KR20010048680A - 금속미립자 합성장치 및 이를 이용한 금속미립자 합성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산화반응영역 및 환원반응영역을 포함하는 반응기; 상기 반응기의 외표면에 설치된 가열수단; 상기 반응기의 산화반응영역쪽 말단에 구비된 반응물 공급수단; 상기 반응기의 환원반응영역쪽 말단에 구비된 생성물 배출수단; 및 상기 환원반응영역 개시부에 구비된 환원가스 공급수단을 포함하는 금속미립자 합성장치 및 그를 이용하는 금속미립자의 합성방법에 관한 것으로서, 본 발명의 장치를 이용하면 인시튜(in-situ) 방식에 의해 상압 조건에서 연속적으로 금속미립자를 합성할 수 있다. 또한, 합성되는 금속미립자의 입경이 나노미터 수준으로 미세하며 입경분포가 균일하여 여러 용도로 광범위하게 사용될 수 있다.

Description

금속미립자 합성장치 및 이를 이용한 금속미립자 합성방법{Apparatus for synthesizing metal particles and method for synthesizing metal particles using the same}

본 발명은 금속미립자 합성장치 및 그를 이용한 금속미립자의 합성방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인시튜(in-situ) 방식에 의해 연속적으로 금속미립자를 합성할 수 있는 금속미립자 합성장치 및 이를 이용한 금속미립자 합성방법에 관한 것이다.

여기서, 금속미립자라는 것은 통상 10∼100nm 정도의 입경을 갖는 것을 의미하는데, 이 범위의 입경을 갖는 금속미립자는 벌크특성을 나타내지 않고 표면적이 크며 소성온도나 녹는점 (mealting temp.)가 상대적으로 낮다는 잇점이 있다.

이에 반해, 금속미립자의 평균입경이 상기 범위를 초과하는 경우에는 벌크 특성을 그대로 유지하기 때문에 여러 용도로 사용할 수 없으며, 반대로 상기 범위보다 작아지게 되면 취급이 어렵다는 단점이 있다.

따라서, 전술한 범위의 평균입경을 갖는 금속미립자는 여러 용도, 예를 들면 형광막 제조시, 표시소자의 코팅막 제조시에 바람직하게 사용될 수 있다.

통상적인 금속미립자의 합성방법을 살펴보면, 먼저 금속미립자의 전구물질을 소정온도로 산화분위기 중에서 가열하여 얻은 결과물을 냉각장치에 통과시켜서 생성되는 금속산화물 입자를 수거한다. 이어서, 금속산화물 입자가 소정량 수거되면 이를 환원분위기 하에서 환원시켜 금속미립자를 최종생성물로서 얻게된다.

그런데, 이러한 통상의 금속미립자 합성방법은 전술한 바와 같이, 금속산화물을 얻는 단계 및 금속산화물을 환원시켜 금속미립자를 얻는 단계가 별도로 이루어지는 배치식 방법이기 때문에 공정의 진행이 번거롭다는 단점이 있다.

또한, 금속산화물이 수거되는 과정에서 서로 응집하기 때문에 최종적으로 얻어지는 금속미립자의 입경이 균일하지 않을 뿐 아니라 경우에 따라서는 수㎛ 내지 수십㎛ 정도로 바람직하지 않은 크기의 입자가 얻어진다는 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 인시튜 방식에 의해 연속적으로 금속미립자를 제조할 수 있는 금속미립자 합성장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 본 발명에 따른 합성장치를 이용하여 입경이 미세하고 입경분포가 균일한 금속미립자의 합성방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 금속미립자 합성장치의 일 예를 나타내는 개략도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100... 반응기 200... 가열수단

300... 반응물 공급수단 400... 생성물 배출수단

500... 환원가스 공급수단

본 발명의 기술적 과제는 산화반응영역 및 환원반응영역을 포함하는 반응기; 상기 반응기의 외표면에 설치된 가열수단; 상기 반응기의 산화반응영역쪽 말단에 구비된 반응물 공급수단; 상기 반응기의 환원반응영역쪽 말단에 구비된 생성물 배출수단; 및 상기 환원반응영역 개시부에 구비된 환원가스 공급수단을 포함하는 금속미립자 합성장치에 의하여 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 기술적 과제는 금속산화물 전구체 및 산화가스를 소정 온도로 가열된 산화반응영역에 공급하여 금속산화물을 형성하는 단계; 상기 금속산화물이 환원반응영역으로 유입되는 단계; 및 환원반응영역을 가열하면서 환원가스를 공급하여 상기 금속산화물을 금속미립자로 환원시키는 단계를 포함하는 금속미립자 합성방법에 의하여 이루어질 수 있다.

먼저, 본 발명에 따른 금속산화물 합성장치에 있어서, 상기 반응기의 형태는 바람직하게는 넓이 방향이 긴 파이프 형태로서 그의 횡단면이 원형, 사각형, 삼각형 등으로 다양할 수 있으며, 반응기의 크기는 적용분야에 따라 실험실용의 소규모부터 공업용의 대규모까지 크게 다를 수 있다.

또한, 산화반응영역 및 환원반응영역은 반응조건, 즉 반응물 공급속도, 반응기 가열온도, 산화가스 또는 환원가스의 공급속도 등에 따라서 각 반응영역의 크기가 크게 달라질 수 있다.

반응기의 외표면에 설치되는 상기 가열수단은 반응기를 소정 온도로 가열하기 위한 것으로서 바람직하게는 코일형 히터이며 반응기 전체를 동일 온도로 가열하거나 반응영역별로 서로 다른 온도로 가열할 수 있도록 설계될 수 있다. 또한, 경우에 따라서는 온도조절센서를 함께 장착하여 반응기의 온도가 소정범위 내에서 일정하게 유지되도록 할 수도 있다.

상기 반응물 공급수단은 반응물을 산화반응영역에 공급하기 위한 수단으로서 그의 종류나 형태가 제한된 것은 아니지만 통상 공급량의 조절이 용이한 주사식 펌프기 또는 분무기를 사용할 수 있으며, 경우에 따라서는 공급수단 자체에 별도의 가열수단을 장착하여 반응물을 예열함으로써 산화반응이 더 용이하게 이루어질 수 있도록 할 수도 있다.

이러한 반응물 공급수단은 한쪽 말단이 금속산화물 전구체 저장조와 산화가스 저장조에 연결되어 있으며 이들로부터 공급되는 반응물을 상기 산화반응영역으로 제공한다. 이때, 상기 산화가스 저장조는 산화가스의 공급량을 조절할 수 있는 압력조절용 밸브를 더 구비할 수 있다.

또한, 상기 환원가스 공급수단은 한쪽 말단이 환원가스 저장조와 연결되어 있으며 이 저장조로부터 공급되는 환원가스를 환원반응영역으로 제공한다. 상기 환원가스 저장조 역시 상기 산화가스 저장조와 마찬가지로 환원가스의 공급량을 조절할 수 있는 압력조절용 밸브를 더 구비할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 금속미립자의 합성방법에 있어서, 상기 금속산화물 형성단계에서 상기 금속산화물 전구체로는 고온의 기상 열처리에 의해 금속산화물을 형성할 수 있는 것이면 특별하게 제한되지는 않으나, 통상적으로는 알칼리 금속, 알칼리 토금속 및 주기율표상의 3B족과 4B족 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속의 염, 알콕사이드, 할라이드, 카바이드 또는 황화물이 사용된다. 또한, 산화가스로는 산화분위기를 조성할 수 있는 것으로서, 바람직하게는 질소가스가 주입된다.

한편, 상기 산화반응영역은 200℃ 이상이고 이 영역으로 공급되는 상기 금속미립자 전구체의 비점이하로 가열되는데 산화가스 공급량에 따라 그 적정온도가 결정된다. 즉, 산화가스 공급량이 많아지면 가열온도가 낮아지더라도 충분한 산화반응이 일어날 수 있다. 이 단계를 통해 형성되는 금속산화물은 바람직하게는 그의 평균입경이 10nm∼1㎛이다.

이어서, 형성된 금속산화물은 기상상태에서 부유하면서 이동하여 환원반응영역으로 유입된다.

산화반응영역으로부터 부유이동하여 환원반응영역으로 유입되는 상기 금속산화물은, 환원반응영역이 소정온도로 가열됨에 따라 환원반응영역의 개시부로부터 공급되는 환원가스와 반응하여 환원된다. 이때, 환원반응영역의 가열온도는 환원반응영역으로 공급되는 환원가스의 양과 속도에 따라 달라질 수 있는데, 환원가스의 양과 속도가 증가하게 되면 환원반응영역의 가열온도는 상대적으로 낮아질 수 있다. 또한, 환원가스로는 수소, 암모늄등 환원분위기를 조성할 수 있는 가스이면 특별하게 제한되지 않고 사용될 수 있다. 참고적으로, 바람직한 환원반응조건의 일예를 들어보면, 환원반응은 환원가스로서 5% H₂가스가 약 1000㎖/min의 유속으로 공급되면서 환원반응영역이 약 600℃로 가열될 때 바람직하게 수행될 수 있다.

이하, 도 1을 들어 본 발명에 따른 금속미립자 합성장치 및 이를 이용한 금속미립자 합성방법의 일 태양을 설명하기로 한다.

먼저, 금속미립자 전구체 저장조(310)로부터 공급되는 인듐(Ⅲ)이소프로폭사이드 (In(OC₃H₇)₃; ITI)는 산화가스 저장조(320)로부터 공급되는 질소가스와 함께 공급수단(300)을 통하여 약 2000㎖/min의 유속으로 터널형 반응기(100)의 산화반응영역(110)으로 공급되면서 기상 열분해 반응을 일으켜서 입경이 나노미터 수준인 산화인듐 입자, 탄화수소가스 및 물을 생성한다. 이때, 산화반응영역은 약 700℃로 가열되며, 상기 산화가스 저장조(320)는 압력조절용 노즐(600)을 더 구비함으로써 산화가스 공급량을 임의로 조절할 수 있다.

이어서, 생성된 산화인듐 입자는 기체에 의해 부유 이동하여 환원반응영역(120)쪽으로 유입된다. 이때, 환원가스 저장조(510)로부터 환원가스 공급수단(500)을 통하여 약 1000㎖/min의 유속으로 공급되는 5%의 수소가스가 상기 산화인듐입자와 함께 상기 환원반응영역(120)으로 유입되고, 상기 환원반응영역이 약 600℃의 온도로 가열됨으로써 환원반응이 개시된다. 한편, 환원가스 저장조(510)는 산화가스 저장조와 마찬가지로 압력조절용 노즐(600)을 더 구비함으로써 환원가스 공급량을 임의로 조절할 수 있다.

이러한 조건 하에서 상기 산화인듐입자는 입경이 나노미터 수준인 인듐미립자로 환원되어 생성물 배출수단(500)으로 배출된다.

한편, 금속미립자 생성량은 우선적으로는 환원반응영역으로 유입되는 금속산화물의 유입량에 의해 좌우되지만, 공급되는 환원가스의 농도 및 환원반응영역의 가열온도에 따라서도 달라질 수 있다.

즉, 반응조건에 따라서 생성물의 수율이 결정될 수 있다.

본 발명에 따른 금속미립자 합성장치를 이용하면 인시튜 방식에 의해 상압 조건에서 연속적으로 금속미립자를 합성할 수 있다. 또한, 합성되는 금속미립자의 입경이 나노미터 수준으로 미세하며 입경분포가 균일하기 때문에 취급이 용이하며 광범위하게 사용가능하다는 잇점이 잇다.

Claims (13)

1. 산화반응영역 및 환원반응영역을 포함하는 반응기;

   상기 반응기의 외표면에 설치된 가열수단;

   상기 반응기의 산화반응영역쪽 말단에 구비된 반응물 공급수단;

   상기 반응기의 환원반응영역쪽 말단에 구비된 생성물 배출수단; 및

   상기 환원반응영역 개시부에 구비된 환원가스 공급수단을 포함하는 금속미립자 합성장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 반응기가 넓이 방향으로 길이가 긴 파이프형인 것을 특징으로 하는 합성장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 가열수단이 코일형 히터인 것을 특징으로 하는 합성장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 반응물 공급수단이 가열기를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 합성장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 반응물 공급수단의 한쪽 말단에 금속산화물 전구체 저장조 및 산화가스 저장조가 연결된 것을 특징으로 하는 합성장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 환원가스 공급수단의 한쪽 말단에 환원가스 저장조가 연결된 것을 특징으로 하는 합성장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 반응기가 온도조절센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 합성장치.
8. 금속산화물 전구체 및 산화가스를 소정 온도로 가열된 산화반응영역에 공급하여 금속산화물을 형성하는 단계;

   상기 금속산화물이 환원반응영역으로 유입되는 단계; 및

   환원반응영역을 가열하면서 환원가스를 공급하여 상기 금속산화물을 금속미립자로 환원시키는 단계를 포함하는 금속미립자 합성방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 금속산화물 전구체가 알칼리 금속, 알칼리 토금속 및 주기율표상의 3B족과 4B족 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속의 염, 알콕사이드, 할라이드, 카바이드 또는 황화물인 것을 특징으로 하는 금속미립자 합성방법.
10. 제8항에 있어서, 상기 산화가스가 질소가스인 것을 특징으로 하는 금속미립자 합성방법.
11. 제8항에 있어서, 상기 소정온도가 200℃ 이상이고 상기 금속산화물 전구체의 비점 이하인 것을 특징으로 하는 금속미립자 합성방법.
12. 제8항에 있어서, 상기 금속산화물의 입경이 10nm 내지 1㎛인 것을 특징으로 하는 금속미립자 합성방법.
13. 제8항에 있어서, 상기 환원가스가 수소 가스 또는 암모늄 가스인 것을 특징으로 하는 금속미립자 합성방법.