KR102143989B1 - Producing device of boron nitride nano tube - Google Patents

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손병구
이규항
최수석
김민석
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재단법인 철원플라즈마 산업기술연구원
제주대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a device for producing boron nitride nanotubes. The device for producing boron nitride nanotubes of the present invention comprises: a reaction body providing a space in which thermal plasma jets and boron nitride nanotubes are formed; at least one plasma unit disposed at one end of the reaction body and generating thermal plasma; a precursor supply unit for supplying a precursor to a space in which the thermal plasma is formed; and a reaction gas supply unit for supplying a reaction gas to the space in which the thermal plasma is formed. The present invention has an effect of inducing a fast reaction rate by intensively applying plasma thermal energy.

Description

질화붕소 나노튜브 제조 장치 {PRODUCING DEVICE OF BORON NITRIDE NANO TUBE}Boron nitride nanotube manufacturing apparatus {PRODUCING DEVICE OF BORON NITRIDE NANO TUBE}

본 발명은 질화붕소 나노튜브 제조 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 플라즈마 제어가 용이하고 연속공정이 가능하며, 질화붕소 나노튜브의 대량 합성이 가능한 질화붕소 나노튜브 제조 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for producing boron nitride nanotubes. More specifically, the present invention relates to an apparatus for manufacturing a boron nitride nanotube capable of easy plasma control, a continuous process, and capable of mass synthesis of boron nitride nanotubes.

질화붕소 나노튜브(boron nitride nano tube; BNNT)는 붕소원자 3개와 질소원자 3개가 하나의 육각형으로 연결되면서 원통 모양의 튜브를 이루는 소재로 탄소나노튜브 (CNT)의 구조적 유사체이다.Boron nitride nanotube (BNNT) is a material that forms a cylindrical tube by connecting three boron atoms and three nitrogen atoms in a single hexagon, and is a structural analogue of carbon nanotubes (CNTs).

BNNT와 CNT는 기본적인 물성은 유사하나 열적 안정성(내산화성)은 800℃로 CNT(400℃)에 비해 2배 이상 높고 뛰어난 열전도성(3,000W/mk)을 갖고 있으며, 5.5eV의 넓은 밴드갭을 갖고 있기 때문에 전기적 절연성을 갖고 있다. 기계적인 특성 또한 CNT(~1.33TPa)와 유사한 1.18TPa 수준의 매우 높은 특성을 갖고 있어 기계적 물성 강화제로도 응용성이 뛰어난 특징을 갖고 있다. 또한, BNNT는 절연체임에도 불구하고 극성이 존재하기 때문에 복합소재 내에서 충진제 상호간의 극성 변화에 따른 전위차로 인해 압전성을 갖고 있어 압전 소재로의 응용이 가능하며, 특히 BNNT의 중성자 흡수 성능은 CNT(0.0035 barn)에 비해 약 20만배 높은 수준인 767 barns을 갖고 있어 항공우주, 방어시설, 우주복, 의학 및 발전소를 포함한 다양한 분야에서 효과적인 방사선 차폐제로 사용이 가능하다.BNNT and CNT have similar basic physical properties, but their thermal stability (oxidation resistance) is 800℃, which is more than twice as high as CNT (400℃), and has excellent thermal conductivity (3,000W/mk), and has a wide band gap of 5.5eV. Because it has, it has electrical insulation. Mechanical properties also have a very high level of 1.18TPa similar to CNT (~1.33TPa), so it has excellent applicability as a mechanical property enhancer. In addition, although BNNT is an insulator, since polarity exists, it has piezoelectricity due to the potential difference due to polarity change between the fillers in the composite material, so it can be applied as a piezoelectric material. In particular, the neutron absorption performance of BNNT is CNT (0.0035 Barn), which is about 200,000 times higher than 767 barns, it can be used as an effective radiation shielding agent in various fields including aerospace, defense facilities, space suits, medicine and power plants.

BNNT의 이러한 우수한 특성은 전자소자, 광전자소자, 에너지 저장소자, 나노전자기계 시스템 및 생체 재료 등 산업 전반에 걸쳐 다양한 분야에 응용이 가능한 유망 소재로 평가받고 있으며, IoT, 웨어러블 센서, 로봇, 바이오 등에도 산업적 활용이 가능하여 4차 산업혁명을 이끌어갈 핵심소재로 중요도가 매우 높이 평가되고 있다.These excellent properties of BNNT are evaluated as a promising material that can be applied to various fields throughout the industry, such as electronic devices, optoelectronic devices, energy storage devices, nanoelectromechanical systems, and biomaterials, and IoT, wearable sensors, robots, and biomaterials. As it can be used industrially, its importance is highly evaluated as a core material that will lead the 4th industrial revolution.

BNNT의 우수한 특성과 산업적 활용 가능성에도 불구하고 현재까지의 BNNT의 합성 기술 수준은 거의 전무한 수준의 취약한 상태로, 최근 다양한 합성법을 이용하여 BNNT 합성에 성공한 사례가 보고되고 있으나 합성되는 양의 수준은 매우 극소량으로 대량 합성에 대한 기술 확보가 절실히 필요한 상황이다.Despite the excellent properties and industrial applicability of BNNT, the level of synthesis technology of BNNT up to now is in a state of fragility at almost no level. Recently, cases of successful BNNT synthesis using various synthesis methods have been reported, but the level of the amount synthesized is very low. There is an urgent need to secure technology for mass synthesis in a very small amount.

종래의 BNNT의 합성방법으로는 기상반응법, 화학적 침출방법 등이 알려져 있으나, 기상반응법은 기상반응에 사용하는 반응가스의 취급이 곤란하고 생성속도가 느린 단점이 있으며, 화학적 침출방법 또한 암모니아가 사용되는 경우 400~500K의 고온에서 침출과정을 거쳐야 하며, CO(NH2)2가 사용되는 경우 탄소의 환원에 의해 반응을 진행해야 하므로 정밀한 제어가 어려워 분말의 순도가 저하되는 문제점이 있었다.Conventional methods for synthesizing BNNT include gaseous reaction methods and chemical leaching methods, but the gaseous reaction method has disadvantages that it is difficult to handle the reaction gas used for gaseous reaction and the production rate is slow. When used, it must undergo a leaching process at a high temperature of 400 to 500K, and when CO(NH 2 ) 2 is used, the reaction must be proceeded by reduction of carbon, so it is difficult to precisely control the purity of the powder.

현재 BNNT는 전량 해외수입에 의존하는 상황으로 가격은 1g에 700$ 이상의 고가에 판매되고 있다. 이는 국내의 BNNT 응용기술 연구에 많은 부담을 되고 있으며 BNNT의 산업적 활용을 제한하는 중요한 요소로 작용하고 있어 저렴한 가격으로 BNNT를 공급할 수 있는 생산기술 개발이 필요한 실정이다.Currently, BNNT is entirely dependent on foreign imports, and the price is sold at a high price of over 700$ per gram. This puts a lot of burden on domestic BNNT application technology research and acts as an important factor limiting the industrial use of BNNT, so it is necessary to develop a production technology that can supply BNNT at a low price.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고순도 고품질의 BNNT의 합성을 위해 플라즈마 열 에너지를 집중적으로 부여하여 빠른 반응 속도를 유도할 수 있는 질화붕소 나노튜브 제조 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been devised to solve the problems of the prior art as described above, and provides an apparatus for producing boron nitride nanotubes capable of inducing a fast reaction rate by intensively applying plasma thermal energy for the synthesis of high-purity and high-quality BNNTs. It aims to provide.

또한, 본 발명은 플라즈마 제어가 용이하고 연속공정이 가능하며, 질화붕소 나노튜브의 대량 합성이 가능한 질화붕소 나노튜브 제조 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, it is an object of the present invention to provide an apparatus for manufacturing boron nitride nanotubes that can easily control plasma, enable a continuous process, and enable mass synthesis of boron nitride nanotubes.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.However, these problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereby.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면,, 질화붕소 나노튜브(boron nitride nano tube)의 제조 장치로서, 열 플라즈마 제트 및 질화붕소 나노튜브가 형성되는 공간을 제공하는 반응 본체; 반응 본체의 일단에 배치되고, 열 플라즈마를 생성하는 적어도 하나의 플라즈마부; 열 플라즈마가 형성되는 공간에 전구체를 공급하는 전구체 공급부; 및 열 플라즈마가 형성되는 공간에 반응 가스를 공급하는 반응가스 공급부를 포함하는, 질화붕소 나노튜브 제조 장치가 제공된다.According to an aspect of the present invention for solving the above problem, there is provided an apparatus for manufacturing a boron nitride nanotube, comprising: a reaction body providing a space in which a thermal plasma jet and a boron nitride nanotube are formed; At least one plasma unit disposed at one end of the reaction body and generating thermal plasma; A precursor supply unit supplying a precursor to a space in which a thermal plasma is formed; And there is provided a boron nitride nanotube manufacturing apparatus comprising a reaction gas supply unit for supplying a reaction gas to the space in which the thermal plasma is formed.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 플라즈마부는 DC 플라즈마 토치일 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the plasma unit may be a DC plasma torch.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전구체는 붕소를 포함하고, 반응 가스는 질소를 포함하며, 반응 가스 공급부에 암모니아 또는 수소를 더 공급할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the precursor includes boron, the reaction gas includes nitrogen, and ammonia or hydrogen may be further supplied to the reaction gas supply unit.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 3,000K 내지 6,000K 온도의 열 플라즈마로 질화붕소 나노튜브가 형성될 수 있다.Further, according to an embodiment of the present invention, boron nitride nanotubes may be formed by thermal plasma at a temperature of 3,000K to 6,000K.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 플라즈마부에 DC 플라즈마 토치를 사용한 경우, RF 플라즈마 토치를 사용한 경우에 비해 반응 가스로 아르곤을 사용하지 않고, RF 플라즈마 토치보다 낮은 온도에서 질화붕소 나노튜브를 제조할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, when a DC plasma torch is used in the plasma unit, argon is not used as a reactive gas, and boron nitride nanotubes are used at a lower temperature than the RF plasma torch. Can be manufactured.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 반응 본체의 내벽에는 그라파이트 라이너부가 설치될 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, a graphite liner part may be installed on the inner wall of the reaction body.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 반응 본체는 제1 경로 및 제1 경로의 단부에 소정 각도를 이루며 연통되는 제2 경로를 포함하고, 각각의 제1 경로 및 제2 경로에 플라즈마부가 하나씩 배치되며, 제1 경로에 전구체 공급부가 연결될 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the reaction body includes a first path and a second path communicating at an angle to an end of the first path, and a plasma unit is formed in each of the first path and the second path. And the precursor supply unit may be connected to the first path.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 반응 본체는 복수의 제1 경로 및 복수의 제1 경로의 단부에 소정 각도를 이루며 연통되는 제2 경로를 포함하며, 각각의 제1 경로 및 제2 경로에 플라즈마부가 하나씩 배치되며, 제1 경로에 전구체 공급부가 연결될 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the reaction body includes a plurality of first paths and a second path communicating at an angle to ends of the plurality of first paths, each of the first path and the second path Plasma units are disposed one by one, and a precursor supply unit may be connected to the first path.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 3개의 플라즈마부가 반응 본체의 일단에서 상호 소정 간격을 이루며 방사형으로 배치되고, 3개의 플라즈마부에서 연장되는 임의의 직선이 반응 본체 내부 공간에서 접하도록 플라즈마부가 수평면 기준으로 소정각도 기울어지게 배치될 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the three plasma units are radially disposed at one end of the reaction body at a predetermined distance from each other, and the plasma unit is arranged so that an arbitrary straight line extending from the three plasma units contacts the inner space of the reaction body. It may be arranged to be inclined at a predetermined angle with respect to the horizontal plane.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 3개의 플라즈마부에서 연장되는 임의의 직선이 반응 본체 내부 공간에서 접하는 공간에 전구체 및 반응 가스를 공급할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, a precursor and a reaction gas may be supplied to a space in which an arbitrary straight line extending from the three plasma units contacts the inner space of the reaction body.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 고순도 고품질의 BNNT의 합성을 위해 플라즈마 열 에너지를 집중적으로 부여하여 빠른 반응 속도를 유도할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention configured as described above, there is an effect of inducing a fast reaction rate by intensively applying plasma thermal energy for the synthesis of high-purity and high-quality BNNTs.

또한, 본 발명에 따르면, 플라즈마 제어가 용이하고 연속공정이 가능하며, 질화붕소 나노튜브의 대량 합성이 가능한 효과가 있다.In addition, according to the present invention, there is an effect that plasma control is easy, a continuous process is possible, and mass synthesis of boron nitride nanotubes is possible.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화붕소 나노튜브의 합성 메카니즘을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화붕소 나노튜브 제조 장치를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화붕소 나노튜브 제조 장치를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화붕소 나노튜브 제조 장치를 나타내는 측단면 및 평면 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화붕소 나노튜브 합성 사진 및 SEM 사진을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성한 질화붕소 나노튜브의 TEM 사진을 나타낸다.
1 is a schematic diagram showing a mechanism for synthesizing boron nitride nanotubes according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram showing an apparatus for manufacturing boron nitride nanotubes according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram showing an apparatus for manufacturing boron nitride nanotubes according to another embodiment of the present invention.
4 is a side cross-sectional and plan schematic view showing an apparatus for manufacturing boron nitride nanotubes according to another embodiment of the present invention.
5 shows a photo of a boron nitride nanotube synthesis and an SEM photo according to an embodiment of the present invention.
6 shows a TEM photograph of the synthesized boron nitride nanotubes according to an embodiment of the present invention.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.For a detailed description of the present invention described below, reference is made to the accompanying drawings that illustrate specific embodiments in which the present invention may be practiced. These embodiments are described in detail sufficient to enable a person skilled in the art to practice the present invention. It is to be understood that the various embodiments of the present invention are different from each other but need not be mutually exclusive. For example, specific shapes, structures, and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the present invention in relation to one embodiment. In addition, it is to be understood that the location or arrangement of individual components within each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, the detailed description to be described below is not intended to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention, if appropriately described, is limited only by the appended claims, along with all scopes equivalent to those claimed by the claims. In the drawings, similar reference numerals refer to the same or similar functions over several aspects, and the length, area, thickness, and the like may be exaggerated and expressed for convenience.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to enable those of ordinary skill in the art to easily implement the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화붕소 나노튜브의 합성 메카니즘을 나타내는 개략도이다.1 is a schematic diagram showing a mechanism for synthesizing boron nitride nanotubes according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명은 질화붕소 나노튜브(20)의 합성과정은, 열 플라즈마 제트(P)가 형성된 공간에 원료 분말인 전구체(P1, P2)를 주입하여 수행할 수 있다. 전구체(P1, P2)는 붕소인 것이 바람직하나, 붕소를 포함하는 BN 등을 사용할 수 있다.Referring to FIG. 1, the process of synthesizing the boron nitride nanotubes 20 may be performed by injecting precursors P1 and P2, which are raw material powders, into a space in which a thermal plasma jet P is formed. The precursors (P1, P2) are preferably boron, but BN including boron may be used.

전구체(P1, P2)와 더불어 효율적인 질화붕소 나노튜브(20)의 합성 유도를 위한 반응 가스를 첨가할 수 있다. 반응 가스는 질소를 포함하고, H2, NH3 더 포함할 수 있다. 상기 반응 가스는 NH의 형성을 유도하고 이를 다시 분해하여 N 라디칼로 전환하므로, 전구체에 포함된 B와 결합을 용이하게 하여 질화붕소 나노튜브(20)의 생산성 향상에 기인할 수 있다.In addition to the precursors P1 and P2, a reaction gas for inducing the efficient synthesis of the boron nitride nanotubes 20 may be added. The reaction gas contains nitrogen, H 2 , NH 3 It may contain more. Since the reaction gas induces the formation of NH and converts it to an N radical by decomposing it again, it may be due to the improvement in productivity of the boron nitride nanotube 20 by facilitating bonding with B included in the precursor.

질소의 분해 온도는 약 4,000K 이상이며 3,000K 이하에서 재결합하기 때문에, 3,000K 이하에서 라디칼 상태로 존재하기 어려워 질화붕소 나노튜브의 합성이 어려워지는 반면, NH의 경우는 분해 온도가 2,000K 이상이므로 수소 및 수소원자를 포함한 화합물 첨가를 통해 2,000~3,000K 구간에서도 질화붕소 나노튜브(20)의 합성이 용이하고 합성 효율을 증대시킬 수 있다.The decomposition temperature of nitrogen is about 4,000 K or higher and recombination at 3,000 K or lower, so it is difficult to exist in a radical state below 3,000 K, making the synthesis of boron nitride nanotubes difficult, whereas in the case of NH, the decomposition temperature is 2,000 K or higher. Through the addition of a compound including hydrogen and a hydrogen atom, it is possible to easily synthesize the boron nitride nanotubes 20 even in the 2,000 ~ 3,000 K section and increase the synthesis efficiency.

열 플라즈마 제트(P)를 형성하는 장치로서 DC 플라즈마 토치를 사용하는 것이 바람직하다. DC 플라즈마는 질소를 방전기체로 사용가능하므로 질화붕소 나노튜브(20)의 합성하기 위한 질소 라디칼을 풍부하게 생성할 수 있다. RF 플라즈마 토치를 사용하는 경우에는 방전 원리상 아르곤(Ar)을 방전기체로 사용해야 하고 다량의 질소 가스를 첨가할 수 없으므로 풍부한 질소 라디칼을 생성하기 어려운 단점이 있다. 또한, RF 플라즈마 토치의 비용이 DC 플라즈마 토치보다 10배가량 비싸기 때문에 경제성이 떨어진다It is preferable to use a DC plasma torch as an apparatus for forming the thermal plasma jet P. Since the DC plasma can use nitrogen as a discharge gas, nitrogen radicals for synthesizing the boron nitride nanotubes 20 can be abundantly generated. In the case of using an RF plasma torch, argon (Ar) is used as a discharge gas due to a discharge principle, and a large amount of nitrogen gas cannot be added, so it is difficult to generate abundant nitrogen radicals. In addition, the cost of the RF plasma torch is 10 times higher than that of the DC plasma torch, so the economy is poor

따라서, 본 발명은 DC 플라즈마 토치를 사용하여 열 플라즈마 제트(P)를 형성하고, 반응 가스로 질소를 포함하며, 암모니아, 수소를 더 첨가하여 질화붕소 나노튜브(20)의 합성을 수행할 수 있다.Therefore, the present invention can perform the synthesis of the boron nitride nanotubes 20 by forming a thermal plasma jet P using a DC plasma torch, including nitrogen as a reaction gas, and further adding ammonia and hydrogen. .

열 플라즈마 제트(P)에 의해 전구체(P1, P2) 물질이 기화된 후, 급랭되는 환경에서 포화증기가 B 핵자를 생성하고, 주변에 있는 질소 원자들이 B 핵자에 결합하여 성장함에 따라 질화붕소 나노입자(10) 또는 질화붕소 나노튜브(20)가 합성될 수 있다.After the precursors (P1, P2) materials are vaporized by the thermal plasma jet (P), saturated vapor generates B nucleons in a rapidly cooled environment, and as nitrogen atoms in the surroundings bind to B nucleons and grow, boron nitride nanoparticles Particles 10 or boron nitride nanotubes 20 may be synthesized.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화붕소 나노튜브 제조 장치(100: 100a)를 나타내는 개략도이다. 이하, 도 2 내지 도 4의 제조 장치(100: 100a, 100b, 100c)는 도 1에서 상술한 질화붕소 나노튜브(20)의 합성 메카니즘을 수행하는 장치로 이해될 수 있다.2 is a schematic diagram showing an apparatus 100: 100a for manufacturing a boron nitride nanotube according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, the manufacturing apparatuses 100 (100a, 100b, and 100c) of FIGS. 2 to 4 may be understood as an apparatus for performing the mechanism for synthesizing the boron nitride nanotubes 20 described above in FIG. 1.

도 2를 참조하면, 질화붕소 나노튜브 제조 장치(100: 100a)는 반응 본체(110), 플라즈마부(120), 반응가스 공급부(130) 및 전구체 공급부(140)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, the boron nitride nanotube manufacturing apparatus 100: 100a may include a reaction body 110, a plasma unit 120, a reaction gas supply unit 130, and a precursor supply unit 140.

반응 본체(110)는 질화붕소 나노튜브 제조 장치(100)의 외관을 구성하고, 플라즈마부(120)로부터 열 플라즈마 제트(P)가 형성되는 공간 및 반응가스(S1, S2) 및 전구체(P1, P2)의 공급에 따라 질화붕소 나노튜브(20)가 형성되는 공간을 제공할 수 있다. 이 공간은 BN 분말이 충분히 기화되고 질화붕소 나노튜브(20)로 성장할 수 있는 반응 영역에 대응하고, 열 플라즈마 제트(P)가 형성된 경로를 포함할 수 있다.The reaction body 110 constitutes the exterior of the boron nitride nanotube manufacturing apparatus 100, and the space where the thermal plasma jet P is formed from the plasma unit 120 and the reaction gases S1 and S2 and the precursor P1, A space in which the boron nitride nanotubes 20 are formed may be provided according to the supply of P2). This space corresponds to a reaction region in which the BN powder is sufficiently vaporized and grows into the boron nitride nanotubes 20, and may include a path in which the thermal plasma jet P is formed.

반응 본체(110)의 내벽에는 그라파이트 라이너부(115)가 설치될 수 있다. 질화붕소 나노튜브(20)의 합성에는 3,000℃ 이상의 온도 유지가 필요한데, 그라파이트 라이너부(115)는 반응 본체(110)의 단열재로서 역할을 할 수 있다. 그리고, 반응 본체(110)의 내벽을 따라 그라파이트 라이너부(115)가 반응 본체(110)의 형상에 대응되게 설치됨에 따라, 플라즈마 영역(P)에 난류를 형성하여 고온 영역을 통과하는 반응가스(S1, S2) 및 전구체(P1, P2)의 체류시간을 증대시켜 기화 및 합성 효율을 향상시키는데 기여할 수 있다.A graphite liner unit 115 may be installed on the inner wall of the reaction body 110. The synthesis of the boron nitride nanotubes 20 requires maintaining a temperature of 3,000° C. or higher, and the graphite liner unit 115 may serve as an insulating material for the reaction body 110. In addition, as the graphite liner unit 115 is installed along the inner wall of the reaction body 110 to correspond to the shape of the reaction body 110, a reaction gas passing through the high temperature region by forming turbulence in the plasma region P ( It may contribute to improving the vaporization and synthesis efficiency by increasing the residence time of S1, S2) and the precursors P1, P2.

플라즈마부(120)는 반응 본체(110)의 일단에 배치될 수 있다. 플라즈마부(120)는 적어도 하나가 배치될 수 있다. 도 2에는 반응 본체(110)의 기울어지는 제1 경로의 일단부(좌측 상단)에 플라즈마부(120)가 배치되고, 제1 경로의 타단부(우측 하단)에 수평방향으로 제2 경로가 연장되며, 플라즈마부(120)가 제2 경로의 일단부(좌측단)에 배치된 형태가 도시되어 있다. 제1 경로에는 플라즈마부(120)의 근처에 전구체 공급부(140)가 연결될 수 있다. 제2 경로의 타단부(우측단)는 합성된 질화붕소 나노튜브(20)가 회수되는 싸이클론, 필터부, 포집부 등이 연결될 수 있다.The plasma unit 120 may be disposed at one end of the reaction body 110. At least one plasma unit 120 may be disposed. In FIG. 2, the plasma unit 120 is disposed at one end (top left) of the inclined first path of the reaction body 110, and the second path extends horizontally at the other end (bottom right) of the first path. The plasma unit 120 is arranged at one end (left end) of the second path. The precursor supply unit 140 may be connected near the plasma unit 120 to the first path. The other end (right end) of the second path may be connected to a cyclone, a filter part, a collection part, etc. from which the synthesized boron nitride nanotubes 20 are recovered.

플라즈마부(120)는 DC 플라즈마 토치를 포함하는 것이 바람직하다. 도 1에서 상술한 바와 같이, RF 플라즈마는 10,000K 이상의 초고온에 의해 원료를 기화시킬 수 있지만, 고주파 매칭을 해야하고, 아르곤(Ar)을 방전기체로 사용해야 하므로 사용 환경에 많은 제약이 따르며 고비용인 문제가 있다. 반면, DC 플라즈마는 아르곤을 방전기체로 사용하지 않고, 온도가 3,000~6,000K로 RF 플라즈마에 비해 낮으나 사용 환경이나 확장성이 용이하여 저비용으로 대량생산이 가능하며, 온도대가 낮다고 하더라도 질소를 방전기체로 사용하기 때문에 풍부한 질소 라디칼을 생성시킬 수 있고, 수소 및 암모니아 첨가를 통해 질화붕소 나노튜브(20)를 대량으로 합성하기에 용이한 효과가 있다. It is preferable that the plasma unit 120 includes a DC plasma torch. As described above in FIG. 1, RF plasma can evaporate raw materials at an ultra-high temperature of 10,000 K or higher, but it is required to perform high-frequency matching and use argon (Ar) as a discharge gas, so there are many restrictions on the use environment and high cost. have. On the other hand, DC plasma does not use argon as a discharge gas, and its temperature is 3,000~6,000K, which is lower than RF plasma, but it can be mass-produced at low cost due to its easy use environment and expandability, and nitrogen is used as a discharge gas even when the temperature range is low. Therefore, it is possible to generate abundant nitrogen radicals, and there is an easy effect in synthesizing the boron nitride nanotubes 20 in large quantities through addition of hydrogen and ammonia.

게다가, 질화붕소 나노튜브(20)는 질화붕소가 튜브로 성장하기에 충분한 고온 환경 조성이 중요한데, DC 플라즈마는 확장성이 우수하고 본 발명과 같이 제1 경로 및 제2 경로를 연장한 구조나 다단의 구조로 구성하여 원료가 고온영역에서 충분히 체류하도록 함에 따라 기화 또는 나노튜브 성장이 용이한 장점이 있다.In addition, the boron nitride nanotube 20 is important to create a high-temperature environment sufficient for the boron nitride to grow into a tube. DC plasma has excellent expandability and a structure or multi-stage extending the first and second paths as in the present invention. Since it is composed of the structure of the raw material to sufficiently stay in the high temperature region, there is an advantage of easy vaporization or nanotube growth.

반응가스 공급부(130)는 열 플라즈마가 형성되는 공간에 반응 가스(S1, S2)를 공급할 수 있다. 반응 가스 공급부(130)는 플라즈마부(120)와 일체일 수 있다. 반응 가스 공급부(130)는 플라즈마부(120)의 내부를 통과하여 설치됨에 따라 플라즈마부(120)의 단부에서 반응 가스(S1, S2)가 토출되도록 할 수 있다. 반응가스(S1)는 질소를 포함할 수 있으며, 반응가스 공급부(130)에 반응가스(S2)인 H2 또는 NH3를 더 공급할 수 있다. 질소, 암모니아 또는 수소는 NH의 형성을 유도하고 이를 다시 분해하여 N 라디칼로 전환하므로, 전구체에 포함된 B와 결합을 용이하게 할 수 있다.The reactive gas supply unit 130 may supply reactive gases S1 and S2 to a space in which thermal plasma is formed. The reactive gas supply unit 130 may be integral with the plasma unit 120. As the reactive gas supply unit 130 is installed through the interior of the plasma unit 120, the reactive gases S1 and S2 may be discharged from the ends of the plasma unit 120. The reaction gas S1 may contain nitrogen, and H 2 or NH 3 as the reaction gas S2 may be further supplied to the reaction gas supply unit 130. Nitrogen, ammonia, or hydrogen induces the formation of NH and decomposes it again to convert it into an N radical, so that bonding with B contained in the precursor can be facilitated.

전구체 공급부(140)는 열 플라즈마가 형성되는 공간에 전구체(P1, P2)를 공급할 수 있다. 플라즈마부(120), 반응 가스 공급부(130)와는 별도의 위치에 전구체 공급부(140)가 설치되어 반응 본체(110)의 내부에 전구체(P1, P2)를 공급할 수 있다. 전구체 공급부(140)는 열 플라즈마 제트(P)가 형성된 초기 영역 부근에 설치되는 것이 바람직하다. 전구체(P1)는 B, 전구체(P2)는 BN 등일 수 있고, 반응 본체(110) 내부의 열 플라즈마 제트(P)가 형성된 초기 공간에 전구체(P1, P2)를 주입할 수 있다. 이에 따라, 넓은 플라즈마 제트(P) 영역에 걸쳐 전구체(P1, P2)가 반응 가스(S1, S2)와 합성이 수행되므로, 합성의 효율성이 향상될 수 있는 이점이 있다.The precursor supply unit 140 may supply precursors P1 and P2 to a space in which thermal plasma is formed. The precursor supply unit 140 is installed at a location separate from the plasma unit 120 and the reaction gas supply unit 130 to supply the precursors P1 and P2 into the reaction body 110. The precursor supply unit 140 is preferably installed near the initial region where the thermal plasma jet P is formed. The precursor P1 may be B, the precursor P2 may be BN, or the like, and the precursors P1 and P2 may be injected into the initial space in which the thermal plasma jet P is formed in the reaction body 110. Accordingly, since the precursors P1 and P2 are synthesized with the reaction gases S1 and S2 over a wide plasma jet P region, there is an advantage that the efficiency of synthesis may be improved.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화붕소 나노튜브 제조 장치(100: 100b, 100c)를 나타내는 개략도이다.3 is a schematic diagram showing an apparatus for manufacturing boron nitride nanotubes 100 (100b, 100c) according to another embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 질화붕소 나노튜브 제조 장치(100: 100b)는 도 2의 실시예에서 생산성을 더 향상시킨 구조이다. 도 3에는 반응 본체(110)의 기울어지는 제1 경로가 복수(예를 들어, 3개)일 수 있다. 기울어지는 복수의 제1 경로의 일단부(좌측 상단)에 플라즈마부(120)가 각각 배치되고, 제1 경로의 타단부(우측 하단)에 수평방향으로 제2 경로가 연장될 수 있다. 제2 경로는 각각의 제1 경로의 타단부(우측 하단)과 연통되고, 제2 경로의 일단부(좌측단)에 플라즈마부(120)가 더 배치될 수 있다. 각각의 제1 경로에는 플라즈마부(120)의 근처에 전구체 공급부(140)가 연결될 수 있다. 제2 경로의 타단부(우측단)는 합성된 질화붕소 나노튜브(20)가 회수되는 싸이클론, 필터부, 포집부 등이 연결될 수 있다.Referring to FIG. 3, the boron nitride nanotube manufacturing apparatus 100: 100b is a structure in which productivity is further improved in the embodiment of FIG. 2. In FIG. 3, there may be a plurality (eg, three) of the first inclined paths of the reaction body 110. The plasma unit 120 may be disposed at one end (top left) of the plurality of inclined first paths, and the second path may extend horizontally at the other end (bottom right) of the first path. The second path communicates with the other end (lower right) of each of the first paths, and the plasma unit 120 may be further disposed at one end (left end) of the second path. The precursor supply unit 140 may be connected to each of the first paths near the plasma unit 120. The other end (right end) of the second path may be connected to a cyclone, a filter part, a collection part, etc. from which the synthesized boron nitride nanotubes 20 are recovered.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화붕소 나노튜브 제조 장치를 나타내는 측단면(a) 및 평면 개략도(b)이다.4 is a side cross-sectional view (a) and a plan schematic view (b) showing an apparatus for manufacturing boron nitride nanotubes according to another embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 질화붕소 나노튜브 제조 장치(100: 100c)는 생산성 및 합성의 효율성을 더 향상시킨 구조이다. 도 4에는 3개의 플라즈마부(120)가 반응 본체(110)의 일단에서 상호 소정 간격을 이루며 방사형으로 배치된 형태가 도시되어 있다. 3개의 플라즈마부(120)에서 연장되는 임의의 직선은 반응 본체(110)의 내부 공간에서 상호 접할 수 있다. 이를 위해 3개의 플라즈마부(120)는 수평면 기준으로 소정각도 기울어지게 배치될 수 있다. 이에 따라, 3개의 플라즈마부(120)에서 생성하는 열 플라즈마 제트(P)는 한 곳에 집중되어 원료의 기화율을 증대시킬 수 있다. 도 4에서는 3개의 플라즈마부(120)를 예시로 하였으나, 복수의 플라즈마부(120)들이 한 곳에 열 플라즈마 제트(P)를 집중하는 목적의 범위 내에서는 플라즈마부(120)의 개수는 증감 가능하다.Referring to FIG. 4, the boron nitride nanotube manufacturing apparatus 100: 100c is a structure in which productivity and efficiency of synthesis are further improved. 4 shows a form in which three plasma units 120 are radially disposed at one end of the reaction body 110 at predetermined intervals from each other. Any straight line extending from the three plasma units 120 may be in contact with each other in the inner space of the reaction body 110. To this end, the three plasma units 120 may be arranged to be inclined at a predetermined angle with respect to the horizontal plane. Accordingly, the thermal plasma jets P generated by the three plasma units 120 are concentrated in one place to increase the vaporization rate of the raw material. Although three plasma units 120 are illustrated in FIG. 4 as an example, the number of plasma units 120 can be increased or decreased within a range for the purpose of concentrating the thermal plasma jet P in one place of the plurality of plasma units 120. .

특히, 3개의 플라즈마부(120)에서 연장되는 임의의 직선이 반응 본체(110)의 내부 공간에서 접하는 공간, 즉, 열 플라즈마 제트(P)가 집중되는 부분에 전구체(P1, P2) 및 반응 가스(S1, S2)를 공급하는 것이 바람직하다. 따라서, 전구체 공급부(140)는 열 플라즈마 제트(P)가 집중되는 직상부에 배치되어 전구체(P1, P2)를 공급할 수 있다.In particular, precursors (P1, P2) and reactive gases in a space where an arbitrary straight line extending from the three plasma units 120 is in contact with the inner space of the reaction body 110, that is, a portion where the thermal plasma jet (P) is concentrated. It is preferable to supply (S1, S2). Accordingly, the precursor supply unit 140 may be disposed directly above the thermal plasma jet P to supply the precursors P1 and P2.

이하에서는, 본 발명의 질화붕소 나노튜브 제조 장치(100)에 의해 제조된 질화붕소 나노튜브의 특성을 파악하기 위한 실험예들을 설명한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 실시예들이 아래의 실험예들만으로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, experimental examples for understanding the characteristics of the boron nitride nanotubes manufactured by the boron nitride nanotube manufacturing apparatus 100 of the present invention will be described. However, the following experimental examples are only for aiding understanding of the present invention, and embodiments of the present invention are not limited to the following experimental examples.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화붕소 나노튜브 합성 사진(a) 및 SEM 사진(b)을 나타낸다.5 shows a composite photo (a) and an SEM photo (b) of boron nitride nanotubes according to an embodiment of the present invention.

반응 본체(110) 내부는 상압으로 유지하고, 전구체로 h-BN 파우더(~1㎛m 98%, 255475, Sigma-Aldrich,Inc.), 방전기체 및 반응가스로 N2 8slpm, H2 8slpm을 공급하였다. Arc current는 100A로 고정한 상태에서 각 플라즈마 토치의 입력 파워를 약 6.9~7.5kW로 인가하였다. 도 5의 (a)를 참조하면, 질화붕소 나노튜브가 약 10cm 정도의 크기로 합성되고, 질화붕소 나노튜브가 층상 형태를 가지며 뭉쳐있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 5의 (b)를 참조하면, 질화붕소가 튜브 형태를 가지며 합성된 것을 확인할 수 있다.The inside of the reaction body 110 is maintained at normal pressure, and h-BN powder (~1㎛m 98%, 255475, Sigma-Aldrich, Inc.) as a precursor, N 2 8 slpm and H 2 8 slpm as discharge gas and reaction gas. Supplied. With the arc current fixed at 100A, the input power of each plasma torch was applied at about 6.9~7.5kW. Referring to FIG. 5A, it can be seen that boron nitride nanotubes are synthesized in a size of about 10 cm, and boron nitride nanotubes have a layered shape and are aggregated. Further, referring to (b) of FIG. 5, it can be seen that boron nitride has a tube shape and is synthesized.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성한 질화붕소 나노튜브의 TEM 사진을 나타낸다. 도 6을 참조하면, 질화붕소 나노튜브는 5nm보다 작은 약 2.7~4.9nm의 직경을 가지고, 1~3개의 벽을 포함하는 튜브 형태로 제조되었음을 확인할 수 있다.6 shows a TEM photograph of the synthesized boron nitride nanotubes according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6, it can be seen that the boron nitride nanotubes have a diameter of about 2.7 to 4.9 nm smaller than 5 nm and are manufactured in a tube shape including 1 to 3 walls.

위와 같이, 본 발명은 플라즈마 제어가 용이하고 연속공정이 가능하며, 질화붕소 나노튜브의 대량 합성이 가능한 이점이 있다. 그리고, 플라즈마부의 배치형태에 따라 플라즈마 열 에너지를 집중적으로 부여하여 빠른 반응 속도를 유도할 수 있는 이점이 있으며, DC 플라즈마를 사용하여 저비용으로 대량 생산을 수행할 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention has advantages in that plasma control is easy, continuous process is possible, and mass synthesis of boron nitride nanotubes is possible. In addition, there is an advantage of inducing a fast reaction rate by intensively applying plasma thermal energy according to the arrangement of the plasma unit, and there is an effect that mass production can be performed at low cost using DC plasma.

본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.Although the present invention has been illustrated and described with reference to a preferred embodiment as described above, it is not limited to the above embodiment, and within the scope not departing from the spirit of the present invention, various It can be transformed and changed. Such modifications and variations should be viewed as falling within the scope of the present invention and the appended claims.

100: 질화붕소 나노튜브 제조장치
110: 반응 본체
115: 그라파이트 라이너
120: 플라즈마부
130: 반응가스 공급부
140: 전구체 공급부
P: 열 플라즈마 제트
P1, P2: 전구체
S1, S2: 반응가스
100: boron nitride nanotube manufacturing apparatus
110: reaction body
115: graphite liner
120: plasma unit
130: reaction gas supply
140: precursor supply unit
P: thermal plasma jet
P1, P2: precursor
S1, S2: reaction gas

Claims (10)

질화붕소 나노튜브(boron nitride nano tube)의 제조 장치로서,
열 플라즈마 제트 및 질화붕소 나노튜브가 형성되는 공간을 제공하는 반응 본체;
DC 플라즈마 토치이며, 반응 본체의 일단에 배치되고, 열 플라즈마를 생성하는 적어도 하나의 플라즈마부;
열 플라즈마가 형성되는 공간에 전구체를 공급하는 전구체 공급부; 및
열 플라즈마가 형성되는 공간에 반응 가스를 공급하는 반응가스 공급부
를 포함하고,
전구체는 붕소를 포함하고, 반응 가스는 질소를 포함하며,
반응가스 공급부에 암모니아 또는 수소를 더 공급하고,
플라즈마부에 DC 플라즈마 토치를 사용하여, RF 플라즈마 토치를 사용한 경우에 비해 반응 가스로 아르곤을 사용하지 않고, RF 플라즈마 토치보다 낮은 온도에서 질화붕소 나노튜브를 제조할 수 있는, 질화붕소 나노튜브 제조 장치.
As an apparatus for manufacturing boron nitride nanotubes,
A reaction body providing a space in which a thermal plasma jet and boron nitride nanotubes are formed;
A DC plasma torch, at least one plasma unit disposed at one end of the reaction body and generating thermal plasma;
A precursor supply unit supplying a precursor to a space in which a thermal plasma is formed; And
Reactive gas supply unit that supplies reactive gas to the space where thermal plasma is formed
Including,
The precursor contains boron, the reaction gas contains nitrogen,
Further supplying ammonia or hydrogen to the reaction gas supply,
Boron nitride nanotube manufacturing apparatus capable of manufacturing boron nitride nanotubes at a lower temperature than RF plasma torch without using argon as a reaction gas compared to the case of using a DC plasma torch in the plasma section and using an RF plasma torch .
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
3,000K 내지 6,000K 온도의 열 플라즈마로 질화붕소 나노튜브가 형성되는, 질화붕소 나노튜브 제조 장치.
The method of claim 1,
Boron nitride nanotube manufacturing apparatus in which boron nitride nanotubes are formed by thermal plasma of 3,000K to 6,000K temperature.
삭제delete 제1항에 있어서,
반응 본체의 내벽에는 그라파이트 라이너부가 설치되는, 질화붕소 나노튜브 제조 장치.
The method of claim 1,
An apparatus for manufacturing boron nitride nanotubes in which a graphite liner part is installed on the inner wall of the reaction body.
제1항에 있어서,
반응 본체는 제1 경로 및 제1 경로의 단부에 소정 각도를 이루며 연통되는 제2 경로를 포함하고, 각각의 제1 경로 및 제2 경로에 플라즈마부가 하나씩 배치되며,
제1 경로에 전구체 공급부가 연결되는, 질화붕소 나노튜브 제조 장치.
The method of claim 1,
The reaction body includes a first path and a second path communicating at an angle to an end of the first path, and one plasma unit is disposed in each of the first path and the second path,
Boron nitride nanotube manufacturing apparatus, the precursor supply is connected to the first path.
제1항에 있어서,
반응 본체는 복수의 제1 경로 및 복수의 제1 경로의 단부에 소정 각도를 이루며 연통되는 제2 경로를 포함하며, 각각의 제1 경로 및 제2 경로에 플라즈마부가 하나씩 배치되며,
제1 경로에 전구체 공급부가 연결되는, 질화붕소 나노튜브 제조 장치.
The method of claim 1,
The reaction body includes a plurality of first paths and a second path communicating at a predetermined angle to ends of the plurality of first paths, and one plasma unit is disposed in each of the first paths and the second paths,
Boron nitride nanotube manufacturing apparatus, the precursor supply is connected to the first path.
제1항에 있어서,
3개의 플라즈마부가 반응 본체의 일단에서 상호 소정 간격을 이루며 방사형으로 배치되고,
3개의 플라즈마부에서 연장되는 임의의 직선이 반응 본체 내부 공간에서 접하도록 플라즈마부가 수평면 기준으로 소정각도 기울어지게 배치되는, 질화붕소 나노튜브 제조 장치.
The method of claim 1,
The three plasma units are radially arranged at one end of the reaction body at predetermined intervals,
The apparatus for manufacturing boron nitride nanotubes, wherein the plasma unit is disposed to be inclined at a predetermined angle with respect to a horizontal plane such that an arbitrary straight line extending from the three plasma units contacts the inner space of the reaction body.
제9항에 있어서,
3개의 플라즈마부에서 연장되는 임의의 직선이 반응 본체 내부 공간에서 접하는 공간에 전구체 및 반응 가스를 공급하는, 질화붕소 나노튜브 제조 장치.
The method of claim 9,
An apparatus for manufacturing a boron nitride nanotube for supplying a precursor and a reaction gas to a space in which an arbitrary straight line extending from the three plasma units is in contact with the inner space of the reaction body.
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