KR102311533B1 - 은-카본-금속계 나노 복합입자 및 이의 제조방법, 상기 나노 복합입자를 포함하는 전기 접점재료 - Google Patents

은-카본-금속계 나노 복합입자 및 이의 제조방법, 상기 나노 복합입자를 포함하는 전기 접점재료 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 접점재료로 사용 가능한 은-카본-금속계 나노 복합입자 및 이의 제조방법, 상기 나노 복합입자를 포함하는 전기 접점재료에 관한 것으로, 상기 나노 복합입자는 은(Ag) 입자; 상기 은 입자의 표면 및 내부에 분산된 카본계 제1미립자; 및 상기 은 입자의 표면 및 내부에 분산되고, 은(Ag)을 제외한 금속 또는 금속산화물계 제2미립자를 포함한다.

Description

은-카본-금속계 나노 복합입자 및 이의 제조방법, 상기 나노 복합입자를 포함하는 전기 접점재료{Ag-CARBON-METAL-BASED NANO COMPOSITE PARTICLE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF AND ELECTRIC CONTACT MATERIAL COMPRISING THE SAME}
본 발명은 전기 접점재료로 사용될 수 있는 은-카본-금속계 나노 복합입자 및 이의 제조방법, 상기 나노 복합입자를 포함하는 전기 접점재료에 관한 것이다.
일반적으로 전기 접접재료는 스위치 형식의 차단기 또는 개폐기 등의 전기 기기에서 전기회로의 개폐를 제어하는데 사용되는 통전용 접촉 재료로서, MC, MCB, MCCB, 모터 스위치, 스위치 기어, 자동차 및 가전제품 등에 적용된다. 이러한 전기 접점재료는 그 주요 기능인 전기의 개폐기능과 관련하여 고융점, 열전도도, 전기전도도 및 내용착성이 우수하고 접촉 저항이 낮은 것이 요구된다. 또한 전기회로를 기계적으로 접속하고 있으므로, 내마모성과 관련하여 경도가 높은 것이 요구된다.
전기 접점재료는 그 사용전류의 영역과 특성에 따라 소전류용(1A 이하), 중전류용(1A~1,000A) 및 대전류용(1,000A 이상) 접점재료로 분류될 수 있다. 소전류용 접점재료로는 일반적으로 전기의 개폐 역할만 하는 것으로서, 전기전도도가 우수한 재료가 사용된다. 중전류용 접점재료는 전기전도도 뿐만 아니라 전기 개폐시 발생하는 아크(arc)로 고압 및 고열의 환경 하에서 견딜 수 있는 내마모성, 융점 등이 우수한 재료가 사용된다. 또한, 대전류용 접점재료는 전술한 특성을 모두 만족시키는 고융점의 재료가 사용된다.
상기한 특성을 만족하는 전기 접점재료는 그 재질에 따라 W계, Ag-산화물계, 귀금속계, Cu-계 등으로 분류될 수 있으며, 이중에서도 Ag-CdO계가 널리 사용되고 있다. 그러나 Ag-CdO계 전기 접점재료는 산화카드뮴 함량이 증가할수록 가공성이 떨어지고, 산화물 입자간의 응집력이 커지게 되어 오히려 접촉저항이 높아지고 접점의 수명저하가 발생되는 문제점이 있다. 또한 카드뮴(Cd)은 세계보건기구(WHO: World Health Organization) 및 세계무역기구(WTO: World Trade Organization)에서 인체 및 환경 유해물질로 규정하여 그 사용이 각 국가별로 점차 규제되고 있으며, 특히 유럽 전역에서는 전면 사용금지 조치됨에 따라, Cd를 대체하는 신규 접점재료의 개발이 요구되는 상황이다.
이에 따라, 카드뮴(Cd) 대신 주석(Sn)이나 인듐(In) 등의 산화물 합금을 이용하여 전기접점을 사용하고 있으나, 가공성 문제로 인해 주석과 인듐의 함량을 12 중량% 이하로 제한하고 있다. 또한, 산화물 대신 고함량의 니켈(Ni)을 포함하는 은(Ag)-니켈(Ni)계 합금도 개발되고 있으나, 니켈(Ni)의 함량이 증가할수록 제품의 가공이 어려우며, 전기전도도의 저하로 인한 발열 발생으로 인해 전기접점의 작동 중 융착되거나 또는 탈락되는 문제가 발생하게 된다.
최근에는 내마모성과 전기적 특성 등을 향상시키기 위하여, 은(Ag)에 니켈(Ni)과 카본(C)을 첨가하여 전기 접점재료를 구성하는 기술이 개시되고 있다. 종래 용해주조법으로는 니켈(Ni)의 고용한도를 10 중량% 이상 증대시킬 수 없으므로, 용해주조법 대신 분말야금법을 적용하고 있다. 그러나 분말야금법으로 제조시 은(Ag) 분말과 니켈(Ni) 등의 금속 분말의 균일한 혼합이 이루어지지 못하여, 니켈(Ni) 분말이 상대적으로 응집된 부분에서는 열이 발생하게 되고, 상대적으로 니켈(Ni)이 적은 부분에서는 부분 용해가 일어나게 된다. 따라서, 전기접점 재료로서의 신뢰성 저하가 필수로 초래된다. 또한 분말혼합법 등의 방법을 적용하고 있으나, 이 경우 니켈(Ni) 등 금속의 크기를 제어할 수 있는 방법 자체가 전무한 상태이다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 종래 분말야금법이나 분말혼합법 대신 플라즈마법을 새롭게 적용함으로써, 은-카본-금속계 나노 복합입자를 제조할 수 있을 뿐만 아니라 상기 복합입자 내 포함되는 금속 미립자와 카본 미립자의 분산도, 응집도, 크기(입경) 및 조성 등을 용이하게 제어할 수 있음을 착안하였다.
이에, 본 발명은 전기 접점재료로 사용될 수 있는 은-카본-금속계 나노 복합입자 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 전술한 은-카본-금속계 나노 복합입자를 포함하여 고경도 및 우수한 전기전도도를 갖는 전기 접점재료를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 은 입자; 상기 은 입자의 표면 및 내부에 분산된 카본계 제1미립자; 및 상기 은 입자의 표면 및 내부에 분산되고, 은(Ag)을 제외한 금속 또는 금속산화물계 제2미립자를 포함하는 은-카본-금속계 나노 복합입자를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 카본계 제1미립자의 평균 입경은 5 내지 20 ㎚ 일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 금속계 제2미립자는 Ni, Cu, W, Au, In, Sn, Zn, Cd, Pd, Pt, Bi, Te, 및 Se로 구성된 군에서 선택되는 적어도 1종의 금속 또는 이들의 합금(alloy)일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 금속산화물계 제2미립자는 In, Sn, Zn, 및 Cd 중에서 선택되는 적어도 1종의 금속을 포함하는 금속산화물일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 또는 금속산화물계 제2미립자의 평균 입경은 5 내지 100 nm일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 은-카본-금속계 나노 복합입자 당해 나노 복합입자 100 중량부를 기준으로 하여, 카본계 제1미립자 1~2 중량부; 금속 또는 금속산화물계 제2미립자 10~45 중량부; 및 상기 나노 복합입자 100 중량부를 만족시키는 잔량의 은(Ag)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 은의 함량은 당해 나노 복합입자 100 중량부를 기준으로 하여 55~90 중량부일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 평균 입경이 10 ㎚ 내지 1 ㎛일 수 있다.
또한 본 발명은 전술한 은-카본-금속계 나노 복합입자를 포함하는 전기 접점재료를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 전기 접점재료는 99.5% 이상의 순도; 105 내지 130 Hv 의 경도; 및 70 내지 85 %IACS의 전기전도도를 가질 수 있다.
아울러, 본 발명은 상기 은-카본-금속계 나노 복합입자의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제조방법은 (i) 반응 챔버의 카본(carbon)계 플라즈마 몰드에 은(Ag) 원료 물질, 금속 또는 금속산화물 함유 원료 물질을 장입하는 단계('S100'); 및 (ii) 상기 반응 챔버의 진공도를 0 내지 400 torr로 설정하고, 인가 전력을 10 내지 22.5 kW로 조절하여 플라즈마를 생성하고, 생성된 플라즈마에 의해 은-카본-금속계 나노 복합입자를 형성하는 단계('S200')를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 (S200) 단계에서 반응 챔버에는 불활성기체, 또는 불활성기체와 수소 가스가 혼합된 반응 가스가 공급되고, 상기 반응 가스의 유량은 50 내지 200 SLM일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 (S200) 단계에서 반응 챔버에는 200 내지 260 A의 전류 및 50 내지 75 V의 전압이 인가될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 은-카본-금속계 나노 복합입자에 포함된 카본계 제1미립자는 플라즈마에 의해 카본계 플라즈마 몰드의 적어도 일부가 상 변화(phase transition)하거나 또는 탈리하여 생성된 것일 수 있다.
본 발명에서는 플라즈마법을 적용함으로써, 전기전도도 및 경도 면에서 종래 분말야금법에 의해 제조된 은-카본-니켈 전기 접점소재보다 우수한 전기 접점재료를 제공할 수 있다.
또한 본 발명에서는 금속의 종류나 형태에 제한 없이, 은(Ag)-카본-금속이 고용된 전기 접점재료를 구성할 수 있으므로, 다양한 크기, 형태 및 조성을 갖는 전기 접점재료를 제공할 수 있다. 이러한 전기 접점재료는 각종 스위치, 릴레이, 전자개폐기, 차단기 등의 전기기기 내 구비되는 전기회로의 개폐 및 접촉에 사용 가능한 전기 접점재료로서 유용하게 적용될 수 있다.
아울러 본 발명에서는 건식법의 장점을 살려 제조시간, 제조공정 및 작업인원을 감축할 수 있으므로, 기존 제품보다 높은 제조효율과 우수한 경쟁력을 가지는 제품을 확보할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 은-카본-금속계 나노 복합입자는 전기 접점재료 분야 뿐만 아니라 은(Ag) 분말을 사용하는 다양한 분야의 국내 및 해외 시장에 확대 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 은-카본-금속계 나노 복합입자의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 실시예 7에서 제조된 은-카본-금속계 나노 복합입자의 단면을 나타내는 TEM 사진이다.
도 3은 실시예 7에서 제조된 은-카본-금속계 나노 복합입자의 SAD 패턴 이미지이다.
도 4는 비교예 3에서 제조된 은-카본-금속계 나노 복합 입자의 단면을 나타내는 TEM 사진이다.
도 5는 비교예 3에서 제조된 은-카본-금속계 나노 복합 입자의 SAD 패턴 이미지이다.
도 6 내지 7은 비교예 4에서 제조된 은-카본-금속계 복합 입자의 SEM 사진이다.
도 8 내지 9는 비교예 5에서 제조된 은-카본-금속계 복합 입자의 SEM 사진이다.
도 10은 은, 니켈 및 카본의 혼합 분말로 제조된 비교예 1의 전기 접점재료의 단면 SEM 사진이다.
도 11은 실시예 7의 은-카본-금속계 나노 복합입자로 제조된 전기 접점재료의 단면 SEM 사진이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
종래 전기 접점재료 중 하나인 은-카본-니켈(Ag-C-Ni) 접점재료는 은 분말, 니켈 분말과 카본 분말을 소정의 조성을 갖도록 칭량한 후 혼합하는 분말야금법이나 분말혼합법을 통해 제조하였다. 그러나 이 경우 니켈과 카본의 균일한 분산이 어려울 뿐만 아니라 이들의 응집도와 크기를 제어할 수가 없으므로, 신뢰성 있는 전기 접점재료를 얻을 수 없었다.
이에, 본 발명에서는 건식법의 일종인 플라즈마법을 채용함으로써, 은-카본-금속 간의 조성이 균일하면서, 형성된 복합입자 내 포함되는 금속 미립자와 카본 미립자의 분산도, 응집도, 크기(입경), 고용 한도 등이 제어 가능한 나노 복합입자를 제공할 수 있다.
즉, 플라즈마를 통한 분말 제조시, 고온의 플라즈마로 원료 물질(예, 은 및/또는 금속 함유 원료물질 등)을 용해시킨 후 급냉시키면, 상기 원료 물질에 포함된 금속을 고용 한도 이상으로 고용한 채로 냉각되어 과포화된 복합입자(예, 합금 분말)를 제조할 수 있다. 특히, 본 발명에서는 별도의 카본 물질이나 카본 반응가스를 사용하지 않고도, 플라즈마 조건을 특정 범위로 제어함으로써 플라즈마 몰드로부터 유래된 탄소 미립자를 포함하는 복합 입자를 형성할 수 있다. 상기 복합 입자 내 포함되는 금속과 카본 물질은 각각 전기전도성과 경도를 높이는 물질이다. 특히 카본계 플라즈마 몰드로부터 유래된 탄소 미립자는 소량 (예, 5 중량% 미만) 포함되므로, 복합입자에 포함되는 금속의 고용한도가 대략 35 중량% 정도로 증가함에 따른 전기전도도 및 열전도도 문제를 해결할 수 있는 도펀트(dopant) 역할을 할 수 있다. 더불어, 본 발명에서는 형성된 은-카본-금속계 복합 입자 내에서 조성, 분산도 및 입경의 균일도를 높임으로써, 전기접점 재료로 적용시 내구성을 높일 수 있다.
또한, 첨가되는 금속 원소의 사용량으로 인해 은(Ag)의 사용량을 저감시킬 수 있으므로, 원가 경쟁력을 높일 수 있다.
전술한 본 발명의 은-카본-금속계 나노 복합입자는 우수한 경도 및 전기전도도를 가짐에 따라, 각종 스위치, 릴레이, 전자개폐기, 차단기 등의 전기기기 내 구비되는 전기회로의 개폐 및 접촉에 사용 가능한 전기 접점재료로 유용하게 사용될 수 있다.
<은-카본-금속계 나노 복합입자>
도 1은 본 발명에 따른 은-카본-금속계 나노 복합입자를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
본 발명에 따른 은-카본-금속계 나노 복합입자(10)는 은 입자(11), 카본계 제1 미립자(12) 및 금속계 제2미립자(13)를 포함한다.
은 입자(11)는 전기 전도도가 높고, 접촉 저항이 낮아 큰 전류에서도 접촉시 온도 상승이 작다. 이러한 은 입자는 비구형의 불규칙적인 형상을 가질 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고 구형의 형상을 가질 수 있다.
카본계 제1미립자(12)는 전기 전도도 및 경도가 높다. 이러한 카본계 제1미립자(12)는 도 1에 도시된 바와 같이, 은 입자(11)의 표면 및 내부에 분산되어 있다. 이때, 카본 제1미립자(12)와 은 입자(11) 사이에 빈틈, 예컨대 기공이 존재하지 않는다. 즉, 카본계 제1미립자(12)는 은 입자(11)의 매질에 단단히 밀착되어 있다. 따라서, 본 발명은 은 입자로만 이루어진 입자에 비해, 내마모성 및 내충격성이 향상될 수 있을 뿐만 아니라, 전기 접점의 가공성도 향상시킬 수 있다.
이러한 카본계 제1미립자(12)는 나노 사이즈의 입자로, 바람직하게 평균 입경이 5 내지 20㎚일 수 있으며, 구체적으로 5 내지 10 ㎚일 수 있다. 전술한 범위의 평균 입경을 가진 카본 제1미립자들(12)은 서로 과대하게 응집되어 있지 않고, 은 입자(11)의 표면 및 내부에 균일하게 분산될 수 있다. 따라서, 본 발명의 은-카본-금속계 나노 복합입자(10)를 전기 접점의 원료 물질로 사용될 경우, 카본 제1미립자들(12)의 과대 응집으로 인한 열 발생이 최소화되어 접점 내 부분 용해의 발생이 감소하기 때문에, 전기 접점의 신뢰성이 향상될 수 있다.
본 발명의 카본계 제1미립자(12)의 형상은 특별히 제한되지 않으며, 비구형의 불규칙적인 형상일 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고 구형의 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 카본계 제1미립자(12)는 플라즈마에 의해 카본계 플라즈마 몰드의 적어도 일부가 상 변화(phase transition)하거나 또는 탈리하여 형성된 것일 수 있다. 이러한 카본계 제1미립자(12)는 결정질, 비정질 또는 이들이 혼재된 결정구조일 수 있다. 상기 카본 제1미립자(11)가 결정 구조를 가질 경우 비결정질 카본 미립자에 비해 은-카본-금속계 나노 복합입자의 전기전도도 및 경도를 더 높일 수 있다.
금속계 제2미립자(13)은 전기 전도도 및 경도가 높다. 이러한 금속계 제2미립자(13)는 플라즈마법을 적용하여 미립자를 형성할 수 있는 당 분야의 통상적인 금속일 수 있다. 또한 상기 금속을 적어도 1종 이상 함유하는 합금(alloy) 형태이거나, 상기 금속을 함유하는 금속산화물 형태일 수 있다.
본 발명의 일 구현예를 들면, 상기 금속계 제2미립자(13)는 Ni, Cu, W, Au, In, Sn, Zn, Cd, Pd, Pt, Bi, Te, 및 Se로 구성된 군에서 선택되는 적어도 1종의 금속 또는 이들의 합금일 수 있다. 바람직한 일 구현예를 들면, 상기 금속계 제2미립자(13)는 금(Au), 구리(Cu), 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하는 금속 또는 합금일 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예를 들면, 상기 금속산화물계 제2미립자(13)는 In, Sn, Zn, 및 Cd 중에서 선택되는 적어도 1종의 금속을 함유하는 금속산화물일 수 있다. 전술한 금속 성분 또는 금속산화물 이외에, 본 발명에서는 당 분야에 공지된 금속탄화물, 금속질화물을 제2미립자 형태로 포함하는 것도 본 발명의 범주에 속한다.
상기 금속 또는 금속산화물계 제2미립자(13) 또한 나노 사이즈의 입자로서, 평균 입경은 100nm 이하일 수 있으며, 구체적으로 5 내지 100 nm일 수 있다. 전술한 평균 입경을 가진 금속 또는 금속산화물계 제2미립자(13) 역시 은 입자(11)의 표면 및 내부에 균일하게 분산될 수 있다. 따라서, 본 발명의 은-카본-금속계 나노 복합입자(10)를 전기 접점의 원료 물질로 사용될 경우, 금속 분말이 균일하게 분포됨에 따라, 종래 금속의 과대 응집에 의한 열 발생과, 금속이 상대적으로 결핍된 부분의 용해 발생 현상이 모두 최소화되어 전기 접점재료의 신뢰성을 개선할 수 있다.
본 발명에 따른 은-카본-금속계 나노 복합입자(10)에서, 은 입자(11), 카본 제1미립자(12)와 금속계 제2미립자(13) 간의 함량 비율은 특별히 제한되지 않는다. 일례로, 나노 복합입자 전체 100 중량부를 기준으로 하여, 카본계 제1미립자 1~2 중량부; 금속 또는 금속산화물계 제2미립자 10~45 중량부; 및 상기 나노 복합입자 100 중량부를 만족시키는 잔량의 은(Ag)을 포함할 수 있다. 바람직한 일 구현예를 들면, 상기 은-카본-금속계 나노 복합입자는, 당해 나노 복합입자 전체 100 중량부를 기준으로 하여, 카본계 제1미립자 1~2 중량부; 금속 또는 금속산화물계 제2미립자 10~35 중량부; 및 잔량의 은(Ag)의 조성을 가질 수 있다.
이때, 상기 은 입자의 함량은 당해 나노 복합입자 100 중량부를 기준으로 하여 55~90 중량부일 수 있으며, 바람직하게는 63~90 중량부일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 65~90 중량부일 수 있다. 전술한 조성을 가질 경우, 본 발명의 은-카본-금속계 나노 복합입자(10)는 높은 경도 및 전기전도도를 갖는다.
전술한 본 발명의 은-카본-금속계 나노 복합입자(10)의 평균 입경은 약 10 ㎚ 내지 1 ㎛ 범위일 수 있으며, 바람직하게는 약 50 내지 500 ㎚, 더욱 바람직하게는 약 50 내지 150 ㎚일 수 있다. 이러한 평균 입경을 가진 본 발명의 은-카본-금속계 나노 복합입자(10)는 99.5 내지 99.9 %의 순도, 105 내지 130 Hv 범위의 경도와, 70 내지 85 %IACS의 전기전도도를 가질 수 있다.
따라서, 본 발명의 은-카본-금속계 나노 복합입자는 높은 전기전도도, 내마모성 및 내융착성이 요구되는 기술분야, 예컨대 전기 접점, 구체적으로 1A 이하의 소전류용 전기 접점뿐만 아니라, 1A 이상~1000A 미만의 중전류용이나 1000A 이상의 대전류용 접점에도 사용될 수 있다.
<은-카본-금속계 나노 복합입자의 제조방법>
본 발명에 따른 은-카본-금속계 나노 복합입자는 당 분야에 공지된 플라즈마법을 이용하여 하기와 같이 제조될 수 있다.
플라즈마법은 건식법의 일종으로서, 다른 극성의 전극 사이로 가스를 흘려보내 가스를 이온화시키고(플라즈마 상태), 이온화된 가스가 환원하여 방출되는 고열에 의해 원료분말(예, 은 원료 물질, 금속 또는 금속산화물 함유 원료 물질, 또는 은과 금속을 함유하는 원료물질)을 녹여 분사한 후 입자화하는 것이다. 즉, 플라즈마 건(plasma gun) 내의 음극과 양극 사이에서 전리된 플라즈마 가스가 방출되어 고에너지를 형성하는데, 이러한 고온의 불꽃에 분말을 공급하면 원료 분말은 단시간에 용융되어 충돌하면서 균일하고 미세한 결정립을 형성한다. 이와 같이 플라즈마법은 원료분말의 용융 및 입자 형성 속도가 매우 빠를 뿐만 아니라, 형성된 입자(예, 은-카본-금속계 나노 복합입자)가 원료 분말의 조성을 거의 그대로 유지하기 때문에, 새롭게 형성되는 복합입자의 조성, 크기, 구조 및 분산도 조절이 용이하고, 기존 금속 이외에 세라믹 재료 등 다양한 복합재료 등도 쉽게 증착시킬 수 있다. 또한 종래 습식법에 비해 원료 분말의 제조시간이 단축되며, 공정의 위험성이 적고 친환경적일 뿐만 아니라, 종래 건식법/습식법에 의해 제조된 복합입자에 비해 크기가 작은 고순도의 은-카본-금속 나노 복합입자를 얻을 수 있다.
상기 제조방법의 일 실시형태를 들면, (S100) 반응 챔버의 카본(carbon)계 플라즈마 몰드에 은(Ag) 원료 물질, 금속 또는 금속산화물 함유 원료 물질을 장입하는 단계; 및 (S200) 상기 반응 챔버의 진공도를 0 내지 400 torr로 설정하고, 인가 전력을 10 내지 22.5 kW로 조절하여 플라즈마를 생성하고, 생성된 플라즈마에 의해 은-카본-금속계 나노 복합입자를 형성하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
이하, 상기 제조방법을 각 공정 단계별로 나누어 설명하면 다음과 같다.
(i) 원료 물질을 플라즈마 몰드에 장입하는 단계('S100 단계').
상기 S100 단계에서는, 은(Ag) 원료 물질, 금속 또는 금속산화물 함유 원료 물질 플라즈마 몰드[또는 도가니(Crucible)]에 투입한다.
은(Ag) 원료 물질은 은을 함유하는 화합물이나 은 합금(alloy)을 제한 없이 사용할 수 있다.
금속 또는 금속산화물 함유 원료물질은, 당 분야에 공지된 금속을 함유하는 화합물(예, 금속염), 금속 합금 또는 금속산화물을 제한 없이 사용할 수 있다. 상기 금속 원료물질에 포함되는 금속의 구체적인 일례를 들면, Ni, Cu, W, Au, In, Sn, Zn, Cd, Pd, Pt, Bi, Te, 및 Se로 구성된 군에서 선택되는 적어도 1종의 금속 또는 이들의 합금일 수 있다. 바람직하게는 금(Au), 구리(Cu), 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하는 금속 또는 합금일 수 있다. 또한 상기 금속산화물은, In, Sn, Zn, 및 Cd 중에서 선택되는 적어도 1종의 금속을 함유하는 금속산화물일 수 있다.
상기 은(Ag) 원료 물질과 금속 또는 금속산화물 함유 원료물질은, 전체 원료 분말 100 중량%를 기준으로 55~90 : 10~45 중량비일 수 있으며, 바람직하게는 63~90 : 10~37 중량비일 수 있다. 상기 금속 또는 금속산화물 함유 원료물질의 함량이 전술한 범위를 만족할 경우 전기접점 재료로 사용시, 내용착성을 향상시킬 수 있으며, 제조된 전기접점 재료의 우수한 접촉저항과 가공성을 나타낼 수 있다.
한편 은(Ag) 원료 물질과 금속 또는 금속산화물 함유 원료물질은 각각 별도의 원료물질을 사용할 수 있으며, 또는 은과 금속을 포함하는 단일 화합물 또는 합금을 사용할 수도 있다. 이와 같이 은과 금속이 서로 포함된 단일 형태의 화합물 또는 합금을 사용할 경우, 플라즈마 처리시 은과 금속이 서로 균일하게 용해됨에 따라 제조되는 나노 복합입자 역시 투입된 조성비에 가장 근접한 조성을 가질 수 있다.
또한 원료물질을 플라즈마 처리하기 위한 몰드의 재료는 특별히 한정되지 않으며, 당 분야에 공지된 카본(C) 재질의 몰드를 사용할 수 있다.
(ii) 플라즈마 처리하여 은-카본-금속계 나노 복합입자 형성단계('S200 단계').
상기 S200 단계에서는, 원료물질이 장입된 반응 챔버에 플라즈마를 생성하여 를 은-카본-금속계 나노 복합입자를 형성한다.
상기 S200 단계를 구체적으로 설명하면, 원료 물질이 배치된 몰드를 플라즈마 장비의 반응 챔버에 장착한 후, 반응 챔버를 닫고 펌프를 이용하여 진공을 뽑는다. 소정의 진공도에 도달하면 불활성 가스를 이용하여 작업 진공도를 소정의 범위로 유지한다.
작업 진공도가 유지되면 플라즈마 가스(Plasma Gas)를 투입하고 플라즈마를 생성한다.
플라즈마 처리 단계에서, 전력, 시간 및 작업 진공도의 조건은 당 업계에 공지된 조건 내에서 적절히 조절할 수 있다. 일례로, 인가 전력은 10 내지 22.5 kW일 수 있으며, 바람직하게는 15 내지 22.5 kW일 수 있다. 또한 플라즈마 처리 시간은 10 내지 240분일 수 있으며, 진공도는 0 내지 400 torr 일 수 있으며, 바람직하게는 50 내지 400 torr일 수 있다. 상기 플라즈마 처리 단계에서, 전력이 10 kW 미만인 경우 은-카본-금속계 나노 복합입자의 수율이 감소할 수 있으며, 22.5 kW를 초과하면 은-카본-금속계 나노 복합입자의 크기가 커질 수 있다. 또한, 상기 작업 진공도가 0 torr 미만이면 플라즈마 분포가 넓어져 플라즈마 형성을 위한 양극 몰드의 수명이 짧아지고, 400 torr를 초과하면 은-카본-금속계 나노 복합입자의 크기가 커질 수 있다. 따라서, 플라즈마 처리는 상술한 조건 내에서 이루어지는 것이 바람직하다.
플라즈마는 당 분야에 공지된 다양한 플라즈마를 제한 없이 사용할 수 있으며, 일례로 직류(DC) 이송식 플라즈마를 적용할 수 있다. 이때 인가 전압은 50 내지 75 V로, 인가 전류는 200 내지 260 A로 각각 조절하는 것이 바람직하다.
플라즈마 처리가 진공 및 불활성 분위기하에서 수행될 경우, 각 원료 분말의 산화가 방지되어 바람직하다. 이러한 불활성 분위기를 조성하기 위한 분위기 가스의 성분은 특별히 한정되지 않으며, 일례로 아르곤(Ar), 질소(N2), 수소(H2), 메탄(CH4), 헬륨(He) 등이 있다. 이들을 단독으로 또는 2종 이상을 혼용할 수 있다.
또한, 플라즈마 형성을 위해 사용되는 반응가스의 성분 역시 특별히 한정되지 않으며, 일례로 아르곤(Ar), 질소(N2), 수소(H2), 헬륨(He) 등이 있다. 이들을 단독으로 사용하거나 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 구체적으로 아르곤, 질소, 아르곤 + 질소, 아르곤 + 수소, 질소+수소를 사용할 수 있다. 이러한 상기 반응가스의 가스유량은 20 내지 200 SLM(standard litters per minute)인 것이 바람직하나, 이에 특별히 제한되지 않는다.
생성된 플라즈마는 고에너지를 갖는데, 이러한 고에너지에 의해 은 원료물질, 금속 또는 금속산화물 함유 원료물질이 각각 기화, 액화 또는 승화 등의 상(phase) 변화가 일어나게 된다. 이와 동시에, 상기 원료물질이 투입된 카본계 플라즈마 몰드의 적어도 일부가 상 변화하게 된다. 이와 같이 상(phase) 변화된 원료물질들 중에서 상대적으로 융점이 낮은 은(Ag)은 먼저 응집하고 분말화되어 상대적으로 입경이 큰 은(Ag) 입자를 형성하게 되며, 이어서 금속과 카본이 분말화되어 은 입자의 표면 및 내부에 균일하게 분산된 형태의 제1 및 제2미립자를 각각 형성하게 된다. 이에 따라, 본 발명에서는 은(Ag) 원료 물질로부터 유래된 은 입자, 금속 또는 금속산화물 함유 원료 물질로부터 유래된 금속계 제2미립자, 및 카본계 플라즈마 몰드의 적어도 일부가 상 변화(phase transition)하거나 또는 탈리하여 생성된 카본계 제1미립자가 포함된 은-카본-금속(예, Ag-C-M)계 나노 복합입자가 형성된다.
플라즈마 처리하고 충분히 냉각한 후, 반응 챔버를 개방하여 형성된 은-카본-금속계 나노 복합입자를 취출한다.
상기와 같이 플라즈마 처리로 형성된 본 발명의 은-카본-금속계 나노 복합입자의 크기는 특별히 한정되지 않으며, 일례로 약 10㎚ 내지 1,000 ㎚ 범위일 수 있다. 이때, 형성된 복합입자 중에서 약 0.3 %는 입자 크기가 1,000 ㎚를 초과할 수 있는데, 이들은 원료 물질로 재사용할 수 있다.
한편 본 발명에서는 건식법의 일종인 플라즈마법을 사용하여 은-카본-금속계 나노 복합입자를 제조하는 것을 구체적으로 예시하였다. 그러나 상기에 제한되지 않으며, 그 외 당 업계의 공지된 건식법 또는 습식법 등을 통해 분말화시켜 얻는 것도 본 발명의 범주에 속한다.
<전기 접점재료>
본 발명은 전술한 은-카본-금속(Ag-C-M)계 나노 복합입자를 포함하는 전기 접점재료를 제공한다.
여기서, 상기 나노 복합입자에 포함되는 금속은, 당 분야에 공지된 적어도 1종의 금속, 금속 합금(alloy), 또는 금속산화물 형태일 수 있다. 그러나 이에 제한되지 않으며, 금속을 포함하는 다양한 화합물 형태(예, 금속탄화물, 금속질화물 등)를 사용하는 것도 본 발명의 범주에 속한다.
본 발명의 전기 접점재료는 은, 카본 및 금속(M)을 모두 포함하면서, 금속(M)의 고용 한도를 대략 35%까지 증대시킬 수 있으므로, 우수한 경도 및 전기전도도를 나타낼 수 있다. 구체적으로 상기 전기 접점재료는 99.5% 이상의 순도를 가질 수 있으며, 바람직하게는 순도가 99.5 내지 99.99%일 수 있다. 또한 상기 전기 접점재료는 105 내지 130 Hv 범위의 경도와, 70 내지 85 %IACS의 전기전도도를 가질 수 있다.
상기 전기 접점재료는 우수한 경도 및 전기전도도를 나타내므로, 내마모성과 내용착성이 요구되는 기술분야, 일례로 각종 스위치, 릴레이, 전자개폐기, 차단기 등의 모든 전기기기 내 구비되는 전기회로의 개폐 및 접촉에 관련된 전기 기구나 전기설비 등의 접점에 사용되는 것이 바람직하다. 그러나 이에 특별히 제한되지 않으며, 전술한 은-카본-금속(Ag-C-M)계 나노 복합입자가 적용될 수 있는 모든 용도에 적용 가능하다. 일례로, 촉매, 화장품, 식품, 냉장고, 의료, 의류, 코팅층, 정화 및 세척 등의 각종 용도에 기능성 분말로 사용될 수 있다.
이하 본 발명을 실시예를 통해 구체적으로 설명하나, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명의 한 형태를 예시하는 것에 불과할 뿐이며, 본 발명의 범위가 하기 실시예 및 실험예에 의해 제한되는 것은 아니다.
[실시예 1. 은-카본-니켈 나노 복합입자의 제조(1)]
순도가 4N 이상인 은 벌크(Ag Bulk) 650g 및 니켈 벌크(Ni bulk) 350g을 100 kw급 DC 이송식 플라즈마 장비 내의 카본 플라즈마 몰드에 투입하였다. 이어서, 플라즈마 장비에 부착된 진공펌프로 10-2 torr까지 감압한 후 질소(N2)와 아르곤(Ar)의 분위기 가스(가스 유량: 150 SLM)를 공급하여 작업 진공도를 200 torr 설정한 다음, 플라즈마 반응가스(질소, 아르곤와 수소(H2)의 혼합가스, 가스유량: 50 SLM)를 공급하고, 10~30 kW의 전력을 인가하여 플라즈마를 생성시켜 은-카본-니켈 나노 복합입자(은-카본-니켈 나노 복합입자의 평균 입경: 100 ㎚, 카본 제1미립자의 평균 입경: 10 ㎚, 니켈 제2미립자의 평균 입경: 100 ㎚)를 제조하였다.
[실시예 2. 은-카본-니켈 나노 복합입자의 제조(2)]
원료로서 순도가 4N 이상인 Ag-Ni 합금(Ag-35wt% Ni) 1kg을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 실시하여 은-카본-니켈 나노 복합입자(나노 복합입자의 평균 입경: 100 ㎚, 카본 제1미립자의 평균 입경: 10 ㎚, 니켈 제2미립자의 평균 입경: 15 ㎚)를 제조하였다.
[비교예 1]
은 분말, 니켈 분말 및 카본 분말을 각각 64 중량% : 34 중량% : 2 중량%의 조성비로 칭량하여 혼합한 후, 상기 혼합물과 지르코니아 볼을 1 : 1 중량비로 하여 볼밀 장비에 투입한 후 250 rpm으로 5시간 혼합하여 비교예 1의 전기 접점재료를 제조하였다.
[실험예 1. 조성 평가]
본 발명에 따른 은-카본-금속계 나노 복합입자의 조성을 확인하기 위해서, EDS(Energy Dispersive Spectrometer) 및 유도 결합 플라즈마(ICP: Inductively coupled plasma)를 이용하여 분석하였다.
샘플로는 실시예 1 및 2의 은-카본-니켈 나노 복합입자를 사용하였으며, 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
조성 (중량%) 실시예 1 실시예 2
EDS Ag 81 66
Ni 19 34
ICP Ag 46 64
Ni 54 36
참고로, EDAX 분석을 통해 확인된 실시예 1과 2의 조성은 모두 동일하게 Ag-65 중량% 및 Ni-35 중량% 이었다.
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 반응물로서 별도의 은 원료와 니켈 원료를 사용한 실시예 1 에서는 나노 복합입자의 위치에 따라 은과 니켈의 함량이 다소 차이가 나는 것을 알 수 있었다. 이는, 별도로 사용된 은 원료와 니켈 원료가 각각 플라즈마에 의해 용융되되, 상대적으로 융점이 낮은 은(Ag)이 먼저 분말화되고, 이어서 니켈이 용해 및 분말화되어 복합입자를 구성함으로써, 나노 복합입자의 위치에 따라 해당 조성차이가 크게 나타나는 것으로 추정될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 실시예 1에서 전체 분말의 조성비는 65 : 35 중량비로서, 원료 분말과 동일한 조성을 갖는다.
이에 비해, 반응물로서 은과 니켈이 서로 혼합된 상태인 Ag-Ni 합금을 사용하는 실시예 2의 경우, 플라즈마 처리시 은과 니켈이 서로 균일하게 용해되며, 이로 인해 제조된 나노 복합입자의 위치에 상관없이 비슷한 조성을 가진다는 것을 알 수 있었다. 구체적으로 실시예 2의 나노 복합입자는 투입된 원료분말의 조성과 비교하여 오차 범위 이내의 조성을 가졌다.
[실험예 2. 은-카본-금속계 나노 복합입자의 물성 평가]
하기 표 2와 같이 플라즈마 조건을 변경한 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일하게 수행하여 실시예 3~10 및 비교예 2~5의 은-카본-금속계 나노 복합입자를 제조하였다.
이때 비교예 2는 카본 플라즈마 몰드 대신 은-니켈(Ag-Ni) 합금 몰드를 사용한 대조군이다.
전압
(V)		 전류
(A)		 전력
(kW)		 Ag-Ni
투입량
(kg)		 진공도
(torr)		 몰드
재질		 분말크기
(Range)
실시예 3 75 200 15.0 1 100 C ~ 50㎚
4 75 200 15.0 1 200 C ~ 50㎚
5 75 200 15.0 1 300 C ~ 100㎚
6 75 200 15.0 1 400 C ~ 1㎛
7 75 260 19.5 1 200 C ~ 100㎚
8 75 300 22.5 1 200 C ~1㎛
9 65 200 13.0 1 200 C ~ 100㎚
10 65 300 19.5 1 200 C ~ 1㎛
비교예 2 65 200 13.0 1 200 Ag-Ni ~ 100㎚
비교예 3 55 150 8.3 1 200 C ~ 100㎚
비교예 4 100 300 30.0 1 200 C ~100㎛
비교예 5 75 200 15.0 1 500 C ~100㎛
실험 결과, Ag-Ni 합금 플라즈마 몰드를 사용하는 비교예 2에서는 Ag-Ni 나노 복합입자를 제조할 수 있었으나, 몰드도 같이 용해되어 전술한 조건 이상에서는 사용이 불가하였다.
이에 비해, 본 발명의 실시예 3 내지 10에서는 은, 카본과 니켈이 각각 균일하게 분포된 형태의 은-카본-금속계 나노 복합입자를 제조할 수 있었으며, 플라즈마 조건을 변경함에 따라 이들의 평균 입경을 수㎚ 에서 최대 1㎛까지 용이하게 제어할 수 있음을 확인할 수 있었다.
[실험예 3. 은-카본-금속계 나노 복합입자의 물성 평가]
(1) 실시예 7에서 제조된 은-카본-니켈 나노 복합입자의 단면을 TEM으로 확인하여, 도 2에 나타내었다.
도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 7의 Ag-C 나노 복합 입자는 수 ㎚ 크기의 탄소 미립자가 은과 니켈이 합금화된 나노 복합입자의 표면 및 내부에 균일하게 분산되어 있음을 확인할 수 있었다.
(2) 실시예 7에서 제조된 은-카본-니켈 나노 복합입자의 SAD 패턴 분석을 실시하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 분석 결과, Ag 및 Ni의 spot 패턴과 C의 ring 패턴이 혼재하고 있음을 확인할 수 있었다.
(3) 비교예 3에서 제조된 나노 복합입자의 단면을 TEM으로 확인하여, 도 4에 나타내었다.
도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 비교예 3의 나노 복합입자는 카본 미립자 및 니켈 미립자가 Ag 입자의 표면 및 내부에 존재하지 않으며, 특히 카본 미립자 자체가 어디에도 존재하지 않음을 확인할 수 있었다.
(4) 비교예 3에서 제조된 은 나노 복합입자의 SAD 패턴 분석을 실시하였고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
분석 결과, 비교예 3의 나노 복합입자는 Ag의 spot 패턴과 나노 크기의 Ag의 불규칙 spot 패턴이 혼재하고 있음을 확인할 수 있으며, 부분적으로 니켈 패턴을 확인할 수 있었다. 그러나 C 패턴은 확인할 수 없었다.
(5) 비교예 4에서 제조된 은-카본-니켈 나노 복합 입자를 FESEM 장비를 이용하여 측정하였고, 그 결과를 도 6 내지 7에 나타내었다.
도 6 내지 7에서 알 수 있는 바와 같이, 비교예 4의 은-카본-니켈 나노 복합자는 평균 50~100㎛의 구형으로 존재하고 있으며 입자 표면에 카본, 은 및 니켈-은 입자가 서로 응집하여 분포하고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 구형의 입자는 은-니켈이 혼합된 합금 형태로 존재하고 있었다.
(6) 비교예 5에서 제조된 은-카본-니켈 나노 복합입자를 FESEM 장비를 이용하여 측정하였고, 그 결과를 도 8 내지 9에 나타내었다.
도 9 내지 9에서 알 수 있는 바와 같이, 비교예 5의 은-카본-니켈 나노 복 입자는 평균 50~100㎛의 구형으로 존재하고 있으며 입자 표면에 카본, 은 및 니켈 입자가 미세 분포하고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 구형의 입자는 은-니켈이 혼합된 합금 형태로 존재하고 있었다.
(7) 한편 실시예 3 내지 10에서 각각 제조된 은-카본-니켈 나노 복합입자 내 니켈 미립자와 카본 미립자의 함량을 FESEM 장비의 EDAX를 이용하여 측정하였고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
표 3에서 카본 미립자의 함량 단위는 중량%로, 나노 복합입자의 총량을 기준으로 하였다. 니켈 제2미립자의 함량은 34~36 중량%로 균일하게 유지되는 것을 알 수 있었다.
함량 (중량%) 실시예
3 4 5 6 7 8 9 10
C 제1미립자 1~2 1~2 1~2 1~2 2 3 2 2
Ni 제2미립자 34~36 34~36 34~36 34~36 34~36 34~36 34~36 34~36
[실험예 4. 전기 접점재료의 물성 평가]
실시예 7의 은-카본-니켈 나노 복합입자를 사용하여 제조된 전기 접점재료를 성형 및 소결하여 전기 접점재료를 제조하였다. 이의 대조군으로 은 분말, 니켈 및 카본 분말을 각각 64 : 34 : 2 중량비로 혼합하여 제조된 비교예 1의 전기 접점재료를 사용하였다.
도 10은 비교예 1에서 제조된 전기 접점재료의 단면을 나타낸 SEM 사진이며, 도 11은 실시예 7의 은-카본-니켈 나노 복합입자를 사용하여 제조된 전기 접점재료의 SEM 사진이다.
도 10에서는 니켈의 형상이 그대로 남아 있으며, 니켈이 복합 입자 내에서 균일한 분포를 하고 있지 않을 뿐만 아니라 부분적으로 응집하여 뭉쳐있는 형태임을 알 수 있었다. 이에 비해, 본 발명에서는 미립자 형태의 니켈이 나노 복합입자의 표면 및 내부에 걸쳐 균일하게 분산되어 있기 때문에, 도 11의 SEM 사진에서는 별도의 Ni 입자를 확인할 수 없었다.
[실험예 5. 전기 접점재료의 경도 및 전기전도도 평가]
실시예 7 및 비교예 1~2에서 각각 제조된 전기접점 재료를 이용하여 이들의 경도 및 전기전도도를 각각 하기와 같이 평가하였다.
여기서, 경도는 비커스 경도계를 사용하였으며, 하중 300g에서 10초 동안 유지한 후 측정하였다. 또한 전기전도도는 비저항을 측정한 후 단위 환산을 통해 %IACS로 나타내었다.
실시예 7
(Ag-C-Ni)		 비교예 1
(Ag-C-Ni)		 비교예 2
(Ag-Ni)
경도(Hv) 115 101 95
전기전도도(%IACS) 70~80 65~70 65~70
표 4에 나타난 바와 같이, 본 발명에 의해 제조된 전기접점소재는 비교예 1 및 2의 전기 접점재료보다, 전기전도도 및 경도 면에서 우수한 특성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
구체적으로, 카본을 비포함하는 비교예 2의 전기 접점재료는 경도가 95 Hv에 불과하였으며, 기존 분말혼합법에 의해 제조된 비교예 1의 전기 접점재료는 경도가 101 Hv를 나타내었다. 이에 비해, 실시예 7에서 제조된 은-카본-니켈 전기 접점재료의 경도는 115 Hv를 나타내었다. 또한 비교예 1과 2의 전기전도도는 65~70% IACS인 것에 비해, 실시예 1의 전기전도도는 70~80% IACS를 나타내었다.
따라서 본 발명의 은-카본-금속계 나노 복합입자를 포함하는 전기접점 재료는 높은 경도와 우수한 전기전도도를 보유함에 따라 내용착성과 내소모성이 향상된 전기접점 재료로서 유용하게 사용될 수 있음을 확인할 수 있었다.

Claims (14)

  1. 카본 물질 또는 카본 반응가스를 비(非)포함하고, 카본계 플라즈마 몰드를 사용하는 플라즈마법에 의해 제조된 은-카본-금속계 나노 복합입자로서,
    은 입자;
    상기 은 입자의 표면 및 내부에 분산된 카본계 제1 미립자; 및
    상기 은 입자의 표면 및 내부에 분산되고, 은(Ag)을 제외한 금속 또는 금속산화물계 제2미립자를 포함하며,
    상기 카본계 제1 미립자는 플라즈마에 의해 상기 카본계 플라즈마 몰드의 적어도 일부가 상 변화(phase transition)하거나 또는 탈리하여 형성된 것이며,
    상기 은-카본-금속계 나노 복합입자 100 중량부를 기준으로 하여,
    카본계 제1 미립자 1 ~ 2 중량부;
    금속 또는 금속산화물계 제2 미립자 10 ~ 45 중량부; 및
    100 중량부를 만족시키는 잔량의 은(Ag) 입자를 포함하는, 은-카본-금속계 나노 복합입자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 카본계 제1미립자의 평균 입경은 5 내지 20 ㎚ 인 은-카본-금속계 나노 복합입자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속계 제2미립자는 Ni, Cu, W, Au, In, Sn, Zn, Cd, Pd, Pt, Bi, Te, 및 Se로 구성된 군에서 선택되는 적어도 1종의 금속 또는 이들의 합금인, 은-카본-금속계 나노 복합입자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속산화물계 제2미립자는 In, Sn, Zn, 및 Cd 중에서 선택되는 적어도 1종의 금속을 함유하는 금속산화물인, 은-카본-금속계 나노 복합입자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 또는 금속산화물계 제2미립자의 평균 입경은 5 내지 100 nm인 은-카본-금속계 나노 복합입자.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 은의 함량은 당해 나노 복합입자 100 중량부를 기준으로 하여 55~90 중량부인 은-카본-금속계 나노 복합입자.
  8. 제1항에 있어서,
    평균 입경이 10 ㎚ 내지 1 ㎛인 은-카본-금속계 나노 복합입자.
  9. 제1항 내지 제5항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 기재된 은-카본-금속계 나노 복합입자를 포함하는 전기 접점재료.
  10. 제9항에 있어서,
    99.5% 이상의 순도;
    105 내지 130 Hv 의 경도; 및
    70 내지 85 %IACS의 전기전도도를 갖는 전기 접점재료.
  11. 카본 물질 또는 카본 반응가스를 비(非)포함하고, 카본계 플라즈마 몰드를 사용하는 플라즈마법에 의해 은-카본-금속계 나노 복합입자를 제조하는 방법으로서,
    (S100) 반응 챔버의 카본(carbon)계 플라즈마 몰드에 은(Ag) 원료 물질, 금속 또는 금속산화물 함유 원료 물질을 장입하는 단계; 및
    (S200) 상기 반응 챔버의 진공도를 0 내지 400 torr로 설정하고, 인가 전력을 10 내지 22.5 kW로 조절하여 플라즈마를 생성하고, 생성된 플라즈마에 의해 은-카본-금속계 나노 복합입자를 형성하고 냉각하는 단계;를 포함하며,
    상기 은-카본-금속계 나노 복합입자에 포함된 카본계 제1 미립자는, 플라즈마에 의해 카본계 플라즈마 몰드의 적어도 일부가 상 변화(phase transition)하거나 또는 탈리하여 생성되는 것인, 제1항에 기재된 은-카본-금속계 나노 복합입자의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 (S200) 단계에서,
    상기 반응 챔버에는 불활성기체, 또는 불활성기체와 수소 가스가 혼합된 반응 가스가 공급되고,
    상기 반응 가스의 유량은 50 내지 200 SLM인 은-카본-금속계 나노 복합입자의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 (S200) 단계에서,
    상기 반응 챔버에는 200 내지 260 A의 전류 및 50 내지 75 V의 전압이 인가되는 은-카본-금속계 나노 복합입자의 제조방법.
  14. 삭제
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005120427A (ja) * 2003-10-16 2005-05-12 Matsushita Electric Works Ltd 電気接点用材料及び電気接点
CN103789744A (zh) * 2014-03-03 2014-05-14 哈尔滨工业大学 一种原位生长碳纳米管增强银基电接触材料的制备方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101355726B1 (ko) * 2012-06-12 2014-02-27 충남대학교산학협력단 플라즈마를 이용하여 기재 표면 위에 부착된 금속 나노입자 제조방법
KR101609028B1 (ko) * 2013-11-29 2016-04-05 엘에스산전 주식회사 전기접점재료 및 이의 제조방법
KR20170074489A (ko) * 2015-12-22 2017-06-30 희성금속 주식회사 은-합금계 전기접점재료 및 이의 제조방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005120427A (ja) * 2003-10-16 2005-05-12 Matsushita Electric Works Ltd 電気接点用材料及び電気接点
CN103789744A (zh) * 2014-03-03 2014-05-14 哈尔滨工业大学 一种原位生长碳纳米管增强银基电接触材料的制备方法

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