KR100726591B1

KR100726591B1 - 무기전도성 잉크용 Ｎｉ계 나노 분말의 제조방법

Info

Publication number: KR100726591B1
Application number: KR1020050128247A
Authority: KR
Inventors: 양충진; 박언병; 변갑식; 박종일; 손영근; 이영주
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2007-06-12

Abstract

본 발명은 무기전도성 잉크용 Ni계 나노 분말의 제조방법에 관한 것으로, 특히 마이크로 크기의 Ni 입자를 RF 플라즈마 연소장치에서 반응시킴으로써 고체 형태의 초기 원료를 사용하여 초기 원료의 형상에 관계없이 나노 크기의 금속입자를 제조할 수 있고, 이후 나노 크기의 금속 입자가 산화되지 않으며, 입자 회수율이 우수한 무기전도성 잉크용 Ni계 나노 분말의 제조방법에 관한 것이다.

나노 분말, Ni, RF 프라즈마, 무기전도성 잉크

Description

무기전도성 잉크용 Ｎｉ계 나노 분말의 제조방법 {METHOD FOR PREPARING OF NI NANO POWDER FOR INORGANIC CONDUCTING INK}

도 1은 본 발명에서 사용되는 RF 플라즈마 연소장치를 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명의 나노 크기의 Ni 분말의 제조방법을 나타낸 모식도이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 제조한 나노 크기의 Ni 분말의 XRD 회절 분석 결과를 나타내는 것이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 제조한 나노 크기의 Ni 분말의 전자현미경 사진이다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 제조한 나노 크기의 Ni 분말의 입도 전자현미경 사진이다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 제조한 나노 크기의 Ni 합금 분말의 투과전자현미경 사진이다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 제조한 나노 크기의 Ni 합금 분말의 XRD 회절 분석 결과를 나타낸 것이다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 제조한 나노 크기의 Ni 합금 분말의 자기특성을 나타낸 것이다.

본 발명은 무기전도성 잉크용 Ni계 나노 분말의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고체 형태의 초기 원료를 사용하여 초기 원료의 형상에 관계없이 나노 크기의 금속입자를 제조할 수 있고, 이후 나노 크기의 금속 입자가 산화되지 않으며, 입자 회수율이 우수한 무기전도성 잉크용 Ni계 나노 분말의 제조방법에 관한 것이다.

인쇄 잉크란 인쇄와 불가분의 관계를 갖고 있는데, 인쇄관점에서 볼 때 잉크란 원고 또는 판의 화상을 인쇄수단에 의해 피인쇄물의 표면에 형성, 고정하는 상을 형성하는 재료이다.

인쇄 잉크는 1940 년대 국내에서 다색의 잉크로 복합다색의 인쇄가 가능하게 되었고, 2002 년도에 와서는 다양한 연구개발로 국제시장에서도 판매되고 있을 정도이다.

일반적으로, 인쇄 잉크는 주제와 조제로 나뉘며, 상기 주제는 안료와 매질을 말하며, 조제는 인새적성, 건조성, 색상조정 등을 위한 첨가제를 말한다. 상기 주제는 잉크의 성능을 좌우하는 요인으로 이에 의해 잉크젯 잉크, ??셋(off-set) 잉크, 그라비아(gravure) 잉크, 활판 잉크, 실크스크린 잉크 등으로 나뉜다. 상기 안료는 잉크 종류에 관계없이 사용할 수 있는 소재로 특수한 조건, 즉 내용제성, 내광성, 무연성, 내후성 등 많은 물성이 요구될 때는 안료를 별도로 선정하여 사용한다. 또한, 안료에는 유기안료와 무기안료가 있는데, 유기안료와 무기안료는 분 말 형태의 물질이며, 그 외 체질안료로서 색상과 관계없이 잉크의 점도 또는 농도를 좌우하는 첨가 주제이다.

한편, 일반적으로 상용화된 금속계 나노(nano) 분말은 기상법으로 제조되고 있으며, 이는 생산의 효율이나 재생성, 경제성 등에서 볼 때 당연한 결과로 보여진다. 이상법 중에서도 상용화가 입증된 기술로는 플라즈마를 이용한 합성법(plasma combustion, 미국특허 제5,486,675호), 열 합성법(fuel gas combustion, 미국특허 제5,788,738호) 등이 널리 사용되고 있다. 그러나, 상기 기술들은 금속계의 나노 입자 분말을 얻기 위해서 공급되는 전구체(precursor)가 그 금속원소가 포함된 액상의 형태, 즉 염이나 수산화물, 질화물, 또는 그들이 용매에 풀어져 있는 상태의 현탁액(suspension)으로 공급되어야 하며, 이에 따라 입자의 회수율이 작고, 공정이 공기 중에서 이루어져 합성 후 입자가 쉽게 산화된다는 문제점이 있었다.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 고체 형태의 초기 원료를 사용하여 진공 중에서 플라즈마 연소기법을 사용함으로써 초기 원료의 형상에 관계없이 나노 크기의 금속입자를 제조할 수 있고, 이후 나노 크기의 금속 입자가 산화되지 않으며, 입자 회수율이 우수한 무기전도성 잉크용 Ni계 나노 분말의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 무기전도성 잉크용 Ni계 나노 분말의 제조방법에 있어서, 마이크로 크기의 Ni 입자를 RF 플라즈마 연소장치에서 반응 시키는 것을 특징으로 하는 무기전도성 잉크용 Ni계 나노 분말의 제조방법을 제공한다.

구체적으로, 본 발명은 마이크로 크기의 Ni 입자를 RF 플라즈마 연소장치에 투입하면서 RF power를 15∼150 KW로 조절하여 플라즈마를 발생시키고, RF 플라즈마 연소장치에 절연가스, 중앙가스, 및 이송가스를 투입한 후, 상기 마이크로 크기의 Ni 입자가 5,000∼10,000 K의 고온 환경의 플라즈마 화염에 도달하여 기화시킨 다음, 여기에 냉각가스를 투입하여 기화상태의 Ni 입자를 급냉시킴으로써 나노 입자를 생성한다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 무기전도성 잉크용 Ni계 나노 분말은 마이크로 크기의 Ni 입자를 RF 플라즈마 연소장치에서 반응시켜 나노 크기의 Ni 분말로 제조하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 사용되는 상기 마이크로 크기의 Ni 입자는 10 내지 200 ㎛ 크기의 Ni, 또는 Ni를 포함하는 Ni 합금 금속을 사용할 수 있다.

상기 마이크로 크기의 Ni 입자는 본 발명의 무기전도성 잉크용 Ni계 나노 분말의 제조시 출발 원료로 투입되며, 이때 출발시 투입되는 상기 마이크로 크기의 Ni 입자는 고체 상태인 것이 바람직하다.

상기와 같은 마이크로 크기의 Ni 입자는 도 1에 도시한 RF 플라즈마 연소장치를 통하여 최종 나노 크기의 Ni 분말로 제조된다.

도 1에 도시한 RF 플라즈마 연소장치는 고전류/저전압의 전력을 이용하여 플 라즈마 연소를 시키는 플라즈마 발생 노즐(10-1), 프라즈마 연소에 의해 입력된 출발원료가 기화되는 반응실(10-2), 반응하여 합성된 나노 입자가 1차로 모여지는 사이클론(20-1), 상기 1차로 모여진 나노 입자가 2차적으로 좀더 작은 입자로 걸러지는 필터(20-2), 및 최종적으로 진공 중에서 합성된 최종 나노 입자를 수거하는 글러브 박스(30)로 구성되며, 그 외 각 주요 부분들을 잇는 배관 파이프(40)가 연결되어 기화로부터 고상의 나노 입자가 플라즈마 발생 장치(10-2)로 주입된 절연용 가스 또는 추가로 첨가되는 각종 가스의 흐름에 따라 최종 수거된다.

구체적으로, 플라즈마 발생부(10-1)는 RF를 발생시킬 수 있도록 플라즈마 발생부 주위에 인덕션 코일(induction coil, 10-3)이 감겨 있다. 상기 인덕션 코일(10-3)은 전력 조절에 의해 플라즈마 화염(10-4)의 직경과 길이를 길게 하는 역할을 한다. 또한, 플라즈마 발생부(10-1)의 중앙으로 초기 출발 원료가 투입되는 투입관(10-5)으로 연결된 각 가스 입력구(10-6)를 통하여 초기 마이크로 분말이 투입되는 투입관(10-5)의 외벽에 가스를 분사하는 중앙 가스(central gas)와 RF 발생 장치인 인덕션 코일(10-3)의 외벽에 기화된 금속 원소가 부착되지 않게 추가로 투입되는 절연 가스(sheath gas), 그리고 초기 투입되는 마이크로 크기의 출발 물질을 플라즈마 발생 장치부로 이송해주는 이송 가스(carrier gas)로 구성된다.

도 1에 도시한 RF 플라즈마 연소장치에 따라 본 발명의 나노 크기의 Ni 분말의 제조방법에 대하여 도 2에 나타낸 모식도에 따라 설명하면, 분말 투입기(60)로부터 플라즈마 발생부로 투입된 마이크로 분말이 플라즈마(plasma) 화염에 도달하면, 생성되는 플라즈마 온도가 5,000∼10,000 K의 고온 환경을 형성하여 투입된 분 말이 기화 또는 용해된다. 이때, 플라즈마 토치(plasma torch)의 하단부로부터 강하게 분사되는 냉각 가스(quenching gas)에 의해 기화상태에 있던 금속 가스 알갱이가 응축 또는 급냉되어 나노 크기의 입자가 생성된다. 이렇게 생성된 나노 입자는 진공 펌프(50-1) 또는 컴프레셔(compressor, 50-2)에 의해 이송되고, 사이클론(cyclone, 20-1)을 지나면서 분말의 온도가 하강되고, 최종 필터(20-2)를 거쳐 글러브 박스(30)에 나노 입자들은 수거되고, 이송 가스는 외부관(50-3)을 통하여 나가게 된다. 또한, 일정량이 최종 필터(20-2) 외벽에 흡착되면 필터 내부에서 역으로 고압의 가스를 불어넣어 나노 분말을 필터 벽으로부터 탈착시키고, 하단의 나노 분말 수거통인 글러브 박스(30)에서 회수한다. 상기의 과정을 통해 합성된 나노 크기의 Ni 분말은 반응가능 기체와 접촉하는 표면적이 매우 넓기 때문에 회수 및 처리과정에서 산화가 되지 않도록 주의를 해야 한다.

상기와 같은 과정을 통하여 최종적으로 얻어지는 나노 입자의 입도 및 회수량은 이송 가스, 중앙 가스, 절연 가스, 및 냉각 가스 등의 유량과 속도에 따라 그 분포를 결정하며, 특히 절연 가스의 종류에 따라 플라즈마 화염의 온도 분포에 큰 영향을 주므로, 얻고자하는 Ni의 특성에 따라 최적의 조건 정립이 필요하다.

상기 이송 가스는 아르곤, 질소, 또는 산소 등의 가스를 사용할 수 있으며, 그 양은 10 내지 100 slpm으로 투입되는 것이 좋으며, 상기 중앙 가스는 아르곤 또는 질소 등의 가스를 사용할 수 있으며, 그 양은 10 내지 50 slpm로 투입되는 것이 좋으며, 상기 절연 가스는 아르곤, 질소, 또는 산소 등의 가스를 사용할 수 있으며, 그 양은 50 내지 200 slpm로 투입되는 것이 좋다. 또한, 상기 냉각 가스는 아 르곤, 질소, 또는 산소 등의 가스를 사용할 수 있으며, 그 양은 50 내지 500 slpm으로 투입되는 것이 좋다.

상기와 같이 제조된 본 발명의 무기도전성 잉크용 Ni계 나노 분말의 크기는 5 내지 100 ㎚인 것이 좋다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

실시예 1

RF 플라즈마 연소장치를 이용하여 나노 크기의 Ni 분말을 합성하기 위하여 출발 원료로 평균입도가 70 ㎛이고, 순도가 99.9 %인 Ni 분말을 준비하였다. 상기 70 ㎛의 Ni 분말을 분말 투입기통에 넣고, 투입기에 설치된 회전기를 운전하여 10 rpm의 속도로 회전시키면서 투입기에 30 %의 진동을 가하면서 원료를 플라즈마 발생기로 노즐을 통하여 공급하였다. RF plasma power는 25∼60 kW로 조절하여 플라즈마 화염을 발생시킨 후, 투입되는 각 부분의 Ar gas의 유량 및 속도를 조절하였다. 이때, 최종 수득될 나노 크기의 Ni 입자의 특성을 고려하여 모든 각 부위의 가스는 Ar을 사용하였으며, 하기 표 1과 같은 조건하에서 실험하였다.

조건
RF Plasma power	20∼60 kW
Gas	이송 가스	Ar, 10∼80 slpm
	중앙 가스	Ar, 10∼50 slpm
	절연 가스	Ar, 50∼200 slpm
	냉각 가스	Ar 100∼300 slpm

상기와 같이 투입된 70 ㎛의 Ni 분말은 플라즈마의 고온에 의해 열분해 및 재성장 과정을 거쳐 Ni 나노 분말로 합성되었다.

최종 글러브 박스에서 수거된 나노 분말의 상(phase) 형성 여부 및 제2상의 존재 여부는 XRD 회절 분석을 통해 확인하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 수득된 Ni 나노 분말의 결정구조가 면심입방격자(face centered cubic)를 가진 완전 구형의 Ni 결정입자가 형성되었으며, Ni 만이 주 결정상(100 %)이고, 제2상 또는 산화물은 전혀 관찰되지 않았다.

또한, 최종 입자가 나노 크기인지를 확인하기 위하여 투과전자현미경(TEM)과 입도 분석기를 통하여 관찰하고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 수득된 Ni 나노 분말의 입자 크기는 20∼70 ㎚이었으며, 면심입방격자의 결정성을 지녔음을 확인할 수 있었다.

실시예 2

상기 실시예 1에서 이송 가스를 30 slpm, 중앙 가스를 20 slpm, 절연 가스를 100 slpm, 및 냉각 가스를 300 slpm로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시한 결과, 최종 평균입도가 50 ㎚인 Ni 나노 분말을 수득하였다. 상기 수득한 Ni 나노 분말을 입도 분석기를 통하여 분석한 결과는 도 5에 나타내었다.

이에 따라, 본 발명에서 사용되는 각 가스의 유량을 조절함으로써 최종 수득되는 입자의 형상, 입도 등을 제어할 수 있음을 알 수 있었다.

실시예 3

상기 실시예 1에서 출발 원료로 Ni 80 중량%, Fe 16 중량%, Mo 4 중량%의 합금 조성을 가진 분말을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 최종 Ni-Fe-Mo 합금 나노 입자 분말을 제조하였다.

상기 제조한 Ni-Fe-Mo 합금 나노 입자 분말의 특성을 확인한 결과 Ni 금속 원료를 사용한 경우와 마찬가지로 30∼100 ㎚ 범위의 출발 원료의 조성과 동일한 나노 입자를 제조할 수 있었다. 또한, 상기 Ni-Fe-Mo 합금 나노 입자 분말의 입자형상, 상분석, 및 자기특성을 도 6 내지 8에 나타내었다.

이상에서 본 발명의 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이 다.

Claims

무기전도성 잉크용 Ni계 나노 분말의 제조방법에 있어서,

마이크로 크기의 Ni 입자를 절연가스, 중앙가스, 및 이송가스와 함께 RF 플라즈마 연소장치에 투입하여 RF 플라즈마의 화염에 의해 상기 마이크로 크기의 Ni 입자를 기화시키고, 상기 RF 플라즈마 연소장치에 플라즈마 토치의 하단부로부터 냉각가스를 투입하여 상기 기화상태의 Ni 입자를 급냉시키며, 상기 급냉된 Ni 입자로부터 마이크로 크기의 입자와 나노크기의 입자 분리를 통해 Ni 계 나노분말을 제조하는 것 을 특징으로 하는 무기전도성 잉크용 Ni계 나노 분말의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 제조방법이 마이크로 크기의 Ni 입자를 RF 플라즈마 연소장치에 투입하면서 RF power를 15∼150 KW로 조절하여 플라즈마를 발생시키고, RF 플라즈마 연소장치에 절연가스, 중앙가스, 및 이송가스를 투입한 후, 상기 마이크로 크기의 Ni 입자가 5,000∼10,000 K의 고온 환경의 플라즈마 화염에 도달하여 기화시킨 다음, 여기에 냉각가스를 투입하여 기화상태의 Ni 입자를 급냉시키는 것을 특징으로 하는 무기전도성 잉크용 Ni계 나노 분말의 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 마이크로 크기의 Ni 입자가 10 내지 200 ㎛ 크기이고, 고체상태의 Ni 또는 Ni를 포함하는 Ni 합금 금속인 것을 특징으로 하는 무기전도성 잉크용 Ni계 나노 분말의 제조방법.
제2항에 있어서,

상기 이송 가스는 아르곤, 질소, 및 산소 가스로 이루어지는 군으로부터 1 종 이상 선택되며, 10 내지 100 slpm으로 투입되고, 상기 중앙 가스는 아르곤 또는 질소 가스이며, 10 내지 50 slpm로 투입되고, 상기 절연 가스는 아르곤, 질소, 및 산소 가스로 이루어지는 군으로부터 1 종 이상 선택되며, 50 내지 200 slpm로 투입되고, 상기 냉각 가스는 아르곤, 질소, 및 산소 가스로 이루어지는 군으로부터 1 종 이상 선택되며, 50 내지 500 slpm으로 투입되는 것을 특징으로 하는 무기도전성 잉크용 Ni계 나노 분말의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 Ni계 나노 분말의 크기가 5 내지 100 ㎚인 것을 특징으로 하는 무기도전성 잉크용 Ni계 나노 분말의 제조방법.