KR102105591B1

KR102105591B1 - 꼬임 구조 탄소나노튜브 섬유의 제조 장치

Info

Publication number: KR102105591B1
Application number: KR1020180172806A
Authority: KR
Inventors: 강득주; 강요섭
Original assignee: 주식회사 제이오
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2018-12-28
Publication date: 2020-04-28

Abstract

본 발명은 꼬임 구조 탄소나노튜브 섬유의 제조 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따르면 복수의 반응기에서 합성된 탄소나노튜브 섬유를 모아 권취시킬 때, 탄소나노튜브 섬유들이 꼬아지면서 감기게 되어 강성이 강한 꼬임 구조의 탄소나노튜브 섬유를 획득할 수 있다.

Description

꼬임 구조 탄소나노튜브 섬유의 제조 장치{Apparatus for manufacturing twisted carbon nanotube fiber}

본 발명은 탄소나노튜브 섬유의 제조 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 일정 방향의 꼬임 구조를 갖도록 하여 강성이 높은 탄소나노튜브 섬유를 연속적으로 생산할 수 있도록 하는 기술에 대한 것이다.

탄소동소체의 한 종류인 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)는 직경이 수 내지 수십 nm이며, 길이가 수백 um에서 수 mm인 물질로 우수한 열적, 전기적, 물리적 성질과 높은 종횡비 때문에 다양한 분야에서 연구가 진행되고 있다. 탄소나노튜브의 고유한 특성은 탄소의 sp² 결합에 기인하며, 철보다 강하고 알루미늄보다 가벼우며, 금속에 준하는 전기 전도성을 나타낸다.

최근까지는 분말 형태의 탄소나노튜브를 분산시켜 복합재료의 강화제로 사용하거나 분산용액을 이용한 투명전도성 필름을 제조하는 방향으로 많은 연구가 진행되어 왔다. 하지만 복합재료와 투명전도성 필름에 탄소나노튜브를 이용하기 위해서는 탄소나노튜브의 분산이 중요한데 탄소나노튜브의 강한 반데르발스힘(van der Waals force)에 의한 응집력 때문에 이들을 고농도로 분산시키고 분산성을 유지하는 것은 쉽지 않은 일이다. 또한 탄소나노튜브가 강화재로 사용된 복합재료의 경우에는 탄소나노튜브의 우수한 성질을 충분히 발현하기가 힘들다는 단점이 있다.

이에 최근 몇 년 사이 탄소나노튜브의 성질을 충분히 발현하는 탄소나노튜브 구조체 제조를 위한 탄소나노튜브 섬유화 연구들이 진행되고 있다.

탄소나노튜브와 분산제를 함유하는 분산용액을 이용하여 섬유화 하는 방법으로는 대표적으로 응고방사법(coagulation spinning), 액정방사법(liquid-crystalline spinning), 브러시방사법(brush spinning) 및 직접방사법(direct spinning)이 있다.

응고방사법이란, 탄소나노튜브 분산용액을 고분자 용액 내로 주입하여 고분자가 분산 용액을 대체하여 바인더(binder) 역할을 하게 함으로써, 탄소나노튜브 분말이 응집되도록 하여 섬유화 하는 방식이다.

액정방사법이란, 탄소나노튜브 용액이 특정 조건에서 액정(liquid crystal)을 형성하는 성질을 이용하여 섬유화 하는 방법이다. 이 방법은 배향성이 좋은 탄소나노튜브섬유를 만들 수 있다는 장점이 있지만 방사속도가 매우 느리고 탄소나노튜브의 액정형성 조건이 까다롭다는 단점이 있다.

브러시방사법이란, 실리콘 웨이퍼 위에 촉매를 코팅한 후 이를 고온의 전기로 내부에 투입하여, 탄소나노튜브가 수직으로 성장하면 꼬임을 주면서 풀어내는 방식이다.

직접방사법이란, 수직으로 세워진 고온의 반응기에 액상의 탄소 공급원과 촉매를 이송 가스(carrier gas)와 함께 주입하여 반응기 내부에서 탄소나노튜브를 합성하고, 이송 가스와 함께 반응기의 하단으로 내려온 탄소나노튜브 집합체를 권취(wind-up)하여 섬유를 얻는 방법이다.

하지만 종래의 직접방사법을 통해 생산한 탄소나노튜브 섬유는 단사 형태의 섬유를 단순히 권취한 것에 불과하다. 따라서 CNT 섬유의 강성이 낮다는 문제가 있다.

한편 직접방사법을 이용한 탄소나노튜브 섬유 제조 장치와 관련된 종래기술로는 대한민국 공개특허 제10-2017-0011835호(2017.02.02. '탄소나노튜브섬유 제조장치') 등이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 직접방사법을 이용하여 탄소나노튜브 섬유를 제조하되, 복수의 반응기에서 합성된 탄소나노튜브 섬유를 모아 권취할 시 꼬아질 수 있도록 함으로써, 꼬임 구조에 의해 강성이 높은 탄소나노튜브 섬유를 연속적으로 생산할 수 있도록 하는 기술을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 꼬임 구조 탄소나노튜브 섬유의 제조 장치는, 탄소나노튜브 섬유가 합성되는 복수의 반응기; 및 상기 복수의 반응기에서 각각 합성된 복수 가닥의 탄소나노튜브 섬유를 권취하되, 상기 복수 가닥의 탄소나노튜브 섬유를 꼬아주면서 권취하는 권취수단;을 포함한다.

여기서, 상기 권취수단은, 상기 탄소나노튜브 섬유가 권취되는 권취롤러; 상기 권취롤러를 회전시키는 제1구동부; 상기 권취롤러가 지지되는 거치부; 및 상기 권취롤러의 길이 방향과 수직한 방향을 회전 중심으로 하여 상기 권취롤러가 회전할 수 있도록 상기 거치부를 회전시키는 제2구동부;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 권취수단은, 상기 거치부에 설치되어 상기 권취롤러를 길이 방향으로 수평 이동시키는 제3구동부;를 더 포함할 수 있다.

또, 상기 반응기와 상기 권취수단 사이에 설치되어 상기 반응기에서 합성된 후 상기 권취수단으로 진입하게 되는 탄소나노튜브 섬유에 고온의 열을 가하는 가열부;를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 꼬임 구조 탄소나노튜브 섬유 제조 장치를 통해 제조된 탄소나노튜브 섬유는 꼬임 구조를 가지기 때문에, 전체 섬유의 직경이 굵어질 뿐만 아니라, 꼬임 구조에 의해 강성도 높아지게 된다.

물론 기존의 직접방사법을 이용하여 탄소나노튜브 섬유를 제조한 이후, 권취 된 섬유를 모아 따로 꼬아주는 작업을 함으로써 꼬임 구조의 탄소나노튜브를 제작하는 것도 가능하지만, 이 경우에는 탄소나노튜브 섬유의 합성 및 권취 작업과는 별개로 꼬임 작업을 추가로 진행해야 하는 것이어서 공정이 매우 복잡하다는 문제가 있을 것이다. 하지만, 본 발명에서는 반응기에서 합성된 탄소나노튜브 섬유를 권취롤러에 권취할 시 꼬아주는 작업이 함께 이루어지도록 함으로써, 전체 공정을 단순화 시키고 꼬임 구조의 탄소나노튜브 섬유를 연속적으로 생산할 수가 있다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 섬유 제조 장치를 설명하기 위한 도면.
도2는 도1에 도시된 장치에서 권취수단의 작동을 설명하기 위한 도면.
도3은 복수의 반응기를 통해 탄소나노튜브 섬유를 합성하고 모아주는 과정을 설명하기 위한 도면.
도4는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 섬유 제조 장치를 통해 생산된 탄소나노튜브 섬유의 현미경 사진.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하되, 발명의 요지와 무관한 일부 구성은 생략 또는 압축할 것이나, 생략된 구성이라고 하여 반드시 본 발명에서 필요가 없는 구성은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 결합되어 사용될 수 있다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 섬유 제조 장치를 설명하기 위한 도면이고, 도2는 도1에 도시된 장치에서 권취수단의 작동을 설명하기 위한 도면이다. 도1 및 도2에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 섬유 제조 장치는 반응기(10,10'), 히팅수단(20), 분사노즐(30), 수조(50), 롤러부(60), 가열부(70) 및 권취수단(100)을 포함한다. 실시하기에 따라 탄소나노튜브 섬유 제조 장치는 분사노즐(30) 측으로 합성을 위한 원료물질, 촉매물질 및 가스를 공급하는 원료물질공급부(미도시)나, 반응기 아래쪽으로 질소커튼(40)을 형성시키기 위한 분사수단(미도시)을 더 포함할 수도 있다.

대략 원통형의 수직형 반응기(10,10')는 내부에 반응공간(11)이 마련되어 있고, 반응기(10,10')의 상부에는 분사노즐(30)이 설치되어 있으며, 하부는 개방된 상태이다. 이러한 반응기(10,10')는 최소 2개 이상의 복수개가 인접한 위치에 설치된다. 도1에서는 2개의 반응기(10,10')가 설치된 예시를 도시하였고, 도3의 (a)에서는 3개의 반응기(10,10',10'')가, 그리고 도3의 (b)에서는 4개의 반응기(10,10',10'',10''')가 각각 설치된 예시를 도시하였다.

히팅수단(20)은 반응기(10,10') 내의 반응공간(11)을 고온 분위기로 유지시키기 위한 것으로, 반응기(10,10')를 감싸는 형태로 설치될 수 있다.

분사노즐(30)은 원료물질공급부(미도시)에서 공급되는 원료물질, 촉매 및 가스를 반응공간(11)에 공급해 주기 위한 것으로, 반응기(10,10') 상단에 복수개 설치될 수 있다.

한편 반응기(10,10')의 아래쪽에는 수조(50)가 마련되어 있다. 수조(50)는 물을 보관하는 냉각수조, 또는 합성된 탄소나노튜브 섬유(1,2)를 후처리 하기 위한 방사유제 등을 보관하는 수조를 포함할 수 있다. 또한 서로 다른 후처리 물질(물 또는 방사유제 등)을 보관하는 하나 이상의 수조(50)가 연속적으로 설치되어 있고, 반응기(10,10')에서 합성된 탄소나노튜브 섬유(1,2)가 각각의 수조(50)를 순차적 통과할 수도 있다.

롤러부(60)는 반응기(10,10')에서 합성된 탄소나노튜브를 한데 모으고 권취수단(100)까지 운반되도록 이동 경로를 제공하기 위해 마련된다. 도1의 예시를 참조하면 두개의 반응기(10,10') 하단에 각각 롤러부(60)가 설치되어 있고, 수조(50) 내부에도 롤러부(60)가 설치되어 있다. 또한 수조(50)와 가열부(70) 사이에도 롤러부(60)가 설치되어 있다. 이렇게 롤러부(60)는 탄소나노튜브 섬유(1,2)의 이동 경로 상에서 탄소나노튜브 섬유(1,2)의 이동 방향을 바꾸어주거나, 여러 가닥의 탄소나노튜브 섬유(1,2)가 모아지도록 하기 위해 필요한 지점에 적절하게 배치될 수 있다.

가열부(70)는 수조(50)를 통과한 탄소나노튜브 섬유(2)가 권취수단(100)에 권취 되기 전, 탄소나노튜브 섬유(2)에 고온의 열을 가해주어 건조시키기 위해 마련된다. 즉, 수조(50)를 통과한 탄소나노튜브 섬유(2)가 그대로 권취수단(100)에 권취된다면, 탄소나노튜브 섬유(2)가 서로 들러붙어 잘 풀어지지 않기 때문에 가열부(70)를 통해 건조시킨 후 권취 되도록 하는 것이다.

권취수단(100)은 복수의 반응기(10,10')에서 합성된 후 모아진 탄소나노튜브 섬유(2)를 권취하여 회수하되, 여러 가닥의 탄소나노튜브 섬유(2)를 꼬아서 감아주기 위해 마련된다. 이러한 권취수단(100)은 거치부(160), 권취롤러(110), 롤러축(150), 제1구동부(120), 제2구동부(130) 및 제3구동부(140)를 포함한다.

거치부(160)는 권취롤러(110), 제1구동부(120) 및 제3구동부(140)를 지지하며 제2구동부(130)에 의해 회전함으로써 탄소나노튜브 섬유(2)가 꼬아지도록 하는 구성이다. 이러한 거치부(160)는 탄소나노튜브 섬유(2)가 진입될 수 있도록 일측이 개방된 형태의 프레임 구조로 제작될 수 있다.

본 실시예에서는 ㄷ 형태의 거치부(160)를 사용하였다. 즉 도1 및 도2를 참조하면 ㄷ형태의 거치부(160)에서 배면의 중심부가 제2구동부(130)에 연결되어 있고, 개방된 전면에서 도면상 상하측을 연결하도록 롤러축(150)이 연장되어 설치되어 있으며, 롤러축(150)의 대략 중심에 권취롤러(110)가 장착되어 있다. 권취롤러(110)는 롤러축(150)에 의해 거치부(160)에 지지된 상태에서 롤러축(150)과 함께 회전 가능하게 설치된다.

한편 도면상 거치부(160)의 하측에는 제1구동부(120)가 설치되어 있고, 거치부(160)의 상측에는 제3구동부(140)가 설치되어 있다. 제1구동부(120)는 롤러축(150)과 연동되어 롤러축(150) 및 권취롤러(110)를 회전시키기 위한 동력을 발생시키며, 제3구동부(140)는 롤러축(150)과 권취롤러(110)를 그 길이 방향을 따라 이동시키기 위해 마련된다.

보다 구체적으로 도면상 롤러축(150)의 하측에는 축기어(151)가 형성되어 있고, 제1구동부(120)에는 권취기어(121)가 장착되어 있다. 권취기어(121)는 롤러축(150)의 축기어(151)와 맞물려 있기 때문에 제1구동부(120)가 동력을 발생시켜 권취기어(121)가 회전하면, 이에 맞물려 있는 축기어(151)가 회전함으로써 롤러축(150)과 권취롤러(110)가 함께 회전하게 된다.

또한 도면상 롤러축(150)의 상측에는 롤러축(150)의 길이 방향과 평행하도록 랙기어(142)가 설치되어 있고, 제3구동부(140)에는 피니언기어(141)가 장착되어 있다. 피니언기어(141)는 랙기어(142)와 맞물려 있기 때문에 제3구동부(140)가 동력을 발생시켜 피니언기어(141)가 회전하면, 이에 맞물려 있는 랙기어(142)가 상하 방향으로 이동함으로써 롤러축(150)과 권취롤러(110)가 축방향을 따라 이동 가능하다.

여기서 권취롤러(110) 및 롤러축(150)은 거치부(160)에 거치된 상태에서 제1구동부(120)의 작동으로 회전이 가능해야 하고, 또한 제3구동부(140)의 작동으로 수평이동도 가능해야 하기 때문에, 롤러축(150)은 거치부(160)의 상하측 프레임을 관통하는 형태로 설치되어야 한다. 이 경우 거치부(160)가 도2와 같은 상태에 놓일 경우 권치롤러의 무게 때문에 롤러축(150)이 의도치 않게 하강할 수도 있지만, 롤러축(150)의 상측에 연결된 랙기어(142)가 피니언기어(141)에 물려 있기 때문에, 롤러축(150)이 자유롭게 하강하지는 못한다.

또한 롤러축(150)은 랙기어(142)에 지지되면서도, 롤러축(150) 자체는 자유롭게 회전 가능해야 하기 때문에, 롤러축(150)은 베어링(미도시)을 통해 랙기어(142)에 설치될 수 있다.

한편 제3구동부(140)의 작동으로 권취롤러(110)와 롤러축(150)이 수평이동 할 경우 롤러축(150) 하측의 축기어(151)와 권취기어(121)가 맞물리는 위치가 달라질 수 있다. 이를 위해 축기어(151)와 권취기어(121) 중 어느 하나의 기어는 그 길이를 길게 형성시켜서 롤러축(150)이 수평이동 하더라도 축기어(151)와 권취기어(121)의 기어 맞물림은 여전히 유지되도록 할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 섬유 제조 장치를 이용하여 탄소나노튜브 섬유를 제조하는 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저 히팅수단(20)을 작동시켜 반응기(10,10') 내부의 반응공간(11)을 탄소나노튜브 합성에 적합한 온도로 유지시킨다. 반응공간(11)의 온도는 예컨대 1000~1500℃를 유지하는 것이 바람직하다.

또한 안정적인 탄소나노튜브 합성을 위해 반응공간(11)에는 아르곤(Ar), 질소(N₂) 등의 불활성 가스가 채워져 있는 것이 바람직하다. 이를 위해 반응기(10,10')에는 별도의 가스 공급구(미도시)와 잔여 가스를 배출시키기 위한 가스 배출구(미도시)가 추가로 구비될 수 있다.

이후 반응기(10,10') 상단에 설치된 분사노즐(30)을 통해 탄소나노튜브 합성을 위한 원료물질과 촉매가 이송 가스와 혼합된 상태로 분사된다.

원료물질은 액상 또는 기상 형태의 탄소화합물을 포함한다. 예컨대 원료물질은 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, 메틸아세틸렌, 비닐아세틸렌, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 아세톤, 벤젠, 헥산 등 기존에 알려진 탄소화합물 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

촉매는 탄소나노튜브 성장을 위한 것으로 Fe, Co, Al, Mg, Ni 등이 될 수 있다. 더불어 촉매는 담지법, 탐침법, 졸겔법, 연소법 등으로 제조된 담지체가 있는 금속 촉매일 수도 있고, Fe, Co, Ni 등의 일정 조성으로 있는 담지체가 없는 촉매일 수도 있다. 또한 촉매는 페로센(Ferrocene), 코발토센(Cobaltocene) 등 과 같은 메탈로센 촉매가 사용될 수 있다.

또한 원료물질과 촉매는 미리 혼합된 상태로 준비될 수 있으며, 원료물질과 촉매를 공급하기 위한 장치(미도시) 및 원료물질과 촉매를 혼합하기 위한 장치(미도시)가 별도로 구비될 수 있다.

원료물질과 촉매를 이송시키기 위한 이송 가스는 탄화수소(Hydrocarbon gas), 수소(Hydrogen gas), 질소(Nitrogen gas) 또는 아르곤(Argon gas) 등일 수 있다. 이러한 가스는 별도의 가스공급수단(미도시)을 통해 공급될 수 있다.

원료물질과 촉매가 이송 가스와 혼합되어 반응기(10,10') 상단에 설치된 분사노즐(30)을 통해 분사되면, 반응공간(11)에서 탄소나노튜브의 합성이 이루어진다. 즉 반응기(10,10')의 상단에서 하단 방향으로 유동하면서 탄소나노튜브가 성장하면서 탄소나노튜브 섬유가 형성된다. 이때 합성된 탄소나노튜브 섬유는 내부가 빈 원형의 망구조, 즉 sock 형태로 형성된다.

이렇게 합성된 탄소나노튜브 섬유는 반응기(10,10') 하단의 개방부를 통해 빠져나와 수조(50)를 통과하게 된다. 이때 반응기(10,10') 하단으로 빠져 나온 sock 형태의 탄소나노튜브는 롤러부(60)를 통해 이동 경로가 제공되어 수조(50)로 진입하게 된다.

여기서 탄소나노튜브 섬유(1,2)가 스스로 이동하는 것처럼 표현을 했지만, 실질적으로는 이후 설명하게 되는 권취수단(100)의 권취롤러(110)가 회전하면서 탄소나노튜브 섬유(1,2)를 지속적으로 잡아 당기는 것이다.

두 개의 반응기(10,10')에서 각각 빠져나온 한가닥의 탄소나노튜브 섬유(1)들은 수조(50)에 위치한 롤러부(60)를 함께 통과하면서 모이게 된다. 즉 수조(50)에 위치한 롤러부(60)를 통과한 탄소나노튜브 섬유는 두가닥의 섬유 형태(2)가 되는 것이다.

또한 물 또는 방사유제가 포함된 수조(50)를 통과하면서 탄소나노튜브 섬유(1,2)는 수축하면서 부피가 감소하게 되고, 방사유제가 포함된 수조(50)를 통과하면서 기능화(표면 처리)가 이루어지게 된다.

한편, 각 반응기(10,10')의 하단에는 별도의 분사수단(미도시)이 마련되어 있어서 질소커튼(40)이 형성된다. 따라서 질소커튼(40)에 의해 반응기(10,10')의 개방된 하부를 통과하는 탄소나노튜브 섬유(1)가 외부 대기에 노출되지 않게 된다. 동시에 질소커튼(40)은 반응기(10,10') 내의 반응공간(11)을 외부 대기와 차단시켜 폭발 가능성을 낮추어 주는 작용도 하게 된다.

수조(50)를 통과하면서 수축되고 서로 모아진 두가닥의 탄소나노튜브 섬유(2)는 가열부(70)를 통과하면서 열이 가해져 건조 되고 이후 권취수단(100)으로 진입하게 된다. 탄소나노튜브 섬유(2)가 수조(50)의 물이나 방사유제를 통과하면서 섬유 형태로 수축되고, 서로 들러붙지 않도록 표면 처리가 된다 하더라도, 탄소나노튜브 섬유(2)가 그대로 권취롤러(110)에 권취될 경우 젖어 있는 상태의 탄소나노튜브 섬유(2)가 서로 뭉쳐질 가능성이 있다. 따라서 가열부(70)를 통과하면서 건조가 이루어지면 이후 권취롤러(110)에 권취되더라도 탄소나노튜브 섬유(2)들이 서로 뭉쳐지지 않게 되어 쉽게 풀어낼 수가 있는 것이다.

권취수단(100)에서는 제1구동부(120)가 작동하면서 권취기어(121)가 회전하면서 롤러축(150)이 회전하게 되고, 롤러축(150) 중심에 장착된 권취롤러(110)가 회전함으로써, 권취롤러(110)에 탄소나노튜브 섬유(2)가 감기게 된다.

이때 단순히 권취롤러(110)만 회전시킨다면 탄소나노튜브 섬유(2) 역시 일반적인 실타래처럼 권취롤러(110)에 감기게 될 것이다. 하지만 본 발명에서는 제2구동부(130)의 작동에 의해 권취롤러(110)를 지지하고 있는 거치부(160)가 함께 회전 작동하게 된다.

즉 거치부(160)는 롤러축(150)을 통해 권취롤러(110)의 양단을 파지하고 있는 형태이고, 제2구동부(130)가 작동하면 거치부(160)와 권취롤러(110)는 탄소나노튜브 섬유(2)가 권취롤러(110)로 진입하고 있는 방향을 회전축으로 하여 회전하게 된다. 이렇게 거치부(160)와 권취롤러(110)가 회전하게 되면 권취롤러(110)에 매달린 형태의 탄소나노튜브 섬유(2)에도 회전력이 가해지게 되며, 이에 따라 두가닥의 탄소나노튜브 섬유(2)는 일방향으로 지속적으로 꼬아지게 된다. 도2의 (a)에서 확인되는 바와 같이 거치부(160)가 회전할 시 권취롤러(110)도 지속적으로 회전하고 있으므로, 두가닥의 탄소나노튜브 섬유(2)는 꼬임 구조(5)를 가지면서 권취롤러(110)에 감기게 된다.

한편, 제3구동부(140)는 권취롤러(110)를 수평 이동 시킴으로써, 권취롤러(110)의 전체 영역에 탄소나노튜브 섬유(2,5)가 골고루 감기도록 한다. 즉 제3구동부(140)의 작동이 없다면 탄소나노튜브 섬유(2,5)는 권취롤러(110)의 표면 중 일정 영역에서만 감기게 된다. 하지만 도2의 (b)와 같이 제3구동부(140)의 작동으로 피니언기어(141)가 회전하면서 랙기어(142)를 이동시키면, 랙기어(142)와 연동된 롤러축(150)이 수평이동하면서 권취롤러(110)의 위치도 거치부(160) 내에서 이동하게 된다. 따라서 제3구동부(140)가 권취 과정 중에서 적절하게 작동하여 권취롤러(110)를 수평이동(왕복 이동임) 시키면 권취롤러(110) 표면의 전체 영역에 골고루 탄소나노튜브 섬유(2,5)가 권취될 수 있다.

여기서 제1구동부(120), 제2구동부(130), 제3구동부(140)의 작동은 별도의 제어수단(미도시)에 의해 정밀하게 제어될 수 있다.

또한 거치부(160)는 지속적으로 회전하는 구조이기 때문에, 거치부(160)에 설치되어 있는 제1구동부(120)와 제3구동부(140)에 전원을 공급하기 위한 방법으로는 브러쉬(미도시)와 슬립링(미도시) 구조를 적용하는 등 기 공지된 회전체의 전원 공급 방식이 적용될 수 있다.

한편 도1에서는 2개의 반응기(10,10')를 통해 탄소나노튜브 섬유(1,2)를 합성하고 꼬임 구조를 주면서 권취하는 예시를 설명한 것인데, 실시하기에 따라 도3의 (a) 및 (b)와 같이 3개(10,10',10'')나 4개(10,10',10'',10''')의 반응기를 이용할 경우 3가닥의 탄소나노튜브 섬유(3) 또는 4가닥의 탄소나노튜브 섬유(4)를 꼬아주면서 권취할 수가 있다.

도4는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 섬유 제조 장치를 이용하여 제조된 꼬임 구조의 탄소나노튜브 섬유를 현미경으로 촬영한 사진이다.

본 발명에 따른 탄소나노튜브 섬유 제조 장치를 통해 제조된 탄소나노튜브 섬유는 꼬임 구조를 가지기 때문에, 전체 섬유의 직경이 굵어질 뿐만 아니라, 꼬임 구조에 의해 강성도 높아지게 된다.

물론 기존의 직접방사법을 이용하여 탄소나노튜브 섬유를 제조한 이후, 권취 된 섬유를 모아 따로 꼬아주는 작업을 함으로써 꼬임 구조의 탄소나노튜브를 제작하는 것도 가능하지만, 이 경우에는 탄소나노튜브 섬유의 합성 및 권취 작업과는 별개로 꼬임 작업을 추가로 진행해야 하는 것이어서 공정이 매우 복잡하다는 문제가 있을 것이다. 하지만, 본 발명에서는 반응기(10,10',10'',10''')에서 합성된 탄소나노튜브 섬유를 권취롤러(110)에 권취할 시 꼬아주는 작업이 함께 이루어지도록 함으로써, 전체 공정을 단순화 시키고 꼬임 구조의 탄소나노튜브 섬유를 연속적으로 생산할 수가 있다.

상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면, 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 본 발명의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

1,2,3,4,5 : 탄소나노튜브 섬유
10, 10', 10'', 10''' : 반응기
11 : 반응공간
20 : 히팅수단
30 : 분사노즐
40 : 질소커튼
50 : 수조
60 : 롤러부
70 : 가열부
100 : 권취수단
110 : 권취롤러
120 : 제1구동부
121 : 권취기어
130 : 제2구동부
140 : 제3구동부
141 : 피니언기어
142 : 랙기어
150 : 롤러축
151 : 축기어
160 : 거치부

Claims

탄소나노튜브 섬유가 합성되는 복수의 반응기; 및
상기 복수의 반응기에서 각각 합성된 복수 가닥의 탄소나노튜브 섬유를 권취하되, 상기 복수 가닥의 탄소나노튜브 섬유를 꼬아주면서 권취하는 권취수단을 포함하고,
상기 권취수단은,
상기 탄소나노튜브 섬유가 권취되는 권취롤러;
상기 권취롤러를 회전시키는 제1구동부;
상기 권취롤러가 지지되는 거치부; 및
상기 권취롤러의 길이 방향과 수직한 방향을 회전 중심으로 하여 상기 권취롤러가 회전할 수 있도록 상기 거치부를 회전시키는 제2구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 꼬임 구조 탄소나노튜브 섬유의 제조 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 권취수단은,
상기 거치부에 설치되어 상기 권취롤러를 길이 방향으로 수평 이동시키는 제3구동부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 꼬임 구조 탄소나노튜브 섬유의 제조 장치.
제1항에 있어서,
상기 반응기와 상기 권취수단 사이에 설치되어 상기 반응기에서 합성된 후 상기 권취수단으로 진입하게 되는 탄소나노튜브 섬유에 고온의 열을 가하는 가열부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 꼬임 구조 탄소나노튜브 섬유의 제조 장치.