KR20090017891A - 촉매 공급 장치 및 촉매 공급 장치를 구비한 탄소 나노튜브합성 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 촉매 공급 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 촉매의 공급을 원활이 하는 촉매 공급 장치 및 이를 구비한 탄소 나노튜브 합성 장치에 관한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 공급 장치는 분말 형태의 촉매를 저장하는 저장부, 저장부에 저장된 촉매를 공정 장치에 공급하는 공급부 및 저장부에 저장된 촉매로 이루어진 더미 속에 빈 공간이 생기는 경우에 촉매에 가스를 분사하여 빈 공간을 촉매로 충진시키는 분사부를 포함한다.

촉매공급, 탄소 나노튜브 합성 장치

Description

촉매 공급 장치 및 촉매 공급 장치를 구비한 탄소 나노튜브 합성 장치{Catalyst supply device and producing device of carbon nano-tube using it}

본 발명은 촉매 공급 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 촉매의 공급을 원활이 하는 촉매 공급 장치 및 이를 구비한 탄소 나노튜브 합성 장치에 관한 것이다.

일반적으로 촉매란 화학반응에서 반응속도를 조절해 주는 역할을 하는 물질로서 정촉매와 부촉매로 구분할 수 있다. 정촉매는 반응속도를 빠르게 해 주는 촉매로서 화학반응에 의하여 대량의 물질을 생산할 때 주로 사용된다.

따라서 화학반응이 일어나는 반응 챔버에 촉매를 공급하기 위하여 촉매 공급 장치를 구비할 수 있다. 촉매 공급 장치는 촉매의 공급 속도, 공급량, 촉매의 종류 등을 제어하여 반응 챔버에서의 화학 반응속도를 조절할 수 있다.

한편, 탄소 나노튜브(Carbon nano-tube)는 탄소원자 하나가 주위의 다른 탄소원자 3개와 결합을 하여 육각형 벌집무늬를 형성한다. 탄소 나노튜브는 전기적, 열적, 기계적 특성이 종래의 소자에 비하여 현저히 뛰어나 전계방출소자, 전기화학 및 에너지 저장, 초미세 메카트로닉스 시스템, 유기 및 무기 복합소재 등 다양한 산업분야에 응용될 수 있다.

이러한 탄소 나노튜브를 합성하는 방법으로는 레이저를 이용하여 금속과 흑연 가루가 일정 비율로 섞어 만든 시편을 기화시켜 합성하는 레이저 어블레이션(ablation)법, 직경이 다른 두 개의 탄소봉에 전압을 가하여 아크방전을 일으켜 합성하는 아크방전법(Arc discharge), 기체 상태의 원료가스를 반응기 안으로 주입하여 열이나 플라즈마에 의하여 탄소 나노튜브를 성장시키는 화학기상증착법(Chemical vapor deposition; CVD), 액상 또는 기상의 탄화수소를 전이금속과 함께 가열된 반응관 안으로 공급하여 탄화수소를 분해시켜 기상상태에서 탄소 나노튜브를 생성하는 열분해법(Pyrolysis of hydrocarbon) 등이 있다.

이 중에서도 촉매에 이용하여 탄소 나노튜브의 성장을 유도하는 화학기상증착법과 같은 탄소 나노튜브의 합성시에는 촉매의 연속적인 공급이 중요하다. 분말 형태를 지니는 촉매는 유체를 이동시키는 펌프를 이용하여 공급하기가 어렵다.

분말 형태의 촉매는 분말 형태의 특성상 촉매를 이동시키기가 쉽지 않고, 촉매를 저장하는 용기상에서 빈 공간이 발생하여 촉매 이송에 문제를 발생시킬 수 있다. 따라서, 분말 형태의 촉매를 연속적으로 공급하면서 촉매가 저장 용기 상에서 흘러내리지 아니하거나 촉매 이동으로 인한 빈 공간을 방지할 수 있는 촉매 공급 장치가 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 안출된 것으로서, 촉매을 연속적 으로 공급하는 촉매 공급 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 공급 장치는 분말 형태의 촉매를 저장하는 저장부; 상기 저장부에 저장된 촉매를 공정 장치에 공급하는 공급부; 및 상기 저장부에 저장된 촉매로 이루어진 더미 속에 빈 공간이 생기는 경우에 상기 촉매에 가스를 분사하여 상기 빈 공간을 촉매로 충진시키는 분사부를 포함한다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소 나노튜브 합성 장치는 탄소 나노튜브를 합성하는 공간을 제공하는 반응 챔버; 상기 반응 챔버를 가열하는 가열부; 상기 반응 챔버에 반응가스를 공급하는 반응가스 공급부; 및 상기 반응챔버에 촉매를 공급하는 촉매공급부를 포함한다. 상기 촉매공급부는 분말 형태의 촉매를 저장하는 저장부; 상기 저장부에 저장된 촉매를 상기 반응 챔버에 공급하는 공급부; 및 상기 저장부에 저장된 촉매로 이루어진 더미 속에 빈 공간이 생기는 경우에 상기 촉매에 가스를 분사하여 상기 빈 공간을 촉매로 충진시키는 분사부를 포함한다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 발명에 따를 경우, 가스를 공급하여 촉매가 충진되도록 하여 촉매의 공급을 원활히 할 수 있다. 이와 함께, 촉매 공급 장치을 흔드는 진동기(Vibrator)를 사용하지 아니하고 가스 공급부를 통하여 촉매을 충진시킴으로 비용을 절감시킬 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 공급 장치의 사시도를 보여주며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 공급 장치의 단면도를 보여준다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 공급 장치는 저 장부(100), 공급부(200), 분사부(300) 및 촉매탱크부(130)를 포함할 수 있다.

저장부(100)는 촉매를 저장하는 용기 역할을 한다. 저장부(100)는 분말 형태의 촉매를 공급하기 전에 임시로 저장한다. 저장부는 일정한 용량을 가지는 용기로서, 저장부의 하부의 단면적이 상부에 비하여 줄어드는 형태가 될 수 있다. 이는 공급부에 의하여 반응 챔버로 촉매를 공급하면서 상부에 쌓여 있는 촉매가 순차적으로 하부로 이동시키기 위함이다. 다시 말하면 저장부(100)의 하부를 원뿔, 다각형 뿔 등을 뒤짚어 위치시키는 것과 유사한 형태로 제작될 수 있고, 이러한 형태의 저장부(100)에서는 촉매가 저장부의 벽면을 타고 흘러내릴 수 있다.

저장부(100)는 저장부(100)의 빈 공간에 일정한 압력을 유지시킬 수 있는 가압부를 포함할 수 있다. 가압부(150)는 저장부(100)의 상부에 관(160)을 통하여 연결되어 저장부내의 압력을 제어할 수 있다. 가압부(150)는 관(160)을 통하여 가스를 공급하는 가스탱크(170)를 포함할 수 있다.

촉매탱크부(130)는 저장부(100)에 저장된 촉매가 소모되는 경우를 대비하여 저장부에 촉매를 공급한다. 촉매탱크부(130)는 저장부(100)보다 상대적으로 큰 용기에 촉매를 보유하고 있다가 저장부(100)로 촉매를 공급하기 위하여 연결된 관(132)과 상기 관(132)을 개폐하는 밸브(134) 등을 포함할 수 있다.

공급부(200)는 반응 챔버에 촉매를 공급하는 역할을 한다. 반응 챔버는 촉매를 이용하여 반응 속도를 제어하며, 촉매를 이용하여 빠른 시간내에 합성물을 생성하도록 한다. 상기 반응 챔버는 탄소 합성 장치의 챔버일 수 있다.

공급부(200)는 저장부(100)의 촉매를 공정 장비에 공급하는 통로를 제공하는 공급관(210), 가스압을 발생시켜 촉매를 공급관으로 주입시키는 촉매주입기(220) 및 구동가스가 지나가는 통로를 제공하는 가스관(230)을 포함할 수 있다.

공급관(210)은 저장부(100)와 공정 장비의 챔버를 연결하는 통로를 제공한다. 공급관(210)은 분말 형태의 촉매가 이동하도록 관 형태로 이루어질 수 있다.

촉매주입기(220)는 공급관(210)으로 촉매가 이동하도록 구동력을 제공한다. 촉매주입기(220)는 공급관(210)으로 촉매가 이동하도록 구동가스를 공급한다. 구동가스는 도 2와 같이 공급관 외부를 둘러싸는 가스관(230)을 통하여 공급되며, 구동가스는 공기뿐만 아니라 촉매와 반응성이 없는 모든 종류의 가스를 포함할 수 있다.

따라서, 촉매주입기(220)는 구동가스를 분사시켜 가스관(230)을 통하여 가스압을 발생시키면, 상기 가스압에 의하여 상대적으로 압력이 낮은 공급관(210)에 촉매가 이동된다. 다시 말해서, 압력이 높은 부분에서 압력이 낮은 부분으로 압력차에 의한 힘이 작용하기 때문에 공급관(210)의 입구에서 발생하는 압력차에 의하여 압력이 낮은 공급관(210)으로 촉매가 밀려들어감으로써 촉매를 반응 챔버로 공급할 수 있다.

분사부(300)는 저장부에 저장된 촉매를 충진시키는 역할을 한다. 저장부(100)에서는 공급관(210)을 통하여 촉매가 공급된 후에 일시적으로 빈 공간이 생길 수 있다. 특히, 공급관의 입구로 촉매가 주입된 후에 곧바로 촉매가 충진되어야 하지만 분말 형태의 촉매로 인하여 공급관의 입구 주위에 빈 공간이 형성되어 계속적인 촉매의 공급이 불가할 수 있다. 분사부(300)는 저장부에 옆면에 부착되어 일 시적으로 가스를 분사하여 촉매를 충진시킨다. 분사부는 관 형태로 저장부 하부의 옆면에 복수개가 부착될 수 있다. 분사부는 출구가 닫혀 있으며, 가스를 분사시에는 일시적으로 열려서 촉매로 가스를 분사시킨다. 분사부(300)는 가스의 공급원으로 일정한 압력을 지니는 가스탱크(310)를 포함할 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 일 실시예에 따른 촉매 공급 장치의 작용을 설명하면 다음과 같다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 공급 장치에서 분사부의 작용을 보여준다.

도 3을 참조하면, 먼저 촉매탱크부(130)는 저장부(100)에 촉매를 공급한다. 저장부(100)에 일정 높이만큼 촉매를 저장하고, 저장부(100)의 가압부(150)에 의하여 저장부의 빈 공간에 소정의 가스를 입력하여 분사한다. 따라서 저장부의 하부에는 촉매가 저장되고 저장부의 상부에는 일정한 압력의 가스가 위치한다.

반응 챔버에 촉매를 공급할 필요가 있을 때에는 공급부(200)의 촉매주입기(220)에서 구동가스를 분사한다. 촉매주입기(220)는 공급관(230)을 감싸는 관을 통하여 공급되는 구동가스에 의하여 공급관(230)으로 촉매를 주입한다. 촉매주입기(220)에 의해 구동가스의 압력은 공급관의 압력보다 높으며, 따라서 압력차에 따라 촉매가 공급관으로 밀려들어가게 된다.

촉매가 공급관으로 밀려들어가면 주변에 위치한 촉매가 채워지게 된다. 하지만, 촉매가 유체가 아닌 분말 형태에서는 촉매가 공급관으로 밀려들어간 후에 주변 공간이 비워질 수 있다. 이는 분말 형태의 촉매에 의하여 공간을 유지하는 힘이 분말이 빈 공간으로 채워지려는 힘보다 크기 때문이다.

따라서 빈 공간을 채우기 위하여 저장부의 옆면에서의 분사부(300)에서 가스를 분사하여 촉매의 이동을 유도한다. 분사부(300)에서 분사된 가스에 의하여 촉매를 움직이게 함으로써 빈 공간을 유지하는 촉매 더미를 무너지게 할 수 있다. 촉매 더미가 무너지면서 빈 공간을 채우게 되고, 이와 함께 저장부의 형태가 아래로 뾰족하게 되어 촉매가 자동적으로 충진될 수 있다.

이와 같이 분사부를 통한 가스를 공급하여 일시적으로 촉매를 이동시켜 줌으로써 공급관 주위의 빈 공간을 촉매로 충진시킬 수 있다. 이는 저장부에 진동을 가하여 저장부를 흔들어 줌으로써 상기 빈 공간을 촉매로 충진시키는 방안에 비하여 비용면에서 훨씬 저렴하다. 저장부를 진동시키는 진동기(Vibrator)가 필요 없으며, 저장부에 가스관을 더 포함시켜 구성면에서 간편하게 제작할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 공급 장치를 구비한 탄소 나노튜브 합성 장치를 보여주는 단면도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 나노튜브 합성 장치는 반응 챔버(500), 가열부(510), 반응가스 공급부(520) 및 촉매공급부(530)를 포함할 수 있다.

반응 챔버(500)는 탄소 나노튜브의 합성이 이루어지는 공간을 제공한다. 반응 챔버는 석영(Quartz) 또는 그라파이트(Graphite) 등과 같이 내열성 재질로 이루어진다.

가열부(510)는 반응 챔버를 공정이 수행되는 공정 온도로 가열한다. 가열부(510)는 반응 챔버를 감싸면서 전체적으로 열선 또는 유도 코일 등에 의하여 반 응 챔버를 가열할 수 있다.

반응가스 공급부(520)는 반응 챔버에서 공정이 수행되도록 촉매와 반응하는 반응가스를 공급한다. 반응가스 공급부(520)는 아세틸렌, 에틸렌, 메탄, 벤젠, 크실렌, 일산화탄소, 이산화탄소로 중 하나 또는 이들을 조합하여 사용될 수 있다. 반응 가스는 열분해에 의하여 라디칼로 분해되고, 분해된 라디칼들이 촉매와 반응하여 탄소 나노튜브가 합성된다.

촉매공급부(530)는 반응 챔버로 촉매를 공급한다. 촉매 공급부(530)는 저장부(100), 공급부(200) 및 분사부(300)를 포함할 수 있다.

저장부(100)는 촉매를 저장하는 용기 역할을 한다. 저장부(100)는 분말 형태의 촉매를 저장하고, 촉매가 공급되면서 촉매가 저장부의 하부로 자연스럽게 이동하기 위하여 저장부(100)의 하부의 단면적이 상부에 비하여 줄어들 수 있다. 이와 함께, 저장부(100)의 상부의 빈 공간은 일정한 압력을 가지는 가스가 차지할 수 있다.

공급부(200)는 저장부(100)의 촉매를 반응 챔버(500)로 공급한다. 공급부(200)는 촉매가 이동하는 통로인 공급관(210)과 공급관으로 촉매를 주입하는 촉매주입기(220)를 포함한다. 공급관(210)은 반응 챔버와 직접적으로 연결되어 분말 형태의 촉매를 반응 챔버에 공급한다. 촉매주입기(220)는 가스압에 의하여 촉매를 공급관으로 주입시킨다. 촉매주입기(220)는 압력차에 의하여 압력이 상대적으로 낮은 공급관으로 촉매를 주입시킬 수 있고, 촉매주입기(220)의 가압 분사에 의하여 공급관(210)을 통하여 반응 챔버로 촉매가 공급될 수 있다.

분사부(300)는 저장부(100)에 저장된 촉매를 충진시킨다. 분사부(300)는 공급관을 통하여 촉매가 공급된 이후에 공급관(210)의 입구 주위에 빈 공간이 발생하는 경우에 빈 공간을 촉매로 충진시키는 역할을 한다. 분사부(300)는 저장부의 옆면에 하나 이상으로 부착되어 관을 통하여 가스를 일시적으로 분사함으로써 촉매의 이동을 유도할 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 일 실시예에 따른 촉매 공급 장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 반응 챔버(500)를 가열부(510)에 의하여 가열한다. 가열부(510)에 의하여 탄소 나노튜브의 합성이 수행되는 공정 온도로 가열한다. 공정 온도로 반응 챔버(500)가 가열되면 반응 가스를 반응 챔버(500)로 주입한다. 반응 가스는 반응 챔버(500)로 주입되면서 반응 챔버(500)의 분사판(515)을 통과하면서 유동층을 형성한다. 반응 가스는 반응 챔버(500) 내부의 고온의 열에 의하여 열분해 되어 라디칼로 분해될 수 있다. 분해된 라디칼들은 촉매와 반응하여 탄소 나노튜브를 합성하게 된다.

탄소 나노튜브가 합성되면서, 촉매공급부(530)에 의하여 반응 챔버 내부로 촉매를 공급한다. 촉매공급부(530)는 저장부(100)에 저장된 촉매를 촉매주입기(220)에 의하여 공급관(210)으로 촉매를 주입시키고, 주입된 촉매에 움직임에 의해 반응 챔버(500)에 촉매를 공급한다.

다만, 촉매가 공급관(500)으로 주입되면서 저장부(100)에서 공급관의 입구 주위에 빈 공간이 생길 수 있다. 이는 촉매가 분말 형태로 이루어져, 촉매에 의하 여 소정의 빈 공간을 가지는 형상을 유지하려는 힘이 작용할 수 있기 때문이다.

이 때 분사부(300)에서 촉매를 향하여 가스를 분사시켜 촉매를 흐뜨려준다. 공급관(210)의 입구 주위에 위치하는 촉매는 분사된 가스에 의하여 빈 공간을 유지할 수 없어 무너져 내리게 되고, 따라서 촉매는 공급관 입구 주위의 빈 공간을 메울 수 있다. 그리하여, 촉매주입기(220)에 의하여 공정챔버에 촉매를 공급할 수 있게 되고, 연속적인 촉매 공급기 가능하다.

이상과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 나노튜브 합성 장치는 연속 적인 촉매의 공급에 의하여 탄소 나노튜브를 합성하는 시간을 줄일 수 있다. 촉매 공급부(530)에서 저장부(100)에 저장된 촉매에 빈 공간이 발생할 때 분사부(300)의 가스관을 통한 가스 공급으로 빈 공간을 충진하여 간편하게 저장부의 촉매를 충진시킬 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 공급 장치의 사시도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 공급 장치의 단면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 공급 장치에서 분사부의 작용을 보여준다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 공급 장치를 구비한 탄소 나노튜브 합성 장치를 보여주는 단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 설명*

100: 저장부 130: 촉매탱크부

200: 공급부 210: 공급관

220: 촉매주입기 300: 분사부

500: 반응 챔버 510: 가열부

520: 반응가스 공급부 530: 촉매공급부

Claims (6)

1. 분말 형태의 촉매를 저장하는 저장부;

   상기 저장부에 저장된 촉매를 공정 장치에 공급하는 공급부; 및

   상기 저장부에 저장된 촉매로 이루어진 더미 속에 빈 공간이 생기는 경우에 상기 촉매에 가스를 분사하여 상기 빈 공간을 촉매로 충진시키는 분사부를 포함하는, 촉매 공급 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 분사부는

   상기 저장부의 하부에 가스를 분사하는 통로를 제공하는 관; 및

   상기 관을 통하여 가스를 제공하는 가스탱크를 포함하는, 촉매 공급 장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 공급부는

   상기 저장부에 저장된 촉매에 구동가스를 주입하고, 상기 구동가스의 압력차를 이용하여 공급관을 통하여 상기 촉매를 공급하는, 촉매 공급 장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 공급부는

   상기 저장부의 촉매를 공정 장치에 공급하는 통로를 제공하는 공급관; 및

   구동가스에 의하여 상기 촉매를 상기 공급관으로 주입시키는 가스주입기를 포함하는, 촉매 공급 장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 저장부는

   상기 저장부 하부의 단면적이 상기 저장부 상부의 단면적보다 좁게 형성되는, 촉매 공급 장치
6. 탄소 나노튜브를 합성하는 공간을 제공하는 반응 챔버;

   상기 반응 챔버를 가열하는 가열부;

   상기 반응 챔버에 반응가스를 공급하는 반응가스 공급부; 및

   상기 반응챔버에 촉매를 공급하는 촉매공급부를 포함하며,

   상기 촉매공급부는

   분말 형태의 촉매를 저장하는 저장부;

   상기 저장부에 저장된 촉매를 상기 반응 챔버에 공급하는 공급부; 및

   상기 저장부에 저장된 촉매로 이루어진 더미 속에 빈 공간이 생기는 경우에 상기 촉매에 가스를 분사하여 상기 빈 공간을 촉매로 충진시키는 분사부를 포함하는, 탄소 나노튜브 합성 장치.

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