KR20100102776A - 펄스전원을 이용한 금속입자 제조장치의 전원공급장치 및 펄스전원을 이용한 금속입자 석출방법 - Google Patents

펄스전원을 이용한 금속입자 제조장치의 전원공급장치 및 펄스전원을 이용한 금속입자 석출방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기화학법을 이용하여 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 철(Fe) 등과 같은 금속 입자를 통상의 용수, 즉, 수돗물, 우물물, 지하수, 온천수, 정제수, 해수, 등의 어떤 용수에서도 미소 용량 및 농도에서 대용량 및 고농도에 이르기까지 임의로 제조할 수 있는 효과적인 방법 및 그 전원공급장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 통상의 전기화학적 금속 입자 제조장치의 전해조 전극판에 직류전원 대신에 펄스전원을 인가하고 펄스전원의 제어기술을 적용하여 금속 입자를 석출(제조)하는 방법과 그 전원공급장치에 관한 것으로, 고효율로 고농도의 미세한 금속 입자를 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 제조되는 금속 입자의 농도를 용이하게 제어할 수 있고, 또한 제조되는 금속 입자가 높은 양극성의 전하량을 갖게 하여, 더욱 기능성이 뛰어난 금속 입자 용존 용액을 제조하는 방법과 그 전원장치에 관한 것이다.
본 발명의 펄스전원을 이용한 금속입자 석출방법은 전해조에 구비되어 있는 전극판에 펄스형태의 전원(즉, 펄스전원)을 인가하여 전해조의 용액에 상기 전극판의 금속 입자가 용액 중으로 석출되도록 하는 것을 특징으로 하고, 본 발명의 펄스전원을 이용한 금속입자 제조장치의 전원공급장치는 직류전원을 공급하는 직류전원공급부; 상기 직류전원공급부로부터 직류전원을 공급받고, 펄스형태의 전원(즉, 펄스전원)을 발생시키는 펄스발생부;상기 직류전원공급부로부터 직류전원을 공급받아 상기 펄스발생부로부터 입력되는 펄스전원을 고전압 대전류의 펄스전원으로 증 폭시켜 금속입자 제조장치의 전해조 전극판에 인가하는 펄스증폭부;를 포함하여 이루어진다.
금속입자, 용액, 직류전원, 펄스 제어기술, 펄스전원, 고농도, 고효율

Description

펄스전원을 이용한 금속입자 제조장치의 전원공급장치 및 펄스전원을 이용한 금속입자 석출방법{Pulse power supply for a metal particle educing and Method of effective metal particle educing}
본 발명은 전기화학법을 이용하여 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 철(Fe) 등과 같은 금속 입자를 통상의 용수, 즉, 수돗물, 우물물, 지하수, 온천수, 정제수, 해수, 등의 어떤 용수에서도 미소 농도에서 대용량 및 고농도에 이르기까지 임의로 제조할 수 있는 효과적인 방법 및 그 전원공급장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 통상의 전기화학적 금속 입자 제조장치의 전해조 전극판에 직류전원 대신에 펄스전원을 인가하고 펄스전원의 제어기술을 적용하여 금속 입자를 석출(제조)하는 방법과 그 전원공급장치에 관한 것으로, 고효율로 고농도의 미세한 금속 입자를 효과적으로 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 제조되는 금속 입자의 농도를 용이하게 제어할 수 있고, 또한 제조되는 금속 입자가 높은 양극성의 전하량을 갖게 하여, 더욱 기능성이 뛰어난 금속 입자 용존 용액을 제조하는 방법과 그 전원장치에 관한 것이다.
최근 은 나노입자 용존 용액이 살균 등에 매우 효과적임이 확인됨에 따라 국내외에서 살균, 독성 중화, 농약, 정수, 나아가 생활 용품에 이르기까지 폭 넓게 적용되고 있으며, 앞으로 더욱 넓은 범위로 확장되어 갈 것으로 예상되고 있다. 이와 같은 은 나노 용존 용액의 폭 넓은 사용은 더욱 고농도, 대용량, 고도의 농도 조절성, 고효율의 은 나노입자 제조 장치를 시장은 요구하고 있다.
본 발명은 상기의 요구를 충족시킬 수 있는 용액 중에서의 전기화학적 금속 입자 제조방법 및 그 전원장치에 관한 것으로, 통상의 전기화학식 금속 입자 제조 장치에서 사용되는 직류전원(DC power) 대신에 펄스전원(pulse power)을 사용함으로서, 매우 효율적으로 고농도의 미세한 금속 입자를 용액 중에 석출(제조)시켜 용존할 수 있게 하는 것이다.
즉, 직류전압을 펄스전압화함으로서 인가 펄스전압과 펄스전류와 인가시간과 공급전력을 각각 임의로 제어할 수 있어서, 고농도의 금속 입자를 효과적으로 발생시킬 수 있고, 또한 농도를 적절히 조절 및 제어할 수도 있고, 나아가 금속 입자의 직경도 더욱 미세화할 수 있음은 물론 더욱 기능화(대 전하량화, 고 기능수화 등)할 수 있게 하는 새롭게 고안된 금속 입자 석출방법 및 그 전원공급장치에 관한 것이다.
도 1은 통상의 전기화학법을 이용한 금속 입자 제조 장치로서, 절연통(5)내 에 2개의 금속판 전극(1)(2)이 용액(3)중에서 전극간격 분리판(4)에 의해 일정간격으로 설치되어 있고, 직류전압(6)이 두 전극단자(11)(12)간에 인가된다. 이때 이 장치에 공급되는 직류전력(P)은 인가되는 직류전압(V)과 직류전류(I)와 2전극간의 전기 저항(R)에 의해 P=VI=V2/R=I2R로 주어지게 된다. 이때 R은 용액중의 전극간의 저항으로, R=ρd/S이다. 수돗물을 용액으로 사용하는 경우, 사용 수돗물의 저항율(ρ)은 계절과 지역에 따라 큰 차이가 있다. 즉, 강우량이 많아 불순물 용존 농도가 상대적으로 적은 하절기와 강우량이 적어서 불순물의 용존 농도가 상대적으로 많은 동절기, 수량이 많은 한강수를 이용하는 서울 수돗물과 수량이 적은 낙동강수를 이용하는 대구 수돗물과는 각각 2배정도의 큰 저항율(ρ, resistivity)의 차이를 나타낸다. 따라서 동일한 인가 전압하에서도 통전전류는 2배정도의 차이가 나게 되고, 이는 금속 입자의 석출 농도를 2배정도로 차이를 내게 하는 문제점으로 나타나게 된다. 따라서 동일한 농도의 금속 입자 용존 용액을 제조하기 위해서는 계절과 지역과 물의 종류에 따라 반드시 공급전압를 적용수의 저항률에 따라 조정해야 하는 문제점이 생기게 된다.
종래의 전기화학법을 이용한 금속 입자 제조방법의 기본 원리는 파라데이(Faraday) 석출법칙을 이용하는 것으로, 수중에서 두 개의 금속판 전극에 직류전압을 인가하면, 양극전극에서는 전극판 물질의 일부가 양극성을 가지고 용액중으로 석출되어 나오고, 음극전극에는 양극전극에서 석출되어 나온 양극성의 석출물질들 이 정전력(Coulomb 력)에 의해 음극전극으로 이동되어가서 부착(도금)되게 된다. 이때 금속 입자 석출량은 전극간을 흐르는 전기량(전류ㅧ시간)에 1차 비례하게 되는 것이다.
이들 두 개의 전극판간에 전압(V)이 인가되면, 전극간에는 전류(I)가 옴(Ohm)의 법칙(V=IR)에 따라 인가전압(V)의 크기에 비례하여 흐르고, 전극간의 저항(R)에는 반비례하여 흐르게 된다. 이때 전극간의 용액이 존재하면, 전극간의 저항(R)은 R=ρd/S로 주어진다. 즉, 두 전극판간의 전압(V)은 두 전극간의 간격(d)과 용액의 저항률(ρ)에 비례하고, 대향전극면적(S)의 크기에는 반비례하게 된다. 따라서 종래의 전기화학법으로 고농도의 금속 입자를 용액중에 제조하기 위해서는 공급전류(I)를 크게 증대시켜야 한다. 이를 위해서는 인가전압(V)과 전극의 면적(S)을 증가시키거나, 전극간격(d)이나 용액의 저항률(ρ)을 줄여야 한다. 한편, 용액의 저항률을 줄이기 위해 금속염 등과 같은 전해질을 사용하기도 하나, 이 경우 친환경적이지 못하며, 또한 추가 공정 등이 필요하여 많은 비용과 시간이 소요된다.
결국 기존의 금속입자 제조장치(S, d, R등이 결정되어 있는)로서 보다 효과적으로 고농도의 금속 입자를 용액중에 제조하기 위해서는, 금속 입자 제조 효율을 올려야하고, 제조된 금속 입자(이온)들이 용액중에서 중합(coagulation 또는 agglomeration) 또는 중화(neutralization)되지 않게 하는 것이 가장 바람직하나, 이와 같은 새로운 제조 방법이나 기술은 알려져 있지 않다.
한편 전기화학적 방법으로 제조되는 금속 입자의 직경을 미세화(nano-size화)하기 위한 방법으로는 고전압을 인가하는 방법이 용이한 한 방법이다. 그러나 통상의 구조(주어진 S와 d와 R)에 고전압을 인가하면 바로 큰 전류가 흐르는 문제점이 있기 때문에, 통상의 기술로서는 고전압을 바로 인가할 수 없게 되어, 통상의 기술로서 간단하게는 미세한 금속 입자를 제조하지는 못하는 문제점이 있다. 즉 통상의 장치에서는 증류수와 같은 저항율이 큰 용액을 사용함으로 고전압을 인가할 수는 있으나, 이 경우는 통전 전류가 매우 작아져서 금속 입자 제조 농도가 매우 낮아지는 문제점이 있기 때문에 실적용성이 부족하다. 또한 전극간에 절연격판 등을 삽입하여 고전압을 인가하는 방법(특허 10-0436083, 고전압을 이용한 이온활성수 제조장치, 등록일자 2004, 6, 3)이 있으나, 인가전압은 절연극판 부근에 집중되어 전극판상에는 고전압이 인가되지 못하는 문제점이 있게 된다.
한편 금속 입자 제조 장치와 동일 구조를 갖는 종래의 기능수(또는 이온수) 제조 장치 등에서는, 이미 오래전부터 산성수와 알카리수로 분리하기 위해 두 금속 전극간에 분리격판이 설치된 장치가 사용되어 왔으며, 또한, 금속전극의 균등한 마모(또는 석출)와 전극상의 불순물 부착(scaling) 방지를 위해 인가전압을 교번해 주는 것은 환경공학계의 수처리시에 이미 오래전부터 사용되어 오고 있는 통상의 기술이다. 한편 금속 입자 제조 장치의 인가전압을 두 전극간에 교대로 인가하여 금속전극의 석출(마모)을 양편 전극에서 교대로 발생하게 하는 것이 특허(등록번호 10-0673578, 가축용 은이온수 제조장치)로 되어 있으나, 통상의 상식을 가진 사람이 용이하게 적용할 수 있는 방법이다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 기술적 문제점을 해결하기 위해 새롭게 고안 연구 개발된 것으로, 통상의 금속 입자 제조 장치의 두 전극판(즉, 양극판과 음극핀)간에 새로운 펄스전원을 인가하는 방법을 도입함으로서 고효율화 및 고농도화 및 더욱 미세한 금속 입자를 용이하게 제조할 수 있는 금속입자 석출방법 및 그 전원공급장치를 구현하고자 하였다. 즉, 인가전압을 직류전압(DC voltage)대신에 펄스전압(pulse voltage)을 적용하여 펄스기술(pulse technology)로서 제조되는 금속 입자의 고농도화와 고효율화뿐만 아니라 제조(석출)되는 금속 입자의 미세화는 물론 제조(석출) 농도도 임의로 조절하고 또 제어할 수 있게 되는 매우 큰 장점을 갖는 새로운 기술이다.
또한 펄스 조절 및 제어기술의 적용함으로 양편 전극판에서 동시에 금속 입자(이온)을 석출되게 하여, 전극판 부근의 금속 입자(이온)들에 의해 입자석출을 방해하는 공간전하 제한효과(space charge limiting effect)를 줄이고, 또 금속 입자(이온)들의 용액중으로의 확산을 용이하여 금속 입자간의 전기/기계적 중합을 감소시키고, 큰 양극성의 전하량을 갖게 하여 전기적 중합(Coulomb 척력이 작용)도 크게 감소시켜서, 금속 입자 제조효율을 더욱 극대화하게 하며, 또한 큰 양극성의 전하량을 갖게 되므로 정전력이 증가되어 살균력 등을 높이고, 아울러 고전압으로 기능수화되어, 더욱 효과적인 금속 입자 용존 용액을 제조할 수 있게 하는 새로운 금속입자 석출방법 및 그 전원공급장치를 제공함을 목적으로 한다.
또한 직류전압대신에 펄스전압을 사용은, 다양한 용액, 즉, 수돗물, 지하수, 우물물, 정제수, 해수, 빗물, 등의 다양한 용액의 전기적 특성에 무관하게 적용할 수 있게 되며, 또한 적용수중에 용존하는 불순물이 전극상에 부착되는 현상(scaling)도 방지될 수 있어, 바로 금속 입자 제조효율을 증가시키고, 펄스기술의 적용하게 되면 양편 전극판에서 동시에 금속 이온을 석출되게 하기 때문에 양편 전극판의 마모도 동일하게 일어나서, 전극 교체도 양쪽을 동시에 하게 되어 유지관리상의 장점이 있는 금속입자 석출방법 및 그 전원공급장치를 제공함을 목적으로 한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 펄스전원을 이용한 금속입자 석출방법은
전해조에 구비되어 있는 전극판에 펄스형태의 전원(즉, 펄스전원)을 인가하여 전해조의 용액에 상기 전극판의 금속 입자가 석출되도록 하는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 펄스전원을 이용한 금속입자 제조장치의 전원공급장치는
직류전원을 공급하는 전원공급부;
상기 전원공급부로부터 전원을 공급받고, 펄스형태의 전원(즉, 펄스전원)을 발생시키는 펄스발생부;
상기 전원공급부로부터 전원을 공급받아 상기 펄스발생부로부터 입력되는 펄스전원을 고전압 대전류의 펄스전원으로 증폭시켜 금속입자 제조장치의 전해조 전극판에 인가하는 펄스증폭부;를 포함하여 이루어진다.
그리고 상기 펄스발생부와 펄스증폭부를 전기적으로 분리시키면서 펄스발생부의 출력 펄스전원을 상기 펄스증폭부로 전달하는 포토커플러(photo-coupler);를 더 포함하는 것을 특징으로 하고,
상기 펄스증폭부는 게이트(gate)단자는 상기 펄스발생부로부터 펄스전원을 입력받고, 드레인(drain)단자는 상기 전원공급부로부터 증폭 전원을 공급받고, 소스(source)단자는 전해조의 전극판에 연결되어,
각각 증폭된 부의 펄스전원과 양의 펄스전원을 전해조의 전극판에 인가하는 제1, 제2 절연게이트형 양극성 접합 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Junction Transistor, IGBT)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 금속입자 석출방법 및 그 전원공급장치는 펄스전원을 사용하는 경우, 공급전력을 펄스전압(VP)과 공급 펄스전류(IP)를 펄스지속시간(t)을 각각 조절할 수 있어서, 고농도 및 고효율의 금속 입자를 석출시킬 수 있고, 금속 입자 석출 농도를 아주 용이하게 조절(제어)할 수 있게 된다. 또한 펄스주기(T) 또는 펄스 주파수(f=1/T)를 가변시킴으로 순간적인 펄스전압(VP)을 인가할 수 있어서, 금속 입자의 석출 효율을 매우 크게 증가시킬 수 있게 된다.
나아가 구형파(square wave) 등의 펄스전압(VP)을 인가함으로서 직류전원으로는 얻을 수 없는 두 전극판의 양쪽으로부터 동시에 금속 입자를 얻을 수 있는 장점과 물의 종류나 지역에 따른 수질특성에는 무관하게 적용할 수 있는 장점이 있다.
또한 펄스전압의 인가로 음전극상(음극판)의 불순물 부착현상(scaling)도 일어나지 않게 되고, 양편 전극판에서 동시에 금속 입자를 석출시킬 수 있어서 더욱 효율적이다.
또한 종래의 직류전압에 비해 매우 높은 펄스전압(VP)을 인가할 수 있기 때문에 더욱 미세한 금속 입자를 얻을 수 있으며, 매우 높은 펄스전압(VP) 인가로 큰 이온 전하량을 가지게 되어 금속 입자의 효능(예, 살균력 등)을 더욱 상승시키고, 또한 적용수가 전기적 활성도 갖는 기능수(전자수)가 되는 장점도 갖게 되어 더욱 효과적이게 된다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
도2는 본 발명에 따른 펄스전원을 이용한 금속입자 제조장치용 전원공급장치의 회로도이고, 도3은 전극판에 인가되는 펄스전원의 흐름을 도시한 도면으로서, 도면에서 보는 바와 같이 전원공급부(10), 펄스발생부(20), 펄스증폭부(30), 그리고 포토커플러(PT1, PT2)를 포함하여 이루어진다.
여기서 펄스전원(pulse power)이라고 함은, 전압(V)과 전류(I)와 전력(P)이 시간(t)의 변화에 따라 정극성만(positively rising)으로 또는 부극성만(negatively rising)으로 또는 정 및 부극성이 동시(alternately)에 변하는 전원의 형태를 통괄하여 지칭하는 것이다. 이는 직류전원이 전압(V)과 전류(I)와 전력(P)이 시간(t)의 변수가 아닌 것에 대비됨을 의미한다. 한편 펄스전원은 펄스전압과 직류전압이 중첩(superpose)되어 있는 것도 통상 전기전자공학에서는 펄스전원에 포함시킨다. 왜냐하면 전술했듯이, 시간(t)의 변화에 따라 전원(전압(V)과 전류(I)와 전력(P))에 변하는 부분이 포함되어 있고, 이 경우 펄스부분이 대부분 더욱 중요하게 사용되기 때문이다. 따라서 본 명세서에서 지칭하는 펄스전원은 이상의 설명에서 기술한 모든 종류의 펄스전원을 의미한다.
또한 펄스제어기술(pulse control technology)이라고 하면, 펄스전원의 변수 들(variables)을 다양한 제어와 조절이 동반된 기술을 의미한다. 일예로, 동일한 펄스전력(PP=VPIPt/T)에서도, 펄스전압(VP)을 n배로 하면 PP=VPIPt/T=nVPIP(t/nT)로 되며, 펄스전류(IP)를 n배로 하면 PP=VPIPt/T=VPnIP(t/nT)로 되고, 또 펄스주기(T=1/f)를 가감(PP=VPIPt/T=VPIPt/nTn=VPIPt/mTm)하여 필요한 임의의 주파수(f)를 갖는 다양한 펄스전원으로 구현할 수도 있고, 펄스지속시간(t)를 가감하여 펄스전력을 임의로 변경(PP=VPIPt/T=VPIP(nt/n)/T=VPIP(mt/m)/T)할 수 있는 모든 기술들을 의미한다. 또 금속판 전극간의 저항(R)을 함수로 하여 앞과 동일한 방법으로 펄스전력(PP)과, 펄스전압(VP), 펄스주기(T=1/f)와, 주파수(f)를 조절 제어할 수도 있다. 즉, 두 금속판 전극간의 전력(PP)을 저항(R)의 함수로 나타내면 PP=VPIPt/T=VP 2t/RT=IP 2Rt/T로 주어지게 되고, 이때 저항(R)은 용액중의 전극간의 저항이므로, R=ρd/S로 주어지며, 여기서 ρ, S, 및 d는 각각 사용 용액의 저항율(resistivity), 대향전극면적, 그리고 전극간의 간격이므로, 이들을 모두 변수로 변경할 수 있는 경우 매우 복잡한 기술이 되게 된다. 이상에서와 같이 펄스제어기술은 전술한 펄스전원의 모든 함수(function)들을 서로 다양한 변수(variable)들로 제어 및 조절이 동반된 복합적인 기술을 의미한다.
이와 같은 펄스제어기술은 단지 수학적인 의미만을 가지는 것이 아니라, 동 일한 펄스전력(PP), 펄스전압(VP), 펄스전류(IP), 펄스주기(T) 또는 펄스주파수(f), 펄스지속시간(t)에서도 이들을 적절하게 가감하면, 금속 입자 제조 효율과 농도 등을 증가시킬 수도 또 감소시킬 수도 있고, 제조되는 금속 입자의 전하량과 직경도 작게 할 수도 또 크게 할 수도 있는 매우 복합적인 기술이다. 이와 같은 펄스 제어기술은 전기 전자공학 분야에서는 중요한 교과 과목중의 하나로 교육하고 있다. 일예로 정현파(sine wave)의 경우, 단지 주파수(f=1/T)만을 변수로 하는 경우, 교류전원(f=60Hz), 음성파(f=20Hz~20kHz), AM 라디오파(f=535~ 1605kHz), FM 및 TV파(80~300MHz)로 가변되며, 모두 동일한 사인파이나 그 특성과 용도는 전혀 상이하다.
한편, 종래의 금속 입자 제조장치의 전원으로 교번전원이 사용되기도 하는데, 이때의 교번전원이라 함은 전해조에 구비된 두 금속판에 직류전압을 수동 또는 자동(보통 기계적 스윗치(relay)를 이용)으로 교대(보통 교대시간은 수분~수십분 정도)로 바꾸어서 인가하는 것을 칭하는 것이며, 이는 직류전원과 동일하며, 전자공학 및 전기공학적으로 펄스(pulse)라고 칭하지도 아니한다. 따라서 이 교번전원은 결코 본 명세서에서의 펄스원(또는 펄스기술)과는 상이한 것이며, 또한 동일 전력(P)에서 인가전압(V)이나 주기(T)를 가변시킬 수도 없는 것이다.
따라서 본 명세서에서의 펄스제어기술은 전술한 바와 같이 금속 입자 제조 효율에 큰 영향을 미치는 매우 중요한 기술이며, 이하에 그 특성과 작용에 따라 구체적으로 설명한다.
상기 전원공급부(10)는 직류전원을 펄스발생부(20) 및 펄스증폭부(30)에 각각 공급한다.
상기 전원공급부(10)는 상용 교류전원을 입력받아 강압(또는 승압)시키는 변압기(T)와, 상기 변압기의 2차권선 출력전압을 정류, 평할하여 직류전원으로 변환하여 펄스발생부(20), 제1, 제2 포토커플러(PT1, PT2) 및 펄스증폭부(30)에 각각 공급하는 제1 내지 제4 직류부(11, 12, 13, 14)를 포함하여 이루어진다.
상기 제1 내지 제4 직류부(11, 12, 13, 14)는 각각 상기 변압기의 1차권선에 자속결합되어 있는 제1 내지 제4 2차권선의 출력전원을 정류하는 브릿지 다이오드(D4~D7)와, 다이오드에서 정류된 전원을 평할하는 커패시터(C5~C10)를 포함하여 이루어진다.
상기 펄스발생부(20)는 상기 제1 직류부(11)에서 입력되는 직류전원을 펄스 형태의 펄스전원으로 변환하여 양의 펄스전원은 제1 포터커플러(PT1)로, 부의 펄스전원은 제2 포토커플러(PT2) 출력한다.
상기 펄스발생부(20)는 도4와 같은 필요한 펄스파형을 발생시키고 또 공급하는 펄스전압(VP) 파형과, 펄스지속시간(t)과 펄스주기(T) 및 휴지시간(tS)을 필요에 따라 적정기능을 갖는 값으로 펄스기술로서 펄스를 정형한다.
상기 펄스발생부(20)가 발생시키는 펄스전원의 펄스 형태의 파형으로는 구형파(square wave), 사인파(sine wave), 삼각파(triangle wave), 톱날파(sawtooth wave), 또는 맥류파(구형파나 사인파나 삼각파와 같은 정형의 파형은 아니나 이들과 비슷하여 이들에 준하는 파형) 등이 있다.
특정 형태의 펄스 파형을 발생시키는 펄스발생부(20)는 공지기술이므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
상기 제1 및 제2 포트커플러(PT1, PT2)는 각각 펄스발생부(20)로부터 양의 펄스전원과 부의 펄스전원을 입력받아 펄스증폭부(30)의 제1, 제2 절연게이트형 양극성 접합 트랜지스터(IGBT(Q1, Q2))로 출력한다.
제1 및 제2 포트커플러(PT1, PT2)는 각각 발광소자인 포토다이오드와 수광소자인 포토트랜지스터로 구성되고, 포터트랜지스터는 콜렉터단자가 전원공급부로부터 직류전원을 공급받아 구동되고, 이미터단자를 통해 펄스증폭부(30)에 펄스전원을 입력한다.
제1 및 제2 포트커플러(PT1, PT2)는 펄스발생부(20)와 펄스증폭부(30)를 전기적으로 분리(절연)시켜 펄스증폭부(30)의 전원(신호)이 펄스발생부로 역유입되어 펄스발생부(20)가 소손되는 것을 방지한다.
상기 펄스증폭부(30)는 입력된 펄스파형을 금속 입자 제조 장치의 입자 농도 등에 적합한 크기의 펄스전압()이나, 펄스전류(IP)나, 펄스전력(PP)을 증폭한다.
상기 펄스증폭부(30)는 제1 및 제2 포토커플러로부터 각각 양과 부의 펄스전원을 입력받고, 상기 전원공급부의 제4직류부(14)로부터 각각 양과 부의 직류전원을 공급받아 입력되는 펄스전원을 증폭시켜 전해조(5)의 두 전극판에 인가하는 제1, 제2 절연게이트형 양극성 접합 트랜지스터(IGBT)(Q1, Q2)를 포함하여 이루어진다.
상기 제1, 제2 절연게이트형 양극성 트랜지스터(IGBT)(Q1, Q2)는 각각 게이트단자는 상기 펄스발생부로부터 펄스전원을 입력받고, 드레인단자는 상기 전원공급부로부터 증폭 전원을 공급받고, 소스단자는 전해조(5)의 전극판에 연결되어 증폭된 펄스전원을 인가한다.
그리고 드레인단자와 소스단자 사이에는 다이오드(D2, D3)가 병렬 연결되어 역방향 전압에 의한 IGBT의 소손을 방지한다.
도 4와 같은 펄스전원(pulse power)을 사용하는 경우, 펄스전력(PP)은 PP=VPIPt/T로 주어진다. 펄스전원의 경우도 동일 저항(R)에서는 펄스전압을 2배하면(즉, 2VP) 펄스전류도 2배(즉, 2IP)가 되나, 펄스지속시간(t)을 1/4로 함으로서 동일 전력(PP=VPIPt/T=2VP2IPt/4T)이 되게 된다. 즉, 공급 펄스전력(PP)을 동일하게 유지하면서 펄스전류(IP)를 적절히 조절(제어)할 수 있게 되어, 직류전력에 비해 펄 스전원은 매우 효과적으로 금속 입자를 제조할 수 있게 되는 방법이다.
또한 펄스지속시간(t)을 1/n로 함으로, 동일한 작은 전력(PP=VPIPt/T=nVPIPt/nT)으로 매우 높은 펄스전압(nVP)을 인가할 수 있게 된다. 따라서 종래의 직류전원으로는 얻을 수 없는 작은 전력(PP)으로 매우 높은 전압(nVP>>VDC)을 인가할 수 있기 때문에, 고농도 및 고효율로 금속 입자를 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 더욱 미세한 입자도 용이하게 제조할 수 있는 매우 유용한 장점도 있게 된다.
도 5은 본 발명의 펄스전원(pulse power)과 통상의 직류전원(DC power)이 동일 전압으로 인가될 때의 금속판 전극으로부터 석출되는 입자의 단위전기량당의 제조(석출)된 금속의 질량(mass)을 전압 인가시간에 따라 나타낸 것이다.
본 발명의 펄스전원을 사용하는 경우가 통상의 직류전원을 사용하는 것보다 1.5~1.7배정도로 높게 금속 입자를 석출해 낼 수 있음을 도 5가 보여주는 실험결과의 일례이다. 한편 본 명세서에서는 나타내지 않았지만, 인가 펄스전압(nVP)이 직류전압(VDC)보다 n(1.2~2)배 높게 할 수 있기 때문에, 공급 펄스전류(nIP)도 직류전류(IDC)로 보다 n(1.2~2)배 높게 할 수 있어서 제조(석출)되는 금속 입자도 더욱 더 고농도로 그리고 고효율로 석출되게 할 수 있게 되는 장점을 가지게 된다.
이와 같이 펄스전원이 동일한 전력에서 고효율로 제조되는 이유는 다음과 같은 효과로 설명할 수 있다. 즉, 도 4와 같은 구형파(square wave)가 적용되는 경우, 펄스전압(VP)이 금속 전극판에 펄스 전계(pulsed electric field)로 작용되게 되고, 이는 펄스적으로 큰 정전 에너지(WE=xQE)로 작용하여, 결국 순시적이나 매우 큰 운동에너지(WK=mv2/2=WE=xQE)로 전자(electron) 등이 금속전극판에 충돌하게 하여 더 많은 전극판 물질을 석출해내게 되기 때문인 것으로 사료된다.
또한, 펄스전원(pulse power)을 사용하는 경우, 동일 전력(PP=VPIPt/TA=VPIPt/TB)에서 펄스주기(T)를 임의로 가변(TA에서 TB로)시킬 수 있음으로, 높은 펄스주기(T) 또는 펄스 주파수(f=1/T)로 매우 순간적으로 금속전극에 매우 높은 펄스전압(nVP)을 인가할 수 있게 된다. 이는 매우 큰 순시 정전에너지(nWE=xqnE)로 금속 전극판에 높은 펄스 주파수(f=1/T)로 작용하게 하여, 결과적으로 금속전극판상에서 더욱 더 효과적으로 금속 입자를 석출시키는 작용이 일어나게 한다. 이는 펄스전원이 직류전원보다 금속 입자 석출(제조)에 매우 효과적임을 나타내는 매우 중요한 기능을 가짐을 보여준다.
또한, 펄스지속시간(t)를 조절함으로서 동일전력(PP=VPIPt/T=2VP2IPt/4T)에서도 임의로 인가 펄스전압(nVP)을 조절(제어)할 수 있어서, 적용 용액(예, 수도수, 지하수, 해수, 등)의 저항율(ρ)과는 무관하게, 즉 절연 분리판을 사용하지 않고도, 고전압으로 금속 입자를 제조할 수 있는 장점이 있다. 이때는 적용수가 고전압(nVP)에 의해 전자 활성을 갖는 기능수가 되는 장점도 부가로 얻을 수도 있게 된다.
또한, 용액중으로 전압이 인가된 금속판에서 금속 입자가 석출되어 나오는 경우, 이 금속 입자가 갖는 전하량(charge, Q)은 금속판의 전압(VP)과 금속입자의 정전용량(C)의 곱으로, 즉, Q=CVP로 주어진다. 즉, n배의 높은 펄스전압(nVP)의 인가는 용액중으로 석출되어 나오는 금속 입자의 전하량(Q=CnVP)도 아울러 n배로 크게 증가되고, 결국 정전력(FE=QE)도 증가(nFE=nQE)시키게 된다. 이는 통상 음극성을 갖는 세균이나 바이러스에 더 큰 정전기적인 작용력(Coulomb force, image force, gradient force, 등의 복합력)까지도 가지게 하여, 본 장치로 제조된 금속 입자의 효능(예, 살균력 등)도 더욱 더 크게 증가시키게 하는 효과도 갖게 된다.
나아가 펄스전압(VP)을 인가함으로서 직류전압(Vdc)으로는 얻을 수 없는 전극의 양편 전극으로부터 동시에 금속 입자를 석출시킴으로, 금속입자의 제조 효율을 높이고 또한 금속 입자 농도를 매우 균일하게 하는 효과도 갖게 된다. 왜냐하면, 양극성 전극에서 석출된 양이온의 금속 입자는 다음에 석출되어 나오는 양이온의 석출 입자가 잘 나오지 못하게 척력(동일 극성간의 Coulomb 력)으로 작용(이를 공간전하제한효과(space charge effect)라고 한다)하게 된다. 결국 직류전압(Vdc)으로 고농도의 금속입자를 제조하는 경우, 이 공간전하제한 효과로 인해 금속 입자 제조 효율이 크게 저하되게 된다. 그러나 펄스전압(VP)을 적용하는 경우, 양편 전극으로부터 동시에 금속 입자를 석출시켜서 한쪽 전극에서의 금속입자의 석출량을 1/2정도로 감소되기 때문에 결국 공간전하제한 효과도 1/2정도 감소되고, 최종적으로는 금속 입자 제조 효율을 증가시키는 작용을 하게 되는 장점이 있게 된다.
또한, 펄스전압(VP)을 인가하여 양편 전극으로부터 동시에 금속 입자를 석출시킴으로 직류전원에 비해 전극판의 마모시간을 2배로 늘이고, 또한 양편 전극판의 마모도 동일하게 되기 때문에, 동시에 두 금속 전극판을 교체할 수 있게 되기 때문에, 관리비와 인건비도 줄이는 장점도 가지게 된다.
또한, 순시 펄스전압(VP)에 의한 고에너지 이온의 전극판에의 충돌작용은, 금속전극의 용액중의 세정현상(cleaning effect)도 발생하게 하여 부착현상(scaling)을 방지할 수 있는 효과도 있게 되어, 더욱 효과적으로 금속 입자 제조하는 방법 및 전원장치가 되게 한다. 왜냐하면, 용액중의 불순물(통상의 수돗물중에는 지역과 계절에 따라 차이는 있으나, 수돗물 1kg(1,000cc)중 0.1~0.5g 정도의 비율로 불순물이 함유되어 있음)이 음극전극판상에 부착(scale)하여 양극전극으로부터의 전류를 급속히 감소(통상의 수도수의 경우, 1시간 전류 인가시에 10~20[%/시간]의 전류가 감소됨)시키는 작용을 하게 된다. 이 작용은 바로 양극전극판의 전류를 감소(10~20[%/시간])시키고, 결국 양극전극판에서 석출(제조)되어 나오는 금속 입자의 석출량을 감소(10~20[%/시간])하여, 최종적으로는 금속 입자 제조 효율을 저하시키게 한다. 따라서 펄스전압(VP)의 적용은 음극전극판상의 불순물 부착작용(scaling)을 없게 함으로 더욱 더 양편 전극으로부터의 금속 입자 석출을 증가시키는 결과로 나타나고, 최종적으로는 금속 입자 석출 효율을 더욱 더 증가시키는 결과를 가져오게 되는 장점을 갖게 된다.
한편 도 4와 같은 펄스전압이 통상의 금속 입자 제조 장치의 전해조 전극판에 인가될 때, 인가 펄스전압이 정극성에서 부극성으로 변환될 때 도 3과 같은 구성 반도체소자(Q1,Q2)에는 전극판에 충전된 전압에 의해 순간적으로 2배정도의 큰 전압(2VP)이 인가되어 반도체소자(Q1,Q2)를 파손하게 될 수도 있다. 이와 같은 반도체소자(Q1,Q2)의 파괴는 도 1의 금속 입자 제조장치가 용량성 부하(capacitive load)의 구조를 하고 있기 때문이며, 도 4의 펄스파형에서 펄스지속시간(t)이 펄스주기(T)의 1/2에 가까이 갈수록, 즉, 휴지시간(tS)이 영(zero)에 가까이 갈수록 잘 일어나게 된다. 따라서 반도체소자(Q1,Q2)의 파괴현상을 방지하기 위해서는 CP(CP=εS/d)를 감소시켜서 해결하는 방법도 있지만, 금속 입자 제조 장치의 전해조 규격(S/d)을 바꾸는 것은 현실적으로 적용이 곤란하나, 펄스 제어기술로서 해결이 가능하다. 즉 펄스전압(VP)이 정극성에서 부극성으로 변환될 때, CP에 충전된 전하(CPVP)가 충분히 방전될 수 있는 적정한 값의 휴지시간(tS)을 펄스파형에 설정해 줌으로 용이하게 해결할 수 있다. 또한, 코일(coil, 또는 inductance)이나 콘덴서(capacitor, 또는 condenser)를 이용하여 출력 펄스파형을 정형하는 방법도 있으나, 이는 전자전기공학의 회로이론의 기초이므로, 본 명세서에서의 구체적인 설명은 생략한다.
위와 같은 펄스전원은 동일 기능(function)을 가진 다른 형태의 반도체 전자소자(예, IC, 등)와, 논리회로(기능화 된 논리회로 IC, 등)와, 전자부품이나, 또는, 변압기(에, photo-coupler 대신 transformer 사용, 등) 등으로도 구현할 수 있다.
이상과 같은 장점들을 갖는 펄스전원의 파형은 구형파(square wave), 사인파(sine wave), 삼각파(triangle wave), 톱날파(sawtooth wave), 또는 맥류파(구형파나 사인파나 삼각파와 같은 정형의 파형은 아니나 이들이 서로 중첩(superimposed)되거나 또는 이들과 비슷하여 이들에 준하는 파형)와 같은 펄스파 형을 갖는 펄스전원이라면 어느 것이라도 적용할 수 있으나, 도 4와 같은 구형파가 가장 효율적이었다.
이때 통상의 금속 입자 제조 장치에 유효하게 적용할 수 있는 펄스전압(VP), 펄스전류(IP), 펄스주기(T), 펄스지속시간(t) 및 휴지시간(tS)의 크기는 각각 1.5~200,000[V], 0.01~100[A] 및 0.1~240[sec], 0.1~120[sec], 0.01~120[sec]정도이다. 그러나 요구되는 금속 입자 제조 장치의 구조나 크기나 용액의 종류나 제조 용량이나 제조 농도 등이 상이한 경우, 전술한 펄스전압(VP), 펄스전류(IP), 펄스주기(T), 펄스지속시간(t) 및 휴지시간(tS)의 범위를 더욱 축소 또는 확장하여 적용할 수 있다. 이는 통상의 상식을 가진 자도 본 명세서의 내용을 이해하면 용이하게 적용할 수 있다.
이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 회로로 구성된 펄스전원을 이용한 금속입자 제조장치의 전원공급장치와 금속입자 석출방법에 대해 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
도 1 은 통상의 용액중의 전기화학적 금속 입자 제조장치의 개요도.
도 2 는 본 발명에 따른 전원공급장치의 회로도.
도 3 은 펄스전원의 흐름을 도시한 도면.
도 4 는 바람직한 실시예에 따른 펄스전원 파형도.
도 5 는 직류전원과 펄스전원을 이용한 금속 입자 석출농도 특성 비교도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 전원공급부 20 : 펄스발생부
30 : 펄스증폭부 PT : 포토커플러

Claims (8)

  1. 직류전원을 공급하는 전원공급부;
    상기 전원공급부로부터 전원을 공급받고, 펄스형태의 전원(즉, 펄스전원)을 발생시키는 펄스발생부;
    상기 전원공급부로부터 전원을 공급받아 상기 펄스발생부로부터 입력되는 펄스전원을 증폭시켜 금속입자 제조장치의 전해조 전극판에 인가하는 펄스증폭부;를 포함하여 이루어진 펄스전원을 이용한 금속입자 제조장치의 전원공급장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 펄스발생부와 펄스증폭부를 전기적으로 분리시키면서 펄스발생부의 출력 펄스전원을 상기 펄스증폭부로 전달하는 포토커플러;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스전원을 이용한 금속입자 제조장치의 전원공급장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 펄스증폭부는 게이트단자는 상기 펄스발생부로부터 펄스전원을 입력받고, 드레인단자는 상기 전원공급부로부터 증폭 전원을 공급받고, 소스단자는 전해조의 전극판에 연결되어,
    각각 증폭된 부(negative)의 펄스전원과 양(positive)의 펄스전원을 전해조의 전극판에 인가하는 제1, 제2 절연게이트형 양극성 접합 트랜지스터(IGBT)를 포 함하는 것을 특징으로 하는 금속입자 제조장치의 전원공급장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 펄스전원은 구형파(square wave), 사인파(sine wave), 삼각파(triangle wave), 톱날파(sawtooth wave), 또는 맥류파 인 것을 특징으로 하는 금속입자 제조장치의 전원공급장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 펄스전원은 공급전력(PP), 펄스전류(IP), 펄스전압(VP), 펄스주기(T), 펄스지속시간(t) 및 휴지시간(tS)의 크기를 각각 또는 별개로, 또는, 서로 연관하여 조절하거나 제어하여 생성되는 것을 특징으로 금속입자 제조장치의 전원공급장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 펄스전원의 펄스주기(T), 펄스지속시간(t) 및 휴지시간(tS)의 크기가 각각 0.1~240[초], 0.1~120[초] 및 0.01~120[초]의 범위인 것을 특징으로 하는 금속입자 제조장치의 전원공급장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 펄스전원의 펄스전류(IP)와 펄스전압(VP)의 크기가 각각 0.01~100[A]와 1.5~200,000[V]의 범위인 것을 특징으로 하는 금속입자 제조장치의 전원공급장치.
  8. 전해조에 구비되어 있는 전극판에 펄스형태의 전원(즉, 펄스전원)을 인가하여 전해조의 용액에 상기 전극판의 금속 입자가 석출되도록 하는 것을 특징으로 하는 펄스전원을 이용한 금속입자 석출방법.
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KR1020090020997A KR20100102776A (ko) 2009-03-12 2009-03-12 펄스전원을 이용한 금속입자 제조장치의 전원공급장치 및 펄스전원을 이용한 금속입자 석출방법

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101399657B1 (ko) * 2012-11-26 2014-05-27 순천향대학교 산학협력단 양극성 가변 출력전압의 펄스형 전원공급회로
WO2015046685A1 (ko) * 2013-09-26 2015-04-02 금오공과대학교 산학협력단 비수계 전해법에 의한 팔라듐 나노입자의 제조방법

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KR101399657B1 (ko) * 2012-11-26 2014-05-27 순천향대학교 산학협력단 양극성 가변 출력전압의 펄스형 전원공급회로
WO2015046685A1 (ko) * 2013-09-26 2015-04-02 금오공과대학교 산학협력단 비수계 전해법에 의한 팔라듐 나노입자의 제조방법

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