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1. WO2020116668 - SILVER NANOPARTICLE MANUFACTURING METHOD AND ELECTRICAL CONTACT MATERIAL COMPRISING SILVER NANOPARTICLE MANUFACTURED THEREBY

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명세서

발명의 명칭

기술분야

1  

배경기술

2   3   4   5   6   7  

발명의 상세한 설명

기술적 과제

8   9  

과제 해결 수단

10   11   12   13   14   15   16   17   18   19   20  

발명의 효과

21   22   23  

도면의 간단한 설명

24  

발명의 실시를 위한 형태

25   26   27   28   29   30   31   32   33   34   35   36   37   38   39   40   41   42   43   44   45   46   47   48   49   50   51   52   53   54   55   56   57   58   59   60   61   62   63   64   65   66   67   68   69   70   71   72   73   74   75   76   77   78   79   80   81   82   83   84   85   86   87   88   89   90   91   92   93   94   95   96   97   98   99  

청구범위

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12  

도면

1  

명세서

발명의 명칭 : 은 나노 입자의 제조방법, 및 이에 의해 제조된 은 나노 입자를 포함하는 전기 접점재료

기술분야

[1]
본 발명은 플라즈마법을 이용한 은 나노 입자의 제조방법, 및 상기 방법에 의해 제조된 은 나노 입자를 포함하는 전기 접점재료에 관한 것이다.

배경기술

[2]
일반적으로 전기 접점재료는 스위치 형식의 차단기 또는 개폐기 등의 전기 기기에서 전기회로의 개폐를 제어하는 데 사용되는 통전용 접촉 재료로서, MC, MCB, MCCB, 모터 스위치, 스위치 기어, 자동차 및 가전제품 등에 적용된다. 이러한 전기 접점재료는 그 주요 기능인 전기의 개폐기능과 관련하여 고융점, 열전도도, 전기전도도 및 내용착성이 우수하고 접촉 저항이 낮은 것이 요구된다. 또한 전기회로를 기계적으로 접속하고 있으므로, 내마모성과 관련하여 경도가 높은 것이 요구된다.
[3]
전기 접점재료는 그 사용전류의 영역과 특성에 따라 소전류용(1A 이하), 중전류용(1A~1,000A) 및 대전류용(1,000A 이상) 접점재료로 분류될 수 있다. 소전류용 접점재료로는 일반적으로 전기의 개폐 역할만 하는 것으로서, 전기전도도가 우수한 재료가 사용된다. 중전류용 접점재료는 전기전도도 뿐만 아니라 전기 개폐시 발생하는 아크(arc)로 고압 및 고열의 환경 하에서 견딜 수 있는 내마모성, 융점 등이 우수한 재료가 사용된다. 또한, 대전류용 접점재료는 전술한 특성을 모두 만족시키는 고융점의 재료가 사용된다.
[4]
상기한 특성을 만족하는 전기 접점재료는 그 재질에 따라 W계, Ag-산화물계, 귀금속계, Cu-계, 카드뮴산화물(CdO)계 등으로 분류될 수 있으며, 이중에서도 Ag-산화물계가 널리 사용되고 있다. 그러나 Ag-산화물계 전기 접점재료는 산화물의 함량이 증가할수록 가공성이 떨어지고, 산화물 입자간의 응집력이 커지게 되어 오히려 접촉저항이 높아지고 접점의 수명저하가 발생되는 문제점이 있다. 한편, 카드뮴산화물(CdO)계 전기 접점재료는 환경뿐만 아니라 인체에도 유해한 금속으로 분류되어, 전 세계에서 그 사용이 점차 감소되고 있으며, 특히 유럽 전 지역에서는 사용이 금지될 뿐만 아니라, 국내에서도 점차 사용을 제한하고 있다. 한편, Ag-CdO 대체 재료로 Ag-SnO계, Ag-InO계 및 Ag-SnOInO 등 다른 산화물계로의 개발이 진행중에 있다.
[5]
최근에는 내마모성과 전기적 특성을 향상시키기 위하여, 은(Ag)에 금속(예, Ni)이나 카본(C) 등을 첨가하는 분말야금법 등을 이용하여 전기 접점재료를 구성하는 기술이 개시되고 있다. 그러나 분말야금법으로 제조시 은(Ag) 분말과 금속 또는 카본 분말의 균일한 혼합이 이루어지지 못하여, 전기접점 재료로서의 신뢰성 저하가 필수로 초래된다. 또한 분말혼합법 등의 방법을 적용하고 있으나, 이 경우 은과 금속의 크기를 제어할 수 있는 방법이 전무한 상태이다.
[6]
한편 전기 접점재료로 사용되는 은(Ag) 분말은, 종래 습식법의 일종인 환원석출법 등을 이용하여 제조되는데, 이러한 환원석출법은 다량의 유해가스를 발생시키기 때문에 대기오염 등 심각한 환경공해를 유발시킨다. 또한 사용되는 환원제들이 환원력이 강하기 때문에 은 분말의 환원반응이 매우 빠른 속도로 진행되어 분말의 형상 및 입경 조절이 불가능하다.
[7]
또한, 습식법에 의해 제조된 분말의 경우는 일정량(약 500~1,000 ppm) 이상의 불순물을 포함하고 있으며, 이러한 불순물은 전기접점의 특성 및 수명 저하의 요인이 되기도 한다.

발명의 상세한 설명

기술적 과제

[8]
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 종래 습식법 대신 친환경적인 플라즈마법을 새롭게 적용함으로써, 단시간에 고순도의 은(Ag) 나노 입자를 빠른 제조속도로 제조할 수 있을 뿐만 아니라 상기 은 나노 입자의 크기(입경) 및 조성 등을 용이하게 제어할 수 있음을 착안하였다.
[9]
이에, 본 발명은 플라즈마법을 이용한 고순도 은 나노 입자의 제조방법 및 상기 은 나노 입자를 포함하는 전기 접점재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.

과제 해결 수단

[10]
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 (S100) 반응 챔버의 (준)금속계 플라즈마 몰드에 은(Ag) 원료 물질을 장입하는 단계; (S200) 상기 반응 챔버의 진공도를 50 내지 400 torr 범위로 설정하고, 인가 전력을 7.5 내지 18.7 kW 범위로 조절하여 플라즈마를 생성하고, 생성된 플라즈마에 의해 은-(준)금속 나노 복합 입자를 형성하는 단계; 및 (S300) 상기 은-(준)금속 나노 복합 입자를 열처리하는 단계를 포함하는 은 나노 입자의 제조방법을 제공한다.
[11]
일례에 따르면, 상기 (준)금속계 플라즈마 몰드는 카본(Carbon)계 플라즈마 몰드일 수 있다.
[12]
다른 일례에 따르면, 상기 은(Ag) 원료 물질은, 순도가 99.9% 이상의 은 스크랩, 은 벌크 소재 또는 은 분말일 수 있다.
[13]
또 다른 일례에 따르면, 상기 (S200) 단계에서, 상기 반응 챔버에는 불활성 기체, 또는 불활성 기체와 수소 가스가 혼합된 반응 가스가 공급되고, 상기 반응 가스의 유량은 50 내지 200 SLM 범위일 수 있다.
[14]
또 다른 일례에 따르면, 상기 (S200) 단계에서, 상기 반응 챔버에는 150 내지 250 A 범위의 전류 및 50 내지 75 V의 전압이 인가될 수 있다.
[15]
또 다른 일례에 따르면, 상기 은-(준)금속 나노 복합 입자에 포함된 (준)금속 미립자는 플라즈마에 의해 (준)금속계 플라즈마 몰드의 적어도 일부가 상 변화(phase transition)하거나 또는 탈리하여 생성된 것일 수 있다.
[16]
또 다른 일례에 따르면, 상기 (S300) 단계에서의 열처리는 700 내지 900 ℃의 온도에서 4 내지 8 시간 동안 수행될 수 있다.
[17]
또, 본 발명은 전술한 방법에 의해 제조되어, 10 ㎚ 내지 1㎛의 평균 입경 및 99.95 % 이상의 순도를 갖는 은 나노 입자를 제공한다.
[18]
일례에 따르면, 상기 은 나노 입자는 30 내지 60%의 다공도를 가질 수 있다.
[19]
또한, 본 발명은 전술한 은 나노 입자를 포함하는 전기 접점재료를 제공한다.
[20]
일례에 따르면, 상기 전기 접점재료는 99.95% 이상의 순도; 55 내지 65 Hv 의 경도; 및 80 내지 100 %IACS의 전기전도도를 가질 수 있다.

발명의 효과

[21]
본 발명에서는 플라즈마법을 적용함으로써, 후공정 없이 단시간 내에 고순도의 은(Ag) 나노입자를 제조할 수 있으며, 공정조건을 변경하여 나노입자의 크기나 형태 등을 용이하게 제어할 수 있다.
[22]
또한 본 발명에서는 건식법의 장점을 살려 제조시간, 제조공정 및 작업인원을 감축할 수 있으므로, 기존 제품보다 높은 제조효율과 우수한 경쟁력을 가지는 제품을 확보할 수 있다.
[23]
이에 따라, 본 발명의 은 나노 입자는 전기 접점재료 분야뿐만 아니라, 은(Ag) 분말을 사용하는 다양한 분야의 국내 및 해외 시장에 확대 적용될 수 있다.

도면의 간단한 설명

[24]
도 1은 실시예 7에서 제조된 은 나노 입자 분말의 단면을 나타낸 TEM (Transmission electron microscopy) 사진이다.

발명의 실시를 위한 형태

[25]
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
[26]
본 발명에서는 건식법의 일종인 플라즈마법을 채용함으로써, 후공정이나 오염 없이 빠른 시간 내에 조성이 균일하면서 크기(입경)나 형태가 제어 가능한 고순도의 은(Ag) 나노 입자를 제조할 수 있다. 이는, 기존 습식법의 긴 제조시간의 단점을 해결하고, 화학약품 등을 사용하지 않고, 후공정이 없어 친환경적이라는 장점이 있다.
[27]
특히, 본 발명에서는 플라즈마법을 사용하되, 플라즈마 처리 조건을 특정 범위로 제어함과 동시에, 플라즈마 처리 후 열처리를 수행함으로써, 순도가 낮은 원료물질을 사용하거나, 또는 플라즈마 몰드(도가니)로 원료물질과 상이한 성분의 플라즈마 몰드(도가니)(예, 카본계 플라즈마 몰드)를 사용하더라도, (준)금속 미립자(예, 카본 미립자)와 같은 불순물을 쉽게 제거하여 은 나노 입자의 순도를 높임과 동시에 은 나노 입자의 크기 및 형성을 자유롭게 제어할 수 있다.
[28]
더불어, 본 발명에서는 형성된 은 나노 입자의 조성, 형상 및 입경 면에서 균일도를 높임으로써, 전기접점 재료로 적용시 이종(異種) 물질과의 혼화성, 균일성 및 내구성을 높일 수 있다.
[29]
게다가, 본 발명은 고분도의 은 나노 입자를 종래 습식법 대비 7배 이상 빠른 속도로 제조할 수 있다.
[30]
전술한 본 발명의 은 나노 입자는 각종 스위치, 릴레이, 전자개폐기, 차단기 등의 전기기기 내 구비되는 전기회로의 개폐 및 접촉에 사용 가능한 전기 접점재료로 유용하게 사용될 수 있을 뿐만, 아니라 전술한 은(Ag) 나노 입자가 적용될 수 있는 각종 용도, 예컨대 촉매, 화장품, 정화, 세척 등에 적용 가능하다.
[31]
<은 나노 입자의 제조방법>
[32]
본 발명에 따른 은 나노 입자는, 당 분야에 공지된 플라즈마법을 이용하여 하기와 같이 제조될 수 있다.
[33]
플라즈마법은 건식법의 일종으로서, 다른 극성의 전극 사이로 가스를 흘려보내 가스를 이온화시키고(플라즈마 상태), 이온화된 가스가 환원하여 방출되는 고열에 의해 원료분말(예, 은 원료 물질, 금속 또는 금속산화물 함유 원료 물질, 또는 은과 금속을 함유하는 원료물질)을 녹여 분사한 후 입자화하는 것이다. 즉, 플라즈마 건(plasma gun) 내의 음극과 양극 사이에서 전리된 플라즈마 가스가 방출되어 고에너지를 형성하는데, 이러한 고온의 불꽃에 분말을 공급하면 원료 분말은 단시간에 용융되어 충돌하면서 균일하고 미세한 결정립을 형성한다. 이와 같이 플라즈마법은 원료분말의 용융 및 입자 형성 속도가 매우 빠를 뿐만 아니라 플라즈마 조건을 특정 범위로 조절함으로써, 형성되는 은(Ag) 입자의 조성, 크기, 구조 및 분산도를 용이하게 조절할 수 있다. 또한 종래 습식법에 비해 원료 분말의 제조시간이 단축되며, 공정의 위험성이 적고 친환경적일 뿐만 아니라, 종래 건식법/습식법에 의해 제조된 입자에 비해 크기가 작은 고순도의 은 나노 입자를 얻을 수 있다.
[34]
상기 제조방법의 일 실시형태를 들면, (S100) 반응 챔버의 (준)금속계 플라즈마 몰드에 은(Ag) 원료 물질을 장입하는 단계; (S200) 상기 반응 챔버의 진공도를 50 내지 400 torr 범위로 설정하고, 인가 전력을 7.5 내지 18.7 kW 범위로 조절하여 플라즈마를 생성하고, 생성된 플라즈마에 의해 은-(준)금속 나노 복합 입자를 형성하는 단계; 및 (S300) 상기 은-(준)금속 나노 복합 입자를 열처리하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
[35]
이하, 상기 제조방법을 각 공정 단계별로 나누어 설명한다.
[36]
(i) 원료 물질을 플라즈마 몰드에 장입하는 단계('S100 단계')
[37]
상기 S100 단계에서는, 은(Ag) 원료 물질을 이와 동일한 성분을 갖는 플라즈마 몰드[또는 도가니(Crucible)]에 투입한다.
[38]
은(Ag) 원료 물질은 은을 함유하는 화합물이나 은 합금(alloy)을 제한 없이 사용할 수 있다. 특히, 플라즈마법은 원료물질의 정제 효과도 나타낼 수 있으므로, 순도가 낮은 원료물질을 사용하더라도 최종물은 고순도를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 은 원료물질은 순도가 99.9%(3N) 이상의 은 스크랩(Ag scrap), 은 벌크 소재(Ag bulk), 은 분말(powder) 또는 과립(granule)일 수 있으나, 이에 특별히 한정되지 않는다.
[39]
또한, 은(Ag) 원료물질을 플라즈마 처리하기 위한 몰드(도가니)의 재료는 특별히 한정되지 않으나, 은(Ag)보다 융점이 높은 (준)금속 재질의 몰드인 것이 바람직하며, 구체적으로 카본(C) 재질, 니켈(Ni) 재질, 텅스텐(W) 재질, 구리(Cu) 재질의 몰드 등이 있는데, 이에 한정되지 않는다. 일례로, 플라즈마 몰드로 카본계 플라즈마 몰드를 사용한다. 이와 같이, 본 발명에서는 플라즈마 몰드로 원료물질과 상이한 성분의 플라즈마 몰드를 사용하더라도, 플라즈마에 의해 형성된 은-(준)금속 나노 입자에 함유된 (준)금속 미립자가 열처리 공정을 통해 쉽게 제거될 수 있기 때문에, 고순도의 은 나노 입자를 얻을 수 있다.
[40]
(ii) 플라즈마 처리하여 은-(준)금속 나노 복합 입자 형성 단계('S200 단계')
[41]
상기 S200 단계에서는, 원료물질이 장입된 반응 챔버에 플라즈마를 생성하여 은-(준)금속 나노 복합 입자를 형성한다.
[42]
상기 S200 단계를 구체적으로 설명하면, 원료 물질이 배치된 몰드를 플라즈마 장비의 반응 챔버에 장착한 후, 반응 챔버를 닫고 펌프를 이용하여 진공을 뽑는다. 소정의 진공도에 도달하면 불활성 가스를 이용하여 작업 진공도를 소정의 범위로 유지한다.
[43]
작업 진공도가 유지되면 플라즈마 가스(Plasma Gas)를 투입하고 플라즈마를 생성한다.
[44]
플라즈마 처리 단계에서, 전력, 시간 및 작업 진공도의 조건에 따라 은 나노 입자의 순도뿐만 아니라, 은 나노 입자의 크기 및 형상이나 양극 몰드의 수명 등이 달라진다. 이에, 본 발명에서는 전력 및 작업 진공도를 특정 범위 내로 조절하며, 이에 따라 플라즈마 처리 시간도 특정 범위 내로 조절할 수 있다. 일례로, 인가 전력은 약 7.5 내지 18.7 kW일 수 있으며, 바람직하게는 약 10 내지 18.7 kW일 수 있다. 또한 작업 진공도는 약 50 내지 400 torr 일 수 있으며, 바람직하게는 약 100 내지 400 torr일 수 있다. 또한, 플라즈마 처리 시간은 10 내지 240분일 수 있다. 상기 플라즈마 처리 단계에서, 전력이 약 7.5 kW 미만인 경우 은-(준)금속 나노 복합 입자의 제조속도가 감속되며, 약 18.7 kW를 초과하면 은-(준)금속 나노 복합 입자의 크기가 커질 수 있다. 또한, 상기 작업 진공도가 약 50 torr 미만이면 플라즈마 분포가 넓어져 플라즈마 형성을 위한 양극 몰드의 수명이 짧아지고, 약 400 torr를 초과하면 은-(준)금속 나노 복합 입자의 크기가 커질 수 있다. 따라서, 플라즈마 처리는 상술한 조건 내에서 이루어지는 것이 바람직하다.
[45]
플라즈마는 당 분야에 공지된 다양한 플라즈마를 제한 없이 사용할 수 있으며, 일례로 직류(DC) 이송식 플라즈마를 적용할 수 있다. 이때 인가 전압은 50 내지 75 V로, 인가 전류는 150 내지 250 A로 각각 조절하는 것이 바람직하다.
[46]
플라즈마 처리가 진공 및 불활성 분위기하에서 수행될 경우, 각 원료 분말의 산화가 방지되어 바람직하다. 이러한 불활성 분위기를 조성하기 위한 분위기 가스의 성분은 특별히 한정되지 않으며, 일례로 아르곤(Ar), 질소(N 2), 수소(H 2), 메탄(CH 4), 헬륨(He) 등이 있다. 이들을 단독으로 또는 2종 이상을 혼용할 수 있다.
[47]
또한, 플라즈마 형성을 위해 사용되는 반응가스의 성분 역시 특별히 한정되지 않으며, 일례로 아르곤(Ar), 질소(N 2), 수소(H 2), 헬륨(He) 등이 있다. 이들을 단독으로 사용하거나 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 구체적으로 아르곤, 질소, 아르곤 + 질소, 아르곤 + 수소, 질소+수소를 사용할 수 있다. 이러한 상기 반응가스의 가스유량은 20 내지 200 SLM(standard litters per minute)인 것이 바람직하나, 이에 특별히 제한되지 않는다.
[48]
생성된 플라즈마는 고에너지를 갖는데, 이러한 고에너지에 의해 은 원료물질이 기화, 액화 또는 승화 등의 상(phase) 변화가 일어나게 된다. 이때, 원료물질이 투입된 (준)금속계 플라즈마 몰드의 일부는 상 변화하거나 또는 고상의 미립자 형태로 탈리된다. 이와 같이 상(phase) 변화된 물질들 중에서 상대적으로 융점이 낮은 은(Ag)은 먼저 응집하고 분말화되어 상대적으로 입경이 큰 나노 사이즈의 은(Ag) 입자를 형성하게 된다. 이때, (준)금속(예, 카본)도 상대적으로 입경이 작은 나노 사이즈의 입자 형태로 분말화되어 응집되는 은 입자의 표면 및 내부에 균일하게 분산되거나, 혹은 탈리된 고상의 (준)금속 미립자(예, 카본 미립자) 자체가 응집되는 은 입자의 표면 및 내부에 균일하게 분산된다. 따라서, 본 단계를 통해 은 나노 입자의 표면 및 내부에 (준)금속 미립자가 균일하게 분산된 은-(준)금속 나노 복합 입자가 형성된다.
[49]
본 발명에 따른 제조방법은 필요에 따라 플라즈마 처리 후 냉각 단계를 수행한 후, 은-(준)금속 나노 복합 입자를 취출한다.
[50]
상기와 같이 플라즈마 처리로 형성된 본 발명의 은-(준)금속 나노 복합 입자의 크기는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 약 10 내지 1,000 ㎚, 구체적으로 약 50 내지 500 ㎚, 더 구체적으로 약 50 내지 150 ㎚일 수 있다. 이때, 형성된 나노 복합 입자 중에서 약 0.3 %는 입자 크기가 1,000 ㎚를 초과할 수 있는데, 이들은 원료 물질로 재사용할 수 있다.
[51]
(iii) 은-(준)금속 나노 복합 입자의 열처리 단계('S300 단계')
[52]
본 단계는 열처리를 통해 은-(준)금속 나노 복합 입자로부터 (준)금속 미립자를 제거하는 단계이다.
[53]
구체적으로, S200 단계에서 얻은 은-(준)금속 나노 복합 입자에서, (준)금속 미립자는 평균 입경이 약 5 내지 20 ㎚ 정도로, 은 입자에 비해 입경이 상대적으로 매우 작다. 따라서, 카본과 같은 (준)금속은 융점이 은(Ag)에 비해 높더라도, 열처리를 통해 은-(준)금속 나노 복합 입자로부터 용이하게 제거될 수 있다. 이로써, 본 발명은 99.95 % 이상의 순도를 갖는 은 나노 입자를 얻을 수 있다.
[54]
본 단계에서, 열처리 온도 및 시간은 특별히 한정되지 않으나, 열처리 온도가 너무 낮고 열처리 시간이 너무 짧을 경우, 은-(준)금속 나노 복합 입자 내 카본 미립자가 충분히 제거되지 않고 잔존하여 은 나노 입자의 순도 및 가공성을 저하시킬 수 있다. 한편, 열처리 온도가 너무 높고 열처리 시간이 너무 장시간일 경우, 은 나노 입자가 용융되어 응집되고, 조대화될 수 있다. 따라서, 본 단계의 열처리는 700 내지 900 ℃의 온도에서 4 내지 8 시간 동안 대기 상태에서 수행되는 것이 바람직하다.
[55]
상기와 같이 플라즈마 처리 및 열처리를 통해 형성된 본 발명의 은 나노 입자는 평균 입경이 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 약 10 내지 1000 ㎚, 구체적으로 약 50 내지 500 ㎚, 더 구체적으로 약 50 내지 150 ㎚일 수 있다. 이때, 형성된 은 나노 입자 중에서 입자 크기가 1,000 ㎚를 초과할 수 있는데, 이들은 원료 물질로 재사용될 수 있다.
[56]
또, 본 발명의 은 나노 입자는 99.9 %의 순도를 가질 수 있고, 바람직하게 99.95(3N5) 내지 99.995%(4N5)의 순도를 가질 수 있다.
[57]
또, 본 발명의 은 나노 입자는 약 30 내지 60%의 다공도를 가질 수 있다. 이는 제조시 열처리에 의해 카본 등과 같은 (준)금속 미립자가 제거됨으로써 형성된 것이다.
[58]
또, 본 발명의 은 나노 입자는 약 84 내지 99 %의 종횡비(aspect ratio)를 갖는다. 이와 같이, 본 발명의 은 나노 입자는 구형에 가까운 형상을 갖는다.
[59]
<전기 접점재료>
[60]
본 발명은 전술한 은 나노 입자를 포함하는 전기 접점재료를 제공한다.
[61]
본 발명의 전기 접점재료는, 사용한 원료재료보다 높은 순도, 우수한 경도 및 전기전도도를 나타낼 수 있다. 구체적으로, 상기 전기 접점재료는 99.9%(3N) 이상의 순도를 가질 수 있으며, 바람직하게는 순도가 99.95%(3N5) 내지 99.995% (4N5)일 수 있다. 또한, 상기 전기 접점재료는 약 55 내지 65 Hv 범위의 경도와, 약 80 내지 100 %IACS의 전기전도도를 가질 수 있다.
[62]
상기 전기 접점재료는 내마모성과 내용착성이 요구되는 기술분야, 일례로 각종 스위치, 릴레이, 전자개폐기, 차단기 등의 모든 전기기기 내 구비되는 전기회로의 개폐 및 접촉에 관련된 전기 기구나 전기설비 등의 접점에 사용되는 것이 바람직하다. 그러나 이에 특별히 제한되지 않으며, 전술한 은 나노 입자가 적용될 수 있는 모든 용도에 적용 가능하다. 일례로, 촉매, 화장품, 식품, 냉장고, 의료, 의류, 코팅층, 정화 및 세척 등의 각종 용도에 기능성 분말로 사용될 수 있다.
[63]
[64]
이하 본 발명을 실시예를 통해 구체적으로 설명하나, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명의 한 형태를 예시하는 것에 불과할 뿐이며, 본 발명의 범위가 하기 실시예 및 실험예에 의해 제한되는 것은 아니다.
[65]
[실시예 1]
[66]
100 kW급 DC 이송식 플라즈마 장비에 구비된 카본 플라즈마 몰드에, Ag Bulk(순도: 4N, 99.99%) 1kg을 장입하였다. 이후, 플라즈마 장비에 부착된 진공펌프로 플라즈마 장비 내 압력을 10 -2 torr까지 감압한 후, 질소(N 2)와 아르곤(Ar)의 분위기 가스(가스 유량: 150 SLM)를 주입하여 작업 진공도를 200 torr로 설정한 다음, 플라즈마 반응 가스(N 2, Ar과 H 2의 혼합 가스, 가스유량: 50 SLM)를 공급하고, 12 kW의 전력(전압: 60 V, 전류: 200 A)을 인가하여, 플라즈마를 생성시켜 20 g/min의 속도로 Ag-C 나노 복합 입자(평균 입경: 100 ㎚)를 얻었다. 이후, 대기 분위기하에서 상기 Ag-C 나노 복합 입자를 900℃의 온도에서 4 시간 동안 열처리하여 Ag 나노 입자(평균입경: 약 100 ㎚)를 제조하였다.
[67]
[68]
[실시예 2]
[69]
실시예 1에서 사용된 Ag Bulk(순도: 4N) 대신 Ag Scrap (순도: 3N, 99.9%) 1kg을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 Ag 나노 입자(평균 입경: 약 100 ㎚)를 제조하였다.
[70]
[71]
[비교예 1]
[72]
습식법으로 제조된 Ag 분말(희성금속社의 JU-Ag Powder)을 비교예 1로 사용하였다.
[73]
[74]
[실험예 1]
[75]
실시예 1 내지 2에서 제조된 Ag 나노 입자와, 비교예 1의 Ag 분말에 대한 순도 및 입자 내 불순물 함량을 유도 결합 플라즈마(Inductively coupled plasma, ICP)를 이용하여 분석하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 이때, 실시예 1 및 2에서 각각 사용된 은 원료 물질에 대한 순도 및 물질 내 불순물 함량도 유도 결합 플라즈마를 이용하여 분석하였다. 하기 표 1에서 불순물의 함량 단위는 ppm이었다.
[76]
[표1]
실시예 1 실시예 2 비교예 1
Ag Bulk Ag 나노입자 Ag Scrap Ag 나노입자 Ag 분말
불순물 Cu 5.5 4.5 125.0 7.7 6.1
Pd 0.0 0.0 1.0 0.1 0.2
Fe 0.5 0.2 36.0 0.4 1.2
Bi 0.0 0.1 2.0 0.2 0.0
Zn 4.5 2.7 4.0 2.0 2.1
Cd 0.0 0.0 24.0 0.0 0.0
Ni 0.5 0.2 476.0 0.0 0.0
Sb 0.0 0.1 1.0 0.1 0.0
Pd 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
Mg 0.2 0.2 2.0 0.2 0.1
Al 0.3 0.2 1.0 0.4 0.5
Mn 0.2 0.2 1.0 0.2 0.6
Ca 0.6 0.4 28.0 0.3 4.8
Cr 0.6 0.6 4.5 0.5 0.6
Hg 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
Au 0.8 0.5 1.5 0.5 0.4
Pt 0.5 0.5 1.5 0.5 0.6
총량 14.2 10.4 708.5 13.1 17.2
최종 순도 4N 4N 3N 4N 4N

[77]
측정 결과, 실시예 1 및 2에서 제조된 Ag 나노 입자는 순도가 4N으로, 비교예 1의 Ag 분말과 마찬가지로 고순도를 갖는다. 다만, 실시예 1 및 2의 Ag 나노 복합 입자는 비교예 1의 Ag 분말보다 불순물의 함량이 적었다. 게다가, 실시예 1 및 2의 Ag 나노 입자는 각각 은 원료 물질로 사용된 Ag Bulk 및 Ag Scrap에 비해 불순물의 함량이 적었다. 특히, 실시예 2의 Ag 나노 입자는 은 원료 물질인 Ag Scrap에 비해 순도가 유의적으로 높아졌다.
[78]
상기와 같이, 본 발명에 따른 Ag 나노 복합 입자는 불순물의 함량이 적고, 순도가 높다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 Ag 나노 입자의 제조시 플라즈마를 이용하여 정제 효과가 있으므로, 은 원료 물질의 순도가 낮더라도 고순도의 Ag 나노 입자를 제조할 수 있음을 알 수 있었다.
[79]
[80]
[실험예 2. 은 나노 입자의 물성 평가]
[81]
하기 표 2와 같이 플라즈마 조건을 변경한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 실시예 3~11의 Ag 나노 입자, 비교예 2의 Ag 나노 입자와, 비교예 3~4의 입자를 제조하였다.
[82]
1) 분말제조 속도 측정
[83]
분말 제조 속도(g/min) = 제조된 분말의 총량/제조시간
[84]
2) 입자의 다공도
[85]
실시예 3~11 및 비교예 3~4에서 제조된 입자 분말을 TEM으로 측정한 다음, image analysis 프로그램(OLYMPUS STM6, TOMORO ScopeEye 3.6)을 이용하여 다공도를 측정하였다.
[86]
[표2]
전압(V) 전류(A) 전력(kW) 진공도(torr) 몰드재질 열처리 온도(℃) 열처리 시간(hr) 분말 제조 속도(g/min) 입자의평균 입경 입자의 다공도(%) 종-횡비(%)
실시예 3 65 150 9.75 100 C 700 14.7 14.7 50 ㎚ 55 88
4 65 150 9.75 200 C 900 17.4 17.4 50 ㎚ 60 85
5 70 150 10.5 300 C 700 18.1 18.1 100 ㎚ 55 84
6 75 150 11.25 400 C 700 19.6 19.6 1 ㎛ 39 99
7 60 200 12.0 200 C 900 20.9 20.9 100 ㎚ 58 87
8 75 200 15.0 200 C 900 34.5 34.5 1 ㎛ 41 99
9 60 150 9.0 200 C 900 18.3 18.3 100 ㎚ 56 85
10 60 250 9.0 200 C 900 19.8 19.8 1 ㎛ 38 99
11 50 150 7.5 200 C 900 7.8 7.8 100 ㎚ 54 84
비교예 2 50 100 5.0 200 C 900 4.8 4.8 50 ㎚ 58 84
3 75 300 22.5 200 C 900 22.4 22.4 10 ㎛ 13 98
4 80 200 16.0 500 C 900 19.8 19.8 30 ㎛ 5 97

[87]
실험 결과, 실시예 3 내지 10에서는 균일한 조성과 크기를 갖는 은 나노 입자를 빠른 속도로 제조할 수 있었으며, 플라즈마 생성 조건을 변경함에 따라 이들의 평균 입경을 수 ㎚에서 최대 1 ㎛까지 용이하게 제어할 수 있음을 확인할 수 있었다. 참고로, 습식법으로 제조된 비교예 1의 Ag 분말(희성금속社의 JU-Ag Powder)은 분말제조속도가 약 3~4 g/min 이었다.
[88]
[89]
[ 제조예 1] - 전기 접점 재료의 제조
[90]
실시예 7에서 제조된 Ag 나노 입자를 900 ℃의 진공로에서 10시간 동안 소결시켜 소결체를 얻은 다음, 상기 소결체를 500℃에서 고온 압축하여 압축재(밀도: 99% 이상)를 얻은 후, 이를 압출시켜 전기 접점 재료를 제조하였다.
[91]
[92]
[비교 제조예 1] - 전기 접점 재료의 제조
[93]
Ag 나노 입자 대신 습식법으로 제조된 비교예 1의 은 분말(희성금속社의 JU-Ag Powder)을 사용하는 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일하게 수행하여 전기 접점 재료를 제조하였다.
[94]
[95]
[실험예 3] - 전기 접점 재료의 물성 평가
[96]
제조예 1과 비교 제조예 1 및 2에서 각각 제조된 전기 접점 재료의 전기전도도 및 경도를 하기와 같이 각각 측정하였고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
[97]
여기서, 경도는 비커스 경도계를 사용하였으며, 하중 300g에서 10초 동안 유지한 후 측정하였다. 또한 전기전도도는 비저항을 측정한 후 단위 환산을 통해 %IACS로 나타내었다.
[98]
[표3]
제조예 1 비교 제조예 1
경도(Hv) 57 63
전기전도도(%IACS) 98 85

[99]
제조예 1의 전기접점재료는 비교 제조예 1에 비해 경도가 낮으나, 전기전도도는 높다. 따라서, 본 발명에 따라 제조된 은 나노 입자를 포함하는 전기접점재료는 내용착성 및 내소모성이 향상될 수 있다는 것을 추정할 수 있었다.게다가, 은(Ag)은 불순물량이 적은 순은(Pure Ag)에 가까울수록 약 50~60 Hv의 경도를 가지면서, 전기전도도는 증가한다. 따라서, 본 발명에 따라 제조된 은 나노 입자가 순은(pure Ag)에 가깝다는 것을 간접적으로 확인할 수 있었다.

청구범위

[청구항 1]
(S100) 반응 챔버의 (준)금속계 플라즈마 몰드에 은(Ag) 원료 물질을 장입하는 단계; (S200) 상기 반응 챔버의 진공도를 50 내지 400 torr 범위로 설정하고, 인가 전력을 7.5 내지 18.7 kW 범위로 조절하여 플라즈마를 생성하고, 생성된 플라즈마에 의해 은-(준)금속 나노 복합 입자를 형성하는 단계; 및 (S300) 상기 은-(준)금속 나노 복합 입자를 열처리하는 단계 를 포함하는 은 나노 입자의 제조방법.
[청구항 2]
제1항에 있어서, 상기 (준)금속계 플라즈마 몰드는 은(Ag)보다 융점이 높은 (준)금속으로 제조된 플라즈마 몰드인, 은 나노 입자의 제조방법.
[청구항 3]
제1항에 있어서, 상기 (준)금속계 플라즈마 몰드는 카본(carbon)계 플라즈마 몰드인, 은 나노 입자의 제조방법.
[청구항 4]
제1항에 있어서, 상기 은(Ag) 원료 물질은, 순도가 99.9% 이상의 은 스크랩, 은 벌크 소재 또는 은 분말인, 은 나노 입자의 제조방법.
[청구항 5]
제1항에 있어서, 상기 (S200) 단계에서, 상기 반응 챔버에는 불활성 기체, 또는 불활성 기체와 수소 가스가 혼합된 반응 가스가 공급되고, 상기 반응 가스의 유량은 50 내지 200 SLM 범위인, 은 나노 입자의 제조방법.
[청구항 6]
제1항에 있어서, 상기 (S200) 단계에서, 상기 반응 챔버에는 150 내지 250 A 범위의 전류 및 50 내지 75 V의 전압이 인가되는 은 나노 입자의 제조방법.
[청구항 7]
제1항에 있어서, 상기 은-(준)금속 나노 복합 입자에 포함된 (준)금속 미립자는 플라즈마에 의해 (준)금속계 플라즈마 몰드의 적어도 일부가 상 변화(phase transition)하거나 또는 탈리하여 생성된 것인 은 나노 입자의 제조방법.
[청구항 8]
제1항에 있어서, 상기 (S300) 단계에서의 열처리는 700 내지 900 ℃의 온도에서 4 내지 8 시간 동안 수행되는 은 나노 입자의 제조방법.
[청구항 9]
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 제조되어, 10 ㎚ 내지 1㎛의 평균 입경 및 99.95 % 이상의 순도를 갖는 은 나노 입자.
[청구항 10]
제9항에 있어서, 다공도가 30 내지 60%인 은 나노 입자.
[청구항 11]
제9항에 기재된 은 나노 입자를 포함하는 전기 접점재료.
[청구항 12]
제11항에 있어서, 99.95% 이상의 순도; 55 내지 65 Hv 의 경도; 및 80 내지 100 %IACS의 전기전도도를 갖는 전기 접점재료.

도면

[도1]