KR100729230B1 - 터보 압축기를 이용하여 탄소나노튜브를 연속적으로제조하는 방법 및 터보압축기를 구비한 탄소나노튜브 제조장치 - Google Patents

터보 압축기를 이용하여 탄소나노튜브를 연속적으로제조하는 방법 및 터보압축기를 구비한 탄소나노튜브 제조장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브의 제조 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 터보 압축기를 사용하여 기체상태의 탄소화합물과 기체상태의 전이금속 촉매전구체화합물을 포함하는 반응가스를 연속적으로 압축하여 반응가스의 온도를 바우다드 반응 온도까지 균일하게 높여서 순도가 높고 균일한 탄소나노튜브를 대량으로 제조할 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명에 의한 탄소나노튜브 제조방법은, 기체상태의 탄소화합물과 기체상태의 전이금속 촉매전구체화합물을 포함하는 탄소나노튜브 반응가스를 연속적으로 터보 압축기에 공급하는 단계와, 상기 터보 압축기에서 연속적으로 공급되는 상기 탄소나노튜브 반응가스를 전이금속 촉매전구체 화합물이 열분해되는 온도 이상의 온도 및 바우다드 반응의 최소 개시 온도 이상의 온도가 되도록 압축하여 탄소나노튜브 생성물 현탁 가스를 생성시키는 단계를 포함한다.
탄소나노튜브, 촉매금속, 클러스터, 반응가스, 터보압축기, 가열

Description

터보 압축기를 이용하여 탄소나노튜브를 연속적으로 제조하는 방법 및 터보압축기를 구비한 탄소나노튜브 제조 장치{METHOD FOR MANUFACTURING CARBON NANO TUBE USING TURBO COMPRESSOR AND APPARATUS FOR MANUFACTURING CARBON NANO TUBE HAVING TURBO COMPRESSOR}
도 1은 금속촉매체 위에서 성장하는 탄소나노튜브의 설명도
도 2는 Q코(HiPco) 공정의 개요도
도 3은 배치 공정에 의한 탄소나노튜브 제조 방법의 원리의 설명도
도 4는 도 3에 도시된 방법 및 장치에 의해서 생성된 탄소나노튜브를 보여주는 주사전자현미경 사진
도 5는 충격파에 의한 탄소나노튜브 제조 방법 및 장치의 설명도
도 6은 도 5에 도시된 방법 및 장치를 이용하여 탄소나노튜브를 제조할 경우 반응기 내부에 첫번째 충격파가 피동부의 끝벽에 도착한 순간으로부터의 끝벽의 압력의 변화 측정치
도 7은 도 6의 압력 변화 측정치에 기초하여 계산된 끝벽의 온도 변화치
도 8은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 제조 장치의 개략도
도 9는 본 발명에 사용되는 터보 압축기의 일실시예의 개략도
도 10은 본 발명에 사용되는 터보 압축기의 다른 일실시예의 개략도
<도면 부호의 간단한 설명>
10 실린더 20 피스톤
40 격막 310 일산화탄소 저장탱크
320 기화기 330 가열수단
340, 350 유량조절수단 360 밸브
400 터보 압축기 410 압축기 하우징
411, 412 스테이터 420 압축기 로터
421, 422 임펠러 430 모타
440 동력전달수단
본 발명은 탄소나노튜브의 제조 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 터보 압축기를 사용하여 기체상태의 탄소화합물과 기체상태의 전이금속 촉매전구체화합물을 포함하는 반응가스를 연속적으로 압축하여 반응가스의 온도를 바우다드 반응 온도까지 균일하게 높여서 순도가 높고 균일한 탄소나노튜브를 대량으로 제조할 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 탄소나노튜브(carbon nanotube,CNT)는 금강석, C60, 그라파이트와 더불어 알려져 있는 고체 탄소의 네가지 형태 중 하나이며, 관형으로 되어 있 다. 탄소나노튜브는 유용하게 쓰일 수 있는 여러 가지 성질을 가지고 있다.
탄소나노튜브 생성의 일반원리는 잘 알려져 있다. 탄소나노튜브는 일산화탄소(CO)와 같은 탄소함유 기체 분자가 고온에서 철(Fe)과 같은 금속 촉매체의 표면에 충돌할 때 만들어진다. 생성된 탄소나노튜브가 균일한 특성(직경, 길이, 분자구조 등)을 갖으려면 촉매체의 크기가 균일하고, 탄소함유 기체의 온도와 압력이 공간적으로 균일하여야 한다. 또한, 탄소나노튜브를 대량으로 생산하려면 단위 체적당 금속 촉매체의 수가 커야 하고, 탄소 함유 분자가 금속 촉매체와 충돌하는 빈도가 높아야 한다. 대량생산에 적합한 조건은 온도에서 압력을 변화시켜가면서 실험을 하여 발견할 수 있다.
탄소나노튜브의 제조방법으로서 촉매를 이용한 기상합성법은 두가지 매커니즘으로 이루어져 있으며, 금속촉매체의 생성과정과 탄소나노튜브의 생성과정이 그것이다. 금속 촉매체는 고압의 Fe(CO)5와 같은 금속 함유 기체를 열분해 시켜서 만들 수 있다. Fe(CO)5와 같은 금속 함유 기체를 가열하면 화학식 1과 같이 해리 분해되어, Fe 금속 원자를 내놓는다. 해리 분해된 금속원자들은 화학식 2와 같이 서로 결합하여 클러스터라고 불리우는 수백개의 금속원자들로 이루어진 큰 구형체를 형성한다.
Fe(CO)5 →Fe + 5CO
nFe →Fen, 10 < n < 1000
그리고, 고온에서 일산화탄소(CO)와 같은 탄소함유 기체를 생성된 금속 클러스터에 접촉시킨다. 그러면 도 1에 도시된 것과 같이, 금속촉매체(1)의 표면에 충돌하는 일산화 탄소(3)의 불균화(disproportionation) 반응에 의하여, 탄소나노튜브(2)가 성장한다. 일산화탄소(CO)의 불균화 반응을 바우다드 반응(Boudouard reaction)이라고 한다. 탄소나노튜브가 철 촉매체(1) 상에서 생성되는 반응은 화학식 3과 같고 이러한 반응이 일어나기 시작하는 온도를 바우다드 반응의 개시온도라고 한다.
CO + Fen →CNT + 1/2O2 + Fen
최초로 성공한 탄소나노튜브의 대량생산방법은 도 2에 개략적으로 도시된 것과 같은 장치를 이용하여 브로니코우스키 등이 발명한 Q코(HiPco, High Pressure carbon monoxide)공정이다(Bronikowski MJ. Willis PA. Colbert DT, Smith KA. and Smalley RE (2001) Gas Phase production of carbon single-walled nanotubes from carbon monoxide via the HiPco process : A parametric Study. J. Vac. Sc. Technol. A 19 : 1800-1805). 이 공정에서 이용된 금속함유 기체는 아이언-펜타카보닐 Fe(CO)5이며, 탄소함유기체는 일산화탄소 CO이다. Q코 공정에서 일어나는 상기 화학식 1, 2, 3의 화학 반응은 곡첸(Gokcen)과 다테오(Dateo)가 분석하였다(Gokcen T and Dateo CE(2000) Modeling of HiPco Process for carbon nanotube production. Reactor-scale analysis. J. Nanose. and Nanotechn. 2:523-534).
상기와 같은 공정을 통하여 생산된 탄소나노튜브를 사용하는 데 있어서는, 그들이 균일한 특성, 즉 균일한 직경, 길이, 분자 구조를 갖는 것이 바람직하다. 균일한 특성을 갖는 탄소나노튜브를 제조하기 위하여는 금속촉매체가 균일한 직경을 갖는 것이 필요하다. 도 1에서 이해할 수 있듯이, 금속 클러스터의 표면에서 성장하는 탄소나노튜브의 직경은 그 클러스터의 직경에 대체로 비례하므로, 직경이 균일한 탄소나노튜브를 제조하기 위하여는 금속 촉매체가 동일한 직경을 가져야 한다. 금속 촉매체가 동일한 직경을 가지려면, 화학식 1과 화학식 2가 장소에 관계없이 일정한 속도로 일어나야 한다. 즉, 반응속도가 공간적으로 균일하여야 한다.
화학식 1과 화학식 2의 반응 속도는 온도와 참여하는 기체 종의 농도의 함수이며, Q코 과정과 같은 기존의 탄소나노튜브 제조공정에서는 반응기의 벽을 가열하거나 냉각함으로서 반응가스의 가열과 냉각을 행하고 있다. 즉, 가열이나 냉각시 열은 용기의 벽과 반응기체를 통한 열전도에 의하여 전달되며, 열전도 속도는 온도 구배에 비례하므로, 반응기체로 열이 전달되려면 그 기체 내에 온도구배가 있어야 되며, 이는 반응기체의 온도가 공간적으로 불균일 함을 뜻한다. 곡첸과 다테오의 해석에 의하면, Q코 과정에서 반응기 안의 반응 기체의 온도가 절대 온도 300에서 1300도 까지 변화함을 보여주고 있다.
상기한 바와 같이, Q코 공정과 같은 온도 구배에 의한 열전달을 통한 반응가스의 가열 방식에 의한 탄소나노튜브의 제조 방법은 반응가스 내에 필연적인 온 도의 불균일을 전제로 하므로, 불균일한 온도분포로 인하여 불균일한 금속촉매체가 생성되어 특성이 균일한 탄소나노튜브를 제조하는 데 한계가 있다.
상기와 같은 종래의 탄소나노튜브 제조방법의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 발명자는 PCT/KR2005/001469호로 출원한 특허 명세서에서 기체상태의 탄소화합물과 기체상태의 전이금속 촉매전구체화합물을 포함하는 반응가스를 반응용기에 넣은 후 압축하여 반응가스의 온도를 균일하게 상승시켜서 탄소나노튜브를 제조할 수 있는 방법 및 장치를 제시하였다. 그러나 상기 특허 출원서에 제시된 방법은 일정량의 반응가스를 압축하여 간헐적으로 탄소나노튜브를 제조하는 방법으로, 고순도의 균일한 특성을 갖는 탄소나노튜브를 연속적으로 대량 제조할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 기체상태의 탄소화합물과 기체상태의 전이금속 촉매전구체화합물을 포함하는 반응가스를 압축에 의하여 가열하여 탄소나노튜브를 제조하는 방법에 있어서, 반응가스의 온도를 공간적으로 균일하게 높여서 순도가 높고 균일한 특성을 갖는 탄소나노튜브를 연속적으로 대량 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기와 같은 방법을 이용하여 순도가 높고 균일한 특성을 갖는 탄소나노튜브를 대량으로 제조할 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 본 발명의 방법에 의하여 제조된 순도가 높고 특성이 균일한 탄소나노튜브를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 설명에 있어서, 단열이라는 용어는 반응가스를 압축하거나 팽창시킬 때, 인위적으로 반응가스를 열원을 이용하여 가열이나 냉각시키지 않는다는 의미로 사용된다. 즉, 반응용기를 통한 주위와의 자연적인 열전달을 인위적으로 완전하게 차단한다는 통상적인 단열의 의미와 다른 의미, 즉 열원을 이용하여 매체를 인위적으로 가열이나 냉각시키지 않는다는 의미(매체로 열전달이 없다는 의미)로 사용한다.
본 발명의 일측면에 따른 탄소나노튜브를 제조하는 방법은, 기체상태의 탄소화합물과 기체상태의 전이금속 촉매전구체화합물을 포함하는 탄소나노튜브 반응가스를 연속적으로 터보 압축기(Turbo Compressor)에 공급하는 단계와, 상기 터보 압축기에서 연속적으로 공급되는 상기 탄소나노튜브 반응가스를 전이금속 촉매전구체 화합물이 열분해되는 온도 이상의 온도 및 바우다드 반응의 최소 개시 온도 이상의 온도가 되도록 압축하여 탄소나노튜브 생성물 현탁 가스를 생성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 탄소나노튜브 제조 방법은, 상기 탄소나노튜브 반응가스를 상기 터보압축기에 공급하기 전에 촉매전구체 화합물의 열분해 온도 미만으로 예열하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 상기 탄소화합물은 일산화탄소이고, 상기 촉매전구체 화합물은 텅스텐, 몰리브텐, 크롬, 철, 니켈, 코발트, 로듐, 루테늄, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐, 백금 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 금속의 금속함유 화합물을 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 상기 금속함유 화합물 로는 금속 카르보닐 중에서, Fe(CO)5 또는 Co(CO)6 및 이들의 혼합물로 이루어진 것을 사용하는 것이 좋다.
본 발명의 다른 측면에 따른 탄소나노튜브 제조 장치는, 기체상태의 탄소화합물과 전이금속 촉매전구체 화합물을 포함하는 탄소나노튜브 반응가스를 혼합하여 공급하기 위한 반응가스공급수단과, 상기 반응가스공급수단으로부터 탄소나노튜브 반응가스를 공급받아 전이금속 촉매전구체 화합물이 열분해 되는 온도 이상의 온도 및 바우다드 반응의 최소 개시 온도 이상의 온도가 되도록 압축하기 위한 터보압축기를 포함하는 것을 특징으로 한다. 보다 순도가 높고 균일한 탄소나노튜브를 제조하기 위하여, 터보 압축기는 균일한 사이즈를 갖는 금속 클러스터를 생성하는 압축단계와 탄소나노튜브를 성장시키는 압축단계로 구분할 수 있는 다단 압축기(Multi-step Turbo Compressor)를 사용하는 것이 바람직하다. 즉 다단 압축기를 사용하여 탄소나노튜브 반응가스를 연속적으로 압축할 때, 적어도 한번은 전이금속 촉매전구체 화합물이 열분해되는 온도 이상의 온도와 바우다드 반응의 최소 개시 온도 미만의 온도 범위가 되도록 반응가스를 압축하고, 적어도 한번은 바우다드 반응의 최소 개시온도 이상의 온도가 되도록 반응가스를 압축할 수 있는 축방향 다단 터보 압축기(Axial Multi-step Turbo Compressor)를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 터보압축기를 구동시키기 위해서는 모터나 터어빈을 사용한다. 또한, 상기 반응가스공급수단은 탄소나노튜브 반응가스를 터보압축기에 공급하기 전에 촉매전구체 화합물의 열분해 온도 및/또는 바우다드 반응의 최소 개시 온도 미만으로 예 열하기 위한 가열수단을 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 본 발명은 본 발명의 방법에 의하여 제조된 순도가 높고 특성이 균일한 탄소나노튜브를 제공한다.
본 발명에 의한 탄소나노튜브의 제조방법이 종래의 탄소나노튜브 제조방법과 가장 큰 차이점은, 기상합성법에 있어서 반응가스의 온도를 금속 클러스터 촉매체의 생성 온도나 탄소나노튜브가 성장하는 바우다드 반응 개시 온도로 가열하는 방법에 있어서 온도구배를 전제로 하는 열전달에 의한 방법을 인위적으로 사용하지 않는다는 점이다. 본 발명에 의한 가열 방법은 기계적인 에너지를 반응가스 전체에 직접적으로 전달할 수 있는 압축에 의한 가열, 보다 바람직하게는 단열압축에 의한 가열 방법을 이용한다. 단열 압축이 기체의 온도를 높이고, 단열팽창이 기체의 온도를 낮춘다는 것은 열역학 제 1 법칙에 의해서 잘 알려져 있다. 즉, 열역학 제1법칙에 의하여, 어느 기체에 단열적으로 일을 가하면 기체의 내부 에너지가 그만큼 증가하며, 그 기체에서 단열적으로 일을 추출하면 그 기체의 내부 에너지가 그만큼 감소한다.
도 3 및 도 5는 본 발명의 발명자가 특허출원한 PCT/KR2005/001469호에 개시된 반응가스를 압축하여 가열하는 방법에 의한 탄소나노튜브의 제조방법의 원리에 대한 설명도이다.
도3(a)에 도시된 반응용기(10)에는 사전에 채워진 탄소나노튜브 반응가스(Fe(CO)5 와 CO의 혼합 기체)가 일정한 비율로 채워져 있다. 도 3(a)에 도시된 화 살표 방향으로 외력을 가하여 피스톤(20)을 움직여서, 밀폐된 반응용기(10) 내의 반응가스를 압축한다. 이 단열압축은 등엔트로피 과정으로 반응기체의 온도를 높인다. 여기에서 잘 알려진 수학식 1의 등엔트로피 관계식에 따라 반응가스의 온도가 상승한다.
T/T0 = (V/V0)-(r-1) = (p/p0)(r-1)/r
수학식 1에서 T, V, p는 각각 온도, 체적, 압력이고, r은 단열계수(이 경우에는 약 1.4)이며, 아래 첨자 0은 초기값을 뜻한다. 압축에 의하여 V가 작아짐에 따라, 온도 T가 수학식 1에 따라서 상승하며, 온도의 상승에 의하여 아이언 펜타카보닐 분자가 열분해되는 해리반응(화학식 1)이 반응가스 내에서 일어난다. 아이언 펜타카보닐(Fe(CO)5)의 열분해는 250 ℃ 이상에서 일어나는 것으로 알려져 있다. 이 때 열분해된 철 원자들이 결합하여 금속 촉매 클러스터가 생성된다(화학식 2). 계속해서 피스톤이 반응가스를 압축하면, 반응가스의 온도가 상승하여 탄소나노튜브가 금속 촉매 클러스터의 표면에서 성장하는 바우다드 반응의 개시 온도이상이 되면서, 압력 또한 탄소나노튜브의 성장에 적합하게 된다. 이 때, 금속 촉매 클러스터의 표면에서 탄소나노튜브가 성장하는 반응(화학식 3)이 일어나서 탄소나노튜브가 성장하게 된다. 탄소나노튜브의 성장 반응은 500 ℃ 정도에서 일어난다고 알려져 있으며, 더 높은 온도가 바람직하다.
도 3에 도시된 탄소나노튜브의 제조 원리는 반응가스로 Fe(CO)5 와 CO의 혼 합기체를 이용하였으나 이에 한정되는 것은 아니고, 적당한 기체상태의 탄소화합물과 기체상태의 전이금속 촉매전구체화합물의 조합을 사용할 수 있다. 기체상태의 탄소화합물로는, 일산화탄소 이외에 메탄, 아세틸렌, 에틸렌, 벤젠 및 톨루엔 등이 사용될 수 있다. 전이금속 촉매 전구체 화합물로는, 철 또는 코발트를 주성분으로 하는 금속함유 화합물이 바람직하다. 유용한 전이금속으로는 철 또는 코발트 이외에 텅스텐, 몰리브덴, 크롬, 니켈, 로듐, 루테늄, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐, 백금 및 이의 혼합물이 사용될 수 있다. 도 4는 도 3에 도시된 방법 및 장치에 의해서 생성된 탄소나노튜브를 보여주는 주사전자현미경 사진이다.
또한, 도 3에서는 반응용기(10)의 내부에 탄소나노튜브 반응가스(기체상태의 탄소화합물 과 기체상태의 전이금속 촉매전구체화합물의 혼합물)을 넣고서, 압축에 의하여 온도가 상승함에 따라서 금속 클러스터의 생성과 탄소나노튜브의 성장이 이루어 지도록 하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것이 아니다. 앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 기술적 사상은 단열압축에 의하여 반응가스를 공간적으로 균일하게 가열하여 균일한 특성을 갖고 순도가 높은 탄소나노튜브를 제조한다는 것이다. 따라서 사전에 도 3(a)의 반응용기(10)에 나노 사이즈의 촉매 금속체를 넣어 두고, 이산화탄소 가스를 주입한 후에 피스톤을 압축하여 촉매전구체화합물의 열분해 및 금속 클러스터의 생성과정을 거치지 않고 바로 탄소나노튜브 성장 반응이 일어나도록 할 수도 있다.
도 3에 도시된 피스톤은 고압 기체로 대치할 수 있으며, 그 경우 고압 기체가 가상의 피스톤이다. 충격관(shock tube)이 바로 피스톤을 고압 기체로 대치한 것이다. 도 5에는 충격관에서 발생한 충격파를 이용하여 탄소나노튜브를 제조하는 방법 및 장치에 대한 개략도가 도시되어 있다. 충격관(30)은 도 5(a)에 도시된 것과 같이, 격막(40)으로 저압 피동영역(31)과 고압 구동영역(32)의 두 부분으로 나누어진 긴 용기이다. 충격관의 작동원리는 Tsang W and Lifshitz A 가 지은 Handbook of shock wavew와 같은 많은 책에 기술되어 있다(Tsang W and Lifshitz A (2001) Handbook of shock wavew, Academic Press, Bendor G, Igra O, and Elperin T ed, 3:107-210).
도 5를 참조하여 충격파를 이용하여 탄소나노튜브를 제조하는 방법에 대하여 설명한다. 먼저, 저압 피동영역(31)에 탄소나노튜브 반응가스(기체 상태의 Fe(CO)5와 CO의 혼합가스)를 채운다. 고압 구동영역(32)에는 구동가스로 수소 가스를 고압으로 채운다. 어느 기체가 구동 가스로 적당한가에 관한 이론이 있으나, 현재의 목적에는 수소나 헬륨이 가장 적절하다. 다음으로, 도 5(b)에 도시된 것과 같이 두 부분을 분리하는 격막(40)을 피동적 방법(가압에 의하여 자연적으로)이나 능동적 방법(기계적으로 두들기거나 구멍 뚫기로)으로 파열시킨다. 격막(40)이 파열되면, 고압 구동영역(32)에 있던 고압의 수소가 급격히 팽창하면서 저압 피동영역(31)에 있는 저압의 반응기체를 순간적으로 가압하게 된다(도 5(b)). 도 5(b)에 도시된 도면부호 b는 반응가스를 가압하는 수소와의 경계를 표시한다. 이때 반응가스 안에는 첫 충격파(SW1)라고 불리우는 압력과 온도의 불연속이 발생한다. 첫충격파(SW1)는 도 5(b)에 도시된 것과 같이 저압 피동영역(31)의 끝벽(end wall)을 향하여 이동한다. 첫 충격파(SW1)가 저압 피동영역(31)의 끝벽에 도달하면 흐름이 정지되고, 또 새로운 불연속 충격파(SW2)가 발생하여 반대 방향으로 이동한다. 이를 반사 충격파(SW2)라고 부른다(도 5(c)). 저압 피동영역(31)의 끝벽 부근, 즉 끝벽과 반사 충격파 사이의 영역에 있는 반응가스는 두번의 충격파에 의하여 온도가 상승한다. 이러한 충격파에 의한 가열은 단열과정의 일종이다. 수학식 1이 대표하는 등엔트로피 과정과는 달리, 충격파 현상은 비 등엔트로피(엔트로피를 증가시키는)과정이어서, 질량, 운동량, 에너지의 보전의 법칙에서 유도된 란킨유고니오 관계식으로 묘사된다(Ames Research Staff (1953) Equstions, tables, and charts for compressible flow. National Advisory Committee for Aeroanutics Report 1135). 반응기체는, 이 고온상태에서 약간의 시간이 경과한 후에 팽창을 시작한다(도 5(d)). 반응기체가 팽창하는 이유는 구동가스인 수소의 압력이 초기의 고압 상태로부터 팽창의 결과 낮아 졌기 때문이다. 이 구동가스의 팽창과정은 등엔트로피 과정이어서 수학식 1을 만족시킨다. 충격관을 이처럼 사용하는 것을 단일 펄스방식 충격관이라고 부른다.
도 3에 도시된 것과 같이 피스톤을 사용하여 반응가스를 등엔트로피 과정으로 압축하여 가열하는 방법이나, 도 4에 도시된 것과 같이 충격파를 이용하여 반응가스를 비등엔트로피 과정으로 압축하여 가열하는 방법이나, 반응가스의 압력, 온도, 및 농도는 각각 전과정을 통하여 공간적으로 균일하다. 엄밀히 말하면, 반응용기의 벽에 접한 경계층이라 불리우는 얇은 영역 내에 불균일이 생기나, 이 영역이 아주 얇기 때문에 탄소나노튜브 생산에 미치는 영향은 매우 작다. 따라서, 실 제로 열분해에 의해서 생성되는 금속 촉매체 클러스터는 균일한(거의 같은) 직경을 갖게 된다. 따라서, 균일한 금속 촉매체 클러스터의 표면에서 성장하는 탄소나노튜브도 균일한(거의 같은) 특성을 갖게 된다.
충격관을 이용하여 탄소나노튜브를 제조할 경우, 첫충격파가 반응가스 내를 통과할 때, 화학식 1, 화학식 2, 및 화학식 3의 반응이 모두 일어나도록 하는 것이 바람직하다. 격벽을 파열시키기 전에 반응가스를 열분해 온도 및 바우다드 반응 개시온도 미만의 적당한 온도로 예열하면 이러한 목적을 달성할 수 있다. 화학식 1, 2, 3의 반응이 거의 동시에 일어나도록 하면, 촉매 클러스터가 적절한 크기로 결합하는 동시에 탄소나노튜브의 생성이 시작되어 성장하게 하는 것이 유리하기 때문이다. 또한, 반사충격파가 지난 간 후의 온도가 필요이상으로 고온이 되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 필요 이상으로 고온이 되면, 촉매 클러스터를 기화시켜서 탄소나노튜브의 생성을 방해하기 때문이다. 화학식 3의 반응이 일어나기에 충분이 긴 시간이 지난 후에 팽창에 의하여 냉각이 진행되면, 균일한 금속 촉매체 클러스터의 표면에 생성된 탄소나노튜브도 균일한 특성을 갖게 될 것이다.
본 발명의 기술적 사상을 검증하기 위하여 도 5(a) 내지 도 5(d)에 기술된 것과 같은 충격파 실험을 실행하였다. 이 실험의 목적은 단열 압축 가열과 단열 팽창 냉각으로 탄소나노튜브 생성에 필요로 하는 금속 촉매체 클러스터를 생산할 수 있음을 보여 주는 것이다. 도 6은 일정한 조건에서 도 5에 도시된 방법으로 충격관 실험을 실행한 경우, 저압 피동영역의 끝벽에서 측정된 반응기체의 압력의 시간에 따른 경로를 나타내는 그래프이다. 수학식 1을 사용하여 계산한 이 때의 온 도는 도 7의 그래프에 나타나 있다.
도 3 및 도 5에 도시된 방법이나 장치를 이용하여 탄소나노튜브를 제조할 경우, 탄소나노튜브를 연속적으로 대량 생산을 할 수 없는 문제점이 있다. 이하에서는 첨부의 도 8 내지 도 10을 참조하여 탄소나노튜브를 연속적으로 대량 제조할 수 있는 방법 및 장치에 대하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 방법에 따라서 탄소나노튜브를 대량으로 제조할 수 있는 장치의 개략도이고, 도 9는 본 발명에 사용되는 터보 압축기의 일실시예의 개략도이고, 도 10은 본 발명에 사용되는 터보 압축기의 다른 실시예의 개략도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 제조 장치(500)는 반응가스공급수단(300)과, 반응가스공급수단(300)으로부터 연속적으로 공급되는 반응가스를 압축하여 가열하기 위한 터보압축기(400)를 포함한다. 반응가스공급수단(300)과 터보압축기(400) 사이에는 반응가스공급수단으로부터 터보압축기로 공급되는 반응가스의 흐름을 조절하기 위한 조절밸브(360)가 설치되어 있다.
반응가스공급수단(300)은, 일산화탄소(CO)가 저장된 탱크(310)와, 아이언 펜타카보닐(Fe(CO)5)과 같은 유기금속화합물이 용해되어 있는 기화기(320)를 포함한다. 탱크(310)에 저장된 일산화탄소는 배관(312) 및 배관(361)을 통하여 터보 압축기(400)로 공급된다. 또한, 탱크(310)의 일산화탄소는 배관(311)을 통하여 기화기(320)로 공급되어 액체상태의 Fe(CO)5 를 기화시켜서 기체상태의 Fe(CO)5와 함께 배관(321, 361)을 통하여 터보압축기(400)로 공급된다. 미설명 부호 340 및 350은 각각 터보압축기(400)로 공급되는 일산화탄소와 아이언 펜타카보닐의 비율을 조절하기 위한 유량조절수단이다. 본 실시예에 있어서는 기화기(320)에 용해되어 있는 Fe(CO)5를 기화시키기 위한 소오스 가스로 이산화탄소를 사용하였으나, 아르곤과 같은 비활성 가스를 소오스 가스로 사용하고, 기체상태의 탄소화합물을 직접 터보압축기로 공급할 수도 있다. 또한 본 실시예의 장치(500)는 반응가스를 터보압축기(400)로 공급하기 전에 촉매전구체 화합물의 열분해 온도 미만으로 반응가스를 예열하기 위하여 배관(321)에 설치된 가열수단(330)을 포함하고 있다. 가열수단(330)은 전열히터를 사용한다.
도 9에 도시된 터보 압축기(400)는, 중공의 압축기 하우징(410)과, 압축기 하우징(410)에 회전 가능하게 설치된 압축기 로터(420)를 포함한다. 압축기로터(420)의 축방향의 외주면에는 제1임펠러(421)와 제1임펠러(421)로부터 일정거리 이격되어 제2임펠러(422)가 설치되어 있다. 또한, 하우징의 내벽에는 각각의 임펠러와 대응하는 위치에 제1 스테이터(411)와 제2 스테이터(412)가 설치되어 있다. 본 실시예의 터보압축기는 2단 압축기이나. 이에 한정되는 것은 아니고 2단이상의 다단 압축기를 사용할 수도 있다. 압축기 하우징(410)의 전방에는 반응가스가 유입되기 위한 유입구(413)가 형성되어 있고, 압축기 하우징(410) 내부는 반응가스가 유출되기 위하여 압축기하우징(410) 후방의 형성된 배출구(418)와 연통되어 있다. 또한, 압축기 로터(420)의 일단에는 모터(430)의 동력을 전달하기 위한 동력전달수단(440)이 연결되어 있다. 도 10에 도시된 실시예의 압축기(600)는 모타 대신에 압축기 로터(420)에 직접 연결된 터어빈(470)을 이용하여 압축기 로터(420)를 회전시킨다는 점을 제외하고는 도 9에 도시된 실시예의 압축기(400)와 동일하다.
이하에서는 도 8 및 도 9를 참조하여 탄소나노튜브를 제조하는 과정에 대하여 설명한다. 먼저 밸브(360)을 개방하고 일산화탄소 저장탱크(310)에 연결된 유량조절수단(340, 350)을 조절하여, 일산화탄소 가스가 기화기(320)를 통과하여 기화기(320)에 저장된 Fe(CO)5를 기화시키고 배관(321) 및 배관(361)을 통과하여 터보 압축기(400)로 흐르도록 한다. 이때 유량조절수단(340, 250)을 적절히 조절하여 탄소나노튜브의 제조에 적당한 농도의 Fe(CO)5 와 CO의 혼합기체 반응가스가 터보압축기로 공급되도록 한다. 또한, 배관(321)에 설치된 전열히타(330)를 작동시켜서 반응가스를 적당한 온도로 예열할 수도 있다.
다음으로 모타(430)를 일정한 속도로 회전시킨다. 모타(430)의 회전에 의해서 압축기 하우징(410)의 유입구(413)로 유입된 반응가스는 압축기 스크롤(414)을 지나서, 회전하는 제 1임펠러(421)와 정지된 제1 스테이터(411) 사이의 제1압축공간(415)을 통과하는 동안 1차로 압축된다. 정해진 압축기 로터(420)의 회전수에서 터보 압축기(400)의 제1 임펠러(421)와 제1 스테이터(411)는 공급되는 반응가스를 Fe(CO)5 가 열분해 되는 온도이상 및 바우다드 반응의 최초 개시 온도 미만의 온도 범위가 되도록 압축비가 정해져 있다. 예를 들면 상온 대기압 상태에서 반응가스가 공급되는 경우, 제1 임펠러(421)와 제1 스테이터(411)는 반응가스가 제1압축공간(415) 통과하기 전과 통과한 후의 압력비가 7 내지 9 정도가 되도록 반응가스를 압축하도록 설계되어 있다. 제1 압축공간(415)을 통과한 반응가스는 클러스터 생성공간(416)을 통과하면서 화학식1과 화학식2의 반응이 일어나서 균일한 크기의 철 클러스터가 생성된다.
다음으로, 반응가스는 회전하는 제2 임펠러(422)와 정지한 제2 스테이터(412) 사이의 제2압축공간을 통과하는 동안 2차로 압축된다. 정해진 압축기 로터(420)의 회전수에서 터보 압축기(400)의 제2 임펠러(422)와 제2 스테이터(412)는 공급되는 반응가스를 바우다드 반응의 최초 개시 온도 이상의 온도 범위가 되도록 압축비가 정해져 있다. 예를 들면 상온 대기압 상태에서 반응가스가 공급되는 경우 제2 임펠러(422)와 제2 스테이터(412)는 반응가스를 제1 압축공간을 통과하기 전과 통과한 후의 압력비가 12 내지 15 정도의 범위로 압축하도록 설계되어 있다. 물론 반응가스가 전열히타(330)에 의하여 예열되어 공급되는 경우에는 적당하게 압축비를 조절하여야 한다. 반응가스에서는 제2 압축공간(417)을 통과하면서 화학식3의 반응이 일어나서 철 클러스터의 표면에서 탄소나노튜브가 성장하게 된다. 따라서, 압축기 하우징(410)의 배출구(418)로는 탄소나노튜브 생성물 현탁 가스가 배출된다. 배출된 현탁 가스는 도시하지 않은 여과장치를 통과하도록 하여 탄소나노튜브를 포함하는 고체와 일산화탄소를 포함하는 기체를 분리하고, 일산화탄소는 순환되도록 하여 재사용할 수도 있다.
본 발명에 의하면, 기체상태의 탄소화합물과 기체상태의 전이금속 촉매전구체화합물을 포함하는 탄소나노튜브 반응가스가 터보압축기를 통과하는 동안 연속적 으로 압축되도록 하여, 탄소나노튜브를 연속적으로 대량 제조할 수 있는 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명의 방법 및 장치에 의하여 대량으로 생산되는 탄소나노튜브는 공간적으로 균일하게 가열된 분위기에서 생성된 균일한 크기를 갖는 금속클러스터의 표면에서 성장되어 균일한 특성을 갖는다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

Claims (14)

  1. 기체상태의 탄소화합물과 기체상태의 전이금속 촉매전구체화합물을 포함하는 탄소나노튜브 반응가스를 연속적으로 터보 압축기에 공급하는 단계와,
    상기 터보 압축기에서 연속적으로 공급되는 상기 탄소나노튜브 반응가스를 전이금속 촉매전구체 화합물이 열분해되는 온도 이상의 온도 및 바우다드 반응의 최소 개시 온도 이상의 온도가 되도록 압축하여 탄소나노튜브 생성물 현탁 가스를 생성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 터보압축기는 탄소나노튜브 반응가스를 적어도 한 번 이상 연속적으로 압축할 수 있는 다단 압축기이고, 상기 다단 압축기의 적어도 한 번의 압축은 압축되는 탄소나노튜브 반응가스의 온도가 바우다드 반응의 최소 개시 온도 이상의 온도가 되도록 압축시키는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 반응가스를 상기 터보압축기에 공급하기 전에 촉매전구체 화합물의 열분해 온도 미만으로 예열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서,
    상기 탄소화합물은 일산화탄소이고,
    상기 촉매전구체 화합물은 텅스텐, 몰리브텐, 크롬, 철, 니켈, 코발트, 로듐, 루테늄, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐, 백금 및 이들의 혼합물로 이루어지 군으로부터 선택된 금속의 금속함유 화합물인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 금속함유 화합물이 금속 카르보닐인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 금속 카르보닐이 Fe(CO)5 또는 Co(CO)6 및 이들의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조방법.
  8. 기체상태의 탄소화합물과 전이금속 촉매전구체 화합물을 포함하는 탄소나노튜브 반응가스를 혼합하여 공급하기 위한 반응가스공급수단과,
    상기 반응가스공급수단으로부터 탄소나노튜브 반응가스를 공급받아 전이금속 촉매전구체 화합물이 열분해되는 온도 이상의 온도 및 바우다드 반응의 최소 개시 온도 이상의 온도가 되도록 압축하기 위한 터보압축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 터보압축기는 탄소나노튜브 반응가스를 적어도 한 번 이상 연속적으로 압축할 수 있는 다단 압축기이고, 상기 다단 압축기의 적어도 한 번의 압축은 압축되는 탄소나노튜브 반응가스의 온도가 바우다드 반응의 최소 개시 온도 이상의 온도가 되도록 압축시키는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 터보압축기는 탄소나노튜브 반응가스를 압축기로터의 축방향을 따라서 적어도 한번 이상 연속적으로 압축할 수 있는 축방향 다단 압축기인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 터보압축기를 구동시키기 위한 동력을 제공하기 위한 모타와, 상기 모 타의 동력을 상기 터보압축기의 압축기로터에 전달하기 위한 동력전달수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 터보압축기를 구동시키기 위한 동력을 제공하기 위하여 상기 압축기로터에 연결된 터어빈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조장치.
  13. 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응가스공급수단은 탄소나노튜브 반응가스를 터보압축기에 공급하기 전에 촉매전구체 화합물의 열분해 온도 및/또는 바우다드 반응의 최소 개시 온도 미만으로 예열하기 위한 가열수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조장치.
  14. 삭제
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