KR20050023301A - 나노파우더 합성을 위한 반지름방향 펄스형 아크 방전 건 - Google Patents

나노파우더 합성을 위한 반지름방향 펄스형 아크 방전 건 Download PDF

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KR20050023301A
KR20050023301A KR10-2004-7020210A KR20047020210A KR20050023301A KR 20050023301 A KR20050023301 A KR 20050023301A KR 20047020210 A KR20047020210 A KR 20047020210A KR 20050023301 A KR20050023301 A KR 20050023301A
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커트 에이. 슈로더
도그 케이. 잭슨
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나노테크놀로지스, 인코포레이티드
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Abstract

가스 분위기내에 거의 축방향으로 정렬되고 이격되어 있는 두 개의 반대 전극(31, 32)으로부터 전구 재료 박리를 위해 제공되는 나노파우더를 합성하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 플라즈마(37, 38)는 전극들(31, 32) 사이의 고전력 펄스형(34) 전기 방전에 의해 형성되고, 이러한 펄스는 플라즈마를 관성적으로 폐쇄하도록 짧은 지속 기간을 가짐으로써, 개선된 나노파우더 합성을 위해 가스 분위기와의 높은 소멸 및/또는 반응율을 가지는 고온 및 고 밀도 플라즈마를 생성한다.

Description

나노파우더 합성을 위한 반지름방향 펄스형 아크 방전 건{RADIAL PULSED ARC DISCHARGE GUN FOR SYNTHESIZING NANOPOWDERS}
본 출원은 발명가 커트 슈로더 및 도그 잭슨의 이름으로, 2002년 12월 6일에 출원되고 본 발명의 출원인에게 양도된 미국 가 특허 출원 제 60/388,200호의 최초 출원인의 이익을 주장한다.
전구 재료(precursor material)를 증발시키는 반응기 용기(reactor vessel)에 플라즈마를 생성하도록 불활성 가스를 이온화하는, 나노파우더(nanopowder) 생산 시스템이 공개된다.
소멸(quench) 및/또는 반응 가스가 증발된 전구 재료로 주입되어 원하는 성분을 가지는 나노파우더를 생산한다. 미국 특허 제 5,514,349호는 텅스텐 불활성 가스(TIG) 용접기와 유사한 이송식 아크 시스템(transferred arc system)이 공개되며, 금속 전구 재료의 단일 로드는 아노드로서 작용하고, 아크를 방전하기 위해 아노드를 노출하도록 비소모성 텅스텐 캐쏘오드를 지나 아노드를 공급함으로써 증발된다. 그리고나서 가스는 나노파우더를 소멸 및 형성하도록 증발 재료로 주입된다. 이송식 아크 시스템은 텅스텐 전극의 침식을 피하도록 설계된다.
미국 특허 제 6,472,632호는 도 1에 도시된 바와 같은, 종래기술의 축방향 전열 건(axial electrothermal gun)을 이용하는, 나노파우더를 생산하기 위한 또 다른 방법이 공개되어 있다. 축방향 전열 건 또는 축방향 건(10)은 건미 전극(breech electrode; 11), 고리형 건구 전극(annular muzzle electrode; 12) 및 중공형 보어(14)를 가지는 배럴(barrel; 13)을 구비하는 것으로 도시되어 있다. 건구 전극(12)은 배럴(13)에 부착되어 거의 축방향으로 정렬된다. 건미 전극(11)은 전도 와이어(15)에 의해 고전력의 펄스 방전 전력원(16)의 음의 단자로 추가로 연결되고 고전력의 펄스 방전 전력원의 양의 단자는 전도 와이어(17)에 의해 건구 전극(12)으로 연결된다. 이송식 아크 시스템과 달리, 축방향 건(10)의 전극의 극성은 중요하지 않으며, 이 장치는 역전된 극성으로 작동될 수 있다. 이러한 축방향 건 실시예는 10 내지 100 나노미터 범위의 적당한 체적의 나노파우더를 생산하는데 성공적이다.
작동 중, 전력원(16)은 건미 전극(11)과 건구 전극(12) 사이에 전기장을 생성하도록 전류가 통하여, 전극들 사이에 고전력의 펄스 아크(18)를 방전한다. 펄스 아크(18)의 방전은 플라즈마에 대한 주요 공급원인 건구 전극(12)을 박리한다. 특히, 건구 전극(12)으로부터의 재료 제거율은 건미 전극(11)으로부터의 재료 제거율 보다 10 내지 100 배(a factor of 10-100) 더 크다.
축방향 건(10)에서의 펄스 아크 방전은 플라즈마가 주위 분위기(관성 폐쇄(inertial confinement))에서 및 보어(14)의 벽에 의해 폐쇄된 물리적 영역(물리적 폐쇄(physical confinement))에서 완전히 팽창하여 평형화시키도록 매우 짧은 간격으로 발생한다. 조합된 폐쇄는 미국 특허 제 5,514,349호, 제 5,874,684호 및 제 5,851,507호에 의해 공개된 바와 같은 플라즈마 기재 시스템에서 통상적으로 얻을 수 없는, 고온(∼50,000°K), 고 밀도(∼1020/㎤) 플라즈마를 생성한다. 플라즈마는 급속 방출 고온 플라즈마(rapidly exiting high temperature plasma)에 의해 건구 전극(12)을 박리하도록 작용한다. 박리된 재료와 함께 플라즈마는 고압(∼15,000PSI) 및 초음속 하에서 건구(12)를 방출한다. 그 후 박리된 재료는 하나 이상의 공기, 산소, 질소, 또는 헬륨과 같은 주변 가스에 의해 소멸되고 및/또는 하나 이상의 공기, 산소, 질소, 또는 헬륨과 같은 주변 가스와 반응할 수 있어 나노파우더를 생산한다.
도 2를 참조하면, 종래 기술의 이송식 아크 방전 프로세스가 도시되어 있으며, 도 2에는 텅스텐 전극(20)이 아르곤과 같은 순수한 불활성 가스(21)의 유동에서 차폐되어 있으며, 원칙적으로 전구 재료의 로드(22)와 정렬되어 있다. 불활성 가스는 아크를 유지하기 위해 이온화되지만, 로드(22)로부터 제거되는 재료를 소멸하거나 이 재료와 반응하도록 작용하지 않는다.
로드(22)는 전도 와이어(23)에 의해 DC 전력원(24)의 양의 단자로 연결되고, DC 전력원의 음의 단자는 전도 와이어(25)에 의해 텅스텐 전극(20)으로 연결된다. 텅스텐 전극(20)은 텅스텐 전극의 침식 율 및 열의 흡수가 지연되도록 로드(22)에 대해 음으로 방전된다. 이러한 극성으로, 로드(22)로부터의 재료 제거율은 텅스텐 전극(20)의 재료 제거율 보다 100 내지 100 배(a factor of 100~1000 times) 크다.
작동 중, DC 전력원(24)은 텅스텐 전극(20) 및 로드(22) 사이에서 연속 DC 저 전력 아크 방전되도록 전류가 통한다. 아크 방전은 로드(22)를 박리하지 않고 침식한다. 이렇게 생산되는 재료는 순수 불활성 가스(21)의 유동에 의해 아크 방전의 근처로부터 이송되어, 아르곤, 헬륨 및 산소와 같은 소멸 및/또는 반응 가스(21)로 주입되어 나노파우더를 형성한다.
위로부터, 이송식 아크 프로세스 또는 축방향 건 프로세스의 작동 중의 재료는 주로 단일 전극으로부터 제거된다는 것이 용이하게 맹백하게 된다.
본 발명의 신규한 양상 및 특징이 첨부된 청구범위에서 한정되고, 본 발명의 원리, 실시예, 및 이용의 바람직한 모드는 첨부된 도면과 관련하여 바람직한 실시예의 설명을 참조하여 최상으로 이해될 것이다.
도 1은 건미 전극, 건구 전극, 및 중공형 보어를 포함하는, 종래 기술의 축방향 전열 건의 도면이며,
도 2는 전구 재료를 구성하는 아노드 전극에 대해 음으로 충전되는 텅스텐 전극으로 구성되는, 종래 기술의 이송식 아크 방전 프로세스의 도면이며,
도 3은 건의 아노드 및 캐쏘오드가 각각 전구 재료로 이루어지고, 서로에 대항되어 이격되지만 거의 축방향으로 정렬되는, 본 발명에 따른 반지름방향 전열 건의 도면이며,
도 4는 아노드 및 캐쏘드 전극이 박리가능 몸체내에 배치되지만, 절연체에 의해 박리가능 전극으로부터 분리되는, 본 발명의 다른 실시예의 도면이다.
아래의 용어는 본 명세서에서 소문자 또는 대문자로 사용될 때 아래 주어진 정의를 가져야 한다.
"박리(Ablation)"는 높은 유체 속도에 의해 발생되는 열 전달 및 기계적 전단의 조합된 영향에 의해 전구 재료의 몸체로부터의 재료의 제거를 의미한다.
"침식(Erosion)"은 전기 방전 아크가 표면에 부착될 때 국부적 열 전달을 통한 전구 재료의 몸체로부터 재료의 제거를 의미한다.
"축방향 건(Axial Gun)"은 건구 전극 및 건미 전극이 전구 재료를 구성하고 보어를 구비한 배럴에 의해 분리되는, 펄스형 전력 열전 건을 의미한다.
"반지름방향 건(Radial Gun)"은 건의 두 개의 대향 전극이 박리되어야 하는 전구 재료로 구성되고 전극은 가스 분위기내에서 서로 대향되게 거의 축선방향으로 정렬되는, 펄스형 전력 전열 건을 의미한다. 용어 "반지름방향 건"은 오직 편의를 위해서만 이용되고, 본 발명의 어떠한 제한을 암시하는 것은 아니다.
"나노파우더(Nanopowder)"는 1 내지 500 나노미터(nm)의 크기인 나노입자로 주로 이루어지는 나노재료를 의미한다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 반지름방향 건(30)이 도시되어 있으며, 여기에는 아노드 전극(31) 및 캐쏘오드 전극(32)(각각 전구 재료 및 균일한 단면으로 형성됨)이 서로에 대향되어 이격되어 있으며 나노파우더의 최대 제조를 위해 거의 축방향으로 정렬되어 있다. 전극 성분은 통상적으로 제조되는 나노파우더의 금속이며, 나노파우더의 금속은 알루미늄, 탄탈, 티타늄 또는 지르코늄과 같은 것이지만 이에 제한되는 것은 아니다. 나노파우더 자체는 알루미늄 또는 구리와 같은 금속, Al2O3 또는 TiO3와 같은 산화물, TiN, ZrN, 또는 Ta2N과 같은 질화물, 또는 다른 금속 및 다른 합성물이지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 플라즈마 사이언스의 IEEE 처리, 제 26권, 제 5호 1498 내지 1501쪽(1998년 10월)의 웨이후아 지앙(Weihua, Jiang) 및 키요시 요쭈이(Kiyoshi Yatsui)에 의한 "나노크기 파우더 합성을 위한 펄스 와이어 방전(Pulsed Wire Discharge for Nanosize Powder Synthesis)"를 참조하라.
캐쏘오드 전극(32)은 펄스형 전력원(34)의 음의 단자에 전도 와이어(33)에 의해 연결되고, 펄스형 전력원의 양의 단자는 전도 와이어(35)에 의해 아노드 전극(31)으로 연결된다. 펄스형 전력원(34)은 다수의 널리 공지된 제조자에 의해 제의받고 상기 제조자로부터 주문되는 소정의 다수의 널리 공지된 설계(재료 및 생산되는 재료 크기에 따라 변화될 수 있는)일 수 있다. 펄스 전력원(34)을 제외하고, 반지름방향 건(30)은 미국 특허 제 5,514,349호에 공개된 바와 같은 챔버 또는 반응 용기내에 포함되지 않는 것이 필요할 수 있다. 반응 용기는 불활성 및/또는 반응 가스로 채워질 수 있으며 상기 불활성 및/또는 반응 가스는 아르곤, 질소, 산소 또는 이들의 조합을 포함할 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다. 가스 분위기의 선택은 원하는 나노파우더를 기초로 하고, 가스의 효과는 아노드 전극(31)과 캐쏘오드 전극(32) 사이의 고전력 펄스형 전기 방전에 의해 생성되는 플라즈마의 소멸율 및 팽창을 제어하는 것이다.
작동 중, 펄스 전력원(34)은 캐쏘오드 전극(32)과 아노드 전극(31) 사이에 고전력 펄스형 전기 방전(36)이 작용하도록 전기가 통한다. 본 발명에 대해, 전극으로의 연결은 프로세스에 충격을 가하지 않고 극성이 용이하게 역전될 수 있다. 방전으로부터의 에너지는 두 개의 전극으로부터 금속을 용융, 증발 및 이온화하여 펄스 전력원으로부터의 전기 방전을 연속적으로 유지하는 고온(50,000°K 정도의), 높은 밀도 금속 플라즈마를 생성한다. 전극에 의해 제공되는 물리적 축방향 폐쇄 및 전기 방전의 짧은기간 펄스로부터 초래되는 관성 폐쇄의 조합은 다른 나노파우더 합성 프로세스 또는 장치에 의해 일반적으로 얻을 수 없는 높이로 펄스의 온도 및 밀도를 증가시키도록 작용한다. 전극은 플라즈마의 축방향 팽창을 방해하기 때문에, 팽창은 도 3의 화살표(37 및 38)에 의해 표시되는 바와 같이 주로 반지름방향으로 발생한다. 플라즈마가 팽창할 때, 부가 재료가 전극으로부터 삭제된다. 이러한 부가 재료는 또한 전체 플라즈마에 기여하고 전극들 사이의 전기 방전을 유지하도록 한다. 팽창 플라즈마는 음속도로 반지름방향 건의 폐쇄를 강제로 밀어낸다. 팽창, 챔버 가스와의 혼합 및 106°K/sec 정도의 비율로 소멸하여 나노파우더를 형성한다. 대기 가스에 따라, 플라즈마는 또한 가스 분위기와 반응하여, 플라즈마가 소멸될 때 혼합물을 형성한다.
각각의 고전력 전기 방전 후, 펄스 전력원(34)은 다시 전류가 통한다. 또한, 나노파우더가 전극 사이의 하나 이상의 고전력, 펄스형 전기 방전으로부터 발생된 후, 아노드 전극(31) 및 캐쏘오드 전극(32)은 제조율을 유지하기 위해서만 요구되는 바와 같이 서로를 향해 인덱싱(indexing)한다. 전극 주변 가스는 반응 용기 내의 분위기를 유지하기 위해 필요한 만큼 보충된다.
본 발명에 의해 생성된 플라즈마가 원하는 나노파우더를 발생하도록 주변 가스 분위기에 의해 소멸되거나 상기 주변 가스 분위기와 반응하는 것만이 필요할 때, 위의 프로세스가 반응 용기 또는 챔버의 이익 없이 발생될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
표 Ⅰ
합성 장치 전극 제 1 재료제거 메카니즘 제거된 재료의상대적인 양
이송 아크 텅스텐 아크 침식(최소화) 1
공급재료 아크 침식 100-1000
축방향 건 건미 아크 침식 1
건구 박리 10-100
반지름방향 건 전극 1 박리 ~1
전극 2 박리 ~1
위의 표 Ⅰ에서, 동일한 나노파우더 합성 장치의 전극들 사이의 상대적인 제거율을 볼 수 있다. 표 Ⅰ은 합성 장치들 사이의 비교를 보여줄려고 의도된 것은 아니다.
표 Ⅰ을 참조하면, 반지름방향 건의 두 개의 전극 각각은 박리가능 재료의 공급원으로서 거의 동일하게 기능한다는 것을 알 수 있다. 대조에 의해, 축방향 건 및 이송식 아크 복합 장치 둘다 나노파우더의 제조에 상당한 정도로 기여하는 오직 하나의 전극을 갖는다.
이송식 아크 프로세스 및 반지름방향 건 사이의 매우 명백한 차이는 (1) 침식에 의해 발생된 전극 재료 제거가 박리로부터 재료 제거를 비교하여 무시가능하기 때문에 극성 역전이 반지름방향 건에서는 거의 발생하지 않는다는 것이며, (2) 반지름방향 건으로 재료 제거는 단일 전극이 아닌 두 개의 전극에서 발생하며, (3) 전극 침식을 보호하도록 반지름방향 건에 의해 불활성 가스 차폐가 요구되지 않으며, (4) 반지름방향 건의 전력원은 연속형이 아니고 펄스형이다.
반지름방향 전열 건은 또한 나노파우더를 합성하기 위한 이송식 아크 프로세스 상에 걸친 아래의 부가 장점을 제공한다.
ⅰ. 반지름방향 전열 건으로의 106 내지 108 °K/sec의 소멸율(이송식 아크 프로세스를 이용하는 강제 대류 소모로 104 °K/sec에 비교한 바와 같이)은 더 작은 크기의 나노파우더가 더 높은 에어로졸 밀도로 합성화되도록 한다.
ⅱ. 더 균일한 시간-온도 나노입자 합성, 즉 핵 합성 및 성장, 히스토리가 더 균일한 나노입자 크기를 초래하는 반지름방향 건이 제공된다.
ⅲ. 반지름방향 건에서 발생하는 증가되는 플라즈마 온도는 매우 높은 용융점 및 끓는점을 갖는 재료로부터 나노파우더의 합성을 허용한다.
ⅳ. 펄스 방전의 짧은 존속이 열 발산을 위한 충분한 시간을 허용하지 않기 때문에 적은 에너지가 더 많은 양의 나노파우더를 생산하기 위해 이용된다. 결론적으로, 주변 환경에 대해 적은 열(에너지) 손실이 있으며,
ⅴ. 나노파우더의 더 작은 응집 작용이 반지름방향 건으로 발생한다.
ⅵ. 반지름방향 건의 캐쏘오드 및 아노드 둘다 전구 또는 소멸 재료로부터 제조되기 때문에, 전극으로부터 오염물이 도입된다. 본래 이송식 아크 프로세스로 텅스텐 전극으로부터 나오는 오염물이 있다.
반지름방향 전열 건은 합성 나노파우더에서의 축방향 전열 건 상에 아래 사항을 포함하는 장점을 제공한다.
ⅰ. 물리적 폐쇄만이 전극으로부터 발생하기 때문에 고압 밀봉부가 필요하지 않다.
ⅱ. 절연 보어가 요구되지 않는다. 따라서, 나노파우더의 제조시 주요 비용 및 불순물의 공급원이 제거된다.
ⅲ. 전극은 기계가공을 거의 요구하지 않는 대형 직경 로드일 수 있어, 추가로 비용을 감소시킨다.
ⅳ. 전극은 거의 모두 소모된다.
아래 표 Ⅱ에서 본 발명의 반지름방향 건, 및 종래 기술의 축방향 건 및 이송식 아크 프로세스 중에서 추가로 비교된다.
표 2
종래 기술과 반지름방향 건 사이의 비교
반지름방향 건 축방향 건 이송식 아크 방전
최고 방전 파워 108 108 105
(와트)
듀티 사이클 펄스 펄스 연속
펄스 길이(sec.) 10-3 10-3 무한
보어 없음 있음 없음
아크 폐쇄 축방향으로 물리적,반지름방향으로 관성적 반지름방향으로 물리적,축방향으로 관성적 없음
아크 온도 °K 50,000 50,000 10,000
플라즈마 소멸메카니즘 주변 분위기로초음속 팽창 주변 분위기로초음속 팽창 외부로 강제된 대류
전극들 사이의플라즈마 팽창 주로 반지름방향 축방향 해당없음
전극 박리 양 전극 주로 건구 전극,더 작은 크기의 건미 없음. 텅스텐 전극 침식이 최소임. 전구 재료가 침식됨
불활성 가스 전극 차폐 없음 없음 있음
전극 극성 역전 효과 거의 효과 없음 거의 효과 없음 비 소모성 전극 침식 및 나노파우더 오염
도 3의 반지름방향 건 실시예에는 비용 및 효율에서의 상당한 개선을 제공한다. 그러나, 반지름방향 건의 고전력(메가와트), 전기 방전이 전극의 중심이 아닌 곳에서 때때로 발생할 수 있다. 이러한 경우, 아크의 저항이 감소되고 적은 에너지가 주어진 아크 전류에 대해 아크 방전에 추가될 수 있다. 그 결과 플라즈마는 달성할 수 있는 것 보다 더 낮은 온도 및/또는 더 낮은 밀도일 수 있으며, 제조율이 감소되고, 제조된 재료는 비 균일한 품질을 갖는다. 이러한 문제점에 대한 해결책은 도 4의 실시예의 반지름방향 건에 의해 제공된다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예가 도시되고 여기에는 제 1 복합 전극(40)이 더 넓은 고리형 박리가능 몸체(42)내에 설치되는 고체 아노드 전극(41)으로 이루어진다. 아노드 전극(41)은 고리형 절연체 바디(43)에 의해 고리형 박리가능 몸체(42)로부터 전기적으로 절연된다. 유사하게, 제 2 복합 전극(46)은 고체 캐쏘오드 전극(47)으로 이루어지고, 고체 캐쏘오드 전극은 더 넓은 고리형 박리가능 몸체(48)내에 설치된다. 이전과 같이, 캐쏘오드 전극(47)은 고리형 절연체 몸체(49)에 의해 고리형 박리가능 몸체(48)로부터 전기적으로 절연된다.
아노드 전극(41)은 고전력, 펄스 전력원(51)의 양의 단자로 전도 와이어(50)에 의해 전기적으로 연결되고, 펄스 전력원의 음의 단자는 전도 와이어(52)에 의해 캐쏘오드 전극(47)으로 전기적으로 연결된다. 복합 전극(40 및 46)은 축방향 간격(53) 만큼 분리되어 있다.
아노드 전극(41), 캐쏘오드 전극(47), 고리형 박리가능 몸체(42), 및 고리형 박리가능 몸체(48)는 동일한 재료일 수 있다. 고리형 박리가능 몸체(42 및 48)는 또한 아노드 전극(41) 및 캐쏘오드 전극(47)의 재료와 상이한 재료일 수 있으며, 또한 고리형 박리가능 몸체들의 목적은 플라즈마의 축방향 물리적 폐쇄를 제공하여 박리되는 것이기 때문에, 비전도체일 수 있다. 고리형 박리가능 몸체(42 및 48)이 비전도체인 경우, 박리가능 몸체들과 전극들 사이에 고리형 절연체가 필요하지 않다.
도 4에 도시된 바와 같이, 고체 아노드 전극(41) 및 고체 캐쏘오드 전극(47)은 원형의 균일 단면을 갖는다. 전극은 알루미늄, 구리 또는 철을 포함하지만 이에 제한되는 것은 아니다. 고리형 박리가능 몸체(42 및 48)는 중공형이며, 전극과 같은 재료 뿐만 아니라 비전도 재료로 이루어질 수 있다. 고리형 절연체 몸체(43 및 49)는 고리형 박리가능 몸체(42 및 48)로부터 캐쏘오드 전극(47)과 아노드 전극(41)을 각각 전기적으로 격리한다.
작동 중, 펄스 전력원(51)은 캐쏘오드 전극(47) 및 아노드 전극(41) 사이에 고전력, 펄스형 전기 방전을 일으키도록 전기가 통한다. 캐쏘오드와 아노드가 전도체이기 때문에, 방전 아크는 캐쏘오드 및 아노드에 부착된다. 캐쏘오드 전극(47) 및 아노드 전극(41)이 캐쏘오드와 아노드의 직경 보다 더 큰 직경을 특징으로 하는 복합 전극(46 및 40)의 중앙에 각각 위치하기 때문에, 방전 아크는 도 3의 반지름방향 건 실시예에서 동일한 직경의 아노드 및 캐쏘오드 직경에 의해 제공되는 것 보다 더 큰 정도로 복합 전극의 중앙에 물리적으로 폐쇄될 수 있다. 따라서 복합 전극(40 및 46)의 구성은 방전 아크가 아노드 전극(41) 및 캐쏘오드 전극(47) 둘다의 선단 영역에 부착되는 가능성이 상당히 커진다. 전기 방전의 부가된 폐쇄는 아노드 전극(41), 캐쏘오드 전극(47), 및 두 개의 고리형 박리가능 몸체(42 및 48)로부터 박리되는 재료를 용융, 증발 및 이온화하도록 전기 방전 에너지를 증가시킨다. 또한, 복합 전극(40 및 46)은 플라즈마의 축방향 팽창을 방지하고, 펄스형 전기 방전에 의해 제공된 관성 폐쇄는 도 4의 화살표(54 및 55)에 의해 표시된 바와 같이 반지름방향 외측으로 플라즈마의 팽창을 방해한다. 이에 따라 고온, 고밀도 플라즈마가 생성된다. 반지름방향 외측으로의 플라즈마의 고 속 배출에 의한, 아노드 전극(41), 캐쏘오드 전극(47), 및 고리형 박리가능 몸체(42 및 48)의 박리는 상기 도 3에 도시된 바와 같은 본 발명의 실시예의 나노미터 보다 방전 당 더 높은 비율로 나노미터를 생산한다. 또한, 박리 재료는 초음속으로 플라즈마에 의해 반지름방향 건으로부터 강제적으로 나노 파우더를 생산하도록 반응 용기내의 주변 가스에 의해 신속히 소멸하고 및/또는 상기 주변 가스로 신속히 반응한다.
비록 본 발명의 바람직한 실시예가 상세하게 공개되었지만, 청구범위에서 정의된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범주로부터 이탈하지 않고 다양한 치환, 변형 및 변경될 수 있다.

Claims (45)

  1. 전구 재료로 이루어지고, 가스 분위기내에서 이격되어 있고 거의 축방향으로 정렬되어 있는, 아노드 전극 및 캐쏘오드 전극, 및
    상기 아노드 전극 및 상기 캐쏘오드 전극과 전기 소통되고 고전력 펄스형 전기 방전이 상기 아노드 전극과 상기 캐쏘오드 전극을 박리하도록 하여 나노파우더를 생산하도록 하는, 전력 공급원을 포함하는,
    나노파우더 합성 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 분위기는 상기 아노드 전극과 상기 캐쏘오드 전극으로부터 박리되는 재료와 반응하여 상기 나노파우더를 생산하는,
    나노파우더 합성 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 분위기는 상기 아노드 전극과 상기 캐쏘오드 전극으로부터 박리되는 재료를 소멸시켜 상기 나노파우더를 생산하는,
    나노파우더 합성 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 아노드 전극과 상기 캐쏘오드 전극은 동일한 구성인,
    나노파우더 합성 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 분위기는 상이한 가스의 혼합물이며, 상기 혼합물은 상기 아노드 전극과 상기 캐쏘오드 전극으로부터 박리된 재료를 소멸 및 반응하는,
    나노파우더 합성 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 분위기는 상이한 가스의 혼합물이며, 상기 혼합물은 상기 아노드 전극과 상기 캐쏘오드 전극으로부터 박리된 재료를 소멸시키는,
    나노파우더 합성 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 아노드 전극과 상기 캐쏘오드 전극은 균일 단면을 가지는,
    나노파우더 합성 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 펄스형 전기 방전은 상기 아노드 전극 및 상기 캐쏘오드 전극으로부터 제거되는 재료로부터 형성되는 플라즈마에 의해 유지되는,
    나노파우더 합성 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 플라즈마는 상기 가스 분위기내의 팽창에 의하여 소멸되는,
    나노파우더 합성 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 플라즈마는 또한 상기 가스 분위기와 반응하여 산화물 및 질화물을 포함하는 나노파우더 혼합물을 생산하는,
    나노파우더 합성 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 아노드 전극 및 상기 캐쏘오드 전극은 알루미늄, 탄탈, 티타늄, 및 지르코늄 중 하나로 이루어지는,
    나노파우더 합성 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노파우더는 알루미늄, 구리, Al2O3, TiO2, TiN, ZiN, 및 Ta2 N 중 하나인,
    나노파우더 합성 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 아노드 전극 및 상기 캐쏘오드 전극의 극성이 역전되는,
    나노파우더 합성 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노파우더는 거의 균일한 크기의 거의 응집되지 않는 나노파우더로 이루어지는,
    나노파우더 합성 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치는 개선된 소멸 및 반응율을 제공하며, 상기 개선된 소멸 및 반응율은 큰 체적으로 된 작은 크기의 나노파우더를 생산하는 반면 실행되기 전 보다 더 작은 에너지를 소모하는,
    나노파우더 합성 장치.
  16. 제 8 항에 있어서,
    상기 펄스형 전기 방전은 상기 플라즈마의 관성 폐쇄를 제공하기에 충분히 작은 시간 동안 발생되는,
    나노파우더 합성 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 아노드 전극과 상기 캐쏘오드 전극은 높은 용융점 재료로 이루어지는,
    나노파우더 합성 장치.
  18. 제 8 항에 있어서,
    상기 가스 분위기는 상기 플라즈마의 팽창 및 소멸율을 제어하기 위해 이용되는,
    나노파우더 합성 장치.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치는 선택 및 박리 재료에서의 비용 효율성, 그리고전력의 소모 및 상기 나노파우더의 제조에서의 효율을 보여주는,
    나노파우더 합성 장치.
  20. 제 8 항에 있어서,
    상기 아노드 전극 및 상기 캐쏘오드 전극은 상기 플라즈마를 축방향으로 폐쇄고, 상기 펄스형 전기 방전은 상기 플라즈마의 관성 폐쇄를 제공하도록 짧은 시간동안 지속되는,
    나노파우더의 합성 장치.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 아노드 전극 및 상기 캐쏘오드 전극은 최소 기계가공을 요구하는 대형 직경 로드인,
    나노파우더의 합성 장치.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 분위기는 공기, 산소, 질소 및 헬륨 중 하나 이상인,
    나노파우더의 합성 장치.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 아노드 전극 및 상기 캐쏘오드 전극은 상기 나노파우더의 제조율을 유지하도록 서로를 향해 이동하는,
    나노파우더의 합성 장치.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 아노드 전극 및 상기 캐쏘오드 전극은 상기 가스 분위기로 충전된 챔버내에 위치하는,
    나노파우더의 합성 장치.
  25. 전구 재료로 이루어지고 제 1 외경을 가지며 제 2 직경의 제 1 축방향 보어를 더 가지는, 제 1 중공형 박리 몸체,
    상기 제 2 직경 보다 더 작은 제 3 직경을 가지고, 상기 제 1 축방향 보어내에 조립되고 상기 제 1 중공형 박리 몸체로부터 전기적으로 절연되는, 아노드 전극,
    상기 전구 재료로 이루어지고 상기 제 1 직경을 가지며 상기 제 2 직경의 제 2 축방향 보어를 가지는, 제 2 중공형 박리 몸체,
    상기 제 3 직경을 가지고 상기 제 2 축방향 보너내에 조립되고 상기 제 2 중공형 박리 몸체로부터 전기적으로 절연되고, 상기 제 1 중공형 박리 몸체 및 상기 제 2 중공형 박리 몸체가 가스 분위기내에서 이격되어 있고 거의 축방향으로 정렬되어 있는, 캐쏘오드 전극, 및
    상기 아노드 전극 및 상기 캐쏘오드 전극과 전기 소통되고, 나노파우더를 생산하도록 상기 제 1 중공형 박리가능 몸체 및 상기 제 2 중공형 박리가능 몸체를 박리하도록 고전력 펄스형 전기 방전을 하는, 전력원을 포함하는,
    나노파우더 합성 장치.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 가스 분위기는 불활성 가스, 반응 가스, 및 불활성 가스 및 반응 가스의 혼합물 중 하나로 이루어지는,
    나노파우더 합성 장치.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 가스 분위기는 불활성 가스의 혼합물인,
    나노파우더 합성 장치.
  28. 제 25 항에 있어서,
    상기 아노드 전극, 상기 캐쏘오드 전극, 상기 제 1 중공형 박리가능 몸체, 및 상기 제 2 중공형 박리가능 몸체가 동일한 재료로 이루어지는,
    나노파우더 합성 장치.
  29. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 1 중공형 박리가능 몸체 및 상기 제 2 중공형 박리가능 몸체는 제 1 재료로 이루어지고, 상기 아노드 전극 및 상기 캐쏘오드 전극은 제 2 재료로 이루어지고, 상기 제 1 재료는 상기 제 2 재료와 상이한,
    나노파우더 합성 장치.
  30. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 1 중공형 박리가능 몸체 및 상기 제 2 중공형 박리가능 몸체는 비 전도 재료로 제조되고, 전기 절연부가 없는,
    나노파우더 합성 장치.
  31. 제 25 항에 있어서,
    상기 아노드 전극과 상기 제 1 중공형 박리가능 몸체 사이에 배치되는 제 1 고리형 절연체에 의해, 그리고 상기 캐쏘오드 전극과 상기 제 2 중공형 박리가능 몸체 사이에 배치되는 제 2 고리형 절연체에 의해 전기 절연이 제공되는,
    나노파우더 합성 장치.
  32. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 1 중공형 박리가능 몸체 및 상기 아노드 전극은 제 1 복합 전극을 형성하고, 상기 제 2 중공형 박리가능 몸체 및 상기 캐쏘오드 전극은 제 2 복합 전극을 형성하고, 상기 제 1 복합 전극 및 상기 제 2 복합 전극은 상기 펄스형 전기 방전을 반지름방향으로 중앙에 위치하도록 하고 형성된 플라즈마의 축방향 팽창에 의해 상기 전구 재료의 박리가 거의 방지되는,
    나노파우더 합성 장치.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 펄스형 전기 방전은 상기 플라즈마를 관성적으로 폐쇄하기에 충분히 짧게 존속되는,
    나노파우더 합성 장치.
  34. 제 25 항에 있어서,
    상기 나노파우더는 거의 응집되지 않은 나노파우더로 이루어지는,
    나노파우더 합성 장치.
  35. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 1 중공형 박리가능 몸체, 상기 제 2 중공형 박리가능 몸체는 모두 전도체, 반도체 및 부도체 중 하나인,
    나노파우더 합성 장치.
  36. 제 32 항에 있어서,
    상기 플라즈마는 나노파우더 제조율을 개선하기 위해 상기 가스 분위기와의 더욱 신속한 반응에 의해 더욱 신속한 소멸을 수용하도록 고온 및 고 밀도인,
    나노파우더 합성 장치.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 고온은 50,000°K인,
    나노파우더 합성 장치.
  38. 가스 분위기를 형성하는 단계,
    반대 전하의 한 쌍의 전구 재료 전극을 상기 가스 분위기내에서 이격하고 축방향으로 정렬하여 배치하는 단계,
    고온 및 고 밀도의 플라즈마를 생성하도록 상기 한 쌍의 전구 재료들 사이에 고전력의 펄스형 전기 방전을 생산하는 단계, 및
    나노파우더를 생산하도록 상기 가스 분위기내에서 상기 플라즈마를 소멸시키는 단계를 포함하는,
    나노파우더를 더욱 효과적으로 합성하기 위한 방법.
  39. 제 38 항에 있어서,
    상기 가스 분위기는 상기 플라즈마를 소멸시키기 위한 가스 혼합물인,
    나노파우더를 더욱 효과적으로 합성하기 위한 방법.
  40. 제 38 항에 있어서,
    상기 고전력의 펄스형 전기 방전은 상기 플라즈마를 관성적으로 폐쇄하도록 충분이 작은 시간 동안 지속되는,
    나노파우더를 더욱 효과적으로 합성하기 위한 방법.
  41. 제 38 항에 있어서,
    상기 플라즈마를 물리적으로 폐쇄하는 단계를 포함하는,
    나노파우더를 더욱 효과적으로 합성하기 위한 방법.
  42. 제 38 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 전구 재료 전극의 각각은 한 쌍의 박리가능한 고리형 몸체 중 하나에 조립되어 상기 고리형 몸체로부터 전기적으로 절연되는,
    나노파우더를 더욱 효과적으로 합성하기 위한 방법.
  43. 제 38 항에 있어서,
    상기 플라즈마의 팽창을 제어하고 상기 플라즈마의 소멸율을 제어하도록 상기 가스 분위기를 적용하는 단계를 포함하는,
    나노파우더를 더욱 효과적으로 합성하기 위한 방법.
  44. 제 38 항에 있어서,
    한 쌍의 전구 재료 전극을 서로를 향해 인덱싱하는 단계, 및 상기 청구항 38의 단계를 반복하는 단계를 포함하는,
    나노파우더를 더욱 효과적으로 합성하기 위한 방법.
  45. 제 38 항에 있어서,
    상기 소멸 단계가 상기 플라즈마와 상기 가스 분위기를 반응시키는 단계와 관련하여 발생되는,
    나노파우더를 더욱 효과적으로 합성하기 위한 방법.
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KR20140148158A (ko) 2013-06-21 2014-12-31 삼성전기주식회사 나노 입자 형성 방법 및 나노 입자 형성 장치

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