KR20130113091A

KR20130113091A - 상압 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20130113091A
Application number: KR1020120035398A
Authority: KR
Inventors: 이근호; 박남규; 이승현
Original assignee: 주식회사 피에스엠
Priority date: 2012-04-05
Filing date: 2012-04-05
Publication date: 2013-10-15

Abstract

처리 용기; 및 상기 처리 용기 내에 위치한 상압 플라즈마 발생 유닛을 포함하는 분말 처리장치가 개시된다. 이때, 상기 처리 용기는 분말의 입구 및 출구를 포함하는 분말 유동관을 포함한다. 상기 분말 유동관 내 중간에 상기 상압 플라즈마 발생 유닛이 배치되고, 상기 상압 플라즈마 발생 유닛을 기준으로 상기 분말 유동관이 상류부와 하류부로 한정되며, 가스 도입부가 상기 분말 유동관의 상류부에 연결되어, 상기 가스 도입부를 통해 상기 분말 유동관 내로 가스가 도입되며, 상기 상압 플라즈마 발생유닛은 상기 가스 존재 하에 플라즈마를 발생시켜 상기 분말 유동관의 하류부에서 상기 분말을 친수화 또는 소수화 처리한다.

Description

상압 플라즈마를 이용한 분말 처리 장치 및 방법{POWDER TREATING APPARATUS AND METHOD USING ATMOSPHERIC PRESSURE PLASMA}

본 발명은 상압 플라즈마를 이용한 분말 처리 기술에 관한 것이며, 친수성 또는 소수성을 갖도록 분말의 표면 특성을 변화시키는데 있어서, 상압 플라즈마를 이용하는 분말 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.

반도체 산업 등 다양한 산업 분야에서 전자 부품 등의 제조에 예컨대 세라믹 파우더와 같은, 분말이 이용되고 있다. 예컨대 세라믹 파우더와 같은 분말을 예를 들면 소결 공정 등과 같은 특정 공정을 이용하여 특정 형상을 갖는 분말 제품 또는 분말 재료로 만듦에 있어서, 친수성 또는 소수성을 갖도록 분말을 처리할 필요가 있다. 분말 재료를 친수화 또는 소수화 처리를 하는 기술은 종래에 제안된 바 있다. 그러나, 종래의 기술은 분말을 대량으로 친수화 처리하는데에는 적합하지 않았다.

벌크형 또는 시트형 분말 재료를 친수화 또는 소수화 처리하는데 플라즈마를 설비를 이용하는 기술이 알려져 있다. 이 기술은 플라즈마 챔버에 분말 재료를 정적인 상태로 유지시킨 후 그 플라즈마 챔버에서 발생한 플라즈마로 분말 재료를 처리한다. 그러나, 이 기술은 다량의 분말을 연속적으로 처리하는 것이 불가능하다.

이에 일방향을 따라 연속적으로 유동하는 분말을 연속적으로 플라즈마 처리하는 기술에 대한 접근 및 연구가 이루어졌다. 이 기술은 미세 크기의 유전체 관 외부에 대향 극성의 전극들을 설치하고, 관 내부로 분말을 유동시키면서, 관 외부의 전극에 전력을 인가함으로써 관 내부에 발생한 플라즈마로 분말을 처리한다. 그러나, 이 기술은 관 내부에 플라즈마 발생을 위해 관 내 단면적의 크기에 제한이 있으며, 따라서, 다량의 분말을 처리하기 어렵다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 다량의 분말을 투입 및 일방향으로 유동시키면서 상압 플라즈마로 표면 개질하는 처리 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일측면에 따른 분말 처리장치는, 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에 위치한 상압 플라즈마 발생 유닛을 포함한다. 상기 처리 용기는 분말의 입구 및 출구를 포함하는 분말 유동관을 포함한다. 상기 분말 유동관 내 중간에 상기 상압 플라즈마 발생 유닛이 배치된다. 상기 상압 플라즈마 발생 유닛을 기준으로 상기 분말 유동관이 상류부와 하류부로 한정된다. 가스 도입부가 상기 분말 유동관의 상류부에 연결되어, 상기 가스 도입부를 통해 상기 분말 유동관 내로 가스가 도입된다. 상기 상압 플라즈마 발생유닛은 상기 가스 존재 하에 플라즈마를 발생시켜 상기 분말 유동관의 하류부에서 상기 분말을 친수화 또는 소수화 처리한다.

일 실시예에 따라, 상기 상압 플라즈마 발생유닛은 제1 전극, 제2 전극, 그리고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 다중 배치된 유도 전극을 포함할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 상압 플라즈마 발생유닛은 상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 유도 전극을 지지하는 내부 용기를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 유도 전극은 상기 분말 유동관에 의해 지지될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따라, 분말을 상기 분말 유동관의 입구로부터 출구까지 유동시키고, 상기 분말 유동관에 가스를 도입하여 상기 분말과 상기 가스를 함께 유동시키며, 상기 분말 유동관의 중간에 설치한 플라즈마 발생 유닛의 전극들에 전력을 인가하여 플라즈마를 발생시키고, 상기 발생된 플라즈마로 상기 가스와 함께 유동하는 상기 분말을 친수화 또는 소수화 처리하는 분말 처리방법이 제공된다.

일 실시예에 따라, 상기 분말의 친수화 처리를 위해, 공기, N₂, O₂, 아르곤(Ar), 헬륨(He) 및 유기가스 중 적어도 하나를 포함하는 가스를 상기 분말 유동관 내로 도입한다.

일 실시예에 따라, 상기 분말의 소수화 처리를 위해, 불소계 가스를 포함하는 가스를 상기 분말 유동관 내로 도입한다.

본 발명에 따르면, 분말 을 연속적으로 유동시키면서 플라즈마 처리하여, 그 분말 을 친수성 또는 소수성으로 표면 개질할 수 있다. 분말이 큰 유로 단면적의 분말 유동관을 유동하면서 플라즈마에 의해 처리되므로, 다량의 분말을 처리하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분말 처리 장치를 설명하기 위한 구성도.
도 2는 도 1의 일부를 확대하여 도시한 단면도로서, 상압 플라즈마 발생유닛(20)을 설명하기 위한 도면.
도 3은 상압 플라즈마 발생유닛의 다른 하나의 실시 형태를 설명하기 위한 도면.
도 4는 상압 플라즈마 발생유닛의 다른 또 하나의 실시 형태를 설명하기 위한 도면,
도 5는 상압 플라즈마 발생유닛의 또 다른 실시 형태를 설명하기 위한 도면.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분말 처리 장치를 설명하기 위한 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 분말 처리장치(1)는, 예컨대 세라믹 파우더와 같은 분말을 친수화 또는 소수화 처리하기 위한 장치로서, 처리 용기(10)와, 상압 플라즈마 발생유닛(20)을 포함한다.

상기 처리 용기(10)는 처리 대상물인 분말의 입구(11)와 출구(12)를 포함한다. 또한, 상기 처리 용기(10)는 상기 입구(11)로부터 출구(12)로 이어지는 분말 유동관(14)을 포함한다. 분말는 상기 유동관(14)의 유로 단면적 전체에 걸쳐 상기 유동관(14)의 입구(11)로부터 출구(12)로 유동한다. 상기 유동관(14)의 일측에는 상기 분말 을 일방향으로 유동시키고 유동 속도를 제어하기 위한 기구가 더 제공될 수 있다.

상기 상압 플라즈마 발생유닛(20)은 상압 플라즈마를 발생시키기 위한 복수의 전극들을 구비한 채 상기 유동관(14) 내에 위치한다. 이때, 상기 상압 플라즈마 발생유닛(20)은 상기 유동관(14)의 유로 단면적과 거의 유사한 점유 면적을 갖는 것이 바람직하다.

상기 분말 유동관(14)은 상기 상압 플라즈마 발생유닛(20)을 기준으로 하류부(14a)와 상류부(14b)로 한정된다. 또한, 상기 분말 유동관(14)의 일측에는 가스 도입부(15)가 연결되고, 상기 가스 도입부(15)는 상기 상류부(14a)에서 상기 분말 유동관(14)과 연결된다. 상기 분말 유동관(14)은 분말 유동관(14)의 직경/폭 및 그에 따른 유로 단면적의 제한이 실질적으로 없다는 점에서 분말 을 다량 처리할 수 있는 장치의 구현을 가능하게 해준다.

분말은 상기 유동관(14)의 상류부(14a)에서 상기 가스 도입부(15)를 통해 도입된 처리 가스와 혼합되어 상기 유동관(14)의 하류부로 유동하며, 상압 플라즈마 발생유닛(20)은 상기 처리 가스 존재 하에 플라즈마를 발생시켜 상기 분말을 친수화 또는 소수화 처리된다. 플라즈마 처리된 분말은 상기 유동관(14)을 계속 흘러 유동관(14)의 출구를 통해 외부로 배출된다. 장치 내로 분말이 연속적으로 공급되면서 분말의 처리가 이루어지므로, 처리 용량이 크다.

상기 가스 도입부(15)를 통해 도입되는 가스 성분에 따라 분말에 대한 친수(親水)화 플라즈마 처리 또는 소수화 플라즈마 처리가 가능하다.

친수화 플라즈마 처리는 분말 표면에 하이드록실(Hydroxyl; -OH), 카르복실(Carboxyl; -COOH) 및 카르보닐(Carbonyl; >C=O)을 도입시킬 수 있으며, 이들은 분말의 표면 에너지를 증가시켜 접촉각을 낮추고 젖음성을 증가시키는 작용을 한다. 플라즈마에 의해 발생한 이온과 라디칼은 C-C 또는 C-H 결합을 끊는 작용을 통해 반응성을 높일 수 있다.

친수(親水)화 플라즈마 처리에 있어서, 상기 가스 도입부(15)를 통해 상기 유동관(14) 내로 공기, N₂, O₂, 아르곤(Ar), 헬륨(He) 및/또는 유기가스를 포함하는 가스가 도입된다.

소수(疏水)화 플라즈마 처리는 F-C-H 계열 등 F(불소)를 포함하는 소수(疏水)성 성분이 분말 표면을 덮어 분말을 소수(疏水)성으로 바꿔준다. 소수화 플라즈마 처리는, 예컨대, 친수화 플라즈마 처리와 실질적으로 동일한 조건 하에서 분말 유동관(14) 내로 F계열 가스를 추가하여 도입함으로써 이루어질 수 있다.

도 2는 도 1의 일부를 확대하여 도시한 단면도로서, 상압 플라즈마 발생유닛(20)을 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 상압 플라즈마 발생유닛(20)은, 제1 및 제2 전극(23a, 23b)과, 플로팅 유도전극(23c, 23d, 23e, 23f)을 포함한다. 상기 제1 및 제2 전극(23a, 23b) 및 플로팅 유도전극(23c, 23d, 23e, 23f)은 가스 진행 방향과 동일한 방향으로 물방울 형태로 수렴하는 형상을 갖는다.

상기 제2 전극(23b)은 상기 제1 전극(23a)의 측면으로부터 일정 거리 떨어져 설치되며, 상기 제1 전극(23a)과 상기 제2 전극(23b) 사이에는 전술한 플로팅(Floating) 유도전극(23c, 23d,23e, 23f)이 일정 간격으로 다중 배치된다. 상기 제1전극(23a)과 제2전극(23b)에 교류 전력이 인가되면, 분말와 혼합된 가스가 상기 전극들을 지지하는 내부 용기(21)를 통과하도록 송풍기구(22)에 송풍되어 플라즈마(24)가 발생된다. 플라즈마(24)에 의해 분말이 처리되며, 이때, 가스 성분에 따라 상기 플라즈마(24)는 분말을 친수화시키거나 또는 소수화시킬 수 있다.

본 실시예에서, 상압 플라즈마 발생유닛(20)은 상기 전극들이 설치 및 지지된 내부 용기를 별도로 포함하지만, 분말 유동관(14) 자체가 상기 전극들을 지지하는 내부 용기로서의 역할을 할 수 있다. 이 경우, 상기 상압 플라즈마 발생유닛(20)은 별도의 내부 용기를 요구하지 않는다.

다중 플로팅 유도전극에 의한 상압 플라즈마 발생유닛(20)의 동작을 설명하면, 제1전극(23a)에 고 전압이 인가되는 순간에 이웃에 있는 플로팅 유도전극(23c)은 제로 포텐샬(zero Potential)로 양단간에 고 전압 포텐샬이 형성되고 높은 전기장 상태가 됨으로 플라즈마가 방전되기 시작한다. 이와 같은 방전에 의해 플로팅 유도전극(23c)의 포텐샬은 제1전극(23a)의 포텐샬과 유사하게 높게 올라가게 되며, 다음 그 이웃의 플로팅 유도전극(23d)은 아직 제로 포텐샬 상태로, 플로팅 유도전극(23c)과 플로팅 유도전극(23d) 사이는 높은 포텐샬이 형성되고 방전이 발생하게 되며, 이런 식으로 이웃의 플로팅 유도전극으로 플라즈마가 확산하게 된다. 결국 제2전극(23b)에 플라즈마 방전이 도달하여 전체적으로 플라즈마가 발생하는 형상이 되며, 이때 작업 가스가 송풍되면 발생된 플라즈마는 전극의 곡선을 따라 글라이딩 되어 넓은 막 형태의 기다란 플라즈마를 얻을 수 있다.

도 3은 다중 플로팅 유도전극에 의한 상압 플라즈마 발생유닛의 다른 실시 형태를 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 제1전극(23a)과, 상기 제1전극(23a) 측면으로부터 일정 거리 떨어져 제2전극(23b)을 설치하고, 그 사이에 플로팅 유도전극(23c, 23d, 23e, 23f)을 일정 간격으로 하나 이상 다중 배치하고, 또한 상기 제2전극(23b) 측면으로부터 일정 거리 떨어져 제3전극(33)을 설치하고, 그 사이에 플로팅 유도전극(23g, 23h, 23i 23j)을 일정 간격으로 하나 이상 다중 배치하고, 상기 제1전극(23a)에 다이오드(32)의 한 극성을 통과한 반파 파형(35)의 전압을 인가하고, 상기 제2전극(23b)은 공통 전극으로 고압 트랜스(31)의 다른 한쪽에 연결하고, 180도 위상차를 갖도록 제3전극(33)에 다른 다이오드(37)의 다른 극성을 통과한 다른 반파 파형(36)의 전압을 인가한다.

상기와 같이 구성된 다중 플로팅 유도전극에 의한 상압 플라즈마 발생장치의 동작을 설명하면, 플라즈마가 점화(ignition) 되어 옆의 플로팅 전극으로 전이되는 것은 상기 도 2의 설명과 같고, 제1전극(23a)과 상기 제2전극(23b) 사이에 걸리는 반파 전압 파형(35) 동안에는 고압 다이오드(32)를 통하여 제1전극(23a)을 통하여 플로팅 유도전극(23c, 23d, 23e, 23f)을 통과하고 제2전극(23b)으로 전류가 흐르며 방전하여 플라즈마를 발생하고, 상기 제2 전극(23b)과 제3전극(33) 사이에 걸리는 반파 전압 파형(36) 동안에는 제2전극(23b)을 통하여 플로팅 유도전극(23g, 23h, 23i, 23j)을 통과하고 제3전극(33)을 통하여 고압 다이오드(37)로 전류가 흐르며 방전하여 플라즈마를 발생한다. 즉, 같은 전원 장치를 반파로 나누어 각 플라즈마 전극에서 플라즈마를 발생시킴으로서 두 배로 플라즈마 발생폭을 확대할 수 있는 장점이 있다.

도 4는 다중 플로팅 유도전극에 의한 상압 플라즈마 발생유닛의 다른 실시 형태를 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 다중 플로팅 유도전극에 의한 상압 플라즈마 발생유닛은 제1전극(23a)과, 제1전극(23a) 측면으로부터 일정 거리 떨어져 위치한 제2전극(23b)과, 제1 전극과 제2 전극 사이에 일정 간격으로 하나 이상 다중 배치된 플로팅 유도전극(23c, 23d, 23e, 23f)을 포함한다. 제1 전극(23a)과 제2전극(23a)에 전파 전압 파형(53)이 인가되며, 상기 전극 배열에 수직하게 자기장(42)을 인가하여 전기장 방향(51)과 자기장(42) 방향이 수직이 되어 전자기력으로 플라즈마 추진(52)이 발생하도록 구성한다. 다이오드(32)들로 브릿지 회로를 구성하여 전파 전압 파형(53)을 적용하면, 송풍이 아닌 전자기력에 의한 플라즈마 추력이 발생함으로 흔들리지 않는 깨끗한 플라즈마 발생 모습을 나타내어 안정성을 확보할 수 있다.

도 5는 다중 플로팅 유도전극에 의한 상압 플라즈마 발생유닛의 또 다른 실시 형태를 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 상압 플라즈마 발생유닛은 제1전극(23a)과, 제1전극(23a) 측면으로부터 일정 거리 떨어져 설치된 제2전극(23b)과, 그 사이에 일정 간격으로 다중 배치된 플로팅 유도전극(23c, 23d, 23e, 23f)을 포함한다. 또한, 상기 상압 플라즈마 발생유닛은 상기 제2전극(23b) 측면으로부터 일정 거리 떨어져 설치된 제3전극(33)을 포함하고, 제2 전극과 제3 전극 사이에 다른 플로팅 유도전극(23g, 23h, 23i, 23j)이 일정 간격으로 이상 다중 배치된다. 상기 제1전극(23a)에 다이오드(32)의 한 극성을 통과한 반파 파형의 전압(65)을 인가하고, 상기 제2전극(23b)은 공통 전극으로 고압 트랜스(31)의 다른 한쪽에 연결하고, 180도 위상차를 갖도록 제3전극(33)에 다른 다이오드(37)의 다른 극성을 통과한 다른 반파 파형의 전압(66)을 인가하고, 상기 전극 배열에 수직하게 자기장을 인가하여 전자기력으로 플라즈마(63)가 추진하도록 구성된다. 상기 다중 플로팅 유도전극에 의한 상압 플라즈마 발생장치의 동작을 설명하면, 플라즈마가 발생되는 형상의 설명은 앞에서 설명된 것과 같으며, 단지 송풍이 아닌 전자기력에 의한 플라즈마 추력이 발생되는 부분이 차이를 갖는다. 플라즈마 발생 폭을 두 배로 발생시키면서, 흔들리지 않는 깨끗한 플라즈마 발생 모습을 나타낼 수 있다.

Claims

처리 용기; 및
상기 처리 용기 내에 위치한 상압 플라즈마 발생 유닛을 포함하며,
상기 처리 용기는 분말의 입구 및 출구를 포함하는 분말 유동관을 포함하며,
상기 분말 유동관 내 중간에 상기 상압 플라즈마 발생 유닛이 배치되고,
상기 상압 플라즈마 발생 유닛을 기준으로 상기 분말 유동관이 상류부와 하류부로 한정되며,
가스 도입부가 상기 분말 유동관의 상류부에 연결되어, 상기 가스 도입부를 통해 상기 분말 유동관 내로 가스가 도입되며,
상기 상압 플라즈마 발생유닛은 상기 가스 존재 하에 플라즈마를 발생시켜 상기 분말 유동관의 하류부에서 상기 분말을 친수화 또는 소수화 처리하는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마를 이용한 분말 처리장치.
청구항 1에 있어서, 상기 상압 플라즈마 발생유닛은 제1 전극, 제2 전극, 그리고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 다중 배치된 유도 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마를 이용한 분말 처리장치.
청구항 2에 있어서, 상기 상압 플라즈마 발생유닛은 상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 유도 전극을 지지하는 내부 용기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마를 이용한 분말 처리장치.
청구항 2에 있어서, 상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 유도 전극은 상기 분말 유동관에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마를 이용한 분말 처리장치.
분말을 상기 분말 유동관의 입구로부터 출구까지 유동시키고,
상기 분말 유동관에 가스를 도입하여 상기 분말과 상기 가스를 함께 유동시키며,
상기 분말 유동관의 중간에 설치한 플라즈마 발생 유닛의 전극들에 전력을 인가하여 플라즈마를 발생시키고,
상기 발생된 플라즈마로 상기 가스와 함께 유동하는 상기 분말을 친수화 또는 소수화 처리하는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마를 이용한 분말 처리방법.
청구항 5에 있어서, 상기 분말의 친수화 처리를 위해, 공기, N₂, O₂, 아르곤(Ar), 헬륨(He) 및 유기가스 중 적어도 하나를 포함하는 가스를 상기 분말 유동관 내로 도입하는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마를 이용한 분말 처리방법.
청구항 5에 있어서, 상기 분말의 소수화 처리를 위해, 불소계 가스를 포함하는 가스를 상기 분말 유동관 내로 도입하는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마를 이용한 분말 처리방법.