KR100721719B1 - 반응 챔버 및 상기 반응 챔버가 구비된 탄소 나노 튜브 생산 설비, 그리고 탄소 나노 튜브 생산 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반응 챔버 및 상기 반응 챔버가 구비된 탄소 나노 튜브 생산 설비, 그리고 탄소 나노 튜브 생산 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 반응 챔버는 합성기판이 반입되어 상기 합성기판 상에 탄소 나노 튜브의 생성이 이루어지는 반응로, 상기 반응로 일측에 배치되는 제 1 플랜지, 상기 반응로 타측에 배치되는 제 2 플랜지, 상기 반응로 외부에 배치되어 상기 반응로를 가열시키는 가열부, 그리고 상기 가열 부재를 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 가열부는 상기 반응로의 중앙 영역을 가열하는 중앙부 가열기, 상기 반응로의 양측 영역을 가열하는 측부 가열기를 포함하고, 상기 제어부는 상기 중앙부 가열기와 상기 측부 가열기 각각을 독립적으로 제어한다. 본 발명에 따르면, 탄소 나노 튜브의 생성이 이루어지는 반응로의 온도를 구역별로 조절이 가능하여 탄소 나노 튜브의 생성 수율을 증가할 수 있다.

탄소 나노 튜브, 탄소 나노 튜브 생성, 탄소 나노 튜브 생성 설비, 반응 챔버, 반응로, 가열부, 가열장치

Description

반응 챔버 및 상기 반응 챔버가 구비된 탄소 나노 튜브 생산 설비, 그리고 탄소 나노 튜브 생산 방법{REACTION CHAMBER AND FACILITY FOR PRODUCING CARBON NANO TUBE WITH IT AND METHOD FOR PRODUCING CARBON NANO TUBE}

도 1은 본 발명에 따른 탄소 나노 튜브 생산 설비의 구성도이다.

도 2는 도 1의 반응 챔버의 구성도이다.

도 3는 도 1의 촉매도포부의 구성도이다.

도 4은 도 3에 표시된 A-A′선을 따라 절단된 평면도이다.

도 5a 내지 도 5c는 촉매 도포부에서의 촉매 도포 과정을 단계적으로 설명하기 위한 도면들이다.

도 6는 도 1의 기판 보관부와 제 1이송장치를 보여주는 평면도이다.

도 7은 기판 보관부의 측면도이다.

도 8은 기판 보관부의 카세트를 보여주는 사시도이다.

도 9은 제 1 이송장치의 사시도이다.

도 10는 도 1의 회수부의 사시도이다.

도 11은 도 10의 회수부의 평면도이다.

도 12은 회수부에서의 탄소 나노 튜브 회수 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 13는 탄소 나노 튜브 생성을 위한 설비에서의 공정 순서도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100 : 반응 챔버

200 : 스테이션부

300 : 제 1 이송장치

400 : 기판 보관부

500 : 촉매 도포부

600 : 회수부

700 : 제 2 이송장치

본 발명은 반응 챔버 및 상기 반응 챔버가 구비된 탄소 나노 튜브 생산 설비, 그리고 탄소 나노 튜브 생산 방법에 관한 것이다.

탄소 나노 튜브(Carbon Nano tubes)는 하나의 탄소 원자에 이웃하는 세 개의 탄소 원자가 결합되어 육각 환형을 이루고, 이러한 육각 환형이 벌집 형태로 반복된 평면이 말려 원통형 또는 튜브를 이룬 형태를 가진다.

탄소 나노 튜브는 그 구조에 따라 금속적인 도전성 또는 반도체적인 도전성을 나타낼 수 있는 성질의 재료로서 여러 기술 분야에 폭넓게 응용될 수 있어 미래의 신소재로 각광을 받고 있다. 예컨대, 탄소 나노 튜브는 이차 전지, 연료 전지 또는 수퍼 커패서티(Super-Capacitor)와 같은 전기 화학적 저장 장치의 전극, 전자파 차폐, 전계 방출 디스플레이, 또는 가스 센서 등에 적용가능하다.

이러한 탄소 나노 튜브는 대부분 수작업에 의존한 소량 생산으로 이루어진다. 특히, 합성기판에 촉매를 도포하는 작업이나, 합성기판을 반응관에 로딩/언로딩하는 작업, 탄소 나노 튜브가 합성된 합성기판을 반응관에서 언로딩하여 합성기판으로부터 탄소 나노 튜브를 회수하는 과정 등이 작업자에 의해 진행되기 때문에 연속공정 및 대량 생산이 어렵다.

또한, 종래의 탄소 나노 튜브를 생성하는 반응로는 하나의 가열장치에 의해 내부가 가열되었다. 예컨대, 종래 기술에 따른 반응 챔버는 탄소 나노 튜브의 생성이 이루어지는 반응로, 상기 반응로의 양측에 설치되는 제 1 및 제 2 플랜지를 포함한다. 상기 제 1 및 제 2 플랜지와 상기 반응로의 접촉면에는 상기 반응로 내부를 외부 환경으로부터 밀폐하는 실링부재가 구비된다. 그러나 상기 실링부재는 고온의 공정온도를 갖는 상기 반응로의 열로 인해 손상될 수 있다. 그리하여, 상기 반응 챔버에는 상기 실링부재의 냉각을 위한 냉각라인이 구비되나, 상기 냉각라인에 의해 상기 반응로의 온도 분포가 다른 영역이 발생되었다. 공정시 반응로의 온도 분포가 균일하지 않으면, 탄소 나노 튜브 생성의 수율 및 특성이 저하된다.

본 발명은 탄소 나노 튜브의 대량 생산이 가능한 탄소 나노 튜브 생성 설비 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 자동화된 탄소 나노 튜브 생성 설비 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 목적은 연속공정이 가능하도록 하여 설비 가동률을 향상시킬 수 있는 탄소 나노 튜브 생성 설비 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 목적은 탄소 나노 튜브를 생성하는 반응로의 온도를 균일하게 유지시킬 수 있는 탄소 나노 튜브 생성 설비 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반응 챔버는 합성기판이 반입되어 상기 합성기판 상에 탄소 나노 튜브의 생성이 이루어지는 반응로, 상기 반응로 일측에 배치되는 제 1 플랜지, 상기 반응로 타측에 배치되는 제 2 플랜지, 상기 반응로 외부에 배치되어 상기 반응로를 가열하는 가열부, 그리고 상기 가열부를 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 가열부는 상기 반응로의 중앙 영역을 가열하는 중앙부 가열기, 상기 반응로의 양측 영역을 가열하는 측부 가열기를 포함하고, 상기 제어부는 상기 중앙부 가열기와 상기 측부 가열기 각각을 독립적으로 제어한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제 1 플랜지에는 상기 반응로 내부로 소스가스를 공급하기 위한 가스공급라인이 설치되고, 상기 제 2 플랜지에는 상기 반응로 내부에서 발생되는 반응 부산물을 배기하는 배기라인이 설치된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 측부 가열부는 상기 제 1 플랜지와 인접한 상기 반응로의 영역을 가열하는 제 1 가열기 및 상기 제 2 플랜지와 인접한 상기 반응로의 영역을 가열하는 제 2 가열기를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 제 1 가열기와 상기 제 2 가열기 각각을 독립적으로 제어한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제어부는 공정시 상기 중앙 영역의 온도와 상기 양측 영역의 온도가 일치하도록 상기 중앙부 가열기와 상기 측부 가열기를 제어한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 반응 챔버는 상기 제 1 및 제 2 플랜지와 상기 반응로 사이 각각에 설치되어 상기 반응로 내부를 외부 환경으로부터 밀폐하는 실링부재 및 상기 제 1 및 제 2 플랜지에 설치되어, 상기 실링부재를 냉각하는 냉각라인을 더 구비한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소 나노 튜브 생성 설비는 합성기판에 탄소 나노 튜브의 생성 공정이 이루어지는 반응 챔버, 상기 반응 챔버와 연결되며, 상기 반응 챔버로/로부터 합성기판들을 로딩/언로딩하는 제 1 이송장치가 내부에 설치되는 스테이션부, 상기 반응 챔버로 로딩될 합성기판들과 상기 반응 챔버로부터 언로딩된 합성기판들이 대기하는 기판 보관부, 상기 기판 보관부로부터 합성기판을 인출하여 합성기판에 생성된 탄소 나노 튜브를 회수하는 회수부,상기 회수부에서 탄소 나노 튜브를 회수한 합성기판의 표면에 촉매를 도포하는 촉매 도포부, 그리고 상기 회수부, 상기 촉매 도포부, 그리고 상기 기판 보관부 상호간에 합성기판 이송을 담당하는 제 2 이송장치를 포함하되, 상기 반응 챔버는 합성기판이 인입되어 상기 합성기판에 탄소 나노 튜브의 생성 공정이 이루어지는 공간을 제공하고 내부는 서로 다른 온도를 갖는 가열 영역으로 구획되는 반응로, 상기 반응로 일측에 배치되는 제 1 플랜지, 상기 반응로 타측에 배치되는 제 2 플랜지, 상기 반응로 외부에 배치되어 상기 반응로를 가열하는 가열부, 그리고 상기 가열부를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 가열부는 상기 반응로의 중앙 영역을 가열하는 중앙부 가열기, 상기 반응로의 양측 영역을 가열하는 측부 가열기를 포함하고, 상기 제어부는 상기 중앙영역 가열기와 상기 측부 가열기 각각을 독립적으로 제어한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제 1 플랜지에는 상기 반응로 내부로 소스가스를 공급하기 위한 가스공급라인이 설치되고, 상기 제 2 플랜지에는 상기 반응로 내부에서 발생되는 반응 부산물을 배기하는 배기라인이 설치된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 측부 가열기는 상기 제 1 플랜지와 인접한 상기 반응로의 영역을 가열하는 제 1 가열기 및 상기 제 2 플랜지와 인접한 상기 반응로의 영역을 가열하는 제 2 가열기를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제어부는 공정시 상기 중앙 영역의 온도와 상기 양측 영역의 온도가 일치하도록 상기 중앙부 가열기와 상기 측부 가열기를 제어한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 반응 챔버는 상기 제 1 및 제 2 플랜지와 상기 반응로 사이 각각에 설치되어 상기 반응로 내부를 외부 환경으로부터 밀폐하는 실링부재 및 상기 제 1 및 제 2 플랜지에 설치되어, 상기 실링부재를 냉각하는 냉각라인을 더 구비한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소 나노 튜브를 생성하는 방 법은 상기 반응 챔버에 설치된 냉각라인을 흐르는 냉각 유체에 의해 상기 반응로 내 영역에 따라 온도가 불균일하게 되는 것을 최소화하기 위해, 상기 반응로 주변에 서로 상이한 영역을 가열하는 복수의 가열기들을 배치하고, 상기 가열기 각각을 독립적으로 제어한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 가열기들은 상기 반응로의 중앙 영역을 가열하는 중앙부 가열기, 상기 반응로의 양측 영역을 가열하는 측부 가열기를 포함하되, 상기 중앙부 가열기와 상기 측부 가열기 각각은 공정시 상기 중앙 영역과 상기 양측 영역의 온도가 일치하도록 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 반응 챔버 및 상기 반응 챔버가 구비된 탄소 나노 튜브 생산 설비, 그리고 탄소 나노 튜브 생산 방법를 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되는 것은 아니다. 본 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공된 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상은 명확한 설명을 강조하기 위해 과장된 것이다.

(실시예)

도 1은 본 발명의 탄소 나노 튜브 생산 설비의 일 예를 개략적으로 보여주는 구성도이다. 도 1을 참조하면, 설비(1)는 합성기판(10), 반응 챔버(100), 그리고 전후처리실를 갖는다.

합성기판(10)은 탄소 나노 튜브(도 7의 30)의 합성이 이루어지는 기저판(base plate)으로서 사용된다. 탄소 나노 튜브(30)가 합성되는 합성기판(10)으로는 실리콘 웨이퍼(silicon wafer), ITO(Induim Tin Oxide) 기판, 코팅된 유리(ITO-coated glass), 소다라임 유리, 코닝 유리, 전이금속, 알루미나 등이 사용될 수 있다. 그러나 탄소 나노 튜브(30)를 합성(성장,생성)시키기에 충분한 강성을 가진다면 합성 기판은 상술한 종류의 기판 외에 다양한 종류가 사용될 수 있다.

반응 챔버(100)는 합성 기판(10) 상에 탄소 나노 튜브(30)를 생성하는 공정을 수행하고, 전후처리실은 반응 챔버(100)로/로부터 로딩/언로딩되는 합성기판(10)에 대한 전처리 공정 및 후처리 공정을 수행한다. 전처리 공정 및 후처리 공정은 기판에 촉매(20)를 도포하는 공정, 또는 합성 기판 상에 생성된 탄소 나노 튜브(30)를 회수하는 공정 등을 포함한다. 전후처리실은 스테이션부(200), 제 1 이송장치(300), 기판 보관부(400), 촉매 도포부(500), 회수부(600), 그리고 제 2 이송장치(700)를 가진다.

스테이션부(200)는 반응 챔버(100)로부터 언로딩되는 합성기판(10)이 대기 중에 노출되는 것을 방지한다. 제 1 이송장치(300)는 반응 챔버(100)로/로부터 합성기판을 로딩/언로딩한다. 기판 보관부(400)는 반응 챔버(100)로/로부터 로딩되거나 언로딩되는 합성기판을 저장한다. 촉매 도포부(500)는 합성기판(10)이 반응 챔버(100)로 로딩되기 전에 합성기판(10) 상에 촉매(20)를 도포하는 공정을 수행한다. 회수부(600)는 반응 챔버(100)로부터 언로딩된 합성 기판(10) 상에 생성된 탄소 나노 튜브(30)를 합성 기판(10)으로부터 회수하는 공정을 수행한다. 제 2 이송 장치(700)는 기판 보관부(400), 촉매 도포부(500), 그리고 회수부(600) 간에 합성기판(10)을 이송한다.

일 예에 의하면, 스테이션부(200)는 반응 챔버(100)의 일측에 반응 챔버(100)와 나란하게 배치된다. 스테이션부(200)는 제 1 영역(240)과 제 2 영역(260)을 가진다. 제 1 영역(240)은 반응 챔버(100)와 인접하게 배치되며, 제 1영역(240)에는 기판 저장부(400)가 위치된다. 제 2 영역(260)은 제 1 영역(240)을 기준으로 반응 챔버(100)와 반대 방향에 제공되며 제 1 이송장치(300)가 위치된다. 반응 챔버(100)와 제 2 영역(260)은 제 1방향(42)으로 동일 선상에 위치되도록 배치된다. 제 1 영역(240)은 상부 영역(242)와 하부 영역(244)를 가진다. 상부 영역(242)는 반응 챔버(100) 및 제 2 영역(260)과 동일 선상에 위치되는 영역이고, 하부 영역(244)는 상부 영역(244)로부터 제 1 방향(42)과 수직한 제 2방향(44)으로 연장되는 영역이다. 제 1영역(240)과 제 2 영역(260)은 각각 대체로 직사각의 형상을 가진다. 상술한 구조로 인해, 스테이션부(200)는 전체적으로 대체로 'ㄱ'자 형상을 가진다. 촉매 도포부(500)와 회수부(600), 그리고 제 2 이송장치(400)는 스테이션부(200)와 인접하게 위치되며, 제 1 영역(240)의 상부 영역(242)을 기준으로 하부 영역(244)과 반대되는 위치에 제 1 방향(42)과 평행한 방향으로 나란하게 배치된다. 제 2 이송장치(400)는 스테이션부(200)의 제 1 영역(240)과 대향되는 위치에 배치된다. 또한, 제 2 이송장치(400)는 촉매 도포부(500)와 회수부(600) 사이에 위치된다.

다음에는 본 발명의 설비의 각각의 구성요소에 대해 상세히 설명한다.

도 1을 참조하면, 반응 챔버(100)는 반응로(reaction tube)(120), 제 1 및 제 2 플랜지(flange)(132, 134), 가열부(heating member)(140), 제어부(control member)(150) 그리고 보트(boat)(160)를 갖는다. 반응로(120)는 석영(quartz) 또는 그라파이트(graphite) 등과 같이 열에 강한 재질로 이루어진다. 반응로(120)는 대체로 원통 형상으로 제공될 수 있다. 반응로(120)의 전단과 하단에는 반응로(120) 내부를 외부로부터 밀폐하는 제 1 및 제 2 플랜지(132, 134)가 설치된다. 반응로(120) 내에는 합성기판(10)들이 놓여지는 보트(160)가 설치된다.
*제 1 플랜지(132)는 반응로(120)의 전단에 배치된다. 제 1 플랜지(132)에는 가스공급부(미도시됨)로부터 공급되는 소스가스를 반응로(120) 내부로 공급시키는 적어도 하나의 가스공급라인(182)이 설치된다. 가스공급라인(182)은 공정시 가스공급원(미도시됨)으로부터 반응로(120) 내부로 소스가스를 공급시킨다. 여기서, 소스가스로는 주로 아세틸렌, 에틸렌, 메탄, 벤젠, 크실렌, 일산화탄소 및 이산화탄소로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 하나가 사용될 수 있다. 소스가스는 열분해에 의해 라디칼로 분해되며, 이 라디칼들이 합성기판 위에 도포된 촉매와 반응하여 탄소나노튜브를 합성한다.

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제 1 플랜지(132)와 반응로(120)의 접촉면에는 반응로(120) 내부를 외부 환경으로부터 밀폐하는 실링부재(132a)가 설치된다. 실링부재(132a)로는 오링(O-ring)이 사용될 수 있다. 실링부재(132a)는 반응로(120)가 고온으로 유지된 상태에서 공정이 수행되므로, 반응로(120)로부터 발생되는 열에 의해 손상될 수 있다. 이를 방지하기 위해 실링부재(132a)는 소정의 냉각유체에 의해 냉각된다. 일 예로서, 플랜지(132)에는 냉각 유체가 흐르는 냉각 라인(133)이 설치될 수 있다. 냉각 유체로는 냉각수가 사용되는 것이 바람직하며, 선택적으로 냉각 가스가 사용될 수 있다.

제 2 플랜지(134)는 반응로(120)의 타단에 설치된다. 제 2 플랜지(134)에는 반응 후 반응로(120) 내부의 잔류 가스 배출을 위한 적어도 하나의 배기라인(184)이 설치된다. 또한, 배기라인(184)에는 소정의 감압부재(미도시됨)가 설치되어 공정시 반응로(120) 내부의 압력을 감압시킬 수 있다.

이때, 제 2 플랜지(134)는 중앙에 합성기판이 이동될 수 있는 개구가 형성된다. 상기 개구는 공정시 합성기판이 반응로(120)를 출입할 수 있는 통로로 제공된다. 또한, 제 2 플랜지(134)는 상술한 제 1 플랜지(132)와 같은 방식으로써, 제 2 플랜지(134)와 반응로(120)의 접촉면에는 반응로(120) 내부를 외부 환경으로부터 밀폐하는 실링부재(134a)가 설치된다. 실링부재(134a)로는 오링(O-ring)이 사용될 수 있다. 실링부재(134a)는 반응로(120)가 고온으로 유지된 상태에서 공정이 수행되므로, 반응로(120)로부터 발생되는 열에 의해 손상될 수 있다. 이를 방지하기 위해 실링부재(132a)는 소정의 냉각유체에 의해 냉각된다. 일 예로서, 플랜지(132)에는 냉각 유체가 흐르는 냉각 라인(133)이 설치될 수 있다. 냉각 유체로는 냉각수가 사용되는 것이 바람직하며, 선택적으로 냉각 가스가 사용될 수 있다.

가열부(140)는 반응로(120) 내부를 공정 온도로 가열한다. 가열부(140)는 중앙부 가열기(142) 및 측부 가열기(144)를 포함한다. 중앙부 가열기(142)는 반응로(120) 내 중앙 영역을 가열하고, 측부 가열기(144)는 상기 중앙 영역을 제외한 반 응로(120)의 양측 영역을 가열한다. 여기서, 중앙부 가열기(142)에 의해 가열되는 상기 중앙 영역을 제 2 영역(124)이라 칭하고, 측부 가열기(144)에 의해 가열되는 상기 양측 영역을 제 1 및 제 3 영역(122, 126)이라 칭한다.

제 1 영역(122)은 제 1 플랜지(132)와 인접한 반응로(120)의 영역이며, 제 3 영역(136)은 제 2 플랜지(134)와 인접한 반응로(120)의 영역이다. 그리고, 제 2 영역(124)은 제 1 영역(122)과 제 3 영역(126) 사이의 영역이다. 제 1 영역(122)은 제 1 플랜지(132)에 의한 온도 변화를 조절하기 위해 제공되는 공간이며, 제 3 영역(126)은 제 2 플랜지(134)에 의한 온도 변화를 조절하기 위해 제공되는 공간이다. 그리고, 제 2 영역(124)은 제 1 및 제 3 영역(122, 126) 사이의 온도 변화를 조절하기 위해 제공되는 공간이다. 특히, 제 2 영역(124)은 공정시 합성기판이 로딩되어 탄소 나노 튜브의 생성이 이루어지는 영역이다.

본 실시예에 따른 반응로(120)는 제 1 내지 제 3 영역(122, 124, 126)으로 구획되는 것을 예로 들어 설명하였으나, 제 1 및 제 3 영역(122, 126)은 최소한의 영역을 갖는 것이 바람직하다. 이는 제 1 및 제 3 영역(122, 126)이 실질적은 탄소 나노 튜브의 생성 공간이 아닌 반응로(120)의 구역별 온도 조절을 위한 것이기 때문이다. 특히, 제 1 및 제 3 영역(122, 126) 각각은 플랜지(132, 134)에 의한 반응로(120)의 온도 저하를 방지하기 위한 것이며, 만약, 제 1 및 제 3 영역(122, 126)이 최소한의 영역으로도 플랜지(132, 134)에 의한 반응로(120)의 온도 저하를 방지할 수 있다면 반응 챔버(100)의 풋 프린트(foot print)를 줄일 수 있다. 여기서, 상술한 제 1 및 제 3 영역(122, 124, 126)의 크기는 반응로(120)의 크기 및 공정조 건에 따라 다양하게 변경 및 변형될 수 있다.

상술한 가열부(140)는 반응로(120)의 외벽을 감싸도록 설치되는 것이 바람직하며, 반응로(120)를 가열하는 방식으로는 발열 코일에 의한 방식 또는 발열 램프에 의한 방식 등이 사용될 수 있다.

제어부(150)는 가열부(140)가 반응로(120)의 온도를 기설정된 온도로 조절하도록 가열부(140)를 제어한다. 반응 챔버(100)에는 반응로(120)의 제 1 내지 제 3 영역(122, 124, 126)의 온도를 감지할 수 있는 복수의 감지부재들(미도시됨)이 설치될 수 있다. 제어부(150)는 상기 감지부재들로부터 반응로(120) 각각의 영역별로 온도를 감지한 신호를 전송받아, 가열부(120)가 반응로(120)의 내부 온도를 기설정된 공정온도로 유지하도록 제어한다.

예컨대, 제어부(150)는 중앙 가열기(142)와 측부 가열기(144)의 제 1 및 제 2 가열기(144a, 144b) 각각을 독립적으로 제어한다. 즉, 제어부(150)는 중앙 가열기(142)가 제 2 영역(124)을 기설정된 공정온도로 유지시키도록 가열시키고, 제 1 및 제 2 가열기(144a, 144b)가 각각 제 1 및 제 3 영역(122, 126)을 기설정된 공정온도로 유지시키도록 가열한다. 그리하여, 제어부(150)는 반응로(120)의 내부 온도를 구역별로 세분화시켜 온도를 조절할 수 있다.

여기서, 제어부(150)가 반응로(120)의 내부 온도를 조절하는 것을 설명한다. 도 2를 참조하면, 반응로(120)의 제 1 영역(122)은 제 1 플랜지(132) 내부에 제공되는 냉각라인(133)을 흐르는 냉각유체에 의해 온도가 낮아지고, 반응로(120)의 제 3 영역(126)은 제 2 플랜지(134) 내부에 제공되는 냉각라인(135)을 흐르는 냉각유 체에 의해 온도가 낮아진다. 그러므로, 제 1 및 제 2 가열기(144a, 144b)는 중앙부 가열기(142)보다 높은 온도로 제 2 영역(124)을 가열시켜주는 것이 바람직하다. 즉, 제 1 가열기(144a), 중앙부 가열기(142), 그리고 제 2 가열기(144b) 각각이 제 1 내지 제 3 영역(122, 124, 126)을 가열하는 온도를 T₁,T₂,T₃라고 하면, 각각의 가열온도는 T₁, T₃> T₂가 된다.

상술한 바와 같이, 제 1 가열기(144a) 및 제 2 가열기(144b)의 가열온도는 중앙부 가열기(142)의 가열온도보다 높게 제어하는 것이 바람직하다. 그러나, 상술한 예에서와 달리 반응로(120)의 제 1 및 제 3 영역(122, 126)은 하나의 가열기에 의해 가열될 수 있다.

상기와 같은 제어부(150)는 중앙 가열기(142)와 측부 가열기(144)의 제 1 및 제 2 가열기(144a, 144b) 각각을 독립적으로 반응로(120)를 가열하는 방식을 예로 들어 설명하였지만, 제어부(150)가 반응로(120)를 가열하는 방식은 다양하게 응용될 수 있다.

보트(160)는 반응로(120) 내에 하나만 제공되거나 복수개가 제공될 수 있다. 보트(160)는 충분히 큰 크기로 제공되어, 하나의 보트(160)에 반응로(120)의 길이방향(상술한 제 1방향(42))을 따라 복수 개의 합성기판(10)이 놓여질 수 있다. 선택적으로 보트(160)는 상하 방향 및 길이 방향으로 각각 복수 개의 합성기판들(10)을 지지할 수 있는 크기 및 구조를 가질 수 있다. 일 예에 의하면, 보트(160)들은 상하로 2개씩 그리고 길이방향으로 2개씩 합성기판(10)을 지지할 수 있는 크기 및 구조를 가진다. 보트(160)들은 반응로(120) 내에 고정설치될 수 있다.

또한, 보트(160)는 하나의 합성기판(10)을 지지할 수 있는 크기로 제공될 수 있다. 이 경우, 보트(160)는 하나 또는 복수개가 제공될 수 있다. 보트(160)가 복수개 제공되는 경우, 보트(160)들은 반응로(120)의 길이방향(상술한 제 1방향(42))을 따라 복수개가 배치되거나, 선택적으로 제 1 방향(42)과 수직한 상하방향으로 적층될 수 있다.

본 실시예에서는 탄화수소를 열분해 하여 탄소 나노 튜브(30)를 생산하는 열분해법(pyrolysis of hydrocarbon)이 적용된 구조를 가진 반응 챔버(100)를 예를 들어 설명하였으나, 이는 하나의 예에 불과하며, 본 발명의 설비(100)은 레이저증착법, 플라즈마 화학 기상 증착법, 열화학 기상증착법, 전기분해방법, 플레임(flame) 합성방법, 그리고 전기방전법 등의 다양한 생성방식이 적용된 구조를 가진 반응 챔버가 사용될 수 있다.

스테이션부(200)는 외부와 격리된 챔버(200a)을 포함한다. 스테이션부(200)와 반응 챔버(100) 사이에는 이들 간에 합성기판(10)이 이동되는 통로를 개폐하는 제 1 게이트 밸브(222)가 설치되고, 스테이션부(200)와 제 2 이송장치(700) 사이에는 이들 간에 합성기판(10)이 이동되는 통로를 개폐하는 제 2 게이트 밸브(224)가 설치된다.

스테이션부(200)에는 그 내부로 질소, 아르곤 등과 같은 불활성 가스를 공급하는 가스 공급부재(280)가 설치된다. 불활성 가스는 스테이션부(200) 내부에 공기(특히, 산소)를 제거하고 스테이션부(200) 내부를 비활성 가스 분위기를 유지한다. 이는 스테이션부(200) 내에 반응 챔버(100)로부터 합성기판(10)이 언로딩될 때, 합 성기판(10) 상에 생성된 고온의 탄소 나노 튜브(30)가 산소와 접촉되는 것을 방지한다. 가스 공급부재(280)는 제 1영역(240)에 제공되는 것이 바람직하다.

제 1 게이트 밸브(222)가 반응 챔버(100)와 인접하여 배치된 경우 반응 챔버(100) 내 복사열에 의해 제 1 게이트 밸브(222)가 손상될 수 있다. 이를 방지하기 위해 반응 챔버(100)의 길이를 충분히 길게 하여 가열부(140)와 제 1 게이트 밸브(222)가 거리가 충분히 유지되도록 할 수 있다. 그러나 이 경우 반응 챔버(100)의 길이 증가로 인해 설비(1)가 대형화된다.

본 실시예에 의하면, 설비(1)의 대형화를 방지함과 동시에 제 1 게이트 밸브(222)가 복사열에 의해 손상되는 것을 방지하기 위해 제 1 게이트 밸브(222)와 반응 챔버(100) 사이에 열 차단부재(190)가 설치된다. 열 차단부재(190)로는 반응 챔버(100)로부터 제 1 게이트 밸브(222)로 전해지는 복사열을 차단하기 위한 알루미나와 같이 열전도율이 낮은 재질의 차단판이 사용될 수 있다. 또한, 일반 금속 재질로 차단판을 사용할 경우 금속 차단판의 열변형 및 차단 효율을 높이기 위해 냉각수를 공급할 수 있다.

차단부재(190)는 제 1 게이트 밸브(222)가 닫혀 있는 동안에는 제 1 게이트 밸브(222)의 전방에 위치되고, 제 1 게이트 밸브(222)가 개방된 때에는 합성기판(10)의 이동경로를 방해하지 않는 위치로 이동된다.

합성기판(10)은 반응 챔버(160)로 로딩되기 전에, 촉매 도포부(500)에서 반응 챔버(160) 상면에 촉매(20)(금속막)가 도포된다. 도 2는 도 1에 도시된 촉매 도포부(500)의 구성도이고, 도 3은 도 2의 선 A-A′를 따라 절단후 상부에서 바라본 촉매 도포부(500)의 평면도이다.

도 3와 도 4을 참조하면, 촉매 도포부(500)는 촉매 저장 탱크(호퍼, 520), 정량 공급부(560), 브러시 유닛(580), 그리고 스테이지(590)를 가진다. 공정 진행시 합성기판(10)은 스테이지(590) 상에 놓여진다. 촉매 저장 탱크(520)는 스테이지(590) 상부에 배치되며 합성기판(10) 상면에 일정량의 촉매(20)를 공급하는 토출구를(520a) 갖는다. 브러시 유닛(580)은 합성기판(10) 상면으로 공급된 촉매(20)를 합성기판(10) 상면에 균일한 두께로 펴준다.

스테이지(590)는 사이에 합성기판(10)이 위치되도록 일정간격 이격되어 서로 대향되도록 배치되는 측판들(592)과 각각의 측판(592)에 안쪽으로 돌출되도록 설치되어 합성기판(10)의 가장자리 영역을 지지하는 복수의 지지돌기들(594)을 가진다. 각각의 측판(592)에 지지돌기(594)는 복수개가 설치될 수 있다.

브러시 유닛(580)은 가이드 레일(584), 도포용 브러시(587), 그리고 이동체(588)를 포함한다. 가이드 레일(584)은 합성기판(10)이 놓여지는 스테이지(590)의 양측에 길이방향으로 설치된다. 이동체(588)는 가이드 레일(584)에 이동 가능하게 설치되며, 이동체(588)는 리니어모터 구동방식, 실린더 구동방식, 모터 구동방식과 같은 공지의 직선 이동 구동부(586)에 의해 직선 이동된다. 도포용 브러시(587)는 스테이지(590)의 상부에 위치되며, 촉매(20)를 합성기판(10) 전면에 균일한 두께로 펴 준다. 도포용 브러시(587)는 그 양단이 이동체(588)에 연결되어 이동체(588)와 함께 슬라이드 방식으로 이동된다. 도포용 브러시(587)는 진행방향에 대하여 특정 경사면을 가진 금속 또는 비금속 재질의 플레이트 형상으로 제공될 수 있다.

합성기판(10) 상면에 도포되는 촉매(20)의 도포 두께에 따라 이동체(588) 상에서 도포용 브러시(587)는 높낮이 조절이 가능하도록 도포용 브러시(587)는 수직이동기(589)에 의해 상하로 이동된다. 수직이동기(589)는 이동체(588)의 상단에 고정결합되는 상부판(589a), 이와 대향되도록 이동체(588)의 하단에 고정결합되는 하부판(589b), 그리고 상부판(589a)과 하부판(589b)을 연결하도록 수직하게 배치된 가이드축(589c)을 가진다. 가이드축(589c)에는 구동기(도시되지 않음)에 의해 가이드축(589c)을 따라 상하방향으로 직선이동되며, 도포용 브러시(587)가 고정장착되는 브라켓(589d)이 설치된다.

촉매 저장 탱크(520)는 내부에 저장된 촉매(20)를 합성기판(10) 상으로 공급한다. 촉매 저장 탱크(520)는 상부면(522), 측면(524), 그리고 토출구(526a)가 형성된 하부면(526)을 가진다. 측면(524)은 대체로 수직한 상측부(524a), 이로부터 아래로 연장되며 아래로 갈수록 안쪽으로 경사진 중간측부(524b), 그리고 이로부터 아래로 대체로 수직하게 연장된 하측부(524c)를 가진다. 상술한 구조로 인해 상측부(524a)에 의해 제공된 공간에는 하측부(524c)에 의해 제공된 공간에 비해 동일 높이에 해당되는 영역에 많은 량의 촉매(20)가 저장된다. 상술한 중간측부(524b)의 형상에 의해 상측부(524a)에 의해 제공된 공간 내 촉매(20)는 원활하게 하측부(524c)에 의해 제공된 공간으로 공급된다.

촉매 저장 탱크(520)에는 합성기판(10) 상면으로 설정된 량만큼 촉매(20)가 공급되도록 하는 정량 공급부(560)가 설치된다. 정량 공급부(560)는 설정된 량의 촉매(20)가 담겨질 수 있는 정량 공간(568)을 제공할 수 있는 상부 차단판(564)과 하부 차단판(562)을 가진다. 상부 차단판(564)과 하부 차단판(562)는 하측부(524c)에 제공된다. 정량 공간(568)은 촉매 저장 탱크(520)의 토출구(520a) 상부에 위치되며, 상부 차단판(564)은 정량 공간(568)의 상단으로 제공되고, 하부 차단판(562)은 정량 공간(568)의 하단으로 제공된다. 상부 차단판(564)과 하부 차단판(562)은 실린더(566)와 같은 구동수단에 의해 작동된다. 하부 차단판(562)이 닫혀진 상태에서 상부 차단판(564)이 닫혀지면, 하부 차단판(562)과 상부 차단판(564) 사이에 설정된 량의 촉매(20)가 채워진 정량 공간(568)이 다시 제공된다.

하부 차단판(562)이 개방되면 정량 공간(568)에 담겨진 촉매(20)가 토출구(526a)를 통해 합성기판(10) 상면으로 공급된다. 한편, 촉매 저장 탱크(520)의 중간측부(524b)에는 촉매(20)를 교반시키는 교반기(540)가 설치된다. 교반기(540)의 교반날개(542)는 촉매(20)가 정량 공간으로 공급되기 전 회전하여 촉매 저장 탱크(520) 내부의 빈공간을 제거함과 동시에 촉매(20)가 정량 공간(568)으로 자연스럽게 공급되도록 유도하는 역할을 갖는다.

도 5a 내지 도 5c는 촉매 도포부(500)에서의 촉매 도포 과정을 단계적으로 설명하기 위한 도면들이다. 도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 합성기판(10)이 제 2 이송장치(700)에 의해 스테이지(590)에 놓여지면, 하부 차단판(562)이 실린더(566)에 의해 작동되어 측방향으로 이동되면서 정량 공간(568) 하부를 개방하게 되고, 정량 공간(568)에 담겨져 있던 설정된 량의 촉매(20)가 합성기판(10) 상면으로 떨어진다(도 4a). 합성기판(10) 상면에 수북하게 쌓인 촉매(20)는 브러시 유닛(580)에 의해 합성기판(10) 전면에 균일한 두께로 도포된다(도 5b, 도 5c). 즉, 도포용 브러시 (587)는 이동체(588)와 함께 합성기판(10)의 일단에서 타단까지 슬라이드 이동하면서 촉매(20)를 합성기판(10) 전면에 균일하게 도포시킨다. 이때, 촉매(20)의 균일한 도포를 위하여 도포용 브러시(587) 또는 합성기판(10)에 미세한 진동을 가해줄 수 있는 진동기(미도시됨)가 추가로 설치될 수 있다. 여기서, 촉매(20)는 예를 들면 철, 백금, 코발트, 니켈, 이트륨 등의 전이 금속과 또는 이들의 합금 및 산화마그네슘(MgO), 알루미나(Al2O3), 이산화규소(SiO2) 등의 다공성 물질이 혼합된 분말형태일 수 있다. 또는 이러한 소재가 포함된 액상의 촉매(20)일 수 있다. 촉매(20)가 액상인 경우에는 촉매 저장 탱크와, 공급라인, 공급라인 상에 설치되는 정량공급용 펌프 그리고 액상의 촉매(20)를 합성기판 상면으로 공급하는 공급노즐을 포함할 수 있다.

상술한 예에서는 도포용 브러시(587)가 이동하면서 합성기판(10) 상에 촉매(20)를 균일하게 도포하는 것으로 설명하였다. 그러나 이와 달리 도포용 브러시(587)는 고정되고 스테이지가 이동될 수 있다. 그러나 촉매 도포부(500)의 공간을 줄이기 위해 상술한 예와 같이 도포용 브러시(587)가 이동되는 것이 바람직하다.

또한, 상술한 예에서는 촉매(20)는 촉매 도포부(500)에서 별도로 합성기판(10) 상에 도포되고, 반응 챔버(100) 내에서는 촉매(20)가 도포된 합성기판(10) 상에 탄소나노튜브(30)를 생성시키는 것으로 설명하였다. 그러나 이와 달리, 촉매 도포부를 제거하고, 반응 챔버 내에서 촉매 가스 및 소스가스를 공급하여 반응 챔버 내부 공간 상에 촉매 도포 및 탄소 나노 튜브의 생성이 이루어질 수 있다.

도 6은 기판 보관부(400)와 제 1 이송장치(300)의 평면도이고, 도 7은 기판 보관부의 측면도이다. 도 6와 도 7을 참조하면, 기판 보관부(400)는 합성기판(10)을 보관하는 카세트(420), 수직 레일들(442), 수평 레일(444), 그리고 이동 프레임들(446)을 가진다. 수직 레일들(442)은 제 1 영역(240)의 모서리 부분에 각각 배치된다. 수직 레일들(442)은 상하 방향으로 긴 로드 형상을 가지며, 이동 프레임(446)의 상하 이동을 안내한다. 각각의 수직 레일(442)에는 수직 레일(442)을 따라 수직 구동부(도시되지 않음)에 의해 상하로 이동되는 브라켓(448)이 결합된다. 각각의 이동 프레임(446)은 제 1 방향(42)을 따라 길게 제공되며, 서로 대향되도록 배치된다. 이동 프레임(446)은 브라켓(448)에 고정결합되어 브라켓(448)과 함께 수직 레일(442)을 따라 상하로 직선이동된다. 각각의 이동 프레임(446)의 양단은 각각 제 1방향(42)으로 서로 대향되는 브라켓들에 고정설치되며, 이동 프레임들(446)은 브라켓(448)과 함께 상하로 이동된다. 이동 프레임(446) 상에는 수평 레일(444)이 고정 설치된다. 각각의 수평 레일(444)은 제 2 방향(44)을 따라 길게 제공되며, 수평 레일들(444)은 서로 대향되도록 배치된다. 수평 레일(444)은 제 1 영역(240) 전체 영역에 걸쳐 제공되며, 수평 레일(444) 상에는 수평 레일(444)을 따라 제 2 방향(44)으로 이동가능하도록 카세트(420)가 장착된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 카세트(420)는 점선으로 표시된 대기위치와 실선으로 표시된 로딩/언로딩 위치(X2)(반응 챔버와 연결되는 제 1 게이트 밸브(222) 바로 앞) 사이에서 수평 이동된다. 대기 위치(X1)는 제 1 영역(240)의 하부 영역(244) 내 위치이고 로딩/언로딩 위치(X2)는 제 1 영역(240)의 상부 영역(242) 내 위치이다. 카세트(420)는 반응 챔버(100)로/로부터 합성기판(10)을 로딩/언로딩할 때와 제 2 이송장치(700)에 의한 합성기판(10) 이송시 로딩/언로딩 위치(X2)로 이동되며, 합성기판(10)의 온도를 낮추기 위해 대기할 때에는 대기위치(X1)로 이동한다.

도 8은 카세트(420)의 사시도이다. 반응 챔버(100)로 로딩될 합성기판(10) 및 반응 챔버(100)로부터 언로딩된 합성기판들(10)은 카세트(420)에 보관된다. 도 8을 참조하면, 카세트(420)는 지지부들(422), 상판(424) 및 하판(426), 그리고 수직축들(428)을 가진다. 상판(424)과 하판(426)은 대체로 직사각 형상으로 제공되며 상하로 서로 마주보도록 배치된다. 수직축들(428)은 상판(424)과 하판(426)의 서로 마주보는 모서리 영역을 연결하며 4개가 제공된다. 수직축(428)에는 합성기판(10)이 카세트(420)에 적층되어 보관되도록 합성기판(10)을 지지하는 지지부들(422)이 설치된다. 각각의 지지부(422)는 합성기판(10)의 가장자리 부분을 지지하는 4개의 지지블럭(423)을 가진다. 지지부들(422)은 2개의 그룹으로 그룹지어진다. 제 1 그룹에 속하는 지지부들(422a, 이하 제 1지지부)은 반응 챔버(100)로 로딩될 합성기판(10)들을 지지하며, 제 2그룹에 속하는 지지부들(422b, 이하 제 2지지부)은 반응 챔버(100)로부터 언로딩된 합성기판(10)들을 지지한다. 일 예에 의하면, 제 1 지지부(422a) 및 제 2 지지부(422b)는 각 4개씩 제공되며, 제 1 지지부들(422a)은 제 2 지지부들(422b)의 상부에 위치되도록 제공된다.

제 2 지지부들(422b) 간의 상하 간격은 제 1 지지부들(422a) 간의 상하 간격보다 넓게 제공된다. 상술한 구조로 인해 카세트(420) 전체 높이는 줄이면서 반응 챔버(100)로부터 언로딩된 합성기판(10)의 상면에 생성된 탄소 나노 튜브(30)(CNT) 가 인접한 합성기판(10)과 접촉되지 않도록 하는 공간을 충분히 제공할 수 있다.

카세트(420)의 제 1 지지부(422)들에 보관중인 합성기판(10)들은 제 1이송장치(300)에 의해 반응 챔버(100) 내부로 로딩된다. 반응 챔버(100)의 보트(160)에는 4장의 합성기판(10)들이 놓여지게 된다. 제 1 이송장치(300)는 합성기판을 하나씩 순차적으로 반응 챔버(100)로/로부터 로딩하고 언로딩한다. 합성기판(10)들의 로딩이 완료되면, 반응 챔버(100)에서 탄소 나노 튜브(30) 생성을 위한 공정이 진행된다. 반응 챔버(100)에서 공정이 진행되는 동안, 또 다른 4장의 합성기판(10)들은 촉매 도포부(500)에서 촉매 도포 후 카세트(420)의 제 1 지지부(422)들에서 대기하게 된다. 반응 챔버(100)에서 탄소 나노 튜브(30)의 생성 공정이 완료되면, 고온 상태의 합성기판(10)은 제 1 이송장치(300)에 의해 반응 챔버(100)로부터 언로딩되어 카세트(420)의 제 2 지지부(422b)에 수납되며, 고온의 합성기판(10)은 제 2 지지부(422b)에서 일정시간 동안 냉각 과정을 거친다. 냉각은 자연 냉각 방식에 의해 이루어진다. 선택적으로 냉각수 등과 같은 냉각 수단을 사용하여 강제 냉각할 수 있다. 한편, 탄소 나노 튜브(30) 생성이 완료된 합성기판(10)들이 신속하게(일정온도로 떨어지는 것을 기다리지 않고) 반응 챔버(100)로부터 인출되면, 카세트(420)의 제 1 지지부(422a)에서 대기중인 4장의 합성기판(탄소 나노 튜브(30) 생성을 위해 대기중인 합성기판)(10)이 반응 챔버(100)로 로딩된다. 이렇게 반응 챔버(100)에서는 반응로(120) 온도가 공정온도를 유지한 상태에서 신속하게 합성기판(10)들이 로딩됨으로써 반응로(120)의 공정온도로 높이기 위한 승온 과정을 생략할 수 있다.

탄소 나노 튜브(30)가 생성된 합성기판(10)들은 일정온도 이하로 떨어질 때까지 카세트(420)의 제 2 지지부(422b)들에서 대기하게 된다. 합성기판(10)들이 대기하는 카세트(420)는 스테이션부(200) 내부에 위치된다. 스테이션부(200)의 내부는 불활성가스로 채워져 있기 때문에, 카세트(420)에서 대기 중인 합성기판(10)들은 외부의 공기(특히 산소)와 접촉되지 않는다. 예컨대, 반응 챔버(100)에서 공정을 마친 합성기판(10)이 일정 온도 이하로 떨어진 상태에서는 상관 없지만, 합성기판(10)이 고온 상태에서 상온의 대기 중에 노출되면, 합성기판(10) 표면에 생성된 탄소 나노 튜브(30)가 대기중의 산소와 반응하면서 변형을 일으키게 된다. 본 발명에서는 이러한 문제를 예방하기 위해 반응 챔버(100)에서 언로딩된 합성기판(10)들이 산소와의 접촉되지 않도록 상술한 바와 같이 불활성가스로 채워진 스테이션부(200)를 제공하였다.

한편, 카세트(420)의 제 2지지부(422b)들에서 일정시간 동안 대기한 합성기판(10)들은 제 2게이트 밸브(224)를 통해 제 2이송장치(700)에 의해 회수부(600)로 옮겨진다. 그리고, 회수부(600)에서 탄소 나노 튜브(30)의 회수를 마친 합성기판(10)은 촉매 도포부(500)에서 촉매(20)를 도포한 후 다시 카세트(420)의 제 1지지부(422a)에 수납된다.

이처럼, 본 발명의 설비에서는 총 8장의 합성기판들이 두 그룹으로 나누어서 교대로 반응 챔버에서 탄소 나노 튜브(30) 합성 공정을 연속적으로 진행하기 때문에 처리량 향상을 기대할 수 있고, 그에 따라 대량 생산이 가능한 이점이 있다.

도 9은 제 1 이송장치의 사시도이다. 도 9을 참조하면, 제 1 이송장치(300) 는 합성기판(10)을 지지하는 아암(320), 블레이드(340), 수직 레일들(362), 수평 레일(364), 이동 프레임들(366), 그리고 이동블럭(368)을 가진다. 수직 레일들(362)은 제 2 영역(260)의 모서리 부분에 각각 배치된다. 수직 레일들(362)은 상하 방향으로 긴 로드 형상을 가지며, 이동 프레임(366)의 상하 이동을 안내한다. 각각의 수직 레일(362)에는 수직 레일(362)을 따라 수직 구동부(도시되지 않음)에 의해 상하로 이동되는 브라켓(365)이 결합된다. 각각의 이동 프레임(366)은 제 2방향(44)을 따라 길게 제공되며, 서로 대향되도록 배치된다. 이동 프레임(366)은 브라켓(365)에 고정결합되어 브라켓(365)과 함께 수직 레일(362)을 따라 상하로 직선이동된다. 각각의 이동 프레임(366)의 양단은 각각 제 2 방향(44)으로 서로 대향되는 브라켓들(365)에 고정설치되며, 이동 프레임들(366)은 브라켓(365)과 함께 상하로 이동된다. 이동 프레임(366)들 상에는 수평 레일(364)이 고정설치된다. 각각의 수평 레일(364)은 제 1 방향(42)으로 길게 제공된다. 수평 레일(364)은 제 2 영역(260) 전체 영역에 걸쳐 제공되며, 수평 레일(364) 상에는 수평 레일(364)을 따라 제 2방향(44)으로 이동가능하도록 이동블럭(368)이 장착된다. 이동블럭(368)에는 제 1 방향(42)을 따라 길게 설치된 아암(320)이 고정설치되고, 아암(320)에는 합성기판(10)을 지지하는 블레이드(340)가 장착된다.

카세트(420)의 제 2 지지부(444)들에서 일정시간 동안 냉각 과정을 마친 합성기판(10)들은 제 2 게이트 밸브(224)를 통해 제 2 이송장치(700)에 의해 회수부(600)로 옮겨진다.

도 10 및 도 11은 각각 회수부의 사시도 및 평면도이고, 도 12 및 도 13은 회수부에서의 탄소 나노 튜브(30) 회수 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 10 내지 도 13을 참조하면, 회수부(600)는 합성기판(10)이 놓여지는 스테이지(620)를 갖는다. 스테이지(620)의 하단에는 합성기판(10)으로부터 회수되는 탄소 나노 튜브(30)가 저장되는 회수통(660)이 위치된다. 그리고 스테이지(620)에는 합성기판(10) 상면에서 탄소 나노 튜브(30)를 회수통(660)으로 쓸어주는 회수유닛(640)이 배치된다. 회수유닛(640)에는 합성기판(10)의 길이방향으로 설치되는 가이드 레일(646)이 제공된다. 가이드 레일(646)에는 이동체(644)가 설치되며, 이동체(644)에는 회수용 브러시(642)가 설치된다. 회수용 브러시(642)는 합성기판(10)의 일측에서부터 길이방향으로 슬라이드 이동하면서 합성기판(10) 상면의 탄소 나노 튜브(30)를 회수통(660)으로 쓸어낸다. 회수용 브러시(642)는 이동체(644)에서 높낮이 조절이 가능할 수 있다.

상술한 예에서는 회수용 브러시(642)가 이동하면서 합성기판(10) 상에 촉매(20)를 쓸어내는 것으로 설명하였다. 그러나 이와 달리 회수용 브러시(642)는 고정되고 스테이지가 이동될 수 있다. 그러나 회수부(600)의 공간을 줄이기 위해 상술한 예와 같이 회수용 브러시(642)가 이동되는 것이 바람직하다.

탄소 나노 튜브(30)가 회수된 합성기판(10)은 제 2 이송장치(700)에 의해 촉매 도포부(500)로 제공되어 앞에서 언급한 촉매 도포 과정을 거친 후 카세트(420)의 제 1 지지부(422a)에 수납된다.

이러한 구성을 갖는 탄소 나노 튜브(30) 대량 생산을 위한 설비에서의 공정 진행은 촉매 도포단계(S110), 합성기판을 반응로(120) 내부에 로딩시키는 단계(S120), 반응로 내부 전체의 온도를 공정 온도로 조절시키는 단계(S130), 탄소 나노 튜브(30) 생성 단계(S140), 냉각(대기)단계(S150), 회수단계(S160)를 가진다. 촉매 도포 단계(S110)는 촉매 저장 탱크(520)에서 1회 도포량에 해당되는 촉매(20)가 합성기판(10) 상면으로 공급되면, 브러시 유닛(580)의 도포용 브러시(587)가 이동하면서 합성기판(10) 상면에 촉매(20)를 고르게 분포시킨다. 이렇게 촉매(20) 도포가 완료된 합성기판(10)은 제 2 이송장치(700)에 의해 스테이션부(200)에 설치된 기판 보관부(400)의 카세트(420)에 수납된다. 카세트(420)의 제 1 지지부(422a)에 수납된 합성기판(10)은 반응 챔버(100)로부터 공정을 마친 합성기판(10)이 언로딩된 직후 제 1 이송장치(300)에 의해 반응 챔버(100)의 보트(160)로 로딩된다(S120). 합성기판(10)의 로딩이 완료되면, 가열부(140)가 반응로(120) 내부 전체의 온도를 기설정된 공정 온도로 균일하게 가열시킨다(S130). 특히, 제 1 및 제 3 영역(122, 126)은 제 1 및 제 2 플랜지(132, 134)에 설치되는 냉각수 라인에 의해 온도가 하강되므로, 측부 가열부(144)는 반응로(120)의 제 1 및 제 3 영역(122, 126)이 실질적으로 합성기판이 안착되어 탄소 나노 튜브의 생성 공정이 진행되는 제 2 영역(124)의 온도와 일정한 온도를 유지할 수 있도록 지속적으로 제 1 및 제 3 영역(122, 126)을 가열시킨다. 반응로(120)내부 전체의 온도가 공정 온도에 부합되면, 반응 챔버(100)에서 탄소 나노 튜브(30) 생성을 위한 공정이 진행된다(S140). 한편, 반응 챔버(100)로부터 언로딩된 합성기판(10)들은 카세트(420)의 제 2지지부(422b)에 수납된 후, 일정시간 동안 냉각 과정을 거친다(S150). 일정시간이 지나면 합성기판(10)들은 스테이션부(400) 밖으로 인출되어 회수부(600)로 이동된다(S160). 회수부(600)에서 탄소 나노 튜브(30) 회수를 마친 합성기판(10)은 다시 촉매 도포부(500)로 이동되어, 촉매 도포 후 카세트(420)의 제 1 지지부(422a)에 수납된다. 반응 챔버(100)에서 공정을 마친 합성기판(10)들은 카세트의 제 2 지지부(422b)에 수납된 후 앞에서 서술한 과정을 반복하여 실시하게 된다.

본 발명에 의하면, 탄소 나노 튜브의 생산 공정을 자동화할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 탄소 나노 튜브를 대량으로 생산할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 반응 챔버의 공정 온도를 계속적으로 유지할 수 있으므로 합성기판의 탄소 나노 튜브 합성을 연속적으로 진행할 수 있어 설비 가동률을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 탄소 나노 튜브의 생성이 이루어지는 반응로의 온도를 구역별로 조절이 가능하여 탄소 나노 튜브의 생성 수율을 증가할 수 있다.

Claims (12)

1. 탄소 나노 튜브를 생성하는 반응 챔버에 있어서:

   합성기판이 반입되어 상기 합성기판 상에 탄소 나노 튜브의 생성이 이루어지는 반응로와,

   상기 반응로 일측에 배치되는 제 1 플랜지와;

   상기 반응로 타측에 배치되는 제 2 플랜지와;

   상기 반응로 외부에 배치되어, 상기 반응로를 가열하는 가열부와,

   상기 가열부를 제어하는 제어부를 포함하되;

   상기 가열부는,

   상기 반응로의 중앙 영역을 가열하는 중앙부 가열기와;

   상기 반응로의 양측 영역을 가열하는 측부 가열기를 포함하고,

   상기 제어부는 상기 중앙부 가열기와 상기 측부 가열기 각각을 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 반응 챔버.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 측부 가열기는,

   상기 제 1 플랜지와 인접한 상기 반응로의 영역을 가열하는 제 1 가열기와,

   상기 제 2 플랜지와 인접한 상기 반응로의 영역을 가열하는 제 2 가열기를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응 챔버.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제어부는,

   상기 제 1 가열기와 상기 제 2 가열기 각각을 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 반응 챔버.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제어부는,

   공정시 상기 중앙 영역의 온도와 상기 양측 영역의 온도가 일치하도록 상기 중앙부 가열기와 상기 측부 가열기를 제어하는 것을 특징으로 하는 반응 챔버.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 반응 챔버는,

   상기 제 1 및 제 2 플랜지와 상기 반응로 사이 각각에 설치되어 상기 반응로 내부를 외부 환경으로부터 밀폐하는 실링부재와;

   상기 제 1 및 제 2 플랜지에 설치되어, 상기 실링부재를 냉각하는 냉각라인을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반응 챔버.
6. 합성기판에 탄소 나노 튜브의 생성 공정이 이루어지는 반응 챔버와,

   상기 반응 챔버와 연결되며, 상기 반응 챔버로/로부터 합성기판들을 로딩/언로딩하는 제 1 이송장치가 내부에 설치되는 스테이션부와,

   상기 반응 챔버로 로딩될 합성기판들과 상기 반응 챔버로부터 언로딩된 합성기판들이 대기하는 기판 보관부와,

   상기 기판 보관부로부터 합성기판을 인출하여 합성기판에 생성된 탄소 나노 튜브를 회수하는 회수부와,

   상기 회수부에서 탄소 나노 튜브를 회수한 합성기판의 표면에 촉매를 도포하는 촉매 도포부, 그리고

   상기 회수부, 상기 촉매 도포부, 그리고 상기 기판 보관부 상호간에 합성기판 이송을 담당하는 제 2 이송장치를 포함하되,

   상기 반응 챔버는,

   합성기판이 인입되어 상기 합성기판에 탄소 나노 튜브의 생성 공정이 이루어지는 공간을 제공하고, 내부는 서로 다른 온도를 갖는 가열 영역으로 구획되는 반응로와,

   상기 반응로 일측에 배치되는 제 1 플랜지와;

   상기 반응로 타측에 배치되는 제 2 플랜지와;

   상기 반응로 외부에 배치되어, 상기 반응로를 가열하는 가열부와,

   상기 가열부를 제어하는 제어부를 포함하고,

   상기 가열부는,

   상기 반응로의 중앙 영역을 가열하는 중앙부 가열기와;

   상기 반응로의 양측 영역을 가열하는 측부 가열기를 포함하고,

   상기 제어부는 상기 중앙 영역 가열기와 상기 측부 가열기 각각을 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 생성 설비.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 측부 가열기는,

   상기 제 1 플랜지와 인접한 영역을 가열하는 제 1 가열기와,

   상기 제 2 플랜지와 인접한 영역을 가열하는 제 2 가열기를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 생성 설비.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 제어부는,

   상기 제 1 가열기와 상기 제 2 가열기 각각을 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 생성 설비.
9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제어부는,

   공정시 상기 중앙 영역의 온도와 상기 양측 영역의 온도가 일치하도록 상기 중앙부 가열기와 상기 측부 가열기를 제어하는 것을 특징으로 하는 탄소나노 튜브 생성 설비.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 반응 챔버는,

    상기 제 1 및 제 2 플랜지와 상기 반응로 사이 각각에 설치되어 상기 반응로 내부를 외부 환경으로부터 밀폐하는 실링부재와;

    상기 제 1 및 제 2 플랜지에 설치되어, 상기 실링부재를 냉각하는 냉각라인을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 생성 설비.
11. 반응 챔버 내에서 탄소 나노 튜브를 생성하는 방법에 있어서,

    상기 반응 챔버에 설치된 냉각라인을 흐르는 냉각 유체에 의해 상기 반응로 내 영역에 따라 온도가 불균일하게 되는 것을 최소화하기 위해, 상기 반응로 주변에 서로 상이한 영역을 가열하는 복수의 가열기들을 배치하고, 상기 가열기 각각을 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 생성 방법.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 가열기들은,

    상기 반응로의 중앙 영역을 가열하는 중앙부 가열기와;

    상기 반응로의 양측 영역을 가열하는 측부 가열기를 포함하되,

    상기 중앙부 가열기와 상기 측부 가열기 각각은 공정시 상기 중앙 영역과 상기 양측 영역의 온도가 일치하도록 하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 생성 방법.

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