KR102469018B1 - 탄소나노섬유의 합사방법 및 이를 위한 합사장치 - Google Patents

탄소나노섬유의 합사방법 및 이를 위한 합사장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소나노섬유의 합사방법 및 이를 위한 합사장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 화학 기상 증착법(Chemical vapor deposition, CVD)을 통해 건식방사가 가능한 수직 배열된 탄소나노튜브(Carbon nano tube, CNT)를 합성하고, 상기 합성된 탄소나노튜브를 건식 방사하여 탄소나노섬유를 제조하고, 상기 제조된 여러 가닥의 탄소나노섬유를 보빈(bobbin)으로 포집하여 이를 정방 및 합사하여 하나의 꼬인 구조를 가지면서 기계적, 전기적 특성이 우수한 탄소나노섬유의 합사방법 및 이를 위한 합사 장치에 관한 것이다

Description

탄소나노섬유의 합사방법 및 이를 위한 합사장치 {Method for beaming of carbon nano fibers and dry beaming device thereof}
본 발명은 탄소나노섬유의 합사방법 및 이를 위한 합사장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 화학 기상 증착법(Chemical vapor deposition, CVD)을 통해 건식방사가 가능한 수직 배열된 탄소나노튜브(Carbon nano tube, CNT)를 합성하고, 상기 합성된 탄소나노튜브를 건식 방사하여 탄소나노섬유를 제조하고, 상기 제조된 여러 가닥의 탄소나노섬유를 보빈(bobbin)으로 포집하여 이를 정방 및 합사하여 하나의 꼬인 구조를 가지면서 기계적, 전기적 특성이 우수한 탄소나노섬유의 합사방법 및 이를 위한 합사 장치에 관한 것이다.
탄소나노튜브(Carbon Nanotube: CNT)는 우수한 기계적 물성과 더불어서, 낮은 전기비저항, 높은 열전도율을 가진 산업전반에서 그 응용성이 주목되는 소재이다. 예를 들어 탄소나노튜브는 알루미늄보다 낮은 밀도를 가지면서 인장강도는 철보다 약 370배 강하며, 전기 비저항과 열전도율은 각각 구리 및 다이아몬드와 유사한 값을 나타내어 전기전자, 정보통신, 에너지, 바이오, 우주항공, 스포츠, 국방 등 폭넓은 분야에서 응용가능성이 제시되고 있다. 일례로, 인장강도 35GPa, 인장탄성률이 1TPa에 육박하는 탄소나노튜브가 보고되고 있다.
탄소나노튜브섬유(Carbon Nanotube Fiber: CNTF)는 탄소나노튜브가 여러 분야에 쉽게 응용되도록 하기 위하여 매크로(macro)한 크기를 갖도록 형성된 탄소나노튜브의 집합체이다. 탄소나노튜브섬유는 우수한 물성을 갖는 탄소나노튜브를 응집하여 제조되므로 기존의 아라미드 섬유, 탄소섬유와 같은 상용화된 고성능 섬유재료를 능가하는 섬유재료로의 응용가능성이 주목되었다.
고순도의 탄소나노튜브 섬유를 제조하는 종래의 일반적인 방법에는 탄소나노튜브가 분산된 용액을 고분자용액이 담긴 회전하는 용기 내부로 직접 방사하여, 고분자용액이 탄소나노튜브 입자 사이에 침투하여 탄소나노튜브를 접착하여 섬유를 만드는 것이 일반적으로 알려져 있다.
그러나, 상기와 같이 용액이 직접 방사되는 경우, 고분자용액이 탄소나노튜브 사이로의 확산되는 속도가 느리고, 또한 고분자용액이 담기 용기를 회전하는 속도의 제한으로 인하여 탄소나노튜브 섬유의 제조 효율이 제한되는 문제점이 있다. 뿐만 아니라 제조된 탄소나노튜브 섬유의 30 wt% 내외가 고분자여서 우수한 탄소나노튜브의 특성발현이 제한된다.
또한, 탄소나노튜브의 우수한 물성들은 개별 탄소나노튜브 만으로 제한되어 있으며, 현재까지의 기술로는 기존의 탄소나노튜브가 갖고 있는 성질에 훨씬 미치지 못하는 탄소나노튜브섬유 만을 제조할 수 있어서, 우수한 물성을 나타내는 탄소나노튜브섬유를 생산하기가 쉽지 않다.
따라서, 전술한 문제점을 보완하기 위해 본 발명가들은 건식 방사를 이용하여 제조된 탄소섬유에 우수한 물성을 갖기 위해 탄소나노섬유의 합사방법 및 이의 장치의 개발이 시급하다 인식하여, 본 발명을 완성하였다.
대한민국 등록특허공보 제10-1766143호 대한민국 등록특허공보 제10-1972987호
본 발명의 목적은 화학 기상 증착법(Chemical vapor deposition, CVD)을 통해 건식방사가 가능한 수직 배열된 탄소나노튜브(Carbon nano tube, CNT)를 합성하고, 상기 합성된 탄소나노튜브를 건식방사하여 탄소나노섬유를 제조하고, 상기 제조된 여러 가닥의 탄소나노섬유를 보빈(bobbin)으로 포집하여 이를 정방 및 합사하여 하나의 꼬인 구조를 가지면서 기계적, 전기적 특성이 우수한 탄소나노섬유의 합사방법 및 이를 위한 합사 장치를 제공하는 것이다.
발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탄소나노섬유의 합사방법 및 이를 위한 합사 장치를 제공한다.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 하기의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유의 합사방법을 제공한다.
(S1) 탄소나노튜브를 제조하는 단계;
(S2) 상기 탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브 포레스트(carbon nanotube forest)를 제조하는 단계;
(S3) 상기 탄소나노튜브 포레스트를 건식방사하여 탄소나노섬유를 제조하는 단계; 및
(S4) 상기 탄소나노섬유를 합사하는 단계.
본 발명에 있어서, 상기 (S2) 단계는 하기의 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.
(S2A) SiO2/Si 기판 상에 알루미나(산화알루미늄, Al2O3)를 1 내지 5 nm의 두께로 증착하는 단계;
(S2B) 상기 알루미나 상에 철(Fe) 촉매를 2 내지 3 nm의 두께로 증착하는 단계; 및
(S2C) 상기 철 촉매 상에 상기 탄소나노튜브를 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 통해 탄소나노튜브 포레스트를 제조하는 단계.
본 발명에 있어서 상기 알루미나와 철 촉매 사이에는 1 내지 3 nm의 합금(alloy)이가 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 (S3) 단계는 상기 탄소나노튜브 포레스트를 초당 1 내지 30 mm 속도로 방사하여 탄소나노섬유를 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 탄소나노섬유는 상기 탄소나노튜브 사이에 존재하는 반데르 바알스 힘(Van der Waals' force)에 의한 인력이 작용하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 (S4) 단계는 상기 (S3) 단계에 제조된 탄소나노섬유를 1 내지 3000 rpm 회전속도로 회전하면서 상기 탄소나노섬유 복수개를 하나의 탄소섬유로 합사하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 탄소나노튜브 포레스트를 고정하기 위한 CNT고정부; 및 상기 탄소나노튜브 포레스트를 방사하여 탄소나노섬유를 제조하고, 상기 탄소나노섬유를 고정하여 합사하기 위한 섬유합사부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유의 합사장치를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 CNT고정부는 상기 탄소나노튜브 포레스트의 일면이 고정되는 CNT고정대; 상기 CNT고정대를 거치하기 위한 CNT거치대; 및 상기 CNT고정대 및 CNT거치대에 삽입되어 상기 CNT고정대를 회전시키기 위한 CNT회전부;로 구성되는 것을 특징으로 하는 한다.
본 발명에 있어서, 상기 섬유합사부는 상기 탄소나노튜브 포레스트의 타면이 고정되는 섬유고정대; 상기 섬유고정대를 일정한 속도로 이동시켜 탄소나노섬유를 방사하기 위한 섬유이동부; 및 상기 방사된 탄소나노섬유를 합사하기 위한 섬유합사부;로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 섬유이동부는 초당 1 내지 30 mm 속도로 상기 섬유고정대를 이동시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 합사장치는 상기 탄소나노섬유에 장력(tension)을 유지하기 위한 로드(rod);를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 탄소나노섬유의 합사방법 및 이를 위한 합사 장치에서 언급된 모든 사항은 모순되지 않는 한 동일하게 적용된다.
본 발명의 탄소나노섬유의 합사방법 및 이를 위한 합사 장치는 화학 기상 증착법(Chemical vapor deposition, CVD)을 통해 건식방사가 가능한 수직 배열된 탄소나노튜브(Carbon nano tube, CNT)를 합성하고, 상기 합성된 탄소나노튜브를 건식방사하여 탄소나노섬유를 제조하고, 상기 제조된 여러 가닥의 탄소나노섬유를 보빈(bobbin)으로 포집하여 이를 정방 및 합사하여 하나의 꼬인 구조를 가지면서 기계적, 전기적 특성이 우수하다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소나노섬유의 합사방법을 대략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 탄소나노튜브 포레스트에 대한 이미지이다.
도 3은 본 발명에 따른 탄소나노섬유의 합사방법에 의해 합사된 탄소나노섬유의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 이미지이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 탄소나노필름의 합사장치를 대략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 탄소나노필름의 합사장치의 CNT고정부에 탄소나노튜브 포레스트의 일면이 삽입하여 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 탄소나노필름의 합사장치의 섬유고정부에 탄소나노튜브 포레스트의 타면이 삽입하여 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 탄소나노필름의 합사장치를 통해 탄소나노섬유를 방사함을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 탄소나노필름의 합사장치에 의해 방사되어 제조된 탄소나노섬유를 합사함을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 탄소나노필름의 합사장치를 대략적으로 나타낸 도면이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
수치 범위는 상기 범위에 정의된 수치를 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최대의 수치 제한은 낮은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 낮은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최소의 수치 제한은 더 높은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 높은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 수치 제한은 더 좁은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼, 더 넓은 수치 범위 내의 더 좋은 모든 수치 범위를 포함할 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 상세히 기술하나, 하기 실시예에 의해 본 발명이 한정되지 아니함은 자명하다.
탄소나노섬유의 합사방법
도 1은 본 발명에 따른 탄소나노섬유의 합사방법을 대략적으로 나타낸 블록도이며, 도 2는 본 발명에 따라 제조된 탄소나노튜브 포레스트에 대한 이미지이고, 도 3은 본 발명에 따른 탄소나노섬유의 합사방법에 의해 합사된 탄소나노섬유의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 이미지이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명은 하기의 단계를 포함하는 탄소나노섬유의 합사방법을 제공한다.
(S1) 탄소나노튜브를 제조하는 단계;
(S2) 상기 탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브 포레스트(carbon nanotube forest)를 제조하는 단계;
(S3) 상기 탄소나노튜브 포레스트를 건식방사하여 탄소나노섬유를 제조하는 단계; 및
(S4) 상기 탄소나노섬유를 합사하는 단계.
상기 (S1) 단계를 탄소나노튜브를 제조하는 단계로, 상기 탄소나노튜브는 저압 화학 기상 증착(Low pressure chemical vapor deposition, LP-CVD)법에 의해 제조될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 저압 화학 기상 증착이 수행되는 반응기의 챔버 내부는 탄소 나노 튜브가 성장하기 위한 기판으로 넣고, 상기 챔버 내부를 기 설정된 압력으로 유지시킬 수 있다. 그리고, 상기 반응기에 불활성 기체를 흘려주면서 400 내지 700 ℃로 상기 반응기를 유지시키고, 수소(H2) 가스를 300 내지 800 sccm로 0.1 내지 60분 동안 상기 챔버에 도입하여 균일한 크기의 촉매 입자를 형성하게 하여 전처리 공정을 수행할 수 있다. 상기 전처리 공정을 완료하고, 상기 불활성 기체를 다시 흘려주고 500 내지 950 ℃로 온도로 가열하여 유지시킬 수 있다. 그리고, 아세틸렌(ethyne, C2H2)을 100 내지 500 sccm으로, 수소(H2)를 200 내지 800 sccm으로 동시에 0.1 내지 6 시간 동안 챔버 내부에 흘려주면서 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있다. 최종적으로, 상기 불활성 기체를 흘려주면서 실온으로 냉각하여 상기 탄소나노튜브를 제조할 수 있다.
상기 불활성 기체는 아르곤일 수 있으나, 상기 반응에 첨가되어 상기 반응에 참여하지 않는 기체라면 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 (S2) 단계는 하기의 단계로 구성될 수 있다.
(S2A) SiO2/Si 기판 상에 알루미나(산화알루미늄, Al2O3)를 1 내지 5 nm의 두께로 증착하는 단계;
(S2B) 상기 알루미나 상에 철(Fe) 촉매를 2 내지 3 nm의 두께로 증착하는 단계; 및
(S2C) 상기 철 촉매 상에 상기 탄소나노튜브를 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 통해 탄소나노튜브 포레스트를 제조하는 단계.
상기 알루미나와 철 촉매 사이에는 1 내지 3 nm의 합금(alloy)이가 형성될 수 있다.
상기 (S2A) 단계에 있어서, 상기 알루미나는 1 내지 5 nm의 두께로 코팅되는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로 상기 알루미나가 1 nm 미만으로 코팅될 경우 상기 알루미나의 두께가 너무 얇게 형성되어 상기 알루미나로 인한 효과가 나타나지 않으며, 상기 알루미나를 10 nm 초과하여 코팅될 경우 상기 알루미나 층과 상기 탄소 나노 튜브 사이의 결합력이 증대되어 건식 방사가 수행될 수 없다. 따라서, 상기 알루미나는 1 내지 5 nm의 두께로 코팅되는 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 2 내지 4 nm의 두께로 코팅될 수 있다.
상기 (S2B) 단계에 있어서, 상기 실리콘(SiO2) 기판 일면에 증착된 알루미나의 상부면에 철(Fe) 촉매를 2 내지 3 nm의 두께로 증착할 수 있다.
상기 철 촉매는 전자 빔 코팅 시스템(electron beam coating system)에 의해 증착될 수 있으며, 상기 전자 빔 코팅 시스템은 증발 챔버(evaporating chamber), 증발 제어 시스템(evaporate control system), 전원 공급 시스템(power supply system) 및 진공 시스템(vacuum system)으로 구성될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 증발 챔버 내에 상기 알루미나가 코팅된 실리콘 기판을 삽입하고, 4 x 10-6 내지 5 x 10-6 torr의 압력을 가한다. 다음으로, 4 내지 6 kV의 고전압을 인가하고, 철 촉매를 상기 알루미나 상부면에 증착시킨다.
상기 전자 빔 코팅 시스템에 의해 철 촉매가 증착되고, 탄소 나노 튜브 합성 시, 촉매 금속 아일랜드를 형성하기 위해 가해주는 발생되는 열로 인해 상기 알루미나와 철 촉매 사이에는 합금(alloy)이 형성될 수 있다. 상기 합금은 1 내지 3 nm 두께로 형성될 수 있다. 상기 합금으로 인해 상기 (S1C) 단계에서 코팅되는 탄소 나노 튜브 사이의 결합력이 감소되어 탄소섬유가 형성되는 수율이 현저히 증가될 수 있다.
최종적으로, 상기 (S2C) 단계에서 상기 (S2B) 단계에서 증착된 철 촉매 일면에 탄소 나노 튜브를 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 이용하여 탄소 나노 튜브 포레스트를 제조할 수 있다.
상기 (S3) 단계는 상기 탄소나노튜브 포레스트를 초당 1 내지 10 mm 속도로 방사하여 탄소나노섬유를 제조될 수 있다.
상기 탄소나노섬유는 상기 탄소나노튜브 사이에 존재하는 반데르 바알스 힘(Van der Waals' force)에 의한 인력이 작용하여 형성될 수 있다. 상기 반데르 바알스 힘으로 인해 상기 탄소나노튜브가 밀도 높게 형성될 수 있고, 이로 인해 최종적으로 제조되는 탄소나노섬유의 강도를 현저히 향상시킬 수 있다.
상기 (S4) 단계는 상기 (S3) 단계에 제조된 탄소나노섬유를 1 내지 3000 rpm 회전속도로 회전하면서 상기 탄소나노섬유 복수개를 하나의 탄소섬유로 합사할 수 있다.
탄소나노섬유의 합사장치
제1 실시예
도 4는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 탄소나노필름의 합사장치를 대략적으로 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 탄소나노필름의 합사장치의 CNT고정부에 탄소나노튜브 포레스트의 일면이 삽입하여 나타낸 도면이며, 도 6은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 탄소나노필름의 합사장치의 섬유고정부에 탄소나노튜브 포레스트의 타면이 삽입하여 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 탄소나노필름의 합사장치를 통해 탄소나노섬유를 방사함을 나타낸 도면이며, 도 8은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 탄소나노필름의 합사장치에 의해 방사되어 제조된 탄소나노섬유를 합사함을 나타낸 도면이다.
도 4 내지 도 8를 참조하면, 본 발명은 탄소나노튜브 포레스트를 고정하기 위한 CNT고정부(100); 및 상기 탄소나노튜브 포레스트를 방사하여 탄소나노섬유를 제조하고, 상기 탄소나노섬유를 고정하여 합사하기 위한 섬유합사부(200);를 포함하는 탄소나노섬유의 합사장치(1)를 제공한다.
상기 탄소나노섬유의 합사방법은 앞서 언급한 바와 동일하다.
상기 CNT고정부(100)는 상기 탄소나노튜브 포레스트의 일면이 고정되는 CNT고정대(110); 상기 CNT고정대(110)를 거치하기 위한 CNT거치대(120); 및 상기 CNT고정대(110) 및 CNT거치대(120)에 삽입되어 상기 CNT고정대(110)를 회전시키기 위한 CNT회전부(130);로 구성될 수 있다.
상기 CNT고정대(110)는 상기 탄소나노튜브 포레스트의 일면이 고정되기 위한 길이방향으로 홀(미도시)이 형성되고, 상기 홀 내에 상기 탄소나노튜브 포레스트의 일면이 삽입됨으로써 고정될 수 있다.
상기 CNT거치대(120)는 상기 CNT고정대(110)를 거치하기 위한 구성일 수 있다.
상기 CNT거치대(120)는 상기 CNT거치대(120)를 지지하기 위한 CNT지지대(121)에 의해 지지될 수 있고, 상기 CNT지지대(121)는 회전할 수 있어 상기 회전을 통해 꼬인 형태의 탄소나노섬유 합사를 보다 용이하게 수행할 수 있다.
상기 CNT회전부(130)는 상기 CNT고정대(110) 및 CNT거치대(120) 내에 삽입된 형태로, 상기 CNT고정대(110)를 회전시킬 수 있다.
상기 CNT지지대(121) 및 CNT회전부(130)는 각각 개별적으로 회전하거나, 각각 상이한 방향으로 회전될 수 있다. 예컨대, 상기 CNT지지대(121)가 오른쪽 방향으로 회전할 경우 상기 CNT회전부(130)는 왼쪽 방향으로 회전할 수 있고, 상기 CNT지지대(121)가 왼쪽 방향으로 회전할 경우 상기 CNT회전부(130)는 오른쪽 방향으로 회전할 수 있으며, 상기 CNT지지대(121)가 회전할지라도 상기 CNT회전부(130)는 회전하지 않을 수 있다.
상기 섬유합사부(200)는 상기 탄소나노튜브 포레스트의 타면이 고정되는 섬유고정대(210); 상기 섬유고정대(210)를 일정한 속도로 이동시켜 탄소나노섬유를 방사하기 위한 섬유이동부(220); 및 상기 방사된 탄소나노섬유를 합사하기 위한 섬유합사부(230);로 구성될 수 있다.
상기 섬유고정대(210)는 상기 CNT고정부(110)에 의해 일면이 고정된 탄소나노튜브 포르스트의 타면을 고정시키기 위한 구성으로, 상기 섬유고정대(210)는 상기 탄소나노튜브 포레스트의 타면이 고정되기 위한 길이방향으로 홀(미도시)이 형성되고, 상기 홀 내에 상기 탄소나노튜브 포레스트의 타면이 삽입됨으로써 고정될 수 있다.
상기 섬유이동부(220)는 초당 1 내지 30 mm 속도로 상기 섬유고정대(210)를 이동시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 섬유이동부(220)는 초당 1 내지 30 mm 속도로 상기 섬유고정대(210)를 이동시킴으로써 상기 탄소나노튜브 포레스트를 방사하여 탄소나노섬유를 제조할 수 있다.
상기 섬유합사부(230)는 상기 방사된 탄소나노섬유를 합사하기 위한 구성으로, 상기 섬유합사부(230) 하면에 위치하는 섬유회전부(231)를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 섬유회전부(231)가 회전함으로써 상기 방사된 개별적인 탄소나노섬유가 하나의 꼬인 형태의 합사된 탄소나노섬유로 제조될 수 있다.
제2 실시예
도 9는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 탄소나노필름의 합사장치를 대략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 제2 실시예로, 상기 제1 실시예의 구성에서 상기 탄소나노섬유에 장력(tension)을 유지하기 위한 로드(rod)(300);를 추가적으로 포함할 수 있다.
상기 탄소나노섬유가 상기 로드(300) 상에 올려 둠으로써, 상기 탄소나노섬유의 각도에 따른 마찰력으로 인해 장력이 부여될 수 있다.
상기 로드(300)는 고정되거나 탈착 가능한 형태일 수 있다.
이상 설명으로부터, 본 발명에 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.
탄소나노섬유 합사장치 : 1
CNT고정부 : 100
섬유합사부 : 200
로드(rod) : 300

Claims (8)

  1. (S1) 탄소나노튜브를 제조하는 단계;
    (S2) 상기 탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브 포레스트(carbon nanotube forest)를 제조하는 단계;
    (S3) 상기 탄소나노튜브 포레스트를 건식방사하여 탄소나노섬유를 제조하는 단계; 및
    (S4) 상기 탄소나노섬유를 합사하는 단계;를 포함하고,
    상기 (S2) 단계는
    (S2A) SiO2/Si 기판 상에 알루미나(산화알루미늄, Al2O3)를 1 내지 5 nm의 두께로 증착하는 단계;
    (S2B) 상기 알루미나 상에 전자 빔 코팅 시스템(electron beam coating system)에 의해 철(Fe) 촉매를 2 내지 3 nm의 두께로 증착하는 단계; 및
    (S2C) 상기 철 촉매 상에 상기 탄소나노튜브를 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 통해 탄소나노튜브 포레스트를 제조하는 단계;로 구성되며,
    상기 (S2B) 단계에서 상기 전자 빔 코팅 시스템은 4 x 10-6 내지 5 x 10-6 torr의 압력 하에 4 내지 6 kV의 고전압을 인가하여 수행되고,
    상기 알루미나와 철 촉매 사이에는 1 내지 3 nm의 합금(alloy)이가 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유의 합사방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (S3) 단계는 상기 탄소나노튜브 포레스트를 초당 1 내지 30 mm 속도로 방사하여 탄소나노섬유를 제조하고,
    상기 탄소나노섬유는 상기 탄소나노튜브 사이에 존재하는 반데르 바알스 힘(Van der Waals' force)에 의한 인력이 작용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유의 합사방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (S4) 단계는 상기 (S3) 단계에 제조된 탄소나노섬유를 1 내지 3000 rpm 회전속도로 회전하면서 상기 탄소나노섬유 복수개를 하나의 탄소섬유로 합사하는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유의 합사방법.
  5. 탄소나노튜브 포레스트를 고정하기 위한 CNT고정부; 및
    상기 탄소나노튜브 포레스트를 방사하여 탄소나노섬유를 제조하고, 상기 탄소나노섬유를 고정하여 합사하기 위한 섬유합사부;를 포함하고,
    상기 섬유합사부는
    상기 탄소나노튜브 포레스트의 타면이 고정되기 위한 길이방향으로 홀이 형성되고, 상기 홀 내에 상기 탄소나노튜브 포레스트의 타면이 삽입됨으로써 고정되는 섬유고정대;
    상기 섬유고정대를 초당 1 내지 30 mm 속도로 이동시켜 탄소나노섬유를 방사하기 위한 섬유이동부;
    상기 방사된 탄소나노섬유를 합사하기 위한 섬유합사부; 및
    상기 섬유합사부 하면에 상기 방사된 탄소나노섬유를 하나의 꼬인 형태로 꼬기 위한 섬유회전부;로 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유의 합사장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 CNT고정부는
    상기 탄소나노튜브 포레스트의 일면이 고정되는 CNT고정대;
    상기 CNT고정대를 거치하기 위한 CNT거치대; 및
    상기 CNT고정대 및 CNT거치대에 삽입되어 상기 CNT고정대를 회전시키기 위한 CNT회전부;로 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유의 합사장치.
  7. 삭제
  8. 제5항에 있어서,
    상기 합사장치는 상기 탄소나노섬유에 장력(tension)을 유지하기 위한 로드(rod);를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유의 합사장치.
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