KR102494639B1 - 나노 재료의 제조방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예는 대량 생산이 가능하고 생산 시간을 줄여 수율이 높게 할 수 있다. 또한 고순도의 나노재료를 제조할 수 있는 나노재료의 제조방법 및 장치를 개시한다.
Description
본 발명의 실시예들은 나노 재료의 제조방법 및 장치에 관한 것이다.
나노스케일의 재료는 여러 우수한 특성으로 인하여 전자산업을 포함해 다양한 산업에서 많은 주목을 받고 있으나, 고품질 나노소재 대량제조의 한계 등 제조 공정의 여러 문제로 인하여 실제적인 산업적 적용에는 한계가 있어 왔다.
다양한 나노스케일의 재료 중에 특히 질화붕소나노튜브(BNNT: Boron Nitride Nano-Tubes)는 일반적으로 알려져 있는 탄소나노튜브(CNT: Carbon Nano-Tubes)와 기계적 특성 및 열전도 특성은 유사한 반면, 전기적 절연성, 내열 특성, 및 화학적 안정성 등이 우수하다. 또한 BNNT를 구성하고 있는 붕소는 열중성자 흡수능이 CNT를 구성하고 있는 탄소와 비교하여 약 20만 배나 높아 중성자 차폐재로도 유용한 물질이다.
그러나 이러한 BNNT는 1,000℃ 이상의 고온에서 합성되는 등 공정의 어려움으로 인해 현재 전 세계적으로 대량생산 기술이 개발되지 않은 상태이다. 이는 비단 BNNT에 한정되는 것은 아니고, 다른 나노 재료에서도 고품질 양산 기술의 개발이 필요한 상황이다.
본 발명의 실시예들은 대량 생산이 가능하면서 생산 시간을 줄일 수 있고 제조 수율이 높은 나노 재료를 제조할 수 있는 제조방법 및 그 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 고순도의 나노 재료를 제조할 수 있는 제조방법 및 그 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는, 제1 재료를 포함하는 분말을 준비하는 단계와, 상기 분말을 포함하는 분산 용액을 형성하는 단계와, 상기 분산 용액으로 나노 재료의 합성을 위한 전구체인 구조체를 성형하는 단계와, 상기 구조체에 기공을 생성하는 단계와, 상기 구조체를 이용하여 나노 재료를 합성하는 단계를 포함하는 나노 재료의 제조방법을 개시한다.
상기 분말을 준비하는 단계는, 제1 재료와 제2 재료를 포함하는 제1 분말을 준비하는 단계와, 공기에 의해 형성된 분쇄 영역에 상기 제1 분말을 투입해 제2 분말을 형성하는 단계와, 상기 제2 분말을 포집하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 분산 용액은 상기 분말의 지지체 뿐 아니라 및 상기 기공 형성에도 사용되는 제3 재료를 포함할 수 있다.
상기 분산 용액을 몰드에 주입하는 단계와, 상기 몰드를 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 구조체를 산화 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 구조체를 반응 챔버의 반응 존으로 이송하는 단계와, 상기 반응 존을 구동시켜 상기 구조체를 이용하여 나노 재료를 합성하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 제1 재료를 포함하는 제1 분말을 나노화하고 제1 재료와 제2 재료를 포함하는 제2 분말을 형성하는 분말 형성기와, 상기 제2 분말을 포함하는 분산 용액을 형성하는 용액 형성기와, 상기 분산 용액이 주입되는 몰드와, 상기 몰드 내에 주입된 분산 용액을, 나노 재료의 합성을 위한 전구체를 포함하고, 기공을 갖는 다공성 구조체로 성형하는 성형기와, 상기 구조체를 이용하여 나노 재료를 형성하는 반응기를 포함하는 나노 재료의 제조장치를 개시한다.
상기 분말 형성기는, 공기에 의해 형성된 분쇄 영역을 포함하고, 상기 나노화 영역에 상기 제1 분말을 투입해 상기 제2 분말을 형성하도록 구비될 수 있다.
상기 용액 형성기는, 상기 제2 분말의 지지체 및 상기 기공 형성에 사용되는 제3 재료를 상기 분산 용액이 더 포함하도록 형성할 수 있다.
상기 성형기는 상기 분산 용액이 주입된 상기 몰드를 가열하도록 구비된 가열로를 더 포함할 수 있다.
상기 성형된 구조체를 산화 처리하는 산화 처리기를 더 포함할 수 있다.
상기 구조체에 나노 재료를 형성시키도록 구비된 반응 존을 포함하는 반응 챔버를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 관한 나노 재료의 제조방법 및 장치는, 대량 생산이 가능하고 생산 시간을 줄여 수율을 높게 할 수 있다.
또한 고순도의 나노 재료, 특히 BNNT를 제조할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 관한 나노재료의 제조방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 제1 분말 제조방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 분산용액의 제조방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 4는 다른 일 실시예에 따른 분산용액의 제조방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 5는 또 다른 일 실시예에 따른 분산용액의 제조방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 전구체 및 나노 재료 제조장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 제2 분말 제조장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 8은 다른 일 실시예에 따른 나노재료 제조장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 9는 전구체 구조체 성형용 몰드의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 10a는 나노 재료 합성을 위한 반응기의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 10b는 나노 재료 합성을 위한 반응기의 다른 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 11은 나노재료 합성반응을 위한 반응 모듈의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 12a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전구체의 SEM 사진이다.
도 12b는 비교예에 따라 제조된 전구체의 SEM 사진이다.
도 13a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 BNNT의 SEM사진이다.
도 13b는 비교예에 따라 제조된 BNNT의 SEM 사진이다.
도 2는 일 실시예에 따른 제1 분말 제조방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 분산용액의 제조방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 4는 다른 일 실시예에 따른 분산용액의 제조방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 5는 또 다른 일 실시예에 따른 분산용액의 제조방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 전구체 및 나노 재료 제조장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 제2 분말 제조장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 8은 다른 일 실시예에 따른 나노재료 제조장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 9는 전구체 구조체 성형용 몰드의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 10a는 나노 재료 합성을 위한 반응기의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 10b는 나노 재료 합성을 위한 반응기의 다른 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 11은 나노재료 합성반응을 위한 반응 모듈의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 12a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전구체의 SEM 사진이다.
도 12b는 비교예에 따라 제조된 전구체의 SEM 사진이다.
도 13a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 BNNT의 SEM사진이다.
도 13b는 비교예에 따라 제조된 BNNT의 SEM 사진이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
이하의 실시예에서, x축, y축 및 z축은 직교 좌표계 상의 세 축으로 한정되지 않고, 이를 포함하는 넓은 의미로 해석될 수 있다. 예를 들어, x축, y축 및 z축은 서로 직교할 수도 있지만, 서로 직교하지 않는 서로 다른 방향을 지칭할 수도 있다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 관한 나노 재료의 제조방법을 설명한다.
먼저 제1 재료를 포함하는 분말을 준비할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 분말은 미세하게 분쇄처리된 것일 수 있는 데, 제1재료를 포함할 수 있다.
선택적으로 도 1에 도시된 바와 같이 상기 분말의 준비는, 먼저 제1 분말을 형성하고(S1), 이 제1 분말을 분쇄 처리해(S2), 제2 분말을 형성 및 포집할 수 있다(S3).
일 실시예에 따르면, 상기 제1 분말은 제1 재료를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하여, 제1 분말의 형성 과정을 보다 구체적을 설명한다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 재료를 준비하고(S11), 제2 재료를 준비한다(S12).
선택적으로 제1 재료는 붕소를 포함할 수 있는 데, 예컨대 상기 붕소는 약 3 내지 5㎛ 직경을 갖는 것일 수 있다. 그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 0.01 내지 7㎛ 직경을 갖는 것일 수 있다.
상기 붕소는 결정성 및/또는 비정질 붕소일 수 있다.
결정성 붕소는 그 경도가 높기 때문에, 분쇄 단계, 예컨대 공기의 와류를 이용한 분쇄 공정 시에 용기로부터 생성되는 촉매 금속입자 파편의 분쇄에 기여할 뿐 아니라, 동시에 나노 크기의 붕소가 촉매 금속나노입자 표면에 코팅 또는 임베딩되어 효율이 좋은 시드 나노입자를 얻을 수 있다. 다만, 결정성 붕소를 사용하는 경우에는 분쇄하는 데 시간이 오래 걸릴 수 있고, 이로 인해 나노 재료, 예컨대 BNNT의 제조 공정 전체 시간이 오래 걸리도록 하여 생산성이 저감될 수 있다. 또한, 결정성 붕소를 사용할 경우, 촉매 금속나노입자가 필요 이상으로 생성될 수 있으며, 이는 최종적으로 제조되는 나노재료인 BNNT의 불순물로 작용하여 불순물 함량의 증대를 초래하고, 결국 BNNT의 순도를 저하시키는 원인이 된다. 나아가, 상기 불순물을 줄이기 위한 추가적인 정밀한 정제 공정이 요구되어, 제조 단가를 높이는 문제를 초래할 수 있다.
이로 인해, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 붕소는 결정성 붕소보다는 비정질 붕소를 사용할 수 있다. 비정질 붕소를 사용하는 경우에는 짧은 시간의 나노화 공정에 의해서도 붕소 나노 분말을 얻을 수 있다. 나아가, 고수율로 BNNT를 생성할 수 있다.
한편, 상기 제1 분말은 제2 재료를 더 포함할 수 있는 데, 선택적으로 상기 제2 재료는 촉매 물질일 수 있다. 선택적으로 상기 촉매는 분말 상으로 제공될 수 있다. 상기 촉매는 비정질 붕소에 더욱 효과적이다. 이는 비정질 붕소를 사용하는 경우, 공기의 와류에 의한 분쇄 과정에서 결정질 붕소를 사용하는 경우와 다르게 불순물 금속나노입자가 생성되지 않고 매우 짧은 시간에 많은 양의 전구체 나노분말을 제조할 수 있다. 이러한 촉매는 제1 분말의 분쇄 공정 중에 붕소 입자와 혼재되어 전구체 입자를 형성하며, 이 전구체 입자는 BNNT 합성 시 시드로서의 역할을 수행하여 질소와 반응함으로써, BNNT의 합성에 기여할 수 있다. 상기 촉매 물질은 Fe, Mg, Ni, Cr, Co, Zr, Mo, W, 및/또는 Ti 를 포함할 수 있다. 선택적으로 상기 촉매 물질은 MgO, Fe, FeO, Fe2O3, Li2O, 및 MgB2로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 또는 하나 이상의 물질일 수 있다.
상기 붕소와 촉매는 9.9:0.1 내지 7:3의 비율로 믹싱할 수 있다. 상기 촉매가 1% 미만이면 BNNT 제조에 필요한 충분한 촉매 입자를 얻을 수 없으며, 30%를 초과하면 공기의 와류에 의한 분쇄 공정에서 붕소-촉매 입자의 복합화를 통한 시드입자 제조에 효율적이지 못하고, 오히려 생성된 BNNT의 불순물로 작용할 수 있다.
이처럼 제1 재료와 제2 재료를 서로 믹싱한 후(S13), 이 혼합물을 균질화 처리한다(S14).
선택적 일 실시예에 따르면, 상기 균질화 처리는 상기 혼합 분말에 대한 메쉬 시빙(Sieving)을 포함할 수 있다. 상기 시빙은 교반기(agitator)를 이용할 수 있다.
이렇게 혼합 분말을 균질화 처리함으로써 제1 분말을 형성한다(S15).
다음으로, 도 1에서 볼 수 있듯이, 상기 제1 분말을 분쇄한다(S2).
선택적인 실시예에 따르면, 상기 제1 분말의 분쇄는 공기 와류를 이용할 수 있다. 즉, 제1 분말을 고압으로 회전하는 공기 와류에 투입함으로써 분쇄 작업을 진행한다. 일 실시예에 따르면, 차가운 공기를 고압으로 회전하여 사용할 수 있다. 일 실시예에 따르면 상기 제1 분말은 붕소 분말과 촉매 분말이 혼합된 상태일 수 있는 데, 상기 공기 와류에 의한 분쇄에 따라 붕소 분말이 최적량의 촉매 분말과 임베딩되어, 후술하는 BNNT 합성과 성장에 최적의 조건 및/또는 입자 사이즈를 제공할 수 있다.
이렇게 고압의 공기 와류를 이용하여 제1 분말을 분쇄함으로써 제2 분말을 형성하고, 이 제2 분말을 포집한다(S3).
제2 분말의 포집은 제2 분말이 포함된 공기를 멤브레인을 통과시키면서 제2 분말이 멤브레인에 의해 걸려져 포집부에 포집되도록 할 수 있다. 이러한 포집은 여러 단계에 걸쳐 이루어질 수 있다.
이렇게 제2 분말을 형성 및 포집한 이후, 이 제2 분말을 이용해 분산 용액을 형성하고(S4) 전구체 역할의 다공성 구조체로 성형 및 기공을 생성한다(S5, S6). 상기 구조체의 성형과 기공의 생성은 반드시 순차적으로 이루어지는 것은 아니며, 구조체가 형성되는 과정에서 기공이 생성되도록 할 수 있다.
도 3은 분산 용액의 제조 방법의 일 실시예를 나타낸 것이다.
먼저 제1 예비 용액을 형성한다(S41). 상기 제1 예비 용액은 상기 제2 분말과 탈이온수를 포함한다. 제2 분말과 탈이온수의 비율은 중량비로 대략 1:2일 수 있는 데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 제2 분말에 대하여 탈이온수는 중량비 1.5배 내지 4배의 범위일 수 있다.
이어 상기 제1 예비 용액을 제1 처리한다(S51). 상기 제1 처리에 의해 제1 예비 용액의 제2 분말과 탈이온수를 잘 혼합한다. 일 실시예에 따르면 상기 제1 처리는 혼 소니케이션(Horn sonication)일 수 있다.
선택적 일 실시예에 따르면, 상기 제1 예비 용액에 제3 재료 및 제4 재료를 첨가해 분산 용액을 형성한다(S42). 일 실시예에 따르면 상기 제3 재료는 수크로스(sucrose)를 포함할 수 있고, 제4 재료는 발포제일 수 있다.
수크로스는 탈이온수에 잘 용해될 수 있으며, 다공성 구조체 성형 시(도 1의 S5 참조) 열해리(thermal dissociation)를 통해 상기 구조체에 기포 및/또는 기공이 생성되도록 할 수 있고, 및/또는 해리 후 잔류하는 탄소는 제1 재료인 붕소에 대한 지지체의 역할을 할 수 있다.
선택적으로, 상기 제3 재료는 수용성 고분자를 사용할 수 있는 데, 스타치(starch), 몰라세스(molasses), 말토오스(maltose), 폴리프로필렌카보네이트(PPC), 폴리비닐알콜(PVA) 또는 폴리비닐부티랄(PVB)과 같은 비닐계, 및 에틸셀룰로스(EC)와 같은 셀룰로스계 등을 포함할 수 있다. 상기 제3 재료는 열해리 과정에서 구조체에 기포 및/또는 기공이 생성되도록 하고, 및/또는 해리 후 잔류하는 탄소는 제1 재료인 붕소에 대한 지지체의 역할을 할 수 있다.
발포제는 구조체 성형 시에 기포 및/또는 기공 생성을 크게 촉진시킬 수 있다. 상기 발포제로서 ADCA (Azodicarbonamide)가 사용될 수 있는 데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 선택적으로, 수용성이고 200℃ 이하에서 분해 가능한 발포제가 사용될 수 있다.
제3 재료 및 발포제의 기능은 후술하는 실시예에서도 동일하다.
이러한 기포 및/또는 기공 생성 과정은 도 6의 성형기(4)에서 일어날 수 있다.
일 실시예에 따르면 제2 분말과 수크로스의 비율은 중량비로 대략 1:2일 수 있는 데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 제2 분말에 대하여 수크로스는 중량비 0.5배 내지 4배의 범위일 수 있다.
제2 분말과 발포제의 비율은 중량비로 1:0.15의 비율일 수 있는 데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 제2 분말에 대하여 발포제는 0.05 내지 0.3배의 범위일 수 있다.
상기와 같이 제조된 용액에 대하여 제2 처리를 행한다(S52). 상기 제2 처리는 배스 소니케이션(Bath sonication)일 수 있다. 이렇게 제2 처리를 행함으로써, 용액 내 수크로스의 용해도를 향상하고 제 2 분말의 분산성을 향상시킬 수 있다.
이어 용액에 대하여 교반(S53)함으로써 분산 용액을 형성한다.
도 4는 분산 용액의 제조 방법의 다른 일 실시예를 나타낸 것이다.
먼저 제2 예비 용액을 형성한다(S43). 상기 제2 예비 용액은, 제3 재료인 수크로스(sucrose)가 용해된 탈이온수를 포함하며, 여기에 제2 분말을 섞어 제조될 수 있다.
이어 상기 제2 예비 용액을 제1 처리한다(S51). 상기 제1 처리에 의해 제2 예비 용액의 제2 분말과 제 3재료인 수크로스는 탈이온수와 잘 섞일 수 있고, 제 3재료의 용해도 및 제 2분말의 분산성을 향상 시키도록 할 수 있다. 일 실시예에 따르면 상기 제1 처리는 혼 소니케이션(Horn sonication)일 수 있다.
선택적 일 실시예에 따르면, 상기 제2 예비 용액에 제4 재료인 발포제를 첨가해 용액을 형성한다(S44).
이어 용액에 대하여 교반(S53)함으로써 분산 용액을 형성한다.
최종적으로 형성된 분산 용액의 성분 비율은 전술한 실시예와 동일하게 할 수 있다.
도 5는 분산 용액의 제조 방법의 또 다른 일 실시예를 나타낸 것이다.
먼저 제3 예비 용액을 형성한다(S45). 상기 제3 예비 용액은 제3 재료인 수크로스(sucrose) 일정량이 용해된 탈이온수를 포함할 수 있다. 이 제3 예비 용액에 제2 분말을 섞어 제4 예비 용액을 형성한다(S46).
그리고 제3 처리를 실시하는 데(S54), 제3 처리는 팁 소니케이션(tip sonication)일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 제3 처리(S54)는 상기 제4 예비 용액의 형성(S46)과 동시에 행할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 제4 예비 용액은 제3 예비 용액에 일정 량의 제2 분말을 한 번에 섞어 형성하는 것에 한정되는 것은 아니고, 제2 분말을 제3 예비 용액에 적은 양씩 복수 회 넣으면서, 동시에 제3 처리를 진행할 수 있다. 이는 전술한 실시예들의 각 예비 용액 및 용액 형성에도 동일하게 적용될 수 있다.
다음으로 제4 예비 용액에 제3 재료인 수크로스 나머지와 제4 재료인 발포제를 첨가해 용액을 형성한(S47) 후 이 용액을 교반(S53)함으로써 분산 용액을 형성한다.
최종적으로 형성된 분산 용액의 성분 비율은 전술한 실시예와 동일하게 할 수 있다.
이처럼 전술한 실시예들에 따르면, 제1 처리, 제2 처리 및/또는 제3 처리에 의해 수크로스가 탈이온수에 잘 용해되고, 제 2분말의 표면을 수크로스 성분으로 코팅하고 제2 분말의 분산성을 향상할 수 있으며, 이에 더하여 제4 재료의 첨가를 통해 구조체 성형 시 기포 및/또는 기공 형성 효과가 더욱 높아질 수 있다.
뿐만 아니라 제3 재료인 수크로스는, 몰드 내에서 분산 용액의 온도가 상승함에 따라 melting하여 점도가 올라가며, 추가로 온도가 상승하면서 열해리를 통해 기포 및/또는 기공을 발생시켜 구조체 내부의 기공도를 증가시키고, 열해리의 잔류물인 탄소는 구조체의 제2 분말에 대한 지지체 역할을 수행할 수 있다.
상기와 같은 용액의 제조 후에는 이를 이용해 전구체인 블록형 구조체가 성형되고, 이를 질소 분위기에서 반응시켜 나노 재료를 형성할 수 있다(S7).
구조체의 성형은, 전술한 분산 용액을 특정 몰드에 수용한 상태에서 가열로 내에서 베이킹 공정을 거쳐 이루어진다. 베이킹은 150 내지 250℃의 범위에서 이루어질 수 있다. 이때 분산 용액 내의 수크로스는 가열로의 온도가 올라가면서 용융되기 시작하며 200℃ 근처에서 열해리되어 물(수증기) 및 카본으로 분해된다. 수증기는 구조체의 내부에 기공을 형성하는 역할을 수행하고, 카본은 잔여물로 남아 구조체 내부의 지지체 역할을 수행한다. 또한 200℃ 근처에서 분산 용액 내의 발포제는 열해리하여 이산화탄소를 발생시켜 구조체의 내부에 균일한 기공을 형성하는 역할을 수행한다. 이러한 과정을 통해 구조체 내부에 충분한 기공이 형성된 전구체가 성형될 수 있다. 여기서, 발포제의 종류에 따라 열해리 온도는 다를 수 있다.
선택적 실시예에 따르면, 블록 형태의 다공성 전구체 구조체는, 베이킹 공정에 더하여 베이킹된 구조체를 산화 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
산화 처리는 300 내지 600℃의 로 내에서 이루어질 수 있다.
이러한 산화 처리에 의해 구조체 내에 남아 있던 카본의 적어도 30 내지 60%를 제거할 수 있고, 이에 따라 순도 높은 양질의 나노 재료를 제조할 수 있다.
구조체의 성형이 끝난 후에는, 상기 구조체를 이용해 나노 재료를 형성한다(S7).
이러한 나노 재료는 블록형 전구체 구조체를 반응 챔버의 반응 존에서 반응 가스에 의해 나노 재료가 성장되도록 할 수 있다. 보다 구체적으로는 후술하기로 한다.
한편, 상기와 같은 전구체 구조체를 성형하기 위한 제조 장치를 설명한다.
일 실시예에 따른 나노 재료의 제조장치는, 도 6을 참조할 수 있듯이, 분말 형성기(1)와, 용액 형성기(2)와, 용액 처리기(3)와, 성형기(4) 및 반응기(6)를 포함할 수 있다.
분말 형성기(1)는 도 7에서 볼 수 있듯이, 제1 재료 투입기(11)와 제2 재료 투입기(12), 믹싱기(13), 균질화 처리기(14), 분쇄 처리기(15) 및 제2 분말 포집기(16)를 포함할 수 있다.
제1 재료 투입기(11)는 제1 재료를 보관하고 자동으로 및/또는 수동으로 투입하도록 구비될 수 있다. 제2 재료 투입기(12)도 제2 재료를 보관하고 자동으로 및/또는 수동으로 투입하도록 구비될 수 있다.
제1 재료 투입기(11)와 제2 재료 투입기(12)로부터 제공된 제1 재료와 제2 재료는 믹싱기(13)로 공급되어 서로 섞이게 된다. 믹싱은 미리 설정된 비율로 이루어질 수 있다.
이 후 믹싱된 재료들은 균질화 처리기(14)를 거치면서 균질화될 수 있다. 일 실시예에 따르면 상기 균질화 처리기(14)는 시빙기 및/또는 교반기를 포함할 수 있다. 따라서 균질화 처리기(14)를 통해 믹싱된 재료는 일정 입도의 범위로 균질화되어 제1 분말을 형성할 수 있다.
다음으로, 균질화 처리된 제1 분말은 분쇄 처리기(15)로 이송되고, 분쇄 처리기(15)를 통해 분쇄되어 제2 분말을 형성하고, 제2 분말 포집기(16)를 통해 포집된다.
일 실시예에 따르면, 분쇄 처리기(15)는 공기 와류를 이용할 수 있다. 고압의 공기 와류에 제1 분말을 제공함으로써 제1 분말이 분쇄되고 이에 따라 제2 분말이 형성될 수 있다.
이렇게 형성된 제2 분말은 제2 분말 포집기(16)를 통해 포집될 수 있다.
제2 분말 포집기(16)는 멤브레인과 포집부를 포함할 수 있는 데, 제2 분말이 포함된 공기를 멤브레인을 통과시키면서 제2 분말이 멤브레인에 의해 걸려져 포집부에 포집되도록 할 수 있다. 이러한 포집은 여러 단계에 걸쳐 이루어질 수 있다.
용액 형성기(2)와 용액 처리기(3)는 서로 복합적으로 구비될 수 있다. 용액 형성기(2)는 제2 분말, 제3 재료, 제4 재료 및 탈이온수를 일정한 비율로 혼합 용기에 투입 및 혼합할 수 있는 장치가 될 수 있다.
이러한 용액 형성기(2)와 함께 제조된 용액 및/또는 각 단계의 예비 용액에 대하여 용액 처리기(3)가 연계되어 운용될 수 있다.
상기 용액 처리기(3)는 혼 소니케이터, 배스 소니케이터, 및/또는 팁 소니케이터를 포함할 수 있다. 및/또는 상기 용액 처리기(3)는 교반기를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 용액 형성기(2)를 통해 제1 예비 용액을 형성한다. 상기 제1 예비 용액은 상기 제2 분말과 탈이온수를 포함한다. 제2 분말과 탈이온수의 비율은 중량비로 대략 1:2일 수 있는 데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 제2 분말에 대하여 탈이온수는 중량비 0.5배 내지 4배의 범위일 수 있다.
이어 용액 처리기(3)의 제1 처리기를 통해 상기 제1 예비 용액을 제1 처리한다. 상기 제1 처리에 의해 제2 분말은 탈이온수 내에서 잘 분산할 수 있다. 일 실시예에 따르면 상기 제1 처리기는 혼 소니케이터일 수 있다.
용액 형성기(2)를 통해, 상기 제1 예비 용액에 제3 재료 및 제4 재료를 첨가해 용액을 형성한다. 일 실시예에 따르면 상기 제3 재료는 수크로스(sucrose)을 포함할 수 있고, 제4 재료는 발포제일 수 있다. 일 실시예에 따르면 제2 분말과 수크로스의 비율은 중량비로 대략 1:2일 수 있는 데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 제2 분말에 대하여 수크로스는 중량비 0.5배 내지 4배의 범위일 수 있다. 제2 분말과 발포제의 비율은 중량비로 1:0.15의 비율일 수 있는 데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 제2 분말에 대하여 발포제는 0.05 내지 0.3의 범위일 수 있다.
상기와 같이 제조된 용액에 대하여 추가로 용액 처리기(3)의 제2 처리기를 통해 제2 처리를 행한다. 상기 제2 처리기는 배스 소니케이터일 수 있다. 이렇게 제2 처리를 행함으로써, 용액에 제 3재료인 수크로스를 잘 녹일 있고 추가로 혼합물을 균일하게 분산시킬 수 있다.
이어 용액 처리기(3)의 교반기를 이용해 용액에 대하여 교반한다.
다른 일 실시예에 따르면, 용액 형성기(2)를 이용해 제2 예비 용액을 형성한다. 상기 제2 예비 용액은 제3 재료인 수크로스(sucrose) 일부와 탈이온수를 포함한다. 이 제2 예비 용액에 제2 분말을 섞는다.
이어 용액 처리기(3)의 제1 처리기를 통해 제2 예비 용액을 제1 처리한다. 상기 제1 처리에 의해 제2 분말과 탈이온수는 잘 섞일 수 있고 수크로스는 잘 녹을 수 있다. 일 실시예에 따르면 상기 제1 처리기는 혼 소니케이터일 수 있다.
용액 형성기(2)를 이용해, 상기 제2 예비 용액에 제3 재료의 나머지와 제4 재료인 발포제를 첨가해 용액을 형성한다.
이어 용액 처리기(3)의 교반기를 이용해 용액에 대하여 교반한다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 용액 형성기(2)를 이용해 제3 예비 용액을 형성한다. 상기 제3 예비 용액은 제3 재료인 수크로스(sucrose) 일부와 탈이온수를 포함할 수 있다. 이 제3 예비 용액에 제2 분말을 섞어 제4 예비 용액을 형성한다.
그리고 용액 처리기(3)의 제3 처리기를 통해 제4 예비 용액에 제3 처리를 실시하는 데, 제3 처리기는 팁 소니케이터일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 제3 처리는 상기 제4 예비 용액의 형성과 동시에 행할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 제4 예비 용액은 제3 예비 용액에 일정 량의 제2 분말을 한 번에 섞어 형성하는 것에 한정되는 것은 아니고, 제2 분말을 제3 예비 용액에 적은 양씩 복수 회 넣으면서, 동시에 제3 처리를 진행할 수 있다. 이는 전술한 실시예들의 각 예비 용액 및 용액 형성에도 동일하게 적용될 수 있다.
다음으로 용액 형성기(2)를 이용해 제4 예비 용액에 제3 재료인 수크로스 나머지와 제4 재료인 발포제를 첨가해 용액을 형성한 후 용액 처리기(3)의 교반기를 이용해 용액을 교반한다. 최종적으로 용액의 성분 비율은 전술한 실시예와 동일하게 할 수 있다.
이렇게 용액을 형성한 후에는 몰드(21)에 용액을 주입해 성형기(4)를 통해 성형한다. 몰드(21)는 도 9에서 볼 수 있듯이, 복수 개가 병렬로 연결된 구조를 가질 수 있다. 몰드(21)의 내벽에는 코팅층(22)을 형성할 수 있다. 상기 코팅층(22)은 내열성(heat resistance), 내화학성(chemical resistance), 비점착성(non-stick), 비유성(non-wetting)을 갖도록 구비될 수 있다.
몰드(21) 내에 주입된 분산 용액(23)은 온도가 상승하면서 일정 정도의 기포(24)가 포함될 수 있다.
성형기(4)는 상기와 같은 몰드(21)가 복수 개 수용되도록 구비된 베이킹 로를 포함할 수 있다. 베이킹은 150 내지 250℃의 온도 범위로 작동될 수 있다.
다른 일 실시예에 따른 나노재료의 제조장치는 도 8에서 볼 수 있듯이, 성형기(4)와 별도의 산화 처리기(5)가 더 배치될 수 있다. 상기 산화 처리기(5)는 성형기(4)에 인접하게 위치하는 로가 될 수 있다. 상기 산화 처리기(5)는 성형된 구조체의 탄소를 산화시키기 위하여, 공기 또는 산소가 주입되면서 300 내지 600℃의 온도 범위로 작동될 수 있다.
다만 상기 성형기(4)와 산화 처리기(5)는 반드시 분리되게 구비되어야 하는 것은 아니며, 하나의 장치에 대하여 온도 범위 설정을 달리 함으로써 서로 다른 동작이 이뤄지도록 할 수 있다. 이 때 산화 처리기(5)에는 산화를 돕기 위하여 가스 환경이 다르게, 즉 공기 또는 산소가 주입되도록 할 수 있다.
상기와 같이 성형 및/또는 산화 처리가 완료된 후에는 전구체 구조체가 얻어진다.
이러한 전구체 구조체는 블록 형태 또는 디스크 형태로 형성될 수도 있고, 또는 팰릿 형태로 형성될 수도 있다.
이러한 전구체 구조체를 가열된 반응기 내로 이동시켜 반응 가스를 제공함으로써 나노 재료를 형성한다. 일 실시예로서, BNNT의 성장은 전구체 구조체를 질소 반응 가스에 의해 반응시켜 제조할 수 있다.
상기 반응기의 일 실시예가 도 10a에 도시되어 있는 데, 반응 챔버(31), 투입 챔버(321), 및 배출 챔버(322)를 포함할 수 있다.
반응 챔버(31)는 전술한 전구체 구조체가 수용되는 것으로, 반응 챔버(31)에는 전구체 구조체들을 수용한 반응모듈(38)을 이송하는 이송경로가 형성되고, 이송경로 상의 일부에는 전구체 구조체로 반응 가스를 제공하여 나노 재료를 성장시키는 반응 존을 포함하고 있다.
반응 존(311)은 반응을 위한 적정 온도가 유지될 수 있는 영역이며 가스 공급관(33)에 의해 반응 가스가 제공되는 영역이다. 일 실시예에 따르면, 상기 반응 가스는 질소 함유 반응 가스일 수 있으며, 이에 따라 전구체 구조체로부터 BNNT가 성장할 수 있다. 구체적으로 반응 챔버(31)에 공급되는 반응 가스는 특별히 한정되지 않으나, 질소(N2)나 암모니아(NH3)를 사용할 수 있음은 물론, 이들을 혼합하여 혼합가스로서 반응 챔버(31)에 공급될 수 있다. 또는 추가적으로 수소(H2)를 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 반응가스는 반응 챔버(31)에 10 내지 1,000 sccm의 속도로 공급될 수 있다. 10 sccm 미만으로 반응가스가 공급되면 질소 원소의 공급량이 적어 붕소의 질화 반응 효율이 저하하며, 이로 인해 장시간 동안 반응을 수행할 필요가 있고, 1,000 sccm을 초과하면 반응가스의 빠른 이동속도에 의해 전구체 구조체 내 붕소 분말이 어블레이션(ablation)되어 BNNT 생산 수율이 적어질 수 있다.
상기 반응 챔버(31) 내에서의 열처리는 1,050 내지 1,450℃의 온도범위에서 0.5 내지 6시간 동안 수행함으로써 BNNT를 얻을 수 있다.
이러한 반응 챔버(31)는 알루미나 관을 이용할 수 있는 데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 대략 1500℃까지의 온도를 견딜 수 있는 내열 재료로 형성될 수 있다.
이러한 반응 챔버(31)의 전단과 후단에는 각각 투입 챔버(321)와 배출 챔버(322)가 연결될 수 있고, 반응 챔버(31)와 투입 챔버(321)의 사이 및 반응챔버(31)와 배출 챔버(322)의 사이에는 게이트(323, 323')가 설치되어 챔버 내 환경을 분리시킬 수 있다.
진공 처리부(미도시)는 반응 챔버(31)와 연결되어 반응 챔버(31) 내부의 진공도를 조절할 수 있는 데, 이를 위해 진공 펌프 및 컨트롤러를 포함할 수 있다. 상기 진공 처리부는 투입 챔버 (321)에 연결되어 있는 데, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 배출 챔버(322)에 더 연결될 수 있다.
상기 반응 챔버(31)에는 온도 조절부(미도시)가 연결될 수 있는 데, 도면에 도시하지 않았지만, 상기 반응 챔버(31) 내부의 온도를 직접 조절하는 히팅부와 히팅부를 컨트롤하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
투입 챔버(321)는 반응 챔버(31)의 전단에 구비된다. 투입 챔버(321)는 다수의 반응모듈(38)을 수용하고, 다수의 반응모듈 중 N개의 반응모듈을 반응 챔버(31)로 이송한다. 투입 챔버(321)에는 반응모듈(38)을 푸싱하기 위한 푸싱장치가 마련될 수 있다. 투입 챔버(321)는 이를 통해 수용되어 있는 반응모듈을 반응 챔버(31)로 밀어 넣을 수 있다.
배출 챔버(322)는 반응 챔버(31)의 후단에 구비된다. 배출 챔버(322)는 반응 챔버(31)로부터 N개의 반응모듈(38)을 이송받는다.
반응모듈(38)을 반응 챔버(31)에 연속 투입하기 위하여 투입 챔버(321), 반응 챔버(31) 및 배출 챔버(322)는 유기적으로 동작할 수 있다.
구체적으로, 투입 챔버(321)는 반응 챔버(31)로 연속하여 N개의 반응모듈(38)을 공급하기 위해 반응 챔버(31)에서 N개의 반응모듈(38)을 배출 챔버(322)로 이송하면, 다수의 반응모듈 중 새로운 N개의 반응모듈을 반응 챔버(31)로 이송한다.
이러한 과정을 통해 상기 투입 챔버(321)에 수용되어 있던 다수의 반응모듈(38)이 전부 반응 챔버(31)에 이송되는 경우, 투입 챔버(321)는 더 이상 반응 챔버(31)로 반응모듈을 이송하지 않고 동작이 종료된다.
도 10a에서 볼 수 있는 바와 같이, 투입 챔버(321)는 다수의 반응모듈(38)을 반응 챔버(31)로 연속 공급하기 위한 다양한 형태의 리프트를 마련할 수 있다. 예를 들어, 투입 챔버(321)가 수직 형태로 다수의 반응모듈(38)을 수용하는 경우에는, 다수의 반응모듈을 실장하기 위한 복수의 반응모듈 홀딩 유닛이 투입 챔버(321) 내에 수직 배열되어 있을 수 있다. 복수의 반응모듈 홀딩 유닛 각각에는 반응모듈(38)이 실장되어 있어, 다수의 반응모듈을 투입 챔버(321)의 길이 방향을 따라 투입 챔버(321) 내에서 리프트를 통해 승강 이동시킬 수 있다.
또는, 도 10b와 같이, 투입 챔버(321)는 순환 궤도상에 배열된 형태로 다수의 반응모듈을 수용하는 경우가 있을 수 있다. 이때, 투입 챔버(321) 내에는 다수의 반응모듈(38)을 실장하기 위한 복수의 반응모듈 홀딩 유닛이 순환 궤도 상에 배열되어 있고, 복수의 반응모듈 홀딩 유닛 각각에 실장된 반응모듈은 순환 궤도에 따라 리프트를 통해 순환이동할 수 있다.
위와 같은 투입 챔버(321), 반응 챔버(31) 및 배출 챔버(322)의 유기적인 동작을 제어하기 위한 제어부가 마련될 수 있다.
이하, 반응모듈(38)이 연속하여 반응 챔버(31)에 투입되는 공정을 설명한다.
먼저, 반응 챔버(31) 내의 온도 및 가스 분위기를 최적화한 후, 전구체 구조체가 수용된 반응모듈(38)을 투입 챔버(321)를 통해 반응 챔버(31) 내로 수용한다. 이 때, 투입 챔버(321)와 반응 챔버(31) 사이에는 게이트(323)가 위치함으로 반응 챔버(31) 내부 분위기를 최대한 유지하면서 반응모듈(38)을 반응 챔버(31)에 수용할 수 있다.
투입 챔버(321) 내에는 반응모듈(38)을 반응 챔버(31)의 방향으로 이송할 수 있는 상술한 리프트와 추가적으로 게이트(323), 및 진공 펌프가 설치될 수 되어 반응 챔버(31)의 게이트(323)가 열렸을 때 투입 챔버(321)와 반응 챔버(31)의 반응 가스분위기와 압력이 일치될 수 있도록 작동하며, 반응모듈(38)을 투입 챔버(321)에서 반응 챔버(31)로 이송하고, 이송 후에는 게이트(323)가 닫히도록 한다.
게이트(323)가 닫히면 다시 투입 챔버(321)의 부속 게이트가 열리고 새로운 반응모듈을 투입하고 게이트가 닫히는 동작을 수행하며, 이를 전술한 공정으로 반응 챔버(31) 내로 이송한다. 이러한 동작 시, 투입 챔버(321)는 부속 게이트와 진공펌프를 이용하여 반응모듈의 전구체 구조체가 오염되지 않도록 하며, 투입 챔버(321)의 내부가 반응 챔버(31)의 분위기와 유사하게 만들어 준다.
이와 같은 방식에 따라 순차로 반응모듈(38)이 배출 챔버(322)의 방향으로 이송되어, 반응 챔버(31) 내에 반응모듈이 수평으로 적층된 상태가 될 수 있다.
반응 챔버(31)는 설정된 시간 동안 반응 존(311)을 구동시켜 반응존(311)에 위치한 반응모듈로 반응 가스를 제공하여 전구체 구조체에 질화붕소나노튜브를 성장시키는 공정을 수행한다.
이러한 과정에서 반응모듈(38)이 반응 존(311)의 중앙에 놓였을 때에 반응 가스와의 반응이 최고로 유지될 수 있도록 반응 가스 공급량이 조절될 수 있다.
위와 같은 연속 동작은 투입 챔버(321)에 적어도 하나 이상의 반응모듈을 수용하기 위한 수용공간이 마련되어 있는 경우, 다음과 같이 응용될 수 있다.
투입 챔버(321)의 수용공간으로부터 반응 챔버(31)를 향해 반응모듈을 연속으로 이송할 수 있는 이송장치는 투입 챔버(321)에 수용되어 있는 반응모듈들을 지지하면서 투입 챔버(321)의 길이방향을 따라 반응 챔버(31)의 전단을 향하여 이송할 수 있다.
이를 통해 투입 챔버(321) 내에 적어도 하나 이상의 반응모듈을 수용시켜 둘 수 있게 되므로, 반응 챔버(31)에 반응모듈이 이송될 때마다 투입 챔버(321)의 부속 게이트에 새로운 반응모듈(38)을 개별적으로 투입할 필요가 없어진다.
이후, 투입 챔버(321) 및 반응 챔버(31)의 사이에 위치하는 게이트(323)는 반응모듈이 이송장치(미도시)에 의하여 반응 챔버(31) 전단 쪽으로 이송되면 개방되는 동작을 수행한다.
상기 투입 챔버(321) 및 반응 챔버(31)의 사이에 위치하는 게이트(323)은 반응모듈이 이송장치에 의해 반응 챔버(31) 내로 이송되면 폐쇄되는 동작을 수행한다.
다만, 바람직하게는 상기 투입 챔버(321) 및 반응 챔버(31)의 사이에 위치하는 게이트(323)가 폐쇄되는 동작은 반응 챔버(31) 내에 수용할 수 있는 반응모듈의 개수인 소정의 개수만큼 반응모듈이 연속적으로 투입 챔버(321)로부터 반응 챔버(31) 내로 이송되고 나서 수행될 수 있다.
이를 통해 적어도 하나 이상의 반응모듈이 동시에 반응 챔버(31) 내에 수용되어 상기 반응 가스와 반응할 수 있다.
한편, 배출 챔버(322)는 투입 챔버(321)가 반응모듈을 반응 챔버(31)로 이송하는 동작을 역으로 수행하여 반응모듈을 반응 챔버(31)로부터 배출시키는 동작을 수행할 수 있다.
도면에는 도시되지 않았으나, 배출 챔버(322) 내에는 반응모듈을 반응 챔버(31)로부터 토출할 수 있는 별도의 이송 장치와 추가적으로 게이트(323'), 및 진공 펌프가 설치될 수 되어 반응 챔버(31) 및 배출 챔버(322) 사이의 게이트(323')가 열렸을 때 배출 챔버(322)와 반응 챔버(31)의 반응 가스 분위기와 압력이 일치될 수 있도록 작동하며, 반응모듈을 배출 챔버(322)로 이송하고, 이송 후에는 게이트(323')가 닫히도록 한다.
게이트(323')가 닫히면 다시 배출 챔버(322)의 부속 게이트가 열리고 반응이 완료된 반응모듈을 꺼낸 뒤 상기 부속 게이트가 닫히는 동작을 수행하며, 이를 전술한 공정으로 반응 챔버(31)로부터 반응이 완료된 반응모듈을 토출시킨다. 이러한 동작 시, 배출 챔버(322)는 부속 게이트를 열기 전에 진공펌프를 이용하여 대기와 유사한 질소분위기로 치환하고 반응모듈의 토출 후에는 게이트(323')가 열리기 전 반응챔버(31)의 전구체 블럭이 오염되지 않도록 하며, 배출 챔버(322)의 내부가 반응 챔버(31)의 분위기와 유사하게 만들어 준다.
이와 같은 방식에 따라 순차로 반응이 완료된 반응모듈이 외부로 토출될 수 있다.
이후 게이트(323')가 열려 배출 챔버(322)로 반응모듈이 이동하며, 게이트(323')가 닫힌 후에 배출 챔버(322)로부터 반응모듈이 토출될 수 있다.
위와 같은 연속 동작은 배출 챔버(322)에 적어도 하나 이상의 반응모듈을 수용하기 위한 수용공간이 마련되어 있는 경우, 다음과 같이 응용될 수 있다.
배출 챔버(322)의 수용공간을 향해 반응이 완료된 반응모듈을 반응 챔버(31)로부터 연속으로 이송할 수 있는 이송장치는 배출 챔버(322)에 수용되어 있는 반응모듈(38)들을 지지하면서 배출 챔버(322)의 길이방향을 따라 배출 챔버(322)의 부속 게이트를 향하여 이송할 수 있다.
이를 통해 배출 챔버(322) 내에 적어도 하나 이상의 반응모듈을 수용시켜 둘 수 있게 되므로, 반응 챔버(31)에 반응모듈이 이송될 때마다 배출 챔버(322)의 부속 게이트를 통해 반응이 완료된 반응모듈을 개별적으로 꺼낼 필요가 없어진다.
이후, 배출 챔버(322) 및 반응 챔버(31)의 사이에 위치하는 게이트(323')는 반응모듈이 이송장치(미도시)에 의하여 반응 챔버(31)의 후단으로 이송되면 개방되는 동작을 수행한다.
다시 배출 챔버(322) 및 반응 챔버(31)의 사이에 위치하는 게이트(323')은 반응모듈이 반응 챔버(31) 내로 이송되면 폐쇄되는 동작을 수행한다.
다만, 바람직하게는 상기 배출 챔버(322) 및 반응 챔버(31)의 사이에 위치하는 게이트(323')가 폐쇄되는 동작은 반응 챔버(31) 내에 수용할 수 있는 반응모듈의 개수인 소정의 개수만큼 반응모듈이 연속적으로 투입 챔버(321)로부터 반응 챔버(31) 내로 이송되고 나서 수행될 수 있다.
일반적으로 사용되는 배치 타입의 방법으로 분말을 열처리하여 BNNT를 성장시킬 경우, 단수의 반응모듈을 장착한 후 열처리 장치의 온도상승-온도유지-BN합성-BNNT성장-온도하강-상온냉각-반응물 수거의 단계를 거쳐야 하기 때문에 단수의 반응모듈로 인해 일회 생산량에 한계가 있고, 에너지, 시간 등의 비용 상승으로 경제성이 담보되기 어렵다.
그러나 본 발명의 실시예에 따르면, 상기와 같은 방법으로 인라인상으로 연속 동작으로 BNNT를 제조하기 때문에 BNNT 제조의 수율 및 생산성을 극대화할 수 있다.
상기와 같은 반응 챔버(31) 내에 전술한 반응모듈(38) 내부에 전구체 구조체(7)배치될 수 있는 데, 도 11에서 볼 수 있듯이, 거치대(37)가 적어도 하나 이상 복수 개의 전구체 구조체(7)들을 관통하도록 한 후, 이 거치대(37)를 반응 챔버(31) 내의 적어도 반응존(311)에 위치하도록 할 수 있다. 상기 거치대(37)는 반응 챔버(31)의 길이 방향에 수평한 방향으로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 위의 전구체 구조체(7)을 수용하기 위해 도 11에 도시된 바와 같은 반응모듈이 마련될 수 있다.
반응모듈에는 적어도 하나 이상 복수개의 전구체 구조체(7)가 관통 설치된 상술한 거치대(37)를 수용한다.
즉, 도 11에서 볼 수 있듯이, 반응모듈(38)을 이용하여 전구체 구조체들(7)을 수용하고, 이 반응모듈을 도 10a 및 10b에서 볼 수 있듯이 반응 챔버(31) 내에 연속 공급할 수 있다.
상기 반응 반응모듈은, 서로 대향된 한 쌍의 서포트(381)와, 이 서포트들(381) 사이에 상기 거치대(37)가 수용되는 수용공간을 갖는 하우징(382)을 포함한다. 상기 거치대(37)는 상기 서포트들(381)과 결합되도록 할 수 있다. 서포트(381)와 거치대(37)는 서로 착탈 가능하도록 서포트(381)에 형성된 홀에 상기 거치대(37)가 관통하여 구비될 수 있고, 상기 거치대(37)에 전술한 바와 같이 전구체 구조체들(7)이 배열되도록 할 수 있다. 상기 서포트(381)는 내열 재료인 알루미나로 형성될 수 있는 데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도면에 도시하지는 않았지만, 서포트(381)에는 적어도 하나 이상의 구멍이 형성될 수 있다. 상기 구멍을 통해 반응 반응모듈 내에서 반응 가스의 압력이 서포트(381)에 의해서 과도하게 유지되는 것을 방지하고, 반응 챔버(31) 내의 반응 가스 압력을 적당하게 유지시킬 수 있다. 이 구멍은 한 쌍의 서포트(381)에 대칭적인 위치에 위치하도록 함으로써 반응 가스가 양쪽으로 균일한 흐름을 원활하게 갖도록 할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 실시예에 따르면, 거치대(37)에 적어도 하나 이상, 또는 복수개의 전구체 구조체들(7)이 배치되도록 함으로써 동시에 적어도 하나 이상, 또는 복수개의 전구체 구조체(7)로 BNNT를 합성-성장시킬 수 있다. 따라서 반응 챔버(31) 내의 반응 공간을 최대한 활용할 수 있어 생산성 및/또는 양산성을 극대화할 수 있다.
전구체 구조체들(7)은 거치대(37)에 일정 간격 이격되도록 배치될 수 있는 데, 전구체 구조체들(7) 사이 간격을 조절함으로써, 반응 챔버(31) 내에 투입되는 전구체 블럭 수를 조절할 수 있다.
상기 거치대(37)에는 적어도 하나의 노치(미도시)를 형성하여, 이 노치(미도시)를 따라 전구체 구조체(7)가 거치대(37)에 고정되도록 할 수 있다. 따라서 이 노치(미도시) 간격을 조절함으로써 장착되는 전구체 구조체의 간격 및/또는 수를 조절할 수 있다.
도 12a는 도 3 내지 도 5 중 적어도 하나와 같이 형성된 용액을 이용하여 만들어진 전구체 구조체의 SEM 사진이고, 도 12b는 용액을 이용하지 않고, 제2 분말을 바인더와 혼합하여 소결시켜 형성한 전구체 구조체의 SEM 사진이다. 그리고 도 13a는 도 12a의 전구체 구조체를 반응시켜 형성한 BNNT 나노 재료의 SEM 사진이고, 도 13b는 도 12b의 전구체 구조체를 반응시켜 형성한 BNNT 나노 재료의 SEM 사진이다. 상기 바인더는 전구체 분말인 제2 분말을 소성하여 질화 반응시키는 고온의 열처리 단계에서 대부분 승화하여 기상으로 제거될 수 있다.
도 12a와 같이 본 발명의 용액을 이용한 방법으로 형성된 전구체 구조체는 도 12b에 도시된 바와 같이 제2 분말을 바인더와 혼합하여 소결시켜 얻은 전구체 구조체에 비해 기공이 작고 균질하게 배치되어 있음을 알 수 있다. 또한 이렇게 얻어진 BNNT 나노 재료도 도 13a에서 볼 수 있는 구조체의 조직 상 BNNT 합성이 도 13b에서 볼 수 있는 구조체의 조직 상 BNNT 합성보다 균질하고 미세한 불순물이 적은 고품질의 BNNT를 이루는 것을 알 수 있다.
이처럼 본 발명과 같이 분산 용액을 이용하여 준비된 다공성 전구체 구조체로 나노 재료를 형성하는 것이 고품질의 나노재료를 얻는 데 유리하다. 뿐만 아니라, 분산 용액을 이용하여 구조체를 성형하는 경우, 나노 전구체 분말입자의 분산성을 향상시킬 수 있고, 몰드를 이용하여 성형이 쉽고 빠르기 때문에 대량으로 전구체 구조체를 얻는 데에 유리해 생산성이 더욱 높아지게 된다.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
실시예에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시 예들로서, 어떠한 방법으로도 실시 예의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
실시예의 명세서(특히 특허청구범위에서')에서 "상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 실시 예에서 범위(range')를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면'), 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 마지막으로, 실시 예에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 실시 예들이 한정되는 것은 아니다. 실시 예에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예를 들어, 등등')의 사용은 단순히 실시 예를 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 실시 예의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
Claims (12)
- 붕소를 포함하는 제1 재료와 촉매 물질을 포함하는 제2 재료를 포함하는 분말을 준비하는 단계;
상기 분말을 포함하는 분산 용액을 형성하는 단계;
상기 분산 용액을 몰드에 주입하고, 상기 몰드를 가열하여 나노 재료의 합성을 위한 전구체인 구조체를 성형하는 단계;
상기 구조체에 기공을 생성하는 단계; 및
상기 구조체를 이용하여 나노 재료를 합성하는 단계;를 포함하고,
상기 분산 용액은 상기 분말의 지지체 및 상기 기공 형성에 사용되는 제3 재료와 상기 기공 형성에 사용되는 제4 재료를 더 포함하고,
상기 제3 재료는 수크로스 또는 수용성 고분자를 포함하고, 상기 제4재료는 발포제를 포함하며,
상기 가열에 의해 상기 제3 재료와 상기 제4 재료는 열해리하여 상기 기공을 형성하는 나노 재료의 제조방법. - 제1 항에 있어서,
상기 분말을 준비하는 단계는,
상기 제1 재료와 상기 제2 재료를 포함하는 제1 분말을 준비하는 단계;
공기에 의해 형성된 분쇄 영역에 상기 제1 분말을 투입해 제2 분말을 형성하는 단계; 및
상기 제2 분말을 포집하는 단계;를 포함하는 나노 재료의 제조방법. - 제1 항에 있어서,
상기 촉매 물질은 MgO, Fe, FeO, Fe2O3, Li2O, 및 MgB2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 나노 재료의 제조방법. - 제1 항에 있어서,
상기 제3 재료는 상기 구조체 내부에 탄소를 포함하는 지지체를 형성하는 나노 재료의 제조방법. - 제1 항에 있어서,
상기 구조체를 산화 처리하는 단계를 더 포함하는 나노 재료의 제조방법. - 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구조체를 반응 챔버의 반응 존으로 이송하는 단계; 및
상기 반응 존을 구동시켜 상기 구조체를 이용하여 나노 재료를 합성하는 단계를 포함하는 나노 재료의 제조방법. - 제1 재료를 포함하는 제1 분말을 나노화하고, 제1 재료 및 제2 재료를 포함하는 제2 분말을 형성하는 분말 형성기;
상기 제2 분말을 포함하는 분산 용액을 형성하는 용액 형성기;
상기 분산 용액이 주입되는 몰드;
상기 몰드 내에 주입된 분산 용액을, 나노 재료의 합성을 위한 전구체를 포함하고 기공을 갖는 다공성 구조체로 성형하는 성형기; 및
상기 구조체를 이용하여 나노 재료를 형성하는 반응기;를 포함하고,
상기 제1 재료는 붕소를 포함하고, 상기 제2 재료는 촉매물질을 포함하며
상기 용액 형성기는, 상기 기공 형성과 상기 제2 분말의 지지체로 사용되는 제3 재료 및 상기 기공 형성에 사용되는 제4 재료를 상기 분산 용액이 더 포함하도록 형성하며,
상기 성형기는, 상기 분산 용액이 주입된 상기 몰드를 가열하도록 구비된 가열로를 더 포함하고, 상기 가열에 의해 상기 제3 재료와 상기 제4 재료는 열해리하여 상기 기공을 형성하고,
상기 제3 재료는 수크로스 또는 수용성 고분자를 포함하고, 상기 제4재료는 발포제를 포함하는 나노 재료의 제조장치. - 제7 항에 있어서,
상기 분말 형성기는, 공기에 의해 형성된 분쇄 영역을 포함하고, 나노화 영역에 상기 제1 분말을 투입해 상기 제2 분말을 형성하도록 구비된 나노 재료의 제조장치. - 제7 항에 있어서,
상기 촉매 물질은 MgO, Fe, FeO, Fe2O3, Li2O, 및 MgB2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 나노 재료의 제조장치. - 제7 항에 있어서,
상기 제3 재료는 상기 구조체 내부에 탄소를 포함하는 지지체를 형성하는 나노 재료의 제조장치. - 제7 항에 있어서,
상기 성형된 구조체를 산화 처리하는 산화 처리기를 더 포함하는 나노 재료의 제조장치. - 제7 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구조체에 나노 재료를 형성시키도록 구비된 반응 존을 포함하는 반응 챔버를 더 포함하는 나노 재료의 제조장치.
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