KR101478556B1 - Nickel nano powder with core-shell structure using high temperature plasma and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전극 재료, 배선 재료 등으로 널리 사용되고 있는 니켈 나노파우더 제조 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 결정성이 우수하고, 수축시작 온도가 높으며, 고온 소성에서도 사이즈 변화가 작은 니켈 나노파우더 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
More particularly, the present invention relates to a nickel nano powder which is excellent in crystallinity, has a high shrinkage starting temperature, and has a small size change even at high temperature firing, and a nickel nano- And a manufacturing method thereof.
니켈 파우더는 전극 재료, 배선 재료 등 전기 전도성을 필요로 하는 부분에 널리 사용되고 있다. Nickel powder is widely used in areas requiring electrical conductivity such as electrode materials and wiring materials.
니켈 파우더 제조 방법으로는 기계적 분쇄 방법, 용액 합성법, 기상 합성법이 널리 사용되고 있다. 그러나, 각각의 방법은 다음과 같은 문제점이 있다. The mechanical pulverization method, solution synthesis method, and gas phase synthesis method are widely used as a method of producing nickel powder. However, each method has the following problems.
기계적 분쇄 방법의 경우, 주로 세라믹 등의 불순물이 제조되는 니켈 파우더에 혼입되어, 최종 제품의 순도가 높지 않은 문제점이 있다. In the case of the mechanical pulverization method, there is a problem in that the purity of the final product is not high because it is mixed with the nickel powder mainly produced impurities such as ceramics.
기상 합성법의 경우, 원료 용융 및 기화 과정에서 내화물 등의 불순물이 혼입되어, 역시 최종 제품의 순도가 높지 않은 문제점이 있다. In the case of the vapor phase synthesis method, impurities such as refractory are mixed in the melting and vaporization of the raw material, and the purity of the final product is also not high.
용액 합성법의 경우, 제조되는 니켈 파우더 표면에 각종 유기물 등이 흡착되어, 역시 순도 측면에서 좋지 못하다.
In the solution synthesis method, various organic substances are adsorbed on the surface of the nickel powder to be produced, which is also poor in terms of purity.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0117293호(2013.10.25. 공개)에 개시된 니켈 파우더 제조용 내화물 및 그를 이용한 니켈 파우더 제조방법이 있다.
The background art relating to the present invention is a refractory for producing nickel powder disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2013-0117293 (published on October 25, 2013) and a method for producing nickel powder using the same.
본 발명의 목적은 결정성이 우수하고, 수축시작 온도가 높으며, 고온 소성에서도 사이즈 변화가 작은 니켈 나노파우더 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
An object of the present invention is to provide a nickel nano powder having excellent crystallinity, high shrinkage starting temperature, and small size change even at high temperature baking, and a method for producing the same.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 Ni 나노파우더는 평균입경이 40~120nm이며, Ni 코어(Core) 및 상기 Ni 코어를 감싸는 산화물 쉘(Shell)로 이루어지고, 상기 산화물 쉘이 실리콘, 티타늄 및 알루미늄 중에서 선택되는 도펀트의 산화물과 니켈 산화물로 이루어져, 상기 산화물 쉘이 열수축 배리어로 작용하여, 파우더의 수축시작 온도가 600℃ 이상이고, 25℃에서 1300℃까지의 수축률이 10% 이하인 것을 특징으로 한다. According to an aspect of the present invention, there is provided an Ni nanopowder having an average particle diameter of 40 to 120 nm and comprising a Ni core and an oxide shell surrounding the Ni core, , A titanium oxide and a nickel oxide, and the oxide shell acts as a heat-shrinkable barrier, and the shrinkage starting temperature of the powder is 600 ° C or higher and the shrinkage rate at 25 ° C to 1300 ° C is 10% or lower .
이때, 상기 Ni 코어의 평균입경이 30~100nm이고, 상기 산화물 쉘의 두께가 10~20nm일 수 있다. At this time, the Ni core may have an average particle diameter of 30 to 100 nm and the oxide shell may have a thickness of 10 to 20 nm.
또한, 상기 산화물 쉘은 상기 도펀트의 산화물이 10~70중량%이고, 상기 니켈 산화물이 30~90중량%일 수 있다. In addition, the oxide shell may contain 10 to 70% by weight of the oxide of the dopant and 30 to 90% by weight of the nickel oxide.
또한, 상기 Ni 코어 및 상기 산화물 쉘이 모두 결정질일 수 있다.
In addition, both the Ni core and the oxide shell may be crystalline.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 Ni 나노파우더 제조 방법은 (a) 8000~12000℃의 고온 플라즈마 영역에 Ni 파우더 모재를 투입하여, 고온 플라즈마에 의해 Ni 파우더 모재를 기화시켜 Ni 증기를 형성하는 단계; (b) 상기 Ni 증기를 냉각 가스에 접촉시켜, Ni 파우더를 형성하는 단계; 및 (c) Ni 파우더를 분급하여, 평균입경이 40~120nm인 Ni 나노파우더를 얻는 단계;를 포함하고, 상기 Ni 파우더 모재에 실리콘, 티타늄 및 알루미늄 중에서 선택되는 도펀트가 포함되고, 상기 냉각 가스에 불활성 가스와 함께 산소 함유 가스가 포함되어, 상기 (b) 단계에서 Ni 코어가 형성되면서, 표면에 도펀트의 산화물과 니켈 산화물로 이루어진 산화물 쉘이 형성되는 것을 특징으로 한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a Ni nanopowder, comprising: (a) introducing a Ni powder base material into a high-temperature plasma region at 8000 to 12000 ° C to vaporize the Ni powder base material by high- ; (b) contacting the Ni vapor with a cooling gas to form a Ni powder; And (c) classifying the Ni powder to obtain an Ni nanopowder having an average particle size of 40 to 120 nm, wherein the Ni powder base material contains a dopant selected from silicon, titanium and aluminum, An oxygen-containing gas is included together with an inert gas, and an oxide shell made of an oxide of a dopant and a nickel oxide is formed on the surface while the Ni core is formed in the step (b).
이때, 상기 (b) 단계에서, 상기 Ni 코어가 30~100nm의 평균입경으로 형성되고, 상기 산화물 쉘이 10~20nm의 두께로 형성될 수 있다. At this time, in the step (b), the Ni core may be formed with an average particle diameter of 30 to 100 nm, and the oxide shell may be formed with a thickness of 10 to 20 nm.
또한, 상기 (b) 단계에서, 상기 Ni 코어 및 상기 산화물 쉘이 모두 결정질로 형성될 수 있다. Also, in the step (b), both the Ni core and the oxide shell may be formed of a crystalline material.
또한, 상기 (b) 단계에서, 상기 산화물 쉘은 상기 도펀트의 산화물이 10~70중량%이고, 상기 니켈 산화물이 30~90중량%로 형성될 수 있다. In the step (b), the oxide of the dopant may be 10 to 70 wt%, and the nickel oxide may be 30 to 90 wt%.
또한, 상기 냉각가스는 불활성가스와 산소 함유 가스가 유량비로, 1:0.05~1:0.2를 나타낼 수 있다 .The cooling gas may exhibit an inert gas and an oxygen-containing gas at a flow rate ratio of 1: 0.05 to 1: 0.2.
또한, 상기 Ni 파우더 모재는 용매에 니켈과 도펀트를 분산한 현탁액(suspension)으로부터 제조되어, 니켈 일부분에 도펀트 코팅된 것을 이용할 수 있다. Also, the Ni powder base material may be prepared from a suspension in which nickel and a dopant are dispersed in a solvent, and doped with a part of nickel.
또한, 상기 Ni 파우더 모재는 니켈 70~95중량% 및 도펀트 5~30중량%로 이루어질 수 있다.
Also, the Ni powder base material may be composed of 70 to 95% by weight of nickel and 5 to 30% by weight of dopant.
본 발명에 의하면, 고온 플라즈마를 이용한 Ni 파우더 모재의 기화, 냉각가스에 의한 파우더 형성 및 분급을 포함하는 일련의 과정을 통하여 결정성이 우수한 Ni 나노파우더를 얻을 수 있다.According to the present invention, Ni nanopowder having excellent crystallinity can be obtained through a series of processes including vaporization of a Ni powder base material by using a high-temperature plasma, powder formation by cooling gas, and classification.
특히, 본 발명에 의하면, Ni 파우더 모재에 실리콘, 티타늄, 알루미늄과 같은 도펀트가 포함되고, 아울러 냉각가스에 불활성 가스 및 산소 함유 가스가 포함됨으로써, 표면에 두께 10~20nm의 결정질의 산화물 쉘을 형성할 수 있다. 이러한 산화물 쉘이 열수축 배리어로 작용하여, 파우더의 수축 온도를 600℃ 이상으로 높일 수 있으며, 아울러, 1300℃까지의 수축률이 10% 이하를 나타낼 수 있다. 그 결과, 니켈 파우더를 이용한 전극, 배선 형성시 고온 소성시 크랙 발생 등의 문제점을 해결할 수 있다.
Particularly, according to the present invention, a Ni powder base material contains a dopant such as silicon, titanium and aluminum, and an inert gas and an oxygen-containing gas are contained in the cooling gas to form a crystalline oxide shell having a thickness of 10 to 20 nm can do. This oxide shell acts as a heat-shrinkable barrier to increase the shrinkage temperature of the powder to 600 ° C or more, and the shrinkage rate to 1300 ° C can be 10% or less. As a result, it is possible to solve problems such as generation of cracks at the time of high-temperature firing in the formation of electrodes and wiring using nickel powder.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고온 플라즈마를 이용한 코어-쉘 구조를 갖는 Ni 나노파우더 제조 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 도펀트를 포함하는 Ni 파우더 모재 제조 과정을 예시한 것이다.
도 3은 냉각가스에 산소 가스가 포함된 조건으로 제조된 Ni 나노파우더 및 산소 가스가 포함되지 않은 조건으로 제조된 Ni 나노파우더에 대한 XRD 분석결과를 나타낸 것이다.FIG. 1 is a schematic view illustrating a method of manufacturing a Ni-nano powder having a core-shell structure using a high-temperature plasma according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 illustrates a process of manufacturing a Ni powder base material including a dopant.
Fig. 3 shows the results of XRD analysis of Ni nano powder prepared under the condition that oxygen gas is contained in the cooling gas and Ni nano powder prepared in the condition not containing oxygen gas.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 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 특허청구범위에 기재된 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention and the manner of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but is capable of many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, And the scope of the invention is defined only by the scope of the claims set forth in the following claims.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고온 플라즈마를 이용한 코어-쉘 구조를 갖는 Ni 나노파우더 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
Hereinafter, Ni nanopowder having a core-shell structure using a high-temperature plasma according to the present invention and a method of manufacturing the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고온 플라즈마를 이용한 코어-쉘 구조를 갖는 Ni 나노파우더 제조 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.FIG. 1 is a schematic view illustrating a method of manufacturing a Ni-nano powder having a core-shell structure using a high-temperature plasma according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 도시된 Ni 나노파우더 제조 방법은 Ni 증기 형성 단계(S110), Ni 파우더 형성 단계(S120) 및 분급 단계(S130)를 포함한다.
Referring to FIG. 1, the illustrated method for producing Ni nanopowder includes a Ni vapor forming step (S110), a Ni powder forming step (S120), and a classification step (S130).
도 1을 참조하면, 도시된 Ni 나노파우더 제조 방법은 Ni 증기 형성 단계(S110), Ni 파우더 형성 단계(S120) 및 분급 단계(S130)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the illustrated method for producing Ni nanopowder includes a Ni vapor forming step (S110), a Ni powder forming step (S120), and a classification step (S130).
Ni 증기 형성 단계(S110)에서는 Ni 파우더 모재를 대략 10,000℃ 정도의 고온 플라즈마 영역에 투입하여, Ni 파우더 모재를 기화시킴으로써 Ni 증기를 형성한다. In the Ni vapor formation step (S110), the Ni powder base material is put into a high temperature plasma region of about 10,000 DEG C, and the Ni powder base material is vaporized to form Ni vapor.
고온 플라즈마 영역의 온도는 Ni 파우더 모재를 기화시킬 수 있는 온도로서, 8000~12000℃가 적합하다. 여기서 플라즈마 영역의 온도는 플라즈마 중심온도 를 의미한다. 고온 플라즈마 영역의 온도가 8000℃ 미만일 경우, 니켈 기화 효율이 문제시될 수 있다. 또한, 고온 플라즈마 영역의 온도를 12,000℃를 초과하더라도 더 이상 니켈 기화 효율이 상승하지 않는다. The temperature of the high-temperature plasma region is the temperature at which the Ni powder base material can be vaporized, preferably 8000 to 12000 ° C. Here, the temperature of the plasma region means the plasma center temperature. If the temperature of the high temperature plasma region is less than 8000 deg. C, the nickel vaporization efficiency may become a problem. Further, even if the temperature of the high-temperature plasma region exceeds 12,000 DEG C, the nickel vaporization efficiency is no longer increased.
고온 플라즈마 발생 장치는 출력파워가 50~70kW인 RF 플라즈마 토치를 이용하는 것이 바람직하고, 60kW인 RF 플라즈마 토치를 이용하는 것이 보다 바람직하다. 출력파워가 50kW 미만에서는 충분한 고온 플라즈마를 얻기 어렵다. 반대로, 출력파워가 70kW를 초과하는 경우, 장비 수명저하, 안정성 등이 문제될 수 있다. The high-temperature plasma generating apparatus preferably uses an RF plasma torch having an output power of 50 to 70 kW, and more preferably an RF plasma torch of 60 kW. When the output power is less than 50 kW, it is difficult to obtain a sufficient high-temperature plasma. Conversely, when the output power exceeds 70 kW, the life of the equipment may be degraded and the stability may be a problem.
Ni 증기는 캐리어 가스를 통하여 냉각 영역으로 이송될 수 있다. The Ni vapor can be transferred to the cooling region through the carrier gas.
Ni 파우더 모재는 나노급 혹은 마이크로급의 분말상 니켈이 이용될 수 있으나, 200nm~20㎛의 평균입경(D50)을 갖는 분말상의 니켈인 것이 보다 바람직하다. 평균입경이 200nm 미만인 분말상의 니켈의 경우, 분말의 흐름성이 낮아, 플라즈마 영역으로의 투입 제어가 힘들어질 수 있다. 반대로, 평균입경이 20㎛를 초과하는 분말상의 니켈의 경우, 완전히 기화시키기 위해서는 고온 플라즈마 영역이 충분히 커야 하므로 경제성이 떨어질 수 있다. As the Ni powder base material, nano-grade or micro-grade powdery nickel may be used, but it is more preferable to be powdery nickel having an average particle diameter (D50) of 200 nm to 20 탆. In the case of powdery nickel having an average particle size of less than 200 nm, the flowability of the powder is low, and control of the introduction into the plasma region may become difficult. On the contrary, in the case of powdery nickel having an average particle diameter exceeding 20 占 퐉, the high-temperature plasma region must be sufficiently large in order to completely vaporize, resulting in a decrease in economy.
이때, 본 발명에서는 Ni 파우더 모재에 추가로, 실리콘, 티타늄 및 알루미늄 중에서 선택되는 도펀트가 포함된다. 이들 도펀트에 의해, 제조되는 니켈 나노파우더가 코어-쉘 구조를 가질 수 있다. At this time, in the present invention, in addition to the Ni powder base material, a dopant selected from silicon, titanium and aluminum is included. By these dopants, the nickel nanopowder to be produced can have a core-shell structure.
Ni 파우더 모재는 니켈과 도펀트가 단순 혼합된 것을 이용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 도 2에 도시된 예와 같은 방법으로, 니켈 일부분에 도펀트가 코팅된 것을 이용하는 것을 제시할 수 있다. The Ni powder base material may be a simple mixture of nickel and a dopant. More preferably, it is possible to suggest that a part of nickel is coated with a dopant in the same manner as the example shown in FIG.
도 2는 도펀트를 포함하는 Ni 파우더 모재 제조 과정을 예시한 것이다. FIG. 2 illustrates a process of manufacturing a Ni powder base material including a dopant.
도 2를 참조하면, 용매에 니켈(210)과 도펀트(220)를 분산한 현탁액(suspension)(230)으로부터 제조되어, 니켈 일부분에 도펀트 코팅된 Ni 파우더 모재(240)를 제조할 수 있다. Referring to FIG. 2, a Ni
또한, Ni 파우더 모재는 니켈 70~95중량% 및 도펀트 5~30중량%로 이루어질 수 있다. 도펀트 함량이 5중량% 미만일 경우, 도펀트 첨가에 따른 수축 시작온도 상승 등의 효과가 불충분할 수 있다. 반대로, 도펀트 첨가량이 30중량%를 초과하는 경우, 산화물 쉘에 안정화된 산화물인 실리콘 산화물, 알루미늄 산화물 등이 지나치게 많이 형성되어, 고온 소성시 산화물 쉘의 산소 제거가 충분지 않을 수 있다.
Also, the Ni powder base material may be composed of 70 to 95% by weight of nickel and 5 to 30% by weight of dopant. When the dopant content is less than 5% by weight, the effects such as the increase in the shrinkage starting temperature due to the addition of the dopant may be insufficient. On the other hand, when the amount of the dopant is more than 30% by weight, excessive amounts of silicon oxide, aluminum oxide, etc., which are stabilized oxides in the oxide shell, may not be enough to remove oxygen from the oxide shell at high temperature baking.
다음으로, Ni 파우더 형성 단계(S120)에서는 Ni 증기를 냉각 가스에 접촉시켜 급냉시킴으로써, Ni 파우더를 형성한다. 냉각 가스는 아르곤 가스(Ar), 질소 가스(N2) 등과 같은 불활성 가스가 이용될 수 있다. Next, in the Ni powder forming step (S120), the Ni vapor is brought into contact with the cooling gas and quenched to form Ni powder. As the cooling gas, an inert gas such as argon gas (Ar), nitrogen gas (N 2 ), or the like may be used.
Ni 증기가 냉각가스와 접촉하면서, 구형의 결정질 Ni 파우더가 형성된다. As the Ni vapor contacts the cooling gas, spherical crystalline Ni powder is formed.
이때, 본 발명에서는 Ni 파우더 모재에 도펀트가 포함되고, 냉각 가스에 불활성 가스와 함께 산소 함유 가스가 포함되어, Ni 파우더 형성 과정에서 Ni 코어가 형성되면서, 표면에 도펀트의 산화물과 니켈 산화물로 이루어진 산화물 쉘이 형성된다. 표면의 산화물 쉘은 열수축 배리어로서 작용하여, Ni 파우더의 수축온도를 600℃ 이상으로 높이고, 열수축률을 낮추어 상온에서 1300℃까지 수축률이 10% 이하가 될 수 있도록 한다.
At this time, in the present invention, the Ni powder base material contains a dopant, and an inert gas and an oxygen-containing gas are included in the cooling gas. In the Ni powder formation process, a Ni core is formed, and an oxide of a dopant and an oxide A shell is formed. The surface oxide shell acts as a heat shrinkage barrier to increase the shrinkage temperature of the Ni powder to 600 ° C or higher and decrease the heat shrinkage rate so that the shrinkage rate can be 10% or less at room temperature to 1300 ° C.
이때, 이때, Ni 코어가 30~100nm의 평균입경으로 형성되고, 상기 산화물 쉘이 10~20nm의 두께로 형성될 수 있다. 산화물 쉘의 두께가 10nm 미만인 경우, 열수축 배리어 기능이 충분치 못하다. 반대로, 산화물 쉘의 두께가 20nm를 초과하는 경우에는 전극이나 배선 형성을 위한 고온 소성시 표면의 산화물 쉘에 잔존하는 산소가 제거되지 못하여 전기전도성이 저하되는 문제점이 있다. At this time, the Ni core may be formed with an average particle diameter of 30 to 100 nm, and the oxide shell may be formed with a thickness of 10 to 20 nm. When the thickness of the oxide shell is less than 10 nm, the heat shrinkage barrier function is not sufficient. On the contrary, when the thickness of the oxide shell is more than 20 nm, oxygen remaining in the oxide shell on the surface during high-temperature baking for forming electrodes and wiring can not be removed, resulting in deterioration of electrical conductivity.
이때, Ni 코어 뿐만 아니라, 외부의 산화물 쉘이 모두 결정질로 형성될 수 있다. 통상 자연산화막의 경우, 두께가 2~5nm 정도로 얇고, 또한 비정질상을 갖는데, 본 발명에 따른 방법으로 형성된 산화물 쉘의 경우 두께가 10~20nm이고, 결정질로서 안정적인 층이다. 따라서, 이러한 특징을 갖는 산화물 쉘이 열수축 배리어로서 작용함으로써 열수축 시작온도를 600℃ 이상으로 높이고, 아울러 열수축률을 낮추는 것으로 보인다. At this time, not only the Ni core but also the outer oxide shell may be formed of crystalline. Usually, the natural oxide film has a thickness of about 2 to 5 nm and an amorphous phase. In the case of the oxide shell formed by the method according to the present invention, the thickness is 10 to 20 nm, and the crystalline oxide is a stable layer. Therefore, it seems that the oxide shell having such characteristics acts as a heat shrinkable barrier to raise the heat shrinkage starting temperature to 600 DEG C or more and lower the heat shrinkage ratio.
상기 산화물 쉘은 도펀트의 산화물이 10~70중량%이고, 니켈 산화물이 30~90중량%로 형성될 수 있다. 산화물 쉘에서 도펀트의 산화물이 10중량% 미만일 경우, 열수축 시작 온도 상승 효과가 불충분할 수 있고, 도펀트의 산화물이 70중량%를 초과하는 경우, 안정화된 산화물인 실리콘 산화물, 알루미늄 산화물 등이 지나치게 많이 형성되어, 고온 소성시 산화물 쉘의 산소 제거가 충분지 않을 수 있다.In the oxide shell, the oxide of the dopant may be 10 to 70 wt%, and the oxide of nickel may be 30 to 90 wt%. When the oxide of the dopant in the oxide shell is less than 10% by weight, the effect of increasing the heat shrinkage starting temperature may be insufficient. When the oxide of the dopant is more than 70% by weight, stabilized oxides such as silicon oxide and aluminum oxide are formed excessively And oxygen removal of the oxide shell may not be sufficient at high temperature baking.
산소 함유 가스는 산소(O2) 가스 또는 오존(O3) 가스를 이용할 수 있다. The oxygen-containing gas may be oxygen (O 2 ) gas or ozone (O 3 ) gas.
한편, Ni 코어 및 산화물 쉘을 갖는 파우더를 형성하기 위해서, 불활성가스와 산소 함유 가스의 유량비가 1:0.05~1:0.2인 것이 바람직하다. 불활성 가스 유량 대비 산소 함유 가스의 유량이 0.05 미만에서는 10nm 이상의 산화물 쉘을 형성하기 어렵다. 반대로, 불활성 가스 유량 대비 산소 함유 가스의 유량이 0.2를 초과하는 경우, 산화물 쉘의 두께가 지나치게 커져, 전극이나 배선 형성을 위한 고온 소성시 표면의 산소가 제거되지 못하여 전기전도성이 저하되는 문제점이 있다.
On the other hand, in order to form a powder having a Ni core and an oxide shell, the flow ratio of the inert gas to the oxygen-containing gas is preferably 1: 0.05 to 1: 0.2. When the flow rate of the oxygen-containing gas with respect to the flow rate of the inert gas is less than 0.05, it is difficult to form an oxide shell of 10 nm or more. On the other hand, when the flow rate of the oxygen-containing gas with respect to the flow rate of the inert gas is more than 0.2, the thickness of the oxide shell becomes excessively large and oxygen on the surface is not removed during the high-temperature baking for forming electrodes and wiring, .
다음으로, 분급 단계(S130)에서는 Ni 파우더를 분급하여, 평균입경이 40~120nm인 Ni 나노파우더를 얻는다. Next, in the classifying step (S130), Ni powder is classified to obtain Ni nanopowder having an average particle diameter of 40 to 120 nm.
Ni 파우더 형성 단계(S120)를 통하여 형성된 Ni 파우더는 입도 분포가 크고, 평균입경(D50)도 다소 큰 값을 나타낸다. 이러한 상태의 Ni 파우더는 분급 과정을 통하여, 최대 입경과 최소 입경 차이가 작으며, 아울러 평균입경이 40~120nm인 최종 Ni 나노파우더를 얻을 수 있다. The Ni powder formed through the Ni powder formation step (S120) has a large particle size distribution and a large average particle diameter (D50). Ni powder in this state can be classified into a final Ni nano powder having a smallest difference in maximum particle diameter and minimum particle diameter and a mean particle diameter of 40 to 120 nm.
분급은 싸이클론 분급기를 이용할 수 있다.
Classification can use a cyclone classifier.
상기의 과정(S110 ~ S130)을 통하여 제조된 본 발명에 따른 Ni 나노파우더는 평균입경이 40~120nm이며, Ni 코어(Core) 및 상기 Ni 코어를 감싸는 산화물 쉘(Shell)로 이루어지고, 산화물 쉘이 실리콘, 티타늄 및 알루미늄 중에서 선택되는 도펀트의 산화물과 니켈 산화물로 이루어진다. 이때, Ni 코어의 평균입경이 30~100nm이고, 산화물 쉘의 두께가 10~20nm일 수 있다. 또한, 산화물 쉘은 상기 도펀트의 산화물이 10~70중량%이고, 상기 니켈 산화물이 30~90중량%일 수 있다. 그리고, Ni 코어 및 상기 산화물 쉘이 모두 결정질을 나타낼 수 있다. The Ni nanopowder according to the present invention manufactured through the above steps S110 to S130 has an average particle diameter of 40 to 120 nm and is composed of a Ni core and an oxide shell surrounding the Ni core, Is composed of an oxide of a dopant and a nickel oxide selected from silicon, titanium and aluminum. In this case, the Ni core may have an average particle diameter of 30 to 100 nm and the oxide shell may have a thickness of 10 to 20 nm. The oxide shell may contain 10 to 70% by weight of the oxide of the dopant and 30 to 90% by weight of the nickel oxide. Both the Ni core and the oxide shell can exhibit crystalline quality.
이러한 특징을 갖는 본 발명에 따른 Ni 나노파우더는 산화물 쉘이 열수축 배리어로 작용하여, 파우더의 수축시작 온도가 600℃ 이상이고, 25℃에서 1300℃까지의 수축률이 10% 이하를 나타낼 수 있다. 이를 통하여, 전극 혹은 배선 형성을 위한 고온 소성시, Ni 파우더 과다 수축에 의한 균열 등의 문제점을 해결할 수 있어, 우수한 전기전도도 및 내구성을 발휘할 수 있다.
The Ni nanopowder according to the present invention having such characteristics can exhibit the shrinkage starting temperature of the powder at 600 ° C or higher and the shrinkage rate at 25 ° C to 1300 ° C of 10% or less because the oxide shell functions as a heat shrinkage barrier. Through this, it is possible to solve problems such as cracking due to excessive shrinkage of Ni powder during high-temperature baking for forming electrodes or wiring, and it is possible to exhibit excellent electrical conductivity and durability.
실시예Example
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다. Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments of the present invention. It is to be understood, however, that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed in a limiting sense.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
The contents not described here are sufficiently technically inferior to those skilled in the art, and a description thereof will be omitted.
1. 실험 조건1. Experimental conditions
Ni 파우더 모재로는 입경이 5.0~15.0㎛이고, 평균입경이 10.2㎛인 Ni 파우더를 이용하였다. 원료 공급 속도는 15g/min으로 하였으며, 캐리어 가스로는 50slpm의 아르곤 가스를 이용하였다. As the Ni powder base material, Ni powder having a particle diameter of 5.0 to 15.0 mu m and an average particle diameter of 10.2 mu m was used. The raw material feed rate was 15 g / min and argon gas of 50 slpm was used as the carrier gas.
또한, 실시예에 이용되는 Ni 파우더 모재로는 상기의 Ni 파우더와 평균입경이 300nm인 실리콘 파우더 또는 알루미늄 파우더를 물에 분산시켜 제조한 현탁액에서 물을 제거한 후 얻은 파우더를 이용하였다. As the Ni powder base material used in the examples, the Ni powder and the powder obtained by removing water from a suspension prepared by dispersing an aluminum powder or an aluminum powder having an average particle diameter of 300 nm in water were used.
플라즈마 발생원으로, 60kW RF 플라즈마 토치(SYSTEM 71-60kW, TEKNA)를 이용하였다. 또한 점화 가스로는 150slpm의 아르곤 가스와 환원 가스로 10slpm의 수소 가스를 이용하였다. As a plasma generation source, a 60 kW RF plasma torch (SYSTEM 71-60 kW, TEKNA) was used. Argon gas of 150 slpm and hydrogen gas of 10 slpm as a reducing gas were used as the ignition gas.
냉각가스로, 아르곤 가스 및 산소 가스, 아르곤 가스 및 오존 가스를 이용하였다. As the cooling gas, argon gas and oxygen gas, argon gas and ozone gas were used.
분급은 싸이클론 분급기(Cyclone Collector, 다이온)를 이용하였다.
The classification was carried out using a Cyclone Collector (Dion).
2. Ni 나노파우더 제조2. Ni nanopowder manufacturing
(1) 실시예 1(1) Example 1
실리콘 도펀트가 10중량%로 포함된 Ni 파우더 모재를 플라즈마 중심온도가 대략 10,000℃인 고온 플라즈마 영역에 투입하여, Ni 파우더 모재를 기화시켜 Ni 증기를 형성하여 냉각 영역으로 이송하였다. A Ni powder base material containing silicon dopant in an amount of 10% by weight was charged into a high temperature plasma region having a plasma center temperature of approximately 10,000 DEG C to vaporize the Ni powder base material to form Ni vapor and transferred to the cooling region.
이후, 냉각 영역에 1000slpm 아르곤 가스 및 100slpm의 산소 가스를 주입하여 1차 Ni 파우더를 형성하였다. Thereafter, 1000 slpm argon gas and 100 slpm oxygen gas were injected into the cooling region to form a primary Ni powder.
이후, 분급을 통하여 최종 Ni 나노파우더를 형성하였다.
Thereafter, final Ni nanopowder was formed through classification.
(2) 실시예 2(2) Example 2
알루미늄 도펀트가 15중량%로 포함된 Ni 파우더 모재를 플라즈마 중심온도가 대략 10,000℃인 고온 플라즈마 영역에 투입하여, Ni 파우더 모재를 기화시켜 Ni 증기를 형성하여 냉각 영역으로 이송하였다. A Ni powder base material containing 15 wt% of aluminum dopant was charged into a high temperature plasma region having a plasma center temperature of approximately 10,000 DEG C to vaporize the Ni powder base material to form Ni vapor and transferred to the cooling region.
이후, 냉각 영역에 1000slpm 아르곤 가스 및 100slpm의 산소 가스를 주입하여 1차 Ni 파우더를 형성하였다. Thereafter, 1000 slpm argon gas and 100 slpm oxygen gas were injected into the cooling region to form a primary Ni powder.
이후, 분급을 통하여 최종 Ni 나노파우더를 형성하였다.
Thereafter, final Ni nanopowder was formed through classification.
(3) 비교예 1(3) Comparative Example 1
냉각 가스에 산소가 포함되지 않을 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 Ni 파우더를 제조하였다.
Ni powder was prepared under the same conditions as in Example 1, except that oxygen was not contained in the cooling gas.
(4) 비교예 2(4) Comparative Example 2
Ni 파우더 모재에 실리콘 도펀트가 포함되지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 Ni 나노파우더를 제조하였다.
Ni nanopowder was prepared under the same conditions as in Example 1, except that a silicon dopant was not included in the Ni powder base material.
(5) 비교예 3(5) Comparative Example 3
Ni 파우더 모재에 실리콘 도펀트가 40중량%로 포함된 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 Ni 나노파우더를 제조하였다.
Ni nanopowder was prepared under the same conditions as in Example 1, except that 40 wt% of silicon dopant was contained in the Ni powder base material.
(6) 비교예 4(6) Comparative Example 4
실시예 1가 동일 조건 하에 산소 가스 유량만 210ppm으로 하였다.
In Example 1, the oxygen gas flow rate was 210 ppm under the same conditions.
3. Ni 나노파우더 분석3. Ni nanopowder analysis
(1) 형상, 입경, 수축온도 및 수축률 평가(1) Evaluation of shape, particle diameter, shrinkage temperature and shrinkage rate
제조된 Ni 나노파우더에 대하여 형상, 평균입경, 수축온도 등을 평가하였다.The shape, average particle diameter, shrinkage temperature and the like of the Ni nanopowder thus produced were evaluated.
형상은 파우더의 Aspect Ratio를 측정하여, 구형도가 85% 이상인 것을 구형으로 판단하고, 그 이외에는 비구형으로 판단하였다.The aspect ratio of the powder was measured to determine that the sphericity of 85% or more was spherical, and the other was non-spherical.
평균 입경, 산화물 쉘 두께는 SEM 사진으로 분석하였다.The average particle size and the oxide shell thickness were analyzed by SEM photographs.
산화물 쉘의 함량 분석은 유도결합플라즈마 질량분석기(ICP-MS)를 이용하였다. The content of the oxide shell was analyzed by an inductively coupled plasma mass spectrometer (ICP-MS).
수축온도 및 수축률은 TMA로 분석하였다. The shrinkage temperature and shrinkage were analyzed by TMA.
실시예 1~2 및 비교예 1~4에 따라 제조된 Ni 나노파우더 분석 결과를 표 1에 나타내었다. Table 1 shows the results of Ni nano powder analysis according to Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 4.
[표 1][Table 1]
표 1을 참조하면, 본 발명에서 제시한 조건을 만족하는 실시예 1~2에 따라 제조된 Ni 나노파우더의 경우, 평균입경이 40~120nm, 산화물 쉘의 두께가 10~20nm, 파우더의 열수축시작 온도 600℃ 이상 및 25℃에서 1300℃까지의 수축률이 10% 이하를 나타내었다. Referring to Table 1, Ni nanopowders prepared according to Examples 1 and 2 satisfying the conditions of the present invention had an average particle diameter of 40 to 120 nm, an oxide shell thickness of 10 to 20 nm, The shrinkage rate at a temperature of 600 ° C or higher and 25 ° C to 1300 ° C was 10% or less.
반면, 냉각가스에 산소 함유 가스가 포함되지 않은 비교예 1에 따라 제조된 Ni 나노파우더의 경우, 산화물 쉘 의 두께가 2nm이었으며, 이는 자연 산화에 의해 형성된 것이라 볼 수 있다. 비교예 1에 따른 Ni 나노파우더의 경우, 열수축 시작온도가 500℃ 미만이었으며, 수축률 역시 10%를 초과하였다. On the other hand, in the case of the Ni nano powder prepared according to Comparative Example 1 in which the oxygen-containing gas is not contained in the cooling gas, the thickness of the oxide shell was 2 nm, which is considered to be formed by natural oxidation. In the case of the Ni nanopowder according to Comparative Example 1, the heat shrinkage starting temperature was less than 500 ° C and the shrinkage rate exceeded 10%.
또한, Ni 파우더 모재에 도펀트가 포함되지 않은 비교예 2에 따른 Ni 나노파우더의 경우, 열수축 시작온도가 비교예 1보다는 높았으나, 목표로 하는 600℃에 미치지는 못하였다. In the case of the Ni nanopowder according to Comparative Example 2 in which the dopant was not included in the Ni powder base material, the heat shrinkage starting temperature was higher than that of Comparative Example 1, but could not reach the target temperature of 600 ° C.
또한, 도펀트가 과다 첨가된 비교예 3에 따른 Ni 나노파우더의 경우, 600℃ 이상의 열수축 시작온도 및 10% 이하의 열수축률을 나타내었으나, 산화물 쉘 내 도펀트 산화물의 함량이 70%를 초과하였다. In addition, the Ni nanopowder according to Comparative Example 3 in which the dopant was excessively added showed a heat shrinkage starting temperature of 600 ° C or higher and a heat shrinkage of 10% or less, but the content of the dopant oxide in the oxide shell exceeded 70%.
또한, 냉각가스에 산소 가스가 과다 포함된 비교예 4에 따른 Ni 나노파우더의 경우, 600℃ 이상의 열수축 시작온도 및 10% 이하의 열수축률을 나타내었으나, 산화물 쉘의 두께가 20nm를 초과하였다.
In the case of the Ni nanopowder according to Comparative Example 4 in which oxygen gas was excessively contained in the cooling gas, the heat shrinkage starting temperature was 600 ° C or more and the heat shrinkage rate was 10% or less, but the thickness of the oxide shell exceeded 20 nm.
(2) XRD 분석(2) XRD analysis
XRD 분석은 산화물 쉘이 결정질로 형성되는지를 평가하기 위하여 실시한 것으로, 편의상 실시예 1 및 비교예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 도펀트가 포함되지 않은 상태로 Ni 파우더를 제조하여 수행하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다. XRD analysis was carried out in order to evaluate whether or not an oxide shell was formed as a crystalline material. For the sake of convenience, Ni powder was prepared in the same manner as in Example 1 and Comparative Example 1 except that a dopant was not included. 3.
도 3을 참조하면, 실시예 1 및 비교예 1 모두 Ni 피크가 강하게 나타났으며, 이를 통하여 결정질의 Ni 나노파우더가 제조됨을 알 수 있다. Referring to FIG. 3, in both Example 1 and Comparative Example 1, Ni peak was strongly observed, and it was found that crystalline Ni nanopowder was produced.
그러나, 실시예 1의 경우, NiO 피크가 발견되는 반면, 비교예 1의 경우 NiO 피크가 발견되지 않았다. 이는 실시예 1에 따른 Ni 나노파우더의 경우, 표면의 NiO층이 결정질로 형성되었음을 의미한다.
However, in the case of Example 1, a NiO peak was found, whereas in Comparative Example 1, no NiO peak was found. This means that in the case of the Ni nanopowder according to Example 1, the NiO layer on the surface is formed as crystalline.
(3) 고온 소성 후 전기전도도 평가(3) Evaluation of electrical conductivity after high-temperature firing
각각의 Ni 나노파우더를 터피네올에 분산시키고, 에틸 셀룰로오스를 첨가하여 페이스트를 제조하고, 제조된 페이스트를 BaTiO3 기판 상에 도포한 후, 1200℃에서 환원분위기에서 소성하여 전극을 제조하였다. 이후, 각 전극의 전기전도도를 측정하였다. Each Ni nanopowder was dispersed in terpineol and ethyl cellulose was added to prepare a paste. The paste thus prepared was applied on a BaTiO 3 substrate and then fired in a reducing atmosphere at 1200 ° C to prepare an electrode. Then, the electric conductivity of each electrode was measured.
전기전도도 측정결과를 표 2에 나타내었다.The electrical conductivity measurement results are shown in Table 2.
[표 2][Table 2]
표 2를 참조하면, 실시예 1~2에 따른 니켈 나노파우더를 이용한 전극의 경우, 이론적인 니켈의 전기전도도(14.30MSm-1)에 근접한 결과를 나타내는 것을 볼 수 있다. Referring to Table 2, it can be seen that the electrode using the nickel nano-powder according to Examples 1 and 2 has a theoretical conductivity close to that of the theoretical nickel (14.30 MSm -1 ).
그러나, 비교예 1에 따른 니켈 나노파우더를 이용한 전극의 경우, 실시예 1~4에 비하여 상대적으로 낮은 전기전도도를 나타내었다. 또한, 산화물 셀 내 도펀트 산화물 함량이 70중량%를 초과하는 비교예 3의 경우, 및 산화물 셀 두께가 20nm를 초과하는 비교예 4의 경우, 전기전도도가 가장 낮게 나타났는데, 이는 소성 과정 중에 산소가 완전히 제거되지 못한 결과라 볼 수 있다.
However, in the case of the electrode using the nickel nano powder according to Comparative Example 1, the electric conductivity was relatively low as compared with Examples 1 to 4. In the case of Comparative Example 3 in which the content of the dopant oxide in the oxide cell was more than 70% by weight, and Comparative Example 4 in which the oxide cell thickness was more than 20 nm, the electric conductivity was the lowest, It can be said that the result is not completely removed.
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 기술분야에서 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.
While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It is to be understood that the invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.
S110 : Ni 증기 형성 단계
S120 : Ni 파우더 형성 단계
S130 : 분급 단계
210 : 니켈
220 : 도펀트
230 : 현탁액
240 : Ni 파우더 모재S110: Ni vapor formation step
S120: Ni powder formation step
S130: Classification step
210: Nickel
220: dopant
230: Suspension
240: Ni powder base material
Claims (11)
상기 산화물 쉘이 실리콘, 티타늄 및 알루미늄 중에서 선택되는 도펀트의 산화물과 니켈 산화물로 이루어지되, 상기 Ni 코어의 평균입경이 30~100nm이고, 상기 산화물 쉘의 두께가 10~20nm이며, 상기 Ni 코어 및 상기 산화물 쉘이 모두 결정질로 형성되어, 상기 산화물 쉘이 열수축 배리어로 작용하여, 파우더의 수축시작 온도가 600℃ 이상이고, 25℃에서 1300℃까지의 수축률이 10% 이하인 것을 특징으로 하는 Ni 나노파우더.
An average particle diameter of 40 to 120 nm and comprising an Ni core and an oxide shell surrounding the Ni core,
Wherein the oxide shell is made of an oxide of a dopant selected from silicon, titanium and aluminum and nickel oxide, wherein the Ni core has an average particle diameter of 30 to 100 nm, the oxide shell has a thickness of 10 to 20 nm, Wherein the oxide shell is all crystalline and the oxide shell functions as a heat shrinkage barrier so that the shrinkage starting temperature of the powder is at least 600 ° C and the shrinkage rate at 25 ° C to 1300 ° C is at most 10%.
상기 산화물 쉘은
상기 도펀트의 산화물이 10~70중량%이고, 상기 니켈 산화물이 30~90중량%인 것을 특징으로 하는 Ni 나노파우더.
3. The method of claim 2,
The oxide shell
Wherein the oxide of the dopant is 10 to 70% by weight, and the nickel oxide is 30 to 90% by weight.
(b) 상기 Ni 증기를 냉각 가스에 접촉시켜, Ni 파우더를 형성하는 단계; 및
(c) Ni 파우더를 분급하여, 평균입경이 40~120nm인 Ni 나노파우더를 얻는 단계;를 포함하고,
상기 Ni 파우더 모재에 실리콘, 티타늄 및 알루미늄 중에서 선택되는 도펀트가 포함되고, 상기 냉각 가스에 불활성 가스와 함께 산소 함유 가스가 포함되되, 불활성가스와 산소 함유 가스가 유량비로 1:0.05~1:0.2인 것에 의해, 상기 (b) 단계에서 Ni 코어가 30~100nm의 평균입경으로 형성되면서, 표면에 도펀트의 산화물과 니켈 산화물로 이루어진 산화물 쉘이 10~20nm의 두께로 형성되며, 상기 Ni 코어 및 상기 산화물 쉘이 모두 결정질로 형성되는 것을 특징으로 하는 Ni 나노파우더 제조 방법.
(a) introducing a Ni powder base material into a high-temperature plasma region of 8000 to 12000 占 폚, and vaporizing the Ni powder base material by high-temperature plasma to form Ni vapor;
(b) contacting the Ni vapor with a cooling gas to form a Ni powder; And
(c) Classifying Ni powder to obtain Ni nanopowder having an average particle diameter of 40 to 120 nm,
Wherein the Ni powder base material contains a dopant selected from the group consisting of silicon, titanium and aluminum, and an inert gas and an oxygen-containing gas are contained in the cooling gas, wherein an inert gas and an oxygen- The Ni core is formed to have an average particle size of 30 to 100 nm in the step (b), an oxide shell made of an oxide of a dopant and a nickel oxide is formed on the surface to a thickness of 10 to 20 nm, Wherein the shells are all crystalline. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
상기 (b) 단계에서, 상기 산화물 쉘은 상기 도펀트의 산화물이 10~70중량%이고, 상기 니켈 산화물이 30~90중량%로 형성되는 것을 특징으로 하는 Ni 나노파우더 제조 방법.
8. The method of claim 7,
In the step (b), the oxide of the dopant is 10 to 70% by weight and the nickel oxide is 30 to 90% by weight.
상기 Ni 파우더 모재는
용매에 니켈과 도펀트를 분산한 현탁액(suspension)으로부터 제조되어, 니켈 일부분에 도펀트 코팅된 것을 이용하는 것을 특징으로 하는 Ni 나노파우더 제조 방법.
8. The method of claim 7,
The Ni powder base material
A method for producing Ni nanopowder, which comprises preparing a suspension of nickel and a dopant dispersed in a solvent, and doping a part of the nickel with a dopant.
상기 Ni 파우더 모재는
니켈 70~95중량% 및 도펀트 5~30중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 Ni 나노파우더 제조 방법.8. The method of claim 7,
The Ni powder base material
70 to 95% by weight of nickel and 5 to 30% by weight of a dopant.
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