KR20060057784A - 인듐 나노입자의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인듐 나노입자의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 질소(N)나 인(P) 원소를 함유하는 특정의 유기용매와 특정의 반응온도 조건에서 염화인듐(InCl₃)과 금속 나트륨(Na)을 반응하여 인듐 나노입자를 제조하는 신규의 방법으로, 종래에 비해 낮은 반응온도에서 보다 경제적으로 순도가 높고, 나노크기를 갖는 인듐 입자의 제조가 가능하여 단전자 트랜지스터, 바이오나노 기술, 나노지로그래피, 인듐포스파이드(InP)의 출발물질 등의 여러 나노기술 분야에 적용 가능한 신규한 인듐 나노입자의 제조방법에 관한 것이다.

염화인듐, 금속 나트륨, 질소(N)나 인(P) 원소를 함유하는 유기용매, 인듐 나노입자

Description

인듐 나노입자의 제조방법{Preparation method of indium nano particles}

도 1은 본 발명에 따라 실시예 1 ∼ 3에서 제조된 인듐 나노입자의 X-선 회절분석(XRD)을 나타낸 것이다.

본 발명은 인듐 나노입자의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 질소(N)나 인(P) 원소를 함유하는 특정의 유기용매와 특정의 반응온도 조건에서 염화인듐(InCl₃)과 금속 나트륨(Na)을 반응하여 인듐 나노입자를 제조하는 신규의 방법으로, 종래에 비해 낮은 반응온도에서 보다 경제적으로 순도가 높고, 나노크기를 갖는 인듐 입자의 제조가 가능하여 단전자 트랜지스터, 바이오나노 기술, 나노지로그래피, 인듐포스파이드(InP)의 출발물질 등의 여러 나노기술 분야에 적용 가능한 신규한 인듐 나노입자의 제조방법에 관한 것이다.

금속의 나노입자들은 다양한 응용성, 특히 전자기기용 소재로의 이용 가능성 때문에 많은 관심을 끌고 있다. 일반적으로 인듐(In) 금속입자는 항공기용 슬리브 베어링, 베어링용 인듐도금, 톱니바퀴 표면 피막, 유리 봉착용 합금 등에 사용된다. 이러한 인듐 금속입자 중 나노크기를 갖는 나노입자는 최근 들어 단 전자 트랜지스터, 바이오 나노기술, 나노지로그래피, 인듐포스파이드(InP)의 출발물질 등으로 나노기술에 그 응용성이 점차 증가되고 있는 물질이다. 또한, 알릴브로마이드, 알데히드/케톤의 에스테르화 반응, 나프탈렌의 벤조일화 유기 반응에 촉매로서도 그 이용도가 높다.

한편, 금속의 미세 입자를 제조하는 방법으로 먼저, 유체상의 전구체를 사용하여 600 ∼ 6000 ℃의 고온에서 반응기에 주입하여 제조하는 방법이 알려져 있다 [NanoProducts Corporation, 미국특허 제6,786,950호]. 그러나 이러한 방법은 순간적인 고온 상승을 위해서 플라즈마 반응기 등의 특수한 반응기를 사용하고, 고 에너지가 요구된다는 문제가 있다.

또한, 인듐 나노입자의 제조방법으로 Y. Zhang 등에 의한 기상 증착법[J. Cryst. Growth 2004, 264, 363], I. Rodriguez-Sanchez 등에 의해 전기 화학적 환원법[J. Phys. Chem. B 2000, 104, 9683]등이 보고되어 있다. 이러한 방법들은 고가의 장비나 원료가 필요하고 대량생산에는 적합하지 못한 문제점을 지니고 있다.

최근에는 보다 간편한 방법으로 Y. Zhao 등은 인듐 금속 덩어리를 파라핀 오일의 용액상에서 인듐 나노입자를 제조하는 방법을 보고하였다. 그러나, 이러한 방법으로 제조된 인듐 나노입자의 XRD 분석 결과 순수한 인듐 금속이 아니고 인 듐 산화물과의 혼합된 형태였다. 이러한 인듐 산화물의 불순물이 혼합된 형태는 인듐 나노입자를 전자 소재로서의 응용성을 저하시키기 때문에 상업화하기에는 적합하지 않다는 문제점을 가지고 있다.

이에, 본 발명자들은 상기와 같은 종래의 인듐 나노입자 제조시의 공정상의 조건, 경제성 및 순도 등의 문제를 해결하고자 연구 노력하였다. 그 결과, 염화인듐과 금속나트륨을 특정의 용매 및 온도 등의 반응 조건에서 반응시키는 용액화학법을 이용한 신규의 방법으로, 간편하고 경제적인 방법으로 순도가 향상된 인듐 나노입자를 제조할 수 있다는 것을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명은 경제적으로 순도가 향상된 인듐 나노입자를 제조하는 새로운 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 질소(N) 또는 인(P) 원소를 함유하는 유기화합물을 반응용매로 사용하여, 염화인듐과 금속나트륨을 100 ∼ 400 ℃의 온도범위에서 반응시켜 제조하는 인듐 나노입자의 제조방법에 그 특징이 있다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 인듐 나노입자를 제조하는 신규의 방법에 관한 것으로, 이를 간략하게 나타내면 반응식 1과 같다.

InCl₃ + 3Na → In(0) + 3NaCl

종래의 인듐 나노입자를 제조하는 여러 가지 방법이 소개된 바 있으나, 이들은 고온의 온도 조건 또는 초 고가인 유기인듐 전구체 등을 사용하면서 복잡한 공정으로 수행되었다. 또한 상기와 같은 방법으로 제조된 인듐 입자의 순도가 우수하지 못한 문제가 있었다.

반면에, 본 발명은 상압에서 종래의 비하여 낮은 반응온도 조건에서 비용이 저렴한 염화인듐(InCl₃)과 금속 나트륨(Na)을 원료로 하여 순도가 높은 인듐(In) 나노입자를 대량으로 손쉽게 제조하는 새로운 방법에 기술 구성상의 그 특징이 있다.

상기 반응물인 금속 나트륨(Na)은 염화인듐(InCl₃) 1 몰에 대하여 3 ∼ 3.5 몰비로 사용하며, 사용량이 3 몰비 미만이면 나트륨의 양이 당량비에 부족하여 미반응 염화인듐의 잔존을 초래하고 3.5 몰비를 초과하는 경우에는 나트륨의 과잉공급으로 반응물을 낭비하여 반응의 효율성을 저하시키는 문제가 발생한다.

이때, 상기 염화인듐과 금속 나트륨은 특정의 반응용매인 질소(N)나 인(P) 원소를 함유하는 유기화합물 하에서 반응이 수행되는데, 상기 반응원료와 반응용매가 혼합되면 회색의 현탁액이 형성되는 데, 이는 반응용매가 입자의 표면을 배위결합하여 표면을 보호하는 캡핑제(capping agent)로 작용하게 된다. 갭핑제는 나노입자의 뭉침현상을 방지하고 표면을 산화로부터 방지하는 효과를 발현하기 위한 것이다. 즉, 본 발명에서 사용된 반응용매 이외에 다른 유기용매를 사용하는 경우에는 이러한 배위결합을 이루지 못하여 상기와 같은 캡핑제 역할을 하지 못하여 뭉침현상이 발생할 뿐만 아니라 표면이 산화되는 문제를 발생시키므로 바람직하지 못하다.

상기 반응용매인 질소(N)나 인(P) 원소를 함유하는 유기화합물은 바람직하기로는 N,N'-디메틸-포름아미드(DMF), 4-에틸피리딘(4-ETPY) 및 도데실아민(DDA) 중에서 선택된 질소(N) 원소를 함유하는 유기화합물 또는 n-트리옥틸포스핀(TOP), n-트리옥틸포스핀옥사이드(TOPO) 및 n-트리부틸포스핀(TBP) 중에서 선택된 인(P) 원소를 함유하는 유기화합물, 더욱 바람직하기로는 N,N'-디메틸-포름아미드(DMF) 또는 n-트리옥틸포스핀(TOP)를 사용하는 것이 좋다.

또한, 상기 반응온도는 100 ∼ 400 ℃를 유지하는 것이 좋으며, 상기 반응온도가 100 ℃ 미만이면 목적으로 하는 반응의 진행이 형성되지 않으며, 400 ℃를 초과하는 경우에는 생성된 입자가 너무 커지고 사용한 용매의 분해가 일어나 부산물을 함께 생성되는 문제점이 있으며, 입자의 크기가 균일하지 않아 양자점의 특성을 잃게 되므로 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 반응이 형성된 후에, 생성된 현탁액을 원심분리에 의하여 입자들을 분리해내고, 에탄올과 물로 세척하여 미반응의 나트륨과 부산물로 생성된 염화나트륨(NaCl)을 제거한다.

이와 같은 방법으로 제조된 인듐 나노입자의 수득률은 80% 이상이며, 입자의 크기가 10 ∼ 50 ㎚ 이며, 순도가 99 ∼ 100 % 범위를 유지하여, 단 전자 트랜지스터, 바이오 나노기술, 나노지로그래피, 인듐포스파이드(InP)의 출발물질 등의 나노 기술에 이용될 수 있다.

이와 같은 본 발명을 다음의 실시예에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 실시예에 한정되는 것이 아니다.

실시예 1

아르곤 기류 하에서 염화인듐 2.21 g과 금속 나트륨 0.70 g을 디메틸포름아미드(DMF)에 넣은 후 140 ℃의 온도로 5시간 동안 충분히 교반하여 회색의 인듐(In) 콜로이드 현탁용액을 얻었다. 이 현탁액에 톨루엔을 가하여 희석시키고 원심분리로 고체상을 얻은 후 에탄올과 물로 세척한 후 진공건조 하여, 81 %의 반응수율로 약 15 nm 크기, 순도 99.5% 이상의 인듐 나노입자를 얻었다.

상기에서 제조된 인듐입자의 XRD를 측정하여 도 1에 나타내었으며, 그 결과 나노 크기의 입자를 가진다는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 상기에서 얻어진 인듐 나노입자는 톨루엔 용매에 분산시켜 UV 흡광분석을 하였으며, 그 결과 약 290 ㎚에서의 표면 플라스몬의 전형적인 흡광피크가 관찰되어 인듐 나노입자가 형성되었음을 확인하였다.

실시예 2

아르곤 기류 하에서 염화인듐 2.21 g과 금속 나트륨 0.70 g을 트리옥틸포스핀(TOP)에 넣은 후 160 ℃의 온도로 2시간 동안 충분히 교반하여 회색의 인듐(In) 콜로이드 현탁용액을 얻었다. 이 현탁액에 톨루엔을 가하여 희석시키고 원심분 리로 고체상을 얻은 후 에탄올과 물로 세척한 후 진공건조 하여, 85 %의 반응수율로 약 40 ㎚ 크기, 순도 99.5% 이상의 인듐 나노 입자를 얻었다.

상기에서 제조된 인듐입자의 XRD를 측정하여 도 1에 나타내었으며, 그 결과 나노 크기의 입자를 가진다는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 상기에서 얻어진 인듐 나노입자는 톨루엔 용매에 분산시켜 UV 흡광분석을 하였으며, 그 결과 약 290 ㎚에서의 표면 플라스몬의 전형적인 흡광피크가 관찰되어 인듐 나노입자가 형성되었음을 확인하였다.

실시예 3

상기 실시예 2와 동일하게 실시하되, 반응온도는 330 ℃로 하고 반응시간을 30분으로 하여 83 %의 반응수율로 약 50 ㎚ 크기, 순도 99.5% 이상의 인듐 나노입자를 얻었다.

상기에서 제조된 인듐입자의 XRD를 측정하여 도 1에 나타내었으며, 그 결과 나노 크기의 입자를 가진다는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 상기에서 얻어진 인듐 나노입자는 톨루엔 용매에 분산시켜 UV 흡광분석을 하였으며, 그 결과 약 290 ㎚에서의 표면 플라스몬의 전형적인 흡광피크가 관찰되어 인듐 나노입자가 형성되었음을 확인하였다.

비교예 1

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 반응온도를 90 ℃로 하여 반응을 수행하였다. 그 결과 인듐 입자가 얻어지지 않았다.

비교예 2

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 반응온도를 450 ℃로 하여 반응을 수행하였다. 그 결과 인듐 입자는 형성되었으나 그 크기도 200 ㎚ 수준이었으며, 용매가 분해되어 InP 불순물이 함께 생성되었다.

상기 비교예 1과 비교예 2에서 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 반응온도를 벗어나는 경우에는 입자가 형성되지 못하거나 크기가 너무 커서 나노크기의 입자를 형성하지 못하였다.

비교예 3

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 반응용매인 디메틸포름아미드(DMF) 대신에 파라핀오일을 사용하여 반응을 수행하였다. 그 결과 인듐 입자는 형성되었고, 크기도 약 50 ㎚ 수준이었으며, 다량의 인듐옥사이드가 불순물로 함께 형성되었다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 질소(N)나 인(P) 원소를 함유하는 유기용매하에서 염화인듐과 금속 나트륨을 특정의 온도범위에서 반응하여 인듐 나 노입자를 제조하는 신규의 방법으로, 종래에 비해 경제적이고 순도가 높은 인듐 나노입자를 손쉬운 방법으로 제조가 가능하여 여러 나노기술 분야에 그 응용성이 기대된다.

Claims (3)

1. 질소(N) 또는 인(P) 원소를 함유하는 유기화합물을 반응용매로 사용하여, 염화인듐과 금속나트륨을 100 ∼ 400 ℃의 온도범위에서 반응시켜 제조하는 것을 특징으로 하는 인듐 나노입자의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 질소(N) 또는 인(P) 원소를 함유하는 유기화합물은 N,N'-디메틸-포름아미드(DMF) 또는 n-트리옥틸포스핀(TOP)인 것을 특징으로 하는 인듐 나노입자의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 인듐 나노입자는 입자의 크기가 10 ∼ 50 ㎚이며, 순도가 99 ∼ 100 %인 것을 특징으로 하는 인듐 나노입자의 제조방법.

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