KR20070014749A - 탄소 나노 튜브의 합성 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 아크 방전법을 사용하여 탄소 나노 튜브를 제조하는 공정에 있어서 전극을 자주 교체하여 주어야 하는 어려움을 극복하여 대량 생산이 가능하게 하는 탄소 나노 튜브의 합성 장치를 제공하는 것이다. 이를 위하여 본 발명에서는, 음극에 연결된 흑연봉; 상기 흑연봉과 소정의 간격으로 이격되어 배치되고, 상기 흑연봉의 단면보다 넓은 단면을 가지며, 양극에 연결된 흑연판; 상기 흑연봉과 상기 흑연판 사이의 간격을 소정 간격으로 유지하는 간격 조절 수단; 및 상기 흑연봉에 대향된 상기 흑연판의 전면에 대해 상기 흑연봉이 소정 궤적을 그리며 움직일 수 있도록 상기 흑연봉을 이송하는 이송 수단을 포함하는 탄소 나노 튜브 합성 장치를 제공한다.

Description

탄소 나노 튜브의 합성 장치{Apparatus for synthesizing carbon nano tube}

도 1은 본 발명에 따른 탄소 나노 튜브의 합성 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.

도 2는 도 1의 II-II 방향에서 바라본 흑연판 전면의 평면도.

도 3은 흑연판 전면 상에서의 흑연봉의 이동 궤적의 일례를 보여주는 도면.

도 4는 흑연판 전면 상에서의 흑연봉의 이동 궤적의 다른 일례를 보여주는 도면.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1: 양극 2: 흑연판

3: 간격 조절 수단 4: 음극

5: 흑연봉 6, 7: 직선 운동 수단

10: 밀폐 챔버

본 발명은 탄소 나노 튜브의 합성 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 아크 방전을 유도하여 탄소 나노 튜브를 합성하고, 합성 공정을 지속적으로 수행할 수 있어 대량 생산에 적합한 탄소 나노 튜브의 합성 장치에 관한 것이다.

탄소 나노 튜브는 속이 빈 튜브 모양의 실린더 형태의 구조를 가지고 있다. 실린더 형태를 펼쳐서 보면 육각형 벌집 무늬의 고리를 이루는 그라파이트와 같은 구조를 가진다. 이러한 벌집형의 원자구조가 규칙성을 가지면서 말린 형태를 탄소 나노 튜브라 부른다. 탄소 나노 튜브는 말려있는 각도에 따라 금속과 같은 전도성을 띄기도 하며, 밴드 갭(band gap)이 작은 반도체 특성을 나타내기도 한다. 탄소 나노 튜브는 수 나노미터의 직경을 가지는 단일벽 나노튜브와, 수십 나노미터의 직경을 가지는 다중벽 나노튜브가 있다. 탄소 나노 튜브는 넓은 비표면적, 높은 전기전도성, 균일한 기공 분포, 높은 기계적 강도, 낮은 일함수(work function) 등의 고유한 특성을 가지고 있기 때문에 디스플레이 소자의 음극 물질, 에너지 가스 저장체, 슈퍼 커패시터, 박막 배터리, 전자파 차폐제 등의 재료로 적용이 가능하다. 하지만, 탄소 나노 튜브는 제조가 어렵고 제조 단가가 비싼 문제점이 있다.

일반적으로 탄소 나노 튜브는 아크 방전(arc discharge)법으로 합성하는 것이 널리 알려져 있다. 아크 방전법은 음극에 순수 탄소 전극을, 양극에 금속 첨가 탄소 전극을 사용하여 불활성 가스, 혹은 불활성 가스와 탄화가스의 혼합 가스 분위기 중에서 이들 전극간에 아크 방전을 일으켜서 양극에서 증발한 탄소가 음극 표면에 응집되고 이를 정제시켜 탄소 나노 튜브를 얻게 되는 방법이다.

하지만, 상기 아크 방전법을 사용하여 탄소 나노 튜브를 합성하는 경우에는 씨드(seed) 역할을 하는 양극이 소모되어 자주 양극을 교체해 주어야 하기 때문에 연속적인 제조가 불가능한 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 가지 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 아크 방전법을 사용하여 탄소 나노 튜브를 제조하는 공정에 있어서 전극을 자주 교체하여 주어야 하는 어려움을 극복하여 대량 생산이 가능하게 하는 탄소 나노 튜브의 합성 장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 음극에 연결된 흑연봉; 상기 흑연봉과 소정의 간격으로 이격되어 배치되고, 상기 흑연봉의 단면보다 넓은 단면을 가지며, 양극에 연결된 흑연판; 상기 흑연봉과 상기 흑연판 사이의 간격을 소정 간격으로 유지하는 간격 조절 수단; 및 상기 흑연봉에 대향된 상기 흑연판의 전면에 대해 상기 흑연봉이 소정 궤적을 그리며 움직일 수 있도록 상기 흑연봉을 이송하는 이송 수단을 포함하는 탄소 나노 튜브 합성 장치를 제공함으로써 달성된다.

여기서, 상기 흑연봉과 상기 흑연판은 각각 원형 단면을 가질 수 있다.

여기서, 상기 간격 조절 수단은 상기 흑연봉을 상기 흑연판 방향 또는 상기 흑연판으로부터 멀어지는 방향으로 이송하는 직선 운동 수단인 것이 바람직하고, 상기 직선 운동 수단은 볼스크류, 리니어 가이드, 리니어 모터를 포함하는 직선 운동 수단 중에서 선택될 수 있다.

상기 이송 수단은 상기 흑연봉을 상기 흑연판의 전면과 평행한 평면상에서 2차원 운동시키는 2차원 운동 수단인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 2차원 운동 수단은 상기 흑연판의 전면의 일방향으로 상기 흑 연봉을 이송하는 하나의 직선 운동 수단과, 이 직선 운동 수단과 다른 일방향으로 상기 흑연판의 전면에 대해 상기 흑연봉을 이송하는 다른 하나의 직선 운동 수단으로 구성된 것이 바람직하다.

여기서, 상기 직선 운동 수단들은 볼스크류, 리니어 가이드, 리니어 모터를 포함하는 직선 이송 수단 중에서 선택될 수 있다.

또는 여기서, 상기 2차원 운동 수단은 상기 흑연판의 전면의 일방향으로 상기 흑연봉을 이송하는 직선 운동 수단과, 이 직선 운동 수단을 상기 흑연판의 전면에 실질적으로 평행한 평면상에서 회전시키는 회전 운동 수단으로 구성될 수 있다.

여기서, 상기 간격 조절 수단 및 이송 수단을 제어하는 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 흑연봉이 상기 흑연판의 전면에서 다양한 궤적을 그리면서 이송될 수 있도록 제어하는 것이 바람직하다.

한편 여기서, 양극에 연결된 상기 흑연판은 흑연 분말, 전이 금속 분말, 바인더를 포함하고, 황분말 및/또는 황화철 분말을 더 포함한다.

여기서, 상기 전이 금속은 흑연판의 중량 전체 중량을 기준으로 0.1중량% 내지 10.0중량% 가량 포함된 것이 바람직하다.

여기서, 상기 황분말 및/또는 황화철 분말은 흑연판의 중량 전체 중량을 기준으로 0.01중량% 내지 2.0중량% 가량 포함된 것이 바람직하다.

여기서, 상기 흑연판 및 상기 흑연봉을 수용하는 밀폐 챔버를 더 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 밀폐 챔버 내에는 불활성기체가 채워지고, 상기 밀폐 챔버 내 의 압력은 50 토르 내지 500 토르인 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명에 따른 아크 방전 장치의 개략적인 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 II-II 방향에서 바라본 흑연판의 전면의 평면도가 도시되어 있다.

도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 아크 방전 장치는, 밀폐 챔버(10), 흑연판(2) 및 흑연봉(5)을 포함한다.

상기 흑연판(2)은 실린더 형상으로 만들어지고 양극(1)에 연결된 상태로 상기 밀폐 챔버(10)의 내부에 배치된다. 상기 흑연판(2)은 흑연 분말, 전이 금속 분말 및 바인더를 포함하고, 여기에 황분말 및/또는 황화철 분말을 포함하여 만들어진다.

상기 전이 금속 분말은 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Ac, Unq, Unp, Unh, Uns을 포함하는 전이 금속 원소 중에서 선택되는 하나 이상의 전이 금속으로 이루어 질 수 있는데, 특히 Ni, Co, Fe, Y 등의 전이 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 전이 금속 분말은 흑연판(2)의 중량 전체 중량을 기준으로 0.1중량% 내지 10.0중량% 가량 포함된다.

상기 황분말 및/또는 황화철 분말은 흑연판(2)의 중량 전체 중량을 기준으로 0.01중량% 내지 2.0중량% 가량 포함된다.

상기 전이 금속, 황 및/또는 황화철은 탄소 나노 튜브의 합성에서 촉매 금속의 역할을 하는 것으로, 그 중량%가 위에 언급한 범위의 상한을 넘을 경우 지나치게 많은 양이 생성된 탄소 나노 튜브에 포함되게 될 수 있어 바람직하지 않고, 그 중량%가 하한에 못 미치는 경우 탄소 나노 튜브의 합성이 원활하게 이루어지지 않을 수 있어 바람직하지 않다.

상기 흑연봉(5)은 음극(4)에 연결되어 상기 밀폐 챔버(10) 내부에 배치된다. 상기 흑연봉(5)을 음극(4)에 연결하여 사용하는 이유는 생성되는 탄소 나노 튜브에 불순물이 혼입되는 것을 방지하기 위한 것이다. 즉, 합성된 탄소 나노 튜브에 불순물이 포함되는 것을 고려하지 않아도 되는 경우라면, 용융점이 높은 텅스텐 등의 임의의 금속을 사용하여도 무방하다.

도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이, 상기 흑연봉(5)과 상기 흑연판(2)은 모두 원형 단면과 소정의 길이를 가지는 실린더 형상을 가질 수 있는데, 상기 흑연봉(5)의 단면적보다 상기 흑연판(2)의 단면적이 더 크게 형성되고, 상기 흑연봉(5)과 상기 흑연판(2)은 소정의 간격(G)으로 이격되어 배치된다.

상기 밀폐 챔버(10)는 내부에 불활성 가스가 채워진 상태로 외부와 차단될 수 있는 챔버이고, 상기 흑연판(2) 및 상기 흑연봉(5)은 상기 밀폐 챔버(10) 내에 배치된다. 불활성 가스로는 헬륨이나 아르곤 가스가 사용되는 것이 일반적이기는 하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 밀폐 챔버(10)의 내부 기압은 50 토르(torr) 내지 500 토르 정도로 유지되어야 탄소 나노 튜브 형성을 위한 아크 방전이 가능하다.

상기 밀폐 챔버(10)에는 내부 분위기를 조절하기 위한 불활성 가스, 예컨대 헬륨 가스를 유입시킬 수 있는 가스 유입구(미도시)나, 내부의 가스를 배기할 수 있는 가스 배기구(미도시)나, 내부의 온도를 측정하는 온도 측정 수단(미도시)이나, 측정된 온도에 따라 내부의 온도가 과도하게 상승하는 것을 방지하는 냉각 수단(미도시)이나, 생성된 탄소나노튜브를 모으는 콜렉터(미도시) 등을 더 포함할 수 있다.

이와 같이 구성된 상태에서 상기 흑연봉(5)에 (-) 전압을 인가하고, 상기 흑연판(2)에 (+) 전압을 인가하며 상기 흑연봉(5)과 상기 흑연판(2) 사이에 아크 방전을 일으키면 상기 흑연판(2)이 소모되면서 탄소 나노 튜브가 형성된다. 상기 흑연판(2)이 소모됨에 따라 상기 흑연봉(5)과 상기 흑연판(2) 사이의 거리가 변화되면 탄소 나노 튜브의 합성이 연속적으로 이루어질 수 없으므로, 상기 흑연봉(5)과 상기 흑연판(2) 사이의 간격(G)을 일정 간격으로 유지하여 주는 간격 조절 수단(3)이 설치된다. 상기 간격 조절 수단(3)은 상기 흑연봉(5)을 그 길이 방향(도면의 z축)을 따라 전후진시킬 수 있는 부재로서, 직선 운동을 구현할 수 있는 수단이면 어떤 것이라도 사용될 수 있는데, 특히, 정교한 거리 조절을 위해 리니어 모터, 리니어 가이드, 볼스크류 등으로 이루어 질 수 있다.

한편, 상기 흑연판(2)에서 방전이 시작된 부분이 소모되면 상기 흑연봉(5)을 상기 흑연봉(5)의 전면에 대해 실질적으로 평행한 방향으로 이동시켜 탄소 나노 튜브의 합성이 지속적으로 이루어질 수 있도록 하는 이송 수단이 더 설치될 수 있다. 상기 이송 수단은 상기 흑연판(2)의 전면에 대해 상기 흑연봉(5)이 소정 궤적을 그 리며 움직일 수 있도록 하는 수단으로 2차원 운동을 구현할 수 있는 2차원 운동 수단이면 어떤 것이라도 사용될 수 있다.

예를 들어, 상기 2차원 운동 수단은 상기 흑연판(2)의 전면에 평행한 일방향(도면의 x축)으로 상기 흑연봉(5)을 이송하는 하나의 직선 운동 수단(6)과, 이 직선 운동 수단(6)과 다른 일방향으로, 바람직하게는 이에 수직한 방향(도면의 y축)으로 상기 흑연판(2)의 전면에 대해 상기 흑연봉(5)을 이송하는 다른 하나의 직선 운동 수단(7)을 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 직선 운동 수단들(6, 7)은 볼스크류, 리니어 가이드, 리니어 모터를 포함하는 직선 이송 수단 중에서 선택될 수 있다.

도 3 및 도 4에는 2차원 이송 수단에 의해 흑연봉이 이동하는 궤적을 예를 들어 보여주는 도면이 도시되어 있다.

도 3에 도시된 것과 같이, 흑연봉(5)은 흑연판(2)의 전면 전체를 스캔하면서 이동하는데, 특히 먼저 좌우로 이동하고 흑연판(5)의 단부에 다다르면 소정 거리만큼 상하로 이동하는 방식으로 이송될 수 있다.

또는 도 4에 도시된 것과 같이, 흑연봉(5)이 흑연판(2)의 원주와 나란한 방향으로 원형 궤적을 그리면서 이동할 수도 있다. 이 경우, 흑연판(2)의 원주에 나란한 원형 궤적을 그리는 흑연봉(5)의 이동이 완료될 때마다 흑연판(2)의 원주에 수직한 방향으로 흑연봉(5)의 직경에 해당하는 직선 거리를 이동하게 된다.

도 4와 같은 궤적을 그리도록 장치를 구성하는 경우에는 2차원 운동 수단의 구성을 직선 운동 수단만이 아니라 회전 운동 수단(미도시), 예를 들어 모터를 이 용할 수도 있다. 즉, 원형 궤적을 그리는 운동은 모터의 회전축에 아암(미도시)을 설치하여 아암 단부에 흑연봉(5)을 연결함으로써 구현이 가능하고, 원주에 수직한 방향으로의 이동은 상기 아암의 길이를 따라 흑연봉(5)이 이동 가능하도록 리니어 가이드 등의 직선 운동 수단을 상기 아암에 설치하면 된다. 물론, 앞에서 언급한 직선 운동 수단들을 적절히 제어하여서도 원형 궤적을 그리는 운동을 구현할 수 있다.

도 3 및 도 4에 도시된 궤적은 예시적인 것으로 본 발명에서의 흑연봉(5)의 궤적은 이에 한정되지 않는다. 이러한 관점에서, 도 3 또는 도 4에 도시된 궤적, 또는 그 외의 어떤 임의의 궤적을 그리는 운동을 혼합적으로 구현하도록 할 수도 있다. 일정한 궤적을 그리는 운동만 실시하도록 흑연봉(5)을 이송하는 경우에는 이동 궤적을 따라 그루브가 형성될 수도 있다. 이에 대비하여, 혼합적으로 여러 가지 궤적을 그리도록 흑연봉(5)을 이송하여 흑연판(2) 전면에 그루브가 형성되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 지금까지 설명한 본 발명에 따른 탄소 나노 튜브의 합성 장치는 그 작동을 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이 제어부는 간격 조절 수단에 사용되는 직선 운동 수단, 2차원 운동 수단에 사용되는 직선 운동 수단 및/또는 회전 운동 수단, 밀폐 챔버(10) 내의 압력을 조절하는 압력 조절 수단 등을 제어하도록 구성될 수 있다. 특히, 2차원 운동 수단에 의해 흑연봉(5)이 이동하는 궤적을 미리 입력하여두고 이를 구현하도록 제어할 수 있다.

이상에서 설명한 것과 같이, 흑연판(2)의 전면을 스캔하면서 흑연봉(5)이 이 동하게 되면 흑연판(2)의 전면이 고르게 소모되는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 단면적이 넓은 흑연판(2)을 사용하면서 흑연봉(5)을 이송시켜 가면서 방전을 일으킴으로써 연속적으로 탄소 나노 튜브를 합성하는 것이 가능해지고 잦은 양극 교체에 따른 탄소 나노 튜브 합성 공정에서의 비용의 증가를 막을 수 있게 된다.

본 발명에 따르면, 양극에 설치되는 흑연판을 교체하는 작업의 빈도를 줄임으로써 생산성 향상에 기여할 수 있다.

또한, 흑연판 전면을 소정 궤적을 그리면서 스캔하는 방식으로 음극에 설치된 흑연봉을 움직임으로써 흑연판이 전면에 걸쳐 고르게 소모되도록 할 수 있다.

또한, 흑연봉이 움직이는 궤적을 한 가지만으로 제한하지 않고 여러 가지 궤적을 그리면서 이동하도록 함으로써 흑연판 전면에 흑연봉의 운동 궤적에 따라 그루브가 형성되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 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.

Claims (15)

1. 음극에 연결된 흑연봉;

   상기 흑연봉과 소정의 간격으로 이격되어 배치되고, 상기 흑연봉의 단면보다 넓은 단면을 가지며, 양극에 연결된 흑연판;

   상기 흑연봉과 상기 흑연판 사이의 간격을 소정 간격으로 유지하는 간격 조절 수단; 및

   상기 흑연봉에 대향된 상기 흑연판의 전면에 대해 상기 흑연봉이 소정 궤적을 그리며 움직일 수 있도록 상기 흑연봉을 이송하는 이송 수단을 포함하는 탄소 나노 튜브 합성 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 흑연봉과 상기 흑연판은 각각 원형 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 합성 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 간격 조절 수단은 상기 흑연봉을 상기 흑연판 방향 또는 상기 흑연판으로부터 멀어지는 방향으로 움직이는 직선 운동 수단인 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 합성 장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 직선 운동 수단은 볼스크류, 리니어 가이드, 리니어 모터를 포함하는 직선 이송 수단 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 합성 장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 이송 수단은 상기 흑연봉을 상기 흑연판의 전면과 평행한 평면상에서 2차원 운동시키는 2차원 운동 수단인 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 합성 장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 2차원 운동 수단은 상기 흑연판의 전면의 일방향으로 상기 흑연봉을 이송하는 하나의 직선 운동 수단과, 이 직선 이송 수단과 다른 일방향으로 상기 흑연판의 전면에 대해 상기 흑연봉을 이송하는 다른 하나의 직선 운동 수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 합성 장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 직선 운동 수단들은 볼스크류, 리니어 가이드, 리니어 모터를 포함하는 직선 이송 수단 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 합성 장치.
8. 제 5 항에 있어서,

   상기 2차원 운동 수단은 상기 흑연판의 전면의 일방향으로 상기 흑연봉을 이송하는 직선 운동 수단과, 이 직선 운동 수단을 상기 흑연판의 전면에 실질적으로 평행한 평면상에서 회전시키는 회전 운동 수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 합성 장치.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 간격 조절 수단 및 이송 수단을 제어하는 제어부를 더 포함하고,

   상기 제어부는 상기 흑연봉이 상기 흑연판의 전면에서 다양한 궤적을 그리면서 이송될 수 있도록 제어하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 합성 장치.
10. 제 1 항에 있어서,

    양극에 연결된 상기 흑연판은 흑연 분말, 전이 금속, 바인더를 포함하고, 황분말 및/또는 황화철 분말을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 합성 장치.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 전이 금속은 흑연판의 중량 전체 중량을 기준으로 0.1중량% 내지 10.0중량% 가량 포함된 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브의 합성 장치.
12. 제 10 항에 있어서,

    상기 황분말 및/또는 황화철 분말은 흑연판의 중량 전체 중량을 기준으로 0.01중량% 내지 2.0중량% 가량 포함된 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브의 합성 장치.
13. 제 1 항에 있어서,

    상기 흑연판 및 상기 흑연봉을 수용하는 밀폐 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브의 합성 장치.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 밀폐 챔버 내에는 불활성기체가 채워진 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브의 합성 장치.
15. 제 13 항에 있어서,

    상기 밀폐 챔버 내의 압력은 50 토르 내지 500 토르인 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브의 합성 장치.

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