KR20140102488A - 파우더 플라즈마 처리장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파우더 플라즈마 처리장치에 관한 것으로 더 상세하게는 마이크로 나노 미세입자의 표면처리나 코팅을 통하여 미세입자의 기능화와 양산화를 수행하는 파우더 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
본 발명은, 플라즈마 반응기(200), 나노 또는 마이크로 사이즈를 포함하는 다공성 필터로 구성된 상기 플라즈마 반응기(200)의 벽면전극(210), 파우더를 공급하는 수단(300), 및 벽면전극(210) 상에 파우더를 흡착, 플라즈마 처리하게 하는 흡착수단(400)을 포함하는 파우더 플라즈마 처리장치이다. 본 발명에 따르면, 플라즈마 반응시간을 충분하게 해줄 수 있고 미세입자의 균일한 기능화 처리 및 다양한 처리가 가능하고 양산화 조건을 충족하는 플라즈마 처리장치를 제공한다.

Description

파우더 플라즈마 처리장치{PLASMA PROCESSING SYSTEM FOR POWDER}
본 발명은 파우더 플라즈마 처리장치에 관한 것으로 더 상세하게는 마이크로 및 나노 미세입자의 표면처리나 코팅을 통하여 미세입자의 기능화를 수행하고 양산화하는 파우더 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
미세분말 소재는 정보, 전자산업, 화학의 촉매나 경량나노·친환경 소재, 에너지 분야 등 첨단 고부가가치 산업의 광범위한 분야에 널리 사용되고 있으며, 다양한 나노 분말을 대량 생산할 수 있는 기술, 나아가 나노 기능화 및 복합재료 등 이를 응용한 기술 및 상업화 연구가 활발하게 진행되고 있다.
미세입자는 입자간 거리가 매우 가까워서 입자간 발데르발스 힘(van der Waals force)이 입자 자신의 중력보다 매우 크고, 높은 표면에너지를 낮추기 위하여 상호응집이 일어나기 쉬운데, 이것은 미세입자의 고유특성을 저하시킬 뿐만 아니라 미세입자의 혼합, 분산, 코팅, 복합재료화 등 모든 분야에 걸쳐 실제 상업화에 장애가 되고 있다.
특히, 탄소계열의 미세입자들인 그래핀, 나노튜브, 나노섬유, 흑연, 카본블랙 등의 경우, 분자 간 인력이 큰 물질로서 그 자체가 매우 안정된 화학적 구조를 가지고 있어 다른 물질에 분산시켜 활용하기가 어려운 것으로 알려져 있다.
따라서, 미세입자의 표면에 기능화기를 도입하여 분산성을 향상시켜야 하는데, 현재 주로 사용되고 있는 기계적 방식(ball milling, calendering 등)과 화학반응에 의존하는 습식방식은 복잡한 공정과 낮은 생산성, 비환경적인 문제 등에 의하여 상용화에 어려움을 겪고 있다(Ma PC, Siddiqui NA, Marom G and Kim JK, composites: part A 41, pp1345, 2010).
반면에, 양산성, 환경친화성 등을 고려해볼 때, 플라즈마를 이용한 건식 처리방법이 선호되고 있는데, 이는 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 운반가스(carrier gas)를 이용하여 미세분말을 이송시키는 유동층 반응기(fluidized-bed reactor)를 이용하거나 이를 응용한 플라즈마 반응기는 균일한 기능화 처리가 가능하지만 공정조건의 조절이 어렵고 양산화에 한계가 있으며, 기계적인 교반(mechanical agitation)을 이용하는 플라즈마 반응기는 반응시간을 충분하게 해줄 수 있고 대량생산이 가능하여 일부 상업화가 이루어졌으나, 미세입자의 균일한 기능화 처리가 어렵다(Arpagus C, Sonnenfeld A and Rudolf von Rohr P, Chem. Eng. Technol.,2005, 28, No 1).
이처럼 입자의 크기가 작아질수록 3차원 미세분말의 균일한 표면처리가 기술적으로 어렵고, 처리 효과에서도 균일한 처리와 양산성을 기대하기 어려운 문제 때문에 이를 충족하기 위한 건식 처리장치는 아직 연구 단계에 머물러 있는 실정이다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 건식 분위기에서 파우더 미세입자를 균일하게 플라즈마 반응기에 흡착하고 플라즈마 반응시간 조절이 가능하여 효과적인 표면처리와 코팅이 가능한 플라즈마 처리장치를 제공하는 것이다.
본 발명은, 파우더 미세입자들을 순차적으로 플라즈마 처리하면서 적층을 유도하고 연속 처리가 가능한 플라즈마 처리장치를 제공하는 것이다.
본 발명은, 파우더 미세입자들의 균일한 적층과 동시에 플라즈마 처리가 이루어지는 플라즈마 반응기를 통해 미세입자의 처리 확률을 높일 수 있는 플라즈마 처리장치를 제공하는 것이다.
본 발명은, 플라즈마 반응기의 부피 증가를 통해 미세입자가 흡착될 수 있는 표면적을 비례적으로 증가시키고 미세입자의 균일한 기능화, 그리고 양산화가 가능한 플라즈마 처리장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 파우더 플라즈마 처리장치는,
파우더를 플라즈마 반응기를 통해 플라즈마 처리하는 파우더 플라즈마 처리장치에 있어서,
공간 부피를 갖는 챔버, 상기 챔버 공간에서 전원장치로부터 인가되는 전원으로 플라즈마를 발생하는 플라즈마 반응기;
나노 또는 마이크로 사이즈를 포함하는 다공성 필터로 구성된 상기 플라즈마 반응기의 벽면전극;
상기 플라즈마 반응기, 또는 벽면전극으로 파우더를 공급하는 파우더 공급수단;
상기 플라즈마 반응기, 또는 챔버 안의 압력을 변동시키고 이로부터 벽면전극에 파우더를 흡착, 플라즈마 처리하는 흡착수단;을 포함한다.
바람직하게는, 상기 플라즈마 반응기의 벽면전극이 다공질체 또는 다공성 메쉬로 구성된다.
바람직하게는, 상기 플라즈마 반응기의 벽면전극에 히터가 내장되거나 일체화된 것 중 어느 하나이거나 이들이 복합된 것이다.
바람직하게는, 상기 플라즈마 반응기의 벽면전극과 챔버 사이에 히터를 갖는 것이다.
또한, 본 발명의 파우더 공급수단은,
파우더 공급장치, 상기 파우더 공급장치로부터 파우더를 플라즈마 반응기로 보내도록 챔버와 상통하고 피더 밸브가 설치된 런너;
상기 런너에 설치된 히터;를 포함한다.
바람직하게는, 상기 파우더 공급수단은,
상기 파우더 공급장치로부터 공급되는 파우더가 부딪히는 충돌판을 포함한다.
또한, 본 발명의 파우더 흡착수단은,
상기 플라즈마 반응기 내부 압력을 변동시켜 벽면전극에 흡입 압력이 작용 되도록 압력을 전달하는 진공펌프;
상기 진공펌프의 펌핑 압력을 플라즈마 반응기로 인가하거나 제어하는 진공펌프 밸브, 그리고 플라즈마 반응기와 진공펌프를 연결하는 유로;를 포함한다.
또한, 본 발명은, 플라즈마 반응기에 파우더 수집부가 일체화되어 연결된다.
그리고, 파우더 수집부에는 벤트 가스가 유입되는 벤트 가스 유로가 연결되고 그 벤트 가스 유로에는 벤트 밸브가 설치되며, 상기 벤트 가스 유로는 진공펌프의 펌핑 압력을 전달하는 유로와 수집부 진공 밸브가 설치된 분기 유로를 통해 연결된다.
또한, 본 발명은, 플라즈마 반응기 주위로 외부 가스를 유입 공급하는 가스 유도로가 설치되어 절연체에 전도성 미세분말이 흡착되는 것을 제어한다.
본 발명에 따른 파우더 플라즈마 처리장치에 의하면, 플라즈마 반응기 표면에 미세입자들이 균일하게 흡착된 상태에서 플라즈마 표면처리를 수행할 수 있으므로 사이즈가 작은 나노 및 마이크로 입자의 경우도 기능화가 가능하고, 플라즈마 반응시간을 최적의 조건으로 조절할 수 있는 동시에 안정된 플라즈마 분위기에서 균일하고 효과적인 미세입자 표면처리가 가능하다.
그리고, 플라즈마 반응기의 부피를 증가시키면 미세입자가 흡착될 수 있는 표면적이 비례하여 증가하므로 미세입자의 기능화를 균일하게 이룰 수 있고 경제적인 양산화가 가능한 효과가 있다.
그리고, 기상상태의 모노모를 파우더 미세입자와 동시에 플라즈마 반응기 내에 주입하거나 나중에 주입함으로서 파우더 미세입자 표면에 대하여 플라즈마 중합을 이용한 코팅 막 형성이 가능하다.
그리고, 광범위한 분야에 사용되는 다양한 나노 분말을 대량 생산할 수 있으며, 미세분말의 나노 기능화 및 복합재료를 다양한 형태로 양산하여 상업화할 수 있으며 미세분말을 간단화된 공정과 높은 생산성, 그리고 환경친화적인 기능화 처리가 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 파우더 플라즈마 처리장치의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 반응기의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 플라즈마 반응기 구성 예이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 플라즈마 반응기 구성 예이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 도면을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 파우더 플라즈마 처리장치는 도 1의 개략도에 나타낸 바와 같다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 파우더 공급장치(100)로부터 공급되는 파우더를 플라즈마(240)를 발생하는 플라즈마 반응기(200)를 통해 플라즈마 처리하도록 구성된다.
본 발명의 주요 부분은, 공간 부피를 갖는 챔버(110), 상기 챔버(110) 공간에서 전원장치(120)로부터 인가되는 전원으로 플라즈마를 생성하는 벽면전극(210)을 포함하는 플라즈마 반응기(200)로 구성된다.
그리고, 플라즈마 반응기(200)에서 전극은 나노 또는 마이크로 사이즈의 다공성 필터로 구성된 벽면전극(210)으로 구성된다. 나노 또는 마이크로 사이즈 단위의 다공성 필터로 벽면전극(210)을 처리하는 이유는 작업 가스는 통과하여 배기되고 작업 가스의 파우더 이송에 의해 파우더는 다공성 벽면전극(210)에 흡착되도록 하기 위함이다.
그리고, 플라즈마 반응기(200), 또는 벽면전극(210)으로 파우더를 공급하는 파우더 공급수단(300)이 구성된다. 파우더 공급수단(300)은 파우더를 플라즈마 반응 처리할 수 있도록 파우더를 플라즈마 반응기(200)에 효과적으로 공급하기 위한 장치이다.
그리고, 플라즈마 반응기(200), 또는 챔버(110) 안의 압력을 변동시키고 이로부터 벽면전극(210) 상에 파우더를 흡착, 플라즈마 처리하는 파우더 흡착수단(400)이 구성된다. 파우더 흡착수단(400)은 파우더는 플라즈마 반응기(200)에 벽면전극(210) 표면에 흡착시켜 파우더를 효과적으로 플라즈마 처리할 수 있도록 유도하는 장치이다.
본 발명에 따른 파우더 플라즈마 처리장치의 보다 구체적인 구성을 도면 도 1 내지 도 4를 참고하여 설명하면 다음과 같다.
플라즈마 반응기(200)의 벽면전극(210)은 내열성 다공질체 또는 다공성 메쉬로 구성하는 것이 바람직하다. 다공질체 또는 다공성 메쉬는 나노 또는 마이크로 단위 사이즈로 가공되어 파우더를 표면에 흡착 포집한 상태가 유지되도록 한다. 열 변형이 적은 재료를 선택하여 제작하는 것이 바람직하다.
도면 도 2는 플라즈마 반응기(200) 내부에 흡입 압력 V가 작용 되는 조건에서 벽면전극(210) 표면에 파우더가 흡착된 적층 상태이다. 플라즈마 반응기(200)의 벽면전극(210)은 표면적 전부를 흡착 영역으로 포함하거나, 적어도 어느 한 부분, 또는 그 이상의 부분을 비 흡착 영역으로 포함할 수 있다. 도면 도 2는 벽면전극(210)의 표면적 전부가 흡착 영역으로 포함된 예이다.
또한, 플라즈마 반응기(200)의 벽면전극(210)은 히터(220)가 내장되거나 일체화된 것 중 어느 하나이거나 이들이 복합된 것을 모두 포함할 수 있다. 도면 도 3은 다공성 필터로 되는 벽면전극(210) 두께 상에 히터(220)가 내장형으로 분산 배열된 예를 나타낸 것이다. 그리고, 플라즈마 반응기(200) 내부에 흡입 압력 V가 작용 되는 조건에서 벽면전극(210) 표면에 파우더가 흡착 적층된 상태이고, 플라즈마 반응기(200)의 벽면전극(210) 표면적 전부가 흡착 영역으로 포함된 예이며, 벽면전극(210)에 내장형으로 설치된 히터(220)에 의해 파우더 미세입자를 직접 가열할 수 있게 설계된 구조이다.
또한, 플라즈마 반응기(200)의 벽면전극(210)과 챔버(110) 사이에 히터(220)를 배열하여 구성될 수 있다. 도면 도 4는 다공성 필터로 되는 벽면전극(210)의 외부로 일정한 간격을 두고 떨어져 챔버(110) 사이에 히터(220)가 배열된 예를 나타낸 것이다. 그리고, 플라즈마 반응기(200) 내부에 흡입 압력 V가 작용 되는 조건에서 벽면전극(210) 표면에 파우더가 흡착 적층된 상태이고, 플라즈마 반응기(200)의 벽면전극(210) 표면적 전부가 흡착 영역으로 포함된 예이며, 챔버(110)와 벽면전극(210) 사이에 설치된 히터(220)에 의해 파우더 미세입자를 직접 가열할 수 있게 설계된 구조이다.
도면 도 2 내지 도 4와 같이 본 발명에 따른 플라즈마 반응기(200)의 벽면전극(210)은 히터(220)의 배열, 그리고 흡착 영역 배열에 따른 구조적 차이가 있을 수 있다. 그러나, 공통적으로 수 나노에서 수백 마이크로 사이즈 또는 미세입자를 흡착하기 위한 적절한 사이즈의 다공성 필터로 구성되어 있으며, 진공펌프(400)에 의해 발생 되는 흡입 압력 V에 의하여 파우더의 미세입자를 벽면전극(210)에 흡착할 수는 있으나 통과하지 못하도록 되어 있고, 다공성 필터의 벽면전극(210)에 파우더 미세입자를 균일하게 흡착 적층 시키면서 흡착되는 파우더 미세입자에 대한 플라즈마(240) 표면처리 및 코팅을 동시에 수행한다.
그리고, 플라즈마에 의해 표면처리 또는 코팅이 완료된 파우더를 가스로 가압하여 미세분말을 다공성 필터 벽면전극(210)으로부터 털어내고 파우더 수집부(500)를 통해 바로 포집할 수 있는 구조이다.
또한, 파우더 공급수단(300)은, 파우더 공급장치(100)로부터 파우더를 플라즈마 반응기(200)로 보내도록 챔버(110)와 상통하고 피더 밸브(310)가 설치된 런너(320)와 이 런너(320)에 설치된 히터(330)를 포함하는 구성으로 이루어질 수 있다. 이렇게 런너(320)에 설치된 히터(330)는 플라즈마 반응기(200)로 주입되는 파우더에 열을 가해 수분 등에 의해 뭉친 분말을 먼저 건조시켜 분쇄 작용이 쉽게 일어나게 하고 이를 통해 플라즈마 반응기(200) 안에서 분산과 확산을 유도하여 벽면전극(210)의 고른 영역에 흡착 되도록 한다.
그리고, 파우더 공급수단(300)은 파우더 공급장치(100)로부터 공급되는 파우더가 플라즈마 반응기(200)에 도달하기 전에 먼저 부딪혀 충돌을 일으키는 충돌판(340)을 포함할 수 있다. 충돌판(340)은 런너(320)를 통과하여 플라즈마 반응기(200)로 이동하는 파우더의 충돌을 유도하여 파우더 입자를 분쇄하고 이를 통해 파우더 입자들이 분산되어 균일하고 고르게 다공성 필터 벽면전극(210)에 흡착될 수 있도록 한다. 히터(330)에 의해 건조된 파우더는 그렇지 않은 것에 비해 분산성이 좋다.
충돌판(340)은 챔버(110)의 내부, 플라즈마 반응기(200)의 벽면전극(210)의 외측부, 그리고, 파우더를 공급하는 런너(320)의 출구 부분에 설치하면 파우더가 플라즈마 반응기(200)에 도달하기 전에 항상 충돌을 일으킬 수 있다. 도면 도 1에는 런너(320)의 종단부 근처에 충돌판(340)을 설치한 예로 나타나 있으며, 충돌 후 파우더 분산이 빠르게 일어나도록 상부를 향하여 비스듬히 각도가 벌어져 기울어진 상태로 설치되어 있다.
또한, 파우더 흡착수단(400)은, 플라즈마 반응기(200) 내부 압력을 변동시켜 벽면전극(210)에 흡입 압력이 작용 되도록 압력을 전달하는 진공펌프(410), 진공펌프(410)의 펌핑 압력을 플라즈마 반응기(200)로 인가하거나 제어하는 진공펌프 밸브(420), 그리고 플라즈마 반응기(200)와 진공펌프(410)를 연결하는 유로(430)를 포함하는 구성으로 이루어진다. 도 2 내지 도 4에는 진공펌프(410)의 펌핑 압력이 플라즈마 반응기(200) 내부에 흡입 압력 V를 발생시키는 예로 나타나 있다.
또한, 파우더가 벽면전극(210)에 흡착되는 메카니즘은 흡입 압력 V에 의한 압력 차이로 흡착되는 원리와, 플라즈마 내에서 포텐샬 차이가 발생하고 파우더가 플라즈마에 의해 하전을 띄면 정전기 현상에 의해 정전기적 흡착 메카니즘이 존재하는 것에 따른다.
또한, 유로(430)는 전극과 접지 사이에 절연을 유지하기 위하여 절연성능을 갖는 절연관으로 구성하는 것이 바람직하다. 그리고, 유로(430)가 연결되는 전극관(130)은 금속관 유로로 전기를 통하며 가스가 유동할 수 있는 관으로 구성되며, 전극관(130)과 챔버(110)의 절연을 위해 전극관(130) 주위를 절연체(140)로 처리하여 전기 절연을 확보한다. 그리고, 전극관(130)과 벽면전극(210)은 전기적으로 연결되어 있다. 또한 전극관(130)에 전원장치(120)의 전기선이 연결되어 있다.
그리고, 전극관(130)에는 역 압력을 가하여 플라즈마 반응기(200) 내부 진공, 즉 흡입 압력 V를 유지하거나 해제하기 위하여 역 압력 유입을 통제하는 역 압력 밸브(440)가 설치된다. 도 1에는 유로(430)로부터 연장된 역 압력 유입구를 두어 역 압력 밸브(440)를 설치한 예가 나타나 있다. 여기서, 화살표 방향 표시 'c'는 배기이고, 화살표 방향 표시 'd'는 역 압력 인입을 나타낸다.
또한, 플라즈마 반응기(200)에는 파우더 수집부(500)가 개폐 밸브(510)를 통해 일체화되어 연결 구성된다. 상기 플라즈마 반응기(200)와 파우더 수집부(500) 일체화 구조를 통해서 플라즈마를 통한 표면처리 및 코팅이 완료된 파우더 미세분말을 개폐 밸브(510)를 열고 플라즈마 반응기(200)의 벽면전극(210)에서 털어낸 후 바로 파우더 수집부(500)에서 회수할 수 있다. 도면 도 1에는 플라즈마 반응기(200)에 파우더 수집부(500)가 개폐 밸브(510)로 일체화되어 연결된 구성이 나타나 있다.
또한, 파우더 수집부(500)에는 벤트 가스 'e'가 유입되는 벤트 가스 유로(520)가 연결되고 그 벤트 가스 유로(520)에는 벤트 밸브(530)가 설치되며 그 벤트 가스 유로(520)에는 진공펌프(410)의 펌핑 압력을 전달하는 유로(430)와 수집부 진공 밸브(540)가 설치된 분기 유로(550)를 통해 연결 구성된다.
또한, 플라즈마 반응기(200) 주위로 외부 가스를 유입하여 공급하는 가스 유도로(230)가 설치되어 구성된다. 여기서, 화살표 방향 표시 'b'는 외부로부터 공급되는 신선한 가스로서 가스 유도로(230)를 통해 절연체(140) 주위로 신선한 가스를 공급하여 전도성 미세분말이 절연체(140) 주변부로 흡착되는 현상을 억제하도록 구성하여 전기 절연이 유지되도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 파우더 플라즈마 처리장치는, 도면에 구체적으로 나타내지 않았으나 플라즈마 중합을 이용한 박막코팅에서 액상 모노모를 주입하는 버블러(bubbler)를 장착할 수 있으며, O2, N2, NH3, CF4, 유기물 등을 포함하는 전구체(Precusors)를 주입하여 파우더 표면의 작용기나 박막의 물성을 제어하여 파우더 표면에 플라즈마-CVD를 수행하는 구성을 선택적으로 포함할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 파우더 플라즈마 처리장치의 작용을 도면 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 파우더 플라즈마 처리장치에 따르면, 플라즈마 처리를 위한 파우더 인입, 그리고 파우더의 플라즈마 처리는 다음과 같이 수행된다.
파우더 공급장치(100)에 저장된 파우더는 도면 도 1의 화살표 표시 방향인 'a' 방향으로 런너(320)를 통해 고속으로 플라즈마 반응기(200)로 보내진다. 진공펌프(410)가 작동하면 플라즈마 반응기(200) 내부는 흡입 압력 V가 형성되고 그 압력으로 파우더가 플라즈마 반응기(200) 안으로 빨려 들어가거나 아니면 파우더 공급장치(100) 자체적으로 파우더를 가압하여 이동시킬 수 있다.
파우더 공급수단(300)의 런너(320)에 설치된 히터(330)는 파우더를 건조하여 플라즈마 반응기(200)로 보내는데 히터(330)가 설치된 런너(320)를 통과하면 수분 등에 의해 뭉쳐져 있는 파우더를 건조하여 뭉쳐진 파우더가 잘게 분쇄될 수 있도록 해준다. 런너(320)를 빠져나가는 파우더는 바로 플라즈마 반응기(200)에 이르지 못하고 다시 충돌판(340)에 부딪힌다. 뭉쳐진 파우더는 고속으로 충돌판(340)과 충돌하면서 뭉쳐진 파우더를 원래 입자 상태로 잘게 쪼개 뜨려 분산되면서 플라즈마 반응기(200)의 벽면전극(210) 원주면 표면적에 고른 분포로 흡착된다.
파우더를 플라즈마 처리하기 위해 플라즈마 반응기(200)로 보내는 과정에서 신선한 외부 가스'b'를 가스 유도로(230)를 통해 주입하여 전극관(130)을 둘러싼 절연체(140)에 전도성 파우더가 달라붙지 않도록 함으로서 전기 절연이 유지되도록 하고 안정적인 플라즈마가 유지되도록 한다.
파우더 플라즈마 처리 중에서는 파우더 공급장치(100)가 작동하고, 히터(330)가 작동하며, 진공펌프(410)가 작동하고, 전원장치(120)가 각각 작동하여 파우더의 플라즈마 처리가 수행된다. 이때 열리는 밸브들은 파우더를 플라즈마 반응기(200) 안으로 주입하는 런너(320)에 설치된 피더 밸브(310), 진공펌프(410)의 흡입력이 플라즈마 반응기(200)의 흡입 압력 V를 형성하도록 유로(430)에 설치된 진공펌프 밸브(420), 플라즈마 반응기(200)와 파우더 수집부(500)를 연결하는 개폐 밸브(510)이고, 나머지 밸브들은 닫힘 상태가 유지된다.
파우더 플라즈마 처리 과정에서 연속적으로 히터(330)가 설치된 런너(320) 그리고 충돌판(340)을 거치면서 유입되는 파우더는 플라즈마 반응기(200)의 벽면전극(210) 표면에 진공펌프(410)의 흡입 압력 V에 의해 흡착되면서 연속적으로 플라즈마 처리되고 어느 정도 파우더가 벽면전극(210)에 싸이면 플라즈마 처리를 중단하고 파우더 수거 운전으로 전환된다. 플라즈마 반응시간은 플라즈마 처리하는 파우더의 성분과 처리 목적 등에 따라 자유롭게 정하여 조절할 수 있다.
플라즈마 반응기(200)는 진공펌프(410)에 의한 흡입 압력 V의 작용으로 흡착형의 특성을 나타낸다. 수 나노에서 수백 마이크로 사이즈의 다공성 필터로 벽면전극(210)을 구성할 수 있다. 표면적의 부피를 사양과 처리 용량에 따라 자유롭게 설계하는 것도 가능하며, 메쉬형 부재를 벽면전극(210)으로 선택하여 적용할 수 있다.
플라즈마 반응기(200)는 진공펌프(410)에 의해 발생된 흡입 압력 V에 의하여 파우더 미세입자를 벽면전극(210) 표면적에 흡착하지만 통과시키지 않으며, 잘게 분쇄된 파우더는 벽면전극(210)에 균일하게 적층이 이루어지는 동시에 플라즈마(240)에 의하여 벽면전극(210) 표면에 흡착된 파우더 미세입자의 표면처리 또는 코팅을 선택적으로 처리한다.
플라즈마 반응기(200)는 도 3에 나타낸 바와 같이 다공성 필터 벽면전극(210)에 히터(220)를 매입한 내장형으로 설치하거나, 도 4에 나타낸 바와 같이 다공성 필터 벽면전극(210)과 챔버(110) 사이에 히터(220)를 배치하여 벽면전극(210) 또는 그 주변부에 열을 공급할 수 있도록 함으로서 파우더 미세입자에 대한 표면처리 및 코팅에서 파우더 미세입자를 가열할 수 있고 이를 통해 파우더 미세입자에 대한 표면처리와 코팅 처리에 대한 효율을 높일 수 있다.
그리고, 표면처리 및 코팅이 완료된 후에는 고압 가스로 가압하여 미세분말을 다공성 필터 벽면전극(210)에서 털어내고 별도의 회수장비 없이 바로 파우더 수집부(500)를 통해 회수할 수 있으므로 파우더를 쉽고 빠르게 경제적으로 회수한다.
본 발명에 따른 흡착형 플라즈마 반응기(200)는 플라즈마 중합을 이용한 파우더 미세분말의 박막코팅 시 액상 모노모를 주입시킬 수 있는 버블러(미도시)를 장착하고, 다양한 반응성 가스(O2, N2, NH3, CF4, 다양한 Precusors 등)를 주입하여 표면의 작용기나 박막의 물성을 제어할 수 있으므로 파우더 표면에 대한 플라즈마-CVD를 자유롭게 수행할 수도 있다.
한편, 본 발명에 따른 파우더 플라즈마 처리장치는 파우더 플라즈마 처리 완료 후 파우더의 회수 처리를 다음과 같이 수행한다.
파우더 공급장치(100)와 전원 장치(120)의 작동을 멈추면 플라즈마 처리도 멈춘다. 이때 닫히는 밸브들은 런너(320)측 피더 밸브(310), 플라즈마 반응기(200)와 파우더 수집부(500) 사이에 설치된 개폐밸브(510), 분기 유로(550)에 설치된 수집부 진공 밸브(540), 유로(430)에 설치된 역 압력 밸브(440) 들이다.
열리는 밸브들은 진공펌프 밸브(420), 벤트 밸브(530)로서 파우더 수집부(500) 안을 대기압 상태로 만든다. 이때 파우더 수집부(500)에 모인 파우더들은 플라즈마 처리를 제대로 거치지 않은 파우더들이다. 즉 벽면전극(210)에 붙지 않아 플라즈마 처리가 불확실한 상태로 떨어진 파우더들로서 분리 수거하여 버린 후 다시 파우더 수집부(500)를 플라즈마 반응기(200)에 부착한다.
그 다음, 벤트 밸브(530)와 진공펌프 밸브(420)를 닫고, 수집부 진공 밸브(540)을 열어 파우더 수집부(500) 안을 진공으로 만들어 챔버(110) 내부의 압력이 같아지면, 개폐 밸브(510)를 열고, 수집부 진공 밸브(540)를 닫는다. 다음, 역 압력 밸브(440)를 열어 순간 역 압력 가스 'd'가 유로(430)를 따라 벽면전극(210) 안쪽으로 유입되어 상대적으로 높은 압력으로 플라즈마 반응기(200)의 벽면전극(210)에 붙어 있는 파우더를 챔버(110) 쪽으로 털어낸다. 털려지는 파우더는 파우더 수집부(500) 안으로 떨어지고, 떨어진 파우더를 수거함으로서 플라즈마 처리가 완료된 파우더를 선별적으로 수득한다.
본 발명에 따른 플라즈마 반응기(200)에 의하면, 벽면전극(210) 표면에 파우더 미세입자들을 균일하게 흡착한 상태에서 플라즈마 표면 처리를 수행하도록 함으로서 사이즈가 작은 나노입자 또는 마이크로 사이즈 미세입자 파우더의 경우도 기능화가 가능하다.
또한, 파우더가 흡착되는 타겟인 벽면전극(210)을 통해 균일하게 파우더를 흡착하고 그 흡착 상태를 지속시킬 수 있으므로 최적의 조건으로 플라즈마 반응시간을 자유롭게 조절하여 균일하고 효과적인 미세입자의 표면처리가 가능하다.
또한, 기상상태의 모노모를 파우더 미세입자와 동시에 플라즈마 반응기(200) 에 주입하거나 나중에 주입하여 미세입자의 표면에 플라즈마 중합을 이용한 박막 코팅 처리도 가능하다.
또한, 플라즈마 반응기는 벽면전극(210)의 부피를 증가시키면 미세입자가 흡착될 수 있는 표면적을 비례적으로 증가시킬 수 있으므로 미세입자의 기능화를 균일하게 이룰 수 있고 플라즈마 표면처리 또는 코팅 처리된 고품질 파우더의 양산화가 가능하다. 그리고, 경제적으로 파우더를 처리하고 회수할 수 있다.
본 발명의 파우더 플라즈마 처리장치에 따르면, 정보, 전자산업, 화학의 촉매나 경량나노·친환경 소재, 에너지 분야 등 광범위한 산업 분야에 사용되는 다양한 나노 분말을 대량 생산할 수 있으며, 나노 기능화 및 복합재료를 다양한 형태로 양산하여 상업화할 수 있다. 특히, 분자간 인력이 큰 물질로 분류되는 탄소계열의 미세입자들인 그래핀, 나노튜브, 나노섬유, 흑연, 카본블랙 등을 다른 물질에 분산시켜 활용할 수 있는 기능화기로 처리 가능하고 간단화된 공정과 높은 생산성, 환경친화적인 기능화 처리가 가능하다.
본 발명은 실시예로 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고 수정과 변형이 이루어진 것도 본 발명의 기술 사상에 포함된다.
100: 파우더 공급장치
110: 챔버
120: 전원장치
130: 전극관
140: 절연체
200: 플라즈마 반응기
210: 벽면전극
220: 히터
230: 가스 유도로
240: 플라즈마
300: 파우더 공급수단
310: 피더 밸브
320: 런너
330: 히터
340: 충돌판
400: 파우더 흡착수단
410: 진공펌프
420: 진공펌프 밸브
430: 유로
440: 역 압력 밸브
500: 파우더 수집부
510: 개폐 밸브
520: 벤트 가스 유로
530: 벤트 밸브
540: 수집부 진공 밸브
550: 분기 유로

Claims (16)

  1. 파우더를 플라즈마 반응기(200)를 통해 플라즈마 처리하는 파우더 플라즈마 처리장치에 있어서,
    공간 부피를 갖는 챔버(110), 상기 챔버(110) 공간에서 전원장치(120)로부터 인가되는 전원으로 플라즈마를 생성하는 플라즈마 반응기(200);
    나노 또는 마이크로 사이즈를 포함하는 다공성 필터로 구성된 상기 플라즈마 반응기(200)의 벽면전극(210);
    상기 플라즈마 반응기(200), 또는 벽면전극(210)으로 파우더를 공급하는 파우더 공급수단(300); 및
    상기 플라즈마 반응기(200), 또는 챔버(110) 안의 압력을 변동시키고 이로부터 벽면전극(210)에 파우더를 흡착, 플라즈마 처리하게 하는 흡착수단(400);을 포함하는 파우더 플라즈마 처리장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응기(200)의 벽면전극(210)이 다공질체 또는 다공성 메쉬 로 구성된 파우더 플라즈마 처리장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응기(200)의 벽면전극(210)은 표면적 전부를 흡착 영역으로 포함하거나, 또는 어느 한 부분 또는 그 이상의 부분을 비 흡착 영역으로 포함하는 파우더 플라즈마 처리장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응기(200)의 벽면전극(210)에 히터(220)가 내장되거나 일체화된 것 중 어느 하나이거나 이들이 복합된 것을 모두 포함하는 파우더 플라즈마 처리장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응기(200)의 벽면전극(210)과 챔버(110) 사이에 히터(220)를 갖는 파우더 플라즈마 처리 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 파우더 공급수단(300)은,
    파우더 공급장치(100), 상기 파우더 공급장치(100)로부터 파우더를 플라즈마 반응기(200)로 보내도록 챔버(110)와 상통하고 피더 밸브(310)가 설치된 런너(320);
    상기 런너(320)에 설치된 히터(330);를 포함하는 파우더 플라즈마 처리장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 파우더 공급수단(300)은,
    상기 파우더 공급장치(100)로부터 공급되는 파우더가 부딪히는 충돌판(340)을 포함하는 파우더 플라즈마 처리장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 파우더 런너(320)의 종단에 파우더가 부딪히는 충돌판(340)이 설치된 파우더 플라즈마 처리장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 파우더 흡착수단(400)은,
    상기 플라즈마 반응기(200) 내부 압력을 변동시켜 벽면전극(210)에 흡입 압력이 작용 되도록 압력을 전달하는 진공펌프(410);
    상기 진공펌프(410)의 펌핑 압력을 플라즈마 반응기(200)로 인가하거나 제어하는 진공펌프 밸브(420); 그리고 상기 플라즈마 반응기(200)와 진공펌프(410)를 연결하는 유로(430);를 포함하는 파우더 플라즈마 처리장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 유로(430)는 절연관으로 이루어지고, 전극관(130)으로 연결된 파우더 플라즈마 처리장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 유로(430)에 역 압력을 가하여 플라즈마 반응기(200) 내부 진공을 해제하는 역 압력 밸브(440);를 포함하는 파우더 플라즈마 처리장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응기(200)에 파우더 수집부(500)가 일체화되어 연결된 파우더 플라즈마 처리장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응기(200)와 파우더 수집부(500) 사이에 개폐 밸브(510)가 설치된 파우더 플라즈마 퍼리장치.
  14. 제 9 항 내지 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파우더 수집부(500)에는 벤트 가스가 유입되는 벤트 가스 유로(520)가 연결되고 그 벤트 가스 유로(520)에는 벤트 밸브(530)가 설치되며,
    상기 벤트 가스 유로(520)는 진공펌프(410)의 펌핑 압력을 전달하는 유로(430)와 수집부 진공 밸브(540)가 설치된 분기 유로(550)를 통해 연결된 파우더 플라즈마 처리장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응기(200) 주위로 외부 가스를 유입 공급하는 가스 유도로(230)가 설치되어 절연체(140)에 전도성 미세분말이 흡착되는 것을 제어하는 파우더 플라즈마 처리장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 파우더 플라즈마 처리장치는,
    플라즈마 중합을 이용한 박막코팅에서 액상 모노모를 주입하는 버블러(bubbler)가 장착된 구성을 포함하며,
    O2, N2, NH3, CF4, 전구체(Precusors) 중 하나 이상을 주입하여 파우더 표면의 작용기나 박막의 물성을 제어하여 파우더 표면에 플라즈마-CVD를 수행하는 파우더 플라즈마 처리장치.
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