KR101134501B1

KR101134501B1 - 열플라즈마를 이용한 고순도 구리분말의 제조방법

Info

Publication number: KR101134501B1
Application number: KR1020090120452A
Authority: KR
Inventors: 김대현; 이동우; 김인달; 최상영; 이지훈; 전보민
Original assignee: 주식회사 풍산
Priority date: 2009-12-07
Filing date: 2009-12-07
Publication date: 2012-04-13
Also published as: EP2511032A1; KR20110064036A; WO2011071225A1; JP2013513032A; CN102665972B; EP2511032A4; US9061353B2; US20120240726A1; CN102665972A; JP5746207B2

Abstract

본 발명은 전자산업의 스퍼터링 타겟재의 제조 및 관통자 라이너 등에 사용되는 고순도 구리(Cu) 분말재료의 제조방법에 관한 것이다.

이에 따른 구성은 원료 공급부, 플라즈마 토치부, 반응용기로 이루어진 장치를 이용하여 금속분말을 제조하는 방법에 있어서, 평균입경이 30～450㎛인 구리(Cu)분말을 2～30kg/hr 주입속도로 열플라즈마 토치를 통과시켜 평균입경이 5～300㎛인 고순도 구리분말을 얻는 제조방법으로 이루어진다.

열플라즈마. 고순도 구리분말

Description

열플라즈마를 이용한 고순도 구리분말의 제조방법{method for manufacture of high purity copper powder use of plasma}

본 발명은 전자 산업의 스퍼터링 타겟재의 제조, 전도성 페이스트 및 관통자 라이너 등에 사용되는 고순도 구리 분말재료의 제조방법에 관한 것이다.

정보산업의 급속한 진전에 수반하고, 정보산업 기기 부품의 제조에 이용되는 스퍼터링 타겟재가 대량 사용되고 있다. 이러한 타겟 재료의 제조공정으로는 고순도 금속분말 원료의 소결에 의한 제조가 최적인 것이 알려져 있다. 그 때문에 고순도 융점 금속 분말의 수요가 점증하는 한편, 정보기기의 고기능화 때문에 더 한층 고순도화가 요구되어 있다.

또한 타겟의 니어네트 형태(near net shape)소결 제조에는 이러한 분말의 구상화가 요구되며, 전도성 페이스트나 관통자 라이너 등의 용도로 고순도 구리 분말이 요구되고 있다.

고순도 구리 분말의 제조방법은 광석으로부터 화학습식 분리 정제를 되풀이하고, 고순도의 중간 산화물이나 화합물을 제조하여 얻어진 산화물이나 화합물을 분해하고 수소 환원하여 금속분말을 제조하는 공정이 일반적으로 알려져 있다.

한국공개특허공보 10-2004-0097364호에서는 습식제조된 분말의 산소함량이 2000ppm 이상으로 상당히 높고 산화물 중의 분순물 잔류 때문에 고순도화에 한계가 있으며, 각종 용액에 의한 환경오염의 위험이 크다는 문제점이 있으며, 제조된 분말의 입경이 1㎛이하로 핸들링 하는데 상당한 어려움이 있다.

이와 같은 단점을 지닌 습식분리방법과는 달리 한국공개특허공보 10-2005

-0033721에서는 DC 열플라즈마를 사용하여 초고온에 의해 탄소나노튜브 제조방법이 소개되어 있는데, DC 플라즈마 방식은 전극의 침식에 의한 불순물의 혼입을 피할 수 없으므로 고순도 금속분말을 제조하는데 어려움이 있다.

한편, RF 열프라즈마를 이용하여 고순도분말을 제조하는 방법으로써, 일본공개특허공보2001-342506(이하"선행기술A) 및 일본공개특허공보2002-180112호(이하"선행기술B'이라 함)가 알려져 있다.

선행기술A는 금속 블록(block)을 분쇄하여 얻어진 분말을 열 플라즈마를 이용하여 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 탄탈륨(Ta), 루테늄(Ru) 등의 고순도 금속분말을 얻고 있으며, 선행기술B는 평균입경이 10～320㎛을 가지는 고용점 금속의 산화물 또는 고융점 금속의 화합물을 수소를 도입한 RF 열프라즈마를 이용하여 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 탄탈륨(Ta), 루테늄(Ru) 등의 고순도 금속분말을 얻고 있다.

상기한 선행기술들은 고융점 금속을 열프라즈마에 통과시키는 과정에서 고융점 금속은 용융 및 기화되지 않고, 상대적으로 융점이 낮은 불순물들이 기화되어 싸이클론으로 날아게되는 공정을 거쳐 고순도화 되는데, 융점이 상대적으로 낮은 구리(Cu)는 고융점 금속과 같은 방법으로는 원료분말까지 불순물과 함께 기화되어 날아가기 때문에 상기한 선행기술과 같은 방법으로는 구리 분말을 고순도화 하는 것은 불가능하다.

본 발명은 종래의 문제점을 개선함과 함께 선행기술과 같은 열플라즈마를 이용하되, 상대적으로 융점이 낮은 구리 분말을 얻기 위한 것으로, 원료분말의 열플라즈마 토치에 주입되는 주입속도 및 반응용기에서의 반응 통과 구간을 적절히 적용하여 선행기술과 다른 고순도 구리 분말 얻고자 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적 달성을 위한 본 발명은 열프라즈마 토치를 이용하여 금속분말을 제조하는 방법에 있어서, 평균입경이 30～450㎛인 구리(Cu)분말을 2～30kg/hr 주입속도로 열플라즈마 토치를 통과시켜 평균입경이 5～300㎛인 고순도 구리 분말을 얻는 제조방법으로 이루어진다.

상기 열플라즈마 토치에 투입되는 구리(Cu)분말은 바람직하게는 그 순도가 95～99%이고, 열플라즈마 토치를 통과하여 얻어지는 최종적인 고순도 구리분말은 바람직하게는 4N급(99.99%) 이상이다.

본 발명은 상기한 구리 분말 뿐만아니라 알루미늄(Al), 은(Ag), 니켈(Ni) 등의 상대적으로 융점이 낮은 금속들과 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru),탄탈륨(Ta)과 같은 고융점 금속분말을 적용할 수 있음은 물론이다.

사용된 원료분말은 평균입경이 30～450㎛ 구리 분말을 사용하였다. 그 이유는 원료분말이 30㎛ 이하로 미세하게 되면 플라즈마 반응 이후 분말의 평균입경이 5㎛ 이하가 되어 분말사이의 응집이 일어나게 되고, 원료분말이 450㎛ 이상이 되면 플라즈마 처리 효과가 급격히 저하되기 때문이다.

본 발명은 금속분말을 2～30kg/hr의 주입속도로 열플라즈마 토치를 통과시킴과 함께 반응용기의 길이를 적어도 1.4m 이상 2.5m 이하 범위로 설계하여 사용함이 선행기술들과 차별화 될 수 있다.

열플라즈마를 발생하는 동작가스(gas)로서 아르곤(Ar), 수소(H₂), 헬륨(He)을 들 수 있으며, 수소 첨가량의 증가에 따라 고순도화 효과가 상승하는 경향이 있기 때문에 아르곤(Ar)에 수소를 5～50vol% 첨가한다.

특히 5vol% 이상부터 효과가 급격이 커지며, 50vol% 이상이 되면 고순도화 효과를 급격히 저하되기 때문에 5～50vol% 첨가함이 바람직하다.

도 1은 본 발명에 이용하는 열플라즈마 장치의 모식도를 나타낸 것으로, 분말원료가 공급되는 공급부(2), 그 하단부에 수냉 절연 튜브(tube) 외측에 코일이 감겨지고, 코일에 고주파 전계를 인가하는 것에 의해 토치내에 열 플라즈마 고온영역대(6)를 갖는 플라즈마 토치(plasma torch)부(1). 주입된 원료분말이 열플라즈마에 의해 고순도화 되는 반응용기(3), 제거된 불순물을 수거하는 싸이클론(4), 제조된 고순도 금속분말을 수거하는 백필터(5)로 구성되어 있다.

이와 같은 고주파 전원에 의해 발생한 열플라즈마는 RF 열플라즈마(또는 고주파플라즈마)라고 한다. RF 열플라즈마의 발생에는 전극이 필요없고, 음극 재료의 증발에 의한 오염을 피할 수 있다. RF 열플라즈마의 발생에 채용하는 고주파 전원의 주파수는 4～13.5MHz를 사용할 수 있지만 고온 영역대를 넓히기 위해서 4MHz 를 사용한다.

본 발명은 상기한 선행기술의 열플라즈마 토치를 통과시켜 적용하는 측면에서 공히 유사하다 하여도, 선행기술에서 적용하고 있는 방법으로는 원료분말까지 불순물과 함께 기화되어 날아가기 때문에 본 발명에서 고순도화 하고자 하는 구리 분말을 적용할 수 없다.

또한 본 발명은 원료분말 주입속도의 범위를 2～30kg/hr로 한정하여 시행함이 바람직하다.

원료 주입속도를 한정함에 있어 2㎏/hr 이하가 되면 더 이상의 순도 향상에 도움이 안되면서 생산성이 저하되는 문제점이 있고, 30㎏/hr 이상이 되면 고순도화 효과가 현저히 저하되는 문제점이 있어 2～30㎏/hr로 한정하였다.

또한 본 발명은 상기 장치에서 반응용기(3)의 길이를 1.4m～2.5m 범위로 설계함이 더욱 바람직하다. 본 발명 반응용기의 길이를 2m 이상으로 하는 것이 선행기술들과 다른 것으로, 반응용기의 길이를 1.4m 이하로 하였을 경우에는 200㎛ 이상의 원료분말을 처리할 수 없다.

즉, 200㎛ 이상의 원료분말을 사용할 경우 열프라즈마 통과시 용융되었다가 냉각되는 구간이 더 필요하게 된다. 따라서 반응용기가 1.4m 이하일 때 200㎛ 이상의 원료분말을 사용할 경우에 응고가 덜 된 상태에서 반응용기 바닥에 퇴적되기 때문에 분말의 구상화를 기대하기 어렵고, 2.5m 이상일 경우는 제조원가의 상승 및 그에 수반하는 효과가 충족되지 않는다.

이상에서와 같이 본 발명은 원료분말에 대한 플라즈마 토치 통과시의 주입속도(2～30㎏/hr) 및 반응용기의 길이(1.4～2.5m)를 적절하게 적용함으로써, 특히 저융점 원료분말이 불순물과 함께 기화되어 날아가게 되는 문제점을 개선한 효과를 갖는 고순도 금속분말을 얻을 수 있다.

다음 실시예에 따라 본 발명을 설명한다.

(표 1)

	원료분말		플라즈마 처리 (주입속도 5kg/hr)		플리즈마 처리 (주입속도 30kg/hr)
	입도(㎛)	순도(%)	입도(㎛)	순도(%)	입도(㎛)	순도(%)
실시예 1	20	96	7.5	99.999	13.3	99.8
실시예 2	33	96	11.8	99.999	24.9	99.5
실시예 3	48	97	19.8	99.99	38.7	99.8
실시예 4	86	97	35.3	99.999	68.5	99.6
실시예 5	103	96	48.1	99.99	92.03	99.2
실시예 6	233	96	110.5	99.99	189.8	99.3
실시예 7	588	97	259.8	99.45	508.3	97.3

(실시예 1)

평균입경 20㎛, 순도 96%의 Cu분말을 원료로 하고, 도 1에 나타낸 RF 열플라즈마 처리하여 7.5㎛의 고순도 Cu 분말을 제조하였다.

고주파 전원 주파수는 4MHz이고, Cu 분말은 원료 공급부를 통해 플라즈마 고온영역에 공급되고, 열플라즈마에 의해 원료분말을 용융하고, 구상화 및 고순도화 시킨다. 이때 원료분말의 주입속도를 각각 5kg/hr와 30kg/hr로 하였다.

도 1 및 도 2는 금속분말에 대한 현미경사진을 나타낸 것으로, 도 1은 플라즈마 처리하기 전의 원료분말(Cu)상태를 나타낸 것이고, 도 2는 상기 실시예를 통 해 제조된 금속분말(Cu)을 나타낸 것이다.

이에 알 수 있는바와 같이, 플라즈마 처리 후 금속분말은 미립자이며 구상 형태임을 알 수 있다.

(실시예 2)

평균입경 33㎛, 순도 96%의 Cu 분말을 원료로 하는 것 이외에는 실시예 1과 같은 방법에 의해 처리하여 순도 99.999%, 평균입경 11.88㎛ 구상인 고순도 Cu 분말을 제조하였다.

(실시예 3)

평균입경 48㎛, 순도 97%의 Cu 분말을 원료로 하는 것 이외에는 실시예 1과 같은 방법에 의하여 순도 99.99%, 평균입경 19.8㎛ 구상인 고순도 Cu 분말을 제조하였다.

(실시예 4)

평균입경 86㎛, 순도 97%의 Cu 분말을 원료로 하는 것 이외에는 실시예 1과 같은 방법에 의하여 순도 99.99%, 평균입경 35.3㎛ 구상인 고순도 Cu 분말을 제조하였다.

(실시예 5)

평균입경 103㎛, 순도 96%의 Cu 분말을 원료로 하는 것 이외에는 실시예 1과 같은 방법에 의하여 순도 99.99%, 평균입경 48.1㎛ 구상인 고순도 Cu 분말을 제조하였다.

(실시예 6)

평균입경 233㎛, 순도 96%의 Cu 분말을 원료로 하는 것 이외에는 실시예 1과 같은 방법에 의하여 순도 99.99%, 평균입경 110.5㎛ 구상인 고순도 Cu 분말을 제조하였다

(실시예 7)

평균입경 588㎛, 순도 97%의 Cu 분말을 원료로 하는 것 이외에는 실시예 1과 같은 방법에 의하여 순도 99.45%, 평균입경 259.8㎛ 구상인 고순도 Cu 분말을 제조하였다

도 1은 본 발명의 제조에 이용되는 플라즈마 장치도

도 2는 플라즈마 처리 전의 원료분말(Cu)에 대한 현미경사

도 3은 플라즈마 처리 후의 고순도 금속분말(Cu)에 대한 현미경사진

Claims

원료 공급부와 열프라즈마 토치부와 반응용기로 이루어진 장치를 이용하여 금속분말을 제조하는 방법에 있어서, 상기 반응용기의 길이가 1.4～2.5m로 형성되며, 평균입경이 30～450㎛인 구리(Cu)분말을 2～30kg/hr 주입속도로 열플라즈마 토치 및 반응용기를 통과시켜 평균입경이 5～300㎛ 임을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 고순도, 구상화 구리(Cu)분말의 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 평균입경이 30～450㎛인 구리(Cu)분말의 순도가 95～99% 임을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 고순도 ,구상화 구리 분말의 제조방법.
삭제
제 1항 또는 제2항에 있어서,

상기 평균입경이 5～300㎛인 구리분말의 순도가 4N급(99.99%) 이상 임을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 고순도, 구상화 구리분말의 제조방법