KR20080091842A - 나노기공 탄소 재료 및 나노기공 탄소 재료를 이용하는 시스템과 이용 방법 - Google Patents

나노기공 탄소 재료 및 나노기공 탄소 재료를 이용하는 시스템과 이용 방법 Download PDF

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제이 도널드 캐루더스
마이클 제이 워드젠스키
제임스 브이 맥매누스
조지프 마줄로
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Abstract

본 발명에 따르면, 경도, 내마모성 및 인성으로 구성되는 군으로부터 선택된 특성과 관련하여 나노기공 탄소 단독일 때에 비해 향상된 특성을 복합체에 부여하는 재료로 적어도 부분적으로 충전되는 공극을 갖는 다공성 탄소 복합체가 개시된다. 또한, 염소 가스를 위한 저장 매체 또는 예컨대 수소 연료 전지를 위한 수소 저장 매체로서의 다공성 탄소 재료를 설명한다.

Description

나노기공 탄소 재료 및 나노기공 탄소 재료를 이용하는 시스템과 이용 방법{NANOPOROUS CARBON MATERIALS, AND SYSTEMS AND METHODS UTILIZING SAME}
관련 출원의 상호 참조
발명의 명칭이 "유체 저장/분배, 탈황, 및 적외선 복사 방출에 유용한 탄소질 재료 및 이 탄소질 재료를 이용하는 장치와 이용 방법(Carbonaceous Materials Useful for Fluid Storage/Dispensing, Desulfurization, and Infrared Radiation Emission, and Apparatus and Methods Utilizing Same)"이며, 프랭크 디미오 쥬니어 등의 명의로 2006년 1월 30일자로 출원된 미국 가특허 출원 제60/763,258호의 우선권을 상기 가특허 출원에 기초하여 35 USC 119 하에서 주장한다. 상기 미국 가특허 출원의 개시내용은 이에 따라 인용함으로써 다목적으로 전체가 본 명세서에 포함된다.
본 발명은, 유체 저장/분배 용례에 유용성이 있는 나노기공 탄소 재료 및 이 나노기공 탄소 재료를 이용하는 시스템 및 이용 방법뿐만 아니라, 트라이볼로지(tribology) 용례에서 유용한 함침된 나노기공 탄소 재료 및 울트라 터프(ultra-tough) 구조 재료에 관한 것이다.
탄소질 재료는, 유체 정화, 유체 저장 및 분배 그리고 유체 여과를 포함하는 다수의 용례에서 유체 흡착 매체로서 사용된다.
상업적으로 중요한 한 가지 특정 용례는 유체 저장 및 분배 시스템이며, 이때 탄소질 흡착 재료를 배치하여 흡착된 상태로 유체를 흡착식으로 유지하고, 유체의 열 탈착에 영향을 주기 위한 가열, 유체의 탈착에 영향을 주기 위한 낮은 압력 조건의 적용, 및/또는 농도 구배의 적용과 같은 적절한 분배 조건 하에서 분배를 위해 상기 유체를 방출시키는데, 농도 구배의 적용은 유체의 탈착 및 캐리어 유체에서의 상기 유체의 비말동반(entrainment)을 유발하기 위해 유체가 그 위에 흡착되어 있는 흡착제와 접촉하는 캐리어 가스를 유동시키는 것과 같은 방법으로 행해진다.
유체 저장 및 분배 시스템은, 발명의 명칭이 "모놀리스식 탄소 흡착제를 구비한 가스 저장 및 분배 시스템(Gas storage and dispensing system with monolithic carbon adsorbent)"이며 제이 도널드 캐루더스의 명의로 2004년 6월 1일자로 허여된 미국 특허 제6,743,278호에 개시되어 있으며, 상기 미국 특허의 개시내용은 이에 따라 인용함으로써 다목적으로 전체가 본 명세서에 포함된다. 이 특허는 다음의 특징, 즉 (a) 25 ℃ 및 650 torr의 압력에서 아르신 가스에 대해 측정된 충전 밀도가 흡착제 1리터당 400 그램의 아르신을 초과하는 특징, (b) 흡착제의 전체 공극 중 적어도 30 %가 약 0.3 내지 약 0.72 나노미터 범위의 크기를 갖는 슬릿 형상의 기공을 포함하며 전체 공극 중 적어도 20 %는 직경이 2 나노미터 미만인 미세기공을 포함하는 특징, 및 (c) 1000 ℃ 미만의 온도에서 열분해 및 선택적인 활성화에 의해 형성되고 세제곱센티미터 당 약 0.80 내지 약 2.0 그램의 벌크 밀도를 갖는 특징 중 적어도 하나에 의해 특징지워지는 물리적인 모놀리스식 탄소 흡착제를 설명하고 있다.
유체 저장 및 분배 시스템과는 별도로, 탄소는 통상적으로 고강도 복합체의 성분으로서, 즉 보강 매체로서 사용된다. 또한, 탄소는 유리질 탄소 복합체에서의 연속 매체로서 복합체 재료 용례에서 사용되며, 이는 다양한 트라이볼로지 용례에서 유용하지만 취성이 크고 이에 따라 크래킹(cracking) 및 물리적인 완전성의 손실을 겪는 고유의 단점을 갖는다.
본 발명은 유체 저장/분배 용례에 유용성이 있는 나노기공 탄소 재료, 및 이러한 나노기공 탄소 재료를 이용하는 시스템과 이용 방법뿐만 아니라, 트라이볼로지 용례에서 유용한 함침된 나노기공 탄소 재료 및 울트라 터프 구조 재료에 관한 것이다.
한 가지 양태에 있어서, 본 발명은 경도, 내마모성 및 인성으로 구성되는 군으로부터 선택된 특성과 관련하여 나노기공 탄소 단독일 때에 비해 향상된 특성을 복합체에 부여하는 재료로 적어도 부분적으로 충전되는 공극을 갖는 나노기공 탄소를 포함하는 나노기공 탄소 복합체에 관한 것이다.
또 다른 양태에 있어서, 본 발명은 이러한 나노기공 탄소 복합체를 포함하는 수소 저장 시스템에 관한 것이다.
추가적인 양태에 있어서, 본 발명은 상기 나노기공 탄소 복합체를 포함하는 수소 연료 에너지 생성 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 추가적인 양태는 다공성 탄소를 포함하는 염소 가스 저장 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 양태는, 경도, 내마모성 및 인성으로 구성되는 군으로부터 선택된 특성과 관련하여 나노기공 탄소 단독일 때에 비해 향상된 특성을 복합체에 부여하는 재료로 나노기공 탄소의 공극을 적어도 부분적으로 충전하는 단계를 포함하는 것인 복합 재료 제조 방법에 관한 것이다.
추가적인 양태에 있어서, 본 발명은 붕소를 함유하는 나노기공 탄소를 포함하는 수소 저장 매체의 사용을 포함하는 것으로서 수소를 분배하기 위한 수소 저장 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 양태는 붕소를 함유하는 나노기공 탄소를 포함하는 수소 저장 매체의 사용을 포함하는 에너지 생성 방법에 관한 것이다.
본 발명의 추가적인 양태는, 다공성 탄소 상에 흡착된 상태로 염소 가스를 유지하는 단계를 포함하는 염소 가스 저장 방법에 관한 것이다.
본 발명의 다른 양태, 특징, 및 실시예는 후속하는 개시내용 및 첨부된 청구범위로부터 보다 충분하게 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 함침된 탄소 구조 부재의 사시도이다.
도 2는 유체를 유체 이용 설비에 공급하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 저장 및 분배 장치가 배치되는 경우에 있어서 이러한 장치의 개략적인 입면도이다.
본 발명은 트라이볼로지 용례 및 울트라 터프 구조 재료 용례에 적절할 뿐만 아니라 유체 저장/분배 용례에서 유용성을 갖는 나노기공 탄소 재료에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 나노기공 탄소 재료를 이용하는 시스템 및 이용 방법에 관한 것이다.
본 발명은 한 가지 양태에 있어서 다양한 목적에 유용한 복합체, 예컨대 내마모성이 큰 특징을 갖는 트라이볼로지 재료로서, 탄도충격 인성 재료(ballistically tough material)로서, 그리고 장갑 재료 및 철갑 재료(armor-piercing material)로서 유용한 복합체를 얻기 위해 보완재(complimentary materials)로 함침된 것인 나노함침된 탄소 복합 재료에 관한 것이다.
함침제는, 주어진 사용 용례에 대해 바람직한 특성을 갖는 복합체를 얻기 위해 탄소 재료의 공극에 도입되는 바와 같은 임의의 적절한 유형일 수 있다. 이러한 목적을 위해, 탄소 재료는, 간단하고 효율적인 방식으로 함침이 행해질 수 있도록 재료 전체에 걸쳐 충분히 깊고 넓은 기공을 포함하는 공극을 구비하는 것이 적합하다. 예를 들면, 탄소 재료는 10 nm 미만의 평균 기공 직경을 갖는 기공을 포함하는 나노공극을 구비할 수 있으며, 특정 기공 크기, 기공 크기 분포, 기공의 비틀림(tortuosity) 등은 본 발명의 일반적인 실시에 있어서 광범위하게 변할 수 있는 것으로 인정된다.
탄소 재료의 공극을 함침하기 위해 채용될 수 있는 예시적인 기법은, 한정하는 것은 아니지만 용액 증착, 증기 증착, 이온 함침 등을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 함침제 재료는 폴리머를 포함한다. 이러한 폴리머 함침의 적용예로서, 나노기공 탄소 재료는 슈퍼 터프(super tough) 탄도 장갑을 형성하기 위해 분자량이 큰 실리콘 또는 폴리에틸렌 글리콜과 같은 폴리머로 함침될 수 있다. 이렇게 함침된 재료의 사용에 있어서, 이러한 재료의 임팩트를 증가시키면 폴리머가 흑연질 플레이트 사이에서 장거리 결합을 형성하도록 하며, 이에 따라 고도의 파괴 인성이 달성된다.
대안으로, 롱 체인(long chain) 아라미드 섬유, 또는 상표명이 케블라(Kevlar), PBO, 조르론(Zorlon) 및 스펙트라이며 상업적으로 입수 가능한 섬유와 같은 폴리머 섬유를 함침제로서 채용할 수 있다. 이러한 함침에서의 목적은, 고강도 섬유의 3차원 어레이 및 다수의 앵커 포인트를 제공하기 위해 나노기공의 폴리머 침투를 달성하는 것이며, 이로써 파괴 인성이 큰 재료를 얻는다. 이렇게 함침된 재료는 장점을 제공하는데, 즉 중량 감소, 강도 증가, 및 독특하게 성형된 탄도충격 인성 재료를 얻을 수 있도록 하는 미가공 상태(green state)에서 몰딩된 구조를 형성하는 능력을 제공한다.
또 다른 실시예에 있어서, 함침제 재료는 경질 재료(hard material)로부터 선택되며, 이때 "경질"이라는 용어는 전술한 폴리머 및 섬유와 같은 "연질(soft)" 재료와 구별되는 고유의 경도 및 인성 특성을 갖는 재료를 가리킨다.
이러한 용례에서의 함침제는, 탄화물을 형성하기 위해 탄소와 원위치(in situ)에서 반응하는 전구체 재료 및/또는 원하는 특성을 제공하는 다른 반응 생성물일 수 있다. 예로서, 텅스텐은, 텅스텐 증기가 탄소 재료의 기공으로 침투하고 증착 중에 화학변화하도록 하는 오르가노텅스텐(organotungsten) 전구체의 휘발 및/또는 상기 재료의 텅스텐 탄화물로의 후속 열처리와 같은 것인 적절한 기상 증착 기법에 의해 탄소 재료의 나노기공에 함침될 수 있다.
텅스텐 탄화물은 매우 조밀한 재료이며, 경도가 가장 큰 재료 중 하나로 알려져 있다. 텅스텐 탄화물의 사용은 지금까지 기계가공이 어렵다는(difficult-to-machine) 특성 때문에 제한되어 왔다. 이러한 어려움은, 궁극적으로 원하는 구조(conformation)의 성형된 다공성 탄소 물품을 제공함으로써 극복이 가능하며, 상기 물품은 다음으로 이 물품의 공극에 텅스텐 탄화물을 형성하여 원하는 치수와 구성을 갖는 마무리된 물품을 제공한다. 탄소 공극은, 예컨대 텅스텐 카보닐 또는 텅스텐 헥사플루오라이드를 채용하는 화학적 기상 증착 기법을 사용하여 침투 가능하며, 이에 따라 이후에 기공에서 고온 조건 하에서 반응하여 원위치에 텅스텐 탄화물을 형성하는 텅스텐 증착물을 제공한다.
이러한 탄소/텅스텐 탄화물 복합체는, 예컨대 철갑용 무기로서 사용하기 위한 발사체(projectile)에서와 같이 고갈된 우라늄(depleted uranium)에 대한 대체재를 제공하기 위해 제조 가능하다. 현재로서, 고갈된 우라늄은 이러한 철갑 용례에 사용되지만, 고갈된 우라늄은 무기류에서 고갈된 우라늄을 사용하지 못하도록 하기 위한 국제적인 노력이 집중되는 독성 물질이다.
보다 일반적으로, 이러한 탄소 공극 함침은 구조적으로 구배를 갖는 재료(graded material)를 형성하기 위해 채용 가능하며, 이때 공극은 특정 깊이 또는 치수의 다공성 탄소에 대해 함침되거나, 또는 소정 깊이 또는 치수의 다공성 탄소 재료에 걸쳐 함침제의 농도 구배를 제공하기 위해 확산 특성이 이용된다.
본 발명의 특정 실시예에서 유용할 수 있는 다른 경질 함침제는, 한정하는 것은 아니지만, 납, 티타늄, 알루미늄, 알루미늄 산화물, 실리콘, 실리콘 산화물 등을 포함한다.
적어도 부분적으로 다공성 탄소 재료의 공극을 충전시키기 위해 함침제를 사용하면, 미가공 상태에서 광범위한 구조 및 구조적 형태를 형성할 수 있는 새로운 복합 재료를 생성할 수 있으며, 새로운 복합 재료는 이후에 원하는 형상 및/또는 기능적 특성의 재료, 예컨대 철갑탄 및 상응하는 조밀한 장갑에서 유용한 초경질 재료 및/또는 조밀화된 재료로 전환될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 다공성 탄소는 붕소와 일체화되어 높은 수소 봉입 능력(loading capacity)의 수소 저장 매체를 제공한다. 붕소화된 다공성 탄소는 이후에 수소로 봉입될 수 있으며, 이에 따라 수소는 다공성 탄소에 의해 저장되고 분배 조건 하에서 다공성 탄소로부터 방출되어, 예컨대 수소 연료 전지 또는 다른 수소 이용 장치 또는 수소 이용 공정을 위해 수소를 제공한다. 이러한 방식으로, 붕소 함유 다공성 탄소는 수소 동력식 차량(hydrogen-powered vehicles)과 같은 용례에서 유용한 높은 봉입 능력을 갖는 수소 저장 매체를 제공한다.
붕소는, 임의의 적절한 방식으로 그리고 임의의 적절한 기법으로 다공성 탄소 재료에서 일체화될 수 있다. 한 가지 바람직한 실시예에 있어서, 붕소는 이온 함침에 의해 다공성 탄소 재료에 적어도 부분적으로 도입되며, 원하는 특성의 붕소 함유 탄소 재료를 생성하기 위해 붕소의 이온 함침 및 기상 증착 기법 혹은 용액 증착 기법의 조합이 채용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태는, 대기압 미만의 저장 조건에서 염소 저장 매체로서의 다공성 탄소의 사용에 관한 것이다. 지금까지 다공성 탄소는 전술한 재료 상에 흡착 가능한 광범위한 유체 및 기체를 위한 저장 매체로서 채용되어 왔지만, 염소는 이러한 저장 용례에서 고려되지 않았는데, 왜냐하면 액체는 통상적으로 기체보다 체적의 크기의 차수가 많이 작고, 염소는 보통 압축된 액체 형태로 저장 및 운반되기 때문이다.
그러나, 이렇게 압축된 액체 형태의 염소는, 특히 관련된 염소의 양이 많을 때 안정성 및 독성의 문제를 야기한다. 예를 들어, 2005년 1월 6일에 화학물질을 운송중이던 노포크 서던 코포레이션의 화물 열차가 미국 사우스캐롤라이나주 그래니트빌 소재의 아본데일 밀스 플랜트 부근에 정차되어있던 열차와 충돌했다. 화물 열차로 운반 중이던 화학물질에는 압축된 액체 형태의 염소도 포함되었다. 충돌의 결과로서, 독성 염소 가스는 충돌 지점 주위의 공기 중으로 방출되었으며, 이로써 10명이 사망하였고 부근 주민 5000 명이 대피하는 결과를 초래하였다.
다공성 탄소 상에 흡착된 물질로서 가스 형태의 염소를 저장하는 것은, 일견 염소의 패키징 방법으로서는 경제적으로 실행가능하거나 실용적인 것으로 보이지 않지만, 압축된 액체 염소를 보유하는 유한 체적(confinement volume)의 봉입 능력을 대기압 미만의 압력에서 염소 가스가 그 위에 흡착되는 동일한 체적의 다공성 탄소의 봉입 능력과 비교하여, 놀랍게도 다공성 탄소의 실제 봉입 능력이 고압 액체 수용 체적의 봉입 능력보다 약 30 % 정도 크다는 것을 발견하였다.
미국 사우스캐롤라이나주 그래니트빌의 충돌 현장에서의 재앙에 가까운 염소 방출에 적용할 때, 대기압보다 낮은 압력에서 다공성 탄소 흡착제를 포함하는 튜브 트레일러형 철도차량(rail car)으로 동일한 양의 염소 가스(노포크 서던 코포레이션의 화물 열차에 의해 운반된 양과 동일한 양의 염소 가스)를 운반하였다고 가정하면, 사상자 발생을 초래한 고압 방출에 비해 약 1/100,000 정도로 염소의 방출 속도가 줄어드는 결과를 얻었을 것이다.
대응하는 유한 체적의 압축된 염소 액체의 봉입 능력에 비해, 다공성 탄소 상의 가스상 염소 저장에 의해 달성 가능한 염소 저장에서의 이러한 놀라운 봉입 능력의 개선은, 저장 가능한 압축된 염소 액체의 양에 있어서 유한 체적이 제한된다는 사실에 따른 것인데, 왜냐하면 유한 체적의 주위 온도의 변화가 기화, 가스 팽창, 및 수용 구조의 파괴를 초래할 수 있기 때문이다. 따라서, 압축된 염소 액체를 유지하는 유한 체적은, 액체 염소로부터 비롯되는 가스 팽창 및 기화뿐만 아니라 유한 체적이 존재하는 환경의 온도 증가를 허용할 수 있도록 설계되고 채용되어야만 한다.
그러나, 대기압 미만의 압력에서 다공성 탄소 상에 가스상 염소를 저장함에 있어서, 염소 가스는 물리적인 흡착력에 의해 다공성 탄소 흡착제 상에 유지되며, 이는 압축된 염소 액체가 유지되는 대응하는 체적에 의해 달성 가능한 것보다 다공성 탄소 흡착제를 수용하는 체적이 대기압 미만의 압력에서 훨씬 더 효과적으로 사용될 수 있도록 한다. 결과적으로, 놀랄만하고 예상치못할 정도로 염소 저장 능력이 개선되며, 다공성 탄소 상에 흡착된 염소 가스의 가스 저장 조건이 대기압 미만 이기 때문에 부가적으로 고도의 안정성 개선이 이루어진다.
따라서, 대기압 미만의 압력에서 흡착된 상태로 효율적으로 염소 가스를 저장할 수 있으며, 이로써 단위 저장 체적당 염소의 봉입 능력을 상당히 개선하면서도 종래의 압축된 액체 염소의 저장 및 운반과 관련된 위험을 미연에 방지하게 된다. 사용하는 순간에, 염소 가스는 적절한 열을 매개로 한(thermally-mediated) 탈착 기법, 압력 구배를 매개로 한 탈착 기법 및/또는 농도 구배를 매개로 한 탈착 기법 중 임의의 기법에 의해 다공성 탄소 흡착제로부터 쉽게 분배될 수 있다. 예를 들면, 분배 작업에 있어서 다공성 탄소로부터 염소를 탈착시키기 위해 진공 펌프를 채용할 수 있다.
염소 이외에도, 이러한 흡착제 기반의 저장 및 분배 방법은 암모니아, 또는 포스겐(phosgene), 또는 다른 산업용 가스에 적용될 수 있다.
이제 도면을 참고하면, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 함침된 탄소 구조 부재(10)의 사시도이다. 함침된 탄소 구조 부재(10)는 정면(14)이 도면에 도시되어 있는 메인 본체 부분(12)으로 구성된다.
함침된 탄소 구조 부재(10)는 광범위하고 다양한 유형의 물품의 구성요소 부분일 수 있다. 이러한 부재는, 예를 들면 롱 체인 아라미드 섬유 또는 상표명이 케브라, PBO, 조르론 및 스펙트라이며 상업적으로 입수 가능한 섬유, 또는 롱 체인 실리콘 또는 폴리에틸렌 글리콜 폴리머, 또는 텅스텐 탄화물 또는 다른 금속 탄화물로 함침된 다공성 탄소로 제조될 수 있다. 이러한 용례를 위한 다공성 탄소는 구조 부재의 최종 사용에 적절하게 임의의 적절한 기공 크기 및 기공 크기 분포의 공극으로 형성될 수 있거나, 이러한 공극이 마련된 것일 수 있다.
구조 부재 자체는, 울트라 터프 복합체 본체 장갑, 차량의 장갑, 범퍼 부재 또는 충돌 요소와 같은 임의의 다양한 용례를 위해, 또는 탄약 물품의 제조 혹은 코팅을 위해 조밀화된 재료로서, 러기드(rugged) 노트북 컴퓨터, PDA(personal digital assistants), 익스트림 스포츠 시계, 및 심해 센서 조립체 등을 위한 케이싱 재료로서 채용될 수 있다.
함침제 성분은, 기상 증착(화학적 기상 증착, 플라즈마 접촉 등), 용액 증착, 및 기공의 고압 침투 및 진공 배기와 같은 임의의 적절한 방법으로, 또는 보강 성분 또는 보강 성분의 전구체를 다공성 탄소의 공극에 도입하기에 효과적인 임의의 다른 기법 혹은 방법에 의해 다공성 탄소 재료의 공극에 증착될 수 있다.
도 2는 공정 시스템(40)에서 유체 이용 설비(56)에 유체를 공급하기 위해 배치된 것인 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 저장 및 분배 장치(42)의 개략적인 입면도이다.
도시된 바와 같은 유체 저장 및 분배 장치(42)는 흡착제 매체(48)를 수용하는 유체 저장 및 분배 용기(44)를 포함하며, 흡착제 매체는 불연속적인 형태(예컨대, 비드 또는 펠릿)로서 혹은 대안으로 모놀리스식 벌크 형태로서 하나 이상의 다공성 탄소 흡착제 물품과 같은 다공성 탄소 재료의 형태일 수 있고, 각각의 물품은 유체 이용 용례를 위해 가스와 같은 유체를 저장하고 분배함에 있어서 사용하기 위한 브릭, 블록, 디스크, 시트, 또는 다른 구조의 형태일 수 있다.
용기(44)는, 상측 목부(neck) 영역에서, 밸브 본체에 있는 유동 제어 밸브 요소(도시 생략)를 포함하는 밸브 헤드 조립체(46)에 연결되며, 유동 제어 밸브 요소는 핸드휠(50)의 제어 작용 하에서 완전 개방 위치와 완전 폐쇄 위치 사이에서 이동 가능하고, 이에 따라 용기(44)로부터의 유체의 배출에 영향을 미친다. 밸브 헤드 조립체의 배출 포트와 연결된 라인(52)에서 더 낮은 압력에 용기(44)의 내부 체적을 노출시키기 위해 밸브를 개방함으로써, 용기 내의 다공성 탄소 흡착제 매체 상에 흡착된 유체는 탈착되고, 밸브 헤드에 있는 밸브를 통해 그리고 배출 포트를 통해 분배용 유체 배출 라인(52)까지 유동하게 된다.
유체는 임의의 적절한 방식으로 용기(44)로부터 분배될 수 있으며, 예컨대 이때 분배는 열을 매개로 한 탈착, 압력 구배를 매개로 한 탈착, 및 농도 구배를 매개로 한 탈착으로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 분배 방식을 포함한다.
분배된 유체는 라인(52)에서 유동 제어 유닛(54)을 통해 유체 이용 설비(56)까지 유동한다. 유동 제어 유닛은, 예컨대 조절기, 질량 유동 제어기, 유동 억제형 오리피스(restricted flow orifice), 유동 제어 밸브, 펌프, 압축기, 벤츄리, 이덕터(eductor), 유동 평활화용(flow-smoothing) 서지 용기 등과 같은 임의의 적절한 유동 제어 장치 또는 유동 조절 요소를 포함할 수 있다. 유동 제어 유닛은, 예를 들어 용기로부터 유체를 취출하기 위한 진공 펌프를 포함할 수 있다.
유체 이용 설비(56)는 운반될 특정 유체에 적합한 임의의 적절한 유형일 수 있다. 상기 설비는, 예를 들어 제조 공정 설비, 화학 반응기, 분배 설비 혹은 혼합 설비 등일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 용기(44) 내의 다공성 탄소(48)는, 예컨대 디보란(diborane), 수소화붕소, 또는 다른 붕소 소스 재료와 같은 전구체로 공극 내에 붕소를 이온 함침함으로써 탄소 매체의 공극에 붕소가 함침된 것이며 수소 가스 저장 매체로서의 기능을 갖는다. 분배 조건 하에서, 수소는 흡착제 매체로부터 탈착되며 분배 라인(52) 내부로 수소 이용 설비(56)까지 유동하는데, 수소 이용 설비는, 예컨대 차량 추진을 위한 동력 출력을 발생시키기 위해 수소 연료가 사용되는 수소 연료 전지 유닛에 의해 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 용기(44) 내의 다공성 탄소(48)는 그 위에 염소 가스가 흡착되어 있으며, 이는 염소를 저장하고 용기로부터 염소를 선택적으로 분배하기 위한 것이다. 도시된 가스 공급 실린더를 대신하는 용기는 염소의 이동 운송을 위한 튜브 트레일러 용기, 또는 철도차량 용기로서 구성될 수 있다. 다공성 탄소 흡착제 매체 상에 흡착된 상태로 염소를 이렇게 흡착식으로 유지함으로써, 염소는 종래 기술의 고압 가스 용기보다 본질적으로 안전한 상태로 유지된다.
본 명세서에서 앞서 언급한 바와 같이, 이러한 흡착제 기반의 저장 및 분배 장치는 포스겐, 암모니아 또는 다른 산업용 가스에 적용될 수 있으며 종래 기술의 고압 수용 구조보다는 본질적으로 안전한 형태로 전술한 가스를 저장하고 운반하게 된다.
본 발명의 특정 양태, 특징 및 도시된 실시예를 참고하여 본 명세서에서 본 발명을 설명하였지만, 본 발명의 유용성은 이로써 한정되기보다는 본 명세서의 개 시내용에 기초하여 본 발명의 분야의 당업자에게 자체로 제안할 수 있는 바와 같은 다양한 다른 변화, 변형, 및 대안례를 포함하는 것으로 확장된다. 이에 대응하여, 이하에 청구된 바와 같은 본 발명은 본 발명의 사상 및 범위 내에 이러한 모든 변화, 변형 및 대안례를 포함하는 것으로 넓게 이해하고 해석하도록 의도된다.

Claims (69)

  1. 경도, 내마모성 및 인성으로 구성되는 군으로부터 선택된 특성과 관련하여 나노기공 탄소 단독일 때에 비해 향상된 특성을 복합체에 부여하는 재료로 적어도 부분적으로 충전되는 공극을 갖는 나노기공 탄소를 포함하는 것인 나노기공 탄소 복합체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 향상된 특성은 탄도충격 인성(ballistic toughness)을 포함하는 것인 나노기공 탄소 복합체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 공극은 평균 기공 직경이 10 나노미터 미만인 것인 나노기공 탄소 복합체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 재료는 폴리머 재료를 포함하는 것인 나노기공 탄소 복합체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 폴리머 재료는 점탄성 재료를 포함하는 것인 나노기공 탄소 복합체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 점탄성 재료는 실리콘 및 폴리에틸렌 글리콜로 구성되 는 군으로부터 선택되는 것인 나노기공 탄소 복합체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 나노기공 탄소는, 전체 공극 중 적어도 30 %가 약 0.3 내지 약 0.72 나노미터 범위의 크기를 갖는 슬릿 형상의 기공으로 구성되며 전체 공극 중 적어도 20 %는 직경이 2 나노미터 미만인 기공을 포함하고 세제곱센티미터 당 약 0.80 내지 약 2.0 그램의 벌크 밀도(bulk density)를 갖는 PVDC 차르(char) 재료를 포함하는 것인 나노기공 탄소 복합체.
  8. 제1항에 있어서, 상기 재료는 폴리머 섬유를 포함하는 것인 나노기공 탄소 복합체.
  9. 제8항에 있어서, 상기 폴리머 섬유는 아라미드 섬유를 포함하는 것인 나노기공 탄소 복합체.
  10. 제1항에 있어서, 상기 향상된 특성은 파괴 인성을 포함하는 것인 나노기공 탄소 복합체.
  11. 제1항에 있어서, 상기 재료는 상기 공극 내의 원위치(in-situ)에서 형성된 반응 생성물인 것인 나노기공 탄소 복합체.
  12. 제1항에 있어서, 상기 재료는 탄화물 재료를 포함하는 것인 나노기공 탄소 복합체.
  13. 제12항에 있어서, 상기 탄화물 재료는 텅스텐 탄화물을 포함하는 것인 나노기공 탄소 복합체.
  14. 제1항에 있어서, 상기 복합체는 구배형 복합체(graded composite)인 것인 나노기공 탄소 복합체.
  15. 제14항에 있어서, 상기 복합체는 상기 재료의 존재하에서 다공질 탄소 내부의 소정 깊이 또는 치수에 있어서 구배를 갖는 것인 나노기공 탄소 복합체.
  16. 제1항에 있어서, 상기 재료는 납, 티타늄, 알루미늄, 알루미늄 산화물, 실리콘 및 실리콘 산화물로 구성되는 군으로부터 선택된 재료 중 적어도 하나를 포함하는 것인 나노기공 탄소 복합체.
  17. 제1항에 있어서, 상기 복합체는 몰딩되거나 기계가공된 사전 결정된 형상을 갖는 것인 나노기공 탄소 복합체.
  18. 제1항에 있어서, 상기 재료는 이온 함침된 재료를 포함하는 것인 나노기공 탄소 복합체.
  19. 제18항에 있어서, 상기 이온 함침된 재료는 수소와 가역적으로 상호작용하는 재료를 포함하는 것인 나노기공 탄소 복합체.
  20. 제18항에 있어서, 상기 이온 함침된 재료는 붕소를 포함하는 것인 나노기공 탄소 복합체.
  21. 제20항에 따른 나노기공 탄소 복합체를 포함하는 것인 수소 저장 시스템.
  22. 제20항에 따른 나노기공 탄소 복합체를 포함하는 것인 수소 연료 에너지 생성 시스템.
  23. 제1항에 있어서, 상기 재료는 붕소를 포함하는 것인 나노기공 탄소 복합체.
  24. 다공성 탄소를 포함하는 것인 염소 가스 저장 시스템.
  25. 제24항에 있어서, 상기 다공성 탄소를 그 내부에 유지하는 내부 체적을 갖는 용기를 포함하는 것인 염소 가스 저장 시스템.
  26. 제25항에 있어서, 상기 용기는 이동 가능한 용기인 것인 염소 가스 저장 시스템.
  27. 제25항에 있어서, 상기 용기는 이동 차량 용기를 포함하는 것인 염소 가스 저장 시스템.
  28. 제27항에 있어서, 상기 이동 차량 용기는 철도 용기 차량을 포함하는 것인 염소 가스 저장 시스템.
  29. 제27항에 있어서, 상기 이동 차량 용기는 튜브 트레일러 용기를 포함하는 것인 염소 가스 저장 시스템.
  30. 제24항에 있어서, 상기 다공성 탄소 상에 염소 가스가 흡착식으로 유지되는 것인 염소 가스 저장 시스템.
  31. 제30항에 있어서, 염소 가스는 대기압 미만의 압력에서 유지되는 것인 염소 가스 저장 시스템.
  32. 제24항에 있어서, 염소 가스의 분배를 위해 적합한 것인 염소 가스 저장 시스템.
  33. 제32항에 있어서, 상기 분배는 열을 매개로 한 탈착, 압력 구배를 매개로 한 탈착, 및 농도 구배를 매개로 한 탈착으로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 분배 방식을 포함하는 것인 염소 가스 저장 시스템.
  34. 제32항에 있어서, 상기 분배에 있어서 다공성 탄소로부터의 탈착을 행하기 위한 진공 펌프를 더 포함하는 것인 염소 가스 저장 시스템.
  35. 경도, 내마모성 및 인성으로 구성되는 군으로부터 선택된 특성과 관련하여 나노기공 탄소 단독일 때에 비해 향상된 특성을 복합체에 부여하는 재료로 나노기공 탄소의 공극을 적어도 부분적으로 충전하는 단계를 포함하는 것인 복합체 제조 방법.
  36. 제35항에 있어서, 상기 향상된 특성은 탄도충격 인성을 포함하는 것인 복합체 제조 방법.
  37. 제35항에 있어서, 상기 공극의 평균 기공 직경은 10 나노미터 미만인 것인 복합체 제조 방법.
  38. 제35항에 있어서, 상기 재료는 폴리머 재료를 포함하는 것인 복합체 제조 방 법.
  39. 제35항에 있어서, 상기 폴리머 재료는 점탄성 재료를 포함하는 것인 복합체 제조 방법.
  40. 제35항에 있어서, 상기 점탄성 재료는 실리콘 및 폴리에틸렌 글리콜로 구성되는 군으로부터 선택되는 것인 복합체 제조 방법.
  41. 제35항에 있어서, 상기 나노기공 탄소는, 전체 공극 중 적어도 30 %가 약 0.3 내지 약 0.72 나노미터 범위의 크기를 갖는 슬릿 형상의 기공으로 구성되며 전체 공극 중 적어도 20 %는 직경이 2 나노미터 미만인 기공을 포함하고 세제곱센티미터 당 약 0.80 내지 약 2.0 그램의 벌크 밀도를 갖는 PVDC 차르 재료를 포함하는 것인 복합체 제조 방법.
  42. 제35항에 있어서, 상기 재료는 폴리머 섬유를 포함하는 것인 복합체 제조 방법.
  43. 제42항에 있어서, 상기 폴리머 섬유는 아라미드 섬유를 포함하는 것인 복합체 제조 방법.
  44. 제35항에 있어서, 상기 향상된 특성은 파괴 인성을 포함하는 것인 복합체 제조 방법.
  45. 제35항에 있어서, 상기 공극에 반응 생성물을 형성하기 위해 상기 공극 내의 원위치에서 충전된 재료를 반응시키는 단계를 포함하는 것인 복합체 제조 방법.
  46. 제35항에 있어서, 상기 재료는 탄화물을 포함하는 것인 복합체 제조 방법.
  47. 제45항에 있어서, 상기 반응 생성물은 탄화물을 포함하는 것인 복합체 제조 방법.
  48. 제46항에 있어서, 상기 반응 생성물은 텅스텐 탄화물을 포함하는 것인 복합체 제조 방법.
  49. 제48항에 있어서, 적어도 부분적으로 충전하는 상기 단계는 상기 공극에서의 텅스텐의 화학적 기상 증착을 포함하는 것인 복합체 제조 방법.
  50. 제35항에 있어서, 구배형 복합체를 형성하는 단계를 포함하는 것인 복합체 제조 방법.
  51. 제50항에 있어서, 상기 복합체는 다공성 탄소 내부의 소정 깊이 또는 치수에 있어서 구배를 갖는 것인 복합체 제조 방법.
  52. 제35항에 있어서, 상기 재료는 납, 티타늄, 알루미늄, 알루미늄 산화물, 실리콘 및 실리콘 산화물로 구성되는 군으로부터 선택되는 재료 중 적어도 하나를 포함하는 것인 복합체 제조 방법.
  53. 제35항에 있어서, 사전 결정된 형상을 부여하기 위해 상기 복합체를 몰딩하는 단계 또는 기계가공하는 단계를 더 포함하는 것인 복합체 제조 방법.
  54. 제35항에 있어서, 상기 재료의 이온 함침을 포함하는 것인 복합체 제조 방법.
  55. 제54항에 있어서, 이온 함침된 상기 재료는 수소와 가역적으로 상호작용하는 재료를 포함하는 것인 복합체 제조 방법.
  56. 제54항에 있어서, 이온 함침된 상기 재료는 붕소를 포함하는 것인 복합체 제조 방법.
  57. 수소를 분배하기 위한 수소 저장 방법으로서, 붕소를 함유하는 나노기공 탄 소를 포함하는 수소 저장 매체의 사용을 포함하는 것인 수소 저장 방법.
  58. 제57항에 있어서, 상기 붕소는 상기 나노기공 탄소에 이온 함침되는 것인 수소 저장 방법.
  59. 붕소를 함유하는 나노기공 탄소를 포함하는 수소 저장 매체의 사용을 포함하는 것인 에너지 생성 방법.
  60. 다공성 탄소 상에 흡착된 상태로 염소 가스를 유지하는 단계를 포함하는 것인 염소 가스 저장 방법.
  61. 제60항에 있어서, 상기 염소 가스를 유지하는 상기 단계를 위한 용기의 내부 체적 내에 상기 다공성 탄소를 배치하는 단계를 포함하는 것인 염소 가스 저장 방법.
  62. 제61항에 있어서, 상기 용기는 이동 가능한 용기를 포함하는 것인 염소 가스 저장 방법.
  63. 제61항에 있어서, 상기 용기는 이동 차량 용기를 포함하는 것인 염소 가스 저장 방법.
  64. 제63항에 있어서, 상기 이동 차량 용기는 철도 용기 차량을 포함하는 것인 염소 가스 저장 방법.
  65. 제63항에 있어서, 상기 이동 차량 용기는 튜브 트레일러 용기를 포함하는 것인 염소 가스 저장 방법.
  66. 제60항에 있어서, 상기 염소 가스는 대기압 미만의 압력에서 유지되는 것인 염소 가스 저장 방법.
  67. 제61항에 있어서, 상기 용기로부터 상기 염소 가스를 분배하는 단계를 더 포함하는 것인 염소 가스 저장 방법.
  68. 제67항에 있어서, 상기 분배는 열을 매개로 한 탈착, 압력 구배를 매개로 한 탈착, 및 농도 구배를 매개로 한 탈착으로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 분배 방식을 포함하는 것인 염소 가스 저장 방법.
  69. 제67항에 있어서, 상기 분배에 있어서 상기 염소 가스를 진공 펌핑하는 단계를 더 포함하는 것인 염소 가스 저장 방법.
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