KR102263653B1

KR102263653B1 - 소수성으로 표면개질된 전도성 금속입자의 합성방법

Info

Publication number: KR102263653B1
Application number: KR1020200011259A
Authority: KR
Inventors: 배재영; 문한준; 김태호; 임소정
Original assignee: 계명대학교 산학협력단
Priority date: 2020-01-30
Filing date: 2020-01-30
Publication date: 2021-06-10

Abstract

본 발명은, (a) 증류수에 소정의 염기촉매를 첨가하고 교반하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에서 제조된 용액에 소정의 전도성 금속입자를 첨가하고 교반하는 단계; (c) 상기 (b) 단계에서 합성된 Cu-OH 수용액을 비극성용매에 넣고 교반하는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계에서 Cu-OH 입자의 표면개질을 위하여 소정의 알킬 실란을 첨가하고 환류시키는 단계;를 포함하는 전도성 금속입자의 합성방법을 제공한다.

Description

소수성으로 표면개질된 전도성 금속입자의 합성방법{A manufacturing method conductive metal particle for modifying surface with hydrophobic property}

본 발명은 전도성 금속입자의 합성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 건축물 전자파 차폐 성능을 향상시킬 수 있도록 소수성으로 표면개질된 전도성 금속입자의 합성방법에 관한 것이다.

현재 4차 산업혁명을 기반으로 건축 구조물에 적용되는 전자파 차폐 (EM) 기술 확보에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 그 중 빌딩 밀접 지역에서 전파 간섭구역의 발생으로 인한 통신 셀의 확보가 필요하다.

또한, 필요사물인터넷(IoT)기기, 전장부품 등 전자기기 사용이 증가함에 따라 건물 내부의 정보 Security의 능력을 향상시키는 기술이 필수적으로 요구되고 있다.

건축물 전자파 차폐 성능을 구현하는 방법에는 콘크리트와 전도성 소재의 혼합으로 전자파 차폐 성능을 구현할 수 있다. 하지만, 위의 방법은 신축건물 공사 당시에만 구현 가능하다는 제한성을 가지고 있어, 오래된 건축물일 경우 도료, 창호, 벽지 시공을 통하여 전자파 차폐성능을 확보할 수 있다.

한편, 건축물의 옥외에는 전자파 차폐 성능과 더불어 방수 기능을 동시에 요구하나, 현재로써는 두 가지 성능을 만족하는 제품이 부재한 상황이다.

이를 해결하기 위하여 기존 방수시트에 전도성 금속입자를 분산시켜 전자파 차폐성능과 함께 방수 기능을 가지는 복합시트를 개발하는 연구가 진행 중이다.

이러한 전도성 금속입자는 친수표면을 가지고 있어, 방수 기능을 가지는 시트에 적용 시 방수 도막에서 침전 및 응집 발생하고 이는 전자파 차폐효율 저하를 야기한다.

한국공개특허 10-2015-0117531호(2015.10.20. 공개)

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전도성 금속입자의 표면을 소수성으로 개질시켜 소수성 용액에서 분산 안정성을 개선시키고 금속입자의 침전 및 응집을 막아 전자파 차폐 효율 저하를 방지할 수 있는 전도성 금속입자의 합성방법을 제공함에 그 목적이 있다.

이를 위해, 본 발명은, (a) 증류수에 소정의 염기촉매를 첨가하고 교반하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에서 제조된 용액에 소정의 전도성 금속입자를 첨가하고 교반하는 단계; (c) 상기 (b) 단계에서 합성된 Cu-OH 수용액을 비극성용매에 넣고 교반하는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계에서 Cu-OH 입자의 표면개질을 위하여 소정의 알킬 실란을 첨가하고 환류시키는 단계;를 포함하는 전도성 금속입자의 합성방법을 제공한다.

또한, 상기 (a) 단계에서 상기 염기 촉매로는 수산화나트륨, 탄산칼륨, 암모니아수 중의 어느 하나가 사용되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 (b) 단계에서, 상기 전도성 금속입자는 구리 전구체이며, 상기 구리 전구체로는, 브롬화구리, 염화구리, 황산구리, 아세트산구리, 질산구리, 플루오르화구리 중의 어느 하나가 사용되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 (c) 단계에서, 비극성용매는 isopropyl alcohol 또는 methyl alcohol 을 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 (d) 단계에서, 상기 알킬실란은 T3 구조의 알콕시 3관능 실란 중 작용기로 alkyl기를 갖는 실란을 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 (d) 단계에서, 상기 알킬실란은 몰비로 Cu : Si = 1 : 0.8 이상 ~ 1.5 이하 비율로 첨가하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 소수성으로 표면 개질된 전도성 금속입자를 콘크리트, 도료, 창호 재료, 벽지 재료 중의 어느 하나에 분산시켜 건축 구조물을 제조하여 건축 구조물에 적용되는 전자파 차폐 기술을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명은 소수성으로 표면 개질된 전도성 금속입자를 방수 시트에 분산시켜 전자파 차폐 성능과 방수 기능을 갖는 복합시트를 제조할 수 있게 한다.

본 발명은, 전도성 금속입자, 가령 구리의 표면을 알킬실란 처리하여 소수성을 개질시키고, 유기 용매속 구리입자의 분산 안정성을 향상시킬 수 있다.

또한, 방수시트 등에 상기 전도성 금속입자를 분산시켜 금속입자의 침전 및 응집을 막아 전자파 차폐 성능을 향상시킬 수 있을 뿐만아니라 방수기능을 가지는 복합 시트에 적용할 수 있다.

또한, 소수성으로 표면 개질된 전도성 금속입자를 콘크리트, 도료, 창호 재료, 벽지 재료 중의 어느 하나에 분산시켜 건축 구조물에 전자파 차폐 성능을 구현할 수 있게 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 표면 개질된 전도성 금속입자 합성 과정을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 표면 개질된 전도성 금속입자의 SEM-EDS 이미지이다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 표면 개질된 전도성 금속입자 합성 과정을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 표면개질된 전도성 금속입자 합성과정을 살펴보면 다음과 같다.

본 발명에서는 전도성 금속입자로 구리 입자(Copper particle)를 사용하는 것이 바람직하며, Cu 입자를 합성하기 위하여 진행된 실험순서는 다음과 같다.

먼저, 증류수에 소정의 염기촉매를 첨가하여 잘 섞이도록 교반시켜준다(S110,120). 이때, 상기 염기 촉매로는 수산화나트륨(Sodium hydroxide), 탄산칼륨(Potassium carbonate), 암모니아수(Ammonia water) 등이 사용이 가능하나, 금속염이 포함된 염기촉매를 사용할 때 의도치 않은 부가반응이 진행될 수도 있으므로 암모니아수를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상온에서 10분 정도 교반하여 증류수에 첨가된 암모니아수가 잘 섞이도록 한다.

이어, 상기 제조된 용액에 소정의 구리 전구체(Copper precursor)를 투입하고 Cu 입자의 형성을 위하여 상온에서 교반반응을 진행한다(S130, S140). 상기 구리 전구체로는 브롬화구리(Copper(II) bromide), 염화구리(Copper(II) chloride), 황산구리(Copper(II) surfate), 아세트산구리(Copper(II) acetate), 질산구리(pper(II) nitrate), 플루오르화구리(Copper(II) fluoride) 등 구리산화물계 화합물 모두 사용이 가능하다. 이때, 전구체의 반응성을 고려하였을 때 Copper(II) nitrate를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상온에서 6시간 정도 교반하여 Cu 입자의 형성을 유도한다.

이어, 합성된 Cu-OH 수용액을 비극성용매에 넣고 교반시켜준다(S150, S160). 상기 사용되는 비극성용매에는 유기 용매(organic solvent), 알코올 용매(alcohol solvent) 등이 사용가능하나 휘발성 및 취급용이성을 고려하는 것이 바람직하다, 가령, 에테르 등이 사용될 수 있다.

이어, Cu-OH 입자의 표면개질을 위하여 알킬 실란(Alkyl silane)을 투입하고환류(reflux)시킨다(S170, S180). 이때, 사용할 수 있는 Silane 종류로는 T3 구조의 알콕시 3관능 실란 중 작용기로 alkyl기를 가지는 실란을 사용한다. 바람직하게 투입하는 양은 몰비(molar ratio)로 Cu : Si = 1 : 0.3 ~ 2 비율로 투입하고, 18시간 환류시켜 실험을 진행하였다.

마지막으로 여과 및 건조과정을 거쳐 소수성으로 표면 개질된 Cu 금속입자를 수득한다(S190, S200).

이와 같이, 합성된 Cu 금속입자를 콘크리트에 분산시켜 혼합하여 건축물에서 전자파 차폐 성능을 구현할 수 있다.

또한, 신축건물 공사시에 콘크리트에 전도성 소재를 혼합하는 방식으로 구현할 수 있으나, 오래된 건축물의 경우에도 도료, 창호, 벽지 시공시에도 도료, 창호, 벽지의 기본 재질에 본 발명에 따라 합성된 Cu 금속입자를 혼합하여 전자파 차폐 성능을 구현할 수 있다.

또한, 방수시트에도 본 발명에 따라 합성된 Cu 금속입자를 혼합하여 전자파 차폐성능과 함께 방수 기능을 가지는 복합시트를 구현할 수 있다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 표면 개질된 전도성 금속입자의 SEM-EDS 이미지이다.

도 2를 참조하면, 도 1의 전도성 금속입자의 합성과정에서 Cu : Si 의 molar ratio가 1 : 1의 비율로 합성된 구리입자의 SEM-EDS data이다. 이때, mapping data를 보면 알 수 있듯이 Cu가 나타는 영역과 Si가 나타나는 영역이 일치하는 것으로 보아 구리 표면에 균일하게 실란 처리가 된 것을 확인할 수 있고, 그와 마찬가지로 C가 나타나는 영역을 통하여 Alkyl 작용기가 남아있음을 확인할 수 있다.

반면에, Si의 비율이 0.8 보다 낮은 조건에서는 균일하게 실란 표면처리가 이루어지지 않았고, Si의 비율이 1.5 보다 높은 조건에서는 표면처리 후 잔여 실란의 자체중합으로 인하여 부생성물이 합성되는 문제점이 있다. 따라서 적절한 Si의 농도는 0.8 ~ 1.5 사이의 값이 바람직하다.

이하에서 표 1 내지 표 3을 참조하여, 도 1에서 합성된 전도성 금속입자의 분산 안정성의 실험 결과를 확인할 수 있다.

표 1은 Cu-OH 입자의 H₂O에 대한 분산안정성을 위해 zeta 전위를 측정한 결과이다. Zeta-potential 값이 -15.06 mV 인 것을 통하여 H₂O에 균일하게 분산되어 있는 것을 확인 할 수 있다.

Zeta Potential : -15.06(mV) Doppler shift : -6.52 (Hz) Mobility : -1.174e-004(㎠/Vs) Base Frequency : 122.8 (Hz) Conductivity : 3.7869(mS/cm) Conversion Equatio : Smoluchowski
Zeta Potential of Cell Upper Surface : -11.53(mV) Lower surface : 38.62(mV) Cell condition Cell type : Zeta Cell(Dispo) Avg.ElectricField:11.49(V/cm) Avg.Current : 2.18(mA)	Diluent Properties Diluent Name : WATER Temperature : 25.0(℃) Refractive Index : 1.3328 Viscosity : 0.8878(cP) Dielectric Constant : 78.3

표 2는 Cu-OH 입자의 methanol에 대한 분산안정성을 위해 zeta 전위를 측정한 결과이다. Zeta-potential 값이 -15.06 mV에서 -2.76 mV 로 감소한 것을 통하여 유기용매에서 분산안정성이 좋지 않은 것을 확인할 수 있다.

Zeta Potential : -2.76(mV) Doppler shift : 0.89(Hz) Mobility : -1.501e-005(㎠/Vs) Base Frequency : 123.8(Hz) Conductivity : 0.0780(mS/cm) Conversion Equation : Smoluchowski
Zeta Potential of Cell Upper Surface : -19.44(mV) Lower surface : 4.13(mV) Cell condition Cell type : Zeta Cell(Dispo) Avg.ElectricField : -12.22(V/cm) Avg.Current : -0.05(mA)	Diluent Properties Diluent Name : Methanol Temperature : 25.0(℃) Refractive Index : 1.3312 Viscosity : 0.5470(cP) Dielectric Constant : 33.6

표 3은 표면이 소수성으로 개질된 Cu 입자의 methanol에 대한 분산안정성을 측정한 결과이다. Zeta-potential이 9.41 mV로 표면개질 전 보다 증가한 것을 확인할 수 있다. 이를 통하여 구리표면의 알킬실란처리가 유기용매 속 구리입자 분산안정성 개선에 효과가 있음을 확인하였다.

Zeta Potential: 9.41(mV) Doppler shift : -3.02(Hz) Mobility : 5.108e-005(㎠/Vs) Base Frequency : 126.3(Hz) Conductivity: 0.0773(mS/cm) Conversion Equation : Smoluchowski
Zeta Potential of Cell Upper Surface : -21.75(mV) Lower surface : -7.26(mV) Cell condition Cell type : Zeta Cell(Dispo) Avg.ElectricField :-12.22(V/cm) Avg.Current : -0.05(mA)	Diluent Properties Diluent Name : Methanol Temperature : 25.0(℃) Refractive Index : 1.3312 Viscosity : 0.5470(cP) Dielectric Constant : 33.6

상기한 바와 같은, 본 발명의 실시예들에서 설명한 기술적 사상들은 각각 독립적으로 실시될 수 있으며, 서로 조합되어 실시될 수 있다. 또한, 본 발명은 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 실시예를 통하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims

(a) 증류수에 소정의 염기촉매를 첨가하고 교반하는 단계;
(b) 상기 (a) 단계에서 제조된 용액에 소정의 전도성 금속입자를 첨가하고 교반하는 단계;
(c) 상기 (b) 단계에서 합성된 Cu-OH 수용액을 비극성용매에 넣고 교반하는 단계; 및
(d) 상기 (c) 단계에서 Cu-OH 입자의 표면개질을 위하여 소정의 알킬 실란을 첨가하고 환류시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 금속입자의 합성방법.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계에서 상기 염기 촉매로는 수산화나트륨, 탄산칼륨, 암모니아수 중의 어느 하나가 사용되는 것을 특징으로 하는 전도성 금속입자의 합성방법.
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서, 상기 전도성 금속입자는 구리 전구체인 것을 특징으로 하는 전도성 금속입자의 합성방법.
제3항에 있어서,
상기 구리 전구체로는, 브롬화구리, 염화구리, 황산구리, 아세트산구리, 질산구리, 플루오르화구리 중의 어느 하나가 사용되는 것을 특징으로 하는 전도성 금속입자의 합성방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 (d) 단계에서, 상기 알킬실란은 T3 구조의 알콕시 3관능 실란 중 작용기로 alkyl기를 갖는 실란을 사용하는 것을 특징으로 하는 전도성 금속입자의 합성방법.
제1항에서 있어서,
상기 (d) 단계에서, 상기 알킬실란은 몰비로 Cu : Si = 1 : 0.8 이상 ~ 1.5 이하 비율로 첨가하는 것을 특징으로 하는 전도성 금속입자의 합성방법.
제1항에 의해 합성된 전도성 금속입자를 콘크리트, 도료, 창호 재료, 벽지 재료 중의 어느 하나에 분산시켜 제조된 것을 특징으로 하는 건축 구조물.
제1항에 의해 합성된 전도성 금속입자를 방수 시트에 분산시켜 제조된 것을 특징으로 하는 복합 시트.