KR20190094116A - 유동성 기판을 이용한 나노 입자 제조 방법 및 이를 위한 장치 - Google Patents

유동성 기판을 이용한 나노 입자 제조 방법 및 이를 위한 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 물리적인 증발 증착 방법에서 제한적인 공간 내에 연속적으로 새로운 증착표면을 제공하여 불균일 핵생성 (heterogeneous nucleation) 원리를 이용한 새로운 증착표면을 만드는 구성원료의 표면에 나노입자를 제조하기 위한 방법으로서, 구성원료로 이루어진 유동성 기판의 표면에 핵을 형성시키고 생성된 핵이 박막으로 성장하지 않도록 증착표면을 연속하여 새롭게 만들어 줌으로서 연속적으로 구성원료의 표면 위에 다양한 종류의 나노입자를 형성하는 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.

Description

유동성 기판을 이용한 나노 입자 제조 방법 및 이를 위한 장치{Manufacturing process of nono-particles using flowable substrates and manufacturing device therefor}
본 발명은 불균일 핵생성 (heterogeneous nucleation) 원리를 이용하여 물리적인 방식으로 기존 제품의 원료로 사용되는 구성원료의 표면에 직접 나노입자를 제조하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 물리적인 증착 방법을 이용하여 금속 또는 금속화합물의 증기를 만들어 구성원료의 표면에 나노입자를 형성시키는 방법이다. 여기에서 “구성원료”라 함은, 기존의 제품에 사용되는 고체상태의 분말 또는 칩 형상을 갖고 진공 내에서 휘발하지 않는 재료로서, 본 발명에서는 제한적 공간내에서 나노입자를 형성시키기 위해 연속적으로 유동하는 유동성 기판을 만드는 재료를 의미한다.
본 발명에서 물리적인 방법으로 만들어진 금속 또는 금속화합물의 증기들은 상대적으로 낮은 온도인 구성원료의 표면에서 다시 고체화되면서 구성원료의 표면에서 박막성장의 초기단계인 핵을 형성한다. 이후 표면에 핵이 형성된 구성원료들을 금속이나 금속화합물 증기가 공급되는 영역으로부터 사라지게 하여 더 이상의 금속증기들이 상기 핵에 접근을 하지 못하게 한다. 그 결과 만들어진 핵은 더 이상 성장하지 못하게 되고 상온에서 나노입자 크기의 고체로 안정화 된다.
본 발명에서 유동성 기판은 고체상태의 분말 또는 칩형상의 구성원료를 제한적 공간(이하 “구성원료통” 이라 함) 내에서 지속적으로 유동시킴으로써 얻을 수 있다. 즉, 구성원료통 내에 분말 또는 칩형상의 구성원료를 유동시킬 수 있는 장치 (이하 “유동장치”라 함)를 구비하여 구성원료를 지속적으로 이동시키면, 구성원료통 내의 구성원료들은 지속적으로 유동성을 가지면서 순환하게 된다. 이 때 구성원료통의 최상부에 위치하는 구성원료의 표면 (이하 “증착표면”이라 함)에 금속 또는 금속화합물 증기를 제공하는 장치로부터 공급되는 증기가 도달하는 순간, 고체의 최소단위인 핵을 형성하게 된다. 이와 같이 핵이 형성된 구성원료들은 유동장치에 의한 구성원료들의 연속적인 흐름에 의해 증착표면으로부터 벗어나 구성원료들 속으로 이동하여 핵이 안정화되면서 나노입자가 된다. 이런 연속 공정은 구성원료통 하부에 있는 구성원료들이 최상부로 이동하여 새로운 증착표면을 형성하고 그 표면에 금속 또는 금속화합물의 증기에 의한 새로운 핵을 형성한 후 증착영역을 벗어나 구성원료들 내부로 이동하면서 핵이 안정화되어 연속적으로 나노입자가 되는 것이다. 연속적인 구성원료들의 유동에 의해 이러한 과정이 반복되므로 새로운 유동성 기판들의 표면이 연속적으로 증착표면에 제공될 수 있고 새로운 유동성 기판의 표면에 또 다른 나노입자들을 연속적으로 형성시킬 수 있다. 결과적으로 본 발명은 단순한 구성원료통과 구성원료의 유동만으로 새로운 증착표면을 만들면서 고품질의 나노입자를 효율적으로 대량으로 생산할 수 있다. 또한 분말 또는 칩형상의 구성원료로 이루어진 유동성 기판은 평면구조에 비해 핵형성 사이트(site)가 많아서 기존의 고정되고 매끄러운 고체의 필름과 같은 증착기판에 비하여 더욱 작으면서도 안정한 핵을 형성할 수 있다.
나노크기의 소재는 큰 비표면적으로 인하여 벌크소재와는 다른 새로운 전기적, 화학적, 광학적, 자기적 특성을 나타낸다. 나노화 된 소재는 기존제품에 소량을 첨가하여 새로운 기능을 부여할 수 있기 때문에 다양한 산업분야에 있어서 다양한 나노분말의 응용이 시도되고 있다.
나노분말을 제조하는 방법은 통상적으로 화학적인 방법과 물리적인 방법이 있다.
화학적인 방법으로 나노입자를 제조하는 방법은 금속염, 환원제, 분산제, 계면활성제, 유기용매 등의 화학재료를 이용하여 산화/환원 방법을 통하여 제조하는 것이며, 최종제품의 형태는 대부분 액상에 나노입자들이 분산되어 있는 형태이다. 화학적인 제조방법으로 제조한 나노분말은 이온상태의 입자들에 의한 나노입자의 응집 또는 건조과정에서 나노입자들의 재응집 등의 문제가 발생하여 제품에 응용 시 나노입자들이 조대화되어 나노입자에 의한 효과가 감소할 수 있다. 또한 나노입자에 화학약품의 잔류 등에 의한 오염문제 및 환경오염 문제 등을 포함하고 있다.
기존의 물리적인 방식으로 나노입자를 제조하는 방법은 기계적 분쇄법, 전기폭발법, 가스응축법 (Inert Gas Condensation) 등이 있다. 이러한 물리적인 방식의 나노입자 제조방법들은 불순물이 혼입되기 쉽거나 균일한 크기의 나노입자를 얻기 어렵고, 작은 크기의 나노입자를 얻기가 어렵다는 단점이 있다.
기존의 물리적인 방법으로 나노입자를 제조하는 방법의 예로서, 제한적 공간 내에서 실리콘 오일을 이용하여 나노입자를 제조한 예가 있다. 이 방법은 진공챔버 내에서 용기에 실리콘 오일을 채우고 드럼의 일부를 실리콘 오일에 담궈 회전시키면서 드럼의 실리콘 오일이 도포된 표면 쪽으로 물리적 방법으로 금속 증기를 만들어 공급하면 실리콘오일 표면상에서 핵이 생성되고 나노입자로 성장하게 된다. 지속적으로 공급되는 금속 증기들에 의해 실리콘 오일 위에 형성되는 나노입자는 연속적인 드럼의 회전에 의해 실리콘 오일 속으로 이동하여 혼합되고 안정화 된다. 이와 같은 방법은 액체 유동성 기판을 사용하는 예로서, 불균일 핵생성 원리를 이용한 방법이지만 제품에 응용 시 실리콘 오일을 제거해야 하는 문제가 있기 때문에 산업에 적용하기에는 많은 문제점이 있다.
한국특허출원공개 10-2007-0044879
본 발명은 불균일 핵생성 원리를 이용한 물리적인 방식의 나노입자 제조방법 및 제조장치를 제공하는 것이다. 본 발명은 물리적 방식으로 금속 또는 금속화합물을 증기로 만들고 이를 불균일 핵생성 원리를 이용하여 구성원료의 표면에 나노입자로 형성시키는 것을 제공하고자 한다. 그 결과 기존의 나노입자 제조방법들이 가지고 있는 불균일한 입자크기, 나노입자 간 응집현상, 화학약품의 잔류, 낮은 분산성, 불순물 혼입, 낮은 생산성 등의 문제점들을 해결하고자 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은
진공조 내에서 나노입자를 제조하는 방법으로,
1) 제한된 공간내에 유동성 기판을 이루는 구성원료를 구비하는 단계;
2) 금속, 금속화합물 및 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 증발원을 구비하는 단계
3) 구성원료를 유동시켜 지속적으로 새로운 증착표면을 만드는 단계;
*4) 상기 새로운 증착표면에 상기 증발원으로부터 생성된 증기를 증착시켜 금속, 금속화합물 또는 합금의 핵를 만드는 단계;
5) 상기 핵이 형성된 구성원료를 유동시켜 증착표면으로부터 멀어지게 하고 냉각시켜 핵을 나노입자화 하는 단계; 및
6) 상기 단계 3) 내지 5)를 반복하는 단계를 포함하고
상기 구성원료는 고체상태의 분말 또는 칩형상이고
상기 유동성 기판을 이루는 구성원료가 증착표면에의 머무름 시간이 평균 1초미만인 것을 특징으로 하는 유동성 기판을 이루는 구성원료의 표면에 나노입자를 형성시키는 방법을 제공한다.
또한 본 발명은 구성원료의 표면에 나노입자를 형성시키기 위한 장치로
진공조;
상기 진공조 내의 하부에 구비된 구성원료통;
상기 구성원료통 내에 구비되고 유동성 기판을 이루는 구성원료를 교반하기 위한 날개를 구비한 유동장치;
상기 유동성 기판을 이루는 구성원료를 냉각시키는 냉각장치; 및
상기 진공조 내의 구성원료통 상부에 구비되고 증기를 생성시킬 수 있는 증발원을 포함하는
유동성 기판을 이루는 구성원료의 표면에 나노입자를 형성하는 장치를 제공한다.
본 발명에 의한 나노입자 제조방법은 불균일 핵생성 원리에 기초한 유동적인 고체기판의 표면에 나노입자를 형성시키는 방법으로서, 최상부층에 위치하는 유동성 기판을 이루는 구성원료가 증착표면을 형성하는 한편, 구성원료가 증착표면을 형성하는 시간 즉, 증착영역에 노출되는 시간을 제어하여 구성원료의 표면에 작고 균일한 크기의 고순도의 나노입자를 제조할 수 있다. 또한 증착속도, 구성원료의 유동속도, 구성원료의 크기와 같은 공정조건을 제어하여 나노입자의 크기를 조절할 수 있다.
본 발명에 의한 나노입자 제조방법은 기존의 화학적인 제조공정과는 달리 공정상에서 화학약품을 전혀 사용하지 않기 때문에 공정에서 형성된 나노입자와 유동성 기판을 이루는 구성원료 이외에 별도의 부산물이 포함되지 않는 고순도의 나노입자를 생산할 수 있는 효과가 있다. 또한 생산되는 제품 그 자체를 바로 사용할 수 있는 장점이 있다. 즉, 본 발명은 기존 제품의 원료로 사용되는 구성원료를 기판으로 사용하여 그 표면에 나노입자를 형성시킨 것이므로 이것을 기존 제품 제조공정에 그대로 사용하여 최종 제품을 제조할 수 있는 장점이 있다. 또한 제조된 나노입자의 우수한 분산성으로 인하여 제품에 기능성을 부여하기가 매우 용이하다.
화학적인 제조방법에서는, 제조되는 나노입자의 종류에 따라 사용되는 산화제, 환원제, 분산제 등의 화학약품들이 정해져 있기 때문에 동일한 용매 내에 이종의 나노입자를 동시에 제조하여 분산시키기 어렵다. 또한 제품에 나노입자를 첨가시키기 위해서는 나노입자에 사용하는 용매와 제품에 사용되는 용매가 같거나 서로 혼합이 잘 되어야 하지만, 대부분의 경우 서로 다른 용매를 사용해야 해서 적절한 용매를 찾는 일이 어렵다. 이에 반해 본 발명을 이용하면 동일한 장치에서 나노입자의 원재료가 되는 증발원의 물질만을 교체하여 다양한 종류의 나노입자를 제조할 수 있기 때문에 동일한 구성원료인 유동성기판의 표면에 여러 가지 나노입자를 동시에 형성시키거나 합금형태의 나노입자를 형성시키기가 용이하므로 다기능성 또는 특수기능성 응용소재의 개발이 매우 용이하다.
본 발명에 의한 나노입자 제조장치는 배치형이나 연속형 장비로 제조할 수 있으며, 생산성이 높은 증발원을 이용하고 대용량의 구성원료 유동시스템을 적용함으로써 대량생산용 설비의 제조가 용이하다.
도 1은 균일 (homo) / 불균일 (hetro) 핵 생성에서의 핵 반경에 따른 자유에너지 변화 그래프이다.
도 2는 온도에 따른 임계 핵 반경과 임계 자유에너지의 차이를 보여주는 그래프이다.
도 3은 구성원료통 내에 수평회전축과 페달형 유동날개를 구비하여 구성원료를 유동시키는 나노입자 제조장치의 예이다.
도 4는 구성원료통 내에 수직회전축과 페달형 유동날개를 구비하여 구성원료를 유동시키는 나노입자 제조장치의 예이다.
도 5는 구성원료통 내에 수평회전축과 리본형 유동날개를 구비한 나노입자 제조장치의 예이다.
도 6은 구성원료통, 회전축, 유동날개에 냉각장치를 구비한 예이다.
도 7은 은/포도당 사진이다.
도 8은 팔라듐/포도당 사진이다.
도 9는 백금/포도당 사진이다.
도 10은 금/포도당 사진이다.
도 11은 백금 및 금의 나노 콜로이드 사진이다.
도 12는 은/PET 칩 사진이다.
도 13은 은/PET 로 방사하여 얻은 실의 사진이다.
도 14는 은/ABS로 만든 항균 식재료 용기 사진이다.
도 15는 은/LDPE로 만든 포장재용 항균필름 사진이다.
도 16은 은/PP로 만든 항균 부직포 사진이다.
도 17은 동일한 유동성 기판의 구성원료인 포도당의 표면에 서로 다른 2 종의 나노입자를 형성시킨 Ni/Fe/포도당 및 Ni/SUS/포도당 사진이다.
도 18은 Fe, SUS, Ni 나노입자 및 혼합금속인 Fe/Ni 및 SUS/Ni 나노입자를 분산제 없이 동일한 용매인 물에 분산시킨 콜로이드 제조 결과이다.
도 19는 합금 나노입자 Cu/Zn 를 탄산칼슘의 표면에 형성시킨 Cu/Zn/탄산칼슘 분말의 사진이다.
본 발명의 구성원료의 표면에 나노입자를 형성시키는 방법은 최종 제품에 사용되는 구성원료를 이용하여 그 표면에 나노입자를 형성시키는 것이다. 상기 표면에 나노입자가 형성된 구성원료를 사용하여 최종 제품을 만들 수 있다.
여기에서 “구성원료”라 함은, 기존의 제품에 사용되는 고체상태의 분말 또는 칩 형상을 갖고 진공 내에서 휘발하지 않는 재료로서, 본 발명에서는 제한적 공간내에서 나노입자를 형성시키기 위해 연속적으로 유동성 기판을 만드는 재료를 의미한다.
본 발명의 구성원료의 표면에 나노입자를 형성시키기 위해서는 구성원료를 유동장치가 구비되어 있고 일정 부피를 갖는 구성원료통에 넣어, 구성원료가 유동장치에 의해 구성원료통 안에서 지속적으로 유동하며, 특정 시점에 증착영역에 노출되어 증착표면을 형성하게 하는 것이다. 상기 증착표면은 구성원료들의 유동에 의해 새로운 구성원료를 포함하는 새로운 증착표면이 나타나는 과정이 지속적으로 반복된다.
상기 증착표면에 위치한 구성원료의 표면에 증발원으로부터 공급된 증기입자들이 도달하여 순간적으로 응축되면서 핵을 생성하고 이후 핵이 성장하기 전에 이 구성원료는 유동에 의해 증착영역으로부터 벗어나게 되어 생성된 핵들은 안정한 나노입자가 된다. 핵을 생성한 구성원료가 증착영역으로부터 사라지면서 증착영역에는 유동에 의해 새로운 구성원료를 포함하는 새로운 증착표면을 형성하여 새로운 핵이 생성되는 과정을 연속적으로 반복하게 된다.
본 발명에서 유동성 기판을 이루는 구성원료가 증착표면에의 머무름 시간은 평균 1초미만이다. 1초보다 길어질 경우 나노입자가 조대해져서 원하는 크기의 나노입자를 얻을 수 없다.
본 발명에 의한 나노입자 제조방법은 불균일 핵생성 원리를 이용하여 기판의 표면에 핵을 형성시키고 나노입자 크기로 성장한 후 더 이상 나노입자가 성장하지 않고 안정화되도록 기판의 환경을 제어하여 기판의 표면에 나노입자를 형성시키는 것이다. 균일 핵생성은 액체나 증기상에서 주변의 온도나 압력조건에서 자체적으로 핵을 형성하는 경우이며, 불균일 핵생성은 기판이나 이종의 표면에 증기입자가 도달하여 핵을 형성하는 경우를 의미한다.
도 1에 의하여 본 발명의 불균일 행생성 원리를 자세히 설명한다.
도 1은 핵생성 이론에 의한 핵반경의 크기 (r)에 따른 자유에너지의 변화(△G)에 대한 그래프이다. △Ghom 및 △Ghet는 각각 균일 핵생성 (homogeneous nucleation) 및 불균일 핵생성 (homogeneous nucleation)에 대한 자유에너지를 의미한다. 균일 핵생성 및 불균일 핵생성 모두 임계크기 (critical radius: r*) 이하에서는 불안정한 핵의 상태에 존재하며, 임계크기 이상에서는 안정한 핵으로 성장하게 된다.
도 1에서 보듯이, 불균일 핵생성은 균일 핵생성에 비해 에너지 장벽이 낮기 때문에 핵생성이 유리하다. 고정된 기판의 표면에 증기입자를 공급하는 경우, 초기에는 기판의 표면에 도달한 증기에 의해 핵이 생성되고 지속적인 증기의 공급에 의하여 핵은 계속 성장하여 인접한 핵들과 결합하여 박막의 형태로 변화된다. 그러나 본 발명의 불균일 핵생성 방법에서는 나노입자를 형성시키기 위해서, 증기에 의해 기판의 표면에 생성된 핵이 더 이상 성장하지 않도록 기판을 증기에 노출되지 않는 지역으로 재빨리 이동시켜 형성된 핵의 성장을 멈추고 나노입자가 되게 하는 것이다.
도 2는 온도에 따른 임계 핵 반경과 임계 자유에너지 차이를 나타내는 그래프이다. 온도가 낮아질수록(T1 -> T2) 임계 자유에너지의 차이와 임계 핵 반경이 작아짐을 나타낸다. 즉, 기판의 온도가 더 낮은 경우 기판의 표면에는 더 작은 크기의 핵의 생성이 더욱 유리함을 의미한다.
본 발명의 방법을 이용하여 최종제품에 신기능을 부여할 수 있는 물질을 증발원으로 선택할 경우 신기능을 갖는 나노입자가 형성된 구성원료를 간편하게 만들 수 있다. 이렇게 만들어진 구성원료는 그대로 기존 제품의 제조공정에 투입되어 제품화 될 수 있다.
본 발명의 구성원료는 비휘발성의 금속, 유기고분자. 유기화합물 또는 무기화합물일 수 있다.
본 발명의 구성원료는 구리, 알루미늄, 텅스텐카바이드, 흑연 등의 금속, 포도당, 설탕 다당류, 슈크로즈 등의 유기화합물, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), ABS 수지(acrylonitrile-butadiene-styrene resine), 폴리술폰(PS), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리아크릴레이트, 폴리테트라프루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF) 등의 유기고분자, 알루미나, 탄산칼슘, NaHCO3, TiO2, NaCl, 제올라이트, 탄소나노튜브CNT 등의 무기화합물일 수 있다.
구성원료 분말 또는 칩의 직경은 작을수록 나노입자 형성을 위한 핵 형성이 잘 이루어질 수 있는데 바람직하게는 1μm~5mm일 수 있다. 본 발명에 사용되는 구성원료 분말 또는 칩의 직경은 비중에 따라 달리 선택될 수 있다.
구성원료가 금속, 알루미나 등과 같이 비중이 2이상으로 큰 경우 입자 크기는 작아도 되며 바람직하게는 1μm~1mm일 수 있다. 구성원료가 유기고분자 같이 비중이 2미만인 경우 입자 크기는 큰 것이 바람직하며 1mm~5mm일 수 있다. 입자의 비중과 크기가 상기와 같은 경우 구성원료가 유동할 때 구성원료통 밖으로 비산하지 않고 핵형성을 잘 할 수 있다.
한편, 유동성 기판으로 사용하는 구성원료의 표면특성에 따라 나노입자의 크기 및 핵생성 정도는 달라질 수 있다. 예를 들어, 결정성을 갖는 기판의 표면에 도달한 증기입자는 결정성 기판의 표면에서 이동성이 좋기 때문에 주변의 입자와 결합하기 쉬우므로 상대적으로 조대화된 나노입자로 성장할 수도 있다.
본 발명에서 상기 구성원료가 이루는 유동성 기판은 일반적인 평탄한 면에서 구성원료의 입체모양으로 되는 것으로, 이 경우 구성원료의 입자 크기가 (1/2)n 배율로 작아질 경우, 증착표면적은 n2배에 비례하여 증대하여 평탄한 기판 대비 기하급수적으로 핵형성을 쉽게 만들어 준다. 그 결과 평탄한 기판 대비 나노입자 제조를 위한 핵 형성이 잘 이루어진다.
상기 구성원료가 증착표면에 머무르는 머무름 시간은 짧으면 짧을수록 좋은 것으로 1초 미만인 경우 구성원료가 외부로 이탈되지 않으면서, 형성된 핵이 성장하지 않아서 나노입자가 되는데 유리하다.
본 발명의 방법으로 만들어진 나노입자들은 크기가 2~30nm, 더욱 바람직하게는 2-10 nm이다.
본 발명은 증발원으로 금속, 금속화합물 또는 합금을 포함할 수 있다. 상기 금속은 은(Ag), 구리(Cu), 철(Fe), 티타늄(Ti), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 희토류(Rare Earth Materials) 및 실리콘(Si)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 상기 합금은 스테인레스스틸(SUS), 황동(Brass), 및 청동(Bronze)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다. 상기 금속화합물은 금속산화물, 금속질화물 및 금속산화질화물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 상기 증발원으로부터 증기를 생성시키는 단계는 DC 스퍼터링(DC Sputtering), DC 마그네트론 증착법(DC magnetron sputtering), RF 스퍼터링(RF Sputtering), 이온빔 스퍼터링(Ion Beam Sputtering), 아크방전법(Arc Discharge Process), 레이저 어블레이션(Laser Ablation), 열증발 증착(Thermal Evaporation), 전자빔 증착(E-beam Evaporation), 분자빔 에피텍시(Molecular Beam Epitaxy) 또는 이들의 조합에서 선택될 수 있다.
본 발명은 상기 방법으로 제조된 표면에 나노입자를 갖는 구성원료를 제공한다.
본 발명은 상기 방법으로 제조된 표면에 나노입자를 갖는 구성원료를 이용하여 제조된 제품을 제공한다.
본 발명은 상기 구성원료의 표면에 나노입자를 형성시키기 위한 장치로
진공조;
상기 진공조 내의 하부에 구비된 구성원료통;
상기 구성원료통 내에 구비되고 유동성 기판을 이루는 구성원료를 교반하기 위한 날개를 구비한 유동장치;
상기 유동성 기판을 이루는 구성원료를 냉각시키는 냉각장치; 및
상기 진공조 내의 구성원료통 상부에 구비되고 증기를 생성시킬 수 있는 증발원을 포함하는
유동성 기판을 이루는 구성원료의 표면에 나노입자를 형성하는 장치를 제공한다.
본 발명의 장치는 진공조로 이루어져 있다.
본 발명의 장치는 구성원료통 내부의 유동장치에 의하여, 구성원료의 효율적인 유동에 의해 만들어진 최상부층의 유동성 기판이 증착영역, 즉 증착표면에 노출되는 시간을 최소화하면서 빠른 시간내에 구성원료의 내부로 사라지고 이후 새로운 최상부층의 유동성 기판을 제공하며 이 과정은 지속적으로 반복된다. 이미 나노입자가 형성된 구성원료들은 구성원료통 내에서 상대적으로 긴 시간 동안 증착영역에 노출되지 않도록 유동하는 동안 증착표면에는 새로운 구성원료가 제공되어 새로운 구성원료의 표면에 새로운 핵들이 형성된다. 본 발명은 제한된 공간인 구성원료통 내에 구성원료를 투입하고 구성원료를 지속적으로 유동시키는 유동장치를 이용하여 지속적으로 새로운 구성원료를 증착표면에 노출시킴으로써 고품질의 나노입자가 형성된 구성원료를 대량 생산할 수 있다.
본 발명의 진공조 내부에 설치되는 구성원료통은 담지된 구성원료가 유동 중 제한적 공간을 벋어나지 못하게 한다. 한편 구성원료통 내에서 구성원료는 유동장치에 의해 상하로 유동됨에 따라 구성원료통의 최상부층은 지속적으로 새로운 증착표면인 유동성 기판을 형성하게 된다. 즉, 구성원료통의 최상단부 표면에 위치하는 구성원료들은 증착영역에 노출되어 증착표면을 형성하고, 증착표면 아래에 위치하는 구성원료들은 증착영역에서 벗어나 있다. 연속적인 나노입자의 형성을 위해서 기판소재들은 유동시스템에 의해 지속적으로 혼합되며 유동성을 갖도록 하여야 한다. 또한 고체 기판을 냉각할 수 있는 장치를 구비함으로써 더 쉽게 나노입자를 형성시키고 더 작은 크기의 나노입자를 효율적으로 생성시킬 수 있다.
상기 유동성 기판을 이루는 구성원료를 교반하는 유동장치는 수직 또는 수평 회전축을 적용한 스크류(screw) 형, 페달(paddle) 형, 터빈(turbine) 형, 프로펠러(propeller) 형, 앙카(anchor) 형 또는 리본(ribbon) 형일 수 있다.
상기 유동장치의 교반속도는 바람직하게는 20~100rpm이다. 상기 교반속도는 구성원료에 따라 상이할 수 있는데 구성원료의 비중이 2미만으로 작은 경우는 속도를 낮게 할 수 있고, 구성원료의 비중이 2이상으로 큰 것은 속도를 높게 할 수 있다. 상기 속도로 교반 시킬 경우 구성원료로 이루어진 최상위층의 증착표면은 교반속도에 비례하여 바뀌게 된다.
한편, 본 발명의 유동장치의 날개는 구성원료에 묻혀 있을 수 있다. 이 경우 구성원료가 구성원료통 밖으로 비산하는 것을 막을 수 있고 또한 날개에 증기가 증착되는 것을 막을 수 있다.
본 발명의 유동성 기판을 이루는 구성원료를 냉각시키는 냉각장치는 유동장치의 외벽, 구성원료통의 외벽 또는 구성원료통 내부에 설치되는 것으로, 낮은 온도의 액체를 순환시킬 수 있는 냉각라인을 구성한다.
본 발명의 장치는 진공조 내의 구성원료통 상부에 구비되고 증기를 생성시킬 수 있는 증발원을 포함한다. 상기 증발원은 금속, 금속화합물 또는 합금으로 물리적인 방법에 의하여 금속, 금속화합물 또는 합금 증기를 형성한다.
본 발명의 진공조의 진공도는 불활성 가스를 포함시켜 조절하며, 상기 불활성 가스는 아르곤(Ar), 네온(Ne), N2, O2, CH4 등일 수 있다. 상기 진공조의 진공도는 바람직하게는 불활성 가스 또는 화합물을 위한 반응성 가스를 주입시에는 1x10-1 Torr. 정도에서도 가능하지만 순수 금속만을 위할 경우는 바람직하게는 1x10-5 Torr. 이하로 고진공일 수 있다.
상기 증발원으로부터 증기를 생성시키는 단계는 DC 스퍼터링(DC Sputtering), DC 마그네트론 증착법(DC magnetron sputtering), RF 스퍼터링(RF Sputtering), 이온빔 스퍼터링(Ion Beam Sputtering), 아크방전법(Arc Discharge Process), 레이저 어블레이션(Laser Ablation), 열증발 증착(Thermal Evaporation), 전자빔 증착(E-beam Evaporation), 분자빔 에피텍시(Molecular Beam Epitaxy) 또는 이들의 조합에서 선택될 수 있다.
본 발명에서 증착 시간은 10 분에서 증발원의 원료가 모두 소진될 때까지이다. 또한 증발원의 원료를 재충전하며 원료를 지속적으로 투입할 경우 상기 시간을 조절함에 따라 구성원료에 대한 나노입자의 농도를 제어할 수 있고 무한의 농도로 제조할 수 있다.
상기 진공 증착은 증착조의 진공도, 유동장치의 유동 속도, 증착 시간, 증착 파워 등을 조절함으로써 나노입자의 성장을 제어하여 구성원료에 증착되는 나노입자의 크기 및 양을 조절할 수 있다.
이하 일예를 들어 구성원료의 표면에 나노입자를 형성하는 장치의 특징을 설명한다. 다양한 장치들의 예에서 고품질의 나노분말을 제조하기 위한 다양한 증착표면을 형성하는 방법들을 설명하고 효율적으로 증착표면을 형성시키는 방법과 유동성 기판을 효율적으로 냉각할 수 있는 방법을 설명한다.
도 3은 구성원료통 내에 유동날개와 수평회전축을 구비하여 구성원료를 유동시키는 방법을 적용한 나노입자 제조장치의 예시이다. 장치의 구성은 진공조(1) 내에 물리적 증발원(2)과 구성원료(5)를 유동시키는 유동장치(4)를 포함한 구성원료통(3)을 구비한다. 제한적 공간내에서 구성원료를 유동시키는 구성원료통에 구성원료(5)를 투입하고 구성원료통 내에 구비된 수평 회전축(6)을 이용하여 구성원료를 유동시킨다. 이때 구성원료를 유동시키는 유동날개(7)는 회전축(6)에 부착되어 있고, 날개의 구조는 페달형의 구조로 제조할 수 있다. 기판의 냉각을 위한 장치는 구성원료통의 외벽에 설치가 가능하고, 회전축(6)에 냉각기능을 부여할 수도 있다.
이때 날개는 구성원료에 묻혀 있어서 구성원료의 유동 시 구성원료(5)가 구성원료통(3) 밖으로 비산하는 것을 방지하고 또한 날개(7)에 증기가 증착하는 것을 방지한다.
도 4는 수직 회전축(6)을 이용한 구성원료를 유동시키는 유동장치를 구비하여 구성원료의 표면에 나노입자를 제조하는 장치의 예이다. 상기 장치는 진공조 내에 증발원(2)과 구성원료(5)를 유동시키는 유동장치(4)를 구비한다. 진공조 내에서 물리적 증발원(2)은 상부에 위치하고 유동장치(4)는 하부에 위치한다. 유동장치에 포함된 유동날개(7)는 페달형 또는 나선형 등으로 구성할 수 있다.
도 5는 수평회전축을 이용한 리본형 유동날개 구조를 구비한 나노입자 제조장비의 예이다. 상기 장치는 진공조 내의 상부에 증발원(2) 구비하고 하부에 유동장치(4)를 구비한 구성원료통(3)을 포함한다.
유동장치(4)는 수평 회전축(6)과 구성원료(5)를 유동시키는 유동날개(7)로 구성되어 있다. 유동날개(7)는 2중 유동날개로 회전축에 가까운 내부유동날개(8)와 회전축에서 먼 외부유동날개(9)로 구성되어 있고 각각의 유동날개는 중앙을 기준으로 반대방향의 나선구조로 구성되어 있다. 리본형 유동날개의 회전에 의해 구성원료들은 전체적으로 흐름성이 좋아지고 균일한 구성원료의 유동을 만들 수 있다. 회전축의 정방향 회전과 역방향 회전의 경우 각각 구성원료들은 서로 반대방향으로 이동하게 된다. 정방향 회전 시 회전축의 중심에서 가까운 위치에 있는 유동성 기판들은 내부유동날개로부터 힘을 받아 중앙 쪽으로 이동하게 되고, 회전축에서 먼 유동성 기판들은 외부유동날개의 힘을 받아 중앙부로부터 먼 쪽으로 이동하게 된다. 정방향 회전이더라도 유동날개의 방향에 따라 유동성 기판을 반대방향으로 이동하도록 할 수 있다. 리본형 유동날개의 폭이나 간격은 유동성 기판소재로 선택한 구성원료의 크기 및 물리적인 특성에 따라 변화될 수 있다.
수평회전축 방식의 리본형 유동날개를 적용한 장치는 구성원료의 수위가 외부유동날개의 최대높이 이상으로 채우는 것이 바람직하다. 이 경우 최상부 표면에서의 구성원료들이 정체되는 영역이 거의 없기 때문에 우수한 흐름성을 갖게 된다. 회전축 근방에서 구성원료들의 움직임은 내부유동 날개에 의해 수평방향으로 이동하기 때문에 수평회전축과는 달리 회전축 근방에서 구성원료들의 움직임이 우수하다. 이 장치는 유동날개가 증착영역에 노출되지 않기 때문에 증착효율이 상대적으로 높고 증착영역에서의 열에 의한 축적을 최소화 할 수 있다. 2중 리본형 유동날개에 의해 구성원료들의 전체적인 유동성이 좋고 구성원료들의 유동이 균일하게 이루어지기 때문에 공급되는 금속증기에 의해 기판의 표면에 형성되는 나노입자들은 상대적으로 균일한 분포를 갖게 된다. 또한 열에 의한 기판의 손상이 최소화되기 때문에 품질이 우수한 나노입자를 효율성 높게 제조할 수 있다.
본 발명의 장치에서 구성원료를 냉각할 수 있는 장치를 구비할 수 있으며, 냉각방식으로는 수냉식 냉각장치 또는 기타 냉각장치를 추가할 수 있다. 냉각장치를 부착시키는 위치는 구성원료통 벽면, 회전축, 유동날개 등이 될 수 있다. 냉각장치의 역할은 마찰이나 증착영역의 열에 의해 구성원료에 축적될 수 있는 열을 외부로 배출시키는 것이며, 나노분말 제조 시 보다 작고 많은 양의 핵을 형성시킬 수 있어 고품질의 나노입자 제조에 유리하다.
도 6에 회전축냉각장치(10), 회전날개냉각장치(11) 및 구성연료통냉각장치(12)가 구비된 예를 도시하였다. 도 6에서는 리본형 유동날개의 일부만 도시하였지만 도 6에 도시된 장치와 같이 리본형 유동날개를 사용하는 경우 및 기타 다양한 유동날개의 경우도 동일한 개념을 적용할 수 있음을 의미한다.
냉각장치는 구성원료들이 증착영역에 노출되거나 유동에 의한 마찰 등에 의해 발생할 수 있는 열을 효과적으로 방출시키기 위하여 구성원료 및 나노입자가 형성된 구성원료들이 직접 접촉하는 금속 구조물들을 냉각함으로써 유동성 기판인 구성원료들의 온도를 제어할 수 있다. 냉각장치는 냉각수 순환방식일 수 있고 냉각장치에 공급되는 냉각수의 온도는 5 ~ 15 도 범위 내에서 설정하는 것이 바람직하다.
이하 일 실시예를 들어 본 발명을 설명한다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1.
(1) 각각 은, 팔라듐, 백금, 금 나노입자가 증착된 포도당 분말 제조
포도당 분말을 유동성 기판을 이루는 구성원료로 하고 나노입자의 원료인 증발원으로 각각 은, 팔라듐, 백금 및 금의 금속괴를 사용하여 도 6의 구성원료통과 구성원료 유동장치를 이용하여 포도당의 표면에 나노입자를 증착시켰다.
구체적으로 설명하면, 포도당 분말을 진공조 내에 구비된 구성원료통에 투입한 후 진공펌프를 이용하여 진공배기를 수행하여 최종적으로 1x10-5 Torr 이하의 고진공으로 만들었다. 그 상태에서 Ar 가스를 진공조 내로 50 ~ 150 sccm 유량으로 주입하고, 유동장치를 이용하여 구성원료인 포도당 분말을 60 rpm 속도로 유동시켜 포도당 분말로 이루어진 연속적이고 반복적인 증착표면을 제공하도록 하였다. 증발원으로 사용되는 금속괴는 10 cm 지름과 1cm 두께를 가지는 디스크 타입으로 DC 스퍼터링 캐소드에 부착시켰다. 상기 증발원의 금속원자들을 증기화하여 포도당의 표면에 나노입자를 형성시켰다.
상기 방법에 의하여 황색의 은 나노입자가 증착된 포도당 분말(Ag/포도당), 검정색의 팔라듐 나노입자가 증착된 포도당 분말(Pd/포도당), 갈색의 백금 나노입자가 증착된 포도당 분말(Pt/포도당) 및 회색의 금 나노입자가 증착된 포도당 분말(Au/포도당)을 얻었다.
상기 방법에 의하여 제조된 나노입자가 증착된 포도당 분말의 사진을 도 7, 8, 9, 10에 도시하였다.
(2) 백금 및 금 콜로이드 제조
상기 백금 나노입자가 증착된 포도당 분말(a) 및 금 나노입자가 증착된 포도당 분말(b)을 물에 혼합하면 포도당이 물에 녹으면서 나노입자들은 별도의 분산제 없이도 물에 골고루 분산이 되어 도 11에 도시된 바와 같이 균일한 콜로이드 상태로 된다.((a)는 백금 나노입자 콜로이드, (b)는 금 나노입자 콜로이드이다.)
실시예 2.
(1) 은 나노입자가 증착된 PET 칩 제조
구성원료로 고분자 소재 중 하나인 PET(polyethyleneterephthalate) 칩을 사용하고 은의 괴를 증발원으로 사용하여 은나노 입자가 증착된 PET 칩을 제조하였다. 제조 순서는 PET 칩을 진공조 내에 구비된 구성원료 통에 투입한 후 진공펌프를 이용하여 진공배기를 수행하고, 구성원료통 상부에 구비된 증발원으로부터 은을 증기화하여 PET 칩 표면에 은 나노입자를 증착시켰다. 은 나노입자가 증착된 PET칩의 사진을 도 12에 도시하였다.
(2) 실의 제조
이와 같이 제조된 은/PET 칩을 기존의 방사 공정에 투입하여 실을 제조하였다. 상기 실에 대한 사진을 도 13에 도시하였다.
실시예 3.
(1) 은 나노입자가 증착된 ABS 수지 칩 제조
유동성 기판의 구성원료로 ABS 수지(acrylonitrile-butadiene-styrene resine) 칩을 사용하여 본 발명에 의한 방법으로 ABS 칩 표면에 은나노입자를 증착시켰다.
(2) 플라스틱 사출
상기 방법으로 제조한 은 나노입자가 증착된 ABS 수지 칩을 별도의 첨가제나 분산제 없이 기존의 사출성형 공정을 그대로 이용하여 나노입자들이 골고루 분산된 제품으로 사출성형하고 이를 도 14에 도시하였다.
실시예 4.
(1) 은 나노입자가 증착된 LDPE 칩 제조
유동성 기판의 구성원료로 LDPE(Low Density Polyethylene) 칩을 사용하여 본 발명에 의한 방법으로 LDPE 칩 표면에 은나노입자를 형성시켰다.
(2) 항균필름의 제조
상기 방법으로 제조한 은 나노입자가 증착된 LDPE 칩으로 별도의 첨가제나 분산제 없이 기존의 필름 제조공정을 그대로 이용하여 나노입자들이 골고루 분산된 항균필름을 제조하고 도 15에 도시하였다.
실시예 5.
(1) 은 나노입자가 증착된 PP 칩 제조
유동성 기판의 구성원료로 PP(polypropylene) 칩을 사용하여 본 발명에 의한 방법으로 은 나노입자가 증착된 PP 칩을 제조하였다.
(2) 부직포의 제조
상기 방법으로 제조한 은 나노입자가 증착된 PP 칩으로 별도의 첨가제나 분산제 없이 기존의 부직포 제조공정을 그대로 이용하여 나노입자들이 골고루 분산된 항균부직포를 제조하고 이를 도 16에 도시하였다.
실시예 6.
(1) Fe/포도당, SUS/포도당 및 Ni/포도당 분말의 제조
유동성 기판의 구성원료로 포도당 분말을 사용하여 본 발명에 의한 방법으로 Fe 나노입자, SUS(stainless steel) 나노입자 및 Ni 나노입자가 증착된 포도당 분말을 제조하였다.
(2) Ni/Fe/포도당 및 Ni/SUS/포도당 분말의 제조
유동성 기판의 구성원료로 포도당 분말을 사용하여 본 발명에 의한 방법으로 서로 다른 2 종의 금속 나노입자를 순차적으로 구성원료인 포도당의 표면에 형성시킨 Ni/Fe/포도당 및 Ni/SUS/포도당 분말을 제조하였다. 제조 순서는 포도당 분말을 진공조 내에 구비된 구성원료 통에 투입한 후 진공펌프를 이용하여 진공배기를 수행하고, 유동장치를 이용하여 구성원료인 포도당 분말을 유동시켜 포도당 분말로 이루어진 연속적이고 반복적인 증착표면을 제공하도록 하였다. 먼저 Ni 금속 괴를 증발원으로 하여 포도당 분말의 표면에 Ni 나노입자를 형성시켰다. 그리고, Ni 금속 괴를 Fe 금속 괴로 교체하여 Ni 나노입자가 부착된 포도당 분말의 표면에 Fe 나노입자를 형성시켜 철 및 니켈 나노입자가 증착된 포도당 분말(Ni/Fe/포도당)을 제조하였다.
스테인리스스틸(SUS) 괴와 Ni 금속 괴를 사용하여 상기 방법과 동일한 과정으로 스테인레스스틸 및 니켈 나노입자가 증착된 포도당 분말(Ni/SUS/포도당)을 제조하였다. 도 17에 Ni/Fe/포도당(a) 및 Ni/SUS/포도당(b) 분말 사진을 도시하였다.
(3) 나노입자 콜로이드 제조
상기 제조된 Fe/포도당, Ni/포도당 및 SUS/포도당 분말을 이용하여 분산제 없이 동일한 용매 (물)에 분산시킨 Fe, Ni 및 SUS 나노입자 콜로이드를 제조하였다. 또한 Fe/Ni/포도당 및 SUS/Ni/포도당 분말을 이용하여 동일하게 Fe/Ni 및 SUS/Ni 혼합금속 나노입자 콜로이드를 제조하였다. 이를 도 18에 도시하였다. 도 18에서 단일소재인 Fe, SUS, Ni 나노입자들이 각각 용매에 잘 분산되어 있는 것을 확인할 수 있고, 또한 2 종의 나노입자들이 형성된 샘플에서도 Ni/Fe 및 Ni/SUS 혼합금속 나노입자들이 각각의 동일한 용매 내에서 분산제 없이 잘 분산되어 있는 것을 확인할 수 있다.((a)는 Fe 나노입자 콜로이드, (b)는 SUS 나노입자 콜로이드, (c)는 Ni 나노입자 콜로이드, (d)는 Ni/Fe 나노입자 콜로이드, (e)는 Ni/SUS 나노입자 콜로이드이다.)
실시예 7. Cu/Zn/탄산칼슘 분말의 제조
유동성 기판의 구성원료로 탄산칼슘 (CaCO3) 분말을 사용하여 본 발명에 의한 방법으로 Cu 및 Zn 나노입자를 동시에 구성원료인 탄산칼슘의 표면에 형성시킨 Cu/Zn/탄산칼슘 분말을 제조하였다. 이 때 증발원에 사용한 금속 괴는 Cu:Zn = 6:4인 합금을 사용하였다. 그 결과 사진을 도 19에 도시하였다.
상기 실시 예들에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 방법으로 제조한 나노입자가 증착된 다양한 구성원료들은 최종 제품의 제조에 그대로 사용될 수 있는 장점이 있다. 구성원료의 표면에 형성된 나노입자들은 분산제 없이도 높은 분산성을 나타내기 때문에 기존의 응용제품 제조공정에 그대로 사용되어 섬유, 필름, 부직포, 3차원 형상 등의 다양한 형태의 제품에 포함될 수 있다. 또한 기존의 화학적인 공정에서 제조하기 어려웠던 단일, 혼합, 합금 형태의 다양한 나노입자들을 구성원료의 표면에 형성할 수 있으므로 기존 응용제품에 다양한 기능성을 부여하기가 매우 용이하다.
1. 진공조 2. 증발원 3. 구성원료통 4. 유동장치 5. 유동성 기판(구성원료) 6. 회전축 7. 유동날개 8. 리본형내부유동날개 9. 리본형외부유동날개 10. 회전축냉각장치, 11. 회전날개냉각장치 12. 구성연료통냉각장치 101. 증착표면

Claims (12)

  1. 진공조 내에서 나노입자를 제조하는 방법으로,
    1) 제한된 공간내에 유동성 기판을 이루는 구성원료를 구비하는 단계;
    2) 금속, 금속화합물 및 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 증발원을 구비하는 단계
    3) 구성원료를 유동시켜 지속적으로 새로운 증착표면을 만드는 단계;
    4) 상기 새로운 증착표면에 상기 증발원으로부터 생성된 증기를 증착시켜 금속, 금속화합물 또는 합금의 핵를 만드는 단계;
    5) 상기 핵이 형성된 구성원료를 유동시켜 증착표면으로부터 멀어지게 하고 냉각시켜 핵을 나노입자화 하는 단계; 및
    6) 상기 단계 3) 내지 5)를 반복하는 단계를 포함하고
    상기 구성원료는 고체상태의 분말 또는 칩형상이고
    상기 유동성 기판을 이루는 구성원료가 증착표면에의 머무름 시간이 평균 1초미만인 것을 특징으로 하는 유동성 기판을 이루는 구성원료의 표면에 나노입자를 형성시키는 방법
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 구성원료는 비휘발성의 금속, 유기고분자, 유기화합물 또는 무기화합물인 것인 유동성 기판을 이루는 구성원료의 표면에 나노입자를 형성시키는 방법
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 구성원료는 분말 또는 칩 형상이고 직경이 1μm~5mm인 유동성 기판을 이루는 구성원료의 표면에 나노입자를 형성시키는 방법
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 구성원료 분말 또는 칩의 직경은 비중에 따라 달라지는 것인 유동성 기판을 이루는 구성원료의 표면에 나노입자를 형성시키는 방법
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 구성원료 비중이 2이상 경우 입자 크기는 1μm~1mm이고, 비중이 2미만인 경우 입자 크기는 1mm~5mm인 것인 유동성 기판을 이루는 구성원료의 표면에 나노입자를 형성시키는 방법
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 금속은 은(Ag), 구리(Cu), 철(Fe), 티타늄(Ti), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 희토류(Rare Earth Materials) 및 실리콘(Si)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상이고, 합금은 스테인레스스틸(SUS), 황동(Brass), 및 청동(Bronze)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상이고, 금속화합물은 금속산화물, 금속질화물 및 금속산화질화물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상인 유동성 기판을 이루는 구성원료의 표면에 나노입자를 형성시키는 방법
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 구성원료가 이루는 유동성 기판은 구성원료의 입자 크기가 (1/2)n 배율로 작아질 경우, 증착표면적은 n2배에 비례하여 증대하는 것인 유동성 기판을 이루는 구성원료의 표면에 나노입자를 형성시키는 방법
  8. 청구항 1의 방법으로 제조되고 표면에 나노입자가 증착된 구성원료로 제조되는 제품
  9. 구성원료의 표면에 나노입자를 형성시키기 위한 장치로
    진공조;
    상기 진공조 내의 하부에 구비된 구성원료통;
    상기 구성원료통 내에 구비되고 유동성 기판을 이루는 구성원료를 교반하기 위한 날개를 구비한 유동장치;
    상기 유동성 기판을 이루는 구성원료를 냉각시키는 냉각장치; 및
    상기 진공조 내의 구성원료통 상부에 구비되고 증기를 생성시킬 수 있는 증발원을 포함하는
    유동성 기판을 이루는 구성원료의 표면에 나노입자를 형성하는 장치
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 유동성 기판을 이루는 구성원료를 냉각시키는 냉각장치는 유동장치, 구성원료통의 외벽 또는 구성원료통의 내부에 낮은 온도의 액체를 순환시킬 수 있는 냉각라인을 구성한 것을 특징으로 하는 구성원료의 표면에 나노입자를 형성하는 장치
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 유동성 기판을 이루는 구성원료를 교반하는 유동장치는 수직 또는 수평 회전축을 적용한 스크류(screw) 형, 페달(paddle) 형, 터빈(turbine) 형, 프로펠러(propeller) 형, 앙카(anchor) 형, 리본(ribbon) 형 또는 이들의 조합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 구성원료의 표면에 나노입자를 형성하는 장치
  12. 청구항 9에 있어서, 상기 유동장치는 수평 회전축과 구성원료를 유동시키는 유동날개를 포함하고 상기 유동날개는 2중 유동날개로 회전축에 가까운 내부유동날개와 회전축에서 먼 외부유동날개를 포함하는 구성원료의 표면에 나노입자를 형성하는 장치
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20070044879A (ko) 2005-10-26 2007-05-02 주식회사 피앤아이 금속, 합금 및 세라믹 나노 입자가 균일하게 진공 증착된파우더의 형성 방법 및 그 제조 장치
KR20110132029A (ko) * 2010-06-01 2011-12-07 주식회사 피앤아이 나노 입자 용액의 제조 방법
KR20130129345A (ko) * 2013-11-12 2013-11-28 고석근 담체에 부착된 나노 입자 제조 장치
JP2016069689A (ja) * 2014-09-30 2016-05-09 株式会社ジーエル・マテリアルズホールディングス 異種ナノ粒子の同時製造方法
KR20170000171A (ko) * 2015-06-23 2017-01-02 주식회사 지엘머티리얼즈 귀금속 나노 입자를 함유한 피부미용 마스크 팩 조성물 및 그 제조방법

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3620842B2 (ja) * 2002-12-25 2005-02-16 孝之 阿部 多角バレルスパッタ装置、多角バレルスパッタ方法及びそれにより形成された被覆微粒子、被覆微粒子の製造方法
KR101118615B1 (ko) * 2009-11-20 2012-03-07 한국생산기술연구원 마이크로 입자의 표면에 나노 입자를 증착시키기 위한 혼합 분말 제조장치 및 이를 이용하여 제조되는 혼합 분말
KR101699274B1 (ko) * 2014-01-06 2017-01-24 주식회사 화진 담체를 이용한 나노 파우더 제조 방법
KR20170014431A (ko) * 2015-07-30 2017-02-08 한국생산기술연구원 분말코팅장치

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20070044879A (ko) 2005-10-26 2007-05-02 주식회사 피앤아이 금속, 합금 및 세라믹 나노 입자가 균일하게 진공 증착된파우더의 형성 방법 및 그 제조 장치
KR20110132029A (ko) * 2010-06-01 2011-12-07 주식회사 피앤아이 나노 입자 용액의 제조 방법
KR20130129345A (ko) * 2013-11-12 2013-11-28 고석근 담체에 부착된 나노 입자 제조 장치
JP2016069689A (ja) * 2014-09-30 2016-05-09 株式会社ジーエル・マテリアルズホールディングス 異種ナノ粒子の同時製造方法
KR20170000171A (ko) * 2015-06-23 2017-01-02 주식회사 지엘머티리얼즈 귀금속 나노 입자를 함유한 피부미용 마스크 팩 조성물 및 그 제조방법

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