KR20100100209A - 은 분말의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 계면활성제 없이 은(Ag, silver) 분말을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게 설명을 하면, 질산은 용액에 수용성 유기용매 및 환원제를 첨가하여, 자동환원반응에 의한 은 분말 침전물을 제조하는 단계; 및 상기 은 분말 침전물을 여과, 수세 및 건조시켜서 은 분말을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 기존의 은 분말 제조방법에서 사용하던 계면활성제를 사용하지 않을 뿐만 아니라, 착화제도 사용하지 않으며, pH 조절, 높은 환원온도 유지 등의 복잡한 조작과정을 거치지 않고, 실온에서 간단하게 은 분말을 제조할 수 있다. 또한, 본 발명에 의해서 제조된 은 분말은 도전성 페이스트, 전자파 차단제, 도료 등에 유용하게 이용될 수 있으며, 표면 증강 라만 산란용 증강제, 잉크 첨가제, 항균제, 항생제 등에도 폭 넓게 이용될 수 있다.

은, 분말, 환원제, 유기용매

Description

은 분말의 제조 방법{Preparation method of silver powder}

본 발명은 질산은 용액에 수용성 유기용매 및 환원제를 첨가하여, 자동환원반응에 의한 은 분말 침전물을 제조하는 단계; 및 상기 은 분말 침전물을 여과, 수세 및 건조시켜서 은 분말을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 계면활성제 없이 은 분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.

은 분말은 전자산업의 후막집적회로, 프린트 배선회로, 열경화성 도전 페이스트 등 도전성 충전제(conductive filler)로서 반드시 필요한 소재이다.

이러한 은 분말을 제조하는 방법은 일반적으로 화학적 환원법과 물리적(기계적)인 방법으로 크게 나뉜다. 이를 간략하게 소개하면, 물리적인 방법으로서 미국 특허 제 5,439,502호에서 휘발성 용매에 열분해성 은 함유 화합물을 용해시켜 운반 가스로 에어로졸을 만들고 에어로졸을 은 화합물 분해온도 이상으로 가열하여 은 분말을 만드는 방법이 기술되어 있다(Tovio T.Kodas 등). 화학적 환원법으로서 Pastogriza-Santos 등은 DMF(N,N-dimethylformamide), 안정제로서 3- aminopropyltrimethoxysilane(APS)을 이용한 은 분말 제조 방법을 공지하고 있는데, 실온에서 은 이온의 환원 시간은 24 시간이며, 은 용액 온도는 100℃로 상승시키는 기술이 발표하였다(Pure Appl.Chem., 72, 83(2000)). 그리고, 은 종으로 이용되는 은 입자를 얻기 위하여, 착화제로서 트리소디움시트레이트(trisodium citrate)를, 환원제로서 NaBH₄를 이용하여 4 nm 크기 은 분말을 회수하는 방법이 공지되어 있다. 또한, 은 나노 와이어(wire), 은 나노 막대(rod) 입자는 계면활성제로서 CTAB(cetyltrimethylammonium bromide), 환원제로서 아스코르빈산으로부터 제조되는 기술이 공지되어 있다(Chem.Commum., 617(2001)).

Sinha 등은 glycerol을 용매와 환원제로서 이용하였으며 은염 용액을 175℃까지 가열하여 1.5 ㎛ ~ 11 ㎛ 크기 은 입자를 제조하였다(Bull.Mater.Sci., 28(3), 213(2005)). Sondi 등은 질산은(5 중량%), 아스코르빈산(4.4 중량%), Daxad 19(naphthalene sulfonate formaldehyde condensate, M.W. 8000, 10 중량%)를 이용하여 평균 입경 14.7 nm ~ 26.3 nm 정도 은 입자를 제조하였는데, 이러한 은 입자 제조방법은 환원시간은 1분 ~ 7분 범위이다(Journal of Colloid and Interface Science, 260, 75(2003)). Wang 등은 은염으로서 염화은, 환원제로서 glucose를 이용하여 환원시간 18 시간, 반응 온도 180℃ 조건에서 은 와이어(100 nm × 500 nm)를 제조하였다(Chem.Eur.J., 11, 160(2005)).

앞서 설명한 상기 화학적 환원법은 습식 환원에 의한 은 분말 제조방법으로서, 소디움 보로하이드라이드(sodium borohydride), 아스코르빈산 등의 환원제와 Daxad 19, Brij 97, Tween 80, APS 등의 안정제 하에 나노 크기 은 입자를 제조하는 방법이이며, 기존 은 입자의 제조 조건은 실온 이외의 조건인 50℃ ~ 175℃, 낮은 은 농도(< 5 중량%) 및 긴 환원시간(18 시간 ~ 24 시간)을 필요로 하는 문제가 있다. 따라서, 기존 은 입자 또는 은 분말의 제조방법은 생산성이 떨어지는 문제가 있는 바, 새로운 은 입자 또는 은 분말 제조방법에 대한 요구가 증대되고 있다.

이에, 본 발명자들은 기존 은 분말의 제조방법의 문제점을 해결하고자 노력, 연구한 결과, 질산은과 환원제로서 포름산을 이용하여 실온에서 짧은 시간에 계면활성제의 사용 없이도 높은 수율로 은 분말을 제조하는 방법을 발명하게 되었다. 즉, 본 발명은 실온에서 생산성이 향상된 새로운 은 분말의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 해결하기 위한 본 발명은 계면활성제 없이 은 분말을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 질산은 용액에 수용성 유기용매 및 포름산을 첨가하여, 자동환원반응에 의한 은 분말 침전물을 제조하는 단계; 및 상기 은 분말 침전물을 여과, 수세 및 건조시켜서 은 분말을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

이러한 본 발명의 은 분말 제조방법은 기존의 은 분말 제조방법과는 달리 착화제 및 계면활성제를 사용하지 않으며, 기존에는 18 시간 ~ 24 시간 걸리던 환원시간이 수 분 내지 수십 초 이내로 대폭 단축시킬 수 있다. 또한, 150℃ 이상의 높은 환원온도가 필요한 기존 제조방법과는 달리 본 발명은 낮은 환원온도(10 ~ 35℃)를 갖기 때문에 실온에서 제조가 가능할 뿐만 아니라, 은 분말의 수율도 매우 높기 때문에 생산성이 매우 높다.

앞서 설명한 본 발명을 이하에서 더욱 상세하게 설명하겠다.

본 발명은 계면활성제 없이 은 분말을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 질산은 용액에 수용성 유기용매 및 포름산을 첨가하여, 자동환원반응에 의한 은 분말 침전물을 제조하는 단계; 및 상기 은 분말 침전물을 여과, 수세 및 건조시켜서 은 분말을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 각 단계는 10 ~ 35℃인 실온에서 진행되는데 그 특징이 있다.

본 발명에 있어서, 상기 질산은 용액은 질산은을 증류수에 용해시킨 형태이다. 증류수와 질산은의 중량비는 실온 범위의 온도인 10 ~ 30℃에서 증류수에 대한 질산은의 용해도로부터 결정되는데, 증류수 1 g에 대한 질산은의 용해도는 1.2 g ~ 2.5 g 정도이다(http://www.sciencelab.com/). 그러므로 상기 질산은 용액은 질산은과 증류수를 1 : 1 ~ 1 : 10 중량비로, 더욱 바람직하게는 1 : 2.5 ~ 6 중량비로 함유하고 있는 것이 좋다. 이때, 상기 질산은과 증류수의 중량비가 1 : 10 중량비를 초과하면, 불용성 질산은 때문에 금속 은 분말 입자의 생성을 위한 과포화도 형성에 필요한 용질의 확산 과정이 불안정하게 되어 최종 생성된 입도 분포가 넓어질 수 있으며, 상기 질산은과 증류수의 중량비가 1 : 1 미만이면, 은 분말 생성속도가 느려지게 되므로 상기 범위 내의 중량비를 갖는 것이 좋다. 본 발명에 있어서, 상기 포름산은 환원제로서 사용되며, 자동환원반응과정은 아래와 같이 Nernst식과 Gibbs 자유에너지로서 설명된다. 포름산 수용액의 pH를 2 ~ 14까지 변화시켰을 때, 포름산의 산화 퍼텐셜은 0.37V(J/C)에서 1.08V(J/C)로 알려져 있다. 그러므로 평형 상수 값은 10¹⁹ ~ 10³¹ 범위이며, 은 이온의 환원 퍼텐셜을 고려했을 때, 환원 반응이 자발적으로 일어나므로 은 이온의 환원제로서 포름산은 매우 적합하다. 상기 질산은 용액에 함유된 질산은과 포름산의 중량비는 1 : 0.1 ~ 10, 바람직하게는 1 : 0.2 ~ 6 범위를 만족하는 것이 좋으며, 여기서 상기 범위는 급속한 은 입자 생성을 방지하여 평균 입경이 비교적 큰 은 입자의 생성을 방지하며 은 입자의 재 용해를 방지하기 위한 것이다. 그리고, 상기 포름산은 증류수에 용해시킨 포름산 수용액으로 사용하는 것이 좋으며, 여기서 포름산 수용액의 농도는 상기 질산은과 포름산의 중량비를 만족시키는 범위 내의 농도가 되도록 해야 할 것이다.

상기 수용성 유기용매는 질산은에 대해서 낮은 용해도를 보이며 물과 혼합되는 화합물로부터 선택될 수 있으며, 상기 수용성 유기용매는 아세톤(acetone) 및 디메틸설폭사이드(DMSO, dimethylsulfoxide) 중에서 선택된 1 종 이상을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 질산은과 상기 수용성 유기용매는 1 : 3 ~ 6 중량비를, 더욱 바람직하게는 1 : 4 ~ 5 중량비 범위를 만족시키는 것이 좋다. 여기서, 상기 범위는 증류수에서 질산은 입자의 석출을 억제하며 적절한 은 이온의 환원을 조성하기 위한 과포화도 유지에 필요한 농도이다.

자동환원반응이 종료된 후, 은 분말 침전물은 모액으로부터 회수되어 수세 및 건조 과정을 거치게 되고 최종적으로 은 분말을 얻게 된다. 이때, 상기 수세, 건조 방법은 본 발명에 있어서 특별히 한정하지는 않으며, 당업계에서 사용하는 방법을 사용할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명을 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠으나, 본 발명의 권리범위가 다음의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

25℃에서 결정성 질산은 덩어리 0.2582 g을 증류수 0.7556 g에 완전히 용해시켜 질산은 수용액을 얻었다. 질산은 덩어리가 증류수에 완전히 용해된 질산은 수용액에 유기 용매인 DMSO 1.2178 g을 가한 후, 환원제로서 포름산 0.0593 g이 용해된 포름산 수용액(88%) 0.0674 g을 가했다. 포름산 수용액이 첨가된 후, 질산은 수 용액의 자동환원반응은 급속하게 진행되었으며 은 분말 침전물이 생성되었다. 이때, 자동환원반응에 소요된 시간은 22 초였다. 그 후 상기 은 분말 침전물은 여과, 세척 및 건조되었고, 최종적으로 은 분말 0.12 g을 얻었다(수율 77%). 그리고, 도 1에 제조된 은 분말의 XRD 회절선도를 나타냈다.

실시예 2

결정성 질산은 덩어리 0.2587 g는 25℃의 증류수 1.4318 g에 완전히 용해시켜 질산은 수용액을 얻었다. 질산은 덩어리가 증류수에 완전히 용해된 질산은 수용액에 유기 용매인 아세톤 1.2158 g을 가한 후, 환원제로서 포름산 0.0383 g 용해된 포름산 수용액(88%) 0.0436 g가 가했다. 포름산 수용액이 첨가된 후, 질산은 수용액의 자동환원반응은 급속하게 진행되었으며 은 분말 침전물이 생성되었다. 이때, 자동환원반응에 소요되는 시간은 36 초였다. 그 후 은 분말 침전물은 여과, 세척 및 건조되었고, 최종적으로 은 분말 0.13 g을 얻었다(수율 86.7%). 그리고, 도 1에 제조된 은 분말의 XRD 회절선도를 나타낸다.

이상에서 전술한 바와 같이, 본 발명의 은 분말 제조방법은 기존 은 분말 제조방법과 달리 계면활성제 또는 착화제를 사용하지 않을 뿐만 아니라, pH 조절, 높은 환원온도 유지 등의 복잡한 조작과정을 거치지 않고서도, 매우 빠른 시간 내에 실온에서 은 분말을 높은 수율로 제조할 수 있음을 확인할 수 있다.

이렇게 제조된 상기 은 분말은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, ABS(acrylonitrile butadiene styrene), PMMA(Poly Methyl Meta Acrylate), 폴리카보네이트, 폴리에스테르 등과 상용성이 우수하고, 항균 및 살균성, 연마성, 자외선 차단성, 감광성, 대전 방지성, 전자파 차폐 및 탈취성을 갖는 플라스틱 성형품, 섬유, 도료, 잉크에 이용될 수 있다. 또한, 표면 증강 라만 산란용 증강제, 잉크 활성부분의 첨가제, 또는 다양한 전기 제품에 들어가는 전도성 접착제의 주요 구성성분으로서 이용될 것을 기대된다.

도 1은 실시예 1 및 실시예 2에서 제조된 은 분말의 X선 회절선도이다.

Claims (6)

1. 질산은 용액에 수용성 유기용매 및 포름산을 첨가하여, 자동환원반응에 의한 은 분말 침전물을 제조하는 단계; 및

   상기 은 분말 침전물을 여과, 수세 및 건조시켜서 은 분말을 제조하는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 은 분말의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 질산은 용액에 함유된 질산은과 상기 포름산은 1 : 0.1 ~ 10 중량비인 것을 특징으로 하는 은 분말의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 질산은 용액은 질산은과 증류수를 1 : 1 ~ 10 중량비로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 은 분말의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 질산은 용액에 함유된 질산은과 상기 수용성 유기용매는 1 : 3 ~ 6 중량비인 것을 특징으로 하는 은 분말의 제조방법.
5. 제 1 항 또는 제 4 에 있어서, 상기 수용성 유기용매는 아세톤 또는 디메틸설폭사이드인 것을 특징으로 하는 은 분말의 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 각 단계는 10℃ ~ 35℃ 온도 하에서 수행하는 것을 특징으로 하는 은 분말의 제조방법.

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