KR100985724B1 - 탄소나노튜브 제조장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

탄소나노튜브 제조장치는 반응기 및 반응기 내부에 구비된 필터 유닛을 포함한다. 필터 유닛은 반응기로 유입된 금속촉매를 필터링하여 금속촉매가 반응기의 배기홀을 통해 유실되는 것을 방지한다. 이에 따라, 탄소나노튜브 제조장치는 생산성을 향상시키고, 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. 즉, 금속 촉매는 소스 가스에 의해 반응기 안을 부유하면서 소스 가스와 반응하여 탄소나노튜브를 성장시킨다. 탄소나노튜브를 생성하는 동안, 소스 가스는 지속적으로 반응기에 주입되고, 반응기 안의 가스는 소스 가스의 원활한 흐름을 위해서 반응기 상면에 형성된 배기구를 통해 배기장치로 배출된다.
그러나, 금속 촉매 입자들 중 그 크기가 작은 입자들은 소스 가스와 반응하기도 전에 배기구를 통해 배기장치에 흡입되므로, 금속 촉매가 유실된다.
본 발명의 목적은 금속 촉매의 유실을 방지할 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 탄소나노 튜브 제조장치는, 반응기 및 필터 유닛으로 이루어진다.
반응기는 금속 촉매와 소스 가스가 유동하면서 탄소나노튜브가 생성되는 반응 공간을 제공하고, 상기 반응 공간에 충진된 배기 가스를 배기하는 배기구가 형성된다. 필터 유닛은 상기 반응 공간에 구비되고, 다공성 재질로 이루어지며, 상기 배기 가스는 상기 배기구 측으로 배기시키고, 상기 반응 공간에 유입된 금속 촉매는 필터링한다.
구체적으로, 상기 필터 유닛은 플레이트 및 적어도 하나의 필터를 포함한다. 플레이트는 상기 배기구와 인접하게 위치하고, 상기 반응기의 바닥면과 마주한다. 필터는 상기 플레이트 하면에 구비되어 상기 플레이트와 결합하고, 다공성 재질로 이루어지며, 상기 반응기의 길이 방향으로 연장되어 로드 형상을 갖고, 상기 금속 촉매를 필터링하여 금속 촉매가 배기구를 통해 배출되는 것을 방지한다.
상기 필터는 내부에 가스 유입공간이 형성되고, 플레이트는 상기 필터가 위 치하는 영역에 상기 가스 유입공간과 대응하여 배기홀이 형성된다. 상기 배기 가스는 상기 가스 유입공간으로 유입되어 상기 배기홀을 통해 상기 배기구로 배출된다.
또한, 탄소나노튜브 제조 장치는 적어도 하나의 필터가스 라인을 더 포함할 수 있다. 필터가스 라인은 상기 반응기와 결합하고, 필터가스를 상기 필터에 제공하여 상기 필터에 부착된 금속 촉매를 털어낸다.
또한, 상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 하나의 특징에 따른 탄소나노 튜브 제조방법은 다음과 같다. 먼저, 반응기를 가열하고, 상기 반응기에 소스 가스와 금속 촉매를 공급하여 탄소나노튜브를 생성한다. 상기 반응기 안에 형성된 배기 가스를 상기 반응기로부터 배기함과 동시에, 상기 금속 촉매가 상기 배기 가스와 함께 배출되는 것을 방지하도록 상기 배기 가스로부터 상기 금속 촉매를 한다.
상기 배기 가스로부터 상기 금속 촉매를 분리하는 과정을 살펴보면, 먼저, 상기 반응기 안에 필터를 제공하여 상기 배기 가스로부터 상기 금속 촉매를 필터링한다. 상기 필터에 부착된 금속 촉매를 상기 필터로부터 분리시킨다.
여기서, 상기 필터에 부착된 금속 촉매를 분리하는 과정은, 상기 필터가스를 상기 필터의 상부로부터 상기 필터의 내부로 유입시키는 단계와 상기 필터가스의 압력에 의해 상기 필터에 부착된 금속 촉매를 털어내는 단계로 이루어질 수도 있다.
또한, 상기 필터에 부착된 금속 촉매를 분리하는 과정은, 상기 필터가스를 상기 반응기의 측벽으로부터 상기 필터 측으로 유입시키는 단계와 상기 필터가스의 압력에 의해 상기 필터에 부착된 금속 촉매를 털어내는 단계로 이루어질 수도 있 다.
본 발명에 의한 탄소나노튜브 제조장치 및 그 방법에 따르면, 탄소나노튜브 제조장치는 다공성 재질로 이루어진 필터를 구비하여 배기구 측으로 유입되는 금속 촉매를 필터링한다. 이에 따라, 탄소나노튜브 제조장치는 탄소나노튜브의 유실을 방지하고, 생산성을 향상시키고, 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 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 탄소나노튜브(Carbon Nanotubes : CNTs) 제조장치(101)는 반응기(110), 촉매 공급노즐(120), 제1 및 제2 소스가스 라인(131, 132), 분산판(140), 제1 및 제2 히팅부(151, 152), 필터 유닛(160), 다수의 필터가스 라인(170), 및 회수라인(180)을 포함한다.
구체적으로, 상기 반응기(110)는 바디부(111) 및 커버부(112)로 이루어진다. 상기 바디부(111)는 상면이 개구된 원통 형상을 갖고, 열에 강한 재질, 예컨대, 스테인레스로 이루어진다. 상기 바디부(111)는 탄소나노튜브의 제조 공정이 이루어지는 반응 공간(RS)을 제공하고, 상기 반응 공간(RS)은 제1 반응 공간(RS1) 및 상기 제1 반응 공간(RS1)의 상부에 위치하는 제2 반응 공간(RS2)으로 구획된다. 상기 바디부(111)는 상기 제1 반응 공간(RS1)이 형성된 부분보다 상기 제2 반응 공간(RS2)이 형성된 부분이 더 넓은 폭을 갖는다.
상기 바디부(111)의 상부에는 상기 커버부(112)가 구비된다. 상기 커버부(112)는 상기 바디부(111)와 결합하여 상기 바디부(111)를 밀폐시키고, 상기 바디부(111)로부터 배기 가스(EG)가 유입되는 배기 공간(ES)을 제공한다. 상기 커버부(112)는 중앙부에 상기 배기 가스(EG)를 외부로 배출하는 배기구(112a)가 형성된다. 상기 배기구(112a)는 배기 장치(미도시)에 연결되어 상기 배기 가스(EG)를 상기 배기 장치에 제공한다. 본 발명의 일례로, 상기 커버부(112)는 상기 배기구(112a) 측으로 갈수록 폭이 좁아지는 원뿔 형상을 갖는다.
상기 바디부(111)는 상기 금속 촉매(MC)를 제공하는 상기 촉매 공급노즐(120)과 연결된다. 상기 촉매 공급노즐(120)의 출력단은 상기 바디부(111)의 측벽을 관통하여 상기 제1 반응 공간(RS1)에 구비되고, 상기 금속 촉매(MC)를 상기 제1 반응 공간(RS1)에 제공한다. 여기서, 상기 금속 촉매(MC)로는 자성체를 갖는 유기금속 화합물, 예컨대, 철(Fe), 코발트, 니켈 등이 이용된다.
한편, 상기 제1 및 제2 소스가스 라인(131, 132)은 상기 바디부(111)의 하부에 구비된다. 이 실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브 제조장치(101)는 두 개의 소스가스 라인(131, 132)을 구비하나, 상기 소스가스 라인(131, 132)의 개수는 상기 반응기(110)의 크기에 따라 증가하거나 감소 될 수도 있다.
상기 제1 및 제2 소스가스 라인(131, 132)은 상기 바디부(111)의 바닥면에 결합되고, 상기 소스 가스(SG)를 상기 바디부(111)로 제공한다. 여기서, 상기 소스 가스(SG)로는 탄화수소 계열 가스, 예컨대, 아세틸렌, 에틸렌, 메탄, 수소 가스 등이 이용된다. 상기 바디부(111)의 바닥면에는 상기 제1 및 제2 소스가스 라인(131, 132)과 일대일 대응하여 소스 공급홀들(111a, 111b)이 형성된다. 상기 소스 가스(SG)는 상기 제1 및 제2 소스가스 라인(131, 132)으로부터 상기 소스 공급홀들(111a, 111b)을 통해 상기 제1 반응 공간(RS1)으로 유입된다.
한편, 상기 분산판(140)은 상기 제1 반응 공간(RS1)에 구비된다. 상기 분산판(140)은 상기 바디부(111)의 바닥면으로부터 이격되어 상기 바닥면과 마주하고, 상기 촉매 공급노즐(120)의 아래에 배치된다. 상기 분산판(140)은 상기 소스 가스(SG)를 균일하게 분산시키는 다수의 분산홀(141)을 갖는다. 즉, 상기 소스 가스(SG)는 상기 제1 및 제2 소스가스 라인(131, 132)으로부터 상기 분산판(140)의 하부로 유입된 후, 상기 분산홀들(141)을 통해 상기 분산판(140) 상부로 균일하게 분산된다. 상기 분산판(140)의 상부로 유입된 상기 금속 촉매(MC)는 상기 분산홀들(141)을 통해 유입된 소스 가스(SG)에 의해 상기 제1 반응 공간(RS)을 부유하면서 상기 소스 가스(SG)와 반응한다. 이에 따라, 상기 금속 촉매(MC)에 상기 탄소나노튜브가 성장된다.
이와 같이, 상기 탄소나노튜브는 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 바디부(111)의 외측벽에는 상기 제1 및 제2 히팅부(151, 152)가 구비된다. 상기 제1 및 제2 히팅부(151, 152)는 상기 바디부(111)를 가열하여 상기 제1 반응 공간(RS1)의 온도를 적정 온도로 유지시킨다. 구체적으로, 상기 제1 히팅부(151)는 상기 분산판(140)의 하측에 위치하고, 상기 분산판(140)의 하부 공간을 상기 소스가스(SG)를 분해하기 위한 적정 온도로 유지시킨다. 상기 제2 히팅부(152)는 상기 분산판(140)의 상측에 구비되고, 상기 분산판(140)의 상부 공간을 상기 탄소나노튜브의 성장을 활성화하기 위한 적정 온도로 유지시킨다.
한편, 상기 분산판(140)의 상부에는 상기 필터 유닛(160)이 구비된다. 상기 필터 유닛(160)은 상기 바디부(111)와 상기 커버부(112) 사이에 배치된 플레이트(161) 및 상기 플레이트(161) 하면에 구비된 다수의 필터(162)를 포함한다.
이하, 도면을 참조하여 상기 필터 유닛(160)의 구조에 대해 구체적으로 설명한다.
도 2는 도 1에 도시된 필터 유닛을 나타낸 평면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 필터 유닛을 나타낸 사시도이며, 도 4a 및 도 4b는 도 1의 'A'부분을 확대하여 나타낸 도면이다. 도 3은 상기 플레이트(161)와 상기 필터들(162) 간의 결합관계와 상기 필터들(162)의 배치 관계를 명확하게 나타내기 위해 상기 플레이트(161)의 하면이 위로 향하도록 도시하였다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 플레이트(161)는 상기 바디부(111)의 개구된 상면에 구비되고, 상기 분산판(140)과 마주한다. 상기 반응기(110)는 상기 플레이트(161)에 의해 상기 제2 반응 공간(RS2)과 상기 배기 공간(ES)이 서로 분리된다.
본 발명의 일례로, 상기 플레이트(161)는 평면에서 볼 때, 원형으로 형성되 나, 상기 플레이트(161)의 형상은 상기 바디부(111)의 형상에 따라 변경될 수 있다. 상기 플레이트(161)는 상기 바디부(111)와 결합하고, 다수의 배기홀(161a)이 형성된다.
상기 필터들(162)은 상기 플레이트(161)의 하면에 결합되고, 상기 제2 반응 공간(RS2)에 구비된다. 이 실시예에 있어서, 상기 필터 유닛(160)은 7개의 필터를 구비하나, 상기 필터들(162)의 개수는 상기 반응기(110)의 크기 및 각 필터(162a)의 폭에 따라 감소하거나 증가할 수도 있다.
상기 필터들(162)은 상기 배기홀들(161a)과 일대일 대응하고, 각 필터(162a)는 배기홀이 형성된 영역에 위치한다. 이 실시예에 있어서, 상기 필터들(162a) 각각은 동일한 구조를 가지므로, 상기 필터들(162) 중 제1 필터(162a)를 일례로 하여 상기 필터들(162)의 구조에 대해 구체적으로 설명한다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 상기 제1 필터(162a)는 상기 바디부(111)의 길이 방향으로 연장되어 로드 형상을 갖고, 상기 배기홀(161a)에 대응하여 상면이 개구되며, 내부에 가스 유입공간(GS)이 형성된다.
도 1 및 도 4a를 참조하면, 상기 제1 필터(162a)는 상기 가스 유입공간(GS)으로 상기 배기 가스(EG)가 유입되도록 다공성 재질로 이루어진다. 즉, 상기 반응 공간(RS)에는 상기 소스 가스(SG)와 상기 금속 촉매(MC)가 반응하는 과정에서 배기 가스(EG)가 형성되고, 상기 제2 반응 공간(RS2)에 저장된 상기 배기 가스(EG)는 상기 제1 필터(162a)의 가스 유입공간(GS)으로 유입된다. 상기 가스 유입공간(GS)에 유입된 배기 가스(EG)는 상기 플레이트(161)의 상기 배기홀(161a)을 통해 상기 배 기 공간(ES)으로 유입된 후, 상기 배기구(112a)를 통해 상기 배기 장치에 흡입된다.
도 1 및 도 4b를 참조하면, 상기 제1 필터(162a)는 상기 제2 반응 공간(RS)으로 유입된 금속 촉매 입자들(MCP)을 필터링하여 상기 금속 촉매 입자들(MCP)이 상기 배기구(112a)를 통해 상기 배기 장치로 유입되는 것을 방지한다. 즉, 상기 제1 필터(162a)는 상기 배기 가스(EG)나 소스 가스(SG)와 같이 기체는 통과시키고, 상기 금속 촉매 입자들(MCP)은 필터링한다. 이에 따라, 상기 제2 반응 공간(RS2)에 유입된 금속 촉매 입자들(MCP)은 상기 제1 필터(162a)의 외주면에 부착된다. 본 발명의 일례로, 상기 제1 필터(162a)는 상기 금속 촉매(MC)와 반응하는 세라믹 재질로 이루어진다.
이와 같이, 상기 제2 반응 공간(RS2)에 유입된 금속 촉매 입자들(MCP)은 상기 필터들(162)의 각 외주면에 부착된다. 이에 따라, 상기 필터 유닛(160)은 상기 금속 촉매 입자들(MCP)이 상기 배기구(112a)로 유입되는 것을 방지하고, 상기 금속 촉매(MC)의 유실을 방지한다.
한편, 상기 플레이트(161)의 상부에는 필터가스(FG)를 제공하는 상기 다수의 필터가스 라인(170)이 구비된다. 상기 필터가스(FG)로는 불활성 가스, 예컨대, 질소 가스 등이 있다.
상기 필터가스 라인들(170)은 출력단이 상기 커버부(112)를 관통하여 상기 배기 공간(ES)에 위치하고, 상기 필터가스(FG)를 상기 다수의 필터(162)에 제공한다. 상기 필터가스 라인들(170)의 출력단들은 상기 필터들(162)에 일대일 대응하여 구비된다.
예컨대, 상기 필터가스 라인들(170) 중 제1 필터가스 라인(171)의 출력단은 상기 제1 필터(162a)의 상부에 배치되고, 상기 제1 필터(162a)에 대응하는 배기홀을 통해 상기 필터가스(FG)를 상기 제1 필터(162a)에 제공한다. 상기 제1 필터가스 라인(171)으로부터 분사된 상기 필터가스(FG)는 상기 제1 필터(162a)의 가스 유입공간(GS)으로 유입된 후, 상기 제1 필터(162a)를 투과하여 상기 제2 반응공간(RS2)으로 유입된다. 상기 제1 필터(162a)의 외주면에 부착된 금속 촉매 입자들(MCP)은 상기 제1 필터(162a)로부터 배출된 필터가스(FG)의 압력에 의해 상기 제1 필터(162a)로부터 분리된다. 이렇게 분리된 상기 금속 촉매 입자들(MCP)은 중력에 의해 다시 제1 반응 공간(RS1)으로 유입되고, 상기 소스 가스(SG)와 반응하여 상기 탄소나노튜브를 성장시킨다.
이와 같이, 상기 필터가스 라인들(170)은 상기 다수의 필터(162)에 상기 필터가스(FG)를 제공하여 상기 필터들(162)에 부착된 상기 금속 촉매 입자들(MCP)을 털어낸다. 이에 따라, 상기 탄소나노튜브 제조장치(101)는 상기 탄소나노튜브를 생성하는 과정에서 상기 다수의 필터(162)에 부착된 상기 금속 촉매 입자들(MCP)을 재이용할 수 있으므로, 생산성을 향상시키고, 제조 원가를 절감할 수 있다.
또한, 각 필터가스 라인들(170)은 각 필터들(162)에 대응하여 구비되므로, 각 필터별로 상기 필터가스(FG)의 제공 여부 및 가스의 압력을 조절할 수 있다.
한편, 상기 반응 공간(RS)에 형성된 상기 탄소나노튜브는 상기 회수 라인(180)을 통해 외부로 배출된다. 즉, 상기 회수 라인(180)은 상기 바디부(111) 측 벽에 연결되고, 상기 탄소나노튜브가 흡입되는 입력단이 상기 제1 반응 공간(RS1)에 구비되어 상기 분산판(140)의 상부에 배치된다. 상기 회수 라인(180)은 상기 탄소나노튜브가 성장된 금속촉매를 상기 반응기(110)로부터 제공받아 외부의 탄소나노튜브 포집 장치(미도시)에 제공한다.
이하, 도면을 참조하여 상기 탄소나노튜브 제조장치(101)에서 상기 탄소나노튜브가 생성되는 과정을 구체적으로 설명한다.
도 5 및 도 6은 도 1에 도시된 탄소나노튜브 제조장치를 이용한 탄소나노튜브 제조 공정을 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 먼저, 상기 제1 및 제2 히팅부(151, 152)는 상기 반응기(110)를 가열하여 상기 제1 반응 공간(RS1)의 온도를 적정 온도, 예컨대, 약 섭씨 600도로 상승 및 유지시킨다.
상기 촉매 공급노즐(120)은 상기 금속 촉매(MC)를 상기 바디부(111)에 제공하고, 상기 금속 촉매(MC)는 상기 분산판(140)의 상면에 안착된다.
상기 제1 및 제1 소스가스 라인(131, 132)은 상기 소스 가스(SG)를 상기 바디부(111)에 제공하고, 상기 소스 가스(SG)는 상기 분산판(140)의 분산홀들(141)을 통해 상기 분산판(140)의 상부로 유입된다. 여기서, 상기 반응 공간(RS)에 유입된 소스 가스(SG)는 상기 분산판(140) -> 상기 반응 공간(RS)의 상부 영역 -> 상기 바디부(111)의 측벽 -> 상기 반응 공간(RS)의 하부 영역 순으로 이동하면서 순환한다.
상기 분산판(140) 상면의 금속 촉매(MC)는 상기 분산홀들(141)을 통과한 소 스 가스(SG)에 의해 상기 제1 반응 공간(RS1)을 부유하면서 상기 소스 가스(SG)와 반응하여 상기 탄소나노튜브를 성장시킨다.
상기 탄소나노튜브를 생성하는 동안, 상기 반응 공간(RS)에 생성된 상기 배기 가스(EG)는 상기 필터들(162)을 투과하여 상기 가스 유입공간(GS)으로 유입되고, 상기 가스 유입공간(GS) --> 상기 플레이트(161)의 배기홀들(161a) --> 상기 배기 공간(ES) --> 상기 배기구(112a) 순으로 이동하여 상기 배기 장치로 흡입된다.
상기 탄소나노튜브를 생성하는 동안, 상기 필터들(162)은 상기 제1 반응 공간(RS1)으로부터 상기 제2 반응 공간(RS2)으로 유입된 금속 촉매 입자들(MCP)을 필터링하여 상기 금속 촉매(MC)의 유실을 방지한다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 배기구(112a)를 통해 상기 배기 가스(EG)을 배출하는 과정에서, 상기 금속 촉매(MC) 중 일부 입자들(MCP)이 상기 필터들(162)의 외주면에 부착된다.
상기 플레이트(161)의 상부에 배치된 상기 필터가스 라인들(170)은 상기 필터가스(FG)를 상기 필터들(162)로 제공하여 상기 필터들(170)에 부착된 금속 촉매 입자들(MCP)을 털어낸다.
여기서, 상기 필터들(170)에 부착된 금속 촉매 입자들(MCP)을 털어내는 방법은 두 가지 방법이 있다. 첫 번째 방법은, 상기 필터들(170)의 기 설정된 순서에 따라 상기 필터가스(FC)를 제공하는 방법이다. 즉, 상기 필터가스 라인들(170)은 상기 필터들(170)의 순서에 따라 상기 필터들(170) 중 기 설정된 단위 개수의 필터 별로 상기 필터가스(FG)를 제공한다. 예컨대, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 필터가스(FG)가 하나의 필터별로 상기 제1 필터(162a)부터 순차적으로 제공될 경우, 상기 필터가스(FG)는 상기 제1 필터가스 라인(171)으로부터 상기 제1 필터(162a)로 제공되고, 상기 제1 필터가스 라인(171)을 제외한 나머지 필터가스 라인들에서는 상기 필터가스(FG)가 분사되지 않는다. 이에 따라, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제1 필터(162a)에 부착된 금속 촉매 입자들만 제거되고, 나머지 필터들에 부착된 금속 촉매 입자들은 제거되지 않는다. 즉, 상기 필터들(162)은 한번에 한 필터씩 상기 필터가스(FG)를 제공받아 상기 금속 촉매 입자들(MCP)을 털어낸다.
두 번째 방법은, 각 필터들(162)에 부착된 금속 촉매 입자들(MCP)을 동시에 제거하는 방법이다. 즉, 각 필터가스 라인들(170)이 상기 필터가스(FG)를 동시에 배출하여 각 필터에 부착된 금속 촉매 입자들(MCP)을 동시에 털어낸다.
이와 같이, 상기 탄소나노튜브 제조장치(101)는 각 필터들(162)에 대응하여 필터가스 라인을 구비하므로, 상기 필터들(162) 각각에 부착된 금속 촉매 입자들(MCP)을 일괄 제거할 수도 있고, 선택 제거할 수도 있다.
한편, 상기 필터들(162)로부터 분리된 금속 촉매 입자들(MCP)은 상기 제1 반응 공간(RS1)으로 떨어지고, 상기 제1 반응 공간(RS1) 안에서 상기 소스 가스(SG)와 반응하여 상기 탄소나노튜브를 성장시킨다.
상기 탄소나노튜브 제조가 완료되면, 상기 반응기(110)로 상기 금속 촉매(MC)와 상기 소스 가스(SG) 및 상기 필터 가스(FG)를 공급하는 것을 중단하고, 상기 반응기(110)로부터의 상기 배기 가스(EG) 배출을 중단한다. 이어, 상기 회수 라인(180)은 상기 탄소나노튜브가 성장된 금속 촉매를 흡입하여 상기 탄소나노튜브 포집장치에 제공한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 제조장치를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 제조장치(102)는 반응기(190) 및 다수의 필터가스 라인(210)을 제외하고는 도 1에 도시된 탄소나노튜브 제조장치(101)와 동일한 구성을 갖는다. 따라서, 상기 탄소나노튜브 제조장치(102)의 구성에 있어서, 도 1에 도시된 탄소나노튜브(101)와 동일한 구성에 대해서는 참조 번호를 병기하고, 중복된 설명은 생략한다.
상기 탄소나노튜브 제조장치(102)는 상기 반응기(190), 촉매 공급노즐(120), 제1 및 제2 소스가스 라인(131, 132), 분산판(140), 제1 및 제2 히팅부(151, 152), 필터 유닛(160), 다수의 필터가스 라인(210), 및 회수라인(180)을 포함한다.
구체적으로, 상기 반응기(190)는 바디부(191) 및 커버부(192)로 이루어진다. 상기 바디부(191)는 상기 바디부(191)는 상면이 개구된 원통 형상을 갖고, 열에 강한 재질, 예컨대, 스테인레스로 이루어진다. 상기 바디부(191)는 탄소나노튜브의 제조 공정이 이루어지는 반응 공간(RS)을 제공하고, 상기 반응 공간(RS)은 제1 반응 공간(RS1) 및 상기 제1 반응 공간(RS1)의 상부에 위치하는 제2 반응 공간(RS2)으로 구획된다. 상기 바디부(191)는 상기 제1 반응 공간(RS1)이 형성된 부분보다 상기 제2 반응 공간(RS2)이 형성된 부분이 더 넓은 폭을 갖는다.
상기 바디부(191)의 측벽에는 필터가스(FG)가 유입되는 다수의 가스 공급홀(191a)이 형성된다. 상기 가스 공급홀들(191a)은 상기 제2 반응 공간(RS2)에 위치하고, 상기 필터 유닛(160)의 필터들(162)과 마주한다.
상기 바디부(191)의 상부에는 상기 커버부(192)가 구비된다. 상기 커버부(192)는 상기 바디부(191)와 결합하여 상기 바디부(191)를 밀폐시키고, 배기 가스(EG)를 배기시키는 배기 공간(ES)을 제공한다. 상기 커버부(192)는 중앙부에 상기 배기 가스(EG)를 외부로 배출하는 배기구(112a)가 형성된다. 본 발명의 일례로, 상기 커버부(192)는 상기 배기구(112a) 측으로 갈수록 폭이 좁아지는 원뿔 형상을 갖는다.
상기 바디부(191)의 외측벽에는 상기 필터가스(FG)를 제공하는 상기 다수의 필터가스 라인(210)이 구비된다. 상기 필터가스 라인들(210)은 상기 가스 공급홀들(191a)과 일대일 대응하게 위치하고, 상기 바디부(191)의 측벽과 연결된다. 상기 필터 가스(210)는 상기 필터가스 라인들(210)로부터 상기 가스 공급홀들(191a)을 통해 상기 제2 반응 공간(RS2)으로 유입된 후, 상기 다수의 필터(162)로 제공되어 상기 다수의 필터(162)에 부착된 금속 촉매 입자들을 털어낸다.
이하, 도면을 참조하여 상기 필터들(162)로부터 상기 금속 촉매 입자들을 제거하는 방법을 구체적으로 설명한다.
도 8 및 도 9는 도 7에 도시된 탄소나노튜브 제조장치를 이용한 탄소나노튜브 제조 공정을 나타낸 도면이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 상기 탄소나노튜브 제조장치(102)에서 상기 탄소 나노튜브를 생성하는 과정은, 상기 필터들(162)로부터 상기 금속 촉매 입자들(MCP)을 분리하는 과정을 제외하고는 도 5 및 도 6에 도시된 탄소나노튜브 제조장치(101)의 탄소나노튜브 생성 과정과 동일하므로, 그 중복된 설명은 생략한다.
먼저, 상기 제1 및 제2 히팅부(151, 152)가 상기 반응기(190)를 가열하고, 상기 반응기(190)로 상기 금속 촉매(MC) 및 상기 소스 가스(SG)가 유입되어 상기 금속 촉매(MC)에 상기 탄소나노튜브가 성장한다.
상기 탄소나노튜브의 생성이 이루어지는 동안, 상기 반응기(190) 안의 배기 가스(EG)는 상기 필터들(162) --> 상기 플레이트(161)의 배기홀들(161a) --> 상기 배기구(112a) 순으로 경유하여 외부의 배기 장치로 흡입된다.
상기 필터가스 라인들(210)은 상기 반응기(190)로 상기 필터 가스(FG)를 제공하고, 상기 필터 가스(FG)는 상기 바디부(191) 측벽의 가스 공급홀들(191a)을 통해 상기 다수의 필터(162)에 제공된다. 상기 다수의 필터(162)에 부착된 금속 촉매 입자들(MCP)은 상기 필터 가스(FG)의 압력에 의해 상기 필터들(162)로부터 분리되어 상기 제1 반응 공간(RS1)으로 유입된다.
이와 같이, 상기 탄소나노튜브 제조장치(102)는 상기 필터 유닛(160)을 구비함으로써, 상기 금속 촉매(MC)가 상기 배기 장치로 흡입되는 것을 방지하고, 상기 금속 촉매(MC)의 유실을 방지한다. 또한, 상기 탄소나노튜브 제조장치(102)는 상기 필터가스 라인들(210)을 구비함으로써, 상기 탄소나노튜브 생성 과정에서 상기 필터들(162)로부터 금속 촉매 입자를 분리하여 재이용한다. 이에 따라, 상기 탄소나노튜브 제조장치(102)는 생산성을 향상시키고, 제조 원가를 절감할 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 필터 유닛을 나타낸 평면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 필터 유닛을 나타낸 사시도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 1의 'A'부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6은 도 1에 도시된 탄소나노튜브 제조장치를 이용한 탄소나노튜브 제조 공정을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 제조장치를 나타낸 도면이다.
도 8 및 도 9는 도 7에 도시된 탄소나노튜브 제조장치를 이용한 탄소나노튜브 제조 공정을 나타낸 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
101, 102 : 탄소나노튜브 제조장치 110, 190 : 반응기
120 : 촉매 공급노즐 130 : 소스 공급라인
140 : 분산판 151, 152 : 히팅부
160 : 필터 유닛 170, 210 : 가스 공급라인
180 : 회수 라인

Claims (16)

  1. 삭제
  2. 금속 촉매와 소스 가스가 유동하면서 탄소나노튜브가 생성되는 반응 공간을 제공하고, 상기 반응 공간에 충진된 배기 가스를 배기하는 배기구가 형성된 반응기; 및
    상기 반응 공간에 구비되고, 다공성 재질로 이루어지며, 상기 배기 가스를 상기 배기구 측으로 배기시키고, 상기 반응 공간에 유입된 금속 촉매를 필터링하는 필터 유닛을 포함하되;
    상기 필터 유닛은,
    상기 배기구와 인접하게 위치하고, 상기 반응기의 상면과 마주하는 플레이트; 및
    상기 플레이트 하면에 구비되어 상기 플레이트와 결합하고, 다공성 재질로 이루어지며, 상기 반응기의 길이 방향으로 연장되어 로드 형상을 갖고, 상기 금속 촉매를 필터링하여 상기 금속 촉매가 상기 배기구로 유입되는 것을 방지하는 적어도 하나의 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 필터는 내부에 가스 유입공간이 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 플레이트는 상기 필터가 위치하는 영역에 상기 가스 유입공간과 대응하여 배기홀이 형성되고,
    상기 배기구는 상기 반응기의 상면에 형성되며,
    상기 배기 가스는 상기 가스 유입공간으로 유입되어 상기 배기홀을 통해 상기 배기구로 배출되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 반응기와 결합하고, 필터가스를 상기 필터에 제공하여 상기 필터에 부착된 금속 촉매를 털어내는 적어도 하나의 필터가스 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 필터가스 라인은 상기 플레이트의 상부에서 상기 배기홀에 대응하여 구비되고, 상기 필터 가스를 상기 배기홀을 통해 상기 가스 유입공간으로 제공하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 반응기의 측벽에는 상기 필터가스 라인에 대응하여 가스 공급홀이 형성되고,
    상기 필터가스는 상기 필터가스 라인으로부터 상기 가스 공급홀을 통해 상기 필터에 제공되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가스 유입홀은 상기 필터와 마주하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 필터는 세라믹 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조장치.
  10. 삭제
  11. 반응기를 가열하는 단계;
    상기 반응기에 소스 가스와 금속 촉매를 공급하여 탄소나노튜브를 생성하는 단계; 및
    상기 반응기 안에 형성된 배기 가스를 상기 반응기로부터 배기함과 동시에, 상기 금속 촉매가 상기 배기 가스와 함께 배출되는 것을 방지하도록 상기 배기 가스로부터 상기 금속 촉매를 분리하는 단계를 포함하되;
    상기 배기 가스로부터 상기 금속 촉매를 분리하는 단계는,
    상기 반응기 안에 필터를 제공하여 상기 배기 가스로부터 상기 금속 촉매를 필터링하는 단계; 및
    상기 필터에 부착된 금속 촉매를 상기 필터로부터 분리시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 필터로부터 금속 촉매를 분리하는 단계는,
    필터가스를 상기 필터의 상부로부터 상기 필터의 내부로 유입시키는 단계;
    상기 필터가스의 압력에 의해 상기 필터에 부착된 금속 촉매를 털어내는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 필터가스는 다수의 필터에 동시에 제공되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 필터가스는 기 설정된 순서에 따라 다수의 필터 중 기 설정된 단위 개수의 필터별로 제공되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 필터로부터 금속 촉매를 분리하는 단계는,
    필터가스를 상기 반응기의 측벽으로부터 상기 필터 측으로 유입시키는 단계; 및
    상기 필터가스의 압력에 의해 상기 필터에 부착된 금속 촉매를 털어내는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조방법.
  16. 금속 촉매와 소스 가스가 유동하면서 탄소나노튜브가 생성되는 반응 공간과, 상기 반응공간 상부에 위치되고 상기 반응 공간에 충진된 배기 가스가 유입되는 배기공간을 갖는 반응기; 및
    상기 반응 공간과 상기 배기 공간이 서로 구획되도록 상기 반응기의 내부에 설치되는 플레이트; 및
    상기 플레이트에 설치되고, 상기 반응기의 길이 방향으로 연장되는 적어도 하나의 로드 형상의 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조장치.
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