KR101869484B1 - 내구성 및 내화학성이 향상된 담색 자성입자 - Google Patents

내구성 및 내화학성이 향상된 담색 자성입자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자성 코어 산화지르코늄 코팅 층이 형성되고, 산화지르코늄 코팅 층에 은 코팅 층이 형성된 담색 자성입자로서, 산화지르코늄 코팅 층의 일부 표면이 외부로 노출되어 있으나 내화학성이 우수하여 자성 특성의 변화가 거의 없어 보안 요소에 적합한 자성입자를 제공할 수 있다.

Description

내구성 및 내화학성이 향상된 담색 자성입자{Light magnetic particle improved with durability and chemical resistance}
본 발명은 잉크, 도료, 안료, 화장품 소재 등을 포함한 다양한 분야에 응용되어 사용할 수 있는 담색 자성입자 및 자성입자의 제조방법에 관한 것이다.
자성 물질은 다양한 분야에서 사용되는데, 자성물질을 사용하는 분야 중 하나인 위조방지 분야에서는 유가증권 등의 위조 및 변조를 방지하기 위해 자성물질을 포함한 보안 잉크를 적용하고 있다.
자성 물질을 포함하는 보안 잉크는 대부분 육안으로 식별하기 어렵고 특정 기계를 통해서 보안 잉크에 포함된 자성 물질의 자성 강도 등의 변화를 통한 진품 여부를 확인할 수 있는 특징이 있다. 그러나, 자성 물질은 어두운 색을 가지고 있어 자성 물질을 그대로 잉크에 사용하는 경우 선명한 밝은색을 나타내기 어렵다. 자성 물질이 가지는 어두운 색은 가리기 위해 자성 물질에 다양한 코팅층을 형성하는 방법이 다수 알려져 있다. 예를 들어, 한국 공개특허 제2006-0028393호에서는 자성 분체에 산화티타늄 층과 금속 은층을 차례대로 형성하여 밝은 색을 가지는 자성 입자를 개시하고 있다.
이와 같이 자성 물질의 어두운 색을 가리기 위해서 밝은 금속층을 자성 물질에 형성하는 방법이 주로 이용되는데, 금속 층 대부분은 내구성이 좋지 못하고 금속의 종류에 따라 다양한 화학적 반응이 일어날 수 있어 화학적 반응이 일어나는 것을 방지하기 위한 내화학성이 좋지 못하다. 한국 공개특허 제2006-0028393호와 같이 산화티타늄 층과 금속 은층을 코팅한 경우에도, 산화티타늄이 광촉매 역할을 할 수 있어 특히 자외선(Ultraviolet rays, UV)에 굉장히 취약해 색깔의 변화가 쉽게 일어날 수 있다.
본 발명의 발명자들은 이러한 문제를 해결하기 위해 자성물질을 코어로 사용하고 금속산화물 및 금속으로 형성되는 다층 코팅 층을 포함한 입자에 있어서 코팅 층의 선정 및 조건의 조절이 매우 중요함을 인지하여 본 발명에 이르게 되었다.
한국 공개특허 제2006-0028393호
본 발명은 자성 물질에 금속산화물 층 및 금속 층을 형성한 자성 입자에서 발생할 수 있는 문제를 특정 금속산화물 층 및 금속 층 형성을 통해 해결하고, 화학적 및 기계적 물성이 우수한 담색 자성입자를 제공하고자 한다.
본 발명은 담색 자성입자에 관한 것으로 입자의 중심이 되는 기재(substrate)가 자성 코어이고, 자성 코어에 형성된 산화지르코늄 코팅 층 및 산화지르코늄 코팅 층에 형성된 은 코팅 층을 포함한 자성입자를 제공한다.
본 발명의 담색 자성입자는 자성코어에 금속산화물 코팅 층으로 산화지르코늄 코팅 층을형성하고, 금속 코팅 층으로 은 코팅층을 형성하여 자성 물질, 금속산화물 코팅 층 및 금속 층을 포함한 자성입자에서 발생할 수 있는 화학적 및 물리적 변화에 대한 취약성 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 및 도 2는 금속산화물 코팅 층에 은 코팅 층이 형성되는 과정으로, 일부 아일랜드에서 은 코팅 층이 성장하는 것을 보여준다.
도 3은 및 도 4는 금속산화물 코팅 층이 외부로 노출된 모습을 보여주고, 일부 자성입자가 서로 응집될 수 있음을 보여준다.
이하에서 본 발명에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 따로 정의하지 않는 경우 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 내용으로 해석되어야 할 것이다. 본 명세서의 도면 및 실시예는 통상의 기술자가 본 발명을 쉽게 이해하고 실시하기 위한 것으로 도면 및 실시예에서 발명의 요지를 흐릴 수 있는 내용은 생략될 수 있으며, 본 발명이 도면 및 실시예로 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 다양한 인쇄물에 적용할 수 있는 잉크를 비롯한, 도료, 안료, 화장품 등 다양한 분야에 사용할 수 있는 자성 물질을 포함하는 자성입자에 관한 발명이다.
본 발명의 자성입자는 자성 코어에 산화지르코늄(ZrO2) 코팅 층을 형성하고, 산화지르코늄 코팅 층에 은(Ag) 코팅 층을 형성한 것으로, 기존에 산화금속 코팅 층 및 금속 코팅 층이 형성된 자성입자에서 발생할 수 있는 문제를 해결할 수 있다.
자성 물질을 중심 입자인 코어로 포함하는 자성입자는 자성 코어가 가지는 보자력, 자화밀도 등 다양한 자성 특성을 이용할 수 있어 잉크를 비롯한 다양한 용도로 활용할 수 있다. 그러나, 자성 물질 자체는 흑색 등 어두운 색을 가지고 있어 밝은 색상을 부여하기 위해 자성 물질에 여러 가지 방법으로 다양한 코팅 층을 형성할 필요가 있다. 예를 들어, 반사율 차이가 큰 유전체 층을 다층으로 코팅하여 반사율을 높이거나, 밝은 색을 가지는 금, 은, 백금 등과 같은 귀금속으로 금속 층을 형성하여 높은 명도를 가지는 자성 입자를 얻을 수 있다. 나아가, 자성 입자의 내구성이나 내화학성을 고려할 때 금속산화물 코팅 층과 금속 층이 혼합된 다층 코팅 층을 자성 물질에 형성할 수도 있다.
본 발명의 자성입자에서 산화지르코늄 코팅 층에 형성된 은 코팅의 은 함량은 자성 코어 중량 대비 10 내지 20중량%이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 은 코팅 층은 균일한 두께로 형성될 수 있는데 은 코팅 층의 은 함량이 10중량% 미만이게 되면 금속산화물 코팅 층을 충분히 코팅할 수 없어, 내화학성이 현저히 감소할 수 있다. 은 코팅 층의 은 함량이 20중량%를 초과하면 내구성이 약해질 수 있고 불균일한 은 코팅 층이 형성될 수 있다. 또한, 자성입자 제조시 은 코팅 층 형성 과정에서 입자들이 충분히 분산되지 않아 응집현상이 현저히 증가할 수 있고, 응집된 입자들이 서로 분리되면서 은 코팅 층의 심한 손상 등이 수반되어 균일한 은 코팅 층이 형성되기 어려울 수 있다.
본 발명의 자성입자에서 은 코팅 층의 두께는 50 내지 120nm, 50 내지 115nm, 50 내지 110nm, 55 내지 120nm, 55 내지 115nm, 55 내지 110nm, 60 내지 120nm, 60 내지 115nm, 60 내지 110nm, 65 내지 120nm, 65 내지 115nm, 65 내지 110nm, 70 내지 120nm, 70 내지 115nm, 70 내지 110nm, 75 내지 120nm, 75 내지 115nm, 75 내지 110nm, 80 내지 120nm, 80 내지 115nm, 80 내지 110nm, 85 내지 120nm, 85 내지 115nm, 85 내지 110nm, 90 내지 120nm, 90 내지 115nm, 90 내지 110nm, 95 내지 120nm, 95 내지 115nm, 95 내지 110nm, 100 내지 120nm, 100 내지 115nm, 100 내지 110nm, 이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 은 코팅 층의 은 함량이 자성 코어 중량 대비 10 내지 20 중량%일 때, 은 코팅 층이 40 내지 110nm, 50 내지 120nm 또는 70 내지 110nmm 내에서 형성될 수 있다.
본 발명의 자성입자는 반사율이 900nm 파장에서 45 내지 75% 바람직하게는 50 내지 70%이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 반사율은 은 코팅층을 형성할 때 사용하는 은의 사용량, 은 코팅 층의 은 함량에 따라 달라질 수 있으나 시각적으로 균일한 밝은 색상을 가지면서 경제적인 은 사용량 및 은 코팅 층의 은 함량에 따른 반사율은 900nm 파장에서 45 내지 75%를 만족하는 것이 바람직하다.
본 발명의 자성입자는 산화지르코늄 코팅 층의 일부 표면이 외부로 노출될 수 있다. 산화지르코늄 코팅 층 표면의 일부는 은 코팅 층이 산화지르코늄 코팅 층 전부를 충분히 코팅하지 못하여 노출되거나, 자성입자의 제조과정에서 은 코팅 층 형성과정에서 발생하는 입자간 응집 후 분리 현상에 의해 노출되거나, 임의로 은 코팅 층 형성시 은 사용량(함량)을 조절하여 노출될 수 있다. 본 발명에서 산화지르코늄 코팅 층의 일부 표면 노출은 은 코팅 층이 산화지르코늄 코팅 층의 표면에 정상적으로 형성되지 못하여 산화지르코늄 코팅 층의 표면 중 일부가 외부로 드러난 것을 의미할 수 있다. 본 발명의 자성입자는 자성입자 제조과정에서 은을 과도하게 사용하지 않는 이상 제조과정에서 발생하는 입자의 응집 및 분리 과정에서 산화지르코늄 코팅 층에 형성되어 있던 은 코팅 층이 벗겨질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 최외각의 코팅 층을 금속인 은 코팅 층으로 형성하는 경우, 은 코팅 층의 아래에 형성된 산화지르코늄 코팅 층 표면의 일부가 외부로 노출되는 현상을 완전히 방지하기는 어렵다. 은 코팅 층의 산화지르코늄 코팅 층을 완전히 코팅하여 산화지르코늄 코팅 층이 외부로 노출되지 않게 하기 위해서는 은 사용량이나 은 코팅 층의 함량이 자성 코어 대비 20~50중량%를 초과하도록 할 필요가 있고, 은 사용량이나 은 코팅 층의 함량이 지나치게 증가되면 은 코팅 층의 두께가 두꺼워지고 균일한 은 코팅 층이 형성되기 어려우며, 입자간 응집 현상의 현저한 증가로 인해 자성입자의 수득률이 감소할 수 있다.
본 발명에 따르면, 자성 코어에 산화지르코늄 코팅 층을 형성하고, 산화지르코늄 코팅 층에 은 코팅 층을 형성하여 산화지르코늄 코팅 층의 일부 표면이 외부로 노출되어도 내화학성 및 내구성이 향상된 자성입자를 제공할 수 있다. 일반적으로 입자의 최외각에 금속 코팅 층을 형성하게 되면 금속 층의 특성상 내화학성 및 내구성을 충분히 향상시킬 수 없고, 금속 코팅 층이 형성되는 금속산화물 코팅 층이나 유전체 층의 화학적 반응에 의해 입자의 변색이 나타날 수 있다. 그리고, 금속산화물 코팅 층의 두께가 얇아 노출된 부분에 의한 화학적 변성이 쉽게 발생할 수 있다. 또한, 코어로 자성 물질을 사용한 입자에서 자성 코어의 자성 특성이 급격히 변할 수 있다.
본 발명에서 산화지르코늄 코팅 층의 두께는 5 내지 15nm, 6 내지 15nm, 7 내지 15nm, 바람직하게는 8 내지 15nm이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 자성 코어에 산화지르코늄(ZrO2) 코팅 층을 형성하고 산화지르코늄 코팅 층에 은 코팅 층을 형성한 자성입자는 산화지르코늄 코팅 층이 표면 일부가 외부로 노출되어 있어도 내화학성이 우수하고, 자성 특성도 일정하게 유지될 수 있다. 반면, 자성 코어에 금속산화물 코팅 층으로 산화티타늄(TiO2) 코팅 층이나 이산화규소(SiO2) 코팅 층을 형성하고, 금속산화물 코팅 층에 은 코팅 층을 형성한 자성입자는 내화학성이 좋지 못해 변색이 쉽게 발생하고, 자성 코어의 자성 특성이 크게 변화할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 자성 코어에 금속산화물 코팅 층을 형성하고 금속산화물 코팅 층에 은 코팅 층을 형성한 자성입자에서 은 코팅 층의 은 함량이 자성 코어 대비 10 내지 20 중량%인 경우 은 코팅 층의 두께가 40 내지 110nm, 50 내지 120nm 또는 70 내지 110nm 두께로 형성되고 은 코팅 층의 표면 일부가 외부로 노출되나, 금속산화물 코팅 층이 산화지르코늄 코팅 층인 경우 오랜 시간이 경과하여도 변색이 거의 발생하지 않고 내화학성도 우수하며 자성 코어의 자성 특성도 크게 변화지 않고 거의 일정하게 유지될 수 있다.
본 발명에서 자성 코어는 자성을 가지는 금속 또는 금속 합금으로 경자성(Hard) 물질이 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다. 자성 코어로 Fe, Cu, Al, Ni, Co, Nb, Nd, Si, B, Cr 및 Sm으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 자성 코어일 수 있다. 보다 바람직한 자성 코어로는 AlNiCo, FeCrCo 또는 Cunife일 수 있다. 본 발명의 자성 코어의 제조방법은 수계 아토마이징법을 이용하여 제조하는 것이 바람직하다.
본 발명의 자성 코어 제조방법을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 자성 코어의 원료를 불활성 분위기에서 용융 및 응고시켜 잉곳을 제조하고, 잉곳을 불활성 분위기에서 용융시키고 물 및 산화방지제를 포함하는 냉각 매체를 이용한 분무(atomization)에 의해 미립자를 제조한 후, 제조한 미립자를 열처리하고 열처리한 미립자를 기류 분급하여 자성 코어를 제조할 수 있다. 산화방지제로 환원성 유기용매, 환원성 유기화합물 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있고, 산화방지제로 우레아를 포함하는 화합물을 사용하는 것이 바람직하고, 환원성 유기용매로는 알칸올아민을 포함하는 것이 바람직하다. 냉각 매체의 경우 물 100중량부를 기준으로 10 내지 100 중량부의 우레아를 포함하는 것이 바람직하며, 냉각 매체를 분사압 500 내지 1000bar의 조건으로 조절하여야 입도 분포가 일정하고 잉크 제조에 적합한 크기의 자성 코어를 제조할 수 있다. 미립자의 열처리 단계에서 열 처리 온도는 700 내지 800℃가 바람직하고, 열처리 후 입도를 선별하여 이 후 제조 공정을 수행할 수 있다. 자성 코어의 재료로는 제조 대상인 자성 코어에 따라 적절하게 선택할 수 있고, 예를 들어 Fe, Cu, Al, Ni, Co, Nb, Nd, Si, B, Cr 및 Sm로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 재료를 선택하여 자성 코어를 제조할 수 있다. 보다 구체적으로 AlNiCo 제조시 자성 기재의 원료로 Al, Ni 및 Co를 사용하거나, FeCrCo 제조시 Fe, Cr 및 Co를 사용하거나 CuNiFe 제조시 Cu, Ni 및 Fe를 사용할 수 있다.
본 발명의 자성 코어는 바람직하게는 구형이고, 반사율 향상을 위해서 판상형일 수 있으나 구형인 경우에도 우수한 반사율을 가질 수 있다.
본 발명에서 자성 코어의 크기는 0.4 내지 20㎛, 0.5 내지 15㎛, 0.5 내지 10㎛일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는 자성 코어의 입도 분포 기준으로 D90이 6 내지 15㎛, 7 내지 15㎛, 8 내지 15㎛의 자성 코어 일 수 있다. 자성 코어에 형성되는 다층 코팅 층의 두께와 잉크 제조에 사용시 인쇄에 용이하게 적용하기 위한 크기를 고려할 때 15㎛이하의 자성 코어가 바람직할 수 있다.
본 발명에서 자성 기재에 다층 코팅층이 형성된 자성입자의 최종 크기는 1 내지 20㎛, 바람직하게는 1 내지 15㎛, 보다 바람직하게는 1 내지 10㎛이나 특별히 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 자성입자를 보안 잉크 제조시 사용하는 경우 인쇄에 적용하기 용이할 수 있도록 15㎛이하인 것이 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다.
자성 기재는 경자성(hard) 또는 연자성(soft) 자성체를 제조하여 사용할 수 있고 본 발명의 자성 입자를 이미지, 수, 글자 등 보안 요소로 활용 시 바람직하게는 경자성체이다.
본 발명의 자성입자에 내구성 향상을 위해 은 코팅 층에 추가로 금속산화물 코팅 층 또는 유전체 층을 더 형성할 수 있다. 은 코팅 층에 추가의 코팅 층 형성은 내구성 및 내화학성을 보다 더 향상시킬 수 있다. 은 코팅 층에 추가의 코팅 층 형성 시 다층 코팅 층을 형성하는 경우 자성입자의 색상, 명도, 채도, 밝기 변화 등을 고려하는 것이 바람직하다.
본 발명의 자성입자는 잉크, 도료, 안료, 화장품 소재 등을 포함한 다양한 분야에 응용되어 사용할 수 있으며, 위변조 방지 분야의 보안 잉크 제조에 보다 적합할 수 있다.
본 발명은 본 발명의 자성입자를 포함한 잉크, 도료, 안료 또는 화장품을 제공할 수 있다.
본 발명은 본 발명의 자성입자를 포함한 잉크가 적용된 유가증권을 제공할 수 있다.
본 발명의 자성입자를 포함한 보안 잉크는 자성입자와 함께 착색제, 바니시, 용제, 분산제 및 체질 안료(충진제)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 성분을 혼합하여 제조할 수 있다.
착색제는 잉크 제조시 사용하는 색을 나타내는 안료를 포함할 수 있고, 잉크 전체 조성물에 대하여 5 내지 15 중량%, 바람직하게는 8 내지 12 중량%, 보다 바람직하게는 7 내지 12 중량%를 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
바니시(varnish)는 잉크의 접착성을 높이고 자성입자를 외부 자극으로부터 보호할 수 있다. 바니시는 알키드바니시, 알키드레진 바니시, 요소레진바니시, 페놀레진 바니시, 멜라민레진 바니시, 폴리우레탄레진 바니시 및 요소수지 바니시로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이나, 이들 군에서 선택되는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있으며, 바니시의 종류가 특별히 제한되는 것은 아니다. 바니시의 혼합량은 잉크 전체 조성물 대비 10 내지 30 중량% 바람직하게는 15 내지 25 중량%를 사용할 수 있다.
용제는 디에틸글리콜 모노부틸에테르, 디에틸렌글리콜 모노에틸에테르, 디에틸렌글리콜 모노메틸에테르 등의 글리콜에테르계 용제와 탄화수소계 용제를 혼합하여 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 용제는 잉크 조성물 전체 조성물에 대하여 5 내지 10 중량% 바람직하게는 3 내지 7 중량%, 보다 바람직하게는 2 내지 5 중량%를 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 체질안료는 이산화규소, 탈크, 황산바륨 또는 탄산칼슘 등을 사용할 수 있으며 특별히 제한되는 것은 아니다. 잉크 전체 조성물 대비 20 내지 30중량 %, 바람직하게는 20 내지 25 중량%이나 이에 제한되는 것은 아니다.
추가적으로 잉크 제조시 왁스, 지방산, 수분흡착제 등을 더 사용할 수 있다.
본 발명의 자성입자는 내화학성 및 내구성이 우수하여 잉크화 공정시 자성입자의 손상이 거의 없어 밝기, 명도, 반사율 등 광학 성질이 인쇄 과정 및 인쇄 후에도 우수하게 유지될 수 있다. 특히, 장기간 색상 변화 및 자성 특성의 변화가 없어 은폐 및 보안 효과가 일정하게 유지될 수 있다.
이하에서 본 발명에 대한 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명하며, 본 발명이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 자성입자의 광학적 특성, 자성 특성, 내화학적 특성의 측정은 다음과 같은 방법에 따라 측정하였다.
산화지르코늄( ZrO 2 ) 및 은( Ag ) 코팅 층이 형성된 자성입자 제조
자성 기재(substrate)로 AlNiCo, FeCrCo, Cunife 자성 코어를 준비하였고, 각각의 자성 코어에 산화지르코늄 코팅 층 및 은 코팅 층을 형성하였다.
[ 경자성체 AlNiCo 제조]
아래 [표 1]의 조성에 따라 원료 분말(알루미늄 분말, 니켈 분말, 코발트 분말, 티타늄 분말, 구리 분말 및 철 분말, 원료 분말의 순도 ≥ 99.9%) 혼합하고 불활성 분위기에서 용해한 후 응고시켜 잉곳을 제조하였다.
원소 Al Ni Co Ti Cu Fe
함량
(중량%)		 6 15 22 4 3 잔부
제조한 잉곳 1kg을 고주파 발생기에 의해 가열되고 불활성 분위기 하에 놓인 도가니에 넣은 후 온도를 1600로 유지하여 AlNiCo계 용탕을 형성하였다. 미립자화를 위해, 용탕은 진공 분무 컨파인먼트(vacuum atomization confinement)에 주입되었으며, 25중량%로 우레아가 용해된 우레아 수용액인 냉각 매체는 환상의 분사노즐을 통하여 600 bar로 분무되었다.
제조된 미립자는 아르곤 가스 분위기하 750에서 1시간 동안 열처리되었다.
열처리 후 수득된 입자를 7500rpm의 회전 속도 및 공기 주입량 2.8m3/분의 조건하 사이클론 방식으로 기류 분급하여 D50이 7.8㎛이며, D90이 14.1㎛인 코어 입자를 수득하였다. 이후 기류 분급에 의해 수득된 코어 입자를 에탄올로 2회 세척한 후, 60 에서 건조하였다.
수득된 코어 입자에서 랜덤하게 약 1g을 샘플링 한 후, 입자 단면의 중심 영역을 EDS(Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy, FEI company, Magellan400)로 원소 분석(10kV, 100sec)하였으며, 50개의 입자 각각에 대해 원소 분석을 수행하였고, 원소별 평균 조성 및 조성의 표준 편차를 산출하여 목적하는 자성 코어의 제조 여부를 확인하였다.
제조한 자성 코어는 금속산화물 코팅 층 및 금속 코팅 층을 추가로 형성한 후 보자력, 포화 자화(Ms), 잔류 자화(Mr) 등 자성 성질을 VSM(vibrating sample magnetometer, Lakeshore, 7400 series)을 이용하여 측정하였다.
[ 경자성체 FeCrCo 제조]
원료 분말의 조성을 아래 [표 2]와 같이 준비한 것 외에는 AlNiCo 제조와 동일한 방법으로 FeCrCo를 제조하였다.
원소 Co Cr Fe
함량
(중량%)		 25 8 잔부
[ 경자성체 CuNiFe 제조]
원료 분말의 조성을 아래 [표 3]과 같이 준비한 것 외에는 AlNiCo 제조와 동일한 방법으로 CuNiFe를 제조하였다.
원소 Cu Ni Si Fe
함량
(중량%)		 42 21 0.5 잔부
자성 코어에 산화지르코늄 코팅 층은 다음과 같은 방법에 따라 형성하였다.
[자성 코어에 ZrO 2 층의 형성]
에탄올에 자성 코어 1g, 증류수 1㎖를 투입한 후, 초음파를 조사하여 분산시켰다. 지르코늄부톡사이드(Zirconium-tert-butoxide)(Aldrich) 1㎖와 에탄올 170㎖을 혼합하여 천천히 투입하였다. 85℃ 온도에서 3시간 동안 300rpm의 회전속도로 교반하였다. 산화지르코늄 코팅 층(11.2nm)된 입자를 자석으로 분리하고 에탄올로 2회 세척한 후, 건조하였다.
[ ZrO 2 코팅 층에 은( Ag ) 코팅 층 형성]
증류수 1200 ml에 질산은(AgNO3) 21 g과 수산화나트륨(NaOH) 4 g 투입한 후 수산화암모늄(NH4OH) 34 ml를 투입하여 갈색의 침전이 투명한 은아민착체 용액으로 변하도록 교반하였다. 3로 유지되는 은아민착체 용액에 산화지르코늄 코팅 층이 형성된 입자 60 g을 투입후 300 rpm 속도로 30분 동안 교반 하였다. 증류수 400 ml에 글루코스(Glucose) 20 g, 타르타르산칼륨(potassium tartrate) 1.5 g을 용해한 용액(3)을 이산화티타늄쉘이 코팅된 코어 입자가 분산된 은아민착체 용액(3)에 투입 후 300 rpm 속도로 1 시간동안 교반하여, 산화지르코늄 코팅 층이 형성된 코어 입자에 평균 100nm 두께, 은 함량이 자성 코어 중량 대비 15.6중량%의 은 코팅층을 형성하였다. 이후 제조된 자성 입자를 자석으로 분리한 후 에탄올로 2회 세척하고, 60에서 건조하였다.
은 코팅 층의 은 함량이 다르게 되도록 한 것 외에는 이상의 실시예와 동일한 방법으로 자성 코어에 산화지르코늄 코팅 층 및 은 코팅 층이 형성된 자성입자를 제조하였다.
은 코팅 층의 은 함량은 합성에 사용된 질산은 중 환원된 은 함량 으로 산출하였다.
자성입자에서 산화지르코늄 코팅 층의 노출 여부는 SEM(FEI company, Magellan400)으로 측정한 사진을 통해 확인하였다(도 3 및 도 4).
[ 비교예 1]
산화티타늄( TiO 2 ), 이산화규소( SiO 2 ) 및 은( Ag ) 코팅 층이 형성된 자성입자 제조
자성코어로 실시예와 동일하게 제조한 AlNiCo, CuNiFe, FeCrCo를 사용하였고, 자성 코어에 산화티타늄(TiO2) 및 이산화규소(SiO2) 코팅 층을 형성한 후, 은 코팅 층을 형성하였다. 산화티타늄 코팅 층 및 이산화규소 코팅 층은 아래와 같이 형성하였고, 은 코팅 층은 실시예와 동일한 방법으로 형성하였다.
[자성 코어에 TiO 2 층의 형성]
자성 코어 대상으로, 자성 코어 입자 1 g, TBOT(tetrabuthoxy titanium)(Aldrich) 1 ml, 증류수 1 ml를 에탄올 170 ml을 투입한 후, 85 의 온도에서 2시간 동안 300 rpm의 회전속도로 교반하여, 코어 입자 표면에 산화티타늄 코팅 층(12.5nm 두께)을 형성하였다. 산화티타늄 코팅 층이 형성된 코어 입자를 자석으로 분리 회수한 후, 에탄올로 2회 세척 및 건조하였다.
[자성 코어에 SiO 2 층의 형성]
자성 코어 대상으로, 자성 코어 입자 1 g, TEOS(Tetraethly orthosilicate) (Aldrich) 1 ml, 증류수 1 ml를 에탄올 170 ml을 투입한 후, 85 의 온도에서 2시간 동안 300 rpm의 회전속도로 교반하여, 코어 입자 표면에 산화티타늄 코팅 층(10.5nm 두께)을 형성하였다. 산화티타늄 코팅 층이 형성된 코어 입자를 자석으로 분리 회수한 후, 에탄올로 2회 세척 및 건조하였다.
은 코팅 층의 은 함량이 다르게 되도록 한 것 외에는 이상의 비교예와 동일한 방법으로 자성 코어에 산화티타늄 코팅 층 및 은 코팅 층이 형성된 자성입자와 자성 코어에 이산화규소 코팅 층 및 은 코팅 층이 형성된 자성입자를 제조하였다.
은 코팅 층의 은 함량은 합성에 사용된 질산은 중 환원된 은 함량으로 산출하였다.
자성입자에서 산화지르코늄 코팅 층의 노출 여부는 SEM(FEI company, Magellan400)으로 측정한 사진을 통해 확인하였다.
[ 실험예 ]
이상의 실시예 및 비교예에 따라 제조한 자성입자 10중량%를 유가 증서용 보안잉크와 혼합하여 어플리케이터를 이용해 종이에 전색한 후 48시간 이상 건조하고, 반사율, 내광성, 내알칼리성, 내산성 및 자성 특성을 측정하였다. 측정 결과는 [표 5] 내지 [표 13]과 같다. 자성입자와 혼합한 잉크의 조성은 아래 [표 4]와 같다.
잉크조성 중량%
제 1 바니시
(건설화학, KR-KU)		 18
제 2 바니시
(건설화학, KR-KA)		 14
충진제 5
체질안료
(동호칼슘, TL-2000)		 34
AlNiCo계 자성입자 10
혼합왁스
(Micro Powders, Polyfluo 540XF)		 8
지방족 탄화수소
(SK chemicals, YK-D130)		 2
용제
(디에틸렌글리콜 모노부틸에테르)		 2
계면활성제
(한농화성, Koremul-263Na)		 5
건조제 2
합계 100
- 반사율 측정
반사율 측정기(Varian, Cary 5000)를 이용하여 반사율을 측정하였다.
- 내광성 측정
내광성은 ISO2835에 따라 수행하였고, 내광성 실험기(Atlas, Ci4000 Xenon Weather-Ometer)를 이용하여 240 시간 동안 실험을 실시하였다.
- 내알카리성 측정
내알칼리성은 1M KOH 용액을 사용하여 23℃에서 100시간 동안 실시하였다.
- 내산성 및 자성 특성 측정
내산성은 자성입자 10g을 0.1M HCl 용액에 2분간 침전시킨 후 VSM(vibrating sample magnetometer, Lakeshore, 7400 series)을 이용하여 자성입자의 자성 특성 변화를 측정하였다.
내광성 측정 - AlNiCo 자성 코어
자성입자 은 함량
(wt%)		 반사율
(900nm)		 ZrO2 코팅 층 노출 ZrO2 (무기물 쉘)코팅 층 두께(nm) Ag 코팅 층
두께(nm)		 색상 변화(시간)
72 144 240
AlNiCo/ZrO2/Ag 8.7 54% 일부 노출 8~15 40~50 ◎ ○ X
10.2 60% 일부 노출 8~15 50~60 ◎ ◎ ○
15.6 62% 일부 노출 8~15 80~90 ◎ ◎ ○
19.8 66% 일부 노출 8~15 100~110 ◎ ◎ ○
AlNiCo/TiO2/Ag 8.9 52% 일부 노출 8~15 40~50 ○ X X
10.4 58% 일부 노출 8~15 50~60 ○ ○ X
14.9 61% 일부 노출 8~15 80~90 ○ ○ X
19.3 65% 일부 노출 8~15 100~110 ○ ○ X
AlNiCo/SiO2/Ag 8.9 50% 일부 노출 8~15 40~50 ○ ○ X
10.1 57% 일부 노출 8~15 50~60 ◎ ○ X
15.8 60% 일부 노출 8~15 80~90 ◎ ○ ○
19.7 63% 일부 노출 8~15 100~110 ◎ ○ ○
*색상 변화는 육안으로 관찰하였다.
◎: 색상변화 없음, ○: 미약한 색상 변화, X: 황색으로 변화
내광성 측정 - FeCrCo 자성 코어
자성입자 은 함량
(wt%)		 반사율
(900nm)		 ZrO2 코팅 층 노출 ZrO2 코팅 층 두께(nm) Ag 코팅 층
두께(nm)		 색상 변화(시간)
72 144 240
FeCrCo/ZrO2/Ag 8.8 53% 일부 노출 8~15 40~50 ◎ ○ X
10.4 59% 일부 노출 8~15 70~80 ◎ ◎ ○
14.9 63% 일부 노출 8~15 80~90 ◎ ◎ ○
19.7 66% 일부 노출 8~15 100~110 ◎ ◎ ○
FeCrCo/TiO2/Ag 8.7 54% 일부 노출 8~15 40~50 ○ X X
10.2 60% 일부 노출 8~15 70~80 ○ ○ X
14.8 64% 일부 노출 8~15 80~90 ○ ○ X
19.6 66% 일부 노출 8~15 100~110 ○ ○ X
FeCrCo/SiO2/Ag 8.8 52% 일부 노출 8~15 40~50 ○ ○ X
10.3 59% 일부 노출 8~15 70~80 ◎ ○ X
14.6 63% 일부 노출 8~15 80~90 ◎ ○ ○
19.4 66% 일부 노출 8~15 100~110 ◎ ○ ○
*색상 변화는 육안으로 관찰하였다.
◎: 색상변화 없음, ○: 미약한 색상 변화, X: 황색으로 변화
내광성 측정 - CuNiFe 자성 코어
자성입자 은 함량
(wt%)		 반사율
(900nm)		 ZrO2 코팅 층 노출 ZrO2 코팅 층 두께(nm) Ag 코팅 층
두께(nm)		 색상 변화(시간)
72 144 240
CuNiFe/ZrO2/Ag 9.0 52% 일부 노출 8~15 40~50 ◎ ○ X
10.1 60% 일부 노출 8~15 70~80 ◎ ◎ ○
16.1 63% 일부 노출 8~15 80~90 ◎ ◎ ○
19.9 65% 일부 노출 8~15 100~110 ◎ ◎ ○
CuNiFe/TiO2/Ag 8.9 53% 일부 노출 8~15 40~50 ○ X X
10.3 59% 일부 노출 8~15 70~80 ○ ○ X
17.3 64% 일부 노출 8~15 80~90 ○ ○ X
19.3 66% 일부 노출 8~15 100~110 ○ ○ X
CuNiFe/SiO2/Ag 8.6 54% 일부 노출 8~15 40~50 ○ ○ X
10.0 59% 일부 노출 8~15 70~80 ◎ ○ X
14.7 62% 일부 노출 8~15 80~90 ◎ ○ ○
19.6 66% 일부 노출 8~15 100~110 ◎ ○ ○
*색상 변화는 육안으로 관찰하였다.
◎: 색상변화 없음, ○: 미약한 색상 변화, X: 황색으로 변화
내광성 측정 결과, 금속산화물 코팅 층이 노출되고 은 함량이 10wt%(자성코어 중량 대비) 미만인 경우 모든 자성입자에서 황색으로의 색상 변화가 나타났다. 금속산화물 코팅 층이 노출되고 은 함량이 10 내지 20wt% 범위에서 금속산화물 코팅 층이 TiO2 및 SiO2인 경우, 144시간 및 240시간이 경과하였을 때 자성입자의 색상이 황색으로 변화하였다. 특히, 산화티타늄 코팅 층은 육안으로 쉽게 확인될 만큼 색상 변화가 빠른 시간안에 발생하였다. 내광성 측정 결과를 통해 산화티타늄 코팅 층이 광촉매로 작용하여 자성입자의 색상 변화를 쉽게 발생시켜 산화티타늄 코팅 층은 자성입자에서 금속산화물 코팅 층으로 사용하기에 부적합한 것을 확인할 수 있었다.
내알칼리성 측정 - AlNiCo 자성 코어
자성입자 은 함량
(wt%)		 반사율
(900nm)		 ZrO2 코팅 층 노출 ZrO2 코팅 층 두께(nm) Ag 코팅 층
두께(nm)		 색상 변화(시간)
24 48 100
AlNiCo/ZrO2/Ag 8.7 54% 일부 노출 8~15 40~50 ◎ ○ X
10.2 60% 일부 노출 8~15 50~60 ◎ ◎ ○
15.6 62% 일부 노출 8~15 80~90 ◎ ◎ ○
19.8 66% 일부 노출 8~15 100~110 ◎ ◎ ○
AlNiCo/TiO2/Ag 8.9 52% 일부 노출 8~15 40~50 ○ X X
10.4 58% 일부 노출 8~15 50~60 ○ ○ X
14.9 61% 일부 노출 8~15 80~90 ○ ○ X
19.3 65% 일부 노출 8~15 100~110 ○ ○ X
AlNiCo/SiO2/Ag 8.9 50% 일부 노출 8~15 40~50 ○ X X
10.1 57% 일부 노출 8~15 50~60 ○ ○ X
15.8 60% 일부 노출 8~15 80~90 ○ ○ X
19.7 63% 일부 노출 8~15 100~110 ○ ○ X
*색상 변화는 육안으로 관찰하였다.
◎: 색상변화 없음, ○: 미약한 색상 변화, X: 황색으로 변화
내알칼리성 측정 - FeCrCo 자성 코어
자성입자 은 함량
(wt%)		 반사율
(900nm)		 ZrO2 코팅 층 노출 ZrO2 코팅 층 두께(nm) Ag 코팅 층
두께(nm)		 색상 변화(시간)
24 48 100
FeCrCo/ZrO2/Ag 8.8 53% 일부 노출 8~15 40~50 ◎ ○ X
10.4 59% 일부 노출 8~15 70~80 ◎ ◎ ○
14.9 63% 일부 노출 8~15 80~90 ◎ ◎ ○
19.7 66% 일부 노출 8~15 100~110 ◎ ◎ ○
FeCrCo/TiO2/Ag 8.7 54% 일부 노출 8~15 40~50 ○ X X
10.2 60% 일부 노출 8~15 70~80 ○ ○ X
14.8 64% 일부 노출 8~15 80~90 ○ ○ X
19.6 66% 일부 노출 8~15 100~110 ○ ○ X
FeCrCo/SiO2/Ag 8.8 52% 일부 노출 8~15 40~50 ○ X X
10.3 59% 일부 노출 8~15 70~80 ○ ○ X
14.6 63% 일부 노출 8~15 80~90 ○ ○ X
19.4 66% 일부 노출 8~15 100~110 ○ ○ X
*색상 변화는 육안으로 관찰하였다.
◎: 색상변화 없음, ○: 미약한 색상 변화, X: 황색으로 변화
내알칼리성 측정 - CuNiFe 자성 코어
자성입자 은 함량
(wt%)		 반사율
(900nm)		 ZrO2 코팅 층 노출 ZrO2 코팅 층 두께(nm) Ag 코팅 층
두께(nm)		 색상 변화(시간)
24 48 100
CuNiFe/ZrO2/Ag 9.0 52% 일부 노출 8~15 40~50 ◎ ○ X
10.1 60% 일부 노출 8~15 70~80 ◎ ◎ ○
16.1 63% 일부 노출 8~15 80~90 ◎ ◎ ○
19.9 65% 일부 노출 8~15 100~110 ◎ ◎ ○
CuNiFe/TiO2/Ag 8.9 53% 일부 노출 8~15 40~50 ○ X X
10.3 59% 일부 노출 8~15 70~80 ○ ○ X
17.3 64% 일부 노출 8~15 80~90 ○ ○ X
19.3 66% 일부 노출 8~15 100~110 ○ ○ X
CuNiFe/SiO2/Ag 8.6 54% 일부 노출 8~15 40~50 ○ X X
10.0 59% 일부 노출 8~15 70~80 ○ ○ X
14.7 62% 일부 노출 8~15 80~90 ○ ○ X
19.6 66% 일부 노출 8~15 100~110 ○ ○ X
*색상 변화는 육안으로 관찰하였다.
◎: 색상변화 없음, ○: 미약한 색상 변화, X: 황색으로 변화
내알칼리성 측정 결과, 금속산화물 코팅 층이 노출되고 은 함량이 10wt% (자성코어 중량 대비)미만인 경우 모든 자성입자에서 황색으로의 색상 변화가 나타났다. 금속산화물 코팅 층이 노출되고 은 함량이 10 내지 20wt% 범위에서 금속산화물 코팅 층이 TiO2 및 SiO2인 경우, 48시간 및 100시간이 경과하였을 때 자성입자의 색상이 황색으로 변화하였다. 알칼리 조건에서 이산화규소 코팅 층 및 산화티타늄 코팅 층은 육안으로 쉽게 확인될 만큼 색상 변화가 빠른 시간 안에 발생하였다.
내산성 및 자성입자의 자성 특성 측정 - AlNiCo 자성 코어
자성입자 은 함량
(wt%)		 반사율
(900nm)		 ZrO2 코팅 층 노출 ZrO2 코팅 층 두께(nm) Ag 코팅 층
두께(nm)		 자성 특성 변화
산 처리 전 산 처리 후
Hc Ms(emg/g) Hc Ms(emg/g)
AlNiCo/ZrO2/Ag 8.7 54% 일부 노출 8~15 40~50 440 155 441 121
10.2 60% 일부 노출 8~15 50~60 442 148 439 119
15.6 62% 일부 노출 8~15 80~90 439 135 440 115
19.8 66% 일부 노출 8~15 100~110 438 129 437 110
AlNiCo/TiO2/Ag 8.9 52% 일부 노출 8~15 40~50 439 154 438 89
10.4 58% 일부 노출 8~15 50~60 438 148 438 81
14.9 61% 일부 노출 8~15 80~90 440 136 434 80
19.3 65% 일부 노출 8~15 100~110 435 127 404 78
AlNiCo/SiO2/Ag 8.9 50% 일부 노출 8~15 40~50 455 154 451 91
10.1 57% 일부 노출 8~15 50~60 450 146 447 88
15.8 60% 일부 노출 8~15 80~90 451 135 441 88
19.7 63% 일부 노출 8~15 100~110 456 130 450 76
내산성 및 자성입자의 자성 특성 측정 - FeCrCo 자성 코어
자성입자 은 함량
(wt%)		 반사율
(900nm)		 ZrO2 코팅 층 노출 ZrO2 코팅 층 두께(nm) Ag 코팅 층
두께(nm)		 자성 특성 변화
산 처리 전 산 처리 후
Hc Ms(emg/g) Hc Ms(emg/g)
FeCrCo/ZrO2/Ag 8.8 53% 일부 노출 8~15 40~50 404 157 392 106
10.4 59% 일부 노출 8~15 70~80 398 149 384 104
14.9 63% 일부 노출 8~15 80~90 401 144 399 105
19.7 66% 일부 노출 8~15 100~110 405 131 388 100
FeCrCo/TiO2/Ag 8.7 54% 일부 노출 8~15 40~50 399 155 380 90
10.2 60% 일부 노출 8~15 70~80 397 157 361 78
14.8 64% 일부 노출 8~15 80~90 394 160 368 78
19.6 66% 일부 노출 8~15 100~110 397 151 378 74
FeCrCo/SiO2/Ag 8.8 52% 일부 노출 8~15 40~50 408 151 380 82
10.3 59% 일부 노출 8~15 70~80 401 145 376 74
14.6 63% 일부 노출 8~15 80~90 403 154 378 70
19.4 66% 일부 노출 8~15 100~110 398 151 372 67
내산성 및 자성입자의 자성 특성 측정 - CuNiFe 자성 코어
자성입자 은 함량
(wt%)		 반사율
(900nm)		 ZrO2 코팅 층 노출 ZrO2 코팅 층 두께(nm) Ag 코팅 층
두께(nm)		 자성 특성 변화
산 처리 전 산 처리 후
Hc Ms(emg/g) Hc Ms(emg/g)
CuNiFe/ZrO2/Ag 9.0 52% 일부 노출 8~15 40~50 377 143 347 108
10.1 60% 일부 노출 8~15 70~80 382 140 353 104
16.1 63% 일부 노출 8~15 80~90 380 141 350 101
19.9 65% 일부 노출 8~15 100~110 381 145 354 100
CuNiFe/TiO2/Ag 8.9 53% 일부 노출 8~15 40~50 376 145 341 80
10.3 59% 일부 노출 8~15 70~80 375 148 343 74
17.3 64% 일부 노출 8~15 80~90 374 141 339 71
19.3 66% 일부 노출 8~15 100~110 375 145 338 69
CuNiFe/SiO2/Ag 8.6 54% 일부 노출 8~15 40~50 379 138 341 76
10.0 59% 일부 노출 8~15 70~80 379 139 346 69
14.7 62% 일부 노출 8~15 80~90 375 131 341 64
19.6 66% 일부 노출 8~15 100~110 370 132 339 61
내산성 및 자성입자의 특성 측정 결과, 금속산화물 코팅 층이 노출되고 은 함량이 10wt%(자성코어 중량 대비)미만인 경우 모든 자성입자에서 산처리 후 보자력(hc) 및 포화 자화(Ms)의 변화가 크게 나타났다.
금속산화물 코팅 층이 노출되고 은 함량이 10 내지 20wt% 범위에서 금속산화물 코팅 층이 TiO2 및 SiO2인 경우보다 금속산화물 코팅 층이 ZrO2인 경우 산처리 후 보자력(hc) 및 포화 자화(Ms)의 변화가 상대적으로 현저히 적게 나타났고, 자성 코어가 AlNiCo인 경우 산처리 후 보자력(hc) 및 포화 자화(Ms)의 변화가 다른 자성 코어에 비해 현저히 적게 나타났다.

Claims (10)

  1. 자성 코어에 산화지르코늄 코팅 층이 형성되고, 상기 산화지르코늄 코팅 층에 은 코팅 층이 형성된 자성입자로서,
    상기 은 코팅 층의 은 함량은 자성 코어 중량 대비 10 내지 20중량%인 자성입자.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자성입자의 반사율은 900nm 파장에서 45 내지 75%인 자성입자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 자성입자의 산화지르코늄 코팅 층의 일부 표면이 외부로 노출된 자성입자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 자성입자의 은 코팅 층의 두께는 50 내지 120nm인 자성입자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 자성 코어는 입도 분포 D90이 8 내지 15㎛인 자성입자.
  7. 제1항에 있어서,
    Fe, Cu, Al, Ni, Co, Nb, Nd, Si, B, Cr 및 Sm으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 자성 코어인 자성입자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 자성 코어는 AlNiCo, FeCrCo 또는 CuNiFe인 자성입자.
  9. 제1항 및 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항의 자성입자를 포함하는 보안 잉크.
  10. 제9항의 보안 잉크가 적용된 유가 증권.
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