KR101207602B1 - 미립자의 제조방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

미립자의 제조방법은, 미립자 제조용 재료를 열플라즈마염 내에 도입하고, 기상 상태의 혼합물로 하고, 이것을 급냉하여, 미립자를 생성한다. 이 방법에서는, 미립자 제조용 재료를, 바람직하게는 가연성 재료를 포함한, 분산매 또는 용매 중에 분산 또는 용해시켜 슬러리 콜로이드 용액 또는 용해 용액 등의 분산액체로 하고, 이 분산 액체를 액적화시키거나, 혹은 미립자 제조용 재료를, 캐리어 가스와 가연성 재료를 이용하여 분산시켜, 열플라즈마염 내에 도입한다. 미립자의 제조방법 및 장치에서는, 기상 상태의 혼합물을 급냉하는 데에 충분한 공급량의 기체를, 열플라즈마염의 꼬리부를 향해서 공급한다. 또한, 이 방법 및 장치에서는, 1차 미립자를 사이클론 내에 도입하여 냉각과 분급을 실시하고, 조대 입자가 제거된, 입자지름이 100nm 이하인 2차 미립자를 회수한다.
열플라즈마, 미립자, 제조방법, 제조장치

Description

미립자의 제조방법 및 장치{PROCESS AND APPARATUS FOR PRODUCING FINE PARTICLE}
본 발명은, 열플라즈마법을 이용하는 미립자의 제조방법 및, 장치에 관한 것이며, 상세하게는, 미세하고 균일한 입자지름을 가진 품질이 좋은 미립자를 제조할 수 있으며, 또한, 미세하고 균일한 입자지름을 가진 품질이 높은 미립자를 높은 생산성으로 얻을 수 있는 미립자의 제조방법 및 장치에 관한 것이다.
산화물 미립자, 질화물 미립자, 탄화물 미립자 등의 미립자는, 반도체 기판, 프린트 기판, 각종 전기절연부품 등의 전기절연재료나, 다이스, 베어링 등의 고경도?고정밀도의 기계 공작 재료나, 입계 콘덴서, 습도 센서 등의 기능성 재료, 정밀 소결 성형 재료 등의 소결체의 제조나, 엔진 밸브 등과 같은 고온 내마모성이 요구되는 재료 등의 용사 부품 제조, 또는 연료 전지의 전극이나 전해질 재료 및 각종 촉매 등의 분야에서 이용되고 있다. 이러한 미립자를 이용함으로써, 소결체나 조사 부품 등에 있어서의 이종 세라믹스끼리나 이종 금속끼리의 접합 강도나 치밀성, 혹은 기능성을 향상시키고 있다.
이러한 미립자를 제조하는 방법의 하나로, 기상법(氣相法)이 있다. 기상법에는, 각종의 가스 등을 고온에서 화학반응시키는 화학적 방법과, 전자나 레이저 등의 빔을 조사하여, 물질을 분해?증발시켜, 미립자를 생성하는 물리적 방법이 있다.
상기 기상법 중의 하나로서 열플라즈마법이 있다. 열플라즈마법은, 열플라즈마 내에서 원재료를 순간적으로 증발시킨 후, 급냉응고시켜 미립자를 제조하는 방법으로서, 깨끗하고 생산성이 높고, 고온에서 열용량이 크기 때문에 고융점 재료에도 대응이 가능하고, 다른 기상법에 비해 복합화가 비교적 용이하다고 하는 많은 이점이 있다.
이 때문에, 열플라즈마법은, 미립자를 제조하는 방법으로서 적극적으로 이용되고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).
종래의 열플라즈마법을 이용한 미립자의 제조방법에서는, 원재료 물질을 분말상태로 하고, 분말상태로 된 원재료(분말재료, 분체)를 캐리어 가스 등과 함께, 분산시켜 직접 플라즈마염 내에 투입함으로써, 미립자를 제조하고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).
특허 문헌 1에는, 분말상태로 된 원재료를 열플라즈마염 내에 도입(공급)하고, 증발시켜, 기상 상태가 된 혼합물을 급냉하여 미립자를 제조하는 기술, 즉, 금속 미립자와 피복층의 양 분말재료를 복합화하고, 원재료 혼합물을 불활성 또는 환원성 분위기의 열플라즈마(열플라즈마염)내에 도입하여 원재료를 증발시켜 기상 상태의 혼합물로 한 후, 이 혼합물을 급냉하여, 산화물 금속 피복 미립자를 제조하는 방법이 개시되어 있다.
또한, 상술한 특허 문헌 1에 기재된 미립자의 제조방법에서는, 기상 상태가 된 혼합물을, 플라즈마 가스, 캐리어 가스 및 분말 원재료에 유래한 가스와 함께, 열플라즈마염으로부터 충분히 떼어 놓고, 상기 기상 상태의 혼합물을 냉각하는 급냉관으로 유도함으로써, 기상 상태가 된 혼합물을 냉각하고 있다. 또한, 상술한 기상 상태의 혼합물을 열플라즈마염으로부터 충분히 떼어 놓는 과정에서, 상기 급냉관 앞에 중간냉각수단을 마련하여, 상기 기상 상태의 혼합물을 냉각하는 것이 개시되어 있다.
특허 문헌 1 : 일본특허공개공보 2000-219901호
그러나, 특허 문헌 1에 기재된 미립자의 제조방법은, 분말상태로 된 원재료를 직접 열플라즈마염 내에 도입하는 수법을 이용한 것으로, 분말상태로 된 원재료는, 응집하기 쉽고, 단분산화하는 것은 곤란하기 때문에, 열플라즈마염 내에서, 완전하게 원재료를 반응시킬 수 없어, 생성되는 미립자의 균일성에 악영향을 미치거나, 불순물이 발생하는 등의 품질의 저하를 초래한다. 또한, 원재료가 분말상태라면, 열플라즈마염 내에 항상 정확하게 일정량을 계속 도입하거나 또는 공급하는 것이 어렵고, 생성되는 미립자도 불균일하게 되기 쉽다.
그러나, 상술한 특허 문헌 1에 기재된 종래의 냉각 방법에서는, 기상 상태가 된 혼합물을 균일하게 냉각하는 것이 어렵고, 생성되는 미립자의 입자지름이나 형상이 불균일해지기 쉽다. 또한, 생성된 직후의 미립자끼리가 충돌하여 응집하기 쉬우며, 이것은, 미립자의 입자지름이나 형상의 균일성에 악영향을 미치고 있다. 또한, 상기 냉각 방법에서는, 그 냉각 능력이, 플라즈마 가스, 캐리어 가스 및 분말 원재료에 유래하는 가스의 양에 의존하고 있으며, 상기의 가스의 양을 일정한 양으로 유지하는 것은 곤란하다. 따라서, 이 냉각방법에서는, 생성되는 미립자의 입자지름 및 입자지름의 균일성을 제어하는 것은 어려웠다.
또한, 일반적으로, 원재료가 증발하여 기상 상태가 된 혼합물을, 균일하게 냉각하는 것은 어렵기 때문에, 생성되는 미립자는 그 형상이나 입자지름이 불균일해지기 쉽고, 또한, 생성된 직후의 미립자끼리가 충돌하여 응집이 발생하여, 미립자의 균일성에 악영향을 미치고 있다.
[발명이 해결하고자 하는 과제]
본 발명의 제1의 목적은, 상기 종래 기술의 문제점을 해소하여, 균일한 입자지름을 가진 품질이 높은 미립자를 높은 생산성으로 얻을 수 있는 미립자의 제조방법을 제공하는 것에 있다.
또한, 본 발명의 제2의 목적은, 상기 종래 기술의 문제점을 해소하여, 기상 상태의 혼합물을 급냉하는 과정에 새로운 개량을 더하는 것에 의해, 미세하고 균일한 입자지름을 가진, 보다 품질이 높은 미립자를 보다 높은 생산성으로 얻을 수 있는 미립자의 제조방법과 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제3의 목적은, 상기 종래 기술의 문제점을 해소하여, 생성된 미립자를 회수하는 과정에 새로운 개량을 더하는 것에 의해, 미세하고 균일하며 소망의 입자지름을 가진, 품질이 더 높은 미립자를, 더 높은 생산성으로 얻을 수 있는 미립자의 제조방법 및 장치를 제공하는 것에 있다.
[과제를 해결하기 위한 수단]
한편, 본 발명자들은, 앞서 일본특허출원 2003-415560호(특허공개공보 2005-170760호;2005년 6월 30일 공개)에 있어서, 원재료를 열플라즈마염 내에 도입(공급)하는 기술에 관한 것으로, 분말상태의 원재료를 용매 속에 넣어 슬러리로 하고, 이 슬러리를 액적화시켜 열플라즈마염 내에 도입하여 증발시키고, 기상 상태의 혼합물로 한 후, 이 기상 상태가 된 혼합물을 급냉하여, 단체 산화물, 복합 산화물, 복산화물, 산화물 고용체 미립자를 제조하는 방법을 제안하고 있다.
본 발명자들은, 특허 문헌 1 및 선원에 기재된 미립자의 제조방법에 있어서의 목적에 더하여, 상기 제1～제3의 목적을 달성하기 위해서, 열심히 연구를 행한 결과, 이 선원에 기재된 미립자의 제조방법 및, 장치를 개량하여, 원료가 되는 미립자 제조용 재료를 현탁하여 콜로이드 용액화하거나, 또는 용해하여 용액화하거나, 혹은 슬러리, 콜로이드 용액, 용해 용액, 캐리어 가스 등에 가연성 재료를 함유시켜 둠으로써, 열플라즈마염의 꼬리부를 향해서 충분한 공급량의 기체를 더 도입하여, 기상 상태의 혼합물을 급냉함으로써, 혹은 제조된 미립자를 사이클론을 이용하여 회수함으로써, 미세하고 균일하며, 소망의 입자지름을 가지며, 보다 품질이 높은 미립자를, 보다 높은 생산성으로 얻을 수 있는 것을 지견하여, 본 발명에 이른 것이다.
즉, 상기 제1의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 제1의 형태는, 미립자 제조용 재료를 열플라즈마염 내에 도입하고, 기상 상태의 혼합물로 하고, 상기 기상 상태의 혼합물을 급냉하여, 미립자를 생성할 때에, 상기 미립자 제조용 재료를 상기 열플라즈마염 내에 도입하는 과정이, 상기 미립자 제조용 재료를, 가연성 재료를 포함한 분산매 또는 용매 중에 분산 또는 용해시켜 분산 액체로 하고, 이 분산 액체를 액적화시켜 상기 열플라즈마염 내에 도입하거나, 혹은, 상기 미립자 제조용 재료를, 캐리어 가스와 가연성 재료를 이용하여 분산시키고, 이 분산시킨 미립자 제조용 재료를 상기 열플라즈마염 내에 도입하는 것인 것을 특징으로 하는 미립자의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 상기 제1의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 제2의 형태는, 미립자 제조용 재료를 열플라즈마염 내에 도입하여, 기상 상태의 혼합물로 하고, 상기 기상 상태의 혼합물을 급냉하여, 미립자를 생성할 때에, 상기 미립자 제조용 재료를 상기 열플라즈마염 내에 도입하는 과정이, 상기 미립자 제조용 재료를, 용매 중에 용해시켜 용액으로 하고, 상기 용액을 액적화시켜 상기 열플라즈마염 내에 도입하는 것을 특징으로 하는 미립자의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 상기 제2의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 제3의 형태는, 미립자 제조용 재료를 열플라즈마염 내에 도입하여, 기상 상태의 혼합물로 하고, 상기 기상 상태의 혼합물을 급냉하는 데에 충분한 공급량의 기체를, 상기 열플라즈마염의 꼬리부(종단부)를 향해서 공급하여, 미립자를 제조하는 것을 특징으로 하는 미립자의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 상기 제3의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 제4 형태는, 소정의 처리에 의해 생성된 1차 미립자를, 적어도 1개 이상의 사이클론 내에 도입하여, 냉각과, 소정의 입자지름으로의 분급을 실시하고, 상기 분급에 의해, 상기 입자지름 이상의 입자지름을 가진 조대(粗大) 입자를 제거하고, 상기 조대 입자가 제거된, 입자지름이 100nm이하인 2차 미립자를 회수하는 것을 특징으로 하는 미립자의 제조방법을 제공하는 것이다.
여기서, 상기 1차 미립자를 생성하는 처리는, 미립자 제조용 재료를 분산시켜 열플라즈마염 내에 도입하고, 상기 미립자 제조용 재료를 증발시켜 기상 상태의 혼합물로 하는 처리인 것이 바람직하다.
또한, 본 형태에 있어서는, 상기 1차 미립자를 생성하는 처리에 있어서, 상기 미립자 제조용 재료를 증발시켜 기상 상태의 혼합물로 한 후, 이 혼합물을 급냉하기 위한 기체를, 그에 충분한 공급량, 바람직하게는, 상기 열플라즈마염 내에 도입하는 기체의 200%～5000%의 양, 상기 열플라즈마염의 꼬리부(종단부)을 향해서 공급하는 것이 바람직하다.
한편, 여기서, 상술의 열플라즈마염 내에 도입하는 기체란, 열플라즈마염을 형성하는 플라즈마 가스(시스 가스, 센트랄 가스) 및 미립자 제조용 재료 분무용 가스(분무 가스 또는 캐리어 가스)를 합한 것을 가리키고 있다.
또한, 상기 각 형태에 있어서는, 상기 미립자 제조용 재료를 분산시켜 열플라즈마염 내에 도입하는 과정은, 상기 미립자 제조용 재료를 분산매 중에 분산시켜 슬러리로 하거나, 또는, 상기 미립자 제조용 재료를 가연성 재료 중에 분산시켜 슬러리로 하거나, 혹은, 상기 미립자 제조용 재료를 분산매와 가연성 재료를 이용하여 분산시켜 슬러리로 하거나, 혹은, 상기 미립자 제조용 재료를 분산매 중에 분산시킨 후, 가연성 재료를 더 첨가하여 슬러리로 하거나, 이 슬러리를 액적화시켜 상기 열플라즈마염 내에 도입하는 것인 것이 바람직하다.
또한, 상기 각 형태에 있어서는, 상기 미립자 제조용 재료를 분산시켜 열플라즈마염 내에 도입하는 과정이, 상기 미립자 제조용 재료를 분산매 중에 현탁시키거나, 혹은, 미립자 제조용 재료 용액을 화학반응시켜 콜로이드 용액으로 하거나, 또는, 상기 미립자 제조용 재료를 가연성 재료 중에 현탁시키거나, 혹은 미립자 제조용 재료 용액을 화학반응시켜 콜로이드 용액으로 하거나, 또는, 상기 미립자 제조용 재료를 분산매와 가연성 재료 중에 현탁시키거나, 혹은 미립자 제조용 재료 용액을 화학반응시켜 콜로이드 용액으로 하거나, 또는, 상기 미립자 제조용 재료를 분산매 중에 현탁시키거나, 혹은 미립자 제조용 재료 용액을 화학반응시킨 후, 가연성 재료를 더 가하여 콜로이드 용액으로 하거나, 이 콜로이드 용액을 액적화시켜 상기 열플라즈마염 내에 도입하는 것인 것이 바람직하다.
또한, 상기 각 형태에 있어서는, 상기 미립자 제조용 재료를 분산시켜 열플라즈마염 내에 도입하는 과정이, 상기 미립자 제조용 재료를 용매 중에 용해시켜 용해 용액으로 하거나, 또는, 상기 미립자 제조용 재료를 가연성 재료를 이용하여 용해시켜 용해 용액으로 하거나, 혹은, 상기 미립자 제조용 재료를 용매와 가연성 재료를 이용하여 용해시켜 용해 용액으로 하거나, 혹은, 상기 미립자 제조용 재료를 용매 중에 용해시킨 후, 가연성 재료를 더 가하여 용해 용액으로 하여, 이 용해 용액을 액적화시켜 상기 열플라즈마염 내에 도입하는 것인 것이 바람직하다.
또한, 상기 각 형태에 있어서는, 상기 미립자 제조용 재료를 분산시켜 열플라즈마염 내에 도입하는 과정이, 상기 미립자 제조용 재료를 캐리어 가스(또는 분무 가스)를 이용하여 분산시키거나, 혹은, 상기 미립자 제조용 재료를 캐리어 가스(또는 분무 가스)와 가연성 재료를 이용하여 분산시켜, 이 분산시킨 미립자 제조용 재료를 상기 열플라즈마염 내에 도입하는 것인 것이 바람직하다.
본 명세서 중에서 설명하는 슬러리, 콜로이드 용액 및 용해 용액의 정의로서는, 액체 중에 보통 광학 현미경으로는 인지할 수 없지만, 원자, 혹은 저분자보다는 큰 고체 입자가 분산한 상태에 있는 것을 콜로이드 용액(졸이라고도 불린다), 이보다 큰 입자, 즉 보통 광학 현미경으로 보일 정도의 크기의 입자가 분산한 상태에 있는 것을 슬러리로 하고, 또한, 이온화하고 있는 상태에 있는 것을, 과포화 상태가 되어 석출물이 존재하고 있는 상태도 포함하여 용해 용액이라고 각각 부른다. 여기서, 콜로이드용액 및 용해 용액을 총칭하여 용액이라 하지만, 특별히 엄밀하게 나눌 필요가 없이 명백한 경우에는, 용해 용액을 단순히 용액이라고도 부른다. 또한, 본 명세서 중에서는, 슬러리와 콜로이드 용액 및 용해 용액을 총칭하여 분산 액체라고 부른다. 그러나, 본 발명은, 이러한 분산 상태의 여하에 상관없이, 요점은, 미립자를 형성하기 위한 전구체를 포함한 미립자 제조용 재료 또는 그 분해물이, 어떠한 상태로 기체를 포함한 분산매 중에 분산하고 있는 상태를 출발상태로 하는 것이다.
또한, 상기 각 형태에 있어서는, 상기 가연성 재료는, 열플라즈마염의 온도를 상승시킴과 함께, 상기 열플라즈마염을 안정화시키는 작용을 가진 것이 바람직하다. 한편, 이 가연성 재료로서는, 액체상 또는 고체상의 각종의 것이 사용 가능하다. 고체상의 가연성 재료를 사용하는 경우는, 고체상의 가연성 재료를 용매(용매로서 이용되고 있는 가연성 재료를 포함한다) 중에 분산 내지 용해시켜 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 각 형태에 있어서는, 상기 분산 액체, 상기 용액, 상기 슬러리, 상기 콜로이드 용액, 상기 용해 용액 및 상기 분산시킨 미립자 제조용 재료에, 계면활성제, 고분자, 커플링제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 첨가하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 각 형태에 있어서는, 상기 미립자 제조용 재료를 구성하는 성분은, 원자 번호 3～6, 11～15, 19～34, 37～52, 55～60, 62～79 및 81～83의 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함한, 단체 산화물, 복합 산화물, 복산화물, 산화물 고용체, 금속, 합금, 수산화물, 탄산 화합물, 할로겐화물, 황화물, 질화물, 탄화물, 수소화물, 금속염 또는 금속 유기 화합물인 것이 바람직하다.
한편, 상기 제2의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 제5 형태는, 미립자 제조용 재료를 분산시켜, 열플라즈마염 내에 공급하는 재료공급수단과, 열플라즈마염을 발생시키고 상기 미립자 제조용 재료를 증발시켜, 기상 상태의 혼합물로 하는, 상기 재료공급수단과 접속된 플라즈마 토치와, 상기 기상 상태의 혼합물을 급냉하는 데에 필요한 공간을 형성하는, 상기 플라즈마 토치와 접속된 냉각실과, 상기 기상 상태의 혼합물을 급냉하는 데에 충분한 공급량의 기체를, 상기 열플라즈마염의 꼬리부를 향하여 공급하는 기체공급수단을 가진 것을 특징으로 하는 미립자의 제조장치를 제공하는 것이다.
한편, 상기 제3의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 제6 형태는, 미립자 제조용 재료를 분산시켜, 열플라즈마염 내에 공급하는 재료공급수단과, 열플라즈마염을 발생시키고, 상기 미립자 제조용 재료를 증발시켜, 기상 상태의 혼합물로 하는, 상기 재료공급수단과 접속된 플라즈마 토치와, 상기 기상 상태의 혼합물을 급냉하는 데에 필요한 공간을 형성하는, 상기 플라즈마 토치와 접속된 냉각실과, 상기 기상 상태의 혼합물을 급냉하여 생성한 1차 미립자를 도입하는, 분급 수단으로서의 적어도 1개 이상의 사이클론을 가진 것을 특징으로 하는 미립자의 제조장치를 제공하는 것이다.
한편, 본 형태의 미립자의 제조장치에 있어서는, 상기 기상 상태의 혼합물을 급냉하는 데에 충분한 공급량의 기체를, 상기 열플라즈마염의 꼬리부(종단부)를 향하여 공급하는 기체공급수단을 가진 것이 바람직하다.
여기서, 상기 재료공급수단은, 상기 미립자 제조용 재료를 분산시킨 슬러리를 조제?저장하는 재료조제수단과, 상기 슬러리를 상기 플라즈마 토치 내부의 상기 열플라즈마염 내에 분무하기 위한, 상기 재료조제수단에 접속되는 분무수단을 가진 것이 바람직하고, 혹은, 상기 미립자 제조용 재료를 현탁시키거나, 혹은 미립자 제조용 재료 용액을 화학반응시켜 콜로이드 용액을 조제하여, 이것을 저장하는 재료조제수단과, 상기 콜로이드 용액을 상기 플라즈마 토치 내부의 상기 열플라즈마염 내에 분무하기 위한, 상기 재료조제수단에 접속되는 분무수단을 가진 것이 바람직하다.
혹은, 상기 재료공급수단은, 상기 미립자 제조용 재료를 용해시킨 용해 용액을 조제?저장하는 재료조제수단과, 상기 용해 용액을 상기 플라즈마 토치 내부의 상기 열플라즈마염 내에 분무하기 위한, 상기 재료조제수단에 접속되는 분무수단을 가진 것이 바람직하고, 혹은, 상기 미립자 제조용 재료로서의 분말 재료를, 그 저장 수단으로부터 내보내는 분말재료 공급수단과, 이 분말 재료를 캐리어 가스에 의해 분산하여 상기 플라즈마 토치 내부의 상기 열플라즈마염 내에 공급하기 위한, 상기 분말재료 공급수단에 접속되는 기체반송수단을 가진 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 미립자의 제조방법에 있어서는, 상기 사이클론에, 상기 1차 미립자가 10m/sec 이상의 유속으로 도입되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 미립자의 제조방법에 있어서는, 상기 사이클론내의 압력이 대기압 이하인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 미립자의 제조방법에 있어서, 상기 냉각실 내에 공급하는 기체의, 상기 기상 상태의 혼합물을 급냉하는 데에 충분한 공급량이란, 예를 들면, 상기 기상 상태의 혼합물을 급냉하는 데에 필요한 공간을 형성하는 냉각실(챔버) 내에서, 이 냉각실 내에 공급하는 또는 도입하는 기체의 냉각실 내에서의 평균 유속(이하, 챔버내 유속이라고 한다)을, 0.001～60m/sec로 하는 것이 바람직하고, 0.5～15m/sec로 하는 것이 보다 바람직하고, 0.5～10m/sec로 하는 것이 더 바람직하다.
또한, 상기 기체의 상기 냉각실내에의 공급 또는 도입 방향으로서는, 상기 냉각실내에 있어서, 열플라즈마염의 꼬리부(종단부)에 대해서, 수직 위쪽을 0°로 한 경우의 각도 α가, 90°<α<240°(보다 바람직하게는 100°<α< 180°)의 범위, 기체 사출구로부터 본 열플라즈마염의 방향을 0°로 한 경우의 각도 β가, -90°<β<90°(보다 바람직하게는 -45°<β<90°)의 범위인 것이 좋다.
여기서, 본 발명에 있어서의 사이클론 이용의 의미에 대하여 설명해 둔다.
「화학 기계의 이론과 계산」(제2판) (카메이 사부로 저, 산업도서, 1974 연간) 중의 사이클론에 관한 기재(예를 들면, 482페이지)에 의하면, 당시, 고성능의 것(소형이고 압손이 큰 것, 예를 들면, 멀티크론)에서는, 5㎛정도까지 꽤 취할 수 있다고는 있지만, 그 후, 기술이 진보했다고는 해도, 현 상황에서도, 1차 입자의 입자지름을 2㎛까지 분리할 수 있는 것이 한계로 여겨지는 상황이다.
이에 대해서, 본 발명에 따른 미립자의 제조방법 및 장치로 대상으로 하는 미립자의 입자지름은, 상술과 같은 사이클론의 분리 한계지름보다 훨씬 작고, 구체적으로는 100nm이하이다. 이 때문에, 종래는, 사이클론을 미립자 회수 공정에 이용하는 것은 생각할 수 없고, 소위 사이클론의 이용 영역 외라고 해야 할 영역이었다.
본 발명자들은, 이 영역에 있어서의 사이클론의 이용에 대하여 예의 검토를 계속한 결과, 사이클론을, 열플라즈마염으로 생성시킨 미립자의 냉각 효과를 높이기 위한 '체류 시간 연장 수단' +'분급 수단'으로서 기능시키는 것으로, 결과적으로, 후술하는 것과 같이, 미세하고 균일하고 소망의 입자지름을 가진 품질이 높은 미립자를, 높은 생산성으로 얻을 수 있는 미립자의 제조방법 및 장치를 실현한 것이다.
[발명의 효과]
본 발명의 제1 및 제2 형태에 의하면, 생산성이 높고, 균일한 입자지름을 가지며, 품질이 높은 미립자를 제조하는 것이 가능하다.
보다 구체적으로는, 본 발명의 제1 및 제2 헝태에 의하면, 종래 알려져 있는 반도체 기판, 프린트 기판, 각종 전기절연부품 등의 전기절연재료 등에의 이용에 더하여, 연료 전지의 전극이나 전해질 재료 및 각종 촉매 등의 신규 분야에의 응용이 가능한 높은 기능성을 가진 미립자를 제조하는 것이 가능하다.
한편, 가연성 재료를 이용하는 경우에는, 분산매와 미립자 제조용 재료와의 총질량에 대한 가연성 재료의 질량을 증가시킴으로써, 본 발명에 따른 미립자의 회수량을 증가시키는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 제3 및 제5 형태에 의하면, 상기의 효과에 더하여, 열플라즈마염 내에서 증발하여 기상 상태가 된 미립자 제조용 재료를 급냉할 수 있고, 그에 따라 미세하고 균일한 입자지름을 가진 품질이 높은 미립자를 높은 생산성으로 제조하는 것이 가능하게 된다.
한편, 본 발명의 제3 및 제5 형태에 의하면, 고온상태에서 안정적인 결정상을 가진 미립자를 종래보다 많은 비율로 제조하는 것도 가능하다. 주지하는 바와 같이, 결정 구조가 바뀌면 물성이나 특성이 변화하여, 종래와는 다른 가치를 가진 것을 제조할 수 있으므로, 이 효과는 신규 재료의 제조가 가능하게 되는 것임에 틀림없다.
또한, 본 발명의 제4 및 제6 형태에 의하면, 상기의 효과에 더하여 사이클론을 이용하여, 분말형상체의 미립자로부터, 소망 이상의 입자지름을 가진 조대 입자를 제거함으로써, 소망의 입자지름을 가진 미립자만을 회수 가능하게 하고, 이에 따라, 균일하고, 소망의 입자지름을 가진 품질이 높은 미립자를, 극히 높은 생산성으로 제조할 수 있다.
또한, 사이클론을 이용함으로써, 사이클론 내에서의 미립자의 냉각이 가능해져, 지금까지, 냉각 기구로서 이용하고 있던 핀 또는 냉각로를 설치할 필요가 없어진다. 이에 따라, 핀내에 퇴적한 미립자를 제거하기 위해서 장치의 가동을 정지시킬 필요가 없어져, 장치의 가동 시간을 장기화하는 것이 가능해져, 미립자의 회수 수율도 향상한다. 또한, 장치 내에 핀 또는 냉각로를 설치하기 위한 제조장치의 대형화를 막을 수 있다.
[도 1] 본 발명에 따른 미립자 제조장치의 하나의 실시형태의 전체 구성을 나타내는 단면 모식도이다.
[도 2] 도 1에 나타내는 미립자 제조장치의 플라즈마 토치 부근을 확대하여 나타내는 단면도이다.
[도 3] 도 1에 나타내는 미립자 제조장치의 재료공급장치에 있어서 분말 재료를 사용하는 경우의 실시형태의 개략적인 구성을 나타내는 단면도이다.
[도 4] 본 발명에 따른 미립자 제조장치의 다른 실시형태의 전체 구성을 나타내는 단면 모식도이다.
[도 5] 도 4에 나타내는 미립자 제조장치의 챔버의 천판(天板) 및 이 천판에 구비된 기체 사출구 부근을 확대하여 나타내는 단면도이다.
[도 6] 도 6A 및 도 6B는, 각각, 사출되는 기체의 각도를 설명하기 위한, 도 5에 나타내는 챔버의 천판의 중심축을 통과하는 수직 방향의 단면도이고, 천판을 아래쪽으로부터 본 하면도이다.
[도 7] 본 발명에 따른 미립자 제조장치의 또 다른 실시형태의 전체 구성을 나타내는 단면모식도이다.
[도 8] 도 7에 나타내는 미립자 제조장치의 사이클론을 확대하여 나타내는 단면도이다.
[도 9] 본 발명의 실시예 1에 있어서의 케로신의 첨가량[wt%]과 미립자의 회수량[g/hr]과의 관계를 표시한 그래프를 나타내는 도면이다.
[발명의 실시를 위한 최선의 형태]
본 발명에 따른 미립자의 제조방법 및 장치를 첨부한 도면에 나타내는 바라직한 실시형태에 기초하여 이하에 상세하게 설명한다.
먼저, 도 1～도 3을 참조하여, 본 발명의 제1 및 제2 형태의 미립자의 제조방법을 설명한다.
도 1은, 본 발명의 제1 및 제2 형태에 따른 미립자의 제조방법을 실시하는 미립자 제조장치의 제1 실시형태의 전체 구성을 나타내는 단면 모식도이다. 도 2는, 도 1에 나타내는 미립자 제조장치의 플라즈마 토치(12)부근의 부분 확대도이다. 여기서는, 도 1에 나타내는 미립자 제조장치를 이용하고, 슬러리를 이용하여 미립자를 제조하는 방법의 제1 제조형태를 대표적인 예로서 설명하지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않음은 물론이다.
동 도면에 나타내는 본 실시형태의 미립자 제조장치(10)는, 열플라즈마를 발생시키는 플라즈마 토치(12)와 미립자 제조용 재료를 플라즈마 토치(12)내에 공급(도입)하는 재료 공급 장치(14)와, 미립자(18)를 생성하기 위한 냉각조로서의 기능을 가진 챔버(16)와, 생성된 미립자(18)를 회수하는 회수부(20)를 가진다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 플라즈마 토치(12)는, 석영관(12a)과 그 바깥측을 둘러싸는 고주파 발진용 코일(12b)로 구성되어 있다. 플라즈마 토치(12)의 상부에는, 미립자 제조용 재료와 분무 가스(캐리어 가스)를 플라즈마 토치(12)내에 공급(도입) 또는 투입하기 위한, 후술하는 공급관(또는 도입관)(14f)이 그 중앙부에 설치되어 있으며, 플라즈마 가스 공급구(도입구)(12c)가 그 주변부(동일 원둘레상)에 형성되어 있다.
플라즈마가스는, 플라즈마가스 공급원(22)으로부터 플라즈마가스 공급구(12c)에 이송된다. 플라즈마가스로서는, 예를 들면, 아르곤, 질소, 수소, 산소 등을 들 수 있다. 플라즈마가스 공급원(22)으로는, 예를 들면, 2종류의 플라즈마가스가 준비되어 있다. 플라즈마가스는, 플라즈마가스 공급원(22)으로부터 링형상의 플라즈마가스 공급구(12c)를 통하여, 화살표 P로 나타낸 바와 같이 플라즈마 토치(12)내로 이송된다. 그리고, 고주파 발진용 코일(12b)에 고주파 전류가 인가되어, 열플라즈마염(24)이 발생한다.
이렇게 해서, 플라즈마 토치(12)내에 발생한 열플라즈마염(24)은, 그 중에서, 후술하는 재료 공급장치(14)로부터 공급된 미립자 제조용 재료, 본 실시형태에 서는, 재료 공급 장치(14)로부터 공급되어 공급관(14f)에 의해 분무된 액적화 슬러리(14a)를, 증발시켜 기상 상태의 혼합물로 한다.
한편, 석영관(12a)의 바깥측은, 동심원형상으로 형성된 관(도시하지 않음)으로 둘러싸여 있으며, 이 관과 석영관(12a)의 사이에 냉각수를 순환시켜 석영관(12a)을 수냉하고, 플라즈마 토치(12)내에서, 발생한 열플라즈마염(24)에 의해 석영관(12a)이 지나치게 고온이 되는 것을 방지하고 있다.
재료공급장치(14)는, 플라즈마 토치(12)의 상부에 접속되고, 미립자 제조용 재료를 분산시켜 플라즈마 토치(12)내에 공급한다. 본 실시형태에서는, 분말형상으로 된 미립자 제조용 재료(이하, 간단히 분말 원재료라고 한다)를, 가연성 재료를 포함한 분산매 속에 넣어 교반시켜, 분말 원재료가 분산된 상태로 조제된 슬러리(14a)가, 재료 공급 장치(14)로부터 플라즈마 토치(12)내에 공급된다. 즉, 본 실시형태는, 슬러리(14a)로서 분말 원재료를 가연성 재료, 예를 들면 가연성 용매에 넣어 교반하여 얻어진 슬러리, 분말 원재료를 분산매와 가연성 재료(가연성 용매)에 넣어 교반하여 얻어진 슬러리, 또는, 분말 원재료를 분산매 속에 넣어 교반하고, 또한 가연성 재료(가연성 용매)를 가하여 교반하여 얻어진 슬러리를 이용하는 것을 특징으로 하고 있다.
재료공급장치(14)는, 슬러리(14a)를 넣는 용기(14b)와, 용기(14b)중의 슬러리(14a)를 교반하는 교반기(14c)와, 공급관(14f)을 통하여 슬러리(14a)에 고압을 가하여 플라즈마 토치(12)내에 공급하기 위한 펌프(14d)와, 슬러리(14a)를 플라즈마 토치(12)내에 분무하기 위한 분무 가스를 공급하는 분무 가스 공급원(14c)과, 슬러리(14a)를 액적화하여 플라즈마 토치(12)내부에 공급하는 공급관(14f)과, 용기(14b)를 펌프(14d)를 통하여 공급관(14f)에 접속하고, 용기(14b)내의 슬러리(14a)를 공급관(14f)까지 이송하는 관(26)을 포함한다.
압출 압력이 걸린 분무 가스가, 분무 가스 공급원(14e)으로부터, 펌프(14d)에 의해 공급된 슬러리(14a)와 함께, 도면중에 화살표 G로 나타난 바와 같이, 공급관(14f)을 통하여 플라즈마 토치(12)내의 열플라즈마염(24)내에 공급된다. 공급관(14f)은, 슬러리(14a)를 플라즈마 토치(12)내의 열플라즈마염(24)내에서 분무하여, 액적화하기 위한 이류체 노즐 기구를 가지고 있으며, 이 이류체 노즐 기구는, 분무 가스에 의해, 슬러리(14a)를 액적화시켜, 플라즈마 토치(12)내의 열플라즈마염(24)내에 분무할 수 있다. 분무 가스에는, 아르곤, 질소, 수소, 산소, 공기 등이 단독 또는 적절히 조합되어 이용된다.
이렇게, 이류체 노즐 기구는, 슬러리에 고압을 걸어 기체인 분무 가스에 의해 슬러리를 분무할 수 있고, 슬러리를 액적화시키기 위한 하나의 방법으로서 이용된다. 예를 들면, 노즐에 안지름 1mm인 것을 이용할 경우, 공급 압력을 0.2～0.3MPa로서 매분 20ml로 슬러리를 흐르게 하고, 매분 10～20l로 분무 가스를 분무하면, 약 5～10㎛정도의 액적을 얻을 수 있다.
그리고, 본 실시형태에서는, 이류체 노즐 기구를 이용했지만, 일류체 노즐 기구를 이용해도 좋다. 또 다른 방법으로서 예를 들면, 회전하고 있는 원판상에 슬러리를 일정 속도로 낙하시켜 원심력에 의해 액적화하는(액적을 형성하는) 방법, 슬러리 표면에 높은 전압을 인가하여 액적화하는(액적을 발생시키는) 방법 등을 생 각할 수 있다.
한편, 도 1에 나타낸 바와 같이, 챔버(16)는, 플라즈마 토치(12)의 아래쪽에 인접하여 설치되어 있다. 챔버(16)는, 플라즈마 토치(12)내의 열플라즈마염(24)중에 있어서, 액적화 슬러리(14a)가 분무되어 증발한 기상 상태의 혼합물을, 그 직후에 급냉하여, 미립자(18)를 생성하기 위한 것이고, 챔버(16)는, 냉각조로서의 기능을 가진다. 즉, 재료공급장치(14)로부터 플라즈마 토치(12)내에 분무된 액적화 슬러리(14a)는, 열플라즈마염(24)내에서 반응하여 증발한 기상 상태의 혼합물이 되어, 그 직후에 챔버(16)내에서 급냉되어 미립자(18)가 생성된다.
챔버(16)의 측방에는, 생성된 미립자(18)를 회수하는 회수부(20)가 설치되어 있다. 회수부(20)는, 회수실(20a)과, 회수실(20a)내에 설치된 필터(20b)와, 회수실(20a) 상부에 설치된 관(20c)을 통하여 접속된 진공 펌프(도시하지 않음)를 구비한다. 생성된 미립자(18)는, 이 진공 펌프로 흡인되는 것에 의해, 회수실(20a) 내로 끌여들여져 필터(20b)표면에 머문 상태가 되어 회수된다.
본 실시형태에 따른 미립자 제조장치는, 기본적으로 이상과 같이 구성되지만, 다음에, 이 미립자 제조장치의 작용을 설명하면서, 이 미립자 제조장치를 이용하여, 본 발명의 제1 형태의 미립자의 제조방법의 제1 제조형태로서 슬러리를 이용한 미립자의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 형태의 미립자의 제조방법의 제1 제조형태에서는, 예를 들면, 먼저, 분말형상으로 된 미립자 제조용 재료(분말 원재료)를 분산매 속에 분산시키고, 이 분말 원재료를 분산시킨 분산매 속에, 가연성 재료(예를 들면, 가연성 용매)를 첨가?혼 합하여 슬러리로 한다. 슬러리 중의 분말 원재료와 분산매와 가연성 재료의 질량비는, 일례로서 4:3:3(40%:30%:30%)으로 하는 것을 생각할 수 있지만, 특별히 제한적이지 않고, 분말 원재료와 분산매와 가연성 재료의 질량비를 적절히 변경하여, 슬러리를 작성하는 것이 가능하다.
보다 구체적으로는, 분말 원재료와 분산매와 가연성 재료의 합계 질량을 100%로 하여, 분말 원재료는, 그 중의 1～80%, 또한, 이 나머지를 100%로 했을 경우에, 분산매는, 그 중의 0.1～99.9%, 보다 바람직하게는, 1～99%, 가연성 재료는, 그 중의 99.9～0.1%, 보다 바람직하게는, 99～1%의 범위 내에서, 또한, 합계 질량이 항상 100%가 되는 범위 내에서 적절히 변경해도 좋다.
여기서, 분말 원재료는, 열플라즈마염에 의해 증발시킬 수 있는 것이면, 그 종류는 상관없지만, 바람직하게는, 이하의 것이 좋다. 즉, 원자 번호 3～6, 11～15, 19～34, 37～52, 55～60, 62～79 및 81～83의 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함한, 단체 산화물, 복합 산화물, 복산화물, 산화물 고용체, 금속, 합금, 수산화물, 탄산 화합물, 할로겐화물, 황화물, 질화물, 탄화물, 수소화물, 금속염 또는 금속 유기 화합물을 적절히 선택하면 좋다.
한편, 단체 산화물이란 산소 이외에 1종의 원소로 이루어진 산화물을 말하고, 복합 산화물이란 복수종의 산화물로 구성되는 것을 말하며, 복산화물이라 2종 이상의 산화물로부터 발생하고 있는 고차의 산화물을 말하며, 산화물 고용체와는 다른 산화물이 서로 균일하게 함께 녹은 고체를 말한다. 또한, 금속이란 1종의 금속 원소만으로 구성되는 것을 말하며, 합금이란 2종 이상의 금속 원소로부터 구성되는 것을 말하며, 그 조직 상태로서는, 고용체, 공융 혼합물, 금속간화합물 혹은 그들 혼합물을 이루는 경우가 있다.
또한, 수산화물이란 수산기와 1종 이상의 금속 원소로 구성되는 것을 말하고, 탄산화합물이란 탄산기와 1종 이상의 금속 원소로 구성되는 것을 말하며, 할로겐화물이란 할로겐 원소와 1종 이상의 금속 원소로 구성되는 것을 말하고, 황화물이란 유황과 1종 이상의 금속 원소로 구성되는 것을 말한다. 또한, 질화물이란 질소와 1종 이상의 금속 원소로 구성되는 것을 말하고, 탄화물이란 탄소와 1종 이상의 금속 원소로 구성되는 것을 말하며, 수소화물이란 수소와 1종 이상의 금속 원소로 구성되는 것을 말한다. 또한, 금속염은 적어도 1종 이상의 금속 원소를 포함한 이온성 화합물을 말하고, 금속 유기 화합물이란 1종 이상의 금속 원소와 적어도 C, O, N 원소중의 어느 하나와의 결합을 포함한 유기 화합물을 말하며, 금속 알콕시드나 유기 금속착체 등을 들 수 있다.
예를 들면, 단체 산화물로서는, 산화 티탄(TiO2), 산화지르코늄(ZrO2), 산화칼슘(CaO), 산화 규소(SiO2), 산화 알루미늄(알루미나:A12O3), 산화은(Ag2O, AgO, Ag2O3), 산화철(FeO, Fe3O4, Fe2O3), 산화마그네슘(MgO), 산화 망간(Mn3O4, MnO, Mn2O3, MnO2, Mn2O7), 산화 이트륨(Y2O3), 산화세륨, 산화사마륨, 산화베릴륨(BeO), 산화 바나듐(V2O5), 산화 크로늄(Cr2O3), 산화바륨(BaO) 등을 들 수 있다.
또한, 복합 산화물로서는, 알루민산리튬(LiAlO2), 바나듐산이트륨, 인산칼 슘, 지르콘산칼슘(CaZrO3), 지르콘산티탄납, 산화티탄철(FeTiO3), 산화 티탄코발트(CoTiO3) 등을, 복산화물로서는, 주석산바륨(BaSnO3), (메타)티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산납(PbTiO3), 티탄산바륨에 산화지르코늄과 산화 칼슘이 고용한 고용체 등을 들 수 있다.
또한, 수산화물로서는 Al(OH)3, Zr(OH)4, 탄산 화합물로서는 CaCO3, 할로겐화물로서는 MgF2, 황화물로서는 ZnS, 질화물로서는 TiN, 탄화물로서는 SiC, 수소화물로서는 TiH2 등을 들 수 있다.
또한, 여기서 이용하는 가연성 재료는, 열플라즈마염(24)을 안정시키는 것과 같은 작용을 가진 것으로, 특별히 제한적이지 않지만, 비점이 20℃ ～400℃인 것이 바람직하다. 가연성 재료로서는, 구체적으로는, 예를 들면, 케로신, 가솔린, 옥탄, 알코올류 등의 가연성 용매나 가연성 유기 화합물을 사용할 수 있다. 이 가연성 재료를 분말 원재료가 분산한 분산매 속에 혼입시키는 것에 의해, 반응장소의 온도가 상승하여 반응이 촉진되는 것에 더하여, 가연성 재료 자신의 연소에 의해 염이 확대되기 때문에, 반응에 이용하는 열플라즈마염(24)이 가연성 재료를 이용하지 않는 경우보다 안정적이고, 안정된 연속 운전을 실시할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이, 이 가연성 재료로서는, 액체상 뿐만 아니라, 각종 고체상의 것도 사용이 가능하다. 고체상의 가연성 재료를 사용하는 경우에는, 고체상의 가연성 재료를 용매(용매로서 이용되고 있는 가연성 재료를 포함한다)내에 분산 내지 용해시켜 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 슬러리(14a)를 작성할 때에, 계면활성제, 고분자, 커플링제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 첨가해도 좋다. 계면활성제로서는, 예를 들면, 비이온성 계면활성제인 소르비탄 지방산 에스테르, 고분자로서는, 예를 들면, 폴리아크릴산암모늄, 커플링제로서는, 예를 들면 실란커플링제 등이 이용된다. 계면활성제, 고분자, 커플링제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 슬러리(14a)에 첨가함으로써, 분말 재료가 분산매로 응집하는 것을 보다 효과적으로 막고, 슬러리(14a)를 안정화시킬 수 있다. 또한 , 슬러리(14a)의 분산매에는, 종래 공지의 분산매를 이용할 수 있고, 예를 들면, 물, 알코올 등의 액체가 이용된다. 여기서, 알코올 등의 분산매는, 자신이 가연성 용매로서 기능한다.
상기와 같이 해서 작성된 슬러리(14a)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 재료 공급 장치(14)의 용기(14b)내에 넣어져, 교반기(14c)로 교반된다. 이것에 의해, 가연성 재료를 포함한 분산매(액)속의 분말 원재료가 침전하는 것을 방지하고, 분산매 중에서 분말 원재료가 분산된 상태의 슬러리(14a)가 유지된다. 한편, 재료공급장치(14)에 분말 원재료와, 분산매와, 가연성 재료를 공급하여, 슬러리를 조제해도 좋다.
다음에, 상술한 공급관(14f)의 이류체 노즐 기구를 이용하여, 분무 가스 공급원(14e)으로부터 공급되는 분무 가스에 의해, 슬러리(14a)를 액적화시키고, 열플라즈마염(24)내에 공급하여 슬러리(14a)를 증발시켜, 기상 상태의 혼합물로 한다. 즉, 액적화 슬러리(14a)는, 플라즈마 토치(12)내에 공급되는 것에 의해, 플라즈마 토치(12)내에 발생하고 있는 열플라즈마염(24)중에 공급되어 증발하는 결과, 기상 상태의 혼합물이 된다.
한편, 액적화된 슬러리(14a)가 열플라즈마염(24)내에서, 기상 상태가 될 필요가 있기 때문에, 열플라즈마염(24)의 온도는, 열플라즈마염(24)내에 도입되는 액적화 슬러리(14a)에 포함되는 분말 원재료의 비점보다 높은 것이 필요하다. 한편, 열플라즈마염(24)의 온도가 높을수록, 용이하게 분말 원재료가 기상 상태가 되므로 바람직하지만, 특별히, 온도는 한정되지 않고, 분말 원재료에 따라 온도를 적절히 선택해도 좋다. 예를 들면, 가스 조건 등을 변경함으로써, 열플라즈마염(24)의 온도를 6000℃로 할 수도 있고, 이론상으로는, 10000℃정도에 도달하는 것으로 생각된다.
또한, 플라즈마 토치(12)내에 있어서의 압력 분위기, 즉 열플라즈마염(24)의 분위기는, 대기압 이하인 것이 바람직하다. 여기서, 대기압 이하의 분위기에 대해서는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 5Torr～750Torr로 하는 것을 생각할 수 있다.
열플라즈마염(24)내에서 반응하여 슬러리(14a)를 증발시킨 기상 상태의 혼합물을 챔버(16)내에서 급냉함으로써, 미립자(18)가 생성된다. 생성된 미립자(18)는, 진공 펌프(도시하지 않음)에 의해 흡인되어 회수부(20)의 필터(20b)로 회수된다.
또한, 본 형태의 미립자의 제조방법의 제1 제조형태에서는, 분말 원재료를 가연성 재료가 되는 가연성 용매 속에 직접 분산시켜 슬러리(14a)로 해도 좋고, 분말 원재료를 미리 혼합한 분산매와 가연성 용매의 속에 분산시켜 슬러리(14a)로 해도 좋고, 반드시, 분말 원재료를 분산시킨 분산액에, 가연성 용매를 첨가하여 슬러리로 할 필요는 없다.
여기서, 캐리어 가스 또는 분무 가스로서는, 일반적으로는, 공기, 질소, 아르곤 또는 수소 등의 사용을 생각할 수 있지만, 생성되는 미립자가 산화물 미립자인 경우에는, 캐리어 가스 또는 분무 가스로서 산소를 이용하면 좋다. 또한, 캐리어 가스 또는 분무 가스는, 반드시 공급하지 않아도 되다.
제1 제조형태에 의해 제조되는 미립자는, 그 입도 분포폭이 좁은, 즉, 균일한 입자지름을 가지며, 조대입자의 혼입이 적고, 구체적으로는, 그 평균 입자지름은, 1nm에서 200nm이다. 본 실시형태에 따른 미립자의 제조방법에서는, 예를 들면 산화물 미립자, 보다 상세하게는, 단체 산화물, 복합 산화물, 복산화물, 산화물 고용체 등의 미립자를 제조할 수 있다. 또한, 금속, 합금, 수산화물, 탄산 화합물, 할로겐화물, 황화물, 질화물, 탄화물, 수소화물, 금속염 또는 금속 유기 화합물 등을 원재료로 하는 화학변화를 수반한 미립자도 제조할 수 있다.
본 제1 제조형태와 같이, 분말 원재료가 분산매 속에 분산된 상태에서는, 분말 원재료의 응집이 해소되어, 분산매 중에서 분말 원재료의 입자가 분산한 상태가 되어 있다. 이러한 분산매 중에 가연성 용매 등의 가연성 재료를 혼입시키는 것에 의해, 반응 온도가 상승하여, 열플라즈마염 발생 영역이 확대된다. 이 작용을 받아, 반응이 촉진되어, 분말 원재료의 증발량이 증가함으로써, 본 실시형태에 따른 제조방법에서는, 생성되는 미립자의 회수율이 증가한다. 가연성 재료의 연소에 의한 염의 발생에 의해, 열플라즈마염 발생 영역이 더 확대하여, 열플라즈마염의 안정성이 향상하기 때문에, 안정된 연속 운전을 실시할 수 있다.
또한, 본 제1 제조형태에서는, 액적화 슬러리(14a)를 플라즈마 토치(12)내에 공급하므로, 분말 원재료를 직접 공급하는 종래의 방법에 비해서, 공급량을 항상 일정하게 제어하는 것이 용이해진다. 이에 따라, 열플라즈마염(24)내에, 항상 일정량의 액적화한 슬러리를 공급(도입)하여 반응시키는 것이 가능하게 되고, 생성되는 미립자는, 조성 제어되어, 조대 입자가 생기기 어렵고, 입자지름 분포가 좁고 입자지름이 균일하며, 품질이 좋은 고순도의 미립자를 제조할 수 있다.
또한, 분말 원재료는, 슬러리(14a)가 되므로, 미립자의 원재료가 되는 금속염을 용액에 용해시켜 용해 용액으로 하는 경우와 같이, 원재료의 용해도에 의한 제한이 없다. 즉, 슬러리(14a)는 액 중에 그 용해도 이상의 양의 분말 원재료를 혼입시킬 수 있다. 이 때문에, 생성되는 미립자의 양산성(量産性)을 증대시킬 수 있다.
또한, 액속에 분말 원재료를 넣어 교반하는 것만으로 슬러리(14a)로 할 수 있으므로, 원재료를 조제하는 등의 취급이 용이하다.
한편, 기상 상태의 혼합물을 챔버(16)내에서 효율적으로 급냉하기 위해서, 챔버(16)내에 냉각용의 가스를 불어 넣는 것, 혹은 생성된 미립자가 챔버(16) 내벽에 부착하는 것을 방지하기 위해서 챔버(16)의 내벽을 따라서 가스를 불어 넣는 것이 바람직하다.
다음에, 본 발명의 제1 및 제2 형태의 미립자의 제조방법의 제2 제조형태로서 제1 실시형태의 미립자 제조장치를 이용하여, 콜로이드 용액을 이용하여 미립자를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.
상술한 바와 같이, 본 명세서 중에서는, 슬러리와 콜로이드 용액의 차이는, 주로, 액체 내에 분산되어 있는 입자의 크기나 형상에 있는 것으로 하고 있다. 콜로이드 입자는, 반드시 일반적인 입자의 형상이 아니어도 좋고, 비정질이어도 좋다. 따라서, 본 제2 제조형태의 방법에서 이용하는 미립자 제조장치는, 상술한 제1 제조형태에서 사용한 미립자 제조장치(도 1 참조)와 같은 구성을 취할 수 있다. 여기서, 상술한 미립자 제조장치를 이용하는 미립자의 제조방법의 제2 제조형태에 대해서, 이하에 설명한다.
본 형태에 따른 미립자의 제조방법의 제2 제조형태에 있어서의 콜로이드 용액의 조제 방법으로서는, 예를 들면, 각종의 금속 알콕시드를 원료로서 이용하는 졸겔법(금속 알콕시드법 또는 간단히 알콕시드법이라 한다)을 들 수 있다. 여기서 사용하는 용매로서는, 알코올계 용매(에탄올, 프로판올 등)를 적합하게 이용할 수 있다. 졸겔법 이외에도, 공침법, 환원법이나 에멀젼법 등 여러가지 액상합성법으로, 콜로이드 용액을 조제할 수 있다.
금속 알콕시드로서는, 여러 가지 금속을 원료로 하는 것이 시판되고 있으며, 예를 들면, Si, Ti, Zr, Al 등 혹은 La-Al, Mg-Al, Ni-Al, Zr-Al, Ba-Zr(2금속 알콕시드) 등을 원료로 하는 것을 들 수 있다. 이들 금속 알콕시드는, 통상은 고체이지만, 액체인 경우도 있다.
가연성 재료(가연성 용매)를 이용하는 경우에는, 상술의 제1 제조형태의 설명중에서 설명한 각종의 것을 적합하게 이용할 수 있다. 이 가연성 재료를 상술한 콜로이드 용액과 혼합함으로써, 반응 온도가 상승하여 반응이 촉진되는 것에 더하여 가연성 재료 자신의 연소에 의해 염이 확대되기 때문에, 반응에 이용하는 열플라즈마염이 보다 안정됨으로써, 안정된 연속 운전을 실시하는 것이 가능하게 된다.
상술한 바와 같이, 미립자 제조용 재료와 용매와 가연성 재료를 분산?혼합하여 조제된 콜로이드 용액을, 도 1에 나타내는 재료 공급 장치(14)의 용기(14b)에 공급하고, 교반기(14c)로 충분하게 교반한다. 이에 따라, 콜로이드 용액중에 있어서의 분산 상태가 양호하게 유지된다. 한편, 미립자 제조용 재료와 용매와 가연성 재료를 용기(14b)에 공급하여 현탁시키거나, 혹은 미립자 제조용 재료 용액을 화학반응시켜, 상기 콜로이드 용액을 재료 공급 장치(14)로 조제하도록 해도 좋다.
이후는, 상술한 제1 제조형태에 나타낸, 분말 재료를 슬러리로 하여 사용한 미립자의 제조방법과 같은 방법으로 미립자를 생성한다.
이 제2 제조형태에 의해 제조되는 미립자는, 그 입도 분포폭이 좁은, 즉 균일한 입자지름을 가지며, 조대 입자의 혼입이 적고, 구체적으로는, 그 평균 입자지름은 3～70nm이다.
본 제2 제조형태에 의해서, 예를 들면, 산화물 미립자, 보다 상세하게는, 단체 산화물, 복합 산화물, 복산화물, 산화물 고용체 등의 미립자를 제조할 수 있다. 또한, 금속, 합금, 수산화물, 탄산화합물, 할로겐화물, 황화물, 질화물, 탄화물, 수소화물, 금속염 또는 금속유기화합물 등을 원재료로 하는 화학변화를 수반한 미 립자도 제조할 수 있다.
다음에, 본 발명의 제1 및 제2 형태의 미립자의 제조방법의 제3 제조형태로서 제1 실시형태의 미립자 제조장치를 이용하여, 용매에 원재료를 용해시킨 용해 용액을 사용하는 미립자의 제조방법에 대하여 설명한다. 한편, 본 제3 제조형태에서 사용하는 원재료(미립자 제조용 원재료)의 형태는, 고체, 액체, 그 외 어떠한 것이라도 상관없다.
본 제3 제조형태에 이용하는 미립자 제조장치도, 상술한 제1 제조형태에서 사용한 제1 실시형태의 미립자 제조장치(도 1 참조)와 같은 구성을 취할 수 있다. 여기서, 상술한 미립자 제조장치를 이용하는 미립자의 제조방법의 제3 제조형태에 대해서, 이하에 설명한다.
본 제3 제조형태에서는, 먼저, 원재료를 용매 속에 용해시켜 용해용액, 소위 용액으로 한다. 상술한 바와 같이, 여기서 말하는 용해용액이란, 이온화하고 있는 상태에 있는 것을, 과포화 상태가 되어 석출물이 존재하고 있는 상태도 포함하여, 부르고 있다. 여기서 사용하는 용매로서는, 물, 산, 알칼리, 알코올, 케톤, 에테르 등을 적합하게 이용할 수 있다. 또한, 원재료는, 사용하는 용매에 용해하는 것이기 때문에, 사용하는 용매에 의해서 제한되지만, 질산염, 초산염, 암모늄염, 수산화물, 금속 알콕시드, 유기 금속착체 등을 이용할 수 있다. 한편, 여기서, 원재료로서 금속염 또는 금속 알콕시드를 사용하여, 그들 미립자를 생성하는 것이 바람직하다.
위에서 설명한 바와 같이 용해용액을 조제하는 경우, 그 농도는 포화 용해 도, 혹은 이것을 어느 정도까지 넘은 농도(과포화 상태)까지 진하게 할 수 있다. 또한, 이 용해용액에 가연성 재료를 첨가?혼합할 수 있다. 원재료와 용매 및 가연성 재료의 혼합비에 대해서는 상술한 바와 같다.
한편, 원재료로서 금속염 또는 금속 알콕시드를 이용하는 경우는, 이들을 용매 중에 용해시킴으로써 용해 용액을 조제한다.
용해 용액중의 금속염 또는 금속 알콕시드의 농도는, 포화 용해도까지 진하게 할 수 있다. 또한, 이 용해 용액에, 가연성 재료를 첨가?혼합할 수도 있다. 이 때의 금속염 또는 금속 알콕시드와 용매 및 가연성 재료의 혼합비(질량비)에 대해서는, 적절히 선택하면 되고, 구체적으로는, 금속염 또는 금속 알콕시드와 용매와 가연성 재료의 질량비를, 예를 들면 10:50:40으로 하면 좋다.
여기서, 금속염으로서는, 원자 번호 3～6, 11～15, 19～34, 37～52, 55～60, 62～79 및 81～83의 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속 원소를 포함한 이온성 화합물로부터 선택하면 좋다. 구체적으로는, 질산알루미늄, 질산아연, 질산이트륨, 질산지르코늄, 초산지르코늄, 염화 티탄 등을 들 수 있다.
또한, 상기 용매로서는, 예를 들면 물, 메탄올, 에탄올, 아세톤 등을 이용하면 좋다.
상기 금속 알콕시드에 대해서는, 소망의 것을 적절히 선택하면 되고, 예를 들면, 용매에 용해시키는 금속 알콕시드로서는, Si계(테트라에톡시실란)나 Ti계(테트라이소프로폭시실란)을 들 수 있다. 또한, 그 용매로서는, 알코올계 용매(예를 들면, 에탄올이나 프로판올 등)을 이용하면 좋다.
한편, 금속 알콕시드를 이용하는 경우는, 상술한 각 제조형태에 나타냈지만 그 밖에도, Li, Na, Cu, Ca, Sr, Ba, Zn, B, Al, Ga, Y, Si, Ge, Pb, P, Sb, V, Ta, W, La, Nd 등의 여러 가지 금속의 알콕시드를 이용하는 것이 가능하다.
또한, 가연성 재료(가연성 용매)에 대해서는, 상술한 각 제조형태의 설명중에서 설명한 각종의 것을 적합하게 이용할 수 있다. 이 가연성 재료와 금속염 용액을 혼합함으로써, 반응온도가 상승하여 반응이 촉진되는 것에 더하여, 가연성 재료 자신의 연소에 의해 염이 확대되기 때문에, 반응에 이용하는 열플라즈마염이 보다 안정됨으로써, 안정된 연속 운전을 실시할 수 있다.
상술한 바와 같이, 미립자 제조용 재료인 금속염과, 용매와, 가연성 재료를 혼합하여 조제된 용해 용액을, 도 1에 나타내는 재료 공급 장치(14)의 용기(14b)에 공급하고, 교반기(14c)로 충분히 교반한다. 이에 따라, 금속염과 가연성 재료가 균일하게 분산된 상태인 용해 용액이 유지된다. 한편, 금속염과, 용매와, 가연성 재료를 용기(14b)에 공급하고, 상기 용액을 재료 공급 장치(14)로 조제하도록 해도 좋다.
이후는, 상술의 제조형태에 나타낸, 분말 원재료를 슬러리로 하여 사용한 미립자의 제조방법과 같은 방법으로 미립자를 생성한다.
본 제3 제조형태에 의해 제조되는 미립자는, 그 입도 분포폭이 좁은, 즉, 균일한 입자지름을 가지며, 조대 입자의 혼입이 적고, 구체적으로는, 평균 입자지름은, 3～100nm이다. 본 제3 제조형태에서는, 예를 들면 금속, 단체 산화물, 복합 산화물, 복산화물, 산화물 고용체, 단체 질화물, 복합 질화물, 단체 탄화물, 또는 복합 탄화물 등의 미립자를 제조할 수 있다.
또한, 본 제3 제조형태에서는, 분말 재료를 용매 속에 용해시킨 용액을 사용하기 때문에, 미립자를 제조할 때의 원료가 되는 금속을 용이하게 분산시킬 수 있고, 그 분산성도 매우 높다. 따라서, 보다 미세하고 또한 균일한 입자지름을 가진 미립자를 생성할 수 있다.
다음에, 본 발명의 제1 형태의 미립자의 제조방법의 제4 제조형태로서, 제1 실시형태의 미립자 제조장치를 이용하여, 분말 원재료를(용매 등을 이용하지 않고, 예를 들면, 캐리어 가스에) 분산시켜 열플라즈마염 속에 도입하는 미립자의 제조방법에 대하여 설명한다.
한편, 본 형태의 미립자의 제조방법의 제4 제조형태에 이용하는 미립자 제조장치와, 상술한 제1～제3 제조형태에 이용하는 미립자 제조장치는, 재료 공급 장치를 제외하고 그 구성을 동일한 할 수 있다. 또한, 분말 원재료가 열플라즈마염 속에 공급된 후의 미립자의 제조방법에 관해서도, 마찬가지이다.
본 제4 제조형태에서는, 상술한 제1～제3 제조형태에서 사용한 미립자 제조장치(도 1 참조)의 재료공급장치(14)를, 분말 원재료를 사용하기에 적합한 미립자 제조장치로 변경하여, 미립자를 제조한다. 다만, 여기서도, 상술한 제1～제3 제조형태와 마찬가지로, 분말 원재료가 열플라즈마염 속에 공급될 때에, 분산되어 있을 필요가 있다.
따라서, 본 제조형태에 이용되는 재료공급장치는, 분말 원재료를 분산 상태(소위, 1차 입자 상태)로 유지하면서 정량적으로 플라즈마 토치 내부의 열플라즈마 염 내에 공급할 수 있는 것이 바람직하다. 그러한 기능을 가지는 재료공급장치로서, 예를 들면 특허 제3217415호 공보에 개시되어 있는 분체 분산장치와 같은 장치를 이용할 수 있다.
이하에 먼저, 본 제조형태에 이용하는 미립자 제조장치에 대하여 설명한다.
도 3에, 미립자 제조용 재료로서 분말 원재료를 사용하는 경우의 재료공급장치(140)의 개략적인 구성을 나타낸다. 도 3에 나타내는 재료공급장치(140)는, 주로, 분말 원재료를 저장하는 저장조(142)와, 분말 원재료를 정량 반송하는 스크류 피더(160)와, 이 스크류 피더(160)로 반송된 분말 원재료의 입자가 최종적으로 산포되기 전에, 이것을 일차 입자 상태로 분산시키는 분산부(170)로 구성되어 있다.
저장조(142)에는, 도시되어 있지 않지만, 배기용 배관 및 급기용 배관이 설치된다. 또한, 저장조(142)는, 오일 시일 등으로 밀봉된 압력 용기로서, 내부의 분위기를 제어할 수 있도록 구성되어 있다. 또한, 저장조(142)의 상부에는 분말 원재료를 공급하는 공급구(도시되어 있지 않음)가 설치되어 있으며, 분말 원재료(144)가 이 공급구에서 저장조(142) 내부에 공급되어 저장된다.
저장조(142)의 내부에는, 저장되어 있는 분말 원재료(144)의 응집을 방지하기 위해서, 교반축(146)과, 거기에 접속된 교반 날개(148)가 설치된다. 교반축(146)은, 오일 시일(150a)과, 축받이(152a)에 의해서, 저장조(142)내에서, 회전 가능하도록 배설되어 있다. 또한, 저장조(142) 외부에 있는 교반축(146)의 단부는, 모터(154a)에 접속되어 있으며, 도시하지 않은 제어장치에 의해서 그 회전이 제어된다.
또한, 저장조(142)의 하부에는, 스크류 피더(160)가 설치되어, 분말 원재료(144)의 정량적인 반송을 가능하게 하고 있다. 스크류 피더(160)는, 스크류(162)와, 스크류(162)의 축(164)과, 케이싱(166)과, 스크류(162)의 회전 이동력원인 모터(154b)를 포함한다. 스크류(162) 및 축(164)은, 저장조(142)내의 아래쪽에 가로걸쳐 설치되어 있다. 축(164)은, 오일 시일(150b)과 축받이(152b)에 의해서 저장조(142)내에서 회전 가능하도록 배설되어 있다.
저장조(142)의 외부에 있는 축(164)의 단부는, 모터(154b)에 접속되어 있으며, 도시하지 않은 제어장치에 의해서, 그 회전이 제어된다. 또한, 저장조(142)의 하부의 개구부와, 후술하는 분산부(170)를 접속하고, 스크류(162)를 포함한 통형상 통로인 케이싱(166)이 설치된다. 케이싱(166)은, 후술하는 분산부(170)의 내부 도중까지 연장하여 설치되어 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 분산부(170)는, 케이싱(166)의 일부에 외부삽입 고정된 외관(172)과, 축(164)의 선단부에 심어 설치된 회전 브러시(176)를 가지며, 스크류 피더(160)에 의해서 정량 반송된 분말 재료(144)를 일차 분산시킬 수 있다.
외관(172)의 외부삽입 고정된 단부와 반대측의 단부는, 그 형상이 원추대 형상이며, 그 내부에도 원추대 형상의 공간인 분체 분산실(174)을 가진다. 또한, 그 단부에는 분산부(170)로 분산된 분말 재료를 반송하는 반송관(182)이 접속된다.
케이싱(166)은, 그 선단이 개구하고 있으며, 그 개구부를 넘어 외관(172) 내부의 분체 분산실(174)까지 축(164)이 연장하여 설치되고, 축(164)의 선단에는 회 전 브러시(176)가 설치된다. 외관(172)의 측면에는 기체 공급구(178)가 설치되어 있으며, 또한, 케이싱(166)의 외벽과 외관(172)의 내벽에 의해 설치되는 공간은, 공급된 기체가 통과하는 기체 통로(180)로서 기능한다.
회전 브러시(176)는, 나일론 등의 비교적 유연한 재질, 혹은 강선 등의 경질인 재료로 이루어진 바늘 형상 부재로, 케이싱(166)의 선단부 근방의 내부로부터 분체 분산실(174)의 내부까지, 축(164)의 지름 바깥쪽에 연장하여 밀집하여 심어 설치되는 것에 의해서 형성된다. 이 때의 상기 바늘 형상 부재의 길이는, 케이싱(166)내의 둘레벽에 바늘형상 부재의 선단부가 접촉할 정도의 길이이다.
분산부(170)에서는, 분산?반송용의 기체(캐리어 가스)가, 도시하지 않은 압력기체공급원으로부터 기체 공급구(178), 기체 통로(180)를 통과하여 회전 브러시(176)의 지름 방향 바깥측으로부터 회전브러시(176)를 향해서 분출되어, 정량적으로 반송되는 분말 원재료(144)가, 회전 브러시(176)의 바늘 형상 부재 사이를 통과함으로써 일차 입자로 분산된다.
여기서, 분체 분산실(174)의 원추대형의 모선과 스크류(162)의 축(164)이 이루는 각도가, 30°정도가 되도록 설치되어 있다. 또한, 분체 분산실(174)의 용적은 작은 것이 바람직하고, 용적이 크면 회전 브러시(176)로 분산된 분말 원재료(144)가 반송관(182)에 들어가기 전에 분체 분산실(174)의 내벽에 부착하고, 이것이 재비산하기 때문에, 공급되는 분산 분체 원재료의 농도가 일정하지 않게 된다고 하는 문제를 일으킨다
반송관(182)은, 그 일단은 외관(172)과 접속되고, 타단은 플라즈마 토치(12) 에 접속된다. 또한, 반송관(182)은, 그 관지름의 10배 이상의 관길이를 가지며, 적어도 도중에 분산 분체 원재료를 포함한 기류가 유속 20m/sec 이상이 되는 관지름 부분을 마련하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 분산부(170)로 일차 입자 상태로 분산된 분말 원재료(144)의 응집을 방지하고, 이 분산 상태를 유지한 채로, 분말 원재료(144)를 플라즈마 토치(12)내부에 산포할 수 있다.
본 제조형태에 이용되는 미립자 제조장치는, 상술한 것과 같은 구성을 가진 재료공급장치(140)가, 도 1 및 도 2에 나타내는 플라즈마 토치(12)에 접속되는 것을 제외하고, 제1~제3 제조형태에 있어서의 장치 구성과 동일한 구성을 가지므로, 이것을 이용하여 본 제조형태에 있어서의 미립자의 제조방법을 실시할 수 있다.
다음에, 본 형태의 미립자의 제조방법의 제4 제조형태에 대하여 설명한다.
미립자 제조용 재료로서 사용하는 분말 원재료에는, 자신이 연소하는 것에 의해서 열플라즈마염을 안정화시키는 가연성 재료를 첨가?혼합할 수 있다. 이 때, 분말 원재료와 가연성 재료의 질량비를 적절히 선택해도 좋고, 보다 구체적으로는, 분말 원재료와 가연성 재료의 질량비를, 예를 들면, 95:5로 하면 좋다.
여기서, 분말 원재료는, 열플라즈마염 속에서 증발시킬 수 있는 것으로, 그 입자지름이 10㎛이하인 분말 재료인 것이 바람직하다.
또한, 분말 원재료로서는, 상술의 각 제조형태에서 이용한 것과 대략 동일하게, 원자 번호 3～6, 11～15, 19～34, 37～52, 55～60, 62～79 및 81～83의 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 일종을 포함한, 단체 산화물, 복합 산화물, 복산화물, 산화물 고용체, 금속, 합금, 수산화물, 탄산 화합물, 할로겐화물, 황화 물, 질화물, 탄화물, 수소화물, 금속염 또는 금속 유기 화합물을 적절히 선택하면 좋다.
구체적으로는, 예를 들면, 그라파이트, 산화티탄, 산화알루미늄, 알루미늄, 실리카, 실리콘 등을 들 수 있다.
가연성 재료로서는, 생성되는 미립자중에 불순물로서 남지 않는 원소, 예를 들면, C, H, O, N으로 구성되는 것을 적합하게 이용할 수 있다. 구체적으로는, 예를 들면, 구연산, 글리세린, 에틸렌글리콜 등을 이용할 수 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
상술한 바와 같은 같은 분말 원재료와 가연성 재료와의 혼합물이 균일하게 섞이도록, 충분하게 교반하고, 이 교반혼합물을 재료공급장치(140)의 저장조(142)에 투입한다. 여기서, 분말 원재료와 가연성 재료를 저장조(142)에 투입한 후에 충분히 교반해도 좋다.
상기 혼합물은, 플라즈마 토치(12)내의 열플라즈마염(24)내에 산포된다. 산포된 분말 원재료가, 증발하여, 기상 상태의 혼합물이 되고, 그 후, 챔버(16)내에서 급냉됨으로써, 상기 기상 상태의 혼합물의 미립자가 생성된다.
본 형태의 미립자의 제조방법의 제4 제조형태에서는, 분말 원재료를 가연성 재료와 함께 열플라즈마염(24)내에 산포하도록 했기 때문에, 높은 온도에서, 입자를 용이하게 분산시킬 수 있어, 보다 미세하고 또한 균일한 입자지름을 가진 미립자를 생성할 수 있다.
본 발명의 제1 및 제2 형태의 미립자의 제조방법의 제1～제4 제조형태는, 기 본적으로 이상과 같이 구성된다.
먼저, 도 2～도 6B를 참조하여, 본 발명의 제3 형태에 따른 미립자의 제조방법 및 본 발명의 제5 형태의 미립자의 제조장치를 설명한다.
도 4는, 본 발명의 제3 형태에 따른 미립자의 제조방법을 실시하는 본 발명의 제5의 형태에 따른 미립자 제조장치의 제2 실시형태의 전체 구성을 나타내는 단면 모식도이다. 도 5는, 도 4중에 나타내는 미립자 제조장치의 챔버의 천판 및 이 천판에 구비된 기체 사출구 부근을 확대한 단면도이다. 여기서는, 도 4에 나타내는 미립자 제조장치를 이용하고, 슬러리를 이용하여 미립자를 제조하는 방법의 제5 제조형태를 대표예로서 설명하지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않음은 물론이다.
여기서, 도 4에 나타내는 제2 실시형태의 미립자 제조장치(110)는, 도 1에 나타내는 제1 실시형태의 미립자 제조장치(10)와, 기체공급장치(28)를 구비하고 있으며, 챔버(16)의 천판(17)의 구조가 다른 것 이외에는, 완전히 동일한 구성을 가졌으므로, 동일한 구성요소에는 동일한 번호를 부여하여, 그 상세한 설명은 생략하고, 주로, 상이점에 대하여 설명한다.
도 4에 나타내는 미립자 제조장치(110)는, 열플라즈마염(24)을 발생시키는 플라즈마 토치(12)와, 미립자 제조용 재료를 플라즈마 토치(12)내에 공급하는 재료공급장치(14)와, 미립자(18)를 생성하기 위한 냉각조로서의 기능을 가진 챔버(16)와, 생성한 미립자(18)를 회수하는 회수부(20)와, 냉각용의 기체를 챔버(16) 내에 공급 또는 도입하여, 열플라즈마염(24)을 향해서 사출하는 기체공급장치(28)를 가진다.
본 실시형태에 있어서도, 상술한 제1 실시형태와 마찬가지로, 플라즈마 토치(12)내에 열플라즈마염(24)이 발생하고, 발생한 열플라즈마염(24)내에 있어서, 재료공급장치(14)로부터 슬러리(14a) 상태로 공급된 미립자 제조용 재료가, 공급관(14f)에 의해 분무되어 액적화되고, 증발되어 기상 상태의 혼합물이 된다.
본 제2 실시형태의 재료공급장치(14)도, 도 1에 나타내는 제1 실시형태의 재료공급장치(14)와 동일한 것을 이용하면 되고, 마찬가지로 미립자 제조용 재료(분말 원재료)를 분산시켜 플라즈마 토치(12)내에 공급하는 것이지만, 상술한 제1 형태의 제1 제조형태와는 달리, 본 형태의 제5 제조형태에서는, 분산매 속에 분산시켜 슬러리로 한 분말 원재료이면, 어떠한 슬러리도 이용할 수 있다. 즉, 분말 원재료를 분산매 속에 넣어 교반함으로써 조제된 슬러리(14a)가, 공급장치(14)로부터 플라즈마 토치(12)내에 공급된다. 본 형태에서는, 슬러리(14a)로서 단순히, 분말 원재료를 분산매 속에 넣고 교반하여 얻어진 슬러리, 분말 원재료를 가연성 재료(가연성 용매)에 넣고 교반하여 얻어진 슬러리, 분말 원재료를 분산매와 가연성 재료에 넣고 교반하여 얻어진 슬러리, 또는, 분말 원재료를 분산매 속에 넣어 교반하고, 가연성 재료를 더 첨가하여 교반하여 얻어진 슬러리도 이용할 수 있다.
그런데, 본 형태에 관련된 미립자 제조장치(110)는, 도 1에 나타내는 미립자 제조장치(10)와 마찬가지로, 플라즈마 토치(12)내의 열플라즈마염(24)내에서 생성된 기상 상태의 혼합물을, 그 직후에 급냉하고, 미립자(18)를 생성하기 위한 냉각조로서 기능하는 챔버(16)를 갖지만, 생성 미립자(18)의 고품질화 및 고생산성, 즉, 입자 지름의 미세화 및 균일화, 및, 생성 미립자(18)의 응집 방지를 도모하기 위해서, 기상 상태의 혼합물을 급냉하는 것을 주요 목적으로 하는 기체공급장치(28)를 구비한 것을 특징으로 하고 있다. 이하, 이 기체공급장치(28)에 대하여 설명한다.
도 4 및 도 5에 나타내는 기체공급장치(28)는, 열플라즈마염(24)의 꼬리부를 향하여, 소정의 각도로 기체를 사출하는 기체 사출구(28a)와, 챔버(16)의 측벽을 따라서 위쪽으로부터 아래쪽을 향하여 기체를 사출하는 기체 사출구(28b)와, 챔버(16)내에 공급되는 기체에 압출 압력을 가하는 콤프레셔(28c)와, 챔버(16)내에 공급되는 기체의 공급원(28d)과, 그들을 접속하는 관(28e)으로 구성되어 있다. 한편, 콤프레셔(28c)는, 블로어라도 좋다.
한편 컴프레셔(28c)와 기체 공급원(28d)은, 관(28e)을 개재하여 챔버(16)의 천판(17)에 접속되어 있다. 여기서, 열플라즈마염(24)의 꼬리부란, 플라즈마 가스 공급구(12c)와 반대측의 열플라즈마염(24)의 단, 즉, 열플라즈마염(24)의 종단부이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 기체 사출구(28a)와 기체 사출구(28b)는, 챔버(16)의 천판(17)에 형성되어 있다. 여기서, 천판(17)은, 원추대 형상으로 위쪽의 일부가 원기둥인 안쪽부 천판 부품(17a)과, 원추대 형상의 구멍을 가진 외측부 천판 부품(17b)과, 내측부 천판 부품(17a)을 수직으로 이동시키는 이동기구를 가진 상부 외측부 천판 부품(17c)을 포함한다.
여기서, 내측부 천판 부품(17a)과 상부 외측부 천판 부품(17c)이 접하는 부분(내측부 천판 부품(17a)에서는 상부의 원기둥 부분)에는 나사가 잘려 있으며, 내 측부 천판 부품(17a)이, 회전함으로써 수직 방향으로 위치를 바꿀 수 있고, 내측부 천판 부품(17a)은, 외측부 천판 부품(17b)과의 거리를 조절할 수 있다. 또한, 내측부 천판 부품(17a)의 원추 부분의 구배와, 외측부 천판 부품(17b)이 가진 구멍의 원추 부분의 구배는 동일하고, 서로가 맞물리는 구조로 되어 있다.
또한, 기체 사출구(28a)란, 내측부 천판 부품(17a)과 외측부 천판 부품(17b)이 형성한 틈새, 즉, 슬릿폭이 조절 가능하고, 천판과 동심인 원둘레형상으로 형성된 슬릿이다. 여기서, 기체 사출구(28a)는, 열플라즈마염(24)의 꼬리부를 향해 기체를 사출할 수 있는 형상이면 좋고, 상술한 바와 같은 슬릿 형상에 한정되는 것이 아니라, 예를 들면, 원둘레상에 다수의 구멍을 배치한 것이라도 좋다.
또한, 상부 외측부 천판 부품(17c)의 내부에는, 관(28e)을 통하여 보내지는 기체가 통과하기 위한 통기로(17d)가 설치된다. 상기 기체는, 통기로(17d)를 통과하여, 상술한 내측부 천판 부품(17a)와 외측부 천판 부품(17b)가 형성하는 슬릿인 기체 사출구(28a)로 보내진다. 기체사출구(28a)에 보내진 기체는, 도 4 및 도 5 중의 화살표 Q로 나타내는 방향으로, 열플라즈마염의 꼬리부(종단부)를 향하여, 상술한 바와 같이, 소정의 공급량 및 소정의 각도로 사출된다.
여기서, 본 발명에서 챔버(16)내에 공급되는 냉각용 기체의 소정의 공급량에 대하여 설명한다. 본 발명에 있어서, 기상 상태의 혼합물을 급냉하는 데에 충분한 공급량이란, 예를 들면, 기상 상태의 혼합물을 급냉하는 데에 필요한 공간을 형성하는 챔버(16)내에 공급하는 기체의 챔버(16)내에 있어서의 평균 유속(챔버내 유속)을, 0.001～60m/sec로 하는 것이 바람직하고, 0.5～10m/sec로 하는 것이 보다 바람직하다. 이것은, 열플라즈마염(24)내에 분무되어, 증발한 기상 상태의 혼합물을 급냉하여, 미립자를 생성시켜, 생성한 미립자끼리의 충돌에 의한 응집을 방지하는 데에 충분한 기체의 공급량이다.
한편, 이 공급량은, 기상 상태의 혼합물을 급냉하여 응고시키는 데에 충분한 양이며, 또한, 응고하여 생성한 직후의 미립자끼리가 충돌하는 것에 의해 응집하지 않도록 기상 상태의 혼합물을 희석하는 데에 충분한 양일 필요가 있으며, 챔버(16)의 형상이나 크기에 의해, 그 값을 적절히 정하는 것이 좋다.
다만, 이 공급량은, 열플라즈마염(24)의 안정을 방해하지 않도록 제어되는 것이 바람직하다.
다음에, 도 6A 및 도 6B를 이용하여, 기체 사출구(28a)가 슬릿 형상인 경우의, 열플라즈마염(24)의 꼬리부를 향해 기체를 사출하는 소정의 각도에 대하여 설명한다. 도 6A에 챔버(16)의 천판(17)의 중심축을 통과하는 수직 방향의 단면도를, 또한, 도 6B에 천판(17)을 아래쪽으로부터 본 도면을 나타낸다. 한편, 도 6B에는, 도 6A에 나타낸 단면에 대해서 수직인 방향이 나타나 있다. 여기서, 도 6A 및 도 6B 중에 나타내는 점 X는, 통기로(17d)를 통하여 기체 공급원(28d)(도 4 참조)으로부터 보내진 기체가, 기체 사출구(28a)로부터 챔버(16) 내부에 사출되는 사출점이다. 실제로는, 기체 사출구(28a)가 원둘레형상의 슬릿이기 때문에, 사출시의 기체는 띠모양의 기류를 형성하고 있다. 따라서, 점 X는 가상적인 사출점이다.
도 6A에 나타낸 바와 같이, 통기로(17d)의 개구부의 중심을 원점으로 하여, 수직 위쪽을 0°, 지면에서 반시계회전으로 양의 방향을 취하고, 화살표 Q로 나타 나는 방향으로 기체 사출구(28a)로부터 사출되는 기체의 각도를 각도 α로 표시한다. 이 각도 α는, 상술한, 열플라즈마염의 시작부분으로부터 꼬리부(종단부)에의 방향에 대한 각도이다.
또한, 도 6B에 나타낸 바와 같이, 상기 가상적인 사출점 X를 원점으로 하여, 열플라즈마염(24)의 중심을 향하는 방향이 0°, 지면에서 반시계회전을 양의 방향으로 하여 열플라즈마염(24)의 첫부분으로부터 꼬리부(종단부)에의 방향에 대해서 수직인 면방향에 있어서의, 화살표 Q로 나타나는 방향으로 기체 사출구(28a)로부터 사출되는 기체의 각도를 각도 β로 표시한다. 이 각도 β는, 상술한, 열플라즈마염의 시작부분으로부터 꼬리부(종단부)에의 방향에 대해서 직행하는 면 내에서, 열플라즈마염의 중심부에 대한 각도이다.
상술한 각도 α(통상적으로는 수직 방향의 각도) 및 각도 β(통상적으로는 수평 방향의 각도)를 이용하면, 소정의 각도, 즉, 기체의 챔버(16)내에의 공급 방향은, 챔버(16)내에 있어서, 열플라즈마염(24)의 꼬리부(종단부)에 대해서, 각도 α가, 90°<α<240°(바람직하게는, 100°<α<180°의 범위, 보다 바람직하게는, α=135°), 각도 β가, -90°<β<90°(바람직하게는, -45°<β<45°의 범위, 보다 바람직하게는, β=0°)인 것이 좋다.
상술한 바와 같이, 열플라즈마염(24)을 향해 소정의 공급량 및 소정의 각도로 사출된 기체에 의해, 상기 기상 상태의 혼합물이 급냉되어 미립자(18)가 생성된다. 상술의 소정의 각도로 챔버(16) 내부에 사출된 기체는, 챔버(16) 내부에 발생하는 난류 등의 영향에 의해 반드시 그 사출된 각도로 열플라즈마염(24)의 꼬리부 에 도달하는 것은 아니지만, 기상 상태의 혼합물의 냉각을 효과적으로 실시하고, 또한 열플라즈마염(24)을 안정시켜 효율적으로, 도 4에 나타내는 미립자 제조장치(110)를 동작시키기 위해서는, 상기 각도로 결정하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 각도는, 장치의 치수, 열플라즈마염의 크기 등의 조건을 고려하여, 적절히 결정하면 좋다.
한편, 기체 사출구(28b)는, 외측부 천판 부품(17b)에 형성된 슬릿이다. 기체 사출구(28b)는, 생성한 미립자(18)가, 챔버(16) 내벽에 부착하는 것을 방지하기 위해서, 챔버(16)의 측벽을 따라서 위쪽으로부터 아래쪽을 향하여 사출되는 기체의 사출구이다. 기체 사출구(28b)는, 챔버(16)의 측벽의 부근에 배치되어 있으며, 또한, 천판(17)과 동심인, 원둘레형상으로 형성된 슬릿이다. 다만, 상기의 목적을 충분히 달성하는 슬릿의 형상, 즉, 기체 사출구(28b)로부터 사출된 기체에 의해서 만들어지는 기류가 챔버(16)의 측벽을 덮는 것에 의해서, 미립자(18)가 챔버(16) 내부에 부착하는 것을 방지할 수 있는 슬릿의 형상이면, 상기의 범위에 들지 않는다.
기체 공급원(28d)으로부터 화살표 S로 나타난 바와 같이 관(28e)을 통하여 천판(17)(상세하게는, 외측부 천판 부품(17b) 및 상부 외측부 천판 부품(17c)) 내에 도입된 기체의 일부는, 통기로(17d)를 통하여 기체 사출구(28b)로부터 챔버(16)의 측벽을 따라서, 도 5에 나타내는 화살표 R의 방향으로 사출된다. 기체 사출구(28b)로부터 사출되는 기체의 양은, 미립자(18)가 챔버(16) 내부에 부착하는 것을 방지하는 데에 충분한 양이면 된다.
한편, 도 4에 나타내는 챔버(16)의 측벽에 설치되어 있는 압력계(16p)는, 챔버(16) 내의 압력을 감시하기 위한 것으로, 상술한 바와 같이, 챔버(16)내에 공급되는 공기량의 변동 등을 검지하여, 계내의 압력을 제어하기 위해서도 이용된다.
도 4에 나타내는 미립자 제조장치(110)도, 도 1에 나타내는 미립자 제조장치(10)와 마찬가지로, 챔버(16)의 측방에 설치된 회수부(20)에 있어서, 생성된 미립자(18)는 회수된다.
본 실시형태의 미립자 제조장치는, 기본적으로 이상과 같이 구성되지만, 다음에, 이 미립자 제조장치의 작용을 설명하면서, 이 미립자 제조장치를 이용하여, 본 발명의 미립자의 제조방법의 제5 제조형태로서 슬러리를 이용한 미립자의 제조방법에 대하여 설명한다.
한편, 본 발명의 미립자의 제조방법의 제5 제조형태는, 상술한 제1 제조형태와 열플라즈마염의 꼬리부를 향해서, 열플라즈마염 속에 생성된 기상 상태의 혼합물을 급냉하는 데에 충분한 공급량의 기체를 공급하는 점 및 미립자 제조용 재료를 가연성 재료를 포함하지 않는 분산매 속에 분산시킨 슬러리를 이용할 수 있는 점을 제외하고 동일한 공정, 조건 및 구성을 가진 것이므로, 동일한 공정, 조건 및 구성을 가진 부분의 상세한 설명은 생략하고, 주로, 상이한 부분에 대하여 설명한다.
본 형태의 미립자의 제조방법의 제5 제조형태에서는, 예를 들면, 미립자 제조용 재료인 분말 원재료를 분산매 속에 분산시켜 슬러리로 한다. 이 때, 슬러리중의 분말 원재료와 분산매의 혼합비는, 일례로서 6:4(60%:40%)로 하는 것을 생각할 수 있다.
또한, 상술한 제1 제조형태와 마찬가지로, 상기 슬러리에, 자신이 연소하는 가연성 재료를 더 첨가?혼합하는 것이 바람직하고, 분말 원재료와 분산매와 가연성 재료의 질량비를 적절히 선택하여 슬러리를 조제할 수 있다.
한편, 분말 원재료와 분산매와의 선택, 더 첨가하는 가연성 재료의 선택, 이들 질량비나, 슬러리의 조제 방법은, 상술한 제1 제조형태와 마찬가지로 할 수 있다.
이렇게 해서 작성된 슬러리(14a)는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 재료공급장치(14)의 용기(14b) 내에 넣어져, 교반기(14c)로 교반된다. 이에 따라, 분산매속의 분말 원재료가 침전하는 것을 방지하고, 분산매 속에서, 분말 원재료가 분산된 상태의 슬러리(14a)가 유지된다.
다음에, 본 제조형태에 있어서도, 상술한 제1 제조형태와 마찬가지로, 재료공급장치(14)로부터 공급된 슬러리(14a)를, 공급관(4f)의 이류체 노즐 기구를 이용하여 액적화시키고, 열플라즈마염(24)내에 공급하여, 증발시켜, 기상 상태의 혼합물로 한다.
다음에, 열플라즈마염(24)중에서 슬러리(14a)가 증발하여, 기상 상태가 된 혼합물을, 챔버(16)내에서 급냉함으로써, 미립자(18)가 생성된다. 상세하게는, 열플라즈마염(24)중에서, 기상 상태가 된 혼합물이, 기체 사출구(28a)를 통하여, 소정의 각도 및 공급량으로 열플라즈마염(24)를 향하여, 화살표 Q로 나타나는 방향으로 사출되는 기체에 의해서 급냉되어 미립자(18)가 생성된다.
생성 직후의 미립자끼리가 충돌하여, 응집체를 형성함으로써 품질 저하의 요인이 된다. 이에 대해, 본 형태의 미립자의 제조방법 및 장치에 있어서는, 기체 사출구(28a)를 통하여 소정의 각도 및 공급량으로, 열플라즈마염의 꼬리부(종단부)를 향해 화살표 Q로 나타나는 방향으로 사출되는 기체가, 미립자(18)를 희석함으로써, 미립자끼리가 충돌하여 응집하는 것을 방지한다. 즉, 기체사출구(28a)로부터 사출된 기체가, 상기 기상 상태의 혼합물을 급냉하고, 또한, 생성한 미립자의 응집을 방지하는 것에 의해, 입자 지름의 미세화, 및 입자 지름의 균일화의 양면에 작용하고 있으며, 이것은, 본 발명의 큰 특징이다.
그런데, 기체 사출구(28a)로부터 사출되는 기체는, 열플라즈마염(24)의 안정성에 적잖이 악영향을 준다. 그러나, 장치 전체를 연속적으로 운전하기 위해서는 열플라즈마염을 안정시킬 필요가 있다. 이 때문에, 본 형태의 미립자 제조장치(110)에 있어서의 기체사출구(28a)는, 원둘레형상으로 형성된 슬릿으로 되어 있으며, 그 슬릿폭을 조절함으로써 기체의 공급량을 조절할 수 있고, 중심 방향으로 균일한 기체를 사출할 수 있으므로, 열플라즈마염을 안정시키는 데에 바람직한 형상을 가진다고 할 수 있다. 또한, 이 조절은, 사출되는 기체의 공급량을 바꾸는 것으로도 실시할 수 있다.
한편, 도입 기체는, 기체 사출구(28b)를 통하여 챔버(16) 내벽을 따라서, 도 4에 나타내는 화살표 R의 방향으로 상부로부터 하부로도 사출된다. 이에 따라, 미립자의 회수 과정에 있어서, 미립자(18)가 챔버(16)의 내벽에 부착하는 것을 방지하고, 생성한 미립자의 수율을 향상시킬 수 있다.
최종적으로, 챔버(16)내에서, 생성한 미립자는, 관(20c)에 접속된 진공 펌 프(도시하지 않음)에 의해 흡인되어, 회수부(20)의 필터(20b)로 회수된다.
본 제조형태에 의해 제조되는 미립자는, 상술한 제1 제조형태와 마찬가지로, 그 입도 분포폭이 좁은, 즉 균일한 입자지름을 가진 것이지만, 보다 조대 입자의 혼입이 적고, 구체적으로는, 그 평균 입자지름이 1～100nm이다.
본 형태와 관련되는 미립자의 제조방법에서는, 플라즈마 가스, 캐리어 가스 및 공급 원재료에 유래하는 가스로 이루어지고, 회수부에 구비된 진공 펌프의 배기 동작 등에 의해 챔버내에 만들어지는 기류에 의해서, 열플라즈마염으로부터 기상 상태의 혼합물을 충분히 떨어진 장소로 유도함으로써 실현되는 냉각 뿐만 아니라, 열플라즈마염의 꼬리부(종단부)를 향해서 사출되는 기체에 의해, 기상 상태의 혼합물을 급냉할 수 있다.
또한, 상기 사출되는 기체는, 기상 상태의 혼합물이 급냉되어 응고하는 것에 의해서 생성되는 미립자끼리가, 충돌하여 응집하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 본 발명의 제조방법은, 기상 상태의 혼합물을 급냉하는 과정, 및 생성된 미립자의 응집을 막는 과정을 가지고 있기 때문에, 입자지름이 미세하고 균일하고, 품질이 좋은 고순도의 미립자를 높은 생산성으로 제조할 수 있는 것이다.
또한, 생성하는 입자가, 단체 산화물, 복합 산화물, 복산화물, 수산화물, 인산 화합물, 또는 산화물 고용체인 경우에는, 환원성 분위기 혹은 불활성 분위기일 필요가 없고, 상기 기체로서 공기를 사용할 수 있다. 이 경우, 아르곤 등의 고가의 기체를 사용하는 것보다도 저비용으로 미립자를 제조할 수 있다. 또한, 공기를 사용하여, 챔버(16)내에 도입하는 기체의 양을 증가시켜, 급냉 효과, 응집 방지 효 과 및 부착 방지 효과를 촉진함으로써, 품질이 좋은 고순도의 미립자를 높은 생산성으로 제조하는 것이 가능하다.
또한, 본 형태의 제조방법에 있어서도, 상술한 제1 제조형태와 마찬가지로, 분산매 중에 가연성 재료를 도입하는 것에 의한 생성 미립자의 회수율의 증가, 열플라즈마염의 안정, 및 안정된 연속 운전의 실시, 및, 분말 원재료를 슬러리화하는 것에 의한 생성 미립자의 양산성의 증대 등의 효과를 얻을 수 있다.
다음에, 본 발명의 제3 형태의 미립자의 제조방법을 실시하는 제6～제8 제조형태는, 본 제2 실시형태의 미립자 제조장치를 이용하여, 각각, 콜로이드 용액을 이용하고, 또한, 용매에 원재료를 용해시킨 용액을 사용하고, 또한, 분말 원재료를(용매 등을 이용하지 않고, 예를 들면 캐리어 가스에) 분산시켜 열플라즈마염 속에 공급하여, 미립자를 제조하는 방법이다.
한편, 이 본 발명의 제6～제8 제조형태는, 상술한 제5 제조형태와 슬러리를 이용하지 않은 점에서는 다르지만, 본 제2 실시형태의 도 4에 나타내는 미립자 제조장치(110)를 이용하는 점에서는 동일하고, 또한, 각각 상술한 제2～제4 제조형태와 도 1에 나타내는 미립자 제조장치(10) 대신에, 도 4에 나타내는 미립자 제조장치(110)를 이용하는 점에서는 다르지만, 콜로이드 용액을 이용하는 점, 용매에 원재료를 용해시킨 용액을 사용하는 점, 및 분말 원재료를 캐리어 가스에 분산시켜 열플라즈마염 속에 공급하는 점에서는 동일하므로, 동일한 공정, 조건 및 구성을 가진 것이며, 동일한 공정, 조건 및 구성을 가진 부분의 상세한 설명은 생략하고, 주로, 상이한 부분에 대하여 설명한다.
본 발명의 제6 및 제7 제조형태에서는, 제6 및 제7 각각의 제조형태에 있어서의 분말 원재료의 콜로이드 용액 및, 용해 용액의 조제는, 각각 상술한 제2 및 제3 제조형태와 마찬가지로 실시할 수 있고, 분말 원재료의 콜로이드 용액 및 용해용액의 열플라즈마염 속에의 공급, 분말 원재료의 기상 상태의 혼합물의 생성, 기상 혼합물의 급냉에 의한 미립자의 생성, 및 생성 미립자의 회수 등에 대해서는, 상술한 제5 제조형태와(기체 공급 조건도 포함해서) 동일하게 실시할 수 있다.
또한, 본 발명의 제8 제조형태에서는, 가연성 재료를 포함하지 않는 캐리어 가스 중에 분산시킨 분말 원재료를 이용할 수 있는 점에서는 제5 제조형태와 다르지만, 이 제8 제조형태에 있어서의 분말 원재료의 캐리어 가스에의 분산 및 열플라즈마염 속에의 공급은, 상술한 제4 제조형태와 마찬가지로 실시할 수 있고, 분말 원재료의 기상 상태의 혼합물의 생성, 기상 혼합물의 급냉에 의한 미립자의 생성, 및 생성 미립자의 회수 등에 대해서는, 상술한 제5 제조형태와(기체 공급 조건도 포함해서) 동일하게 실시할 수 있다.
한편, 이 제8 제조형태는, 도 4에 나타내는 미립자 제조장치(110)에 있어서, 재료공급장치(14)를, 도 3에 나타내는 재료공급장치(140)로 치환한 미립자 제조장치를 이용하여 분말 원재료를 캐리어 가스에 분산시켜 그대로 플라즈마 토치(12)내의 열플라즈마염 속에 공급하는 것이다.
여기서, 제8 제조형태에서는, 도 3～도 6에 나타낸 바와 같이, 분말 원재료와 가연성 재료의 혼합물이 균일하게 섞이도록 충분히 교반하여, 이 혼합물을 재료공급장치(140)의 저장조(142)에 투입한다. 여기서, 분말 원재료와 가연성 재료를 저장조(142)에 투입한 후에 충분히 교반하더라도 좋다. 이 혼합물이 플라즈마 토치(12)내의 열플라즈마염(24)중에 산포된다. 산포된 분말 원재료가, 증발하여 기상 상태의 혼합물이 되고, 그 후, 기체공급장치(28)에 의해서 공급되어 기체 사출구(28a)로부터 소정의 각도 및 소정의 공급량으로 사출된 기체에 의해서, 기상 상태의 혼합물이 급냉되어 미립자가 생성된다. 본 형태에 있어서의 미립자의 제조방법에서는, 입자지름이 미세하고 균일한 미립자를 높은 생산성으로 제조할 수 있다.
본 발명의 제3 형태의 미립자의 제조방법 및 본 발명의 제5 형태의 미립자의 제조장치에 의한 제5～제8 제조형태는, 기본적으로 이상과 같이 구성된다.
먼저, 도 2, 도 3 및 도 5～도 8을 참조하여, 본 발명의 제4 형태에 따른 미립자의 제조방법 및 본 발명의 제6 형태의 미립자의 제조장치를 설명한다.
도 7은, 본 발명의 제4 형태에 따른 미립자의 제조방법을 실시하는 본 발명의 제6 형태에 따른 미립자 제조장치의 제3 실시형태의 전체 구성을 나타내는 단면 모식도이다. 도 8은, 도 7에 나타내는 미립자 제조장치의 사이클론을 확대하여 나타내는 단면도이다. 여기서는, 도 7에 나타내는 미립자 제조장치를 이용하고, 슬러리를 이용하여 미립자를 제조하는 방법의 제9 제조형태를 대표예로서 설명하는데, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이 아님은 물론이다.
여기서, 도 7에 나타내는 제3 실시형태의 미립자 제조장치(120)는, 도 4에 나타내는 제2 실시형태의 미립자 제조장치(110)와, 챔버(16)와 회수부(20)의 사이에 사이클론(19)을 구비하고 있는 점 이외에는, 완전히 같은 구성을 가진 것이므로, 동일한 구성요소에는 동일한 번호를 부여하여, 그 상세한 설명은 생략하고, 주 로, 상이점에 대하여 설명한다.
도 7에 나타내는 미립자 제조장치(120)는, 열플라즈마염(24)을 발생시키는 플라즈마 토치(12)와, 미립자 제조용 재료를 플라즈마 토치(12)내에 공급하는 재료공급장치(14)와, 미립자(1차 미립자)(15)를 생성하기 위한 냉각조로서의 기능을 가지는 챔버(16)와, 생성된 1차 미립자(15)로부터 임의로 규정된 입자지름 이상의 입자지름을 가진 조대 입자를 제거하는 사이클론(19)과, 사이클론(19)에 의해 분급된 소망의 입자지름을 가진 미립자(2차 미립자)(18)를 회수하는 회수부(20)을 가진다.
한편, 미립자 제조장치(120)는, 바람직한 실시형태로서, 냉각용 기체를 챔버(16)내에 공급하고, 열플라즈마염(24)을 향해서 사출하는 기체공급장치(28)를 더 가진다.
본 실시형태에서도, 상술한 제2 실시형태와 마찬가지로, 플라즈마 토치(12)내에 열플라즈마염(24)이 발생하고, 발생한 열플라즈마염(24)내에서, 재료공급장치(14)로부터 슬러리(14a) 상태로 공급된 미립자 제조용 재료가, 공급관(14f)에 의해 분무되어 액적화되고, 증발되어 기상 상태의 혼합물이 된다.
본 제3 실시형태의 재료공급장치(14)도, 도 4에 나타내는 제2 실시형태와 마찬가지로, 미립자 제조용 재료(분말 원재료)를 슬러리화하여 분산시켜 플라즈마 토치(12)내에 공급하는 것이다.
한편, 도 7에 나타내는 미립자 제조장치(120)에서도, 챔버(16)가 플라즈마 토치(12)의 하부에 인접하여 설치되어 있다. 플라즈마 토치(12)내의 열플라즈마염(24)내에 분무된 슬러리(14a)는, 증발하여 기상 상태의 혼합물이 되고, 그 직후 에 상기 기상 상태의 혼합물이 챔버(16)내에서 급냉되어, 1차 미립자(15)가 생성된다. 즉, 챔버(16)는 냉각조로서의 기능을 가진다.
또한, 도 7에 나타내는 미립자 제조장치(120)는, 바람직한 실시형태로서 도 4에 나타내는 미립자 제조장치(110)와 마찬가지로, 미립자를 보다 한층 효율적으로 제조하기 위해서, 기상 상태의 혼합물을 급냉하기 위한 기체공급장치(28)를 구비하고 있다. 기체공급장치(28)의 구성은, 도 4 및 도 5에 나타낸 것과 같지만, 이 미립자 제조장치(120)에 있어서는, 본 발명의 특징으로 하는 사이클론(19)과 상호 작용하므로, 다시 간단하게 설명한다.
먼저, 도 5 및 도 7에 나타내는 기체공급장치(28)는, 상술한 바와 같이, 열플라즈마염(24)의 꼬리부(플라즈마 가스 공급구(12c)와 반대측의 열플라즈마염의 단, 즉, 열플라즈마염의 종단부)를 향하여, 소정 각도로 기체를 사출하는 기체 사출구(28a)와, 챔버(16)의 측벽을 따라서 위쪽으로부터 아래쪽을 향해 기체를 사출하는 기체 사출구(28b)와, 챔버(16)내에 공급하는 기체에 압출 압력을 가하는 컴프레셔(28c)와, 챔버(16)내에 공급하는 상기 기체의 공급원(28d)과, 그들을 접속하는 관(28e)으로 구성되어 있다. 한편, 컴프레셔(28c)는, 블로어라도 좋다.
한편, 기체 사출구(28a)로부터 사출하는 기체는, 후에 상술하는 바와 같이, 챔버(16)내에서 생성되는 1차 미립자(15)를 급냉하는 작용 이외에도, 기체 사출구(28b)로부터 사출하는 기체와 함께, 사이클론(19)에 있어서의 1차 미립자(15)의 분급에 기여하는 등의 부가적 작용을 가지는 것이다.
상술의 컴프레셔(28c)와 기체 공급원(28d)은, 관(28e)을 개재하여 챔버(16) 의 천판(17)에 접속되어 있다.
여기서, 기체 사출구(28b)는, 챔버(16)의 천판의 외측부 천판 부품(17b)내에 형성된 슬릿이며, 생성한 1차 미립자(15)가, 챔버(16)의 내벽부에 부착하는 것을 방지하는 동시에, 1차 미립자(15)를 하류의 사이클론(19)으로 임의의 분급점에서 분급할 수 있는 유속이 주어지는 양의 기체를 사출할 수 있는 것이 바람직하다. 기체 사출구(28b)로부터는, 챔버(16)의 내벽을 따라서 위쪽으로부터 아래쪽을 향하여 기체가 사출된다.
기체 공급원(28d)(도 5 및 도 7 참조)로부터 화살표 S로 나타난 바와 같이 관(28e)을 통하여 천판(17)(상세하게는, 외측부 천판 부품(17b) 및 상부 외측부 천판 부품(17c)) 내에 공급된 기체는, 여기에 설치된 통기로를 통하여 기체 사출구(28b)로부터(후술하는 바와 같이, 기체 사출구(28a)로부터도) 사출된다.
재료공급장치(14)로부터 플라즈마 토치(12)내에 사출된 액적화 슬러리는, 열프라즈마염(24)내에서 반응하여, 증발한 기상 상태의 혼합물이 된다. 그리고, 이 기상 상태의 혼합물은, 기체 사출구(28a)로부터 사출되는(화살표 Q 참조) 기체에 의해, 챔버(16) 내에서 급냉되어, 1차 미립자(15)가 생성된다. 이 때, 기체 사출구(28b)로부터 사출되는(화살표 R 참조) 기체에 의해, 1차 미립자(15)가, 챔버(16)의 내벽에 부착하는 것이 방지된다.
챔버(16)의 측방 하부에는, 생성된 1차 미립자(15)를 소망의 입자지름으로 분급하기 위한 사이클론(19)이 설치되어 있다. 이 사이클론(19)은, 도 8에 나타낸 바와 같이, 챔버(16)에서 1차 미립자(15)를 공급하는 입구관(19a)과, 이 입구 관(19a)과 접속되어, 사이클론(19)의 상부에 위치하는 원통 형상의 외통(19b)과, 이 외통(19b)의 하부로부터 아래쪽을 향하여 연속하고, 또한, 지름이 점차 감소하는 원추부(19c)와, 이 원추부(19c)의 아래쪽에 접속되어, 상술의 소망의 입자지름 이상의 입자지름을 가진 조대 입자를 회수하는 조대 입자 회수 챔버(19d)와, 회수부(20)에 접속되어, 외통(19b)에 돌출설치되는 내관(19e)을 구비하고 있다.
입구관(19a)으로부터, 챔버(16)내에서 생성된 1차 미립자(15)를 포함한 기류가, 외통(19b) 안둘레벽을 따라서 불어 넣어지고, 이에 따라, 이 기류가 도 8중에 화살표 T로 나타낸 바와 같이 외통(19b)의 안둘레벽으로부터 원추부(19c) 방향을 향해 흐르는 것에 의해, 선회하는 하강류가 형성된다.
그리고, 상술의 선회하는 하강류는, 원추부(19c) 안둘레벽에서 더 가속되고, 그 후 반전하여, 상승류가 되어 내관(19e)으로부터 계 외부로 배출된다. 또한, 기류의 일부는, 조대 입자 회수 챔버(19d)에 유입하기 전에 원추부(19c)로 반전하여, 내관(19e)으로부터 계 외부로 배출된다. 입자에는, 선회류에 의해 원심력이 주어지고, 원심력과 항력의 밸런스에 의해, 조대 입자는 벽방향으로 이동한다. 또한, 기류로부터 분리한 입자는, 원추부(19c)측면을 따라서 하강하고, 조대 입자 회수 챔버(19d)로 회수된다. 여기서, 충분히 원심력이 주어지지 않은 미립자는, 원추부(19c) 안둘레벽에서의 반전 기류와 함께, 계 외부로 배출된다.
또한, 내관(19e)을 통하여, 후에 상술하는 회수부(20)로부터 부압(흡인력)이 생기게 되어 있다. 그리고, 이 부압(흡인력)에 의해, 상술의 선회하는 기류로부터 분리된 미립자가, 도 8중의 화살표 U로 나타낸 바와 같이 흡인되고, 내관(19e)을 통해 회수부(20)에 보내지도록 되어 있다.
사이클론(19)내의 기류의 출구인 내관(19e)의 연장상에는, 2차 미립자(18)를 회수하는 회수부(20)가 설치되어 있다. 이 회수부(20)는, 회수실(20a)과, 회수실(20a)내에 설치된 버그 필터(20b)와, 회수실(20a)내 아래쪽에 설치된 관을 개재하여 접속된 진공 펌프(도시하지 않음)를 구비하고 있다. 사이클론(19)으로부터 보내진 미립자는, 진공 펌프(도시하지 않음)로 흡인되는 것에 의해, 회수실(20a)내로 끌어들여져, 버그 필터(20b)의 표면에서, 멈춘 상태로 되어 회수된다.
본 실시형태의 미립자 제조장치는, 기본적으로 이상과 같이 구성되지만, 이하, 상술한 바와 같이 구성되는 미립자 제조장치의 작용을 설명하면서, 이 미립자 제조장치를 이용하여, 본 발명의 미립자의 제조방법의 제9 제조형태로서 슬러리를 이용한 미립자의 제조방법 및 이 제조방법에 의해 생성된 미립자에 대하여 설명한다.
한편, 본 발명의 미립자의 제조방법의 제9 제조형태는, 상술한 제5 제조형태와 사이클론(19)을 구비하고, 생성 미립자를 분급하여, 소정 입자지름 이상의 조대 입자의 혼입을 방지하는 점을 제외하고, 동일한 공정, 조건 및 구성을 가진 것이므로, 동일한 공정, 조건 및 구성을 가진 부분의 상세한 설명은 생략하고, 주로 상이한 부분에 대하여 설명한다.
본 형태의 미립자의 제조방법의 제9 제조형태에서는, 예를 들면, 미립자 제조용 재료인 분말 원재료를 분산매 속에 분산시켜 슬러리로 하지만, 분말 원재료와 분산매, 및 가연성 재료의 선택, 이들 질량비나, 슬러리의 조제 방법은, 상술한 제 5 제조형태와 마찬가지로 완전히 동일하게 할 수 있다.
이렇게 해서 작성된 슬러리(14a)는, 상술한 제5 제조형태와 완전히 동일하게, 도 7에 나타낸 바와 같이, 재료공급장치(14)의 용기(14b)내에 넣어져 교반기(14c)로 교반된다. 이에 따라, 분산매 중의 분말 원재료가 침전하는 것을 방지하고, 분산매 중에서 분말 원재료가 분산된 상태의 슬러리(14a)가 유지된다.
다음에, 본 제조형태에 있어서도, 상술한 제5 제조형태와 마찬가지로, 재료공급장치(14)로부터 공급된 슬러리(14a)를, 공급관(4f)의 이류체 노즐 기구를 이용하여 액적화시켜, 열플라즈마염(24)중에 공급하고, 증발시켜, 기상 상태의 혼합물로 한다.
다음에, 열플라즈마염(24)내에서 슬러리가 증발하여 기상 상태가 된 혼합물을, 챔버(16)내에서 급냉함으로써, 1차 미립자(15)가 생성된다. 상세하게는, 열플라즈마(24)중에서, 기상 상태가 된 혼합물이, 기체 사출구(28a)를 통하여 화살표 Q로 나타나는 방향으로 사출되는 기체에 의해서 급냉되어, 1차 미립자(15)가 생성된다.
따라서, 상기 기체 사출구(28a)로부터 사출되는 기체의 양은, 1차 미립자를 생성하는 과정에 있어서, 상기 미립자 제조용 재료를 증발시켜 기상 상태의 혼합물로 한 후, 이 혼합물을 급냉하는 데에 충분한 공급량인 것이 필요하지만, 이와 함께, 상기 기체 사출구(28b)로부터 사출되는 기체의 양, 또한, 하기의 열플라즈마염 내에 공급하는 기체의 양과 맞추어, 1차 미립자(15)를 하류의 사이클론(19)으로 임의의 분급점으로 분급할 수 있는 유속을 얻을 수 있고, 또한, 열플라즈마염의 안정 을 방해하지 않을 정도의 양인 것이 바람직하다.
한편, 상술의 기체 사출구(28a)로부터 사출되는 기체의 양과 기체 사출구(28b)로부터 사출되는 기체의 양을 맞춘 사출량은, 상기 열플라즈마염 내에 공급하는 기체의 200%～5000%로 하는 것이 좋다. 여기서, 상술의 열플라즈마염 속에 공급하는 기체란, 열플라즈마염을 형성하는 시스 가스, 센트랄 가스 및 미립자 제조용 재료 분무용 가스(분무 가스 또는 캐리어 가스)를 맞춘 것을 가리키고 있다.
또한, 열플라즈마염의 안정을 방해하지 않는 한, 상기 사출되는 기체의 공급 방법이나 공급 위치 등은, 특별히 한정되지 않는다. 본 실시형태에 따른 장치에서는, 천판(17)에 원둘레형상의 슬릿을 형성하여 기체를 사출하고 있지만, 열플라즈마염에서 사이클론까지의 경로상에서, 확실하게 기체를 공급 가능한 방법이나 위치라면, 다른 방법, 위치라도 상관없다.
최종적으로, 챔버(16)내에서 생성한 1차 미립자는, 사이클론(19)의 입구관(19a)으로부터, 기체와 함께 외통(19b)의 안둘레벽을 따라서 불어 넣어지고, 이에 따라, 이 기류가, 도 8중의 화살표 T로 나타낸 것과 같은 외통(19b)의 안둘레벽을 따라 흐르는 것에 의해, 선회류를 형성하여 하강한다. 그리고, 이 선회류는, 원추부(19c) 안둘레벽에서 더 가속되고, 그 후 반전하여, 상승류가 되고, 내관(19e)으로부터 계 외부로 배출된다. 또한, 기류의 일부는, 조대 입자 회수 챔버(19d)에 유입하기 전에 원추부(19c) 안둘레벽에서 반전하여, 내관(19e)으로부터 계 외부로 배출된다.
입자에는, 선회류에 의해 원심력이 주어져, 원심력과 항력과의 밸런스에 의 해, 조대 입자는 벽 방향으로 이동한다. 또한, 기류로부터 분리된 입자는, 원추부(19c)측면을 따라서 하강하고, 조대 입자 회수 챔버(19d)로 회수된다. 여기서, 충분히 원심력이 주어지지 않는 미립자는, 원추부(19c)안둘레벽에서의 반전 기류와 함께, 계 외부로 배출된다. 이 때의 사이클론(19)내에의 기류의 유속은, 바람직하게는, 10m/s이상이다.
한편, 미립자는, 회수부(20)로부터의 부압(흡인력)에 의해, 도 8중의 화살표 U로 나타낸 바와 같이 흡인되어, 내관(19e)을 통해서 회수부(20)로 보내져 회수부(20)의 버그 필터(20b)로 회수된다. 이 때의 사이클론(19)내의 내압은, 대기압 이하인 것이 바람직하다. 또한, 미립자의 입자지름은, 목적에 따라 임의의 입자지름이 규정된다.
한편, 본 발명에 따른 미립자의 제조방법에 있어서는, 미립자의 생성 방법은, 상기의 방법에 한정되지 않고, 어떠한 방법을 이용해도 좋다.
또한, 본 발명에 따른 미립자의 제조방법에 있어서는, 사용하는 사이클론의 개수는, 1개로 한정되지 않고, 2이상이라도 좋다.
본 제조형태에 의해 제조되는 미립자는, 상술한 제1 제조형태와 마찬가지로, 그 입도 분포폭이 좁은, 즉, 균일한 입자지름을 가지며, 1㎛이상의 조대 입자의 혼입이 거의 없고, 구체적으로는, 그 평균 입자지름이 1～100nm이다.
또한, 본 형태의 제조방법에서도, 상술한 제1 제조형태와 마찬가지로, 분산매 속에 가연성 재료를 도입하는 것에 의한 생성 미립자의 회수율의 증가, 열플라즈마염의 안정, 및 안정된 연속 운전의 실시, 및, 분말 원재료를 슬러리화하는 것 에 의한 생성 미립자의 대량 생산성의 증대 등의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 제조형태에서는, 가스를 공급하여, 장치내의 유속을 임의로 제어함으로써, 장치 내에 설치한 사이클론으로 미립자를 분급 가능하게 하고 있다. 이것은, 응고한 미립자끼리가 충돌하여 응집하지 않도록 희석되고, 보다 미세한 미립자를 생성하는 효과가 있다. 따라서, 본 제조형태에서는, 반응 조건을 바꾸지 않고, 기체의 유속, 혹은 사이클론 안지름을 바꾸는 것에 의해, 임의의 분급점에서 조대 입자를 분리할 수 있기 때문에, 입자지름이 미세하고 균일하고, 품질이 좋은 고순도의 미립자를 높은 생산성으로, 제조하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 제조형태에서는, 사이클론 내에서, 선회류를 일으키기 때문에 체류 시간이 길어져, 사이클론 내에서, 미립자가 냉각되게 되므로, 지금까지 냉각 기구로서 이용하고 있던 핀이나 냉각로를 마련할 필요가 없어진다. 그 때문에, 핀내에 퇴적한 미립자를 제거하기 위한 장치의 가동을 정지시킬 필요가 없어져, 장치의 가동 시간을 장기화하는 것이 가능하게 된다. 또한, 사이클론 전체를 수냉 쟈켓 구조로 함으로써, 냉각 효과를 보다 한층 높일 수 있다.
다음에, 본 발명의 제4 형태의 미립자의 제조방법을 실시하는 제10～제12 제조형태는, 본 제3 실시형태의 미립자 제조장치를 이용하여, 각각, 콜로이드 용액을 이용하고, 또한 용매에 원재료를 용해시킨 용액을 사용하고, 또한, 분말 원재료를(용매 등을 이용하지 않고, 예를 들면 캐리어 가스에) 분산시켜 열플라즈마염 내에 공급하여, 미립자를 제조하는 방법이다.
한편, 이 본 발명의 제10～제12 제조형태는, 상술한 제9 제조형태와 슬러리 를 이용하지 않는 점에서는 다르지만, 본 제3 실시형태의 도 7에 나타내는 미립자 제조장치(120)를 이용하는 점에서는 동일하고, 또한, 각각 상술한 제6～제8 제조형태와 도 4에 나타내는 미립자 제조장치(110) 대신에, 도 7에 나타내는 미립자 제조장치(120)를 이용하는 점에서는 다르지만, 콜로이드 용액을 이용하는 점, 용매에 원재료를 용해시킨 용액을 사용하는 점, 및 분말 원재료를 캐리어 가스에 분산시켜 열플라즈마염 속에 공급하는 점에서는 동일하므로, 동일한 공정, 조건 및 구성을 가진 것이며, 동일한 공정, 조건 및 구성을 가진 부분의 상세한 설명은 생략하고, 주로, 상이한 부분에 대하여 설명한다.
본 발명의 제10 및 제11 제조형태에서는, 제10 및 제11 각각의 제조형태에 있어서의 분말 원재료의 콜로이드 용액 및 용해 용액의 조제는, 각각 상술한 제6 및 제7 제조형태와 마찬가지로 실시할 수 있고, 분말 원재료의 콜로이드 용액 및 용해 용액의 열플라즈마염 속에의 공급, 분말 원재료의 기상 상태의 혼합물의 생성, 기상 혼합물의 급냉에 의한 미립자의 생성, 및 생성 미립자의 회수 등에 대해서는, 상술한 제9 제조형태와(기체 공급 조건도 포함해서) 마찬가지로 실시할 수 있다.
또한, 본 발명의 제12 제조형태에서는, 이 제12 제조형태에 있어서의 분말 원재료의 캐리어 가스에의 분산 및 열플라즈마염 속에의 공급은, 상술한 제8 제조형태와 마찬가지로 실시할 수 있고, 분말 원재료의 기상 상태의 혼합물의 생성, 기상 혼합물의 급냉에 의한 미립자의 생성, 및 생성 미립자의 회수 등에 대해서는, 상술한 제9 제조형태와(기체 공급 조건도 포함해서) 마찬가지로 실시할 수 있다.
한편, 이 제12 제조형태는, 도 7에 나타내는 미립자 제조장치(120)에 있어서, 재료공급장치(14)를, 도 3에 나타내는 재료 공급장치(140)에 치환한 미립자 제조장치를 이용하여 분말 원재료를 캐리어 가스에 분산시켜 그대로 플라즈마 토치(12)내의 열플라즈마염 속에 공급하는 것이다.
본 발명의 제4 형태의 미립자의 제조방법 및 본 발명의 제6 형태의 미립자의 제조장치에 의한 제9～제12 제조형태는, 기본적으로 이상과 같이 구성된다.
이상, 본 발명의 미립자의 제조방법 및 미립자의 제조장치에 대하여 여러 가지 실시형태 및 여러 가지 제조형태를 들어 상세하게 설명했지만, 본 발명은 상기 실시형태 및 제조형태에 한정되지 않고, 본 발명의 주지를 일탈하지 않는 범위에서, 여러 가지 개량이나 변경을 실시해도 되는 것은 물론이다.
이하에, 본 발명의 제1～제4 미립자의 제조방법 및 본 발명의 제5 및 제6 형태의 미립자의 제조장치를 실시예에 기초하여 구체적으로 설명한다.
(실시예 1)
앞서 설명한 도 1에 도시한 제1 실시형태의 미립자 제조장치(10)를 이용하여 원재료로서 슬러리를 이용하는 제1 제조형태의 실시예를 설명한다.
본 발명의 미립자의 제조방법의 제1 제조형태에 의해, 산화 알루미늄(Al2O3)의 미립자를 제조했다. 먼저, 분말 원재료, 분산제(소르비탄 지방산에스테르), 분산매로서의 알코올을 혼합하고, 그들과 직경 0.5mm의 산화 지르코늄 비즈를 비즈 밀(코토부키 공업 주식회사 제품)에 투입하고, 이 혼합 용액을 분쇄 처리하였다. 이 때, 분말 원재료로서 산화 알루미늄을 이용하여 질량비가 분말 원재료:분산제:알코올=65:1:34이 되도록 혼합한 것을 이용하였다.
분쇄한 분말 원재료와 분산제를 포함한 알코올 혼합액에, 가연성 재료로서 케로신(와코순약공업 주식회사제, 케로신(비중;Sp.Gr.0.78～0.79))를 더 혼입시켜 교반하여, 산화 알루미늄의 원료가 되는 슬러리를 작성하였다. 이 때, 가연성 용매인 케로신과, 상술의 분쇄 처리한 분말 원재료와 분산제를 포함한 알코올 혼합액과의 총질량에 대한 케로신량[wt%]을, 0[wt%], 15[wt%], 30[wt%]로 변화시켜 슬러리(14a)를 작성했다.
또한, 플라즈마 토치(12)의 고주파 발진용 코일(12b)에는, 약 4MHz, 약 80kVA의 고주파 전압을 인가하여, 플라즈마 가스로서 아르곤 가스 40리터/분, 산소 50리터/분의 혼합 가스를 이용하여 플라즈마 토치(12)내에 아르곤-산소 열플라즈마염을 발생시켰다. 또한, 반응 온도가, 약 8000℃가 되도록 제어하고, 재료공급장치(14)의 분무 가스 공급원(14e)으로부터는, 10리터/분의 분무 가스를 공급했다.
산화 알루미늄(Al2O3)의 슬러리는, 분무 가스인 아르곤 가스와 함께, 플라즈마 토치(12)내의 열플라즈마염(24) 중에 도입하였다.
상기와 같이 해서 생성된 미립자를 X선회절 장치로 측정한 결과, 산화 알루미늄인 것을 확인하였다. 도 9에, 이 때의 분쇄 처리한 분말 원재료와 분산제를 포함한 알코올 혼합액과의 총질량에 대한 케로신량[wt%]과, 본 발명법에 의해 제조 되는 미립자의 회수량[g/hr]와의 관계를 표시한 그래프를 나타낸다.
도 9에 나타내는 그래프로부터, 미립자를 제조하는 경우에 있어서의 케로신의 사용이, 본 발명에 있어서의 미립자의 수량을 증가시키는 것, 또한, 가연성 용매인 케로신과, 분산매인 알코올과, 상술의 분쇄한 분말 원재료와, 분산제인 소르비탄 지방산 에스테르와의 총질량에 대한 케로신의 양[wt%]를 증가시킴으로써, 회수량이 증가하는 것은 분명하다.
한편, 상기와 같이 해서 생성된 산화 알루미늄 미립자의 비표면적(1 그램당의 표면적)으로부터 환산한 입자 지름은 15nm였다. 또한, 생성된 미립자의 수율은, 투입한 분말 원재료의 양에 대해서 약 50%였다.
(실시예 2)
앞서 설명한 도 1에 나타내는 미립자 제조장치(10)를 이용하여, 원재료로서 콜로이드 용액을 이용할 때의 제2 제조형태의 실시예를 설명한다.
본 실시예에서는, 제2 제조형태의 미립자의 제조방법에 의해, 산화 알루미늄(Al2O3)의 미립자를 제조하였다. 콜로이드 용액의 조제에는, Al 알콕시드를 원료로서 이용하고, 졸겔법을 이용하였다. 용매로서는, 에탄올을 사용하였다. 또한, 가연성 재료로서는, 실시예 1에서 이용한 것과 동일한 케로신(와코 순약공업 주식회사제, 케로신(Sp.Gr.0.78～0.79))를 이용하였다. 케로신의 첨가량은, 분말 원재료를 포함한 에탄올 혼합액의 총질량에 대한 케로신량[wt%]으로 15[wt%]로 하였다.
상기의 미립자 제조용 재료와, 용매와, 가연성 재료를 분산?혼합하여 조제 된 콜로이드용액을, 도 1에 나타내는 재료공급장치(14)의 용기(14b)에 투입하고, 교반기(14c)로 충분히 교반하였다.
이후는, 실시예 1과 동일한 방법으로 미립자를 생성시켰다. 또한, 플라즈마 토치의 구동조건 등도, 실시예 1과 마찬가지로 하였다.
본 실시예에서 제조되는 미립자의 평균 입자지름은, 15nm였다.
(실시예 3)
앞서 설명한 도 1에 나타내는 미립자 제조장치(10)를 이용하여 원재료로서 용매에 금속염을 용해시킨 용액을 이용할 때의 제3 제조형태의 실시예를 설명한다.
본 실시예에서는, 제3 제조형태의 미립자의 제조방법에 의해, 질산알루미늄(Al(NO3)3의 미립자를 제조하였다. 먼저, 금속염인 질산알루미늄을 물에 용해시켜, 20wt%의 질산알루미늄 수용액을 조제하였다.
또한, 가연성 재료로서는, 실시예 1에서 이용한 것과 동일한 케로신(와코 순약공업 주식회사제, 케로신(Sp.Gr.0.78～0.79))를 이용하였다. 케로신의 첨가량은, 분말 원재료를 포함한 수용액의 총질량에 대한 케로신량[wt%]으로, 15[wt%]로 하였다.
상기 미립자 제조용 재료 수용액과, 가연성 재료를 용해?혼합하여 조제된 용액을, 도 1에 나타내는 재료공급장치(14)의 용기(14b)에 투입하고, 교반기(14c)로 충분히 교반하였다.
이후는, 실시예 1과 동일한 방법으로 미립자를 생성시켰다. 또한, 플라즈마 토치의 구동 조건 등도, 실시예 1과 마찬가지로 하였다.
본 실시예에서 제조되는 미립자의 평균 입자지름은, 15nm였다.
(실시예 4)
앞서 설명한 도 1에 나타내는 미립자 제조장치(10)에 있어서, 재료공급장치(14)를 도 3에 나타내는 재료공급장치(140)로 바꿔 놓은 미립자 제조장치를 이용하여, 원재료로서 가연성 재료를 포함한 분말 원재료를 이용할 때의 제4 제조형태의 실시예를 설명한다.
본 실시예에서는, 제4 제조형태의 미립자의 제조방법에 의해, 복산화물, 즉 2종류이상의 산화물로부터 구성되는 고차 산화물 미립자인, 티탄산바륨(BaTiO3) 미립자를 제조하였다. 한편, 여기서는, 티탄산바륨(BaTiO3)이, 열플라즈마염 내에서, 용이하게 증발하도록, 입자지름이 10㎛이하의 분말 원재료를 사용하였다.
또한, 가연성 재료로서는, 실시예 1에서 이용한 것과 동일한 케로신(와코 순약공업 주식회사제, 케로신(Sp.Gr.0.78～0.79))를 이용하였다. 케로신의 첨가량은, 분말 원재료를 포함한 가연성 재료의 총질량에 대한 케로신량[wt%]로 15[wt%]로 하였다.
또한, 플라즈마 토치의 구동 조건 등도, 실시예 1과 마찬가지로 하였다.
본 실시예에서 제조되는 미립자의 평균 입자지름은, 15nm였다.
(실시예 5)
앞서 설명한 도 4에 나타내는 제2 실시형태의 미립자 제조장치(110)를 이용 하여 원재료로서 슬러리를 이용하는 제5 제조형태의 실시예 5를 설명한다.
본 발명의 미립자의 제조방법의 제5 제조형태에 의해, 산화 알루미늄(Al2O3)의 미립자를 제조하였다.
먼저, 본 실시예에서는, 실시예 1과 동일하게 하여, 산화 알루미늄 미립자의 원료가 되는 슬러리(14a)를 작성하였다. 이 때, 가연성 재료인 케로신과, 분말 원재료와, 분산제를 포함한 알코올 혼합액과의 총질량에 대한 케로신량을 30[wt%]로 하여 슬러리(14a)를 작성하였다.
또한, 플라즈마 토치(12)의 구동 조건 등도 실시예 1과 마찬가지로 하고, 실시예 1과 완전히 동일하게 하여, 플라즈마 토치(12)내에 아르곤-산소 열플라즈마염을 발생시켰다. 또한, 실시예 1과 완전히 동일하게 하여, 산화 알루미늄(A12O3)의 슬러리를, 분무 가스인 아르곤 가스와 함께, 플라즈마 토치(12)내의 열플라즈마염(24)내에 도입하였다.
기체공급장치(28)에 의해서, 챔버(16)내에 도입되는 기체로서는, 공기를 사용하였다. 이 때의 챔버내 유속은, 5m/sec로, 도입량은, 1m3/min로 하였다. 또한, 상기 공기를 사출할 때, 상술의 각도 α를 135°, 각도 β를 0°로 하였다.
상기와 같이 해서 생성된 산화 알루미늄(A12O3) 미립자의 비표면적(1그램당의 표면적)으로부터 환산한 입자 지름은, 15nm였다. 또한, 생성된 미립자의 수율은, 투입한 분말 원재료 100g당 회수된 상기 미립자의 양이 50g였던 것으로부터, 50%였다.
(실시예 6)
앞서 설명한 도 4에 나타내는 미립자 제조장치(110)를 이용하여, 원재료로서 콜로이드 용액을 이용할 때의 제6의 제조형태의 실시예 6을 설명한다.
본 실시예에서는, 제6 제조형태의 미립자의 제조방법에 의해, 산화 알루미늄(A12O3)의 미립자를 제조하였다.
먼저, 실시예 2와 완전히 동일하게 하여, 미립자 제조용 재료(Al알콕시드)와, 용매(에탄올)와, 가연성 재료(케로신)를 분산?혼합하여 콜로이드 용액을 조제하였다.
이렇게 해서 조제된 콜로이드 용액을, 도 4에 나타내는 재료공급장치(14)의 용기(14b)에 투입하고, 교반기(14c)로 충분히 교반하였다.
이후는, 실시예 5와 동일한 방법으로, 미립자를 생성시켰다. 또한, 플라즈마 토치(12)의 구동 조건 등도, 실시예 5와 마찬가지로 하였다. 또한, 기체공급장치(28)에 의해서 챔버(16) 내에 도입되는 기체의 도입량 및 사출 조건은, 실시예 5의 경우와 동일하게 하였다.
본 실시예에서 제조되는 미립자의 평균 입자지름은, 15nm였다. 또한, 생성된 미립자의 수율은, 투입한 분말 원재료 100g당 회수된 상기 미립자의 양이 55g였던 것으로부터, 55%였다.
(실시예 7)
이어서, 앞서 설명한 도 4에 나타내는 미립자 제조장치(110)를 이용하여 원 재료로서 금속염을 용매 중에 용해시킨 용액을 이용할 때의 제7 제조형태의 실시예 7을 설명한다.
본 실시예에서는, 제7 제조형태의 미립자의 제조방법에 의해, 산화 알루미늄(Al2O3)의 미립자를 제조하였다.
먼저, 실시예 3과 완전히 동일하게 하여, 산화 알루미늄 미립자의 원료가 되는 케로신 첨가 20wt%의 질산알루미늄 용액을 조제하였다.
또한, 플라즈마 토치(12)의 구동 조건 등도 실시예 3과 동일하게 하여, 실시예 3과 완전히 동일하게 하여, 플라즈마 토치(12)내에 아르곤-산소열플라즈마염(24)을 발생시켰다. 또한, 실시예 3과 완전히 동일하게 하여, 원재료인 케로신 첨가 20wt%-질산알루미늄 용액을, 분무 가스인 아르곤 가스와 함께, 플라즈마 토치(12)내의 열플라즈마염(24)중에 공급하였다.
한편, 기체공급장치(28)에 의해서 챔버(16)내에 도입되는 기체의 도입량 및 사출 조건은, 실시예 5의 경우와 동일하게 하였다.
상기와 같이 해서 생성된 산화 알루미늄 미립자의 비표면적으로부터 환산한 입자 지름은 10nm였다. 또한, 생성된 미립자의 수율에 관해서는, 투입한 분말 원재료의 양 100g당의 회수한 상기 미립자의 양은 17g였던 것으로부터, 17%였다.
(실시예 8)
앞서 설명한 도 4에 나타내는 미립자 제조장치(110)에 있어서, 재료공급장치(14)를 도 3에 나타내는 재료공급장치(140)로 바꿔 놓은 미립자 제조장치를 이용 하여, 원재료로서 분말 원재료를 그대로 사용할 때의 제8 제조 실시형태의 실시예 8을 설명한다.
본 실시예에서는, 제8 제조 실시형태의 미립자의 제조방법에 의해, 복산화물, 즉 2종류 이상의 산화물로부터 구성되는 고차 산화물 미립자인, 티탄산바륨(BaTiO3) 미립자를 제조하였다.
한편, 본 실시예에서는, 상술한 실시예 4와 동일하게 하여, 티탄산바륨(BaTiO3)이, 열플라즈마염(24)중에서, 용이하게 증발하도록, 입자지름이 10㎛이하의 분말 원재료를 사용하였다.
또한, 플라즈마 토치(12)의 구동 조건 등도 실시예 4와 완전히 동일하게 하여, 플라즈마 토치(12)내에 아르곤-산소열플라즈마염(24)을 발생시켰다. 또한, 실시예 4와 완전히 동일하게 하여, 티탄산바륨(BaTiO3)의 분말 원재료를, 분무 가스인 아르곤 가스와 함께, 플라즈마 토치(12)내의 열플라즈마염(24)중에 도입하였다.
한편, 기체공급장치(28)에 의해서 챔버(16)내에 도입되는 기체의 도입량 및 사출 조건은, 실시예 5의 경우와 동일하게 하였다.
상기와 같이 해서 생성된 티탄산바륨 미립자의 비표면적으로부터 환산한 입자 지름은 20nm였다. 또한, 생성된 미립자의 수율에 관해서는, 투입한 분말 원재료의 양 100g당 회수한 상기 미립자의 양이 80g였던 것으로부터, 80%였다.
(실시예 9)
먼저, 앞서 설명한 도 7에 나타내는 제3 실시형태의 미립자 제조장치(120)를 이용하여 분말 원재료를 슬러리화하는 제9 제조형태의 실시예 9를 설명한다.
본 발명의 미립자의 제조방법의 제9 제조형태에 의해, 산화 알루미늄(Al2O3)의 미립자를 제조하였다.
먼저, 본 실시예에서는, 실시예 5와 동일하게 하여, 산화 알루미늄미립자의 원료가 되는 슬러리(14a)를 작성하였다.
또한, 플라즈마 토치(12)의 구동 조건 등도 실시예 5와 완전히 동일하게 하여, 플라즈마 토치(12)내에 아르곤-산소열플라즈마염을 발생시켰다. 또한, 실시예 5와 완전히 동일하게 하여, 산화 알루미늄(A12O3)의 슬러리를 분무 가스인 아르곤 가스와 함께, 플라즈마 토치(12)내의 열플라즈마염(24)중에 공급하였다.
기체공급장치(28)에 의해서, 챔버(16)내에 공급되는 기체로서는, 실시예 5와 마찬가지로, 공기를 사용하고, 이 때의 챔버내 유속도, 5m/sec이고, 공급량은, 1m3/min로 하였다.
한편, 사이클론(19)내의 압력은 50kPa로 하고, 또한, 챔버(16)로부터 사이클론(19)에의 미립자의 공급 속도는, 10m/s(평균치)로 하였다.
상기와 같이 해서 생성된 산화 알루미늄(Al2O3) 미립자의 비표면적(1그램당의 표면적)으로부터 환산한 입자 지름은, 15nm였다. 또한, 생성된 미립자의 수율은, 공급한 분말 재료 100g당 회수된 상기 미립자의 양이 50 g였던 것으로부터, 50%였다.
(실시예 10)
이어서, 앞서 설명한 도 7에 나타내는 미립자 제조장치(120)를 이용하여 콜로이드 용액을 출발 재료로서 미립자를 생성하는 제10 제조형태의 실시예 10을 설명한다.
본 실시예에서는, 제10 제조형태의 미립자의 제조방법에 의해, 산화 알루미늄(Al2O3)의 미립자를 제조하였다.
먼저, 실시예 6과 완전히 동일하게 하여, 미립자 제조용 재료(Al알콕시드)와, 용매(에탄올)와, 가연성 재료(케로신)를 분산?혼합하여 콜로이드 용액을 조제하였다.
이렇게 해서 조제된 콜로이드 용액을, 도 7에 나타내는 재료공급장치(14)의 용기(14b)에 공급하고, 교반기(14c)로 충분히 교반하였다.
이후는, 실시예 6과 동일한 방법으로 미립자를 생성시켰다. 또한, 플라즈마 토치(12)의 구동 조건 등도, 실시예 6과 동일하게 하였다. 또한, 기체공급장치(28)에 의해서 챔버(16)내에 공급되는 기체의 공급량 및 사출 조건은, 실시예 9의 경우와 동일하게 하였다. 또한, 사이클론(19)내의 압력 및 챔버(16)로부터 사이클론(19)에의 미립자의 공급 속도도, 실시예 9의 경우와 동이랗게 하였다.
본 실시예에서 제조된 미립자의 평균 입자지름은, 15nm였다. 또한, 생성된 미립자의 수율은, 공급한 분말 재료 100g당 회수된 상기 미립자의 양이 55g였던 것으로부터, 55%였다.
(실시예 11)
다음에, 앞서 설명한 도 7에 나타내는 미립자 제조장치(120)를 이용하여 분말 원재료로서 금속염을 용매 중에 용해시킨 용액을 사용하는 제11 제조형태의 실시예 11을 설명한다.
본 실시예 에서는, 제11 제조형태의 미립자의 제조방법에 의해, 산화 알루미늄(A12O3)의 미립자를 제조하였다.
먼저, 실시예 7과 완전히 동일하게 하여, 산화 알루미늄 미립자의 원료가 되는 케로신 첨가 20wt%의 질산 알루미늄 용액을 조제하였다.
또한, 플라즈마 토치(12)의 구동 조건 등도 실시예 7과 완전히 동일하게 하여, 플라즈마 토치(12)내에 아르곤-산소열플라즈마염(24)을 발생시켰다. 또한, 실시예 7과 완전히 동일하게 하여, 원재료인 케로신 첨가 20wt%-질산알루미늄 용액을, 분무 가스인 아르곤 가스와 함께, 플라즈마 토치(12)내의 열플라즈마염(24)중에 공급하였다.
한편, 기체공급장치(28)에 의해서 챔버(16)내에 공급되는 기체의 공급량 및 사출 조건은, 실시예 9의 경우와 동일하게 하였다. 또한, 사이클론(19)내의 압력 및 챔버(16)로부터 사이클론(19)에의 미립자의 공급 속도도, 실시예 9의 경우와 동일하게 하였다.
상기와 같이 해서 생성된 산화 알루미늄 미립자의 비표면적으로부터 환산한 입자 지름은 10nm였다. 또한, 생성된 미립자의 수율에 관해서는, 공급한 분말 재 료의 양 100g당의 회수한 상기 미립자의 양이 17g였던 것으로부터, 17%였다.
(실시예 12)
앞서 설명한 도 7에 나타내는 미립자 제조장치(120)에 있어서, 재료공급장치(14)를 도 3에 나타내는 재료공급장치(140)로 바꿔놓은 미립자 제조장치를 이용하여, 분말 원재료를 그대로 사용하는 제12 제조 실시형태의 실시예 12를 설명한다.
본 실시예에서는, 제12 제조 실시형태의 미립자의 제조방법에 의해, 복산화물, 즉 2종류 이상의 산화물로부터 구성되는 고차 산화물 미립자인, 티탄산바륨(BaTiO3) 미립자를 제조하였다.
한편, 본 실시예에서는, 상술한 실시예 8과 마찬가지로, 티탄산바륨(BaTiO3)이, 열플라즈마염(24)중에서 용이하게 증발하도록, 입자지름이 10㎛이하의 분말 원재료를 사용하였다.
또한, 플라즈마 토치(12)의 구동 조건 등도 실시예 8과 완전히 동일하게 하여, 플라즈마 토치(12)내에 아르곤-산소 열플라즈마염(24)을 발생시켰다. 또한, 실시예 4와 완전히 동일하게 하여, 티탄산바륨(BaTiO3)의 분말 원재료를 분무 가스인 아르곤 가스와 함께, 플라즈마 토치(12)내의 열플라즈마염(24)중에 공급하였다.
한편, 기체공급장치(28)에 의해서 챔버(16)내에 공급되는 기체의 공급량 및 사출 조건은, 실시예 9의 경우와 동일하게 하였다. 또한, 사이클론(19)내의 압력 및 챔버(16)로부터 사이클론(19)에의 미립자의 공급 속도도, 실시예 9의 경우와 동 일하게 하였다.
상기와 같이 해서 생성된 티탄산바륨 미립자의 비표면적으로부터 환산한 입자 지름은 20nm였다. 또한, 생성된 미립자의 수율에 관해서는, 공급한 분말 재료의 양 100g당의 회수한 상기 미립자의 양이 80g인 것으로부터, 80%였다.
이상의 실시예 1～실시예 12의 결과로부터, 본 발명의 제1～제3 형태의 미립자의 제조방법 및 본 발명의 제4～제5 형태의 미립자의 제조장치의 효과는, 분명하다.
한편, 상기 실시예 1, 5 및 9에서는, 분말 원재료로서 산화 알루미늄 대신에, 산화티탄, 산화지르코늄, 산화칼슘, 산화규소, 산화은, 산화철, 산화 마그네슘, 산화망간, 산화이트륨, 산화세륨, 산화사마륨, 산화베릴륨, 산화바나듐, 산화크롬, 산화바륨 등을 이용하여 동일하게 하여, 각 미립자를 제조할 수 있다.
또한, 상기 실시예 1, 5 및 9에서는, 분말 재료에 분산제 및 가연성 재료를 이용하여 슬러리화하는 예를 나타냈지만, 상술한 바와 같이, 이들 실시예에서는, 분산제 및 가연성 재료의 첨가 순서를 변경하는 경우, 혹은, 분말 재료에, 분산제만을 첨가하는 경우, 가연성 재료만을 첨가하는 경우 등의 실시예도 들 수 있다.
또한, 상기 실시예 2, 6 및 10에서는, 콜로이드 용액에 분산제 및 가연성 재료를 첨가한 예를 나타냈지만, 상술한 바와 같이, 이들 실시예에 대해서는, 분산제 및 가연성 재료의 첨가 순서를 변경하는 경우, 혹은, 콜로이드 용액에 분산제만을 첨가하는 경우, 가연성 재료만을 첨가하는 경우 등의 실시예도 들 수 있다. 또한, 상기 실시예 3, 7 및 11에서는, 금속염으로서 초산염, 염화물, 수산화물, 수산염, 탄산염, 암모늄염을 이용할 수 있다.
또한, 상기 실시예 3, 7 및 11에서는, 분말 재료에 분산제 및 가연성 재료를 이용하여 용액화하는 예를 나타냈지만, 상술한 바와 같이, 이들 실시예에서는, 분산제 및 가연성 재료의 첨가 순서를 변경하는 경우, 혹은, 분말 재료에, 분산제만을 첨가하는 경우, 가연성 재료만을 첨가하는 경우 등의 실시예도 들 수 있다.
또한, 상기 실시예 4, 8 및 12에서는, 분말 재료를 분무 가스인 아르곤 가스와 함께 열플라즈마염 내에 공급하는 예를 나타냈지만, 상술한 바와 같이, 이들 실시예에서는, 가연성 재료를 적절히 첨가하는 경우 등의 실시예도 들 수 있다.

Claims (33)

  1. 미립자 제조용 재료를 열플라즈마염 내에 도입하여, 기상 상태의 혼합물로 하고,
    상기 기상 상태의 혼합물을 급냉하여, 미립자를 생성할 때에,
    상기 미립자 제조용 재료를 상기 열플라즈마염 내에 도입하는 과정이,
    상기 미립자 제조용 재료를, 케로신, 가솔린 또는 옥탄으로부터 선택되는 1종류 이상의 가연성 재료를 포함한 분산매 또는 용매 중에 분산 또는 용해시켜 분산 액체로 하여,
    상기 분산 액체를 액적화시켜 상기 열플라즈마염 내에 도입하거나, 혹은, 상기 미립자 제조용 재료를, 캐리어 가스와 가연성 재료를 이용하여 분산시키고,
    이 분산시킨 미립자 제조용 재료를 상기 열플라즈마염 내에 도입하는 것을 특징으로 하는, 미립자의 제조방법.
  2. 미립자 제조용 재료를 열플라즈마염 내에 도입하여, 기상 상태의 혼합물로 하고,
    상기 기상 상태의 혼합물을 급냉하는 데에 상기 열플라즈마염 내에 공급하는 기체를 200%~5000%로 하는 기체를, 상기 열플라즈마염의 꼬리부를 향해서 공급하여, 미립자를 제조하는 것을 특징으로 하는, 미립자의 제조방법.
  3. 열플라즈마를 이용한 미립자 생성 처리에 의해 생성된 1차 미립자를,
    적어도 1개 이상의 사이클론 내에 도입하여, 냉각과, 규정한 입자지름 이상의 입자지름으로의 분급을 실시하고,
    상기 분급에 의해, 상기 규정한 입자지름 이상의 입자지름을 가진 조대 입자를 제거하고,
    상기 조대 입자가 제거된, 입자지름이 100nm 이하의 2차 미립자를 회수하는 것을 특징으로 하는, 미립자의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 1차 미립자를 생성하는 처리가,
    미립자 제조용 재료를 분산시켜 열플라즈마염 내에 도입하여,
    상기 미립자 제조용 재료를 증발시켜 기상 상태의 혼합물로 하는 처리인, 미립자의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 1차 미립자를 생성하는 처리에 있어서,
    상기 미립자 제조용 재료를 증발시켜, 기상 상태의 혼합물로 한 후,
    이 혼합물을 급냉하기 위한 기체를, 상기 열플라즈마염 내에 도입하는 기체의 200%～5000%의 양, 상기 열플라즈마염의 꼬리부를 향해서 공급하는, 미립자의 제조방법.
  6. 제 2 항, 제 4 항 및 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 미립자 제조용 재료를 열플라즈마염 내에 도입하는 과정이,
    상기 미립자 제조용 재료를 분산매 중에 분산시켜 슬러리로 하고,
    이 슬러리를 액적화시켜 상기 열플라즈마염 내에 도입하는 것인, 미립자의 제조방법.
  7. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 및 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 미립자 제조용 재료를 열플라즈마염 내에 도입하는 과정이,
    상기 미립자 제조용 재료를 가연성 재료 중에 분산시켜 슬러리로 하고,
    이 슬러리를 액적화시켜 상기 열플라즈마염 내에 도입하는 것인, 미립자의 제조방법.
  8. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 및 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 미립자 제조용 재료를 열플라즈마염 내에 도입하는 과정이,
    상기 미립자 제조용 재료를 분산매와 가연성 재료를 이용하여 분산시켜 슬러리로 하고, 이 슬러리를 액적화시켜 상기 열플라즈마염 내에 도입하는 것인, 미립자의 제조방법.
  9. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 및 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 미립자 제조용 재료를 열플라즈마염 내에 도입하는 과정이,
    상기 미립자 제조용 재료를 분산매 중에 분산시킨 후, 가연성 재료를 더 첨가하여 슬러리로 하고,
    이 슬러리를 액적화시켜 상기 열플라즈마염 내에 도입하는 것인, 미립자의 제조방법.
  10. 제 2 항, 제 4 항 및 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 미립자 제조용 재료를 열플라즈마염 내에 도입하는 과정이,
    상기 미립자 제조용 재료를 분산매 중에 현탁시켜 콜로이드 용액으로 하고,
    이 콜로이드용액을 액적화시켜 상기 열플라즈마염 내에 도입하는 것인, 미립자의 제조방법.
  11. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 및 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 미립자 제조용 재료를 열플라즈마염 내에 도입하는 과정이,
    상기 미립자 제조용 재료를 가연성 재료 중에 현탁시켜 콜로이드 용액으로 하고,
    이 콜로이드 용액을 액적화시켜 상기 열플라즈마염 내에 도입하는 것인, 미립자의 제조방법.
  12. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 및 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 미립자 제조용 재료를 열플라즈마염 내에 도입하는 과정이,
    상기 미립자 제조용 재료를 분산매와 가연성 재료 중에 현탁시켜 콜로이드 용액으로 하고,
    이 콜로이드 용액을 액적화시켜 상기 열플라즈마염 내에 도입하는 것인, 미립자의 제조방법.
  13. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 및 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 미립자 제조용 재료를 열플라즈마염 내에 도입하는 과정이,
    상기 미립자 제조용 재료를 분산매 중에 현탁시킨 후, 가연성 재료를 더 첨가하여 콜로이드 용액으로 하고,
    이 콜로이드 용액을 액적화시켜 상기 열플라즈마염 내에 도입하는 것인, 미립자의 제조방법.
  14. 제 2 항, 제 4 항 및 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 미립자 제조용 재료를 열플라즈마염 내에 도입하는 과정이,
    상기 미립자 제조용 재료를 용매 중에 용해시켜 용해 용액으로 하고,
    이 용해 용액을 액적화시켜 상기 열플라즈마염 내에 도입하는 것인, 미립자의 제조방법.
  15. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 및 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 미립자 제조용 재료를 열플라즈마염 내에 도입하는 과정이,
    상기 미립자 제조용 재료를, 가연성 재료를 이용하여 용해시켜 용해 용액으로 하고,
    이 용해 용액을 액적화시켜 상기 열플라즈마염 내에 도입하는 것인, 미립자의 제조방법.
  16. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 및 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 미립자 제조용 재료를 열플라즈마염 내에 도입하는 과정이,
    상기 미립자 제조용 재료를 용매와 가연성 재료를 이용하여 용해시켜 용해 용액으로 하고,
    이 용해 용액을 액적화시켜 상기 열플라즈마염 내에 도입하는 것인, 미립자의 제조방법.
  17. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 및 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 미립자 제조용 재료를 열플라즈마염 내에 도입하는 과정이,
    상기 미립자 제조용 재료를 용매 중에 용해시킨 후, 가연성 재료를 더첨가하여 용해 용액으로 하고,
    이 용해 용액을 액적화시켜 상기 열플라즈마염 내에 도입하는 것인, 미립자의 제조방법.
  18. 제 2 항, 제 4 항 및 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 미립자 제조용 재료를 분산시켜 열플라즈마염 내에 도입하는 과정이,
    상기 미립자 제조용 재료를 캐리어 가스를 이용하여 분산시켜,
    이 분산시킨 미립자 제조용 재료를, 상기 열플라즈마염 내에 도입하는 것인, 미립자의 제조방법.
  19. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 및 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 미립자 제조용 재료를 분산시켜 열플라즈마염 내에 도입하는 과정이,
    상기 미립자 제조용 재료를 캐리어 가스와 가연성 재료를 이용하여 분산시키고,
    이 분산시킨 미립자 제조용 재료를 상기 열플라즈마염 내에 도입하는 것인, 미립자의 제조방법.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 가연성 재료는 상기 열플라즈마염을 안정화시키는 작용을 가진 것인, 미립자의 제조방법.
  21. 제 6 항에 있어서,
    상기 슬러리에 계면활성제, 고분자, 커플링제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 첨가하는, 미립자의 제조방법.
  22. 제 10 항에 있어서,
    상기 콜로이드 용액에, 계면활성제, 고분자, 커플링제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 또는 2종 이상의 혼합물을 첨가하는, 미립자의 제조방법.
  23. 제 14 항에 있어서,
    상기 용해 용액에, 계면활성제, 고분자, 커플링제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종, 또는 2종 이상의 혼합물을 첨가하는, 미립자의 제조방법.
  24. 제 18 항에 있어서,
    상기 분산시킨 미립자 제조용 재료에, 계면활성제, 고분자, 커플링제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 첨가하는, 미립자의 제조방법.
  25. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항, 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 미립자 제조용 재료를 구성하는 성분은, 원자 번호 3～6, 11～15, 19～34, 37～52, 55～60, 62～79 및 81～83의 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는, 단체 산화물, 복합 산화물, 복산화물, 산화물 고용체, 금속, 합금, 수산화물, 탄산 화합물, 할로겐화물, 황화물, 질화물, 탄화물, 수소화물, 금속염 또는 금속 유기 화합물인, 미립자의 제조 방법.
  26. 미립자 제조용 재료를 분산시켜, 열플라즈마염 내에 공급하는 재료공급수단과,
    열플라스마염을 발생시키고, 상기 미립자 제조용 재료를 증발시켜,기상 상태의 혼합물로 하는, 상기 재료공급수단과 접속된 플라즈마 토치와,
    상기 기상 상태의 혼합물을 급냉하는 데에 필요한 공간을 형성하는, 상기 플라즈마 토치와 접속된 냉각실과,
    상기 기상 상태의 혼합물을 급냉하는 데에 상기 열플라즈마염 내에 공급하는 기체를 200%~5000%로 하는 기체를, 상기 열플라즈마염의 꼬리부를 향하여 공급하는 기체공급수단을 가진 것을 특징으로 하는, 미립자의 제조장치.
  27. 미립자 제조용 재료를 분산시켜, 열플라즈마염 내에 공급하는 재료공급수단과,
    열플라즈마염을 발생시키고, 상기 미립자 제조용 재료를 증발시켜, 기상 상태의 혼합물로 하는, 상기 재료공급수단과 접속된 플라즈마 토치와,
    상기 기상 상태의 혼합물을 급냉하는 데에 필요한 공간을 형성하는, 상기 플라즈마 토치와 접속된 냉각실과,
    상기 기상 상태의 혼합물을 급냉하여 생성한 1차 미립자를 도입하는, 분급 수단으로서의 적어도 1개 이상의 사이클론을 가진 것을 특징으로 하는, 미립자의 제조장치.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 기상 상태의 혼합물을 급냉하는 데에 상기 열플라즈마염 내에 공급하는 기체를 200%~5000%로 하는 기체를, 상기 열플라즈마염의 꼬리부를 향해 공급하는 기체공급수단을 가진, 미립자의 제조장치.
  29. 제 26 항 내지 제 28 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 재료공급수단은,
    상기 미립자 제조용 재료를 분산시킨 슬러리를 조제?저장하는 재료조제수단과,
    상기 슬러리를 상기 플라즈마 토치 내부의 상기 열플라즈마염 내에 분무하기 위한, 상기 재료조제수단에 접속되는 분무수단을 가진, 미립자의 제조장치.
  30. 제 26 항 내지 제 28 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 재료공급수단은,
    상기 미립자 제조용 재료를 현탁시키거나, 혹은 미립자 제조용 재료 용액을 화학반응시켜 콜로이드 용액을 조제하고, 이것을 저장하는 재료조제수단과,
    상기 콜로이드 용액을 상기 플라즈마 토치 내부의 상기 열플라즈마염 내에 분무하기 위한, 상기 재료조제수단에 접속되는 분무수단을 가진, 미립자의 제조장치.
  31. 제 26 항 내지 제 28 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 재료공급수단은,
    상기 미립자 제조용 재료를 용해시킨 용해용액을 조제?저장하는 재료조제수단과,
    상기 용해 용액을 상기 플라즈마 토치 내부의 상기 열플라즈마염 내에 분무하기 위한, 상기 재료조제수단에 접속되는 분무수단을 가진, 미립자의 제조장치.
  32. 제 26 항 내지 제 28 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 재료공급수단이,
    상기 미립자 제조용 재료로서의 분말 재료를, 그 저장 수단으로부터 내보내는 분말 재료공급수단과,
    이 분말 재료공급수단으로부터 공급된 분말 재료를 분산하여 상기 플라즈마 토치 내부의 상기 열플라즈마염 내에 공급하기 위한, 상기 분말 재료공급수단에 접속되는 기체반송수단을 가진, 미립자의 제조장치.
  33. 삭제
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