KR100732394B1

KR100732394B1 - 금속 나노입자 제조방법

Info

Publication number: KR100732394B1
Application number: KR1020050102861A
Authority: KR
Inventors: 최문규
Original assignee: (주) 이투엔테크놀로지
Priority date: 2005-10-31
Filing date: 2005-10-31
Publication date: 2007-06-27
Also published as: KR20070046318A

Abstract

본 발명은 금속 나노입자 제조방법에 관한 것으로써, 나노 크기의 금속 입자를 제조시 전기 반응조에 초순수를 넣고 전기가 통할 수 있도록 비타민, 아미노산 등 인체에 무해한 전해물질을 넣은 후 양 전극에 나노물질을 만들고자 하는 금속과 동일한 금속판 또는 금속봉을 걸은 후에 직류 고전압을 양 전극에 가해주면 전기 분해 작용에 의해 (+)극의 금속이 해리되어 석출된 후 (-)금속으로 이동하게 되는데 이것을 그대로 두면 (-)극의 금속 표면에 부착되어 도금이 되어 버리므로, 전기 반응조 상부에 설치된 교반기로 (+)극에서 석출된 금속입자가 (-)극으로 이동하지 못하도록 교란시키면서 양 전극과 직각 되도록 전기 반응조 외부의 일면에 설치된 전자석에 강한 전류를 흘려서 양 전극과 직각이 되도록 강한 자장을 발생시키면 나노화 되어 석출된 금속입자가 "강자성체" 또는 "상자성체" 이면 전자석이 설치된 면으로 몰려서 쉽게 포집이 가능하고, 반자성체이면 전자석 설치된 면의 반대면으로 몰려서 역시 쉽게 포집이 가능하다. 나노 금속 입자는 수 nm에서 1,000nm이상 까지 제조가 가능하며 전류의 세기에 따라 입도 조절이 가능하고 제조된 금속 나노입자는 전자석에 의해서 수시로 포집하므로 고농도의 금속 나노용액 제조가 가능하며 금속 나노용액을 건조시키면 금속 나노분말 제조도 가능하다.

금속나노, 전기 반응조, 초순수, 전해물질, 전자석, 전류

Description

금속 나노입자 제조방법{The menufacture method of metal nano paticle}

도1은 본 발명에 의한 금속 나노입자 제조방법을 실시하기 위한 일예의 장치를 나타내는 개략적인 구성도

도2는 본 발명에 의한 금속 나노입자 제조방법을 실시하기 위한 일예의 장치를 나타내는 개략적인 평면도

-도면의 주요 부분에 대한 부호설명-

1. 전기 반응조 2. 초순수 3. 전해물질 4. 전해질용액 5. (+)전극

6. (-)전극 7. 금속판 8. 금속봉 9. 고전압 발생장치 10. 금속 나노입자

11. 교반기 12. 전자석 13. 호퍼 14. 발브

본 발명은 금속 나노입자 제조방법에 관한 것으로써

더욱 상세하게는 전기 분해법을 이용하여 나노 금속 입자를 제조함에 있어서, 사용하는 전해질 물질로 인체에 무해한 비타민이나 아미노산을 사용하고 금속에서 전기적으로 이온화 된 금속입자를 전기 반응조 외부에 강한 전자석으로 자장을 걸어서 빠르게 포집함으로써, 전기 분해시 전류로 나노 입도를 조정하고 전자석 으로 포집량을 조절하여 대량 생산 공정 구성이 가능한 금속 나노입자 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 나노 금속 입자를 얻기 위하여 사용하는 방법은 폭발법, 분무 냉동법, 졸-겔 방법, 전기분해법 등이 있고 나노 보다 큰 입자는 분쇄, 마쇄 등의 방법으로 제조된다. 나노 금속 입자를 제조하는데 있어서 분쇄나 마쇄를 이용하는 방법은 기계의 정밀도에 한계가 있어서 마이크로 크기나 mm 크기의 제품만 생산되고 나노 입자의 생산은 사실상 불가능하다.

또한 폭발법이나 분무 냉동법 등은 금속 나노입자를 얻기 위하여 많은 에너지가 소요되는 것도 있지만 입자의 크기를 조절하기가 힘들고 생산된 입자중 큰 것은 다시 같은 공정을 되풀이하여야 원하는 나노입자를 얻을 수 있어서 공정이 복잡한 단점이 있다.

또한 졸-겔 방법이나, 공칭법은 대부분 금속 나노 입자를 제조하기 위한 원료로서 금속이 녹아 있는 수용액으로 제조하는데. 예를 들어 은나노 입자의 경우 질산은 수용액을 알칼리 용액으로 중화시킨 후 생성된 산화은을 강력한 환원제로 환원 시키는 방법이 많이 사용되어지는데 이때 제조된 금속 나노입자를 사용하기 위하여 금속 나노 용액속에 포함된 질산과 환원제를 씻어내는 공정이 불편하고 많은 폐수가 발생하는 단점이 있다.

또한 전기 분해에 의해 금속 나노 입자를 제조하는 일반적인 방법은 금속 나노 입자가 응집으로 인하여 계속적으로 성장하는 것을 막기 위하여 계면활성제를 사용하는데 이것 역시 친환경적이지를 못하고 입도 조절이 어려운 단점이 있다.

쉽게 전기 분해를 하여 금속 나노입자를 얻는 방법은 전해물질로서 유해 금속염을 사용하는데 일반적으로 구리제조 공정에서 전기동을 만들기 위하여 황산을 전해물질로 사용함에 따라 빠른 속도로 구리 광석에 구리만 전기 입자화 시켜 석출시킬수가 있지만 황산을 전해물질로 쓰기 때문에 황산가스의 발현과 황산폐수의 처리가 어려운 단점이 있다.

한편 대한민국 특허 출원 10-2003-0037065에서 전기 분해법을 이용한 금속 나노 제조방법이 선출되어 있는데 이 방법은 순수물과 전해물질인 첨가제를 혼합한 전해질 용액을 사용하였으며, 첨가제로는 친환경 금속 이온제인 트리소듐 시트레이트, 모노소듐 시트레이트, 구연산 칼륨, 알콜 등과 같이 인체에 무해한 물질을 전해질로 사용한 훌륭한 방법을 제안하고 있고 ,더불어 전기분해에 의하여 금속편에서 석출된 금속 나노 입자가 응집되어 성장하거나 (-)극의 금속편에 부착되어 자라는 것을 방지하기 위하여 교반기로 용액을 교반하면서 초음파로 생성된 금속 나노입자 간에 진동을 주어 응집을 방지하기 위한 방법을 제안하고 있다.

하지만 이 방법은 전기 분해가 일어나는 동안에 전기 반응조에 생성된 나노입자를 연속적으로 배출할 수가 없어서 전기분해조 내에 형성된 금속 나노입자의 농도가 높아지면 전기 반응조 자체가 전자로 가득차기 때문에 더 이상의 전기 분해가 진행되지 못하여 고농도의 금속 나노입자를 연속적으로 얻을수가 없고 전기 분해가 끝난 뒤에 생성된 금속 나노 입자를 포집하고 다시 전기 분해를 해야하는 단속적인 공정이 되므로 대량 생산이 어렵다는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은 전기 분해에 필요한 전해질용액으로 친환경적인 요소를 가미하기 위하여 초순수에 산화, 환원성이 높으면서 인체에 무해한 전해물질인 비타민, 아미노산을 첨가시켜 전해질 용액으로 사용하였으며, 전기 분해작용에 의하여 (+)전극에서 생성되는 금속 나노입자가 음극에 붙어서 자라는 것을 억제하면서 빠르게 회수 할 수 있도록 전기 반응조 외부에 양 전극에 직각되게 전자석을 설치하고 전자석이 내는 강한 자장을 전기 반응조 내에 형성시켜 생성된 금속 나노입자가 가지는 자기적인 특성중 "강자성체" 또는 "상자성체는" 전자석이 있는 면으로 "반자성체"는 전자석이 없는 면으로 몰리게 하여 생성된 금속 나노입자를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명은 금속 나노 입자 제조방법에 관한 것으로서 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 티탄(Ti), 파라듐(Pd), 구리(Cu) 등과 같은 금속 입자를 수 nm에서 1,000nm 크기의 나노 금속 입자로 제조하는데 있어서 일반적으로 알려져 있는 황산, 질산, 등과 같은 유독한 전해물질을 사용하지 않고 초순수에 비타민, 아미노산 등과 같이 인체 내에서 금속이온 환원을 하는 친환경 금속 이온 환원제를 첨가한 전해질용액을 사용하고 전기 분해 작용에 의해 (+)극의 금속판에서 생성된 금속 나노입자가 (-)극의 금속봉에서 응집되어 성장하는 것을 억제하고 생성즉시 회수가 가능하도록 전기 반응조 외부에 양 전극과 직각되는 일면에 강한 자력을 가지는 전자석을 설치하여 전기 반응조 내부에 강한 자장을 걸어서 생성된 금속 나노입자가 반응조 벽면 으로 모이게 하여 연속적으로 회수하는 방법이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.

도1은 본 발명에 의한 금속 나노입자 제조방법을 실시하기 위한 일예의 장치를 나타내는 개략적인 구성도로서

유리나 도자기로 된 전기 반응조(1)내에 초순수(2)와 전해물질(3)을 혼합한 전해질용액(4)을 투입하고 (+)전극(5)과 (-)전극(6)에 나노 입자화 하고자 하는 금속과 동일한 금속판(7) 및 금속봉(8)을 만들어서 거는데, 이때 금속판(7)은 (+)전극(5)에 금속봉(8)은 (-)전극에 거는 것이 타당한 방법인데 그 이유는 금속 나노입자(10)는 (+)전극(5)에 연결된 금속판(7)이 양이온으로 되어 금속 나노입자(10)가 되어 석출되기 때문에 빠른 시간에 전기 분해를 이루기 위하여 판을 사용하고 또 양이온 입자화된 금속 나노입자(10)가 (-)전극(6)에 붙기 어렵게 하기 위해서 금속봉(8)으로 형성하는 것이다.

한편 초순수 전기가 통하지 않아서 실제 전기 분해가 일어나지 않기 때문에 전기가 통할 수 있도록 전해물질(3)을 첨가 시키는데 첨가하는 전해물질(3)로는 비타민, 아미노산 중의 하나를 첨가하고 첨가량은 초순수 중량비로 0.001％ ∼ 1％ 농도가 되도록 초순수에 투입 용해시켜 전해질 용액(4)을 만든다.

한편 비타민과 아미노산은 인체 내에서 일부 금속과 이온 교환하여 인체에 필요한 곳에 금속입자가 작용하도록 전기적인 역할을 하는 좋은 전해물질(3)로 알려져 있다.

이러한 상태에서 양 전극(5,6) 사이에 높은 고전압, 고전류를 흘려주면 (+) 전극(5)에서 금속내의 원자가 자체 결합을 끊고 이온화 되어 (+)금속 나노입자(10)로 석출되게 되는데 금속이 이온화 되어 석출되기 위해서는 외부에 가해지는 전압의 힘이 자체 결합 에너지 보다 커야 하기 때문에 가해지는 고전압은 이온화 하고자 하는 금속의 성분에 따라 달라지는 것은 당연하다 하겠다.

이때 인가되는 고전압은 2,000V∼30,000V 정도이며 직류 고전압이 인가되어야만 전기 분해가 일어나므로 전기 반응조(1)에 전압을 인가하는 고전압 발생장치(9)는 내부에 고전압을 발생시키는 변압기와 교류를 직류로 변환시켜주는 싸이리스터가 내장된 것을 사용하면 된다.

직류 고전압이 인가되면 (+)전극(5)에 연결된 금속판(8)의 금속입자가 (+)전하를 받아서 외부로 석출되어 금속 나노 입자(10)화 되는데 그대로 두면 금속 나노입자(10)는 (-)전극(6)에 연결된 금속봉(8)에 가서 계속적으로 붙어 버려서 도금과 같은 공정이 진행되어 버리므로 이런 금속 나노입자(10)가 자체적으로 응집하거나 금속봉(8)에 가서 붙지 못하도록 교반기(11)로 전해질 용액(4) 전체를 교반 시키는 한편 생성된 금속 나노입자(10)를 빠르게 전해질용액(4)으로부터 계속적으로 회수하기 위하여 전기반응조(1) 외부에 금속판(7)과 금속봉(8) 사이에 직각되는 방향의 한면에 전자석(12)을 설치하여 전기반응조(1) 내부에 강한 자장을 걸어주면 생성된 금속 나노입자(10)가 "강자성체" 또는 "상자성체" 이면 전자석(12)이 있는 전기 반응조 면으로 모이고 "반자성체"이면 전자석(12)이 없는 전기 반응조면에 모여서 전기 반응조(1) 하부의 호퍼(13)로 흘러 내리게 한 후에 호퍼(13) 밑에 장치된 발브(14)를 열어서 전기 반응조(1) 외부로 연속적으로 뽑아내면 된다.

이렇게 전해질용액(4) 속에 생성되어있는 금속 나노입자(10)를 연속적으로 뽑아내기 때문에 전해질용액(4) 속에 금속 나노입자(10)가 충만되어 전기 반응조(1) 내의 전해질 용액(4)에 전자가 충만되어 더 이상의 전기 분해가 이루어지지 않는 현상을 방지 할 수가 있게 된다.

또한 제조하고자 하는 금속 나노입자(10)의 크기는 외부에서 가해지는 전압의 세기로 조정하며, 금속 나노입자(10)의 농도는 전자석(12)의 자력의 세기조절 및 외부배출 속도를 조정하면 쉽게 조절이 가능하다고 하겠다.

한편 제조된 금속 나노입자(10)는 인체에 무해한 용액에 분산된 콜로이드 상태이므로 용액 그대로 사용할 수도 있고 이것을 건조시켜서 금속 나노입자(10) 분말을 생산할 수도 있다.

이렇게 생산된 금속 나노입자(10)는 반도체, 웰빙상품, 화장품, 비료, 생 농약 성분등 대부분의 응용분야에 폭 넓게 사용할 수가 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 금속 나노입자 제조방법은 인체 내에서 금속이온 환원 작용을 하는 비타민, 아미노산을 초순수에 용해시킨 전해질 용액을 사용한 친환경적인 전기 분해 방법으로, 전기분해에 의하여 (+)극인 금속판에서 생성된 금속나노 입자들이 전기 반응조 내에서 자체 성장하거나, (-)극인 금속봉에 붙어서 도금 성장되는 것을 방지하기 위하여 교반기를 이용하여 전해질 용액 전체를 교반하면서 전기 반응조 외부에 설치한 전자석 으로 전기 반응조 내부에 강력한 자장을 걸어서 생성된 금속 나노입자가 곧바로 전기 반응조 내벽에 모여서 호퍼로 흘러내리는 것을 전기 반응조 외부로 배출시켜서 지속적인 전기 분해가 이루어지도록 하여 연속적으로 금속 나노입자가 제조되므로 상업적인 플랜트에 적용할 수 있어서 금속 나노 물질 제조에 경제성이 큰 효과가 있다.

Claims

금속 나노입자를 제조함에 있어서

전기 분해시 금속이온 교환제로 초순수와 인체에 무해한 전해물질인 비타민, 아미노산중 하나를 용해한 전해질 용액을 사용하며, 얻고자 하는 금속 나노물질과 동일한 재질인 금속을 양 전극에 배치하고 직류 고전압을 인가하여 생성되는 금속 나노입자가 자체성장하지 않도록 전해질 용액을 교반하는 교반기와 양 전극과 직각되게 전기 반응조 외부 한면에 전자석을 배치하여 생성된 금속 나노입자를 자력으로 전기 반응조 외벽에 모이게 한 후 호퍼로 포집하여 연속적으로 외부로 배출시키는 방법으로 제조하는 것을 특징으로 하는 금속 나노입자 제조방법
상기 청구 1항에 있어서

사용되는 전해질 용액을 전해 물질인 비타민, 아미노산 중의 하나를 초순수 중량비로 0.001％ ∼ 1％ 농도가 되도록 초순수에 용해한 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 금속 나노입자 제조방법