KR20090026512A - Method and apparatus for producing nickel nanopowder using arc plasma apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 아크 플라즈마 장치를 이용한 니켈 나노분말의 제조방법 및 장치에 관한 것으로, 텅스텐 음극과 소모성 양극으로 작동하는 니켈 금속 사이에서 아크 플라즈마를 발생시켜 니켈을 증발시키고, 니켈 증기를 과량의 질소나 알곤 가스를 이용하여 냉각시키는 것에 의하여 결정성이 우수한 구형의 니켈 나노분말이 제조된다. 본 발명에서는 니켈 덩어리를 연속식으로 증발시켜 고순도의 니켈 나노분말을 제조하기 위한 니켈 용융 도가니와, 증발된 니켈 증기를 급속 냉각시켜 200nm 이하의 니켈 나노분말을 제조하는 방법을 제안한다. 또한, 제조된 니켈 나노분말의 안정성을 향상시키기 위하여 니켈 나노분말의 표면에 산화피막을 형성시키는 방법도 제공한다.The present invention relates to a method and apparatus for manufacturing nickel nanopowder using an arc plasma apparatus, wherein an arc plasma is generated between a tungsten anode and a nickel metal which acts as a consumable anode to evaporate nickel, and nickel vapor is used to produce excess nitrogen or argon. Cooling with gas produces spherical nickel nanopowders having excellent crystallinity. The present invention proposes a nickel melting crucible for continuously evaporating nickel lumps to produce high purity nickel nanopowders, and a method of preparing nickel nanopowders of 200 nm or less by rapidly cooling evaporated nickel vapor. The present invention also provides a method of forming an oxide film on the surface of the nickel nanopowder in order to improve the stability of the manufactured nickel nanopowder.
니켈 분말은 전자, 정보 통신 기기에 핵심부품으로 사용되는 적층 세라믹칩콘덴서(MLCC)의 전극물질로 적용되는 핵심 소재이다. MLCC는 세라믹 유전체 층과 내부 전극이 교대로 적층된 후, 압력을 가해 부착시키고 동시 소성하여 일체화 된 부품으로써, 일반적으로 유전체 층을 위한 재료로는 강유전체인 티탄산바륨이 적용되고, 내부 전극 형성을 위한 재료로는 니켈이 적용된다. 내부전극용 재료에 요구되는 특성으로는 분산성이 좋고, 전기전도도가 높고, 동시 소성시에 산화 및 수축이 작아야 한다는 것이며, 이와 같은 요구에 의해서 내부전극용으로 기존에 Pd, Ag-Pd등의 귀금속에 속하는 분말이 적용되었다. 니켈은 1990년대 중반부터 고가의 귀금속을 대체하여 적용되기 시작하였으며, 현재는 고적층 MLCC에 적용하기 위하여 평균입경이 300nm - 600nm의 분말이 주로 적용되고 있다. 또한, 고용량 MLCC의 소형화와 초고적층화를 위해서는 현재보다 입자사이즈가 매우 작은 나노사이즈의 니켈 나노분말이 요구되고 있으며, 소성시의 수축율 및 산화 문제 등을 해결하기 위해 구형의 결정성이 우수한 분말이 요구되고 있다.Nickel powder is a key material that is applied as electrode material of multilayer ceramic chip capacitors (MLCC) used as core parts in electronic and information communication devices. MLCC is a ceramic dielectric layer and internal electrodes are alternately stacked, and then applied under pressure, attached together, and co-fired to integrate them. Generally, ferroelectric barium titanate is applied as a material for the dielectric layer. Nickel is applied as the material. The characteristics required for the internal electrode material include good dispersibility, high electrical conductivity, and low oxidation and shrinkage during simultaneous firing. As a result, Pd, Ag-Pd, etc. Powders belonging to the noble metals were applied. Nickel has been applied to replace expensive precious metals since the mid-1990s. Currently, powders with an average particle size of 300nm-600nm are mainly applied for high-layered MLCCs. In addition, the miniaturization and ultra-high lamination of high-capacity MLCCs require nano-sized nickel nanopowders with very small particle sizes, and powders with excellent spherical crystallinity to solve shrinkage and oxidation problems during firing. It is required.
일반적으로 서브마이크로의 니켈 분말은 액상법과 기상법으로 제조되고 있다. 액상법은 습식화학공정으로, 황산니켈(NiSO4) 또는 질산니켈(Ni(NO3)2) 수용액을 환원시킨 후 니켈을 침전, 분리, 수세, 건조 과정을 거쳐 제조되며 대량생산 공정이 비교적 용이하다. 액상법으로 제조된 분말은 입자의 크기가 비교적 일정한 반면, 분산성이 떨어지며 소성시의 수축율이 과도하게 크게 되는 문제점이 있다.In general, submicro nickel powder is produced by a liquid phase method and a gas phase method. The liquid phase method is a wet chemical process, which is produced by reducing nickel sulfate (NiSO 4 ) or nickel nitrate (Ni (NO 3 ) 2 ) aqueous solution, followed by precipitation, separation, washing and drying of nickel, and the mass production process is relatively easy. . While the powder produced by the liquid phase method has a relatively constant particle size, there is a problem in that the dispersibility is poor and the shrinkage rate during firing is excessively large.
기상법은 최근에 금속 및 세라믹 나노분말을 제조하기 위한 공정으로 기대를 받고 있으며, 일반적으로 금속이나 산화물 세라믹스의 경우 입자의 모양이 진구형으로 나타나며, 분산성이 우수하고, 분말의 결정성이 높다는 특징이 있다. 특히, 초고온의 열플라즈마를 이용한 기상합성법은 초고속으로 나노분말을 제조하는 것이 가능하며, 원료물질도 고상, 액상, 기상의 다양한 물질을 사용하는 것이 용이한 것으로 보고되고 있다(비특허문헌 1). The gas phase method has recently been expected to be a process for producing metal and ceramic nanopowders. In general, in the case of metal or oxide ceramics, the particles have a spherical shape, excellent dispersibility, and high powder crystallinity. There is this. In particular, the gas phase synthesis method using an ultra high temperature thermal plasma is capable of producing nanopowders at an extremely high speed, and it is reported that raw materials can also be easily used in a variety of solid, liquid and gaseous materials (Non-Patent Document 1).
열플라즈마는 발생 방식에 따라 고주파 플라즈마(RF plasma), 이송식 아크 플라즈마(Transferred arc plasma), 비이송식 아크 플라즈마(Non-transferred arc plasma)로 분류되며, 나노분말 제조공정에서는 주로 이송식 아크 플라즈마를 적용하고 있다. 이송식 아크 플라즈마에서는 텅스텐 전극(음극)과 양극 사이에서 아크를 발생시키며, 대상 물질의 원료 금속 및 원료를 담고 있는 도가니를 양극으로 연결시켜 금속 원료 자체를 양극으로 하여 금속 원료를 증발시키게 된다. 플라즈마 발생가스로는 알곤, 질소, 헬륨, 수소, 산소 또는 이들의 혼합가스를 이용하여 아크 방전시키고, 대상 원료물질을 아크 플라즈마 내부로 투입시켜 증발시키고, 증발된 금속 증기에 반응가스 또는 불활성 가스를 주입시켜 냉각시키면 나노 크기의 세라믹 또는 금속 분말이 제조된다. 플라즈마를 이용하여 나노분말을 제조하는 공정에서 입자 크기 및 결정성을 제어하기 위해서는 금속 증기의 농도 및 온도, 입자의 체류시간 및 냉각속도가 주요 변수로 알려지고 있다. Thermal plasma is classified into RF plasma, transferred arc plasma, and non-transferred arc plasma according to the generation method. In the nano powder manufacturing process, transfer arc plasma is mainly used. Is applied. In the transfer arc plasma, an arc is generated between the tungsten electrode (cathode) and the anode, and the raw material metal of the target material and the crucible containing the raw material are connected to the anode to evaporate the metal raw material using the metal raw material itself as the anode. As the plasma generating gas, arc discharge is performed using argon, nitrogen, helium, hydrogen, oxygen, or a mixture thereof, and the target raw material is introduced into the arc plasma to evaporate, and a reactive gas or an inert gas is injected into the vaporized metal vapor. Cooling to produce a nano-sized ceramic or metal powder. In order to control the particle size and crystallinity in the process of manufacturing nanopowder using plasma, the concentration and temperature of the metal vapor, the residence time of the particles, and the cooling rate are known as the main variables.
이와 같은 열플라즈마를 이용하여 나노분말을 합성한 사례들을 살펴보면 다음과 같다. 특허문헌 1에서는 수소 플라즈마를 이용하여 금속 나노분말을 제조했으며, 특허문헌 2에서는 질소 플라즈마를 이용하여 알루미늄을 증발시켜 질화알루미늄 초미립 분말을 제조하였다. 이들 공정에서는 반응기 및 금속 원료를 넣는 도가니 재료는 냉각수로 냉각시키므로써, 열효율이 낮아지는 것이 문제로 되고 있다. 열플라즈마 공정의 열효율을 향상시키기 위하여 반응기 및 원료 도가니를 그라파이트로 구성하여 나노분말을 제조하는 방법도 보고되고 있다(비특허문헌 2).Examples of synthesizing nanopowder using the thermal plasma are as follows. In patent document 1, the metal nanopowder was manufactured using hydrogen plasma, and in patent document 2, aluminum nitride ultrafine powder was manufactured by evaporating aluminum using nitrogen plasma. In these processes, the crucible material into which a reactor and a metal raw material are put is cooled by cooling water, and it becomes a problem that thermal efficiency becomes low. In order to improve the thermal efficiency of a thermal plasma process, the method of manufacturing a nano powder by making a reactor and a raw material crucible with graphite is also reported (nonpatent literature 2).
또한, 최근에 특허문헌 3에서는 1000K 이상의 고온 희석가스를 반응기와 냉각기로 도입하여 평균 입자 크기가 0.8 - 1.7 ㎛인 Cu, Ni 분말을 제조하는 방법을 제안하였다. 이 특허에서는 금속 용융 도가니로 흑연 도가니를 사용하였고, 이러한 초고온의 열플라즈마를 이용하여 금속 나노분말을 제조하는 공정에서 금속 원료용 도가니 재료로는, 2000도 이상의 초고온에서 단열성과 내구성이 우수하며, 용융 금속과도 반응성이 없는 것이 요구되고 있어서 일반적으로 흑연 도가니가 사용되고 있다. 이송식 아크 플라즈마를 이용하였으며, 1000K 이상의 고온 희석가스 주입량, 냉각관의 길이 및 냉각가스의 유량을 조절하면서 금속 입자의 성장을 촉진시켜 금속 미립자를 제조하는 방법 및 장치에 대하여 설명하였다.In addition,
[특허문헌 1] 미국 특허 제4,376,740호[Patent Document 1] US Patent No. 4,376,740
[특허문헌 2] 대한민국 특허 제252590호[Patent Document 2] Korean Patent No. 252590
[특허문헌 3] 미국 특허 제6,379,419B1호[Patent Document 3] US Patent No. 6,379,419B1
[비특허문헌 1] "열플라즈마 공정과 응용", 박동화, 오성민, pp.124-155, 인하대학교 출판부, ISBN 89-7404-169-X 93570, 2004년[Non-Patent Document 1] "Thermal Plasma Process and Application", Dong Hwa Park, Seong Min Oh, pp.124-155, Inha University Press, ISBN 89-7404-169-X 93570, 2004
[비특허문헌 2] Ageorges et al., Plasma Chemistry and Plasma Processing, pp.613-632, 1993[Non-Patent Document 2] Ageorges et al., Plasma Chemistry and Plasma Processing, pp. 613-632, 1993
상기에서 서술된 바와 같이 아크 플라즈마 공정을 이용하여 금속 나노분말을 제조하는 공정에서 금속 원료를 담기 위해서 수냉식 동 도가니 또는 흑연 도가니를 일반적으로 사용한다. 그러나 니켈의 경우, 증발점이 2700도 이상으로 매우 높아서 동 도가니를 사용하는 경우 증발량이 급격히 떨어지고, 그라파이트와는 고온에서 반응하므로 탄소 함유량이 제어된 고순도의 니켈 분말을 연속식으로 대량 제조하는데 문제가 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 고순도의 니켈 나노분말을 연속식으로 제조하기 위한 도가니를 제안하고자 한다.As described above, water-cooled copper crucibles or graphite crucibles are generally used to contain metal raw materials in the process of producing metal nanopowders using an arc plasma process. However, in the case of nickel, the evaporation point is very high, more than 2700 degrees, so the evaporation rate drops sharply when using the copper crucible, and there is a problem in the continuous mass production of high purity nickel powder with controlled carbon content because it reacts at high temperature with graphite. . In order to solve such a problem, the present invention proposes a crucible for continuously manufacturing high purity nickel nanopowder.
또한, 현재 금속 분말의 입자 크기에 대해서, 상기 특허문헌 3에서 제안하고 있는 1000K 이상의 고온의 희석가스를 사용하여 입자를 성장시키는 것보다는 냉각속도를 빠르게 하여 입자 크기를 200nm 이하로 제조하는 것이 요구되고 있으므로, 과량의 냉각가스 주입 방법을 개선하여 평균 입자 크기가 200nm이하인 금속 나노분말을 제조하고자 한다. 또한, 금속 나노분말을 실제로 취급하는데 있어서 문제가 되고 있는 폭발 위험성을 제어하고 분말의 표면 특성을 개선하기 위하여 제조된 분말을 포집하기 전에 적절히 표면 산화층을 형성시켜 부동태화 시키는 방법을 제안한다.In addition, with respect to the particle size of the current metal powder, it is required to manufacture the particle size to 200nm or less by increasing the cooling rate rather than growing the particles by using a high-temperature dilution gas of 1000K or more proposed in
본 발명에서는 아크 플라즈마 장치를 이용한 니켈 나노분말의 제조방법 및 장치로서, 텅스텐 음극과 소모성 양극으로 작동하는 니켈 금속 사이에서 아크 플라 즈마를 발생시켜 니켈을 증발시키고, 니켈 증기를 과량의 질소나 알곤 가스를 이용하여 냉각시키는 것에 의하여 결정성이 우수한 구형의 니켈 나노분말을 제조하는 것이 특징이다. 또한, 본 발명에서는 니켈 덩어리를 연속식으로 증발시켜 고순도의 니켈 나노분말을 제조하기 위한 니켈 용융 도가니와, 증발된 니켈 증기를 급속 냉각시켜 200nm 이하의 니켈 나노분말을 제조하는 방법 및, 제조된 니켈 나노분말의 안정성을 향상시키기 위하여 니켈 나노분말의 표면에 산화피막을 형성시키는 방법을 특징으로 한다.In the present invention, a method and apparatus for manufacturing nickel nanopowder using an arc plasma apparatus, which generates an arc plasma between a tungsten cathode and a nickel metal which acts as a consumable anode to evaporate nickel, and nickel vapor in excess nitrogen or argon gas. It is characterized by producing a spherical nickel nanopowder excellent in crystallinity by cooling using. In addition, in the present invention, a nickel melting crucible for continuously evaporating the nickel lump to produce a high purity nickel nanopowder, a method of rapidly cooling the evaporated nickel vapor to produce a nickel nanopowder of 200 nm or less, and the manufactured nickel In order to improve the stability of the nano-powder is characterized by the method of forming an oxide film on the surface of the nickel nano-powder.
본 발명으로부터 제안된 세라믹 코팅된 흑연도가니는 2000도 이상의 초고온에서 용융 니켈과 반응되지 않고, 단열성이 좋아서 아크 플라즈마 에너지의 열손실을 억제하여 니켈을 안정적으로 증발시키기는 것이 가능하고, 제조된 니켈 분말 중의 탄소함량을 제어하는데 유용하다.The ceramic-coated graphite crucible proposed from the present invention does not react with molten nickel at an ultra-high temperature of more than 2000 degrees, and has good thermal insulation, so that it is possible to stably evaporate nickel by suppressing heat loss of arc plasma energy, and to produce nickel powder. It is useful to control the carbon content of the carbon dioxide.
또한, 본 발명의 냉각가스 주입방법에 의해 냉각기 벽 등에 분말이 부착되는 것을 방지하고, 과량의 냉각가스 도입으로 30-170nm의 나노분말을 연속식으로 제조하는 것을 가능하게 하였으며, 제조된 분말이 포집되기 전에 표면 산화처리를 행함으로써, 금속 나노분말 제조를 위한 기상합성 공정을 개선시켰다.In addition, it is possible to prevent the powder from adhering to the cooler wall and the like by the cooling gas injection method of the present invention, and it is possible to continuously manufacture a nano-powder of 30-170nm by introducing an excessive amount of cooling gas, the produced powder is collected The surface oxidation treatment was carried out before the process, thereby improving the gas phase synthesis process for producing metal nanopowders.
본 발명에서는 비이송식 아크 플라즈마를 이용한 니켈 나노분말의 제조방법 및 장치를 제공한다.The present invention provides a method and apparatus for producing nickel nanopowder using non-conveying arc plasma.
본 발명의 아크 플라즈마 장치를 이용한 니켈 나노분말의 제조방법은 텅스텐 음극과 니켈 양극 사이에서 아크 플라즈마를 발생시켜 기상합성법으로 니켈 나노분말을 연속식으로 제조하는 방법에 있어서, In the method for producing nickel nanopowder using the arc plasma apparatus of the present invention, in the method of continuously producing the nickel nanopowder by vapor phase synthesis method by generating an arc plasma between the tungsten cathode and the nickel anode,
(a) 양극과 전기적으로 접촉된 도가니에 니켈을 연속식으로 주입하면서 2000도 이상의 초고온으로 가열시켜 니켈 증기를 생성시키는 단계; (b) 생성된 니켈 증기를 과량의 냉각 가스를 이용하여 급속히 냉각시켜 입자 크기가 평균 200nm 이하의 니켈 나노분말을 제조하는 단계; (c) 제조된 니켈 나노분말에 산소함량 0 - 1 wt%를 포함하는 가스를 0 - 100 L/min으로 주입시켜 니켈 분말의 표면을 제어하는 단계;를 포함하는 것이 특징이다. (a) heating nickel to a high temperature of at least 2000 degrees while generating nickel in a crucible continuously in electrical contact with the anode to generate nickel vapor; (b) rapidly cooling the resulting nickel vapor with an excess of cooling gas to produce a nickel nanopowder having an average particle size of 200 nm or less; (c) controlling the surface of the nickel powder by injecting a gas containing 0-1 wt% of oxygen into the prepared nickel nanopowder at 0-100 L / min.
여기서, 상기 냉각가스로서 알곤, 질소 또는 이들 중의 하나 이상을 포함하는 혼합가스를 500 L/min - 10,000 L/min의 범위로 냉각기로 주입시켜 고속으로 냉각시킴으로써 평균 입자 크기 30~200nm의 니켈 나노 분말을 제조하고,Here, nickel nano powder having an average particle size of 30 to 200 nm by injecting argon, nitrogen, or a mixed gas containing one or more of these as the cooling gas into a cooler in a range of 500 L / min-10,000 L / min and cooling at a high speed. Manufacturing the
상기 냉각가스로서 산소를 1% 이하로 함유하는 알곤 또는 질소가스를 냉각기 또는 분말 포집기로 주입시켜 금속 분말의 표면 산화층의 두께가 10nm이하로 제어되도록 한다.Argon or nitrogen gas containing 1% or less of oxygen as the cooling gas is injected into a cooler or a powder collector so that the thickness of the surface oxide layer of the metal powder is controlled to 10 nm or less.
또한, 본 발명에서는 상기 니켈 나노분말의 제조방법에 적용되는 제조장치로서 토치 및 원료탱크를 설치한 금속 증발기, 냉각기 및 포집기로 된 니켈 나노분말 연속식 제조장치이다.In addition, the present invention is a nickel nano powder continuous production apparatus consisting of a metal evaporator, a cooler and a collector equipped with a torch and a raw material tank as a manufacturing apparatus applied to the method for producing the nickel nano powder.
상기 제조장치의 금속 증발기는 도가니부와 덮개의 외부로 단열재를 충진 하 되, 상기 도가니부는 세라믹 코팅층이 형성된 도가니와 받침부로 이루어지고, 상기 냉각기는 상,하부에 냉각가스 주입구를 형성하고 내부에는 다공질 원통관을 설치하며, 상기 포집기는 내부에 금속필터를 장착하고 하부에는 분말 포집통을 설치한 것이 특징이다.The metal evaporator of the manufacturing apparatus is filled with a heat insulating material to the outside of the crucible portion and the cover, the crucible portion is composed of a crucible and a support portion formed with a ceramic coating layer, the cooler forms a cooling gas inlet in the upper and lower, and the porous inside The cylindrical tube is installed, and the collector is equipped with a metal filter inside and a powder collector is installed at the bottom.
여기서, 상기 도가니는 세라믹 코팅층 대신에 별도의 세라믹 도가니를 이중으로 겹쳐 전기적으로 접촉되도록 구성할 수 있으며, 상기 세라믹 재료는 ZrO2, MgO, ZrB2, HfB, BN, TiB2 중 어느 하나 이상으로 구성된 것이 특징이다.Here, the crucible may be configured to be in electrical contact with a double overlap of a separate ceramic crucible instead of a ceramic coating layer, the ceramic material is composed of any one or more of ZrO 2 , MgO, ZrB 2 , HfB, BN, TiB 2 Is characteristic.
위와 같이 본 발명의 나노분말의 제조방법에 적용되는 장치는 금속 나노분말 제조를 위한 아크 플라즈마 시스템으로서 증발기, 냉각기, 포집기로 구분된다. 증발기에서는 알곤, 질소, 수소 또는 이들의 혼합가스를 이용하여 아크 플라즈마를 발생시켜 초고온에서 금속을 증발시키고, 냉각기에서는 알곤 또는 질소를 과량으로 주입시켜 증발기로부터 나오는 금속 입자와 충돌시켜 냉각시키는 과정을 통하여 고상의 금속 분말로 만들고, 포집기에서는 제조된 분말과 가스를 분리시켜 분말은 회수하고 가스는 배출하게 된다. As described above, the apparatus applied to the method of manufacturing nanopowders of the present invention is divided into an evaporator, a cooler, and a collector as an arc plasma system for producing metal nanopowders. In the evaporator, an arc plasma is generated using argon, nitrogen, hydrogen, or a mixed gas thereof to evaporate the metal at an extremely high temperature, and in the cooler, an excessive amount of argon or nitrogen is injected to collide with the metal particles from the evaporator to cool it. It is made of solid metal powder, and the collector separates the manufactured powder and gas to recover the powder and discharge the gas.
상기 본 발명의 비이송식 아크 플라즈마 장치는 비 소모성의 음극과 소모성의 양극으로 구성되며, 음극으로는 텅스텐을 원뿔 형태로 가공하여 플라즈마 토치 안에서 수냉시켜서 사용하며, 양극으로는 증발 대상 재료인 니켈을 사용하며 도가니에 담겨 용융된 상태로 양극으로서의 역할을 한다. The non-conveying arc plasma apparatus of the present invention is composed of a non-consumable cathode and a consumable anode, and the cathode is processed by tungsten into a conical form to be cooled by water in a plasma torch, and the anode is nickel as an evaporation target material. It is used in the crucible and melted to serve as an anode.
이하, 첨부한 도면을 통하여 본 발명의 구성을 좀 더 상세히 설명한다.Hereinafter, the configuration of the present invention through the accompanying drawings in more detail.
도 1은 본 발명의 니켈 나노분말 제조를 위한 열플라즈마 장치의 개략도로서, 플라즈마 토치 전원(1) 및 토치(2), 금속 증발기(10), 냉각기(20)와 금속 분말 포집기(25)로 구성되며, 증발기(10) 및 냉각기(20)는 이중관(도시 생략)으로 수냉되어 진다. 1 is a schematic diagram of a thermal plasma apparatus for manufacturing nickel nanopowder of the present invention, comprising a plasma torch power source 1 and a torch 2, a
상기 아크 플라즈마 토치(2)는 수냉되는 동 노즐과 그 중앙에 절연체로 보호된 봉 형태의 텅스텐 음극으로 구성되며, 알곤 또는 질소 가스를 노즐을 통해 흘려주면서, 동 음극(3)과 연결되어 양극 역할을 하는 도가니부(4)의 도가니(16)(후술하는 도 2 참조)와의 사이에서 10,000도 이상의 초고온 플라즈마(5)를 발생시킨다.The arc plasma torch 2 is composed of a water-cooled copper nozzle and a rod-shaped tungsten cathode protected by an insulator in the center thereof, and is connected to the
금속 덩어리 원료는 원료 탱크(6)로부터 연속식으로 주입관(7)을 통하여 금속 용융 도가니(16)로 투입되고, 아크 플라즈마(5)의 초고온에 의해 빠른 시간에 용융된다. 양극 도가니(16) 내부에서 용융된 용융 금속(8)은 그 자체가 소모되는 소모성 양극으로 작용하고 플라즈마 에너지가 집중되어 용융 금속 표면이 급속히 증발하게 된다.The metal lump raw material is continuously fed from the raw material tank 6 to the
플라즈마 토치(2)와 소모성 양극인 용융 금속(8)간의 거리는 증발기(10)의 상부에 위치한 토치 위치 조절기(9)에 의해 조정되면서 플라즈마 조건을 제어한다. The distance between the plasma torch 2 and the consumable anode
용융 금속(8)의 증발효율을 높이기 위하여 도가니부(4)의 덮개(11)는 고온 단열재로 구성되며 도가니부(4) 및 덮개(11)와 금속 증발기(10)의 내벽 사이의 공간에도 단열재(12)로 채워진다. 도가니부(4)의 덮개(11)와 그 주위의 단열재(12)는 다공성의 그라파이트를 주로 사용하며, 그 외에 산화물, 질화물, 탄화물, 붕화물 세라믹을 사용할 수도 있다.In order to increase the evaporation efficiency of the molten metal (8), the lid 11 of the
용융 금속 표면에서 증발된 금속 증기는, 스페이서(13)를 통하여 도입되는 이송가스(14)에 혼합되어 금속 증기 배관(15)을 통하여 냉각기(20)로 흘러간다. 이송가스(14)로는 알곤 또는 질소를 사용하고, 상기 스페이서(13)는 도가니 덮개(11)의 일부분에 홀을 만들거나, 다공성 재료를 세라믹 재료를 이용할 수도 있다. The metal vapor evaporated from the molten metal surface is mixed with the conveying gas 14 introduced through the
또한, 금속 증기가 증발기(10)로부터 빠져 나가는 배관(15)은 내부에 고온 단열재로 피복되어 입자 성장을 촉진시키거나, 급냉가스를 주입시켜 입자 성장을 억제하는 구조로 구성된다. 증발기(10)로부터 나오는 금속 증기 입자는 냉각기(20)로 주입되는 과량의 알곤 또는 질소 등의 냉각가스(18)와 충돌하여 빠른 속도로 냉각되면서 나노 크기의 고상의 금속 분말 입자로 되고, 포집기(25)에서 다공성의 금속 필터(26)를 사용하여 금속 분말과 기체가 분리된다. In addition, the
여기서, 이송관(21)에는 표면 산화용 가스(22)를 주입하여 니켈분말 표면을 산화시켜서 분말을 부동태화 시키게 된다.Here, the transfer pipe 21 is injected with a
상기 필터(26) 표면으로부터 분리되어 아래로 떨어진 금속 나노분말은 분말 포집통(27)에 쌓이고, 기체는 금속필터(26)을 통과하여 블로워를 사용하여 밖으로 배출된다.The metal nanopowder separated from the surface of the
도 2는 도 1의 도가니부(4)의 확대 설명도로서 금속 용융 도가니의 구조를 나타낸 것이다.FIG. 2 is an enlarged explanatory view of the
도면에서와 같이 상기 도가니부(4)는 세라믹 코팅층(17)이 형성된 도가니(16)와 받침부(23)로 이루어져 있다.As shown in the figure, the
상기 도가니(16)는 흑연이나 고온용 세라믹 재료로 제작될 수 있으며, 본 발명에서는 흑연 재질의 도가니(16) 내부에 세라믹 코팅층(17)을 형성하여 전기가 통하도록 이중으로 겹친 구조로 제작하여 용융금속과 흑연 도가니가 반응하는 것을 억제 시키고자 한다. 대상 금속이 Ag, Au, Pt, Cu, Al, Mg 등의 경우에는 세라믹 코팅층(17)이 필요 없고 흑연 재질의 도가니(16)를 이용해서 이들 금속 나노분말을 제조하는 것이 용이하지만, Ni, Ti, Si 등의 나노분말을 제조하는 경우 흑연 재질의 도가니(16)와 고온에서 반응하므로, 고온용 세라믹 도가니 또는 흑연 재질의 도가니에 세라믹을 코팅한 도가니를 사용하는 것이 가능하다. 이와 같이 초고온 금속 용융 도가니 또는 흑연 재질의 도가니(16)의 코팅층으로 사용될 수 있는 재료로는 ZrO2, MgO, CaO 등의 산화물과 ZrB2, HfB, BN, TiB2 등의 붕화물이 적당하다. 또한 상기 도가니(16)는 세라믹 코팅층(17) 대신에 별도의 세라믹 도가니를 이중으로 겹쳐 전기적으로 접촉되도록 구성하여도 좋다. The
또한, 상기 도가니(16)를 지지하는 받침부(23)는 도가니(16)와 같이 흑연이나 고온용 세라믹 재료를 사용하되, 상기 도가니(16)보다는 다공성이면 바람직하고, 상기 도가니(16)는 단열을 위하여 도가니 덮개(11)로 주위를 감싸는 구조로 되어 있으나, 이 덮개(11)가 없어도 금속 나노분말의 연속식 제조는 가능하다.In addition, the supporting
도 3은 상기 도 1의 냉각 가스의 주입구 및 주입 방법을 설명하는 도면으로서, 냉각가스(18)인 알곤 또는 질소는 증발기로부터 나오는 금속 입자가 냉각되는 과정에서 냉각기(20)의 벽에 부착되는 것을 방지하기 위하여 냉각기의 내측 벽을 따라 나선형으로 흘려준다.(18-a, 18-b) 또한, 다수의 기공을 갖는 실린더 형태의 세라믹, 흑연, 또는 금속의 다공질 원통관(19)을 냉각기(20) 내부로 삽입하여, 과량의 냉각가스(18)를 기공을 통과하도록 주입하여 증발기(10)로부터 나오는 금속입자가 냉각되는 과정에서 냉각기(20) 등의 벽에 부착되어 통로가 막히는 것을 억제시킨다.3 is a view illustrating the inlet and injection method of the cooling gas of FIG. 1, wherein argon or nitrogen, which is the cooling
이하, 본 발명을 실시예, 비교예 및 실험예에 의하여 상세히 설명한다. 단 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by Examples, Comparative Examples and Experimental Examples. However, the following examples are merely to illustrate the invention, but the content of the present invention is not limited by the following examples.
실시예 1Example 1
텅스텐 음극과 흑연 양극 도가니 사이에 질소가스를 20 L/min로 흘려주면서 질소 플라즈마를 30 kW급으로 발생시키고, 직경 10mm 정도의 니켈 볼을 연속식으로 흑연 양극 도가니로 공급시켰다. 냉각가스로 질소를 500 L/min의 유량으로 냉각기를 통하여 주입하였으며, 0.5 kg/hr의 속도로 니켈 분말을 얻었다. Nitrogen plasma was generated at 30 kW while flowing nitrogen gas at 20 L / min between the tungsten anode and the graphite anode crucible, and nickel balls having a diameter of about 10 mm were continuously supplied to the graphite anode crucible. Nitrogen was injected into the cooling gas through a cooler at a flow rate of 500 L / min, and nickel powder was obtained at a rate of 0.5 kg / hr.
실시예 2Example 2
텅스텐 음극과 ZrO2 코팅된 흑연 도가니 사이에 질소가스를 20 L/min로 흘려주면서 질소 플라즈마를 30 kW급으로 발생시키고, 직경 10 mm 정도의 니켈 볼을 연 속식으로 ZrO2 코팅된 흑연 도가니로 공급시켰다. 냉각가스로 질소를 500 L/min의 유량으로 냉각기를 통하여 주입하였으며, 0.6 kg/hr의 속도로 니켈 분말을 얻었다. 흑연 도가니에 비하여 니켈의 증발량이 다소 증가하였으며, 제조된 니켈분말은 도 4와 같이 나노 크기의 구형 입자로 얻어졌다.Nitrogen gas is generated at 30 kW while flowing nitrogen gas at 20 L / min between the tungsten cathode and the ZrO 2 coated graphite crucible, and nickel balls of
실시예 3Example 3
텅스텐 음극과 ZrO2 코팅된 흑연 도가니 사이에 질소가스를 20 L/min로 흘려주면서 질소 플라즈마를 30 kW급으로 발생시키고, 직경 10 mm 정도의 니켈 볼을 연속식으로 ZrO2 코팅된 흑연 도가니로 공급시켰다. 냉각가스로 질소를 1,500 L/min의 유량으로 냉각기를 통하여 주입하였으며, 0.5 kg/hr의 속도로 니켈 분말을 얻었다.Nitrogen plasma is generated at 30 kW while flowing nitrogen gas at 20 L / min between the tungsten anode and the ZrO 2 coated graphite crucible, and nickel balls of
실시예 4Example 4
텅스텐 음극과 ZrO2 코팅된 흑연 도가니 사이에 질소가스를 20 L/min로 흘려주면서 질소 플라즈마를 30kW급으로 발생시키고, 직경 10 mm 정도의 니켈 볼을 연속식으로 ZrO2 코팅된 흑연 도가니로 공급시켰다. 냉각가스로 질소를 500 L/min의 유량으로 냉각기를 통하여 주입하였으며, 제조된 분말의 표면 산화를 위하여 냉각기와 포집기 사이에서 산소 0.1 wt% 함유한 질소가스를 50 L/min의 유량으로 주입시켰다. 제조된 니켈 입자는 도 5와 같이 표면이 수nm로 산화된 구형의 니켈 나노 분말로 얻어졌다.Nitrogen plasma was generated at a rate of 30 kW while flowing nitrogen gas at 20 L / min between the tungsten cathode and the ZrO 2 coated graphite crucible, and nickel balls having a diameter of about 10 mm were continuously supplied to the ZrO 2 coated graphite crucible. . Nitrogen was injected into the cooling gas through a cooler at a flow rate of 500 L / min, and nitrogen gas containing 0.1 wt% of oxygen was injected at a flow rate of 50 L / min between the cooler and the collector for surface oxidation of the prepared powder. The prepared nickel particles were obtained as spherical nickel nano powders whose surface was oxidized at several nm as shown in FIG. 5.
실험예 1(입도분석, 탄소함량 분석, XRD 및 산소함량 분석 결과)Experimental Example 1 (particle size analysis, carbon content analysis, XRD and oxygen content analysis results)
실시예 1, 2, 3 및 4로부터 제조된 니켈 분말은 도4에 나타낸 것과 동등한 형태로 표면이 매끈한 구형의 나노분말로 얻어지며, 입자의 평균 크기는 냉각가스의 유량이 증가함에 따라 작아지는 것으로 나타났다. 실시예 1, 2, 4에서와 같이 냉각가스인 질소의 유량이 500 L/min의 경우, 평균입경은 각각 150nm, 170nm, 160nm로 측정되며, 실시예 3에서 냉각가스 유량을 1,500L/min으로 한 경우 니켈 분말의 평균 입자 크기가 70nm로 급격히 작게 얻어졌다.Nickel powders prepared from Examples 1, 2, 3 and 4 are obtained as spherical nanopowders with smooth surfaces in the form equivalent to that shown in FIG. 4, and the average size of the particles decreases as the flow rate of the cooling gas increases. appear. When the flow rate of nitrogen as the cooling gas is 500 L / min as in Examples 1, 2, and 4, the average particle diameter is measured as 150 nm, 170 nm, and 160 nm, respectively, and in Example 3, the cooling gas flow rate is 1,500 L / min. In one case, the average particle size of the nickel powder was rapidly reduced to 70 nm.
실시예 1에서와 같이 흑연 도가니를 사용하는 경우, 제조된 니켈 분말 중의 탄소 함유량이 1.0 wt% 이상으로 증가하는 것으로 분석되었으며, 실시예 2,3,4에서 ZrO2로 코팅된 흑연도가니를 사용하는 것에 의해 탄소 함유량이 0.1%로 낮아졌다.Example When using a graphite crucible as in the first, the carbon content in the produced nickel powder was analyzed to be increased to more than 1.0 wt%, in Examples 2, 3 and 4 using a graphite crucible coated with ZrO 2 This lowered the carbon content to 0.1%.
도 6은 실시예 4에 있어서 산소함유 가스를 주입하는 경우 제조된 분말의 X-선 회절결과를 비교하여 나타낸 것이다. 실시예 4로부터 제조된 분말의 경우 NiO에 해당되는 피크가 뚜렷이 관찰되며, 이것은 도 5의 사진에서 나타낸 것처럼 니켈 입자 표면의 산화층에 기인된 것으로 3~5nm의 NiO층이 형성된 것으로 나타났다.Figure 6 shows a comparison of the X-ray diffraction results of the powder prepared when injecting the oxygen-containing gas in Example 4. In the case of the powder prepared in Example 4, a peak corresponding to NiO was clearly observed, which is due to the oxide layer on the surface of the nickel particles, as shown in the photograph of FIG. 5, indicating that a NiO layer having a thickness of 3 to 5 nm was formed.
도 1은 본 발명의 니켈 나노분말 제조를 위한 열플라즈마 장치의 개략도1 is a schematic diagram of a thermal plasma device for producing nickel nanopowder of the present invention
도 2는 도 1의 도가니부의 확대 설명도2 is an enlarged explanatory diagram of the crucible part of FIG. 1;
도 3은 도 1의 냉각 가스의 주입구 및 주입 방법을 설명하는 도면3 is a view for explaining an injection port and a method of injection of the cooling gas of FIG.
도 4는 제조된 니켈 분말의 주사전자현미경(FE-SEM) 사진Figure 4 is a scanning electron microscope (FE-SEM) photograph of the prepared nickel powder
도 5는 제조된 니켈 분말의 투과전자현미경(TEM) 사진5 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the prepared nickel powder
도 6은 제조된 니켈 분말의 X-선 회절패턴(XRD) 그래프6 is an X-ray diffraction pattern (XRD) graph of the prepared nickel powder
* 도면 중의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
1 : 토치 전원 2 : 토치 3 : 음극1: torch power supply 2: torch 3: cathode
4 : 도가니부 5 : 플라즈마 6 : 원료 탱크4: Crucible Part 5: Plasma 6: Raw Material Tank
7 : 주입관 8 : 용융 금속 9 : 토치 위치 조절기7
10 : 금속 증발기 11 : 덮개 12 : 단열재10 metal evaporator 11 cover 12 insulation
13 : 스페이서 14 : 이송가스 15 : 배관13 spacer 14
16 : 도가니 17 : 코팅층 18 : 냉각가스16
19 : 다공질 원통관 20 : 냉각기 21 : 이송관19: porous cylindrical tube 20: cooler 21: transfer tube
22 : 표면 산화용 가스 25 : 포집기 26 : 금속필터22: gas for surface oxidation 25: collector 26: metal filter
27 : 분말 포집통27: powder collector
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