KR101574306B1 - 실리콘 와이어 및 이를 이용한 균일한 실리콘 나노 재료를 얻는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 균일한 실리콘 나노 재료를 얻는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 액체 상에 노출된 고전압 전극을 통해 펄스 대전류 가열 방식(액중 전기 폭발)에 따라 원재료인 실리콘 와이어에서 나노상의 실리콘 재료로 형성함에 있어, 보다 균일한 실리콘 나노 재료를 얻기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명의, 실리콘 와이어를 이용하여 액중 전기폭발에 의해서 균일한 나노상의 실리콘 재료를 얻는 방법은 상기 실리콘 와이어의 단면은 모서리 부분이 없는 둥근 형상인 것을 특징으로 한다.

Description

실리콘 와이어 및 이를 이용한 균일한 실리콘 나노 재료를 얻는 방법{SILICONE WIRE AND METHOD OF GAINING THE SILICONE NANO PARTICLES HAVING SAME SIZE}

본 발명은 균일한 실리콘 나노 재료를 얻는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 액체 상에 노출된 고전압 전극을 통해 펄스 대전류 가열 방식(액중 전기 폭발)에 따라 원재료인 실리콘 와이어에서 나노상의 실리콘 재료로 형성함에 있어, 보다 균일한 실리콘 나노 재료를 얻기 위한 방법에 관한 것이다.

최근에 신소재로서 극미세 분말 재료의 기술 개발은 나노 디바이스를 포함하여 새로운 분야의 기반 기술로 응용될 수 있기 때문에 매우 중요하게 인식되고 있다.

나노 기술의 중요성은 부품 및 시스템의 고성능화 및 소형화에 대한 기존 기술의 한계성을 극복할 수 있는 기술이다.

나노 기술 중 "액중 전기폭발 기술"은 액체 상에 노출된 고전압 전극을 통한 펄스 대전류 가열 방식에 따라 반도체 부재를 액중 전기 폭발시킴에 의하여 나노 크기의 반도체 분말을 제조하는 기술이다. 즉, 원재료를 액중 전기폭발 기술에 의해서 나노 재료로 얻는 기술이다. 이러한 액중 전기폭발 기술은 양자점 소자, 광결정 소자, 전자재료, 투명전극, 나노유체, 이차전지, 광촉매 등 다양한 분야에서 사용될 수 있다.

한편, 리튬 화합물을 음극으로 사용하는 비수 전해질 2차 전지는 고전압과 고에너지 밀도를 가지고 있어 그 동안 많은 연구의 대상이 되어 왔다. 그 중에서도 리튬 금속은 풍부한 전지 용량으로 인해 리튬이 음극 소재로 많은 연구의 대상이 되어 왔으나, 점진적으로 각종 휴대용 기기가 소형화, 경량화 및 고성능화 됨에 따라 리튬 이온 전지의 고용량화가 중요한 문제로 대두되었다.

탄소계 음극을 사용하는 리튬 전지는 탄소의 다공성 구조 때문에 본질적으로 낮은 전지 용량을 가지게 된다.

따라서, 이론적인 용량이 4200mAh/g로 매우 높은 수치를 갖는 실리콘 재료에 대한 관심이 있어 왔다. 그러나, 이론적인 용량이 4200mAh/g로 매우 높은 수치를 갖는 실리콘 재료의 경우, 높은 이론적 용량에 비하여 전기전도도가 반도체 영역인 ~ 10-5S/cm로 낮고, 리튬과 반응시 부피팽창이 약 400%(Li22Si₅)까지 일어나, 이로 인하여 전극에서 균열이 발생하여 활물질과 집전체의 전기적 접촉이 떨어지게 되어, 급속한 수명단축을 초래하는 문제점이 존재하였다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서, 나노 크기의 실리콘 음극 물질을 사용하는 방법이 사용되었으며, 나노 크기의 실리콘 재료를 얻기 위한 방법으로 액중 폭발기술에 대한 연구가 있어 왔다.

벌크 상태의 실리콘 재료를 나노 상태의 실리콘 재료를 얻기 위한 방법으로, 한국특허공보(특허번호:10-1146914)(발명의 명칭: 액중 전기폭발에 의한 반도체 나노분말 제조방법 및 장치)에서는 낮은 전기전도도를 갖는 반도체 부재를 수용액, 유기용액, 액화기체, 용융고체 등 액상 물질이 채워진 챔버 내에서 펄스 대전류 가열을 이용한 액중 전기폭발 방식으로 다량의 반도체 나노 분말을 직접 제조할 수 있는 액중 전기폭발에 의한 반도체 나노 분말 제조 방법을 개시하였다.

또한, 액중 전기폭발 방법을 리튬이차전지용 실리콘 재료에 적용하여, 한국특허 제10-1142534(발명의 명칭: 리튬이차전지용 실리콘계 나노복합 음극 활물질의 제조방법 및 이를 이용한 리튬이차전지)는 메탄올계 용매 분위기에서 두 전극 사이에 실리콘계 와이어를 장착하고, 양단에 고전압 펄스전원을 인가하여 순간적인 저항가열에 의해 기화 및 분산시킴으로써 실리콘계 나노입자 분산용액을 제조하고 이를 이종재료와 복합화하여 실리콘계 나노복합 음극 활물질을 제조함으로써 특성이 향상된 리튬이차전지를 제공할 수 있는 리튬이차전지용 실리콘계 나노복합 음극 활물질의 제조방법을 개시하고 있다.

아울러, 현재 한국특허청에 출원중인 한국특허출원번호 10-2-13-0056699(2013.05.20출원)(발명의 명칭: 리튬이차전지용 실리콘-탄소 나노복합 음극 재료의 제조방법)에서는 전기폭발 실리콘을 탄소전구체를 포함하는 용액 중에서 형성시킴으로써 탄소-실리콘 복합체 활물질을 하나의 공정에서 얻는 방법이 개시되어 있다.

한편, 상기들의 특허에서는 리튬이차 전지용 음극재료를 얻기 위해서 벌크 상태의 실리콘 와이어를 액중에서 전기폭발에 의해 나노상태의 실리콘 재료를 얻는 방법을 사용하고 있다.

이처럼, 나노 상태의 실리콘 재료를 얻기 위해서는 벌크 상태의 실리콘 와이어를 사용하여야 하는 데, 현재 실리콘 와이어는 실리콘 웨이퍼를 길이방향으로 절단하여 사용하고 있는 실정이다. 따라서, 현재 사용되고 있는 실리콘 와이어는 단면이 직사각 형상을 지니는 실리콘 와이어가 사용되고 있다 할 것이다.

도 1 및 도 2는 종래의 실리콘 와이어의 단면구조 및 액중 전기폭발에 의한 나노 재료의 제조모식도로서, 도 1은 표면전도성이 내부전도성보다 높은 경우를, 도 2는 표면전도성이 내부전도성보다 낮은 경우를 도시한다. 즉, 종래의 실리콘 웨이퍼를 길이방향으로 절단하여 제조한, 사각 단면의 실리콘 와이어의 폭발과정을 도시한다.

먼저, 도 1을 참조하면, 표면전도성이 내부전도성보다 높은 경우로서, 사각 단면의 실리콘 와이어의 양단에 고전압 펄스 전원을 인가하면 표면이 먼저 가열되면서 폭발이 일어난다. 폭발에 의해 대부분 균일한 나노 입자가 형성되나, 사각 단면의 실리콘 와이어의 모서리 부분은 완전히 균일한 나노 입자가 형성되지 못하고 각진 형태, 벌크 상태(수미크론 이상)의 입자로 남게 된다.

도 2는 표면전도성이 내부전도성보다 낮은 경우를 도시한다. 이 때는 외면보다 내면이 먼저 가열되면서 폭발이 일어난다. 이 경우에도 완전히 균일한 나노입자를 얻지 못하고 각진 형태의 입자, 즉 벌크 입자(지름이 수미크론 이상)가 생성된다.

이와 같이, 종래의 실리콘 웨이퍼를 가공한 각형 단면의 실리콘계 와이어는 고전압 펄스 전기의 인가로 저항가열에 의한 기화 분산시에 모서리와 면 영역의 저항가열 속도의 차이가 있어서 불균등 가열이 발생한다. 즉, 모서리와 면의 불균등 가열로 인하여 내부에 형성된 플라즈마의 압력이 플라즈마를 감싸고 있는 고체 영역의 압력 저항 한계보다 높을 때(도 2) 플라즈마가 폭발적으로 비산하고 응집하여 나노 실리콘 재료를 형성하게 된다.

이처럼, 모서리와 면의 전기 가열 속도가 달라서 플라즈마가 비산할 때 도 1 및 도 2에서 도시한 것처럼 나노 입자의 크기가 불균일하고, 수미크론 이상의 벌크 입자가 남겨 되게 되어, 나노 재료의 수득율이 떨어진다는 단점이 있었다.

도 1 및 2에서와 같이, 종래의 사각 단면의 실리콘 와이어를 이용하여 액중 전기폭발을 실시하는 경우에 벌크 입자가 남기 때문에 균일한 나노 상태의 실리콘을 얻기 위해서는 액중 전기폭발후 균일한 나노 입자의 분리 정제 과정이 필요한데, 나노 실리콘 재료의 수득율이 낮다는 것은 분리 정제 공정에 대한 비용과 시간이 증가하는 결로 이어진다는 문제가 있었다.

본 발명의 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 실리콘 와이어를 이용하여 액중 전기폭발 반응을 수행함에 있어 전기 폭발에 의해 생성된 실리콘 재료가 벌크 상태의 실리콘 재료가 존재하지 않고 균일한 나노상의 실리콘 재료를 얻는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 액중 전기폭발에 의해서 생성된 실리콘 재료에서 나노상의 실리콘 재료만을 얻기 위한 과도한 분리 정제 과정을 줄일 수 있는 나노상의 실리콘 재료를 얻는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위한 것으로서, 본 발명의, 실리콘 와이어를 이용하여 액중 전기폭발에 의해서 균일한 나노상의 실리콘 재료를 얻는 방법은 상기 실리콘 와이어의 단면은 모서리 부분이 없는 둥근 형상인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 실리콘 와이어의 단면은 원형 또는 타원형이거나, 모서리 부분이 둥근 다각형의 실리콘 와이어가 적용가능하다.

바람직한 일실시예에 따르면, 상기 실리콘 와이어는 실리콘 웨이퍼를 길이방향으로 절단한 후, 단면의 모서리 부분을 라운드 형상으로 깍아서 단면에 모서리 부분이 없는 둥근 형상으로 제조된다.

바람직한 다른 실시예에 따르면, 상기 실리콘 와이어는 실리콘 분말, 실리콘 합금 분말, 또는 실리콘과 다른 금속의 혼합분말 중 어느 하나를 바인더와 함께 혼합한후, 성형하여 단면에 모서리 부분이 없는 둥근 형상으로 제조된다.

이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명의 나노상의 실리콘 재료를 얻기 위해서는 액중 전기폭발에서 원재료로 사용되는 실리콘 와이어를 단면에 모서리가 없는 라운드(round) 형상, 즉, 둥근 형상을 지님으로 실리콘 와이어의 액중 전기 폭발시에 수 미크론(㎛) 이상의 벌크 입자가 남지 않고 균일한 나노 상의 입자를 얻을 수 있다는 장점이 있다.

아울러, 이러한 방법을 통해 벌크 입자 없이 균일한 나노상의 실리콘 입자를 얻을 수 있음으로, 나노상의 실리콘 재료 제조의 수득율이 현저히 증가하고, 원재료의 소모량도 줄일 수 있으며, 이에 따라 균일한 나노상 입자만을 얻기 위한 분리 정제 공정의 시간과 비용을 현격히 줄일 수 있다는 장점이 있다.

이처럼, 본 발명에 따르면, 균일한 나노상의 실리콘 입자를 얻을 수 있어, 이를 리튬이차전지용 음극 활물질 재료로 이용가능하며, 이외에도 양극 재료, 전자재료, 나노유체 등 다양한 기술분야에 적용가능할 것으로 기대된다.

도 1 및 도 2는 종래의 실리콘 와이어의 단면구조 및 액중 전기폭발에 의한 나노 재료의 제조모식도로서, 도 1은 표면전도성이 내부전도성보다 높은 경우를, 도 2는 표면전도성이 내부전도성보다 낮은 경우를 도시한다.
도 3, 도 4, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 실리콘 와이어의 단면구조 및 액중 전기폭발에 의한 나노재료의 제조모식도로서, 도 3은 표면전도성이 내부전도성보다 높은 경우를, 도 4는 표면전도성이 내부전도성보다 낮은 경우를, 도 5는 표면에서부터 내부로 짧은 시간 동안에 순차적인 폭발이 일어나는 경우를 도시한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조로 하여, 본 발명의 실리콘 와이어 및 이를 이용한 균일한 실리콘 나노 재료를 얻는 방법을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 3 내지 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 실리콘 와이어의 단면구조 및 액중 전기폭발에 의한 나노재료의 제조모식도로서, 즉, 단면 형상이 원형 또는 타원형인 실리콘 와이어의 액중 전기폭발 과정에 대한 모식도이다.

먼저, 도 3은 실리콘 와이어의 표면전도성이 내부전도성보다 높은 경우에 대해서 도시한다.

도 3을 참조하면, 실리콘 와이어의 표면전도성이 내부전도성보다 높은 경우에는 고전압 펄스 전기를 인가하여 저항가열하면, 표면이 먼저 플라즈마 상태로 변화되면서 순간적으로 폭발하여 균일한 나노 상태의 실리콘 입자를 얻게 된다.

본 발명의 모서리가 없는 둥근 형상의 실리콘 와이어는 모서리가 없이 모두 면으로 구성됨으로, 고전압 펄스 전기의 인가로 저항가열에 의한 기화 분산시에 균등한 가열이 일어나며, 이로인해 플라즈마가 폭발적으로 균등하게 비산하여 균일한 나노상태의 실리콘 입자를 얻을 수 있는 것이다.

이처럼, 벌크 입자의 생성을 최대한 억제하고 균일한 나노 상태의 실리콘 입자를 얻기 위해서는 원재료인 실리콘 와이어의 단면이 모서리가 없는 둥근 형상을 지녀야 한다. 즉, 각진 모서리가 없는 라운드 형상을 지녀야 한다.

본 발명에 있어, 실리콘 와이어의 단면은 원형 또는 타원형이 가장 바람직하다. 이는 실리콘 와이어의 양단에 고전압 펄스전기를 인가시에 가장 균일한 저항가열이 일어남으로 플라즈마 폭발시에 가장 균일한 나노 실리콘 재료를 얻을 수 있기 때문이다.

원형, 타원형 이외에도 모서리가 둥근 다각형상, 즉 모서리가 둥근 삼각형, 서리리가 둥근 사각형상, 모서리가 둥근 오각형.... 등도 가능함은 물론이다. 단면이 원형이나 타원형에 비하여 균일한 저항 가열이 떨어지나, 모서리가 각진 종래의 실리콘 와이어에 비해서는 균일한 저항가열이 가능하기 때문이다.

본 발명의, 단면이 모서리가 없는 둥근 형상의 실리콘 와이어는 다음과 같은 방법으로 다양하게 제조할 수 있다. 즉, 실리콘 웨이퍼를 이용하는 방법, 및 실리콘 분말을 이용하는 방법으로도 제조가 가능하다

실리콘 웨이퍼를 이용하는 방법은 실리콘 웨이퍼를 길이방향으로 절단한 후, 단면의 모서리 부분을 라운드 형상으로 깍아서 모서리 부분이 존재하지 않도록 제조할 수 있다. 또한, 실리콘 분말을 이용하는 방법은 수 미크론 이상의 실리콘 분말, 실리콘 합금 분말, 및 실리콘과 다른 금속의 혼합분말 중 어느 하나를 바인더와 함께 혼합한후 성형기(압출기 등)를 이용하여 단면이 모서리가 없는 라운드 형상의 실리콘 와이어를 제조한다.

도 4는 표면전도성이 내부전도성보다 낮은 경우를 도시한다.

실리콘 와이어의 표면전도성이 내부전도성보다 낮은 경우는 고전압 펄스 전기를 실리콘 와이어의 양단에 인가시 내부가 먼저 플라즈마 상태로 변화되면서 표면으로 전달되면서 순간적으로 폭발하여 도시된 바와 같이 균일한 나노 상태의 실리콘 입자를 얻을 수 있다.

한편, 도 5는 실리콘 와이어의 표면에서부터 순차적인 폭발이 일어나는 경우를 도시한다. 이 경우에도, 먼저 표면에서부터 내부로 순차적으로 폭발이 일어나면서 균일한 나노 상태의 실리콘 입자를 얻게 된다.

현재, 실리콘 와이어에 대한 액중 전기폭발 과정 상의 명확한 매카니즘이 규명되어 있지는 않은 상태이다. 그러나, 도 3 내지 도 5에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 모서리가 없는 둥근 형상의 실리콘 와이어는 모서리가 없이 모두 면으로 구성됨으로, 고전압 펄스 전기의 인가로 저항가열에 의한 기화 분산시에 균등한 가열이 일어나며, 이로인해 플라즈마가 폭발적으로 균등하게 비산하여 균일한 나노상태의 실리콘 입자를 얻을 수 있는 것이다.

상기에서 살펴본 도면은 폭발 매카니즘을 추정한 것일 뿐이지 반드시 이와 같은 매카니즘으로 폭발이 진행된다고 단정하는 것은 아니다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것도 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

1. 실리콘 와이어를 이용하여 액중 전기폭발에 의해서 균일한 나노상의 실리콘 재료를 얻는 방법에 있어서,
   상기 실리콘 와이어의 단면은 모서리 부분이 없는 둥근 형상인 원형 또는 타원형이며,
   상기 실리콘 와이어는 실리콘 분말, 실리콘 합금 분말, 또는 실리콘과 금속의 혼합분말 중 어느 하나를 바인더와 함께 혼합한 후, 성형하여 단면에 원형 또는 타원형으로 제조되는 것을 특징으로 하는 균일한 실리콘 나노 재료를 얻는 방법.
   
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제

Images