KR100788412B1 - 열플라즈마 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열플라즈마 장치에 관한 것으로서, 전원 공급부와; 고온의 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 토치부와; 상기 플라즈마 토치부에 수직 방향으로 결합되는 반응 챔버와; 시료가 수용되는 상기 반응 챔버와 연결되며, 상기 반응 챔버로부터 금속 나노 분말을 수거하는 포집부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 불순 성분의 가스를 제거하기 위해 디스플레이 장치에 적용되는 고다공성 게터를 용이하게 제조할 수 있는 효과가 있다.

Description

열플라즈마 장치{Thermal Plasma Device}
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 열플라즈마 장치를 도시한 구성도
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 열음극형 플라즈마 토치부.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명 >
100...열플라즈마 장치 110...전원 공급부
120...플라즈마 토치부 130...반응 챔버(Chamber)
140...진공 펌프 150...냉각 튜브(Tube)
160...포집부 170...스크러버(Scrubber)
본 발명은 열플라즈마 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열플라즈마를 이용하여 금속 나노 분말을 제조하여 평판 표시 장치내의 불순 가스의 제거를 위한 게터로 적용하기 위한 열플라즈마 장치에 관한 것이다.
플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel)은, 통상적으로 복수의 기판 사이에 주입된 불활성 가스의 방전에 의하여 발생하는 진공 자외선이 형광체층에 충돌하여 방출하는 가시광을 이용하여 문자 및 그래픽을 표시하는 평판 표시 장 치를 말한다.
이중에서, 3전극 면 방전형 플라즈마 디스플레이 패널은, 전면 기판과 배면 기판을 포함하여 이루어진다.
상기 전면 기판에는, 전면으로 가시광을 투과시킬 수 있도록 투명한 ITO(Indium Tin Oxide)막으로 된 방전 유지 전극이 형성된다. 상기 투명한 방전 유지 전극은, 저항이 높기 때문에 이를 줄이기 위하여 방전 유지 전극의 가장자리에 크롬-구리-크롬의 적층 형태로 버스 전극을 형성시킨다. 상기 버스 전극 상에는, 전류를 제한하고 벽전하를 표면에 형성하여 교류 방전을 이용할 수 있도록 전면 유전체층을 형성시킨다. 상기 전면 유전체층 에는, 플라즈마에 존재하는 이온이 직접적으로 유전체층을 식각시키는 현상을 방지하고, 2차 방전 전자를 발생시켜 플라즈마 유지에 기여할 수 있는 MgO 보호막층을 형성한다.
상기 배면 기판에는 방전 유지 전극쌍과 교차하는 방향으로 어드레스 전극을 형성시키고, 그 위에 전극을 보호하고 자외선이 형광체층을 자극하여 발생한 가시광선을 다시 전면 기판으로 방출할 수 있도록 백색의 배면 유전체층을 형성시킨다.
상기 전면 기판과 배면 기판 사이에는 격벽이 배치되고, 격벽으로 구획된 방전 공간에는 적,녹,청색의 형광체층이 도포된다. 완성된 전면 기판과 배면 기판의 대향되는 가장자리에는 프릿트 글래스(Frit Glass)가 도포되고, 밀폐된 방전 공간내에는 방전에 필요한 가스가 충진된다.
이때, 최소한의 방전 전압으로 방전 효율을 증대시키기 위해서는, MgO 보호막층의 2차 전자 방출 및 벽전하 특성의 고려와 함께 방전 셀의 압력을 제어해야 한다. 이러한 압력을 제어하기 위하여, 패널 내부로 방전 가스를 주입하기 이전에 먼저 배기 공정을 수행하게 되는데, 이때의 긴 공정 시간은 플라즈마 디스플레이 패널의 생산성을 하락시키는 문제점 중의 하나로 지적되고 있다.
특히, 패널 구동시에 방전 셀 내부에서 방전에 의한 불순 가스가 발생하여 압력의 증가, 방전 개시 전압의 상승, 암점(Dark spot)의 발생, 콘트라스트의 저하, 수명 저하 등의 치명적 결함을 야기시킨다.
불순 가스들은 일반적으로 H2, H2O, N2, O2, CO2 등이 내부의 소재에 물리적 또는 화학적으로 흡착되어 있는 상태로서 봉입되어, 완성된 플라즈마 디스플레이 패널에서 방전시 탈착되어 수명과 화질 등에 영향을 미치게 된다. 상기한 불순 가스의 발생원은, 공정중에 대기에 노출된 MgO 보호막층, 형광체층, 격벽 등 실질적으로 방전이 발생하는 공간을 형성하는 소재들이다.
따라서, 이러한 불순 가스를 제거하기 위하여, 이들을 흡착 또는 내부로 흡수시켜서 불순 가스를 제거하는 특성을 가지고 있는 게터(Getter)를 사용하고 있다. 상기한 불순 가스는 게터의 표면에서 반데르발스(van der waals) 힘에 의하여 물리적으로 흡착되어 해리한 후 화학적 흡착되어 제거되므로, 고다공성 게터를 제조하여 사용하는 것이 중요하다.
게터 제조용 금속 분말의 입자 크기가 작아질수록 표면적이 증가하므로, 높은 흡착 특성을 갖도록 게터용 금속 분말을 나노 크기로 제조하는 것이 중요하게 된다. 특히, 플라즈마 디스플레이 패널의 해상도 향상을 위하여 셀의 크기가 작아 질수록 게터 박막의 형성이 어렵게 되므로, 비증발형 게터용 금속 나노 분말을 제조하여야 하나, 종래에는 이러한 금속 나노 분말의 제조가 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 열플라즈마를 이용하여 금속 나노 분말을 용이하게 제조하여 게터를 사용할 수 있도록 구조가 개선된 열플라즈마 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 열플라즈마 장치는, 전원 공급부와; 고온의 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 토치부와; 상기 플라즈마 토치부에 대하여 수직 방향으로 결합되는 반응 챔버와; 시료가 수용되는 상기 반응 챔버와 연결되며, 상기 반응 챔버로부터 금속 나노 분말을 수거하는 포집부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 플라즈마 토치부는, 내부에 설치된 음극봉과, 상기 음극봉의 주위에 설치되어 상기 음극봉과 전기 방전을 일으키는 양극을 포함하는 열음극형인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반응 챔버 내에는 상기 양극과 동일한 전위가 인가되는 홀더 지지대와, 상기 홀더 지지대상에 설치되며 고상의 시료를 수용하는 홀더가 설치된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 플라즈마 토치부와 반응 챔버 사이에는 액상 또는 기상의 시료가 공급되는 어댑터가 분리가능하게 더 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반응 챔버의 일측에는 상기 반응 챔버내의 공기를 제거하고, 방전 기체를 주입하는 진공 펌프가 더 설치되는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열플라즈마 장치를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열플라즈마 장치(100)를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 열플라즈마 장치(100)는 전원이 공급되는 전원 공급부(110)와, 상기 전원 공급부(110)로부터 공급된 전원에 의하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 토치부(120)와, 상기 플라즈마 토치부(120)와 결합된 반응 챔버(130)와, 상기 반응 챔버(130)에 연결되어 진공을 유지시키는 진공 펌프(140)와, 상기 반응 챔버(130)로부터 생성되는 반응 생성물을 수거하는 포집부(160)와, 상기 반응 챔버(130)와 포집부(160) 사이에 설치된 냉각 튜브(150)와, 불순물을 수거하는 스커러부(Scrubber,170)와, 고온의 플라즈마에서 발생된 열을 냉각하는 강제 수냉식의 열교환부(180)와, 상기 110 내지 170의 장치들을 제어하는 제어부(190)를 포함하여 이루어진다.
상기 전원 공급부(110)는 상기 플라즈마 토치부(120)에 소정의 전원을 인가하는 장치이다. 예컨대, 상기 전원 공급부(110)는 3상의 380V, 60Hz 교류를 수전하여 상기 플라즈마 토치부(120)로 최대 700V/500A의 직류를 공급한다. 상기 전원 공급부(110)가 가용되는 운전 범위는 공급 전류를 대략 30 내지 500A로 변화시켜, 방전 가스가 공기일 때에는 대략 400 내지 500V, 15 내지 30KW로, 이온화 에너지가 낮은 아르곤 가스를 사용할 때에는 대략 100 내지 170V, 5 내지 12KW에서 작동하는 것이 바람직하다.
상기 플라즈마 토치부(120)는, 도 2에 도시된 바와 같이 열음극형 플라즈마 토치로서, 상기 플라즈마 토치부(120) 내부의 중앙에는 구리 재질의 음극봉(121)이 설치되어 있다. 상기 구리 재질의 음극봉(121)의 설치로 인하여, 음극 부분에서의 전압 강하가 작고 적은 에너지 손실로 안정된 아크를 얻을 수 있다.
또한, 플라즈마를 형성시키기 위하여 아크가 발생될 때 가장 많은 영향을 받는 상기 음극봉(121)의 단부(122)는 텅스텐으로 이루어져 있다. 이에 따라, 상기 음극봉(121)의 소모를 최소화할 수 있으며, 이상 방전으로 전극이 손상될 경우에 분리하여 용이하게 교체할 수 있다. 상기 플라즈마 토치부(120)의 주위를 따라서는 구리 재질의 양극(123)이 설치되어 있다.
상기 반응 챔버(130)는, 다양한 형태, 이를테면, 고체, 액체, 기체의 시료를 다같이 사용할 수 있고, 플라즈마 불꽃에서 생성된 입자가 고온의 분위기에서 성장할 수 있도록 설치되어 있다.
상기 열플라즈마 장치(100)는, 플라즈마 불꽃에서 생성된 입자가 고온의 분위기에서 성장할 수 있도록 설치된 반응 챔버(130)의 상단부에, 상기 플라즈마 토치부(120)가 결합된 수직형 열플라즈마 장치이다.
상기 반응 챔버(130) 내에는 상기 플라즈마 토치부(120)의 수직 하방으로 홀더 지지대(131)가 설치되어 있다. 상기 홀더 지지대(131)의 상단면에는 홀더(132)가 장착되어 있으며, 상기 홀더(132) 내에는 시료(133)가 위치하고 있다. 상기 홀 더(132)는 상기 시료(133)가 고상일 경우에 적용가능하다. 고상의 시료가 사용될 경우에는, 상기 플라즈마 토치부(120)와 고상의 시료(133) 간의 거리를 변화시킴으로서, 입자의 크기를 제어할 수 있다.
또한, 상기 홀더(132)는 고온의 플라즈마로 인하여 시료(133)가 녹아서 홀더(132)로 흘러내리고, 홀더 지지대(131)가 손상되는 현상을 방지하기 위하여 도가니 형상으로 형성되어 있다. 상기한 바와 같이 도가니 형상을 적용할 경우, 상기 홀더(132)는, 고온의 분위기에 견딜 수 있고, 전류가 통하여 이송식으로 작동할 수 있도록 그래파이트(Graphite)로 이루어지는 것이 바람직하다.
이처럼, 비이송식과 달리, 이송식(Transferred type)의 열음극형 플라즈마 토치부(120)를 사용하는 경우, 단부(122)에 텅스텐이 설치된 음극봉(121)과 그 주위를 따라 설치된 양극(123) 사이의 간격을 변화시켜 아크 길이를 조절함으로써, 인가 전류를 일정하게 유지하면서도 인가되는 전원을 제어할 수 있고, 생성되는 입자가 고온의 플라즈마 분위기에 체류하는 시간을 방전 가스의 유량으로 조절하여 입자 크기 및 입도 분포를 제어할 수가 있다.
상기 반응 챔버(130)의 일측에는 진공 펌프(140)가 연결되어, 상기 진공 펌프(140)는 상기 반응 챔버(130)의 내부로부터 공기를 제거하고, 고순도 아르곤 가스와 같은 불활성 기체를 충진한다.
한편, 냉각 튜브(150)에 의하여 상기 반응 챔버(130)와 연결된 포집부(160)는, 상기 반응 챔버(130)로부터 고상의 시료(131)를 이용하여 제조된 나노 분말이 수거되는 장치이다. 스크러버(170)는 그 이후의 후처리를 위하여 설치되는 장치이 고, 상기 열교환기(180)는 고온의 플라즈마에서 발생한 열을 냉각시키기 위한 것이다.
한편, 상기 열플라즈마 장치(100)는 상술한 바와 같이, 고상의 시료(133)를 이용하여 금속 나노 분말을 제조할 수 있지만, 액상 또는 기상의 시료를 사용하여 금속 나노 분말을 제조할 수 있다.
예컨대, 상기 플라즈마 토치부(120)와 반응 챔버(130) 사이에 어댑터(도시 생략)를 설치하여, 어댑터를 통하여 액상 또는 기상의 시료를 공급할 수 있다.
게다가, 상기 열플라즈마 장치(100)는, 상기 홀더 지지대(130)에는 전원을 인가하지 않고 음극봉(121)과 양극(123)에만 전원을 인가하여, 비이송식으로 플라즈마를 용이하게 점화시키고, 곧바로 이송식으로 전환할 수도 있다. 이렇게 이송식으로 작동할 경우에는, 플라즈마 아크가 음극봉(121)으로부터 홀더(132)내에 있는 시료(133)쪽으로 직접적으로 전달되기 때문에, 반응 챔버(130)에서 생성되는 입자들이 전극 물질로부터 오염되는 현상을 방지할 수가 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 열플라즈마 장치(100)의 작용을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 상기 홀더(103) 내에 고상의 시료(133), 이를테면, Zr, V, Fe 성분을 57:36:7의 질량비로 혼합하여 아크 멜팅법으로 준비한 3성분계 합금 인고트(Ingot)를 위치시킨다.
이어서, 생성되는 입자의 산화 방지를 위하여, 상기 플라즈마 토치부(120)를 작동시키기 전에 상기 진공 펌프(140)를 작동시켜 상기 반응 챔버(130) 내부로부터 공기를 제거하고, 고순도 아르곤 가스로 충진시킨다.
다음으로, 상기 전원 공급부(110)로부터 전원을 공급하여, 상기 음극봉(121)에 (-)를, 양극(123)과 홀더 지지대(131)에 (+)를 각각 인가시키게 되면, 고온의 플라즈마가 발생하고, 상기 플라즈마 토치부(120)의 출구를 통하여 플라즈마 제트가 분출된다.
상기 플라즈마 토치부(120)에 의하여 분출된 플라즈마로 인하여 상기 고상의 시료(133)는 증발하게 되고, 증발된 시료(133)는 상기 냉각 튜브(150)를 통과하게 된다. 상기 냉각 튜브(150)를 통과하면서, 고온의 반응 생성물은 냉각되고, 금속 나노 분말은 상기 포집부(160)에서 수거되며, 그 나머지 불순물은 상기 스크러버(170)를 통하여 수거된다. 이러한 과정에 의해 금속 나노 분말의 제조가 가능하다게 되는 것이다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 열플라즈마 장치에 의하면, 열플라즈마를 이용하여 다양한 형태의 시료를 사용가능한 나노 입자로 제조할 수 있으므로, 불순 성분의 가스를 제거하기 위한 디스플레이 장치에 적용할 수 있는 고 다공성 게터를 용이하게 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 전원 공급부(110)와; 고온의 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 토치부(120)와; 상기 플라즈마 토치부의 하부에 수직방향으로 결합되는 반응 챔버(130)와; 상기 반응 챔버(130)내에 양극과 동일한 전위가 인가되는 홀더 지지대(131)와; 상기 홀더 지지대(131)상에 설치되며 고상의 시료를 수용하는 홀더(132)와; 상기 반응 챔버(130)의 일측에 설치되어 반응 챔버내의 공기를 제거하고 방전 기체를 주입하는 진공 펌프(140)와; 상기 반응 챔버(130)와 연결되어 증발된 시료(133)를 냉각시키는 냉각튜브(150)와; 상기 냉각튜브(150)를 통과한 반응생성물에서 금속 나노 분말을 수거하는 포집부(160)와; 불순물을 수거하는 스크러버(170)와; 상기 장치들을 제어하는 제어부(190);를 포함하여 이루어지는 열플라즈마 장치에 있어서,
    상기 플라즈마 토치부(120)와 반응 챔버(130) 사이에 분리가능하게 설치되어 액상 또는 고상의 시료를 공급하는 어댑터를 더 포함하고,
    상기 플라즈마 토치부(120)는, 텅스텐 재질의 단부(122)와, 내부의 중앙에 설치된 구리 재질의 음극봉(121)과, 상기 음극봉의 주위에 설치되어 상기 음극봉과 전기 방전을 일으키는 구리 재질의 양극(123)을 포함하는 열음극형으로 형성되며,
    상기 홀더(132)는, 고온의 분위기에 견딜 수 있고, 전류가 통하여 이송식으로 작동될 수 있는 그래파이트(Graphite)로 이루어지고,
    상기 음극봉(121)과 양극(123)사이의 간격을 변화시켜 아크 길이를 조절할 수 있는 이송식(Transferred Type)으로 작동됨과 동시에,
    홀더 지지대(130)에는 전원을 인가하지 않고 음극봉(121)과 양극봉(123)에만 전원을 인가하여, 공정 수행중에 곧바로 비이송식으로 전환될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 열플라즈마 장치.
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