KR101493292B1

KR101493292B1 - 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하기 위한 방법들 및 장치들

Info

Publication number: KR101493292B1
Application number: KR1020147008273A
Authority: KR
Inventors: 프레드릭 라로쉐; 올리비어 스멀제닉; 베리 엘. 스탠스필드
Original assignee: 인스터? 내셔널 드 라 르세르슈 사이언티피크
Priority date: 2005-03-25
Filing date: 2006-03-27
Publication date: 2015-02-13
Also published as: EP1866237A1; CA2600887C; US8329257B2; WO2006099749A1; US7776384B2; KR20080014750A; JP2008532918A; US7651773B2; US20070041888A1; BRPI0609340A2; US20100304011A1; KR20140054389A; CA2600887A1; JP5232637B2; CN101155751A; US20060216602A1

Abstract

본 발명은 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은, 전극들 중 적어도 하나의 전극 위에 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하기 위해, 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 포함하는 기체 상태를 전기장을 발생시키는 적어도 두 개의 전극 사이에 형성되는 공간으로 통과시키는 단계; 적층하는 동안, 적층된 나노미터 크기의 단섬유 구조들이 상기 전극들을 교락하는 것을 실질적으로 방지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층시키기 위한 장치 뿐만 아니라, 상기 구조들 및 상기 구조들의 거시적인 결합체를 제조하는 과정을 모니터링하는 방법 미 장치와 관련된다.

Description

나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하기 위한 방법들 및 장치들{METHODS AND APPARATUSES FOR DEPOSITING NANOMETRIC FILAMENTARY STRUCTURES}

본 발명은 나노미터 크기의 단섬유 구조들(nanometric filamentary structures)의 생산품의 개선과 관련된다.

더 자세하게는 본 발명은 단일층 탄소 나노튜브(single-wall carbon nanotubes) 또는 다중층 탄소 나노튜브(multi-wall carbon nanotubes)와 같은 나노미터 크기의 단섬유 구조들(nanometric filamentary structures)의 적층기구 및 방법과 관련된다.

또한, 나노미터 크기의 단섬유 구조들(nanometric filamentary structures)의 거시적인 조립체 뿐만 아니라 나노미터 크기의 단섬유 구조들(nanometric filamentary structures)의 생산품에 사용되는 다양한 기구들 및 방법에 관련된다.

지난 수십 년 동안 많은 나노미터 크기의 단섬유 구조들(nanometric filamentary structures)은 다루어져 왔다. 사실상, 이러한 1차원구조의 이익은 상당히 발전되었다. 합성, 고유특성, 조립체 및 1차원구조의 적용의 분야에서 많은 노력과 진보가 있어왔다.

최근의 이러한 발전은 J. Liu, S. Fan and H. Dai, J, MRS Bull. 24 (2004), 244; J. Sloan et al., MRS Bull. 24 (2004), 265; Walt A. de Heer, MRS Bull. 24 (2004), 281 ; Y. Xia et al., Advanced Materials 15 (2003)에 나타나 있으며, 그것들 전체에서 레퍼런스에 의해 통합된다.

그러나, 제시된 방법에는 여전히 개선의 여지가 있다. 왜냐하면 이러한 많은 나노미터 크기의 단섬유 구조들(nanometric filamentary structures)은 특히 휘발성이 강하며, 그것들은 적층되기 어렵거나 그것들의 일부를 잃지 않으면서 회복되기 어렵다. 이제까지, 나노미터 크기의 단섬유 구조들(nanometric filamentary structures)의 적층은 열편승(thermophoresis)에 의해 이루어져왔다. 이런 기술은 일반적으로 생산의 수집부로서 활용되는 많은 수냉표면들이 요구한다. 이러한 기술은 대량생산에는 적합하지 않으며, 상대적으로 재생이 어려운 분말 또는 막의 적응을 유발할 수 있다. 그러므로, 이러한 단점을 제거할 수 있는 기구 및 방법이 필요하다.

이러한 1차원적 나노미터 크기의 단섬유 구조들(nanometric filamentary structures)에서 탄소 나노튜브는 많은 재미있는 특성을 가지고 있다. 탄소 나노튜브(carbon nanotubes) 단일층 또는 다중층 나노튜브에 사용가능하다. 다중층 탄소 나노튜브(carbon nanotubes)는 우수한 전기전도 및 열전도와 같은 뛰어난 특성을 갖는다.

그것들은 수소저장체(C. Liu, Y. Y. Fan, M. Liu, H. T. Cong, H.M. Cheng, M.S. Dresselhaus, Science 286 (1999), 1127; M.S. Dresselhaus, K.A Williams, P.C. Eklund, MRS Bull. (1999), 45)와 같은 다양한 분야에서 적용되거나 또는 다른 가스, 흡착 열펌프(adsorption heat pumps), 재료강화(materials reinforcement) 또는 나노일렉트로닉스(M. Menon, D. Srivastava, Phy. Rev. Lett. 79 (1997), 4453)에서 적용된다. 또 다른 점에서, 단일층 탄소 나노튜브(carbon nanotube)는 다중층 탄소 나노튜브(carbon nanotube)보다 뛰어난 특성을 갖는다. 저장 및 재료강화와 같은 어떤 산업적용에서 많은 단일층 탄소 나노튜브(carbon nanotube)는 적어도 하루에 많은 킬로그램으로 생산되어야 한다.

단일층 탄소 나노튜브(carbon nanotube)의 합성에 직면된 어려움은, 특히 그것들의 재생에 있는, 그것들이 아주 휘발성이 강하고 합성하는 동안 소멸될 수 있는 것이다.

종래의 단일층 나노튜브를 생산하는 방법에 의하면, 분말 또는 막형태가 얻어지며 가스에서 수송되는 나노튜브의 적층을 위해 많은 냉각유체의 흐름이 요구된다. 나노미터 크기의 단섬유 구조들(nanometric filamentary structures)의 생산을 위해 많은 기구와 방법이 제안되어 왔으며, 상기 제안된 방법은 합성시의 생산구조들의 양과 질의 결정하기에는 불충분한 해결방안들이며, 사실상 이러한 분석은 생산이 정지되었을 때 알 수 있다. 나노미터 크기의 단섬유 구조들(nanometric filamentary structures)이 재생되었을 때 합성과정의 결과나 효과 또는 조정이 확인되거나 검증되는 것은 많은 조정과장과 다양한 실험이 요구되는 점에서 복잡하다.

즉, 합성과정에서 이미 생산된 구조들의 주어진 양이 낮은 품질의 구조들로 오염되는 것에 따라 결정되는 것은 믿을만한 방법이 아니다.

또한, 모든 과정동안 생산품의 효율(생산된 구조들의 양과 같은) 또는 특정 시간대에 효율이 낮아지거나 상당히 줄어드는 것을 결정하는 것은 좋은 방법이 아니다. 나노미터 크기의 단섬유 구조들(nanometric filamentary structures)의 합성에서, 상기 구조들이 메탈 플레이트와 같은 냉각된 표면에 적층되는 방법이 많이 제안되었다.

그러나, 이러한 방법을 이용하는 경우, 분말의 편성이나 많은 냉객유체의 흐름이 요구된다. 사실상 다수의 나노미터 크기의 단섬유 구조들(nanometric filamentary structures)은 재생하기 복잡하고 공기 중으로 분산되기 쉬운 미세한 분말이나 막의 화합물들(compounds)로 이루어진다. 이러한 파우더들은 인간의 신체에 해로운 유독성 생산품을 제공한다. 따라서, 이러한 단점이 없이 나노미터 크기의 단섬유 구조들(nanometric filamentary structures)을 재생하거나 복구할 수 있는 방법을 제공하는 것이 요구된다.

미국특허 6,899,945(US 6,899,945)는 소위 버키락(buckyrock)으로 불리우는 3차원 단일층 탄소 나노튜브(carbon nanotube) 고체 블록 물질을 기재한다. 상기 물질은 강도 및 경도가 높으며, 일반적으로 유연하고 장갑(armor)으로의 사용에 효율적이라고 기술된다. 이 물질의 밀도는 0.7205 g/cm3라고 기재하고 있다.

미국 특허(US 6,979,709)는 적어도 106 단일층의 탄소 나노튜브(carbon nanotube)가 일반적으로 수평방향으로 묶인 거시적인 탄소섬유조합체로 기술한다. 상기 단일층 탄소 나노튜브(carbon nanotube)는 밀집된 구조인 정삼각 격자(regular triangular lattice)로 배치된다.

상기 거시적인 탄소 섬유는 반구의 플러린(hemispheric fullerene) 캡(cap)이 관형의 탄소분자(tubular carbon molecules)의 상단이 배열에서 제거되며, 상기 배열에서 상기 관형의 탄소분자(tubular carbon molecules)의 상단이 촉매 메탈과 접촉되는 발달기술에 의해 얻어진다. 500° C to about 1300° C의 범위에서 단부를 가열하기 위해 집중 에너지(localized energy)가 배열의 단부에 적용되는 동안 탄소 가스의 배열의 단부에서 공급된다. 상기 탄소 나노튜브(carbon nanotube) 합성 또 다른 중요한 단점은 제안된 방법들이 연속적이지 않다는 것이다.

사실, 탄소 나노튜브(carbon nanotube) 생산을 위한 연속적인 방법을 얻기 위해서는 상기 합성 및 적층 및/도는 재생이 연속적인 방법에 의해 수행되어야 한다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기의 결점들을 극복하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 합성 동안에 준비된 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 만족스러운 비율로 쉽게 회수할 수 있게 하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하기 위한 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 합성 동안에 준비된 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 만족스러운 비율로 쉽게 회수할 수 있게 하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하기 위한 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 끊임없이 적층하기 위한 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 끊임없는 적층이 가능하게 하는 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 합성 동안에 제조된 나노튜브들의 질 및/또는 양을 실시간으로 더 좋게 결정하게 하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 합성 동안에 제조된 나노튜브들의 질 및/또는 양을 실시간으로 더 좋게 결정하게 하는 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 나노미터 크기의 단섬유 구조들에 노출된 작업자에 대한 위험을 줄일 수 있게 하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 나노미터 크기의 단섬유 구조들에 노출된 작업자에 대한 위험을 줄일 수 있게 하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하는 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 합성 동안에 미리 준비된 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 만족스러운 비율로 쉽게 회수할 수 있게 하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하기 위한 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 휘발성 파우더 또는 전극막(membrane) 형태의 나노미터 크기의 단섬유 구조들이 직면한 몇가지 결점들을 방지할 수 있는 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 특별한 형태를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 촉매 지지체, 리튬 배터리 전극, 연료 전지 전극, Ni/MH 배터리 전극, 슈퍼 커패시터 전극막, 필터 물질 또는 혼성 물질을 만들기 위한 소지 복합체(polymer matrix)와 같은 매트릭스 물질속으로 분산되게 하기 위한 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 결합체를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 전극들 중 적어도 하나에 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층시키기 위해, 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 포함하는 기체 상태를, 전기장을 발생시키는 적어도 두 개의 전극 사이에 한정된 공간으로 통과시키는 단계; 적층하는 동안 상기 적층된 나노미터 크기의 단섬유 구조들이 상기 전극들을 교락시키는 것을 실질적으로 방지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층시키는 방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면,

a) 그들 사이에 공간을 한정하는 제1 전극 및 제2 전극과 같은, 적어도 두 개의 전극들을 포함하는 한 조의 전극들을 제공하는 단계;

b) 전기장을 발생시키기 위해 상기 전극들 사이에 전위차를 인가하는 단계;

c) 상기 전극들 중 적어도 하나의 전극 위에 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하기 위해, 상기 구조들을 포함하는 기체 상태를 상기 공간으로 통과시키는 단계; 및,

d) 상기 적층 동안에 상기 적층된 나노미터 크기의 단섬유 구조들이 상기 전극을 교락하는 것을 실질적으로 방지하는 단계로 이루어지는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하는 방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 전극들 중 적어도 하나에 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층시키기 위해, 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 포함하는 기체 상태를, 전기장을 발생시키는 적어도 두 개의 전극 사이에 한정된 공간으로 통과시키는 단계; 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하는 동안, 상기 전극들과 접하는 어느 하나로부터 상기 구조들의 일부분을 제거함으로써, 상기 적어도 두 개의 전극을 교락시키는 구조들을 실질적으로 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층시키는 방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 전극들 중 적어도 하나에 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층시키기 위해, 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 포함하는 기체 상태를, 전기장을 발생시키는 적어도 두 개의 전극 사이에 한정된 공간으로 통과시키는 단계; 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하는 동안, 상기 전극들과 접하는 어느 하나로부터 상기 구조들의 일부분을 제거함으로써, 상기 적어도 두 개의 전극들과 동시에 접촉하는 구조들을 실질적으로 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층시키는 방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 그들 사이에서 공간을 한정하는 제1 전극 및 제2 전극과 같은 적어도 2개의 전극을 포함하는 한 조의 전극들을 제공하는 단계; 전기장을 발생시키기 위해, 상기 전극들 사이에 전위차를 인가하는 단계; 및, 상기 전극들 중 적어도 하나에 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층시키기 위해, 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 포함하는 기체 상태를 상기 공간으로 통과시키고, 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하는 동안, 상기 전극들과 접하는 어느 하나로부터 상기 구조들의 일부분을 제거함으로써, 상기 적어도 두 개의 전극을 교락시키는 구조들을 실질적으로 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층시키는 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하기 위한 후자의 5가지 방법들을 사용하면, 효과적인 적층과 간단한 회수를 제공함으로써 상기 구조들의 제조를 상당히 촉진시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.

실제로, 상기 방법들을 사용하면, 낮은 비용으로 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 신속히 회수하고 적층하는 작업을 수행하게 됨으로써 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 제조하는 방법과 장치의 생산성을 향상시킬 수 있게 된다.

나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층시키는 본 발명의 방법을 사용하면, 기존에 제안된 해결책과 비교하여 더 연장된 시간 동안 상기 구조들을 제조할 수 있게 된다.

특히, 상기 구조들에 의해 전극들이 교락되는 것을 실질적으로 방지하는 방법을 사용할 때, 회로 단락, 클로깅(clogging), 재밍(jamming)과 같은 많은 사고를 방지할 수 있고, 그리하여 더 연장된 시간 동안 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 생산하는 과정을 수행할 수 있게 된다. 실제로, 상기 방법들은 연속적인 방식으로 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 합성을 수행하게 한다. 그러므로, 상기 구조들을 제조하기 위한 과정의 효율은 상당히 향상된다. 또한, 상기 구조들을 제조하는 비용이 상당히 절감된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 탄소 나노튜브 제조 장치와 나노미터 크기의 단섬유 구조를 적층하기 위한 장치를 포함하는 시스템의 개략적인 단면도,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소 나노튜브 제조 장치와 나노미터 크기의 단섬유 구조를 적층하기 위한 장치를 포함하는 시스템의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄소 나노튜브 제조 장치와 나노미터 크기의 단섬유 구조를 적층하기 위한 장치를 포함하는 시스템의 개략적인 단면도이다.
도 4는 도 1 내지 도 3에 개략적으로 도시된 나노미터 크기의 단섬유 구조를 적층하기 위한 장치를 상세히 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극(electrode)을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노미터 크기의 단섬유 구조를 적층하기 위한 장치를 도시한 정면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 장치의 측면도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노미터 크기의 단섬유 구조를 적층하기 위한 장치와 방법을 사용하여 얻은 단일층 탄소 나노튜브의 거미집 같은 미시적인 구조를 도시한 도이다.
도 9는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 나노미터 크기의 단섬유 구조의 미시적인 결합을 이룬 섬유(filaments)를 도시한 도로써, 여기서 상기 섬유는 연장된 부재의 주위에 감겨서 말아지고 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노미터 크기의 단섬유 구조를 적층하기 위한 장치와 방법에 의해 얻은 단일층 탄소 나노튜브들이다.
도 10은 도 9에 도시된 나노미터 크기의 단섬유 구조들(단일층 탄소 나노튜브들)의 육안으로 보이는(macroscopic) 결합의 섬유들을 확대하여 도시한 도이다.
도 11은 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 나노미터 크기의 단섬유 구조를 적층하기 위한 방법을 수행할 때, 얻은 전류(current over time)의 변화를 도시한 그래프로써, 여기서 단일층 탄소 나노튜브는 적층되어 있다.
도 12는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하기 위한 장치의 개략저인 단면도를 도시한 것으로써, 여기서 상기 적층 장치는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 산출물을 모니터링하기 위한 장치를 포함한다.
도 13은 도 12에 개략적으로 도시된 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 산출물을 모니터링하기 위한 장치를 상세히 도시한 단면도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하기 위한 장치의 개략적인 단면도로써, 여기서 상기 장치는 다양한 타입의 이온화 유닛을 포함할 수 있다.
도 15는 도 14에 개략적으로 도시된 본 발명에 다른 실시예에 따른 이온화 유닛 또는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 이온화하기 위한 장치를 상세히 도시한 단면도이다.
도 16은 도 14에 개략적으로 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 이온화 유닛을 상세히 도시한 단면도이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노미터 크기의 단섬유 구조를 적층하기 위한 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노미터 크기의 단섬유 구조를 적층하기 위한 장치에서 기체 상태로 유동하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 결합체를 보여주는 사진이다.
도 19는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하기 위한 장치에서, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 육안으로 보이는 거미집 모양의 구조를 형성한 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 적층된 거시적인 결합들을 보여주는 사진으로써, 여기서 상기 장치의 두 전극이 교락(橋絡;bridge)하는 것을 보여주기 위해, 상기 구조들이 상기 전극들이 교락하는 것을 방지하기 위한 수단들은 자발적으로 비활성화된다.
도 20은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하기 위한 장치 및 방법으로 얻은 적층된 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 투과형 전자 현미경(Transmission Electron Microscope; 이하 “TEM”) 이미지로써, 여기서 상기 적층된 구조들은 단일층 탄소 나노튜브들이다.
도 21은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하기 위한 장치 및 방법으로 회수된 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 로만 스펙트럼(Raman spectrum)으로써, 여기서 상기 적층된 구조들은 단일층 탄소 나노튜브들이다.
도 22는 도 21에서 분석된 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조물들의 열중량 분석(Thermogravimetric Analysis; 이하 “TGA”)의 그래프이다.
도 23은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 산출물을 모니터링하기 위한 방법을 수행할 때 얻은 전류(current over time)의 변화를 보여주는 그래프로써, 여기서 상기 구조들은 단일층 탄소 나노튜브들이다.
도 24A는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 산출물을 모니터링하기 위한 방법을 수행할 때 얻은 전류(current over time)의 변화를 보여주는 그래프로써, 여기서 상기 구조들은 단일층 탄소 나노튜브들이고 상기 그래프는 상기 단일층 탄소 나노튜브들의 정상적이고 효과적인 산출 기간 동안에 얻은 전류 거동을 보여주고 있다.
도 24B는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 산출물을 모니터링하기 위한 방법을 수행할 때 얻은 전류(current over time)의 변화를 보여주는 그래프로써, 여기서 상기 구조들은 단일층 탄소 나노튜브들이고 상기 그래프는 상기 단일층 탄소 나노튜브들의 비정상적(problematic)이고 비효과적인 산출 기간 동안에 얻은 전류 거동을 보여주고 있다.
도 25는 도 24A 및 도 24B의 그래프로부터 얻은 모니터링 장치의 시간에 대한 전류의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 26은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노미터 크기의 구조들의 산출물을 모니터링하기 위한 방법을 수행하는 동안 광학 장치로 얻은 시간의 함수로 전송된 전력(transmitted power)을 표현하는 광학 흡수 그래프(optical absorption graph)로써, 여기서 상기 광학 장치는 He-Ne 632.8nm 레이져를 포함하고 상기 구조들은 단일층 탄소 나노튜브들이다.
도 27은 본 발명에 바람직한 일 실시예에 따른 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 미시적인 결합체를 보여주는 사진으로써, 여기서 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들은 단일층 탄소 나노튜브들이다.
도 28은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 육안으로 보이는 결합체를 보여주는 사진으로써, 여기서 상기 육안으로 보이는 결합체는 다수의, 도 27에 보여진, 미시적인 결합체들을 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면,

(a) 유입구;

하나의 유입구와 적어도 두 개의 배출구를 포함하는 밸브, 이때 상기 배출구는 상기 밸브의 유입구와 유체 흐름으로 연결되어 선택적으로 배치되고, 상기 밸브의 유입구는 장치의 유입구와 유체 흐름으로 연결되는 밸브;

적어도 두 개의 적층 유닛, 이때 상기 적층 유닛 각각은 적어도 두 개가 한 조를 이루는 전극세트를 포함하며, 제1 전극과 상기 제1 전극과의 사이에서 공간을 한정하는 제2 전극, 상기 공간은 상기 밸브의 배출구 중 어느 하나와 유체 흐름으로 연결되고 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 포함하는 기체 상태를 수용하는 크기로 형성된 적층 유닛;

을 포함하는 장치를 제공하는 단계;

(b) 상기 기체 상태를 상기 장치의 유입구, 상기 밸브 그리고 선택된 적층 유닛을 통과시킨 후, 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적어도 하나의 전극 위에 적층시키기 위해 상기 선택된 적층 유닛의 전극들 사이에 전위차를 인가하는 단계; 및,

또 다른 적층 유닛을 선택하고 상기 (b)단계를 반복하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 위에 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 연속적으로 적층시키는 방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 전극들 위에 적층시키는 연속적인 방법을 제공한다.

상기 방법은, 한 조의 전극들 중 적어도 어느 하나 위에 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하기 위해, 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 포함하는 기체 상태를 전기장을 발생시키는 선택된 한 조의 전극들(제1 전극) 중 적어도 두 개의 전극들 사이로 통과시키는 단계;

그 후, 다른 조(set)의 전극들 중 적어도 어느 한 전극에 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하기 위해, 원하는 시간에, 적어도 두 개의 전극들을 포함하는 전극(제2 전극)의 다른 조를 선택하고 상기 기체 상태를 통과시키는 단계로 이루어진다. 바람직하게는, 상기 방법은 다른 조의 전극들 사이에 구조들을 적층하는 동안 한 조의 전극들로부터 상기 적층된 구조들을 회수하는 단계를 포함한다.

본 발명의 기술이 속하는 분야의 통상의 기술을 가진 자는 적어도 두 조의 전극들이 있다면 상기 방법을 실행할 수 있다는 것을 알 것이다.

수 많은 별개의 조로 구성된 전극들(바람직하게는 3 내지 10, 더 바람직하게는 4 내지 8)을 사용하면 보다 효과적으로 수행되어 다른 조로 상기 구조들을 적층하는 동안 여러 조의 전극들로부터 적층된 물질을 적정한 시간에 회수할 수 있게 된다. 또한, 적층된 구조들의 다른 샘플 또는 묶음들(batch)은 더 효과적으로 분리할 수 있게 되고, 각각 다른 순도(purity)를 가지게 될 것이다. 실제로, 상기 구조들을 제조하는 과정 동안, 품질, 크기, 그리고 다른 특성들은 가능한한 일정하게 유지되는 것이 바람직하다. 후자의 두가지 방법을 사용하면, 연속적인 방식으로 기체 상태의 합성 동안 제조되는 구조들과 같은 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하는 것이 가능하다.

상기 방법을 사용하면, 기체 상태의 합성에서 제조 과정을 멈추지 않거나 또는 제조 장치를 끄지 않고도 적층된 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 제조와 회수가 가능하다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 전극들 중 적어도 어느 하나의 전극에 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하기 위해, 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 포함하는 기체 상태를 전기장을 발생시키는 적어도 두 개의 전극 사이에 한정되는 공간으로 통과시키는 단계; 불활성 기체 분위기에서 상기 전극들 중 적어도 어느 하나의 전극으로부터 상기 적층된 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 수집하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 회수하는 방법이 제공된다.

상기 방법은 불활성 기체 분위기에서 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 뭉치는 과정을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 방법은 상기 수집 단계를 수행하기 전에 상기 전극들 사이에 인가된 전위차를 오프하는 과정을 포함할 수 있다.

상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하는 단계 동안, 적어도 두 개의 전극들을 교락시키는 구조들은, 상기 전극들 중 접하는 어느 하나의 전극으로부터 상기 구조들의 일부분을 제거함으로써 실질적으로 제거될 수 있다.

대안적으로, 상기 방법은 상기 적층 동안 상기 적층된 나노미터 크기의 단섬유 구조들이 상기 전극들을 교락하는 것을 방지하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 방법은 미리 결정된 시간 동안의 전류 거동을 분석하는 단계 및/또는 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들 또는 이들의 결합체의 크기, 밀도 또는 형태를 분석하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 후자의 방법을 사용하면, 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 전극 위에 적층할 수 있고, 기체 상태의 합성 동안 제조된 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 효과적인 비율로 회수할 수 있게 된다.

또한, 상기 방법은 상기 구조들이 산소 또는 수분에 노출되는 위험을 상당히 줄여줌으로써, 제조된 구조들의 특성이 변형되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 상기 방법은 작업자가 건강에 해롭고 치명적일 수 있는 나노미터 크기의 단섬유 구조에 노출되는 위험을 줄여줄 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 내경(internal bore)과 유입구와 배출구를 포함하며, 상기 유입구와 배출구는 상기 내경과 유체 흐름으로 연결되어 있고, 상기 내경을 한정하는 하우징, (상기 하우징은 바람직하게는 연장된 부재이고, 상기 연장된 부재가 상기 내경을 한정한다.); 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 포함하는 기체 상태를 수용할 수 있는 크기의 공간을 한정하며, 상기 내경 내에 배치된 제1 전극과 제2 전극, 이때, 상기 제1 전극은 상기 하우징(상기 연장된 부재), 그리고 상기 하우징(상기 연장된 부재)에 인접한 지지 부재와 연결되는 제2 전극과 연결되며, 상기 전극들은 상기 전극들 중 적어도 어느 하나의 전극 위에 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층시키기 위해 전기장을 발생시키는 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층시키기 위한 장치를 제공한다.

상기 후자의 장치를 사용하면, 기체 상태의 합성 동안 제조된 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 만족스러운 비율로 회수할 수 있게 된다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 내경(internal bore)과 유입구와 배출구를 포함하며, 상기 유입구와 배출구는 상기 내경과 유체 흐름으로 연결되어 있고, 상기 내경을 한정하는 하우징; 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 포함하는 기체 상태를 수용할 수 있는 크기의 공간을 한정하며, 상기 내경 내에 배치된 제1 전극과 제2 전극, 이때, 상기 제1 전극은 상기 하우징, 그리고 상기 하우징에 인접한 지지 부재와 연결되는 제2 전극과 연결되며, 상기 전극들은 상기 전극들 중 적어도 어느 하나의 전극에 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층시키기 위한 전기장을 발생하는 제1, 제2 전극; 상기 이온화 유닛은 상기 내경과 상기 제1, 제2 전극들의 상부(upstream)와 유체 흐름으로 연결되고, 상기 공간 내에서 상기 구조들이 수용되고 편광되기 전에 상기 구조들을 이온화하는 데 효과적이며, 전류, 유도 전류, 또는 광 이온을 발생시키는 수단을 포함하는 이온화 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층시키기 위한 장치를 제공한다.

상기 후자의 장치를 사용하면, 기체 상태의 합성 동안 제조된 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 만족스러운 비율로 회수할 수 있게 된다. 특히, 상기 이온화 장치는 그들의 집합과 적층을 촉진시킨다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 내경(internal bore)과 유입구와 배출구를 포함하며, 상기 유입구와 배출구는 상기 내경과 유체 흐름으로 연결되어 있고, 상기 내경을 한정하는 하우징; 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 포함하는 기체 상태를 수용할 수 있는 크기의 공간을 한정하며, 상기 내경 내에 배치된 제1 전극과 제2 전극, 이때, 상기 제1 전극은 상기 하우징, 그리고 상기 하우징에 인접한 지지 부재와 연결되는 제2 전극과 연결되며, 상기 전극들은 상기 전극들 중 적어도 어느 하나의 전극에 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층시키기 위한 전기장을 발생하는 제1, 제2 전극; 및, 적층된 나노미터 크기의 단섬유 구조들이 상기 전극들을 교락시키는 것을 실질적으로 방지하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층시키기 위한 장치를 제공한다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 전극들 중 적어도 하나의 전극 위에 있는 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하기 위한 전기장을 발생시키며, 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 포함하는 기체 상태를 수용하는 크기로 형성된 공간을 한정하는 적어도 두 개의 전극, 및 적층된 나노미터 크기의 단섬유 구조들이 상기 전극들을 교락시키는 것을 실질적으로 방지하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층시키기 위한 장치를 제공한다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 내경(internal bore)과 유입구와 배출구를 포함하며, 상기 유입구와 배출구는 상기 내경과 유체 흐름으로 연결되어 있고, 상기 내경을 한정하는 하우징; 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 포함하는 기체 상태를 수용할 수 있는 크기의 공간을 한정하며, 상기 내경 내에 배치된 제1 전극과 제2 전극, 이때, 상기 제1 전극은 상기 하우징, 그리고 상기 하우징에 인접한 지지 부재와 연결되는 제2 전극과 연결되며, 상기 전극들은 상기 전극들 중 적어도 어느 하나의 전극에 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층시키기 위한 전기장을 발생하는 제1, 제2 전극들이 상호 회전운동 관계에 있는 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하기 위한 장치를 제공한다.

상기 후자의 세가지 장치를 사용하면, 기존의 방법과 비교하여 더 연장된 시간 동안 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층할 수 있게 된다.

또한, 상기 장치를 사용하면, 상기 구조들의 효과적인 적층과 간단한 회수가 가능하게 함으로써 상기 구조들의 생산성을 상당히 촉진시킬 수 있게 된다.

상기 장치들은 낮은 비용으로 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 신속히 회수하고 적층할 수 있게 함으로써 상기 구조들을 제조하는 장치들의 생산성을 향상시킬 수 있게 한다.

특히, 상기 구조들에 의해 전극들이 교락되는 것을 실질적으로 방지하는 방법을 사용할 때, 회로 단락, 클로깅(clogging), 재밍(jamming)과 같은 많은 사고를 방지할 수 있고, 그리하여 더 연장된 시간 동안 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 생산하는 과정을 수행할 수 있게 된다. 따라서, 상기 구조들을 생산하기 위한 비용은 상당히 절감된다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면,

나노미터 크기의 단섬유 구조들을 포함하는 기체 상태를 수용하는 크기로 된 적어도 하나의 유입구; 배출구는 선택 장치의 유입구와 유체 흐름으로 연결되기에 적합하도록 선택적으로 배치되며, 선택 장치의 유입구는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층시키기 위한 장치의 유입구와 유체 흐름으로 연결되는, 하나의 유입구와 적어도 두 개의 배출구를 포함하는 적어도 하나의 선택 장치; 상기 기체 상태를 수용하는 크기로 형성되는 공간을 한정하는 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 적어도 두 개의 적층 유닛으로써, 상기 공간은 상기 선택 장치의 배출구와 유체 흐름으로 연결되고, 상기 전극들은 상기 전극들 중 적어도 하나에 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층시키기 위한 전기장을 발생시키는 적어도 두 개의 적층 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층시키기 위한 장치를 제공한다.

상기 후자의 장치를 사용하면, 연속적인 방식으로 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하고 회수하는 것이 가능하다. 즉, 연속적인 방식으로 제조 과정을 수행할 수 있게 된다. 실제로, 상기 방법들은 연속적인 방법으로 수행될 수 있다. 상기 장치들을 사용하면, 상기 구조들을 효과적으로 적층하고 간단하게 회수할 수 있게 됨으로써 상기 구조들의 생산성을 촉진할 수 있게 된다.

상기 장치들은 낮은 비용으로도 신속하게 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 회수하고 적층할 수 있게 함으로써 상기 구조들을 제조하기 위한 장치의 생산성을 향상시킨다.

*본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 기체 상태에서 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 결합하기 위해, 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 포함하는 기체 상태를 전기장을 발생시키는 적어도 두 개의 전극들 사이에 한정되는 공간으로 통과시키는 단계를 포함하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 결합체를 형성하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 상기 결합체를 압축하는 단계 및/또는 상기 결합체를 표면 위에 적층하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 전극들 중 적어도 어느 하나의 전극 위에 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하기 위해, 상기 구조들을 포함하는 기체 상태 또는 기체의 혼합물을 전기장을 발생시키는 적어도 두 개의 전극사이에 한정되는 공간으로 통과시키는 단계, 여기서 상기 구조들을 적층하기 전에, 상기 구조들을 편광하기 위해 적어도 부분적으로 상기 구조들이 이온화되고, 그리하여 결합 또는 적층을 촉진하는 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하기 위한 방법을 제공한다. 바람직하게는 상기 이온화는 상기 구조들을 적어도 부분적으로 이온화한다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 편광하기 위해, 기체 상태에 포함된 상기 구조들을 적어도 부분적으로 이온화하는 단계; 및, 상기 전극들 중 적어도 어느 하나의 전극 위에 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하기 위해, 상기 구조들을 포함하는 기체 상태 또는 기체의 혼합물을 전기장을 발생시키는 적어도 두 개의 전극사이에 한정되는 공간으로 통과시키는 단계를 포함하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하는 방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 제조하는 단계, 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하는 단계, 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 회수(recover)하는 단계, 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하기 전에 상기 구조들의 편광하기 위해, 상기 구조들을 이온화한 후, 상기 구조들의 결합체 또는 적층물을 촉진하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 제조하는 단계,

상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하는 단계,

상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 회수(recover)하는 단계,

상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하기 전에, 광 탐사침에 의해 및/또는 전류 거동을 분석함으로써 상기 구조들의 생산성을 양적 및/또는 질적인 방법으로 분석하기 위해, 상기 제조된 구조들의 일부분을 모니터링 챔버로 유입함으로써 상기 구조들의 생산성을 실시간으로 모니터링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면,

(i) 원하는 때에 실시간으로 상기 구조들의 생산성을 모니터링하기 위해, 상기 구조들이 모니터링 챔버로 유입되는 것을 제어하는 수단, (ii) 원하는 때에 상기 구조들이 상기 모니터링 챔버로부터 배출되게 하는 수단, (iii) 상기 구조들을 감지하는 광 탐사침을 포함하는 모니터링 챔버;

상기 모니터링 챔버와 한 쌍을 이루며, 나노미터 크기의 단섬유 구조들이 형성되는 적층 챔버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 제조하는 장치를 제공한다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면,

전극들 사이의 전류를 증가시키기 위해, 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 포함하는 기체 상태를 전기장을 발생시키는 적어도 두 개의 전극 사이에 한정된 공간으로 통과시키는 단계; 미리 결정된 시간 동안 상기 전류의 거동(behavior)을 분석하는 단계 및/또는 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들 또는 이들의 결합체의 크기, 밀도 또는 형태를 분석하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 생산성을 모니터링하는 방법을 제공한다.

상기 분석으로부터 획득된 결과들은 제조된 상기 구조들의 품질 및/또는 양을 결정하기 위해 표준 그래프와 대조될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 생산성을 모니터링하기 위한 방법을 제공한다.

상기 방법은 기체 상태 내로 운반된 상기 구조들을 양적인 방법으로 분석하기 위해 상기 구조들을 포함하는 기체 상태를 감지하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 분석 단계는 상기 기체 상태 내에 임시로 머무르는 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 밀도를 분석함으로써 수행된다.

바람직하게는, 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 밀도에 대한 분석은 상기 기체 상태 내에 존재하는 상기 구조들의 광 흡수를 분석함으로써 수행된다.

바람직하게는, 상기 감지 단계는 실시간으로 수행된다. 또한, 상기 감지 단계는 광 탐사침을 사용하여 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 제조하는 동안 상기 구조들의 형성 과정을 모니터링하는 방법을 제공한다.

상기 방법은 제조된 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 분석하기 위해 광 탐사침으로 상기 구조들의 샘플을 실시간으로 감지하는 단계를 포함한다.

상기 분석은 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 밀도를 분석함으로써 수행될 수 있다.

상기 감지 단계는 제조 챔버 또는 상기 구조들이 제조되는 장치와 다른 챔버인 모니터링 챔버에서 수행될 수 있다.

또한, 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 생산하기 위한 장치의 생산율을 모니터링은, 상기 제조 챔버 유입구 상부의 전기장이 없는 영역에서 수행될 수 있다.

상기 후자의 세가지 방법을 사용하면, 상기 기체 상태 내에 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 존재 여부를 실시간으로 모니터링하고 검출할 수 있다.

실시간으로 제조된 상기 구조들의 품질 및/또는 양을 계산하고, 만약 선택된 시간에 상기 제조된 구조들의 품질 및/또는 양이 일정한 요구치를 충족시키지 못할 경우 제조 과정을 중단하도록 할 수 있기 때문에, 상기 방법들은 특히 유용하다.

이렇게 함으로써, 합성하는 동안 직면하는 여러 가지 문제들을 신속히 검출하고, 열등한 품질의 구조들로 인해 적층된 구조들이 오염되는 것을 방지할 수 있게 된다.

또한, 상기 방법은 제조된 나노미터 크기의 단섬유 구조들에 가해지는 일정한 변형물들의 충격을 신속하고 효과적으로 계산할 수 있게 한다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 수용하기에 적합한 내경을 한정하고, 상기 내경과 연결되는 유입구와 배출구를 구비한 하우징; 및, 상기 내경과 유체 흐름으로 연결되고, 미리 결정된 시간 동안 전류의 거동을 분석하기 위한 수단들을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 생산성을 모니터링하는 장치를 제공한다.

상기 전류의 거동을 분석하는 수단은 적어도 두 개의 전극들을 포함하는 한 조의 전극들을 포함할 수 있다.

상기 장치는 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들 또는 이들의 결합체의 크기, 밀도 또는 형태를 분석하기 위한 카메라 또는 광 탐사침과 같은 수단을 더 포함할 수 있다.

상기 광 탐사침은 레이져 빔, 적외선 빔, 가시 광선 빔 또는 자외선 빔과 이들의 혼합빔으로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다.

상기 구조들 또는 이들의 결합체의 크기, 밀도 또는 형태를 분석하는 수단은 상기 내경 또는 상기 내경에 인접한 곳에 배치될 수 있다.

또한, 상기 구조들 또는 이들의 결합체의 크기, 밀도 또는 형태를 분석하는 수단은 상기 장치의 유입구에 배치될 수 있다.

상기 유입구는, 원하는 때에, 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 제조하는 장치와 유체 흐름으로 연결될 수 있다.

상기 유입구는 상기 내부 챔버와 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 제조하는 장치 사이의 연결을 선택적으로 허용하는 밸브를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 구조들을 수용하기에 적합한 내경을 한정하고, 상기 내경과 연결되는 유입구 및 배출구를 구비한 하우징; 기체 상태 내에 있는 나노미터 크기의 단섬유 구조들 또는 이들의 결합체의 크기, 밀도 또는 형태를 분석하기 위한 장치를 포함하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 생산성을 모니터링하는 장치를 제공한다. 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 밀도를 분석하기 위한 수단은 광 탐사침을 포함할 수 있다.

상기 유입구는, 원하는 때에, 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 제조하는 장치와 유체 흐름으로 연결될 수 있다.

상기 구조들 또는 이들의 결합체의 크기, 밀도 또는 형태를 분석하는 수단은 상기 내경 또는 상기 내경에 인접한 곳에 배치될 수 있다. 또한, 상기 구조들 또는 이들의 결합체의 크기, 밀도 또는 형태를 분석하는 수단은 상기 장치의 유입구에 배치될 수 있다. 상기 장치는 적어도 두 개의 전극을 포함하는 한 조의 전극들을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 구조들을 수용하기에 적합한 내경을 한정하고, 상기 내경과 연결되는 유입구 및 배출구를 구비한 하우징; 기체 상태 내에 있는 나노미터 크기의 단섬유 구조들 또는 이들의 결합체의 크기, 밀도 또는 형태를 분석하기 위한 수단; 상기 내경과 유체 흐름으로 연결되고, 미리 결정된 시간 동안 전류의 거동을 분석하기 위한 수단을 포함하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 생산성을 모니터링하기 위한 장치를 제공한다.

상기 후자의 세가지 장치를 사용하면, 상기 기체 상태 내에 있는 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 존재 여부를 실시간으로 모니터링하고 검출하는 것이 가능하다.

또한, 상기 방법들은 합성 과정에 가해지는 변형물 또는 변이체의 충격을 실시간으로 신속히 계산하게 할 수 있다. 그러므로, 일정한 변형물 또는 변이체가 상기 구조들의 제조에 대해 우호적이든 비우호적이든 나노미터 크기의 단섬유 구조들이 회수 여부를 결정하기 전에 더 이상 기다릴 필요가 없게 된다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 포함하는 기체 상태를 전기장을 발생시키는 적어도 두 개의 전극 사이에 한정되는 공간으로 통과시키는 단계, 상기 공간에서 상기 전극들 중 적어도 어느 하나의 전극에 상기 구조들을 적층시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하는 방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, a) 적어도 두 개의 전극들(제1 , 제2 전극이며, 그 사이에 형성되는 공간을 한정한다.)을 포함하는 한 조의 전극들을 제공하는 단계, b) 전기장을 발생시키기 위해 상기 전극들 사이에 전위차를 인가하는 단계; c) 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 포함하는 기체 상태를 상기 공간으로 통과시키고, 거기에서 상기 전극들 중 적어도 어느 한 전극 위에 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 전극들 위에 적층시키는 방법을 제공한다.

상기 후자의 두 방법들을 사용하면, 기체 상태 합성 동안 제조된 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 효과적인 비율로 회수할 수 있다. 또한, 본 발명의 장치 및 방법들은, 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 마련하기 위한 다수의 방법들 및 장치들과 함께 사용될 수 있기 때문에 다양하게 응용될 수 있다.

실제로, 본 발명의 장치 및 방법들은 플라즈마 토치-RF, 유도(induction), PTA(Plasma transferred arcs), DC 토치, 마이크로웨이브 토치 등-, HiPco, 레이져 증착법, 기상 화학 증착법, 전기 아크법(electric arc and flame), ID 나노구조들의 모든 종류의 기체 상태 합성법으로 사용될 수 있다.

본 발명의 장치 및 방법들은, 2005. 03. 23일자로 제출된 명세서(US 60/664,952) 정의된 정화 방법 및 장치들, 그리고 2006. 03. 23일자로 제출된 국제출원(PCT/CA), “Methods and Apparatuses for Purifying Carbon Filamentary Structures(US 60/664,952)”과 결합하여 사용될 수 있고, 본 명세서에서 참고문헌으로 합체된다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 거시적인 결합체를 제공한다.

상기 거시적인 결합체는 실질적으로 같은 방향으로 배열되고 함께 연결되어 모이는 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 다수의 미시적인 결합체들을 포함한다.

상기 미시적인 결합체들 각각은 공간들(spaces) 또는 진공(voids) 사이에 한정되는 다수의 부재들을 포함한다.

상기 부재들 각각은 나노미터 크기의 단섬유 구조 또는 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 번들(bundle)을 포함한다.

상기 거시적인 결합체는 약 8 mg/cm³ 이하의 밀도를 가진다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 거시적인 결합체를 제공한다. 상기 결합체는 실질적으로 같은 방향으로 배열되고 함께 연결되는 다수의 나노미터 크기의 미시적인 결합체를 포함한다. 상기 미시적인 결합체들 각각은 그들 사이의 다수의 공간을 한정하는 다수의 부재들을 포함한다. 상기 부재들 각각은 적어도 하나의 나노미터 크기의 단섬유 구조 또는 적어도 하나의 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 번들(bundle)을 포함하며, 상기 거시적인 결합체는 발포체의 형태이다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 거시적인 결합체를 제공한다. 상기 거시적인 결합체는 실질적으로 같은 방향으로 정렬되고 함께 연결되고 모인 다수의 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 미시적인 결합체들을 포함한다.

상기 미시적인 결합체들 각각은 그들 사이의 다수의 공간을 한정하는 다수의 부재들을 포함한다. 상기 부재들 각각은 적어도 하나의 나노미터 크기의 단섬유 구조 또는 적어도 하나의 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 번들(bundle)을 포함한다. 상기 번들은 100 nm 이하의 직경을 가진다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 포함하는 기체 상태를 전기장을 발생시키는 적어도 두 개의 전극 사이에 한정된 공간을 통과시켜서 획득되는 거시적인 결합체로서,

상기 한정된 공간에서 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 미시적인 결합체들이 형성되고, 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 미시적인 결합체들이 실질적으로 상기 전기장에 대응하여 배열되어 모여서, 상기 전극들의 적어도 어느 하나 위에 적층되어, 상기 전극에서 상기 거시적인 결합체들을 형성하는 것을 특징으로 하는 다수의 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 미시적인 결합체를 포함하는 거시적인 결합체를 제공한다. 상기 미시적인 결합체는 실질적으로 전기장 선을 따라 모이는 것이 바람직하다.

상기 본 발명의 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 거시적인 결합체들은 독특한 특성을 가진다. 특히, 상기 거시적인 결합체들은 발포체의 외관이며, 낮은 밀도를 가진다. 또한, 상기 거시적인 결합체들은 상당히 높은 양의 공간과 틈(interstice)을 포함하고, 따라서 높은 공극률(porosity)과 높은 특정 영역을 가진다. 또한 본 발명의 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 거시적인 결합체들은 높은 흡수율을 가진다.

상기 특징 및 특성들은, 촉매 지지체, 리튬 배터리 전극, 연료 전지 전극, Ni/MH 배터리 전극, 슈퍼 커패시터 전극막, 필터 전극막 그리고 혼성 물질을 만들기 위한 소지 복합체(polymer matrix)와 같은 매트릭스 물질속으로의 분산과 같은 응용을 위해 특히 흥미롭다.

또한, 그들의 발포체의 외관 측면에서, 전기 화학에서 표본으로 사용되는 다양한 촉매를 대체하여 사용될 수 있다. 또한, 큰 부피를 갖는 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 거시적인 결합체는, 단일층 탄소 나노튜브와 같은 파우더나 전극막 형태에서 자주 있는 통상의 나노미터 크기의 단섬유 구조들과는 분명하게 구별된다. 실제로, 상기 본 발명의 거시적인 결합체들은 발포체의 형태를 가지며, 그것은 파우더나 전극막 형태와는 분명하게 대비된다. 이러한 발포체 형태는, 폭발(volatile)하려는 경향을 덜 가지기 때문에, 제품의 제조와 관련된 건강상의 위험을 최소화한다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 거시적인 결합체를 포함하는 발포체를 제공한다. 상기 거시적인 결합체는 실질적으로 같은 방향으로 배열되고 같이 연결되는 다수의 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 미시적인 결합체를 포함한다.

상기 미시적인 결합체들 각각은 그들 사이의 다수의 공간을 한정하는 다수의 부재들을 포함한다. 상기 부재들 각각은 적어도 하나의 나노미터 크기의 단섬유 구조 또는 적어도 하나의 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 번들(bundle)을 포함한다. 상기 번들은 약 100 nm 이하의 직경을 갖는다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 거시적인 결합체를 제공한다.

상기 거시적인 결합체는 실질적으로 같은 방향으로 배열되고 같이 연결되는 다수의 엉킨 나노미터 크기의 단섬유 구조들, 및 이들의 번들을 포함하고, 상기 거시적인 결합체의 밀도는 8 mg/cm³이하이다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 본 발명에서 정의된 적어도 하나의 상기 구조들의 거시적인 결합체를 포함하는 섬유를 제공한다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 적어도 하나의 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 거시적인 결합체를 포함하는 섬유를 제공한다. 상기 거시적인 결합체는 상호 연결된 다수의 미시적인 결합체를 포함한다. 상기 미시적인 결합체들 각각은 그들 사이의 다수의 공간을 한정하는 다수의 부재들을 포함하며, 상기 부재들 각각은 단일의 나노미터 크기의 단섬유 구조 또는 약 100nm 이하의 직경을 갖는 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 번들(bundle)을 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 나노미터 크기의 단섬유들 및 이들의 번들로 된 엉킴(entanglement)을 제공하며, 상기 엉킴은 약 8 mg/cm³이하의 밀도를 갖는다. 본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 본 발명에서 설명된 다수의 섬유들을 포함하는 엉킴을 제공한다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 본 발명에서 정의된 적어도 하나의 섬유와 연장된 부재를 포함하는 섬유와 연장된 부재의 결합체를 제공한다.

적어도 하나의 섬유가 상기 연장된 부재 주위에 휘감긴다. 또한, 상기 결합체는 상기 연장된 부재 주위에 휘감긴 섬유들의 엉킴을 포함한다. 상기 연장된 부재는 전극인 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면,

나노미터 크기의 단섬유 구조들을 포함하는 기체 상태를 전기장을 발생시키는 적어도 두 개의 전극 사이에 한정된 공간을 통과시키되, 상기 한정된 공간에서 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 미시적인 결합체들이 형성되고, 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 미시적인 결합체들이 실질적으로 상기 전기장에 대응하여 배열되어 모여서, 상기 전극들의 적어도 어느 하나 위에 적층되어, 상기 전극에서 상기 거시적인 결합체들을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 거시적인 결합체를 준비하기 위한 방법을 제공한다.

* 상기 미시적인 결합체들은 실질적으로 상기 전기장 선들을 따라서 모이는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면,

나노미터 크기의 단섬유 구조들을 포함하는 기체 상태를 전기장을 발생시키는 적어도 두 개의 전극 사이에 한정된 공간을 통과시키되, 상기 한정된 공간에서 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 미시적인 결합체들이 형성되고, 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 미시적인 결합체들이 실질적으로 상기 전기장에 대응하여 배열되어 모여서, 상기 전극들의 적어도 어느 하나 위에 적층되어, 상기 전극에서 상기 거시적인 결합체들을 형성하는 것을 특징으로 하는 본 발명에서 정의된 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 거시적인 결합체를 준비하기 위한 방법을 제공한다. 상기 미시적인 결합체들은 실질적으로 상기 전기장 선들을 따라서 모이는 것이 바람직하다.

상기 후자의 두 가지 방법들은, 낮은 밀도, 높은 특정 영역, 그리고 높은 공극률과 같은 매우 흥미로운 특성들을 가진 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 거시적인 결합체를 마련할 수 있게 한다. 상기 방법들은 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 준비하기 위해 보통 사용되는 성장 기술과는 대비된다.

탄소 나노튜브를 위한 성장 기술에서, 기판 또는 씨드(seed)로부터 성장이 이루어진다. 실제로, 상기 나노튜브는 촉매 입자들(catalyst particles)로부터 성장하거나 존재하는 나노튜브의 결합체의 성장은 계속될 것이다. 가스를 포함하는 탄소가 상기 촉매 입자들 또는 나노튜브의 결합체와 접촉할 때, 성장 과정은 시작될 것이다. 새로운 나노튜브를 형성하기 위해, 탄소는 상기 입자들 또는 결합체에 더해진다. 그 다음, 더 긴 나노튜브 또는 이들의 결합체를 형성하기 위해 상기 구조 안에서 탄소는 합체될 것이다.

그러나, 본 발명의 방법에서는 기체 상태 내에 있는 상기 구조들(바람직하게는 단일층 탄소 나노튜브)은 이미 성장되고, 전기장에 대응하여 배열되어, 결합되거나 상호 연결되어, 상기 전극들 위에 적층된다.

* 따라서, 상기 후자의 두 가지 방법들은 성장 과정이 아니다. 또한, 상기 거시적인 결합체들은 덜 폭발하려는 경향이 있기 때문에, 인간의 건강에 위험을 줄일 수 있는 형태의 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 제공할 수 있게 한다.

여기서, “나노미터 크기의 단섬유 구조들” 이라는 표현은 1차원 나노미터 크기의 구조들을 말한다. 상기 나노미터 크기의 구조들은 높은 종횡비(길이/직경), 바람직하게는 10이상의 종횡비를 가지기 때문에, 그들이 차지(charge)되었을 때, 상기 구조들은 높은 쌍극자 모멘트를 가진다.

상기 구조들은 100 nm 이하의 직경을 가지며, 이로써 상기 구조들의 표면 또는 팁(tip)에서 국부적인 전기장이 현저히 증가되게 한다. 그래서, 전기장 또는 쇼트키 방사 효과에 의해 전자를 쉽게 방출할 수 있게 된다.

본 명세서에서 사용되는 용어인 “미시적인 거미망 모양의 구조(microscopic web-like structure)”는, 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 언급할 때, 1cm 또는 그보다 작은 크기를 갖는 거미망 모양의 구조를 말한다.

본 명세서에서 사용되는 용어인 “거시적인 거미망 모양의 구조(macroscopic web-like structure)”는, 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 언급할 때, 1cm 보다 큰 크기를 갖는 거미망 모양의 구조를 말한다.

본 명세서에서 사용되는 용어인 “결합체(aggregates)”는, 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 언급할 때, 거시적인 섬유들을 형성하는 방향을 따라 일정하게 배열되어 엉킬 수 있는 다수의 나노미터 크기의 단섬유 구조들 및/또는 이들의 번들을 말한다. 상기 집합체는 높은 비율의 빈 공간을 함유하고 전기장에 의해 유도되는 결합 과정 동안 획득되는 것이 바람직하다.

본 발명의 장치들 및 방법들에서, 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들은 나노선(nanowires), 나노로드(nanorods), 나노섬유(nanofiber), 나노리본(nanoribbon), 나노튜브 또는 이들의 번들, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들은 탄소 나노미터 크기의 단섬유 구조들인 것이 바람직하다.

상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들은 단일층 탄소 나노튜브, 다층 탄소 나노튜브, 나노미터 크기의 탄소 섬유 그리고 이들의 혼합물로 구성된 그룹 중에서 선택되는 것이 더 바람직하다. 특히, 단일층 탄소 나노튜브인 것이 더 바람직하다.

대안적으로, 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들은,

나노선, 나노로드, 나노섬유, 나노리본, 나노튜브 또는 C, BN, B, Si, Ge, Bi, Sn, Te, Se, Hg, Si3N4, V2O3, MX2(여기서, M은 Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W 또는 Re, 또한 X는 S, Se or Te, InP, InAs, GaN, GaP, GaAs, Ga2O3, ZnO, In2O3, Na2V3O7, Al2O3, B2O3, MgO, CdO, SiO2, SnO2, CuO , (SN)x, Cu2S, BxCyNz, NiCl2, InS, ZnS, ZnSe, CdS, CdSe, Ag2Se, SiC, B4C, M2MoX6(여기서의 M은 Li 또는 Na 그리고, X 는 Se 또는 Te, 이들의 코팅된 구조들 및 이들의 혼합물)) 중에서 선택된 요소들의 번들과 같은 1차원의 나노구조들일 수 있다.

본 발명의 방법 및 장치에서 사용되는 상기 기체 상태 또는 기체의 혼합물은 운반 가스와 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 포함할 수 있다.

상기 기체 상태는 입방센티미터(cm3) 당 약 1 x 106 내지 1 x 1012 개의 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 갖는 밀도, 더 바람직하게는 약 5 x 108 내지 5 x 1010 개의 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 갖는 밀도이다.

상기 운반 가스는 He, Ar, H2, H2O, H2S, CO2, CO, N2, Kr, Xe, Ne 또는 이들의 혼합 가스로 구성되는 그룹 중에서 선택될 수 있다.

상기 운반 가스는 Ar, He 또는 이들의 혼합 가스 중 어느 하나인 것이 바람직하다. 상기 기체 상태 또는 기체의 혼합물은 상기 전기장에 실질적으로 직교하는 공간으로 주입되거나 통과되는 것이 바람직하다. 또한, 다른 가스는 상기 기체 상태에 역류(counter-current) 방식으로 주입되는 것이 바람직하다.

상기 공간을 통과하는 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 속도를 늦추기 위해 및/또는 임시로 머무르는 입자들의 국부적인 밀도를 증가시키기 위해, 다른 가스가 상기 공간으로 주입될 수 있다.

상기 다른 가스는 상기 기체 상태의 밀도 보다 더 낮은 밀도를 가지는 것이 바람직하다. 상기 다른 가스는 헬륨과 아르곤 및 이들의 혼합 기체인 것이 바람직하다.

나노미터 크기의 단섬유 구조들의 적층물이 제조되는 본 발명의 방법 및 장치에서, 상기 적층물은 다수의 섬유들을 포함할 수 있다. 상기 섬유들의 각각은 본 발명에서 정의된 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 다수의 거시적인 결합체 또는 이들의 결합체를 포함할 수 있다. 상기 섬유들은 함께 미시적인 거미 모양의 구조를 형성할 수 있다. 상기 섬유들은 거시적인 모양의 구조를 대안적으로 선택할 수 있다. 나노미터 크기의 단섬유 구조들 및 이들의 결합체는 매우 낮은 밀도를 가질 수 있다.

예를 들면, 단일층 탄소 나노튜브와 같은 나노미터 크기의 단섬유 탄소 구조들에 대해, 형성된 거시적인 거미망 모양의 밀도의 최소 한계는 약 1.3 mg/cm3일 수 있다. 탄소 나노튜브들 사이에는 반 데르 발스 힘이 작용하기 때문에, 상기 적층물은 쉽게 압축된다. 가공되지 않은 1 그램의 적층물은 약 125 cm3의 부피를 차지하고, 그것은 약 8 mg/cm3의 밀도의 최대 한계를 줄 수 있다. 약 8 mg/cm3의 최대 한계치에 도달하기 위해 처리될 때, 그들의 밀도는 증가된다.

본 발명의 방법 및 장치에서, 전극들은 편평한 전극 또는 직사각형 프리즘 형태의 전극이 될 수 있다. 또한, 실린더 형상의 전극도 가능하다. 약 0.01 내지 500, 더 바람직하게는 약 0.1 내지 10 μA/cm2의 밀도를 가지는 전류가 상기 전극들에 인가될 수 있다.

전기장은 약 1 x 104 V/m 내지 1 x 107 V/m, 바람직하게는 약 1 x 105 V/m 내지 5 x 106 V/m의 값을 가진 전기장일 수 있다. 상기 전극들 사이에 인가되는 전위차는 DC 전압일 수 있다. 또한, 상기 전극들 사이에 인가되는 전압은 AC 전압일 수 있다. 대안적으로, DC와 AC를 동시에 사용할 수도 있다. 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 포함하는 기체 상태를 상기 공간으로 통과시키기 전에, 상기 구조들이 편광되기 전에, 상기 기체 상태는 그 안에 포함된 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 이온화하기 위해 처리될 수 있다.

이온화(ionization)는 자기장(magnetic field)에 의해 발생한 유도 전류(induced current)에 의해 실행될 수 있거나 전류가 흐르는 사이에서 한 세트의 전극들(a set of electrodes)로 실행될 수 있다. 그것은 또한 광이온화(photoionization)에 의해 실행될 수 있다. 상기 자기장은 코일, 영구 자석, 전자석 또는 솔레노이드에 의해 발생될 수 있다. 이온화는 교류 전류( 1KHz를 초과하는 주파수(frequency)를 바람직하게 포함하는) 또는 직류 전류를 사용함으로써 실행될 수 있다.

상기 광이온화는 플래쉬 램프(flash lamp), 수은 램프(mercury lamp), 자외선 램프(ultraviolet lamp) 등과 같은 광원(photon source)으로 실행될 수 있다.

첨가 기체(additive gas)가 또한, 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 이온화를 완화(modify), 억제(inhibit) 또는 지지(favor)하기 위해 상기 기상에 첨가될 수 있다.

상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들에는 또한, 상기 나노미터크기의 단섬유 구조들의 이온화를 완화, 억제 또는 지지하도록, B,F,N,K 또는 그를 이용한 혼합물을 포함하는 화합물(compound)이 투여될 수 있다.

상기 첨가 기체는 N₂, SF₆, O₂, H₂O, HF, H₂S, CH₃SH, CH₃CH₂SH, CO₂, CO 및 그를 이용한 혼합물들로 이루어지는 상기 그룹으로부터 선택될 수 있다. 바람직하게는, 상기 첨가 기체는 N₂, SF₆, O₂, CO or H₂O이다.

본 발명의 상기 방법 및 장치에 있어서, 사용(use)이 전극들로 이루어질 때, 상기 전극들은 서로에 대해 회전 상태에 있을 수 있으며, 이는 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 상기 적층(deposit)이 그것들을 연결시키지 못하도록 하기 위함이다. 사실상, 상기 전극들은 적어도 상기 전극들 중 어느 하나 이상의 둘레에 상기 적층된 구조들을 적어도 부분적으로 감도록 서로에 대해 회전 상태에 있게된다.

제1 전극은 제2 전극을 수용하도록 디멘션된(dimensioned) 내부 보어(internal bore)를 한정하는 가느다란 부재를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 전극들은 실질적으로 서로 병렬로 있을 수 있다. 상기 제2 전극은 상기 제1 전극과 종방향으로(longitudinally) 일렬로 정렬될 수 있다.

바람직하게, 상기 제2 전극은 상기 내부 보어 내측으로 실질적으로 동축 정렬(coaxial alignment) 상태로 배치된다. 대안적으로, 상기 제2 전극은 상기 가느다란 부재에 대해 실질적으로 수직 수단(perpendicular manner)으로 상기 내부 보어 내에 배치된다.

바람직하게, 상기 전극들 중 적어도 하나 이상은 회전되도록 적응되며, 그로 인해 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 상기 적층은 상기 전극의 둘레에 적어도 부분적으로 감겨진다. 상기 제2 전극은 상기 적층이 상기 전극들을 연결시키는 것을 방지함으로써, 선결된 속도로 회전될 수 있다.

상기 전극은 약 10"2 내지 약 200rpm의 속도, 바람직하게는 약 0.1 내지 100rpm의 속도, 더 바람직하게는 1 내지 30rpm의 속도로 회전될 수 있다.

본 발명의 상기 방법 및 장치에 있어서, 상기 기상 내부에서 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 존재의 검출(detection) 또는 모니터링(monitoring)은 바람직하게 이루어진다.

상기 검출 또는 모니터링 단계(detection or monitoring step)는 상기 전극들 사이의 상기 공간 내로 상기 기상을 삽입하기 전 또는 상기 구조들을 적층시키기 전에 실행될 수 있다.

상기 검출 또는 모니터링 단계는 선결된 시간의 기간을 초과하는 상기 전류의 반응을 분석 및/또는 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들 또는 그를 이용한 집합체들의 크기(size), 밀도(density) 또는 형태(shape)을 분석함으로써 실행될 수 있다. 탐지 또는 관찰단계는 인접하는 챔버와 공간과의 관계에서 수행될 수 있다.

탐지 또는 관찰은 바람직하게는 실시간과 더 바람직하게는 100초 보다 적은 시간에 대해서 수행된다. 전류의 거동에 대한 분석은 시간함수로서 전류의 미분값을 분석함으로써 수행될 수 있다. 전류의 거동에 대한 분석은 시간함수로서 전류의 평균밀도와 표준편차를 분석함으로써 수행될 수 있다. 또는, 시간함수로서 저항값을 분석함으로써 얻어질수 있다. 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 밀도분석은 현재 가스상태의 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 최적의 흡수를 분석함에 의해 수행될 수 있다. 나노미터크기의 단섬유구조들의 분석은 바람직하게는 최적의 시험의 수단에 의하여 수행될 수 있다.

최적의 시험은 레이저빔, 적외선빔, 가시광선 빔 또는 자외선 빔과 혼합물로 구성된 그룹에서 선택될 수 있다.

적층된 나노미터크기의 단섬유 구조들 또는 집합물의 크기, 밀도, 형태의 분석은 카메라에 의한 나노미터크기의 단섬유구조들의 적층을 관찰함으로서 수행될 수 있다. 바람직하게는 상기 분석은 가스상태에서 공간을 지나는 동안에 시간에 대한 전류 또는 저항값의 변화를 관찰함에 의해 실시간으로 수행된다. 바람직하게는 상기 분석은 100초보다 적은 시간단위에 대한 실시간으로 수행된다.

분석중에, 얻어진 자료의 비교는 현재 또는 나노크기의 단섬유 구조들의 부재를 결정하기 위하여 표준그래프와 비교될 수 있다. 예를 들어, 시간에 따른 함수로서 전류와 저항값을 설명하는 그래프는 바람직한 구조들이 생산되었는지 결정하고 확인하기 위하여 사용될 수 있다. 특별히, 상기 분석은 적층의 질을 평가하기 위하여 엑-시츄(ex-situ)분석, 열중량 분석(Thermogravimetric Analysis; 이하 “TGA”), 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope,SEM), 라만 분광법( Raman spectroscopy)에 의해 조정된 표준그래프와 비교될 수 있다.

적층 나노미터크기의 단섬유 구조들에 대한 수단을 수행할 때에, 탐지단계 또는 분석은 메인챔버에서 수행될 수 있다. 그결과, 적층이 만들어진다. 또는 상기 탐지단계 또는 분석은 메인챔버에 인접한 제2챔버 그리고 그것과 함께 유체유동 전달 중에 수행될 수 있다. 이러한 제2챔버의 사용은 상기 구조들이 생성될때 주기적으로 상기 구조들을 탐지함에 의해 최근에 생산된 구조들을 분석하게 하기 때문에 특별히 유리할 수 있다. 사실, 제2챔버에서 이러한 샘플링을 수행함으로써, 실시간에 생산된 구조들의 양 그리고/또는 질을 관찰하는 것이 가능하다.

제2챔버에서 수행된 분석은 그점에 있어서 단지 선택된 시간에 있어서 소개되어진 구조들에 관계가 있다. 따라서, 제 2챔버에서 이러한 분석을 반복함에 의해, 바라던 시간간격에 따라, 생산도중에 생산된 상기 구조들의 질 또는 양이 언제 변화하는 지를 더 정확하게 결정하는 것이 가능하다.

구조들의 불충분한 품질로 제공되는 것이 감지하여 사용자는 이전에 적층된 구조들이 낮은 품질의 구조들에 의해 오염되기 전에 상기 과정을 정지시킬 수 있다. 선택적으로, 제2차 챔버(secondary chamber)는 2 다발(batche)의 감지와 같은 적절한 시간에 세척될 수 있다. 본 발명에 따른 기구 및 방법에서, 전극들(electrode)은 서로 순환관계에 있을 수 있다. 그것들은 전극들 중 적어도 하나에 나노미터 크기의 단섬유 구조들(nanometric filamentary structures)를 적층하기 위해 전기장을 발생할 수 있다.

상기 하우징(housing)은 연장부(elongated member)의 형태일 수 있다. 상기 연장부(elongated member)는 첫 번째 전극이 될 수 있다. 상기 연장부(elongated member)는 적어도 하나의 관측경(observation window)을 더 포함할 수 있다. 상기 두 번째 전극은 상기 연장부(elongated member)에 세로방향으로 정렬될 수 있다.

바람직하게는 상기 두 번째 전극은 실질적으로 상기 첫 번째 전극에 평행하며, 더욱 바람직하게는 상기 두 번째 전극은 상기 연장부(elongated member)에 동축정렬(coaxial alignment)로 적층될 수 있다. 대안적으로, 상기 두 번째 전극은 상기 연장부(elongated member)에 실질적으로 수직정렬(perpendicular alignment)된 내부 보어(internal bore)에 배치될 수 있다.

상기 두 번째 전극은 상기 지지부(supporting member)에 회동가능하게 장착될 수 있다. 상기 지지부는 상기 두 번째 전극을 회전시키기 위해 모터를 포함한다. 적어도 적층된 나노미터 크기의 단섬유 구조들(nanometric filamentary structures)이 전극에 교락(bridging)되는 것(또는 실질적으로 적어도 두 전극들의 교락을 제거하는 구조)을 실질적으로 막는 상기 수단은 그것 둘레의 구조를 걷어 올리기 위해 회전되는 적어도 하나의 전극을 포함한다.

적어도 적층된 나노미터 크기의 단섬유 구조들(nanometric filamentary structures)이 전극에 교락(bridging)되는 것을 실질적으로 막는 수단은 그것 둘레의 나노미터 크기의 단섬유 구조들(nanometric filamentary structures)을 적어도 부분적으로 걷어 올리기 위한 적어도 하나의 전극을 특징으로 하며, 그 때문에, 적어도 상기 적층된 나노미터 크기의 단섬유 구조들(nanometric filamentary structures)이 상기 전극들에 교락되는 것을 실질적으로 막는 것을 특징으로 한다.

적어도 적층된 나노미터 크기의 단섬유 구조들(nanometric filamentary structures)이 전극에 교락(bridging)되는 것을 실질적으로 막는 수단은 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들(nanometric filamentary structures)을 절단하는 수단을 포함할 수 있다.

상기 적층된 구조의 절단에 의해, 후자는 전극에 의해 교락되는 것이 방지된다. 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들(nanometric filamentary structures) 절단 수단은 레이져 빔 칼날 등등이 될 수 있다. 작동(motion) 또는 이동의 이행을 분배하기 위해서 적어도 하나의 전극이 채택하며, 그로인해 위치로부터 적어도 2 전극의 교락되는 구조를 실질적으로 제거한다. 사실상, 다른 전극에 대해서 분배된 적어도 하나의 전극의 작동(motion)의 이행은 상기 교락 구조를 제거할 수 있거나 적어도 전극들 중 하나가 접촉된 구조를 제거할 수 있다.

상기 전극은 서로 병진운동(translation) 관계일 수 있으며, 그로인해 적어도 구조들이 교락되는 것을 실질적으로 막을 수 있다. 다른 전극에 대해서 회전되는 적어도 하나의 전극을 위한 모터가 포함될 수 있다. 상기 첫 번째 및 두 번째 전극은 평평한 전극 또는 직사각형의 프리즘 형태가 될 수 있다. 또한, 원통형의 전극이 될 수 있다. 제1, 제2 전극들은 편평한 전극들 또는 직사각형 프리즘 형태의 전극들일 수 있다. 또한, 상기 전극들은 실린더 형상의 전극일 수도 있다. 본 발명의 상기 장치에 있어서, 이온화 유닛이 더 포함되는 것이 바람직하다.

상기 이온화 유닛은 전류를 발생시키는 수단, 자기장을 발생시키는 수단, 또는 광 이온화 수단을 포함하고, 상기 내경 및 상기 제1, 제2 전극들의 상부와 유체 흐름으로 연결될 수 있다.

상기 유닛은 상기 내경 또는 상기 내경에 인접한 곳에 배치될 수 있다. 상기 유닛은, 상기 구조들이 상기 공간 내에서 수용되고 편광되기 전에 상기 구조들을 이온화하기 위해 효과적이다. 자기장을 발생시키는 수단은 한 쌍의 전극, 코일, 영구 자석, 전자석, 또는 솔레노이드를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 장치의 배출구는 필터를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 이온화 유닛은, 상기 기체 상태 내에 존재하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 이온화하기 위해 전하가 방출되는 적어도 한 쌍의 전극을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 이온화 유닛은 AC 전류(바람직하게는 1KHz 이상) 또는 DC 전류를 포함할 수 있다.

상기 장치는, 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 존재 여부를 검출하기 위해, 상기 기체 상태 내에 있는 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 밀도 또는 상기 구조들이 상기 유입구에 공급되는 공급율을 모니터하는, 상기 공간과 원하는 때에 유체 흐름으로 연결되는, 모니터링 챔버 또는 제2 챔버를 더 포함할 수 있다.

상기 모니터링 장치는 상기 전극들 중 적어도 하나 위에 있는 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하기 위한 전기장을 발생시키며, 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 포함하는 기체 상태를 수용하는 크기로 형성된 공간을 한정하는 적어도 두 개의 전극을 포함할 수 있다.

또한, 상기 모니터링 장치는 미리 결정된 시간 동안 상기 전극들 사이의 전류 거동 및/또는 적층된 나노미터 크기의 단섬유 구조들 또는 이들의 결합체들의 크기, 밀도 또는 형태를 분석하기 위한 수단을 포함한다. 상기 모니터링 장치는 상기 기체 상태 내에 존재하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 광 흡수를 분석하기 위한 수단을 포함할 수 있다.

상기 광 흡수를 분석하는 수단은 광 탐사침을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 레이져 빔, 적외선 빔, 가시광선 빔 또는 자외선 빔, 그들의 혼합빔으로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다.

상기 모니터링 장치는, 상기 기체 상태 내에 있는 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 밀도 또는 상기 구조들이 유입되는 유입 공급율을 모니터링하기 위해, 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 존재를 검출할 수 있다.

상기 장치는 상기 전극들 중 적어도 어느 하나의 전극에 적층되는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 수집하기 위한 수단을 더 포함할 수 있다.

상기 수단은 상기 전극들 중 적어도 어느 하나에 적층된 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 제거하기 위한 스크래퍼(scraper)를 포함할 수 있다. 상기 스크래퍼는, 가동되었을 때, 상기 전극들 중 적어도 어느 한 전극으로부터 상기 적층된 구조들을 제거할 수 있다. 상기 스크래퍼는 다양한 구조일 수 있다.

상기 스크래퍼는 상기 전극들 중 어느 하나 또는 그에 인접한 곳에 활주 가능하도록(slidably) 장착되고, 상기 스크래퍼는 원하는 때에, 상기 전극 위에 적층된 상기 구조들을 문질러서 떨어지게 하도록 사용된다.

상기 장치는 상기 공간과 유체 흐름으로 연결되며, 상기 전극들 중 적어도 어느 하나로부터 제거된 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 수집하기 위한 수집수단을 더 포함할 수 있다. 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들이 산소 또는 습기에 노출되는 것을 방지하기 위해, 상기 수집 챔버는 불활성 기체 분위기에서 유지되는 것이 바람직하다.

본 발명의 거시적인 결합체, 그리고, 섬유, 엉킴, 발포체 및 섬유와 연장된 부재의 결합체 등을 준비하는 방법에서, 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 거시적인 결합체는 발포체의 형태인 것이 바람직하다. 상기 기체 상태 내에서 사용되는 나노미터 크기의 단섬유 구조들은 이미 성장된 구조들인 것이 바람직하다. 실질적으로 같은 방향으로 배열된 미시적인 결합체들의 적어도 일부분은 실질적으로 평행하고 공간적으로 분리될 수 있다. 상기 미시적인 결합체의 적어도 일부분의 전극막은 실질적으로 엉키거나 또는 엉킴의 형태일 수 있다. 상기 미시적인 결합체들은 전기장 선을 따라 함께 모이는 것이 바람직하다.

상기 거시적인 결합체들은 약 8 mg/cm³ 이하의 밀도, 바람직하게는 약 7 mg/cm³ 이하, 더욱 바람직하게는 약 5 mg/cm³, 그리고 더더욱 바람직하게는 3 mg/cm³이하이다.

대안적으로, 상기 거시적인 결합체들의 밀도는 약 0.8 내지 6 mg/cm , 바람직하게는 약 1.0 내지 5.8 mg/cm3, 그리고 더욱 바람직하게는 약 1.3 내지 5.5 mg/cm3이다.

상기 거시적인 결합체들의 직경은 약 100 nm이하, 바람직하게는 약 50 nm이하, 더욱 바람직하게는 30 nm이하이다. 대안적으로, 상기 직경은 약 1 nm 내지 100 nm, 바람직하게는 약 2 nm 내지 75 nm, 더욱 바람직하게는 약 5 nm 내지 50 nm이다.

상기 거시적인 결합체들은 적어도 10⁴ 개의 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 포함할 수 있다. 거시적인 결합체에서, 바람직하게는 나노미터 크기의 단섬유 구조들은 탄소 나노튜브이고, 더욱 바람직하게는 단일층 탄소 나노튜브이다.

상기 미시적인 결합체의 길이는 약 10 μm, 바람직하게는 약 50 μm, 더욱 바람직하게는 약 100 μm이다. 대안적으로, 상기 길이는 약 10 μm 내지 100 μm이다. 상기 미시적인 결합체는 상호 연결되고, 실질적으로 세로축을 따라 정렬되는 것이 바람직하다. 적어도 2개의 인접한 미시적인 결합체들의 부재들의 부분들이 실질적으로 같은 방향으로 정렬되는 방식으로, 상기 미시적인 결합체들이 실질적으로 세로축을 따라 함께 연결되고 정렬되는 것이 바람직하다. 상기 부재들 각각은 단일 나노미터 크기의 단섬유 구조 또는 상기 구조들의 단일 번들을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 거시적인 결합체들의 순도는 중량 대비 약 25 % , 바람직하게는 약 40 %, 더욱 바람직하게는 약 45 %, 더더욱 바람직하게는 약 50 %, 더더더욱 바람직하게는 약 55 %이다. 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 거시적인 결합체들의 순도는 중량 대비 60 % 또는 75 %일 수도 있다. 금속 입자들 및/또는 코팅된 물질들-비정질(amorphous) 카본, 흑연질(graphitic) 탄소, 플러린(fullerenes)과 같은 물질들-이 상기 부재들 사이에 배치될 수 있다.

다른 부재들이 상기 미시적인 결합체들의 부재와 실질적으로 직교하도록 배치될 수 있다. 상기 거시적인 결합체들은 섬유 및/또는 발포체의 형태인 것이 바람직하다. 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들은 도핑된 단일층 탄소 나노튜브일 수 있다.

상기 단일층 탄소 나노튜브들은 B, F, N, K, Na, Li, Si 그리고 이들의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택된 도핑된(doping) 요소를 포함할 수 있다. 상기 도핑된 요소는 선택적으로 나노입자의 형태일 수 있다. 상기 섬유들의 길이는 약 1 cm, 바람직하게는 약 20 cm, 더욱 바람직하게는 약 100 cm이다.

상기 연장된 부재는 전극인 것이 바람직하다. 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 결합체를 준비하는 방법들은, 적층하는 동안, 적층된 나노미터 크기의 단섬유 구조들이 상기 전극들을 교락하는 것을 실질적으로 방지함으로써 수행되는 것이 바람직하다. 섬유들의 엉킴은 거시적인 거미망 모양의 구조를 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 설명된 방법들 및 장치들은, 그들이 기체 상태에서 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 처리하게 되어 있기 때문에, 기체 상태 합성의 하류 부분(downstream)에서 사용되는 것이 바람직하다.

만약, 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 제조하는 방법 또는 장치가 기체 상태 합성으로 상기 구조들을 제조하지 못한다면, 상기 구조들을 회수하는 것이 가능하고, 본 발명에서 설명된 방법 및 장치를 사용하기 위해 기체 상태 내에서 상기 구조들을 유입하는 것이 가능하다. 또한, 기체 상태를 형성하기 위해 운반 가스로 높은 순도의 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 함께 섞음으로써 높은 순도를 가진, 거시적인 결합체들, 발포체들, 섬유들, 엉킴들, 그리고 이들의 혼합물을 생산할 수 있다.

원하는 거시적인 결합체들, 발포체들, 섬유들, 엉킴들 그리고 이들의 혼합물을 획득하기 위해 본 발명에서 설명된 발명을 사용함으로써 상기 기체 상태는 처리될 수 있다. 본 발명 분야의 숙련자는 본 발명의 모든 장치 또는 방법을 응용할 때, 전술한 모든 바람직한 실시예들이 유용하다는 것을 알 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 본 발명에서 정의된 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 거시적인 결합체를 준비하기 위한 방법이 제공된다.

상기 방법은 전극들 중 적어도 하나에 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층시키기 위해, 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 포함하는 기체 상태를, 전기장을 발생시키는 적어도 두 개의 전극 사이에 한정된 공간으로 통과시키고, 상기 공간에서 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 거시적인 결합체를 형성하는 단계를 포함한다. 본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 나노미터 크기의 단섬유 구조들로 된 발포체가 제공된다.

다음의 실시예들은, 그에 한정되지 않는 본 발명의 바람직한 실시예를 보여준다.

먼저, 도 1을 참조하면, 도 1에는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 제조하기 위한 시스템(9)이 도시되어 있는데, 상기 시스템은 플라즈마-방전 끝단(lasma-discharging end)(16)을 구비한 플라즈마 튜브(14)를 가진 플라즈마 토치(torch)(12)를 포함한다.

상기 플라즈마 토치는, 예를 들면 원하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들이 탄소 나노튜브들일 때, 비활성 기체, 탄소 함유 물질과 금속 촉매의 이온화된 원자들의 일부를 포함하는 플라즈마(18)를 생성시킬 수 있다. 또한, 상기 시스템은 상기 플라즈마-방전 끝단(16)과 유체 흐름으로 연결되는 석영(quartz) 튜브(20)를 포함한다. 상기 튜브(20)는 오븐(22) 안에 배치된다.

나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층시키기 위한 장치(24)는 상기 튜브(20)의 아래 부분(downstream)에 배치되고 상기 튜브와 유체 흐름으로 연결된다. 상기 플라즈마(18)에 포함된 이온화된 입자들은 상기 오븐(22)으로 투입된다.

탄소 나노튜브들을 제조하기 위한 상기 시스템을 사용할 때, 상기 원자들 또는 탄소와 금속 촉매의 분자들은, 단일층(single-wall) 탄소 나노튜브들, 다층(multi-wall) 탄소 나노튜브들 또는 이들의 혼합물과 같은 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 포함하는 기체 상태를 형성하기 위해 상기 오븐(22) 내에서 압축된다.

특히, 단일층 나노튜브들이 바람직하다. 상기 기체 상태 또는 기체의 혼합물은, 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들이 적층되고 나아가 회수되는 상기 장치(24) 안으로 유입된다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 제조하기 위한 시스템(10, 11)들은, 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층시키기 위한 두 개의 장치(24)(또는 적층 유닛)를 각각 포함하는 점을 제외하고는 상기 시스템(9)과 유사하다.

또한, 상기 시스템(10, 11)들은 각각 분배 장치 또는 선택 장치(26)을 포함한다. 상기 시스템(10)과 시스템(11)의 차이점은 각각 적층 유닛을 선택하기 위한 수단 또는 밸브(28, 29)를 가지고 있다는 점이다.

상기 시스템들(10, 11)은 양자 모두 분배 장치(26)에 의해, 그 두 장치들 중의 어느 하나 또는 적층 유닛(24)에 선택적으로 공급하게 한다. 도 4에 상세하게 도시된 상기 장치(24)는 연장된 부재 또는 내경(internal bore)을 한정하는 적층 챔버(30)을 포함하고, 유입구(32)와 배출구(34)를 구비한다.

바람직하게는, 상기 연장된 부재(30)은 제1 전극으로 동작하고, 제2 전극(36)은 상기 연장된 부재를 관통하여 삽입된다.

상기 전극들은 공간적으로 분리되고, 공간(38)은 상기 전극들(30, 36) 사이로 한정된다. 상기 전극들(30, 36)은 실질적으로 평행한 것이 바람직하다. 상기 전극들은 실질적으로 동축으로(coaxially) 배열되는 것이 더욱 바람직하다. 전기장을 발생시키기 위해 상기 전극들(30, 36) 사이에 전위차가 가해진다. 상기 전극(36)은 모터(40)를 포함하는 지지 부재(39)에 회전가능하도록 장착된다.

도 5는 전극(37)을 도시한 것인데, 이는 도 4에 도시된 전극(36)이 변형된 것이다.

도 6 및 도 7은 장치(109)를 도시한 것인데, 이는 도 4에 도식화된 장치(24)를 구체화한 도이다.

상기 장치(24)와 장치(109)의 주요 차이점은 후자의 장치는 사용자가 전극(37) 위로 나노미터 크기의 단섬유 구조들이 적층되는 것을 관측할 수 있게 하는 관측창(42, 44, 46)을 더 포함한다는 점이다.

도 12는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하기 위한 장치(124)를 도시한다.

상기 장치는 내경(internal bore)을 한정하는 연장된 부재 또는 하우징(130)을 포함하고, 유입구(132)와 배출구(134)를 구비한다.

상기 유입구(132)는, 탄소 나노튜브들과 단일층 탄소 나노튜브들과 같은 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 제조하기 위해 사용되는 플라즈마 토치(미도시)의 석영(quartz) 튜브(120)와 유체 흐름으로 연결된다.

상기 연장된 부재(130)는 제1 전극으로 동작하고 제2 전극(136)은 상기 연장된 부재(130)를 관통하여 삽입된다. 상기 전극들은 공간적으로 분리되고, 공간(138)은 상기 전극들(130, 136) 사이로 한정된다. 상기 유입구(132)는 상기 공간(138) 및 상기 배출구(134)와 유체 흐름으로 연결된다.

상기 전극들(130, 136)은 실질적으로 평행한 것이 바람직하다. 상기 전극들은 실질적으로 동축으로(coaxially) 배열되는 것이 더욱 바람직하다. 상기 전극들(130, 136) 사이에는 전위차가 가해진다.

또한, 상기 장치는 광학 탐사침(121)을 포함한다. 상기 광학 탐사침은 빔(beam)(123)을 발생시키는 레이져(122)와 광 검출기(125)를 포함한다.

바람직하게는, 상기 광학 탐사침(121)은 상기 튜브(120)와 상기 유입구(132) 사이에 배치되고 상기 튜브(120)와 사이 유입구(132)에서 흐르는 구조들과 광학적으로 연결되는 빔(123)을 구비하도록 하기에 적합하다.

또한, 상기 장치(124)는 모니터링 장치(237)을 제공하는데, 상기 모니터링 장치는 밸브(229)를 움직임으로써 상기 공간(138) 및 상기 유입구(132)와 유체 흐름으로 선택적으로 연결될 수 있다.

이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 장치가 탄소 나노튜브 뿐만 아니라 다른 다양한 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하기에 적합하다는 것을 자명하게 알 수 있다.

또한, 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 장치(124)는, HiPco, 레이져 증착장치(laser vaporization), 기체 상태 화학기상증착장치(gas- phase chemical vapor deposition), 전기 아크(electric arc and flame)와 같은 나노 미터 크기의 단섬유 구조들을 제조하기 위한 모든 장치의 하부 뿐만 아니라 모든 유형의 플라즈마 토치에 장착되기에 적합하다는 것을 이해할 수 있다. 실제로, 상기 장치(124)는 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 모든 기체 상태 복합체에 장착될 수 있다.

도 13에 도시된 바와 같이, 상기 모니터링 장치(237)는, 내경을 한정하는 연장된 부재 또는 하우징(230)을 포함하고 유입구(232)와 배출구(234)를 구비한다.

상기 유입구는 밸브(229)와 유체 흐름으로 연결된다. 바람직하게는, 상기 연장된 부재(230)는 제1 전극으로 동작하고 제2 전극(236)은 상기 연장된 부재(230)를 관통하여 삽입된다.

상기 전극들은 공간적으로 분리되고, 공간(238)은 상기 전극들(230, 236) 사이로 한정된다.상기 유입구(232)는 상기 공간(238) 및 상기 배출구(234)와 유체 흐름으로 연결된다.

상기 전극들(230, 236)은 실질적으로 평행한 것이 바람직하다. 상기 전극들은 실질적으로 동축으로(coaxially) 배열되는 것이 더욱 바람직하다. 전지장을 발생시키기 위해 상기 전극들(230, 236) 사이에는 전위차가 가해진다. 상기 전극(236)은 지지 부재(239)에 회전가능하도록 장착되고, 상기 지지 부재는 모터(240)를 포함한다.

광학 탐사침 또는 장치(221)가 상기 유입구(232)와 인접하여 배치되고, 상기 광학 탐사침은 밸브(229) 및 상기 공간(238)과 유체 흐름으로 연결된다. 상기 장치(221)는 레이져 빔(223)을 발생시키는 레이져(222)와 광 검출기(225)를 포함한다. 또한, 상기 장치(221)는 상기 빔(223)이 상기 부재(230)를 관통하여 통과하게 하는 창(227)을 포함한다.

도 14에 도시된 바와 같이, 나노미터 크기의 단섬유 구조를 적층하기 위한 장치(324)는 내경을 한정하는 연장된 부재 또는 하우징(330)을 포함하며, 유입구(332)와 배출구(334)를 구비한다.

상기 유입구(332)는 이온화된 유닛(335, 335‘)의 배출구(337)와 유체 흐름으로 연결되고, 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 준비하기 위한 장치로부터 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 수용하기에 적합한 유입구(333)을 구비하고 있다.

상기 장치는 HiPco, 레이져 증착장치(laser vaporization), 기체 상태 화학기상증착장치(gas-phase chemical vapor deposition), 전기 아크(electric arc and flame)와 같은 나노 미터 크기의 단섬유 구조들의 복합체 제조과정과 다를 수 있다. 실제로, 상기 장치는 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 모든 기체 상태 복합체(gas-phase synthesis)에 장착될 수 있다. 실제로, 두 가지 유형의 이온화 유닛(335, 335‘) 모두 사용될 수 있다.(도 15 및 도 16 참조)

상기 연장된 부재(330)는 제1 전극으로 동작하고 제2 전극(336)은 상기 연장된 부재(330)를 관통하여 삽입된다. 상기 전극들은 공간적으로 분리되고, 공간(338)은 상기 전극들(330, 336) 사이로 한정된다. 상기 유입구(332)는 상기 공간(338) 및 상기 배출구(334)와 유체 흐름으로 연결된다.

상기 전극들(330, 336)은 실질적으로 평행한 것이 바람직하다. 상기 전극들은 실질적으로 동축으로(coaxially) 배열되는 것이 더욱 바람직하다. 전지장을 발생시키기 위해 상기 전극들(330, 336) 사이에는 전위차가 가해진다. 상기 전극(336)은 지지 부재(339)에 회전가능하도록 장착되고, 상기 지지 부재는 모터(340)를 포함한다.

도 15에 도시된 바와 같이, 이온화 유닛(335)는 상기 유입구(333), 상기 배출구(337) 그리고 한쌍의 전극(342, 344)을 포함한다. 도 16에 도시된 바와 같이, 상기 이온화 유닛(335‘)은 유입구(333), 배출구(337) 그리고 시간에 따라 변화 가능한 자기장을 발생시킬 수 있는 코일(346)을 포함한다.

도 17은 나노미터 크기의 단섬유 구조를 적층하기 위한 장치(424)를 도시한 도이며, 상기 장치는 내경을 한정하는 연장된 부재 또는 하우징(430)을 포함하며, 유입구(432)와 배출구(434)를 구비한다.

상기 연장된 부재(430)는 제1 전극으로 동작하고 제2 전극(436)은 상기 연장된 부재(430)를 관통하여 삽입된다. 상기 전극들은 공간적으로 분리되고, 공간(438)은 상기 전극들(430, 436) 사이로 한정된다.

상기 유입구(432)는 상기 공간(438) 및 상기 배출구(434)와 유체 흐름으로 연결된다. 상기 유입구(432)는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 제조하는 장치로부터 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 포함하는 기체 상태를 수용하기에 적합하다.

상기 유입구(432)는 상기 구조들(미도시)을 제조하는 장치에서 상기 장치(424)로의 상기 구조들의 이동을 선택적으로 허용하는 밸브(447)를 포함한다.

또한, 상기 장치(424)는 부재(442, 444)를 구비한 스크래퍼(scraper)(440)를 포함한다. 상기 부재(442)는 상기 장치(424) 내에 활주 가능하도록(slidably) 장착되고, 상기 부재(444)가 상기 전극(436) 위에 적층된 상기 구조들을 문질러서 떨어지게 하는 작용을 유발한다. 상기 부재(442)는, 아래 방향으로 움직일 때, 상기 전극(430) 위에 적층될 수 있는 상기 구조들을 문질러서 떨어지게 하는 데 효과적이다. 상기 장치(424)는 수집 챔버(441)와 수령 챔버(443)를 포함하는 수집 유닛(439)을 더 포함한다. 원하는 때에 상기 챔버(441) 안으로 상기 구조들이 이동할 수 있도록, 상기 챔버(441)와 상기 챔버(443) 사이에 밸브(445)가 제공된다. 또한, 수집 유닛(439)은 상기 구조들을 상기 챔버(441)로 나를 수 있는, 피스톤(449)과 같은 수단을 포함한다.

또한, 상기 수단은 기체 흐름(gas stream)-바람직하게는 아르곤 또는 헬륨과 같은 비활성기체- 또는 압축된 시스템일 수 있다. 또한, 상기 장치(424)는 수 개의 관측창들(427)을 포함한다.

도 1에 도시된 시스템(9)에서, 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 포함하는 상기 기체 상태는 공간(38)을 통과하기 전에, 도 4에 도시된 장치(24)의 유입구(32)로 유입된다. 전극(30, 36) 사이에 인가된 전위차에 의해 공간(38)에는 전기장이 발생된다.

전기장의 지배를 받게 되면, 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들은, 대규모의 단섬유 구조들로 자동적으로 결합되기 전에, 기체 상태로 모이는 경향이 있다. 상기 과정의 시작점에서, 상기 기체 상태에서는 이온화된 입자가 거의 존재하지 않기 때문에 전류는 거의 0에 가깝다. 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들은, 전기장 하에서 영향을 받을 때, 쉽게 이온화될 수 있다. 그러면, 높은 종횡비(aspect ratio)의 1차원 구조들에 있는 전하는 큰 전기적 쌍극자 모멘트(dipole moment)를 유발하기 때문에, 이온화된 입자들은 모일 것이다.

예를 들면, 4개의 전하의 총 전하량을 유지하는 5~10 나노튜브들로 구성되는 5 μm의 긴 단일층 탄소 나노튜브의 쌍극자 모멘트 μ의 크기를 계산하는 것이 가능하다.

이와 같은 경우 물(μwater^.0x10"30C m)의 쌍극자 모멘트 보다 105~106배 큰 값이 발견된다.

μ = qL = 4x l.6 - l0-"C x 5μm = 53 x W μwater

이러한 높은 쌍극자 모멘트는 비정상적인 것이다; 이것은 나노-구조(nanostructure)의 높은 종횡비(길이/ 직경)에 기인한 것이다.

쌍극자 상호작용 에너지가 소수의 마이크로미터 간격으로 분리하기 위한 열 에너지를 극복할 것이기 때문에, 이러한 쌍극자 모멘트는 다른 탄소 나노튜브의 결합을 가능하게 하고, 나노튜브들의 결합을 관측하기 위해 임계 밀도가 필요한 이유를 설명할 수 있게 된다.

결합 과정은 기체 상태에서 발생하기 때문에, 결합체 간의 분리 거리가 증가함에 따른 콜롬비안 상호작용(ocl/r2)과 대비하여 쌍극자 상호작용(oc l/r3)의 상대적인 밀도가 감소하므로, 상기 결합체들은 콜롬비안 상호작용(Coulombian interaction)에 의해 더 영향 받게 될 것이다. 그 결과 입자들은 확산될 것이고 전극 또는 반대 극성을 가진 다른 결합체를 향하여 끌리게 될 것이다.

상기 과정은 탄소 나노튜브들의 결합체가 상기 전극들을 교락(bridge)하는 1cm 보다 큰 거시적인 섬유(macroscopic filaments)로 모일 때까지 유지될 것이다.

참고문헌으로 본 발명과 합체하는 “Abrahamson, et al. in Journal of Electrostatics 55, (2002), 43-63; Tang et al. in Science 297, (2002), 237- 240; and Schleicher et al. in Journal of Colloid and Interface Science 180, (1996), 15-21.”에서 묘사된 바와 같이, 영구 전기 쌍극자 또는 유도 전기 쌍극자를 가진 입자들이 기체 상태로 뜨게 될 때, 유사한 현상이 관측된다.

나노미터 크기의 단섬유 구조들은 상기 구조의 표면 또는 끝단부(tip)에서 국부적인 전기장(local electric field)이 현저히 증가하게 하는 나노미터 크기(즉, 약 100 nm 보다 작은 직경)를 가지기 때문에, 상기 구조들은 전기장 또는 쇼트키 방사 효과(Schottky emission effect)에 의해 쉽게 전자들을 방출할 수 있다. 심지어 나노미터 크기의 단섬유 구조들이 절연체 또는 반도체 또는 도체인 경우에도 이 효과는 발생한다.

상기 나노미터 크기의 단섬유 입자들이 전극(36) 위에 점진적으로 적층될 때, 전기장 또는 쇼트키 방사 효과의 관점에서 장치(24)에서의 전기장과 전자의 흐름은 증가한다. 또한, 장치(24, 124, 237, 324, 424)에도 동일하게 적용된다.

상기 국부적인 전기장은 상기 입자들의 끝(tip)에서 방전이 일어날 만큼 충분히 커져서, 전자 사태(avalanche)가 일어나고, 나노크기의 단섬유 구조들의 거시적인 결합체들을 형성하기 위해 전파되어, 결국 거시적인 결합체들의 섬유를 형성하게 된다. 그러면, 많은 다수의 섬유들은 얽힌 섬유를 형성하고, 상기 섬유는 도 19에 도시된 것과 같은 거미집 같은 구조를 가진다.

이리하여 육안으로 보이는 거시적인 거미집 같은 구조가 획득된다. 상기 거미집 같은 구조는 나노미터 크기의 단섬유들과, 정전기력과 분극력에 의해 함께 얽히고 사슬 모양으로 연결된 상기 단섬유들의 결합체를 포함한다. 또한, 계속 열을 가하면 화학 결합들을 더욱 강하게 할 수 있다. 단일층 탄소 나노튜브들의 망(web)은 전극간의 전기적 방전의 결과로 보여질 수 있다. 실제로, 단일층 탄소 나노튜브 결합체들은, 자기력선에 놓인 쇠줄(iron filings)과 유사한 전기력선으로 스스로 정렬한다. 이것은 본 발명의 거시적인 결합체들을 만들 수 있게 한다.

도 8의 미시적인 거미줄 모양의 구조와 도 19의 거시적인 거미줄 모양의 구조를 참조하면, 다수의 결합체들은 거미줄과 같은 네트워크를 형성하는데, 비결정의(amorphous) 탄소는 망 구조를 형성할 정도로 충분한 국부적인 전기장을 형성하지 못하기 때문에, 네트워크의 존재는 탄소 나노튜브들의 존재를 뜻한다.

비결정의 탄소가 단독으로 존재하면, 단지 작은 조각만이 형성된다. 기체 흐름 속에 함유되어 있는, 적층되지 않은 입자들은 상기 배출구(34)에 의해 상기 장치(24)로부터 빠져 나간다. 또한, 배출구는 위험한 입자들의 방출을 방지하는 필터(미도시)를 포함한다.

나노미터 크기의 단섬유 구조들이 적층된 섬유는 전극(30)과 전극(36)을 교락(bridge)하여 결국에는 일정 시간 동안 그 사이의 공간(38)에서의 흐름을 방해하는 경향이 있기 때문에, 상기 전극(36)은 끊임없는 작동을 위해 회전하는 것이 바람직하다.

상기 전극(36)의 회전은 상기 섬유들이 전극(36)의 주위에서 휘말려서 거미 모양의 구조를 형성하게 하고, 이리하여 상기 적층물이 상기 전극들을 교락하는 것과 상기 공간(38)이 방해 받는 것을 방지하게 된다.

따라서, 상기 적층물은 더 이상 망(web)처럼 보이지 않는다. 이러한 휘감겨진 구조는 솜사탕 구조와 유사하며, 도 9 및 도 10에 분명히 도시되어 있다.

도 5에 도시된 바람직한 구조를 가진 상기 전극(37)은 전극 주위에서의 상기 적층물의 휘말림(rolling up)을 최적화하도록 한다. 이러한 방법을 사용함으로써 획득된 엉킴(entanglements)은 내부 전극(36) 또는 내부 전극(37)만큼 길다. 또한, 상기 획득된 단일층 탄소 나노튜브들의 거시적인 결합체들의 섬유는 잘 정렬되고 아주 낮은 밀도를 가진다. 그 결과, 흥미로운 특징을 가지게 된다.

특히, 전도성 물질들을 마련하기 위해 이들 결합체들을 사용할 때, 이러한 특징들은 흥미롭다. 또한, 상기 적층물은 비회전 전극(36, 37)으로도 수행될 수 있으나, 상기 공간(38)은 오랜 기간에 걸쳐 쉽게 방해받을 수 있다.

도 2 및 도 3에 도시된 시스템(10, 11)을 사용함으로써, 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 복합체(synthesis)는 연속적인 방법으로 수행될 수 있다. 기체가 튜브(20)을 빠져 나가고 분배 장치(26)로 유입될 때, 상기 기체는 밸브(28, 29)에 의해 상기 장치(24)의 어느 하나의 방향으로 선택적으로 향할 수 있다.

예를 들면, 상기 기체가 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하기 위해 상기 장치(24)의 어느 하나로 유입될 때, 나머지 하나의 장치에서 전위차가 사라지고, 전극(36, 37)에 적층된 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들은 회수될 수 있다.

이 경우, 모터(40)와 전극(36)은 상기 장치(24)로부터 제거될 수 있고, 상기 장치(24)는 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하기 위해 다시 사용될 수 있다. 따라서, 적층물은 상기 장치(24)에 교대로 형성될 수 있다.

도 12에 도시된 장치(124)는 그것이 광 탐사침(121)과 모니터링 장치(237)를 더 포함하는 점으로 제외하고는 도 4에 도시된 장치와 유사하다. 따라서, 나노미터 크기의 단섬유 구조들은 상기 장치(237)-연장된 부재 또는 적층 챔버(130)-에, 장치(24)에서 정의된 것과 유사한 방법으로, 적층된다. 상기 탐사침(121)과 모니터링 장치(237)와 관련하여, 상기 장치(124)는 다음과 같이 작동한다.

제조된 나노미터 크기의 단섬유 구조들은 그들이 전극 특히 전극(136)위에 적층되기 전에, 특히 상기 장치(124)의 공간(138)으로 유입되기 전에 튜브(120)와 유입구(132)를 통해 흐른다.

상기 구조들이 상기 공간(138)에 유입되고 전기장에 노출되기 전에, 그들을 분석하기 위해 레이져 빔(123)은 선택적으로 상기 구조들은 감지하게 된다. 이리하여, 이 감지 단계에서 밀도나 구조들의 생산율과 같은 다양한 정보들을 얻을 수 있다.

도 12 및 도 13을 참조하면, 상기 모니터링 장치(237)는, 원할 때 상기 유입구(132)로 유입되는 기체를 정기적으로 감지하거나 시험하기 위해 상기 공간(138)과 유체 흐름으로 연결될 수 있다. 원하는 구조들을 함유한 최근에 제조된 기체의 샘플을 얻기 위해, 밸브(229)는 선택된 기간의 시간 동안 개방된다.

일단 상기 밸브(229)가 닫히면, 모니터링 챔버 내의 탄소 나노튜브와 같은, 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 밀도에 의존하는 전류-시간 특성(current-time characteristic)을 발생시키기 위한 중심 전극(236)에 전기장이 가해진다.

* 이 특성들의 거동(behavior)으로부터 그것과 익-시츄(ex situ) 측정((TGA(Thermogravimetric Analysis), SEM(Scanning Electron Microscope), TEM(Transmission Electron Microscope))으로 측정된 표준 그래프와 비교함으로써 기체 상태에 함유된 탄소 나노튜브들의 품질과 밀도를 모니터할 수 있다. 또한, 편극화되거나 또는 그렇지 않은 광 탐사침(221)으로 상기 기체를 감지함으로써 기체 상태에 대한 더 많은 정보를 획득할 수 있다. 획득 가능한 추가 정보는 구조들의 밀도, 생산율, 특성, 정렬도 등이 될 수 있다. 따라서, 도 23 내지 26에 도시된 바와 같은, 모니터링 장치 그래프를 산출할 수 있다.

일단 이러한 분석이 끝나면, 전기장은 오프될 수 있다; 상기 중심 전극(236)은, 상기 밸브를 재개방함으로써 새로운 기체 흐름을 샘플링하기 전에, 전극들을 교락하는 나노튜브들의 섬유를 휘감도록 회전될 수 있다. 각각의 기체 상태를 시험하는 사이사이에 상기 모니터링 장치(237)를 세척할 수 있다. 또한, 선택적으로 다수의 모니터링 장치가 사용될 수 있다.

모니터링 과정의 초기에는, 상당량의 이온화된 입자가 존재하지 않기 때문에, 상기 모니터링 또는 적층 장치의 전극들 사이의 전류는 무시할 수 있다. 기체 또는 탄소 나노튜브들을 함유하는 기체의 혼합물이 도 12와 유사한 장치의 유입구에 유입됨에 따라, 이 탄소 입자들이 전자를 방출하고 더 쉽게 차지(charge)될 수 있기 때문에, 전류는 증가하게 된다.

따라서, 장치 내의 탄소 나노튜브들의 밀도가 증가함에 따라 전류는 급격히 증가된다. 예를 들면, 탄소 나노튜브들을 함유하는 기체가 유입될 때, 전류는 10μA 내지 1mA 이상으로 다양화된다. 또한, 다른 탄소 입자들이 전류를 증가시킬 수 있지만, 상기 탄소 나노튜브가 증가시키는 정도로는 증가시킬 수 없다. 탄소 나노튜브의 임계 밀도에 도달할 때, 전류가 크게 증가한다는 점을 주목할 필요가 있다.

이 임계 밀도에서, 전극들을 교락시키려는, 탄소 나노튜브들을 큰 섬유로 결합하는 과정이 발생한다. 탄소 나노튜브들의 큰 섬유들이 기체 상태에 머무를 때, 실제로 전류는 증가한다.

예를 들면 중심, 전극 위에 휘감음으로써 이러한 구조들이 전극들(130, 136)을 교락시키는 것을 방지했을 때, 여전히 전류 레벨은 높이 유지된다. 만약, 상기 섬유들이 상기 전극들을 교락시키지 못하게 할 수 있다면, 명백히 전류는 실질적으로 증가하는데, 10배 내지 20배, 그 보다 훨씬 많이 증가할 수 있다. 이러한 흥미로운 결과들은 탄소 나노튜브들의 존재를 검출하는 것뿐 만 아니라, 복합체 실험에서 그 생산율을 비교하는 데 사용될 수도 있다. 실제로, 탄소 나노튜브의 다른 생산율은 입자들의 다른 밀도를 초래하고, 그것은 전극들 사이에 흐르는 전류에 영향을 끼친다. 또한, 경험적으로 전류의 거동은 플라즈마 토치 과정의 복합체 상태를 최적화하는 데 사용되어 왔다.

상기 모니터링 장치(237)에 흐르는 전류의 시간 대비 분석은 정량적인 파라미터로 구현될 수 있다. 탄소 나노튜브로 결합하는 동안 전류 상승치의 미분 계수(derivative)와 전극들 사이의 평균 전류(mean current), 그 표준 편차(standard deviation), 저항(resistance)은 탄소 나노튜브들의 제조를 모니터링하는데 있어서 유용하다. 높은 평균 전류는 기체 상태로 있는 상기 모니터링 장치의 탄소 나노튜브의 높은 밀도과 연관있다. 평균값 전류의 표준 편차의 비율은 상기 전극들 사이에서 형성된 탄소 나노튜브들을 섬유로 휘감는 것과 관련이 있다. 실제로, 기체의 농도가 높을 때, 섬유가 길어지기 때문에, 기체 상태 내에서 형성된 섬유들을 휘감는(roll-up) 것이 더 쉽다.

낮은 농도에서는, 나노튜브들의 작은 섬유들은 기체 상태로 머무르려는 경향과 휘감기기 보다는 양 전극에 머무르려는 경향이 있다. 일반적으로 이러한 상황은, 전극(136)이 회전하는 동안, 즉 평균값의 전류 표준 분포 보다 더 높은 비율로 회전하는 동안, 더 많은 전류 스파이크(spike)가 발생하게 한다.

또한, 전류의 거동(current behavior)으로부터 모니터링 챔버의 전극들 사이의 저항을 계산할 수 있다. 상기 장치(237)을 사용할 때, 나노튜브의 좋은 생산성은 50MΩ 이하의 저항을 제공하는 반면, 나노튜브 없이 생산하는 경우, 50MΩ 이상의 저항을 줄 수 있다. 만약, 섬유들이 전극들이 교락하는 것을 방지하지 않고, 모니터링 장치의 크기에 의존하는 것을 방지하지 않는다면 상기 저항은 수 kΩ 보다 훨씬 낮은 값에 도달할 수 있다. 결합 과정의 시작에서의 전류의 재빠른 상승은 시간에 대해 전류를 미분함으로써 측정될 수 있다.

상기 모니터링 장치에서의 입자들의 동일한 생산 비율을 위해, 기체에서의 탄소 나노튜브의 높은 밀도를 야기하기 때문에, 전류 상승은 더 좋은 순수 생산물을 위해 더 커질 수 있다.

전류 거동에서의 특징적인 “서명(signature)”을 관측하기 전에 임계 밀도가 요구되기 때문에, 상기 모니터링 장치의 응답 시간은 그 부피와 탄소 나노튜브 생산율에 의해 결정된다. 따라서, 탄소 나노튜브의 생산성을 정기적으로 시험하고 감지하기 위해, 도 12에 도시된 바와 같이, 적층 챔버와 유체 흐름으로 연결되는 적어도 하나의 모니터링 장치를 구비하는 것이 상당히 유리하다. 또한, 이러한 모니터링 장치는 전류 분석에서 인위적 산물(artefact)을 방지하게 한다. 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 제품을 모니터링할 때, 전류를 분석하는 것은 흥미롭다.

또한, 전류 분석을 보충하기 위해 광 탐사침이 동시에 사용될 수 있다. 왜냐하면, 광 흡수는 생산율을 모니터하게 하거나 결합 과정이 발생하기 전에 임시로 머무르고 있는 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 밀도를 계산할 수 있게 하기 때문이다.

하나 이상의 광 탐사침들이 사용될 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 하나의 광학 장치가, 전기장이 가해지지 않은 영역에 있는 적층 장치(124)의 유입구 근처에 배치될 수 있다.

도 13에 도시된 바와 같이, 또 다른 광학 장치가 상기 모니터링 장치의 유입구 근처에 배치될 수 있다. 모니터링 장치에서 입자들의 밀도가 증가함에 따라, 광 흡수도 증가하고, 임계 밀도에 도달할 때, 급격히 감소한다. 따라서, 상기 구조들의 결합체를 얻기 위해 필요한 탄소 나노튜브들과 같은 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 밀도를 계산하기 위해, 최대의 흡수량을 사용하는 것이 가능하다. 이 측정은, 원하는 구조들을 마련하기 위한 과정에 투입된 탄소를 함유하는 물질과 임시로 머무르고 있는 구조들 사이의 쌍극자 상호 작용(dipolar interaction) 에너지와 일치한다.

도 13에 도시된 바와 같이, 모니터링 챔버의 전기장이 가해지는 영역에 배치된 레이져 빔은 상기 흡수 측정에 사용될 수 있다. He-Ne 레이져와 광 검출기로 얻은 전형적인 전송 전력(transmitted power)은 도 26에 나타나 있다.

또한, 아르곤(488 and 514nm), YAG(532 and 1064 nm), 루비(694 nm), 색소 레이져(Dye laser) 그리고 레이져 다이오드와 같은 다른 유형의 레이져가 사용될 수도 있다. 실제로, 자외선, 가시광선, 적외선 영역에 있는 모든 레이져가 사용될 수 있다. 또한, 임시로 머무르고 있는 구조들을 시험하기 전에 레이져 빔은 편광(polarize)될 수 있다.

이들 데이터로부터, 예를 들면 전송된 전력(I)에 대한 Beer-Lambert 관계식을 이용함으로써 탄소 나노튜브들과 같은 임시로 머무르는 구조들의 밀도를 개략적으로 추정하는 것이 가능하다.

Beer-Lambert 관계식에 포함된 파라미터들은 초기 전송 전력 I₀, 임시로 머무르는 탄소 나노튜브들의 밀도 n_swnt, 나노튜브 당 탄소 원자의 수 N_swnt (1μm의 나노튜브 당 약 106 원자들), 아보가드로 수 NA(6 x 10²³ atoms/mole), 교차 절단면 광 흡수율 σ, cm 단위의 광 경로 R 들이 있다.

상기 교차 절단면 광 흡수율 값은, “Islam et al. in Physical Review Letters, 93, 2004, 037404”에 의해 지칭된 값으로 결정되는데, 여기서 상기 문헌은 참조문헌으로써 본 명세서와 합체된다.

10⁹nanotubes/cm³ 범위 내에서 나노튜브의 밀도에 대응하는 결과는 도 26에 나타나 있다. 특징적인 광 흡수는 정확한 절대 밀도를 얻기 위해 보정이 필요할 수 있다.

그러나, 이 기술은 매우 정밀하고, 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 생산에 있어서 다른 샘플들 간의 상대적인 비교에 매우 유용할 수 있다. 결합 과정 후에 전송 전력은 서서히 감소한다는 것이 관측되었다.

이것은 때때로 관측창들이 탄소 코팅으로 덮여지는데, 이러한 상황을 방지하기 위해, 상기 관측창들을 향한 기체 흐름을 사용함으로써 방지될 수 있다는 사실에 기인될 수 있다.

상기 모니터링 장치와 방법들은 플라즈마 토치-RF, 유도(induction), PTA(Plasma transferred arcs), DC 토치, 마이크로웨이브 토치 등-, HiPco, 레이져 증착법, 기상 화학 증착법, 전기 아크법(electric arc and flame)과 같은, 다수의 나노미터 크기 단섬유 구조에 대한 장치 및 합성 방법에 응용될 수 있다. 실제로, 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 모든 기체 상태 합성에 장착될 수 있다.

도 14에 도시된 장치(324)는, 이온화 유닛(335, 335‘)을 포함하는 점을 제외하고는 도 4에 도시된 장치(24)와 유사하다. 따라서, 상기 장치(24)에서 한정된 방법과 유사한 방법으로 나노미터 크기의 단섬유 구조들이 상기 장치(324)에서 적층된다.

도 15 및 도 16을 참조하면, 상기 이온화 유닛(335, 335‘)과 관련하여, 상기 장치(324)가 동작하는 방법은 다음과 같다. 먼저, 이온화 유닛은 같은 전극 길이와 인가 전압을 위한 적층 장치의 효율을 향상시키기 위해 사용되는 것임을 주목해야 한다.

기체가 상기 이온화 유닛(335, 335‘)에 유입될 때, 거기에 포함된 구조들은 유닛(335)에 있는 전극(342)과 전극(344) 사이에서 흐르는 전류 또는 유닛(335’)에 있는 코일(346)에 의해 발생되는 자기장에 의해 유도되는 전류의 영향을 받는다. 이온화 단계와 적층 단계를 분리함으로써, 균일하게 차지(charge)하는 것이 더 편리하고, 따라서 그들이 공간(338) 속으로 들어가기 전에 기체 상태에서 임시로 머무르는 구조들을 편광한다. 기체 상태로 운반된 입자들을 관통하여 전류가 흐를 때, 이온화된다. 그러면, 상기 입자들은 대부분 차지(charge)되기 때문에, 공간(338)에서 가스 배출구로 기체가 흐름에 따라 거미망 모양의 구조 하에 나노튜브들의 결합은 빨라진다.

또한, 이온화 유닛(335, 335‘)를 부가함으로써, 임시로 머무르는 입자들을 이온화하는 일부 전력이 이미 사용되었기 때문에, 상기 적층 장치 내에서 나노미터 크기의 단섬유 구조들은 낮은 전기력에서 적층될 수 있다. 또한, 따라서 그것은 적층 단계 동안 상기 구조들을 손상시키는 것을 방지할 수 있게 한다.

도 17에 도시된 장치(424)는, 그것이 수집 챔버(441), 수용 부재(443) 그리고 피스톤(449)를 포함한다는 점을 제외하고는 도 4에 도시된 장치(24)와 유사하다.

* 따라서, 나노미터 크기의 단섬유 구조들은, 상기 장치(24)에서의 방법과 유사한 방법으로 전극-바람직하게는 전극(436)-에 적층된다. 구조들의 생산이 중단되었을 때, 상기 전극(436)에 적층된 나노미터 크기의 단섬유 구조들은 스크래퍼(440)에 의해 문질러져서 제거된다.

부재(442)는 부재(444)와 접촉하기 위해 아래 방향으로 이동되고, 부재(444)가 상기 전극(436)에 적층된 상기 구조들을 문질러서 제거하게 한다. 또한, 이러한 슬라이딩 이동은 상기 부재(442)가 전극(430)에 적층된 구조들을 문질러서 제거하게 한다.

상기 전극(430)과 전극(436)으로부터 제거된 구조들은 수용 부재(430)에 의해 회수되고, 그들은 피스톤(449)에 의해 수집 챔버(441)로 운반된다. 또한, 상기 수집 챔버(441) 안에서, 상기 구조들은 뭉쳐진다(packaged). 바람직하게는, 상기 수용 유닛(439)은, 상기 구조들이 산소나 습기에 노출되는 위험을 줄이기 위해 비활성 기체 분위기로 유지된다.

도 28을 참조하면, 본 발명에 따른 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 거시적인 결합체는 섬유를 형성할 수 있고, 특히 섬유들의 엉킴을 형성할 수 있다.

도 27에 도시된 바와 같이, 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 거시적인 결합체는 다수의 미시적인 결합체로 이루어진다.

상기 거시적인 결합체는 발포체(foam) 형태일 수 있다. 상기 구조는 에어로졸-에어로젤 변이 동안 형성되는 에어로젤 모양과 유사한 구조로 지칭될 수도 있다. (Lushnikov et al. in Chemical Physics Letters 175, (1991), 138-142; and Schleicher et al. in Journal of Colloid and Interface Science 180, (1996), 15-21 참조)

상기 구조는, 개개의 및/또는 일정한 정렬도(degree of alignment)를 가지는 거시적인 네트워크에서 함께 엉킨 몇 가닥의 나노튜브들의 결합이다. 상기 구조는, 빈 공간 또는 매우 낮은 밀도의 물질의 갈라진 틈(interstice)의 중요한 일부(fraction)를 포함한다.

예를 들면, 상기 전극들 사이에 형성되는 섬유들은 번개(lightning)와 유사한 차원 분열 도형(fractal) 구조를 가질 수 있고, 1.3 mg/cm³ 이하의 밀도인 기체 흐름 또는 대기 속에서 부유할 수 있는 매우 낮은 밀도를 가질 수 있다.

상기 섬유들이 중심 전극에서 모이고 휘감김에 따라, 반 데르 발스 힘이나 수소결합 또는 이들의 결합과 같은 비휘발성 결합을 가진 교차결합 때문에, 그들은 5 mg/cm³ 이하의 밀도로 압축된다.

또한, 계속해서 조작하여 상기 구조를 압축해도 되지만, 상기 구조는 일반적으로 약 8 mg/cm³ 이하의 밀도를 유지한다. 이 밀도들은, 약 15-20% 중량의 이온 촉매 나노 입자들을 포함하는 불순물 샘플을 위한 것임을 주목해야 한다.

발포체 모양 또는 에어로젤 모양 구조를 갖는 결합체는 낮은 기계적인 저항을 가지며, 쉽게 변형되고 압축될 수 있다. 그러나, 약한 교차결합을 변화시키는 방법은 획득될 수 있으며, 따라서, 상기 구조는 강화될 수 있다.

상기 방법들은 어닐링(annealing), 전기적인 가열(ohmic heating), 자외선 조사(ultraviolet irradiation)가 될 수 있다. 또한, 탄소 나노튜브들과 같은 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 거시적인 결합체들은 공유결합 및 이온 교차결합을 형성하는 종단 또는 측면 기능기화(end or side-wall functionalized)될 수 있다.

다음 예들은 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸다.

실시예 1: 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 적층

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 적층을 위한 장치를 이용하여 실험을 하였다. 상기 실험을 위해 도 4에 도시된 장치와 유사한 장치가 사용되었다. 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 적층을 위한 상기 장치에서는, 상기 구조들을 적층시키기 위해 단일-벽 탄소 나노튜브들을 생산하기 위한 플라즈마 토치의 하향류(downstream)가 이용되었다.

사용된 상기 플라즈마 토치는 미국 특허 제2003/0211030호(US 2003/0211030)의 도 1에 도시된 플라즈마 토치와 유사하며, 이에 그것은 그 전체의 인용문서로서 포함된다. 상기 플라즈마 토치에 관한 모든 파라미터들은 the LABVIEW소프트웨어(the LABVIEWsoftware)를 사용하는 컴퓨터에 의해 제어된다. 상기 파라미터들은 또한 수동제어가능하다.

제1 플라즈마를 발생시키기 위해 사용된 상기 불활성 기체는 아르곤(argon)이며, 상기 금속 촉매는 페로센(ferrocene)이며, 상기 탄소-함유 기체는 에틸렌(ethylene)이고 상기 냉각 기체는 헬륨(helium)이다.

헬륨은 또한, 탄소의 퇴적을 방지하기 위한 상기 플라즈마 방출 단부(plasma discharging end) 쪽으로 주입된다. 페로센은 주입되기에 앞서 약 80c 내지 100°C의 온도로 가열된다.

상기 변화된 아르곤 유동은 약 3200sccm(standard cubic centimetres per minute)이다. 상기 헬륨 유동들은 약 3250sccm에서 모두 안정상태가 되며, 상기 에틸렌 유동은 50 내지 100sccm 사이에서 변화된다.

상기 오븐의 상기 온도는 약 900°C 내지 1000°C로 유지되며, 고온계로 측정된다. 상기 전자장선(the electromagnetic radiations)(마이크로파)을 발생시키는 전원은 1500W이며 상기 RF 파워(반사파워, reflected power)는 약 200W이다.

상기 방열 튜브 부재들은 수정으로 형성된다. 상기 플라즈마 튜브는 황동으로 형성된다. 상기 공급 도관(feed conduit)은 스테인리스 스틸로 형성된다.

상기 금속 촉매(페로센)과 상기 탄소-함유 물질(에틸렌)은 0.02내지0.06의 금속 원자 대 탄소원자의 원자비율로 사용된다. 상기 실험은 불활성 상태(헬륨 및 아르곤)의 대기 압력에서 수행된다.

상기 내부 전극(inner electrode)은 3 내지 300 rpm의 속도 범위에서 회전된다. 상기 내부 전극의 음극성은 -1000V 내지 2000V 사이이다. 상기 중앙 전극을 에워싸는 상기 전기장은 약 2.5x10⁵V/m이다. 역류가 주입된 상기 헬륨의 유동은 약 1500sccm이다.

회전하는 전극을 가진 상기 적층 장치를 사용함으로서, 단일-벽 탄소 나노튜브들의 거시적 결합체(macroscopic assemblies)를 포함하는 단섬유들의 구조(formation)가 관찰되었으며, 상기 전극의 회전은 상기 단일-벽 탄소 나노튜브들의 상기 단섬유들이 상기 두 개의 전극들을 연결시키는 것을 방해했다. 따라서, 상기 전류는 약 1mA 내지 약 10mA의 상대적으로 낮은 값을 나타내었다. 상기 단섬유들은 사실상, 상기 전극의 둘레에 감겨있으며 상기 적층물은 도 9 및 도 10에 도시된 적층물과 유사했다. 상기 단일층의 약 500mg의 양은 한 시간 내 획득되었으며, 상기 순도는 중량의 약 40% 내지 50%이다. 획득된 상기 거시적 결합체의 밀도는 약 5mg/cm³이다. 상기 적층물은 발포체(foam) 형태였다.

플라즈마 토치 기술로서 획득된 상기 단일-벽 탄소 나노튜브들의 상기 거시적 결합체들은 적어도 중량의 25%, 바람직하게는 적어도 중량의 40%, 더욱 바람직하게는 적어도 중량의 45%, 더더욱 바람직하게는 적어도 중량의 50%이며, 최고로 바람직하게는 적어도 중량의 55%의 순도(또는 단일-벽 탄소 나노튜브들의 중량의 함유량)를 가질 수 있다. 그것들은 심지어 적어도 중량의 60% 또는 75%의 순도를 가질 수 있다.

본 발명의 방법 및 장치와 함께, 탄소 단섬유 정화를 위한 방법 및 장치로 명칭된 국제 출원 국제공보 WO2006099740호에서 한정된 정화 방법 및/또는 장치를 이용할 경우, 상기 단일-벽 탄소 나노튜브들의 상기 거시적 결합체들은 적어도 60%의 순도를 가질 수 있다.

실시예 2: 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 적층

본 실시예는 도 12에 도시된 장치와 유사한 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층시키기 위한 장치를 사용하여 수행되었다.

특히, 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층시키기 위한 상기 장치는 단일-벽 탄소 나노튜브들(도 1에 도시된 바와 같이)을 생성하기 위한 플라즈마 토치의 하향류(downstream)이 배치되었다. 사용된 상기 플라즈마 토치는 미국 특허 제2003/0211030의 도 2에 도시된 플라즈마 토치와 유사하다. 상기 플라즈마 토치는 실시예 1에서 설명한 바와 같이 유사한 방법으로 실행되었다.

단일층 탄소 나노튜브들의 생산이 상기 플라즈마 토치 공정에서 시작함에 따라, 합성된 입자들(particles synthesized)을 함유한 상기 기상(gaseous phase) 또는 상기 나노미터 크기의 단섬유 구조들은 상기 적층 장치의 입구로 공급된다. 상기 기상은 연기와 유사하며, 상기 적층 챔버 내에 모이며, 상기 적층 챔버는 전기장을 발생시키기 위해 상기 중앙 전극에 전압이 인가되는 곳이다.

본 실시예에서, 3000V의 마이너스 전극 차(negative voltage difference)가 0.3cm의 직경의 상기 내부 전극과 25cm의 직경의 상기 외부 전극 사이에 적용되며, 그것은 약 2.3 xlO⁵V/m의 거시적 전기장(macroscopic electric field)에 대응한다. 상기 시간을 초과하는 상기 적층 장치의 상기 전극들 사이에서 흐르는 상기 전류는 도 11에 도시된다.

부유하는 상기 탄소 나노튜브들의 상기 밀도가 임계 밀도에 도달할 때, 약 1 또는 2분 후에, 상기 전류는, 상기 부유하는 탄소 나노튜브들이 집합 공정(aggregation process)을 겪으며 탄소 나노튜브들(센티미터 범위의 길이를 갖는(도 18 참조))의 소형 집합체(small aggregates)를 형성시킴에 따라, 격렬하게 상승했다. 이어서, 단일층 탄소 나노튜브들의 거시적 결합체들은 상기 적층 장치의 상기 전극들을 연결시키기 위해서 자연스런 성향(natural tendency)을 갖는 대형 단섬유들을 제공함에 따라 형성된다. 형성된 이들 단섬유들의 상기 길이는 상기 전극(130)과 전극(136)(도 19에 도시된 바와 같이 약 10cm)사이의 상기 갭(gap)에 의해 제한된다.

그리고, 이들 단섬유들은, 이 전극이 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이 감겨진 단섬유들의 얽힘(entanglement)를 형성시키도록 회전됨에 따라, 상기 중앙 전극에 감겨진다. 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 상기 결합체(본 실시예에서의 단일-벽 탄소 나노튜브들)는 발포체 형상을 띄었다.

본 실시예에서, 상기 회전 속도는 약 30RPM이었다. 상기 회전 속도는 상기 단섬유들의 감겨짐(rolling-up)을 최적화시키도록 바람직하게 충분히 느리며, 상기 단섬유들은 초 범위(range of second(s))에서 시간 척도 포메이션(formation time scale)을 갖는다. 이러한 시간의 척도는 상기 전극들, 상기 기상(gaseous phase) 및 가느다란 부재(elongated member) 또는 적층 챔버의 상기 나노튜브들의 밀도, 그리고 적용된 상기 전압 사이의 상기 갭(gap)에 따라 다양하게 변할 것이다. 공정의 효율은 적층챔버의 길이, 유량, 나노튜브생산률, 나노튜브의 순도, 회전속도, 적용된 전기장에 따라 다양하게 변화할 수 있다. 적층되지 않은 입자들은 필터(미도시)에 포획되기전에 배기구로 흘러갈 것이고, 보이는 생산지점에서 사라질것이다. 현재의 예에서, 60cm의 적층길이, 10SLM, 그리고 약 시간당 0.2그램(g)의 생산율일 경유에 적층 효율은 98% 이상 도달하였다.

얻어진 적층된 단일층으로 된 탄소 나노튜브에 대하여 몇가지 분석이 행해졌다. 사실, 투과형 전자현미경(transmission electron microscope ,TEM)(도 20), 라만 분광법(Raman spectroscopy)(도 21) 그리고 열무게분석법(thermogravimetric analysis, TGA) (도 22)은 단일층 탄소 나노튜브들의 현재 상태를 명확히 나타내었다. 이러한 분석들은 또한 전극에 대한 적층된 나노튜브의 순도를 확인하였다.

실제로, 전극(도 9, 도 10)주변에 모여있는 필라멘트들이 얽혀있는 투과형 전자현미경의 영상(TEM)(도 20)은 1나노미터(nm)의 차수의 지름을 갖고, 약 5나노미터(nm)의 지름을 갖는 소규모의 묶음으로 이루워진 단일층 탄소나노튜브를 보여준다. 탄소나노튜브와의 합성과정 중에 생산된 비결정질의 탄소 그리고 철 촉매 나노입자들을 또한 볼 수 있다.

도 21에서 보여지고, 785나노미터에서 방출된 레이저에서 얻어진 라만 스펙트럼은 또한 단일층 탄소나노튜브를 확인할 수 있다. 이러한 나노튜브의 저주파수 영역에서의 전형적인 RBM(radial breathing mode) 특징이 후에 도에서 관찰될 수 있다.

단일층 카본나노튜브의 적층된 예에 대한 종합적인 순도는 다음의 실험변수, 즉 5°C/min, 55sccm의 가스유량, 4mg의 표본질량, 95%의 N₂ 가스합성물, 그리고 5%의 O₂ 가스합성물의 램핑속도(ramping rate)들의 50%이상 무게에서 도 22의 TGA에서 평가된다. 종종 적층 순도의 표시자로 사용되는 재의 내용물은 도 22에서 가리키는 봐와 같이 27%의 값을 갖는다. 단일층 탄소나노튜브의 거시적 결합체의 밀도는 따라서 약 5 mg/cm³로 얻어진다.

실시예 3: 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 생산관찰.

상기 예는 도 13에서 도시한 장치와 유사한 장치를 사용하여 얻어질수 있다. 특별히, 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 생산관찰 장치는 도 12에서 도시한 장치와 유사한 적층 나노미터크기의 단섬유 구조들에 대한 장비에 설치된다. 적층 나노미터 단섬유 구조에 대한 장치는 도 1에서 도시되고, 예 2에서 설명된 것 처럼 단일층 탄소나노튜브를 생산하기 위한 플라즈마발생장치의 하단에 배치된다.

본발명에 있어, 전기장에 놓인경우에 가스상태의 부유 탄소나노튜브의 입자들의 움직임은 나노튜브이 생산을 탐지하고 관찰하기위하여 사용된다. 단일층 탄소나노튜브의 합성을 위한 최적의 조건들은 합성과정에서 사용되는 플라즈마에서 변경이 이루워질때에 다양하게 변화된다.

예를 들어, 만약 플라즈마발생장치의 냉각변수들이 상당히 변경되면, 실험변수들의 반복은 최적의 조건을 찾기위하여 필요하다. 도 13에서 도시된 장치와 유사한 관찰장치를 사용함으로써, 동일한 실험에서 나노튜브의 합성에 대한 최적의 조건에 달하기까지 행한 실험변수의 많은 반복들이 행해진다. 즉, 평균 현재의 유량이 관찰장치의 전자사이에서 최대로 되고, 동일한 생산률에 대한 기체상태에서 다량의 섬유가 형성될때이다. 따라서, 사용된 장치와 방법은 빨리 나노튜브의 합성에 대한 적절한 조건을 찾기위해 허용된다.

더욱이, 실시간에서 그리고, 적절한 조건들을 얻기전에 몇몇의 실험을 수행하는 필수요건이 없이 이러한 변경이 가능하다. 도 23에서 보여진 바와 같이, 합성조건이 너무 나빠서 탄소나노튜브를 형성할 수 없는 후에 8분내에 현재의 수준이 너무 낮다. 8분에서 13분까지, 상기 조건들은 불활성가스 유동과 플라즈마 발생장치에 주입된 에틸렌에 대한 페로센(ferrocene)의 비율과 같은 실험변수들을 다양하게 변경함에 의해 향상될 수 있다.

이 상태에서, 도 18에서 도시한 바와 같이, 작은 나노튜브 집합체 섬유들의 낮은 밀도를 보여준다. 그러나, 단지 13분후에 최적의 조건에 도달한다. 사실, 도 19에서 도시한 바와 같이, 관찰장비에서 다량의 섬유들과 높은 전류가 형성된다.

일단 나노튜브의 합성에 대한 변수가 최적화되면, 생산은 시간과 각각의 새로운 실험에서 생산질이 유지되는지를 확인하기 위하여 같은 장비에서 관찰될 수 있다.

도 24B에서 도시한 바와 같이, 문제가 있는 생산과 비교하여 양질의 탄소나노튜브 적층이 있는, 도 24A에서 도시된 바와 같이, 일반적인 생산에 대한 더 높은 평균 전류가 관찰된다. 나노튜브의 상대적인 양이 작을때 도 8에서 퍼센트로 표현된, 평균전류에 대한 표준편차(SD, 도 24)의 비율이 더 크다. 이러한 효과는 도 24A와 도 24 B에서 볼수 있다. 일반적인 그리고 문제가 있는 생산에서 전류의 평균값에 대한 전류의 표준편차비율이 각각 16%에서 42%까지 변화했다. 전류의 움직임에서, 관찰챔버의 전자들 사이의 저항이 또한 계산되었다.

도 25에서 도시한 바와 같이, 일반적인 생산에서 더 낮은 저항에 도달하는 것을 보이기 위하여 도 24A와 도 24B의 탄소나노튜브의 좋은 그리고 문제가 있는 생산에 대한 저항이 계산되었다. 합성과정의 시작점에서의 전류의 급속한 상승은 시간에 대한 전류값을 미분함에 의해 측정될 수 있다. 도 24 B와 비교하여 도 24A의 더 높은 기울기는 탄소나노튜브의 일반적인 그리고 문제가 있는 생산에 대한 전류의 상승에서의 차이와 연관된다.

실시예 4: 이온화 유닛을 이용한 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 적층

본 발명에서, 이온화 유닛을 갖춘 나노미터 크기의 단섬유 구조들을 적층하는 장치가 사용되었다.

본 발명의 목적을 위하여 사용된 장치는 도 14에서 개략적으로 표현된 적층장치와 유사하다. 그리고, 도 15에서 개략적으로 표현된 장치와 유사한 이온화 유닛이 구비되었다. 이용된 상기 이온화 유닛은 가스상태에서 운반된 나노튜브의 입자들을 이온화하기 위하여 도 15에서 도시된 전류흐름사이에서의 일련의 전자들을 포함한다.

도 15에서 도시한 바와 같이, 낮은 파워 테슬라 코일 (power Tesla coil) 전원(<30 Watts)에서 공급되는 이온화 유닛의 전자는 높은 주파수(-0.5 MHz) 와 높은 전압(10-5OkV) 신호를 생기게 한다.

예 2에서 상세하게 묘사된 것 같은 나노미터크기의 단섬유 구조물의 적층에 대한 방법과 장치에서 이온화 유닛의 사용은 나노미터크기의 단섬유 구조물의 적층에 대한 방법과 장치의 효율성을 향상시키게 됨을 관찰할 수 있다. 비록 적층장치의 전자에 적용된 전압은 3000V에서 2000V로 낮아 졌지만, 예 2에서 묘사된 것 같은 동일한 생산변수(나노튜브생산비율과 순도)들에 대한 적층효율은 약 70%에서 90%이상 향상되었다. 이온화 유닛을 추가함으로써, 나노튜브들은 적층장치에서 낮은 전원에서 적층된다. 어떠한 높은 전원은 생산된 나노튜브에 손상을 일으킬수 있기 때문에 적층장치에서 전원공급을 최소화하는 이점이 있을 수 있다. 이로써 본 발명서류에서 언급된 모든 서류들은 참고문헌으로 편입되었다.

상기 발명은 설명된 실시예에 대한 상세한 참고문헌으로 묘사된 반면에, 게다가 수많은 변경은 이 분야에서 숙련된 사람들에게 나타날 수 있을 것으로 이해된다. 따라서, 상기한 설명과 동봉된 도면들은 본 발명의 실시예이고, 이에 제한된 의미는 아니다.

Claims

나노미터 크기의 단섬유 구조들을 포함하는 기체 상태를 전기장을 발생시키는 적어도 두 개의 전극 사이에 한정된 공간을 통과시켜 획득되고, 같은 방향으로 정렬되고 함께 연결된 다수의 미시적인 결합체들을 포함하는 거시적인 결합체에 있어서, 상기 전극 사이에 발생하는 전기장의 전류는 1 mA 내지 10 mA이고, 상기 미시적인 결합체들 각각은 다수의 부재들을 포함하며, 상기 부재들 각각은 나노미터 크기의 단섬유 구조 또는 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 번들(bundle)을 포함하며, 상기 부재들 각각은 그들 사이에 다수의 공간을 제공하고, 상기 거시적인 결합체는 8 mg/cm³ 이하의 벌크 밀도를 가지고, 상기 단섬유 구조는 단일벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 거시적인 결합체.
단섬유 구조인 나노미터 크기 단일벽 탄소나노튜브를 적층장치 입구로 도입하는 단계(단계 1); 및
상기 도입된 단일벽 탄소나노튜브를 전기장을 발생시키는 적어도 두개의 전극 사이로 한정된 공간으로 이동시키고 전기장을 발생시키되, 상기 적어도 두개의 전극 중 하나의 전극을 회전시키고, 전기장 내의 전류는 1 mA 내지 10 mA의 범위로 유지하여, 8 mg/cm³ 이하의 벌크밀도를 갖는 거시적 결합체를 형성하는 단계(단계 2);를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 단섬유 구조들의 거시적인 결합체의 제조방법.