KR101478556B1 - 고온 플라즈마를 이용한 코어-쉘 구조를 갖는 Ni 나노파우더 및 그 제조 방법 - Google Patents

고온 플라즈마를 이용한 코어-쉘 구조를 갖는 Ni 나노파우더 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

고온 플라즈마를 이용하여 코어-쉘 구조를 갖는 Ni 나노파우더 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 Ni 나노파우더 제조 방법은 (a) 8000~12000℃의 고온 플라즈마 영역에 Ni 파우더 모재를 투입하여, 고온 플라즈마에 의해 Ni 파우더 모재를 기화시켜 Ni 증기를 형성하는 단계; (b) 상기 Ni 증기를 냉각 가스에 접촉시켜, Ni 파우더를 형성하는 단계; 및 (c) Ni 파우더를 분급하여, 평균입경이 40~120nm인 Ni 나노파우더를 얻는 단계;를 포함하고, 상기 Ni 파우더 모재에 실리콘, 티타늄 및 알루미늄 중에서 선택되는 도펀트가 포함되고, 상기 냉각 가스에 불활성 가스와 함께 산소 함유 가스가 포함되어, 상기 (b) 단계에서 Ni 코어가 형성되면서, 표면에 도펀트의 산화물과 니켈 산화물로 이루어진 산화물 쉘이 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

고온 플라즈마를 이용한 코어-쉘 구조를 갖는 Ni 나노파우더 및 그 제조 방법 {NICKEL NANO POWDER WITH CORE-SHELL STRUCTURE USING HIGH TEMPERATURE PLASMA AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 전극 재료, 배선 재료 등으로 널리 사용되고 있는 니켈 나노파우더 제조 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 결정성이 우수하고, 수축시작 온도가 높으며, 고온 소성에서도 사이즈 변화가 작은 니켈 나노파우더 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
니켈 파우더는 전극 재료, 배선 재료 등 전기 전도성을 필요로 하는 부분에 널리 사용되고 있다.
니켈 파우더 제조 방법으로는 기계적 분쇄 방법, 용액 합성법, 기상 합성법이 널리 사용되고 있다. 그러나, 각각의 방법은 다음과 같은 문제점이 있다.
기계적 분쇄 방법의 경우, 주로 세라믹 등의 불순물이 제조되는 니켈 파우더에 혼입되어, 최종 제품의 순도가 높지 않은 문제점이 있다.
기상 합성법의 경우, 원료 용융 및 기화 과정에서 내화물 등의 불순물이 혼입되어, 역시 최종 제품의 순도가 높지 않은 문제점이 있다.
용액 합성법의 경우, 제조되는 니켈 파우더 표면에 각종 유기물 등이 흡착되어, 역시 순도 측면에서 좋지 못하다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0117293호(2013.10.25. 공개)에 개시된 니켈 파우더 제조용 내화물 및 그를 이용한 니켈 파우더 제조방법이 있다.
본 발명의 목적은 결정성이 우수하고, 수축시작 온도가 높으며, 고온 소성에서도 사이즈 변화가 작은 니켈 나노파우더 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 Ni 나노파우더는 평균입경이 40~120nm이며, Ni 코어(Core) 및 상기 Ni 코어를 감싸는 산화물 쉘(Shell)로 이루어지고, 상기 산화물 쉘이 실리콘, 티타늄 및 알루미늄 중에서 선택되는 도펀트의 산화물과 니켈 산화물로 이루어져, 상기 산화물 쉘이 열수축 배리어로 작용하여, 파우더의 수축시작 온도가 600℃ 이상이고, 25℃에서 1300℃까지의 수축률이 10% 이하인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 Ni 코어의 평균입경이 30~100nm이고, 상기 산화물 쉘의 두께가 10~20nm일 수 있다.
또한, 상기 산화물 쉘은 상기 도펀트의 산화물이 10~70중량%이고, 상기 니켈 산화물이 30~90중량%일 수 있다.
또한, 상기 Ni 코어 및 상기 산화물 쉘이 모두 결정질일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 Ni 나노파우더 제조 방법은 (a) 8000~12000℃의 고온 플라즈마 영역에 Ni 파우더 모재를 투입하여, 고온 플라즈마에 의해 Ni 파우더 모재를 기화시켜 Ni 증기를 형성하는 단계; (b) 상기 Ni 증기를 냉각 가스에 접촉시켜, Ni 파우더를 형성하는 단계; 및 (c) Ni 파우더를 분급하여, 평균입경이 40~120nm인 Ni 나노파우더를 얻는 단계;를 포함하고, 상기 Ni 파우더 모재에 실리콘, 티타늄 및 알루미늄 중에서 선택되는 도펀트가 포함되고, 상기 냉각 가스에 불활성 가스와 함께 산소 함유 가스가 포함되어, 상기 (b) 단계에서 Ni 코어가 형성되면서, 표면에 도펀트의 산화물과 니켈 산화물로 이루어진 산화물 쉘이 형성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 (b) 단계에서, 상기 Ni 코어가 30~100nm의 평균입경으로 형성되고, 상기 산화물 쉘이 10~20nm의 두께로 형성될 수 있다.
또한, 상기 (b) 단계에서, 상기 Ni 코어 및 상기 산화물 쉘이 모두 결정질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 (b) 단계에서, 상기 산화물 쉘은 상기 도펀트의 산화물이 10~70중량%이고, 상기 니켈 산화물이 30~90중량%로 형성될 수 있다.
또한, 상기 냉각가스는 불활성가스와 산소 함유 가스가 유량비로, 1:0.05~1:0.2를 나타낼 수 있다 .
또한, 상기 Ni 파우더 모재는 용매에 니켈과 도펀트를 분산한 현탁액(suspension)으로부터 제조되어, 니켈 일부분에 도펀트 코팅된 것을 이용할 수 있다.
또한, 상기 Ni 파우더 모재는 니켈 70~95중량% 및 도펀트 5~30중량%로 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 고온 플라즈마를 이용한 Ni 파우더 모재의 기화, 냉각가스에 의한 파우더 형성 및 분급을 포함하는 일련의 과정을 통하여 결정성이 우수한 Ni 나노파우더를 얻을 수 있다.
특히, 본 발명에 의하면, Ni 파우더 모재에 실리콘, 티타늄, 알루미늄과 같은 도펀트가 포함되고, 아울러 냉각가스에 불활성 가스 및 산소 함유 가스가 포함됨으로써, 표면에 두께 10~20nm의 결정질의 산화물 쉘을 형성할 수 있다. 이러한 산화물 쉘이 열수축 배리어로 작용하여, 파우더의 수축 온도를 600℃ 이상으로 높일 수 있으며, 아울러, 1300℃까지의 수축률이 10% 이하를 나타낼 수 있다. 그 결과, 니켈 파우더를 이용한 전극, 배선 형성시 고온 소성시 크랙 발생 등의 문제점을 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고온 플라즈마를 이용한 코어-쉘 구조를 갖는 Ni 나노파우더 제조 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 도펀트를 포함하는 Ni 파우더 모재 제조 과정을 예시한 것이다.
도 3은 냉각가스에 산소 가스가 포함된 조건으로 제조된 Ni 나노파우더 및 산소 가스가 포함되지 않은 조건으로 제조된 Ni 나노파우더에 대한 XRD 분석결과를 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고온 플라즈마를 이용한 코어-쉘 구조를 갖는 Ni 나노파우더 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고온 플라즈마를 이용한 코어-쉘 구조를 갖는 Ni 나노파우더 제조 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 도시된 Ni 나노파우더 제조 방법은 Ni 증기 형성 단계(S110), Ni 파우더 형성 단계(S120) 및 분급 단계(S130)를 포함한다.
도 1을 참조하면, 도시된 Ni 나노파우더 제조 방법은 Ni 증기 형성 단계(S110), Ni 파우더 형성 단계(S120) 및 분급 단계(S130)를 포함한다.
Ni 증기 형성 단계(S110)에서는 Ni 파우더 모재를 대략 10,000℃ 정도의 고온 플라즈마 영역에 투입하여, Ni 파우더 모재를 기화시킴으로써 Ni 증기를 형성한다.
고온 플라즈마 영역의 온도는 Ni 파우더 모재를 기화시킬 수 있는 온도로서, 8000~12000℃가 적합하다. 여기서 플라즈마 영역의 온도는 플라즈마 중심온도 를 의미한다. 고온 플라즈마 영역의 온도가 8000℃ 미만일 경우, 니켈 기화 효율이 문제시될 수 있다. 또한, 고온 플라즈마 영역의 온도를 12,000℃를 초과하더라도 더 이상 니켈 기화 효율이 상승하지 않는다.
고온 플라즈마 발생 장치는 출력파워가 50~70kW인 RF 플라즈마 토치를 이용하는 것이 바람직하고, 60kW인 RF 플라즈마 토치를 이용하는 것이 보다 바람직하다. 출력파워가 50kW 미만에서는 충분한 고온 플라즈마를 얻기 어렵다. 반대로, 출력파워가 70kW를 초과하는 경우, 장비 수명저하, 안정성 등이 문제될 수 있다.
Ni 증기는 캐리어 가스를 통하여 냉각 영역으로 이송될 수 있다.
Ni 파우더 모재는 나노급 혹은 마이크로급의 분말상 니켈이 이용될 수 있으나, 200nm~20㎛의 평균입경(D50)을 갖는 분말상의 니켈인 것이 보다 바람직하다. 평균입경이 200nm 미만인 분말상의 니켈의 경우, 분말의 흐름성이 낮아, 플라즈마 영역으로의 투입 제어가 힘들어질 수 있다. 반대로, 평균입경이 20㎛를 초과하는 분말상의 니켈의 경우, 완전히 기화시키기 위해서는 고온 플라즈마 영역이 충분히 커야 하므로 경제성이 떨어질 수 있다.
이때, 본 발명에서는 Ni 파우더 모재에 추가로, 실리콘, 티타늄 및 알루미늄 중에서 선택되는 도펀트가 포함된다. 이들 도펀트에 의해, 제조되는 니켈 나노파우더가 코어-쉘 구조를 가질 수 있다.
Ni 파우더 모재는 니켈과 도펀트가 단순 혼합된 것을 이용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 도 2에 도시된 예와 같은 방법으로, 니켈 일부분에 도펀트가 코팅된 것을 이용하는 것을 제시할 수 있다.
도 2는 도펀트를 포함하는 Ni 파우더 모재 제조 과정을 예시한 것이다.
도 2를 참조하면, 용매에 니켈(210)과 도펀트(220)를 분산한 현탁액(suspension)(230)으로부터 제조되어, 니켈 일부분에 도펀트 코팅된 Ni 파우더 모재(240)를 제조할 수 있다.
또한, Ni 파우더 모재는 니켈 70~95중량% 및 도펀트 5~30중량%로 이루어질 수 있다. 도펀트 함량이 5중량% 미만일 경우, 도펀트 첨가에 따른 수축 시작온도 상승 등의 효과가 불충분할 수 있다. 반대로, 도펀트 첨가량이 30중량%를 초과하는 경우, 산화물 쉘에 안정화된 산화물인 실리콘 산화물, 알루미늄 산화물 등이 지나치게 많이 형성되어, 고온 소성시 산화물 쉘의 산소 제거가 충분지 않을 수 있다.
다음으로, Ni 파우더 형성 단계(S120)에서는 Ni 증기를 냉각 가스에 접촉시켜 급냉시킴으로써, Ni 파우더를 형성한다. 냉각 가스는 아르곤 가스(Ar), 질소 가스(N2) 등과 같은 불활성 가스가 이용될 수 있다.
Ni 증기가 냉각가스와 접촉하면서, 구형의 결정질 Ni 파우더가 형성된다.
이때, 본 발명에서는 Ni 파우더 모재에 도펀트가 포함되고, 냉각 가스에 불활성 가스와 함께 산소 함유 가스가 포함되어, Ni 파우더 형성 과정에서 Ni 코어가 형성되면서, 표면에 도펀트의 산화물과 니켈 산화물로 이루어진 산화물 쉘이 형성된다. 표면의 산화물 쉘은 열수축 배리어로서 작용하여, Ni 파우더의 수축온도를 600℃ 이상으로 높이고, 열수축률을 낮추어 상온에서 1300℃까지 수축률이 10% 이하가 될 수 있도록 한다.
이때, 이때, Ni 코어가 30~100nm의 평균입경으로 형성되고, 상기 산화물 쉘이 10~20nm의 두께로 형성될 수 있다. 산화물 쉘의 두께가 10nm 미만인 경우, 열수축 배리어 기능이 충분치 못하다. 반대로, 산화물 쉘의 두께가 20nm를 초과하는 경우에는 전극이나 배선 형성을 위한 고온 소성시 표면의 산화물 쉘에 잔존하는 산소가 제거되지 못하여 전기전도성이 저하되는 문제점이 있다.
이때, Ni 코어 뿐만 아니라, 외부의 산화물 쉘이 모두 결정질로 형성될 수 있다. 통상 자연산화막의 경우, 두께가 2~5nm 정도로 얇고, 또한 비정질상을 갖는데, 본 발명에 따른 방법으로 형성된 산화물 쉘의 경우 두께가 10~20nm이고, 결정질로서 안정적인 층이다. 따라서, 이러한 특징을 갖는 산화물 쉘이 열수축 배리어로서 작용함으로써 열수축 시작온도를 600℃ 이상으로 높이고, 아울러 열수축률을 낮추는 것으로 보인다.
상기 산화물 쉘은 도펀트의 산화물이 10~70중량%이고, 니켈 산화물이 30~90중량%로 형성될 수 있다. 산화물 쉘에서 도펀트의 산화물이 10중량% 미만일 경우, 열수축 시작 온도 상승 효과가 불충분할 수 있고, 도펀트의 산화물이 70중량%를 초과하는 경우, 안정화된 산화물인 실리콘 산화물, 알루미늄 산화물 등이 지나치게 많이 형성되어, 고온 소성시 산화물 쉘의 산소 제거가 충분지 않을 수 있다.
산소 함유 가스는 산소(O2) 가스 또는 오존(O3) 가스를 이용할 수 있다.
한편, Ni 코어 및 산화물 쉘을 갖는 파우더를 형성하기 위해서, 불활성가스와 산소 함유 가스의 유량비가 1:0.05~1:0.2인 것이 바람직하다. 불활성 가스 유량 대비 산소 함유 가스의 유량이 0.05 미만에서는 10nm 이상의 산화물 쉘을 형성하기 어렵다. 반대로, 불활성 가스 유량 대비 산소 함유 가스의 유량이 0.2를 초과하는 경우, 산화물 쉘의 두께가 지나치게 커져, 전극이나 배선 형성을 위한 고온 소성시 표면의 산소가 제거되지 못하여 전기전도성이 저하되는 문제점이 있다.
다음으로, 분급 단계(S130)에서는 Ni 파우더를 분급하여, 평균입경이 40~120nm인 Ni 나노파우더를 얻는다.
Ni 파우더 형성 단계(S120)를 통하여 형성된 Ni 파우더는 입도 분포가 크고, 평균입경(D50)도 다소 큰 값을 나타낸다. 이러한 상태의 Ni 파우더는 분급 과정을 통하여, 최대 입경과 최소 입경 차이가 작으며, 아울러 평균입경이 40~120nm인 최종 Ni 나노파우더를 얻을 수 있다.
분급은 싸이클론 분급기를 이용할 수 있다.
상기의 과정(S110 ~ S130)을 통하여 제조된 본 발명에 따른 Ni 나노파우더는 평균입경이 40~120nm이며, Ni 코어(Core) 및 상기 Ni 코어를 감싸는 산화물 쉘(Shell)로 이루어지고, 산화물 쉘이 실리콘, 티타늄 및 알루미늄 중에서 선택되는 도펀트의 산화물과 니켈 산화물로 이루어진다. 이때, Ni 코어의 평균입경이 30~100nm이고, 산화물 쉘의 두께가 10~20nm일 수 있다. 또한, 산화물 쉘은 상기 도펀트의 산화물이 10~70중량%이고, 상기 니켈 산화물이 30~90중량%일 수 있다. 그리고, Ni 코어 및 상기 산화물 쉘이 모두 결정질을 나타낼 수 있다.
이러한 특징을 갖는 본 발명에 따른 Ni 나노파우더는 산화물 쉘이 열수축 배리어로 작용하여, 파우더의 수축시작 온도가 600℃ 이상이고, 25℃에서 1300℃까지의 수축률이 10% 이하를 나타낼 수 있다. 이를 통하여, 전극 혹은 배선 형성을 위한 고온 소성시, Ni 파우더 과다 수축에 의한 균열 등의 문제점을 해결할 수 있어, 우수한 전기전도도 및 내구성을 발휘할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 실험 조건
Ni 파우더 모재로는 입경이 5.0~15.0㎛이고, 평균입경이 10.2㎛인 Ni 파우더를 이용하였다. 원료 공급 속도는 15g/min으로 하였으며, 캐리어 가스로는 50slpm의 아르곤 가스를 이용하였다.
또한, 실시예에 이용되는 Ni 파우더 모재로는 상기의 Ni 파우더와 평균입경이 300nm인 실리콘 파우더 또는 알루미늄 파우더를 물에 분산시켜 제조한 현탁액에서 물을 제거한 후 얻은 파우더를 이용하였다.
플라즈마 발생원으로, 60kW RF 플라즈마 토치(SYSTEM 71-60kW, TEKNA)를 이용하였다. 또한 점화 가스로는 150slpm의 아르곤 가스와 환원 가스로 10slpm의 수소 가스를 이용하였다.
냉각가스로, 아르곤 가스 및 산소 가스, 아르곤 가스 및 오존 가스를 이용하였다.
분급은 싸이클론 분급기(Cyclone Collector, 다이온)를 이용하였다.
2. Ni 나노파우더 제조
(1) 실시예 1
실리콘 도펀트가 10중량%로 포함된 Ni 파우더 모재를 플라즈마 중심온도가 대략 10,000℃인 고온 플라즈마 영역에 투입하여, Ni 파우더 모재를 기화시켜 Ni 증기를 형성하여 냉각 영역으로 이송하였다.
이후, 냉각 영역에 1000slpm 아르곤 가스 및 100slpm의 산소 가스를 주입하여 1차 Ni 파우더를 형성하였다.
이후, 분급을 통하여 최종 Ni 나노파우더를 형성하였다.
(2) 실시예 2
알루미늄 도펀트가 15중량%로 포함된 Ni 파우더 모재를 플라즈마 중심온도가 대략 10,000℃인 고온 플라즈마 영역에 투입하여, Ni 파우더 모재를 기화시켜 Ni 증기를 형성하여 냉각 영역으로 이송하였다.
이후, 냉각 영역에 1000slpm 아르곤 가스 및 100slpm의 산소 가스를 주입하여 1차 Ni 파우더를 형성하였다.
이후, 분급을 통하여 최종 Ni 나노파우더를 형성하였다.
(3) 비교예 1
냉각 가스에 산소가 포함되지 않을 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 Ni 파우더를 제조하였다.
(4) 비교예 2
Ni 파우더 모재에 실리콘 도펀트가 포함되지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 Ni 나노파우더를 제조하였다.
(5) 비교예 3
Ni 파우더 모재에 실리콘 도펀트가 40중량%로 포함된 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 Ni 나노파우더를 제조하였다.
(6) 비교예 4
실시예 1가 동일 조건 하에 산소 가스 유량만 210ppm으로 하였다.
3. Ni 나노파우더 분석
(1) 형상, 입경, 수축온도 및 수축률 평가
제조된 Ni 나노파우더에 대하여 형상, 평균입경, 수축온도 등을 평가하였다.
형상은 파우더의 Aspect Ratio를 측정하여, 구형도가 85% 이상인 것을 구형으로 판단하고, 그 이외에는 비구형으로 판단하였다.
평균 입경, 산화물 쉘 두께는 SEM 사진으로 분석하였다.
산화물 쉘의 함량 분석은 유도결합플라즈마 질량분석기(ICP-MS)를 이용하였다.
수축온도 및 수축률은 TMA로 분석하였다.
실시예 1~2 및 비교예 1~4에 따라 제조된 Ni 나노파우더 분석 결과를 표 1에 나타내었다.
[표 1]
Figure 112014067906614-pat00001
표 1을 참조하면, 본 발명에서 제시한 조건을 만족하는 실시예 1~2에 따라 제조된 Ni 나노파우더의 경우, 평균입경이 40~120nm, 산화물 쉘의 두께가 10~20nm, 파우더의 열수축시작 온도 600℃ 이상 및 25℃에서 1300℃까지의 수축률이 10% 이하를 나타내었다.
반면, 냉각가스에 산소 함유 가스가 포함되지 않은 비교예 1에 따라 제조된 Ni 나노파우더의 경우, 산화물 쉘 의 두께가 2nm이었으며, 이는 자연 산화에 의해 형성된 것이라 볼 수 있다. 비교예 1에 따른 Ni 나노파우더의 경우, 열수축 시작온도가 500℃ 미만이었으며, 수축률 역시 10%를 초과하였다.
또한, Ni 파우더 모재에 도펀트가 포함되지 않은 비교예 2에 따른 Ni 나노파우더의 경우, 열수축 시작온도가 비교예 1보다는 높았으나, 목표로 하는 600℃에 미치지는 못하였다.
또한, 도펀트가 과다 첨가된 비교예 3에 따른 Ni 나노파우더의 경우, 600℃ 이상의 열수축 시작온도 및 10% 이하의 열수축률을 나타내었으나, 산화물 쉘 내 도펀트 산화물의 함량이 70%를 초과하였다.
또한, 냉각가스에 산소 가스가 과다 포함된 비교예 4에 따른 Ni 나노파우더의 경우, 600℃ 이상의 열수축 시작온도 및 10% 이하의 열수축률을 나타내었으나, 산화물 쉘의 두께가 20nm를 초과하였다.
(2) XRD 분석
XRD 분석은 산화물 쉘이 결정질로 형성되는지를 평가하기 위하여 실시한 것으로, 편의상 실시예 1 및 비교예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 도펀트가 포함되지 않은 상태로 Ni 파우더를 제조하여 수행하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3을 참조하면, 실시예 1 및 비교예 1 모두 Ni 피크가 강하게 나타났으며, 이를 통하여 결정질의 Ni 나노파우더가 제조됨을 알 수 있다.
그러나, 실시예 1의 경우, NiO 피크가 발견되는 반면, 비교예 1의 경우 NiO 피크가 발견되지 않았다. 이는 실시예 1에 따른 Ni 나노파우더의 경우, 표면의 NiO층이 결정질로 형성되었음을 의미한다.
(3) 고온 소성 후 전기전도도 평가
각각의 Ni 나노파우더를 터피네올에 분산시키고, 에틸 셀룰로오스를 첨가하여 페이스트를 제조하고, 제조된 페이스트를 BaTiO3 기판 상에 도포한 후, 1200℃에서 환원분위기에서 소성하여 전극을 제조하였다. 이후, 각 전극의 전기전도도를 측정하였다.
전기전도도 측정결과를 표 2에 나타내었다.
[표 2]
Figure 112014067906614-pat00002
표 2를 참조하면, 실시예 1~2에 따른 니켈 나노파우더를 이용한 전극의 경우, 이론적인 니켈의 전기전도도(14.30MSm-1)에 근접한 결과를 나타내는 것을 볼 수 있다.
그러나, 비교예 1에 따른 니켈 나노파우더를 이용한 전극의 경우, 실시예 1~4에 비하여 상대적으로 낮은 전기전도도를 나타내었다. 또한, 산화물 셀 내 도펀트 산화물 함량이 70중량%를 초과하는 비교예 3의 경우, 및 산화물 셀 두께가 20nm를 초과하는 비교예 4의 경우, 전기전도도가 가장 낮게 나타났는데, 이는 소성 과정 중에 산소가 완전히 제거되지 못한 결과라 볼 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
S110 : Ni 증기 형성 단계
S120 : Ni 파우더 형성 단계
S130 : 분급 단계
210 : 니켈
220 : 도펀트
230 : 현탁액
240 : Ni 파우더 모재

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 평균입경이 40~120nm이며, Ni 코어(Core) 및 상기 Ni 코어를 감싸는 산화물 쉘(Shell)로 이루어지고,
    상기 산화물 쉘이 실리콘, 티타늄 및 알루미늄 중에서 선택되는 도펀트의 산화물과 니켈 산화물로 이루어지되, 상기 Ni 코어의 평균입경이 30~100nm이고, 상기 산화물 쉘의 두께가 10~20nm이며, 상기 Ni 코어 및 상기 산화물 쉘이 모두 결정질로 형성되어, 상기 산화물 쉘이 열수축 배리어로 작용하여, 파우더의 수축시작 온도가 600℃ 이상이고, 25℃에서 1300℃까지의 수축률이 10% 이하인 것을 특징으로 하는 Ni 나노파우더.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 산화물 쉘은
    상기 도펀트의 산화물이 10~70중량%이고, 상기 니켈 산화물이 30~90중량%인 것을 특징으로 하는 Ni 나노파우더.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. (a) 8000~12000℃의 고온 플라즈마 영역에 Ni 파우더 모재를 투입하여, 고온 플라즈마에 의해 Ni 파우더 모재를 기화시켜 Ni 증기를 형성하는 단계;
    (b) 상기 Ni 증기를 냉각 가스에 접촉시켜, Ni 파우더를 형성하는 단계; 및
    (c) Ni 파우더를 분급하여, 평균입경이 40~120nm인 Ni 나노파우더를 얻는 단계;를 포함하고,
    상기 Ni 파우더 모재에 실리콘, 티타늄 및 알루미늄 중에서 선택되는 도펀트가 포함되고, 상기 냉각 가스에 불활성 가스와 함께 산소 함유 가스가 포함되되, 불활성가스와 산소 함유 가스가 유량비로 1:0.05~1:0.2인 것에 의해, 상기 (b) 단계에서 Ni 코어가 30~100nm의 평균입경으로 형성되면서, 표면에 도펀트의 산화물과 니켈 산화물로 이루어진 산화물 쉘이 10~20nm의 두께로 형성되며, 상기 Ni 코어 및 상기 산화물 쉘이 모두 결정질로 형성되는 것을 특징으로 하는 Ni 나노파우더 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서, 상기 산화물 쉘은 상기 도펀트의 산화물이 10~70중량%이고, 상기 니켈 산화물이 30~90중량%로 형성되는 것을 특징으로 하는 Ni 나노파우더 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서,
    상기 Ni 파우더 모재는
    용매에 니켈과 도펀트를 분산한 현탁액(suspension)으로부터 제조되어, 니켈 일부분에 도펀트 코팅된 것을 이용하는 것을 특징으로 하는 Ni 나노파우더 제조 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 Ni 파우더 모재는
    니켈 70~95중량% 및 도펀트 5~30중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 Ni 나노파우더 제조 방법.
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