KR101378734B1

KR101378734B1 - 고온-고압 매체를 이용한 그라파이트 박리 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101378734B1
Application number: KR1020130007109A
Authority: KR
Inventors: 강득주; 김주희
Original assignee: 주식회사 제이오
Priority date: 2013-01-22
Filing date: 2013-01-22
Publication date: 2014-04-04

Abstract

본 발명은 고온-고압 매체를 이용한 그라파이트 박리 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면 층간화합물과 그라파이트가 혼합된 액상원료를 고온-고압의 도핑가스를 통해 분사함으로써 해압 및 매체간의 충돌에 의해 그라파이트를 박리시킴으로써 손상을 줄이고 표면개질된 탄소나노플레이트를 제조할 수 있다.

Description

고온-고압 매체를 이용한 그라파이트 박리 장치 및 방법{Apparatus and method for exfoliating graphite using high temperature and high pressure medium}

본 발명은 고온-고압 매체를 이용한 그라파이트 박리 장치 및 방법에 관한 것으로 더욱 구체적으로는 층간화합물과 혼합된 액상 형태의 그라파이트를 고온-고압 매체와 함께 노즐을 통해 분사하여 박리시킴으로써 손상을 줄이고 표면 개질을 수행하여 양질의 탄소나노플레이트를 제조할 수 있는 그라파이트 박리 장치 및 방법에 관한 것이다.

그라파이트(Graphite)는 육방정계의 결정구조를 가진 탄소 물질로, 이를 박리시키면 탄소나노플레이트 또는 그래핀을 제조할 수 있다. 그래핀은 흑연의 단일층으로서 우수한 물성으로 인해 탄소나노튜브(CNT : Carbon nanotube)와 함께 각광받고 있는 신소재이며, 탄소나노플레이트는 두께가 나노급인 흑연의 얇은 층이다.

그라파이트를 통해 탄소나노플레이트를 제조하기 위해서는 박리 과정을 거쳐야 한다.

종래에는 볼밀 등을 통해 기계적인 힘을 가하여 그라파이트를 박리시키는 기계적 박리법을 사용하였으나, 이러한 방법은 탄소나노플레이트 표면에 심각한 손상을 주게 된다.

한편 그라파이트 기능화와 관련된 종래의 기술로는 대한민국 공개특허 제10-2012-0104767호 등이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그라파이트를 층간화합물과 혼합된 액상 형태로 고온-고압 매체와 함께 노즐을 통해 분사하여 그라파이트 층을 박리시킴으로써 손상을 줄이고 표면개질을 수행하여 양질의 탄소나노플레이트를 대량 생산할 수 있도록 하는 고온-고압 매체를 이용한 그라파이트 박리 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고온-고압 매체를 이용한 그라파이트 박리 장치는, 내측에 공간을 갖는 해압챔버; 및 상기 해압챔버의 내측 측면에 설치되며 매체를 분사하는 노즐;을 포함하되, 상기 노즐에서 분사되는 매체가 서로 충돌 또는 교차하도록 상기 노즐이 상기 해압챔버 내측 측면에 적어도 2 지점 이상 설치되며, 상기 2 이상의 노즐에서 분사되는 매체 중 적어도 1 노즐에서 분사되는 매체는 그라파이트가 포함되고, 상기 분사에 의한 해압 및 상기 매체와의 충돌에 의해 상기 그라파이트가 박리될 수 있다.

여기서, 상기 노즐에서 분사되는 매체는 공기, 이산화탄소 또는 질소가 과포화 증기와 혼합된 도핑가스를 포함할 수 있다.

또한, 상기 노즐에서 분사되는 매체는 과포화 증기, 물, 알코올, 층간화합물 또는 분산제가 분말형태의 그라파이트와 혼합된 액상원료를 더 포함할 수 있다.

또, 상기 층간화합물은 발연질산과 염소산칼륨의 혼합물, 또는 황산과 질산의 혼합물, 또는 발연황산과 질산나트륨 및 염소산칼륨의 혼합물을 포함할 수 있다.

또, 내측에 공간을 갖는 건조챔버; 상기 해압챔버에서 박리된 상기 그라파이트를 상기 건조챔버 측으로 이송하도록 이송가스를 분사하는 이송가스공급부; 및 상기 건조챔버 내에 위치하여 상기 이송가스에 의해 이송된 상기 그라파이트를 분무하는 분사유닛;을 더 포함할 수 있다.

또, 상기 건조챔버와 연통하여 상기 건조챔버에서 낙하되지 않은 그라파이트를 사이클론 공정을 통해 분리하는 2차수거부; 및 상기 2차수거부와 연통하여 상기 2차수거부에서 분리되지 않은 그라파이트를 필터를 통해 분리하는 3차수거부;를 더 포함할 수 있다.

한편 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고온-고압 매체를 이용한 그라파이트 박리 방법은, 해압챔버 내에 설치된 2 이상의 노즐을 통해 층간화합물 및 그라파이트를 포함하는 매체를 분사하여 해압 및 충돌에 의해 상기 그라파이트를 박리시키는 단계; 이송가스를 분사하여 상기 해압챔버에서 박리된 그라파이트를 건조챔버로 이송시키는 단계; 상기 건조챔버 내에서 분사유닛을 작동하여 상기 이송된 그라파이트를 분무하여 낙하시키는 단계; 및 상기 건조챔버에서 낙하된 그라파이트를 수거하는 단계;를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 건조챔버에서 낙하되지 않은 그라파이트를 사이클론 공정을 통해 분리하여 2차 수거하는 단계; 및 상기 사이클론 공정에서 분리되지 않은 그라파이트를 필터를 통해 분리하여 3차 수거 하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 노즐에서 분사되는 매체는 도핑가스 및 액상원료를 포함하되, 상기 도핑가스는 공기, 이산화탄소 또는 질소가 과포화 증기와 혼합된 것이며, 상기 액상원료는 과포화 증기, 물, 알코올, 층간화합물 또는 분산제가 분말형태의 그라파이트와 혼합된 것일 수 있다.

본 발명에 따르면 그라파이트를 과포화 증기, 물, 알코올, 층간화합물 또는 분산제 등의 용매와 혼합하고, 이러한 그라파이트를 포함하는 액상원료를 과포화 증기와 공기, 이산화탄소 또는 질소가 혼합된 도핑가스와 함께 분사하면, 급격한 압력저하로 인해 층간화합물이 팽창하면서 그라파이트 층이 박리되도록 함으로써, 종래의 볼밀링 공정 등의 박리 공정 상에서 발생할 수 있는 제품의 손상 문제를 해결하고 양질의 탄소나노플레이트를 대량 생산할 수 있다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 고온-고압 매체를 이용한 그라파이트 박리 장치의 구성을 설명하기 위한 도면.
도2는 도1에 도시된 고온-고압 매체를 이용한 그라파이트 박리 장치에서 매체공급경로를 설명하기 위한 도면.
도3은 도1에 도시된 고온-고압 매체를 이용한 그라파이트 박리 장치에서 노즐의 분사 방향을 설명하기 위한 도면.
도4는 본 발명의 실시예에 따른 고온-고압 매체를 이용한 그라파이트 박리 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도5는 강산 및 오임계 산화 공정을 이용한 나노카본 정제를 설명하기 위한 참조도.
도6은 산을 이용한 기능화 공정을 설명하기 위한 참조도.
도7은 초임계 산화 공정을 이용한 기능화 공정을 설명하기 위한 참조도.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 다만 발명의 요지와 무관한 일부 구성은 생략 또는 압축할 것이나, 생략된 구성이라고 하여 반드시 본 발명에서 필요가 없는 구성은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 결합되어 사용될 수 있다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 고온-고압 매체를 이용한 그라파이트 박리 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이고, 도4는 본 발명의 실시예에 따른 고온-고압 매체를 이용한 그라파이트 박리 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 고온-고압 매체를 이용한 그라파이트 박리 장치와, 그라파이트 박리 장치를 이용하여 그라파이트를 박리하는 방법에 대해 함께 설명하도록 한다.

도1에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 고온-고압 매체를 이용한 그라파이트 박리 장치는 해압챔버(10), 노즐(20), 이송가스공급부(30), 건조챔버(40), 2차수거부(50) 및 3차수거부(60)를 포함한다.

원통형의 해압챔버(10) 상부 측면에는 복수개의 노즐(20)이 설치되어 있고, 해압챔버(10) 하부에는 이송가스공급부(30)에서 배출되는 이송가스가 유입되는 이송가스배출구(31)가 위치하고 있으며, 이송가스배출구(31)와 마주하여 건조챔버(40)와 연동되는 유입구(41a)가 위치하고 있다.

해압챔버(10)의 상부 측면에 설치된 노즐(20)에서는 매체가 분사되는데, 매체는 도핑가스 또는 도핑가스와 액상원료가 혼합된 상태를 말하며, 이러한 매체는 노즐(20) 전단에 연결된 매체공급경로(21)를 거쳐 소정의 온도와 압력으로 분사된다.

도2는 노즐(20) 전단에 연결된 매체공급경로(21)를 설명하기 위한 도면이다. 도2에 도시된 바와 같이 매체공급경로(21)는 에어공급경로(21a), 과포화증기공급경로(21b), 도핑가스경로(21d) 및 원료공급경로(21e)로 이루어진다. 도면상 좌측 끝단에는 에어공급경로(21a)가 마련되어 있으며, 에어공급경로(21a)를 통해 공기, 이산화탄소(CO2) 또는 질소 등의 가스가 소정의 압력으로 유입된다. 에어공급경로(21a) 종단부의 과포화증기합류부(21c)에서는 과포화증기공급경로(21b)가 연결되어 있으며, 과포화증기공급경로(21b)를 통해 과포화 증기가 벤츄리 효과(venturi effect)에 의해 빠른 속도로 유입될 수 있다.

즉, 에어공급경로(21a)의 종단부는 이전 경로보다 폭이 좁은데, 이렇게 종단부의 좁은 경로를 가스가 통과하면 속도가 상승하게 되고, 이에 따라 에어공급경로(21a) 종단부 주변의 과포화증기합류부(21c)는 압력이 낮아지면서 과포화증기공급경로(21b) 상에서 대기중이던 과포화 증기가 빠르게 휩쓸려 들어갈 수 있는 것이다.

이렇게 공기, 이산화탄소 또는 질소 등의 가스와 과포화 증기가 혼합된 도핑가스는 이후 계속하여 연결된 도핑가스경로(21d)를 따라 노즐(20) 측으로 이동하게 되고, 도핑가스경로(21d) 종단부의 원료합류부(21f)에서는 원료공급경로(21e)가 연결되어 있으며, 마찬가지로 벤츄리 효과에 의해 액상원료가 혼합될 수 있다.

즉, 도핑가스경로(21d)의 종단부는 이전 경로보다 폭이 좁으며, 좁은 경로를 따라 공기, 이산화탄소 또는 질소와 과포화 증기가 혼합된 도핑가스가 통과하면서 속도가 상승하게 되고, 이에 따라 도핑가스경로(21d) 종단부 주변의 원료합류부(21f)의 압력이 낮아지면서 원료공급경로(21e) 상에서 대기중이던 액상원료가 빠르게 휩쓸려 들어갈 수 있는 것이다. 이렇게 도핑가스와 액상원료가 혼합된 매체는 노즐(20)을 통해 해압챔버(10) 내측으로 분사된다.

여기서 액상원료는 과포화 증기, 물, 또는 알코올 등의 용매에 그라파이트가 혼합된 것이며, 그라파이트를 박리하기 위한 층간화합물이나 분산제가 더 포함될 수도 있다. 층간화합물은 그라파이트에 침투하여 박리를 촉진시키는 물질로서, 발연질산과 염소산칼륨의 혼합물, 또는 황산과 질산의 혼합물, 또는 발연황산과 질산나트륨 및 염소산칼륨의 혼합물일 수 있다.

이러한 액상원료는 다시 과포화 증기를 포함하는 도핑가스와 혼합되어 해압챔버(10)로 분사 되는 것이다.

이때 에어공급경로(21a)를 통해 주입되는 가스의 압력과 과포화증기공급경로(21b)를 통해 주입되는 과포화 증기의 온도를 조절하는 방식으로 도핑가스의 압력 및 온도를 설정함으로써 생산하고자 하는 탄소나노플레이트의 기능화 정도를 조절할 수가 있다.

즉, 도핑가스의 압력은 1bar 내지 10bar이고, 온도는 1℃ 내지 200℃로 설정함으로써 고온-고압 영역에서 탄소나노플레이트가 기능화되도록 하거나, 도핑가스의 압력은 10bar 내지 221bar이고, 온도는 200℃ 내지 374℃로 설정함으로써 아임계 영역에서 탄소나노플레이트가 기능화되도록 하거나, 도핑가스의 압력은 221bar 이상이고, 온도는 374℃ 이상으로 설정함으로써 초임계 영역에서 탄소나노플레이트가 기능화되도록 할 수 있다. 특히 초임계 영역에서는 유체의 이동이 빠르고, 저감도, 고확산 계수로 인한 미세구멍으로의 빠른 침투성을 가지기 때문에 그라파이트에 효과적으로 침투할 수가 있다.

그라파이트의 표면개질 및 탄소나노플레이트의 기능화는 초임계 공정을 통해 이루어지게 되며, 이는 초임계수산화(SCWO), 초임계이산화탄소(SC-CO2) 공정을 포함할 수 있는데, 온도-압력 영역에 따라 표면개질/기능화 정도를 달리할 수 있다. 조절 변수로는 온도-압력, 산화제량, 산화제 종류, 체류시간 등이다. 앞서 설명한 고온-고압 영역에서는 표면개질/기능화보다는 해쇄(입자를 분리시켜 응집체를 풀어줌) 중심으로 이루어지며, 아임계 영역과 초임계 영역에서는 표면개질/기능화 정도의 차이가 발생한다. 즉 아임계 영역에서는 초임계 영역에 비해 부분적인 표면개질/기능화 현상이 나타난다.

물질은 임계점 이상의 온도에서는 압력을 아무리 높여도 응축되지 않고, 기체나 액체를 이용하지 않고도 고밀도의 유체가 된다. 이것을 초임계 유체라 하는데, 용해력이 극히 강한 것으로 알려져 있다. 초임계 유체는 물질 이동과 열 이동이 빠르고, 저감도, 고확산 계수로 인한 미세구멍으로의 빠른 침투성을 가진다. 이러한 초임계유체의 장점을 이용함으로써 기존의 반응 및 분해, 추출, 증류, 결정화, 흡수, 흡착, 건조, 세정 등의 공정에서 발생했던 저효율, 저품질, 저속, 환경의 악영향 등과 같은 기술적 어려움을 해결할 수 있다.

초임계수(超臨界水)란 임계점(374℃, 22 MPa)을 초과한 상태의 물을 의미한다. 초임계수는 밀도가 대개 액체와 같고, 밀도 · 확산계수는 기체와 같은 값을 갖는 것으로 알려져 있다. 또한 유전율(誘電率)은 상온·상압인 물이 약 80인데 반하여, 임계점이 500℃, 35 MPa의 초임계수는 약 2에 지나지 않기 때문에 상온·상압의 물에서 녹지 않는 PCB 등의 무극성 물질도 초임계수에는 용해시킬 수 있다. 초임계수는 산소나 질소 등의 가스에 대하여 임의 비율로 단일 상에서 혼합하는 특성도 있다. 초임계수는 그 자체가 산화촉매로의 기능을 가지고 있으면서 무기염은 용해하지 못하는 반면, 유기화합물과 산소, 수소 등을 완전히 녹이기 때문에 미세입자의 제조나 난분해성 물질의 분해반응, 합성반응, 라디칼반응, 이온반응의 제어가 가능하다. 이 특성을 이용하여 초임계수를 유해 유기물의 산화분해 시 반응용매로 이용하는 것이 초임계수 산화(SCWO)공정이다.

초임계수 조건에서는 산소와 유기물이 초임계수와 완벽하게 혼합되며 계면(boundary layers)이 존재하지 않기 때문에 충분히 빠른 산화반응 속도를 보인다. 또한 초임계 유체가 가지는 빠른 확산속도와 강력한 침투력으로 인해 뭉쳐져 있는 CNT 입자 내부로 산화제가 효과적으로 침투할 수 있을 것으로 추정된다. 이러한 초임계수의 장점을 이용한 SCWO 반응 기술을 이용하여 CNT 산화에 활용하는 연구가 진행되고 있다. 초임계수 영역에서 산소가 있고 없는 조건에서 MWNT의 capped tips가 opening, peeling 되고 얇아지는 현상이 발표되었으며, 다른 연구에서는 SWNT가 500℃ 고농도 hydrogen halides와 황산용액에서 나노튜브 구조가 완전히 붕괴되어 탄소 양파 또는 나노크기의 탄소 입자들로 변환되는 것이 알려져 있다. 또한 초임계수 상태에서 희질산을 사용하여 MWCNT 표면을 기능화하여 새로운 형태의 MWCNT 물질을 제조하는 독특한 연구도 진행되었다. Spectroscopy, 전자현미경 분석결과 개질된 MWCNT 물질이 친수성으로 amorphous 형태로 기능화 되고 내부에는 변형되지 않는 CNT 구조를 가지는 것으로 확인되어 질산-초임계수에서 MWCNT의 벽면 기능화가 가능함이 확인되었다. TEM 사진으로부터 MWCNT의 외부 벽면부터 안쪽으로 graphite 층들이 부분 산화되어 기능화 됨이 확인되었고, 외부는 amorphous carbon sheath로 싸인 새로운 형태의 나노튜브 물질이 만들어지는 것을 알 수 있었다. 스펙트럼 분석결과 MWCNT 외부 표면은 CH2, C-OH, C-O-C, C-OH 그룹이 형성되어 친수성으로 변형됨을 알 수 있었다.

도5는 강산 및 초임계 산화 공정을 이용한 나노카본 정제를 설명하기 위한 참고도로서, 나노카본을 정제함에 있어서 산 용액을 이용하는 방법은 기능기의 도입과 비정질 탄소의 제거라는 본래의 목적 달성에는 비교적 효과적이지만, 나노카본에 가해지는 손상이 매우 크기 때문에 전기적, 기계적 특성의 손실을 불러올 수가 있다.

또한 도6은 산을 이용한 기능화 공정을 설명하기 위한 참고도로서, 산을 이용할 경우 여러 단계의 공정을 경유해야 하며 공정 수행시 발생하는 폐산으로 인해, 대량 양산 공정 구현에는 상당한 제약을 수반한다.

반면 도7에 도시된 초임계 산화 공정을 이용한 기능화 공정의 참고도를 살펴보면, 초임계 산화 공정을 이용할 시 기능화 공정이 1 step의 단일 공정으로 수행될 수 있으며, 부산물로서 물만 발생하기 때문에 친환경적이고 대량 양산 구현이 가능하다.

한편 원료합류부(21f)에서부터 노즐(20)까지의 경로를 늘림으로써 그라파이트가 도핑가스와 반응하는 시간을 늘려줄 수 있다. 물론 원료합류부(21f)에서 노즐(20)까지의 경로를 확장함으로 인해 도핑가스와 액상원료가 혼합된 매체의 온도가 낮아질 수 있는데, 이를 방지하기 위해 별도의 가열수단(미도시)이 더 구비되어 매체의 온도를 유지시킬 수도 있다.

한편 해압챔버(10) 상부 측면에는 노즐(20)이 2개 이상 설치되며, 각각의 노즐(20)은 분사되는 매체가 서로 충돌 또는 교차하도록 설치된다.

즉 도3은 해압챔버(10,10',10'',10''')에서 노즐(20,20',20'',20''')이 설치되는 다양한 예시를 도시한 것이다.

먼저 도3의 (a)를 참조하면, 해압챔버(10)의 둘레를 따라 90도 간격으로 4개의 노즐(20)이 설치되고, 각각의 노즐(20)에서 분사되는 매체가 해압챔버(10)의 중앙에서 서로 충돌할 수 있다.

도3의 (b)에서는 해압챔버(10')의 둘레를 따라 120도 간격으로 3개의 노즐(20')이 설치되고, 마찬가지로 각각의 노즐(20')에서 분사되는 매체가 해압챔버(10')의 중앙에서 서로 충돌할 수 있다.

도3의 (c)에서는 해압챔버(10'')의 둘레를 따라 등 간격으로 4개의 노즐(20'')이 설치되어 있지만, 노즐(20'')의 분사 방향이 해압챔버(10'')의 중심을 향하지 아니하고, 이웃하는 노즐(20'')과 직각으로 교차하도록 한 것이다. 도3의 (c)에 도시된 예시는 (a) 또는 (b)의 충돌력을 완화시킨 것이다.

도3의 (d)에서는 해압챔버(10''')의 둘레를 따라 등 간격으로 6개의 노즐(20''')이 설치된 것이고, 마찬가지로 어느 하나의 노즐(20''')의 분사 방향이 이웃하는 노즐(20''')과 예각을 이루면서 교차하도록 함으로써 충돌력을 더욱 완화시킨 것이다.

즉 도3의 (a) 내지 (d)에서처럼 분사노즐(20,20',20'',20''')의 개수 및 분사 방향을 조절함으로써 해압챔버(10,10',10'',10''') 내에서의 충돌력을 필요에 따라 조절할 수도 있는 것이다.

다시 도1 및 도4를 참조하면, 해압챔버(10) 내의 노즐(20)에서 매체가 분사되어 그라파이트가 박리<S405>된다. 즉, 층간화합물과 혼합된 그라파이트는 고온-고압의 도핑가스와 함께 노즐(20)을 통해 해압챔버(10) 내로 분사되는데, 넓은 공간으로 분사되면서 급격하게 압력이 저하되고(해압), 이로 인해 그라파이트의 층간에 침투되어 있던 층간화합물이 팽창하면서 그라파이트 층이 박리되는 것이다. 이때 매체 간의 충돌력은 박리를 원활하게 돕는다.

이렇게 박리된 그라파이트는 부산물(물, 알코올 또는 과포화 증기 등의 용매와 층간화합물, 분산제)과 함께 해압챔버(10) 아래로 낙하하게 되는데, 이러한 그라파이트와 부산물은 이송가스에 의해 건조챔버(40)로 이송<S410>된다.

해압챔버(10) 하부의 일측에는 이송가스공급부(30)가 마련되어 있으며, 이송가스공급부(30)는 이송가스배출구(31)를 통해 해압챔버(10) 내측과 연동되어 있다. 또한 이송가스배출구(31)와 마주한 상태로 건조챔버(40) 상부에 마련된 유입경로(41) 종단부의 유입구(41a)가 위치하고 있다.

이송가스공급부(30)에서 공급되는 이송가스는 가열된 상태의 공기, 이산화탄소 또는 질소이며, 이러한 이송가스는 비교적 넓은 폭의 경로를 따라 이동되다가 종단부인 이송가스배출구(31)에서는 좁은 통로를 따라 배출된다. 따라서 벤츄리 효과에 의해 이송가스배출구(31)의 좁은 통로를 따라 이송가스가 배출되면서 속도가 상승하게 되고, 이송가스배출구(31) 주변은 압력이 낮아지면서 해압챔버(10)에서 낙하하는 박리된 그라파이트와 부산물은 이송가스를 따라 빠르게 유입경로(41) 종단부의 유입구(41a)로 휩쓸려 들어가게 된다.

건조챔버(40) 상부의 유입경로(41) 종단부의 유입구(41a)를 통해 박리된 그라파이트 및 부산물이 유입되면, 이송가스에 의해 건조챔버(40) 상부까지 박리된 그라파이트와 부산물이 위치하게 되고, 이후 낙하하게 된다. 이때 박리된 그라파이트 및 부산물은 가열된 이송가스에 의해 건조챔버(40) 내에서 건조 및 하소 과정을 거치면서 낙하하게 된다.

여기서 건조챔부 내측 중심에는 모터(43)의 작동으로 빠르게 회전하는 분사유닛(42)이 설치되어 있다. 즉, 건조챔버(40) 상부에 마련되는 유입경로(41)의 하단부는 폭이 좁아지도록 경사져 있으며, 이에 따라 낙하하는 그라파이트는 분사유닛(42) 상에 모이게 된다.

따라서 유입경로(41)를 따라 이송된 그라파이트는 분사유닛(42)의 빠른 회전에 의해 건조챔버(40)의 둘레를 향하여 분무되어 낙하<S415>한다. 이때 이송가스에 의해 그라파이트와 부산물이 건조챔버(40)로 이동하는 과정에서 고온-고압의 과포화 증기는 응축되어 기체와 액상이 혼합된 저온-저압의 증기로 변하게 된다. 따라서 그라파이트는 고속으로 회전하는 분사유닛에 의해 건조챔버(40) 벽면으로 작은 입자로 분무되어 건조 상태로 변하는 것이다.

즉, 해압챔버(10)에서 박리된 그라파이트는 가열된 이송가스에 의해 건조챔버(40)로 이송되고, 분사유닛(42)에 의해 분무되면서 건조 및 하소 과정을 거쳐 건조챔버(40) 바닥으로 낙하하게 되고, 건조챔버(40) 바닥에 낙하된 그라파이트를 수거<S420>함으로써, 기계적 박리에 따른 손상 없이 표면개질된 탄소나노플레이트를 회수할 수가 있는 것이다.

한편 건조챔버(40)의 측면으로 2차수거부(50) 및 3차수거부(60)가 순차적으로 연결되어 있다. 즉 건조챔버(40)에서 낙하하는 그라파이트는 상대적으로 입자가 큰 것들이며, 입자가 작은 그라파이트는 낙하하지 아니하고 남아 있는 이송가스와 함께 2차수거부(50)로 진입된다. 2차수거부(50)에서는 사이클론 공정을 통해 건조챔버(40)에서 낙하하지 못한 상대적으로 작은 크기의 그라파이트를 회수할 수 있다.

또한 2차수거부(50)에서 사이클론 공정을 통해서도 분리되지 아니한 그라파이트는 다시 이송가스와 함께 3차수거부(60)로 진입되고, 3차수거부(60)에서는 필터(Bag Filter)를 통해 미세한 그라파이트를 걸러내고 남아 있는 가스는 배출시킨다.

이렇게 해압챔버(10)에서 박리 및 표면개질되고, 건조챔버(40)에서 건조 및 하소 과정을 거친 그라파이트는 건조챔버(40)에서 1차적으로 수거되고, 입자가 작은 그라파이트는 2차수거부(50) 및 3차수거부(60)를 통해 99% 이상 회수될 수가 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면 분말형태의 그라파이트를 과포화 증기, 물, 알코올, 층간화합물 또는 분산제 등의 용매와 혼합하고, 이러한 그라파이트를 포함하는 액상원료를 과포화 증기와 공기, 이산화탄소 또는 질소가 혼합된 도핑가스와 함께 분사하면, 급격한 압력저하로 인해 층간화합물이 팽창하면서 그라파이트 층이 박리되도록 함으로써, 종래의 볼밀링 공정 등의 박리 공정 상에서 발생할 수 있는 제품의 손상 문제를 해결하고 양질의 탄소나노플레이트를 대량 생산할 수 있다.

상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면, 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 본 발명의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

10 : 해압챔버
20 : 노즐
21 : 매체공급경로
21a : 에어공급경로
21b : 과포화증기공급경로
21c : 과포화증기합류부
21d : 도핑가스경로
21e : 원료공급경로
21f : 원료합류부
30 : 이송가스공급부
31 : 이송가스배출구
40 : 건조챔버
41 : 유입경로
41a : 유입구
42 : 분사유닛
43 : 모터
50 : 2차수거부
60 : 3차수거부

Claims

내측에 공간을 갖는 해압챔버; 및
상기 해압챔버의 내측 측면에 설치되며 매체를 분사하는 노즐;을 포함하되,
상기 노즐에서 분사되는 매체가 서로 충돌 또는 교차하도록 상기 노즐이 상기 해압챔버 내측 측면에 적어도 2 지점 이상 설치되며, 상기 2 이상의 노즐에서 분사되는 매체 중 적어도 1 노즐에서 분사되는 매체는 그라파이트가 포함되고, 상기 분사에 의한 해압 및 상기 매체와의 충돌에 의해 상기 그라파이트가 박리되는 것을 특징으로 하는 고온-고압 매체를 이용한 그라파이트 박리 장치.
제1항에 있어서,
상기 노즐에서 분사되는 매체는 공기, 이산화탄소 또는 질소가 과포화 증기와 혼합된 도핑가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온-고압 매체를 이용한 그라파이트 박리 장치.
제2항에 있어서,
상기 노즐에서 분사되는 매체는 과포화 증기, 물, 알코올, 층간화합물 또는 분산제가 분말형태의 그라파이트와 혼합된 액상원료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고온-고압 매체를 이용한 그라파이트 박리 장치.
제3항에 있어서,
상기 층간화합물은 발연질산과 염소산칼륨의 혼합물, 또는 황산과 질산의 혼합물, 또는 발연황산과 질산나트륨 및 염소산칼륨의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온-고압 매체를 이용한 그라파이트 박리 장치.
제1항에 있어서,
내측에 공간을 갖는 건조챔버;
상기 해압챔버에서 박리된 상기 그라파이트를 상기 건조챔버 측으로 이송하도록 이송가스를 분사하는 이송가스공급부; 및
상기 건조챔버 내에 위치하여 상기 이송가스에 의해 이송된 상기 그라파이트를 분무하는 분사유닛;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고온-고압 매체를 이용한 그라파이트 박리 장치.
제5항에 있어서,
상기 건조챔버와 연통하여 상기 건조챔버에서 낙하되지 않은 그라파이트를 사이클론 공정을 통해 분리하는 2차수거부; 및
상기 2차수거부와 연통하여 상기 2차수거부에서 분리되지 않은 그라파이트를 필터를 통해 분리하는 3차수거부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고온-고압 매체를 이용한 그라파이트 박리 장치.
해압챔버 내에 설치된 2 이상의 노즐을 통해 층간화합물 및 그라파이트를 포함하는 매체를 분사하여 해압 및 충돌에 의해 상기 그라파이트를 박리시키는 단계;
이송가스를 분사하여 상기 해압챔버에서 박리된 그라파이트를 건조챔버로 이송시키는 단계;
상기 건조챔버 내에서 분사유닛을 작동하여 상기 이송된 그라파이트를 분무하여 낙하시키는 단계; 및
상기 건조챔버에서 낙하된 그라파이트를 수거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온-고압 매체를 이용한 그라파이트 박리 방법.
제7항에 있어서,
상기 건조챔버에서 낙하되지 않은 그라파이트를 사이클론 공정을 통해 분리하여 2차 수거하는 단계; 및
상기 사이클론 공정에서 분리되지 않은 그라파이트를 필터를 통해 분리하여 3차 수거 하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고온-고압 매체를 이용한 그라파이트 박리 방법.
제7항에 있어서,
상기 노즐에서 분사되는 매체는 도핑가스 및 액상원료를 포함하되,
상기 도핑가스는 공기, 이산화탄소 또는 질소가 과포화 증기와 혼합된 것이며,
상기 액상원료는 과포화 증기, 물, 알코올, 층간화합물 또는 분산제가 분말형태의 그라파이트와 혼합된 것을 특징으로 하는 고온-고압 매체를 이용한 그라파이트 박리 방법.