KR101153620B1 - 다공성 금속 나노분말 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다공성 금속 나노분말 및 그 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 본 발명은 공정이 간단하고, 비교적 낮은 온도에서 제조할 수 있어 제조원가를 절감할 수 있으며, 물리적인 나노화와 화학적인 나노화 공정이 하나의 반응로에서 이루어지므로 효율적이고, 반응로와 환원로 사이에 있는 냉각탑에서 산소가스를 배출시키므로 안정성이 우수한 다공성 금속 나노분말 및 그 제조방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 소정 온도로 가열되고 산소가스가 공급되는 반응로에 산화금속 분말을 공급하여, 상기 산화금속 분말을 산소가스 분위기 하에서 가열하여 다공성 산화금속 나노분말로 나노화시키는 S1단계; 상기 다공성 산화금속 나노분말을 질소가스가 공급되는 냉각탑에 공급하여 냉각시키는 S2단계; 및 소정 온도로 가열되고 수소가스가 공급되는 환원로에 상기 냉각된 다공성 산화금속 나노분말을 공급하여 금속 나노분말로 환원시키는 S3단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

다공성 금속 나노분말 및 그 제조방법{POROUS METAL NANO-POWDER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 다공성 금속 나노분말 및 그 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 본 발명은 공정이 간단하고, 비교적 낮은 온도에서 제조할 수 있어 제조원가를 절감할 수 있으며, 물리적인 나노화와 화학적인 나노화 공정이 하나의 반응로에서 이루어지므로 효율적이고, 반응로와 환원로 사이에 있는 냉각탑에서 산소가스를 배출시키므로 안정성이 우수한 다공성 금속 나노분말 및 그 제조방법에 관한 것이다.
나노분말은 이용범위가 대단히 넓은 만큼 종류도 매우 다양하기 때문에 분말을 합성하는 방법 또한 매우 다양하다. 나노분말의 제조방법은 크게 물리적 합성법과 화학적 합성법으로 대별할 수 있다.
물리적 방법에는 기계적으로 덩어리(벌크)를 분쇄하여 나노미터 크기(구체적으로는 100㎚ 이하)까지 작게 하는 방법, 열 혹은 전자빔 등 높은 에너지를 가하여 대상 물질을 녹인 후 증발시켜서 나노분말을 얻는 방법 등이 있다. 기계적 합금화(mechanical alloying)와 같은 고에너지 분쇄법(high energy milling)으로 나노분말 혹은 나노입자가 분산된 합금을 얻는 방법이 전자에 속하며, 후자에 속하는 것으로는 불활성가스 응축법(inert gas condensation, IGC)을 들 수 있다. 일반적인 분류로는 가스증발법(gas evaporation)에 해당한다.
화학 반응을 이용하여 나노분말을 합성하는 방법은 오래전부터 분말 합성에 다양하게 이용되어온 방법이다. 화학 반응에 수반되는 에너지를 활용할 수 있으므로 적은 에너지 투입으로 합성이 가능하며 합성 반응속도가 빠르고 균일한 반응제어가 가능하다는 장점이 있다.
특히, 금속 나노입자의 제조방법 중 화학적 환원법은 화학적 환원제를 사용하거나 합성하려는 금속 나노입자의 금속 전구체 용액의 환원전위를 변화하여 합성하는 화학적 환원법과 무전해 도금이 있다. 이때 사용되는 화학적 환원제로는 하이드라이드진류, 알콜류, 계면활성제류, 시트레이트 산류 등이 있으며 이러한 화학적 환원제를 이용하여 금속이온 또는 유기 금속 화합물로부터 금속을 환원 시켜 코어/쉘 구조의 금속 나노입자 및/또는 합금 구조의 금속 나노입자를 합성하는 방법이다. 이러한 화학적 환원법을 이용한 금속 나노입자의 합성방법은 균일한 금속 나노입자를 얻을 수 있으나 금속 나노 입자간 응집경향이 매우 강하여 2차적인 후열처리 과정이 필요하며, 인체에 유해한 환원제를 대량으로 사용하고 있어 반응 후 잔존하는 환원제를 처리해야하는 부가적인 공정이 필요한 단점이 있다.
화학적 환원법 이외에 금속 나노입자를 합성하는 방법은 금속 나노입자가 합성되는 분위기를 제어하여 고온?고압 또는 특수한 기체 분위기상에서 합성하거나 기계적인 힘을 이용하여 벌크한 금속입자를 물리적으로 쪼개어 금속 나노입자를 제조하는 방법도 있다. 이러한 방법은 여러 성분의 금속 입자를 나노화 할 수 있는 장점은 있으나 공정상 불순물의 혼입이 쉽고, 고가의 장비가 필요로 하는 단점이 있다.
한편, 금속 나노입자를 제조하는 선행기술로서 대한민국 등록특허 제10-0582921호(공고일 : 2006년5월24일)에서는 아미노 알콕사이드 리간드를 함유하는 금속 화합물로부터 금속 나노입자를 제조하는 방법을 제시하고 있다. 상기 선행기술에는 자체 열분해가 가능한 아미노 알콕시 금속 화합물을 선구 물질로 하여 외부로부터 환원제를 첨가하지 않고 열분해법으로 저온에서 나노 크기의 금속 나노입자를 제조할 수 있다. 하지만 이 방법은 선택되는 선구 물질인 알콕사이드 리간드의 합성이 필요로 되며 선구물질의 종류에 따라 입자의 모양과 크기, 안정성 등이 달라진다는 문제가 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 공정이 간단하고, 비교적 낮은 온도에서 제조할 수 있어 제조원가를 절감할 수 있는 다공성 금속 나노분말 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 공정상 불순물의 혼입이 적고, 고가의 장비를 사용하지 않고도 입자의 모양과 크기가 일정 범위 내로 제어되는 다공성 금속 나노분말 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 물리적인 나노화와 화학적인 나노화 공정이 하나의 반응로에서 이루어지므로 효율적이며, 반응로에서 산소가스와 열반응을 하여 금속 표면에 붙어있는 산화물을 제거하며 산소가스와 열에 의해 반응하여 작게 쪼개지며 나노 입자 크기로 분해되며, 다량의 기공성 나노 물질을 만들 수 있는 다공성 금속 나노분말 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 냉각탑에서 열과 산소가스를 배출시키므로 안정성이 우수한 다공성 금속 나노분말 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기와 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 금속 나노분말의 제조방법은소정 온도로 가열되고 산소가스가 공급되는 반응로에 산화금속 분말을 공급하여, 상기 산화금속 분말을 산소가스 분위기 하에서 가열하여 다공성 산화금속 나노분말로 나노화시키는 S1단계; 상기 다공성 산화금속 나노분말을 AIR 또는 질소가스 등이 공급되는 분위기의 냉각탑에 공급하여 냉각시키는 S2단계; 및 소정 온도로 가열되고 수소가스가 공급되는 환원로에 상기 냉각된 다공성 산화금속 나노분말을 공급하여 금속 나노분말로 환원시키는 S3단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 금속 나노분말의 제조방법의 상기 산화금속 분말은 알칼리 금속, 알칼리 토금속 및 전이금속 중에서 어느 하나의 금속이 산화된 형태의 분말인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 금속 나노분말의 제조방법의 상기 산화금속 분말은 산화제일구리(Cu2O) 또는 니켈(Ni) 분말이고, 상기 S1단계의 반응로가 재질에 따라 600~1,000℃의 온도로 가열된 상태에서, 상기 산화제일구리(Cu2O) 또는 니켈(Ni) 분말이 산소와 반응하여 구리(Cu), 산화제일구리(Cu2O) 또는 산화제일구리(CuO)의 형태로 나노화되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 금속 나노분말의 제조방법의 상기 S1단계를 거친 금속 나노분말의 크기는 40~150nm이고, 다수의 미세기공이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 금속 나노분말의 제조방법의 상기 S1단계는 15분~2시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 금속 나노분말의 제조방법은 수분이 함유된 산화금속 분말을 70~200℃의 온도에서 1~10시간 동안 건조시키는 S11단계; 상기 건조된 산화금속 분말을 진공이송장치의 흡입력을 이용하여 소정 온도로 가열된 반응로로 이송시키는 S12단계; 상기 가열된 반응로 내부로 산소를 공급하여 상기 산소와 상기 산화금속 분말을 15분~2시간 동안 반응시켜 40~150nm 크기의 다공성 산화금속 나노분말로 나노화시키는 S13단계; 상기 다공성 산화금속 나노분말을 냉각탑으로 이송시켜 상기 냉각탑 내부 공간에서 비산하는 상기 다공성 산화금속 나노분말은 공기(air) 또는 질소가스로 냉각시켜 냉각탑 하부로 떨어뜨리고, 상기 반응로 내의 산소는 상기 냉각탑의 상부를 통해 외부로 배출시키는 S14단계; 및 상기 냉각된 다공성 산화금속 나노분말을 수소 분위기의 환원로에 공급하여 금속 나노분말로 환원시키는 S15단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 금속 나노분말은 상기한 제조방법에 의해서 제조되는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 다공성 금속 나노분말 및 그 제조방법에 의하면, 공정이 간단하고, 비교적 낮은 온도에서 제조할 수 있어 제조원가를 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 다공성 금속 나노분말 및 그 제조방법에 의하면, 공정상 불순물의 혼입이 적고, 고가의 장비를 사용하지 않고도 입자의 모양과 크기가 일정 범위 내로 제어되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 다공성 금속 나노분말 및 그 제조방법에 의하면, 물리적인 나노화와 화학적인 나노화 공정이 하나의 반응로(반응로)에서 이루어지므로 효율적이고, 반응로와 환원로 사이에 있는 냉각탑에서 산소가스를 배출시키므로 안정성이 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 금속 나노분말의 제조방법의 제1실시예를 도시하는 공정도이다.
도 2는 본 발명에 따른 금속 나노분말의 제조방법의 제2실시예를 도시하는 공정도이다.
도 3 내지 7은 본 발명에 따른 다공성 구리 나노분말을 전자현미경으로 촬영한 사진들이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
다만, 본 발명의 설명에서 동일 또는 유사한 구성요소는 동일 또는 유사한 도면번호를 부여하고, 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 금속 나노분말의 제조방법의 제1실시예를 도시하는 공정도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 금속 나노분말의 제조방법은 크게 반응로에서 산화금속 분말을 다공성 산화금속 나노분말로 나노화시키는 S1단계와, 다공성 산화금속 나노분말을 냉각시키는 S2단계와, 다공성 산화금속 나노분말을 환원시키는 S3단계를 포함하여 이루어진다.
구체적으로 본 발명은 소정 온도로 가열되고 산소가스가 공급되는 반응로에 산화금속 분말을 공급하여 상기 산화금속 분말을 산소가스 분위기 하에서 가열하여 다공성 산화금속 나노분말로 나노화시키는 S1단계; 상기 다공성 산화금속 나노분말을 질소가스가 공급되는 냉각탑에 공급하여 냉각시키는 S2단계; 및 소정 온도로 가열되고 수소가 공급되는 환원로에 상기 냉각된 다공성 산화금속 나노분말을 공급하여 금속 나노분말로 환원시키는 S3단계;를 포함하여 이루어지는 것이다.
본 발명에 따른 산화금속 분말은 주기율표상에서 알칼리 금속, 알칼리 토금속 및 전이금속 중에서 어느 하나의 금속이 산화된 형태의 분말을 의미한다. 그리고 산화금속 분말은 대략 평균 직경이 1~100㎛인 분말로 이루어질 수 있다. 본 발명은 상기와 같이 마이크로 크기의 산화금속 분말을 나노 크기의 분말로 제조하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명을 산화금속 분말이 전이금속인 구리가 산화된 산화제일구리(Cu2O)에 대한 바람직한 일실시예를 중심으로 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 S1단계의 반응로에는 산소가스가 공급되어 산소 분위기를 조성하게 된다.
본 발명의 산소 분위기라 함은 반응로 내부에 들어있는 기체 중에서 적어도 80% 이상이 산소로 채워진 상태를 의미하며, 바람직하게는 반응로가 산소 95~100%로 채워지는 것이다.
반응로 내부로 공급되는 산소의 유량은 반응로의 부피와 상기 산화금속 분말의 양에 따라 조절되어야 한다. 다만, 반응로 내의 압력이 적어도 1atm 이상이 되도록 산소를 공급해 주는 것이 바람직하다.
예를 들어, 반응로가 밀폐 가능한 회분식(batch reactor)인 경우에는 반응로를 진공상태로 만든 후, 내부 압력이 1~2atm이 되도록 산소를 채우고, 교반기로 산화금속 분말을 교반하게 된다.
한편, 반응로가 반응물인 산화금속 분말의 유입과 유출이 용이한 관형 반응로의 경우에는 일정 압력의 산소를 주입한 후 유입구와 유출구를 밀폐한 상태에서 S1단계가 이루어지게 된다.
본 발명의 S1단계에서의 산화제일구리(Cu2O) 분말의 나노화는 다음과 같은 반응 기작 1 내지 3에 의한 것으로 예측할 수 있다.
산소가스가 공급되고 소정 온도로 가열된 상태의 반응로로 공급되어 아래와 같은 반응 기작 1에 의해 다공성 산화금속 나노분말로 나노화가 이루어질 수 있다.
[반응 기작 1]
Figure 112012005918831-pat00001

구체적으로는 산화제일구리(Cu2O) 분말이 아래의 반응 기작 2, 3과 같은 메카니즘에 의해 산화구리 나노분말로 나노화가 이루어진다고 볼 수 있다.
[반응 기작 2]
Figure 112012005918831-pat00002

[반응 기작 3]
Figure 112012005918831-pat00003

먼저, 반응 기작 2와 같이, 반응로에는 유입되는 산소(O2)가 산화제일구리(Cu2O) 분말보다 과량으로 공급된다.
그리고 반응로가 가열된 상태에서 유입된 산소와 산화제일구리(Cu2O) 분말은 반응성이 큰 중간체 형태의 산소(O2*)를 생성하여 물리적 내지 화학적인 방식의 나노화에 관여하는 것으로 파악할 수 있다. 한편, 반응로 내부의 압력은 온도가 증가함에 따라 증가하여 나노화 반응을 촉진 내지 관여하게 된다.
즉 반응 기작 3과 같이, 중간체 형태의 산소(O2*)는 산화제일구리(Cu2O) 분말과 산화제일구리(Cu2O) 분말에 직?간접적으로 분해 또는 결합하는 구동력을 제공할 수 있다. 따라서 반응 기작 3의 과정이 반복됨에 따라 반응로의 온도는 초기에 설정된 온도보다 대략 1~30% 상승하게 되고, 산화제일구리(Cu2O) 분말은 나노화되는 것이라고 할 수 있다.
다만, 중간체 형태의 산소는 반드시 상기 반응 기작 2, 3과 같이 O2*로 한정된다고 단정짓기는 어려우며, O* 또는 O3*와 같은 형태의 중간체도 형성할 수 있다.
본 발명의 산화구리 분말이 산화구리 나노분말로 나노화되기 위해서는 제1가열로의 온도는 600~1,000℃의 온도로 설정되는 것이 바람직하다.
왜냐하면, 제1가열로의 온도가 600℃ 미만의 온도로 가열되는 경우에는 상기한 중간체 형태의 산소가스가 생성되기 어렵기 때문이다.
그리고 제1가열로의 온도가 1,000℃를 초과하는 온도로 가열되는 경우에는 상기한 중간체 형태의 산소의 발생은 용이할 수 있으나, 상기 반응 기작 3이 진행됨에 따라 제1가열로의 온도와 반응에 의해 발생되는 열로 인해 오른쪽으로 가는 반응만 이루어질 수 있기 때문이다. 즉 정반응에 해당되는 산화제이구리(CuO) 분말로 소결되어, 더 이상 나노화 과정이 진행되지 않을 수 있기 때문이다.
또한, 본 발명에 따른 S1단계는 제1가열로의 온도가 600~1,000℃로 설정된 상태에서 15분 내지 2시간 동안 이루어지는 것이 바람직하다.
왜냐하면, S1단계가 15분 미만 동안 이루어지는 경우에는 중간체 형태의 산소(O2*)와 산화구리 분말이 서로 충분히 접촉하지 못하여 나노화에 이르지 못할 수 있기 때문이다.
그리고 S1단계가 2시간을 초과하여 이루어지는 경우에는 산화구리 분말의 나노화되는 분율은 커질 수 있으나, 예를 들어 30nm 미만의 산화구리 나노분말은 타서 없어질 수 있기 때문이다.
한편, S1단계를 거친 산화구리 나노분말의 크기는 40~150nm, 바람직하게는 80~120nm로 형성되는 것이다.
왜냐하면, 산화구리 나노분말의 크기가 40nm 미만으로 형성되는 경우에는 상기한 바와 같이 반응로에서 타서 없어질 수 있고, 미세기공도 형성되기 어렵기 때문이다.
그리고 산화구리 나노분말의 크기가 150nm를 초과하여 형성되는 경우에는 소재로서의 특성이 마이크로 크기의 분말과 비교하여 월등하지 못하기 때문이다.
따라서 40~150nm 크기의 산화구리 나노분말이 제조공정의 일정 수준 이상의 수율을 유지할 수 있고, 나노화의 특성도 충분히 발휘할 수 있게 된다.
한편, 상기 산화금속 분말은 산화제일니켈(NiO) 분말인 경우에는 상기 S1단계의 반응로는 900~1200℃의 온도로 가열되는 것이 바람직하고, 그외 언급하지 않은 내용에 대해서는 상기 산화구리 분말의 내용과 동일 내지 유사하다.
즉, 산화구리 분말 대신에 산화니켈, 산화코발트 및 기타 다양한 종류의 금속을 이용하여 다공성 나노 분말을 제조할 수 있으며, 본 발명의 범위에 속하는 것은 물론이다.
본 발명에 따른 S2단계는 상기 산화구리 나노분말을 질소가스가 공급되는 냉각탑에 공급하여 냉각시키는 것이다.
즉 본 발명의 S1단계를 거친 고온의 산화구리 나노분말은 밀도가 매우 작아 비산되기 때문에, 바로 환원로로 이송하기 어렵다.
따라서 산화구리 나노분말을 냉각탑으로 공급되는 질소가스에 의한 냉각을 통해 냉각탑 하부로 떨어뜨리는 과정을 거치는 것이 바람직하다.
그리고 만일 S1단계를 거친 고온의 산화구리 나노분말을 냉각탑을 거치지 않고 바로 환원로로 이송하게 되면, 반응로에 들어 있던 산화구리 나노분말은 물론, 고온의 산소가스가 함께 빠져나오게 된다.
이때, 고온의 산소는 환원로에 있는 수소와 반응하여 폭발할 위험이 있다.
따라서 S1단계를 거친 고온의 산화구리 나노분말과 고온의 산소는 냉각탑에 공급함으로써, 산화구리 나노분말은 냉각시키고, 고온의 산소는 냉각탑의 상부를 통해 배출시키게 된다.
상기와 같이 S2단계의 냉각탑에서는 반응로의 산소와 환원로의 수소가 서로 접촉하지 않도록 차단하는 역할도 수행하게 된다.
본 발명에 따른 S3단계는 소정 온도로 가열되고 수소가 공급되는 환원로에 상기 냉각된 다공성 산화금속 나노분말을 공급하여 금속 나노분말로 환원시키는 것이다.
본 발명의 S3단계에서 일어나는 환원 반응은 아래의 반응 기작 4와 같이 예측할 수 있다.
Figure 112012005918831-pat00004
상기 반응 기작 4와 같이, 냉각된 산화구리 나노분말은 수소가 공급되는 수소 분위기와 소정의 온도로 가열된 환원로에서 순수한 구리로 환원된다.
그리고 이때 상기 S3단계에서 환원로는 대략 400~600℃의 온도로 가열되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 범위는 상기 S2단계 및/또는 S3단계를 거치지 아니하고, S1단계에서 제조된 다공성 산화금속 나노분말과 같이 산화물 형태의 나노분말도 포함하는 것이다.
즉 본 발명은 S1단계 내지 S3단계를 모두 거친 금속 나노분말은 물론, S1단계만을 거친 다공성 산화금속 나노분말을 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 금속 나노분말의 제조방법의 제2실시예를 도시하는 공정도이고, 도 3은 본 발명에 따른 금속 나노분말의 제조장치를 도시하는 개념도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 수분이 함유된 산화금속 분말을 70~200℃의 온도에서 1~10시간 동안 건조시키는 S11단계; 상기 건조된 산화금속 분말을 진공이송장치의 흡입력을 이용하여 소정 온도로 가열된 반응로로 이송시키는 S12단계; 상기 가열된 반응로 내부로 산소를 공급하여 상기 산소와 상기 산화금속 분말을 15분~2시간 동안 반응시켜 40~150nm 크기의 다공성 산화금속 나노분말로 나노화시키는 S13단계; 상기 다공성 산화금속 나노분말을 냉각탑으로 이송시켜 상기 냉각탑 내부 공간에서 비산하는 상기 다공성 산화금속 나노분말은 질소가스로 냉각시켜 냉각탑 하부로 떨어뜨리고, 상기 반응로 내의 산소는 외부로 배출시키는 S14단계; 및 상기 냉각된 다공성 산화금속 나노분말을 수소 분위기의 환원로에 공급하여 금속 나노분말로 환원시키는 S15단계;를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 본 발명의 제1실시예와 제2실시예의 가장 큰 차이점은 원료가 되는 산화금속 분말이 수분이 함유되어 있는지 여부이다.
즉 일반적으로 원료가 되는 산화금속 분말을 반응로까지 유입시키기 전에 상당한 양의 산화금속 분말이 비산하는 문제가 있다. 이러한 분말을 작업자가 호흡기를 통해 흡입하는 것을 방지하고, 운송 내지 운반의 편의성을 제공하기 위해 산화금속 분말에 물을 뿌린 형태로 취급한다.
이때, 물에 젖은 상태로 반응로로 이송하게 되면, 수분에 의해 상기 반응기작 1 내지 3에 의한 나노화가 원활하게 이루어지지 않을 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 S11단계에서 산화금속 분말을 건조하는 것이 바람직하다.
S11단계의 건조 온도 및 건조 시간은 상기 산화금속 분말에 함유된 수분의 함량 등을 고려하여 정할 수 있다.
일반적으로, 젖은 상태의 산화금속 분말에는 5~11중량%의 수분이 함유되어 있는 것을 고려하면 산화금속 분말을 70~200℃의 온도에서 1~10시간 동안 건조시키는 것이 바람직하다.
S12단계에서는 상기 S11단계의 건조된 산화금속 분말을 효율적으로 이송하기 위해 진공이송장치의 흡입력을 이용하여 소정 온도로 가열된 반응로로 이송시키게 된다.
이러한 진공이송장치를 이용하기 때문에 반응로에 산소가스 분위기를 보다 용이하게 조성할 수 있다.
반응로 내부 온도를 850℃가 되도록 가열되는 반응로에 평균 직경이 8㎛인 산화구리(Cu2O) 분말를 공급한다. 그리고 상기 반응기 내로 산소가스가 1kg/cm2의 압력으로 공급되는 산소가스 분위기 하에서 15분~2시간 동안 다공성 산화금속 나노분말로 나노화시켜 S1단계를 수행하였다. 이때 반응로 내부 압력은 5~30mmH2O로 유지하였다. 이때, 반응로에서는 원료 투입중량 대비 95%를 회수할 수 있었다.
이어, 상기 다공성 산화구리(Cu2O) 나노분말을 질소가스(N2)가 공급되는 분위기의 냉각탑에 공급하여 냉각탑 하부로 다공성 산화구리(Cu2O) 나노분말이 냉각되어 떨어뜨리는 S2단계를 수행하였다.
다음으로, 냉각된 다공성 산화구리(Cu2O) 나노분말을 400~600℃로 가열되는 환원로에 공급하였다. 이때, 환원로 내로 수소가스를 1kg/cm2의 압력으로 공급하였고, 환원로 내의 압력을 5~30mmH2O로 유지하여 구리 나노분말로 환원시켜 S3단계를 수행하였다. 이때, 환원로에서는 원료 투입량 대비 99~100%를 회수할 수 있었다. 그리고 도 3 내지 7은 본 발명에 따른 다공성 구리 나노분말을 전자현미경으로 촬영한 사진들이고, 그 중에서도 도 7은 중국 호남성 장사시 중남대학교에 의뢰하여 다공성 구리 나노분말을 50만(500,000×)배의 배율로 확대하여 촬영한 사진이다. 도 3 내지 도 7에서 확인할 수 있듯이, 상기 S1~S3단계를 거친 다공성 구리 나노분말은 순도 99% 이상이고, 직경이 40~150nm 크기이며, 다공성(porosity)이라는 것을 확인할 수 있다.
상기 실시예 1과 같이, 원료인 산화구리는 표면이 산화되어 산소막으로 감싸져 있는 상태로서, 열을 가하면서 산소를 공급하면 산소에 의해 타면서 작게 쪼개지도록 금이 생기며, 이 과정을 거치면서 내부까지 쪼개지며 다공성의 산화금속 나노분말이 형성되는 것을 확인할 수 있었다.
이상에서 설명된 본 발명은 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (7)

  1. 소정 온도로 가열되고 산소가스가 공급되는 반응로에 산화금속 분말을 공급하여, 상기 산화금속 분말을 산소가스 분위기 하에서 가열하여 다공성 산화금속 나노분말로 나노화시키는 S1단계;
    상기 다공성 산화금속 나노분말을 공기(air) 또는 질소가스(N2)가 공급되는 분위기의 냉각탑에 공급하여 냉각시키는 S2단계; 및
    소정 온도로 가열되고 수소가스가 공급되는 환원로에 상기 냉각된 다공성 산화금속 나노분말을 공급하여 금속 나노분말로 환원시키는 S3단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 나노분말의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산화금속 분말은 알칼리 금속, 알칼리 토금속 및 전이금속 중에서 어느 하나의 금속이 산화된 형태의 분말인 것을 특징으로 하는 금속 나노분말의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 산화금속 분말은 산화제일구리(Cu2O) 분말이고,
    상기 S1단계의 반응로가 600~1,000℃의 온도로 가열된 상태에서, 상기 산화제일구리(Cu2O) 분말이 산소와 반응하여 구리(Cu), 산화제일구리(Cu2O) 또는 산화제일구리(CuO)의 형태로 나노화되는 것을 특징으로 하는 금속 나노분말의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 S1단계를 거친 금속 나노분말의 크기는 40~150nm이고, 다수의 미세기공이 형성된 것을 특징으로 하는 금속 나노분말의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 S1단계는 15분~2시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 나노분말의 제조방법.
  6. 수분이 함유된 산화금속 분말을 70~200℃의 온도에서 1~10시간 동안 건조시키는 S11단계;
    상기 건조된 산화금속 분말을 진공이송장치의 흡입력을 이용하여 소정 온도로 가열된 반응로로 이송시키는 S12단계;
    상기 가열된 반응로 내부로 산소를 공급하여 상기 산소와 상기 산화금속 분말을 15분~2시간 동안 반응시켜 40~150nm 크기의 다공성 산화금속 나노분말로 나노화시키는 S13단계;
    상기 다공성 산화금속 나노분말을 냉각탑으로 이송시켜 상기 냉각탑 내부 공간에서 비산하는 상기 다공성 산화금속 나노분말은 질소가스로 냉각시켜 냉각탑 하부로 떨어뜨리고, 상기 반응로 내의 산소는 상기 냉각탑의 상부를 통해 외부로 배출시키는 S14단계; 및
    상기 냉각된 다공성 산화금속 나노분말을 수소 분위기의 환원로에 공급하여 금속 나노분말로 환원시키는 S15단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 나노분말의 제조방법.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중에서 어느 하나의 제조방법에 의해서 제조되는 것을 특징으로 하는 금속 나노분말.




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