KR101008681B1 - 유동층 탄소나노튜브 생성 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 생성 장치를 제공한다. 본 발명의 실시예에 의하면, 탄소나노튜브 생성 장치는 금속촉매와 소스가스가 서로 반응하여 탄소나노튜브가 생성되는 반응 공간을 제공하는 반응로; 및 반응 공간에서 금속촉매의 유동화를 향상시켜 생산성 향상과 가스전환율을 높여 CNT가격 절감 및 금속촉매가 반응로 측벽에 유착되는 것을 방지하기 위한 회전체를 포함한다.

Description

유동층 탄소나노튜브 생성 장치 및 방법{FLUIDIZING BED APPARATUS AND METHOD FOR PRODUCTING CARBON NANO TUBE}

본 발명은 탄소나노튜브 생성 설비에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 촉매 입자를 유동시켜 탄소나노튜브를 생성하기 위한 탄소나노튜브 생성 장치에 관한 것이다.

탄소나노튜브(Carbon Nano Tube)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.

탄소나노튜브는 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, 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.

이러한 탄소나노튜브를 제조하는 기술 방식은 전기 방전식, 레이저 증착식, 열분해 기상 증착식 등 다양하다. 최근 들어 탄소나노튜브의 대량생산이 이슈화되면서 대량 합성에 유리한 유동층 반응로(Fluidizing bed reaction)를 이용한 기술이 부각되고 있다. 유동층 반응로를 이용한 기술은 고온의 반응로 안에 금속 촉매 입자와 탄화수소 계열의 소스 가스를 분산 및 반응시켜서 탄소나노튜브를 생성하는 방식이다. 즉, 반응로 안에서 금속 촉매를 소스 가스에 의해 부유시키면서 소스 가스를 열분해시켜 금속 촉매에 탄소나노튜브를 성장시킨다.

하지만, 이러한 유동층 반응로를 이용한 제조 기술은 일부 대학에서 연구용 정도로 시작하는 단계로써 대량 생산에 적용하기에는 현실적으로 불가능한 기초적인 기술 수준이라 할 수 있다.

본 발명은 대량 생산이 가능한 탄소나노튜브 생성 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 반응로 내벽의 유착을 방지할 수 있는 탄소나노튜브 생성 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 금속촉매의 유동을 향상시키는 탄소나노튜브 생성 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 연속생산이 가능한 탄소나노튜브 생성 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 생산성을 향상시킬 수 있는 탄소나노튜브 생성 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 탄소나노튜브 생성 장치를 제공한다. 상기 장치는 금속촉매를 공급받는 촉매 공급 포트와 소스 가스를 공급받는 가스 공급 포트를 가지며, 상기 금속촉매와 상기 소스가스가 서로 반응하여 탄소나노튜브가 생성되는 반응 공간을 제공하는 반응로; 및 상기 반응 공간 내에서 금속촉매의 유동화를 향상시키는 회전 가능한 회전체를 포함한다.

상기 회전체는 구동부와; 상기 구동부로부터 회전력을 제공받는 회전축과;

상기 반응로의 반응 공간 내에 설치되며, 상기 회전축에 설치되는 회전 프레임을 구비하며, 상기 회전 프레임은 중앙에 개구를 갖는 사각 틀 형상으로 제공될 수 있다.

또한, 상기 회전체는 구동부와; 상기 구동부로부터 회전력을 제공받는 회전축과; 상기 회전축에 수직하게 제공되며 상하 방향으로 이격되게 위치되는 지지대들과; 그리고 상기 회전축과 평행하게 제공되며, 상기 지지대들의 끝단에 연결되는 블레이드를 포함할 수 있다.

상기 회전체는 아래면이 오목한 하향 날개를 포함할 수 있다.

또한, 상기 회전체는 윗면이 오목한 상향 날개를 포함할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 탄소나노튜브 대량 생산 설비의 일 예를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 유동 합성 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 제1실시예에 따른 회전체들을 보여주는 도면들이다.
도 4a 및도 4b는 제2실시예에 따른 회전체들을 보여주는 도면이다.
도 5는 도 4a에 도시된 회전체에 의해 하강 기류와 상승 기류가 형성되는 반응 공간을 보여주는 사용상태 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 도 3c에 도시된 회전체에 상향 날개들과 하향 날개들을 접목한 변형예이다.
도 7은 도 1에 도시된 제1저장기를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 1에 도시된 공급기를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 1에 도시된 투입기를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 1에 도시된 배기부를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 도 1에 도시된 회수부를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면 도 1 내지 도 11을 참조하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되었다.

도 1은 본 발명의 탄소나노튜브 대량 생산 설비의 일 예를 개략적으로 보여주는 구성도이다.

도 1을 참조하면, 설비(1)은 크게 유동 합성 장치(100), 촉매 공급부(300), 배기부(500), 그리고 회수부(700)를 가진다. 유동 합성 장치(100)는 촉매와 소스 가스를 함께 유동시켜 촉매 상에 탄소나노튜브를 생성한다. 촉매 공급부(300)는 유동 합성 장치로 촉매를 공급한다. 배기부(500)는 유동 합성 장치에서 반응에 참여하지 않은 소스가스나 촉매 등을 배기한다. 회수부(700)는 탄소나노튜브가 생성된 촉매를 유동 합성 장치(100)로부터 회수한다. 다음에는 각각의 구성에 대해 상세히 설명한다.

(유동 합성 장치)

도 2는 도 1에 도시된 유동 합성 장치(100)를 보여주는 도면이다.

도 2를 참조하면, 유동 합성 장치(100)는 반응로(112) 내로 기상의 탄소 함유 기체(소스 가스)와 금속 촉매를 공급받고, 소스 가스를 열분해시켜 기상 상태에서 탄소나노튜브를 생성한다. 유동 합성 장치(100)는 반응로(112)와, 히터(130) 그리고 회전체(160)를 포함한다.

(반응로)

반응로(112)는 석영(quartz) 또는 그라파이트(graphite) 등과 같이 열에 강한 재질로 제조된다. 반응로(112)는 가스 공급 포트(115), 촉매 공급 포트(118), 회수 포트(122) 그리고 분산판(126)을 포함한다.

반응로(112)는 바디부(114)와 커버부(116)를 가진다. 바디부(114)는 상면이 개구된 원통 형상을 갖고, 예열 공간(PHS)과 반응 공간(RS)을 제공한다. 여기서, 예열 공간(PHS)은 소스가스(SG)가 반응 공간(RS)에 유입되기 전에 예열되는 공간이다. 반응 공간(RS)은 예열 공간(PHS)의 상부에 위치하고, 소스가스(SG)와 금속촉매(MC)가 반응하여 탄소나노튜브(CNT)를 생성하는 공간이다.

바디부(114)는 바닥면(114a) 및 이로부터 예열 공간(PHS)과 반응 공간(RS)을 형성하도록 연장된 측벽(114b)을 포함한다. 바닥면(114a)은 측벽(114b)과 함께 예열 공간(PHS)을 제공한다. 바닥면(114a)에는 소스가스(SG)가 유입되는 가스 공급 포트(115)가 연결된다. 이 실시예에 있어서, 바디부(114)는 한 개의 가스 공급 포트(115)를 구비하나, 가스 공급 포트(115)의 개수는 공급되는 가스의 종류 및 가스 공급 라인의 개수에 증가할 수 있다.

바디부(114)의 측벽(114b)은 단일관일 때는 석영(quartz) 또는 그라파이트(graphite) 등과 같이 열에 강한 재질로 이루어지며, 측벽이 이중관일 때는 열과 압력에 강한 내열성 금속재질( 예컨대, 스테인레스)이 외벽에 추가될 수 있다.

금속촉매(MC)는 탄소나노튜브(CNT)를 생성하기 위해 소스가스를 열분해하는 과정에서 벽과 반응할 수 있다. 하지만, 이러한 문제는 회전체(160)에 의해 예방될 수 있으며, 회전체(160)에 대해서는 추후에 자세히 설명하기로 한다.

커버부(116)는 바디부(114)의 상부에 구비된다. 커버부(116)는 바디부(114)의 개방된 상면과 결합하여 바디부(114)를 외부로부터 밀폐시킨다. 커버부(116)의 중앙부에는 탄소나노튜브(CNT)를 형성하는 과정에서 생성된 배기가스(EG)를 외부로 배출하는 배기포트(117)가 결합된다. 배기포트(117)는 배기부(500)와 연결된다.

촉매 공급 포트(118)는 바디부(114)의 측벽에 결합되어 바디부(114)에 금속 촉매(MC)를 제공한다. 촉매 공급 포트(118)는 촉매 공급부(300)로부터 금속 촉매를 공급받는다. 촉매 공급 포트(118)의 출력단은 바디부(114)의 측벽(114b)을 관통하여 반응 공간(RS) 내에 위치될 수 있다.

바디부(114)의 하부에는 소스가스 라인(151)과 연결되는 가스 공급 포트(115)가 연결된다. 이 실시예에 있어서, 유동 합성 장치(100)는 한 개의 가스 공급 포트를 구비하나, 가스 공급 포트의 개수는 반응로(112)의 크기에 따라 증가될 수도 있다.

소스가스 라인(151)은 바디부(114)의 가스 공급 포트(115)와 연결된다. 여기서, 소스 가스(SG)로는 탄화수소 계열 가스, 예컨대, 아세틸렌, 에틸렌, 메탄, 수소 가스 등이 사용될 수 있다. 소스가스(SG)는 소스가스 라인(151)으로부터 가스 공급 포트(115)를 통해 예열 공간(PHS)으로 유입된다. 소스 가스에는 유동 기체가 더 포함될 수 있다. 유동 기체는 탄화수소 계열 가스와 금속 촉매간의 반응으로 생성되는 탄소나노튜브가 성장함에 따른 무게의 증가로 인해 중력방향으로 떨어지는 것을 막아주는 역할을 할 뿐만 아니라, 반응로(112) 내부에 유동화 지역을 확대시켜 탄화수소 계열 가스(즉,탄소 소스)와 금속 촉매의 반응을 활성화시킨다. 유동 기체로는 헬륨, 질소, 아르곤 등과 같은 불활성 가스가 사용될 수 있으며, 필요에 따라, 메탄, 아세틸렌, 일산화탄소 또는 이산화탄소와 같은 가스 또는 이러한 가스와 아르곤 가스의 혼합 가스가 사용할 수 있다. 도시하지 않았지만, 바디부(114)는 바닥면(114a)에 공정을 마친 반응로(112) 내부를 비활성 가스로 채우기 위한 비활성 가스 공급라인이 연결될 수 있다.

한편, 분산판(126)은 반응 공간(RS)과 예열 공간(PHS)의 경계부에 구비된다. 즉, 반응 공간(RS)과 예열 공간(PHS)는 분산판(126)에 의해 구획된다. 분산판(126)은 바디부(114)의 바닥면(114a)과 마주하고, 촉매 공급 포트(118)의 아래에 배치된다. 분산판(126)에는 다수의 분산 홀(126a)이 형성되어, 소스가스(SG)를 반응 공간(RS)으로 균일하게 분산시킨다. 소스가스(SG)는 소스가스 라인(151)으로부터 예열 공간(PHS)으로 유입되고, 예열 공간(PHS)에 유입된 소스가스(SG)는 분산 홀들(126a)을 통해 반응 공간(RS)으로 분산된다. 분산판(126)은 상부 히터(132)와 하부 히터(134)로부터 영향을 적게 받기 때문에 예열 공간(PHS)이나 반응 공간(RS)보다 낮은 400℃ 미만의 온도로 유지된다. 분산판(126)의 밑면에는 메쉬(127)가 설치되어 분산판(126)의 분산 홀들(126a)를 통해 금속촉매가 예열 공간(PHS)으로 떨어지는 것을 방지한다.

분산판(126)의 상부로 유입된 금속촉매(MC)는 분산 홀들(126a)을 통과한 소스가스(SG)에 의해 반응 공간(RS)에서 부유하면서 소스가스(SG)와 반응한다. 이에 따라, 금속촉매(MC)에 탄소나노튜브(CNT)가 성장된다. 이와 같이, 탄소나노튜브(CNT)는 금속촉매(MC)가 반응 공간(RS)을 부유하면서 생성되기 때문에, 금속촉매(MC)의 부유가 활성화될수록 탄소나노튜브(CNT)의 성장이 활성화된다.

한편, 반응 공간(RS)에서 금속촉매(MC) 상에 생성된 탄소나노튜브(CNT)는 회수 포트(122)를 통해 외부로 배출된다. 즉, 회수 포트(122)는 바디부(114)의 측벽(114b)에 분산판(126)과 인접한 위치에서 연결되고, 탄소나노튜브(CNT)를 흡입하는 입력단이 반응 공간(RS)에 구비된다. 회수 포트(122)는 회수부(700)의 회수라인(711)과 연결되며, 탄소나노튜브가 성장된 금속촉매는 음압기류를 통해 회수부(700)로 회수된다.

(히터)

히터(130)는 상부 히터(132)와 하부 히터(134)를 가진다. 상부 히터(132)는 분산판(126)의 상부에 제공되고, 하부 히터(134)는 분산판(126)의 하부에 제공된다. 상부 히터(132)와 하부 히터(134)는 바디부(114)의 측벽(114b)에 인접하게 위치된다. 상부 히터(132)는 반응 공간(RS)를 주로 가열하고, 하부 히터(134)는 예열 공간(PHS)를 주로 가열한다. 하부 히터(134)는 예열 공간(PHS)을 감싸도록 제공되어 예열 공간(PHS)의 온도를 적정 온도로 상승시킨다. 이에 따라, 예열 공간(PHS)으로 유입된 소스가스(SG)가 가열된다. 상부 히터(132)는 반응 공간(RS)을 감싸도록 제공되어 반응 공간(RS)의 온도를 탄소나노튜브(CNT)의 성장을 활성화하기 위한 적정 온도(600-900℃)로 유지시킨다.

한편, 상부 히터(132)와 하부 히터(134)는 분산판(126)과 대응되는 영역으로는 직접적으로 열을 가하지 않기 때문에, 분산판(126)은 상부 히터(132)와 하부 히터(134)로부터 열 영향을 적게 받는다. 따라서, 분산판(126)의 온도는 예열 공간이나 반응 공간보다 온도가 낮으며, 바람직하게는 400℃ 이하로 유지되는 것이 바람직하다. 이와 같은 히터(132, 134)들의 배치는 분산판(126)이 저온(400℃ 이하)으로 유지되도록 하며, 이로 인해 분산판(126)에 쌓이는 금속 촉매가 서로 뭉치는 것을 방지할 수 있다.

(회전체)

(회전체의 제1실시예)

도 3a 내지 도 3c는 제1실시예에 따른 회전체들을 보여주는 도면들이다.

도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 회전체(160)는 반응 공간(RS)에서 금속 촉매의 유동화를 향상시켜 금속 촉매가 반응로(112)의 측벽(114b)에 유착되는 것을 방지한다. 회전체(160)는 구동부(162), 회전축(164), 그리고 회전 프레임(166)을 가진다. 구동부(162)는 반응로(112)의 외부에 설치된다. 구동부(162)로는 모터가 사용될 수 있다. 회전축(164)은 반응 공간(RS) 내에 위치되며, 구동부(162)로부터 회전력을 제공받는다. 회전 프레임(166)은 회전축(160)과 결합된다. 회전체(160)는 정기적으로 또는 비정기적으로 동작될 수 있다. 회전체(160)는 반응로 측벽의 촉매 유착 방지로 사용되는 경우에는 저속(분당 1-10회)으로 회전될 수 있으며, 반응 공간에서의 유동층 향상을 위해 사용되는 경우에는 저속 회전보다는 상대적으로 빠르게 회전될 수 있다.

회전 프레임(166)은 반응 공간(RS)의 가장자리를 따라 회전하는 블레이드(168)들을 갖는다. 회전 프레임(166)은 블레이드(168)가 반응 공간(RS)의 가장자리를 따라 회전하면서 반응로(112)의 측벽(114b)에 유착되는 금속 촉매를 물리적으로 제거한다. 블레이드(168)들은 양단이 지지대(167)에 의해 고정되며, 지지대(167)들은 회전축(164)에 수평하게 연결 고정된다. 지지대(167)의 길이는 반응로(114)의 반경과 유사하며, 블레이드(168)는 지지대의 끝단에 위치된다. 따라서 블레이드(168)은 반응로(112)의 내벽과 인접하게 위치된다. 회전 프레임(166)은 정면에서 보았을때 중앙에 개구를 갖는 사각 틀형상으로 이루어진다. 회전 프레임(166)의 안정적인 회전을 위해, 회전축(160)의 하단은 분산판(126)에 회전 가능하게 지지될 수 있다.

도 3a을 참조하면, 회전축(164)은 반응 공간에 상하 방향으로 길게 제공된다. 회전축(164)의 일단은 분산판(126)과 인접한 위치까지 연장될 수 있다. 회전축(164)은 회전 프레임(166)의 가운데를 가로질러 길게 형성되므로, 회전 프레임(166)의 회전이 안정적으로 이루어진다.

선택적으로 도 3b의 경우처럼, 회전축(164)의 끝단이 회전 프레임(166)의 상단까지만 연장되고, 회전 프레임(166)은 회전축(164)의 끝단에 연결될 수 있다. 이는 회전축(164)이 금속 촉매의 유동을 간섭하는 것을 최소화할 수 있다.

도 3c에 도시된 회전체(160)는 제1회전 프레임(166-1)과 제2회전 프레임(166-2)을 구비하며, 제1회전 프레임(166-1)과 제2회전 프레임(166-2)은 회전축(164)에 연이어 설치된다. 여기서, 제1회전 프레임(166-1)과 제2회전 프레임(166-2)은 회전축(164)에 설치되는 방향이 서로 다른 것을 알 수 있다. 일 예에 의하면, 제1회전 프레임(166-1)과 제2회전 프레임(166-2)는 서로 수직이 되도록 설치된다. 제1회전 프레임(166-1)은 X축 방향으로 설치되고, 제2회전 프레임(166-2)은 Y축 방향으로 설치된다.

이와 같이, 반응로(112)의 합성 공간(RS)에 회전체(160)가 정기적 또는 비정기적으로 회전하기 때문에 금속 촉매(MC)가 반응로(112)의 측벽에 달라붙는 것을 방지하여 제품의 수율 및 생산성 향상을 기대할 수 있다.

(회전체의 제2실시예)

도 4a 및 도 4b는 제2실시예에 따른 회전체들을 보여주는 도면이다. 도 5는 도 4a에 도시된 회전체에 의해 하강 기류와 상승 기류가 형성되는 반응 공간을 보여주는 사용상태 도면이다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 회전체(160a)는 제1실시예의 회전체(160)와 동일한 구성과 기능을 갖는 구동부(162), 회전축(164) 그리고 회전 프레임(166) 등을 가진다. 이들에 대한 설명은 회전체(160)의 제1실시예에서 상세하게 설명하였기에 본 실시예에서는 생략하기로 한다. 다만, 제2실시예에서는 반응 공간(RS)에 하강기류와 상승기류를 제공하기 위하여, 회전 프레임(166)은 하향 날개(170)들과 상향 날개(172)들을 가진다.

하향 날개(170)들은 입자가 작은 금속 촉매가 반응 공간(RS)의 상부로 이탈하는 것을 방지한다. 상향 날개(172)들은 입자가 큰 금속 촉매가 반응 공간(RS)의 하부로 가라앉는 것을 방지한다. 하향 날개(170)들과 상향 날개(172)들은 지지대를 대신하는 것으로, 지지대의 형상이 날개 형상으로 변경되었다고 할 수 있다. 선택적으로 지지대에 하향 날개(170)들과 상향 날개(172)가 장착될 수 있다. 하향 날개(170)들은 아래면이 오목한 형상으로 양쪽에 하나씩 배치된다. 상향 날개(172)들은 윗면이 오목한 형상으로 양쪽에 하나씩 배치된다. 특히, 측면에서 바라보았을때 하향 날개(170)들과 상향 날개(172)들은 서로 엇갈리게 배치된다.

도 5에서와 같이, 회전 프레임(166)이 회전하면, 상부에 위치한 하향 날개(170)들에 의해 반응 공간(RS) 하부로 향하는 하강 기류가 발생된다. 이 하강 기류는 입자가 작은 금속 촉매가 반응 공간(RS)의 상부로 이탈되는 것을 최소화한다. 또한, 회전 프레임(166)이 회전하면, 하부에 위치한 상향 날개(172)들에 의해 반응 공간(RS)의 상부로 향하는 상승 기류가 발생된다. 물론, 반응 공간(RS)에는 분산판(126)을 통해 제공되는 소스 가스로 인해 금속 촉매의 유동성을 확보할 수 있으나, 추가적으로 상향 날개(172)들에 의해 형성되는 상승 기류는 분산판(126)으로 가라앉으려고 하는 입자가 큰 금속 촉매를 부유시키는데 영향을 주게 된다.

예컨대, 입자가 큰 금속 촉매에 유동성을 주기 위하여 소스 가스의 공급 압력을 높일 경우, 입자가 작은 금속 촉매는 반응 공간(RS)으로부터 벗어나서 배기 가스와 함께 배기 포트를 통해 배기될 수 있다. 하지만, 회전 프레임(166)에 상향 날개(172)들을 장착하게 되면, 소스 가스의 공급 압력을 높이지 않고도 입자가 큰 금속 촉매를 부유시킬 수 있게 된다.

반응 공간(RS)에서의 금속 촉매 부유 정도는 소스가스(SG)의 압력에 따라 조절되며, 소스가스(SG)의 압력은 금속촉매(MC)의 입자 크기에 따라 결정된다. 일반적으로, 금속촉매(MC)의 입자 크기는 약 0.6㎛ 내지 약 300㎛로서, 입자 분포도가 넓은 편이다. 따라서, 소스가스(SG)는 중간 크기의 금속촉매 입자를 기준으로 그 압력이 결정된다. 이에 따라, 상대적으로 작은 금속촉매 입자들은 소스가스(SG)의 압력에 의해 배기포트(117)로 배출될 수 있다. 그리고 상대적으로 큰 금속 촉매 입자들은 분산판(126)의 상부에 쌓이게 된다. 이러한 문제는 회전체(160)의 하향 날개(170)들과 상향 날개(172)들에 의해 최소화시킬 수 있으며, 이들 날개들에 의해 반응로(112) 내부에서의 강제 유동(순환)을 보다 효과적을 제공할 수 있다. 따라서, 상대적으로 큰 금속 촉매를 부유시키기 위해 필요 이상의 고압으로 소스가스를 공급하지 않음으로써 소스가스의 낭비를 줄일 수 있다.

다시 도 3a를 참조하면, 회전체(160)의 회전 프레임(166)은 분산판(126)의 상부에서 회전하는 바닥 블레이드(169)를 포함할 수 있다. 바닥 블레이드(169)는 분산판(126)에 인접하게 위치되어 분산판(126)에 쌓이는 금속 촉매(앞에서 언급한 상대적으로 큰 금속 촉매 입자들)를 훑어 금속 촉매가 분산판(126)에 쌓여서 생기는 채널링 현상을 방지할 수 있다. 바닥 블레이드(169)는 회전 프레임(166)에 별도의 구성으로 추가 설치할 수도 있다. 하지만, 도 3a에서와 같이 회전 프레임(166)의 하단에 설치된 지지대(167)가 바닥 블레이드(169)의 역할을 수행하기 때문에 별도로 바닥 블레이드를 추가 설치할 필요는 없다.

본 실시예에서는 블레이드가 상향 날개(172)들과 하향 날개(170)들에 고정 설치되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 이들 날개들의 길이(크기)가 짧은 경우에는 지지대에 설치되도록 구성할 수 있다. 도 4b에서와 같이, 하향날개(170)와 상향 날개(172)는 회전 프레임(166)의 상단과 하단에 3렬로 설치될 수 있으며, 이들 날개의 개수는 필요에 따라 증가되거나 감소될 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 도 3c에 도시된 회전체에 상향 날개들과 하향 날개들을 접목한 변형예이다.

도 6a 및 도 6b에서와 같이, 회전체(160b)는 제1회전 프레임(166-1)과 제2회전 프레임(166-2)을 구비하며, 제1회전 프레임(166-1)과 제2회전 프레임(166-2)은 회전축(164)에 연이어 설치된다. 여기서, 제1회전 프레임(166-1)은 X축 방향으로 설치되고, 제2회전 프레임(166-2)은 Y축 방향으로 설치된다. 제1회전 프레임(166-1)에는 하향 날개(170)들이 다단(3단)으로 구성되며, 제2회전 프레임(166-2)에는 상향 날개(172)들이 다단(3단)으로 구성된다. 이러한 구성을 갖는 회전체(160b)는 앞에서 언급한 바와 같은 작용 효과들을 갖는다.

(촉매 공급부)

다시 도 1을 참조하면, 촉매 공급부(300)는 촉매제조장치(302), 제1저장기(310), 공급기(320), 투입기(350)를 포함한다.

금속 촉매는 촉매제조장치(302)에서 제조된다. 촉매제조장치(302)에서 제조된 금속 촉매는 제1저장기(310)에 저장된다. 제1저장기(310)에 저장되어 있는 금속 촉매는 필요에 따라 공급기(320)로 제공된다.

(제1저장기)

도 7은 도 1에 도시된 제1저장기를 설명하기 위한 도면이다.

제1저장기(310)는 제1저장탱크(312)와 푸싱기(316)를 포함한다. 제1저장탱크(312)는 유동 합성 장치(100)에서 수십회 사용할 수 있는 금속 촉매가 저장되는 공간(312a)과, 공급기와 연결되는 통로(313)를 갖는다. 통로(313)는 제1저장탱크(312)의 상단부에 제공된다. 푸싱기(316)는 제1저장탱크(312)에 저장되어 있는 금속 촉매를 통로(313)로 밀어 넣기 위한 것이다. 푸싱기(316)는 제1저장탱크(312)의 내부 공간에 수직방향으로 이동 가능하게 설치되는 가압판(317)과, 가압판(317)을 승강시키기 위한 승강 구동부(318)를 포함한다. 승강 구동부(318)는 가압판(317)을 승강시키기 위한 것으로, 유압/공압을 이용한 실린더 구동 방식, 모터와 볼스크류 구동방식 등의 직선 구동 메카니즘이 적용 가능하며, 이러한 구동 메카니즘은 당해 분야에 잘 알려져 있는 것이기 때문에 상세한 설명은 생략하기로 한다. 푸싱기(316)는 공급기(320)에 저장되어 있는 금속 촉매가 일정량 이하로 감소되는 경우, 공급기(320)에 설치된 용량 감지 센서(미도시됨)가 이를 감지하여 감지 신호를 푸싱기(316)로 제공하게 된다. 푸싱기(316)는 용량 감지 센서로부터 받은 신호(금속 촉매가 일정량 이하로 감소되었음을 알려주는 신호)에 의해 가압판(317)을 상승 시켜 제1저장탱크(312)에 저장되어 있는 금속 촉매의 일부를 통로(313)를 통해 공급기(320)로 제공하게 된다.

(공급기)

도 8은 도 1에 도시된 공급기를 설명하기 위한 도면이다.

공급기(320)는 유동 합성 장치(100)에서 수회 사용될 만큼의 금속 촉매가 저장되는 제2저장탱크(321)를 갖는다. 제2저장 탱크(321)는 상부면(322), 측면(324), 그리고 토출구(326a)가 형성된 하부면(326)을 가진다. 측면(324)은 대체로 수직한 상측부(324a), 이로부터 아래로 연장되며 아래로 갈수록 안쪽으로 경사진 중간측부(324b), 그리고 이로부터 아래로 대체로 수직하게 연장되며 좁은 통로를 제공하는 하측부(324c)를 가진다. 상술한 구조로 인해 상측부(324a)에 의해 제공된 공간에는 하측부(324c)에 의해 제공된 공간에 비해 동일 높이에 해당되는 영역에 많은 량의 금속 촉매(MC)가 저장된다. 상술한 중간측부(324b)의 형상에 의해 상측부(324a)에 의해 제공된 공간 내 촉매(MC)는 원활하게 하측부(324c)에 의해 제공된 공간으로 공급된다.

제2저장 탱크(321)에는 유동 합성 장치에서 1회 사용될 량만큼의 금속 촉매가 공급되도록 하는 정량 공급부(330)가 설치된다.

정량 공급부(330)는 설정된 량의 금속 촉매(MC)가 담겨질 수 있는 정량 공간(331)을 제공할 수 있는 상부 차단판(334)과 하부 차단판(332)을 가진다. 상부 차단판(334)과 하부 차단판(332)는 하측부(324c)에 제공된다. 정량 공간(331)은 제2 저장 탱크(321)의 토출구(326a) 상부에 위치되며, 상부 차단판(334)은 정량 공간(331)의 상단으로 제공되고, 하부 차단판(332)은 정량 공간(331)의 하단으로 제공된다. 상부 차단판(334)과 하부 차단판(332)은 실린더와 같은 구동수단(336)에 의해 개폐 작동된다. 하부 차단판(332)이 닫혀진 상태에서 상부 차단판(334)이 닫혀지면, 하부 차단판(332)과 상부 차단판(334) 사이에 설정된 량 만큼의 금속 촉매(MC)가 정량공간(331)에 채워진다.

하부 차단판(332)이 개방되면 정량 공간(331)에 담겨진 금속 촉매(MC)가 토출구(326a)를 통해 투입기(350)로 공급된다. 한편, 제2 저장 탱크(321)의 중간측부(324b)에는 금속 촉매(MC)를 교반시키는 교반기(325)가 설치된다. 교반기(325)는 금속 촉매가 정량 공간으로 공급되기 전 회전하여 제2 저장 탱크(321) 내부의 빈공간을 제거함과 동시에 정량 공간(331)으로 자연스럽게 공급되도록 유도하는 역할을 갖는다.

(투입기)

도 9는 도 1에 도시된 투입기를 설명하기 위한 도면이다.

투입기(350)는 투입탱크(352)와, 투입탱크(352)로부터 반응로(112)로 금속 촉매가 공급되는 투입배관(358), 그리고 투입 탱크(352)의 내부공간을 가압하기 위한 불활성가스 공급배관(357)을 갖는다. 투입배관(358)의 유입단(358a)은 투입탱크(352)의 바닥면으로부터 이격되게 위치된다. 그리고 불활성가스 공급배관(357)는 투입배관을 감싸도록 이중관형태로 이루어진다. 투입탱크(352)는 상단에 공급기(320)로부터 제공되는 금속 촉매가 유입되는 유입포트(354)를 갖는다. 투입기(350)는 불활성가스 공급배관으로부터 제공되는 불활성가스의 가압과 반응로(112) 내부의 약간의 음압을 이용하여 투입탱크(352)에 채워져 있는 금속 촉매를 투입배관(358)을 통해 반응로(112) 내부로 공급하게 된다. 투입배관(358)에 설치된 개폐 밸브(359)를 개방하면, 반응로(112)과 투입탱크(352)의 압력차로 인해 투입탱크(352)에 있는 금속 촉매가 불활성가스와 함께 투입 배관(358)을 통해 반응로(112) 내부로 빨려들어가게 된다. 한편, 투입탱크(352)에는 금속 촉매가 투입배관(358)으로 용이하게 빨려들어가도록 투입탱크(352)에 진동을 가하는 진동기(360)가 설치된다. 도시하지 않았지만, 투입탱크(352)로 공급되는 불활성 가스는 금속 촉매와 함께 투입배관(358)을 통해 반응로로 공급된다.

(배기부)

도 10은 도 1에 도시된 배기부를 설명하기 위한 도면이다.

배기부(500)는 유동 합성 장치(100)로부터 탄소나노튜브를 생성하는 과정에서 발생되는 미반응가스 및 반응후 잔여가스(배기가스)를 배기하여 처리하는 부분이다. 배기부(500)는 싸이클론(510)과 스크루버(530) 그리고 잔류가스 검출부(550)를 포함한다.

싸이클론(510)은 금속 촉매가 포함된 배기가스로부터 금속 촉매를 분리하기 위한 것이다. 싸이클론(510)은 원통형상의 싸이클론몸체(512)와, 싸이클론몸체(512) 내로 금속 촉매가 포함된 배기가스가 흡입되는 흡입관(514), 흡입된 배기가스와 금속 촉매가 각각 분리된 후 분리된 배기가스만이 배출되는 배출관(516), 배기가스로부터 분리된 금속 촉매가 배출되어 포집되는 포집통(518)을 포함한다. 포집통에 포집된 금속 촉매는 유동 합성 장치(100)에서 재사용될 수 있다.

스크루버(530)는 싸이클론(510)을 통과한 배기가스를 제거 및 정화한다. 싸이클론(510)과 스크루버(530)를 연결하는 배출관(516)에는 잔류가스 검출부(550)가 설치된다. 잔류가스 검출부(550)는 가스 크로마토그래피(GC;Gas Chromatography)로써, 수소 가스의 잔류 상태 분석(RGA;Residual Gas Analysis)등을 수행하게 된다.

잔류가스 검출부(550)는 배기가스내에 잔류하는 소스가스(특히 수소 가스)가 남아 있는지를 검출하여, 반응로(112)로부터 탄소나노튜브의 회수 시점을 판별하기 위한 것이다. 잔류가스 검출부(550)는 지속적으로 가스를 흡입하는 압력이 걸리기 때문에, 밸브(미도시됨) 조작을 통해 필요한 단계에서만 배기가스 내의 잔류가스를 검출할 수 있다. 유동 합성 장치(100)로부터의 탄소나노튜브 회수는 잔류가스 검출부(550)에서 검출된 잔류가스의 농도값에 따라 시행될 수 있다. 예를 들어, 유동 합성 장치(100)에서의 탄소나노튜브 합성이 완료되면, 퍼지가스(불활성가스)를 공급하여 반응로(112) 내부를 불활성화 상태로 만든 다음 회수부(700)에서 탄소나노튜브를 회수하게 된다. 만약, 잔류가스 검출부(550)에서 잔류가스의 수소 농도값이 일정값 이상 검출되면, 유동 합성 장치의 반응로(112)와 회수부(700)을 연결하는 회수라인(711)에 설치된 밸브(711a)의 잠금 상태를 계속 유지시킨다. 반대로, 잔류가스 검출부(550)에서 잔류가스의 수소 농도값이 일정값 이하로 검출(전혀 검출되지 않는 것이 바람직하다)되면, 회수라인(711)의 밸브(711a)를 개방하여 탄소나노튜브의 회수 공정이 진행되도록 한다.

(회수부)

도 11은 도 1에 도시된 회수부를 설명하기 위한 도면이다.

도 11을 참조하면, 회수부(700)는 음압을 이용하여 반응로에서 생성된 탄소나노튜브를 회수한다. 회수부(700)는 회수 탱크(710)와, 음압 발생 부재(720), 전자석(730), 쿨링부재(740) 그리고 대용량 저장탱크(750)를 포함한다.

회수 탱크(710)는 반응로에서 생성되는 탄소나노튜브를 1회에서 3회 정도 회수 가능한 크기의 회수 공간(712)을 갖는다. 회수 공간(712)의 상부에는 음압 발생 부재(720)가 설치되고 그 아래에는 회수 공간(712)으로 회수된 탄소나노튜브가 음압 발생 부재(720)로 유입되는 것을 방지하는 필터(714)가 설치된다. 한편, 회수 탱크(710)의 상단에는 배기부(500)의 스크루버(530)와 연결되는 배관(718)이 설치된다. 만약, 탄소나노튜브가 회수되는 과정에서 반응로 내부에 잔류 가스가 남아 있는 경우에는 폭발 위험이 있기 때문에 회수 탱크(710)로부터 배기되는 공기는 배기부(500)의 스크루버(530)로 제공된다.

음압 발생 부재(720)은 회수 탱크(710) 내부의 회수 공간을 반응로의 내부 압력보다 낮은 압력(음압)으로 만든다. 음압 발생 부재(720)로는 펌프가 사용될 수 있다. 음압 발생 부재(720)는 회수 탱크(710)의 크기가 클수록 용량이 커져야 하고, 특히 회수 탱크(710)의 크기가 클수록 음압을 형성하는데 오랜 시간이 걸리게 된다. 따라서, 회수 탱크(710)의 크기는 반응로(112)부터 1회에서 3회정도 탄소나노튜브르 회수할 수 있는 정도의 크기를 갖는다.

회수 탱크(710)는 쿨링부재(740)에 의해 냉각된다. 반응로(112)에서 생성된 탄소나노튜브는 고온이다. 고온(500℃ 이상)의 탄소나노튜브가 산소와 접촉하면 산화되어 타게 된다. 이를 위해 불활성 가스로 회수 탱크(710)의 내부를 충진할 수 있으나, 많은 량의 불활성 가스가 소모된다. 그러나, 쿨링부재(740)를 이용하여 회수 탱크(710)로 회수되는 탄소나노튜브를 급냉시켜 400℃ 이하로 유지시키면 탄소나노튜브가 산소와 접촉하더라도 산화되어 타는 것을 방지할 수 있다.

전자석(730)은 회수 탱크(710)의 바닥면에 설치된다. 전자석(730)은 회수 탱크(710)로 회수되는 탄소나노튜브의 날림 현상을 방지하기 위한 것이다. 탄소나노튜브의 회수 과정을 살펴보면, 음압 발생 부재(720)에 의해 회수 탱크(710)에 음압이 발생되면 기존에 잔류하고 있던 탄소나노튜브가 회수공간에서 날리면서 필터를 막게 된다. 필터(714)가 탄소나노튜브에 의해 서서히 막히게 되면 음압이 전점 낮아져서 회수 효율을 떨어뜨리게 된다. 하지만, 전자석(730)을 사용하면 회수 탱크(710)에 회수되어 있는 탄소나노튜브가 날리는 것을 자력에 의해 방지할 수 있어 필터가 탄소나노튜브에 의해 막히는 것을 감소시킬 수 있다.

한편, 회수 탱크(710)에서 회수된 탄소 나노튜브는 대용량 저장 탱크(750)로 이송된다. 회수 탱크(710)에서 대용량 저장탱크(750)로 이송시키는 이송부재(760)는 낙하 방식, 가압 방식 또는 전자석 방식 등을 이용하게 된다. 대용량 저장탱크(750)에 저장된 탄소나노튜브는 차후 필요에 따라 패킹 용기(780)에 정량으로 포장되어 진다.

이러한 구성을 갖는 탄소나노튜브(30) 대량 생산을 위한 설비에서의 공정 진행을 간략하게 설명한다.

히터(130)는 반응로(112)를 가열하여 반응 공간(RS)의 온도를 적정온도(약 섭씨 600도 이상)로 상승 및 유지시킨다. 이때, 분산판(126)의 온도는 반응 공간의 온도보다 낮은 온도로 유지된다. 촉매 공급부(300)는 금속 촉매를 반응로(112)의 반응 공간(RS)으로 공급하고, 소스가스는 예열 공간(PHS)에서 예열된 후 분산판(126)을 통해 반응 공간(RS)으로 제공된다. 금속 촉매는 분산 홀들(126a)을 통과한 소스가스(SG)에 의해 반응 공간(RS)에서 부유하면서 소스가스(SG)와 반응하여 탄소나노튜브(CNT)를 성장시킨다.

이 과정에서, 회전체(160)는 저속 회전하면서 금속 촉매가 반응로(112)의 측벽(114b)에 유착되거나, 분산판(126)에 쌓이는 것을 방지한다. 또한, 반응 공간(RS)의 상부에는 회전체(160)의 하향 날개(170)들에 의해 하강 기류가 발생되고, 반응 공간의 상부에는 회전체(160)의 상향 날개(172)들에 의해 상승 기류가 발생된다. 회전체(160)에 발생되는 하강 기류는 입자가 작은 금속 촉매가 반응 공간(RS)의 상부로 이탈되는 것을 최소화시킬 수 있고, 상승 기류는 분산판(126)으로 가라앉으려고 하는 입자가 큰 금속 촉매를 부유시키는데 영향을 주게 된다. 따라서, 금속 촉매의 유동반응시 입자크기에 따라 유동이 안되는 문제, 불유동 등을 최소화할 수 있고, 합성 수율을 향상시킬 수 있다. 또한, 소스가스의 사용량을 절감하여 생산단가를 낮출 수 있다.

한편, 반응로(112)에서 탄소나노튜브(CNT)를 생성하는 동안, 반응 공간(RS)에 생성된 배기가스(EG)는 반응로(112) 상면의 배기포트(117)를 통해 배기부(500)로 흡입된다. 배기로로 제공된 배기가스에는 금속 촉매(입자가 작은 것)가 포함되어 있는데, 배기가스와 함께 배기되는 금속 촉매는 싸이클론(510)에서 분류되어 포집통에 포집된 후 추후 재사용된다.

반응로(112)에서의 탄소나노튜브(CNT) 생성이 완료되면, 반응로(112) 내부의 소스가스를 제거하기 위해 불활성가스로 채운 후, 탄소나노튜브가 성장된 금속촉매는 회수라인(711)을 통해 회수부(700)로 제공된다. 회수부(700)에서는 음압을 이용하여 탄소나노튜브가 성장된 금속 촉매를 회수하게 된다. 또한, 회수부(700)에서는 회수되는 탄소나노튜브가 성장된 금속촉매의 온도를 낮추어서 탄소나노튜브가 산화되어 타는 것을 방지하게 된다. 앞에서 서술한 과정은 반복하여 실시하게 된다.

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.

100 : 유동 합성 장치 112 : 반응로
160 : 회전체 300 : 촉매 공급부
500 : 배기부 700 : 회수부

Claims (6)

1. 금속촉매, 탄화수소 계열 가스, 그리고 유동 기체를 공급받으며, 탄소나노튜브가 생성되는 반응 공간을 제공하는 반응로; 및
   상기 반응 공간 내에 위치되어, 상기 금속촉매의 유동화를 향상시키는 회전 가능한 회전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동층 탄소나노튜브 생성 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 회전체는,
   구동부와;
   상기 구동부로부터 회전력을 제공받는 회전축과;
   상기 반응로의 반응 공간 내에 설치되며, 상기 회전축에 설치되는 회전 프레임을 구비하되,
   상기 회전 프레임은 중앙에 개구를 갖는 사각 틀 형상으로 제공되는 것을 특징으로 하는 유동층 탄소나노튜브 생성 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 회전체는,
   구동부와;
   상기 구동부로부터 회전력을 제공받는 회전축과;
   상기 회전축에 수직하게 제공되며 상하 방향으로 이격되게 위치되는 지지대들과;
   상기 회전축과 평행하게 제공되며, 상기 지지대들의 끝단에 연결되는 블레이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동층 탄소나노튜브 생성 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 회전체는 아래면이 오목한 하향 날개를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동층 탄소나노튜브 생성 장치.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 회전체는 윗면이 오목한 상향 날개를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동층 탄소나노튜브 생성 장치.
6. 반응로 내로 금속촉매, 탄화수소 계열 가스, 그리고 유동 기체를 공급하여 상기 반응로 내에서 탄소나노튜브를 생성시키되, 상기 반응로 내에서 회전 프레임을 회전시켜 상기 금속촉매의 유동화를 향상시키는 것을 특징으로 하는 유동층 탄소나노튜브 생성 방법.

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