KR20100123238A - 전기선 폭발법을 이용한 나노합금 분말 제조장치 및 나노합금 분말 제조방법 - Google Patents

전기선 폭발법을 이용한 나노합금 분말 제조장치 및 나노합금 분말 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 순간적인 고전압 및 고전류의 방전으로 폭발을 일으키는 전기선 폭발법에 의해 나노합금 분말을 제조하는 나노합금 분말 제조장치 및 나노합금 분말 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전기선 폭발법을 이용한 나노합금 분말 제조방법은, 합금분말의 최종 합금 조성비에 따른 직경을 각각 구비하는 복수 개의 금속선재를 준비하는 단계, 상기 복수 개의 금속선재를 설정된 길이만큼 이송시키는 단계, 이송된 상기 복수 개의 금속선재를 전기선 폭발법에 의해 폭발시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 전기선 폭발법을 이용하여, 각각 다른 종류의 금속선재를 합금비율에 따라 금속선재의 직경을 선택하여 나노합금분말을 제조함으로써, 다양한 합금비율의 합금 분말을 간단한 공정을 통하여 용이하고도 저렴한 비용으로 제조할 수 있다. 따라서, 종래 기술과 같이, 비용이 많이 소요되는 복잡한 생산공정 절차를 거쳐 최종 합금 조성을 가진 금속선재를 생산하거나, 금속선재에 미세한 도금층을 형성할 필요 없이, 기존에 이미 생산되고 있는 금속선재(예컨대, 직경 0.01~2mm)를 활용하여 손쉽게 나노합금 분말을 제조할 수 있다.
합금, 나노분말, 전기선, 폭발법, 피딩롤, 금속선재

Description

전기선 폭발법을 이용한 나노합금 분말 제조장치 및 나노합금 분말 제조방법{Manufacturing device of alloy nano powders and manufacturing method of alloy nano powders by electrical wire explosion}
본 발명은 순간적인 고전압 및 고전류의 방전으로 폭발을 일으키는 전기선 폭발법(electrical wire explosion)에 의해 나노합금 분말을 제조하는 나노합금 분말 제조장치 및 나노합금 분말 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 금속을 분말로 제조하기 위해서는 기계적 제조방법, 전해법에 의한 제조방법 및 화학적 제조방법 등이 있다. 그러나 상기한 제조방법에 의해 제조된 금속 분말은 입자의 크기가 커서 소결하여 사용할 경우 경도와 전기 전도성 등을 향상시키기에는 한계가 있었다. 또, 나노분말은 크기가 큰 소재에서 가지고 있지 않는 특이한 물리적 성질뿐만 아니라 넓은 표면적, 높은 물질 전달(mass transfer) 및 열 전달(thermal transfer) 등의 특성을 보인다.
그래서, 근래에는 나노분말의 특성의 이용과 전기 전도성 및 경도를 향상시키기 위해 금속 분말의 입자 크기를 더 작게 만드는 연구들이 지속적으로 이루어지고 있다. 이러한 연구 중 금속 분말의 입자 크기를 나노미터 단위로 제조할 수 있 는 전기선 폭발법이 개시된 바 있다.
전기선 폭발법은 금속에 순간적인 고전압 및 고전류를 흘려 금속을 폭발시키는 방법으로 나노미터 단위의 금속 분말을 제조하는 방법이다. 이 방법을 사용하면 쉽게 나노미터 단위의 금속 분말을 제조할 수 있다.
종래에는 원재료인 금속선재를 최종 합금 조성으로 만들어 전기선 폭발법을 적용하는 방법이 개시되어 있었다. 그러나 이 방법은 최종 합금 조성을 가진 금속선재를 제조하는 공정이 복잡하여 가격이 비싼 문제점과 취성이 강한 합금조성은 선재로 만들기 어려운 문제점이 있었다.
또 다른 종래 기술로는 순금속에 이종 금속을 전기 도금한 코팅선재를 전기선 폭발법의 원료로 사용하는 방법이 제시되어 있었다.
그러나 이 방법 또한 금속선재의 두께가 얇은 경우 도금층도 얇기 때문에 미세한 도금층 두께를 따라 합금 조성이 변할 수 있다. 즉, 도금층의 두께를 조절하기에 어려움이 있었다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 전기선 폭발법을 사용하여 용이하게 나노합금 분말을 제조할 수 있고, 또한 나노합금 분말의 합금비율을 용이하게 조절할 수 있는 나노합금 분말 제조장치 및 나노합금 분말 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기선 폭발법을 이용한 나노합금 분말 제조방법은, 전기선 폭발법을 이용하여 나노합금 분말을 제조하는 방법에 있어서합금분말의 최종 합금 조성비에 따른 직경을 각각 구비하는 복수 개의 금속선재를 준비하는 단계, 상기 복수 개의 금속선재를 설정된 길이만큼 이송시키는 단계, 이송된 상기 복수 개의 금속선재를 전기선 폭발법에 의해 기상화시킨 후 응축시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이송시키는 단계는, 이송되는 상기 복수 개의 금속선재에 직진성을 부여하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 나노합금 분말 제조장치는 전기선 폭발법을 사용하여 나노합금분말을 제조하는 장치에 있어서, 나노합금분말의 최종 합금 조성비에 따른 직경을 각각 구비하는 복수 개의 금속선재가 각각 권취되는 복수 개의 권취롤, 상기 복수 개의 권취롤에 각각 권치된 상기 금속선재를 설정된 길이만큼 메인챔버로 공급하는 공급부를 포함하며, 상기 메인챔버는 상기 공급부로부터 공급된 상기 복수 개 의 금속선재를 전기선 폭발법에 의해 기상화시킨 후 응축시켜 나노합금분말을 제조하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공급부는 상기 복수 개의 권취롤에 각각 권취된 금속선재를 한 곳으로 모아 묶음 형태로 이송시키는 공급롤, 상기 공급롤로부터 이송된 상기 금속선재에 직진성을 부여하는 스트레이트 유닛, 상기 스트레이트 유닛을 통과한 상기 금속선재를 상기 메인챔버로 공급하는 피딩롤, 그리고 상기 피딩롤을 제어하여 상기 메인챔버로 공급되는 상기 금속선재의 길이를 조절하는 제어 유닛을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전기선 폭발법을 이용하여, 각각 다른 종류의 금속선재를 합금비율에 따라 금속선재의 직경을 선택하여 나노합금 분말을 제조함으로써, 다양한 합금비율의 나노합금 분말을 간단한 공정을 통하여 용이하고도 저렴한 비용으로 제조할 수 있다.
따라서, 종래 기술과 같이, 비용이 많이 소요되는 복잡한 생산공정 절차를 거쳐 최종 합금 조성을 가진 금속선재를 생산하거나, 금속선재에 미세한 도금층을 형성할 필요 없이, 기존에 이미 생산되고 있는 금속선재(예컨대, 직경 0.01~2mm)를 활용하여 손쉽게 나노합금 분말을 제조할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라, 전기선 폭발법을 이용한 합금 분말 제조장 치를 개략적으로 도시한 구성도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따라, 전기선 폭발법을 이용한 합금 분말 제조방법을 개략적으로 도시한 구성도이다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 나노합금 분말 제조장치(100)는 금속선재(110)를 사용한다. 이 금속선재(110)는 와이어(wire) 형상으로 구리(Cu), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg) 등과 같은 금속 재료로 형성될 수 있으며, 전기 전도성을 갖는 세라믹 재료로도 형성될 수 있다.
한편, 금속선재(110)는 합금 재료에 따라 각각 선택될 수 있으며, 각각의 금속선재(110)는 전기선 폭발법에 의해 생성되는 나노합금 분말의 합금 비율에 따라 적절한 직경을 가진다.
예컨대, 구리와 니켈의 나노합금 분말을 제조할 경우, 합금비율이 구리:니켈=4:1일 때에는 구리로 형성된 금속선재의 직경을 니켈로 형성된 금속선재의 직경보다 2배가 되도록 선택하면 된다.
그리고, 합금 비율에 따라 선택된 각각의 금속선재(110)는 합금 분말 제조장치(100)에 용이하게 공급되도록 합금 재료의 종류 및 직경에 따라 각각의 권취롤(111)에 권취될 수 있다.
또한, 나노합금 분말 제조장치(100)는 메인챔버(main chamber, 130)를 포함한다. 이 메인챔버(130)는 밀폐된 용기형상으로 형성될 수 있으며, 메인챔버(130) 내부로 금속선재(110)가 공급된다. 한편, 메인챔버(130)는 메인챔버(130) 내부에 위치한 금속선재(110)에 전기가 공급될 수 있도록 구성된다.
아울러, 메인챔버(130) 내부에 위치한 금속선재(110)에 공급되는 전기는 0.5초 이내의 순간적인 고전압 및 고전류로 방전하여 금속선재(110)에 저항이 걸리게 되고, 높은 저항에너지로 인하여 기상화 된 후 응축이 일어나게 된다. 이때, 복수의 금속선재(110)가 나노 입자로 응축되고, 각각의 금속선재(110)의 기상들이 응축되는 과정에서 나노입자들로 서로 섞이게 된다.(합금화 된다.)
이후, 기상 후 응축과정을 거친 나노 입자들은 메인챔버(130)의 냉각을 거치면서 나노합금 분말이 제조된다. 이렇게 제조되는 나노합금 분말의 입자 크기는 대략 1~100nm 정도이다.
또한, 나노합금 분말 제조장치(100)는 공급부(150)를 포함한다. 이 공급부(150)는 메인챔버(130)에 금속선재(110)를 설정된 길이만큼 공급할 수 있다.
한편, 공급부(150)는 공급롤(151)을 포함할 수 있다. 이 공급롤(151)은 복수 개 구비되어 각각의 권취롤(111)에 권취된 복수의 금속선재(110)를 한 곳으로 모아 묶음 형태로 메인챔버(130)에 공급할 수 있다.
또한, 공급부(150)는 스트레이트 유닛(straight unit, 153)을 포함할 수 있다. 이 스트레이트 유닛(153)은 복수의 공급롤(151) 또는 권취롤(111)에서 공급되는 금속선재(110)에 스트레스(stress)를 주어 직진성을 갖게 할 수 있다. 즉, 금속선재(110)가 곧게 펴진 상태로 메인챔버(130)에 공급될 수 있도록 굽힘 응력을 주는 것이다. 따라서, 메인챔버(130)로 공급되는 금속선재(110)의 길이의 오차를 줄일 수 있다.
한편, 스트레이트 유닛(153)은 복수의 롤러(roller, 153a)를 지그재그로 배 열하여 금속선재(110)가 복수의 롤러(153a)들 사이를 지나면서 직진성을 가질 수 있도록 구성될 수 있다.
아울러, 공급부(150)는 피딩롤(feeding roll, 155)을 포함할 수 있다. 이 피딩롤(155)은 스트레이트 유닛(153)을 통과한 복수의 금속선재(110)를 메인챔버(130)에 공급할 수 있다. 한편, 피딩롤(155)은 서로 맞물려 돌아갈 수 있도록 한 쌍으로 구성될 수 있다. 그리고, 한 쌍의 피딩롤(155)의 마찰면 사이에는 금속선재(110)가 위치되어 피딩롤(155)의 마찰력으로 금속선재(110)를 당겨 금속선재(110)를 메인챔버(130)로 공급된다.
그리고, 공급부(150)는 제어 유닛(미도시)을 포함할 수 있다. 이 제어 유닛은 피딩롤(155)을 제어하여 메인챔버(130)에 공급되는 금속선재(110)의 길이를 조절할 수 있다.
한편, 제어 유닛은 나노합금 분말 제조장치(100)를 ON/OFF 시킬 수 있으며, 메인챔버(130)에 공급되는 전기의 전류 및 전압을 제어하도록 구성될 수 있다.
이상에서 설명한 실시예에 따른 나노합금 분말 제조장치의 각 구성간의 작용을 설명한다.
먼저, 합금비율에 따라 소정 비율의 직경을 가진 각각의 금속선재(110)를 각각의 권취롤(111)에 감아 나노합금 분말 장치(100)로 공급할 준비를 한다.
나노합금 분말 장치(100)를 작동시키면, 각각의 권취롤(111)에 감긴 금속선재(110)는 공급롤(151)을 거쳐 한 곳으로 모이게 되고, 한 곳에 모인 복수의 금속 선재(110)는 스트레이트 유닛(153)을 통과해 곧게 펴진 후, 피딩롤(155)에 의해 메인챔버(130)로 공급된다. 이때, 피딩롤(155)은 제어 유닛에 의해 제어되어 설정된 길이만큼만 각각의 금속선재(110)를 메인챔버(130)로 공급한다.
한편, 메인챔버(130)에서는 순간적인 고전압 및 고전류가 복수의 금속선재(110)에 흐르게 되고, 이로 인해 복수의 금속선재(110)가 기상화되어 응축되는 중에 합금 재료들이 서로 합쳐지면서 합금이 되며, 메인챔버(130) 내에서 기상에서 응축 과정을 거쳐 나노합금 분말이 제조된다.
이후, 다시 피딩롤(155)은 제어 유닛에 설정된 길이만큼 다시 금속선재(110)를 메인챔버(130)에 설정된 길이만큼 공급하고 폭발시킴으로써, 연속적인 방법으로 나노 분말을 제조할 수 있다.
여기서, 합금비율이 달라질 때에는 달라진 비율과 대응되는 직경의 금속선재(110)로 교체하거나 금속선재(110)의 개수를 조절하여 합금비율을 조절할 수 있다.
따라서, 다양한 나노합금 분말의 합금비율을 조절할 수 있으며, 나노합금 분말을 연속적으로 대량 생산할 수 있고, 공급되는 금속선재의 길이와 직경을 알 수 있기 때문에 제조되는 나노합금 분말의 양을 용이하게 계산할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라, 전기선 폭발법을 이용한 나노합금 분말 제조방법은 상술된 실시예의 나노합금 분말 제조장치로 나노합금 분말을 제조하는 방법으로서, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에 따른 전기선 폭발법을 이용한 나노합금 분말 제조방법은 합금비율에 따라 각각 다른 합금 재료로 복수의 금속선재(110)를 준비하는 단계를 포함한다. 또한, 나노합금 분말 제조방법은 복수의 상기 금속선재(110)를 곧게 펴는 단계를 포함할 수 있다. 이 단계에서는 복수의 금속선재(110)를 메인챔버(130)에 공급하기 전에 스트레이트 유닛(153)을 통해 금속선재(110)의 직진성을 주는 단계이다. 따라서, 메인챔버(130)에 공급되는 금속선재(110)의 길이 오차를 줄일 수 있다.
또한, 나노합금 분말 제조방법은 복수의 금속선재(110)를 설정된 길이만큼 메인챔버(130)에 공급하는 단계를 포함한다. 이 단계에서는 피딩롤(155)로 금속선재(110)의 길이 조절하여 필요로 하는 나노합금 분말의 양을 조절할 수 있다.
나노합금 분말 제조방법은 메인챔버(130)에 공급된 금속선재(110)에 전기를 방전하여 나노합금 분말을 제조하는 단계를 포함한다. 이 단계에서는 메인챔버(130)로 공급된 복수의 금속선재(110)에 순간적인 고전류 및 고전압의 전기를 방전시킴으로써, 금속선재(110)를 기상화시켜 합금시키고, 응축과정을 거쳐 최종적인 나노합금 분말을 제조한다.
한편, 이러한 단계를 거쳐 제조되는 나노합금 분말은 소결 과정을 거쳐 임의의 형상으로 만들어 사용하게 된다.
이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변 경 및 수정을 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노합금 분말 제조장치의 개략적인 구성을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 나노합금 분말 제조방법의 개략적인 구성을 나타낸 구성도이다.
<도면 주요부분에 대한 도면부호의 설명>
100: 합금 분말 제조장치 110: 금속선재
111: 권취롤 130: 메인챔버
150: 공급부 151: 공급롤
153: 스트레이트 유닛 153a: 롤러
155: 피딩롤

Claims (4)

  1. 전기선 폭발법을 이용하여 나노합금 분말을 제조하는 방법에 있어서,
    합금분말의 최종 합금 조성비에 따른 직경을 각각 구비하는 복수 개의 금속선재를 준비하는 단계,
    상기 복수 개의 금속선재를 설정된 길이만큼 이송시키는 단계,
    이송된 상기 복수 개의 금속선재를 전기선 폭발법에 의해 기상화시킨 후 응축시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노합금 분말 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이송시키는 단계는, 이송되는 상기 복수 개의 금속선재에 직진성을 부여하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노합금 분말 제조방법.
  3. 전기선 폭발법을 사용하여 나노합금 분말을 제조하는 장치에 있어서,
    나노합금 분말의 최종 합금 조성비에 따른 직경을 각각 구비하는 복수 개의 금속선재가 각각 권취되는 복수 개의 권취롤,
    상기 복수 개의 권취롤에 각각 권치된 상기 금속선재를 설정된 길이만큼 메인챔버로 공급하는 공급부
    를 포함하며,
    상기 메인챔버는 상기 공급부로부터 공급된 상기 복수 개의 금속선재를 전기선 폭발법에 의해 기상화시킨 후 응축시켜 나노합금 분말을 제조하는 것
    을 특징으로 하는 나노합금 분말 제조장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 공급부는,
    상기 복수 개의 권취롤에 각각 권취된 금속선재를 한 곳으로 모아 묶음 형태로 이송시키는 공급롤,
    상기 공급롤로부터 이송된 상기 금속선재에 직진성을 부여하는 스트레이트 유닛,
    상기 스트레이트 유닛을 통과한 상기 금속선재를 상기 메인챔버로 공급하는 피딩롤, 그리고
    상기 피딩롤을 제어하여 상기 메인챔버로 공급되는 상기 금속선재의 길이를 조절하는 제어 유닛
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노합금 분말 제조장치.
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