KR102280900B1 - 신규한 실리콘 나노 입자의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, a) 실리콘 원료인 실리콘 글래뉼 을 고속 기계적 밀링장치를 이용하여 평균 입경 3㎛ 이하의 실리콘 입자를 제조하는 단계; 및 b) 상기 a) 단계의 실리콘 입자와 유기 용매의 혼합물을 일정한 압력의 마이크로플루다이저를 이용하여 평균 입경 500nm 이하의 실리콘 나노 입자로 제조하는 단계;를 포함하는 실리콘 나노 입자의 제조방법에 관한 것이다.

Description

신규한 실리콘 나노 입자의 제조방법{The method for fabrication of silicon nano particle}
본 발명은 신규한 실리콘 나노 입자의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 고속 기계적 밀링장치와 마이크로플루다이저를 이용한 실리콘 나노 입자의 제조방법에 관한 것이다.
실리콘은 충전 시 흑연보다 더 많은 용량의 리튬이온 저장 능력으로 고용량화가 요구되는 휴대폰이나 노트북 등 휴대용 전자기기의 리튬이온 이차전지, 및 태양전지의 음극재로 각광을 받고 있다.
이러한 실리콘은 리튬의 흡장 및 방출 시 큰 부피 팽창 및 수축으로 인하여 발생하는 반복 충방전 특성의 열화 문제점을 해결하기 위하여 실리콘을 나노 입자 형태로 사용하고 있다.
이와 같은 리튬이온 이차전지의 음극재로서뿐만 아니라, 태양전지 소자 및 고성능 발광소자 등에 다양한 상업적 응용성을 갖는 실리콘 나노 입자의 제조에 관하여 다양한 방법이 알려져 있다.
특허문헌 1에는 실리콘 조각을 비드 밀링 및 필터링 방법을 이용하여 실리콘 나노 입자를 제조하고 있고, 특허문헌 2에는 실리콘 나노 입자의 제조에 플라즈마 아크방전을 이용하며, 특허문헌 3에서는 레이저 및 플라즈마를 이용하고, 특허문헌 4에서는 실리콘의 열분해 반응을 이용하여 실리콘 나노 분말을 제조하며, 특허문헌 5에서는 실리콘 옥사이드의 환원으로 제조한 다공성 실리콘을 초음파 처리하는 방법을 사용하고 있으며, 특허문헌 6 및 7에서는 각각 액중 전기폭발에 의한 실리콘 나노 입자의 제조 및 염기성 완충용액을 이용하는 방법이 개시되어 있다.
특히, 실리카 나노 입자의 다양한 상업적 응용성에 따른 상용화를 위하여 특허문헌 3, 6, 및 7에서는 대량 생산 방법이 개시되어 있다.
그러나 대량 생산에 관한 특허문헌 3의 레이저 및 플라즈마를 이용하는 방법은 레이저 및 플라즈마의 실시에 고비용이 들어가는 단점이 있으며, 특허문헌 6의 액중 전기폭발 방법은 수용액, 유기 용액 중에 고전압의 전기에너지를 공급하여 이루어지는 것이어서 고전압의 전기 공급에 필요한 설비의 고비용 및 안정성 등의 문제가 있고, 특허문헌 7의 염기성 완충용액을 이용하는 방법 역시 염기성 용액에 의한 환경문제가 발생된다.
또한, 특허문헌 1, 2, 4 및 5의 각 방법 역시 실리콘 나노 입자의 대량 생산에는 적용이 어렵고, 비용면에서도 적합하지 아니하다.
따라서 실리콘 나노 입자의 상용화를 위하여는 저비용이면서도 제조가 용이하여 대량 생산이 가능한 실리콘 나노 입자를 제조할 수 있는 새로운 제조방법의 개발이 필요하다.
특허문헌 1: 일본특허공개공보 제2015-160930호 특허문헌 2: 국내등록특허공보 제10-1537216호 특허문헌 3: 일본특허공보 제6614651호 특허문헌 4: 국내등록특허공보 제10-0463960호 특허문헌 5: 국내등록특허공보 제10-1537216호 특허문헌 6: 국내등록특허공보 제10-1146914호 특허문헌 7: 국내등록특허공보 제10-1880441호
본 발명은, 저비용이면서도 제조가 용이하여 대량 생산이 가능한 실리콘 나노 입자의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명은 500nm 이하의 실리콘 나노 입자를 단기간에 대량으로 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 신규한 실리콘 나노 입자의 제조방법은,
a) 실리콘 원료인 실리콘 그래뉼을 고속 기계적 밀링장치를 이용하여 평균 입경 3㎛ 이하의 실리콘 입자를 제조하는 단계; 및
b) 상기 a) 단계의 실리콘 입자와 유기 용매의 혼합물을 일정한 압력의 마이크로플루다이저를 이용하여 평균 입경 500nm 이하의 실리콘 나노 입자를 제조하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 실리콘 그래뉼은 평균 입경 200㎛ 내지 400㎛ 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고속 기계적 밀링장치는 함마밀, 제트밀, 비드밀, 및 이들의 혼합일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로플루다이저는 노즐 구경이 50 내지 400㎛ 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로플루다이저의 이용을 위한 압력은 1000 내지 6000bar 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 용매는 알코올류, 케톤류, 카보네이트류, 에테르류, 디메틸설폭사이드(DMSO) 등일 수 있으며, 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 a) 단계의 실리콘 입자와 유기 용매의 혼합물 중 실리콘 입자의 사용량은 0.01 내지 25 중량%일 수 있다.
본 발명에 따른 실리콘 나노 입자의 제조방법은 저비용 및 제조의 용이성에 의한 대량 생산이 가능하고, 특히 평균 입경 100nm 이하의 실리콘 나노 입자의 대량 생산이 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명 실시예 1의 실리콘 나노 입자의 SEM 사진이다.
도 2는 본 발명 실시예 2의 실리콘 나노 입자의 SEM 사진이다.
도 3은 본 발명 실시예 3의 실리콘 나노 입자의 SEM 사진이다.
도 4는 본 발명 실시예 4의 실리콘 나노 입자의 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명 실시예 5의 실리콘 나노 입자의 SEM 사진이다.
도 6은 본 발명 실시예 6의 실리콘 나노 입자의 SEM 사진이다.
도 7은 본 발명 비교예의 실리콘 나노 입자의 SEM 사진이다.
본 발명은 저비용으로 경제적인 면에서도 효과적이고, 제조도 용이하여 대량 생산이 가능한 실리콘 나노 입자의 제조방법을 제공한다.
본 발명 일 실시예의 실리콘 나노 입자의 제조방법은,
a) 실리콘 원료인 실리콘 그래뉼을 고속 기계적 밀링장치를 이용하여 평균 입경 3㎛ 이하의 실리콘 입자를 제조하는 단계; 및
b) 상기 a) 단계의 실리콘 입자와 유기 용매의 혼합물을 일정한 압력의 마이크로플루다이저를 이용하여 평균 입경 500nm 이하의 실리콘 나노 입자로 제조하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예의 실리콘 나노 입자의 제조방법은,
a) 하기 (a-1) 내지 (a-3) 단계를 포함하는 실리콘 원료인 실리콘 그래뉼을 고속 기계적 밀링장치를 이용하여 평균 입경 1㎛ 내지 3㎛ 이하의 실리콘 입자를 제조하는 단계: 및
(a-1) 실리콘 원료인 실리콘 그래뉼을 함마밀을 이용하여 평균 입경 50㎛ 내지 100㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
(a-2) 상기 a-1) 단계의 실리콘 입자를 제트밀을 이용하여 평균 입경 5㎛ 내지 10㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
(a-3) 상기 (a-2) 단계의 실리콘 입자를 유기 용매와 혼합 후, 비드밀 1을 이용하여 평균 입경 1㎛ 내지 3㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
b) 상기 a-3) 단계의 실리콘 입자와 유기 용매의 혼합물을 일정한 압력으로 마이크로플루다이저를 이용하여 평균 입경 500nm 이하의 실리콘 나노 입자로 제조하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예의 실리콘 나노 입자의 제조방법은,
a) 하기 (a-1) 내지 (a-4) 단계를 포함하는 실리콘 원료인 실리콘 그래뉼을 고속 기계적 밀링장치를 이용하여 평균 입경 0.5㎛ 내지 0.7㎛의 실리콘 입자를 제조하는 단계: 및
(a-1) 실리콘 원료인 실리콘 그래뉼을 함마밀을 이용하여 평균 입경 50㎛ 내지 100㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
(a-2) 상기 (a-1) 단계의 실리콘 입자를 제트밀을 이용하여 평균 입경 5㎛ 내지 10㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
(a-3) 상기 (a-2) 단계의 실리콘 입자를 유기 용매와 혼합 후, 비드밀 1을 이용하여 평균 입경 1㎛ 내지 3㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
(a-4) 상기 (a-3) 단계의 실리콘 입자와 유기 용매의 혼합물을 비드밀 2를 이용하여 평균 입경 0.5㎛ 내지 0.7㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
b) 상기 (a-4) 단계의 실리콘 입자와 유기 용매의 혼합물을 일정한 압력의 마이크로플루다이저를 이용하여 평균 입경 500nm 이하의 실리콘 나노 입자로 제조하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예의 실리콘 나노 입자의 제조방법은,
a) 하기 (a-1) 내지 (a-5) 단계를 포함하는 실리콘 원료인 실리콘 그래뉼을 고속 기계적 밀링장치를 이용하여 평균 입경 0.2㎛ 내지 0.4㎛의 실리콘 입자를 제조하는 단계: 및
(a-1) 실리콘 원료인 실리콘 그래뉼을 함마밀을 이용하여 평균 입경 50㎛ 내지 100㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
(a-2) 상기 (a-1) 단계의 실리콘 입자를 제트밀을 이용하여 평균 입경 5㎛ 내지 10㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
(a-3) 상기 (a-2) 단계의 실리콘 입자를 유기 용매와 혼합 후, 비드밀 1을 이용하여 평균 입경 1㎛ 내지 3㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
(a-4) 상기 (a-3) 단계의 실리콘 입자와 유기 용매의 혼합물을 비드밀 2를 이용하여 평균 입경 0.5㎛ 내지 0.7㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
(a-5) 상기 (a-4) 단계의 실리콘 입자와 유기 용매의 혼합물을 비드밀 3을 이용하여 평균 입경 0.2㎛ 내지 0.4㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
b) 상기 (a-5) 단계의 실리콘 입자와 유기 용매의 혼합물을 일정한 압력의 마이크로플루다이저를 이용하여 평균 입경 500nm 이하의 실리콘 나노 입자로 제조하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예의 실리콘 나노 입자의 제조방법은,
a) 하기 (a-1) 내지 (a-6) 단계를 포함하는 실리콘 원료인 실리콘 그래뉼을 고속 기계적 밀링장치를 이용하여 평균 입경 0.1㎛ 내지 0.15㎛의 실리콘 입자를 제조하는 단계: 및
(a-1) 실리콘 원료인 실리콘 그래뉼을 함마밀을 이용하여 평균 입경 50㎛ 내지 100㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
(a-2) 상기 (a-1) 단계의 실리콘 입자를 제트밀을 이용하여 평균 입경 5㎛ 내지 10㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
(a-3) 상기 (a-2) 단계의 실리콘 입자를 유기 용매와 혼합 후, 비드밀 1을 이용하여 평균 입경 1㎛ 내지 3㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
(a-4) 상기 (a-3) 단계의 실리콘 입자와 유기 용매의 혼합물을 비드밀 2를 이용하여 평균 입경 0.5㎛ 내지 0.7㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
(a-5) 상기 (a-4) 단계의 실리콘 입자와 유기 용매의 혼합물을 비드밀 3을 이용하여 평균 입경 0.2㎛ 내지 0.4㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
(a-6) 상기 (a-5) 단계의 실리콘 입자와 유기 용매의 혼합물을 비드밀 4를 이용하여 평균 입경 0.1㎛ 내지 0.15㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
b) 상기 (a-6) 단계의 실리콘 입자와 유기 용매의 혼합물을 일정한 압력의 마이크로플루다이저를 이용하여 평균 입경 500nm 이하의 실리콘 나노 입자로 제조하는 단계;를 포함한다.
상기의 본 발명의 실리콘 나노 입자의 제조방법들에 따른 상기 실리콘 그래뉼은 평균 입경 200㎛ 내지 400㎛ 일 수 있고, 400㎛을 넘으면 전체적인 제조 시간이 늘어나 경제적으로 바람직하지 아니하다.
상기의 본 발명의 실리콘 나노 입자의 제조방법들에 따른 고속 기계적 밀링장치는 함마밀, 제트밀, 비드밀, 또는 이들의 혼합일 수 있으며, 바람직하게는 함마밀, 제트밀 및 비드밀의 혼합이다. 더욱 바람직하게는 함마밀, 제트밀, 비드밀의 순서로 사용한다.
구체적으로 상기 (a-1) 및 (a-2)의 함마밀용 비드 크기, 및 제트밀용 비드의 크기는 상기의 목적하는 크기의 실리콘 입자 제조를 위하여 사용되는 통상의 크기를 사용하며, 상기 (a-3) 내지 (a-6) 단계의 비드밀 1, 2, 3, 및 4의 비드 크기는 비드밀 1이 가장 크고 비드밀 4가 가장 적으며, 각각 ‘2 내지 4mm’, ‘ 0.5 내지 0.7mm’, ‘0.3 내지 0.4mm’ 및 ‘0.1 내지 0.2mm’일 수 있다.
또한, 상기 (a-3) 내지 (a-6)의 분쇄에 필요한 시간은 각각 ‘1.5시간 내지 2.5시간’, ‘3.0시간 내지 4.5시간’, ‘6시간 내지 10시간’, 및 ‘15시간 내지 17시간’일 수 있으며, 상기 시간 들은 실리콘 입자 및 유기 용매의 혼합물이 100kg인 경우의 시간일 수 있다.
상기의 본 발명의 실리콘 나노 입자의 제조방법들에 따른 마이크로플루다이저는 노즐 구경이 50㎛ 내지 400㎛ 일 수 있고, 바람직하게는 75㎛ 내지 400㎛이다. 노즐 구경이 50㎛보다 작으면 제조된 실리콘 나노 입자가 노즐을 막는 현상이 나타나 제조 공정상의 어려움이 있으며, 400㎛보다 크면 500nm 이하의 나노 크기 입자를 얻는 것이 어렵다.
또한, 상기의 본 발명의 실리콘 나노 입자의 제조방법들 중 b) 단계의 마이크로플루다이저는 노즐 구경이 서로 다른 2개를 이용하여 2단계로 적용할 수 있으며, 상기 2단계는 노즐 구경이 큰 마이크로플루다이저를 적용(b-1 단계)한 후에 노즐 구경이 작은 마이크로플루다이저를 적용(b-2 단계)한다.
상기 서로 다른 2개의 노즐 구경은 50㎛ 내지 400㎛의 노즐 구경 중 2개 일 수 있으며, 바람직하게는 노즐 구경 75㎛, 100㎛, 200㎛, 및 400㎛ 중에서 선택되는 2개 일 수 있다.
상기의 b) 단계의 마이크로플루다이저의 적용시간 전체는 1시간 내지 2시간이며, 상기 (b-1) 단계: (b-2) 단계의 적용시간 비율은 1:1일 수 있다. 상기 시간은 실리콘 입자 및 유기 용매의 혼합물이 100kg인 경우의 시간일 수 있다.
상기의 본 발명의 실리콘 나노 입자의 제조방법들에 따른 마이크로플루다이저의 이용을 위한 압력은 1000 내지 6000bar 일 수 있으며, 바람직하게는 1000 내지 4000bar이고, 압력이 1000bar보다 작으면 실리콘 나노 입자가 노즐을 막는 현상에 의한 제조 공정상의 어려움뿐만 아니라, 500nm 이하의 나노 크기 입자를 얻는 것이 어렵다. 또한, 압력이 6000bar보다 크면 장비 유지비용의 상승과 같은 경제적인 단점이 있다.
상기의 본 발명의 실리콘 나노 입자의 제조방법들에 따른 유기 용매는 알코올류, 케톤류, 카보네이트류, 에테르류, 또는 디메틸설폭사이드(DMSO) 등일 수 있으며, 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 알코올류는 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, n-부탄올, 이소부탄올, 에틸렌글리콜, 시클로헥산올 등일 수 있고, 상기 케톤류는 시클로헥사논, 메틸에틸케톤 등일 수 있으며, 카보네이트류는 디에틸카보네이트 등 일 수 있고, 에테르류는 테트라하이드로퓨란, 테트라하이드로피란 등 일 수 있다.
바람직한 유기 용매는 알코올류이고, 더욱 바람직하게는 이소프로판올 일 수 있다.
상기의 본 발명의 실리콘 나노 입자의 제조방법들에서 a) 단계의 실리콘 입자와 유기 용매의 혼합물은 구체적으로는 상기 a) 단계 중 (a-1) 단계에서 이루어지고, 상기 혼합물 중 실리콘 입자의 사용량은 전체 혼합물 중 0.01 내지 25 중량%일 수 있으며, 바람직하게는 5 내지 15 중량%이고, 더욱 바람직하게는 7 내지 12 중량%이다. 상기 혼합물 중 실리콘의 사용량이 0.01 중량% 보다 작거나, 25 중량% 보다 크면 비드밀에 의한 가공작업이 이루어지지 않는다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하거나, 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들에 의하여 제한 되는 것이 아니다.
또한, 여기서 기재되지 않은 내용은 이 기술분야에서 숙련된 자이면 충분히 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략한다.
<실시예 1>
실리콘 원료인 실리콘 그래뉼을 함마밀 분쇄기에 넣고 실리콘의 평균 입경 75㎛로 분쇄를 하고, 이를 에어 제트밀을 이용하여 평균 입경 5㎛의 실리콘 입자로 분쇄한다. 이 얻어진 평균 입경 5㎛의 실리콘 입자 10kg을 IPA(isopropyl alcohol) 90kg과 혼합한 혼합물을 3mm의 지르코니아 비드를 사용한 비드밀 1로 2시간 1차 가공하여 평균 입경이 1㎛의 실리콘 입자로 가공한다. 상기 1차 가공된 평균 입경이 1㎛의 실리콘 입자를 지르코니아 비드 0.5mm의 비드밀 2로 4시간 2차 가공하여 실리콘 입자 평균 입경을 0.5㎛으로 가공한 후, 다시 지르코니아 비드 0.3mm의 비드밀3으로 8시간 동안 3차 가공하여 평균 입경 0.2㎛의 실리콘으로 가공하고, 연속적으로 지르코니아 비드 0.1mm의 비드밀 4로 16시간 동안 4차 가공을 하여 평균 입경 0.1㎛의 실리콘 입자를 만들었다.
상기 얻어진 평균 입경 0.1㎛의 실리콘 입자를 노즐 구경 크기 200㎛의 마이크로플루다이저에 적용하여 2500bar 압력으로 30분간 1차 가공을 하여 평균 입경 0.07㎛의 실리콘 입자를 얻고, 이를 노즐 구경 크기 75㎛의 마이크로플루다이저에 적용하여 2500bar 압력으로 30분 2차 가공을 하여 평균 입경 0.03㎛의 실리콘 나노 입자를 만들었다.
상기와 같은 분쇄로 얻어진 실리콘 분말은 SEM 분석을 통해 입자 크기를 확인하였으며, 도 1에 도시하였다.
<실시예 2>
실리콘 원료인 실리콘 그래뉼을 함마밀 분쇄기에 넣고 실리콘의 평균 입경 75㎛로 분쇄를 하고, 이를 에어 제트밀을 이용하여 평균 입경 5㎛의 실리콘 입자로 분쇄한다. 이 얻어진 평균 입경 5㎛의 실리콘 입자 10kg을 IPA(isopropyl alcohol) 90kg과 혼합한 혼합물을 3mm의 지르코니아 비드를 사용한 비드밀 1에서 2시간 1차 가공하여 평균 입경이 1㎛의 실리콘 입자로 가공한다. 상기 1차 가공된 평균 입경이 1㎛의 실리콘 입자를 지르코니아 비드 0.5mm의 비드밀 2로 4시간 2차 가공하여 실리콘 입자 평균 입경을 0.5㎛으로 가공한 후, 다시 지르코니아 비드 0.3mm의 비드밀 3으로 8시간 동안 3차 가공하여 평균 입경 0.2㎛의 실리콘 입자를 얻었다.
상기 얻어진 평균 입경 0.2㎛의 실리콘 입자를 노즐 구경 크기 200㎛의 마이크로플루다이저에 적용하여 2500bar 압력으로 30분간 1차 가공을 하여 평균 입경 0.15㎛의 실리콘 나노 입자를 얻고, 이를 노즐 구경 크기 75㎛의 마이크로플루다이저에 적용하여 2500bar 압력으로 30분 2차 가공을 하여 평균 입경 0.08㎛의 실리콘 나노 입자를 만들었다.
상기와 같은 분쇄로 얻어진 실리콘 분말은 SEM 분석을 통해 입자 크기를 확인하였으며, 도 2에 도시하였다.
<실시예 3>
실리콘 원료인 실리콘 그래뉼을 함마밀 분쇄기에 넣고 실리콘의 평균 입경 75㎛로 분쇄를 하고, 이를 에어 제트밀을 이용하여 평균 입경 5㎛의 실리콘 입자로 분쇄한다. 이 얻어진 평균 입경 5㎛의 실리콘 입자 10kg을 IPA(isopropyl alcohol) 90kg과 혼합한 혼합물을 3mm의 지르코니아 비드를 사용한 비드밀 1에서 2시간 1차 가공하여 평균 입경이 1㎛의 실리콘 입자로 가공한다. 상기 1차 가공된 평균 입경이 1㎛의 실리콘 입자를 지르코니아 비드 0.5mm의 비드밀 2로 4시간 2차 가공하여 평균 입경 0.5㎛의 실리콘 입자를 얻었다.
상기 얻어진 평균 입경 0.5㎛의 실리콘 입자를 노즐 구경 크기 200㎛의 마이크로플루다이저에 적용하여 2500bar 압력으로 30분간 1차 가공을 하여 평균 입경 0.45㎛의 실리콘 나노 입자를 얻고, 이를 노즐 구경 크기 75㎛의 마이크로플루다이저에 적용하여 2500bar 압력으로 30분 2차 가공을 하여 평균 입경 0.13㎛의 실리콘 나노 입자를 만들었다.
상기와 같은 분쇄로 얻어진 실리콘 분말은 SEM 분석을 통해 입자 크기를 확인하였으며, 도 3에 도시하였다.
<실시예 4>
실리콘 원료인 실리콘 그래뉼을 함마밀 분쇄기에 넣고 실리콘의 평균 입경 75㎛로 분쇄를 하고, 이를 에어 제트밀을 이용하여 평균 입경 5㎛의 실리콘 입자로 분쇄한다. 이 얻어진 평균 입경 5㎛의 실리콘 입자 10kg을 IPA(isopropyl alcohol) 90kg과 혼합한 혼합물을 3mm의 지르코니아 비드를 사용한 비드밀 1로 2시간 1차 가공하여 평균 입경이 1㎛의 실리콘 입자를 얻었다.
상기 얻어진 평균 입경 1㎛의 실리콘 입자를 노즐 구경 크기 200㎛의 마이크로플루다이저에 적용하여 2500bar 압력으로 40분간 1차 가공을 하여 평균 입경 0.48㎛의 실리콘 나노 입자를 얻고, 이를 노즐 구경 크기 75㎛의 마이크로플루다이저에 적용하여 2500bar 압력으로 40분 2차 가공을 하여 평균 입경 0.15㎛의 실리콘 나노 입자를 만들었다.
상기와 같은 분쇄로 얻어진 실리콘 분말은 입도 분석기와 SEM 분석을 통해 입자 크기를 확인하였으며, 도 4에 도시하였다.
<실시예 5>
실리콘 원료인 실리콘 그래뉼을 함마밀 분쇄기에 넣고 실리콘의 평균 입경 75㎛로 분쇄를 하고, 이를 에어 제트밀을 이용하여 평균 입경 5㎛의 실리콘 입자로 분쇄한다. 이 얻어진 평균 입경 5㎛의 실리콘 입자 10kg을 IPA(isopropyl alcohol) 90kg과 혼합한 혼합물을 3mm의 지르코니아 비드를 사용한 비드밀 1로 2시간 1차 가공하여 평균 입경이 1㎛의 실리콘 입자를 얻었다.
상기 얻어진 평균 입경 1㎛의 실리콘 입자를 노즐 구경 크기 200㎛의 마이크로플루다이저에 적용하여 2000bar 압력으로 40분간 1차 가공을 하여 평균 입경 0.85㎛의 실리콘 나노 입자를 얻고, 이를 노즐 구경 크기 75㎛의 마이크로플루다이저에 적용하여 2000bar 압력으로 40분 2차 가공을 하여 평균 입경 0.5㎛의 실리콘 나노 입자를 만들었다.
상기와 같은 분쇄로 얻어진 실리콘 분말은 입도 분석기와 SEM 분석을 통해 입자 크기를 확인하였으며, 도 5에 도시하였다.
<실시예 6>
실리콘 원료인 실리콘 그래뉼을 함마밀 분쇄기에 넣고 실리콘의 평균 입경 75㎛로 분쇄를 하고, 이를 에어 제트밀을 이용하여 평균 입경 5㎛의 실리콘 입자로 분쇄한다. 이 얻어진 평균 입경 5㎛의 실리콘 입자 10kg을 IPA(isopropyl alcohol) 90kg과 혼합한 혼합물을 3mm의 지르코니아 비드를 사용한 비드밀 1을 이용하여 2시간 1차 가공하여 평균 입경이 1㎛의 실리콘 입자를 얻었다.
상기 얻어진 평균 입경 1㎛의 실리콘 입자를 노즐 구경 크기 200㎛의 마이크로플루다이저에 적용하여 3000bar 압력으로 40분간 1차 가공을 하여 평균 입경 0.4㎛의 실리콘 나노 입자를 얻고, 이를 노즐 구경 크기 75㎛의 마이크로플루다이저에 적용하여 3000bar 압력으로 40분 2차 가공을 하여 평균 입경 0.12㎛의 실리콘 나노 입자를 만들었다.
상기와 같은 분쇄로 얻어진 실리콘 분말은 입도 분석기와 SEM 분석을 통해 입자 크기를 확인하였다.
분쇄된 실리콘 분말은 입도분석기와 SEM 분석을 통해 입자 크기를 확인하였으며, 도 6에 도시하였다.
<비교예>
실리콘 원료인 실리콘 그래뉼을 함마밀 분쇄기에 넣고 실리콘의 평균 입경 75㎛로 분쇄를 하고, 이를 에어 제트밀을 이용하여 평균 입경 5㎛의 실리콘 입자로 분쇄한다. 이 얻어진 평균 입경 5㎛의 실리콘 입자 10kg을 IPA(isopropyl alcohol) 90kg과 혼합한 혼합물을 3mm의 지르코니아 비드를 사용한 비드밀 1로 2시간 1차 가공하여 평균 입경이 1㎛의 실리콘 입자로 가공한다. 상기 1차 가공된 평균 입경이 1㎛의 실리콘 입자를 지르코니아 비드 0.5mm의 비드밀 2를 이용하여 4시간 2차 가공하여 실리콘 입자 평균 입경을 0.5㎛으로 가공한 후, 다시 지르코니아 비드 0.3mm의 비드밀 3으로 8시간 동안 3차 가공하여 평균 입경 0.2㎛의 실리콘으로 가공하고, 연속적으로 지르코니아 비드 0.1mm의 비드밀 4로 16시간 동안 4차 가공을 하여 평균 입경 0.1㎛의 실리콘 입자를 만들었다.
상기의 평균 입경 0.1㎛의 실리콘 입자를 지르코니아 비드 0.1mm의 비드밀 4로 55시간 내지 60시간 동안 5차 가공을 하여 평균 입경 0.03㎛의 실리콘 나노 입자를 제조하였다.
상기와 같은 분쇄로 얻어진 실리콘 분말은 입도 분석기와 SEM 분석을 통해 입자 크기를 확인하였으며, 도 7에 도시하였다.
아래의 표 1에 상기 실시예 1 내지 6 및 비교예의 공정 조건 및 공정 소요시간의 결과로 생성된 실리콘 나노 입자의 크기를 나타내었다.
구분 공정 조건 공정
소요시간
생성된 실리콘
나노입자 크기
실시예 1 - 비드밀 1, 2, 3, 4차
- 마이크로플루다이저 1, 2차(압력 2500bar)
31시간 30nm(0.03㎛)
실시예 2 - 비드밀 1, 2, 3차
- 마이크로플루다이저 1, 2차(압력 2500bar)
15시간 80nm(0.08㎛)
실시예 3 - 비드밀 1, 2차
- 마이크로플루다이저 1, 2차(압력 2500bar)
7시간 130nm(0.13㎛)
실시예 4 - 비드밀 1, 2차
- 마이크로플루다이저 1, 2차(압력 2500bar)
3시간 20분 150nm(0.15㎛)
실시예 5 - 비드밀 1, 2차
- 마이크로플루다이저 1, 2차(압력 2000bar)
3시간 20분 500nm(0.5㎛)
실시예 6 - 비드밀 1, 2차
- 마이크로플루다이저 1, 2차(압력 3000bar)
3시간 20분 120nm(0.12㎛)
비교예 - 비드밀 1, 2, 3, 4차
- 비드밀 5차
85~90시간 30nm(0.03㎛)
상기 공정조건 및 전체 공정시간은 실시예 1 내지 6 및 비교예의 공정조건 중 함마밀 및 제트밀의 공정조건은 제외하고, 비드밀 및 마이크로플루다이저의 적용을 위한 공정조건 및 공정시간만을 기재한 것이다.
상기 표로부터 본 발명의 실리콘 나노 입자 제조방법에 관한 실시예 1 내지 6이 비교예에 비하여 공정 소요시간이 월등히 적은 것을 알 수 있어, 본 발명의 실리콘 나노 입자 제조방법은 단시간 내에 실시콘 나노 입자의 제조가 가능하다.
또한, 100nm 이하의 실리콘 나노 입자의 제조에 관한 실시예 1은 동일한 크기의 실리콘 나노 입자를 제조하는 비교예와 비교하여 공정의 소요시간이 약 1/3에 불과하여 본 발명의 실리콘 나노 입자 제조방법은 100nm 이하의 실리콘 나노 입자 제조에 유리하다.
이와 같이 본 발명의 실리콘 나노 입자 제조방법은 기계적 밀링장치와 마이크로플루다이저를 이용하는 것으로서, 종래의 플라즈마, 고전압의 전기에너지, 알칼리 용액 등을 이용하는 방법들과 달리 경제적이고도 제조가 용이한 방법이며 500nm 이하, 특히 100nm 이하의 실리콘 나노 입자의 대량 생산에 유리한 효과가 있다.

Claims (12)

  1. a) 실리콘 원료인 실리콘 그래뉼을 고속 기계적 밀링장치를 이용하여 평균 입경 3㎛ 이하의 실리콘 입자를 제조하는 단계; 및
    b) 상기 a) 단계의 실리콘 입자와 유기 용매의 혼합물을 일정한 압력의 마이크로플루다이저를 이용하여 평균 입경 150nm 이하의 실리콘 나노 입자로 제조하는 단계;를 포함하며,
    상기 압력은 2,500bar 내지 3,000bar 이고,
    상기 마이크로플루다이저는 노즐이 서로 다른 2개를 사용하여 2단계로 진행되며,
    상기 2단계는 노즐 구경이 큰 마이크로플루다이저를 적용(b-1 단계)한 후에 노즐 구경이 작은 마이크로플루다이저를 적용(b-2 단계)하는 것이고,
    상기 서로 다른 2개의 노즐 구경은 75㎛, 100㎛, 200㎛, 및 400㎛ 중에서 선택되는 2개인 것을 특징으로 하는, 실리콘 나노 입자의 제조방법
  2. a) 하기 (a-1) 내지 (a-3) 단계를 포함하는 실리콘 원료인 실리콘 그래뉼을 고속 기계적 밀링장치를 이용하여 평균 입경 1㎛ 내지 3㎛의 실리콘 입자를 제조하는 단계: 및
    (a-1) 실리콘 원료인 실리콘 그래뉼을 함마밀을 이용하여 평균 입경 50㎛ 내지 100㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
    (a-2) 상기 (a-1) 단계의 실리콘 입자를 제트밀을 이용하여 평균 입경 5㎛ 내지 10㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
    (a-3) 상기 (a-2) 단계의 실리콘 입자를 유기 용매와 혼합 후, 비드밀 1을 이용하여 평균 입경 1㎛ 내지 3㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
    b) 상기 a) 단계의 실리콘 입자와 유기 용매의 혼합물을 일정한 압력의 마이크로플루다이저를 이용하여 평균 입경 150nm 이하의 실리콘 나노 입자로 제조하는 단계;를 포함하며,
    상기 압력은 2,500bar 내지 3,000bar 이고,
    상기 마이크로플루다이저는 노즐이 서로 다른 2개를 사용하여 2단계로 진행되며,
    상기 2단계는 노즐 구경이 큰 마이크로플루다이저를 적용(b-1 단계)한 후에 노즐 구경이 작은 마이크로플루다이저를 적용(b-2 단계)하는 것이고,
    상기 서로 다른 2개의 노즐 구경은 75㎛, 100㎛, 200㎛, 및 400㎛ 중에서 선택되는 2개인 것을 특징으로 하는, 실리콘 나노 입자의 제조방법
  3. a) 하기 (a-1) 내지 (a-4) 단계를 포함하는 실리콘 원료인 실리콘 그래뉼을 고속 기계적 밀링장치를 이용하여 평균 입경 0.5㎛ 내지 0.7㎛의 실리콘 입자를 제조하는 단계: 및
    (a-1) 실리콘 원료인 실리콘 그래뉼을 함마밀을 이용하여 평균 입경 50㎛ 내지 100㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
    (a-2) 상기 (a-1) 단계의 실리콘 입자를 제트밀을 이용하여 평균 입경 5㎛ 내지 10㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
    (a-3) 상기 (a-2) 단계의 실리콘 입자를 유기 용매와 혼합 후, 비드밀 1을 이용하여 평균 입경 1㎛ 내지 3㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
    (a-4) 상기 (a-3) 단계의 실리콘 입자와 유기 용매의 혼합물을 비드밀 2를 이용하여 평균 입경 0.5㎛ 내지 0.7㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
    b) 상기 a) 단계의 실리콘 입자와 유기 용매의 혼합물을 일정한 압력의 마이크로플루다이저를 이용하여 평균 입경 150nm 이하의 실리콘 나노 입자로 제조하는 단계;를 포함하며,
    상기 압력은 2,500bar 내지 3,000bar 이고,
    상기 마이크로플루다이저는 노즐이 서로 다른 2개를 사용하여 2단계로 진행되며,
    상기 2단계는 노즐 구경이 큰 마이크로플루다이저를 적용(b-1 단계)한 후에 노즐 구경이 작은 마이크로플루다이저를 적용(b-2 단계)하는 것이고,
    상기 서로 다른 2개의 노즐 구경은 75㎛, 100㎛, 200㎛, 및 400㎛ 중에서 선택되는 2개인 것을 특징으로 하는, 실리콘 나노 입자의 제조방법
  4. a) 하기 (a-1) 내지 (a-5) 단계를 포함하는 실리콘 원료인 실리콘 그래뉼을 고속 기계적 밀링장치를 이용하여 평균 입경 0.2㎛ 내지 0.4㎛의 실리콘 입자를 제조하는 단계: 및
    (a-1) 실리콘 원료인 실리콘 그래뉼을 함마밀을 이용하여 평균 입경 50㎛ 내지 100㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
    (a-2) 상기 (a-1) 단계의 실리콘 입자를 제트밀을 이용하여 평균 입경 5㎛ 내지 10㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
    (a-3) 상기 (a-2) 단계의 실리콘 입자를 유기 용매와 혼합 후, 비드밀 1을 이용하여 평균 입경 1㎛ 내지 3㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
    (a-4) 상기 (a-3) 단계의 실리콘 입자와 유기 용매의 혼합물을 비드밀 2를 이용하여 평균 입경 0.5㎛ 내지 0.7㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
    (a-5) 상기 (a-4) 단계의 실리콘 입자와 유기 용매의 혼합물을 비드밀 3을 이용하여 평균 입경 0.2㎛ 내지 0.4㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
    b) 상기 a) 단계의 실리콘 입자와 유기 용매의 혼합물을 일정한 압력의 마이크로플루다이저를 이용하여 평균 입경 150nm 이하의 실리콘 나노 입자로 제조하는 단계;를 포함하며,
    상기 압력은 2,500bar 내지 3,000bar 이고,
    상기 마이크로플루다이저는 노즐이 서로 다른 2개를 사용하여 2단계로 진행되며,
    상기 2단계는 노즐 구경이 큰 마이크로플루다이저를 적용(b-1 단계)한 후에 노즐 구경이 작은 마이크로플루다이저를 적용(b-2 단계)하는 것이고,
    상기 서로 다른 2개의 노즐 구경은 75㎛, 100㎛, 200㎛, 및 400㎛ 중에서 선택되는 2개인 것을 특징으로 하는, 실리콘 나노 입자의 제조방법
  5. a) 하기 (a-1) 내지 (a-6) 단계를 포함하는 실리콘 원료인 실리콘 그래뉼을 고속 기계적 밀링장치를 이용하여 평균 입경 0.1㎛ 내지 0.15㎛의 실리콘 입자를 제조하는 단계: 및
    (a-1) 실리콘 원료인 실리콘 그래뉼 을 함마밀을 이용하여 평균 입경 50㎛ 내지 100㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
    (a-2) 상기 (a-1) 단계의 실리콘 입자를 제트밀을 이용하여 평균 입경 5㎛ 내지 10㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
    (a-3) 상기 (a-2) 단계의 실리콘 입자를 유기 용매와 혼합 후, 비드밀 1을 이용하여 평균 입경 1㎛ 내지 3㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
    (a-4) 상기 (a-3) 단계의 실리콘 입자와 유기 용매의 혼합물을 비드밀 2를 이용하여 평균 입경 0.5㎛ 내지 0.7㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
    (a-5) 상기 (a-4) 단계의 실리콘 입자와 유기 용매의 혼합물을 비드밀 3을 이용하여 평균 입경 0.2㎛ 내지 0.4㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
    (a-6) 상기 (a-5) 단계의 실리콘 입자와 유기 용매의 혼합물을 비드밀 4를 이용하여 평균 입경 0.1㎛ 내지 0.15㎛의 실리콘 입자로 분쇄하는 단계
    b) 상기 a) 단계의 실리콘 입자와 유기 용매의 혼합물을 일정한 압력의 마이크로플루다이저를 이용하여 평균 입경 150nm 이하의 실리콘 나노 입자로 제조하는 단계;를 포함하며,
    상기 압력은 2,500bar 내지 3,000bar 이고,
    상기 마이크로플루다이저는 노즐이 서로 다른 2개를 사용하여 2단계로 진행되며,
    상기 2단계는 노즐 구경이 큰 마이크로플루다이저를 적용(b-1 단계)한 후에 노즐 구경이 작은 마이크로플루다이저를 적용(b-2 단계)하는 것이고,
    상기 서로 다른 2개의 노즐 구경은 75㎛, 100㎛, 200㎛, 및 400㎛ 중에서 선택되는 2개인 것을 특징으로 하는, 실리콘 나노 입자의 제조방법
  6. 제1항에 있어서, 상기 고속 기계적 밀링장치는 함마밀, 제트밀, 비드밀, 또는 이들의 혼합인 것을 특징으로 하는, 실리콘 나노 입자의 제조방법
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 실리콘 입자와 유기 용매의 혼합물 중 실리콘 입자의 사용량은 전체 혼합물 중 0.01 내지 25 중량%인 것을 특징으로 하는, 실리콘 나노 입자의 제조방법
  12. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유기 용매는 알코올류, 케톤류, 카보네이트류, 에테르류, 디메틸설폭사이드(DMSO), 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는, 실리콘 나노 입자의 제조방법
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