KR20170055046A - 카트리지형의 포집유닛을 이용한 나노입자 제조장치 - Google Patents

카트리지형의 포집유닛을 이용한 나노입자 제조장치 Download PDF

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Abstract

포집성능이 우수한 카트리지형의 포집유닛을 이용한 나노입자 제조장치에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 나노입자 제조장치는 ICP(Inductive Coupled Plasma) 코일이 구비되는 나노입자 제조부; 상기 나노입자 제조부로부터 나노입자를 이송하기 위한 연결부; 및 상기 연결부가 상단에 연결되며, 상기 연결부를 따라 이송된 나노입자가 내부로 유입 및 수용되는 포집유닛;을 포함하고, 상기 포집유닛은 상기 포집유닛 내에 배치되어 상기 나노입자를 포집하는 금속메쉬필터; 및 상기 금속메쉬필터를 이동시키는 롤러부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

카트리지형의 포집유닛을 이용한 나노입자 제조장치{MANUFACTURING DEVICE OF NANOPARTICLES WITH COLLECTING UNIT OF CARTRIDGE TYPE}
본 발명은 나노입자 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 카트리지형의 포집유닛을 이용한 나노입자 제조장치에 관한 것이다.
최근, 태양전지, LED(Light Emitting Device)와 같은 광변환 소재로 실리콘계 등의 나노입자가 많이 이용되고 있다.
나노입자를 제조하는 방식은 고상반응법, 액상반응법 및 기상반응법으로 분류될 수 있으며, 나노입자의 품질과 생산성 등의 관점에서 기상반응법이 가장 활발하게 이용되고 있다.
기상반응법은 실란 화합물 가스를 레이저나 플라즈마와 같은 높은 에너지 영역에 통과시키거나 또는 금속 분말을 용융시켜 증발 응축법으로 실리콘계 등의 나노입자를 제조한다. 기상반응법을 이용한 나노입자 제조 공정은 주로 진공 상태에서 이루어지고 있다. 진공 상태에서는 주입되는 반응가스들이 빠른 유속으로 이동하고 있어 제조된 나노입자 또한 빠른 속도로 이동한다.
이때, 반응부와 포집부의 거리가 먼 경우, 이동된 나노입자는 제조장치의 반응부 하부에 위치한 연결부와 포집부 벽면에 달라붙게 되어 반응부와 포집부 사이에서 입자 손실이 많을 수 있다. 반응부와 포집부의 거리가 너무 가까운 경우, 나노입자 합성영역에 영향을 주어 나노입자의 특성이 달라지는 문제점이 있다. 다시말해, 포집부와 반응부의 가까운 거리에 의해 반응부에서 플라즈마 유속이 변하여 나노입자의 특성에 영향을 줄 수 있다. 이로 인해, 챔버 내부에 위치한 포집부에서는 나노입자가 효율적으로 포집되기 어려운 문제점이 있다.
따라서, 포집성능이 우수한 나노입자 제조장치 및 기술 등이 요구되고 있다.
본 발명에 관련된 선행문헌으로는 대한민국 등록특허공보 제10-1334195호 (2013.11.22 등록)에 개시된 챔버 전체를 포집 유닛으로 이용하는 나노입자 제조 장치 및 나노 입자 제조 방법이 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 연속공정이 가능하고, 포집성능이 우수한 나노입자 제조장치를 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 카트리지형의 포집유닛을 이용한 나노입자 제조장치는 ICP(Inductive Coupled Plasma) 코일이 구비되는 나노입자 제조부; 상기 나노입자 제조부로부터 나노입자를 이송하기 위한 연결부; 및 상기 연결부가 상단에 연결되며, 상기 연결부를 따라 이송된 나노입자가 내부로 유입 및 수용되는 포집유닛;을 포함하고, 상기 포집유닛은 상기 포집유닛 내에 배치되어 상기 나노입자를 포집하는 금속메쉬필터; 및 상기 금속메쉬필터를 이동시키는 롤러부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 롤러부의 회전속도는 1~10cm/hr인 것이 바람직하다.
상기 금속메쉬필터의 공극 크기는 0.5~50㎛인 것이 바람직하다.
상기 포집유닛에는 롤러부에 회전력을 전달하기 위한 구동부가 구비될 수 있다.
상기 포집유닛에는 롤러부의 측면 중 한 곳 이상에 가스 주입부가 구비되고, 상기 가스 주입부에 가스가 주입되어 롤러부 내부로 나노입자가 침입하는 것을 방지할 수 있다.
상기 가스의 유량은 제조장치에 주입되는 가스의 총 유량의 10~300%일 수 있다.
본 발명에 따른 카트리지형의 포집유닛을 이용한 나노입자 제조장치는 롤러부와 금속메쉬필터를 구비함으로써, 금속메쉬필터가 연속적으로 이동하는 것에 의해 금속메쉬필터의 면적에 비례하는 포집면적을 최대화할 수 있다.
또한, 포집공정 중에 금속메쉬필터가 모두 사용되면 롤러부와 금속메쉬필터를 포함하는 카트리지만 교환하여 공정을 간소화할 수 있으며, 연속공정이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 카트리지형의 포집유닛을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 카트리지형의 포집유닛을 나타낸 평면도 및 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연결부가 구비된 카트리지형의 포집유닛을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 카트리지형의 포집유닛을 나타낸 3차원 그림이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 나노입자 제조장치의 포집유닛에서 카트리지 교환방식을 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 금속메쉬필터 표면에 국부적으로 발생한 플라즈마를 나타낸 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 나노입자 제조장치에 의해 포집된 실리콘계 나노입자의 SEM사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 나노입자 제조장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 카트리지형의 포집유닛을 이용한 나노입자 제조장치에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 카트리지형의 포집유닛을 이용한 나노입자 제조장치는 연결부(10), 포집유닛(20), 롤러부(21, 22) 및 금속메쉬필터(23)를 포함한다.
연결부(10)는 나노입자 제조부(미도시)와 나노입자를 포집하는 포집유닛(20)를 연결한다.
나노입자 제조부에는 ICP코일(Inductive Coupled Plasma)이 구비되고, 가스 공급부(50), 리액터부(60) 및 분산부(70) 등으로 구성된다.
예를 들어, 실리콘 나노입자를 제조하는 경우, 가스 공급부(50)는 실리콘 나노입자 형성을 위한 실란과 같은 전구체를 포함하는 1차 가스 및 실리콘 나노입자의 표면처리, 도핑 등의 표면반응을 위한 2차 가스가 공급될 수 있다.
리액터부(60)는 ICP(Inductive Coupled Plasma)코일이 구비될 수 있으며, 상기 코일(61)에 의해 유도되는 플라즈마에 의해 실란 화합물 가스가 분해되어 실리콘 나노입자를 형성할 수 있다.
분산부(70)는 형성된 나노입자가 급냉되며 분산되는 곳이며, 이때, 분산부(70) 내부로 아르곤 가스가 공급될 수 있다.
또한, 상기 플라즈마에서 발생하는 정전기력에 의해 후술할 금속메쉬필터에 나노입자가 포집될 수 있다.
상기 나노입자 제조부에서는 통상적으로 이용될 수 있는 실리콘계, 저마늄계, 알루미늄계 등의 나노입자를 형성할 수 있다.
이때, 나노입자는 1~100nm의 입도를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 나노입자는 높은 광 특성을 요구하는 태양전지나 LED 등의 광변환 소재로 충분히 이용될 수 있다.
전술한 나노입자 제조부로부터 급냉되는 나노입자를 이송하기 위해 연결부(10)가 구비된다. 연결부(10)는 나노입자 제조부와 포집유닛(20)를 연결하여 나노입자가 이동되도록 유로를 형성한다. 연결부(10)의 형상은 한정되지 않고, 다양한 형상일 수 있다.
연결부(10)에는 나노입자를 포집유닛(20)로 강제로 이동시키기 위한 나노입자 순환기(미도시)가 더 구비될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 나노입자 순환기는 순환팬 또는 진공펌프일 수 있으며, 펌핑 및 송풍하여 나노입자를 강제로 이동시킬 수 있다.
포집유닛(20)에서는 나노입자를 포집한다.
포집유닛(20)의 상단에는 연결부(10)가 연결되고, 상기 연결부(10)를 따라 이송된 나노입자가 포집유닛(20) 내부로 유입되어 금속메쉬필터(23)에 포집될 수 있다.
도 1을 참조하면, 금속메쉬필터(23)는 제1롤러(21) 및 제2롤러(22)를 포함하는 롤러부에 연결되어 상기 제1롤러(21)와 제2롤러(22)의 회전에 의해 연속적으로 이동될 수 있다. 제1롤러(21)는 새로운 금속메쉬필터이고, 제2롤러(22)는 나노입자가 포집된 금속메쉬필터일 수 있다. 이러한 구성은 포집공정 중에 제1롤러에서 제2롤러로 금속메쉬필터(23)가 감기면서 지속적으로 새로운 금속메쉬필터(23)를 제공하며, 나노입자의 포집성능을 향상시키는 효과가 있다. 금속메쉬필터(23)의 이동속도는 후술할 롤러부의 회전속도와 대응될 수 있다.
메쉬필터는 금속 또는 세라믹 재질인 것이 바람직하고, 금속 재질인 것이 보다 바람직하다. 나노입자 제조부와 메쉬필터가 가까운 위치에 있을 경우, 금속 또는 세라믹 재질 이외의 메쉬필터는 플라즈마 또는 내부의 고온에 의해 녹을 수 있다. 또한, 세라믹 재질의 메쉬필터는 공극의 크기가 마이크로 사이즈처럼 너무 작을 경우, 메쉬필터로부터 나노입자를 분리하기 어려우며, 가스의 흐름이 불균일해져 제조장치 내부를 진공 상태로 유지하기 어렵다.
금속메쉬필터(23)의 공극 크기는 0.5~50㎛인 것이 바람직하다.
공극의 크기가 0.5㎛ 미만인 경우, 금속메쉬필터에서 나노입자의 분리가 어려울 수 있다. 반대로, 공극의 크기가 50㎛를 초과하는 경우, 금속메쉬필터(23)에서의 포집성능이 급격히 저하될 수 있다.
포집유닛(20) 내부에는 롤러부(21, 22)가 구비될 수 있다. 보다 구체적으로는, 롤러부는 도 1과 같이 2개의 롤러를 포함할 수도 있으나, 금속메쉬필터(23)를 이동시킬 수 있는 구성이라면, 1개 또는 2개 이상의 롤러를 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 포집유닛(20) 내부의 양측에 각각에는 제1롤러(21) 및 제2롤러(22)가 배치될 수 있다. 제1롤러 및 제2롤러는 위치가 서로 바뀔 수 있으며, 본 발명에서는 도 1에서와 같이, 제1롤러를 부호(21)로 하고, 제2롤러를 부호(22)로 하여 설명하기로 한다.
제1롤러(21) 및 제2롤러(22)는 서로 동일한 방향 또는 반대방향으로 회전할 수 있다. 서로 동일한 방향으로 회전하는 경우, 도 2에 도시한 바와 같이, 제1롤러(21) 및 제2롤러(22)가 금속메쉬필터(23)를 기준으로 상부 또는 하부 즉, 같은 방향에 위치하여 회전될 수 있다. 서로 반대방향으로 회전하는 경우, 도 1 및 도 3에 도시한 바와 같이, 금속메쉬필터(23)를 기준으로 제1롤러(21)는 상부에 위치하고, 제2롤러(22)는 하부에 위치하여 회전될 수 있다.
이때, 제1롤러(21) 및 제2롤러(22)를 포함하는 롤러부의 회전속도는 1~10cm/hr인 것이 바람직하다.
회전속도가 1cm/hr 미만인 경우, 롤러들의 속도가 너무 느리기 때문에 금속메쉬필터(23)의 표면에 나노입자들이 증착되면서 그 두께가 증대될 수 있다. 이는 포집유닛(20)를 포함하는 제조장치 내부의 압력변화를 발생시키고, 이러한 압력변화는 플라즈마의 형상변화를 가져온다. 그 결과, 도 6에서와 같이, 금속메쉬필터(23) 표면에 플라즈마가 국부적으로 형성되며, 이러한 플라즈마는 금속메쉬필터(23) 표면에 있는 나노입자를 재스퍼터링하여 나노입자의 포집량을 감소시키는 원인이 된다.
반대로, 회전속도가 10cm/hr를 초과하는 경우, 회전속도만 빠를 뿐, 나노입자의 포집량이 적고, 총 공정시간도 짧아지므로 포집성능이 저하되는 문제점이 있다.
상기 제1롤러(21) 및 제2롤러(22)가 회전하지 않을 경우에는 금속메쉬필터(23)에 의해 나노입자를 포집할 수 있으나, 시간당 포집량이 대략 10g 이하일 수 있으므로 롤러들을 일정 속도로 회전시켜 금속메쉬필터를 연속적으로 공급하는 것이 바람직하다.
도 2를 참조하면, 상기 포집유닛(20)에는 제1롤러(21)와 제2롤러(22)를 포함하는 롤러부에 회전력을 전달하기 위한 구동부(30)가 구비될 수 있다.
구동부(30)는 포집유닛의 외부표면에 위치하되, 제1롤러(21) 또는 제2롤러(22), 즉, 롤러부의 대응되는 곳에 위치할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 포집유닛(20)에는 제1롤러(21)와 제2롤러(22)를 포함하는 롤러부의 측면 중 한 곳 이상에 가스 주입부(40)가 구비될 수 있다.
가스 주입부(40)를 통해 가스가 주입되어 롤러부 내부로 나노입자가 침입하는 것을 방지할 수 있다. 가스는 아르곤(Ar), 질소(N2) 및 수소(H2) 가스가 단독 또는 혼합된 상태일 수 있다.
포집유닛(20) 하부에는 가스 순환부(미도시)가 더 구비되어, 가스 주입부(40)를 통해 주입된 가스를 외부로 배출시키거나 나노입자 제조부로 재투입시킬 수 있다.
상기 가스의 유량은 나노입자 제조부 및 제조장치에 주입되는 가스의 총 유량의 10~300%인 것이 바람직하다.
가스의 유량이 10% 미만인 경우, 제1롤러(21) 및 제2롤러(22) 내부로 나노입자의 침입을 방지하기 어려울 수 있다. 반대로, 가스의 유량이 300%를 초과하는 경우, 300%일 때보다 상대적으로 많은 양의 가스가 주입되기 때문에 금속메쉬필터(23) 표면에 나노입자를 날릴 수 있어 포집효율이 저하된다.
본 발명의 카트리지 형태의 나노입자 제조장치는 도 5에 도시한 바와 같이, 포집유닛(20)의 양 옆에 2개의 포집유닛을 더 구비할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 5의 가운데 포집유닛(20) 옆의 하나의 포집유닛은 새로운 금속메쉬필터 및 롤러, 즉, 새로운 카트리지를 투입하는 로딩 포집유닛일 수 있다. 또한, 금속메쉬필터 및 롤러가 비어있는 다른 하나의 포집유닛은 나노입자의 포집이 완료된 카트리지를 추출하는 언로딩 포집유닛일 수 있다. 상기 포집유닛(20), 로딩 포집유닛과 언로딩 포집유닛은 진공 상태일 수 있고, 카트리지의 이동은 카트리지 하부에 위치한 가이드(미도시)에 의해 가능하다. 상기 카트리지의 이동은 포집유닛들 사이에서의 이동을 의미할 수 있다.
따라서, 포집이 완료된 카트리지가 언로딩 포집유닛으로 이동한 후, 새로운 카트리지가 가운데 포집유닛(20)로 이동하는 순서일 수 있다.
도 7에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 제조장치를 이용하여 10~20nm의 입도를 갖는 실리콘계 나노입자를 포집할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 카트리지형의 포집유닛을 이용한 나노입자 제조장치는 새로운 금속메쉬필터의 연속적인 공급에 의해 제조장치 내부의 압력변화를 최소화할 수 있으며, 플라즈마의 흔들림 없이도 포집공정 시간을 증가시킬 수 있다.
또한, 포집공정 중 금속메쉬필터가 모두 사용될 경우, 도 5에서와 같이 카트리지의 이동 즉, 카트리지의 교환을 통해 연속 공정이 가능하다.
또한, 본 발명의 나노입자 제조장치는 실리콘계, Cu계, Al계 등과 같은 금속 나노입자의 제조장치에 적용할 수 있다.
이와 같이 카트리지형의 나노입자 제조장치에 대하여 그 구체적인 실시예를 살펴보면 다음과 같다.
1. 나노입자의 포집량 및 그 결과
[표 1]
Figure pat00001
*가스의 유량은 나노입자 제조부 및 제조장치에 주입되는 가스의 총 유량에 대한 가스(N2)의 유량(%)을 나타낸 것이다.
[표 1]에서와 같이, 실시예 1 ~ 실시예 4 및 비교예 1 ~ 비교예 3은 본 발명의 제조장치를 이용하여 실리콘계 나노입자를 포집하였다.
실시예 1 ~ 4의 총 포집량은 비교예 1 ~ 3의 총 포집량에 비하여 상대적으로 높은 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 실시예 1 내지 실시예 4에서, 롤러부의 회전속도가 1~10cm/hr이고, 금속메쉬필터의 공극크기가 0.5~50㎛이고, 가스의 유량이 100~300%에 만족하기 때문임을 알 수 있다.
또한, 비교예 1 ~ 3을 참조하면, 금속메쉬필터의 공극 크기와 가스의 유량이 만족하는 수치 범위에 있더라도, 롤러부의 회전속도가 1~10cm/hr 범위를 벗어나면 나노입자의 포집성능은 저하될 수 있다.
따라서, 나노입자의 포집성능을 향상시키기 위해서는 금속메쉬필터가 연속적으로 공급될 수 있도록 롤러부의 회전속도를 1~10cm/hr를 만족하는 것이 바람직하다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10 : 연결부
20 : 포집유닛
21 : 제1롤러
22 : 제2롤러
23 : 금속메쉬필터
30 : 구동부
40 : 가스 주입부
50 : 가스 공급부
60 : 리액터부
61 : ICP 코일
70 : 분산부

Claims (6)

  1. ICP (Inductive Coupled Plasma) 코일이 구비되는 나노입자 제조부;
    상기 나노입자 제조부로부터 나노입자를 이송하기 위한 연결부; 및
    상기 연결부가 상단에 연결되며, 상기 연결부를 따라 이송된 나노입자가 내부로 유입 및 수용되는 포집유닛;을 포함하고,
    상기 포집유닛은
    상기 포집유닛 내에 배치되어 상기 나노입자를 포집하는 금속메쉬필터; 및
    상기 금속메쉬필터를 이동시키는 롤러부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 롤러부의 회전속도는 1~10cm/hr인 것을 특징으로 하는 나노입자 제조장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속메쉬필터의 공극 크기는 0.5~50㎛인 것을 특징으로 하는 나노입자 제조장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 포집유닛에는 롤러부에 회전력을 전달하기 위한 구동부가 구비되는 것을 특징으로 하는 나노입자 제조장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 포집유닛에는 롤러부의 측면 중 한 곳 이상에 가스 주입부가 구비되고,
    상기 가스 주입부에 가스가 주입되어, 롤러부 내부로 나노입자가 침입하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 나노입자 제조장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가스의 유량은 제조장치에 주입되는 가스의 총 유량의 10~300%인 것을 특징으로 하는 나노입자 제조장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20190047498A (ko) * 2017-10-27 2019-05-08 한국에너지기술연구원 나노입자 연속 포집 장치 및 연속 포집 방법
US11815439B2 (en) 2019-12-13 2023-11-14 Agency For Defense Development Apparatus for sampling gas, drone therewith and control method thereof

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