KR20150025120A

KR20150025120A - 멀티 인젝션 rf 플라즈마 처리장치 및 rf 플라즈마 토치

Info

Publication number: KR20150025120A
Application number: KR20130102334A
Authority: KR
Inventors: 김성인; 손병구; 김병훈; 이문원; 한상근
Original assignee: 재단법인 철원플라즈마 산업기술연구원
Priority date: 2013-08-28
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2015-03-10
Also published as: KR101506243B1

Abstract

본 발명은 기존의 RF 열 플라즈마 시스템(plasma system) 운용 시 문제점이었던 단위 시간당 생산량증대 및 이종합성이 필요한 코어 쉘(Core-shell) 구조체의 제작을 용이하게 하는 멀티 인젝션 RF 플라즈마 처리장치 및 RF 플라즈마 토치에 관한 것으로 원료공급부(120); 플라즈마 토치(200) 및 반응기(300); 상기 원료공급부(120)로부터 이송되는 파우더 입자를 고온 플라즈마 온도 분포 영역에 맞추어 분사하는 적어도 두 개 또는 그 이상으로 플라즈마 토치(200)에 정렬된 멀티 인젝터(210a)(210b)들; 및 상기 멀티 인젝터(210a)(210b)들을 지지하는 지지블럭(400);과 조정수단;을 제공한다.

Description

멀티 인젝션 RF 플라즈마 처리장치 및 RF 플라즈마 토치{MULT-INJECTION TYPE RF THERMAL PLASMA PROCESSING APPARATUS AND RF THERMAL PLASMA TORCH}

본 발명은 기존의 RF(radio frequency) 열 플라즈마 시스템(plasma system) 운용 시 문제점이었던 단위 시간당 생산량증대 및 이종합성이 필요한 구조체를 포함한 코어 쉘(Core-shell) 제조를 용이하게 하는 멀티 인젝션 RF 플라즈마 처리장치 및 RF 플라즈마 토치에 관한 것이다.

나노 분말을 만드는 기존의 방법들은 생산수율, 순도와 형상 제어 등의 질적인 문제, 그리고 양산성과 경제성 등을 충분히 만족시킬 수 없었다. 열 플라즈마를 이용하는 증발-응축법은 분말의 응집을 최소화하면서 고순도를 갖는 미세 나노 분말의 제조가 가능하여 연구가 진행되었지만 여전히 수율, 에너지 등의 관리 등 해결해야될 문제가 남아 있었다.

사례를 살펴보면, RF 플라즈마 토치를 이용한 반응로를 제작하여 실험실 수준에서 100nm 미만의 나노입자 회수에 대한 수율이 5 내지 10% 미만이었고, 수율을 높이기 위해 1차 반응한 분말을 2차 반응의 전구체로 주입하는 방법을 사용하였지만 사용에너지 증가로 공정 처리비가 높아지는 문제가 있었다.

수율을 높이기 위해 RF(radio frequency) 플라즈마를 이용하는 새로운 방법이 시도되고 있으나 인가 전력에 비해 나노화 수율이 10%를 넘지 못하고 고체 전구체의 주입 방법을 개선하는 방법들도 시도되었지만 플라즈마의 안정성 문제로 생산량 제한이 따랐으며 플라즈마 생성 인가 전력을 높이면 전력대비 생산량의 효율이 낮은 것으로 평가되었다.

그렇지만 초고온의 열 플라즈마를 이용하는 미세 분말 제조 또는 이종합성에서는 나노 단위의 분말과 합성 분말을 제조할 수 있고 사용 가능한 원료 물질도 고상, 액상, 기상 물질을 선택적으로 사용하는 것도 용이한 점에 착안하여 초고온 열 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 토치, 그 중에서도 고주파 유도 결합 플라즈마 토치가 개발되었으며 균일한 나노 분말을 제조하기 위한 토치 전극에 대한 연구도 이루어졌는데 초점은 플라즈마를 균일하게 발생시키고 내구성을 향상시키는 것으로 집중되었다. 이와 관련하여 대한민국 특허출원 제10-2008-0083334호에는 열 플라즈마를 이용한 나노 복합 분말의 직접적, 연속적 합성 방법과 이를 위한 플라즈마 토치가 기재되어 있다. 플라즈마 토치와 관련하여 개량된 제안은 본 출원의 발명자에 의해 선 출원된 발명, 대한민국 특허출원 제10-2010-0079693호에 싱글 인젝션 방식의 나노 분말 제조용 RF 플라즈마 토치 전극 구조로 기재되어 있다.

이와 같은 여러 제안이 있었지만 싱글 인젝션 방식의 특성을 가지는 플라즈마 토치를 포함하는 RF 열 플라즈마 처리 시스템은 대략 200kW 이상의 대용량 파워 조건에서도 단일 원소재의 처리 용량을 충분히 확보할 수 없는 문제점이 있었다. 마찬가지로 고정형 싱글 인젝터 방식이 적용된 플라즈마 토치 구조는 대용량 파워 조건에서도 단일 원소재의 처리 용량을 충분히 확보할 수 없는 문제점이 있었다. 이를 첨부된 도면 도 1 내지 도 3을 참조하여 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 RF 열 플라즈마 처리장치의 개략도로서, RF 열 플라즈마 처리장치(10)는 일부 형식에 차이가 있으나 대체로 반응기(11), RF 전원공급부(12), 인젝터(13)가 설치된 RF 플라즈마 토치(14), ?칭가스 공급부(15), 인젝터(13)에 원료(A)를 공급하는 피더(16) 및 원료공급부(17), 반응기(11)로부터 분말을 회수하는 사이클론(18)과 필터 하우징(19) 그리고 버큠 펌프(20)를 포함하는 구성으로 된다.

도 2는 RF 열 플라즈마 처리 시스템에 적용되는 고정식 싱글 인젝션 방식의 RF 플라즈마 토치 구조로서, 고정식 싱글 인젝션 방식의 RF 플라즈마 토치(14)는 대체로 캐리어 가스로 이송되는 파우더를 반응기(11)로 분사하기 위해 수직방향으로 연장된 부분(21)을 포함하는 인젝터(13), 연장된 부분(21)을 에워 싸는 플라즈마 가스 유도관(22) 및 그 외부 하우징(23), 하우징(23)의 외부에 감겨진 유도코일(24)을 포함하며, 기타 센트럴 가스(central gas)와 유도코일(24)의 외벽에 기화된 분말이 흡착되지 않게 하는 시스 가스(sheath gas) 및 분말을 주입하고 이송하는 캐리어 가스(carrier gas) 그리고 기화 또는 용해된 분말을 급랭하는 ?칭가스(quenching gas) 등의 가스 공급 유로 들을 포함한다. 그리고, 유도코일(24)에 RF(0.5MHz ~ 4MHz) 주파수의 전원을 인가하여 하우징(23) 내부에 유도가열을 발생시켜 플라즈마를 생성하는 전원 증폭 발진 및 임피던스 정합 기구 등을 포함한다.

이러한 종래의 RF 플라즈마 토치(14)는 캐리어 가스로 이송되는 파우더를 반응기(11)로 분사하는 인젝터(13)가 고정식으로서 싱글 인젝션 방식이다. 플라즈마 생성부의 하우징(23)을 기준으로 중심부에 놓인다. 이렇게 플라즈마 소스의 중심부에 놓이면 도 3에 도시된 바와 같이 파우더 인젝터(13)는 고온의 플라즈마 영역에서 벗어난 지점에 위치한다. 즉 도 3을 참조하면 하우징(23) 내 플라즈마 온도 분포는 파우더 인젝터(13)를 중심으로 그 외곽 유도코일(24)과 가까운 외벽 부분의 온도가 가장 높게 나타난다. 적색 영역의 색도가 진할수록 고온 온도 분포 영역에 가깝다.

이에 따라 원 소재 분말을 나노 소재로 합성시 열적 용량의 부족으로 인한 시간당 생산량 한계가 발생 되었고, 고부가가치 소재인 나노 분말 소재를 양산해내지 못하는 문제점도 발생 되었으며, 코어 쉘(Core-shell) 합성시 이종합성을 제어하기 어려운 문제점이 있었다. 실제로 일부 금속 간 이종합성시 화학적(Chemical) 방법으로 합성 중이며, 미세 나노 분말 제조 또는 이종합성시 복잡한 공정 및 많은 시간을 필요로 하여 대량 생산의 어려움을 겪고 있는 실정이다.

특허문헌 1. 대한민국 특허출원 제10-2008-0083334호 특허문헌 2. 대한민국 특허출원 제10-2010-0079693호

본 발명은 전술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로 본 발명의 목적은, 소재 처리에서 RF 파워 조건에 대하여 비교적 영향을 적게 받으면서 단일 미세 나노 입자 분말 또는 이종합성 처리를 위한 충분한 용량을 확보하는 RF 플라즈마 처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 원 소재 분말을 나노 소재로 합성시 열적 용량 부족 현상을 없앨 수 있는 RF 플라즈마 처리장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 고부가가치 소재인 나노 입자 분말 소재를 양산할 수 있는 RF 플라즈마 처리장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 이종 금속 간 합성을 용이하게 제어하는 RF 플라즈마 처리장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 미세 나노 입자 분말 제조 또는 이종합성시 복잡한 공정을 단순화하고 적은 시간에 많은 양의 나노 입자 분말 또는 이종합성이 가능한 RF 플라즈마 처리장치를 제공하는 것이다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 멀티 인젝션 RF 플라즈마 처리장치는, 원료 소재 파우더를 이송하는 피더를 포함하는 원료공급부; 유도코일을 가지며 그 유도코일에 RF 주파수 전원을 인가하여 하우징 내부에 유도열을 발생시켜 플라즈마를 생성하는 플라즈마 토치 및 반응기; 상기 원료공급부로부터 이송되는 파우더 입자를 고온 플라즈마 온도 분포 영역에 맞추어 분사하는 적어도 두 개 또는 그 이상으로 플라즈마 토치에 정렬된 멀티 인젝터들; 및 상기 멀티 인젝터들을 지지하는 지지블럭;을 포함한다.

본 발명의 다른 특징은, 원료 소재 파우더를 이송하는 피더를 포함하는 원료공급부; 유도코일을 가지며 그 유도코일에 RF 주파수 전원을 인가하여 하우징 내부에 유도열을 발생시켜 플라즈마를 생성하는 플라즈마 토치 및 반응기; 상기 원료공급부로부터 이송되는 파우더 입자를 고온 플라즈마 온도 분포 영역에 맞추어 분사하는 적어도 두 개 또는 그 이상으로 플라즈마 토치에 정렬된 멀티 인젝터들; 상기 멀티 인젝터들을 지지하는 지지블럭; 상기 멀티 인젝터의 위치를 조정하는 제1 조정수단; 및 상기 지지블럭에 포함되거나 또는 지지블럭과 별개로 독립적으로 자리 잡아 개개의 인젝터들의 높이를 조정하는 제2 조정수단;을 더 포함한다.

바람직하게는, 멀티 인젝터가 하우징의 중심에서 어긋난 곳에 위치하는 멀티 인젝션 RF 플라즈마 처리장치가 제공된다.

바람직하게는, 멀티 인젝터가 플라즈마 토치의 하우징 중심을 기준으로 양 방향에 대칭적인 한 쌍으로 위치하는 멀티 인젝션 RF 플라즈마 처리장치가 제공된다.

또한, 플라즈마 토치의 하우징에 설치되는 멀티 인젝터의 종단 팁 길이는 같거나 대등한 멀티 인젝션 RF 플라즈마 처리장치를 제공한다.

바람직하게는, 멀티 인젝터가 원형 하우징의 원주상으로 180도 선상에서 마주 보는 위치에 배치된 멀티 인젝션 RF 플라즈마 처리장치가 제공된다.

바람직하게는, 멀티 인젝터가 원형 하우징의 원주상으로 120도로 등분된 곳에 위치하는 삼각 배열로 배치된 멀티 인젝션 RF 플라즈마 처리장치가 제공된다.

또한, 멀티 인젝터가 플라즈마 토치의 원형 하우징 원주상으로 90도로 등분된 곳에 위치하는 사각 배열형, 또는 72도로 등분된 곳에 위치하는 오각 배열형 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지는 멀티 인젝션 RF 플라즈마 처리장치가 제공된다.

또한, 멀티 인젝터가 플라즈마 토치의 원형 하우징에 형성되는 초고온 플라즈마 영역 범위에 위치하는 멀티 인젝션 RF 플라즈마 처리장치가 제공된다.

바람직하게는, 상기 멀티 인젝터의 위치를 조정하는 제1 조정수단은 상기 지지블럭의 상부에 결합된 이동블럭; 상기 이동블럭의 상하 이동을 안내하기 위해 상기 이동블럭을 지지블럭에 결합하는 스크류볼트;로 구성된 멀티 인젝션 RF 플라즈마 처리장치가 제공된다.

바람직하게는, 상기 제2 조정수단은 제1 조정수단의 상부에서 멀티 인젝터들의 높이를 조절하기 위하여 제1 조정수단과는 별개로 제1 조정수단의 이동블럭 상부에 또 다른 이동블럭을 결합하고 그 이동블럭을 제1 조정수단의 이동블럭측과 스크류볼트로 결합하여 멀티 인젝터들의 높이를 제1 조정수단과 별개로 조절하는 멀티 인젝션 RF 플라즈마 처리장치가 제공된다.

본 발명의 또 다른 특징은, 원료 소재 파우더를 이송하는 피더를 포함하는 원료공급부, 유도코일을 가지며 그 유도코일에 RF 주파수 전원을 인가하여 하우징 내부에 유도열을 발생시켜 플라즈마를 생성하는 반응기를 포함하는 RF 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 원료공급부로부터 이송되는 파우더 입자를 하우징 내부 고온 플라즈마 온도 분포 영역에 맞추어 분사하도록 하우징을 따라 배열된 적어도 두 개 또는 그 이상의 멀티 인젝터들; 상기 멀티 인젝터를 하우징 내부에 지지하는 지지블럭; 및 상기 멀티 인젝터들의 높이를 조정하는 조정수단;을 포함하는 RF 플라즈마 처리장치의 멀티 인젝션 플라즈마 토치가 제공된다.

또한, 멀티 인젝터가 하우징의 중심에서 어긋난 곳에 위치하는 RF 플라즈마 처리장치의 멀티 인젝션 플라즈마 토치가 제공된다.

또한, 멀티 인젝터가 플라즈마 토치의 하우징 중심을 기준으로 양 방향에 대칭적인 한 쌍으로 위치하는 RF 플라즈마 처리장치의 멀티 인젝션 플라즈마 토치가 제공된다.

또한, 플라즈마 토치의 하우징에 설치되는 멀티 인젝터의 종단 팁 길이가 서로 같거나 대등한 RF 플라즈마 처리장치의 멀티 인젝션 플라즈마 토치가 제공된다.

또한, 멀티 인젝터가 원형 하우징의 원주상으로 180도 선상에서 마주 보는 위치에 배치된 RF 플라즈마 처리장치의 멀티 인젝션 플라즈마 토치가 제공된다.

또한, 멀티 인젝터가 원형 하우징의 원주상으로 120도로 등분된 곳에 위치하는 삼각 배열이거나 90도로 등분된 곳에 위치하는 사각 배열형, 또는 72도로 등분된 곳에 위치하는 오각 배열형 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지는 RF 플라즈마 처리장치의 멀티 인젝션 플라즈마 토치가 제공된다.

또한, 멀티 인젝터가 플라즈마 토치의 원형 하우징에 형성되는 초고온 플라즈마 영역 범위에 위치하는 RF 플라즈마 처리장치의 멀티 인젝션 플라즈마 토치가 제공된다.

또한, 조정수단은, 상기 지지블럭의 상부에 결합된 이동블럭, 상기 이동블럭의 상하 이동을 안내하기 위해 상기 이동블럭을 지지블럭에 결합하는 스크류볼트로 멀티 인젝터의 위치를 조정하는 제1 조정수단; 상기 제1 조정수단의 상부에서 멀티 인젝터들의 높이를 조절하기 위하여의 이동블럭 상부에 또 다른 이동블럭을 결합하고 그 이동블럭을 제1 조정수단의 이동블럭측과 스크류볼트로 결합하여 멀티 인젝터들의 높이를 제1 조정수단과 별개로 조절하는 제2 조정수단;을 포함하는 RF 플라즈마 처리장치의 멀티 인젝션 플라즈마 토치가 제공된다.

본 발명의 실시 예에 따른 멀티 인젝션 RF 플라즈마 처리장치 그리고 RF 플라즈마 처리장치의 멀티 인젝션 플라즈마 토치는 대략 200kW 이상의 대용량 파워 조건에서도 단일 원소재의 처리 용량을 충분히 확보할 수 있는 효과가 있다.

또한, RF 플라즈마 처리장치에 위치 조절이 가능한 멀티 인젝터 라인을 플라즈마의 고온 처리 영역에 위치할 수 있게 설치하여 멀티 인젝터의 위치에 따른 나노 분말의 사이즈 조절과 단일 원 소재 처리 용량 확보로 시간당 나노 분말 생산량 증대를 도모할 수 있으며 각각 독립된 인젝터 라인으로 Core-shell 원소재를 공급하여 빠르고 간편한 공정으로 균일한 Core-shell을 합성하는 효과가 있다.

또한, 원 소재 분말을 나노 소재로 합성시 열적 용량 부족으로 인한 시간당 생산량 한계를 극복할 수 있어 고부가가치 소재인 나노 분말 소재를 대량으로 양산해낼 수 있는 효과가 있다.

또한, Core-shell 합성시 이종합성을 용이하게 제어할 수 있는 효과가 있으며 일부 금속 간 이종합성시 화학적 처리 방법을 통하지 않고 열 플라즈마 처리를 통해 복잡한 공정을 단순화하고 적은 시간으로 대량 생산이 가능한 효과가 있다.

도 1은 RF 열 플라즈마 처리 시스템의 개략도.
도 2는 RF 열 플라즈마 처리 시스템에 적용되는 종래의 고정형 싱글 인젝션 방식의 RF 플라즈마 토치 구조도.
도 3은 종래 싱글 인젝터 방식의 RF 플라즈마 토치를 중심으로 형성되는 열 플라즈마 온도 식별 영역 분포도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 RF 플라즈마 토치의 개략도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 멀티 인젝터의 배열 구조의 예로서 (a)는 멀티 인젝터의 양 방향 한 쌍 대칭 배열, (b)는 멀티 인젝터의 삼각 대칭 배열, (c)는 사각 대칭 배열의 멀티 인젝터의 배열 구조를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 RF 플라즈마 토치의 상세도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 멀티 인젝터 위치 차에 따른 원 소재의 열 플라즈마 처리 예의 비교 사진으로서 멀티 인젝터가 고온 영역에 위치하는 경우와 멀티 인젝터 위치가 고온 영역을 벗어난 위치에 위치하여 원 소재를 플라즈마 처리하여 나노 합성한 예의 SEM 비교 사진.

이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시예에 따른 멀티 인젝션 RF 플라즈마 처리장치는, 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 원료 소재 파우더를 이송하는 피더(110)를 포함하는 원료공급부(120), 유도코일(130)을 가지며 그 유도코일(130)에 RF 주파수 전원을 인가하여 하우징(140) 내부에 유도열을 발생시켜 플라즈마를 생성하는 플라즈마 토치(200) 및 반응기(300), 원료공급부(120)로부터 이송되는 파우더 입자를 고온 플라즈마 온도 분포 영역에 맞추어 분사하는 적어도 두 개 또는 그 이상으로 플라즈마 토치(200)에 정렬된 멀티 인젝터(210a)(210b)들, 멀티 인젝터(210a)(210b)들을 지지하는 지지블럭(400)을 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 인젝션 RF 플라즈마 처리장치는, 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 원료 소재 파우더를 이송하는 피더(110)를 포함하는 원료공급부(120), 유도코일(130)을 가지며 그 유도코일(130)에 RF 주파수 전원을 인가하여 하우징(140) 내부에 유도열을 발생시켜 플라즈마를 생성하는 플라즈마 토치(200) 및 반응기(300), 원료공급부(120)로부터 이송되는 파우더 입자를 고온 플라즈마 온도 분포 영역에 맞추어 분사하는 적어도 두 개 또는 그 이상으로 플라즈마 토치(200)에 정렬된 멀티 인젝터(210a)(210b)들, 멀티 인젝터(210a)(210b)들을 지지하는 지지블럭(400), 멀티 인젝터(210a)(210b) 들의 위치를 조정하는 제1 조정수단(410) 및 지지블럭(400)에 포함되거나 또는 지지블럭(400)과 별개로 독립적으로 자리 잡아 개개의 인젝터들의 높이를 조정하는 제2 조정수단(420)을 포함한다.

또한, 본 발명은 멀티 인젝터(210a)(210b)는 플라즈마 토치(200)를 구성하는 하우징(140)의 중심에서 어긋난 곳에 위치한다. 바람직하게는 멀티 인젝터(210a)(210b)가 플라즈마 토치(200)의 하우징(140) 중심을 기준으로 양 방향에 대칭적인 한 쌍으로 위치한다. 그리고, 플라즈마 토치(200)의 하우징(140)에 설치되는 멀티 인젝터(210a)(210b)의 종단 팁 길이는 같거나 대등한 정도로 유지하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 멀티 인젝터(210a)(210b)의 위치는 도 4에 도시된 바와 같이, 하우징(140)의 외벽에 놓이는 유도코일(130)과 가까운 쪽에 형성되는 초고온 열 플라즈마 열 분포 영역에 멀티 인젝터(210a)(210b)들을 위치 결정하여 세팅하는 기준이 된다. 참고로 초고온 열 플라즈마 분포 영역은 도 3에 도시된 바와 같이 하우징(140)의 외벽에 놓이는 유도코일(130)과 가까이 근접된 위치에 형성되며 본 발명에서 멀티 인젝터(210a)(210b)는 고온 영역인 'a1'과 'a2' 영역에 포함된다. 따라서, 각각의 멀티 인젝터(210a)(210b)들을 통해 분사되는 원 소재 입자는 고온 영역인 a1과 a2 영역을 대부분 경유하여 반응기로 이동함으로써 미세 나노 분말을 제조할 수 있고 미세 나노 분말의 이종합성도 가능하다.

본 발명에 따른 멀티 인젝터(210a)(210b)는 다양한 배열이 가능하다. 도 5의 (a)와 같이 원형 하우징(140)의 원주상으로 180도 선상에서 마주 보는 위치에 배치될 수 있으며, 도 5의 (b)와 같이, 원형 하우징(140)의 원주상으로 120도로 등분된 곳에 위치하는 삼각 배열로 배치될 수 있다. 또한 도 5의 (c)와 같이 원형 하우징(140) 원주상으로 90도로 등분된 곳에 위치하는 사각 배열형으로 배열될 수 있다. 또한, 도면으로 구체적으로 나타내지 않았으나 원주상으로 72도로 등분된 곳에 5개의 멀티 인젝터들을 등분 각에 위치시키는 오각 배열 구조로 배치될 수도 있다. 따라서, 멀티 인젝터(210a)(210b) 들의 수는 하우징(140)의 용적, 즉 용량에 따라 위와 같은 규칙에 따라 설치하는 인젝터의 수를 자유롭게 증설할 수 있다.

참고로, 플라즈마 토치에 파우더 입자를 분사하는 종래의 인젝터는 하우징의 중심 'S'를 통과하는 싱글 인젝터로서 실제 플라즈마가 생성되는 하우징 내부 고온 영역에 원료 파우더 입자를 집중적으로 분사하지 못하고 고온 영역을 벗어나는 위치에 파우더를 분사하고 있으며 하우징의 용적과 무관하게 싱글 인젝터을 하우징의 중심을 축으로 설치하고 있다. 이에 대하여 본 발명에 따른 멀티 인젝터(210a)(210b)들은 모두 하우징(140)의 중심 'S'를 벗어난 외곽 영역에 배치되고, 멀티 인젝터(210a)(210b)들은 플라즈마 토치(200)의 원형 하우징(140)에 형성되는 초고온 플라즈마 영역 범위에 위치하여 미세 나노 분말 처리와 이종합성 처리에 따른 양산 및 생산성을 제고하고 고품질의 미세 분말 처리 효과를 얻는다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 멀티 인젝션 RF 플라즈마 처리장치를 나타낸 것으로 멀티 인젝터(210a)(210b)의 위치는 제1 조정수단(410)과 제2 조정수단(420)을 통해 조정할 수 있도록 구성된다. 제1 조정수단(410)은 지지블럭(400)의 상부에 이동블럭(430)을 결합하고 그 이동블럭(430)의 상하 이동을 안내하기 위해 이동블럭(430)을 지지블럭(400)에 스크류볼트(440)로 결합하여 스크류볼트(440)를 회전시키는 방법으로 하우징(140) 내에서 멀티 인젝터(210a)(210b)의 상하 높이를 자유롭게 조절할 수 있다.

그리고, 제2 조정수단(420)은 제1 조정수단(410)과는 별개로 제1 조정수단(410)의 이동블럭(430) 상부에 또 다른 이동블럭(450)을 결합하고 그 이동블럭(450)을 제1 조정수단(410)의 이동블럭(430)측과 스크류볼트(460)로 결합하여 멀티 인젝터(210a)(210b)들의 높이를 제1 조정수단(410)과 별개로 조절할 수 있도록 구성된다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 RF 플라즈마 처리장치의 플라즈마 토치의 멀티 인젝션 높이 'high', 'middle' 위치에 따른 SEM 사진 비교도 이다.

SEM 사진을 비교하면, 하우징(140) 내부에 멀티 인젝터가 'high' 위치에서 균일한 나노 분말 합성이 이루어진 상태를 확인할 수 있다. 즉 나노 분말 합성 상태가 균일하면서도 입자 크기가 비교적 균일하고 안정적으로 관찰된다. 따라서, 하우징(140) 내에서 멀티 인젝터의 임의의 'high' 높이는 파우더를 플라즈마 처리하여 미세 분말 처리에 적합한 멀티 인젝터의 위치가 되므로 멀티 인젝터의 높이 결정시 이점을 참고하여 높이를 결정하고 세팅하면 된다.

이에 대하여 임의의 멀티 인젝터의 'middle' 위치는 SEM 사진으로 판독되는 것처럼 하우징(140) 내부에서 멀티 인젝터의 위치가 열 플라즈마 고온 영역을 벗어나 충분한 기화가 일어나지 못하는 위치에 놓인 경우에 해당된다. 사진을 보면 로드 형태의 분말과 큰 사이즈의 분말이 관찰된다. 이와 같이 하우징(140) 내부에 놓이는 인젝터의 높이 위치는 열 플라즈마의 고온 영역에 고르고 균일하게 접촉하는 위치에 놓일 때 인젝터를 통해 공급되는 파우더에 대한 충분한 기화를 촉진시켜 균일한 미세 나노 분말 입자나 합성을 유도할 수 있으므로 조정수단을 통해 멀티 인젝터의 높이를 최적화된 상태로 조정하여 세팅할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 멀티 인젝션 방식의 특성을 가지는 RF 플라즈마 처리 장치 또는 RF 플라즈마 토치는 인젝터의 이동이 가능하여 원소재의 고온 영역에 체류 시간을 자유롭게 조절할 수 있으므로 대용량(200kW 이상) 파워 조건에서도 단일 원소재의 처리 용량을 충분히 확보할 수 있다.

그리고, 플라즈마 중심부에 위치하는 고정식 특성을 나타내는 기존 인젝터는 고온의 플라즈마 영역에서 벗어난 지점에 있는 관계로 원소재 분말을 나노 소재로 합성시 열적 용량 부족으로 인한 시간당 생산량 한계가 있지만 본 발명에 따른 인젝터는 고온의 플라즈마 영역에 일치하는 다중 분사형 이동식의 특성을 나타내므로 충분한 열적 용량을 확보하여 시간당 생산량을 충분히 늘려줄 수 있고 고부가가치 소재인 나노 분말 소재를 양산하는 것도 가능하다. 그리고 Core-shell 합성시 이종 합성을 완벽히 제어할 수 있으므로 기존 화학적 처리 방법을 대체할 수 있고 미세 나노 분말 제조시 복잡한 공정 및 시간을 줄여 대량 생산이 가능하다.

또한 인젝터의 이동이 가능하여 원소재의 고온 영역에 체류 시간을 조절할 수 있고 고온 영역의 체류 시간을 조절하여 나노 분말의 사이즈 조절도 가능하며 독립된 두 개 이상의 원소재 인젝터 라인에 하나 이상의 소재를 투입할 수 있고 독립된 두 개 이상의 원소재 인젝터 라인 설치로 단일 원 소재 처리 용량을 개선할 수 있으며 독립된 두 개 이상의 원소재 인젝션 라인을 통하여 단일 원소재 나노 분말 생산량을 개선한다.

또한 단일 소재의 나노 분말 생산시 독립된 두 개 이상의 원소재 인젝터 라인을 통하여, 균일한 나노 분말 생산이 가능하며 기존의 RF 열 플라즈마 처리장치의 경우 원소재가 소모될 시 전체 설비중지 후 원 소재를 보충해야 했었지만 본 발명은 독립된 원소재 인젝터 라인에서 개별적으로 시스템 가동을 중지하여 원 소재 공급이 가능하며 코어 쉘 제작 시 이종 이상의 물질의 공급량을 개별로 조절하여 균일한 특성의 코어 셀 제작이 가능하다.

예를 들면, 10 ~ 500nm의 직경을 갖는 금속 실리사이드를 core로 하고 그 표면의 일부 또는 전부에 실리콘(Si)이 덮인 코어 쉘 구조로 이루어진 나노 구조체의 제작, 금속 실리사이드를 결정질(crystalline) 구조로 하거나 실리콘은 비정질 구조로 하는 나노 구조체를 제작할 수 있으며, 금속 실리사이드는, 니켈, 철, 코발트, 탄탈룸, 타이타늄, 크롬 중에서 선택된 1종 이상의 금속을 사용하여 사전 설계된 이종합성의 코어 쉘 제작도 가능하다.

본 발명은 실시 예로 한정되지 않으며 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있다. 수정과 변형이 이루어진 것은 본 발명의 기술 사상에 포함된다.

100: 멀티 인젝션 RF 플라즈마 처리장치
110: 피더
120: 원료공급부
130: 유도코일
140: 하우징
200: 플라즈마 토치
210a.210b: 인젝터
300: 반응기
400: 지지블럭
410: 제1 조정수단
420: 제2 조정수단
430: 이동블럭
440: 스크류볼트
450: 이동블럭
460: 스크류볼트

Claims

원료 소재 파우더를 이송하는 피더(110)를 포함하는 원료공급부(120); 유도코일(130)을 가지며 그 유도코일(130)에 RF 주파수 전원을 인가하여 하우징(140) 내부에 유도열을 발생시켜 플라즈마를 생성하는 플라즈마 토치(200) 및 반응기(300); 상기 원료공급부(120)로부터 이송되는 파우더 입자를 고온 플라즈마 온도 분포 영역에 맞추어 분사하는 적어도 두 개 또는 그 이상으로 플라즈마 토치(200)에 정렬된 멀티 인젝터(210a)(210b)들; 및 상기 멀티 인젝터(210a)(210b)들을 지지하는 지지블럭(400);을 포함하는 멀티 인젝션 RF 플라즈마 처리장치.
원료 소재 파우더를 이송하는 피더(110)를 포함하는 원료공급부(120); 유도코일(130)을 가지며 그 유도코일(130)에 RF 주파수 전원을 인가하여 하우징(140) 내부에 유도열을 발생시켜 플라즈마를 생성하는 플라즈마 토치(200) 및 반응기(300); 상기 원료공급부(120)로부터 이송되는 파우더 입자를 고온 플라즈마 온도 분포 영역에 맞추어 분사하는 적어도 두 개 또는 그 이상으로 플라즈마 토치(200)에 정렬된 멀티 인젝터(210a)(210b)들; 상기 멀티 인젝터(210a)(210b)들을 지지하는 지지블럭(400); 상기 멀티 인젝터(210a)(210b)의 위치를 조정하는 제1 조정수단(410); 및 상기 지지블럭(400)에 포함되거나 또는 지지블럭(400)과 별개로 독립적으로 자리 잡아 개개의 인젝터들의 높이를 조정하는 제2 조정수단(420);을 더 포함하는 멀티 인젝션 RF 플라즈마 처리장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 멀티 인젝터(210a)(210b)가 하우징(140)의 중심에서 어긋난 곳에 위치하는 멀티 인젝션 RF 플라즈마 처리장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 멀티 인젝터(210a)(210b)가 플라즈마 토치(200)의 하우징(140) 중심을 기준으로 양 방향에 대칭적인 한 쌍으로 위치하는 멀티 인젝션 RF 플라즈마 처리장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 플라즈마 토치(200)의 하우징(140)에 설치되는 멀티 인젝터(210a)(210b)의 종단 팁 길이가 같거나 대등한 멀티 인젝션 RF 플라즈마 처리장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 멀티 인젝터(210a)(210b)가 원형 하우징(140)의 원주상으로 180도 선상에서 마주 보는 위치에 배치된 멀티 인젝션 RF 플라즈마 처리장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 멀티 인젝터(210a)(210b)가 원형 하우징(140)의 원주상으로 120도로 등분된 곳에 위치하는 삼각 배열로 배치된 멀티 인젝션 RF 플라즈마 처리장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 멀티 인젝터(210a)(210b)가 플라즈마 토치(200)의 원형 하우징(140) 원주상으로 90도로 등분된 곳에 위치하는 사각 배열형, 또는 72도로 등분된 곳에 위치하는 오각 배열형 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지는 멀티 인젝션 RF 플라즈마 처리장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 멀티 인젝터(210a)(210b)가 플라즈마 토치(200)의 원형 하우징(140)에 형성되는 초고온 플라즈마 영역 범위에 위치하는 멀티 인젝션 RF 플라즈마 처리장치.
제 2 항에 있어서,
상기 멀티 인젝터(210a)(210b)의 위치를 조정하는 제1 조정수단(410)은 상기 지지블럭(400)의 상부에 결합된 이동블럭(430); 상기 이동블럭(430)의 상하 이동을 안내하기 위해 상기 이동블럭(430)을 지지블럭(400)에 결합하는 스크류볼트(440);로 구성된 멀티 인젝션 RF 플라즈마 처리장치.
제 2 항에 있어서,
상기 제2 조정수단(420)은 제1 조정수단(410)의 상부에서 멀티 인젝터(210a)(210b)들의 높이를 조절하기 위하여 제1 조정수단(410)과는 별개로 제1 조정수단(410)의 이동블럭(430) 상부에 또 다른 이동블럭(450)을 결합하고 그 이동블럭(450)을 제1 조정수단(410)의 이동블럭(430)측과 스크류볼트(460)로 결합하여 멀티 인젝터(210a)(210b)들의 높이를 제1 조정수단(410)과 별개로 조절하는 멀티 인젝션 RF 플라즈마 처리장치.
원료 소재 파우더를 이송하는 피더(110)를 포함하는 원료공급부(120); 유도코일(130)을 가지며 그 유도코일(130)에 RF 주파수 전원을 인가하여 하우징(140) 내부에 유도열을 발생시켜 플라즈마를 생성하는 반응기(300)를 포함하는 RF 플라즈마 처리장치에 있어서,
상기 원료공급부(120)로부터 이송되는 파우더 입자를 하우징(140) 내부 고온 플라즈마 온도 분포 영역에 맞추어 분사하도록 하우징(140)을 따라 배열된 적어도 두 개 또는 그 이상의 멀티 인젝터(210a)(210b)들; 상기 멀티 인젝터(210a)(210b)를 하우징(140) 내부에 지지하는 지지블럭(400); 및 상기 멀티 인젝터(210a)(210b)들의 높이를 조정하는 조정수단;을 포함하는 RF 플라즈마 처리장치의 멀티 인젝션 플라즈마 토치.
제 12 항에 있어서,
상기 멀티 인젝터(210a)(210b)가 하우징(140)의 중심에서 어긋난 곳에 위치하는 RF 플라즈마 처리장치의 멀티 인젝션 플라즈마 토치.
제 12 항에 있어서,
상기 멀티 인젝터(210a)(210b)가 플라즈마 토치(200)의 하우징(140) 중심을 기준으로 양 방향에 대칭적인 한 쌍으로 위치하는 RF 플라즈마 처리장치의 멀티 인젝션 플라즈마 토치.
제 12 항에 있어서,
상기 플라즈마 토치(200)의 하우징(140)에 설치되는 멀티 인젝터(210a)(210b)의 종단 팁 길이가 서로 같거나 대등한 RF 플라즈마 처리장치의 멀티 인젝션 플라즈마 토치.
제 12 항에 있어서,
상기 멀티 인젝터(210a)(210b)가 원형 하우징(140)의 원주상으로 180도 선상에서 마주 보는 위치에 배치된 RF 플라즈마 처리장치의 멀티 인젝션 플라즈마 토치.
제 12 항에 있어서,
상기 멀티 인젝터(210a)(210b)가 원형 하우징(140)의 원주상으로 120도로 등분된 곳에 위치하는 삼각 배열이거나 90도로 등분된 곳에 위치하는 사각 배열형, 또는 72도로 등분된 곳에 위치하는 오각 배열형 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지는 RF 플라즈마 처리장치의 멀티 인젝션 플라즈마 토치.
제 12 항에 있어서,
상기 멀티 인젝터(210a)(210b)가 플라즈마 토치(200)의 원형 하우징(140)에 형성되는 초고온 플라즈마 영역 범위에 위치하는 RF 플라즈마 처리장치의 멀티 인젝션 플라즈마 토치.
제 12 항에 있어서,
상기 조정수단은, 상기 지지블럭(400)의 상부에 결합된 이동블럭(430), 상기 이동블럭(430)의 상하 이동을 안내하기 위해 상기 이동블럭(430)을 지지블럭(400)에 결합하는 스크류볼트(440)로 멀티 인젝터(210a)(210b)의 위치를 조정하는 제1 조정수단(410);
상기 제1 조정수단(410)과는 별개로 제1 조정수단(410)의 상부에서 멀티 인젝터(210a)(210b)들의 높이를 조절하기 위하여 상기 제1 조정수단(410)과는 별개로 제1 조정수단(410)의 이동블럭(430) 상부에 또 다른 이동블럭(450)을 결합하고 그 이동블럭(450)을 제1 조정수단(410)의 이동블럭(430)측과 스크류볼트(460)로 결합하여 멀티 인젝터(210a)(210b)들의 높이를 제1 조정수단(410)과 별개로 조절하는 제2 조정수단(420);을 포함하는 RF 플라즈마 처리장치의 멀티 인젝션 플라즈마 토치.