阅读说明：本技术 纳米粒子合成装置和使用其的纳米粒子合成方法 (Nanoparticle synthesis device and nanoparticle synthesis method using same ) 是由 郑镇美 辛富建 金成范 孟皙镐 于 2019-07-16 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种纳米粒子合成装置,其能够通过增加源气体的激光热解反应区域来提高纳米粒子的生产率。(The present invention provides a nanoparticle synthesis apparatus capable of improving the productivity of nanoparticles by increasing the laser pyrolysis reaction area of a source gas.)

纳米粒子合成装置和使用其的纳米粒子合成方法

技术领域

本申请要求于2018年7月23日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2018-0085185号的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。本发明涉及一种能够提高纳米粒子的生产率的纳米粒子合成装置以及使用该纳米粒子合成装置的纳米粒子合成方法。

背景技术

激光热解是一种通过用激光束照射源气体而在非常短的反应时间内分解源气体来合成纳米粒子的方法。作为示例，当通过用二氧化碳(CO₂)激光束照射来分解硅烷(SiH₄)气体时，可以形成硅(Si)纳米粒子。在激光热解中，为了提高生产率，尤其重要的是增加产生纳米粒子的反应区域。

普通的激光热解反应器被设计成使得入射激光束和所供应的源气体的行进方向彼此相交。同时，在如上所述设计的反应器中，仅入射激光束与源气体之间的交集被设置成反应区域，该反应区域仅是微区域。另外，存在以下局限性：需要在几微秒(ms)的短时间内进行热解反应，从而在反应区域中产生具有设计尺寸的纳米粒子。

为了解决这种问题并提高纳米粒子的产率，引入了增加入射激光束的输出的方法、在源气体中添加用于提高对激光束的吸收率的物质的方法等。然而，这些方法的局限性在于，反应效率没有得到很大提高，使得进一步需要气相光催化剂或需要增加激光束的输出，这导致工艺成本的增加。

因此，需要对被设计为改善源气体的激光热解反应的区域的激光热解反应器进行研究。

[现有技术文献]

[专利文献]

韩国专利申请公开第10-2015-0036511号

发明内容

技术问题

本发明致力于提供一种能够通过增加源气体的激光热解区域来提高纳米粒子的生产率的纳米粒子合成装置，以及使用该纳米粒子合成装置的纳米粒子合成方法。

然而，本发明要解决的技术问题不限于上述技术问题，并且本领域技术人员可以根据以下描述清楚地理解上述未提及的其他技术问题。

技术方案

本发明的示例性实施例提供了一种纳米粒子合成装置，其包括：反应室；源气体注入单元，源气体注入单元设置在反应室的一侧，并被配置成将源气体供应到反应室中；激光束入射单元，激光束入射单元设置在反应室的另一侧，并被配置成使得激光束入射到注入反应室中的源气体上；以及激光束碰撞单元，激光束碰撞单元设置在反应室中的与激光束的入射侧相对的一侧，并被配置成使得从激光束入射单元入射的激光束碰撞，其中，源气体在反应室中沿激光束的入射方向流动。

本发明的另一示例性实施例提供了一种使用该纳米粒子合成装置的纳米粒子合成方法，该方法包括：将源气体供应到反应室中；用激光束照射所供应的源气体；以及通过由入射的激光束引起源气体的热解反应来生长纳米粒子，其中，源气体在反应室中沿激光束的入射方向流动。

有益效果

根据本发明的示例性实施例的纳米粒子合成装置可以增大流动的源气体与入射的激光束彼此重叠的反应区域的尺寸，从而均匀地进行源气体的热解反应。

根据本发明的示例性实施例的纳米粒子合成装置可以具有大量生产纳米粒子而不会增加入射激光束的输出的优点。

即使源气体相对于入射激光束具有低吸收性，根据本发明的示例性实施例的纳米粒子合成装置也可以大量生产纳米粒子。

根据本发明的示例性实施例的纳米粒子合成装置可以容易地生产纳米粒子，而无需调节入射激光束的焦点。

附图说明

图1是根据本发明示例性实施例的纳米粒子合成装置的透视图。

图2是示出根据本发明示例性实施例的纳米粒子合成装置的侧切面的视图。

图3是图2中的区域A的放大图。

图4是示出现有技术中的纳米粒子合成装置的示意图。

图5是图2中的区域B的放大图。

图6是示出根据本发明示例性实施例的被设置为执行计算流体动力学(CFD)分析的反应室的模型的视图。

图7是示出根据本发明示例性实施例的计算流体动力学(CFD)分析的结果的视图。

具体实施方式

参考下面结合附图详细描述的示例性实施例，本发明将变得显而易见。然而，本发明不限于本文中所公开的示例性实施例，而是将以不同的多种的形式来实现。提供本发明的示例性实施例以完全公开本发明并且向本领域普通技术人员教导本发明的范围。本发明将仅由所附权利要求的范围来限定。同时，在本发明的描述中使用的术语用于解释示例性实施例，而不是用于限定和限制本发明。

在本说明书中，当一个构件设置在另一构件“上”时，这不仅包括该一个构件与另一构件接触的情况，还包括在两个构件之间存在另一个构件的情况。

在说明书中使用的诸如“包括(包含)”的术语意味着除了提到的构成元件、操作和/或构件之外，不排除存在或添加一个或多个其他构成元件、步骤、操作和/或构件。此外，诸如“第一”、“第二”和其他数字术语的术语可以在本文中仅用于描述各种构成元件，但是这些构成元件不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将一个构成元件与另一构成元件区分开。

在下文中，将参考附图详细描述本发明。

本发明的示例性实施例提供了一种纳米粒子合成装置，其包括：反应室；源气体注入单元，源气体注入单元设置在反应室的一侧，并被配置成将源气体供应到反应室中；激光束入射单元，激光束入射单元设置在反应室的另一侧，并被配置成使得激光束入射到注入反应室中的源气体上；以及激光束碰撞单元，激光束碰撞单元设置在反应室中的与激光束的入射侧相对的一侧，并被配置成使得入射在激光束入射单元上的激光束碰撞，其中，源气体在反应室中沿激光束的入射方向流动。

图1是根据本发明示例性实施例的纳米粒子合成装置的透视图。具体地，图1是示出纳米粒子合成装置1000的视图，该纳米粒子合成装置1000包括：反应室100；源气体注入单元110，源气体注入单元110设置在反应室100的一侧并被配置成使得源气体G注入到反应室100中；以及激光束入射单元120，激光束入射单元120设置在反应室100的另一侧并被配置成使得激光束LB入射到反应室100中。

反应室100是发生源气体G的热解反应并且捕获所产生的纳米粒子NP的结构。具体地，在反应室100中，包含在源气体G中的反应气体被激光束LB分解。另外，反应气体的分解的成分生长而成为纳米粒子NP，并且纳米粒子NP可以被纳米粒子捕获单元捕获。捕获单元可以设置在反应室100的另一侧，并且可以采用和使用在现有技术中使用的一般配置而不受限制，只要捕获单元可以捕获由源气体的热解反应产生的纳米粒子NP即可。

图2是示出根据本发明示例性实施例的纳米粒子合成装置的侧切面的视图。具体地，图2是示出图1所示的纳米粒子合成装置的侧切面(X→X’)的视图。参考图2，纳米粒子合成装置1000包括激光束碰撞单元130，激光束碰撞单元130设置在反应室100中并且设置在与激光束入射单元120相对的一侧。

源气体注入单元110使得源气体G从源气体G的供应源注入到反应室100中。另外，源气体注入单元110可以是本领域中公知的喷嘴。此外，可以在反应室100的一侧设置有多个源气体注入单元110。另外，可以在反应室100的一侧连续地设置源气体注入单元110。

激光束入射单元120使得从公知的激光束发射装置发射的激光束LB入射到反应室100中。另外，激光束入射单元120还可以包括光学透镜，入射的激光束LB可以通过该光学透镜透射。此外，相对于CO₂连续波激光束(例如ZnSe激光束)具有低吸收性的物质可以用作光学透镜的材料。

激光束LB行进到激光束碰撞单元130。具体地，通过激光束入射单元120入射的激光束LB与激光束碰撞单元130碰撞。因此，激光束LB的全部或部分热能可以被吸收到激光束碰撞单元130中。或者，激光束LB的全部或部分热能可以被激光束碰撞单元130反射。

另外，参考图2，源气体G沿激光束LB的入射方向在反应室100中流动。具体地，反应室100中的源气体G的流动方向可以与激光束LB的入射方向平行。更具体地，反应室100中的源气体G的流动方向可以与激光束LB的入射方向相同(G+LB)。

当激光束LB入射到源气体G上时，通过激光束LB产生源气体G的热解反应。因此，源气体G和激光束LB彼此重叠的区域可以是源气体G的热解反应的反应区域160。具体地，在激光束碰撞单元130与反应室100中源气体G和激光束LB开始彼此重叠的部分之间的区域可以是反应区域160。

如上所述，现有技术中的纳米粒子合成装置被设计为使得源气体的流动方向和激光束入射方向彼此相交。在这种情况下，源气体和激光束之间的接触时间不可避免地缩短。另外，由于现有技术中的纳米粒子合成装置具有源气体和激光束彼此重叠的小区域(反应区域)，因此在大规模生产纳米粒子方面存在限制。

相反，在根据本发明示例性实施例的纳米粒子合成装置中，源气体G在激光束LB的入射方向上流动。因此，纳米粒子合成装置可以具有增大的反应区域160。具体地，在源气体G沿激光束LB的入射方向流动的情况下，源气体G与激光束LB之间的接触时间可以增加。因此，纳米粒子合成装置可以确保反应区域160具有增大的尺寸。因为反应区域160的尺寸增大，所以可以大量生产纳米粒子。

图3是图2中的区域A的放大图。具体地，图3是图2中的示出了纳米粒子合成装置的侧切面(X→X’)的区域A的放大图。更具体地，图3是纳米粒子合成装置的侧切面(X→X’)中与源气体注入单元110和激光束入射单元120相对应的部分的放大图。图3示出了通过源气体注入单元110供应的源气体G在激光束LB的入射方向上流动的状态。

纳米粒子合成装置的反应室100的至少一部分可以被配置成使得可以从外部观察到由激光束LB引起的源气体G的热解反应。具体地，可以通过设置在反应室100的至少一部分上的可见构件140观察由激光束LB引起的源气体G的热解反应。另外，可见构件140可以由公知的透明材料制成。作为示例，可见构件140可以是石英管。此外，可见构件140的尺寸没有特别限制。

具体地，可以根据可见构件140的长度来调节反应区域160的尺寸。具体地，可见构件140可以设置在反应室100的至少一部分上，反应区域160是在反应室100中源气体G和激光束LB彼此重叠的区域，使得反应区域160的尺寸可以随着可见构件140的长度的增大而增大。因此，由于反应区域160的尺寸随着可见构件140的长度的增大而增大，所以可以大量生产纳米粒子。

图4是示出现有技术中的纳米粒子合成装置的示意图。参考图4，现有技术中的纳米粒子合成装置被设计为使得激光束的入射方向1与源气体的流动方向2彼此相交。另外，为了观察源气体的热解反应，现有技术中的纳米粒子合成装置还包括在与激光束的入射方向1及源气体的流动方向2相交的方向3上设置的单独的可见构件。同时，在上述设计的情况下，在可见构件内部不产生由激光束引起的源气体的热解反应。因此，存在如下问题：设计现有技术中的纳米粒子合成装置需要大量不必要的成本。

同时，在根据本发明示例性实施例的纳米粒子合成装置中，可见构件140可以设置在与激光束LB的入射方向平行的方向上。此外，可以在可见构件140内发生由激光束LB引起的源气体G的热解反应。另外，在纳米粒子合成装置中，可见构件140的设置方向可以与激光束LB的入射方向平行。具体地，可见构件140的设置方向可以与激光束LB的入射方向一致。因此，在纳米粒子合成装置中，可以观察到源气体G的热解反应的部分可以与发生反应的反应区域160一致。因此，纳米粒子合成装置具有这样的优点：解决了由于可见构件被设置为仅观察源气体G的热解反应因而增加了设计合成装置所需的成本的问题。另外，在使用纳米粒子合成装置的情况下，操作者可以直接观察发生源气体G的热解反应的区域。因此，操作者可以根据反应的进行程度来恰当地调节供应源气体G的条件和发射激光束LB的条件。

图5是图2中的区域B的放大图。具体地，图5是图2中的示出了纳米粒子合成装置的侧切面(X→X’)的区域B的放大图。图5是纳米粒子合成装置的侧切面(X→X’)中与激光束碰撞单元130和散热片150相对应的部分的放大图。更具体地，图5是示出在反应区域160中产生的纳米粒子NP穿过激光束碰撞单元130并且流到分离空间131a和131b的状态的视图。

另外，参考图5，激光束碰撞单元130可以包括主体部和叶片部，该叶片部的横截面积在从主体部到激光束入射单元的方向上减小。因此，入射的激光束LB可以被激光束碰撞单元130更有效地吸收或反射。另外，叶片部的端部可以是尖的或圆形的。激光束碰撞单元130的材料可以是诸如石墨的可延展材料或诸如不锈钢或铁的刚性材料。同时，为了确保组装纳米粒子合成装置的过程的稳定性，可以使用刚性材料作为激光束碰撞单元130的材料。

可以在激光束碰撞单元130的表面的至少一部分上设置能够吸收或反射入射的激光束LB的涂层。用于形成涂层的材料不受限制并且可以从公知的吸收光或反射光的物质中自由选择。另外，形成涂层的方法不受限制，可以通过使用涂布涂层形成组合物并使其固化的公知方法来形成涂层。

参考图5，激光束碰撞单元130的外周面和反应室100的内周面彼此间隔开，使得可以在激光束碰撞单元130和反应室100之间形成分离空间131a和131b。具体地，激光束碰撞单元130可以通过至少一个单独的固定构件(未示出)固定到反应室100的内周面，并且除固定构件之外的其余区域可以为分离空间131a和131b。另外，由源气体G的热解反应产生的纳米粒子NP可以通过分离空间131a和131b移动到纳米粒子捕获单元。具体地，通过热解反应产生的纳米粒子NP可以通过分离空间131a和131b移动到反应室100中的纳米粒子捕获单元。产生的纳米粒子NP可以在真空环境中被纳米粒子捕获单元捕获。

可以在反应室100的外周面的至少一部分上设置多个散热片150。因此，可以从反应室100释放入射的激光束LB的热能。具体地，在入射的激光束LB被激光束碰撞单元130反射的情况下，反射的激光束LB的热能可以被传递到散热片150。另外，在入射的激光束LB被激光束碰撞单元130吸收的情况下，吸收的热能可以被传递到用于固定激光束碰撞单元130和反应室100的固定构件，从固定构件传递到反应室100的内周面，并且从反应室100的内周面传递到散热片150。因此，传递到散热片150的热能可以被释放到反应室100的外部，从而反应室100可以被冷却，使得可以防止由反应室100中的激光束LB以及由源气体G的热解产生的反应热引起的温度的快速升高。

反应室100可以通过第一固定构件200和第二固定构件300固定在支撑构件400上。具体地，反应室100的与源气体注入单元110和激光束入射单元120相对应的区域可以通过第一固定构件200固定到支撑构件400。另外，反应室100的包括激光束碰撞单元130的区域可以通过第二固定构件300固定到支撑构件400。另外，由于可以根据可见构件140的长度来调节反应室100的尺寸，因此可以根据可见构件140的长度来调节第一固定构件200和第二固定构件300之间的间隔距离。

本发明的另一示例性实施例提供了一种使用该纳米粒子合成装置的纳米粒子合成方法。

具体地，本发明的另一示例性实施例提供了一种使用该纳米粒子合成装置的纳米粒子合成方法，该方法包括：将源气体供应到反应室中；用激光束照射所供应的源气体；以及通过由入射的激光束引起源气体的热解反应来生长纳米粒子，其中，源气体在反应室中沿激光束的入射方向流动。

如上所述，由于源气体在反应室中沿激光束的入射方向流动，因此发生由激光束引起的源气体的热解反应的反应区域的尺寸增大。因此，该方法可以提高纳米粒子的生产率。

可以通过使用诸如喷嘴的公知装置将源气体供应到反应室中。另外，操作者可以恰当地调节供应源气体的条件，以使源气体在反应室中沿激光束的入射方向流动。

源气体可以包括反应气体和载气。反应气体可以是参与由激光束引起的热解反应的气体。另外，反应气体可以包括诸如硅烷(SiH₄)的无机纳米粒子，具体为作为硅纳米粒子的原料的化合物，。另外，可以通过使用汽化器使液相原料汽化，并且可以将汽化的源气体供应到反应室。例如，液相的SiCl₄可以通过汽化器被汽化，然后被供应到反应室中。

此外，载气的类型不受限制，并且载气可以从公知的载气中自由选择，只要源气体可以沿激光束的入射方向流动即可。可以从公知的激光束发射装置发射激光束，并且从激光束发射装置入射的激光束可以通过激光束入射单元入射到反应室中。

激光束可以是CO₂连续波(CW)激光束。也就是说，纳米粒子合成方法可以通过由CO₂连续波激光束引起的热解反应代替现有技术中已知的激光烧蚀来合成纳米粒子。激光束的波长可以为9μm至11μm。也就是说，可以通过发射具有相对较长的波长的激光束来进行源气体的热解反应，或者可以通过发射具有较短的波长的高输出激光束来不进行源气体的热解反应。

在激光束入射到源气体，特别是反应气体上的情况下，可以引起由激光束导致的反应气体的热解反应。另外，当反应气体分解时，反应气体成核并聚集以生长成纳米粒子。另外，产生的纳米粒子的尺寸可以根据源气体的成分和发射的激光束的条件而变化。因此，操作者可以恰当地控制所发射的激光束的条件和所供应的源气体的条件，以产生各自具有期望尺寸的纳米粒子。

[发明的方式]

进行三维的计算流体动力学(CFD)分析，以了解根据本发明示例性实施例的纳米粒子合成装置中的物质的流动。

图6是示出根据本发明示例性实施例的被设置为进行计算流体动力学(CFD)分析的反应室的模型的视图。如图6所示，在通过将作为用于合成纳米粒子的源气体的SiCl₄、作为用于承载SiCl₄的载气的N₂以及作为用于吸收激光束的辅助气体的SF₆输入到反应区域的起始面上来形成硅粒子的假定条件下进行CFD分析。在这种情况下，假定的是，输入的SiCl₄的流量为50cm³/min，输入的N₂的流量为4250cm³/min，输入的SF₆的流量为200cm³/min，并且反应器的内部压力为200托。

在纳米粒子的合成反应的情况下，由源气体SiCl₄形成的Si自由基彼此键合并生长成为硅纳米粒子。在这种情况下，SF₆气体吸收激光能量并因此具有增加的动能，并且SF₆气体用作在与SiCl₄碰撞的同时将能量传递到SiCl₄的气体，但是SF₆气体不直接参与热解反应。

在这种情况下，将热源条件应用于源气体与激光束匹配的区域，并且考虑到通过对激光束能量的吸收引起的气体温度升高来设置该条件。具体地，将热源条件设置为被SF₆吸收的激光束能量，并且考虑到以下情形来设置热源条件：认为当激光束发射时，SF₆气体吸收能量，并且吸收的能量用作热源以有助于SiCl₄气体的热解反应和气体温度的升高。即，通过计算“热量＝质量×比热×温度变化(从起始温度到使SiCl₄开始分解并生长的温度的温度变化)”，将约20W的热量设定为热源条件。

图7是示出根据本发明示例性实施例的计算流体动力学(CFD)分析的结果的视图。具体地，图7(A)示出了设置为执行CFD分析的反应室的模型，图7(B)示出了通过CFD分析反应室中的气体的温度的结果，图7(C)示出了通过CFD分析反应室中的气体的流速的结果。

参考图7(B)，确定了，可以在反应室中形成800℃至1200℃的温度区，在该温度区中，可以分解源气体并且可以在源气体与激光束匹配的区域内生长硅粒子。另外，参考图7(C)，确定了，在反应室内移动的源气体的流速在反应区域的端面处相对增加而不是在反应区域的起始面处相对增加。

<附图标记和符号的说明>

100：反应室

110：源气体注入单元

120：激光束入射单元

130：激光束碰撞单元

131a、131b：分离空间

140：可见构件

150：散热片

160：反应区域

200：第一固定构件

300：第二固定构件

400：支撑构件

1000：纳米粒子合成装置

LB：激光束

G：源气体

NP：纳米粒子