KR101696212B1

KR101696212B1 - 연속하여 이동하는 기질에서 탄소 나노튜브를 제조하는 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101696212B1
Application number: KR1020117022125A
Authority: KR
Inventors: 해리 씨. 말레키; 제임스 피. 로바크; 투샤르 케이. 샤; 마크 알. 앨버딩; 잭 케이. 브레인; 존 에이. 라루에
Original assignee: 어플라이드 나노스트럭처드 솔루션스, 엘엘씨.
Priority date: 2009-04-10
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2017-01-13
Also published as: CN102388171A; AU2010235123A1; EP2417286B1; BRPI1010288A2; JP5629756B2; ZA201106735B; EP2417286A1; DK2417286T3; CN102388171B; EP2417286A4; CA2756852A1; WO2010117515A1; US20100260933A1; JP2012523363A; KR20120014116A

Abstract

스풀가능한 길이의 기질이 통과하게 하는 크기의 기질 입구를 갖는 적어도 하나의 탄소 나노튜브 성장 구역을 갖는 장치가 개시된다. 이 장치는, 상기 탄소 나노튜브 성장 구역에 열전도하는 적어도 하나의 가열기도 포함한다. 이 장치는 상기 탄소 나노튜브 성장 구역과 유체 연통하는 적어도 하나의 공급 가스 입구를 포함한다. 이 장치는 동작하는 동안 대기에 개방된다.

Description

연속하여 이동하는 기질에서 탄소 나노튜브를 제조하는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR THE PRODUCTION OF CARBON NANOTUBES ON A CONTINUOUSLY MOVING SUBSTRATE}

[관련 출원에 대한 진술]

본 출원은 전문이 본 명세서에 참조로서 편입되는 2009년 4월 10일 출원된 미국 가출원 No. 61/168,516 및 2010년 1월 15일 출원된 미국 가출원 No. 61/295,624의 우선권을 주장한다.

[기술 분야]

본 발명은 연속으로 이동하는 기질에서 탄소 나노튜브를 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

여기에서 사용되는 바와 같이, "탄소 나노튜브(cabon nanotube)(CNT)"는 SWNT(single-walled carbon nanotube), DWNT(double-walled carbon nanotube), MWNT(multi-walled carbon nanotube)를 포함하는 풀러렌(fullerene) 족의 탄소에 대한 다수의 원통 형상의 동소체 중 어느 하나를 말한다. CNT는 풀러렌 유사 구조로 캐핑될 수 있거나, 또는 단부가 개방되어 있을 수 있다. CNT는 다른 재료를 캡슐화하는 것을 포함한다. 탄소 나노튜브는 인상적인 물리적 특성을 나타낸다. 가장 강한 CNT는 대략 고탄소강의 80배의 강도, 6배의 인성(즉, 영률(Young's Modulus)), 및 1/6의 밀도를 나타낸다.

종래의 탄소 나노튜브(CNT) 합성 기술은 다양한 애플리케이션에서의 사용을 위한 대량의 "자유로운(loose)" CNT를 제공할 수 있다. 이러한 대량의 CNT는 복합물 시스템에서, 예를 들어, 개질제(modifier) 또는 도펀트(dopant)로서 사용될 수 있다. 이러한 개질된 복합물은 일반적으로 CNT의 존재에 의해 기대되는 이론적인 개선의 작은 일부만을 나타내는 향상된 특성을 나타낸다. CNT 향상의 완전한 잠재력을 인식하는데 있어서의 실패는, 부분적으로, 구조 내에서 CNT를 효율적으로 분산하는 것에 대한 전체적인 불능과 함께, 결과에 따른 복합물에서의 CNT의 낮은 퍼센티지(1 - 4%) 이상으로 도핑하는 것에 대한 불능에 관련된다. 관찰된 한계 내에서의 CNT 배열 및 CNT-매트릭스 계면 특성에서의 난점과 결합된 이러한 낮은 로딩(loading)은, CNT의 이론적 강도에 비한 기계적 강도와 같은 복합물 특성에서 증가한다. 대량의 CNT를 결합하는 것의 한계 외에도, 공정의 비효율성과 최종 CNT 제품을 정제하는데 필요한 후처리 때문에 CNT의 가격은 여전히 높다.

상기 단점을 극복하기 위한 한 방법은 CNT를 유기물화하고 복합물에 강화된 재료를 제공하는데 사용될 수 있는 섬유와 같은 유용한 기질에 직접 CNT를 성장시키는 기술을 개발하는 것이다. 거의 연속적인 방법으로 CNT를 성장시키려는 시도가 이루어졌지만, 어떤 시도도 이들이 배치(batch)식으로 처리하지 않고 연속적으로 롤투롤(roll-to-roll)로 동작하는 것에 대하여는 성공하지 않았다. 본 발명은 다양한 기질에서의 CNT의 연속 제조를 허용하는 장치 및 방법을 제공하고, 또한 관련된 이점을 제공한다.

일부 공정은 섬유 기질에 직접 CNT를 성장시키는 것을 시도한다; 그 예시는 Curliss 등의 미국 특허 No. 7,338,684에 개시된 공정이다. 이 특허는 기상 성장된 탄소 섬유 강화 복합물 재료를 제조하는 방법을 개시한다. 이 특허에 따르면, 질산철(ferric nitrate) 용액과 같은 촉매 전구체가 섬유 프리폼(preform)에 대한 코팅제로서 더해진다. 그 다음, 코팅된 프리폼은 일반적으로 300℃ 내지 800℃ 범위의 온도의 공기에서 가열되어, 전구체를 분해하고 산화된 촉매 입자를 생성한다. 일부 예는 30시간의 가열 시간을 개시한다. 촉매 입자를 금속 상태로 환원시키기 위하여, 프리폼은 수소를 포함하는 흐르는 가스 혼합물에 노출된다. 이것은 일반적으로 400℃ 내지 800℃의 온도에서 대략 1시간 내지 12시간 범위의 기간 동안 수행된다.

기상 성장 탄소 섬유(즉, CNT)는 대략 500℃ 내지 1200℃의 온도에서 기상의 탄화 수소 기체 혼합물을 프리폼과 접촉시켜 제조된다. 이 특허에 따르면, 섬유가 복합 프리폼에 성장하여 헝클어진(tangled) 덩어리의 탄소 섬유(탄소 나노튜브)를 가져다 준다. 성장 반응 시간은 15분 내지 2시간 사이에서 주로 공급 기체 조성 및 온도의 함수로서 가변한다.

7,338,684에 개시된 이 방법에 대한 처리 시간은 효율적인 처리에 대하여는 너무 길다. 또한, 다양한 단계에 대한 처리 시간의 과도한 변동 때문에, 이 공정은 연속으로 이동하는 기질에 탄소 나노튜브를 제조하기 위한 연속 처리 라인으로서의 구현에 적합하지 않다.

일부 양태에서, 여기에서 개시된 실시예는 스풀가능한(spoolable) 길이의 기질에서 선형 및/또는 연속 CNT 합성을 할 수 있는 장치에 관한 것이다. 본 장치는 스풀가능한 길이의 기질이 통과하게 하는 크기의 기질 입구를 갖는 적어도 하나의 탄소 나노튜브 성장 구역을 포함한다. 또한, 본 장치는 탄소 나노튜브 성장 구역에 열전도하는 적어도 하나의 가열기; 및 탄소 나노튜브 성장 구역과 유체 연통하는 적어도 하나의 공급 가스 입구를 포함한다. 본 장치는 동작하는 동안 대기에 개방된다. CNT 성장은 대기압 또는 대기압에 가까운 기압에서 수행된다. 본 장치는 탄소 나토튜브 성장 구역의 대향하는 측에 하나 이상의 퍼지 구역을 선택적으로 포함한다. 본 장치는 탄소 나노튜브의 연속 성장 시스템으로 통합되도록 설계된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 공정에서의 CNT 합성 장치에 대한 간략화된 사시도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예 따른 연속 공정에서의 CNT 합성 장치에 대한 간략화된 측단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 장치의 일 실시예의 측단면도를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 장치의 일 실시예의 측단면도를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 도 3의 장치의 일 실시예의 상면 단면도를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 장치의 일 실시예의 상면 단면도를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 장치의 다른 실시예의 횡단면도를 도시한다.
도 8은 도 7의 실시예의 상면 횡단면도를 도시한다.
도 9는 도 7의 실시예의 상면 종단면도를 도시한다.
도 10은 도 7의 실시예의 측면 종단면도를 도시한다.
도 11은 도 7의 실시예의 세로방향 상면도를 도시한다.
도 12는 도 7의 실시예의 측단면도를 도시한다.

본 발명은 일반적으로 연속으로 이동하는 기질에 탄소 나노튜브를 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 일부 실시예에 따라, 장치(100)는 이동하는 기질(106)에 직접 CNT를 제자리에 성장시키거나, 제조하거나, 증착하거나, 아니면 생성하는데 사용되며, 단부가 열리고, 대기압보다 약간 더 높은 분위기이고, 소형 캐비티의 CVD(chemical vapor deposition) CNT 성장 시스템의 형태를 취한다. 예시된 실시예에 따라, CNT는 다중 구역 장치(100)에서 대기압 및 상승된 온도(대략 550℃ 내지 대략 800℃의 범위)에서 CVD를 통해 성장된다. 합성이 대기압에서 발생한다는 사실은 장치(100)를 섬유에 CNT를 합성(CNT-on-fiber systhesis)하기 위한 연속 처리 라인에 포함하는 것을 용이하게 하는 한 요인이다. CNT 성장이 종래 기술에서 수 분(또는 더 길게)인 것에 대비하여 1초 내에 발생한다는 사실은 연속 처리 라인에서 본 명세서에 개시된 장치를 이용하는 것을 가능하게 하는 다른 특징이다. CNT 합성은 스풀가능한 기질을 기능화시키기 위한 연속 처리를 제공하기에 충분한 속도로 수행될 수 있다. 다양한 장치 구성이 이러한 연속 합성을 용이하게 한다.

장치(100)는 2개의 퀀치(quench) 또는 퍼지(purge) 구역(114, 116) 사이에 배치된 성장 가열기(110)를 장비한 적어도 하나의 CNT 성장 구역(108)을 포함한다. 임의의 개수의 성장 가열기가 포함될 수 있다(예를 들어, 도 4의 가열기(110a, 110b, 110c, 110d)). 장치(100)는 공급 가스(128)를 예열하는 예열기(132)와 공급 가스(128)를 분배하기 위한 공급 가스 확산기(146)를 선택적으로 포함한다.

다양한 재료 및 애플리케이션에 CNT를 도입함으로써 가져오는 잠재적인 향상을 실현하기 위하여, CNT를 기질 표면에 직접 가하는 장치가 여기에 개시된다. 기질 표면에 직접 가해진 CNT는, 특히 실리콘 웨이퍼 또는 복합 섬유 재료의 경우에, 완료된 구조에서 전반적인 CNT 분산, 배치 및 배열을 개선한다. 복합 재료의 경우에, CNT를 섬유 또는 직물 레벨에 결합하는 것은, 느슨한(loose) CNT로 수지를 도핑하여야만 하는 대신에, 복합 구조 내에서 CNT가 미리 정돈되어 배치되게 함으로써 CNT 로딩(loading)을 개선한다. 연속 공정에서 기질에 직접 CNT를 성장시키기는 것은 이러한 물리적 특성을 개선할 뿐만 아니라 전체적인 CNT 비용을 감소시킨다. CNT가 최종의 유용한 기질 표면에 직접 성장되게 함으로써, CNT 정제 및 도핑/혼합/배치/분산과 관련된 부수적인 비용이 감소된다.

도 1을 참조하면, 장치(100)는 스풀가능한 길이의 기질(106)이 연속적으로 통과하게 하는 기질 입구(118)를 포함할 수 있어, 기질(106)에서의 CNT의 직접적인 합성 및 성장을 허용한다. 장치(100)는 전처리 퍼지(pre-process purge) 또는 제1 퍼지 구역(114)과 후처리 퍼지(post-process purge) 또는 제2 퍼지 구역(116) 사이의 시드(seed) 또는 CNT 성장 구역(108)을 갖는 다중 구역 장치일 수 있다. 장치(100)는 동작하는 동안 제1 단부(120)와 제2 단부(124)로 대기에 개방될 수 있어, 기질(106)은 제1 단부(120)에서 기질 입구(118)를 통해 장치(100)에 들어가서 제1 퍼지 구역(114), CNT 성장 구역(108), 제2 퍼지 구역(116)을 통과하여 제2 단부(124)에서 기질 출구(122)(도 2에 도시됨)를 통해 나온다. 일 실시예에서, CNT 성장 시스템은 환원 반응을 통해 촉매 입자를 활성화하도록 구체적으로 설계된 추가 구역을 포함한다. 이러한 실시예에서, 촉매 활성 구역은 제1 퍼지 구역(114)과 CNT 성장 구역(108) 사이에 배치될 수 있다.

장치(100)는 CNT 성장 구역(108)으로 그리고 CNT 성장 구역(108)으로부터의 기질(106)의 심리스(seemless) 이동을 허용하여, 배치 런(batch run)의 필요성을 제거한다. 스풀가능한 길이의 기질(106)은 기질(106)이 스풀가능한 길이의 기질(106)에서 시작하여 기질(106)으로의 CNT 주입(infusion)에서의 마지막에 최종 제품을 권취하는 시스템을 통해 연속적으로 이동할 때 빠른 CNT 성장을 위한 최적 상태를 실시간으로 구축한 평형을 이룬 성장 시스템을 효율적으로 통과한다. CNT 길이, 밀도 및 다른 특성과 같은 파라미터를 제어하는 동안, 이를 연속적이고 효율적으로 수행하는 능력은 이전에는 획득되지 않았다.

일부 실시예에서, 스풀가능한 기질에서의 CNT의 주입을 위한 연속 공정은 대략 0.5 ft/min 내지 대략 36 ft/min의 선속도를 달성할 수 있다. CNT 성장 구역(108)이 3 피트 길이이고, 750℃의 성장 온도에서 동작하는 본 실시예에서, 공정은, 예를 들어 대략 1 미크론 내지 대략 10 미크론의 길이를 갖는 CNT를 제조하기 위하여 대략 6 ft/min 내지 대략 36 ft/min의 선속도로 수행될 수 있다. 또한, 공정은 예를 들어 대략 10 미크론 내지 대략 100 미크론의 길이를 갖는 CNT를 제조하기 위하여 대략 1 ft/min 내지 대략 6 ft/min의 선속도로 수행될 수 있다. 공정은 예를 들어 대략 100 미크론 내지 대략 200 미크론의 길이를 갖는 CNT를 제조하기 위하여 대략 0.5 ft/min 내지 대략 1 ft/min의 선속도로 수행될 수 있다. CNT 길이는 선속도 및 성장 온도에만 구속되지 않으며, 공급 가스 및 불활성의 캐리어 가스 모두의 유량(flow rate)도 CNT 길이에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 높은 선속도(6 ft/min 내지 36 ft/min)에서 불활성 기체에서의 1% 미만의 탄소 공급원료(feedstock)로 이루어진 유량은 1 미크론 내지 대략 5 미크론의 길이를 갖는 CNT를 제공할 것이다. 높은 선속도(6 ft/min 내지 36 ft/min)에서 불활성 기체에서의 1% 초과의 탄소 공급원료로 이루어진 유량은 5 미크론 내지 대략 10 미크론의 길이를 갖는 CNT를 제공할 것이다. 이러한 연속 CNT 성장 시스템의 결과에 따른 성장 속도는 온도, 사용된 가스, 기질 상주 시간, 및 촉매에 의존하는 범위를 가지며, 0.01 내지 10 미크론/초 범위의 성장 속도가 가능하다.

CNT 성장 구역(108)은 대기에 개방된 연속 동작의 흐름이 통과하는 챔버일 수 있다. CNT 성장 구역(108)은 스테인리스강, 티타늄, 탄소강, 또는 다른 고온 금속이나 그 혼합물과 같은 금속 인클로져(enclosure)에 의해 형성되거나, 이에 의해 경계를 가질 수 있으며, 반복된 가열 사이클에 따른 열적인 휨(warping)을 감소시킬 뿐만 아니라 구조적인 강성(rigidity)을 개선하기 위하여 추가 특징이 부가된다. CNT 성장 구역(108)은 통과하는 기질의 프로파일 및 크기에 기초하여 원형, 사각형, 타원형, 또는 임의의 개수의 각을 갖는 다각형 또는 다른 기하학적으로 상이한 단면을 가질 수 있다.

CNT 성장 구역(108)의 내부 부피는 CNT 성장 구역(108)의 길이와 실질적으로 동일한 길이를 갖는 기질(106)의 부피와 비교될 수 있다. 일부 실시예에서, CNT 성장 구역(108)은 CNT 성장 구역(108) 내에 배치된 기질(106)의 부피의 대략 10000배 미만의 내부 부피를 갖도록 설계된다. 대부분의 실시예에서, 이 수치는 대략 4000배 미만으로 상당히 감소된다. 다른 실시예에서, 이는 대략 3000배 이하로 감소될 수 있다. 유사하게, CNT 성장 구역(108)의 단면적은 기질(106)의 단면적의 대략 10000, 4000, 또는 3000배로 제한될 수 있다. 이론에 의해 구속되지 않으면서, CNT 성장 구역(108)의 크기를 감소시키는 것은 공급 가스(128)와 촉매 입자로 코팅된 기질 사이의 높은 확률의 상호 작용을 보장한다. 더 큰 부피는, 처리된 기질이 사용 가능한 부피의 작은 일부만이기 때문에, 과도한 바람직하지 않은 반응을 야기한다. CNT 성장 구역(108)은 수 mm 폭의 작은 치수로부터 1600 mm 이상의 폭의 큰 치수의 범위를 가질 수 있다. CNT 성장 구역(108)은 사각형 단면과 대략 0.27 입방 피트(ft³)의 부피를 가질 수 있다. CNT 성장 구역(108)에서의 온도는 내부 표면에 전략적으로 배치된 매입 써모커플(thermocouple)로 제어될 수 있다. CNT 성장 구역(108)가 너무 작기 때문에, 인클로져의 온도는 CNT 성장 구역(108) 및 내부의 가스와 거의 동일한 온도이다. CNT 성장 구역(108)은 대략 550℃로 유지될 수 있다.

도 2, 도 3 및 도 4를 참조하면, 양 퍼지 구역(114, 116)은 동일한 기능을 제공한다. CNT 성장 구역(108)으로부터의 공급 가스(128)(도 2에 도시됨)가 장치(100)를 빠져나옴에 따라, 퍼지 구역(114, 116)은 외부 환경으로부터 CNT 성장 구역(108)을 버퍼링하기 위하여, 연속된 흐름의 퍼지 가스(130)(도 2에 도시됨)를 제공한다. 이것은 예열 퍼지 구역(114) 및/또는 냉각 퍼지 구역(116)을 선택적으로 포함할 수 있다. 이것은 기질(106)(도 3 및 도 4에 도시됨) 또는 CNT 재료에 대한 의도되지 않은 산화 및 손상을 발생할 수 있는 공급 가스(128)의 외부 대기와의 원하지 않은 혼합을 방지하는데 도움을 준다. 퍼지 구역(114, 116)은 가열된 CNT 성장 구역(108)으로부터의 과도한 열 손실 또는 전달을 방지하기 위하여 CNT 성장 구역(108)으로부터 단열된다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 배기 포트(exhaust port)(142)(도 2에 도시됨)가 퍼지 구역(114, 116)과 CNT 성장 구역(108) 사이에 배치된다. 이러한 실시예에서, 가스는 CNT 성장 구역(108)과 퍼지 구역(114, 116) 사이에서 혼합되지 않고, 대신에 포트(142)를 통해 대기로 배기된다. 또한, 이는 가스 혼합을 방지하며, 이는 여러 CNT 성장 구역(108)(예를 들어, 도 4의 108a, 108b)이 연속으로 사용되거나, 부착되어 사용되거나 또는 전반적인 유효 CNT 성장 구역을 확장하기 위하여 함께 사용될 수 있는 상황에서 중요하다. 본 실시예에서 퍼지 구역(114, 116)은, 기질(106)이 CNT 성장 구역(108)에 들어가가고 CNT 성장 구역(108)을 나올 때 감소된 온도를 보장하도록 냉각된 가스 퍼지를 제공한다.

공급 가스(128)는 하나 이상의 공급 가스 입구(112)(예를 들어, 도 4의 112a 및 112b)를 통해 장치(100)의 CNT 성장 구역(108)에 들어갈 수 있다. 공급 가스(128)는 가스 입구 매니폴드(manifold)(134)(도 4에 도시됨)를 통과하여 공급 가스 확산기(136)(도 4에 도시됨)를 통해 CNT 성장 구역(108)으로 지나간다. 공급 가스(128)는 CNT를 형성하기 위하여 기질(106) 상의 또는 기질(106) 내의 시드(seed)와 반응할 수 있으며, 임의의 남겨진 공급 가스(128)는 배기 매니폴드(140)(도 6에 도시됨)를 통과하거나 아니면 CNT 성장 구역(108)을 나온다. 퍼지 가스(130)는 CNT 성장 구역(108) 내부의 고온의 가스가 CNT 성장 구역(108) 외부의 산소가 풍부한 가스와 혼합하여 CNT 성장 구역(108)에 들어오거나 CNT 성장 구역(108)을 나가는 기질(106)에 악영향을 미칠 수 있는 지역적인 산화 상태를 형성하는 것을 방지하는데 사용될 수 있다. 퍼지 가스(130)는 퍼지 가스 입구(126, 127)(도 2에 도시됨)에서 장치(100)의 퍼지 구역(114, 116)에 들어갈 수 있어, CNT 성장 구역(108)과 외부 환경 사이의 버퍼를 허용한다. 퍼지 가스(130)는 주변의 가스가 CNT 성장 구역(108)에 들어가는 것을 방지할 수 있으며, 그리고, 도 2에 표시된 바와 같은 장치의 해당 단부(120, 124)에서의 기질 입구(118) 또는 기질 출구(122)를 통해 나갈 수 있고, 또는, 퍼지 기체(130)는 출구 매니폴드(140)(도 6에 도시됨)를 통해 나갈 수 있다.

퍼지 가스 예열기(132)(도 3에 도시됨)는 제1 퍼지 구역(114)으로의 유입 전에 퍼지 가스(130)를 예열할 수 있다. CNT 성장 구역(108)은 CNT 성장 구역(108) 내에 포함된 가열기(110)(도 3에 도시됨)에 의해 더 가열될 수 있다. 도시된 바와 같이, 가열기(110)는 기질(106)의 일측에 있다. 그러나, 가열기(110)는 CNT 성장 구역(108) 내의 어디에도 있을 수 있으며, 길이를 따라 배치되거나 또는 넓은 시스템의 경우에는 CNT 성장 구역(108)의 폭을 따라 배치될 수 있어, 양호하게 제어되는 CNT 성장 공정에 대한 등온 가열을 보장한다. 가열기(110)는 CNT 성장 구역(108)을 가열하여 미리 설정된 레벨로 동작 온도를 유지할 수 있다. 가열기(110)는 컨트롤러(미도시)에 의해 제어될 수 있다. 가열기(110)는 대략 동작 온도로 CNT 성장 구역(108)을 유지할 수 있는 임의의 적합한 장치일 수 있다. 이 대신에, 또는 이에 더하여, 가열기(111)(도 5 및 도 6에 도시됨)는 공급 가스(128)를 예열할 수 있다. 특정 가열기가 CNT 성장 구역(108)에 열전도하는 한, 임의의 가열기(110, 111, 132)가 CNT 성장 구역(108)과 연계하여 사용될 수 있다. 가열기(110, 111, 132)는 저항식으로 가열된 요소에 의해 가열된 긴 코일의 가스 라인, 및/또는 감속하고 나서 저항성 가열기(예를 들어 적외선 가열기)를 통해 가열되는 일련의 팽창 튜브를 포함할 수 있다. 방법에 상관없이, 가스는 대략 실온으로부터 CNT 성장에 적합한 온도로, 예를 들어 대략 25℃에서 대략 800℃로 가열될 수 있다. 일부 경우에, 가열기(110, 111 및/또는 132)는 CNT 성장 구역(108) 내의 온도가 대략 550℃ 내지 대략 850℃ 또는 대략 1000℃까지 되도록 열을 제공할 수 있다. 온도 제어부(미도시)가 CNT 성장 구역(108) 내의 온도의 모니터링 및/또는 조정을 제공할 수 있다. CNT 성장 구역(108)을 정의하는 플레이트 또는 다른 구조에서의 지점(예를 들어, 도 9의 프로브(160))에서 측정이 될 수 있다. CNT 성장 구역(108)의 높이가 상대적으로 작기 때문에, 플레이트 사이의 온도 경사는 매우 작을 수 있어, 따라서, 플레이트의 온도 측정은 CNT 성장 구역(108) 내의 온도를 정밀하게 반영할 수 있다.

기질(106)이 CNT 성장 구역(108)에 비하여 작은 열중량(thermal mass)을 가지기 때문에, 기질(106)은 거의 즉시 CNT 성장 구역(108)의 온도를 가질 수 있다. 따라서, 예열이 생략되어, 실온 가스가 가열기(100)에 의해 가열하기 위하여 성장 구역에 들어가게 할 수 있다. 일부 실시예에서, 퍼지 가스만이 예열된다. 다른 공급 가스는 퍼지 가스 가열기(132) 후에 퍼지 가스에 첨가될 수 있다. 이것은 장시간의 동작 동안에 퍼지 가스 예열기(132)에서 발생할 수 있는 오래된 그을음(sooting) 또는 막힘(clogging)을 감소시키기 위하여 수행될 수 있다. 그 다음, 예열된 퍼지 가스는 공급 가스 입구 매니폴드(134)에 들어갈 수 있다.

공급 가스 입구 매니폴드(134)는 가스를 CNT 성장 구역(108) 내의 모든 가스 삽입 지점으로 분산하고 분배하는 수단뿐만 아니라 추가의 가스 혼합을 위한 캐비티(cavity)를 제공한다. 이러한 삽입 지점은 하나 이상의 공급 가스 확산기(136), 예를 들어 일련의 패터닝된 홀을 갖는 가스 확산기 플레이트 내로 구축될 수 있다. 이러한 전략적으로 배치된 홀은 일정한 압력과 가스 흐름 분포를 보장한다. 공급 가스는 가열기(110)가 균일한 온도 생성 소스를 가할 수 있는 CNT 성장 구역(108)에 들어간다.

이제, 도 5를 참조하면, 예시적인 일 실시에에서, 기질(106)은 제1 퍼지 구역(114)에 들어가며, 여기에서, 퍼지 가스 예열기에 의해 예열된 퍼지 가스(130)는 기질(106)을 데우며, 동시에 주변 공기가 CNT 성장 구역(108)에 들어가는 것을 방지한다. 그 다음(106)은 CNT 성장 구역(108)의 제1 단부(120)에서 기질 입구(118)를 통과한다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 기질(106)은 CNT 성장 구역(108)에 들어가고, 가열기(110)(도 6에 도시됨)에 의해 가열되고 공급 가스(128)(도 2 도시됨)에 노출된다. CNT 성장 구역(108)에 들어가기 전에, 공급 가스(128)는 임의의 가열기(111)로부터, 임의의 공급 가스 입구(112)를 통해, 공급 가스 입구 매니폴드(134)를 통해, 그리고 공급 가스 확산기(136)를 통해 이동할 수 있다. 공급 가스(128) 및/또는 퍼지 가스(130)는 배기 포트(142) 및/또는 배기 매니폴드(140)를 통해 제1 퍼지 구역(114) 및/또는 CNT 성장 구역(108)을 빠져나와, 대기압 또는 대기압보다 약간 더 높은 압력을 유지한다. 기질(106)은 충분한 CNT 성장이 발생하기까지 원하는 바에 따라 추가 CNT 성장 구역(108)을 계속 지날 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 기질(106)은 CNT 성장 구역(108)의 제2 단부(124)에서 기질 출구(122)를 통과하여 제2 퍼지 구역(116)으로 지나간다. 대신에, 제1 퍼지 구역(114)과 제2 퍼지 구역(116)은 동일한 구역이고, 기질(106)은 장치(100) 내에서 회전하여 기질 입구(118)를 통해 CNT 성장 구역(108)으로부터 빠져나올 수 있다. 어떤 이벤트에서도, 기질은 퍼지 구역으로 들어가서 장치(100)로부터 나온다. 퍼지 구역(114, 116)은 퍼지 가스가 퍼지 가스 입구(126, 127)를 통해 유입되게 할 수 있어, 그 안의 퍼지 가스(130)는 버퍼 역할을 하고, 공급 가스(128)가 주변 공기를 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 유사하게, 퍼지 구역(114, 116)의 각각은 적합한 버퍼링을 성취할 수 있도록 배기 포트(142)(도 2에 도시됨) 및/또는 배기 매니폴드(140)(도 6에 도시됨)를 가질 수 있다. 액세스 플레이트(138)(도 5에 도시됨)는 클리닝 및 다른 유지 보수를 위한 CNT 성장 구역(108)에 대한 액세스를 제공할 수 있다.

도 7 내지 도 12를 참조하면, 일 실시예에서, CNT 성장 구역(108)은 스커트(144), 파이프 연결부(146) 및 플러그 연결부(148)로부터 구축될 수 있다. 가스 밀봉 단열부(150)와 같은 단열부는 외부 환경에 대한 배리어(barrier)를 제공할 수 있다. 스테인리스강 스탠드오프(standoff)(152)는 수정 렌즈(quartz lens)(156)를 지지할 수 있는 구리 플레이트(154)를 지지할 수 있다. 상술한 실시예로, 공급 가스는 가스 포트(158)를 통해 CNT 성장 구역(108)에 들어갈 수 있으며, 온도는 프로브(160)에 의해 모니터될 수 있다. 도 7 내지 도 12에 도시된 실시예가 기능적이지만, 상술한 실시예는 출원시에 바람직하다.

일부 실시예에서, 여러 기질(106)(예를 들어, 도 4에서의 106a, 106b, 106c)는 임의의 주어진 시간에 장치(100)를 통과할 수 있다. 유사하게, 임의의 개수의 가열기가 특정 CNT 성장 구역(108)의 내부 또는 외부에서 사용될 수 있다.

본 교시 내용의 장치 및 방법의 잠재적인 이점 중 일부는, 한정이 아닌 것으로서, 개선된 단면적, 개선된 구역화, 개선된 재료, 및 결합된 촉매 환원 및 CNT 합성을 포함한다.

처리된 대부분의 재료가 상대적으로 평면이기 때문에(예를 들어, 평탄한 테이프 또는 시트와 유사한 형상), 종래의 원형 단면은 부피를 비효율적으로 사용한다. 증가된 부피는 동일한 레벨의 가스 퍼지를 유지하기 위하여 증가된 가스 유량을 필요로 하기 때문에, 이러한 원형 단면은 충분한 시스템 퍼지를 유지하는데 있어서 어려움을 만들 수 있다. 따라서, 종래의 원형 단면은 개방된 환경에서 높은 생산량의 CNT 제조에 대하여 비효율적이다. 더하여, 이러한 원형 단면은 증가된 공급 가스 흐름에 대한 요구를 발생시킬 수 있다. 퍼지 가스 흐름에서의 상대적인 증가는 증가된 공급 가스 흐름을 필요로 한다. 예를 들어, 12K 섬유의 부피는 사각형 단면을 갖는 예시적인 CNT 성장 구역(108)의 전체 부피의 1/2000배이다. 등가의 성장 원통형 챔버(예를 들어, 사각형 단면의 CNT 성장 구역(108)과 동일한 평면화된 섬유를 수용하는 폭을 갖는 원통형 챔버)에서, 섬유의 부피는 CNT 성장 구역(108)의 부피의 1/17,500배이다. 가스 증착 공정(예를 들어, CVD 등)이 일반적으로 압력과 열로만 지배된다 하더라도, 부피는 증착의 효율에 상당한 영향을 미친다. 예시적인 직사각형 CNT 성장 구역(108)으로는, 꽤 많은 과도한 부피 - 원하지 않는 반응이 발생하는 부피(예를 들어, 자신들끼리 또는 챔버 벽과 반응하는 가스들) - 가 있다; 그리고, 원통형 챔버는 그 부피의 대략 8배를 갖는다. 발생하는 경쟁하는 반응에 대한 이러한 더 큰 기회 때문에, 원하는 반응은 원통형 챔버에서 더 느리게 발생하며, 이는 연속 공정의 개발에 대하여 문제가 된다. 또한, 원통형 챔버를 이용할 때, 더 많은 공급 가스가 사각형 단면을 갖는 예시적인 CNT 성장 구역에서와 동일한 흐름 비율을 제공하는데 필요하다는 것이 명백하다. 종래의 원형 단면의 다른 문제점은 온도 분포이다. 상대적으로 작은 지름의 챔버가 사용될 때, 챔버의 중심으로부터 그 벽으로의 온도 경사는 극히 작다. 그러나, 상업용 규모의 제조에 필요할 수 있는 증가된 크기에서는, 온도 경사가 증가한다. 이러한 온도 경사는 기질에 걸친 제품 품질 변동을 가져다 준다(즉, 제품 품질은 방사상 위치의 함수로서 변동한다). 이 문제점은 대응하는 기질(즉, 사각형)에 더욱 가깝게 매칭되는 단면을 갖는 CNT 성장 구역(108)을 사용할 때 실질적으로 방지될 수 있다. 특히, 평면 기질이 사용될 때, CNT 성장 구역(108)은 기질(106)의 크기가 크게 될 때 일정하게 유지되는 높이를 가질 수 있다. CNT 성장 구역(108)의 상부 및 하부 사이의 온도 경사는 본질적으로 무시할만 하고, 결과적으로 열 문제점 및 제품 품질 변동은 방지된다.

또한, 종래의 원형 단면 챔버도 공급 가스 유입을 필요로 한다. 관 모양의(tubular) 노(furnace)가 사용되기 때문에, 종래의 CNT 합성 챔버는 공급 가스를 한 단부에서 유입시키고, 이를 챔버를 통해 다른 단부로 뺀다. 여기에서 개시된 예시적인 실시예에서, 공급 가스는 CNT 성장 구역(108)의 중심 또는 내부에 유입된다(대칭적으로, 측면을 통해 또는 CNT 성장 구역(108)의 상부 및 하부 플레이트를 통해). 들어오는 공급 가스가 CNT 성장이 가장 활발한 시스템의 가장 뜨거운 부분에서 연속적으로 공급되기 때문에, 이것은 전반적인 CNT 성장을 개선한다. 이러한 일정한 공급 가스 공급은 본 교시 내용에 따른 CNT 성장 구역(들)(108)에 의해 발현되는 증가된 성장 속도에 대한 중요한 양태일 수 있다.

고온의 공급 가스가 외부 환경과 혼합될 때, 기질 재료(예를 들어, 섬유)의 열화가 증가할 수 있다. 종래의 CNT 합성 공정은 일반적으로 기질이 조심스럽게(그리고 천천히) 냉각되는 것을 요구한다. 여기에서 개시된 CNT 성장 구역(108)의 어느 한 단부 또는 양 단부에서의 퍼지 구역(114, 116)은 내부 시스템과 외부 환경 사이의 버퍼를 제공한다. 퍼지 구역(116)은, 연속 처리 라인에 요구될 수 있는 바와 같이, 짧은 시간 구간 동안 냉각을 달성한다.

예시적인 실시예에 따른 금속의 사용(예를 들어, 스테인리스강)의 사용은 일반적이지 않으며, 사실 직관에 어긋난다. 금속, 특히 스테인리스강은 탄소 증착(즉, 그을음 및 부산물 형성)에 더욱 영향을 받기 쉽다. 한편, 수정(quartz)은 클리닝하기 더 쉽고, 더 적은 증착물을 가진다. 또한, 수정은 샘플 관찰을 용이하게 한다. 그러나, 스테인리스강에서의 증가된 그을음 및 탄소 증착은 더 일정하고, 더 빠르고, 더 효율적이고, 더 안정된 CNT 성장을 가져다 줄 수 있다. 대기압 동작과 관련하여, CNT 성장 구역(108)에서 발생하는 CVD 공정은 확산에 제한적이다. 즉, 촉매가 "과다 공급"된다; (부분적인 진공 하에서 동작하는 경우보다) 상대적으로 더 높은 부분압이기 때문에, 너무 많은 탄소가 시스템에서 사용 가능하다. 그 결과, 개방된 시스템에서 - 특히, 깨끗한 시스템에서 - 너무 많은 탄소는 촉매 입자에 부착할 수 있어, CNT를 합성하는 그 능력을 떨어뜨린다. 따라서, 예시적인 실시예에 따라, 본 발명자는 장치를 의도적으로 "더럽게(dirty)" 운영하였다. 탄소가 CNT 성장 구역(108)의 벽에 단층(monolayer)으로 증착하면, 탄소는 그 위로 쉽게 증착할 것이다. 사용 가능한 탄소의 일부가 이 메카니즘 때문에 "회수되기(withdrawn)" 때문에, 남아 있는 탄소 라디칼은 더욱 허용가능한 속도- 촉매의 작용을 없애지 않는 속도 -로 촉매와 반응한다. 종래의 시스템은 "깨끗하게" 운영되어, 이것이 연속 처리에 대하여 개방된다면, 감소된 성장 속도로 훨씬 더 낮은 수율의 CNT를 제조할 것이다.

장치(100)를 사용하는 것은 촉매 환원 및 CNT 성장 모두가 CNT 성장 구역(108) 내에서 발생하게 한다. 별도의 동작으로서 수행된다면 환원 단계가 연속 공정에서 사용하기에 충분히 시간 맞춰 달성될 수 없기 때문에, 이는 중요하다. 종래에는, 환원 단계는 일반적으로 수행하는데 1 내지 12 시간 걸린다. 단부가 아니라 CNT 성장 구역(108)의 중심에서 공급 기체가 유입된다는 사실에 적어도 부분적으로 기인하여, 양 동작은 본 발명에 따라 CNT 성장 구역(108)에서 발생한다. 환원 공정은 섬유가 가열된 구역에 들어감에 따라 발생한다; 이 점에 의해, 가스는 촉매와 반응하고 (수소 라디칼 상호작용을 통해) 산화물 환원을 발생시키기 전에 벽과 반응하고 냉각하기 위한 시간을 가진다. 이는 환원이 발생하는 전이 구역이다. 시스템에서의 가장 고온의 등온 구역에서, CNT 성장이 발생하고, 가장 큰 성장 속도는 CNT 성장 구역의 중심 근처의 공급 가스 입구의 중앙에 가깝게 발생한다.

예시적인 실시예는 임의의 종류의 기질과 함께 사용될 수 있다. "기질(substrate)"이라는 용어는 CNT가 합성될 수 있고, 탄소 섬유, 흑연 섬유, 셀룰로오스 섬유, 유리 섬유, 금속 섬유(예를 들어, 강철, 알루미늄 등), 금속을 함유하는 섬유, 세라믹 섬유, 금속-세라믹 섬유, 아리미드 섬유, 또는 그 조합을 포함하는 임의의 기질을 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는 임의의 재료를 포함하도록 의도된다. 기질은, 직물, 테이프, 또는 다른 섬유 브로드굿(broadgoods), 및 CNT가 합성될 수 있는 재료와 같은 평면형 기질뿐만 아니라, 예를 들어 섬유 토우(tow)(일반적으로 대략 1000 내지 대략 12000개의 섬유를 갖는)로 배열된 섬유 또는 필라멘트를 포함한다.

일부 실시예에서, 본 발명의 장치는, 탄소 나노튜브가 주입된(infused) 섬유의 제조를 제공한다. 여기에서 사용되는 바와 같이, "주입된"이라는 용어는 화학적으로 또는 물리적으로 결합된다는 것을 의미하고, "주입(infusion)"은 결합하는 과정을 의미한다. 이러한 결합은 직접적인 공유 결합, 화학 결합, pi-pi 및/또는 반데르 알스 힘이 개재된 물리 흡착(physisorption)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, CNT는 기질에 직접 결합될 수 있다. 더하여, 어느 정도의 기계적 인터로킹(interlocking)이 역시 발생할 수 있다고 여겨진다. 결합은, 배리어 코팅 및/또는 CNT와 기질 사이의 배치된 중재 전이 금속 나노입자를 통한 기질으로의 CNT 주입과 같이 간접적일 수 있다. 여기에서 개시된 CNT가 주입된 기질에서, 탄소 나노튜브는 상술한 바와 같이 기질에 직접 또는 간접적으로 "주입될" 수 있다. CNT가 기질에 "주입되는" 특정 방법을 "결합 모티프(bonding motif)"라 한다.

기질으로의 주입에 유용한 CNT는 SWNT(single-walled carbon nanotube), DWNT(double-walled carbon nanotube), MWNT(multi-walled carbon nanotube) 및 그 혼합물을 포함한다. 사용될 정확한 CNT는 CNT가 주입된 기질의 애플리케이션에 의존한다. CNT는 열적 및/또는 전기적 전도 애플리케이션에 대하여 또는 단열재로서 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 주입된 탄소 나노튜브는 MWNT이다. 일부 실시예에서, 주입된 탄소 나노튜브는 SWNT와 MWNT의 조합이다. 섬유의 일부 최종 사용에 대하여 한 종류 또는 다른 종류의 나노튜브의 합성을 결정하는 SWNT와 MWNT의 특성에는 차이가 있다. 예를 들어, SWNT는 반전도성 또는 금속이며, MWNT는 금속을 함유한다.

전술한 바로부터 분명한 바와 같이, 종래의 챔버와 예시된 장치 및 방법 사이에서 촉매 환원 시간 및 CNT 합성 시간의 2가지 주요한 차이가 있다. 예시된 방법에서, 이러한 동작은 종래 시스템에 따른 수 분 내지 수 시간이 아니라 수 초가 소요된다. 촉매 입자의 화학적 성질과 기하학적 성질을 제어하는데 있어서의 종래의 챔버의 불능은 배치(batch) 방법으로만 수행될 수 있는 많은 시간이 소모되는 여러 가지 부동작(sub operation)을 포함하는 공정을 가져다 준다.

예시된 실시예의 변형예에서, CNT 성장을 위한 연속 처리 라인이 개선된 필라멘트 권취 공정을 제공하는데 사용된다. 이 변형예에서, CNT는 상술한 시스템 및 공정을 이용하여 기질(예를 들어, 흑연 토우, 유리 로빙(roving), 등)에 형성되고, 그 다음 수지조(resin bath)를 통과하여 수지가 담지된(impregnated) CNT가 주입된 기질을 제조한다. 수지 담지 후, 기질은 운반 헤드에 의해 회전하는 맨드릴의 표면에 배치된다. 그 다음, 기질은 알려진 방식으로 정밀한 기하학적 패턴으로 맨드릴로 권취된다. 이러한 추가적인 부동작은 연속적인 방법으로 수행될 수 있어, 기본 연속 공정을 확장한다.

상술한 필라멘트 권취 공정은 파이프, 튜브, 또는 숫 몰드(male mold)를 통해 특징을 나타내도록 제조되는 다른 형태를 제공한다. 그러나, 여기에 개시된 필라멘트 권취 공정으로부터 이루어진 형태는 종래의 필라멘트 권취 공정을 통해 제조된 것과는 다르다. 구체적으로는, 여기에서 개시된 공정에서, 형태는 CNT가 주입된 기질을 포함하는 복합 재료로부터 만들어진다. 따라서, 이러한 형태는 CNT가 주입된 기질에 의해 제공된 바와 같이 향상된 강도 등의 이점을 갖는다.

여기에서 사용된 바와 같이, "스풀가능한 치수(spoolable dimension)"라는 용어는 길이로 한정되지 않는 적어도 하나의 치수를 가지는 기질을 말하며, 그 재료가 스풀(spool) 또는 맨드릴에 저장될 수 있게 한다. "스풀가능한 치수"의 기질은 여기에서 기재된 바와 같이 CNT 주입을 위한 배치(batch) 처리 또는 연속 처리 중 어느 하나의 사용을 나타내는 적어도 하나의 치수를 가진다. 상용으로 입수가능한 스풀가능한 치수의 기질은 800 텍스값(tex value)(1 텍스=1g/1,000m) 또는 620 yard/lb(캘리포니아, 새크라멘토의 Grafil Inc)를 가지는 AS4 12k 탄소 섬유 토우를 예로 들 수 있다. 특히, 더 큰 스풀은 특별한 주문이 필요하지만, 예를 들어 (고중량, 일반적으로 3k/12K 토우를 가지는 스풀에 대하여), 상용의 탄소 섬유 토우는 5, 10, 20, 50, 및 100 lb로 얻어질 수 있다. 더 큰 스풀이 사용가능하지만, 본 발명의 공정은 5 내지 20 lb 스풀로 용이하게 동작한다. 더하여, 예를 들면 100 lb 이상의 매우 큰 스풀가능한 길이를 2개의 50 lb 스풀과 같은 치수를 다루기 용이한 치수로 나누는 전처리 동작이 포함될 수 있다.

여기에서 사용된 바와 같이, "공급 가스(feed gas)"라는 용어는 휘발되거나, 분사되거나(nebulized), 분무되거나(atomized) 아니면 유동화될 수 있고, 고온에서 적어도 일부의 자유 탄소 라디칼로 해리되거나 깨어질 수 있고, 촉매가 있는 상태에서 기질에 CNT를 형성할 수 있는 임의의 탄소 합성 기체, 고체 또는 액체를 말한다. 일부 실시예에서, 공급 가스는 아세틸렌, 에틸렌, 메탄올, 메탄, 프로판, 벤젠, 천연 가스, 또는 임의의 그 조합을 포함할 수 있다.

여기에서 사용된 바와 같이, "퍼지 가스(purge gas)"라는 용어는 휘발되거나, 분사되거나, 분무되거나 아니면 유동화될 수 있고 다른 가스를 옮길 수 있는 임의의 기체, 고체, 또는 액체를 말한다. 퍼지 가스는 선택적으로는 대응하는 공급 가스보다 더 차가울 수 있다. 일부 실시예에서, 퍼지 가스는, 질소, 아르곤 또는 헬륨과 같은 불활성 기체와, 아세틸렌, 에틸렌, 에탄, 메탄, 일산화 탄소 및 유사한 탄소 함유 가스와 같은 탄소 공급재료의, 질량 흐름이 제어된 혼합물이며, 일반적으로 대략 0 내지 대략 10%의 공급 가스는 불활성 가스로 이루어진 나머지와 혼합된다. 그러나, 다른 실시예에서, 암모니아, 수소 및/또는 산소와 같은 첨가 가스가 대략 0 내지 대략 10%의 범위에서 제3의 처리 가스로서 혼합될 수 있다.

여기에서 사용된 바와 같이, "나노 입자(nanoparticle)" 또는 NP라는 용어, 또는 이와 문어적으로 동등한 것은, NP가 구의 형상일 필요는 없지만, 동일한 구형 지름으로 대략 0.1 내지 대략 100 나노미터의 크기를 가지는 입자를 말한다. 특히, 전이 금속 NP는 기질에서의 CNT 성장을 위한 촉매 역할을 한다.

여기에서 사용된 바와 같이, "재료 상주 시간(material residence time)"이라는 용어는 여기에서 설명된 CNT 주입 공정 동안 스풀가능한 치수의 기질이 CNT 성장 조건에 노출되는 분리 지점에 따르는 시간의 양을 언급한다. 이러한 정의는 다중 CNT 성장 구역을 채용할 때의 상주 시간을 포함한다.

여기에서 사용된 바와 같이. "선속도(linespeed)"라는 용어는 스풀가능한 치수의 기질이 여기에서 설명된 CNT 주입 공정을 통해 공급될 수 있는 속도를 말하며, 여기에서, 선속도는 CNT 성장 구역(들)의 길이를 재료 상주 시간으로 나누어 결정되는 속도이다.

상기 설명된 실시예는 단기 본 발명을 예시하는 것이며, 상기 설명된 실시예에 대한 많은 변경이 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 고안될 수 있다. 예를 들면, 본 명세서에서, 본 발명의 예시적인 실시예에 대한 완전한 설명 및 이해를 제공하기 위해서, 많은 특정한 상세 내용이 제공되었다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이러한 상세 내용 없이, 또는 다른 공정, 재료 및 구성 등으로 실시될 수 있다는 것을 인식할 것이다.

또한, 일부 경우에, 예시적인 실시예의 양태를 모호하게 하는 것을 피하기 위하여, 공지된 구조, 물질, 또는 동작은 상세하게 도시되지 않거나 기재되지 않는다. 도면에 도시된 다양한 실시예는 예시적인 것이며, 스케일에 맞추어 반드시 작도되지 않았다는 것이 이해되어야 한다. 명세서를 통한 "일 실시예" 또는 "하나의 실시예" 또는 "일부 실시예"에 대한 참조는 실시예(들)와 연결해서 기재된 특별한 특징, 구조, 재료, 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미하며, 반드시 모든 실시예들에 포함된다는 것을 의미하는 것은 아니다. 결과적으로, 본 명세서를 통해 여러 곳에서 기재된 "일 실시예에서", "하나의 실시예에서", 또는 "일부 실시예에서"라는 문구의 등장도 모든 것이 동일한 실시예를 반드시 참조하고 있다는 것이 아니다. 또한, 특별한 특징, 구조, 재료, 또는 특송은 하나 이상의 실시예에서 적합한 방식으로 결합될 수 있다. 따라서, 이러한 변형은 이하의 청구항 및 그 균등물의 범위 내에 포함되도록 의도된다.

Claims

스풀가능한 길이의 기질이 통과하게 하는 크기의 기질 입구를 갖는 제1 단부;
퍼지가스 입구를 갖는 예열된 제1 퍼지 구역;
퍼지가스 입구를 갖는 냉각된 제2 퍼지 구역;
상기 제1 및 제2 퍼지 구역 사이에 배치된 적어도 하나의 탄소 나노튜브 성장 구역;
상기 탄소 나노튜브 성장 구역과 열전도되며, 온도가 550℃∼850℃ 범위가 되도록 상기 탄소 나노튜브 성장 구역을 가열하는 적어도 하나의 가열기;
상기 탄소 나노튜브 성장 구역과 유체 연통하며, 상기 탄소 나노튜브 성장 구역의 중앙에 인접하여 위치한 적어도 하나의 공급 가스 입구; 및
상기 스풀가능한 길이의 기질이 통과하게 하는 크기의 기질 출구를 갖는 제2 단부;를 포함하고,
상기 기질은 탄소 나노튜브가 합성될 수 있는 물질을 포함하며 길이로 한정되지 않는 적어도 하나의 치수를 가지고, 상기 탄소 나노튜브 성장 구역 내에서 촉매 환원과 탄소 나노튜브 성장이 발생하며, 동작하는 동안 대기에 개방된,
장치.
제1항에 있어서,
상기 환원은 상기 가열된 탄소 나노튜브 성장 구역에 상기 기질이 진입할 때에 발생하며, 상기 탄소 나노튜브 성장은 상기 적어도 하나의 공급 가스 입구 부근에서 가장 큰 성장 속도로 발생되는,
장치.
제1항에 있어서,
상기 공급 가스 입구는 상기 탄소 나노튜브 성장 구역 내에 있는,
장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 퍼지 구역과 상기 탄소 나노튜브 성장 구역 사이에 배치되는 적어도 하나의 배기 포트를 더 포함하는,
장치.
제1항에 있어서,
상기 탄소 나노튜브 성장 영역의 단면적은 상기 스풀가능한 길이의 기질의 단면적의 1000배보다 큰,
장치.
제1항에 있어서,
상기 탄소 나노튜브 성장 구역은 사각형인,
장치.
제1항에 있어서,
상기 탄소 나노튜브 성장 구역은 금속을 포함하는 인클로져(enclosure)에 의해 형성되는,
장치.
제7항에 있어서,
상기 금속은 스테인리스강을 포함하는,
장치.
제1항에 있어서,
상기 탄소 나노튜브 성장 구역은 상기 스풀가능한 길이의 기질의 부분의 부피의 10000배 미만의 내부 부피를 가지며,
상기 스풀가능한 길이의 기질의 상기 부분은 상기 탄소 나노튜브 성장 구역의 길이와 동일한 길이를 가지는,
장치.
삭제
스풀가능한 길이의 기질이 통과하게 하는 크기의 기질 입구를 갖는 적어도 2개의 탄소 나노튜브 성장 구역;
상기 탄소 나노튜브 성장 구역에 열전도하는 적어도 하나의 가열기; 및
상기 탄소 나노튜브 성장 구역과 유체 연통하는 적어도 하나의 공급 가스 입구를 포함하고,
동작하는 동안 대기에 개방된
장치.
스풀가능한 길이의 기질이 통과하게 하는 크기의 기질 입구를 갖는 적어도 하나의 탄소 나노튜브 성장 구역을 포함하고, 대기에 개방된 장치를 제공하는 단계;
기질을 제공하는 단계;
상기 기질 입구를 통해 상기 기질의 일부를 상기 탄소 나노튜브 성장 구역으로 유입시키는 단계;
상기 탄소 나노튜브 성장 구역으로 공급 가스를 유입시키는 단계; 및
상기 기질의 일부를 상기 탄소 나노튜브 성장 구역으로 통과시켜, 탄소 나노튜브가 상기 기질의 일부에 형성되는 단계
를 포함하는,
방법.
제12항에 있어서,
상기 기질의 일부 및 형성된 상기 탄소 나노튜브를 상기 탄소 나노튜브 성장 구역으로부터 제거하는 단계를 포함하는,
방법.
제12항에 있어서,
상기 단계들은 제12항에서 언급된 순서대로 수행되는,
방법.
제12항에 있어서,
상기 장치는 적어도 하나의 퍼지 구역을 가지며,
상기 방법은, 상기 입구를 통해 상기 기질의 일부를 상기 탄소 나노튜브 성장 구역으로 유입시키는 단계 이전에, 상기 퍼지 구역을 퍼지하는 단계를 더 포함하는,
방법.
제12항에 있어서,
상기 탄소 나노튜브 성장 구역으로 공급 가스를 유입시키는 단계 이전에, 상기 공급 가스를 예열하는 단계를 더 포함하는,
방법.
제15항에 있어서,
상기 적어도 하나의 퍼지 구역은 제1 퍼지 구역을 포함하며,
상기 장치는 상기 제1 퍼지 구역으로부터 상기 탄소 나노튜브 성장 구역의 대향하는 측에 추가 퍼지 구역을 포함하고,
상기 방법은, 상기 기질의 일부가 상기 탄소 나노튜브 성장 구역을 통과한 후에 상기 추가 퍼지 구역을 퍼지하는 단계를 더 포함하는,
방법.
제12항에 있어서,
상기 장치는 적어도 2개의 탄소 나노튜브 성장 구역을 포함하고,
상기 방법은, 상기 탄소 나노튜브 성장 구역의 각각을 통해 상기 기질의 일부를 통과시키는 단계를 포함하는,
방법.
제12항에 있어서,
상기 기질은 스풀가능한 길이의 기질이고,
상기 방법은, 상기 장치를 통해 상기 스풀가능한 길이의 기질을 연속으로 통과시키는 단계를 포함하는,
방법.