KR20190116612A - 금속분말 또는 금속합금 제조를 위한 마이크로웨이브 플라즈마 토치 및 이를 이용하여 금속화합물 또는 금속화합물이 포함된 물질 및 금속분말을 처리하는 방법 - Google Patents

금속분말 또는 금속합금 제조를 위한 마이크로웨이브 플라즈마 토치 및 이를 이용하여 금속화합물 또는 금속화합물이 포함된 물질 및 금속분말을 처리하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속산화물, 금속염화물, 금속불화물 등의 금속화학물, 혹은 금속화합물을 포함하는 물질 및 금속 분말 등을 처리하기 위한 마이크로웨이브 플라즈마 토치 및 이를 이용하여 상기 물질을 처리하는 방법 에 관한 것으로서, 본 발명의 일 형태를 따르면, 마이크로웨이브가 유입되는 도파관에 결합되며, 내부에 공간이 형성되고, 플라즈마 가스가 유입되는 아우터 컨덕터, 상기 아우터 컨덕터의 도파관이 결합된 부분에 배치되는 쿼츠, 상기 아우터 컨덕터의 내부에 상기 아우터 컨덕터와 동축으로 배치되며, 내부에 금속전구체가 투입되는 인너 컨덕터를 포함하는 마이크로웨이브 플라즈마 토치가 제공된다.

Description

금속분말 또는 금속합금 제조를 위한 마이크로웨이브 플라즈마 토치 및 이를 이용하여 급속화합물 또는 금속화합물이 포함된 물질 및 금속분말을 처리하는 방법{Microwave Plasma Torch for Metal Powder Treatment or producing Metal Alloy and Method for Treatment of Metal Powder or Material having metal compound Using the Same}
본 발명은 마이크로웨이브 플라즈마 토치에 관한 것으로서, 금속산화물, 금속염화물, 금속불화물, 유기금속화합물 등의 금속화합물을 전구체로 사용하여 금속분말 혹은 금속합금을 합성하거나 금속 분말, 금속화합물이 포함된 물질을 처리하기 위한 금속분말 또는 금속합금 제조를 위한 마이크로웨이브 플라즈마 토치 및 이를 이용하여 급속화합물 또는 금속화합물이 포함된 물질 및 금속분말을 처리하는 방법에 관한 것이다.
금속화합물을 전구체나 연료로 하여 금속 분말을 제조 및 합성하는 방법이나, 전통적인 방법으로 생산된 금속분말을 처리하는 데 플라즈마를 이용한 방법들이 지속적으로 연구개발 되어왔다.
플라즈마를 이용한 금속화합물 및 금속분말을 처리하는 방법은 아크 플라즈마, RF 플라즈마, 마이크로웨이브 플라즈마 등을 이용하는 방법들이 개발되었고, 이 중, 에너지 전달효율이 높은 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 방법들이 최근 들어 개발되고 있다.
도 1은 일반적인 마이크로웨이브 플라즈마 토치장치의 일반적인 형태를 도시한 도면이다.
일반적인 마이크로웨이브 플라즈마 토치장치는 마이크로웨이브를 발진하는 마그네트론(20), 마그네트론에 전원을 공급하는 전원공급장치(10), 마그네트론으로 반사되는 반사파를 흡수하고 마그네트론으로 부터 발진된 마이크로웨이브를 출력하는 순환기(30), 입사파와 반사파를 모니터링하고 순환기로부터 전달된 마이크로웨이브를 출력하는 방향성 결합기(40), 방향성 결합기로부터 출력된 마이크로웨이브에 대해 임피던스를 매칭시키는 튜너(50), 튜너로부터 전달된 마이크로웨이브를 전달하는 도파관(60), 전달된 마이크로웨이브를 이용해 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 토치(70)로 이뤄진다.
상기 플라즈마 토치(70)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 도파관(60)을 수직으로 관통하는 형태의 반응기(75) 및 쿼츠(80)로 구비될 수 있다.
즉, 상기 반응기(75)는 상기 도파관(60)을 수직으로 관통하는 형태로 구비되며, 내부에 플라즈마 생성을 위한 공간이 형성된다.
또한, 상기 도파관(60)의 마이크로웨이브가 상기 반응기(75) 내부로 유입되기 위하여, 상기 도파관(60)과 반응기가 만나는 부분은 개구되며, 그 위치에 쿼츠(80)가 구비된다.
상기 쿼츠(80)는 마이크로웨이브는 투과시키면서 가스의 유입은 차단시키는 기능을 수행하며, 이 쿼츠(80)로 인해 마이크로웨이브 전달영역과 플라즈마 영역이 구분된다.
상기 반응기(75)의 상부로부터 플라즈마 가스 및 반응가스와 처리하고자 하는 전구체 등이 화살표 방향으로 투입되어 플라즈마에 의한 처리가 이뤄진다.
그런데, 금속화합물을 전구체로 사용하기 위해서나, 금속분말을 처리하기 위해서, 상기 반응기(75)로 금속화합물 전구체나 금속분말을 공급하면 금속화합물 전구체가 플라즈마에 의해 금속 원소로 분리되거나 금속분말이 플라즈마에 의해 처리될 때 상기 쿼츠(80)를 오염시켜 마이크로웨이브(M/W)가 통과할 수 없는 금속성분의 막이 형성되게 된다. 이에 따라 처리 시간이 경과함에 따라 쿼츠(80)에 부착되는 금속성분의 막이 증가하고 스파크가 발생하여 쿼츠를 손상시키기도 하며, 오염이 더욱 진행되면 완전히 마이크로웨이브를 통과시키지 못하게 되어, 플라즈마가 소멸될 수도 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 금속화합물을 전구체로 사용하거나 금속분말을 처리할 수 있고, 장시간 사용이 가능한 플라즈마 토치를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 형태에 따르면, 마이크로웨이브가 유입되는 도파관에 결합되며, 내부에 플라즈마가 형성되는 공간이 형성되고, 플라즈마 가스가 유입되는 아우터 컨덕터, 상기 도파관으로부터 상기 아우터 컨덕터로 유입되는 마이크로 웨이브를 투과시키는 쿼츠, 상기 아우터 컨덕터의 내부에 상기 아우터 컨덕터와 동축으로 배치되며, 내부에 금속화합물 전구체 혹은 금속 분말이 투입될 수 있는 공간이 형성되는 인너 컨덕터를 포함하는 금속 분말을 위한 마이크로웨이브 플라즈마 토치가 제공된다.
상기 쿼츠는, 상기 아우터 컨덕터의 양 단 사이에 구비되며, 상기 인너 컨덕터의 끝단은, 플라즈마 가스의 흐름 방향으로 상기 쿼츠로부터 이격된 위치에 형성될 수 있다.
상기 인너 컨덕터의 끝단은, 상기 아우터 컨덕터의 내부에 위치될 수 있다.
상기 아우터 컨덕터에 유입되는 플라즈마 가스는 상기 아우터 컨덕터 내에서 스월을 형성할 수 있다.
상기 플라즈마 가스는 아르곤, 질소 등의 불활성 가스를 포함할 수 있다.
상기 아우터 컨덕터 또는 인너 컨덕터에는 상기 금속화합물 전구체로부터 금속원소를 분리해내기 위한 반응가스가 투입될 수 있다.
상기 반응가스는 수소(H2)를 포함할 수 있다.
상기 쿼츠는, 상기 아우터 컨덕터와 상기 도파관이 결합되는 부분에 배치될 수 있다.
상기 쿼츠는, 상기 아우터 컨덕터와 이격된 위치의 상기 도파관 내에 배치될 수 있다.
상기 아우터 컨덕터의 상기 아우터 컨덕터와 상기 도파관이 연통된 부분의 상측을 폐쇄하는 금속판을 더 포함할 수 있다.
상기 금속판은 상기 아우터 컨덕터의 길이방향으로 그 위치가 조절가능하게 구비될 수 있다.
상기 플라즈마 가스는 상기 아우터 컨덕터의 상기 쿼츠가 위치된 높이와 상기 인너 컨덕터의 끝단의 높이 사이의 높이에서 유입될 수 있다.
상기 금속화합물 전구체는 고체, 액체, 기체 상태일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 형태에 따르면, 아우터 컨덕터에 플라즈마 가스가 유입되는 플라즈마 가스 유입 단계, 인너 컨덕터에 금속화합물전구체가 투입되는 금속화합물전구체 투입단계, 아우터 컨덕터 또는 인너 컨덕터 중 적어도 어느 하나에 반응가스가 투입되는 반응가스 투입단계, 아우터 컨덕터로 유입되는 마이크로웨이브에 의해 플라즈마 가스에 플라즈마가 형성되는 가스 플라즈마 형성단계, 퀴츠로부터 이격된 위치인 인너 컨덕터의 끝단에서 토출되는 금속전구체에, 반응가스와 플라즈마 가스에 의한 플라즈마가 형성되는 파티클 플라즈마 형성단계 및 금속전구체가 플라즈마에 의해 금속분말로 석출되는 파티클 형성단계를 포함하는 플라즈마 토치를 이용한 금속 분말 처리방법이 개시된다.
상기 플라즈마 가스는 아르곤 또는 질소 등의 불활성 가스를 포함할 수 있다.
상기 반응가스는 수소(H2)를 포함할 수 있다.
상기 금속화합물 전구체는 고체, 액체, 기체 상태일 수 있다.
본 발명의 금속분말을 위한 마이크로웨이브 플라즈마 토치 및 이를 이용하여 금속분말을 처리하는 방법에 따르면, 금속 산화물 전구체를 마이크로웨이브 플라즈마 토치를 이용하여 처리하여 금속분말을 생산할 수 있어 생산성이 비약적으로 향상되며, 플라즈마 토치의 쿼츠 손상을 방지하여 연속운전이 가능한 효과가 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
아래에서 설명하는 본 출원의 바람직한 실시예의 상세한 설명뿐만 아니라 위에서 설명한 요약은 첨부된 도면과 관련해서 읽을 때에 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 도면에는 바람직한 실시예들이 도시되어 있다. 그러나, 본 출원은 도시된 정확한 배치와 수단에 한정되는 것이 아님을 이해해야 한다.
도 1은 일반적인 마이크로웨이브 플라즈마 토치 및 마이크로웨이브 발생부를 도시한 사시도;
도 2는 도 1의 플라즈마 토치를 도시한 단면도;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 토치를 도시한 단면도;
도 4는 도 3의 플라즈마 토치에서 플라즈마 반응이 일어나는 모습을 도시한 단면도;
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 토치를 도시한 단면도;
도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 플라즈마 토치를 도시한 단면도;
도 7는 도 3의 플라즈마 토치에서 일어나는 반응을 도시한 화학식;
도 8은 본 발명의 마이크로웨이브 플라즈마 토치를 이용하여 금속분말을 처리하는 방법을 도시한 순서도 이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예에 따른 금속분말 처리를 위한 마이크로웨이브(M/W) 플라즈마 토치(100)(이하, 설명의 편의를 위하여 '플라즈마 토치'로 칭하기로 함)은 도 3에 도시된 바와 같이, 아우터 컨덕터(110), 쿼츠(130) 및 인너 컨덕터(120)를 포함할 수 있다.
상기 아우터 컨덕터(110)는 도파관(60)에 결합되며, 내부에 공간이 형성되며 상기 내부공간으로 플라즈마 가스가 유입될 수 있다.
상기 도파관(60)에는 마이크로웨이브(M/W)를 발진하는 마그네트론 등이 구비되어 상기 아우터 컨덕터(110)의 내부로 마이크로웨이브(M/W)를 전달할 수 있다.
한편, 상기 마이크로웨이브(M/W)는 표면효과(skin effect)에 의해 금속 등을 투과하지 못하며, 상기 아우터 컨덕터(110)는 일반적으로 고온 내열성이 뛰어난 금속 등의 재질로 제작되므로, 상기 아우터 컨덕터(110) 내부로 마이크로웨이브(M/W)가 유입되기 위하여, 상기 아우터 컨덕터(110)와 도파관(60)이 결합되는 부위가 개구된다.
그리고, 상기 개구된 부분이 마이크로웨이브(M/W) 투과가 가능한 쿼츠(130)로 폐쇄된다.
이 때, 상기 아우터 컨덕터(110)가 도파관(60)과 결합되어 개구되는 지점은 상기 아우터 컨덕터(110)의 양 단 사이이며, 따라서, 상기 쿼츠(130)도 상기 아우터 컨덕터(110)의 양 단 사이에 구비될 수 있다.
상기 인너 컨덕터(120)는 마이크로웨이브(M/W)가 투과하지 못하는 금속 등의 재질로 이루어질 수 있으며, 상기 아우터 컨덕터(110)의 내부에 상기 아우터 컨덕터(110)와 동축으로 배치될 수 있다.
상기 아우터 컨덕터(110)에는 플라즈마 가스가 유입되며, 상기 인너 컨덕터(120)에는 금속 전구체가 유입될 수 있다. 이 때, 상기 플라즈마 가스는 마이크로웨이브를 통해 플라즈마를 생성하거나 또는 생성된 플라즈마를 안정화 시키는 가스일 수 있다.
상기 아우터 컨덕터(110) 또는 인너 컨덕터(120)에는 반응가스가 유입될 수 있다. 상기 반응가스는 상기 플라즈마 가스와 함께 아우터 컨덕터(110)에 유입될 수도 있으며, 또는 금속 전구체와 함께 인너 컨덕터(120)에 유입될 수 있다.
물론, 상기 아우터 컨덕터(110)와 인너 컨덕터(120)에 동시에 투입될 수도 있으며, 상기 반응가스는 상기 플라즈마 가스와 같은 종류의 가스일 수 있다.
이 때, 플라즈마 가스 및 금속화합물 전구체와 반응가스는 모두 같은 흐름 방향을 가진다. 본 실시예에서는, 도면을 기준으로 상측에서 유입되어 하측으로 배출되는 흐름 방향을 가지는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
한편, 상기 인너 컨덕터(120)의 끝단의 위치는 상기 아우터 컨덕터(110)의 내부에, 상기 플라즈마 가스의 흐름방향으로 상기 쿼츠(130)로부터 이격된 위치에 형성될 수 있다.
또는 상기 인너 컨덕터(120)의 끝단은 아우터 컨덕터(110)의 끝단과 같은 위치에 형성될 수도 있으며 경우에 따라서는 상기 아우터 컨덕터보다 짧거나 길어질 수도 있을 것이다.
그리고, 상기 아우터 컨덕터(110)에 유입되는 플라즈마 가스는 상기 아우터 컨덕터(110) 내에서 스월을 형성할 수 있다.
이를 위해, 상기 플라즈마 가스가 공급될 때 스월을 일으키는 방향으로 공급되거나 또는 아우터 컨덕터(110)의 내주면 또는 인너 컨덕터(120)의 외주면에 스월을 일으킬 수 있는 가이드(미도시)등의 별도 기구가 구비될 수 있다.
이 때, 상기 플라즈마 가스는, 아르곤이나 질소 등의 불활성 가스나 수소(H2)를 포함할 수 있다.
또한, 반응가스는 수소(H2)를 포함할 수 있다.
상기 금속화합물 전구체는 금속원소와 다른 원소의 화합물일 수 있다. 본 실시예에서는 금속원소와 염소의 화합물인 금속염화물, 예를 들어 TiCl4, NiCl2, LiCl, SiCl4, TaCl4 등일 수 있으며, 또는 금속원소와 불소의 화합물인 금속 불화물 일 수도 있다.
따라서, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 도파관(60)과 쿼츠(130)를 통해 마이크로웨이브(M/W)가 아우터 컨덕터(110) 내부로 유입되며, 상기 아우터 컨덕터(110)의 상측을 통해 플라즈마 가스 및 반응가스가 유입된다.
그리고, 아우터 컨덕터(110) 내부로 유입된 마이크로웨이브(M/W)와 플라즈마 가스 및 반응 가스로 인한 플라즈마(210)가 형성될 수 있다. 이 때 형성된 플라즈마(210)는 가스들에 의해서 형성된 플라즈마이므로 가스 플라즈마(210)라고 칭하기로 한다.
이 때, 유입된 마이크로웨이브(M/W)는 인너 컨덕터(120)를 투과하지 못하므로, 상기 인너 컨덕터(120) 내부에서는 플라즈마 반응이 일어나지 않으며, 상기 가스 플라즈마(210)는 아우터 컨덕터(110)와 인너 컨덕터(120)의 사이에서 발생할 수 있다.
또한, 인너 컨덕터(120)의 길이를 적당하게 조절함으로써, 인너 컨덕터(120)의 끝단 영역에서 전기장을 강하게 형성시킬 수 있다. 이에 따라 인너 컨덕터(120) 끝단 영역에서 플라즈마(220)가 발생할 수 있다. 이 때, 인너 컨덕터(120)의 끝단 영역에서 플라즈마를 발생시키기 위한 인너 컨덕터(120)의 길이는 통상의 당업자라면 반복적인 실험을 통해 도출할 수 있을 것이다.
또한, 상기 아르곤이나 질소 또는 수소 등의 가스에 의해 발생하는 가스 플라즈마 영역 (210)에는 금속화합물 전구체가 유입되지 않으므로 분말 등의 파티클이 형성되지 않아 상기 쿼츠(130)에 분말 등이 쌓이는 일이 발생하지 않는다.
한편, 상기 인너 컨덕터(120) 내부로 유입된 금속화합물 전구체는 인너 컨덕터(120) 내에서는 마이크로웨이브(M/W)를 조사받지 아니하므로 플라즈마 반응이 일어나지 아니하며, 인너 컨덕터(120)의 끝단에 형성되어 있는 플라즈마 영역(220)으로 유입되어 플라즈마에 의해 처리된다.
이 때, 상기 인너 컨덕터(120)의 끝단에서 발생되는 플라즈마를 앞서 설명한 가스 플라즈마(210)과 구별하기 위하여, 파티클 플라즈마(220)라 칭하기로 하는데, 이는 인너 컨덕터(120)의 끝단에서 토출되는 금속화합물 전구체가 플라즈마(220)에 의해 해리되어 금속 분말 등의 파티클이 발생하기 때문이다.
물론, 가스 플라즈마(210)과 파티클 플라즈마(220)는 설명의 편의를 위해 도입된 것으로 도 4에서 쿼츠(130)가 구비되어 있는 영역(210)에서 플라즈마가 형성되는 것과 인너 컨덕터(120)의 끝단에서 형성되는 영역(220)이 분리되어 형성되는 것으로 설명하였고, 실제로는 도 4에 도시한 바와 같이 플라즈마가 분리되어 형성될 수도 있으나, 분리되지 않고 아우터 컨덕터(110)과 인너 컨덕터(120)의 사이 및 인너 컨덕터(120)의 하측 끝단 영역이 모두 함께 어우러져 형성될 수도 있다. 또한, 플라즈마 발생 조건을 조절하면 인너 컨덕터(120)의 끝단에서만 형성시킬 수도 있다.
이하에서는, 상기 파티클 플라즈마(220)를 통해 금속 분말이 생성되는 과정을 설명하기로 한다.
본 실시예에서는, 상기 금속전구체로서 TiCl4가 적용된 것을 예로 들기로 한다.
도 7에 도시된 바와 같이, TiCl4가 반응가스인 H2와 플라즈마 반응을 하게 되면, 수소(H2) 2개 분자가 4H가 되며 TiCl4도 해리되어 Ti와 4Cl로 되고, 각 H 들이 염소(Cl)과 반응하여 염화수소(4HCl)가 되며, Ti는 금속 파우더 형태로 석출될 수 있다.
따라서, 금속화합물 전구체로부터 플라즈마 반응에 의해 금속 분말(230)이 석출되는 것이다.
이 때, 상기 금속 분말(230)이 석출되는 위치가 상기 인너 컨덕터(120)의 끝단이며, 이는 상기 쿼츠(130)와는 이격된 위치이므로, 석출된 금속 분말(230)이 쿼츠(130)에 쌓이는 현상이 발생하지 않을 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 플라즈마 가스의 흐름에 의해 석출된 금속 분말(230)이 쿼츠(130)를 향해 비산되는 것이 방지될 수 있다.
또한, 상기 플라즈마 가스는 쿼츠(130)의 냉각기능도 수행할 수 있다.
따라서, 석출된 금속 분말은 가스의 흐름에 의해 하방으로 낙하되고, 낙하된 금속 분말(230)을 수거할 수 있다.
또한, 상기 아우터 컨덕터(110)와 인너 컨덕터(120) 사이를 흐르는 플라즈마 가스 또는 반응가스의 온도를 제어하는 온도제어부(미도시)가 더 구비될 수 있다. 상기 아르곤이나 질소 또는 수소의 온도를 제어함으로써 석출되는 금속분말(230)의 크기를 조절할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 쿼츠의 형태 및 위치가 변화될 수 있다.
즉, 전술한 실시예에서는 상기 퀴츠(130)가 도파관(60)과 아우터 컨덕터(110)가 결합되어 개구된 부분에 원통형으로 구비되나, 본 실시예에 따르면, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 쿼츠(132)가 상기 도파관(60) 내에 구비될 수 있다. 이 때, 상기 쿼츠(132)는 상기 도파관(60)과 아우터 컨덕터(110)가 결합되어 개구된 부분으로부터 마그네트론(20) 측으로 이격된 위치에 형성될 수 있다.
따라서, 상기 쿼츠(132)가 파티클 플라즈마(220)의 형성위치로부터 더욱 이격될 수 있어 오염의 방지효과가 더욱 커질 수 있으며, 상기 쿼츠(132)가 원통이 형태가 아닌 평판 플레이트형태로 형성될 수 있어 쿼츠의 형성이 보다 용이할 수 있다.
또 한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 아우터 컨덕터(110)의 상측에 마이크로웨이브가 아우터 컨덕터(110)의 상측으로 전달되는 것을 차폐하는 금속판(112)이 더 구비될 수 있다.
즉, 상기 도파관(60)을 통해 아우터 컨덕터(110)의 내부로 전달되는 마이크로 웨이브가 상기 아우터 컨덕터(110)의 상측으로 전달되는 것을 차폐하도록 상기 금속판(112)이 상기 도파관(60)과 아우터 컨덕터(110)가 연통된 지점의 상기 아우터 컨덕터(110)의 상측을 폐쇄하도록 구비될 수 있다.
따라서, 상기 도파관(60)을 통해 아우터 컨덕터(110) 내부로 전달되는 마이크로 웨이브가 상기 아우터 컨덕터(110) 내부에서 상하로 분산되는 것이 방지되고 상기 인너 컨덕터(120)의 끝단 측으로 집중되어 상기 인너 컨덕터(120)의 끝단 측에 전기장이 보다 강하게 형성되도록 할 수 있다.
또한, 상기 금속판(112)의 위치를 상하로 조절함으로써 가스 플라즈마(210) 및 파티클 플라즈마(220)가 형성되는 위치를 미세하게 조절할 수 있다.
따라서, 상기 금속판(112)을 상기 아우터 컨덕터(110)의 길이방향으로 위치가 조절되도록 구비함으로써 상기 가스 플라즈마(210) 및 파티클 플라즈마(220)가 형성되는 위치를 조절할 수 있다.
이 때, 플라즈마 가스 혹은 반응가스는 상기 금속판(112)에 형성된 홀을 통해 상부에서 유입될 수 있으며, 상기 아우터 컨덕터(110)의 도파관(60)과 연결된 지점의 높이와 상기 인너 컨덕터(120)의 끝단의 높이 사이에 형성된 투입구에서(114) 유입될 수도 있다.
이렇게 유입되는 플라즈마 가스 혹은 반응가스는 스월을 형성할 수 있는 구조(미도시)를 구비할 수 있으며 상기 아우터 컨덕터(110)와 인너 컨덕터(120)의 사이에서 스월을 형성하면서 상기 인너 컨덕터(120)의 끝단측으로 유동함으로써 석출되는 금속이 상기 쿼츠(132) 측으로 비산되는 것을 차단할 수 있다.
물론, 이 때, 상기 쿼츠(132)는 상기 도파관(60)과 아우터 컨덕터(110)가 결합되어 개구된 부분에 원통형으로 배치될 수 있거나 또는 도 5의 설명과 같이 상기 도파관(60)내에 플레이트 형태로 배치될 수 도 있다.
한편, 이하에서는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 토치를 이용한 금속 분말 처리방법을 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 플라즈마 토치를 이용한 금속 분말 처리방법은 도 8에 도시된 바와 같이, 플라즈마 가스 유입단계(S110), 금속전구체 투입단계(S120), 반응가스 투입단계(S130), 가스 플라즈마 형성단계(S140), 파티클 플라즈마 형성단계(S150), 파티클 형성단계(S160)를 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 가스 유입단계(S110)는 상기 아우터 컨덕터(110)에 플라즈마 가스가 유입되는 단계이다.
이때, 상기 플라즈마 가스는 아우터 컨덕터(110)와 인너 컨덕터(120)의 사이로 유입되며, 아르곤이나 질소 등의 불활성 가스를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 금속화합물 전구체 투입단계(S120)는, 금속화합물 전구체를 인너 컨덕터(120)의 내부로 투입하는 단계이다.
상기 금속화합물 전구체는 금속원소와 다른 원소의 화합물일 수 있다. 본 실시예에서는 금속원소와 염소의 화합물인 금속염화물, 예를 들어 TiCl4, NiCl2, LiCl, SiCl4, TaCl4 등일 수 있으며, 또는 금속원소와 불소의 화합물인 금속 불활물 일 수도 있다.
또한, 상기 반응가스 투입단계(S130)는 아우터 컨덕터(110) 또는 인너 컨덕터(120) 중 적어도 어느 하나에 반응가스가 투입되는 단계이다.
반응가스는 수소(H2)를 포함할 수 있으며, 상기 플라즈마 가스와 함께 아우터 컨덕터(110)에 유입될 수도 있으며, 또는 금속 전구체와 함께 인너 컨덕터(120)에 유입될 수 있다. 물론, 상기 아우터 컨덕터(110)와 인너 컨덕터(120)에 동시에 투입될 수도 있다.
이 때, 상기 플라즈마 가스, 반응가스, 금속 전구체가 흐르는 방향은 모두 동일할 수 있다.
즉, 도 3을 기준으로 상측에서 하측으로 흐르는 흐름방향을 가질 수 있다.
또한, 상기 아우터 컨덕터(110)와 인너 컨덕터(120) 사이를 흐르는 플라즈마 가스 및 반응가스는 상기 아우터 컨덕터(110)와 인너 컨덕터(120) 사이에서 스월을 형성할 수 있다.
그리고, 가스 플라즈마 형성단계(S140)가 수행될 수 있다. 상기 가스 플라즈마 형성단계(S140)는 아우터 컨덕터(110)로 유입되는 마이크로웨이브(M/W)에 의해 상기 아우터 컨덕터(110)와 인너 컨덕터(120)의 사이로 유입되는 플라즈마 가스 및 반응가스에 플라즈마가 형성되는 단계이다.
상기 마이크로웨이브(M/W)가 인너 컨덕터(120)를 투과하지 못하므로, 상기 인너 컨덕터(120) 내부에는 플라즈마가 형성되지 아니할 수 있다.
또한, 상기 가스 플라즈마(210)는 상기 쿼츠(130) 부근에서 발생될 수 있으나 상기 아르곤이나 질소 또는 수소 등의 가스에 의해 발생되는 플라즈마이므로, 분말 등의 파티클을 형성하지 않아 쿼츠(130)에 분말이 쌓이거나 막이 형성되는 일이 발생되지 아니한다.
상기 파티클 플라즈마 형성단계(S150)에서는, 상기 인너 컨덕터(120)의 끝단에서 토출되는 금속전구체와 반응가스가 플라즈마 반응하는 단계이다.
즉, 마이크로웨이브(M/W)가 인너 컨덕터(120)를 투과하지 못하므로, 인너 컨덕터(120) 내부에서는 플라즈마가 발생하지 않아 상기 금속화합물 전구체가 상기 인너 컨덕터(120) 내부를 유동할 때에는 플라즈마에 의한 반응이 일어나지 않으며 상기 인너 컨덕터(120) 끝단에서 형성되어있는 상기 파티클 플라즈마(220)로 토출될 때 반응가스와 함께 플라즈마 반응을 일으킬 수 있다.
이 때, 상기 파티클 플라즈마(220)는 상기 인너 컨덕터(120) 끝단 부근에서 발생되므로, 상기 쿼츠(130)와는 이격된 위치에서 형성될 수 있다.
그리고, 상기 파티클 형성단계(S160)에서는, 상기 파티클 플라즈마(220)의 상기 금속화합물 전구체와 반응가스의 플라즈마 반응에 의해 상기 금속화합물 전구체에서 금속원소가 분말 형태로 석출되는 단계이다.
즉, 상기 금속전구체가 TiCl4인 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, TiCl4가 반응가스인 H2와 플라즈마 반응을 하게 되면, 먼저 수소(H2) 2개 분자가 4H가 되며 각 H 분자들이 염소(Cl)과 반응하여 염화수소(4HCl)가 되며, Ti는 금속 파우더 형태로 석출될 수 있다.
따라서, 금속전구체로부터 플라즈마 반응에 의해 금속 분말이 석출되는 것이다.
이 때, 상기 금속 분말이 석출되는 위치가 상기 인너 컨덕터(120)의 끝단이며, 이는 상기 쿼츠(130)와는 이격된 위치이므로, 석출된 금속 분말이 쿼츠(130)에 쌓이는 현상이 줄어들 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 플라즈마 가스의 흐름에 의해 석출된 금속 분말이 쿼츠를 향해 비산되는 것이 방지될 수 있으므로, 쿼츠의 손상이 방지되어 장시간 연속운전이 가능하여 생산성이 향상될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
100: 금속 파우더 처리를 위한 마이크로웨이브 플라즈마 토치
110: 아우터 컨덕터 120: 인너 컨덕터
130: 쿼츠 210: 가스 플라즈마
220: 파티클 플라즈마 230: 금속분말
S110: 플라즈마 가스 유입단계
S120: 금속전구체 투입단계
S130: 반응가스 투입단계
S140: 가스 플라즈마 형성단계
S150: 파티클 플라즈마 유입단계
S160: 파티클 형성단계

Claims (15)

  1. 마이크로웨이브가 유입되는 도파관에 결합되며, 내부에 플라즈마가 형성되는 공간이 형성되고, 플라즈마 가스가 유입되는 아우터 컨덕터;
    상기 도파관으로부터 상기 아우터 컨덕터로 유입되는 마이크로 웨이브를 투과시키는 쿼츠;
    상기 아우터 컨덕터의 내부에 상기 아우터 컨덕터와 동축으로 배치되며, 내부에 금속화합물전구체 혹은 금속 분말이 투입될 수있는 공간이 형성되는 인너 컨덕터;
    를 포함하는 금속 화합물 혹은 금속화합물이 포함된 물질 및 금속 분말을 처리하기 위한 마이크로웨이브 플라즈마 토치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 쿼츠는,
    상기 아우터 컨덕터의 양 단 사이에 구비되며,
    상기 인너 컨덕터의 끝단은,
    플라즈마 가스의 흐름 방향으로 상기 쿼츠로부터 이격된 위치에 형성되는, 금속 화합물 혹은 금속화합물이 포함된 물질 및 금속 분말을 처리하기 위한 마이크로웨이브 플라즈마 토치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 인너 컨덕터의 끝단은,
    상기 아우터 컨덕터의 내부에 위치되는 금속 화합물 혹은 금속화합물이 포함된 물질 및 금속 분말을 처리하기 위한 마이크로웨이브 플라즈마 토치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 아우터 컨덕터에 유입되는 플라즈마 가스는 상기 아우터 컨덕터 내에서 스월을 형성하는 금속 화합물 혹은 금속화합물이 포함된 물질 및 금속 분말을 처리하기 위한 마이크로웨이브 플라즈마 토치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 가스는 아르곤, 질소 등의 불활성 가스를 포함하는 금속 화합물 혹은 금속화합물이 포함된 물질 및 금속 분말을 처리하기 위한 마이크로웨이브 플라즈마 토치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 아우터 컨덕터 또는 인너 컨덕터에는 상기 금속화합물 전구체로부터 금속원소를 분리해내기 위한 반응가스가 투입되는 금속 화합물 혹은 금속화합물이 포함된 물질 및 금속 분말을 처리하기 위한 마이크로웨이브 플라즈마 토치
  7. 제6항에 있어서,
    상기 반응가스는 수소(H2)를 포함하는 금속 화합물 혹은 금속화합물이 포함된 물질 및 금속 분말을 처리하기 위한 마이크로웨이브 플라즈마 토치
  8. 제1항에 있어서,
    상기 쿼츠는, 상기 아우터 컨덕터와 상기 도파관이 결합되는 부분에 배치되는 금속 화합물 혹은 금속화합물이 포함된 물질 및 금속 분말을 처리하기 위한 마이크로웨이브 플라즈마 토치
  9. 제1항에 있어서,
    상기 쿼츠는, 상기 아우터 컨덕터와 이격된 위치의 상기 도파관 내에 배치되는 금속 화합물 혹은 금속화합물이 포함된 물질 및 금속 분말을 처리하기 위한 마이크로웨이브 플라즈마 토치
  10. 제1항에 있어서,
    상기 아우터 컨덕터의 상기 아우터 컨덕터와 상기 도파관이 연통된 부분의 상측을 폐쇄하는 금속판을 더 포함하는 금속 화합물 혹은 금속화합물이 포함된 물질 및 금속 분말을 처리하기 위한 마이크로웨이브 플라즈마 토치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 금속판은 상기 아우터 컨덕터의 길이방향으로 그 위치가 조절가능하게 구비되는 금속 화합물 혹은 금속화합물이 포함된 물질 및 금속 분말을 처리하기 위한 마이크로웨이브 플라즈마 토치.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 플라즈마 가스는 상기 아우터 컨덕터의 상기 쿼츠가 위치된 높이와 상기 인너 컨덕터의 끝단의 높이 사이의 높이에서 유입되는 금속 화합물 혹은 금속화합물이 포함된 물질 및 금속 분말을 처리하기 위한 마이크로웨이브 플라즈마 토치.
  13. 아우터 컨덕터에 플라즈마 가스가 유입되는 플라즈마 가스 유입 단계;
    인너 컨덕터에 금속화합물전구체가 투입되는 금속화합물전구체 투입단계;
    아우터 컨덕터 또는 인너 컨덕터 중 적어도 어느 하나에 반응가스가 투입되는 반응가스 투입단계;
    아우터 컨덕터로 유입되는 마이크로웨이브에 의해 플라즈마 가스에 플라즈마가 형성되는 가스 플라즈마 형성단계;
    퀴츠로부터 이격된 위치인 인너 컨덕터의 끝단에서 플라즈마가 형성되는 파티클 플라즈마 형성단계;
    금속전구체가 상기 파티클 플라즈마에서 반응가스와 반응하여 금속분말로 석출되는 파티클 형성단계;
    를 포함하는 플라즈마 토치를 이용한 금속 화합물 혹은 금속화합물이 포함된 물질 및 금속 분말 처리방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 플라즈마 가스는 아르곤 또는 질소 등의 불활성 가스를 포함하는 플라즈마 토치를 이용한 금속 화합물 혹은 금속화합물이 포함된 물질 및 금속 분말 처리방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 반응가스는 수소(H2)를 포함하는 플라즈마 토치를 이용한 금속 화합물 혹은 금속화합물이 포함된 물질 및 금속 분말 처리방법.
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