KR20170110755A - 나노 파우더 제조 장치 - Google Patents

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KR20170110755A
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Abstract

나노 파우더 제조 장치가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 파우더 제조 장치는, 재료가 수용되어 가스화되는 챔버, 챔버와 제1 각도를 형성하며 연결되는 플라즈마 토치 및 챔버와 제2 각도를 형성하며 연결되는 이송 모듈을 포함한다.

Description

나노 파우더 제조 장치{APPARATUS OF MANUFACTURING NANO POWDER}
본 발명은 나노 파우더 제조 장치에 관한 것으로, 상세하게는 플라즈마 아크를 이용하여 챔버 내의 열효율 및 생산성을 극대화 시킬 수 있는 나노 파우더 제조 장치에 관한 것이다.
나노 기술은 10억분의 1미터 수준의 물질 혹은 소자를 다루는 기술로 재료적인 관점에서 보면 수 내지 수백 개의 원자 혹은 분자로 이루어진 소재를 다루는 기술에 해당되며, 이와 같은 나노소재 기술은 기존 소재로는 얻을 수 없는 새로운 기능 및 특성들을 나타낼 수 있어 다양한 분야 및 산업에 적용될 수 있다.
나노 분말은 비표면적이 매우 크고, 독특한 기게적, 전기적, 광학적, 자기 또는 크기 관련 특성이 있으며, 기존 재료들에 비해 유연성, 연성, 강도 및 경도 등이 크다. 또한, 나노 분말은 성형하기 쉬워지고 결정립 크기의 감소에 따라 취성이 줄고 균열이나 파괴없이 가공하기 쉽다는 장점이 있다.
종래의 나노 분말 제조 기술은 기계적으로 분쇄하는 방식을 사용하였으나, 이러한 기술은 나노 분말의 크기를 500nm 이하로 줄이는 것이 불가능하였다.
따라서, 최근에는 열 플라즈마 방식을 이용하여 나노 분말을 제조하는 방법을 사용하고 있으며, 열 플라즈마 방식은 초고온의 열 플라즈마를 주로 이용하여 극히 낮은 나노 단위의 분말 제조가 가능하다.
그러나, 나노 분말은 비표면적 증가에 따른 표면 에너지 증가로 분말이 불안정하게 되어 대기중에서 자연 발화를 일으킬 수 있다.
또한, 종래의 나노 분말을 만드는 도가니는 주로 그라파이트(graphite)를 사용하였으나, 가격이 비싸고 충격이나 고온의 용융물에 장기간 노출시 파손이 발생되는 문제가 있었다.
따라서, 나노 분말의 안정성을 확보하고, 나노 분말을 만드는 도가니를 저가로 제작하고 고온의 용융물에도 파손이 발생되지 않는 나노 분말을 제조할 수 있는 장치에 대한 개발이 필요하다.
대한민국 등록특허 제0788413호 (2007.12.24. 등록) 대한민국 등록특허 제1301967호 (2013.08.26. 등록)
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일측면은 도가니를 황동으로 형성하여 단시간 내에 재료를 가스화 시킬 수 있는 있는 나노 파우더 제조 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면은 도가니를 황동으로 형성하여 고온에 장기간 노출시 파손이 발생되지 않는 나노 파우더 제조 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면은 챔버와 플라즈마 토치 및 이송 모듈이 소정 각도가 형성되도록 배치되어 재료에 집중적으로 열을 가하고, 가스화된 재료가 빠르게 이송될 수 있는 나노 파우더 제조 장치를 제공한다.
그리고, 본 발명의 또 다른 측면은 전원 공급 모듈을 제어하여 재료의 가스화를 극대화시키고, 가스화된 재료를 빠르게 응고시킬 수 있는 나노 파우더 제조장치를 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 재료가 수용되어 가스화되는 챔버, 챔버와 제1 각도를 형성하며 연결되는 플라즈마 토치 및 챔버와 제2 각도를 형성하며 연결되는 이송 모듈을 포함한다.
또한, 챔버는 황동으로 형성되는 도가니, 도가니와 소정 각도를 형성하며, 도가니에 재료를 공급하는 재료 공급관 및 챔버 내부를 코팅하기 위한 단열 가스가 공급되는 가스 공급관을 포함할 수 있다.
또한, 이송 모듈은 챔버에서 가스화된 재료가 나노 입자로 응고되어 이송되는 나노 입자 이송부, 나노 입자를 나노 파우더로 만들기 위한 혼합 가스를 주입하는 가스 공급부, 혼합 가스와 반응하여 형성된 나노 파우더가 이송되는 나노 파우더 이송부 및 나노 파우더가 외부로 배출되는 배출부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 파우더 제조 장치는 챔버, 상기 플라즈마 토치 및 이송 모듈을 냉각시키는 냉각수를 공급하는 냉각수 공급 모듈 및 냉각수 공급 모듈로부터 공급된 냉각수가 챔버, 플라즈마 토치 및 이송 모듈로 순환되는 냉각수 순환부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 파우더 제조 장치는 플라즈마 토치에 (-)극을 챔버에 (+)극을 각각 연결하여, 전원을 인가하는 전원 공급 모듈 더 포함할 수 있다.
또한, 제1 각도는 챔버의 길이 방향을 기준으로 약 5도 이상 ~ 15도 이하로 형성될 수 있다.
그리고, 제2 각도는 챔버의 길이 방향을 기준으로 약 5도 이상 ~ 15도 이하로 형성될 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따르면, 나노 파우더 제조 장치는 도가니를 황동으로 형성하여 단시간 내에 재료를 가스화 시킬 수 있다.
또한, 나노 파우더 제조 장치는 도가니를 황동으로 형성하여 고온에 장기간 노출시 파손이 발생되지 않을 수 있다.
또한, 나노 파우더 제조 장치는 챔버와 플라즈마 토치 및 이송 모듈이 소정 각도가 형성되도록 배치되어 재료에 집중적으로 열을 가하고, 가스화된 재료가 빠르게 이송될 수 있다.
그리고, 나노 파우더 제조 장치는 전원 공급 모듈을 제어하여 재료의 가스화를 극대화시키고, 가스화된 재료를 빠르게 응고시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 파우더 제조 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 파우더 제조 장치의 냉각수 및 가스의 흐름을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 따라 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 파우더 제조 장치를 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 파우더 제조 장치의 냉각수 및 가스의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 나노 파우더 제조 장치(100)는 챔버(110), 플라즈마 토치(120), 이송 모듈(130), 냉각수 공급 모듈(140), 전원 공급 모듈(150) 및 절연 부재(160)을 포함한다.
챔버(110)는 재료를 수용하며, 재료가 가스화되는 공간이다.
예를 들어, 재료는 구형 또는 타원형의 볼(ball) 형태의 니켈(Ni)일 수 있다.
또한, 챔버(110) 내부는 그라파이트(graphite)로 코팅될 수 있다.
여기서, 그라파이트(graphite)는 내열성이 우수하고, 연화 용융되지 않는 특징이 있다.
따라서, 챔버(110) 내부가 그라파이트(graphite)로 코팅되어 플라즈마 토치(120)에 의한 챔버(110)가 고온의 아크에 장시간 노출되더라도 손상되지 않을 수 있다.
또한, 챔버(110)는 도가니(111), 재료 공급관(112) 및 가스 공급관(113)을 포함한다.
도가니(111)는 재료가 수용되고, 구리(copper) 또는 구리합금으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 구리합금은 황동(brass)일 수 있으며, 이외에도 다른 구리합금을 사용할 수 있음은 당연하다.
여기서, 구리는 전이금속으로 전기 및 열 전도성이 높은 금속이다. 특히, 황동은 구리에 아연을 가해 만들어진 구리합금으로 전연성이 큰 금속이며, 아연의 양을 조절하여 경도와 강도를 조절할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 도가니(111)는 구리 또는 구리합금으로 형성되어 도가니(111)에 수용된 재료에 열을 잘 전달시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 도가니(111)에 냉각수가 흐르더라도 황동의 높은 열 전도성으로 인해 도가니(111)의 변형 및 파손되지 않고, 가스화된 재료가 빠르게 응고될 수 있다.
재료 공급관(112)은 도가니(111)와 소정 각도를 형성하며, 도가니(111)에 재료가 공급되는 관이다. 여기서, 재료 공급관(112)은 외부의 재료 공급 모듈(미도시)과 연결되며, 재료 공급 모듈에 의해 재료가 가스화되는 양에 따라 재료의 공급량이 자동으로 조절될 수 있다.
가스 공급관(113)은 도가니(111)의 측부에 배치되어 챔버(110) 내부를 코팅하기 위한 단열 가스가 공급된다.
또한, 가스 공급관(113)은 도가니(111)의 양끝단과 일직선이 되는 높이에 배치되어 도가니(111)에 가스를 공급할 수 있다.
즉, 가스 공급관(113)이 도가니(111)의 양끝단과 일직선상에 배치되어 도가니(111)에서 가스화된 재료가 빠르게 이송 모듈(130)로 보내질 수 있다.
예를 들어, 가스 공급관(113)에 공급되는 가스는 질소(N2) 일 수 있다.
여기서, 가스 공급관(113)에 공급되는 가스는 챔버(110) 내부와 접촉되는 부위에 열이 전달되지 않도록 챔버(110) 내부를 코팅하는 단열 가스로 작용하며, 가스화된 재료의 온도를 낮춰주는 역할도 수행할 수 있다.
플라즈마 토치(120)는 챔버(110)와 제1 각도를 형성하며 연결된다.
예를 들어, 제1 각도는 챔버(110)의 길이 방향을 기준으로 약 5도 이상 ~ 15도 이하를 형성할 수 있다.
따라서, 플라즈마 토치(120)에서 발생되는 불꽃은 챔버(110)의 길이 방향을 기준으로 약 5도 이상 ~ 15도 이하를 형성할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 토치(120)와 챔버(110)가 제1 각도를 형성하며 연결되어 플라즈마 토치(120)에 의해 발생되는 플라즈마 불꽃을 챔버(110)내의 재료에 집중시켜, 재료를 단시간 내에 가스화 시킬 수 있다.
여기서, 플라즈마 토치(120)는 메인 부재(121), 제1 전극(122), 서브 부재(123) 및 제2 전극(124)을 포함한다.
메인 부재(121)는 길이 방향으로 연장되어 형성되며, 제1 전극(122)은 메인 부재(121)의 일단에 연결될 수 있다.
상세하게는, 제1 전극(122)은 하나의 원구 막대형 전극으로 형성되어 메인 부재(121)의 하단부에 연결될 수 있다.
서브 부재(123)는 메인 부재(121) 및 제1 전극(122)와 이격되며, 메인 부재(121) 및 제1 전극(122)을 둘러싸도록 형성될 수 있다.
또한, 제2 전극(124)은 두 개의 원구 막대형 전극이 결합되어 제1 전극(122)을 감싸는 형태로 형성되고, 서브 부재(123)의 일단에 연결될 수 있다.
여기서, 메인 부재(121), 제1 전극(122), 서브 부재(123) 및 제2 전극(124)는 전도성 물질로 형성될 수 있다.
일례로, 제1 전극(122)와 제2 전극(124) 각각은 텅스텐으로 형성되어 메인 부재(121) 및 서브 부재(123)와 전기적으로 연결될 수 있다.
여기서, 텅스텐은 녹는점이 높아 고온의 플라즈마 아크가 장시간 발생되더라도 제1 전극(122) 및 제2 전극(124)의 손상이 방지될 수 있다.
이송 모듈(130)은 챔버(110)와 제2 각도를 형성하며 연결된다.
예를 들어, 제2 각도는 챔버(110)의 길이 방향을 기준으로 약 5도 이상 ~ 15도 이하일 수 있다.
따라서, 챔버(110)에서 가스화된 재료는 이송 모듈(130)로 빠르게 이동될 수 있다.
도 1을 참고하면, 플라즈마 토치(120)와 이송 모듈(130)은 단면적으로 봤을 때 대칭으로 형성되고 있는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 플라즈마 토치(120)가 챔버(110)의 너비 방향과 평행하게 배치되더라도, 이송 모듈(130)은 챔버(110)의 너비 방향과 각도를 이루며 기울어져 배치될 수 있다.
여기서, 이송 모듈(130)은 나노 입자 이송부(131), 혼합 가스 이송부(132), 나노 파우더 이송부(133), 배출부(134) 및 클리닝부(135)를 포함한다.
나노 입자 이송부(131)로는 챔버(110)에서 가스화된 재료가 나노 입자로 응고되어 이송될 수 있다.
상세하게는, 챔버(110)에서 가스화된 재료가 가스 공급관(113)에 공급된 가스에 의해 응고되면서, 가스에 의해 발생되는 압력에 의해 밀려 이송될 수 있다.
예를 들어, 나노 입자 이송부(131)의 내부는 그라파이트(graphite)로 코팅되어 고온의 나노 입자에 의하더라도 나노 입자 이송부(131)가 손상되지 않을 수 있다.
혼합 가스 공급부(132)에는 나노 입자를 나노 파우더로 만들기 위한 혼합 가스가 공급될 수 있다.
여기서, 혼합 가스는 나노 입자와 화학 반응을 일으켜 나노 입자를 나노 파우더로 만드는 동시에 나노 파우더를 냉각시킬 수 있다.
예를 들어, 혼합 가스는 질소(N2) 및/또는 산소(O2)일 수 있다.
예를 들어, 혼합 가스 공급부(132)의 내부는 그라파이트(graphite)로 코팅되어 고온의 나노 입자에 의하더라도 혼합 가스 공급부(132)가 손상되지 않을 수 있다.
나노 파우더 이송부(133)로는 혼합 가스와 반응하여 형성된 나노 파우더가 이송될 수 있다.
상세하게는, 나노 파우더 이송부(133)에서는 나노 입자와 혼합 가스가 화학 반응하여 나노 파우더가 되고, 혼합 가스에 의해 냉각된 나노 파우더가 배출부(134)로 이송될 수 있다.
배출부(134)로는 나노 파우더 이송부(133)에서 형성된 나노 파우더가 외부로 배출된다.
또한, 배출부(134)는 외부에 배치된 나노 파우더 저장 설비와 연결되어 나노 파우더가 포집될 수 있다.
클리닝부(135)에 의하면 이송 모듈(130)의 내벽에 부착된 나노 파우더가 제거될 수 있다.
냉각수 공급 모듈(140)은 냉각수 순환부(141)에 냉각수를 공급한다.
상세하게는, 냉각수 공급 모듈(140)은 챔버(110), 플라즈마 토치(120) 및 이송 모듈(130)을 냉각시키기 위한 냉각수를 냉각수 순환부(141)에 공급한다.
냉각수 순환부(141)는 챔버(110), 플라즈마 토치(120) 및 이송 모듈(130)에 형성되어 냉각수 공급 모듈(140)에 의해 공급된 냉각수가 챔버(110), 플라즈마 토치(120) 및 이송 모듈(130)로 순환될 수 있다.
따라서, 냉각수 순환부(141)에 의해 챔버(110), 플라즈마 토치(120) 및 이송 모듈(130) 내부에 냉각수가 순환되어 본 발명의 일 실시예에 의한 나노 파우더 제조 장치(100)가 냉각될 수 있다.
전원 공급 모듈(150)은 플라즈마 토치(120)와 챔버(110)에 전원을 인가할 수 있다.
예를 들어, 전원 공급 모듈(150)은 플라즈마 토치(120)에 (-)극을 연결하고, 챔버(110)에 (+)극을 연결하여 플라즈마 토치(120)와 챔버(110)에 전압을 인가할 수 있다.
또한, 전원 공급 모듈(150)에 의하면 플라즈마 토치(120)가 제어될 수 있다.
상세하게는, 전원 공급 모듈(150)이 동작하면(ON), 플라즈마 토치(120)가 작동되어 재료를 가스화시키고, 전원 공급 모듈(150)의 동작이 멈추면(OFF), 냉각수 공급 모듈(140)에 의해 냉각수 순환부(141)에 공급되는 냉각수에 의해 본 발명의 일 실시예에 의한 나노 파우더 제조 장치(100)가 급속히 냉각될 수 있다.
따라서, 전원 공급 모듈(150)를 작동시켜 재료를 빠르게 가스화시키고, 전원 공급 모듈(150)의 작동을 멈추면, 플라즈마 토치(120)의 작동이 멈추게 되고, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 파우더 제조 장치(100)의 온도를 낮추고, 가스화된 재료를 빠르게 응고시킬 수 있다.
예를 들어, 전원 공급 모듈(150)은 제1 전원 공급부(미도시)와 제2 전원 공급부(미도시)를 포함할 수 있다.
제1 전원 공급부는 플라즈마 토치(120)의 메인 부재(121)에 (-)극을, 서브 부재(123)에 (+)극을 연결하여 스파크 전원과 파일럿(pilot) 전원이 순차적으로 인가되면, 제1 전극(122)에서 제1 플라즈마 불꽃이 생성될 수 있다.
또한, 제2 전원 공급부는 플라즈마 토치(120)의 서브 부재(121)에 (-)극을 챔버(110)에 (+)극을 연결하여 메인 전압이 인가되면, 제2 전극(124)에서 제2 플라즈마 불꽃이 생성될 수 있다.
여기서, 제1 플라즈마 불꽃은 제2 플라즈마 불꽃을 생성시키기 위한 도선으로서 작용하며, 제1 및 제2 플라즈마 불꽃에 의해 재료가 단시갠 내에 가스화될 수 있다.
절연 부재(160)는 챔버(110) 및 플라즈마 토치(120)의 이격된 내부 공간의 일부에 형성된다.
여기서, 절연 부재(160)는 절연제 재질로 형성되어 챔버(110) 및 플라즈마 토치(120)의 내부를 전기적으로 절연시킬 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 파우더 제조 장치(100)에 의해 가스화되는 재료가 전도성 물질인 경우, 절연 부재(160)가 챔버(110) 및 플라즈마 토치(120)의 내부 공간에 형성되어 가스화된 재료의 전도성으로 인해 챔버(110) 및 플라즈마 토치(120)의 절연이 파괴되지 않을 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 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.
100 : 나노 파우더 제조 장치
110 : 챔버
111 : 도가니 112 : 재료 공급관
113 : 가스 공급관
120 : 플라즈마 토치
121 : 메인 부재 122 : 제1 전극
123 : 서브 부재 124 ; 제2 전극
130 : 이송 모듈
131 : 나노 입자 이송부 132 : 혼합 가스 공급부
133 : 나노 파우더 이송부 134 : 배출부
135 : 클리닝부
140 : 냉각수 공급 모듈
141 : 냉각수 순환부
150 : 전원 공급 모듈
160 : 절연 부재

Claims (7)

  1. 재료가 수용되어 가스화되는 챔버;
    상기 챔버와 제1 각도를 형성하며 연결되는 플라즈마 토치; 및
    상기 챔버와 제2 각도를 형성하며 연결되는 이송 모듈; 을 포함하는 나노 파우더 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 챔버는,
    황동으로 형성되는 도가니;
    상기 도가니와 소정 각도를 형성하며, 상기 도가니에 상기 재료를 공급하는 재료 공급관; 및
    상기 챔버 내부를 코팅하기 위한 단열 가스가 공급되는 가스 공급관; 을 포함하는 나노 파우더 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이송 모듈은,
    상기 챔버에서 가스화된 재료가 나노 입자로 응고되어 이송되는 나노 입자 이송부;
    상기 나노 입자를 나노 파우더로 만들기 위한 혼합 가스를 주입하는 가스 공급부;
    상기 혼합 가스와 반응하여 형성된 상기 나노 파우더가 이송되는 나노 파우더 이송부; 및
    상기 나노 파우더가 외부로 배출되는 배출부; 를 포함하는 나노 파우더 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 챔버, 상기 플라즈마 토치 및 상기 이송 모듈을 냉각시키는 냉각수를 공급하는 냉각수 공급 모듈; 및
    상기 냉각수 공급 모듈로부터 공급된 냉각수가 상기 챔버, 상기 플라즈마 토치 및 상기 이송 모듈로 순환되는 냉각수 순환부; 를 더 포함하는 나노 파우더 제조 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 플라즈마 토치에 (-)극을 상기 챔버에 (+)극을 각각 연결하여, 전원을 공급하는 전원 공급 모듈을 더 포함하는 나노 파우더 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 각도는 상기 챔버의 길이 방향을 기준으로 약 5도 이상 ~ 15도 이하로 형성되는 나노 파우더 제조 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 각도는 상기 챔버의 길이 방향을 기준으로 약 5도 이상 ~ 15도 이하로 형성되는 나노 파우더 제조 장치.
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