JP2009138271A

JP2009138271A - プラズマを利用した金属ナノ粉末の合成装置及び方法

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Publication number: JP2009138271A
Application number: JP2008310798A
Authority: JP
Inventors: Byung Uk Kim; 柄郁金; Sung Bae Kim; 聖培金; Sung Hyun Lee; 聖賢李; Hyun Huh; 鉉許
Original assignee: Dongjin Semichem Co Ltd
Current assignee: Dongjin Semichem Co Ltd
Priority date: 2007-12-07
Filing date: 2008-12-05
Publication date: 2009-06-25
Also published as: KR20090059749A; TW200936775A; CN101450384A

Abstract

【課題】比較的に簡単な装備で生産性の高い金属ナノ粉末を生成することができ、均一なナノ単位の金属粒子を生成することができるプラズマを利用した金属ナノ粉末の合成装置及び方法を提供する。
【解決手段】本発明によるプラズマを利用した金属ナノ粉末の合成装置及び方法は、電源供給部、電磁波発生部、導波管及びプラズマを発生する放電管を備えたプラズマ発生装置；前記放電管のプラズマ発生部位に２５〜３００℃で予熱された（ｉ）金属酸化物粉末及び還元ガス、又は（ii）金属還元物粉末及び酸化ガスを供給するガス及び粉末供給装置；及び、前記放電管の下端に結合して、前記ガス及び粉末供給装置から供給された粉末が気相に変化して還元又は酸化反応後に冷却されて金属粉末が形成される反応管を含む。
【選択図】図１

Description

本発明はプラズマを利用した金属ナノ粉末の合成装置及び方法に関する。特に、比較的簡単な装備で生産性の高い金属ナノ粉末を生成することができ、均一なナノ単位の金属粒子を生成することができるプラズマを利用した金属ナノ粉末の合成装置及び方法に関する。より詳しくは、還元ガス又は酸化ガスと一緒に、不活性ガスをキャリアガスとする金属化合物粉末を常圧のプラズマの中に通過させて金属化合物が気相に相変態をした後に反応を通して純粋な金属のナノ粉末に合成されるものである。

最近、金属粉末、特にナノサイズの粒子の大きさを有する金属粉末に対する需要が日ごとに増加している。特に、銀粉末に対する需要が急激に増加し、フラットパネルディスプレイ（Flat Panel Display）、半導体、プリント基板材料、抗菌材料、自動車熱線、電磁波遮蔽などの多様な分野に応用されている。

銀粒子の大きさがナノスケールに小さくなればマイクロ単位で示されなかった性質が示されはじめる。これは銀粒子の全体原子に比べて表面原子の比率が高くなることで示される効果であり、触媒特性の発現、融点低下、熱伝達特性上昇、吸収／吸着特性上昇、磁気的性能向上など多くの物性が向上するので、今後多様な産業分野にわたって活用が期待されている。

このようなナノスケールの金属粉末を得るためにこれまで機械的粉砕法、液相法、気相法による製造法などが開発されてきた。しかし、機械的粉砕法の場合には大量生産には有利であるが、最終製品の安定性及び経済性などに多くの制約があり、ナノ単位の粒子を得るのが難しく大部分マイクロ単位の粉末を生産することに終わっているのが実情である。

また、液相法の場合には電気分解を利用した液相法又は噴霧法が使用されており、このうちの電気分解を利用した方法の場合がナノスケールの粉末を製造できることが知られているが、酸化、還元触媒などが必須的に添加されなければならないので、粉末生成後に後処理を経なければならない困難がある。

このような均一でない粉末生成及び粉末合成時複雑な段階を経なければならない短所を補完するために、既に気相法によるナノ粉末製造方法が開発されている。これはバルク状態の金属を蒸気状態にした後、急速に凝縮させて粉末化する方法であって生産単価及び加工単価が低いが、生産性が落ちる短所がある。

また、このような気相法によるナノ粉末製造時、金属を気化させる技術は気相法の核心技術といえ、既にプラズマアーク放電法、ＲＦ（radio-frequency）熱プラズマ法、原料を４０００〜５０００℃の高温で焼く熱燃焼法が知られているが、全てバルク状態の金属を気相に変える技術であって、バルク金属を気体として生成する過程でプラズマアーク放電法の場合は移送式アークプラズマを使用し、電極が消耗される短所があり、ＲＦ熱プラズマの場合はプラズマを発生する装置が複雑で、装置が大きくて効率が落ちるという短所がある。また、燃焼法は高い熱を出すために消耗されるエネルギーの量が多くてプラズマ方式の生産方式より生産単価が高いという短所がある。

したがって、このような短所を克服して、比較的に簡単な装備で生産性の高い金属ナノ粉末を生成することができ、均一なナノ単位の金属粒子を生成することができるプラズマを利用した金属ナノ粉末の合成装置及び方法の開発が切実であるのが実情である。

このような従来技術の問題点を解決しようと、本発明は比較的に簡単な装備で生産性の高い金属ナノ粉末を生成することができ、均一なナノ単位の金属粒子を生成することができるプラズマを利用した金属ナノ粉末の合成装置及び方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために本発明は、
電源供給部、電磁波発生部、導波管及びプラズマを発生する放電管を備えたプラズマ発生装置；
前記放電管のプラズマ発生部位に２５〜３００℃で予熱された（ｉ）金属酸化物粉末及び還元ガス、又は（ii）金属還元物粉末及び酸化ガスを供給するガス及び粉末供給装置；及び、
前記放電管の下端に結合して、前記ガス及び粉末供給装置から供給された粉末が気相に変化して還元又は酸化反応後に冷却されて金属粉末が形成される反応管を含むことを特徴とするプラズマを利用した金属ナノ粉末の合成装置を提供する。

また、本発明は、
前記記述した本発明のプラズマを利用した金属ナノ粉末の合成装置において、
前記プラズマ発生装置でプラズマを発生させ、前記放電管のプラズマ発生部位に２５〜３００℃で予熱された（ｉ）金属酸化物粉末及び還元ガス、又は（ii）金属還元物粉末及び酸化ガスを前記ガス及び粉末供給装置を通じて供給し、前記反応管で前記ガス及び粉末供給装置から供給された粉末が気相に変化して還元又は酸化反応後に冷却されて金属粉末が形成されるようにすることを特徴とするプラズマを利用した金属ナノ粉末の合成方法を提供する。

本発明のプラズマを利用した金属ナノ粉末の合成装置及び方法によれば、比較的に簡単な装備で生産性の高い金属ナノ粉末を生成することができ、均一なナノ単位の金属粒子を生成することができるという長所がある。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明はプラズマを利用した金属ナノ粉末の合成装置に関するものであって、より詳しくは、電源供給部、電磁波発生部、導波管及びプラズマを発生する放電管を備えたプラズマ発生装置、前記放電管のプラズマ発生部位に２５〜３００℃で予熱された（ｉ）金属酸化物粉末及び還元ガス、又は（ii）金属還元物粉末及び酸化ガスを供給するガス及び粉末供給装置、及び前記放電管の下端に結合して、前記ガス及び粉末供給装置から供給された粉末が気相に変化して還元又は酸化反応後に冷却されて金属粉末が形成される反応管を含んで構成される。

直流プラズマ発生装置の場合には前述のような問題点が発生するので、本発明に適用されるプラズマ発生装置は交流プラズマ発生装置を通してプラズマを発生させる。これには公知のＲＦ及びマイクロウェーブプラズマ発生装置を全て含み、好ましくは、装備の簡便性のためにマイクロウェーブプラズマ発生装置を使用するのが良い。この場合には電磁波の周波数範囲は４３３ＭＨｚ〜５．８０ＧＨｚであるのが良く、さらに好ましくは、９００ＭＨｚ〜２．４５ＧＨｚであるのが良く、より一層好ましくは、商用化されて広く普及している２．４５ＧＨｚのマグネトロンをそのまま適用すると装備製作を容易にすることができるので良い。

これに関する具体的な例としては、マグネトロン、導波管及びプラズマ発生装置からなる公知のプラズマ発生装置、具体的にはプラズマトーチ（torch）がこれに適用される。好ましくは、装備運用の便宜のために大気圧で使用が可能なトーチであるのがさらに良い。これによって形成される前記プラズマは冷プラズマ又は熱プラズマを全て適用することができ、好ましくは、熱プラズマを使用するのが良い。つまり、本発明の場合には従来のバルク状態の金属を気化してナノ粉末を製造するのではなく、金属化合物（酸化物又は還元物）の粉末を気化するものであるので、プラズマ自体の熱容量が少なくてもこれを遂行することができ、さらに、供給される粉末を予熱して供給する場合には加熱に必要な熱が相対的にさらに小さくなるので、熱プラズマだけでなく冷プラズマでも十分に粉末を気化させ金属への変換が行われる化学反応を起こすことができるのである。

好ましくは、粉末の気化及び化学反応を効率的に確かに行うために前記電磁波の周波数範囲は４３３ＭＨｚ〜５．８０ＧＨｚであるのが良く、さらに好ましく９００ＭＨｚ〜２．４５ＧＨｚであるのが良く、前記プラズマは熱プラズマであるのが良い。

これに関する具体的な例は図１に示した通りである。即ち、図１には本発明のプラズマを利用した金属ナノ粉末の合成装置に関する一実施例の概括的なシステムダイヤグラムが示される。これによれば、電磁波を発生させるマグネトロン、前記マグネトロンで発生した電磁波を伝達する導波管、及び前記導波管を通じて伝達された電磁波とガス及び粉末供給装置から供給されるガスを通してプラズマ、好ましくは熱プラズマを形成し、形成されたプラズマの中心部を通過するように金属酸化物又は金属還元物からなる金属化合物原料粉末をガスと一緒にガス及び粉末供給装置から定量供給し、ここに金属化合物が金属に変換されるようにする還元ガス又は酸化ガスを一緒に供給し金属化合物粉末の気相への相変化と共に金属に変換される化学反応が共に起こる放電管及び反応管を含んで構成される。

詳しくは、図示したマグネトロンを備えたプラズマ発生装置は、公知のプラズマ発生装置であり、より詳しくは、図１に示されているように、電磁波を発生させるマグネトロンとこれを伝送する導波管（waveguide）と放電管で構成され、ガス供給装置を通じてガスを供給すればプラズマが発生し、好ましくは熱プラズマが発生する。これは代表的な熱プラズマシステムであって熱プラズマトーチ（torch）とも呼ぶ。これに加えて、前記プラズマ発生装置には３重棒チューナーをさらに含むことができる。これはマイクロウェーブを整合させてプラズマ発生部に最大限の熱出力が集中するようにすることができる。つまり、マグネトロンで発生して導波管を通じて乱反射されて進行される電磁波の波長を調節して、プラズマ発生装置で電磁波の波長がλ／４になるように波長を調節する役割を果たす。

ここで、前記放電管は、図１〜２に示したように、放電管の内壁に渦流（swirl）ガスを噴射する渦流ガス注入口をさらに含み、前記ガス及び粉末供給装置は前記渦流ガス注入口に渦流ガスをさらに供給する構成を有する。これは数千〜数万度の（熱）プラズマによって反応管の内壁が傷ついたり反応管内壁に反応する金属が吸着されることを防止するためのものであって、流入管から流入したガスに渦流が形成されるようにする。渦流ガスとしては不活性ガスであるハロゲンガス又は窒素ガスを使用する。

本発明はこれを利用してナノ粉末を合成するものであって、前記形成された数千〜数万度の熱プラズマの中心部を粉末が通過しながら瞬間的に気化して反応ガスと反応して変換され、このように気化して変換された金属が反応管で凝縮結晶化される過程を経るようにしたものである。

さらに具体的には、前記プラズマ発生装置にガス及び粉末などを供給するために、前記ガス及び粉末供給装置は、図示したように、不活性ガス又は窒素ガス、酸化ガス、還元ガスなどを含むガス供給装置を備えることができる。つまり、粉末をプラズマの中心部に供給するためのキャリアガス（粉末の均一な供給のためにキャリアガスを導入することができ、これはプラズマ発生に関与することができる。）としては不活性ガスや窒素ガスを使用することができ、金属化合物が酸化物である場合には還元ガスが共に供給され、金属化合物が還元物である場合には酸化ガスを共に供給することができる。その他に前述の渦流ガス及び後述の冷却ガスの場合には不活性ガスや窒素ガスを使用することができ、そのため前述のようなガス供給装置を備えることができる。

また、本発明の合成装置は粉末を予熱して供給（粉末のみを予熱することもでき、粉末及びキャリアガスを予熱することもでき、粉末、キャリアガス及び反応ガス（酸化ガス又は還元ガス）を全て予熱することもできる）するので、粉末を２５〜３００℃まで加熱及び撹拌する機能を有する粉末貯蔵槽（図３）を備えることができる。前記予熱温度は前述のように２５〜３００℃で加熱することができ、好ましくは２５〜２００℃で加熱するのが良い。

また、ガス及び粉末の放電管への定量供給の調節を可能とするために前記ガス及び粉末供給装置は定量供給装置で構成することができる。このために、前記ガス及び粉末供給装置は粉体を供給する公知の多様な方法をこれに適用することができ、これに関する具体的な例は図３に示した通りである。つまり、ピッチの小さい微細なスクリューギヤをモータで駆動して、スクリューギヤの回転によってそのピッチの間に存在する粉体を下へ落として供給する方式であって、モータの回転数を調節して供給量を微細に調節することができ、流入管上で予熱ができるように構成することができる。キャリアガスは図示したように放電管流入直前に供給されたり、粉末貯蔵槽から供給されるようにし、流量はＭＦＣ（Mass Flow Controller）を通じて制御することができる。

前記反応管は図２に示された通りであり、粉末と不活性ガスであるハロゲンガス又は窒素ガス（キャリアガス）が流入管を通じて流入し、同時にこれに連接した他の流入管から反応ガスである還元ガスとして水素ガス、又は酸化ガスとして酸素ガスなどが流入して（熱）プラズマの中心部を通過するようにし、（熱）プラズマの中心を経て気化した金属化合物は反応ガスと反応して純水金属に還元又は酸化されてナノ金属粉末を形成する。

また、図１〜２に示したように、前記反応管は粉末を冷却する冷却ガス注入口をさらに含み、前記冷却ガス注入口に冷却ガスを供給する冷却ガス供給装置をさらに含むことができる。これを通じて、冷却ガス注入口から流入される冷却ガスによって金属気相が急速に冷却されてナノ金属粉末が形成されるようにし、これに加えて、熱交換器を反応管にさらに有する場合にはこれを経て凝縮されながらさらに微細なナノ粉末を形成するようにすることができる。

また、これに加えて、図１にその具体的な例を示したように、前記反応管の後に接続される、粉末の一定の大きさに分別する分級部又は使用されたガス及び粉末を分離して捕集する捕集部（collector）をさらに含むことができ、図１に示したようにこれを一列に連結して構成することもできる。つまり、放電管を通過した金属化合物粉末が気相に変化しながら還元反応又は酸化反応及び熱交換を経て金属ナノ粉末が生成されると、これは広い粒度分布を有する状態であることもあるので、これらナノ粉末を所望の粉末大きさに分類する分級部を後端に置いて、粉末を分級することができ、使用されたガスとナノ粉末を互いに分離して捕集する捕集部を後端に置いて、合成された金属粉末を捕集することができる。

このような金属粉末合成の例として、銀ナノ粉末の合成を挙げると、原料に使用する銀化合物はＡｇ_２Ｏ、ＡｇＯ、Ａｇ_２Ｏ_２、ＡｇＮＯ_３等であり、このうちのＡｇ_２Ｏに対して図１と図２で提示された装備を利用して銀ナノ粉末を製造した。この時、渦流ガスとして窒素を分当り１０Ｌ（１０ＬＰＭ）で注入しながら既に予熱された状態のＡｇ_２Ｏと一緒にアルゴンガスが中心部に分当り５Ｌ（５ＬＰＭ）で注入され、これとともに反応ガスとして水素を中心部に分当り０．５Ｌ（０．５ＬＰＭ）で注入した。つまり、それぞれは全て粉末貯蔵槽で２５〜３００℃で予熱されながら混合されている状態でガス及び粉末供給装置を通過して、流入管を通過してプラズマ中心部に投入された。このような銀化合物は粉末状態では固有の色、即ち、暗褐色のＡｇ_２Ｏであるが、前記のような条件で熱プラズマを通過して還元されながら銀固有の色である銀色又は透明な色を示すようになる。ナノ粉末になるほど、銀色は透明な色に変わることができる。

また、本発明はこのような合成装置を利用したプラズマを利用した金属ナノ粉末合成方法を提供し、これは前述のプラズマを利用した金属ナノ粉末の合成装置で、前記プラズマ発生装置でプラズマを発生させ、前記放電管のプラズマ発生部位に２５〜３００℃で予熱された（ｉ）金属酸化物粉末及び還元ガス、又は（ii）金属還元物粉末及び酸化ガスを前記ガス及び粉末供給装置を通して供給し、前記反応管で前記ガス及び粉末供給装置から供給された粉末が気相に変化して、還元又は酸化反応後に冷却されて金属粉末を形成するようにする方法であって、これに関する詳細な説明は前述の通りである。

合成方法の場合にも前述のように、好ましくは前記電磁波はその周波数が４３３ＭＨｚ〜５．８０ＧＨｚであり、さらに好ましくは９００ＭＨｚ〜２．４５ＧＨｚである。前記プラズマは熱プラズマであるのが良く、前記放電管は放電管の内壁に渦流ガスを噴射する渦流ガス注入口をさらに含み、前記ガス及び粉末供給装置は前記渦流ガス注入口に渦流ガスをさらに供給する形態で合成することが、純粋なナノ粉末を得て放電管及び反応管の耐久性確保のために好ましい。これに関する詳細な説明は前述の通りである。

また、前記反応管は粉末を冷却する冷却ガス注入口をさらに含み、前記冷却ガス注入口に冷却ガスを供給する冷却ガス供給装置をさらに含むことが前述のように微細な金属ナノ粉末を得るために良い。これに関する具体例として、前記金属酸化物としてＡｇＯ、Ａｇ_２Ｏ、Ａｇ_２Ｏ_２、ＡｇＮＯ_３、還元ガスとして水素ガス、金属粉末としてＡｇを挙げることができる。

ここで、前記ガス及び粉末供給装置において、粉末は不活性ガス又は窒素ガスのキャリアガスによって供給されるのが好ましいことは前述の通りである。
以上で説明した本発明は前記実施例及び添付した図面によって限定されるのではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内で当該技術分野の当業者が多様に修正及び変更させたものも本発明の範囲内に含まれることはもちろんである。

本発明のプラズマを利用した金属ナノ粉末の合成装置に関する一実施例を概略的に示したシステム概念図である。図１に示した一実施例で放電管及び反応管を拡大図示した部分断面図である。本発明のプラズマを利用した金属ナノ粉末の合成装置に適用される粉末貯蔵槽及び粉末供給装置を概略的に示した概念図である。

Claims

電源供給部、電磁波発生部、導波管及びプラズマを発生する放電管を備えたプラズマ発生装置；
前記放電管のプラズマ発生部位に２５〜３００℃で予熱された（ｉ）金属酸化物粉末及び還元ガス、又は（ii）金属還元物粉末及び酸化ガスを供給するガス及び粉末供給装置；及び、
前記放電管の下端に結合して、前記ガス及び粉末供給装置から供給された粉末が気相に変化して還元又は酸化反応後に冷却されて金属粉末が形成される反応管を含むことを特徴とするプラズマを利用した金属ナノ粉末の合成装置。
前記電磁波の周波数が４３３ＭＨｚ〜５．８０ＧＨｚであり、前記プラズマが熱プラズマである請求項１に記載のプラズマを利用した金属ナノ粉末の合成装置。
前記放電管が放電管の内壁に渦流ガスを噴射する渦流ガス注入口をさらに含み、
前記ガス及び粉末供給装置が前記渦流ガス注入口に渦流ガスをさらに供給する請求項１に記載のプラズマを利用した金属ナノ粉末の合成装置。
前記反応管が粉末を冷却する冷却ガス注入口をさらに含み、
前記冷却ガス注入口に冷却ガスを供給する冷却ガス供給装置をさらに含む請求項１に記載のプラズマを利用した金属ナノ粉末の合成装置。
前記金属酸化物がＡｇＯ、Ａｇ₂Ｏ、Ａｇ₂Ｏ₂、及び／又はＡｇＮＯ₃であり、還元ガスが水素ガスであり、金属粉末がＡｇである請求項１に記載のプラズマを利用した金属ナノ粉末の合成装置。
前記反応管の後に接続される粉末を一定の大きさに分別する分級部、又は使用したガス及び粉末を分離して捕集する捕集部をさらに含む請求項１に記載のプラズマを利用した金属ナノ粉末の合成装置。
前記ガス及び粉末供給装置において、粉末が不活性ガス又は窒素ガスのキャリアガスによって供給される請求項１に記載のプラズマを利用した金属ナノ粉末の合成装置。
請求項１のプラズマを利用した金属ナノ粉末の合成装置において、
前記プラズマ発生装置でプラズマを発生させ、前記放電管のプラズマ発生部位に２５〜３００℃で予熱された（ｉ）金属酸化物粉末及び還元ガス、又は（ii）金属還元物粉末及び酸化ガスを前記ガス及び粉末供給装置を通じて供給し、前記反応管で前記ガス及び粉末供給装置から供給された粉末が気相に変化して還元又は酸化反応後に冷却されて金属粉末が形成されるようにすることを特徴とするプラズマを利用した金属ナノ粉末の合成方法。
前記電磁波の周波数が４３３ＭＨｚ〜５．８０ＧＨｚであり、前記プラズマが熱プラズマである請求項８に記載のプラズマを利用した金属ナノ粉末の合成方法。
前記放電管が放電管の内壁に渦流ガスを噴射する渦流ガス注入口をさらに含み、
前記ガス及び粉末供給装置が前記渦流ガス注入口に渦流ガスをさらに供給する請求項８に記載のプラズマを利用した金属ナノ粉末の合成方法。
前記反応管が粉末を冷却する冷却ガス注入口をさらに含み、
前記冷却ガス注入口に冷却ガスを供給する冷却ガス供給装置をさらに含み前記冷却ガス注入口に冷却ガスを供給する請求項８に記載のプラズマを利用した金属ナノ粉末の合成方法。
前記金属酸化物がＡｇＯ、Ａｇ₂Ｏ、Ａｇ₂Ｏ₂、及び／又はＡｇＮＯ₃であり、還元ガスが水素ガスであり、金属粉末がＡｇである請求項８に記載のプラズマを利用した金属ナノ粉末の合成方法。
前記ガス及び粉末供給装置において、粉末は不活性ガス又は窒素ガスのキャリアガスによって供給される請求項８に記載のプラズマを利用した金属ナノ粉末の合成方法。