(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 등록특허공보(B1)
(45) 공고일자 2013년09월06일
(11) 등록번호 10-1305256
(24) 등록일자 2013년09월02일
(51) 국제특허분류(Int. Cl.)
H01L 21/304 (2006.01) B05B 1/10 (2006.01)
(21) 출원번호 10-2012-0148975
(22) 출원일자 2012년12월18일
심사청구일자 2012년12월18일
(56) 선행기술조사문헌
KR1020090050707 A
JP2006130406 A
KR1020100135107 A
KR100662241 B1
(73) 특허권자
포항공과대학교 산학협력단
경상북도 포항시 남구 효자동 산31 포항공과대학
교내
(72) 발명자
이진원
경상북도 포항시 남구 지곡동 교수아파트 5동 90
4호
김인호
부산광역시 사상구 모라2동 강덕그린빌라 201호
(74) 대리인
특허법인화우
전체 청구항 수 : 총 23 항 심사관 : 정성용
(54) 발명의 명칭 초고속 균일 나노 입자 생성 노즐, 생성 장치 및 생성 방법
(57) 요 약
본 발명에 따른 초고속 균일 나노 입자 생성 노즐, 생성 장치 및 생성 방법은 이산화탄소로 이루어진 입자생성가
스를 노즐에 통과시켜 초고속 균일 나노 입자를 생성하는 것으로서, 상기 노즐목의 개폐 단면적을 조절하는 오리
피스를 마련하여 별도의 냉각 장치 없이 균일한 핵 생성을 유도하며, 상기 노즐의 출구측으로 갈수록 단면적 및
팽창각이 증가되는 팽창부를 마련하여 비교적 완만한 제1팽창부를 통하여 상기 핵을 성장시켜 입자 생성을 도모
하고, 제1팽창부에 비하여 급격한 팽창각을 가지는 제2팽창부를 통하여 생성된 입자를 가속시키는 것을 특징으로
한다.
대 표 도 - 도1
등록특허 10-1305256
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이 발명을 지원한 국가연구개발사업
과제고유번호 1345170586
부처명 교육과학기술부
연구사업명 도약연구지원사업(도전)
연구과제명 고속 나노입자빔을 이용한 나노오염물질 제거 기술
주관기관 포항공과대학교
연구기간 2012.06.01 ~ 2013.05.31
등록특허 10-1305256
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특허청구의 범위
청구항 1
이산화탄소로 이루어진 입자생성가스를 통과시켜 초고속 균일 나노 입자를 생성하는 노즐로서,
노즐의 출구측으로 갈수록 단면적이 넓어지는 형태의 팽창부;
상기 팽창부의 입구에 마련되어 상기 입자생성가스를 급속 팽창시키는 오리피스;를 포함하되,
상기 팽창부는,
제1팽창부 및 제2팽창부를 순차적으로 포함하여 이루어지되,
상기 제2팽창부의 평균 팽창각이 상기 제1팽창부의 팽창각 보다 큰 것을 특징으로 하는 초고속 균일 나노 입자
생성 노즐.
청구항 2
삭제
청구항 3
제1항에 있어서,
상기 제2팽창부의 상기 제1팽창부와의 연결부분은 제1팽창부 출구측의 팽창각과 동일한 팽창각을 가지도록 형성
되되, 상기 제2팽창부의 중심부로 갈수록 팽창각이 증가되며, 상기 중심부에서 출구측으로 갈수록 팽창각이 감
소되도록 형성된 것을 특징으로 하는 초고속 균일 나노 입자 생성 노즐.
청구항 4
제1항에 있어서,
상기 제1팽창부는 0° 초과 30°이하의 팽창각을 가지며,
상기 제2팽창부는 상기 제1팽창부의 팽창각에 비하여 10°~ 45°증가된 평균 팽창각을 가지는 것을 특징으로 하
는 초고속 균일 나노 입자 생성 노즐.
청구항 5
제4항에 있어서,
제2팽창부의 출구에 연결되는 제3팽창부를 더 포함하되,
상기 제3팽창부는 상기 제2팽창부의 평균 팽창각에 비하여 10°~ 45°증가되되 최대 90° 미만의 팽창각을 가지
는 것을 특징으로 하는 초고속 균일 나노 입자 생성 노즐.
청구항 6
제1항에 있어서,
상기 노즐의 입구측에 마련되는 압축부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초고속 균일 나노 입자 생성 노즐.
등록특허 10-1305256
- 3 -
청구항 7
제1항에 있어서,
상기 팽창부의 출구는 상기 노즐이 대상물에 근접할 수 있도록 노즐축을 기준으로 비스듬히 절단된 형태인 것을
특징으로 하는 초고속 균일 나노 입자 생성 노즐.
청구항 8
제1항에 있어서,
상기 노즐의 외주면을 감싸는 단열부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초고속 균일 나노 입자 생성 노즐.
청구항 9
이산화탄소로 이루어진 입자생성가스를 노즐에 통과시켜 초고속 균일 나노 입자를 생성하되,
상기 노즐은, 상기 노즐의 출구측으로 갈수록 단면적 및 팽창각이 증가되는 팽창부;를 포함하되,
상기 팽창부는,
팽창각이 서로 다른 제1팽창부 및 제2팽창부를 순차적으로 포함하여 이루어지되,
상기 제2팽창부의 평균 팽창각이 상기 제1팽창부의 팽창각 보다 큰 것을 특징으로 하는 초고속 균일 나노 입자
생성 장치.
청구항 10
제9항에 있어서,
상기 노즐의 노즐목에 위치되며 상기 노즐목의 개폐 단면적을 조절하는 오리피스;를 더 포함하는 것을 특징으로
하는 초고속 균일 나노 입자 생성 장치.
청구항 11
제9항에 있어서,
상기 입자생성가스의 공급 압력을 조절하는 압력조절기를 더 포함하되,
상기 입자생성가스는 5 bar 이상 60 bar 이하의 압력으로 상기 노즐로 공급되는 것을 특징으로 초고속 균일 나
노 입자 생성 장치.
청구항 12
제9항에 있어서,
상기 입자생성가스는 캐리어가스와 혼합되어 공급되되,
상기 입자생성가스와 캐리어가스의 혼합 비율을 조절하는 혼합챔버;를 더 포함하는 초고속 균일 나노 입자 생성
장치.
청구항 13
제12항에 있어서,
등록특허 10-1305256
- 4 -
상기 캐리어가스는 질소 또는 헬륨으로 이루어지되,
상기 혼합 비율은 상기 캐리어가스의 부피 비율이 10% 이상 99% 이하인 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 초고
속 균일 나노 입자 생성 장치.
청구항 14
제13항에 있어서,
상기 입자생성가스와 캐리어가스가 혼합된 혼합가스의 공급 압력을 조절하는 압력조절기를 더 포함하되,
상기 입자생성가스는 5 bar 이상 120 bar 이하의 압력으로 상기 노즐로 공급되는 것을 특징으로 초고속 균일 나
노 입자 생성 장치.
청구항 15
삭제
청구항 16
제9항에 있어서,
상기 제2팽창부의 상기 제1팽창부와의 연결부분은 제1팽창부 출구측의 팽창각과 동일한 팽창각을 가지도록 형성
되되, 상기 제2팽창부의 중심부로 갈수록 팽창각이 증가되며, 상기 중심부에서 출구측으로 갈수록 팽창각이 감
소되도록 형성된 것을 특징으로 하는 초고속 균일 나노 입자 생성 장치.
청구항 17
제9항에 있어서,
상기 제1팽창부는 0° 초과 30°이하의 팽창각을 가지며,
상기 제2팽창부는 상기 제1팽창부의 팽창각에 비하여 10°~ 45°증가된 평균 팽창각을 가지는 것을 특징으로 하
는 초고속 균일 나노 입자 생성 장치.
청구항 18
제17항에 있어서,
제2팽창부의 출구에 연결되는 제3팽창부를 더 포함하되,
상기 제3팽창부는 상기 제2팽창부의 팽창각에 비하여 10°~ 45°증가되되 최대 90°미만의 평균 팽창각을 가지
는 것을 특징으로 하는 초고속 균일 나노 입자 생성 장치.
청구항 19
제9항에 있어서,
상기 팽창부의 출구는 상기 노즐이 대상물에 근접할 수 있도록 노즐축을 기준으로 비스듬히 절단된 형태인 것을
특징으로 하는 초고속 균일 나노 입자 생성 장치.
청구항 20
등록특허 10-1305256
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이산화탄소로 이루어진 입자생성가스를 노즐에 통과시켜 초고속 균일 나노입자를 생성하는 방법으로서,
상기 입자생성가스가 상기 노즐의 노즐목에 마련된 오리피스를 통과하면서 급속 팽창되어 핵 생성이 이루어지는
핵생성단계;
상기 핵생성단계를 거친 후, 노즐목 출구로부터 이어지는 0°초과 30°미만의 팽창각을 가지는 제1팽창부를 통
과하면서 핵 성장이 이루어져 승화성 입자가 생성되는 입자생성단계;
상기 입자생성단계를 거친 후, 상기 제1팽창부의 출구로부터 이어지며 상기 제1팽창부의 팽창각 보다 10°~ 45
° 증가된 평균 팽창각을 가지는 제2팽창부를 통과하면서 경계층의 성장을 상쇄하고 상기 승화성 입자의 분사속
도가 상승되는 입자가속단계;를 포함하는 초고속 나노 입자 생성 방법.
청구항 21
제20항에 있어서,
상기 핵생성단계의 전 단계로서,
상기 입자생성가스의 압력을 조절하는 압력조절단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초고속 나노 입자 생성
방법.
청구항 22
제21항에 있어서,
상기 압력조절단계를 거친 상기 입자생성가스의 압력은 5 bar 이상 60 bar 이하로 조절되어 상기 노즐로 유입되
는 것을 특징으로 하는 초고속 나노 입자 생성 방법.
청구항 23
제20항에 있어서,
상기 핵생성단계의 전 단계로서,
상기 입자생성가스와 캐리어가스를 혼합시켜 혼합기체를 형성하는 혼합단계; 및
상기 혼합단계를 거친 혼합가스의 압력을 조절하는 압력조절단계;를 순차적으로 포함하는 것을 특징으로 하는
초고속 나노 입자 생성 방법.
청구항 24
제23항에 있어서,
상기 캐리어가스는 질소 또는 헬륨으로 이루어지며,
상기 압력조절단계를 거친 상기 혼합가스의 압력은 5 bar 이상 120 bar 이하로 조절되어 상기 노즐로 유입되는
것을 특징으로 하는 초고속 나노 입자 생성 방법.
청구항 25
제20항에 있어서,
상기 입자가속단계를 거친 후, 상기 제2팽창부의 출구로부터 이어지며 상기 제2팽창부의 평균 팽창각 보다 10°
~ 45° 증가되되 최대 90° 미만의 팽창각을 가지는 제3팽창부를 통과하면서 승화성 입자의 고속 코어를 노즐
외부로 형성시키는 유동조절단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초고속 나노 입자 생성 방법.
등록특허 10-1305256
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명 세 서
기 술 분 야
본 발명은 초고속 균일 나노 입자 생성 노즐, 생성 장치 및 생성 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상온[0001]
조건에서 균일한 크기의 나노 입자를 생성하고 이를 초고속으로 분사시키는 초고속 균일 나노 입자 생성 노즐,
생성 장치 및 생성 방법에 관한 것이다.
배 경 기 술
본 발명은 초고속 균일 나노 입자 생성 노즐, 생성 장치 및 생성 방법에 관한 것이다. 본 발명은 나노 오염 물[0002]
질 제거, 나노 크기의 홈파기, 표면 거칠기의 조절 등의 다양한 용도로 활용될 수 있으나, 일반적으로 고속 미
세 입자 생성 및 분사 장치는 FPD(Flat Display Panel), 반도체 소자 등을 대상으로 하는 건식 세정 장치에 많
이 활용되므로 이하, 상기 건식 세정 장치에 사용되는 미세 입자 생성 및 분사 장치를 기준으로 본 발명의 배경
이 되는 기술을 살펴보기로 한다.
세정 장치 또는 방법은 크게 습식 세정 방식과 건식 세정 방식으로 나눌 수 있다. 이 중 건식 세정 방식은 승화[0003]
성 입자를 생성하여 이를 오염된 대상물의 표면으로 분사하여 오염물을 이탈시켜 제거하는 방식을 의미한다.
승화성 입자를 생성함에 있어서는, 일반적으로 기체, 액체 또는 기체-액체 혼합물을 노즐에 공급하여 이를 고체[0004]
입자로 변환시켜 분사하는 방식이 이용된다.
미국등록특허 5,062,898호에서는 극저온의 에어로졸을 이용하는 표면 세정 방법을 개시한 바 있다. 구체적으로[0005]
는, 혼합가스를 팽창시킴으로써 아르곤 가스를 에어로졸로 형성시켜 오염된 대상물의 표면을 세정하는 방법에
해당하며, 에어로졸의 극저온의 구현을 위하여 액화점까지 냉각시키는 열교환 과정을 포함한다.
한편, 한국공개특허 10-2006-0079561호에서는 별도의 냉각 장치를 마련하여 이산화탄소 및 아르곤을 이용하여[0006]
고체입자를 생성하고 캐리어가스를 이용하여 이를 분사시키는 세정 장치를 개시한 바 있다. 그리고, 10-2004-
0101948호에서는 상기 캐리어가스를 가열하기 위한 별도의 가열 장치를 포함하는 분사 노즐을 개시한 바 있다.
한편, 건식 세정 장치의 성능 변수는 세정 입자의 크기, 크기의 균일성, 개수밀도, 분사 속도 등에 의해 결정된[0007]
다.
먼저, 세정 입자의 크기 측면에서 볼 때 세정 대상이 되는 요염 물질이 작을수록 그에 비례하여 승화성 입자의[0008]
크기도 작아져야 한다. 100nm 이하 크기의 오염물을 제거하기 위해서는 나노 크기의 승화성 입자가 요구된다.
그리고, 세정력의 측면에서 볼 때 높은 세정력을 가지기 위해서는 승화성 입자의 분사 속도가 높아져야 하며,[0009]
10nm 급 오염물을 제거하기 위해서는 초음속이 요구된다.
그러나, 상술한 종래 기술에 따른 건식 세정 장치는 입자의 크기와 속도가 매우 제한적인 문제점이 있다. [0010]
먼저, 아르곤 가스를 이용하여 승화성 입자를 생성하는 경우에는 별도의 냉각 장치를 마련하여 질소의 액화 온[0011]
도에 근접할 정도로 예냉시켜 공급해야 하므로, 이로 인하여 승화성 입자의 분사 속도 감소가 필연적이다.
또한, 예냉시 온도 조절의 어려움으로 인하여 개수 밀도와 균일성이 높은 승화성 입자를 생성하기 어려운 문제
점이 있다.
반면, 이산화탄소를 이용하여 승화성 입자를 생성시키는 경우에는 상온에서 별도의 온도 조절 없이 비교적 용이[0012]
하게 승화성 입자를 생성시킬 수 있는 장점이 있다. 그러나, 이산화탄소를 이용하여 마이크로 크기 이상의 승화
성 입자는 용이하게 생성시킬 수 있으나, 나노 크기의 승화성 입자를 생성하는 것은 많은 기술적 어려움이 따른
다.
등록특허 10-1305256
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발명의 내용
해결하려는 과제
본 발명은, 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 별도의 냉각 장치 없이 나노 크기의 상온 승화성 입자를 생성시[0013]
키는 동시에 이를 초고속으로 분사하여 세정 효율을 크게 높일 수 있는 초고속 균일 나노 입자 생성 노즐, 생성
장치 및 생성 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
과제의 해결 수단
상술한 목적을 달성하기 위하여 안출된 본 발명에 따른 초고속 균일 나노 입자 생성 노즐, 생성 장치 및 생성[0014]
방법은 이산화탄소로 이루어진 입자생성가스를 노즐에 통과시켜 초고속 균일 나노 입자를 생성하는 것으로서,
상기 노즐목의 개폐 단면적을 조절하는 오리피스를 마련하여 별도의 냉각 장치 없이 균일한 핵 생성을
유도하며, 상기 노즐의 출구측으로 갈수록 단면적 및 팽창각이 증가되는 팽창부를 마련하여 비교적 완만한 제1
팽창부를 통하여 상기 핵을 성장시켜 입자 생성을 도모하고, 제1팽창부에 비하여 급격한 팽창각을 가지는 제2팽
창부를 통하여 생성된 입자를 가속시키는 것을 특징으로 한다.
발명의 효과
본 발명은 별도의 냉각 장치 없이 나노 크기의 상온 승화성 입자를 생성시키는 동시에 이를 초고속으로 분사하[0015]
여 세정 효율을 크게 높일 수 있는 효과가 있다.
보다 상세하게는 오리피스를 마련함으로써 급속 팽창을 통하여 별도의 냉각 장치 없이 개수밀도 및 균일도가 높[0016]
은 핵 생성을 유도할 수 있다.
그리고, 완만한 팽창각을 가지는 제1팽창부를 통하여 생성된 핵을 성장시켜 나노 크기의 승화성 입자를 형성할[0017]
수 있으며, 제2팽창부를 통하여 증가된 팽창각으로 팽창시킴으로써 형성된 입자를 가속시킬 수 있다.
또한, 제3팽창부를 마련하여 박리지점을 조절하여 세정효율을 보다 높일 수 있는 한편, 노즐의 출구면을 비스듬[0018]
히 절단시켜 세정 대상물에의 근접성을 높일 수 있다.
도면의 간단한 설명
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 균일 나노 입자 생성 노즐의 횡 단면을 나타내는 단면도에[0019]
해당한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 균일 나노 입자 생성 노즐의 팽창부의 팽창각을 나타내는 단면도에
해당한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 균일 나노 입자 생성 노즐과 대상물과의 근접관계를 나타내는 개념
도에 해당한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 균일 나노 입자 생성 장치의 주요 구성을 나타내는 구성도에 해당한
다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합가스를 이용하는 경우의 초고속 균일 나노 입자 생성 방법을 나타내는
순서도에 해당한다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 순수입자생성가스를 이용하는 경우의 초고속 균일 나노 입자 생성 방법을
나타내는 순서도에 해당한다.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용
등록특허 10-1305256
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이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 상세히 설명하기로 한다.[0020]
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 균일 나노 입자 생성 노즐의 횡단면을 나타낸 개략도에 해[0021]
당한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 균일 나노 입자 생성 노즐은 노즐목(11)에 마련된 오리피스(12)와 상기 노[0022]
즐목(11)의 출구로부터 이어지는 팽창부를 포함하여 구성된다.
먼저, 상기 오리피스(12)는 노즐목(11)의 개폐 단면적을 조절하여, 상기 노즐목(11)의 단면적을 미세 구멍으로[0023]
감소시키게 된다. 상기 오리피스(12)를 통과하는 상기 입자생성가스(또는 입자생성가스와 캐리어가스의 혼합가
스)는 급속 팽창되어 나노 크기의 핵을 생성하게 된다.
그리고, 상기 오리피스(12)는 노즐목(11)에 마련된다고 하였으나, 여기서의 노즐목(11)은 노즐(10)에 있어서 단[0024]
면적이 가장 좁아진 부분을 의미한다 할 것이므로, 팽창부 입구측에 오리피스(12)만 결합되는 경우도 포함한다
고 할 것이다. 즉, 오리피스(12) 자체를 하나의 노즐목(11)으로 볼 수도 있는 것이다.
한편, 종래기술에 따른 입자 생성 장치의 노즐의 경우 핵 생성을 위하여 입자생성가스를 냉각시키는 과정을 필[0025]
수적으로 포함하여야 하나, 본 발명에 따른 노즐(10)의 경우 미세 구멍을 가지는 오리피스(12)를 마련하여 급속
팽창시킴으로써 별도의 냉각장치 없이 상온에서 핵 생성을 유도할 수 있다. 또한, 급속 팽창에 따라 균일한 크
기의 핵 생성 또한 가능하다 할 것이다.
그리고, 상기 오리피스(12)는 상기 미세 구멍의 크기가 가변되지 않는 형태는 물론이거니와, 상기 미세 구멍의[0026]
크기를 조절할 수 있는 조리개 형태로 이루어질 수 있으며, 한편으로는 노즐(10)에 장착되는 오리피스(12)를 교
체할 수 있는 형태로 마련되어 미세 구멍의 크기를 조절하는 방식도 고려할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 초고속 균일 나노 입자 생성 노즐은 상기 노즐목(11)의 출구측 또는 오리피스(12)의 출[0027]
구측에 마련되는 팽창부를 포함한다. 상기 팽창부는 종래기술에 따른 입자 생성 노즐과 달리 출구측으로 갈수록
단면적이 증가하는 형태로 이루어진다. 종래기술에 따른 입사 생성 노즐은 입자의 성장을 위하여 단면적의 크기
가 반복하여 증가/감소되는 형상으로 이루어진다.
보다 구체적으로, 상기 팽창부는 팽창각이 서로 다른 제1팽창부(14) 및 제2팽창부(15)를 포함하여 이루어진다.[0028]
상기 제1팽창부(14)는 0°초과 30°미만의 팽창각(θ1)을 가지는 것이 바람직하며, 상기 제1팽창부(14)를 통과[0029]
하면서 핵 성장이 이루어지게 된다. 제1팽창부(14)는 제2팽창부(15)에 비하여 비교적 완만한 팽창각(θ1)을 가
지도록 형성되며, 핵 성장이 이루어지기에 충분한 시간을 제공한다.
상기 제1팽창부(14)는 비교적 완만한 팽창각(θ1)으로 비교적 길게 형성되어 핵 성장을 유도하는 반면, 경계층이[0030]
증가하여 유효면적을 감소시키므로 유동속도의 감소를 초래한다. 따라서 이를 보상하기 위하여 추가 가속력을
얻을 수 있는 제2팽창부(15)를 설치한다.
상기 제2팽창부(15)의 평균 팽창각(θ2)은 상기 제1팽창부(14)의 팽창각(θ1) 비하여 10°~ 45°증가된 팽창각[0031]
(θ2)을 가지는 것이 바람직하다. 상기 제2팽창부(15)는 제1팽창부(14)에 비하여 급격한 팽창각을 가지도록 형
성되어 입구와 출구의 높은 면적비를 형성하므로 입자를 충분히 가속하게 된다. 한편, 제2팽창부(15)는 제1팽창
부(14) 및 제3팡창부와는 달리 단일 팽창각을 가지지 않으므로 평균 팽창각이라 나타낸 것이다.
상기 제2팽창부(15)는 제1팽창부(14)로부터 연장됨에 있어서, 그 연결부위의 팽창각이 단속적으로 크게 변화될[0032]
경우 내부 충격파가 발생하게 된다. 따라서, 상기 제2팽창부(15)는 굴곡을 가지는 형상으로 형성됨이 바람직하
다. 보다 상세하게는, 제2팽창부(15)의 제1팽창부(14)와의 연결부분은 제1팽창부(14) 출구측의 팽창각(θ1)과
동일한 팽창각을 가지도록 형성하되, 상기 제2팽창부(15)의 중심부로 갈수록 팽창각이 점점 증가되어 상기 중심
부 인근에서 급격한 경사각을 이루게 되며, 다시 상기 중심부에서 제2팽창부(15)의 출구측으로 갈수록 팽창각이
감소되도록 형성하여 내부 충격파를 발생을 방지하도록 형성되는 것이 바람직하다.
등록특허 10-1305256
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본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 균일 나노 입자 생성 노즐의 팽창부는 상술한 바와 같이 제1팽창부(14) 및[0033]
제2팽창부(15)를 포함하여 이루어지는 것을 고려할 수 있으나, 다른 한편으로는 제3팽창부(16)를 더 포함하는
것을 고려할 수 있다.
제3팽창부(16)는 상기 제2팽창부(15)의 출구에 연결되며 팽창부의 최종 출구를 형성한다. 상기 제3팽창부(16)는[0034]
노즐(10) 내부유동의 박리지점을 조절하는 역할을 수행한다.
상기 제3팽창부(16)는 상기 제2팽창부(15)의 팽창각(θ2)보다 10°~ 45°증가되되, 최대 90°를 미만의 팽창각[0035]
(θ3)을 가지는 것이 바람직하다.
노즐(10) 후단의 배압이 낮은 경우에는 박리지점이 노즐목(11)에서 멀어지게 되어 유동장이 추가적으로 성장할[0036]
수 있으므로, 제3팽창부(16)는 충분한 길이를 확보함과 동시에 박리지점을 팽창부의 끝단으로 유도하도록 형성
되는 것이 바람직하다. 고속 코어(isentropic core)가 노즐(10) 외부로 형성되어 세정 효율을 크게 높일 수 있
기 때문이다.
반면, 노즐(10) 후단의 배압이 높게 형성된 경우에는 박리지점이 노즐목(11)에 가까워지게 되어 유동장이 이미[0037]
충분히 성장된 상태라 볼 수 있으므로, 제3팽창부(16)의 길이를 줄여 고속 코어를 노즐(10) 외부로 노출시키는
것이 바람직하다.
한편, 노즐(10)의 외부면은 단열부(18)로 감싸지는 것이 바람직하다. 상기 단열부(18)는 외부단열관과 그 내부[0038]
에 충진되는 단열재로 이루어진다. 상기 단열부(18)는 노즐(10)의 단열성을 유지하여 입자 성장을 촉진함과 동
시에, 노즐(10)이 고압가스에 견딜 수 있도록 외벽을 형성하여 기계적 강도를 제공한다. 그리고, 노즐(10) 측면
전체를 감싸도록 일체형으로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 균일 나노 입자 생성 노즐과 대상물(1)의 접근관계를 나타낸[0039]
개략도에 해당한다.
도 3의 (a)는 일반적인 경우의 노즐(10) 출구면과 대상물(1)의 위치관계를 나타낸 것에 해당하며, 도 3의 (b)는[0040]
노즐을 대상물(1)에 보다 근접시킬 수 있도록 노즐의 출구면을 비스듬히 절단한 것을 나타낸 것에 해당한다.
도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 노즐(10)은 일반적으로 일정 각도 기울어진 상태에서 세정 작업을 수행하게 된[0041]
다. 이 경우 원통 형상의 특성상 노즐(10) 출구가 대상물(1)에 완전히 근접하지 못하게 되어 세정 효율이 떨어
지는 문제점이 발생된다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 노즐(10)의 출구면을 노즐(10)의[0042]
작업 각도와 대응되도록 비스듬히 절단된 형상으로 마련하는 것이 바람직하다. 이와 같이 절단된 형상의 절단각
(θ4)은 노즐축(19)을 기준으로 볼 때, 20°이상 90°미만의 범위에서 이루어지는 것이 바람직하다.
이상에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 균일 나노 입자 생성 노즐에 대하여 살펴보았다. 이하, 이러한[0043]
노즐(10)을 포함하는 초고속 균일 나노 입자 생성 장치에 대하여 살펴보기로 한다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 균일 나노 입자 생성 장치의 주요 구성을 나타내는 요부 구성도에[0044]
해당한다.
본 발명에 따른 초고속 균일 나노 입자 생성 장치는 i) 입자생성가스에 캐리어가스를 혼합하여 이용하는 경우와[0045]
ii) 입자생성가스만을 이용하는 경우로 나누어 살펴볼 수 있다.
먼저, i) 입자생성가스에 캐리어가스를 혼합하여 이용하는 경우에는, 도 1에 도시된 바와 같이 입자생성가스저[0046]
장부(40) 및 캐리어가스저장부(50)를 포함하는 가스저장부, 혼합챔버(30), 압력조절기(20) 및 노즐(10)을 포함
하여 구성된다.
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그리고, ii) 입자생성가스만을 이용하는 경우에는, 상기 캐리어가스저장부(50) 및 혼합부를 포함하지 않는다.[0047]
입자생성가스와 캐리어가스를 혼합하여 사용하는 경우, 상기 입자생성가스저장부(40)와 캐리어가스저장부(50)는[0048]
혼합챔버(30)로 연결된다. 상술한 바와 같이 입자생성가스로는 이산화탄소가 이용되며, 캐리어가스로는 질소 또
는 헬륨이 이용되는 것이 바람직하다. 상기 혼합챔버(30)는 상기 입자생성가스와 캐리어가스를 충분히 혼합시키
는 동시에, 혼합 비율을 조절하는 역할을 수행한다. 상기 혼합 비율은 캐리어가스의 부피 비율이 혼합가스 전체
부피의 10% 이상 99% 이하를 차지하도록 혼합하여, 이산화탄소 혼합가스를 형성하는 것이 바람직하다.
혼합챔버(30)에서 혼합된 혼합가스는 압력조절기(20)로 유입된다. 압력조절기(20)는 상기 혼합가스의 노즐(10)[0049]
로의 공급압력을 조절하게 된다.
한편, 이산화탄소로 이루어진 입자생성가스만을 이용하는 경우에는 상기 혼합챔버(30)를 거치지 않고 상기 입자[0050]
생성가스저장부(40)를 압력조절기(20)에 직접 연결하여 입사생성가스를 압력조절기(20)에 공급하는 것을 고려할
수도 있다. 이하, 혼합가스에 대비되는 개념으로서, 입자생성가스만을 이용하는 경우의 입자생성가스를 순수입
자생성가스라 하기로 한다.
그리고, 상기 압력조절기(20)에서의 출력 압력은 생성되는 승화성 입자의 크기 및 분사속도를 고려하여, i) 상[0051]
기 혼합가스의 경우 5 ~ 120 bar, ii) 상기 순수입자생성가스의 경우 5 ~ 60 bar의 범위 내에서 형성되는 것이
바람직하다.
상기 압력조절기(20)를 통과한 혼합가스 또는 순수입자생성가스는 노즐(10)의 입구로 공급된다.[0052]
노즐(10)의 입구로 공급된 상기 혼합가스 또는 순수입자생성가스는 상술한 바와 같이 오리피스(12), 제1팽창부[0053]
(14), 제2팽창부(15)를 순차적으로 통과하여 승화성 나노 입자를 대상물(1)에 분사하게 된다. 노즐(10)의 상세
내부 구조는 상술한 바 있으므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음속 균일 나노 입자 생성 방법에 대하서 살펴보기로 한다.[0054]
본 발명의 일 실시예에 따른 초음속 균일 나노 입자 생성 방법은 이산화탄소로 이루어진 입자생성가스를 노즐[0055]
(10)에 통과시켜 초고속 균일 나노입자를 생성하는 방법에 해당한다. 여기서 입자생성가스는 캐리어가스와 혼합
되어 혼합가스의 노즐(10)에 공급될 수도 있으며, 순수입자생성가스의 형태로 공급될 수도 있다.
먼저, 혼합가스의 형태로 공급되는 경우, 상기 입자생성가스와 캐리어가스를 혼합시켜 혼합기체를 형성하는 혼[0056]
합단계 및 상기 혼합단계를 거친 혼합가스의 압력을 조절하는 압력조절단계를 순차적으로 포함하는 것이 바람직
하다.
여기서, 상기 캐리어가스는 질소 또는 헬륨으로 이루어지며, 상기 압력조절단계를 거친 상기 혼합가스의 압력은[0057]
5 bar 이상 120 bar 이하로 조절되어 상기 노즐(10)로 유입되는 것이 바람직하다.
상기 압력조절단계를 거치고 난 후, 상기 입자생성가스가 상기 노즐(10)의 노즐목(11)에 마련된 오리피스(12)를[0058]
통과하면서 급속 팽창되어 핵 생성이 이루어지는 핵생성단계를 거치게 된다.
그리고, 상기 핵생성단계를 거친 후, 노즐목(11) 출구로부터 이어지는 0°초과 30°미만의 팽창각(θ1)을 가지[0059]
는 제1팽창부(14)를 통과하면서 핵 성장이 이루어져 승화성 입자가 생성되는 입자생성단계를 거친다.
그리고, 상기 입자생성단계를 거친 후, 상기 제1팽창부(14)의 출구로부터 이어지며 상기 제1팽창부(14)의 팽창[0060]
각(θ1) 보다 10°~ 45° 증가된 평균 팽창각(θ2)을 가지는 제2팽창부(15)를 통과하면서 경계층의 성장을 상쇄
하고 상기 승화성 입자의 분사속도가 상승되는 입자가속단계를 거치게 된다.
상기 입자가속단계를 거친 후, 상기 제2팽창부(15)의 출구로부터 이어지며 상기 제2팽창부(15)의 평균 팽창각[0061]
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(θ2) 보다 10°~ 45° 증가되되 최대 90° 미만의 팽창각(θ3)을 가지는 제3팽창부(16)를 통과하면서 승화성 입
자의 고속 코어를 노즐(10) 외부로 형성시키는 유동조절단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 순수입자생성가스만이 공급되는 경우, 상기 혼합단계를 거치지 않고, 상기 입자생성가스의 압력을 조절하[0062]
는 압력조절단계를 거치게 된다.
여기서, 상기 압력조절단계를 거친 상기 입자생성가스의 압력은 5 bar 이상 60 bar 이하로 조절되어 상기 노즐[0063]
(10)로 유입되는 것이 바람직하다.
이 후의 단계는 상술한 핵생성단계, 입자생성단계, 입자가속단계 및 유동조절단계와 동일하다.[0064]
본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해 사용된 위치관계는 첨부된 도면을 중심으로 설명된 것으로서, 실시[0065]
태양에 따라 그 위치관계는 달라질 수 있다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함하여 본 발명에서 사용되는 모든 용어들은[0066]
본 고안이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지
고 있다고 할 것이다. 아울러, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미
로 해석되지 않아야 할 것이다.
이상에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 상기 실시예는 물론, 본 발명에 기존의 공지기술[0067]
을 단순 주합하거나, 본 발명을 단순 변형한 실시 또한, 당연히 본 발명의 권리 범위에 해당한다고 보아야 할
것이다.
본 발명은 오염 물질 제거뿐만 아니라, 나노 크기의 홈파기, 표면 거칠기의 조절 등의 초고속 승화성 나노 입자[0068]
의 분사가 요구되는 다양한 분야에 있어서 다양한 용도로 적용될 수 있을 것이다.
부호의 설명
1: 대상물[0069]
10: 노즐
11: 노즐목
12: 오리피스
13: 오리피스블록
14: 제1팽창부
15: 제2팽창부
16: 제3팽창부
17: 가스공급관
18: 단열부
19: 노즐축
20: 압력조절기
30: 혼합챔버
40: 입자생성가스저장부
50: 캐리어가스저장부
θ1,θ2,θ3: 팽창각
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θ4: 절단각
도면
도면1
도면2
도면3
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도면4
도면5
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도면6
등록특허 10-1305256
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