KR100726592B1

KR100726592B1 - 무기 전도성 잉크용 나노(ｎａｎｏ) 동(Ｃｕ)분말 제조방법

Info

Publication number: KR100726592B1
Application number: KR1020050129118A
Authority: KR
Inventors: 양충진; 박언병; 변갑식; 손영근; 이영주; 박종일
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2005-12-23
Filing date: 2005-12-23
Publication date: 2007-06-12

Abstract

본 발명은 전도성 잉크(ink)를 제조하는데 사용하는 무기 입자 전도성 나노(nano) 분말로 사용할 수 있는 동(Cu)의 나노 입자를 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 RF 플라즈마 연소장치를 이용하여 발생 개스의 유량과 압력을 제어하여 동(Cu) 또는 동(CU) 합금조성의 나노 분말을 제조하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 플라즈마 연소기법을 쓰되 합성이 진공 중에서 이루어지게 하면서 합성 반응실에 공급되는 초기 원료가 고체형태를 가지면서 초기 원료의 형상에 관계없이 나노(nano) 크기의 금속 입자가 산화되지 않고 얻어지는 효과가 있다.

Description

무기 전도성 잉크용 나노(ｎａｎｏ) 동(Ｃｕ)분말 제조 방법{Manufacturing method of nano copper powder for an inorganic matter conductivity ink}

도 1 RF 플라즈마 연소장치의 구성 및 나노 분말 제조 과정도.

도 2 RF 플라즈마 연소장치 내에서 나노 분말 제조 과정도.

도 3 Cu 존재상을 확인한 x-ray 회절패턴도.

도 4 Cu 존재상 및 입도를 보여주는 전자현미경 사진.

도 5 Cu 나노 입도제어를 통한 균일분포의 전자현미경 사진.

*** 도면 주요부분의 부호의 설명 ***

11 : 플라즈마 발생부 12 : 플라즈마 발생장치

13 : 인덕션 코일 14 : 플라즈마 화염

15 : 투입관 16 : 가스 입력구

21 : 사이클론 22 : 필터

30 : 글러브 박스 40 : 배관 파이프

51 : 진공펌프 52 : 컴프레셔

53 : 외부관 60 : 분말 투입기

인쇄 잉크란 인쇄와 불가분의 관계를 갖고 있는데, 인쇄관점에서 볼 때 잉크란 원고 또는 판의 화상을 인쇄수단에 의해 피인쇄물의 표면에 형성, 고정하는 상을 형성하는 재료다. 인쇄잉크는 1940년대 국내에서 다색의 잉크로 복합다색의 인쇄가 가능하게 되었고, 2002년도에 와서는 다양한 연구개발로 국제시장에서도 판매되고 있을 정도다.

인쇄잉크는 주제와 조제로 나뉘며, 주제는 안료와 매질을 말하고 조제는 인쇄적성 건조성 색상조정 등의 위한 첨가제이다. 주제는 잉크의 성능을 좌우하는 요인으로 이 주제에 의해 잉크젯 잉크, 옵셋(off-set) 잉크, 그라비아(gravure) 잉크, 활판 잉크, 실크스크린 잉크 등으로 나뉜다. 안료는 잉크 종류와 관계없이 사용할 수 있는 소재로, 특수한 조건, 즉, 내 용제성, 내 광성, 무연성, 내후성 등 많은 물성이 요구될 때는 안료를 별도로 선정하여 사용한다. 안료에는 유기안료 및 무기안료가 있는데, 유기와 무기는 분말 형태의 물질이며, 그 외 체질안료로서 색상과 관계없이 잉크의 점도 혹은 농도를 좌우하는 첨가 주제이다.

본 발명은 무기안료를 제조하는데 필요한 전도성의 금속 입자를 제조하는 기술이며, 특히 천이원소 계열인 동(Cu) 및 동 합금 나노 입자를 제조하는데 따른 발 명이다.

일반적으로 상용화 된 금속계 나노(nano) 분말은 기상 법으로 제조되고 있으며, 이는 생산의 효율이나 재생성, 경제성 등으로 볼 때 당연한 결과로 보여진다. 기상법 중에서도 상용화가 입증된 기술로는 플라즈마를 이용한 합성법(플라즈마 combustion)이나(US Patent No. 5486675: by P. R. Taylor et al., 1996. Jan. 23), 열 합성법(fuel gas combustion)(us Patent No : 5788738: by S. Pirzada et al., 1998, Aug.4) 등이 널리 확인되고 있다. 그러나 상기의 기술들은 금속계의 나노 입자분말을 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 한다. 따라서 입자의 회수율이 작고, 공정이 공기 중에서 이루어 지므로 합성 후의 입자가 용이하게 산화되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 보완하고 실용화에 가장 효율이 좋은 플라즈마 연소기법을 쓰되 합성이 진공 중에서 이루어지게 하면서 합성 반응실에 공급되는 초기 원료가 고체형태를 가지면서 초기 원료의 형상에 관계없이 나노(nano) 크기의 금속 입자가 산화되지 않고 얻어지는 신 공정법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명은 RF 플라즈마 연소장치를 이용 하여 발생 개스의 유량과 압력을 제어하여 동(Cu) 또는 동(CU) 합금조성의 나노 분말을 제조하는 것을 특징으로 한다.

원료 분말이 되는 마이크론 분말의 입도를 초기에 5~300 마이크론 입도로 제한하여 플라즈마 발생 장치를 통해 투입하면서, RF 파우워를 15-150kW로 조절하여 플라즈마를 발생시킨 후, 나노 입자 합성실 내에 산화성 분위기를 방지하기 위해 절연용 개스를 사용하고, 절연용 불활성 개스의 양을 50-200 slpm, 원료분말 이송용 불활성 개스를 10-50 slpm 투입하며, 분말 이송용 가스를 10-100 slpm투입하며, 합성된 분말의 냉각용 가스를 불활성 기체로 50-500 slpm을 사용하여 나노 입자의 동(Cu) 및 동(Cu) 계 합금 분말을 제조하는 것을 특징으로 한다.

공정을 시작함에 있어 출발 원료가 되는 마이크론 분말이 어떤 형태를 갖던 고체 입자를 이루고 있으면 최종 제조된 금속 나노 입자는 완전 구형이 되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 RF 플라즈마 연소장치의 구성 및 나노 분말 제조 과정도이다.

도 1을 참조하면, 장치는 기본적으로 고전류/저전압의 전력을 이용하여 플라즈마 연소를 시키는 플라즈마 발생부(11), 플라즈마 연소에 의해 입력된 출발원료가 기화가 되는 플라즈마 발생장치(12), 반응하여 합성된 나노 입자 중에서 일차로 모여지는 사이클론(21), 이차적으로 좀 더 작은 나노 입자가 걸러지는 필터(22)부, 그리고 최종적으로 진공 중에서 합성된 최종의 나노 입자를 수거하는 글러브 박스(30)로 구분된다. 그 외 각 주요 부분들을 잇는 배관 파이프(40)가 연결되어 기화로부터 고상의 나노 입자가 플라즈마 발생 장치(12)로 주입된 플라즈마 개스(Ar) 또는 추가로 첨가되는 각종 개스(산소, 질소 또는 수소, 등)의 흐름에 따라 최종 수거가 된다.

플라즈마 발생부(11)는 RF를 발생시킬 수 있도록 플라즈마 발생부(11) 주위에 인덕션 코일(induction coil)(13)을 감고 있으며, 인덕션 코일(13)의 전력 조절에 의해 플라즈마 화염(14)의 직경과 길이를 길게 하는 역할을 하며, 플라즈마 발생부(11)의 중앙으로 초기 출발원료가 투입되는 투입관(15)으로 연결된 각 가스 입력구(16)를 통하여 초기 마이크로 분말이 투입되는 투입관(15)의 외벽에 가스를 분사하는 중앙 개스와 RF 발생 장치인 인덕션 코일(induction coil)(13)의 외벽에 기화된 금속 원소가 부착되지 않게 추가로 투입되는 절연용 개스(sheath gas), 그리고 초기 투입되는 마이크로 출발 분말을 플라즈마 발생 장치부로 이송해 주는 이송 개스(carrier gas)로 구성된다.

분말 투입기(60)로부터 플라즈마 발생부(11)로 투입된 마이크로 분말이 플라즈마(plasma) 화염(14)에 도달하면, 생성되는 플라즈마의 온도가 5,000~10,000 K의 고온 환경을 형성하여 투입된 분말은 기화 혹은 용해된다. 이때 플라즈마 토치(plasma torch) 하단부로부터 강하게 분사되는 냉각 개스(quenching gas)에 의해 기화상태에 있던 금속 개스 알갱이가 응축 혹은 급냉되어 나노 입자가 생성된다. 생성된 나노 입자는 진공 펌프(51) 혹은 컴프레셔(compressor)(52)에 의해 이송되고 사이클론(cyclone)(21)을 지나면서 분말의 온도가 하강되고 최종 필터(22)를 거 쳐 글러브 박스(30)에 나노 입자들은 수거되고 이송 개스는 외부관(53)을 통하여 나가게 된다. 일정량이 최종 필터(22) 외벽에 흡착되면 필터내부에서 역으로 고압의 개스를 부러 넣어 나노 분말을 필터 벽으로부터 탈착시켜 하단의 나노 분말 글러브 박스(30)에서 회수한다. 합성된 나노 분말은 반응가능 기체와 접촉하는 표면적이 매우 넓기 때문에 회수 및 처리과정에서 산화가 되지 않도록 각별한 주의를 해야 한다.

최종으로 얻어지는 나노 입자의 입도 및 회수량은 인덕션 코일(13)이 감겨져 있는 플라즈마 발생부(Induction plasma torch)(11)에는 출발원료로 투입되는 이송 개스, 플라즈마 발생 개스, 절연용 개스 및 플라즈마 발생장치(12) 하단부로부터 주입되는 냉각 개스 등의 유량과 속도에 따라 그 분포를 결정하며, 특히 절연용 개스(sheath gas)의 종류에 따라 플라즈마(plasma) 화염의 온도 분포에 큰 영향을 미치므로, 얻고자 하는 동(Cu)의 특성에 따라 최적의 조건 정립이 필요하다.

도 2 RF 플라즈마 연소장치 내에서 나노 분말 제조 과정도이다.

도 2를 참조하면, 나노 분말이 제조되는 과정을 도식화 하여, 플라즈마 발생부에 공급되는 각종 개스의 투입 위치와 마이크론 사이즈의 초기투입 출발원료 분말이 공급되는 통로를 확대한다.

나노 분말 제조 과정을 살펴보면, 우선 마이크로 분말(100)을 분말 공급기(101)에 주입을 한다. 그리고 개스를 주입한다(102). 상기와 같이 분말 공급기(101)에 공급된 마이크로 분말(100)과 개스에 RF 플라즈마 처리(103)를 한다. 다음 단계로 마이크론 입자를 분리(104)를 한다. 그리고 큰 나노입자를 분리(105)를 하 고 필터부(106)에서 필터링을 하고 최종적으로 수거부에서 수거를 한다(107).

상기의 구체적인 발명을 실시 예를 통해 더욱 상세히 설명한다.

[실시 예 1]

RF 플라즈마 연소장치를 이용하여 동(Cu) 나노 분말을 합성하기 위해 출발 전구체 원료로서 평균 입도70 마이크론 크기의 순도가 99.9%인 동(Cu) 분말을 준비한다.　 70마이크론 분말을 분말 투입기(60)통에 넣고 투입기에 설치된 회전기를 운전하여 10 RPM의 속도로 회전시키며 투입기에 30%의 진동을 가하면서 원료를 플라즈마 발생부(11)로 노즐을 통하여 공급한다. RF 플라즈마 파우워는 25-60 kW로 조절하여 플라즈마 화염을 발생시킨 후, 투입되는 각 부분의 Ar 개스의 유량 및 속도를 조절한다. 이때 얻어질 Ni 나노 입자의 특성을 고려하여 모든 각 부위의 개스는 Ar으로 사용하였으며, 최종 Ni 입자의 입도를 결정하는 변수로 RF 플라즈마 파우워, 원료분말이 노즐로부터 분사되는 노즐 끝단의 위치와 인덕션 코일(13)과의 상관 위치, 원료 분말을 분사하는데 사용한 금속성 노즐의 반경, 원료분말의 공급량과 속도, 합성된 나노 입자를 냉각할 냉각용 Ar 개스의 유량 등을 아래와 같이 조절한다.

하기의 표 1에 동(Cu) 나노 분말 생산을 위한 합성조건을 정리하여 예시한다.

표. 1 나노 동(Cu) 분말 합성 조건

	조　　　 건
플라즈마 파우워	20~60 Kw
Gas	졀연(Sheath) 용	Ar : 50~200 slpm
	센트럴 플라즈마 용	Ar : 10~50 slpm
	냉각(Quenching) 용	Ar : 100~300 slpm
	분말 Carrier 용	Ar: 10~80 slpm

투입된 70 마이크론의 Ni 분말은 플라즈마의 고온에 의해 열분해 및 재성장 과정을 거쳐 동(Cu) 나노 분말로 합성한다. 최종 글러브 박스(30)에서 수거된 나노 분말의 상(phase) 형성 여부 및 제 2상의 존재 여부는 XRD를 통해 확인하고, 그 결과를 도 3에 예시한다. 도 3 Cu 존재상을 확인한 x-ray 회절패턴도이다.

XRD 회절 분석을 통해 Ni 나노 분말의 결정 구조를 살펴본 결과 결정구조가 면심 입방격자(face centered cubic)를 가진 완전 구형의 동(Cu) 결정입자가 형성되었음을 확인할 수 있다. 그리고 동(Cu) 만이 주 결정상(99.9 %)이며 제 2상으로는 미량의 동 산화물이 관찰된다.

최종 입자가 나노 미터 범위인지를 확인하기 위하여 투과전자현미경(TEM)과 입도 분석기를 통해 알 수 있다.

도 4는 Cu 존재상 및 입도를 보여주는 전자현미경 사진이다.

도 4에 예시한 바와 같이 입자의 크기는 20~70 nm 범위의 크기를 가지며, 면심입방격자(FCC)의 결정성을 지닌 것이다.

[실시 예 2]

특정 공정변수를 택하여 상기 [실시 예 1]과 비교하여 보았다. 이때 사용한 공정 변수로 : 절연(sheath)용 Ar 개스량을 100 slpm, central gas용 Ar 량을 20 slpm, 냉각(quenching) 용 Ar 개스 유량을 300 slpm, 그리고 원료 분말 이송용 Ar 개스 유량을 30 slpm으로 하였을 때 최종으로 얻어진 동(Cu) 나노 입자의 입도는 평균 50 나노 미터로 확인된다. 따라서, 각 사용 개스의 유량을 조절함으로써 최종 금속 입자의 나노 형상, 입도 등을 용이하게 제어할 수 있음을 확인하였다. [ 실시 예 2]의 결과로서, 입도 분석기를 통해 입자의 크기를 분석한 결과, 도 5에 예시한 바와 같이 평균 50 nm 의 크기를 가지는 것으로 판단된다.

본 발명은 플라즈마 연소기법을 쓰되 합성이 진공 중에서 이루어지게 하면서 합성 반응실에 공급되는 초기 원료가 고체형태를 가지면서 초기 원료의 형상에 관계없이 나노(nano) 크기의 금속 입자가 산화되지 않고 얻어지는 효과가 있다.

Claims

무기전도성 잉크용 동(Cu) 또는 동(Cu) 합금조성의 나노 분말을 제조하는 방법에 있어서,

마이크로 크기의 동(Cu) 또는 동(Cu) 합금조성의 원료 입자를 절연가스, 중앙가스, 및 이송가스와 함께 RF 플라즈마 연소장치에 투입하여 RF 플라즈마의 화염에 의해 상기 마이크로 크기의 동(Cu) 또는 동(Cu) 합금조성의 원료 입자를 기화시키고, 상기 RF 플라즈마 연소장치에 플라즈마 토치의 하단부로부터 냉각가스를 투입하여 상기 기화상태의 동(Cu) 또는 동(Cu) 합금조성의 원료 입자를 급냉시키며, 상기 급냉된 동(Cu) 또는 동(Cu) 합금조성의 원료 입자로부터 마이크로 크기의 입자와 나노크기의 입자 분리를 통해 나노크기의 동(Cu) 또는 동(Cu) 합금조성의 나노분말을 제조하는 것 을 특징으로 하는 무기 전도성 잉크용 나노(nano) 동(Cu)분말 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 제조방법은,

원료 분말이 되는 마이크론 분말의 입도를 초기에 5~300 마이크론 입도로 제한하여 플라즈마 발생 장치를 통해 투입하면서, RF power를 15-150kW로 조절하여 플라즈마를 발생시킨 후, 나노 입자 합성실 내에 산화성 분위기를 방지하기 위해 절연용 개스를 사용하고, 절연용 불활성 개스의 양을 50-200 slpm, 원료분말 이송용 불활성 개스를 10-50 slpm 투입하며, 분말 이송용 가스를 10-100 slpm투입하며, 합성된 분말의 냉각용 가스를 불활성 기체로 50-500 slpm을 사용하여 나노 입자의 동(Cu) 및 동(Cu) 계 합금 분말을 제조하는 것을 특징으로 하는 무기 전도성 잉크용 나노(nano) 동(Cu)분말 제조 방법.
제 2 항에 있어서,

출발 원료가 고체 입자의 마이크론 분말일 경우 금속 나노입자가 구형이 되는 것을 특징으로 하는 무기 전도성 잉크용 나노(nano) 동(Cu)분말 제조 방법.