[발명의 명칭】

흔합 가스 분사를 이용한 미세 분말 제조 장치 및 방법

【기술분야]

본 발명은 흔합 가스 분사를 이용한 원료 분말 제조 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 가스 및 고체 분말이 흔합된 흔합 가스를 원료 물질이 용융된 원료 용액에 분사하여 미세 분말을 형성하는 흔합 가스 분사를 이용한 원료 분말 제조 장치 및 방법에 관한 것이다. 【배경기술】

미세 분말은 금속을 미세한 가루로 만든 것으로， 도료, 회화구， 금 .은색 인쇄 잉크， 화학공업용촉매나 불꽃의 원료 및 금속환원제 등과 같이 다양한 분야에 이용된다. 최근에는 미세 분말은 솔더용 파우더 또는 솔더용 페이스트 등과 같이 전자부품의 솔더링에 주로 이용되고 있으며， 그 수요가 점차 증대되고 있는 실정이다. 이동 통신기기의 소형화， 다중밴드화， 고주파화 추세에 따라 부품분야의 고집적화 및 소형화가 요구되고 있으며, 칩 제조분야에서는 칩 자체의 미세화, 집적화가 진행되고 있다. 이에 따라， 이에 향후 솔더페이스트， 솔더파우더 등과 같은 미세 분말의 수요또한 증가 하고 있다. 미세 분말의 제조방식에는 다양한 종류가 있으며， 미세분말은 보다 미세한 사아즈를 가져야 하고, 또한 그 생산성 내지 생산수율이 높아야 한다. 일반적으로 미세 분말을 제조하는 방법으로는 고체 금속을 분쇄하는 분쇄법과 석출과 같은 화학적 방법을 통한 습식법, 그리고 금속소재를 용융시킨 뒤 분사노즐을 이용하여 분무하는 분무법 등이 사용된다. 상기 방법 중， 상기 분무법은 사용하는 냉각매체에 따라 물과 같은 액체를 사용하는 수분사 아토마이저와 가스를 사용하는 가스 아토마이저로 구분할 수 있다. 이때， 수분사 아토마이저 장치는 물과 같은 액체만 분사하거나， 물과 가스를 흔합하여 분사하는 방식으로 구분할 수 있다. 수분사 아토마이저 방식은 가스 아토마이저 방식과 비교하여 작동 방식 및 액적의 분쇄 모델이 유사하지만， 액적을 분쇄하기 위한 운동 에너지 전달을 가스인 기체 대신에 액체를 사용하다는 차이점이 있다.

따라서， 수분사 아토마이저 장치는 가스 대신 밀도가 큰 물을 분사하기 때문에， 상대적으로 큰 운동에너지를 발생하여 l/ m 크기의 금속 분말까지 생성할 수 있는 장점을 가지지만， 비활성 기체 대신 물을 사용하면서 생성물인 금속 분말와 산화 (Oxidi zat ion)와 후처리 문제의 한계점을 가지고 있다. 또한， 종래 가스 아토마이저 장치는 용융 금속을 분사노즐을 통하여 흘려주면서 상온의 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 가스를 분사하여 금속 분말을 제조하며， 제조된 금속분말의 입자크기가 평균 100//m 정도로 형성된다. 도 1은 일반적인 가스 아토마이저 장치가 도시된 도면이다. 도 1를 참조하면, 일반적인 가스 아토마이저 장치 (10)는 원통형 챔버 (1)의 금속 액체가 공급 튜브 (2)를 통해 중력에 의해 아래 방향으로 홀러 내리고, 비활성 기체가 노즐 (3)을 통해 빠른 속도 (500m/s이상)로 흘러 내리는 금속 액체 방향으로 분사된다. 빠른 속도의 비활성 기체는 큰 운동 에너지를 가지고 금속 액적에 타격되면서 금속 액적들이 분쇄되고 -무화 (atomi zat ion)된다. 그러나, 이와 같은 가스 아토마이저 장치를 이용한 금속 분말의 제조는 큰 표면장력을 가지는 금속 액적을 분쇄하기 위해 가스 운동 에너지의 증가가 필요하여 가스 분사 속도를 크게 증가시킬 필요성이 있다. 그러나， 900m/s 이상의 가스 사 속도는 상용 가스 아토마이저 장치에서 현실적 한계점을 가지기 때문에 10^ 이하의 금속 분말을생산하는데 이론적 어려움이 있다. 따라서， 금속 분말의 산화를 막으면서도， 더욱 작은 미세 분말을 얻기 위한 기술이 요구되어지며, 이에 본 발명은 기존 기술^다 작은 미세 분말을 제조하고자 한다.

[선행기술문헌]

[특허문헌]

(특허문헌 1) 대한민국 공개특허 제 10-2011-0049487호

(특허문현 2) 대한민국 등록특허 제 10-1143887호

【발명의 상세한 설명】

【기술적 과제】

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 금속, 금속의 합금 및 금속 /세라믹 복합물질 중 적어도 하나로 이루어진 미세 원료 분말을 제조하는 흔합 가스 분사를 이용한 미세 분말 제조 장치 및 방법 을 제공하는데 있다. 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 가스 및 고체 분말이 흔합된 흔합가스를 원료 용액에 직접적으로 분사하는 방법으로 미세 원료 분말을 제조하는 흔합 가스 분사를 이용한 미세 분말 제조 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

【기술적 해결방법】

상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 흔합 가스 분사를 이용한 미세 분말 제조 장치는， 원료 물질을 용융시켜 형성된 원료 용액을 공급하는 용융 챔버 및 상기 용융 챔버로부터 공급되는 상기 원료.용액에 가스 및 고체 분말이 흔합된 흔합 가스를 분사하여 원료 분말을 형성하도록 하는 혼합 가스 분사 장치를 포함할 수 있으며， 상기 용융 챔버 하부에 형성되어 상기 원료 분말을 수용하는 수용 챔버， 상기 수용 챔버 하부에 형성되며， 상기 원료 분말 중 정해진 크기 보다 큰 크기를 가지는 원료 분말을 걸러 내기 위해 정해진 크기의 체눈을 가지는 스크린， 상기 스크린 하부에 형성되어 스크린을 통과한 완성된 미세 원료 분말을 수거하는 수거 챔버를 더 포함할 수 있다. 또는 용융챔버 하부의 수거챔버와 싸이클론을 통해 미세 원료분말을 수거한다. 또한， 상기 흔합 가스 분사 장치는 상기 가스 및 고체 분말이 흔합된 흔합 가스를 생성하여 상기 원료 용액에 분사하는 흔합 가스 분사실, 상기 흔합 가스 분사실에 가열된 가스를 공급하는 가스 가열실 및 상기 흔합 가스 분사실에 가열된 고체 분말을 공급하는 고체 분말 가열실을 포함할 수 있으며, 상기 흔합 가스 분사 장치는 상기 가스 가열실로 공급되기 위한 가스를 저장하는 가스 저장소 및 상기 금속 분말 가열실로 공급되기 위한 고체 분말을 저장하는 고체 분말 저장소를 더 포함할 수 있다. 또한， 본 발명에 따른 흔합 가스 분사를 이용한 미세 분말 제조 방법은， 원료 물질을 용융시켜 형성된 원료 용액을 공급하는 단계， 상기 공급된 원료 용액에 가스 및 고체 분말이 흔합된 흔합 가스를 분사하여 원료 액적을 형성하는 단계 및 상기 원료 액적을 냉각시켜 원료 분말을 형성하는 단계를 포함할 수 있으며， 상기 형성된 원료 분말에서 정해진 크기보다 븐 크기를 가지는 원료 분말을 걸러내어 원료 분말을 희수하는 단계를 더 포함할 수 있다.

【유리한 효과]

본 발명의 실시형태에 따른 미세분말쎄조장치 및 방법에 의하면， 금속, 금속의 합금 및 금속 /세라믹 복합물질 중 적어도 하나로 이루어진 원료 분말을 제조할 수 있다. 예를 들면， 10 이하의 원료 분말을 제조할 수 있다. 또한， 원료 용액을 유출시키고， 유출된 용융원료에 가스 및 고체 분말이 흔합된 흔합 가스를 직접적으로 분사하여 원료 분말을 제조할 수 있다. 예를 들면， 10 ΛΠ이하의 원료 분말을 제조할 수 있다. 또한, 가스 및 고체 분말이 흔합된 흔합 가스를 이용하여 원료 분말을 제조하므로， 최종적으로 생성되는 원료 분말이 산화되는 것을 방지 할 수 있으며， 추가적인 환원 공정을 생략할 수 있다.

【도면의 간단한 설명】

도 1은 일반적인 가스 아토마이저 장치가 도시된 도면이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 분말 제조 장치가 도시된 도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 분말의 제조 장치의 단면이 도시된 도면이다,

도 4는 본 발명의 일 실사예에 따른 분사 노즐의 형태가 도시된 도면이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 분말 제조 방법이 도시된 순서도이다.

[발명을 실시하기 위한 최선의 형태】

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명할 수 있다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서， 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 할 수 있다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 당업자에게 자명하거나 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 분말 제조 장치가 도시된 도면이다.

. 도 2를 참조하면, 미세 분말 제조 장치 (100)는 용융 챔버 (110) , 가스 분사 장치 (120)， 수용 챔버 (130)， 스크린 (140) 및 수거 챔버 (150)를 포함할 수 있다. 용융 챔버 (110)는 원료 물질을 용융시켜 원료 용액 (111)을 제조할 수 있다. 또한 용융 챔버 (110)는 원료 물질이 용융된 원료 용액 (111)를 공급할 수 있다. 이때， 원료물질은 금속， 금속의 합금 및 금속 /세라믹 복합물질 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한， 원료 물질은 이종 물질로형성 수 있다. 즉， 원료 물질은 두 가지 이상의 물질을 흔합하여 형성된 물질일 수 있다.

또한, 원료 용액에 융점이 다론 금속 및 세라믹 분말을 분사하여 1 내지 200 μη크기의 금속 분말 및 복합 분말을 제조하는 미세분말 제조될 수 있다。 흔합 가스 분사 장치 (120)는 용융 챔버 (110)로부터 공급되는 원료 용액 (111)에 가스 및 고체 분말이 흔합된 흔합 가스를 분사하여 원료 분말 (131)을 형성할 수 있다. 보다 상세하게， 흔합 가스 분사 장치 (120)는 가스 및 금속 분말이 흔합된 흔합 가스를 원료 용액 (111)에 직접적으로 분사할 수 있다. 흔합가스의 압력은 5 내지 lOObar이고, 분사가스의 온도는 25 내지 750 ^o C일 수 있다. 분사가스 압력은 5bar미만인 경우는 20 이하 크기의 미분 제조가 어려우며， lOObar초과인 경우는 장비 제작에 어려움이 있다. 분사가스의 온도는

25 ⁰ C미만인 경우는 비용이 소모되며， 750 ^o C초과일 경우 장비 제작이 어렵다. 따라서 흔합 가스의 압력은 5 내지 lOObar이고, 분사가스의 온도는 25 내지 750 ^o C인 것이 바람직하다. 흔합 가스 분사 장치 (120)는 분사 노즐을 이용하여 흔합 가스를 공급하며, 분사 노즐은 원료용액 (111)이 공급되는 원료 용액 출구 (112)와 소정거리 이격되어 상기 원료 용액 출구 (112)를 둘러싸도록 형성될 수 있다. 또한, 분사 노즐은 홀형 (hole type) 또는 오픈 슬릿형 (open sl i t type)일 수 있다. 홀형 및 오픈 술릿형에 대해서는 도 4를 참조하여 설명한다. 또한， 흔합 가스 분사 장치 (120)는 흔합 가스 분사실 (121) , 가스 가열실 (122)， 가스 저장소 (123) , 고체 분말 가열실 (124) 및 고체 분말 저장소 (125)를 포함할 수 있다. 흔합 가스 분사실 (121)는 가스 및 고체 분말이 흔합된 흔합 가스를 생성할 수 있다. 또한, 흔합 가스 분사실 (121)은 생성된 흔합가스를 원료 용액에 직접적으로 분사할수 있다. 가스 가열실 (122)은 흔합 가스 분사실 (121)에 가열된 가스를 공급하며， 가스 저장소 (123)은 가스 가열실 (122)로 공급되는 가스를 저장할수 있다.

보다 상세하게, 가스 저장소 (123)은 가스 가열실 (122)와 연결되며, 가스 가열실 (122)는 흔합 가스 분사실 (121)과 연결될 수 있다. 이를 통해， 가스 저장소 (123)의 저장된 가스를 가스 가열실 (122)에서 가열하여 흔합 가스 분사실 (121)로 가스를 공급할 수 있다. 가스 가열실 (122)에서 가스의 가열은 흔합 가스 분사실 (121)에서 분사되는 흔합. 가스의 상대 속도를 증가시킨다, 상기 상대 속도는 금속 분말과 금속 액적의 상대 속도이다. 상기 가스는 비활성 기체일 수 있다. 예를 들어 , 가스는 공기 (air) , 질소 (N2) , 아르곤 (Ar) , 헬륨 (He)중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 가스는 고체 분말 가열실 (124)로부터 공급된 고체 분말과 함께 흔합 가스 분사실 (121)에서 흔합될 수 있으며 , 흔합된 흔합가스는분사노즐을 통해 원료 용액 (111)에 분사된다. 고체 분말 가열실 (124)은 흔합 가스 분사실 (121)에 가열된 고체 분말을 공급할 수 있으며, 고체 분말 저장소 (125)는 고체 분말 가열실 (124)로 공급되는 고체 분말을 저장할수 있다. 보다 상세하게， 고체 분말 저장소 (125)는 고체 분말 가열실 (124)과 연결되며, 고체 분말 가열실 (124)는 혼합 가스 분사실 (121)과 연결될 수 있다. 이를 통해, 고체 분말 저장소 (125)의 저장된 고체 분말을 고체 분말 가열실 (124)에서 가열하여 흔합 가스 분사실 (121)로 고체 분말를 공급할 수 있다. 고체 분말 가열실 (124)에서 고체 분말 가열은 흔합 가스 분사실 (121)에서 분사되는 흔합 가스의 상대 속도를 증가시킨다. 상기 상대 속도는 고체 분말과 금속 액적의 상대 속도이다. 또한, 상기 고체 분말은 가스 가열실 (122)로부터 공급된 가열된 가스와 함께 흔합 가스 분사실 (121)에서 흔합될 수 있으며， 흔합된 혼합가스는분사노즐을통해 원료 용액 (111)에 분사된다. 또한, 금속 분말의 종류는 금속, 합금 및 세라믹 분말 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 금속 분말의 크기는 0.01~500 일 수 있다. 금속 분말의 크기가 0.01/皿미만은 층격력이 약해 미세분말 제조가 어렵고， 500ίπι초과는 출구가 막혀 분사되기 어렵다. 따라서 금속 분말의 크기는 0.01~500 인 것이 바람직하다. 즉， 흔합 가스 분사실 ( 121)는 가스 가열실 (122) 및 고체 분말 가열실 (122)로부터 공급된 가열된 가스 및 금속 분말을 흔합하여 흔합 가스를 생성할 수 있다. 흔합 가스 분사실 (121)는 생성된 흔합 가스가 원료 용액에 분사되도록 분사 노즐과 연결되며， 분사 노즐을 통해 흔합 가스를 공급할 수 있다.

이 때， 흔합 가스의 가스는 고체 분말이 원료 용액 (111)에 빠른 속도로 도달할 수 있도록 ^' 압력을 가하며， 흔합 가스의 고체 분말은 원료 용액 (111)을 미세한 원료 분말 (131)로 만드는 역할을 한다. 이러한 이유로, 가스와 고체 분말이 흔합된 흔합 가스를 분사하는 경우， 가스나 고체 분말을 따로 분사하는 경우보다 더욱 미세한 원료 분말 (131)을 제조할 수 있다. 보다 자세하게 설명하면， 미세한 원료 분말 (131)을 제조하기 위해서는 분사 가스의 속도를 증가 시키거나, 분사 물질의 밀도를 높여야 한다. 본 발명은 분사 가스의 속도를 높이기 위하여 가열된 가스를 이용한다. 또한， 분사 물질의 밀도를 높이기 위하여 물에 비해 7.8배， 비활성 기체에 비해 약 7,000배 정도 높은 고체 분말을 분사 물질로 이용한다: 즉， 종래의 물을 이용한 수분사나， 가스를 이용한 경우보다 고체 분말의 밀도가 높아 더욱 미세한 원료 분말 (131)을 제조할 수 있다. 이 때, 0.1-500 크기이고, 고체 분말과 금속 액적의 상대 속도가 10m/s이상이면， ΙΟ ιη크기의 원료 분말 ( 131)을 제조할 수 있다. 또한， 상대 속도가 25m/s이상이면， 크기의 원료 분말 (131)을 제조할 수 있다. 수용 챔버 (130)는 용융 챔버 (110) 하부에 형성되어 원료 분말 (131)을 수용할 수 있다. 상기 원료 분말 (131)은 용융 챔버 (110)에서 원료 용액에 흔합 가스를 분사하여 형성된 분말이다ᅳ 스크린 (140)은 수용 챔버 (130) 하부에 형성되며, 수용 챔버 (130)에 수용된 원료 분말 (131) 중 정해진 크기 보다 큰 크기를 가지는 원료 분말 (131)을 걸러낼 수 있다. 따라서, 스크린 (140)은 원하는 크기를 얻기 위해 정해진 크기의 체눈을 가질 수 있다. 수거 챔버 (150)는 스크린 하부에 형성되어 스크린 (140)을 통과한 완성된 미세 원료 분말 (151)을 수거할 수 있다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 분말의 제조 장치의 단면이 도시된 도면이다.

도 3을 참조하면, 원료 물질을 미세 분말로 제조하는 과정을 설명할 수 있다. 원료 물질이 용융된 원료 용액 (111)은 원료 용액 출구 (112)로 낙하되며， 낙하 중에 혼합 가스 분사 장치 (120)로부터 분사되는 흔합 가스 (113)와 층돌할 수 있다. 또한 흔합 가스 분사 장치 (120)로부터 분사되는 흔합 가스 (113)는 분사 노즐 (114)의 분사구 (115)를 통해 원료 용액 (111)에 분사될 수 있으며 원료 용액 (111)과 충돌할 수 있다. 이처럼 흔합가스와 층돌된 원료 용액 (111)은 미세 분말로 제조된다. 이와 같이 제조된 미세 분말의 크기는 일정하지 않으므로, 스크린 (140)을 이용하여 일정크기를 가지는 완성된 미세 원료 분말 (151)을 얻을 수 있다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐의 형태가 도시된 도면이다.

도 4를 참조하면, 분사 노즐 (114)， 분사구 (115) 및 원료 용액 출구 (112)를 아래쪽에서 위쪽으로 을려다 본 형태가 도시된 도면이다. 도 4(a)는 홀형 분사 노즐 (114)을 보여주고 있다. 상기 홀형 분사 노즐 (114)은 복수의 분사구 (112)가 일정한 간격으로 배열되어 원료 용액 출구 (112)을 중심으로 환형을 형성하며， 복수의 분사구 (115)을 통해 흔합가스를 분사할 수 있다.

도 4(b)는 오픈 슬릿형 분사 노즐 (114)을 보여주고 있다. 상기 오픈 슬릿형 분사 노즐 (114)은 고라형 분사구 (115)을 통해 흔합가스를 분사할 수 있으며, 고리형 분사구 (115) 안쪽으로 원료 용액 출구 (112)를 형성할 수 있다. 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 미세 분말 제조 장치 (100)는 다음과 같은 방법으로 동작한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 분말 제조 방법이 도시된 순서도이다.

도 5를 참조하면， 미세분말 제조 방법에 있어서, 용융 챔버 (110)는 원료 물질을 용융시켜 형성된 원료 용액을 공급한다 (S110) . 이때, 원료 물질은 금속, 금속의 합금 및 금속 /세라믹 복합 물질 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 흔합 가스 분사 장치 (120)는 원료 용액에 가스 및 고체 분말이 흔합된 흔합가스를 공급하여 원료 액적을 형성한다 (S120) . 이때, 흔합가스는 저장된 고체 분말 및 가스를 가열한 후， 가열된 고체 분말 및 가스를 흔합하여 제조할 수 있다. 또한， 흔합 가스의 압력은 5 내지 lOObar이고， 분사가스의 온도는 25 내지 750 ^o C일 수 있다.

상기 고체 분말은 금속 분말, 합금 분말， 금속 /세라믹 복합 분말 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며， 고체 분말의 크기는 0.001~500μιη일 수 있다.

상기 가스는 공기 (air) , 질소， 아르곤， 헬륨 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. _, 흔합 가스 분사 장치 (120)가 흔합 가스를 공급하여 형성한 원료 액적을 냉각시켜 원료 분말 (131)을 형성한다 (S130) . 스크린 (140)은 원료 반말에서 정해진 크기보다 큰 크기를 갖는 원료 분말 (131)을 걸러내어 완성된 미세 원료분말 (151)을 수거한다 (S140) . 상기 원료 분말 (131)은 일정한 크기의 체눈을 가지는 스크린 (140)을 이용하여 걸러냄으로써， 동일한 크기와완성된 미세 원료 분말 (151)을 제조할 수 있다. 싸이클론 (160)은 스크린을 쓰지 않을 경우나 스크린의 체눈이 클 경우 수거챔버 (150)에서 조대분말을 회수하고 싸이클론 (160)을 거쳐 미세분말 (161)을 회수할 수 있다. 이러한 상기 제조 방법을 이용하여 금속， 금속의 합금 및 금속 /세라믹 복합물질 중 적어도 하나로 이루어진 원료 분말을 10 이하의 미세 분말로 제조할 수 있다. 이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나， 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

[부호의 설명]

110 ： 용융 챔버

111 ： 원료 용액

112 ： 원료 용액 출구

113 ^• 흔합가스

114 분사 노즐

115 분사구

120 흔합 가스 분사 ¾

121 흔합 가스 분사실

122 가스 가열실

123 가스 저장소

124 고체 분말가열실

125 고체 분말 저장소

130 수용 챔버

131 원료 분말

140： 스크린

150： 수거 챔버

151 : 미세 원료 분말

160： 싸이클론

161： 미세 원료 분말