KR20210017541A - 나노입자 합성 장치 - Google Patents

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KR20210017541A
KR20210017541A KR1020190096948A KR20190096948A KR20210017541A KR 20210017541 A KR20210017541 A KR 20210017541A KR 1020190096948 A KR1020190096948 A KR 1020190096948A KR 20190096948 A KR20190096948 A KR 20190096948A KR 20210017541 A KR20210017541 A KR 20210017541A
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정진미
김성범
최준원
임예훈
신부건
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주식회사 엘지화학
강원대학교산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 실시예는 반응 챔버; 상기 반응 챔버 내로 원료 기체를 공급하는 원료 기체 공급부; 상기 원료 기체의 유동 방향을 따라 상기 반응 챔버 내로 레이저 빔이 입사되는 레이저 빔 입사부; 상기 반응 챔버 내부의 상기 레이저 빔이 입사되는 측의 반대 측에 구비되어 상기 레이저 빔 입사부를 통해 입사된 레이저 빔이 충돌되는 레이저 빔 충돌부; 및 상기 레이저 빔과 상기 반응 챔버의 내주면 사이에 상기 원료 기체의 유동 방향을 보조 기체가 유동할 수 있도록 상기 보조 기체를 공급하는 보조 기체 공급부를 포함하는, 나노입자 합성 장치를 제공한다.

Description

나노입자 합성 장치{DEVICE FOR SYNTHESIS OF NANOPARTICLE}
본 발명은 나노입자 합성 장치에 관한 것이다.
레이저 열분해법(laser pyrolysis)이란, 기체 원료에 레이저를 조사하여 매우 짧은 반응 시간 동안 원료 기체를 분해시켜 나노 입자를 합성하는 방법이다. 일 예로, 이산화탄소(CO2) 레이저 조사를 통하여 실란(SiH4) 기체가 분해되는 경우, 실리콘 나노입자(Si nanoparticle)가 형성될 수 있다. 이와 같은 레이저 열분해법에 있어서, 생산성 향상을 위하여. 특히 나노입자가 생성되는 반응 영역(reaction region)을 넓히는 것이 중요하다.
일반적인 레이저 열분해 반응기는 입사되는 레이저 빔과 공급되는 원료 기체의 진행 방향이 교차하도록 설계되어 있다. 한편, 이와 같이 설계된 반응기에서는 입사된 레이저 빔과 기체 원료의 교점(intersection)만이 반응 영역이 되며, 이는 미소 영역에 불과하다. 또한, 상기 반응 영역에서 설계된 크기의 나노입자가 제조되기 위해서는 수 마이크로초(ms)의 짧은 시간 내에 분해 반응이 이루어져야 하는 한계점이 있다.
이와 같은 문제를 해결하고, 나노입자의 생산 수율을 향상시키기 위하여, 입사되는 레이저 빔의 출력을 높이는 방법, 원료 기체 내에 레이저 빔에 흡수율을 높이는 성분을 첨가하는 방법 등이 도입된 바 있다. 다만, 이와 같은 방법 또한 반응 효율이 크게 향상되지 못하여 기상의 광촉매가 더 요구되거나, 레이저 빔의 출력 증가가 요구되므로, 공정 비용이 증가하는 한계가 있다.
이에, 기체 원료의 레이저 열분해 반응의 영역을 향상시킬 수 있도록 설계된 레이저 열분해 반응기에 대한 연구가 필요한 실정이다.
기체 원료의 레이저 열분해 반응의 영역을 향상시키기 위해 레이저 빔과 원료 기체의 진행 방향이 같도록 구성하는 동축 레이저 열분해 반응기가 고려될 수 있다.
도 1은 동축 레이저 열분해 반응기의 반응 챔버의 일 형태를 연장 방향을 따른 단면으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 레이저 빔(LB)은 반응 챔버(1)의 일측(1a)에서 반응 챔버(1)의 연장 방향을 따라 입사되며, 원료 기체(G)는 반응 챔버(1)의 일측(1a) 외주면에 형성된 공급공(2)을 통해 반응 챔버(1)의 중심을 향해 공급되지만 원료 기체(G)의 주된 진행 방향은 레이저 빔(LB)의 진행 방향과 마찬가지로 반응 챔버(1)의 연장 방향을 따른다.
반응 챔버(1)의 타측(1b)과 인접한 소정의 위치에는 레이저 빔 충돌부(3)가 배치될 수 있으며, 레이저 빔 충돌부(3)는 레이저 빔(LB)을 흡수 또는 반사하도록 구성될 수 있다.
따라서, 나노입자가 생성되는 반응 영역(R1)은 레이저 빔(LB)과 원료 기체(G)가 만나는 지점부터 레이저 빔(LB)이 레이저 빔 충돌부(3)에 충돌되는 지점까지의 레이저 빔(LB) 경로로 이해될 수 있다.
한편, 이러한 동축 레이저 열분해 반응기에서는 원료 기체(G)가 반응 영역(R1) 외부로 흩어지지 않고 레이저 빔(LB)의 경로와 잘 매칭되어야 높은 반응 수율을 얻을 수 있지만, 반응 영역(R1)에서의 온도 상승으로 인해 원료 기체(G)의 부피가 팽창하면서 점차 원료 기체(G)가 반응 영역(R1) 외부로 벗어남에 따라 반응 수율이 낮아지는 문제가 있을 수 있다.
도 1에 도시된 반응 챔버 내에서의 물질의 유동 현상을 파악하기 위하여, 3차원 CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석을 수행하였다.
도 2은 CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석을 수행하기 위하여 설정한 도 1에 도시된 반응 챔버의 모델을 3차원적으로 나타낸 도면이다. 도 2에서와 같이, 반응 영역이 시작되는 면에 나노입자를 합성하기 위한 원료 기체로서 SiCl4, SiCl4를 이송하는 운반 기체로서 N2, 레이저 흡수를 돕기 위한 보조 기체로서 SF6을 투입하여, 실리콘 입자를 형성하는 조건을 가정하여 CFD 해석을 수행하였다. 이때, 투입되는 기체의 유량으로, SiCl4를 50cm3/min, N2는 4250cm3/min, SF6는 200cm3/min로 가정하였고, 반응기의 내부 압력은 200Torr로 가정하였다.
상기 나노입자의 합성 반응의 경우, 원료 기체인 SiCl4로부터 형성된 Si 라디칼들이 서로 결합, 성장하여 실리콘 나노입자로 형성된다. 이때, SF6 기체는 레이저 에너지를 흡수하여 운동에너지가 증가되고 SiCl4와 충돌하면서, 에너지를 SiCl4로 전달하는 기체의 역할을 하고 열분해 반응에는 직접 참여하지 않는다.
이 때, 원료 기체와 레이저 빔이 매칭되는 영역에 열원(heat source) 조건을 부여하고, 레이저의 에너지 흡수에 따른 기체의 온도 상승을 고려하여 상기 조건을 설정하였다. 구체적으로, 상기 열원 조건은 SF6 가 흡수한 레이저 에너지로 설정하였고, 레이저가 조사되면 SF6 기체가 에너지를 흡수하고, 흡수된 에너지가 열원이 되어 SiCl4 기체의 열분해 반응과 가스 온도 상승에 기여되는 것을 고려하였다. 즉, 열량 = 질량 X 비열 X 온도변화량(시작온도에서 SiCl4의 분해와 성장이 일어나기 시작하는 온도까지 도달되는 온도 변화량)으로 계산하여, 약 20W의 열량을 상기 열원 조건으로 설정하였다.
도 3은 도 1에 도시된 반응 챔버의 모델의 CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석 결과를 나타낸 것이다. 구체적으로, 도 3의 (A)는 CFD 해석을 수행하기 위하여 설정한 반응 챔버의 모델을 나타낸 것이고, 도 3의 (B)는 CFD를 통해 반응 챔버 내의 기체의 온도를 해석한 것을 나타낸 것이고, 도 3의 (C)는 CFD를 통해 반응 챔버 내의 기체의 유속을 해석한 것을 나타낸 것이며, 도 3의 (D)는 도 3의 (C)에서 반응 챔버 내의 기체가 유입되는 영역부터 소정 구간까지를 확대 도시한 것이다.
도 3의 (B)를 참고하면, 원료 기체와 레이저 빔이 매칭되는 영역에서 원료 기체의 분해 및 실리콘 입자의 성장이 이루어질 수 있는 온도인 800 ℃ 내지 1,200 ℃의 온도 구간이 반응 챔버 내에 형성될 수 있음을 확인하였다. 또한, 도 3의 (C)를 참고하면, 반응 챔버 내에서 원료 기체가 이동하는 유속이 반응 영역 시작 면보다 반응 영역 종료 면 측에서 상대적으로 증가하는 것을 확인하였다. 다만, 도 3의 (D)를 참고하면, 원료 기체가 반응 챔버의 연장 방향을 따라 갈수록 반응영역을 벗어나 팽창하며 이동하는 것을 확인하였다.
한편, 원료 기체와 레이저 빔의 매칭 정도를 평가하기 위한 파라미터를 다음과 같이 정의하였다.
K1=(반응영역 시작 면을 통과하는 원료 기체 유량 / 원료 기체 공급 유량)x100
K2=(반응영역 종료 면을 통과하는 원료 기체 유량 / 원료 기체 공급 유량)x100
도 3에 나타난 CFD 해석 결과를 토대로 산출된 K1 및 K2은 다음과 같다.
K1 = 50.5 %, K2 = 20.7%
원료 기체 공급 유량 대비 반응 영역 시작 면을 통과하는 원료 기체 유량 비율 또한 50 % 에 근접할 정도로 레이저 빔과의 매칭율이 다소 낮았으며, 반응 영역 종료 면에서는 그마저 20.7% 를 보여 원료 기체의 상당량이 반응 영역의 외곽에 머물러 반응 수율이 높지 않을 수 있음을 확인하였다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 실시예들의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 실시예들의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
본 발명은 원료 기체의 레이저 열분해 영역을 넓히되 원료 기체와 레이러 빔의 반응 수율을 향상시킬 수 있는 나노입자 합성 장치를 제공하고자 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예는 반응 챔버; 상기 반응 챔버 내로 원료 기체를 공급하는 원료 기체 공급부; 상기 원료 기체의 유동 방향을 따라 상기 반응 챔버 내로 레이저 빔이 입사되는 레이저 빔 입사부; 상기 반응 챔버 내부의 상기 레이저 빔이 입사되는 측의 반대 측에 구비되어 상기 레이저 빔 입사부를 통해 입사된 레이저 빔이 충돌되는 레이저 빔 충돌부; 및 상기 레이저 빔과 상기 반응 챔버의 내주면 사이에 상기 원료 기체의 유동 방향을 보조 기체가 유동할 수 있도록 상기 보조 기체를 공급하는 보조 기체 공급부를 포함하는, 나노입자 합성 장치를 제공한다.
본 실시예에 있어서, 상기 레이저 빔의 경로와 수직하게 상기 반응 챔버 내를 가로지르도록 배치되는 배플로서, 상기 원료 기체의 유동 방향 기준 상기 원료 기체 공급부보다 하류에 배치되되 상기 레이저 빔 및 상기 원료 기체가 통과할 수 있는 관통홀을 구비하는 제1배플;을 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 보조 기체 공급부는 상기 원료 기체의 유동 방향 기준 상기 원료 기체 공급부보다 하류에 배치되되 상기 반응 챔버 내부의 중심을 향하여 상기 보조 기체를 공급하며, 상기 나노입자 합성 장치는, 상기 보조 기체가 공급되는 영역과 대응되는 위치에 상기 반응 챔버의 내주면과 공간을 형성할 수 있도록 배치되는 배플로서, 상기 레이저 빔 및 상기 원료 기체가 통과할 수 있는 관통홀을 구비하는 제2배플을 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 레이저 빔 충돌부의 외주면과 상기 반응 챔버의 내주면은 서로 이격되어 그 사이에 이격 공간이 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 레이저 빔 충돌부는, 상기 입사된 레이저 빔이 흡수 또는 반사되는 코팅층을 적어도 일부 표면에 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자 합성 장치는 유동하는 원료 기체와 입사되는 레이저 빔이 중첩되는 반응 영역의 크기를 증가시킬 수 있고, 또한 원료 기체와 레이러 빔의 반응 수율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 동축 레이저 열분해 반응기의 반응 챔버의 일 형태를 연장 방향을 따른 단면으로 나타낸 도면이다.
도 2은 CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석을 수행하기 위하여 설정한 도 1에 도시된 반응 챔버의 모델을 3차원적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 반응 챔버의 모델의 CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자 합성 장치의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자 합성 장치의 반응 챔버 일 형태를 연장 방향을 따른 단면으로 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 반응 챔버의 모델의 CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석 결과를 나타낸 것이다.
본 발명은 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. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자 합성 장치의 사시도이며, 도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자 합성 장치의 반응 챔버 일 형태를 연장 방향(X→X')을 따른 단면으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자 합성 장치(100)는 반응 챔버(110), 원료 기체 공급부(120), 레이저 빔 입사부(130), 레이저 빔 충돌부(140) 및 보조 기체 공급부(150)를 포함할 수 있다.
반응 챔버(110)는 내부에 공급된 원료 기체(G)의 분해 반응이 일어나고, 생성된 나노입자(NP)가 포집되는 구조물이다. 구체적으로, 반응 챔버(110)에서는 원료 기체(G)에 포함되는 반응 기체가 레이저 빔(LB)에 의하여 분해된다. 또한 분해된 반응 기체의 성분이 성장하여 나노입자(NP)가 되며, 나노입자(NP)는 나노입자 포집부(미도시)에 포집될 수 있다. 후술하는 원료 기체 공급부(120)가 반응 챔버(110)의 일 측(110a)에 제공될 때 나노입자 포집부는 반응 챔버(110)의 타 측(110b)에 제공될 수 있다. 나노입자 포집부는 원료 기체(G)의 분해 반응에 의해 생성된 나노입자(NP)를 포집할 수 있는 구성이라면 당업계에서 사용되는 일반적인 구성을 제한없이 채택하여 사용할 수 있다.
원료 기체 공급부(120)는 원료 기체(G)를 반응 챔버(110) 내로 공급할 수 있다. 원료 기체 공급부(120)는 반응 챔버(110)의 일 측(110a)에 제공되며, 구체적으로 반응 챔버(110)의 일 측(110a) 외주면에 형성된 공급공(121)과, 공급공(121)과 연통되는 노즐(122)을 포함할 수 있다. 노즐(122) 및 공급공(121)을 경유하여 공급된 원료 기체(G)는 반응 챔버(110)의 중심을 향해 이동하다 반응 챔버(110)의 연장 방향을 따라 이동할 수 있도록 경로가 변경된다. 공급공(121) 및 노즐(122)은 반응 챔버(110)의 원주 방향을 따라 복수로 구비될 수 있다.
레이저 빔 입사부(130)는 반응 챔버(110)의 일 측(110a)에 제공되어, 원료 기체(G)의 유동 방향, 즉 반응 챔버(110)의 연장 방향을 따라 반응 챔버(110) 내로 레이저 빔(LB)이 입사될 수 있도록 한다. 레이저 빔(LB)은 공지의 레이저 빔 조사 장비에서 조사되어 레이저 빔 입사부(130)를 통해 반응 챔버(110) 내로 입사될 수 있다. 레이저 빔 입사부(130)에는 입사된 레이저 빔(LB)이 투과될 수 있는 광학 렌즈가 더 구비될 수 있다. 나아가, 광학 렌즈의 소재로서, ZnSe 등의 CO2 연속 파 레이저에 대한 흡수도가 낮은 물질이 사용될 수 있다.
레이저 빔 충돌부(140)는 반응 챔버(110) 내부의 레이저 빔(LB)이 입사되는 측의 반대 측에 구비되어 레이저 빔 입사부(130)를 통해 입사된 레이저 빔(LB)이 충돌되는 구조물일 수 있다. 결국, 레이저 빔(LB)은 레이저 빔 충돌부(140)까지 입사될 수 있다.
레이저 빔 충돌부(140)는 입사된 레이저 빔(LB)이 흡수 또는 반사되는 코팅층을 적어도 일부 표면에 구비할 수 있다. 이에 따라, 레이저 빔(LB)의 열에너지의 일부 또는 전부는 상기 레이저 빔 충돌부(140)에 흡수될 수 있다. 또는, 상기 레이저 빔(LB)의 열에너지의 일부 또는 전부는 상기 레이저 빔 충돌부(140)를 통하여 반사될 수 있다. 코팅층을 형성할 수 있는 소재는 한정되지 않으며, 공지된 광 흡수성 또는 광 반사성 물질 중에서 자유롭게 선택될 수 있다. 또한, 코팅층을 형성하는 방법 또한 한정되지 않으며, 코팅층은 코팅층 형성용 조성물을 도포한 후 경화시키는 등의 공지된 방법을 이용하여 형성될 수 있다.
레이저 빔 충돌부(140)의 외주면과 반응 챔버(110)의 내주면은 서로 이격되어 그 사이에 이격 공간(s)이 형성될 수 있다. 레이저 빔 충돌부(140)는 적어도 하나의 고정 부재(미도시)를 통하여 레이저 빔 충돌부(140)의 외주면과 반응 챔버(110)의 내주면 사이에 고정될 수 있다. 이격 공간(s)을 통하여 원료 기체(G)의 분해 반응에 따라 생성된 나노입자(NP)가 나노입자 포집부로 이동할 수 있다. 나노입자 포집부에서는 생성된 나노입자(NP)가 진공 분위기에서 포집될 수 있다.
보조 기체 공급부(150)는 레이저 빔(LB)과 반응 챔버(110)의 내주면 사이에 원료 기체(G)의 유동 방향을 보조 기체(AG)가 유동할 수 있도록 보조 기체(AG)를 공급할 수 있다. 보조 기체(AG)는 예를 들어, 불활성 기체 일 수 있으며, 일 예로 N2 가스 일 수 있다. 보조 기체(AG)는 반응 영역(R2)이 냉각되는 것을 방지하기 위하여 예열되어 공급될 수 있다.
원료 기체(G)에 레이저 빔(LB)이 입사되면, 레이저 빔(LB)에 의한 원료 기체(G)의 분해 반응이 진행된다. 이에 따라, 원료 기체(G)와 레이저 빔(LB)이 중첩되는 영역이 원료 기체(G)의 분해 반응의 반응 영역(R2)이 될 수 있다. 구체적으로, 반응 챔버(110) 내부에서, 원료 기체(G)와 레이저 빔(LB)의 중첩이 시작되는 부분과 레이저 빔 충돌부(140) 사이의 영역이 반응 영역(R2)이 될 수 있다.
상기 보조 기체 공급부(150)는 반응 영역(R2) 외로 원료 기체(G)가 팽창되는 것을 저감하여 원료 기체(G)과 레이저 빔(LB)의 매칭율을 향상시킬 수 있다.
이러한 보조 기체 공급부(150)는 원료 기체(G)의 유동 방향 기준 원료 기체 공급부(120)보다 하류에 배치되되 반응 챔버(110) 내부의 중심을 향하여 보조 기체를 공급할 수 있다. 보조 기체 공급부(150)는 반응 챔버(110)의 외주면에 형성된 공급공(151)과, 공급공(151)과 연통되는 노즐(152)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자 합성 장치(100)는 제1배플(160)을 더 포함할 수 있다.
제1배플(160)은 레이저 빔(LB)의 경로와 수직하게 반응 챔버(110) 내를 가로지르도록 배치되는 배플로서, 원료 기체(G)의 유동 방향 기준 원료 기체 공급부(120)보다 하류에 배치되되 레이저 빔(LB) 및 원료 기체(G)가 통과할 수 있는 관통홀(161)을 구비할 수 있다. 여기서, 관통홀(161)의 직경은 레이저 빔(LB)의 직경과 같거나 클 수 있다. 제1배플(160)은 관통홀(161)과 반응 챔버(110)의 내주면 사이를 가로막기 때문에 원료 기체 공급부(120)를 통해 공급되는 원료 기체(G)를 관통홀(161) 내로 유도하여 반응 챔버(110)의 초입부에서 레이저 빔(LB)의 경로를 벗어나 유동하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자 합성 장치(100)는 제2배플(170)을 더 포함할 수 있다.
제2배플(170)은 보조 기체(AG)가 공급되는 영역과 대응되는 위치에 반응 챔버(110)의 내주면과 공간(s')을 형성할 수 있도록 배치되는 배플로서, 레이저 빔(LB) 및 원료 기체(G)가 통과할 수 있는 관통홀(171)을 구비할 수 있다. 여기서, 관통홀(171)의 직경은 레이저 빔(LB)의 직경과 같거나 클 수 있다. 제2배플(170)은 관통홀(171)에 의해 원료 기체(G)가 레이저 빔(LB)의 경로를 벗어나 유동하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제2배플(170)의 외주면에 의해 반응 챔버(110) 내부의 중심을 향하여 이동하는 보조 기체(AG)의 이동 방향을 반응 챔버(110)의 연장 방향으로 변경시킴으로 레이저 빔(LB)의 외측 즉, 반응 영역(R2)의 외측에서 유동하도록 하여 원료 기체(G)가 유동시 반응 영역(R2)을 벗어나는 것을 저감할 수 있다.
도 5에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 반응 챔버 내에서의 물질의 유동 현상을 파악하기 위하여, 3차원 CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석을 수행하였다.
도 6은 도 5에 도시된 반응 챔버의 모델의 CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석 결과를 나타낸 것이다.
반응 영역이 시작되는 면에 나노입자를 합성하기 위한 원료 기체로서 SiCl4, SiCl4를 이송하는 운반 기체로서 N2, 레이저 흡수를 돕기 위한 보조 기체로서 SF6을 투입하여, 실리콘 입자를 형성하는 조건을 가정하여 CFD 해석을 수행하였다. 이때, 투입되는 기체의 유량으로, SiCl4를 50cm3/min, N2는 4250cm3/min, SF6는 200cm3/min로 가정하였고, 반응기의 내부 압력은 200Torr로 가정하였다.
이 때, 원료 기체와 레이저 빔이 매칭되는 영역에 열원(heat source) 조건을 부여하고, 레이저의 에너지 흡수에 따른 기체의 온도 상승을 고려하여 상기 조건을 설정하였다. 구체적으로, 상기 열원 조건은 SF6 가 흡수한 레이저 에너지로 설정하였고, 레이저가 조사되면 SF6 기체가 에너지를 흡수하고, 흡수된 에너지가 열원이 되어 SiCl4 기체의 열분해 반응과 가스 온도 상승에 기여되는 것을 고려하였다. 즉, 열량 = 질량 X 비열 X 온도변화량(시작온도에서 SiCl4의 분해와 성장이 일어나기 시작하는 온도까지 도달되는 온도 변화량)으로 계산하여, 약 20W의 열량을 상기 열원 조건으로 설정하였다.
아울러, 보조 기체 공급부(150)를 통해 공급되는 보조 기체(AG)는 N2 로서, 그 유량을 변경해가며 해석을 진행하였으며, 해석의 편의를 위하여 레이저 빔 충돌부(140) 구조물은 생략하였다.
도 6의 (A)는 보조 기체(AG)의 유량을 1.91e-5 kg/s 로 가정하고 반응 챔버 내의 원료 기체의 체적비를 해석한 것(실시예 1)을 나타낸 것이고, 도 6의 (B)는 보조 기체(AG)의 유량을 3.82e-5 kg/s 로 가정하고 반응 챔버 내의 원료 기체의 체적비를 해석한 것(실시예 2)을 나타낸 것이고, 도 6의 (C)는 보조 기체(AG)의 유량을 7.64e-5 kg/s 로 가정하고 반응 챔버 내의 원료 기체의 체적비를 해석한 것(실시예 3)을 나타낸 것이고, 도 6의 (D)는 보조 기체(AG)의 유량을 1.15e-4 kg/s 로 가정하고 반응 챔버 내의 원료 기체의 체적비를 해석한 것(실시예 4)을 나타낸 것이다.
임의의 위치에서 원료 기체의 체적비(Volume Faction)가 1.00 이면 원료 기체만 존재하는 것이고, 원료 기체의 체적비(Volume Faction)가 0.00 이면 보조 기체(AG)만 존재하는 것으로 이해될 수 있다.
도 6을 참고하면, 공급되는 보조 기체(AG)의 유량이 높을수록 반응 영역(R2) 외측 영역에서의 원료 기체의 체적비가 연장 방향을 따라 전체를 걸쳐 점점 0에 수렴하는 것을 확인할 수 있다.
한편, 원료 기체와 레이저 빔의 매칭 정도를 평가하기 위한 파라미터를 다음과 같이 정의하였다.
K1=(반응영역 시작 면을 통과하는 원료 기체 유량 / 원료 기체 공급 유량)x100
K2=(반응영역 종료 면을 통과하는 원료 기체 유량 / 원료 기체 공급 유량)x100
도 6에 나타난 CFD 해석 결과를 토대로 산출된 K1 및 K2은 다음의 표와 같다.
보조 기체(AG) 유량 [kg/s] K1 [%] K2 [%]
실시예 1 1.91e-5 100 38.2
실시예 2 3.82e-5 100 54.1
실시예 3 7.64e-5 100 73.0
실시예 4 1.15e-4 100 78.6
실시예 1 내지 4 모두 원료 기체 공급 유량 대비 반응 영역 시작 면을 통과하는 원료 기체 유량 비율이 100% 에 해당하여 반응 챔버(110)의 초입부에서부터 레이저 빔과의 매칭율이 높게 형성되는 것이 확인되었으며, 보조 기체(AG) 유량이 높을수록 원료 기체 공급 유량 대비 반응 영역 종료 면을 통과하는 원료 기체 유량 비율이 높아지는 것을 확인하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자 합성 장치는 유동하는 원료 기체와 입사되는 레이저 빔이 중첩되는 반응 영역의 크기를 증가시킬 수 있고, 또한 원료 기체와 레이러 빔의 반응 수율을 향상시킬 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
100 : 나노입자 합성 장치
110 : 반응 챔버
120 : 원료 기체 공급부
130 : 레이저 빔 입사부
140 : 레이저 빔 충돌부
150 : 보조 기체 공급부
160 : 제1배플
170 : 제2배플

Claims (5)

  1. 반응 챔버;
    상기 반응 챔버 내로 원료 기체를 공급하는 원료 기체 공급부;
    상기 원료 기체의 유동 방향을 따라 상기 반응 챔버 내로 레이저 빔이 입사되는 레이저 빔 입사부;
    상기 반응 챔버 내부의 상기 레이저 빔이 입사되는 측의 반대 측에 구비되어 상기 레이저 빔 입사부를 통해 입사된 레이저 빔이 충돌되는 레이저 빔 충돌부; 및
    상기 레이저 빔과 상기 반응 챔버의 내주면 사이에 상기 원료 기체의 유동 방향을 보조 기체가 유동할 수 있도록 상기 보조 기체를 공급하는 보조 기체 공급부를 포함하는, 나노입자 합성 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 경로와 수직하게 상기 반응 챔버 내를 가로지르도록 배치되는 배플로서, 상기 원료 기체의 유동 방향 기준 상기 원료 기체 공급부보다 하류에 배치되되 상기 레이저 빔 및 상기 원료 기체가 통과할 수 있는 관통홀을 구비하는 제1배플;을 더 포함하는, 나노입자 합성 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 보조 기체 공급부는 상기 원료 기체의 유동 방향 기준 상기 원료 기체 공급부보다 하류에 배치되되 상기 반응 챔버 내부의 중심을 향하여 상기 보조 기체를 공급하며,
    상기 나노입자 합성 장치는,
    상기 보조 기체가 공급되는 영역과 대응되는 위치에 상기 반응 챔버의 내주면과 공간을 형성할 수 있도록 배치되는 배플로서, 상기 레이저 빔 및 상기 원료 기체가 통과할 수 있는 관통홀을 구비하는 제2배플을 더 포함하는, 나노입자 합성 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔 충돌부의 외주면과 상기 반응 챔버의 내주면은 서로 이격되어 그 사이에 이격 공간이 형성된, 나노입자 합성 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔 충돌부는, 상기 입사된 레이저 빔이 흡수 또는 반사되는 코팅층을 적어도 일부 표면에 구비하는, 나노입자 합성 장치.
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