및 다른 나노입자 안료 분산물이 잉크젯트 잉크로 사용하기 위하여 평가되었다.

나노입자 물질의 생산 및 생산 속도의 효율은 본 발명의 실시에 의하여 대규모 생산 로트까기 대규모화할 수 있는 속도까지 상당히 증가하였다. 특정한 기술적 분야에서 나노상 금속 입자를 사용하는 것은 또한 부분적으로 상기 나노입자의 선택된 특정한 액체 매질로의 분산에 의존한다. 본 프로그램의 추가의 잇점은 상기 나노입자를 다른 액체 매질에 수집하고 분산할 수 있는 개선된 능력을 갖는다는 것이다. 이 액체 매질은 용매, 캐리어, 반응성 조성물, 코팅 용액, 오일, 중합체 단량체 또는 프리폴리머 또는 이들 액체의 혼합물일 수 있다. 수집/응축 효율의 증가에 더하여, 이 특징은 당업계에서 현재 이용할 수 있는 다른 공정에 비하여 본 발명의 추가의 잇점이다. 이들 나노입자를 이들 다른 액체 보조물(aids) 내로 분산하는 것은 가공을 용이하게 하고, 또한 산화 및 심지어는 물리적 손상으로부터 임의의 반응성 표면을 보호하는 것을 돕는다.

본 발명자들에 의하여 개발된 기술은 또한 임의의 특정한 금속 또는 합금의 좁은 한정물 (confines) 외에도 적용할 수 있으나, 증기 상태로 제공될 수 있고,액체 매질에서 냉각시킴으로서 응축될 수 있는 임의의 금속 또는 합금에 대하여 일반적으로 유용하다. 상기 입자는 또한 다른 액체 매질 중에 습한 상태로 수집되어, 상기한 바와 같은 다양한 기술 분야에 사용하기 위하여 안정한 분산물을 형성할 수 있다.

이 적용에 있어서:

"초미세 (ultrafine)"란 평균 수평균 직경이 0.1 마이크로미터 미만, 바람직하게는 0.001 내지 0.1 마이크로미터의 범위, 더욱 바람직하게는, 0.001 내지 0.08 마이크로미터, 가장 바람직하게는 0.001 내지 0.05 마이크로미터 범위이고; x가 수평균 입자 직경인 +-, 0.5 x의 표준 편차를 갖는다.

"기체 증발 기술 (gas evaporation technique)"이란 비반응성 기체의 존재하에서 금속, 금속 또는 합금을 증발하여 초미세 금속 또는 합금 미립자를 제공하는 것과 관련되는 임의의 방법을 의미한다.

본 발명은 금속 또는 합금 입자 또는 이들 입자의 수성 분산물을 포함하는 수성 또는 비수성 금속 또는 합금 분산물을 제공할 수 있으며, 상기 입자는 0.001 내지 0.1 마이크로미터 (1 내지 100 나노미터) 범위의 수평균 직경을 가지고 바람직하게는, 분산 매질에 분산되어 있다. 바람직하게는, 상기 수평균 입자 직경은 0.001 내지 0.08 마이크로미터 (1 내지 80 나노미터) 및 가장 바람직하게는 0.001 내지 0.05 마이크로미터 (1 내지 50 나노미터)의 범위이다. 상기 분산물은 총 조성물 중량에 대하여 0.001 내지 50 중량%, 더욱 바람직하게는 0.001 내지 25 중량% 및 더욱 바람직하게는 0.001 내지 10 중량%의 안료를 포함할 수 있다. 평균 직경±25% 또는 ±15% 미만의 좁은 크기 분포 범위가 형성될 수 있고 바람직하다.

본 발명에 따른 분산물이 제조될 수 있는 방법의 비한정적 예에는 다음이 포함된다:

e) 비반응성 기류 (또는 상기 증기화된 금속을 비반응성 기류 중으로 도입하는 단계) 또는 반응성 기류의 존재하에서 금속, 금속 또는 합금을 증기화하여 초미세 입자 (특히 금속 및 합금 입자)를 제공하는 단계,

f) 반응성 물질이 제공되지 않았다면, 상기 응축된 입자를 반응성/코팅 유체 매질에 도입하여 형성하는 단계;

g) 액체 매질 중에 상기 입자를 수집하기에 앞서 상기 코팅의 반응이 필요한경우, 상기 초미세 입자 상에 코팅 반응을 일으키는 단계 (예, UV 조사, IR 조사, 가시 광선 또는 다른 활성 광선, 열 에너지, 또다른 필수적 반응성 물질 등과 접촉에 의하여),

h) 상기 기류 중에 현탁된 상기 초미세 반응된/코팅된 입자를 기계적 펌프, 예를 들면, 상기 분산 매질 전에 위치하거나 상기 액체 분산 매질을 포함하는 기계적 펌프에 의하여 액체 분산 매질로 수송하여 (상기 액체 매질 중에 응축하는 증기화된 금속과 함께) 상기 매질 중의 입자 분산물을 제공하는 단계로서, 상기 입자를 포함하는 상기 기체는 상기 액체 분산 매질로 강제 도입되고 또는 상기 입자를 포함하는 상기 기체는 밀접하게 상기 분산 매질과 접촉하는 단계,

i) 다음으로 (상기 입자가 없는) 상기 기체를 상기 분산 매질로부터 분리하고 (예, 상기 기체를 흘러나오게 하여, 상기 기체가 챔버 등의 내부의 출구 영역까지 상승하도록 함으로써),

j) 다음으로, 상기 분산 매질을 사용하여 상기 수집된 금속 또는 합금 입자를 분산물로서 운반하거나, 다음으로 상기 분산 매질은 선택적으로 상기 안료 입자로부터 분리되어 비분산 금속 또는 합금 입자를 제공하는 단계.

3,000 ℃ 미만의 증기화 온도를 갖는 금속은 당업계에 잘 알려져 있으며, 예를 들면, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Y, La, Ac, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Al, In, Tl, Sn, Pb, 이들 금속의 혼합물 및 합금 및 심지어는 원하는 경우, 란탄족 및 악티늄족 원소도 포함된다.

입자 분산의 특성을 확인하기 위한 여러 방법이 이용가능하다. 가장 흔한 방법은 주어진 크기 범위에 속하는 입자의 중량 퍼센트로서 표현되는 입자 크기 분포와 관련된다. 본 발명의 실시예에서 요구되는 금속 입자의 일반적 크기 한계는 약 0.01 내지 1.00 마이크로미터 (10 내지 1000 nm)이다.

이들 수치는 통상의 분산 기법 후에 일반적으로 만나게되는 입자 크기의 전체 범위를 나타내는 것이다. 입자 크기의 상기 분포는 입자 형성의 수단에 의존한다. 입자를 분쇄하는데 기계적 밀링이 사용된 경우, 입자 크기 분포는 극히 넓다.

본 발명에 있어서, 증발된 입자 및 입자 그 자체의 증기상은 대기압 미만, 대기압 또는 대기압 초과의 압력에서 비반응성 기체의 존재하에서 안료를 승화시키거나 안료를 위한 임의의 다른 증발 공정과 같은 임의의 증발 공정에 의하여 생성되어 초미세 금속 또는 합금 입자를 생성시킬 수 있으며, 다음으로 본 명세서에 개시된 바와 같은, 분산 매질 중에 직접 도입하는 것은 알려지지 않았다. 본 명세서에 있어서 "금속 (metal)"이란 용어는 금속, 금속의 혼합물 및 합금을 포함하는 의도이다.

본 발명에 유용한 분산 매질에는 임의의 수성 (수집 조건에서 상기 금속이 물과 급속하게 반응하지 않는 경우) 또는 비수성 (대부분의 금속에 대하여) 액체가 포함된다. 100,000 P 이상의 점도를 갖는 액체가 유용한 것으로 여겨지고 있다. 바람직한 점도는 5000 cP 미만, 더욱 바람직하게는 3000 cP, 및 가장 바람직하게는 1000 cP 미만이다. 대표적인 분산 매질에는 물, 젤라틴/물 에멀젼, 에탄올/물, 글리세룰/물 등과 같은 혼합물을 포함한 알콜/물; 및 아세톤, 2-부타논, 시클로헥사논, 2-운데카논, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 글리세롤, 에틸렌 글리콜, 에틸 아세테이트, 알칸 (예, 헥산, 시클로헥산), 메틸 메타크릴레이트, 2-히드록시에틸메타크릴레이트, 클로로포름, 메틸렌 클로라이드와 같은 극성 유기 액체, 2-디메틸아미노에탄올, 1-디메틸아미노-2-프로판올, 1-디에틸아미노-2-프로판올, 2-디메틸아미노-2-메틸-1-프로판올, 및 2-디부틸아미노에탄올과 같은 알킬알카놀아민 및 그들의 조합물이 포함된다.

유용한 비극성 유기 액체에는 헥산, 이소파라핀 탄화수소의 혼합물, 비점 156 ℃. 내지 176 ℃(Isopar G®, Exxon, Houston, Tex.), 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 스티렌, 알킬벤젠, 및 그들의 조합물이 포함된다. 더욱이, 폴리디메틸실록산 (예, DC200^TMMW_n=200, Dow Chemical, Midland, Mich.), 폴리디메틸-co-메틸페닐실록산 (예, DC704^TM, Dow Chemical), 폴리에틸렌 글리콜 (예, Carbowax® 200, Carbowax®400, 및 Carbowax®600, MW_n=200, 400, 및 600, 각각, Union Carbide Corp., Danbury, Conn.), 퍼플루오로폴리에테르 절편 (LTM^TM, 3M, St.Paul, Minn.), 및 폴리카프로락톤 (Placcel^TM305, 303, 308, MW_n=300-850, Daicel Chemical Ind. Co. Ltd., Tokyo, Japan)을 포함하는 중합체와 같은 액체 중합체가 사용될 수 있다.

추가적으로, 외부 열이 고체 (예, 중합체, 왁스 또는 나프탈렌과 같은 임의의 저융점 유기 화합물)를 용융시키기 위하여 적용되어 본 발명에 사용하기에 적합한 액체 분산 매질을 생성시킬 수 있다. 사용될 수 있는 고체의 예에는 파라핀 왁스, 저분자량 폴리에스테르 (예, FA^TM-300, Eastman Chemical Co., Rochester, N.Y.), 및 폴리에틸렌이 포함된다.

상기 분산 매질은 순수한 액체 또는 액체의 혼합물일 수 있으며, 무기 및 유기 용해성 물질 및 그들의 혼합물을 포함한 추가의 성분을 포함할 수 있다. 그러한 첨가제는 계면활성제, 용해성 중합체, 불용해성 미립자, 산, 염기 및 염을 포함한다.

계면활성제란 계면에서 바람직한 공간 배향을 갖는 첨가제를 의미한다 (예, 친수성 머리 그룹과 소수성 꼬리를 갖는 큰 분자 (예, OLOA^TM1200, Chevron Corp., Richfield, Ca., 및 Amoco^TM9250, Amoco Chemical Co., Naperville, Ⅲ)). 분산 매질에 대한 계면활성제의 중량 %는 0 내지 20%, 바람직하게는 0 내지 10%, 및 가장 바람직하게는 0 내지 5%일 수 있다. 본 발명에 유용한 다른 계면활성제는 당업자에게 잘 알려져 있다.

예를 들면, 안료가 첨가된 필름의 제조에 있어서, 본 발명에서 첨가제로서 유용한 용해성 중합체에는, 폴리스티렌, 폴리스티렌-co-부타디엔, 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리(에틸 메타크릴레이트), 폴리(부틸 아크릴레이트), 폴리(4-비닐피리딘), 폴리(2-비닐피리딘), 폴리(비닐피롤리돈), 폴리(2-히드록시에틸 메타크릴레이트), 폴리(에틸렌 테레프탈레이트), 폴리스티렌-co-4-비닐피리딘, 폴리스티렌-co-2-비닐피리딘, 폴리에틸렌글리콜, 폴리(에틸렌 옥사이드), 폴리(프로필렌 옥사이드), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리(아크릴로니트릴), 폴리(페닐 비닐렌 카보네이트), 폴리(비닐 아세테이트), 폴리(비닐 알콜), 폴리(비닐 트리플루오로아세테이트), 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(에틸렌-co-프로필렌 아디페이트), 폴리(1,4-페닐렌 세바케이트), 폴리(3,5-디메틸-1,4-페닐렌 술포네이트), 폴리(베타-알라닌), 폴리(헥사메틸렌세바카마이드), 폴리(비닐 시만트렌-co-4-비닐피리딘) 등이 포함된다. 상기 분산 매질 중의 용해성 중합체의 퍼센트는 0 내지 70 중량%, 바람직하게는 0 내지 50 %, 더욱 바람직하게는 0 내지 30%, 및 가장 바람직하게는 0 내지 25%, 또는 그안에 적어도 0.5% 최소값을 갖는 각 범위일 수 있다. 본 발명에 유용한 다른 중합체는 당업자에게 잘 알려져 있다.

예를 들면, 안료가 첨가된 복합체 구조의 제조에 있어서, 본 발명의 분산 매질 중의 첨가제로서 유용한 불용해성 미립자에는, 라텍스 입자, 카올린, 알루미나,유리 마이크로구 및 다른 당업자에게 알려진 통상의 필러가 포함된다. 총 분산물에 대한 필러의 중량 퍼센트는 0 내지 80%, 바람직하게는 0 내지 60%, 및 더욱 바람직하게는 0 내지 50%일 수 있다. 고 비열 첨가제는 상기 분산 매질의 온도를 적당하게 하는 것을 도울 수 있다.

상기 비반응성 기체는 실험의 조건 하에서 금속과 반응하지 않는 실제적으로 임의의 기체가 될 수 있다. 보통 선택되는 것은 He, Ne, Ar, Xe, 및 N₂이다. 2 이상의 비반응성 기체의 혼합물이 또한 사용될 수 있다. 상기 금속 입자의 변형이 바람직한 경우, 반응성 기체는 도가니 중의 벌크 물질과 반응을 최소화하기 위하여 및 상기 반응성 기체가 상기 기류 중에 혼입된 입자와 완전하게 혼합되도록 하기 위하여 위치되어 있는 기체 입구를 통하여 도입될 수 있으며, 그럼으로써 상기 입자와의 반응이 일어나도록 한다. 상기 반응성 및 비반응성 기체는 일반적으로 실온에 있으나, 바람직하다면 온도을 상승시키거나 낮출 수 있다. 상기 "반응성 (reactive)"이란 용어는 1) 금속의 경우에서와 같이, 입자와 예를 들면, O₂, NO, NO₂, CO₂, CO, AsH₃, H₂S, H₂Se, NH₃, 트리메틸클로로실란, 메틸아민, 에틸렌 옥사이드, 물, HF, HCl, 또는 SO₂, 또는 그들의 조합물과의 직접적 반응을 통하여 대응되는 산화물 또는 다른 화합물을 형성하는 것; 2) 상기 입자가 기류 중에 현탁되어 있는 동안 고체/액체 계면을 만들기 위하여 벌크 분산 매질을 접촉하기 전에, 상기 분산 매질과 동일하거나 상기 분산 매질과 혼합할 수 있는 휘발성 액체의 증기에 상기 입자가 노출되는 분산성을 증가시키기 위한 것으로 영국 특허 제736,590호에개시된 바와 같은 습윤화 (wetting); 및 3) 습윤화와 비슷하게, 상기 분산 매질과 접촉하기에 앞서 휘발성 물질이 기체 중에 도입되고, 상기 물질은 통상 조건 (대기압 및 25 ℃) 하에서 액체가 아니거나, 상기 분산 매질과 혼합할 수 없거나, 상기 분산 매질 또는 상기 분산 매질 내의 첨가제로부터 상기 초미세 금속 입자의 표면을 보호하는 작용을 하는, 흡착이 포함된다. 흡착될 수 있는 통상적인 물질에는 폴리(메틸메타크릴레이트) 및 폴리스티렌과 같은 중합체 및 계면활성제가 포함된다.

본 발명의 방법에 유용한 금속의 증발을 위한 온도는 사용되는 금속의 형태에 따라 달라지며 일반적으로 25 ℃ 내지 약 3000 ℃의 범위이다.

본 발명의 방법에 유용한 상기 분산 매질의 온도는 사용되는 특정한 매질에 따라 달라지며 일반적으로 -78 ℃ 내지 400 ℃, 바람직하게는 -50 ℃ 내지 300 ℃ 및 가장 바람직하게는 0 ℃ 내지 200 ℃의 범위이다.

본 발명의 방법에 유용한 압력은 약 0.001 내지 300 Torr, 바람직하게는 0.01 내지 200 Torr, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 100 Torr, 및 가장 바람직하게는 0.1 내지 50 Torr의 범위이다. 비반응성 및 반응성 기체 흐름의 조합 조성물은 약 5 내지 100% 비반응성 기체 또는 비반응성 기체의 조합물, 바람직하게는 25 내지 100%, 더욱 바람직하게는 50 내지 100%의 범위일 수 있다. 상기 증발 소스로부터 하류의 추가의 입구를 통하여 도입된 반응성 기체는 0 내지 약 95%, 바람직하게는 0 내지 75%, 및 가장 바람직하게는 0 내지 50% 범위의 퍼센트로 상기 기체 흐름 중의 성분으로서 존재할 수 있다.

초미세 금속 입자의 분산물을 제공하기 위한 장치는 다음을 포함한다:

a) 수집 용기에 연결된 노 (furnace), 상기 노는 가열 수단 (예, 저항, 유도, e-빔, 적외선, 레이저, 플라즈마 제트)을 포함하고, 적어도 제1 및 선택적으로 제2 기체 입구 튜브를 포함하도록 되어 있고, 상기 제2 튜브는 상기 제1 튜브의 하류에 위치하는 노, 및 상기 노를 진공화시키고 증발된 금속 입자를 운반하는 상기 기체 상을 상기 수집 영역 또는 용기로 향하도록 하고, 상기 영역 및/또는 용기는 분산 매질을 포함하는 기계적 펌프;

b) 금속을 상기 노에 도입하고 그의 진공화를 위한 선택적 시스템 (예, 세라믹, 플라스틱, 또는 물질로 미리 채워질 수 있고 상기 장치의 작동 중 연속적으로 또는 뱃치 방식으로 도입될 수 있는 금속 도가니 또는 슬랩 (slab) 또는 전극이 상기 수단이 될 수 있다);

c) 상기 제1 입구 튜브를 통하여 제1, 비반응성 기류를 상기 노로 도입하기 위한 선택적 시스템 (예, 마이크로 계측 밸브, 전자적 흐름 제어기, 또는 기체 분산 튜브);

k) 상기 금속 입자의 기체상을 상기 제1 기체 흐름 속으로 생성시키는 증발을 위한 증발 또는 기체상 생성 시스템 (예, e-빔, 적외선, 레이저, 유도, 저항 또는 플라즈마 제트에의한 것과 같은 에너지 입력);

l) 입자의 흐름이 UV 조사, IR 조사, 가시 광선, e-빔, 열 에너지, 다른 필수 반응물 (예, 증기화된 촉매)과의 접촉과 같은 화학 광선에 노출될 수 있는 영역과 같은, (예를 들면, 코팅을 갖는) 운반된 입자가 상기 금속의 표면에 상기 코팅 또는 기체의 반응을 촉진하는 조건에 노출될 수 있는 영역을 포함하는 반응성 시스템

m) 수집/응축 영역 내의 분산 매질 중의 제1 기체 흐름 중의 초미세 금속 입자의 분산물을 생성하기 위하여 제1 기류 중의 상기 증기화된 금속 입자가 응축(예, 온도를 감소시키거나, 압력을 높이거나, 상기 비반응성 기체의 화학적 성질을 변화시키기거나, 상기 전달 튜브의 길이를 제어하거나, 기체 유속을 제어하거나 또는 그들의 조합)되도록 하기 위한 상기 증발 또는 기체상 생성 시스템 사이 또는 일치하는 수집/응축 매질;

n) 선택적으로, 초미세 반응된 금속 입자를 제공하기 위하여 상기 금속 입자와 반응될 수 있도록 하기 위하여, 상기 노 안으로 또는 노 뒤이지만 수집 전에 제2 입구 튜브를 통하여 제2 반응성 기류를 도입하기 위한 시스템 (예, 튜브, 밸브, 파이프, 마이크로 계측 밸브, 전자적 흐름 제어기, 또는 기체 분산 튜브) ;

o) (예, 상기 분산 매질 상에 버블링하여 도입하거나 입자를 충분시키는) 상기 수집/응축 용기 중의 입자를 수집하기 위한 상기 시스템 내의 영역.

반응성 물질에는 금속과 직접적으로 화학적으로 반응하거나 상기 금속 입자를 코팅한 다음 그 자체 또는 다른 물질과 함께 또는 특이적 활성화에 의하여 그 자체가 반응될 수 있는 화합물, 조성물 및 물질이 포함된다. 그러한 반응성 물질의 예에는 산, 산화제, (상기 금속이 부적절하게 산화되어 있는 경우) 환원제, 중합가능한 물질 (예, 증기 상태 단량체), 상기 금속에 분자의 한쪽 말단과 반응할 수 있고 또 다른 물질 또는 표면과 반응에 이용될 수 있는 상기 분자의 다른 말단을 갖는 이관능기적 물질과 같은 증기 형태의 물질이다.

본 명세서 기술된 본 발명은 a) 더 높은 수준의 진공이 얻어질 수 있도록 하고, b) 형성된 금속 입자의 입자 크기를 감소시키고 c) 95 % 초과까지 형성된 나노입자의 습식 수집의 효율을 증가시키는 본 발명의 시스템의 진공 펌프의 적어도 재위치화와 관련된다. 이는 안료 입자의 습식 수집이 본 시스템의 진공 소스에 앞서 일어나는 종래 기술에 비하여 실질적 개선이다. 종래 기술에는, 습식 수집의 효율은 낮은 기체 유속 (예, 2 리터/분)에서 최대 50 %이었다. 이 가장 적절한 수준의 효율은 상기 시스템을 통한 더 높은 기체 유속에서는 실질적으로 감소한다. 본 발명은 3 리터/분, 5 리터/분, 7 리터/분, 10 또는 20 리터/분, 및 심지어는 50 리터/분을 초과하는 높은 유속에서 사용할 수 있고, 50 %, 60 % 또는 75 %, 80 %보다 큰, 일부의 경우에는 90 %, 일부의 다른 경우에는 심지어는 95 %까지의 수집 효율을 제공한다.

상기 기류 중의 나노입자의 존재하에서, 기름 밀봉된 기계적 펌프는 이 변경된 공정 체계 (scheme)에서 기능을 하지 않는다. 기체-퍼징된 베어링을 사용하는 건조된, 기계적 펌프는 이 적용에 가장 바람직하다. 이들 펌프는 펌프되고 입구로부터 상기 펌프의 출구로 입자를 운반하는 상기 기체 흐름 중의 다량의 입자의 존재에 견딜 수 있다. 다양한 모델이 그들의 내부를 통하여 다양한 액체 및 증기를 또한 운반할 수 있다. 이들 펌프는 반도체 산업에 널리 사용되고 있다. 이 적용에 대하여, 스크롤 펌프는 상기 펌프의 내부의 전력 축적 (buildup) 없이 충분한 거동을 제공하지 않는다. 건조된 로브 (lobe) 및 스크류 펌프는 전력 정체 없이 상기 증발 과정을 위하여 충분한 양의 진공을 제공하였다. 가장 바람직한 건조된 스크류펌프는 상기 펌프 메카니즘 중의 낮은 휘발성 액체 (Isopar®, Dowanal®, Purasolv®, 등)의 존재를 견딜 수 있는 것이었다. 이들 액체는 상기 진공 펌프의 입구로 주입되고 형성된 상기 나노입자를 위한 스크러빙/응축/수집 매질로서 사용될 수 있었다. 이 방법의 수집 효율은 상기 진공 펌프를 들어가는 상기 나노입자 물질의 >95 %이었다. 수집/분산/스크러빙 매질 (예, 프리폴리머, 중합체, 단량체)과 같은 높은 휘발성 액체 및 점액성 액체는 상기 진공 펌프 후에 위치된 벤추리 스크러버와 같은, 대체 습식 수집 시스템를 사용할 것이 요구되었다. 이들 펌프는 100 ℃에서 불활성 기체 50 리터/분까지의 기체 흐름을 이용하여 1-10 Torr에서 일반적으로 작동하였다.

기술된 본 발명은 a) 더 높은 수준의 진공이 얻어질 수 있도록 하고, b) 형성된 금속 나노입자의 입자 크기를 감소시키고 c) 95 % 이상까지 형성된 나노입자의 습식 수집의 효율을 증가시키는 본 발명의 시스템의 진공 펌프의 재위치화와 관련된다. 이는 습식 수집이 본 시스템의 진공 소스에 앞서 일어나는 종래 기술에 비하여 실질적 개선이다. 종래 기술에는, 습식 수집의 효율은 낮은 기체 유속에서 최대 50 %이었다. 이 효율은 상기 시스템을 통한 더 큰 기체 유속에서는 실질적으로 감소한다.

상기 기류 중의 나노입자의 존재하에서, 기름 밀봉된 기계적 펌프는 이 변경된 공정 체계에서 기능을 하지 않는다. 기체-퍼징된 베어링을 사용하는 건조된, 기계적 펌프는 이 적용에 가장 바람직하다. 이들 펌프는 펌핑되고 입구로부터 상기 펌프의 출구로 입자를 운반하는 상기 기류 중의 다량의 입자의 존재에 견딜 수 있다. 다양한 모델이 그들의 내부를 통하여 다양한 액체 및 증기를 또한 운반할 수 있다. 이들 펌프는 반도체 산업에 널리 사용되고 있다. 이 적용에 대하여, 스크롤 펌프는 상기 펌프의 내부의 전력 축적 없이 충분한 거동을 제공하지 않았다. 건조된 로브 및 스크류 펌프는 전력 축적 없이 상기 증발 과정을 위하여 충분한 양의 진공을 제공하였다. 가장 바람직한 건조된 스크류 펌프는 상기 펌프 메카니즘 중의 저 휘발성 액체 (Isopar®, Dowanal®, Purasolv®, 게로신, 디젤 연료 등)의 존재를 견딜 수 있는 것이었다. 이들 액체는 상기 진공 펌프의 입구로 주입되고 형성된 상기 나노입자를 위한 스크러버 매질로서 사용될 수 있었다. 이 방법의 수집 효율은 상기 기계적 진공 펌프를 들어가는 상기 나노입자 물질의 >95 %이었다. 높은 휘발성 액체 및 점액성 액체(예, 프레폴리머, 중합체, 단량체)는 상기 진공 펌프 후에 위치된 벤추리 스크러버와 같은, 대체 습식 수집 시스템를 사용할 것이 요구되었다. 이들 펌프는 100 ℃에서 불활성 기체 50 리터/분까지의 기류를 이용하여 1-10 Torr에서 일반적으로 작동하였다.

15 kW, 10 kHz 유도 유닛을 위한 코일이 170 scfm (standard cubic foot/minute) 건조된 스크류 진공 펌프에 부착된 1.5 ft³진공 챔버 내부에 수직으로 위치되어 있다. 상기 코일은 알루미나 절연으로 포팅 (potted)되어 있고, 보론 나이트라이드 또는 내부에 보론 나이트라이드 코팅된 알루미나 튜브가 상기 챔버로부터상기 나노입자-채워진 기체를 채널화하는데 사용되었다. 상기 보론 나이트라이드는 이 적용을 위하여 가장 바람직한 코팅 또는 포팅이었다. 금속 증발을 위한 도가니는 적당한 높이와 위치의 상기 코일 및 유도 튜브 내부에 위치되었다. 사용된 상기 도가니는 흑연으로 카바이드를 형성하지 않는 물질 (Cu, Ag, 등)과 함께 금속 증발을 위하여 흑연으로 구성되었다. 흑연과 카바이드를 형성한 금속 (Al, Si 등)에 대하여, 금속간 세라믹 라이너 (보론 나이트라이드-티타늄 디보라이드, 또는 보론 나이트라이드-티타늄 디보라이드-알루미늄 나이트라이드)가 카바이드 형성을 방지하기 위하여 상기 도가니의 외부 둘레의 보론 나이트라이드 코팅에 더하여 사용되었다. 도 2는 2개의 디자인을 도식적으로 나타낸 도면이다.

각 금속 충진이 증발되고 불활성 기체 응축에 의하여 나노입자로 전환된 후에 상기 와이어 피드 기구는 상기 도가니를 다시 채웠다. 다음으로 상기 먼저-함유 기체는 상기 건식 스크류 진공 펌프로 및 상기 건식 스크류 진공 펌프를 통하여 운반되어, 상기 펌프의 입구 (즉, 펌프 챔버의 내부 및 따라서 상기 펌프로의 입구와 일치)에서 저휘발성 용매의 주입에 의하여 세정되거나 (scrub out), 상기 펌프를 통하여 통과하여 (및 따라서 상기 펌프를 들어가 통과한 후) 그 뒤의 습식 수집 유닛에 의하여 세정되었다. 이후 형성된 슬러리는 의도하는 최종 생산물로 사용되거나 형성된 상기 나노입자의 추가의 처리를 위하여 사용될 수 있었다.

실시예 1 : Isopar® G 중에 알루미늄 나노입자 수집

상기한 바와 같은 본 시스템은 알루미늄 와이어를 증발시켜 그로부터 나노입자를 형성하기 위하여 사용되었다. 본 실시예에서, 알루미늄이 사용되었으나, (유기 및 무기) 안료가 단순히 증발 온도 및 분산 매질의 선택을 조정하여 또한 사용되었다. Isopar® G가 상기 시스템을 위한 수집 유체로서 사용되고, 상기 진공 펌프의 입구로 0.25-0.5 리터/분의 속도로 주입되었다. 아르곤 기류는 상기 챔버 안의 약 8 Torr의 배경 압력을 얻기 위하여 20 리터/분의 수준으로 유지되었다. 형성된 상기 나노입자는 0.03 미크론의 주요 입자 크기로 상기 액체 슬러리 중의 95 % 효율로 수집되었다.

실시예 2 : Purasolv® BL 중의 구리 나노입자 수집

상기한 바와 같은 시스템를 사용하여 구리 와이어를 사용하여 구리 나노입자를 형성하였다. 본 실시예에서는, 구리가 사용되나, 증발 온도 및 분산 매질의 선택을 단순히 조정하여 (유기 및 무기) 안료도 또한 사용되었다. Purasolv® BL 를 상기 진공 펌프로 0.25-0.5 리터/분의 주입 속도로 수집 매질로서 사용하였다. 아르곤 기류는 상기 증발 챔버 안의 10 Torr의 수준에서 유지되었다. 형성된 상기 나노입자는 0.01 미크론의 주요 입자 크기로 상기 건식 스크류 펌프 중의 > 95 % 효율로 수집되었다.

실시예 3 : HTPB/헵탄 용액 중의 알루미늄 나노입자의 수집

도 2에 기술된 바와 같은 시스템을 사용하여 알루미늄 와이어를 증발시키고, 알루미늄 나노입자를 형성하고 상기 나노입자를 히드록시 종결된 폴리부타디엔(HTPB)/헵탄 혼합물에 수집하였다. 본 실시예에서, 알루미늄이 사용되었으나, 증발 온도 및 분산 매질의 선택을 단순히 조정하여 (유기 및 무기) 안료도 또한 사용되었다. 형성된 알루미늄 나노입자는 상기 건식 스크류 펌프를 통하여 운반되고 상기 펌프 뒤에서 작동하는 벤추리 스크러버에서 수집되었다. 상기 나노입자는 > 90 % 효율로 수지/용매 슬러리에 수집되었다. 형성된 상기 알루미늄 나노입자의 주요 입자 크기는 0.03 미크론이었다. 상기 헵탄 슬러리 중의 상기 HTPB의 퍼센트는 10 중량%이었다. 알루미늄 나노입자에 대한 수지의 중량비 3:1에 대하여, 상기 수지 중의 평균 응집 크기는 약 0.25 미크론이었다. 다음으로 상기 헵탄은 상기 레진으로부터 증발되어 나와 사용가능한 나노입자가 채워진 HTPB 슬러리를 얻을 수 있었다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 분산물을 제공하기 위한 장치 (10)는 외부 전원(미도시)에 연결된 전극 (15)에 의하여 지지된 그 안에 도가니 (14)를 갖고, 증기화 가능한 안료 (16) 또는 안료 전구체 (17)를 포함하는 노 (12)를 포함한다. 기체 입구 튜브 (18)는 비반응성 기체 (19)가 노 (12)로 도입되도록 하여, 둘러싸서 미세 입자 (20)의 형성을 돕고 전달 튜브 (22)를 통하여 수집 용기 (24)로 수송을 촉진한다. 수집 용기 (24)는 액체 분산 매질 (26)을 포함하고, 튜브 말단 (21)을 갖는 전달 튜브 (22)는 전달된 안료 입자 (20) 및 비반응성 기체 (19)가 매질 (26) (도 1)로 버블링되어 들어가는 것을 돕거나 전달된 안료 금속 입자 (20) 및 비반응성 기체 (19)가 튜브 말단 (21)을 갖는 전달 튜브 (22)를 통하여 운반되어 매질 (26)에 충돌되도록 한다. 액체 매질 (26)로부터 다시 수집 용기 (24)로 임의의 증발된 액체를 되돌리기 위하여 콘덴서 (32)가 제공된다. 콘덴서 (32)는 트랩(38) 및 펌프 (40)에 연결되어 있다. 펌프 (40)는 사용전 및 사용 동안 전체 장치 (10)를 진공화하기 위하여 사용된다. 우회 밸브 (34) 및 우회 튜브 (36)는 금속 (16) 증발의 개시에 앞서 노 (12)의 손쉬운 진공화가 되도록 하기 위한 것이다. 밸브 (42 및 44)는 펌프 (40)로부터 장치 (10)가 분리되도록 한다.

기계적 펌프의 위치가 기체상 중에 운반된 금속 입자의 기체상을 생성하기 위한 상기 시스템 후 및 응축/수집 구역 사이 또는 일치하는 한, Organometallic Chemistry, J. R. Blackborow and D. Young, Springer-Verlag (New York), 1979의 Metal Vapour Synthesis에 개시된 바와 같은 로타리 금속원자 반응기 및 Jpn. J. Appl. Phys., 13, 749 (1974)에 개시된 바와 같은 스핀 디스크 어셈블리를 포함한,본 발명의 분산물을 제공하기 위한 다른 반응기 디자인이 고려될 수 있다. 양형태의 반응기는 금속 입자의 분산물을 생성하기 위하여 사용될 수 있었다. 더욱이, 별개의 금속 분자를 생성하기 위하여 직접적으로 증발될 수 있는 금속은 본 발명의 분산물을 제조하기 위하여 이들 반응기 중에 사용될 수 있다.

저항 가열에 더하여, 상기 금속에 가하여지는 다른 가열 수단이 고려될 수 있다. 이들에는 레이저 가열, 유도 가열, 플라즈마 제트, 플라즈마 아크 방전, 레이저 플래싱, 스퍼터링 및 당업자에게 알려진 다른 것들이 포함된다.

바람직한 구현예에서, 본 발명은 금속 나노입자, 금속 나노입자의 분산물을 제공하고, 상기 금속 나노입자는 중합체 중의 금속 입자의 고체 (즉, 고체화된) 분산물이고, 상기 입자는 0.1 미아크로미터 (100 nm) 미만의 평균 입자 크기를 갖는다. 더욱이, 상기 입자는 좁은 크기 분포를 가지고, 상기 분산물은 투명하며, 응집에 대하여 저항성이 있다. 코팅에 존재하는 금속의 양은 일반적으로, 0.001 내지 50.0 중량 %, 0.001 내지 30.0 중량 %, 0.001 내지 10.0 중량 %, 0.001 내지 5.0 중량 %, 0.001 내지 3.0 중량 %, 0.001 내지 1.0 중량 %, 및 더욱 바람직하게는 0.001 내지 0.1 중량 %의 범위이다. 본 발명의 초미세 입자를 사용하는 경우, 일반적으로 계면활성제 또는 다른 분산 보조제는 요구되지 않는다.

본 발명의 실시에 따라, 반응하거나 상기 입자를 코팅하기 위한 증기 형태로 제공될 수 있는 임의의 물질 (코팅은 일반적으로 기체가 액체 또는 고체 상태로 응축되면서 일어난다)이 상기 반응 공정에 사용될 수 있다. 상기 반응성 증기상은 유기 또는 무기 물질일 수 있으며, 단순히 물리적으로 상기 금속 입자를 코팅하거나, 상기 입자 상의 원자에 킬레이트화하거나, 금속 입자에 이온적으로 결합하거나, 상기 금속에 공유적으로 결합할 수 있다. 초기 반응은 상기 코팅/반응성 물질의 모든 반응성 용량을 소진시킬 수 있거나, 상기 코팅/반응성 물질은 추가의 반응이 가능하도록 추가의 관능기를 가질 수 있거나 상기 반응 위치로부터 먼쪽의 분자 부위로부터 독특한 물리적 특성 (예, 에폭시-실란, 아크리올옥시-실란, 퍼플루오로알킬실란, 고도로 불화된 알킬실란 등과 같은 이관능기 실란)을 제공할 수도 있다. 상기 반응 사이트로부터 먼쪽의 분자 모이어티(moiety)는 분명한 화학물질 (예, 분석물 반응성, 분자 열쇠 결합, DNA 매칭, 단백질-특이적 결합, 화학 특이적 결합 등) 또는 상기 분자의 먼쪽 말단의 이용가능한 모이어티 (예, 에틸렌적으로 불포화된 기, 아크릴로일 기, 알릴기, 에폭시기, 실란 기 등과 같은 중합가능한 또는 가교가능한 기)와 반응 또는 관능기 수용이 되도록 한다.

제조 공정과 생산물에 있어서 초미세 입자를 사용하는데 대한 분명한 잇점이 있다. 중요한 물리적 또는 화학적 특성을 제공하는 의료 장치 또는 층에 대하여, 그러한 특성을 보존하기 위하여 특정 수준의 특정한 2차 특성을 얻는데 필요한 금속 입자의 양을 최소화하는 것이 현명하다. 따라서, 잘 분산된 금속 나노입자가 바람직하다. 초미세 금속 입자의 분산물은 크기가 더 큰 것에 비하여 더 안정하다. 액체 중합체의 고체화 이전에 이러한 응집에 대한 저항성은 물품의 제조에 있어서 제어가능하지 않은 환경 인자에 덜 민감하게 한다. 더 작은 입자가 큰 입자에 비하여 더 안정한 분산물/현탁물을 형성한다.

본 발명의 분산물은 코팅, 토닝, 프린팅, 주입 성형 및 사출 공정을 포함한 성형, 및 스핀 캐스팅 등을 포함한 캐스팅과 같은 물품을 형성하는 임의의 형태의 수단에 의하여 물품을 제조하는데 사용될 수 있다. 그러한 물품에는 도전층을 포함한 섬유 및 성형된 물품, 구조적 요소, 폭발 물질, 복합체, 전자기적 반응성 또는 저항성 물질 등이 포함된다. 본 발명의 코팅된 분산물은 승화 형태 열 전달 기록 매체와 같은 고품질 금속 그래픽 예술 구조물 및 분산된 물질이 유용한 임의의 다른 적용물을 제조하는데 사용될 수 있다. 상기 코팅은 바 코팅, 나이프 코팅, 열적 물질 전달, 커턴 코팅, 메니스커스 코팅, 슬롯 코팅 등을 포함한 당업계에서 알려진 수단에 의하여 달성될 수 있다.

다양한 입자 코팅 공정이 당업계에 알려져 있다. 예를 들면, 1 mm 이상의 큰 입자에 대하여, 가장 간단하고 비용상 가장 효과적인 공정은 코팅 조성물 (예, 액체, 겔, 분말 등)에 입자를 직접 침지하고, (코팅을 고정하고 상기 입자를 분리하는데 필요한, 건조 또는 교반을 갖는) 상기 코팅 환경으로부터 코팅된 입자를 제거하는 것이다. 입자는 컨베이어 벨트 상에 운반되어 코팅 조성물로 분무되거나 달리 코팅될 수 있다. 입자는 코팅이 적용되는 침적 코팅 환경 (예, 분무 챔버, 진공 침적 챔버, 정전기적 챔버 등) 내로 투사되어 투입될 수 있다. 입자 및 코팅 조성물의 혼합물은 혼합된 다음, 분무되어 건조 고정되어 입자 표면 상의 코팅을 형성할 수 있다.

도 2a와 2b는 본 발명의 실시예 특히 유용한 도가니 구조를 도시한다. 도 2a는 바람직하게는 흑연 또는 세라믹 물질로 만들어진 주프레임 (202)를 갖는 도가니 (200) 및 상기 도가니 (200) 중의 상기 금속 (미도시)을 위한 지지 표면 (206)에 걸쳐서 확장되는 립 (204)를 도시한다.

도 2b는 도가니 시스템 (220) 및 덮개 (sheath) (222) 내에 삽입물 (224)을 갖는 외부 덮개 (222)를 도시한다. 상기 삽입물 (224)은 또한 상기 삽입물 (224) 상의 지지 표면 (228)을 걸쳐서 확장하는 립 (226)을 또한 갖는다.

도 3은 본 발명의 일반적 태양을 나타내느 흐름도이다.

본 적용에 있어서, 금속 분산물은 고압 반응기에 도입되어 적당한 압력과 온도에서 불화단량체로 채워져 적당한 불화중합체를 갖는 금속 나노입자를 코팅하는 중합 반응을 개시할 수 있다.

본 발명은 고체 물질의 증기를 불활성 기체 운반 매질 중에 제공함으로써 나노입자를 제조하고 수집하는 방법 및 장치에 이용할 수 있다.

Claims

실온에서 고체인 고체 물질의 증기를 형성하여, 상기 고체 물질의 증기를 불활성 기체 운반 매질 중에 제공하는 단계;

상기 기류 내에 상기 고체 물질의 일부분 이상을 고체화시켜 나노입자를 형성하는 단계;

상기 나노입자를 건식 기계적 펌핑 시스템을 통하여 기체 운반 환경 중에서 이동시키는 단계; 및

상기 나노입자가 상기 건식 기계적 펌핑 시스템 내에 있거나 상기 나노입자가 상기 건식 기계적 펌핑 시스템을 통하여 이동된 후에, 상기 나노입자를 불활성 액체 수집 매질과 접촉시키는 단계를 포함하는 나노입자의 수집 방법.
제1항에 있어서, 상기 고체 물질이 금속, 금속 산화물 및 유기 물질로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 고체 물질이 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 고체 물질이 안료를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제3항에 있어서, 상기 고체 금속이 Ag, Al 또는 Cu를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제3항에 있어서, 상기 금속 나노입자가 100 ℃ 내지 3,000 ℃의 기화 온도를 갖는 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항, 제2항, 제3항, 제4항, 제5항 또는 제6항의 방법을 포함하는 반응된 금속 나노입자의 수집 방법으로서, 상기 건식 기계적 펌핑 시스템을 통하여 기체 운반 환경 중에서 상기 나노입자를 이동시키기 전에 상기 입자가 반응성 기체 매질과 결합되는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 반응성 물질이 중합되어 상기 입자의 표면 상에 중합체 코팅을 형성할 수 있는 중합가능한 단량체를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 반응성 물질이 상기 고체 물질과 반응할 수 있는 단지 하나의 화학적 관능기만을 갖는 이관능기 화합물(ambifuctional compound)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 반응성 물질이 화학적으로 상기 입자의 표면 상에서 은, 알루미늄 또는 구리와 직접적으로 반응하는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 나노입자가 Ag, Al 또는 Cu를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 금속 나노입자가 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 불활성 액체 수집 매질이 유기 액체를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제12항에 있어서, 알루미늄 또는 구리 입자가 상기 건식 기계적 펌핑 시스템을 나온 후에 불활성 액체 수집 매질과 접촉되는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 나노입자가 또한 물리적 여과에 의하여 수집되는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 진공 시스템이 설치되어 있어 물리적 여과에 의하여 나노입자를 수집하기 위한 추가의 구동력을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항, 제2항, 제3항, 제4항, 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 나노입자가 슬러리 중에 수집된 다음 압력 반응기 코팅을 사용하여 코팅되는 것을 특징으로 하는 방법.
0.5 내지 100 나노미터의 평균 크기를 갖는 초미세 알루미늄 또는 구리 입자 분산물의 제공 장치로서,

a) 기계적 펌프 및 수집 용기에 연결된 증기화된 알루미늄 또는 구리의 소스로서, 상기 증기화된 알루미늄 또는 구리의 소스가 상기 소스로부터 기계적 펌프를 향하여 비반응성 기류를 제공하는 소스;

b) 상기 증기화된 알루미늄 또는 구리의 소스로 도입되는 알루미늄 또는 구리의 소스;

c) 상기 기계적 펌프를 향하여 알루미늄 또는 구리 물질을 운반하는 비반응성 기체의 소스;

d) 고체 알루미늄 또는 구리 입자와 반응하는 반응성 증기의 소스;

e) 알루미늄 또는 구리 입자를 수집하고 및/또는 알루미늄 또는 구리 증기를 나노입자로 응축시키기 위한 유체를 위한 유체 소스;

f) 상기 비반응성 기체, 반응성 증기, 및 알루미늄 또는 구리 물질 및, 알루미늄 또는 구리 입자를 수집하고 및/또는 알루미늄 또는 구리 증기를 입자로 응축시키는 상기 유체를 이동시키기 위한 기계적 펌프; 및

g) 상기 i) 비반응성 기체 및 알루미늄 또는 구리 물질 및 ii) 알루미늄 또는 구리 입자를 수집하고 및/또는 알루미늄 또는 구리 증기를 입자로 응축시키는 상기 유체를 위한 접촉 구역을 포함하고,

상기 접촉 구역은 상기 기계적 펌프 내이거나 상기 기계적 펌프 후이고, 상기 알루미늄 또는 구리 입자는 반응성 물질로 코팅되어 있거나 상기 반응성 물질과 반응되는 장치.
제18항에 있어서, 알루미늄 또는 구리 입자의 소스 및 알루미늄 또는 구리 입자의 반응을 일으키기 위한 반응성 기류 소스를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
제19항에 있어서, 상기 유체가 상기 기계적 펌프로 도입되어 먼저 상기 비반응성 기체를 알루미늄 또는 구리와 접촉시키는 것을 특징으로 하는 장치.
제20항에 있어서, 상기 비반응성 기체가 상기 기체 중의 금속 물질 농도가 상기 유체와의 접촉에 의하여 감소된 후에 상기 기계적 펌프로부터 제거되는 것을 특징으로 하는 장치.
제21항에 있어서, 액체를 상기 기계적 펌프로 되돌려 보내기 위한 액체 재순환 시스템이 제공되어 입상 알루미늄 또는 구리 함량을 갖는 재순환된 액체가 상기 재순환된 액체를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제22항에 있어서, 상기 액체의 소스가 상기 기계적 펌프에 유기 액체를 공급하는 것을 특징으로 하는 장치.
실온에서 고체인 알루미늄 또는 구리 물질의 증기를 형성하여 상기 물질의 알루미늄 또는 구리 증기를 불활성 기체 운반 매질 중에 제공하는 단계;

상기 기류 내에 상기 물질의 일부분 이상을 고체화시켜 구리 또는 알루미늄 입자를 형성하는 단계;

상기 물질 입자를 반응성 기체 매질과 결합하고 상기 물질 입자를 상기 반응성 기체 매질 중 한 성분 이상과 반응시키는 단계;

상기 물질 나노입자를 건식 기계적 펌핑 시스템을 통하여 기체 운반 환경 중에서 이동시키는 단계; 및

상기 입자가 상기 건식 기계적 펌핑 시스템 내에 있거나 상기 입자가 상기 건식 기계적 펌핑 시스템을 통하여 이동된 후에, 상기 물질 나노입자를 불활성 액체 수집 매질과 접촉시키는 단계를 포함하는 반응된 나노입자의 수집 방법.
제24항에 있어서, 상기 반응이 일부분 이상의 반응성 기체 매질을 상기 물질 나노입자의 표면 상에서 응축시키는 물리적 반응 또는 일부분 이상의 반응성 기체 매질을 상기 물질 나노입자의 표면 상에서 결합시키는 화학 반응을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
나노입자의 소스, 상기 나노입자의 소스로부터 나노입자를 수송하는 건식 펌프, 및 나노입자 수집 시스템을 포함하고, 상기 건식 펌프 수송 시스템은 상기 나노입자의 소스 및 상기 나노입자 수집 시스템 사이의 흐름 시스템 내에 위치하는 나노입자의 수집 장치.
제26항에 있어서, 상기 건식 펌프가 스크류 드라이브 건식 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제26항에 있어서, 상기 나노입자 수집 시스템이 물리적 필터 및 정전기적 필터로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
제26항에 있어서, 상기 나노입자의 소스가 입자 응축 시스템, 분무 건조 시스템, 고체 유기 입자, 또는 코팅된 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
기체 운반 매질 중에 나노입자를 형성하거나 제공하는 단계;

건식 펌프 시스템을 통하여 기체 운반 환경 중에 상기 나노입자를 이동시키는 단계; 및

상기 나노입자가 상기 건식 펌프 시스템을 통하여 이동한 후에, 상기 나노입자를 수집하는 단계를 포함하는 나노입자의 수집 방법.
제30항에 있어서, 상기 나노입자가 정전기적 여과 또는 물리적 여과에 의하여 수집되는 것을 특징으로 하는 방법.