KR20020017164A - 나노튜브 생성장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 흑연 공급 로드의 단부를 고정하는 고정용 캡; 상기 고정용 캡에 연결되어 흑연 공급 로드를 이동시키는 선형 병진이동부; 고전류를 흐르게 하고, 냉각수를 통과시킬 수 있는 관형상의 전극; 상기 관형상의 전극과 연결되어 냉각수를 통과시켜 흑연 공급 로드의 저항열을 흡수하는 냉각부; 상기 냉각부에 관통하여 설치되고 흑연 공급 로드를 안내하는 가이드부; 흑연 공급로드와 소정의 간격으로 이격되고 상기 흑연 공급로드의 전극과 상반된 극성을 갖는 봉형상의 전극; 상기 흑연 공급 로드와 상기 봉전극의 전기 방전에 의하여 형성된 나노튜브를 수집하기 위한 차단막; 및 흑연공급로드의 선형병진이동중에도 상기 관 전극에 공급되는 전류를 흑연 공급로드에 안정적으로 전도하기 위한 유연성있는 케이블을 포함하는 것을 특징으로하는 나노튜브 생성장치 및 이를 이용한 나노튜브 생성방법을 제공한다.

Description

나노튜브 생성 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD OF PRODUCING NANOTUBE}

본 발명은 나노튜브 생성 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히, 단일벽 나노튜브(Single Wall Nano Tube)를 생성하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

종래의 나노튜브형성장치는 예를 들어 미국공보 제 5,916,642호에 도시되어 있다. 상기 특허 공보의 도 4에 도시된 바와 같이, 흑연 캐소드와 방전을 일으키는 흑연 공급 로드에 100A에 20V정도의 전압을 걸어, 다중벽 나노튜브(Multiple Wall Nano Tube)를 생성한다. 이 경우, 모터에 의하여 전진하여 나노튜브를 생성하기위한 흑연을 제공하는 흑연 공급 로드가 그 방전단부에 진동이 발생하여 안정적인 방전이 일어나지 않고 나노튜브가 안정적으로 형성되지 않는 문제점이 있다. 또한, 단일벽 나노튜브(Single Wall Nano Tube)를 생성하기 위해서는 많은 전류를 공급하여야 하지만, 이 경우 흑연 공급 로드의 자체 저항으로 열이 발생하여 흑연 공급 로드가 고온에서 부서지는 문제점이 있었다. 또한, 종래의 다양한 조건하에서 전기방전에 의하여 단일벽 나노튜브를 생성하는 방법은 안정적으로 단일벽 나노튜브를 형성할 수 없고 그 수율이 매우 낮았다.

본 발명의 목적은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 안정적으로 단일벽 나노튜브를 생성하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

흑연 공급 로드의 단부를 고정하는 고정용 캡;

상기 고정용 캡에 연결되어 흑연 공급 로드를 이동시키는 선형 병진이동부;

고전류를 흐르게 하고, 냉각수를 통과시킬 수 있는 관형상의 전극;

상기 관형상의 전극과 연결되어 냉각수를 통과시켜 흑연 공급 로드의 저항열을 흡수하는 냉각부;

상기 냉각부에 관통하여 설치되고 흑연 공급 로드를 안내하는 가이드부;

흑연 공급로드와 소정의 간격으로 이격되고 상기 흑연 공급로드의 전극과 상반된 극성을 갖는 봉형상의 전극;

상기 흑연 공급 로드와 상기 봉전극의 전기 방전에 의하여 형성된 나노튜브를 수집하기 위한 차단막; 및

흑연공급로드의 선형병진이동중에도 상기 관 전극에 공급되는 전류를 흑연 공급로드에 안정적으로 전도하기 위한 유연성있는 케이블을 포함하는 나노튜브 생성장치를 제공한다.

또한, 헬륨가스 분위기하에서 흑연 공급로드와 봉형전극을 2∼3mm로 이격시키는 단계;

상기 흑연 공급로드와 봉형전극을 100A∼150A의 직류전류를 30V±5V의 전압으로 인가하여 방전시키는 단계;

상기 흑연 공급로드와 봉형전극사이에 다량의 탄소원자와 다중 탄소 라디칼에 의한 플라즈마를 형성하는 단계;

상기 흑연 공급로드의 방전부의 주위를 냉각하는 단계; 및

다량의 탄소 라디칼들이 주변의 헬륨가스에 의해 냉각되면서 촉매역할을 하는 Ni/Y입자의 표면에 탄소나노튜브성장핵을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 생성방법을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 나노튜브 생성 장치의 정단면도;

도 2는 도 1의 나노튜브 생성장치를 A-A'선을 따라 절단하여 상방으로 본 상방 평면도;

도 3은 도 1의 나노튜브 생성장치를 A-A'선을 따라 절단하여 하방으로 본 하방 평면도를 각각 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 나노튜브 생성장치를 개략적으로 도시하고 있다. 이 장치는

진공챔버(1):

흑연 공급 로드의 단부를 고정하는 고정용 캡(10);

상기 진공챔버(1)를 관통하여 상기 고정용 캡(10)에 연결되어 흑연 공급 로드를 이동시키는 선형 병진이동부(20);

상기 진공챔버(1)를 관통하여 고전류를 흐르게 하고, 냉각수를 통과시킬 수 있는 관형상의 전극(30);

상기 관형상의 전극(30)과 연결되어 냉각수를 통과시켜 흑연 공급 로드(100)의 저항열을 흡수하는 냉각부(40);

상기 냉각부(40)에 관통하여 설치되고 흑연 공급 로드(100)를 안내하는 가이드부(50);

상기 흑연 공급로드(100)와 소정의 간격으로 이격되고 상기 흑연 공급로드의 극성과 상반된 극성을 갖는 봉형상의 전극(60);

상기 흑연 공급 로드(100)와 상기 봉전극(60)의 전기 방전에 의하여 형성된 나노튜브를 수집하기 위한 차단막(70); 및

흑연공급로드(100)의 선형병진이동중에도 상기 관 전극(30)에 공급되는 전류를 흑연 공급로드(100)에 안정적으로 전도하기 위한 유연성있는 케이블(80)을 포함한다.

고정용 캡(10)은 상측과 하측에 나사탭을 형성하여 흑연 공급로드(100)와 병진이동부(20)를 연결시키고 Macor 재질로 절연하는 것이 바람직하다.

관형상의 전극(30)은 주로 음극으로 사용되고, 최대 500A까지의 전류를 흐를 수 있도록 하고, 냉각수를 순환시킨다. 냉각수는 상기 관 전극(30)의 일단을 통하여 주입되고 냉각부(40)를 통과한 후 다시 상기 관 전극(30)의 타단을 통하여 배출된다.

가이드부(50)는 흑연공급로드(100)가 마찰이 없이 부드럽게 안내되고 전기적접속을 유지할 수 있도록 흑연재질로 형성하는 것이 바람직하다.

흑연공급로드(100)는 탄소 나노튜브가 생성되면서 소모되며, 로드의 중앙에 Ni/Y분말을 충전하여 전기방전시 흑연에서 탄소나노튜브로 변화되기 위한 촉매로 사용된다.

연결 케이블(90)은 도체로서 고정용 캡(10)에 부착된 금속재질의 탭에 접속되어, 탭에 삽입된 흑연공급로드(100)에 전류를 공급한다.

예로서, 단일벽 탄소나노튜브의 생성공정을 설명하면 다음과 같다.

우선, 도 1에 도시된 바와 같이, 진공펌프(90)를 이용하여 진공챔버(1)내를 진공으로 감압한다. 소정의 진공이 형성된 경우 헬륨가스를 가스 주입구(11)를 통하여 주입시킨다. 압력계(12)에 의하여 헬륨가스를 소정의 압력, 예를 들어 660Torr로 챔버내에 주입된 것을 확인 후, 헬륨가스의 주입을 중단하고, 관형 전극(30)을 양극으로하고 봉형전극(60)을 음극으로 하여 100A∼150A의 직류전류를 30V±5V의 전압으로 가하면, 관형상의 전극(30)과 고정용 캡(10)에 부착된 금속재질의 탭을 접속하는 가요성 케이블(80)에 직류전류를 공급되고, 공급된 전류는 상기 탭에 삽입된 흑연 공급로드(100)에 전류를 공급된다. 이제 흑연공급로드(100)와 봉형전극(60)의 양단을 3mm간격이내로 감소시켜 방전이 시작되도록 한다. 모터(13)에 의하여 병진이동부(20)를 소정의 속도로 이동시켜 방전이 유지되도록 한다. 헬륨가스는 보통 660±20 Torr범위가 바람직하다. 안정적인 방전을 위해서는 상기 흑연 공급로드(100)와 상기 봉전극(60)이 2∼3mm정도의 간격을 유지되는 것이 바람직하며, 상기 흑연 공급로드(100)와 상기 봉전극(60)의 간격을 센서(14)에 의하여 검출하고, 검출된 간격에 관한 정보를 포함하고 있는 전류신호를 컨트롤러(15)에 전송한다. 상기 신호를 입력받은 컨트롤러(15)는 상기 간격 정보에 의하여 필요한 흑연공급로드(100)의 이동거리를 산출한 다음, 모터(13)에 제어명령을 내린다. 제어명령에 의하여 모터(13)는 회전하여 흑연공급로드(100)와 상기 봉전극(60)의 간격을 일정하게 유지하도록 흑연공급로드(100)를 이동시킨다. 흑연공급로드(100)가 이동시에 가이드부(50)에 의하여 안정적으로 유지되기 때문에 흑연공급로드(100)가 이동시 진동하지 않게 되어 방전시 안정적인 위치를 확보할 수 있다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 전극 방전과 동시에, 관형 전극(30)의 일단을 통하여 냉각수를 공급한다. 냉각부(40)는 디스크상에 형성된 원형 홈(41)을 포함하여, 관 전극(30)을 통하여 흘러들어온 냉각수를 원형 홈(41)을 따라 흐르게하여 가이드부(50)를 둘러싸면서 흐르게 되어 흑연 공급로드(100)에서 발생된 저항열을 흡수하고, 열을 흡수한 냉각수는 냉각부(40)를 거쳐 다시 관형 전극(30)의 타단을 통하여 배출된다.

상기한 바와 같이, 격렬한 방전이 일어나는 두 전극사이에는 2000℃이상의 플라즈마가 형성되고 이와 같은 고온 플라즈마 상태에서는 다량의 탄소원자와 다중 탄소 라디칼이 생성된다. 이 다량의 탄소 라디칼들이 주변의 헬륨가스에 의해 냉각되면서 촉매역할을 하는 Ni/Y입자의 표면에 탄소나노튜브성장핵을 생성하게 되고 이를 중심으로 성장하게 된다.

방전에 의하여 형성된 단일벽 탄소 나노튜브는 차단막(70)에 부딪혀 충돌되어 아래에 수집된다. 본 발명에 따른 탄소나노튜브 생성장치에 의하면, 단일벽 나노튜브는 높은 수율로 생성된다.

또한, 본원에 따른 탄소나노튜브 생성장치에 의하여, 다중벽 나노튜브를 공지의 생성 조건하에서 더 안정적으로 높은 수율로 생성할 수 있다.

본 발명에 의한 나노튜브 생성장치에 의하여 안정적으로 단일벽 나노튜브를 생성할 수 있고 생성조건을 변화하여 여러가지 형태의 탄소나노튜브를 생성할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 의한 탄소나노튜브 생성방법에 의하여, 보다 높은 수율로 단일벽 탄소나노튜브를 생성할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 진공챔버;

   흑연 공급 로드의 단부를 고정하는 고정용 캡;

   상기 진공챔버를 관통하고 상기 고정용 캡에 연결되어 흑연 공급 로드를 이동시키는 선형 병진이동부;

   상기 진공챔버를 관통하며, 고전류를 흐르게 하고, 냉각수를 통과시킬 수 있는 관형상의 전극;

   상기 관형상의 전극과 연결되어 냉각수를 통과시켜 흑연 공급 로드의 저항열을 흡수하는 냉각부;

   상기 냉각부에 관통하여 설치되고 흑연 공급 로드를 안내하는 가이드부;

   흑연 공급로드와 소정의 간격으로 이격되고 상기 흑연 공급로드의 전극과 상반된 극성을 갖는 봉형상의 전극;

   상기 흑연 공급 로드와 상기 봉전극의 전기 방전에 의하여 형성된 나노튜브를 수집하기 위한 차단막; 및

   흑연공급로드의 선형병진이동중에도 상기 관 전극에 공급되는 전류를 흑연 공급로드에 안정적으로 전도하기 위한 유연성있는 케이블을 포함하는 것을 특징으로하는 나노튜브 생성장치.
2. 제 1항에 있어서,

   기어에 의하여 맞물려 상기 선형 병진이동부를 병진이동시키는 모터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노튜브 생성장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 흑연공급로드와 상기 봉형상의 전극사이의 간격을 검출하는 센서; 및

   상기 센서에 의하여 검출된 전류신호를 입력받아 상기 모터를 구동하는 제어신호를 출력하는 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노튜브 생성장치.
4. 헬륨가스 분위기하에서 흑연 공급로드와 봉형전극을 2∼3mm로 이격시키는 단계;

   상기 흑연 공급로드와 봉형전극을 100A∼150A의 직류전류를 30V±5V의 전압으로 인가하여 방전시키는 단계;

   상기 흑연 공급로드와 봉형전극사이에 다량의 탄소원자와 다중 탄소 라디칼에 의한 플라즈마를 형성하는 단계;

   상기 흑연 공급로드의 방전부의 주위를 냉각하는 단계; 및

   다량의 탄소 라디칼들이 주변의 헬륨가스에 의해 냉각되면서 촉매역할을 하는 Ni/Y입자의 표면에 탄소나노튜브성장핵을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 생성방법.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 흑연 공급로드와 상기 봉전극의 간격을 센서에 의하여 검출하는 단계;

   검출된 전류신호를 컨트롤러에 전송하고 흑연공급로드의 이동거리를 산출하여 모터를 구동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 생성방법.