纳米粉末的制造方法

摘要

本发明提供了一种纳米粉末的制造方法。首先，提供混合物，此混合物至少包括第一材料与第二材料。接着，烧结此混合物，以得到单一相合金体。继之，预粉碎此单一相合金体，以得到待研磨粉体。之后，将化学分散剂加入到待研磨粉体中且进行研磨，以得到纳米粉末。

权利要求

1.一种纳米粉末的制造方法，其特征在于包括：

提供一混合物，该混合物至少包括一第一材料与一第二材料；所述混合物还包括一第三材料；

烧结该混合物，以得到一单一相合金体；

预粉碎该单一相合金体，以得到一待研磨粉体；以及

将一化学分散剂加入到该待研磨粉体中并进行研磨，以得到该纳米粉末；

所述第一材料为氧化锌，所述第二材料为氧化铟，所述第三材料为氧化镓；

所述氧化锌、该氧化铟与该氧化镓的组成摩尔比例为2∶1∶1。

2.如权利要求1所述的纳米粉末的制造方法，其特征在于：所述烧结该混合物的温度介于900℃～1,500℃；所述烧结该混合物的时间介于4小时～8小时。

3.如权利要求1所述的纳米粉末的制造方法，其特征在于：所述预粉碎所述单一相合金体的步骤包括：对该单一相合金体进行机械研磨，该机械研磨的转速介于2,400～3,600rpm，该机械研磨的时间为8小时～12小时。

4.如权利要求1所述的纳米粉末的制造方法，其特征在于：所述化学分散剂包括：聚甲基丙烯酸钠、或丙烯酰氧乙基聚丙烯胺。

5.如权利要求1所述的纳米粉末的制造方法，其特征在于：在所述待研磨粉体与所述化学分散剂的总重量中，该化学分散剂的重量百分比为0.1wt％～5wt％。

6.如权利要求1所述的纳米粉末的制造方法，其特征在于：还包括一将去离子水加入到所述待研磨粉体中的步骤，以形成一浆体。

7.如权利要求6所述的纳米粉末的制造方法，其特征在于：还包括一将酸碱值调整试剂加入到该待研磨粉体中的步骤，使该酸碱值介于8～9。

8.如权利要求7所述的纳米粉末的制造方法，其特征在于：在所述待研磨粉体、所述化学分散剂、所述去离子水与所述酸碱值调整试剂的总重量中，该待研磨粉体的重量百分比为15wt％～35wt％。

9.如权利要求1所述的纳米粉末的制造方法，其特征在于：将所述化学分散剂加入到待研磨粉体中并进行研磨的步骤包括：对该待研磨粉体进行机械研磨，该机械研磨的转速介于2,400～3,600rpm，该机械研磨的时间为30分钟～90分钟。

说明书

纳米粉末的制造方法

【技术领域】

[0001] 本发明是有关于一种纳米粉末的制造方法，且特别是有关于一种可制备任意化学组成(chemical composition)的纳米粉末的制造方法。【背景技术】

[0002] 大面积面板是当今显示器产业发展的趋势，但大面积面板需要更大的镀膜与黄光微影制程平台，维持良品率的困难度也相对增高。为克服上述困难，有研究者提出喷印技术，亦即，将导电浆体喷印在适当位置后，再对喷印图案(Printed pattern)进行适当处理而形成导电薄膜。

[0003] 喷印技术可用来制作平面显示器的薄膜晶体管的通道层或透明画素电极。特别是，喷印技术具有可省略黄光微影制程、可配合计算机辅助绘图设计(Computer aided drawing design，CAD)程控来制作各种形状的图案、无基板高度差之影响、可重工(Rework)、制程弹性大等优点，发展潜力相当大。然而，喷印浆体的开发为喷印技术的关键。

[0004] 图1为传统喷印技术的步骤流程的示意图。请参照图1，步骤S101～S103为喷印浆料的制备流程，步骤S104～S107为利用喷印浆料制作导电薄膜的流程。

[0005] 首先，如步骤S101～S103所示，喷印浆料的制备通常采用化学反应法，亦即，将含有氧化锌(ZnO)的前驱物及界面活性剂所组成的溶凝胶溶液(Sol-gel solution)与去离子水混合后，即可得到含氧化锌金属盐的水溶液(即喷印浆料)。上述前驱物可为醋酸锌(Zn(CH3COO)2·2H2O，zinc acetate)或硝酸锌(Zn(NO3)2.6H2O，zinc nitrate)。接着，如步骤S104～S107所示，将喷印浆料喷印或旋涂到基板上后，再经适当的热处理(预烘烤、后烘烤等)而形成氧化锌导电薄膜。

[0006] 此外，也可以利用化学浴镀着法(Chemical Bath Deposition，CBD)来形成导电薄膜，亦即，将基板沉浸于含有适当比率的硝酸锌与二甲基胺硼烷(Dimethylamine borane)之镀液(温度约60℃)中。导电薄膜的厚度可调整前驱物的浓度而控制。之后，再经约100℃的烘烤即可得到氧化锌导电薄膜。

[0007] 上述化学反应法的制程简易，且已经有相当多的文献报导。然而，后续热处理的温度往往在数百摄氏度以上，不利软板之制程应用。值得注意的是，上述化学反应法较适合制作仅含有氧化锌的导电薄膜。当欲制备掺杂其它元素(如铟、铝、镁等)之氧化锌薄膜，或多元组成的氧化锌薄膜(如InGaZnO(IGZO))时，因不同成分的氧化还原反应速率不同，使得难以准确控制最终产物的化学组成，其应用也因而受限。【发明内容】

[0008] 本发明要解决的技术问题，在于提供一种纳米粉末的制造方法，可制备任意化学组成的纳米粉末。

[0009] 基于上述，本发明是这样实现的：一种纳米粉末的制造方法。首先，提供混合物，此混合物至少包括第一材料与第二材料。接着，烧结此混合物，以得到单一相合金体。继之，预粉碎此单一相合金体，以得到待研磨粉体。之后，将化学分散剂加入到待研磨粉体中并进行研磨，以得到纳米粉末。

[0010] 所述第一材料为氧化锌，而该第二材料包括氧化铟、氧化铝或氧化镁；或者是，所述第一材料为氧化钡，而所述第二材料为氧化钛。

[0011] 所述混合物还包括一第三材料；所述第一材料为氧化锌，所述第二材料为氧化铟，所述第三材料为氧化镓。所述氧化锌、该氧化铟与该氧化镓的组成摩尔比例为2∶1∶1。

[0012] 所述烧结该混合物的温度介于900℃～1,500℃；所述烧结该混合物的时间介于4小时～8小时。

[0013] 所述预粉碎所述单一相合金体的步骤包括：对该单一相合金体进行机械研磨，该机械研磨的转速介于2,400～3,600rpm，该机械研磨的时间为8小时～12小时。

[0014] 所述化学分散剂包括：聚甲基丙烯酸钠、或丙烯酰氧乙基聚丙烯胺。

[0015] 在所述待研磨粉体与所述化学分散剂的总重量中，该化学分散剂的重量百分比为0.1wt％～5wt％。

[0016] 还包括一将去离子水加入到所述待研磨粉体中的步骤，以形成一浆体。还包括一将酸碱值调整试剂加入到该待研磨粉体中的步骤，使该酸碱值介于8～9。在所述待研磨粉体、所述化学分散剂、所述去离子水与所述酸碱值调整试剂的总重量中，该待研磨粉体的重量百分比为15wt％～35wt％。

[0017] 本发明的优点在于：本发明的纳米粉末的制造方法结合烧结制程、化学分散剂与机械研磨，所制得的纳米粉末(包括浆体)具有化学组成多样化、粒径分布窄、制程容易、易于大量产量等优点，且纳米粉末的后续应用相当容易。【附图说明】

[0018] 下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

[0019] 图1为传统喷印技术的步骤流程的示意图。

[0020] 图2为本发明第一实施例的纳米粉末的制造方法的步骤流程示意图。

[0021] 图3为化学分散剂浓度与浆体中的平均粒径的曲线关系图。

[0022] 图4为本发明第二实施例的纳米粉末的制造方法的步骤流程示意图。

[0023] 图5为本发明第三实施例的纳米粉末的制造方法的步骤流程示意图。【具体实施方式】

[0024] 本发明之纳米粉末的制造方法可制备任意化学组成的纳米粉末。其具体是将不同种类的原始粉体(Original powder)进行调配混合后，再用适当的烧结制程来制得单一相合金体。之后，配合机械研磨与化学分散剂来研磨该单一相合金体，即可得到具有多元材料及任意化学组成的纳米粉末。所得到的纳米粉末可以是干粉，也可以是浆体，该浆体可用来制作喷印浆料，配合喷印技术可相当容易地制作导电图案。以下通过几个实施例，来说明本发明的纳米粉末的制造方法及其应用。

[0025] [纳米粉末的制备方法]

[0026] 第一实施例

[0027] 图2为本发明第一实施例的纳米粉末的制造方法的步骤流程示意图。请参照图2，此纳米粉末的制造方法200大致包括步骤S201～S209。首先，如步骤S201所示，提供混合物，此混合物至少包括第一材料与第二材料。在本实施例中，第一材料可为氧化锌，而第二材料可为氧化铟、氧化铝或氧化镁。

[0028] 市面上可直接购得氧化锌、氧化铟、氧化铝与氧化镁等纳米粉体。然而，若所使用之粉体的尺寸非纳米等级，也可先进行初步的机械研磨。特别是，在步骤S201中，可根据特定的化学组成来决定第一材料与第二材料各自的添加量。在单纯混合固态粉体的步骤中，不同的固态粉体之间不会进行氧化还原反应，所以将可准确控制最终产物之化学组成，而不会有传统的化学反应法所衍生的问题。

[0029] 接着，如步骤S202所示，烧结第一材料与第二材料的混合物，以得到单一相合金体。烧结混合物的温度可介于900℃～1,500℃，较佳为1,300℃；并且，烧结混合物的时间可介于4小时～8小时，较佳为6小时。由于在步骤S201中已经决定了第一材料与第二材料各自的添加量，所以在步骤S202的烧结制程中，亦得到特定化学组成的单一相合金体。

[0030] 接下来，如步骤S203所示，预粉碎此单一相合金体，以得到待研磨粉体。预粉碎单一相合金体的步骤包括：对单一相合金体进行机械研磨，此机械研磨的转速可介于2,400～3,600rpm，机械研磨的时间为8小时～12小时，较佳为大于10小时且小于12小时。

[0031] 之后，如步骤S204～S209所示，将化学分散剂加入到待研磨粉体中进行研磨，以得到纳米粉末。由第一材料与第二材料的搭配，可得到In:ZnO(IZO)、Al:ZnO(AZO)或Mg:ZnO等三种掺杂不同元素的氧化锌混合物。

[0032] 特别是，在步骤S204中使用的化学分散剂包括：聚甲基丙烯酸钠(PMMA-Na)、或丙烯酰氧乙基聚丙烯胺(polyacrylamide/(-N，N-dimethyl-N-acryloyloxyethyl)ammonium ethanate，PDAAE)。

[0033] 更详细而言，若要得到纳米尺寸的粒径之粉末，可利用湿式研磨法。所谓湿式研磨法乃是将待研磨粉体与适当溶剂混和调制成浆体(Slurry)，再由化学分散剂进行分散，以避免于研磨过程中发生粉末凝聚现象。在此实施例中，如步骤S205所示，还可将去离子水加入到待研磨粉体中，以调整浆体的黏滞度而有利湿式研磨的进行。另外，如步骤S206所示，还可将酸碱值调整试剂加入到待研磨粉体中，使酸碱值介于8～9，以促进化学分散剂完整水解，避免待研磨粉体产生沉淀现象。

[0034] 请继续参照图2，在步骤S207中，当制成浆体后，可先进行预搅拌，其中，在待研磨粉体、化学分散剂、去离子水与酸碱值调整试剂的总重量中，待研磨粉体的重量百分比为15wt％～35wt％。此浆体之固体含量(亦即待研磨粉体的含量)需控制在15wt％～35wt％的理由是：可防止机械研磨过程中因待研磨粉体的比表面积(Specific surface area，SSA)增加所导致黏滞度上升。如此一来，才达到良好的研磨与分散粒子的效果。

[0035] 如步骤S208所示，在对加入了化学分散剂的待研磨粉体进行机械研磨的步骤中，机械研磨的转速可介于2,400～3,600rpm，而机械研磨的时间可为30分钟～90分钟，较佳为30分钟。由此，可得到步骤S209中具有特定化学组成的纳米粉末。机械研磨可以利用一般的球磨机。控制球磨机的转速以使磨球(例如以氧化锆为材质的磨球)旋转滑动，而达成对于待研磨粉体的研磨和分散的作用。

[0036] 研磨分散能否达到纳米等级，其与浆料成分、研磨介质(即磨球)之大小、研磨条件、化学分散剂之分散机制等有关。以实际操作经验为例，所选择的磨球可为0.3～0.5mm或更小尺寸(必须依研磨机台的研磨能力而定)。同时，为了让磨球能够在研磨过程中能持续有效地进行粉体粒径尺寸的缩减，搅拌棒的线速度需超过10m/sec以上；同时，浆料的黏滞性需调整到100cps以下，以便让磨球的运动不受浆料黏度影响。

[0037] 值得注意的是，在待研磨粉体与化学分散剂的总重量中，化学分散剂的重量百分比为0.1wt％～5wt％，较佳为3wt％。限定化学分散剂的重量百分比是为了得到良好的的分散效果，并使研磨的粒径有效缩减。

[0038] 图3为化学分散剂浓度与浆体中的平均粒径的曲线关系图。请参照图3，化学分散剂可使用PMMA-Na或PDAAE。PMAA-Na为阳离子型分散剂，其主要以水解后之-(COO-)官能基来提供电荷斥力，以作为粒子之间的分散机制。另外，PDAAE可同时提供电荷斥力与立体阻障，所得结果与PMAA-Na类似。

[0039] 请继续参照图3，未添加化学分散剂的浆体的平均粒径为300nm。随着化学分散剂的添加，平均粒径有减小的趋势。添加约3wt％左右的化学分散剂，平均粒径达到最小，约70nm。化学分散剂的浓度在超过3wt％后，平均粒径反而有增大的趋势，这是因为过量的化学分散剂反而引起架桥效应，而使平均粒径增大。

[0040] 在显微镜下观察，未加入化学分散剂的粒子状态与加入化学分散剂的粒子的状态。通过比较二者可知，未加入化学分散剂的粒子均凝聚在一起，而加入化学分散剂的粒子却能得到良好的分散效果。因此，利用化学分散剂所辅助的机械研磨法，可有效地将粒子进行研磨并分散。

[0041] 综上所述，本实施例的纳米粉末的制造方法，将不同种类的原始粉体(至少两种)进行调配混合后，再用适当的烧结制程来制得单一相合金体。之后，配合机械研磨与化学分散剂来研磨该单一相合金体，即可得到任意化学组成的纳米粉末。并且，所得到的纳米粉末具有纯度高、粒径小、粒径分布窄等特点。特别是，上述纳米粉末的制造方法相当适合量产。

[0042] 第二实施例

[0043] 图5为本发明第二实施例的纳米粉末的制造方法的步骤流程示意图。如图5所示的纳米粉末的制造方法包括步骤S301～S309，相关的内容与如图2所示的纳米粉末的制造方法类似，在此不予以重述。

[0044] 值得注意的是，在步骤301中，提供混合物，此混合物至少包括第一材料与第二材料。在此实施例中，第一材料为氧化钡，而第二材料为氧化钛。再继续经过步骤S302～S309后，可得到钛酸钡(BaTiO3)的纳米粉末。

[0045] 第三实施例

[0046] 图6为本发明第三实施例的纳米粉末的制造方法的步骤流程示意图。如图6所示的纳米粉末的制造方法包括步骤S401～S409，相关的内容与如图2所示的纳米粉末的制造方法类似，在此不予以重述。

[0047] 值得注意的是，在步骤401中，提供混合物，此混合物包括第一材料、第二材料与第三材料。在此实施例中，第一材料为氧化锌，第二材料为氧化铟，第三材料为氧化镓。在本实施例中，氧化锌、氧化铟与氧化镓的组成摩尔比例为2∶1∶1。再继续经过步骤S402～S409后，可得到氧化铟镓锌(IGZO)的纳米粉末。

[0048] 更详细而言，大致流程如下：先混合适当比率的氧化锌(ZnO)、氧化铟(In2O3)与氧化镓(Ga2O3)等粉体原料。接着，经约1,300℃、6小时的烧结制程，使反应完成单一的InGaZnO相。接下来，预粉碎使成粉体后，加入去离子水与适当比率的化学分散剂形成浆料，并利用高速研磨机内转动的搅拌棒将动力传送至适当尺寸的磨球。浆料经泵推动进入研磨室后，以磨球之相对运动所产生剪切力(Shear Force)克服粉体粒子间的范德华力，化学分散剂遂得以进入粉体粒子之间而达成分散的目的。

[0049] 另外，可在步骤S401中改变氧化锌、氧化铟与氧化镓的混合比例，以得到不同化学组成的氧化铟镓锌(IGZO)的纳米粉末，如In2Ga2ZnO7、InGaZnO4等。

[0050] [纳米粉末浆体的应用]

[0051] 上述纳米粉末的制备方法中包含加入溶液的步骤，此溶液可包括化学分散剂与去离子水，而得到纳米粉末实为纳米粉末浆体。

[0052] 该纳米粉末浆体可导入喷印制程，来制备薄膜晶体管的通道层或画素电极；或是可制作高介电系数的被动电容组件；或再经由适当的成型与烧结制程可制得微细晶粒且高密度的溅镀靶材。

[0053] 综上所述，本发明纳米粉末的制造方法至少具有以下优点：

[0054] 结合烧结制程、化学分散剂与机械研磨来制备纳米粉末的方法，所制得的纳米粉末具有：化学组成多样化、粒径分布窄、制程容易、易于大量产量等优点。所得的纳米粉末可供后续制程应用，加入适当溶液可配制成喷印制程之浆体(Ink Slurry)；或再经由适当的成型与烧结制程可制得微细晶粒且高密度的溅射靶材。