WO2020022691A1 - 나노입자 합성 장치 및 이를 이용한 나노입자의 합성 방법 - Google Patents

나노입자 합성 장치 및 이를 이용한 나노입자의 합성 방법 Download PDF

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WO2020022691A1
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reaction chamber
raw material
incident
reaction
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정진미
신부건
김성범
맹석호
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주식회사 엘지화학
강원대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention claims the benefit of the filing date of Korean Patent Application No. 10-2018-0085185 filed with the Korea Intellectual Property Office on July 23, 2018, the entire contents of which are included in the present invention.
  • a nanoparticle synthesis apparatus and a method for synthesizing nanoparticles using the same which can improve the productivity of nanoparticles.
  • Laser pyrolysis is a method of synthesizing nanoparticles by decomposing a raw material gas for a very short reaction time by irradiating a laser to the gas raw material. For example, when the silane (SiH 4 ) gas is decomposed through carbon dioxide (CO 2 ) laser irradiation, silicon nanoparticles may be formed. In this laser pyrolysis method, in order to improve productivity. In particular, it is important to widen the reaction region in which nanoparticles are produced.
  • the general laser pyrolysis reactor is designed such that the advancing direction of the incident laser beam and the gaseous raw material supplied cross.
  • the reactor designed as described above only the intersection of the incident laser beam and the gas raw material becomes a reaction region, which is only a micro region.
  • decomposition reactions must be made within a short time of several microseconds (ms).
  • the present invention is to provide a nanoparticle synthesis apparatus and a method for synthesizing nanoparticles using the same, the laser pyrolysis region of the gas raw material can be increased to increase the productivity of the nanoparticles.
  • the reaction chamber A raw material gas injection unit provided at one side of the reaction chamber and supplying a raw material gas into the reaction chamber; A laser beam incidence unit provided at the other side of the reaction chamber and having a laser beam incident on a raw material gas injected into the reaction chamber; And a laser beam collision part provided at an opposite side to which the laser beam inside the reaction chamber is incident, and colliding with a laser beam incident from the laser beam incidence part, wherein the raw material gas is in the reaction chamber. It provides a nanoparticle synthesis apparatus that flows along the incident direction.
  • a method for synthesizing nanoparticles using the nanoparticle synthesis apparatus comprising: supplying a raw material gas into a reaction chamber; Irradiating a laser beam on the supplied raw material gas; And inducing a decomposition reaction of the source gas by the incident laser beam to grow nanoparticles, wherein the source gas flows along the direction in which the laser beam is incident in the reaction chamber. It provides a synthesis method.
  • the nanoparticle synthesizing apparatus may increase the size of the reaction region in which the flowing raw material gas and the incident laser beam overlap, thereby allowing the decomposition reaction of the raw material gas to proceed uniformly. .
  • Nanoparticle synthesis apparatus has the advantage that the nanoparticles can be mass-produced without increasing the power of the incident laser.
  • the apparatus for synthesizing nanoparticles according to an exemplary embodiment of the present invention can mass-produce nanoparticles even when using a gaseous raw material having a low absorbance for an incident laser beam.
  • the apparatus for synthesizing nanoparticles according to an exemplary embodiment of the present invention can easily prepare nanoparticles without adjusting the focus of an incident laser.
  • FIG. 1 is a perspective view of a nanoparticle synthesis apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 shows a lateral cut surface of the nanoparticle synthesis apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an enlarged view of region (A) of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a conventional nanoparticle synthesis apparatus.
  • FIG. 5 is an enlarged view of region (B) of FIG. 2.
  • FIG. 6 is a view showing a model of a reaction chamber set for performing CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 illustrates CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis results according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the presence of a member "on" another member includes not only when one member is in contact with another member, but also when another member exists between both members.
  • the terms “comprises” and / or “comprising” do not exclude the presence or addition of one or more other components, steps, operations and / or members. Further, terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited thereby. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another component.
  • the reaction chamber A raw material gas injection unit provided at one side of the reaction chamber and supplying a raw material gas into the reaction chamber; A laser beam incidence unit provided at the other side of the reaction chamber and having a laser beam incident on a raw material gas injected into the reaction chamber; And a laser beam collision part provided at an opposite side to which the laser beam inside the reaction chamber is incident, and colliding with a laser beam incident from the laser beam incidence part, wherein the raw material gas is in the reaction chamber. It provides a nanoparticle synthesis apparatus that flows along the incident direction.
  • FIG. 1 is a perspective view of a nanoparticle synthesis apparatus according to an embodiment of the present invention. Specifically, FIG. 1 is provided in one side of the reaction chamber 100, the reaction chamber 100, a raw material gas injection unit 110 injecting a raw material gas G into the reaction chamber 100, and the reaction chamber.
  • the nanoparticle synthesizing apparatus 1000 is provided on the other side of the apparatus 100 and includes a laser beam incidence part 120 in which a laser beam LB is incident into the reaction chamber 100.
  • the reaction chamber 100 is a structure in which the decomposition reaction of the raw material gas G occurs, and the generated nanoparticles NP are collected. Specifically, in the reaction chamber 100, the reaction gas contained in the raw material gas G is decomposed by the laser beam LB. In addition, the components of the decomposed reaction gas grow to become nanoparticles (NP), and the nanoparticles (NP) may be collected in the nanoparticle collecting unit.
  • the collecting unit may be provided on the other side of the reaction chamber 100, and if it is a configuration capable of collecting nanoparticles (NP) generated by the decomposition reaction of the raw material gas limits the general configuration used in the art Can be adopted without use.
  • Figure 2 shows a lateral cut surface of the nanoparticle synthesis apparatus according to an embodiment of the present invention. Specifically, FIG. 2 shows a lateral (X ⁇ X ′) cross section of the nanoparticle synthesis device shown in FIG. 1.
  • the nanoparticle synthesizing apparatus 1000 includes a laser beam collision part 130 provided inside the reaction chamber 100 and provided on an opposite side of the laser beam incidence part 120. .
  • the source gas injection unit 110 injects the source gas G into the reaction chamber 100 from the source of the source gas G.
  • the raw material gas injection unit 110 may be a nozzle generally known in the art.
  • the source gas injection unit 110 may be provided in plurality on one side of the reaction chamber 100.
  • the source gas injection unit 110 may be continuously provided on one side of the reaction chamber 100.
  • the laser beam incident part 120 injects the laser beam LB emitted from a known laser beam irradiation device into the reaction chamber 100.
  • the laser beam incident part 120 may further include an optical lens through which the incident laser beam LB may pass.
  • an optical lens a material having a low absorbance for a CO 2 continuous wave laser such as ZnSe may be used.
  • the laser beam LB is incident to the laser beam collision part 130. Specifically, the laser beam LB incident through the laser beam incident part 120 collides with the laser beam collision part 130. Accordingly, some or all of the thermal energy of the laser beam LB may be absorbed by the laser beam collision part 130. Alternatively, some or all of the thermal energy of the laser beam LB may be reflected through the laser beam collision part 130.
  • the source gas G flows in the reaction chamber 100 along the direction in which the laser beam LB is incident.
  • the flow direction of the source gas G in the reaction chamber 100 may be parallel to the direction in which the laser beam LB is incident. More specifically, the flow direction of the source gas G in the reaction chamber 100 may be the same as the direction in which the laser beam LB is incident (G + LB).
  • the region where the source gas G and the laser beam LB overlap may be the reaction region 160 of the decomposition reaction of the source gas G.
  • an area between the portion where the source gas G and the laser beam LB start to overlap and the laser beam collision part 130 is formed in the reaction region 160. Can be.
  • the conventional nanoparticle synthesizing apparatus is designed such that the flow direction of the source gas and the laser beam incident direction intersect. In this case, the contact time between the raw material gas and the laser beam was inevitably short. Moreover, since the size of the area
  • the raw material gas G flows along the direction in which the laser beam LB is incident. Accordingly, the nanoparticle synthesis apparatus may secure an increased reaction region 160. Specifically, when the source gas G flows along the direction in which the laser beam LB is incident, the time for contact between the source gas G and the laser beam LB may increase. Accordingly, the nanoparticle synthesis apparatus can secure the reaction region 160 of increased size. As the size of the reaction region 160 increases, mass production of nanoparticles may be enabled.
  • FIG. 3 is an enlarged view of region (A) of FIG. 2. Specifically, FIG. 3 is an enlarged view of region (A) of FIG. 2 showing a lateral (X ⁇ X ′) cross section of the nanoparticle synthesizing apparatus. More specifically, FIG. 3 is an enlarged view of a portion corresponding to the raw material gas injection unit 110 and the laser beam incidence unit 120 in the lateral (X ⁇ X ′) cutting plane of the nanoparticle synthesis apparatus. FIG. 3 shows that the source gas G supplied through the source gas injection unit 110 flows along the direction in which the laser beam LB is incident.
  • At least one portion of the reaction chamber 100 may be capable of observing the decomposition reaction of the raw material gas G by the laser beam LB from the outside.
  • the decomposition reaction of the raw material gas G by the laser beam LB may be observed by the visual recognition member 140 provided in at least a portion of the reaction chamber 100.
  • the viewer member 140 may be formed of a known transparent material.
  • the viewer member 140 may be a quartz tube.
  • the size of the viewing member 140 is not particularly limited.
  • the size of the reaction region 160 may be specifically adjusted according to the length of the viewing member 140.
  • the visual recognition member 140 may be provided in at least a portion of the reaction chamber 100, and the reaction region 160 may include the source gas G and the laser in the reaction chamber 100. Since the beam LB overlaps an area, as the length of the viewing member 140 is longer, the size of the reaction area 160 may increase. Accordingly, when the length of the viewing member 140 is increased, the size of the reaction region 160 increases, so that mass production of nanoparticles may be possible.
  • the conventional nanoparticle synthesizing apparatus is designed such that the laser beam incident direction 1 and the source gas flow direction 2 intersect.
  • the conventional nanoparticle synthesizing apparatus further includes a separate viewing member provided in a direction (3) intersecting with the laser beam incident direction (1) and the source gas flow direction (2) in order to observe the decomposition reaction of the source gas. Included.
  • the decomposition reaction of the raw material gas by a laser beam does not occur in the visual member. Therefore, the conventional nanoparticle synthesis apparatus has a problem that the design cost is unnecessarily high.
  • the viewing member 140 may be provided in a direction parallel to the direction in which the laser beam LB is incident.
  • a decomposition reaction of the raw material gas G by the laser beam LB may occur.
  • a direction in which the viewing member 140 is provided and a direction in which the laser beam LB is incident may be parallel, and specifically, a direction in which the viewing member 140 is provided, and a laser beam. The direction in which the LB is incident may coincide.
  • the nanoparticle synthesizing apparatus has the advantage of solving the problem of increasing the design cost of the synthesizing apparatus by providing a visual member only for observing the raw material gas (G) decomposition reaction.
  • the operator can directly observe the region where the decomposition reaction of the raw material gas (G) occurs. Accordingly, the operator can appropriately adjust each of the source gas G supply conditions and the laser beam LB irradiation conditions according to the progress of the reaction.
  • FIG. 5 is an enlarged view of region (B) of FIG. 2. Specifically, FIG. 5 is an enlarged view of region (B) of FIG. 2 showing a lateral (X ⁇ X ′) cross section of the nanoparticle synthesizing apparatus. 5 is an enlarged view of a portion corresponding to the laser beam impingement portion 130 and the cooling fin 150 in the lateral (X ⁇ X ′) cutting plane of the nanoparticle synthesizing apparatus. More specifically, FIG. 5 shows that the nanoparticles NP generated in the reaction region 160 flow through the laser beam impingement 130 to the spaces 131a and 131b.
  • the laser beam collision part 130 may include a body part and a blade part having a cross-sectional area that is reduced in a direction from the body part toward the laser beam incident part. Accordingly, the incident laser beam LB may be absorbed or reflected by the laser beam collider 130 more efficiently.
  • the end of the blade portion may be pointed or rounded (round) shape.
  • the constituent material of the laser beam collision unit 130 may be a ductile material such as graphite, or may be a rigid material such as stainless steel or iron.
  • the laser beam impingement unit 130 may include a coating layer on at least part of the surface on which the incident laser beam LB is absorbed or reflected.
  • the material capable of forming the coating layer is not limited, and may be freely selected from known light absorbing or light reflecting materials.
  • the method of forming the coating layer is not limited, and the coating layer may be formed using a known method such as curing after applying the composition for forming the coating layer.
  • the outer circumferential surface of the laser beam impingement 130 and the inner circumferential surface of the reaction chamber 100 may be spaced apart from each other to form a space 131a and 131b therebetween.
  • the laser beam impingement unit 130 may be fixed to the inner circumferential surface of the reaction chamber 100 through at least one separate fixing member (not shown), the remaining area except the fixing member is the space ( 131a and 131b).
  • the nanoparticles (NP) generated by the decomposition reaction of the raw material gas (G) through the separation spaces (131a, 131b) may move to the nanoparticle collecting unit.
  • the nanoparticles NP generated by the decomposition reaction may move from the reaction chamber 100 to the nanoparticle collecting unit through the separation spaces 131a and 131b.
  • the generated nanoparticles (NP) may be collected in a vacuum atmosphere.
  • a plurality of cooling fins 150 may be provided on an outer circumferential surface of at least part of the reaction chamber 100. Accordingly, thermal energy of the incident laser beam LB may be emitted from the reaction chamber 100. In detail, when the incident laser beam LB is reflected by the laser beam collision part 130, thermal energy of the reflected laser beam LB may be transmitted to the cooling fin 150. In addition, when the incident laser beam LB is absorbed by the laser beam colliding unit 130, the absorbed thermal energy conducts to the fixing member fixing the laser beam colliding unit 130 and the reaction chamber 100. In addition, the fixing member may be conducted from the inner circumferential surface of the reaction chamber 100 to the cooling fin 150 from the inner circumferential surface of the reaction chamber 100.
  • the heat energy transferred to the cooling fins 150 is discharged to the outside of the reaction chamber 100, whereby the reaction chamber 100 may be cooled, and the laser beam LB itself in the reaction chamber 100 may be cooled. And rapid temperature increase due to heat of pyrolysis reaction with the raw material gas (G) can be prevented.
  • the reaction chamber 100 may be fixed on the support member 400 by the first fixing member 200 and the second fixing member 300.
  • an area corresponding to the source gas supply part 110 and the laser beam incident part 120 in the reaction chamber 100 may be fixed to the support member 400 by the first fixing member 200.
  • an area including the laser beam collision part 130 in the reaction chamber 100 may be fixed to the support member 400 by the second fixing member 300.
  • the size of the reaction chamber 100 may be adjusted according to the length of the visual recognition member 140, the separation distance between the first fixing member 200 and the second fixing member 300 is the visual recognition member. It may be adjusted according to the length of 140.
  • a method for synthesizing nanoparticles using the nanoparticle synthesizing apparatus is provided.
  • a method for synthesizing nanoparticles using the nanoparticle synthesis apparatus comprising: supplying a raw material gas into a reaction chamber; Irradiating a laser beam on the supplied raw material gas; And inducing a decomposition reaction of the source gas by the incident laser beam to grow nanoparticles, wherein the source gas flows along the direction in which the laser beam is incident in the reaction chamber. It provides a synthesis method.
  • the method can increase the production of nanoparticles.
  • the raw material gas may be supplied into the reaction chamber using known means such as nozzles.
  • the operator may appropriately adjust the supply conditions of the source gas so that the source gas flows in the reaction chamber along the direction in which the laser beam is incident.
  • the source gas may include a reaction gas and a carrier gas.
  • the reaction gas may mean a gas participating in the decomposition reaction by the laser beam.
  • the reaction gas may include a compound that is a raw material of inorganic nanoparticles such as silane (SiH 4 ), specifically, silicon nanoparticles.
  • a liquid raw material may be vaporized using a vaporizer to provide a vaporized raw material gas in the reaction chamber.
  • liquid SiCl 4 can be vaporized with a vaporizer and fed into the reaction chamber.
  • the type of the carrier gas is not limited and may be freely selected from known carrier gases as long as the source gas may flow along the direction in which the laser beam is incident.
  • the laser beam may be irradiated using a known laser irradiation apparatus, and the laser beam incident from the laser irradiation apparatus may be incident into the reaction chamber through the laser beam incident portion.
  • the laser may be a CO 2 continuous wave (CW) laser. That is, the method of synthesizing the nanoparticles may be to synthesize the nanoparticles through a pyrolysis reaction using a CO 2 continuous wave laser, rather than a laser ablation known in the art.
  • the wavelength of the laser may be 9 ⁇ m to 11 ⁇ m. That is, the decomposition reaction of the raw material gas may be performed through irradiation of a relatively long wavelength laser, and may not be performed through a high power laser irradiation of a short wavelength.
  • the reaction gas When the laser beam is incident on the source gas, specifically, the reaction gas, decomposition reaction of the reaction gas by the laser beam may be induced.
  • the reaction gas when the reaction gas is decomposed, it nucleates and aggregates to grow into nanoparticles.
  • the size of the nanoparticles produced may vary depending on the components of the raw material gas and the laser conditions to be irradiated. Therefore, the operator may be appropriate to the conditions of the laser to be irradiated and the source gas to be supplied, in order to produce nanoparticles of the desired size.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a model of a reaction chamber set for performing CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • N 2 as a carrier gas for transporting SiCl 4
  • SiCl 4 as a raw material gas for synthesizing nanoparticles
  • SF 6 as an auxiliary gas for laser absorption
  • SiCl 4 was assumed to be 50cm 3 / min
  • N 2 is 4250cm 3 / min
  • SF 6 is 200cm 3 / min
  • the internal pressure of the reactor was assumed to 200Torr.
  • Si radicals formed from SiCl 4 a raw material gas, are bonded to each other and grown to form silicon nanoparticles.
  • the SF 6 gas absorbs laser energy and increases kinetic energy and collides with SiCl 4, and serves as a gas for transferring energy to SiCl 4 and does not directly participate in the pyrolysis reaction.
  • a heat source condition was applied to a region where the source gas and the laser beam matched, and the above conditions were set in consideration of the temperature rise of the gas according to the energy absorption of the laser.
  • FIG. 7 illustrates CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis results according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A illustrates a model of a reaction chamber set for performing CFD analysis
  • FIG. 7B illustrates an analysis of a gas temperature in the reaction chamber through CFD
  • 7 (C) shows the flow rate of the gas in the reaction chamber through CFD.
  • a temperature section of 800 ° C. to 1,200 ° C. which is a temperature at which decomposition of the source gas and growth of silicon particles may be performed in a region where the source gas and the laser beam are matched, may be formed in the reaction chamber. It was confirmed that there is. In addition, referring to FIG. 7C, it was confirmed that the flow velocity of the raw material gas moving in the reaction chamber was relatively increased on the reaction region end surface side than the reaction region start surface.

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Abstract

본 발명은 원료 기체의 레이저 열분해 반응 영역을 증가시킴으로써 나노입자의 생산성을 향상시킬 수 있는 나노입자 합성 장치를 제공한다.

Description

나노입자 합성 장치 및 이를 이용한 나노입자의 합성 방법
본 발명은 2018년 07월 23일에 한국특허청에 제출된 한국 특허출원 제10-2018-0085185호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 발명에 포함된다. 나노입자의 생산성을 향상시킬 수 있는 나노입자 합성 장치 및 이를 이용한 나노입자의 합성 방법이 제공된다.
레이저 열분해법(laser pyrolysis)이란, 기체 원료에 레이저를 조사하여 매우 짧은 반응 시간 동안 원료 기체를 분해시켜 나노 입자를 합성하는 방법이다. 일 예로, 이산화탄소(CO 2) 레이저 조사를 통하여 실란(SiH 4) 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 기체 원료의 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.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
대한민국 공개특허공보 제10-2015-0036511호
본 발명은 기체 원료의 레이저 열분해 영역이 증가되어 나노입자의 생산성이 향상될 수 있는 나노입자 합성 장치와 이를 이용한 나노입자의 합성 방법을 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 실시상태는, 반응 챔버; 상기 반응 챔버의 일 측에 구비되고, 상기 반응 챔버 내로 원료 기체를 공급하는 원료 기체 주입부; 상기 반응 챔버의 다른 일 측에 구비되고, 상기 반응 챔버 내로 주입된 원료 기체에 레이저 빔이 입사되는 레이저 빔 입사부; 및 상기 반응 챔버 내부의 상기 레이저 빔이 입사되는 반대 측에 구비되고, 상기 레이저 빔 입사부로부터 입사된 레이저 빔이 충돌되는 레이저 빔 충돌부를 포함하고, 상기 원료 기체는 상기 반응 챔버 내에서 상기 레이저 빔이 입사되는 방향을 따라 유동하는 나노입자 합성 장치를 제공한다.
본 발명의 다른 실시상태는, 상기 나노입자 합성 장치를 이용한 나노입자의 합성 방법으로서, 반응 챔버 내에 원료 기체를 공급하는 단계; 상기 공급된 원료 기체에 레이저 빔을 조사하는 단계; 및 입사된 상기 레이저 빔에 의한 상기 원료 기체의 분해 반응을 유도하여, 나노입자를 성장시키는 단계를 포함하고, 상기 원료 기체는 상기 반응 챔버 내에서 상기 레이저 빔이 입사되는 방향을 따라 유동하는 나노입자의 합성 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 나노입자 합성 장치는 유동하는 원료 기체와 입사되는 레이저 빔이 중첩되는 반응 영역의 크기를 증가시킬 수 있고, 이에 따라 원료 기체의 분해 반응이 균일하게 진행되도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 나노입자 합성 장치는 입사되는 레이저의 출력을 높이지 않고도 나노입자가 대량 생산할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 나노 입자의 합성 장치는 입사되는 레이저 빔에 대한 흡수도가 낮은 기체 원료를 사용하는 경우에도, 나노입자를 대량 생산할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 나노 입자의 합성 장치는 입사되는 레이저의 초점 조절 없이도 나노입자를 용이하게 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시상태에 따른 나노입자 합성 장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시상태에 따른 나노입자 합성 장치의 측방향 절단면을 나타낸 것이다.
도 3은 도 2의 (A) 영역 확대도이다.
도 4는 종래의 나노입자 합성 장치의 모식도이다.
도 5는 도 2의 (B) 영역 확대도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시상태에 따른 CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석을 수행하기 위하여 설정한 반응 챔버의 모델을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시상태에 따른 CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석 결과를 나타낸 것이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 예시들을 참조하면 명확해 질 것이다. 다만, 본 발명은 이하에서 개시되는 예시들에 한정되는 것은 아니고, 상이하고 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 후술되는 예시들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 교시하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 발명의 설명에서 사용된 용어는 실시 상태들을 설명하기 위한 것이고, 본 발명을 한정 또는 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다는 것은 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라, 양 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서에서, 용어 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은 언급된 구성 요소, 동작 및/또는 부재는 하나 이상의 다른 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 부재의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 나아가, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 이로써 구성 요소들은 한정되어서는 안된다. 상기의 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소를 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시상태는, 반응 챔버; 상기 반응 챔버의 일 측에 구비되고, 상기 반응 챔버 내로 원료 기체를 공급하는 원료 기체 주입부; 상기 반응 챔버의 다른 일 측에 구비되고, 상기 반응 챔버 내로 주입된 원료 기체에 레이저 빔이 입사되는 레이저 빔 입사부; 및 상기 반응 챔버 내부의 상기 레이저 빔이 입사되는 반대 측에 구비되고, 상기 레이저 빔 입사부로부터 입사된 레이저 빔이 충돌되는 레이저 빔 충돌부를 포함하고, 상기 원료 기체는 상기 반응 챔버 내에서 상기 레이저 빔이 입사되는 방향을 따라 유동하는 나노입자 합성 장치를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시상태에 따른 나노입자 합성 장치의 사시도이다. 구체적으로, 도 1은 반응 챔버(100), 상기 반응 챔버(100)의 일측에 구비되고, 상기 반응 챔버(100) 내로 원료 기체(G)가 주입되는 원료 기체 주입부(110), 상기 반응 챔버(100)의 다른 일측에 구비되고, 상기 반응 챔버(100) 내로 레이저 빔(LB)이 입사되는 레이저 빔 입사부(120)를 포함하는 나노입자 합성 장치(1000)를 나타낸 것이다.
상기 반응 챔버(100)는 상기 원료 기체(G)의 분해 반응이 일어나고, 생성된 나노입자(NP)가 포집되는 구조물이다. 구체적으로, 상기 반응 챔버(100)에서는, 상기 원료 기체(G)에 포함되는 반응 기체가 상기 레이저 빔(LB)에 의하여 분해된다. 또한, 분해된 반응 기체의 성분이 성장하여 나노입자(NP)가 되며, 상기 나노입자(NP)는 나노입자 포집부에 포집될 수 있다. 상기 포집부는 상기 반응 챔버(100)의 또 다른 일측에 구비될 수 있고, 상기 원료 기체의 분해 반응에 의해 생성된 나노입자(NP)를 포집할 수 있는 구성이라면 당업계에서 사용되는 일반적인 구성을 제한없이 채택하여 사용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시상태에 따른 나노입자 합성 장치의 측방향 절단면을 나타낸 것이다. 구체적으로, 도 2는 도 1에서 도시된 나노입자 합성 장치의 측방향(X→X') 절단면을 나타낸 것이다. 도 2에 따르면, 상기 나노입자 합성 장치(1000)는 상기 반응 챔버(100)의 내부에 구비되고, 상기 레이저 빔 입사부(120)의 반대 측에 구비되는 레이저 빔 충돌부(130)를 포함한다.
상기 원료 기체 주입부(110)는 원료 기체(G)의 공급원으로부터 상기 반응 챔버(100) 내로 원료 기체(G)를 주입시킨다. 또한, 상기 원료 기체 주입부(110)는 당업계에서 일반적으로 알려진 노즐일 수 있다. 나아가, 상기 원료 기체 주입부(110)는 상기 반응 챔버(100)의 일측에 복수로 구비될 수 있다. 또한, 상기 원료 기체 주입부(110)는 상기 반응 챔버(100)의 일측에 연속적으로 구비될 수 있다.
상기 레이저 빔 입사부(120)는 공지의 레이저 빔 조사 장비에서 조사된 레이저 빔(LB)을 상기 반응 챔버(100) 내로 입사시킨다. 또한, 상기 레이저 빔 입사부(120)에는 입사된 레이저 빔(LB)이 투과될 수 있는 광학 렌즈가 더 구비될 수 있다. 나아가, 상기 광학 렌즈의 소재로서, ZnSe 등의 CO 2 연속 파 레이저에 대한 흡수도가 낮은 물질이 사용될 수 있다.
상기 레이저 빔(LB)은 상기 레이저 빔 충돌부(130)까지 입사된다. 구체적으로, 상기 레이저 빔 입사부(120)를 통하여 입사된 상기 레이저 빔(LB)은 상기 레이저 빔 충돌부(130)에 충돌된다. 이에 따라, 상기 레이저 빔(LB)의 열에너지의 일부 또는 전부는 상기 레이저 빔 충돌부(130)에 흡수될 수 있다. 또는, 상기 레이저 빔(LB)의 열에너지의 일부 또는 전부는 상기 레이저 빔 충돌부(130)를 통하여 반사될 수 있다.
또한, 도 2에 따르면, 상기 원료 기체(G)는 상기 반응 챔버(100) 내에서, 상기 레이저 빔(LB)이 입사되는 방향을 따라 유동한다. 구체적으로, 상기 원료 기체(G)의 상기 반응 챔버(100) 내에서의 유동 방향은 상기 레이저 빔(LB)이 입사되는 방향과 평행할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 원료 기체(G)의 상기 반응 챔버(100) 내에서의 유동 방향은 상기 레이저 빔(LB)이 입사되는 방향과 동일(G+LB)할 수 있다.
상기 원료 기체(G)에 레이저 빔(LB)이 입사되면, 상기 레이저 빔(LB)에 의한 상기 원료 기체(G)의 분해 반응이 진행된다. 이에 따라, 상기 원료 기체(G)와 상기 레이저 빔(LB)이 중첩되는 영역이 상기 원료 기체(G)의 분해 반응의 반응 영역(160)이 될 수 있다. 구체적으로, 상기 반응 챔버(100) 내부에서, 상기 원료 기체(G)와 상기 레이저 빔(LB)의 중첩이 시작되는 부분과 상기 레이저 빔 충돌부(130) 사이의 영역이 반응 영역(160)이 될 수 있다.
종래의 나노입자 합성 장치는, 전술한 바와 같이, 원료 기체의 유동 방향과 레이저 빔 입사 방향이 교차되도록 설계되었다. 이 경우, 원료 기체와 레이저 빔이 접촉하는 시간이 짧을 수 밖에 없었다. 또한, 종래의 나노입자 합성 장치는, 원료 기체와 레이저 빔이 중첩되는 영역(반응 영역)의 크기가 작으므로, 나노입자의 대량 생산에는 한계가 있었다.
반면, 본 발명의 일 실시상태에 따른 나노입자 합성 장치에서는 상기 원료 기체(G)가 상기 레이저 빔(LB)이 입사되는 방향을 따라 유동된다. 이에 따라 상기 나노입자 합성 장치는 증가된 반응 영역(160)을 확보할 수 있다. 구체적으로, 상기 원료 기체(G)가 상기 레이저 빔(LB)이 입사되는 방향을 따라 유동되는 경우, 상기 원료 기체(G)와 상기 레이저 빔(LB)이 접촉하는 시간이 증가할 수 있다. 이에 따라, 상기 나노입자 합성 장치에서는 증가된 크기의 반응 영역(160)을 확보할 수 있다. 상기 반응 영역(160)의 크기가 증가함에 따라, 나노입자의 대량 생산이 가능하게 될 수 있다.
도 3은 도 2의 (A) 영역 확대도이다. 구체적으로, 도 3은 상기 나노입자 합성 장치의 측방향(X→X') 절단면을 나타낸 도 2의 (A) 영역 확대도이다. 보다 구체적으로, 도 3은 상기 나노입자 합성 장치의 측방향(X→X') 절단면에 있어서, 원료 기체 주입부(110)와 레이저 빔 입사부(120)에 해당되는 부분을 확대한 것이다. 도 3은 원료 기체 주입부(110)를 통하여 공급된 원료 기체(G)가 상기 레이저 빔(LB)이 입사되는 방향을 따라 유동하는 것을 나타낸 것이다.
상기 나노입자 합성장치는, 상기 반응 챔버(100)의 적어도 일 부분이 상기 레이저 빔(LB)에 의한 상기 원료 기체(G)의 분해 반응이 외부에서 관찰 가능한 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 레이저 빔(LB)에 의한 상기 원료 기체(G)의 분해 반응은 상기 반응 챔버(100)의 적어도 일 부분에 구비된 시인 부재(140)에 의하여 관찰될 수 있다. 또한, 상기 시인 부재(140)는 공지의 투명 소재로 구성될 수 있다. 일 예로, 상기 시인 부재(140)는 석영관(quartz tube)일 수 있다. 나아가, 상기 시인 부재(140)의 크기는 특별히 제한되지 않는다.
상기 반응 영역(160)의 크기는 구체적으로는 상기 시인 부재(140)의 길이에 따라 조절될 수 있다. 구체적으로, 상기 시인 부재(140)는 상기 반응 챔버(100)의 적어도 일 부분에 구비될 수 있고, 상기 반응 영역(160)은 상기 반응 챔버(100) 내에서의 상기 원료 기체(G)와 레이저 빔(LB)이 중첩되는 영역에 해당하므로, 상기 시인 부재(140)의 길이가 길수록, 상기 반응 영역(160)의 크기가 증가할 수 있다. 이에 따라, 상기 시인 부재(140)의 길이를 증가시키는 경우, 반응 영역(160)의 크기가 증가하므로, 나노입자의 대량 생산이 가능할 수 있다.
도 4는 종래의 나노입자 합성 장치의 모식도이다. 도 4를 참고하면, 종래의 나노입자 합성 장치는, 레이저 빔 입사 방향(1)과 원료 기체 유동 방향(2)이 교차하도록 설계되었다. 또한, 종래의 나노입자 합성 장치는 원료 기체의 분해 반응을 관찰하기 위하여 레이저 빔 입사 방향(1) 및 원료 기체 유동 방향(2)과 동시에 교차되는 방향(3)으로 구비된 별도의 시인 부재를 더 포함하였다. 한편, 이와 같이 설계되는 경우, 레이저 빔에 의한 원료 기체의 분해 반응은 시인 부재 내에서는 일어나지 않는다. 그러므로, 종래의 나노입자 합성 장치는 설계 비용이 불필요하게 높은 문제점이 있었다.
한편, 본 발명의 일 실시상태에 따른 나노입자 합성 장치는, 상기 시인 부재(140)가 상기 레이저 빔(LB)이 입사되는 방향과 평행한 방향으로 구비될 수 있다. 나아가, 상기 시인 부재(140) 내에서, 상기 레이저 빔(LB)에 의한 상기 원료 기체(G)의 분해 반응이 일어날 수 있다. 또한, 상기 나노입자 합성 장치에서는, 시인 부재(140)가 구비되는 방향과, 레이저 빔(LB)이 입사되는 방향은 평행할 수 있고, 구체적으로 시인 부재(140)가 구비되는 방향과, 레이저 빔(LB)이 입사되는 방향은 일치할 수 있다. 이에 따라, 상기 나노입자 합성 장치에서는 원료 기체(G)의 분해 반응을 관찰할 수 있는 부분과, 이러한 반응이 일어나는 영역(반응영역, 160)이 일치할 수 있다. 그러므로, 상기 나노입자 합성 장치는 단지 원료 기체(G) 분해 반응의 관찰만을 위한 시인 부재를 마련함에 따른 합성 장치의 설계 비용이 증가하는 문제점을 해결한 장점이 있다. 또한, 상기 나노입자 합성 장치를 사용하는 경우, 작업자는 원료 기체(G)의 분해 반응이 일어나는 영역을 직접 관찰할 수 있다. 이에 따라, 작업자는 원료 기체(G) 공급 조건 및 레이저 빔(LB) 조사 조건 각각을 반응의 진행 정도에 따라 적절히 조절할 수 있다.
도 5는 도 2의 (B) 영역 확대도이다. 구체적으로 도 5는 상기 나노입자 합성 장치의 측방향(X→X') 절단면을 나타낸 도 2의 (B) 영역 확대도이다. 도 5는 상기 나노입자 합성 장치의 측방향(X→X') 절단면에 있어서, 레이저 빔 충돌부(130), 냉각핀(150)에 해당되는 부분을 확대한 것이다. 보다 구체적으로, 도 5는 반응 영역(160)에서 생성된 나노입자(NP)가 레이저 빔 충돌부(130)를 지나 이격 공간(131a, 131b)으로 유동하는 것을 나타낸 것이다.
또한, 도 5에 따르면, 상기 레이저 빔 충돌부(130)는 몸체부, 및 상기 몸체부에서 상기 레이저 빔 입사부를 향하는 방향으로 단면적이 감소되는 블레이드부를 포함할 수 있다. 이에 따라, 입사된 상기 레이저 빔(LB)은 보다 효율적으로 상기 레이저 빔 충돌부(130)에 흡수 또는 반사 될 수 있다. 또한, 상기 블레이드부의 말단은 뾰족한 형태이거나, 라운드(round) 진 형태일 수 있다. 상기 레이저 빔 충돌부(130)의 구성 소재는 흑연 등의 연성(ductile) 소재일 수 있고, 또는 스테인리스, 철 등의 강성 소재일 수 있다. 한편, 상기 나노입자 합성 장치의 조립 과정에서의 안정성 확보를 위하여, 상기 레이저 빔 충돌부(130)의 소재로서 강성 소재를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 레이저 빔 충돌부(130)는 상기 입사된 레이저 빔(LB)이 흡수 또는 반사될 수 있는 코팅층이 적어도 일부 표면에 구비된 것일 수 있다. 상기 코팅층을 형성할 수 있는 소재는 한정되지 않으며, 공지된 광 흡수성 또는 광 반사성 물질 중에서 자유롭게 선택될 수 있다. 또한, 상기 코팅층을 형성하는 방법 또한 한정되지 않으며, 상기 코팅층은 코팅층 형성용 조성물을 도포한 후 경화시키는 등의 공지된 방법을 이용하여 형성될 수 있다.
도 5를 참고하면, 레이저 빔 충돌부(130)의 외주면과 반응 챔버(100)의 내주면은 서로 이격되어 그 사이에 이격 공간(131a, 131b)이 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 레이저 빔 충돌부(130)는 적어도 하나의 별도의 고정 부재(미도시)를 통하여 상기 반응 챔버(100)의 내주면에 고정될 수 있고, 고정 부재를 제외한 나머지 영역이 상기 이격 공간(131a, 131b)이 될 수 있다. 또한, 상기 이격 공간(131a, 131b)을 통하여 원료 기체(G)의 분해 반응에 따라 생성된 나노입자(NP)가 나노입자 포집부로 이동할 수 있다. 구체적으로, 상기 분해 반응에 의하여 생성된 나노입자(NP)는 상기 이격 공간(131a, 131b)을 통하여 반응 챔버(100)에서 나노입자 포집부로 이동할 수 있다. 상기 나노입자 포집부에서는 생성된 나노입자(NP)가 진공 분위기에서 포집될 수 있다.
상기 반응 챔버(100)의 적어도 일부의 외주면에는 복수의 냉각핀(150)이 구비될 수 있다. 이에 따라, 입사된 레이저 빔(LB)의 열 에너지가 상기 반응 챔버(100)로부터 방출될 수 있다. 구체적으로, 입사된 상기 레이저 빔(LB)이 상기 레이저 빔 충돌부(130)에서 반사되는 경우, 반사되는 레이저 빔(LB)의 열에너지는 상기 냉각핀(150)으로 전달될 수 있다. 또한, 입사된 상기 레이저 빔(LB)이 상기 레이저 빔 충돌부(130)에 흡수되는 경우, 흡수된 열에너지가 상기 레이저 빔 충돌부(130)와 상기 반응 챔버(100)를 고정하는 고정 부재에 전도되고, 상기 고정 부재에서 상기 반응 챔버(100)의 내주면으로 전도되며, 상기 반응 챔버(100)의 내주면에서 상기 냉각핀(150)으로 전도될 수 있다. 이에 따라, 상기 냉각핀(150)으로 전달된 열에너지는 반응 챔버(100) 외부로 방출되고, 이에 따라 상기 반응 챔버(100)가 냉각될 수 있으며, 반응 챔버(100) 내의 레이저 빔(LB) 자체, 그리고 원료 기체(G)와의 열분해 반응열에 의한 급격한 온도 증가를 방지할 수 있다.
상기 반응 챔버(100)는 제1 고정부재(200) 및 제2 고정부재(300)에 의하여, 지지부재(400) 상에 고정될 수 있다. 구체적으로, 상기 반응 챔버(100)에서 원료 기체 공급부(110) 및 레이저 빔 입사부(120)에 해당하는 영역은 제1 고정부재(200)에 의하여 지지부재(400)에 고정될 수 있다. 또한, 상기 반응 챔버(100)에서 상기 레이저 빔 충돌부(130)을 포함하는 영역은 제2 고정부재(300)에 의하여 지지부재(400)에 고정될 수 있다. 또한, 상기 반응 챔버(100)의 크기는 상기 시인 부재(140)의 길이에 따라서도 조절될 수 있으므로, 상기 제1 고정부재(200) 및 제2 고정부재(300) 간의 이격 거리는, 상기 시인 부재(140)의 길이에 따라 조절될 수 있다.
본 발명의 다른 실시상태는, 상기 나노입자 합성 장치를 이용한 나노입자의 합성 방법이 제공된다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 나노입자 합성 장치를 이용한 나노입자의 합성 방법으로서, 반응 챔버 내에 원료 기체를 공급하는 단계; 상기 공급된 원료 기체에 레이저 빔을 조사하는 단계; 및 입사된 상기 레이저 빔에 의한 상기 원료 기체의 분해 반응을 유도하여, 나노입자를 성장시키는 단계를 포함하고, 상기 원료 기체는 상기 반응 챔버 내에서 상기 레이저 빔이 입사되는 방향을 따라 유동하는 나노입자의 합성 방법을 제공한다.
전술한 바와 같이, 상기 원료 기체가 상기 반응 챔버 내에서, 상기 레이저 빔이 입사되는 방향을 따라 유동함에 따라, 상기 레이저 빔에 의한 상기 원료 기체의 분해 반응이 일어나는 반응 영역의 크기가 증가된다. 이에 따라 상기 방법은 나노입자의 생산량을 증가시킬 수 있다.
상기 원료 기체는 노즐 등의 공지된 수단을 사용하여 상기 반응 챔버 내로 공급될 수 있다. 또한, 작업자는 상기 원료 기체가 상기 반응 챔버 내에서, 상기 레이저 빔이 입사되는 방향을 따라 유동하도록 상기 원료 기체의 공급 조건을 적절히 조절할 수 있다.
상기 원료 기체는 반응 기체 및 운반 기체를 포함할 수 있다. 상기 반응 기체는 상기 레이저 빔에 의한 분해 반응에 참여하는 기체를 의미할 수 있다. 또한, 상기 반응 기체는 실란(SiH 4) 등의 무기계 나노입자, 구체적으로 실리콘 나노입자의 원료가 되는 화합물을 포함할 수 있다. 또한, 액상의 원료를 기화기를 이용하여 기화시켜, 상기 반응 챔버에 기화된 원료 기체를 제공할 수도 있다. 예를 들면, 액상의 SiCl 4를 기화기로 기화시켜, 반응 챔버 내로 공급할 수 있다.
나아가, 상기 운반 기체의 종류는 한정되지 않으며 상기 원료 기체가 상기 레이저 빔이 입사되는 방향을 따라 유동할 수 있도록 하는 것이면, 공지된 운반 기체 중에서 자유롭게 선택될 수 있다. 상기 레이저 빔은 공지된 레이저 조사 장치를 사용하여 조사될 수 있고, 레이저 조사 장치로부터 입사된 레이저 빔은 상기 레이저 빔 입사부를 통하여 상기 반응 챔버 내로 입사될 수 있다.
상기 레이저는 CO 2 연속 파(continuous wave, CW) 레이저일 수 있다. 즉, 상기 나노입자의 합성 방법은, 기존에 알려진 레이저 어블레이션(laser ablation)이 아닌, CO 2 연속 파 레이저에 의한 열분해 반응을 통하여 나노입자를 합성하는 것일 수 있다. 상기 레이저의 파장은 9 ㎛ 내지 11 ㎛일 수 있다. 즉, 상기 원료 기체의 분해 반응은 상대적으로 장파장의 레이저의 조사를 통하여 수행되는 것일 수 있고, 단파장의 고출력 레이저 조사를 통하여 수행되는 것이 아닐 수 있다.
상기 레이저 빔이 상기 원료 기체, 구체적으로 반응 기체에 입사되는 경우, 상기 레이저 빔에 의한 상기 반응 기체의 분해 반응이 유도될 수 있다. 또한, 반응 기체가 분해되면, 핵화, 응집하여 나노입자로 성장한다. 또한, 생성되는 나노입자의 크기는 원료 기체의 구성 성분과 조사되는 레이저 조건에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 작업자는 원하는 크기의 나노입자를 제조하기 위해서, 조사되는 레이저와 공급되는 원료 기체의 조건을 적절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 나노입자 합성 장치 내의 물질의 유동 현상을 파악하기 위하여, 3차원 CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석을 수행하였다.
도 6은 본 발명의 일 실시상태에 따른 CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석을 수행하기 위하여 설정한 반응 챔버의 모델을 나타낸 도면이다. 도 6에서와 같이, 반응 영역이 시작되는 면에 나노입자를 합성하기 위한 원료 기체로서 SiCl 4, SiCl 4를 이송하는 운반 기체로서 N 2, 레이저 흡수를 위한 보조 기체로서 SF 6을 투입하여, 실리콘 입자를 형성하는 조건을 가정하여 CFD 해석을 수행하였다. 이때, 투입되는 기체의 유량으로, SiCl 4를 50cm 3/min, N 2는 4250cm 3/min, SF 6는 200cm 3/min로 가정하였고, 반응기의 내부 압력은 200Torr로 가정하였다.
상기 나노입자의 합성 반응의 경우, 원료 기체인 SiCl 4로부터 형성된 Si 라디칼들이 서로 결합, 성장하여 실리콘 나노입자로 형성된다. 이때, SF 6 기체는 레이저 에너지를 흡수하여 운동에너지가 증가되고 SiCl 4와 충돌하면서, 에너지를 SiCl 4로 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 SF 6가 흡수한 레이저 에너지로 설정하였고, 레이저가 조사되면 SF 6 기체가 에너지를 흡수하고, 흡수된 에너지가 열원이 되어 SiCl 4 기체의 열분해 반응과 가스 온도 상승에 기여되는 것을 고려하였다. 즉, 열량 = 질량 X 비열 X 온도변화량(시작온도에서 SiCl 4의 분해와 성장이 일어나기 시작하는 온도까지 도달되는 온도 변화량)으로 계산하여, 약 20W의 열량을 상기 열원 조건으로 설정하였다.
도 7은 본 발명의 일 실시상태에 따른 CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석 결과를 나타낸 것이다. 구체적으로, 도 7의 (A)는 CFD 해석을 수행하기 위하여 설정한 반응 챔버의 모델을 나타낸 것이고, 도 7의 (B)는 CFD를 통해 반응 챔버 내의 기체의 온도를 해석한 것을 나타낸 것이고, 도 7의 (C)는 CFD를 통해 반응 챔버 내의 기체의 유속을 해석한 것을 나타낸 것이다.
도 7의 (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 7의 (C)를 참고하면, 반응 챔버 내에서 원료 기체가 이동하는 유속이 반응 영역 시작 면보다 반응 영역 종료 면 측에서 상대적으로 증가하는 것을 확인하였다.
[부호의 설명]
100: 반응 챔버
110: 원료 기체 주입부
120: 레이저 빔 입사부
130: 레이저 빔 충돌부
131a, 131b: 이격 공간
140: 시인 부재
150: 냉각핀
160: 반응 영역
200: 제1 고정부재
300: 제2 고정부재
400: 지지부재
1000: 나노입자 합성 장치
LB: 레이저 빔
G: 원료 기체
NP: 나노입자

Claims (8)

  1. 반응 챔버;
    상기 반응 챔버의 일 측에 구비되고, 상기 반응 챔버 내로 원료 기체를 공급하는 원료 기체 주입부;
    상기 반응 챔버의 다른 일 측에 구비되고, 상기 반응 챔버 내로 주입된 원료 기체에 레이저 빔이 입사되는 레이저 빔 입사부; 및
    상기 반응 챔버 내부의 상기 레이저 빔이 입사되는 반대 측에 구비되고, 상기 레이저 빔 입사부로부터 입사된 레이저 빔이 충돌되는 레이저 빔 충돌부를 포함하고,
    상기 원료 기체는 상기 반응 챔버 내에서 상기 레이저 빔이 입사되는 방향을 따라 유동하는 나노입자 합성 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응 챔버의 적어도 일 부분은 외부에서 상기 레이저 빔에 의한 상기 원료 기체의 분해 반응이 관찰 가능한 것인 나노입자 합성 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 빔 충돌부의 외주면과 상기 반응 챔버의 내주면은 서로 이격되어 그 사이에 이격 공간이 형성되는 것인 나노입자 합성 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 빔 충돌부는 상기 입사된 레이저 빔이 흡수 또는 반사되는 코팅층이 적어도 일부 표면에 구비되는 것인 나노입자 합성 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응 챔버의 적어도 일부의 외주면에는 복수의 냉각핀이 구비되는 것인 나노입자 합성 장치.
  6. 청구항 1에 따른 나노입자 합성 장치를 이용한 나노입자의 합성 방법으로서,
    반응 챔버 내에 원료 기체를 공급하는 단계;
    상기 공급된 원료 기체에 레이저 빔을 조사하는 단계; 및
    입사된 상기 레이저 빔에 의한 상기 원료 기체의 분해 반응을 유도하여, 나노입자를 성장시키는 단계를 포함하고,
    상기 원료 기체는 상기 반응 챔버 내에서 상기 레이저 빔이 입사되는 방향을 따라 유동하는 나노입자의 합성 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 레이저는 CO 2 연속 파 레이저인 것인 나노입자의 합성 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 원료 기체는 반응 기체 및 운반 기체를 포함하는 것인 나노입자의 합성 방법.
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