KR101239392B1 - 분산성 및 환원성이 우수한 니켈 분말 제조 장치 및 이를 이용한 니켈 분말 제조 방법 - Google Patents

분산성 및 환원성이 우수한 니켈 분말 제조 장치 및 이를 이용한 니켈 분말 제조 방법 Download PDF

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Abstract

수열합성법을 이용하여 니켈 분말을 직접 제조할 수 있는 장치 및 이를 이용하여 분산성 및 환원성을 향상시킬 수 있는 니켈 분말 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 수열합성법을 이용한 니켈 분말 제조 장치는 NiO, pH 조절제, PdCl2, 안트라퀴논(Anthraquinone), PVP(Polyvinyl pyrrolidone) 및 물을 포함하는 수열합성 혼합물을 저장하며, 환원제 투입구가 마련되어 있는 밀폐된 상태의 반응 용기; 상기 환원제 투입구를 통하여 환원제를 공급하는 환원제 공급기; 및 상기 반응 용기 내에 저장된 수열합성 혼합물을 물의 끓는점 이상으로 가열하여 상기 반응 용기 내에서 수열합성이 이루어지도록 하는 히터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

분산성 및 환원성이 우수한 니켈 분말 제조 장치 및 이를 이용한 니켈 분말 제조 방법{APPARATUS FOR MANUFACTURING NICKEL POWDERS WITH DISPERSIBILITY AND REDUCTING AND METHOD OF MANUFACTURING THE NICKEL POWDERS}
본 발명은 다층세라믹 캐패시터(Multi Layer Ceramic Capacitor, MLCC) 등에 사용되는 니켈 분말을 제조하는 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 수열합성법을 이용하여 니켈 분말을 직접 제조할 수 있는 장치 및 이를 이용한 니켈 분말 제조 방법에 관한 것이다.
전자소재용 니켈 분말은 MLCC의 전극 소재 등에 주로 사용된다.
도 1은 일반적인 MLCC의 단면을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, MLCC는 유전체(110)와 전극(120)이 교대로 적층되고, 양 단부에는 구리 등의 재질의 터미널 전극(130)이 형성된다. 전극(120)의 한쪽 단부는 터미널 전극(130)에 연결되고, 다른쪽 단부는 터미널 전극(130)에 연결되지 않도록 형성된다.
유전체(110)는 6㎛ 정도의 두께로 형성되고, 전극(120)은 1㎛ 이하의 두께로 형성된다.
이때, 전극(120) 소재로 주로 니켈 분말이 사용되고 있다.
종래에는 이러한 MLCC의 전극을 형성하기 위한 니켈 분말을 액상환원법에 의해 니켈염의 수용액으로부터 제조되고 있다.
그러나, 액상환원법으로 제조된 니켈 분말은 응집이 심하고 형상 및 크기 제어가 어려워서 MLCC 전극과 같은 전자 소재용으로 적용하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 수열합성법을 이용하여 니켈 분말을 제조할 수 있는 제조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 수열합성법을 이용하여 분산성 및 수득율이 우수한 니켈 분말 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 수열합성법을 이용한 니켈 분말 제조 장치는 NiO, pH 조절제, PdCl2, 안트라퀴논(Anthraquinone), PVP(Polyvinyl pyrrolidone) 및 물을 포함하는 수열합성 혼합물을 저장하며, 환원제 투입구가 마련되어 있는 밀폐된 상태의 반응 용기; 상기 환원제 투입구를 통하여 환원제를 공급하는 환원제 공급기; 및 상기 반응 용기 내에 저장된 수열합성 혼합물을 물의 끓는점 이상으로 가열하여 상기 반응 용기 내에서 수열합성이 이루어지도록 하는 히터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 수열합성법을 이용한 니켈 분말 제조 방법은 (a) 반응 용기 내에, NiO : 2 ~ 5 중량%, PVP : 1 ~ 3 중량%, PdCl2 : 1x10-3 ~ 1.5 x10-3 중량%, 안트라퀴논 : 0.1 ~ 0.2 중량% 및 나머지 물과 pH 조절제를 포함하는 수열합성 혼합물을 저장한 후, 상기 반응 용기를 밀폐하는 단계; (b) 히터를 이용하여 상기 수열합성 혼합물을 물의 끓는점 이상으로 가열하는 단계; (c) 환원제 공급기를 이용하여 상기 반응 용기에 수소 가스를 가하여, 상기 NiO를 용해한 후 Ni로 환원시키는 단계; (d) 상기 (c) 단계의 수열반응의 결과물을 냉각하는 단계; 및 (e) 상기 (d) 단계의 냉각된 결과물을 세척 및 건조하여 Ni 파우더를 수득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 장치를 이용한 니켈 분말 제조 방법은 수열합성법을 이용하여 형상 및 입도 제어가 용이하며, 아울러 우수한 분산성과 수득율을 나타낼 수 있는 장점이 있다.
따라서, 제조된 니켈 분말은 MLCC(Multi Layer Ceramic Capacitor) 등의 전극 소재로 활용하기에 적합하다.
도 1은 일반적인 MLCC의 단면을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수열합성법을 이용한 니켈 분말 제조 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 도 2에 도시된 제조 장치를 이용한 니켈 분말 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 4는 NiO-Ni의 Eh-pH 다이어그램을 나타낸 것이다.
도 5내지 도 7은 NiSO4를 첨가하지 않은 경우, NiSO4를 1.178 g/L 첨가한 경우, NiSO4를 1.178 g/L 첨가한 경우의 제조되는 니켈 분말의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 8은 NiSO4 첨가에 따른 NiO의 환원율을 나타낸 것이다.
도 9는 NiSO4 첨가량에 따라 제조되는 니켈 분말의 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 10 내지 도 12는 반응온도가 200℃ 인 경우, 225℃ 인 경우 및 250℃ 인 경우 제조되는 니켈 분말의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 13은 반응온도 변화에 따른 NiO의 환원율을 나타낸 것이고, 도 14는 반응 온도변화에 따라 제조된 Ni 분말의 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 15 내지 도 17은 pH 3.5, 5.2, 9.0의 조건에서 제조된 Ni 분말의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 18은 초기 pH 변화에 따른 NiO의 환원율을 나타낸 것이고, 도 19는 초기 pH 변화에 따라 제조된 니켈 분말의 XRD 분석결과를 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들 및 도면을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하에서는, 본 발명에 따른 분산성 및 환원성이 우수한 니켈 분말 제조 장치 및 이를 이용한 니켈 분말 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수열합성법을 이용한 니켈 분말 제조 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 도시된 니켈 분말 제조 장치는 반응 용기(210), 환원제 공급기(220) 및 히터(230)를 포함한다.
오토클레이브(autoclave)와 같은 반응 용기(210)는 수열합성 혼합물(201)을 저장한다. 반응 용기(210)는 밀폐 상태로 유지되어 환원제에 의한 수열합성이 이루어지도록 한다.
또한, 반응 용기(210)에는 환원제 투입구가 마련되어 환원제 공급기(220)로부터 공급되는 환원제가 반응 용기(210) 내부로 공급되도록 한다.
환원제 공급기(220)는 환원제 투입구를 통하여 환원제를 반응 용기(210) 내부로 공급한다.
환원제 공급기(220)로부터 공급되는 환원제는 수소 가스(H2)가 될 수 있다. 이 경우, 환원제 공급기(220)는 수소 가스를 150 ~ 400 psi 분압(PH2)으로 반응 용기(210) 내로 공급하는 것이 바람직하다. 수소 가스의 분압이 150 psi 미만일 경우 반응 시간이 길어지고, 제조되는 니켈 분말의 응집 정도가 커지는 문제점이 있다. 반대로, 수소 분압이 400 psi를 초과하는 경우 반응 속도가 지나치게 빠르게 되어 1㎛ 이하의 입도를 갖는 니켈 분말을 제조하기 어려워질 수 있다.
히터(230)는 반응 용기(210) 내에 저장된 수열합성 혼합물(201)을 물의 끓는점 이상으로 가열하여, 반응 용기(210) 내에서 수열합성이 이루어지도록 한다.
히터(230)는 수열합성 혼합물을 200 ~ 250℃로 가열하는 것이 바람직하다. 가열 온도가 200℃ 미만일 경우 제조되는 니켈 분말의 응집이 발생하고, 입도가 고르지 못한 문제점이 있다. 충분한 수열합성 반응이 이루어지기 어려운 문제점이 있다. 다만, 가열 온도가 250℃를 초과하는 경우 수열합성 반응이 지나치게 빠른 속도로 진행되어, 제조되는 니켈 분말의 형상 제어가 어려운 문제점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 니켈 분말 제조 장치는 상기 요소들 이외에도, 650 rpm 정도의 속도로 회전하여 수열합성 혼합물(201)을 교반하는 임펠러(240)를 더 포함할 수 있다. 이때, 임펠러(240)의 블레이드(blade)(245)는 반응 용기(201) 내에 저장된 수열합성 혼합물(201)에 침지되도록 배치된다.
또한, 임펠러(240)는 수열합성 혼합물(201)에서 NiO 등이 침강하거나 응집되는 것을 방지하는 역할도 수행한다.
반응 용기(210)에 저장되는 수열합성 혼합물(201)은 NiO, pH 조절제, PdCl2, 안트라퀴논(Anthraquinone), PVP(Polyvinyl pyrrolidone) 및 물을 포함한다.
보다 구체적으로 수열합성 혼합물(201)은 NiO : 2 ~ 5 중량%, PVP : 1 ~ 3 중량%, PdCl2 : 1x10-3 ~ 1.5 x10-3 중량%, 안트라퀴논 : 0.1 ~ 0.2 중량% 및 나머지 물과 pH 조절제를 포함한다.
본 발명에서 NiO는 수용액 내에서 Ni2+로 이온화된 후, Ni로 환원된다.
상기 NiO는 혼합물 전체 중량에 대하여 2~5 중량%(혼합물 1L를 기준으로 20 ~ 30g)로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 NiO의 함량이 2 중량% 미만일 경우 생산성이 적어 공정에 적용하기 곤란한 문제점이 있고, 상기 NiO의 함량이 5 중량%를 초과하는 경우 NiO의 전량 환원이 이루어지지 않는 문제점이 있다.
PdCl2는 니켈 분말의 시드로 작용하는 팔라듐(Pd)을 제공한다.
팔라듐은 표면 활성이 매우 우수하다. 따라서, 팔라듐을 시드로 이용할 경우, 팔라듐 표면에 니켈 입자가 생성되어, 보다 큰 입자로 쉽게 성장하여 치밀한 표면을 갖는 입자 생성을 가능하게 한다.
이러한 PdCl2는 1x10-3 ~ 1.5 x10-3 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. PdCl2의 함량이 1x10-3 중량% 미만일 경우, 니켈 분말의 시드로서 그 양이 불충분하다. 반대로, PdCl2의 함량이 1.5x10-3 중량%를 초과하는 경우 팔라듐 시드에 석출되는 니켈의 양이 지나치게 적어 비경제적인 문제점이 있다.
안트라퀴논(Anthraquinone)은 촉매 역할을 하여, 수열합성 반응의 반응시간을 단축시키는 역할을 한다.
상기 안트라퀴논은 혼합물 전체 중량의 0.1~0.2 중량%으로 포함되는 것이 바람직하다. 안트라퀴논의 함량이 0.1 중량% 미만일 경우 촉매 역할이 불충분하고, 반대로 안트라퀴논의 함량이 0.2 중량%를 초과할 때는 반응시간이 지나치게 빨라져서 수득되는 니켈 분말의 형상 제어가 어렵고, 응집 문제가 발생할 수 있다.
PVP(Polyvinyl pyrrolidone)는 팔라듐 혹은 니켈의 안정화제 역할을 한다.
상기 PVP는 수열합성 혼합물 전체 중량의 1 ~ 3 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. PVP가 1 중량% 미만으로 첨가되는 경우 팔라듐 등 금속의 안정화 효과를 충분히 발휘하기 어렵다. 반대로 PVP의 함량이 3 중량%를 초과하는 경우 분산 효과 과잉으로 불규칙한 니켈 입자가 생성되어 형상 및 입도 제어가 어려운 문제점이 있다.
pH 조절제는 수열합성 혼합물의 pH를 조절하는 역할을 한다. 이러한 pH 조절제는 NaH2PO4 및 Na2HPO4 중 하나 이상을 이용할 수 있다. 이들 물질은 NaH2PO4는 시드인 팔라듐 환원용으로도 이용될 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 제조 장치를 이용한 니켈 분말 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 3을 참조하면, 도시된 니켈 분말 제조 방법은 수열합성 혼합물 저장 및 반응 용기 밀폐 단계(S310), 수열합성 혼합물 가열 단계(S320), Ni 분말 수열 합성 단계(S330), 냉각 단계(S340) 및 세척 및 건조 단계(S350)를 포함한다.
수열합성 혼합물 저장 및 반응 용기 밀폐 단계(S310)에서는 NiO, pH 조절제, PdCl2, 안트라퀴논, PVP 및 물을 포함하는 수열합성 혼합물을 반응 용기 내에 저장한 후, 수열합성을 위하여 반응 용기를 밀폐한다.
다음으로, 수열합성 혼합물 가열 단계(S320)에서는 히터를 이용하여, 수열합성 혼합물을 물의 끓는점 이상으로 가열한다. 이를 통하여 반응 용기 내부가 수열합성에 적합한 가압가온의 조건이 될 수 있다.
다음으로, Ni 분말 수열 합성 단계(S330)에서는 환원제 공급기를 이용하여, 가열된 혼합물에 수소(H2) 가스와 같은 환원제를 가하여, NiO를 용해한 후 Ni로 환원시킨다.
환원제로 수소 가스를 이용할 경우, 다음과 같은 반응식 1 및 반응식 2의 순으로 니켈 입자가 형성될 수 있다.
반응식 1 : NiO + 2H+ → Ni2+ + H2O
반응식 2 : Ni2+ + H2 → NiO + 2H+
반응식 1은 NiO를 용해하는 과정으로, 4 ≤ pH ≤ 6 조건 하에서 이루어지는 것이 바람직하다.
도 4는 NiO-Ni의 Eh-pH 다이어그램을 나타낸 것으로, 도 4를 참조하면, 수용액상에서 Ni 이온(Ni2+)은 pH 6까지 존재하므로 pH 6 이하에서 수소와 같은 환원제에 의하여 니켈 이온이 환원될 수 있다.
다만, NiO 용해시의 pH가 4 미만일 경우, 반응 종료 후 pH가 더 낮게 변화하여 니켈이 수소이온과 반응하여 다시 용해되는 현상(반응식 2의 역반응)이 발생하여 니켈 환원율이 오히려 저하될 수 있다.
또한, 본 발명에 적용되는 수열합성 혼합물은 Ni 전구체로서 NiSO4를 더 포함할 수 있다.
NiSO4는 하기 반응식 3과 같이 수용액에 이온화되고, 반응식 4와 같이 수소 이온을 발생시킴으로써, NiO 용해시 요구되는 수소 이온(H+)을 제공할 수 있다.
반응식 3 : NiSO4 → Ni2+ + SO4 2-
반응식 4 : Ni2+ + H2 → NiO + 2H+
NiSO4를 이용하지 않는 경우, NiO가 충분히 용해되지 않은 상태에서 NiO 표면에 있는 니켈이 수소 이온에 의해 환원되어 NiO 표면에 치밀한 니켈 금속 코팅층을 형성하며, 이러한 니켈 금속 코팅층은 전체적인 수소 가스와의 환원반응을 방해하여 환원율이 낮아질 수 있다.
그러나, NiSO4를 이용하는 경우, NiSO4의 상기 반응에 의해 제공되는 수소이온을 통하여 NiO를 용해하여 니켈 이온을 수용액상으로 용출시킨다. 최종적으로 용출된 Ni 이온은 수소에 의해 환원되므로, 환원율을 훨신 높일 수 있게 된다.
이때, 상기 NiSO4는 상기 NiO 100 중량부에 대하여, 10 중량부 이하로 포함되는 것이 바람직하다. 상기와 같이 NiSO4가 첨가되는 니켈의 환원율을 향상시킬 수 있는 장점이 있으나, NiO 100 중량부 대비 NiSO4를 10 중량부를 초과하여 과다하게 첨가되면 실제 환원해야할 NiO의 환원은 적어지고, NiSO4의 환원이 많이 이루어져 효율성이 저하되는 문제점이 있다.
다음으로, 냉각 단계(S340)에서는 수열반응의 결과물을 냉각한다. 이후, 세척 및 건조 단계(S350)에서는 냉각된 결과물을 탈이온수 및 에탄올을 이용하여 3회 정도 세척한 후 건조하여 Ni 파우더를 수득한다.
상기 과정으로 제조되는 니켈 분말은 구형의 형상을 가질 수 있으며, 1.0㎛ 이하의 평균 입경과 함께 고른 입도를 가질 수 있어, MLCC(Multi Layer Ceramic Capacitor) 등의 전극 소재로 활용할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명에 따른 분산성 및 환원성이 우수한 니켈 분말 제조 장치 및 이를 이용한 니켈 분말 제조 방법에 대하여 보다 구체적으로 살펴보기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실시예에서 사용된 물질은 다음과 같다.
니켈 공급원 : Nickel(II) oxide (NiO 95 %, Junsei chemical Co., Japan)
팔라듐(Pd) : PdCl2(순도 99.99 %, Kojima chemical reagents Inc., Japan.)를 증류수에 용해시켜 사용.
PVP : PVP k-30((C6H6NO)n 12~13 %, Junsei Chemical Co., Japan)
모든 시약들은 탈이온수에 용해하여 실험에 이용하였으며 니켈 분말 합성 후 탈이온수 및 에탄올을 사용하여 3회 세척하여 물리화학적 분석을 행하여 특성을 조사하였다.
또한, 반응 용기는 오토클레이브를 이용하였다.
NiSO 4 의 영향
NiO 26 g/l, PVP 16 g/l, PdCl2 12.3 mg/l, 안트라퀴논 1.2 g/l, 반응온도 250℃, PH2 300 psi, 교반속도 650 RPM, 초기 pH 5.12인 실험조건에서 NiSO4를 0 g/L 에서 2.356 g/L까지 변화시키면서 니켈 분말을 제조하였다.
도 5내지 도 7은 NiSO4를 첨가하지 않은 경우, NiSO4를 1.178 g/L 첨가한 경우, NiSO4를 1.178 g/L 첨가한 경우의 제조되는 니켈 분말의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, NiSO4를 첨가하지 않은 경우, 제조되는 니켈 분말의 형상이 불규칙하며, 미세한 니켈 입자가 응집되어 있는 것을 볼 수 있다.
또한, 도 6을 참조하면, NiSO4를 1.178 g/L 첨가하였을 경우에는 생성되는 니켈 입자의 크기가 미세하나 약간 불규칙인 형상을 띠고 있음을 볼 수 있다.
또한, NiSO4를 2.356 g/L을 첨가하였을 경우에는 입자의 크기는 약 1 ㎛ 이하이며 약간의 응집된 형태를 보여주고 있는 것을 볼 수 있다.
따라서, NiSO4를 첨가하는 경우 니켈 분말을 더욱 미세하고, 규칙적인 형상으로 제조할 수 있다.
도 8은 NiSO4 첨가에 따른 NiO의 환원율을 나타낸 것이고, 도 9는 NiSO4 첨가량에 따라 제조되는 니켈 분말의 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 8을 참조하면, NiSO4를 첨가하지 않은 경우에는 반응시간 20분이 경과한 후에도 Ni 분말 환원율이 10 % 미만으로 나타나고 있다.
반면, NiSO4를 1.178 g/L 첨가하였을 경우 반응시간이 증가함에 따라 환원율이 직선적으로 증가하고 있다. 그러나 반응시간 30 분 이후에도 환원율은 50 % 미만으로 나타나고 있다.
NiSO4를 2.356 g/L을 첨가하였을 경우에는 반응시간 15분 이내에 반응이 종료되어 환원율이 100 %에 도달하였다.
또한, 도 9를 참조하면, NiSO4를 첨가하지 않았거나, 1.178 g/L 첨가한 경우에는 NiO의 피크가 관찰되나 NiSO4를 2.356 g/L 첨가한 경우에는 수수한 니켈 피크만 나타내고 있다.
따라서, 도 8 및 도 9를 참조하면, NiSO4의 첨가량을 높을수록 NiO의 환원율역시 높아짐을 알 수 있다.
반응 온도의 영향
NiO로부터 수열합성법에 의해 Ni분말을 제조시 온도조건의 영향을 알아보기 위해 NiO 26 g/l, NiSO4 2.4 g/L, PVP 16 g/l, PdCl2 12.3 mg/l, 안트라퀴논 1.2 g/l, PH2 300 psi, 교반속도 650 RPM, 초기 pH 5.12인 실험조건에서 반응온도를 200~250℃로 변화시키면서 실험을 행하였다.
도 10 내지 도 12는 반응온도가 200℃ 인 경우, 225℃ 인 경우 및 250℃ 인 경우 제조되는 니켈 분말의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 10 내지 도 12를 참조하면, 반응 온도가 증가함에 따라 분말의 응집도가 감소하고 단분산화되는 것을 확인할 수 있다.
도 13은 반응온도 변화에 따른 NiO의 환원율을 나타낸 것이고, 도 14는 반응 온도변화에 따라 제조된 Ni 분말의 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 13을 참조하면, 반응 온도가 증가함에 따라 환원율이 증가하는 것을 알 수 있고, 반응온도 250 ℃의 경우에는 약 12.5분에 반응이 완료되는 것을 볼 수 있다. 반면, 반응온도가 200℃인 경우에는 시간의 경과에도 환원율이 크게 높아지지 않는 것을 볼 수 있다.
또한, 도 14를 참조하면, 반응온도가 225 ℃ 이하의 온도조건에서는 미반응한 NiO가 존재하는 것을 확인할 수 있다. 반면 반응온도가 250 ℃의 경우에는 NiO의 피크는 거의 검출되지 않으므로 대부분의 NiO는 니켈로 환원된 것을 볼 수 있다.
따라서, NiO의 환원율을 높이기 위해서는 250℃ 정도의 반응온도에서 수열합성이 이루어지는 것이 보다 바람직하다.
초기 pH의 영향
NiO로부터 Ni 분말 제조시 초기 pH의 영향을 알아보기 위해 NiO 26 g/l, NiSO4 2.4 g/L, PVP 16 g/l, PdCl2 12.3 mg/l, 안트라퀴논 1.2 g/l, 반응온도 250℃, PH2 300 psi, 교반속도 650 RPM, 초기 pH를 3.5에서 9.0까지 변화시키면서 실험을 행하였다.
도 15 내지 도 17은 pH 3.5, 5.2, 9.0의 조건에서 제조된 Ni 분말의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 15 내지 도 17을 참조하면, 초기 pH가 3.5에서 5.2로 증가함에 따라 입자의 응집도가 감소하나 pH가 5.2에서 9.0으로 증가 시에는 응집현상이 심하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 즉, 도 16에 나타난 바와 같이, pH가 5.2에서 입자의 응집도를 최소화할 수 있음을 알 수 있다.
도 15에 나타난 바와 같이 pH 3.5인 조건에서는 반응 종료 후 pH 변화가 저 pH로 변화함으로 반응식 2의 역반응이 진행되어 반응이 진행하기 어려워지기 때문에 오히려 입자의 응집도가 증가하는 것으로 보인다.
또한 도 17에 나타난 바와 같이, pH 9.0인 조건에서는 반응 30분 후에도 pH가 7.98로 약간 감소하는데 불과하여, 반응식 2 혹은 반응식 4에 따른 반응이 충분히 진행되지 않았음을 알 수 있다.
도 18은 초기 pH 변화에 따른 NiO의 환원율을 나타낸 것이고, 도 19는 초기 pH 변화에 따라 제조된 니켈 분말의 XRD 분석결과를 나타낸 것이다.
도 18을 참조하면, 초기 pH가 5.2인 경우 가장 높은 환원율을 나타내는 것을 볼 수 있다. 또한, pH 5.2의 경우에는 약 10분에 반응이 완료되는 것을 알 수 있다.
또한, 도 19를 참조하면, pH 9.53 및 3.5의 경우에는 미반응한 NiO가 검출되나 pH 5.12의 경우에는 거의 대부분 환원되어 순수한 Ni의 피크만 검출된 것을 볼 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
110 : 유전체 120 : 전극
130 : 터미널 전극 201 : 수열합성 혼합물
210 : 반응 용기 220 : 환원제 공급기
230 : 히터 240 : 임펠러
245 : 블레이드
S310 : 수열합성 혼합물 저장 및 반응 용기 밀폐 단계
S320 : 수열합성 혼합물 가열 단계
S330 : Ni 분말 수열 합성 단계
S340 : 냉각 단계
S350 : 세척 및 건조 단계

Claims (14)

  1. NiO, pH 조절제, PdCl2, 안트라퀴논(Anthraquinone), PVP(Polyvinyl pyrrolidone) 및 물을 포함하는 수열합성 혼합물을 저장하며, 환원제 투입구가 마련되어 있는 밀폐된 상태의 반응 용기;
    상기 환원제 투입구를 통하여 환원제를 공급하는 환원제 공급기; 및
    상기 반응 용기 내에 저장된 수열합성 혼합물을 물의 끓는점 이상으로 가열하여 상기 반응 용기 내에서 수열합성이 이루어지도록 하는 히터;를 포함하고,
    상기 히터는 상기 수열합성 혼합물을 200 ~ 250℃로 가열하는 것을 특징으로 하는 니켈 분말 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    블레이드(blade)가 상기 반응 용기에 저장된 수열합성 혼합물에 침지되어, 회전에 의하여 상기 수열합성 혼합물을 교반하는 임펠러;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 니켈 분말 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반응 용기에는
    NiO : 2 ~ 5 중량%, PVP : 1 ~ 3 중량%, PdCl2 : 1x10-3 ~ 1.5 x10-3 중량%, 안트라퀴논 : 0.1 ~ 0.2 중량% 및 나머지 물과 pH 조절제를 포함하는 수열합성 혼합물이 저장되는 것을 특징으로 하는 니켈 분말 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수열합성 혼합물은
    NiSO4를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 니켈 분말 제조 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 NiSO4는
    상기 NiO 100 중량부에 대하여, 10 중량부 이하로 포함되는 것을 특징으로 하는 니켈 분말 제조 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 pH 조절제는
    NaH2PO4 및 Na2HPO4 중 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 니켈 분말 제조 장치.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 환원제 공급기는
    환원제로서, 수소 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 니켈 분말 제조 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 환원제 공급기는
    상기 수소 가스를 150 ~ 400 psi 분압으로 상기 반응 용기 내로 공급하는 것을 특징으로 하는 니켈 분말 제조 장치.
  10. 제1항에 기재된 니켈 분말 제조 장치를 이용하여 니켈 분말을 제조하는 방법에 있어서,
    (a) 반응 용기 내에, NiO : 2 ~ 5 중량%, PVP : 1 ~ 3 중량%, PdCl2 : 1x10-3 ~ 1.5 x10-3 중량%, 안트라퀴논 : 0.1 ~ 0.2 중량% 및 나머지 물과 pH 조절제를 포함하는 수열합성 혼합물을 저장한 후, 상기 반응 용기를 밀폐하는 단계;
    (b) 히터를 이용하여 상기 수열합성 혼합물을 물의 끓는점 이상으로 가열하는 단계;
    (c) 환원제 공급기를 이용하여 상기 반응 용기에 수소 가스를 가하여, 상기 NiO를 용해한 후 Ni로 환원시키는 단계;
    (d) 상기 (c) 단계의 수열반응의 결과물을 냉각하는 단계; 및
    (e) 상기 (d) 단계의 냉각된 결과물을 세척 및 건조하여 Ni 파우더를 수득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 니켈 분말 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 수열합성 혼합물은
    상기 NiO 100 중량부에 대하여, 10 중량부 이하의 NiSO4를 더 포함하여, 상기 (c) 단계에서 상기 NiO 용해에 필요한 수소 이온을 제공하는 것을 특징으로 하는 니켈 분말 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 (b) 단계는
    상기 수열합성 혼합물을 200 ~ 250℃로 가열하는 것을 특징으로 하는 니켈 분말 제조 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서, 상기 수소 가스는
    150 ~ 400 psi 분압으로 공급되는 것을 특징으로 하는 니켈 분말 제조 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서, 상기 NiO의 용해는
    4 ≤ pH ≤ 6 분위기 하에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 니켈 분말 제조 방법.
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