JP2007084930A - 金属ナノ粒子及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】異種還元剤を用いて未反応物を著しく減少させて、均一な大きさで高収率の金属ナノ粒子を製造する方法、また、ポリビニルピノリドン(PVP)でキャッピングされて分散安定性の高い金属ナノ粒子とこのような金属ナノ粒子を含む導電性インクを提供する。
【解決手段】(a)エチレングリコール、キャッピング分子及び還元剤を混合する段階と、(b)金属前駆体をアルコール系化合物と混合して上記段階(a)の混合液と反応させる段階と、及び(c)アセトンとエチレングリコールを上記段階(b)の反応液に添加して反応を終結する段階とを含む金属ナノ粒子の製造方法。ポリビニルピノリドン(PVP)でキャッピングされて分散安定性の高い金属ナノ粒子とこのような金属ナノ粒子を含む導電性インク。
【選択図】図2

Description

本発明は金属ナノ粒子の製造方法に関するもので、特に液相法による金属ナノ粒子の製造方法に関する。
金属ナノ粒子を製造する方法としては、化学的合成方法、機械的製造方法、電気的製造方法等があるが、機械的な力で粉砕する機械的製造方法は工程上不純物の混入により高純度の粒子を合成しにくいし、ナノサイズの均一な粒子の形成が不可能である。また電気分解による電気的製造方法の場合、製造時間が長いし、濃度が低くて効率が低いという短所がある。化学的合成方法は、大きく気相法と液相法(colloid法)があるが、プラズマや気体蒸発法を用いる気相法の場合、高価の装備が要求される短所があり、低費用で均一な粒子の合成が可能な液相法が主に使用されている。
この液相法による金属ナノ粒子の製造方法としては、今まで水系にて金属化合物を解離させた後、還元剤や界面活性剤を使用してハイドロゾル(hydrosol)形態の金属ナノ粒子を製造する方法がある。しかし、このような従来液相法で金属ナノ粒子を製造する場合、金属化合物溶液の濃度に制限を受けて収率が非常に低い限界がある。すなわち金属化合物の濃度がmM以下でないと、均一な大きさを有する金属ナノ粒子を形成することができなかった。したがって、得られる金属ナノ粒子の量も限界があってグラム単位以上で均一な大きさの金属ナノ粒子を得るためには1000リットル以上の反応器が要求される。よって、この方法は効率的な大量生産に制限となっている。また、反応終了後、未反応物による収率の減少と形成された金属ナノ粒子の分離過程中で多量の粒子消失があり収率をさらに落とす原因となっている。さらに、得られた金属ナノ粒子を多様な領域に活用するために溶媒に再分散させる場合、分散安定性が重要であるが、従来に知られた方法ではこの分散度が0.1重量%で非常に低い。
したがって、このような問題を解決して均一な大きさで高収率の金属ナノ粒子を製造するための努力が行われている。
本発明は異種還元剤を用いて未反応物を著しく減少させて均一な大きさで高収率の金属ナノ粒子を製造する方法を提供する。また、本発明はエチレングリコールを使用して所望の金属ナノ粒子を効率的に分離することができる金属ナノ粒子の製造方法を提供する。本発明はポリビニルピノリドン(PVP)でキャッピングされて分散安定性の高い金属ナノ粒子を提供する。また本発明はこのような金属ナノ粒子を含む導電性インクを提供する。
上述したように、本発明による金属ナノ粒子の製造方法は異種還元剤を用いて未反応物を著しく減少させて均一な大きさで高収率の金属ナノ粒子を製造することができる。また、本発明による金属ナノ粒子の製造方法はエチレングリコールを使用して所望の金属ナノ粒子を効率的に分離することができる。また本発明の金属ナノ粒子はポリビニルピノリドン(PVP)でキャッピングされて分散安定性が高い。本発明はまたこのような金属ナノ粒子を含む導電性インクを提供する。
本発明の一実施形態によれば、(a)エチレングリコール、キャッピング分子及び還元剤を混合する段階と、(b)金属前駆体をアルコール系化合物と混合して上記段階(a)の混合液と反応させる段階と、及び(c)アセトンとエチレングリコールを上記段階(b)の反応液に添加して反応を終結する段階とを含む金属ナノ粒子の製造方法を提示することができる。
ここで、上記段階(b)の前に、上記段階(a)の混合液を100ないし140℃に昇温させ得るし、上記段階(a)の上記エチレングリコールは上記金属前駆体10重量部に対して100ないし200重量部で混合することができる。
また、上記段階(b)での上記金属前駆体と上記アルコール系化合物の混合液を上記段階(a)の混合液と1度の短時間に添加して反応させることができるし、上記段階(c)を経た溶液を遠心分離を介して金属ナノ粒子を回収する段階をさらに含むことができる。
ここで、上記キャッピング分子はポリビニルピノリドンであることが好ましいし、好ましい実施例によれば上記ポリビニルピノリドンは上記金属前駆体10重量部に対して30ないし70重量部で混合することができる。
ここで、上記還元剤は、グルコース、アスコビン酸、タンニン酸、ジメチルホルムアミド、テトラブチルアンモニウムボロハイドライド、NaBH、LiBH、及び Nからなる群から選択される一つ以上の化合物を含むことができる。好ましい実施例によれば、上記還元剤はグルコースが好ましくて、上記金属前駆体に対して0.2ないし0.5モル比で混合されることが好ましい。
ここで上記金属前駆体は、金、銀、銅、ニッケル、亜鉛、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウム、タングステン、タンタル、チタン、アルミニウム、コバルト、鉄及びこれらの中の二つ以上の金属からなった混合物よりなる群から選択される一つ以上の金属を含むことができる。好ましい実施例によれば上記金属前駆体は、AgNO、AgBF、AgPF、AgO、CHCOOAg、AgCFSO、AgCIO、AgCI及びCHCOCH=COCHAgからなる群から選択される一つ以上の化合物である。
ここで、上記アルコール系化合物は、メタノール、エタノール、エチレングリコール、及びジエチレングリコールからなる群から選択される一つ以上の化合物であることができる。好ましい実施例によれば、上記アルコール系化合物は上記金属前駆体10重量部に対して30ないし50重量部で混合されることができる。
ここで上記段階(c)のエチレングリコールは上記キャッピング分子1重量部に対して2ないし10重量部で添加できるし、上記段階(b)の反応時間は30分ないし4時間であることが好ましい。
本発明の他の実施形態によれば、上記の金属ナノ粒子の製造方法により製造された金属ナノ粒子を提示することができる。
ここで、上記金属ナノ粒子は上記ポリビニルピノリドンでキャッピングされた金属ナノ粒子であり得るし、好ましい実施例によれば、上記ポリビニルピノリドン粒子は5ないし10重量%であることが好ましい。
本発明のまた他の実施形態によると上述した金属ナノ粒子を含む導電性インクを提示することができる。
以下、本発明による金属ナノ粒子の製造方法とこれにより製造された金属ナノ粒子に対して具体的に説明する。
本発明の金属ナノ粒子を製造するためにエチレングリコール、キャッピング分子及び還元剤を混合する段階が含まれる。
本発明でのエチレングリコールは、別途に添加される還元剤とともに金属前駆体を還元させて未反応物の形成を抑制して高い収率の金属ナノ粒子が形成されるようにする。またエチレングリコールは金属前駆体を溶解させる溶媒として使用されることができる。エチレングリコールはまた過剰な量のアセトンとともに添加されて未反応PVPを除去し反応を終了させる役割をする。従来にはエチレングリコールが溶媒でありながら還元剤の役割をすることもあって、エチレングリコールの還元能力が落ちて反応収率が低い問題点があった。しかし、本発明においてエチレングリコールは上記のように多様な役割を遂行して高濃度、高収率の金属ナノ粒子を製造するための重要な化合物として使用されている。
ここで、キャッピング分子(capping molecular)とは金属粒子が溶媒中で安定的に成長してナノサイズになることができるように金属粒子を取り囲む分子を言う。このようなキャッピング分子としては公知の化合物が使用されることができるし、一般的に酸素、窒素、硫黄原子を有する化合物が使用されている。より具体的にはチオール基(−SH)、アミン基(−NH)、カルボキシル基(−COOH)を有する化合物がキャッピング分子として使用されることができるし、本発明の実施例によればチオール基(−SH)、アミン基(−NH)、カルボキシル基(−COOH)を有する化合物が使用されることができるし、本発明の好ましい実施例によると、PVP(Poly Vinyl Pyrrolidone)が好ましい。このPVPは、金属ナノ粒子とは強く結合するので得られる金属ナノ粒子の分散安定性を高めて、再分散時高い分散度を有することができる。
エチレングリコールだけで金属前駆体を還元させると多量の未反応物が発生するので金属ナノ粒子の収率が落ちることになる。したがって、本発明において金属ナノ粒子の収率を高めるために還元剤を添加することができる。このような還元剤は必ずこれに限定されるのではないが、水酸化ホウ素塩である、NaBH、LiBH、テトラブチルアンモニウムボロハイドライド(tetrabutylammonium borohydride)(TBAB)、ヒドラジン系化合物である、Nとグルコース、アスコビン酸、タンニン酸などの酸以外にもジメチルポルムアミド(DMF)などを例にあげることができる。本発明の好ましい実施例ではグルコースを使用したが、これは値段が安くて、親環境的であり、水やアルコール系化合物に溶けやすいからである。グルコースのハイドロキシ基が酸化されるとアルデヒドに変わる過程中で電子を出すことができるので還元剤として使用される。
この段階で還元の役割をしながらPVPを溶解させるためにエチレングリコールを混合するが、この時、エチレングリコールは金属前駆体10重量部に対して100 ないし200重量部で混合させることが好ましいが、これは還元剤とともに金属前駆体を還元させることに最も適合な量である。この時、200重量部以上のエチレングリコールを添加しても添加される量ほど金属ナノ粒子がさらに得られることではないのでこれ以上のエチレングリコールを添加することは非経済的である。
またキャッピング分子は金属前駆体10重量部に対して30ないし70重量部で混合するのが好ましい。キャッピング分子が30重量部以下であると形成される金属粒子がナノサイズ以上で不均一に大きくなり、完全にキャッピングされた金属ナノ粒子を得ることができなくて分散安定性が落ちる。またキャッピング分子を70重量部以上添加すると収率がそれほど増加しなくて製造単価だけ増加することになる。この時、キャッピング分子としてPVPを用いる場合、金属前駆体10重量部に対して30ないし50重量部で混合するのが好ましい。
還元剤は金属前駆体1モルに対して0.2ないし0.5モル比で混合することが好ましい。この割合が均一な金属ナノ粒子を形成しながら、未反応物を減らして収率を高めることができる。還元剤を0.5モル比以上に過剰な量添加すると金属粒子の沈澱が起り不均一に粒子が成長する。還元剤としてグルコースを使用する場合、金属前駆体10重量部に対して1ないし4重量部で混合することが好ましい。
常温でエチレングリコールにPVPと還元剤を完全に溶かした後、この混合溶液を100ないし140℃に昇温させる。この温度で金属前駆体とエチレングリコールの混合溶液を添加すると均一な粒子分布を有する金属ナノ粒子を所望の大きさで得ることができる。もし、エチレングリコールとPVP、還元剤の混合溶液に金属前駆体とエチレングリコールの混合溶液を添加した後昇温すると金属粒子は不均一に形成され、粒子の大きさが大きくなって好ましくない。
本発明に使用される金属前駆体は公知の金属ナノ粒子の製造に使用されている化合物であれば制限なしに使用されることができるし、アルコール還元法に適合な金属前駆体であれば好ましく使用されることができる。必ずこれに限定されることではないが、このような金属前駆体の例として、金、銀、銅、ニッケル、亜鉛、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウム、タングステン、タンタル、チタン、アルミニウム、コバルト、鉄及びこれらの中の二つ以上の金属からなった混合物よりなる群から選択される一つ以上の金属を含むことが好ましい。
具体的にこのような金属前駆の例として上述した一つ以上の金属の硝酸塩、炭酸塩、塩化物、燐酸塩、ホウ酸塩、酸化塩、スルホン酸塩、硫酸などの無機酸塩またはステアリン酸塩、ミリスチン酸塩、酢酸塩などの有機酸塩を使用することができる。経済的な側面で汎用的に作用されるこれらの金属の硝酸塩を使用することが好ましい。より具体的な金属前駆体の例として、これに限定されるのではないが、銀前駆体である、AgNO、AgBF、AgPF、AgO、CHCOOAg、AgCFSO、AgCIO、AgCI、CHCOCH=COCHAg、銅塩である、CU(NO)、CuCI、CuSO、ニッケル塩である、 NiCI、Ni(NO22、NiSO 等をあげることができる。
この金属前駆体をアルコール系化合物に完全に溶かした後、エチレングリコールとキャッピング分子、還元剤の混合液と混合させる。固相の金属前駆体が上記混合液に投入されると不均一の反応の起きることができるからである。この時、金属前駆体溶液を短時間で1度に上記混合液に添加することが好ましい。これは数回に分けて金属前駆体を添加すると、添加される時間に応じて形成される金属ナノ粒子の大きさが変わって結果的に不均一の粒度分布を有する金属ナノ粒子が形成され得るからである。
ここで、アルコール系化合物とはアルコール基(−OH)を有する化合物を言い、これに限定されるのではないが、化合物として、メタノール、エタノール、エチレングリコール、ジエチレングリコールを例にあげることができる。このようなアルコール系溶媒は還元剤として使用されたPVPやエチレングリコールとよく混合され得る。このようなアルコール系化合物は金属前駆体10重量部に対して30ないし50重量部で混合するのが好ましい。これは金属前駆体を溶かすのに相応しい量である。
上記のような反応は30分ないし4時間で遂行するのが好ましい。4時間以上の過度な反応時間は反応容器の壁面に金属粒子を沈澱させるので好ましくない。
上記化合物が反応して粒子の核が形成され粒子が成長して金属ナノ粒子が製造される。所望の大きさの金属ナノ粒子が形成されて反応が終了されるとまたエチレングリコールを入れた後、過剰な量のアセトンを入れる。これらは反応副産物や未反応物から溶解度差により金属ナノ粒子を分離する。
本発明の好ましい実施例によれば、付加するアセトンは前段階の溶液の総重量100重量部に対して200ないし300重量部が好ましい。アセトン以外にもメタノールやエタノール、またはこれらの混合溶液を使用することができる。また追加で添加されるエチレングリコールはキャッピング分子の1重量部に対して2重量部以上添加するのが好ましくて、2ないし10重量部で添加するのがより好ましい。このほどエチレングリコールとアセトンを添加するとPVPによりキャッピングされた金属ナノ粒子を未反応物や反応副産物と溶解度の差により選択的に分離することができる。高効率の金属ナノ粒子の製造において反応終結段階でアセトンだけで金属粒子を分離する場合反応副産物から円滑に分離することができないので、余分のエチレングリコールを入れることである。したがって本発明のように高濃度、高効率の金属ナノ粒子を得るためには反応終結段階でエチレングリコールを添加しなければならない。
このような製造方法により得られた金属ナノ粒子をエタノールに50重量%以上の高濃度で分散させて5000rpmで10分間遠心分離させる場合98%以上の分散安定性を維持する。従来技術により得られた金属ナノ粒子を上記のような方法で遠心分離させると0.1重量%で分散安定性が非常に低い。
図1は本発明の好ましい一実施例により製造された金属ナノ粒子のTGA(Thermo Gravimetric Analysis)結果データである。図1を参考すると、遠心分離された金属ナノ粒子を完全乾燥してTGA結果93重量%の銀粒子に7重量%のPVPが結合されていることを確認した。図2及び図3は本発明の好ましい一実施例により製造された金属ナノ粒子のFE−SEMの分析結果である。図4は本発明の好ましい一実施例により製造された金属ナノ粒子のUV−VIS分光法による結果グラフである。図5は本発明の好ましい一実施例により製造された金属ナノ粒子の粒度分析結果データである。このような粒度分析結果、平均10ないし30nmの金属ナノ粒子を得ることができるし、粒子の分布度も均一に現われることが分かる。
以上で金属ナノ粒子の製造方法を一般的に説明したが、以下では具体的な実施例を基準として説明する。銀ナノ粒子の製造方法を主として記載したが、これに限定されることではないし、他の金属ナノ粒子の製造にも使用することができる。
エチレングリコール200gにPVP30g、グルコース6.5gを完全に溶かした後、反応フラスコに入れる。反応器の温度を120℃まで上げた。硝酸銀20gをエチレングリコール60gに完全に溶かした後、反応フラスコに早く注入して35分間撹拌した。反応終結物に200gのエチレングリコールを添加した後、1200mlのアセトンを入れて遠心分離を経って銀ナノ粒子だけ選択的に分離した。銀ナノ粒子を完全に乾燥させて10.3gの粉末を得た。これをFE−SEMにより粒度分布を確認した結果図1のように16nmの均一なナノ粒子が合成されたことを確認した。
エチレングリコール200gにPVP30g、グルコース1gを完全に溶かした後、反応フラスコに入れる。反応器の温度を120℃まであげた。硝酸銀10gをエチレングリコール50gに完全に溶かした後、反応フラスコに早く注入して30分間撹拌した。反応終結物を室温まで冷やして200gのエチレングリコールを添加した後1500mlのアセトンを入れて遠心分離を経て銀ナノ粒子だけ選択的に分離した。銀ナノ粒子を完全に乾燥させて5gの粉末を得た。これをFE−SEMにより粒度分布を確認した結果図2に示されているように25nmの均一なナノ粒子が合成されたことを確認した。
[比較例1]
エチレングリコール200gにPVP100gを完全に溶かした後、反応フラスコに入れて撹拌しながら反応容器の温度を120℃にあげた。60gのエチレングリコールに硝酸銀20gを完全に溶かした後反応フラスコに早く注入して35分間反応させた。反応終了後150gのエチレングリコールを反応フラスコに入れて反応を完全に中断させた後1500mlのアセトンを用いて銀ナノ粒子のみを選択的に分離して完全に乾燥させた。最終的に12gの銀ナノ粒子を得ることができた。これを粒度分析した結果粒子の平均大きさは15nm程度であった。
以上のように実施例より得られた金属ナノ粒子は使用された金属イオンに対して50重量%以上の収率を有するが、比較例より得られた金属ナノ粒子の収率はこれより低かった。
また実施例より得られた金属ナノ粒子をエタノールに50重量%以上の高濃度で分散させて5000rpmで10分間遠心分離させると98%以上の分散安定性が維持される。比較例より得られた金属ナノ粒子を上記のような方法で遠心分離させると0.1重量%だけ残って分離された。
[導電性インクの製造]
実施例1または2により製造された10ないし30nmの銀ナノ粒子100gをジエチレングリコールブチルエーテルアセテートとエタノールの水溶液に入れて、ウルトラソニケータで分散させて20cpsの導電性インクを製造した。このように製造された導電性インクはインクジェット方式で回路基板に印刷されて導電性配線を形成することができる。
本発明は上記実施例に限定されないし、本発明の思想内で当分野の通常の知識を持った者によって多くの変形が可能であるだろう。
本発明の好ましい一実施例により製造された金属ナノ粒子のTGA結果データである。 本発明の好ましい一実施例により製造された金属ナノ粒子のFE-SEM分析結果である。 本発明の好ましい一実施例により製造された金属ナノ粒子のFE-SEM分析結果である。 本発明の好ましい一実施例により製造された金属ナノ粒子のUV-VIS分光法(UVスペクトラム)による結果グラフである。 本発明の好ましい一実施例により製造された金属ナノ粒子の粒度分析結果データである。

Claims (20)

  1. (a)エチレングリコール、キャッピング分子及び還元剤を混合する段階と、
    (b)金属前駆体をアルコール系化合物と混合して前記段階(a)の混合液と反応させる段階と、
    (c)アセトンとエチレングリコールを前記段階(b)の反応液に添加して反応を終結する段階とを含む金属ナノ粒子の製造方法。
  2. 前記段階(b)の前に前記段階(a)の混合液を100ないし140℃に昇温させる請求項1に記載の金属ナノ粒子の製造方法。
  3. 前記段階(a)の前記エチレングリコールは前記金属前駆体10重量部に対して100ないし200重量部で混合する請求項1に記載の金属ナノ粒子の製造方法。
  4. 前記段階(b)で前記金属前駆体と前記アルコール系化合物の混合液を前記段階(a)の混合液と1度に短時間で添加して反応させる請求項1に記載の金属ナノ粒子の製造方法。
  5. 前記段階(c)を経た溶液を遠心分離して金属ナノ粒子を回収する段階をさらに含む請求項1に記載の金属ナノ粒子の製造方法。
  6. 前記キャッピング分子はポリビニルピノリドンである請求項1に記載の金属ナノ粒子の製造方法。
  7. 前記ポリビニルピノリドンは前記金属前駆体10重量部に対して30ないし70重量部で混合する請求項6に記載の金属ナノ粒子の製造方法。
  8. 前記還元剤は、グルコース、アスコビン酸、タンニン酸、ジメチルホルムアミド、テトラブチルアンモニウムボロハイドライド、NaBH、LiBH、及びNからなる群から選択される一つ以上の化合物を含む請求項1に記載の金属ナノ粒子の製造方法。
  9. 前記還元剤はグルコースである請求項8に記載の金属ナノ粒子の製造方法。
  10. 前記還元剤は前記金属前駆体に対して0.2ないし0.5モル比で混合する請求項1に記載の金属ナノ粒子の製造方法。
  11. 前記金属前駆体は、金、銀、銅、ニッケル、亜鉛、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウム、タングステン、タンタル、チタン、アルミニウム、コバルト、鉄及びこれらの中より二つ以上の金属からなった混合物からなる群から選択される一つ以上の金属を含む請求項1に記載の金属ナノ粒子の製造方法。
  12. 前記金属前駆体は、AgNO、AgBF、AgPF、AgO、CHCOOAg、AgCFSO、AgClO、AgCl及びCHCOCH=COCHAgからなる群から選択される一つ以上の化合物である請求項1に記載の金属ナノ粒子の製造方法。
  13. 前記アルコール系化合物は、メタノール、エタノール、エチレングリコール及びジエチレングリコールからなる群から選択される一つ以上の化合物である請求項1に記載の金属ナノ粒子の製造方法。
  14. 前記アルコール系化合物は、前記金属前駆体10重量部に対して30ないし50重量部で混合される請求項1に記載の金属ナノ粒子の製造方法。
  15. 前記段階(c)のエチレングリコールは前記キャッピング分子1重量部に対して2ないし10重量部で添加する請求項1に記載の金属ナノ粒子の製造方法。
  16. 前記段階(b)の反応時間は30分ないし4時間である請求項1に記載の金属ナノ粒子の製造方法。
  17. 請求項1ないし16のいずれか一項に記載の金属ナノ粒子の製造方法により製造される金属ナノ粒子。
  18. 前記金属ナノ粒子は前記ポリビニルピノリドンによりキャッピングされる請求項17に記載の金属ナノ粒子。
  19. 前記ポリビニルピノリドン粒子は、5ないし10重量%である請求項18に記載の金属ナノ粒子。
  20. 請求項17に記載の金属ナノ粒子を含む導電性インク。
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