KR102609520B1 - 탄소 나노튜브 제품 제조 시스템 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
탄소 나노튜브 제품 제조 방법으로서, 미정렬 탄소 나노튜브 재료를 고체 용매 입자와 혼합하는 단계; 고체 용매 입자를 액화시켜 나노튜브 용매를 활성화시키는 단계; 미정렬 탄소 나노튜브 재료와 나노튜브 용매를 믹싱하여 나노튜브 도핑 용액을 제조하는 단계; 나노튜브 도핑 용액을 압출하여 탄소 나노튜브 원형 제품을 형성하는 단계; 및 탄소 나노튜브 원형 제품을 응고시켜서 정렬된 탄소 나노튜브 제품을 형성하는 단계를 포함하는, 탄소 나노튜브 제품 제조 방법.
Description
본 발명의 실시형태는 일반적으로 탄소 나노튜브 제품을 제조하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
탄소 나노튜브 분자로 만든 제품은 많은 기술 분야에서 응용되고 있다. 특히 탄소 나노튜브 섬유 및 시트 생산에 대한 연구 및 개발은 무수히 많은 여러 방향을 취하고 있다. 그러나, 탄소 나노튜브 제품의 특성을 이용하고자 하는 요망에 따라, 일관되게 생산 가능한 고품질 탄소 나노튜브 제품의 이용 가능성이 관심사가 되었다.
따라서, 고품질 탄소 나노튜브 제품을 제조하는 시스템에 대한 요구가 여전히 있다. 소비자의 기대가 높아지고 있고 시장에서 의미 있는 제품 차별화를 위한 기회가 감소함에 따라 상업적 경쟁 압력이 지속적으로 증가하고 있음을 고려할 때, 이러한 문제에 대한 해답을 찾는 것이 점점 더 중요 해지고 있다. 또한, 비용 절감, 효율성 및 성능 향상, 경쟁 압력 충족에 대한 요구는 이러한 문제에 대한 해답을 찾아야 하는 중대한 필요성에 훨씬 더 긴박감을 더하고 있다.
이러한 문제에 대한 해결책은 오랫동안 모색되어 왔지만, 이전의 개발은 어떤 해결책도 가르쳐주거나 제안하지 못했고, 따라서 이러한 문제에 대한 해결책은 오랫동안 당업자에게서 벗어나 있었다.
본 발명의 일 실시형태는 탄소 나노튜브 제품 제조 방법을 제공하는 바, 본 방법은 미정렬 탄소 나노튜브 재료를 고체 용매 입자와 혼합하는(blending) 단계; 고체 용매 입자를 액화시켜 나노튜브 용매를 활성화시키는 단계; 미정렬 탄소 나노튜브 재료와 나노튜브 용매를 믹싱하여 나노튜브 도핑 용액을 제조하는 단계; 나노튜브 도핑 용액을 압출하여 탄소 나노튜브 원형 제품(proto-product)을 형성하는 단계; 및 탄소 나노튜브 원형 제품을 응고시켜서 정렬된 탄소 나노튜브 제품을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태는 탄소 나노튜브 제품 제조 방법을 제공하는 바, 본 방법은 미정렬 탄소 나노튜브 재료를 용매 전구체 재료와 믹싱하는 단계; 용매 전구체를 용매 활성화제와 반응시켜 나노튜브 용매를 활성화시키는 단계; 미정렬 탄소 나노튜브 재료와 나노튜브 용매를 믹싱하여 나노튜브 도핑 용액을 제조하는 단계; 나노튜브 도핑 용액을 압출하여 탄소 나노튜브 원형 제품을 형성하는 단계; 및 탄소 나노튜브 원형 제품을 응고시켜서 정렬된 탄소 나노튜브 제품을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태는 탄소 나노튜브 제품 제조 시스템을 제공하는 바, 본 시스템은 미정렬 탄소 나노튜브 재료를 고체 용매 입자와 혼합하도록 구성된 고체 상태 혼합 유닛(blending unit); 고체 용매 입자를 액화시켜 나노튜브 용매를 활성화시키도록 구성되며, 미정렬 탄소 나노튜브 재료와 나노튜브 용매를 믹싱하여 나노튜브 도핑 용액을 생성하도록 구성된, 균질화 유닛; 나노튜브 도핑 용액을 탄소 나노튜브 원형 제품으로 압출하도록 구성된 압출 조립체; 및 탄소 나노튜브 원형 제품을 정렬된 탄소 나노튜브 제품으로 응고시키도록 구성된 응고 모듈을 포함한다.
본 발명의 특정 실시형태는 상기 언급된 것들에 추가하거나 또는 그 대신에 다른 단계들 또는 요소들을 갖는다. 그러한 단계들 또는 요소들은 당업자에게 있어서는 첨부 도면을 참조하여 다음의 상세한 설명을 읽음으로써 명백해지게 될 것이다.
도 1은 탄소 나노튜브 제품 제조 시스템에 대한 개략도이다.
도 2는 도 1의 탄소 나노튜브 제품 제조 시스템의 믹싱 모듈의 개략도이다.
도 3은 도 1의 탄소 나노튜브 제품 제조 시스템의 압출 모듈의 개략도이다.
도 4는 도 1의 탄소 나노튜브 제품 제조 시스템의 응고 모듈의 개략도이다.
도 5는 도 1의 탄소 나노튜브 제품 제조 시스템의 제조후 모듈(post-production module)의 개략도이다.
도 6은 도 1의 탄소 나노튜브 제품 제조 시스템에 의한 도 1의 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)의 제조 방법의 흐름도이다.
도 2는 도 1의 탄소 나노튜브 제품 제조 시스템의 믹싱 모듈의 개략도이다.
도 3은 도 1의 탄소 나노튜브 제품 제조 시스템의 압출 모듈의 개략도이다.
도 4는 도 1의 탄소 나노튜브 제품 제조 시스템의 응고 모듈의 개략도이다.
도 5는 도 1의 탄소 나노튜브 제품 제조 시스템의 제조후 모듈(post-production module)의 개략도이다.
도 6은 도 1의 탄소 나노튜브 제품 제조 시스템에 의한 도 1의 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)의 제조 방법의 흐름도이다.
일반적으로, 본 발명은 미정렬 탄소 나노튜브 재료를 처리하는 시스템, 방법, 및 장치에 관한 것이다. 일 양태는 정렬된 탄소 나노튜브 재료를 다양한 형태로 제조하는 시스템에 관한 것이다. 본원에 개시된 바와 같은 시스템은 정렬된 탄소 나노튜브 재료를 제조하기 위한 모듈형 유닛, 조립체, 장치 등을 포함한다.
다음의 실시형태는 당업자가 본 발명을 만들고 사용할 수 있도록 충분히 상세하게 설명된다. 다른 실시형태들은 본 개시내용에 기초하면 명백해질 것이라는 점과, 시스템, 공정, 또는 기계적 변경이 본 발명의 실시형태의 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 점을 이해해야 한다.
다음의 설명에서는, 본 발명을 완전하게 이해할 수 있게 하기 위해 다수의 특정 세부 사항이 제공된다. 그러나, 본 발명은 이러한 특정 세부 사항 없이도 실시될 수 있음은 명백할 것이다. 본 발명의 실시형태를 모호하게 하는 것을 피하기 위해, 일부 공지된 회로, 시스템 구성, 및 공정 단계는 상세히 개시되지 않는다.
시스템의 실시형태를 보여주는 도면은 실척이 아닌 반도식적인 것이며, 특히 일부 치수는 표현의 명확성을 위한 것이며 도면에 과장되게 도시되어 있다. 유사하게, 설명을 쉽게 하기 위한 도면에서의 시선들은 일반적으로 유사한 방향을 나타내지만, 도면에서의 이러한 묘사는 대부분 임의적이다. 일반적으로, 본 발명은 임의의 방향으로 작동될 수 있다.
편의를 위해, 본 출원 전체에 사용된 특정 용어들을 여기에 모은다. 달리 정의되지 않는 한, 본원에서 사용되는 모든 기술 및 과학 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다.
탄소 나노튜브 재료와 관련하여, 용어 "실질적으로 순수한"은 탄소 나노튜브 재료를 구성하는 탄소 나노튜브 분자와 관련하여 순도가 적어도 약 75%, 바람직하게는 적어도 약 85%, 더 바람직하게는 적어도 약 90%, 가장 바람직하게는 95%인 탄소 나노튜브 재료를 지칭한다. 바꾸어 말하면, 탄소 나노튜브 재료와 관련하여, "실질적으로 순수한" 또는 "본질적으로 정제된"이라는 용어는 원하는 탄소 나노튜브 재료의 분자가 아닌 분자를 약 20% 보다 적은 수, 보다 바람직하게는 약 15%, 10%, 8%, 7%보다 적은 수, 가장 바람직하게는 약 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 또는 1% 미만보다 적은 수로 함유하는 탄소 나노튜브 재료를 지칭한다.
본원에서 사용되는 용어 "포함하는" 또는 "포함한다"는, 본 발명에 필수적인 조성물, 방법, 및 그 각각의 성분(들)과 관련하여 사용되지만, 필수 여부에 관계없이 불특정 요소를 포함하는 것도 열어 놓고 있다. 추가 예로서, 원소 A 및 B를 포함하는 조성물은 A, B, 및 C로 구성된 조성물도 포함한다. "포함하는"이라는 용어는 "주로 포함하지만 오로지 필수적인 것은 아님"을 의미한다. 더욱이, "포함한다" 등과 같은, "포함하는"의 변형어는 상응하여 변화된 의미를 갖는다. 용어 "본질적으로 구성되는"은 "적어도 하나를 주로 포함하지만 오로지 필수적인 것은 아님"을 의미하고, 그렇기 때문에 "하나 이상의 선택 및 임의의 조합"을 의미하는 것으로 의도된다. 명세서의 맥락에서, "포함하는"이라는 용어는 "주로 포함하지만 오로지 필수적인 것은 아님"을 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "본질적으로 구성되는"은 소정의 실시형태에 필요한 요소들을 지칭한다. 이 용어는 본 발명의 실시형태의 기본적이고 신규하거나 기능적인 특성(들)에 현저하게 영향을 미치지 않는 추가 요소들의 존재를 허용한다.
용어 "구성되는"은 본원에 기술된 바와 같은 조성물들, 방법들, 및 이들 각각의 성분들을 지칭하는데, 실시형태의 해당 설명에서 상술되지 않은 임의의 요소는 배제한다.
본 명세서와 첨부된 청구범위에서 사용되는 단수 형태("a," "an," 및 "the")는 문맥상 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수의 언급 대상을 포함한다. 따라서, 예를 들어, "방법"이라는 언급은 본원에 설명되고/되거나 본 개시내용 등을 읽을 때 당업자에게 명백해지게 되는 하나 이상의 방법 및/또는 단계들을 포함한다.
전술한 상세한 설명과 하기 실시예들은 단지 예시일 뿐이며 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 받아들여서는 안 된다는 것이 이해된다. 당업자에게 명백해질 것인, 개시된 실시형태에 대한 다양한 변경 및 수정이, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다.
본 발명은 본원에 기술된 특정 방법론, 프로토콜, 및 시약 등에 제한되지 않으며 그렇기 때문에 다양해질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 본원에서 사용된 용어는 단지 특정 실시형태를 설명하기 위한 것이지, 오로지 청구범위에 의해서만 정의되는 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니다.
도 1을 참조하면, 탄소 나노튜브 제품 제조 시스템(100)에 대한 개략도가 도시되어 있다. 탄소 나노튜브 제품 제조 시스템(100)은 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)로 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)을 제조할 수 있다. 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)는 다수의 탄소 나노튜브 분자(106)를 포함하는 구조체이다. 예를 들어, 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)는 저밀도의 벌크 고체 섬유질 구조체일 수 있다. 탄소 나노튜브 분자(106)는 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104) 및 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102) 내의 개별 탄소 나노튜브 매크로 분자이다. 예로서, 탄소 나노튜브 분자(106)는 단일 벽 탄소 나노튜브 분자일 수 있지만, 탄소 나노튜브 분자(106)는 이중 벽 탄소 나노튜브 분자, 다중 벽 탄소 나노튜브 분자, 또는 이들의 조합 등과 같은 기타 구조, 모양, 또는 형태로 이루어져 있을 수 있는 것으로 이해된다. 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)에 있어서, 탄소 나노튜브 분자들(106)은 분자간 끌어당기는 반데르발스 힘에 의해 무작위로 배향되고 함께 유지될 수 있다.
정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)은 탄소 나노튜브 분자들(106)을 그 탄소 나노튜브 분자들(106)의 축방향으로, 길이 방향으로, 길이의 장축을 따라, 또는 이들의 조합을 따라 정렬시킴으로써 형성된 재료이다. 일반적으로, 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)은 분자간 끌어당기는 반데르발스 힘을 극복하여서 분자간 끌어당기는 힘을 재확립함으로써 - 이는 아주 바람직한 기계적 특성의 기초를 제공함 - 탄소 나노튜브 분자들(106) 각각을 서로 분리시킴으로써 제조할 수 있다. 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)은 다수의 여러 형태로 제조될 수 있다. 예를 들어, 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)은 스레드(thread), 얀(yarn), 시트, 섬유, 발포체(foam), 또는 테이프와 같은 기타 재료 또는 구조체에 조립 또는 통합될 수 있는 필라멘트, 섬유, 필름, 또는 이들의 조합의 형태일 수 있다. 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)은 그 제품끼리 또는 다른 유형의 재료와 결합될 수 있다.
정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)을 제조하기 위해 선택된 탄소 나노튜브 분자(106)는 길이 대 직경(L/D)인 종횡비와, G-밴드 대 D-밴드(G/D) 비율에 의해 결정된 순도를 가지고 특징지을 수 있다. 예를 들어, 탄소 나노튜브 분자(106)는 바람직하게는 500 초과의 종횡비 및 4 초과의 G/D 비율을 가질 수 있고, 더 바람직하게는 탄소 나노튜브 분자(106)는 1000 초과의 종횡비 및 6 초과의 G/D 비율을 가질 수 있으며, 가장 바람직하게는 탄소 나노튜브 분자(106)는 2000 초과의 종횡비 및 10 초과의 G/D 비율을 가질 수 있다.
탄소 나노튜브 제품 제조 시스템(100)은 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)을 제조하기 위한 하나 이상의 처리 모듈을 포함할 수 있다. 각각의 처리 모듈은 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)을 제조하기 위한 기기(device), 기계, 기구(mechanism), 조립체, 물리적 결합 도구, 또는 이들의 조합과 같은 하나 이상의 물리적 처리 유닛을 포함할 수 있다. 탄소 나노튜브 제품 제조 시스템(100)의 유닛들의 예는 믹싱 모듈(110), 압출 모듈(120), 응고 모듈(130), 제조후 모듈(140), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 추가 예로서, 압출 모듈(120)이 균질화 유닛(220)에 결합되고, 응고 모듈(130)이 압출 모듈(130)에 결합되고, 제조후 모듈(140)이 응고 모듈(130)에 결합될 수 있다. 또 다른 예에서, 상기 모듈들은 통합된 인라인 연속 또는 반연속 공정일 수 있다.
믹싱 모듈(110)은 압출 가능한 탄소 나노튜브 분자(106)의 용액을 제조하기 위한 것이다. 예를 들어, 믹싱 모듈(110)은 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)로 나노튜브 도핑 용액(112)을 제조하기 위한 처리 유닛을 포함할 수 있다. 나노튜브 도핑 용액(112)은 탄소 나노튜브 분자들(106)이 용매 중에 서로 분리되어 있는 액체 용액이다. 일부 실시형태에서, 믹싱 모듈(110)은 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)의 고체 상태 혼합, 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)의 용해 및 액체 상태 믹싱, 또는 이들이 조합된 것을 위한 유닛을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 믹싱 모듈(110)은 나노튜브 도핑 용액(112)의 농도를 조정하기 위한 유닛을 포함할 수 있다. 믹싱 모듈(110)에 대한 세부 사항은 아래에서 더 논의될 것이다.
압출 모듈(120)은 나노튜브 도핑 용액(112)을 처리하여 탄소 나노튜브 원형 제품(122)을 형성하기 위한 것이다. 예를 들어, 압출 모듈(120)은 탄소 나노튜브 원형 제품(122)이 형성되기 전에 나노튜브 도핑 용액(112)의 온도, 압력, 화학적 조성, 또는 이들의 조합을 균질화하기 위한 것이다. 탄소 나노튜브 원형 제품(122)은 탄소 나노튜브 분자들(106)의 완전한 정렬 전의 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)의 초기 물리적 형태를 갖는 재료이다. 예를 들어, 주로 용매로 이루어진 조성 - 이는 부피 또는 중량 분율로 측정됨 - 을 갖는 탄소 나노튜브 원형 제품(112)이 압출 모듈(120)에 의해 제조될 수 있다. 일부 실시형태에서, 압출 모듈(120)은 나노튜브 도핑 용액(112)을 정제하고 나노튜브 도핑 용액(112)을 다양한 물리적 형태 및 모양, 또는 이들의 조합으로 성형하기 위한 처리 유닛을 포함할 수 있다. 압출 모듈(120)에 대한 세부 사항은 아래에서 더 논의될 것이다.
응고 모듈(130)은 탄소 나노튜브 원형 제품(122)로 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)을 제조하기 위한 것이다. 일부 실시형태에서, 응고 모듈(130)은 탄소 나노튜브 원형 제품(122)을 응고시키거나, 탄소 나노튜브 원형 제품(122) 내의 탄소 나노튜브 분자들(106)에 정렬을 부여하거나, 또는 이들의 조합을 행하는 처리 유닛을 포함할 수 있다. 응고 모듈(130)에 대한 세부 사항은 아래에서 더 논의될 것이다.
제조후 모듈(140)은 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)을 향상시키거나 개질하기 위한 것이다. 일부 실시형태에서, 후처리 모듈(140)은 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)을 정제하고 선택적으로 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)의 개질하기 위한 처리 유닛, 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)의 물리적 형태를 조작 또는 변경하기 위한 처리 유닛, 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)을 추가 구조체 또는 추가 재료 또는 이들의 조합에 통합시키기 위한 처리 유닛을 포함할 수 있다. 제조후 모듈(140)에 대한 세부 사항은 아래에서 더 논의될 것이다.
일부 실시형태에서, 탄소 나노튜브 제품 제조 시스템(100)은 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)을 탄소 나노튜브 필라멘트, 섬유, 또는 필름으로 제조할 수 있다. 예를 들어, 탄소 나노튜브 제품 제조 시스템(100)에 의해 제조된 필라멘트, 섬유, 또는 필름 형태의 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)은 인장 강도, 연신율, 응력 피로, 다공도 또는 공극률, 분자 정렬, 순도, 전기 전도도, 또는 이들의 조합과 같은 하나 이상의 특성을 가지고 특징지을 수 있다. 다음은 탄소 나노튜브 제품 제조 시스템(100)을 통해 달성된, 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)의 특성의 예이다.
정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)의 인장 강도 특성은 3 GPa를 초과할 수 있다. 일반적으로, 탄소 나노튜브 분자(106)의 인장 강도는 약 60 GPa이다. 탄소 나노튜브 제품 제조 시스템(100)은 분자 규모 특성의 최대 40%를 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)의 거시적 규모로 변환하는 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)로서, 24 GPa를 갖는 CNT 섬유를 산출할 수 있는, 정렬된 탄소 나노튜브 제품을 제조할 수 있다. 비교를 위해, 케블라(Kevlar)는 약 3.6 GPa를 지탱하지만, 많은 다양한 등급의 케블라를 사용할 수 있다.
정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)의 연신율 특성은 파단 시까지의 연신율이 0.5% 내지 10%일 수 있다. 탄소 나노튜브 제품 제조 시스템(100)은 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)이 연신율을 희생시켜서 더 강하고 단단해질 수 있도록 하거나 그 반대의 경우도 이루어질 수 있도록 하는 강도와 연신율 간의 절충에 맞춰질 수 있다.
정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)에 대한 응력 피로 특성은 15% 변형에서 파손될 때까지 수십억 사이클의 변형을 겪는다. 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)의 다공도 또는 공극률 특성은, 브루나우어-에메트-텔러(Brunauer-Emmett-Teller)(BET)의 질소(N2) 또는 이산화탄소(CO2) 가스 흡수법에 의해 결정된 것으로서 바람직하게는 20% 미만, 더 바람직하게는 10% 미만, 가장 바람직하게는 5% 미만인 공극률일 수 있다. 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)의 분자 정렬의 특성은, X선 및 중성자 회절과 같은 회절 또는 산란 기술을 통해 측정된 것으로서 바람직하게는 0.8을 초과하고, 더 바람직하게는 0.9, 가장 바람직하게는 0.95인 헤르만(Herman) 방위 계수일 수 있다. 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)의 순도 특성은, 라만 분광법으로 측정된 것으로서 바람직하게는 5를 초과하고, 더 바람직하게는 10을 초과하고, 가장 바람직하게는 20을 초과하는 G/D 비율일 수 있다. 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)의 전기 전도도 특성은 10^6 S/m을 초과할 수 있다.
탄소 나노튜브 제품 제조 시스템(100)은 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)과 조립될 수 있는 장치 및 부품을 제조하기 위한 추가 유닛 또는 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)으로부터 조립된 장치 및 컴포넌트는 와이어 안테나, 패치 안테나, 코일 변압기, 동축 케이블을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)은 로프, 원사, 직조 직물, 수지 사전 함침 테이프 또는 직물, 발포체, 촙 섬유 충전재, 또는 적층 필름과 같은 기타 구조체에 통합되는 컴포넌트일 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 도 1의 탄소 나노튜브 제품 제조 시스템(100)의 믹싱 모듈(110)의 개략도가 도시되어 있다. 믹싱 모듈(110)은 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)로 나노튜브 도핑 용액(112)을 제조하기 위한 하나 이상의 처리 유닛을 포함할 수 있다. 예를 들어, 믹싱 모듈(110)은 혼합 유닛(202), 균질화 유닛(220), 농도 조정 유닛(230), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
혼합 유닛(202)은 재료의 고체 상태 분쇄, 분류, 혼합(blending), 또는 이들의 조합 작업을 행하기 위한 것이다. 더 구체적으로, 혼합 유닛(202)은 이송 중에 자발적으로 분리(separate 또는 segregate)되지 않을 자유 유동성 건조 분말 블렌드 재료를 제조할 수 있다. 예를 들어, 일 실시형태에서, 혼합 유닛(202)은, 고체 상태 블렌드(208)가 제조되도록 하기 위해, 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104) 전체에 고체 용매 입자(206)로서의 나노튜브 용매(204)를 균일하게 분산시키도록 구성될 수 있다. 일반적으로, 나노튜브 용매(204)는 고체 용매 입자(206)로 응고되기 때문에, 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)와 고체 용매 입자(206)의 고체 상태 블렌드(208)는 건조 혼합물(mixture)이다. 다른 실시형태에서, 혼합 유닛(202)은, 고체 상태 블렌드(202)가 제조되도록 하기 위해, 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104) 전체에 용매 전구체 재료(240)를 균일하게 분산시키도록 구성될 수 있다. 추가 실시형태에서, 혼합 유닛(202)은 나노튜브 용매(204)를 추가하지 않고서 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)를 물리적으로 처리하도록 구성될 수 있다.
한 예에 있어서, 나노튜브 용매(204)는 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104) 중의 탄소 나노튜브 분자(106)를 용해시킬 수 있는 용매이다. 더 구체적으로, 나노튜브 용매(204)는 탄소 나노튜브 분자(106)의 sp2 탄소 격자 상의 비편재화 π 전자를 양성화할 수 있다. 예를 들어, 탄소 나노튜브 용매(204)는, 예컨대 클로로설폰산(HSO3Cl), 플루오로설폰산, 플루오로황산, 염산, 메탄설폰산, 질산, 플루오르화수소산, 플루오로안티몬산, 매직산, 또는 임의의 기타 유형의 카르보란계 산과 같은, 산일 수 있다. 다른 예로서, 나노튜브 용매(204)는 임계점을 넘은 온도 및 압력에 있는 물질인 초임계 유체일 수 있다. 초임계 유체로서의 나노튜브 용매(204)는 이 경우에 있어서는 탄소 나노튜브 분자(106)인 용질 분자들 간의 정전기적 상호 작용의 스크리닝을 제공하여서, 표면 장력 효과 및 입자간 상호 작용을 무효화시키고 본원에 설명된 나노튜브 도핑 용액(112)으로서의 용액 처리를 가능하게 한다. 나노튜브 용매(204)의 임계점을 지난 온도 및 압력은 탄소 나노튜브 분자(106)의 최대 용해도를 유지하도록 조절되어서, 초임계 상태의 나노튜브 용매(204)가 모든 사실상의 목적을 위해 비열(athermal)로 간주될 수 있도록 할 수 있다. 한 예로서, 초임계 유체로서의 나노튜브 용매(204)는 초임계 이산화탄소를 포함할 수 있다.
용매 전구체 재료(240)는 그 단독으로는 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)를 용해시킬 수 없는 화합물이다. 일반적으로, 용매 전구체 재료(240)는 나노튜브 용매(204)가 제조되도록 하기 위해 용매 활성화제(242)와 믹싱되거나, 반응하거나, 또는 믹싱되고 반응할 수 있는 고체 재료이다. 용매 전구체 재료(240)와 용매 활성화제(242)의 예시적인 조합은 각각, 분말 형태의 오염화인과, 황산일 수 있다.
일 실시형태에서, 혼합 유닛(202)은 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)와 고체 용매 입자(206)를 수용하고 혼합하도록 구성된 혼합 챔버(210)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 혼합 챔버(210)는 원추형 용기일 수 있다. 특정 예로서, 혼합 챔버(210)는 고체 상태 블렌드(208)의 배출을 용이하게 하기 위해 45° 내지 75°, 가장 바람직하게는 60°의 안식각을 갖는 벽을 포함할 수 있다. 예시적인 목적을 위해, 혼합 챔버(210)는 원추형을 취한 것으로 도시되어 있지만, 혼합 챔버(210)는 원통형, 난형 프로파일, 또는 달걀 형상과 같은 그 밖의 다른 형상 또는 형태로 이루어질 수 있음을 이해해야 한다.
혼합 유닛(202)은 혼합 챔버(210) 내에 혼합 요소들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 혼합 요소는 혼합 챔버(210)의 내면에 의해 획정된 경로를 이동하는 나선형 스크류일 수 있다.
혼합 요소는 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)의 물리적 분리를 위한 분리 기구를 포함할 수 있다. 예를 들어, 분리 기구는 소형 강모(bristle), 집게발(claw), 또는 갈고리(hook)일 수 있다. 분리 기구는 혼합 요소의 표면에 부착하거나 그 표면으로부터 확장될 수 있다. 예를 들어, 혼합 요소는 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)를 떼어놓기 위해 그 혼합 요소의 표면을 따라 분리 기구들을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 혼합 요소는 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)의 표면을 고체 용매 입자(206)에 노출시킬 수 있다. 일부 실시형태에서, 혼합 요소는 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)의 표면을 용매 전구체 재료(240)에 노출시킬 수 있다.
혼합 유닛(202)은 혼합 챔버(210)의 상부 및 측면으로부터의 충전 능력을 구비한다. 예를 들어, 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)에 대한 충전 능력은 하나 이상의 기계식 공급기 기구(feeder mechanism)를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 액체 상태의 나노튜브 용매(204)에 대한 혼합 유닛(202)의 충전 능력은 혼합 유닛(202) 내의 다양한 위치에 위치한 하나 이상의 스프레이 노즐, 미스트 노즐, 분무기, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 특정 예로서, 분무 노즐 또는 분무기는 비정질 또는 결정질 입자 형태의 고체 용매 입자(206)의 형성을 촉진하기 위해 나노튜브 용매(204)를 액적 크기의 액체 형태로 분배하도록 하는 방식으로 구성될 수 있다. 다른 실시형태에서, 나노튜브 용매(204)에 대한 혼합 유닛(202)의 충전 능력은 고체 용매 입자(206) 또는 용매 전구체 재료(240)를 도입시키는 능력을 포함할 수 있다.
고체 충전 능력의 예는 분말 디스펜서 또는 분말 코팅 기구를 포함할 수 있다. 혼합 유닛(202)은 고체 상태 블렌드(208)를 혼합 유닛(202)의 바닥을 통해 배출하는 능력을 포함할 수 있다.
혼합 유닛(202)은 블렌드 재순환 루프(218)를 포함할 수 있다. 블렌드 재순환 루프(218)는 혼합 유닛(202) 주위의 폐쇄된 재순환 루프일 수 있다. 블렌드 재순환 루프(218)는 혼합 유닛(202)이 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)를 그 혼합 유닛(202)을 통해 연속적으로 재순환시킬 수 있게 한다.
혼합 유닛(202)은 온도 제어 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 온도 제어 장치는 절연 층, 액체 질소 재킷식 냉각 시스템, 또는 액체 헬륨 재킷식 냉각 시스템, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
혼합 유닛(202)은 균질화 유닛(220)에 결합될 수 있다. 균질화 유닛(220)은 나노튜브 도핑 용액(112)을 제조하기 위한 것이다. 균질화 유닛(220)은 밀폐된 왕복 혼련 조립체와 같은 밀폐된 믹싱 챔버(224) 내에 믹싱 요소를 포함하는 장치 또는 기기일 수 있다. 예를 들어, 균질화 유닛(220)은 배럴에 둘러싸인 단일 스크류 또는 트윈 스크류 혼련 조립체로서의 믹싱 요소와 수평으로 배향될 수 있다. 믹싱 요소는 균질화 유닛(220) 내에서의 재료의 믹싱을 위해 낮은 중간 수준의 전단을 제공할 수 있다. 균질화 유닛(220)은 믹싱 요소와 밀폐된 믹싱 챔버(224)의 상호 교환 가능성을 허용하도록 구성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 균질화 유닛(220)은 믹싱 챔버(224)를 따르는 충전 능력을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 믹싱 챔버(224)는 용매 활성화제(242)를 믹싱 챔버(224) 내로 도입시키기 위한 스프레이 헤드들 또는 노즐들을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 믹싱 챔버(224)는 나노튜브 용매(204)를 믹싱 챔버(224) 내로 도입시키기 위한 스프레이 헤드들 또는 노즐들을 포함할 수 있다.
밀폐된 믹싱 챔버(224)는 휘발성 가스 제거 능력을 포함할 수 있다. 특히, 밀폐된 믹싱 챔버(224)는, 나노튜브 용매(204)에서 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)가 용해되는 동안 생성되거나, 용매 전구체 재료(240)와 용매 활성화제(242)가 반응하는 동안 생성되거나, 또는 이들이 조합된 과정 동안에 생성되는, 염산(HCl) 가스와 같은, 가스 및 기타 휘발성 부산물을 배출시킬 수 있다.
균질화 유닛(220)은 당해 균질화 유닛(220) 내의 온도를 모니터링, 변경, 유지, 또는 이들의 조합을 수행하기 위한 온도 제어 능력을 포함할 수 있다. 예를 들어, 균질화 유닛(220)은 온도를 소정의 시간에 걸쳐 점진적으로 또는 증분식으로 증가시킬 수 있다. 일부 실시형태에서, 균질화 유닛(220)의 온도 제어 능력은 고체 용매 입자(206)의 나노튜브 용매(204)로의 액체 상태의 제어된 액화를 가능하게 할 수 있다. 다른 실시형태에서, 균질화 유닛(220)의 온도 제어 능력은 용매 전구체 재료(240)와 용매 활성화제(242) 사이의 반응, 믹싱, 또는 이들의 조합을 제어하기 위해 온도를 점진적으로 증가시킬 수 있다.
측정 유닛들이 나노튜브 도핑 용액(112)의 품질을 모니터링하기 위해 균질화 유닛(220)을 따라 하나 이상의 위치에 포함될 수 있다. 예를 들어, 측정 유닛들은 탄소 나노튜브 백본의 양성자화로 인한 파장 변화(wavelength shift)를 측정하는 분광계를 포함한 인라인 센서 유닛들일 수 있다. 다른 예로서, 측정 유닛들은 나노튜브 도핑 용액(112)의 유변학적 평가를 위한 기기들일 수 있다. 다른 예에 있어서, 측정 유닛들은 나노튜브 도핑 용액(112)의 복굴절을 광학적으로 측정하기 위한 기기들일 수 있다.
균질화 유닛(220)은 나노튜브 도핑 용액(112)을 당해 균질화 유닛(220)을 통해 재순환시킬 수 있게 하는 유동 재순환 루프(226)를 포함할 수 있다. 고전단 믹서와 같은 추가적인 믹싱 하드웨어가 유동 재순환 루프(226)를 따라 포함될 수 있다.
선택적으로, 믹싱 모듈(110)은 점선 윤곽 화살표로 표시된 바와 같이 농도 조정 유닛(230)을 포함할 수 있다. 농도 조정 유닛(230)은 나노튜브 도핑 용액(112)의 농도를 조정하기 위한 것이다. 농도 조정 유닛(230)은 특정 양의 나노튜브 용매(204)를 나노튜브 도핑 용액(112)으로부터 제거하거나 또는 나노튜브 도핑 용액에 첨가하도록 구성된 하나 이상의 압력 및 온도 제어식 용기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 농도 조정 유닛(230)은 나노튜브 도핑 용액(112)으로부터 나노튜브 용매(204)를 증발시키도록 구성된 하나 이상의 증류 컬럼 또는 장치를 포함할 수 있다. 예시를 위해, 농도 조정 유닛(230)은 단일 예의 증류 장치를 가지고 도시되어 있지만, 농도 조정 유닛(230)은 나노튜브 도핑 용액(112)을 처리하기 위해 병렬로, 직렬로, 또는 이들의 조합 방식으로 서로 결합된 다수의 예의 증류 장치를 포함할 수 있음을 이해하게 된다. 다른 예에서, 농도 조정 유닛(230)은 나노튜브 도핑 용액(112)을 당해 농도 조정 유닛(230)을 통해 재순환시킬 수 있게 하는 농도 재순환 루프(232)를 포함할 수 있다.
농도 조정 유닛(230)은 다양한 분위기 조건 및 조성에서 작동하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 농도 조정 유닛(230)은 나노튜브 도핑 용액(112)으로부터 증발된 나노튜브 용매(204)와 함께 동시 유출(co-fluxed)될 수 있는 HCl 포화 분위기를 제공할 수 있다. 다른 예로서, 농도 조정 유닛(230)은 압력 범위, 온도 범위, 또는 이들의 조합의 범위에서 작동하도록 구성될 수 있다. 일반적으로, 농도 조정 유닛(230)은 30 내지 35 mmHg 또는 0.039 내지 0.046 기압의 압력과 85 내지 90℃의 온도에서 작동하도록 구성될 수 있다.
농도 조정 유닛(230)은 나노튜브 도핑 용액(112)의 농도를 모니터링하기 위한 측정 기기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 측정 기기는 나노튜브 도핑 용액(112)의 점탄성 및 액체 결정도 특성의 접촉 또는 비접촉 평가를 위한 레오미터를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 측정 장치는 나노튜브 도핑 용액(112) 중의 탄소 나노튜브 분자(106)의 백본의 양성자화와 관련된 파장 변화를 라만 분광법에 의해 결정하기 위한 분광계를 포함할 수 있다.
이제 도 3을 참조하면, 도 1의 탄소 나노튜브 제품 제조 시스템(100)의 압출 모듈(120)의 개략도가 도시되어 있다. 압출 모듈(120)은 나노튜브 도핑 용액(112)으로 탄소 나노튜브 원형 제품(122)을 제조하기 위한 하나 이상의 처리 유닛을 포함할 수 있다. 예를 들어, 압출 모듈(120)은 유동 구동 기구(312), 여과 유닛(302), 압출 조립체(310), 압출 유동 매니폴드(316), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
압출 모듈(120)은 도 2의 믹싱 모듈(110)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 압출 모듈(120)은 파이프 또는 튜브와 같은 유체 이송 경로(350)에 의해 믹싱 모듈(110)에 결합될 수 있다. 나노튜브 도핑 용액(112)은 믹싱 모듈(110)로부터 유체 이송 경로(350)를 통해 압출 모듈(120)로 이송될 수 있다. 일부 실시형태에서, 유체 이송 경로(350)는 나노튜브 도핑 용액(112)에 대해 지속적인 난류 유동 체제를 생성하기 위한 정적 믹싱 요소를 포함할 수 있으며, 난류 유동 체제는 정적 믹싱 요소의 내부에서의, 또는 정적 믹싱 요소의 외부에서의, 또는 정적 믹싱 요소의 내부 및 외부에서의 열교환 유체 재순환으로부터 믹싱 및 제어된 열전달을 제공한다.
압출 모듈(120)은 유동 구동 기구(312)를 통해 나노튜브 도핑 용액(112)을 받을 수 있다. 유동 구동 기구(312)는, 압출 모듈(120)을 통한 나노튜브 도핑 용액(112)의 유동을 촉진하고 나노튜브 도핑 용액(112)의 균일한 특성을 유지하기 위한 것이다. 유동 구동 기구(312)는 압출 모듈(120)을 통한 나노튜브 도핑 용액(112)의 균일한 유동을 촉진하는 지속적인 압력의 발달을 제공한다. 특정 예로서, 유동 구동 기구(312)는, "과소 공급(starve-fed)" 방식으로 공급할 수 있으며 혼련 요소들과 믹싱 요소들의 균형을 제공하게 되어 나노튜브 도핑 용액(112)에 대해 온도, 압력, 농도, 또는 이들의 조합과 같은 특성들을 균일하게 유지하는 데 도움을 주는, 이축 압출기(twin-screw extruder)일 수 있다.
일부 실시형태에서, 압출 모듈(120)은 여과 유닛(302)을 포함할 수 있다. 여과 유닛(302)은 나노튜브 도핑 용액(112)의 순도를 높이기 위해 포함될 수 있다. 예를 들어, 여과 유닛(302)은 나노튜브 도핑 용액(112)으로부터 금속 촉매 입자, 비정질 탄소 입자, sp3 탄소 입자, 또는 이들의 조합과 같은 잔류 입자를 제거하기 위한 여과 요소들(304)을 포함할 수 있다. 여과 유닛(302)의 여러 실시형태는 잔류 입자의 크기 또는 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)의 순도에 따라 달라지는 다양한 구성 및 조합의 여과 요소들(304)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 여과 유닛(302)은 거친 스크린 팩 또는 거친 스크린 교환기와 같은 하나 이상의 거친 여과 요소(330), 미세 스크린 팩 또는 미세 스크린 교환기와 같은 하나 이상의 미세 여과 요소(332), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 여과 요소(304)는 여과 유닛(302)이 작동하는 동안에 연속 또는 반연속적으로 재생 또는 교환될 수 있도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 여과 유닛(302)은 여과 요소(304)를 통한 나노튜브 도핑 용액(112)의 유동을 보조하거나 촉진시키기 위해 필요에 따라 부스터 펌프들 및 압력 센서들을 포함할 수 있다.
압출 유동 매니폴드(316)는 여과 유닛(302)에 결합될 수 있다. 압출 유동 매니폴드(316)는 압출 모듈(120) 내에서의 나노튜브 도핑 용액(112)의 유동을 안내하기 위한 것이다. 더 구체적으로, 나노튜브 도핑 용액(112)이 압출 유닛(120)을 빠져나가기 전에 통과하는 압출 유동 매니폴드(316)의 임의의 통로는 압출 유닛(120)으로부터 빠져나온 후 원하는 결과가 달성되도록 하기 위해 나노튜브 도핑 용액(112)의 흐름의 패턴 또는 대칭을 변경하는 조정 가능한 구성을 가질 수 있다. 압출 유동 매니폴드(316)는 압출 모듈(120)을 통한 여러 유동 체제들을 수용하도록 하기 위해 나노튜브 도핑 용액(112)의 유동을 다양한 형태로 분리하거나 병합할 수 있다. 한 예로서, 압출 유동 매니폴드(316)는 나노튜브 도핑 용액(112)을 여과 유닛(302)을 통해 재순환시키기 위한 재순환 루프(도시되지 않음)와 같은, 분획 유닛(306) 내의 여과 유닛(302)의 여과 요소들(304)의 여러 체제들 또는 배열들을 수용할 수 있다.
압출 유동 매니폴드(316)는 분획 경로(306)를 포함할 수 있다. 분획 경로(306)는 탄소 나노튜브 분자(106)의 종횡비에 기초하여 나노튜브 도핑 용액(112) 중의 탄소 나노튜브 분자들(106)을 분리하기 위한 것이다. 예를 들어, 분획 경로(306)는 나노튜브 도핑 용액(112)의 흐름에 전단력을 부여하도록 구성된 요소들을 포함할 수 있다. 충분히 높은 전단력에서는, 나노튜브 도핑 용액(112)이 나노튜브 도핑 용액(112) 중의 가장 높은 종횡비를 갖는 탄소 나노튜브 분자(106)로 주로 구성된 고 결정질 상(332)과, 나노튜브 도핑 용액(112) 중의 가장 낮은 종횡비를 갖는 탄소 나노튜브 분자(106)로 주로 구성된 농축 등방성 상(330)으로 분리될 것이라고 예상된다.
압출 유동 매니폴드(316)는 분획 경로(306) 내의 여러 상들의 유동의 여러 체제들 또는 배열들을 수용할 수 있다. 예를 들어, 분획 경로(306)는 고 결정질 상(332)으로부터 농축 등방성 상(330)을 처리 폐기물 또는 저급 재료로 분리하여 방향 전환시키도록 구성된 유동 분리 및 재결합 매니폴드를 포함할 수 있다. 고 결정질 상(332)은 압출 조립체(310) 쪽으로 진행하게 할 수 있다. 선택적으로, 압출 유동 매니폴드(316)는 고 결정질 상(332) 및 농축 등방성 상(330)의 유동을 압출 유동 매니폴드(316)를 통해 압출 조립체(310)로 몰아내는 펌프를 포함할 수 있다.
압출 조립체(310)는 탄소 나노튜브 원형 제품(122)을 제조하기 위한 것이다. 압출 조립체(310)는 압출 다이(314)를 포함할 수 있다. 압출 다이(314)는 나노튜브 도핑 용액(112)을 압출하여 탄소 나노튜브 원형 제품(122)을 형성하기 위한 것이다. 예를 들어, 압출 다이(314)는 탄소 나노튜브 원형 제품(122)을 성형하거나, 초기 정렬하거나, 또는 이들의 조합을 수행하기 위한 것일 수 있다. 압출 조립체(310)는 하나 이상의 예의 압출 다이(314)를 포함하도록 구성될 수 있다. 일반적으로, 압출 조립체(310)는 탄소 나노튜브 원형 제품(122)과 궁극적으로는 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)의 폼 팩터에 대응하는 다이 개구부 또는 구멍이 있는 압출 다이(314)를 포함할 수 있다.
탄소 나노튜브 원형 제품(122)을 섬유 또는 필라멘트 또는 필름으로 형성하고, 성형하고, 초기 정렬시키기 위한 압출 다이(314)는 하나 이상의 상이한 구성으로 설정될 수 있다. 탄소 나노튜브 원형 제품(122)을 필름 형태로 제조하는 경우, 압출 다이(314)는 슬롯형 다이일 수 있다. 탄소 나노튜브 원형 제품(112)을 섬유 또는 필라멘트의 형태로 제조하는 경우, 압출 다이(314)는 단일 구멍이 있는 방사구(spinneret) 또는 다수의 구멍이 있는 방사구일 수 있다. 일반적으로, 압출 다이(314)의 구멍은 영역을 늘이며 탄소 나노튜브 분자들(106)의 정렬을 촉진하기에 적합한 길이의 편평한 랜드에서 종결되는 원추형 단면 프로파일을 가질 수 있다. 다른 예로서, 압출 다이(314)를 위한 방사구 하우징은 고정된 것일 수 있다. 추가 예에서, 압출 다이(314)를 위한 방사구 하우징은 밀봉된 베어링 조립체 내측에 유지될 수 있고, 이 베어링 조립체는 영역이 꼬인 형태, 와선형(spiral) 형태, 나선형(helical) 형태, 또는 이들의 조합 형태로 응고된 때에 탄소 나노튜브 원형 제품(122)에 별도의 강도를 부여할 수 있도록, 유동 중에 나노튜브 도핑 용액(112)의 액정 영역의 비틀림, 회전, 또는 비틀림과 회전을 허용한다.
선택적으로, 압출 조립체(310)는 압출 다이(314)에 어울리거나 그 상류에 있는 진동 장치를 포함할 수 있다. 진동 장치에 의해 생성된 진동은 압출 다이(314)의 출구 직전에서의 바람직하지 않는 탄성 난류를 교란시킴으로써 압출 다이(314)를 통한 나노튜브 도핑 용액(112)의 유동에 도움을 주어서, 유동 표면을 따르는 바람직하지 않은 마찰 및 전단 효과 또는 이들의 조합을 감소시켜 유동 안정성을 개선한다.
압출 유동 매니폴드(316)는, 예컨대 나노튜브 도핑 용액(112)의 공압출(co-extrusion)을 위해, 다수의 예, 다양한 유형, 및 기하형태의 압출 다이(314)의 포함을 수용할 수 있다. 또 다른 예에서, 압출 유동 매니폴드(316)는 상이한 유동 및 생산 속도를 수용할 수 있을 뿐만 아니라, 시스템의 구성을 실질적으로 변경하지 않고도 생산 능력을 증대시킬 수 있도록 하기 위해 복수의 상류 및 하류 컴포넌트를 사용할 수 있게 한다.
이제 도 4를 참조하면, 도 1의 탄소 나노튜브 제품 제조 시스템(100)의 응고 모듈(130)의 개략도가 도시되어 있다. 응고 모듈(130)은 탄소 나노튜브 원형 제품(122)로 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)을 제조하기 위한 하나 이상의 처리 유닛을 포함할 수 있다. 예를 들어, 응고 모듈(130)은 초기 정렬 유닛(402), 조사 응고 유닛(404), 중간 정렬 유닛(408), 화학적 응고 유닛(410), 고체 상태 정렬 유닛(414), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
초기 정렬 유닛(402)은 압출 모듈(120)에서 빠져나온 후의 탄소 나노튜브 원형 제품(122) 중의 탄소 나노튜브 분자들(106)에 정렬을 부여하기 위한 것이다. 예를 들어, 초기 정렬 유닛(402)은 온도 제어식 드럼 또는 고데(Godet) 롤 조립체일 수 있다. 초기 정렬 유닛(402)은 탄소 나노튜브 분자들(106)에 정렬을 부여하고 탄소 나노튜브 원형 제품(122)의 단면적을 끌어내릴 수 있게 탄소 나노튜브 원형 제품(122)을 도 3의 압출 다이(314)에서의 유동 속도보다 빠른 속도로 장력 하에서 끌어당기도록 구성될 수 있다.
조사 응고 유닛(404)은 탄소 나노튜브 원형 제품(122)의 조사 응고를 위한 것이다. 예를 들어, 조사 응고 유닛(404)은 적외선(IR) 방사선 방출기들의 어레이와 같은 방사선원(406)을 포함할 수 있다. 조사 응고 유닛(404)은 제어된 분위기에서 원형 제품 주위에 배치된 방사선원(406)을 포함할 수 있다. 방사선원(406)으로부터 방출된 방사선은 탄소 나노튜브 원형 제품(122)의 응고를 일으킬 수 있다.
방사선원(406)은 나노튜브 용매(204)에 의한 흡수가 최소화되고 탄소 나노튜브 원형 제품(122)의 탄소 나노튜브 분자들(106)에 의한 흡수가 최대화되도록 하는 파장의 방사선을 방출할 수 있다. 방사선원(406)은 국부 가열 효과를 방지하기 위해 방사선을 펄싱하도록 구성될 수 있다.
조사 응고 유닛(404)은, 휘발성 물질을 배출하며 탄소 나노튜브 원형 제품(122)을 둘러싼 분위기에 가스 흐름을 부과하는 기기를 포함할 수 있다. 이는 대류 열전달을 제공하며, 탄소 나노튜브 원형 제품(122)의 응고 속도를 제어하는 데 도움을 줄 뿐만 아니라 탄소 나노튜브 원형 제품(122)을 이송하는 데에도 도움을 준다.
중간 정렬 유닛(408)은 부분적으로 응고된 상태의 탄소 나노튜브 원형 제품(122) 내의 탄소 나노튜브 분자들(106)에 정렬을 부여하기 위한 것이다. 예를 들어, 중간 정렬 유닛(408)은 온도 제어식 드럼 또는 고데 롤 조립체일 수 있다. 중간 정렬 유닛(408)은 탄소 나노튜브 분자들(106)에 정렬을 부여할 수 있게 탄소 나노튜브 원형 제품(122)을 압출 다이(314)에서의 유동 속도보다 빠른 속도로 장력 하에서 끌어당기도록 구성될 수 있다. 탄소 나노튜브 원형 제품(122)이 중간 정렬 유닛(408)에 의해 인발되는 속도 및 장력은 초기 정렬 유닛(402)에서의 그것들과 동일하거나, 그보다 더 크거나, 그보다 더 작을 수 있다.
화학적 응고 유닛(410)은 탄소 나노튜브 원형 제품(122)의 화학적 응고를 위한 것이다. 화학적 응고 유닛(410)은 탄소 나노튜브 원형 제품(122)을 화학적 응고제(412)에 노출시킬 수 있다. 화학적 응고제(412)는, 나노튜브 용매(204)에 있어서는 용매이고 탄소 나노튜브 원형 제품(122)에 있어서는 용매가 아닌 화합물이다. 예를 들어, 화학적 응고제(412)는 아세톤, 물, 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸 설폭사이드(DMSO), 에테르, 클로로포름, 물 중의 황산 혼합물을 포함할 수 있다. 한 예로, 화학적 응고제(412)는 농도가 20% 미만일 수 있거나, 40% 미만의 농도의 물 중의 아세트산 혼합물일 수 있거나, 또는 이들의 조합일 수 있다.
예시를 위해, 화학적 응고 유닛(410)은 탄소 나노튜브 원형 제품(122)에 화학적 응고제(412)를 적용하기 위한 샤워 헤드 또는 스프레이 노즐을 구비한 것으로 예시되어 있지만, 화학적 응고 유닛(410)은 다른 구성으로 될 수도 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 탄소 나노튜브 원형 제품(122)은 화학적 응고제(412)에 탄소 나노튜브 원형 제품(122)을 노출시키는 욕조 또는 침지 탱크, 연속적으로 재생되는 유체 필름, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 화학적 응고 유닛(410)은 탄소 나노튜브 원형 제품(122)의 단면을 따라 균일한 응고 속도를 제공하도록 구성될 수 있다. 화학적 응고 유닛(410)은, 분위기 제어를 제공하며, 화학적 응고 유닛(410) 내에서의, 예컨대 휘발성 물질의 배출과, 탄소 나노튜브 원형 제품(122)을 둘러싸는 분위기에 가스 흐름을 부과하는 것을 통한, 대류 열전달을 제공하며, 탄소 나노튜브 원형 제품(122)의 반송을 돕는, 기기 및 기구를 포함할 수 있다.
고체 상태 정렬 유닛(414)은 부분적으로 응고된 상태의 탄소 나노튜브 원형 제품(122) 내의 탄소 나노튜브 분자들(106)에 정렬을 부여하기 위한 것이다. 예를 들어, 고체 상태 정렬 유닛(414)은 온도 제어식 드럼 또는 고데 롤 조립체일 수 있다. 중간 정렬 유닛(408)은 탄소 나노튜브 분자들(106)에 정렬을 부여할 수 있게 탄소 나노튜브 원형 제품(122)을 압출 다이에서의 유동 속도보다 빠른 속도로 장력 하에서 끌어당기도록 구성될 수 있다. 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)의 최종 치수는 고체 상태 정렬 유닛(414)에 의해 정해질 수 있다. 탄소 나노튜브 원형 제품(122)이 고체 상태 정렬 유닛(414)에 의해 인발되는 속도 및 장력은 초기 정렬 유닛(402), 중간 정렬 유닛(408), 또는 이들의 조합에서의 그것들과 동일하거나, 그보다 더 크거나, 그보다 더 작을 수 있다. 고체 상태 정렬 유닛(414)은 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)을 빨아올려서 저장하기 위한 크릴(creel)을 포함할 수 있다.
이제 도 5를 참조하면, 도 1의 탄소 나노튜브 제품 제조 시스템(100)의 제조후 모듈(140)의 개략도가 도시되어 있다. 제조후 모듈(140)은 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)을 개질하기 위한 하나 이상의 처리 유닛을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제조후 모듈(140)은 정제 유닛(502), 기능화 유닛(512), 코팅 유닛(514), 도핑 유닛(516), 제품 통합 유닛(518), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
정제 유닛(502)은 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)으로부터 잔류 처리 물질을 제거하기 위한 것이다. 예를 들어, 정제 유닛(502)은 도 2의 나노튜브 용매(204)의 잔류량, 도 4의 화학적 응고제(412), 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102) 상의 기타 바람직하지 않은 잔류 입자, 또는 이들의 조합을 제거하도록 구성될 수 있다. 정제 유닛(502)은 용매 제거 유닛(504), 열 어닐링 유닛(506), 화학적 세척 유닛(508), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 정제 유닛(502)은 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)을 수용할 수 있도록 압출 모듈(120)에 직접 또는 간접적으로 결합될 수 있다.
용매 제거 유닛(504)은 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)에서 나노튜브 용매(204)의 잔류 흔적을 제거하기 위한 것이다. 예를 들어, 용매 제거 유닛(504)은 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)을 세척하기 위해 수조, 샤워 헤드, 스프레이 노즐, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 용매 제거 유닛(504)은 예를 들어 대략 60℃ 내지 80℃의 온도 범위에서 수성 세척을 전달하고 유지하도록 구성될 수 있다.
열 어닐링 유닛(506)은 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)에서 화학적 응고제(412)의 잔류 흔적을 제거하기 위한 것이다. 예를 들어, 열 어닐링 유닛(506)은 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102) 주위의 분위기로부터 가스 및 휘발성 물질을 배출시키도록 구성된 오븐 또는 밀폐된 가열 요소를 포함할 수 있다.
화학적 세척 유닛(508)은 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)으로부터 공정 부산물 물질의 잔류 흔적을 제거하기 위한 것이다. 예를 들어, 화학적 세척 유닛(508)은 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)을 화학적 세척 용액에 노출시키기 위한 스프레이 노즐, 샤워 헤드, 욕조 또는 탱크, 연속적으로 갱신되는 유체막, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 화학적 세척 용액의 선택은 도 4의 화학적 응고 유닛(410)에서 사용되는 화학적 응고제(412)의 선택에 따라 달라질 수 있다.
선택적으로, 제조후 모듈(140)은 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)을 추가로 처리하기 위한 하나 이상의 추가적 유닛을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제조후 모듈(140)은 기능화 유닛(512), 코팅 유닛(514), 도핑 유닛(516), 제품 통합 유닛(518), 또는 이들의 조합과 같은 선택적 유닛을 포함할 수 있다. 일반적으로, 점선 및 화살표로 표시된 바와 같은 제조후 모듈(140)의 선택적 유닛들의 포함은 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)에 대한 의도된 적용에 따라 달라질 수 있다.
기능화 유닛(512)은 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)의 분자 구조를 변경하기 위한 것이다. 예를 들어, 기능화 유닛(512)은 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)의 공유 화학적 기능화를 위한 반응 챔버, 오븐, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
코팅 유닛(514)은 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)에 코팅 물질을 도포하기 위한 것이다. 예를 들어, 코팅 유닛(514)은, 예컨대 딥 코팅기, 롤투롤 코팅기, 슬라이드 코팅기, 침지 코팅기, 또는 이들의 조합과 같은, 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)의 기계식 코팅 장치를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 코팅 유닛(514)은, 예컨대 적절한 제타 전위 수준의 수성 분산용 이온 화합물을 함유하는 전해조 또는 탱크와 같은, 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)의 전해 코팅 장치를 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 코팅 유닛(514)은 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102) 상에 하전된 고체 입자의 정전기 코팅 또는 기상 증착을 할 수 있는 장치를 포함할 수 있다.
도핑 유닛(516)은 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)의 비공유 화학적 기능화를 위한 것이다. 도핑 유닛(516)은 도핑 공정에 기초한 기능 및 능력을 갖는 도핑 챔버를 포함할 수 있다. 한 예에서, 도핑 유닛(516)은 기상 도핑 공정을 위한 진공 오븐을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 도핑 유닛(516)은 액상 도핑 공정을 위한 스프레이 노즐, 샤워 헤드, 욕조 또는 탱크, 연속적으로 갱신되는 유체막, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
제품 통합 유닛(518)은 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)을 기기, 컴포넌트, 또는 구조체에 통합시키기 위한 것이다. 한 예로, 제품 통합 유닛(518)은 하나 이상의 예의 정렬된 탄소 나노튜브 재료(102)를 로프, 원사, 직조 직물, 발포체, 수지 사전 함침 테이프 또는 직물, 촙 충전 재료, 또는 적층 재료와 같은 구조체에 통합시키는 유닛 또는 기기를 포함할 수 있다. 이러한 유닛의 예에는 직기, 크래들, 와인더, 프레스, 롤러, 또는 레이저 커터가 포함된다. 유사하게, 제품 통합 유닛(518)은 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)을, 와이어 안테나, 패치 안테나, 코일 변압기, 동축 케이블, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있는 기기 또는 컴포넌트에 통합시키는 유닛을 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 도 1의 탄소 나노튜브 제품 제조 시스템(100)에 의한 도 1의 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)의 제조 방법(600)의 흐름도가 도시되어 있다. 본 방법(600)은 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)을 제조하기 위한 다수의 단계를 포함할 수 있다. 하기의 제조 단계들은 예시를 위해 아래에 배열되어 있지만, 그 단계들은 다른 순서 또는 배열로 배열될 수 있음이 이해된다.
본 발명의 일 실시형태에서, 본 방법(600)은 재료 준비 단계(602)를 포함할 수 있다. 재료 준비 단계(602)는 탄소 나노튜브 제품 제조 시스템(100)에 의해 처리될 재료를 준비하기 위한 것이다. 예를 들어, 재료 준비 단계(602)에서, 나노튜브 용매(204)가 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)와의 고체 상태 혼합을 위해 준비될 수 있다.
일부 실시형태에서, 나노튜브 용매(204)는 혼합 유닛(202)의 혼합 챔버(210)에 액체 상태로 제공될 수 있고(둘 다 도 2를 참조), 나노튜브 용매(204)와 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)의 고체 상태 혼합을 가능하게 하기 위해 냉각될 수 있다. 더 구체적으로, 혼합 챔버(210)의 충분한 냉각은 나노튜브 용매(204)를 액체 상태에서 고체 상태로 전환시키고 혼합 공정의 기간 중에 건조 고체 상태를 유지시키는 데 필요할 수 있다. 혼합하는 동안의 고체 용매 입자(206)의 형성은 나노튜브 용매(204)와 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104) 사이의 반응이 개시되지 못하도록 하는 것을 보장할 수 있다. 예를 들어, 나노튜브 용매(214)를 도입시키기 전에, 재료 준비 단계(602)는 액상 또는 기상의 챔버 냉각제를 혼합 챔버(210) 안으로 도입시키되 고체 혼합 온도에 도달할 때까지 도입시키는 단계를 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 고체 혼합 온도는 100℃ 미만인 것이 바람직하다. 챔버 냉각제는 질소(N2) 또는 헬륨(He)과 같은 화학적으로 불활성인 물질인 것이 바람직하다. 챔버 냉각제는 혼합 챔버(210)의 내부를 냉각시켜서 고체 혼합 온도로 유지시킬 수 있도록 하기 위해 냉각제 저장조로부터 혼합 챔버(210)까지 봉쇄된 경로를 따라 향하는 압력 차이에 의해 혼합 챔버(210) 안으로 도입될 수 있다. 선택적으로, 혼합 유닛(202)에 나노튜브 용매(204)를 도입시키기 전에 고체 혼합 온도까지 냉각시키기 위해 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)를 도입시킬 수 있다.
나노튜브 용매(204)를 혼합 챔버(210) 안으로 도입시키기 전에, 나노튜브 용매(204)는 혼합 유닛(202)의 격실 또는 저장조에 저장될 수 있다. 혼합 챔버(210)가 준비되면, 예컨대 고체 혼합 온도 *까지 냉각된 후, 본 방법(600)은 고체 상태 혼합 단계(606)로 계속될 수 있다. 고체 상태 혼합 단계(606)는 재료의 건조 고체 상태 분쇄, 분류, 혼합, 또는 이들의 조합 작업을 행하기 위한 것이다. 더 구체적으로, 이송 중에 자발적으로 분리(separate 또는 segregate)되지 않을 자유 유동성 분말 혼합 재료가 제조될 수 있다. 예를 들어, 고체 상태 혼합 단계(606)에서, 건조 고체 상태의 나노튜브 용매(204)는 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)와 혼합되어서 도 1의 고체 상태 블렌드(208)를 건조 혼합물로 형성할 수 있다. 고체 상태 혼합 단계(606)에서, 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)는 혼합 유닛(202)의 혼합 챔버(210)로 도입될 수 있다. 한 예로, 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)는 "과소 공급" 상태를 유지하기 위한 속도로 혼합 챔버(210) 안으로 도입될 수 있다.
일 실시형태에서, 고체 상태 혼합 단계(606)는 도 2의 나노튜브 용매(204) 또는 용매 전구체 재료(240)의 혼합 챔버(210) 안으로의 도입과 함께 계속될 수 있다. 고체 상태 혼합 단계(606)의 일 구현예에서, 액체 상태로 제공된 나노튜브 용매(204)의 경우, 이 나노튜브 용매(204)는 혼합 챔버(210) 내로 고체 용매 입자(206)의 형성을, 더 구체적으로는 무정형 또는 결정질 입자의 형성을, 촉진하도록 하는 방식으로 도입될 수 있다. 고체 용매 입자(206)의 형성은 나노튜브 용매(204)를 동결시키기 위한 냉각 속도를 충족시키기에 충분히 작은 액적 크기로 나노튜브 용매(204)를 도입시킴으로써 달성될 수 있다. 이 구현예에서, 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)를 고체 용매 입자(206)와 혼합시키기 전에 고체 혼합 온도까지 냉각시킬 수 있다.
혼합 챔버(210)에 도입된 나노튜브 용매(204) 또는 용매 전구체 재료(240)의 양은 나노튜브 도핑 용액(112)의 도핑 농도와, 혼합 챔버(210)로 공급되는 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)의 양에 따라 달라진다. 도핑 농도는 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)의 중량에 의해 결정되는, 나노튜브 용매(204) 내의 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)의 농도로 정의된다. 예를 들어, 목표 농도는 도 1의 믹싱 모듈(110)에 있는 동안의 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)의 2 내지 20 중량% 범위에 있을 수 있지만, 그 농도는 제조 공정에 따라 변할 수 있음이 이해된다. 예를 들어, 이 공정 단계에서의 나노튜브 도핑 용액(112)의 도핑 농도는 압출 동안의 나노튜브 도핑 용액(112)의 농도보다 낮을 수 있다.
고체 상태 혼합 단계(606)의 다른 실시형태에서, 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)는 혼합 챔버(202)에서 고체 용매 입자(206) 또는 용매 전구체 재료(240)를 첨가하지 않고 처리될 수 있다. 예를 들어, 혼합 챔버(202) 내의 혼합 요소들의 분리 요소들이 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)를 처리할 수 있는데, 예컨대 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)의 노출 표면적이 증가되도록 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)를 분리(separating) 또는 떨어뜨리는(breaking up) 것, 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)를 냉각시키는 것, 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)를 건조 또는 통기시키는 것, 또는 다운스트림 처리를 용이하게 하는 기타 처리를 할 수 있다.
고체 상태 혼합 단계(606)는 고체 용매 입자(206) 또는 용매 전구체 재료(240)가 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)의 노출 표면 상으로 침입하게 할 수 있다. 예를 들어, 혼합 챔버(210) 내의 혼합 요소의 분리 기구들이 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)를 떼어놓아서 고체 용매 입자(206) 또는 용매 전구체 재료(240)를 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)의 표면 상에 혼합되는 것을 용이하게 할 수 있다. 고체 상태 혼합 단계(606)는 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)를 통한 고체 용매 입자(206)의 균일한 분포가 달성될 때까지 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)의 표면을 고체 용매 입자(206)에 지속적으로 재노출시키기 위해 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)를 혼합 챔버(210)를 통해 재순환시키는 단계를 포함할 수 있다. 고체 용매 입자(206)의 이러한 분포는 바람직하게는 목표 농도로 규정된 비율로 무작위화되며, 바람직하게는 가장 긴 입자 치수를 따라 크기의 10% 표준편차 이내, 더 바람직하게는 가장 긴 입자 치수를 따라 크기의 5% 표준편차 이내, 가장 바람직하게는 가장 긴 입자 치수를 따라 크기의 1% 표준편차 이내의 아주 유사한 용매 및 용질 입자 모양 및 크기로 구성된다.
고체 상태 혼합 단계(606)는 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)에 나노튜브 용매(204)를 제어되게 도입시키는데, 이는 엔탈피적으로 선호되고 확산이 제한되는 양성자화 반응을 제어하는 데 있어서 결정적으로 중요하다는 것이 발견되었다. 고체 상태 혼합 단계(606)는 나노튜브 용매(204)와 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104) 간의 화학 반응이 시작되지 않아도 고체 용매 입자(206)의 균일한 혼합이 달성될 때까지 나노튜브 용매가 분산될 수 있게 하는데, 이는 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)의 나노튜브 용매(204)로의 균일하고 제어된 용해를 제공한다. 이는 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)을 제조할 때 탄소 나노튜브 분자들(106)의 분산을 최대화하고 탄소 나노튜브 분자들(106)의 정렬을 최적화할 수 있다.
고체 상태 혼합 단계(606)에서 고체 용매 입자(206) 또는 용매 전구체 재료(240)와 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104) 간의 혼합이 완료되면, 방법(600)은 용매 활성화 단계(610)로 계속될 수 있다. 용매 활성화 단계(610)는 고체 용매 입자(206), 용매 전구체 재료(240), 또는 이들의 조합을 활성화시키기 위한 것이다. 용매 활성화 단계(610)에서, 고체 상태 블렌드(208)는 도 2의 균질화 유닛(220)으로 이송될 수 있다.
일 실시형태에서, 나노튜브 용매(204)는 고체 용매 입자(206)를 액화시킴으로써 활성화될 수 있다. 예를 들어, 극저온 고체 상태의 나노튜브 용매(204)는 고체 혼합 온도에서부터 용액 믹싱 온도까지의 제어된 가열에 의해 활성화될 수 있다. 일반적으로, 용액 믹싱 온도는 나노튜브 용매(204)의 분해(degradation)를 야기하게 되는 온도보다 낮다. 클로로설폰산으로서의 나노튜브 용매(204)의 특정 예에서, 용액 믹싱 온도는 대기압에서 25℃ 내지 80℃의 범위일 수 있지만 154℃ 내지 156℃인 비등 온도를 초과하지 않아야 하며 더 바람직하게 80℃ 이하이다. 일부 실시형태에서, 용액 믹싱 온도는 클로로설폰산의 분해를 방지할 수 있는 포화 HCl 분위기 하에서 제어될 때 클로로설폰산의 비등 온도를 초과할 수 있다.
고체 용매 입자(206)의 액화는 나노튜브 용매(204)와 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104) 간의 양성자화 반응을 활성화시킨다. sp2 탄소 격자 상의 비편재화 π 전자가 양성자화되고 탄소 나노튜브 분자들(106)의 분자 골격에 있는 양성자들 사이의 정전기 반발이 서로 간의 끌어당기는 반데르발스 힘을 극복함에 따라, 양성자화 반응에 의해 진정한 용액의 형성이 시작되고, 이는 탄소 나노튜브 분자들(106)이 분리되어서 용액 안으로 들어가게 한다.
용매 활성화 단계(606)의 다른 실시형태에서, 나노튜브 용매(204)는 도 2의 용매 활성화제(242)를 용매 전구체 재료(240)를 포함하는 고체 상태 블렌드(208)에 도입시킴으로써 활성화될 수 있다. 예를 들어, 용매 전구체 재료(240)인 오염화인과 용매 활성화제(242)인 황산이 제어된 가열 속도로 밀폐된 믹싱 챔버(224)에서 반응하여 나노튜브 용매(204)인 클로로설폰산을 생성할 수 있다.
본 방법(600)은 용매 활성화 단계(610) 다음에 균질화 단계(614)로 진행할 수 있다. 균질화 단계(614)는 나노튜브 도핑 용액(112)을 제조하기 위한 것이다. 균질화 단계(614)에서, 균질화 유닛(220)은 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)를 액체 상태에 있는 나노튜브 용매(204)와 믹싱할 수 있다. 균질화 단계(614)의 일 실시형태에서, 고체 용매 입자(206)의 액화 또는 용매 전구체 재료(240)와 용매 활성화제(242) 간의 반응으로부터 생성된 나노튜브 용매(204)가 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)와 믹싱될 수 있다. 균질화 단계(614)의 다른 실시형태에서, 액체 클로로설폰산 또는 초임계 유체와 같은 나노튜브 용매(204)가, 고체 용매 입자(206) 또는 용매 전구체 재료(240)와 혼합되지 않은 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)와의 전단 믹싱을 위해, 균질화 유닛(220)에 도입될 수 있다. 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)와 나노튜브 용매(204)의 믹싱은 광학적 복굴절성 네마틱 액정 상인 나노튜브 도핑 용액(112)을 생성할 수 있다.
일반적으로, 나노튜브 도핑 용액(112)은 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)의 2 내지 20 중량% 범위의 농도로 생성될 수 있지만, 나노튜브 도핑 용액(112)은 여러 농도로 생성될 수 있음이 이해된다. 예를 들어, 나노튜브 도핑 용액(112)의 농도를 감소시키기 위해 밀폐된 믹싱 챔버에 추가 양을 도입시킬 수 있다.
균질화 단계(614) 동안, 나노튜브 용매(204)와 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104) 간의 양성자화 정도를 결정하기 위해 나노튜브 도핑 용액(112)을 평가할 수 있다. 예를 들어, 균질화 유닛(220)의 측정 기기는 나노튜브 도핑 용액(112)의 적절한 균질화에 도달했는지 여부를 결정할 수 있도록 파장 변화 및 점도와 같은 나노튜브 도핑 용액(112)의 성질 또는 특성을 모니터링할 수 있다. 하나의 특정 예에서, sp2 탄소 구조체의 양성자화와 관련된 파장 변화는 인라인 라만 분광기와 같은 측정 기기에 의해 측정될 수 있다. 또 다른 특정 예에서, 기계적, 광학적, 또는 기타 비접촉식 레오미터와 같은 측정 기기에 의한 액정 형성 정도를 결정하기 위해 나노튜브 도핑 용액(112)의 점탄성 및 광학 복굴절을 측정할 수 있다. 만족스러운 양성자화가 달성될 때까지 나노튜브 도핑 용액(112)이 도 2의 유동 재순환 루프(226)를 거쳐서 균질화 유닛(220)을 통해 재순환될 수 있다.
용매 활성화 단계(610)와 균질화 단계(614)는 모두 균질화 유닛(220)에서 수행될 수 있다. 균질화 유닛(220)은 용매 활성화 단계(610), 균질화 단계(614), 또는 이들이 조합된 단계 동안 양성자화 반응으로부터 생성된 부산물을, 예컨대 염산 가스를, 배출시킬 수 있다.
본 방법(600)은 점선 화살표 및 선으로 표시된 바와 같은 농도 조정 단계(616)를 선택적으로 포함할 수 있다. 농도 조정 단계(616)는 나노튜브 도핑 용액(112)의 농도를 조정하기 위한 것이다. 일부 실시형태에서, 믹싱 모듈(110)의 다양한 유닛들 및 요소들에서의 변형을 감소시키기 위해, 도 1의 나노튜브 원형 제품(122)이 형성되는 동안, 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)와 나노튜브 용매(204)가 혼합 유닛(202)에 나노튜브 도핑 용액(112)의 목표 농도보다 낮은 농도를 목표로 하는 비율로 장입될 수 있다. 나노튜브 도핑 용액(112)의 최종 목표 농도는, 나노튜브 용매(204)를 분해되지 않게 하여 증발시킬 수 있는 도 2의 농도 조정 유닛(230)에 감소된 농도 형태의 나노튜브 도핑 용액(112)을 공급함으로써, 달성될 수 있다.
농도 조정 단계(616)에서, 농도 조정 유닛(230)은 나노튜브 용매(204)의 분해를 방지하는 온도 및 분위기 조건 하에서 작동될 수 있다. 예를 들어, 농도 조정 유닛(230)은 나노튜브 도핑 용액(112)으로부터 증발된 나노튜브 용매(204)와 함께 동시 유출 또는 동시 유동될 수 있는 HCl 가스 풍부화 또는 포화 분위기를 제공하도록 작동될 수 있다. 일반적으로, 농도 조정 유닛(230)은 30 내지 35 mmHg 또는 0.039 내지 0.046 기압의 압력과 85 내지 90℃의 온도에서 작동될 수 있다.
균질화 단계(614)에서 나노튜브 도핑 용액(112)의 충분한 믹싱 및 목표 농도가 달성되면, 나노튜브 도핑 용액(112)은 수동 이송 믹싱(passive transfer mixing) 단계(618)를 거칠 수 있다. 수동 이송 믹싱 단계(618)에서, 나노튜브 도핑 용액(112)은 믹싱 모듈(110)에서부터 압출 모듈(120)로 이송되는 동안 유체 경로를 따라 도 3의 정적 믹싱 요소들을 통해 추가적인 수동 믹싱을 거칠 수 있다. 수동 이송 믹싱 단계(618)의 목적은 나노튜브 도핑 용액(112)에 대한 지속적 난류 유동 체제를 생성하는 것이다. 나노튜브 도핑 용액(112)의 난류 유동은 지속적인 믹싱을 제공하고, 이와 동시에 나노튜브 도핑 용액(112) 내에, 예컨대 정적 믹싱 요소의 내부 및 외부에서의 열교환 유체의 재순환을 통하여, 제어된 열전달도 제공한다.
본 방법(600)은 나노튜브 도핑 용액(112)으로부터 불순물을 제거하기 위한 여과 단계(620)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에서, 정제된 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)를 사용함에도 불구하고, 바람직하지 않은 다수의 미분산 입자, 불충분하게 순수한 예의 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104), 잔류 촉매 입자, 잔류 비정질 또는 sp3 탄소, 또는 이들의 조합과 같은 불순물이 나노튜브 도핑 용액(112)에 존재할 수 있다. 나노튜브 도핑 용액(112)을 도 3의 여과 유닛(302)을 통해 통과시킴으로써 여과 단계(620)에서 나노튜브 도핑 용액(112)으로부터 불순물을 제거할 수 있다. 한 예로서, 불순물의 여과는, 거친 여과 요소(330), 미세 여과 요소(332), 또는 이들의 조합과 같은, 도 3의 여과 요소(304)를 통한 흐름에 의해 달성될 수 있다. 거친 여과 요소(330) 또는 미세 여과 요소(332)의 포함은 미정렬 탄소 나노튜브 재료(104)의 초기 순도에 따라 달라질 수 있다.
여과 단계(620) 다음에, 공정 흐름은 분획 단계(624)로 계속될 수 있다. 분획 단계(624)는 탄소 나노튜브 분자(106)의 종횡비에 기초하여 나노튜브 도핑 용액(112) 중의 탄소 나노튜브 분자들(106)을 분리하기 위한 것이다. 일반적으로, 나노튜브 도핑 용액(112)은 넓은 범위의 종횡비를 갖는 탄소 나노튜브 분자들(106)의 혼합물을 포함할 수 있다. 분획 단계(624)에서, 나노튜브 도핑 용액(112)은 도 3의 압출 유동 매니폴드(316)의 분획 경로(306)에서 전단 유동을 겪을 수 있다. 충분히 높은 전단 하에서, 나노튜브 도핑 용액(112)은, 나노튜브 도핑 용액(112) 중의 종횡비가 가장 높은 탄소 나노튜브 분자들(106)로 주로 구성된 도 3의 고 결정질 상(340)과, 나노튜브 도핑 용액(112) 중의 종횡비가 가장 낮은 탄소 나노튜브 분자들(106)로 주로 구성된 도 3의 농축 등방성 상(342)으로, 상분리될 것으로 예상된다.
분획 단계(624)에서, 압출 유동 매니폴드(316)는 고 결정질 상(340)으로부터 농축 등방성 상(342)을 처리 폐기물 또는 저급 재료로 분리하여서 방향 전환시킬 수 있다. 고 결정질 상은 도 3의 압출 조립체(310) 쪽으로 진행하게 할 수 있다. 압출 조립체(310)로 이송하는 동안, 압출 유동 매니폴드(316)의 정적 믹서 또는 정적 믹서들의 조립체를 통해 나노튜브 도프 용액(112)에 추가적인 균질화 및 온도 제어가 부여될 수 있다.
공정은 분획 단계(624)에서 압출 단계(626)까지 계속된다. 압출 단계(626)에서, 탄소 나노튜브 원형 제품(122)인 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)에 초기 형태 및 정렬이 부여되도록 나노튜브 도핑 용액(112)이 처리된다. 예를 들어, 섬유, 필라멘트, 또는 필름과 같은 특정 형태, 모양, 또는 치수의 탄소 나노튜브 원형 제품(122)이 제조되도록, 나노튜브 도핑 용액(112)이 도 3의 압출 조립체(310)의 다양한 가능한 구성들 중 하나를 통해 유동할 수 있다. 일부 실시형태에서, 나노튜브 도핑 용액(112)의 액정 영역은 일단 그 영역이 꼬인 형태, 와선형 형태, 나선형 형태, 또는 이들의 조합 형태로 응고되면 탄소 나노튜브 원형 제품(122)에 추가 강도가 부여되도록 압출 단계(626) 동안 꼬이거나, 회전되거나, 또는 이들의 조합이 이루어질 수 있다.
압출 단계(626)는 점선 화살표 및 선으로 표시된 바와 같은 유동 진동 단계(628)를 선택적으로 포함할 수 있다. 유동 진동 단계(628)는 압출 다이(314)를 통한 나노튜브 도핑 용액(112)의 유동을 용이하게 하기 위한 것이다. 예를 들어, 유동 진동 단계(628)에서, 압출 다이(314)의 출구 직전에서의 바람직하지 않는 탄성 난류를 교란시킴으로써 압출 다이(314)를 통한 나노튜브 도핑 용액(112)의 유동에 도움을 주는 진동 장치에 의해 압출 다이(314)가 진동할 수 있고, 이는 유동 표면을 따르는 바람직하지 않은 마찰 및 전단 효과 또는 이들의 조합을 감소시켜 유동 안정성을 개선한다.
압출 단계(626) 후에, 탄소 나노튜브 원형 제품(122)은 정렬 및 응고 단계(630)로 계속 이어질 수 있다. 이 단계에서, 주로 나노튜브 용매(204)로 이루어진 조성 - 이는 부피 또는 중량 분율로 측정됨 - 을 갖는 탄소 나노튜브 원형 제품(112)이 제조될 수 있다. 정렬 및 응고 단계(630)에서, 탄소 나노튜브 원형 제품(122)이 인발 공정과 정렬 공정의 조합 공정에서 처리되어서 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)이 형성된다. 한 예로서, 정렬 및 응고 단계(630)는 초기 정렬 단계(632), 조사 응고 단계(634), 중간 정렬 단계(636), 화학적 응고 단계(638), 고체 상태 정렬 단계(640), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
초기 정렬 단계(632)는 탄소 나노튜브 원형 제품(122)에 초기 정렬을 부여하기 위해 탄소 나노튜브 원형 제품(122)의 제조를 따를 수 있다. 예를 들어, 초기 정렬 단계(632)에서, 예를 들어, 탄소 나노튜브 원형 제품(122)이 도 4의 압출 다이(314)를 빠져나갈 때의 유속보다 빠른 속도인 인발 속도로 초기 정렬 유닛(402)을 작동시킴으로써, 탄소 나노튜브 원형 제품(122) 중의 탄소 나노튜브 분자들(106)을 정렬시키기 위해, 탄소 나노튜브 원형 제품(122)이 도 4의 초기 정렬 유닛(402)에 의해 장력 하에서 인발될 수 있다. 한 예로서, 초기 정렬 단계(632) 동안의 인발 속도는 인라인 X선 또는 중성자 산란 기술로 측정했을 때 바람직하게는 적어도 0.8, 더 바람직하게는 적어도 0.9, 가장 바람직하게는 적어도 0.95인 헤르만 방위 계수에 해당하는 정렬을 일으키도록 설정될 수 있다.
조사 응고 단계(634)는 초기 정렬 단계(632)를 따를 수 있다. 조사 응고 단계(634)는 탄소 나노튜브 원형 제품(122)을 도 4의 방사선원(406)으로부터의 방사선에 노출시킴으로써 응고가 개시되게 하기 위한 것이다. 조사 응고 단계(634)에서, 탄소 나노튜브 원형 제품(122)은, 나노튜브 용매(204)에 의한 흡수를 최소화하고 탄소 나노튜브 원형 제품(122)의 탄소 나노튜브 분자들(106)에 의한 방사선 흡수를 최대화하는 파장의 방사선원(406)으로부터의 방사선에, 예컨대 적외선에, 노출된다. 한 예로, 조사 응고 유닛(404)은 1 내지 130 μm 범위의 파장의 입사 방사선을 생성할 수 있다. 조사 응고 단계(634)는 탄소 나노튜브 원형 제품(122) 내의 그를 따르는 국부 가열 효과를 방지하기 위한 방사선원(406)의 펄싱을 포함할 수 있다. 조사 응고 단계(634)는 대류 열전달, 예를 들어 조사 응고 유닛(404)으로부터의 나노튜브 용매(204)의 배출을 통한 대류 열전달을 제공할 수 있으며, 탄소 나노튜브 원형 제품(122)을 둘러싼 분위기에 가스 흐름을 부과할 뿐만 아니라, 탄소 나노튜브 원형 제품(122)을 반송하는 데에도 도움이 된다.
중간 정렬 단계(636)는 조사 응고 단계(634)를 따를 수 있다. 중간 정렬 단계(636)는 탄소 나노튜브 원형 제품(122)에 정렬을 부여하기 위한 것이다. 중간 정렬 단계(636)에서, 탄소 나노튜브 원형 제품(122)은 부분적으로 응고된 상태이고, 그리고 이 탄소 나노튜브 원형 제품은, 예를 들어, 탄소 나노튜브 원형 제품(122)이 압출 다이(314)를 빠져나갈 때의 유속보다 빠른 속도로 중간 정렬 유닛(408)을 작동시킴으로써, 탄소 나노튜브 원형 제품(122) 중의 탄소 나노튜브 분자들(106)을 정렬시키기 위해, 도 4의 중간 정렬 유닛(408)에 의해 장력 하에서 인발될 수 있다. 탄소 나노튜브 원형 제품(122)이 중간 정렬 유닛(408)에 의해 인발되는 속도 및 장력은 초기 정렬 단계(632)에서의 초기 정렬 유닛(402)의 그것들과 동일하거나, 그보다 더 크거나, 그보다 더 작을 수 있다.
화학적 응고 단계(638)는 중간 정렬 단계(636)를 따를 수 있다. 화학적 응고 단계(638)에서, 탄소 나노튜브 원형 제품(122)이 화학적 응고제(412)에 노출되어 응고된다. 예를 들어, 탄소 나노튜브 원형 제품(122)은 도 4의 화학적 응고 유닛(410)에서 화학적 응고제(412)에 노출될 수 있다. 구체적인 예로서, 탄소 나노튜브 원형 제품(122)을 화학적 응고제(412)에 노출시키는 것은 분무, 욕조 침지, 연속적으로 재생되는 유체 필름을 통과시키는 것, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 화학적 응고 단계(638)는 탄소 나노튜브 원형 제품(122)의 단면을 따라 균일한 응고 속도를 제공한다. 또한, 화학적 응고 단계(638)는 화학적 응고 유닛(410)의 분위기 제어, 휘발성 물질의 배출을 통한 대류 열전달, 및 탄소 나노튜브 원형 제품(122)을 둘러싼 분위기에 가스 흐름 부과를 포함할 뿐만 아니라, 탄소 나노튜브 원형 제품(122)을 반송하는 데 도움이 된다.
고체 상태 정렬 단계(640)는 조사 응고 단계(634), 화학적 응고 단계(638), 또는 이들 조합 단계를 따를 수 있다. 고체 상태 정렬 단계(640)는 탄소 나노튜브 원형 제품(122)의 고체 상태 정렬을 위한 것이다. 고체 상태 정렬 단계(640)에서, 탄소 나노튜브 원형 제품(122)의 응고가 거의 완료되고, 그리고 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)을 형성하기 위해, 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)의 최종 치수를 설정하기 위해, 또는 이들의 조합을 위해 탄소 나노튜브 원형 제품(122) 중의 탄소 나노튜브 분자들(106)에 최종 정렬 정도가 부과되도록, 탄소 나노튜브 원형 제품이 도 4의 고체 상태 정렬 유닛(414)에 의해 장력 하에서 인발될 수 있다. 한 예로서, 고체 상태 정렬 유닛(414)은 탄소 나노튜브 원형 제품(122)이 압출 다이(314)를 빠져나갈 때의 그 탄소 나노튜브 원형 제품의 유속보다 빠른 속도로 작동될 수 있다. 탄소 나노튜브 원형 제품(122)이 고체 상태 정렬 유닛(414)에 의해 인발되는 속도 및 장력은 초기 정렬 단계(632)에서의 초기 정렬 유닛(402), 중간 정렬 단계(404)에서의 중간 정렬 유닛(408), 또는 이들의 조합의 그것들과 동일하거나, 그보다 더 크거나, 그보다 더 작을 수 있다. 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)은 고체 상태 정렬 단계(640) 이후에 보관을 위해 크릴에 감길 수 있다.
정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)이 제조된 후, 방법(600)은 정제 단계(650)로 계속될 수 있다. 정제 단계(650)에서, 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)은 그 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102) 상의 나노튜브 용매(204)의 잔류량, 화학적 응고제(412)의 잔류량, 임의의 다른 바람직하지 않은 잔류 입자, 또는 이들의 조합을 제거하기 위한 하나 이상의 공정의 조합 공정을 거칠 수 있다. 한 예로서, 정제 단계(650)는 수성 세척 단계(652), 열 어닐링 단계(654), 화학적 세척 단계(656), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 정제 단계(650)는 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)을 정제하기 위한 일 실시형태를 나타내지만, 추가 단계들 및 기타 치환 또는 배열이 구현될 수 있음이 이해된다.
수성 세척 단계(652)는 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)에서 나노튜브 용매의 잔류 흔적을 제거하기 위한 것이다. 수성 세척 단계(652)에서, 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)은 나노튜브 용매(204)의 잔류량이 제거되도록 하기 위해 도 5의 용매 제거 유닛(504)에서 증류수 또는 정제수와 같은 수용액에 노출될 수 있다. 예를 들어, 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)을 수용액에 노출시키는 것은 분무, 욕조 침지, 연속적으로 갱신되는 유체 필름을 통과시키는 것, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 수성 세척 단계(652) 동안, 수용액은 60℃ 내지 80℃ 범위의 온도로 유지될 수 있다.
열 어닐링 단계(654)는 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)에서 화학적 응고제(412)의 잔류 흔적을 제거하기 위한 것이다. 열 어닐링 단계(654)는 가열되고 제어된 분위기에서 도 5의 열 어닐링 유닛(506)에서 실행될 수 있다. 예를 들어, 열 어닐링 단계(654)에서, 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)은 화학적 응고제(412)의 잔류량이 제거되도록 하기 위해 열 어닐링 유닛(506)에서 휘발 온도까지 가열될 수 있다. 구체적인 예로서, 휘발 온도는 120℃ 내지 250℃ 범위에 있을 수 있다.
화학적 세척 단계(656)는 나노튜브 응고제와 나노튜브 용매(204) 간의 반응에서 부산물을 제거하기 위한 것이다. 예를 들어, 화학적 세척 단계(656)에서, 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)은 도 5의 화학적 세척 유닛(508) 내의 도 5의 화학적 세척 용액에 노출될 수 있다. 특정 예에서, 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)을 화학적 세척 용액에 노출시키는 것은 분무, 욕조 침지, 연속적으로 갱신되는 유체 필름을 통과시키는 것, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 화학적 세척 용액은 나노튜브 용매(204)와 화학적 응고제(412) 간의 반응의 임의의 원하지 않는 부산물을 제거할 수 있는 비-탄소 나노튜브 용매일 수 있다.
본 방법(600)은 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)을 개질하기 위한 하나 이상의 처리 유닛을 포함할 수 있다. 예를 들어, 선택적으로, 본 방법(600)은 기능화 단계(660), 코팅 단계(670), 도핑 단계(680), 제품 통합 단계(690), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
기능화 단계(660)는 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)의 분자 구조를 변경하기 위한 것이다. 예를 들어, 기능화 단계(660)는 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102) 중의 탄소 나노튜브 분자들(106)을 가교할 수 있는 가황 공정을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 가황 공정에서, 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)을 폴리스티렌 설포네이트(PEDOT)로 도핑함으로써, 황 그룹이 탄소 나노튜브 분자(106)의 분자 골격에 부착될 수 있고, 그리고 나서 이는 도 5의 기능화 유닛(512)의 오븐에서 무산소 분위기에서 800℃에서 어닐링될 수 있다. 설정된 수의 황 그룹이 탄소 나노튜브 분자(106)의 분자 골격에 부착되면, 황 그룹을 가교하기 위한 표준 가황 반응이 수행될 수 있다.
가황을 포함하는 기능화 단계(660)는 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)의 기계적 특성들을 증가시킬 수 있지만, 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)의 전기 전도도를 감소시킬 수 있다. 마찬가지로, 다른 형태의 화학적 기능화도 가능하지만, 이 또한 전기 전도도의 감소를 희생하여 이루어질 수 있다.
코팅 단계(670)는 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)의 표면을 코팅하기 위한 것이다. 코팅 단계(670)에서, 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)의 표면에 코팅 물질 층이 적용될 수 있다. 한 예에서, 코팅 물질은 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)에, 코팅 재료에 의해 결정되는, 딥 코팅, 롤투롤 코팅, 슬라이드 코팅, 침지 코팅, 또는 기타 이용 가능한 기계식 코팅 기술과 같은, 기계식 공정을 통해 적용될 수 있다. 다른 예에서, 코팅 물질은, 수성 분산액 중에 이온 화합물을 적절한 제타 전위 수준으로 함유하는 전해조에서의 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)의 침지를 포함한 전해 공정을 통해, 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)에 적용될 수 있다. 또 다른 예에서, 코팅 물질은, 장입된 고체 입자의 정전기 코팅 또는 기상 증착을 통해, 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)에 적용될 수 있다.
도핑 단계(680)는 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)의 비공유 화학적 기능화를 위한 것이다. 예를 들어, 도핑 단계(680)에서, 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)은 요오드 또는 황산과 같은 p형 도너로 도핑되는 p형 도핑을 받을 수 있다. 일 구현예에서, 도핑 단계(680)는 요오드 도핑과 같은 기상 도핑을 포함할 수 있다. 다른 구현예에서, 도핑 단계(680)는 산 도핑과 같은 액상 도핑을 포함할 수 있다. 도핑 단계(680) 후에, 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)은 시간에 따른 도펀트 안정성이 보장될 수 있도록 하기 위해 코팅 단계(670)에서 코팅된다.
제품 통합 단계(690)는 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)을 기기, 컴포넌트, 또는 구조체에 통합시키기 위한 것이다. 예를 들어, 정렬 및 응고 단계(630), 정제 단계(650), 기능화 단계(660), 코팅 단계(670), 도핑 단계(680), 또는 이들의 조합된 단계 이후에 제조된 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)은 인라인 또는 반-인라인 공정을 통해 다양한 구조체, 기기, 또는 컴포넌트에 통합될 수 있다. 구조체의 예는 로프, 얀, 직조 직물, 발포체, 수지 사전 함침 테이프 또는 직물, 촙 섬유 충전재, 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)으로 제조되거나 또는 케블라, 유리 섬유, 또는 금속과 같은 기타 재료와 조합하여 제조된 적층 필름을 포함할 수 있다. 제품 통합 단계(690)에서, 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)은 연사(twist), 편조(braid), 직조, 프레스, 압연, 접합, 적층, 코팅, 절단, 또는 이들의 조합된 가공을 거쳐서 다양한 구조체를 형성할 수 있다.
정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)을 기기 또는 컴포넌트에 통합시킨 예는 와이어 안테나, 패치 안테나, 코일 변압기, 동축 케이블을 포함할 수 있다. 와이어 안테나를 제조하는 예에서, 코팅되거나 코팅되지 않은 형태의 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)은 지정된 공진 주파수에 의해 결정되는 길이로 절단될 수 있는 단일 또는 다중 필라멘트 스레드, 얀, 또는 로프로 직조될 수 있다.
패치 안테나를 제조하는 예에서, 코팅되거나 코팅되지 않은 필름 형태의 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)을 절단하는 것은 특정 안테나 기하형태로 절단하는 것일 수 있다. 그 생성된 형태는 유전체 기판에 부착(deposit)될 수 있으며, 이는 용융 또는 용액 처리를 사용하여 공압출될 수 있다.
코일 변압기를 제조하는 예에서, 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)은 스레드, 얀, 또는 로프로 직조될 수 있으며, 이는 페라이트 또는 자기 코어 주위에 감겨서 코일을 형성할 수 있다. 권선의 수는 코일에 의해 달성되는 인덕턴스에 의해 결정될 수 있다.
동축 케이블을 제조하는 예에서, 탄소 나노튜브 원형 제품(104)은 유전체 재료와 함께 공압출될 수 있다. 탄소 나노튜브 원형 제품(104)이 응고되면, 유전체 재료가 내부 전도체로서의 정렬된 탄소 나노튜브 제품(102)과의 캡슐화로서 응고될 수 있다.
본 발명의 실시형태의 이들 및 다른 가치 있는 양태들은 결과적으로 기술 상태를 적어도 다음 수준으로 더 발전시킨다.
본 발명이 특정의 최선의 방식과 관련하여 설명되었지만, 전술한 설명에 비추어 볼 때 많은 대안, 수정, 및 변경이 당업자에게 명백할 것임을 이해해야 한다. 따라서, 포함된 청구범위의 범위 내에 있는 그러한 모든 대안, 수정, 및 변경을 포괄하는 것으로 의도되어 있다. 본 명세서에 기재되거나 첨부 도면에 도시된 모든 사항은 예시적이고 비제한적인 의미로 해석되어야 한다.
Claims (18)
- 탄소 나노튜브 제품 제조 방법으로서,
탄소 나노튜브 분자를 포함하는 미정렬 탄소 나노튜브 재료를 고체 용매 입자와 혼합하는(blending) 단계;
상기 고체 용매 입자를 액화시켜 나노튜브 용매를 활성화시키는 단계로서, 나노튜브 용매를 활성화시키는 것은 상기 고체 용매 입자를 가열하는 것을 선택적으로 포함하는, 단계;
상기 미정렬 탄소 나노튜브 재료와 상기 나노튜브 용매를 믹싱하여 나노튜브 도핑 용액을 제조하는 단계;
상기 나노튜브 도핑 용액을 압출하여 탄소 나노튜브 원형 제품(proto-product)을 형성하는 단계로서, 상기 나노튜브 도핑 용액은 나노튜브 필라멘트 또는 나노튜브 필름으로 선택적으로 압출되는, 단계; 및
하기에 의하여 정렬된 탄소 나노튜브 제품을 형성하는 단계:
상기 탄소 나노튜브 원형 제품을 1 μm 내지 130 μm 범위의 파장에서 적외선 방사선원에 노출시키는 단계로서, 선택적으로 상기 적외선 방사선원은 펄스되는, 단계,
상기 노출 전 및 후 중 하나 또는 둘 다에, 상기 탄소 나노튜브 원형 제품 중의 탄소 나노튜브 분자들의 정렬을 부여하는 단계로서, 선택적으로 정렬을 부여하는 것은 상기 탄소 나노튜브 원형 제품을 인발하는 것을 포함하는, 단계; 및
상기 탄소 나노튜브 원형 제품을 화학적 응고제에 노출시키는 단계로서, 상기 화학적 응고제는 상기 나노튜브 용매에 있어서는 용매이고 탄소 나노튜브 원형 제품에 있어서는 용매가 아닌, 단계;
를 포함하는, 탄소 나노튜브 제품 제조 방법. - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 나노튜브 용매를 상기 미정렬 탄소 나노튜브 재료와 혼합하기 전에 극저온으로 동결시켜서 고체 용매 입자를 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 탄소 나노튜브 제품 제조 방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 미정렬 탄소 나노튜브 재료에 액체 상태의 나노튜브 용매를 첨가하는 단계를 추가로 포함하고,
상기 나노튜브 도핑 용액을 제조하는 단계는 액체 상태의 나노튜브 용매를 미정렬 탄소 나노튜브 재료에 전단 믹싱하는 단계를 포함하는, 탄소 나노튜브 제품 제조 방법. - 제1항에 있어서, 상기 나노튜브 용매의 분해(degradation)를 방지하기 위해 나노튜브 용매를 기상 염산과의 동시 유동(co-flow) 하에서의 증발을 통해 제거하는 단계를 추가로 포함하는, 탄소 나노튜브 제품 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 나노튜브 도핑 용액 중의 가장 낮은 종횡비의 탄소 나노튜브 분자를 제거하기 위해 상기 나노튜브 도핑 용액을 분획하는 단계를 더 포함하는, 탄소 나노튜브 제품 제조 방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 정렬된 탄소 나노튜브 제품을 도핑하는 단계, 또는 상기 정렬된 탄소 나노튜브 제품의 표면을 코팅하는 단계, 또는 이 단계들이 조합된 단계를 추가로 포함하는, 탄소 나노튜브 제품 제조 방법.
- 제1항에 있어서, (i) 얀, 스레드, 직조 직물, 적층 필름, 테이프, 발포체, 복합 사전 함침 재료, 및 개별 길이의 촙 섬유(chopped fiber) 재료로부터 선택되는 통합된 구조체를 제조할 수 있도록 또는 (ii) 와이어 안테나, 패치 안테나, 코일 변압기, 및 동축 케이블로부터 선택되는 컴포넌트를 제조할 수 있도록, 상기 정렬된 탄소 나노튜브 제품을 추가적 예의 정렬된 탄소 나노튜브 제품, 기타 재료, 또는 이들의 조합과 통합시키는 단계를 추가로 포함하는, 탄소 나노튜브 제품 제조 방법.
- 삭제
- 탄소 나노튜브 제품 제조 방법으로서,
미정렬 탄소 나노튜브 재료를 용매 전구체 재료와 혼합하는 단계;
상기 용매 전구체를 용매 활성화제와 반응시켜 나노튜브 용매를 활성화시키는 단계;
상기 미정렬 탄소 나노튜브 재료와 상기 나노튜브 용매를 믹싱하여 나노튜브 도핑 용액을 제조하는 단계;
상기 나노튜브 도핑 용액을 압출하여 탄소 나노튜브 원형 제품을 형성하는 단계; 및
하기에 의하여 정렬된 탄소 나노튜브 제품을 형성하는 단계:
상기 탄소 나노튜브 원형 제품을 1 μm 내지 130 μm 범위의 파장에서 적외선 방사선원에 노출시키는 단계,
상기 노출 전 및 후 중 하나 또는 둘 다에, 상기 탄소 나노튜브 원형 제품 중의 탄소 나노튜브 분자들의 정렬을 부여하는 단계로서, 선택적으로 정렬을 부여하는 것은 상기 탄소 나노튜브 원형 제품을 인발하는 것을 포함하는, 단계; 및
상기 탄소 나노튜브 원형 제품을 화학적 응고제에 노출시키는 단계로서, 상기 화학적 응고제는 상기 나노튜브 용매에 있어서는 용매이고 탄소 나노튜브 원형 제품에 있어서는 용매가 아닌, 단계;
를 포함하는, 탄소 나노튜브 제품 제조 방법. - 탄소 나노튜브 제품 제조 시스템으로서,
미정렬 탄소 나노튜브 재료를 고체 용매 입자와 혼합하도록 구성된 혼합 유닛(blending unit);
상기 고체 용매 입자를 액화시켜 나노튜브 용매를 활성화시키도록 구성되며,
상기 미정렬 탄소 나노튜브 재료와 상기 나노튜브 용매를 혼합하여 나노튜브 도핑 용액을 생성하도록 구성된, 균질화 유닛;
상기 나노튜브 도핑 용액을 탄소 나노튜브 원형 제품으로 압출하도록 구성된 압출 조립체; 및
상기 탄소 나노튜브 원형 제품을 정렬된 탄소 나노튜브 제품으로 응고시키도록 구성된 응고 모듈로서, 상기 탄소 나노튜브 원형 제품을 1 μm 내지 130 μm 범위의 파장에서 적외선 방사선원에 노출시키도록 구성된 방사선 조립체를 포함하는, 응고 모듈;
을 포함하는, 탄소 나노튜브 제품 제조 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 정렬된 탄소 나노튜브 제품으로부터 화학적 응고제를 제거하기 위하여 상기 정렬된 탄소 나노튜브 제품을 열적으로 어닐링하는 단계를 추가로 포함하는, 탄소 나노튜브 제품 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브 원형 제품을 화학적 응고제에 노출시키는 단계는 상기 탄소 나노튜브 원형 제품을 상기 화학적 응고제를 포함하는 연속적으로 갱신되는 유체막에 노출시키는 것을 포함하는, 탄소 나노튜브 제품 제조 방법.
- 하기를 포함하는 방법에 의해 형성된 탄소 나노튜브 제품:
탄소 나노튜브 분자를 포함하는 미정렬 탄소 나노튜브 재료를 고체 용매 입자와 혼합하는 단계;
상기 고체 용매 입자를 액화시켜 나노튜브 용매를 활성화시키는 단계로서, 나노튜브 용매를 활성화시키는 것은 상기 고체 용매 입자를 가열하는 것을 선택적으로 포함하는, 단계;
상기 미정렬 탄소 나노튜브 재료와 상기 나노튜브 용매를 믹싱하여 나노튜브 도핑 용액을 제조하는 단계;
상기 나노튜브 도핑 용액을 압출하여 탄소 나노튜브 원형 제품을 형성하는 단계로서, 상기 나노튜브 도핑 용액은 나노튜브 필라멘트 또는 나노튜브 필름으로 선택적으로 압출되는, 단계; 및
하기에 의하여 정렬된 탄소 나노튜브 제품을 형성하는 단계:
상기 탄소 나노튜브 원형 제품을 1 μm 내지 130 μm 범위의 파장에서 적외선 방사선원에 노출시키는 단계로서, 선택적으로 상기 적외선 방사선원은 펄스되는, 단계,
상기 노출 전 및 후 중 하나 또는 둘 다에, 상기 탄소 나노튜브 원형 제품 중의 탄소 나노튜브 분자들의 정렬을 부여하는 단계로서, 선택적으로 정렬을 부여하는 것은 상기 탄소 나노튜브 원형 제품을 인발하는 것을 포함하는, 단계; 및
상기 탄소 나노튜브 원형 제품을 화학적 응고제에 노출시키는 단계로서, 상기 화학적 응고제는 상기 나노튜브 용매에 있어서는 용매이고 탄소 나노튜브 원형 제품에 있어서는 용매가 아닌, 단계.
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