KR101966281B1 - 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치 - Google Patents

탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101966281B1
KR101966281B1 KR1020180144701A KR20180144701A KR101966281B1 KR 101966281 B1 KR101966281 B1 KR 101966281B1 KR 1020180144701 A KR1020180144701 A KR 1020180144701A KR 20180144701 A KR20180144701 A KR 20180144701A KR 101966281 B1 KR101966281 B1 KR 101966281B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gas
space
carbon nanotube
hydrogen
main body
Prior art date
Application number
KR1020180144701A
Other languages
English (en)
Inventor
김세훈
정근수
정연수
Original Assignee
어썸레이 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 어썸레이 주식회사 filed Critical 어썸레이 주식회사
Priority to KR1020180144701A priority Critical patent/KR101966281B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101966281B1 publication Critical patent/KR101966281B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/158—Carbon nanotubes
    • C01B32/16—Preparation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00162—Controlling or regulating processes controlling the pressure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00191—Control algorithm
    • B01J2219/00211—Control algorithm comparing a sensed parameter with a pre-set value
    • B01J2219/0022—Control algorithm comparing a sensed parameter with a pre-set value calculating difference

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치는, 탄소 원료, 수소 가스 및 불활성 기체를 포함하는 탄소나노튜브 얀의 재료를 공급하는 공급부와; 상기 공급부와 연결되고, 상기 공급부로부터 공급된 재료가 탄소나노튜브 얀으로 합성되는 공간을 구비하는 본체부와; 상기 본체부를 가열하는 가열부와; 상기 본체부에서 합성된 탄소나노튜브 얀이 이동하는 공간부와; 상기 공간부에 연결되고, 상기 공간부 내부의 기체를 흡입하는 흡입부를 포함한다.

Description

탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치{DEVICE FOR MANUFACTURING CARBONNANOTUBE YARN}
본 발명은 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치에 관한 것이다.
탄소나노튜브(Carbon Nano Tube; CNT)는 흑연면이 나노 크기의 직경으로 둥글게 말린 물질로서, 우수한 기계적 특성, 열적 특성, 전기적 특성 등을 갖는다. 예를 들어, 탄소나노튜브의 인장 강도는 강철의 약 100배이며, 열전도율은 다이아몬드와 유사하고, 전기 전도율은 구리의 약 1000배에 해당한다. 다양한 산업 분야에서 탄소나노튜브의 우수한 물성을 활용하기 위하여 활발한 연구가 진행되고 있다.
탄소나노튜브 얀을 제작하는 방법에는 포레스트 방사법(Forest Spinning)과 직접 방사법(Direct Spinning)이 있다.
포레스트 방사법은 밀폐된 전기로 안에서 실리콘 기판 위에 촉매를 증착시킨 후 탄소나노튜브를 수직으로 성장시킨 뒤 꼬임을 주면서 풀어내어 탄소나노튜브 얀을 방사하는 방법을 말한다. 포레스트 방사법은 탄소나노튜브를 성장시키는데 소요되는 시간이 길고, 기판 단위로 얀을 방사해야 하는 불연속적인 생산 방식으로 인하여 생산 효율이 현저히 떨어진다는 문제가 있다.
직접 방사법은 고온의 전기로에 탄소 원료와 촉매를 이송 가스와 함께 주입하여 전기로 상단에서 탄소나노튜브를 합성하고 하단으로 내려온 연속적인 탄소나노튜브 집합체를 권취하여 섬유를 얻는 방식이다. 직접 방사법의 경우, 전기로에 탄소나노튜브 합성에 필요한 물질을 공급해주면 연속적인 섬유 제조가 가능하기 때문에 포레스트 방사법에 비하여 생산 효율이 높다는 장점이 있다.
다만, 직접 방사법에서는 이송 가스로, 수소(H2) 가스를 많이 이용되는데, 이러한 수소(H2) 가스가 전기로에 의해 가열된 상태에서 전기로 하단의 공기와 만나 폭발하는 경우가 종종 발생한다. 이러한 수소(H2) 가스의 폭발은 연속적으로 생산되던 탄소나노튜브 얀을 부분적으로 절단하고, 이로 인하여 일시적으로 얀의 생산을 중단시킬 수 있다. 또한, 직접 방사법에서 수소(H2) 가스의 폭발은 반복적으로 발생할 수 있기 때문에, 얀의 생산 효율을 크게 저하시킬 수 있다는 문제가 있다.
한국등록특허 제10-0661795호(등록일: 2006.12.20)
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것을 목적으로 한다. 보다 구체적으로, 본 발명은 장치 내에 탄소나노튜브 얀의 합성에 이용된 수소(H2) 가스를 제거하여 수소(H2) 가스의 연소를 방지함으로써 생산 효율을 증가시킨 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 탄소나노튜브 얀의 합성에 이용된 불활성 기체를 회수하고 이를 재활용하여 생산 비용을 절감할 수 있는 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치를 제공하는 것에도 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치는, 탄소 원료, 수소 가스 및 불활성 기체를 포함하는 탄소나노튜브 얀의 재료를 공급하는 공급부와; 상기 공급부와 연결되고, 상기 공급부로부터 공급된 재료가 탄소나노튜브 얀으로 합성되는 공간을 구비하는 본체부와; 상기 본체부를 가열하는 가열부와; 상기 본체부에서 합성된 탄소나노튜브 얀이 이동하는 공간부와; 상기 공간부에 연결되고, 상기 공간부 내부의 기체를 흡입하는 흡입부를 포함한다.
이외에도 추가적인 구성이 본 발명에 따른 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치에 더 포함될 수 있다.
본 발명에 따르면 탄소나노튜브 얀의 합성에 이용된 수소(H2) 가스를 흡인하는 흡입부를 구비하여 수소(H2) 가스가 연소하는 것을 방지할 수 있다. 이를 통해, 탄소나노튜브 얀의 연속적인 생산을 보장하여 생산 효율을 증가시킨 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면 흡입부가 탄소나노튜브 얀의 합성에 이용된 불활성 기체를 회수하여 재활용함으로써 생산 비용을 절감한 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치의 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 X부분과 Y부분의 단면 구조를 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치 내부에서 이송 가스가 이동하는 경로를 예시적으로 도시하는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명한다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 본 발명과 관계없는 부분의 설명은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 명세서에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 일 실시예로부터 다른 실시예로 변경되어 구현될 수 있으며, 개별 구성요소의 위치 또는 배치도 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 명세서에서 하나의 구성요소와 다른 구성요소가 연결된다는 것은 이들이 직접 맞닿아 이어지는 것뿐만 아니라 또 다른 구성요소를 통하여 서로 이어지는 것도 포함하는 의미로 사용된다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치의 사시도 및 단면도이다. 도 3은 도 2에 도시된 X 부분과 Y 부분의 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치(100)는 직접 방사법에 사용되는 장치이다. 직접 방사법은 고온의 반응기에 탄소 원료와 촉매 또는 이송 가스를 주입하여 탄소나노튜브 집합체를 합성하는 방법을 말한다. 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치(100)는 탄소나노튜브 얀의 합성에 필요한 물질을 공급하는 공급부(110), 공급부(110)를 통해 공급받은 물질을 탄소나노튜브 얀으로 합성하는 공간을 구비하는 본체부(120), 본체부(120) 내부의 온도를 조절하는 가열부(130), 본체부(120)의 하부에 형성되어 내부에 공간을 갖는 공간부(140), 공간부(140)와 연결되어 본체부(120)에서 합성된 탄소나노튜브 얀을 감는 권취부(150) 및 공간부(140) 내부의 기체를 흡입하는 흡입부(170)를 포함한다.
예컨대, 공급부(110)는 후술하는 본체부(120) 내부로 탄소나노튜브 얀을 합성하는데 필요한 물질을 공급할 수 있다. 필요한 물질은 탄소 원료, 촉매 및 이송 가스를 말한다. 공급부(110)는 물질이 주입되는 주입구와 주입된 물질이 내부에서 유동할 수 있는 유로를 구비할 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 공급부(110)는 탄소 공급부(111), 촉매 공급부(112), 가스 공급부(113) 및 노즐부(114)를 포함할 수 있다. 탄소 공급부(111)는 탄소 원료를, 촉매 공급부(112)는 촉매를 각각 공급한다. 탄소 공급부(111)와 촉매 공급부(112)는 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치(100)의 상부에 형성된다. 탄소 공급부(111)와 촉매 공급부(112)의 형상은 대략 "Y" 자로 형성될 수 있다. 탄소 공급부(111)는 상부는 우측으로 기울어져 있으며, 중간 부분부터는 하부 방향으로 길게 연장되는 형상을 가질 수 있다. 탄소 공급부(111)는 내부에 유체가 유동할 수 있는 유로를 포함할 수 있다. 촉매 공급부(112)는 상부가 좌측으로 기울어져 있으며, 탄소 공급부(111)와 마찬가지로 중간 부분은 하부 방향으로 길게 연장된다. 촉매 공급부(112)는 탄소 공급부(111)의 상부에 삽입되는 방식으로 탄소 공급부(111)와 연결된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소 공급부(111)를 통해 공급되는 탄소 원료는 탄소 공급부(111)의 하부에서 촉매 공급부(112)를 통해 공급되는 촉매와 혼합될 수 있다. 여기서, 촉매의 공급은 공급되는 탄소 원료의 공급양을 고려하여 적절하게 조절될 필요가 있다. 필요 이상의 촉매는 합성된 탄소나노튜브 얀에 포함된 불순물로 작용하여 합성된 탄소나노튜브 얀의 순도를 저하시킬 수 있기 때문이다. 이를 위하여, 탄소 공급부(111)의 직경은 촉매 공급부(112)의 직경보다 크게 형성될 수 있다. 바람직하게는 탄소 공급부(111)의 직경은 촉매 공급부(112)의 직경에 2배 내지 50배로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소 공급부(111)를 통해 공급되는 탄소 원료는 기체 또는 액체 상태의 탄소 화합물일 수 있다. 예를 들어, 탄소 원료는 에탄, 메탄, 에탄올, 메탄올, 프로판올 등과 같은 공지의 물질들을 단일 또는 조합한 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 촉매 공급부(112)를 통해 공급되는 촉매는 탄소나노튜브 얀의 합성을 개시하는 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 촉매는 페로센, 코발토센, 오스모센 등과 같은 화합물일 수 있다. 촉매 공급부(112)에는 촉매 이외에도 촉매의 작용을 촉진시키는 촉매 활성제가 함께 공급될 수 있다. 앞서 설명한 탄소 공급부와 촉매 공급부가 반드시 각각 별개의 공급관으로 형성되어야 하는 것은 아니다. 탄소 공급부와 촉매 공급부는 하나의 공급관으로 형성될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예 따르면, 가스 공급부(113)는 이송 가스를 공급할 수 있다. 본 실시예에서 가스 공급부(113)는 탄소 공급부(111)의 중간 부분에 장착된다. 구체적으로, 가스 공급부(113)는 가스 유입구(113a)와 순환부(113b)를 포함할 수 있다. 가스 유입구(113)는 일단이 이송 가스 저장부(미도시)와 연결되고 타단은 순환부(113b)에 연결된다. 순환부(113b)는 대략 원통형 형상을 가질 수 있다. 순환부(113b)는 탄소 공급부(111)의 중간 부분 외주면에 결합된다. 탄소 공급부(111)의 외주면에서 순환부(113b)와 결합되는 부분에는 복수의 주입 구멍(111a)이 형성될 수 있다(도 3의 (a) 참조). 탄소 공급부(111)의 주입 구멍(111a)은 탄소 공급부(111)의 외주면에 일정한 간격으로 형성될 수 있다. 가스 유입구(113a)로 유입된 이송 가스는 순환부(113b)로 이동하여 순환부(113b) 내부에서 순환하다가 탄소 공급부(111)의 외주면에 형성된 복수의 주입 구멍(111a)을 통해 탄소 공급부(111) 내부로 주입된다. 이송 가스는 탄소 원료 및 촉매와 혼합되어 본체부(120) 내부로 공급되었을 때, 탄소나노튜브 얀이 본체부(120)의 내벽에 붙지 않고 본체부(120) 하부 방향으로 용이하게 이동하도록 기능할 수 있다. 따라서, 이송 가스는 탄소 원료 및 촉매와 균일하게 혼합될 필요가 있다. 본 실시예에서는 앞서 설명한 바와 같이, 탄소 공급부(111)의 외주면에 형성된 주입 구멍(111a)을 형성하여, 이송 가스는 여러 방향에서 균일하게 주입함으로써, 이송 가스가 탄소 원료 및 촉매에 균일하게 혼합되도록 할 수 있다.
본 실시예에서 이송 가스는 아르곤(Ar) 가스와 수소(H2) 가스를 혼합하여 사용할 수 있다. 아르곤(Ar) 가스는 불활성 가스로서, 고온의 본체부(120) 내부에서 탄소 원료와 반응하지 않은 채 합성된 탄소나노튜브 얀을 이송한다. 또한, 아르곤(Ar) 가스는 촉매의 활동에 영향을 주지 않는다. 수소(H2) 가스는 환원 가스로서 비정질 탄소를 제거하여 고밀도의 탄소나노튜브 얀을 합성하는데 기여할 수 있다. 본 실시예에서 수소(H2) 가스와 아르곤(Ar) 가스의 주입비는 0.5 : 100 내지 50 : 100로 설정할 수 있으나, 이송 가스의 혼합비가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 불활성 가스와 환원 가스가 아르곤(Ar) 가스 및 수소(H2) 가스로 한정되는 것은 아니며, 불활성 가스로는 질소 가스, 환원 가스로는 암모니아 등과 같은 공지의 가스로 변경될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소 원료, 촉매 및 이송 가스가 혼합된 물질(이하, "혼합물"이라 함)은 공급부(110)의 노즐부(114)를 통해 후술하는 본체부(120) 내부로 분사될 수 있다. 노즐부(114)는 공급부(110)의 하부에 형성되며, 본체부(120)의 내부 상부에 위치할 수 있다. 노즐부(114)는 하부로 내려갈수록 직경이 감소하는 대략 원뿔 형상으로 형성될 수 있다. 노즐부(114)의 외주면에는 복수의 분사 구멍(114a)이 형성될 수 있다(도 3의 (b) 참조). 공급부(110)의 상부에서 주입된 혼합물은 노즐부(114)에 도달하여, 노즐부(114)에 형성된 복수의 분사 구멍(114a)을 통해 본체부(120)에 균일하게 분사될 수 있다. 혼합물의 균일한 분사는 합성되는 탄소나노튜브 얀이 고른 밀도, 균일한 물성을 갖는데 기여할 수 있다.
전술한 공급부(110)의 구성 이외에도 공급부(110)는 유량 조절 밸브와 가압 펌프를 구비하여, 공급부(110) 내에서 유동하는 유체의 공급 압력, 공급량 등을 실시간으로 조절할 수 있다. 또한, 앞서 설명한 공급부의 구조를 본 실시예를 설명하기 위한 예시적인 구조이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 공급부의 형상이나 본체부에 연결되는 공급부의 위치 등은 다양하게 변경될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본체부(120)의 내부에서는 탄소나노튜브 얀이 합성된다. 본체부(120)는 수직 방향으로 길게 연장된 원통형 형상을 가지며, 내부에 중공 형상의 공간을 포함한다. 본체부(120)의 상부는 앞서 설명한 공급부(110)와 연결되어 있다. 공급부(110)를 통해 본체부(120) 내부로 혼합물이 공급되면, 혼합물은 중력 내지 혼합물의 공급 압력에 의하여 본체부(120) 내부에서 하측으로 이동하게 되고, 이러한 과정에서 탄소나노튜브 얀으로 합성된다. 이때, 본체부(120)의 내부 온도는 후술하는 가열부(130)에 의해 탄소나노튜브 얀이 합성되기 위한 온도로 가열될 수 있다. 합성된 탄소나노튜브 얀은 본체부(120)의 하부로 배출된다. 본체부(120)는 내열성 재질로 이루어지거나 내부가 내열성 물질로 코팅되어 형성될 수 있다. 전술한 본체부(120)의 형상이 본 발명의 범주를 한정하는 것은 아니다. 본체부(120)의 형상, 특히 탄소나노튜브 얀이 합성되는 내부 공간의 구조는 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들어, 본체부(120)의 중간 부분에 별도의 주입구를 형성하여 탄소나노튜브 얀의 특성을 개선하는 첨가제 등을 주입하는 것도 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가열부(130)는 본체부(120)의 내부 온도를 사전 설정된 온도로 제어할 수 있다. 여기서, 사전 설정된 온도는 고정된 특정 값의 온도를 의미하는 것은 아니다. 탄소나노튜브 얀의 합성 속도는 온도에 의하여 변화할 수 있고, 합성 속도는 탄소나노튜브 얀의 물성에 영향을 줄 수 있으므로 장치 운용자는 이를 고려하여 사전 설정된 온도를 적절하게 설계할 수 있다. 본 실시예에서 가열부(130)는 본체부(120)의 내부 온도를 전체적으로 균일하게 가열할 수 있는 장치라면 가열 방식에 구애받지 않고 다양한 공지의 가열 장치-예를 들어, 가스 가열식, 전기 가열식 등-로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본체부(120)의 하부로 배출되는 탄소나노튜브 얀은 공간부(140)로 이동한다. 공간부(140)는 본체부(120)의 하부와 연결되며, 내부가 공간을 구비하는 박스(Box) 형상으로 형성될 수 있다. 공간부(140)에는 탄소나노튜브 얀과 이송 가스를 포함하는 기체 등이 존재할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 공간부(140)로 이동한 탄소나노튜브 얀은 공간부(140)의 일측에 연결된 권취부(150)에 의해 권취(winding)될 수 있다. 권취부(150)는 모터와 모터에 체결된 윈치를 포함할 수 있으며, 모터에 의해 윈치가 일 방향으로 회전함에 따라 탄소나노튜브 얀이 윈치에 감길 수 있다. 탄소나노튜브 얀을 감는 윈치의 회전 속도는 탄소나노튜브 얀의 합성 속도 등을 고려하여 적절하게 설계될 수 있다.
본 발명의 일 실시예 따른 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치(100)는 본체부(120)와 권취부(150) 사이에 합성된 탄소나노튜브 얀의 밀도를 향상시키는 수득부(160)를 더 포함할 수 있다. 수득부(160)는 공간부(140)의 내부에 형성될 수 있다. 수득부(160)는 합성된 탄소나노튜브 집합체를 수축시켜 고밀도의 탄소나노튜브 얀을 생성하는데 기여할 수 있다. 수득부(160)는 용매가 담긴 용기(161)를 포함한다. 용매는 물, 아세톤(Acetone), 디메틸포름아미드(Dimethylformamide; DMF) 등을 이용할 수 있다. 수득부(160)는 하나 이상의 이송 롤러(162)를 더 포함할 수 있다. 본 실시예에서 이송 롤러(162)는 용매가 담긴 용기(161) 하부와 용기(161)의 상부 일측에 각각 하나씩 형성되고, 상부 일측에 형성된 이송 롤러(162)는 권취부(150)와 연결된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치 내부에서 이송 가스가 이동하는 경로를 예시적으로 도시하는 도면이다. 도 4에서는 점선을 이용하여 이송 가스의 이동 경로를 대략적으로 도시하였다. 장치 내부에는 이송 가스 이외에도 다른 기체 등이 존재할 수 있다. 도 4에서 기압 P1은 본체부 내부의 일측(상부)의 기압을 의미하며, 기압 P2는 본체부 타측(하부), 구체적으로는 공간부 내부에서 본체부의 하부와 연결되는 부근의 기압을 의미한다.
탄소나노튜브 얀의 합성에 이용된 이송 가스는 공급부(110)의 공급 압력에 의하여 본체부(120) 하부 및 공간부(140)로 이동하게 된다. 이송 가스에는 본체부(120) 내부의 온도에 의해 가열된 수소(H2) 가스[이송 가스는 환원 가스로서 수소(H2) 가스가 아닌 암모니아(NH3)를 포함할 수도 있으나, 본 실시예에서는 환원 가스는 수소(H2) 가스라고 상정하여 설명함]가 포함될 수 있다. 가열된 수소(H2) 가스는 공간부(140)에 존재하는 공기 중의 산소(O2)와 반응하여 폭발적으로 연소할 수 있다. 수소(H2) 가스의 연소는 본체부(120)의 하부로부터 수득부(160) 내지 권취부(150) 사이로 연결된 부분의 탄소나노튜브 얀을 절단할 수 있다. 전술한 바와 같이, 직접 방사법은 연속적으로 탄소나노튜브 얀을 생성할 수 있어 생산 효율 우수하다는 장점이 있다. 다만, 수소(H2) 가스의 연소로 인하여 탄소나노튜브 얀의 생산이 중단되고, 이러한 상황이 반복적으로 이루어진다면 직접 방사법에 의한 탄소나노튜브 얀의 생산성은 크게 저하될 수 있다. 따라서, 전술한 생산성 저하의 문제를 해결하고자 본 실시예에 따른 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치(100)는 흡입부(170)를 구비하여 공간부(140)에 수소(H2) 가스를 포함한 기체를 흡입하고, 수집된 수소(H2) 가스를 별도의 공정을 통해 제거하는 방안을 안출하였다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 흡입부(170)는 흡입 펌프(미도시)를 구비하여 본체부(120)로부터 공간부(140)로 이동한 공기를 흡입하여 공간부(140) 내부에서 가열된 수소(H2) 가스가 연소되는 것을 방지할 수 있다. 보다 구체적으로는, 흡입부(170)는 제1 연결관(171a), 수소 제거부(172), 제2 연결관(171b), 회수부(173) 및 가스 배출부(174)를 포함할 수 있다. 제1 연결관(171a)은 공간부(140)와 수소 제거부(172)를 연결하며, 내부에는 유체가 이동할 수 있는 유로를 구비한다. 제1 연결관(171a)는 본체부(120)로부터 공간부(140)로 이동한 수소(H2) 가스를 포함한 기체를 흡입하기 위하여, 공간부(140)의 상부, 보다 상세하게는 본체부(120)의 하부와 공간부(140)가 연결되는 부근에 형성될 수 있다. 제1 연결관(171a)을 통한 기체 흡입의 주목적은 공간부(140)로부터 수소 가스를 제거하기 위한 것이다. 수소 가스는 그 무게가 가벼우므로 공간부(140) 내에서 주로 상부에 분포하게 되는 것이 제1 연결관(171a)이 공간부(140)의 상부에 연결되는 첫번째 이유이다. 본체부(120)로부터 흘러나온 수소 가스가 공기 중의 산소와 반응하기 전에 본체부(120)의 출구에서 바로 수소 가스를 흡입하는 것이 수소와 산소의 반응에 의한 폭발을 방지하기에 유리하다는 것이 두번째 이유이다. 수소 제거부(172)는 흡입 펌프를 통해 흡입된 기체에 포함된 수소(H2) 가스를 제거할 수 있다. 예를 들어, 수소 제거부(172)는 산소 공급 장치(미도시)를 포함하여 본체부(120)의 내부 온도로 인하여 가열된 수소(H2) 가스를 연소시켜 제거할 수 있다. 또한, 별도의 발화 장치를 구비하여 수소(H2) 가스를 연소시키는 방식도 가능하다. 수소 제거부(172)가 수소(H2) 가스를 제거하는 방식은 연소시키는 방법 외에도 물리적, 화학적, 전기적 방법 등을 통해 수소(H2) 가스를 제거하는 방식이 적용될 수 있다.
수소 제거부(172)가 수소를 제거하는 것과 동일한 이유에서 공간부(140)는 외부의 공기를 흡입하는 장치(미도시)를 추가적으로 포함할 수 있다. 이러한 장치는 외부의 공기가 공간부(140) 내로 흡입됨으로써 상기 공간부(140) 내부의 수소 밀도를 낮추는 역할을 수행한다. 이러한 장치는 공간부(140)가 폐쇄형으로 형성될 때 가장 바람직하게 작동 가능하나, 공간부(140)가 완전 폐쇄 형이 아닌 일부 개방형인 경우에도 수소 밀도가 낮은 외부 공기를 안쪽으로 향하게 하는 장치의 존재는 공간부(140) 영역 내에서의 수소 밀도 저하에 유리하게 기능할 수 있다.
제2 연결관(171b)은 수소 제거부(172)와 회수부(173)을 연결하며, 제1 연결관(171a)와 마찬가지로 내부에 유로를 구비한다. 회수부(173)는 공급된 기체로부터 비활성 가스를 수집한다. 이를 위해, 회수부(173)는 공급된 기체를 냉각시킨다. 회수부(173)의 냉각 온도는 대략 -250 ℃로 형성할 수 있다. 이는 불활성 가스로 사용되는 아르곤(Ar)이나 질소(N2)를 회수하기 위하여, 불활성 가스의 비등점보다 낮은 온도로 냉각시켜 액체 형태로 불활성 물질을 회수하기 위함이다. 회수부(173)에 의해 회수된 불활성 가스는 불순물을 제거하는 소정의 공정을 거쳐 재활용될 수 있다. 회수부(173)를 통과한 공기는 가스 배출부(174)를 통해 배출된다.
본 실시예에 따른 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치(100)는 흡입부(170)가 수소(H2) 가스를 포함하는 기체를 흡입하고, 수소 제거부(172)에서 흡입한 수소(H2) 가스를 제거함으로써, 탄소나노튜브 얀을 제조하는 공정에서 발생할 수 있는 수소(H2) 가스가 연소하는 것을 방지함으로써 탄소나노튜브 얀의 생산이 연속적으로 이루어지도록 설계되었다. 뿐만 아니라, 본원 장치(100)는 흡입부(170)의 회수부(174)를 포함하여, 흡입부(170)에 의해 흡입된 기체에 포함된 불활성 기체를 회수하여 다시 재활용함으로써, 탄소나노튜브 얀의 생산 비용까지 절감시킬 수 있다.
한편, 흡입부(170)로 인하여 공간부(140)의 기압 P2는 감소할 수 있다. 기압 P2가 감소함에 따라 본체부(120) 내부의 상부 기압 P1과 공간부(140) 내부[본체부(120) 상부] 기압 P2 사이의 기압차가 증가할 수 있다. 이에 의해, 본체부(120)의 상부로 공급된 혼합물은 사전 설계한 이동 속도보다 빠르게 본체부(120) 하부로 이동하게 되고, 그 결과 탄소나노튜브 얀의 합성이 이루어지지 않거나 불완전하게 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 기압 P1 및 기압 P2를 측정하는 기압 센서(180)를 더 포함할 수 있다. 기압 센서(180)는 설치된 장소의 기압을 실시간으로 측정하여, 측정한 수치를 장치 운용자에게 알려줄 수 있다. 기압 센서(180)는 기압 P1을 측정하는 제1 센서(181)와 기압 P2를 측정하는 제2 센서(182)를 포함할 수 있다. 제1 센서(181)는 본체부(120) 내부의 상부에 위치된다. 구체적으로, 제1 센서(181)는 공급부(110)에 의해 본체부(120) 내부로 분사된 혼합물의 공급 압력이 반영된 기압을 측정하기 위하여, 앞서 설명한 노즐부(114)의 위치보다는 낮은 곳에 형성되는 것이 바람직하다. 제2 센서(182)는 공간부(140) 내부의 상부에 형성된다. 구체적으로, 제2 센서(182)는 본체부(120) 하부와 인접한 부근에 형성되는 것이 바람직하다. 이는 본체부(120)의 상부와 하부의 기압차로 인하여 본체부(120) 내부에 이동하는 혼합물 내지 합성된 탄소나노튜브 얀의 이동 속도가 달라질 수 있기 때문이다.
기압 센서(180)에 의해 측정된 기압 P1과 기압 P2는 필요에 따라 조절이 가능하다. 본체부(120)의 상부 기압 P1은 공급부(110)의 공급 압력을 조절함으로써 제어할 수 있다. 공간부(140)의 기압 P2의 조절을 위해서는 별도의 압력 조절 수단이 필요하다. 이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치(100)는 공간부(140)의 기압을 제어할 수 있는 기압 조절부(190)를 더 포함할 수 있다. 기압 조절부(190)는 외부 공기를 공간부(140) 내부로 주입시켜 공간부(140) 내부의 기압을 높이거나, 반대로 공간부(140) 내부의 공기를 외부로 배출하여 공간부(140) 내부의 기압을 낮출 수 있다. 기압 조절부(190)는 공지의 공압 펌프로 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 기압 조절부(190)를 통해 전술한 흡입부(170)에 의하여 감소된 기압을 보상하여 기압 P1과 기압 P2의 차이를 요구되는 범위 내에서 유지함으로써, 혼합물이 본체부(120) 내부에서 탄소나노튜브 얀으로 합성되기 위한 충분한 시간을 보장한다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치
110: 공급부
120: 본체부
130: 가열부
140: 공간부
150: 권취부
160: 수득부
170: 흡입부
180: 기압 센서
190: 기압 조절부

Claims (7)

  1. 탄소 원료, 수소 가스 및 불활성 기체를 포함하는 탄소나노튜브 얀의 재료를 공급하는 공급부와,
    상기 공급부와 연결되고, 상기 공급부로부터 공급된 재료가 탄소나노튜브 얀으로 합성되는 공간을 구비하는 본체부와,
    상기 본체부를 가열하는 가열부와,
    상기 본체부에서 합성된 탄소나노튜브 얀이 이동하는 공간부와,
    상기 공간부에 연결되고, 상기 공간부 내부의 기체를 흡입하는 흡입부와,
    상기 본체부와 상기 공간부의 기압을 측정하는 기압 센서와,
    상기 공간부 내부의 기압을 조절하는 기압 조절부를 포함하고,
    상기 기압 조절부는 상기 기압 센서에 의해 측정된 상기 본체부의 기압과 상기 공간부의 기압의 압력차가 소정 범위를 유지하도록 상기 공간부 내부의 기압을 조절하는, 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 흡입부는 상기 공간부의 상부에서 기체를 흡입하고,
    상기 흡입부는 흡입한 기체로부터 수소 가스를 제거하는 수소 제거부를 포함하는, 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 수소 제거부는 수소 가스를 연소시킴으로써 제거하는, 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 공간부는 외부의 공기를 흡입하는 장치를 포함하고,
    상기 장치에 의하여 외부의 공기가 상기 공간부 내로 흡입됨으로써 상기 공간부 내부의 수소 밀도가 낮아지는, 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 흡입부는 불활성 기체를 회수하는 회수부를 포함하는, 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 회수부는 상기 흡입부에 의해 흡입된 기체를 불활성 기체의 끓는점 이하로 냉각시켜 불활성 기체를 액체 상태로 회수하는, 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치.
  7. 삭제
KR1020180144701A 2018-11-21 2018-11-21 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치 KR101966281B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180144701A KR101966281B1 (ko) 2018-11-21 2018-11-21 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180144701A KR101966281B1 (ko) 2018-11-21 2018-11-21 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101966281B1 true KR101966281B1 (ko) 2019-04-05

Family

ID=66104161

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180144701A KR101966281B1 (ko) 2018-11-21 2018-11-21 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101966281B1 (ko)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100661795B1 (ko) 2003-12-24 2006-12-28 재단법인 포항산업과학연구원 열화학기상증착 방식을 이용한 탄소나노선재 연속 제조장치
KR20090016513A (ko) * 2006-06-09 2009-02-13 스타토일하이드로 에이에스에이 탄소 나노 섬유 제조
KR20140147004A (ko) * 2013-06-18 2014-12-29 주식회사 엘지화학 탄소나노튜브섬유 제조장치 및 이를 이용한 탄소나노튜브섬유 제조방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100661795B1 (ko) 2003-12-24 2006-12-28 재단법인 포항산업과학연구원 열화학기상증착 방식을 이용한 탄소나노선재 연속 제조장치
KR20090016513A (ko) * 2006-06-09 2009-02-13 스타토일하이드로 에이에스에이 탄소 나노 섬유 제조
KR20140147004A (ko) * 2013-06-18 2014-12-29 주식회사 엘지화학 탄소나노튜브섬유 제조장치 및 이를 이용한 탄소나노튜브섬유 제조방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101560483B1 (ko) 탄소나노튜브섬유 제조장치 및 이를 이용한 탄소나노튜브섬유 제조방법
KR101696212B1 (ko) 연속하여 이동하는 기질에서 탄소 나노튜브를 제조하는 장치 및 방법
KR101716584B1 (ko) 탄소나노튜브섬유의 제조장치 및 이를 이용한 탄소나노튜브섬유 제조방법
US11408097B2 (en) Process for preparing a yarn comprising carbon nanotubes and yarn prepared thereby
KR102030773B1 (ko) 탄소나노튜브 집합체 제조장치 및 이를 이용한 탄소나노튜브 집합체 제조방법
KR101286751B1 (ko) 분사를 이용한 연속식 탄소섬유 또는 탄소나노튜브가 융합된 탄소섬유 제조 장치 및 방법
KR101925874B1 (ko) 탄소나노튜브섬유 제조장치 및 이를 이용한 탄소나노튜브섬유 제조방법
JP2022524301A (ja) 開放式炭素ナノ材料連続成長の装置および作製方法
KR101932499B1 (ko) 탄소나노튜브섬유 제조장치 및 이를 이용한 탄소나노튜브섬유 제조방법
KR101415078B1 (ko) 탄소나노튜브 섬유제조 장치
KR101966281B1 (ko) 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치
JP2019524626A (ja) カーボンナノチューブ繊維集合体の強度調節方法
KR102002857B1 (ko) 탄소나노튜브섬유 제조장치 및 이를 이용한 탄소나노튜브섬유 제조방법
JP3637177B2 (ja) 気相成長炭素繊維製造装置
KR101943089B1 (ko) 탄소나노튜브 얀을 제조하는 장치
JP4394981B2 (ja) 原料ガス供給ノズル、カーボンナノファイバー製造装置、およびカーボンナノファイバーの製造方法
JPH0978360A (ja) 気相成長炭素繊維の製造方法
KR20230137793A (ko) 나노 탄소 섬유 제조 장치 및 제조 방법
KR101881197B1 (ko) 탄소나노튜브섬유 제조장치
JP3502682B2 (ja) 気相成長炭素繊維製造装置
CN117842971A (zh) 长丝碳纳米管组合体、其制备装置及方法
KR101990385B1 (ko) 탄소나노튜브섬유 제조장치
JP4391900B2 (ja) カーボンナノファイバー製造装置
JP2999042B2 (ja) 気相法炭素繊維の製造方法及びその製造方法に使用される気相法炭素繊維製造装置
KR20240041063A (ko) 고순도 탄소나노튜브 섬유제조장치 및 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant