JP2019508581A

JP2019508581A - 熱プラズマを用いた均一な酸素パッシベーション層を有する銅ナノ金属粉末の製造方法及びそれを製造するための装置

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Publication number: JP2019508581A
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Abstract

本発明は、熱プラズマを用いた均一な酸素パッシベーション層を有する銅ナノ金属粉末の製造方法及びそれを製造するための装置に関するもので、より具体的には、平均粒径５〜３０μｍの銅又は銅合金粉末を熱プラズマトーチ、反応容器及び酸素反応区間を通過させる方法であって、前記銅又は銅合金粉末は０．５〜７ｋｇ／ｈｒの注入速度で投入され、時間当たり投入される銅又は銅合金粉末１ｋｇ当たり酸素反応区間への酸素添加量が０．３〜１２ｓｌｐｍ（ＳｔａｎｄａｒｄＬｉｔｅｒｓＰｅｒＭｉｎｕｔｅ）の範囲であり、平均粒径が５０〜２００ｎｍであり、表面酸素パッシベーション層の平均厚さが１〜３０ｎｍである、光焼結用ナノ銅金属粉末を製造する方法及びそれを製造するための光焼結用ナノ銅金属粉末製造装置に関するものである。
【選択図】図３

Description

［１］本発明は熱プラズマを用いた均一な酸素パッシベーション層を有する銅ナノ金属粉末の製造方法及びそれを製造するための装置に関する。

［２］プリンテッドエレクトロニクス（ＰｒｉｎｔｅｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）は印刷技術を用いて電子素子及び部品又はモジュールを製造することを言い、導電性インクをプラスチック又は紙のような基板に印刷して所望機能の製品を作るもので、既存のＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）タグ、照明、ディスプレイ、太陽電池、電池など、半導体や素子、回路などが使われるほぼ全領域で広範囲に応用可能な技術である。

［３］このようなプリンテッドエレクトロニクス産業でいまだにキラーアプリケーション（ｋｉｌｌｅｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）が現れなかった最大の理由は大部分の電極素材として使われる銀インク及びペーストの値段があまり高いからである。

［４］既存の銀インク又はペーストの代わりに銅粉末などの低価ナノ金属粒子を電極素材として使おうとする努力が進行されてはいる。印刷配線の電極化のためには焼結工程が必須であり、現在は一般的に熱による焼結技術を用いている実情である。このような方式には多くの設備と１時間以上のテークタイム（Ｔａｋｅ−Ｔｉｍｅ）が必要であり、特に銅インクなどの電極化のためには不活性気体雰囲気を作るための追加の装置が必要であり、その上、酸化しなかった純粋ナノ銅粒子の量産収率が低くて値段が高いことが最大の問題点である。

［５］このような熱焼結と純粋銅粒子に関連した問題点を克服することができるものとして、大気中で銅インクだけでなく酸化が進行した粒子も還元させることができる新概念の焼結技術として最近イシューとなっている技術が光焼結技術と呼ばれるＩＰＬ（ＩｎｔｅｎｓｅＰｕｌｓｅｄＬｉｇｈｔ）を用いた白色光焼結技術であり、白色光極短波焼結法を用いて常温／大気圧の条件の下でμｓ〜ｍｓ単位の非常に短い工程時間に成功的に焼結させることで印刷配線の焼結を完了することができ、画期的に工程テークタイムを減らし、既存の高価の電極素材を低価の銅電極素材（電極素材の原価の８０％以上節減）に取り替えるとともに熱焼結を光焼結に取り替えることによって画期的に工程テークタイムを減らすことができるので、電機電子素材及び部品とモジュール業者の競争力を数段階高めることができると展望されている。

［６］前記光焼結方法は、バルク銅に比べ、光吸収度が高くて融点が低いナノ銅粒子を還元剤が添加されたインク状態で基板に印刷した後、強い光を短時間に照射して焼結することが特徴であり、還元剤が添加されたナノ銅インクが強い光を受ければ、ナノ銅粒子が光を多量吸収して短時間に温度が急激に上昇するにつれて銅酸化膜と接触している還元剤が熱化学的に反応して水とアルコールが生成し、酸化銅が純粋銅に還元するとともに銅粒子の熔接（ｗｅｌｄｉｎｇ）を引き起こして焼結させることによって高伝導度の純粋銅電極を形成することになるものである。光焼結は、銅ナノ粒子の表面に形成された酸化銅被膜を還元させるとともに銅ナノ粒子の熔接を引き起こすことによって、高伝導度の純粋銅電極をミリ秒（ｍｓ）内に形成することができ、常温／大気で焼結が可能である。

［７］ここで、光焼結に適したナノ銅金属粒子の合成が主要な問題であるが、現在は湿式又は熱プラズマ（ｔｈｅｒｍａｌｐｌａｓｍａ）方式による粒子合成後に酸化処理することによって光照射エネルギー吸収率が最適化した酸化パッシベーション層を制御する技術がほとんどない実情である。

［８］大韓民国特許公開第２０１２−０１３２１１５号では銅塩を前駆体として蟻酸と反応させることによって粒径が１μｍ以下の銅微粒子コンプレックスに製造するものであって、熱プラズマ（ｔｈｅｒｍａｌｐｌａｓｍａ）方式とは全く違う工法が適用されているが、ナノ粒子の均一な確保及び１００ナノメトール級の均一な酸化パッシベーション層を確保するのに困難がある。

［９］また、大韓民国特許公開第２０１２−０１３２４２４号では銅前駆体を用いて光焼結用に適した１０〜２００ｎｍ大きさのナノ銅インクを製造することを開示しているが、これも熱プラズマ方式とは全く違う工法であり、分散性に優れた乾式製造とは違い、湿式製造による洗浄など、不純物の混入、乾燥凝集による分散性不良を避けることができないので、安定的なナノ粒子特性の確保が難しく、光焼結に重要要素である均一な酸化パッシベーション層の制御に困難がある。

［１０］このような欠点を有する湿式製造方式とは違い、ＲＦ熱プラズマを用いて高純度粉末を製造する方法として、日本国特開第２００１−３４２５０６号公報及び日本国特開第２００２−１８０１１２号公報が知られている。日本国特開第２００１−３４２５０６号公報は金属ブロックを粉砕して得た粉末を熱プラズマを適用することによってタングステン、モリブデンなどの高純度金属粉末を収得し、日本国特開第２００２−１８０１１２号公報は平均粒径１０〜３２０μｍを有する高融点タングステン、ルテニウムなどの酸化物又は金属粉末を収得している。

［１１］しかし、前述したような先行技術は高融点金属の熱プラズマによる高純度化が制限されており、光焼結に重要要素である均一な酸化パッシベーション層が制御されたナノ銅粉末の安定的な確保には困難がある。
［１２］

［１３］大韓民国特許公開第２０１２−０１３２１１５号公報［１４］大韓民国特許公開第２０１２−０１３２４２４号公報［１５］日本国特開第２００１−３４２５０６号公報［１６］日本国特開第２００２−１８０１１２号公報

［１７］よって、本発明者らは最適化した光焼結特性を確保するために、先行技術のような熱プラズマを用いるが、相対的に安定的で光焼結に適した最適酸素パッシベーション層を有するナノ銅金属粉末を得るために、原料粉末が熱プラズマトーチに注入される注入速度及び反応器後段のライン内の一定酸素パッシベーション層を有するようにするために通過区間と酸素添加量を制御した結果、均一な酸素パッシベーション層を有するナノ銅金属粉末を製造することができるという事実を見つけて本発明を完成することになった。

［１８］したがって、本発明は光焼結用途に適した光焼結用ナノ銅金属粉末の製造方法及びそれを製造するための装置を提供することをその目的とする。

［１９］前記課題を解決するために、本発明は、平均粒径５〜３０μｍの銅又は銅合金粉末を熱プラズマトーチ、反応容器及び酸素反応区間を通過させる方法であって、前記銅又は銅合金粉末は０．５〜７ｋｇ／ｈｒの注入速度で投入され、時間当たり投入される銅又は銅合金粉末１ｋｇ当たり酸素反応区間への酸素添加量が０．３〜１２ｓｌｐｍ（ＳｔａｎｄａｒｄＬｉｔｅｒｓＰｅｒＭｉｎｕｔｅ）の範囲であり、平均粒径が５０〜２００ｎｍであり、表面酸素パッシベーション層の平均厚さが１〜３０ｎｍである、光焼結用ナノ銅金属粉末を製造する方法を提供する。

［２０］また、本発明は、原料粉末を供給するための原料供給部、熱プラズマ高温領域帯を有する熱プラズマトーチ部、供給された原料粉末が熱プラズマによってナノ化する反応容器、及びパッシベーション反応のために酸素を添加する酸素投入部を含むことを特徴とする、光焼結用ナノ銅金属粉末製造装置を提供する。

［２１］本発明による方法を用いる場合、光焼結に適した平均粒径が５０〜２００ｎｍ、平均厚さが１〜３０ｎｍであり、均一な酸素パッシベーション層を有する制御されたナノ銅金属粉末を安定的に確保することができる。

［２２］本発明の一実施態様による熱プラズマ装置の模式図を示す。［２３］プラズマ処理前の銅原料粉末に対する燎微鏡写真を示す。［２４］比較例７によって酸素を添加しなかった状態でプラズマ処理後の大気中で酸素に露出させたナノ銅金属粉末を示し、表面酸素パッシベーション層が非常に不均一に形成されていることが分かる。［２５］本発明の実施例１によって製造された、均一酸素添加条件のプラズマ処理によって光焼結に適した酸素パッシベーション層を有するナノ銅金属粉末を示し、金属粉末の表面層に均一に酸素パッシベーション層が形成されていることが分かる。

［２６］本発明は、相対的に安定的で光焼結に適した最適の酸素パッシベーション層を有するナノ銅金属粉末を得るために、既存に使われた熱プラズマ方法を用いるが、原料粉末を熱プラズマトーチに注入する注入速度及び反応器後段のライン内で一定酸素パッシベーション層を有するように酸素添加量と通過区間を適切に設定することによって均一な酸素パッシベーション層を有する光焼結用ナノ銅金属粉末を得る技術に関する。

［２７］以下、本発明を詳細に説明する。

［２８］本発明は、平均粒径５〜３０μｍの銅又は銅合金粉末を熱プラズマトーチ、反応容器及び酸素反応区間を通過させる方法であって、前記銅又は銅合金粉末は０．５〜７ｋｇ／ｈｒの注入速度で投入され、時間当たり投入される銅又は銅合金粉末１ｋｇ当たり酸素反応区間への酸素添加量が０．３〜１２ｓｌｐｍ（ＳｔａｎｄａｒｄＬｉｔｅｒｓＰｅｒＭｉｎｕｔｅ）の範囲であり、平均粒径が５０〜２００ｎｍであり、表面酸素パッシベーション層の平均厚さが１〜３０ｎｍである、光焼結用ナノ銅金属粉末を製造する方法を提供する。

［２９］本発明の光焼結用ナノ銅金属粉末を製造するための原料粉末としては、銅（ｃｏｐｐｅｒ）又は銅合金（ｃｏｐｐｅｒａｌｌｏｙ）粉末を使うことができる。ここで、銅粉末の純度は制限されないが、好ましくは９３％以上、より好ましくは９５％（２Ｎ級）を使うことが良い。また、銅合金としてはＣｕ−Ｐ、Ｃｕ−Ａｇ、Ｃｕ−Ｆｅなどを使うことができる。この際、銅対他の金属合金の比率は重量比で９９：１〜９５：５範囲であってもよいが、これに制限されるものではない。前記銅合金に追加的に添加される添加元素としては、Ａｌ、Ｓｎ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｔｉなどを１種及び２種添加することができ、銅以外の添加元素の含量は１種及び２種を含んで５重量％以内に制限することが好ましい。

［３０］銅又は銅合金粉末の平均粒径は５〜３０μｍ（ミクロン）の範囲が好ましく、５〜２０μｍがより好ましい。仮に、平均粒径が５μｍ未満の場合は粉末間の凝集が生じ、原料投入が急激に難しくなる問題点が発生し、平均粒径が３０μｍを超えれば、プラズマ処理効果が急激に低下する問題が発生するから、前記範囲を維持することが良い。

［３１］本発明において、銅又は銅合金粉末は０．５〜７ｋｇ／ｈｒの注入速度で投入され、好ましくは１〜５ｋｇ／ｈｒの注入速度で投入され、高温の熱プラズマトーチ、反応容器及び酸素反応区間を通過する。前記注入速度が０．５ｋｇ／ｈｒ未満の場合、生産性が低下する問題点があり、７ｋｇ／ｈｒを超える場合、ナノ化効果が著しく低下する問題が発生するから、前記範囲を維持することが良い。一方、前記注入速度は出力に比例して調整することが好ましい。例えば、６０ｋｗ出力では平均１ｋｇ／ｈｒの注入速度、２００ｋｗ出力では平均３ｋｇ／ｈｒの注入速度、４００ｋｗ出力では平均５ｋｇ／ｈｒの注入速度を維持することが好ましい。

［３２］前記熱プラズマを発生させる動作ガスとしては、アルゴン、水素、ヘリウムを挙げることができ、水素添加量の増加によってナノ粒子化効果が上昇する傾向があるから、アルゴンに水素を５〜５０体積％添加することが好ましい。特に、５体積％以上からナノ粒子化効果が急激に高くなり、５０体積％を超えれば、ナノ粒子化効果が急激に低下するから、５〜５０体積％範囲を維持することが良い。

［３３］本発明は反応器後段の酸素反応区間に連続的に酸素を一定に注入することによって銅又は銅合金粉末の表面層に平均厚さ１〜３０ｎｍの均一な酸素パッシベーション層を形成することになる。このとき、酸素反応区間がコレクターに位置するとか又は酸素反応が本発明のナノ銅金属粉末製造装置から全く出た後になされる場合、銅又は銅合金粉末の表面に安定的な酸化膜を形成させにくいから、酸素反応区間は反応直後に粉末の表面に一定した酸素パッシベーション層を形成するように反応器後段に位置し、サイクロン部の前部とコレクターの前部のいずれででも関係ない。本発明において、酸素パッシベーション層を形成する動作ガスは酸素であり、酸素添加量によってパッシベーション層の厚さが増加する傾向があるから、前記酸素反応区間への酸素添加量は、前記時間当たり投入される銅又は銅合金粉末１ｋｇ当たり０．３〜１２ｓｌｐｍ（ＳｔａｎｄａｒｄＬｉｔｅｒｓＰｅｒＭｉｎｕｔｅ）、好ましくは０．４〜１０ｓｌｐｍ、より好ましくは０．５〜４．５ｓｌｐｍである。前記酸素添加量が０．３ｓｌｐｍ未満の場合、パッシベーション層の形成効果が低く、酸素添加量が１２ｓｌｐｍを超える場合、酸素パッシベーション層の厚さが急激に増加し、光焼結作業時のエネルギー過多消費によって生産効率が急激に低下するから、０．３〜１２ｓｌｐｍ範囲を維持することが好ましい。酸素添加量が０．３〜１２ｓｌｐｍ（ＳｔａｎｄａｒｄＬｉｔｅｒｓＰｅｒＭｉｎｕｔｅ）の場合を例として挙げれば、時間当たり銅又は銅合金粉末が１ｋｇ投入される場合、酸素は１分当たり０．３〜１２リットルが添加され、時間当たり銅又は銅合金粉末が３ｋｇ投入される場合、酸素は１分当たり０．９〜３６リットルが添加され、時間当たり銅又は銅合金粉末が５ｋｇ投入される場合、酸素は１分当たり１．５〜６０リットルが添加される。

［３４］本発明は、前述したような過程によって、光焼結用に使うのに適した平均粒径５０〜２００ｎｍ及び表面酸素パッシベーション層の平均厚さ１〜３０ｎｍの光焼結用ナノ銅金属粉末を製造することができる。

［３５］また、本発明は前記光焼結用ナノ銅金属粉末を製造するための装置を提供し、原料粉末を供給するための原料供給部、熱プラズマ高温領域帯を有する熱プラズマトーチ部、供給された原料粉末が熱プラズマによってナノ化する反応容器及びパッシベーション反応のために酸素を添加する酸素投入部を含むことを特徴とする。

［３６］図１は本発明に用いる熱プラズマ装置の一例の模式図を示すもので、原料粉末が供給される原料供給部２、その下端部の水冷絶縁チューブの外側にコイルが巻き付けられ、コイルに高周波電界を印加することによって内部に熱プラズマ高温領域帯７を有する熱プラズマトーチ部１、供給された原料粉末が熱プラズマによってナノ化する反応容器３、パッシベーション反応のために酸素を添加する酸素投入部４、除去された不純物を収去するサイクロン部５、及び製造されたナノ銅金属粉末を収去するコレクター６が示されている。

［３７］このような高周波電源によって発生した熱プラズマはＲＦ熱プラズマ（又は高周波プラズマ）と言う。本発明において、ＲＦ熱プラズマを発生させる高周波の周波数は４ＭＨｚ〜１３．５ＭＨｚの領域帯を使うことができ、より好ましくはＲＦ熱プラズマの高温領域帯を広げるために４ＭＨｚを使う。

［３８］本発明の原料供給部２は原料粉末を供給するためのもので、本発明は前述したように銅又は銅合金粉末を０．５〜７ｋｇ／ｈｒの注入速度で供給するように構成される。

［３９］本発明の酸素投入部４はパッシベーション反応のために酸素反応区間に酸素を投入する役割をし、本発明は酸素投入部を装置内に組み込むことによってｉｎ−ｓｉｔｕプロセスのような効果を現すことができる。また、前記酸素と反応する区間の長さは０．０５〜１ｍ、より好ましくは０．１〜０．５ｍであることがナノ化した金属粒子の表面に直接反応して均一な酸素パッシベーション層を形成するから好ましい。その上、一定に酸素を供給することによってナノ化した金属粒子に比例的に酸化層を形成させる役割をする。

［４０］また、本発明はサイクロン部５及びコレクター６をさらに含むことができ、サイクロン部は以前の過程で除去された不純物を収去する役割をし、コレクターは製造されたナノ銅金属粉末を収去する役割をする。

［４１］本発明の均一な酸素パッシベーション層を有する光焼結用ナノ銅金属粉末は多様な分野、例えば、プリンテッドエレクトロニクス産業のタッチスクリーン（透明電極、ベゼル電極）、印刷型ＦＰＣＢ（特に、タッチセンサー用印刷用デジタイザーＦＰＣＢ）、ＲＦＩＤタグ、ＮＦＣ、太陽電池などに使われることができ、確張しては３Ｄフォーミング（Ｆｏｒｍｉｎｇ）ＦＰＣＢ、伸縮性電極（Ｓｔｒｅｔｃｈａｂｌｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）などの分野に適用可能である。

［４２］以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。しかし、下記の実施例は本発明を例示するためのもので、本発明の内容が下記の実施例に限定されるものではない。

［４３］実施例
［４４］＊次の実施例に基づいて本発明を説明する。

［４５］

［４６］（実施例１）
［４７］平均粒径１２μｍ、純度９６％の銅粉末を注入速度０．５ｋｇ／ｈｒで原料供給部を通じてプラズマ高温領域に供給した。高周波電源周波数が４ＭＨｚである、図１に示したもののようなＲＦ熱プラズマで処理し、熱プラズマによって原料粉末を溶融し、時間当たり投入される銅又は銅合金粉末１ｋｇ当たり酸素添加量を１ｓｌｐｍにし、酸素反応区間を通過させることによって表面酸素パッシベーション層を形成した。その後、反応容器を通過しながら粉末が生成し、コレクターで均一に酸素パッシベーション処理されたナノ銅金属粉末を回収した。その結果、平均粒径７９ｎｍ、酸素パッシベーション層の厚さ１０〜１５ｎｍのナノ銅金属粉末を製造した。

［４８］（実施例２）
［４９］銅粉末の注入速度を０．９ｋｇ／ｈｒにすることを除き、実施例１のような方法で処理して平均粒径９８ｎｍ、酸素パッシベーション層の厚さが８〜１０ｎｍのナノ銅金属粉末を製造した。

［５０］（実施例３）
［５１］銅粉末の注入速度を１．２ｋｇ／ｈｒにすることを除き、実施例１のような方法で処理して平均粒径１２０ｎｍ、酸素パッシベーション層の厚さ５〜８ｎｍのナノ銅金属粉末を製造した。

［５２］（実施例４）
［５３］銅粉末の注入速度を１．５ｋｇ／ｈｒにすることを除き、実施例１のような方法で処理して平均粒径１５０ｎｍ、酸素パッシベーション層の厚さ２〜５ｎｍのナノ銅金属粉末を製造した。

［５４］（実施例５）
［５５］平均粒径２０μｍの銅粉末を使うことを除き、実施例１のような方法で処理して平均粒径１１５ｎｍ、酸素パッシベーション層の厚さ５〜８ｎｍのナノ銅金属粉末を製造した。

［５６］（実施例６）
［５７］銅粉末の代わりに銅９５（重量％）とリン（５重量％）（Ｃｕ：Ｐ）の銅合金粉末を使うことを除き、実施例１のような方法で処理して平均粒径１０５ｎｍ、酸素パッシベーション層の厚さ３〜９ｎｍのナノ銅金属粉末を製造した。

［５８］（実施例７）
［５９］銅粉末の代わりに銅９５（重量％）と銀（５重量％）（Ｃｕ：Ａｇ）の合金粉末を使うことを除き、実施例５のような方法で処理して平均粒径１１０ｎｍ、酸素パッシベーション層の厚さ６〜１１ｎｍのナノ銅金属粉末を製造した。

［６０］（実施例８）
［６１］酸素添加量を３ｓｌｐｍにしたことを除き、実施例１のような方法で処理して平均粒径９８ｎｍ、酸素パッシベーション層の厚さ１０〜１８ｎｍのナノ銅金属粉末を製造した。

［６２］（実施例９）
［６３］酸素添加量を３ｓｌｐｍにしたことを除き、実施例２のような方法で処理して平均粒径１２０ｎｍ、酸素パッシベーション層の厚さ６〜１０ｎｍのナノ銅金属粉末を製造した。

［６４］（実施例１０）
［６５］酸素添加量を３ｓｌｐｍにしたことを除き、実施例３のような方法で処理して平均粒径１７０ｎｍ、酸素パッシベーション層の厚さ３〜６ｎｍのナノ銅金属粉末を製造した。

［６６］（実施例１１）
［６７］酸素添加量を１０ｓｌｐｍにしたことを除き、実施例１のような方法で処理して平均粒径７９ｎｍ、酸素パッシベーション層の厚さ２０〜３０ｎｍのナノ銅金属粉末を製造した。

［６８］（実施例１２）
［６９］酸素添加量を１０ｓｌｐｍにしたことを除き、実施例２のような方法で処理して平均粒径９８ｎｍ、酸素パッシベーション層の厚さ１５〜２０ｎｍのナノ銅金属粉末を製造した。

［７０］（実施例１３）
［７１］酸素添加量を１０ｓｌｐｍにしたことを除き、実施例３のような方法で処理して平均粒径１２０ｎｍ、酸素パッシベーション層の厚さ８〜１５ｎｍのナノ銅金属粉末を製造した。

［７２］（実施例１４）
［７３］酸素添加量を１０ｓｌｐｍにしたことを除き、実施例４のような方法で処理して平均粒径１７０ｎｍ、酸素パッシベーション層の厚さ３〜８ｎｍのナノ銅金属粉末を製造した。

［７４］（実施例１５）
［７５］酸素添加量を１０ｓｌｐｍにしたことを除き、実施例５のような方法で処理して平均粒径１１７ｎｍ、酸素パッシベーション層の厚さ８〜１５ｎｍのナノ銅金属粉末を製造した。

［７６］（実施例１６）
［７７］平均粒径１０μｍの銅粉末、３．０ｋｇ／ｈｒの銅粉末注入速度、時間当たり投入される銅又は銅合金粉末１ｋｇ当たり０．９ｓｌｐｍの酸素添加量を使ったことを除き、実施例１と同一の条件を用いて平均粒径８５ｎｍ、酸素パッシベーション層の厚さ３〜９ｎｍのナノ銅金属粉末を製造した。

［７８］（実施例１７）
［７９］平均粒径２０μｍの銅粉末、３．０ｋｇ／ｈｒの銅粉末注入速度、時間当たり投入される銅又は銅合金粉末１ｋｇ当たり３．０ｓｌｐｍの酸素添加量を使ったことを除き、実施例１と同一の条件を用いて平均粒径９７ｎｍ、酸素パッシベーション層の厚さ８〜１４ｎｍのナノ銅金属粉末を製造した。

［８０］（実施例１８）
［８１］平均粒径２５μｍの銅粉末、３．０ｋｇ／ｈｒの銅粉末注入速度、時間当たり投入される銅又は銅合金粉末１ｋｇ当たり１０ｓｌｐｍの酸素添加量を使ったことを除き、実施例１と同一の条件を用いて平均粒径１０２ｎｍ、酸素パッシベーション層の厚さ１０〜１９ｎｍのナノ銅金属粉末を製造した。

［８２］（実施例１９）
［８３］平均粒径１０μｍの銅粉末、５．０ｋｇ／ｈｒの銅粉末注入速度、時間当たり投入される銅又は銅合金粉末１ｋｇ当たり０．５ｓｌｐｍの酸素添加量を使ったことを除き、実施例１と同一の条件を用いて平均粒径９０ｎｍ、酸素パッシベーション層の厚さ１０〜１９ｎｍのナノ銅金属粉末を製造した。

［８４］（実施例２０）
［８５］平均粒径２０μｍの銅粉末、５．０ｋｇ／ｈｒの銅粉末注入速度、時間当たり投入される銅又は銅合金粉末１ｋｇ当たり３．０ｓｌｐｍの酸素添加量を使ったことを除き、実施例１と同一の条件を用いて平均粒径９８ｎｍ、酸素パッシベーション層の厚さ７〜１６ｎｍのナノ銅金属粉末を製造した。

［８６］（実施例２１）
［８７］平均粒径２５μｍの銅粉末、５．０ｋｇ／ｈｒの銅粉末注入速度、時間当たり投入される銅又は銅合金粉末１ｋｇ当たり１０ｓｌｐｍの酸素添加量を使ったことを除き、実施例１と同一の条件を用いて平均粒径１１０ｎｍ、酸素パッシベーション層の厚さ１０〜２０ｎｍのナノ銅金属粉末を製造した。

［８８］（比較例１）
［８９］平均粒径１μｍの銅粉末を使うことを除き、実施例１のような方法で処理して平均粒径５２ｎｍ、酸素パッシベーション層の厚さ３〜１０ｎｍのナノ銅金属粉末を製造した。その結果、本発明の平均粒径より小さな銅粉末を使う場合、フィーダーの詰まり現象によるひんぱんな作業不良問題が発生することを確認することができた。

［９０］（比較例２）
［９１］平均粒径４０μｍの銅粉末を使うことを除き、実施例１のような方法で処理して平均粒径１４０ｎｍ、酸素パッシベーション層の厚さ３〜１５ｎｍのナノ銅金属粉末を製造した。その結果、本発明の平均粒径より大きな銅粉末を使う場合、反応器内のナノ化が正常になされなくてサイクロン内の原料粉末の混入現象及びナノ粉末回収率が極めて低くなる問題点が発生することを確認することができた。

［９２］（比較例３）
［９３］銅粉末の注入速度を０．２ｋｇ／ｈｒにすることを除き、実施例１のような方法で処理して平均粒径５０ｎｍ、酸素パッシベーション層の厚さ３２〜５３ｎｍのナノ銅金属粉末を製造した。その結果、本発明の注入速度より低い速度を使う場合、酸素パッシベーション層の厚さがあまり大きくなって光焼結に適しない問題点が発生することを確認することができた。

［９４］（比較例４）
［９５］銅粉末の注入速度を１０．０ｋｇ／ｈｒにすることを除き、実施例１のような方法で処理して平均粒径１５７ｎｍ、酸素パッシベーション層の厚さ３〜２０ｎｍのナノ銅金属粉末を製造した。その結果、本発明の注入速度より高い速度を使う場合、反応器内のナノ化が正常になされなくてサイクロン内の原料粉末の混入現象及びナノ粉末回収率が極めて低くなる問題点が発生することを確認することができた。

［９６］（比較例５）
［９７］酸素添加量を０．２ｓｌｐｍにしたことを除き、実施例１のような方法で処理して平均粒径１２０ｎｍ、酸素パッシベーション層の厚さ１〜３ｎｍのナノ銅金属粉末を製造した。その結果、本発明の酸素添加量より低い量を使う場合、表面に形成される酸素パッシベーション層が非常に少なくて、大気中に露出されるときに易しくバーニング（ｂｕｒｎｉｎｇ）されて使用上取扱いが適しない問題点が発生することを確認することができた。

［９８］（比較例６）
［９９］酸素添加量を１５ｓｌｐｍにしたことを除き、実施例１のような方法で処理して平均粒径７５ｎｍ、酸素パッシベーション層の厚さ３３〜５７ｎｍのナノ銅金属粉末を製造した。その結果、本発明の酸素添加量より高い量を使う場合、酸素パッシベーション層の厚さがあまり大きくなって光焼結に適しない問題点が発生することを確認することができた。

［１００］（比較例７）
［１０１］工程中に酸素を添加する段階を除いたことを除き、実施例１のような方法でプラズマ処理した後、１時間の間に自然酸化させた場合、銅ナノ金属粉末の表面部の酸素パッシベーション形状が図３に示されている。図３からも確認することができるように、本発明の酸素添加工程を含まない場合、大気との接触によって粉末表面層に不規則な酸素パッシベーション厚さが形成されるため、安定的な光焼結作業に必須に要求される均一な酸素パッシベーション層を形成することができないという問題点が発生することを確認することができた。

［１０２］前述したように、本発明による方法を用いる場合、光焼結に適した均一な酸素パッシベーション層を有する制御されたナノ銅金属粉末を安定的に確保することができる。

［１０３］
１ＲＦ熱プラズマトーチ
２原料供給部
３反応容器
４酸素投入部
５サイクロン部
６コレクター
７熱プラズマ高温領域帯

Claims

平均粒径５〜３０μｍの銅又は銅合金粉末を熱プラズマトーチ、反応容器及び酸素反応区間を通過させる方法であって、前記銅又は銅合金粉末は０．５〜７ｋｇ／ｈｒの注入速度で投入させ、時間当たり投入される銅又は銅合金粉末１ｋｇ当たり酸素反応区間への酸素添加量が０．３〜１２ｓｌｐｍ（ＳｔａｎｄａｒｄＬｉｔｅｒｓＰｅｒＭｉｎｕｔｅ）の範囲であり、平均粒径が５０〜２００ｎｍであり、表面酸素パッシベーション層の平均厚さが１〜３０ｎｍである、光焼結用ナノ銅金属粉末を製造する方法。
前記銅合金粉末の銅含量が９５重量％以上であることを特徴とする、請求項１に記載の光焼結用ナノ銅金属粉末を製造する方法。
前記銅合金は、Ｃｕ−Ｐ、Ｃｕ−Ａｇ及びＣｕ−Ｆｅからなる群から選択された１種以上が使われ、これにＡｌ、Ｓｎ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｍｎ及びＴｉからなる群から選択された１種以上の元素がさらに添加されることができ、銅以外の添加元素の総含量は５重量％以下であることを特徴とする、請求項２に記載の光焼結用ナノ銅金属粉末を製造する方法。
原料粉末を供給するための原料供給部、熱プラズマ高温領域帯を有する熱プラズマトーチ部、供給された原料粉末が熱プラズマによってナノ化する反応容器、及びパッシベーション反応のために酸素を添加する酸素投入部を含むことを特徴とする、光焼結用ナノ銅金属粉末製造装置。