KR100582249B1

KR100582249B1 - 전자파 플라즈마 토치를 이용한 탄소나노튜브 합성장치 및방법

Info

Publication number: KR100582249B1
Application number: KR1020040022064A
Authority: KR
Inventors: 홍용철; 엄환섭; 김형석; 허몽영
Original assignee: 엄환섭
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2006-05-23
Also published as: KR20050096624A

Abstract

개시된 본 발명은 1기압 전자파 플라즈마 토치를 이용하여 가스 상태에서 탄소나노튜브를 대량으로 합성하기 위한 전자파 플라즈마 토치를 이용한 탄소나노튜브 합성장치 및 방법에 관한 것으로서, 전력을 공급하는 전원공급부; 상기 전원공급부로부터 전력을 공급받아 소정 주파수 대역의 전자파를 방출하는 마그네트론; 상기 마그네트론으로 반사되는 반사파를 완전히 흡수하여 상기 마그네트론을 보호하는 한편, 상기 마그네트론에서 방출된 전자파를 출력하는 순환부; 입사파와 반사파의 크기를 모니터링 하는 한편 상기 순환부를 통해 전달된 전자파를 출력하는 방향성 결합기; 상기 방향성 결합기로부터 입력되는 전자파에 대해 입사파와 반사파의 강도를 조절하여 매칭시키는 3-스터브 튜너; 내부에 전극을 갖는 팁이 형성되어 있으며, 외부로부터 주입되는 와류가스와 상기 팁에 연결된 점화장치에 의해 플라즈마를 생성시키는 방전관; 아르곤이나 질소 중 적어도 하나의 와류 가스를 상기 방전관으로 주입하는 가스 주입부; 원통형태를 가지며, 상기 가스 주입부를 통해 유입되는 활성 화학종들을 일정 시간동안 반응시켜 탄소나노튜브를 형성시키는 노; 및 공기(가스)나 물을 이용하여 상기 노에 의해 형성된 탄소나노튜브를 급속 냉각시켜 수집하고, 다른 가스는 외부로 배출하는 수집기를 포함한다.

탄소나노튜브, 플라즈마, 토치, 대기압, 전자파 방전, 마그네트론

Description

전자파 플라즈마 토치를 이용한 탄소나노튜브 합성장치 및 방법{CARBON NANOTUBES COMPOSITION APPARATUS USING MICROWAVE PLASMA TORCH, AND METHOD THEREOF}

도 1은 본 발명에 따른 전자파 플라즈마 토치를 이용한 탄소나노튜브 합성장치의 구성을 예시한 구성 블럭도,

도 2는 본 발명에 적용된 전자파 플라즈마 토치와 고온 노의 구성을 예시한 단면도,

도 3은 본 발명 장치를 이용하여 합성된 탄소나노튜브 샘플을 SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용하여 찍은 사진,

도 4는 본 발명 장치를 이용하여 합성된 탄소나노튜브 샘플을 FT-Raman Spectrometer를 이용하여 찍은 라멘 스펙트럼(Raman Spectrum)이다.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 ***

12 : 방전관 14 : 수집기

18 : 방향성 결합기 20 : 3-스터브 튜너

22 : 마그네트론 24 : 전원공급장치

26 : 노 28 : 순환부

30 : 가스주입시스템

본 발명은 전자파 플라즈마 토치를 이용한 탄소나노튜브 합성장치 및 방법에 관한 것이다.

보다 상세하게는, 1기압 전자파 플라즈마 토치를 이용하여 가스 상태에서 탄소나노튜브를 대량으로 합성하기 위한 전자파 플라즈마 토치를 이용한 탄소나노튜브 합성장치 및 방법에 관한 것이다.

탄소나노튜브는 나선형의 흑연탄소 미세튜브라는 제목의 논문으로 Sumio Iijima에 의하여 처음으로 Nature(Vol. 354, Nov. 7, 1991, pp. 56-58)라는 학술지를 통하여 과학계에 소개되었으며, 약 15%의 미세 탄소튜브를 함유한 물질은 흑연전극의 방전을 통하여 생성된다.

상기 나노구조 특히 나노튜브는 전기적 또는 기계적 특성 때문에 Field Emission 장치, 백색광원, 수소저장, Lithium 2차 전지, 트랜지스터, CRT 등 많은 분야에 대단히 유용하게 사용될 가능성이 제시되고 있다.

현재 알려진 탄소나노튜브 합성법은 아크 방전법, 레이저 증발법, 기상합성, 열화학 증기 증착법(CVD), 플라즈마 증기 증착법(PCVD) 등이 있으며, 상기 탄소나노튜브 합성법에 대해 설명하면 다음과 같다.

첫째 아크 방전법[C. Journet et al., Nature 388, 756 (1997) and D. S. Bethune et al., Nature 363, 605 (1993)]은 많은 전류를 탄소 전극 사이를 흘러가 게 하고, 이로 인하여 고온 방전에서 탄소가 증발되어 형성되도록 하고, 합성된 탄소 물질이 챔버 벽이나 다른 전극에 증착되도록 한 후, 금속 촉매 분말(전이금속 물질로서 니켈, 코발트, Yttrium 등)을 첨가하여 단일벽(Single Wall) 나노튜브들이 흑연전극에 증착되도록 한다.

상기 아크 방전법은 좋은 결정성을 갖는 탄소나노튜브를 형성시킬 수는 있으나, 아크의 불안정성과 증착조건의 불균형성으로 인하여 나노튜브의 순수성이 저하된다는 문제점이 있다.

또한 흑연전극을 자동 삽입하는 장치를 사용하지만, 이 아크 방전법은 배치 스타일(Batch Style)이거나 반자동방식으로 이루어져, 매 과정마다 몇 그램밖에 생산하지 못하며 새로운 개선이 없는 형편에 놓여있다.

둘째 레이저 증발법(R. E. Smelly et al., Science 273, 483 (1996)]은 고 출력 레이저를 이용하여 금속촉매가 함유된 흑연전극이 증발되도록 하며, 탄소와 금속이 섞인 증기가 응축 되면서 단일벽 탄소나노튜브가 합성된다. 이 방법은 고 순도의 탄소나노튜브를 생성할 수는 있으나 에너지 측면에서 볼 때 효율이 적다는 문제점이 있다.

또한, 이 방법은 타겟 증발의 불균형으로 배치(Batch)과정으로 실시해야 하며, 따라서 많은 비결정성 탄소 덩어리사이에 탄소나노튜브가 생성되어 아주 복잡한 정제과정이 필요하다.

셋째 기존의 기판(Substrate) 상에 탄소나노튜브를 생성하는 열화학 증기 증착법(CVD)은 다공성 Silica[W. Z. Li et al., Science 274, 1701 (1996)]나 Zeolite [Shinohara et al., Japanese J. Appl. Phys. 37, 1357 (1998)] 기판 상에서 나노튜브를 자라게 하는 것이다. 즉, 상기 열화학 증기 증착법으로 탄소가 함유된 가스를 분해하여 탄소나노튜브를 형성시킬 수 있다. 기판 상에 탄소나노튜브를 수직 배열로 성장하게 할 수도 있으며 아크방전이나 레이저 증발법에 비하여 낮은 온도에서 탄소나노튜브를 자라게 할 수 있는 이점이 있다. 그러나 금속 촉매로 다공의 구멍을 채우는 일이 아주 복잡하여 탄소나노튜브를 대량 생산하는데 한계가 있다는 문제점이 있다.

넷째 저압에서 실시하는 플라즈마 화학 증착법[Z. F. Ren et al., Science 282, 1105 (1998)]은 아주 효율적으로 탄소나노튜브를 수직으로 정렬하여 성장하게 한다. 그러나 플라즈마 에너지로 인하여 생성된 나노튜브들이 손상을 입게 되고 플라즈마 화학 증착법에 의해 성장된 나노튜브는 저압합성으로 인하여 불안전한 구조를 형성하게 된다는 문제점이 있다.

또한 저압에서 실시하는 플라즈마 화학 증착법은 탄소나노튜브의 대량생산에 한계가 있다는 문제점이 있다.

마지막으로 탄소나노튜브 대량합성에 적합한 기상 합성법[H. M. Cheng et al., Appl. Phys. Lett. 72, 3282 (1998) and R. Andrews et al., Chem. Phys. Lett. 303, 468 (1999)]은 기존의 기판 없이 가스 상태로 고온 노 내에서 탄소나노튜브를 생산하는 것이다.

전술한 나노튜브 합성법, 예를 들어 아크 방전법, 레이저 증발법, 열화학 증착법, 플라즈마 화학 증착법 등은 탄소나노튜브를 상업적으로 대량생산해야하는 필 요성을 충족하는 일에 한계가 있다는 문제점이 있다.

또한, 탄소나노튜브를 상업적으로 광범위하게 사용하려면 고순도 고효율의 탄소나노튜브를 저렴하게 생산할 수 있어야 한다. 즉, 탄소나노튜브가 여러 분야에 응용되려면 저가, 고순도, 고효율, 대량생산 등의 문제가 해결되어야 한다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 1기압 전자파 플라즈마 토치를 이용하여 가스 상태에서 탄소나노튜브를 대량으로 합성하기 위한 전자파 플라즈마 토치를 이용한 탄소나노튜브 합성장치 및 방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 전자파를 특정위치에 집속시켜 매우 강한 전장을 유도하고 이를 통하여 온도가 높은 전자파 플라즈마 토치를 발생시키며, 탄소가 함유된 물질과 금속 촉매 물질을 토치로 통과시켜 분해한 다음 고온 노속으로 주입시켜 잘 섞이게 하고 노 출구에서 빠른 온도 강하로 탄소나노튜브가 응축되도록 한 후 응축된 탄소나노튜브를 필터를 이용하여 포획하여 탄소나노튜브가 형성되도록 하는 전자파 플라즈마 토치를 이용한 탄소나노튜브 합성장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 전력을 공급하는 전원공급부; 상기 전원공급부로부터 전력을 공급받아 소정 주파수 대역의 전자파를 방출하는 마그네트론; 상기 마그네트론으로 반사되는 반사파를 완전히 흡수하여 상 기 마그네트론을 보호하는 한편, 상기 마그네트론에서 방출된 전자파를 출력하는 순환부; 입사파와 반사파의 크기를 모니터링 하는 한편 상기 순환부를 통해 전달된 전자파를 출력하는 방향성 결합기; 상기 방향성 결합기로부터 입력되는 전자파에 대해 입사파와 반사파의 강도를 조절하여 매칭시키는 3-스터브 튜너; 내부에 전극을 갖는 팁이 형성되어 있으며, 외부로부터 주입되는 와류가스와 상기 팁에 연결된 점화장치에 의해 플라즈마를 생성시키는 방전관; 아르곤이나 질소 중 적어도 하나의 와류 가스를 상기 방전관으로 주입하는 가스 주입부; 원통형태를 가지며, 상기 가스 주입부를 통해 유입되는 활성 화학종들을 일정 시간동안 반응시켜 탄소나노튜브를 형성시키는 노; 및 공기(가스)나 물을 이용하여 상기 노에 의해 형성된 탄소나노튜브를 급속 냉각시켜 수집하고, 다른 가스는 외부로 배출하는 수집기를 포함한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예는, 전자파 에너지를 전장으로 변환하고 탄소나노튜브를 형성할 물질에 이 전장을 조사하여 탄소나노튜브를 연속적으로 대량생산하는 방법에 있어서, 플라즈마 가스, 또는 희석 가스로 이용되는 와류 가스를 방전관으로 주입하고, 마그네트론에서 방출된 입사 전자파와 반사 전자파가 테이퍼진 직사각형 도파관을 통해 전파되도록 하는 제 1 과정; 상기 와류 가스에 의해 상기 방전관 내부에 전장이 형성되도록 하는 제 2 과정; 상기 전장이 점화장치에 의해 1기압 플라즈마 토치가 형성되도록 하는 제 3 과정; 탄소 함유가스와 금속촉매 또는 금속촉매의 화합물증기를 플라즈마 토치 불꽃의 중심부로 유도하는 제 4 과정; 분자를 절연, 파괴시키고 고온 가스를 이용하여 탄소나노튜브를 형성할 물질을 원자 화하고 이온화하는 제 5 과정; 상기 이온화된 원자들을 상기 와류 가스와 혼합시키고, 상기 혼합된 가스를 고온의 노 내부로 유입시켜 탄소나노튜브를 형성시키는 제 6 과정; 및 수집기에서 온도 급강하를 하여 탄소나노튜브를 수집하는 제 7 과정으로 이루어진다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 전자파 플라즈마 토치를 이용한 탄소나노튜브 합성장치의 구성을 예시한 구성 블록도이고, 도 2는 본 발명에 적용된 전자파 플라즈마 토치와 고온 노의 구성을 예시한 단면도이다.

첨부 도면 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 전자파 플라즈마 토치를 이용한 탄소나노튜브 합성장치의 구성은 다음과 같다.

전원공급부(24)는 전파전압배율기 또는 DC 장치로 구성되며, 후술하는 마그네트론(22)으로 전력을 공급한다.

마그네트론(22)은 가정용 전자레인지에 구비되는 저출력 마그네트론이나 0.1~0.6㎾의 출력을 내는 가변 마그네트론이 이용되며, 전원공급부(110)로부터 전력을 공급받아 2.45㎓의 전자파를 방출한다. 그리고, 마그네트론(22)의 효율은 온도에 민감하므로 공기나 물을 이용하여 충분히 냉각시켜 주어야 한다.

순환부(Circulator, 28)는 마그네트론(22)으로 반사되는 반사파를 완전히 흡수하여 마그네트론(22)을 보호하는 한편, 마그네트론(22)에서 방출된 전자파를 후술하는 방향성 결합기(18)로 전달한다.

방향성 결합기(Directional Coupler, 18)는 입사파와 반사파의 크기를 모니터할 수 있도록 하는 한편 순환부(28)된 전자파를 후술하는 3-스터브 튜너(20)로 전달한다.

3-스터브 튜너(3-Stub Tuner, 20)는 후술하는 방전관(12)에서 반사파의 강도가 입사파의 1% 이내가 되도록 조절된 전자파를 방전관(12)으로 전달한다. 방전관(12)으로 전달된 전자파는 전장으로 유도되어 방전관(12)에서 가장 강하게 작용한다.

가스 주입부(30)는 아르곤이나 질소 등과 같은 와류 가스를 방전관(12)으로 주입한다.

방전관(12)은 내부에 전극의 팁이 형성되어 있으며, 상기 전극의 팁에 연결된 점화장치에 의해 플라즈마가 방전관(12)내에 생성된다.

노(26)는 원통형태를 가지며, 가스 주입부(30)를 통해 유입되는 활성 화학종들을 일정 시간동안 반응시켜 탄소나노튜브를 형성시킨다. 이때 노(26)의 내부 온도는 600~1200도이고, 반응시간은 약 10초이다.

수집기(14)는 공기(가스)나 물을 이용하여 노(26)에 의해 형성된 탄소나노튜브를 급속 냉각시켜 수집하고, 다른 가스는 외부로 배출한다.

본 발명의 기본이 되는 것은 도 1의 다이아그램(100)으로 표시된 부분이며 금속 촉매와 탄소를 함유하고 있는 혼합가스가 가스 주입 시스템(30)을 통하여 석영이나 알루미나와 같은 절연 유전물질로 만들어진 방전관(12) 내로 주입된다. 가 스 주입 시스템(30)은 혼합가스와 와류(Swirl) 가스가 주입될 수 있는 입구들이 설치되어있다. 2.45㎓ 전자파와 다양한 크기의 석영관을 이용한 실험 데이터에 의하면 석영관 두께가 1.5mm이고 지름이 22 ~ 30mm일 때에 가장 좋은 플라즈마 불꽃이 생성되는 것을 관찰하였다. 대부분 플라즈마 토치 불꽃의 지름은 약 20mm이며 석영관의 내부 지름을 증가해도 플라즈마 불꽃 지름이 증가하지는 않는다.

전원공급장치(24)는 전파전압배율기나 DC 장치로 구성되며, 전자파를 방출하는 마그네트론(22)에 전력을 공급한다. 마그네트론(22)의 효율은 온도에 민감함으로 마그네트론(22)은 공기나 물로 충분히 냉각시켜 주어야 한다. 마그네트론(22)에서 방출된 전자파는 순환부(28), 방향성 결합기(18) 그리고 3-스터브 튜너(20)을 차례로 지나 방전관(12)으로 들어간다. 본 발명에서 사용된 마그네트론(22)은 2.45㎓의 전자파를 방출하는 것으로 가정용 전자레인지 속에 있는 저출력 마그네트론이나 0.1~6㎾의 출력을 내는 가변 마그네트론이 사용되었다. 3-스터브 튜너(20)을 조절함으로서 전자파로 유도된 전장이 방전관(12)에서 가장 강하게 한다. 또한 3-스터브 튜너(20)에 의해 반사파의 강도가 입사파의 1% 이내가 되도록 조절되며 튜닝 스터브(Tuning Stub)가 없어도 반사파 강도는 입사파의 10% 보다 작다. 순환부(28)가 반사파를 완전히 흡수함으로서 마그네트론(22)을 보호한다. 방향성 결합기(18)를 통하여 입사파와 반사파의 크기를 모니터할 수 있다.

전극의 팁이 방전관(12)내에 있도록 구성된 점화장치가 방전관(12)내에 플라즈마의 생성을 시작하게 한다. 와류 가스의 입력은 방전관(12)내의 토치 불꽃을 안정화시키며 방전관(12)내 옆으로 주입된 가스는 방전관(12)내에 와류를 형성하여 토치 불꽃을 안정화 시키고 섭씨 5,000 도의 불꽃에서 방출되는 열로부터 석영으로 만들어진 방전관(12)의 내벽을 보호한다. 그러므로 와류 가스는 방전관(12)을 열적으로 보호하고 플라즈마 토치 불꽃을 안정화하는 것이다. 아르곤이나 질소가 와류 가스로 사용되며 가스 주입 시스템(30)을 통하여 와류 가스로 방전관(12)으로 주입된다. 탄소를 함유하고 있는 가스가 탄소가 함유되지 않은 가스와 섞이기도 하는데, 탄소가 함유되지 않은 가스는 탄소나노튜브를 생성하는 데에 직접적인 영향을 미치지는 않지만 여러 부수적인 역할을 하게 된다. 예를 들어, 비결정질 탄소가 부산물로 촉매 표면에 형성되는데 이러한 부산물을 탄소가 함유되지 않은 가스가 촉매 표면을 청결하게 하여 탄소나노튜브가 쉽게 형성될 수 있도록 도와주는 것이다.

방전관(12)은 온도조절을 할 수 있는 고온 원통 노(26)와 연결되어 있다. 활성 화학종들이 플라즈마 토치를 통하여 반응시간과 온도 등 탄소나노튜브가 형성될 수 있는 환경을 제공해 주는 노(26)속으로 주입된다. 노(26)의 출구는 탄소나노튜브의 수집기(14)와 연결되어 있는데, 이 수집기(14)는 공기나 물로 냉각되어 탄소나노튜브의 온도가 급격히 내려가도록 하였다.

도 2는 첨부 도면 도 1에서 도면 부호 100으로 표시된 점선 블록의 실제 장치의 단면도이다.

먼저 와류 가스는 주입구(32)를 통하여 주입된다. 와류 가스는 방전관(12) 옆으로 들어가서 방전관(12)내에 와류를 형성하고 토치 불꽃을 안정화 시키고 방전관(12)의 내벽을 보호한다.

방전관(12)은 스테인레스 스틸로 만들어진 홀더(40)에 설치되어 있고, 마그네트론(22)에서 방출된 전자파(22a)는 테이퍼진 도파관(10)을 통하여 전파된다. 이때 첨부 도면 부호 60은 플라즈마 토치 불꽃을 표시하는 것이며, 점화장치(44)의 도움으로 강한 전장이 와류 가스로 주입된 기체를 절연파괴하여 토치 불꽃을 발생시킨다.

점화장치(44)는 알루미나 관으로 절연된 텅스텐 전극(45)으로 만들어져 있으며, 탄소를 함유한 가스(34)와 전이 금속촉매를 함유한 물질(36)이 주입관(34a)(36a)을 통하여 플라즈마 불꽃의 중심부로 유도된다.

또한, 전이금속촉매를 함유한 물질(36)은 초음파 장치(38)를 통하여 기체화되며, 아르곤과 같은 불활성 가스에 의해 운반된다.

그리고 탄소를 함유한 가스(34)와 전이금속촉매를 함유한 물질(36)은 플라즈마 불꽃(60)에 있는 와류 가스에 의하여 잘 섞이고 희석되어 진다. 상기 와류가스와 같은 희석 가스는 탄소나노튜브를 생성하는 데에 직접적으로 영향을 미치지는 않아도 여러 부수적인 역할을 하게 된다. 예를 들어, 비결정질 탄소가 부산물로 촉매 표면에 형성되는데 이러한 부산물을 탄소가 함유되지 않은 가스가 촉매의 표면을 청결하게 하여 탄소나노튜브가 쉽게 형성될 수 있도록 도와주는 것이다. 예를 들어, 수소가스는 촉매표면에 형성된 원치 않는 비결정 탄소를 에칭한다.

일반적으로 탄소나노튜브를 형성하는 물질(34)로는 일산화탄소, 탄소 입자, 액체 또는 기체 탄화수소, 산소를 함유하고 있는 탄화수소 등이다. 탄소를 제공하는 물질로서 탄화수소가 적절하며 방향족 탄화수소가스로는 벤젠, 톨루엔, 에틸벤 젠, Phenanthrene 등이며, 메탄, 에탄, 프로페인, 부탄, 펜탄, 헥산(Hexane), Cyclohexane, 에틸렌, 아세틸렌, 그리고, 산소를 함유하고 있는 탄화수소로는 아세톤, 메탄올, Acetaldehyde 등이며 이러한 것들을 두 가지 이상 섞어 사용할 수 있다. 본 발명에서 사용된 탄소 화합물 (34)은 메탄, 에틸렌 그리고 아세틸렌이다.

또한, 촉매나 촉매함유 물질(36)로는 전이금속촉매가 적절하다. 특히 자주 사용되는 전이금속촉매로는 철, 니켈, 코발트, Molybdenum, Yttrium 등이며, 상기 원소들을 둘 이상 섞어서 사용될 수도 있다. 이러한 전이금속이나 다른 전이금속을 섞은 것들을 탄소나노튜브 성장촉매로 사용할 수 있다.

그리고, 촉매를 금속 그 자체로 사용할 수 있지만 플라즈마 토치 불꽃 속에서 금속이 원자로 분해하여 나올 수 있도록 하는 것이 더욱 바람직하다. 상기 촉매금속을 포함한 물질로는 전이금속이 함유된 유기금속 화합물이 바람직하며 본 발명에서는 한 예로서 Iron Pentacarbonyl를 사용하였다.

전자파의 전장에 의해서 절연파괴로 생긴 플라즈마 토치는 높은 온도로 분자를 분리하게 되고, 따라서 탄소(34)와 금속촉매(36)를 함유하고 있는 운반가스를 분해하고 이온화한다. 플라즈마 토치에서 생긴 활성 화학종들은 화학반응을 유도한다. 혼합가스속의 화학종들은 온도가 섭씨 600~1,200도 사이의 노(26)속을 통과하면서 반응하여 탄소나노튜브(96)를 생성한다.

노(26)는 탄소가 지나가면서 성장할 수 있는 환경을 제공해 준다. 노(26) 속에서의 반응시간과 노(26)의 온도는 생성된 탄소나노튜브의 지름과 길이를 결정하는 요소가 된다. 탄소나노튜브가 자라기 위한 적절한 노(26)의 온도는 섭씨 600~1,200도이다.

노(26)의 온도는 전체적으로 일정할 수 있고 노(26) 출구 쪽으로 감소할 수도 있다. 노(26)속에서의 반응시간은 대략 10초 정도이다.

생성된 탄소나노튜브(96)는 노(26) 출구에서 신속하게 온도강하 되며, 스테인레스 스틸로 만들어진 수집기(14)에 모아진다. 수집기(14)내에는 필터 백(52)이 들어 있어서 탄소나노튜브(96)는 수집되고, 다른 가스 (98)는 집진기(14)의 출구를 통하여 배출된다. 노(26) 출구에 연결된 수집기(14)에서의 갑작스런 온도강하로 인하여 기존의 Batch 방법에서 사용된 것 보다는 훨씬 쉽게 탄소나노튜브를 모을 수 있다. 노(26)의 온도와 온도 강하 시스템을 조절하고 노속에서의 반응시간을 조절함으로서 탄소나노튜브의 지름과 길이를 조절할 수 있다.

도 3과 4는 본 발명을 이용한 실험을 실시한 결과를 제시한 사진과 그래프이다.

도 3은 본 발명 장치를 이용하여 합성된 탄소나노튜브 샘플을 Scanning Electron Microscope(SEM)을 이용하여 찍은 사진이다.

첨부 도면 도 3에 도시된 바와 같이 합성된 탄소나노튜브 샘플은 수집기(14)의 내부에 있는 필터 백(52)에 모아진 나노튜브 일부를 채취하여 SEM 사진을 찍은 것이다. 전이금속촉매의 원자에 붙어 자란 나노튜브들이 날라 와서 필터 백(52)에 무작위로 모여 있는 것이 마치 스파게티가 엉겨 있는 것과 흡사하다.

도 4는 본 발명 장치를 이용하여 합성된 탄소나노튜브 샘플의 Raman spectrum이다.

상기 Raman Spectrum은 Nd:YAG의 여기 레이저(파장: 1064 nm)를 이용한 Raman Spectrometer(BRUKER RES 100/S)로 찍은 것으로서, G-선이 도 4의 1584 cm-1 Raman Shift에 분명하게 보이며, 이는 흑연 판 (Graphite Sheet)의 대표적인 선이다.

또한, 도 4에서 Raman Shift 1544 cm-1은 다른 지름을 가진 단일벽 탄소나노튜브가 샘플에 존재한다는 것을 의미한다. 그리고 400 cm-1~1000 cm-1 범위에 있는 Raman Shift Peak들은 여러 다른 길이의 탄소나노튜브가 존재하는 것을 나타낸다. 도 4의 1264 cm-1의 Raman Shift Peak는 탄소나노튜브의 흑연표면에 결함이 있거나 비교적 낮은 온도에서 성장한 탄소류의 입자들일 수 있다.

[실험예 1]

사용된 장치는 첨부 도면 도 2와 같다. 평균 지름이 80nm이고, 평균 길이가 1.5㎛인 탄소나노튜브들이 합성되며, 이때 아르곤을 와류 가스나 희석 가스로 사용한다. 그리고 아세틸렌을 탄소함유 가스로, Iron Pentacarbonyl을 전이금속촉매로 사용한다. 아르곤 가스가 금속촉매를 운반하고, 와류 가스의 유량은 15liters per minute(lpm)이며, 아세틸렌과 촉매의 유량은 각각 100과 50standard cubic centimeters per minute(sccm)이다. 그리고 전자파 출력은 1.6 ㎾이며, 방전관의 지름은 30mm이고, 노의 길이는 55cm이다. 이때, 수집기 시스템과 노의 온도는 각각 섭씨 25도와 650~700도로 유지되어야 한다

[실험예 2]

사용한 장치는 도 2와 같다. 평균 지름이 100nm이고, 평균 길이가 1 ㎛인 탄소나노튜브들이 합성되며, 이때 아르곤을 와류 가스나 희석 가스로 사용하며, hexane을 탄소함유 가스로, 그리고 Iron Pentacarbonyl을 전이금속촉매로 사용한다. 이때 와류 가스의 유량은 5lpm이고, hexane의 유량은 1000sccm이다. 또한 전자파 출력은 1.2㎾이며, 방전관의 지름은 26mm이고 노의 길이는 55cm이다. 이때 수집기 시스템과 노의 온도는 각각 섭씨 25도와 650~ 700도로 유지되어야 한다.

[실험예 3]

사용한 장치는 도 2와 같다. 평균 지름이 100nm이고, 평균 길이가 1.5㎛인 탄소나노튜브들이 합성된다. 이때 질소를 와류 가스나 희석 가스로 사용되고, 아세틸렌을 탄소함유 가스로, 그리고 Iron Pentacarbonyl을 전이금속촉매로 사용한다. 상기 전이금속촉매 화합물은 아르곤으로 운반되며, 와류 가스의 유량은 10lpm이며, 아세틸렌과 촉매의 유량은 각각 100과 50sccm이였다. 또한 전자파 출력은 1.6㎾이며, 방전관의 지름은 30mm이고 노의 길이는 55cm이다. 이때 수집기 시스템과 노의 온도는 각각 섭씨 25도와 750~800도로 유지되어야 한다.

[실험예 4]

사용한 장치는 도 2와 같다. 탄소나노튜브들이 합성된다. 이때 질소를 와류 가스나 희석 가스로 사용하며, 아세틸렌을 탄소함유 가스로, 그리고 xylene에 ferrocene을 용해한 것을 전이금속촉매의 화합물로 사용한다. 그리고 전이금속 촉매 화합물은 아르곤으로 운반되며, 이때. 와류 가스의 유량은 15lpm이며 아세틸렌과 촉매의 유량은 각각 100과 50sccm이다. 또한, 전자파 출력은 1.6㎾이며, 방전관의 지름은 30mm이고 노의 길이는 55cm이다. 이때 수집기 시스템과 노의 온도는 각각 섭씨 25도와 650~700도로 유지되어야 한다.

따라서, 본 발명은 전자파 플라즈마 토치를 이용하여 1기압에서 탄소나노튜브를 대량생산하는 효과가 있으며, 탄소나노튜브가 전기적 내지는 기계적 특성 때문에 다방면에 적용될 것으로 기대되고 있다.

그러나 생산할 때에 너무나 많은 비용이 들어 탄소나노튜브를 실생활에 응용한다는 것은 아직 어려운 현실이기 때문에 탄소나노튜브를 저렴하게 대량 생산할 수 있다면 직접 우리 생활에 응용이 가능하며, 이러한 관점에서 전자파 플라즈마 토치와 고온 노를 함께 사용함으로서 1기압에서 On-Line 시스템으로 탄소나노튜브를 대량 생산할 수 있다는 효과가 있다.

또한, 본 발명이 실용화 되면, 더욱 저렴하게 탄소나노튜브를 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 탄소나노튜브의 대량 생산을 위한 기술적인 기반이 조성될 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 부수적인 효과로 본 발명에서 기술된 내용을 기초로 하여 본 발명의 변형, 개조, 그리고 다른 배열로 탄소나노튜브를 합성하거나, 비 탄소계 나노 튜브를 합성할 수도 있으며 다른 화합물을 합성하는 데에도 사용될 수 있다.

또한, 본 발명은 전자파를 특정위치에 집속시켜 매우 강한 전장을 유도하고 이를 통하여 온도가 높은 전자파 플라즈마 토치를 발생시키며, 탄소가 함유된 물질과 금속 촉매 물질을 토치로 통과시켜 분해한 다음 고온 노속으로 주입시켜 잘 섞이게 하고 노 출구에서 빠른 온도 강하로 탄소나노튜브가 응축되도록 한 후 응축된 탄소나노튜브를 필터를 이용하여 포획하여 탄소나노튜브가 형성되도록 함으로써 효율을 더 증대하고 나노튜브의 순도를 더욱 높일 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims

전력을 공급하는 전원공급부;

상기 전원공급부로부터 전력을 공급받아 소정 주파수 대역의 전자파를 방출하는 마그네트론;

상기 마그네트론으로 반사되는 반사파를 완전히 흡수하여 상기 마그네트론을 보호하는 한편, 상기 마그네트론에서 방출된 전자파를 출력하는 순환부;

입사파와 반사파의 크기를 모니터링 하는 한편 상기 순환부를 통해 전달된 전자파를 출력하는 방향성 결합기;

상기 방향성 결합기로부터 입력되는 전자파에 대해 입사파와 반사파의 강도를 조절하여 매칭시키는 3-스터브 튜너;

내부에 전극을 갖는 팁이 형성되어 있으며, 외부로부터 주입되는 와류가스와 상기 팁에 연결된 점화장치에 의해 플라즈마를 생성시키는 방전관;

아르곤이나 질소 중 적어도 하나의 와류 가스를 상기 방전관으로 주입하는 가스 주입부;

원통형태를 가지며, 수평으로 전자파 플라즈마 토치에 연결되어 상기 가스 주입부를 통해 유입되는 활성 화학종들을 일정 시간동안 반응시켜 탄소나노튜브를 형성시키는 노; 및

공기(가스)나 물을 이용하여 상기 노에 의해 형성된 탄소나노튜브를 급속 냉각시켜 수집하고, 다른 가스는 외부로 배출하는 수집기;

를 포함하는 전자파 플라즈마 토치를 이용한 탄소나노튜브 합성장치.
제 1항에 있어서, 상기 마그네트론은,

2.45㎓에서 출력이 0.1~6㎾인 전자파를 발진시키는 것을 특징으로 하는 전자파 플라즈마 토치를 이용한 탄소나노튜브 합성장치.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 노의 길이는,

35cm 내지 60cm 중 하나인 것을 특징으로 하는 전자파 플라즈마 토치를 이용한 탄소나노튜브 합성장치.
제 1항에 있어서, 상기 가스주입부는,

상기 와류 가스가 상기 방전관으로 주입될 수 있는 여러 개의 주입구를 갖는 것을 특징으로 하는 전자파 플라즈마 토치를 이용한 탄소나노튜브 합성장치.
제 1항에 있어서, 상기 노의 내부 온도는,

섭씨 600~1,200도 사이인 것을 특징으로 하는 전자파 플라즈마 토치를 이용한 탄소나노튜브 합성장치.
전자파 에너지를 전장으로 변환하고 탄소나노튜브를 형성할 물질에 이 전장을 조사하여 탄소나노튜브를 연속적으로 대량생산하는 방법에 있어서,

플라즈마 가스, 또는 희석 가스로 이용되는 와류 가스를 방전관으로 주입하고, 마그네트론에서 방출된 입사 전자파와 반사 전자파가 테이퍼진 직사각형 도파관을 통해 전파되도록 하는 제 1 과정;

상기 와류 가스에 의해 상기 방전관 내부에 전장이 형성되도록 하는 제 2 과정;

상기 전장이 점화장치에 의해 1기압 플라즈마 토치가 형성되도록 하는 제 3 과정;

탄소 함유가스와 금속촉매 또는 금속촉매의 화합물증기를 플라즈마 토치 불꽃의 중심부로 유도하는 제 4 과정;

분자를 절연, 파괴시키고 고온 가스를 이용하여 탄소나노튜브를 형성할 물질을 원자화하고 이온화하는 제 5 과정;

상기 이온화된 원자들을 상기 와류 가스와 혼합시키고, 상기 혼합된 가스를 고온의 노 내부로 유입시켜 1기압에서 탄소나노튜브가 성장되도록 하는 제 6 과정; 및

수집기에서 온도 급강하를 하여 탄소나노튜브를 수집하는 제 7 과정;

으로 이루어진 전자파 플라즈마 토치를 이용한 탄소나노튜브 합성방법.
제 7 항에 있어서, 상기 제 6 과정에서 탄소나노튜브는,

상기 섭씨 600~1,200도 사이에서 성장되는 것을 특징으로 하는 전자파 플라즈마 토치를 이용한 탄소나노튜브 합성방법.
삭제
제 7 항에 있어서, 상기 제 5 과정은,

전이금속촉매를 1기압에서 원자화하는 것을 특징으로 하는 전자파 플라즈마 토치를 이용한 탄소나노튜브 합성방법.
제 7 항에 있어서, 상기 제 6 과정은,

탄소를 함유한 가스가 와류 가스에 주입시켜 혼합되도록 하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자파 플라즈마 토치를 이용한 탄소나노튜브 합성방법.
제 7 항에 있어서, 상기 제 4 과정에서, 상기 금속촉매 또는 금속촉매를 함유한 물질은,

주입구가 다수개 구비된 가스주입수단을 통해 주입되고, 섭씨 600~1,200도 사이의 온도에 의하여 원자화되는 것을 특징으로 하는 전자파 플라즈마 토치를 이 용한 탄소나노튜브 합성방법.