KR100954351B1 - 탄소나노튜브 제조장치 및 그 방법 - Google Patents

탄소나노튜브 제조장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

탄소나노튜브 제조 장치는 반응기 안에 구비되어 소스 가스를 분산시키는 분산판을 구비한다. 분산판은 뿔 형상으로 형성되어 단부에 금속 촉매가 잔존하는 것을 방지한다. 이에 따라, 탄소나노튜브 제조장치는 분산판에 금속 촉매가 유착되는 것을 방지하고, 생산성을 향상시키며, 제조 원가를 절감할 수 있다.

Description

탄소나노튜브 제조장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD OF PRODUCTING CARBON NANO TUBE}
본 발명은 탄소나노튜브 제조장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 촉매 입자를 유동시켜 탄소나노튜브를 생성하기 위한 탄소나노튜브 제조장치 및 그 방법에 관한 것이다.
탄소나노튜브(Carbon Nanotubes : CNTs)는, 서로 이웃하는 세 개의 탄소 원자가 육각형의 벌집 무늬로 결합되어 탄소 평면을 이루고 탄소 평면이 원통형으로 말려서 튜브 형상으로 이루어진 것을 말한다.
탄소나노튜브는 그 구조에 따라 금속적인 도전성 또는 반도체적인 도전성을 나타내며, 여러 기술 분야에 폭넓게 응용될 수 있어 미래의 신소재로 각광을 받고 있다. 예컨대, 탄소나노튜브는 이차 전지, 연료 전지 또는 수퍼 커패시터와 같은 전기 화학적 저장 장치의 전극, 전자파 차폐, 전계 방출 디스플레이, 또는 가스 센서 등에 적용 가능하다.
탄소나노튜브는 고온의 반응기 안에 금속 촉매 입자와 탄화수소 계열의 소스 가스를 분산 및 반응시켜서 생성된다. 구체적으로, 탄소나노튜브를 제조하는 장치 는 반응기 및 반응기 안에 구비되어 탄소 성분의 소스 가스를 분산시키는 분산판을 포함한다.
반응기 안에서 탄소나노튜브가 생성되는 과정을 살펴보면, 먼저, 금속촉매가 반응기에 제공되어 분산판 상에 적재된다. 소스가스는 분산판의 하부에 유입되고, 분산판에 형성된 분산홀들을 통해 분산판 상부로 분산된다. 금속촉매는 분산홀들을 통해 제공되는 소스가스에 의해 반응기 안을 부유하면서 소스가스와 반응하여 탄소나노튜브를 성장시킨다.
반응기 내에서 소스 가스의 흐름은 반응기의 중앙부를 따라 상승하다가 반응기 측벽측으로 휘어지면서 하강한다. 이와 같은 소스 가스의 흐름으로 인해 금속 촉매가 분산판의 단부에 적재될 수 있다. 이렇게 분산판 상에 잔존하는 금속촉매 입자는 열에 의해 응집되어 분산판에 유착되므로, 이를 제거하는 별도의 작업이 요구된다. 이로 인해, 금속촉매가 유실되고, 생산성이 저하된다.
본 발명의 목적은 금속 촉매의 손실을 감소시킬 수 있는 탄소나노튜브 제조장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 상기한 탄소나노튜브 제조장치를 이용하여 탄소나노튜브를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 하나의 특징에 따른 탄소나노튜브 제조장치는, 반응기 및 분산판으로 이루어진다.
반응기는 탄소나노튜브를 형성하는 반응 공간을 제공한다. 분산판은 상기 반응기 안에 구비되고, 상기 탄소나노튜브를 생성하기 위한 소스 가스를 상기 반응 공간에 분산시키는 다수의 분산홀이 형성되며, 뿔 형상을 갖는다.
또한, 탄소나노튜브 제조장치는 촉매 공급관을 더 포함한다. 촉매 공급관은 상기 소스 가스와 반응하여 탄소나노튜브를 생성하는 금속 촉매를 공급하고, 상기 분산판의 하부에 배치된다. 상기 분산판은 상기 촉매 공급관에 대응하여 중앙부에 주입홀이 형성되고, 상기 금속 촉매는 상기 촉매 공급관으로부터 상기 주입홀을 통해 상기 반응 공간에 유입된다.
한편, 상기 분산판은, 플레이트부 및 가스 가이드부를 더 포함할 수도 있다. 플레이트부는 단부로부터 중앙부로 갈수록 점차 상측으로 돌출된 원뿔 형상을 갖고, 단부에 상기 분산홀들이 형성되며, 중앙부에 상기 주입홀이 형성된다. 가스 가이드부는 상기 플레이트부의 하면에 결합되고, 상기 플레이트부의 단부에 대응하여 배치되며, 내부에 상기 소스 가스가 유입되는 가이드 공간이 형성된다.
또한, 상기 분산판은 단부로부터 중앙부로 갈수록 점차 하측으로 함몰된 원뿔 형상을 가질 수도 있다.
또한, 상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 하나의 특징에 따른 탄소나노튜브 제조 방법은 다음과 같다. 먼저, 내부에 반응 공간이 형성된 반응기를 가열한다. 상기 반응공간에 구비된 분산판의 분산홀들을 통해 소스 가스를 분산시킨다. 상기 분산판의 중앙부로부터 금속 촉매가 제공된다. 이어, 상기 금속 촉매가 상기 소스 가스에 의해 상기 반응 공간을 부유하면서 상기 소스 가스와 반응하여 탄소나노튜브를 생성한다. 상기 분산판측으로 하강하는 상기 소스 가스는 상기 분산판의 경사면을 따라 이동하여 상기 분산판에 안착된 금속 촉매 입자를 부유시킨다.
상술한 본 발명에 따르면, 탄소나노튜브 제조장치는 뿔 형상의 분산판을 구비함으로써, 금속 촉매가 분산판의 단부에 잔존하는 것을 방지한다. 이에 따라, 탄소나노튜브 제조 장치는 금속 촉매의 유실을 방지하고, 생산성을 향상시키며, 제조 원가를 절감할 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 제조장치를 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 분산판과 촉매 공급관 및 가스 공급관을 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 탄소나노튜브(Carbon Nanotubes : CNTs) 제조장치(100)는 반응기(110), 분산판(120), 촉매 공급관(130), 제1 및 제2 가스공급 라인(141, 142), 히팅부(150), 및 회수라인(160)을 포함한다.
구체적으로, 상기 반응기(110)는 바디부(111) 및 커버부(112)로 이루어진다. 상기 바디부(111)는 상면이 개구된 원통 형상을 갖고, 강도가 높고 열에 강한 금속 재질, 예컨대, 스테인리스로 이루어진다.
상기 바디부(111)는 상기 촉매 공급관(130)과 상기 제1 및 제2 가스공급 라인(141, 142)이 유입되는 예비공간(PS), 및 상기 예비공간(PS)의 상부에 위치하고 실질적으로 탄소나노튜브(CNT)의 생성이 이루어지는 반응공간(RS)을 제공한다. 상기 예비 공간(PS)과 상기 반응 공간(RS)은 상기 분산판(120)에 의해 서로 분리된다.
상기 바디부(111)의 상부에는 상기 커버부(112)가 구비되고, 상기 커버부(112)는 상기 바디부(111)와 결합하여 상기 바디부(111)를 밀폐시킨다. 상기 커버부(112)의 중앙부에는 상기 탄소나노튜브(CNT)의 생성 과정에서 형성된 배기가스(EG)를 외부로 배출하는 배기구(112a)가 형성된다. 상기 배기구(112a)는 외부의 배기 장치(미도시)에 연결되어 상기 배기가스(EG)를 상기 배기 장치에 제공한다.
상기 바디부(111)의 내부에는 상기 분산판(120)이 구비된다. 상기 분산 판(120)은 상기 반응 공간(RS)과 상기 예비 공간(PS)의 경계부에 구비되고, 상기 분산판(120)은 상기 탄소나노튜브를 생성하기 위한 소스 가스(SG)와 금속 촉매(MC)를 상기 반응 공간(RS)에 유입 및 분산시킨다. 상기 분산판(120)의 구성에 대한 구체적인 설명은 후술하는 도 3 및 도 4에서 구체적으로 설명한다.
상기 분산판(120)의 하면에는 상기 촉매 공급관(130)과 상기 제1 및 제2 가스 공급라인(141, 142)이 구비된다. 상기 촉매 공급관(130)은 출력단이 상기 바디부(111)의 바닥면을 관통하여 상기 분산판(120)의 하면에 위치하고, 상기 금속 촉매를 상기 반응기(110)에 제공한다. 여기서, 상기 금속 촉매(MC)로는 철(Fe), 코발트, 니켈 등이 이용된다.
또한, 상기 분산판(120)의 하면에는 상기 소스 가스(SG)을 제공하는 상기 제1 및 제2 가스 공급라인(141, 142)이 구비된다. 이 실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브 제조장치(100)는 두 개의 가스 공급라인(141, 142)을 구비하나, 상기 가스 공급라인(141, 142)의 개수는 상기 반응기(110)의 크기에 따라 증가하거나 감소 될 수 있다.
상기 제1 및 제2 가스 공급라인(141, 142)은 출력단이 상기 분산판(120)의 하면에 구비되고, 가스 공급장치(미도시)로부터 상기 소스 가스(SG)를 제공받아 상기 분산판(120)에 제공한다. 여기서, 상기 소스 가스(SG)로는 탄화수소 계열 가스, 예컨대, 아세틸렌, 에틸렌, 메탄 등이 이용된다.
상기 금속 촉매(MC)는 상기 촉매 공급관(130)으로부터 상기 분산판(120)을 통해 상기 반응 공간(RS)에 유입되고, 상기 소스 가스(SG)는 상기 제1 및 제2 가스 공급라인(141, 142)으로부터 상기 분산판(120)을 통해 상기 반응 공간(RS)에 분산된다. 상기 소스 가스(SG)는 상기 반응 공간(RS) 내로 유입된 금속 촉매(MC)가 상기 분산판(120)에 떨어지지 않도록 부유시키고, 상기 금속 촉매(MC)와 반응하여 상기 금속 촉매(MC)에 상기 탄소나노튜브(CNT)를 성장시킨다.
이와 같이, 상기 탄소나노튜브(CNT)는 상기 금속 촉매(MC)가 상기 반응 공간(RS)을 부유하면서 생성되기 때문에, 상기 금속 촉매(MC)의 부유가 활성화될수록 상기 탄소나노튜브의 성장이 활성화된다.
한편, 상기 반응기(110)의 외측벽에는 상기 히팅부(150)가 구비된다. 상기 히팅부(150)는 상기 반응기(110)를 가열하여 상기 반응 공간(RS)을 상기 소스 가스(SG)와 상기 금속 촉매(MC)의 반응을 활성화시키기 위한 적정 온도로 상승 및 유지시킨다.
상기 반응공간(RS)에 형성된 상기 탄소나노튜브(CNT)는 상기 회수라인(160)을 통해 외부로 배출된다. 즉, 상기 회수라인(160)의 입력단은 상기 반응기(110)의 측벽을 관통하여 상기 반응공간(RS)에 구비되고, 상기 분산판(120)의 상부에 배치된다. 상기 회수 라인(160)은 상기 탄소나노튜브(CNT)가 성장된 금속촉매를 흡입하여 외부의 탄소나노튜브 포집 장치(미도시)에 제공한다.
이하, 도면을 참조하여 상기 분산판(120)에 대해 구체적으로 설명한다.
도 3은 도 2에 도시된 분산판을 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 2의 'A'부분을 확대하여 나타낸 확대도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 분산판(120)은 플레이트부(121) 및 가스 가이드부(122)를 포함한다. 상기 플레이트부(121)는 중앙부에 상기 금속 촉매(MC)가 공급되는 주입홀(121c)이 형성된다. 상기 촉매 공급관(130)은 상기 주입홀(121c)에 대응하여 구비되고, 상기 금촉 촉매(MC)는 상기 촉매 공급관(130)으로부터 상기 주입홀(121c)을 통해 상기 반응 공간(RS)으로 유입된다.
상기 플레이트부(121)는 단부(121a)로부터 상기 주입홀(121c) 측으로 갈수록 상기 반응기(110)의 커버부(112) 측으로 돌출된 원뿔 형상을 갖는다. 즉, 상기 플레이트부(121)의 단부(121a)는 상기 바디부(111)의 바닥면에 대해 평행하게 형성되고, 상기 소스 가스(SG)를 분산시키는 다수의 분산홀(121b)이 형성된다. 또한, 상기 플레이트부(121)는 상기 단부로(121a)부터 상기 주입홀(121c) 측으로 갈수록 점차 돌출되고, 이에 따라, 상기 단부(121a)와 상기 주입홀(121c) 사이의 면이 상기 바디부(111)의 바닥면에 대해 기울어진 경사면으로 이루어진다.
이와 같이, 상기 플레이트부(121)는 상기 단부(121a)와 상기 주입홀(121c) 사이의 면이 경사면으로 이루어지고, 상기 분산홀들(121b)은 상기 플레이트부(121)의 단부(121a)를 따라 형성된다. 이에 따라, 상기 소스 가스(SG)는 상기 플레이트부(121)의 단부(121a)로 유입되어 분산되고, 상기 반응 공간(RS)에 유입된 상기 금속 촉매 입자들은 상기 플레이트부(121)의 경사면을 따라 상기 분산홀들(121b) 측으로 유도된다.
따라서, 상기 탄소나노튜브 제조 장치(100)는 상기 플레이트부(121)의 단부(121a)에 상기 금촉 촉매(MC)가 잔류하는 것을 방지할 수 있으므로, 상기 분산 판(120)에 상기 금속촉매(MC)가 응집되는 것을 방지하고, 상기 금속 촉매(MC)의 유실을 방지하며, 제품의 수율과 생산성을 향상시키며, 제조 원가를 절감할 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브 제조 장치(100)는 상기 금속 촉매(MC)가 상기 분산판(120)의 하부로부터 유입되므로, 상기 금속 촉매(MC)의 유실을 방지한다.
한편, 상기 플레이트부(121)의 하면에는 상기 가스 가이드부(122)가 결합된다. 상기 가스 가이드부(122)는 상기 플레이트부(121)의 단부(121a)를 따라 구비되어 평면상에서 볼 때 링 형상을 갖는다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 상기 가스 가이드부(122)는 하면에 상기 소스 가스(SG)가 유입되는 다수의 가스 공급홀(122a)이 형성되고, 상기 가스 공급홀들(122a)은 상기 제1 및 제2 가스 공급라인(141, 142)에 대응하여 형성된다. 상기 가스 가이드부(122)는 내부에 가스 가이드 공간(GGS)이 형성되어 상기 소스 가스(SG)를 상기 플레이트부(121)의 단부(121a)를 따라 이동시킨다. 여기서, 상기 가스 가이드 공간(GGS)은 상기 플레이트부(121)의 하면과 상기 가스 가이드부(122)에 의해 정의된다.
상기 소스 가스(SG)는 상기 제1 및 제2 가스 공급라인(141, 142)으로부터 상기 가스 공급홀들(122a)을 통해 상기 가스 가이드 공간(GGS)으로 유입된 후, 상기 가스 가이드 공간(GGS)을 따라 이동하면서 상기 분산홀들(121b)을 통해 상기 반응 공간(RS)에 유입된다.
이와 같이, 상기 분산판(120)은 상기 소스 가스(SG)를 상기 가스 가이드 공간(GGS)에 먼저 저장한 후 이를 분산시키므로, 상기 소스 가스(SG)의 양을 감소시 킬 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 분산판의 다른 일례를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 도 5에 도시된 분산판(170)은 플레이트부(171)의 형상을 제외하고는 도 3에 도시된 분산판(120)과 동일한 구성을 갖는다. 따라서, 이하, 상기 분산판(170)의 구체적인 설명에 있어서, 도 2에 도시된 분산판(120)과 동일한 구성에 대해서는 참조 부호를 병기하고, 그 중복된 설명은 생략한다.
상기 분산판(170)은 플레이트부(171) 및 상기 플레이트부(171)의 하면에 형성된 가스 가이드부(122)를 포함한다. 상기 플레이트부(171)는 중앙부에 상기 금속 촉매(MC)가 공급되는 주입홀(171c)이 형성된다. 상기 촉매 공급관(130)은 상기 주입홀(171c)에 대응하여 구비되고, 상기 금촉 촉매(MC)는 상기 촉매 공급관(130)으로부터 상기 주입홀(171c)을 통해 상기 반응 공간(RS)으로 유입된다.
상기 플레이트부(171)는 단부(171a)로부터 상기 주입홀(171c) 측으로 갈수록 상기 반응기(110)의 커버부(112) 측으로 돌출된 원뿔 형상을 갖는다. 구체적으로, 상기 플레이트부(171)의 단부(171a)는 상기 바디부(111)의 바닥면에 대해 평행하게 형성된 제1 영역(A1) 및 상기 제1 영역(A1)을 둘러싼 제2 영역(A2)으로 이루어진다.
상기 제1 영역(A1)에는 상기 소스 가스(SG)를 분산시키는 다수의 분산홀(171b)이 형성된다. 상기 제2 영역(A2)은 상기 제1 영역(A1)으로부터 상기 바디부(111)의 측벽 측으로 갈수록 위로 올라간 경사면으로 이루어진다. 이에 따라, 상 기 제2 영역(A2)에 안착된 금속 촉매 입자가 상기 분산홀들(171b)이 형성된 상기 제1 영역(A1)으로 가이드 된다. 따라서, 상기 플레이트부(171)는 상기 금속 촉매(MC)의 유실을 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 플레이트부(171)는 상기 단부로(171a)부터 상기 주입홀(171c) 측으로 갈수록 점차 돌출되고, 이에 따라, 상기 단부(171a)와 상기 주입홀(171c) 사이의 면이 상기 바디부(111)의 바닥면에 대해 기울어진 경사면으로 이루어진다.
상기 플레이트부(171)의 하면에는 상기 가스 가이드부(122)가 결합된다. 상기 가스 가이드부(122)는 상기 제1 영역(A1)에 대응하여 구비되고, 상기 소스 가스(SG)를 플레이트부(171)의 제1 영역(A1)에 분산시킨다.
이하, 도면을 참조하여 상기 반응 공간(RS)에서 상기 탄소나노튜브가 생성되는 과정을 구체적으로 설명한다.
도 6은 도 1에 도시된 탄소나노튜브 제조장치에서 탄소나노튜브가 생성되는 공정 과정을 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 6을 참조하면, 상기 히팅부(150)는 상기 반응기(110)를 가열하여 상기 반응 공간(RS)의 온도를 적정 온도로 상승시킨다.
상기 가스 공급라인들(141, 142)은 상기 소스 가스(SG)를 상기 가스 공급홀들(121b)을 통해 상기 가스 가이드부(122)의 가스 가이드 공간(GGS)에 제공한다. 여기서, 상기 금속 촉매(MC)를 부유시키기 위해 상기 가스 공급라인들(141, 142)에는 적정 압력의 소스 가스(SG)가 제공된다.
상기 가스 가이드부(122)는 상기 소스 가스(SG)를 상기 플레이트부(121)의 단부(121a)를 따라 확산시킨다. 상기 소스 가스(SG)는 상기 가스 가이드 공간(GGS)을 따라 이동하면서 상기 분산홀들(121b)을 통해 상기 반응 공간(RS)에 분산된다.
여기서, 상기 반응 공간(RS)의 소스 가스(SG)의 흐름(SGF)을 살펴보면, 상기 소스 가스(SG)는 상기 분산홀들(121b)을 통해 상기 플레이트부(121)의 단부(121a)로부터 상승한 후 상기 반응 공간(RS)의 중앙부측으로 이동하면서 하강한다.
한편, 상기 금속 촉매(MC)는 상기 촉매 공급관(130)으로부터 상기 플레이트부(121)의 주입홀(121c)을 통해 상기 반응 공간(RS) 내로 유입된다. 상기 주입홀(121c)로부터 배출된 금속 촉매(MC)는 상기 소스 가스(SG)의 흐름(SGF)을 따라 상기 반응 공간(RS)을 부유하면서 상기 소스가스(SG)와 반응하여 상기 탄소나노튜브(CNT)를 생성한다.
상기 금속 촉매(MC)에 성장된 상기 탄소나노튜브(CNT)는 상기 회수 라인(160)을 통해 상기 반응기(110)로부터 배출되어 상기 탄소나노튜브 포집장치에 저장된다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 제조장치를 나타낸 도면이고, 도 8은 도 7에 도시된 분산판과 상기 촉매 공급관의 결합 관계를 구체적으로 나타낸 도면이며, 도 9는 도 8에 도시된 분산판을 확대하여 나타낸 사시도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 탄소나노튜브 제조장치(201)는 반응기(110), 촉매 공급 노즐(210), 분산판(220), 촉매 공급관(230), 제1 및 제2 가스 공급라인(241, 242), 히팅부(150), 및 회수라인(160)을 포함한다. 이 실시예에 있어서, 상기 반응기(110), 히팅부(150) 및 회수라인(160)은 도 1에 도시된 탄소나노튜브 제조장치(100)의 구성 요소와 동일하므로, 중복된 설명은 생략한다.
상기 촉매 공급노즐(210)은 상기 반응기(110)의 바디부(111) 일측에 구비되어 상기 바디부(111)에 상기 금속 촉매(MC)를 제공한다. 상기 촉매 공급노즐(210)의 출력단은 상기 바디부(111)의 측벽을 관통하여 상기 반응공간(RS)에 구비되고, 상기 분산판(220)의 상부에 구비되며, 상기 금속 촉매(MC)를 상기 반응공간에 유입시킨다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 상기 분산판(220)은 중앙부에 상기 금속 촉매(MC)가 공급되는 주입홀(221)이 형성된다. 상기 주입홀(221)은 상기 촉매 공급관(230)과 연결되고, 상기 촉매 공급관(230)으로부터 상기 금속 촉매(MC)를 공급받는다. 이 실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브 제조장치(201)는 상기 촉매 공급노즐(210)과 상기 촉매 공급관(230)을 모두 구비하나, 상기 촉매 공급관(230)만 구비할 수도 있다.
상기 분산판(220)은 단부(222)로부터 상기 주입홀(221) 측으로 갈수록 상기 바디부(111)의 바닥면 측으로 함몰된 원뿔 형상을 갖는다. 상기 분산판(220)은 다수의 분산홀(223)이 형성되고, 상기 분산홀들(223)은 상기 분산판(220)의 전 영역에 형성되어 상기 반응기(110)의 예비 공간(PS)에 유입된 소스 가스(SG)를 상기 반응 공간(RS)에 분산시킨다.
상기 바디부(111)의 하부에는 상기 제1 및 제2 가스 공급라인(241, 242)이 구비된다. 이 실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브 제조장치(201)는 두 개의 가스 공급라인(241, 242)을 구비하나, 상기 가스 공급라인(241, 242)의 개수는 상기 반응기(110)의 크기에 따라 증가하거나 감소 될 수도 있다.
상기 제1 및 제2 가스 공급라인(241, 242)은 상기 바디부(111)의 바닥면에 결합되고, 상기 바디부(111)의 바닥면에 형성된 유입홀들(111a, 111b)과 각각 연통된다. 상기 제1 및 제2 가스 공급라인(241, 242)으로부터 공급된 상기 소스가스(SG)는 상기 유입홀들(111a, 111b)을 상기 예비 공간(PS)으로 유입된다. 상기 제1 및 제2 가스 공급라인(241, 242)으로부터 제공된 소스 가스는 상기 분산판(220)의 분산홀들(223)을 통해 상기 반응 공간(RS)으로 유입된다.
도 10은 도 7에 도시된 탄소나노튜브 제조장치에서 탄소나노튜브를 생성하는 공정 과정을 나타낸 도면이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 상기 히팅부(150)는 상기 반응기(110)를 가열하여 상기 반응 공간(RS)의 온도를 적정 온도로 상승시킨다.
상기 제1 및 제2 가스 공급라인들(241, 242)은 상기 소스 가스(SG)를 상기 바디부(111)의 예비 공간(PS)에 제공하고, 상기 예비 공간(PS)에 유입된 상기 소스 가스(SG)는 상기 분산홀들(223)을 통해 상기 반응공간(RS)으로 유입된다.
여기서, 상기 반응 공간(RS)의 소스 가스(SG)의 흐름(SGF)을 살펴보면, 상기 분산판(220)으로부터 상측으로 상승한 후, 상기 반응기(110)의 중앙부로부터 측벽 측으로 이동하면서 하강한다. 상기 분산판(220) 측으로 하강한 상기 소스 가스(SG)는 상기 분산판(220)의 경사면(224)을 따라 상기 주입홀(221) 측으로 유도되고, 상기 분산홀들(223)로부터 유입되는 소스 가스의 압력에 의해 다시 상승한다.
한편, 상기 금속 촉매(MC)는 상기 촉매 공급 노즐(210) 및 상기 촉매 공급 관(230)으로부터 상기 반응 공간(RS) 내로 유입된다. 상기 금속 촉매(MC)는 상기 소스 가스(SG)의 흐름(SGF)을 따라 상기 반응 공간(RS)을 부유하면서 상기 소스가스(SG)와 반응하여 상기 탄소나노튜브(CNT)를 생성한다.
상기 금속 촉매(MC)에 성장된 상기 탄소나노튜브(CNT)는 상기 회수 라인(160)을 통해 상기 반응기(110)로부터 배출되어 상기 탄소나노튜브 포집장치에 저장된다.
이와 같이, 상기 금속 촉매(MC)는 상기 소스 가스(SG)의 흐름(SGF)에 따라 부유되고, 상기 분산판(220)의 경사면에 의해 상기 분산판(220)의 중앙부측으로 가이드된다. 이에 따라, 상기 탄소나노튜브 제조장치(201)는 상기 금속 촉매(MC)가 상기 분산판(220)의 단부에 잔류되는 것을 방지하므로, 상기 금속 촉매(MC)의 유실을 방지할 수 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 제조장치를 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 상기 탄소나노튜브 제조장치(202)는 제3 가스 공급라인(250)을 제외하고는 도 7에 도시된 탄소나노튜브 제조장치(201)와 동일한 구성을 갖는다. 따라서, 이하, 상기 탄소나노튜브 제조장치(202)에 대한 구체적인 설명에 있어서, 도 7에 도시된 탄소나노튜브 제조장치(201)와 동일한 구성 요소에 대해서는 참조 번호를 병기하고, 중복된 설명은 생략한다.
상기 탄소나노튜브 제조장치(202)는 반응기(110), 촉매 공급 노즐(210), 분산판(220), 촉매 공급관(230), 제1 및 제2 가스 공급라인(241, 242), 히팅부(150),회수라인(160), 및 제3 가스 공급라인(250)을 포함한다.
상기 제3 가스 공급라인(250)은 상기 촉매 공급관(230)을 둘러싸고, 상기 분산판(220)의 주입홀(221)과 연결된다. 즉, 상기 촉매 공급관(230)은 상기 제3 가스 공급라인(250)의 내부에 구비되고, 상기 제3 가스 공급라인(250)은 상기 소스 가스(SG)를 상기 주입홀(221)을 통해 상기 반응 공간(RS)에 제공한다. 따라서, 상기 소스 가스(SG)는 상기 주입홀(221) 및 분산홀들(223)을 통해 상기 반응 공간(RS)에 유입되고, 상기 금속 촉매(MC)는 상기 소스 가스(SG)와 함께 상기 주입홀(221)을 통해 상기 반응 공간(RS)에 유입된다.
이와 같이, 상기 탄소나노튜브 제조 장치(202)는 상기 촉매 공급관(230)을 상기 제3 가스 공급라인(250) 내부에 삽입함으로써, 상기 금속 촉매(MC)와 상기 소스 가스(SG)를 동시에 상기 주입홀(221)을 통해 제공할 수 있다. 이에 따라, 상기 탄소나노튜브 제조장치(202)는 상기 금속 촉매(MC)의 부유를 활성화시키고, 상기 금속 촉매(MC)의 유실을 방지할 수 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 제조장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 분산판과 촉매 공급관 및 가스 공급관을 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 분산판을 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 2의 'A'부분을 확대하여 나타낸 확대도이다.
도 5는 도 1에 도시된 분산판의 다른 일례를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 1에 도시된 탄소나노튜브 제조장치에서 탄소나노튜브가 생성되는 공정 과정을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 제조장치를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 분산판과 상기 촉매 공급관의 결합 관계를 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8에 도시된 분산판을 확대하여 나타낸 사시도이다.
도 10은 도 7에 도시된 탄소나노튜브 제조장치에서 탄소나노튜브를 생성하는 공정 과정을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 제조장치를 나타낸 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
100, 201, 202 : 탄소나노튜브 제조 장치
110 : 반응기 120, 170, 220 : 분산판
130 : 촉매 공급관 150 : 히팅부

Claims (9)

  1. 탄소나노튜브를 형성하는 반응 공간을 제공하는 반응기; 및
    상기 반응기 안에 구비되고, 상기 탄소나노튜브를 생성하기 위한 소스 가스를 상기 반응 공간에 분산시키는 다수의 분산홀이 형성되며, 뿔 형상을 갖는 분산판을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소스 가스와 반응하여 탄소나노튜브를 생성하는 금속 촉매를 공급하고, 상기 분산판의 하부에 배치된 촉매 공급관을 더 포함하고,
    상기 분산판은 상기 촉매 공급관에 대응하여 중앙부에 주입홀이 형성되며,
    상기 금속 촉매는 상기 촉매 공급관으로부터 상기 주입홀을 통해 상기 반응 공간에 유입되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 분산판은,
    단부로부터 중앙부로 갈수록 점차 상측으로 돌출된 원뿔 형상을 갖고, 단부에 상기 분산홀들이 형성되며, 중앙부에 상기 주입홀이 형성된 플레이트부; 및
    상기 플레이트부의 하면에 결합되고, 상기 플레이트부의 단부에 대응하여 배치되며, 내부에 상기 소스 가스가 유입되는 가이드 공간이 형성된 가스 가이드부를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 소스 가스는 상기 가이드 공간을 따라 흐르면서 상기 분산홀들을 통해 상기 반응 공간으로 유입되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 플레이트부의 단부는,
    상기 분산홀들이 형성된 제1 영역, 및 상기 제1 영역을 둘러싼 제2 영역으로 이루어지고,
    상기 제2 영역은 지면에 대해 기울어진 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조 장치.
  6. 제2항에 있어서, 상기 분산판은 단부로부터 중앙부로 갈수록 점차 하측으로 함몰된 원뿔 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 분산홀들은 상기 분산판의 전 영역에 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 촉매 공급관을 둘러싸고, 상기 주입홀과 연결되며, 상기 소스 가스를 공급하는 공급 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조 장치.
  9. 내부에 반응 공간이 형성된 반응기를 가열하는 단계;
    상기 반응공간에 구비된 분산판의 분산홀들을 통해 소스 가스를 분산시키는 단계;
    상기 분산판의 중앙부로부터 금속 촉매가 제공되는 단계; 및
    상기 금속 촉매가 상기 소스 가스에 의해 상기 반응 공간을 부유하면서 상기 소스 가스와 반응하여 탄소나노튜브를 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 분산판측으로 하강하는 상기 소스 가스는 상기 분산판의 경사면을 따라 이동하여 상기 분산판에 안착된 금속 촉매 입자를 부유시키는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조 방법.
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