KR20210077992A - 삼중 토치형 플라즈마 제트장치를 이용한 붕소화코발트 나노복합재의 제조방법 및 이에 따른 붕소화코발트 나노복합재 - Google Patents

삼중 토치형 플라즈마 제트장치를 이용한 붕소화코발트 나노복합재의 제조방법 및 이에 따른 붕소화코발트 나노복합재 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른, 삼중 토치형 플라즈마 제트장치에 플라즈마 형성 가스를 주입하여 플라즈마 제트를 발생시키는 단계, 상기 단계에서 발생된 플라즈마 제트에 캐리어 가스를 이용하여 코발트/붕소 혼합물을 주입하고 기화시키는 단계 그리고, 상기 기화된 코발트/붕소 혼합물을 냉각하여 붕소화코발트 나노복합재를 회수하는 단계를 포함한다.

Description

삼중 토치형 플라즈마 제트장치를 이용한 붕소화코발트 나노복합재의 제조방법 및 이에 따른 붕소화코발트 나노복합재{Method for preparing cobalt boride nanocomposites using triple torch type plasma jet device and cobalt boride nanocomposites}
본 발명은 삼중 토치형 플라즈마 제트장치를 이용한 붕소화코발트 나노복합재의 제조방법 및 이에 따른 붕소화코발트 나노복합재에 관한 것으로, 구체적으로 전극 촉매로 활용이 가능한 붕소화코발트 나노복합재를 삼중 토치형 플라즈마 제트장치를 이용하여 제조하는 것에 관한 것이다.
일반적인 나노입자는 벌크 고체 상태와는 다른 새로운 특성을 나타내는 것으로 알려져 있다.
최근 몇 년간 나노입자에 대한 연구는 기계적, 전기적, 광학적, 그리고 전기적 특성 등을 강화시키는 것이었다.
코발트, 티타늄, 니켈 및 텅스텐 등과 같은 다양한 유망한 재료 중에서, 특히 정보 저장, 자성 유체 및 촉매에 대한 적용 가능한 코발트 기반 나노 입자에 대해 연구되었다.
특히, 붕소화코발트의 경우 우수한 전기 화학적 특성으로 인해 수소 저장 분야(Hydrogen evolution reaction)와 연료전지 분야의 촉매로서 연구되어 왔다.
또한, 높은 경도 값과 우수한 내산화성으로 인해 내식, 내마모 코팅층으로 활용되고 있으며, 생체분야와 약물전달 시스템에서도 활용하기 위한 시도가 진행되고 있다.
붕소화코발트는 붕소 원자는 코발트 금속이 희생 원소로서 산화되는 것을 보호하고 코발트에서 붕소로의 전자 이동에 의해 코발트의 촉매 활성을 향상시켜 전기 가수분해에 의한 수소 생성 촉매로 우수한 활성을 갖는 것으로 보고 되고 있다.
또한, 붕소화코발트 나노입자는 높은 비표면적에 의한 촉매 활성 부위의 개선으로 인해 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 장점이 있다.
종래의 붕소화코발트 나노입자는 용매를 이용하여 코발트 염(CoCl2)의 화학적 환원과 코발트 카르보닐(Co2(CO)8)의 열분해 과정을 통해 제조되어 왔으며, 다단계의 복잡한 공정이 필요하고, 많은 양의 용매가 필요한 문제점들이 있어 왔다.
한편, 플라즈마 토치 시스템은 일반적으로 대상물을 고열로 용융시키는 용사, 용융 공정을 위한 플라즈마 토치는 고온, 고속의 플라즈마 제트를 발생시키기에 적합한 원뿔 형태의 캐소드와 애노드(노즐)와, 전극 사이의 절연체와, 기체 공급 구조 및 토치 주요부의 냉각을 위한 냉각 구조 등으로 구성된다.
플라즈마 용사, 용융 공정은 플라즈마 제트를 이용하여 대상물 예컨대, 분말이나 고열이 가해지면 용융되는 물질을 순간적으로 용융시켜 합성시간의 단축, 공정 비용 절감, 그리고 생산성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
그러나, 종래의 단일 플라즈마 제트 시스템은 가장 높은 온도를 형성하는 중앙 영역의 높은 점도 때문에 출발물질이 고온의 불꽃에서 기화되지 않고 저온의 불꽃에서 불완전 기화되는 문제점이 있어왔다.
이에 본 발명자들은 붕소화코발트 나노복합재를 제조하는 방법을 연구하던 중, 삼중 토치형 플라즈마 제트장치를 이용하여 붕소화코발트 나노복합재를 제조하는 방법을 개발하고, 본 발명을 완성하였다.
KR 10-1679725 B1 (2016.11.21. 등록)
본 발명의 목적은, 플라즈마 형성 가스의 변화에 따라 붕소화코발트 나노복합재의 구성을 선택적으로 변화시킬 수 있는 삼중 토치형 플라즈마 제트장치를 이용한 붕소화코발트 나노복합재의 제조방법 및 이에 따른 붕소화코발트 나노복합재를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 따른, 삼중 토치형 플라즈마 제트장치에 플라즈마 형성 가스를 주입하여 플라즈마 제트를 발생시키는 단계, 상기 단계에서 발생된 플라즈마 제트에 캐리어 가스를 이용하여 코발트/붕소 혼합물을 주입하고 기화시키는 단계 그리고, 상기 기화된 코발트/붕소 혼합물을 냉각하여 붕소화코발트 나노복합재를 회수하는 단계를 포함한다.
상기 붕소화코발트 나노복합재는, 육방정 질화붕소(hexagonal boron nitride) 나노케이지에 의해 붕소화코발트 나노입자가 캡슐화된 형태일 수 있다.
상기 플라즈마 제트를 발생시키는 단계는, 상기 플라즈마 형성 가스를 16~28 L/min의 유량으로 주입할 수 있다.
상기 플라즈마 형성 가스는, 질소, 아르곤, 그리고 수소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것일 수 있다.
상기 캐리어 가스는 아르곤 가스이고, 상기 캐리어 가스를 4~6 L/min의 유량으로 주입할 수 있다.
상기 코발트/붕소 혼합물을 0.5~0.6 g/min의 속도로 공급할 수 있다.
상기 코발트/붕소 혼합물은 상기 코발트와 상기 붕소를 1:0.5~4 몰비(mol%)로 혼합한 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 붕소화코발트 나노복합재는 상기한 방법으로 제조되어 입자의 형태가 구형일 수 있다.
상기 붕소화코발트 나노복합재의 입경은 1~70 nm일 수 있다.
본 발명에 따른 삼중 토치형 플라즈마 제트장치를 이용한 붕소화코발트 나노복합재의 제조방법 및 이에 따른 붕소화코발트 나노복합재를 이용하면 3 개의 플라즈마 불꽃이 중앙으로 집중되어 코발트 또는 붕소 입자가 저온에서 기화되는 현상을 개선할 수 있는 효과가 있다.
또한, 플라즈마 형성 가스의 조성을 변화시켜 상이한 구조의 붕소화코발트 나노복합재를 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼중 토치형 플라즈마 제트장치를 이용한 붕소화코발트 나노복합재의 제조방법을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼중 토치형 플라즈마 제트장치를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼중 토치형 플라즈마 제트장치에 의한 붕소화코발트 나노복합재의 합성과정을 나타낸 것이다.
도 4(a) 및 4(b)는 본 발명의 출발물질로 사용된 코발트와 붕소 분말의 FE-SEM(전계 방출 주사전자 현미경) 이미지를 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 1에 따라 제조된 붕소화코발트 나노복합재(회수된 반응기 1, 6)의 XRD 그래프를 나타낸 것이다.
도 6(a) 내지 도(f)는 실시예 1에 따라 제조된 붕소화코발트 나노복합재의 FE-TEM 및 SAED 이미지를 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 2, 3, 4에 따라 제조된 붕소화코발트 나노복합재(반응기 1에서 포집)의 XRD 그래프를 나타낸 것이다.
도 8(a) 내지 8(f)는 반응기 1에서 회수된 붕소화코발트 나노복합재의 FE-TEM 및 SAED 이미지이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 h-BN 나노 케이지 의해 캡슐화된 붕소화코발트 나노복합재의 입경 분포를 나타낸 것이다.
도 10은 실시예 2, 3, 4에서 합성된 붕소화코발트 나노복합재의 입경 분포를 나타낸 것이다.
도 11은 실시예 1, 2, 3, 4에서 합성되는 붕소화코발트 나노복합재의 제조과정을 나타낸 것이다.
이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 동일한 참조 부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 약, 실질적으로 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용 오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하게나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 삼중 토치형 플라즈마 제트장치를 이용한 붕소화코발트 나노복합재의 제조방법은, 삼중 토치형 플라즈마 제트장치에 플라즈마 형성 가스를 주입하여 플라즈마 제트를 발생시키는 단계(S100), 상기 단계에서 발생된 플라즈마 제트에 캐리어 가스를 이용하여 코발트/붕소 혼합물을 주입하고 기화시키는 단계(S200) 그리고, 상기 기화된 코발트/붕소 혼합물을 냉각하여 붕소화코발트 나노복합재를 회수하는 단계(S300)를 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼중 토치형 플라즈마 제트장치를 이용한 붕소화코발트 나노복합재의 제조방법을 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼중 토치형 플라즈마 제트장치를 나타낸 개략도이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 삼중 토치형 플라즈마 제트장치를 이용한 붕소화코발트 나노복합재의 제조방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 삼중 토치형 플라즈마 제트장치에 플라즈마 형성 가스를 주입하여 플라즈마 제트를 발생시키는 단계(S100)이다.
상기의 삼중 토치형 플라즈마 제트의 발생은 비이송식(Non-Transfered)인 것이 바람직하다. 본 발명에서는 삼중 토치형 플라즈마 제트 장치는 텅스텐 봉으로 구성된 음극과 동으로 구성된 노즐 내면의 양극 사이에 직류 아크 방전을 생성시키고, 후방으로부터 플라즈마 형성 가스를 선회류로서 흘려보내어 플라즈마 제트 형성 가스가 아크에 의해 가열되며, 양극 노즐에서 격렬한 플라즈마 제트류가 분출되는 비이송식 플라즈마 제트 발생으로 붕소화코발트 나노복합재를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 붕소화코발트 나노복합재의 제조방법에 사용되는 삼중 토치형 플라즈마 제트장치는 플라즈마 제트가 형성되는 공간을 제공하며 원료 물질들이 반응하는 공간인 반응관(100); 상기 반응관 일측에 구비되어 공급되는 초기물질에 열원을 공급하는 다수 개의 토치부(200); 상기 토치부 일측에 구비되어 분말 공급 라인을 통해 초기물질을 상기 토치부에 공급하는 원료공급부(300); 상기 토치부와 전기적으로 연결된 전원을 공급하는 전원 공급 장치(400); 상기 반응관 하부에 구비되고 플라즈마 제트에 의해 제조되는 물질들이 축적되는 공간으로써, 일측에 급냉 시스템이 구비되어 있는 다수 개의 반응기(500); 상기 토치부 일측에 구비되어 플라즈마 제트 형성 가스 공급 라인을 통해 토치부로 플라즈마 형성 가스를 공급하는 형성 가스 공급 장치(600); 및 상기 플라즈마 형성 가스 공급 라인에 구비되어 플라즈마 형성 가스의 유량을 조절하는 형성 가스 유량조절기(700);를 포함하고, 상기 다수 개의 토치부는 등간격으로 초기물질이 공급되는 방향으로 배치되어 상기 다수 개의 토치부에서 발생되는 플라즈마 제트가 병합되도록 배치된다( 도 2 참조).
상기 반응기는 7 개일 수 있으며, 상기 반응기의 개수가 7 개일 경우 1~4의 반응기는 수직으로 배치될 수 있고, 반응기 5 내지 7은 수평방향으로 배치될 수 있다.
상기 토치부(200)는 구체적으로 3 개가 구비될 수 있으며, 상기 반응관(100)의 상부면에 등간격으로 배치될 수 있다.
상기 토치부(200)는 열로부터 보호하기 위해 냉각시스템이 더 구비될 수 있다.
상기 등간격으로 배치된 토치부(200) 중앙에는 분말 공급 라인을 통해 초기물질을 공급하는 원료공급부(300)가 구비된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 삼중 토치형 플라즈마 제트장치의 입력전원은 21~28 kW일 수 있다.
상기 플라즈마(plasma) 제트는 직류 아크나 고주파 유도결합 방전을 이용하여 토치부에서 발생하는 전자, 이온, 원자와 분자로 구성된 이온화 기체로, 수천에서 수만 K에 이르는 초고온과 높은 활성을 가진 고속 제트이다.
상기 플라즈마 형성 가스는, 질소, 아르곤, 그리고 수소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 선택할 수 있다.
본 발명은 상기 플라즈마 형성 가스의 선택에 따라 육방정 질화붕소(hexagonal boron nitride) 나노케이지에 의해 붕소화코발트 나노입자가 캡슐화된 붕소화코발트 나노복합재를 제조할 수 있다.
구체적으로, 상기 플라즈마 형성 가스의 선택에 따라 육방정 질화붕소(hexagonal boron nitride) 나노케이지에 의해 붕소화코발트 나노입자가 캡슐화된 형태로 제조할 수 있는데, 일례로 상기 플라즈마 형성 가스로 Ar-N2를 사용할 경우 육방정 질화붕소(hexagonal boron nitride) 나노케이지에 의해 붕소화코발트 나노입자가 캡슐화 형태로 제조할 수 있으며, 상기 플라즈마 형성 가스로 Ar-H2를 사용할 경우 붕소화코발트 나노입자만을 제조할 수 있다.
상기 플라즈마 제트를 발생시키는 단계(S100)는, 상기 플라즈마 형성 가스를 16~28 L/min의 유량으로 주입할 수 있다.
상기 유량의 속도을 통해 상기 붕소화코발트 나노복합재의 입경을 1~70 nm까지 설정할 수 있다.
즉, 상기 붕소화코발트 나노복합재의 입경은 플라즈마 제트 발생 가스의 종류 또는 유량, 플라즈마 제트에 의해 용융 및 기화된 코발트/붕소 혼합물의 냉각 속도, 플라즈마의 전압 또는 전류의 세기 등으로 설정할 수 있다.
다음으로, 상기 플라즈마 제트에 코발트/붕소 혼합물을 주입하고 기화시키는 단계(S200)이다.
상기 코발트/붕소 혼합물은 코발트와 붕소가 1:0.5~4 몰비(mol%)로 혼합된 것일 수 있다.
상기 코발트/붕소 혼합물은 3 개의 토치부에서 발생되어 병합된 플라즈마 제트 방향으로 공급될 수 있으며, 구체적으로, 0.5~0.6 g/min의 속도로 공급될 수 있다.
또한, 상기 코발트/붕소 혼합물의 공급은 캐리어 가스를 이용할 수 있으며, 상기 캐리어 가스는 아르곤 가스이고, 4~6 L/min의 유량으로 주입될 수 있다.
마지막으로, 상기 기화된 코발트/붕소 혼합물을 냉각하여 붕소화코발트 나노복합재를 회수하는 단계(300)이다.
상기 기화된 코발트/붕소 혼합물의 냉각을 위해 반응기(1 내지 7)에 냉각시스템을 더 구비할 수 있으며, 이를 제한하지 않는다.
상기 냉각은 자연냉각일 수 있으며, 이를 제한하지 않는다.
상기 기화된 코발트/붕소 혼합물이 냉각되면서 붕소화코발트 나노복합재가 제조된다.
상기 붕소화코발트 나노복합재 각각의 반응기(Reactor 1 ~ 7)는 별도의 회수 시스템을 더 구비할 수 있으며, 이를 제한하지 않는다.
본 발명은 상기의 제조방법으로 제조되는 붕소화코발트 나노복합재를 제공한다.
본 발명의 제조방법으로 제조된 붕소화코발트 나노복합재는 삼중 토치형 플라즈마 제트장치를 이용함으로써, 짧은 시간 동안에 붕소화코발트 나노복합재를 제조할 수 있어 에너지 효율이 높은 장점이 있다.
상기 붕소화코발트 나노복합재의 입경은 1~70 nm일 수 있다.
상기 붕소화코발트 나노복합재의 입경은 플라즈마 제트 발생 가스의 종류 또는 유량, 플라즈마 제트에 의해 용융 및 기화된 코발트/붕소 혼합물의 냉각 속도, 플라즈마의 전압 또는 전류의 세기 등으로 조절될 수 있다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세하게 설명한다.
실시예: 붕소화코발트 나노복합재의 제조
도 2에 나타낸 삼중 토치형 플라즈마 제트장치의 토치부에 플라즈마 형성 가스를 공급하고 하기 표 1의 운전조건으로 플라즈마 제트를 발생시켰다.
다음으로, 삼중 토치형 플라즈마 제트장치에 코발트/붕소 혼합물(1:3 mol%)을 공급하여 기화시켰다.
마지막으로, 기화된 코발트/붕소 혼합물은 냉각시켜 고형화된 붕소화코발트 나노복합재를 각각의 반응기(1 내지 7)에서 포집하였다.
[표 1]
Figure pat00001
<실험예 1> 실시예 1의 XRD 회절 분석
본 발명의 일 실시예에 따라 붕소화코발트 나노복합재의 상을 분석하기 위해, 상기 실시예 1에서 제조된 붕소화코발트 나노복합재를 X선 회절 분석(XRD, DMAX 2200, Rigaku Co., Akishima, Japan)하였다.
도 4(a) 및 4(b)는 본 발명의 출발물질로 사용된 코발트와 붕소 분말의 FE-SEM(전계 방출 주사전자 현미경) 이미지를 나타낸 것이고, 도 5는 실시예 1에 따라 제조된 붕소화코발트 나노복합재(회수된 반응기 1, 6)의 XRD 그래프를 나타낸 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 붕소화코발트 복합재는 대부분 CoB 결정성 피크가 나타났으며, 반응기 1과 6에서 CoB 피크 보다 약한 강도의 Co2B가 확인되었다.
그 이유는 코발트/붕소의 몰비(1/3 mol%)으로 인해 Co2B 보다 CoB가 먼저 제조되었기 때문인 것으로 확인된다.
그리고, 반응기 1에서 매우 약한 결정질 코발트(Co) 피크가 확인되었으며(44.26˚, 51.52˚, 75.92˚), 모든 반응기에서 약하게 보이는 코발트 피크는 완전히 증발되지 않은 코발트에 의한 것이다.
결정질 붕소화코발트 복합재의 피크 강도는 반응기 1에서 반응기 6으로 갈수록 증가하였다. 이는 반응기 1의 경우 빠른냉각으로 인해 결정도가 낮게 형성되는 것으로 판단된다.
또한, 붕소화코발트 나노복합재는 반응기1에서 반응기7로 갈수록 응축 전에 반응기들의 내벽에서 더 성장할 수있으며, 핵이 생성된 종의 경우 고온 플라즈마 제트에서의 짧은 체류시간으로 인해 결정성장 시간이 짧다는 것을 확인할 수 있다.
<실험예 2> 실시예 2의 FE-TEM 및 SAED 분석
본 발명의 제조방법으로 제조된 붕소화코발트 나노복합재의 미세구조와 결정성을 분석하기 위하여, 상기 실시예 1에서 제조된 붕소화코발트 나노복합재를 FE-TEM(FE-transmission electron microscope) 및 SAED(Selected area electron diffraction)를 분석하였다.
도 6(a) 및 6(b)는 반응기 1에서 회수된 붕소화코발트 나노복합재의 FE-TEM 이미지이고, 도 6(c)는 반응기 1에서 회수된 붕소화코발트 나노복합재의 SAED 이미지이며, 도 6(d) 및 6(e)는 반응기 6에서 회수된 붕소화코발트 나노복합재의 FE-TEM 이미지이고, 도 6(f)는 반응기 6에서 회수된 붕소화코발트 나노복합재의 SAED 이미지이다.
도 6을 참조하면, 실시예 1의 붕소화코발트 나노복합재의 반응기에 따른 입자 크기는 없었으며, 붕소화코발트 나노입자의 외부를 감싸는 쉘층을 확인할 수 있었다. 또한, 도 5(b)로부터 상기 쉘층이 육방정 질화붕소(hexagonal boron nitride: 3.4 Å)인 것으로 확인할 수 있다.
상기 육방정 질화붕소(h-BN) 나노케이지는 질소 플라즈마 형성 가스와 붕소가 반응하여 생성된 것이다.
상기 h-BN 나노케이지는 높은 엔탈피의 아크 플라즈마에서 분리된 질소가스와 기화된 붕소에 의해 형성되는 것으로, 단일 토치형 플라즈마 제트장치에 비해 삼중 토치형 플라즈마 제트장치가 더 효과적으로 넓은 온도 영역을 제공하므로, 해리된 질소 가스가 반응기에서 오랫동안 유지되어 붕소와 반응하는 것으로 추정된다.
상기 반응기 1에서 상기 h-BN 나노 케이지의 결정도가 다른 반응기에서 포집된 h-BN 나노 케이지 보다 높은 것을 확인되었으며, 입자 사이즈는 모든 반응기에서 유사하였다.
이는 반응기 1은 고온의 플라즈마 제트가 발생하는 위치에 있기 때문에 h-BN 나노 케이지의 합성 후 플라즈마 제트로부터 발생하는 강한 열방사에 노출되어 결정도 향상되었다.
따라서, 삼중 토치형 플라즈마 제트장치를 이용한 붕소화코발트 나노복합재를 제조하면 전처리 없이 h-BN 나노케이지를 제조할 수 있다.
<실험예 3> 실시예 2, 3, 4의 XRD 회절 분석
본 발명의 일 실시예에 따라 붕소화코발트 나노복합재의 상을 분석하기 위해, 상기 실시예 2, 3, 4에서 제조된 붕소화코발트 나노복합재를 X선 회절 분석(XRD, DMAX 2200, Rigaku Co., Akishima, Japan)하였다.
도 7은 실시예 2, 3, 4에 따라 제조된 붕소화코발트 나노복합재(반응기 1에서 포집)의 XRD 그래프를 나타낸 것이다.
도 7에서 확인할 수 있듯이, 실시예 2, 3, 및 4에서는 실시예 1과 달리 기화되지 않은 코발트와 붕소는 피크는 발견되지 않았으며, 대부분 CoB가 나타났으며, 부가적으로 Co2B가 발견되었다.
또한, 실시예 1에 비해 실시예 2, 3, 4의 결정도가 증가한 것을 확인할 수 있다. 이는 질소(N2)가스 보다 수소(H2)가스가 열전도성이 높아, 투입된 코발트와 붕소가 완전히 기화하여 반응했기 때문이다.
또한, 플라즈마 형성 가스로 질소가스 대신 수소가스를 투입할 경우, 넓은 고온의 플라즈마 제트 영역을 형성할 수 있다.
<실험예 4> 실시예 2, 3, 4의 FE-TEM 및 SAED 분석
본 발명의 제조방법으로 제조된 붕소화코발트 나노복합재의 미세구조와 결정성을 분석하기 위하여, 상기 실시예 2, 3, 그리고 4에서 제조된 붕소화코발트 나노복합재를 FE-TEM(FE-transmission electron microscope) 및 SAED(Selected area electron diffraction)를 분석하였다.
도 8(a) 내지 8(f)는 반응기 1에서 회수된 붕소화코발트 나노복합재의 FE-TEM 및 SAED 이미지이다.
도 8(a) 내지 8(f)를 참조하면, 실시예 1과 달리 구형의 입자가 관찰되었으며, 외부의 쉘층은 관찰되지 않았다.
또한, 상기 실시예 2에 따라 합성된 붕소화코발트 나노복합재 나노입자의 결정구조는 CoB(101, 111, 021 평면) 및 Co2B (211)로 분석되었다(도 8(b)).
<분석>
실시예 1과 실시예 2에 따라 제조된 붕소화코발트 나노복합재를 비교하여 보면 플라즈마 형성 가스인 Ar-N2 및 Ar-H2에 의해 붕소화코발트 나노복합재의 특성이 달라지는 것을 확인할 수 있었다.
붕소화코발트 나노복합재의 평균 입경은 실시예 1(11.5nm) 보다 실시예 2(20.9nm)에서 더 큰 것으로 확인되었으며, 그 형태는 구형인 것으로 확인되었다.
이는, 실시예 1의 경우 플라즈마 형성 가스로 투입된 수소가스의 높은 열전도성으로 인해 초기물질인 코발트와 붕소가 완전히 기화되었기 때문이다.
또한, 실시예 2 보다 실시예 1의 증기밀도가 높고, 빠른 핵 형성으로 인해 좀 더 긴 입자 성장시간을 가질 수 있었기 때문이다.
더불어, 실시예 1은 플라즈마 형성 가스인 질소가스로 인한 h-BN Layer이 합성되고, 블럭화(응고와 응집)되어 매립된 붕소화코발트 나노입자의 성장을 억제하는데 반해, 실시예 2는 h-BN Layer이 생성되지 않고, 오직 붕소화코발트 나노입자의 제조만 이루어지게 되어 실시예 2의 평균 입경이 더 크게 형성된다.
<실험예 5> 플라즈마 형성 가스 유량에 따른 비교 결과
실시예 1 내지 4의 플라즈마 형성 가스의 총 유량의 영향을 확인하기 위해, Ar-H2 플라즈마 형성 가스의 총 유량은 22 내지 16 L/분으로 제어하여 분석하였다.
상기 플라즈마 형성 가스의 Ar과 H2의 비율은 1:1 vol %로 유지하였으며, 유량에 따라 입력 전력도 감소하였다.
실시예 2 내지 실시예 4 붕소화코발트 나노복합재의 입경은 플라즈마 형성 가스의 유량 감소에 따라 점차 평균 입경도 감소하였다.
<실험예 6> 붕소화코발트 나노복합재의 입경 분포도 비교
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 h-BN 나노 케이지 의해 캡슐화된 붕소화코발트 나노입자의 입경 분포도를 나타낸 것이고, 도 10은 실시예 2, 3, 4에서 합성된 붕소화코발트 나노입자의 입경 분포도를 나타낸 것이다.
도 9에서 확인할 수 있듯이, 실시예 1의 경우 모든 반응기에서 붕소화코발트 나노복합재의 입경이 유사한 것을 확인할 수 있다.
이는 h-BN의 나노케이지가 플라즈마 제트의 일부 영역에서 매우 빠르게 생성되고 붕소화코발트 나노입자를 캡슐화시켜 붕소화코발트 나노입자의 성장을 종결시키기 때문이다.
한편, 도 10에서 확인할 수 있듯이, 실시예 2, 3, 그리고 4의 경우 총 플라즈마 형성 가스의 유량의 감소에 따라 붕소화코발트 나노복합재의 입경은 감소하였으며, 이는 반응기 1에서의 플라즈마 제트의 길이와 부피의 영향이다.
또한, 실시예 4의 입경의 분포는 5 내지 10 nm로 좁게 형성되었다. 이는 플라즈마 형성 가스의 유량이 감소됨에 따라 비교적 좁은 플라즈마 제트 그리고 짧은 체류시간으로 인해 짧게 성장하여 입경이 가장 작은 것으로 분석된다.
<결론>
도 11은 실시예 1, 2, 3, 4에서 합성되는 붕소화코발트 나노복합재의 제조과정을 나타낸 것이다.
도 11을 참조하면, 붕소화코발트 나노복합재의 제조시 플라즈마 형성 가스로서 질소를 첨가하면, 해리된 질소 종에 의해 h-BN 나노 케이지를 합성할 수 있다.
또한, 상기 플라즈마 형성 가스로 Ar-N2를 투입하는 경우에는 h-BN의 나노케이지가 플라즈마 제트의 일부 영역에서 매우 빠르게 생성되고 붕소화코발트 나노입자를 캡슐화하여 h-BN에 의해 캡슐화된 붕소화코발트 나노복합재를 제조할 수 있다.
더불어, 상기 플라즈마 형성 가스로 Ar-H2를 사용하는 경우에는 코발트와 붕소가 완전히 기화되어 오직 붕소화코발트 나노입자를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 플라즈마 형성 가스의 총 유량 및 입력 전력을 변화시킴으로써 나노입자의 입경을 조절할 있는 장점이 있다.
S100: 플라즈마 제트 발생 단계
S200: 코발트/붕소 혼합물 주입 및 기화 단계
S300: 붕소화코발트 나노복합재 회수 단계
100: 반응관 200: 토치부
300: 원료공급부 400: 전원 공급 장치
500: 반응기 600: 형성 가스 공급 장치

Claims (9)

  1. 삼중 토치형 플라즈마 제트장치에 플라즈마 형성 가스를 주입하여 플라즈마 제트를 발생시키는 단계,
    상기 단계에서 발생된 플라즈마 제트에 캐리어 가스를 이용하여 코발트/붕소 혼합물을 주입하고 기화시키는 단계 그리고,
    상기 기화된 코발트/붕소 혼합물을 냉각하여 붕소화코발트 나노복합재를 회수하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 삼중 토치형 플라즈마 제트장치를 이용한 붕소화코발트 나노복합재의 제조방법.
  2. 제1항에서,
    상기 붕소화코발트 나노복합재는,
    육방정 질화붕소(hexagonal boron nitride) 나노케이지에 의해 붕소화코발트 나노입자가 캡슐화된 형태인 것을 특징으로 하는, 삼중 토치형 플라즈마 제트장치를 이용한 붕소화코발트 나노복합재의 제조방법.
  3. 제1항에서,
    상기 플라즈마 제트를 발생시키는 단계는,
    상기 플라즈마 형성 가스를 16~28 L/min의 유량으로 주입하는 것을 특징으로 하는, 삼중 토치형 플라즈마 제트장치를 이용한 붕소화코발트 나노복합재의 제조방법.
  4. 제3항에서,
    상기 플라즈마 형성 가스는, 질소, 아르곤, 그리고 수소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 삼중 토치형 플라즈마 제트장치를 이용한 붕소화코발트 나노복합재의 제조방법.
  5. 제1항에서,
    상기 캐리어 가스는 아르곤 가스이고,
    상기 캐리어 가스를 4~6 L/min의 유량으로 주입하는 것을 특징으로 하는, 삼중 토치형 플라즈마 제트장치를 이용한 붕소화코발트 나노복합재의 제조방법.
  6. 제1항에서,
    상기 코발트/붕소 혼합물을 0.5~0.6 g/min의 속도로 공급하는 것을 특징으로 하는, 삼중 토치형 플라즈마 제트장치를 이용한 붕소화코발트 나노복합재의 제조방법.
  7. 제1항에서,
    상기 코발트/붕소 혼합물은 상기 코발트와 상기 붕소를 1:0.5~4 몰비(mol%)로 혼합한 것임을 특징으로 하는, 삼중 토치형 플라즈마 제트장치를 이용한 붕소화코발트 나노복합재의 제조방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되어 입자의 형태가 구형인 것을 특징으로 하는, 붕소화코발트 나노복합재.
  9. 제8항에서,
    상기 붕소화코발트 나노복합재의 입경은 1~70 nm인 것을 특징으로 하는, 붕소화코발트 나노복합재.
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