KR20100037770A - 전기 플라즈마를 이용한 나노유체 제조장치 - Google Patents

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KR20100037770A
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조장행
박중학
김주명
성낙승
권태원
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(주) 나노기술
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Abstract

본 발명은 전기로 인한 플라즈마 상태에서 원재료를 용융 및 증발시켜 나노 입자를 형성함과 동시에 유체로써 나노 입자를 급냉각함으로써 보다 미세한 입자 크기를 갖는 고품질의 나노유체를 단시간 내에 간단히 제조할 수 있도록 하는 전기 플라즈마를 이용한 나노유체 제조장치에 관한 것이다.
본 발명에 의한 전기 플라즈마를 이용한 나노유체 제조장치(A)는,
일 면에 내부를 진공상태로 하기 위한 진공펌프(11)로부터 이어지는 연결관(11a)이 마련되고, 저면에 쿨러(12)가 마련된 본체(10)와;
본체(10) 내부에서 플라즈마를 형성하기 위한 것으로, 본체(10) 외부에 트리거 작동에 의해 고전압을 방출하는 파워서플라이(21)가 마련되고, 파워서플라이(21)로부터 본체(10) 내부로 이어지는 플러스전극(22) 또는 마이너스전극(23)의 어느 일 전극(22, 23)에 나노 입자화 되는 원재료(100)를 투입하기 위한 원재료투입관(24)과 원재료투입관(24)으로부터 투입된 원재료(100)를 수용하기 위한 원재료수용용기(25)가 마련된 플라즈마형성부(20)와;
본체(10) 내부에서의 나노 입자 비산을 차단하기 위한 것으로, 구동모터(32)에 의해 회전하는 원형관 형태의 회전체(31) 양측 중앙부에 플라즈마형성부(20)의 플러스전극(22) 또는 마이너스전극(23)이 삽입되는 베어링(31a)이 마련된 입자차단부(30)와;
본체(10) 내부로 나노 입자 냉각을 위한 유체(200)를 투입하기 위한 것으로, 본체(10) 외부에 유체(200)를 저장하는 유체저장조(41)가 마련되고, 유체저장조(41)로부터 본체(10) 사이에 연결관(42)이 마련된 유체투입부(40)와;
본체(10) 내부의 나노유체를 수거하기 위한 것으로, 본체(10) 외부에 나노유체를 저장하기 위한 나노유체저장조(51)가 마련되고, 나노유체저장조(51)로부터 본체(10) 사이에 연결관(52)이 마련된 나노유체수거부(50);로 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.
나노유체, 본체, 진공펌프, 쿨러, 플라즈마형성부, 파워서플라이, 원재료투입관, 원재료수용용기, 입자차단부, 회전체, 구동모터, 베어링, 유체투입부, 유체저장조, 나노유체수거부, 나노유체저장조, 입자, 냉각, 유체

Description

전기 플라즈마를 이용한 나노유체 제조장치 { manufacturing apparatus for nano fluid using electric plasma }
본 발명은 나노유체 제조장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기로 인한 플라즈마 상태에서 원재료를 용융 및 증발시켜 나노 입자를 형성함과 동시에 유체로써 나노 입자를 급냉각함으로써 보다 미세한 입자 크기를 갖는 고품질의 나노유체를 단시간 내에 간단히 제조할 수 있도록 하는 전기 플라즈마를 이용한 나노유체 제조장치에 관한 것이다.
최근 각광받고 있는 나노분말은 극히 미세한 입자 크기를 갖는 것으로서, 덩어리에 비해 표면적이 월등히 증가함으로써 갖게 되는 기존 재료로부터 얻을 수 없는 독특한 특성으로 인하여 다양한 분야에서 폭넓게 적용이 이루어지고 있다.
한편, 나노분말은 다양한 제조 장치로써 제조가 이루어지게 되는데, 최근에는 나노분말화 대상이 되는 원재료에 펄스전류를 가하여 순간적인 전기폭발을 일으킨 후 증발하는 입자를 기체로써 냉각함으로써 원재료를 나노분말화 하는 펄스전류에 의한 전기폭발을 이용하는 나노분말 제조장치가 널리 이용되고 있다.
나노분말 제조장치에 의해 제조된 나노분말은 분말 상태의 제품으로 사용하기도 하나 용도에 따라서는 오일 등의 유체에 나노분말이 혼합된 액상의 제품 즉, 나노유체로 사용이 이루어지기도 한다.
이와 같은 나노유체의 대다수는 펄스전류에 의한 전기폭발을 이용하는 나노분말 제조장치로써 나노분말을 제조한 후 제조된 나노분말을 유체에 혼합함으로써 제조가 이루어지는 것이었다.
상기와 같은 기존의 나노유체 제조방법은 나노유체를 제조할 수 있도록 하는 것이기는 하나, 나노분말을 제조하는 과정에서 펄스전류에 의한 전기폭발과 기체로써의 입자 냉각을 이용하는 것이었던 바, 펄스전류에 의한 전기폭발에 따르는 특성과 기체로써 입자를 냉각하는 특성 즉, 폭발에 의해 원재료가 순간적으로 증발하는 특성과 기체 중에서 비산하는 입자가 주변의 다른 입자와 접촉하여 응축됨으로써 입자가 성장하는 특성으로 인하여 나노분말의 입자 크기가 커지게 될 뿐만 아니라 나노분말 입자 크기가 균일하지 못하게 되는 문제가 있었다.
따라서 기존의 펄스전류에 의한 전기폭발을 이용하는 나노분말 제조장치로써 나노분말을 제조한 후 제조된 나노분말을 유체에 혼합하는 제조방법으로는 균일한 크기의 미세 입자를 갖는 고품질의 나노유체의 제조가 곤란한 문제가 있었다.
또한, 기존의 펄스전류에 의한 전기폭발을 이용하는 나노분말 제조장치로써 나노분말을 제조한 후 제조된 나노분말을 유체에 혼합하는 제조방법은 나노분말을 제조하는 과정과 더불어나노분말을 유체에 혼합하는 과정이 요구되었으므로 나노유체 제조에 소요되는 시간이 길어지게 될 뿐만 아니라 작업량이 늘게 되므로 결과적으로 제품의 생산성이 떨어지게 되는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 실정을 감안하여 안출한 것으로, 전기로 인한 플라즈마 상태에서 원재료를 용융 및 증발시켜 나노 입자를 형성함과 동시에 유체로써 나노 입자를 급냉각함으로써 보다 미세한 입자 크기를 갖는 고품질의 나노유체를 단시간 내에 간단히 제조할 수 있도록 하는 전기 플라즈마를 이용한 나노유체 제조장치를 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 전기 플라즈마를 이용한 나노유체 제조장치는,
일 면에 내부를 진공상태로 하기 위한 진공펌프로부터 이어지는 연결관이 마련되고, 저면에 쿨러가 마련된 본체와;
본체 내부에서 플라즈마를 형성하기 위한 것으로, 본체 외부에 트리거 작동에 의해 고전압을 방출하는 파워서플라이가 마련되고, 파워서플라이로부터 본체 내부로 이어지는 플러스전극 또는 마이너스전극의 어느 일 전극에 나노 입자화 되는 원재료를 투입하기 위한 원재료투입관과 원재료투입관으로부터 투입된 원재료를 수용하기 위한 원재료수용용기가 마련된 플라즈마형성부와;
본체 내부에서의 나노 입자 비산을 차단하기 위한 것으로, 구동모터에 의해 회전하는 원형관 형태의 회전체 양측 중앙부에 플라즈마형성부의 플러스전극 또는 마이너스전극이 삽입되는 베어링이 마련된 입자차단부와;
본체 내부로 나노 입자 냉각을 위한 유체를 투입하기 위한 것으로, 본체 외부에 유체를 저장하는 유체저장조가 마련되고, 유체저장조로부터 본체 사이에 연결관이 마련된 유체투입부와;
본체 내부의 나노유체를 수거하기 위한 것으로, 본체 외부에 나노유체를 저장하기 위한 나노유체저장조가 마련되고, 나노유체저장조로부터 본체 사이에 연결관이 마련된 나노유체수거부;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 의한 전기 플라즈마를 이용한 나노유체 제조장치는, 원재료수용용기에 담기 원재료가 플라즈마 상태에서 지속적으로 가해지는 고열로 인하여 용융 및 증발되어 입자화 되는 것인 바, 전기폭발에 의한 순간적인 증발에 의한 입자에 비해 보다 미세한 크기로 된 입자를 갖는 고품질의 나노 분말을 제조할 수 있게 되는 것이고, 원재료의 용융 및 증발과정에서 비산하는 입자가 유체에 의해 급냉각이 이루어지는 것인 바, 냉각 과정에서의 입자 성장이 최소화 될 뿐만 아니라 나노분말과 유체를 혼합하는 과정 없이도 단시간 내에 간단히 나노유체를 제조할 수 있게 되는 것이다.
이하, 첨부 도면에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 의한 전기 플라즈마를 이용한 나노유체 제조장치의 구조를 설명하기 위한 단면도이고, 도 2는 본 발명에 의한 전기 플라즈마를 이용한 나노유체 제조장치에서 원재료의 용융 및 증발을 설명하기 위한 작동상태도이며, 도 3은 본 발명에 의한 전기 플라즈마를 이용한 나노유체 제조장치에서 입자의 냉각을 설명하기 위한 작동상태도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 전기 플라즈마를 이용한 나노유체 제조장치(A)는 본체(10)와, 플라즈마형성부(20)와, 입자차단부(30)와, 유체투입부(40)와, 나노유체수거부(50)로 이루어진 것이다.
상기 본체(10)는 일 면에 내부를 진공상태로 하기 위한 진공펌프(11)로부터 이어지는 연결관(11a)이 마련된 것이고, 저면에 쿨러(12)가 마련된 것이다.
이와 같은 본체(10)에서 쿨러(12)는 냉각 방식에 제한이 없는 것이므로 본체(10) 내부로 주입되는 유체(200)를 10-15℃의 온도로 유지할 수 있도록 하는 것이라면 어떠한 종류의 것을 사용하여도 무방하다.
상기 플라즈마형성부(20)는 본체(10) 내부에서 플라즈마를 형성하기 위한 것으로, 본체(10) 외부에 트리거 작동에 의해 고전압을 방출하는 파워서플라이(21)가 마련된 것이고, 파워서플라이(21)로부터 본체(10) 내부로 이어지는 플러스전극(22) 또는 마이너스전극(23)의 어느 일 전극(22, 23)에 나노 입자화 되는 원재료(100)를 투입하기 위한 원재료투입관(24)과 원재료투입관(24)으로부터 투입된 원재료(100) 를 수용하기 위한 원재료수용용기(25)가 마련된 것이다.
이와 같은 플라즈마형성부(20)에서 일 전극(22, 23)과 타 전극(22, 23)은 그 사이에 1-2cm의 간격을 유지하는 것이고, 원재료수용용기(25)는 인접하는 일 전극에 전기적으로 연결되는 것이다.
플라즈마형성부(20)의 전극(22, 23)은 진공상태의 본체(10) 내부에 위치하는 것이므로 상기와 같이 일 전극(22, 23)과 타 전극(22, 23) 사이에 간격이 마련되더라도 파워서플라이(21)의 트리거 작동시 전극(22, 23) 사이로 통전이 이루어져 고전압의 방출되므로 플라즈마를 형성할 수 있게 되며, 원재료수용용기(25)이 인접하는 일 전극과 전기적으로 연결됨으로써 원재료수용용기(25)에서도 플라즈마가 형성될 수 있게 된다.
이때, 플라즈마 상태는 1시간 이상 지속되는 것이 바람직하다.
플라즈마 상태가 1시간 이상 지속됨으로써 투입된 원재료(100) 전체가 용융 및 증발되어 나노 입자화 될 수 있게 된다.
상기 입자차단부(30)는 본체(10) 내부에서의 나노 입자 비산을 차단하기 위한 것으로, 구동모터(32)에 의해 회전하는 원형관 형태의 회전체(31) 양측 중앙부에 플라즈마형성부(20)의 플러스전극(22) 또는 마이너스전극(23)이 삽입되는 베어링(31a)이 마련된 것이다.
이와 같은 입자차단부(30)에서 회전체(31)는 설치상태에서 하단이 본체(10) 의 바닥에 근접하는 것이다.
따라서, 회전체(31)의 직경은 그 하단이 본체(10) 바닥에 근접할 수 있는 정도로 이루어지는 것이 바람직하다.
회전체(31) 하단이 본체(10)의 바닥에 근접함으로써 본체(10) 바닥에 고이게 되는 유체(200)가 회전체(31) 하단부의 내외면에 점착될 수 있게 된다.
한편, 회전체(31)는 구동모터(32)에 의해 1-5rpm의 속도로 회전하는 것이다.
회전체(31)가 상기의 속도로 비교적 저속 회전함으로써 본체(10)에 주입된 유체(200)가 회전체(31) 하단부의 내외면에 고르게 점착될 수 있게 된다.
상기 유체투입부(40)는 본체(10) 내부로 나노 입자 냉각을 위한 유체(200)를 투입하기 위한 것으로, 본체(10) 외부에 유체(200)를 저장하는 유체저장조(41)가 마련된 것이고, 유체저장조(41)로부터 본체(10) 사이에 연결관(42)이 마련된 것이다.
이와 같은 유체투입부(40)에서 유체저장조(41)에 저장되는 유체(200)는 제조하고자 하는 나노유체의 용도에 다양한 종류가 있을 수 있는데, 그 예로는 오일, 톨루엔, 증류수가 될 수 있다.
한편, 유체저장조(41)와 연결관(42)상에는 개폐밸브(43)가 마련되는 것이 바람직하다.
유체투입부(40)의 유체저장조(41)와 연결관(42)상에 개폐밸브(43)가 마련됨으로써 본체(10) 내부로의 유체(200) 투입을 제어할 수 있게 된다.
상기 나노유체수거부(50)는 본체(10) 내부의 나노유체를 수거하기 위한 것으로, 본체(10) 외부에 나노유체를 저장하기 위한 나노유체저장조(51)가 마련된 것이고, 나노유체저장조(51)로부터 본체(10) 사이에 연결관(52)이 마련된 것이다.
이와 같은 나노유체수거부(50)에서 나노유체저장조(51)와 연결관(52)상에는 개폐밸브(53)가 마련되는 것이 바람직하다.
나노유체수거부(50)의 나노유체저장조(51)와 연결관(52)상에 개폐밸브(53)가 마련됨으로써 본체(10) 내부로부터의 나노유체 수거를 제어할 수 있게 된다.
상기와 같은 본 발명에 의한 전기 플라즈마를 이용한 나노유체 제조장치(A)를 통하여 나노유체를 제조하는 과정을 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 나노 입자화 대상이 되는 원재료(100)를 본체(10) 내부로 투입한다.
본 발명에서 플라즈마형성부(20)의 일 전극(22, 23)에는 본체(10) 외부로부터 이어지는 원재료투입관(24)과 원재료투입관(24)으로부터 투입된 원재료(100)를 수용하기 위한 원재료수용용기(25)가 마련되어 있는바, 원재료투입관(24)을 통해 원재료(100)를 본체(10) 내부로 투입할 수 있게 되고 원재료수용용기(25)로써 투입된 원재료(100)를 수용할 수 있게 된다.
이때, 원재료(100) 투입량은 일 회에 50-100g 정도로 이루어지는 것이 바람직하다.
원재료(100) 투입이 완료된 상태에서 본체(10) 내부로 유체(200)를 투입한다.
본 발명에서 본체(10) 일측에는 유체저장조(41)와 연결관(42)으로 된 유체투입부(40)가 마련되어 있는바, 유체저장조(41)에 유체(200)가 저장된 상태에서 유체저장조(41)와 연결관(42)상에 마련된 개폐밸브(400)를 개방함으로써 유체저장조(41)에 저장된 유체(200)를 본체(10) 내부로 투입할 수 있게 된다.
이때, 본체(10) 내부로 투입되는 유체(200)는 최소 입자차단부(30)의 회전체(31) 하단 이상으로 고일 수 있는 정도로 투입되는 것이 바람직하다.
원재료(100) 및 유체(200) 투입이 완료된 상태에서 본체(10) 내부를 진공상태로 한다.
본 발명에서 본체(10)에는 진공펌프(11)로부터 이어지는 연결관(11a)이 마련되어 있는바, 진공펌프(11)를 작동시킴으로써 본체(10) 내부를 진공상태로 할 수 있게 된다.
본체(10) 내부를 진공으로 한 상태에서 유체(200)를 냉각한다.
본 발명에서 본체(10) 저면에는 쿨러(12)가 마련되어 있는바, 쿨러(12)를 작 동시킴으로써 본체(10) 내부의 유체(200) 냉각이 이루어져 유체(200)의 온도를 10-15℃로 일정하게 유지할 수 있게 된다.
본체(10) 내부의 유체(200)가 냉각된 상태에서 입자차단부(30)의 회전체(31)를 회전시킨다.
본 발명에서 입자차단부(30)의 회전체(31)는 구동모터(32)에 의해 회전하는 것인 바, 구동모터(32)를 동작시킴으로써 회전체(31)는 베어링(31a)에 삽입된 전극(22, 23)을 회전축으로 하여 1-5rpm 속도로 회전이 이루어질 수 있게 된다.
입자차단부(30)의 회전체(31)가 회전되는 상태에서 플라즈마형성부(20)를 통해 플라즈마를 발생시킨다.
플라즈마형성부(20)의 파워서플라이(21)는 트리거 작동에 의해 진공상태에 위치하는 전극(22, 23)에 고전압을 방출하므로 전극(22, 23) 주변에서 플라즈마의 발생이 이루어지게 된다.
플라즈마형성부(20)를 통한 플라즈마 발생 상태에서 원재료수용용기(25)에 담긴 원재료(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 플라즈마가 미치는 범위 내에 위치하는 것이므로 플라즈마에 의해 지속적으로 가열되어 용융 및 증발함으로써 미세한 크기의 입자 상태로 비산하게 된다.
이때, 비산되는 입자(100a)는 도 3에 도시된 바와 같이 입자차단부(30)의 회 전체(31) 내벽에 의해 이동의 차단이 이루어짐과 동시에 회전체(31) 내벽에 점착된 유체(200)에 의해 급냉각이 이루어지게 되므로 성장이 최소화되어 비산 초기의 미세한 크기로 회전체(31) 내벽에 점착된 유체(200)에 포함될 수 있게 된다.
그리고 미세한 크기의 입자(100a)를 포함하는 회전체(31) 내벽의 유체(200)는 회전체(31) 회전에 의해 본체(10)의 내부 바닥에 고인 유체(200)와 혼합이 이루어지게 되는데, 미세한 크기의 입자(100a)를 포함하는 회전체(31) 내벽의 유체(200)와 본체(10) 내부 바닥에 고인 유체(200)와의 혼합은 지속적으로 반복되는 것인 바, 결과적으로 본체(10) 내부 전체의 유체(200)는 미세한 크기의 입자(100a)를 포함하는 유체(200) 즉, 나노유체가 될 수 있게 된다.
한편, 본체(10) 내의 나노유체는 나노유체수거부(50)를 통해 수거된다.
나노유체수거부(50)의 나노유체저장조(51)와 연결관(52)상에는 개폐밸브(53)가 마련되어 있는바, 나노유체저장조(51)와 연결관(52)에 마련된 개폐밸브(53)를 개방함으로써 간단히 본체(10) 내의 나노유체를 수거할 수 있게 된다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하므로 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 안에서 변경 가능한 것이며, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.
도 1은 본 발명에 의한 전기 플라즈마를 이용한 나노유체 제조장치의 구조를 설명하기 위한 단면도
도 2는 본 발명에 의한 전기 플라즈마를 이용한 나노유체 제조장치에서 원재료의 용융 및 증발을 설명하기 위한 작동상태도
도 3은 본 발명에 의한 전기 플라즈마를 이용한 나노유체 제조장치에서 입자의 냉각을 설명하기 위한 작동상태도
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 본체 11 : 진공펌프
11a : 연결관 12 : 쿨러
20 : 플라즈마형성부 21 : 파워서플라이
22 : 플러스전극 23 : 마이너스전극
24 : 원재료투입관 25 : 원재료수용용기
30 : 입자차단부 31 : 회전체
31a : 베어링 32 : 구동모터
40 : 유체투입부 41 : 유체저장조
42 : 연결관 43 : 개폐밸브
50 : 나노유체수거부 51 : 나노유체저장조
52 : 연결관 53 : 개폐밸브
100 : 원재료 100a : 입자
200 : 유체 A : 나노유체 제조장치

Claims (2)

  1. 일 면에 내부를 진공상태로 하기 위한 진공펌프로부터 이어지는 연결관이 마련되고, 저면에 쿨러가 마련된 본체와;
    본체 내부에서 플라즈마를 형성하기 위한 것으로, 본체 외부에 트리거 작동에 의해 고전압을 방출하는 파워서플라이가 마련되고, 파워서플라이로부터 본체 내부로 이어지는 플러스전극 또는 마이너스전극의 어느 일 전극에 나노 입자화 되는 원재료를 투입하기 위한 원재료투입관과 원재료투입관으로부터 투입된 원재료를 수용하기 위한 원재료수용용기가 마련된 플라즈마형성부와;
    본체 내부에서의 나노 입자 비산을 차단하기 위한 것으로, 구동모터에 의해 회전하는 원형관 형태의 회전체 양측 중앙부에 플라즈마형성부의 플러스전극 또는 마이너스전극이 삽입되는 베어링이 마련된 입자차단부와;
    본체 내부로 나노 입자 냉각을 위한 유체를 투입하기 위한 것으로, 본체 외부에 유체를 저장하는 유체저장조가 마련되고, 유체저장조로부터 본체 사이에 연결관이 마련된 유체투입부와;
    본체 내부의 나노유체를 수거하기 위한 것으로, 본체 외부에 나노유체를 저장하기 위한 나노유체저장조가 마련되고, 나노유체저장조로부터 본체 사이에 연결관이 마련된 나노유체수거부;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 플라즈마를 이용한 나노유체 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입자차단부에서 회전체는 그 하단이 본체 바닥에 근접하여 본체 바닥에 고인 유체가 본체 바닥에 근접하는 회전체 하단의 내외면에 점착될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 전기 플라즈마를 이용한 나노유체 제조장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101334195B1 (ko) * 2011-09-07 2013-11-28 전자부품연구원 챔버 전체를 포집 유닛으로 이용하는 나노입자 제조 장치 및 나노 입자 제조 방법

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