KR101676146B1 - 탄소나노튜브의 밀도 제어를 위한 임펠러를 갖는 탄소나노튜브 합성장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브의 밀도 제어를 위한 임펠러를 갖는 탄소나노튜브 합성장치에 관한 것으로, 종래기술처럼 혼합, 성형, 건조와 같은 여러 단계의 후공정을 통하여 탄소나노튜브의 밀도를 개선하고자 하는 것이 아니라, 탄소나노튜브 합성장비에서 탄소나노튜브를 합성하는 공정중 촉매 상에 반응가스를 분사하는 임펠러의 형상을 개선하여 탄소나노튜브의 밀도를 조절하는 탄소나노튜브 합성장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 탄소나노튜브가 형성되는 공간을 제공하는 반응 챔버; 상기 반응 챔버 내부에 촉매를 공급하는 촉매 공급부; 상기 촉매 상에 반응가스를 분사하는 적어도 하나의 회전날개를 갖는 임펠러; 상기 임펠러 내부로 반응가스를 공급하는 반응가스 공급관;을 포함하며, 상기 회전날개는 그 내측에 반응가스를 공급받는 가스전달라인이 형성되고, 상기 반응가스 공급관의 외주면에는 가스전달라인으로 반응가스를 공급하기 위한 가스공급홀이 연장 형성되며, 상기 가스전달라인은 가스공급홀을 연장한 일직선에서 수평방향으로 이격된 위치에 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 합성장치를 제공한다.

Description

탄소나노튜브의 밀도 제어를 위한 임펠러를 갖는 탄소나노튜브 합성장치 {Carbon nanotube synthesis apparatus having impeller to control density of carbon nanotubes}

본 발명은 탄소나노튜브의 밀도 제어를 위한 임펠러를 갖는 탄소나노튜브 합성장치에 관한 것이다.

탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT)는 탄소로 이루어진 탄소 동소체로서, 1개의 탄소원자가 3개의 다른 탄소원자와 결합한 육각형 벌집 모양으로 결합되어 튜브 형태를 이루고 있는 물질이며, 튜브의 직경이 수 나노미터 수준으로 이루어진 극히 작은 영역의 물질이다.

탄소나노튜브는 동종 카본 동소체들보다 우수한 전기적 성질 및 기계적 성질, 열적 성질을 가지고 있어 고기능 전도성 복합체, 고강도/경량화 복합체, 방열/발열재, 전자방출원, 투명전극 등에 활발한 연구가 이루어지고 있으며 이 중 일부는 상용화되고 있다.

이러한 탄소나노튜브는 다양한 합성 기술에 의해 제조될 수 있는데, 그 합성방법으로는 전기방전법(Arc-discharge), 레이저 증착법(Laser vaporization), 플라즈마 화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD), 열화학기상 증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition), 전기분해 합성법이 알려져 있다. 이중 탄소나노튜브의 구조제어, 반응기의 크기, 반응가스의 전환률, 생산 효율성으로 인해 열화학기상 증착법의 유동층합성장비(탄소나노튜브 합성장비)에 대한 사용이 매우 활발한 실정이다.

일반적으로 탄소나노튜브를 고분자 복합소재와 사용함에 있어서, 탄소나노튜브는 고분자 펠릿과 혼합하여 사용된다. 이러한 탄소나노튜브는 단일 가닥의 진밀도(true density)가 1.3~2.1g/ml이나, 번들구조형상(Bundle type)을 갖는 탄소나노튜브의 겉보기밀도(bulk density) 기준으로는 0.01~0.06g/ml 정도로 매우 낮게 제조되어진다.

더욱이, 유동층합성장비로 제조되어지는 탄소나노튜브의 겉보기밀도는 0.01~0.02g/ml에 이를 정도로 매우 낮을 수 있다.

이와 같이 겉보기밀도가 낮은 탄소나노튜브가 복합소재 분야에 사용되는 경우 탄소나노튜브와 고분자 펠릿을 함께 압출기에 투입할 때 두 소재의 큰 밀도 차이로 인한 층분리 현상과 낮은 밀도에 의한 탄소나노튜브의 분산 문제가 탄소나노튜브의 대량사용에 대한 걸림돌이 되고 있는 실정이다.

또한 탄소나노튜브 생산자의 입장에서는 분말로 제조되는 탄소나노튜브의 매우 낮은 겉보기밀도에 의해 증가되는 포장비 및 물류비가 부담이 되고 있는 실정이다.

이에 따라, 탄소나노튜브의 밀도를 개선하기 위한 노력이 다양한 측면으로 시도되고 있다.

현재까지 알려진 탄소나노튜브의 겉보기밀도 개선 방법으로는 다음과 같은 기술이 있다.

한국공개특허 제2014-0049859호에 개시된 "압축 CNT의 제조방법 및 그에 의한 압축 CNT"에서는 카본나노튜브를 용매 및 분산제에 혼합하여 나노튜브 클레이를 만드는 단계, 상기 준비된 클레이를 형상화 및 절단하여 클레이상 펠렛을 수득하는 단계, 수득된 클레이상 펠렛에 포함된 용매를 제거하는 단계를 포함하는 압축 카본나노튜브의 제조 방법을 개시하고 있다. 이 방법에서는 제조 과정에서 사용한 용매 및 분산제에 의해 예상치 못한 부작용을 유발할 수 있는 문제가 있으며, 또한 탄소나노튜브 합성 후 용매 및 분산제와의 혼합, 압축, 건조라는 여러 단계의 후공정을 통해 제조되는 경제성 측면의 단점이 있다.

또한 한국등록특허 제10-0955295호에 개시된 "나노카본을 포함한 고형체의 제조방법" 에서는 나노카본, 금속(산화물 및 이온을 포함) 및 수지를 포함하는 나노카본 고형체를 개시하고 있다. 그러나 이 방법으로 제조된 나노카본 고형체는 고형체 성형을 위한 결합력을 증가시키기 위하여 금속 및 수지를 포함하고 있어 고분자 복합소재에 적용할 경우 매트릭스로 사용한 고분자와 나노카본 고형체에 포함된 금속 및 수지와의 반응성 또는 상용성에 따라 고분자 복합소재에 사용을 못하거나 나노카본의 중요한 물성 발현이 저하될 수도 있다는 문제점이 있으며, 나노카본과 금속 및 수지와의 혼합, 분리, 성형, 건조라는 여러 단계의 제조 공정이 필요하다는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 상기한 종래기술처럼 혼합, 성형, 건조와 같은 여러 단계의 후공정을 통하여 탄소나노튜브의 밀도를 개선하고자 하는 것이 아니라, 탄소나노튜브 합성장비에서 탄소나노튜브를 합성하는 공정중 촉매 상에 반응가스를 분사하는 임펠러의 형상을 개선하여 탄소나노튜브의 밀도를 조절하는 탄소나노튜브 합성장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이에 본 발명에서는, 탄소나노튜브가 형성되는 공간을 제공하는 반응 챔버; 상기 반응 챔버 내부에 촉매를 공급하는 촉매 공급부; 상기 촉매 상에 반응가스를 분사하는 적어도 하나의 회전날개를 갖는 임펠러; 상기 임펠러 내부로 반응가스를 공급하는 반응가스 공급관;을 포함하며, 상기 회전날개는 그 내측에 반응가스를 공급받는 가스전달라인이 형성되고, 상기 반응가스 공급관의 외주면에는 가스전달라인으로 반응가스를 공급하기 위한 가스공급홀이 형성되며, 상기 가스전달라인은 가스공급홀을 연장한 일직선(가스공급홀의 연장선)에서 수평방향으로 이격된 위치에 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 합성장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 의하면, 상기 반응가스 공급관은 임펠러의 회전을 위한 지지대를 관통하여 임펠러 내부로 반응가스를 공급하게 형성되고, 상기 가스공급홀은 반응가스 공급관의 외주면에서 지지대의 외주면까지 연장 형성된다.

이때, 상기 가스전달라인은 가스공급홀을 연장한 일직선에서 수평방향으로 이격 위치되어, 가스공급홀을 연장한 일직선과 부분적으로 겹쳐지게 배열되거나, 또는 가스공급홀을 연장한 일직선과 겹치지 않게 배열된다.

또한 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 임펠러는 회전날개가 형성되는 바디부를 가지며, 이 바디부 내측에는 가스전달라인과 가스공급홀 사이에 반응가스 유동을 위한 공간부가 구비된다.

또한 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 회전날개는 직삼각형의 종단면을 가지도록 형성되어 복수개의 분사홀이 형성된 저면에 이웃하는 경사면을 가지고, 상기 가스전달라인은 가스공급홀을 연장한 일직선에서 수평 이격된 위치에 형성되어 상기 경사면에서 멀어지게 배열되며, 상기 분사홀은 가스전달라인으로부터 반응가스를 공급받아 촉매 상부로 분사하게 된다.

전술한 종래기술처럼 탄소나노튜브를 합성한 후, 수지 또는 용매 및 분산제 같은 첨가제에 의한 후처리 공정으로 밀도를 개선시키는 탄소나노튜브의 경우에는 첨가제의 잔류로 인해 고분자 복합소재에 사용될 경우 원하지 않는 첨가물이 들어가 탄소나노튜브의 우수한 물성을 저하시키는 문제가 발생한다.

그러나 본 발명에서는 탄소나노튜브 분말에 추가적인 첨가제를 투입하여 밀도를 개선하는 것이 아니라, 탄소나노튜브를 합성하는 과정에서 직접적으로 탄소나노튜브의 밀도를 개선하므로 어떤 부산물에 의한 물성저하의 문제발생 가능성이 없다.

또한 종래기술과 같이 여러 단계의 후처리 공정을 필요로 하는 고형화 공정은 추가적인 재료 및 장비가 사용되어 상당한 비용이 요구되지만, 본 발명에서는 기존의 재료 및 장비 이외에 추가로 투입되는 요소가 없어 경제성 측면에서 상당히 유리한 이점이 있다.

이로써, 밀도가 개선된 탄소나노튜브의 사용으로, 기존 고분자 펠렛과의 큰 밀도 차로 인한 층분리 현상 해결에 도움을 주며, 소재의 포장비 및 물류비를 절감시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러를 채택한 탄소나노튜브 합성장치를 나타낸 개략도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러를 위에서 본 사시도 및 밑에서 본 사시도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러를 나타낸 절개 사시도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러를 나타낸 저면도 및 단면도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러의 회전날개를 절개한 사시도 및 측면도
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러를 채택한 탄소나노튜브 합성장치를 나타낸 부분도
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 합성장치의 일부를 절개하여 나타낸 절개 사시도
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 합성장치의 일부를 절개하여 나타낸 절개 사시도 및 평면도
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 합성장치의 일부를 절개하여 나타낸 평면도
도 10은 본 발명에 따른 임펠러를 사용함에 의한 탄소나노튜브의 밀도 개선 효과를 예증하는 실험 결과를 나타낸 표

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.

본 출원인은 한국등록특허 제10-1126552호(2012.03.07)에 "탄소나노튜브 합성 장치"를 개시한 바가 있다.

본 발명은 상기 탄소나노튜브 합성 장치에서 촉매 상에 반응가스를 분사하고 촉매를 유동시켜주는 임펠러의 구조 변경을 통해 탄소나노튜브의 겉보기밀도를 제어 및 증가하기 위한 것이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 탄소나노튜브 합성장치(100)는 반응 챔버(110), 촉매 공급부(120), 회수부(130), 플레이트(140), 임펠러(200), 가열부(170), 교반기(180) 및 배기부(190)를 포함하여 구성된다.

반응 챔버(110)는 탄소나노튜브가 합성되는(형성되는) 공간을 제공하도록 형성되며, 상하로 길게 공간을 제공하는 수직형일 수 있고, 석영(Quartz) 또는 그라파이트(Graphite) 등과 같이 열에 강한 재질로 이루어질 수 있다.

반응 챔버(110)는 합성이 이루어지는 몸체부, 촉매(M)가 위치하는 하단부, 배기부(190)가 형성되는 상단부 등으로 나누어질 수 있다. 반응 챔버(110)의 상단부는 몸체부보다 큰 직경을 가지도록 형성될 수 있고, 이는 상단부의 단면적을 크게 하여 상단부에 이르는 촉매(M) 또는 합성된 탄소나노튜브의 유속을 낮춤으로써 배기부(190)로 유출되지 않고 다시 몸체부로 떨어질 수 있도록 하기 위함이다.

촉매 공급부(120)는 제조된 촉매(M)를 저장하는 촉매 저장부(미도시)와 연결되어, 반응 챔버(110) 내부로 촉매(M)를 공급한다.

회수부(130)는 반응 챔버(110) 하단부에 연결되어 합성된 탄소나노튜브를 반응 챔버(110)의 외부로 배출하여 회수할 수 있도록 한다. 바람직하게는, 탄소나노튜브 합성 공정을 마친 후, 회수부(190)에 설치된 게이트(도시되지 않음)를 열고 회수부(130)를 음(-)압으로 유지시킴으로써 합성된 탄소나노튜브를 외부로 배출하여 회수할 수 있다.

플레이트(140)는 반응 챔버(110) 하부에 형성되어, 반응 챔버(110) 내부로 제공된 촉매(M)는 플레이트(140) 상에 위치할 수 있게 된다.

가열부(170)는 반응 챔버(110)의 외측에 설치되어 반응 챔버(110)를 가열하여, 반응 챔버(110)의 내부를 탄소나노튜브의 합성에 필요한 공정 온도까지 가열할 수 있다.

교반기(180)는 반응 챔버(110) 내에서 합성되는 탄소나노튜브를 유동시키며 반응 챔버(110) 내벽의 부착물을 제거해주는 복수개의 날개(184)를 갖는 것으로, 회전축(182)을 따라 형성된 복수개의 날개(184)를 포함하며, 회전력을 제공하는 구동부(186)와 연결된다.

복수의 날개(184)는 회전축(182)을 중심으로 등간격으로 배치될 수 있으며, 회전축(182)의 길이 방향을 따라 다단으로 배치될 수 있다. 또한, 각 단의 날개(184)들은 서로 교차되게 배치될 수도 있다.

여기서, 날개(184)의 개수 및 배치 형태는 반응 챔버(110)의 크기, 반응가스의 종류, 촉매(M)의 형태 등의 조건에 따라 당업자에 의해 다양하게 변경 가능하다.

교반기(180)는 일정한 주기를 가지고 회전축(182)을 중심으로 회전하게 되며, 반응 챔버(110) 내부의 반응가스 및 촉매(M)를 균일하게 혼합시켜 층팽창율을 높임으로써 탄소나노튜브 합성을 향상시킨다. 또한, 교반기(180)는 합성된 탄소나노튜브가 반응 챔버(110) 벽면에 부착되는 문제를 방지할 수 있다.

배기부(190)는 반응 챔버(110)의 상단부에 연결되어 탄소나노튜브의 합성에 반응하지 않은 미반응가스를 반응 챔버(110)의 외부로 배출할 수 있다. 즉, 배기부(190)를 통해 탄소나노튜브 합성 공정이 끝난 후 잔류 가스 등을 외부로 배출할 수 있다.

한편, 임펠러(200)는 반응 챔버(110) 내 촉매 상에 반응가스를 분사하면서 회전하여 촉매를 유동시켜주는 것으로, 도 1 내지 5에 나타낸 바와 같이, 지지대(150)와 연결되는 바디부(210)와 이 바디부(210)에 일체로 형성된 복수개의 회전날개(220)를 포함하며, 복수개의 회전날개(220) 중 적어도 하나의 회전날개에서 촉매(M)가 위치한 플레이트(140) 상에 반응가스를 분사하게 된다.

임펠러(200)는 지지대(150)와 연결되며, 지지대(150)는 구동부(152)와 연결되어 구동부(152)에 의해 임펠러(200)를 회전시킨다. 지지대(150)는 예를 들어, 페로실로 형성될 수 있다. 페로실은 마그네틱 실로 구성될 수 있는데, 페로실을 구성하는 마그네틱 실 내부에 형성된 마그네틱(미도시)이 회전하면서 지지대(150)를 회전시키게 되고, 이에 따라 지지대(150)에 연결된 임펠러(200)를 회전시키게 된다. 이때, 임펠러(200)가 회전할 때 구동부(152)와 임펠러(200)가 결합되는 틈 사이로 반응 챔버(110) 내부의 가스가 유출되는 것을 마그네틱 실에 의한 실링으로 방지할 수 있다. 마그네틱 실을 이용하여 축의 회전과 동시에 내부를 밀폐시키는 구성은 공지된 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

임펠러(200) 내부로는 반응가스 공급관(160)을 통해 반응가스가 공급되며, 반응가스 공급관(160)은 지지대(150)를 관통하여 임펠러(200)와 연결된다. 반응가스 공급관(160)은 반응가스를 공급하는 반응가스 공급부(164) 및 반응가스의 공급량을 조절하는 조절밸브(162)와 연결된다.

도 2 내지 5에서 임펠러(200)의 회전날개(220)는 바디부(210)의 양측으로 연장되는 2개로 도시되었으나, 이에 의해 한정되는 것은 아니다.

상기 임펠러(200)는 Ti 금속재질 또는 고온에서 변형이 없는 재질로 이루어지며, 바디부(210)를 중심으로 양쪽 회전날개(220)는 임의의 각도(α, 예를 들면, 15~60°)를 가진 직삼각형의 종단면을 가진다.

각 회전날개(220)에는 그 저면에 반응가스 공급관(160)에서 공급된 반응가스를 촉매 상으로 분사하는 복수개의 분사홀(222)이 구비되고, 그 내측에 반응가스 공급관(160)에서 임펠러(200) 내부로 공급된 반응가스를 분사홀(222) 측으로 전달하는(공급하는) 가스전달라인(224)이 구비된다.

가스전달라인(224)은 회전날개(220) 내에 회전날개(220)의 연장방향(길이방향)으로 연장되는 직선형으로 형성되며, 복수의 분사홀(222)은 회전날개(220)의 저면 상에 일렬로 배열되어 직선형의 정렬라인을 형성한다.

이때 분사홀(222) 및 분사홀(222)이 형성하는 정렬라인은 가스전달라인(224)의 직하방향에 위치되지 않고 가스전달라인(224)과 대각선 상에 위치한다.

다시 말해, 분사홀(222)의 정렬라인은 가스전달라인(224)의 하방에서 수평방향으로(좌우 일측으로) 일정 거리만큼 떨어진 위치에 배치된다.

따라서, 직삼각형의 종단면을 가지는 회전날개(220)는 복수개의 분사홀(222)이 형성된 저면에 이웃하는 경사면을 가지며, 상기 복수개의 분사홀(222)이 일렬로 배열되어 형성하는 정렬라인이 가스전달라인(224)의 수직 하방에서 상기 경사면 측으로 수평 이격된 위치에 배열된 구조를 갖는다.

이렇게 분사홀(222)의 정렬라인이 가스전달라인(224)의 수직 하방에서 수평방향으로 이격된 위치에 형성됨에 의해 분사홀(222)에서 촉매 상에 분사되는 반응가스는 수직방향으로 연장되는 반응가스 공급관(160)에 대해 임의의 분사각도(β, 예를 들어, 10~60°)를 형성하게 된다.

다시 말해, 분사홀(222) 및 분사홀(222)이 형성하는 정렬라인은 가스전달라인(224)의 수직 하방에 위치되지 않고 가스전달라인(224)과 대각선 상에 위치되어서, 가스전달라인(224)에서 전달받은 반응가스를 일정 범위 내의 분사각도(β)로 촉매 상에 분사하게 된다.

또한, 회전날개(220)에 형성된 분사홀(222)들은 각각 반응가스 공급관(160)으로부터 임의의 간격을 두고 배치되며, 이때 일측의 회전날개에 형성된 분사홀과 타측의 회전날개에 형성된 분사홀은 반응가스 공급관(160)을 기준으로 그 위치가 중첩되지 않도록 형성된다. 즉 일측의 회전날개에 형성된 분사홀과 타측의 회전날개에 형성된 분사홀은 모두 반응가스 공급관(160)과의 간격이 서로 다르게 위치된다.

회전날개(220)의 각 분사홀(222)은 대략 지름 1.2mm 내외의 크기를 가지게 형성되며, 회전날개(220)의 저면(바닥면)에서 일정 분사각도로 반응가스를 분사하게 된다.

아울러, 가스전달라인(224)의 끝단(회전날개의 바깥쪽 단부)은 패킹부재(226)에 의해 반응가스의 누설을 방지할 수 있도록 막혀있다.

한편, 도 6 내지 8에 나타낸 바와 같이, 반응가스 공급관(160)의 상단부 외주면에는 그 양측에 각 회전날개(220)의 가스전달라인(224)으로 반응가스를 공급하는 가스공급홀(166)이 형성되고, 이 가스공급홀(166)은 지지대(150)의 반경방향으로 연장되어 지지대(150)의 외주면까지 형성된다.

이때, 도 7 및 도 8에 보이듯, 가스전달라인(224)은 지지대(150)의 반경방향으로 연장 형성된 가스공급홀(166)과 일직선상에 배열되지 않고 서로 어긋나게 배열된다.

그리고, 임펠러(200)의 바디부(210) 내측에는, 가스공급홀(166)과 가스전달라인(224) 간에 반응가스 유동 및 공급을 위하여, 즉 반응가스 공급관(160)을 통해 공급되는 반응가스가 가스공급홀(166)을 통해 가스전달라인(224)으로 공급되게 하기 위하여, 공간부(212)가 형성된다.

상기 공간부(212)는 바디부(210) 내측에 지지대(150)의 외주면을 따라 링 모양으로 형성되어, 가스공급홀(166)에서 공급되는 반응가스가 가스전달라인(224)으로 유동되어 공급될 수 있게 한다.

상기 임펠러(200)는 가스전달라인(224)이 가스공급홀(166)을 연장한 일직선상에서 수평방향으로 일정 간격이 이격된 위치에 배열됨에 의해, 반응가스 공급관(160)에서 공급된 반응가스가 공간부(212)를 통해 가스전달라인(224)에 유입되는 과정에서, 반응가스가 바디부(210) 내 공간부(212) 벽에 부딪히게 되는 등에 의해 반응 챔버(110) 내 탄소나노튜브 및 촉매분말의 유동특성이 변경 제어되고 그 결과로서 탄소나노튜브의 겉보기밀도 개선 효과를 얻을 수 있다.

다시 말해, 임펠러(200)의 가스전달라인(224)을 가스공급홀(166)을 연장한 일직선상에서 수평방향으로 이격된 위치(회전날개(220)의 경사면에서 멀어지는 방향으로 이격됨)에 배치함으로써 그 이격 거리에 따라 탄소나노튜브의 밀도 조절이 가능하다.

여기서, 가스전달라인(224)이 가스공급홀(166)을 연장한 일직선상에 어긋나게 위치하는 동시에 가스공급홀(166)에서 배출된 반응가스가 가스전달라인(224)으로 원활하게 유입될 수 있는 위치이면, 가스전달라인(224)과 가스공급홀(166) 간에 수평방향의 이격 거리는 한정되지 않는다.

예를 들면, 도 8과 같이 가스전달라인(224)이 가스공급홀(166)을 연장한 일직선상에 겹쳐지지 않도록 가스공급홀(166)과 완전히 어긋나게 배열되거나, 또는 도 9와 같이 가스전달라인(224)이 가스공급홀(166)을 연장한 일직선상에 부분적으로(절반 정도) 겹쳐진 형태로 배열되는 것이 가능하다.

또한 구체적인 일례로, 가스전달라인(224)은 가스공급홀(166)의 일직선상에서 수평방향으로(구체적으로, 회전날개(220)의 경사면 측에서 멀어지는 방향으로) 2.5 mm 만큼 떨어진 위치에 형성되는 것이 가능하다.

또한, 상기의 구조에서 회전날개(220)의 삼각 단면을 다른 단면 형태로 변경하거나, 분사홀(222) 개수, 분사홀(222) 위치 및 분사홀(222) 크기 등의 변경을 통해 반응 챔버(110) 내에서 탄소나노튜브 및 촉매분말의 유동특성을 변경 제어할 수 있으며, 그 결과로서 현재 제조되는 탄소나노튜브보다 겉보기밀도가 개선된 탄소나노튜브를 제조하는 것이 가능하다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기의 실시예는 본 발명을 예증하기 위한 것일 뿐, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

먼저, 아래 실시예 1 및 비교예 1과 같이 임펠러를 제작하여 준비한다.

실시예 1

Ti금속재질을 이용하여 탄소나노튜브 합성장치용 임펠러(impeller#1)를 제작하였다. 상기 임펠러는 상측에 28°의 내각을 갖는 직삼각형 단면을 형성하고 있는 2개의 회전날개가 좌우 양측에 구비되고, 각 회전날개의 저면이 회전날개의 길이방향으로 테이퍼져 수평선과 8°의 경사각을 형성하고, 각 회전날개에는 그 내측에 반응가스 공급관에서 반응가스를 공급받는 가스전달라인이 형성되고, 가스전달라인과 대각선 상에 배치되어 회전날개의 저면에서 60°의 분사각도를 형성하게 되는 10개의 분사홀이 일렬로 배열되며, 각 분사홀의 사이즈가 1.2mm이고, 상기 가스전달라인이 반응가스 공급관의 양측에 형성된 가스공급홀의 연장선상에서 수평방향으로 2.5mm의 거리만큼 이격(회전날개의 경사면에서 멀어지게 이격됨)된 구조를 갖는다.

비교예 1

가스전달라인이 지지대의 반경방향으로 연장되는 가스공급홀과 일직선상에 위치하게 배열된 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 구조를 갖는 탄소나노튜브 합성장치용 임펠러(impeller#2)를 제작하였다.

실험예 1

상기 실시예 1의 임펠러(impeller#1) 및 비교예 1의 임펠러(impeller#2)를 장착한 탄소나노튜브 합성장치(유동층합성장비)에서 동일한 조건으로 탄소나노튜브를 제조하였다.

구체적으로는, 2대의 탄소나노튜브 합성장치를 준비하고, 각 합성장치마다 실시예 1의 임펠러와 비교예 1의 임펠러를 번갈아 장착하고 5차례씩 탄소나노튜브의 합성을 진행하였다. 탄소나노튜브 제조를 위한 촉매는 멀티월(Multi-Wall) 탄소나노튜브 합성용 촉매 300g을 준비하였고, 합성온도 800℃, 합성가스 C2H4/N2=120/40LPM, 임펠러 50RPM의 합성조건에서 탄소나노튜브의 합성을 진행하였다.

이렇게 제조된 탄소나노튜브의 겉보기밀도는 100ml 정량 용기를 사용하여 탭핑 방식(Tapping Method)으로 측정하였으며, 그 측정 결과를 도 10에 나타내었다.

도 10에 보이는 바와 같이, 실시예 1의 임펠러를 장착한 탄소나노튜브 합성장치에서 제조된 탄소나노튜브의 겉보기밀도가 비교예 1의 임펠러를 장착한 탄소나노튜브 합성장치에서 제조된 탄소나노튜브의 겉보기밀도 대비 증가됨을 확인할 수 있다.

도 10을 참조하면, 유동층합성장비 #1에서는 임펠러 구조 변경에 의해 탄소나노튜브의 겉보기밀도가 평균 0.021g/ml에서 0.0256g/ml로 21.9% 증가됨을 확인할 수 있었고, 또한 유동층합성장비 #2에서도 임펠러 구조 변경에 의해 탄소나노튜브의 겉보기밀도가 0.0208g/ml에서 0.025g/ml로 20.1% 증가됨을 확인할 수 있었다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

100 : 탄소나노튜브 합성장치
110 : 반응 챔버
120 : 촉매 공급부
130 : 회수부
140 : 플레이트
150 : 지지대
160 : 반응가스 공급관
166 : 가스공급홀
170 : 가열부
180 : 교반기
190 : 배기부
200 : 임펠러
210 : 바디부
212 : 공간부
220 : 회전날개
222 : 분사홀
224 : 가스전달라인

Claims (5)

1. 탄소나노튜브가 형성되는 공간을 제공하는 반응 챔버;
   상기 반응 챔버 내부에 촉매를 공급하는 촉매 공급부;
   상기 촉매 상에 반응가스를 분사하는 적어도 하나의 회전날개를 갖는 임펠러;
   상기 임펠러 내부로 반응가스를 공급하는 반응가스 공급관;을 포함하며,
   상기 회전날개의 내측에는 반응가스를 공급받는 가스전달라인이 형성되고, 상기 반응가스 공급관은 임펠러의 회전을 위한 지지대를 관통하여 임펠러 내부로 반응가스를 공급하게 형성되고,
   상기 반응가스 공급관의 외주면에는 가스전달라인으로 반응가스를 공급하기 위한 가스공급홀이 형성되고, 상기 가스공급홀은 반응가스 공급관의 외주면에서 상기 지지대의 외주면까지 연장 형성되고,
   상기 가스전달라인은 지지대의 반경방향으로 형성된 가스공급홀과 일직선상에 배열되지 않고 서로 어긋나게 배열되며, 상기 가스공급홀과 가스전달라인 사이에는 가스공급홀에서 가스전달라인으로의 반응가스 유동을 위한 공간부가 구비된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 합성장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 회전날개는 직삼각형의 종단면을 가지도록 형성되어 복수개의 분사홀이 형성된 저면에 이웃하는 경사면을 가지며, 상기 가스전달라인은 가스공급홀의 연장선에서 수평 이격된 위치에 형성되어 상기 경사면에서 멀어지게 배열된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 합성장치.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 회전날개는 그 저면에 반응가스를 분사하기 위한 복수개의 분사홀이 구비되고, 상기 분사홀은 가스전달라인으로부터 반응가스를 공급받아 촉매 상부로 분사하게 된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 합성장치.
   

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