KR101162686B1 - 탄소 나노튜브 코팅 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 습식 방식과 달리 탄소 나노튜브를 생산과 동시에 코팅 대상 기판이나 필름에 직접 코팅하여 비용과 공정은 물론이고 성능도 높일 수 있도록 한 탄소 나노튜브 코팅 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 이를 위하여 벌크 CNT 생성과정에서 얻어지는 CNT 함유 가스를 온도가 유지되는 코팅 연장관을 통해 코팅 대상 물체에 직접 적용하여 건식으로 다양한 종류의 코팅 대상에 고속 CNT 코팅이 가능하도록 함으로써, 공정을 크게 줄이여 시간과 비용을 낮추고 직접 코팅에 의해 품질을 높일 수 있는 뛰어난 효과가 있다.

탄소 나노튜브, 코팅, 필름, CNT, 건식 코팅, 연장관, 코팅 헤드, 패턴

Description

탄소 나노튜브 코팅 장치 및 그 방법{CABON NANO TUBE COATING APPARATUS AND METHOD THEREOF}

본 발명은 탄소 나노튜브 코팅 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 습식 방식과 달리 탄소 나노튜브를 생산과 동시에 코팅 대상 기판이나 필름에 직접 코팅하여 비용과 공정은 물론이고 성능도 높일 수 있도록 한 탄소 나노튜브 코팅 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

탄소나노튜브(이하, CNT라 칭함)는 통상 흑연면으로 이루어진 직경 1 내지 20㎚ 정도의 원통형 구조로서, 튼튼하고 평탄한 육각형 판상막 구조의 독특한 결합배열을 가지며, 나선모양으로 감기면서 CNT를 형성하고, 상이한 지점에서 모서리의 결합이 이루어진다. 상기 막의 상하부는 자유전자로 채워져 있어 전자는 이산상태에서 막과 평행한 상태로 운동을 한다.

CNT의 전기적 특성은 구조와 직경의 차이에 따라 절연체로부터 반도체, 금속성까지 나타낼 수 있다. 예를 들면, CNT의 나선형 또는 키랄성(chirality)이 변할 경우 자유전자의 운동방식이 바뀌게 되고, 그 결과 자유전자의 운동이 완전히 자유로워져 CNT가 금속과 같은 도체적 성질을 갖게 되거나, 혹은 극복해야 될 배리어(barrier)의 존재로 인해 반도체적 특성을 나타내기도 한다. 이때, 상기 배리어의 크기는 튜브의 직경에 따라 결정되며, 최소 직경에서 1eV도 가능한 것으로 알려져 있다. 다시 말해서, CNT는 전기 전도도가 구리와 비슷하고 열전도율은 자연계에서 가장 뛰어난 다이아몬드와 같으며 강도는 강철의 10만배에 이르는 뛰어난 특성을 가진다. 뿐만 아니라 탄소섬유는 1%만 변형돼도 끊어지나 이 소재는 15%가 변형돼도 견딜 수 있고, 인장력도 다이아몬드보다 뛰어나 신소재로서의 특성을 고루 갖추고 있다.

CNT는 이처럼 역학적 견고성과 화학적 안정성이 뛰어나고, 반도체와 도체의 성질을 모두 띨 수 있으며, 직경이 작고 길이가 길며 속이 비어있다는 특성 때문에, 평판표시소자, 트랜지스터, 에너지 저장체 등의 소재로서 뛰어난 성질을 보이고, 나노크기의 각종 전자소자로서의 응용성이 매우 크다.

이러한 CNT의 다양한 활용 범위에서 CNT를 전극 패턴이나 전극 면으로 사용하면서 CNT의 미세성에 기인한 투명성을 활용할 경우 다양한 용도의 전극을 다양한 대상에 적용할 수 있게 된다. 이러한 활용성을 극대화하기 위해서 CNT를 필름에 코팅한 CNT 코팅 필름이 등장하였으며, 이를 활용하여 전자 차폐나 대전방지 점착 시트, 디스플레이의 전극이나 발광부, 전자 종이의 투명 전극, 투명 히터 등을 구현할 수 있다. 한편, 필름 대신 전극이 적용되는 다양한 기판에 직접 CNT를 코팅하는 경우도 있으며, 이러한 경우 공정을 줄일 수 있다.

하지만, 상기와 같은 활용을 위해서는 다양한 종류의 기판이나 필름에 CNT를 채산성 있는 수율로 코팅할 수 있어야 하며, 그 중에서는 고온에 대한 내성이 낮은 기판이나 필름도 포함될 수 있다. 따라서, 고온 반응로에서 기판에 직접 CNT를 천천히 성장시키는 방식의 고전적인 CNT 생성 방식은 온도 문제와 생산 수율 측면에서 실효성이 없기 때문에, 열화학기상증착 방식 등에 의해 대량으로 얻어지는 벌크 CNT를 이용하여 고온에 대한 내성이 낮은 기판이나 필름에 CNT를 코팅하기 위한 별도의 코팅 방식이 등장하게 되었다.

도 1은 CNT를 제조하여 이를 기판이나 필름에 코팅하는 일반적인 공정을 예시한 것이다. 도시한 바와 같이 고온의 반응로(20)를 통해 원료 물질 및 촉매(10), 소정의 가스(11)를 반응시키는 열 화학기상 증착법으로 얻어진 검댕 형태의 탄소 나노튜브(30)를 분쇄하거나 절단하여 소정의 용액에 분산한 CNT 분산액(40)을 얻고, 이를 소정의 코팅 수단(50)을 이용하여 코팅 대상물(기판이나 필름 등)에 분사 혹은 프린트하여 코팅한 후 이를 소성, 건조 등의 방법으로 정착시켜 나노튜브 코팅 제품(60)을 얻게 된다. 비록 이러한 방식은 CNT를 기판 상에 직접 성장시키는 고전적인 방식에 비해 수율이 대단히 높고, 고온에 대한 내성이 낮은 다양한 종류의 기판이나 필름에 CNT를 코팅할 수 있는 장점이 있지만, 이러한 과정을 실시하기 위해서 필요한 장비의 수가 많고 공정 과정이 복잡하며, 각 공정 과정의 이행에서 발생하는 다양한 관리 요인들에 의해 비용이 높아지게 된다. 또한, 각 공정에서 필요한 작업 공간을 확보하기 위해서 필요한 비용이 높아져 결국에는 CNT 코팅 제품의 가격도 높아질 수밖에 없다.

한편, 기존의 습식 방식은 CNT 분산액을 제조하기 위한 용액과 이를 적절한 상태로 보관하기 위한 기구적 물품과 같은 재료와 수단이 필요하게 되며, 분산을 위한 CNT의 분쇄나 절단에 의해서 CNT의 전도성이 하락하게 된다.

뿐만 아니라 CNT 분산액을 코팅할 경우 건조나 소성 등의 과정 후에 잔류하게 되는 분산액 내의 분산제가 CNT의 전도성을 하락시켜 CNT 코팅 제품의 성능이 열화되게 된다. 또한, CNT 분산액 내에서의 CNT가 고르게 분산되도록 혼합하고, 이러한 혼합 특성을 유지한 상태로 코팅하는 작업도 어려워, CNT 코팅 제품의 CNT 밀도 편차가 크게 발생한다.

따라서, 상기와 같은 CNT 코팅 방식은 고온에 대한 내성이 낮은 기판이나 필름에도 CNT를 코팅할 수 있으며, 고전적인 방식에 비해 저렴하고 신속한 CNT 코팅을 가능하게 하지만, 공정이 복잡해지는 문제와 습식 방식에 의해 발생되는 성능 열화 요인에 의해 CNT 코팅 제품의 품질이 낮은 문제점은 여전히 남아 있다.

상기와 같은 습식 CNT 코팅 필름 제조 과정의 문제점을 해결하기 위해 새롭게 제안하는 본 발명 실시예들의 목적은 CNT 생성과정에서 얻어지는 CNT 함유 가스(CNT가 덩어리로 뭉치거나 특정 표면에 고정되지 않고 부유하는 상태)를 반응로와 유사한 온도가 유지되는 코팅 연장관을 통해 코팅 대상 물체에 직접 적용하여 건식으로 CNT 코팅이 가능하도록 함으로써, 공정을 크게 줄이면서도 품질을 높일 수 있도록 한 탄소 나노튜브 코팅 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명 실시예들의 다른 목적은 건식 공정만을 통해서 CNT 코팅 필름이나 CNT 코팅 기판 혹은 CNT 코팅 입체물을 코팅 대상의 크기에 상관없이 제조할 수 있도록 하여 습식 공정에 비해 요구되는 공정 공간을 크게 줄이고 공정 비용을 낮추도록 한 탄소 나노튜브 코팅 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명 실시예들의 다른 목적은 반응로의 크기와 무관하게 코팅 대상의 크기에 대응할 수 있고, 상압에서 CNT 코팅이 가능하며, CNT 코딩 대상에 별도의 촉매나 전이 금속 혹은 시드(seed) 물질을 적용하지 않고서도 원하는 코팅 대상에만 CNT를 선택적으로 코팅할 수 있도록 한 탄소 나노튜브 코팅 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명 실시예들의 또 다른 목적은 CNT 생성을 위한 반응로를 연장한 코팅관의 코팅 헤드 부분에 배기 가스를 회수하거나 에어 커튼으로 사용할 수 있는 구조를 구성하여 연속 코팅 및 불필요한 CNT 코팅의 번짐을 방지할 수 있도록 한 탄 소 나노튜브 코팅 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명 실시예들의 또 다른 목적은 코팅관과 코팅 헤드와 별개로 구성되는 코팅 스테이지를 다양하게 구성할 수 있어 연속되는 기판이나 필름, 고정된 기판, 입체적인 구조물 등의 코팅을 위한 장치 구성을 용이하게 변경할 수 있도록 한 탄소 나노튜브 코팅 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명 실시예들의 또 다른 목적은 코팅관과 코팅 헤드는 범용적으로 사용하면서 코팅 스테이지만 교체하는 것으로 다양한 코팅 대상에 대한 코팅이 가능하도록 하여 경제성을 극대화한 탄소 나노튜브 코팅 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명 실시예들의 또 다른 목적은 코팅관과 코팅 헤드를 이용하는 다양한 구성을 제공하고, 소정의 패턴에 따른 코팅이 가능하도록 하는 방법을 제공하도록 하여 고온에 대한 내성이 작은 다양한 물체에 다양한 패턴의 고품질 CNT를 높은 수율로 코팅할 수 있도록 한 탄소 나노튜브 코팅 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 나노튜브 코팅 장치는 탄소 나노튜브를 생성하기 위한 고온 반응로에 연결되어 탄소 나노튜브 함유 가스를 고온 상태로 유도하는 코팅관과; 상기 코팅관에 연결되어 상기 탄소 나노튜브 함유 가스를 방출하여 배기 가스를 코팅 대상에 공급하며 배기 가스를 회수하는 코팅 헤드와; 상기 코팅 대상을 저온 상태로 유지하면서 지지하는 코팅 스테이션을 포함하여 구성된다.

상기 코팅관은 변형이 자유로운 주름 구성을 가지는 것을 바람직하다.

한편, 상기 코팅관은 상기 탄소 나노튜브 함유 가스를 유도하는 유류관과; 상기 유류관의 온도를 상기 고온 반응로와 같거나 낮은 온도로 유지하는 히터를 포함한다.

상기 코팅 헤드는 상기 탄소 나노튜브 함유 가스를 방출하는 방출구와; 상기 방출구에 인접 배치되어 배기 가스를 회수하는 하나 이상의 가스 배출구와; 상기 코팅 헤드의 외곽 부분에 상기 탄소 나노튜브 함유 가스의 누출을 방지하기 위한 가스 차단부를 더 포함하여 구성된다.

상기 코팅 헤드는 내부와 외부의 열교환을 차단하는 단열층을 더 구비할 수 있고 표면의 온도를 낮추기 위한 냉각부를 더 구비할 수 있으며, 작업을 위한 손잡이를 더 구비할 수 있다.

상기 코팅 스테이션은 코팅 대상이 지지되는 지지부와, 상기 지지부의 온도를 균일하게 유지하기 위한 냉각부로 이루어진다.

본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 나노튜브 코팅 장치는 기 설정된 온도 이하로 코팅 대상을 유지하는 코팅 스테이션의 코팅 대상에 탄소 나노튜브를 직접 코팅하는 탄소 나노튜브 코팅 장치로서, 탄소 나노튜브를 생성하기 위한 고온 반응로에 연결되어 탄소 나노튜브 함유 가스를 고온 상태로 유도하는 벨로우즈 형태의 코팅관과; 상기 코팅관에 연결되며, 상기 탄소 나노튜브 함유 가스를 상기 코팅 대상 에 방출하는 방출구와 코팅 영역을 설정하는 확산 구조물과 상기 확산 구조물 내부에 구성된 가스 배출구로 이루어진 코팅 헤드를 포함한다.

상기 코팅관은 유도되는 상기 탄소 나노튜브 함유 가스의 온도를 상기 고온 반응로의 온도보다 낮고 상기 탄소 나노튜브 함유 가스로부터 탄소 나노튜브가 발생하는 온도보다 높게 유지하는 히터를 포함한다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄소 나노튜브 코팅 방법은 탄소 나노튜브를 생성하기 위한 고온 반응로에서 탄소 나노튜브가 함유된 가스를 생성하는 생성 단계와; 상기 고온 반응로에 연결된 코팅관을 통해 상기 탄소 나노튜브가 함유된 가스를 유도하고, 상기 코팅관에 연결된 코팅 헤드를 통해 상기 반응로 온도보다 낮은 표면 온도를 가지는 코팅 대상에 탄소 나노튜브 함유 가스를 코팅 헤드로 설정된 영역만큼 제공하여 코팅 대상에 탄소 나노튜브를 직접 코팅하는 코팅 단계와; 상기 코팅 헤드에 구성된 가스 배출구를 통해 잔류 가스를 배출하는 배출 단계를 포함한다.

여기서, 상기 코팅 단계는 상기 코팅 헤드에 구성된 가스 배출구를 통해 배출되는 잔류 가스를 코팅 헤드의 외곽부분으로 배출하여 상기 탄소 나노튜브 함유 가스가 상기 코팅 헤드로 설정된 영역을 벗어나지 않도록 가스 커튼을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 코팅 단계는 상기 코팅 헤드를 로봇팔 혹은 xy 로봇으로 이동시키며 코팅을 실시하는 단계를 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 코팅 단계는 상기 코팅 대상을 저온으로 유지하는 스테이션에 연속 공급하면서 코팅을 실시하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 코팅 대상을 코팅한 후 코팅된 탄소 나노튜브를 고정시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

부가적으로, 상기 코팅 대상을 기 설정된 온도로 유지시키는 스테이션을 독립적으로 교체하는 단계를 더 포함하여 코팅 대상의 종류를 쉽게 교체할 수 있도록 한다.

상기 코팅 대상은 판형 절편이나 요철부를 가진 입체 물체를 포함하는 단속적 대상체와 연속 공급이 가능한 필름이나 판형 물체를 포함하는 연속적 대상체 중 적어도 하나인 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에 따른 탄소 나노튜브 코팅 장치 및 그 방법은 CNT 생성과정에서 얻어지는 CNT 함유 가스를 온도가 유지되는 코팅 연장관을 통해 코팅 대상 물체에 직접 적용하여 건식으로 다양한 종류의 코팅 대상에 고속 CNT 코팅이 가능하도록 함으로써, 공정을 크게 줄이여 시간과 비용을 낮추고 직접 코팅에 의해 품질을 높일 수 있는 뛰어난 효과가 있다.

본 발명의 실시예에 따른 탄소 나노튜브 코팅 장치 및 그 방법은 건식 공정만을 통해서 CNT 코팅 필름이나 CNT 코팅 기판 혹은 CNT 코팅 입체물을 코팅 대상의 크기에 상관없이 제조할 수 있도록 하여 습식 공정에 비해 요구되는 공정 수와 공정 공간을 크게 줄이고 공정 비용을 낮출 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 실시예에 따른 탄소 나노튜브 코팅 장치 및 그 방법은 반응로의 크기와 무관하게 코팅 대상의 크기에 대응할 수 있고, 상압에서 CNT 코팅이 가능하며, CNT 코딩 대상에 별도의 촉매나 전이 금속 혹은 시드(seed) 물질을 적용하지 않고서도 원하는 코팅 대상에만 CNT를 선택적으로 코팅할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 실시예에 따른 탄소 나노튜브 코팅 장치 및 그 방법은 CNT 생성을 위한 반응로를 연장한 코팅관의 코팅 헤드 부분에 배기 가스를 회수하거나 에어 커튼으로 사용할 수 있는 구조를 구성하여 연속 코팅이 가능하고, 사용된 가스를 재활용할 수 있도록 하여 경제성을 높이며, 불필요한 CNT 코팅의 번짐을 방지할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 실시예에 따른 탄소 나노튜브 코팅 장치 및 그 방법은 코팅관과 코팅 헤드와 별개로 구성되는 코팅 스테이지를 다양하게 구성할 수 있어 연속되는 기판이나 필름, 고정된 기판, 입체적인 구조물 등의 코팅을 위한 장치 구성을 용이하게 변경할 수 있도록 함으로써, 코팅 스테이지의 교체만으로 다양한 코팅 대상에 대한 탄소 나노튜브 코팅이 가능하여 공정 변경이 용이하고 비용 발생이 작은 효과가 있다.

본 발명의 실시예에 따른 탄소 나노튜브 코팅 장치 및 그 방법은 코팅관과 코팅 헤드를 이용할 수 있는 다양한 구성을 용이하게 변형할 수 있고, 다양한 마스크나 마스킹 테이프를 이용하여 원하는 패턴에 따른 코팅이 가능하도록 함으로써, 고온에 대한 내성이 작은 다양한 물체에 다양한 패턴의 고품질 CNT를 높은 수율로 코팅할 수 있는 효과가 있다.

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상기한 바와 같은 본 발명을 첨부된 도면들과 실시예들을 통해 상세히 설명하도록 한다.

도 2은 본 발명 일 실시예의 구조를 개념적으로 보인 구성도로서, 도시한 바와 같이 열화학 증착 방식을 이용하여 CNT를 생성하는 고온 반응로(130)와 연결되어 상기 고온 반응로(130)에서 생성된 CNT 함유 가스(CNT가 덩어리로 뭉치거나 특정 표면에 고정되지 않고 부유하는 상태)(135)를 유도하는 코팅관(140) 및 상기 코팅관(140)과 연결되어 실제 코팅을 수행하는 코팅 헤드(150)로 이루어지는 코팅 장치와, 코팅 대상(220)을 지지하며 해당 코팅 대상(220)의 온도를 상기 고온 반응로(130)와 상기 코팅관(140) 및 코팅 헤드(150)의 내부 온도보다 낮추는 냉각부(210)를 포함하는 코팅 스테이션(200)으로 이루어진다.

상기 고온 반응로(130)는 CNT를 성장 방식과 같은 저속 공정을 사용하는 대신 대량의 CNT를 생성하기 위해서 CNT를 함유한 가스를 생성하는 임의의 공정에 사용되는 반응로일 수 있으며, 본 실시예에서는 고온 반응로(130)의 구성이나 상기 고온 반응로(130)에 제공되는 원료물질(110)이나 가스(120)의 구체적인 구성에 무관하게 CNT를 형성하기 위해 CNT가 함유된 고온 상태의 가스를 생성하는 모든 고온 반응로(130)에 적용될 수 있다.

일반적으로 CNT를 생성하기 위해서는 상기와 같은 고온 반응로(130)에서 원료 물질과 가스를 반응시켜 CNT를 함유한 가스를 생성한 후 해당 가스를 냉각시켜 가스에 포함된 CNT가 서로 엉겨붙어 다발 형태가 되는 CNT 생성물을 얻는다. 이렇게 서로 엉겨붙어 다발 형태가 된 CNT는 나노 입자로서 기능을 하지 못하기 때문에 이를 분쇄하거나 절단하여 균일하게 분산시킨 후에 사용하게 된다.

하지만, CNT가 함유된 고온 상태의 가스를 저온의 코팅 대상에 적용하게 되면 저온의 코팅 대상의 표면에서만 CNT가 증착되며, 이러한 경우 CNT 함유 가스의 온도를 낮추어 발생되는 CNT 다발과 달리 증착되어 코팅된 CNT의 전기적 특성은 매우 우수해진다. 이에 대한 구체적인 구성 및 동작 원리는 동일 출원인이 기 출원한 출원번호 제10-2007-0096299호, '탄소 나노튜브 코팅 장치 및 그 방법'에 상세히 설명하였으므로 여기서는 생략하도록 한다.

도시된 구성은 CNT 함유 가스를 보다 효과적으로 활용하여 CNT 코팅을 실시하도록 하기 위한 것으로, 도시된 코팅관(140)과 코팅 헤드(150)를 이용하여 상압에서 임의 형태의 코팅 대상(220)에 대해 신속한 CNT 코팅을 가능하도록 하며, 코팅 대상(220)의 크기나 형태가 다양하게 변화되더라도 별도의 장치 변경 없이도 대응할 수 있도록 한 것이다. 즉, 반응로 내부에 저온의 코팅 영역을 구성하는 대신 반응로 외부에 저온 코팅 영역을 구성하고, 이러한 저온 코팅 영역에 대한 CNT 직접 코팅이 가능하도록 하는 것으로 대량 생산, 다품종 생산 등에 경제적으로 적용할 수 있게 된다.

도시된 코팅관(140)은 상기 고온 반응로(130)에서 생성된 CNT 함유 가 스(135)를 고온 상태(CNT가 가스 중에 부유하는 상태를 유지하기 위한 조건)로 원하는 장소까지 유도하기 위한 것으로, 가스에 대한 기밀성이 유지되어야 하며 움직임이 자유로워야 하기 때문에 주름관, 즉 벨로우즈 구성을 가질 수 있으며 그 외의 유사한 기능을 제공하는 구성으로 구현될 수 있다.

상기 코팅관(140)은 상기 CNT 함유 가스(135)를 상기 고온 반응로(130)와 같거나 낮은 온도로 유지하는 히터를 포함한 유류관(145)을 포함하며, 그 외부에는 단열재로 구성될 수 있다.

여기서, 상기 코팅관(140)의 온도는 일반적으로 700~1300℃ 정도인 고온 반응로와 같거나 그보다는 낮지만 상기 CNT 함유 가스로부터 CNT가 발생하는 온도보다 높게 유지해야 하며, 경제적인 구성을 위해서 상기 코팅관(140)의 온도는 고온 반응로보다는 조금 더 낮은 온도(예를 들어 800℃)로 유지하는 것이 바람직하다.

상기 코팅관(140)과 연결되어 실질적인 코팅 작업을 수행하게 되는 코팅 헤드(150)는 코팅 대상(220)에 CNT를 코팅할 영역을 정의하기 위한 물리적인 구성을 가지며, CNT 코팅이 이루어질 수 있도록 온도 조건을 유지하는 구성과, CNT 코팅 후 잔류 가스를 배기 가스로 방출시키거나 회수하는 구성을 구비한다. 또한, 상압에서 노출된 코팅 대상(220)에 직접 가스를 제공하기 때문에 가스가 확산되는 것을 방지하기 위한 구성도 고려된다.

도시된 코팅 헤드(150)는 기본적으로 CNT 함유 가스를 방출하여 코팅 영역으로 확산시키기 위한 방출구와 이러한 방출구에 인접 배치되어 잔류 가스를 배기 가스로 회수하기 위한 가스 배출구(155)를 포함하며, 필요 시 상기 배출된 가스를 회 수하여 재활용하거나 외부로 전달하기 위한 가스 배출관(157)을 연결 구성한다.

한편, 상기 가스 배출관(157)을 통해 배출되는 가스 중에는 CNT 함유 가스가 일부 포함될 수도 있기 때문에 이를 회수하기 위한 구성이 더 적용될 수도 있다. 혹은 도시된 구성과 달리 상기 가스 배출관(157)을 상기 코팅관(140)의 내부에 구성하여 해당 가스와 잔류 CNT 함유 가스를 다시 고온 반응로(130) 쪽으로 이동시켜 해당 가스를 재활용할 수 있다.

그리고, 상기 코팅 헤드(150)의 구조에 따라 설정되는 코팅 영역을 벗어나는 가스를 줄이거나 차단하기 위한 가스 차단부로서 도시된 코팅 헤드(150)의 외곽 부분에 다른 구성보다 돌출된 돌출 턱을 구성한다.

이렇게 구성된 코팅 헤드(150)로부터 CNT 함유 가스가 코팅 스테이션(200)에 의해 지지되며 냉각부(210)에 의해 냉각된 코팅 대상(220)에 방출되면, 고온 상태의 CNT 함유 가스 접촉하는 상기 코팅 대상(220)의 저온 표면에만 선택적으로 CNT(230)가 증착되기 시작한다.

도 3은 CNT 코팅 방식을 좀더 용이하게 확인할 수 있도록 코팅 헤드(150) 부분과 코팅 대상(220) 부분을 확대한 것으로, 도시한 바와 같이 고온 상태의 CNT 함유 가스가 저온의 코팅 대상(220)에 공급되면 코팅 대상(220)의 표면에만 CNT(230)가 코팅되며, 잔류 가스 및 CNT 함유 가스의 일부는 배기가스로서 배출된다.

도 4는 상기 코팅 헤드의 다른 구성 예를 보인 것으로 도시한 경우는 코팅 헤드(250)를 단열하여 히터(251)에 의해 발생된 열의 손실을 줄이고, 상기 코팅 헤드(250)가 코팅 대상의 코팅 영역에 대응하도록 코팅 헤드(250)를 이동시키는 수단 이 열에 의해 손상되지 않도록 하기 위한 것이다. 이를 위해서, 도시한 바와 같이 코팅 헤드(250)의 표면 부근에 단열재(254)를 적용하고, 필요한 경우 냉각부(255)를 적용할 수 있다. 이러한 단열재(254)는 냉각부(255)를 감싸도록 구성될 수도 있으며, 필요한 경우 단열재(254)만 적용할 수도 있다. 한편, 배기 가스가 배출되는 가스 배출구(252)는 히터(251)에 근접 배치하여 배기 가스에 포함된 CNT 함유 가스로부터 CNT가 생성되지 않도록 구성할 수 있다.

도 5는 상기 코팅 헤드의 또 다른 구성 예로서, 도시된 코팅 헤드(350)는 배기 가스 중 일부가 코팅 헤드(350)의 외곽 경계 부분을 감싸면서 배출되도록 하여 일종의 배기 가스로 이루어진 에어 커튼을 형성하도록 한 것이다. 물론, 도시된 구성은 배기 가스가 코팅 헤드(350)의 외부로 방출되는 형태로 구성한 것이나, 배기 가스가 내부로 순환되도록 구성하여 외부로 방출되는 배기 가스를 줄이는 구성을 가질 수도 있다.

도시된 구성을 보면, CNT 함유 가스를 유도하는 유류관을 감싸고, 코팅이 이루어지는 범위를 감싸도록 형성되는 히터(351)와, 잔류 가스를 효과적으로 배기하기 위해 슬로프를 가지도록 구성된 배기구(352)와, 에어 커튼을 형성하는 배기 가스의 유로를 형성하고 내부 CNT 함유 가스의 배출을 억제하기 위해 돌출되게 구성된 돌출부(353)를 구비하며, 에어 커튼을 형성하는 배기 가스의 방출을 위한 가스 토출관(356)을 돌출부(353)에 구성한다. 앞서 설명한 내부 순환 방식의 에어커튼 형성을 위해서는 돌출부(353)가 가스 토출관(356)보다 더 외곽 부분에 형성될 수 있다.

도 6 및 도 7은 CNT 코팅을 수행하는 작업의 예를 보인 것으로, 도시한 바와 같이 도 6은 코팅 헤드(400) 부분에 손잡이(410)를 구성하여 직접 작업자(470)가 해당 손잡이(410)를 잡고 코팅 스테이션(460)에 위치된 코팅 대상(450)에 코팅을 실시하는 예를 보인 것이고, 도 7은 정밀한 자동화를 위해서 코팅 헤드와 코팅 관으로 이루어진 연장 코팅 수단을 xy 로봇이라 불리는 장치에 적용한 경우의 예를 보인 것이다. 도시된 경우, x축 가이드(510)를 통해 연장 코팅 수단(500)이 고정된 높이를 유지한 상태로 x축 방향으로 이동하면서 코팅 대상(530)에 코팅을 수행하고, y축 가이드(520)를 통해 연장 코팅 수단(500)이 y축 방향으로 이동하면서 코팅이 수행된다. 한편, 이러한 xy 로봇 대신 로봇팔을 적용할 수도 있으며, 이 경우 입체적인 코팅 대상에 대한 코팅을 수행할 수도 있다. 이러한 구성은 자동화 프로그램에 따라 속도와 위치가 조절될 수 있어 코팅 정도를 비교적 정확하게 제어할 수 있다.

도 8은 코팅 스테이션의 구성예로서, 코팅 대상을 연속으로 공급하는 형태로 적용하는 경우를 보인 것으로, 도시한 바와 같이 CNT 코팅 필름을 연속으로 생산하기 위한 구성이다. 이러한 구성이라 할지라도 실제 코팅관과 코팅 헤드로 이루어진 연장 코팅 수단(600)은 변경되지 않고, 코팅 스테이션만 교체하면 된다. 즉, 코팅 스테이션만 교체하는 것으로 다양한 코팅 대상에 대한 코팅이 가능하게 되며, 코팅 대상의 온도를 낮출 수 있도록 구성된다면 어떠한 형태의 코팅 스테이션도 적용이 가능하다.

도시된 코팅 스테이션의 구성은 필름을 연속으로 공급하는 공급 롤러(610) 와, 상기 공급 롤러(610)가 밀착되어 지나가면 해당 밀착된 필름의 온도를 낮추는 냉각판(650)과, 상기 냉각판(650) 상부의 연장 코팅 수단(600)에 의해 CNT 코팅된 필름을 압착하여 CNT를 고정시키는 압착 롤러(620)와, 상기 압착 롤러(620)를 통해 고정된 CNT 코팅 필름을 권취하는 권취롤러(630)로 구성된다. 물론, 이들 중 일부가 생략되거나 CNT 고정을 위해 다른 종류의 고정 수단(예를 들어, 고정액 도포 등)을 적용하는 등의 변형이 가능하며, 이러한 필름이 아닌 코팅 대상(예를 들어 평판, 유리판, 곡면 유리 등)을 연속으로 제공하기 위한 구성이 적용될 수도 있다.

도 9 내지 도 11은 CNT 코팅을 통해서 용이하게 CNT 패턴을 형성할 수 있도록 하는 예를 보인 것으로, 도 9는 패턴이 형성된 그린(green) 필름(720)을 코팅 대상(710)에 적용한 후 코팅을 실시하고, 해당 그린 필름(720)을 박리시켜 CNT 패턴(730)을 얻는 과정을 보인 것이고, 도 10은 패턴이 형성된 마스크(750)를 적용하고 CNT 코팅을 실시하여 CNT 패턴(740)을 얻는 과정을 보인 것이다. 한편, 도 11은 코팅 대상(800)에 CNT를 코팅한 후 점착물질(830)이 돌출 패턴에 적용된 롤러(820)를 가압회전시켜 불필요한 CNT를 패턴대로 박리하도록 함으로써 CNT 패턴(810)을 얻을 수 있도록 하는 과정을 보인 것이다. 이러한 과정 중에서 잉여 CNT를 회수하는 과정이 부가되거나 코팅된 CNT를 고정시키는 과정이 더 부가될 수도 있음은 물론이다.

전술한 바와 같이, 본 발명 실시예들에 따른 건식 CNT 코팅 방식은 CNT 함유 가스를 생성한 후 상기 가스로부터 직접 코팅을 실시하도록 함으로써, 단일 공정을 통해 다양한 코팅 대상체에 대한 코팅이 가능하기 때문에 공정 시간과 재료 및 비 용을 획기적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라 수~수십㎛ 길이의 CNT가 고르게 분산되면서 코팅되어 전기적 특성이 크게 향상되며, 그에 따라 다양한 용도에 적합한 CNT 코팅 대상을 더욱 투명한 상태로 제조할 수 있게 된다. 그리고, 코팅관과 코팅 헤드를 이용하여 코팅 대상에 대한 제한이나 코팅 대상의 종류에 따른 공정 장비의 변화 없이도 코팅이 가능하며, 코팅 스테이션의 교체를 통해 다양한 종류의 코팅 대상에 대한 코팅이 대량으로 실시될 수 있다. 한편, 습식 코팅 방식에서 발생되는 분산재 부산물 등이 발생하지 않기 때문에 성능 열화 요인도 없다. 따라서, 건식 CNT 코팅 방식을 이용할 경우 공정, 수율, 코팅 대상의 제한, 비용, 코팅 두께, 투명도, 전기 전도도, 표면 저항과 같은 다양한 평가지표에 있어 뛰어난 특성을 제공할 수 있게 된다.

즉, CNT 전극, 히터, EMI 차단제 등으로 활용할 수 있는 고품질 CNT 코팅 제품을 저렴하게 대량생산할 수 있으며, 이러한 용도의 소재를 필요로 하는 산업 전반에 큰 파급효과를 제공할 수 있다.

이상에서는 본 발명에서 특정의 바람직한 실시예들에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 첨부하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능할 것이다.

도 1은 종래 습식 CNT 코팅 필름 제조 공정 과정을 보인 개념도.

도 2는 본 발명 실시예에 따른 구성을 보인 구성도.

도 3은 본 발명 실시예에 따른 코팅 헤드의 동작 방식을 보인 개념도.

도 4 및 도 5는 본 발명 실시예들에 따른 코팅 헤드 구성을 보인 구성도.

도 6 및 도 7은 본 발명 실시예에 따른 코팅 과정의 예를 보인 예시도.

도 8은 본 발명 실시예에 따른 코팅 필름 연속 제조를 위한 코팅 스테이션의 구성을 보인 구성도.

도 9 내지 도 11은 본 발명 실시예에 따른 패턴 코팅을 위한 코팅 방식의 예를 보인 예시도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

130: 고온 반응로 140: 코팅관

135: CNT 함유 가스 150: 코팅 헤드

155: 가스 배출관 200: 코팅 스테이션

210: 냉각부 220: 코팅 대상

251: 히터 254: 단열재

255: 냉각부

Claims (33)

1. 탄소 나노튜브를 생성하기 위한 고온 반응로에 연결되어 탄소 나노튜브 함유 가스를 고온 상태로 유도하는 코팅관과;

   상기 코팅관에 연결되어 상기 탄소 나노튜브 함유 가스를 코팅 대상에 공급하며, 코팅 후 잔류 가스를 회수하는 코팅 헤드와;

   상기 코팅 대상을 저온 상태로 유지하면서 지지하는 코팅 스테이션을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 코팅관은 변형이 자유로운 주름 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 장치.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 코팅관은 상기 탄소 나노튜브 함유 가스를 유도하는 유류관과; 상기 유류관의 온도를 상기 고온 반응로와 같거나 낮은 온도로 유지하는 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 장치.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 코팅관은 유도되는 상기 탄소 나노튜브 함유 가스의 온도를 상기 고온 반응로의 온도보다 낮고 상기 탄소 나노튜브 함유 가스로부터 탄소 나노튜브가 증착되는 온도보다 높게 유지하는 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 장치.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 코팅 헤드는

   상기 탄소 나노튜브 함유 가스를 방출하는 방출구와;

   상기 방출구에 인접 배치되어 배기 가스를 회수하는 하나 이상의 가스 배출구와;

   상기 코팅 헤드의 외곽 부분에 상기 탄소 나노튜브 함유 가스의 누출을 방지하기 위한 가스 차단부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 장치.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 가스 차단부는 상기 코팅 헤드의 외곽 부분에 돌출된 턱으로 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 장치.
7. 청구항 5에 있어서, 상기 가스 차단부는 상기 가스 배출부와 연결되어 상기 코팅 헤드의 외곽 부분에 가스 커튼을 형성하도록 구성된 가스 토출관을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 장치.
8. 청구항 7에 있어서, 상기 가스 차단부는 상기 코팅 헤드의 외곽 부분에 돌출되며 상기 가스 토출관이 구성된 턱을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 장치.
9. 청구항 1에 있어서, 상기 코팅 헤드는 내부와 외부의 열교환을 차단하는 단열층을 더 구비한 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 장치.
10. 청구항 9에 있어서, 상기 코팅 헤드는 표면의 온도를 낮추기 위한 냉각부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 장치.
11. 청구항 1에 있어서, 상기 코팅 헤드는 손잡이를 더 구비한 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 장치.
12. 청구항 1에 있어서, 상기 코팅 헤드를 상기 코팅 스테이션에서 지정된 이격 거리로 유지하면서 이동시키는 위치 이동 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 장치.
13. 청구항 1에 있어서, 상기 코팅 스테이션은 코팅 대상이 지지되는 지지부와, 상기 지지부의 온도를 균일하게 유지하기 위한 냉각부로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 장치.
14. 청구항 13에 있어서, 상기 코팅 스테이션은 코팅 대상을 연속으로 공급하는 공급부와 코팅된 코팅 대상을 권취하여 회수하는 회수부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 장치.
15. 청구항 13에 있어서, 상기 코팅 스테이션은 코팅 대상에 코팅된 탄소 나노튜브를 고정시키는 코팅 고정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 장치.
16. 기 설정된 온도 이하로 코팅 대상을 유지하는 코팅 스테이션의 코팅 대상에 탄소 나노튜브를 직접 코팅하는 탄소 나노튜브 코팅 장치로서,

    탄소 나노튜브를 생성하기 위한 고온 반응로에 연결되어 탄소 나노튜브 함유 가스를 고온 상태로 유도하는 벨로우즈 형태의 코팅관과;

    상기 코팅관에 연결되며, 상기 탄소 나노튜브 함유 가스를 상기 코팅 대상에 방출하는 방출구와 코팅 영역을 설정하는 확산 구조물과 상기 확산 구조물 내부에 구성된 가스 배출구로 이루어진 코팅 헤드를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 장치.
17. 청구항 16에 있어서, 상기 코팅관은 유도되는 상기 탄소 나노튜브 함유 가스의 온도를 상기 고온 반응로의 온도보다 낮고 상기 탄소 나노튜브 함유 가스로부터 탄소 나노튜브가 증착되는 온도보다 높게 유지하는 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 장치.
18. 청구항 16에 있어서, 상기 코팅 헤드는 상기 탄소 나노튜브 함유 가스를 방출하는 부분의 온도를 유지하는 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 장치.
19. 청구항 16에 있어서, 상기 코팅 헤드는 상기 코팅 헤드의 외곽 부분에 상기 탄소 나노튜브 함유 가스의 누출을 방지하기 위한 돌출된 턱을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 장치.
20. 청구항 16에 있어서, 상기 코팅 헤드는 상기 가스 배출구와 연결되어 상기 코팅 헤드의 외곽 부분에 가스 커튼을 형성하도록 구성된 가스 토출관을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 장치.
21. 청구항 20에 있어서, 상기 코팅 헤드의 외곽 부분에 돌출되며 상기 가스 토출관이 내부에 구성된 턱을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 장치.
22. 탄소 나노튜브를 생성하기 위한 고온 반응로에서 탄소 나노튜브가 함유된 가스를 생성하는 생성 단계와;

    상기 고온 반응로에 연결된 코팅관을 통해 상기 탄소 나노튜브가 함유된 가스를 유도하고, 상기 코팅관에 연결된 코팅 헤드를 통해 상기 반응로 온도보다 낮 은 표면 온도를 가지는 코팅 대상에 탄소 나노튜브 함유 가스를 코팅 헤드로 설정된 영역만큼 제공하여 코팅 대상에 탄소 나노튜브를 직접 코팅하는 코팅 단계와;

    상기 코팅 헤드에 구성된 가스 배출구를 통해 잔류 가스를 배출하는 배출 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 방법.
23. 청구항 22에 있어서, 상기 배출 단계는 상기 배출된 잔류 가스를 다시 고온 반응로에 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 방법.
24. 청구항 22에 있어서, 상기 코팅 단계는 상기 코팅 헤드에 구성된 가스 배출구를 통해 배출되는 잔류 가스를 코팅 헤드의 외곽부분으로 배출하여 상기 탄소 나노튜브 함유 가스가 상기 코팅 헤드로 설정된 영역을 벗어나지 않도록 가스 커튼을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 방법.
25. 청구항 22에 있어서, 상기 코팅 단계는 상기 코팅 헤드를 로봇팔 혹은 xy 로봇으로 이동시키며 코팅을 실시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 방법.
26. 청구항 22에 있어서, 상기 코팅 단계는 상기 코팅 대상을 저온으로 유지하는 스테이션에 연속 공급하면서 코팅을 실시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 방법.
27. 청구항 22에 있어서, 상기 코팅 단계는 상기 코팅 대상을 코팅한 후 코팅된 탄소 나노튜브를 고정시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 방법.
28. 청구항 22에 있어서, 상기 코팅 단계는 상기 코팅 대상에 코팅 패턴이 형성된 마스크를 적용한 후 코팅하고, 코팅 후 상기 마스크를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 방법.
29. 청구항 22에 있어서, 상기 코팅 단계는 상기 코팅 대상에 코팅 패턴이 형성된 필름을 적용한 후 코팅을 실시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 방법.
30. 청구항 22에 있어서, 상기 코팅 단계는 상기 코팅된 코팅 대상에 점착물질이 돌출 패턴에 적용된 롤러를 이용하여 코팅된 탄소 나노튜브를 상기 돌출 패턴에 따라 박리시키는 패턴 형성 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 방법.
31. 청구항 22에 있어서, 상기 코팅 대상을 기 설정된 온도로 유지시키는 스테이션을 독립적으로 교체하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 방법.
32. 청구항 22에 있어서, 상기 코팅 단계는 상기 코팅관의 내부 온도를 상기 고온 반응로보다 낮고, 상기 탄소 나노튜브 함유 가스로부터 탄소 나노튜브가 증착되는 온도보다 높게 유지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 방법.
33. 청구항 22에 있어서, 상기 코팅 대상은 입체적인 코팅 대상 또는 연속적 코팅 대상 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 코팅 방법.

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