KR102074855B1 - 금속 나노플레이트의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 금속 나노플레이트 - Google Patents

Abstract

용매, 금속 성장제, 금속 전구체, 캡핑제 및 환원제의 혼합 용액을 제조하는 단계; 및 혼합 용액을 80℃ 내지 200℃ 범위의 온도에서 열처리하여 금속 나노플레이트를 제조하는 단계; 를 포함하며, 금속 성장제는 플루오르 화합물, 염소 화합물, 브롬 화합물 및 요오드 화합물 및 아스타틴(At) 화합물로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 금속 나노플레이트의 제조 방법이 제공된다.

Description

금속 나노플레이트의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 금속 나노플레이트{METHODS OF PREPARING METAL NANOPLATES AND METAL NANOPLATES PREPARED BY USING THE SAME}

본 발명은 금속 나노플레이트의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 금속 나노플레이트에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 기존의 공정 대비 공정의 용이성이 보다 우수한 금속 나노플레이트의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 금속 나노플레이트에 관한 것이다.

현재 전 세계적으로 나노기술에 대한 관심이 증가하고 있고, 이 분야에 대한 연구를 위해 물리, 화학, 재료, 전기, 전자 등 다양한 분야에서 나노미터 크기의 새로운 물질을 개발하고자 하는 많은 연구가 진행되고 있다.

이 중 은(Ag)의 경우 나노와이어 또는 나노입자 등의 나노구조 조절을 통하여 나노와이어 또는 금속매쉬 등의 인쇄형 투명전극으로 활발하게 적용되고 있다. 하지만 은(Ag)와 같은 귀금속의 경우 제조 단가가 높아서 대량생산되어 소비되는 전극소재로의 적용이 힘들어 다양한 분야에 적용하여 상용화시키기 어려운 단점이 있다.

이러한 금속 나노물질을 제조하는 화학적 합성방법은 크게 기상법과 액상법으로 나뉘는데 플라즈마나 기체 증발법을 사용하는 기상법의 경우 고가의 장비가 요구되는 단점이 있어, 저비용으로 균일한 입자의 합성이 가능한 액상법이 주로 사용되고 있다. 이와 같은 금속 나노물질의 합성을 제어하기 위한 액상법에서 나노플레이트를 합성하기 위해 CTAB 혹은 구연산염(citrate) 이온 등의 계면활성제, 또는 작은 유기 분자를 이용하거나 고분자를 이용하여 제조된다. CTAB를 이용하는 경우에 CTA+ 의 선택적 흡착이 물질의 형태를 제어하는데 중요한 역할을 한다. 또, 고분자를 이용하는 합성 방법에서 가장 많이 사용되는 고분자 중 폴리비닐피롤리돈(PVP)은 그 우수한 구조 제어 성능 때문에 나노물질 합성에 있어서 가장 빈번히 오랜 기간 사용되어온 고분자 물질 중 하나이다. 폴리비닐피롤리돈(PVP)은 나노물질 표면에 붙는 캡핑제로 작용하는데 금속 표면에 흡착해 막을 형성함으로써 나노물질 성장에 영향을 주고 PVP의 분자량에 따라 그 흡착 정도가 달라지게 된다. 이렇게 제조된 용액형 금속 나노 소재는 각종 반도체 소자, 전자파 차폐, 투명전극 등 다양한 분야에 적용 될 수 있고, 합성 방법에 따라 다양한 차원(dimension)을 가질 수 있도록 조절할 경우 그 형태에 따라 용도는 매우 세분화 될 수 있다. 뿐만 아니라 형태에 따라 전기적 특성 또한 조절될 수 있어서 다양한 차원의 금속나노소재의 합성은 용액형 전극소재 개발에 있어서 매우 중요한 기술이다.

다만, 이러한 금속 나노플레이트는 제조시간, 환경 및 에너지 절약 측면에서 그 제조 공정이 비교적 용이하지 않고, 또한 생성되는 금속 나노플레이트 역시 결정성이 우수하지 않아 이에 대한 새로운 연구가 필요한 실정이다.

(특허 문헌 1) KR 1010-2010-0033950 A1

본 발명의 일 목적은 기존의 공정 대비 공정의 용이성이 보다 우수하고, 가격 경쟁력이 우수한 금속 나노플레이트의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 금속 나노플레이트의 제조 방법을 통해 제조된 금속 나노플레이트를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 일 구현예에서, 용매, 금속 성장제, 금속 전구체, 캡핑제 및 환원제의 혼합 용액을 제조하는 단계; 및 상기 혼합 용액을 80℃ 내지 200℃ 범위의 온도에서 열처리하여 금속 나노플레이트를 제조하는 단계; 를 포함하며, 상기 금속 성장제는 플루오르 화합물, 염소 화합물, 브롬 화합물 및 요오드 화합물 및 아스타틴(At) 화합물로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 금속 나노플레이트의 제조 방법이 제공된다.

예시적인 구현예에서, 상기 금속 성장제는 PbI₂, KI, ICl, BrI, ICl₃, ICl, HBr 및 KBr로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 금속 성장제는 상기 금속 전구체 100 중량부 기준으로 0.3 중량부 내지 0.8 중량부로 포함될 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 캡핑제는 헥사데실아민(CH₃(CH₂)₁₅NH₂, HDA), 옥타데실아민(CH₃(CH₂)₁₆CH₂NH₂, ODA), 에틸렌디아민(NH₂CH₂CH₂NH₂, EDA), 올레일아민(CH₃(CH₂)₇CH=CH(CH₂)₇CH₂NH₂, OLA) 및 글라이신(NH₂CH₂COOH, Grycine)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하고, 상기 환원제는 글루코즈, 하이드라진(N₂H₂), 하이드라진 수화물(N₂H_{2 ·}H₂O), 포름알데히드(CH₂O), 하이포아인산나트륨(NaPO₂H₂), 수소화붕소칼륨(KBH₄) 및 아스코르브산(C₆H₄O₃)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하며, 상기 금속 전구체 100 중량부 기준으로 600 내지 700 중량부의 캡핑제 및 200 내지 300 중량부의 환원제를 포함할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 금속 전구체는 염화구리이무수물(CuCl_{2 ·}2H₂O), 염화구리(CuCl₂) 및 질산구리(Cu(NO₃)₂)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 용매는 물(H₂O), 알코올, 아세톤(C₃H₆O), 메틸에틸케톤(CH₃COC₂H₅, MEK), 에틸렌글리콜(C₂H₆O₂), 포름아미드(CH₃NO), 디메틸포름아미드((CH)NCHO, DMF), 디메틸아세트아미드(C₄H₉NO, DMAc), 디메틸설폭사이드((CH₃)₂SO, DMSO) 및 N-메틸피롤리돈(C₅H₉NO, NMP)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 혼합 용액을 열처리하는 단계는 6 내지 48시간 동안 수행되고, 상기 혼합 용액을 열처리하는 단계에서의 시간 및 온도 조절에 따라 제조되는 금속 나노플레이트의 크기가 조절될 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 혼합 용액을 열처리하는 단계는 90℃ 내지 130℃의 온도 조건하에서 10 내지 14시간동안 수행될 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 금속 나노플레이트는 복수 개로 제조되고, 상기 금속 나노플레이트는 1 nm 내지 25μm 범위의 크기를 가질 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 금속 나노플레이트는 육각형, 오각형, 사각형, 삼각형, 평행사변형 및 사다리꼴 중 하나 이상의 모양을 가질 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 금속 나노플레이트는 20nm 내지 80nm의 두께를 가질 수 있다.

본 발명의 다른 구현예에서, 상기 금속 나노플레이트의 제조 방법에 따라 제조되는 금속 나노플레이트가 제공된다.

본 발명의 일 구현예에 따른 금속 나노플레이트의 제조 방법에 따르면, 금속 성장제만 극소량 첨가한 후, 저온에서 수열 합성법을 통해 금속 나노플레이트를 제조하는 바, 매우 단순한 공정으로 금속 나노플레이트를 제조할 수 있다. 이에 따라, 상기 금속 나노플레이트는 재현성이 우수한 공정을 통해 높은 가격 경쟁력을 갖도록 제조될 수 있다.

한편, 상기 금속 나노플레이트의 제조 방법에서는 친환경적 용매인 물과 같은 용매가 사용되며, 첨가되는 환원제 또한 비독성의 안정한 물질로 인체에 무해하기 때문에 친환경적으로 금속 나노플레이트를 제조할 수 있다.

뿐만 아니라, 상기 제조 방법에서는 고 진공 조건을 요구하는 증착 공정 등이 요구되지 않으므로, 상기 금속 나노플레이트의 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있다.

아울러, 본 발명의 일 구현예에 따른 금속 나노플레이트의 제조 방법에서는 상기 금속 나노플레이트의 크기, 표면 거칠기, 모양 등을 조절할 수 있는 방법이 제시된다. 이에 따라, 상기 금속 나노플레이트는 다양한 크기 및 모양을 갖도록 제조되므로, 각종 반도체 소자, 전자파 차폐, 투명 전극, 광전소재, 촉매, 연료전지, 그리고 잉크, 페이스트, 코팅액 등을 포함하는 인쇄전자용 나노 소재 분야 등 광범위하고 다양한 분야에서 널리 사용될 수 있다.

도 1은 금속 나노플레이트의 제조 단계를 개략적으로 나타내는 개략도이다.
도 2a 내지 2d는 각각 실시예 1 내지 4 에 따라 제조되는 금속 나노플레이트의 광학현미경 사진들이다.
도 3a 및 3b는 각각 실시예 1에 따라 제조되는 복수 개의 금속 나노플레이트의 크기를 나타내는 SEM 사진과 막대그래프이다.
도 4는 실시예 1에 따라 제조되는 금속 나노플레이트의 엑스선 회절 분석 이미지이다.
도 5a 및 5b는 각각 실시예 5 및 6에 따라 제조되는 금속 나노플레이트의 광학현미경 사진들이다.

이하, 본 발명의 구현예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 구현예들이 첨부된 도면을 참고로 설명되었으나 이는 예시를 위하여 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 구성 및 적용이 제한되지 않는다.

본 발명의 구현예에서, "플루오르 화합물" 이란 플루오르(F) 원소를 포함하는 모든 화합물을 총칭하는 개념이다. 즉 "플루오르 화합물" 이란, 플루오르(F) 분자 단분자(F₂) 뿐만 아니라 플루오르(F) 원소를 포함하는 모든 화합물을 의미한다. 아울러, 이는 염소(Cl) 화합물, 브롬(Br) 화합물, 요오드(I) 화합물 및 아스타틴(At) 화합물에 대해서도 이와 마찬가지로 적용된다. 즉, "염소 화합물, 브롬 화합물, 요오드 화합물 및 아스타틴(At) 화합물" 이란 각각의 원소(즉 염소, 브롬, 요오드 및 아스타틴)을 포함하는 모든 화합물을 총칭하는 개념이다.

본 발명의 구현예에서, "금속 나노플레이트"란 이차원 평판구조를 갖는 나노 크기의 금속 소재를 의미한다.

본 발명의 구현예에서, "표면 거칠기가 우수하다"는 것은 금속 나노플레이트의 표면에 금속 나노입자들이 과도하게 응집되어 있지 않은 경우를 의미한다.

본 발명의 구현예에서, "금속 나노플레이트"의 크기란, 금속 나노플레이트가 가질 수 있는 최대 직경을 의미한다.

금속 나노플레이트의 제조 방법

본 발명의 일 구현예에서, 금속 나노플레이트의 제조 방법으로서, 용매, 금속 성장제, 금속 전구체, 캡핑제 및 환원제의 혼합 용액을 제조하는 단계; 및 상기 혼합 용액을 80℃ 내지 200℃ 범위의 온도에서 열처리하여 금속 나노플레이트를 제조하는 단계; 를 포함하며, 상기 금속 성장제는 플루오르 화합물, 염소 화합물, 브롬 화합물 및 요오드 화합물 및 아스타틴(At) 화합물로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 금속 나노플레이트의 제조 방법이 제조된다.

도 1은 금속 나노플레이트의 제조 및 반응을 개략적으로 나타내는 개략도 이다. 이하 이를 자세히 살펴본다.

먼저, 용매, 금속 성장제, 금속 전구체, 캡핑제 및 환원제의 혼합 용액을 제조한다.

예시적인 구현예에서, 용매는 물(H₂O), 알코올, 아세톤(C₃H₆O), 메틸에틸케톤(CH₃COC₂H₅, MEK), 에틸렌글리콜(C₂H₆O₂), 포름아미드(CH₃NO), 디메틸포름아미드((CH)NCHO, DMF), 디메틸아세트아미드(C₄H₉NO, DMAc), 디메틸설폭사이드((CH₃)₂SO, DMSO) 및 N-메틸피롤리돈(C₅H₉NO, NMP)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.

일 구현예에서, 상기 용매는 물일 수 있으며, 이 경우 보다 친환경적으로 금속 나노플레이트를 제조할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 금속 전구체는 염화구리이무수물 (CuCl_{2 ·}2H₂O), 염화구리(CuCl₂) 및 질산구리(Cu(NO₃)₂)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.

한편, 금속 성장제는 금속 전구체가 금속 나노플레이트로 성장시 면 방향으로 성장할 수 있도록 보조하는 역할을 수행할 수 있다. 구체적으로, 금속 플레이트 표면에서 면 방향으로 축적되는 결합에너지로 인하여 환원환경에 강하게 영향을 줄 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 금속 성장제는 플루오르 화합물, 염소 화합물, 브롬 화합물 및 요오드 화합물 및 아스타틴(At) 화합물로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으며, 구체적으로, 상기 금속 성장제는 PbI₂, KI, ICl, BrI, ICl₃, ICl, HBr 및 KBr로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.

일 구현예에서, 상기 금속 성장제는 상기 금속 전구체 100 중량부 기준으로 0.3 중량부 내지 0.8 중량부로 포함될 수 있다. 상기 중량부 미만으로 포함되는 경우 금속을 면 방향으로 성장시킬 수 있도록 유도하는 금속 성장제의 역할이 충분하지 못해 금속 나노플레이트 대신 금속 나노입자만 제조되는 문제점이 있을 수 있으며, 상기 중량부를 초과하여 포함되는 경우 금속 나노플레이트가 제조되는 반응 진행이 원활하지 않아 금속 나노플레이트의 제조가 어려울 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 캡핑제는 말단기중 하나 이상이 아민(NH₂)으로 구성되어 있는 알킬체인 기반 단분자를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 상기 캡핑제는 헥사데실아민(CH₃(CH₂)₁₅NH₂, HDA), 옥타데실아민(CH₃(CH₂)₁₆CH₂NH₂, ODA), 에틸렌디아민(NH₂CH₂CH₂NH₂, EDA), 올레일아민(CH₃(CH₂)₇CH=CH(CH₂)₇CH₂NH₂, OLA) 및 글라이신(NH₂CH₂COOH, Grycine)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.

일 구현예에서, 상기 캡핑제는 상기 금속 전구체 100 중량부 기준으로 600 내지 700 중량부로 포함될 수 있다. 상기 중량부 미만으로 포함되는 금속 나노플레이트로의 성장 반응이 미비하여 금속 나노플레이트의 제조가 어려울 수 있으며, 상기 중량부를 초과하여 포함되는 경우 정제 후에도, 금속 나노플레이트 혹은 그 인근에 많은 유기물들을 포함하여 불순물들이 많이 존재하도록 제조될 수 있다. 아울러, 상기 중량부를 상당히 초과하는 경우에는 금속 나노플레이트의 제조가 어려울 수 있다.

또한, 상기 환원제는 글루코즈, 하이드라진(N₂H₂), 하이드라진 수화물(N₂H_{2 ·}H₂O), 포름알데히드(CH₂O), 하이포아인산나트륨(NaPO₂H₂), 수소화붕소칼륨(KBH₄) 및 아스코르브산(C₆H₄O₃)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 환원제는 상기 금속 전구체 100 중량부 기준으로 200 내지 300 중량부로 포함될 수 있다. 상기 중량부 미만으로 포함되는 경우환원작용이 미비하여 금속 나노플레이트가 제조되지 않는 문제점이 있을 수 있으며, 상기 중량부를 초과하여 포함되는 경우에는 환원 반응이 과도하게 진행되어 금속 나노플레이트의 제조가 어려울 수 있다.

이후, 혼합 용액을 80℃ 내지 200℃ 범위의 온도에서 합성하여 금속 나노플레이트를 제조한다. 구체적으로, 상기 용매, 금속 성장제, 금속 전구체, 캡핑제 및 환원제를 포함하는 혼합 용액에 수열 합성 공정을 진행하여 금속 나노플레이트를 제조한다. 이때, 상기 공정을 통해 복수 개의 금속 나노플레이트가 제조될 수 있다.

한편, 상기 열처리 공정은 80℃ 내지 200℃ 범위의 온도에서, 6 내지 48시간 동안 진행될 수 있다. 이때, 상기 열처리 공정시 80℃ 를 초과하는 온도 조건이어야 금속 나노플레이트를 제조할 수 있다. 또한, 상기 열처리 공정은 200℃ 이상의 고온을 필요로 하지 않고 저온에서 진행되며 진공 조건을 요구하지 않으므로 재현성이 우수할 수 있다.

상기 열처리 공정을 통해 복수 개의 금속 나노플레이트가 제조될 수 있으며, 이때 상기 금속 나노 플레이트는 1 nm 내지 25μm 범위의 크기를 갖도록 제조될 수 있다. 이때, 상기 열처리 공정의 진행 시간 및 온도 조건을 조절함에 따라 상기 금속 나노플레이트의 크기 및/또는 모양이 조절될 수 있다.

구체적으로, 예를 들어, 100℃의 열처리 온도를 기준으로 상기 열처리 공정이 약 6시간 진행되는 경우, 1 nm 내지 4μm 크기를 갖는 금속 나노플레이트가 제조될 수 있으며, 100℃의 온도를 기준으로 약 24시간 진행되는 경우 상기 금속 나노플레이트의 크기가 10μm까지 커질 수 있고, 24시간을 넘어 48시간 진행되는 경우에는 다시 1 nm 내지 4μm 의 크기를 갖는 금속 나노플레이트가 제조될 수 있다.

한편, 상기 열처리 공정의 반응 온도를 조절하여 상기 금속 나노플레이트의 크기 및/또는 모양을 조절할 수도 있는데, 상기 열처리 공정이 약 12시간 수행되는 것을 기준으로, 상기 열처리 온도 조건이 약 110 내지 160 ℃ 인 경우 최대 25 μm의 크기를 갖는 금속 나노플레이트가 제조될 수 있다.

또한, 상기 열처리 공정의 시간 조건 및 온도 조건은 금속 나노플레이트의 표면에도 영향을 미치는데, 상기 열처리 공정이 90℃ 내지 130℃의 온도 조건하에서 10 내지 14 시간동안 수행되는 경우, 표면에 금속 나노입자 등이 응집되지 않아 보다 매끈한 표면을 갖는 구리 나노플레이트가 제조될 수 있다.

상술한 금속 나노플레이트의 제조 방법에 따르면, 금속 성장제만 극소량 첨가함으로써 간단한 방법으로 다양한 크기 및 모양을 갖는 구리 나노플레이트를 제조할 수 있다. 이에 따라 다양한 적용분야에 널리 이용될 수 있다.

또한, 상기 금속 나노플레이트의 제조 방법에 따르면, 저온에서 수열 합성법을 통해 금속 나노플레이트를 제조하는 바, 매우 단순한 공정으로 금속 나노플레이트를 제조할 수 있다. 아울러, 상기 제조 방법에서는 환경적 용매인 물과 같은 용매를 사용하므로, 친환경적으로 금속 나노플레이트를 제조할 수 있다. 또한, 상기 제조 방법에서는 고 진공 조건을 요구하는 증착 공정 등이 요구되지 않으므로, 상기 금속 나노플레이트의 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있다.

아울러, 상기 금속 나노플레이트의 제조 방법은 재현성이 높아 상기 금속 나노플레이트를 대량으로 생산할 수 있다.

또한, 최근 반도체 소자에서는 금속 나노입자의 플라즈모닉 효과를 이용한 연구도 활발히 진행되고 있으며, 플라즈모닉 분위기 하에서는 금속 나노입자의 크기와 모양에 따라 특정 파장대에서 빛을 흡수, 또는 전기에너지를 생성하기 때문에 금속 나노 입자의 크기와 모양을 다양하게 조절함에 따라 다양한 소자 효율 최적화에 유리하게 작용할 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 금속 나노플레이트의 제조 방법에서는 열처리 공정의 수행 시간 및/또는 온도 조건의 조절만을 통해 제조되는 금속 나노플레이트의 크기 및/또는 모양을 용이하게 조절할 수 있으므로, 상기와 같이 플라즈모닉 효과가 요구되는 반도체 분야에서 널리 사용될 수 있다.

금속 나노플레이트

본 발명의 다른 구현예들에서는 상술한 공정을 통해 제조되는 금속 나노플레이트가 제공된다.

예시적인 구현예에서, 상기 금속 나노플레이트는 육각형, 오각형, 사각형, 삼각형, 평행사변형 및 사다리꼴 중 하나 이상의 모양을 가질 수 있다(도 2a 내지 2d 참조).

한편, 상기 금속 나노플레이트는 20nm 내지 80nm의 두께를 가질 수 있으며, 이와 같은 특징들은 열처리 공정의 처리 시간 및 반응 온도에 따라 변화할 수 있다.

상술한 바와 같이, 상기 금속 나노플레이트는 다양한 크기 및 모양을 갖도록 제조될 뿐만 아니라, 다양한 표면 거칠기를 갖도록 제조된다. 이에 따라, 각종 반도체 소자; 전자파 차폐; 투명 전극; 광전소재; 촉매; 연료전지; 잉크; 페이스트와 코팅액 등을 포함하는 인쇄전자용 나노 소재 분야; 등 다양한 분야에서 널리 사용될 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예들에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.

실시예

실시예 1(100℃ 온도조건 하에서 12시간 열처리 공정 수행)

구리 나노플레이트의 합성을 위하여 증류수 150 ml에 구리 나노와이어를 구리 나노플레이트로 성장시키는 첨가제인 아이오딘 4.72 mg을 분산시키고 염화구리이수화물 945 mg, 캡핑제인 HDA 6480 mg과 환원제인 글루코즈 2250 mg을 짧은 시간 강렬히 혼합시킨다. 이 선구물질을 오토클레이브 용기에 넣고 100℃ 오일베스 하에 800rpm으로 12시간동안 열처리함으로써 구리 나노플레이트를 제조하였다. 제조하는 공정의 이미지를 도 1에 나타내었다. 이때, 상기 구리 나노플레이트의 평균 직경은 약 4 μm로 추정된다.

실시예 2(100℃ 온도조건 하에서 6시간 열처리 공정 수행)

상기 실시예 1에서 반응한 조건을 사용하되, 열처리 시간이 6시간이라는 점을 제외하고는 동일한 공정을 수행하여 수 ㎚ 내지 4μm 크기를 갖는 구리 나노플레이트를 제조하였다. 이때, 상기 구리 나노플레이트의 평균 직경은 약 1μm로 추정된다.

실시예 3(100℃ 온도조건 하에서 24시간 열처리 공정 수행)

상기 실시예 1에서 반응한 조건을 사용하되, 열처리 시간이 24시간이라는 점을 제외하고는 동일한 공정을 수행하여 수 ㎚ 내지 10 ㎛ 크기를 갖는 구리 나노플레이트를 제조하였다. 이때, 상기 구리 나노플레이트의 평균 직경은 약 4 μm로 추정된다.

실시예 4(100℃ 온도조건 하에서 48시간 열처리 공정 수행)

상기 실시예 1에서 반응한 조건을 사용하되 열처리 시간이 48시간이라는 점을 제외하고는 동일한 공정을 수행하여 수 ㎚ 내지 4 ㎛ 크기의 구리 나노플레이트를 제조하였다. 이때, 상기 구리 나노플레이트의 평균 직경은 약 1 내지 2 μm로 추정된다.

실시예 5(120℃ 온도조건 하에서 12시간 열처리 공정 수행)

상기 실시예 1에서 반응한 조건을 사용하되, 열처리 온도만 120℃이라는 점을 제외하고는 동일한 공정을 수행하여, 수 ㎛ 내지 25 ㎛ 크기의 구리 나노플레이트를 제조하였다. 이때, 상기 구리 나노플레이트의 평균 직경은 약 6 μm로 추정된다.

실시예 6(150 온도조건 하에서 12시간 열처리 공정 수행)

상기 실시예 1에서 반응한 조건을 사용하되, 열처리 온도만 150℃이라는 점을 제외하고는 동일한 공정을 수행하여 수 ㎛ 내지 25 ㎛ 크기의 구리 나노플레이트를 제조하였다. 이때, 상기 구리 나노플레이트의 평균 직경은 약 6 μm로 추정된다.

실험예 1

실시예 1 내지 4에 따라 제조된 구리 나노플레이트의 표면 이미지를 도 2a내지 2d에 나타내었다. 상기 도 2a 내지 2d를 살펴보면, 반응시간이 구리 나노플레이트 성장을 영향을 미쳐, 반응 시간에 따라 구리 나노플레이트의 크기, 모양 및 표면 거칠기가 변화됨을 확인할 수 있었다.

이에 따라, 구리 나노플레이트의 제조시 반응 시간(즉, 열처리 시간을 조절하여) 적용 분야에 알맞게 크기를 제어할 수 있음을 확인할 수 있었으며, 특히 반도체 소자; 전자파 차폐; 광전자, 촉매; 연료전지; 및 잉크, 페이스트, 코팅액 등을 포함하는 인쇄전자용 나노 소재 분야; 등 다방면의 기술 분야에서 널리 응용 가능함을 확인할 수 있었다.

한편, 열처리 공정의 수행시간에 따른 구리 나노플레이트의 크기 및 모양 변화 추이를 도 2a 내지 2d를 통해 구체적으로 살펴보면, 실시예 2에 따라 제조되는 구리 나노플레이트는 그 크기가 매우 작게 형성됨을 확인할 수 있었고, 실시예 3에 따라 제조되는 구리 나노플레이트(열처리 시간이 24시간)의 경우 실시예 1에 따라 제조되는 구리 나노플레이트(열처리 시간이 12시간)와 비교하여, 평균적인 구리 나노플레이트의 크기는 유사하지만, 상기 구리 나노플레이트의 표면에 구리 나노 입자들이 훨씬 다수로 응집된 것을 확인할 수 있었다.

한편, 실시예 4에 따라 제조되는 구리 나노플레이트(열처리시간이 48시간)의 경우, 실시예 1에 따라 제조되는 구리 나노플레이트(열처리 시간이 12시간)와 비교하여, 열처리 시간이 경과함에 따라 구리 나노플레이트의 크기가 다시 작아짐을 확인할 수 있었으며, 이때 표면에 구리 나노 입자들이 훨씬 다수로 응집되어 있음을 확인할 수 있었다.

이에 따라, 열처리 공정의 수행온도 약 100℃를 기준으로 열처리 공정이 약 12시간인 경우 가장 큰 크기를 가질 뿐만 아니라 표면에 금속 나노입자들이 과도하게 응집되지 않은 구리 나노플레이트를 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.

실험예 2

상기 실시예1에서 구리 나노플레이트 성장에 있어 가장 적절한 반응 시간인 12시간을 기준으로 복수 개의 구리 나노플레이트의 크기를 도 3a내지 b에 나타내었고, 구성성분과 결정 성장 면을 확인하기 위하여 엑스선 회절 분석법을 통하여 분석하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다.

도 3a 내지 도 4를 살펴보면 100℃ 에서 12시간 열처리 기준으로, 복수 개의 금속 나노플레이트가 형성되며, 이때 상기 금속 나노플레이트가 수 nm 내지 10μm의 직경을 가져, 평균적으로 6μm의 직경을 가짐을 확인할 수 있었다. 아울러 도 4를 살펴보면, XRD 패턴에서 구리를 나타내는 결정 면인 (111), (200), (220)이 선명하고 뚜렷하게 나타나므로 실시예 1에 따라 제조되는 금속 나노플레이트는 뛰어난 금속 성질을 가지는 것을 확인할 수 있었다.

실험예 3

실시예 5 내지 6에 따라 제조된 구리 나노플레이트의 표면 이미지를 도 5a 및 5b에 나타내었다.

도 5a 및 5b를 살펴보면, 열처리 온도가 구리 나노플레이트 성장에 영향을 줘 열처리 온도가 높아질수록 구리 나노플레이트의 크기 및 모양이 변화됨을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 구리 나노플레이트의 제조 시 열처리 온도를 조절하여 적용 분야에 알맞게 크기를 제어할 수 있음을 확인할 수 있었으며, 특히 반도체 소자; 전자파 차폐; 광전자, 촉매; 연료전지; 및 잉크, 페이스트, 코팅액 등을 포함하는 인쇄전자용 나노 소재 분야; 등 다방면의 기술 분야에서 널리 응용 가능함을 확인할 수 있었다.

한편, 열처리 공정의 온도 조건에 따른 구리 나노플레이트의 크기 및 모양 변화 추이를 구체적으로 살펴보면, 실시예 5에 따라 제조되는 구리 나노플레이트(열처리 공정의 온도가 120℃)의 경우 실시예 6에 따라 제조되는 구리 나노플레이트(열처리 공정의 온도가 120℃)와 비교하여, 수 ㎛ 내지 25 ㎛ 의 크기를 갖는 구리 나노플레이트가 형성되어 크기는 비교적 유사하게 형성되나, 실시예 6에 따라 제조되는 구리 나노플레이트들의 표면에는 굉장히 많은 구리입자들과 나노막대들이 불규칙하게 분포하고 있는 것을 확인할 수 있었다.

이에 따라, 실시예 1에 따라 제조되는 구리 나노플레이트의 사진과 비교하여 보면, 열처리 공정의 수행시간 12시간을 기준으로 열처리 공정의 온도 조건이 약 120℃인 경우 가장 큰 크기를 가질 뿐만 아니라 표면에 금속 나노입자들이 과도하게 응집되지 않은 구리 나노플레이트를 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.

앞에서 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다

Claims (20)

1. 이차원 평판 구조의 구리 나노플레이트로서,
   상기 구리 나노플레이트는 6μm 내지 25μm 범위의 직경 및 20nm 내지 80nm의 두께를 갖는, 구리 나노플레이트.
2. 제1항에 있어서,
   상기 구리 나노플레이트는 단결정 구리 나노플레이트인, 구리 나노플레이트.
3. 제1항에 있어서,
   적층된 복수 개의 구리 나노플레이트를 포함하는, 구리 나노플레이트.
4. 제1항에 있어서,
   인접한 구리 나노플레이트의 이차원 평판 구조는 평판이 서로 면접촉하는, 구리 나노플레이트.
5. 제1항에 있어서,
   적층된 복수 개의 구리 나노플레이트를 포함하고, 인접한 구리 나노플레이트의 이차원 평판 구조는 평판이 서로 면접촉하는, 구리 나노플레이트.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 구리 나노플레이트는 (111) 결정면 우선 배향성을 갖는, 구리 나노플레이트.
8. 제1항에 있어서,
   상기 구리 나노플레이트는 육각형, 오각형, 사각형, 삼각형, 평행사변형 및 사다리꼴 중 하나 이상의 모양을 갖는, 금속 나노플레이트.
9. 제1항에 있어서,
   표면 상에 응집된 금속 나노 입자들을 포함하는, 금속나노플레이트.
10. 제1항에 있어서,
    상기 구리 나노플레이트는 반도체 소자용, 전자파 차폐용, 광전자용, 촉매용, 연료전지용, 또는 인쇄전자용인, 금속 나노플레이트.
11. 용매, 금속 성장제, 금속 전구체, 캡핑제 및 환원제를 포함하는 혼합 용액을 제조하는 단계; 및
    상기 혼합 용액을 80℃ 내지 200℃ 범위의 온도에서 열처리하여 구리 나노플레이트를 제조하는 단계; 를 포함하며,
    상기 캡핑제는 헥사데실아민(CH₃(CH₂)₁₅NH₂, HDA), 옥타데실아민(CH₃(CH₂)₁₆CH₂NH₂, ODA), 에틸렌디아민(NH₂CH₂CH₂NH₂, EDA), 올레일아민(CH₃(CH₂)₇CH=CH(CH₂)₇CH₂NH₂, OLA), 및 글라이신(NH₂CH₂COOH, Grycine)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하고,
    상기 구리 나노플레이트는 6μm 내지 25μm 범위의 직경 및 20nm 내지 80nm의 두께를 갖는, 구리 나노플레이트 제조방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 금속 성장제는 PbI₂, KI, ICl, BrI, ICl₃, ICl, HBr, 및 KBr로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 금속 나노플레이트의 제조 방법.
13. 제11항에 있어서,
    상기 금속 성장제는 상기 금속 전구체 100 중량부 기준으로 0.3 중량부 내지 0.8 중량부로 포함되는 금속 나노플레이트 제조 방법.
14. 제11항에 있어서,
    상기 환원제는 글루코즈, 하이드라진(N₂H₂), 하이드라진 수화물(N₂H₂·H₂O), 포름알데히드(CH₂O), 하이포아인산나트륨(NaPO₂H₂), 수소화붕소칼륨(KBH₄), 및 아스코르브산(C₆H₄O₃)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하며,
    상기 금속 전구체 100 중량부 기준으로 600 내지 700 중량부의 캡핑제 및 200 내지 300 중량부의 환원제를 포함하는 금속 나노플레이트 제조 방법.
15. 제11항에 있어서,
    상기 금속 전구체는 염화구리이무수물(CuCl₂·2H₂O), 염화구리(CuCl₂), 및 질산구리(Cu(NO₃)₂)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 금속 나노플레이트 제조 방법.
16. 제11항에 있어서,
    상기 용매는 물(H₂O), 알코올, 아세톤(C₃H₆O), 메틸에틸케톤(CH₃COC₂H₅, MEK), 에틸렌글리콜(C₂H₆O₂), 포름아미드(CH₃NO), 디메틸포름아미드((CH)NCHO, DMF), 디메틸아세트아미드(C₄H₉NO, DMAc), 디메틸설폭사이드((CH₃)₂SO, DMSO), 및 N-메틸피롤리돈(C₅H₉NO, NMP)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 금속 나노플레이트 제조 방법.
17. 제11항에 있어서,
    상기 혼합 용액을 열처리하는 단계는 6 내지 48시간 동안 수행되고,
    상기 혼합 용액을 열처리하는 단계에서의 시간 및 온도 조절에 따라 제조되는 금속 나노플레이트의 크기가 조절되는 금속 나노플레이트 제조 방법.
18. 제17항에 있어서,
    상기 혼합 용액을 열처리하는 단계는 90℃ 내지 130℃의 온도 조건하에서 10 내지 14시간동안 수행되는 금속 나노플레이트 제조 방법.
19. 삭제
20. 제11항에 있어서,
    상기 구리 나노플레이트는 (111) 결정면 우선 배향성을 갖는, 구리 나노플레이트 제조 방법.

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