KR100537130B1 - 도전성 분체 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

각 입자의 표면상의 유기 실리콘 중합체층과 상기 실리콘 중합체층을 둘러싸는 금속층을 갖는 도전성 분체는 승온하에서도 입자 기재와 금속 사이에서 보다 강한 결합을 가지며, 높고 안정한 도전성 및 내열성을 나타낸다.

Description

도전성 분체 및 그의 제조 방법{Conductive Powder and Making Process}
본 발명은 승온하에서도 높은 도전 안정성을 갖는 도전성 분체 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
고무 및 플라스틱 제품을 흔히 도전성이 요구되는 전자 장치에 사용하는 경우, 고무 및 플라스틱에 도전성 분체를 혼합하여 사용하는 것이 일반적으로 수행되고 있다. 구리 분체, 니켈 분체 및 은 분체와 같은 금속 분체는 이들이 8 내지 11의 고비중을 갖기 때문에 비록 전자 재료의 중량을 증가시킬지라도 도전성 분체로서 흔히 사용되고 있다. 이는 전자 재료가 경량이어야 한다는 이유로 바람직하지 않다. 흑연 및 카본 블랙과 같은 탄소 분체를 또한 도전성 분체로서 사용하기도 하나, 이들 자신의 고저항률로 인해 10-3 Ω·cm 정도의 저항률을 갖는 전자 재료를 제공하지 못한다.
도전성 분체 중 절연 분체 입자 또는 저도전성 분체 입자를 금속으로 피복하여 제조되는 고도전성의 금속화된 분체 입자는 핵으로서 작용하는 분체 재료에 대한 선택의 자유도가 증가된다는 점 등의 잇점을 갖는다. 이들은 도전성 충전제 또는 도전성 접착제 및 이방성 도전막에 첨가되는 성분으로서 다양한 용도로 사용된다. 공업적인 용도로 사용되는 금속 염 및 환원제를 함유하는 무전해 도금액을 사용하는 방법을 포함하여, 이러한 금속화된 분체 입자의 다양한 제조 방법이 연구되고 있다. 예를 들면, 포터즈(Potters Co.)사는 유리 비드의 표면을 연속적인 은 피복물로 피복함으로써 저가 및 저비중이면서 은의 전기 특성을 나타내는 도전성 분체를 개발하였다. 이 도전성 분체는 당분야에 공지된 것으로서 도시바 바로티니 가부시끼가이샤(Toshiba Barotini K.K.)에 의해 1978년에 판매되어 다양한 용도로 사용되었다.
그러나, 은은 산화되거나 또는 황화되어 고습 분위기에서 장기간 저장시에 그의 저항률이 증가한다는 문제점을 갖고 있다. 금과 같이 산화 또는 황화되기 어려운 전기 특성을 갖는 도전성 분체를 갖는 것이 요망된다. 핵 입자에 있어서, 유리 비드는 SiO2 이외에 상당량의 이온 금속, 예를 들면 Na, K, Ca, Mg 및 Fe을 함유하기 때문에 고도의 신뢰성을 필요로 하는 전자 재료에는 부적당하다. 금속화된 유리 비드는 그의 가공성에 있어서도 또다른 결점을 갖고 있다. 즉, 금속화된 유리 비드를 고무 또는 플라스틱과 혼합한 경우, 은과 유리 비드 사이의 계면에서는 흔히 박리 현상이 일어난다. 이는 화재의 위험성이 있는 용제류를 사용하거나 금속 롤 보다는 고무 롤을 사용해야 하는 등의 여러가지 제약이 있었다.
금속과 분체 입자의 계면에서의 박리 현상은 금속화된 분체 입자의 제조시 여전히 나타나는 문제점이다. 분체 입자 및 금속은 상이한 계면 특성을 갖기 때문에 금속은 시간 변화 또는 환경적 변화(특히 온도 변화)로 인해 분체 입자로부터 박리되어 감소된 도전성을 나타내게 될 것이다.
분체 입자-금속의 박리 현상을 방지하고 밀착된 금속 피복물을 갖는 분체 입자를 제조하기 위해, 하기 방법들이 이미 사용되고 있었다. 예를 들면, (1) 금속 접착을 개선하기 위하여 분체 입자를 에칭하여 그의 표면을 불균일화함으로써 표면적을 증가시키는 방법, (2) 금속 접착을 개선하기 위하여 분체 입자를 단량체 실란, 전형적으로 γ-아미노프로필트리에톡시실란과 같은 실란 커플링제로 처리하는 방법, (3) 금속 접착을 개선하기 위하여 분체 입자를 에폭시 수지와 같은 유기 수지로 처리하는 방법(일본 특허 공개 제84-182961호 공보 참조) 등이다.
그러나, 방법 (1)에서는 에칭에 의해 분체 입자가 손상된다는 문제점이 있다. 방법 (2)에서는 분체 입자가 알콕시실릴기로 인해 응집될 것이다. 두 경우 모두 만족스럽지 못한 금속화된 분체가 얻어진다. 방법 (3)에서는 분체 입자를 처리한 유기 수지가 승온하에 분해 또는 손상되어 도전성 분체의 도전 특성이 열화된다. 예를 들면, 도전성을 부여할 필요가 있는 고무 또는 플라스틱 제품이 고내열성 실리콘 중합체, 즉 실리콘 고무인 경우, 도전 특성이 떨어지기 때문에 이 제품은 실리콘 고무 자체가 완전 내성을 갖는 150 내지 250 ℃의 온도 범위에서 사용할 수 없게 된다.
본 발명의 목적은 개선된 내열성, 도전성 및 도전 안정성을 갖는 도전성 분체 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.
실리카 등의 분체 입자를 유기 실리콘 중합체, 특히 환원 효과, 전형적으로 분자내에 Si-Si 결합 또는 Si-H 결합을 갖는 유기 실리콘 중합체로 처리하여 입자 표면을 실리콘 중합체로 피복하고, 실리콘 중합체 피복물로 피복된 분체 입자를 계면 활성제의 존재 또는 부재하에 금속 염 용액으로 처리하여 실리콘 중합체 피복물의 표면상에 금속 콜로이드를 석출시키고, 이 분체 입자를 무전해 도금액으로 처리하여 그로부터 형성된 피복물을 석출시킴으로써, 금속이 전달되어 금속 피복물이 형성되는 실리콘 중합체 피복물로 입자 표면이 피복되는 구조의 금속화된 분체 입자를 얻게 된다는 것을 발견하게 되었다. 이 방법은 저렴하고 간단하다. 금속 피복물의 접착은 매우 견고하다. 금속화된 분체 입자는 도전성 및 촉매성을 갖는 충전제 및 항진균제로서 사용할 수 있다.
금속 도금층은 전형적으로 니켈로 이루어지는 제1 금속층, 및 전형적으로 금으로 이루어지며 제1 금속층을 덮는 제2 금속층을 포함하는 다층 금속층으로 형성될 수 있다. 이렇게 형성된 다층 금속층은 더욱 개선된 내열성, 도전성 및 도전 안정성을 갖게 된다.
일반적으로, 유기 실리콘 중합체는 그의 내열성, 가요성 및 박막 형성능 뿐만 아니라 탄소와 비교하여 규소의 금속성 및 전자 비편재화로 인해 크게 주목받고 있다. 구체적으로, Si-Si 결합 또는 Si-H 결합을 갖는 실리콘 중합체, 특히 규소 원자에 직접 결합된 할로겐 원자를 갖는 폴리실란 또는 폴리실록산은 환원 효과를 갖는 중합체로서 알려져 있고, 다양한 용도로 사용되고 있다. 실리콘 카바이드 세라믹 재료의 전구체로서 작용하는 폴리실란 및 산화규소 세라믹 재료의 전구체로서 작용하는 폴리실록산 모두 열처리 등에 의해 높은 내열성을 갖는 절연 재료로 되게 하는 것 또한 공지되어 있다.
본 발명자들은 기재를 환원 작용을 갖는 유기 실리콘 중합체로 처리하고 금속 이온 함유 용액 중에 침지시키면 금속 이온이 기재 표면상에서 환원되므로써 생성되는 금속 콜로이드가 기재상에 전달된다는 것을 이미 밝혀냈다. 이 콜로이드 형성을 촉매로서 활용하게 되면 무전해 도금이 수행된다. 이때, 금속 피복물이 견고하게 접착된 기재가 생성된다.
상술한 실리콘 중합체의 성질을 이용하여 본 발명자들은 승온하에서도 안정한 도전 특성을 나타내는 분체 및 그의 제조 방법을 개발하게 되었다. 분체 입자, 특히 실질적으로 이온성 금속이 없는 분체 입자상의 무전해 도금은 분체 입자에 대한 환원 효과를 갖는 유기 실리콘 중합체의 층을 미리 형성함으로써 가능하게 된다. 무전해 도금에 의해 분체 입자는 제1 금속층 및 이어서 제2 금속층으로 피복된다. 특히, 제2 금속층으로서 내산화성 금속을 사용하는 경우, 승온하에서도 거의 또는 전혀 도전성의 손실을 나타내지 않는다. 최종적인 열처리에 의해 입자 기재와 금속층 사이의 강한 결합을 특징으로 하는 금속화된 분체 입자가 생성된다. 생성된 도전성 분체는 그의 특성을 잃지 않으면서 실리콘 고무와 같은 내열성 고무 중에 배합될 수 있으므로 이때 생성되는 배합물은 신뢰성있는 커넥터 및 가스켓을 제조하기 위한 원료로서 유용하다.
본 발명자들은 또한 실리카 등의 입자를 환원 효과를 갖는 유기 실리콘 중합체로 처리하여 입자 표면상에 실리콘 중합체층을 형성하고, 입자를 0.54 V 이상의 표준 산화 환원 전위를 갖는 금속의 염을 함유하는 용액으로 처리하여 실리콘 중합체층상에 콜로이드 금속을 석출시킴으로써, 입자상에 무전해 니켈 도금을 행하고, 이어서 금 도금을 행하여, 유기 실리콘 중합체층, 니켈-인 합금층 및 금층이 입자 표면상에 연속적으로 형성된 도전성 분체를 얻게 된다는 것을 발견하게 되었다. 무전해 니켈 도금이 제1 농도의 인계 환원제를 갖는 제1 무전해 니켈 도금액 중의 무전해 니켈 도금 및 상기 제1 농도와는 상이한 제2 농도의 인계 환원제를 갖는 제2 무전해 니켈 도금액 중의 무전해 니켈 도금을 포함하는 경우, 생성되는 니켈-인 합금층은 내표면과 외표면의 영역 사이에 상이한 인 함량, 특히 내표면 영역보다는 외표면 영역에서 저함량을 갖게 된다. 금속화된 분체는 견고하게 결합된 금층 및 고도전성을 갖고, 200 ℃를 초과하는 열처리에서도 도금층이 박리되지 않을 정도로 충분한 내열성을 갖는다. 이 도전성 분체는 실리콘 고무 등에 배합하여 신뢰성있는 고도전성 고무 성형체로 제조될 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명자들은 도전성 분체의 제조시 저함량의 인을 갖는 니켈-인 합금층이 금과의 치환 도금에 보다 적절한 반면, 고함량의 인을 갖는 니켈-인 합금층이 실리카 등의 분체 입자에 더 접착성을 갖는다는 것을 발견해 내었다. 무전해 니켈 도금에 있어서, 도금 초기에 저pH 및 니켈염 농도에 비해 과량의 환원제의 존재하에 상기 도금을 수행함으로써 니켈 중의 인 함량이 증가되어 실리카에 대한 접착성을 향상시킬 수 있다. 이후에, 니켈염, 착제 및 pH 조정제를 함유하는 수용액을 도금액에 충전하여 그의 pH를 상승시킴으로써 니켈염 농도에 비해 소량인 환원제의 존재하에서 도금을 수행할 수 있다. 니켈중의 감소된 인 함량은 금도금을 촉진시킨다. 이때, 입자 기재-실리콘 중합체-니켈/인 합금-금으로 이루어지고 이들 사이가 단단하게 접착되는 것을 특징으로 하는 4층 구조의 도전성 분체가 형성된다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 유기 실리콘 중합체층 및 금속층이 입자의 표면상에 연속적으로 형성된 도전성 분체가 제공된다. 금속층은 바람직하게는 제1 금속층 및 제2 금속층을 포함한다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 유기 실리콘 중합체로 부분적 또는 전체적으로 이루어지는 세라믹층 및 금속층이 입자의 표면상에 연속적으로 형성된 도전성 분체가 제공된다. 금속층은 바람직하게는 제1 금속층 및 제2 금속층을 포함한다.
본 발명의 제3 양태에 따르면, 각각이 표면을 갖는 입자를 환원 효과를 갖는 유기 실리콘 중합체로 처리하여 입자 표면상에 실리콘 중합체층을 형성하는 단계, 이 입자를 0.54 V 이상의 표준 산화 환원 전위를 갖는 금속의 염으로 처리하여 유기 실리콘 중합체층상에 금속 콜로이드를 석출시키는 단계, 및 이후에 입자를 무전해 도금액으로 처리하여 입자의 최외표면상에 금속층을 석출시키는 단계를 포함하는 도전성 분체의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 제4 양태에 따르면,
(1) 각각이 표면을 갖는 입자를 환원 효과를 갖는 유기 실리콘 중합체로 처리하여 입자 표면상에 유기 실리콘 중합체층을 형성하는 단계,
(2) 입자를 0.54 V 이상의 표준 산화 환원 전위를 갖는 금속의 염을 함유하는 용액으로 처리하여 유기 실리콘 중합체층상에 금속 콜로이드를 석출시키는 단계,
(3) 입자를 촉매로서 작용하는 금속 콜로이드로 무전해 도금을 수행하여 유기 실리콘 중합체층의 외표면상에 제1 금속층을 석출시키는 단계, 및
(4) 입자상에 도금을 수행하여 제1 금속층상에 제2 금속층을 형성하는 단계
를 포함하는 도전성 분체의 제조 방법이 제공된다.
이 방법은 적어도 일부의 유기 실리콘 중합체를 세라믹으로 전환시키기 위해 금속층으로 피복된 입자를 150 ℃ 이상의 온도에서 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
하나의 바람직한 실시태양에서, 제1 금속층은 니켈, 구리, 은, 코발트, 텅스텐, 철 및 아연 중에서 선택되고, 제2 금속층은 금, 백금 및 팔라듐 중에서 선택된다. 보다 바람직하게는, 제1 금속층은 니켈이고, 제2 금속층은 금이다. 이때, 바람직한 금속화된 분체는 입자 기재-실리콘 중합체-니켈-금으로 이루어지는 4층 구조를 갖는다. 금은 귀금속 중에서 가장 높은 도전성을 갖고, 고온 고습 분위기 중에 장기간 저장시에 산화 및 황화로 인한 저항률의 상승이 일어나지 않기 때문에 도전성 분체의 최외표면을 구성하는 제2 금속층으로서 바람직하다. 니켈은 저가, 내부식성 및 적절한 경도를 특징으로 하고 있기 때문에 제1 금속층으로서 바람직하며, 제2 금속층을 견디기 위한 안정한 기초층으로서 작용한다.
본 발명의 도전성 분체는 각각이 표면을 갖고 유기 실리콘 중합체층 및 금속층이 연속적으로 형성되는 입자를 기본으로 한다.
본원에서 사용되는 분체 입자는 무전해 도금이 가능한 무기 및 유기 물질의 입자를 포함한다. 입자의 형상은 구형, 막대형, 바늘형, 중공형 또는 불규칙형일 수 있다. 외관상 입자 또는 분체로서 취급되는 모든 미립자 물질이 포함된다. 이러한 입자는 약 0.001 ㎛ 내지 수 mm의 크기, 바람직하게는 평균 입경 0.01 ㎛ 내지 10,000 ㎛를 갖는다.
본원에서 사용되는 무기 분체 입자는 전형적으로 플라스틱 또는 고무 중의 증량 충전재, 보강 충전재 또는 착색제로서 통상 사용되는 무기 충전제이다. 또한, 금속 분체, 금속 또는 비금속 산화물, 알루미노실리케이트를 포함하는 금속 실리케이트, 금속 카바이드, 금속 질화물, 금속 산 염, 금속 할로겐화물 및 탄소가 포함된다. 예를 들면, 실리카, 알루미나, 알루미늄 실리케이트, 활석, 운모, 시라수 발룬(shirasu balloon), 흑연, 유리 섬유, 실리콘 섬유, 탄소 섬유, 석면, 포타슘 티타네이트 수염결정(whiskers), 아연백, 질화알루미늄, 산화마그네슘, 질화붕소, 니켈 분체 및 알루미늄 분체가 포함된다. 본원에서 사용되는 유기 분체 입자는 폐놀계 수지, 폴리에스테르 수지, 에폭시 수지, 폴리아미드 수지, 폴리이미드 수지, 아크릴산 에스테르 수지, 아크릴로니트릴 수지, 우레탄 수지, 폴리아세탈 수지, 알키드 수지, 멜라민 수지, 실리콘 수지, 플루오로 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리부텐 수지, 폴리스티렌 수지, 폴리비닐 클로라이드 수지, 폴리(디아릴 프탈레이트) 수지, 폴리크실렌 수지, 폴리비닐 알콜 및 폴리카르보네이트와 같은 절연 수지의 입자 뿐만 아니라 폴리아닐린 수지, 폴리아세틸렌 수지, 폴리티오펜 수지 및 폴리피롤 수지와 같은 저도전성 수지의 입자를 포함한다.
높은 신뢰성을 필요로 하는 전기 재료에 사용하기 위해서는 이온 금속을 함유하지 않고 내열성이 안정한 무기 분체 입자가 바람직하다. 실리카는 실리콘 중합체와의 혼화성으로 인해 가장 바람직하다. 실리카는 이산화규소의 입자로서 구입가능하며, 클로로실란 또는 물 유리를 태우거나, 가수분해된 알콕시실란의 에멀젼을 분무 및 발화시키거나, 가스화된 금속성 실리콘을 산화시키거나, 또는 석영 분체를 용융시켜 쉽게 얻어진다. 실리카는 분체, 섬유 또는 박편의 형태를 취할 수 있으나 그의 형상은 중요하지 않다. 그러나, 동일한 입자 직경을 갖는 여러 형상들 중에서 최소의 비표면적을 제공하는 구형의 실리카 입자가, 사용되는 도금 금속(예, 니켈 또는 금)의 양을 최소화하고 수지 또는 고무 중의 고하중을 제공하기 때문에 바람직하다. 내부에서 표면에 개방된 공극을 갖지 않는 구형 입자는 비표면적을 감소시키기 위해 특히 바람직하다. 용융된 석영 분체는 이러한 관점에서 유용하다.
실리카는 바람직하게는 0.01 내지 1,000 ㎛, 보다 바람직하게는 0.1 내지 100 ㎛ 및 더욱 바람직하게는 1 내지 50 ㎛의 입자 크기를 갖는다. 0.01 ㎛ 미만의 입자 크기에서는 비표면적이 증가하여 사용할 도금 금속의 양을 증가시키고 이에 따라 경제적인 불이익을 가져다 줄 수 있다. 1,000 ㎛를 초과하는 크기의 입자는 수지 또는 고무와 혼합하기 어려울 수 있다.
본 발명에 따르면, 분체 입자는 제1 단계에서 그의 표면상에 유기 실리콘 중합체(또는 실리콘계 고분자량 화합물)로 피복된다. 본원에서 사용되는 실리콘 중합체는 바람직하게는 환원 효과를 갖는 것이며, Si-Si 결합 및(또는) Si-H 결합을 갖는 폴리실란, 폴리카르보실란, 폴리실록산 및 폴리실라잔 뿐만 아니라 규소 원자에 직접 결합된 수소 원자를 갖는 폴리실록산을 포함한다.
분자내에 Si-Si 결합을 갖는 하나의 바람직한 실리콘 중합체는 바람직하게는 하기 화학식 1로 표시되는 폴리실란이다.
(R1 mR2 nXpSi)q
식 중,
R1 및 R2는 각각 수소 또는 치환되거나 또는 비치환된 1가 탄화수소기이고,
X는 R1에 대해 정의한 바와 같은 기, 알콕시기, 할로겐 원자, 산소 원자 또는 질소 원자이고,
m, n 및 p는 0.1≤m≤2, 0.1≤n≤1, 0≤p≤0.5, 그리고 1≤m+n+p≤2.5를 충족시키는 수이고,
q는 4≤q≤100,000의 정수이다.
화학식 1에서, R1 및 R2는 서로 독립적으로 수소 또는 치환되거나 또는 비치환된 1가 탄화수소기이다. R1 및 R2는 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 1가 탄화수소기는 지방족, 지환족 또는 방향족 기이다. 바람직한 지방족 또는 지환족 1가 탄화수소기는 탄소수 1 내지 12개, 특히 1 내지 6개의 기, 예를 들면 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸 및 헥실과 같은 알킬기, 및 시클로펜틸 및 시클로헥실과 같은 시클로알킬기이다. 바람직한 방향족 1가 탄화수소기는 탄소수 6 내지 14개, 특히 6 내지 10개의 기, 예를 들면 페닐, 톨릴, 크실릴, 나프틸 및 벤질이다. 치환된 1가 탄화수소기는 일부 또는 모든 수소 원자가 할로겐 원자, 알콕시기, 아미노기 및 아미노알킬기로 치환되는 상기 비치환된 1가 탄화수소기, 예를 들어 모노플루오로메틸, 트리플루오로메틸 및 m-디메틸아미노페닐이다.
X는 R1에 대해 정의된 바와 같은 기, 알콕시기, 할로겐 원자, 산소 원자 또는 질소 원자이다. 예를 들어 알콕시기는 메톡시, 에톡시 및 이소프로폭시와 같은 탄소수 1 내지 4개의 기이다. 예를 들어 할로겐 원자는 불소, 염소 및 브롬 원자이다. 이들 중 X는 바람직하게는 메톡시 또는 에톡시이다.
문자 m, n 및 p는 0.1≤m≤2, 바람직하게는 0.5≤m≤1이고, 0≤n≤1, 바람직하게는 0.5≤n≤1이고, 0≤p≤0.5, 바람직하게는 0≤p≤0.2이고, 1≤m+n+p≤2.5, 바람직하게는 1.5≤m+n+p≤2를 충족시키는 수이다. 문자 q는 4≤q≤100,000, 바람직하게는 10≤q≤10,000의 정수이다.
규소 원자에 직접 결합된 수소 원자(Si-H기)를 갖는 바람직한 실리콘 중합체는 측쇄상에 Si-H기 및 주쇄상에 Si-O-Si 결합을 갖는 폴리실록산이다. 이러한 폴리실록산은 하기 화학식 2로 표시된다.
(R3 aR4 bHcSiOd)e
식 중,
R3 및 R4는 각각 수소, 치환되거나 또는 비치환된 1가 탄화수소기, 알콕시기 또는 할로겐 원자이고,
a, b, c 및 d는 0.1≤a≤2, 0≤b≤1, 0.01≤c≤1, 0.5≤d≤1.95, 그리고 2≤a+b+c+d≤3.5를 충족시키는 수이고,
e는 2≤e≤100,000의 정수이다.
화학식 2에서, R3 및 R4는 서로 독립적으로 수소, 치환되거나 또는 비치환된 1가 탄화수소기, 알콕시기 또는 할로겐 원자이다. R3 및 R4는 서로 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 1가 탄화수소기는 지방족, 지환족 또는 방향족 기이다. 바람직한 지방족 또는 지환족 1가 탄화수소기는 탄소수 1 내지 12개, 특히 1 내지 6개의 기, 예를 들면 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸 및 헥실과 같은 알킬기, 및 시클로펜틸 및 시클로헥실과 같은 시클로알킬기이다. 바람직한 방향족 1가 탄화수소기는 탄소수 6 내지 14개, 특히 6 내지 10개의 기, 예를 들면 페닐, 톨릴, 크실릴, 나프틸 및 벤질이다. 치환된 지방족, 지환족 또는 방향족 1가 탄화수소기는 일부 또는 모든 수소 원자가 할로겐 원자, 알콕시기, 아미노기 및 아미노알킬기로 치환되는 상기 비치환된 1가 탄화수소기, 예를 들어 모노플루오로메틸, 트리플루오로메틸 및 m-디메틸아미노페닐이다. 예를 들어 알콕시기는 메톡시, 에톡시 및 이소프로폭시와 같은 탄소수 1 내지 4개의 기이다. 예를 들어 할로겐 원자는 불소, 염소 및 브롬 원자이다. 이들 중 바람직하게는 메톡시 또는 에톡시이다.
문자 a, b, c 및 d는 0.1≤a≤2, 바람직하게는 0.5≤a≤1이고, 0≤b≤1, 바람직하게는 0.5≤b≤1이고, 0.01≤c≤1, 바람직하게는 0.1≤c≤1이고, 0.5≤d≤1.95, 바람직하게는 1≤d≤1.5이고, 2≤a+b+c+d≤3.5, 바람직하게는 2≤a+b+c+d≤3.2를 충족시키는 수이다. e는 2≤e≤100,000, 바람직하게는 10≤e≤10,000의 정수이다.
본 발명에 따르는 제1 단계에서, 상술한 분체 입자는 유기 실리콘 중합체로 처리되어 입자 표면상에 유기 실리콘 중합체층을 형성한다. 이를 위해, 실리콘 중합체는 유기 용매중에 용해된다. 입자를 용액중에 붓거나 또는 그 반대로 한다. 혼합 후 유기 용매를 제거하여 실리콘 중합체층을 입자 표면상에 형성한다.
실리콘 중합체가 용해되는 유기 용매는 벤젠, 톨루엔 및 크실렌과 같은 방향족 탄화수소 용매, 헥산, 옥탄 및 시클로헥산과 같은 지방족 탄화수소 용매, 테트라히드로푸란 및 디부틸 에테르와 같은 에테르 용매, 에틸 아세테이트와 같은 에스테르, 디메틸 포름아미드, 디메틸 술폭시드 및 헥사메틸 포스포릭 트리아미드와 같은 비양성자성 극성 용매, 니트로메탄 및 아세토니트릴을 포함한다.
용액은 바람직하게는 0.01 내지 50 중량%, 보다 바람직하게는 0.01 내지 30 중량%, 가장 바람직하게는 0.1 내지 10 중량%의 실리콘 중합체 농도를 갖는다. 농도가 너무 작으면 생성되는 실리콘 중합체층이 너무 얇아져 입자 표면상에 고르게 형성되기 어렵게 된다. 사용되는 용매의 양이 너무 많으면 비용 증가를 초래할 수 있다. 또한, 농도가 너무 크면 생성되는 실리콘 중합체층이 너무 두꺼워져 피복된 입자가 응집되기 쉬워질 것이다.
바람직한 처리 기술로서, 용해된 실리콘 중합체 및 입자를 갖는 용액의 슬러리를 용기내에서 교반 블레이드를 회전시키므로써 분산 접촉시킨다. 이후에, 용매를 승온하 또는 진공하에 여과 또는 증류하여 제거한다. 순간적으로 건조시키기 위해 기류중에 슬러리를 분산시키는 분무 기술 또한 바람직하다. 건조는 또한 용매의 비등점을 초과하는 온도 및 적절한 압력에서 슬러리를 교반하므로써 이루어지며, 이 기술은 응집을 방지하는데 효과적이다. 상기 처리 단계에서, 유기 용매를 승온 또는 진공하에서 증류시킨다. 가장 효과적인 건조 방법은 1 내지 100 mmHg의 진공하에 용매의 비등점을 초과하는 온도, 예를 들면 약 40 내지 200 ℃에서 슬러리를 교반하는 것이다.
처리 후에는 처리된 입자를 건조 분위기하에서, 또는 진공하에 40 내지 200 ℃의 온도에서 잠시 정치시킨다. 이 시간 동안 용매는 효율적으로 증류되고 처리된 입자는 건조된다. 이 방식에서 실리콘 중합체로 피복된 입자가 얻어진다.
실리콘 중합체층은 일반적으로 두께 0.001 내지 1.0 ㎛, 바람직하게는 0.01 내지 0.1 ㎛를 갖는다. 0.001 ㎛ 미만의 두께를 갖는 경우는 입자 표면상에 균일하게 실리콘 중합체층을 형성하기 어려워 피복된 일부 표면적이 벗겨진 채로 남게될 수 있다. 1.0 ㎛을 초과하는 두께를 갖는 경우, 즉 두꺼운 실리콘 중합체층은 피복된 입자를 응집하게 하고 사용되는 실리콘 중합체의 양을 증가시킬 수 있기 때문에 경제적인 면에서 불리하다.
본 발명에 따르는 제2 단계에서, 제1 단계에서 생성되는 실리콘 중합체로 처리된 분체 입자를 금속염으로 처리한다. 이것은 실리콘 중합체로 처리된 분체 입자의 표면을 금속염의 용액과 접촉하게 함으로써 수행된다. 이 처리에서, 실리콘 중합체의 환원 작용에 의해 금속 콜로이드가 실리콘 중합체 피복물의 표면상에 석출된다.
무전해 도금과 관련하여, 팔라듐과 같은 귀금속 이온을 함유하는 용액으로 입자를 표면 처리하여 입자 표면상에 귀금속층을 형성하고, 처리된 입자를 금속 이온을 함유하는 도금액과 접촉시켜 금속이 도금액으로부터 귀금속층의 표면상에 피복물 형태로 석출되고, 이에 따라 균일하고 견고한 접착성 금속 피복물을 입자 표면상에 형성함으로써 도전성 분체가 얻어지는 것이 공지되어 있다. 귀금속층은 후속 단계에서 도금액으로부터 입자 표면상에 금속 이온의 석출을 촉진시키는 촉매 작용을 갖는다.
귀금속 이온이 입자 표면에 견고하게 포획되고 후속 단계에서 촉매적 핵의 역할을 수행하기 위해서는, 귀금속 이온을 포획할 수 있는 표면 처리제로 입자 표면을 표면 처리하는 것이 통상적인 방법이다(일본 특허 공개 제84-182961호 공보 참조).
그러나, 단순히 귀금속 이온을 포획하는 것은 충분하지 않다. 귀금속 이온은 수중에 용해가능하기 때문에 귀금속은 후속 단계에서 도금액 중으로 이온으로서 용해되어 그의 촉매적 핵으로서의 작용이 저하될 수 있다. 따라서, 일본 특허 공개 제89-242782호 공보에서는 후속 단계에서 사용되는 도금액에 환원제를 첨가하여 입자 표면상에 단순히 석출되어 있는 귀금속 이온층을 균일하고 완전한 촉매적 핵으로서 작용할 수 있는 콜로이드로 전환하는 것을 제안하고 있다.
대조적으로, 본 발명은 입자 표면을 피복하는 실리콘 중합체의 환원 작용을 이용하여 금속 콜로이드를 금속 이온으로부터 석출하여 촉매적 핵으로서 작용하는 강건한 금속층을 형성한다.
금속 콜로이드를 형성하는 금속염은 0.54 V 이상의 표준 산화 환원 전위를 갖는 금속의 염이다. 특히, 표준 산화 환원 전위 1.50 V를 갖는 금, 표준 산화 환원 전위 0.99 V를 갖는 팔라듐, 및 표준 산화 환원 전위 0.80 V를 갖는 은의 염들이 바람직하게 사용된다. 0.54 V 미만의 표준 산화 환원 전위를 갖는 금속, 예를 들면 표준 산화 환원 전위 0.34 V를 갖는 구리 및 표준 산화 환원 전위 0.25 V를 갖는 니켈의 염들은 실리콘 중합체에 의해 환원되기 어렵다.
금염은 Au+ 또는 Au3+의 염, 예를 들면 NaAuCl4, NaAu(CN)2 및 NaAu(CN)4이다. 팔라듐염은 Pd2+의 염이며, 일반적으로 Pd-Z2(여기서, Z는 Cl, Br 또는 I와 같은 할로겐 또는 아세테이트, 트리플루오로아세테이트, 아세틸아세토네이트, 카르보네이트, 퍼클로레이트, 니트레이트, 설페이트 또는 산화물이다)로 나타낸다. 예를 들면, PdCl2, PdBr2, PdI2, Pd(OCOCH3)2, Pd(OCOCF 3)2, PdSO4, Pd(NO3)2 및 PdO이다. 은염은 용매중에 용해될 때 Ag+를 발생하는 염이며, 일반적으로 Ag-Z(여기서, Z는 퍼클로레이트, 보레이트, 포스페이트 또는 술포네이트이다)로 나타낸다. 예를 들면, AgBF4, AgClO4, AgPF6, AgBPh4, Ag(CF3SO3) 및 AgNO3이다.
분체 입자를 금속염의 용액으로 처리하는 접촉 기술로서, 실리콘 중합체를 용해하지 않지만 금속염을 용해 또는 분산시킬 수 있는 용매 중에 금속염 용액을 제조하고, 실리콘 중합체로 피복된 분체 입자를 상기 용액 중에 넣어 상기 입자를 금속염과 접촉하게 하는 것이 바람직하다. 이 처리에 의해, 금속염이 흡착되고 동시에 분체 입자를 피복하는 실리콘 중합체층의 표면상에서 환원되면서 금속으로 피복된 분체 입자를 형성한다.
실리콘 중합체를 용해하지 않지만 금속염을 용해 또는 분산시킬 수 있는 용매의 예는 물, 아세톤 및 메틸 에틸 케톤과 같은 케톤, 메탄올 및 에탄올과 같은 알콜, 및 디메틸포름아미드, 디메틸 술폭시드 및 헥사메틸 포스포릭 트리아미드와 같은 비양성자성 극성 용매를 포함하며, 이 중 물이 특히 바람직하다.
금속염의 농도는 염이 용해되는 용매에 따라 달라지나, 바람직하게는 0.01 중량% 내지 염 포화 용액의 범위이다. 0.01 중량% 미만의 농도에서는 도금하기에 충분하지 않은 촉매성을 제공한다. 포화 용액을 초과하면, 원치않는 고체 염이 석출된다. 용매가 물인 경우, 금속염의 농도는 바람직하게는 0.01 내지 20 중량%이고, 보다 바람직하게는 0.1 내지 5 중량%이다.
전형적으로, 실리콘 중합체로 처리된 분체 입자는 약 0.1 내지 120분, 보다 바람직하게는 약 1 내지 15분 동안 실온 내지 70 ℃에서 금속염의 용액 중에 함침시킨다. 이때, 금속 콜로이드가 실리콘 중합체층 표면상에 석출되어 있는 입자를 얻게 된다.
본 발명에 따르면, 금속염 용액으로의 처리는 계면 활성제가 존재하거나 또는 존재하지 않거나, 바람직하게는 계면 활성제의 존재하에 수행하게 된다. 보다 구체적으로는, 실리콘 중합체 처리의 결과로서 입자는 소수성이다. 실리콘 중합체로 피복된 입자는 금속염 용액에 덜 친화성을 가져 상기 용액 중에 쉽게 분산되지 않으며, 이는 금속 콜로이드 형성 반응이 비효과적이라는 것을 나타낸다. 따라서, 분산을 개선하기 위해서는 계면 활성제를 첨가하는 것이 추천되며, 이는 실리콘 중합체로 피복된 입자가 금속염 용액 중에 간단히 분산되는 것을 확실하게 해준다.
본원에서 사용되는 계면 활성제는 음이온 계면 활성제, 양이온 계면 활성제, 양성 계면 활성제 및 비이온 계면 활성제 중 어느 것일 수 있다.
음이온 계면 활성제는 술폰산 염계, 황산 에스테르 염계, 카르복실산 염계 및 인산 에스테르 염계를 포함한다. 양이온 계면 활성제는 암모늄염계, 알킬아민염계 및 피리디늄염계를 포함한다. 양성 계면 활성제는 베타인, 아미노카르복실산 및 아민 옥시드 계면 활성제를 포함한다. 비이온 계면 활성제는 에테르, 에스테르 및 실리콘 계면 활성제를 포함한다.
예를 들어, 음이온 계면 활성제는 알킬벤젠술폰산 염, 술포숙신산 에스테르, 폴리옥시에틸렌 알킬 설페이트염, 알킬 포스페이트 에스테르 및 장쇄 지방산 비누를 포함한다. 양이온 계면 활성제는 알킬 클로라이드 트리메틸암모늄 염, 디알킬 클로라이드 디메틸암모늄 염 및 알킬 클로라이드 피리디늄 염을 포함한다. 양성 계면 활성제는 베타인 술폰산 염 및 베타인 아미노카르복실 아민 염을 포함한다. 비이온 계면 활성제는 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르, 폴리옥시에틸렌 지방산 에스테르 및 폴리옥시알킬렌 개질 폴리실록산을 포함한다. 이들 계면 활성제의 상업적으로 구입가능한 수용액은, 예를 들면 마마 레몬(등록상표)(Mama Lemon; 라이온 코포레이션(Lion Corporation)사 제품)이 또한 유용한다.
첨가되는 계면 활성제의 양은 바람직하게는 실리콘 중합체로 피복된 입자가 계면 활성제 또는 계면 활성제 용액을 함유하는 금속염 용액 중에 균일하게 분산되도록 하는 양이다. 바람직하게는 0.0001 내지 10 중량부, 보다 바람직하게는 0.001 내지 1 중량부, 및 특히 0.01 내지 0.5 중량부의 계면 활성제가 금속염 용액 100 중량부를 기준으로 하여 사용된다. 계면 활성제의 양이 이보다 적으면 계면 활성제는 덜 효과적이 되고, 상기 양보다 많은 양인 경우 후속적인 도금의 피복력에 악영향을 끼치며, 도금된 금속의 탈색을 일으킨다.
계면 활성제의 사용에 관련된 처리 기술로서, 실리콘 중합체로 처리된 분체 입자를 우선 계면 활성제 단독 또는 물로 희석한 계면 활성제와 접촉시키고, 교반에 의해 분산시키고, 이어서 금속염 용액과 접촉시키는 것이 추천된다. 이 순서에 의해 실리콘 중합체의 환원 작용은 실리콘 중합체층 표면상에 금속을 형성하는 반응을 촉진시킨다.
계면 활성제가 생략되는 경우, 실리콘 중합체로 처리된 분체 입자를 용매와 접촉시키고, 교반을 통해 분산시킨다.
상기 처리 이후에, 처리된 입자를 동일한 형태이나 입자에 전달되지 않는 불필요한 금속염을 제거하기 위해 금속염이 없는 새로운 용매로 처리한다. 최종적으로 불필요한 용매를 입자로부터 건조 제거하여 금속으로 피복된 입자를 얻는다. 건조는 바람직하게는 대기압 또는 진공하에 0 내지 150 ℃에서 수행된다.
본 발명에 따르면, 후속 단계는 금속으로 피복된 분체상에 무전해 도금을 수행하는 것이다. 제2 단계로부터 생성되는 금속 콜로이드가 촉매로서 작용하면서 무전해 도금을 수행함으로써, 다양한 금속으로 완전하게 피복된 분체 입자를 생성할 수 있다. 금속층은 단일층 또는 복수층일 수 있고, 바람직하게는 제1 금속층(또는 기초 금속층) 및 제1 금속층을 덮는 제2 금속층으로 이루어진다.
제1 금속층을 형성하는데 사용되는 무전해 도금액은 공지된 다양한 용액으로부터 선택될 수 있다. 도금액에 첨가하기에 바람직한 금속은 예를 들면 니켈, 구리, 은, 코발트, 텅스텐, 철 및 아연을 함유하는 금속 물질이다. 이들 금속은 단독으로 또는 그의 합금, 예를 들면 Ni-Co, Ni-W, Ni-Fe, Co-W, Co-Fe, Ni-Cu 및 Ni-P로서 사용될 수 있다. 합금 피복물을 형성하려고 하는 경우, 다수의 금속염을 첨가할 수 있다. 니켈이 특히 바람직하다.
금속염(들) 이외에, 무전해 도금액은 일반적으로 차아인산 나트륨, 히드라진 디메틸아민 보론 또는 수소화붕소 나트륨과 같은 환원제 및 소듐 아세테이트, 페닐렌디아민 또는 소듐 포타슘 타르트레이트와 같은 착제를 함유한다. 구리, 니켈, 은 및 금을 함유하는 무전해 도금액은 적당한 가격에서 상업적으로 구입가능하다.
무전해 니켈 도금액을 상세하게 설명한다. 일반적으로, 무전해 니켈 도금액은 수용성 니켈염, 착제, pH 조정제 및 환원제를 함유한다.
본원에서 사용되는 니켈염은 황산 니켈, 염화니켈 및 아세트산 니켈과 같은 공지된 염으로부터 선택될 수 있다. 니켈염 농도는 전체 도금 욕 중의 0.5 내지 0.01 몰/L, 바람직하게는 0.2 내지 0.05 몰/L일 수 있다. 니켈염 농도가 너무 크면 약간의 pH 변화 또는 약간의 착제 농도의 변화에 의해 수산화물을 형성하여 욕 수명을 단축시키고, 보충시 국소적인 니켈염 농도의 변화를 발생시켜 얼룩 형성을 일으킨다는 문제점을 갖는다. 니켈염 농도가 너무 작으면 더 많은 양의 보충액을 필요로 하여 욕의 용량을 도금하는 중에 크게 변화시켜 비실용적이게 한다.
착제는 이러한 형태의 무전해 니켈 도금액 중에 사용되는 공지된 착제로부터 선택될 수 있다. 염화암모늄과 같은 무기산의 암모늄염, 인산 염, 아세트산 나트륨과 같은 카르복실산 및 그의 수용성 염, 시트르산 암모늄, 주석산 나트륨과 같은 히드록시카르복실산 및 그의 수용성 염, 글리신 및 EDTA와 같은 아미노 및 카르복실기를 갖는 아민 및 그의 수용성 염이 포함된다. 이들은 단독으로 또는 2개 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 착제는 이들 예로 제한되는 것은 아니다. 이들 착제 중, 도금 욕의 pH가 변화하여도 수산화니켈을 발생하지 않고, 또한 니켈의 환원 석출을 방지하기에 충분히 안정한 니켈과의 착이온을 형성하지 않기 때문에, 시트르산 암모늄 및 주석산 나트륨과 같은 히드록시카르복실산 염, 아세트산 나트륨과 같은 카르복실산 염, 및 글리신과 같은 아미노 및 카르복실기를 갖는 아민류가 바람직하다. 착제의 농도는 니켈염 및 pH 조정제의 농도와 밀접한 관계를 가지며, 통상 전체 도금 욕 중의 1.5 내지 0.03 몰/L, 바람직하게는 0.2 내지 0.15 몰/L의 범위에 이른다. 니켈염에 비해 과량인 다량의 착제는 비경제적이다. 소량의 착제는 pH 변화에 대한 불안정을 일으키고, 수산화니켈의 형성을 억제하기에 덜 효과적일 수 있다.
pH 조정제로서, 임의의 공지되고 저렴하며, 쉽게 구입가능한 제제를 사용할 수 있다. 수산화암모늄 (암모니아수), 및 수산화나트륨과 같은 알칼리 수산화물이 바람직하게 사용되며, 이는 pH 변화에 비해 인계 환원제에 의해 니켈 착이온의 환원을 크게 변경시키지 않기 때문이다. pH 조정제의 농도는 제조시 도금 욕의 pH의 변화, 처리 시간 및 보충 양에 따라 달라질 수 있다.
무전해 니켈 도금액의 pH는 환원제 및 착제의 형태에 따라 선택된다. 환원제로서 차아인산 또는 염의 경우에, 일반적으로 용액은 pH 3 내지 10으로 조정된다. pH 3 미만이면 도금 반응이 거의 일어나지 않는다. pH 10을 넘으면 니켈 착체를 불안정하게 하고, 수산화니켈의 침전 및 도금액의 열화를 일으킨다. 무전해 니켈 도금의 진행에 따라 pH가 점점 낮아지기 때문에, pH 조정제는 바람직하게는 보충하여 일정한 pH를 유지하도록 한다. 또한, 욕의 pH가 도금 출발시 3 내지 4, 특히 4 내지 5, 및 도금 종료시 6 내지 10, 6 내지 7이 되도록 욕의 pH를 조정하는 것이 추천된다.
본원에서 사용되는 환원제는 바람직하게는 차아인산 및 그의 알칼리 금속 및 암모늄염 중에서 선택되는 인계 환원제이다. 디메틸아민 붕소와 같은 붕소 환원제가 또한 바람직하게 사용된다. 환원제의 농도는 니켈염의 몰 당 바람직하게는 0.1 내지 5 몰, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 3 몰 및 전체 도금 욕 중의 2.5 내지 0.001 몰/L, 보다 바람직하게는 1.0 내지 0.1 몰/L이다.
본 발명에 따르면, 무전해 도금액에 의한 처리는 필요한 경우 계면 활성제의 존재하에 수행될 수 있다. 이 실시태양에서, 금속으로 피복된 분체 입자를 무전해 도금액 중에 붓기 전에 계면 활성제로 예비처리하거나, 또는 계면 활성제를 도금 처리 전에 무전해 도금액 중에 붓는다. 이는 무전해 도금 반응 중에 방출되는 수소 가스 거품이 무전해 도금의 효과적인 진행을 방해하고 입자 표면에 대한 금속의 피복력을 악화시키는 바람직하지 않은 현상을 피하게 한다. 이때, 실리콘 중합체로 피복된 분체 입자는 표면이 금속막으로 균일하게 피복될 수 있다.
무전해 도금에 사용되는 계면 활성제는 상기 금속염 처리(금속염 용액으로의 처리)에 사용되는 계면 활성제와 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 상이한 계면 활성제를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 금속염 용액과의 접촉을 개선하기 위해 소듐 알킬벤젠술포네이트와 같은 음이온성 계면 활성제를 사용하고, 폴리옥시에틸렌 지방산 에스테르 또는 폴리옥시알킬렌 개질된 폴리실록산과 같은 비이온 계면 활성제를 무전해 도금을 수행하기 전에 첨가하는 경우, 보다 좋은 결과가 기대된다. 보다 예시적으로, 표면 장력을 감소시키는 작용을 하나 발포를 돕지 않는 계면 활성제가 바람직하다. 서피놀(Surfynol) 104, 420 및 504(닛신 케미칼 인더스트리 가부시끼가이샤(Nisshin Chemical Industry K.K.))와 같은 비이온 계면 활성제가 바람직하게 사용된다. 발포에 의해 도금 효율이 낮아지는 것은 발포 방지 효과를 갖고 표면 장력을 감소시키는 발포 방지성 계면 활성제, 예를 들면 신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤로부터 KS-538로서 상업적으로 구입가능한 폴리에테르 개질된 실리콘 계면 활성제를 첨가함으로써 피할 수 있다.
첨가되는 계면 활성제의 양은 유사하게 상기 금속으로 피복된 분체 입자가 무전해 도금액에 균일하게 분산될 수 있고, 무전해 도금의 진행에 따라 발생되는 수소 가스의 거품이 분체 입자에 부착되어 무전해 도금을 방해하지 않도록 선택된다. 바람직하게는, 계면 활성제는 무전해 도금액 100 중량부 당 0.0001 내지 10 중량부, 보다 바람직하게는 0.001 내지 1 중량부, 가장 바람직하게는 0.01 내지 0.5 중량부의 양으로 사용된다. 계면 활성제의 양이 너무 적으면 덜 효과적이고, 너무 많으면 도금 금속의 피복력에 악영향을 끼치고 도금된 금속의 탈색을 일으킬 수 있다.
도금 온도는 금속 이온을 욕 중에서 보다 빠르게 확산시키고 도금 금속의 피복력을 개선시키고, 욕 성분의 손실 및 휘발에 의한 용매의 손실을 감소시키는 범위에서 15 내지 100 ℃, 바람직하게는 40 내지 95 ℃의 온도일 수 있고, 더욱 바람직하게는 65 내지 85 ℃일 수 있다. 40 ℃ 미만의 온도에서는 도금 반응은 매우 천천히 진행되어 실용적이지 않다. 95 ℃를 초과하는 온도에서는 물인 용매의 격심한 증발로 인해 도금 욕의 조정이 어려워지며, 도금 반응이 너무 빨리 진행되어 비정상적인 석출 및 욕 분해가 일어날 수 있다.
도금 기술로서, 제2 단계 또는 분체 입자의 물 분산으로부터 생성되는 분체 입자는 무전해 도금액에 첨가되거나, 또는 역으로 무전해 도금액이 수분산된 분체 입자에 첨가될 수 있다. 중요한 것은 금속 석출 반응이 분체 입자 상에서 실질적으로 동시에 진행하게 한다는 것이다. 입자 또는 그의 수분산물을 무전해 도금액에 첨가하는 경우, 용액을 도금 반응이 일어나지 않는 매우 낮은 온도에서 유지하고, 전체 입자가 응집되지 않는 상태로 용액 중에 분산시키고, 이후에 가열에 의해 도금을 개시하는 것이 추천된다. 또한, 무전해 도금액이 분체 입자에 첨가되는 경우, 입자를 미리 응집되지 않은 상태로 물 등에 분산시키고, 도금액을 교반에 의해 입자와 밀착시켜 도금을 수행하는 것이 추천된다. 이러한 경우에, 무전해 도금액은 도금 금속염 용액, 환원제 용액, pH 조정제 용액 및 착제 용액을 예비혼합함으로써 얻어진 용액일 수 있다. 별법으로서, 각각의 성분들을 따로따로 첨가하여 무전해 도금액을 그 상태에서 형성한다. 이 절차 이외에, 모든 분체 입자를 환원제, pH 조정제 및 착제를 함유하는 용액 중에 분산시키고, 단지 기류에 의해 전달된 금속염 용액만을 무전해 도금이 발생되는 분산물에 첨가한다.
응집되지 않도록 니켈로 피복된 분체 입자를 제조하기 위해서, 환원제, pH 조정제 및 착제를 함유하는 용액 중에 분체 입자를 분산시키고, 이 분산액을 니켈 도금을 위해 적절한 온도에서 유지하고, 기류상에서 수성 니켈염 용액을 전달하고, 분체 입자의 분산액에 가스가 전달하는 니켈염 용액을 첨가하는 것이 매우 효과적이다. 전달체 가스의 도움으로, 수성 니켈염 용액은 환원제, pH 조정제 및 착제를 함유하는 수용액 중에 빠르고 균일하게 분산되어 분체 입자가 니켈로 표면 도금된다. 비록 가스의 도입은 흔히 발포에 의한 도금 효율의 손실을 일으키지만 이러한 불편은 발포 방지성 계면 활성제의 첨가에 의해 피할 수 있다. 이러한 목적으로, 발포 방지 효과를 갖고 표면 장력을 감소시키는 계면 활성제, 예를 들면 신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤로부터 KS-538로서 상업적으로 구입가능한 폴리에테르 개질된 실리콘 계면 활성제가 유용하다.
무전해 니켈 도금의 경우에, 도금액의 산소 농도는 니켈의 석출에 영향을 준다. 니켈의 석출은 도금 촉매 핵으로서 작용하는 콜로이드성 팔라듐이 팔라듐 양이온으로 산화되고 용액중에 용해될 수 있고 일단 석출된 니켈 표면이 산화될 수 있기 때문에 용해된 산소가 많이 존재함에 따라 더 억제된다. 반대로, 덜 용해된 산소의 존재하에서는 도금액은 안정성을 잃고, 니켈은 분체 입자 이외의 다른 영역에 석출되어 니켈 분체 덩어리 및 볼록한 석출물이 형성된다. 따라서, 도금액 중에 용해되는 산소는 1 내지 20 ppm의 농도로 유지시키는 것이 바람직하다. 20 ppm을 초과하면 도금 속도는 떨어지고 피복되지 않은 얼룩이 남는다. 1 ppm 미만에서는 볼록한 석출물의 형성이 종종 관찰된다.
따라서, 공기와 같은 산소 함유 가스 및 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 가스의 혼합물을 가스로서 사용하는 것이 바람직하다. 분체 입자상에 도금하는 경우에는 도금 출발이 종종 지연되나 일단 도금이 시작되면 반응이 없어질 위험이 있다. 위험을 방지하는데 효과적인 한 절차에서, 질소를 초기에 사용하고 니켈 도금 반응의 출발이 확인된 후에 가스를 공기로 바꾼다.
인계 환원제를 사용하여 무전해 니켈 도금을 수행하는 경우, 인이 니켈로 혼입되기 때문에 도금 절차를 조정함으로써 니켈막의 특성을 조정할 수 있다. 예를 들면, 분체 입자를 니켈염, 환원제, pH 조정제 및 착제를 함유하는 수용액에 첨가하고, 실질적인 니켈 도금이 일어나지 않는 25 ℃의 온도에서 정치시키고, 시스템을 완전히 분산시키고, 이어서 니켈 도금에 최적의 온도 40 내지 95 ℃로 가열한다. 이 절차는 실질적으로 도금액 중의 니켈염 농도에 대한 환원제 농도의 비율 및 도금액의 pH를 변하게 하지 않으면서 니켈 도금의 수행을 가능하게 한다. 이때, 내표면 및 외표면 영역의 인 함량이 실질적으로 동일한 니켈층이 분체 입자상에 석출된다.
또한, 인계 환원제의 수용액 중에 제2 단계의 분체 입자를 분산시키고, 니켈염, 착제 및 pH 조정제 용액을 함유하는 수용액을 첨가하고, 도금액 중의 니켈염 농도에 대한 환원제 농도의 비율 및 도금액의 pH를 변경시킴으로써 니켈 도금을 수행할 수도 있다. 이때, 내표면과 외표면 영역의 인 함량이 상이한 니켈층이 분체 입자상에 석출된다. 이 실시태양에서, 인계 환원제의 상이한 함량을 갖는 제1 및 제2 도금액이 제공되고, 제1 도금액 중에서의 도금을 수행한 후 제2 도금액 중에서의 도금을 수행할 수 있다. 별법으로서, 제1 도금액 중에서 도금을 수행한 후, 하나 이상의 니켈염, 착제 및 pH 조정제를 함유하지만 인계 환원제를 함유하지 않는 수용액을 보충하여 제2 도금이 수행되는 그 위치에서 제2 도금액을 형성한다. 이 보충에 사용되는 니켈염, 착제 및 pH 조정제는 바람직하게는 제1 도금액에 사용되는 것과 동일하다. 보충은 1회로 제한되지 않으며 2회 또는 3회 반복될 수 있다.
제1 무전해 니켈 도금액 중에서의 무전해 니켈 도금에 이어 제1 용액과는 상이한 인계 환원제 농도를 갖는 제2 무전해 니켈 도금액 중에서 무전해 니켈 도금을 행함으로써 내표면 및 외표면 영역의 인 함량이 상이한 니켈-인 합금층을 분체 입자상에 석출시키는 하나의 실시태양에서, 제1 무전해 니켈 도금액의 인계 환원제 농도가 제2 무전해 니켈 도금액의 인계 환원제의 농도보다 커서 니켈-인 합금층의 내표면 영역의 인 함량이 많고 외표면 영역의 인 함량이 적은 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 제1 도금액은 전체 도금액 중의 2.5 내지 0.05 몰/L, 특히 1.5 내지 0.1 몰/L의 인계 환원제 농도를 갖기 때문에 내표면 영역은 인 함량 5 내지 20%, 특히 8 내지 15%를 갖는다. 제2 도금액은 전체 도금액 중의 1.0 내지 0 몰/L, 특히 0.5 내지 0 몰/L의 인계 환원제 농도를 갖기 때문에, 외표면 영역은 인 함량 0.5 내지 8%, 특히 1 내지 5%를 갖는다. 니켈-인 합금층은 바람직하게는 두께 0.01 내지 10 ㎛, 특히 0.05 내지 2 ㎛를 가지나, 두께가 중요한 것은 아니다. 이 두께 중, 외표면으로부터 적어도 0.1 ㎛, 특히 0.5 ㎛까지 연장되는 영역은 바람직하게는 제2 니켈-인 합금층이다.
제3 단계에서, 도금 시간은 도금막의 요망되는 두께에 따라 달라지며, 특별히 제한되는 것은 아니다. 통상 도금 시간은 1분 내지 16시간, 바람직하게는 5 내지 120분, 더욱 바람직하게는 10 내지 60분이다.
이러한 방식에서, 제1 금속층은 분체 입자상에 형성된다. 본 발명에 따르면, 제2 금속층은 제1 금속층을 둘러싸도록 유리하게 형성된다. 이 실시태양에서, 제1 금속층 형성의 제3 단계는 제2 금속층이 제1 금속층이 산화되기 전에 형성되어야 하기 때문에 가능한 빨리 제2 금속층을 형성하는 제4 단계로 이어진다.
제4 단계는 제3 단계로부터 생성되는 분체 입자상에 대한 도금을 추가로 행하여 제1 금속층상에 제2 금속층을 형성하여 도전성 분체를 생성하는 것이다. 이미 형성된 제1 금속층을 갖는 분체 입자상에 제2 금속층 또는 표면막을 형성하는 방법은 무전해 도금, 전해 도금 또는 치환 도금일 수 있다. 전해 도금의 경우에, 특이 형상으로 구조화된 캐소드를 사용하여 금속이 분체 입자, 및 분체 입자가 캐소드로부터 주기적으로 박리될 수 있도록 고안된 시스템상에 균일하게 석출시킬 필요가 있다. 이 단계에서는 또한 제1 및 제2 금속층 사이에서 이온화 경향이 상이하여 이들의 계면에서 치환 반응을 이용하는 치환 도금을 사용할 수 있다.
이들 방법 중, 무전해 도금 방법이 제4 단계에서 유리하게 사용된다.
제2 금속층을 형성하는데 사용되는 무전해 도금액은 상술한 방법과 동일한 방법에 의해 제조된 용액일 수 있다. 도금액에 첨가하는데 바람직한 금속은 금, 백금 및 팔라듐이다. 이들 금속은 단독 또는 이들의 합금, 예를 들어 Au-Pd, Au-Pt 및 Pd-Pt로 사용될 수 있다. 이들 중, 금은 안정성 및 도전성의 관점에서 특히 바람직하다. 이러한 금 도금액은 시장에서 쉽게 구입가능하다. 도금액은 일반적으로 시안화물, 염화물 및 아황산염 용액을 포함하며, 상업적으로 쉽게 구입가능한 시안화물 용액이 주로 경제적인 이유로 바람직하다. 무전해 도금 방법은 제3 단계에서의 방법과 동일할 수 있다.
도금 온도는 15 내지 100 ℃, 금속 이온이 욕 중에서 보다 빠른 속도로 확산되게 하고, 도금 금속의 피복력을 개선시키고, 욕 성분의 손실 및 휘발에 의한 용매 손실을 감소시키기에 바람직한 40 내지 95 ℃, 보다 바람직하게는 65 내지 85 ℃ 일 수 있다. 40 ℃ 미만에서는 도금 반응이 매우 천천히 진행되어 실용적이지 않다. 95 ℃를 초과하는 온도에서는 용매인 물의 격심한 증발로 인해 욕의 조정이 어려워질 수 있고, 도금 반응이 너무 빠르게 진행되어 비정상적인 석출 및 욕 분해를 일으킬 수 있다. 적절한 도금 시간은 1분 내지 16시간, 바람직하게는 5 내지 120분, 더욱 바람직하게는 10 내지 60분이다.
제4 단계 이후에는 철저히 세척을 수행하여 불필요한 금속염, 환원제, 착제, 계면 활성제 및 기타 첨가제를 제거한다.
제2 내지 제4 단계의 각 단계에서, 각 입자의 표면 중의 일부 지점이 입자들의 응집으로 인해 피복되지 않은 채로 남아 있는 현상이 종종 일어난다. 응집이란 많은 분체 입자가 제2의 힘으로 인해 함께 모이는 것을 의미한다. 각각의 입자들은 독립적이며 서로 연합되지 않기 때문에, 이들은 약간의 힘으로 분리된다. 실리콘 중합체로 처리된 분체 입자가 제2 단계에서 응집 상태에 있는 경우, 금속 콜로이드는 응집체내에 석출될 수 없다. 응집 상태가 제3 및 제4 단계에서 존재하면 도금 금속은 응집체내에 석출될 수 없다. 두 경우 모두, 금속으로 부분적으로 피복되지 않은 분체 입자가 생성되며 결국 탁월한 도전성을 나타내지 못한다.
이러한 불편함을 방지하기 위해, 각 단계에서는 분체 입자를 응집하지 않고 용액 중에 분산되게 하는 것이 요망된다. 분산 방법은 모터에 의해 움직이는 교반 날개를 갖는 교반기 또는 음파 에너지의 도움으로 교반시키는 로터를 갖는 균질화기를 사용할 수 있다.
이렇게 하여 얻어진 도전성 분체는 기재 입자-실리콘 중합체-제1 금속층-제2 금속층의 4층 구조를 갖는 금속으로 피복된 분체 입자로 이루어진다.
제1 금속층은 두께 0.01 내지 10.0 ㎛, 바람직하게는 0.1 내지 2.0 ㎛을 갖는다. 0.01 ㎛ 미만의 두께를 갖는 경우, 입자 표면을 완전하게 피복하지 못하거나 또는 만족스런 경도 및 내부식성을 제공하지 못한다. 10.0 ㎛를 초과하는 두께를 갖는 경우, 이에 상응하여 제1 금속의 양이 증가하여 비용 및 비중이 커지므로 경제적으로 불리하게 될 수 있다. 제2 금속층은 두께 0.001 내지 1.0 ㎛, 바람직하게는 0.01 내지 0.1 ㎛를 갖는다. 0.001 ㎛ 미만의 두께를 갖는 경우, 고온 고습 분위기 중에서 산화되어 저항률을 증가시키고, 이에 따라 불안정한 도전성을 나타낸다. 1.0 ㎛를 초과하는 두께를 갖는 경우, 이에 따라 고가의 제2 금속층의 양이 증가하여 비용 및 비중이 증가하기 때문에 경제적으로 불리하게 될 수 있다.
필요한 경우, 금속으로 피복된 분체 입자는 불활성 가스(예, 아르곤, 헬륨 또는 질소) 또는 환원 가스(예, 수소, 아르곤-수소 또는 암모니아)의 분위기 중에 150 ℃ 이상의 온도에서 최종적으로 열처리한다. 불활성 또는 환원 가스로의 열처리 조건은 온도 150 ℃ 내지 900 ℃ 및 시간 1분 내지 24시간, 바람직하게는 온도 200 ℃ 내지 500 ℃ 및 시간 30분 내지 4시간을 포함한다. 이 열처리는 입자 기재 및 금속층들 사이의 실리콘 중합체 부분 또는 전체를 세라믹으로 전환시켜 입자가 높은 내열성, 절연성 및 접착성을 갖게 한다. 분위기가 수소와 같은 환원 분위기인 경우, 금속층 중에서의 산화물은 환원되고 실리콘 중합체는 안정한 구조로 전환되어 입자 기재(전형적으로 실리카) 및 금속 사이에 강한 결합을 갖고 높은 도전성을 나타내는 분체 입자가 얻어진다. 폴리실란을 이러한 고온에서 처리하는 경우 Si-Si 결합은 다양한 원소들이 안정화를 위해 내부로 혼입되도록 작용한다는 것이 밝혀져 있다. 그 결과, 공기와 같은 산화 분위기에서의 열처리는 산화규소 세라믹을 생성하고, 암모니아 가스와 같은 환원 분위기에서의 열처리는 질화규소 세라믹을 생성하고, 아르곤과 같은 불활성 분위기 또는 진공하에서의 열처리는 실리콘 카바이드 세라믹을 생성한다.
본 발명의 도전성 분체는 다양한 용도의 도전성 충전제로서 사용된다. 예를 들면, 도전성 분체를 실리콘 고무 조성물 또는 수지 조성물과 같은 고무 조성물 중에 블렌딩하여 고도전성을 부여한다.
<실시예>
본 발명의 실시예는 본 발명을 예시하도록 이하에 나타내나, 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
<합성 실시예 1>
폴리실란의 제조
하기 방법에 의해 페닐히드로겐폴리실란(PPHS로 약칭한다)을 제조하였다. 아르곤 치환된 플라스크 내에 메틸 리튬의 디에틸 에테르 용액을 비스(시클로펜타디에닐)디클로로지르코늄의 THF 용액에 첨가하였다. 실온에서의 반응 30분 후, 용매를 진공하에 증류 제거하여 촉매를 시스템내에서 형성하였다. 여기에 페닐트리히드로실란을 촉매 1 몰 당 10,000 몰의 양으로 첨가하였다. 내용물을 100 내지 150 ℃에서 3시간 동안 및 이어서 200 ℃에서 8시간 동안 가열하고 교반하였다. 생성물을 톨루엔 중에 용해시키고 수성 염산으로 세척하여, 촉매를 탈활성화시키고 제거하였다. 황산 마그네슘을 이 톨루엔 용액에 첨가하여 물을 제거하였다. 여과에 의해 중량 평균 분자량 1,200 및 유리 전이 온도 65 ℃를 갖는 PPHS를 실질적으로 정량 수율로 얻었다.
<실시예 1>
실리콘 중합체에 의한 실리카의 처리(제1 단계)
본원에서 사용된 실리카는 구형 실리카(미쯔비시 레이욘 가부시끼가이샤 제조, 평균 입경 10 ㎛, 비표면적 0.4 m2/g)를 구분하여 1 ㎛ 미만의 평균 입경을 갖는 입자 분획을 절단하고, 평균 입경 12 ㎛ 및 비표면적 0.28 m2/g을 갖는 실리카 입자를 모아서 제조하였다. 이것을 SiO-12로 나타내었다.
톨루엔 65 g 중의 PPHS 0.5 g의 용액을 SiO-12 100 g에 첨가하고 1시간 동안 교반하여 슬러리화하였다. 톨루엔 및 실리카를 여과에 의해 분리하였다. 보다 완전하게 톨루엔을 제거하기 위하여, 실리카를 80 ℃의 온도 및 45 mmHg의 진공하에 회전 증발기로 회전시키면서 건조하였다. PPHS로 처리된 구형 실리카를 롤 밀 또는 제트 밀에 의해 분해하였다. 이것을 PPHS 처리 SiO로 나타내었다.
팔라듐 콜로이드 석출 실리카의 제조(제2 단계)
폴리실란으로 처리된 실리카(PPHS 처리 SiO)를 소수화하여 수표면에 뜨도록 하였다. 이렇게 처리된 실리카 5 g을 계면 활성제 서피놀(Surfynol) 504(닛신 케미칼 인더스트리 가부시끼가이샤 제조)의 0.5% 수용액 10 g 중에 넣어 실리카를 수중에 분산시켰다. 이것을 수분산 PPHS 처리 SiO로 나타내었다.
팔라듐 처리를 위해, 1% PdCl2 수용액 7 g(염화팔라듐 0.07 g, 팔라듐 0.04 g)을 수분산 PPHS 처리 SiO 15 g에 첨가하고, 30분 동안 교반하였다. 이 처리에 의해, 실리카 표면에 팔라듐 콜로이드가 고착되었다. 생성된 실리카는 짙은 회색으로 착색되었다.
실리카를 여과에 의해 팔라듐 수용액으로부터 분리하고, 물로 세척하고, 수중에 분산시키기 위해 계면 활성제(신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤에 의해 제조된 발포 방지제 KS-538의 0.1% 수용액)를 함유하는 수용액 10 g 중에 즉시 부었다. 이것을 수분산 PPHS 처리 SiO-Pd로 나타내었다.
니켈 도금 실리카의 제조(제3 단계)
0.2 몰/L의 황산 니켈 수용액 20 ml, 0.4 몰/L의 차아인산 나트륨 수용액 20 ml 및 0.4 몰/L의 수산화나트륨 수용액 20 ml, 0.05 몰/L 시트르산 나트륨 수용액 5 ml 및 0.1 몰/L의 아세트산 나트륨 수용액 10 ml를 이온 교환수로 희석하여 도금액 100 ml를 제조하였다. 이를 교반하면서 수분산 PPHS 처리 SiO-Pd 15 g을 25 ℃에서 도금액 100 ml 중에 분산시켜 도금액을 형성하였다. 70 ℃에서 수욕중에 용기를 담그어 용액 온도를 70 ℃로 급상승시켰다. 잠시 후, 미세한 거품이 발생하기 시작하였고, 용액이 진한 갈색에서 흑녹색으로 변색되었다.
전체 표면상에서 석출된 금속성 니켈을 갖는 실리카 입자를 얻었다. 도금된 실리카를 여과에 의해 도금액으로부터 분리하고, 순수로 세척하고, 다시 여과에 의해 단리시켰다. 실리카를 적신 채로 계면 활성제(신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤에 의해 제조된 발포 방지제 KS-538의 0.1% 수용액)를 함유하는 수용액 10 g 중에 부어 실리카를 수중에 분산시켰다. 이를 수분산 니켈 피복 실리카로 나타내었다.
금 도금 실리카의 제조(제4 단계)
사용된 금 도금액은 시아노아우레이트를 함유하는 금 도금액 K-24N(고준도 케미칼 래보라토리(Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.)사 제조) 120 ml이었다. 격렬하게 교반하면서, 수분산 니켈 피복 실리카의 전체 양을 금 도금액에 첨가하였다. 용액 온도를 실온에서 85 ℃로 상승시키고, 이후에 즉시 실리카는 금색으로 변색되어 실리카 표면상에 니켈이 금으로 대체되었음을 나타내었다.
도금된 실리카를 여과하고, 물로 세척하고 건조(30분 동안 50 ℃에서)한 후, 1시간 동안 250 ℃에서 수소로 치환된 전기로에서 소성하였다.
실리카-실리콘 중합체-니켈-금 구조를 갖는 도전성 실리카의 제조
현미경 관찰에 의해 실리카 입자가 그의 전체 표면이 금으로 피복되었음을 확인하였다. 도금된 실리카 표면을 전자 현미경으로 관찰하여 유연하고 균일한 금속막이 형성되었음을 확인하였다. IPC 분석에서 이 금 도금 실리카가 니켈 30 중량% 및 금 6 중량%를 함유하고 있음을 알게 되었다.
금 도금 실리카를 4개의 단자를 갖는 실린더형 셀 중에 도입하고, 전원 SMU-257(케이틀리(Keithley Co.)사 제조)로부터 대향된 양쪽 말단에서 0.2 cm2 면적의 단자를 가로지르는 전류 -10 mA 내지 10 mA를 통하게 하고, 나노볼트 미터 모델 2000(케이틀리사 제조)의 수단에 의해 실린더의 중심에서 0.2 cm 이격된 단자를 가로지르는 전압 강하를 측정하므로써 금 도금 실리카의 전기 저항률을 측정하였다.
측정 기구는 도 1에 나타내었다. 도 1에는 금 도금 실리카(1), 금 도금 구리 부재(2), 실리콘 고무로 이루어진 절연체(3), 전원(4) 및 전압계(5)가 예시되어 있다. 여기서, ρ는 저항률, S는 전극의 면적, L은 전극간의 거리, R은 전기 저항, I는 샘플을 가로질러 유도된 전류, 및 V는 측정된 전압을 나타내고, 전기 저항 R=V/I로부터 ρ=RS/L로 표시되는 저항률을 구한다. S가 X cm2이고, L이 Y cm(여기서, X=Y)이 되도록 기기를 설정하면, 저항률 ρ은 RΩ·cm와 동일하게 된다.
이러한 방식으로 하여, 금 도금 실리카의 전기 저항률은 3.8 mΩ·cm인 것으로 측정되었다.
열숙성 시험(공기중에 1시간 동안 250 ℃에서) 후, 금 도금 실리카는 허용가능한 전기 저항률 4.7 mΩ·cm를 가졌다.
금 도금 실리카를 분체 박리 시험기에 넣었다. 상기 시험기를 1분동안 1,100 rpm으로 작동시켜 접착 시험을 수행하였다. 실리카를 조사하여 그의 외관 및 저항률이 아무런 변화가 없었음을 확인하였다. 상기 시험기를 5분 및 10분 동안 1,100 rpm으로 작동시켜 추가의 접착 시험을 수행하였다. 실리카를 조사하여 그의 외관이 다소 흑색으로 변색되었고 저항률이 5.1 mΩ·cm 및 8.9 mΩ·cm로 변화되었음을 알게 되었다. 현미경으로 관찰하였을 때, 금과 니켈 사이의 계면이 부분적으로 박리되어 흑색 니켈이 노출되었으나, 실리카와 니켈 사이의 계면에서는 어떠한 박리도 발견되지 않았다.
본원에서 사용된 분체 박리 시험기는 도 2에 나타낸 바와 같은 분쇄기형 박리력 측정기이다. 이 장치는 금 도금 실리카(11)로 충전되어 있고 고무 패킹(16)으로 밀폐되어 있는 용기(12)를 포함한다. 모터(13)는 팁부분에 결합되어 있는 내마모성 비트(15)를 가진 회전 샤프트(14)를 갖는다. 비트(15)는 실리카(11) 중에 삽입되고 예정된 속도로 회전한다. 금 도금 실리카로 충전된 용기(12)의 중공은 0.68 cm3의 체적을 가졌다. 내마모성 비트(15)는 직경 3 mm를 가졌다. 실리카 충전제는 1.0 g이었다.
<비교예 1>
비교 목적으로, 폴리실란 PPHS를 생략한 것을 제외하고는 실시예 1을 반복하였다. 도금이 전혀 수행되지 않았다. 금속화된 실리카는 전혀 얻어지지 않았다.
<비교예 2>
비교 목적으로, 폴리실란 PPHS를 생략하고, γ-아미노프로필트리에톡시실란 (KBE-903, 신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤 제조)의 1% 에탄올 용액 100 g으로 처리한 것을 제외하고는, 실시예 1을 반복하였다. 부분적으로 도금이 수행되었으나 전체적으로 금속화된 실리카는 얻어지지 않았다.
<비교예 3>
비교 목적으로, 폴리실란 PPHS를 생략하고, γ-아미노프로필트리에톡시실란 (KBE-903, 신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤 제조)의 1% 에탄올 용액 100 g으로 처리하고, 일본 특허 공개 제84-182961호 공보에 기술된 염화주석으로 환원시킨 팔라듐 콜로이드를 염화팔라듐 대신에 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1을 반복하였다. 효율적인 도금이 수행되었다. 금속화된 실리카가 얻어졌으나 일부 입자가 응집되었다.
이 금속화된 실리카는 19.5 mΩ·cm의 저저항률을 가졌다. 실리카를 1분 동안 1,100 rpm으로 작동하는 분체 박리 시험기중에 넣었다. 실리카를 조사하여 그의 외관이 더욱 흰색으로 바뀌었고, 저항률이 1Ω·cm 과도하게 나빠졌음을 확인하였다. 현미경 관찰에 의해 실리카-니켈 계면이 부분적으로 박리되어 기재 실리카를 노출하고 있음이 나타났다.
<실시예 2>
실시예 1의 제3 단계에서, 0.4 몰/L의 차아인산 나트륨 수용액 20 ml, 0.4 몰/L의 수산화나트륨 수용액 20 ml, 0.05 몰/L의 시트르산 나트륨 수용액 5 ml 및 0.1 몰/L의 아세트산 나트륨 수용액 10 ml를 이온 교환수로 희석하여 도금액 100 ml를 제조하였다. 교반하면서, 수분산 PPHS 처리 SiO-Pd 15 g을 도금액 100 ml 중에 분산시켜 도금액을 형성하였다. 70 ℃에서 수욕 중에 용기를 담그어 용액 온도를 70 ℃로 급상승시켰다.
여기에 0.2 몰/L의 황산 니켈 수용액 1 ml를 첨가하였다. 잠시 후에, 미세한 거품이 생성되기 시작하고 엷은 녹색 용액이 투명해졌다. 이어서, 0.2 몰/L의 황산 니켈 수용액 19 ml를 도금액에 서서히 적가하면서 교반하여, 도금 반응을 수행하였다. 이 외에는 실시예 1과 동일한 절차를 수행하였다. 전체 표면상에 금 피복 실리카 입자가 실시예 1에서와 같이 얻어졌다.
실리카-실리콘 중합체-니켈-금 구조를 갖는 도전성 실리카의 확인
금 도금 실리카를 수지 조각으로 고정되게 덮고 다이아몬드 절단기로 얇게 잘랐다. 단면을 투과 전자 현미경 H9000NAR(히다찌(Hitachi, Ltd.)사 제조)로 관찰하여 실리카 부분 및 다상 금속 부분으로 이루어진 2층 구조임을 확인하였다. 구성 요소를 깊이 방향으로 분석하여 깊이 방향으로 쌓여진 금층, 니켈층 및 실리콘층으로 구성된 다층 구조를 확인하였다. 니켈층의 인 함량에 있어서, 실리카에 인접하게 배치된 니켈층의 영역은 높은 인 함량(약 8 내지 12 중량%)을 가졌고, 금과 인접하게 배치된 니켈층의 영역은 낮은 인 함량(약 1 내지 4 중량%)을 가져, 니켈층이 구배된 조성 구조를 가졌음을 나타냈다.
금 도금 실리카는 저항률 3.1 mΩ·cm를 가졌다. 열숙성 시험(공기 중 1시간, 250 ℃) 후, 금 도금 실리카는 4.1 mΩ·cm의 허용가능한 전기 저항률을 가졌다.
금 도금 실리카를 1분 동안 1,100 rpm으로 작동하는 분체 박리 시험기 중에 넣었다. 실리카를 조사하여 그의 외관 및 저항률이 아무런 변화가 없었음을 확인하였다. 5분 및 10분 동안 1,100 rpm으로 작동하는 시험기에 의해 추가의 접착 시험을 수행하였다. 실리카를 조사하여 저항률이 각각 4.1 mΩ·cm 및 5.9 mΩ·cm으로 변화되어 높은 내박리성을 나타내고 있음을 확인하였다.
<실시예 3>
실시예 1의 제3 단계에서, 수분산 PPHS 처리 SiO-Pd를 우선 교반에 의해 순수 100 ml 중에 분산시켰다. 70 ℃에서 수욕 중에 용기를 담그어 용액 온도를 70 ℃로 급상승시켰다. 이어서, 0.2 몰/L의 황산 니켈 수용액 20 ml, 0.4 몰/L의 차아인산 나트륨 수용액 20 ml, 0.4 몰/L의 수산화나트륨 수용액 20 ml, 0.05 몰/L의 시트르산 나트륨 수용액 5 ml 및 0.1 몰/L의 아세트산 나트륨 수용액 10 ml를 용액에 동시에 적가하여 도금 반응을 수행하였다. 그 이외에는 실시예 1과 동일하게 하였다. 전체 표면에 걸쳐 금으로 피복된 실리카 입자가 얻어졌다.
금 도금 실리카의 단면을 실시예 2에서와 같이 관찰하여 금층, 니켈층 및 실리콘층으로 이루어진 다층 구조를 확인하였다. 구성 요소를 깊이 방향으로 분석하여 니켈층은 깊이 방향에서 약 12 내지 19 중량%의 거의 동일한 인 함량을 가져 구배된 구조가 형성되지 않았음을 확인하였다.
금 도금 실리카는 초기 저항률 3.5 mΩ·cm를 가졌다. 열숙성 시험(공기중 1 시간, 250 ℃) 후, 금 도금 실리카는 4.5 mΩ·cm의 허용가능한 전기 저항률을 가졌다.
금 도금 실리카를 1분 동안 1,100 rpm으로 작동하는 분체 박리 시험기 중에 넣었다. 실리카를 조사하여 그의 외관 및 저항률이 아무런 변화가 없었음을 확인하였다. 5분 및 10분 동안 1,100 rpm으로 작동하는 시험기에 의해 추가의 접착 시험을 수행하였다. 실리카를 조사하여 저항률이 각각 7.5 mΩ·cm 및 8.9 mΩ·cm으로 변화되었음을 확인하였다.
<합성 실시예 2>
페닐폴리실란의 제조
아르곤 치환된 플라스크에 메틸 리튬의 디에틸 에테르 용액을 비스(시클로펜타디에닐)디클로로지르코늄에 첨가하여 시스템에서 촉매로서 작용하는 비스(시클로펜타디에닐)디메틸지르코늄을 제조하였다. 촉매 1 몰 당 50 몰의 양으로 시스템에 페닐실란을 첨가하고, 24시간 동안 150 ℃에서 가열 및 교반하였다. 이어서, 분자체를 첨가하고 여과시켜 촉매를 제거하므로써, 중량 평균 분자량 2,600을 갖는 고체 PPHS를 실질적으로 정량 수율로 얻었다.
<실시예 4>
실리콘 중합체에 의한 실리카의 처리
본 실시예에서 사용된 실리카는 구형 실리카 US-10(미쯔비시 레이욘 가부시끼가이샤 제조, 평균 입경 10 ㎛, 비표면적 0.4 m2/g)이었다. 톨루엔 65 g 중의 PPHS 1 g의 용액을 US-10 100 g에 첨가하고 슬러리 중으로 1시간 동안 교반하였다. 톨루엔 및 실리카를 여과에 의해 분리시켰다. 톨루엔을 보다 완전하게 제거하기 위해, 실리카를 80 ℃의 온도 및 45 mmHg의 진공하에 회전 증발기를 회전시키면서 건조하였다. PPHS 처리 구형 실리카를 롤 밀 또는 제트 밀에 의해 분쇄하였다.
팔라듐-콜로이드 석출 실리카의 제조
PPHS 처리 실리카를 소수화하여 수표면에 뜨도록 하였다. PPHS 처리 구형 실리카 100 g을 계면 활성제 서피놀(Surfynol) 504(닛신 케미칼 인더스트리 가부시끼가이샤 제조)의 0.5% 수용액 50 g 중에 넣어 실리카를 교반에 의해 수중에 분산시켰다.
팔라듐 처리를 위해, 1% PdCl2 수용액 70 g(염화팔라듐 0.7 g, 팔라듐 0.4 g)을 실리카-물 분산물 150 g에 첨가하고, 30분 동안 교반하고, 여과 및 수세하였다. 이 처리에 의해, 실리카 표면에 팔라듐 콜로이드가 접착되어 실리카가 짙은 회색으로 착색되었다. 팔라듐 콜로이드로 석출된 실리카를 여과에 의해 단리시키고 수세하고 즉시 도금하였다.
팔라듐 콜로이드 석출 실리카의 니켈 도금
교반하면서, 이온교환수로 희석하여 황산 니켈 0.3 몰/L, 시트르산 암모늄 0.36 몰/L 및 차아인산 암모늄 0.36 몰/L를 함유하는 도금액 500 ml 중에 팔라듐 콜로이드 석출 실리카를 발포 방지제 KS-538 (신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤 제조) 0.5 g과 함께 50 ℃에서 분산시켰다. 85 ℃에서 수욕중에 용기를 담그어 용액 온도를 85 ℃로 급상승시켰다. 잠시 후, 미세한 거품이 발생하기 시작했고 용액이 진한 녹색에서 흑녹색으로 변색되었고, 그의 pH가 4에서 더 낮아지기 시작했다. 이어서, 0.3 몰/L 황산 니켈 및 0.72 몰/L 시트르산 암모늄의 혼합 용액 500 ml 및 약 8 용량% 암모니아의 수용액 20 ml를 교반중인 도금액에 서서히 보충하여 pH 6으로 용액을 조정하였다. 시간이 60분 걸렸다.
도금된 실리카를 흡입 여과에 의해 도금액으로부터 분리하고, 순수로 세척하고, 다시 흡입 여과에 의해 단리시켰다. 실리카를 적신 채, 후속 단계로 옮겼다.
니켈 도금 실리카의 금 도금
사용된 금 도금액은 시아노아우레이트를 함유하는 금 도금액 K-24N(고준도 케미칼 래보라토리사 제조) 10 g이었다. 전체 표면상에 석출된 금속성 니켈을 갖는 실리카 입자를 이온 교환수 중에 분산시켰다. 격렬하게 교반하면서, 금 도금액을 분산액에 적가하였다. 용액 온도를 실온에서 45 ℃로 상승시키자, 이후에 즉시 실리카가 황금색으로 변색되어 실리카 표면상의 니켈이 금으로 대체되었음을 나타내었다.
바닥에 침강한 도금된 실리카 입자를 여과 및 수세하고 건조(30분 동안 50 ℃에서)한 후, 수소 치환된 전기로에서 1시간 동안 250 ℃에서 소성하였다. 생성된 실리카 입자를 입체 현미경으로 관찰하여 실리카 입자가 전체 표면에 걸쳐 금으로 피복되었음을 확인하였다. 이 실리카의 IPC 분석에서, 팔라듐, 니켈 및 금이 검출되었다.
실리카-실리콘 중합체-니켈/인 합금-금 구조를 갖는 도전성 실리카의 확인
금 도금된 실리카를 수지 조각 중에 고정되게 덮고 마이크로톰(microtome) 기술로 다이아몬드 절단기로 얇게 잘랐다. 단면을 투과 전자 현미경 H9000NAR(히다찌(Hitachi, Ltd.)사 제조)으로 관찰하여 실리카 부분 및 다상 금속 부분으로 이루어진 2층 구조임을 확인하였다. 구성 요소를 깊이 방향으로 분석하여 깊이 방향으로 쌓여진 금층, 니켈-인 합금층 및 실리콘층으로 구성된 다층 구조를 확인하였다. 니켈-인 합금층의 인 함량에 있어서, 실리카에 인접하게 배치된 니켈층의 영역은 높은 인 함량을 가졌고, 금과 인접하게 배치된 니켈층의 영역은 낮은 인 함량을 가져, 니켈층이 구배된 조성 구조를 가졌음을 나타냈다.
도 3a 내지 3c는 원소 분석의 대상이 표시된 단면에 대한 현미경 사진이다. 표 1은 이들 분석 대상에서 Si, P, Ni 및 Au의 함량(wt%)을 나타낸다. 표 3은 이들 분석 대상에서 P 및 Ni의 함량(wt%)을 나타낸다.
실리카-실리콘 중합체-니켈/인 합금-금 구조를 갖는 도전성 실리카의 특성
금 도금 실리카를 4개의 단자를 갖는 실린더형 셀 중에 도입하고, 전원 SMU-257(케이틀리(Keithley Co.)사 제조)로부터 대향된 양쪽 말단에서 0.2 cm2 면적의 단자를 가로지르는 전류 1 mA 내지 10 mA를 통하게 하고, 나노볼트 미터 모델 2000(케이틀리사 제조)의 수단에 의해 실린더의 중심에서 0.2 cm 이격된 단자를 가로지르는 전압 강하를 측정하므로써 금 도금 실리카의 전기 저항률을 측정하였다. 금 도금 실리카는 저항률 2.2 mΩ·cm를 가졌다. 금 도금 실리카를 1분 동안 분쇄기에서 분쇄하고, 이어서 4시간 동안 200 ℃에서 열처리하고, 이를 조사하여 그의 외관 및 저항률이 아무런 변화가 없었음을 확인하였다.
<실시예 5>
니켈 도금 단계에서 팔라듐 콜로이드 석출 실리카를 니켈 도금 환원제 용액 및 니켈 금속염 용액의 혼합물 중에 분산시키고 나서 니켈 도금 반응을 수행한 것을 제외하고는, 실시예 4를 반복하였다. 금 도금 실리카의 단면을 유사하게 관찰하여 금층, 니켈-인 합금층 및 실리콘층으로 이루어진 다층 구조를 확인하였다. 구성 요소를 깊이 방향으로 분석하여 깊이 방향에서 니켈-인 합금층이 약 12 내지 16 중량%의 거의 동등한 인 함량을 가져 어떠한 구배 구조도 형성되지 않았음을 확인하였다.
도 4a 내지 4c는 원소 분석 대상이 표시된 단면에 대한 현미경 사진이다. 표 2는 이들 분석 대상들에서 Si, P, Ni 및 Au의 함량(wt%)을 나타낸다. 표 3은 이들 분석 대상에서 P 및 Ni의 함량(%)을 나타낸다.
금 도금 실리카는 초기 저항률 4.5 mΩ·cm를 가졌다. 금 도금 실리카를 1분 동안 막자사발로 분쇄하고, 이어서 4시간 동안 200 ℃에서 열처리하고 나서 이를 관찰하였다. 금속 박리로 인해, 외관은 갈색으로 변색되었고, 저항률은 75 mΩ·cm로 상승하였다.
<실시예 6>
팔라듐 콜로이드 석출 실리카의 제조
실시예 4의 PPHS 처리 실리카를 소수화하여 수표면에 뜨도록 하였다. PPHS 처리 구형 실리카 100 g을 계면 활성제로서 도데실벤젠술폰산 나트륨의 0.5% 수용액 50 g 중에 넣어 실리카를 교반에 의해 약 5분이라는 단시간에 수중에 분산시켰다.
팔라듐 처리를 위해, 1% PdCl2 수용액 70 g(염화팔라듐 0.7 g, 팔라듐 0.4 g)을 실리카-물 분산액 150 g에 첨가하고, 30분 동안 교반하고, 여과 및 수세하였다. 이 처리에 의해, 실리카 표면에 팔라듐 콜로이드가 접착되어 실리카가 짙은 회색으로 착색되었다. 팔라듐 콜로이드로 석출된 실리카를 여과에 의해 단리시키고 수세하고 즉시 도금하였다.
구리 도금 실리카의 제조
사용된 구리 도금액은 무전해 구리 도금액 C-200LTA/LTB(고준도 가가꾸 겐뀨조 제조)을 동일 용량의 이온 교환수로 희석하여 얻어진 희석액 100 g이었다. 팔라듐 콜로이드 석출 실리카 입자를 발포 방지제 KS-538(신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤 제조) 0.5 g과 함께 구리 도금액 중에 분산시켰다. 격렬하게 교반하면서, 용약 온도를 실온에서 35 ℃로 상승시켰다. 미세한 거품이 발생하고 실리카는 적갈색으로 변색되어 금속성 구리가 실리카 표면상에 석출되었음을 나타내었다.
바닥에 침강한 도금된 실리카 입자를 여과 및 수세하고, 건조(30분 동안 50 ℃에서)한 후, 질소 치환된 전기로에서 1시간동안 300 ℃에서 소성하였다. 생성된 실리카 입자를 입체 현미경으로 관찰하여 실리카 입자가 전체 표면에 걸쳐 구리로 피복되었음을 확인하였다.
<실시예 7>
도데실벤젠술폰산 나트륨 계면 활성제를 생략하고, 실시예 4의 PPHS 처리 구형 실리카 100 g을 물 150 g 중에 넣고, 격렬한 교반을 분산을 위해 30분 동안 계속하였다. 팔라듐 처리를 위해, 1% PdCl2 수용액 70 g(염화팔라듐 0.7 g, 팔라듐 0.4 g)을 실리카-물 분산액 250 g에 첨가하고, 이어서 30분 동안 교반하고, 여과 및 수세하였다. 이 처리에 의해, 팔라듐 콜로이드가 실리카 표면에 접착되었고, 실리카는 짙은 회색으로 착색되었다.
팔라듐 콜로이드 석출 실리카를 여과에 의해 단리시키고, 수세하고, 즉시 실시예 6에서와 같이 계면 활성제 KS-538의 존재하에 도금하였다. 생성된 구리 도금 실리카는 견고하게 결합된 금속막을 가졌다.
<실시예 8>
팔라듐 콜로이드 석출 실리카의 제조
실시예 4의 PPHS 처리 구형 실리카 100 g을 계면 활성제로서 도데실벤젠술폰산 나트륨의 0.5% 수용액 50 g 중에 넣었다. 교반에 의해 실리카를 약 5분이라는 단시간내에 수중에 분산시켰다. 팔라듐 처리를 위해, 1%PdCl2 수용액(염화팔라듐 0.7 g, 팔라듐 0.4 g)을 실리카-물 분산액 150 g에 첨가하고, 이어서 30분 동안 교반하고, 여과 및 수세하였다. 이 처리에 의해, 팔라듐 콜로이드가 실리카 표면에 접착되어, 실리카는 짙은 회색으로 착색되었다.
팔라듐 콜로이드 석출 실리카를 여과에 의해 단리하고, 수세하고, 즉시 도금하였다.
니켈 도금 실리카의 제조
사용된 니켈 도금액은 무전해 니켈 도금액 Ni-901(고준도 가가꾸 겐뀨조 제조)를 5배 용량의 이온 교환수로 희석하여 얻어진 희석액 100 g이었다. 팔라듐 콜로이드 석출 실리카 입자를 발포 방지성 계면 활성제 KS-538(신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤 제조) 0.5 g과 함께 니켈 도금액 중에 분산시켰다. 격렬하게 교반하면서, 용액 온도를 실온에서 65 ℃로 상승시켰다. 미세한 거품이 생성되고 실리카는 흑색으로 변색되어 금속성 니켈이 실리카 표면상에 석출되었음을 나타내었다.
금 도금 실리카(1)의 제조
사용된 금 도금액은 희석하지 않은 무전해 금 도금액 K-24N(고준도 가가꾸 겐뀨조 제조) 100 g이었다. 전체 표면상에 석출된 금속성 니켈을 갖는 실리카 입자를 금 도금액 중에 분산시켰다. 격렬하게 교반하면서, 용액 온도를 실온에서 95 ℃로 상승시켰다. 이후에 즉시 미세한 거품이 생성되고 실리카는 황금색으로 변색되어, 실리카 표면상에 금이 석출되었음을 나타내었다.
바닥에 침강한 도금된 실리카 입자를 여과 및 수세하고, 건조(30분 동안 50 ℃에서)한 후, 질소 치환된 전기로에서 1시간 동안 500 ℃에서 소성하였다. 생성된 실리카 입자를 입체 현미경으로 관찰하여 실리카 입자가 전체 표면에 걸쳐 금으로 피복되었음을 확인하였다. 이 실리카에 대한 IPC 분석에서, 팔라듐, 니켈 및 금이 검출되었다.
<실시예 9>
금 콜로이드 석출 실리카의 제조
실시예 6의 PPHS 처리 실리카 100 g을 계면 활성제로서 도데실벤젠술폰산 나트륨의 0.5% 수용액 50 g 중에 넣었다. 교반에 의해, 실리카를 약 5분이라는 단시간내에 수중에 분산시켰다. 금 처리를 위해, 3% NaAuCl4 수용액(소듐 클로로아우레이트 2.1 g) 70 g을 실리카-수 분산액 150 g에 첨가하고, 이어서 30분 동안 교반하고, 여과 및 수세하였다. 이 처리에 의해, 금 콜로이드가 실리카 표면에 접착되어 실리카가 엷은 자주색으로 착색되었다. 금 콜로이드 석출 실리카를 여과에 의해 단리하고, 수세하고, 즉시 도금하였다.
금 도금 실리카(2)의 제조
금 콜로이드 석출 실리카를 발포 방지성 계면 활성제 KS-538(신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤 제조) 0.5 g과 함께 상기 무전해 금 도금액 중에 분산시켰다. 격렬하게 교반하면서, 용액 온도를 실온에서 85 ℃로 상승시켰다. 이후, 즉시 미세한 거품이 발생하고, 실리카는 황금색으로 변색되어 실리카 표면상에 금이 석출되었음을 나타내었다.
바닥에 침강한 도금된 실리카 입자를 여과 및 수세하고, 건조(30분 동안 50 ℃에서)한 후, 질소 치환 전기로에서 1시간 동안 500 ℃에서 소성하였다. 생성된 실리카 입자를 입체 현미경으로 관찰하여 실리카 입자가 전체 표면에 걸쳐 금으로 피복되었음을 확인하였다. 이 실리카에 대한 IPC 분석에서, 단지 금만이 검출되었으며, 팔라듐, 니켈 및 구리와 같은 다른 원소들은 검출되지 않았다.
<실시예 10>
팔라듐 콜로이드 석출 실리카의 제조
실시예 6의 PPHS 처리 구형 실리카 100 g을 계면 활성제 서피놀 504(닛신 케미칼 인더스트리 가부시끼가이샤 제조)의 0.5% 수용액 50 g 중에 넣었다. 교반에 의해, 실리카를 약 5분이라는 단시간내에 수중에 분산시켰다. 팔라듐 처리를 위해, 1% PdCl2 수용액(염화팔라듐 0.7 g, 팔라듐 0.4 g) 70 g을 실리카-수 분산액 150 g에 첨가하고, 이어서 30분 동안 교반하고, 여과 및 수세하였다. 이 처리에 의해, 팔라듐 콜로이드가 실리카 표면에 접착되어 실리카가 짙은 회색으로 변색되었다. 팔라듐 콜로이드 석출 실리카를 여과에 의해 단리시키고, 수세하고, 즉시 도금하였다.
팔라듐 콜로이드 석출 실리카의 니켈 도금
니켈 도금에 사용되는 환원 용액은 이온 교환수로 희석한 2.0 M 차아인산 나트륨, 1.0 M 아세트산 나트륨 및 0.5 M 글리신의 혼합물 100 g이었다. 팔라듐 콜로이드 석출 실리카를 발포 방지제 KS-538(신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤 제조) 0.5 g과 함께 니켈 도금 환원 용액 중에 분산시켰다. 격렬하게 교반하면서, 용액 온도를 실온에서 65 ℃로 상승시켰다. 이온 교환수 중의 2.0 M 수산화나트륨의 희석액을 공기에 의해 환원 용액에 전달 및 적가하고, 동시에 이온 교환수 중의 1.0 M 황산 니켈의 희석액을 질소 가스에 의해 환원 용액에 전달 및 적가하였다. 이때, 미세한 거품이 발생하고 실리카는 흑색으로 변색되어 금속성 니켈이 실리카 표면상에 석출되었음을 나타내었다. 실리카 입자는 전체 표면상에 석출된 금속성 니켈을 가졌으며, 어떠한 응집체나 덩어리도 석출되어 있지 않음을 확인하였다.
니켈 도금 실리카의 금 도금
사용된 금 도금액은 희석하지 않은 금 도금액 K-24N(고준도 가가꾸 겐뀨조 제조) 100 g이었다. 전체 표면상에 석출된 금속성 실리카를 가진 실리카 입자를 금 도금액 중에 분산시켰다. 격렬하게 교반하면서, 용액 온도를 실온에서 95 ℃로 상승시켰다. 이후 즉시 미세한 거품이 발생하고, 실리카는 황금색으로 변색하여 실리카 표면상에 금이 석출되었음을 나타내었다.
바닥에 침강한 도금된 실리카 입자를 여과 및 수세하고, 건조(30분 동안 50 ℃에서)한 후, 수소 치환된 전기로에서 1시간 동안 300 ℃에서 소성하였다. 생성된 실리카 입자를 입체 현미경으로 관찰하여 실리카 입자가 전체 표면에 걸쳐 금으로 피복되었음을 확인하였다. 이 실리카에 대한 IPC 분석에서, 팔라듐, 니켈 및 금이 검출되었다.
실리카-실리콘 중합체-니켈-금 구조를 갖는 도전성 실리카의 확인
금 도금 실리카를 에폭시 수지(아랄디트(Araldite) A/B)와 혼합한 후 경화시켜 얇게 잘랐다. 조각을 전자 현미경으로 관찰하여 실리카 부분과 다상 도금된 부분으로 이루어진 2층 구조를 확인하였다.
금 도금 실리카를 오거(Auger) 전자 스펙트럼으로 분석하여 표면을 이온 에칭하면서 구성 원소를 깊이 방향에서 분석하였다. 실리카 입자는 깊이 방향으로 쌓여진 금층, 니켈층, 실리콘 중합체층(탄소와 규소 함유층) 및 실리카층으로 이루어진 4층 구조를 갖는 것으로 확인되었다. 실리카 입자는 현미경으로 관찰하니 황색 외관을 가졌으며, 비중은 3.5이었다. 금층의 두께는 0.03 ㎛이고, 니켈층의 두께는 0.25 ㎛이고, 실리콘 중합체층의 두께는 0.1 ㎛이었다.
실리카-실리콘 중합체-니켈-금 구조를 갖는 도전성 실리카의 특성
금 도금 실리카를 4개의 단자를 갖는 실린더형 셀 중에 도입하고, 전원 SMU-257(케이틀리(Keithley Co.)사 제조)로부터 대향된 양쪽 말단에서 0.2 cm2 면적의 단자를 가로지르는 전류 1 mA 내지 10 mA를 통하게 하고, 나노볼트 미터 모델 2000(케이틀리사 제조)의 수단에 의해 실린더의 중심에서 0.2 cm 이격된 단자를 가로지르는 전압 강하를 측정함으로써 금 도금 실리카의 전기 저항률을 측정하였다. 금 도금 실리카는 저항률 2.2 mΩ·cm를 가졌다. 금 도금 실리카를 1분 동안 막자사발로 분쇄하고, 이어서 4시간 동안 200 ℃에서 열처리하고, 이를 조사하여 그의 외관 및 저항률이 아무런 변화가 없었음을 확인하였다.
비교 목적으로, 팔라듐 콜로이드 석출 실리카상에 니켈 도금을 행하는 단계에서 어떠한 질소 가스나 공기도 사용되지 않았다. 도금 반응의 말기에 응집체 및 덩어리의 석출물이 확인되었다. 이 금 도금 실리카는 초기 저항률 3.2 mΩ·cm를 가졌다. 실리카를 막자사발로 1분 동안 분쇄하고, 이어서 4시간 동안 200 ℃에서 열처리한 후 실리카를 조사하였다. 금속 박리가 발생하고, 외관은 갈색으로 변색되었으며, 저항률은 75 mΩ·cm로 증가하였다.
본 발명에 따라 고온에서도 입자 기재와 금속 사이에 강한 결합을 가지며, 고도전성, 내열성 및 도전 안정성을 나타내는 금속화된 분체가 제공된다. 도전성 분체는 고무 조성물 중에 블렌딩되어 도전성 고무 조성물을 제공하며, 이로부터 저비중에도 불구하고 고도전성을 가지며 승온하에서도 도전 안정성을 갖는 도전성 고무 성형체가 얻어진다. 도전성 고무 성형체는 신뢰성있는 커넥터 및 가스켓으로서 사용될 수 있다.
비록 일부 바람직한 실시태양이 기재되어 있지만, 상술한 기술의 관점에서 다양한 변형 및 변화가 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허청구범위 내에서 이탈하지 않고 구체적으로 기재된 바와 달리 수행될 수 있음을 이해해야 한다.
도 1은 도전성 분체의 도전성을 측정하기 위한 장치를 예시한다.
도 2는 접착력을 위한 분쇄기형 장치를 예시한다.
도 3a 내지 3c는 실시예 4의 금 도금 실리카의 단면에 대한 현미경 사진이다.
도 4a 내지 4c는 실시예 5의 금 도금 실리카의 단면에 대한 현미경 사진이다.

Claims (23)

  1. 입자, 각각의 입자 표면상에 형성된 환원 효과를 갖는 유기 실리콘 중합체층, 및 유기 실리콘 중합체층을 둘러싸는 금속층을 포함함을 특징으로 하는 도전성 분체.
  2. 입자, 각각의 입자 표면상에 형성된 환원 효과를 갖는 유기 실리콘 중합체로부터 부분적 또는 전체적으로 형성된 세라믹층, 및 세라믹층을 둘러싸는 금속층을 포함함을 특징으로 하는 도전성 분체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속층이 제1 금속층, 및 제1 금속층을 둘러싸는 제2 금속층을 포함하는 도전성 분체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 금속층이 니켈, 구리, 은, 코발트, 텅스텐, 철 및 아연으로 이루어진 군 중에서 선택되고, 상기 제2 금속층이 금, 백금 및 팔라듐으로 이루어진 군 중에서 선택되는 도전성 분체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 금속층이 니켈이고, 상기 제2 금속층이 금인 도전성 분체.
  6. 제3항에 있어서, 상기 입자가 실리카로 이루어진 도전성 분체.
  7. 입자, 및 각각의 입자 표면상에 연속적으로 형성된 유기 실리콘 중합체층, 니켈-인 합금층 및 금층을 포함하고, 상기 니켈-인 합금층은 내표면 및 외표면 영역의 인 함량이 상이한 것을 특징으로 하는 도전성 분체.
  8. 입자, 각각의 입자 표면상에 연속적으로 형성된 유기 실리콘 중합체로 부분적 또는 전체적으로 이루어진 세라믹층, 니켈-인 합금층 및 금층을 포함하고, 상기 니켈-인 합금층은 내표면 및 외표면 영역의 인 함량이 상이한 것을 특징으로 하는 도전성 분체.
  9. 삭제
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 환원성 실리콘 중합체가 Si-Si 결합 및(또는) Si-H 결합을 갖는 폴리실란, 폴리카르보실란, 폴리실록산 및 폴리실라잔으로 이루어진 군 중에서 선택되는 도전성 분체.
  11. 제10항에 있어서, 상기 폴리실란이 하기 화학식 1로 표시되는 도전성 분체.
    <화학식 1>
    (R1 mR2 nXpSi)q
    식 중,
    R1 및 R2는 각각 수소 또는 치환되거나 또는 비치환된 1가 탄화수소기이고,
    X는 R1에 대해 정의한 바와 같은 기, 알콕시기, 할로겐 원자, 산소 원자 또는 질소 원자이고,
    m, n 및 p는 0.1≤m≤2, 0.1≤n≤1, 0≤p≤0.5, 그리고 1≤m+n+p≤2.5를 충족시키는 수이고,
    q는 4≤q≤100,000의 정수이다.
  12. 제10항에 있어서, 상기 폴리실록산이 하기 화학식 2로 표시되는 도전성 분체.
    <화학식 2>
    (R3 aR4 bHcSiOd)e
    식 중,
    R3 및 R4는 각각 수소, 치환되거나 또는 비치환된 1가 탄화수소기, 알콕시기 또는 할로겐 원자이고,
    a, b, c 및 d는 0.1≤a≤2, 0≤b≤1, 0.01≤c≤1, 0.5≤d≤1.95, 그리고 2≤a+b+c+d≤3.5를 충족시키는 수이고,
    e는 2≤e≤100,000의 정수이다.
  13. 각각의 입자를 환원 효과를 갖는 유기 실리콘 중합체로 처리하여 입자 표면상에 유기 실리콘 중합체층을 형성하는 단계,
    0.54 V 이상의 표준 산화 환원 전위를 갖는 금속의 염으로 입자를 처리하여 유기 실리콘 중합체층상에 금속 콜로이드를 석출시키는 단계, 및
    이후에 입자를 무전해 도금액으로 처리하여 입자의 최외표면상에 금속층을 석출시키는 단계
    를 포함함을 특징으로 하는 도전성 분체의 제조 방법.
  14. (1) 각각의 입자를 환원 효과를 갖는 유기 실리콘 중합체로 처리하여 입자 표면상에 유기 실리콘 중합체층을 형성하는 단계,
    (2) 0.54 V 이상의 표준 산화 환원 전위를 갖는 금속의 염을 함유하는 용액으로 입자를 처리하여 실리콘 중합체층상에 금속 콜로이드를 석출시키는 단계,
    (3) 촉매로서 작용하는 금속 콜로이드로 입자상에 무전해 도금을 수행하여 유기 실리콘 중합체층의 외표면상에 제1 금속층을 석출시키는 단계, 및
    (4) 입자상에 도금을 행하여 제1 금속층 상에 제2 금속층을 형성하는 단계
    를 포함함을 특징으로 하는 도전성 분체의 제조 방법.
  15. (1) 각각의 입자를 환원 효과를 갖는 유기 실리콘 중합체로 처리하여 입자 표면상에 유기 실리콘 중합체층을 형성하는 단계,
    (2) 0.54 V 이상의 표준 산화 환원 전위를 갖는 금속의 염을 함유하는 용액으로 입자를 처리하여 유기 실리콘 중합체층상에 금속 콜로이드를 석출시키는 단계,
    (3) 제1 농도의 인계 환원제를 갖는 제1 무전해 니켈 도금액 중에서 입자상에 무전해 니켈 도금을 행하고, 이어서 제1 농도와는 상이한 제2 농도의 인계 환원제를 갖는 제2 무전해 니켈 도금액 중에서 입자상에 무전해 니켈 도금을 행하여, 내표면 및 외표면 영역의 인 함량이 상이한 니켈-인 합금층을 유기 실리콘 중합체층의 외표면상에 석출시키는 단계, 및
    (4) 입자상에 금 도금을 행하여 니켈-인 합금층상에 금층을 형성하는 단계
    를 포함함을 특징으로 하는 도전성 분체의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서, 제2 무전해 니켈 도금액이 니켈염, 착제 및 pH 조정제 중 하나 이상을 함유하나 인계 환원제가 없는 수용액을 제1 무전해 니켈 도금액에 보충하므로써 얻어지는 방법.
  17. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 유기 실리콘 중합체층으로 피복된 입자를 계면 활성제의 존재 또는 부재하에 금속염을 함유하는 용액으로 처리하므로써 실리콘 중합체층의 표면상에 금속이 전달되고, 이에 따라 금속 콜로이드층이 형성되고, 이어서 입자를 계면 활성제의 존재하에 무전해 도금액으로 처리하여 무전해 도금액으로부터 금속층이 석출되는 방법.
  18. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 환원성 실리콘 중합체가 Si-Si 결합 및(또는) Si-H 결합을 갖는 폴리실란, 폴리카르보실란, 폴리실록산 및 폴리실라잔으로 이루어진 군 중에서 선택되는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 폴리실란이 하기 화학식 1로 표시되는 방법.
    <화학식 1>
    (R1 mR2 nXpSi)q
    식 중,
    R1 및 R2는 각각 수소 또는 치환되거나 또는 비치환된 1가 탄화수소기이고,
    X는 R1에 대해 정의한 바와 같은 기,알콕시기, 할로겐 원자, 산소 원자 또는 질소 원자이고,
    m, n 및 p는 0.1≤m≤2, 0.1≤n≤1, 0≤p≤0.5, 그리고 1≤m+n+p≤2.5를 충족시키는 수이고,
    q는 4≤q≤100,000의 정수이다.
  20. 제18항에 있어서, 상기 폴리실록산이 하기 화학식 2로 표시되는 방법.
    <화학식 2>
    (R3 aR4 bHcSiOd)e
    식 중,
    R3 및 R4는 각각 수소, 치환되거나 또는 비치환된 1가 탄화수소기, 알콕시기 또는 할로겐 원자이고,
    a, b, c 및 d는 0.1≤a≤2, 0≤b≤1, 0.01≤c≤1, 0.5≤d≤1.95, 그리고 2≤a+b+c+d≤3.5를 충족시키는 수이고,
    e는 2≤e≤100,000의 정수이다.
  21. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 0.54 V 이상의 표준 산화 환원 전위를 갖는 금속이 팔라듐, 은 또는 금인 방법.
  22. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 무전해 도금이, 환원제를 함유하는 수용액 중에 석출된 금속 콜로이드를 갖는 입자를 분산시키고, 여기에 가스에 의해 전달되는 금속염 수용액을 첨가하므로써 수행되는 방법.
  23. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 금속층으로 피복된 입자를 150 ℃ 이상의 온도에서 열처리하여 유기 실리콘 중합체의 적어도 일부를 세라믹으로 전환시키는 단계를 더 포함하는 방법.
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