초미세 니켈 분말의 제조 공정 및 응용 분야

니켈은 자성, 전도성 및 고온 안정성과 같은 특성을 지닙니다. 초미세 니켈 분말은 뛰어난 표면 효과와 체적 효과를 나타내며, 전기적 특성, 전파 흡수, 내열성, 광 흡수, 화학적 활성 등에서 다양한 특수 특성을 보입니다. 따라서 전자 페이스트, 금속 세라믹, 차폐 및 전파 흡수 재료, 촉매, 배터리 재료 등 여러 분야에서 폭넓은 응용 가능성을 지닙니다. 

초미세 니켈 분말의 다양한 물리적·화학적 특성은 분말의 형태, 입자 크기 및 분포에 따라 달라집니다. 반응 조건을 제어하여 필요한 형상, 크기 및 분포를 갖춘 입자를 제조하는 방법은 초미세 니켈 분말 연구에서 중요한 부분입니다.

초미세 니켈 분말의 제조 방법

01 기상법

1.1 증발-응축법

증발-응축법으로 초미세 니켈 분말을 제조하는 공정은 금속 니켈을 1425℃까지 가열하여 기화시킨 후, 증기를 빠르게 응축하여 니켈 분말을 얻는 것입니다. 진공 환경에서 증발시키면 증발 온도를 낮출 수 있으며, 예를 들어 1.33Pa의 압력에서 700℃까지 가열하면 니켈 증기를 얻을 수 있습니다. 증발-응축법은 이론적으로 모든 재료를 제조할 수 있습니다. 이 방법으로 제조된 초미세 분말은 표면이 깨끗하고 입자 크기를 조절할 수 있으며, 결정 형태가 일반적으로 구형이라는 특징이 있어 초미세 금속 분말 제조에 특히 적합합니다.

1.2 카보닐 니켈 열분해법

카보닐 니켈 열분해법은 1889년 영국의 Mond 등이 제안했습니다. 이 방법은 주로 두 단계로 나뉩니다. 첫 번째 단계는 카보닐 니켈을 제조하는 것이고, 두 번째 단계는 카보닐 니켈을 분해하여 니켈 분말을 얻는 것입니다. 이 방법은 실용성이 높고 제조되는 니켈 분말의 순도가 매우 높으며, 용도가 광범위합니다.

1.3 화학 기상 증착법

화학 기상 증착법은 기상 수소 환원법이라고도 합니다. 이 방법은 염화 니켈을 고온에서 휘발시킨 다음 수소 분위기에서 금속 니켈 원자로 환원하고, 핵생성, 성장, 충돌 등의 과정을 거쳐 구형 초미세 니켈 분말을 얻는 방식입니다. 결정화 온도가 높기 때문에 화학 기상 증착법으로 제조된 니켈 분말은 결정성이 우수하고 순도가 높으며 입자 크기를 조절할 수 있습니다. 이 방법은 낮은 생산 비용으로 입자 크기가 균일한 구형 초미세 니켈 분말을 제조할 수 있습니다. MLCC에서 금속 팔라듐을 대체하는 전극 재료에 적합하며, 가격 면에서 기존 커패시터 전극 재료와 경쟁할 수 있습니다. 그러나 필요한 장비의 가격이 비교적 높고 장비 부식이 심하다는 단점이 있습니다.

1.4 전기 폭발 와이어법

전기 폭발 와이어법은 니켈 분말을 제조하는 비교적 새로운 방법입니다. 불활성 가스로 채워진 반응 챔버에서 니켈 와이어에 직류 고전압을 가하여 니켈 와이어 내부에 매우 높은 전류 밀도를 형성하고, 니켈 와이어를 폭발시켜 초미세 니켈 분말을 얻습니다. 와이어 공급 시스템을 통해 니켈 와이어가 자동으로 반응 챔버에 들어가므로 위 공정을 반복할 수 있습니다.

02 액상법

2.1 고압 수소 환원법

고압 반응솥에서 촉매가 존재하는 조건에서 수소를 사용하여 니켈의 암모니아 수용액 또는 물에 녹지 않는 염기성 탄산 니켈, 수산화 니켈 등의 수성 슬러리를 환원하면 초미세 니켈 분말을 얻을 수 있습니다.

2.2 액상 환원법

액상 환원법은 반응물을 일정 농도의 용액으로 제조한 후 환원제를 사용하여 액상에서 니켈을 환원하는 방법입니다. 반응 메커니즘은 산화 환원 반응입니다. 일반적으로 사용되는 환원제는 히드라진 수화물, NaBH4, KBH4 및 폴리올입니다. 액상 환원법의 장점은 원료 공급원이 다양하고, 장비가 간단하며, 조작이 쉽고, 제품 순도가 높으며, 입자 크기가 작고 분포가 균일하다는 것입니다. 그러나 환원제인 수소화붕소나트륨은 가격이 비싸고 히드라진 수화물은 독성이 있다는 단점이 있습니다.

2.3 마이크로에멀전법

"마이크로에멀전"은 서로 섞이지 않는 두 액체로 형성된 열역학적으로 안정한 등방성의 투명 또는 반투명 분산계로 정의되며, 계면활성제가 형성한 계면막에 의해 안정화된 한 종류 또는 두 종류 액체의 액적을 포함합니다. 마이크로에멀전은 연속 매질을 미세한 공간으로 분산시킵니다. 마이크로에멀전법은 초미세 니켈 분말 제조에 널리 사용되어 왔습니다. Gao Baojiao 등은 강알칼리성 환경에서 일정한 온도의 수욕 조건으로 물(용액)/자일렌/도데실황산나트륨/n-펜탄올 역마이크로에멀전계에서 히드라진 수화물을 사용하여 황산 니켈을 환원하는 연구를 수행했습니다. 마이크로에멀전계의 조성을 제어하면 제품의 입자 크기를 조절하여 입자 크기 분포가 균일한 구형 초미세 금속 니켈 분말을 얻을 수 있습니다.

2.4 초음파 분무-열분해법

초음파 분무-열분해법은 독특한 특성을 지닌 미세 입자를 제조하는 중요한 방법입니다. 이 방법은 초음파의 고에너지 분산 메커니즘을 활용합니다. 목표 전구체 원액을 초음파 분무기에 통과시켜 마이크로미터 크기의 액적을 생성하고, 이를 운반 기체로 고온 반응기에 유입하여 열분해함으로써 입자 크기가 균일한 초미세 분말 재료를 얻습니다. 초음파 분무-열분해법은 목표 성분을 쉽게 제어할 수 있고, 전구체의 공급원이 다양하며, 제품 입자 크기 분포가 좁고 입자 크기를 조절할 수 있다는 장점이 있습니다.

2.5 전해법

Ni2+ 용액을 전해조에 넣고 니켈판을 양극으로, 흑연 또는 귀금속을 음극으로 사용한 다음 전원을 켜고 전류 방향을 주기적으로 바꿉니다. 생성된 니켈 분말은 전해조 바닥에 침전되며, 이후 자성 재료로 수집합니다. 이 방법은 현재 산업 생산에서 널리 사용되는 방법이지만, 부식성이 강하고 작업 조건이 열악하며 에너지 소비가 많고 일정 수준의 환경 오염을 일으키기 쉽다는 문제가 있어 공정 개선이 필요합니다.

2.6 방사선 합성법

금속 니켈염 용액을 γ선으로 조사하여 초미세 니켈 분말을 제조하는 기본 원리는 물이 γ선 조사에 의해 다수의 입자를 생성할 수 있다는 것입니다. 이 입자에 포함된 수화 전자와 수소 원자는 강한 환원 능력을 지니므로 금속 니켈 이온을 단계적으로 환원할 수 있습니다. 새로 생성된 니켈 원자는 핵으로 모인 후 최종적으로 초미세 입자를 형성합니다. 용액 농도, pH 값 및 조사량을 제어하여 입자의 크기와 형태를 조절할 수 있습니다.

03 고상법

3.1 기계적 분쇄법

기계적 분쇄법은 기계적 힘을 사용하여 큰 덩어리를 필요한 입자로 분쇄하는 방법입니다. 기계적 힘의 종류에 따라 기류 충격법, 기계적 볼 밀링법 및 초음파 분쇄법으로 나눌 수 있습니다. 기계적 볼 밀링법은 현재 초미세 니켈 분말을 제조하는 비교적 경제적인 방법입니다. 기계적 볼 밀링법의 장점은 공정이 간단하고 비용이 낮으며 제조 효율이 높고, 기존 방법으로 얻기 어려운 고융점 금속의 초미세 입자도 제조할 수 있다는 것입니다. 단점은 입자 크기 분포가 균일하지 않고 순도가 낮다는 것입니다.

3.2 고상 분해법

1. Rosenbanddeng은 흑연을 반응기로 사용하고 아르곤 환경에서 고체 포름산 니켈을 가열·분해하여 니켈 분말을 제조했습니다. 얻어진 니켈 분말의 평균 입자 크기는 0.4-0.6μm였으며, 분말 형태는 거의 구형이었습니다. 이 방법으로 얻은 니켈 분말은 순도가 높습니다. 공정 매개변수를 조정하면 MLCC 내부 전극 조건을 충족하는 니켈 분말을 얻을 수 있지만, 이 방법으로 니켈 분말을 제조하는 비용은 비교적 높습니다.

초미세 니켈 분말의 응용

1. 배터리 재료

새로운 이차전지인 니켈-수소 배터리와 리튬 이온 배터리는 신에너지 재료에서 점점 더 중요한 역할을 하고 있습니다. 리튬 이온 배터리는 높은 비에너지, 높은 배터리 전압, 넓은 작동 온도 범위 및 긴 보관 수명으로 인해 군용 및 민용 전기기기에 널리 사용됩니다. 리튬 이온 배터리 양극 재료의 개발도 순탄치 않은 과정을 거쳤습니다. 현재 LiCoO2가 널리 사용되고 있으며, 저렴한 LiNiO2와 LiMnO2도 활발히 연구되고 시도되고 있습니다. LiNiO2의 결정 구조는 LiCoO2와 유사하지만 가격이 훨씬 저렴하고 비용량이 큽니다. LiNiO2의 합성 조건은 비교적 까다로우며, 이는 LiNiO2 양극 재료의 대규모 개발에서 반드시 해결해야 할 핵심 문제이기도 합니다.

2. 자성 재료

초미세 니켈 분말은 우수한 자성 재료입니다. 이를 운반 액체에 분산하면 자성 유체를 형성할 수 있으며, 표준 막대형 또는 선형 형태의 나노 니켈 분말은 저장 밀도가 높은 "양자 디스크"를 만드는 데 사용할 수 있습니다. 일부 연구자들은 Ni-Fe와 Ni-Co의 자기저항 효과를 이용하여 자기 헤드를 시험합니다. 이 헤드는 판독 전압이 높고 코일이 필요하지 않아 기록 밀도가 매우 높을 때 유도형 헤드의 응답 속도가 느리다는 단점을 피할 수 있습니다.

3. 초경합금

1923년 초경합금이 등장한 이후 금속 코발트는 최고의 결합 금속으로 여겨져 왔습니다. 그러나 가격이 높고 공급이 불안정하기 때문에 결합 특성은 동일하면서 상대적으로 저렴한 니켈이 점차 인기를 얻고 있습니다.

4. 촉매 재료

초미세 니켈 분말은 우수한 화학 촉매 재료입니다. 입자 크기가 5nm 미만이고 Si를 담체로 사용하는 Ni 나노입자 촉매는 표면 활성이 우수할 뿐만 아니라 프로피온알데히드 수소화 반응의 선택성도 크게 높입니다. Ni/SiO2를 에탄의 수소분해 촉매로 사용할 경우 입자 크기를 22nm에서 2.5nm로 줄이면 촉매 반응 속도가 10배 증가합니다. 시클로옥타디엔을 수소화하여 시클로옥텐을 생성하는 반응에서 나노 니켈 분말의 촉매 활성은 기존 골격 Ni의 2-7배이며, 선택성은 5배 이상 향상됩니다.

5. 흡수 재료

초미세 니켈 분말은 우수한 전기적·자기적 특성을 활용하여 고분자 매트릭스 재료와 복합화함으로써 전자기파 차폐 재료를 제조할 수 있습니다. 초미세 니켈 분말을 기반으로 한 전도성 코팅은 전자기파를 흡수하고 산란시키는 강한 전기 벡터 능력과 큰 자기 벡터 감쇠 진폭을 지닙니다. 특수 처리 후에는 뛰어난 내산화성, 내식성 및 내습성을 갖추므로 전자기파 차폐 재료에서 차지하는 비중이 점점 커지고 있습니다.

6. 군사용 특수 재료

초미세 니켈 분말은 주로 군사 분야에서 고체 로켓 추진제와 폭약의 나노 촉매 복합 재료로 사용됩니다. 니켈 분말을 사용하면 고체 추진제와 폭약의 연소 속도를 높이고 임계 분압을 낮출 수 있습니다. 고체 로켓 추진제에 약 1%의 나노 니켈 분말을 첨가하면 연소 효율이 100배 증가한다는 보고가 있습니다.

7. 다층 세라믹 커패시터 MLCC

전자 완제품 시장 구조의 조정과 함께 이동통신 장비 및 휴대용 컴퓨터가 빠르게 발전하면서 MLCC 개발에 막대한 시장 공간이 열리고 있습니다. 기존 MLCC 전극 재료는 Pd/Ag 합금 또는 순수 Pd입니다. 사용량이 가장 많은 Pd30/A970 내부 전극용 수입 페이스트의 가격은 25,000위안/kg을 초과하므로, Pd/Ag 전극을 대체하기 위해 비금속 재료를 사용하는 것은 MLCC 개발의 중요한 추세입니다. 대용량과 저비용 요구를 모두 충족하기 위해 비금속 Ni 전극이 최선의 선택입니다.

또한 초미세 니켈 분말은 다공성 재료, 키랄 재료, 분사 재료, 나노 복합 전기도금 재료 및 윤활유의 마찰·마모 특성 개선에도 널리 사용됩니다.