(57)【要約】  本発明は、真空蒸着法を用い、母材であるパウダーの表面上に、サイズの均一性に優れた金属、合金及びセラミックスのナノ粒子を蒸着させるパウダーの製造方法、及びその製造装置に関する。特に、本発明は、極めて均一なサイズを有する金属、合金及びセラミックスのナノ粒子が蒸着されたパウダーの製造方法及びその装置を提供するものであって、蒸着と撹拌が別々に行われる従来方法の短所を解決するために、効率的な撹拌手段を用いて蒸着と撹拌とを同時に行うものである。また、本発明は、ナノ粒子が蒸着されたパウダーの製造方法、及びその製造装置を提供するものであって、ナノ粒子の製造において、ナノ粒子の量を増大させるために蒸着時間が増大した場合であっても、ナノ粒子の凝集現象を抑制することにより、ナノ特性が維持される。【選択図】図３
2009511754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材であるパウダーの表面に金属、合金及びセラミックスのナノ粒子を真空蒸着させる工程と、前記金属、合金及びセラミックスのナノ粒子が蒸着された前記パウダーを撹拌させる工程を、所定時間、同時に行って、前記パウダーの表面にナノメートル単位の均一な平均直径を有する金属、合金及びセラミックスのナノ粒子を蒸着させることを特徴とする金属、合金及びセラミックスのナノ粒子を均一に真空蒸着させるパウダーの製造方法。
【請求項２】
前記金属、合金及びセラミックスの前記ナノ粒子の真空蒸着工程は、物理的蒸着法または化学的蒸着法によって行われることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記パウダーは、平均直径１００ｎｍから５ｍｍの無機物または有機物からなり、真空下で蒸発しないことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項４】
前記パウダーの撹拌工程は、所定の深さを有するバレル形状の撹拌手段を用いて、前記パウダーを３次元的に撹拌することで、前記ナノ粒子が蒸着された当該パウダーが再び蒸着ゾーンに曝露しても、当該パウダー上に到達する蒸着粒子は、既存のクラスターに凝集されることなく、単独でナノ粒子を形成することを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項５】
前記ナノ粒子の真空蒸着工程及び前記パウダーの撹拌工程の前に、前記パウダーを乾燥する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項６】
前記ナノ粒子の真空蒸着工程及び前記パウダーの撹拌工程の前に、前記パウダーの表面を活性化する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項７】
前記パウダーの表面を活性化する工程は、イオンビーム補助反応法及び直流／交流プラズマまたは電子ビーム反応法によって行われることを特徴とする請求項６に記載の製造方法。
【請求項８】
真空蒸着法を用いて、母材であるパウダーの表面上に金属、合金及びセラミックスのナノ粒子を蒸着させ、当該金属、合金及びセラミックスのナノ粒子が均一に真空蒸着されたパウダーを製造する装置において、
真空を形成し、維持するための真空槽１と、
前記真空槽の外側一側面に接続される高真空ポンプ２及び低真空ポンプ３と、
前記パウダーを収容するためのバレル４及び当該パウダーを撹拌するためのインペラ６を備える撹拌手段と、
前記金属、合金、セラミックス等の材料を真空蒸着させるための蒸着器８と、
前記パウダーの前処理のための加熱手段９と、
前記パウダーから水分を除去するためのコールドトラップ１０と、
撹拌時に前記パウダーが前記撹拌手段の外に拡散することを防止するための遮断板７から構成されることを特徴とする装置。
【請求項９】
前記バレル４の外側には、冷却水を供給して前記蒸着器８から発生する熱を相殺させるための冷却水循環通路５が形成されることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記バレル４、前記インペラ６、及び前記真空槽１は、ステンレス材質からなることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記インペラ６は、前記パウダーが前記バレル４内で均一に混合されるように、円周面上に複数の羽６ａを有し、所定の方向に回転することを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
前記高真空ポンプ２は、油拡散ポンプ、ターボポンプ、極低温ポンプのうちいずれか一つを用いることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１３】
前記低真空ポンプ３は、ピストンポンプ、ロータリーポンプ、ブースターポンプ、ドライポンプのうちいずれか一つを用いることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１４】
母材である溶解性のパウダーの表面に金属、合金及びセラミックスのナノ粒子を真空蒸着させる工程と、前記金属、合金及びセラミックスのナノ粒子が蒸着されたパウダーを撹拌させる工程を所定時間、同時に行って、前記パウダーの表面に均一なナノメートル単位の平均直径を有する前記金属、合金及びセラミックスのナノ粒子を蒸着させ、
前記溶解性のパウダーを溶媒に溶解させることを特徴とする金属、合金及びセラミックスのナノ粒子を含む溶液の製造方法。
【請求項１５】
母材である溶解性のパウダーの表面に金属、合金及びセラミックスのナノ粒子を真空蒸着させる工程と、前記金属、合金及びセラミックスのナノ粒子が蒸着されたパウダーを撹拌させる工程を所定時間、同時に行い、前記パウダーの表面に均一なナノメートル単位の平均直径を有する金属、合金及びセラミックスのナノ粒子を蒸着させ、
前記溶解性のパウダーを溶媒に溶解させ、溶液から溶解されないナノ粒子を分離することを特徴とする金属、合金及びセラミックスのナノ粒子の製造方法。
【請求項１６】
前記ナノ粒子は、濾過によって前記溶液から分離されることを特徴とする請求項１５に記載の製造方法。
【請求項１７】
前記溶液は、希釈及び乾燥され、前記ナノ粒子は、当該溶液から分離されることを特徴とする請求項１５に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空蒸着法を用いて、母材であるパウダーの表面上に金属、合金及びセラミックスのナノ粒子を均一に真空蒸着させたパウダーの製造方法、及びその製造装置に関し、更に詳しくは、物理的、化学的な真空蒸着法を用いて、パウダーを母材とする表面上にナノサイズの粒子を均一に形成してナノ粒子を蒸着させたパウダーの製造方法、及びその製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノ粒子は、粒子のサイズがナノサイズ（１００ｎｍ以下）に小さくなると、既存のマイクロメートル単位の粒子とは異なる新しい機械的、化学的、電気的、磁気的、光学的な物性等を有する。これは単位体積に対する表面積の割合が非常に高くなることに伴って現われる現象である。このような量子サイズの効果を用いて、既存のマイクロメートルサイズの粒子で得ることができない新しい応用分野が開発されており、学問的、技術的な関心が増大している。
【０００３】
従来のナノサイズ粒子の製造方法としては、機械的な粉砕法、液状沈澱法、噴霧法、ゾル・ゲル法、電気爆発法等が代表的である。しかしながら、既存のナノ粒子の製造方法は、多くの段階の作業工程を経ることや、それぞれのナノ粒子の製造方法において、ナノ粒子を製造することができる材料が限定される等の問題点があった。
また、既存の方式で製造されたナノ粒子においては、ナノ粒子間の凝集が容易に生じ、ナノ粒子のサイズが不均一になるので、これを防止するために界面活性剤や分散剤等の添加剤を用いる場合、製造されたナノ粒子に多量の不純物が存在するようになり、ナノ粒子の純度が低下する等の問題点があった。
【０００４】
純度が高いナノ粒子の製造方法として、真空中で乾式蒸着法を用いて金属またはセラミックスを蒸発させた後、冷たい壁面上で凝縮させ、これを回収する方法が代表的である。しかし、この方法は、ナノ粒子を大量に生産することに不適当であり、ナノ粒子のサイズと均一性を制御することが非常に困難である。
【０００５】
上述のような従来の技術の問題点を解決するために、本出願人は、真空蒸着法を用い、パウダーを母材にし、その上にナノ粒子を形成する方法を提案している（韓国出願番号：ＫＲ１０−２００４−００１３８２６）。この方法は、パウダー上に真空蒸着法を用いてナノ粒子を直接蒸着させることにより、ナノ粒子が互いに凝集する問題点を解決し、純度が極めて高いナノ粒子を得ることができる長所を有している。また、機能性のパウダー上に他の機能を有するナノ粒子を蒸着することにより、多くの機能を有するパウダーの製造が可能である。
【０００６】
本出願人によって提示された従来の方法では、パウダー母材に静止状態で金属またはセラミックスを蒸着させる段階と、前記金属またはセラミックスが蒸着されたパウダーを混合する段階をそれぞれ分離して段階的に行い、この工程を繰り返して処理することで、前記パウダーの表面に所望のサイズのナノ粒子を形成する。
しかしながら、従来の方法の場合、形成されるナノ粒子のサイズが不均一であり、パウダー全体においてナノ粒子が不連続的に形成されるという短所がある。また、蒸着と混合の段階を分離するので、製造工程が複雑で製造時間が増大し、また、ナノ粒子の量を増加させることが難しく、大量生産が容易ではない等の問題点を有している。このような従来の方法の問題点を以下の通り、より詳しく説明する。
【０００７】
図１は、アルミナパウダー上に形成された従来の銀ナノ粒子を示す走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。図１に示されているように、２ｎｍ以下の小さな銀ナノ粒子が形成される一方、２０ｎｍ以上の銀ナノ粒子も共に形成されてナノ粒子サイズが不均一であることが分かる。これは、ナノ粒子の蒸着時、パウダーが静止状態で存在することで、パウダーの模様や位置によって蒸着源からの粒子量が変化し、所望のサイズのナノ粒子の形成に必要な時間よりも蒸着源に曝露される時間が長くなると、ナノ粒子のサイズが任意に増加するからである。これによって静止状態の蒸着時間が制限され、蒸着の後、混合工程を経て、静止状態でナノ粒子の蒸着工程が再度行われる。
【０００８】
従って、早い段階でナノ粒子が形成されているパウダーの場合、蒸着時間が増加するに従い、互いに凝集が生じ、ナノ粒子がマイクロサイズ以上に成長し、ナノ特性が消失すると考えられる。そのため、蒸着時間を凝集現象が生じる前までに制限しなければならず、使用に必要な範囲までナノ粒子の量を増加させることに問題点があった。
【０００９】
このことは、図２に示されているように、従来の撹拌器が現在のバレル形状を有さず、底が平たい形状であり、パウダーの混合が平面上でなされるので、混合時、既に混合前に蒸着ゾーンに曝露されているパウダーが完璧に遮蔽されることなく、再び蒸着ゾーンに曝露されることに起因する。これは、本発明の主な目的である、ナノ粒子のパウダーの表面への均一な生成を難しくしている重要な要因である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、本発明は、従来の技術の短所と制限に起因する多様な問題点を実質的に解決するような金属、合金及びセラミックスのナノ粒子を真空蒸着させたパウダーの製造方法、及びその装置に関する。
本発明の目的は、従来の方法における短所である蒸着と撹拌を別々に行う方式を解決するため、効率的な撹拌手段を用いて蒸着と撹拌を同時に行うことにより、極めて均一なサイズを有する金属、合金及びセラミックスのナノ粒子を蒸着させたパウダーの製造方法、及びその装置を提供することにある。
また、本発明の目的は、ナノ粒子の製造において、ナノ粒子の量を増加させるために蒸着時間の増加しても、ナノ粒子の凝集現象が生じず、ナノ特性が維持されるナノ粒子を蒸着させたパウダーの製造方法、及びその製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の目的を達成するため、具体的且つ概括的な説明として、真空蒸着法を用い、パウダーを母材とする表面上に金属、合金及びセラミックス等のナノ粒子を均一に蒸着する方法及び装置を提供する。本発明によって製造されたナノ粒子が蒸着されたパウダーは、パウダー固有の機能性を有しているだけではなく、蒸着されたナノ粒子が有する機能性を共に発現することができるので、多様な産業分野に適用することができ、既存のパウダーに比べて高い付加価置を有することができる。
【００１２】
特に、本発明は、パウダーを当該パウダーのサイズに比べて十分な深さを有するバレル形状の撹拌器を用いて３次元的に撹拌することにより、蒸着ゾーンで曝露される時間を最小化し、既にナノ粒子が形成されたパウダーが再び蒸着ゾーンで曝露されるまでの時間を長くすることで、従来の撹拌器に比べ、パウダー母材の動きが最大となり、早い段階で形成されたナノ粒子と新たに蒸着源から到達する粒子の凝集を抑制させ、ナノ粒子の形成を最大限行われるようにする方法に関する。
【００１３】
即ち、従来技術におけるナノ粒子形成が静止状態での曝露時間の調節による概念であることに比べ、本発明の場合、ナノ粒子の形成が動的な状態でなされることによって形成されるナノ粒子のサイズに撹拌速度が重要な影響を及ぼす全く新しい形態の方法と言える。
また、従来技術においては、平面上に曝露されるパウダー量が制限され、これが一回に処理可能なパウダー量を制限する要因となっている。しかしながら、本発明の場合、非常に深いバレル形状の撹拌器を用いて撹拌と蒸着を同時に行うことで大量生産の問題点まで解決することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、真空蒸着法を用いてパウダー状の母材の表面上にナノ粒子のサイズの均一性に優れた金属、合金、セラミックスのナノ粒子を製造する装置及び技術を提供する。
本発明は、真空蒸着法を用いることで、純度が高く、パウダー状の母材の表面にナノ蒸着を行うことによる一般的なナノ粒子の凝集現象が観察されず、ナノ効果を最大化できる長所がある。
【００１５】
また、多様な真空蒸着法を用いることができ、金属、合金、セラミックス等の大部分の材料に対してナノ粒子を形成させることができる。
さらに、化学的な処理工程がなく、生産工程を非常に単純化でき、スパッタリングパワー、真空度、撹拌速度等、独立的に調節することが可能な工程変数を調整することで、再現性が優れた製品を製造することができる。
【００１６】
さらにまた、既存のパウダー母材が有する機能性にナノ粒子の機能性を加えることにより、多機能のパウダーを製造することが可能であり、これは抗菌、殺菌性を必要とする生活用品、廃水処理、光触媒分野を含め、エネルギー転換の分野、燃料電池、窒素化合物分解用等の多様な触媒分野での応用が可能なことで期待される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照して本発明の最良の形態について詳しく説明する。
図３は、本発明のナノ粒子を蒸着するための装置を示す概略図であり、図４は、本発明による撹拌手段を示す概略斜視図である。
本発明による製造装置は、真空蒸着法を用い、母材であるパウダーの表面上に金属、合金及びセラミックス等のナノ粒子を蒸着する装置であり、真空を維持し、形成させるための真空槽１と、真空槽１の外部一側面に繋がれた高真空ポンプ２及び低真空ポンプ３と、パウダーを収容するためのバレル４及びパウダーを撹拌させるインペラ６を備える撹拌手段と、金属、合金、セラミックス等の物質を真空蒸着させるための蒸着器８と、パウダーの前処理のための加熱手段９と、パウダーの水分除去のためのコールドトラップ１０と、撹拌時にパウダーが撹拌手段の外に拡散することを防止するための遮断板７を含んでなる。
【００１８】
バレル４はステンレスのように耐磨耗性、耐腐食性等が優れて、人体に無害な材料を用いて製作し、バレル４の外部には冷却水を供給して蒸着器から発生する熱を相殺させて、耐熱性の弱いパウダーの熱による損傷を最大限に防止することができる冷却水循環通路５を設ける。
【００１９】
インペラ６は、図４に示されているように、パウダーがバレル４内で均一に混合されるように、円周面上に複数の羽６ａを持つことが好ましく、それが一方向に回転し、また耐磨耗性、耐腐食性、耐熱性等に優れ、かつ人体に無害な材料が用いられ、中でもステンレス材質が一般的に用いられる。インペラ６の形状はパウダーの種類によって多様に選択が可能であり、パウダーが最大限に均一に混合されることができるように形作られる。
【００２０】
蒸着器８は、ＤＣ／ＲＦ／ＭＦ等の電源を用いるマグネトロンスパッター、イオンガンを用いたイオンビームスパッタリング、抵抗加熱や電子ビームを用いた熱蒸発器等の物理蒸着法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＶＤ）や化学蒸着法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）のように、既知の真空蒸着法を用いることができる。この中でも、ＤＣ／ＲＦ／ＭＦマグネトロンスパッタリングが最も容易に用いられる。真空槽１は、脱ガス性が低く、高圧に耐えることができる材質を種々選択することが可能で、一般的に、ステンレス材質を用いることが可能である。
【００２１】
本発明において、真空ポンプは低真空ポンプ３と高真空ポンプ２から構成され、要求される作業の真空度に従って低真空ポンプ３のみを用いたり、低真空ポンプ３及び高真空ポンプ２を一緒に用いる。低真空ポンプ３としてはピストンポンプ、ロータリーポンプ、ブースターポンプ、ドライポンプ等を用いることが可能であり、高真空ポンプ２としては油拡散ポンプ、ターボポンプ、極低温ポンプ等を用いることが可能である。生産量によってバレルや真空蒸着器の数を変更することが可能であり、低真空ポンプ３や高真空ポンプ２の数も作業の迅速性のために共に複数台を使用することができ、それによって使用数を最適化することができる。
【００２２】
図５は、本発明の実施形態によるアルミナパウダー上に蒸着された銀ナノ粒子を示す走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。図１の場合と比べ、ナノ粒子のサイズが５ｎｍ〜１０ｎｍで均一であることが分かる。ナノ粒子の均一性の向上は、バレル内でパウダー粒子が連続的かつ効率的に撹拌されることによって、それぞれのパウダーの表面の曝露時間が一定となり、これによって蒸着される銀原子の数を均一に制御することができるからである。表面上で一定のサイズの臨界核をなす蒸着粒子は安定した状態で存在するようになり、曝露時間に従ってクラスターを形成する蒸着原子の数を制御することで、形成されるナノ粒子のサイズを制御することができる。
【００２３】
図６は、本発明の装置によってアルミナパウダー上に蒸着された銀ナノ粒子の化学的な状態を示すＸ線光電子分光（ＸＰＳ）分析の結果を示したグラフである。ＸＰＳ分析は、Ａｇ３ｄピークを基準に行われ、比較のために、ガラス基板上に蒸着された銀薄膜の化学的な状態を比較分析した。アルミナパウダーを撹拌しながら銀蒸着時間を１５０分から９９０分まで増加させながら製造された銀ナノ粒子のＸＰＳによる銀ナノ粒子のＡｇ３ｄピークの位置は、蒸着時間の増加に拘わらず一定に維持され、ガラス上に蒸着された銀薄膜のピーク位置と異なる位置となる。
【００２４】
しかしながら、ピークの強度と面積は徐々に増加する。これは蒸着される銀含量の増加を意味する。蒸着時間の増加に従ってピークの強度と面積が増加される一方、ピークの位置は変化しないことは、アルミナパウダー上に蒸着された銀ナノ粒子のサイズが蒸着時間の増加によって増加せず、小さいナノ粒子の形態で銀ナノ粒子の数が増加することを意味する。従って、パウダーを撹拌しながら蒸着された銀ナノ粒子は、全体として蒸着時間が増加しても薄膜の形態ではなく、非常に小さいナノ粒子の形態を維持することが分かる。これはパウダーの効率的な撹拌によって静止状態での蒸着源に対する曝露時間が短くなり、パウダーの継続的な動きによってナノ粒子の成長よりも新しいナノ粒子が形成されるからである。
【００２５】
ナノ粒子のサイズは蒸着源から気化されたナノ粒子量と密接な関係があり、蒸着時間を増加させることによってナノ粒子のサイズや量を制御することができる。
図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、それぞれ、蒸着前のアルミナパウダーの表面を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真と、本発明の実施の形態による蒸発量と蒸着時間を最大化して観察したアルミナパウダーの表面を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。本発明の実施の形態によれば、図７（Ｂ）に示されているように、サイズが成長した銀ナノ粒子が観察され、そのサイズは約１０ｎｍ〜２０ｎｍの範囲を有する。
【００２６】
図５及び図６において観察されるように所定の時間内の蒸着時間の場合、約１０ｎｍ以下のサイズを有するナノ粒子の成長が可能であり、蒸着量と蒸着時間を最大化することによって、ナノ粒子のサイズが成長して約２００ｎｍのサイズを有するナノ粒子の成長も可能である。しかしながら、ナノ粒子のサイズが成長した場合においても全体的な粒子サイズの分布は極めて一定であることが分かる。
【００２７】
図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、それぞれ、ナノ粒子が蒸着されていないアルミナパウダーの表面を示す写真及び化学組成分析結果のグラフと、本発明の実施の形態によるナノ粒子が蒸着されたアルミナパウダーの表面を示す写真及び化学組成分析結果のグラフである。図８（Ａ）に示すように、ナノ粒子が蒸着されていないアルミナパウダー部分では、銀（Ａｇ）が全く観察されないことが分かる。一方、図８（Ｂ）に示すように、ナノ粒子部分では銀が観察され、これはアルミナパウダーの表面上の粒子が真空蒸着により形成された銀ナノ粒子であることが分かる。
【００２８】
図９は、本発明の実施の形態による蒸着時間に従ってアルミナパウダー上に蒸着された銀ナノ粒子の銀含量を測定することにより得られたＸＰＳ測定の結果を示すグラフである。ここで、アルミナパウダー上に蒸着された銀含量は蒸着時間に従って徐々に単調増加することが分かる。これは単に蒸着時間を変化させることで容易に所望のナノ粒子の含量を制御することができることを意味する。
【００２９】
図１０（Ａ）〜図１０（Ｅ）は、それぞれ、図９と同じ蒸着時間の増加に伴って銀ナノ粒子が蒸着されるアルミナパウダーを示す写真である。この図に示されているように、アルミナパウダーの色は、銀ナノ粒子の含量が増えるに従って、徐々に濃い色に変化する。これは含量の増加に伴う銀ナノ粒子のサイズの増加による結果である。長い蒸着時間にも拘わらず銀ナノ粒子が蒸着されたアルミナパウダーの色は黄色を呈する。これは２００ｎｍ以下の小さいサイズを有するナノ銀粒子の一般的な色である。このような色の変化は図５のＳＥＭ結果ともよく一致している。
【００３０】
上述したように、本発明においては真空蒸着法を用いてパウダー母材上にサイズの均一性に優れた金属、合金及びセラミックスのナノ粒子の製造方法を提示して、本発明によって製造されたナノ粒子の特性を確認した。
【実施例】
【００３１】
以下、本発明を下記の実施例に基づいて更に詳しく説明する。但し、下記の実施例は例示に過ぎず、本発明の範囲を制限するものではない。
【００３２】
（実施例１）
＜塩、砂糖上の銀ナノ蒸着＞
乾燥した塩または砂糖約２５ｋｇを図３に示されているバレル４に供し、ＤＣマグネトロンスパッタリングに銀ターゲットを充填した。パウダーを真空槽１に載荷した後、真空ポンプを用いて真空状態を形成する。真空度は、作業条件によって、低真空ポンプ３のみか、または高真空ポンプ２との併用により調整される。初期真空度は、約１０−１〜１０−６ｔｏｒｒに保たれる。
【００３３】
スパッタリングガスとしては、アルゴン（Ａｒ）ガスを用いる。アルゴンガスの注入量は作業条件によって変えることができ、一般的に約１０−１〜１０−４ｔｏｒｒで真空を維持するように注入される。所望の真空度への脱気及びスパッタリングガスの注入後、バレル４内のインペラ６を回転させて銀ターゲットのスパッタリングを行う。インペラ６の回転速度は制御可能であり、スパッタリング速度は印加電力によって制御可能である。一般的に１〜２００Ｗ／ｃｍ２内外の範囲で用いるようにする。
【００３４】
塩に対する銀含量は、スパッタリングパワー、スパッタリング時間、真空度等の作業条件によって変えることができる。通常、１０〜１０，０００ｐｐｍの範囲で制御可能である。銀ナノ粒子のサイズは上記の作業条件と共にバレル４のインペラ６の速度による塩、及び砂糖の混合度合いによっても制御できる。このような製品は歯磨き、せっけん、洗剤等のように抗菌及び滅菌が要求される生活用品に混合して用いるほか、単独で用いることが可能である。
【００３５】
表１は、銀ナノ粒子を蒸着した砂糖を混合して製造したせっけんサンプルに対する抗菌力の試験結果を示す。表１に示されているように、銀ナノ粒子を添加しないサンプル（ブランク）は、２４時間培養後、初期の細菌数よりも細菌数が増加することが分かる。一方、銀ナノ粒子が添加されたサンプルは、２４時間培養後、９９．９％以上の細菌が減少することが観察され、これにより銀ナノ粒子の添加によって細菌が全て死滅することが分かる。
【００３６】
図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）は、表１のせっけんサンプルにおける抗菌力の試験結果を示す。既に説明されたように、銀ナノ粒子を含んでいるせっけんサンプルでは細菌数が急激に減少することが分かる。従って、本発明によって製造された銀ナノ粒子が十分な抗菌力を有していることが分かる。
【００３７】
【表１】
2009511754.tif 000003
【００３８】
（注）１．試験条件：試験菌液を３７±１℃で２４時間震盪培養後、細菌数を測定
（震盪回数：１２０回／分）
２．使用公示菌株：Ｓｔａｐｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓ  ａｕｒｅｕｓ  ＡＴＣＣ  
６５３８．
３．試料１．０ｇを用いて試験した
【００３９】
（実施例２）
＜活性炭上の銀ナノ蒸着＞
約２０ｋｇの活性炭を真空槽１内のバレルに供し、実施例１と同様の装置及び作業条件を用いて活性炭上に銀ナノ粒子を蒸着した。活性炭のように、多孔性物質で所望の真空度を得ることが難しい材料は、バレル上に装着されたヒーターを用いて加熱しながら真空脱気を行えば、更に早い時間内に容易に真空脱気を行うことができる。活性炭上の銀含量は、スパッタリングパワー、スパッタリング時間、インペラの回転速度、真空度等の作業条件を変えることで制御可能であり、１０〜１０，０００ｐｐｍの範囲内で制御可能である。これは浄水器の抗菌及び滅菌フィルターで用いることが可能である。
【００４０】
（実施例３）
＜砂上の銀ナノ蒸着＞
約２０ｋｇの砂を真空槽１内のバレル４に供し、実施例１と同様の装置と作業条件を用いて砂上に銀ナノ粒子を蒸着した。砂は、一般的に多くの水分を含んでいる場合が多い。従って、真空槽１内のバレル４に砂を供する前に乾燥工程を経て水分を除去することが好ましい。そして、乾燥工程後にも残留する水分は、バレル４上に装着されたヒーター及び真空槽１内のコールドトラップ１０を用いて除去される。
コールドトラップ１０は、冷却した冷媒を用いて真空槽１内の水分を捕獲することができ、これを通じて更に早い時間に真空脱気を行うことができる。砂上の銀含量は、スパッタリングパワー、スパッタリング時間、インペラの回転速度、真空度等の作業条件を変えることによって制御可能であり、１０〜１０，０００ｐｐｍの範囲内で制御可能である。これは抗菌及び滅菌機能を持つ養鶏場や畜舎のような場所に用いられることができ、またゴルフ場にも応用することが可能である。
【００４１】
（実施例４）
＜酸化チタン（ＴｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）上の銀ナノ蒸着＞
約２０ｋｇの酸化チタンやアルミナ等のセラミックスパウダーを真空槽１内のバレルに供し、実施例１と同様の装置と作業条件を用いてセラミックスパウダー上に銀ナノ粒子を蒸着した。この時、用いられるＴｉＯ２とＡｌ２Ｏ３のパウダーのサイズは、約１００ｎｍ〜５ｍｍで真空中でも浮遊しないものを用いるのが望ましい。セラミックスパウダー上の銀含量は、スパッタリングパワー、スパッタリング時間、インペラの回転速度、真空度等の作業条件を変えることによって制御可能であり、１０〜１０，０００ｐｐｍの範囲内で制御可能である。これは水処理及び抗菌、滅菌分野に応用することが可能である。
【００４２】
（実施例５）
＜二酸化珪素（ＳｉＯ２）上の金属ナノ粒子の蒸着＞
約２０ｋｇの二酸化珪素パウダーを真空槽１内のバレル４に供し、実施例１と同様の装置と作業条件を用いて金属ナノ粒子を蒸着した。ＳｉＯ２のパウダーのサイズも実施例４のように真空中で浮遊しないサイズのものを用いるのが望ましい。この時、サイズは約１００ｎｍ〜５ｍｍ内外である。この時、用いられる金属はバナジウム（Ｖ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）等の窒素化合物に対する触媒としての役割を果たすことができる金属類である。二酸化珪素パウダー上の金属含量は、スパッタリングパワー、スパッタリング時間、インペラの回転速度、真空度等の作業条件を変えることによって制御可能であり、１０〜１０，０００ｐｐｍの範囲内で制御可能である。これは一酸化窒素（ＮＯ）等の窒素化合物の分解のための触媒として用いることが可能である。
【００４３】
（実施例６）
＜ジルコニア（ＺｒＯ２）、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）上の金属とセラミックスのナノ粒子の蒸着＞
約２０ｋｇのジルコニアまたは酸化鉄パウダーを真空槽１内のバレル４に供し、実施例１と同様の装置と作業条件を用いて金属またはセラミックスのナノ粒子を蒸着した。蒸着のために用いられたターゲットは金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ルデニウム（Ｒｕ）、錫（Ｓｎ）、パラジウム（Ｐｄ）、カドミウム（Ｃｄ）、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｓｍ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３等である。パウダー上のナノ粒子の含量は、スパッタリングパワー、スパッタリング時間、インペラの回転速度、真空度等の作業条件を変えることによって制御可能であり、１０〜１０，０００ｐｐｍの範囲内で制御可能である。これは石油、液化ガス間の反応を誘発するためのエネルギー転換の分野及び燃料電池の触媒として応用することが可能である。
【００４４】
（実施例７）
＜高分子チップ上の金属ナノ粒子の蒸着＞
約２０ｋｇのチップ型のＰＥ、ＰＰ、ＰＥＴ、ＰＳを真空槽１内のバレル４に供し、実施例１と同様の装置と作業条件を用いて金属ナノ粒子を蒸着した。蒸着のために用いられたターゲットは銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等である。パウダー上のナノ粒子の含量は、スパッタリングパワー、スパッタリング時間、インペラの回転速度、真空度等の作業条件を変えることによって制御可能であり、１０〜１０，０００ｐｐｍの範囲内で制御可能である。
【００４５】
一般的に、高分子材料は表面エネルギーが低いため金属との接着力が弱い。このため、ナノ粒子の蒸着前に高分子材料の表面を活性化するための表面処理が行われ、このとき、表面処理方法としては、既知のイオンビーム補助反応、直流／交流プラズマまたは電子ビーム反応法等を用いることが可能である。ナノ粒子が蒸着されたこのようなチップは、成型過程を通じて多様な製品を作ることができ、これは抗菌、滅菌が必要なプラスチック家電製品や包装容器または装飾品等に応用することが可能である。
【００４６】
以上の実施例で説明したナノ粒子が形成された砂糖、塩、活性炭、Ａｌ２Ｏ３、砂、ＰＥチップからなる多様なパウダーサンプルの実際の様子を図１２（Ａ）〜図１２（Ｆ）に示した。
上述したように、本発明は、ナノメートル単位のサイズを有するナノ金属、ナノ合金、及びナノセラミックスのナノ粒子が形成されたパウダーの製造方法に関し、ナノ効果を用いた多様な産業分野への応用が可能な技術である。この時、ナノ粒子が形成されたパウダー母材を直接的に用いることができ、特に塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、ポリビニールアルコール、砂糖、アスパルテーム、サッカリン、ステビオサイド等の溶解性パウダーを母材として用いた場合、適切な溶媒を用いて、形成されたナノ粒子とパウダー母材を分離することができ、ここから純粋なナノ金属、またはナノ合金、またはナノセラミックスのナノ粒子のみを得、適用することができる。ただし、必要に応じて溶液内のナノ粒子の凝集を防止するための適切な分散剤を用いることができる。
【００４７】
上記の溶解性パウダーを溶解するのに必要な溶媒は、蒸溜水、メチルアルコール、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、アセトン等のすべての極性溶媒と、核酸、ベンゼン等の無極性溶媒を含み、溶解性パウダーの種類によって適切な溶媒を選択して用いることができる。
【００４８】
上記のように溶解性パウダーからナノ粒子を得る方法としては、溶液中に分散したナノ粒子を公知の濾過紙またはフィルター装置を用いて濾過する方法と、溶液中の溶質にあたるパウダーの濃度を出来る限り希釈させた後、希釈溶液を乾燥させる方法が用いられる。
【００４９】
また、本発明によれば、ナノ粒子が形成されたパウダー及びパウダーから分離したナノ粒子が成型品として様々な分野に適用されるが、それは適用される分野の特性及び用途に合うように変形、混合、希釈及び濃縮等の過程を通じて用いられる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、真空蒸着法を用い、パウダー状の母材の表面上に、サイズの均一性に優れた金属、合金、セラミックスのナノ粒子を製造する装置及び技術を提供する。本発明は真空蒸着法を用いることにより、高純度が得られる、そして、砂にナノ蒸着を行うことにより、ナノ粒子で生じる一般的な凝集現象が観察されず、ナノ効果を最大化できる長所がある。また、多様な真空蒸着法を用いることができ、金属、合金、セラミックス等の大部分の材料をナノ粒子として形成させることができる。
【００５１】
さらに、化学的な処理工程がなく、製造工程を非常に単純化できる。また、スパッタリングパワー、真空度、撹拌速度等、独立的に制御することが可能な工程変数を調整することで、再現性に優れた製品を製造することができる。既存のパウダー母材が有する機能にナノ粒子の機能を添加することで、多機能のパウダーを製造することが可能であり、これは抗菌、滅菌を必要とする生活用品、廃水処理、光触媒分野を含めエネルギー転換分野、燃料電池、窒素化合物分解用等の多様な触媒分野で多様に応用されることが期待される。
【００５２】
本発明は、前述したように好ましい実施例を参照しながら説明してきたが、本発明の範囲を逸脱しない限り多様な修正や変更が可能であることは当業者において明らかなことである。従って、本発明は、添付した請求の範囲及びその均等物に含まれる本発明に対する修正や変更を含むことを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】従来の技術によるアルミナパウダー上に形成された銀ナノ粒子を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図２】従来の技術によるパウダー撹拌装置及びナノ粒子の製造装置の概念図である。
【図３】本発明によるナノ粒子を蒸着するための製造装置の概略図である。
【図４】本発明による撹拌手段を示した概略斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態によってアルミナパウダー上に蒸着された銀ナノ粒子を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図６】本発明の実施の形態によってアルミナパウダー上に蒸着された銀ナノ粒子の化学的な状態を現すＸＰＳ分析の結果を示すグラフである。
【図７】図７（Ａ）は、蒸着前のアルミナパウダーの表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真であり、図７（Ｂ）は、本発明の実施の形態による蒸発量と蒸着時間を最大化して観察したアルミナパウダーの表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図８】図８（Ａ）は、ナノ粒子が蒸着されないアルミナパウダーの表面の写真及び化学組成分析の結果を示すグラフであり、図８（Ｂ）は、本発明の実施の形態によってナノ粒子が蒸着されたアルミナパウダーの表面の写真及び化学組成分析の結果を示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態によって蒸着時間に従ってアルミナパウダー上に蒸着された銀ナノ粒子の銀含量を測定することにより得られたＸＰＳ測定の結果を示すグラフである。
【図１０】図１０（Ａ）〜図１０（Ｅ）は、それぞれ図９と同じ蒸着時間の増加に伴い銀ナノ粒子が蒸着されたアルミナパウダーを示す写真である。
【図１１】図１１（Ａ）は、銀ナノ粒子が添加されないせっけんサンプルに対する抗菌試験結果を示す写真であり、図１１（Ｂ）は、本発明のまた他の実施の形態によって銀ナノ粒子を蒸着した砂糖を混合して製造したせっけんサンプルに対する抗菌試験結果を示す写真である。
【図１２】図１２（Ａ）〜図１２（Ｆ）は、それぞれナノ粒子が形成された砂糖、塩、活性炭、Ａｌ２Ｏ３、砂、ＰＥチップのパウダーサンプルの写真である。
【符号の説明】
【００５４】
１…真空槽、２…高真空ポンプ、３…低真空ポンプ、４…バレル、５…冷却水循環通路、６…インペラ、６ａ…羽、７…遮断板、８…蒸着器、９…加熱手段、１０…コールドトラップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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