KR20060097940A - Carbon nano tubes mass fabrication device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기상합성법 연속공정을 이용한 탄소나노튜브 대량합성장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외기로부터 밀폐된 반응기의 내부로 촉매금속을 투입하고 이송스크류에 의해 연속적으로 이동시키면서 탄소나노튜브를 합성하는 탄소나노튜브 대량합성장치에 관한 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소나노튜브 대량합성장치는 외기와 차단된 내부를 구비하고 촉매, 탄소소오스 가스 및 불활성 가스가 내부로 유입되는 입구들, 합성된 탄소나노튜브를 상기 내부로부터 배출하는 출구 및 가열수단이 형성된 반응기와 상기 반응기의 내부에 설치되는 촉매이송기구와 상기 반응기 출구와 연결되고 외기와 차단된 내부를 갖는 탄소나노튜브 저장부 및 상기 반응기와 연결되어 상기 반응기의 내부로 가스들을 공급하는 가스공급유닛을 포함하여 구성된다.The present invention relates to a carbon nanotube mass synthesis apparatus using a continuous process of gas phase synthesis, and more particularly, to synthesize carbon nanotubes while introducing a catalytic metal from an outside air into a sealed reactor and continuously moving by a transfer screw. It relates to a carbon nanotube mass synthesis device. In accordance with a preferred embodiment of the present invention, the carbon nanotube mass-grown growth value has an interior blocked from outside air, and the catalyst, carbon source gas, and inert gas are introduced into the interior, and the synthesized carbon nanotubes are discharged from the interior. A carbon nanotube reservoir having an outlet and a heating means formed therein, a catalyst transfer mechanism installed inside the reactor, an inside of the reactor connected to the outlet of the reactor and shut off from outside air, and connected to the reactor to transfer gases into the reactor. It comprises a gas supply unit for supplying.
탄소나노튜브, 대량합성, 이송스크류, 연속공정 Carbon Nanotubes, Bulk Synthesis, Transfer Screw, Continuous Process
Description
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소나노튜브 대량합성장치를 도시한 개략도이고,1 is a schematic view showing a carbon nanotube mass synthesis apparatus according to a preferred embodiment of the present invention,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소나노튜브 대량합성장치의 나선형 이송스크류의 다른 형태를 개략적으로 도시한 사시도이고,Figure 2 is a perspective view schematically showing another form of the spiral feed screw of the carbon nanotube mass synthesis apparatus according to a preferred embodiment of the present invention,
도 3은 도 1의 제1교반수단을 도시한 사시도이고,3 is a perspective view showing the first stirring means of FIG.
도 4는 도 1의 제2교반수단을 도시한 정면도이다.4 is a front view showing the second stirring means of FIG.
* 주요 도면 부호의 설명 *Explanation of the Main References
1: 반응기 20: 나선형 이송스크류1: reactor 20: spiral feed screw
30: 촉매공급기구 40: 가스공급유닛30: catalyst supply mechanism 40: gas supply unit
50: 탄소나노튜브 저장부 70: 탄소나노튜브 정제기구50: carbon nanotube storage unit 70: carbon nanotube purification apparatus
본 발명은 기상합성법 연속공정을 이용한 탄소나노튜브 대량합성장치에 관한것으로, 보다 상세하게는 외기로부터 밀폐된 반응기 내에서 촉매금속을 연속적으로 이송시키면서 탄소나노튜브를 합성하는 기상합성법을 이용한 탄소나노튜브 대량 합 성장치에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon nanotube mass synthesis apparatus using a continuous process of gas phase synthesis, and more particularly, to carbon nanotubes using a gas phase synthesis method for synthesizing carbon nanotubes while continuously transporting a catalyst metal in a closed reactor from outside air. It is about mass sum growth.
탄소나노튜브는 흑연면(graphite sheet)이 실린더형으로 말린 구조로서 흑연면의 수에 따라 단일벽, 이중벽 및 다중벽 탄소나노튜브로 구분된다.Carbon nanotubes have a structure in which graphite sheets are rolled into a cylindrical shape and are classified into single-walled, double-walled and multi-walled carbon nanotubes according to the number of graphite surfaces.
탄소나노튜브는 경량으로서 전기적 특성 및 기계적 강도가 우수하며 화학적으로 안정하고 표면반응이 용이하여 전자정보산업분야, 에너지 분야, 고성능 복합소재, 초미세 나노부품 등에서 다양하게 응용될 것으로 예상된다. 따라서 고순도의 탄소나노튜브를 값싸게 대량으로 합성하는 방법이 필수적으로 요구된다.Carbon nanotubes are lightweight, have excellent electrical properties, mechanical strength, chemical stability, and easy surface reactions, and are expected to be used in a variety of applications in the electronic information industry, energy, high-performance composites, and ultra-fine nano components. Therefore, a method of synthesizing high purity carbon nanotubes inexpensively and in bulk is required.
탄소나노튜브를 대량으로 합성하기 위한 대표적인 방법으로는 전기방전법, 레이저증착법, 화학기상증착법, 또는 기상합성법이 있다. 전기방전법 또는 레이저증착법에 의하면 탄소나노튜브의 합성시에 탄소나노튜브 이외에도 비정질 탄소 물질이 동시에 생성되기 때문에 고순도의 탄소나노튜브를 얻기 위해서는 열적 또는 화학적 정제 과정이 필수적으로 요구되며 이러한 방법에 의해서는 경제적인 대량 합성이 어렵다. 화학기상증착법에 의한 탄소나노튜브의 합성은 고순도의 탄소나노튜브를 기판에 정렬시켜 성장시키는 것이 가능하지만 대량합성이 곤란한 문제가 있다.Representative methods for synthesizing carbon nanotubes in large quantities include an electric discharge method, a laser deposition method, a chemical vapor deposition method, or a vapor phase synthesis method. According to the electric discharge method or the laser deposition method, in addition to the carbon nanotubes, amorphous carbon materials are simultaneously produced during the synthesis of the carbon nanotubes, so that thermal or chemical purification is required to obtain high purity carbon nanotubes. Economical mass synthesis is difficult. In the synthesis of carbon nanotubes by chemical vapor deposition, it is possible to grow high-purity carbon nanotubes aligned with a substrate, but there is a problem that mass synthesis is difficult.
따라서 탄소나노튜브를 값싸게 대량합성하는 방법으로써 기상합성법이 크게 부각되고 있다. 그러나 현재까지 보고된 다양한 기상합성법의 경우 합성된 탄소나노튜브에 비정질 탄소입자가 많이 포함되어 있고 이를 정제하는데 어려움이 크다. 특히, 단일벽 또는 이중벽 탄소나노튜브를 기상합성법으로 합성할 경우 수율이 매우 낮고 비정질 탄소 입자가 많이 포함되어 있어서 대량합성에 적합하지 않는 것으 로 판단된다.Therefore, the gas phase synthesis method has emerged as a method of mass synthesis of cheap carbon nanotubes. However, various gas phase synthesis methods reported to date contain a large amount of amorphous carbon particles in the synthesized carbon nanotubes, and it is difficult to purify them. In particular, when single-walled or double-walled carbon nanotubes are synthesized by vapor phase synthesis, the yield is very low and a large amount of amorphous carbon particles is considered to be not suitable for mass synthesis.
더욱이 기상합성법에 따른 탄소나노튜브 대량합성장치는 배치형(batch)으로서, 촉매 금속을 반응기에 주입하고, 반응기를 가열하여 일정시간 반응시킨 후에 반응기를 냉각하는 공정을 매 배치마다 반복하여 탄소나노튜브를 합성하는 방식이다. 이러한 합성장치는 매 배치마다 개별 공정을 반복해야 하기 때문에 많은 비용이 소요될 뿐만 아니라 생산성이 매우 낮으며 또한 매 배치마다 동일한 공정조건을 맞추기 곤란하므로 탄소나노튜브의 균질성이 떨어지는 문제가 있었다.In addition, the carbon nanotube mass-synthesis growth value according to the gas phase synthesis method is a batch, in which a catalyst metal is injected into the reactor, the reactor is heated to react for a predetermined time, and the reactor is cooled. It is a way to synthesize. Such a synthesis apparatus has a high cost because it is necessary to repeat the individual process for each batch, the productivity is very low, and it is difficult to meet the same process conditions in each batch, there was a problem that the homogeneity of carbon nanotubes are inferior.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 외기로부터 밀폐된 반응기의 내부로 촉매금속을 투입하고 이송스크류에 의해 연속적으로 이동시키면서 탄소나노튜브를 합성하는 탄소나노튜브 대량합성장치를 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, the object of the present invention is to introduce the carbon nanotubes to synthesize the carbon nanotubes while introducing the catalyst metal from the outside air into the sealed reactor and continuously moved by the transfer screw To provide a tube mass synthesis device.
상기한 본 발명의 목적은 외기와 차단된 내부를 구비하고 촉매, 탄소소오스 가스 및 불활성 가스가 내부로 유입되는 입구들, 합성된 탄소나노튜브를 상기 내부로부터 배출하는 출구 및 가열수단이 형성된 반응기; 상기 반응기의 내부에 설치되는 촉매이송기구; 상기 반응기 출구와 연결되고 외기와 차단된 내부를 갖는 탄소나노튜브 저장부; 및 상기 반응기와 연결되어 상기 반응기의 내부로 가스들을 공급하는 가스공급유닛을 포함하는 것인 탄소나노튜브 대량합성장치에 의해 달성된다.An object of the present invention described above is a reactor having an interior blocked from the outside air, the reactor, the inlet through which the catalyst, carbon source gas and inert gas is introduced, the outlet for discharging the synthesized carbon nanotubes from the inside and the heating means is formed; A catalyst transport mechanism installed inside the reactor; A carbon nanotube storage unit connected to the reactor outlet and having an interior blocked from outside air; And a gas supply unit connected to the reactor and supplying gases to the inside of the reactor.
상기 목적을 달성하기 위해, 촉매는 시간에 따라 일정량이 투입되는 것이 바람직하다.In order to achieve the above object, it is preferable that a certain amount of the catalyst is added over time.
또한 상기 장치는 외기와 차단되고 상기 촉매를 상기 반응기 내부로 유입시키는 촉매공급기구를 더 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the device preferably further comprises a catalyst supply mechanism for blocking the outside air and introduce the catalyst into the reactor.
본 발명에 따른 장치는 촉매이송기구가 상기 입구들 중에서 촉매가 투입되는 입구로부터 상기 출구까지 형성되는 것이 바람직하다.In the apparatus according to the present invention, it is preferable that a catalyst transfer mechanism is formed from the inlet to the outlet through which the catalyst is introduced.
또한 상기 촉매이송기구는 이송스크류인 것이 바람직하다.In addition, the catalyst transfer mechanism is preferably a transfer screw.
또한 스크류는 나선날개를 구비하고, 상기 나선날개는 상기 반응기 내부의 적어도 일면에 인접하도록 설치된 것이 바람직하다.In addition, the screw is provided with a spiral wing, the spiral wing is preferably installed to be adjacent to at least one surface inside the reactor.
또한 반응기는 냉각수단이 더 형성되는 것이 바람직하다.In addition, the reactor is preferably formed with a cooling means.
본 발명에 따른 장치는 탄소나노튜브 저장부에 연결되고 흡입기구 및 외기로 개방된 배출구를 갖는 탄소나노튜브 정제기구를 더 포함하는 것이 바람직하다.The device according to the present invention preferably further comprises a carbon nanotube refining device connected to the carbon nanotube storage unit and having a suction device and an outlet opening to the outside air.
또한, 상기 탄소나노튜브 저장부의 저부에는 교반수단이 더 형성되는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that a stirring means is further formed at the bottom of the carbon nanotube storage unit.
또한 상기 장치는 탄소나노튜브 저장부에 연결되는 탄소나노튜브 이송수단과, 내부공간과, 상기 내부공간과 연결되어 상기 내부공간으로 공기를 불어넣는 송풍기구와, 및 상기 내부공간과 연결되며 흡입기구 및 외기로 개방된 출구를 구비한 배출기구로 이루어진 탄소나노튜브 정제기구를 더 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the apparatus includes a carbon nanotube transport means connected to the carbon nanotube storage unit, an internal space, a blower that is connected to the internal space and blows air into the internal space, and is connected to the internal space and the suction mechanism and It is preferable to further include a carbon nanotube purification device consisting of a discharge mechanism having an outlet open to the outside air.
또한 상기 탄소나노튜브 이송수단은 상기 내부공간과 연결되며, 상기 탄소나노튜브 이송수단과 상기 내부공간의 사이에는 선택적으로 개폐가 가능한 밸브가 더 형성되는 것이 바람직하다.In addition, the carbon nanotube transfer means is connected to the inner space, it is preferable that a valve capable of selectively opening and closing between the carbon nanotube transfer means and the inner space is further formed.
또한 탄소나노튜브 정제기구의 내부공간 저부에는 교반수단이 더 형성되는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that a stirring means is further formed at the bottom of the inner space of the carbon nanotube refining apparatus.
본 발명의 그밖의 목적, 특정한 장점 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.Other objects, specific advantages and novel features of the invention will become more apparent from the following detailed description and the preferred embodiments associated with the accompanying drawings.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소나노튜브 대량합성장치의 구성에 대하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the configuration of the carbon nanotube mass synthesis apparatus according to the preferred embodiment of the present invention will be described in detail.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소나노튜브 대량합성장치의 구성을 도시한 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 대량합성장치(이하 '장치'라고 함)는 가스공급유닛(40)과 연결되어 탄소나노튜브를 합성하는 반응기(1), 상기 반응기(1)의 일측에 연결되는 촉매공급기구(30), 상기 반응기(1)와 연결된 탄소나노튜브 저장부(50), 상기 탄소나노튜브 저장부(50)와 연결되는 탄소나노튜브 정제기구(70)를 포함하여 구성된다.1 is a schematic diagram showing the configuration of a carbon nanotube mass synthesis apparatus according to a preferred embodiment of the present invention. As shown in Figure 1, the carbon nanotube mass synthesis device according to the present invention (hereinafter referred to as 'device') is connected to the
반응기(1)는 외기와 차단된 원통형 공간을 구비한 실린더형이며, 촉매공급기구(30)와 연결되는 촉매유입구(2)가 반응기(1)의 전단에 인접하게 형성되고, 수소 및 불활성가스가 유입되는 가스유입구(3)들이 반응기(1)의 촉매유입구(2)에 인접하게 형성된다. 반응기(1)는 촉매유입구(2) 및 가스유입구(3)들의 뒤쪽으로 복수개의 탄소소오스 가스 유입구(5)들이 서로 간격을 두고 형성되며, 탄소소오스 가스 유입구(5)들은 탄소소오스 가스를 내장한 탄소소오스 가스 탱크(41)에 연결된다. 반응기(1)는 탄소소오스 가스 유입구(5)들의 뒤쪽의 바닥면에 아래로 열려진 반응기측 탄소나노튜브 배출구(7)가 형성된다. 반응기(1)는 수소 가스 및 탄소소오스 가스들이 각각 앞부분과 뒷부분으로 분리되는 것을 용이하게 하기 위해 길이방향으로 길게 형성되며, 다만 기재의 간소화를 위해 도면에의 도시를 간략히 한 것이므로 반응기(1)의 형태는 도면의 치수비율에 의해 제한되는 것은 아니다. 수소가스와 탄소소오스 가스가 차지하는 영역들을 분리할 수 있는 한 유입구들의 위치 및 수량은 적절하게 변경할 수 있으며 따라서 유입구들은 본 실시예에서 채택된 위치 및 수량만으로 한정되는 것은 아니다.The reactor 1 has a cylindrical shape having a cylindrical space cut off from outside air, and a
반응기(1)의 전단에서 중앙부에 이르기까지 반응기(1)의 외측으로 가열수단(15)이 설치되고 반응기(1)의 후단에 인접한 반응기(1) 외측으로 냉각수단(16)이 설치된다. 가열수단(15)이 냉각수단(16)보다 앞에 위치하는 조건을 만족하는 한 각각의 위치는 변경이 가능하다. 가열수단(15)은 온도센서(미도시)를 구비하여 반응기(1) 내부의 온도를 600 내지 1200℃로 유지한다.The heating means 15 is provided outside the reactor 1 from the front end of the reactor 1 to the center part, and the cooling means 16 is provided outside the reactor 1 adjacent to the rear end of the reactor 1. Each position can be changed as long as the heating means 15 satisfies the condition located before the cooling means 16. The heating means 15 is equipped with a temperature sensor (not shown) to maintain the temperature inside the reactor 1 at 600 to 1200 ℃.
반응기(1)의 내부에는 길이방향으로 나선형 이송스크류(20)가 설치된다. 나선형 이송스크류(20)는 축(21)과 축(21)의 둘레에 형성된 나선날개(22)로 이루어지고, 나선형 이송스크류(20)의 축(21)은 반응기(1) 외부에 설치된 모터에 연결된다. 나선형 이송스크류(20)는 나선날개(22)의 아래부분이 반응기(1) 내부의 저면과 소정의 간격을 유지하도록 설치된다. 나선날개(22)와 반응기(1) 저면의 사이의 간격이 크면 그 간격만큼 촉매가 쌓여있게 되는데 그렇다 하더라고 촉매금속 및 탄소나노튜브를 이송시키지 못하는 것은 아니며, 다만 일정 두께로 촉매금속 및 탄소나노튜브가 바닥에 쌓이게 될 뿐이다. 유축(21) 나선형 이송스크류(20)의 축(21)은 금 속바와 같은 경직된 구조일 수도 있으며 와이어로프와 같은 유연한 플랙시블 구조인 것을 사용하는 것도 가능하다. 다만 나선형 이송스크류(20)는 고온의 반응기(1)에서 사용되는 것이므로 내열성이 우수한 재질, 예를 들면 내열성이 양호한 금속재 및 세라믹 재질 등을 사용한다. Inside the reactor 1, a
나선형 이송스크류(20)는 반드시 중심축(21)이 필요한 것은 아니며, 도 2에 도시된 바와 같이, 나선형 이송스크류(25)는 코일스프링 형태와 유사하게 축이 없는 나선날개(27)만으로 이루어진 구조를 사용하는 것도 가능하다. 무축 나선형 이송스크류(25)를 사용하는 경우에도 그 끝은 모터축에 연결된다. The
촉매공급기구(30)는 반응기(1) 내부로 촉매를 일정량 공급하기 위한 것으로서 내부에 촉매를 저장할 공간이 형성되고 반응기(1)의 촉매유입구(2)로 연결되는 이송스크류(32)를 구비한다.
본 실시예는 반응기(1) 자체가 촉매환원을 수행하는 것이므로 촉매환원기구를 별도로 형성하지는 않았지만, 촉매를 반응기(1)로 투입시키기 이전에 환원시키려면 촉매공급기구(30)에 촉매환원기구를 설치하는 것도 가능하다.In the present embodiment, since the reactor 1 itself performs catalytic reduction, the catalyst reduction mechanism is not separately formed. However, to reduce the catalyst prior to introducing the catalyst into the reactor 1, the catalyst reduction mechanism is added to the
가스공급유닛(40)은 반응기(1)와 연결된 탄소 가스 탱크(41, 탄소소오스 가스 탱크), 아르곤 가스 탱크나 질소 가스 탱크(42) 및 수소 가스 탱크(43)로 구성된다. 상기 가스 탱크들은 각각 정제기(미도시)를 구비한다. 상기 정제기는 흡착법에 의해 각각 탄소 가스 혼합물 및 수소 가스 혼합물을 정제하여 고순도의 탄소소오스 가스 및 수소 가스를 공급한다. 상기 탄소소오스 가스의 예로는 메탄, 에탄, 에틸렌, 아세틸렌, 프로필렌, 부탄, 뷰틸렌, 부타디엔, 핵산, 헵탄, 톨루엔, 벤젠, 크실렌, 휘발유, 프로판, 액화프로판가스(LPG), 액화천연가스(LNG), 납사, 일산화탄소 및 알콜류 등이 있다. 불활성 가스는 아르곤, 질소 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.The
탄소나노튜브 저장부(50)는 반응기측 탄소나노튜브 배출구(7)를 매개로 반응기(1)와 연결된 것으로서 외기와는 차단된 내부공간을 구비하고 상부 일측으로 백필터(56;bag filter)가 설치된 가스배출관(55)이 형성되며 가스배출관(55)은 외기로 개방된 흡입펌프(58)와 연결된다. 가스배출관(55)에는 개폐가 가능한 개폐밸브(57)가 설치되고, 따라서 흡입펌프(58)를 작동하지 않을 때에는 개폐밸브(57)를 잠금으로써 가스배출관(55)을 통해 탄소나노튜브 저장부(50)로 공기가 유입되는 것을 차단할 수 있다. 탄소나노튜브 저장부(50)의 저면에는 저장부측 탄소나노튜브 배출구(52)가 형성되며 저장부측 탄소나노튜브 배출구(52)의 위쪽으로 탄소나노튜브를 고르게 저어주는 제1교반수단(53)이 설치된다.The carbon
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소나노튜브 대량합성장치의 탄소나노튜브 저장부(50)에 설치된 제1교반수단(53)을 위에서 내려다 본 평면도이다. 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제1교반수단(53)은 방사상으로 연장된 복수의 경사진 교반날개(54)를 포함하고 모터에 연결된다. 제1교반수단(53)의 교반날개(54)들은 바닥면에 대해 경사진 구조도 가능하지만 수직하게 형성되는 것도 가능하다. 제1교반수단(53)은 모터를 제어하여 대량합성장치가 작동하는 동안에 계속적으로 작동시킬 수도 있고 휴지기간을 포함하도록 단속적으로 작동시킬 수도 있다. 3 is a plan view from above of the first stirring means 53 installed in the carbon
탄소나노튜브 저장부(50)의 아래에는 저장부측 탄소나노튜브 배출구(52)와 연결되는 이송스크류(62)가 설치되고, 이송스크류(62)는 개폐밸브(64)가 구비된 연결관(63)을 통해 이후 설명될 탄소나노튜브 정제기구(70)에 연결된다.Under the carbon
탄소나노튜브 정제기구(70)는 외기와 차단된 내부공간을 구비한 깔때기 구조의 수집부(71)를 포함하며 하단에 정제기구측 탄소나노튜브 배출구(73)가 형성되고, 수집부(71)의 내측으로 제2교반수단(75)이 형성된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제2교반수단(75)은 관통공(76)이 형성된 프레임 구조의 교반날개(76)를 포함하며 회전이 가능하도록 모터에 연결된다. 탄소나노튜브 정제기구(70)는 수집부(71)로 외부 공기를 불어넣는 송풍기를 포함하는 공기주입기구(85)를 포함하며, 탄소나노튜브 정제기구(70) 내부로부터 공기를 포함하는 가스들을 외부로 배출하기 위해 가스배출기구를 포함한다. 탄소나노튜브 정제기구(70)의 가스배출기구는 백필터(78)와 개폐밸브(80)가 설치된 가스배출관(79)을 포함하며 가스배출관(79)으로부터 가스를 흡입하는 흡입펌프(81)를 구비한다.The carbon
수집부(71)의 정제기구측 탄소나노튜브 배출구(73)에는 합성된 탄소나노튜브를 배출하기 위한 이송스크류(89)가 연결된다.The
이하에서는 본 발명의 장치를 사용하여 탄소나노튜브를 합성하는 과정을 설명한다.Hereinafter, a process of synthesizing carbon nanotubes using the apparatus of the present invention will be described.
가열수단(15)으로 반응기(1)의 내부의 온도를 600~1200℃로 상승시킨 후 반응기(1)의 가스유입관들(3)을 통해 불활성 가스인 아르곤을 주입하면 반응기(1) 내부에 존재하던 기체들이 반응기측 탄소나노튜브 배출구(7)를 통해 탄소나노튜브 저장부(50)로 빠져나가게 되고 반응기(1) 내부의 이물질이 제거되어 반응기(1) 내부 는 불활성 가스 분위기가 된다. 탄소나노튜브 저장부(50)로 유입된 기체들은 탄소나노튜브 저장부(50)의 가스배출관(55)을 통해 외부로 배출된다.After raising the temperature of the reactor 1 to 600-1200 ° C. by the heating means 15, injecting argon, which is an inert gas, through the gas inlet pipes 3 of the reactor 1, into the reactor 1. The gases present are released to the carbon
이후 수소를 반응기(1) 내부로 투입한다.Then hydrogen is introduced into the reactor (1).
수소가스로 채워진 반응기(1) 내부로 촉매공급기구(30)가 1 내지 50㎚ 크기의 촉매금속 산화물 또는 촉매금속 산화물이 담지된 촉매담체를 투입하고 탄소소오스 가스 유입구(5)를 통해 반응기(1)의 내부로 탄소소오스 가스를 투입한다. 우선 반응기(1)로 투입된 촉매금속은 반응기(1)의 전단에 채워진 수소가스와 반응하여 환원된다. 상기 촉매담체는 입자(powder)의 형태가 될 수도 있으며 마그네슘 산화물(Mg0), 알루미나(Al2O3), 제올라이트(Zeolite)또는 실리카 등으로 이루어질 수 있고, 촉매 금속 입자 산화물을 촉매담체의 나노 기공에 담지하는 방법은 졸겔법(sol-gel법), 공침법(precipitation법), 또는 담지법 (impregnation법)을 이용할 수 있다. 이 때 반응기(1)의 내부로 수소가스를 과량으로 공급하면 반응기(1) 전단의 수소가스 압력이 커지게 되어 탄소소오스 가스를 뒤쪽으로 밀어내게 되므로 반응기(1)의 전단에는 수소가스만이 존재하게 된다.The
반응기(1) 전단부에서 환원된 촉매금속은 나선형 이송스크류(20)에 의해 반응기(1)의 뒤쪽으로 이동하고, 나선형 이송스크류(20)에 의해 이동하는 촉매금속은 탄소소오스 가스와 반응하여 탄소나노튜브를 합성한다. 합성된 탄소나노튜브는 반응기(1)의 후단을 지나면서 냉각수단(16)에 의해 상온으로 냉각된다. 나선형 이송스크류에 의해 촉매금속 및 합성된 탄소나노튜브를 저어주기 때문에 탄소나노튜브 들이 서로 부착하여 균질성이 감소되는 것이 방지된다. 물론, 상기 탄소나노튜브의 합성시 탄소소오스 가스 유량 및 합성온도를 조절하여 상기 탄소나노튜브의 성장 속도와 직경, 그리고 결정성을 조절할 수 있다.The catalytic metal reduced at the front end of the reactor (1) is moved to the rear of the reactor (1) by the helical transfer screw (20), and the catalytic metal moved by the helical transfer screw (20) reacts with carbon source gas to form carbon. Synthesize nanotubes. The synthesized carbon nanotubes are cooled to room temperature by the cooling means 16 while passing through the rear end of the reactor 1. Since the catalyst metal and the synthesized carbon nanotubes are agitated by the helical transfer screw, the carbon nanotubes are prevented from adhering to each other to reduce homogeneity. Of course, by adjusting the carbon source gas flow rate and the synthesis temperature when the carbon nanotubes are synthesized, the growth rate, diameter, and crystallinity of the carbon nanotubes may be controlled.
합성된 탄소나노튜브는 반응기(1)의 후단에 형성된 반응기측 탄소나노튜브 배출구(7)를 통해 탄소나노튜브 저장부(50)로 이동한다. 반응기측 탄소나노튜브 배출구(7)는 항상 열려있는 구조이므로 탄소나노튜브 저장부(50)로는 합성된 탄소나노튜브 뿐만 아니라 반응기(1) 내부의 탄소소오스 가스 및 수소가스 등도 함께 유입된다.The synthesized carbon nanotubes are moved to the carbon
이렇게 촉매공급기구(3)를 통해 반응기(1) 내부로 연속하여 투입된 촉매금속이 연속적으로 탄소나노튜브로 합성되기 때문에 탄소나노튜브의 대량합성이 가능해진다.Since the catalyst metal continuously introduced into the reactor 1 through the catalyst supply mechanism 3 is continuously synthesized into carbon nanotubes, mass synthesis of carbon nanotubes is possible.
합성된 탄소나노튜브와 함께 탄소나노튜브 저장부(50)로 유입된 가스들은 탄소나노튜브 저장부(50)의 가스배출관(55)에 설치된 흡입펌프(58)의 작동에 의해 백필터(56)를 거쳐 탄소나노튜브는 걸러지고 가스들만이 외부로 배출된다. 가스들이 걸러진 탄소나노튜브는 제1교반수단(53)에 의해 저장부측 탄소나노튜브 배출구(52)를 빠져나가 이송스크류(62)를 거쳐 정제기구로 투입된다. The gas introduced into the carbon
탄소나노튜브 정제기구(70)의 수집부(71)로 유입된 탄소나노튜브로부터 탄소나노튜브에 포함된 수소 등의 잔여가스들을 제거하기 위해서 탄소나노튜브 정제기구(70) 위쪽의 개폐밸브(64)를 닫은 상태에서 송풍기로 외부 공기를 유입시키면서 제2교반수단(75)으로 탄소나노튜브를 저어준다. 외부로부터 들어온 공기는 탄소나 노튜브에 포함된 잔여가스들을 불어내고 희석시키며 잔여가스들은 내부로 들어온 공기와 함께 탄소나노튜브 정제기구(70)에 포함된 가스흡입기구에 의해 흡입되어 외부로 다시 배출된다. 이 때 탄소나노튜브 정제기구(70)와 이송스크류(62) 사이에 설치된 개폐밸브(64)를 막는 이유는 송풍기에 의해 유입된 공기가 탄소나노튜브 저장부(50) 및 반응기(1)로 침투하는 것을 차단하기 위한 것이다.Opening and closing
이렇게 탄소나노튜브 정제기구를 통해 정제된 탄소나노튜브는 수집부(71)의 정제기구측 탄소나노튜브 배출구(73)에 의해 정제기구(70)를 빠져나가고 이송스크류(89)에 의해 의도한 위치로 보내어진다.The carbon nanotubes thus purified through the carbon nanotube refining mechanism exit the
본 발명에 따른 장치에서는 탄소나노튜브 합성과정 동안에 반응기(1)의 전단에 설치된 가스유입구(3)들을 통해 수소가스를 과량 불어넣어 줌으로써 탄소소오스 가스가 반응기(1)의 전단으로 진입하는 것을 저지한다. 그 결과 촉매금속이 환원되기 이전에 탄소소오스 가스와 반응하는 것을 막을 수 있다.In the apparatus according to the present invention, the carbon source gas is prevented from entering the front end of the reactor 1 by blowing excess hydrogen gas through the gas inlets 3 installed at the front end of the reactor 1 during the carbon nanotube synthesis process. . As a result, the catalytic metal can be prevented from reacting with the carbon source gas before being reduced.
본 발명의 실시예에 따른 장치에서 촉매이송기구로 사용된 이송스크류는 합성된 탄소나노튜브와 촉매금속을 연속적으로 이송시키는 것이며, 특히 나선형 이송스크류(20)의 나선날개(22)가 촉매금속을 앞으로 밀어주는 동시에 원주방향으로 밀어주는 역할을 하므로 촉매금속을 고르게 교반시키게 되어 촉매금속과 탄소소오스 가스의 반응이 원활해진다.In the device according to the embodiment of the present invention, the transfer screw used as the catalyst transfer mechanism continuously transfers the synthesized carbon nanotubes and the catalyst metal. In particular, the
촉매이송기구인 이송스크류의 나선날개(22)는 반응기(1) 내부의 저면에 인접하게 형성되어 반응기(1) 내부에 쌓인 촉매금속을 밀어서 전진시키는 것이지만 반드시 반응기(1) 내부의 저면에 밀착해야 하는 것은 아니다. 예를 들어 나선날개 (22)가 반응기(1) 내부 저면으로부터 1㎝의 간격을 두고 있는 경우에는 1㎝ 정도의 촉매금속이나 탄소나노튜브가 쌓이게 될 뿐이며 탄소나노튜브의 합성에 지장을 주지는 않는다.The
또한 본 실시예에서는 나선날개(22)가 연속적으로 이어지도록 형성하였지만 이송기능을 수행하는 적절한 구조, 예를 들면 나선상으로 복수의 나선날개(22)들이 소정의 간격을 두고 배치되는 것도 가능하다.In addition, in the present embodiment, the
본 발명의 실시예에 따른 장치의 촉매공급기구(30)는 장치의 탄소나노튜브 합성과정에서 촉매가 일정량 투입되도록 하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 장치의 탄소나노튜브 합성과정에서 촉매의 투입량은 변동할 수도 있고 이 경우 탄소나노튜브의 산출량이 변동되게 된다.Although the
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 장치는 이송스크류를 구비한 촉매공급기구(30)를 채택하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 외기와 차단된 상태에서 반응기(1) 내부로 촉매를 투입할 수 있는 한 촉매공급기구(30)는 다양한 변형이 가능하다.Although the apparatus according to the preferred embodiment of the present invention adopts the
본 발명의 실시예에 따른 장치의 촉매이송기구는 반응기(1) 내부의 전체 길이에 걸쳐 형성될 수도 있고 또는 반응기(1)의 촉매유입구(2)로부터 탄소나노튜브 배출구까지의 구간을 포함하는 조건을 만족시키는 한 다양한 범위에 걸쳐 형성되는 것이 가능하다.The catalyst transfer mechanism of the apparatus according to an embodiment of the present invention may be formed over the entire length of the reactor 1 or includes a section from the
본 발명에 따른 장치에서는 냉각수단(16)이 반응기(1)에 설치되었지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 냉각수단(16)이 탄소나노튜브 저장부(50) 등의 다른 구성에 형성되는 것도 가능하다.In the apparatus according to the present invention, the cooling means 16 is installed in the reactor 1, but the present invention is not limited thereto, and the cooling means 16 is also formed in another configuration such as the carbon
본 발명에 따른 장치에서는 탄소나노튜브 저장부(50)에 연결되는 탄소나노튜브 정제기구(70)를 구비하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 합성된 탄소나노튜브를 별도의 공정을 통해 정제하는 경우에는 본 발명의 장치로부터 탄소나노튜브 정제기구(70)를 생략하는 것도 가능하다.In the apparatus according to the present invention provided with a carbon
본 발명의 장치에 형성된 교반수단들은 정제 및 이송을 원활하게 하기 위한 것이므로, 본 발명의 장치에서 교반수단들을 생략하는 것도 가능하며 또한 장치의 교반수단들을 다른 형태의 것으로 대체하는 것도 가능하다.Since the stirring means formed in the apparatus of the present invention are intended to facilitate the purification and transfer, it is also possible to omit the stirring means in the apparatus of the present invention and to replace the stirring means of the apparatus with another type.
본 발명의 실시예에 따른 장치에서는 가스배출관에 개폐밸브를 설치하였으나, 이는 흡입펌프를 미작동할 경우에 외부로부터 공기가 유입되는 것을 예방하기 위한 것이므로 가스배출관에 개폐밸브를 설치하지 않는 것도 가능하다.In the apparatus according to the embodiment of the present invention, the on-off valve is installed in the gas discharge pipe, but this is to prevent the inflow of air from the outside when the suction pump is not operated, it is also possible not to install the on-off valve in the gas discharge pipe. .
본 발명의 실시예에 따른 장치에는 반응기(1)를 수평으로 형성하였으나 촉매환원반응이 수행되는 반응기(1) 전단부가 후단부보다 높게 위치하도록 반응기(1)를 경사지게 배치하는 것도 가능하다. 이 경우 비중차에 의해 가벼운 수소는 반응기(1)의 앞쪽에 모이고 무거운 탄소소오스 가스는 반응기(1)의 뒤쪽에 모이게 되어 수소와 탄소소오스 가스가 적절히 분리되도록 할 수 있다.Although the reactor 1 is horizontally formed in the apparatus according to the embodiment of the present invention, it is also possible to arrange the reactor 1 inclined so that the front end portion of the reactor 1 in which the catalytic reduction reaction is performed is positioned higher than the rear end portion. In this case, due to the difference in specific gravity, light hydrogen is collected at the front of the reactor 1 and heavy carbon source gas is collected at the rear of the reactor 1 so that hydrogen and carbon source gas can be properly separated.
본 발명의 실시예에서는 반응기(1)의 형태를 원통형으로 하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 반응기(1)의 내부 아래면에 쌓인 촉매금속 및 탄소나노튜브를 스크류에 의해 이송시켜주는 한 반응기(1)는 다양한 구조로 형성될 수 있고 예를 들면 반응기(1)의 내부 아랫면이 반원형 단면을 갖는 조건을 만족하는 다른 형태도 가능하다.In the embodiment of the present invention, the reactor 1 has a cylindrical shape, but the present invention is not limited thereto, and one reactor for transferring catalyst metal and carbon nanotubes stacked on the inner bottom surface of the reactor 1 by a screw may be used. (1) can be formed in various structures, and other forms are also possible, for example, satisfying the condition that the inner lower surface of the reactor 1 has a semi-circular cross section.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.Although the present invention has been described in connection with the above-mentioned preferred embodiments, it is possible to make various modifications or variations without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the appended claims will cover such modifications and variations as fall within the spirit of the invention.
본 발명은 기상합성법의 연속생산공정이며 단일벽, 이중벽, 다중벽 탄소나노튜브를 대량합성하는 방법이다. 본 발명의 장치는 탄소나노튜브를 연속적으로 대량생산할 수 있고, 촉매, 반응온도, 탄소소오스가스의 종류와 양 그리고 스크류의 이송속도 및 수소량을 제어함으로써 단일벽, 이중벽, 다중벽 탄소나노튜브를 대량합성할 수 있다.The present invention is a continuous production process of the gas phase synthesis method and is a method for mass synthesis of single-walled, double-walled, multi-walled carbon nanotubes. The apparatus of the present invention can continuously mass-produce carbon nanotubes, and control single-walled, double-walled and multi-walled carbon nanotubes by controlling the catalyst, reaction temperature, type and amount of carbon source gas, screw feed rate and hydrogen amount. Mass synthesis is possible.
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