[논문]고주파 열플라즈마 토치를 이용한 Ni 금속 입자의 나노화 공정에 대한 전산해석 연구

남준석; 홍봉근; 서준호

doi:10.4313/jkem.2013.26.5.401

[국내논문] 고주파 열플라즈마 토치를 이용한 Ni 금속 입자의 나노화 공정에 대한 전산해석 연구
Numerical Analysis on RF (Radio-frequency) Thermal Plasma Synthesis of Nano-sized Ni Metal 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.26 no.5, 2013년, pp.401 - 409

남준석 (전북대학교 고온플라즈마 응용연구센터) , 홍봉근 (전북대학교 고온플라즈마 응용연구센터) , 서준호 (전북대학교 고온플라즈마 응용연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Numerical analysis on RF (Radio-Frequency) thermal plasma treatment of micro-sized Ni metal was carried out to understand the synthesis mechanism of nano-sized Ni powder by RF thermal plasma. For this purpose, the behaviors of Ni metal particles injected into RF plasma torch were investigated according to their diameters ($1{\sim}100{\mu}m$), RF input power (6 ~ 12 kW) and the flow rates of carrier gases (2 and 5 slpm). From the numerical results, it is predicted firstly that the velocities of carrier gases need to be minimized because the strong injection of carrier gas can cool down the central column of RF thermal plasma significantly, which is used as a main path for RF thermal plasma treatment of micro-sized Ni metal. In addition, the residence time of the injected particles in the high temperature region of RF thermal plasma is found to be also reduced in proportion to the flow rate of the carrier gas In spite of these effects of carrier gas velocities, however, calculation results show that a Ni metal particle even with the diameter of $100{\mu}m$ can be completely evaporated at relatively low power level of 10 kW during its flight of RF thermal plasma torch (< 10 ms) due to the relatively low melting point and high thermal conductivity. Based on these observations, nano-sized Ni metal powders are expected to be produced efficiently by a simple treatment of micro-sized Ni metal using RF thermal plasmas.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이어서, 위 조건에서 계산된 고주파 플라즈마 유동장 속으로, 2 및 5 slpm의 운반기체 (carrier gas)를 이용 하여 지름 1 ∼ 100 ㎛의 Ni 입자를 토치 중심축을 따라 주입할 경우, 투입된 Ni 입자가 겪게 될 상변화를 입자의 궤적과 함께 살펴보았다. 이를 통해, Ni 입자의 크기와 고주파 입력전력 및 원료입자 운반기체의 유량이 Ni 입자의 용융 및 기화 과정에 미치는 영향을 파악하고, 관련 공정 개발에 있어서 검토해야할 점들을 고찰하였다.

가설 설정

이 때, 투입된 Ni 입자는 고주파 열플라즈마 토치내 열유동장을 비행하면서, 주변 플라즈마에 의해 가열되어, 융융 및 기화 과정을 겪을 것으로 예상된다. Ni 입자가 겪는 이와 같은 플라즈마에 의한 가열 및 상변화 과정에 대한 계산을 간단히 하기 위해서 다음과 같은 사항을 가정하였다.
① 원료 입자는 완벽한 구형이다.
② 단위 시간 당 원료의 주입량이 매우 작아서, 분말 입자는 열플라즈마에 영향을 미치지 않는다.
③ 중력과 점성력만이 열플라즈마 내부에 주입된 입자의 운동에 영향을 미친다.
⑤ 입자의 반지름이 10^-10 m 이하로 작아지면, 입자가 소멸되었다고 가정하였다.
그림 1의 원통 좌표계 (r,Θ,z) 토치 구조에서 위에서 언급한 각각의 방정식들은 정상 상태의 2차원 축 대칭을 가정하였으며, 계산에 사용된 토치의 주요 제원은 표 1에 나타내었다.
그림 3(a) 및 (b)는 10 kW의 입력 전력 조건에서 생성된 고주파 열플라즈마에 대해, 토치 중심축을 따라 주입된 지름 1 μm ∼ 100 μm 범위의 Ni 입자들이 겪는 비행궤적과 크기 및 표면온도 변화를 토치 길이에 따라 나타낸 것이다. 이 그림에서, Ni 입자의 초기 속도는 내경 2.5 mm로 주어진 주입탐침을 통해2 slpm으로 주입된 운반기체의 유속과 같다고 가정하였다. 특히, 그림 3(a)는 고주파 열플라즈마의 2차원 온도 분포와 속도 벡터를 나타낸 그림 위에, 2 slpm의 운반기체에 의해 주입된 지름 100 μm Ni 입자의 위치 변화를 0.
한편, 마이크로 크기의 Ni 입자들은, 그림 1에 보인 바와 같이, 유도코일의 가운데 지점까지 삽입된 수냉식 분말 주입탐침을 통해 고주파 열플라즈마 토치의 축 방향을 따라 투입되는 것으로 가정하였다.

제안 방법

고주파 열플라즈마 토치 안에서 발생하는 열플라즈마의 특성을 예측하고 토치 내부에 주입된 Ni 입자의 운동과 상변화 과정을 묘사하기 위해서, 자기유체역학 (MHD, magnetohydrodynamics) 모델을 적용한열플라즈마 수치해석을 수행하고, 이로부터 계산된 유동장 내에서 입자의 운동방정식과 열 전달 방정식을 풀었다. 이 중, 플라즈마 유체 해석코드는 맥스웰 방정식으로부터 유도된 자기벡터포텐셜에 관한 방정식을, 유체로서의 플라즈마를 모사하기 위한 질량, 운동량 및 에너지 보존 방정식과 결합하여 반복 계산을 통해 수렴해를 찾는 방식으로 구성하였으며 계산에 사용된 고주파 토치의 구조를 그림 1에 간략히 도시 하였다.
수치 계산은 위 식 (11)을 시간 및 공간에 대해 차분화하여 얻은 방정식을 반복법을 통해 수렴해를 얻는 방식으로 진행하였다. 예를 들어, Ni 입자의 내부를 반지름 길이에 따라 N 개의 격자로 나눈 다음, i 번째 격자 노드에서 시간에 대한 미분을 아래 식 (12)와 같이 후방차분에 의해 근사하였으며, i 번째 격자 노드에서 공간에 대한 미분은 식 (13)으로 표현 되는 중앙차분법을 적용하였다.
고주파 열플라즈마 토치 안에서 발생하는 열플라즈마의 특성을 예측하고 토치 내부에 주입된 Ni 입자의 운동과 상변화 과정을 묘사하기 위해서, 자기유체역학 (MHD, magnetohydrodynamics) 모델을 적용한열플라즈마 수치해석을 수행하고, 이로부터 계산된 유동장 내에서 입자의 운동방정식과 열 전달 방정식을 풀었다. 이 중, 플라즈마 유체 해석코드는 맥스웰 방정식으로부터 유도된 자기벡터포텐셜에 관한 방정식을, 유체로서의 플라즈마를 모사하기 위한 질량, 운동량 및 에너지 보존 방정식과 결합하여 반복 계산을 통해 수렴해를 찾는 방식으로 구성하였으며 계산에 사용된 고주파 토치의 구조를 그림 1에 간략히 도시 하였다. 그림 1의 원통 좌표계 (r,Θ,z) 토치 구조에서 위에서 언급한 각각의 방정식들은 정상 상태의 2차원 축 대칭을 가정하였으며, 계산에 사용된 토치의 주요 제원은 표 1에 나타내었다.
이어서, 위 조건에서 계산된 고주파 플라즈마 유동장 속으로, 2 및 5 slpm의 운반기체 (carrier gas)를 이용 하여 지름 1 ∼ 100 ㎛의 Ni 입자를 토치 중심축을 따라 주입할 경우, 투입된 Ni 입자가 겪게 될 상변화를 입자의 궤적과 함께 살펴보았다.
이에 따라, 본 논문에서는 먼저, 플라즈마 가둠관내경 D= 50 mm, 유도 코일 감은 수 N = 4회, 코일간 간격 Dc= 15 mm로 설계된 고주파 열플라즈마 토치를 선정하여, 고주파 입력 전력 10 kW 및 12 kW 일 때 형성되는 열플라즈마 유동장을 구하였다. 이어서, 위 조건에서 계산된 고주파 플라즈마 유동장 속으로, 2 및 5 slpm의 운반기체 (carrier gas)를 이용 하여 지름 1 ∼ 100 ㎛의 Ni 입자를 토치 중심축을 따라 주입할 경우, 투입된 Ni 입자가 겪게 될 상변화를 입자의 궤적과 함께 살펴보았다.
입력 전력 10 및 12 kW일 때, 고주파 열플라즈마 토치 내부에서 형성되는 열유동장을 구한 다음, 지름1 ∼ 100 ㎛의 Ni 입자를 2 및 5 slpm의 운반기체를 이용하여 토치 중심축을 따라 주입할 경우, 투입된 Ni 입자가 겪게 될 크기 및 상변화를 입자의 궤적과 함께 간단한 수치해석을 통해 살펴보았다.

이론/모형

계산이 진행됨에 따라, 고체 Ni 입자는 액체, 기체 상태로 상변이가 일어날 수 있으며, 이 경우, 식 (14)를 풀이하기 위한 Ni 입자 내부 격자들이 수정되어야 한다. 이와 같은 상변이를 포함한 식 (14) 에 대한 수치해석 기법으로, 본 논문에서는 Samarskii [21]가 제안한 방법을 사용하였으며, 그림 2에 그 계산 순서를 간략히 순서도 형태로 나타내었다.

성능/효과

또한, 검은색 원은 고체상태의 Ni 입자를, 빨간색 원은 용융상태의 Ni 입자를 의미한다. 먼저, Ni 입자 궤적을 표현한 그림 3(a)로부터, 10 kW의 출력 조건에서 주입된 입자 들은 중심축을 따라 거의 직선에 가까운 비행경로를 따라 4 ms 이내의 짧은 시간 동안에 쉽게 가열되어 녹는점 (1,728 K)과 끓는점 (3,186 K)을 거쳐 토치 내에서 완전 기화됨을 확인할 수 있다. 그림 3(b)는 100μm 보다 더 작은 Ni 입자들은 크기가 작을수록 더 짧은 시간 내에 용융 및 기화 과정을 거칠 것이라는 점을 알려준다.
그림 4(a) 및 (b)는 그림 3(a) 및 (b)와 같은 조건에서, 운반기체 유량만 5 slpm으로 증가시켜 계산한 결과를 도시한 것이다. 그림 4(a) 및 (b)로부터, 5 slpm의 운반기체를 통해 주입된 Ni 입자들은 크기에 상관없이 축 방향으로 약 125 mm 아래 지점을 지나서야 1,000 K 이상의 온도로 가열되기 시작하여, 토치 출구 근처에서 끓는점인 3,186 K에 도달하지만, 이 경우도, 입자 표면의 일부만 기화될 뿐 거의 크기 변화 없이 토치를 빠져나간다는 것을 알 수 있다. 운반기체 유량에 따른 그림 3 및 4의 상반된 결과는 토치의 중심축을 따라 주입된 운반기체 유량의 증가가 중심축 부근 플라즈마 유동장을 냉각시키는 역할 뿐만 아니라 축 방향 속도를 빠르게 하여, 주입된 Ni 입자들의 체류시간을 줄이기 때문에 일어난다.
먼저, 그림 6(a) 및 (b)로부터, 고주파 입력 전력이 상승함에 따라 중심축에서 플라즈마의 온도와 속도는 모두 증가하는 경향을 보이지만, 온도보다는 속도의 증가가 더 크게 나타나는 것을 관찰할 수 있다. 예를 들어, 고주파 입력 전력을 6 kW에서 12 kW까지 두배 증가시켰을 때, 토치 출구에서 플라즈마 온도는 7,400 K에서 8,200 K로 10.
(b)의 결과로부터, 길이 170 mm, 출력 10 kW의 고주파 열플라즈마 토치 내에 주입된 최대 100 μm 크기의 Ni 입자들은 토치 내 비행 중, 축 방향으로 약 110 mm 지점, 곧, 분말주입탐침구로부터 70 mm 떨어진 곳 이내에서 대부분 완전 기화된 다음, 토치 출구를 빠져나간다는 것을 알 수 있다.
입력 전력 10 및 12 kW일 때, 고주파 열플라즈마 토치 내부에서 형성되는 열유동장을 구한 다음, 지름1 ∼ 100 ㎛의 Ni 입자를 2 및 5 slpm의 운반기체를 이용하여 토치 중심축을 따라 주입할 경우, 투입된 Ni 입자가 겪게 될 크기 및 상변화를 입자의 궤적과 함께 간단한 수치해석을 통해 살펴보았다. 계산 결과, 먼저, 투입된 입자들은 대부분 토치 중심축 방향을 따라 비행하면서 주변 플라즈마에 의해 가열되어 나감을 확인하였다. 특히, 운반기체의 유량이 2 slpm으로 상대적으로 작아서, 중심축에서의 플라즈마 속도가 느리고, 이에 따라, 플라즈마 토치 내에서의 체류 시간이 길어지면, 1 ∼ 100 ㎛의 Ni 입자들은 그 크기에 상관없이, 대부분 토치 내부에서 완전 기화됨을 관찰하였다.
이에 따라, 고주파 입력전력을 10 kW에서 12 kW로 증가시키면, 주입된 차가운 운반기체를 좀더 가열하는 역할과 함께 체류시간도 감소시킴으로써, 100 μm Ni 입자의 용융 및 기화 과정에는 별다른 영향을 미치지 못함을 관찰할 수 있었다. 따라서 투입된 Ni 입자들을 고주파 열플라즈마 토치를 이용하여 나노 Ni 입자로 가공하기 위해서는, 입자들의 궤적이 집중 되는 중심축 영역에서의 플라즈마 온도는 높이고 속도는 줄일 수 있도록, 고주파 열플라즈마 토치의 운전 조건 측면에서는 고주파 입력 전력은 증가시키고 운반 기체 유량은 최소화해야 하며, 토치의 설계에 있어서는 플라즈마 가둠관 반경 및 분말주입탐침의 내경을 크게 하는 것이 유리할 것이라 여겨진다.
따라서, 고주파 열플라즈마 토치의 중심축을 따라 Ni 금속을 가열시키는 공정에서, 플라즈마 토치의 출력을 증가시키는 것은 중심축에서 Ni 금속의 온도를 빨리 상승시켜 용융 및 기화가 일어나도록 하는데 유리한 역할도 하지만, 관통 속도도 증가시켜 Ni 금속이 고온 영역에서 머무는 체류시간을 단축시키는 역할도 할 것으로 예상된다. 또한, 고주파 열플라즈마는 중심축을 벗어난 표피 깊이 영역에서 대부분의 에너지를 흡수하는 방식을 가지고 있기 때문에, 증가 시켜준 고주파 출력이 중심축을 가열하는 것 이외에도, 가둠관 벽쪽으로의 열 전달 (그림 7(a))이나 복사 열 손실도 함께 상승시킬 수도 있다.
특히, 운반기체의 유량이 2 slpm으로 상대적으로 작아서, 중심축에서의 플라즈마 속도가 느리고, 이에 따라, 플라즈마 토치 내에서의 체류 시간이 길어지면, 1 ∼ 100 ㎛의 Ni 입자들은 그 크기에 상관없이, 대부분 토치 내부에서 완전 기화됨을 관찰하였다. 반면, 5 slpm으로 운반기체 유량이 증가하면, 100 ㎛ 크기의 Ni 입자들은 입자 표면의 일부만기화될 뿐 거의 크기 변화 없이 토치를 빠져나간다는 것을 알 수 있었다. 이와 같은 결과는 토치의 중심축을 따라 주입된 운반기체 유량의 증가가 중심축 부근플라즈마 유동장을 냉각시키는 역할 뿐만 아니라 축 방향 속도를 증가시켜, 주입된 Ni 입자들의 체류시간을 줄이기 때문에 일어나는 것으로 해석되었다.
이에 따라, 고주파 입력전력을 10 kW에서 12 kW로 증가시키면, 주입된 차가운 운반기체를 좀더 가열하는 역할과 함께 체류시간도 감소시킴으로써, 100 μm Ni 입자의 용융 및 기화 과정에는 별다른 영향을 미치지 못함을 관찰할 수 있었다.
특히, 운반기체의 유량이 2 slpm으로 상대적으로 작아서, 중심축에서의 플라즈마 속도가 느리고, 이에 따라, 플라즈마 토치 내에서의 체류 시간이 길어지면, 1 ∼ 100 ㎛의 Ni 입자들은 그 크기에 상관없이, 대부분 토치 내부에서 완전 기화됨을 관찰하였다.
이와 같은 결과는 토치의 중심축을 따라 주입된 운반기체 유량의 증가가 중심축 부근플라즈마 유동장을 냉각시키는 역할 뿐만 아니라 축 방향 속도를 증가시켜, 주입된 Ni 입자들의 체류시간을 줄이기 때문에 일어나는 것으로 해석되었다. 한편, 고주파 입력 전력의 증가는, 입자들의 궤적이 집중되는 중심축에서의 플라즈마 온도를 높이는 역할도 하지만, 축 방향 속도도 증가시키는 경향이 있을 것으로 예측되었다. 이에 따라, 고주파 입력전력을 10 kW에서 12 kW로 증가시키면, 주입된 차가운 운반기체를 좀더 가열하는 역할과 함께 체류시간도 감소시킴으로써, 100 μm Ni 입자의 용융 및 기화 과정에는 별다른 영향을 미치지 못함을 관찰할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열플라즈마를 이용한 Ni 나노 분말 합성의 장점은?	이와 같은 Ni 나노 분말 수요에 대응하여, 열플라즈마법 (thermal plasmas)[5,6], 초음파분무열분해법 (ultrasonic spray pyrolysis)[7], 수열합성법 (hydrothermal process) [8], 용액환원법 [2] 등 다양한 Ni 나노 금속 합성법들이 개발되어왔다. 이 중에서 열플라즈마를 이용한 Ni 나노 분말 합성은, 유해 폐기물을 발생시키는 종래의 습식법들과는 달리 친환경적이며, 특히 MLCC용 페이스트에 요구되는 높은 충진밀도를 가진 구형 고순도 Ni 입자를 대량 생산할 수 있는 신기술로 최근 크게 주목받고 있다 [5,6].
	고주파 입력 전력을 6kW에서 12kW까지 두 배 증가시켰을 때, 축 방향 유동속도의 증가율이 토치 출구에서의 플라즈마 온도 증가율보다 높게 나타난 이유는?	3% 가량 증가하였다. 이러한 현상은 그림 6(a) 및 (b)에 묘사된 바와 같이, 토치 중심축을 따라 주입된 차가운 운반기체가 고출력 플라즈마일수록 빨리 가열되어 상대적으로 빠른 속도로 토치를 관통해 나갈 수 있기 때문에 나타난 것으로 보인다.
	Ni 나노 금속 합성법에는 어떠한 것들이 있는가?	특히, 초박층화와 고용량화가 빠르게 진행되고 있는 MLCC 제조 분야에서 내부 전극의 충진율과 소결 특성 향상에 필수적인 200 nm 급 Ni 분말에 대한 연구가 진행된 바 있으며, 일부 초고용량, 초소형 고부가가치 제품의 경우에는 100 nm 이하 분말의 사용이 예상되고 있다 [1]. 이와 같은 Ni 나노 분말 수요에 대응하여, 열플라즈마법 (thermal plasmas)[5,6], 초음파분무열분해법 (ultrasonic spray pyrolysis)[7], 수열합성법 (hydrothermal process) [8], 용액환원법 [2] 등 다양한 Ni 나노 금속 합성법들이 개발되어왔다. 이 중에서 열플라즈마를 이용한 Ni 나노 분말 합성은, 유해 폐기물을 발생시키는 종래의 습식법들과는 달리 친환경적이며, 특히 MLCC용 페이스트에 요구되는 높은 충진밀도를 가진 구형 고순도 Ni 입자를 대량 생산할 수 있는 신기술로 최근 크게 주목받고 있다 [5,6].

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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