KR20210129081A - 미립자의 제조 장치 및 미립자의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
미립자의 입경을 제어할 수 있고, 또한 입경의 균일성이 양호한 미립자를, 효율좋게(고효율로) 대량으로 제조할 수 있는 미립자의 제조 장치 및 미립자의 제조 방법을 제공한다.
미립자의 제조 장치는, 미립자 제조용 원료를 열 플라즈마 불꽃 속에 공급하는 원료 공급부와, 내부에 열 플라즈마 불꽃이 발생되고, 원료 공급부에 의해 공급되는 원료를 열 플라즈마 불꽃으로 증발시켜서 기상 상태의 혼합물로 하는 플라즈마 토치와, 플라즈마 토치의 내부에 열 플라즈마 불꽃을 발생시키는 플라즈마 발생부를 가진다. 플라즈마 발생부는, 플라즈마 토치의 주위를 둘러싸는 제1의 코일과, 제1의 코일의 아래쪽에 설치되고 플라즈마 토치의 주위를 둘러싸는 제2의 코일과, 제1의 코일에 고주파 전류를 공급하는 제1의 전원부와, 제2의 코일에 진폭 변조된 고주파 전류를 공급하는 제2의 전원부를 가지고, 제1의 코일과 제2의 코일은 플라즈마 토치의 긴쪽 방향에 나란히 배치되어 있다.
미립자의 제조 장치는, 미립자 제조용 원료를 열 플라즈마 불꽃 속에 공급하는 원료 공급부와, 내부에 열 플라즈마 불꽃이 발생되고, 원료 공급부에 의해 공급되는 원료를 열 플라즈마 불꽃으로 증발시켜서 기상 상태의 혼합물로 하는 플라즈마 토치와, 플라즈마 토치의 내부에 열 플라즈마 불꽃을 발생시키는 플라즈마 발생부를 가진다. 플라즈마 발생부는, 플라즈마 토치의 주위를 둘러싸는 제1의 코일과, 제1의 코일의 아래쪽에 설치되고 플라즈마 토치의 주위를 둘러싸는 제2의 코일과, 제1의 코일에 고주파 전류를 공급하는 제1의 전원부와, 제2의 코일에 진폭 변조된 고주파 전류를 공급하는 제2의 전원부를 가지고, 제1의 코일과 제2의 코일은 플라즈마 토치의 긴쪽 방향에 나란히 배치되어 있다.
Description
본 발명은, 열 플라즈마 불꽃(炎)을 이용한 미립자의 제조 장치 및 미립자의 제조 방법에 관한 것으로서, 특히, 2개의 코일과, 2개의 코일에 각각 고주파 전류를 공급하는 2개의 독립된 고주파 전원을 이용하여, 전자 유도에 의해 열 플라즈마 불꽃을 발생시켜서, 미립자를 제조하는 미립자의 제조 장치 및 미립자의 제조 방법에 관한 것이다.
현재, 실리콘 미립자, 산화물 미립자, 질화물 미립자, 탄화물 미립자 등의 미립자는, 다방면의 분야에서 이용되고 있다. 이와 같은 미립자를 제조하는 방법의 하나로서, 기상법(氣相法)이 있다. 기상법에는, 각종 가스 등을 고온에서 화학 반응시키는 화학적 방법과, 전자빔 또는 레이저 등의 빔을 조사해서 물질을 분해하고, 증발시켜서 미립자를 생성하는 물리적 방법이 있다.
기상법의 다른 방법으로서는, 열 플라즈마법이 있다. 열 플라즈마법은, 열 플라즈마 불꽃 속에서 원재료를 순식간에 증발시킨 후, 그 증발물을 급냉 응고시켜서 미립자를 제조하는 방법이다. 열 플라즈마법에 의하면, 깨끗하고 생산성이 높으며, 고온이기 때문에 고융점 재료에도 대응가능하고, 다른 기상법에 비해 복합화가 비교적 용이하다는 많은 이점을 가진다. 이 때문에, 열 플라즈마법은, 미립자를 제조하는 방법으로서 적극적으로 이용되고 있다.
종래의 열 플라즈마법을 이용한 미립자의 제조 방법으로서는, 예를 들면, 원재료 물질을 분말상(粉末狀)으로 하고, 이 분말상으로 된 원재료(분말 원재료, 분체(粉體))를 캐리어 가스 등과 함께, 분산시켜서, 원료로서, 직접 열 플라즈마 속에 투입하는 것에 의해, 미립자를 제조하고 있다.
또, 예를 들면, 특허문헌 1에는, 미립자 제조용 재료(원재료)를 분산매 속에 분산시켜서 슬러리로 하고, 이 슬러리를 원료로서, 액적화시켜서 열 플라즈마 불꽃 속으로 도입하는 것에 의해 미립자를 제조하는, 미립자의 제조 방법이 기재되어 있다.
K. Kuraishi, et al., J. Phys. Conf. Ser., 441, 012016(2013)
미립자의 제조 방법으로서는, 열 플라즈마 불꽃 속에, 캐리어 가스와 함께 공급하는 것, 및 상술한 특허문헌 1과 같이 슬러리 형태로, 원재료를 공급하는 것이 종래부터 알려져 있다. 그렇지만, 열 플라즈마 불꽃 속에서도, 전자 유도에 의해 발생시킨 유도 열 플라즈마는, 외부로부터의 요란(擾亂)에 의해, 열 플라즈마 불꽃이 불안정하게 되는 일이 있다.
그래서, 외부로부터의 요란에 의해 열 플라즈마 불꽃이 불안정하게 되는 것을 해소하기 위해서, 예를 들면, 비특허문헌 1에 기재된 바와 같이, 열 플라즈마 불꽃을, 2개의 코일과, 2개의 코일에 각각 접속된 2개의 독립된 고주파 전원을 이용하여 발생시키는 것이 제안되어 있다.
그런데, 현재, 상술한 바와 같이 외부로부터의 요란에 의한 열 플라즈마 불꽃의 불안정을 해소하는 것 이외에도, 얻어지는 미립자의 입경(입자지름)의 제어, 및 얻어지는 미립자의 입경의 균일성 등이 요구되고 있다.
또, 종래부터 제안되고 있는 외부로부터의 요란에 의한 열 플라즈마 불꽃의 불안정을 해소하기 위한 구성이더라도, 미립자의 생산성을 올리기 위해서 대량의 원재료를, 열 플라즈마 불꽃에 공급한 경우, 열 플라즈마 불꽃이 소멸하는 등, 열 플라즈마 불꽃이 불안정하게 되어, 생산성을 향상시키기에는 충분하다고는 말할 수 없다.
본 발명의 목적은, 미립자의 입경을 제어할 수 있고, 또한 입경의 균일성이 양호한 미립자를, 효율좋게(고효율로) 대량으로 제조할 수 있는 미립자의 제조 장치 및 미립자의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 미립자의 제조 장치로서, 미립자 제조용 원료를 열 플라즈마 불꽃 속에 공급하는 원료 공급부와, 내부에 상기 열 플라즈마 불꽃이 발생되고, 상기 원료 공급부에 의해 공급되는 상기 원료를 상기 열 플라즈마 불꽃으로 증발시켜서 기상 상태의 혼합물로 하는 플라즈마 토치와, 상기 플라즈마 토치의 상기 내부에 상기 열 플라즈마 불꽃을 발생시키는 플라즈마 발생부를 가지고, 상기 플라즈마 발생부는, 상기 플라즈마 토치의 주위를 둘러싸는 제1의 코일과, 상기 제1의 코일의 아래쪽에 설치되고 상기 플라즈마 토치의 주위를 둘러싸는 제2의 코일과, 상기 제1의 코일에 고주파 전류를 공급하는 제1의 전원부와, 상기 제2의 코일에 진폭 변조된 고주파 전류를 공급하는 제2의 전원부를 가지고, 상기 제1의 코일과 상기 제2의 코일은 상기 플라즈마 토치의 긴쪽 방향에 나란히 배치되어 있는, 미립자의 제조 장치를 제공하는 것이다.
상기 열 플라즈마 불꽃에, 급냉 가스를 공급하는 기체 공급부를 가지는 것이 바람직하다.
또, 상기 플라즈마 발생부는, 상기 제2의 전원부에 의해, 상기 제2의 코일에 진폭 변조된 고주파 전류를 공급하고, 상기 제2의 코일에 공급되는 상기 고주파 전류의 전류 진폭이 높은 영역에서, 상기 원료의 공급량을 많게 하는 것이 바람직하다.
상기 제2의 코일에 공급하는, 상기 진폭 변조된 상기 고주파 전류는, 상기 고주파 전류의 전류 진폭이 낮은 영역에서는 전류값이 0암페어인 것이 바람직하다.
또, 상기 원료 공급부는, 상기 원료를, 입자상(粒子狀)으로 분산시킨 상태에서, 상기 열 플라즈마 불꽃 속에 공급하는 것이 바람직하다.
또, 상기 원료 공급부는, 상기 원료를 액체에 분산시켜서 슬러리로 하고, 상기 슬러리를 액적화해서 상기 열 플라즈마 불꽃 속에 공급하는 것이 바람직하다.
또, 본 발명은, 플라즈마 토치의 내부에서 발생한 열 플라즈마 불꽃을 이용한 미립자의 제조 방법으로서, 상기 플라즈마 토치의 주위를 둘러싸는 제1의 코일과, 상기 제1의 코일의 아래쪽에 설치되고 상기 플라즈마 토치의 주위를 둘러싸는 제2의 코일과, 상기 제1의 코일에 고주파 전류를 공급하는 제1의 전원부와, 상기 제2의 코일에 진폭 변조된 고주파 전류를 공급하는 제2의 전원부가 마련되고, 상기 제1의 코일과 상기 제2의 코일은 상기 플라즈마 토치의 긴쪽 방향에 나란히 배치되어 있고, 상기 제1의 전원부 및 상기 제2의 전원부에 의해, 상기 열 플라즈마 불꽃이 발생되고, 상기 플라즈마 토치의 상기 내부에서 발생한 상기 열 플라즈마 불꽃에 미립자 제조용 원료를 공급하는 제1의 공정과, 상기 원료를 상기 열 플라즈마 불꽃으로 증발시켜 기상 상태의 혼합물로 하고, 상기 혼합물을 냉각하는 제2의 공정을 가지고, 상기 제1의 공정 및 상기 제2의 공정에 있어서, 상기 제2의 전원부는, 상기 제2의 코일에 진폭 변조된 고주파 전류를 공급하는, 미립자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 제2의 공정은, 상기 열 플라즈마 불꽃에 급냉 가스를 공급해서, 기상 상태의 상기 혼합물을 냉각하는 것이 바람직하다.
또, 상기 제1의 공정에서는, 상기 제2의 전원부에 의해, 상기 제2의 코일에 진폭 변조된 고주파 전류를 공급하고, 상기 제2의 코일에 공급되는 상기 고주파 전류의 전류 진폭이 높은 영역에서, 상기 원료의 공급량을 많게 하는 것이 바람직하다.
상기 제2의 코일에 공급하는, 상기 진폭 변조된 상기 고주파 전류는, 상기 고주파 전류의 전류 진폭이 낮은 영역에서는 전류값이 0암페어인 것이 바람직하다.
또, 상기 제1의 공정에서는, 상기 원료를, 입자상으로 분산시킨 상태에서, 상기 열 플라즈마 불꽃 속에 공급하는 것이 바람직하다.
또, 상기 제1의 공정에서는, 상기 원료를 액체에 분산시켜서 슬러리로 하고, 상기 슬러리를 액적화해서 상기 열 플라즈마 불꽃 속에 공급하는 것이 바람직하다.
본 발명의 미립자의 제조 장치 및 미립자의 제조 방법에 의하면, 미립자의 입경을 제어할 수 있고, 또한 입경의 균일성이 양호한 미립자를, 효율좋게(고효율로) 대량으로 제조할 수가 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태의 미립자의 제조 장치의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태의 미립자의 제조 장치의 플라즈마 토치의 일례를 도시하는 모식적 부분 단면도이다.
도 3의 (a)는 제1의 전원부의 고주파 전류의 파형의 일례를 도시하는 모식도이고, 도 3의 (b)는 제2의 전원부의 고주파 전류의 파형의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 4의 (a)는 제2의 전원부의 고주파 전류의 파형의 일례를 도시하는 그래프이고, 도 4의 (b)는 밸브의 개폐 타이밍을 도시하는 그래프이고, 도 4의 (c)는 원료의 공급을 도시하는 그래프이다.
도 5의 (a)는 제1의 코일의 고주파 전류의 파형의 일례를 도시하는 모식도이고, 도 5의 (b)는 제2의 코일의 고주파 전류의 파형의 일례를 도시하는 모식도이고, 도 5의 (c)는 제1의 코일에 의한 투입 전력의 파형의 일례를 도시하는 모식도이고, 도 5의 (d)는 제2의 코일에 의한 투입 전력의 파형의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 6의 (a) 내지 (d)는 플라즈마 토치의 해석 모델의 50% SCL에 있어서의 온도 분포 및 흐름장(流場)의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 7의 (a) 내지 (d)는 플라즈마 토치의 해석 모델의 0% SCL에 있어서의 온도 분포 및 흐름장의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 8은 플라즈마 토치의 해석 모델 내에 공급된 가상 입자의 50% SCL에 있어서의 경험 온도의 일례를 시간 경과와 함께 도시하는 그래프이다.
도 9는 플라즈마 토치의 해석 모델 내에 공급된 가상 입자의 0% SCL에 있어서의 경험 온도의 일례를 시간 경과와 함께 도시하는 그래프이다.
도 10은 플라즈마 토치의 해석 모델 내에 공급된 가상 입자의 100% SCL에 있어서의 경험 온도의 일례를 도시하는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시형태의 미립자의 제조 장치에서 얻어진 미립자의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 12는 비교를 위한 미립자를 도시하는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태의 미립자의 제조 장치의 플라즈마 토치의 일례를 도시하는 모식적 부분 단면도이다.
도 3의 (a)는 제1의 전원부의 고주파 전류의 파형의 일례를 도시하는 모식도이고, 도 3의 (b)는 제2의 전원부의 고주파 전류의 파형의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 4의 (a)는 제2의 전원부의 고주파 전류의 파형의 일례를 도시하는 그래프이고, 도 4의 (b)는 밸브의 개폐 타이밍을 도시하는 그래프이고, 도 4의 (c)는 원료의 공급을 도시하는 그래프이다.
도 5의 (a)는 제1의 코일의 고주파 전류의 파형의 일례를 도시하는 모식도이고, 도 5의 (b)는 제2의 코일의 고주파 전류의 파형의 일례를 도시하는 모식도이고, 도 5의 (c)는 제1의 코일에 의한 투입 전력의 파형의 일례를 도시하는 모식도이고, 도 5의 (d)는 제2의 코일에 의한 투입 전력의 파형의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 6의 (a) 내지 (d)는 플라즈마 토치의 해석 모델의 50% SCL에 있어서의 온도 분포 및 흐름장(流場)의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 7의 (a) 내지 (d)는 플라즈마 토치의 해석 모델의 0% SCL에 있어서의 온도 분포 및 흐름장의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 8은 플라즈마 토치의 해석 모델 내에 공급된 가상 입자의 50% SCL에 있어서의 경험 온도의 일례를 시간 경과와 함께 도시하는 그래프이다.
도 9는 플라즈마 토치의 해석 모델 내에 공급된 가상 입자의 0% SCL에 있어서의 경험 온도의 일례를 시간 경과와 함께 도시하는 그래프이다.
도 10은 플라즈마 토치의 해석 모델 내에 공급된 가상 입자의 100% SCL에 있어서의 경험 온도의 일례를 도시하는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시형태의 미립자의 제조 장치에서 얻어진 미립자의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 12는 비교를 위한 미립자를 도시하는 모식도이다.
이하에, 첨부 도면에 도시하는 호적한(바람직한) 실시형태에 기초하여, 본 발명의 미립자의 제조 장치 및 미립자의 제조 방법을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시형태의 미립자의 제조 장치의 일례를 도시하는 모식도이고, 도 2는 본 발명의 실시형태의 미립자의 제조 장치의 플라즈마 토치의 일례를 도시하는 모식적 부분 단면도이다.
도 1에 도시하는 미립자의 제조 장치(10)(이하, 단지 제조 장치(10)라고 한다)는, 미립자 제조용 원료를 이용하여, 나노 사이즈의 미립자를 제조하는 것이다. 미립자 제조용 원료에는, 예를 들면, 분체를 이용한다.
또한, 제조 장치(10)는, 미립자라면, 그 종류는 특별히 한정되는 것은 아니고, 원료의 조성을 바꾸는 것에 의해, 금속 미립자 이외에도 미립자로서, 산화물 미립자, 질화물 미립자, 탄화물 미립자, 산 질화물 미립자 등의 미립자를 제조할 수가 있다.
제조 장치(10)는, 원료 공급부(12)와, 플라즈마 토치(14)와, 챔버(16)와, 회수부(18)와, 플라즈마 가스 공급부(20)와, 플라즈마 발생부(21)와, 기체 공급부(22)와, 제어부(24)를 가진다.
원료 공급부(12)는 플라즈마 토치(14)에 중공형상의 공급관(13)을 거쳐 접속되어 있다.
또, 원료 공급부(12)와 플라즈마 토치(14) 사이의 공급관(13)에, 후술하는 바와 같이 간헐 공급부(15)를 마련해도 된다. 제조 장치(10)에서는 간헐 공급부(15)는 필수 구성은 아니다.
플라즈마 토치(14)의 아래쪽에 챔버(16)가 마련되고, 챔버(16)의 하류에 회수부(18)가 마련되어 있다. 플라즈마 발생부(21)는 플라즈마 토치(14)에 접속되어 있고, 후술하는 바와 같이 플라즈마 발생부(21)에 의해, 플라즈마 토치(14)의 내부에 열 플라즈마 불꽃(100)이 발생된다.
원료 공급부(12)는, 미립자 제조용 원료를 플라즈마 토치(14)의 내부에서 발생하는 열 플라즈마 불꽃(100) 속에 공급하기 위한 것이다.
원료 공급부(12)는, 원료를 열 플라즈마 불꽃(100) 속에 공급할 수 있으면, 특별히 한정되는 것은 아니고, 원료를 입자상으로 분산시킨 상태에서 열 플라즈마 불꽃(100) 속에 공급하는 것과, 원료를 슬러리로 하고, 슬러리를 액적화한 형태로 열 플라즈마 불꽃(100) 속에 공급하는 것의 두 가지 방식을 이용할 수가 있다.
예를 들면, 미립자 제조용 원료로, 분체를 이용한 경우, 플라즈마 토치(14) 내의 열 플라즈마 불꽃(100) 속에 원료가 공급될 때에는 원료가 입자상으로 분산되어 있을 필요가 있다. 이 때문에, 예를 들면, 원료는, 캐리어 가스에 분산시켜서 입자상으로 공급된다. 이 경우, 예를 들면, 원료 공급부(12)는, 분체의 원료를 분산 상태로 유지하면서, 정량적으로 플라즈마 토치(14) 내부의 열 플라즈마 불꽃(100) 속에 공급하는 것이다. 이와 같은 기능을 가지는 원료 공급부(12)로서는, 예를 들면, 일본특허 제3217415호 공보, 및 일본공개특허 특개2007－138287호 공보에 개시되어 있는 장치가 이용가능하다.
예를 들면, 원료 공급부(12)는, 예를 들면, 원료 분말을 저장하는 저장조(도시하지 않음)와, 원료 분말을 정량 반송하는 스크류 피더(도시하지 않음)와, 스크류 피더에 의해 반송된 원료 분말이 최종적으로 살포되기 전에, 이것을 입자 상태로 분산시키는 분산부(도시하지 않음)와, 캐리어 가스 공급원(도시하지 않음)을 가진다.
캐리어 가스 공급원으로부터 압출(밀어냄) 압력이 가해진 캐리어 가스와 함께 원료 분말은 공급관(13)을 거쳐 플라즈마 토치(14) 내의 열 플라즈마 불꽃(100) 속으로 공급된다.
원료 공급부(12)는, 원료 분말의 응집을 방지하고, 분산 상태를 유지한 채, 원료 분말을, 입자상으로 분산시킨 상태에서 플라즈마 토치(14) 내에 살포할 수 있는 것이면, 그 구성은 특별히 한정되는 것은 아니다. 캐리어 가스에는, 예를 들면, 아르곤 가스(Ar 가스), 질소 가스 등의 불활성 가스가 이용된다.
원료 분말을 슬러리 형태로 공급하는 원료 공급부(12)는, 예를 들면, 일본공개특허 특개2011－213524호 공보에 개시되어 있는 것을 이용할 수가 있다. 이 경우, 원료 공급부(12)는, 원료 분말이 물 등의 액체에 분산된 슬러리(도시하지 않음)를 넣는 용기(도시하지 않음)와, 용기 속의 슬러리를 교반하는 교반기(도시하지 않음)와, 공급관(13)을 거쳐 슬러리에 고압을 가해 플라즈마 토치(14) 내에 공급하기 위한 펌프(도시하지 않음)와, 슬러리를 액적화시켜서 플라즈마 토치(14) 내로 공급하기 위한 분무 가스를 공급하는 분무 가스 공급원(도시하지 않음)을 가진다. 분무 가스 공급원은, 캐리어 가스 공급원에 상당하는 것이다. 분무 가스를 캐리어 가스라고도 한다.
슬러리 형태로 원료를 공급하는 경우, 원료 분말을 물 등의 액체에 분산시켜서 슬러리로 한다. 또한, 슬러리 속의 원료 분말과 물의 혼합비는, 특별히 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, 질량비로 5：5(50%:50%)이다.
원료 분말을 슬러리로 해서, 슬러리를 액적화한 형태로 공급하는 원료 공급부(12)를 이용한 경우, 분무 가스 공급원으로부터 압출 압력이 가해진 분무 가스가, 슬러리와 함께 공급관(13)을 거쳐 플라즈마 토치(14) 내의 열 플라즈마 불꽃(100) 속으로 공급된다. 공급관(13)은, 슬러리를 플라즈마 토치 내의 열 플라즈마 불꽃(100) 속에 분무하고 액적화하기 위한 이류체(二流體) 노즐 기구를 가지고 있고, 이것에 의해, 슬러리를 플라즈마 토치(14) 내의 열 플라즈마 불꽃(100) 속에 분무한다. 즉, 슬러리를 액적화시킬 수가 있다. 분무 가스로는, 상술한 캐리어 가스와 마찬가지로, 예를 들면, 아르곤 가스(Ar 가스), 질소 가스 등의 불활성 가스가 이용된다.
이와 같이, 이류체 노즐 기구는, 슬러리에 고압을 가해, 기체인 분무 가스(캐리어 가스)에 의해 슬러리를 분무할 수 있고, 슬러리를 액적화시키기 위한 하나의 방법으로서 이용된다.
또한, 상술한 이류체 노즐 기구에 한정되는 것은 아니고, 일류체(一流體) 노즐 기구를 이용해도 된다. 또 다른 방법으로서, 예를 들면, 회전하고 있는 원판 상에 슬러리를 일정 속도로 낙하시켜서 원심력에 의해 액적화하는(액적을 형성하는) 방법, 슬러리 표면에 높은 전압을 인가해서 액적화하는(액적을 발생시키는) 방법 등을 들 수 있다.
플라즈마 토치(14)는, 내부에 열 플라즈마 불꽃(100)이 발생되는 것이고, 원료 공급부(12)에 의해 공급되는 원료를 열 플라즈마 불꽃(100)으로 증발시켜서 기상 상태의 혼합물(45)로 하는 것이다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 플라즈마 토치(14)는, 석영관(14a)과, 석영관(14a)의 외면에 마련된, 플라즈마 토치(14)의 외측을 둘러싸는 고주파 발진용 코일(14b)로 구성되어 있다. 플라즈마 토치(14)의 상부에는, 공급관(13)이 삽입되는 공급구(14c)가 그의 중앙부에 마련되어 있고, 플라즈마 가스 공급구(14d)가 그의 주변부(동일 원주 상)에 형성되어 있다.
공급관(13)에 의해, 예를 들면, 분말상의 원료와, 아르곤 가스 또는 수소 가스 등의 캐리어 가스가 플라즈마 토치(14) 내에 공급된다.
플라즈마 가스 공급구(14d)는, 예를 들면, 도시하지 않는 배관에 의해 플라즈마 가스 공급부(20)가 접속되어 있다. 플라즈마 가스 공급부(20)는, 플라즈마 가스 공급구(14d)를 거쳐 플라즈마 토치(14) 내에 플라즈마 가스를 공급하는 것이다. 플라즈마 가스로서는, 예를 들면, 아르곤 가스 및 수소 가스 등이 단독 또는 적당히 조합해서 이용된다.
또한, 플라즈마 가스 공급부(20)에 더하여, 플라즈마 토치(14) 내에 시스 가스(sheath gas)를 공급하는 시스 가스 공급부(도시하지 않음)를 마련해도 된다. 시스 가스는 플라즈마 가스와 동일한 가스를 이용할 수가 있다.
또, 플라즈마 가스 공급부(20) 대신에, 상술한 시스 가스 공급부를 마련해도 된다.
또, 플라즈마 토치(14)의 석영관(14a)의 외측은, 동심원형상으로 형성된 석영관(14e)으로 둘러싸여 있고, 석영관(14a와 14e) 사이에 냉각수(14f)를 순환시켜서 석영관(14a)를 수냉(水冷)하고, 플라즈마 토치(14) 내에서 발생한 열 플라즈마 불꽃(100)에 의해 석영관(14a)이 너무 고온으로 되는 것을 방지하고 있다.
플라즈마 발생부(21)는, 상술한 바와 같이 플라즈마 토치(14)의 내부에 열 플라즈마 불꽃(100)을 발생시키는 것이다. 플라즈마 발생부(21)는, 플라즈마 토치(14)의 주위를 둘러싸는 제1의 코일(60)과, 플라즈마 토치(14)의 주위를 둘러싸는 제2의 코일(62)과, 제1의 코일(60)에 고주파 전류를 공급하는 제1의 전원부(21a)와, 제2의 코일(62)에 진폭 변조(AM 변조)된 고주파 전류를 공급하는 제2의 전원부(21b)를 가진다. 제1의 코일(60)에 공급하는 고주파 전류를, 제1의 코일 전류라고도 하고, 제2의 코일(62)에 공급하는 고주파 전류를, 제2의 코일 전류라고도 한다.
제1의 코일(60)과 제2의 코일(62)은 플라즈마 토치(14)의 긴쪽(길이) 방향에 나란히 배치되어 있고, 제2의 코일(62)은, 제1의 코일(60)의 아래쪽에 마련되어 있다.
제1의 전원부(21a) 및 제2의 전원부(21b)는, 어느것이나(모두) 고주파 전원이고, 또한 서로 독립되어 있다. 또, 제1의 코일(60)과 제2의 코일(62) 사이의 자기(磁氣) 결합을 저감하기 위해서 제1의 전원부(21a)의 고주파 전류의 주파수와, 제2의 전원부(21b)의 고주파 전류의 주파수는 다른 것이 바람직하다. 이것에 의해, 서로의 전원부에의 영향을 억제할 수 있다.
또한, 제1의 코일(60)과 제2의 코일(62)에 의해 고주파 발진용 코일(14b)이 구성된다. 제1의 코일(60)의 권선수 및 제2의 코일(62)의 권선수는, 특별히 한정되는 것은 아니고, 제조 장치(10)의 사양에 따라 적당히 결정되는 것이다. 제1의 코일(60) 및 제2의 코일(62)의 재질도, 특별히 한정되는 것은 아니고, 제조 장치(10)의 사양에 따라 적당히 결정되는 것이다.
플라즈마 발생부(21)에 있어서, 2개의 코일과, 2개의 독립된 전원부를 이용하는 것에 의해, 유도 열 플라즈마의 직렬 구조를 구성할 수가 있다. 유도 열 플라즈마의 직렬 구조를 구성하는 것에 의해, 플라즈마 토치(14)의 축방향에 긴 고온장(高溫場)을 생성할 수가 있다. 상술한 긴 고온장을 이용하는 것에 의해, 고융점 재료를 완전히 증발시키는 것이 가능하다. 또한, 열 플라즈마 불꽃이 소정 시간 간격으로 주기적으로 고온 상태와, 이 고온 상태보다도 온도가 낮은 저온 상태로 된 것, 즉, 열 플라즈마 불꽃의 온도 상태가 시간 변조된 것인 것을 변조 유도 열 플라즈마 불꽃이라고 한다.
플라즈마 발생부(21)에서는, 예를 들면, 제1의 전원부(21a)가 제1의 코일(60)에, 진폭 변조되어 있지 않은 무변조의 고주파 전류(도 3의 (a) 참조)를 공급한다. 제2의 전원부(21b)가 제2의 코일(62)에, 진폭 변조된 고주파 전류(도 3의 (b) 참조)를 공급한다.
제1의 코일(60)에 무변조의 고주파 전류(도 3의 (a) 참조)가 공급되고, 제2의 코일(62)에 진폭 변조된 고주파 전류(도 3의 (b) 참조)가 공급되면, 플라즈마 토치(14)의 내부에 열 플라즈마 불꽃(100)이 발생한다. 제2의 코일(62)에 공급되는 진폭 변조된 고주파 전류에 의해, 열 플라즈마 불꽃(100)의 온도를 바꿀 수 있고, 플라즈마 토치(14)의 내부 온도를 제어할 수가 있다. 열 플라즈마 불꽃(100)의 온도 상태가 시간 변조되어, 열 플라즈마 불꽃(100)의 온도 상태가 주기적으로 고온 상태와, 고온 상태보다도 온도가 낮은 저온 상태로 된다. 이것에 의해, 미립자의 입경을 제어할 수 있고, 보다 입경이 작은 미립자를 대량으로 얻을 수 있으며, 미립자를 효율좋게 대량으로 제조할 수 있다.
또한, 제1의 코일(60)에 무변조의 고주파 전류를 공급해서 열 플라즈마 불꽃(100)을 발생시키는 것에 의해, 열 플라즈마 불꽃(100)을 안정시킬 수 있고, 제2의 코일(62)로 공급하는 고주파 전류를 변조시켜도 열 플라즈마 불꽃(100)이 불안정하게 되는 것이 억제된다. 이것에 의해, 예를 들면, 대량의 원료가 열 플라즈마 불꽃(100)에 공급된 경우라도, 열 플라즈마 불꽃(100)의 온도 저하를 억제할 수가 있다. 이것에 의해, 입경의 균일성이 양호한 미립자를 대량으로 얻을 수가 있다. 이것으로 인해서도, 미립자를 효율좋게 대량으로 제조할 수 있다.
여기서, 도 3의 (a)는 제1의 전원부의 고주파 전류의 파형의 일례를 도시하는 모식도이고, 도 3의 (b)는 제2의 전원부의 고주파 전류의 파형의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 3의 (a)는 상술한 진폭 변조되어 있지 않은, 무변조의 고주파 전류의 파형을 도시하는 것이고, 진폭이 일정하고, 변함없다. 도 3의 (b)는 상술한 진폭 변조된 고주파 전류의 파형을 도시하는 것이고, 진폭이 시간에 대해서 주기적으로 변조되고 있다. 도 3의 (b)는 구형파(矩形波) 진폭 변조를 도시한다. 진폭 변조는, 도 3의 (b)에 도시하는 구형파 진폭 변조에 한정되는 것은 아니고, 그 이외에도, 삼각파, 톱니파, 역톱니파, 또는 정현파 등을 포함하는 곡선을 포함하는 반복파로 이루어지는 파형을 이용할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
진폭 변조된 고주파 전류에 있어서, 전류 진폭이 높은 값을 HCL(Higher Current Level), 전류 진폭이 낮은 값을 LCL(Lower Current Level)로 하고, 변조 1주기 중에서, HCL을 취하는 시간을 온 시간, LCL을 취하는 시간을 오프 시간이라 정의한다. 또, 1주기에 있어서의 온 시간의 비율(온 시간/(온 시간+오프 시간)×100(%))을 듀티비(DF)로 한다. 또, 진폭의 비(LCL/HCL×100(%))를 전류 변조율(SCL)로 한다. 전류 변조율(SCL)은 전류 진폭의 변조 정도를 나타내는 것이고, 100% SCL은 무변조 상태를 나타내고, 0% SCL은 전류 진폭이 가장 크게 변조되고 있는 것을 나타낸다. 0% SCL에서는, 오프 시간, 즉, 후술하는 바와 같이 고주파 전류의 전류 진폭이 낮은 영역에 있어서 고주파 전류의 전류값이 0A(암페어)이다. 진폭변조는, 0% SCL 이상 100% SCL 미만이면, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 0% SCL에 가까운 것이 변조 정도가 높기, 즉, 진폭의 변조가 크기 때문에, 0% SCL이 가장 바람직하다.
또한, 온 시간(도 3의 (b) 참조)은 고주파 전류의 전류 진폭이 높은 영역이고, 오프 시간(도 3의 (b) 참조)은 고주파 전류의 전류 진폭이 낮은 영역이다. 또, 상술한 온 시간, 오프 시간, 및 1사이클은, 어느것이나 마이크로초에서(내지) 수 초 오더인 것이 바람직하다.
플라즈마 토치(14) 내에 있어서의 압력 분위기는, 미립자의 제조 조건에 따라 적당히 결정되는 것이고, 예를 들면, 대기압 이하이다. 여기서, 대기압 이하의 분위기에 대해서는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 5 Torr(666.5 Pa)∼750 Torr(99. 975 kPa)로 할 수가 있다.
도 1에 도시하는 바와 같이 챔버(16)는, 플라즈마 토치(14)에 가까운 쪽으로부터, 상류 챔버(16a)가 플라즈마 토치(14)와 동축 방향에 부착되어 있다. 또, 상류 챔버(16a)와 수직으로 하류 챔버(16b)를 마련하고, 더욱더 하류에, 미립자를 포집하기 위한 원하는(소망의) 필터(18a)를 구비하는 회수부(18)가 마련되어 있다. 제조 장치(10)에 있어서, 미립자의 회수 장소는, 예를 들면, 필터(18a)이다.
챔버(16)에, 기체 공급부(22)가 접속되어 있다. 기체 공급부(22)로부터 공급되는 급냉 가스에 의해, 챔버(16) 내에서, 원료에 따른 재료의 미립자(도시하지 않음)가 생성된다. 또, 챔버(16)는 냉각조로서 기능하는 것이다.
회수부(18)는, 필터(18a)를 구비한 회수실과, 이 회수실 내 아래쪽에 마련된 관을 거쳐 접속된 진공 펌프(18b)를 구비하고 있다. 챔버(16)로부터 보내진 미립자는, 상술한 진공 펌프(18b)에서 흡인되는 것에 의해, 미립자가 회수실 내로 끌려들어가고, 필터(18a)의 표면에서 머문 상태로 미립자가 회수된다.
기체 공급부(22)는, 챔버(16) 내의 열 플라즈마 불꽃(100)에 급냉 가스를 공급하는 것이다. 급냉 가스는, 냉각 가스로서 기능하는 것이다. 기체 공급부(22)는, 기체가 저장되는 기체 공급원(도시하지 않음)과, 챔버(16) 내에 공급하는 급냉 가스에 압출(밀어냄) 압력을 가하는 컴프레서, 블로어 등의 압력 부여부(도시하지 않음)를 가진다. 또, 기체 공급원으로부터의 가스 공급량을 제어하는 조정 밸브(도시하지 않음)가 마련되어 있다. 기체 공급원은, 급냉 가스의 조성에 따른 것이 이용되고, 기체의 종류는 1종류에 한정되는 것은 아니고, 급냉 가스를 혼합 가스로 하는 경우, 기체 공급원을 복수 준비한다.
급냉 가스는, 냉각하는 기능을 발휘하는 것이면, 특별히 한정되는 것은 아니다. 급냉 가스로는, 예를 들면, 원료와 반응하지 않는, 아르곤 가스, 질소 가스, 헬륨 가스 등의 불활성 가스가 이용된다. 급냉 가스는, 그 이외에도, 수소 가스를 함유해도 된다. 또, 급냉 가스는, 원료와 반응하는 반응성 가스를 함유해도 된다. 반응성 가스로서는, 예를 들면, 메테인(메탄), 에테인(에탄), 프로판, 뷰테인(부탄), 아세틸렌, 에틸렌, 프로필렌, 뷰텐 등의 탄화 수소 가스 등을 들 수 있다.
기체 공급부(22)는, 예를 들면, 열 플라즈마 불꽃(100)의 꼬리부(尾部)(100b)(도 2 참조), 즉, 플라즈마 가스 공급구(14d)와 반대측의 열 플라즈마 불꽃(100)의 끝단(端), 즉, 열 플라즈마 불꽃(100)의 종단부를 향해, 예를 들면, 45°의 각도로, 급냉 가스(냉각 가스)를 공급하고, 또한 챔버(16)의 내벽을 따라 위쪽으로부터 아래쪽을 향해, 급냉 가스(냉각 가스)를 공급한다. 또한, 열 플라즈마 불꽃(100)의 종단부에 급냉 가스를 공급하는 것에 한정되는 것은 아니다.
기체 공급부(22)로부터 챔버(16) 내에 공급되는 급냉 가스에 의해, 열 플라즈마 불꽃(100)에 의해 기상 상태로 된 혼합물이 급냉되어, 원료에 따른 재료의 미립자가 얻어진다. 그 이외에도 상술한 급냉 가스는 미립자의 분급에 기여하는 등의 부가적 작용을 가진다.
원료에 따른 재료의 미립자의 생성 직후의 미립자끼리가 충돌하여, 응집체를 형성함으로써 입자 지름의 불균일이 생기면, 품질 저하의 요인으로 된다. 그렇지만, 열 플라즈마 불꽃의 꼬리부(100b)(종단부)를 향해, 급냉 가스를 공급하는 것에 의해, 급냉 가스가 미립자를 희석하는 것에 의해, 미립자끼리가 충돌해서 응집하는 것이 방지된다.
또, 챔버(16)의 내벽면을 따라, 급냉 가스를 공급하는 것에 의해, 미립자의 회수 과정에 있어서, 미립자의 챔버(16) 내벽에의 부착이 방지되어, 생성된 미립자의 수율이 향상된다.
기체 공급부(22)의 열 플라즈마 불꽃(100)으로의 급냉 가스의 공급 방법은, 특별히 한정되는 것은 아니고, 1방향으로부터 급냉 가스를 공급해도 된다. 또, 열 플라즈마 불꽃(100)의 주위를 둘러싸는, 복수의 방향으로부터 급냉 가스를 공급해도 된다. 이 경우, 급냉 가스의 공급구를 챔버(16)의 외주면에, 둘레방향을 따라 복수로, 예를 들면, 등간격으로 마련하지만, 등간격에 한정되는 것은 아니다.
복수의 방향으로부터 급냉 가스를 공급하는 경우, 공급 타이밍은, 특별히 한정되는 것은 아니고, 복수의 방향으로부터 동기해서 급냉 가스를 공급한다. 그 이외에도, 예를 들면, 시계 방향 또는 반시계 방향의 순으로, 급냉 가스를 공급해도 된다. 이 경우, 급냉 가스에 의해, 챔버(16) 내에 선회류 등의 기류가 생긴다. 복수의 방향으로부터 급냉 가스를 공급하는 경우, 공급순을 결정하는 일 없이, 랜덤하게 공급해도 된다.
또한, 급냉 가스를 이용하는 일 없이, 미립자를 생성할 수 있으면, 기체 공급부(22)는 반드시 필요하지 않다. 기체 공급부(22)가 없는 구성의 경우, 제조 장치(10)의 장치 구성을 간소화할 수 있고, 또한 미립자의 제조 방법도 공정을 간소화할 수 있다.
원료 공급부(12)는, 상술한 바와 같이, 열 플라즈마 불꽃(100)에 원료를 공급하는 것이고, 예를 들면, 원료를, 미리 정한 양을 공급하는 것이고, 시간에 따르지 않고, 일정량의 원료를 공급한다.
원료 공급부(12)는, 일정량의 원료를 공급하는 것에 한정되는 것은 아니고, 원료의 열 플라즈마 불꽃(100) 속으로의 공급량을 시간 변조해서, 원료를 열 플라즈마 불꽃(100) 속에 공급하는 것이어도 된다. 이것에 의해, 도 3의 (b)에 도시하는 온 시간에 대량의 원료를 공급할 수가 있다. 이것에 의해, 보다 작은 미립자를 대량으로 제조할 수가 있다. 이 경우, 예를 들면, 공급관(13)에 간헐 공급부(15)를 마련한다. 간헐 공급부(15)에 의해, 챔버(16) 내에 원료를 시간 변조해서 공급한다. 원료의 공급량의 변화는, 특별히 한정되는 것은 아니고, 싸인파 형상이라도, 삼각파 형상이라도, 방형파 형상이라도, 톱니파 형상이라도 좋지만, 제2의 코일(62)에 공급되는 고주파 전류의 진폭 변조에 맞추는 것이 바람직하다. 즉, 함수로 표시되는 진폭 변조의 시간 변화가 동일한 것이 바람직하다. 이것에 의해, 온 시간과 원료 공급의 타이밍이 맞추기 쉬워진다.
간헐 공급부(15)는, 예를 들면, 공급관(13)에 접속된 솔레노이드 밸브(전자 밸브(電磁弁))를 이용하여, 원료의 공급량을 시간 변조한다. 제어부(24)에 의해, 솔레노이드 밸브의 개폐가 제어된다. 솔레노이드 밸브 이외에, 볼 밸브를 이용해도 된다. 이 경우도, 제어부(24)에 의해, 볼 밸브의 개폐가 제어된다. 제어부(24)에 의해, 예를 들면, 온 시간일 때에 원료의 공급량을 많게 하고, 오프 시간일 때에 원료의 공급량을 적게 하는 패턴으로, 원료의 공급량을 시간 변조한다. 이것에 의해, 보다 작은 미립자를 대량으로 제조할 수가 있다. 이 때문에, 원료의 공급은, 온 시간일 때에 원료의 공급량을 많게 하고, 오프 시간일 때에 원료의 공급량을 적게 하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 온 시간에 원료를 공급하는 것에 의해, 대량의 원료를 증발시킬 수 있고, 그 결과, 미립자의 대량 생성이 가능하게 되어, 미립자를 효율좋게(고효율로), 게다가 대량으로 제조할 수 있다.
다음에, 상술한 제조 장치(10)를 이용한 미립자의 제조 방법에 대하여, 금속 미립자를 예로 들어 설명한다.
우선, 금속 미립자의 원료 분말로서, 예를 들면, 체적 평균 입경이 30 ㎛ 이하인 Si 분말을 원료 공급부(12)에 투입한다.
플라즈마 가스로, 예를 들면, 아르곤 가스를 이용한다. 제1의 전원부(21a)에 의해, 무진폭 변조의 고주파 전류를 제1의 코일(60)에 공급한다. 제2의 전원부(21b)에 의해, 진폭 변조된 고주파 전류를 제2의 코일(62)에 공급한다. 이것에 의해, 플라즈마 토치(14)의 내부에 열 플라즈마 불꽃(100)을 발생시킨다. 제2의 코일(62)에 공급하는 고주파 전류의 진폭 변조는, 예를 들면, 50% SCL이고, 변조 주기가 15 ㎳, 온 시간이 10 ㎳, 오프 시간이 5 ㎳이다.
다음에, 캐리어 가스로서, 예를 들면, 아르곤 가스를 이용하여 Si 분말을 기체 반송하고, 공급관(13)을 거쳐 플라즈마 토치(14) 내부의 열 플라즈마 불꽃(100) 속에 공급한다(제1의 공정). 공급된 Si 분말은, 열 플라즈마 불꽃(100) 속에서 증발시켜서 기상 상태의 혼합물(45)(도 2 참조)로 된다. 기상 상태의 혼합물(45)(도 2 참조)을 냉각한다(제2의 공정). 이것에 의해, Si 미립자(금속 미립자)가 얻어진다.
그리고, 챔버(16) 내에서 얻어진 Si 미립자는, 진공 펌프(18b)에 의한 회수부(18)로부터의 부압(負壓)(흡인력)에 의해서 회수부(18)의 필터(18a)에 포집된다.
상술한 바와 같이, 열 플라즈마 불꽃(100)을 안정된 상태에서 주기적으로 고온 상태와, 고온 상태보다도 온도가 낮은 저온 상태로 할 수 있는 것으로 인해, 미립자의 입경을 제어할 수 있고, 또한 입경의 균일성이 양호한 미립자를 얻을 수가 있다.
또한, 상술한 기상 상태의 혼합물(45)(도 2 참조)의 냉각(제2의 공정)은, 특별히 한정되는 것은 아니고, 급냉 가스 등의 냉각 매체를 이용하는 일 없이 냉각시킨 자연 냉각이라도 좋다. 급냉 가스를 이용하지 않는 경우, SCL의 값을 작게 하는 것에 의해, 즉, 제2의 코일의 고주파 전류의 변조 정도를 크게 하는 것에 의해, 온 시간의 열 플라즈마 불꽃(100)의 온도를 유지하면서, 오프 시간의 열 플라즈마 불꽃(100)의 온도를 낮게 할 수 있기 때문에, 급냉 가스를 이용한 냉각을 행하지 않아도, 보다 작은 사이즈의 Si 미립자(금속 미립자)를 얻을 수가 있다. 이 경우, 미립자의 제조 방법의 공정을 간소화할 수 있다.
또, 기체 공급부(22)로부터 열 플라즈마 불꽃(100)의 꼬리부(100b)(도 2 참조), 즉, 열 플라즈마 불꽃(100)의 종단부에, 급냉 가스로서, 예를 들면, 아르곤 가스를 공급해서, 혼합물(45)(도 2 참조)을 급냉해도 된다. 이것에 의해, 열 플라즈마 불꽃(100)이 급냉되어 Si 미립자(금속 미립자)가 생성되지만, 이 때, 챔버(16) 내에 온도가 낮은 영역이 생겨, 보다 더 작은 Si 미립자(금속 미립자)가 얻어진다.
Si 분말을 플라즈마 토치(14) 내부의 열 플라즈마 불꽃(100) 속에 공급할 때, 상술한 바와 같이, 온 시간에 Si 분말의 공급량을 많게 하고, 오프 시간에 Si 분말의 공급량을 적게 하는 것이 바람직하다. 또, 온 시간에 Si 분말을 공급하고, 오프 시간에 Si 분말을 공급하지 않도록 해도 된다. 어쨌건 간에, 솔레노이드 밸브가 열림으로 되고 나서 실제로 원료가 반송되고, 열 플라즈마 불꽃(100) 속의 원료의 공급량이 많아질 때까지 시간이 걸리므로, 그 반송 시간에 걸리는 시간을 예측해서, 솔레노이드 밸브 등을 제어할 필요가 있다.
여기서, 도 4의 (a)는 제2의 전원부의 고주파 전류의 파형의 일례를 도시하는 그래프이고, 도 4의 (b)는 밸브의 개폐 타이밍을 도시하는 그래프이고, 도 4의 (c)는 원료의 공급을 도시하는 그래프이다.
본 실시형태에서는, 예를 들면, 도 4의 (a)에 도시하는 제2의 코일(62)의 구형파 진폭 변조된 파형 신호(104)에 기초하여, 반송 시간을 고려해서 밸브의 개폐 타이밍이 결정되고, 도 4의 (b)에 도시하는 밸브의 개폐의 타이밍 신호(106)가 얻어지고, 밸브가 소정의 시간 간격으로 개폐된다. 그 결과, 도 4의 (c)에 도시하는 파형(108)으로, 예를 들면, 원료 분말이 플라즈마 토치(14) 내로 온 시간에 공급되고, 결과로서 원료를 간헐적으로 공급할 수가 있다.
다음에, 제조 장치(10)의 플라즈마 발생부(21)에 의해, 공급하는 고주파 전류와, 열 플라즈마 불꽃으로의 투입 전력의 관계에 대하여 설명한다.
도 5의 (a)는 제1의 코일의 고주파 전류의 파형의 일례를 도시하는 모식도이고, 도 5의 (b)는 제2의 코일의 고주파 전류의 파형의 일례를 도시하는 모식도이고, 도 5의 (c)는 제1의 코일에 의한 투입 전력의 파형의 일례를 도시하는 모식도이고, 도 5의 (d)는 제2의 코일에 의한 투입 전력의 파형의 일례를 도시하는 모식도이다. 도 5의 (a) 및 (b)의 세로축은 전류값인데, 이것은 전류값의 2승 값의 평균 제곱근(root mean square)으로 표시되는 실효값이다. 도 5의 (c) 및 (d)의 세로축은 투입 전력인데, 이것은 전력의 2승 값의 평균 제곱근(root mean square)으로 표시되는 실효값이다.
도 5의 (a) 내지 (d)는, 이하에 나타내는 전자 열유체 모델을 해석 모델로 이용한 해석에 의해 얻어진 것이다.
[전자 열유체 모델]
전자 열유체 모델은, 도 1에 도시하는 플라즈마 토치(14) 및 챔버(16)의 단면을 대상으로 했다. 플라즈마 토치는 내경 70 ㎜, 길이 440 ㎜로 하고, 챔버는 내경 130 ㎜, 길이 810 ㎜로 했다. 플라즈마 토치 및 챔버의 외벽 및 원료 투입용 튜브는 수냉되어 있다고 했다. 시스 가스로서 Ar 가스를 플라즈마 토치 상부로부터, 축방향 및 스월(선회류) 방향으로 흘리고 있다. 캐리어 가스로서 Ar 가스를 플라즈마 토치 헤드 중앙으로부터 원료 공급용의 수냉 튜브를 통해서 플라즈마 토치에 도입하고 있다. 수냉 튜브의 삽입 깊이는 185 ㎜로 했다. Ar 가스(캐리어 가스)는, 미립자 생성시, 원료 분체를 도입하는 역할을 갖는다.
전자 열유체 모델에 있어서의 계산 공간으로서는, 축방향으로 114 분할, 반경 방향으로 65 분할했다. 플라즈마 토치는, 반경 방향으로의 온도 변화가 급격하기 때문에, 축방향 및 반경 방향으로의 메시 사이즈를, 10 ㎜×1 ㎜로 했다.
또, 전자 열유체 모델에서는, 열 플라즈마 모델로서 이하를 가정했다.
국소 열평형 상태이다. 즉, 전자 온도, 가스 온도, 여기 온도 등의 온도는 똑같다. 또, 모든 반응은 반응론적 평형 상태에 도달해 있다.
플라즈마는 광학적으로 얇고, 광흡수 효과는 무시한다.
흐름은 층류이고, 난류는 고려하지 않는다.
원통축 대칭이다.
이들 4개의 가정 하에서, 질량, 운동량, 에너지의 보존식 및 2개의 코일 전류가 만드는 각각의 벡터 퍼텐셜에 대한 푸아송(Poisson) 방정식을 작성하고, 이하에 나타내는 계산 조건에 기초하여 해석했다.
[계산 조건]
과도 해석의 타임 스텝을 50 ㎲로 했다. 열 플라즈마 불꽃으로의 평균 투입 전력으로서, 제1의 코일에서는 10 ㎾, 제2의 코일에서는 10 ㎾로 했다. 플라즈마 토치의 내부 압력을 300 Torr 일정하게 했다. 제1의 코일에 공급되는 고주파 전류의 주파수를 430 ㎑로 설정하고, 제2의 코일에 공급되는 고주파 전류의 주파수를 300 ㎑로 설정했다.
캐리어 가스로서 Ar 가스를 4리터/분 도입했다. 플라즈마 가스를 미공급으로 했다. 시스 가스로서 Ar 가스를 90리터/분 도입했다. 투입하는 Ar 가스의 온도는 어느것이나 300 K 일정하게 했다.
본 계산에서는, 제1의 코일의 입력 전력이 10 ㎾ 일정하게 되도록 전류 진폭을 1타임 스텝마다 변경했다. 제2의 코일의 고주파 전류는 1주기에서의 평균 전력이 10 ㎾로 되도록 구형파 진폭 변조했다. 변조 주기는 20 ㎳로 하고, 온 시간을 10 ㎳, 오프 시간을 10 ㎳로 했다. 계산 파라미터로서, 제2의 코일의 고주파 전류의 SCL을, 100%, 50% 및 0%의 세 가지로 설정했다.
도 5의 (a) 내지 (d)는, 제1의 코일의 고주파 전류의 실효값, 제2의 코일의 고주파 전류의 실효값과 열 플라즈마 불꽃으로의 투입 전력의 실효값을 도시한다. 상술한 바와 같이 100% SCL의 경우에서는 무변조 상태이고, 0% SCL의 경우는 전류 진폭이 가장 크게 변조되고 있다. 시각 0∼10 ㎳ 사이는 오프 시간, 시각 10∼20 ㎳ 사이는 온 시간이다. 도 5의 (b)는 설정한 제2의 코일의 고주파 전류의 진폭 변화를 도시한다.
도 5의 (a)는, 제1의 코일의 고주파 전류의 실효값을 도시하고 있고, 상술한 바와 같이 제1의 코일의 입력 전력이 10 ㎾ 일정하게 되도록 변화시킨 것을 도시한다. 이 때, 제1의 코일의 고주파 전류에 의한 입력 전력은 도 5의 (c)에 도시하는 바와 같이 10 ㎾ 일정하며, 설정된 대로이다. 제2의 코일의 고주파 전류의 구형파 진폭 변조에 따라서, 도 5의 (d)에 도시하는 바와 같이, 제2의 코일로부터 열 플라즈마 불꽃으로의 입력 전력이 삼각파형상으로 시간 변화되고 있다.
상술한 바와 같이 제2의 코일의 고주파 전류를 구형파 진폭 변조하는 것에 의해, 제2의 코일의 온도장(溫度場)이 고전류시에서는 고온장이 얻어지고, 저전류시에서는 저온장이 얻어진다. 또, 제2의 코일의 고주파 전류의 변조 정도를 크게 하는 것에 의해, 제2의 코일에 의한 온도장을 더욱더 변동시킬 수가 있다. 이들 결과로부터, 미립자 생성 프로세스에서는, 고전류시에 원료를 투입하는 것에 의해, 원료를 보다 확실하게 증발시킬 수 있고, 저전류시에서는 성장 단계에 있는 미립자의 성장 억제를 할 수 있다는 것이 시사되었다. 이것으로 인해, 제2의 코일의 고주파 전류를 진폭 변조하고, 또 진폭 변조의 변조 정도를 높이는 것에 의해, 보다 효율적인 미립자 생성 프로세스의 실현이 가능하다.
다음에, 해석 모델의 온도 분포 및 흐름장에 대하여 설명한다.
도 6의 (a) 내지 (d)는 플라즈마 토치의 해석 모델의 50% SCL에 있어서의 온도 분포 및 흐름장의 일례를 도시하는 모식도이다. 도 7의 (a) 내지 (d)는 플라즈마 토치의 해석 모델의 0% SCL에 있어서의 온도 분포 및 흐름장의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 6의 (a) 내지 (d) 및 도 7의 (a) 내지 (d)는, 반경 위치 0 ㎜를 경계로 좌측의 영역(70)과 우측의 영역(72)으로 구획되어 있다. 좌측의 영역(70)에는 온도 분포가 도시되고, 우측의 영역(72)에는 흐름장이 도시된다. 또, 축방향 위치 0 ㎜ 이상 180 ㎜ 미만의 영역이, 제1의 코일(60)이 배치되는 제1의 코일 영역(61)이고, 축방향 위치 180∼350 ㎜의 영역이, 제2의 코일(62)이 배치되는 제2의 코일 영역(63)이다.
또한, 도 6의 (a) 및 도 7의 (a)는 시각 0 ㎳에 있어서의 온도 분포 및 흐름장을 도시하고, 도 6의 (b) 및 도 7의 (b)는 시각 5 ㎳에 있어서의 온도 분포 및 흐름장을 도시한다. 도 6의 (c) 및 도 7의 (c)는 시각 10 ㎳에 있어서의 온도 분포 및 흐름장을 도시하고, 도 6의 (d) 및 도 7의 (d)는 시각 15 ㎳에 있어서의 온도 분포 및 흐름장을 도시한다. 변조 주기는 20 ㎳이고, 온 시간은 10 ㎳, 오프 시간은 10 ㎳이다.
온도 분포에 있어서는, 50% SCL의 경우, 시각 0 ㎳(도 6의 (a)의 영역(70))에서는, 제2의 코일 영역(63)에 8000 K 이상의 고온장(80)이 넓은 범위에 분포되어 있다. 그 후의 오프 시간시(시각 0∼10 ㎳)에서는, 제2의 코일 영역(63)의 온도가 저하하고, 시각 10 ㎳(도 6의 (c)의 영역(70))에 있어서, 제2의 코일 영역(63)의 온도는 6000∼8000 K로 저하하고 있다. 온 시간시(시각 10∼20 ㎳)에서는, 그 저하한 고온장이 다시 가열되고, 시각 20 ㎳, 즉, 초기 시각(0 ㎳)에 있어서 축방향으로 긴 고온장이 형성되어 있다.
더욱더 변조 정도를 높게 한 0% SCL의 경우, 시각 0 ㎳(도 7의 (a)의 영역(70))에 있어서, 50% SCL의 경우에 비해 제2의 코일 영역(63)에 있는 8000 K 이상의 고온장(80)이 확대되고 있다. 그 후의 오프 시간시에서는, 50% SCL의 경우보다 제2의 코일 영역(63)의 온도가 빠르고 급격하게 저하하고 있다는 것을 알 수 있다. 시각 10 ㎳(도 7의 (c)의 영역(70))에서는, 제2의 코일 영역(63)의 온도는, 4000∼8000 K로 현저하게 저하하고 있다. 온 시간시에서는, 제2의 코일에 있어서의 온도가 급격하게 상승하고, 8000 K 이상의 넓은 고온장(80)을 다시 형성한다.
흐름장에 있어서는, 50% SCL의 경우, 시각 0 ㎳(도 6의 (a)의 영역(72))에서는, 제2의 코일 영역(63)에 있어서, 축방향 하향의 유속이 50 m/s 이상으로 매우 빠르다. 오프 시간시(시각 0∼10 ㎳)에서는, 이 영역의 유속이 저하하고 있다. 이것은, 주로 열 플라즈마 온도가 저하하는 것에 의해 밀도가 상승하고, 질량 보존식을 만족시키도록 유속이 저하하기 때문이다. 한편, 온 시간시(10∼20 ㎳)에서는, 다시 온도가 상승하기 때문에, 유속이 증가하고 있다.
더욱더 변조 정도를 높게 한 0% SCL의 경우, 시각 0 ㎳(도 7의 (a)의 영역(72))에서는, 제2의 코일 영역(63)의 축방향 하향의 유속이, 50% SCL의 경우에 비하면 더욱더 증가하고 있다. 이것은, 0% SCL의 경우와, 50% SCL의 경우를 비교해서, 보다 온도가 높기 때문이다.
그러나, 시각 10 ㎳(도 7의 (c)의 영역(72))에서는, 이 축방향 하향으로의 유속은 50% SCL의 경우에 비해 거의 변함없다. 50% SCL 및 0% SCL 어느것의 조건에 있어서도, 온 시간에 있어서, 제2의 코일 영역(63)의 축방향 하향의 유속이 증가하고 있고, 오프 시간에서는, 이 유속이 저하하고 있다는 것을 알 수 있다. 축방향 하향으로의 유속의 증가는, 후술하는 현상에 의해 생기고 있다고 생각된다.
온 시간에서는, 고주파 전류가 증가하기 때문에, 제2의 코일 영역(63)에 발생하는 자계 및 전계가 강해진다. 자계 및 전계가 강해지는 것에 의해 입력 전력이 증가한다. 이 때문에, 이 영역에 있어서의 온도가 상승하는 것에 의해 밀도가 저하하고, 질량 보존식을 만족시키도록 유속이 빨라진다. 또, 그 영역에 발생하는 지름 방향 내측으로의 로렌츠 힘(Lorentz force)이 강해진다. 이 로렌츠 힘의 증대에 의해서, 토치 내부의 압력이 상승하고, 이 압력 증가에 수반하여 유속이 빨라지는 것이 생각된다. 이 때문에, 고주파 전류가 증가하는 온 시간에서는, 제2의 코일에 있어서 축방향 하측으로의 유속이 증가했다고 생각된다.
상술한 플라즈마 토치의 해석 모델 내에 공급된 가상 입자의 경험 온도에 대하여 설명한다. 구체적으로는, 가상 입자에 대하여, 투입 타이밍에 따른 경험 온도의 차이를 구했다. 또한, 가상 입자는 질량이 없는 질점(質点)으로 하고, 가상 입자의 초기 위치를 수냉 튜브의 선단 위치로 했다. 또, 가상 입자는 수냉 튜브 선단으로부터 열 플라즈마 불꽃 내로 들어가고, 또한 흐름에 따라 수송된다고 가정했다.
도 8은 플라즈마 토치의 해석 모델 내에 공급된 가상 입자의 50% SCL에 있어서의 경험 온도의 일례를 시간 경과와 함께 도시하는 그래프이고, 도 9는 플라즈마 토치의 해석 모델 내에 공급된 가상 입자의 0% SCL에 있어서의 경험 온도의 일례를 시간 경과와 함께 도시하는 그래프이고, 도 10은 플라즈마 토치의 해석 모델 내에 공급된 가상 입자의 100% SCL에 있어서의 경험 온도의 일례를 도시하는 그래프이다.
도 10에 도시하는 바와 같이 100% SCL의 경우, 가상 입자 투입 후의 시각 0∼7 ㎳에 있어서, 가상 입자가 열 플라즈마 불꽃 속으로 유입하기 때문에, 급격하게 온도가 상승하고, 시각 7 ㎳에서 약 9000 K에 도달해 있다. 그 후 시각 7∼38 ㎳의 기간에 있어서 가상 입자가 하류로 수송됨에 따라서 온도가 서서히 저하하고 있다.
다음에, 도 8에 도시하는 50% SCL의 경우, 가상 입자의 경험 온도는, 가상 입자의 도입 타이밍에 따라서 다르다. 도입 타이밍은 시각 2.5 ㎳부터 20 ㎳(=0 ㎳)까지 설정했다. 또한, 가상 입자는 시각 2.5 ㎳에 도입했다.
시각 2.5 ㎳에 도입된 가상 입자는, 시각 2.5∼10 ㎳ 동안, 온도 상승하고 있고, 시각 10 ㎳에서 그 경험 온도의 피크를 취하고, 8000 K에 도달해 있다. 오프 시간(시각 0∼10 ㎳)에 가상 입자가 투입된 경우, 온도 상승 후의 피크 값이 8000∼8500 K 정도에 그친다. 그에 반해, 온 시간(12.5∼20 ㎳)에 가상 입자가 투입된 경우, 온도 상승 후의 피크 값이 9000 K 이상에까지 도달한다.
시각 10.0∼15.0 ㎳에 가상 입자가 투입된 경우에서는, 온도 감소시의 저하율이 -500 K/㎳ 정도로 높다. 다른 타이밍, 예를 들면, 시각 2.5 ㎳에 가상 입자가 투입된 경우에서는, 온도 감소시의 저하율은 -300 K/㎳ 정도이다. 이것으로 인해, 시각 10.0∼15.0 ㎳에서 가상 입자를 투입한 경우, 급냉의 정도가 높다.
더욱더 변조 정도를 높게 한 도 9에 도시하는 0% SCL의 경우, 오프 시간(시각 0∼10 ㎳)에 가상 입자가 투입된 경우에서는, 온도 상승 후의 피크 값이 6000∼7500 K 정도이고, 현저하게 낮은 값이다. 한편, 온 시간(시각 10∼20 ㎳)에 가상 입자가 투입된 경우에서는, 온도 상승 후의 피크가 100% SCL시 및 50% SCL시에 비해 높고 8000∼9200 K 정도이다. 시각 10∼15 ㎳에 가상 입자가 투입된 경우에서는, 온도 감소시의 저하율이 50% SCL시에 비해 더욱더 크다.
상술한 것으로 인해, 온 시간시에 원료를 투입하는 것에 의해, 원료의 보다 완전한 증발을 행할 수 있는 것이 생각된다. 더욱더 온 시간 부근에서 투입된 원료는, 무변조 상태시에 비해 더욱더 급냉을 행할 수 있기 때문에, 성장 단계에 있는 입자의 성장을 더욱더 억제할 수 있는 것을 기대할 수 있다. 따라서, 제2의 코일의 고주파 전류를 진폭 변조하는 것에 의해, 효율적인 나노 입자 생성 프로세스를 행할 수 있다. 진폭 변조의 SCL 값을 작게 하는 것에 의해, 열 플라즈마 불꽃의 온도를 보다 낮게 할 수 있기 때문에, 더욱더 확실한 증발 및 성장 단계에 있는 입자의 효율적인 냉각이 가능하다.
상술한 도 1에 도시하는 제조 장치(10)를 이용하여 미립자를 이하와 같이 해서 제조할 수가 있다. 구체적으로는, 제1의 코일 및 제2의 코일에의 입력 전력을 각각 10 ㎾로 하고, 제1의 코일의 고주파 전류의 주파수를 450 ㎑, 제2의 코일의 고주파 전류의 주파수를 320 ㎑로 했다.
제1의 고주파 전류의 전류를 무변조로 하고, 제2의 고주파 전류의 전류는 구형파 진폭 변조로 했다. 변조 주기는 15 ㎳로 하고 온 시간 10 ㎳, 오프 시간을 5 ㎳로 했다. 듀티비(DF) %는, 66%이다. 변조 정도를 나타내는 SCL은 0%로 설정했다. 플라즈마 토치 내의 압력을 300 Torr로 했다. 시스 가스로서 Ar 가스를 90 slpm 도입했다. 또, Si 원료 분체를 Ar 가스(캐리어 가스) 4 slpm과 함께 열 플라즈마 불꽃에 공급했다.
Si 원료 분체로 체적 평균 입경 28 ㎛의 Si 분체를 이용했다. Si 원료 분체를 온 시간에 동기하도록 간헐 투입했다. 또한, 급냉 가스는 이용하고 있지 않다. 얻어진 미립자를 도 11에 도시한다.
또한, 비교를 위해서 제1의 코일 및 제2의 코일의 고주파 전류를 어느것이나(모두), 진폭 변조시키고, 80% SCL로 한 것 이외는 동일한 조건에서 미립자를 제조했다. 얻어진 미립자를 도 12에 도시한다. 또한, 도 11 및 도 12는 어느것이나 배율이 50000배이다.
도 11의 미립자와 도 12에 도시하는 미립자로부터, 어느것이나 미립자가 대량으로 얻어지고 있지만, 도 11에 도시하는 미립자 쪽이, 입경이 작다. 또, 입자 생성률은, 본 발명의 제조 방법이 300 g/h이고, 비교의 제조 방법이 180 g/h이고, 본 발명의 제조 방법 쪽이, 생산성이 높고, 대량의 미립자를 제조할 수가 있다.
또, 미립자를 이하와 같이 해서 제조할 수도 있다. 구체적으로는, 제1의 코일 및 제2의 코일의 시간 평균 입력 전력을, 각각 10 ㎾로 설정했다. 제1의 코일의 고주파 전류는 변조하지 않고, 제2의 코일의 고주파 전류를 변조했다. 변조 주기를 15 ㎳로 하고, 온 시간을 10 ㎳, 오프 시간을 5 ㎳로 했다. 듀티비(DF) %는, 66%이다. 또, SCL을 50% 및 0%로 설정했다.
플라즈마 토치 내의 압력을 300 torr로 설정했다. 시스 가스로 아르곤 가스를 이용하고, 90리터/분의 유량으로 공급했다. 플라즈마 가스는 이용하고 있지 않다.
또, 캐리어 가스로 아르곤 가스를 이용하고, 유량을 4리터/분으로 했다.
원료 분말로는, 금속 그레이드 Si 분말(99.5% 순도)을 이용했다. 원료 분말의 평균 직경은 약 19.2 ㎛였다. 제2의 코일의 고주파 전류(변조 전류)의 변조에 솔레노이드 밸브를 동기시키고, 원료 분말을 포함하는 캐리어 가스를 단속적(斷續的)으로 플라즈마 토치 내에 공급했다. 원료 분말의 공급량을 3.5 g/분 및 5.7 g/분으로 했다.
또한, 급냉 가스는 사용하지 않았다.
5.7 g/분의 공급량으로 안정되게 미립자를 제조할 수 있었다. 0% SCL 및 50% SCL 조건 하에서, 많은 나노 사이즈의 미립자가 얻어진 것을, FE－SEM 화상을 이용하여 확인할 수 있었다.
50% SCL에서는 평균 직경이 62.0 ㎚인 Si 미립자가 얻어지고, 0% SCL에서는 평균 입경이 47.4 ㎚인 Si 미립자가 얻어졌다. 변조 정도를 크게 하는 것에 의해, 급냉 가스를 이용하는 일 없이, 보다 작은 사이즈의 미립자가 얻어졌다.
또한, 본 실시형태의 제조 장치(10)는, 원료로, 예를 들면, Si 분체를 이용하여, 나노 사이즈의 Si 미립자를 제조할 수가 있다. 그러나, 이것에 한정되는 것은 아니고, 다른 원소의 입자를 미립자 제조용 원료로서 이용하고, 그 산화물, 금속, 질화물, 탄화물 등의 미립자의 제조를 행하는 것도 가능하다. 이 경우, 슬러리화해도 미립자의 제조를 행할 수가 있다.
원료는, 분말의 경우, 열 플라즈마 불꽃 속에서 용이하게 증발하도록, 그의 평균 입자 지름이 적당히 설정되지만, 평균 입자 지름은, 예를 들면, BET 지름 환산으로, 100 ㎛ 이하이고, 바람직하게는 10 ㎛ 이하, 더욱더 바람직하게는 5 ㎛ 이하이다.
예를 들면, 원료로서는, 열 플라즈마 불꽃에 의해 증발시켜지는 것이면, 그 종류를 불문하지만, 바람직하게는, 이하의 것이 좋다. 즉, 원자 번호 3∼6, 11∼15, 19∼34, 37∼52, 55∼60, 62∼79 및 81∼83의 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 포함하는, 단체(單體) 산화물, 복합 산화물, 복산화물, 산화물 고용체(固溶體), 금속, 합금, 수산화물, 탄산 화합물, 할로젠화물, 황화물, 질화물, 탄화물, 수소화물, 금속염 또는 금속 유기 화합물을 적당히 선택하면 좋다.
또한, 단체 산화물이란 산소 이외에 1종의 원소로 이루어지는 산화물을 말하고, 복합 산화물이란 복수종의 산화물로 구성되는 것을 말하고, 복산화물이란 2종 이상의 산화물로 만들어져(이루어져) 있는 고차 산화물을 말하고, 산화물 고용체란 다른 산화물이 서로 균일하게 용해된 고체를 말한다. 또, 금속이란 1종 이상의 금속 원소만으로 구성되는 것을 말하고, 합금이란 2종 이상의 금속 원소로 구성되는 것을 말하고, 그 조직 상태로서는, 고용체, 공융(共融) 혼합물, 금속간 화합물 혹은 그들의 혼합물을 이루는 경우가 있다.
또, 수산화물이란 수산기와 1종 이상의 금속 원소로 구성되는 것을 말하고, 탄산 화합물이란 탄산기와 1종 이상의 금속 원소로 구성되는 것을 말하고, 할로젠화물이란 할로젠 원소와 1종 이상의 금속 원소로 구성되는 것을 말하고, 황화물이란 황(유황)과 1종 이상의 금속 원소로 구성되는 것을 말한다. 또, 질화물이란 질소와 1종 이상의 금속 원소로 구성되는 것을 말하고, 탄화물이란 탄소와 1종 이상의 금속 원소로 구성되는 것을 말하고, 수소화물이란 수소와 1종 이상의 금속 원소로 구성되는 것을 말한다. 또, 금속염은 적어도 1종 이상의 금속 원소를 포함하는 이온성 화합물을 말하고, 금속 유기 화합물이란 1종 이상의 금속 원소와 적어도 C, O, N원소의 어느것인가의 결합을 포함하는 유기 화합물을 말하고, 금속 알콕사이드 및 유기 금속 착체 등을 들 수 있다.
예를 들면, 단체 산화물로서는, 산화 티탄(TiO2), 산화 지르코늄(ZrO2), 산화 칼슘(CaO), 산화 규소(SiO2), 산화 알루미늄(알루미나： Al2O3), 산화 은(Ag2), 산화철, 산화 마그네슘(MgO), 산화 망간(Mn3O4), 산화 이트륨(Y2O3), 산화 세륨, 산화 사마륨, 산화 베릴륨(BeO), 산화 바나듐(V2O5), 산화 크로뮴(Cr2O3), 산화 바륨(BaO) 등을 들 수가 있다.
또, 복합 산화물로서는, 알루민산 리튬(LiAlO2), 바나듐산 이트륨, 인산 칼슘, 지르콘산 칼슘(CaZrO3), 지르콘산 티탄납, 산화 티탄철(FeTiO3), 산화 티탄코발트(CoTiO3) 등을, 복산화물로서는, 주석산 바륨(BaSnO3), (메타)티탄산 바륨(BaTiO3), 티탄산 납(PbTiO3), 티탄산 바륨에 산화 지르코늄과 산화 칼슘이 고용된 고용체 등을 들 수가 있다.
또, 수산화물로서는 Zr(OH)4, 탄산 화합물로서는 CaCO3, 할로젠화물로서는 MgF2, 황화물로서는 ZnS, 질화물로서는 TiN, 탄화물로서는 SiC, 수소화물로서는 TiH2 등을 들 수가 있다.
본 발명은, 기본적으로 이상과 같이 구성되는 것이다. 이상, 본 발명의 미립자의 제조 장치 및 미립자의 제조 방법에 대하여 상세하게 설명했지만, 본 발명은 상술한 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 주지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 여러 가지 개량 또는 변경을 해도 되는 것은 물론이다.
10: 미립자의 제조 장치(제조 장치)
12: 원료 공급부
13: 공급관
14: 플라즈마 토치
14a: 석영관
14b: 고주파 발진용 코일
14c: 공급구
14d: 플라즈마 가스 공급구
14e: 석영관
14f: 냉각수
15: 간헐 공급부
16: 챔버
16a: 상류 챔버
16b: 하류 챔버
18: 회수부
18a: 필터
18b: 진공 펌프
20: 플라즈마 가스 공급부
21: 플라즈마 발생부
21a: 제1의 전원부
21b: 제2의 전원부
22: 기체 공급부
24: 제어부
45: 혼합물
60: 제1의 코일
61: 제1의 코일 영역
62: 제2의 코일
63: 제2의 코일 영역
70: 영역
72: 영역
100: 열 플라즈마 불꽃
100b: 꼬리부
104: 파형 신호
106: 타이밍 신호
108: 파형
12: 원료 공급부
13: 공급관
14: 플라즈마 토치
14a: 석영관
14b: 고주파 발진용 코일
14c: 공급구
14d: 플라즈마 가스 공급구
14e: 석영관
14f: 냉각수
15: 간헐 공급부
16: 챔버
16a: 상류 챔버
16b: 하류 챔버
18: 회수부
18a: 필터
18b: 진공 펌프
20: 플라즈마 가스 공급부
21: 플라즈마 발생부
21a: 제1의 전원부
21b: 제2의 전원부
22: 기체 공급부
24: 제어부
45: 혼합물
60: 제1의 코일
61: 제1의 코일 영역
62: 제2의 코일
63: 제2의 코일 영역
70: 영역
72: 영역
100: 열 플라즈마 불꽃
100b: 꼬리부
104: 파형 신호
106: 타이밍 신호
108: 파형
Claims (12)
- 미립자의 제조 장치로서,
미립자 제조용 원료를 열 플라즈마 불꽃 속에 공급하는 원료 공급부와,
내부에 상기 열 플라즈마 불꽃이 발생되고, 상기 원료 공급부에 의해 공급되는 상기 원료를 상기 열 플라즈마 불꽃으로 증발시켜서 기상 상태의 혼합물로 하는 플라즈마 토치와,
상기 플라즈마 토치의 상기 내부에 상기 열 플라즈마 불꽃을 발생시키는 플라즈마 발생부를 가지고,
상기 플라즈마 발생부는, 상기 플라즈마 토치의 주위를 둘러싸는 제1의 코일과, 상기 제1의 코일의 아래쪽에 설치되고 상기 플라즈마 토치의 주위를 둘러싸는 제2의 코일과, 상기 제1의 코일에 고주파 전류를 공급하는 제1의 전원부와, 상기 제2의 코일에 진폭 변조된 고주파 전류를 공급하는 제2의 전원부를 가지고, 상기 제1의 코일과 상기 제2의 코일은 상기 플라즈마 토치의 긴쪽 방향에 나란히 배치되어 있는, 미립자의 제조 장치. - 제1항에 있어서,
상기 열 플라즈마 불꽃에, 급냉 가스를 공급하는 기체 공급부를 가지는, 미립자의 제조 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 플라즈마 발생부는, 상기 제2의 전원부에 의해, 상기 제2의 코일에 진폭 변조된 고주파 전류를 공급하고, 상기 제2의 코일에 공급되는 상기 고주파 전류의 전류 진폭이 높은 영역에서, 상기 원료의 공급량을 많게 하는, 미립자의 제조 장치. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2의 코일에 공급하는, 상기 진폭 변조된 상기 고주파 전류는, 상기 고주파 전류의 전류 진폭이 낮은 영역에서는 전류값이 0암페어인, 미립자의 제조 장치. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 원료 공급부는, 상기 원료를, 입자상(粒子狀)으로 분산시킨 상태에서, 상기 열 플라즈마 불꽃 속에 공급하는, 미립자의 제조 장치. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 원료 공급부는, 상기 원료를 액체에 분산시켜서 슬러리로 하고, 상기 슬러리를 액적화해서 상기 열 플라즈마 불꽃 속에 공급하는, 미립자의 제조 장치. - 플라즈마 토치의 내부에서 발생한 열 플라즈마 불꽃을 이용한 미립자의 제조 방법으로서,
상기 플라즈마 토치의 주위를 둘러싸는 제1의 코일과, 상기 제1의 코일의 아래쪽에 설치되고 상기 플라즈마 토치의 주위를 둘러싸는 제2의 코일과, 상기 제1의 코일에 고주파 전류를 공급하는 제1의 전원부와, 상기 제2의 코일에 진폭 변조된 고주파 전류를 공급하는 제2의 전원부가 마련되고, 상기 제1의 코일과 상기 제2의 코일은 상기 플라즈마 토치의 긴쪽 방향에 나란히 배치되어 있고, 상기 제1의 전원부 및 상기 제2의 전원부에 의해, 상기 열 플라즈마 불꽃이 발생되고,
상기 플라즈마 토치의 상기 내부에서 발생한 상기 열 플라즈마 불꽃에 미립자 제조용 원료를 공급하는 제1의 공정과,
상기 원료를 상기 열 플라즈마 불꽃으로 증발시켜 기상 상태의 혼합물로 하고, 상기 혼합물을 냉각하는 제2의 공정을 가지고,
상기 제1의 공정 및 상기 제2의 공정에 있어서, 상기 제2의 전원부는, 상기 제2의 코일에 진폭 변조된 고주파 전류를 공급하는, 미립자의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 제2의 공정은, 상기 열 플라즈마 불꽃에 급냉 가스를 공급해서, 기상 상태의 상기 혼합물을 냉각하는, 미립자의 제조 방법. - 제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 제1의 공정에서는, 상기 제2의 전원부에 의해, 상기 제2의 코일에 진폭 변조된 고주파 전류를 공급하고, 상기 제2의 코일에 공급되는 상기 고주파 전류의 전류 진폭이 높은 영역에서, 상기 원료의 공급량을 많게 하는, 미립자의 제조 방법. - 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2의 코일에 공급하는, 상기 진폭 변조된 상기 고주파 전류는, 상기 고주파 전류의 전류 진폭이 낮은 영역에서는 전류값이 0암페어인, 미립자의 제조 방법. - 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1의 공정에서는, 상기 원료를, 입자상으로 분산시킨 상태에서, 상기 열 플라즈마 불꽃 속에 공급하는, 미립자의 제조 방법. - 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1의 공정에서는, 상기 원료를 액체에 분산시켜서 슬러리로 하고, 상기 슬러리를 액적화해서 상기 열 플라즈마 불꽃 속에 공급하는, 미립자의 제조 방법.
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