KR100831069B1 - 나노크기의 금속분화 촉매 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원하는 나노물질의 특성과 구조를 얻기 위해 그 중앙에 분화구 모양의 홀(hole) 구조를 갖는 나노크기의 금속분화 촉매, 플라즈마 에칭과 화학적 에칭 공정(PTCE 공정)을 포함하는 나노크기의 금속분화 촉매의 제조방법 및 상기 금속분화 촉매를 이용하여 제조된 나노물질에 관한 것이다.
금속분화 촉매, 분화구 모양, 플라즈마, 화학적 에칭, PTCE 공정

Description

나노크기의 금속분화 촉매 및 그의 제조방법{Nanocrater in metal nanoparticle shells and method for preparing the same}
본 발명은 나노크기의 금속분화 촉매 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 촉매의 중앙에 홀(hole) 구조를 갖는 나노크기의 금속분화 촉매, 플라즈마 에칭과 화학적 에칭 공정(PTCE 공정)을 포함하는 나노크기의 금속분화 촉매의 제조방법 및 상기 금속분화 촉매를 이용하여 제조된 나노물질에 관한 것이다.
나노 크기의 금속 입자는 벌크(bulk)의 경우와는 다른 전기적, 광학적, 자성 특성을 가지고 있으며, 이로 인해 최근 많은 분야에서 관심이 높아지고 있다.
또한 나노 크기의 홀(hole)을 가지는 금속 나노입자는 많은 분야에서 현대 과학과 기술에 복합적으로 사용되어 질 수 있으며, 나노 물질의 제조에는 필수적으로 이러한 금속 나노입자를 촉매로 사용하기 때문에, 이에 관한 연구가 전세계적으로 진행되고 있는 실정이다.
나노 물질의 제조에 사용되는 금속 나노입자는 결과적으로 제조된 나노 물질 의 구조와 특성에 밀접한 연관을 가지고 있으며, 원하는 구조와 특성의 결과물을 얻기 위해서는 그 촉매의 구조 및 특성을 제어하는 연구가 반드시 필요한 실정이다.
하지만 아직까지도 이러한 나노입자의 구조나 특성을 원하는 방향으로 제조하는 것은 매우 어려운 일이며 이에 관한 연구가 크게 진전되지 않은 상황이다. 전자빔 리쏘그래피(electron beam lithography)나 마이크로 컨택 프린팅(micro contact printing), 섀도우 마스크(shadow mask) 등의 공정을 이용하여 어느 정도의 입자의 배열성과 입자 직경을 제어할 수 있으나, 상기 공정은 고가의 비용으로 인하여 상용화되기 어렵고, 처리될 수 있는 기판의 크기도 매우 작게 되는 문제점을 지니고 있다.
또 다른 방법으로는 AAO(anodic aluminium oxide) 기판을 이용하여 균일한 크기의 금속 촉매를 제조할 수 있으나, 보통 상용화된 AAO 기판의 홀 크기는 100 nm 이상이며, 조건을 달리하여 제조한다고 하더라고 50 nm 이하의 홀을 제조하는 것은 매우 어려운 실정이다.
이에 원하는 나노물질의 특성과 구조를 얻기 위하여 제어된 구조를 갖는 금속 촉매의 개발이 절실히 요구되어 왔다.
본 발명자들은 탄소 나노튜브와 같은 다양한 나노 물질의 제조에 관한 지속 적인 연구를 수행하여 나노 물질의 특성과 구조는 촉매로 사용되는 물질의 특성과 구조에 밀접한 연관이 있으며, 원하는 나노물질의 특성과 구조를 얻기 위해 촉매의 구조를 제어할 필요성이 있음을 알아내고 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 원하는 나노물질의 특성과 구조를 얻기 위해 그 중앙에 분화구 모양의 홀(hole) 구조를 갖는 나노크기의 금속분화 촉매를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 공정이 간단하고, 저비용으로 대량의 금속 나노입자를 처리할 수 있는 나노크기의 금속분화 촉매의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기의 금속분화 촉매를 이용하여 제조됨으로써, 원하는 구조로 제어된 나노물질을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 금속나노 입자에 간극(vacancy)과 전위(dislocation)가 형성되어 있으며, 중앙에 나노 크기의 분화구 모양의 홀(hole)을 갖는 나노크기의 금속분화 촉매를 제공한다.
본 발명은 또한, (a) 기판 위에 증착된 금속 나노입자를 플라즈마로 전처리하여 상기 금속 나노입자에 간극(vacancy)과 전위(dislocation)를 형성하는 단계; (b) 상기 플라즈마 전처리 후, 화학적 에칭 처리하여 상기 금속 나노입자의 중앙에 홀(hole)을 형성하는 단계; 를 포함하는 나노크기의 금속분화 촉매의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기의 금속분화 촉매를 이용하여 제조된 나노 물질을 제공한다.
본 발명에 의한 나노크기의 금속분화 촉매는 다양한 나노 물질의 제조에 이용될 수 있으며, 분화 촉매의 크기와 구조를 제어함으로써 그로 인해 생성되는 나노 물질의 벽의 개수를 균일하게 제어할 수 있게 되어, 탄소 나노튜브 등과 같은 나노 물질의 구조를 원하는 방향으로 제어할 수 있다.
본 발명의 제 1측면은 금속나노 입자에 간극(vacancy)과 전위(dislocation)가 형성되어 있으며, 중앙에 나노 크기의 분화구 모양의 홀(hole)을 갖는 나노크기의 금속분화 촉매에 관한 것이다.
본 발명에서 “분화 촉매”라 함은 원하는 나노물질의 특성과 구조를 얻기 위해 의도적으로 입자의 중앙에 분화구 모양의 홀(hole) 구조를 생성시킨 금속 촉매를 의미한다.
본 발명에 의한 금속분화 촉매에서 상기 금속은 3족 내지 14족의 금속원소 중에서 선택되는 1종 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는데, 상기 금속의 구체적인 예로 Al, Ga, In, Tl, Sn, Pb, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt 등을 들 수 있으나, 바람직하게는 탄소나노튜브의 성장 촉매로 사용될 수 있는 Fe와 Co가 선호된다.
나노물질의 특성과 구조는 촉매로 사용되는 물질의 특성과 구조에 밀접한 연관이 있기 때문에, 원하는 나노물질의 특성과 구조를 얻기 위해서는 촉매의 구조를 제어할 필요가 있는데, 본 발명에 의한 금속분화 촉매가 분화구 모양의 홀을 갖는 것은 촉매의 구조를 제어함으로써 탄소나노튜브와 같은 나노물질의 벽의 개수를 조절하고, 나아가 탄소나노튜브와 같은 나노물질의 두께를 조절하기 위함이다.
본 발명에 의한 금속분화 촉매는 상기 분화구 모양의 홀의 직경이 1~50 nm, 바람직하게는 10~20 nm, 보다 바람직하게는 14~18 nm인 것이 선호되는데, 상기 홀의 크기가 50 nm 이상이 될 경우, 전체적인 촉매의 크기에 비해 홀의 크기가 너무 커져 분화촉매의 구조가 유지되지 못할 가능성이 있고 또한 결과적으로 이 촉매로부터 성장된 나노튜브의 직경이 작게 제어되지 않는다는 문제점이 있다.
본 발명에 의한 금속분화 촉매는 그 입자의 높이가 1~20 nm, 바람직하게는 3~16 nm, 보다 바람직하게는 4~14 nm인 것이 선호되는데, 상기 높이가 20 nm 이상이 될 경우, 역시 분화 촉매로부터 성장된 나노튜브의 직경을 작게 제어할 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명의 제 2측면은 (a) 기판 위에 증착된 박막 금속필름을 플라즈마로 전처리하여 금속 나노입자를 형성하고 입자에 에 간극(vacancy)과 전위(dislocation)를 형성하는 단계; (b) 상기 플라즈마 전처리 후, 화학적 에칭 처리하여 상기 금속 나노입자의 중앙에 홀(hole)을 형성하는 단계; 를 포함하는 나노크기의 금속분화 촉매의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 금속분화 촉매를 제조하기 위해서는 기판위에 증착된 금속나노입자 필름을 질소 플라즈마로 에칭하는 공정과 요오드가 함유된 에탄올/질산 용액으로 에칭하는 공정(PTCE 공정 : plasma-treated chemical etching process)을 거치게 된다.
상기 (a) 단계의 플라즈마 전처리는 금속 나노입자에 간극(vacancy)과 전위(dislocation)를 형성시키기 위한 것으로, 상기 기판으로는 실리콘, 유리 등과 같은 물질로 형성되는 무기계 기판; 및 폴리에틸렌나프탈레이트(Polyethylenenaphthalate: PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이 트(Polyethyleneterephthalate: PET), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리비닐알콜(Polyvinylalcohol), 폴리아크릴레이트(Polyacrylate), 폴리이미드(Polyimide), 폴리노르보넨(Polynorbornene), 폴리에테르설폰(Polyethersulfone: PES) 등의 물질로 형성되는 유기계 기판; 등 제한없이 사용될 수 있다.
상기 플라즈마 처리는 질소 가스 분위기 하에서 수행되는 것이 바람직한데, 상기 질소 가스는 80~120 sccm, 바람직하게는 90~110 sccm, 보다 바람직하게는 100 sccm의 유량인 것이 선호된다.
상기 플라즈마 처리는 500~800 W, 바람직하게는 600~700 W의 플라즈마 파워 및 600~1,000°C, 바람직하게는 700~900°C, 보다 바람직하게는 900°C의 온도에서 수행하는 것이 선호된다.
본 발명에 의한 금속분화 촉매의 제조방법은 상기 플라즈마 전처리 후에 금속 나노입자의 중앙에 홀을 생성시키기 위하여, 화학적 에칭 처리공정을 거치는데, 상기 에칭은 요오드가 포함된 질산/에탄올 용액으로 에칭하는 것이 바람직하다.
상기 요오드가 포함된 질산/에탄올 용액은 에탄올을 용매로 하여 상기 에탄올 대비, 1~10 중량%의 요오드(I)가 함유된 질산 10~30 %(v/v)의 혼합 용액으로서, 상기 용액을 사용함으로써 플라즈마 처리시에 생성되는 금속 입자의 간극과 전위를 에칭하여 입자의 중앙에 홀을 생성시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 금속촉매의 제조방법은 상기 화학적 에칭 처리시간을 적절히 조절해야 하는데 2~4 시간, 바람직하게는 3 시간 동안 수행되는 것이 선호된다. 상기 화학적 에칭 처리시간이 소정의 시간 범위를 넘어설 경우에는 에칭 효 과가 과도하게 일어나 금속 나노입자의 구조가 유지되지 않는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명에 의한 금속촉매의 제조방법에 사용되는 상기 금속은 3족 내지 14족의 금속원소 중에서 선택되는 1종 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는데, 상기 금속의 구체적인 예로 Al, Ga, In, Tl, Sn, Pb, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt 등을 들 수 있으나, 바람직하게는 탄소나노튜브의 성장 촉매로 사용될 수 있는 Fe와 Co가 선호된다.
본 발명의 제 3측면은 상기의 금속분화 촉매를 이용하여 제조된 나노 물질에 관한 것이다.
상기 나노 물질로는 탄소나노튜브 등과 같은 나노튜브(nano tube), 나노로드(nano rod), 나노와이어(nano wire), 나노니들(nano niddle) 및 나노 구체(nano particle) 등을 예로 들 수 있다.
본 발명의 일 태양에 의한 탄소나노튜브의 경우 분화구 모양의 홀을 갖는 금속분화 촉매를 이용하여 제조되기 때문에, 일정한 수의 벽을 갖고, 따라서 나노튜브의 직경이 균일한 특성 및 구조를 지니고 있다.
이하 본 발명의 내용을 실시예 및 실험예를 통하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 (철 분화 촉매의 제조)
철 분화 촉매를 제조하기 위하여, 먼저 실리콘 기판 위에 약 10 nm의 철 필름을 200°C에서 스퍼터링(sputterring) 법으로 증착시킨 후, 100 sccm 의 질소 가스를 이용한 플라즈마로 600 W의 플라즈마 파워 및 800°C의 온도에서 1분 동안 에칭하였다.
상기의 과정에서 플라즈마로 인하여 나노 크기로 나뉘어진 금속입자들은 그 구조에 간극(vacancy)과 전위(dislocation)가 다수 생성되었으며, 그 후 3.5 g의 요오드(I)가 함유된 질산 20 ㎖과 에탄올 100 ㎖의 혼합 용액인 요오드가 포함된 에탄올/질산 용액에서 3시간 동안 에칭하여 중앙에 분화구 모양의 홀이 생성된 철 분화 촉매를 제조하였다.
실시예 2 (코발트 분화 촉매의 제조)
코발트 분화 촉매를 제조하기 위하여, 먼저 실리콘 기판 위에 약 10 nm의 코발트 필름을 200°C에서 스퍼터링(sputtering) 법으로 증착시킨 후, 90 sccm 의 질소 가스를 이용한 플라즈마로 700 W의 플라즈마 파워 및 700°C의 온도에서 1분 동안 에칭하였다.
상기의 과정에서 플라즈마로 인하여 나노 크기로 나뉘어진 금속입자들은 그 구조에 간극(vacancy)과 전위(dislocation)가 다수 생성되었으며, 그 후 3.5 g의 요오드(I)가 함유된 질산 20 ㎖과 에탄올 100 ㎖의 혼합 용액인 요오드가 포함된 에탄올/질산 용액에서 3시간 동안 에칭하여 중앙에 분화구 모양의 홀이 생성된 코 발트 분화 촉매를 제조하였다.
실시예 3 (철 분화 촉매를 이용한 탄소 나노튜브의 제조 및 성장)
상기 실시예 1에서 제조된 철 분화 촉매를 이용하여 플라즈마 기상 화학법으로 탄소 나노튜브를 제조하였다. 즉, 23 Torr의 압력에서 질소 가스 85 sccm, 메탄 가스 15 sccm 을 사용하여 약 900 °C의 온도에서 700 W 의 플라즈마 파워의 조건에서 8분 동안 철 분화 촉매를 이용한 탄소 나노튜브를 제조하였다.
실험예 1 (철 분화 촉매 및 코발트 분화 촉매의 구조 분석)
본 발명에 의한 금속분화 촉매의 구조를 분석하기 위하여, 주사 전자현미경(SEM) 및 원자현미경(AFM)을 이용하여 상기 실시예 1에서 제조한 철 분화 촉매 및 실시예 2에서 제조한 코발트 분화 촉매의 구조를 촬영한 결과를 도 1a 내지 도 2d에 나타내었다.
도 1a 및 도 1b는 플라즈마 에칭과 화학적 에칭 공정(PTCE)을 거쳐 제조된 철 분화 촉매의 주사 전자현미경(SEM) 사진을 나타내는 것이다.
도 1a는 실리콘 기판 위에 제조된 철 분화 촉매의 SEM 사진으로서, 상기 도 1a를 참조하면, 실리콘 기판 위에 균일하게 분화촉매가 제조된 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 1b는 하나의 분화 촉매를 확대한 AFM 사진으로서, 화학적 에칭 공정에 의해서 입자의 중앙에 14~18 nm의 홀이 생성된 것을 알 수 있다.
도 2a 및 도 2c는 철과 코발트 분화 촉매의 AFM(Atomic Force Microscope) 사진을 나타낸 것으로서, 도 2a는 철 분화 촉매의 AFM 사진, 도 3c는 코발트 분화 촉매의 AFM 사진이다.
도 2b와 도 2d는 각각 상기 도 2a와 도 2c에서 표시된 라인을 따라서 그 높이를 측정한 분석자료를 나타낸 것이다. 상기 도 2b 및 도 2d를 참조하면, 철 분화 촉매는 약 14 nm, 코발트 분화 촉매는 약 4 nm 의 높이를 가지는 것을 알 수 있다.
실험예 2 (철 분화 촉매를 이용한 탄소 나노튜브의 구조 분석)
본 발명에 의한 금속분화 촉매를 이용한 나노물질의 구조를 분석하기 위하여, 주사 전자현미경(SEM) 및 투과 전자현미경(TEM)을 이용하여 상기 실시예 2에서 제조한 탄소 니노튜브의 구조를 촬영한 결과를 도 3a 내지 도 3e에 나타내었다.
도 3a는 탄소 나이트라이드 나노튜브와 중앙이 비어있는 탄소 나노구체의 SEM 사진이고, 도 3b는 탄소 나이트라이드 나노튜브의 TEM 사진을 나타낸 것이다. 도 3c는 중앙이 비어있는 탄소 나노구체의 TEM 사진이고, 도 3d는 두 쌍의 탄소 나이트라이드 나노튜브의 TEM 사진이다.
도 3e는 두 쌍의 탄소 나이트라이드 나노튜브의 밑부분을 확대한 TEM 사진을 나타낸 것으로서, 도 3e를 참조하면, 나노튜브의 내경은 5~8nm 으로서, 상기의 내용으로부터 나노튜브의 내경이 철 분화 촉매의 크기와 일치하는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 도 3e를 참조하면, 두 쌍의 탄소 나이트라이드 나노튜브 모두 3~8개의 벽을 가지는 균일한 두께로 성장된 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 나노크기의 금속분화 촉매는 다양한 나노 물질의 제조에 이용될 수 있으며, 분화 촉매의 크기와 구조를 제어함으로써 그로 인해 생성되는 나노 물질의 벽의 개수를 균일하게 제어할 수 있게 되어, 탄소 나노튜브 등과 같은 나노 물질의 구조를 원하는 방향으로 제어할 수 있기 때문에, 금속촉매 제조분야에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 플라즈마 에칭과 화학적 에칭 공정(PTCE)을 거쳐 제조된 철 분화 촉매의 주사 전자현미경(SEM) 사진을 나타내는 것으로서,
도 1a는 실리콘 기판 위에 제조된 철 분화 촉매의 SEM 사진,
도 1b는 하나의 분화 촉매를 확대한 AFM 사진이다.
도 2a는 철 분화 촉매의 AFM(Atomic Force Microscope) 사진,
도 2b는 철 분화 촉매의 표면높이 분석 결과,
도 2c는 코발트 분화촉매의 AFM 사진,
도 2d는 코발트 분화 촉매의 표면높이 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 3a 내지 도 3e는 철 분화 촉매를 이용하여 제조된 탄소 나이트라이드 나노튜브와 중앙이 비어있는 탄소 나노구체를 나타내는 것으로서,
도 3a는 탄소 나이트라이드 나노튜브와 중앙이 비어있는 탄소 나노구체의 SEM 사진,
도 3b는 탄소 나이트라이드 나노튜브의 TEM 사진,
도 3c는 중앙이 비어있는 탄소 나노구체의 TEM 사진,
도 3d는 두 쌍의 탄소 나이트라이드 나노튜브의 TEM 사진,
도 3e는 두 쌍의 탄소 나이트라이드 나노튜브의 밑부분을 확대한 TEM 사진을 나타낸 것이다.

Claims (16)

  1. 철(Fe) 및 코발트(Co)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종의 금속나노 입자에 간극(vacancy)과 전위(dislocation)가 형성되어 있으며, 높이가 3~16 nm인 상기 금속나노 입자의 중앙에 1~20 nm 직경의 분화구 모양의 홀(hole)을 갖는 나노크기의 금속분화 촉매.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. (a). 기판 위에 증착된 금속 나노입자 필름을 플라즈마로 전처리하여 상기 금속 나노입자에 간극(vacancy)과 전위(dislocation)를 형성하는 단계;
    (b). 상기 플라즈마 전처리 후, 화학적 에칭 처리하여 상기 금속 나노입자의 중앙에 홀(hole)을 형성하는 단계; 를 포함하는 나노크기의 금속분화 촉매의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 플라즈마 전처리 단계가 질소 가스 분위기 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 나노크기의 금속분화 촉매의 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 질소 가스가 80~120 sccm의 유량인 것을 특징으로 하는 나노크기의 금속분화 촉매의 제조방법.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 플라즈마 전처리 단계가 500~800 W의 플라즈마 파워 및 600~1,000°C의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 나노크기의 금속분화 촉매의 제조방법.
  10. 제 6항에 있어서, 상기 화학적 에칭 처리가 에탄올을 용매로 하여 상기 에탄올 대비, 1~10 중량%의 요오드(I)가 함유된 질산 10~30 %(v/v)의 혼합 용액으로 에칭하는 것을 특징으로 하는 나노크기의 금속분화 촉매의 제조방법.
  11. 삭제
  12. 제 10항에 있어서, 상기 화학적 에칭 처리가 2~4 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 나노크기의 금속분화 촉매의 제조방법.
  13. 제 6항에 있어서, 상기 금속이 3족 내지 14족의 금속원소 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 나노크기의 금속분화 촉매의 제조방법.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 금속이 철(Fe) 및 코발트(Co)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종인 것을 특징으로 하는 나노크기의 금속분화 촉매의 제조방법.
  15. 제 6항 내지 제 10항 및 제 12항 내지 제14항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 금속분화 촉매를 이용하여 제조되어 직경과 나노튜브 벽의 개수가 제어된 나노 튜브(nano tube).
  16. 삭제
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