KR101993604B1 - 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브를 포함하는 금속 필터의 제조방법 - Google Patents

화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브를 포함하는 금속 필터의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브를 포함하는 금속필터의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브를 포함하는 금속필터의 제조방법에 있어서, (a) 인발공정에 의하여 스테인리스 스틸 섬유를 뽑아내는 단계(s10);와, (b) 상기 인발된 스테인 리스 스틸 섬유의 외피를 제거하는 단계(s20);와, (c) 상기 외피가 제거된 스테인 리스 스틸 섬유를 개섬하여 폭이 넓고 얇은 상태로 만드는 공정(s30);과, (d) 상기 개섬된 스테인리스 스틸 섬유를 부직포 형상으로 포밍하여 진공분위기 하에서 소결하는 단계(s40);와, (e) 상기 스테인리스 스틸 섬유를 챔버(chamber)에 장입하여 고온으로 가열하면서 아르곤 가스(Ar)를 공급하는 단계(s50);와, (f) 상기 고온으로 가열된 스테인리스 스틸 섬유 표면에 수소 가스(H2)를 공급하여 상기 스테인리스 스틸 섬유 표면을 환원처리하여 면격자(faceted lattice)를 형성하는 단계(s60);와, (g) 상기 면격자가 형성된 스테인리스 스틸 섬유의 표면 상에 탄소나노튜브의 원료가 되는 아세틸렌(C2H2)과 아르곤(Ar) 가스 및 수소(H2) 가스를 공급하여 탄소 나노튜브를 합성하는 단계(s70);및 (h) 탄소나노튜브 합성에서 발생되는 배기 및 유해가스는 배기부의 활성탄 비드층(420)에 의해 정제되는 단계(s80)를 포함하는 것일 수 있다.

Description

화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브를 포함하는 금속 필터의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF METAL FILTER CONTAINING CARBON NANOTUBE USING CHEMICAL VAPOR DEPOSITON}
본 발명은 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브를 포함하는 금속필터의 제조방법에 관한 것이다.
자연계에 존재하는 탄소구조체는 크게 세가지로 나눌 수 있다. 즉, 연필심과 같은 흑연, 다이아몬드, 기록 버키볼(bucky ball)이라고 불리는 탄소원자 60개가 축구공 모양을 하고 있는 플러렌(C60)이다. 상기 버키볼의 대원상에는 10개의 탄소원자가 존재할 수 있다. 여기에서 탄소원자 10개가 추가되면, 축구공의 가운데 부분이 약간 길어진 것과 같은 C70분자가 될 수 있다. 또 다시 탄소 10개가 추가되면 중간 부분이 더 길어진다(C80). 이렇게 탄소 원자가 계속해서 유입되면 튜브 모양이 형성되는데, 직경이 수nm 내지 수십nm로 극히 작은 이러한 튜브가 바로 탄소나노튜브(carbon nanotube)이다. 1991년 일본의 이지마(Ijima) 박사가 전기방전법에 의하여 플러렌이 합성되는 것을 전자현미경으로 관찰하던 중 축구공모양의 플러렌과 침상구조(다층 탄소나노튜브 구조)의 역사가 시작되었다. 상기 탄소나노튜브는 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 서로 연결되어 관모양을 이루고 있는 신소재를 지칭한다.
즉, 탄소원자가 3개씩 결합해 벌집 모양을 한 평면형 탄소구조가 말려서 튜브관모양을 하고 있는 것이다. 열전도율이 구리의 1천배 정도이고 강도는 강철의 100배 정도이어서 거의 끊어지지 않는다. 또한 탄소섬유는 1%만 변형되어도 끊어지지만 탄소나노튜브는 15%가 변형되어도 끊여지지 않는 특성을 가지고 있다. 또한 탄소나노튜브는 역학적으로 매우 견고하고 화학적인 안정성이 뛰어나며, 열전도도가 높고 속이 비어있는 구조를 갖기 때문에 미시적인 혹은 거시적인 측면에서 다양한 응용이 예상되는 새로운 기능성 재료로 각광받고 있다. 예를 들면, 메모리 소자, 전자 증폭기, 또는 가스 센서, 전자파 차폐, 2차 전지, 연료 전지, 또는 수소 커패시터의 전극 극판, 전계 방출디스플레이, 고분자 복합체등에 적용하고자 하는 시도 또는 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
현재 전기 방사 기술을 이용하여 나노섬유를 기질(substrate)인 마이크론 섬유 금속 섬유 필터 여재 상에 방사하여 탄소나노물질이 코팅된 새로운 필터 여재가 제조되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전지 방사기술을 개략적으로 보여주는 도면이고 도 2는 전기 방사된 고분자 나노섬유를 나타낸 SEM 사진이다.
도 1을 참조하면, 전기방사 기술에 대한 개략적인 개요를 파악할 수 있다.
즉 전기방사는 고분자 용액이나 용융물에 높은 전압을 인가함으로써 고분자 쇄 간의 조성된 정전기적인 반발력과 음극(-)과 양극(+) 사이에 발생되는 전기장을 이용하여 수백 nm 크기의 섬유로 이루어진 부직포 웹을 얻는 기술이다.
친수성 고분자 용액을 포함하는 수용액(polymer solution)인 방사 용액으로 방사노즐(spinner)이 달린 실린지(syringe)에 배치하여 상기 방사 노즐을 통해 상기 방사용액을 토출시킬 수 있다. 상기 토출된 방사용액인 액체분사물(liquid jet)과 집전판(collector)에 고전압을 인가하면 전기장에 의해 음의 전하 및 양의 전하 중에서 어느 한 쪽의 전하가 상기 방사용액에 축적된다. 축적된 전기장이 더욱 증가할수록 전하 사이의 정전기적 반발력이 상기 방사용액의 표면장력보다 커지게 되면서 상기 방사용액은 테일로콘(taylor cone)이라고 알려진 원뿔 형상으로 방사될 수 있다. 이렇게 방사된 방사용액에서 용매는 증발되고, 반대쪽 전하로 하전된 상기 집전판에 상기 방사용액에 포함된 친수성 고분자로 이루어진 나노섬유가 3차원 구조의 형태로 쌓이게 된다. 이에 상기 고분자 나노섬유는 도 2에 도시된 바와 같이, 복수개의 나노크기의 섬유들이 서로 얽혀지는 웹형태로 형성되며, 복수개의 공극이 배치된 구조를 가질 수 있다.
하지만 이와 같은 전기방사기술은 나노섬유의 직경크기를 줄이는 데 한계가 있다.
대한민국 공개특허공보 10-2002-0023522호(탄소나노튜브 합성방법 및 이에 이용된 탄소나노튜브 합성 장치)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 부착성이 우수하고, 여과효율을 향상시킬 수 있는 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브를 포함하는 금속 필터의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명은 상기 마이크론 금속 필터인 스테인리스 스틸 섬유로 형성된 부직포 매트릭스 상에 화학기상증착장치를 이용하여 탄소나노튜브의 원료 물질인 아세틸렌(acetylene) 가스 공급수단과, 상기 마이크론 금속 섬유필터를 환원시켜서 상기 탄소나노튜브가 성장할 수 있는 핵생성 지점이 되는 면격자(faceted lattice) 지점이 형성되고, 상기 면격자 지점을 통해서 탄소나노튜브가 고르게 성장하여 미세 오염입자에 대한 여과 성능을 향상시킬 수 있는 화학 기상증착법을 이용하여 아세틸렌가스가 열분해되어 생성되는 탄소나노튜브가 마이크론 금속 섬유 필터인 부직포 매트릭스 형태의 스테인리스 스틸 섬유를 포함하는 필터 여재를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 다양한 과제들은 이상에서 언급한 과제들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당 업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상의 실시예들은, 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브를 포함하는 금속 필터의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 화학기상증착법 이용한 탄소나노브를 포함하는 금속필터의 제조방법은, (a) 다발 인발공정을 거쳐 10㎛ 직경의 스테인레스 스틸 섬유를 뽑아내는 단계(s10);와, (b) 상기 인발된 스테인레스 스틸 섬유의 외피를 제거하는 단계(s20);와, (c) 상기 외피가 제거된 스테인리스 스틸 섬유를 개섬하여 섬유 가닥의 폭을 넓고, 얇게하고, 섬유들 사이의 인력(attractive force) 및 불순물을 제거하는 단계(s30);와, (d) 상기 개섬된 스텐리스 스틸 섬유를 부직포 형상으로 포밍하여 불활성 가스 및 진공 분위기 하에서 소결하는 단계(s40);와, (e) 상기 스테인리스 스틸 섬유를 챔버(Chamber)에 장입하여 500∼700℃로 가열하면서 아르곤 가스(Ar)를 공급하는 단계(s50);와, (f) 상기 가열된 스테인리스 스틸 섬유 표면에 수소 가스(H2)를 공급하여 상기 스테인리스 스틸 섬유 표면을 환원처리하여 면격자(faceted lattice)를 형성하는 하소(Calcination) 단계(s60);와, (g) 상기 면격자가 형성된 스테인리스 스틸 섬유의 표면에 탄소나노튜브의 원료가 되는 아세틸렌(C2H2)과 아르곤(Ar) 가스 및 수소(H2)가스 공급하고, 그 유량을 조절하여 여과 특성에 따른 탄소나노튜브를 성장시켜 제조하는 단계(s70);와, (h) 상기 탄소나노튜브 합성에서 발생되는 배기 및 유해가스는 배기부의 활성탄 비드층(420)에 의해 정제되는 단계(s80);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
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본 발명의 기술적 사상의 다양한 실시예들에 의한 카본 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브를 포함하는 금속 필터는 스테인리스 스틸 섬유로 이루어진 여과 필터로 강성을 가지고 있어서 역세척에 대한 작용에도 파손되거나 조직이 흐트러지는 작용을 최소화할 수 있다.
또한, 카본나튜브를 상기 금속 필터의 기질(substrate) 상에 포함하고 있어서, 기존 금속 필터와 동등한 여과 효율을 유지하면서 더 낮은 압력 손실(pressure drop)의 특성을 가지는 필터 여재를 제조할 수 있다.
또한 카본나노튜브를 포함하는 필터인 스텔인리스 스틸 섬유 기질의 경우, 초미세 오염 입자, 즉 나노입자의 여과 특성이 아주 우수한 메디아(media)를 제조할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 다양한 실시예들에 의한 나노튜브를 포함하는 금속필터는, 각종 미세 먼지에 대한 탁월한 성능을 나타내는 성능이 우수한 금속 필터를 제조할 수 있다.
기타, 언급되지 않은 본 발명의 기술적 사상의 효과들은 상세한 설명 내에서 언급될 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 전지 방사기술을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 전기 방사된 고분자 나노섬유를 나타낸 SEM 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 여재인 스테인 리스 스틸 섬유를 제조하는 공정을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브를 포함하는 금속 필터의 제조방법을 보여주는 절차도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예인 화학기상 증착법을 이용하여 스텐리스 스틸 섬유의 소결체인 부직포 매트릭스에 대한 가열 공정을 수행할 수 있는 장치의 구성을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브가 장착된 부직포 매트릭스 상에서 핵생성 지점이라고 할 수 있는 면격자(faceted lattice) 지점에 대한 형성과정이 진행된 것을 보여주는 주사전자 현미경 사진이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
공간적으로 상대적인 용어인 '아래(below)', '아래(beneath)', '하부(lower)', '위(above)', '상부(upper)' 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 '아래(below)' 또는 '아래(beneath)'로 기술된 소자는 다른 소자의 '위(above)'에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 '아래'는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일하거나 유사한 구성 요소를 지칭할 수 있다. 따라서, 동일한 참조 부호 또는 유사한 참조 부호들은 해당 도면에서 언급 또는 설명되지 않았더라도, 다른 도면을 참조하여 설명될 수 있다. 또한, 참조 부호가 표시되지 않았더라도, 다른 도면들을 참조하여 설명될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기상증착법을 이용한 탄소나노튜브를 포함하는 금속 필터의 제조방법은, 스테인리스 스틸 촉매의 존재하에서 아세틸렌 분해에 의하여 성장하는 탄소나노튜브를 포함하는 나노 기공체 금속필터의 제조방법에 있어서, (a) 인발공정에 의하여 스테인리스 스틸 섬유(100)를 뽑아내는 단계(s10);와, (b) 상기 인발된 스테인 리스 스틸 섬유(100)의 외피(110)를 제거하는 단계(s20);와, (c) 상기 외피(110)가 제거된 스테인 리스 스틸 섬유(100)를 개섬하여 폭이 넓고 얇은 상태로 만드는 공정(s30);과, (d) 상기 개섬된 스테인리스 스틸 섬유(100)를 부직포 형상으로 포밍하여 진공분위기 하에서 소결하는 단계(s40);와, (e) 상기 스테인리스 스틸 섬유(100)를 챔버(chamber)(200)에 장입하여 고온으로 가열하면서 아르곤 가스(Ar)를 공급하는 단계(s50);와, (f) 상기 고온으로 가열된 스테인리스 스틸 섬유(100) 표면에 수소 가스(H2)를 공급하여 상기 스테인리스 스틸 섬유(100) 표면을 환원처리하여 면격자(faceted lattice)를 형성하는 단계(s60); 와, (g) 상기 면격자가 형성된 스테인리스 스틸 섬유의 표면 상에 탄소나노튜브의 원료가 되는 아세틸렌(C2H2)과 아르곤(Ar) 가스 및 수소(H2) 가스를 공급하여 탄소 나노튜브를 합성하는 단계(s70); 및 (h) 상기 탄소나노튜브 합성에서 발생되는 배기 및 유해가스는 배기부의 활성탄 비드층(420)에 의해 정제되는 단계(s80)를 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 여재인 스테인 리스 스틸 섬유를 제조하는 공정을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 다발 인발법(bundle drawing process)를 보여주고 있다.
금속 선재인 스테인리스 스틸 섬유(100)를 집속관(미도시)에 모아 인발 후 재접속하는 방식으로 연속적인 인발을 거쳐 지름 10㎛의 스테인리스 스틸 섬유를 제조할 수 있는 공정이다. 이때 이와 같은 다발 인발법으로 제조된 금속 섬유인 스테인리스 스틸 섬유(100)는 합쳐지고 난 후(인발 후 단면)에 도시된 바와 같은 형상이 될 수 있다(s10).
이와 같은 형상에서 외피(110)는 금속을 모아서 뽑는 데만 사용될 뿐 그 이후에는 하고자 하는 역할이 없으므로 이를 제거하는 공정(s20)을 거칠 수 있다.
그다음 개섬 공정이라고 알려져 있는 공정을 수행할 수 있다.
상기 다발 인발법으로 제조된 금속 섬유인 스테인리스 스틸 섬유는 금속 섬유 간의 점 점촉 부위에 대한 소결(sintering)을 통하여 여재 필터 고유의 특성인 내압성, 안전성, 포집율을 유지하는 것이 중요하다. 한편 여과 용 필터의 특성은 인발 공정을 통해서 형성된 섬유의 직경이 가장 중요한 변수로 작용할 수 있다. 즉 금속 섬유의 직경이 클수록 기공율과 기공크기가 증가하며, 금속 섬유의 직경이 작을수록 기공율과 기공크기는 감소한다.
이러한 특성을 보완하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition)을 이용한 탄소나노튜브를 포함하는 금속 필터에서는 카본나노필터(carbon nanofilter)가 면격자 지점(faceted lattice)을 통해서 결합된 스테인리스 스틸 섬유(100)의 소결체인 부직포(120) 매트릭스를 포함하는 필터를 사용할 수 있다.
상기 재섬 공정(s30)은 카딩(carding) 공정이라고도 하는 데, 부직포 (120) 매트릭스 섬유를 만들기 위한 전처리 공정으로 소결 공정에서의 불량 소결 현상이 방지하기 위한 공정이라고 할 수 있다. 즉 어떤 특정한 지점에 스트레스(stress) 등이 걸려 있어서 응력이 스테인리스 스틸 섬유(100)의 면적 중 부분적으로 작용하는 경우 고온 소결이라고 할 수 있는 (850-1250℃의 진공상태 소결) 공정에서 응력으로 인한 부분 변형을 방지하기 위한 공정이라고 할 수 있다.
조금 더 쉽게 설명하면, 얽혀 있는 금속 섬유(본 발명에서는 스테인리스 스틸에 대하여 인발 공정을 거쳐서 뽑혀 나온 상태의 섬유)를 빗질하여 펴지게 만들고, 상기 스테인리스 스틸 섬유(100)를 개개로 분리하는 동시에 평행으로 배열하여 서로 간에서 작용하는 인력(attractive force)를 제거하고, 상기 스테인리스 스틸 섬유(100)에 남아 있던 불순물을 제거하는 공정이라고 할 수 있다.
이와 같이 펼쳐진 상태의 스테인리스 스틸 섬유(100)에 대하여 소결 공정(s40)을 거칠 수 있다. 상기 소결 공정은 해당되는 재료를 가열하여 표면적을 줄이면서 응집될 수 있도록 결합력을 부여하는 공정에 해당할 수 있다.
좀더 구체적으로 소결 공정은 분리되어 있는 각각의 스테인리스 스틸 섬유(100)에 대하여 결합력을 부여하여 메쉬(mesh) 또는 그리드(grid)형태의 구조체로 변경하는 공정이라고 할 수 있다.
이와 같은 소결 공정을 거치게 되면, 상기 스테인리스 스틸 섬유(100)들은 강성과 유연성 등의 물리적 성질을 확보하게 된다고 할 수 있다.
이때의 소결 온도는 850-1,250℃에서 소결 공정이 진행될 수 있는데, 850℃ 미만에서는 소결에 따른 강성 증가의 효과가 나타나지 않아서 서로 분리된 상태일 수 있고, 1,250℃ 이상에서는 원래 금속 재질의 스테인리스 스틸 섬유(100)가 변질되어 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기상증착법을 이용한 탄노나노튜브(carbon nanotube)를 포함하는 금속 필터의 용도로 사용할 수 없게 된다.
특히 스테인리스 스틸의 경우에도 금속 재료의 특성상, 산화 조건(oxidation) 에서는 표면층이 산화되어 스테인리스 스틸 섬유(100)가 본래 가지고 있던 성질을 잃게 되므로 환원 분위기(아르곤 가스나 헬륨 가스 분위기에서 소결 공정을 진행하는 것이 바람직하다)에서 소결하고 진공 분위기에서 소결하여 불순물의 유입 등을 차단하는 것이 바람직할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기상 증착법을 이용한 탄소나노튜브를 포함하는 금속 필터의 제조방법을 보여주는 절차도이다.
도 4를 참조하면, 소결 공정을 거친 스테인리스 스틸 섬유(100) 부직포(120)를 챔버(200)에 장입할 수 있다. 상기 화학기상 증착 장치(300)는 가스공급부, 챔버(200) 및 배기부를 포함할 수 있다.
상기 화학기상증착장치(300, Chemical Vapor Deposition Apparatus)에서 가스 공급부는, 각각 수소기체 공급 수단(230), 아르곤 가스 공급수단(220), 및 아세틸렌(일종의 탄화 수소에 해당할 수 있다.) 가스 공급수단(240)을 포함할 수 있다. 상기 기체 공급수단들(220, 230, 240)과 가열 반응기인 가스공급부, 즉 챔버(200) 사이에는, 각각 제1, 2, 3 유량 조절계(mass flow controller, 222, 232, 242)가 형성될 수 있다.
먼저 상기 화학기상증착 장치(300) 의 내부에 배치된 스테인리스 스틸 섬유(100)의 소결체인 부직포(120) 매트릭스에 대한 가열 공정을 통해서 500-700℃의 온도로 상승시킬 수 있다(s50). 이때 아르곤 가스 공급수단(220)으로부터 공급되는 아르곤 가스를 통한 가열은 500℃ 이하에서는 가열효과가 나타나지 않을 수 있고, 700℃ 이상에서는 부착적인 2차 반응이 발생할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예인 화학기상 증착법을 이용하여 스텐리스 스틸 섬유의 소결체인 부직포 매트릭스에 대한 가열 공정을 수행할 수 있는 장치의 구성을 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, 먼저 상기 챔버(200)의 전면부에 배치되어 있는 도어(280)를 열고, 상기 스테인리스 스틸 섬유(100)의 소결체인 부직포(120) 매트릭스를 상기 챔버(200)의 내부로 인입하는 과정이 진행될 수 있다.
이에 따른 후속공정으로 상기 부직포(120) 매트릭스의 표면층에 면격자(faceted lattice) 지점을 형성하는 하소 공정(calcination)을 진행할 수 있다(S60).
공급되는 가스들(수소, 아르곤, 아세틸렌)은 제1, 2, 3 유량 조절계를 통해서 공급되는 양이 조절되어 상기 챔버 쪽으로 유입될 수 있다. 이와 같은 가스 공급부로부터 가스의 공급을 통한 아세틸렌의 분해 반응(화학식 1로 표기)을 유도하기 위해서는 적절한 온도 제어가 필수적이라고 할 수 있기 때문에 챔버에는 온도계(thermocouple)(205)이 장착된 상태일 수 있다.
이와 같이 아세틸렌 가스(acetylene gas)에 대한 열분해(thermal decomposition) 반응을 거치고 난 후 배기되는 가스는 배기부로 공급될 수 있다.
상기 배기부에는 활성탄 비드(Activated Carbon bead)층이 형성되어 있어서 상기 아세틸렌 가스(Acetylene gas)의 분해 반응의 부산물에 대한 정제작업을 수행할 수 있다.
이때 아르곤 가스 유량은 1,000-2,000sccm(standard cubic centimeter per minute)의 속도로 공급될 수 있다. 이와 같은 아르곤 가스에 대한 공급을 통해서 스테인리스 스틸 섬유(100)의 소결체인 부직포(120) 매트릭스에 대한 가열과정을 거치고 나면, 수소 기체 공급수단(230)을 제2 유량 조절계(232)을 통한 유량 조절과정을 거치고 난 후 챔버인 석영관(250)으로의 공급과정이 진행될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브가 장착된 부직포 매트릭스 상에서 핵생성 지점이라고 할 수 있는 면격자(faceted lattice) 지점에 대한 형성과정이 진행된 것을 보여주는 주사전자 현미경 사진이다.
도 6을 참조하면, 스테인리스 스틸 섬유(100)의 소결체인 부직포(120) 매트릭스 상에서 다양한 크기 특성을 갖는 면격자(faceted lattice) 지점이 형성된 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 면격자 지점이 탄소나노튜브(carbon nanotube)의 고온 성장의 핵생성 지점이 되어 전체적인 카본 나노튜브의 스테인 리스 스틸 섬유(100)의 부직포(120)에 대한 카본 나노튜브의 분포 양상과 성장 크기를 조절할 수 있다.
또한 이러한 수소 가스 공급수단(230)을 통한 스테인 리스 스틸 섬유(100)의 부직포(120) 매트릭스에 대한 수소 공급을 통한 가열은 상기 핵생성 지점인 면격자(faceted lattice) 지점을 활성화시켜서 상기 탄소나노튜브(carbon nano tube)와 스테인리스 스틸 섬유와의 결합력을 상승시킬 수 있음은 실험적으로 확인된 바 있다.
즉 아르곤 가스 공급수단(220)을 통해서 공급되는 아르곤 가스는 수소 가스와 동일하게 환원성 분위기를 유지할 수 있는 수단에는 해당하지만 성장한 탄소나노튜브와 스테인리스 스틸 섬유와의 상호 결합력이 약해져서 탄소나노튜브(carbon nanotube)층이 스테인리스 스틸 섬유(100)의 표면 상에서 박리되는 현상이 발생하기 때문에 수소 가스(H2)의 공급 유량이 중요하다고 할 수 있다.
이와 같이 유량 조절계(222, 232, 242)를 가스 공급부와 챔버(200) 사이에 설치함으로써 탄소나노튜브(carbon nanotube)가 스테인리스스틸 섬유(100)의 소결체인 부직포(120) 매트릭스 상에서 성장하는 양상을 주사 전자 현미경을 통해서 관찰하고 이에 대한 조절이 가능할 수 있다.
특히 하소 공정(calcination)공정에서 수소 가스 공급수단(230)으로부터 공급된는 수소의 공급량(flow rate)에 따라 면격자(faceted lattice) 지점에 대한 제어가 가능할 수 있기 때문에 이에 대한 확인 작업이 필요하다고 할 수 있다
특히 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기상증착장치(300)를 이용한 상기 수소, 아세틸렌, 및 아르곤의 공급 유량에 따라 마이크론 금속 필터인 스테인리스 스틸 섬유(100)의 소결체인 부직포(120) 매트릭스에서 성장하는 카본 나노튜브(carbon nanotube)의 성장하는 양상에서 현격한 차이를 보일 수 있기 때문에 제1, 2, 3 유량조절계(222, 232, 242)를 통한 가스 들의 흐름 조절이 중요하다고 할 수 있다.
상기 챔버(200)로 공급되는 가스들(수소, 아르곤, 아세틸렌)은 제1, 2, 2 유량 조절계(222, 232, 242)를 통해서 공급되는 양이 조절되어 상기 전기로(210)와 석영관(220)에 의해서 둘러싸여 있는 부직포 (120) 매트릭스에 대한 가열과 기체 공급과정이 진행될 수 있다. 상기 전기로(210)의 외주면으로는 상기 전기로(210)를 냉각시킬 수 있는 냉각수 통로(290)가 형성된 상태일 수 있다.
이때 상기 챔버(200) 내에서는 하기 화학식 1의 아세틸렌 가스(acetylene gas)의 분해 반응이 흡열반응으로 진행될 수 있다.
[화학식 1]
C2H2 → 2C(S) +H2(g)
아세틸렌은 3중 결합을 포함하고 있어서, 불안정한 상태라고 할 수 있는 데 탄소나노튜브(carbon nanotube)로 변형되는 과정을 통해서 열역학적으로 안정된 상태로 변경될 수 있다(s70).
이와 같이 수소 가스의 공급유량은 제2 유량조절계(232)에 의하여 조절되며, 상기 면격자로 형성된 지점이 상기 탄소나노튜브가 성장할 수 있는 핵생성 사이트로 작용하여 상기 공급되는 수소의 유량에 따라 상기 핵생성 사이트의 개수와 크기가 변화되어 탄소나노튜브가 성장되는 정도에 차이가 발생할 수 있다. 이와 같이 아세틸렌(C2H2)과 아르곤(Ar) 가스 및 수소(H2) 가스를 공급하여 탄소 나노튜브를 합성하는 단계(s70)에서 마이크론 금속 섬유필터인 스테인리스 스틸 섬유를 포함하는 여재에 대한 탄소나노튜브의 분포 상태를 변화시켜서 상기 마이크론 금속 섬유필터의 여과 특성을 변화시킬 수 있는 특성을 갖게 된다.
또한 상술한 방식으로 제조된 탄소나노튜브가 결합된 스테인리스 스틸 섬유 부직포(120)의 여과 특성을 제어하기 위해서는 탄소나노튜브가 성장된 마이크론 금속 섬유필터에 대한 제어가 필요할 수 있다.
먼저 다발 인발법을 통해서 제조된 금속 섬유 필터의 특성을 살펴 보면, 평균기공(average pore)의 크기는 0.5-3.0㎛이고, 여기서 0.5㎛보다 작게 되면 여과 특성에 역영향을 미칠 수 있고, 3.0㎛이상이면 실제적으로 여과 필터로서의 역할을 수행할 수 없는 특성을 갖게 된다.
또한 평균 기공율은 30-80%인 것이 바람직한 데, 메쉬(mesh)형상을 이루는 매체에 대하여 30% 이상의 기공율을 갖게 되면 여과체로서의 특성 및 효율 측면에서 부정적인 영향을 미칠 수 있고, 80%이상의 기공율을 갖게 되면 금속 섬유라고 하는 기계적 특성에도 불구하고, 기계적 강도가 약해져서 장시간의 사용에 따른 찢겨짐이나 파손의 문제가 발생할 수 있다.
이와 같이 제조된 탄소나노튜브를 포함하는 스테인리스 스틸 섬유 소결체 부직포는 역세척 작용에도 파손되거나 기계적 구조가 변경되는 일이 발생하는 일없이 장기간 사용이 가능하면서도 미세 오염 입자라고 할 수 있는 나노 크기의 입자에 대한 탁월한 여과 특성을 보일 수 있고 면격자 지점에는 탄소 쉘(carbon shell)이 형성되고, 탄소나노튜브가 덤불(bush) 모양 또는 거미줄(web like)와 같은 형상의 탄소나노튜브 구조체가 형성되어 오염입자인 먼지에 대한 집진과 가스 흡착이 동시에 가능한 여과 필터를 제공할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해하여야만 한다.
100: 스테인리스 스틸 섬유 110: 외피
120: 부직포(스테인리스 스틸 섬유) 210: 전기로
220: 아르곤가스 공급수단 222: 제1 유량 조절계
230: 수소 가스 공급 수단 232: 제2 유량 조절계
240: 아세틸렌 가스 공급수단 242: 제3 유량 조절계
205: 온도계
200: 챔버
250: 석영관
280: 도어 420: 활성탄 비드층
520: 팬

Claims (3)

  1. 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브를 포함하는 금속 필터의 제조방법에 있어서,
    (a) 다발 인발공정을 거쳐 10㎛ 직경의 스테인레스 스틸 섬유를 뽑아내는 단계(s10);
    (b) 상기 인발된 스테인레스 스틸 섬유의 외피를 제거하는 단계(s20);
    (c) 상기 외피가 제거된 스테인리스 스틸 섬유를 개섬하여 섬유 가닥의 폭을 넓고, 얇게하고, 섬유들 사이의 인력(attractive force) 및 불순물을 제거하는 단계(s30);
    (d) 상기 개섬된 스텐리스 스틸 섬유를 부직포 형상으로 포밍하여 불활성 가스 및 진공 분위기 하에서 소결하는 단계(s40);
    (e) 상기 스테인리스 스틸 섬유를 챔버(Chamber)에 장입하여 500∼700℃로 가열하면서 아르곤 가스(Ar)를 공급하는 단계(s50);
    상기 s50 단계에서의 챔버 온도는 전기로 외주면의 냉각수에 의해 조절되며, 아르곤 가스의 공급 유량은 1,000∼2,000sccm이고,
    (f) 상기 가열된 스테인리스 스틸 섬유 표면에 수소 가스(H2)를 공급하여 상기 스테인리스 스틸 섬유 표면을 환원처리하여 면격자(faceted lattice)를 형성하는 하소(Calcination) 단계(s60);
    (g) 상기 면격자가 형성된 스테인리스 스틸 섬유의 표면에 탄소나노튜브의 원료가 되는 아세틸렌(C2H2)과 아르곤(Ar) 가스 및 수소(H2)가스 공급하고, 그 유량을 조절하여 여과 특성에 따른 탄소나노튜브를 성장시켜 제조하고, 탄소나토튜브의 성장 양상을 주사전자현미경으로 관찰하여 조절하는 단계(s70);
    (h) 상기 탄소나노튜브 합성에서 발생되는 배기 및 유해가스는 배기부의 활성탄 비드층(420)에 의해 정제되는 단계(s80);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브를 포함하는 금속 필터의 제조방법.
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