KR101310949B1 - Ｒｆ 플라즈마를 이용한 몰리브덴 금속 나노분말 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반응챔버 내부에 삼산화몰리브덴 분말을 장입하는 단계; 상기 반응챔버 내부에 수소가스를 공급하여 상기 반응챔버 내부를 수소분위기로 치환하는 단계; 상기 반응챔버 내부에 RF 플라즈마를 발생시키는 단계; 상기 RF 플라즈마를 통해 상기 삼산화몰리브덴을 수소환원처리하여 몰리브덴 금속 분말을 생성하는 단계; 상기 RF 플라즈마를 통해 상기 몰리브덴 금속 분말을 기화시키는 단계; 및 기화된 상기 몰리브덴 금속 분말을 응축 또는 급랭시켜 몰리브덴 금속 나노분말로 만드는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 플라즈마를 이용한 금속 나노분말 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, RF 플라즈마를 수소환원분위기로 가동하여 금속산화물인 삼산화몰리브덴을 수소 환원함과 동시에 고온의 플라즈마를 이용하여 기상증발 응축시켜 몰리브덴 금속 나노분말로 제조함으로써, 종래보다 제조공정을 간소화시킬 수 있으며, 이를 통해, 몰리브덴 금속 나노분말의 생산성을 향상시킬 수 있고 제조비용을 줄일 수 있다.

Description

ＲＦ 플라즈마를 이용한 몰리브덴 금속 나노분말 제조방법{SYNTHETIC METHOD FOR MOLYBDENUM METAL NANOPOWDER USING RF PLASMA}

본 발명은 RF 플라즈마를 이용한 몰리브덴 금속 나노분말 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 RF 플라즈마를 수소환원분위기로 가동하여 금속산화물인 삼산화몰리브덴을 수소 환원함과 동시에 고온의 플라즈마를 이용하여 기상증발 응축시켜 몰리브덴 금속 나노분말로 제조함으로써, 종래보다 제조공정을 간소화시킬 수 있는 RF 플라즈마를 이용한 몰리브덴 금속 나노분말 제조방법에 관한 것이다.

몰리브덴은 융점이 높고, 인성이 우수하며, 열전도도가 높고, 내식성이 강하며, 열팽창계수가 낮은 금속이다. 이와 같은 몰리브덴의 특성으로 인하여, 몰리브덴 금속은 핵 에너지 시설, 미사일, 항공기 등의 고온 구조재료뿐만 아니라, 필라멘트, 전기로의 전극 등 고온 전기재료에 널리 사용되고 있으며, 석유화학산업에서는 촉매로도 사용되고 있다.

이러한 몰리브덴은 자연상태에서 이황화몰리브덴(MoS₂)이나 몰리브덴산납(PbMoO₄) 등과 같은 몰리브덴 화합물의 형태로 광석에 함유되어 존재한다. 통상, 이러한 형태의 몰리브덴 화학물로부터 금속 몰리브덴을 정제하기 위해서는 우선, 산화성 분위기에서 배소과정을 거치게 되는데, 이러한 과정을 통하여 저순도의 삼산화몰리브덴(MoO₃)이 생성된다. 그리고 이러한 저순도의 삼산화몰리브덴의 순도를 향상시키기 위해서는 저순도 삼산화 몰리브덴을 암모니아수에 용해시킨 후, 수용액의 pH를 2~3으로 조절하고 이때 정출되는 순수한 암모늄테트라몰리브데네이트(4MoO_3·2NH_3·H₂O)를 배소시켜 고순도 삼산화 몰리브덴을 얻게 된다. 그리고 이러한 고순도 삼산화 몰리브덴을 환원하면 금속 몰리브덴을 얻을 수 있는데, 종래에는 환원반응에 필요한 환원제로 수소를 사용하여 삼산화 몰리브덴을 수소 환원처리하여 금속 몰리브덴 분말을 얻었다.

이때, 수소 환원처리되어 얻어진 금속 몰리브덴 분말은 마이크로 범위의 입자 크기를 나타낸다. 때문에, 이러한 몰리브덴 마이크로 분말을 나노분말로 제조하기 위해서 수소 환원처리 후 다시 기상증발 응축법을 이용하여 제조하였다.

즉, 종래에는 몰리브덴 나노분말을 제조하기 위해, 먼저, 수소환원 처리한 다음 별도의 챔버에서 기상증발 응축시켜야 하는 등 공정이 복잡하고, 열처리와 같은 공정이 중복되는 등 공정의 효율성이 낮은 문제가 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, RF 플라즈마를 수소환원분위기로 가동하여 금속산화물인 삼산화몰리브덴을 수소 환원함과 동시에 고온의 플라즈마를 이용하여 기상증발 응축시켜 몰리브덴 금속 나노분말로 제조함으로써, 종래보다 제조공정을 간소화시킬 수 있는 RF 플라즈마를 이용한 몰리브덴 금속 나노분말 제조방법의 제공을 그 목적으로 한다.

본 발명은 반응챔버 내부에 삼산화몰리브덴 분말을 장입하는 단계; 상기 반응챔버 내부에 수소가스를 공급하여 상기 반응챔버 내부를 수소분위기로 치환하는 단계; 상기 반응챔버 내부에 RF 플라즈마를 발생시키는 단계; 상기 RF 플라즈마를 통해 상기 삼산화몰리브덴을 수소환원처리하여 몰리브덴 금속 분말을 생성하는 단계; 상기 RF 플라즈마를 통해 상기 몰리브덴 금속 분말을 기화시키는 단계; 및 기화된 상기 몰리브덴 금속 분말을 응축 또는 급랭시켜 몰리브덴 금속 나노분말로 만드는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 플라즈마를 이용한 금속 나노분말 제조방법을 제공한다.

여기서, 상기 RF 플라즈마는 15 내지 150㎾의 전력으로 발생되는 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 몰리브덴 금속 분말에 대한 응축 또는 급랭은 상기 반응챔버 내부로 분사되는 가스에 의해 이루어지는 것에도 그 특징이 있다.

게다가, 만들어진 상기 몰리브덴 금속 나노분말을 필터링하여 수거하는 단계를 더 포함하는 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 의하면, RF 플라즈마를 수소환원분위기로 가동하여 금속산화물인 삼산화몰리브덴을 수소 환원함과 동시에 고온의 플라즈마를 이용하여 기상증발 응축시켜 몰리브덴 금속 나노분말로 제조함으로써, 종래보다 제조공정을 간소화시킬 수 있으며, 이를 통해, 몰리브덴 금속 나노분말의 생산성을 향상시킬 수 있고 제조비용을 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 RF 플라즈마를 이용한 몰리브덴 금속 나노분말 제조방법을 공정 순으로 나타낸 공정 순서도.
도 2는 본 발명에 따른 RF 플라즈마를 이용한 몰리브덴 금속 나노분말 제조방법 구현을 위한 나노분말 제조장치를 나타낸 구성도.
도 3은 본 발명에 따라 제조된 몰리브덴 금속 나노분말의 X-선 회절 그래프.
도 4는 본 발명에 따라 제조된 몰리브덴 금속 나노분말에 대한 전자현미경 사진.
도 5는 본 발명에 따라 제조된 몰리브덴 금속 나노분말의 입도 분포를 나타낸 그래프.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 구성에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

그러면, 본 발명에 따른 RF 플라즈마를 이용한 몰리브덴 금속 나노분말 제조방법에 대하여 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 RF 플라즈마를 이용한 몰리브덴 금속 나노분말 제조방법은 RF 플라즈마를 이용하여 하나의 반응챔버(110)에서 삼산화몰리브덴(MoO₃)을 수소환원함과 동시에 수소환원처리되어 생성된 몰리브덴 금속 분말을 기상증발 응축시켜 몰리브덴 금속 나노분말을 제조하는 방법으로, 먼저, 반응챔버(110) 내부에 삼산화몰리브덴 분말을 장입한다.

이 단계에서는, 삼산화몰리브덴 분말을 분말 공급기(120)에 넣고 예컨대, 10~30 rpm의 속도로 회전시키고 진동을 가하여 RF 플라즈마 발생부(130)를 통해 반응챔버(110) 내부로 투입한다. 이때, 분말 공급기(120)에 의해 반응챔버(110) 내부로 투입되는 삼산화몰리브덴 분말의 이송은 이송가스에 의해 이루어지고, 이러한 이송가스는 아르곤(Ar)과 같은 불활성 기체로 구성될 수 있으며, 이송가스의 유량은 5~40slpm으로 제어되는 것이 바람직하다.

다음으로, 삼산화몰리브덴 분말이 장입된 반응챔버(110) 내부로, 삼산화몰리브덴 분말의 환원처리를 위한 환원제로 사용될 수소가스를 공급하여 반응챔버(110) 내부로 수소분위기로 치환시킨다.

다음으로, 반응챔버(110) 내부에 RF 플라즈마를 발생시킨다. 도시한 바와 같이, RF 플라즈마는 반응챔버(110) 상측에 반응챔버(110)의 내부와 연통되도록 설치되어 있는 플라즈마 발생부(130)에 의해 발생되고, 이때, RF 플라즈마를 생성하기 위해서는 15 내지 150㎾의 전력을 사용하는 것이 바람직하다.

다음으로, RF 플라즈마를 통해 삼산화몰리브덴을 수소환원처리하여 몰리브덴 금속 분말을 생성한다. 즉, 내부에 삼산화몰리브덴이 장입되고, 수소가스가 공급되어 수소분위기 상태로 치환된 반응챔버(110) 내부에 고온의 RF 플라즈마를 발생시키면, 삼산화몰리브덴은 수소가스에 의해 몰리브덴 금속 분말로 환원되는데, 수소환원반응을 통해 삼산화몰리브덴으로부터 생성된 몰리브덴 금속 분말은 그 입자 크기가 마이크로 범위를 나타내게 된다. 이때, 수소환원의 효율은 수소가스의 순도 및 공급량에 의해 결정되므로, 사전에 최적의 조건을 정립하여 이를 제어하는 것이 바람직하다.

여기서, 삼산화몰리브덴은 고온 플라즈마에 의해 최초 이산화몰리브덴(MoO₂)으로 환원되고 고온 플라즈마의 온도가 계속적으로 상승 시 몰리브덴 금속 분말로 환원된다. 즉, 삼산화몰리브덴은 고온 플라즈마와 수소가스에 의해 2단계 환원을 거쳐 몰리브덴 금속 분말로 생성된다. 이때, 삼산화몰리브덴의 수소환원반응 시 생성되는 수중기는 진공펌프(145)에 의해 미반응 수소가스와 함께 배출될 수 있다.

다음으로, RF 플라즈마를 통해 생성된 몰리브덴 금속 분말을 기화시킨다. 여기서, 몰리브덴 금속 분말을 기화시키는데 이용되는 RF 플라즈마는 최초 플라즈마 발생부(130)로부터 발생된 플라즈마로, 최종 온도가 대략 5000K~10,000K를 나타내는데, 이온도는 몰리브덴의 끓는점 이상이므로, 이 플라즈마를 통해 몰리브덴 금속 분말을 기화시킬 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 몰리브덴 금속 나노분말 제조방법은 RF 플라즈마의 고온을 이용하여 삼산화몰리브덴에 대한 수소환원처리는 물론, 나노분말을 얻기 위한 기상증발 응축 공정에도 단일 반응챔버(110) 내에서 이 고온 플라즈마를 연속적으로 사용함으로써, 종래의 2분화된 나노분말 제조방법 즉, 별도의 환원로에서 삼산화몰리브덴을 수소환원처리하여 마이크로 입자의 몰리브덴 금속 분말을 얻은 후 다시 기상증발 응축공정을 통해 몰리브덴 금속 나노분말을 얻는 방법보다 공정을 간소화시킬 수 있다.

마지막으로, 기화된 몰리브덴 금속 분말을 응축 또는 급랭시켜 몰리브덴 금속 나노분말을 얻는다. 여기서, 몰리브덴 금속 분말에 대한 응축 또는 급랭은 반응챔버(110) 내부로 ?칭 가스를 분사함으로써, 이루어질 수 있으며, 이때, 사용되는 ?칭 가스는 아르곤과 같은 비활성 기체일 수 있으며, 이때, 그 유량은 100~400slpm으로 제어하는 것이 바람직하다.

한편, 전술한 공정을 통해 만들어진 몰리브덴 금속 나노분말은 반응챔버(110) 내부에 수소환원반응 시 생성된 수증기와 미반응 수소가스와 함께 존재하고 그 온도는 고온으로 유지된다. 따라서, 이러한 몰리브덴 금속 나노분말은 진공펌프(145)에 의해 이송되고 사이클론(140)을 지나면서 온도가 하강된 상태로 나노분말 수거부(150)로 유입된다. 이때, 나노분말 수거부(150)에는 필터(151)가 구비되어 유입되는 몰리브덴 금속 나노분말을 외벽에 흡착시키고 수증기 및 가스는 통과시켜 별도의 배관을 통해 배출시킨다. 그리고 일정량의 몰리브덴 금속 나노분말이 필터(151) 외벽에 흡착되면, 필터(151) 내부에서 백 플러싱(back flushing)하여 흡착된 몰리브덴 금속 나노분말을 탈착시키고, 탈착된 몰리브덴 금속 나노분말을 회수한다. 이때, 몰리브덴 금속 나노분말은 반응성 기체와 접촉하는 표면적이 매우 넓기 때문에 회수 및 처리에 주의를 해야 함은 물론이다.

실험예

RF 플라즈마를 이용하여 삼산화몰리브덴 분말을 몰리브덴 금속 나노분말로 환원하기 위하여, 전구체로 10~100㎛ 크기의 삼산화몰리브덴 분말을 사용한다. 이 삼산화몰리브덴 분말을 분말 공급기(120)에 넣고 10~30rpm 속도로 회전시킴과 동시에 0~40%의 진동을 가하여 삼산화몰리브덴 분말을 반응챔버(110)에 공급하였다. 그리고 반응챔버(110)에 수소가스를 공급하여 반응챔버(110) 내부를 수소분위기화 하였고 전력을 25~60㎾로 조절하여 RF 플라즈마를 발생시켰다. 또한, 일정 시간이 경과된 후 반응챔버(110)에 가스를 분사하여 기화된 몰리브덴 금속 분말을 급랭시킨 다음 수거하였다.

수거된 나노분말의 성분 분석을 위해, 즉, 삼산화몰리브덴 분말이 몰리브덴 금속 나노분말로 환원되었는지 여부를 확인하기 위해, X-선 회절(X-ray diffraction analysis) 분석을 이용하였고, 그 측정 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3의 X-선 회절 분석 결과에 나타난 바와 같이, 수거된 나노분말의 X-선 회절 패턴은 몰리브덴의 X-선 회절 패턴(JCPDS 기준)과 일치함을 알 수 있고, 몰리브덴 고유의 X-선 회절 패턴 이외의 기타 다른 피크(peak)는 측정되지 않았다. 즉, 수거된 나노분말은 고순도의 몰리브덴 금속 나노분말임을 확인할 수 있었다.

또한, 제조된 몰리브덴 금속 나노분말의 형상 및 크기를 확인하기 위해, 투과전자현미경(transmission electron microscope) 및 입도 분석기를 이용하였고, 그 관찰 및 측정 결과를 도 4 및 도 5에 각각 나타내었다. 이들 도면에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 RF 플라즈마를 이용하여 제조된 몰리브덴 금속 나노분말은 평균 입도가 230㎚ 인 구형의 분말로, 입자의 형태와 크기가 아주 일정하고 양호한 품질임을 확인할 수 있었다.

이상에서 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100: 나노분말 제조장치 110: 반응챔버
120: 분말 공급기 130: RF 플라즈마 발생부
140: 사이클론 145: 진공펌프
150: 나노분말 수거부 151: 필터

Claims (4)

1. 반응챔버 내부에 삼산화몰리브덴 분말을 장입하는 단계;
   상기 반응챔버 내부에 수소가스를 공급하여 상기 반응챔버 내부를 수소분위기로 치환하고 상기 반응챔버 내부에 RF 플라즈마를 발생시켜 상기 삼산화몰리브덴을 환원 및 기화시켜 몰리브덴 금속 분말을 생성하는 단계;
   기화된 상기 몰리브덴 금속 분말을 응축 또는 급랭시켜 몰리브덴 금속 나노분말로 만드는 단계;
   상기 몰리브덴 금속 나노분말을 사이클론을 통과시켜 온도를 하강시키는 단계;
   상기 몰리브덴 금속 나노분말을 분말 수거부 내에 구비된 필터의 외벽에 흡착시키는 단계; 및
   상기 필터 내부에서 백 플러싱하여 흡착된 상기 몰리브덴 금속 나노분말을 탈착시키고 탈착된 상기 몰리브덴 금속 나노분말을 회수하는 단계를 포함하는, RF 플라즈마를 이용한 금속 나노분말 제조방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 RF 플라즈마는 15 내지 150㎾의 전력으로 발생되는 것을 특징으로 하는 RF 플라즈마를 이용한 금속 나노분말 제조방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 몰리브덴 금속 분말에 대한 응축 또는 급랭은 상기 반응챔버 내부로 분사되는 가스에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 RF 플라즈마를 이용한 금속 나노분말 제조방법.
   
4. 삭제

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