KR100938230B1 - 자기장을 이용한 탄소 나노튜브 합성 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소 나노튜브 합성 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자기장을 이용하여 탄소 나노튜브의 합성 수율을 높이는 탄소 나노튜브 합성 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 나노튜브 합성 장치는 반응가스를 공급하는 반응가스 공급부, 반응가스와 촉매가 반응하여 탄소 나노튜브를 합성하는 반응 챔버, 반응 챔버를 가열하는 가열부 및 반응 챔버 내의 촉매에 자기력을 가하여 촉매의 이동을 제어하는 자기력 발생부를 포함한다.
자기장, 탄소 나노튜브 합성 장치
Description
본 발명은 탄소 나노튜브 합성 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자기장을 이용하여 탄소 나노튜브의 합성 수율을 높이는 탄소 나노튜브 합성 장치에 관한 것이다.
탄소 나노튜브(Carbon nano-tube)는 탄소원자 하나가 주위의 다른 탄소원자 3개와 결합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성한다. 탄소 나노튜브는 전기적, 열적, 기계적 특성이 종래의 소자에 비하여 현저히 뛰어나 전계방출소자, 전기화학 및 에너지 저장, 초미세 메카트로닉스 시스템, 유기 및 무기 복합소재 등 다양한 산업분야에 응용될 수 있다.
이러한 탄소 나노튜브를 합성하는 방법으로는 레이저를 이용하여 금속과 흑연 가루가 일정 비율로 섞어 만든 시편을 기화시켜 합성하는 레이저 어블레이션(ablation)법, 직경이 다른 두 개의 탄소봉에 전압을 가하여 아크방전을 일으켜 합성하는 아크방전법(Arc discharge), 기체 상태의 원료가스를 반응기 안으로 주입하여 열이나 플라즈마에 의하여 탄소 나노튜브를 성장시키는 화학기상증착 법(Chemical vapor deposition; CVD), 액상 또는 기상의 탄화수소를 전이금속과 함께 가열된 반응관 안으로 공급하여 탄화수소를 분해시켜 기상상태에서 탄소 나노튜브를 생성하는 열분해법(Pyrolysis of hydrocarbon) 등이 있다.
최근에 있어서, 탄소 나노튜브를 대량으로 합성하기 위하여 다양한 시도들이 이루어지고 있다. 이 중에서도 기체 상태의 반응가스를 반응기 안으로 주입하면서 유동층을 발생시켜 탄소 나노튜브를 합성하는 방식이 대량 생산의 이점으로 인하여 시도되고 있다.
상기 유동층을 이용하여 탄소 나노튜브를 합성하는 방식은 촉매를 반응 용기 내부로 공급하고, 상기 촉매를 반응 용기 내부에서 지속적을 유동화시키는 것이 탄소 나노튜브의 대량 생산에 필요하다. 탄소 나노튜브를 대량으로 합성하기 위하여는 반응 가스와 반응하는 촉매의 표면적을 늘리기 위하여 반응 용기에서 촉매를 부유하도록 한다.
하지만, 분말 형태의 촉매는 비중이 낮아서 반응 용기 내에서 반응 가스의 흐름에 따라 반응 용기 외부로 배출될 수 있다. 따라서, 이러한 촉매의 배출을 막으면서, 반응 용기 내에서의 촉매의 이동을 활성화 시킴으로써 탄소 나노튜브의 합성 효율을 높이는 장치가 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 안출된 것으로서, 자기장에 의하여 촉매의 움직임을 반응 용기 내에서 제어하여 탄소 나노튜브를 대량으로 합성할 수 있는 탄소 나노튜브 합성 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이와 함께, 자석의 조합, 배열 또는 세기를 조합하여 자기장을 제어함으로써 반응 용기 내에서 촉매의 이동을 활성화시킴으로써 탄소 나노튜브 합성을 효율적으로 할 수 있는 탄소 나노튜브 합성 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 나노튜브 합성 장치는 반응가스를 공급하는 반응가스 공급부; 상기 반응가스와 촉매가 반응하여 탄소 나노튜브를 합성하는 반응 챔버; 상기 반응 챔버를 가열하는 가열부; 및 상기 반응 챔버 내의 촉매에 자기력을 가하여 촉매의 이동을 제어하는 자기력 발생부를 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발 명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명에 따를 경우, 자기장에 의하여 촉매의 움직임을 제어함으로써 반응 용기 내에서 촉매의 체류 시간을 연장할 수 있고, 유동층에서의 촉매를 유동시킴으로 탄소 나노튜브의 합성에 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 나노튜브 합성 장치의 사시도를 보여주며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 나노튜브 합성 장치의 단면도를 보여준다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 나노튜브 합성 장치는 반응가스 공급부(100), 반응 챔버(200), 자기력 발생부(300), 분사판(400), 가열부(500) 및 촉매공급부(600)를 포함할 수 있다.
반응 챔버(200)는 탄소 나노튜브의 합성이 수행되는 공간을 제공한다. 반응 챔버(200)에서는 반응 가스가 열 에너지에 의하여 라디칼로 분해되고, 분해된 라디칼들이 촉매와 반응하여 탄소 나노튜브가 합성된다.
반응 챔버(200)는 석영(Quartz) 또는 그라파이트(Graphite) 등과 같이 내열성 재질로 이루어진다. 반응 챔버(200)에서는 반응가스 공급부(100)에 의하여 공급된 반응가스가 반응 챔버(200) 내에서 유동층을 형성하면서 촉매와 반응을 활발히 일으키도록 한다.
반응 챔버(200)는 탄소 나노튜브의 합성이 진행되면서 반응 챔버(200) 내의 반응가스가 배기되는 가스 배기부(250)를 포함할 수 있다. 반응 챔버(200)에 연속적으로 반응가스를 주입하면서 반응이 종료된 반응 가스는 가스 배기부(250)로 배기된다. 이 때, 유동층에 부유하는 촉매도 반응 가스와 함께 가스 배기부(250)로 배기될 수 있다. 이러한 촉매의 배기는 탄소 나노튜브를 합성에 있어서 촉매의 낭비와 함께 촉매의 부족으로 인한 합성 효율의 저하를 가져올 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 나노튜브 합성 장치에서는 자기력 발생부(300)를 도입하여 촉매의 이동을 제어할 수 있다.
가스 배기부(250)는 반응 가스가 곧바로 외부에 배기되는 경우에 폭발의 위험 등의 안전사고를 발생할 수 있다. 따라서, 가스 배기부(250)는 수집부(260)를 구비하여 수소 계열의 반응 가스를 연소시키거나 수집하여 처리한 후에 덕트(duct; 270)를 통하여 외부로 방출할 수 있다.
반응가스 공급부(100)는 반응 챔버(200)에 반응가스를 공급한다. 반응가스 공급부(100)는 아세틸렌, 에틸렌, 메탄, 벤젠, 크실렌, 일산화탄소, 이산화탄소로 중 하나 또는 이를 조합하여 사용될 수 있다. 반응가스 공급부(100)는 복수의 반응가스를 공급하기 위하여 복수의 가스탱크(120)를 구비할 수 있다.
반응가스 공급부(100)는 반응가스를 공급하기 위하여 공급라인(110), 가스탱크(120), 밸브(125) 및 노즐부(130)를 포함할 수 있다. 가스탱크(120)는 반응가스를 저장하는 역할을 하며, 탄소 나노튜브의 합성을 위하여 복수의 반응 가스를 사용하는 경우에는 복수의 가스탱크(120)가 사용될 수 있다. 공급라인(110)은 가스탱크를 통하여 반응가스가 통과하는 경로를 제공한다. 노즐부(130)는 반응가스가 반응 챔버(200)로 들어가는 입구가 된다. 노즐부(130)는 관 형상 또는 플레어(Flare) 형상 등이 되어 반응가스가 반응 챔버(200) 내부로 퍼지도록 할 수 있다. 밸브(125)는 가스탱크(120)에서 반응가스의 출입을 제어하여, 공급라인의 통로를 개폐할 수 있다.
자기력 발생부(300)는 반응 챔버(200) 내부에 자기장을 발생시킨다. 자기력 발생부(300)는 영구 자석 또는 전자석 등의 자기력을 발생시키는 수단에 의하여 반응 챔버(200) 내부에 자기장을 발생시킨다. 자기력 발생부(300)는 반응 챔버(200)의 외부를 둘러싸면서 N극과 S극을 포함하는 영구 자석(330)을 일정한 간격으로 배치할 수 있다. 또는, 자기력 발생부(300)는 반응 챔버(200)를 둘러싸면서 영구 자석(330)을 반경 방향으로 두 겹 또는 세 겹으로 배치할 수도 있다.
자기력 발생부(300)는 영구 자석(330)을 반응 챔버(200)의 길이 방향으로 배 치할 수 있다. 따라서 자기력 발생부(300)는 반응 챔버(200)의 반응이 일어나는 전체 면적에 자기력을 발생시키기 위하여 반응 챔버(200) 전체 또는 일부분을 둘러싸게 할 수 있다. 자기력 발생부(300)는 자기장을 제어하기 위하여 반응 챔버(200) 주위를 회전하면서 촉매의 움직임을 제어할 수도 있다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 나노튜브 합성 장치에서 영구 자석의 배열과 이로 인한 자기장의 분포를 보여주며, 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소 나노튜브 합성 장치에서 영구 자석의 배열과 이로 인한 자기장의 분포를 보여준다.
도 3a를 참조하면, 자기력 발생부(300)의 영구 자석(330)이 반응 챔버(200)를 둘러싸면서 일정한 간격으로 분포된다. 각 영구 자석(330)에 의하여 반응 챔버(200)의 내부에서 자기장은 N극에서 S극으로 향하면서 발생한다. 이러한 자기력 발생부(300)는 반응 챔버(200)의 길이 방향으로 복수로 배치될 수 있다. 또는, 자기력 발생부(300)를 반응 챔버(200)로부터 일정한 거리를 두고 위치하게 하여, 자기력 발생부(300)에 의해 발생하는 자기력의 세기를 조절할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 자기력 발생부(350)에서 N극과 S극을 가지는 영구 자석(340)이 복수 개로 반응 챔버(200)를 둘러싸면서 분포된다. 이러한 영구 자석(340)은 균일한 자기장의 발생을 위하여 짝수 개로 형성되어 반응 챔버(200)를 둘러싸는 것이 바람직하다. 생성되는 자기장은 자기력 발생부(350)에 의해 반응 챔버(200)를 둘러싸는 평면상에 생성되며, 자기장의 방향은 N극에서 S극으로 향하여 발생한다. 자기장은 하나의 영구 자석의 주위에도 발생할 수 있으나 반응 챔 버(200) 내부에 영향을 끼치는 자기장은 도 3b의 화살표와 같이 주위의 영구 자석과의 상호 작용에 의해 형성될 수 있다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 복수의 홀(410)을 구비한 분사판(400)이 반응 챔버(200) 내부에 장착된다. 분사판(400)은 반응가스 공급부(100)에 의해 공급된 반응가스를 반응 챔버(200) 내부로 균일하게 퍼지게 하는 역할을 한다. 이와 함께, 분사판(400)은 분사판 위에 뿌려지는 촉매를 임시로 머무르게 할 수 있다. 반응가스는 분사판(400)의 홀(410)을 통과하면서 분사판 위에 잔류하는 촉매를 끌어들여 반응 챔버(200) 내부에서 유동층을 이루며 탄소 나노튜브를 합성한다.
가열부(500)는 반응 챔버(200)를 공정이 수행되는 공정 온도로 가열한다. 가열부(500)는 반응 챔버(200)를 감싸면서 전체적으로 열선(510) 또는 유도 코일 등에 의하여 반응 챔버(200)를 가열할 수 있다. 가열부(500)는 반응 챔버(200)의 외벽을 감싸는 단열벽과 상기 단열벽 안쪽에 열선(510) 또는 유도 코일이 위치할 수 있다. 가열부는 탄소 나노튜브의 합성시에 대략 섭씨 500~1100 도(℃) 범위로 반응 챔버(200)를 가열할 수 있다.
촉매공급부(600)는 반응 챔버(200)에서 탄소 나노튜브의 합성을 위하여 촉매를 공급하는 역할을 한다. 촉매공급부(600)는 저장부(610) 및 공급관(620)을 포함할 수 있다. 공급관(620)은 분말 형태의 촉매가 지나가는 통로를 제공하며, 저장부(610)로부터 공급된 촉매를 분사판 위로 뿌린다. 저장부(610)는 분말형태의 촉매가 빈 공간이 생기지 아니하도록 아래가 뾰족한 항아리 형태를 지니거나 저장부(610)의 가운데에 촉매를 휘저어주는 바람개비(615)를 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 일 실시예에 따른 탄소 나노튜브 합성 장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.
먼저 가열부(500)에 의하여 반응 챔버(200)를 공정온도로 가열한다. 공정온도는 대략 500~1100도(℃) 범위로서 가열부(500)에 의하여 지정된 온도로 유지될 수 있다. 반응 챔버(200)의 내부 온도가 요구되는 공정온도에 도달하면 반응가스를 반응 챔버(200)에 공급한다. 반응가스의 공급과 함께 촉매공급부(600)에 의하여 촉매를 공급한다.
반응가스는 분사판(400)의 홀(410)을 통과하면서 반응 챔버(200) 내에서 유동층을 형성한다. 반응가스는 유동을 이루면서 촉매공급부(600)에 의해 공급된 촉매를 함께 끌어들여 반응 챔버(200)에서 부유하게 된다.
유동층에서 부유하는 촉매는 계속되는 반응 가스의 공급에 의하여 가스 배기부(250)로 배기될 수 있다. 촉매가 반응에 참여하기도 전에 가스 배기부(250)로 배기됨으로써 촉매의 낭비와 탄소 나노튜브의 합성에 수율이 떨어질 수 있지만, 자기력 발생부(300)에 의하여 유동층을 따라 부유하는 촉매를 자기력에 의하여 끌어들인다. 촉매는 여러 가지 물질이 조합된 혼합물로서, 촉매의 주성분으로는 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 주석(Sn) 등의 자성체로 이루어져 자기력에 의하여 이동될 수 있다. 따라서 반응 챔버(200)에 부유하는 촉매를 자기력에 의하여 끌어 들임으로써 촉매가 배기부로 배기되는 것을 저지하면서 반응 챔버(200) 내에 촉매가 체류하는 시간을 늘림으로써 탄소 나노튜브의 합성을 위한 반응 가스와의 반응성을 높일 수 있다.
예를 들어, 자기력 발생부(300)에 장착되는 영구 자석(330, 340)의 세기 또는 개수를 달리하거나, 자기력 발생부(300)과 반응 챔버(200)와의 거리를 조절할 수 있게 함으로써 반응 챔버(200) 내부에 발생하는 자기력의 세기를 조절할 수 있다. 자기력의 세기에 따라 촉매의 움직임이 조절될 수 있다.
이와 같이, 촉매가 배기되는 것을 막으면서 촉매를 반응 챔버(200) 내에 상대적으로 긴 시간동안 체류시킴으로써 탄소 나노튜브의 합성 효율을 높일 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소 나노튜브 합성 장치의 단면도를 보여준다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소 나노튜브 합성 장치는 반응가스 공급부(100), 반응 챔버(200), 자기력 발생부(390), 분사판(400), 가열부(500) 및 촉매공급부(600)를 포함할 수 있다.
탄소 나노튜브 합성 장치에서 반응가스 공급부(100), 반응 챔버(200), 분사판(400), 가열부(500) 및 촉매공급부(600)에 대해서는 이미 자세히 설명하였기에, 여기서는 자기력 발생부(390)에 대하여 상술하기로 한다.
자기력 발생부(390)는 반응 챔버(200) 내에 자기력을 발생시키는 역할을 한다. 자기력 발생부(390)는 반응 챔버(200)를 감싸는 코일에 의하여 자기력을 발생시키는 전자력부를 포함할 수 있다. 반응 챔버(200)를 코일로 수십, 수백 또는 수천 회 감으면서 상기 코일에 전류를 흘려주어 반응 챔버(200) 내에 자기장을 발생시킬 수 있다.
자기력 발생부(390)는 코일이 반응 챔버(200)를 감은 횟수 또는 코일에 흘려주는 전류의 세기 등에 의하여 발생하는 자기장의 세기를 제어할 수 있다. 그리하 여, 반응 챔버(200) 내의 촉매를 끌어당기는 인력의 세기를 조절함으로써 촉매의 움직임을 제어할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 다른 실시예에 따른 탄소 나노튜브 합성 장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.
자기력 발생부(390)를 제외한 다른 구성요소에 의한 작용은 상술한 것과 동일하므로 생략하기로 하며, 자기력 발생부(390)의 작용에 대하여 후술하기로 한다.
반응 챔버(200)에서 반응 가스가 유동층을 형성하면서 촉매와 반응하여 탄소 나노튜브를 합성한다. 촉매는 유동층을 따라 반응 챔버(200) 내에서 부유할 수 있고, 부유되고 있는 촉매는 가스 배기부(250)로 배기될 수 있다. 자기력 발생부(390)는 자기장을 발생시켜 반응 챔버(200) 내에서 부유하는 촉매가 가스 배기부(250)로 배기되는 것을 저지할 수 있다. 자기력 발생부(390)는 코일에 전류를 흘러주어 전자석이 되게 함으로써 자성체를 주성분으로 하는 촉매를 끌어당길 수 있기 때문이다.
따라서, 촉매는 반응 가스의 유동인 유동층을 이루면서 부유하면서도 자기력 발생부(390)에 의한 자기장에 의하여 반응 챔버(200)의 내벽으로 이동할 수 있다. 자기력 발생부(390)는 전류의 세기를 변경하거나 또는 전류를 시간에 따라 켜거나(On) 끔(Off)을 통하여 촉매의 이동을 제어할 수 있다.
이와 같이, 반응 챔버(200) 내에서의 촉매의 이동을 제어하고, 촉매가 반응 챔버(200) 내에서 체류하는 시간을 늘림으로써 유동층을 형성하는 반응 가스와의 반응할 수 있다. 특히, 반응 가스의 계속적인 공급에 의하여 유동층에서 부유하는 촉매가 가스 배기부(250)로 배기되어 촉매가 낭비되는 것을 막을 수 있으면서, 촉매가 반응 가스와의 접촉할 수 있는 시간을 늘림으로써 탄소 나노튜브의 합성에 수율을 높일 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 나노튜브 합성 장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 나노튜브 합성 장치의 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 나노튜브 합성 장치에서 영구 자석의 배열과 이로 인한 자기장의 분포를 보여주는 도면이다.
도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소 나노튜브 합성 장치에서 영구 자석의 배열과 이로 인한 자기장의 분포를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소 나노튜브 합성 장치의 단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 설명*
100: 반응가스 공급부 200: 반응 챔버
300, 390: 자기력 발생부 330, 340: 영구 자석
400: 분사판 500: 가열부
600: 촉매공급부
Claims (6)
- 반응가스를 공급하는 반응가스 공급부;상기 반응가스를 촉매와 반응시켜 탄소 나노튜브를 합성하는 반응 챔버;상기 반응 챔버를 가열하는 가열부; 및상기 반응 챔버 내의 상기 촉매에 자기력을 가하여 상기 촉매의 이동을 제어하는 자기력 발생부를 포함하며,상기 자기력 발생부는 상기 반응 챔버를 감싸면서 N극과 S극이 교대로 반복되는 복수의 영구 자석을 포함하며,상기 반응 챔버를 감싸는 복수의 영구 자석은 상기 반응 챔버의 길이 방향으로 다단으로 배치되며,상기 자기력 발생부는 상기 복수의 영구 자석을 상기 반응 챔버 주위로 회전시키면서 상기 촉매의 이동을 제어하는, 탄소 나노튜브 합성 장치.
- 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 촉매는 자기력에 의해 인력이 작용되는 자성체를 포함하는, 탄소 나노튜브 합성 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 반응 챔버 내에서 상기 반응가스가 통과하는 복수의 홀을 구비한 분사판을 더 포함하는, 탄소 나노튜브 합성 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 반응 챔버 내로 상기 촉매를 공급하는 촉매 공급부를 더 포함하는, 탄소 나노튜브 합성 장치.
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