WO2016144128A1 - 플라즈마를 이용한 나노입자 제조방법 - Google Patents

플라즈마를 이용한 나노입자 제조방법 Download PDF

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WO2016144128A1
WO2016144128A1 PCT/KR2016/002433 KR2016002433W WO2016144128A1 WO 2016144128 A1 WO2016144128 A1 WO 2016144128A1 KR 2016002433 W KR2016002433 W KR 2016002433W WO 2016144128 A1 WO2016144128 A1 WO 2016144128A1
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nanoparticles
plasma
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sulfur hexafluoride
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조원일
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주식회사 쇼나노
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    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/60—Particles characterised by their size
    • C01P2004/64—Nanometer sized, i.e. from 1-100 nanometer

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing nanoparticles using plasma, and more particularly, to producing nanoparticles by reacting a mixed gas of a source gas and sulfur hexafluoride (SF 6 ) catalyst gas in a plasma region, thereby producing nanoparticles. It relates to a method for producing nanoparticles using a plasma characterized in that the improved.
  • SF 6 sulfur hexafluoride
  • Nanotechnology is recognized as the next generation growth engine as a foundation technology that can further enhance future core strategic businesses by combining with advanced technologies such as IT, BT and CT.
  • the method of manufacturing such a nanomaterial is a physical method and a chemical method.
  • Physical methods include high-energy reaction milling, freezing milling, arc discharge, etc.
  • chemical methods include liquid phase methods such as co-precipitation, sol-gel method, hydrothermal method, inert gas condensation method, and aerosol method.
  • a method of obtaining nanopowders by adding and dissolving high energy of a laser method such as a thermal plasma method or an electron beam to a target metal, dissolving it, and then evaporating and condensing it.
  • Patent Document 1 As shown in Figure 1, the synthesis vessel 110, plasma gas inlet 120, plasma antenna 130, process gas Silicon nanopowder manufacturing apparatus including an inlet 140, a baffle 150, a stage 160, agglomeration preventing gas inlet 170, an antenna moving unit 180 and a pump 190 is known, patent In Document 2, as shown in FIG. 2, the apparatus for producing silicon nanoparticles includes a reactor 1 for generating nanoparticles of silicon (Si) in a plasma region, and unreacted and undecomposed silane gas (SiH 4 ) in a plasma region.
  • Si silicon
  • SiH 4 unreacted and undecomposed silane gas
  • Recirculation) to the reactor (1) comprises a gas circulator 10 to further increase the production efficiency per hour
  • the reactor (1) is a gas supplied with the silane gas (SiH 4 )
  • the active gas based on the height Injection part 100 is formed
  • gas injection Following the part 100 a plasma reaction part 200 is formed to induce a chemical change of silane gas (SiH 4 ) into the plasma, and absorbs heat from the nanoparticles extracted by the chemical change following the plasma reaction part 200.
  • the cooling unit 300 is formed, followed by the cooling unit 300 is known silicon nanoparticle manufacturing apparatus characterized in that the collection unit 400 for collecting the nano-particles are absorbed heat is sequentially formed, the patent document 3, the reaction gas is introduced into the reaction chamber by the gas inlet 10 in the reaction chamber equipped with the gas inlet 10 and the filament 20, as shown in Figure 3, the filament 20 is the first Voltage is applied by the power supply 100 to emit electrons from the filament 20.
  • Plasma enhanced chemical vapor deposition apparatus having a structure in which an inert gas such as argon, helium, or nitrogen is flowed around the filament 20 to suppress the reaction between the surface of the filament 20 and the reaction gas.
  • PECVD is known a method for producing nanoparticles
  • Non-Patent Document 1 is known a method for plasma synthesis of single crystal silicon nanoparticles for the application of a novel electronic device.
  • Patent Documents 1 to 3 and Non-Patent Document 1 The method of manufacturing the nanoparticles by the plasma heating method known in Patent Documents 1 to 3 and Non-Patent Document 1 as described above can synthesize the nanoparticles at a relatively low temperature, compared to the laser method, and the like, gas phase materials, solid materials, suspensions, etc. Likewise, it can be used irrespective of various types of parent materials, but there is a cost loss in disposing of unreacted raw material gas, and if the unreacted gas is separated and recycled, the system becomes complicated and recovery is possible. There is a problem that the high cost that follows.
  • Non-Patent Document 2 In the production of nanoparticles using a laser based on the above, by producing a nanoparticles by reacting the source gas and sulfur hexafluoride (SF 6 ) catalyst gas, to develop a technology for improving the yield of nanoparticles to Patent Document 4 It has been filed.
  • SF 6 sulfur hexafluoride
  • the present applicant has completed the present invention by developing a technique for improving the production yield of nanoparticles in the production of nanoparticles using plasma using the technique of Patent Document 4 by a conventional method.
  • Patent Document 1 Republic of Korea Patent Application Publication No. 10-2011-0121484 (November 07, 2011 published) Silicon nano powder manufacturing apparatus and method
  • Patent Document 2 Republic of Korea Patent Publication No. 10-1439184 (September 02, 2014 registration) Silicon nanoparticles manufacturing apparatus
  • Patent Document 3 Republic of Korea Patent Publication No. 10-0779082 (Registered November 19, 2007) Plasma enhanced chemical vapor deposition apparatus and method for manufacturing nanoparticles using the same
  • Patent Document 4 Republic of Korea Patent Application No. 10-2014-0181701 (filed December 16, 2014) Nanoparticle manufacturing method using a laser
  • Non Patent Literature 1 Ameya Bapat, et al., Plasma synthesis of single-crystal silicon nanoparticles for novel electronic device applications, Plasma Physics and Controlled Fusion Volume 46 Number 12B
  • Non-Patent Document 2 Seongbeom Kim, et al., Size tailoring of aqueous germanium nanoparticle dispersions, Nanoscale, Royal Society of Chemistry 2014, Vol. 6, pp. 10156-10160, published on 2014, 6. 25
  • the present invention is to improve the problem of low production yield of nanoparticles in the production of nanoparticles by using a plasma to solve the above problems, a mixture of source gas and sulfur hexafluoride (SF 6 ) catalyst gas
  • An object of the present invention is to provide a method for producing nanoparticles using plasma, in which the production of nanoparticles by catalytic gas is improved by reacting gas in a plasma region.
  • the present invention provides a method for producing nanoparticles using a plasma, characterized in that for producing nanoparticles by reacting a mixed gas of a source gas and a sulfur hexafluoride (SF 6 ) catalyst gas in a plasma region.
  • SF 6 sulfur hexafluoride
  • the mixed gas is mixed with 100 parts by volume of the source gas and 20 to 40 parts by volume of sulfur hexafluoride (SF 6 ) catalyst gas, and the mixed gas is added to 100 parts by volume of the source gas in order to control the characteristics of the generated nanoparticles.
  • the source gas is characterized in that it comprises one or more selected from silicon compounds or germanium compounds.
  • the present invention is to improve the problem of low production yield during the production of nanoparticles by using a plasma by producing a nanoparticle by reacting the mixed gas of the source gas and sulfur hexafluoride (SF 6 ) catalyst gas in the plasma region,
  • the production yield of nanoparticles is improved by the gas, and in particular, the method for preparing nanoparticles using plasma according to the present invention is advantageous in that nanoparticles can be manufactured using a conventional plasma apparatus.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a conventional structure of a nanoparticle manufacturing apparatus using a conventional plasma.
  • Figure 2 is a schematic diagram showing a conventional structure of a nanoparticle manufacturing apparatus using another conventional plasma.
  • Figure 3 is a schematic diagram showing a conventional structure of a nanoparticle manufacturing apparatus using another conventional plasma.
  • Figure 4 is a schematic diagram showing a conventional structure of the nanoparticle synthesis apparatus using a plasma.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a pyrolysis setup of the device, showing an enlarged portion of the plasma region P of the device of FIG. 4;
  • Figure 6 is a TEM photograph taken of silicon nanoparticles prepared according to a preferred embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a TEM photograph taken germanium nanoparticles prepared according to a preferred embodiment of the present invention.
  • reaction chamber 20 collecting part
  • 60a upper electrode 60b: lower electrode
  • a method for manufacturing nanoparticles using plasma includes an upper electrode 60a and a lower part in a reaction chamber 10 in a nanoparticle synthesis apparatus using a plasma having a conventional structure as shown in FIG. 4.
  • Nanoparticles (NPs) are manufactured by reacting a mixed gas of a source gas and a sulfur hexafluoride (SF 6 ) catalyst gas in the plasma region P formed between the electrodes 60b.
  • SF 6 sulfur hexafluoride
  • a region in which plasma is generated between the upper electrode 60a and the lower electrode 60b is called a plasma region P.
  • the mixed gas is supplied to the mixed gas supply nozzle 40a and the carrier gas to the carrier gas supply nozzle 40b, respectively.
  • the present invention is produced by preventing a large amount of energy for breaking the bond between molecules during the excitation of the source gas during the reaction of the mixed gas of the source gas and sulfur hexafluoride (SF 6 ) catalyst gas in the plasma region (P) generated by thermal energy Nanoparticles (Si-NPs) can be prepared to improve the yield.
  • SF 6 sulfur hexafluoride
  • Si-NPs thermal energy Nanoparticles
  • the mixed gas is mixed with 100 parts by volume of raw material gas and 20 to 40 parts by volume of sulfur hexafluoride (SF 6 ) catalyst gas.
  • SF 6 sulfur hexafluoride
  • the mixed amount of the sulfur hexafluoride (SF 6 ) catalyst gas in the mixed gas is less than the mixing amount defined above, there is a possibility that the decomposition rate due to the reaction of the raw material gas is lowered and the production yield of nanoparticles is lowered, and the catalyst If the mixing amount of gas exceeds the mixing amount defined above, the production yield of nanoparticles decreases due to explosion during the reaction of monosilane (SiH 4 ) and sulfur hexafluoride (SF 6 ), and the manufacturing process of nanoparticles. There is a risk that a problem may occur along the way.
  • the inflow rate of the raw material gas introduced into the reaction chamber 10 is generally 1 to 30 sccm, preferably 1 to 3 sccm. Further, the flow rate of the carrier gas such as argon (Ar) gas or the like to be introduced into the plasma region is usually in the range of 40 to 300 sccm, preferably 115 to 155 sccm. In addition, the hydrogen gas flow rate to be introduced into the plasma reaction chamber 10 is typically 20 sccm.
  • sccm standard cubic centimeters per minute
  • the inflow rate of the source gas, carrier gas and hydrogen gas is out of the above limited range, there is a fear that the production yield of the nanoparticles is reduced.
  • the carrier gas may be argon (Ar), helium (He), krypton (Kr), xenon (Xe) and the like as an inert gas that does not react with the source gas and sulfur hexafluoride (SF 6 ) catalyst gas.
  • a process of converting the source gas into nanoparticles 50 in the plasma region P is as follows.
  • the source gas which is a mixed gas
  • the sulfur hexafluoride (SF 6 ) catalyst gas are introduced into the reaction chamber 10 into the plasma region P, and as shown in FIG. 5, the upper electrode 60a and the lower electrode 60b.
  • the source gas reacts with the sulfur hexafluoride (SF 6 ) catalyst gas in the plasma region P formed therebetween, the molecules of the source gas are excited and decomposed into radical form.
  • the source gas may be any material capable of forming nanoparticles by decomposing and reacting the source gas according to the application of energy by plasma, and may be used as the source material of the nanoparticles.
  • one or more of the silicon compound or germanium compound is included. More specifically, at least one selected from monosilane (SiH 4 ), silicon tetrachloride (SiCl 4 ), germanium tetrachloride (GeCl 4 ), tetramethylgermanium [Ge (CH 3 ) 4 ], and germane (GeH 4 ) Or more preferably.
  • the kind of the compound decomposable by plasma is not necessarily limited to the kind of the compounds listed above. Can be.
  • Si-NPs silicon nanoparticles
  • SiH 4 monosilane
  • FIG. 5 which is attached to the present invention, illustrates a process in which monosilane (SiH 4 ) molecules are excited into a radical form to be produced as nanoparticles 50 in the plasma region P, where sulfur hexafluoride ( SF 6 ) gas is the energy absorbed from the plasma generated by the inert gas is transferred to the monosilane (SiH 4 ), which is the background to break the Si-H bond to generate more silicon nanoparticles (Si-NPs).
  • SF 6 sulfur hexafluoride
  • SiH 4 the monosilane
  • Si-NPs silicon nanoparticles
  • germanium compound such as [Ge (CH 3) 4] and tetramethyl germanium nyumnyum [Ge (CH 3) 4] is a Ge-CH 3 bond by the intense vibration of the molecule It breaks down and the molecules are excited to break down into germanium radical form.
  • germanium radicals generated as described above develop into germanium nanoparticle nuclei by homogeneous nucleation, and grow gradually by combining with germanium radicals.
  • the residence time in which the silicon nanoparticle nucleus or the germanium nanoparticle nucleus stays in the reaction part is determined by the silicon nanoparticles (Si-NPs) or germanium nanoparticles (Ge-NPs).
  • Si-NPs silicon nanoparticles
  • Ge-NPs germanium nanoparticles
  • sulfur hexafluoride (SF 6 ) which is a catalyst gas, is mixed with monosilane (SiH 4 ) or tetramethylgermanium [Ge (CH 3 ) 4, etc.) during pyrolysis to transfer energy due to collision of molecules. It serves to increase the conversion rate from the gas to the nanoparticles (50).
  • the present invention is a method for improving the production yield in the production of silicon nanoparticles (Si-NPs) using monosilane (SiH 4 ) as the raw material gas, the actual monosilane (SiH 4 ) gas and sulfur hexafluoride (SF).
  • a gas is a reaction gas that can receive an explosive reaction when it is excited by receiving energy from a plasma generated by an inert gas, that is, when an energetic energy is supplied from the outside, an explosion reaction occurs. Same as Scheme 1.
  • Si-NPs silicon nanoparticles
  • the method of controlling the sulfur hexafluoride (SF 6 ) is to reduce the production density of the plasma or to reduce the energy of the reaction gases. In this case, reducing the production density of the plasma may affect the amount of production of silicon nanoparticles (Si-NPs) at the same time, so it is preferable to dilute the reaction gas with other gases or to lower the pressure.
  • the mixed gas is supplied to the reaction chamber 10 by mixing 100 to 400 parts by volume of the control gas with respect to 100 parts by volume of the source gas in order to control the characteristics of the nanoparticles 50 generated.
  • the mixing amount of the control gas is less than the mixing amount defined above Monosilane (SiH 4) and crystallization of sulfur hexafluoride nanoparticles mixing amount of the (SF 6) is, and the control gas concerned fail to properly control the explosion phenomenon in the course of the reaction of this generated when exceeding a mixing amount limited by the The fraction becomes smaller, and there is a fear that the production yield is lowered.
  • the control gas capable of delaying the explosion reaction one or more selected from nitrogen, argon, and helium may be used as well as hydrogen gas.
  • the plasma generating device preferably has a plasma output density in the plasma reaction chamber 10 of 0.1 to 100 W / cm 2 , and the temperature of the electrode is generally high.
  • the upper electrode 60a is room temperature and the lower electrode 60b.
  • the voltage of the source gas and the carrier gas in the reaction chamber is generally 1.0 to 10.0 toor, preferably 2.5 to 5.0 toor, more preferably 2.5 to 3.5 toor, and the reaction time is preferably 3 to 30 minutes. If the reaction conditions deviate from the reaction conditions defined above, there is a fear that the production yield of nanoparticles is reduced.
  • Nanoparticle manufacturing method using a plasma according to a preferred embodiment of the present invention can be applied to a conventional plasma generating apparatus, and can be applied to all kinds of plasma generating apparatus, regardless of the type of the plasma generating apparatus
  • the conditions are not necessarily limited to the above limited conditions, and the conditions may be appropriately adjusted according to the type, scale, or amount of nanoparticles to be produced.
  • the manufacturing apparatus used to manufacture the nanoparticles in this embodiment is a reaction chamber 10, the collecting unit 20, the vacuum pump 30 and the raw material gas into the reaction chamber 10 as shown in FIG.
  • An injection unit 40 having a mixed gas supply nozzle 40a for supplying a mixed gas of catalyst gas and a carrier gas supply nozzle 40b for supplying a carrier gas, an upper electrode 60a for generating a plasma, and A conventional nanoparticle manufacturing apparatus composed of the lower electrode 60b was used.
  • the plasma output density in the reaction chamber 10 was fixed at 2.0 W / cm 2 , and 250 ml (100 parts by volume) of monosilane (SiH 4 ) serving as a source gas was charged in the reaction chamber 10.
  • Argon (Ar) 100 sccm was supplied to the monosilane (SiH 4 ) gas in the reaction chamber 10, 1,000 ml (400 parts by volume) of hydrogen (H 2 ) as a control gas and sulfur hexafluoride (SF 6 ) catalyst gas 50 ml (20 parts by volume) was supplied into the reaction chamber 10 maintaining the temperature of 50 °C, the voltage in the chamber was maintained at 4 toor for 3 minutes to react the silicon nanoparticles (Si- particle size of 10 ⁇ 30 nm) NPs) were generated and then recovered through the collecting unit 20 using the vacuum pump 30.
  • the yield of the silicon nanoparticles (Si-NPs) having a particle size of 10 to 30 nm was 48.2%.
  • the plasma output density in the reaction chamber 10 was fixed at 2.0 W / cm 2 , and 250 ml (100 parts by volume) of monosilane (SiH 4 ) serving as a source gas was charged in the reaction chamber 10.
  • Argon (Ar) 100 sccm was supplied to the monosilane (SiH 4 ) gas in the reaction chamber 10, 1,000 ml (400 parts by volume) of hydrogen (H 2 ) as a control gas and sulfur hexafluoride (SF 6 ) catalyst gas 100 ml (40 parts by volume) was supplied into the reaction chamber 10 maintaining a temperature of 50 °C, the voltage in the chamber was maintained at 4 toor for 3 minutes to react the silicon nanoparticles (Si- particle size of 10 ⁇ 30 nm) NPs) were generated and then recovered through the collecting unit 20 using the vacuum pump 30.
  • the yield of the silicon nanoparticles (Si-NPs) having a particle size of 10 to 30 nm was 63.7%.
  • Ga-NPs mixed Germanium nanoparticles prepared by the same method as Example 1 using the mixed gas had a particle size of 20 to 100 nm and a yield of 47.3%.
  • Germanium nanoparticles (Ge-NPs) prepared by the same method as Example 2 using the mixed gas had a particle size of 20 to 100 nm and a yield of 62.5%.
  • Si-NPs Silicon nanoparticles
  • Si-NPs Silicon nanoparticles
  • Sulfur hexafluoride (SF 6 ) catalyst gas is not used and a mixed gas of 250 ml (100 parts by volume) of raw gas (GeH 4 ), which is a raw material gas, and 1,000 ml (400 parts by volume) of hydrogen (H 2 ), which is a control gas, is mixed.
  • the germanium nanoparticles (Ge-NPs) prepared by the same method as Example 3 using the particles had a particle size of 20 to 100 nm and a yield of 13.9%.
  • the germanium nanoparticles (Ge-NPs) of the particle size is 20 ⁇ 100 nm and the yield was 34.7% yield.
  • Nanoparticles prepared by the method of 2 is confirmed that the production yield of silicon nanoparticles (Si-NPs) or germanium nanoparticles (Ge-NPs) much higher than Examples 1 to 4 compared to Comparative Examples 1 to 4 It became.
  • Examples 1, 2 and Comparative Example 2 were all mixed with monosilane (SiH 4 ) gas, which is a raw material gas, and hydrogen (H 2 ) gas, which is a control gas, and sulfur hexafluoride (SF 6 ) catalyst gas. , Bivalent It was confirmed that the production yield of silicon nanoparticles (Si-NPs) is higher than Comparative Example 2.
  • SiH 4 monosilane
  • H 2 hydrogen
  • SF 6 sulfur hexafluoride
  • Comparative Examples 2 and 4 only monosilane (SiH 4 ) or low medium (GeH 4 ) gas and sulfur hexafluoride (SF 6 ) catalyst gas are used, and hydrogen (H 2 ) gas is not mixed.
  • the production yield of silicon nanoparticles (Si-NPs) and germane nanoparticles (Ge-NPs) is sharply increased in comparison with Comparative Examples 1 and 3 during the preparation of nanoparticles, but at this time, monosilane (SiH 4 ) or low medium (GeH) 4 )
  • the explosion yield during the reaction between the gas and the sulfur hexafluoride (SF 6 ) catalyst gas may reduce the production yield of nanoparticles, and may also cause problems during the manufacturing process of nanoparticles.
  • the photograph attached to FIG. 6 is a TEM photograph of the shape of silicon nanoparticles
  • the photograph attached to FIG. 7 is a TEM photograph of the shape of germanium nanoparticles.
  • the present invention relates to a method for producing nanoparticles using plasma, and more particularly, to producing nanoparticles by reacting a mixed gas of a source gas and sulfur hexafluoride (SF 6 ) catalyst gas in a plasma region, thereby producing nanoparticles. It can be used in the method for producing nanoparticles using a plasma, characterized in that to improve.
  • SF 6 sulfur hexafluoride

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Abstract

본 발명은 플라즈마를 이용한 나노입자 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원료가스와 육불화황(SF6) 촉매가스의 혼합가스를 플라즈마 영역에서 반응시켜 나노입자를 제조하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 나노입자 제조방법에 관한 것으로, 촉매가스에 의해 나노입자의 생성수율이 향상되며, 특히 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 나노입자의 제조방법은 기존의 통상적인 플라즈마 장치를 사용하여 나노입자를 제조할 수 있는 것이 장점이다.

Description

플라즈마를 이용한 나노입자 제조방법
본 발명은 플라즈마를 이용한 나노입자 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원료가스와 육불화황(SF6) 촉매가스의 혼합가스를 플라즈마 영역에서 반응시켜 나노입자를 제조함으로써, 나노입자의 생성수율을 향상시킨 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 나노입자 제조방법에 관한 것이다.
나노 기술은 IT, BT, CT 등의 첨단기술과 융합하여 미래핵심전략사업을 한층 고도화시킬 수 있는 기반기술로서 차세대 성장동력으로 인식되고 있다. 이와 같은 나노소재를 제조하는 방법은 물리적 방법과 화학적 방법이 있다. 물리적 방법은 고에너지 반응밀링, 냉동밀링, 아크방전법 등이 있으며, 화학적 방법은 공침법, 졸-겔법, 수열법 등과 같은 액상법과 가스응축법(inert gas condensation method), 에어로졸법(aerosol method)이나 열 플라즈마법(plasma method) 또는 전자빔 등과 같은 레이저법(laser method)의 높은 에너지를 대상 금속에 가하여 용해시킨 후 증발, 응축하여 나노 분말을 얻는 방법 등이 있다.
상기에서 액상합성법은 기본적으로 배치공정으로 합성이 이루어지고 기타 각종 용제 및 이물질들과의 접촉이 필연적으로 따르기 때문에 불순물이 함유되어 고순도의 나노입자 합성에 어려운 문제점이 있다. 레이저법(laser method)은 불순물과의 접촉이 전혀없고, 주입된 모재료의 완전 증발 유도가 가능한 장점이 있지만, 생성되는 나노입자가 응집되거나 또는 재료별 증발에 편차가 있는 단점이 있는데 반해, 플라즈마법(plasma method)은 전기방전법이나 레이저법에 비해서 비교적 저온에서 나노입자를 합성할 수 있고, 금속, 산화물, 기타 세라믹 나노 분말의 제조가 가능하여 다목적 용도로 사용가능하며, 기상재료, 고상 재료, 서스펜션 등과 같이 다양한 모재료의 형태에 구애받지 않고 사용이 가능하며, 연속 운전이 가능한 장점이 있다.
이와 같은 플라즈마를 이용한 나노입자의 합성방법에 관한 특허문헌들을 살펴보면, 특허문헌 1에는 도 1에 도시된 바와 같이 합성용기(110), 플라즈마가스 유입부(120), 플라즈마 안테나(130), 공정가스 유입부(140), 배플(150), 스테이지(160), 뭉침방지 가스 유입부(170), 안테나 이동부(180) 및 펌프부(190)를 포함하는 실리콘 나노분말 제조장치가 알려져 있고, 특허문헌 2에는 도 2에 도시된 바와 같이 실리콘 나노 입자 제조 장치는 실리콘(Si)의 나노입자를 플라즈마 영역에서 생성하는 반응로(1)와, 플라즈마 영역에서 미 반응 및 미 분해된 실란가스(SiH4)를 반응로(1)로 재순환시켜줌으로써 시간당 제조효율을 더욱 높인 가스순환기(10)를 포함하며, 상기 반응로(1)에는 높이를 기준으로 활성 기체인 실란가스(SiH4)가 공급되는 가스주입부(100)가 형성되고, 가스주입부(100)에 이어 플라즈마로 실란가스(SiH4)의 화학변화를 유도하는 플라즈마 반응부(200)가 형성되며, 플라즈마 반응부(200)에 이어 화학 변화로 추출된 나노입자로부터 열을 흡수하는 냉각부(300)가 형성되고, 냉각부(300)에 이어 열이 흡수되어진 나노입자를 포집하는 수거부(400)가 순차적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 나노 입자 제조장치가 알려져 있으며, 특허문헌 3에는 도 3에 도시된 바와 같이 기체 유입구(10)와 필라멘트(20)가 장착된 반응 쳄버에서 반응 기체가 기체 유입구(10)에 의해 상기 반응 쳄버로 유입되고, 상기 필라멘트(20)는 제1 전원(100)에 의해 전압이 인가되어 상기 필라멘트(20)로부터 전자가 방출된다. 상기 필라멘트(20) 표면과 반응 기체와의 반응을 억제하기 위해 필라멘트(20) 주변에 아르곤, 헬륨, 또는 질소 등의 비활성 기체를 흘려주는 구조의 플라즈마 강화 화학적 기상 증착 장치(Plasma enhanced chemical vapor deposition apparatus; PECVD)를 사용하여 나노입자를 제조하는 방법이 알려져 있으며, 그리고 비특허문헌 1에는 신규한 전자 장치 적용을 위한 단결정 실리콘 나노입자의 플라즈마 합성에 관한 방법이 알려져 있다.
상기와 같은 특허문헌 1 내지 3 및 비특허문헌 1에 알려진 플라즈마 가열법에 의한 나노입자를 제조하는 방법은 레이저법에 비해 비교적 저온에서 나노입자를 합성할 수 있고, 기상재료, 고상 재료, 서스펜션 등과 같이 다양한 모재료의 형태에 구애받지 않고 사용이 가능한 장점이 있지만, 미반응 원료가스를 폐기할 경우 발생하는 비용적 손실과, 또한 미반응 가스를 분리해서 재순환하여 사용하게 되면 시스템이 복잡해지고 회수에 따른 높은 비용이 들게 되는 문제점이 있다.
한편, 본 출원인은 비특허문헌 2인 영국 왕립 화학회(Royal Society of Chemistry, RSC)의 나노스케일(Nanoscale)지의 2014년판에 발표한 '레이저를 이용한 수성 게르마늄 나노 입자 분산의 크기 개조'에 관한 논문을 근거로 하여 레이저를 이용한 나노입자의 제조시, 원료가스와 육불화황(SF6) 촉매가스를 반응시켜 나노입자를 제조함으로써, 나노입자의 생성수율을 향상시키는 기술을 개발하여 특허문헌 4로 출원한 바 있다.
따라서, 본 출원인은 상기 특허문헌 4의 기술을 통상적인 방법에 의해 플라즈마를 이용한 나노입자의 제조시, 나노입자의 생성수율을 향상시키는 기술을 개발함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
**선행기술문헌**
특허문헌 1 : 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0121484호(2011년 11월 07일 공개) 실리콘 나노분말 제조장치 및 방법
특허문헌 2 : 대한민국 등록특허공보 제10-1439184호(2014년 09월 02일 등록) 실리콘 나노 입자 제조장치
특허문헌 3 : 대한민국 등록특허공보 제10-0779082호(2007년 11월 19일 등록) 플라즈마 강화 화학적 기상 증착 장치 및 이를 이용한 나노입자의 제조 방법
특허문헌 4 : 대한민국 특허출원 제10-2014-0181701호(2014년 12월 16일 출원) 레이저를 이용한 나노입자 제조방법
비특허문헌 1 : Ameya Bapat, et al.,Plasma synthesis of single-crystal silicon nanoparticles for novel electronic device applications, Plasma Physics and Controlled Fusion Volume 46 Number 12B
비특허문헌 2 : Seongbeom Kim, et al., Size tailoring of aqueous germanium nanoparticle dispersions, Nanoscale, Royal Society of Chemistry 2014, Vol. 6, pp.10156-10160, published on 2014, 6. 25
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 방안으로 플라즈마를 이용하여 나노입자의 제조시 나노입자의 생성수율이 낮은 문제점을 개선하기 위한 것으로, 원료가스와 육불화황(SF6) 촉매가스의 혼합가스를 플라즈마 영역에서 반응시켜 나노입자를 제조함으로써, 촉매가스에 의한 나노입자의 생성수율을 향상시킨 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 나노입자 제조방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명은 원료가스와 육불화황(SF6) 촉매가스의 혼합가스를 플라즈마 영역에서 반응시켜 나노입자를 제조하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 나노입자 제조방법을 과제의 해결 수단으로 한다.
그리고, 상기 혼합가스는 원료가스 100 부피부와 육불화황(SF6) 촉매가스 20~40 부피부를 혼합하고, 상기 혼합가스는 생성되는 나노입자의 특성을 제어하기 위하여 원료가스 100 부피부에 대하여 수소(H2) 100~400 부피부로 혼합한다.
또한, 상기 원료가스는 실리콘 화합물 또는 저마늄 화합물 중에서 선택된 하나 또는 그 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 플라즈마를 이용하여 나노입자의 제조시 생성수율이 낮은 문제점을 개선하기 위한 것으로 원료가스와 육불화황(SF6) 촉매가스의 혼합가스에 플라즈마 영역에서 반응시켜 나노입자를 제조함으로써, 촉매가스에 의해 나노입자의 생성수율이 향상되며, 특히 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 나노입자의 제조방법은 기존의 통상적인 플라즈마 장치를 사용하여 나노입자를 제조할 수 있는 것이 장점이다.
도 1은 종래의 플라즈마를 이용한 나노입자 제조장치의 통상적인 구조를 나타낸 개략도.
도 2는 종래의 다른 플라즈마를 이용한 나노입자 제조장치의 통상적인 구조를 나타낸 개략도.
도 3은 종래의 또 다른 플라즈마를 이용한 나노입자 제조장치의 통상적인 구조를 나타낸 개략도.
도 4는 플라즈마를 이용한 나노입자 합성장치의 통상적인 구조를 나타낸 개략도.
도 5는 도 4의 장치의 플라즈마 영역(P) 부분을 확대하여 나타낸 장치의 열분해 셋업 개략도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조한 실리콘 나노입자를 찍은 TEM 사진.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조한 저마늄 나노입자를 찍은 TEM 사진.
**도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명**
10 : 반응쳄버 20 : 포집부
30 : 진공펌프 40 : 주입부
40a : 혼합가스 공급노즐 40b : 캐리어가스 공급노즐
50 : 나노입자
60a : 상부 전극 60b : 하부 전극
P : 플라즈마 영역
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 나노입자 제조방법을 첨부된 도면에 의거하여 설명하며, 상세한 설명 내용 중 이 분야의 종사자들이 용이하게 이해할 수 있는 부분들은 설명 내용을 간략히 하거나 생략하고 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 도면을 도시하고 설명하였다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 나노입자 제조방법은 도 4에 도시된 바와 같은 통상적인 구조를 갖는 플라즈마를 이용한 나노입자 합성장치에서 반응쳄버(10) 내에서 상부 전극(60a) 및 하부 전극(60b) 사이에 형성되는 플라즈마 영역(P)에서 원료가스와 육불화황(SF6) 촉매가스의 혼합가스를 반응시켜 나노입자(Nanoparticles, NPs)를 제조하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상부 전극(60a) 및 하부 전극(60b) 사이에서 플라즈마가 생성되는 영역을 플라즈마 영역(P)라 한다.
참고로, 혼합가스는 혼합가스 공급노즐(40a), 캐리어가스는 캐리어가스 공급노즐(40b)로 각각 공급되어진다.
본 발명은 원료가스와 육불화황(SF6) 촉매가스의 혼합가스가 플라즈마 영역(P)에서 반응시 원료가스의 여기시 분자간의 결합을 끊기 위한 에너지의 대부분이 열에너지로 손실되는 것을 방지되어 생성수율이 향상되게 나노입자(Si-NPs)를 제조할 수 있다.
본 발명에서 상기 혼합가스는 원료가스 100 부피부와 육불화황(SF6) 촉매가스 20~40 부피부를 혼합한다.
상기 혼합가스에서 육불화황(SF6) 촉매가스의 혼합량이 상기에서 한정한 혼합량 미만이 될 경우에는 원료가스의 반응에 의한 분해속도가 저하되어 나노입자의 생산수율이 저하할 우려가 있고, 촉매가스의 혼합량이 상기에서 한정한 혼합량을 초과할 경우에는 모노실란(SiH4)과 육불화황(SF6)의 반응과정에서 폭발현상으로 나노입자의 생성수율이 저하하게 되며, 나노입자의 제조공정 중에 위험성이 따르는 문제점이 발생할 우려가 있다.
그리고 본 발명에서 반응쳄버(10) 내에 유입되는 원료가스의 유입속도는 일반적으로는 1~30 sccm, 바람직하게는 1~3 sccm이다. 또한, 플라즈마 영역에 도입할 아르곤(Ar) 가스 등과 같은 캐리어가스의 유속은 통상 40~300 sccm, 바람직하게는 115~155 sccm의 범위이다. 또한, 플라즈마 반응쳄버(10) 내에 도입할 수소가스 유속은 통상적으로 20 sccm이다.
본 발명에서 사용하는 단위인 sccm(standard cubic centimeters per minute)은 유량단위를 나타낸 것이다.
본 발명에서 상기 원료가스, 캐리어가스 및 수소가스 등의 유입속도가 상기에서 한정한 범위를 벗어날 경우에는 나노입자의 생성수율이 저할할 우려가 있다.
본 발명에서 캐리어가스는 원료가스 및 육불화황(SF6) 촉매가스와 반응하지 않는 불활성가스로서 아르곤(Ar), 헬륨(He), 크립톤(Kr), 제논(Xe) 등을 사용할 수 있다.
이하, 본 발명에서 원료가스가 플라즈마 영역(P) 내에서 나노입자(50)화 되는 과정을 설명하면 아래 내용과 같다.
먼저, 반응쳄버(10) 내에 혼합가스인 원료가스와 육불화황(SF6) 촉매가스를 플라즈마 영역(P) 내에 도입시켜 도 5에 도시된 바와 같이, 상부 전극(60a) 및 하부 전극(60b) 사이에서 형성된 플라즈마 영역(P)에서 원료가스와 육불화황(SF6) 촉매가스를 반응시키면 원료가스의 분자가 여기되면서 라디칼 형태로 분해된다.
상기 원료가스는 플라즈마에 의한 에너지 인가에 따라 원료가스가 분해, 반응하여 나노입자를 형성할 수 있는 임의의 모든 물질이 상기 나노입자의 원료물질로 사용될 수 있다. 구체적으로는 실리콘 화합물 또는 저마늄 화합물 중에서 하나 또는 그 이상을 포함한다. 더욱 구체적으로는 모노실란(SiH4), 실리콘테트라클로라이드(SiCl4), 저마늄테트라클로라이드(GeCl4), 테트라메틸저마늄[Ge(CH3)4], 저메인(GeH4) 중에서 선택된 적어도 하나 또는 그 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자를 제조하기 위한 원료가스는 상기에서 구체적으로 설명하였지만, 상기에서 열거한 화합물의 종류에만 반드시 한정되지 아니하고 플라즈마의 의해 분해가능한 화합물의 종류는 모두 적용되어질 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 나노입자 제조방법에 대하여 도 5를 중심으로 모노실란(SiH4)의 원료가스를 사용하여 실리콘 나노입자(Si-NPs)를 제조하는 과정의 예를 설명하면 아래 내용과 같다.
본 발명에 첨부된 도면인 도 5는 플라즈마 영역(P) 내에서 모노실란(SiH4) 분자가 여기되어 라디칼 형태로 변해 나노입자(50)로 생성되는 과정을 나타낸 도면으로, 여기서 육불화황(SF6) 가스는 불활성 가스에 의해 생성된 플라즈마로부터 흡수한 에너지가 모노실란(SiH4)으로 전달되고 이는 Si-H 결합을 끊어 더욱 많은 실리콘 나노입자(Si-NPs)를 생성시키는 배경이 된다. 원료가스로 사용되는 모노실란(SiH4) 가스가 반응하지 못하고 버려질 경우 비용적으로 손실적인 측면이 있고, 또한 미반응 가스를 분리해서 재순환하여 사용하게 되면 시스템이 복잡해지고 높은 비용이 들게 되는 문제점이 있다.
상기에서 원료가스로 테트라메틸저마늄[Ge(CH3)4]과 같은 저마늄 화합물을 사용할 경우에도 테트라메틸저마늄늄[Ge(CH3)4]은 분자의 강렬한 진동에 의해 Ge-CH3 결합을 끊어지고 분자가 여기되어 저마늄 라디칼 형태로 분해된다. 이와 같이 생성된 저마늄 라디칼은 균일핵형성(homogeneous nucleation)에 의하여 저마늄 나노입자 핵(nuclei)으로 발전하게 되고, 주변의 저마늄 라디칼과 결합함으로써 점점 성장(growth)해 나가게 된다.
따라서 실리콘 라디컬 또는 저마늄 라디칼의 주변 환경, 실리콘 나노입자 핵 또는 저마늄 나노입자 핵이 반응부에 머물 수 있는 체류시간 등은 실리콘 나노입자(Si-NPs) 또는 저마늄 나노입자(Ge-NPs)의 크기 및 특성을 제어하는 중요한 요소가 된다. 이때 촉매가스인 육불화황(SF6)은 원료가스인 모노실란(SiH4) 또는 테트라메틸저마늄[Ge(CH3)4] 등이 열분해 중에 혼입되어 분자들의 충돌에 의한 에너지를 전달하여 원료가스로부터 나노입자(50)로의 전환률을 증가시키는 작용을 한다.
그러나, 본 발명은 원료가스인 모노실란(SiH4)을 사용하여 실리콘 나노입자(Si-NPs)의 제조시 생성수율을 향상시키기 위한 방법으로 실제 모노실란(SiH4) 가스와 육불화황(SF6) 가스는 불활성 가스에 의해 생성된 플라즈마로부터 에너지를 받아 여기 상태가 되면 급격한 폭발반응을 가질 수 있는 반응가스로서, 즉 반응할 수 있는 에너지가 외부에서 주어지면 폭발반응을 보이며, 반응과정은 아래 반응식 1과 같다.
(반응식 1)
3SiH4 + 2SF6 → 2S + 3SiF4 + 2HF + 5H2
상기 반응식 1의 반응을 살펴보면 실리콘 나노입자(Si-NPs)는 생성되지 않음을 알 수 있다. 이러한 반응은 육불화황(SF6)이 너무 높은 에너지를 받으면 분해되기 시작하고 분해된 반응성이 뛰어난 분자들이 저러한 폭발반응을 야기하고 반응은 연쇄반응으로 폭발을 일으키게 된다.
따라서 육불화황(SF6)이 너무 높은 에너지를 받지 않도록 조절하는 것이 중요한데, 이것을 조절하는 방법은 플라즈마의 생성 밀도를 줄인다거나 또는 반응가스들의 에너지를 좀 적게 하는 방법이 있다. 여기서 플라즈마의 생성 밀도를 줄이면 동시에 실리콘 나노입자(Si-NPs)의 생성량에 차질을 줄 수 있으므로 다른 방법으로는 반응가스를 다른 가스들에게 희석을 하거나 압력을 낮추는 것이 바람직하다.
한편, 상기 혼합가스는 생성되는 나노입자(50)의 특성을 제어하기 위하여 원료가스 100 부피부에 대하여 제어가스 100~400 부피부를 혼합하여 반응쳄버(10) 내로 공급한다. 제어가스의 혼합량이 상기에서 한정한 혼합량 미만일 경우에는 모노실란(SiH4)과 육불화황(SF6)의 반응과정에서 폭발현상을 제대로 제어하지 못할 우려가 있고, 제어가스의 혼합량이 상기에서 한정한 혼합량을 초과할 경우에는 생성되는 나노입자의 결정화 분율이 작아지며, 생산수율이 낮아 질 우려가 있다. 상기에서 폭발반응을 지연시킬 수 있는 제어가스로는 수소가스 외에도 질소, 아르곤, 헬륨 중에서 1종 또는 그 이상을 선택하여 사용될 수 있다.
참고로, 본 발명에서 플라즈마 발생장치는 플라즈마 반응쳄버(10) 내의 플라즈마 출력밀도는 0.1~100W/cm2인 것이 바람직하며, 전극의 온도는 통상, 상부 전극(60a)은 실온, 하부 전극(60b)은 실온~600℃로 설정되고, 또한, 고주파 유도열 플라즈마에서는 통상적인 주파수인 13.56 MHz의 주파수가 사용된다. 그리고 반응쳄버 내에서 원료가스 및 캐리어가스의 전압은 일반적으로 1.0~10.0 toor, 바람직하게는 2.5~5.0 toor, 더눅 바람직하게는 2.5~3.5 toor이며, 반응시간은 3~30분인 것이 ㅂ바람직하다. 반응조건이 상기에서 한정한 반응조건을 벗어날 경우에는 나노입자의 생성수율이 저하할 우려가 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 나노입자 제조방법은 종래의 통상적인 플라즈마 발생장치에 적용할 수 있으며, 플라즈마 발생장치의 종류에 구애받지 아니하고 다양한 종류의 플라즈마 발생장치가 모두 적용되어질 수 있으므로 상기의 한정한 조건에만 반드시 국한되는 것이 아니고 나노입자 제조장치의 종류, 규모나 또는 나노입자를 생산하고자 하는 양에 따라 상기 조건들은 적절히 조정되어질 수 있다.
이하 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 나노입자 제조방법을 하기의 실시 예를 통해 구체적으로 설명하면 다음과 같으며, 본 발명은 하기의 실시 예에 의해서만 반드시 한정되는 것이 아니다.
1. 나노입자의 제조장치
본 실시예에서 나노입자를 제조하기 위해 사용한 제조장치는 도 4에 도시된 바와 같이 반응쳄버(10), 포집부(20), 진공펌프(30)와 그리고 상기 반응쳄버(10) 내로 원료가스와 촉매가스의 혼합가스를 공급하기 위한 혼합가스 공급노즐(40a)과 캐리어가스를 공급하기 위한 캐리어가스 공급노즐(40b)이 구비된 주입부(40)와, 플라즈마를 생성시키는 상부 전극(60a) 및 하부 전극(60b)으로 구성된 통상적인 나노입자 제조장치를 사용하였다.
2. 나노입자의 제조
(실시예 1)
반응쳄버(10) 내의 플라즈마 출력밀도를 2.0 W/cm2 로 고정하고, 반응쳄버(10) 내에 원료가스인 모노실란(SiH4) 250 ml(100 부피부)를 충전했다. 반응쳄버(10) 내의 모노실란(SiH4) 가스에 아르곤(Ar) 100 sccm을 공급하고, 제어가스인 수소(H2) 1,000 ml(400 부피부) 및 육불화황 (SF6) 촉매가스 50 ml(20 부피부)를 50℃의 온도를 유지하는 반응쳄버(10) 내로 공급하고, 쳄버 내의 전압은 4toor을 유지하여 3분간 반응시켜 입자의 크기가 10~30 nm인 실리콘 나노입자(Si-NPs)를 생성시킨 다음 진공펌프(30)를 사용하여 포집부(20)를 통해 회수하였다. 본 실시예 1에서 입자의 크기가 10~30 nm인 실리콘 나노입자(Si-NPs)의 생성수율은 48.2%이었다.
(실시예 2)
반응쳄버(10) 내의 플라즈마 출력밀도를 2.0 W/cm2 로 고정하고, 반응쳄버(10) 내에 원료가스인 모노실란(SiH4) 250 ml(100 부피부)를 충전했다. 반응쳄버(10) 내의 모노실란(SiH4) 가스에 아르곤(Ar) 100 sccm을 공급하고, 제어가스인 수소(H2) 1,000 ml(400 부피부) 및 육불화황 (SF6) 촉매가스 100 ml(40 부피부)를 50℃의 온도를 유지하는 반응쳄버(10) 내로 공급하고, 쳄버 내의 전압은 4toor을 유지하여 3분간 반응시켜 입자의 크기가 10~30 nm인 실리콘 나노입자(Si-NPs)를 생성시킨 다음 진공펌프(30)를 사용하여 포집부(20)를 통해 회수하였다. 본 실시예 1에서 입자의 크기가 10~30 nm인 실리콘 나노입자(Si-NPs)의 생성수율은 63.7%이었다.
(실시예 3)
원료가스인 저매인(GeH4) 250 ml(100 부피부)과 제어가스인 수소(H2) 1,000 ml(400 부피부) 및 육불화황 (SF6) 촉매가스 50 ml(20 부피부)를 혼합한 혼합가스를 사용하여 상기 실시예 1과 동일한 방법에 의해 제조한 저마늄 나노입자(Ge-NPs)는 입자의 크기가 20~100 nm이고, 생성수율이 47.3%이었다.
(실시예 4)
원료가스인 저매인(GeH4) 250 ml(100 부피부)과 제어가스인 수소(H2) 1,000 ml(400 부피부) 및 육불화황 (SF6) 촉매가스 100 ml(40 부피부)를 혼합한 혼합가스를 사용하여 상기 실시예 2와 동일한 방법에 의해 제조한 저마늄 나노입자(Ge-NPs)는 입자의 크기가 20~100 nm이고, 생성수율이 62.5%이었다.
(비교예 1)
육불화황(SF6) 촉매가스는 사용하지 아니하고, 원료가스인 모노실란(SiH4) 250 ml(100 부피부)과 제어가스인 수소(H2) 1,000 ml(400 부피부)을 혼합한 혼합가스를 사용하여 실시예 1과 동일한 방법에 의해 실리콘 나노입자(Si-NPs)를 제조하였다. 본 비교예 1에서 입자의 크기가 10~30 nm인 실리콘 나노입자(Si-NPs)의 생성수율은 12.3%이었다.
(비교예 2)
원료가스인 모노실란(SiH4) 250 ml(100 부피부)과 제어가스인 수소(H2) 1,000 ml(400 부피부) 및 육불화황(SF6) 촉매가스 150 ml(60 부피부)을 혼합한 혼합가스를 사용하여 실시예 2와 동일한 방법에 의해 실리콘 나노입자(Si-NPs)를 제조하였다. 본 비교예 2에서 입자의 크기가 10~30 nm인 실리콘 나노입자(Si-NPs)의 생성수율은 38.4%이었다.
(비교예 3)
육불화황(SF6) 촉매가스는 사용하지 아니하고, 원료가스인 저매인(GeH4) 250 ml(100 부피부)과 제어가스인 수소(H2) 1,000 ml(400 부피부)을 혼합한 혼합가스를 사용하여 실시예 3과 동일한 방법에 의해 제조한 저마늄 나노입자(Ge-NPs)는 입자의 크기가 20~100 nm이고 생성수율은 13.9%이었다.
(비교예 4)
제어가스인 수소(H2)는 사용하지 아니하고, 원료가스인 저매인(GeH4) 250 ml(100 부피부)와 육불화황(SF6) 촉매가스 50 ml(20 부피부)를 혼합한 혼합가스를 사용하여 실시예 4와 동일한 방법에 의해 저마늄 나노입자(Ge-NPs)는 입자의 크기가 20~100 nm이고 생성수율은 생성수율은 34.7%이었다.
3. 나노입자 제조방법의 평가
상기 2의 방법에 의해 제조한 나노입자는 실시예 1 내지 4가 비교예 1 내지 4에 비해 실리콘 나노입자(Si-NPs) 또는 저마늄 나노입자(Ge-NPs)의 생성수율이 훨씬 높은 것으로 확인되었다.
실시예 1, 2 및 비교예 2는 모두 원료가스인 모노실란(SiH4) 가스에 제어가스인 수소(H2) 가스 및 육불화황(SF6) 촉매가스를 혼합하여 사용하였지만, 실시예 1, 2가 비교예 2에 비해 실리콘 나노입자(Si-NPs)의 생성수율이 높은 것을 확인되었다.
또한 비교예 1의 경우에는 육불화황(SF6) 촉매가스는 사용하지 아니하고, 수소(H2) 가스 및 모노실란(SiH4) 가스만을 혼합 사용함에 따라 비교예 2에 비해서도 실리콘 나노입자(Si-NPs)의 생성수율이 가장 낮은 것을 확인할 수 있었다.
그리고, 비교예 2 및 비교예 4는 모노실란(SiH4) 또는 저매인(GeH4) 가스와 육불화황(SF6) 촉매가스만을 혼합사용하고, 수소(H2) 가스를 혼합하지 않음에 따라 나노입자의 제조과정에서 비교예 1, 3에 비해 실리콘 나노입자(Si-NPs) 및 저메인 나노입자(Ge-NPs)의 의 생성수율이 급격하게 상승되지만 이때 모노실란(SiH4) 또는 저매인(GeH4) 가스와 육불화황(SF6) 촉매가스의 반응 과정에서 폭발현상으로 나노입자의 생성수율이 저하하게 되며,나노입자의 제조공정 중에 위험성이 따르는 문제점이 발생하기도 한다.
참고로 도 6에 첨부된 사진은 실리콘 나노입자의 형상을 찍은 TEM 사진이며, 도 7에 첨부된 사진은 저마늄 나노입자의 형상을 찍은 TEM 사진이다.
상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 나노입자 제조방법을 상기에서 설명하고, 설명에 따라 도면을 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 플라즈마를 이용한 나노입자 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원료가스와 육불화황(SF6) 촉매가스의 혼합가스를 플라즈마 영역에서 반응시켜 나노입자를 제조함으로써, 나노입자의 생성수율을 향상시킨 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 나노입자 제조방법에 사용 가능하다.

Claims (4)

  1. 원료가스와 육불화황(SF6) 촉매가스의 혼합가스를 플라즈마 영역에서 반응시켜 나노입자를 제조하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 나노입자 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 혼합가스는 원료가스 100 부피부와 육불화황(SF6) 촉매가스 20~40 부피부를 혼합하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 나노입자 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 혼합가스는 생성되는 나노입자의 특성을 제어하기 위하여 원료가스 100 부피부에 대하여 수소(H2) 100~400 부피부로 혼합하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 나노입자 제조방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원료가스는 실리콘 화합물 또는 저마늄 화합물 중에서 선택된 하나 또는 그 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 나노입자 제조방법.
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