KR101997595B1 - 탄소나노튜브섬유, 그 제조 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

탄소나노튜브층에 코팅층을 형성시킴으로써 강도가 향상되는 탄소나노튜브섬유, 그 제조 장치 및 방법이 개시된다. 상기 탄소나노튜브섬유 제조 장치는, 상부에는 방사물질 및 운반기체가 공급되는 유입구가 형성되어 있고, 하부에는 제조된 탄소나노튜브섬유가 빠져 나가는 배출구가 형성되어 있으며, 내부에는 탄소나노튜브가 위치하는 반응기; 상기 반응기에 열(heat)을 공급하는 가열기; 상기 반응기의 내부에 구비되어 상기 탄소나노튜브에 코팅시키기 위한 실리콘계 코팅물을 분사하는 것으로서, 외면은 상기 반응기의 내면과 맞닿고, 중심부는 탄소나노튜브를 감싸도록 비어 있는 형태의 코팅물 분사기; 및 상기 코팅물 분사기로 실리콘계 코팅물을 공급하는 코팅물 공급기;를 포함한다.

Description

탄소나노튜브섬유, 그 제조 장치 및 방법{CARBON NANOTUBE FIBER, APPARATUS AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}
본 발명은 탄소나노튜브섬유, 그 제조 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 탄소나노튜브층에 코팅층을 형성시킴으로써 강도가 향상되는 탄소나노튜브섬유, 그 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.
탄소동소체의 한 종류인 탄소나노튜브(Carbon nanotube; CNT)는 직경이 수 내지 수십 ㎚이며, 길이가 수백 ㎛에서 수 ㎜인 물질로 1991년 Iijima 박사에 의해 Nature 저널에 보고된 이후 우수한 열적, 전기적, 물리적 성질과 높은 종횡비 때문에 다양한 분야에서 연구가 진행되어왔다. 이러한 탄소나노튜브의 고유한 특성은 탄소의 sp2 결합에서 기인하며, 철보다 강하고, 알루미늄보다 가벼우며, 금속에 준하는 전기전도성을 나타낸다. 탄소나노튜브의 종류는 크게 나노튜브의 벽수에 따라서 단일벽 탄소나노튜브(Single-Wall Carbon Nanotube, SWNT), 이중벽 탄소나노튜브(Double-Wall Carbon Nanotube, DWNT), 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Wall Carbon Nanotube, MWNT)로 구분할 수 있으며, 비대칭성/말린 각도(chirality)에 따라서 지그재그(zigzag), 암체어(armchair), 키랄(chiral) 구조로 나뉜다.
탄소나노튜브(CNT) 섬유를 제작하는 방법으로는, 포레스트 방사법과 직접 방사법이 있는데, 상기 포레스트 방사법은, 기판에 촉매를 증착한 후 기판에 수직된 방향으로 CNT 포레스트를 합성하고, 기판의 종단에 위치하는 CNT를 핀셋이나 테이프 등으로 잡아 당기면, CNT 사이의 반데르발스 인력에 의해 CNT가 연결된 형태로 딸려나오면서 CNT 섬유를 방사하는 방법이다. 다만, 이와 같은 방법은, 연속 공정이 불가능하여 생산량을 높일 수 없다는 단점이 있다.
한편, 한 가닥의 탄소나노튜브(CNT)의 인장강도는 100 GPa 이상으로 보고되고 있으나, 각각의 CNT가 모여 장섬유를 이루는 CNT 섬유의 강도는 10 GPa 이하인 것으로 보고되고 있다. 이는 CNT 섬유를 이루는 CNT들이 직접적인 결합 없이 뭉쳐져 있기 때문이다. 따라서, CNT 섬유에 인장력이 가해지면 CNT들이 서로 미끄러지며 섬유가 끊어지는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위하여, 지금까지는 대부분 화학적 표면처리 방식인 크로스-링킹(cross-linking)에 의해, CNT 사이에 결합력을 형성시키는 방법이 사용되어 왔다. 하지만, 이와 같은 크로스-링킹 방식에 의하면, CNT 표면의 육각고리 형태인 sp2 결합을 sp3로 바꿔주어야 하기 때문에 CNT 표면에 결함(defect)이 발생하며, 이로 인하여 CNT 자체의 강도가 저하될 뿐만 아니라, 수율이 낮아 실제로 강도 향상을 기대하기 어렵다는 단점이 있다. 따라서, 이와 다른 방식으로 CNT 사이의 결합력을 향상시켜, CNT 섬유의 강도를 증가시킬 수 있는 방안이 모색되어야 한다.
대한민국 등록특허 10-1286751
앞서 언급한 바와 같이, 통상의 탄소나노튜브(Carbon nanotube; CNT) 섬유 제조방법은, 탄소나노튜브섬유를 구성하는 탄소나노튜브들이 화학적 결합 없이 단순히 물리적으로만 뭉쳐져 있기 때문에, 탄소나노튜브섬유에 인장력이 가해지면 끊어지는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 탄소나노튜브섬유를 구성하는 탄소나노튜브층에 규소(Si)를 포함하는 코팅층을 형성시켜, 탄소나노튜브층의 탄소와 코팅층의 규소가 결합됨으로써(CNT-Si-CNT) 강도가 향상되는 탄소나노튜브섬유, 그 제조 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 상부에는 방사물질 및 운반기체가 공급되는 유입구가 형성되어 있고, 하부에는 제조된 탄소나노튜브섬유가 빠져 나가는 배출구가 형성되어 있으며, 내부에는 탄소나노튜브가 위치하는 반응기; 상기 반응기에 열(heat)을 공급하는 가열기; 상기 반응기의 내부에 구비되어 상기 탄소나노튜브에 코팅시키기 위한 실리콘계 코팅물을 분사하는 것으로서, 외면은 상기 반응기의 내면과 맞닿고, 중심부는 탄소나노튜브를 감싸도록 비어 있는 형태의 코팅물 분사기; 및 상기 코팅물 분사기로 실리콘계 코팅물을 공급하는 코팅물 공급기;를 포함하는 탄소나노튜브섬유 제조 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은, (a) 방사물질 및 운반기체를 반응시켜, 탄소나노튜브층을 형성하는 단계; (b) 상기 제조된 탄소나노튜브층에 실리콘계 코팅물을 분사하여 코팅층을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 탄소나노튜브층을 섬유화 하는 단계;를 포함하는 탄소나노튜브섬유 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, 실리콘을 포함하는 코팅층이 형성되어 있는 탄소나노튜브층을 포함하는 탄소나노튜브섬유를 제공한다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브섬유, 그 제조 장치 및 방법에 의하면, 탄소나노튜브섬유를 구성하는 탄소나노튜브층에 규소(Si)를 포함하는 코팅층을 형성시켜, 탄소나노튜브층의 탄소와 코팅층의 규소가 결합됨으로써(CNT-Si-CNT), 탄소나노튜브섬유의 강도가 향상되어, 탄소나노튜브의 강도에 근접하는 초고강도의 탄소나노튜브섬유를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 탄소나노튜브섬유, 그 제조장치 및 방법에 의하면, 탄소나노튜브 표면에 발생할 수 있는 결함(defect)을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브섬유의 제조 장치를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다. 하기의 구체적 설명은 본 발명의 일 실시예에 대한 설명이므로, 비록 한정적 표현이 있더라도 특허청구범위로부터 정해지는 권리범위를 제한하는 것은 아니다.
각 도면에서 유사한 참조부호는 유사한 구성요소에 대하여 사용하였다.
"및/또는" 이라는 용어는 복수의 기재된 항목들 중 어느 하나 또는 이들의 포함하는 조합을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있거나 또는 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다.
단수의 표현은 달리 명시하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
"포함한다" "구비한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 수치, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재함을 지칭하는 것이고, 언급되지 않은 다른 특징, 수치, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재하거나 부가될 수 있는 가능성을 배제하지 않는다.
본 명세서에서 "탄소나노튜브섬유" 라는 용어는 탄소나노튜브가 섬유 형태로 성장되어 형성되거나 복수개의 탄소나노튜브가 섬유 형태로 융합되어 형성된 것을 모두 지칭한다.
탄소나노튜브섬유를 제조하는 기술로는, 용액방사, 어레이방사, 에어로겔방사 및/또는 필름의 꼬기 또는 롤링(rolling)법 등이 있다. 본 발명은 이 가운데 화학증착법(CD, chemical deposition)을 이용하여 반응기 내에서 방사물질의 투입 직후 형성되는 탄소나노튜브 에어로겔로부터 탄소나노튜브섬유 또는 리본을 직접 방사하는 공정을 따른다.
상기 직접 방사법(direct spinning)은 탄소원에 촉매를 첨가하여 운반기체와 함께 수직의 고온 가열로(vertical furnace)에 일정 속도로 주입하여 탄소나노튜브를 가열로 내에서 합성하고, 순수하게 탄소나노튜브만으로 이루어진 탄소나노튜브섬유를 연속적으로 제조하는 공정이다.
본 발명의 촉매 전구체는 촉매반응의 계 내에서, 그 자체는 촉매사이클 속에 포함되지 않지만 활성적인 촉매로 변화하는(혹은 활성적인 촉매를 생성하는) 물질이며, 본 발명에서는 촉매전구체가 촉매를 형성한 후, CNT를 합성한다.
종래기술의 탄소나노튜브(Carbon nanotube; CNT)섬유 제조방법은 CNT 섬유를 구성하는 CNT들이 직접적인 결합 없이 뭉쳐져 있기 때문에(즉, 화학적 결합이 아닌, 물리적 결합에 의하고 있기 때문에), CNT 섬유에 인장력이 가해지면 끊어지는 문제점이 있다.
이에 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여 예의 노력한 바, 탄소나노튜브층에 규소를 포함하는 코팅층을 형성함으로써, 이를 해결할 수 있다는 것을 발견하였다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브섬유의 제조 장치를 나타낸 것으로서, 본 발명에 따른 탄소나노튜브섬유 제조 장치는, 상부에는 방사물질 및 운반기체가 공급되는 유입구(10)가 형성되어 있고, 하부에는 제조된 탄소나노튜브섬유가 빠져 나가는 배출구(14)가 형성되어 있으며, 내부에는 탄소나노튜브가 위치하는 반응기(11), 상기 반응기(11)에 열(heat)을 공급하는 가열기(12), 상기 반응기(11)의 내부에 구비되어 상기 탄소나노튜브에 코팅시키기 위한 실리콘계 코팅물을 분사하는 것으로서, 외면은 상기 반응기(11)의 내면과 맞닿고, 중심부는 탄소나노튜브를 감싸도록 비어 있는 형태의 코팅물 분사기(13) 및 상기 코팅물 분사기(13)로 실리콘계 코팅물을 공급하는 코팅물 공급기(15)를 포함한다.
상기 반응기(11)에 형성되어 있는 유입구(10)에는, 필요에 따라, 방사물질을 주입하기 위한 분사노즐 및 운반기체를 주입하기 위한 분산판이 설치될 수 있으며, 상기 유입구(10)는 분사노즐일 수 있다. 또한, 상기 유입구(10)에는, 필요에 따라, 상기 반응기(11)에 방사물질을 공급하는 방사물질 공급유닛과, 운반기체를 공급하는 운반기체 공급유닛이 더욱 구비될 수 있는 것으로서, 상기 방사물질 공급유닛은 기상 또는 액상의 탄소화합물에 촉매 전구체를 분산시키는 혼합부 및 혼합부에서 형성된 방사물질을 방사물질 분사노즐로 공급하는 운반펌프를 포함하는 것일 수 있다. 그리고 상기 유입구(10)로부터 유입되는 운반기체는, 층류를 형성할 수 있도록, 선속도로 상기 반응기(11)에 공급되는 것이 바람직하며, 이를 위해 분산판을 이용할 수 있다. 상기 운반기체는 가스탱크와 유량조절수단을 구비한 운반기체 공급유닛으로부터 유입구(10)를 통해 반응기(11) 내로 유입될 수 있다.
구체적으로 설명하면, 상기 방사물질 및 운반기체가 상기 유입구(10)를 통해서 반응기(11)로 유입된다. 그리고 방사물질 내에 포함되어 있는 촉매 전구체가 반응기(11)에 공급될 때, 촉매를 형성한다. 형성된 촉매는 반응기(11)의 상단에서 하단으로 유동하면서 탄소나노튜브를 형성하고, 성장 또는 융합하여 탄소나노튜브층이 탄소나노튜브섬유를 형성한다. 그리고 이 때, 상기 코팅물 분사기(13)를 통해서 분사되는 실리콘계 코팅물은, 상기 탄소나노튜브섬유를 구성하는 탄소나노튜브층의 표면 및/또는 내부에 코팅되어 코팅층을 형성시킨다(한편, 상기 탄소나노튜브층은 다수 개의 탄소나노튜브로 이루어진 것이다). 한편, CNT가 성장한 촉매입자는 반응기(11)의 하단으로 이동하며, 형성된 CNT 섬유는 반응기(11)의 배출구(14)를 통해서 권취수단으로 방사된다. 운반기체 및/또는 미반응 방사물질은, 상기 가열기(12)와 배출구(14)의 사이 또는 배출구(14)의 후단에 구비되어 있을 수 있는 배기구(도시되지 않음)를 통해 배출되며, 촉매는 CNT가 성장하기 때문에 CNT와 함께 배출되고, 미반응 촉매도 마찬가지로 CNT에 묻어있는 채로 배출될 수 있다.
상기 가열기(12)는 상기 반응기(11)를 감싸고 있는 가열로의 형태일 수 있으며, 상기 반응기(11)를 1,000 내지 3,000 ℃로 가열할 수 있다. 상기 반응기(11)의 고온영역은 1,000 내지 2,000 ℃, 바람직하게는 1,000 내지 1,500 ℃, 더욱 바람직하게는 1,000 내지 1300 ℃, 가장 바람직하게는 1,100 내지 1,200 ℃의 온도를 유지할 수 있다. 상기 반응기(11)의 고온 영역의 온도는 촉매 내로 탄소가 확산(diffusion)되는 속도에 영향을 주어 탄소나노튜브 성장률(growth rate)을 조절한다. 화학증착법을 이용하여 탄소나노튜브를 합성하는 경우, 일반적으로 합성 온도가 높을수록 탄소나노튜브의 성장속도가 빨라짐에 따라 결정성과 강도가 증가한다.
상기 반응기(11)에 공급되는 운반기체는 0.5 내지 50 cm/min, 바람직하게는 0.5 내지 40 cm/min 또는 0.5 내지 30 cm/min 또는 0.5 내지 20 cm/min 또는 1 내지 10 cm/min의 선속도로 주입될 수 있다. 한편, 상기 운반기체의 주입속도는, 앞서 살펴본 바와 같이 운반기체의 종류, 반응기 사이즈 및/또는 촉매 종류 등에 따라 달라질 수 있다.
상기 운반기체는 탄소나노튜브 합성 시 방사물질을 희석시켜 반응기(11)의 내부로 주입시키는 양을 조절하며, 생성된 비정질 탄소나 잉여 불순물과 반응하여 배기시킴으로써, 생성된 탄소나노튜브섬유의 순도를 향상시킨다. 상기 운반기체는 탄화수소계열 가스, 불활성가스, 환원가스 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 여기서, 상기 불활성가스는 예를 들어, 아르곤(Ar) 가스, 질소(N2) 가스 또는 이들의 혼합물일 수 있고, 환원가스는 예를 들어, 수소(H2)가스, 암모니아(NH3) 가스 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 고온영역으로 방사되는 방사물질은 5 내지 50 ml/hr, 바람직하게는 5 내지 40 ml/hr, 더욱 바람직하게는 5 내지 30 ml/hr, 가장 바람직하게는 5 내지 20 ml/hr의 속도로 주입될 수 있다. 한편, 방사물질의 주입속도는, 앞서 살펴본 바와 같이, 방사물질의 종류, 반응기 사이즈 등에 따라 달라질 수 있다.
상기 실리콘계 코팅물을 분사하는 코팅물 분사기(13)의 형태는, 상기 실리콘계 코팅물을 탄소나노튜브에 분사하여 코팅시킬 수 있는 것이라면 특별한 제한은 없으나, 도 1에 도시된 바와 같은 링(ring)의 형태가 바람직하다. 또한, 상기 반응기(11)의 길이(A)와 상기 반응기(11)의 하단으로부터 상기 코팅물 분사기(13)까지의 거리(B)의 비율(B/A)은 0 ~ 0.5, 바람직하게는 0.2 ~ 0.4일 수 있다. 만약, 상기 비율(B/A)이 0.5를 초과하면, 섬유가 형성되기 전에 코팅물이 분사되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 코팅물 분사기(13)는 실리콘계 코팅물을 분사하는 역할을 하는 것이며, 상기 실리콘계 코팅물은 실리콘 계열의 화합물을 포함하는 것으로서, 예를 들어, 액상의 트리이소프로필실란(triisopropylsilane. TIPS), 테트라에틸오르소실리케이트(tetraethylorthosilicate, TEOS) 및 기체상의 실란(SiH4)일 수 있다. 따라서, 상기 코팅물 분사기(13)를 통해 실리콘계 코팅물이 분사되는 형태는 액체 또는 기체이며, 반응기(11) 내부의 온도에 따라 기화되어 분사될 수도 있다.
이와 같은 실리콘계 코팅물이 탄소나노튜브층에 코팅되어 코팅층이 형성되고, 또한, 하나 이상의 탄소나노튜브층이 응집하여 탄소나노튜브섬유가 제조되는데, 이 때, 상기 탄소나노튜브섬유는 탄소나노튜브층과 코팅층이 교차하여 적층됨으로써, 기존의 탄소나노튜브섬유보다 강한 결합력을 가지게 된다.
한편, 상기 반응기(11)에 형성되어 있는 배출구(14)에는, 탄소나노튜브섬유를 수집하는 권취수단이 구비될 수 있다. 즉, 방사물질이 지속적으로 주입되면, 반응기(11) 내부에서 합성된 탄소나노튜브는 연속되는 집합체를 원통형상으로 형성하면서, 반응기(11) 또는 가열기(12)의 중심 지점 정도에서 상기 집합체를 포집하여 반응기(11)의 고온 영역 밖으로 꺼내어 권취수단으로 감아 섬유화 한다. 상기 권취수단은 스핀들, 릴, 드럼 및 컨베이어일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 배출되는 탄소나노튜브섬유를 안정적으로 권취할 수 있는 그 어떠한 임의의 수단도 제약 없이 사용이 가능하다. 권취(winding) 온도 및 속도는 섬유 내 탄소나노튜브가 섬유축 방향으로 배향되는데 영향을 주게 되어, 탄소나노튜브섬유의 열적, 전기적, 물리적 성질을 결정하는 요소로서, 15 내지 120 ℃의 온도에서 5 내지 100 rpm의 속도로 권취하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 배출구(14)에는, 필요에 따라, 불활성가스 주입구를 형성하여, 탄소나노튜브섬유 연속 집합체의 둘레를 감싸는 불활성가스 커튼이 형성되도록 할 수 있으며, 그밖에, 운반기체를 배출하는 배기라인이 구비될 수도 있다.
한편, 상기 방사물질은 액상 형태뿐 아니라 가스형태의 탄소화합물을 포함할 수 있다. 상기 기상 또는 액상의 탄소화합물은 탄소원으로서 촉매로 확산됨으로써 탄소나노튜브로 합성되며, 분자량 분포도, 농도, 점도, 표면 장력, 유전율 상수 및/또는 사용하는 용매의 성질을 고려하여 이용한다. 상기 기상 또는 액상의 탄소화합물의 예로는, 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, 메틸아세틸렌, 비닐아세틸렌, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 아세톤, 자일렌, 클로로포름, 에틸아세트산, 디에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜, 에틸포르메이트, 메시틸렌, 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), 디클로로메탄, 헥산, 벤젠, 사염화탄소 및 펜탄이 있으며, 하나 이상 사용할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 액상의 탄소화합물의 예를 들면, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 아세톤, 자일렌, 클로로포름, 에틸아세트산, 디에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜, 에틸포르메이트, 메시틸렌, 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), 디클로로메탄, 헥산, 벤젠, 사염화탄소 및 펜탄, 바람직하게는 에탄올(C2H5OH), 자일렌(C8H10), 디에틸에테르[(C2H5)2O], 폴리에틸렌글리콜[ㅡ(CH2-CH2-O)9], 1-프로판올(CH3CH2CH2OH), 아세톤(CH3OCH3), 에틸포르메이트(CH3CH2COOH), 벤젠(C6H6), 헥산(C6H14) 및 메시틸렌[C6H3(CH3)3]이 있으며, 단일 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 또한, 상기 기상의 탄소화합물의 예로는 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, 메틸아세틸렌 및 비닐아세틸렌이 있으며, 단일 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
한편, 상기 방사물질은 기상 또는 액상의 탄소화합물에 촉매 전구체가 분산된 것일 수 있다. 그리고 상기 방사물질은 액상 또는 기상의 탄소화합물에 대하여 촉매 전구체가 0.5 내지 5 중량%, 바람직하게는 1 내지 5 중량%, 더욱 바람직하게는 1.5 내지 4 중량%로 혼합될 수 있다. 상기 방사물질의 액상 또는 기상의 탄소화합물에 비해 과잉의 촉매 전구체를 사용하는 경우, 촉매가 불순물로 작용하여 고순도의 탄소나노튜브섬유를 수득하기 어렵다. 또한, 탄소나노 튜브섬유의 열적, 전기적 및/또는 물리적 특성을 저해하는 요인이 될 수 있다.
상기 촉매 전구체는, 페로센을 포함한 메탈로센, 철, 니켈, 코발트, 백금, 루테늄, 몰리브덴, 바나듐 및 이들의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있는 것으로서, 나노입자의 형태일 수 있고, 철, 니켈, 코발트 등이 함유된 화합물인 페로센(Ferrocene)과 같은 메탈로센 형태, 염화철(FeCl2)등의 철, 코발트 및 니켈 원자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이 포함된 촉매 전구체를 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 방사물질은 촉매 활성제를 더욱 포함할 수 있다. 통상적으로 탄소나노튜브의 합성은 촉매가 용융된 상태에서 탄소가 촉매로 확산된 후 석출되면서 진행되는데, 상기 촉매 활성제는 탄소나노튜브 합성시 프로모터로 사용되어 탄소 확산율(diffusion rate)을 증가시켜 빠른 시간 내에 탄소나노튜브가 합성되도록 한다. 상기 촉매 활성제로 예로는 티오펜(thiophene, C4H4S)을 이용할 수 있다. 티오펜은 촉매의 녹는점을 감소시키고, 비정질 탄소를 제거하여 낮은 온도에서 고순도의 탄소나노튜브를 합성할 수 있도록 해준다. 촉매 활성제의 함량은 탄소나노튜브의 구조에도 영향을 미칠 수 있는데, 예를 들어, 상기 탄소화합물인 에탄올에 대하여 티오펜을 1 내지 5중량%로 혼합하는 경우, 다중벽 탄소나노튜브섬유를 수득할 수 있으며, 에탄올에 대하여 티오펜을 0.5중량% 이하로 혼합하는 경우 단일벽탄소나노튜브 섬유를 수득할 수 있다. 상기 촉매 전구체 및 촉매 활성제는 액상 탄소화합물에서는 액상일 수 있고, 기상 탄소화합물에서는 기상일 수 있다. 따라서, 액상 탄소화합물에는 촉매 전구체나 촉매 활성제를 녹여서 주입하는 것이 가능하며, 기상 탄소화합물에는 기화해서 가스형태로도 주입하는 것이 가능하다.
또한, 상기 코팅물 공급기(15)는, 코팅물 혼합부 및 상기 코팅물 혼합부에서 형성된 코팅물을 상기 코팅물 분사기(13)로 공급하기 위한 운반펌프를 포함하는 것일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 탄소나노튜브섬유 제조 방법은, (a) 방사물질 및 운반기체를 반응시켜, 탄소나노튜브층을 형성하는 단계, (b) 상기 제조된 탄소나노튜브층에 실리콘계 코팅물을 분사하여 코팅층을 형성하는 단계 및 (c) 상기 탄소나노튜브층을 섬유화 하는 단계를 포함하며, 여기서 설명된 각 구성에 대해서는, 상기 탄소나노튜브섬유 제조 장치에서 설명한 바와 동일하다.
또한, 본 발명에 따른 탄소나노튜브섬유는, 실리콘을 포함하는 코팅층이 형성되어 있는 탄소나노튜브층을 포함하며, 상기 탄소나노튜브층은 하나 이상의 탄소나노튜브를 포함한다.
11: 반응기 (10: 유입구, 14: 배출구)
12: 가열기
13: 코팅물 분사기
15: 코팅물 공급기

Claims (18)

  1. 상부에는 방사물질 및 운반기체가 공급되는 유입구가 형성되어 있고, 하부에는 제조된 탄소나노튜브섬유가 빠져 나가는 배출구가 형성되어 있으며, 내부에는 탄소나노튜브가 위치하는 반응기;
    상기 반응기에 열(heat)을 공급하는 가열기;
    상기 반응기의 내부에 구비되어 상기 탄소나노튜브에 코팅시키기 위한 실리콘계 코팅물을 분사하는 것으로서, 외면은 상기 반응기의 내면과 맞닿고, 중심부는 탄소나노튜브를 감싸도록 비어 있는 형태의 코팅물 분사기; 및
    상기 코팅물 분사기로 실리콘계 코팅물을 공급하는 코팅물 공급기;를 포함하는 탄소나노튜브섬유 제조 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 실리콘계 코팅물은 상기 탄소나노튜브섬유를 구성하는 탄소나노튜브층에 코팅되는 것을 특징으로 하는, 탄소나노튜브섬유 제조 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 실리콘계 코팅물을 분사하는 코팅물 분사기는 링 형태인 것을 특징으로 하는, 탄소나노튜브섬유 제조 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 반응기의 길이(A)와 상기 반응기의 하단으로부터 상기 코팅물 분사기까지의 거리(B)의 비율(B/A)은 0 ~ 0.5인 것을 특징으로 하는, 탄소나노튜브섬유 제조 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 실리콘계 코팅물은 액상의 트리이소프로필실란, 테트라에틸오르소실리케이트 및 기체상의 실란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 탄소나노튜브섬유 제조 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 유입구에는 방사물질을 공급하는 방사물질 공급유닛과, 운반기체를 공급하는 운반기체 공급유닛이 더욱 구비되는 것을 특징으로 하는, 탄소나노튜브섬유 제조 장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 배출구에는 탄소나노튜브섬유를 수집하는 권취수단이 더욱 구비되는 것을 특징으로 하는, 탄소나노튜브섬유 제조 장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 권취수단은 스핀들, 릴, 드럼 및 컨베이어로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 탄소나노튜브섬유 제조 장치.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 유입구로부터 유입되는 운반기체는, 층류를 형성할 수 있도록, 선속도로 상기 반응기에 공급되는 것을 특징으로 하는, 탄소나노튜브섬유 제조 장치.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 유입구에는 방사물질을 주입하기 위한 분사노즐 및 운반기체를 주입하기 위한 분산판이 더욱 설치되는 것을 특징으로 하는, 탄소나노튜브섬유 제조 장치.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 가열기는 상기 반응기를 감싸고 있는 가열로의 형태이고, 상기 반응기를 1,000 내지 3,000 ℃로 가열하는 것을 특징으로 하는, 탄소나노튜브섬유 제조 장치.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 방사물질은 기상 또는 액상의 탄소화합물에 촉매 전구체가 분산된 것을 특징으로 하는, 탄소나노튜브섬유 제조 장치.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 방사물질은 촉매 활성제를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄소나노튜브섬유 제조 장치.
  14. 청구항 12에 있어서, 상기 촉매 전구체는 페로센을 포함한 메탈로센, 철, 니켈, 코발트, 백금, 루테늄, 몰리브덴, 바나듐 및 이들의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄소나노튜브섬유 제조 장치.
  15. 청구항 12에 있어서, 상기 기상 또는 액상의 탄소화합물은 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, 메틸아세틸렌, 비닐아세틸렌, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 아세톤, 자일렌, 클로로포름, 에틸아세트산, 디에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜, 에틸포르메이트, 메시틸렌, 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), 디클로로메탄, 헥산, 벤젠, 사염화탄소 및 펜탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄소나노튜브섬유 제조 장치.
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