KR102460219B1 - 금속 분말의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

금속 분말의 제조 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 분말의 제조 방법은 금속 아연 분말 수용액을 준비하는 단계, 황산구리 수용액을 준비하는 단계, 및 상기 황산구리 수용액을 상기 금속 아연 분말 수용액에 투입하는 단계를 포함한다.

Description

금속 분말의 제조 방법{MANUFACTURING METHOD OF METAL POWDER}

본 발명의 실시예들은 금속염을 첨가함으로써 미세 덴드라이트 금속(구리) 분말의 제조 및 대량생산기술과 관련된다.

전자제품의 급속적인 수요증가에 따라 전자 부품의 전극, 인쇄회로 기판의 전극, 그리고 반도체 부품의 접합 소재로 구리 분말의 수요가 증가하고 있다.

전극 및 인쇄회로 기판의 전극용으로 쓰이는 구리 분말은 단독으로 사용될 경우 구리의 특성인 표면 산화가 급격히 진행되기 때문에 은(Ag, silver)를 구리 표면에 코팅하여 사용하기도 한다. 또한, 전도성 접착제 및 반도체용 접합 소재로 사용될 경우 접합 시 저온에서 녹아야 하기 때문에 미세 돌기가 발달된 덴드라이트(dendrite, 수지상) 구조를 지닌 구리 분말을 사용하여야 한다. 덴드라이트 구조를 지닌 구리 분말을 생산하기 위해서는 대규모의 전해시설을 갖추어야 하며, 또한 반응공정 및 정제 공정이 매우 길고 복잡하다. 전해공정을 통해 생산된 덴드라이트 구리 분말은 비중이 높아 제품적용 시 많은 양을 사용하여야 하는 단점이 있고 비표면적이 낮아 높은 온도에서 녹기 때문에 용융 접합 시 많은 에너지가 필요하다.

이에, 비표면적이 높고 비중이 낮은 덴드라이트 구리분말을 얻기 위해 구리염과 아연(Zn)을 이용한 갈바닉 치환반응 통해 덴드라이트 구리 분말을 얻을 수 있다.

그러나, 갈바닉 치환 반응을 통한 덴드라이트 구리분말의 제조는 실험실 규모에서 제조되는 수준이며 대량 생산 시 구리 형태 및 사이즈를 제어하기 어렵다.

이에, 갈바닉 치환 반응을 통하여 비중이 낮고 비표면적이 높은 미세 돌기를 지닌 덴트라이트 구리분말의 대량 생산이 필요한 실정이며 좀 더 미세한 돌기를 지닌 초미세 덴드라이트 구리분말이 요구되는 실정이다.

대한민국 등록특허공보 제10-1397980호(2014.05.15.)

본 발명의 실시예는 아연(Zn)을 이용한 갈바닉 치환반응 반응 시 금속염을 첨가하여 구리염으로부터 저비중, 미세돌기를 지니며 5um이하의 미세 덴트라이트 금속(구리) 분말을 대량 생산하기 위한 것이다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 금속 아연 분말 수용액을 준비하는 단계, 황산구리 수용액을 준비하는 단계, 및 상기 황산구리 수용액을 상기 금속 아연 분말 수용액에 투입하는 단계를 포함하는 금속 분말의 제조 방법이 제공된다.

상기 금속 아연 분말 수용액을 준비하는 단계는 반응기에 탈이온수와 금속 아연 분말을 투입하는 단계 및 상기 투입후, 상기 탈이온수와 상기 금속 아연 분말이 분산되도록 교반하는 단계를 더 포함하며, 상기 금속 아연 분말은 입도 D50이 0.5 ~ 60 um일 수 있다.

상기 황산구리 수용액을 준비하는 단계는 용기에 탈이온수와 황산구리를 교반시키는 단계, 상기 교반후, 황산을 투여하여 상기 황산구리 수용액의 pH를 조절하는 단계 및 상기 조절후, 상기 황산구리 수용액에 할로겐 금속염을 첨가하는 단계를 더 포함하며, 상기 할로겐 금속염은 염화나트륨, 염화칼륨, 브롬화나트륨, 브롬화 칼륨 중 적어도 하나일 수 있다.

상기 구리 분말의 제조 방법은 상기 투입후, 상기 금속 아연 분말 수용액에 포함된 금속 아연은 산화되고, 상기 황산구리 수용액에 포함된 구리 이온은 환원되어 구리 분말이 생성되는 단계, 상기 생성된 구리 분말에 대하여 탈이온수로 세척한 후 에틸알코올로 재세척하는 세척 단계 및 상기 세척후, 상기 세척된 구리 분말에 대하여 20 내지 75℃에서 건조시키는 건조 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 금속 아연 분말 수용액을 준비하는 단계는 1000L의 반응기에 300L의 탈이온수와 20.8Kg의 금속 아연 분말을 투입하여 400rpm으로 분산 교반시키며, 상기 황산구리 수용액을 준비하는 단계는 500L의 반응기에 300L의 탈이온수와 80Kg의 황산구리를 투입하여 교반 용해시킨 후, 묽은 황산을 이용하여 상기 황산구리 수용액의 pH를 1.8로 조절하고, 상기 황산구리 수용액에 100g의 염화 나트륨을 첨가하며, 상기 투입하는 단계는 상기 황산구리 수용액을 상기 교반되고 있는 금속 아연 분말 수용액에 첨가하여 5분간 반응시킬 수 있다.

본 발명의 실시예를 따르면, 갈바닉 치환반응의 매우 간편한 방법으로 소량 제조만 가능했던 저비중, 저융점 덴드라이트 금속(구리) 분말을 대량 생산할 수 있을 뿐 아니라, 할로겐 금속염을 첨가함으로써 초미세 덴드라이트 금속(구리) 분말을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 분말의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 의해 제조된 금속 분말을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM)으로 측정한 도면
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 의해 제조된 금속 분말을 입도 분석한 결과를 나타낸 도면
도 4는 제1 비교예에 의해 제조된 금속 분말을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM)으로 측정한 도면
도 5는 제1 비교예에 의해 제조된 금속 분말을 입도 분석한 결과를 나타낸 도면

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.

또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 분말의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

한편, 본 발명에서는 금속 분말 중 구리 분말을 일예로 하여 설명하기로 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 분말의 제조 방법은 금속 아연 분말 수용액을 준비하는 단계(S102), 황산구리 수용액을 준비하는 단계(S104), 황산구리 수용액의 pH를 조절하는 단계(S106), 황산구리 수용액에 할로겐 금속염을 첨가하는 단계(S108), 할로겐 금속염이 첨가된 황산구리 수용액을 금속 아연 분말 수용액에 투입하는 단계(S110), 및 세척후 건조하는 단계(S112)를 포함할 수 있다.

금속 아연 분말 수용액을 준비하는 단계(S102)는 반응기에 탈이온수와 금속 아연 분말을 넣은 후 분산이 잘 되도록 교반하게 된다. 그리고, 탈이온수와 금속 아연분말이 교반되어 금속 아연 분말 수용액(제1 용액)이 생성된다. 여기서, 금속 아연 분말은 평균입도 D50이 0.5 ~ 60 um일 수 있다. 또한, 탈이온수는 용해되어 있는 이온을 모두 제거한 물일 수 있다.

황산구리 수용액을 준비하는 단계(S104)는 용기에 탈이온수와 황산구리를 녹여 구리이온으로 형성된 황산구리 수용액(제2 용액)이 생성된다. 여기서, 구리 이온을 공급하기 위하여 황산구리, 염화구리, 질산구리 또는 초산구리를 사용할 수 있으며 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.

황산구리 수용액의 pH를 조절하는 단계(S106)는 생성된 제2 용액에 pH를 조절하기 위해 묽은 황산을 투입한다. 여기서, pH를 조절하기 위해 묽은 황산을 사용하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 황산, 질산, 초산 중 하나 또는 둘이상 혼합하여 사용할 수 있다.

황산구리 수용액에 할로겐 금속염을 첨가하는 단계(S108)은 pH가 조절된 황산구리 수용액에 할로겐 금속염을 투입한다. 여기서, 할로겐 금속염은 염화나트륨, 염화칼륨, 브롬화나트륨, 브롬화칼륨 중 하나 또는 둘 이상혼합하여 사용할 수 있다.

할로겐 금속염이 첨가된 황산구리 수용액을 금속 아연 분말 수용액에 투입하는 단계(S110)는 제 1용액에 할로겐 금속염이 첨가된 제 2용액을 첨가하여 금속 아연이 산화되고 구리이온이 환원되어 덴드라이트 구리 분말을 생성한다. 즉, 할로겐 금속염을 첨가함으로 인하여, 구리의 초기 핵생성이 1차원 선형 구조로 그 결정 구조를 유지히려는 경향이 있어 더욱더 미세 가지를 형성하려는 경향으로 초미세 덴드라이트 구리를 대량 생산할 수 있다.

세척후 건조하는 단계(S112)는 침전된 덴드라이트 구리분말을 탈이온수로 세척한 후, 에틸알코올로 다시 세척하고 20~70℃에서 진공건조 또는 대기압 건조시킨다.

[실시예 1]

탈이온수 300L를 1,000L의 반응기에 넣고, 금속 아연분말(구형, D50 4.1um) 20.8Kg을 투입하여 400rpm으로 분산 교반하였다(제 1용액). 한편, 탈이온수 300L를 500L의 반응기에 넣고, 황산구리 80Kg을 넣고 교반 용해 시켰다(제2 용액). 또한, 묽은 황산을 이용하여 황산구리 수용액(제2 용액)의 pH를 1.8에 맞추었다. 또한, 황산구리 수용액(제2 용액)에 염화 나트륨 100g을 첨가하였다.

황산구리 수용액(제2 용액)을 교반되고 있는 금속 아연분말 수용액(제1 용액)에 첨가하여 5분간 반응 시켰다. 생성된 덴드라이트 구리분말은 여과기에 옮긴 후 탈이온수로 세척 하였다. 다시 탈이온수로 세척 후 에틸알콜로 세척하여 70℃에서 건조한 후 덴드라이트 19kg의 구리분말을 얻었다.

도 2와 같이, 실시예 1에 의해 제조된 덴드라이트 구리분말을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM)으로 측정한 결과, 미세돌기가 매우 작게 잘 형성되고 매우 균일한 덴드라이트 구리분말이 생성되었음을 확인하였다. 또한, 도 3과 같이, 실시예 1에 의해 제조된 덴드라이트 구리분말을 입도 분석한 결과 D50 2.3um로 매우 미세한 구리분말이 제조되었음을 확인하였다.

[비교예 1]

탈이온수 300L를 1,000L의 반응기에 넣고, 금속 아연분말(구형, D50 4.1um) 20.8Kg을 투입하여 400rpm으로 분산 교반하였다(제 1용액). 한편, 탈이온수 300L를 500L의 반응기에 넣고, 황산구리 80Kg을 넣고 교반 용해시켰다(제2 용액). 묽은 황산을 이용하여 황산구리 수용액(제2 용액)의 pH를 1.8에 맞추었다.

황산구리 수용액(제2 용액)을 교반되고 있는 금속 아연분말 수용액(제1 용액)에 첨가하여 5분간 반응 시켰다. 생성된 덴드라이트 구리분말은 여과기에 옮긴 후 탈이온수로 세척 하였다. 다시 탈이온수로 세척 후 에틸알콜로 세척하여 70℃에서 건조한 후 덴드라이트 19kg의 구리분말을 얻었다.

도 4와 같이, 비교예 1에 의해 제조된 덴드라이트 구리분말을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM)으로 측정한 결과 균일한 덴드라이트 구리분말이 생성되었음을 확인하였다. 도 5와 같이, 비교예 1에 의해 제조된 덴드라이트 구리분말을 입도 분석한 결과 D50 3.6um로 미세한 구리분말이 제조되었음을 확인하였다. 이에, 실시예 1에 의해 제조된 덴드라이트 구리분말이 비교예 1에 의해 제조된 덴드라이트 구리분말 보다 미세한 것을 확인할 수 있다.

즉, 실시예 1과 같이 황산구리 수용액에 할로겐 금속염을 첨가하면 1차 성장 돌기가 아주 미세하게 성장하여 전체적인 덴드라이트 입자가 미세 구리로 성장함을 확인 하였다. 이에, 전도성 페이스트에 사용 시 전도성이 우수하고 금속접합재료료 사용 시 더욱 낮은 온도에서 본딩 작업이 가능함을 확인하였다.

이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (6)

1. 금속 아연 분말 수용액을 준비하는 단계;
   황산구리 수용액을 준비하는 단계; 및
   상기 황산구리 수용액을 상기 금속 아연 분말 수용액에 투입하는 단계를 포함하며,
   상기 황산구리 수용액을 준비하는 단계는,
   용기에 탈이온수와 황산구리를 교반시키는 단계;
   상기 교반후, 황산을 투여하여 상기 황산구리 수용액의 pH를 조절하는 단계; 및
   상기 조절후, 상기 황산구리 수용액에 할로겐 금속염을 첨가하는 단계를 더 포함하며,
   상기 할로겐 금속염은 염화나트륨, 염화칼륨, 브롬화나트륨, 브롬화 칼륨 중 적어도 하나인, 금속 분말의 제조 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 금속 아연 분말 수용액을 준비하는 단계는,
   반응기에 탈이온수와 금속 아연 분말을 투입하는 단계; 및
   상기 투입후, 상기 탈이온수와 상기 금속 아연 분말이 분산되도록 교반시키는 단계를 더 포함하며,
   상기 금속 아연 분말은, 입도 D50이 0.5 ~ 60 um인, 금속 분말의 제조 방법.
   
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 금속 분말의 제조 방법은,
   상기 투입후, 상기 금속 아연 분말 수용액에 포함된 금속 아연은 산화되고, 상기 황산구리 수용액에 포함된 구리 이온은 환원되어 구리 분말이 생성되는 단계;
   상기 생성된 구리 분말에 대하여 탈이온수로 세척한 후 에틸알코올로 재세척하는 세척 단계; 및
   상기 세척후, 상기 세척된 구리 분말에 대하여 20 내지 75℃에서 건조시키는 건조 단계를 더 포함하는, 금속 분말의 제조 방법.
   
5. 금속 아연 분말 수용액을 준비하는 단계;
   황산구리 수용액을 준비하는 단계; 및
   상기 황산구리 수용액을 상기 금속 아연 분말 수용액에 투입하는 단계를 포함하며,
   상기 금속 아연 분말 수용액을 준비하는 단계는,
   1000L의 반응기에 300L의 탈이온수와 20.8Kg의 금속 아연 분말을 투입하여 400rpm으로 분산 교반하며,
   상기 황산구리 수용액을 준비하는 단계는,
   500L의 반응기에 300L의 탈이온수와 80Kg의 황산구리를 투입하여 교반 용해시킨 후, 묽은 황산을 이용하여 상기 황산구리 수용액의 pH를 1.8로 조절하고, 상기 황산구리 수용액에 100g의 염화 나트륨을 첨가하며,
   상기 투입하는 단계는,
   상기 황산구리 수용액을 상기 교반되고 있는 금속 아연 분말 수용액에 첨가하여 5분간 반응시키는, 금속 분말의 제조 방법.
   
6. 청구항 1, 2, 4, 5중 어느 한 항의 방법에 따라 제조된 금속 분말.
   

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