KR101081421B1 - 연속 탄소나노튜브 성장 장치 및 이를 포함하는 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템 - Google Patents

연속 탄소나노튜브 성장 장치 및 이를 포함하는 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연속 탄소나노튜브 성장 장치 및 이를 포함하는 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템에 관한 것으로, 보다 자세하게는 촉매로서 작용하는 전이 금속 촉매의 지속적인 보충 없이 탄소나노튜브를 성장시키는 연속 탄소나노튜브 성장 장치 및 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치를 포함하는 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템에 관한 것이다.
Figure R1020090042566
탄소나노튜브, 연속 성장, 섬유화

Description

연속 탄소나노튜브 성장 장치 및 이를 포함하는 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템{A Continuous synthesis of carbon nanotubes and continuous carbon nanotubes yarning system including the same}
본 발명은 연속 탄소나노튜브 성장 장치 및 이를 포함하는 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템에 관한 것으로, 보다 자세하게는 촉매로서 작용하는 전이 금속 촉매의 지속적인 보충 없이 탄소나노튜브를 성장시키는 연속 탄소나노튜브 성장 장치 및 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치를 포함하는 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템에 관한 것이다.
탄소나노튜브(Carbon Nanotubes:CNTs)는 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 서로 연결되어 관 모양을 이루는 원통(튜브)형태의 신소재로, 최근 그 산업활용 범위의 다양성 및 기술적 효율성으로 인해 미래의 신소재로 각광을 받고 있다.
상기 탄소나노튜브는 관의 지름이 수십 나노미터에 불과하고, 전기 전도도가 구리와 비슷하고, 열전도율은 자연계에서 가장 뛰어난 다이아몬드와 같으며, 강도는 강철의 10만배에 달하고 변형에 대한 내성이나 인장력에 대단히 뛰어난 특성을 가지고 있어 미래 신소재로서의 특성을 고루 갖추고 있다.
또한, 미래의 신소재로 불리는 탄소나노튜브의 활용 범위는 무궁무진한데, 첨단 전자산업의 소재는 물론 일상생활의 소재로도 널리 사용될 전망이며, 이 소재의 지름 등을 조절하면 도체가 반도체로 바뀌어 기존 실리콘의 1만배인 테라바이트급 집적도를 가진 메모리 칩의 설계도 가능하게 되며 일반 소재와는 달리 엄청난 빛을 발산하는 성질을 이용하여 두께가 얇고 전력소모가 극히 적은 브라운관도 제조할 수 있게 되며 전구의 강력한 대체소재로는 물론 우주복과 같은 초강력 섬유, 휴대폰 충전기, 수소연료전지, 센서 등, 그 활용도는 응용기술의 개발에 따라 무궁무진하다.
그러나 종래에는 상기 탄소나노튜브를 합성하는 방법 또는 장치에 관한 연구만이 집중적으로 연구되었을 뿐 상기 탄소나노튜브를 연속적으로 성장하는 장치 및 방법과 상기 연속 성장된 탄소나노튜브를 연속 성장시키는 동시에 섬유화하는 장치에 관한 연구는 전혀 이루어지지 않고 있는 실정이다.
본 발명의 목적은 촉매로서 작용하는 전이 금속 촉매의 지속적인 보충없이 탄소나노튜브를 성장시키는 연속 탄소나노튜브 성장 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 전이 금속 촉매를 지속적으로 보충하지 않고 기판 상에 나노미터 두께로 증착된 전이 금속 촉매가 모두 소진될 때까지 충분히 활용하여 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있어 탄소나노튜브를 성장함에 있어 저가 및 대량으로 성장시킬 수 있는 연속 탄소나노튜브 성장 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치를 구비하여 전이 금속 촉매를 지속적으로 보충하지 않고 연속적으로 탄소나노튜브를 성장시키고, 상기 탄소나노튜브를 섬유화함으로써 탄소나노튜브 섬유를 저가 및 대량으로 생산할 수 있는 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 소오스 가스가 플라즈마로 상변화하는 플라즈마 발생 영역 및 상기 플라즈마와 원료 가스가 혼합 가스로 혼합되는 혼합 영역이 분리되어 있으며, 상기 혼합 영역에서 혼합된 혼합 가스를 분사하는 플라즈마 헤드; 및 상기 플라즈마 헤드에 대응되며, 전이 금속 촉매를 구비하여 상기 혼합 가스로부터 탄소를 공급받아 탄소나노튜브를 성장시키는 기판을 지지하는 서셉터;를 포함하며, 상기 기판의 전이 금속 촉매가 소진할 때까지 반복하여 상기 탄 소나노튜브의 성장시키는 것을 특징으로 하는 연속 탄소나노튜브 성장 장치를 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 전이 금속 촉매를 구비한 기판 상에 탄소나노튜브를 성장시키는 연속 탄소나노튜브 성장 장치; 및 상기 기판 상에 전이 금속 촉매를 증착하는 전이 금속 촉매 증착 장치;를 포함하며, 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치는 상기 기판의 전이 금속 촉매가 소진할 때까지 반복하여 상기 탄소나노튜브의 성장시키는 것을 특징으로 하며, 상기 전이 금속 촉매 증착 장치는 상기 기판 상에 전이 금속 촉매가 소진되면, 상기 기판 상에 전이 금속 촉매를 증착하는 것을 특징으로 하는 연속 탄소나노튜브 성장 시스템을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 전이 금속 촉매를 구비한 기판 상에 탄소나노튜브를 성장시키는 연속 탄소나노튜브 성장 장치; 및 상기 기판 상에 성장된 탄소나노튜브를 소모시켜 탄소나노튜브 섬유로 섬유화(yarning)하는 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치;를 포함하며, 상기 기판은 상기 전이 금속 촉매가 소진될 때까지 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치에서 상기 기판 상에 탄소나노튜브를 성장시키는 탄소나노튜브 성장과 상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치에서 상기 탄소나노튜브를 탄소나노튜브 섬유로 섬유화하는 탄소나노튜브 섬유화를 반복하는 것을 특징으로 하는 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 기판의 전이 금속 촉매가 소진할 때까지 반복하여 상기 탄소나노튜브의 성장시키는 것은 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치에서 상기 전이 금속 촉매를 구비한 기판 상에 탄소나노튜브를 성장시키고, 상기 연 속 탄소나노튜브 성장 장치의 외부에서 상기 탄소나노튜브가 소모되면, 상기 탄소나노튜브 성장 장치에서 상기 기판 상에 다시 탄소나노튜브를 성장시키는 것을 상기 기판 상에 전이 금속 촉매가 소진될 때까지 반복하는 것임을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 기판 상에 구비된 전이 금속 촉매는 평균 크기가 수십 나노미터이고, 수십 나노미터의 두께로 증착되어 있는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 헤드:는 복 수개의 제1관통홀을 구비하며, 다공성인 제1전극; 상기 제1전극과 일정 간격으로 이격되어 상기 플라즈마 발생 영역을 형성하며, 상기 제1관통홀과 대응되는 제2관통홀 및 상기 플라즈마 발생 영역과 상기 혼합 영역에 상응하는 외부를 연결하는 복 수개의 제1연결홀을 구비한 제2전극; 및 상기 제1관통홀 및 제2관통홀을 관통하여 외부로 연결하는 세라믹 노즐;을 포함하며, 상기 다공성인 제1전극을 통해 상기 플라즈마 발생 영역에 소오스 가스를 공급하고, 상기 세라믹 노즐을 통해 상기 플라즈마 발생 영역을 통과하면서 외부로 원료 가스를 공급하여 상기 외부에서 상기 플라즈마와 원료 가스가 혼합하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제2전극 상에 구비되되, 상기 혼합 영역에 상응하는 적어도 하나 이상의 혼합 홈을 구비하고, 상기 혼합 홈과 외부를 연결하는 제2연결홀을 구비한 커버;를 포함하되, 상기 혼합 홈들 각각에는 적어도 하나 이상의 제1연결홀과 적어도 하나 이상의 세라믹 노즐이 연결되어 있어 상기 원료 가스와 플라즈마가 공급되며, 혼합되어 상기 제2연결홀을 통해 혼합 가스가 분사되 는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치:는 소오스 가스가 플라즈마로 상변화하는 플라즈마 발생 영역 및 상기 플라즈마와 원료 가스가 혼합 가스로 혼합되는 혼합 영역이 분리되어 있으며, 상기 혼합 영역에서 혼합된 혼합 가스를 분사하는 플라즈마 헤드; 및 상기 플라즈마 헤드에 대응되며, 상기 기판을 지지하는 서셉터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템은 상기 기판상에 잔류하는 탄소나노튜브 또는 잔류하는 비정질 탄소를 세정하는 세정 장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템은 상기 기판 상에 전이 금속 촉매를 증착하는 전이 금속 촉매 증착 장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템은 상기 기판을 냉각시키는 냉각 장치를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템은 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치, 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치, 세정 장치, 전이 금속 촉매 증착 장치 및 냉각 장치 중 적어도 둘 이상의 장치 사이로 상기 기판을 이송하는 기판 이송 장치를 구비하여 상기 기판이 상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템 내에서 순환하도록 하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치:는 상기 탄 소나노튜브가 성장된 기판을 지지하는 기판 지지대; 상기 탄소나노튜브에 접촉하는 니들; 상기 니들에 연결되며, 상기 니들을 회전시키는 니들 회전 모터; 상기 니들 회전 모터를 지지하는 회전 모터 테이블; 및 상기 회전 모터 테이블을 지지하며, 상기 회전 모터 테이블을 상기 기판 지지대로부터 멀어지게 하거나 인접시키는 리니어 엑추에이터;를 포함하며, 상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치는 상기 니들을 상기 탄소나노튜브에 접촉시킨 후, 상기 니들을 회전시키는 동시에 상기 탄소나노튜브로부터 멀어지도록 하여 상기 탄소나노튜브로부터 탄소나노튜브 섬유를 형성하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치는 상기 탄소나노튜브 섬유를 감아두는 보빈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치는 상기 니들과 니들 회전 모터 사이에 구비되며, 상기 니들에 체결된 스핀들; 및 상기 스핀들과 니들 회전 모터에 체결된 커플링;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 니들은 정전기 또는 자성을 가질 수 있는 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 니들은 상기 탄소나노튜브와 접촉하는 끝단에 상기 탄소나노튜브와의 접합력을 높이기 위한 코팅막을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 코팅막은 SiN 박막인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.
먼저, 본 발명의 연속 탄소나노튜브 성장 장치 및 이를 포함하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템은 촉매로서 작용하는 전이 금속 촉매의 지속적인 보충없이 탄소나노튜브를 성장시키는 연속 탄소나노튜브 성장 장치를 제공하는 효과를 가진다.
또한, 본 발명의 연속 탄소나노튜브 성장 장치 및 이를 포함하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템은 전이 금속 촉매를 지속적으로 보충하지 않고 기판 상에 나노미터 두께로 증착된 전이 금속 촉매가 모두 소진될 때까지 충분히 활용하여 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있어 탄소나노튜브를 성장함에 있어 저가 및 대량으로 성장시킬 수 있는 연속 탄소나노튜브 성장 장치를 제공하는 효과를 가진다.
또한, 본 발명의 연속 탄소나노튜브 성장 장치 및 이를 포함하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템은 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치를 구비하여 전이 금속 촉매를 지속적으로 보충하지 않고 연속적으로 탄소나노튜브를 성장시키고, 상기 탄소나노튜브를 섬유화함으로써 탄소나노튜브 섬유를 저가 및 대량으로 생산할 수 있는 탄소나노튜브 섬유화 시스템을 제공하는 효과를 가진다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시 예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연속 탄소나노튜브 성장 장치를 보여주는 개념도이다.
도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 연속 탄소나노튜브 성장 장치를 설명하면, 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100)는 외부 환경으로부터 내부 환경을 분리할 수 있도록 밀폐되어 있는 구조로 이루어진 챔버(110)를 구비하고 있다.
이때, 상기 챔버(110)는 그 형상이 육면체인 것으로 도시하고 있으나, 필요하다면 원기둥 형태로 이루어질 수도 있고, 다른 형태로 이루고 있어도 무방하다.
상기 챔버(110) 내부에는 기판(200)을 지지하는 서셉터(120)를 구비할 수 있는데, 상기 서셉터(120) 내부에는 상기 기판(130)을 일정 온도로 가열할 수 있는 가열 부재(122)를 구비할 수 있다.
상기 가열 부재(122)는 도 1에서 도시한 바와 같이 가열 선으로 구비될 수 도 있고, 도에서는 도시하고 있지 않지만, 카트리지 히터 또는 할로겐 램프를 이용할 수 있다.
이때, 상기 가열 부재(122)는 상기 서셉터(120) 상에 구비된 기판(130)을 700℃ 내지 800℃로 가열시키는 역할을 한다.
한편, 상기 서셉터(120) 상에 안착된 기판(130)은 그 표면 상에서 탄소나노튜브(132)가 상기 기판(200)의 표면과 수직하는 방향으로 성장하도록 하는 전이 금속 촉매(134)을 구비하고 있는 것이 바람직하다.
이때, 상기 전이 금속 촉매(134)는 평균 크기가 수십 나노미터이고, 수십 나노미터의 두께로 구비되어 있는 것이 바람직하다. 이는 상기 전이 금속 촉매(134)의 평균 크기 또는 두께가 상기 기판(130) 상에 성장되는 탄소나노튜브(132)의 성장 길이를 결정하는 중요한 역할을 하기 때문이다.
상기 챔버(110)에는 상기 서셉터(120) 상에 안착된 기판(130)을 외부로 인출하거나, 상기 챔버(110) 내부로 상기 기판(130)을 장입할 때 이용되는 챔버 도어(140)를 구비하고 있다.
상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100)는 상기 챔버(110) 내부에 구비되되, 상기 서셉터(120)에 대응되는 위치, 즉, 상기 서셉터(120)가 상기 챔버(110) 내부의 하단에 위치하는 경우, 상기 챔버(110) 내부의 상단 위치에 플라즈마 헤드(200)를 구비하고 있다.
상기 플라즈마 헤드(200)는 이후 설명될 가스 공급 장치(150)로부터 가스를 공급받고, 전원 공급 장치(160)로부터 전원을 공급받아 플라즈마를 발생시켜 상기 기판(130) 상에 탄소나노튜브(132)를 성장시키는 구성 요소이다. 이때, 상기 플라즈마 헤드(200)의 자세한 구조는 이후 도 2 내지 도 4를 참조하여 자세히 설명한 다.
이때, 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100)는 상기 플라즈마 헤드(200)에 원료 가스 또는 소오스 가스를 공급하는 가스 공급 장치(150)를 구비할 수 있다.
상기 가스 공급 장치(150)는 도에서는 도시하고 있지 않지만, 상기 기판(130) 상에 탄소나노튜브(132)을 성장시킴에 있어 필요한 가스들을 공급하는 가스 저장 부재들을 구비할 수 있고, 상기 가스 저장 부재들로부터 공급된 가스들을 상기 플라즈마 헤드(200)에 공급함에 있어 정해진 양을 공급 또는 흐를 수 있도록 하는 MFC(mass flow controller)(152)들을 구비할 수 있다.
이때, 도에서는 각각 MFC(152)가 장착된 두 개의 가스 공급 라인을 구비하고 있는 것으로 도시하고 있는데, 상기 가스 공급 라인들 각각은 상기 기판(130) 상에 탄소나노튜브(132)을 형성하기 위한 원료 가스(예컨대, 탄소를 구비한 하이드로 카본 가스, 바람직하게는 C2H2 가스) 및 플라즈마를 발생시키기 위한 소오스 가스(예컨대, 불활성 가스, 바람직하게는 헬륨 가스)를 공급하기 위한 가스 공급 라인일 수 있다. 물론 필요하다면 상기 가스 공급 라인을 셋 이상 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100)는 상기 플라즈마 헤드(200)에 플라즈마를 생성하기 위한 전원을 공급하기 위한 전원 장치(160)를 구비할 수 있다.
이때, 상기 전원 장치(160)는 상기 플라즈마 헤드(200)의 제1전극에는 RF 메칭 콘트롤러(RF matching controller)(162)이 연결된 RF 파워 서플라이(RF power supply)(164)를 연결하고, 상기 플라즈마 헤드(200)의 제2전극에는 그라운드(ground)(166)로 연결하도록 구성된다.
한편, 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100)는 상기 챔버(110) 내부에 잔류하는 가스를 배기하거나 챔버(110) 내부를 진공 분위기로 형성하기 위한 펌프(170)를 상기 챔버(110)의 일정 위치에 연결하여 구비하고 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100)는 서셉터(120), 플라즈마 헤드(130), 가스 공급 장치(150) 및 전원 공급 장치(160)를 구비한 AP-PECVD(Atmospher Pressure - Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)일 수 있다.
도 2, 도 3a 내지 도 3h 및 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연속 탄소나노튜브 성장 장치의 플라즈마 헤드를 자세히 도시한 부분 단면 사시도들이다. 이때 상기 도 3a 내지 도 3h는 상기 도 2의 각 부분을 도시한 도들이고, 상기 도 4는 도 2의 A 영역을 확대한 도이다.
도 2, 도 3a 내지 도 3h 및 도 4를 참조하여 설명하면, 상기 플라즈마 헤드(200)는 크게 하우징(210), 노즐 홀더(220), 보조 전극(230), 제1전극(240), 전극 절연체(250), 제2전극(260) 및 캡(280)을 포함하고 있다. 또한, 상기 플라즈마 헤드(200)는 상기 제2전극(260)과 캡(180) 사이에 커버(270)를 더 포함할 수도 있다.
우선, 도 2 및 도 3a을 참조하여 상기 하우징(210)에 대하여 설명하면, 상기 하우징(210)은 이후 설명될 캡(280)과 더불어 플라즈마 헤드(200)의 본체를 형성하 며, 내부를 보호하는 역할을 한다.
상기 하우징(210)은 크게 가스 공급부(210a) 및 기구 안착부(210b)로 나눌 수 있다.
이때, 상기 하우징(210) 내부 중 상기 가스 공급부(210a)에 해당하는 내부 공간은 원료 가스(201)를 이후 설명될 세라믹 노즐에 공급하기 위한 원료 가스 챔버(211)를 구비하고 있다. 또한 상기 원료 가스 챔버(211)의 내부 벽에는 상기 원료 가스 챔버(211)에 채워지는 원료 가스(201)와 하우징(210)을 절연시키는 하우징 절연체(212)를 포함하고 있다.
또한, 상기 하우징(210) 중 상기 가스 공급부(210a)의 벽 내부에는 소오스 가스(202)를 공급하기 위한 소오스 가스 공급관(213)을 구비하고 있다.
이때, 상기 하우징(210)을 이루는 벽은 상기 가스 공급부(210a) 및 기구 압착부(210b)에서의 벽의 두께가 서로 다르게 형성되어 있다. 즉, 상기 가스 공급부(210a)에 해당하는 벽의 두께가 상기 기구 압착부(210b)에 해당하는 벽의 두께가 더 두껍게 형성되어 있어 이후 설명될 노즐 홀더(220) 등과 같은 기구가 상기 기구 안착부(210b)에 안착될 수 있다.
또한 상기 하우징(210)에는 오링을 삽입할 수 있는 적어도 둘 이상의 오링 홈들이 구비될 수 있는데, 본 실시 예에서는 제1오링 홈(214), 제2오링 홈(215) 및 제3오링 홈(216)을 구비하고 있는 것을 보여주고 있다.
상기 제1오링 홈(214)은 노즐 홀더(220)와 하우징(210) 사이를 밀폐하기 위한 오링이 삽입되기 위한 홈으로 상기 원료 가스 챔버(211) 내에 채워지는 원료 가 스(201)가 외부로 유출되지 않도록 하기 위함이다.
상기 제2오링 홈(215) 및 제3오링홈(216)은 상기 하우징(210)과 이후 설명될 캡(280) 사이를 밀폐하기 위한 오링들이 삽입되기 위한 홈으로 내부의 가스들이 외부로 세거나 외부의 가스가 하우징(210) 내부로 유입되는 것을 방지하기 위함이다.
도 2 및 도 3b를 참조하여 상기 노즐 홀더(220)를 설명하면, 상기 노즐 홀더(220)는 상기 하우징(210)의 기구 안착부(210b)에 안착되어 있다.
또한 상기 노즐 홀더(220)는 바닥부(221)와 측벽부(222)를 구비한 샬레 형태를 이루고 있으며, 외부 직경이 상기 하우징(210)의 기구 안착부(210b)의 내부 직경보다 작아 상기 노즐 홀더(220)의 측벽부(222)와 상기 하우징(210) 사이에는 소오스 가스 가이드 영역(223)이 정의되도록 한다.
이때, 상기 노즐 홀더(220)의 안착으로 인해 상기 하우징(210)의 가스 공급부(210a)와 상기 노즐 홀더(220)의 바닥부(221)에 의해 원료 가스 챔버(211)가 정의된다.
한편, 상기 노즐 홀더(220)의 바닥부(221)에는 복 수개의 제3관통홀(224)을 구비하고 있다. 또한, 상기 바닥부(221)에는 이후 설명될 보조 전극(230)에서 연장된 전극봉(231)을 위한 전극봉 관통홀(225)을 구비하고 있다. 도 3b에서는 하나의 전극봉 관통홀(225)을 구비하고 있는 것으로 도시하고 있으나 다수 개를 구비할 수 있다.
한편, 상기 노즐 홀더(220)의 측면부(222)에는 적어도 하나 이상의 소오스 가스 공급홀(226)를 구비하며, 상기 소오스 가스 공급홀(226)은 상기 소오스 가스 가이드 영역(223)과 이후 설명될 소오스 가스 챔버(225)를 연결하는 역할을 하여 상기 소오스 가스 공급관(213)을 통해 공급된 소오스 가스(202)가 상기 소오스 가스 가이드 영역(223)을 통해 상기 소오스 가스 챔버(225)로 균일하게 공급되도록 한다.
상기 소오스 가스 챔버(225)는 이후 설명될 보조 전극(230) 및 제1전극(240)과 노즐 홀더(220)에 의해 정의된다.
이때, 상기 노즐 홀더(220)는 테프론과 같은 절연물질로 이루어지는 것이 바람직한데, 이는 상기 노즐 홀더(220) 상에 안착되는 보조 전극(230) 및 제1전극(240)과의 절연을 위해서이다.
도 2 및 도 3c를 참조하여 상기 보조 전극(230)을 설명하면, 상기 보조 전극(230)은 상기 노즐 홀더(220) 상에 안착되며, 상기 노즐 홀더(220)의 외부 직경과 동일한 외부 직경을 가지고 있다.
또한, 상기 보조 전극(230)은 중앙의 일정 영역(적어도 상기 노즐 홀더(220)의 바닥부(221)에 구비된 제3관통홀(224)들과 대응되는 영역)이 비어 있는 디스크 형태인 것이 바람직하다.
상기 보조 전극(230)은 하부면에 적어도 하나 이상의 전극봉(231)을 구비하고 있는데, 상기 전극봉(231)은 상기 노즐 홀더(220)의 바닥부(221)에 구비된 전극봉 관통홀(225)을 관통하여 연장되어 있다.
상기 보조 전극(230)은 이후 설명될 제1전극(240)에 전체적으로 균일하게 전원을 공급하는 역할을 한다.
도 2 및 도 3d를 참조하여 상기 제1전극(240)을 설명하면, 상기 제1전극(240)은 상기 보조 전극(230) 상에 안착되며, 상기 제1전극(240) 및 노즐 홀더(220)에 의해 소오스 가스 챔버(242)가 정의되며, 상기 소오스 가스 챔버(242)에는 상기 소오스 가스 공급관(213), 소오스 가스 가이드 영역(223) 및 소오스 가스 공급홀(226)을 통해 공급된 소오스 가스(202)가 채워지는 영역이다.
이때, 상기 제1전극(240)의 외부 직경은 상기 보조 전극(230)의 외부 직경과 동일하며, 디스크 형태를 띠고 있다.
또한, 상기 제1전극(240)은 상기 노즐 홀더(220)의 제3관통홀(224)들과 대응되는 위치에 복 수개의 제1관통홀(241)을 구비한다.
또한, 상기 제1전극(240)은 다공성으로 이루어진 물질을 사용함으로써 상기 소오스 가스 챔버(242)에 채워진 소오스 가스(202)가 쉽게 통과할 수 있도록 한다.
이때, 상기 제1전극(240)을 통과한 소오스 가스(202)는 상기 제1전극(240)과 이후 설명될 전극 절연체(250) 및 제2전극(260)에 의해 정의되는 이격 공간(251)으로 공급된다. 상기 이격 공간(251)에서는 상기 소오스 가스(202)가 플라즈마 상태로 상변화되는 영역임으로 플라즈마 발생 영역이라 할 수 있다.
따라서, 상기 제1전극(240)은 다공성 물질로 이루어져 있어 플라즈마 발생 영역인 이격 공간(251)에 소오스 가스(202)를 균일하게 공급하고, 이로 인해 균일한 플라즈마가 발생할 수 있도록 하는 역할을 한다.
도 2 및 도 3e를 참조하여 상기 전극 절연체(250)를 설명하면, 상기 전극 절연체(250)는 내부 직경이 상기 보조 전극(230) 및 제1전극(240)의 외부 직경과 동 일하거나 큰 샬레 형태로 이루어져 있다.
그러나 상기 노즐 홀더(220)와는 다르게 뒤집어진 형태로 상기 보조 전극(230) 및 제1전극(240)의 측면을 덮는 상태로 상기 제1전극(240) 상에 안착된다.
또한, 상기 전극 절연체(250)는 상기 보조 전극(230)과 유사하게 중앙의 일정 영역(적어도 상기 노즐 홀더(220)의 바닥부(221)에 구비된 제3관통홀(224)들 및 제1전극(240)의 제1관통홀(241)들과 대응되는 영역)이 비어 있다.
또한, 상기 전극 절연체(250)는 상기 제1전극(240)과 이후 설명될 제2전극(250)을 절연하는 역할을 함으로 테프론과 같은 절연 물질로 이루어진 것이 바람직하다.
또한, 상기 전극 절연체(250)의 바닥부에 해당하는 영역의 두께(252)는 이후 설명될 이격 공간(251)의 이격 거리(즉, 상기 제1전극(240)과 제2전극(250)의 간격)를 정의한다.
도 2 및 도 3f를 참조하여 상기 제2전극(260)을 설명하면, 상기 제2전극(260)은 상기 전극 절연체(250) 상에 안착된다.
또한, 상기 제2전극(260)의 외부 직경은 상기 전극 절연체(250)의 외부 직경과 동일한 직경을 가지며, 디스크 형태인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2전극(260)은 상기 제1전극(250)과 일정 간격으로 이격된 이격 공간(251)을 구비하게 된다. 상기 이격 공간(251)은 상기 전극 절연체(250)에 의해 이격되는데, 상기에서도 상술한 바와 같이 상기 전극 절연체(250)의 바닥부에 해당하는 영역의 두께(252)에 대응하여 이격된다.
이때, 상기 이격 공간(251)에서는 상기 제1전극(240)을 통과하여 공급되는 소오스 가스(202)가 플라즈마 상태로 상변화되는 영역임으로 플라즈마 발생 영역이라 할 수 있다.
한편, 상기 제2전극(260)은 상기 제3관통홀(224) 및 제1관통홀(241)과 대응하는 위치에 복수 개의 제2관통홀(261)을 구비하고, 상기 이격 공간(251)과 외부를 연결하는 제1연결홀(262)을 구비하고 있다.
상기 제1연결홀(262)은 상기 이격 공간(251)에서 발생된 플라즈마를 외부로 분사되는 통로로서의 역할을 한다.
한편, 상기 제2전극(260)에는 복 수개의 제2관통홀(261)과 제1연결홀(262)을 구비하고 있는데, 상기 제2관통홀(261)을 중심으로 상기 제1연결홀(262)이 감싸는 형태로 배치되는 것이 바람직하며, 도 3f에서는 하나의 제2관통홀(261)을 중심으로 네 개의 제1연결홀(262)이 규칙적으로 배치되어 있다.
이때, 상기 플라즈마 헤드(200)는 도 2의 A 영역을 확대한 확대도인 도 4에서 도시하고 있는 바와 같이 일측 끝단은 상기 원료 가스 챔버(211)에 위치하고, 타측 끝단은 상기 제2전극(260)에서 외부 방향으로 일정 길이만큼 돌출된 상태로 구비되어 있어, 상기 원료 가스 챔버(211)로부터 공급된 원료 가스(201)를 외부로 연결하는 역할을 한다. 이때, 상기 세라믹 노즐(290)은 상기 제3관통홀(224), 제1관통홀(241) 및 제2관통홀(261)을 순차적으로 관통하여 구비되어 있다.
따라서 상기 제2전극(260) 상에는 상기 세라믹 노즐(290)을 중심으로 적어도 네 개의 제1연결홀(262)이 감싸고 있는 형태로 단위 셀을 이루고 상기 단위 셀들이 상기 제2전극(260) 상에 규칙적으로 배열되어 있다. 이러한 단위 셀들의 배열로 인해 상기 세라믹 노즐(290)에서 분사되는 원료 가스(201)는 상기 제1연결홀(262)에서 분사되는 플라즈마와 균일하게 섞여 혼합 가스를 생성하게 된다.
도 2 및 도 3g을 참조하여 상기 커버(270)를 설명하면, 상기 커버(270)는 상기 제2전극(260) 상에 안착될 수 있다.
이때, 상기 커버(270)는 생략될 수 있으며, 필요에 따라 구비될 수도 있다.
상기 커버(270)는 상기 제2전극(260)의 외부 직경과 동일한 외부 직경을 가지며 디스크 형태를 이루고 있다.
또한, 상기 커버(270)는 상기 제2전극(260)과 접촉하는 표면에 적어도 하나 이상의 혼합 홈(271)(도 4 참조)을 구비하고 있으며, 상기 혼합 홈(271)에는 상기 혼합 홈(271)과 외부를 연결하는 제2연결홀(272)을 적어도 하나 이상 구비하고 있다.
상기 혼합 홈(271)은 상기 제2전극(260) 상에서 상기 세라믹 노즐(290)에서 분사되는 원료 가스(201)와 상기 제1연결홀(262)에서 분사되는 플라즈마가 혼합되는 혼합 영역으로 혼합 가스가 형성되는 영역이다. 따라서, 상기 혼합 가스(즉, 상기 플라즈마와 혼합된 원료 가스(201)는 상기 제2연결홀(272)을 통해 외부로 분사된다.
이때, 상기 커버(270)가 생략되는 경우, 상기 제1연결홀(262)에서 분사된 플라즈마와 상기 세라믹 노즐(290)에서 분사되는 원료 가스(201)가 상기 플라즈마 헤드(200)의 외부, 정확하게는 플라즈마 헤드(200)의 표면 상에서 혼합됨으로, 상기 커버(270)가 구비되지 않는 플라즈마 헤드(200)의 경우에는 상기 플라즈마 헤드(200)의 외부가 상기 원료 가스(201)와 플라즈마가 혼합되는 혼합 영역이 될 수 있다.
도 2 및 도 3h를 참조하여 상기 캡(280)을 설명하면, 상기 캡(280)은 상기 하우징(210)의 기구 안착부(210b)에 안착된 여러 기구들을 고정하는 동시에 밀폐하는 역할을 한다.
이때, 상기 캡(280)은 바닥부(281) 및 측면부(282)로 구분될 수 있는데, 상기 바닥부(281) 중 상기 제2전극(260) 또는 커버(270)의 제2관통홀(261), 제1연결홀(262) 및 제2연결홀(272)에 대응되는 영역을 비어 있고, 상기 측면부(282)는 상기 하우징(210) 측면의 일정 영역을 동시에 덮게 된다.
이때, 상기 캡(280)과 하우징(210) 사이에는 상기 제2오링 홈(215) 및 제3오링 홈(216)을 구비하고 있어, 상기 캡(280)과 하우징(210) 사이의 밀폐를 돕는다.
따라서 상기 플라즈마 헤드(200)는 상기 전원 공급 장치(160)로부터 공급된 전원을 상기 제1전극(240) 및 제2전극(260) 사이에 인가하면, 상기 제1전극(240)과 제2전극(260)의 이격 공간(251)에서 소오스 가스(202)가 상변화되어 플라즈마 상태로 변화된다.
이때, 상기 소오스 가스(202)는 상기에서 상술한 바와 같이 상기 MFC(152)에서 상기 소오스 가스 공급관(213) 및 소오스 가스 가이드 영역(223)을 통해 상기 소오스 가스 챔버(242)로 공급되고, 상기 소오스 가스 챔버(242)로부터 상기 제1전극(240)을 통해 이격 공간(251)으로 공급된다.
그리고 상기 플라즈마는 상기에서 상술한 바와 같이 상기 제2전극(260)에 구비된 제1연결홀(262)을 통해 상기 이격 공간(251)으로부터 외부로 분사되는데, 도 4에서는 커버(270)를 구비하고 있음으로 상기 커버(270)에 구비된 혼합 홈(271)으로 분사된다.
한편, 상기 원료 가스(201)는 상기 MFC(152)로부터 공급되어 상기 원료 가스 챔버(211)를 채우고, 상기 원료 가스 챔버(211)에서 상기 세라믹 노즐(290)을 통해 상기 제2전극(260) 상에서 외부 또는 상기 혼합 홈(271)으로 분사된다.
따라서, 상기 외부 또는 혼합 홈(271)으로 분사된 원료 가스(201) 및 플라즈마로 변화된 소오스 가스(202)는 균일하게 혼합된 혼합 가스(203)로 변화되어 상기 기판(130)으로 분사된다. 이때, 상기 기판(130)은 상기 혼합 가스(203)에서 탄소를 공급받아 탄소나노튜브(132)를 성장시키게 된다.
따라서 본 발명의 일 실시 예에 따른 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100)는 소오스 가스가 플라즈마로 상변화하는 플라즈마 발생 영역 및 상기 플라즈마와 원료 가스가 혼합 가스로 혼합되는 혼합 영역이 분리되어 있으며, 상기 혼합 영역에서 혼합된 혼합 가스를 분사하는 플라즈마 헤드(200)와 상기 플라즈마 헤드(200)에 대응되며, 전이 금속 촉매(134)를 구비하여 상기 혼합 가스로부터 탄소를 공급받아 탄소나노튜브(132)를 성장시키는 기판(120)을 지지하는 서셉터(120)를 구비하고 있다.
이때, 상기 서섭터(120) 상에는 표면 상에 전이 금속 촉매(134)가 구비된 기판(130)이 안착되면, 상기 기판(130) 상에서는 상기 플라즈마 헤드(200)에서 분사 되는 혼합 가스로부터 탄소를 공급받아 탄소나노튜브(134)를 성장시킨다.
이때, 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100)는 상기 기판(130) 상에 구비된 전이 금속 촉매(134)가 소진, 바람직하게는 모두 소진될 때까지 상기 탄소나노튜브(132)를 반복하여 성장시킬 수 있다.
즉, 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 상기 기판(130) 상에 탄소나노튜브(132)가 성장되면 상기 기판(130)을 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100)에서 외부로 인출하고, 외부에서 상기 탄소나노튜브(132)를 별도의 장치, 예컨대, 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치 등을 이용하여 상기 탄소나노튜브(132)를 탄소나노튜브 섬유로 섬유화하는 등의 공정을 진행하여 상기 기판(130) 상에 성장된 탄소나노튜브(132)가 소모되면, 상기 기판(130) 상에 상기 전이 금속 촉매(134)를 증착하지 않고, 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100)에 장입한 후 다시 상기 탄소나노튜브(132)를 성장시키는 것을 상기 기판(130) 상에 구비된 전이 금속 촉매(134)가 소진될 때까지 반복하여 성장시킬 수 있다.
다시 말해, 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100)는 상기 기판(130) 상에 구비된 전이 금속 촉매(134)가 소진될 때까지, 상기 기판(130) 상에 탄소나노튜브(132)의 성장을 반복할 수 있는 장치이다.
도 5a는 기판 상에 구비된 전이 금속 촉매를 AFM으로 촬영한 사진이고, 도 5b는 도 5a에서 촬영된 전이 금속 촉매를 구비한 기판 상에 탄소나노튜브를 1차 성장시킨 것을 보여주는 단면도이고, 도 5c는 1차 성장된 탄소나노튜브를 소모한 후 기판 상의 전이 금속 촉매를 SEM으로 촬영한 사진이고, 도 5d는 기판 상에 탄소나 노튜브를 2차 성장시킨 것을 보여주는 단면도이다.
도 5a 내지 도 5d를 참조하여 설명하면, 상기 기판(130) 상에는 도 5a에 도시하고 있는 바와 같이 전이 금속 촉매(134)를 구비하고 있다.
이때, 상기 전이 금속 촉매(134)는 평균 크기가 수십 나노미터이고, 수십 나노미터의 두께로 구비될 수 있는데, 도 5a에서는 평균 크기가 20나노미터이고 20나노미터의 두께로 구비된 전이 금속 촉매(134)의 표면을 AFM(Atomic force microscope)로 촬영한 것을 보여주는 사진이다.
이때, 상기 도 5a에 도시된 AFM 사진으로부터 상기 전이 금속 촉매(134)가 6.64×1011/㎠의 밀도로 구비되어 있는 것을 보여주고 있다.
상기 도 5a을 참조하여 설명한 기판(130)을 상기 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100)에 장입하고 상기 기판 상에 탄소나노튜브(132)를 1차 성장시키면 도 5b에서 도시된 바와 같이 기판(130) 상에 427㎛의 높이를 갖는 탄소나노튜브(132)를 성장시킬 수 있다.
그리고 상기 탄소나노튜브(132)가 성장된 기판(130)를 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100) 외부로 인출한 뒤, 상기 탄소나노튜브(132)를 소모시키면 도 5c에서 도시된 바와 같이 기판(130) 상에 상기 전이 금속 촉매(134)가 1.75×1010/㎠의 밀도로 잔존하게 된다.
이때, 상기 탄소나노튜브(132)를 1차 성장시킨 후, 상기 탄소나노튜브(132)가 소모된 기판(130)의 전이 금속 촉매(134)는 충분히 상기 탄소나노튜브(132)를 2 차 성장시킬 수 있다.
즉, 상기 탄소나노튜브(132)를 1차 성장시킨 후, 상기 탄소나노튜브(132)가 소모된 기판(130)을 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100)에 장입하고 2차 성장시켜면 도 5d에 도시된 바와 같이 상기 기판(130) 상에 탄소나노튜브(132)가 320㎛의 높이로 성장하게 된다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연속 탄소나노튜브 성장 장치는 상기 전이 금속 촉매(134)의 두께 및 크기가 적절히 조절된 기판(130)을 이용하면 상기 기판(130) 상에 반복적으로 탄소나노튜브(132)를 복 수회 성장시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연속 탄소나노튜브 성장 시스템을 도시한 개념도이다.
도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 연속 탄소나노튜브 성장 시스템을 설명하면, 상기 연속 탄소나노튜브 성장 시스템은 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100) 및 전이 금속 촉매 증착 장치(300)를 구비하고 있다.
즉, 상기 연속 탄소나노튜브 성장 시스템은 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 연속 탄소나노튜브 장치(100)에 전이 금속 촉매 장치(300)를 더 구비하여 상기 기판(120) 상에 탄소나노튜브가 성장 및 소진을 반복하여 상기 기판(130) 상에 전이 금속 촉매(134)가 소진되면, 상기 기판(130) 상에 전이 금속 촉매(134)를 증착하는 장치를 구비하고 있다.
이때, 상기 연속 탄소나노튜브 성장 시스템은 도 6에 도시하고 있는 바와 같이 상기 연속 탄소나노튜브 장치(100) 및 전이 금속 촉매 증착 장치(300)가 클러스 터(cluster) 모듈로 일체화된 시스템으로 구비될 수도 있고, 상기 연속 탄소나노튜브 장치(100) 및 전이 금속 촉매 증착 장치(300)가 일체화되지 않고 분리된 상태로 구비되어도 무방하다.
이때, 도 6에 도시된 연속 탄소나노튜브 장치(100)는 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 연속 탄소나노튜브 장치(100)를 평면으로 도시한 것으로 실제 동일한 구성 요소로 구비될 수 있어 자세한 설명을 생략한다.
상기 전이 금속 촉매 증착 장치(300)는 상기 기판(130) 상에 전이 금속 촉매(134)를 증착하는 장치이다.
즉, 상기 전이 금속 촉매 증착 장치(300)는 상기 연속 탄소나노튜브 성장 시스템의 연속 탄소나노튜브 장치(100)에서 기판(130) 상에 탄소나노튜브(132)를 반복 성장시켜 상기 전이 금속 촉매(134)가 소진되어 더 이상 탄소나노튜브(132)를 성정시킬 수 없을 경우, 상기 기판(130) 상에 전이 금속 촉매(134)를 증착하여 다시 상기 기판(130) 상에 탄소나노튜브(132)를 성장시킬 수 있도록 하는 장치이다.
상기 전이 금속 촉매 증착 장치(200)는 전이 금속 촉매를 타켓(미도시)으로 하는 스퍼터링 장치일 수 있으며, 외부 환경으로부터 내부를 보호하는 챔버(310)와 상기 챔버(310) 내부에 구비되며, 상기 기판(130)을 안착시키는 서셉터(320)를 구비할 수 있다.
한편, 상기 연속 탄소나노튜브 성장 시스템은 상기 연속 탄소나노튜브 장치(100)와 상기 전이 금속 촉매 증착 장치(300) 사이 또는 상기 연속 탄소나노튜브 성장 시스템의 외부로 기판(120)을 이송시키는 기판 이송 장치(400)를 더 구비할 수 있다.
상기 기판 이송 장치(400)는 상기 연속 탄소나노튜브 성장 시스템이 클러스터로 일체화되어 있는 것으로 도시하고 있으나, 상기 기판 이송 장치(300)가 일체화되지 않고 분리된 상태로 구비되어 있을 수도 있다.
또한, 상기 기판 이송 장치(400)는 도 6에 도시된 바와 같이 로봇 암으로 이루어질 수 있으며, 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100)와 전이 금속 촉매 증착 장치(300)를 연결하는 트랜스퍼 챔버(410) 내부에 구비될 수 있다.
상기 연속 탄소나노튜브 성장 시스템은 각 장치들 간 또는 외부로 상기 기판(130)을 장입 또는 인출하기 위한 도어(140,142,144)들을 구비하고 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연속 탄소나노튜브 성장 시스템은 상기 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100) 및 전이 금속 촉매 증착 장치(300)를 구비하여 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100)는 전이 금속 촉매(132)를 구비한 기판(130)상에 탄소나노튜브(132)를 반복하여 성장시키고, 상기 전이 금속 촉매 증착 장치(300)는 상기 탄소나노튜브(132)가 반복 성장하여 기판(130) 상에 구비된 전이 금속 촉매(134)가 소진되면 다시 상기 기판(130) 상에 전이 금속 촉매(134)를 일정 평균 크기 및 두께로 증착하여 상기 기판(130) 상에 상기 탄소나노튜브(132)를 반복 성장시킬 수 있도록 구성되어 있어 상기 전이 금속 촉매(134)가 구비된 기판(130)을 외부에서 별도로 유입하지 않고 또한 별도의 전이 금속 촉매를 공급하지 않고도 상기 탄소나노튜브(132)를 연속적으로 성장시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템을 보여주는 개념도이다.
도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템을 설명하면, 상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템은 상기 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100) 및 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치(500)를 구비하고 있다.
즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템은 기판(130) 상에 구비된 전이 금속 촉매(134)가 소진될 때까지 반복하여 탄소나노튜브(132)를 성장시키는 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100)와 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100)에서 성장된 탄소나노튜브(132)를 섬유화(yarning)하는 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치(500)를 구비하고 있다.
이때, 도에서 도시하고 있지 않지만, 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100)와 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치(500) 사이에는 기판 이송 장치(미도시)를 구비하여 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100)와 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치(500) 사이에서 기판을 이송할 수도 있다.
이때, 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100)는 도 1 내지 도 4를 참조하여 자세히 설명하였음으로 설명은 생략한다.
상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치(500)는 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100)에서 탄소나노튜브(132)가 성장된 기판(130)을 인출하여 상기 기판 지지대(510)에 안착시키면, 상기 기판(130)상에 성장된 탄소나노튜브(132)를 섬유화하 여 탄소나노튜브 섬유(136)를 형성하는 장치이다.
상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치(500)는 탄소나노튜브(132)가 성장된 기판(130)을 안착시키고 지지하는 기판 지지대(510), 상기 탄소나노튜브(132)에 접촉하여 탄소나노튜브 섬유(136)를 형성하는 니들(520), 상기 니들(520)에 연결되며, 상기 니들(520)을 회전시키는 니들 회전 모터(530), 상기 니들 회전 모터(530)를 지지하는 회전 모터 테이블(540) 및 상기 회전 모터 테이블(540)을 지지하면서 상기 니들(520)을 포함하는 회전 모터 테이블(540)을 상기 기판 지지대(510)로부터 멀어지게 하거나 인접시키는 리니어 엑추에이터(550)를 포함하고 있다.
이때, 상기 니들(520)이 상기 니들 회전 모터(530)에 연결될 때에는 상기 니들(520)을 직접 상기 니들 회전 모터(530)의 회전 축에 연결하여도 무방하나, 상기 니들(520)과 니들 회전 모터(530)의 회전 축 사이에는 상기 니들(520)에 체결되는 스핀들(522) 및 상기 스핀들(522)과 상기 니들 회전 모터(530)의 회전 축에 체결된 커플링(524)으로 연결하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치(200)는 상기 니들(220)을 상기 기판 지지대(210) 상에 안착되어 있는 기판(400) 상의 탄소나노튜브(132)에 접촉시킨 후, 상기 니들(220)을 상기 니들 회전 모터(230)로 회전시키는 동시에, 상기 리니어 엑추에이터(250)을 이용하여 상기 니들(220)을 상기 탄소나노튜브(132)로부터 멀어지도록 하여 상기 탄소나노튜브(132)로부터 탄소나노튜브 섬유(420)를 형성하는 장치이다.
도에서는 도시하고 있지 않지만, 상기 기판 지지대(510) 내부에 냉각 부재를 구비할 수 있다. 즉, 상기 기판 지지대(510) 상에 안착되는 기판(130)은 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100)에 의해 탄소나노튜브(132)가 성장하게 되는데, 이때, 상기 기판(130)은 700℃ 내지 800℃의 온도로 가열되기 때문에 이를 냉각할 필요가 있기 때문이다. 물론 상기 기판(130)이 냉각된 후 상기 기판 지지대(510) 상에 안착되는 경우에는 상기 기판 지지대(510) 내부에 냉각 부재를 구비할 필요가 없을 수도 있다.
한편, 상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치(500)에서 상기 탄소나노튜브(132)를 탄소나노튜브 섬유(136)로 섬유화할 때, 상기 탄소나노튜브(132)에 니들(520)을 접촉하여 상기 탄소나노튜브(312)를 상기 니들(520)에 접합한 후 상기 니들(520)을 회전시키면서 잡아당겨 상기 탄소나노튜브(132)를 탄소나노튜브 섬유(136)로 섬유화하는 방법을 사용하는데, 이때 상기 니들(520)과 상기 탄소나노튜브(312)와의 접합이 중요하다.
상기 니들(520)과 탄소나노튜브(312)와의 접합력을 높이기 위해 본 발명에서는 상기 니들(520)의 끝단, 즉, 상기 탄소나노튜브(312)과 접촉면 상에 코팅막을 형성할 수 있다.
상기 코팅막은 SiN 박막 등으로 형성하되, 그 표면의 거칠기(roughness)가 거칠도록 형성하여 상기 탄소나노튜브(312)와 상기 니들(520)의 마찰력을 증대시켜 상기 탄소나노튜브(312)와 상기 니들(520)의 접합을 용이하게 할 수 있다. 한편, 상기 니들(520)은 그 직경이 수백 내지 수천㎛인 것이 바람직하다.
또한, 상기 니들(520)을 정전기가 띠기 쉬운 물질로 구성하여 상기 니 들(520)에 정전기가 발생하도록 하여 금속성인 탄소나노튜브(312)와 정전기력을 발생시켜 상기 탄소나노튜브(312)가 상기 니들(520)에 끌어 당겨지도록 하여 상기 니들(520)과 탄소나노튜브(312)가 접합을 용이하게 할 수도 있다.
또한, 상기 니들(520)을 자성이 띠기 쉬운 물질로 구성하여 금속성인 탄소나노튜브(312)가 상기 니들(520)의 인력에 의해 상기 니들(520)에 접합하기 용이하도록 할 수도 있다.
이때, 상기 니들(520)과 상기 니들 회전 모터(530) 사이에는 스핀들(522) 및 커플링(524)이 구비될 수 있는데, 상기 스핀들(522)은 상기 니들(520)과 마찬가지로 자성을 띠는 물질로 이루어질 수 있을 뿐만 아니라 상기 니들(520)에 정전기를 띠게하기 위해 전류가 잘 흐르는 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 커플링(524)은 상기 스핀들(522)과 니들 회전 모터(530) 사이를 절연하기 위해 절연 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
이때, 상기 니들(520)에 상기 탄소나노튜브(312)가 접합하기 위해서는 상기 니들(520)과 탄소나노튜브(312) 간의 거리가 최소 1mm 이하가 되도록 한다.
상기 니들(520)과 탄소나노튜브(312)간의 거리를 조절하는 것은 상기 리니어 엑추에이터(550)에 의해서 이루어지는데, 상기 리니어 엑추에이터(550)는 상기 니들(520)과 상기 니들(520)에 연결되며, 상기 니들(520)을 회전시키는 니들 회전 모터(530)를 지지하는 회전 모터 테이블(540)을 이동시킴으로써 이루어질 수 있다.
즉, 상기 리니어 엑추에이터(550)는 상기 회전 모터 테이블(540)이 이동되는 리니어 레일(551), 상기 리니어 레일(551)의 끝단에 구비되며, 상기 회전 모터 테 이블(540)을 이동시키는 동력을 발생시키는 리니어 모터(552), 상기 리니어 모터(552)의 회전축에 연결되며, 상기 리니어 모터(552)에서 발생된 동력에 의해 회전하며 그 표면에 나사선이 구비된 스크루축(553)을 구비하고 있다.
이때, 상기 스크루축(553)의 양 끝단부에는 상기 스크루축(553)을 지지하면서 고정할 수 있도록 하는 지지 유닛(554)을 구비하고 있다.
한편, 상기 리니어 엑추에이터(550)는 상기 스크루축(553)의 회전 운동을 직진 운동으로 변환하는 너트 유닛(555)이 상기 스크루축(553)에 장착되어 있고, 상기 너트 유닛(555)은 상기 회전 모터 테이블(540)에 체결되어 있어 상기 회전 모터 테이블(540)을 전진 또는 후진하도록 하여 상기 니들(520)이 상기 탄소나노튜브(132)에 접근하거나 멀어지게 하도록 구성되어 있다.
따라서, 상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치(500)는 상기 리니어 엑추에이터(550)에 장착된 니들(520)을 상기 탄소나노튜브(132)가 성장된 기판(130)에 접근시켜, 상기 니들(520)이 상기 탄소나노튜브(132)과 접촉하여 상기 탄소나노튜브(132)와 접합하도록 한 후, 상기 니들(520)을 회전시키면서 상기 탄소나노튜브(132)로부터 멀어지게 하여 상기 탄소나노튜브(132)를 꼬으면서(twisting) 잡아당김으로써 탄소나노튜브 섬유(132)를 형성할 수 있다.
이때, 상기 니들 회전 모터(530)는 상기 니들(520)의 회전을 조절할 수 있는데, 상기 니들 회전 모터(530)는 상기 니들(520)을 100 내지 3,000rpm으로 회전시킬 수 있도록 구성하여 상기 탄소나노튜브 섬유(136)가 100 내지 3,000turns/cm 범위로 꼬임을 줄 수 있도록 한다.
또한, 상기 리니어 엑추에이터(550)은 상기 니들(520)을 1 내지 75cm/min의 속도로 이동시킬 수 있을 뿐만 아니라 1m 이상 이동시킬 수 있는 구조로 구성되어 상기 탄소나노튜브 섬유(136)를 1m 이상 생산할 수 있도록 한다.
한편, 상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치(500)는 생산된 탄소나노튜브 섬유(136)를 감아서 보관하는 보빈(560)을 구비할 수 있다.
이때, 상기 보빈(560)에 상기 탄소나노튜브 섬유(136)를 감는 방법으로는 상기 니들(520)에 부착된 탄소나노튜브 섬유(136)를 분리하여 상기 보빈(560)에 감긴 탄소나노튜브 섬유(136)의 끝단을 연결한 후, 생산된 탄소나노튜브 섬유(136)를 감는 방법을 이용한다. 이때, 상기 탄소나노튜브 섬유(136)들의 연결은 에탄올을 이용하여 각 탄소나노튜브 섬유(136)의 끝단을 접합하여 연결시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템은 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100)에서 상기 기판(130) 상에 구비된 전이 금속 촉매(134)가 소진될 때까지 반복하여 상기 기판(130) 상에 탄소나노튜브(132)를 성장시키고, 상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치(500)는 상기 기판(130) 상에 성장된 탄소나노튜브(132)를 섬유화시켜 탄소나노튜브 섬유(136)를 형성하도록 구성되어 있어 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100)에서 상기 전이 금속 촉매(134)가 소진될 까지 상기 탄소나노튜브(132)를 성장시키고, 상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치(500)는 상기 기판(130) 상에 탄소나노튜브(132)가 성장될 때마다 섬유화하여 탄소나노튜브 섬유(136)를 형성할 수 있음으로, 별도의 전이 금속 촉매의 유입 없이 또한 별도의 기판의 유입 없이 상기 전이 금속 촉매(134)가 소진될 때까지 상기 탄소나노튜브(132)의 성장 및 상기 탄소나노튜브 섬유(136)의 형성을 반복할 수 있는 시스템이다.
이때, 상기 기판(130)은 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100)와 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치(500) 사이를 상기 전이 금속 촉매(134)가 소진될 때까지 순환하면서 탄소나노튜브(132)의 성장 및 소모를 반복하게 된다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템을 보여주는 개념도이다.
도 8을 참조하여 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템을 설명하면, 본 실시 예에 따른 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템은 상기 도 7을 참조하여 설명한 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템을 더욱 구체화한 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템으로, 도 8에 도시한 바와 같이 도 7을 참조하여 설명한 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100) 및 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치(500) 뿐만 아니라 전이 금속 촉매 증착 장치(300), 냉각 장치(600) 및 세정 장치(700) 중 어느 하나 이상을 구비한 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템을 제공할 수 있다.
이때, 본 실시 예에 따른 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템은 도 8에 도시하고 있는 바와 같이 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100), 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치(500), 전이 금속 촉매 증착 장치(300), 냉각 장치(600) 및 세정 장치(700)가 클러스터로 일체화될 수 있고, 독립적으로 분리된 상태로 구비될 수도 있다.
상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템이 일체화되어 있는 경우, 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100), 전이 금속 촉매 증착 장치(300), 냉각 장치(600) 및 세정 장치(700)를 연결하는 트랜스퍼 챔버(410)를 구비할 수 있고, 상기 트랜스터 챔버(410) 내부에는 상기 장치들로 기판(130)을 이송하는 기판 이송 장치(400), 예컨대, 로봇 암을 구비할 수 있다. 상기 트랜스퍼 챔버(410)는 외부, 특히, 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치(500)로 기판(130)을 이송하기 위한 도어(144)를 구비할 수 있다.
이때, 상기 전이 금속 촉매 증착 장치(300)는 도 6을 참조하여 설명한 전이 금속 촉매 장치(300)와 동일한 장치로써, 상기 탄소나노튜브(132)를 반복하여 성장시켜 상기 기판(130) 상에 전이 금속 촉매(134)가 소진되면 상기 기판(130) 상에 전이 금속 촉매(134)를 증착하는 장치이다.
또한, 상기 냉각 장치(600)는 외부 환경으로부터 내부를 보호하는 냉각 챔버(610)와 상기 냉각 챔버(610) 내부에 구비되며 상기 기판(130)을 냉각하는 냉각 서셉터(620)를 구비한 장치이다.
상기 냉각 서셉터(620)는 그 내부에 냉각 라인(630)을 구비하여 상기 기판(130)을 냉각하는 역할을 한다.
상기 냉각 장치(600)는 상기 냉각 장치(600) 내부 또는 외부로 이송하기 위한 도어(146)를 구비할 수 있다.
상기 냉각 장치(600)가 필요한 이유는 상기에서 상술한 바와 같이 상기 기판(130) 상에 탄소나노튜브(132)를 성장시킬 때, 상기 기판(130)이 일정 온도로 가열되기 때문이다.
한편, 상기 세정 장치(700)는 상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치(500)에서 기판(130) 상에 성장된 탄소나노튜브(132)를 섬유화하고 난 후, 잔류하는 탄소나노튜브(132) 또는 잔류하는 비정질 탄소를 제거하는 장치로써, 상기 기판(130)을 상기 세정 장치(700)의 세정 챔버(710) 내부에 구비된 세정 서셉터(720) 상에 안착시킨 후, 산소 플라즈마 등을 이용하여 세정하는 장치이다.
이때, 상기 세정 장치(700)는 상기 세정 장치(700) 내부 또는 외부로 기판(130)을 이송하기 위한 도어(148)를 구비하고 있다.
따라서 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템은 연속 탄소나노튜브 성장 장치(100) 및 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치(500)는 반드시 구비하고, 전이 금속 촉매 증착 장치(300), 기판 이송 장치(400), 냉각 장치(600) 및 세정 장치(700) 중 어느 하나 이상을 구비하여 상기 기판(130)을 상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템 내부에서 순환시키면서, 탄소나노튜브(132)를 성장시키는데 필요한 전이 금속 촉매를 지속적으로 공급하지 않고도, 기판(130) 상에 구비된 전이 금속 촉매(134)를 이용하여 반복적으로 탄소나노튜브(132)를 성장시키고, 상기 탄소나노튜브(132)의 반복 성장으로 인해 상기 전이 금속 촉매(134)가 소진되면 기판(130) 상에 상기 전이 금속 촉매(134)를 증착하는 과정을 진행할 수 있어 기판(130) 상에 전이 금속 촉매(134)가 소진될 때까지 반복하여 탄소나노튜브(132)를 성장시킬 수 있을 뿐만 아니라 연속적으로 탄소나노튜브 섬유(136)를 생산할 수 있는 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템을 제공한다.
이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내 에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연속 탄소나노튜브 성장 장치를 보여주는 개념도이다.
도 2, 도 3a 내지 도 3h 및 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연속 탄소나노튜브 성장 장치의 플라즈마 헤드를 자세히 도시한 부분 단면 사시도들이다.
도 5a는 기판 상에 구비된 전이 금속 촉매를 AFM으로 촬영한 사진이고, 도 5b는 도 5a에서 촬영된 전이 금속 촉매를 구비한 기판 상에 탄소나노튜브를 1차 성장시킨 것을 보여주는 단면도이고, 도 5c는 1차 성장된 탄소나노튜브를 소모한 후 기판 상의 전이 금속 촉매를 SEM으로 촬영한 사진이고, 도 5d는 기판 상에 탄소나노튜브를 2차 성장시킨 것을 보여주는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연속 탄소나노튜브 성장 시스템을 도시한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템을 보여주는 개념도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템을 보여주는 개념도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 연속 탄소나노튜브 성장 장치 200 : 플라즈마 헤드
300 : 전이 금속 촉매 증착 장치 400 : 기판 이송 장치
500 : 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치 600 : 냉각 장치
700 : 세정 장치

Claims (26)

  1. 소오스 가스가 플라즈마로 상변화하는 플라즈마 발생 영역 및 상기 플라즈마와 원료 가스가 혼합 가스로 혼합되는 혼합 영역이 분리되어 있으며, 상기 혼합 영역에서 혼합된 혼합 가스를 분사하는 플라즈마 헤드; 및
    상기 플라즈마 헤드에 대응되며, 전이 금속 촉매를 구비하여 상기 혼합 가스로부터 탄소를 공급받아 탄소나노튜브를 성장시키는 기판을 지지하는 서셉터;를 포함하며,
    상기 기판의 전이 금속 촉매가 소진할 때까지 반복하여 상기 탄소나노튜브의 성장시키는 것을 특징으로 하는 연속 탄소나노튜브 성장 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 전이 금속 촉매가 소진할 때까지 반복하여 상기 탄소나노튜브의 성장시키는 것은 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치에서 상기 전이 금속 촉매를 구비한 기판 상에 탄소나노튜브를 성장시키고, 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치의 외부에서 상기 탄소나노튜브가 소모되면, 상기 탄소나노튜브 성장 장치에서 상기 기판 상에 다시 탄소나노튜브를 성장시키는 것을 상기 기판 상에 전이 금속 촉매가 소진될 때까지 반복하는 것임을 특징으로 하는 연속 탄소나노튜브 성장 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 상에 구비된 전이 금속 촉매는 평균 크기가 수십 나노미터이고, 수십 나노미터의 두께로 증착되어 있는 것을 특징으로 하는 연속 탄소나노튜브 성장 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마 헤드:는
    복 수개의 제1관통홀을 구비하며, 다공성인 제1전극;
    상기 제1전극과 일정 간격으로 이격되어 상기 플라즈마 발생 영역을 형성하며, 상기 제1관통홀과 대응되는 제2관통홀 및 상기 플라즈마 발생 영역과 상기 혼합 영역에 상응하는 외부를 연결하는 복 수개의 제1연결홀을 구비한 제2전극; 및
    상기 제1관통홀 및 제2관통홀을 관통하여 외부로 연결하는 세라믹 노즐;을 포함하며,
    상기 다공성인 제1전극을 통해 상기 플라즈마 발생 영역에 소오스 가스를 공급하고, 상기 세라믹 노즐을 통해 상기 플라즈마 발생 영역을 통과하면서 외부로 원료 가스를 공급하여 상기 외부에서 상기 플라즈마와 원료 가스가 혼합하는 것을 특징으로 하는 연속 탄소나노튜브 성장 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2전극 상에 구비되되, 상기 혼합 영역에 상응하는 적어도 하나 이상의 혼합 홈을 구비하고, 상기 혼합 홈과 외부를 연결하는 제2연결홀을 구비한 커버;를 포함하되,
    상기 혼합 홈들 각각에는 적어도 하나 이상의 제1연결홀과 적어도 하나 이상의 세라믹 노즐이 연결되어 있어 상기 원료 가스와 플라즈마가 공급되며, 혼합되어 상기 제2연결홀을 통해 혼합 가스가 분사되는 것을 특징으로 하는 연속 탄소나노튜브 성장 장치.
  6. 전이 금속 촉매를 구비한 기판 상에 탄소나노튜브를 성장시키는 연속 탄소나노튜브 성장 장치; 및
    상기 기판 상에 전이 금속 촉매를 증착하는 전이 금속 촉매 증착 장치;를 포함하며,
    상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치는 상기 기판의 전이 금속 촉매가 소진할 때까지 반복하여 상기 탄소나노튜브의 성장시키는 것을 특징으로 하며,
    상기 전이 금속 촉매 증착 장치는 상기 기판 상에 전이 금속 촉매가 소진되면, 상기 기판 상에 전이 금속 촉매를 증착하는 것을 특징으로 하는 연속 탄소나노튜브 성장 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 기판의 전이 금속 촉매가 소진할 때까지 반복하여 상기 탄소나노튜브의 성장시키는 것은 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치에서 상기 전이 금속 촉매를 구비한 기판 상에 탄소나노튜브를 성장시키고, 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치의 외부에서 상기 탄소나노튜브가 소모되면, 상기 탄소나노튜브 성장 장치에서 상기 기판 상에 다시 탄소나노튜브를 성장시키는 것을 상기 기판 상에 전이 금속 촉매가 소진될 때까지 반복하는 것임을 특징으로 하는 연속 탄소나노튜브 성장 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 기판 상에 구비된 전이 금속 촉매는 평균 크기가 수십 나노미터이고, 수십 나노미터의 두께로 증착되어 있는 것을 특징으로 하는 연속 탄소나노튜브 성장 시스템.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치:는
    소오스 가스가 플라즈마로 상변화하는 플라즈마 발생 영역 및 상기 플라즈마 와 원료 가스가 혼합 가스로 혼합되는 혼합 영역이 분리되어 있으며, 상기 혼합 영역에서 혼합된 혼합 가스를 분사하는 플라즈마 헤드; 및
    상기 플라즈마 헤드에 대응되며, 상기 기판을 지지하는 서셉터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 탄소나노튜브 성장 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 플라즈마 헤드:는
    복 수개의 제1관통홀을 구비하며, 다공성인 제1전극;
    상기 제1전극과 일정 간격으로 이격되어 상기 플라즈마 발생 영역을 형성하며, 상기 제1관통홀과 대응되는 제2관통홀 및 상기 플라즈마 발생 영역과 상기 혼합 영역에 상응하는 외부를 연결하는 복 수개의 제1연결홀을 구비한 제2전극; 및
    상기 제1관통홀 및 제2관통홀을 관통하여 외부로 연결하는 세라믹 노즐;을 포함하며,
    상기 다공성인 제1전극을 통해 상기 플라즈마 발생 영역에 소오스 가스를 공급하고, 상기 세라믹 노즐을 통해 상기 플라즈마 발생 영역을 통과하면서 외부로 원료 가스를 공급하여 상기 외부에서 상기 플라즈마와 원료 가스가 혼합하는 것을 특징으로 하는 연속 탄소나노튜브 성장 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제2전극 상에 구비되되, 상기 혼합 영역에 상응하는 적어도 하나 이상의 혼합 홈을 구비하고, 상기 혼합 홈과 외부를 연결하는 제2연결홀을 구비한 커버;를 포함하되,
    상기 혼합 홈들 각각에는 적어도 하나 이상의 제1연결홀과 적어도 하나 이상의 세라믹 노즐이 연결되어 있어 상기 원료 가스와 플라즈마가 공급되며, 혼합되어 상기 제2연결홀을 통해 혼합 가스가 분사되는 것을 특징으로 하는 연속 탄소나노튜브 성장 시스템.
  12. 전이 금속 촉매를 구비한 기판 상에 탄소나노튜브를 성장시키는 연속 탄소나노튜브 성장 장치; 및
    상기 기판 상에 성장된 탄소나노튜브를 소모시켜 탄소나노튜브 섬유로 섬유화(yarning)하는 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치;를 포함하며,
    상기 기판은 상기 전이 금속 촉매가 소진될 때까지 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치에서 상기 기판 상에 탄소나노튜브를 성장시키는 탄소나노튜브 성장과 상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치에서 상기 탄소나노튜브를 탄소나노튜브 섬유로 섬유화하는 탄소나노튜브 섬유화를 반복하는 것을 특징으로 하는 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템은 상기 기판상에 잔류하는 탄소나노튜브 또는 잔류하는 비정질 탄소를 세정하는 세정 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 기판 상에 구비된 전이 금속 촉매는 평균 크기가 수십 나노미터이고, 수십 나노미터의 두께로 증착되어 있는 것을 특징으로 하는 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템은 상기 기판 상에 전이 금속 촉매를 증착하는 전이 금속 촉매 증착 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템은 상기 기판을 냉각시키는 냉각 장치를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템.
  17. 제 12 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템은 상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치, 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치, 세정 장치, 전이 금속 촉매 증착 장치 및 냉각 장치 중 적어도 둘 이상의 장치 사이로 상기 기판을 이송하는 기판 이송 장치를 구비하여 상기 기판이 상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템 내에서 순환하도록 하는 것을 특징으로 하는 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템.
  18. 제 12 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연속 탄소나노튜브 성장 장치:는
    소오스 가스가 플라즈마로 상변화하는 플라즈마 발생 영역 및 상기 플라즈마와 원료 가스가 혼합 가스로 혼합되는 혼합 영역이 분리되어 있으며, 상기 혼합 영역에서 혼합된 혼합 가스를 분사하는 플라즈마 헤드; 및
    상기 플라즈마 헤드에 대응되며, 상기 기판을 지지하는 서셉터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 플라즈마 헤드:는
    복 수개의 제1관통홀을 구비하며, 다공성인 제1전극;
    상기 제1전극과 일정 간격으로 이격되어 상기 플라즈마 발생 영역을 형성하며, 상기 제1관통홀과 대응되는 제2관통홀 및 상기 플라즈마 발생 영역과 상기 혼합 영역에 상응하는 외부를 연결하는 복 수개의 제1연결홀을 구비한 제2전극; 및
    상기 제1관통홀 및 제2관통홀을 관통하여 외부로 연결하는 세라믹 노즐;을 포함하며,
    상기 다공성인 제1전극을 통해 상기 플라즈마 발생 영역에 소오스 가스를 공급하고, 상기 세라믹 노즐을 통해 상기 플라즈마 발생 영역을 통과하면서 외부로 원료 가스를 공급하여 상기 외부에서 상기 플라즈마와 원료 가스가 혼합하는 것을 특징으로 하는 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제2전극 상에 구비되되, 상기 혼합 영역에 상응하는 적어도 하나 이상의 혼합 홈을 구비하고, 상기 혼합 홈과 외부를 연결하는 제2연결홀을 구비한 커버;를 포함하되,
    상기 혼합 홈들 각각에는 적어도 하나 이상의 제1연결홀과 적어도 하나 이상의 세라믹 노즐이 연결되어 있어 상기 원료 가스와 플라즈마가 공급되며, 혼합되어 상기 제2연결홀을 통해 혼합 가스가 분사되는 것을 특징으로 하는 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템.
  21. 제 12 항에 있어서,
    상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치:는
    상기 탄소나노튜브가 성장된 기판을 지지하는 기판 지지대;
    상기 탄소나노튜브에 접촉하는 니들;
    상기 니들에 연결되며, 상기 니들을 회전시키는 니들 회전 모터;
    상기 니들 회전 모터를 지지하는 회전 모터 테이블; 및
    상기 회전 모터 테이블을 지지하며, 상기 회전 모터 테이블을 상기 기판 지지대로부터 멀어지게 하거나 인접시키는 리니어 엑추에이터;를 포함하며,
    상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치는 상기 니들을 상기 탄소나노튜브에 접촉시킨 후, 상기 니들을 회전시키는 동시에 상기 탄소나노튜브로부터 멀어지도록 하여 상기 탄소나노튜브로부터 탄소나노튜브 섬유를 형성하는 것을 특징으로 하는 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치는 상기 탄소나노튜브 섬유를 감아두는 보빈을 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 연속 탄소나노튜브 섬유화 장치는 상기 니들과 니들 회전 모터 사이에 구비되며,
    상기 니들에 체결된 스핀들; 및
    상기 스핀들과 니들 회전 모터에 체결된 커플링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 니들은 정전기 또는 자성을 가질 수 있는 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템.
  25. 제 21 항에 있어서,
    상기 니들은 상기 탄소나노튜브와 접촉하는 끝단에 상기 탄소나노튜브와의 접합력을 높이기 위한 코팅막을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 연속 탄소나노 튜브 섬유화 시스템.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 코팅막은 SiN 박막인 것을 특징으로 하는 연속 탄소나노튜브 섬유화 시스템.
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