揮発性に優れた高純度ＳｉＯｘナノ粉末の製造方法及びその製造装置
【課題】シリコン溶湯の表面に噴射ガスを噴射してＳｉＯｘナノ粉末を大量に生産できる揮発性に優れた高純度ＳｉＯｘナノ粉末の製造方法及びその製造装置について開示する。
【解決手段】本発明にかかるＳｉＯｘナノ粉末の製造装置は、真空チャンバ；前記真空チャンバの内部に装着され、シリコンが装入される黒鉛るつぼ；前記黒鉛るつぼに装入されたシリコンを誘導加熱してシリコン溶湯を形成させる誘導溶融部；前記黒鉛るつぼの内部で前記シリコン溶湯の表面と直接接触するように噴射ガスを噴射するガス噴射部；及び前記黒鉛るつぼと離隔された上部に配置され、前記シリコン溶湯と前記噴射ガスとの反応によって揮発するＳｉＯｘ蒸気を捕集する捕集部；を含むことを特徴とする。
【解決手段】本発明にかかるＳｉＯｘナノ粉末の製造装置は、真空チャンバ；前記真空チャンバの内部に装着され、シリコンが装入される黒鉛るつぼ；前記黒鉛るつぼに装入されたシリコンを誘導加熱してシリコン溶湯を形成させる誘導溶融部；前記黒鉛るつぼの内部で前記シリコン溶湯の表面と直接接触するように噴射ガスを噴射するガス噴射部；及び前記黒鉛るつぼと離隔された上部に配置され、前記シリコン溶湯と前記噴射ガスとの反応によって揮発するＳｉＯｘ蒸気を捕集する捕集部；を含むことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高純度ＳｉＯｘナノ粉末の製造技術に関するものであり、より詳しくは、シリコンを誘導加熱して溶融し、溶融されたシリコン溶湯の表面に噴射ガスを直接噴射してＳｉＯｘナノ粉末を大量に生産できる揮発性に優れた高純度ＳｉＯｘナノ粉末の製造方法及びその製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、リチウムイオン電池の陰極としては、炭素電極が使用されている。炭素電極は、電池の充電及び放電効率に優れるという長所がある。しかし、３７５ｍＡｈ／ｇの低い理論容量によって、高い電池容量を要求する次世代のリチウムイオン電池の陰極材料として使用するには制約が伴う。
【０００３】
リチウムイオン電池の陰極材料として使用されるシリコン（Ｓｉ）の場合、４２００ｍＡｈ／ｇ程度の高い理論容量を有しているが、リチウムイオン電池の充電時に、Ｌｉ4.4とＳｉが反応してＬｉ4.4Ｓｉを形成することになり、４００％に至る高い体積膨張を起こすことになる。このような高い体積膨張は、シリコン材質からなるリチウムイオン電池の陰極にクラック（ｃｒａｃｋ）又はショート（ｓｈｏｒｔ）を誘発する。
【０００４】
一方、シリコン（Ｓｉ）の場合は、ミクロサイズ（μｍｍ）からナノサイズ（ｎｍ）に粒子サイズが変化する際、体積膨張によるストレスが減少すると言われているが、ナノサイズのシリコンもやはり、体積膨張によるクラック又は電池のショートが発生するという問題点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的の一つは、誘導コイルを利用した電磁気誘導溶融方式を利用してシリコン自体を誘導加熱して溶融し、溶融されたシリコン表面に多様な噴射ガスを噴射してＳｉＯｘナノ粉末を大量に生産できるＳｉＯｘナノ粉末の製造装置を提供することである。
【０００６】
本発明の他の目的は、前記ＳｉＯｘナノ粉末の製造装置を利用したＳｉＯｘナノ粉末の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の目的の一つを達成するための本発明の実施例にかかるＳｉＯｘナノ粉末の製造装置は、真空チャンバ；前記真空チャンバの内部に装着され、シリコンが装入される黒鉛るつぼ；前記黒鉛るつぼに装入されたシリコンを誘導加熱してシリコン溶湯を形成させる誘導溶融部；前記黒鉛るつぼの内部で前記シリコン溶湯の表面と直接接触するように噴射ガスを噴射するガス噴射部；及び前記黒鉛るつぼと離隔された上部に配置され、前記シリコン溶湯と前記噴射ガスとの反応によって揮発するＳｉＯｘ蒸気を捕集する捕集部；を含むことを特徴とする。
【０００８】
前記の他の目的を達成するための本発明の実施例にかかるＳｉＯｘナノ粉末の製造方法は、黒鉛るつぼにシリコンを装入するシリコン装入；前記黒鉛るつぼに装入されたシリコンを誘導加熱してシリコン溶湯を形成する誘導溶融；前記シリコン溶湯の表面と直接接触するように噴射ガスを噴射するガス噴射；及び前記シリコン溶湯と前記噴射ガスとの反応によって揮発するＳｉＯｘ蒸気を、冷却及び凝縮させてＳｉＯｘ粒子を捕集すること；を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明にかかるＳｉＯｘナノ粉末の製造装置は、電磁気誘導溶融法及び急冷法を同時に適用することにより、低コスト且つ短時間内に約５０ｎｍ以下の粒度を有する高純度のＳｉＯｘナノ粉末を製造できる。
【００１０】
また、本発明にかかるＳｉＯｘナノ粉末の製造方法を利用して製造されるＳｉＯｘナノ粉末は、約１５００ｍＡｈ／ｇの高い電池容量を有し、粒子サイズが約５０ｎｍ以下のナノサイズに製造されるため、炭素電極に比べて充電及び放電効率を３倍以上向上させることができると予想される。
【００１１】
また、前記製造方法で製造されるナノサイズのＳｉＯｘナノ粉末をリチウムイオン電池の陰極材料として利用する場合、体積膨張が発生しないため、クラック又はショート等の問題を未然に防止できるという効果がある。
【００１２】
また、前記製造方法で製造されるＳｉＯｘナノ粉末は、ＳｉＯｘ粒子の製造と同時に炭素コーティングを行うことができるため、炭素コーティングされたＳｉＯｘ−Ｃ粒子をリチウムイオン電池の陰極材料として活用する場合、炭素コーティングによる電気伝導性の向上によってリチウムイオン電池の充電及び放電の効率をより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例にかかるＳｉＯｘナノ粉末の製造装置を示した断面図である。
【図２】図１の黒鉛るつぼを拡大して示した斜視図である。
【図３】図１のＡ部分を拡大して示した断面図である。
【図４】本発明の実施例にかかるＳｉＯｘナノ粉末の製造方法を示した順序図である。
【図５】実施例にかかる方法で製造されたＳｉＯｘナノ粉末を示した写真である。
【図６】図５のＳｉＯｘナノ粉末をＳＥＭで測定して示したイメージである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付の図面と併せて詳しく後述する実施例を参照すると明確になる。しかし、本発明は以下にて開示する実施例に限定されるのではなく、相違する多様な形態に具現でき、但し本実施例は本発明の開示が完全なものとなるようにし、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に教示するために提供するものであり、本発明の請求項の範疇によって定義されるだけである。明細書の全体に亘り同一の参照符号は、同一構成要素を指す。
【００１５】
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施例にかかる揮発性に優れた高純度ＳｉＯｘナノ粉末の製造方法及びその製造装置に関して詳しく説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施例にかかるＳｉＯｘナノ粉末の製造装置を示した断面図である。
【００１７】
図１を参照すると、図示したＳｉＯｘナノ粉末の製造装置１００は、真空チャンバ１１０、黒鉛るつぼ１２０、誘導溶融部１４０、ガス噴射部１６０及び捕集部１８０を含む。
【００１８】
＜真空チャンバ＞
真空チャンバ１１０は、ＳｉＯｘナノ粉末を製造するための密閉空間を提供する。このような真空チャンバ１１０の内部は、清浄な真空状態が維持されるようにすることが好ましい。
【００１９】
＜黒鉛るつぼ＞
黒鉛るつぼ１２０は、真空チャンバ１１０の内部に装着される。このとき、黒鉛るつぼ１２０は上部が開放されており、ＳｉＯｘナノ粉末の原料になるシリコンが装入される。
【００２０】
図２は、図１の黒鉛るつぼを拡大して示した斜視図である。
【００２１】
図２を参照すると、黒鉛るつぼ１２０は上側が開放される円筒構造からなり、壁面の一部を切開した複数のスリット１２２を備える。前記黒鉛るつぼ１２０は、複数のスリット１２２によってそれぞれのセグメント１２４に分割される。
【００２２】
この場合、黒鉛るつぼ１２０の内部に装入されるシリコンは、後述の誘導溶融部（図１の１４０）による電磁気誘導加熱によって直接溶融されたり、又は誘導溶融部により誘導加熱される黒鉛るつぼ１２０によって間接溶融されることもできる。
【００２３】
＜誘導溶融部＞
誘導溶融部１４０は、図１に示したように、耐火物るつぼ１４２及び誘導コイル１４４を含むことができる。耐火物るつぼ１４２は、黒鉛るつぼ１２０の外側を囲む形態で形成できる。誘導コイル１４４は、黒鉛るつぼ１２０の外周面に沿って巻かれるように形成される。
【００２４】
このとき、誘導コイル１４４は、耐火物るつぼ１４２の壁面に内蔵できる。図面に提示はしていないが、誘導コイル１４４は耐火物るつぼ１４２の内壁に付けることもできる。
【００２５】
前記誘導溶融部１４０は、黒鉛るつぼ１２０に装入されているシリコンを誘導加熱によって溶融させてシリコン溶湯１３０を形成させる。
【００２６】
誘導溶融部１４０によって作用する電磁気場は、黒鉛るつぼ１２０内部の中心方向に向かう。このような誘導加熱による電磁気場によって、シリコン溶湯１３０は黒鉛るつぼ１２０の側壁と分離されて中心部に噴き上がるようになり、シリコン溶湯１３０に作用する電磁気場による攪拌によって表面積が増加する。
【００２７】
一方、誘導溶融部１４０の誘導コイル１４４に印加される交流電流は、１０ｋＨｚ以下の周波数を有することが好ましい。もし、誘導コイル１４４に印加される周波数を１０ｋＨｚ以下に下げる場合、シリコン溶湯１３０内部の奥深い部分まで電磁気場を形成でき、溶融されるシリコンの流動を極大化させることができるようになる。このような流動は、シリコン溶湯１３０の表面状態をより不安定に維持し、これによりシリコン溶湯１３０の揮発効率を向上させることができるようになる。
【００２８】
ここで、シリコンは約７００℃までは電気伝導度が低いため、初期には黒鉛るつぼ１２０に加えられる熱によって間接加熱が行われ、７００℃より高い温度では電気伝導度が急激に高くなるため、主に電磁気誘導溶融が行われる。
【００２９】
前記誘導溶融に使用されるるつぼ内には、多様な金属を装入してナノ金属粉末を製造できる。対象非金属または金属は、Ｓｉ、Ｔｉ、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｎ等があり、これに局限されず、多様な非金属または金属のナノ粒子を製造できる。
【００３０】
＜ガス噴射部＞
ガス噴射部１６０は、黒鉛るつぼ１２０の内部でシリコン溶湯１３０の表面と直接接触するように噴射ガスを噴射する役割をする。
【００３１】
このために、ガス噴射部１６０は噴射ガスが供給されるガス供給管１６２と、前記ガス供給管１６２の端部に装着され、黒鉛るつぼ１２０の内部に配置される噴射ノズル１６４を含む。図面に提示してはいないが、ガス噴射部１６０は、真空チャンバ１１０の外側に設けられてガス供給管１６２に噴射ガスを供給するガス貯蔵タンク（未図示）をさらに含むことができる。
【００３２】
ここで、ガス噴射部１６０、特にガス噴射部１６０の噴射ノズル１６４から噴射される噴射ガスは、シリコン溶湯１３０との反応によってＳｉＯｘ蒸気１３２を生成するようになり、このＳｉＯｘ蒸気１３２は、揮発して黒鉛るつぼ１２０と離隔された上側に配置される捕集部１８０に流れ込む。このとき、噴射ガスは誘導溶融部１４０による誘導加熱によって溶融されるシリコンがシリコン溶湯１３０を形成する直前に噴射されるようにすることが好ましい。
【００３３】
前記噴射ガスとしては、Ａｒ、Ｈ2、Ｏ2、Ｈ2Ｏ等が利用できる。これらガスは単独或いは２種以上混合されたものが利用できる。前記噴射ガス中、Ａｒガスは希釈による目的として、そしてＨ2ガスは還元反応のための目的で混合される。また、窒化物の金属ナノ粉末を製造するために、Ｎ2ガスを混合できる。
【００３４】
このとき、ガス噴射部１６０によって噴射される噴射ガスの多様な分圧により、ＳｉＯｘでのｘ値が決定され得る。また、噴射ガスの流量、ガス供給管１６２の形状と位置によって製造されるＳｉＯｘナノ粉末の結晶粒の大きさ及び形状が決定され得る。
【００３５】
＜捕集部＞
捕集部１８０は、黒鉛るつぼ１２０と離隔された上部に配置され、前記シリコン溶湯１３０と噴射ガス間の反応によって揮発されるＳｉＯｘ蒸気１３２を捕集する。
【００３６】
このような捕集部１８０の内部に流れ込むＳｉＯｘ蒸気１３２は、冷却及び凝縮過程を経てＳｉＯｘ粒子１３４を生成する。
【００３７】
このとき、捕集部１８０は気相移動区間１８２、捕集区間１８６及びガス循環区間１８８を含み得る。
【００３８】
気相移動区間１８２は、黒鉛るつぼ１２０の上部に対応するように配置される。この結果、黒鉛るつぼ１２０内で誘導溶融によって揮発されるＳｉＯｘ蒸気１３２は、気相移動区間１８２に流れ込む。
【００３９】
捕集区間１８６は、気相移動区間１８２を経由して流れ込むＳｉＯｘ蒸気１３２を、冷却及び凝縮させることにより生成されるＳｉＯｘ粒子１３４を収得する。このような捕集区間１８６に流れ込むＳｉＯｘ蒸気１３２の場合、一部は冷却及び凝縮されてＳｉＯｘ粒子１３４を生成し、残りのＳｉＯｘ蒸気１３２は後述のガス循環区間１８８に流れ込む。
【００４０】
このような捕集区間１８６には、冷却及び凝縮が容易になるようにするために、急激な温度差を見せる特定構造物（未図示）が配置されている場合がある。このとき、ＳｉＯｘ蒸気１３２の移送は、気相移動区間１８２及び捕集区間１８６の圧力が異なるように調節することにより、発生する圧力差を利用してＳｉＯｘ蒸気１３２を移送することになる。
【００４１】
ガス循環区間１８８は、捕集区間１８６で冷却及び凝縮されなかったＳｉＯｘ蒸気１３２を循環させて気相移動区間１８２に再度流れ込ませる。このために、ガス循環区間１８８にはＳｉＯｘ蒸気１３２を循環させるための循環ポンプ１８１が配置されている場合がある。
【００４２】
一方、捕集部１８０は、気相移動区間１８２と捕集区間１８６間に配置されるコーティングガス注入区間１８４をさらに含み得る。
【００４３】
コーティングガス注入区間１８４は、気相移動区間１８２を経由して捕集区間１８６に流れ込みながら冷却されたＳｉＯｘ粒子１３４に対して、炭素コーティングを実施するための目的で設けられるものであり、このようなコーティングガス注入区間１８４は、必要に応じて省略しても構わない。図面に示してはいないが、コーティングガス注入区間１８４には、コーティングガスを噴射するためのコーティングガス噴射ノズル（未図示）を設けることもできる。
【００４４】
このとき、コーティングガスとしては、Ａｒ、Ｈ2と共に、ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10、Ｃ5Ｈ12、Ｃ6Ｈ14等を含むアルカン系ガスを利用できる。これらガスは、単独或いは２種以上混合される形態で供給され得る。前記コーティングガスのうち、Ａｒガスは希釈のための目的として、そしてＨ2ガスは還元反応のための目的として混合される。
【００４５】
このとき、ＳｉＯｘ粒子１３４は、コーティングガスとの反応によってＳｉＯｘ−Ｃ粒子を形成できる。この場合、ＳｉＯｘ粒子１３４の製造と同時に炭素コーティングまで可能である。
【００４６】
よって、本発明にかかるＳｉＯｘナノ粉末の製造装置は、電磁気誘導溶融法及び急冷法を同時に適用することにより、低コスト且つ短時間内に約５０ｎｍ以下の粒度を有する高純度のＳｉＯｘナノ粉末を製造することができるようになる。
【００４７】
このために、本発明の実施例にかかるＳｉＯｘナノ粉末の製造装置は、誘導コイルを利用した電磁気誘導溶融方式を利用してシリコンを誘導加熱して溶融し、溶融されたシリコン溶湯の表面に多様な混合ガスを直接噴射することにより、ＳｉＯｘナノ粉末を大量に生産できる。
【００４８】
このとき、本発明では複数のスリットを備える黒鉛るつぼを利用してシリコン溶湯と黒鉛るつぼ内部に装入されるシリコンを誘導加熱により溶融し、シリコン溶湯の表面積を極大化させることにより、揮発効率をその分高くできる。
【００４９】
また、本発明では誘導コイルに印加されるパワーの周波数を１０ｋＨｚ以下に下げ、シリコン溶湯の流動を極大化して表面を不安定な状態に維持することにより、シリコン溶湯の揮発効率を高めることができる。
【００５０】
また、本発明ではＳｉＯｘ粒子の製造と同時に炭素コーティングできるが、炭素コーティングされたＳｉＯｘ−Ｃ粒子をリチウムイオン電池の陰極材料として活用する場合、炭素コーティングによる電気伝導性の向上によってリチウムイオン電池の充電及び放電効率をより向上させることができる。
【００５１】
図４は、本発明の実施例にかかるＳｉＯｘナノ粉末の製造方法を示した順序図である。
【００５２】
図４を参照すると、図示されたＳｉＯｘナノ粉末の製造方法は、シリコン装入段階（Ｓ２１０）、誘導溶融段階（Ｓ２２０）、ガス噴射段階（Ｓ２３０）及び捕集段階（Ｓ２４０）を含む。
【００５３】
＜シリコン装入＞
シリコン装入段階（Ｓ２１０）では、黒鉛るつぼにシリコンを装入する。このとき、黒鉛るつぼは真空チャンバの内部に装着される。このとき、黒鉛るつぼは上側が開放される円筒構造からなり、壁面の一部を切開する複数のスリットによってそれぞれのセグメントに分割できる。
【００５４】
＜誘導溶融＞
誘導溶融段階（Ｓ２２０）では、黒鉛るつぼに装入されたシリコンを誘導加熱してシリコン溶湯を形成する。
【００５５】
このとき、誘導加熱による電磁気場によって、シリコン溶湯は黒鉛るつぼの側壁と分離されて中心部に噴き上がることになり、シリコン溶湯に作用する電磁気場による攪拌によって表面積が増加することになる。
【００５６】
ここで、黒鉛るつぼの外周面を囲む誘導コイルに、１０ｋＨｚ以下の交流電流を印加することが好ましい。
【００５７】
もし、誘導コイルに印加される周波数を１０ｋＨｚ以下に下げる場合、シリコン溶湯内部の奥深い部分にまで電磁気場を形成できるため、溶融されるシリコンの流動を極大化させることができるようになる。このような流動は、シリコン溶湯の表面状態をより不安定に維持できるようになり、これによりシリコン溶湯の揮発効率を向上させることができるようになる。
【００５８】
＜ガス噴射＞
ガス噴射段階（Ｓ２３０）では、シリコン溶湯の表面と直接接触するように噴射ガスを噴射する。
【００５９】
ここで、前記噴射ガスは、シリコン溶湯との反応によってＳｉＯｘ蒸気を生成するようになり、このようなＳｉＯｘ蒸気は揮発する。このとき、噴射ガスは誘導加熱によって溶融されるシリコンが、シリコン溶湯を形成する直前に噴射することが好ましい。
【００６０】
前記噴射ガスとしては、Ａｒ、Ｈ2、Ｏ2、Ｈ2Ｏ等が利用できる。これらのガスは、単独で或いは２種以上混合されたものが利用できる。このようなガス噴射段階時に、噴射ガスの多様な分圧によりＳｉＯｘでのｘ値が決定され得る。また、噴射ガスの流量、ガス供給管の形状と位置によって製造されるＳｉＯｘナノ粉末の結晶粒の大きさ及び形状が決められ得る。
【００６１】
＜捕集＞
捕集段階（Ｓ２４０）では、シリコン溶湯と噴射ガスとの反応によって揮発されるＳｉＯｘ蒸気を冷却及び凝縮させてＳｉＯｘ粒子を捕集する。
【００６２】
図面には示していないが、捕集段階（Ｓ２４０）ではＳｉＯｘ粒子に対してコーティングガスを噴射する過程をさらに行うことができるが、これはＳｉＯｘ粒子に対して炭素コーティングを実施するためである。
【００６３】
このとき、コーティングガスは、Ａｒ、Ｈ2と共に、ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10、Ｃ5Ｈ12、Ｃ6Ｈ14等を含むアルカン系ガスが利用できる。これらガスは、単独で或いは２種以上混合される形態で供給できる。
【００６４】
以上により、本発明の実施例にかかるＳｉＯｘナノ粒子の製造方法が終了される。
【００６５】
上述のＳｉＯｘナノ粉末の製造方法を利用して製造されるＳｉＯｘナノ粉末は、約１５００ｍＡｈ／ｇの高い電池容量を有し、粒子サイズが約５０ｎｍ以下のナノサイズに製造されるため、炭素電極に比べて充電及び放電効率を３倍以上向上させることができる。
【００６６】
また、前記の製造方法で製造されるナノサイズのＳｉＯｘナノ粉末をリチウムイオン電池の陰極材料として利用する場合、体積膨張が発生しないため、クラック又はショート等の問題を未然に防ぐことができる。
【実施例】
【００６７】
以下、本発明の好ましい実施例により、本発明の構成および及び作用をより詳しく説明する。但し、これは本発明の好ましい例示として提示したものであり、如何なる意味でもこれによって本発明が制限されると解釈してはならない。
【００６８】
ここに記載していない内容は、本技術分野の熟練者であれば十分に技術的に類推できるもののため、その説明は省略する。
【００６９】
１．ＳｉＯｘナノ粉末の製造
先ず、るつぼ内部にシリコンを装入する。るつぼの直径は、外径９０ｍｍ、内径６０ｍｍ、高さ１５０ｍｍで、１ｍｍ間隔のスリットを１５°の間隔で１２個形成した。
【００７０】
直径８ｍｍの誘導コイルをるつぼの上部を基準に１０回巻いて形成し、これにより６．７ｋＨｚの周波数を有する交流電流を印加した。
【００７１】
２５０ｇのシリコンを装入した後、チャンバの真空を５〜１０ｔｏｒｒに１時間以上維持した後、Ａｒガスを注入して運転真空を２ｔｏｒｒ程度に形成した。
【００７２】
シリコンを溶融させるための印加電力は、１〜２０ｋＷ領域で、５分当り２ｋＷずつ５０〜６０分間上昇させた。１６ｋＷ電力が印加されたとき、装入されたシリコンの中心部から溶融が始まり、溶湯は中心から外側壁の方に移動し、装入されたシリコンを全て溶融させた。
【００７３】
溶湯が形成された直後、溶湯の表面に０．１〜５ｖｏｌ％のＯ2／Ａｒの混合ガスを注入してＳｉＯｘ蒸気を形成した。
【００７４】
揮発されたＳｉＯｘ蒸気は、るつぼの上部に位置したチャンバ内の捕集部に移動することが観察され、ＳｉＯｘ蒸気が流れ込む捕集部の入口に黄色の粒子が溜まることが確認できた。
【００７５】
流れ込まれたＳｉＯｘ蒸気は、捕集部で冷却及び凝縮過程を通じて捕集され、収率を向上させるためにガス循環区間で反応ガスを注入した。このような冷却及び凝縮過程を経てＳｉＯｘ粒子が生成され、このようなＳｉＯｘ粒子はメッシュにより捕集されることが確認できた。
【００７６】
シリコンの完全溶融が行われると共に、溶湯はるつぼの側壁と分離されて中心部に噴き上がり、溶湯の電磁気場による攪拌によって表面積が増加することが確認できた。揮発量は、溶湯の表面積の増加に伴い増加することが確認できた。
【００７７】
シリコンの完全溶融後、噴射ガスを注入して、噴射ガス注入の１時間ＳｉＯｘ粒子を製造し、製造工程終了後に印加電力をゆっくり下げて、るつぼ内のシリコンを凝固した。チャンバを開放した後、メッシュに捕集されたＳｉＯｘ粒子を収得した。
【００７８】
２．ＳｉＯｘナノ粉末の特性評価
図５は、実施例にかかる方法で製造されるＳｉＯｘナノ粉末を示した写真であり、図６は、図５のＳｉＯｘナノ粉末をＳＥＭで測定して示したイメージである。
【００７９】
図５及び図６に示したように、ＳｉＯｘナノ粉末は濃い黄色を帯び、ナノサイズの微細な結晶粒が均一に分散されていることが確認できた。このとき、ＳｉＯｘナノ粉末の粒径は１０〜５０ｎｍを示した。
【００８０】
このように、本発明にかかるＳｉＯｘナノ粉末の製造装置は、電磁気誘導溶融法及び急冷法を同時に適用することにより、低コスト且つ短時間内に約５０ｎｍ以下の粒度を有する高純度のＳｉＯｘナノ粉末を製造できた。
【００８１】
また、本発明にかかるＳｉＯｘナノ粉末の製造装置を利用して製造されるＳｉＯｘナノ粉末は、約１５００ｍＡｈ／ｇの高い電池容量を有し、粒子サイズが約５０ｎｍ以下のナノサイズに製造されるため、炭素電極に比べて充電及び放電効率を３倍以上向上できると予想される。
【００８２】
以上では本発明の実施例を中心に説明したが、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する技術者のレベルで多様な変更や変形を加えることができる。このような変更や変形は、本発明が提供する技術思想の範囲から外れない限り、本発明に属すると言える。よって、本発明の権利範囲は以下に記載する請求の範囲によって判断されなければならない。
【符号の説明】
【００８３】
１００：ＳｉＯｘナノ粉末製造装置、１１０：真空チャンバ、１２０：黒鉛るつぼ、１２２：スリット、１２４：セグメント、１３０：シリコン溶湯、１３２：ＳｉＯｘ蒸気、１３４：ＳｉＯｘ粒子、１４０：誘導溶融部、１４２：耐火物るつぼ、１４４：誘導コイル、１６０：ガス噴射部、１６２：ガス供給管、１６４：噴射ノズル、１８０：捕集部、１８１：循環ポンプ、１８２：気相移動区間、１８４：コーティングガス注入区間、１８６：捕集区間、１８８：ガス循環区間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高純度ＳｉＯｘナノ粉末の製造技術に関するものであり、より詳しくは、シリコンを誘導加熱して溶融し、溶融されたシリコン溶湯の表面に噴射ガスを直接噴射してＳｉＯｘナノ粉末を大量に生産できる揮発性に優れた高純度ＳｉＯｘナノ粉末の製造方法及びその製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、リチウムイオン電池の陰極としては、炭素電極が使用されている。炭素電極は、電池の充電及び放電効率に優れるという長所がある。しかし、３７５ｍＡｈ／ｇの低い理論容量によって、高い電池容量を要求する次世代のリチウムイオン電池の陰極材料として使用するには制約が伴う。
【０００３】
リチウムイオン電池の陰極材料として使用されるシリコン（Ｓｉ）の場合、４２００ｍＡｈ／ｇ程度の高い理論容量を有しているが、リチウムイオン電池の充電時に、Ｌｉ4.4とＳｉが反応してＬｉ4.4Ｓｉを形成することになり、４００％に至る高い体積膨張を起こすことになる。このような高い体積膨張は、シリコン材質からなるリチウムイオン電池の陰極にクラック（ｃｒａｃｋ）又はショート（ｓｈｏｒｔ）を誘発する。
【０００４】
一方、シリコン（Ｓｉ）の場合は、ミクロサイズ（μｍｍ）からナノサイズ（ｎｍ）に粒子サイズが変化する際、体積膨張によるストレスが減少すると言われているが、ナノサイズのシリコンもやはり、体積膨張によるクラック又は電池のショートが発生するという問題点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的の一つは、誘導コイルを利用した電磁気誘導溶融方式を利用してシリコン自体を誘導加熱して溶融し、溶融されたシリコン表面に多様な噴射ガスを噴射してＳｉＯｘナノ粉末を大量に生産できるＳｉＯｘナノ粉末の製造装置を提供することである。
【０００６】
本発明の他の目的は、前記ＳｉＯｘナノ粉末の製造装置を利用したＳｉＯｘナノ粉末の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の目的の一つを達成するための本発明の実施例にかかるＳｉＯｘナノ粉末の製造装置は、真空チャンバ；前記真空チャンバの内部に装着され、シリコンが装入される黒鉛るつぼ；前記黒鉛るつぼに装入されたシリコンを誘導加熱してシリコン溶湯を形成させる誘導溶融部；前記黒鉛るつぼの内部で前記シリコン溶湯の表面と直接接触するように噴射ガスを噴射するガス噴射部；及び前記黒鉛るつぼと離隔された上部に配置され、前記シリコン溶湯と前記噴射ガスとの反応によって揮発するＳｉＯｘ蒸気を捕集する捕集部；を含むことを特徴とする。
【０００８】
前記の他の目的を達成するための本発明の実施例にかかるＳｉＯｘナノ粉末の製造方法は、黒鉛るつぼにシリコンを装入するシリコン装入；前記黒鉛るつぼに装入されたシリコンを誘導加熱してシリコン溶湯を形成する誘導溶融；前記シリコン溶湯の表面と直接接触するように噴射ガスを噴射するガス噴射；及び前記シリコン溶湯と前記噴射ガスとの反応によって揮発するＳｉＯｘ蒸気を、冷却及び凝縮させてＳｉＯｘ粒子を捕集すること；を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明にかかるＳｉＯｘナノ粉末の製造装置は、電磁気誘導溶融法及び急冷法を同時に適用することにより、低コスト且つ短時間内に約５０ｎｍ以下の粒度を有する高純度のＳｉＯｘナノ粉末を製造できる。
【００１０】
また、本発明にかかるＳｉＯｘナノ粉末の製造方法を利用して製造されるＳｉＯｘナノ粉末は、約１５００ｍＡｈ／ｇの高い電池容量を有し、粒子サイズが約５０ｎｍ以下のナノサイズに製造されるため、炭素電極に比べて充電及び放電効率を３倍以上向上させることができると予想される。
【００１１】
また、前記製造方法で製造されるナノサイズのＳｉＯｘナノ粉末をリチウムイオン電池の陰極材料として利用する場合、体積膨張が発生しないため、クラック又はショート等の問題を未然に防止できるという効果がある。
【００１２】
また、前記製造方法で製造されるＳｉＯｘナノ粉末は、ＳｉＯｘ粒子の製造と同時に炭素コーティングを行うことができるため、炭素コーティングされたＳｉＯｘ−Ｃ粒子をリチウムイオン電池の陰極材料として活用する場合、炭素コーティングによる電気伝導性の向上によってリチウムイオン電池の充電及び放電の効率をより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例にかかるＳｉＯｘナノ粉末の製造装置を示した断面図である。
【図２】図１の黒鉛るつぼを拡大して示した斜視図である。
【図３】図１のＡ部分を拡大して示した断面図である。
【図４】本発明の実施例にかかるＳｉＯｘナノ粉末の製造方法を示した順序図である。
【図５】実施例にかかる方法で製造されたＳｉＯｘナノ粉末を示した写真である。
【図６】図５のＳｉＯｘナノ粉末をＳＥＭで測定して示したイメージである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付の図面と併せて詳しく後述する実施例を参照すると明確になる。しかし、本発明は以下にて開示する実施例に限定されるのではなく、相違する多様な形態に具現でき、但し本実施例は本発明の開示が完全なものとなるようにし、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に教示するために提供するものであり、本発明の請求項の範疇によって定義されるだけである。明細書の全体に亘り同一の参照符号は、同一構成要素を指す。
【００１５】
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施例にかかる揮発性に優れた高純度ＳｉＯｘナノ粉末の製造方法及びその製造装置に関して詳しく説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施例にかかるＳｉＯｘナノ粉末の製造装置を示した断面図である。
【００１７】
図１を参照すると、図示したＳｉＯｘナノ粉末の製造装置１００は、真空チャンバ１１０、黒鉛るつぼ１２０、誘導溶融部１４０、ガス噴射部１６０及び捕集部１８０を含む。
【００１８】
＜真空チャンバ＞
真空チャンバ１１０は、ＳｉＯｘナノ粉末を製造するための密閉空間を提供する。このような真空チャンバ１１０の内部は、清浄な真空状態が維持されるようにすることが好ましい。
【００１９】
＜黒鉛るつぼ＞
黒鉛るつぼ１２０は、真空チャンバ１１０の内部に装着される。このとき、黒鉛るつぼ１２０は上部が開放されており、ＳｉＯｘナノ粉末の原料になるシリコンが装入される。
【００２０】
図２は、図１の黒鉛るつぼを拡大して示した斜視図である。
【００２１】
図２を参照すると、黒鉛るつぼ１２０は上側が開放される円筒構造からなり、壁面の一部を切開した複数のスリット１２２を備える。前記黒鉛るつぼ１２０は、複数のスリット１２２によってそれぞれのセグメント１２４に分割される。
【００２２】
この場合、黒鉛るつぼ１２０の内部に装入されるシリコンは、後述の誘導溶融部（図１の１４０）による電磁気誘導加熱によって直接溶融されたり、又は誘導溶融部により誘導加熱される黒鉛るつぼ１２０によって間接溶融されることもできる。
【００２３】
＜誘導溶融部＞
誘導溶融部１４０は、図１に示したように、耐火物るつぼ１４２及び誘導コイル１４４を含むことができる。耐火物るつぼ１４２は、黒鉛るつぼ１２０の外側を囲む形態で形成できる。誘導コイル１４４は、黒鉛るつぼ１２０の外周面に沿って巻かれるように形成される。
【００２４】
このとき、誘導コイル１４４は、耐火物るつぼ１４２の壁面に内蔵できる。図面に提示はしていないが、誘導コイル１４４は耐火物るつぼ１４２の内壁に付けることもできる。
【００２５】
前記誘導溶融部１４０は、黒鉛るつぼ１２０に装入されているシリコンを誘導加熱によって溶融させてシリコン溶湯１３０を形成させる。
【００２６】
誘導溶融部１４０によって作用する電磁気場は、黒鉛るつぼ１２０内部の中心方向に向かう。このような誘導加熱による電磁気場によって、シリコン溶湯１３０は黒鉛るつぼ１２０の側壁と分離されて中心部に噴き上がるようになり、シリコン溶湯１３０に作用する電磁気場による攪拌によって表面積が増加する。
【００２７】
一方、誘導溶融部１４０の誘導コイル１４４に印加される交流電流は、１０ｋＨｚ以下の周波数を有することが好ましい。もし、誘導コイル１４４に印加される周波数を１０ｋＨｚ以下に下げる場合、シリコン溶湯１３０内部の奥深い部分まで電磁気場を形成でき、溶融されるシリコンの流動を極大化させることができるようになる。このような流動は、シリコン溶湯１３０の表面状態をより不安定に維持し、これによりシリコン溶湯１３０の揮発効率を向上させることができるようになる。
【００２８】
ここで、シリコンは約７００℃までは電気伝導度が低いため、初期には黒鉛るつぼ１２０に加えられる熱によって間接加熱が行われ、７００℃より高い温度では電気伝導度が急激に高くなるため、主に電磁気誘導溶融が行われる。
【００２９】
前記誘導溶融に使用されるるつぼ内には、多様な金属を装入してナノ金属粉末を製造できる。対象非金属または金属は、Ｓｉ、Ｔｉ、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｎ等があり、これに局限されず、多様な非金属または金属のナノ粒子を製造できる。
【００３０】
＜ガス噴射部＞
ガス噴射部１６０は、黒鉛るつぼ１２０の内部でシリコン溶湯１３０の表面と直接接触するように噴射ガスを噴射する役割をする。
【００３１】
このために、ガス噴射部１６０は噴射ガスが供給されるガス供給管１６２と、前記ガス供給管１６２の端部に装着され、黒鉛るつぼ１２０の内部に配置される噴射ノズル１６４を含む。図面に提示してはいないが、ガス噴射部１６０は、真空チャンバ１１０の外側に設けられてガス供給管１６２に噴射ガスを供給するガス貯蔵タンク（未図示）をさらに含むことができる。
【００３２】
ここで、ガス噴射部１６０、特にガス噴射部１６０の噴射ノズル１６４から噴射される噴射ガスは、シリコン溶湯１３０との反応によってＳｉＯｘ蒸気１３２を生成するようになり、このＳｉＯｘ蒸気１３２は、揮発して黒鉛るつぼ１２０と離隔された上側に配置される捕集部１８０に流れ込む。このとき、噴射ガスは誘導溶融部１４０による誘導加熱によって溶融されるシリコンがシリコン溶湯１３０を形成する直前に噴射されるようにすることが好ましい。
【００３３】
前記噴射ガスとしては、Ａｒ、Ｈ2、Ｏ2、Ｈ2Ｏ等が利用できる。これらガスは単独或いは２種以上混合されたものが利用できる。前記噴射ガス中、Ａｒガスは希釈による目的として、そしてＨ2ガスは還元反応のための目的で混合される。また、窒化物の金属ナノ粉末を製造するために、Ｎ2ガスを混合できる。
【００３４】
このとき、ガス噴射部１６０によって噴射される噴射ガスの多様な分圧により、ＳｉＯｘでのｘ値が決定され得る。また、噴射ガスの流量、ガス供給管１６２の形状と位置によって製造されるＳｉＯｘナノ粉末の結晶粒の大きさ及び形状が決定され得る。
【００３５】
＜捕集部＞
捕集部１８０は、黒鉛るつぼ１２０と離隔された上部に配置され、前記シリコン溶湯１３０と噴射ガス間の反応によって揮発されるＳｉＯｘ蒸気１３２を捕集する。
【００３６】
このような捕集部１８０の内部に流れ込むＳｉＯｘ蒸気１３２は、冷却及び凝縮過程を経てＳｉＯｘ粒子１３４を生成する。
【００３７】
このとき、捕集部１８０は気相移動区間１８２、捕集区間１８６及びガス循環区間１８８を含み得る。
【００３８】
気相移動区間１８２は、黒鉛るつぼ１２０の上部に対応するように配置される。この結果、黒鉛るつぼ１２０内で誘導溶融によって揮発されるＳｉＯｘ蒸気１３２は、気相移動区間１８２に流れ込む。
【００３９】
捕集区間１８６は、気相移動区間１８２を経由して流れ込むＳｉＯｘ蒸気１３２を、冷却及び凝縮させることにより生成されるＳｉＯｘ粒子１３４を収得する。このような捕集区間１８６に流れ込むＳｉＯｘ蒸気１３２の場合、一部は冷却及び凝縮されてＳｉＯｘ粒子１３４を生成し、残りのＳｉＯｘ蒸気１３２は後述のガス循環区間１８８に流れ込む。
【００４０】
このような捕集区間１８６には、冷却及び凝縮が容易になるようにするために、急激な温度差を見せる特定構造物（未図示）が配置されている場合がある。このとき、ＳｉＯｘ蒸気１３２の移送は、気相移動区間１８２及び捕集区間１８６の圧力が異なるように調節することにより、発生する圧力差を利用してＳｉＯｘ蒸気１３２を移送することになる。
【００４１】
ガス循環区間１８８は、捕集区間１８６で冷却及び凝縮されなかったＳｉＯｘ蒸気１３２を循環させて気相移動区間１８２に再度流れ込ませる。このために、ガス循環区間１８８にはＳｉＯｘ蒸気１３２を循環させるための循環ポンプ１８１が配置されている場合がある。
【００４２】
一方、捕集部１８０は、気相移動区間１８２と捕集区間１８６間に配置されるコーティングガス注入区間１８４をさらに含み得る。
【００４３】
コーティングガス注入区間１８４は、気相移動区間１８２を経由して捕集区間１８６に流れ込みながら冷却されたＳｉＯｘ粒子１３４に対して、炭素コーティングを実施するための目的で設けられるものであり、このようなコーティングガス注入区間１８４は、必要に応じて省略しても構わない。図面に示してはいないが、コーティングガス注入区間１８４には、コーティングガスを噴射するためのコーティングガス噴射ノズル（未図示）を設けることもできる。
【００４４】
このとき、コーティングガスとしては、Ａｒ、Ｈ2と共に、ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10、Ｃ5Ｈ12、Ｃ6Ｈ14等を含むアルカン系ガスを利用できる。これらガスは、単独或いは２種以上混合される形態で供給され得る。前記コーティングガスのうち、Ａｒガスは希釈のための目的として、そしてＨ2ガスは還元反応のための目的として混合される。
【００４５】
このとき、ＳｉＯｘ粒子１３４は、コーティングガスとの反応によってＳｉＯｘ−Ｃ粒子を形成できる。この場合、ＳｉＯｘ粒子１３４の製造と同時に炭素コーティングまで可能である。
【００４６】
よって、本発明にかかるＳｉＯｘナノ粉末の製造装置は、電磁気誘導溶融法及び急冷法を同時に適用することにより、低コスト且つ短時間内に約５０ｎｍ以下の粒度を有する高純度のＳｉＯｘナノ粉末を製造することができるようになる。
【００４７】
このために、本発明の実施例にかかるＳｉＯｘナノ粉末の製造装置は、誘導コイルを利用した電磁気誘導溶融方式を利用してシリコンを誘導加熱して溶融し、溶融されたシリコン溶湯の表面に多様な混合ガスを直接噴射することにより、ＳｉＯｘナノ粉末を大量に生産できる。
【００４８】
このとき、本発明では複数のスリットを備える黒鉛るつぼを利用してシリコン溶湯と黒鉛るつぼ内部に装入されるシリコンを誘導加熱により溶融し、シリコン溶湯の表面積を極大化させることにより、揮発効率をその分高くできる。
【００４９】
また、本発明では誘導コイルに印加されるパワーの周波数を１０ｋＨｚ以下に下げ、シリコン溶湯の流動を極大化して表面を不安定な状態に維持することにより、シリコン溶湯の揮発効率を高めることができる。
【００５０】
また、本発明ではＳｉＯｘ粒子の製造と同時に炭素コーティングできるが、炭素コーティングされたＳｉＯｘ−Ｃ粒子をリチウムイオン電池の陰極材料として活用する場合、炭素コーティングによる電気伝導性の向上によってリチウムイオン電池の充電及び放電効率をより向上させることができる。
【００５１】
図４は、本発明の実施例にかかるＳｉＯｘナノ粉末の製造方法を示した順序図である。
【００５２】
図４を参照すると、図示されたＳｉＯｘナノ粉末の製造方法は、シリコン装入段階（Ｓ２１０）、誘導溶融段階（Ｓ２２０）、ガス噴射段階（Ｓ２３０）及び捕集段階（Ｓ２４０）を含む。
【００５３】
＜シリコン装入＞
シリコン装入段階（Ｓ２１０）では、黒鉛るつぼにシリコンを装入する。このとき、黒鉛るつぼは真空チャンバの内部に装着される。このとき、黒鉛るつぼは上側が開放される円筒構造からなり、壁面の一部を切開する複数のスリットによってそれぞれのセグメントに分割できる。
【００５４】
＜誘導溶融＞
誘導溶融段階（Ｓ２２０）では、黒鉛るつぼに装入されたシリコンを誘導加熱してシリコン溶湯を形成する。
【００５５】
このとき、誘導加熱による電磁気場によって、シリコン溶湯は黒鉛るつぼの側壁と分離されて中心部に噴き上がることになり、シリコン溶湯に作用する電磁気場による攪拌によって表面積が増加することになる。
【００５６】
ここで、黒鉛るつぼの外周面を囲む誘導コイルに、１０ｋＨｚ以下の交流電流を印加することが好ましい。
【００５７】
もし、誘導コイルに印加される周波数を１０ｋＨｚ以下に下げる場合、シリコン溶湯内部の奥深い部分にまで電磁気場を形成できるため、溶融されるシリコンの流動を極大化させることができるようになる。このような流動は、シリコン溶湯の表面状態をより不安定に維持できるようになり、これによりシリコン溶湯の揮発効率を向上させることができるようになる。
【００５８】
＜ガス噴射＞
ガス噴射段階（Ｓ２３０）では、シリコン溶湯の表面と直接接触するように噴射ガスを噴射する。
【００５９】
ここで、前記噴射ガスは、シリコン溶湯との反応によってＳｉＯｘ蒸気を生成するようになり、このようなＳｉＯｘ蒸気は揮発する。このとき、噴射ガスは誘導加熱によって溶融されるシリコンが、シリコン溶湯を形成する直前に噴射することが好ましい。
【００６０】
前記噴射ガスとしては、Ａｒ、Ｈ2、Ｏ2、Ｈ2Ｏ等が利用できる。これらのガスは、単独で或いは２種以上混合されたものが利用できる。このようなガス噴射段階時に、噴射ガスの多様な分圧によりＳｉＯｘでのｘ値が決定され得る。また、噴射ガスの流量、ガス供給管の形状と位置によって製造されるＳｉＯｘナノ粉末の結晶粒の大きさ及び形状が決められ得る。
【００６１】
＜捕集＞
捕集段階（Ｓ２４０）では、シリコン溶湯と噴射ガスとの反応によって揮発されるＳｉＯｘ蒸気を冷却及び凝縮させてＳｉＯｘ粒子を捕集する。
【００６２】
図面には示していないが、捕集段階（Ｓ２４０）ではＳｉＯｘ粒子に対してコーティングガスを噴射する過程をさらに行うことができるが、これはＳｉＯｘ粒子に対して炭素コーティングを実施するためである。
【００６３】
このとき、コーティングガスは、Ａｒ、Ｈ2と共に、ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10、Ｃ5Ｈ12、Ｃ6Ｈ14等を含むアルカン系ガスが利用できる。これらガスは、単独で或いは２種以上混合される形態で供給できる。
【００６４】
以上により、本発明の実施例にかかるＳｉＯｘナノ粒子の製造方法が終了される。
【００６５】
上述のＳｉＯｘナノ粉末の製造方法を利用して製造されるＳｉＯｘナノ粉末は、約１５００ｍＡｈ／ｇの高い電池容量を有し、粒子サイズが約５０ｎｍ以下のナノサイズに製造されるため、炭素電極に比べて充電及び放電効率を３倍以上向上させることができる。
【００６６】
また、前記の製造方法で製造されるナノサイズのＳｉＯｘナノ粉末をリチウムイオン電池の陰極材料として利用する場合、体積膨張が発生しないため、クラック又はショート等の問題を未然に防ぐことができる。
【実施例】
【００６７】
以下、本発明の好ましい実施例により、本発明の構成および及び作用をより詳しく説明する。但し、これは本発明の好ましい例示として提示したものであり、如何なる意味でもこれによって本発明が制限されると解釈してはならない。
【００６８】
ここに記載していない内容は、本技術分野の熟練者であれば十分に技術的に類推できるもののため、その説明は省略する。
【００６９】
１．ＳｉＯｘナノ粉末の製造
先ず、るつぼ内部にシリコンを装入する。るつぼの直径は、外径９０ｍｍ、内径６０ｍｍ、高さ１５０ｍｍで、１ｍｍ間隔のスリットを１５°の間隔で１２個形成した。
【００７０】
直径８ｍｍの誘導コイルをるつぼの上部を基準に１０回巻いて形成し、これにより６．７ｋＨｚの周波数を有する交流電流を印加した。
【００７１】
２５０ｇのシリコンを装入した後、チャンバの真空を５〜１０ｔｏｒｒに１時間以上維持した後、Ａｒガスを注入して運転真空を２ｔｏｒｒ程度に形成した。
【００７２】
シリコンを溶融させるための印加電力は、１〜２０ｋＷ領域で、５分当り２ｋＷずつ５０〜６０分間上昇させた。１６ｋＷ電力が印加されたとき、装入されたシリコンの中心部から溶融が始まり、溶湯は中心から外側壁の方に移動し、装入されたシリコンを全て溶融させた。
【００７３】
溶湯が形成された直後、溶湯の表面に０．１〜５ｖｏｌ％のＯ2／Ａｒの混合ガスを注入してＳｉＯｘ蒸気を形成した。
【００７４】
揮発されたＳｉＯｘ蒸気は、るつぼの上部に位置したチャンバ内の捕集部に移動することが観察され、ＳｉＯｘ蒸気が流れ込む捕集部の入口に黄色の粒子が溜まることが確認できた。
【００７５】
流れ込まれたＳｉＯｘ蒸気は、捕集部で冷却及び凝縮過程を通じて捕集され、収率を向上させるためにガス循環区間で反応ガスを注入した。このような冷却及び凝縮過程を経てＳｉＯｘ粒子が生成され、このようなＳｉＯｘ粒子はメッシュにより捕集されることが確認できた。
【００７６】
シリコンの完全溶融が行われると共に、溶湯はるつぼの側壁と分離されて中心部に噴き上がり、溶湯の電磁気場による攪拌によって表面積が増加することが確認できた。揮発量は、溶湯の表面積の増加に伴い増加することが確認できた。
【００７７】
シリコンの完全溶融後、噴射ガスを注入して、噴射ガス注入の１時間ＳｉＯｘ粒子を製造し、製造工程終了後に印加電力をゆっくり下げて、るつぼ内のシリコンを凝固した。チャンバを開放した後、メッシュに捕集されたＳｉＯｘ粒子を収得した。
【００７８】
２．ＳｉＯｘナノ粉末の特性評価
図５は、実施例にかかる方法で製造されるＳｉＯｘナノ粉末を示した写真であり、図６は、図５のＳｉＯｘナノ粉末をＳＥＭで測定して示したイメージである。
【００７９】
図５及び図６に示したように、ＳｉＯｘナノ粉末は濃い黄色を帯び、ナノサイズの微細な結晶粒が均一に分散されていることが確認できた。このとき、ＳｉＯｘナノ粉末の粒径は１０〜５０ｎｍを示した。
【００８０】
このように、本発明にかかるＳｉＯｘナノ粉末の製造装置は、電磁気誘導溶融法及び急冷法を同時に適用することにより、低コスト且つ短時間内に約５０ｎｍ以下の粒度を有する高純度のＳｉＯｘナノ粉末を製造できた。
【００８１】
また、本発明にかかるＳｉＯｘナノ粉末の製造装置を利用して製造されるＳｉＯｘナノ粉末は、約１５００ｍＡｈ／ｇの高い電池容量を有し、粒子サイズが約５０ｎｍ以下のナノサイズに製造されるため、炭素電極に比べて充電及び放電効率を３倍以上向上できると予想される。
【００８２】
以上では本発明の実施例を中心に説明したが、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する技術者のレベルで多様な変更や変形を加えることができる。このような変更や変形は、本発明が提供する技術思想の範囲から外れない限り、本発明に属すると言える。よって、本発明の権利範囲は以下に記載する請求の範囲によって判断されなければならない。
【符号の説明】
【００８３】
１００：ＳｉＯｘナノ粉末製造装置、１１０：真空チャンバ、１２０：黒鉛るつぼ、１２２：スリット、１２４：セグメント、１３０：シリコン溶湯、１３２：ＳｉＯｘ蒸気、１３４：ＳｉＯｘ粒子、１４０：誘導溶融部、１４２：耐火物るつぼ、１４４：誘導コイル、１６０：ガス噴射部、１６２：ガス供給管、１６４：噴射ノズル、１８０：捕集部、１８１：循環ポンプ、１８２：気相移動区間、１８４：コーティングガス注入区間、１８６：捕集区間、１８８：ガス循環区間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバ；
前記真空チャンバの内部に装着され、シリコンが装入される黒鉛るつぼ；
前記黒鉛るつぼに装入されたシリコンを誘導加熱してシリコン溶湯を形成させる誘導溶融部；
前記黒鉛るつぼの内部で前記シリコン溶湯の表面と直接接触するように噴射ガスを噴射するガス噴射部；及び
前記黒鉛るつぼと離隔された上部に配置され、前記シリコン溶湯と前記噴射ガスとの反応によって揮発するＳｉＯｘ蒸気を捕集する捕集部；を含むことを特徴とするＳｉＯｘナノ粉末の製造装置。
【請求項２】
前記黒鉛るつぼは、上側が開放される円筒構造からなり、壁面の一部を切開した複数のスリットを備えることを特徴とする請求項１に記載のＳｉＯｘナノ粉末の製造装置。
【請求項３】
前記誘導溶融部は、前記黒鉛るつぼの外側を囲む耐火物るつぼと、
前記黒鉛るつぼの外周面に沿って巻かれる誘導コイル；を含むことを特徴とする請求項１に記載のＳｉＯｘナノ粉末の製造装置。
【請求項４】
前記誘導コイルは、前記耐火物るつぼの壁面に内蔵されることを特徴とする請求項３に記載のＳｉＯｘナノ粉末の製造装置。
【請求項５】
前記誘導コイルには、１０ｋＨｚ以下の交流電流が印加されることを特徴とする請求項３に記載のＳｉＯｘナノ粉末の製造装置。
【請求項６】
前記ガス噴射部は、前記噴射ガスが供給されるガス供給管と、
前記ガス供給管の端部に装着されて前記黒鉛るつぼの内部に配置される噴射ノズル；を含むことを特徴とする請求項１に記載のＳｉＯｘナノ粉末の製造装置。
【請求項７】
前記噴射ガスは、Ａｒ、Ｈ2、Ｏ2及びＨ2Ｏから選ばれた１種または１種以上の混合ガスであることを特徴とする請求項１に記載のＳｉＯｘナノ粉末の製造装置。
【請求項８】
前記捕集部は、前記ＳｉＯｘ粒子に対して炭素コーティングを実施するためのコーティングガス噴射ノズルを備えることを特徴とする請求項１に記載のＳｉＯｘナノ粉末の製造装置。
【請求項９】
黒鉛るつぼにシリコンを装入するシリコン装入；
前記黒鉛るつぼに装入されたシリコンを誘導加熱してシリコン溶湯を形成する誘導溶融；
前記シリコン溶湯の表面と直接接触するように噴射ガスを噴射するガス噴射；及び
前記シリコン溶湯と前記噴射ガスとの反応によって揮発するＳｉＯｘ蒸気を、冷却及び凝縮させてＳｉＯｘ粒子を捕集すること；を含むことを特徴とするＳｉＯｘナノ粉末の製造方法。
【請求項１０】
前記噴射ガスとしては、Ａｒ、Ｈ2、Ｏ2及びＨ2Ｏから選ばれた１種または１種以上の混合ガスを利用することを特徴とする請求項９に記載のＳｉＯｘナノ粉末の製造方法。
【請求項１１】
前記誘導溶融時、前記黒鉛るつぼの外周面を囲む誘導コイルに１０ｋＨｚ以下の交流電流を印加することを特徴とする請求項９に記載のＳｉＯｘナノ粉末の製造方法。
【請求項１２】
前記捕集において、前記ＳｉＯｘ蒸気に対してコーティングガスを噴射することを特徴とする請求項９に記載のＳｉＯｘナノ粉末の製造方法。
【請求項１３】
前記コーティングガスは、Ａｒ、Ｈ2、ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10、Ｃ5Ｈ12及びＣ6Ｈ14から選ばれる１種または１種以上の混合ガスを利用することを特徴とする請求項１２に記載のＳｉＯｘナノ粉末の製造方法。
【請求項１４】
請求項９〜１３のいずれかに１項に記載のＳｉＯｘナノ粉末の製造方法を利用して製造されたリチウムイオン電池の陰極材料用ＳｉＯｘナノ粉末。
【請求項１５】
前記ナノ粉末の粒度は、１０〜５０ｎｍであることを特徴とする請求項１４に記載のリチウムイオン電池の陰極材料用ＳｉＯｘナノ粉末。
【請求項１】
真空チャンバ；
前記真空チャンバの内部に装着され、シリコンが装入される黒鉛るつぼ；
前記黒鉛るつぼに装入されたシリコンを誘導加熱してシリコン溶湯を形成させる誘導溶融部；
前記黒鉛るつぼの内部で前記シリコン溶湯の表面と直接接触するように噴射ガスを噴射するガス噴射部；及び
前記黒鉛るつぼと離隔された上部に配置され、前記シリコン溶湯と前記噴射ガスとの反応によって揮発するＳｉＯｘ蒸気を捕集する捕集部；を含むことを特徴とするＳｉＯｘナノ粉末の製造装置。
【請求項２】
前記黒鉛るつぼは、上側が開放される円筒構造からなり、壁面の一部を切開した複数のスリットを備えることを特徴とする請求項１に記載のＳｉＯｘナノ粉末の製造装置。
【請求項３】
前記誘導溶融部は、前記黒鉛るつぼの外側を囲む耐火物るつぼと、
前記黒鉛るつぼの外周面に沿って巻かれる誘導コイル；を含むことを特徴とする請求項１に記載のＳｉＯｘナノ粉末の製造装置。
【請求項４】
前記誘導コイルは、前記耐火物るつぼの壁面に内蔵されることを特徴とする請求項３に記載のＳｉＯｘナノ粉末の製造装置。
【請求項５】
前記誘導コイルには、１０ｋＨｚ以下の交流電流が印加されることを特徴とする請求項３に記載のＳｉＯｘナノ粉末の製造装置。
【請求項６】
前記ガス噴射部は、前記噴射ガスが供給されるガス供給管と、
前記ガス供給管の端部に装着されて前記黒鉛るつぼの内部に配置される噴射ノズル；を含むことを特徴とする請求項１に記載のＳｉＯｘナノ粉末の製造装置。
【請求項７】
前記噴射ガスは、Ａｒ、Ｈ2、Ｏ2及びＨ2Ｏから選ばれた１種または１種以上の混合ガスであることを特徴とする請求項１に記載のＳｉＯｘナノ粉末の製造装置。
【請求項８】
前記捕集部は、前記ＳｉＯｘ粒子に対して炭素コーティングを実施するためのコーティングガス噴射ノズルを備えることを特徴とする請求項１に記載のＳｉＯｘナノ粉末の製造装置。
【請求項９】
黒鉛るつぼにシリコンを装入するシリコン装入；
前記黒鉛るつぼに装入されたシリコンを誘導加熱してシリコン溶湯を形成する誘導溶融；
前記シリコン溶湯の表面と直接接触するように噴射ガスを噴射するガス噴射；及び
前記シリコン溶湯と前記噴射ガスとの反応によって揮発するＳｉＯｘ蒸気を、冷却及び凝縮させてＳｉＯｘ粒子を捕集すること；を含むことを特徴とするＳｉＯｘナノ粉末の製造方法。
【請求項１０】
前記噴射ガスとしては、Ａｒ、Ｈ2、Ｏ2及びＨ2Ｏから選ばれた１種または１種以上の混合ガスを利用することを特徴とする請求項９に記載のＳｉＯｘナノ粉末の製造方法。
【請求項１１】
前記誘導溶融時、前記黒鉛るつぼの外周面を囲む誘導コイルに１０ｋＨｚ以下の交流電流を印加することを特徴とする請求項９に記載のＳｉＯｘナノ粉末の製造方法。
【請求項１２】
前記捕集において、前記ＳｉＯｘ蒸気に対してコーティングガスを噴射することを特徴とする請求項９に記載のＳｉＯｘナノ粉末の製造方法。
【請求項１３】
前記コーティングガスは、Ａｒ、Ｈ2、ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10、Ｃ5Ｈ12及びＣ6Ｈ14から選ばれる１種または１種以上の混合ガスを利用することを特徴とする請求項１２に記載のＳｉＯｘナノ粉末の製造方法。
【請求項１４】
請求項９〜１３のいずれかに１項に記載のＳｉＯｘナノ粉末の製造方法を利用して製造されたリチウムイオン電池の陰極材料用ＳｉＯｘナノ粉末。
【請求項１５】
前記ナノ粉末の粒度は、１０〜５０ｎｍであることを特徴とする請求項１４に記載のリチウムイオン電池の陰極材料用ＳｉＯｘナノ粉末。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２１４３５３（Ｐ２０１２−２１４３５３Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２９５６５（Ｐ２０１１−２２９５６５）
【出願日】平成２３年１０月１９日（２０１１．１０．１９）
【出願人】（５０２２９１２５２）韓国エネルギー技術研究院 (16)
【氏名又は名称原語表記】ＫＯＲＥＡ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ ＯＦ ＥＮＥＲＧＹ ＲＥＳＥＡＲＣＨ
【住所又は居所原語表記】７１−２，Ｊａｎｇ−ｄｏｎｇ，Ｙｕｓｅｏｎｇ−ｇｕ，Ｄａｅｊｅｏｎ ３０５−３４３，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１９日（２０１１．１０．１９）
【出願人】（５０２２９１２５２）韓国エネルギー技術研究院 (16)
【氏名又は名称原語表記】ＫＯＲＥＡ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ ＯＦ ＥＮＥＲＧＹ ＲＥＳＥＡＲＣＨ
【住所又は居所原語表記】７１−２，Ｊａｎｇ−ｄｏｎｇ，Ｙｕｓｅｏｎｇ−ｇｕ，Ｄａｅｊｅｏｎ ３０５−３４３，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]