KR20190027472A - 나노 입자 생산 반응기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나노 입자 생산 반응기에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 원료 가스가 공급되는 제1 노즐을 포함하는 주 챔버, 주 챔버와 유체 이동 가능하게 연결되고, 내부로 플러싱 가스를 공급하기 위한 제2 노즐을 포함하는 렌즈 하우징, 렌즈 하우징에 장착된 렌즈, 렌즈를 통과하여 주 챔버 내 원료 가스에 도달하도록 레이저를 조사하기 위한 광원, 및 주 챔버에서 생성된 나노 입자가 배출되는 후드를 포함하며, 렌즈 하우징은 주 챔버를 향하는 방향을 따라 적어도 일부 영역의 단면적이 작아지도록 마련된, 나노 입자 생산 반응기가 제공된다.
Description
본 발명은 나노 입자 생산 반응기에 관한 것이다.
일반적으로 레이저 열분해법은 원료물질에 레이저를 조사하여 매우 짧은 반응시간 내에 원료물질을 분해시켜 나노입자를 형성하는 방법이다.
레이저를 이용해 실란 가스(SiH4)를 열분해시켜 실리콘 나노입자를 합성할 수 있다. 이러한 장치에서는, 생산성을 향상시키기 합성된 위하여 나노입자를 손실 없이 잘 포집하는 것이 중요하다.
레이저 열분해 반응 장치에는 레이저빔이 통과하는 광학렌즈가 설치되어 있는데, 이 렌즈가 나노입자에 의해 오염될 경우 파손될 가능성이 있다.
이를 막기 위해, 렌즈는 원료 가스가 유동하는 주 챔버로부터 이격되어 설치되어 있고, 렌즈가 설치된 영역에는 나노입자의 유입을 방지하기 위한 플러싱 가스(flushing gas) 주입 노즐이 마련된다. 그러나 종래 반응기는 나노입자가 렌즈 측으로 유입되는 것을 완벽하게 방지하지 못하여, 렌즈가 나노입자에 의해 오염되고, 이에 따라 연속 운전이 불가능하였다.
본 발명은 나노입자가 렌즈 측으로 유입되는 것을 방지할 수 있는 나노 입자 생산 반응기를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 원료 가스가 공급되는 제1 노즐을 포함하는 주 챔버, 주 챔버와 유체 이동 가능하게 연결되고, 내부로 플러싱 가스를 공급하기 위한 제2 노즐을 포함하는 렌즈 하우징, 렌즈 하우징에 장착된 렌즈, 렌즈를 통과하여 주 챔버 내 원료 가스에 도달하도록 레이저를 조사하기 위한 광원, 및 주 챔버에서 생성된 나노 입자가 배출되는 후드를 포함하며, 렌즈 하우징은 주 챔버를 향하는 방향을 따라 적어도 일부 영역의 단면적이 작아지도록 마련된, 나노 입자 생산 반응기가 제공된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 적어도 일 실시예와 관련된 나노 입자 생산 반응기는 다음과 같은 효과를 갖는다.
렌즈가 설치된 렌즈 하우징은 주 챔버 방향으로 갈수록 단면적이 감소하도록 형성되며, 이에 따라 렌즈 하우징 내 플러싱 가스의 모멘텀이 증가하게 되고, 그 결과 주 챔버로부터 렌즈 하우징의 렌즈로 나노 입자가 유입되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 플러싱 가스의 흐름이 주 챔버의 원료 가스의 흐름에 직접적으로 닿지 않도록 렌즈 하우징의 유로를 구부림으로써, 렌즈 하우징에서 가속된 플러싱 가스가 주 챔버의 원료 가스의 흐름을 교란시켜 나노 입자가 주 챔버 내부 벽면을 오염시키는 것을 방지할 수 있다.
도 1 및 도 2는 일반적인 나노 입자 생산 반응기를 나타내는 개략도들이다.
도 3 및 도 4는 도 1에 도시된 나노 입자 생산 반응기를 나타내는 요부 사시도들이다.
도 5는 도 3의 반응기에서 입자의 궤적을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 제1 실시예와 관련된 나노 입자 생산 반응기를 나타내는 요부 사시도들이다.
도 8는 도 6의 반응기에서 입자의 궤적을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 제2 실시예와 관련된 나노 입자 생산 반응기를 나타내는 요부 사시도들이다.
도 11은 도 9의 반응기에서 입자의 궤적을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예와 관련된 반응기에서 입자의 궤적을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 3 및 도 4는 도 1에 도시된 나노 입자 생산 반응기를 나타내는 요부 사시도들이다.
도 5는 도 3의 반응기에서 입자의 궤적을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 제1 실시예와 관련된 나노 입자 생산 반응기를 나타내는 요부 사시도들이다.
도 8는 도 6의 반응기에서 입자의 궤적을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 제2 실시예와 관련된 나노 입자 생산 반응기를 나타내는 요부 사시도들이다.
도 11은 도 9의 반응기에서 입자의 궤적을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예와 관련된 반응기에서 입자의 궤적을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자 생산 반응기를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
본 문서에서 나노 입자 생산 반응기는 레이저 열분해 반응 장치와 관련된다.
도 1 및 도 2는 일반적인 나노 입자 생산 반응기(100)를 나타내는 개략도들이고, 도 3 및 도 4는 도 1에 도시된 나노 입자 생산 반응기(100)를 나타내는 요부 사시도들이며, 도 5는 도 3의 반응기에서 입자의 궤적을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
상기 반응기(100)는 원료 가스가 공급되는 제1 노즐(111)을 포함하는 주 챔버(110) 및 주 챔버(110)와 유체 이동 가능하게 연결되고, 내부로 플러싱 가스를 공급하기 위한 제2 노즐(121)을 포함하는 렌즈 하우징(120)을 포함한다. 또한, 상기 반응기(100)는 렌즈 하우징(120)에 장착된 렌즈(130), 렌즈(130)를 통과하여 주 챔버(110) 내 원료 가스에 도달하도록 레이저를 조사하기 위한 광원(150) 및 주 챔버(110)에서 생성된 나노 입자가 배출되는 후드(140)를 포함한다.
일 실시예로, 광원(150)은 이산화탄소(CO2) 레이저를 조사하도록 마련되고, 원료 가스는 모노실란(SiH4)을 포함할 수 있다. 또한, 제1 노즐(110)을 통해 원료 가스 및 시스(sheath gas)(예를 들어, N2)가 함께 분사될 수 있다. 이때, 제1 노즐(110)은 중앙에서 원료 가스가 분사되고, 시스 가스는 원료 가스를 둘러싼 상태에서 분사되도록 마련될 수 있다.
제1 노즐(110)로부터 주 챔버(110) 내로 분사된 원료 가스(SiH4)가 레이저를 흡수하여 강렬한 분자 진동에 의해 라디컬(Si 라디컬) 형태로 분해되고, 라디컬이 나노입자 핵으로 발전한 후 주변 라디컬과 결합하여 점차 성장하면서, 구형의 나노입자(실리콘 나노입자)가 생성된다. 원료 가스와 레이저가 교차하는 주 챔버(110)의 반응영역에서 나노입자가 형성되겨, 반응 후의 잔여가스는 합성된 입자를 가지고 후드(140)에 도달한다. 나노 입자에 의해 렌즈(130)가 오염 및 파손되는 것을 방지하기 위해 렌즈(130)를 렌즈 하우징(120)을 매개로 주 챔버(110)로부터 이격되어 설치되어 있고, 렌즈 하우징(120)에는 플러싱 가스를 주입하기 위한 제2 노즐(121)이 구비되어 있다.
도 3 및 도 4에서와 같이, 주 챔버를 향하는 방향을 따라 렌즈 하우징(120)의 단면적(유동 단면적)이 일정한 경우, 도 5를 참조하면, 원료 가스에 포함된 입자들의 일부가 렌즈(130)에 닿는 것으로 나타났다. 특히, 속도 벡터를 분석한 결과에서, 주 챔버(110)로부터 렌즈 하우징(120)의 렌즈(130) 측으로 유동이 유입되는 것을 확인하였다. 이러한 유동을 따라 나노 입자가 렌즈 하우징(120) 내부로 유입되는 것으로 확인된다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 제1 실시예와 관련된 나노 입자 생산 반응기를 나타내는 요부 사시도들이고, 도 8는 도 6의 반응기에서 입자의 궤적을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
렌즈 하우징(220)은 주 챔버(110)를 향하는 방향을 따라 적어도 일부 영역의 단면적(유동 단면적)이 작아지도록 마련된다.
렌즈 하우징(220)의 단면, 면적은 다양하게 결정될 수 있으며, 예를 들어, 렌즈 하우징(220)의 단면은 원형일 수 있다.
일 실시예로, 렌즈 하우징(220)은, 주 챔버(110)를 향하는 방향을 따라 단면적이 일정하게 유지되는 제1 영역 및 제1 영역으로부터 주 챔버(110) 측으로 연장되며, 단면적이 감소하는 제2 영역을 포함할 수 있다.
이때, 렌즈(130)는 제1 영역 측에 배치되며, 제2 노즐(321)은 제1 영역 측에 배치될 수 있다.
또한, 제1 영역과 제2 영역은 중심축이 동축 상에 위치하도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 렌즈 하우징(220)은 제1 영역의 중심축이 제1 노즐(111)의 중심축과 직교하도록 배치될 수 있다.
이때, 광원(150)은 레이저가 제1 영역 및 제2 영역을 통과하여 주 챔버(110) 내로 조사되도록 배치될 수 있다.
주 챔버(110) 방향으로 갈수록 렌즈 하우징(120)의 직경이 감소함에 따라 렌즈 하우징(120)과 주 챔버(110)의 연결 영역에서 플러싱 가스(예를 들어, N2)의 유속이 증가하고, 플러싱 가스의 모멘텀이 증가함에 따라, 주 챔버(110)로 나노 입자의 역류 현상이 사라진다. 도 8을 참조하면, 렌즈 측으로 향하는 입자의 궤적이 발견되지 않는 것을 확인할 수 있다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 제2 실시예와 관련된 나노 입자 생산 반응기를 나타내는 요부 사시도들이고, 도 11은 도 9의 반응기에서 입자의 궤적을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
렌즈 하우징(320)은 주 챔버(110)를 향하는 방향을 따라 적어도 일부 영역의 단면적(유동 단면적)이 작아지도록 마련된다.
렌즈 하우징(320)의 단면, 면적은 다양하게 결정될 수 있으며, 예를 들어, 렌즈 하우징(320)의 단면은 도 9에서와 같이, 직선부와 곡선부를 포함하여 구성될 수 있다.
일 실시예로, 렌즈 하우징(320)은, 주 챔버(110)를 향하는 방향을 따라 단면적이 일정하게 유지되는 제1 영역(322) 및 제1 영역(322)으로부터 주 챔버(110) 측으로 연장되며, 단면적이 감소하는 제2 영역(323)을 포함할 수 있다.
이때, 렌즈(130)는 제1 영역(322) 측에 배치되며, 제2 노즐(321)은 제1 영역(322) 측에 배치될 수 있다.
또한, 제1 영역(322)과 제2 영역(323)은 중심축이 동축 상에 위치하도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 렌즈 하우징(320)은 제1 영역(322)의 중심축이 제1 노즐(111)의 중심축과 직교하도록 배치될 수 있다.
이때, 광원(150)은 레이저가 제1 영역(322) 및 제2 영역(323)을 통과하여 주 챔버(110) 내로 조사되도록 배치될 수 있다.
주 챔버(110) 방향으로 갈수록 렌즈 하우징(120)의 직경이 감소함에 따라 렌즈 하우징(120)과 주 챔버(110)의 연결 영역에서 플러싱 가스의 유속이 증가하고, 플러싱 가스의 모멘텀이 증가함에 따라, 주 챔버(110)로 나노 입자의 역류 현상이 사라진다. 도 11을 참조하면, 렌즈 측으로 향하는 입자의 궤적이 발견되지 않는 것을 확인할 수 있다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예와 관련된 반응기에서 입자의 궤적을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
렌즈 하우징(420)은 주 챔버(110)를 향하는 방향을 따라 적어도 일부 영역의 단면적(유동 단면적)이 작아지도록 마련된다.
일 실시예로, 렌즈 하우징(420)은, 주 챔버(110)를 향하는 방향을 따라 단면적이 일정하게 유지되는 제1 영역(422) 및 제1 영역(422)으로부터 주 챔버(110) 측으로 연장되며, 단면적이 감소하는 제2 영역(423)을 포함할 수 있다. 또한, 렌즈 하우징(420)은 제2 영역(422)으로부터 연장되며, 제2 영역(422)과 중심축이 동축 상에 위치하지 않는 제3 영역(424)을 포함할 수 있다.
이때, 렌즈(130)는 제1 영역(422) 측에 배치되며, 제2 노즐(421)은 제1 영역(422) 측에 배치될 수 있다.
또한, 제1 영역(422)과 제2 영역(423)은 중심축이 동축 상에 위치하도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 렌즈 하우징(420)은 제1 영역(422)의 중심축이 제1 노즐(111)의 중심축과 직교하도록 배치될 수 있다. 이때, 제3 영역(424)은 제1 영역(422)에 대하여, 제1 노즐(111) 측으로 하향 경사질 수 있다.
이러한 구조에서, 렌즈 하우징(420) 내 플러싱 가스의 흐름과 제1 노즐(111)에서 분사된 원료 가스의 흐름이 수직으로 교차하는 것을 방지할 수 있다.
이러한 경우, 플러싱 가스의 흐름이 제1 노즐의 외벽에 충돌한 후 제1 노즐을 감싸며 상승하기 때문에, 원료 가스의 확산을 방지하는 차폐 가스의 역할도 수행한다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100: 나노 입자 생산 반응기
110: 주 챔버
120, 220, 320, 420: 렌즈 하우징
130: 렌즈
140: 후드
110: 주 챔버
120, 220, 320, 420: 렌즈 하우징
130: 렌즈
140: 후드
Claims (9)
- 원료 가스가 공급되는 제1 노즐을 포함하는 주 챔버;
주 챔버와 유체 이동 가능하게 연결되고, 내부로 플러싱 가스를 공급하기 위한 제2 노즐을 포함하는 렌즈 하우징;
렌즈 하우징에 장착된 렌즈;
렌즈를 통과하여 주 챔버 내 원료 가스에 도달하도록 레이저를 조사하기 위한 광원; 및
주 챔버에서 생성된 나노 입자가 배출되는 후드를 포함하며,
렌즈 하우징은 주 챔버를 향하는 방향을 따라 적어도 일부 영역의 단면적이 작아지도록 마련된, 나노 입자 생산 반응기. - 제 1 항에 있어서,
렌즈 하우징은, 주 챔버를 향하는 방향을 따라 단면적이 일정하게 유지되는 제1 영역 및 제1 영역으로부터 주 챔버 측으로 연장되며, 단면적이 감소하는 제2 영역을 포함하는, 나노 입자 생산 반응기. - 제 2 항에 있어서,
렌즈는 제1 영역 측에 배치되는 나노 입자 생산 반응기. - 제 2 항에 있어서,
제2 노즐은 제1 영역 측에 배치되는 나노 입자 생산 반응기. - 제 2 항에 있어서,
제1 영역과 제2 영역은 중심축이 동축 상에 위치하도록 마련된 나노 입자 생산 반응기. - 제 2 항에 있어서,
렌즈 하우징은 제2 영역으로부터 연장되며, 제2 영역과 중심축이 동축 상에 위치하지 않는 제3 영역을 추가로 포함하는 나노 입자 생산 반응기. - 제 6 항에 있어서,
렌즈 하우징은 제1 영역의 중심축이 제1 노즐의 중심축과 직교하도록 배치되고,
제3 영역은 제1 영역에 대하여, 제1 노즐 측으로 하향 경사진 나노 입자 생산 반응기. - 제 7 항에 있어서,
광원은 레이저가 제1 영역 내지 제3 영역을 통과하여 주 챔버 내로 조사되도록 배치된 나노 입자 생산 반응기. - 제 1 항에 있어서,
광원은 이산화탄소(CO2) 레이저를 조사하도록 마련되고,
원료 가스는 모노실란(SiH4)을 포함하는 나노 입자 생산 반응기.
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