KR101048822B1 - 탄소나노튜브 합성 장치 - Google Patents

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Abstract

탄소나노튜브 합성 장치가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 합성 장치는 탄소나노튜브가 형성되는 공간을 제공하고 수직으로 길게 형성되는 반응기, 반응기의 외측에 형성되어 반응기를 가열하는 가열부, 반응기 내부에 위치한 촉매와 반응하여 탄소나노튜브를 합성하기 위한 반응 가스를 분사하는 가스 공급부, 반응기의 상단부에 연결되어 탄소나노튜브의 합성에 반응하지 않은 반응 가스를 외부로 배출하는 배기부 및 반응기 내부에 형성되어 배기부로 탄소나노튜브의 합성에 반응하지 않은 반응 가스만 배기부로 배출시키고 합성된 탄소나노튜브 또는 촉매의 배출을 차단하는 차단부를 포함하며, 차단부는 단면이 복수의 다각형 구조로 구획되며, 각각의 구획된 셀(cell)에는 아래 방향으로 기울어진 차단 날개가 형성된 탄소나노튜브 합성 장치.
탄소나노튜브, 탄소나노튜브 합성 장치, 수직형 반응기, 교반기, 차단부

Description

탄소나노튜브 합성 장치{Apparatus for synthesizing carbon nano tube}
본 발명은 탄소나노튜브 합성 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수직형 탄소나노튜브 합성 장치에서 탄소나노튜브 합성에 반응하지 않은 반응 가스만 통과시켜 배기부로 배출시키고 합성된 탄소나노튜브 또는 촉매의 배출은 차단하는 차단부가 형성된 탄소나노튜브 합성 장치에 관한 것이다.
탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT)란 지구상에 다량으로 존재하는 탄소로 이루어진 탄소 동소체로서, 하나의 탄소가 다른 탄소 원자와 육각형 벌집 무늬로 결합되어 튜브 형태를 이루어 있는 물질이며, 튜브의 직경이 수 나노미터 수준으로 극히 작은 영역의 물질이다. 탄소나노튜브는 우수한 기계적 특성, 전기적, 선택성, 뛰어난 전계 방출 특성, 고효율의 수소저장매체 특성을 지니며 미래에 촉망 받는 신소재로 알려져 있다.
이와 같은 탄소나노튜브는 고도의 합성 기술에 의해 제조될 수 있는데, 그 합성 방법으로, 전기 방전법(Arc-discharge), 레이저 증착법(Laser vaporization), 플라즈마 화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD), 열화학기상 증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition), 전기 분해 방법, 플레 임(Flame) 합성 방법 등이 알려져 있다.
일반적으로, 탄소나노튜브를 생산하는 공정은 크게 탄소나노튜브의 합성이 일어나는 기판에 촉매를 도포하는 촉매 도포 공정, 촉매가 도포된 기판을 반응기에 넣어서 반응 가스와 도포된 촉매를 반응시켜 탄소나노튜브를 합성하는 탄소나노튜브 합성 공정, 기판 상에 합성된 탄소나노튜브를 회수하는 회수 공정으로 나눌 수 있다.
탄소나노튜브 합성 장치는 탄소나노튜브를 합성하기 위한 공간을 제공하는 반응기가 놓여진 형태에 따라 수평형과 수직형으로 나눌 수 있는데, 반응기의 크기, 반응 가스의 소모량, 효율성 등의 이점으로 인해 수직형 반응기를 가지는 탄소나노튜브 합성 장치에 대한 개발이 활발히 진행 중이다.
한편, 탄소나노튜브의 형태는 튜브를 형성하는 벽을 이루고 있는 결합 수에 따라 단일벽 나노튜브(Single-walled Nanotube, SWNT)와 다중벽 나노튜브(Multi-walled Nanotube, MWNT)로 구분하며, 특히 단일벽 나노튜브가 여러 개로 뭉쳐있는 형태(Bundle type)를 다발형 나노튜브(Rope Nanotube)라고 칭하고 있다. 이러한 탄소나노튜브의 형태는 반응 가스와 반응하는 촉매의 형태, 즉, 촉매의 형상, 밀도, 입자 사이즈 등에 따라 결정될 수 있으며, 사용되는 촉매의 형태는 촉매의 제법에 따라 결정될 수 있다.
수직형의 탄소나노튜브 합성기에서는 반응기 내부에 촉매을 위치시키고, 촉매에 반응 가스를 분사하여 분사 압력에 의해 촉매가 반응기 내에서 부유하면서 합성을 진행하게 된다. 이때, 반응기의 상단부에는 반응하고 남은 반응 가스 및 잔류 가스를 배출하는 배기부가 형성되어 있는데, 반응기의 상부에는 배기부를 통해 반응 가스만 배출되도록 하고 합성된 탄소나노튜브 및 촉매는 배출되지 않도록 하는 차단부가 형성된다.
이때, 차단부를 통해 반응 가스를 효과적으로 외부로 배출시키고, 동시에 합성된 탄소나노튜브 및 촉매는 외부로 배출되지 않도록 차단함과 동시에 차단부에 탄소나노튜브 및 촉매가 적층되는 것을 방지하는 차단부를 제공하는 것이 필요하다. 차단부에 의해 외부로 방출되지 않은 합성된 탄소나노튜브와 촉매가 다시 반응기 내부로 떨어져 합성을 함에 따라 생산성을 향상시킬 수가 있기 때문이다.
본 발명은 상기한 문제점을 개선하기 위해 고안된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 목적은 수직형 탄소나노튜브 합성 장치에 있어서 다각형 구조로 구획된 각각의 셀(cell)에 차단 날개를 형성하여, 반응하고 남은 반응 가스는 효과적으로 배출하고 합성된 탄소나노튜브 및 촉매는 효과적으로 배출을 차단하는 차단부를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 합성 장치는 탄소나노튜브가 형성되는 공간을 제공하고 수직으로 길게 형성되는 반응기; 상기 반응기의 외측에 형성되어 상기 반응기를 가열하는 가열부; 상기 반응기 내부에 위치한 촉매와 반응하여 상기 탄소나노튜브를 합성하기 위한 반응 가스를 분사하는 가스 공급부; 상기 반응기의 상단부에 연결되어 상기 탄소나노튜브의 합성에 반응하지 않은 반응 가스를 외부로 배출하는 배기부; 및 상기 반응기 내부에 형성되어 상기 배기부로 상기 탄소나노튜브의 합성에 반응하지 않은 반응 가스만 상기 배기부로 배출시키고 합성된 상기 탄소나노튜브 또는 촉매의 배출을 차단하는 차단부를 포함하며, 상기 차단부는 단면이 복수의 다각형 구조로 구획되며, 각각의 구 획된 셀(cell)에는 아래 방향으로 기울어진 차단 날개가 형성된다.
상기한 바와 같은 본 발명의 탄소나노튜브 합성 장치에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째, 다각형 구조로 구획된 각각의 셀(cell)에 차단날개를 형성하여 합성된 탄소나노튜브 또는 촉매가 반응기 외부로 배출되는 것을 효과적으로 차단할 수 있다는 장점이 있다.
둘째, 경사진 차단 날개에 의해 합성된 탄소나노튜브 또는 촉매가 아래로 흘러내리는 것을 유도하여 차단 날개의 상부면에 탄소나노튜브 또는 촉매가 적층되는 것을 방지할 수 있다는 장점도 있다.
셋째, 다각형 구조로 구획된 각각의 셀에 형성된 차단 날개는 면적이 작아 합성된 탄소나노튜브 또는 촉매가 적층되는 것을 방지할 수 있다는 장점도 있다.
넷째, 차단 날개에 합성된 탄소나노튜브 및 촉매가 적층되지 않고 반응기로 다시 떨어지도록 하여 다시 합성을 하기 때문에 생산성을 향상시킬 수가 있다는 장점도 있다.
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 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태 로 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
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 탄소나노튜브 합성 장치를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 합성 장치의 구조를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 합성 장치의 구조를 개략적으로 나타내는 종단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 합성 장치에서 촉매 투입부의 일 예를 나타내는 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 합성 장치에서 교반기의 형상을 나타내는 사시도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 허니콤 구조의 차단부를 도시한 도면이며, 도 6은 도 5에서 허니콤 구조로 구획된 셀(cell)에 차단 날개가 형성된 것을 도시한 사시도이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 합성 장치에서 차단부를 설명하기 위한 단면도이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 합성 장치에서 다층 구조로 형성된 차단부를 도시한 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 합성 장치(100)는 반응기(110), 가열부(120), 가스 공급부(130), 배기부(150), 및 차단부(170)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 교반기(140), 및 촉매 투입부(160)를 더 포함할 수 있다.
반응기(Reaction tube)(110)는 탄소나노튜브가 합성되는 공간을 제공하며 수직으로 길게 형성될 수 있다. 반응기(110)는 대략 수직한 원통 형상으로 제공될 수 있는데, 석영(Quartz) 또는 그라파이트(Graphite) 등과 같이 열에 강한 재질로 이루어질 수 있다.
후술할 내용이지만, 반응기(110)는 합성이 이루어지는 몸체부(110a), 촉매(M)가 위치하는 하단부(110b); 배기부(150)가 형성되는 상단부(110c)로 나뉘어질 수 있는데, 원통 형상의 반응기(110)라 함은 반응기(110)의 몸체부(110a)의 형상을 의미할 수가 있다. 반응기(110) 내부에는 반응 가스 및 촉매(M)를 균일하게 혼합시킬 수 있도록 하는 교반기(140)가 형성될 수가 있다.
가열부(120)는 반응기(110)의 외측에 설치되어 반응기(110)를 가열하여, 반응기(110)의 내부를 탄소나노튜브의 합성에 필요한 공정 온도까지 가열할 수 있다. 바람직하게는 반응기(110) 내에서 합성이 일어나는 몸체부(110a)를 가열할 수가 있다. 탄소나노튜브 합성 공정이 진행될 때에 반응기(110)의 내부는 대략 500 ℃ 이상, 바람직하게는 650 ℃ ~ 1000 ℃의 고온으로 유지될 수 있다. 가열부(120)는 반응기(110)의 외벽을 감싸도록 코일 형상을 가진 열선(도시되지 않음)을 사용할 수 있는데, 가열부(120)의 구성은 이에 한정되지는 않으며 당업자에 의해 변경 가능하다.
도 2에 도시된 바와 같이, 반응기(110)의 하단부에는 반응 가스와 반응하여 탄소나노튜브의 합성에 사용되는 촉매(M)가 담길 수 있다. 촉매(M)는 금속 분말 또는 기화된 금속을 사용할 수 있는데, 바람직하게는, 금속 분말 형태의 촉매(M)로 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 등과 같은 자성체를 갖는 유기 금속 화합물을 사용할 수 있다.
한편, 반응기(110)의 하단부(110b)에는 촉매(M)를 공급하는 촉매 투입부(160)가 연결될 수 있다.
도 3에 도시되어 있는 것과 같이 촉매 투입부(160)는 제조된 촉매(M)를 저장하는 촉매 저장부(162)와 촉매 저장부(162)로부터 반응기(110) 내부로 촉매(M)를 공급하기 위한 촉매 공급 라인(161)을 포함할 수 있다. 도 3에서는 반응기(110) 내부로 촉매(M)를 정량 투입하기 위해 촉매 공급 라인(161) 내부에서 스크류를 회전시켜 스크류의 피치에 따라 촉매(M)를 정량 투입하는 예를 나타내고 있다. 촉매(M)를 반응기(110) 내부로 공급하는 방식은 이에 한정되지 않으며, 촉매(M)를 반응기(110)의 내부로 분사하는 방식 등의 다양한 방법을 이용하여 촉매(M)를 공급할 수 있다. 한편, 도시되지는 않았으나, 촉매 저장부(162)에는 촉매 환원부가 연결될 수 있는데, 촉매 환원부는 촉매(M)의 제조 과정에서 건조 과정, 소성 과정 등을 통해 산화된 촉매(M)를 환원 처리하는 역할을 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 반응기(110)는 대략 수직한 원통 형상으로 형성될 수 있고, 몸체부(110a)는 실질적으로 탄소나노튜브의 합성이 이루어지는 공간으로서 수직한 원통 형상으로 제공될 수 있다.
그리고, 도 4에 도시된 바와 같이, 촉매(M)를 담는 반응기(110)의 하단부(112)는 촉매(M)의 부유 특성을 증대시키기 위해서 다양한 형상을 가질 수 있다. 바람직하게는, 도 2에 도시된 바와 같이, 반응기(110)의 하단부(110b)는 아래로 갈 수록 단면적이 좁아지도록 경사지게 원추형으로 형성될 수 있다. 여기서, 원추형 형상은 콘(Corn) 형상 또는 테이퍼(Taper) 형상 등을 포함하는 형태일 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 반응기(110)의 하단부(110b)를 원추형으로 경사지게 형성함으로써, 후술할 가스 공급부(130)에 의해 반응 가스를 촉매(M)를 향하여 분사하면, 반응 가스에 의해 상부로 부유했던 촉매(M)들이 반응기(110)의 몸체부(110a)) 측벽을 타고 내려와 다시 반응기(110)의 하단부(110b)에 균일하게 혼합될 수 있도록 할 수 있다. 따라서, 반응기(110)의 하단부(110b)에 담긴 촉매(M)의 빈 공간을 채우게 되고, 가스 공급 노즐(130)로부터 분사되는 반응 가스의 분사 압력에 의해 반응기(110) 내부 공간으로 자연스럽게 반복적으로 부유될 수 있도록 할 수 있다.
도 2를 참조하면, 반응기(110)의 상단부(110c)는 몸체부(110a)보다 큰 직경을 가지도록 형성될 수 있다. 이는 상단부(110c)의 단면적을 크게 하여 상단부(110c)에 이르는 촉매(M) 또는 합성된 탄소나노튜브의 유속을 낮춤으로써 배기부(150)로 유출되지 않고 다시 몸체부(110a)로 떨어질 수 있도록 하기 위함이다. 반응기(110) 내부의 촉매(M) 또는 반응 가스의 흐름은 도 2에 도시되어 있다.
가스 공급부(130)는 반응기(110) 내부에 위치한 촉매(M)와 반응하여 탄소나노튜브를 합성하기 위한 반응 가스를 분사한다. 도 2를 참조하면, 가스 공급부(130)는 반응기(110)의 상단부(110c)로부터 촉매(M)를 담은 하단부(110b)를 향하도록 길게 설치되며, 촉매(M)와 반응하여 탄소나노튜브를 합성하기 위한 반응 가스를 촉매(M)를 향하여 아래 방향으로 분사할 수 있다. 가스 공급부(130)를 통해 분 사되는 반응 가스의 분사 압력에 의해 반응기(110)의 하단부(110b)에 저장된 촉매(M)가 부유할 수가 있다.
반응 가스는 아세틸렌, 에틸렌, 메탄, 벤젠, 크실렌, 사이클로헥산, 일산화탄소 또는 이산화탄소 등과 같은 탄소를 포함하는 가스를 사용할 수 있다. 반응 가스는 반응기(110) 내부에서 열분해에 의해 라디칼(Radical)로 분해될 수 있으며 되며, 이러한 라디칼들은 반응기(110)의 하단부(110b)로부터 부유되는 촉매(M)와 반응하여 탄소나노튜브를 합성할 수 있다.
한편, 가스 공급부(130)는 촉매(M)의 형태, 즉, 촉매(M)의 형상, 밀도, 크기에 따라 반응 가스의 유속을 조절할 수 있다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 가스 공급부(130)와 반응 가스를 저장하는 가스 저장부(132)를 연결하는 공급 배관(131) 상에는 가스 공급부로 반응 가스를 공급하기 위한 가압 펌프(도시되지 않음) 및 가스 공급부로 공급되는 반응 가스의 유량을 조절하는 유량 조절 밸브(133)가 설치될 수 있다. 가스 공급부(130), 공급 배관(131), 가압 펌프 및 유량 조절 밸브(133)의 구성은 이에 한정되지 않으며, 당업자에 의해 다양하게 변경 가능하다.
한편, 가스 공급부(130)와는 별도로, 반응기(110) 내부로 유동 기체를 공급하기 위한 유동 기체 공급부(도시되지 않음)를 구비할 수 있다. 유동 기체는 반응 가스와 촉매(M)의 반응으로 생성되는 탄소나노튜브의 성장에 따른 무게의 증가로 인해 반응기(110)의 하부로 떨어지는 것을 막고, 반응기(110) 내부에 유동화 지역을 형성시켜 반응 가스와 촉매(M)의 반응을 활성화시킬 수 있다. 이러한 유동 기체 로는 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 가스를 사용할 수도 있다.
배기부(150)는 반응기(110)의 상단부(110c)에 연결되어 탄소나노튜브의 합성에 반응하지 않은 미반응 가스를 반응기(110)의 외부로 배출할 수 있다. 즉, 배기부(150)를 통해 탄소나노튜브 합성 공정이 끝난 후 잔류 가스 등을 외부로 배출할 수 있다. 이러한 잔류 가스에는 합성된 탄소나노튜브 또는 촉매(M)의 일부가 포함될 수도 있는데, 이는 반응기(110)의 상단부(110c)의 내부에 형성된 차단부(180)에 의해 분리가 된다. 차단부(180)에 의해 잔류 가스에 포함된 탄소나노튜브 및 촉매(M)를 분리시켜 가스 만을 외부로 내보낼 수 있다. 배출된 잔류 가스는 유해할 수 있으므로, 배기부(150)에 연결된 스크러버(Scrubber)(도시되지 않음)에서 이러한 잔류 가스들을 처리하여 외부로 배출할 수 있다.
반응기(110)의 내부에는 반응기(110) 내부의 반응 가스 및 촉매(M)를 균일하게 혼합시킬 수 있도록 교반기(140)가 설치될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 교반기(140)는 반응기(110)의 상단부(110c)로부터 반응기(110)의 중심 축을 따라 아래로 길게 설치된 노즐 형태의 가스 공급부(130)를 감싸도록 설치될 수 있다.
교반기(140)로는 다수의 날개를 가지고 회전하는 임펠러(Impeller)를 사용할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 교반기(140)는 가스 공급 노즐(130)을 감싸도록 중공 축(143)을 가지는 원통형의 몸체(141)를 가지고, 몸체(141)의 둘레에는 복수의 날개(142)가 형성될 수 있다. 복수의 날개(142)는 원통형의 몸체(141)를 중심 으로 등간격으로 배치될 수 있으며, 몸체(141)의 길이 방향을 따라 다단으로 배치될 수 있다. 또한, 각 단의 날개(142)들은 서로 교차되게 배치될 수도 있다. 날개(142)의 개수 및 배치 형태는 반응기(110)의 크기, 반응 가스의 종류, 촉매(M)의 형태 등의 조건에 따라 당업자에 의해 변경 가능하다.
교반기(140)는 일정한 주기를 가지고 중공 축(143)을 중심으로 회전하게 되며, 반응기(110) 내부의 반응 가스 및 촉매(M)를 균일하게 혼합시킬 수 있다. 따라서, 교반기(140)는 합성된 탄소나노튜브가 반응기(110) 벽면에 부착되는 문제를 방지할 수 있고, 촉매(M)의 층팽창율을 높일 수 있다. 도시되지는 않았으나, 교반기(140)의 일단에는 교반기(140)를 회전시키기 위한 구동부가 연결될 수 있다.
후술할 내용이지만, 교반기(140)의 중공 축(143) 상에 차단부(180)가 형성되어 교반기(140)의 회전에 의해 차단부(180)가 함께 회전을 할 수가 있다.
회수부(190)는 반응기(110)의 하단부(110b)에 연결되어 합성된 탄소나노튜브를 반응기(110)의 외부로 배출하여 회수할 수 있도록 한다. 바람직하게는, 탄소나노튜브 합성 공정을 마친 후, 회수부(190)에 설치된 게이트(도시되지 않음)를 열고 회수부(150)를 음(-)압으로 유지시킴으로써 합성된 탄소나노튜브를 외부로 배출하여 회수할 수 있다. 이 때, 합성된 탄소나노튜브의 회수를 위해 회수부(190)는 일정 온도 이하로 냉각될 수 있다. 도시되지는 않았으나, 회수부(190)에는 압력을 조절하기 위한 펌프와 탄소나노튜브의 회수량을 조절하기 위한 밸브가 설치될 수 있다.
차단부(180)는 반응기(110) 내부에 형성되어 탄소나노튜브의 합성에 반응하지 않은 미반응 가스만 배기부(150)로 배출시키고, 합성된 탄소나노튜브 또는 촉매(M)의 배출을 차단한다. 도 2에 도시되어 있는 것과 같이 차단부(180)는 반응기(110)의 상단부(110c)의 내부에 형성된다. 반응기(110)의 몸체부(110a)를 거쳐 상승한 반응가스, 탄소나노튜브, 촉매(M)는 차단부(180)에 도달하게 되는데, 반응 가스는 차단부(180)를 거쳐 배기부(150)로 배출되고, 탄소나노튜브와 촉매(M)는 차단부(180)에 의해 반응 가스와 분리되어 다시 반응기(110) 아래로 떨어지게 된다.
이하, 도 5 내지 8을 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 차단부(180)의 구성에 대해서 자세히 설명하기로 한다.
차단부(180)는 단면이 복수의 다각형 구조로 구획되며, 각각의 다각형 구조에는 아래 방향으로 기울어진 차단 날개(184, 186)가 형성될 수 있다. 도 5는 차단부(180)의 일 예로 단면이 육각형의 허니콤 구조인 것을 도시하고 있다. 참고로, 도 5에서는 차단 날개(184, 186)는 도시하고 있지 않는데, 차단 날개(184, 186)에 대해서는 도 6 및 도 7을 참조로 후술하기로 한다. 도시되지 않았지만, 차단부(180)는 도 5와 같이 단면이 육각형의 허니콤 구조가 아니라 복수의 사각형 구조일 수도 있다.
그리고, 다각형으로 구획된 각각의 집(cell)(182)에는 차단 날개(184, 186)가 형성된다. 도 6은 도 5에서 허니콤 구조로 구획된 하나의 셀(182)을 도시한 사시도인데, 육각형의 대향하는 두 변에서 각각 아래 방향으로 기울어진 차단 날개(184, 186)가 두 개 형성됨을 알 수 있다. 도 7에 도시되어 있는 것과 같이 두 개의 차단 날개(184, 186)는 상기 두 변에서 이어지는 길이가 각각 다를 수가 있 다. 바람직하게는 도 7에 도시되어 있는 것과 같이 짧은 길이의 차단 날개(186)의 끝단의 수직 아래에는 길이가 긴 차단 날개(184)가 위치하도록 형성될 수 있다. 즉, 차단부(180)의 수직 아래에서 보았을 때, 차단 날개(184, 186) 사이에 빈 공간 구역이 존재하지 않는다. 따라서, 반응기(110)의 몸체부(110a)에서 수직으로 상승한 탄소나노튜브와 촉매(M)는 모두 차단 날개(184, 186)에 부딪혀 다시 반응기(110) 아래로 떨어지게 된다. 만약, 짧은 길이의 차단 날개(186)의 끝단의 수직 아래에 길이가 긴 차단 날개(184)가 위치하지 않는다면, 차단부(180)의 수직 아래에서 보았을 때, 차단 날개(184, 186) 사이에 빈 공간이 존재하게 되어, 반응기(110)의 몸체부(110a)에서 수직으로 상승한 탄소나오튜브와 촉매(M)의 일부는 쉽게 차단부(180)를 관통하여 배기부(150)를 거쳐 외부로 배출될 수가 있다.
차단 날개(184, 186)의 기울어진 각도는 동일할 수가 있는데, 바람직하게는 60도 일 수가 있다. 차단 날개(184, 186)의 기울기가 크기 때문에, 차단 날개(184, 186)의 상부면에 탄소나노튜브 또는 촉매(M)가 적층되지 않고 아래로 흘러내리게 된다. 따라서, 차단 날개(184, 186)를 따라 다시 반응기(110) 내부로 하강한 탄소나노튜브 또는 촉매(M)는 다시 합성과정을 거칠 수 있으므로, 탄소나노튜브의 생산량을 향상시킬 수가 있다.
또한, 본 발명에서는 다각형 구조로 구획된 각각의 셀(182)에 차단 날개(184, 186)가 형성되므로, 각각의 차단 날개(184, 186)의 면적은 작다. 따라서, 탄소나노튜브 또는 촉매(M)가 차단 날개(184, 186)의 상부면에 쉽게 적층되지 않는다. 도면에서는 양쪽의 차단 날개(184, 186)의 기울어진 각도가 동일한 것으로 도 시되어 있으나, 각각의 차단 날개(184, 186)의 기울어진 각도가 다르도록 구성할 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 짧은 길이의 차단 날개(186)는 아래로 기울어진 각도를 작게하고, 큰 길이의 차단 날개(184)는 상대적으로 아래로 기울어진 각도를 크게 구성할 수가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 합성 장치(100)의 차단부(180)는 도 8에 도시되어 있는 것과 같이 반응기(110)의 수직 방향으로 다층 구조로 형성될 수가 있다. 다층 구조로 형성됨에 따라서 촉매(M) 및 탄소나노튜브의 배출을 2중, 3중으로 차단할 수가 있어서, 탄소나노튜브 또는 촉매(M)의 배출을 막는 성능을 더욱 향상시킬 수가 있다.
그리고, 차단부(180)는 도 1에 도시되어 있는 것과 같이 교반기(140)의 외부 몸체(141)와 연결되어 교반기(140)의 회전과 함께 회전하는 구조일 수가 있다. 차단부(180)가 교반기(140)와 함께 회전함에 따라서 차단 날개(184, 186)로 역기류를 형성시켜 배기부(150)로 탄소나노튜브 및 촉매의 배출(M)을 더욱더 효과적으로 방지할 수도 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 합성 장치(100)의 동작을 간단히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 탄소나노튜브 합성 공정이 시작되면, 가열부(120)에 전원이 공급되어 반응기(110)를 가열하기 시작하며. 반응기(110) 내부는 약 650 ℃ ~ 1000 ℃ 의 공정 온도로 가열할 수 있다. 또한, 촉매 투입부(160)를 통해 반응기(110)의 하단부(110b)로 환원된 촉매(M)가 공급될 수 있다.
반응기(110)의 내부 온도가 공정 온도에 도달되면, 가스 공급부(130)를 통해 반응 가스가 반응기(110)의 내부 공간으로 공급되어 반응기(110)의 하단부(110b))를 향하여 아래 방향으로 분사될 수 있다. 반응 가스의 분사 압력에 의해 촉매(M) 및 합성된 탄소나노튜브는 반응기 상부로 부유하게 된다. 반응 가스는 반응기(110) 내부에서 열분해에 의해 라디칼로 분해될 수 있으며, 이러한 라디칼들은 반응기(110)의 하단부(110b))로부터 부유되는 촉매(M)와 반응하여 탄소나노튜브의 합성이 이루어질 수 있다. 반응기(110)에서의 탄소나노튜브 합성 공정이 완료되면 가스 공급부(130)로부터 반응 가스의 공급을 중단할 수 있다. 한편, 탄소나노튜브의 합성이 이루어지는 동안, 교반기(140)는 일정한 주기를 가지고 회전하여 반응기(110) 내부의 반응 가스 및 촉매(M)를 균일하게 혼합시키고, 합성된 탄소나노튜브가 반응기(110) 내부 벽면에 부착되는 것을 방지할 수 있다. 이때, 전술한 바와 같이 미반응된 반응 가스는 차단부(180)를 거쳐 반응기(110)의 상단부(110c)에 있는 배기부(150)를 통해 배출되고, 상부로 부유된 탄소나노튜브 및 촉매(M)는 차단부(180)로부터 반응 가스와 분리되어 다시 반응기(110) 아래로 떨어져 합성을 거치게 된다.
탄소나노튜브의 합성이 끝나게 되면, 반응기(110)의 하단부(110c)에 연결된 회수부(190)를 통해 합성된 탄소나노튜브를 회수할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에 서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 합성 장치의 구조를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 합성 장치의 구조를 개략적으로 나타내는 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 합성 장치에서 촉매 투입부의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 합성 장치에서 교반기의 형상을 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 허니콤 구조의 차단부를 도시한 도면이다.
도 6은 도 5에서 허니콤 구조로 구획된 셀에 차단 날개가 형성된 것을 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 합성 장치에서 차단부를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 합성 장치에서 다층 구조로 형성된 차단부를 도시한 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110: 반응기
120: 가열부
130: 가스 공급부
140: 교반기
150: 배기부
180: 차단부

Claims (10)

  1. 탄소나노튜브가 형성되는 공간을 제공하고 수직으로 길게 형성되는 반응기;
    상기 반응기의 외측에 형성되어 상기 반응기를 가열하는 가열부;
    상기 반응기 내부에 위치한 촉매와 반응하여 상기 탄소나노튜브를 합성하기 위한 반응 가스를 분사하는 가스 공급부;
    상기 반응기의 상단부에 연결되어 상기 탄소나노튜브의 합성에 반응하지 않은 반응 가스를 외부로 배출하는 배기부; 및
    상기 반응기 내부에 형성되어 상기 배기부로 상기 탄소나노튜브의 합성에 반응하지 않은 반응 가스만 상기 배기부로 배출시키고 합성된 상기 탄소나노튜브 또는 촉매의 배출을 차단하는 차단부를 포함하며,
    상기 차단부는 단면이 복수의 다각형 구조로 구획되며, 각각의 구획된 셀(cell)에는 대향하는 두 변에서 아래 방향으로 기울어진 차단 날개가 두 개 형성되며,
    상기 두 개의 차단 날개는 상기 두 변에서 이어지는 길이가 각각 다르며, 상기 두 개의 차단 날개 중 길이가 짧은 차단 날개의 끝단의 수직 아래에는 상기 두 개의 차단 날개 중 길이가 긴 차단 날개가 위치하는 탄소나노튜브 합성 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 차단부는 단면이 육각형의 허니콤 구조인 탄소나노튜브 합성 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 차단부는 단면이 복수의 사각형 구조로 구획되는 탄소나노튜브 합성 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 차단부는 상기 반응기의 수직 방향으로 따라 다층 구조로 형성되는 탄소나노튜브 합성 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매는 상기 반응기의 하단부에 위치하고, 상기 가스 공급부는 상기 반응기의 상단부로부터 상기 촉매가 위치한 하단부를 향하도록 길게 이어진 노즐에 의해 상기 촉매를 향하여 반응 가스를 분사하는 탄소나노튜브 합성 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가스 공급부를 감싸도록 중공축을 가지는 원통형의 몸체와 상기 몸체의 둘레에는 복수의 날개를 구비하며 회전을 하는 교반기를 더 포함하는 탄소나노튜브 합성 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 차단부는 상기 교반기의 회전과 함께 회전을 하는 탄소나노튜브 합성 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기의 하단부에는 상기 촉매를 공급하는 촉매 투입부가 연결되는 탄소나노튜브 합성 장치.
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