KR101526335B1 - 은 나노입자의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 입경이 80nm 미만이며 폴리머 매트릭스 중 1M을 초과하는 농도로 분산되어 있는 은 나노입자를 제조하는 방법에 대한 것으로, i) 적어도 하나의 알콜 분획을 함유하는 용매 내에서 말단에 알콜기를 갖는 폴리머와 은 유기염을 혼합하는 단계, ii) 상기 단계에서 얻어진 혼합물을 교반하고 가온하는 단계, 및 iii) 은 나노입자로 채워진 상기 폴리머상을 분리하는 단계를 포함한다.

Description

은 나노입자의 제조 방법 {METHOD FOR PREPARING SILVER NANOPARTICLES}

본 발명은 나노기술분야에 대한 것이다. 더욱 상세하게는 은 나노입자의 제조 방법에 대한 것이다.

금속 나노입자의 광학적, 전기적, 촉매적 또는 심지어는 생물학적인 특질에 대해서 광범위하게 연구되고 있다. 이러한 입자의 크기나 모양은 이들의 특성에 상당한 영향을 미친다. 각각 다른 금속 나노입자의 모양이나 크기를 정확하게 제어하기 위한 방법을 밝히기 위한 많은 연구가 수행되고 있다. 이러한 목적에 따라 화학적인 환원, 가스 응축, 레이져 방사 등과 같은 여러 가지 제조 경로가 실험되고 있다.

더욱 상세하게는 은 나노입자는 중요한 잇점을 갖는다. 우선, 티올, 아민, 이미다졸, 카르복실, 또는 생체에서 유래된 단백질의 포스페이트 작용기와의 상호작용에서 유래되는 이들의 항미생물적 특질은 의료 분야에서 널리 적용되고 있다.

더욱이, 은 입자를 폴리머 유기 매트릭스(polymeric organic matrices)에 분산시켜 전자적 및 전기기술적인 적용에 있어서 전도체로 사용하기도 한다. 이러한 용도는 두 가지 이유에서 흥미로운데, 하나는, 얻어진 전도성 배합물이 부분적으로 투명하기 때문이고, 다른 한편으로는 매우 증강된 전도성 특질인 가교된 금속 합금 어셈블리를 만들기 위한 입자간 소결을 유도할 수 있기 때문이다.

또한, 형성된 입자를 안정화하는 것은 매우 중요한데, 그렇게 해야 나중에 입자들이 응집하지 않고, 이들의 특성을 유지할 수 있기 때문이다.

그러나, 현재의 이러한 조사는 실험적으로 이루어지고 있으며, 상기 반응 조건은 산업적인 형태로 이루어질 수 없다.

가령, 리와 알(Li and Al, J. Am. Chem. Soc. Vol. 127, No. 10, 2005)이 톨루엔 및 페닐하이드라진 중 은아세테이트 및 알킬아민을 시작물질로 하는 합성 경로를 제안한 바 있다. 그러나, 이러한 반응은 두 가지 주요한 단점 때문에 산업적으로 이용가능하지 않다. 우선, 질소를 함유하는 환원제를 사용하면 극미량의 질소가 항상 잔존하여 전자 장치의 질을 떨어뜨릴 수 있기 때문에 상기 나노입자를 적용할 수 있는 전자 제품에 대한 문제적 요소가 될 수 있다. 다음으로, 비록 반응의 산물이 은함량이 높다고 하는 문헌이 있지만, 후자는 단지 0.5M일 뿐이다. 이제, 이러한 농도는 경제적으로 관심이 있는 합성에 있어서 충분하지 않다. 실제로, 충분한 양의 나노입자를 얻기 위해서는 상당 부피의 반응물(reagents)이 적용되어야 한다.

또한, Ag⁺ 이온을 환원하는 다른 표준 은(Ag) 제조 경로는 일반적으로, 반응물(reagent) 또는 독성 용매(은 질산염, DMF 등)와 격렬한 반응 조건(온도, 압력)를 수반하게 되어, 안전성 및 생태학적인 관점에서 취약하므로 산업적으로는 더 이상 사용되지 않는다. 마지막으로, 일반적인 핵형성/성장 프로세스는 너무 많은 입자를 형성하게 되어 목적으로 하는 적용분야에 사용할 수 없다.

따라서, 본 발명의 목적은, 입자의 크기 및 모양의 제어가 양호한, 은 나노입자를 얻을 수 있는 산업적으로 이용가능한 용이한 합성 경로를 제공하는 것이다.

더욱 상세하게는, 상기 발명은 입경이 100nm 미만으로, 1M 농도보다 높은 농도로 폴리머 매트릭스 중 분산되어 있는, 다음의 단계를 포함하는 은 나노입자를 제조하는 방법에 대한 것이다.

- 은 나노입자의 핵을 형성하고 안정화시키기 위하여 은 유기염과 폴리머제(polymeric agent)를 반응시키는 단계,

- 상기에서 얻어진 반응 매체를 상기 환원된 은이 응집하지 않도록 한정된 환원력(limited reduction potential)을 갖고, Ag⁺ 이온과 배위 친화도(coordination affinity)를 갖는 환원제와 미리 혼합하는 단계,

- 상기 은 나노입자가 함유된 폴리머 매트릭스를 농축하고 분리하는 단계.

더욱 상세하게는, 상기 방법은 상기 적용된 은 유기 염이 은 아세테이트, 은 아세틸아세토네이트, 은 시트레이트, 은 락테이트 또는 은 펜타플루오로프로피오네이트로부터 선택된 것일 경우에 더욱 잇점이 있다는 것을 입증한다.

은 유기염과 폴리비닐피롤리돈(PVP)계, 폴리에틸렌글리콜(PEG) 또는 폴리프로필렌글리콜계 폴리머와 혼합하는 경우 더욱 흥미로운 결과를 얻는다.

따라서, 본 발명에 따른 방법은 독성 물질이나 환경에 위해한 산물을 수반하지 않는다. 또한, 상기 반응 조건은 온화하므로, 이 방법은 상기 반응에 내재된 최대한의 위험까지 가지 않을 수 있다.

상기 얻어진 전환율 및 다른 한편으로는 상기 얻어진 입자의 질(입자의 크기가 작고 균일함)이 다른 실험 방법과 비교하여 우수하다.

상기 방법의 기타 다른 특성은, 상기 방법에 따라 얻어진 은 입자의 TEM(투과전자현미경, transmission electron microscopy) 이미지인 첨부된 도면 및 이하의 발명의 상세한 설명에 의해 더욱 명확하게 이해될 것이다.

본 발명에 따른 은 나노입자를 제조하는 방법은 일차적으로는 은 아세테이트 5g과 40℃ 내지 60℃를 포함하는 온도, 일반적으로는 50℃의 온도의 물 200㎖ 중 10,000 분자량을 가진 폴리비닐피롤리돈(PVP) 용액 5g을 혼합하는 단계를 포함한다. PVP는 은 나노입자의 응집을 방지하고 이들을 형성하도록 하기 위한 핵형성제 및 안정제로 사용된다.

60℃ 내지 90℃, 일반적으로 75℃의 온도로 승온하기 위해 5분간 온도를 승온시킨다. 반응 초기에는 흰색인 상기 용액은 다음으로 갈색으로 변한다. 다음으로, 상기 반응 매체를 95℃의 온도에서 45분간 교반한다. 그런 후, 상기 용액은 갈색에서 녹색으로 변한다. 다음으로 승온을 마치고, 상기 용액이 35℃로 냉각될 때까지 교반한다.

다음으로, 상기 반응 매체를 20mM의 아스코르빈산 용액과 혼합한다. 아스코르빈산은 환원제로 사용된다. 이것은 제한된 환원력을 갖지만, Ag⁺ 이온과 배위 친화도를 갖기 때문에, 환원된 은이 응집되지 않도록 한다. 따라서, 아스코르빈산은 1차적으로는 안정적인 방식으로 Ag⁺ 이온과 결합하여 2차적으로는 상기 은 입자가 응집되지 않고 전자의 이동이 일어나도록 한다. 표시한 바와 같이, 아스코르빈산의 환원력은 -0.41V이다. 일반적으로 +0.2V 미만, 바람직하게는 -0.2V 미만의 그러나 -1.5V를 초과하는, 더욱 바람직하게는 -1.2V를 초과하는, 더욱 바람직하게는 -1.0V를 초과하는 환원력을 가진 다른 환원제들이 고려될 수 있다. 가령, 글루코오스(환원력 -1.87V)는 너무 강력한 환원제이므로 Ag⁺ 이온을 환원시킬 수 있지만 이들의 응집이 발생할 수 있다. 상기의 환원력은 유럽에서의 일반적인 표준에 따라 주어지는 것이며, CRC 핸드북 시리즈(CRC Handbook Series in Organic Electrochemistry, Vol. 1, 1976)에서 발췌된 것이다.

또한, 상기 반응 매체 및 상기 환원제를 화학양론적인 비율로 지속적으로 첨가하는 것을 고려할 수 있다.

환원 반응을 고려할 때, 즉, 일반적으로 30분 후, 상기 은 나노입자를 함유하는 폴리머 매트릭스를 농축하기 위해 상기 용액을 원심분리한다. 상기 환원 반응에서의 변화는 자외선/가시광선 분광법으로 확인할 수 있다.

상기 최종 산물에 대한 분석을 수행하면, 은 아세테이트로서 도입된 상기 은의 80%가 금속 은(Ag⁰)로 전환되었음이 밝혀질 수 있다. 도 1 및 도 2는 TEM에 의해 얻어진 이미지로, 상기 나노입자의 크기 및 이들의 분포를 측정할 수 있다. 상기 얻어진 나노입자의 크기는 3 내지 50nm의 범위를 포함한다.

은 아세틸아세토네이트, 은 시트레이트, 은 락테이트 또는 은 펜타플루오로프로피오네이트와 같은 다른 은 유기염에 대한 실험을 수행하였다. 유사하게, PVP를 대체하여 폴리에틸렌글리콜(PEG) 및 폴리프로필렌글리콜을 사용하였으며, 이들 폴리머는 각각 다른 분자량으로 적용될 수 있다. 청구항의 해석에 따르면, 상기 PVP, PEG 또는 폴리프로필렌글리콜계 폴리머라는 용어는 이러한 모노머를 단위체로 갖는 공중합체를 포함한다. 사용되는 반응물에 따라서, 상기 얻어지는 은 나노입자의 입경은 100nm 미만, 더욱 바람직하게는 80nm 미만, 더욱 바람직하게는 50nm 미만인 것이다. 2nm에 가까운 입경을 갖는 입자도 검측되었다. 이러한 입자들은 1M을 초과하는, 바람직하게는 2M을 초과하는, 더욱 바람직하게는 3M을 초과하는 농도로 폴리머 매트릭스에 분산된다.

한편으로는 상기 얻어진 전환율 및 다른 한편으로는 상기 얻어진 입자의 질(입자의 크기가 작고 균일함)이 다른 실험 방법과 비교하여 우수하다.

비교를 위해, 1단계에서 은 아세테이트 10g과 50℃의 tert-부탄올 80ml 중 분자량 1,500인 폴리에틸렌글리콜 (PEG 1,500) 1g을 혼합하는, 다른 실험 절차에 대해서도 언급할 수 있다. 상기 PEG는 또한 환원제로도 사용된다. 은 아세테이트는 알콜과 PEG의 용액 중 현탁액을 형성한다. 상기 혼합물을 교반하고, 5분 이상 약 75℃로 승온시킨다. 상기 용액을 80℃에서 45분간 교반한다. 이 절차에서 어어진 최대 전환율은 약 50%이다.

따라서, 입자들이 크기나 모양이 잘 제어된 은 나노입자를 제조하는 방법이 제공된다. 산업적인 이용가능성의 측면에서, 상기 각각 언급된 반응물들이 사용되거나 복합될 수 있다. 그러나, 생산 수율, 얻어지는 입자의 질, 반응물의 비용, 반응 및 생태적인 안전성의 측면에서 은 아세테이트 및 PVP를 사용하는 것이 최상의 조합으로 보인다.

Claims (10)

1. 은 나노입자가 분산된 폴리머 매트릭스를 제조하는 방법에 있어서,
   i. 은 유기염 및 '은 나노입자의 핵을 형성하고 안정화시키기 위한 폴리머'를 포함하는 반응 매체(reaction medium)를 혼합하는 단계;
   ii. i. 단계에서 얻어진 반응 매체를 소정의 환원력을 갖고, Ag⁺ 이온과 배위 친화도(coordination affinity)를 갖는 환원제와 혼합하여, 상기 폴리머 및 은 나노입자를 포함하는 용액을 얻는 단계;
   iii. 은 나노입자가 함유된 폴리머 매트릭스를 형성하기 위해 상기 용액을 농축하고, 형성된 폴리머 매트릭스를 분리하는 단계;를 포함하며,
   상기 은 나노입자는 입경(diameter)이 100nm 미만이고, 상기 폴리머 매트릭스에 1M 초과의 농도로 분산되어 있는 것인, 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 은의 유기염은 은 아세테이트, 은 아세틸아세토네이트, 은 시트레이트, 은 락테이트 또는 은 펜타플루오로프로피오네이트로부터 선택된 것을 특징으로 하는, 방법.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 폴리머는 폴리비닐피롤리돈(PVP)계 또는 폴리에틸렌글리콜(PEG)계 또는 폴리프로필렌글리콜계인 것을 특징으로 하는, 방법.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 반응 단계는 수성 매체 내에서 이루어지는 것을 특징으로 하는, 방법.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 i. 단계는 40℃ 내지 60℃의 온도의 물의 첨가, 65℃ 내지 95℃를 포함하는 온도로 승온하는 단계(phase) 및 냉각하는 단계(phase)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
   
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 사용되는 환원제는 아스코르빈산인 것을 특징으로 하는, 방법.
   
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 농축 및 분리 작업은 원심분리에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는, 방법.
   
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 얻어지는 은 나노입자의 입경은 50nm 미만인 것을 특징으로 하는, 방법.
   
9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 얻어지는 은 나노입자는 폴리머 매트릭스 중 2M을 초과하는 농도로 분산되어 있는 것을 특징으로 하는, 방법.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 얻어지는 은 나노입자는 폴리머 매트릭스 중 3M을 초과하는 농도로 분산되어 있는 것을 특징으로 하는, 방법.

Images