KR101082828B1 - 탄소나노튜브 기상합성장비 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 기상합성장비에 관한 것으로, 한 쌍의 수직형 유동층 반응챔버 내부에 상기 반응챔버를 각각 한 쌍의 챔버로 분할하는 분산판들이 구비되고 상기 챔버들 사이에 상기 챔버들을 연통하는 게이트의 개폐 동작을 통하여 상기 챔버들 사이에 촉매가 교반기에 의해 연속적으로 자유낙하되면서 소스가스에 의해 탄소나노튜브로 연속적으로 합성될 수 있는 탄소나노튜브 기상합성장비에 관한 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소나노튜브 기상합성장비는 수직형 반응챔버의 상측으로부터 챔버 내부에 촉매를 연속적으로 공급하는 촉매공급부; 상기 수직형 반응챔버의 내부 하부로부터 챔버 내부에 소스가스를 공급하는 가스공급부; 상기 수직형 반응챔버의 내부에 구비되어 상측으로부터 공급되는 촉매를 교반시키는 교반기; 상기 수직형 반응챔버의 외부에 구비되어 챔버 내부에서 촉매의 입자에 열분해된 소스가스가 합성되도록 챔버 외부를 가열시키는 가열부; 상기 수직형 반응챔버의 내부 하부에 구비되어 촉매에 열분해된 소스가스가 합성되어 생성되는 탄소나노튜브를 회수하는 회수부; 및 상기 수직형 반응챔버의 공급되는 소스가스를 챔버 내부로 균일하게 분산시키는 복수개의 분산판들을 포함하며, 상기 수직형 반응챔버는, 상기 분산판들에 의해 제1/3 챔버로 분할되는 제1 수직형 반응챔버와, 상기 분산판들에 의해 제2/4 챔버로 분할되는 제2 수직형 반응챔버를 포함한다.

수직, 유동층, 반응챔버, 분산판, 촉매, 탄소나노튜브, CNT, 가스, 반응기

Description

탄소나노튜브 기상합성장비{Apparatus of vapor phase-synthesis for carbonnanotubes}

본 발명은 탄소나노튜브 기상합성장비에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 한 쌍의 수직형 유동층 반응챔버 내부에 상기 반응챔버를 각각 한 쌍의 챔버로 분할하는 분산판들이 구비되고 상기 챔버들 사이에 상기 챔버들을 연통하는 게이트의 개폐 동작을 통하여 상기 챔버들 사이에 촉매가 교반기에 의해 연속적으로 자유낙하되면서 소스가스에 의해 탄소나노튜브로 연속적으로 합성될 수 있는 탄소나노튜브 기상합성장비에 관한 것이다.

일반적으로, 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유는 하나의 탄소 원자에 이웃하는 세개의 탄소 원자가 결합되어 육각 환형이 이루어지고, 이러한 육각 환형이 벌집 형태로 반복된 흑연면이 말려 원통형을 이룬 형태를 가진다고 알려져 있다. 상기한 원통형 구조는 그 직경이 일반적으로 수 nm 내지 수백 nm이며, 그 길이는 직경의 수십 배 내지 수천 배 이상으로 긴 특성을 가진다고 알려져 있다. 이러한 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유는 안락의자(arm chair) 구조일 때는 도전성을, 지그재그(zigzag) 구조일 때는 반도체성을 나타낼 뿐만 아니라 전기적 특성이 우수하고 기계적 강도가 크며 화학적으로 안정한 물질이므로 정보산업분야에서 다양한 방법으로 응용될 수 있을 것으로 기대되는 물질이다.

현재까지 알려진 탄소나노튜브 또는 탄소나노튜브를 합성하는 방법으로는 전기방전법, 레이저증착법, 기상합성법, 열화학기상증착법 또는 플라즈마 화학기상증착법 등이 있다.

이중 기상합성법은 기판을 사용하지 않고 반응챔버 내에서 탄소 소스가스를 열분해하여 기상으로 탄소나노튜브를 합성하는 방법으로 대량합성에 유리한 장점을 가지고 있다.

이하, 도면을 참조하여 종래의 탄소나노튜브 기상합성장비에 대해 개략적으로 설명하기로 한다.

도 1은 종래의 탄소나노튜브 기상합성장비를 개략적으로 나타낸 것으로, 수직형 반응챔버(1)의 상측으로부터 챔버 내부에 촉매를 공급하는 촉매공급부(10), 수직형 반응챔버(1)의 내부 하부로부터 챔버 내부에 소스가스를 공급하는 가스공급부(20), 수직형 반응챔버(1)의 내부에 구비되어 소스가스를 챔버 내부로 균일하게 분산시키는 분산판(30), 수직형 반응챔버(1)의 내부에 구비되어 상측으로부터 공급되는 촉매를 교반시키는 교반기(40), 수직형 반응챔버(1)의 외부에 구비되어 챔버 내부에서 촉매의 입자에 열분해된 소스가스가 합성되도록 챔버 외부를 가열시키는 가열부(50) 및 분산판(30)의 하부 또는 일측에 위치되어 촉매에 열분해된 소스가스가 합성되어 생성되는 탄소나노튜브를 회수하는 회수부(60)를 포함한다.

그러나 상기와 같은 종래의 탄소나노튜브 기상합성장비는, 촉매공급부(10)로 부터 공급되는 정량의 촉매에 대하여 한번의 합성 공정이 이루어지도록 즉, 상기 공급되는 촉매량에 대응된 소스가스의 분사량이나 가열부(50)의 적정 가열온도 등을 설정한 상태에서 상기 공급된 촉매에 대한 탄소나노뉴브 합성이 이루어진 후 회수된 상태에서, 다시 촉매의 공급을 통한 합성 공정이 이루어지도록 하려면 상기 합성 공정의 적정 환경을 다시 설정해야 하기 때문에, 시간이 많이 소요되고 적정 환경의 설정이 다를 경우 회수되는 탄소나노튜브의 품질이 변화되게 되는 문제점이 있다.

또한, 상기와 같이 탄소나노튜브를 합성하기 위해서는 촉매를 투입하는 시간과 촉매의 합성 공정이 진행되는 시간 및 상기 합성된 탄소나노뉴브를 회수하는 시간이 많이 소요되게 되어 생산성이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 안출된 것으로서, 탄소나노튜브 기상합성장비에 있어서 한 쌍의 수직형 유동층 반응챔버 내부에 상기 반응챔버를 각각 한 쌍의 챔버로 분할하는 분산판들이 구비되고 상기 챔버들 사이에 상기 챔버들을 연통하는 게이트의 개폐 동작을 통하여 상기 챔버들 사이에 촉매가 교반기에 의해 연속적으로 자유낙하되면서 소스가스에 의해 탄소나노튜브로 연속적으로 합성될 수 있는 탄소나노튜브 기상합성장비를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 소스가스가 열분해된 후 촉매에 의해 탄소나노튜브가 합성되는 것과, 합성된 탄소나노튜브의 회수가 연속적으로 이루어져 촉매의 투입과 합성 및 회수 시간을 절약하여 생산성을 향상시킬 수 있는 탄소나노튜브 기상합성장비를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 탄소나노튜브 합성 공정에 적정한 환경의 설정후 촉매와 소스가스를 지속적으로 공급하여, 소스가스가 열분해된 후 촉매에 의해 탄소나노튜브가 연속적으로 합성되도록 하고, 합성된 탄소나노튜브가 회수되도록 하여 탄소나노튜브의 품질을 균일하게 할 수 있는 탄소나노튜브 기상합성장비를 제공하는 것을 목적으로 한다.

한편, 본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소나노튜브 기상합성장비는 수직형 반응챔버의 상측으로부터 챔버 내부에 촉매를 연속적으로 공급하는 촉매공급부; 상기 수직형 반응챔버의 내부 하부로부터 챔버 내부에 소스가스를 공급하는 가스공급부; 상기 수직형 반응챔버의 내부에 구비되어 상측으로부터 공급되는 촉매를 교반시키는 교반기; 상기 수직형 반응챔버의 외부에 구비되어 챔버 내부에서 촉매의 입자에 열분해된 소스가스가 합성되도록 챔버 외부를 가열시키는 가열부; 상기 수직형 반응챔버의 내부 하부에 구비되어 촉매에 열분해된 소스가스가 합성되어 생성되는 탄소나노튜브를 회수하는 회수부; 및 상기 수직형 반응챔버의 공급되는 소스가스를 챔버 내부로 균일하게 분산시키는 복수개의 분산판들을 포함하며, 상기 수직형 반응챔버는, 상기 분산판들에 의해 제1/3 챔버로 분할되는 제1 수직형 반응챔버와, 상기 분산판들에 의해 제2/4 챔버로 분할되는 제2 수직형 반응챔버를 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 챔버들 사이에는 상기 챔버들을 연통시키는 게이트가 구비된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 제1 챔버의 하단부와 제2 챔버의 중앙부는 제1 게이트에 의해 연통되고, 상기 제2 챔버의 하단부와 제3 챔버의 중앙부는 제2 게이트에 의해 연통되며, 상기 제3 챔버의 하단부와 제4 챔버의 중앙부는 제3 게이트에 의해 연통되고, 상기 제4 챔버의 하단부에는 회수부가 연통된다.

본 발명에 의하면, 수직형 반응챔버가 분산판들에 의해 제1/3 챔버로 분할되 는 제1 수직형 반응챔버와 제2/4 챔버로 분할되는 제2 수직형 반응챔버로 구분되며 상기 챔버들 사이에 구비되는 상기 챔버들을 연통시키는 게이트를 통하여, 챔버의 내부에 지속적으로 촉매와 소스가스를 공급하여 연속적인 탄소나노튜브를 합성과 회수를 가능하게 할 수 있다.

또한, 소스가스가 열분해된 후 촉매에 의해 탄소나노튜브가 합성되는 것과, 합성된 탄소나노튜브의 회수가 연속적으로 이루어지며 교반기의 회전속도와 촉매 투입량에 따라 촉매의 투입과 합성 및 회수 시간을 절약하여 생산성을 향상시킬 수 있다.

또한, 탄소나노튜브 합성 공정에 적정한 환경의 설정후 촉매와 소스가스를 지속적으로 공급하여, 소스가스가 열분해된 후 촉매에 의해 탄소나노튜브가 연속적으로 합성되도록 하고, 합성된 탄소나노튜브가 회수되도록 하여 탄소나노튜브의 품질을 균일하게 할 수 있다.

또한, 상기 분산판에 형성된 촉매투하공을 통하여 촉매의 입자가 아주 작은 경우에 발생되는 채널링을 방지할 수 있다.

한편, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

기타 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, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소나노튜브 기상합성장비를 개략적으로 나타낸 측단면도이고, 도 3은 도 2의 탄소나노튜브 기상합성장비를 개략적으로 나타낸 평면도이다.

도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소나노튜브 기상합성장비는, 수직형 반응챔버(110)의 상측으로부터 챔버 내부에 촉매를 연속적으로 공급하는 촉매공급부(120), 수직형 반응챔버(110)의 내부 하부로부터 챔버 내부에 소스가스를 공급하는 가스공급부(130), 수직형 반응챔버(110)의 내부에 구비되어 상측으로부터 공급되는 촉매를 교반시키는 교반기(140), 수직형 반응챔버(110)의 외부에 구비되어 챔버 내부에서 촉매의 입자에 열분해된 소스가스가 합성되도록 챔버 외부를 가열시키는 가열부(150), 수직형 반응챔버(110)의 내부 하부에 구비되어 촉매에 열분해된 소스가스가 합성되어 생성되는 탄소나노튜브를 회수하는 회수부(160) 및 수직형 반응챔버(110)의 내부를 한 쌍의 챔버로 상하 분할하며 하측으로부터 공급되는 소스가스를 챔버 내부로 균일하게 분산시키는 복수개의 분산판(170)들을 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소나노튜브 기상합성장비에 있어서 수직형 반응챔버(110)는 분산판(170)들에 의해 제1/3 챔버(111,113)로 분할되는 제1 수직형 반응챔버(110a)와, 분산판(170)들에 의해 제2/4 챔버(112,114)로 분할되는 제2 수직형 반응챔버(110b)로 구분되며, 상기 챔버(111-114)들 사이에는 상기 챔버들을 연통시키는 게이트(180)가 구비된다.

즉, 제1 챔버(111)의 하단부와 제2 챔버(112)의 중앙부는 제1 게이트(181)에 의해 연통되고, 제2 챔버(112)의 하단부와 제3 챔버(113)의 중앙부는 제2 게이트(182)에 의해 연통되며, 제3 챔버(113)의 하단부와 제4 챔버(114)의 중앙부는 제3 게이트(183)에 의해 연통되고, 제4 챔버(114)의 하단부에는 회수부(160)가 연통된다.

따라서 제1 챔버(111)에 공급된 촉매는 열분해된 소스가스와 합성되면서 교반기(140)의 회전을 통하여 제2 챔버(112)에 자유낙하되며 이때, 제1 챔버(111)와 제2 챔버(112) 사이의 제1 게이트(181)는 개방된다. 이후, 제2 챔버(112)에 자유낙하된 촉매는 제3 내지 제4 챔버(113,114)에 상기와 동일한 방법으로 자유낙하되면서 탄소나노튜브가 생성되게 된다. 또한, 제1 챔버(111)로부터 제2 챔버(112)로 촉매의 자유낙하시 제1 챔버(111)에는 촉매공급부(120)로부터 지속적으로 촉매가 공급되어 상기와 동일한 방법으로 탄소나노튜브가 연속적으로 생성될 수 있다.

여기서, 수직형 반응챔버(110)는 노(Furnace) 형태일 수 있으며, 석영 또는 그라파이트 등으로 형성되며, 일측에는 탄소나노튜브 합성 공정 종료 후 챔버 내부에 잔류하는 가스의 배출을 위한 가스배기구(미도시)가 구비될 수 있다.

촉매공급부(120)는 제1 수직형 반응챔버(110a)의 제1 챔버(111) 상측에 구비되는 저장탱크로부터 챔버 내부에 미리 설정된 정량 만큼 촉매가 연속적으로 공급되도록 하는 정량공급부를 포함할 수 있다. 여기서, 촉매로는 철, 백금, 코발트, 니켈, 이트륨 등의 전이 금속과 또는 이들의 합금 및 산화마그네슘, 알루미나, 이산화규소 등의 다공성 물질이 혼합된 분말형태이거나 이러한 소재가 포함된 액상일 수 있다. 상기 촉매가 액상일 경우 촉매가 저장되는 저장탱크와 공급라인 및 공급라인 상에 설치되는 정량공급용 펌프 그리고 액상의 촉매를 챔버 내부에 분사하는 공급노즐 등을 포함할 수 있다.

가스공급부(130)는 제1 수직형 반응챔버(110a)의 제3 챔버(113)의 하측과 제2 수직형 반응챔버(110b)의 제4 챔버(114)의 하측으로부터 챔버 내부에 미리 설정된 정량 만큼 소스가스가 연속적으로 분사되도록 하는 가스공급라인을 포함할 수 있다.

여기서, 소스가스로는 주로 아세틸렌, 에틸렌, 메탄, 벤젠, 크실렌, 일산화탄소 및 이산화탄소로 이루어지는 그룹에서 적어도 하나가 사용될 수 있다. 상기 소스가스는 열분해에 의해 라디칼로 분해되며 상기 라디칼들이 촉매와 반응하여 탄소나노튜브가 합성된다.

교반기(140)는 제1 수직형 반응챔버(110a)의 제1 챔버(111)와 제3 챔버(113) 및 제2 수직형 반응챔버(110b)의 제2 챔버(112)와 제4 챔버(114)의 내부에 구비되어 제1 챔버(111)의 상측으로부터 공급되는 촉매를 제2 내지 제4 챔버(112-114)에 유동되도록 교반시키기 위하여 구동부재 등에 의해 회전되는 회전축(141)과 회전 축(141)에 연결되어 회전판(142)을 포함한다.

가열부(150)는 수직형 반응챔버(110)의 외부를 감싸면서 챔버를 가열시키는 히터로써, 상기 소스가스가 열분해되기에 적합한 온도인 예를 들면, 700 ~ 1250 ℃의 온도, 바람직하게는 900 ~ 1150℃의 온도로 챔버 내부를 유지시킨다.

회수부(160)는 제2 수직형 반응챔버(110b)의 제4 챔버(114)의 내부 하부에 연결되어 촉매에 열분해된 소스가스가 합성되어 생성되는 탄소나노튜브를 회수하는 수집기를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 수집기는 강철섬유 또는 석영면으로 제조되는 것이 바람직하다.

복수개의 분산판(170)들은 제1 수직형 반응챔버(110a)를 제1 챔버(111)와 제3 챔버(113)로 분할하고 제2 수직형 반응챔버(110b)를 제2 챔버(112)와 제4 챔버(114)로 분할하며, 각각 소스가스가 관통되는 복수개의 관통공(171)을 포함한다.

따라서 상술한 바와 같은 탄소나노튜브 기상합성장비는, 수직형 반응챔버(110)가 분산판(170)들에 의해 제1/3 챔버(111,113)로 분할되는 제1 수직형 반응챔버(110a)와 제2/4 챔버(112,114)로 분할되는 제2 수직형 반응챔버(110b)로 구분되며 상기 챔버(111-114)들 사이에 구비되는 상기 챔버들을 연통시키는 게이트(180)를 통하여, 챔버의 내부에 지속적으로 촉매와 소스가스를 공급하여 연속적인 탄소나노튜브의 합성과 회수를 가능하게 할 수 있다.

또한, 소스가스가 열분해된 후 촉매에 의해 탄소나노튜브가 합성되는 것과, 합성된 탄소나노튜브의 회수가 연속적으로 이루어지며 교반기의 회전속도와 촉매 투입량에 따라 촉매의 투입과 합성 및 회수 시간을 절약하여 생산성을 향상시킬 수 있다.

또한, 탄소나노튜브 합성 공정에 적정한 환경의 설정후 촉매와 소스가스를 지속적으로 공급하여, 소스가스가 열분해된 후 촉매에 의해 탄소나노튜브가 연속적으로 합성되도록 하고, 합성된 탄소나노튜브가 회수되도록 하여 탄소나노튜브의 품질을 균일하게 할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

도 1은 종래의 탄소나노튜브 기상합성장비를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소나노튜브 기상합성장비를 개략적으로 나타낸 측단면도이다.

도 3은 도 2의 탄소나노튜브 기상합성장비를 개략적으로 나타낸 평단면도이다.

*도면 부호 설명*

110 : 수직형 반응챔버 120 : 촉매공급부

130 : 가스공급부 140 : 교반기

150 : 가열부 160 : 회수부

170 : 분산판 180 : 게이트

Claims (5)

1. 수직형 반응챔버의 상측으로부터 챔버 내부에 촉매를 연속적으로 공급하는 촉매공급부;

   상기 수직형 반응챔버의 내부 하부로부터 챔버 내부에 소스가스를 공급하는 가스공급부;

   상기 수직형 반응챔버의 내부에 구비되어 상측으로부터 공급되는 촉매를 교반시키는 교반기;

   상기 수직형 반응챔버의 외부에 구비되어 챔버 내부에서 촉매의 입자에 열분해된 소스가스가 합성되도록 챔버 외부를 가열시키는 가열부;

   상기 수직형 반응챔버의 내부 하부에 구비되어 촉매에 열분해된 소스가스가 합성되어 생성되는 탄소나노튜브를 회수하는 회수부; 및

   상기 수직형 반응챔버의 공급되는 소스가스를 챔버 내부로 균일하게 분산시키는 복수개의 분산판들을 포함하는 탄소나노튜브 기상합성장비.
2. 제1항에 있어서,

   상기 수직형 반응챔버는,

   상기 분산판들에 의해 제1/3 챔버로 분할되는 제1 수직형 반응챔버와,

   상기 분산판들에 의해 제2/4 챔버로 분할되는 제2 수직형 반응챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 기상합성장비.
3. 제1항에 있어서,

   상기 챔버들 사이에는 상기 챔버들을 연통시키는 게이트가 구비되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 기상합성장비.
4. 제3항에 있어서,

   상기 제1 챔버의 하단부와 제2 챔버의 중앙부는 제1 게이트에 의해 연통되고, 상기 제2 챔버의 하단부와 제3 챔버의 중앙부는 제2 게이트에 의해 연통되며, 상기 제3 챔버의 하단부와 제4 챔버의 중앙부는 제3 게이트에 의해 연통되고, 상기 제4 챔버의 하단부에는 회수부가 연통되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 기상합성장비.
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