KR100793154B1 - 고주파 플라즈마를 이용한 은나노 분말 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고주파 플라즈마를 이용하여 100 마이크론 이하의 은분말로부터 고순도의 은나노 분말을 제조하는 방법 및 장치를 제공함을 목적으로 한다.

이를 위한 본 발명에 따른 은나노 분말 제조방법은, 플라즈마 화염에 의해 마이크로 은분말 중 적어도 일부가 기화될 수 있도록 인덕션 코일(12)이 매설된 플라즈마 토치(10)의 하우징(11) 상부에 설치된 노즐(13)을 통하여 불활성의 캐리어가스와 함께 마이크로 은분말을 분사하며, 노즐(13)을 감싸듯이 설치되어 노즐(13)과 하우징(11)을 공간적으로 분리하는 튜브(14)의 내측과 외측에 각각 불활성가스를 주성분으로 하는 센트럴가스와 실드가스를 공급하고, 적어도 어느 일측에는 사이클론(30)이 설치된 유동라인을 따라 플라즈마 처리된 은나노 입자를 흡입하여 필터에 흡착시키되, 플라즈마 처리된 은나노 입자가 필터에 흡착되기 전 은나노 입자가 불활성의 냉각가스와 접촉되어 나노 분말화되도록 하는 과정으로 구성되며; 이를 위해 고주파 플라즈마 파워는 15∼150kW이며, 상기 캐리어가스로 불활성가스 50∼40slpm, 상기 센트럴가스로 불활성가스 5∼40slpm, 상기 실드가스로 불활성가스 10∼120slpm과 수소 10∼50slpm, 상기 냉각가스로 불활성가스 5∼40slpm를 공급하고, 상기 노즐(13) 선단의 노즐팁(13a)은 인덕션 코일 매설구간(D)의 중앙 높이로부터 그 하측 3cm 까지의 범위에 배치하는 것을 특징으로 한다.

플라즈마, 은, 나노, 분말

Description

고주파 플라즈마를 이용한 은나노 분말 제조방법{Method for making silver nanopowder by RF plasmap}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 은나노 분말 제조장치의 개략 구성도이다.

도 2는 도 1에 도시된 플라즈마 토치의 단면을 도시한 모식도이다.

도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 은나노 분말의 사진으로서, 도 3은 XRD 사진, 도 4는 TEM 사진, 도 5는 입도분포도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 아르곤 탱크 2: 수소탱크

3: 공급장치 4a: 캐리어가스 공급라인

4b: 센트럴가스 공급라인 4c: 실드가스 공급라인

10: 플라즈마 토치 11: 하우징

12: 인덕션 코일 12a: 전력공급라인

13: 노즐 14: 튜브

20: 반응챔버 30: 사이클론

31: 제2 챔버 40: 냉각가스 공급라인

50: 필터 60: 수거통

70: 진공펌프 80: 소각로

본 발명은 고주파 플라즈마(RF Plasma)를 이용하여 100 마이크론 이하의 은분말로부터 고순도의 은나노 분말을 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로 은 나노분발은 이미 전자산업에서 전도성 페이스트로 널리 사용되고 있으며, 최근에는 항균 필터 등의 항균제품으로 많이 사용되고 있어 고순도의 은나노 분말의 대량생산 기술개발에 대한 관심이 높다.

현재 주로 사용되고 있는 나노입자 제조기술로는, 분산제가 들어 있는 액상에서 은 금속이온 또는 유기 금속화합물으로부터 하이드라이드(NaBH4, N2H4...) 화합물을 환원제로 사용하여 금속 나노입자를 제조하는 화학적 환원법이 있으며, 이외에 기계적으로 금속을 분쇄하여 미세한 입자를 만드는 방법, 기상에서 분무하여 합성하는 분무법, 졸-겔법, 전기분해법이 사용된다.

화학적 환원법은 한국특허출원 10-1997-0082011, 10-1997-0034591, 10-1999-0054938, 10-1997-0082010, 10-1998-0701018, 10-1997-0049097, 10-1999-0038915, 10-1999-0038635, 10-1999-0054938, 미국특허 5,957,828 등에 소개되어 있다.

그러나 위와 같은 화학적 환원법에서는 은 나노입자를 별도의 분리과정을 거쳐 제조하지만, 환원제로 사용된 화합물과 분산제가 완전히 제거되지 않고 은 나노입자 주변을 둘러싼 형태로 남아 있어 은의 순도 및 특성이 저하되는 문제점이 있 다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로 보다 고순도의 은 나노입자를 대량으로 제조할 수 있는 새로운 방법 및 장치를 제공하고자 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 은나노 분말 제조방법은 고주파 플라즈마를 이용하여 100 마이크론 이하의 마이크로 은분말로부터 고순도의 은나노 분말을 제조하는 방법으로서, 플라즈마 화염에 의해 마이크로 은분말 중 적어도 일부가 기화될 수 있도록 인덕션 코일이 매설된 플라즈마 토치의 하우징 상부에 설치된 노즐을 통하여 불활성의 캐리어가스와 함께 마이크로 은분말을 분사하며, 노즐을 감싸듯이 설치되어 노즐과 하우징을 공간적으로 분리하는 튜브의 내측과 외측에 각각 불활성가스를 주성분으로 하는 센트럴가스와 실드가스를 공급하고, 적어도 어느 일측에는 사이클론이 설치된 유동라인을 따라 플라즈마 처리된 은나노 입자를 흡입하여 필터에 흡착시키되, 플라즈마 처리된 은나노 입자가 필터에 흡착되기 전 은나노 입자가 불활성의 냉각가스와 접촉되어 나노 분말화되도록 하는 과정으로 구성되며; 이를 위해 고주파 플라즈마 파워는 15∼150kW이며, 상기 캐리어가스로 불활성가스 50∼40slpm, 상기 센트럴가스로 불활성가스 5∼40slpm, 상기 실드가스로 불활성가스 10∼120slpm과 수소 10∼50slpm, 상기 냉각가스로 불활성가스 5∼40slpm를 공급하고, 상기 노즐 선단의 노즐팁은 인덕션 코일 매설구간(D)의 중앙 높이로부터 그 하측 3cm 까지의 범위에 배치하는 것을 특징으로 한다.

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한편, 위 방법을 사용하는 플라즈마를 이용한 은나노 분말 제조장치는, 인덕션 코일이 매설된 중공의 하우징 상부에 불활성의 캐리어가스와 함께 마이크로 은분말을 분사하기 위한 노즐이 설치되며, 노즐 직경 보다는 크며 하우징의 내주면 직경 보다는 작은 튜브가 노즐을 감싸듯이 설치되고, 노즐과 튜브 사이, 튜브와 하우징 내주면 사이에는 각각 불활성 가스를 주성분으로 하는 센트럴가스와 실드가스가 공급되는 플라즈마 토치; 플라즈마 화염에 의해 마이크로 은분말이 용융 또는 기화되면서 유입될 수 있도록 플라즈마 토치 하부에 마련된 반응챔버; 반응챔버에 연결되어 가벼운 입자는 상방향 배출되도록 하는 사이클론; 반응챔버 또는 사이클론 전단계 또는 후단계의 은나노 입자 유동라인에 냉각가스를 공급하는 냉각가스라인; 사이클론에 연결된 필터; 필터에 연결되며, 플라즈마 처리된 은나노 입자가 반응챔버로부터 흡입되어 필터에 의해 흡착될 수 있도록 대기압 보다 작은 압력을 제2 챔버에 제공하는 진공펌프;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 은나노 분말 제조방법 및 장치에 대하여 살펴본다.

도1 및 도2를 참조하여 은나노 분말 제조공정 및 장치에 대하여 살펴본다.

[마이크로 은분말의 공급]

고주파 플라즈마를 이용한 은나노 분말 제조에는 생산성을 고려하여 100 마이크론 이하의 은분말(이하 "마이크로 은분말"이라 함)을 사용한다. 마이크로 은분말은 공급장치(3)에 저장되었다가, 캐리어가스 공급라인(4a)을 따라 캐리어가스와 함께 플라즈마 토치(10)로 공급된다. 일례로서 캐리어가스에는 아르곤 가스가 사용된다. 도면 부호 1은 아르곤 탱크이다.

[센트럴가스 및 실드가스의 공급]

플라즈마 토치(10)에는 캐리어가스와 함께 센트럴가스와 실드가스가 공급된 다. 센트럴가스로는 캐리어가스와 마찬가지로 아르곤 가스가 사용되며, 실드가스로는 아르곤과 수소가 혼합된 가스가 사용된다. 도면부호 2는 수소탱크이며, 4b, 4c는 각각 센트럴가스 공급라인, 실드가스 공급라인이다.

[마이크로 은분말의 플라즈마 처리]

용융 및 기화

마이크로 은분말의 플라즈마 처리는 고주파 플라즈마 토치(10)에 의해 이루어진다. 고주파 플라즈마 토치(10)에 의해 발생되는 플라즈마 온도는 약 5,000∼10,000K로서 고온의 플라즈마 화염에 의해 마이크로 은분말은 용융 및 기화된다. 즉, 마이크로 은분말은 플라즈마 화염에 의해 순간적으로 액화된 다음 최종적으로 기화된다.

플라즈마 토치(10)의 구조를 살펴보면, 주요하게는 플라즈마 토치는 인덕션 코일(12)이 둘레를 따라 감기듯이 매설되어 있는 중공의 하우징(11)과, 하우징 상부에서 삽입설치된 노즐(13)과, 노즐 직경 보다는 크며 하우징의 내주면 직경 보다는 작은 튜브(14)가 노즐을 감싸듯이 설치된 튜브(14)를 구비한다. 도 2의 도면부호 12a는 전력공급라인이다.

이러한 구조의 플라즈마 토치(10)에 의한 은분말 플라즈마 처리 과정 중 마이크로 은분말은 캐리어가스와 함께 노즐(13)을 통해 분사되며, 센트럴가스는 튜브를 통해 노즐 외벽에 분사되며, 실드가스는 인덕션 코일이 매설된 하우징 내주면에 기화된 은입자가 흡착되지 않도록 튜브와 하우징 내주면 사이로 주입된다.

이때, 마이크로 은분말의 플라즈마 처리에 의해 얻어지는 은나노 분말의 입도는, 고주파 플라즈마 파워, 인덕션 코일 매설구간과의 관계에서 토치(10) 내부로 삽입설치된 노즐(13)의 노즐팁(13a) 위치, 노즐 반경, 가스(캐리어가스, 센트럴가 스, 실드가스)의 양 및 속도, 실드가스의 종류, 용융 및 기화된 은입자를 급냉시키는 냉각가스의 양 및 속도에 주로 영향을 받으며, 이러한 요소들의 최적 조건을 정립하는 것이 필요하다.

하우징(11) 내 노즐팁(13a)의 배치 조건을 살펴보면, 도 2에 도시된 바와 같이, 노즐팁(13a)은 하우징(11)에 인덕션 코일 매설구간(D)의 정중앙 높이로부터 그 하측 3cm 까지의 범위 내에 배치되는 것이 바람직하다. 노즐팁(13a)이 상측에 위치될 수록 은나노 분말의 입도는 작아지나 노즐팁(13a)이 너무 상측에 위치하는 경우 노즐팁(13a) 및 그 주변부품의 손상원인이 될 수 있으며, 반대로 노즐팁(13a)이 하측에 위치될수록 부품의 손상은 저감되나 은나노 분말의 입도가 커진다. 따라서, 위와 같은 수치범위에서 가장 적당한 은나노 분말의 입도와 플라즈마 토치(10)의 부품 수명을 최적화할 수 있다.

급냉

위와 같이 플라즈마 화염에 의해 용융 및 기화된 은입자를 플라즈마 토치(10) 하단부에서 냉각가스에 의해 급냉시켜 나노 분말화한다. 이러한 냉각가스에는 아르곤과 같은 불활성 가스가 사용된다.

이때, 냉각가스는 플라즈마 화염에 의해 용융 및 기화되는 은입자가 유입되는 반응챔버(20)의 상부에서 직접 분사될 수 있으나, 후술하는 사이클론(30) 전단계 혹은 후단계의 은나노 입자 유동라인(도 1 중 제2 챔버 31)에서 공급될 수도 있다.

[1차 은나노 입자 분리]

플라즈마 처리된 은나노 입자는 그 입자 크기에 따라 반응챔버(20)에서 1차 분리된다. 즉, 진공펌프(70)에 의해 대기압 이하로 압력이 유지되는 반응챔버(20) 내 은나노 입자는 사이클론(30) 측으로 유동되는데, 이때 마이크론 입자 크기의 은입자는 그 무게에 의해 반응챔버(20) 바닥에 떨어진다.

[2차 은나노 입자 분리]

반응챔버(20)의 후단에는 반응챔버(20)에 연결되어 가벼운 입자는 상방향 배출되도록 하는 사이클론(30)이 설치된다. 플라즈마 처리된 은나노 입자 중 비교적 큰 나노입자는 사이클론(30)을 통과하면서 하방향으로 떨구어져 분리된다.

[필터링]

사이클론(30)을 통과한 은나노 입자는 냉각가스라인(40)이 연결된 제2 챔버(31)을 거쳐 필터(50) 측으로 유동되는데, 이러한 유동라인을 따라 이동하면서 은나노 입자의 온도는 점차 하강하게 되며, 얻고자 하는 은나노 분말은 최종적으로 필터(50)에 흡착된다.

[은나노 분말 수거 및 폐가스 처리]

필터(50)에 흡착된 은나노 분말은 백플러싱(back flushing)을 하여 탈착시켜 하단의 수거통으로 회수한다. 이때 은나노 분말은 반응 가능성이 있는 기체와 접촉할 수 있는 표면적이 매우 넓기 때문에 회수 및 처리 시 주의하여야 한다.

그리고, 필터(50) 및 진공펌프(70)를 통과하여 수집된 가스는 소각로(80)로 보내어져 소각된다.

아래의 [표1]에는 플라즈마 파워, 투입되는 가스의 유량 및 속도, 종류를 조절함을 통해 얻어진 최적 공정조건을 기재하였다. 표에서 slpm은 온도 20℃ 대기압 (14.7psi)에서 측정한 유량을 LPM(Liter/Minute)으로 표시한 것이며, 기재된 공정조건의 밖에서는 플라즈마 불꽃이 안정하지 않거나 내부장치의 손상 문제가 발생될 가능성이 있었다.

[표 1]

구 분	공 정 조 건
플라즈마 파워	20∼60 kW
가 스	캐리어가스	Ar: 5∼40 slpm
	센트럴가스	Ar: 5∼40 slpm
	실드가스	Ar: 10∼120 slpm H2: 10∼50 slpm
	냉각가스	Ar: 50∼400 slpm

도3 내지 도 5는 위와 같은 공정조건에 따라 제조된 은나노 분말의 일례를 분석한 결과데이터이다.

마이크로 은분말은 플라즈마의 고온에 의해 열분해 및 재성장 과정을 거쳐 은나노 분말로 합성되는데, 필터를 통해 수거된 나노분말의 상은 XRD 회절분석 결과(도3 참조), 은 결정상이 잘 형성되었음을 확인할 수 있었다.

또한, TEM과 입도 분석기를 통해 은나노 분말의 모양과 크기를 확인하였다. 그 결과는 각각 도4와 도5에 나타나 있으며, 도면에서 확인할 수 있는 바와 같이, 입자의 크기는 평균 60nm의 크기를 가지며, 각진 구형의 형태를 지니고 있는 것을 알 수 있었다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 은나노 분말 제조방법 및 장치에 따르면, 불활성 기체 분위기를 반응챔버 내에 고주파 플라즈마를 발생시킨 다음, 마이크로 은분말을 투입하여 기화 및 응축과정을 거치면서 고순도의 은나노 분말을 대량으로 제조할 수 있게 된다.

이렇게 제조된 은나노 분말은 도전성 전도막의 재료로 사용되며, 나아가 항균성 및 전자파 차폐 기능을 갖는 필름의 제조에 응용될 수 있다.

Claims (4)

1. 고주파 플라즈마를 이용하여 100 마이크론 이하의 마이크로 은분말로부터 고순도의 은나노 분말을 제조하는 방법으로서,

   플라즈마 화염에 의해 마이크로 은분말 중 적어도 일부가 기화될 수 있도록 인덕션 코일(12)이 매설된 플라즈마 토치(10)의 하우징(11) 상부에 설치된 노즐(13)을 통하여 불활성의 캐리어가스와 함께 마이크로 은분말을 분사하며, 노즐(13)을 감싸듯이 설치되어 노즐(13)과 하우징(11)을 공간적으로 분리하는 튜브(14)의 내측과 외측에 각각 불활성가스를 주성분으로 하는 센트럴가스와 실드가스를 공급하고, 적어도 어느 일측에는 사이클론(30)이 설치된 유동라인을 따라 플라즈마 처리된 은나노 입자를 흡입하여 필터에 흡착시키되, 플라즈마 처리된 은나노 입자가 필터에 흡착되기 전 은나노 입자가 불활성의 냉각가스와 접촉되어 나노 분말화되도록 하는 과정으로 구성되며;

   이를 위해 고주파 플라즈마 파워는 15∼150kW이며, 상기 캐리어가스로 불활성가스 50∼40slpm, 상기 센트럴가스로 불활성가스 5∼40slpm, 상기 실드가스로 불활성가스 10∼120slpm과 수소 10∼50slpm, 상기 냉각가스로 불활성가스 5∼40slpm를 공급하고,

   상기 노즐(13) 선단의 노즐팁(13a)은 인덕션 코일 매설구간(D)의 중앙 높이로부터 그 하측 3cm 까지의 범위에 배치하는 것을 특징으로 하는 은나노 분말 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   실드가스는 불활성 가스와 수소가 혼합된 기체인 것을 특징으로 하는 은나노 분말 제조방법.
3. 삭제
4. 삭제

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