고전압 펄스파워를 이용한 은 나노분말고전압 펄스파워를 이용한 은 나노분말고전압 펄스파워를 이용한 은 나노분말고전압 펄스파워를 이용한 은 나노분말

제조장치 시제품 제작기술 지원제조장치 시제품 제작기술 지원제조장치 시제품 제작기술 지원제조장치 시제품 제작기술 지원

2006. 1.2006. 1.2006. 1.2006. 1.

지원기관지원기관지원기관지원기관 :::: 한 국 전 기 연 구 원한 국 전 기 연 구 원한 국 전 기 연 구 원한 국 전 기 연 구 원

지원기업지원기업지원기업지원기업 :::: 주 엔 티 베 이 스주 엔 티 베 이 스주 엔 티 베 이 스주 엔 티 베 이 스( )( )( )( )

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

- 2 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 고전압 펄스파워를 이용한 은 나노분말 제조장치 시제품 제작기술 지“

원 지원기간 과제의 기술지원성과보고서로 제출합니”( : 2004. 11 . ~ 2005. 10 .)

다.

2006. 1. .2006. 1. .2006. 1. .2006. 1. .

지원기관지원기관지원기관지원기관 :::: 한국전기연구원한국전기연구원한국전기연구원한국전기연구원 박 동욱박 동욱박 동욱박 동욱

지원기업지원기업지원기업지원기업 :::: 주 엔티베이스주 엔티베이스주 엔티베이스주 엔티베이스( )( )( )( ) 송 근용송 근용송 근용송 근용

지원책임자지원책임자지원책임자지원책임자 임 근희임 근희임 근희임 근희::::

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원 조 주현조 주현조 주현조 주현::::

〃〃〃〃 정 인화정 인화정 인화정 인화::::

〃〃〃〃 박 찬국박 찬국박 찬국박 찬국::::

〃〃〃〃 박 상하박 상하박 상하박 상하::::

〃〃〃〃 구세프구세프구세프구세프::::

- 3 -

목 차목 차목 차목 차

기술지원 성과 요약서기술지원 성과 요약서기술지원 성과 요약서기술지원 성과 요약서

연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과( )( )( )( )

세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 전기폭발 현상과 나노 분말의 제조제 절 전기폭발 현상과 나노 분말의 제조제 절 전기폭발 현상과 나노 분말의 제조제 절 전기폭발 현상과 나노 분말의 제조1111

제 절 전기폭발법을 이용한 나노분말의 제조원리 및 이론제 절 전기폭발법을 이용한 나노분말의 제조원리 및 이론제 절 전기폭발법을 이용한 나노분말의 제조원리 및 이론제 절 전기폭발법을 이용한 나노분말의 제조원리 및 이론2222

제 절 전기폭발법을 이용한 나노분말 제조장치 구성제 절 전기폭발법을 이용한 나노분말 제조장치 구성제 절 전기폭발법을 이용한 나노분말 제조장치 구성제 절 전기폭발법을 이용한 나노분말 제조장치 구성3333

제 절 제조된 은 나노분말의 입도분석제 절 제조된 은 나노분말의 입도분석제 절 제조된 은 나노분말의 입도분석제 절 제조된 은 나노분말의 입도분석4444

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

참고문헌참고문헌참고문헌참고문헌

부록 기타 금속 및 세라믹 나노분말 제조부록 기타 금속 및 세라믹 나노분말 제조부록 기타 금속 및 세라믹 나노분말 제조부록 기타 금속 및 세라믹 나노분말 제조

- 4 -

기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서

사업목표사업목표사업목표사업목표1.1.1.1.

전기폭발에 의한 은 나노분말 제조장치 시제품 제작-

제조된 은 나노분말의 분석 및 평가-

기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위2.2.2.2.

고전압 발생 및 충전기술- (20 , 2kJ/shot, 1pps)㎸

은 나노분말의 생산을 위한 최적조건 최적의 와이어 직경 길이 등을 도출- ( , )

시스템 구성기술 대량 생산에 적합한 시스템의 구성- ( )

제조된 은 나노분말의 분석 및 평가- (SEM, TEM, XRD, BET)

지원실적지원실적지원실적지원실적3.3.3.3.

지원항목지원내용

비고기술지원前 기술지원後

충전기 전원 노이즈에 의한 잦은 고장 안정적인 동작

최적조건 0.6φ, 160㎜ 0.6φ, 90㎜

시스템구성 회로인덕턴스 2.8 Hμ 회로인덕턴스 0.85 Hμ

분석평가 분말 상태 모름분말 상태 파악(SEM, TEM

등 여회 분석10 )

- 5 -

기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과4.4.4.4.

해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품1)1)1)1)

○ 적용제품명 은 나노분말 제조기:

○ 모 델 명 호기: 1 ~ 3

품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)

구 분 경쟁 제품해당기술 적용제품 비

고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질 분말크기 균일 분말크기 균일 분말크기 균일

경쟁제품 대비 가격 고가 저가 저가

객관화 된 를 근거로 작성DATA※

원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과3)3)3)3)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 백만원 년4 / ( 15 %)

인건비 절감 백만원 년13 / ( 30 %)

계 백만원 년17 / ( %)

공정개선 및 품질향상 등으로 인한 절감효과 반영※

적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과4) ( )4) ( )4) ( )4) ( )

구 분 당해 연도 매출 차년도 예상매출전년대비

증가비율비고

내 수 백만원 년90 / 백만원 년800 / 890%

수 출 천달러 년10 / 천달러 년100 / 1,000%

계 백만원 년100 / 백만원 년900 / 900%

참고 적용제품 주요수출국 이태리 미국 독일) 1. : , ,

작성당시 환율기준 원 달러2. : 1000 /

- 6 -

수입대체효과수입대체효과수입대체효과수입대체효과5)5)5)5)

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액 비 고

천달러 년/ 천달러 년/ 천달러 년/

천달러 년/ 천달러 년/ 천달러 년/

계 천달러 년/ 천달러 년/ 천달러 년/

해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)

전기폭발에 의한 나노분말 제조기술의 상업화-

양질의 분말 생산을 위한 공정의 최적화-

기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)

펄스 파워기술의 상업화-

나노소재 생산 기술의 다양화-

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5. ,5. ,5. ,5. ,

규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득1) ,1) ,1) ,1) ,

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

- 7 -

지적재산권지적재산권지적재산권지적재산권2)2)2)2)

종 류 명칭 번호발명자

고안자( )권리자 실시권자

비고

등록( ,

출원)

특허

나노분말 제조용 전

기폭발 장비의 피딩

장치

10-0446956 임근희외한국전기

연구원엔티베이스 등록

특허 나노분말 제조장치 10-0407160 임근희외한국전기

연구원등록

실용신안나노분말 제조용 전

기폭발 장비20-0328349 임근희외

한국전기

연구원등록

특허

열적 안정성을 갖는

나노분말 제조용 전

기폭발 장치

10-2003-00

36634임근희외

한국전기

연구원출원

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6.6.6.6.

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 건5 시제품 성능향상 및 은 나노 분말의 양질화

시제품제작 건9 기의 시제품 제작 및 시제품 성능향상3

양산화개발 건

공정개선 건

품질향상 건

시험분석 건9 은 나노분말의 품질향상 및 응용분야 탐색

수출 및 해외바이어발굴 건

교육훈련 건

기술마케팅 경영자문/ 건

정책자금알선 건

논문게재 및 학술발표 건

사업관리시스템

지원실적업로드 회수건

참여기업 방문회수 건12 기술정보 교환 및 성공적인 시제품 제작 가능

기 타 건

상기 세부지원실적에 대한 세부내용 첨부※

- 8 -

종합의견종합의견종합의견종합의견7.7.7.7.

기술 분야의 최초 상용화 생산 장비를 구축 하는데 의의가 크며 본 기술 지원을 통NT ,

하여 해당기업의 국내외 시장 점유가 가속화 될 것으로 사료됨.

- 9 -

연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과( )( )( )( )□□□□

과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과1.1.1.1.

논문게재 성과논문게재 성과논문게재 성과논문게재 성과□□□□

논문게재 세부사항논문게재 세부사항논문게재 세부사항논문게재 세부사항

(9)(9)(9)(9)

게재게재게재게재

년도년도년도년도

(10)(10)(10)(10)

논문명논문명논문명논문명

저자저자저자저자(11)(11)(11)(11)(12)(12)(12)(12)

학술지명학술지명학술지명학술지명

(13)(13)(13)(13)

Vol.Vol.Vol.Vol.

(No.)(No.)(No.)(No.)

(14)(14)(14)(14)

국내외국내외국내외국내외

구분구분구분구분

(15)(15)(15)(15)

SCISCISCISCI

구분구분구분구분주저자주저자주저자주저자교신교신교신교신

저자저자저자저자

공동공동공동공동

저자저자저자저자

2005전기폭발에 의한

나노분말 제조조주현 조주현 임근희

대한전기학

회 학술대회

논문지

2005.

권C국내

비

SCI

사업화 성과사업화 성과사업화 성과사업화 성과2.2.2.2.

특허 성과특허 성과특허 성과특허 성과□□□□

출원된 특허의 경우○

세부사항세부사항세부사항세부사항

(9)(9)(9)(9)

출원년도출원년도출원년도출원년도

(10)(10)(10)(10)

특허명특허명특허명특허명

(11)(11)(11)(11)

출원인출원인출원인출원인

(12)(12)(12)(12)

출원국출원국출원국출원국

(13)(13)(13)(13)

출원번호출원번호출원번호출원번호

2003

나노단위의 금속분말

습식 분급 시스템 및

분급 방법과 액상

조성물

엔티베이스 주( ) 한국10-2003-007554

4

2004나노단위의 건식 분급

시스템 및 분급 방법엔티베이스 주( ) 한국

10-2004-000628

8

- 10 -

등록된 특허의 경우○

세부사항세부사항세부사항세부사항

(9)(9)(9)(9)

등록년도등록년도등록년도등록년도

(10)(10)(10)(10)

특허명특허명특허명특허명

(11)(11)(11)(11)

등록인등록인등록인등록인

(12)(12)(12)(12)

등록국등록국등록국등록국

(13)(13)(13)(13)

등록번호등록번호등록번호등록번호

2005나노 단위의 입자로

이루어진 분말 분산장치엔티베이스 주( ) 한국 20-0354871

사업화 현황사업화 현황사업화 현황사업화 현황□□□□

사업화 세부사항사업화 세부사항사업화 세부사항사업화 세부사항

사업사업사업사업(9)(9)(9)(9)

화명화명화명화명

(10)(10)(10)(10)

사업화사업화사업화사업화

내용내용내용내용

사업화 업체 개요사업화 업체 개요사업화 업체 개요사업화 업체 개요(11)(11)(11)(11)(12)(12)(12)(12)

기 매출액기 매출액기 매출액기 매출액

백만원백만원백만원백만원( )( )( )( )

(13)(13)(13)(13)

당해연도당해연도당해연도당해연도

매출액매출액매출액매출액

백만원백만원백만원백만원( )( )( )( )

(14)(14)(14)(14)

매출액매출액매출액매출액

합계합계합계합계

백만원백만원백만원백만원( )( )( )( )업체명업체명업체명업체명 대표자대표자대표자대표자 종업원수종업원수종업원수종업원수

사업화사업화사업화사업화

형태형태형태형태

주 사업화 업체 개요의 사업화 형태는 연구책임자 창업 기술이전에 의한 창11) 1. , 2.

업 창업지원 기존업체에서 상품화 중에서 선택하여 번호 기입, 3. , 4.

고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과□□□□

고용창출 세부사항고용창출 세부사항고용창출 세부사항고용창출 세부사항

(9)(9)(9)(9)

창업창업창업창업

명명명명( )( )( )( )

(10)(10)(10)(10)

사업체 확장사업체 확장사업체 확장사업체 확장

명명명명( )( )( )( )

(11)(11)(11)(11)

합계합계합계합계

명명명명( )( )( )( )

- 11 -

세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용□□□□

기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건1. : 51. : 51. : 51. : 5

시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건2. : 92. : 92. : 92. : 9

시험분석 건시험분석 건시험분석 건시험분석 건3. : 93. : 93. : 93. : 9

- 12 -

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

전기폭발 은 금속 와이어에 전류가 흘러서 와이어가 가열되면 강력(wire explosion)

한 빛과 함께 연기와 같은 부산물이 발생하는 현상이다 전기 폭발 현상이 관측된.

이래로 그 현상이 나타내는 강한 빛과 큰 폭음 등의 드라마틱한 특성으로 인하여

많은 과학자들의 연구의 대상이 되어왔다 전기폭발은 전기에너지가 열적에너지로.

변환되고 나아가 기계적 에너지로 바뀌는 현상이고 그 에너지 변환이 급속히 진행,

될 때 폭발이라고 불릴 정도의 위력을 갖는다 우리의 실생활 속에는 다수의 전기.

폭발 장치가 있다 우리는 이것을 퓨즈라고 부르며 역설적이지만 안전을 위해서 사. ,

용하고 있다 그러나 퓨즈는 조건에 따라서 폭발하는 물질이 되기도 한다 퓨즈는. .

와이어에 과전류가 흘러서 발생하는 열이 어느 정도 이상으로 축적될 때 와이어가

녹아 비산하면서 전류의 흐름을 차단하여 소자 및 전기기계가 과전류에 의해서 발

생되는 열로 파손되는 것을 막는 역할을 한다 용융된 퓨즈 물질이 비산하여 전류.

의 흐름을 차단하기 위해서는 적어도 수 마이크로 초 정도의 시간이 필요하다 예.

를 들면 용융된 액체가 의 속도로 비산한다면 동안에 의 변위를1 /sec 1sec 1㎞ ㎜

일으키고 이정도의 거리도 조건에 따라서는 충분하지 않을 수 있다 그 이유는 변.

위에 의해서 발생하는 미소한 갭에서 방전 플라즈마가 발생하여 전기적으로 연결이

되기 때문이다 만약 이러한 퓨즈물질의 변위에 필요한 수 마이크로 초 정도의 시.

간동안에도 지속적으로 전류가 흘러서 와이어를 증발에 필요한 온도까지 상승시키

고 나아가 액체에서 기체로 변하는데 필요한 포텐셜 에너지의 증가분(latent heat:

잠열 까지도 공급이 된다면 와이어는 기체화 할 것이다 하지만 와이어가 전체적) .

으로 균일하게 증발하기 위해서는 금속의 녹는점 근처에서 큰 전류의 흐름이 있어

야 한다 왜냐하면 금속 와이어를 증발시키기 위해서 필요한 대부분의 에너지는 녹.

는점에서부터 기체화 하는 과정에서 소요되기 때문이다 이와 같이 수 오더의. secμ

시간 동안 수십 에 이르는 에너지를 전달하기위해서는 수십 의 파워가 필요하고J ㎿

이러한 파워는 펄스파워 기술을 이용하여 얻을 수 있다 역으로 은. wire explosion

반드시 펄스 대전류에서만 일어날 수밖에 없는 이유이기도하다.

- 13 -

전기에너지에 의해서 와이어가 폭발할 수 있는 또 한가지 중요한 원인은 온도상승

에 의해서 저항이 증가하는 금속의 고유한 성질 때문이기도 하다 즉 금속의 온도.

증가에 의한 저항률의 상승은 에너지 소비를 공간적으로는 와이어 부분에 집중시키

며 또한 시간적으로 에너지 전달을 가속시킬 수 있어 수십 이상의 파워를 제한, ㎿

된 공간에 집중시킬 수 있다.

이와 같은 은 매우 극적인 여러 가지 현상들을 수반하며 그 현상 하wire explosion

나하나 마다 모두 독특한 응용분야가 있어 관련 연구들이 진행되고 있다 그중에서.

나노분말 제조는 이 전기폭발 현상의 부산물을 이용하는 응용분야라고 할 수 있다.

와이어의 금속물질이 증발하여 원자화한 후 분위기 가스와 충돌하여 냉각되면 응축

되어 입자가 생성된다 이때 와이어 물질이 급격히 팽창한 만큼 분위기 가스와의.

충돌에 의한 냉각 또한 급속히 이루어지므로 입자는 성장이 억제되어 일반적으로,

수십 정도의 직경을 갖게 된다.㎚

전기폭발 현상의 수반하는 부산물 파우더 에 주목하여 그 부산물을 활용하고자 하( )

는 연구는 년에 와 에 의해서 보고되었다1962 Frank G. Karioris Birney R. Fish

그들은 우라늄 와이어를 기중에서 폭발시켜서 우라늄옥사이드[21]. (U3O8 의 분말)

을 제조하여서 동물이 흡입했을 때의 영향을 연구하였다 년대의 소련에서는. 1970

전기폭발 관련 많은 연구가 진행되었고 분말제조의 연구도 수행되었지만 논문 등으

로 보고된 자료는 파악되지 않고 있다 년 큐슈대학의 등이. 1987 Mikio Umakoshi

티타늄 와이어를 기중에서 폭발시켜 티타늄옥사이드(TiO2 파우더를 제조하였다)

당시의 분말은 나노 사이즈에서 마이크로 사이즈까지 넓은 사이즈 분포를 나[22].

타내었으며 전기폭발법의 한계 또는 특징으로 여겨졌다 년대에 들어서서 나노. 1990

분말의 연구가 진행되면서 전기폭발법으로 나노분말의 제조가 가능하다는 것이 주

목받기 시작하였다 년 일본 나가오카 기술과학대학의[23,24]. 1998 Kiyoshi Yatsui

와 은 분위기 가스의 압력을 조절하여 분말사이즈 제어가 가능함을Weihua Jiang

보였다 아울러 그들은 다양한 종류의 금속와이어를 사용하여 다양한 종류의[25].

금속 및 세라믹 나노분말의 제조가 가능함을 보였다.

- 14 -

현재의 전기폭발법을 이용한 나노분말 제조에 관한 연구는 러시아 일본 미국 등에, ,

서 연구가 행하여지고 있으며 상업적으로 이용하려는 시도가 이루어지고 있으며,

기존의 기계적 화학적 방법과 경쟁하면서 그 영역을 확장해 가고 있는 추세이다, .

나노분말 제조는 산업응용이 유망하여 기대를 모으고 있으며 국내에서는 한국전기,

연구원 한국원자력연구소 울산대학교 등에서 활발하게 연구가 이루어지고 있다, , .

국외 연구기관으로서는 미국 일본 러시아(LANL), (Nagaoka Univ. of Tech.),

등에서 연구가 진행되고 있다(Tomsk Polytechnic Univ.) .

전기폭발법을 이용한 금속 및 세라믹 나노분말 제조법은 장치와 공정의 간단함과

높은 에너지 효율 고순도의 분말제조 가능 등의 장점을 가지고 있으며 제조되는, ,

분말의 입도분포가 넓다는 단점이 있다 입도분포가 넓은 이유는 이하의 나. 100㎚

노입자 이외에도 마이크로미터 수준의 입자 발생 때문이다 나노분말의 생성원리와.

폭발 메카니즘의 연구결과와 제조공정의 최적화를 통하여 분말의 입도분포를 제어

하고 마이크로 사이즈 입자의 발생을 억제하기 위한 방법이 밝혀지고 있다.

현재 전기폭발법을 이용한 은 나노분말 제조기술은 연구개발 단계에서 실용화로,

전환되는 과도기의 기술이다 대량 생산을 위한 와이어의 피딩 및 분말의 포집방법.

이 다양하게 개발되어 대량 생산기술의 체계를 갖추어 가고 있다 대량생산에서 발.

생하는 여러 가지 기술적 문제들에는 이론적 실험적 지식으로부터 해결하여야 할

과제들이 많이 포함되어 있으므로 전문적인 연구기관의 기술지원이 절실하다.

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

본 과제에서 지원하고자 하는 기술은 은 나노분말의 생산을 위한 시제품 제작기술

로서 장치의 설계 및 제작과 생산된 은 나노분말의 분석평가 등을 포함한다 그 세, .

부적 목표들은 다음과 같다.

고전압 발생 및 충전기술고전압 발생 및 충전기술고전압 발생 및 충전기술고전압 발생 및 충전기술1.1.1.1.

- 15 -

상 선식의 상용전원에서 전력을 변환하여 에너지 저장용 고전압 커패시터를 고3 4 ,

속 고반복율로 충전하는 장치와 방전 시 발생하는 노이즈와 장치의 오동작으로부,

터 충전장치를 보호하는 기능을 갖는 시제품 제작 기술을 지원한다 전원 장치의.

사양은 다음과 같다.

충전전압- ; 20 max㎸

충전에너지 회- : 2 kJ/

최대 반복율- : 1pps

은 나노분말의 생산을 위한 최적조건은 나노분말의 생산을 위한 최적조건은 나노분말의 생산을 위한 최적조건은 나노분말의 생산을 위한 최적조건2.2.2.2.

전기폭발에 의한 은 나노분말의 생산을 위한 조건은 생산하고자 하는 분말의 양과

질에 따라서 달라질 수 있다 일반적으로 생산량을 늘리기 위해서는 와이어의 직경.

이 굵고 와이어의 길이가 길수록 유리하다 그러나 생산되는 분말의 입도분포는 매, .

우 넓어지는 경향이 있다 따라서 생산량과 분말의 질을 고려하여 적절한 조건을.

선정하여야 한다 이와 관련하여 실험 및 기존의 연구의 결과를 바탕으로 기술을.

지원한다.

시스템 구성기술시스템 구성기술시스템 구성기술시스템 구성기술3.3.3.3.

대량 생산을 하기위한 와이어 피딩 방전 및 분말 포집 등의 전체적인 시스템 구성,

기술을 지원하여 장치 기당 의 수율로 은 나노분말의 제조가 가능하도록1 300g/h

기술을 지원한다.

제조된 은 나노분말의 분석 및 평가제조된 은 나노분말의 분석 및 평가제조된 은 나노분말의 분석 및 평가제조된 은 나노분말의 분석 및 평가4.4.4.4.

제조된 은 나노분말을 평가하여 시제품의 성능을 평가하고 최적 조건을 확립하기

위하여 및 비표면적측정 등의 분석을 행하고 시제품 제작SEM, TEM, XRD BET( )

및 생산된 분말의 상용화를 위한 자료로 활용한다.

- 16 -

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

기존의 연구에 의해서 밝혀진 전기폭발의 원리와 실험적 결과들을 근거로 하여 은

나노분말의 제조를 위한 적절한 방전 시스템 구성기술을 지원하였으며 목표로 하,

였던 사양의 고속 충전 장치의 제작과 보호 시스템의 구성을 지원하였다 양질의.

분말을 생산하기 위해서 필요한 저인덕턴스 시스템 구성을 위한 시스템 구성을 하

였으며 또한 접지전극의 개량에 의한 대량생산에 있어서 필요한 와이어 피딩의 안,

정성을 크게 향상시켜서 생산성을 높였다 은 나노분말의 생산과 생산된 분말의 응.

용을 위해서 및 비표면적 측정 등의 분석을 수행하여 상용화에SEM, TEM, XRD

필요한 기술지원을 수행하였다 이상의 지원 내용에 관한 구체적 내용은 대해서는.

제 장 본론에 기술한다2 .

- 17 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 전기폭발 현상과 나노 분말의 제조제 절 전기폭발 현상과 나노 분말의 제조제 절 전기폭발 현상과 나노 분말의 제조제 절 전기폭발 현상과 나노 분말의 제조1111

전기폭발이라는 현상은 전기의 발명과 더불어 관측된 현상이다 이 현상은 금속[1].

와이어에 전류가 흘러서 와이어가 가열되면 강력한 빛과 함께 연기와 같은 부산물

이 발생하는 현상이다 전기폭발 현상이 관측된 이래로 그 현상이 나타내는 강한.

빛과 큰 폭음 등의 드라마틱한 특성으로 인하여 많은 과학자들의 연구의 대상이 되

어왔다 [1-11].

전기 폭발이라고도 불리는 은 전기에너지가 열적에너지로 변환되고wire explosion

나아가 기계적 에너지로 바뀌는 현상이고 그 에너지 변환이 급속히 진행될 때 폭,

발이라고 불릴 정도의 위력을 갖는다 우리의 실생활 속에는 다수의 전기폭발 장치.

가 있다 우리는 이것을 퓨즈라고 부르며 역설적이지만 안전을 위해서 사용하고 있. ,

다 그러나 퓨즈는 조건에 따라서 폭발하는 물질이 되기도 하는데 그림 에 그. 2.1

과정을 개략적으로 나타내었다 퓨즈는 와이어에 과전류가 흘러서 발생하는 열이.

어느 정도 이상으로 축적될 때 와이어가 녹아 비산하면서 전류의 흐름을 차단하여

소자 및 전기기계가 과전류에 의해서 발생되는 열로 파손되는 것을 막는 역할을 한

다 용융된 퓨즈 물질이 비산하여 전류의 흐름을 차단하기 위해서는 적어도 수 마.

이크로 초 정도의 시간이 필요하다 예를 들면 용융된 액체가 의 속도로 비. 1 /sec㎞

산한다면 동안에 의 변위를 일으키고 이정도의 거리도 조건에 따라서는1sec 1㎜

충분하지 않을 수 있다 그 이유는 변위에 의해서 발생하는 미소한 갭에서 방전 플.

라즈마가 발생하여 전기적으로 연결이 되기 때문이다 만약 이러한 퓨즈물질의 변.

위에 필요한 수 마이크로 초 정도의 시간동안에도 지속적으로 전류가 흘러서 와이

어를 증발에 필요한 온도까지 상승시키고 나아가 액체에서 기체로 변하는데 필요한

포텐셜 에너지의 증가분 잠열 까지도 공급이 된다면 와이어는 기체화(latent heat: )

할 것이다 이와 같이 와이어 전체가 고체에서 고온의 기체 증기 로 상 변이를 일으. ( )

킨다면 그 부피는 크게 팽창을 할 것이다 만약 제한된 공간에서 이와 같은 금속.

와이어의 기체화가 발생한다면 우리는 이상기체방정식을 사용하여 그 압력을 추정

할 수 있다.

- 18 -

예를 들어 직경 길이 의 납 와이어가 증발하여 직경 길이0.2 , 30 6 , 30㎜ ㎜ ㎜ ㎜

의 퓨즈관을 가득 채운다면 그 압력은 기압 정도가 되어 퓨즈 관이 파괴되는 일10 ,

이 발생할 것이다 이런 경우는 퓨즈라기보다는 전기폭발 이라고 해. wire explosion( )

야 적당할 것이다 하지만 퓨즈에서 폭발로 바뀌기 위해서는 금속의 녹는점 근처에.

서 큰 전류의 흐름이 있어야 한다 왜냐하면 금속 와이어를 증발시키기 위해서 필.

요한 대부분의 에너지는 녹는점에서 부터 기체화 하는 과정에서 소요되기 때문이

다 예를 들면 상기의 납 와이어 직경 길이 의 경우 녹이는데 필요한 에. ( 6 , 30 )㎜ ㎜

너지는 이지만 증발에 필요한 에너지는 이다 따라서 퓨즈물질의 충분한0.5J 12 J .

비산이 일어나기 전의 짧은 시간동안 대량의 에너지를 와이어에 전달하지 않으면

와이어는 증발까지 이르지 못하고 액체상태로 비산하게 되는 것이다 이와 같이 수.

오더의 시간 동안 수십 에 이르는 에너지를 전달하기위해서는 수십 의 파워가sec J ㎿

필요하고 이러한 파워는 펄스파워 기술을 이용하여 얻을 수 있다 역으로. Wire

은 반드시 펄스 대전류에서만 일어날 수밖에 없는 이유이기도하다explosion .

퓨즈 일반배전계통퓨즈 일반배전계통퓨즈 일반배전계통퓨즈 일반배전계통@@@@ 전기폭발 펄스파워전기폭발 펄스파워전기폭발 펄스파워전기폭발 펄스파워@@@@

수~ ㎲

0.2 × 30 Pb wire㎜ϕ

in 6×30 tube㎜ϕ

수~ ㎳ ↓↓↓↓

기압의 압력상승10

전류차단플라즈마 발생 및

압력상승에 따른 폭발

그림 퓨즈와 전기폭발 현상의 차이점그림 퓨즈와 전기폭발 현상의 차이점그림 퓨즈와 전기폭발 현상의 차이점그림 퓨즈와 전기폭발 현상의 차이점2.12.12.12.1

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전기에너지에 의해서 와이어가 폭발할 수 있는 또 한가지 중요한 원인은 온도상승

에 의해서 저항이 증가하는 금속의 고유한 성질 때문이기도 하다 즉 금속의 온도.

증가에 의한 저항률의 상승은 에너지 소비를 공간적으로는 와이어 부분에 집중시키

며 또한 시간적으로 에너지 전달을 가속시킬 수 있어 수십 이상의 파워를 제한, ㎿

된 공간에 집중시킬 수 있다.

이와 같은 은 매우 극적인 현상들을 수반하며 그 현상 하나하나를 다wire explosion

음과 같이 이용하는 연구들이 진행되고 있다.

급속한 부피팽창에 의한 충격파발생 큰 임펄스 압력을 이용하여 물체를 가속1. :

시키거나 파괴시키는 응용이 가능하다[2, 7-8, 12].

전류의 흐름을 차단하여 고전압 펄스를 발생시키는 적절하게2. Opening switch :

설계된 퓨즈를 이용하고 시 플라즈마 발생을 효과적으로 억제하면 아주explosion

짧은 시간에 대전류를 차단하는 것이 가능하며 이 경우 방전회로의 인턱턴스에 저,

장된 자기에너지가 부하에 큰 전압을 유도하게 된다[11-13].

에서 발생하는 고온 고밀도 플라즈마를 이용한3. Wire explosion intense soft

발생 에 의해서 발생되는 플라즈마를 통하여 대전류의 전류x-ray : wire explosion

가 지속적으로 흐르게 되면 전류가 만드는 자기장에 의해서 발생하는 내부로 수축

하려는 전자력이 플라즈마의 팽창력보다 더 커지게 되어 플라즈마가 압축되고 더,

높은 온도와 밀도의 플라즈마로 가열되어 강력한 세기의 가 발생한다soft x-ray

[14-20].

나노분말 제조 와이어의 금속물질이 증발하여 원자화 한 후 분위기 가스와 충4. :

돌하여 냉각되면 응축되어 입자화 한다 이때 와이어 물질이 급격히 팽창한 만큼.

분위기 가스와의 충돌에 의한 냉각 또한 급속히 이루어지므로 입자는 성장이 억제,

되어 일반적으로 수십 정도의 직경을 갖게 된다[21-36].㎚

지금까지의 전기폭발 현상에 있어서의 주된 연구와 응용의 대상은 충격파와 고온

고밀도 플라즈마였다 전기폭발 현상의 수반하는 부산물 파우더 에 주목하여 그 부. ( )

산물을 활용하고자 하는 연구는 년에 와 에1962 Frank G. Karioris Birney R. Fish

의해서 보고되었다[21].

- 20 -

그들은 우라늄 와이어를 기중에서 폭발시켜서 우라늄옥사이드(U3O8 의 분말을 제조)

하여서 동물이 흡입했을 때의 영향을 연구하였다 년대의 소련에서는 전기폭발. 1970

관련 많은 연구가 진행되었고 분말제조의 연구도 수행되었지만 논문 등으로 보고된

자료는 파악되지 않고 있다 년 큐슈대학의 등이 티타늄 와이. 1987 Mikio Umakoshi

어를 기중에서 폭발시켜 티타늄옥사이드(TiO2 파우더를 제조하였다 당시의) [22].

분말은 나노 사이즈에서 마이크로 사이즈까지 넓은 사이즈 분포를 나타내었으며 전

기폭발법의 한계 또는 특징으로 여겨졌다 년대에 들어서서 나노분말의 연구가. 1990

진행되면서 전기폭발법으로 나노분말의 제조가 가능하다는 것이 주목받기 시작하였

다 년 일본 나가오카 기술과학대학의 와[23,24]. 1998 Kiyoshi Yatsui Weihua

은 분위기 가스의 압력을 조절하여 분말사이즈 제어가 가능함을 보였다Jiang [25].

아울러 그들은 다양한 종류의 금속와이어를 사용하여 다양한 종류의 금속 및 세라

믹 나노분말의 제조가 가능함을 보였다.

현재의 전기폭발법을 이용한 나노분말 제조에 관한 연구는 러시아 일본 미국 등에, ,

서 연구가 행하여지고 있으며 상업적으로 이용하려는 시도가 이루어지고 있으며,

기존의 기계적 화학적 방법과 경쟁하면서 그 영역을 확장해 가고 있는 추세이다, .

나노분말 제조는 산업응용이 유망하여 기대를 모으고 있으며 국내에서는 한국전기,

연구원 한국원자력연구소 울산대학교 등에서 활발하게 연구가 이루어지고 있다, , .

국외 연구기관으로서는 미국 일본 러시아(LANL), (Nagaoka Univ. of Tech.),

등에서 연구가 진행되고 있다(Tomsk Polytechnic Univ.) .

전기폭발법을 이용한 금속 및 세라믹 나노분말 제조법은 장치와 공정의 간단함과

높은 에너지 효율 고순도의 분말제조 가능 등의 장점을 가지고 있으며 제조되는, ,

분말의 입도분포가 넓다는 단점이 있다 입도분포가 넓은 이유는 이하의 나. 100㎚

노입자 이외에도 마이크로미터 수준의 입자 발생 때문이다 나노분말의 생성원리와.

폭발 메카니즘의 연구결과와 제조공정의 최적화를 통하여 분말의 입도분포를 제어

하고 마이크로 사이즈 입자의 발생을 억제하기 위한 방법이 밝혀지고 있다

또한 대량 생산을 위한 와이어의 피딩 및 분말의 포집방법이 다양하게[32,33,36].

개발되어 대량 생산기술의 체계를 갖추어 가고 있다.

- 21 -

제 절 전기폭발법을 이용한 나노분말의 제조원리 및 이론제 절 전기폭발법을 이용한 나노분말의 제조원리 및 이론제 절 전기폭발법을 이용한 나노분말의 제조원리 및 이론제 절 전기폭발법을 이용한 나노분말의 제조원리 및 이론2222

전기폭발의 메카니즘전기폭발의 메카니즘전기폭발의 메카니즘전기폭발의 메카니즘2.2.12.2.12.2.12.2.1

전기폭발법을 이용하여 나노분말을 제조하는 원리는 그림 의 퓨즈의 폭발과 유2.1

사하지만 전류의 상승을 보다 빠르게 하여 와이어의 대부분을 고르게 증발시키고

분위기가스를 조절하여 화학반응을 일으키거나 플라즈마의 팽창범위를 제어하여 평

균입도를 제어하는 등의 제어 가능한 파라미터를 이용하는 점에서 단순한 퓨즈의

폭발과는 구별된다 그림 에서 전기폭발에 의한 나노입자 생성과정을 간략하게. 2.2

도식화하여 나타내었다 증발한 금속증기가 입자가 되는 과정은 수증기에서 이슬이.

맺히는 과정과 유사하게 파악되고 있다 이때 금속증기를 급속하게 냉각시키는 역.

할을 하는 것이 분위기가스이다 고체인 금속 와이어가 순간적으로 증발하여 고온.

의 기체로 변할 때는 커다란 내부압력의 증가에 따라 외부로 팽창하고 주변의 가스

와 충돌하여 금속증기의 운동에너지를 잃게 되면 다시 금속원자끼리의 재결합에 의

해서 입자를 만들게 된다 이때 냉각속도가 매우 빠른 만큼 입자의 성장시간 또한.

짧아서 입자가 커지지 않고 나노미터 사이즈가 된다 또한 팽창범위의 변화에 따른.

증기농도의 변화가 입자의 성장 가능성을 변화시켜서 입자의 평균 사이즈가 분위기

가스의 압력에 의존하는 것으로 여겨지고 있다.

Ohmic heatingOhmic heatingOhmic heatingOhmic heatingvaporizing,vaporizing,vaporizing,vaporizing,

expanding, ionizingexpanding, ionizingexpanding, ionizingexpanding, ionizing

expanding, chemical reaction,expanding, chemical reaction,expanding, chemical reaction,expanding, chemical reaction,

cooling , condensationcooling , condensationcooling , condensationcooling , condensation

���� ambient gas molecule vaporambient gas molecule vaporambient gas molecule vaporambient gas molecule vapor●●●● ○○○○ nanosize particlenanosize particlenanosize particlenanosize particle

그림 전기폭발에 의한 나노분말 생성 원리그림 전기폭발에 의한 나노분말 생성 원리그림 전기폭발에 의한 나노분말 생성 원리그림 전기폭발에 의한 나노분말 생성 원리2.22.22.22.2

- 22 -

사용하는 금속와이어의 종류와 분위기가스의 종류에 따라서 제조가 가능한 나노분

말들을 표 에 정리하였다 서로 다른 복수의 와이어를 동시에 폭발시켜서 복합2.1 .

나노분말의 제조가 가능하다 일반적으로 금속 나노분말을 제조하기 위해서 헬륨. ,

아르곤 등의 불활성가스를 이용하지만 절연내력의 문제로 인하여 경우에 따라서 질

소를 사용하기도 한다.

표 전기폭발법에 의한 나노분말의 제조 열처리 필요표 전기폭발법에 의한 나노분말의 제조 열처리 필요표 전기폭발법에 의한 나노분말의 제조 열처리 필요표 전기폭발법에 의한 나노분말의 제조 열처리 필요2.1 (* )2.1 (* )2.1 (* )2.1 (* )

Gas

WireAr O2 N2/NH3 CH4

Al Al Al2O3 AlN Al+Al4C3

Au Au - Au -

C C - C -

Cu Cu CuO+Cu2O Cu -

Fe - Fe2O3 Fe -

Mo - MoO2+MoO3 Mo -

Ni Ni NiO - -

Pb - PbO - -

Sn - SnO2 - -

Ta - Ta2O5 Ta2N -

Ti - TiO2 TiN TiC

Zr - ZrO2 ZrN -

Fe+Ni - NiFe2O4 - -

Pb+Ti - PbTiO3

*)- -

Pb+Zr - PbZrO3

*)- -

Pb+Zr+Ti - PbZrTiO3

*)- -

- 23 -

제조된 분말에 포함되는 마이크로 입자의 생성원인은 액적이 그 원인으로 생각되고

있다 즉 와이어의 일부분이 증발하지 못한 상태의 액체로 남아있고 팽창과정에서.

작은 액적으로 분해되면서 동시에 냉각되어 고체 상태로 된다는 것이 일반적으로

받아들여지고 있는 가설이다 액적의 발생원인은 와이어를 가열하는 에너지가 충분.

하지 못한 것에 그 원인이 있다 비록 방전에너지를 와이어를 증발시키는데 필요한.

에너지의 수배에 달하도록 하더라도 그 에너지가 와이어 가열에 쓰이지 못한다면

와이어는 전체적으로 증발하지 못할 것이다 에너지가 와이어 가열에 전달되지 못.

하는 원인은 플라즈마의 생성과 밀접한 관계가 있는 것으로 파악된다 즉 와이어. ,

주변에 생성되는 플라즈마는 전류의 흐름을 와이어로부터 주변의 플라즈마로 바꾸

어버리는 역할을 하며 전류가 흐르지 못하는 와이어는 더 이상의 에너지흡수가 일,

어나지 못하므로 액적 상태로 머무르는 것이다.

그림그림그림그림 2.3 X-ray photograph of an exploding wire. Cu, 0.04 × 8.5 , 0.1uF,2.3 X-ray photograph of an exploding wire. Cu, 0.04 × 8.5 , 0.1uF,2.3 X-ray photograph of an exploding wire. Cu, 0.04 × 8.5 , 0.1uF,2.3 X-ray photograph of an exploding wire. Cu, 0.04 × 8.5 , 0.1uF,㎜㎜㎜㎜

45454545㎸㎸㎸㎸

- 24 -

플라즈마 생성에 의한 와이어의 불균일한 증발 및 플라즈마 생성에 대해서는 전기

폭발 현상에 관한 연구가 활발하게 이루어진 년대에 선 촬영을 통하여 실험1960 X

적으로 관찰되었다 그림 은 년에 와 가 발표한. 3.3 1962 W. G. Chace H. K. Moore

논문의 선 사진이다X [9].

그림 에서 시간진행에 왼쪽에서 오른쪽 따른 와이어 상태의 변화를 나타내고2.3 ( )

있다 검은 부분은 고체 혹은 액체상태의 금속을 나타내고 와이어 중간 중간의 흰. ,

색부분은 증발 혹은 플라즈마 상태로 변한 와이어의 상태를 나타낸다.

그림 가시광선 사진 및 선 사진으로 본 전기폭발그림 가시광선 사진 및 선 사진으로 본 전기폭발그림 가시광선 사진 및 선 사진으로 본 전기폭발그림 가시광선 사진 및 선 사진으로 본 전기폭발2.4 . X (Piano wire, 0.460 ,2.4 . X (Piano wire, 0.460 ,2.4 . X (Piano wire, 0.460 ,2.4 . X (Piano wire, 0.460 ,㎜㎜㎜㎜

40F, 3 (~16H)).40F, 3 (~16H)).40F, 3 (~16H)).40F, 3 (~16H)).㎸㎸㎸㎸

- 25 -

그림 는 년에 와 가 발표한 논문 사진으로서 일반 가2.4 1975 T. Suhara S. Fukuda

시광선에 의한 사진과 선 사진을 비교하고 있다 맨 위쪽의 전류파형에 따른X [37].

순간순간의 프레임 사진들이 위쪽 부분의 가시광선에 의한 사진과 아래쪽의 선으X

로 촬영한 사진들로 나뉘어져 있다 가시광선에 의한 사진에서는 팽창하는 플라즈.

마의 모양 흰색부분 이 잘 나타나고 있으며 선에 의한 사진에서는 플라즈마 내부( ) , X

의 와이어 사진의 검은색부분 상태를 잘 나나타내고 있다 이와같은 관측으로 알( ) .

수 있는 것은 와이어는 모든 부분이 동시에 플라즈마화 하는 것이 아니며 팽창하는

플라즈마 내부에는 와이어 물질로 이루어진 코아가 존재한다는 것이다.

Small currentSmall currentSmall currentSmall current

(slow current rise)(slow current rise)(slow current rise)(slow current rise)

Large currentLarge currentLarge currentLarge current

(fast current rise)(fast current rise)(fast current rise)(fast current rise)

그림 와이어 폭발에 의한 플라즈마 생성 모형그림 와이어 폭발에 의한 플라즈마 생성 모형그림 와이어 폭발에 의한 플라즈마 생성 모형그림 와이어 폭발에 의한 플라즈마 생성 모형2.52.52.52.5

- 26 -

그림 는 전기폭발에 의한 플라즈마 생성 및 마이크로입자의 생성 메카니즘을2.5

도식화 한 것이다 플라즈마는 용융된 금속보다 저항이 작아서 주위에 플라즈마가.

형성되면 전류의 경로가 플라즈마를 통하여 형성된다 플라즈마 생성초기에는 부분.

적으로 증발된 와이어부분에 집중되는 전압강하에 의해서 금속증기의 절연파괴가

발생한다 생성된 플라즈마는 주변으로 확장되어가고 전극과 전극사이가 플라즈마.

를 통하여 연결이 되면 전류의 급격한 하강 모드가 멈추고 부드러운 감쇄진동 모드

로 전환된다.

이 모델은 전류의 상승을 빠르게 하여 와이어가열의 속도를 빠르게 하면 보다 많은

부분을 플라즈마화 할 수 있다는 것을 암시하고 있으며 이를 통하여 액적으로부터,

발생하는 마이크로 사이즈 입자의 수를 감소시킬 수 있음을 알 수 있다.

- 27 -

방전 회로 모델링 및 분석방전 회로 모델링 및 분석방전 회로 모델링 및 분석방전 회로 모델링 및 분석2.2.22.2.22.2.22.2.2

전기폭발 장치에서 방전 시스템의 주요부분은 커패시터 스위치 부하 저항 성분, , ( )

및 시스템 인덕턴스와 케이블 인덕턴스 등의 전기적 파라미터로 간략하게 그림 2.6

과 같이 나타낼 수 있다 그림 의 회로도는 다음과 같이 수학적으로 분석 할 수. 3.6

있다.

그림 수학적 분석을 위한 모델링 회로그림 수학적 분석을 위한 모델링 회로그림 수학적 분석을 위한 모델링 회로그림 수학적 분석을 위한 모델링 회로2.62.62.62.6

그림 의 회로에서 전류2.6 에 대한 미분 방정식은 다음과 같다.

(2.1)

여기서 로서 시스템 인덕턴스와 케이블 인덕턴스의 합이고, 은 시스템

저항 및 부하 저항을 모두 포함한다 식 의 미분 방정식을 풀기 위해서 식. (2.1)

을 변환을 하면 다음과 같다(2.1) Laplace .

(2.2)

식 을(2.2) 에 대하여 전개하면 다음과 같다.

(2.3)

식 을 역 변환하여 시간에 대한 전류의 함수를 구할 수 있다 식 은 다음(2.3) . (2.3)

과 같은 형태로 변환 될 수 있다.

- 28 -

(2.4)

식 와 같은 형태로 변환하기 위해서 식 을 다음과 같이 다시 쓸 수 있다(2.4) (2.3) .

(2.5)

여기서

,

이다. 가 갖는 물리적 의미는 로서 부damping ratio

하의 저항 값과 회로의 특성 임피던스의 비로서

로 정의되고 시스템의

응답을 결정하는 중요한 요소로서 그 조건에 따라서 다음과 같이 변환된다.

ⅰ) 인 경우에 대해서 즉 시스템에 대해서 식 을 식, under damped , (2.5)

의 형태로 변환하면 다음과 같다(2.4) .

(2.6)

ⅱ) 인 경우에 대해서 즉 시스템에 대해서는 식 로 표현, over damped (2.7)

된다 이 경우는 전류가 진동 없이 감소하는 형태를 갖는다. .

(2.7)

)ⅲ 인 경우는 시스템으로서 식 로 표현된다critically damped (2.8) .

(3.8)

전기폭발용 방전 시스템의 경우 대부분 ⅰ 의 조건에 해당한다 식 에서 초기) . (2.6)

의 전류상승을 시간의 함수로 간략화 하여 나타낼 수 있다 즉 식 을 급수로. , (2.6)

전개하여 차 항까지 만을 취하면 식 와 같이 된다1 (2.9) .

- 29 -

(2.9)

식 는 회로의 저항이 충분히 작은 경우(2.9) (≪ 에) 로 가정할 수 있고 다음,

과 같이 간략화 된다.

(2.10)

또한 최대전류치는 식 에서(2.6) , 로 놓으면 다음과 같이 된

다.

(2.11)

식 과 식 에서 전류의 상승을 빠르게 하여 와이어 가열을 효율적으로(2.10) (2. 11)

하기위해서는 충전전압을 높이거나 회로의 인덕턴스를 줄이는 방법이 있음을 알 수

있다 충전전압을 높이는 것은 절연 문제로 인하여 방전시스템의 안전과 장치의 신.

뢰성을 떨어뜨리는 문제점이 있다 따라서 가장 효과적인 방법은 시스템의 인덕턴.

스를 최소화 하는 것이다 시스템의 인덕턴스는 커패시터 자체의 인덕턴스와 시스.

템의 구조 등에 의해서 그 최소치에 제한이 있다.

와이어의 최적설계와이어의 최적설계와이어의 최적설계와이어의 최적설계2.2.32.2.32.2.32.2.3

전기폭발에 사용되는 와이어의 직경은 일반적으로 이하가 주로 사용된다 오프1 .㎜

닝 스위치에서 이용되는 전기폭발을 퓨즈에 대하여 그 최적의 직경은 시스템의 회

로 정수와 충전에너지 그리고 퓨즈 물성 등에 의해서 식 와 같이 이론적으로(2.12)

구할 수 있다 이 조건을 만족하는 와이어의 직경은 전류의 최대치에서 와이어[11].

가 폭발하여 전류의 흐름을 차단하는 동작을 한다 몇 가지 종류의 금속에 대하여.

재료상수는 표 와 같다 와이어의 단면적 또한 회로의 인덕턴스와 밀접한 관계2.2 .

가 있고 인덕턴스가 감소할수록 직경이 커지는 것을 알 수 있다.

- 30 -

(2.12)

: Fuse cross section, : Energy stored in C at voltage , : Circuit

inductance, : Material Constant

표 전기폭발에 자주 이용되는 재료의 재료상수표 전기폭발에 자주 이용되는 재료의 재료상수표 전기폭발에 자주 이용되는 재료의 재료상수표 전기폭발에 자주 이용되는 재료의 재료상수2.22.22.22.2

식 로 계산된 와이어의 단면적에 대해서 실험을 통하여 그 차이를 확인할 수(2.12)

있다 그림 은 알루미늄 와이어를 이용한 전기폭발 실험에서 전류와 전압 파형. 2.7

의 변화를 와이어 단면적 변화에 대해서 비교한 것이다[12].

전기폭발 현상의 전류 파형에서는 몇 가지 특징적인 형태를 갖는다 즉 와이어의. ,

상태가 고체에서 액체 기체로 변하면서 저항이 달라지므로 전류의 상승 및 하강 곡

선이 일반적인 회로의 방전파형에서 많이 벗어나게 되는 것이다 이 파형을RLC .

통해서 알 수 있는 것은 전류가 급격히 감소하는 구간에서는 저항이 다른 구간에

비하여 훨씬 크게 작용한다는 것이고 이러한 상태를 규명하기 위해서 많은 연구들

이 있었다 가장 간단한 모델은 와이어의 증발기화에 따른 도전성의 상실이고 경우.

에 따라서는 금속증기 중에서 발생하는 방전에 의하여 형성되는 플라즈마를 통하여

재차 전류가 흐르는 것이다.

- 31 -

이러한 설명이 널리 받아들여지고 있다 따라서 전류가 급격히 감소하는 시점이 와.

이어가 폭발하는 시점으로 볼 수 있고 와이어의 폭발 시점이 와이어의 단면적에,

따라서 크게 달라지고 있다 식 로 계산되는 와이어의 단면적을 로 한. (2.12) 100%

다면 그보다 작은 경우는 전류의 최대치 전에 와이어의 폭발이 일어나며70%

의 경우는 전류의 급격한 감소현상을 거의 볼 수 없음을 알 수 있다130% .

한편 와이어의 폭발에 의한 차 전압의 상승은 물리적으로 전하의 편중에 의해서2

일어난다 전류가 흐르고 있는 회로에서 인덕턴스에. 으로 에너지가 저장된

상태에서 전류의 흐름이 끊어지는 동안 즉시 전류가 으로 되지 않고 일정 시간동0

안 계속하여 전류가 흐르려는 성질 즉 전기적 관성에 의해서 끊어진 곳으로 계속,

하여 전자의 흐름이 발생하고 끊어진 부분에서는 전하의 축적이 일어나서 전압이,

상승하는 것이다 이 차 전압 상승 또한 와이어의 단면적에 따라서 다르게 나타나. 2

고 있음을 그림 의 를 통하여 알 수 있다 차 전압은 충격파 서지를 발생시2.7 (b) . 2

켜서 시스템의 오작동을 유발하고 고전압에 따른 절연을 더욱 강화하여야 하므로

바람직한 현상은 아니나 전기폭발 현상에 있어서 피할 수 없는 현상이다.

제조되는 분말의 품질과 에너지 효율과는 반드시 일치하는 것은 아니므로 식

로 계산되는 와이어의 직경이 전기폭발에 의한 나노분말 제조에 있어서 최적(2.12)

의 조건이라고는 할 수 없다 그러나 와이어 직경의 선택에 있어서 중요한 기준이.

되고 적어도 계산치 이하의 와이어를 사용하여야 한다는 것을 알 수 있다.

와이어의 길이에 대한 최적조건은 아직까지 규명된 것은 없다 그러나 기준은 와이.

어를 증발시키기 위해서 필요한 에너지와 커패시터 충전에너지와의 관계로부터 구

할 수 있다 충전에너지가 와이어를 증발 시키는데 소요되는 에너지보다 작은 경우.

에는 양질의 분말을 기대할 수 없다 역으로 지나치게 과도한 에너지를 투입하는.

경우는 시스템의 부담만 가중되고 그 에너지가 와이어로 전달되지 못하므로 비효율

적이다 와이어의 길이가 지나치게 짧은 경우는 분위기가스의 절연파괴를 일으킬.

수 있어서 역시 좋지 않다 따라서 와이어의 길이는 경우에 따라서 실험적으로 결.

정할 수밖에 없다.

- 32 -

(a)(a)(a)(a)

(b)(b)(b)(b)

그림 서로 다른 단면적의 알루미늄 와이어의 전기폭발그림 서로 다른 단면적의 알루미늄 와이어의 전기폭발그림 서로 다른 단면적의 알루미늄 와이어의 전기폭발그림 서로 다른 단면적의 알루미늄 와이어의 전기폭발2.72.72.72.7

전류 전압전류 전압전류 전압전류 전압(a) , (b)(a) , (b)(a) , (b)(a) , (b)

- 33 -

재료의 종류에 따른 특성과 기화 에너지재료의 종류에 따른 특성과 기화 에너지재료의 종류에 따른 특성과 기화 에너지재료의 종류에 따른 특성과 기화 에너지2.2.42.2.42.2.42.2.4

전기폭발법에 의한 나노분말 제조에 있어서 제조공정과 분말의 특성은 재료자체의

성질에 크게 의존한다 즉 금속와이어의 상온에서의 저항률과 온도변화에 따른 저.

항변화 그리고 끓는점 및 기화에너지 등의 재료 특성에 따라서 다양한 조건이 존재

하는 것이다 표 에 도전성 금속재료의 물리화학적 상수를 나타내었다 전기폭발. 2.3 .

법에서 가장 널리 사용되는 와이어 등은 저항율이 작고 또한 기화Al Cu, Ag, Au

에너지가 대체로 작은 물질들 인 것을 표 에서 알 수 있다 와이어를 증발 시키3.3 .

는데 필요한 최소한의 에너지가 표 에 나타낸 기화에너지 값이다3.3 [38,39].

커패시터에 충전된 전기에너지가 전달되어 와이어를 증발시키는데 소비되는 비율은

재료에 따라서 다르지만 미만으로 추정된다 그 이유는 많은 에너지가 증기를50% .

시스템의 저항성분에 의해서 소비되는 부분도 있으나 대부분은 부분적으로 형성된

증기를 방전을 통해서 플라즈마화 하는데 소비되는 것으로 파악된다 따라서 충전.

에너지는 표 에서 나타낸 기화에너지의 배 이상으로 하는 것이 바람직하다 기3.3 2 .

화에너지가 크면서 전기저항율이 큰 금속의 경우는 전기폭발법에 의한 나노분말 제

조에 있어서 애로점이 있다 요구되는 큰 기화에너지에 비해서 큰 전기저항율은 에.

너지 전달을 어렵게 하기 때문이다 지르코늄 또는 티타늄의 경우가 이와 같은 재.

료이며 이러한 재료의 나노분말에는 마이크로 사이즈 입자들이 특히 많이 발생할,

것으로 생각된다.

- 34 -

표 도전성 금속재료의 물리화학적 상수표 도전성 금속재료의 물리화학적 상수표 도전성 금속재료의 물리화학적 상수표 도전성 금속재료의 물리화학적 상수2.32.32.32.3

고체가 기체로 변환될 때 필요한 엔탈피* Formation enthalpy : 25 25℃ ℃

기체비열 증기의 비열로서 일반적으로 온도의 함수이나 근사화한 수치** :

기화에너지*** : ∆ 끓는점 × 즉, formation enthalpy

에다 증기의 온도를 끓는점까지 올리는데 필요한 엔탈피를 더한 값이다.

- 35 -

제 절 전기폭발법을 이용한 나노분말 제조장치 구성제 절 전기폭발법을 이용한 나노분말 제조장치 구성제 절 전기폭발법을 이용한 나노분말 제조장치 구성제 절 전기폭발법을 이용한 나노분말 제조장치 구성3333

방전시스템 구성요소방전시스템 구성요소방전시스템 구성요소방전시스템 구성요소2.3.12.3.12.3.12.3.1

와이어에 펄스전류를 흘리기 위해서 구성되는 소자들의 시스템을 방전 시스템이라

고 한다 이 방전 시스템의 주요부분들은 전기에너지를 저장하기위한 커패시터와.

그 커패시터에 전기에너지를 충전하기 위한 충전장치 적절한 시간에 저장된 에너,

지를 내보내기위한 스위치 그리고 전류가 흐르기 위한 전선 등으로 구성된다 그림, .

은 나노분말 제조용 전기폭발 장치의 방전 시스템 구성도를 나타낸다2.8 .

그림 전기폭발용 방전시스템 구성도그림 전기폭발용 방전시스템 구성도그림 전기폭발용 방전시스템 구성도그림 전기폭발용 방전시스템 구성도2.82.82.82.8

- 36 -

커패시터는 펄스파워용 커패시터로서 내부 저항 내부 인덕턴스가 작아서 전류상승,

속도가 빠른 커패시터가 적합하다 본 연구에서 사용한 커패시터는 프랑스 사. TPC

에서 제작한 급의 고전압 펄스파워용 커패시터를 사용하였다 커패시턴10 F, 40 .μ ㎸

스의 용량은 펄스의 주기와 관계되어 와이어 가열의 속도를 변화시킨다 즉 같은. ,

방전에너지 일지라도 큰 용량의 커패시턴스와 낮은 충전전압에서는 식 에서(2.10)

나타낸 것처럼 전류의 상승속도가 느려서 와이어를 효과적으로 증발시키지 못한다.

또한 작은 커패시터 용량과 높은 충전전압의 경우 전류의 상승은 충분히 빠르게 되

지만 와이어 폭발 쳄버 내의 분위기 가스가 절연파괴를 일으키는 등의 절연문제가

어려워진다 이러한 관계를 고려하면 충전전압은 미만이 적당하며 커패시턴스. 20㎸

용량은 와이어의 종류와 직경 길이 및 생산량 등을 고려하여 선정하며, 10~40 Fμ

정도의 범위가 적당하다.

커패시터에 충전된 에너지를 스위치를 이용해서 적절한 시간에 부하에 방전한다.

일반적으로 고전압 대전류용 스위치로서는 일반적으로 갭 스위치를 사용한다 갭, .

스위치는 구형 전극사이에 공기 혹은 다른 종류의 가스를 채우고 자발방전 혹은 트

리거에 의해서 발생하는 가스의 절연파괴에 의해서 형성되는 플라즈마를 통하여 전

극사이에 전류가 흐르게 되는 것으로 고전압에 용이하게 견딜 수 있으며 대전류를

흘릴 수 있다 또한 구조가 간단하고 가격이 저렴하여 널리 이용된다 단점으로는. .

전극 면이 방전시 발생하는 열 때문에 손상되기 쉽다 따라서 전극의 재질을 용융.

점이 높은 텅스텐으로 하거나 도전성을 높이기 위해서 텅스텐에 구리를 혼합하여

만든 전극을 많이 사용한다W-Cu .

본 연구에서 구성한 시스템에서는 자발 형 갭 스위치로서 그림 에서 와이어가2.8

고전압 평판전극에 충분히 접근하면 갭 스위치가 자발 방전하는 구조로 되어있다.

이때 와이어의 한 쪽은 쳄버의 벽에 연결되어 있는 접지 봉 전극과 연결된다 본.

시스템에서는 방전 경로 전체적으로 곳의 간극을 갖게 된다 이 간극은 접지 전극3 .

과 와이어 ( 와이어와 고전압 평판전극), ( 그리고 갭스위치 간극), ( 이다) .

이들 가지의 간극의 합과 충전 전압3 ( 은 자발 방전 형 스위치 동작에서 다음과)

같은 관계가 있다.

- 37 -

(2.13)

여기서 는 기체의 절연강도를 나타내는 것으로 단위 길이 당 절연파괴 전압이다.

표준 상태의 공기의 경우 약 이다 따라서 충전전압 의 경우 세= 28 / . 20㎸ ㎝ ㎸

가지 간극의 합은 이내가 되어야 한다 실제의 동작에서 쳄버 내부의 상태는7.1 .㎜

표준 상태보다 값이 작다는 것을 고려하여야 한다 또한 와이어와 접지전극의 간.

극은 약간의 변동이 있으므로 스위칭 동작에 실패함이 없도록 갭 스위치의 간극을

정도로 설정하는 것이 바람직하다5 .㎜

고전압 캐패시터 충전용 전원장치고전압 캐패시터 충전용 전원장치고전압 캐패시터 충전용 전원장치고전압 캐패시터 충전용 전원장치2.3.22.3.22.3.22.3.2

가 연구 개요가 연구 개요가 연구 개요가 연구 개요))))

기술지원이 이루어진 은 나노분말 제조장치에서 제작된 고전압 캐패시터 충전기는

급 정격을 갖으며 회 충전 에너지 로 최대 반복율 에서 동작할10 20 1 2kJ 1pps㎾ ㎸

수 있다 단상 고주파 공진형 인버터 방식을 채용한 급 캐패시터 충전기. 10 20㎾ ㎸

는 영전압 스위칭 기술을 적용하여 장치의 효율을 개선하였고 대의 단상 고전압2

변압기를 사용하여 출력용량을 고르게 분담하면서 다양한 출력조건에 적용 가능하

도록 설계하였다.

본 기술지원에서 요구되는 은 나노분말 제조장치를 구현하기 위한 고전압 캐패시터

충전기는 전체 시스템의 신뢰성을 보장하기 위해서 수준의 고전압 반복 충전20 ,㎸

에서도 안정적으로 동작해야 하며 전체 시스템의 용이한 이동성과 전원장치의 유지

보수성을 확보하기 위해서도 최대한 소형 경량화 시켜야 한다 이와 같은 필요성에, .

의해서 제작된 본 전원장치는 은 나노분말을 제조하기 위한 입력에너지를 저장하는

고전압 캐패시터를 최대 충전전력 최대 충전전압 까지 고효율 충전할10kJ/s, 20㎸

수 있도록 설계되었으며 단상 고주파 인버터와 공랭식을 적용한 고전압 변압기를

사용하여 이상의 높은 효율과 우수한 유지보수성을 갖도록 제작되었다 또한90% .

전원장치의 신뢰성을 향상시키기 위해 대의 단상 고전압 변압기를 사용하여 출력2

용량을 고르게 분담하면서 전기적 절연측면에서도 안정되도록 설계하였다 본 보고.

서에서는 은 나노분말 제조장치의 충전부를 구성하는 급 캐패시터 충전10 20㎾ ㎸

기의 전체 구성과 주요 특징을 설명하고 최적설계를 위해서 수행된 시뮬레이션과

제작된 고전압 충전기의 실험 결과에 대해서 기술하고 있다.

- 38 -

전체 구성전체 구성전체 구성전체 구성1)1)1)1)

개발된 급 캐패시터 충전기는 그림 와 같이 크게 입력 전원부와 인버10 20 2.9㎾ ㎸

터부 고전압 출력부로 구성되어 있다 입력전원부와 인버터부는 상 전압을, . 3 380V

외부전원으로부터 공급받고 있으며 입력필터와 입력정류부 역률 개선용 인덕터 제, ,

어 회로부 그리고 전원장치를 소형화시킬 수 있도록 내부 누설인덕턴스를 이용하,

는 직렬공진형 방식의 단상 고주파 공진형 인버터로 이루어져 있다 한편 고전압. ,

부분은 대의 단상 고전압 변압기와 고압 정류부 출력전압 검출부 등으로 구성되2 ,

어 있으며 최종적으로 고전압 캐패시터에 정전류의 충전전류를 공급하게 된다 또.

한 기존의 고전압 캐패시터 충전기가 대의 단상 고전압 변압기를 채용하여 전기적1

절연문제 때문에 절연유를 사용하게 되는데 반해 본 전원장치는 대의 단상 고전압2

변압기를 사용하여 고전압 변압기와 고압 정류부에 인가되는 전기적 절연내력을 낮

출 수 있었고 공랭식에 의한 냉각방식을 통해 안전성과 유지보수성을 크게 향상시

킬 수 있었다.

단상 고주파 공진형 인버터단상 고주파 공진형 인버터단상 고주파 공진형 인버터단상 고주파 공진형 인버터2)2)2)2)

그림 은 개발된 급 고전압 캐패시터 충전기의 설계 모델을 보여주고2.10 10 20㎾ ㎸

있다 단상 고주파 공진형 인버터의 입력전원은 사의 다이오드 모듈. IXYS

를 통해 공급되었으며 인버터의 스위칭 소자는 정격의FFPF10F150S 1200V 300A

모듈을 사용하였다 또한 소프트 스위칭 기법을 적용하여 인버터의 스위칭 주IGBT .

파수를 최대 까지 높일 수 있었으며 이를 통해서 인버터 출력을 고전압으로100㎑

승압시켜주는 고전압 변압기를 소형화시킬 수 있었다 아울러 전원장치의 효율을.

증가시키고 크기와 무게를 감소시키기 위해서 외부에 공진용 인덕터를 추가하는 대

신에 고전압 변압기 자체의 누설 인덕턴스 성분을 이용하여 직렬 공진회로를 구성

하였다.

- 39 -

그림 급 캐패시터 충전기 내부 구성도그림 급 캐패시터 충전기 내부 구성도그림 급 캐패시터 충전기 내부 구성도그림 급 캐패시터 충전기 내부 구성도2.9 10 202.9 10 202.9 10 202.9 10 20㎾ ㎸㎾ ㎸㎾ ㎸㎾ ㎸

그림 급 캐패시터 충전기의 설계모델그림 급 캐패시터 충전기의 설계모델그림 급 캐패시터 충전기의 설계모델그림 급 캐패시터 충전기의 설계모델2.10 10 202.10 10 202.10 10 202.10 10 20㎾ ㎸㎾ ㎸㎾ ㎸㎾ ㎸

- 40 -

고전압 출력회로고전압 출력회로고전압 출력회로고전압 출력회로3)3)3)3)

단상 공진형 인버터에 연결된 고전압 변압기는 급 고전압 캐패시터를 최10 F 40μ ㎸

대 까지 충전할 수 있도록 차측에 인가되는 인버터 출력전압을 승압시켜 준20 1㎸

다 본 전원장치에서는 고전압 변압기의 차측 권선수를 줄이고 궁극적으로 전기적. 2

절연내력을 낮출 수 있도록 대의 단상 고전압 변압기를 사용하여 각각의 출력전압2

이 더해지도록 설계하였다.

FRONTFRONTFRONTFRONT REARREARREARREAR

그림 급 캐패시터 충전기의 고전압 출력부그림 급 캐패시터 충전기의 고전압 출력부그림 급 캐패시터 충전기의 고전압 출력부그림 급 캐패시터 충전기의 고전압 출력부2.11 10 202.11 10 202.11 10 202.11 10 20㎾ ㎸㎾ ㎸㎾ ㎸㎾ ㎸

제작된 고전압 변압기는 사의 페라이트 코어를 사용하여 고주파 동작에서의 와TDK

전류손을 감소시킬 수 있었으며 이렇게 발생된 고전압 출력은 고압 정류부를 거쳐

서 최종적으로 고전압 캐패시터에 출력된다 그림 은 급 캐패시터. 2.11 10 20㎾ ㎸

충전기에서 사용된 고전압 변압기와 각 측면에 부착된 고압 정류부를 보여주고 있

다.

제어 회로제어 회로제어 회로제어 회로4)4)4)4)

- 41 -

전체 전원장치가 최대 까지 안정되게 동작하기 위해서는 제어 회로와 인버터20㎸

구동회로 설계에 있어서 세심한 주의가 필요하다 고전압 출력과 같은 전기적 상태.

값과 전원장치 내부소자의 온도변화 등을 계속해서 감시하여 문제가 발생하였을 경

우 고속차단과 보호기능이 정확히 작동되도록 최우선적으로 설계하였다 또한 반복, .

충전에서의 안정성을 고려하여 고전압 캐패시터가 외부에 연결된 고전압 스위치에

의해 개폐되는 동안 본 전원장치가 고전압 캐패시터를 재충전하는 것을 방지하기

위해서 반복 충전동작 사이에 약간의 지연시간을 두었다 그림 는 급. 2.12 10 20㎾

캐패시터 충전기의 측면에 실장된 제어 회로부를 보여주고 있으며 윗면에는 인㎸

버터에 사용된 모듈을 구동하기 위한 개의 구동부가 위치해 있음을 확IGBT 2 IGBT

인할 수 있다.

그림 급 캐패시터 충전기의 제어 회로부그림 급 캐패시터 충전기의 제어 회로부그림 급 캐패시터 충전기의 제어 회로부그림 급 캐패시터 충전기의 제어 회로부2.12 10 202.12 10 202.12 10 202.12 10 20㎾ ㎸㎾ ㎸㎾ ㎸㎾ ㎸

- 42 -

주요 특징주요 특징주요 특징주요 특징5)5)5)5)

고효율 저손실 구동을 위한 소프트 스위칭 기술 적용- ,

전기적 절연특성 냉각특성 용량 크기 등을 복합적으로 고려한 고전압 변압기- , , ,

설계

효율적인 스택구조 설계 및 공랭식 고전압 변압기 제작에 따른 전원장치의 소형- ,

경량화

기존 고전압 캐패시터 충전기의 최대 충전전압을 에서 로 성능 향상- 15 20㎸ ㎸

나 설계 및 시뮬레이션나 설계 및 시뮬레이션나 설계 및 시뮬레이션나 설계 및 시뮬레이션))))

그림 에서 제시된 전원장치의 전기적 모델을 에 적용하여 얻어진 시뮬2.10 PSpice

레이션 결과는 그림 과 그림 에 나타내었다 수행된 시뮬레이션에서 고전2.13 2.14 .

압 캐패시터는 충전전압은 그리고 인버터의 스위칭 주파수는0.05 F, 20 , 50μ ㎸ ㎑

로 설정되었다.

그림 은 고전압 캐패시터의 충전전압과 단상 공진형 인버터로부터 인가되는 고2.13

전압 변압기의 차측 입력전류의 시뮬레이션 파형을 보여주고 있다 시뮬레이션 결1 .

과에서 나타나듯 고전압 변압기 차측에 흐르는 전류의 피크값은 약 임을 관1 200A

측할 수 있다.

그림 은 고전압 캐패시터를 최대 충전전압 로 충전할 때의 충전전압과 충전6 20㎸

전류의 시뮬레이션 파형을 나타내고 있다 의 고전압 캐패시터를 까지. 0.05 F 20μ ㎸

충전하는데 충전전류의 평균값은 약 정도이며 소요된 충전시간은 약 임을 확1A 1㎳

인하였다 따라서 실제 의 고전압 캐패시터를 까지 충전하는데 필요한 충. 10 F 20μ ㎸

전시간은 임을 예상할 수 있다200 .㎳

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그림 출력 충전전압과 고전압 변압기 입력전류의 시뮬레이션 파형그림 출력 충전전압과 고전압 변압기 입력전류의 시뮬레이션 파형그림 출력 충전전압과 고전압 변압기 입력전류의 시뮬레이션 파형그림 출력 충전전압과 고전압 변압기 입력전류의 시뮬레이션 파형2.132.132.132.13

그림 충전에서의 충전전압과 충전전류의 시뮬레이션 파형그림 충전에서의 충전전압과 충전전류의 시뮬레이션 파형그림 충전에서의 충전전압과 충전전류의 시뮬레이션 파형그림 충전에서의 충전전압과 충전전류의 시뮬레이션 파형2.14 202.14 202.14 202.14 20㎸㎸㎸㎸

- 44 -

다 제작 및 실험 결과다 제작 및 실험 결과다 제작 및 실험 결과다 제작 및 실험 결과))))

그림 는 시뮬레이션 결과를 기초로 제작된 급 고전압 캐패시터 충전2.15 10 20㎾ ㎸

기의 외관을 보여주고 있다 전원장치는 크게 인버터 부분과 고전압 부분으로 나뉘.

어 있으며 인치 표준 랙에 실장이 가능하도록 제작되었다 전원장치의 크기는19 .

전체 무게는 이며 케이스 후면에 위치한 인버터 부435(W)x428(D)x177(H) , 34㎜ ㎏

분에 냉각팬을 설치하여 장시간의 연속운전에서도 안정적으로 동작하도록 냉각구조

를 단순화시켰다.

그림 은 의 고전압 캐패시터를 충전전압 로 충전할 때의 고전압 변2.16 0.1 F 20μ ㎸

압기 차측 입력전류와 충전전압의 실험 파형을 보여주고 있다 실험 결과에서 보1 .

듯 고전압 변압기 입력전류의 최대 피크값은 약 이며 인버터의 스위칭 주파수200A

는 임을 알 수 있고 전체적인 동작특성 또한 시뮬레이션 결과와 일치함을 살펴65㎑

볼 수 있다 한편 실험 결과를 통해서 전원장치의 전체 효율은 정도이고 역률. 90%

은 이상이었으며 시간 이상의 장시간 연속운전에서도 안정된 동작특성을0.85 10

보여주었다.

그림 급 고전압 캐패시터 충전용 전원장치그림 급 고전압 캐패시터 충전용 전원장치그림 급 고전압 캐패시터 충전용 전원장치그림 급 고전압 캐패시터 충전용 전원장치2.15 10 202.15 10 202.15 10 202.15 10 20㎾ ㎸㎾ ㎸㎾ ㎸㎾ ㎸

- 45 -

그림 출력 충전전압과 고전압 변압기 입력전류의 실험 파형그림 출력 충전전압과 고전압 변압기 입력전류의 실험 파형그림 출력 충전전압과 고전압 변압기 입력전류의 실험 파형그림 출력 충전전압과 고전압 변압기 입력전류의 실험 파형2.162.162.162.16

끝으로 급 캐패시터 충전기의 주요 특징을 살펴보면 고주파 전력변환 기10 20㎾ ㎸

술을 적용하여 기존 고전압 캐패시터 충전기에 비해서 크기와 무게를 대폭 감소시

켰을 뿐만 아니라 대체적으로 독립된 절연유 탱크에 실장되는 고전압 변압기를 대2

의 단상 고전압 변압기로 대체함으로써 전기적 절연내력을 낮출 수 있었고 이를 통

해 절연유 탱크를 제거하고 전원장치의 케이스 바닥에 직접 고정하는 간단한 실장

방식을 적용할 수 있었다 아울러 냉각방식을 팬에 의한 공랭식으로 단순화하여 전.

원장치의 유지보수성을 크게 향상시킬 수 있었다.

- 46 -

라 상세 사양라 상세 사양라 상세 사양라 상세 사양))))

최대 충전용량 최대 충전전압 충전전류 냉각방식 절연방식

10kJ/s 20㎸ 1A Air Air

입력 전압입력 전압입력 전압입력 전압 출력 범위출력 범위출력 범위출력 범위 출력 극성출력 극성출력 극성출력 극성

상3 380V 60㎐ 0 - 20㎸ 양극성 (+)

반반반반복율복율복율복율 설정설정설정설정 전체 효전체 효전체 효전체 효율율율율 입력입력입력입력 역률역률역률역률

Single shot - 1000pps 90%≥ 0.85≥

보보보보호호호호 회로회로회로회로

Open circuit, Over voltage/current, Over temperature, Over charging

time

전체전체전체전체 크크크크기기기기

435(W) × 428(D) × 177(H)㎜

전체전체전체전체 무무무무게게게게

34㎏

마 보마 보마 보마 보호호호호 회로회로회로회로))))

그림 은 은 나노분말 제조장치의 이상상태를 검출하여 전체 시스템이 안전하게2.17

동작하도록 유지해주는 보호회로 모듈에 대한 회로도를 보여주고 있다 먼저 보호. ,

회로 모듈은 정상적인 와이어의 전기폭발 과정에서 발생하는 방전전류를 검출하여

전체 시스템의 이상여부를 감지한다 만일 초 이내에 방전전류가 검출되지 않게. , 10

되면 시스템에 문제가 있는 것으로 판단하여 고전압 캐패시터 충전기와 와이어 피

딩 장치의 작동을 멈추게 되고 이와 동시에 외부에 이상 상태를 알리기 위한 사이

렌을 울리게 된다.

- 47 -

다음으로 시스템에 발생된 문제점을 해결한 후 다시 시스템을 정상적으로 동작시,

키기 위해서는 외부 스위치 을 눌러서 보호회로 모듈을 초기화 시켜야 한다SW1 .

좀더 자세히 살펴보면 전기폭발 과정에서 발생하는 방전전류는 전체 시스템의 접,

지선을 통과하는 원형 페라이트 코어와 차 권선을 통해서 미분 전압신호로 변환되2

고 이 전압신호는 정상적인 방전전류를 감지하기 위한 을 트리거 시키MOSFET M1

게 된다 이렇게 도통된 은 시스템의 안전을 위해서 설정된 초의 방전검지를. M1 10

위한 대기시간을 영으로 초기화 시킨다 즉 의 보조전원에서 를 통해. , 24V R5 C4-5

에 충전되고 있는 의 트리거 전압을 영전압으로 만들어 준다 만일MOSFET M2 . ,

초 이내에 방전전류에 의한 미분 입력신호가 전달되지 않는다면 는 에10 M2 C4-5

충전된 트리거 전압에 의해서 도통되고 이는 연속적으로 를 도통시키MOSFET M3

게 되어 와 을 통해서 고전압 캐패시터 충전기의 동작을 멈추게 하는D5 R9-10 24V

의 리셋 신호를 전달하게 된다 이와 동시에 정격전압 릴레이의 접점을 이. 24V a, b

용하여 이상상태를 알리는 사이렌을 동작시키고 와이어 피딩장치에 연결되는 AC

입력 전압을 차단하게 된다 그림 은 실제 제작된 은 나노분말 제조장치220v . 2.18

의 보호회로 모듈을 보여주고 있다 그림에서 보듯 보호회로 모듈은 급. 10 20㎾ ㎸

캐패시터 충전기와 급 고전압 캐패시터 사이에 위치하고 있다10 F 40 .μ ㎸

그림 은 나노분말 제조장치의 보그림 은 나노분말 제조장치의 보그림 은 나노분말 제조장치의 보그림 은 나노분말 제조장치의 보호호호호회로회로회로회로2.172.172.172.17

- 48 -

그림 은 나노분말 제조장치의 보그림 은 나노분말 제조장치의 보그림 은 나노분말 제조장치의 보그림 은 나노분말 제조장치의 보호호호호회로 모회로 모회로 모회로 모듈듈듈듈2.182.182.182.18

방전시스템 특성 개선방전시스템 특성 개선방전시스템 특성 개선방전시스템 특성 개선2.3.32.3.32.3.32.3.3

와이어를 효과적으로 가열하기 위해서는 펄스전류의 상승속도를 빠르게 하는 것이

유효하다고 알려져 있다 펄스 전류의 상승속도는 충전에너지에 비례하고 회로의.

인덕턴스에 반비례 한다 따라서 같은 충전 에너지일지라도 회로의 인덕턴스가 작.

을수록 와이어에 전달되는 에너지가 증가한다 와이어에 전달되는 전기에너지의 증.

가는 미크론 사이즈의 입자 발생의 감소 효과가 있어 생산되는 분말의 사이즈가 더

욱 균일하여지는 효과를 기대할 수 있다.

본 연구에서는 시스템의 인덕턴스를 줄이기 위해서 그림 에 보인 구성에서 그2.19

림 에 나타낸 구성으로 바꾸었다 기존의 구성은 커패시터가 전원장치의 랙에2.20 .

수납되며 갭 전극이 장치의 하부에 놓인 형태이었다 인덕턴스를 줄이기 위해서 개, .

선된 구조는 커패시터가 쳄버의 하부에 놓이고 갭 전극의 재질을 스테인레스에서

텅스텐카파로 변경하고 소형화하여 커패시터와 쳄버의 전극사이에 직접 연결하여

회로가 이루는 단면적을 최소화 하였다 또한 접지전극을 쳄버 몸체 자체로 하여.

동축형 구조를 이룰 수 있도록 하였다.

- 49 -

그림그림그림그림 커커커커패시터패시터패시터패시터를를를를 전원장치전원장치전원장치전원장치 랙랙랙랙에 수에 수에 수에 수납납납납한 형한 형한 형한 형태태태태의 나노분말 제조 장치의 나노분말 제조 장치의 나노분말 제조 장치의 나노분말 제조 장치2.192.192.192.19

- 50 -

그림 동그림 동그림 동그림 동축축축축형 나노분말 제조장치형 나노분말 제조장치형 나노분말 제조장치형 나노분말 제조장치2. 202. 202. 202. 20

그림 과 그림 는 장치구성의 변경 전후의 방전 특성을 나타내는 전압 전류2.21 2.22

파형이다 그림 에서는 그림 에 비하여 전류의 상승이 빠르고 피크치가 크. 2.22 2.21

게 나타남을 알 수 있다 또한 와이어의 폭발 시 오프닝 스위치 효과에 의해서 유.

도되는 전압이 역으로 커패시터에 인가되는 전압의 크기가 동축형 구조에서 더욱

작은 것을 알 수 있다 이는 커패시터 측의 인덕턴스의 감소의 영향이다 구조 개선. .

에 의해서 작아진 인덕턴스는 방전전류파형으로부터 정량적으로 계산이 가능하다.

저항이 매우 작은 시스템의 경우 초기의 방전전류는 × 식으로 계산된다.

따라서 전류파형의 기울기를 알게 되면 인덕턴스를 구할 수 있다 그림 의 전. 2.21

류파형에서 × sec 이므로 인덕턴스는 가 된다 한편 동.

축형 구조인 그림 의 전류파형에서는 기울기가2.22 × sec 이므

로 인덕턴스는 가 된다 따라서 동축형으로의 구조 개선에 의하여 인덕턴0.85uH .

스가 약 로 감소하였음을 알 수 있다1/3 .

- 51 -

그림 기그림 기그림 기그림 기존존존존의의의의 랙랙랙랙 수수수수납납납납형 구조의 나노분말 제조장치의 방전파형형 구조의 나노분말 제조장치의 방전파형형 구조의 나노분말 제조장치의 방전파형형 구조의 나노분말 제조장치의 방전파형2.212.212.212.21

그림 개선된 구조의 동그림 개선된 구조의 동그림 개선된 구조의 동그림 개선된 구조의 동축축축축형 나노분말 제조장치의 방전파형형 나노분말 제조장치의 방전파형형 나노분말 제조장치의 방전파형형 나노분말 제조장치의 방전파형2.222.222.222.22

- 52 -

제 절 제조된 은 나노분말의 입도분석제 절 제조된 은 나노분말의 입도분석제 절 제조된 은 나노분말의 입도분석제 절 제조된 은 나노분말의 입도분석4444

비비비비표면적표면적표면적표면적 측측측측정에 의한 입도분정에 의한 입도분정에 의한 입도분정에 의한 입도분포 측포 측포 측포 측정정정정2.4.12.4.12.4.12.4.1

그림 는 제조된 은 나노분말의 전자현미경 사진을 나타낸다 제조된 은 나노분2.23 .

말은 대체로 구형의 형상을 가지며 비교적 큰 서브미크론 사이즈의 분말과, 100㎚

이하는 분말들이 혼재하고 있음을 알 수 있다.

그림 제조된 은 나노분말의 사진그림 제조된 은 나노분말의 사진그림 제조된 은 나노분말의 사진그림 제조된 은 나노분말의 사진 좌 우좌 우좌 우좌 우2.23 SE2.23 SE2.23 SE2.23 SEMMMM ( )×10,000, ( )×40,000( )×10,000, ( )×40,000( )×10,000, ( )×40,000( )×10,000, ( )×40,000

제조된 분말의 평균입도를 정량적으로 구하기 위하여 법을 이용하여 비표면적BET

을 구하였다 비표면적을 측정한 샘플은 호기에서 제조된 것으로 필터에 따라서. 3

로 구분되어져 있다 는 두 번째 위치의 사이클론이고 은 첫 번째c2, f1, f2 . c2 , f1

천 필터 그리고 는 두 번째 천 필터에서 포집한 것을 나타낸다 와이어는 직경, f2 .

길이 이며 방전 조건은 에서 제조되었다0.5 160 , 10uF, 18 .㎜ ㎜ ㎸

비표면적의 측정 결과를 그림 에 나타내었다 비표면적 측정의 결과는 예상대2.24 .

로 의 순으로 크게 나타났으며 비표면적으로부터 계산한 평균 입도는f2 > f1 > c2 ,

그래프에서 알 수 있듯이 정도로 측정되었지만f2 (200 ), f1(430 ), c2(600 )㎚ ㎚ ㎚

측정 조건에 따라 다소 차이가 날 수 있다 전자현미경을 통하여 관찰한 입자의 크.

기보다 평균입도가 크게 나타나는 것은 서브미크론 사이즈의 입자들이 존재하기 때

문으로 생각된다.

- 53 -

그림 필터링에 따른 분말의그림 필터링에 따른 분말의그림 필터링에 따른 분말의그림 필터링에 따른 분말의 비비비비표면적과 평표면적과 평표면적과 평표면적과 평균균균균입자 사이즈입자 사이즈입자 사이즈입자 사이즈2.242.242.242.24

두 번째 싸두 번째 싸두 번째 싸두 번째 싸이이이이클클클클론론론론 첫 번째첫 번째첫 번째첫 번째 필터필터필터필터 두 번째두 번째두 번째두 번째 필터필터필터필터(c2: , f1: . f2: )(c2: , f1: . f2: )(c2: , f1: . f2: )(c2: , f1: . f2: )

레이레이레이레이저저저저 회절법 및 법에 의한 입도분회절법 및 법에 의한 입도분회절법 및 법에 의한 입도분회절법 및 법에 의한 입도분포 측포 측포 측포 측정정정정2.4.2 PCS2.4.2 PCS2.4.2 PCS2.4.2 PCS

전자현미경 사진에서 알 수 있듯이 제조된 분말에는 다양한 사이즈의 입자들이 분

포하고 있다 이러한 분포를 정밀하게 측정하기 위해서는 분산이 잘 되어 있어야.

하지만 기중 전기폭발에 의해서 제조되는 분말은 비교적 강하게 응집되어 있어서

정밀한 분포를 측정하기에는 어려움이 있다 본 연구에서는 건식과 습식 두 가지.

방식으로 분말에 대해서 입도 분포를 측정하였다f2 .

건식 방법인 레이저 회절법은 입자가 일직선 상에서 단일파장의 빛에 노출되었을

때 나타나는 회절 패턴의 크기와 초점거리를 고려하여 크기의 단위로 계산하는 방

법이다 이 때 차 입도의 측정을 위해서는 입자 개개가 반드시 분산이 되어 있어. 1

야하며 공기중에서 분산시키는 방식이 건식 방법이다 이와 같은 방식으로 측정된, .

입도분포를 그림 에 나타내었다 분석의 결과는 수미크론의 입자가 대부분을2.25 .

차지하는 것으로 나타났으며 이는 분산이 잘 이루어지지 않은 결과로 판단된다, .

- 54 -

그림 건그림 건그림 건그림 건식식식식 방방방방식식식식인 레이인 레이인 레이인 레이저저저저 회절법에 의하여회절법에 의하여회절법에 의하여회절법에 의하여 측측측측정된 은 나노분말의 입도분정된 은 나노분말의 입도분정된 은 나노분말의 입도분정된 은 나노분말의 입도분포포포포2.252.252.252.25

한편 액체중에서 분말을 분산 시키는 습식 방식으로서 PCS(Photon Correlation

이라 불리는 방법으로 같은 분말을 분석하였다 이 방식은 유동적 특Spectroscopy) .

성에 따른 입자와 입자간의 산란현상의 움직임의 속도를 입자의 브라운 운동속도의

변화라고 정의하여 입자의 이동속도를 측정하여 입자의 크기를 평가하는 방법이다.

이 방식 또한 정확한 입도분포를 측정하기 위해서는 입자 개개가 반드시 분산되어

있어야 한다 그림 에 습식방식에 의한 입도 분포측정 결과를 나타내었다 대. 2.26 .

부분의 입자가 수 미크론에 이르는 크기인 것으로 나타났지만 건식법과 다른 점은

근방에 피크가 나타나고 있다는 것이다 이는 습식의 경우가 조금 더 분산상100 .㎚

태가 양호한 것을 알 수 있으나 전체적으로 분산이 잘 이루어지지 않은 상태인 것,

으로 판단된다.

- 55 -

그림 방그림 방그림 방그림 방식식식식으로으로으로으로 측측측측정한 은 나노분말의 입도분정한 은 나노분말의 입도분정한 은 나노분말의 입도분정한 은 나노분말의 입도분포포포포2.26 PCS2.26 PCS2.26 PCS2.26 PCS

열분석에 의한 입자사이즈의 분열분석에 의한 입자사이즈의 분열분석에 의한 입자사이즈의 분열분석에 의한 입자사이즈의 분포 측포 측포 측포 측정정정정2.4.32.4.32.4.32.4.3

분말의 응집 때문에 입도 분포를 측정하는 것이 어려움을 알 수 있었다 응집 정도.

에 덜 민감한 방법으로서 열분석이 있다 열분석이라는 것은 시료에 열을 가하여.

온도를 올리면서 열량의 출입을 정밀하게 측정하는 것이다 즉 시료가 열을 흡수하.

면 입력에 비해서 출력이 작을 것이고 반대로 열을 방출하면 입력에비해서 출력이

크게 된다 이는 분말에서 열의 흡수와 방출을 정밀하게 측정하여 분말의 상태변화.

를 추측하는 방법이다 일반적으로 분말의 입자 사이즈가 작을수록 녹는점이 낮아.

지는 것으로 알려져 있다.

본 연구에서는 두 번째 사이클론에서 포집한 분말 와 두 번째 천 필터에서 포집c2

한 분말 를 열분석 하였다 오리지날 데이터에서 가 는 열을 흡수하고f2 . heat flow -

는 방출하는 것이다 물체가 녹거나 증발하는 경우는 열을 흡수한다 그림+ . . 2.27(a)

와 그림 는 이와 같은 변화가 매우 완만하게 나타나서 판별하기가 쉽지 않2.28 (a)

다 그래서 그 변화를 자세하게 보기위해서 원래의 그래프의 기울기의 변화를 나타.

낸 것이 각각 그림 와 그림 이다 미분 그래프에서 피크가 나타나는2.27(b) 2.28(b) .

것이 열량의 출입에 변화가 있었다는 의미이며 다시 말하면 시료가 녹는다는 것이,

다 그 변화가 가장 잘 나타난 것이 임을 알 수 있다. f2 .

- 56 -

그림 분말의 열분석그림 분말의 열분석그림 분말의 열분석그림 분말의 열분석2.27(a) c22.27(a) c22.27(a) c22.27(a) c2

그림 그림 의 미분치그림 그림 의 미분치그림 그림 의 미분치그림 그림 의 미분치2.27(b) 2.27(a)2.27(b) 2.27(a)2.27(b) 2.27(a)2.27(b) 2.27(a)

- 57 -

그림 에서 도에서 각각 분말이 녹고 있다고 판단된다2.30(b) 485, 587, 759, 951 .

그중 도는 본래의 은이 녹는점이다 나머지 개의 온도에 대해서는 분말의 분포951 . 3

에 개의 피크가 있는 것으로 추측 된다 즉 수 십 나노미터의 분말과 수 백 나노3 . ,

미터의 분말 그리고 수 마이크로의 분말의 집단이 혼재하고 있는 상태로 추측이,

가능하다 그림 의 부말의 경우는 수 십 나노미터의 분말이 거의 없어서. 2.29(b) c2

피크 하나가 사라 진 것으로 생각된다 나노분말의 경우 도 근방에서 일부. 400~500

의 분말이 표면에서부터 녹아서 융착되는 것이 관측되었다는 보고도 있다 이.[40]

는 분말이 완전히 녹는 것이 아니고 표면이 약간 녹아서 분말과 분말이 연결되어

하나의 덩어리로 되어가는 과정에 있다고 생각된다.

그림 분말의 열분석그림 분말의 열분석그림 분말의 열분석그림 분말의 열분석2.28(a) f22.28(a) f22.28(a) f22.28(a) f2

- 58 -

그림 그림 의 미분치그림 그림 의 미분치그림 그림 의 미분치그림 그림 의 미분치2.28(b) 2.30(a)2.28(b) 2.30(a)2.28(b) 2.30(a)2.28(b) 2.30(a)

- 59 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

고전압 펄스파워를 이용한 은 나노분말 제조장치 시제품 제작기술 지원 과제의 수

행을 통하여 다음과 같은 결과 및 성과를 거두었다.

전기폭발에 의한 나노분말제조에 관한 그동안의 연구결과와 관련 자료들을 정리1.

하여 나노분말에 있어서 방전의 최적화 조건을 추정하였다 전기폭발 과정에서 방.

전전류의 상승시간과 제조된 분말의 입도 및 순도 등과는 밀접한 관계가 있는 것으

로 밝혀져 있다 전류의 빠른 상승이 와이어가 균일하게 증발하게 하여 입도분포를.

고르게 하는 효과가 있다 양질의 분말을 생산하기 위한 와이어 직경과 길이의 최.

적조건은 방전회로의 파라메터와 상관관계가 있다 회로의 인덕턴스가 작을수록 더.

큰 직경의 와이어의 사용이 가능하고 와이어의 길이는 커패시터의 충전에너지가,

와이어를 증발시키기 위해서 필요한 에너지의 배 이상이 되게 하는 것이 바람직하2

다.

방전시스템 구성에 있어서 커패시터는 내부인덕턴스가 작은 펄스파워용 커패시2.

터를 사용하고 용량 및 충전 전압은 전류의 상승속도와 충전에너지를 고려하여,

로 선정하였다 고속충전기는 를 초당 회의 반복율로 충전할 수10uF, 20 . 20 1㎸ ㎸

있는 충전기를 이용하였다 방전후 충전기를 작동시켜 커패시터에 충전을 하며 와. ,

이어 피딩 실패에 따른 장치의 오동작을 막기 위해서 방전전류 감지를 통한 보호

회로를 구성하였다 또한 회로의 인덕턴스를 최소로 하기 위해 커패시터를 쳄버 하.

부에 설치하고 전류의 경로가 동축형이 되도록 하여 회로의 인덕턴스를 기존의 1/3

로 감소시켰다.

안정된 장치의 동작을 위해서는 와이어 피딩의 안정성이 확보되어야 한다 와이3. .

어와 전극간의 거리가 일정하지 않아서 발생하는 피딩장치의 절연파괴 등의 문제를

해결하기 위해서 접지전극을 도넛츠형으로 제작하여 와이어와 전극의 접촉이 잘 이

루어지도록 하였다.

- 60 -

다양한 조건에서 제조된 은 나노분말을 등으로 관찰하여 분말을 평4. SEM, TEM

가 분석하였으며 비표면적 측정 및 입도 분석 열분석 등을 통하여 제조된 분말의, ,

평가를 실시하였다.

이상과 같은 연구와 기술지원을 바탕으로 기의 은 나노분말 제조장치가 제조되었3

으며 은 나노분말의 양산 시스템을 갖추었다.

- 61 -

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