KR20120025454A - 탄소 나노튜브 주입 코팅을 이용한 태양광 수신기 및 태양광 수신 장치용 다층 코팅 - Google Patents

탄소 나노튜브 주입 코팅을 이용한 태양광 수신기 및 태양광 수신 장치용 다층 코팅 Download PDF

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투샤르 케이. 샤
해리 씨. 말레키
대니얼 제이. 애드콕
크리스토퍼 헤이크
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어플라이드 나노스트럭처드 솔루션스, 엘엘씨.
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Abstract

태양광 수신기는 외부 표면 및 상기 외부 표면의 반대편에 있는 내부 표면을 갖는 열 흡수 소자 및 상기 열 흡수 소자의 외부 표면과 표면이 접하며 적어도 부분적으로 상기 열 흡수 소자의 외부 표면을 덮는 탄소 나노튜브-주입 섬유 물질을 포함하는 제 1 코팅을 포함한다. 상기 제 1 코팅 상에 태양 복사 입사광이 수신, 흡수되고 열 에너지로 전환되며, 그리고 열 에너지는 제 1 코팅으로부터 열 흡수 소자로 이동한다. 태양광 수신 장치용 다층 코팅은 CNT-주입 섬유 물질을 포함하는 제 1 코팅 및 상기 제 1 코팅 상에 배치된 친환경 코팅을 포함한다.

Description

탄소 나노튜브 주입 코팅을 이용한 태양광 수신기 및 태양광 수신 장치용 다층 코팅{SOLAR RECEIVER UTILIZING CARBON NANOTUBE INFUSED COATINGS}
본 출원은 2009년 4월 7일에 출원된 미국 임시 출원 제 61/167,386호에 대해 35 U.S.C. 119(e) 규정에 의거하여 우선권을 주장한다.
본 발명은 전반적으로 전자기 방사선을 수신, 흡수, 함유하고 수신된 전자기 방사선을 열 에너지로 전환하는 태양광 수신기에 관한 것이다.
태양열 집열기는 태양 복사 에너지를 다양한 산업 공정, 전력 발생 및 온수 난방 분야에 활용하도록 개발되었다. 지구 표면상에 입사된 태양 복사는 약 1kW/㎡의 추정 전력 밀도 및 자외선(UV)에 대해 약 200나노미터(nm) 내지 적외선(IR)에 대해 약 2500nm 범위의 파장을 갖는다. 태양열 집열기는 일반적으로 열 수신기상에 태양 복사를 집중시키기 위한 리플렉터를 포함한다. 열 수신기는 태양 복사의 광자 에너지를 열 전달 유체의 열 에너지로 전환시킨다. 열 수신기는 일반적으로 예를 들어, UV 및 가시광선 범위내의 단파장 태양 복사의 우수한 흡수기인 열 흡수기를 포함한다. 그러나, 적어도 일부 열 흡수기는 또한 단파장 태양 복사의 흡수에 의해 충분히 여기되는 경우에 IR 방사선을 통해 열을 방출하는 적외선 범위에서 우수한 장파장 열 래디에이터이다. 고율의 입사 태양 복사가 초기에 흡수될지라도, 열 흡수기는 방열된 열로서 고율로 방출될 수 있어, 이에 따라 태양광 에너지의 효율적인 수집이 저하될 수 있다.
여러 타입의 태양광 수집기가 개발되었으며, 이에 한정하는 것은 아니나, 평판 태양광 수집기 및 진공 유리관 하우징내에 담긴 흡수기 튜브를 포함한다. 흡수기 표면은 순 금속을 포함하거나 태양 복사 스펙트럼내의 복사(즉, 약 200-2500nm)를 흡수하기 위해 선택적 흡수기로 코팅된 금속을 포함할 수 있다. (예를 들어, 0.92-0.96 범위내의 흡수도 및 예를 들어 0.07-0.11 범위내의 방사율을 갖는)이러한 태양광 선택적 흡수 코팅은 실제로 모든 입사 방사건을 흡수하지만, 일반적으로 적외선 파장에서 열을 방출하지 않는다. 이러한 태양광 선택적 흡수 코팅의 예는 고 반사 금속 베이스상에 매우 얇은 검은 금속 산화물 코팅, 및 블랙 크롬, 블랙 니켈 및 니켈을 함유한 알루미늄 산화물과 같은 전류 발생에 적용되는 선택적 코팅을 포함한다. 태양광 선택적 코팅제로 코팅된 흡수기 튜브는 대류에 의한 주위 공기로의 열 손실을 최소화하기 위해 일반적으로 유리 튜브 또는 진공 유리 튜브안에 넣어진다. 그러나, 이러한 코팅제의 일부와 함께 일반적으로 사용되는 진공 유리 튜브는 제작하는데 비용이 들며, 사용시 손상 위험이 있는 경향이 있다. 약 2%의 효율 손실을 일으키는 직접적인 열 방사로부터 진공 밀봉을 보호하기 위해 슈라우드와 같은 추가 요소가 종종 사용된다.
이에 따라 우수한 흡수도 및 저 방사율 특성을 갖는 택일적인 태양광 수신기가 요구된다. 본 발명은 이러한 요구를 만족시키며 또한 이와 관련된 이점을 제공한다.
일 견지로, 본 명세서에 개시되는 구현은 외부 표면 및 상기 외부 표면의 반대편에 있는 내부 표면을 갖는 열 흡수 소자; 및 상기 열 흡수 소자의 외부 표면과 표면이 접하며 적어도 부분적으로 상기 열 흡수 소자의 외부 표면을 덮는 탄소 나노튜브-주입 섬유 물질을 포함하는 제 1 코팅을 포함하는 태양광 수신기에 관한 것이다. 상기 제 1 코팅 상에 태양 복사 입사 광선이 수신되고, 흡수되고 열 에너지로 전환되고, 그리고 열 에너지는 제 1 코팅으로부터 열 흡수 소자로 이동한다.
일부 견지로, 본 명세서에 개시되는 구현은 CNT-주입 섬유 물질을 갖는 제 1 코팅 및 상기 제 1 코팅 상에 배치되는 친환경 코팅(environmental coating)을 포함하는 태양광 수신기 장치용 다층 코팅에 관한 것이다.
도 1은 열 흡수 소자의 외부 표면상에 CNT-주입 코팅을 갖는 예시적인 태양광 수신기의 측면도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 태양광 수신기에서 열 흡수 소자의 외부 표면상에 그루브를 더 포함하는 태양광 수신기의 측면도이다.
도 3은 도 1에 나타낸 태양광 수신기에서 CNT-주입 코팅 위에 친환경 코팅을 더 포함하는 태양광 수신기의 측면도이다.
도 4는 도 3에 나타낸 태양광 수신기에서 본 발명의 제 4 구현에 따라 열 흡수 소자의 외부 표면상에 그루브를 더 포함하는 태양광 수신기의 측면도이다.
도 5는 본 발명의 구현에 따라 CNT-주입 코팅 내에 통합되고 태양광 수신기의 열 흡수 소자의 외부 표면에 도포된 세라믹 저 방사율, 친환경 코팅의 단면도이다.
도 6은 도 5의 세라믹 저 방사율, 친환경 통합 코팅에서 본 발명의 구현에 따라 반사 방지 코팅을 더 포함하는 세라믹 저 방사율, 친환경 통합 코팅의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 구현에 따라 CNT-주입 코팅 위에 도포된 금속 저 방사율, 친환경 코팅의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 구현에 따라 도 7에 나타낸 금속 저 방사율, 친환경 통합 코팅 위에 도포된 반사 방지 코팅의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 구현에 따라 도 5에 나타낸 통합 코팅 위에 도포된 층화 서멧(cermet) 저 방사율, 친환경 통합 코팅의 단면도이다.
도 10은 도 9에 나타낸 층화 서멧 저 방사율, 친환경 통합 코팅에 본 발명의 구현에 따라 반사 방지 코팅을 더 포함하는 층화 서멧 저 방사율, 친환경 통합 코팅의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 구현에 따라 태양광 수신기의 열 흡수 소자의 외부 표면에 도포된 통합 서멧 저 방사율, 친환경 CNT-주입 코팅의 단면도이다.
도 12는 도 11에 나타낸 통합 서멧 저 방사율, 친환경 CNT-주입 코팅에 본 발명에 따라 반사 방지 코팅을 더 포함하는 통합 서멧 저 방사율, 친환경 CNT-주입 코팅의 단면도이다.
도 13은 본 발명의 구현에 따라 애뉼러스(annulus)를 갖는 태양광 수신기의 단면도이다.
도 14는 도 13에 나타낸 태양광 수신기에서 본 발명의 구현에 따라 도 2에 나타낸 제 2 구현에 기술된 그루브를 더 포함하는 태양광 수신기의 단면도이다.
도 15는 본 발명의 예시적 구현에 따라 CNT-주입 탄소 섬유 물질을 제조하는 방법을 나타낸다.
도 16은 CNT-주입 섬유 물질을 포함하는 코팅에 대한 반사율 데이타를 나타낸다.
도 17은 태양광 수신기에 코팅에 사용되는 섬유 물질에 주입된 CNT의 주사 전자현미경(SEM) 이미지를 나타낸다.
도 18은 예시적인 태양광 수신기를 나타낸다.
본 발명은, 부분적으로, 약 200nm에서 자외선(UV) 내지 약 2500nm에서 적외선(IR)의 광범위한 스펙트럼 범위에서 전자기 방사를 흡수하도록 제공되는 탄소 나노튜브(CNT)-주입 섬유 물질을 포함하는 제 1 코팅을 갖는 열 흡수 소자를 포함하는 태양광 수신기에 관한 것이다. CNT-주입 섬유 물질의 CNT는 우수한 열 전도체이며 빛 에너지를 수거하고 열로 전환시키는 도관이다. CNT는 약 6,600Wm-1K-1 정도로 높은 일부 값을 갖는 어느 물질로 알려진 일부 가장 높은 열 전도성을 갖는다(Berber et al. Phys. Rev. Lett. 84(20):4613-4616, (2000)).
또한, 제 1 코팅의 섬유 물질 자체는 CNT 배향을 최적화시키기 위해 예상가능한 정렬로 주입된 CNT의 배열을 조직하기 위한 스캐폴드를 제공한다. CNT는 거대 표면 영역 태양광 수신기 패널에 대한 접근을 제공하도록 스케일가능한 양으로 제어가능하게 정렬된 형태로 섬유 물질 기판상에 제작될 수 있다. "느슨한" CNT 복합체로는 달성하기 어려운 CNT 배향의 제어는 빛의 열 전환을 증가시킬 수 있다. 이의 고 열 전도성과 조합된 CNT 정렬의 제어는 열 흡수 소자에 대해 CNT 길이를 따라 그리고 에너지 발생을 포함하는 다양한 적용에 사용되는 열 전달 유체에 대한 가열 소자를 따라 효율적이면서 직접적으로 열이 전도될 수 있도록 한다.
본 발명의 태양광 수신기는 다양한 통상적인 태양광 열 수집기 형태로 사용될 수 있다. 예를 들어, 태양광 수신기는 수영장 풀 가열 시스템 또는 곡물 건조와 같은 농작용과 같은 저가 가열 적용에 사용될 수 있는 것들과 같이 상대적으로 낮은 온도에 수행될 수 있다. 본 발명의 태양광 수신기는 또한 예를 들어, 스팀 발생과 같은 에너지 발생에 사용되는 온도를 포함하는 고온을 이용하는 적용에 사용될 수 있다. 본 발명의 태양광 수신기는 평판 디자인 뿐만 아니라 포물선 디자인으로 형상화될 수 있다.
본 발명의 태양광 수신기상에 이용되는 코팅은 예를 들어, 약 0.92-0.99 범위의 흡수도를 가질 수 있다. 또한, 본 발명의 태양광 수신기의 방사율은 약 0.01-0.11 범위일 수 있다. 본 발명의 태양광 수신기에 이용되는 코팅은 UV 내지 IR의 스펙트럼 밴드내의 거의 모든 입사광 방사를 흡수할 수 있으며, 또한 가열 소자 및 후속적으로 열 전달 유체에 전달할 수 있으며, 열 적외선 방출을 방지할 수 있다. 적절한 나노튜브 밀도를 갖는 경우에 수직적으로 정렬된 단일 막 CNT의 배열은 거의 완벽한 블랙 바디 흡수기로 작용할 수 있는 것으로 나타났다(Mizuno et al., Proc. Natl. Acad. Sci. 106;6044-6047(2099)). 블랙 바디 흡수기를 생성하는 한 수단은 빛 반사를 억제하는 것이며, 이는 대상물의 반사율이 공기의 반사율에 근접할 경우에 달성될 수 있다. 반사율을 최소화하기 위한 해법은 프레스널 법칙으로부터 입증된다:
R = (n-n0)2/(n+n0)2
여기서, R은 반사율이며, n은 대상물의 반사율이며, 그리고 n0은 공기의 반사율이다. 섬유 물질상에 CNT 밀도는 하기에 서술된 연속 공정으로 조절될 수 있다. CNT 밀도를 조절함으로써, CNT-주입 섬유 물질은 공기의 반사율, n0에 근접한 반사율, n을 나타내는 것으로 조정될 수 있다.
일부 구현으로, CNT-주입 섬유 물질을 갖는 본 발명의 태양광 수신기에 이용되는 코팅은 블랙-바디-유사물로 거동할 수 있으며 블랙 바디 방사 형태로 고 열 방사율을 나타낼 수 있다. 일부 구현으로, 이러한 에너지 손실은 CNT로부터 열 에너지를 열 흡수 소자로 채널링함으로써 감소되거나 방지될 수 있다. 열 흡수 소자는 그 다음 예를 들어, 전력 발생에 이용될 수 있는 열 전달 유체를 가열한다. 상기 시스템의 방사율 감소는 또한 예를 들어, 가열 소자에 대한 진공 유리 챔버를 이용하거나 반사 방지 코팅 등과 같은 추가의 코팅 물질를 이용하는 것을 포함하는 당 기술분야에 알려진 방법에 의해 이루어질 수 있다.
일부 구현으로, CNT-주입 섬유 물질을 갖는 본 발명의 태양광 수신기에 이용되는 코팅은 매우 낮은 방사율을 가지면서 거의 모든 입사광을 흡수하는 고유 태양광 선택적 물질로 작용할 수 있어, 추가 코팅에 대한 필요성을 제거하고 대신에 열 에너지를 열 흡수 소자로 효율적으로 전달하고, 다양한 적용에 사용하기 위해 열 흡수 소자로부터 열 전달 유체로 효율적으로 전달한다.
일부 구현으로, 태양광 수신기는 외부 표면 및 상기 외부 표면의 반대편에 있는 내부 표면을 갖는 열 흡수 소자를 포함한다. 상기 수신기는 또한 상기 열 흡수 소자의 외부 표면과 표면이 접하며 적어도 부분적으로 상기 열 흡수 소자의 외부 표면을 덮는 탄소 나노튜브-주입("CNT-infused") 물질을 제 1 코팅으로 포함한다. CNT-주입 섬유 물질 제 1 코팅은 이에 한정하는 것은 아니나, CNT-주입 섬유 물질 및 복합체를 형성하는 매트릭스내의 CNT-주입 섬유 물질을 포함한다. 제 1 코팅의 CNT-주입 섬유 물질상에서 태양 복사 입사광은 흡수되고, 함유되고 열 에너지로 전환된다. 전환된 열 에너지는 열 흡수 소자의 외부 표면상의 제 1 코팅의 CNT-주입 섬유 물질로부터 열 흡수 소자의 내부 표면으로 전달되고, 그 다음 내부 표면으로부터 열 전달 유체와 같은 물질로 전달된다.
일부 구현으로, 태양광 수신기는 열 흡수 소자의 표면상에 다수의 그루브를 갖는 열 흡수 소자를 포함한다. 일 구현으로, 상기 그루브는 크기 및 깊이가 대략 미크론(pm)이다. 상기 그루브는 열 흡수 소자의 원주를 따라 나선형 형태로 배열되어 열 흡수 소자의 일 단부에서 외부 표면상의 다른 단부로 뻗은 단일 그루브를 형성할 수 있다. 이러한 그루브는 예를 들어, CNT-주입 섬유 토우를 수용할 수 있으며 CNT-주입 섬유 물질과 열 흡수 소자 사이에 증가된 표면 접촉 영역을 제공할 수 있다. 이론으로 규정하려는 것은 아니나, 증가된 표면 영역 접촉은 열 흡수 소자의 외부 표면으로의 보다 효율적인 열 전달을 제공할 수 있다. 같은 방식으로, 증가된 표면 영역은 열 흡수 소자의 내부 표면상에 제공되어 열 전달 유체로의 열 전달 효율을 증가시킬 수 있다.
일부 구현으로, 태양광 수신기는 CNT-주입 섬유 물질을 갖는 제 1 코팅을 덮거나 안으로 통합되는 저 방사율, 친환경 코팅을 포함한다. 제 1 코팅 내로 통합될 경우, 이는 제 1 코팅을 복합체 구조로 제공하는 매트릭스 물질로서 작용할 수 있다. 친환경 코팅은 흡수 및 열 에너지로의 전환을 위해 제 1 코팅의 CNT-주입 섬유 물질상에 친환경 코팅의 외부 표면상에 전자기 방사(적어도 자외선 내지 가시광선) 입사광의 투과가 가능해지도록 한다. 친환경 코팅은 CNT-주입 코팅에 의한 열 에너지의 외부 환경으로의 방출을 효율적으로 감소시키도록 저 방사율 특성을 갖는다. 친환경 코팅은 특히, 제 1 코팅의 CNT-주입 섬유 물질이 시스템이 작동되는 온도에서 열 에너지를 방출하는 스펙트럼에 상응하는 적외선 스펙트럼에서 저 방사율을 가질 수 있다.
일부 구현으로, 태양광 수신기는 CNT 주입 섬유 물질을 갖는 제 1 코팅에 의해 적어도 부분적으로 덮혀지는 열 흡수 소자를 감싸는 애뉼러스(annulus)를 포함한다. 일 형태로, 상기 애뉼러스는 CNT-주입 코팅으로부터 방사상으로 이격된다. 예시적인 구현으로, 상기 애뉼러스는 애뉼러스와 CNT-주입 코팅 사이에 배치된 에어 포켓 또는 에어 갭을 포함할 수 있다. 다른 구현으로, 상기 애뉼러스는 진공될 수 있으며, 상기 갭은 진공하에 유지된다. 상기 애뉼러스는 이의 외부 표면 및 내부 표면 중 하나 또는 둘 모두에 도포된 하나 이상의 반사 방지 코팅 및 저 방사율 코팅으로 코팅될 수 있다.
상기 애뉼러스는 또한 CNT-주입 코팅과 대면하는 이의 내부 표면에 도포된 적외선 반사 코팅을 가질 수 있다.
본 명세서에 사용된 용어 "섬유 물질"은 이의 기초 구성 성분으로서 섬유를 갖는 어느 물질을 칭한다. 이는 섬유, 필라멘트, 얀, 토우, 테이프, 직물 및 부직물, 플라이, 매트 등을 포함한다. 더욱이, 상기 섬유 물질의 조성은 이에 한정하는 것은 아니나 유리, 탄소, 금속, 세라믹, 유기물 등을 포함하는 어느 타입으로 이루어질 수 있다.
본 명세서에 사용된 용어 "스풀러블 치수"는 길이로 한정되지 않는 적어도 하나의 치수를 가지며, 물질가 스풀 또는 맨드렐상에 저장될 수 있는 섬유 물질을 가리킨다. "스풀러블 치수"의 섬유 물질은 본 명세서에 나타낸 바와 같은 CNT 주입을 위한 일괄 또는 연속 공정의 사용을 나타내는 적어도 하나의 치수를 갖는다. 상업적으로 이용가능한 스풀러블 치수의 일 섬유 물질은 800의 텍스 값(1텍스=1g/l,000m) 또는 620yard/lb를 갖는 AS4 12k 탄소 섬유 토우(Grafil, Inc., Sacramento, CA)로 예시된다. 상업적인 탄소 섬유 토우는 특히 5, 10, 20, 50 및 100lb(고중량, 일반적으로 3k/12K 토우를 갖는 스풀에 대해) 스풀에서 획득될 수 있으나, 예를 들어 보다 큰 스풀은 특별 지시를 필요로 할 수 있다.
본 명세서에 사용된 용어, "탄소 나노튜브"(CNT, 복수의 CNTs)는 그라펜, 단일벽 탄소 나노튜브(SWNTs), 이중벽 탄소 나노튜브(DWNTs), 및 다중벽 탄소 나노튜브(MWNTs)를 포함하는 풀러린 과의 어느 다수의 원통형 탄소 동소체를 칭한다. CNTs는 풀러린-유사 구조에 의해 캡핑되거나 개방형일 수 있다. CNTs는 다른 물질들을 캡슐화하는 것들을 포함한다.
본 명세서에 사용된 "길이의 균일"은 반응기에서 성장된 CNTs의 길이를 칭한다. "균일한 길이"는 CNTs가 총 CNT 길이의 플러스 또는 마이너스 20%이하의 허용오차 길이를 갖거나, 약 1-500미크론 범위내로 달라지는 CNT 길이를 의미한다. 1-4 미크론과 같이 매우 짧은 길이에서, 이러한 오차는 총 CNT 길이의 약 플러스 또는 마이너스 20%의 범위내일 수 있으며, 최대 약 1미크론 플러스 또는 마이너스로, 즉, 총 CNT 길이의 약 20%를 다소 넘을 수 있다.
본 명세서에 사용된 "분포의 균일"은 섬유 물질상에서 CNTs의 밀도의 균일성을 칭한다. "균일 분포"는 CNTs가 CNTs에 의해 커버되는 섬유의 표면적의 퍼센트로 정의되는 플러스 또는 마이너스 약 10% 커버리지의 허용오차로 섬유 물질상에서의 밀도를 갖는 것을 의미한다. 이는 5벽을 갖는 8nm 직경 CNT에 대해 ±1500CNTs/㎛2에 해당된다. 이러한 값은 CNTs내부에 공간이 충진가능한 것으로 추정된다.
본 명세서에 사용된 용어 "주입된"은 결합된 것을 의미하며, "주입"은 결합 공정을 의미한다. 이러한 결합은 직접적인 공유 결합, 이온 결합, pi-pi, 및/또는 반데르 발스 힘-매개 물리흡착을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 구현으로, CNTs는 섬유 물질에 직접적으로 결합될 수 있다. 결합은 배리어 코팅 및/또는 CNTs와 섬유 물질간에 배치된 중개 전이 금속 나노파티클을 통해 섬유 물질에 CNT 주입과 같이 간접적일 수 있다. 상기 CNT-주입 섬유 물질에서, 탄소 나노튜브는 상기 섬유 물질에 상기한 바와 같이 직접 또는 간접적으로 "주입"될 수 있다. CNT가 섬유 물질에 "주입"되는 특정 방식은 "결합 모티프"로 칭하여진다.
본 명세서에 사용된 용어 "전이 금속"은 주기율표의 d-블록에서 어느 원소 또는 원소들의 합금을 칭한다. 용어 "전이 금속"은 또한 옥사이드, 카바이드, 니트라이드 등과 같은 염기 전이 금속 원소의 염 형태를 포함한다.
본 명세서에 사용된 용어 "나노파티클" 또는 NP(복수의 NPs), 또는 이의 문법적 등가물은 등가 구형 직경으로 약 0.1-100나노미터간의 크기를 갖는 입자를 칭하며, NPs는 모양이 반드시 구형일 필요는 없다. 전이 금속 NPs는 특히 섬유 물질상에서 CNT 성장을 위한 촉매로 작용한다.
본 명세서에 사용된 용어 "매트릭스 물질"은 랜덤 배향을 포함하는 특정 배향으로 CNT-주입 섬유 물질을 조직화하도록 제공될 수 있는 벌크 물질을 칭한다. 매트릭스 물질은 CNT-주입 섬유 물질의 물리적 및/또는 화학적 특성의 일부 견지를 매트릭스 물질에 부여함으로써 CNT-주입 탄소 섬유 물질의 존재로부터 유익할 수 있다. 일부 구현으로, 매트릭스 물질은 CNTs에 의한 태양 복사의 흡수시 발생된 열을 유지하는데 도움이 되는 친환경 코팅으로 작용할 수 있다. 일부 구현으로, 상기 매트릭스 물질은 세라믹이다. 일부 구현으로, 매트릭스 물질은 적외선 방사를 반사하여 CNTs로 되돌려 환경으로의 열 손실을 억제한다.
본 명세서에 사용된 용어 "물질 체류 시간(material residence time)"은 본 명세서에 기재된 CNT 주입 공정 도중에 스풀러블 치수(spoolable dimentions)의 섬유 물질과 함께 각 요소(discrete point)가 CNT 성장 조건에 노출되는 시간량을 칭한다. 이러한 정의는 다중(multiple) CNT 성장 챔버를 이용한 경우의 체류 시간을 포함한다.
본 명세서에 사용된 용어 "회선 속도(linespeed)"는 스풀러블 치수의 섬유 물질이 상기한 바와 같은 CNT 주입 공정을 통해 공급될 수 있는 속도를 칭하며, 여기서 회선속도는 CNT 챔버(들) 길이를 물질 체류 시간으로 나누어 계산된 속도이다.
일부 구현으로, 본 발명은 외부 표면 및 상기 외부 표면의 반대편에 있는 내부 표면을 갖는 열 흡수 소자; 및 열 흡수 소자의 외부 표면과 표면이 접하며 적어도 부분적으로 상기 열 흡수 소자의 외부 표면을 덮는 탄소 나노튜브-주입("CNT-infused") 섬유 물질을 포함하는 제 1 코팅을 포함하며, 이에 의해 제 1 코팅 상에 태양 복사 입사광이 수신, 흡수되고 열 에너지로 전환되며, 열 에너지는 제 1 코팅으로부터 상기 열 흡수 소자로 전달되는 태양광 수신기를 제공한다.
본 발명의 태양광 수신기는 당 기술분야에 알려진 저, 중 및 고온 적용에 작동될 수 있다. 고온 수신기는 예를 들어, 증기를 이용한 터빈 구동과 같은 다양한 전력 발생 적용에 사용된다. 고온 적용은 약 400℃이상의 온도를 이용하는 어느 적용일 수 있다. 저온 적용은 예를 들어, 풀(pool) 가열 또는 곡물 건조를 포함한다. 이러한 온도는 주위 온도보다 약 10-100℃ 높을 수 있다. 약 100-400℃의 온도를 이용하는 어느 적용은 중온 적용으로 간주된다. 예시적인 중온 적용은 예를 들어, 포물형 집광채 또는 집열 태양열 발전 설비를 포함한다.
태양광 수신기 장치는 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖는 열 흡수 소자 및 상기 제 1 단부에서 열 흡수 소자에 들어가고 제 2 단부에서 열 흡수 소자로부터 빠져나오는 열 전달 유체를 갖는다. 열 흡수 소자는 열 흡수 소자의 외부상의 제 1 코팅과 그리고/또는 열 흡수 소자의 내부상의 열 전달 유체와 접촉하는 보다 큰 표면적을 제공하도록 내부 및/또는 외부 표면상에 그루브를 갖는다. 가열 소자의 제 1 및 제 2 단부는 열 전달 유체를 수신기로 그리고 수신기로부터 이송하는데 사용될 수 있다. 수신기 자체는 기존의 시스템내로 통합되도록 형성되고 포물형 및 평판 타입 수신기에 편입될 수 있다.
열 흡수 소자는 일반적으로 금속으로 이루어진 열 파이프이지만, 어느 도관 물질이 사용될 수 있다. 또한, 열 흡수 소자는 파이프와 같은 원통형일 필요는 없다. 가열 흡수 소자는 어느 형상일 수 있으며, 내부 및 외부 표면상에 향상된 표면적을 위해 선택될 수 있다. 예를 들어, 일부 구현으로, 태양광 수신기 열 흡수 소자는 CNT-주입 섬유 물질을 수용하는 크기의 그루브를 가질 수 있다. CNT-주입 섬유 물질이 CNT-주입 섬유 토우인 경우, 그루브는 가열 소자 및 그루브 내부에 싸여진 CNT-주입 섬유 토우의 외부 표면상에 나선형으로 배치될 수 있으며, 그루브의 벽과 접촉한다. 일부 구현으로, CNT-주입 섬유 토우가 사용되는 경우, 토우는 또한 가열 소자상에 분산될 수 있다.
일부 구현으로, 본 발명의 태양광 수신기는 탄소, 금속, 유리, 세라믹 등으로부터 선택된 물질을 포함하는 탄소 나노튜브-주입 섬유 토우를 포함하는 CNT-주입 섬유 물질을 갖는다.
일부 구현으로, 본 발명의 태양광 수신기는 상기 제 1 코팅 내에 통합되어 복합체를 형성하는 친환경 코팅을 더 포함할 수 있다. 이러한 친환경 코팅을 형성하는 물질은 이에 한정하는 것은 아니나, 세라믹 매트릭스 물질을 포함한다. 일부 구현으로, 매트릭스 물질로 형성된 복합체는 금속 입자를 더 포함할 수 있다. 금속 입자는 CNT 주입 물질에 의해 수집된 열을 분산시키기위해 전도성 경로를 더욱 증가시키는데 사용될 수 있다. 이는 예를 들어, 이웃하는 CNTs 간의 열 전달을 위한 도관으로 작용하면서 적외선 반사기로 작용할 수 있다.
일부 구현으로, 본 발명의 태양광 수신기는 제 1 코팅 상에 배치된 친환경 코팅을 더 포함할 수 있으며, 이러한 친환경 코팅은 저 방사율 코팅을 포함할 수 있다. 이러한 구현으로, 상기 친환경 코팅은 또한 CNT-주입 섬유 물질내에 통합된 매트릭스 타입 친환경 코팅을 포함할 수 있다. 일부 구현으로, 친환경 코팅은 구리와 같은 금속을 포함한다.
본 발명의 태양광 수신기는 매우 낮은 방사율을 나타낼 수 있다. 어느 친환경 코팅은 이러한 목적을 제공할 수 있다. 더욱이, 일부 구현으로, 본 발명의 태양광 수신기는 반사 방지 물질을 포함하는 친환경 코팅을 더 포함한다. 이는 CNTs 또는 열 흡수 소자에서 복사된 적외선 열을 반사하거나 이를 CNTs 및 가열 소자를 향해 되돌려 환경으로의 열 손실을 억제하는데 사용될 수 있다.
다른 구현으로, 본 발명의 태양광 수신기는 제 1 코팅 및 열 흡수 소자를 감싸며 갭을 형성하는 애뉼러스(annulus)를 더 포함한다. 이 갭은 공기를 포함할 수 있으며, 또는 상기 갭은 실질적으로 진공일 수 있다.
본 발명의 태양광 수신기는 발전 시스템과 통합되도록 형성된다. 이와 관련하여, 수신기의 전체 디자인은 당 기술분야에 알려진 것들과 명목상으로 동일할 수 있다.
일부 구현으로, 본 발명은 또한 CNT-주입 섬유 물질을 갖는 제 1 코팅; 및 상기 제 1 코팅 상에 배치된 친환경 코팅을 포함하는 태양광 수신기용 다층 코팅을 제공한다. 제 1 코팅은 또한 세라믹 매트릭스를 포함할 수 있으며, 제 1 코팅은 또한 상술한 그리고 하기에 서술되는 바와 같은 금속 입자를 포함할 수 있다.
본 발명의 다층 코팅은 상술한 그리고 하기에 서술되는 바와 같은 금속 필름, 반사 방지 코팅, 및/또는 저 방사율 코팅을 포함하는 친환경 코팅을 포함할 수 있다.
본 발명의 도면 및 설명은 본 발명의 명확한 이해를 위해 관련된 요소들을 예시하기 위해 단순화된 것이며, 명확성을 위해 전형적인 태양광 수신기 및 수집기에서 발견되는 다수의 다른 요소들은 생략된 것으로 이해되어야 한다. 그러나, 이러한 요소들은 당 기술분야에 잘 알려져 있기 때문에, 그리고 이는 본 발명의 보다 나은 이해를 돕지 못하므로, 이러한 요소들의 설명은 본 명세서에 제공되지 않는다. 당 기술분야의 숙련자에게 알려진 변형 및 변화가 본 발명에 포함된다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1 구현에 따른 태양광 수신기 100의 측면도가 예시된다. 태양광 수신기(100)는 열 흡수 소자(110) 및 열 흡수 소자(110)의 외부 표면(115)의 적어도 일부에 적용된 CNT-주입 코팅(120)을 포함한다.
일 형태로, 열 흡수 소자(110)는 그 내부에 예를 들어, 열 전달 유체와 같은 열 전달 물질을 수용하도록 적응된 홀로우(hollow) 엘리먼트이다. 비한정적인 예로, 열 전달 유체는 물, 동결방지 용액(예, 물 및 글리콜), 공기, 다양한 기체들, 오일 및 다른 고온(고 열 용량) 유체를 포함할 수 있다. 예시적인 구현으로, 열 흡수 소자(110)는 제 1 단부(112) 및 제 2 단부(114)를 갖는 금속이거나 합금 흡수 튜브이다. 열 흡수 소자(110)은 외부 표면(115) 및 외부 표면(115)의 반대편에 있는 내부 표면(117)을 갖는다. 비제한적인 예로, 열 흡수 소자(110)는 스테인리스강, 탄소강 또는 알루미늄으로 이루어질 수 있다. 당 기술분야의 숙련자는 다른 금속 및 합급이 또한 사용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 열 흡수 소자(110)의 두께 및 열 흡수 소자(110)의 물질 특성은 외부 표면(115)으로부터 내부 표면(117)으로 열을 효율적으로 전달하도록 선택되며, 일반적으로 내부 표면(117)과 표면이 접하는 열 흡수 소자(110)에 존재하는 열 전달 물질을 가열한다. 예시적인 형태로, 흡수 튜브는 약 3미터(m)의 길이, 약 70밀리미터(mm)의 직경 및 약 2mm의 벽 두께를 가질 수 있다. 본 명세서에서 언급된 열 흡수 소자(110)는 튜브 또는 튜브형 구조를 취하지만, 열 흡수 소자(110)는 예를 들어, 원통형, 원뿔형, 다각형 또는 다른 형상 및 형태를 포함하는 다양한 기하학적 형태로 형성될 수 있다.
일 형태로, 열 흡수 소자(110)는 제 1 온도에서 열 전달 유체와 같은 열 전달 물질이 제 1 단부(112)에서 들어가고, 상기 제 1 온도보다 높은 제 2 온도에서 제 2 단부(114)를 빠져나가는 오픈 시스템이다. 다른 형태로, 열 흡수 소자(110)는 열 전달 유체가 열 흡수 소자(110)내에 유지되는 열 파이프와 같은 폐쇄 시스템일 수 있다. 예시 구현으로, 열 흡수 소자(110)는 외부 표면(115)을 가지며, 이는 일반적으로 균일한 형태이다.
도 1을 참조하면, CNT-주입 코팅(120)은 열 흡수 소자(110)의 외부 표면(115)상에 배치된다. 따라서, CNT-주입 코팅(120)은 열 흡수 소자(110)의 외부 표면(115)을 적어도 부분적으로 덮는다. CNT-주입 코팅(120)은 열 흡수 소자(110)의 외부 표면(115)와 효과적인 표면 인게이지먼트 또는 접촉을 확립하고 유지하기 위해, 그리고 한편으로는 이들간의 갭을 최소화하기 위해 열 흡수 소자(110)의 외부 표면(115)상에 장력하에 권치된다. CNT-주입 코팅(120)은 입사 전자기 방사(전형적으로 태양 복사의 형태)를 수신하고, 수신된 방사를 열 에너지로 전환시킨다. 전환된 열 에너지는 열 흡수 소자(110)의 외부 표면(115)으로 전달된다. 예시적인 구현으로, 열 흡수 소자(110)의 외부 표면(115)은 실질적으로 CNT-주입 코팅 120에 의해 완전히 커버된다. 다른 구현으로, 외부 표면(115)의 하나 이상의 미리 정해진 영역이 CNT-주입 코팅(120)에 의해 커버되지 않은 채로 남겨질 수 있다.
일 형태로, CNT-주입 코팅(120)은 탄소 나노튜브로 주입된 유리 로프 또는 섬유의 형태를 취한다. CNT-주입 코팅의 다른 예는 탄소 나노튜브로 주입된 탄소 섬유, 증기 성장 탄소 섬유, 탄소 나노섬유 및 그라핀과 같은 탄소 나노튜브-주입 섬유 및 직물을 포함한다. 예시적인 구현으로, CNT-주입 코팅(120)은 약 15미크론(pm) 내지 1000pm 범위내 두께를 가질 수 있다. CNT-주입 코팅 120은 CNT-주입 코팅(120)에 구조적 보전을 제공하기 위해 임의로 탄소 나노튜브 또는 금속 나노파티클로 도핑된 고온 시멘트, 수지 또는 에폭시의 매트릭스를 포함할 수 있다.
예시적인 구현으로, CNT-주입 코팅 120은 원위치 탄소 나노튜브 성장 기술을 이용하여 섬유 형태로 제작될 수 있다. 예를 들어, 섬유는 약 5000-750℃의 소정의 온도로 유지되는 성장 챔버를 통해 공급될 수 있다. 탄소 함유 공급 가스가 그 다음에 성장 챔버내로 도입되고, 여기서 촉매 나노파티클의 존재하에서 탄소 라디칼이 해리되고 섬유상에 탄소 나노튜브의 형성을 개시한다. 이러한 한 기술은 미국 임시 출원 제 61/155,935호("Low Temperature CNT Growth Using A Gas-Pre-heat Method", 2009년 2월 27일 출원, 본 명세서에 참고문헌으로 편입됨)에 기재되어 있다. 복합체 형태의 탄소 나노튜브 주입 섬유가 층 또는 스레드(thread) 또는 로프 층을 커버하는 다른 기술이 CNT-주입 코팅(120)을 확보하는데 이용될 수 있다.
당 기술분야에 알려진 바와 같이, 탄소 나노튜브계 구조의 전자기 방사 흡수도는 부분적으로 탄소 나노튜브의 길이 뿐만 아니라 구조의 나노튜브 체적-충진 분획에 비례한다. 나노튜브 체적-충진 분획은 나노튜브에 의해 차지되는 구조의 총 체적의 분획을 나타낸다. 예시적인 구현으로, CNT-주입 코팅(120)의 나노튜브 체적-충진 분획은 약 0.5-25% 범위이다. CNT-주입 코팅(120)에서 탄소 나노튜브들 간의 평균 간격은 약 2-200nm 범위이다. CNT-주입 코팅(120)의 나노튜브 체적 충진은 CNT-주입 코팅(120)에 의해 효율적으로 흡수될 수 있는 전자기 방사의 범위를 조절하기 위해 그 내부에 탄소 나노튜브의 선택적 포지셔닝에 의해 맞추어질 수 있다. CNT-주입 코팅(120)에서 나노튜브들 간의 갭은 하나 이상의 소정의 파장을 갖는 방사를 선택적으로 캡쳐하고 흡수하도록 사용될 수 있다.
CNT-주입 코팅에서 탄소 나노튜브가 길 수록, 전자기 방사의 흡수도는 (적어도 가시광선 스펙트럼에서) 높아진다. CNT-주입 코팅(120)은 약 10미크론 내지 약 수천 미크론 범위의 길이를 갖는 탄소 나노튜브를 포함할 수 있다.
당 기술분야에 알려진 바와 같이, 탄소 나노튜브의 열 전도성은 이의 구조적 형태에 따라 달라진다. 특히, 탄소 나노튜브는 이의 종 방향 축에 대한 수직 방향에 비해 이의 종 방향 축의 방향에서 보다 높은 열 전도성을 갖는다. 일 형태로, CNT-주입 코팅(120)은 이에 따라 외부 표면(115)에 대해 일반적으로 수직으로 정렬된 탄소 나노튜브, 외부 표면(115)에 일반적으로 평행으로 정렬된 탄소 나노튜브 및 외부 표면(115)에 평행하거나 수직적이지 않게 정렬된 탄소 나노튜브를 포함할 수 있다. 외부 표면(115)에 일반적으로 수직적인 탄소 나노튜브는 입사광 방사로부터 전환된 열을 효율적으로 외부 표면(115)에 전도한다. 외부 표면(115)에 일반적으로 수직적이지 않은 탄소 나노튜브는 외부 표면(115)으로 직접적으로 어느 현저한 열을 전도하지 못한다. 그러나, 외부 표면(115)에 일반적으로 수직적이지 않은 탄소 나노튜브는 CNT-주입 코팅(120)내에 일반적으로 수직적인 탄소 나노튜브에 대한 열 경로를 형성하여, 이에 따라 CNT-주입 코팅(120)으로부터 외부 표면(115)으로의 전체적인 열 전달을 증가시킨다. 따라서, CNT-주입 코팅(120)에서 탄소 나노튜브의 정렬은 CNT-주입 코팅(120)의 열 흡수 소자(110)으로의 열 전도성을 최대화하도록 맞추어질 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 구현에 따른 태양광 수신기(200)가 예시된다. 태양광 수신기(200)는 일반적으로 태양광 수신기(100)와 유사하다. 그러나, 수신기(200)는 외부 표면(115)상에 형성된 그루브(215)를 갖는 열 흡수 소자(110)을 갖는다. 일 형태로, 그루브(215)는 열 흡수 소자(110)의 길이를 따라 뻗은 나선형 형태를 취한다. 나선형 그루브 가공은 단순하고 잘 알려진 공정임이 당 기술분야의 숙련자는 잘 알것이다. 예시적인 구현으로, 그루브(215)는 약 50pm 내지 약 5000pm 범위의 크기를 가질 수 있다. 그루브(215)는 CNT-주입 코팅(120)에 노출되는 열 흡수 소자(110)의 외부 표면(115)의 표면 영역을 효율적으로 증가시킨다. 증가된 표면 영역은 결국 CNT-주입 코팅(120)으로부터 열 흡수 소자(110)의 외부 표면(115)으로의 열 전달 효율을 증가시킨다. 예시적인 구현으로, 그루브(215)는 특히 CNT-주입 섬유 토우(120)으로 구성된 CNT-주입 코팅과 결합시 효과적이다. 그루브(215)는 그루브(215)의 내부 표면과 CNT-주입 코팅(120)의 하나 이상의 각 섬유의 외부 표면 사이의 접촉을 최대화하도록 크기가 맞추어질 수 있다. 예시적인 구현으로, 그루브(215)는 CNT-주입 코팅(120)의 CNT-주입 섬유와 대략적으로 동일한 크기 및 깊이를 갖도록 크기가 맞추어질 수 있으며, 이에 따라 그루브(215)내에 근접한 맞춤으로 CNT-주입 코팅(120)의 CNT-주입 섬유를 수용하고 앉히고, 그루브(215)와 CNT-주입 코팅(120)간의 표면 접촉을 최대화한다. 다른 구현으로, 그루브(215)는 CNT-주입 코팅(120)의 다수의 CNT-주입 섬유를 수용할 수 있다.
일 형태로, 그루브(215)는 외부 표면(115)상에 나선형으로 형성된 단일 그루브의 형태를 취할 수 있으며, 흡수 소자(110)의 전체 길이를 따라 연속적으로 뻗어질 수 있다. 다른 구현으로, 그루브(215)는 열 흡수 소자(110)의 외부 표면(115)상에 형성된 일련의 불연속 또는 세그먼트화된 그루브를 포함할 수 있다. 이러한 그루브(215)는 서로 종적으로 정렬될 수 있으며, 흡수 소자(110)에 대해 권치된 하나 이상의 CNT-주입 섬유의 적어도 일부를 수용하도록 크기가 맞추어질 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 구현에 따른 태양광 수신기(300)가 예시된다. 태양광 수신기(300)는 일반적으로 (도 1의) 태양광 수신기(100)와 유사하다. 일 형태로, 친환경 코팅(310)은 CNT-주입 코팅(120)을 보호하고 CNT-주입 코팅(120)과 친환경 코팅(310)의 결합물의 반사율 및 방사 특성을 향상시키기 위해 CNT-주입 코팅(120)의 상부 표면에 도포될 수 있다. 친환경 코팅(310)의 여러 구현은 도 5-12에 개략적으로 도시되고 여기서 설명된다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 구현에 따른 태양광 수신기(400)가 예시된다. 태양광 수신기(400)는 일반적으로 (도 2)의 태양광 수신기(200)와 유사하며, (도 3의) 태양광 수신기(300)에 대해 기술된 바와 같은 친환경 코팅(310)을 더 포함한다.
도 5를 참조하면, 일 형태의 태양광 수신기(500)로, CNT-주입 코팅(120)을 환경으로부터 보호하고, CNT-주입 코팅(120)으로부터 열 에너지의 방출을 감소시키기 위해 CNT-주입 코팅(120)이 통합된 세라믹 친환경 코팅(510)이 예시된다. 친환경 코팅(510)은 적어도 태양 복사에 대해 투명하여 입사광 방사가 CNT-주입 코팅(120)에 도달할 수 있다. 또한, 친환경 코팅(510)은 CNT-주입 코팅(120)에 의해 방출된 적외선 방사를 포함하는 열 방사에 반사적이어서, 열 방사를 반사하여 재흡수를 위해 CNT-주입 코팅(120)에 되돌려 보낸다. 따라서, 친환경 코팅(510)은 저 방사율 특성을 갖는다. 예시적인 구현으로, 친환경 코팅(510)은 액체로 도포된 세라믹(유전체)계 물질을 포함하고, 고온 경화 사이클을 통해 유리로 전환된다. 다른 구현으로, 친환경 코팅(510)은 화학 증기 증착 공정을 통해 또는 플라즈마 스퍼터링을 통해 도포될 수 있다. 이러한 코팅 도포 공정을 당 기술분야에 알려져 있기 때문에, 간결성을 위해 더 자세한 사항에 대해서는 기술하지 않는다. 일 형태로, 친환경 코팅(510)은 400-500℃ 정도로 높은 온도에 이를 수 있는 고온의 CNT-주입 코팅(120) 및 열 흡수 소자(110)에 견뎌 낼 수 있도록 맞추어진다. 다른 형태로, 친환경 코팅(510)은 CNT-주입 코팅(120)을 주위 수분으로부터 보호하기 위해 소수성으로 맞추어질 수 있다. 예시적인 구현으로, 친환경 코팅(510)은 약 50-500nm 범위의 두께를 가질 수 있다. 친환경 코팅(510)을 형성하는데 사용될 수 있는 물질의 예는 알루미나, 실리콘 디옥사이드, 세슘 디옥사이드, 아연 설피드, 알루미늄 니트라이드 및 지르코늄 옥사이드를 포함한다.
도 6을 참조하면, 다른 형태의 태양광 수신기(600)로, 통합 세라믹 친환경 코팅(510) 및 CNT-주입 코팅(120)은 반사 방지 코팅(615)으로 더욱 코팅된다. 통합 친환경 코팅(510) 및 CNT-주입 코팅(120)에 의한 반사에 기인하여 손실되는 입사광 방사의 양은 그 위에 반사 방지 코팅(615)을 배치함으로써 감소될 수 있다. 이에 따라, 반사 방지 코팅(510)은 하부에 있는 통합 친환경 코팅(510) 및 CNT-주입 코팅(120)의 반사율 손실을 효과적으로 감소시키고 CNT-주입 코팅(120)에 의해 흡수되는 입사광 방사의 양을 증가시킨다. 이러한 반사 방지 코팅의 예는 마그네슘 플루오라이드, 플루오로폴리머 및 실리카계 코팅을 포함한다. 이러한 반사 방지 코팅의 사용은 당 기술분야에 공지되어 있으므로 더 이상 상세하게 설명하지 않는다.
도 7을 참조하면, 일 형태의 태양광 수신기(700)로, 금속 친환경 코팅(710)이 CNT-주입 코팅(120) 위에 도포된다. 예시적인 구현으로, 친환경 코팅(710)은 적어도 태양 복사에 대해 투명하여 입사광 방사가 CNT-주입 코팅(120)에 도달할 수 있다. 또한, 친환경 코팅(710)은 적외선을 포함하는 열 방사에 반사적이어서 CNT-주입 코팅(120)으로부터 재흡수를 위해 CNT-주입 코팅(120)에 되돌려 보내는 저 방사율 특성을 갖는다. 예시적인 구현으로, 친환경 코팅(710)은 화학 증기 증착 공정을 통해, 또는 플라즈마 스퍼터링 또는 스프레이를 통해 도포된 금속 박막 물질을 포함할 수 있다. 일 형태로, 친환경 코팅(710)은 400-500℃ 정도로 높은 온도에 이를 수 있는 고온의 CNT-주입 코팅(120) 및 열 흡수 소자(110)에 견뎌 내도록 적응된다. 다른 형태로, 친환경 코팅(710)은 소수성이도록 적응될 수 있다. 예시적인 구현으로, 친환경 코팅(710)은 약 1-250nm 범위내 두께를 가질 수 있다. 친환경 코팅(510)을 형성하는데 사용될 수 있는 물질의 예는 이에 한정하는 것은 아니나, 몰리브데늄(Mo), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 코발트(Co), 금(Au), 산화 구리(CuO), 코발트 옥사이드(Co3O4), 몰리브데늄 디옥사이드(MoO2), 텅스텐 옥사이드(WO), 티타늄 옥사이드(TiO), 티타늄 니트라이드(TiN), 철(Fe) 및 산화 제2철(Fe2O3)을 포함한다.
도 8을 참조하면, 다른 형태의 태양광 수신기(800)로, (도 7의) 금속 친환경 코팅(710)은 반사 방지 코팅(615)으로 더욱 코팅된다. 이러한 반사 방지 코팅의 예는 마그네슘 플루오라이드, 플루오로폴리머 및 실리카계 코팅을 포함한다.
도 9를 참조하면, 다른 형태의 태양광 수신기(900)로, (도 5의) 통합 세라믹 친환경 코팅(510) 및 CNT-주입 코팅(120)은 도 7의) 금속 코팅(710)으로 더욱 코팅되어 열 흡수 소자(110)상에 층화된 서멧 코팅을 형성한다. 층화 서멧 코팅은 통합 세라믹 코팅(510) 및 CNT-주입 코팅(120)위에 가로놓인 금속 코팅(710)을 포함한다. 세라믹 층(510) 및 금속층(710)의 결합은 CNT-주입 코팅(120)에 제공되는 친환경 보호를 효율적으로 증가시키고 재흡수를 위해 열 방사를 반사시켜 CNT-주입 코팅(120)으로 되돌려 보냄으로써 하부의 CNT-주입 코팅(120)으로부터의 열 방사 손실을 효율적으로 감소시킨다. 층화 서멧층은 하부의 통합 세라믹 코팅(510) 및 CNT-주입 코팅(120)에 추가적인 구조적 보전성을 제공한다.
도 10을 참조하면, 다른 형태의 태양광 수신기(1000)로, 도 9의 통합 서멧 코팅은 반사 방지 코팅(615)으로 더욱 코팅된다. 이러한 반사 방지 코팅의 예는 마그네슘 플루오라이드, 플루오로폴리머 및 실리카계 코팅을 포함한다.
도 11을 참조하면, 다른 형태의 태양광 수신기(1100)로, (도 5의) 통합 세라믹 친환경 코팅(510) 및 CNT-주입 코팅(120)은 금속 입자(1110)로 도핑된다. 일 형태로, 입자(1110)는 코팅(710)용으로 기술된 금속을 포함할 수 있으며, 콜로이덜 분산 또는 선택적 플라즈마 스퍼터링 또는 스프레이에 의해 도포될 수 있다. 입자 크기는 수 미크론 내지 수 나노미터일 수 있다. 이러한 형태는 따라서 금속 입자(1110)로 도핑된 CNT-주입 코팅(120) 및 통합 세라믹 코팅(510)의 통합 층을 제공한다.
도 12를 참조하면, 다른 형태의 태양광 수신기(1200)로, 도 11의 통합 코팅층은 반사 방지 코팅(615)으로 더욱 코팅된다. 이러한 반사 방지 코팅의 예는 마그네슘 플루오라이드, 플루오로폴리머 및 실리카계 코팅을 포함한다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 다른 구현에 따른 태양광 수신기(1300)가 예시된다. 태양광 수신기(1300)는 일반적으로 (도 3의) 태양광 수신기(300)와 유사하다. 태양광 수신기(1300)는 또한 CNT-주입 코팅(120)으로 코팅된 열 흡수 소자(110)를 감싸는 애뉼러스(annulus)(1310)를 포함한다. 예시적인 구현으로, 애뉼러스(1310)는 유리 애뉼러스의 형태를 취한다. 다른 구현으로, 애뉼러스(1310)는 석영 또는 예를 들어, 태양 복사와 같은 입사광 전자기 방사에 투명한 다른 도핑된 유리 물질과 같은 다른 물질로 이루어질 수 있다. 일 형태로, 애뉼러스(1310)는 이의 외부 표면, 내부 표면 또는 양 표면상에 반사 방지 코팅으로 코팅되어 애뉼러스(1310)를 통해 투과되는 입사광 방사의 양을 최대화할 수 있다. 예시적인 구현으로, 반사 방지 코팅은 대조되는 반사율의 교차층을 갖는 다중 박막 구조를 포함할 수 있다. 층 두께는 접점에서 반사되는 빔에서 상쇄적 간섭을 생성하고 이에 상응하는 투과 빔에서 보강 간섭을 생성하도록 선택될 수 있다. 이러한 반사 방지 코팅의 예는 마그네슘 플루오라이드, 플루오로폴리머 및 실리카계 코팅을 포함한다.
다른 형태로, 애뉼러스(1310)는 외부, 내부 또는 양 표면상에 저 방사율 코팅으로 추가적으로 또는 택일적으로 코팅되어 애뉼러스(1310)로부터 방출되는 방사 열 손실을 감소시킬 수 있다. 예시적인 구현으로, 저 방사율 코팅은 애뉼러스(1310)상에 배치된 박막 금속 또는 금속 산화물층이다. 이러한 저 방사율 코팅의 비제한적 예는 500-50nm 범위의 두께를 갖는 몰리브데늄(Mo), 은(Ag), 구리(Cu) 및 니켈(Ni)을 포함한다. 다른 형태로, 애뉼러스(1310)는 이의 내부, 외부 또는 양 표면상에 적외선 반사 코팅으로 추가적으로 또는 택일적으로 코팅될 수 있다. 당 기술분야에 알려져 있는 바와 같이, CNT-주입 코팅(120)으로 커버된 열 흡수 소자(110)로부터 적외선 방사를 통한 손실로 열이 존재할 수 있다. 적외선 반사 코팅으로 코팅된 애뉼러스(1310)는 CNT-주입 코팅(120)에 의해 방출되는 이러한 적외선을 반사하여 열 흡수 소자(110)으로 되돌려 보내고, 이곳에서 CNT-주입 코팅(120)은 이러한 반사된 IR 방사를 재흡수한다. 따라서, 적외선으로부터의 실질적인 열 손실은 방출된 방사의 재흡수를 통해 감소된다. 이러한 적외선 반사 코팅의 예는 카드뮴 스태네이트 필름이다.
예시적인 구현으로, 태양광 수신기(1300)는 애뉼러스(1310)와 열 흡수 소자(110)간에 적어도 부분적으로 CNT-주입 코팅(120)으로 커버된 에어 갭 또는 에어 포켓을 포함할 수 있다. 다른 구현으로, 애뉼러스(1310)는 CNT-주입 코팅(120)과 애뉼러스(1310)간에 존재하는 공기내의 대류에 기인한 열 손실을 감소시키기 위해 진공될 수 있다. 다른 예시적 구현으로, 태양광 수신기(1300)는 도 5-12와 관련하여 기재된 하나 이상의 친환경, 저 방사율 코팅을 더 포함할 수 있다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 구현에 따른 태양광 수신기(1400)가 예시된다. 태양광 수신기(1400)는 일반적으로 태양광 수신기(400)와 유사하다. 태양광 수신기(400)는 또한 CNT-주입 코팅(120)으로 적어도 부분적으로 커버된 열 흡수 소자(110)를 감싸는 애뉼러스(1310)를 포함한다. 애뉼러스(1310)는 도 13의 구현과 관련하여 상술한 바와 같이, 이의 외부, 내부 또는 양 표면상에 하나 이상의 반사 방지 코팅으로 코팅되거나, 이의 외부, 내부 또는 양 표면상에 저 방사율 코팅으로 코팅되거나, 이의 외부, 내부 또는 양 표면상에 적외선 반사 코팅으로 코팅될 수 있다. 다른 예시적인 구현으로, 태양광 수신기(1400)는 도 5-12와 관련하여 기술된 하나 이상의 친환경, 저 방사율 코팅을 더 포함할 수 있다.
CNT-주입 섬유 물질을 생성하는 예시적인 공정이 하기에 기술된다. 이러한 공정은 탄소 섬유 물질로 예시되나, 당 기술분야의 숙련자는 수행 파라미터가 유리, 세라믹 및 금속 섬유 물질을 포함하는 다른 물질 타입과 유사할 것임을 알 수 있을 것이다.
일부 구현으로, 본 발명은 (a) 스풀러블 치수의 섬유 물질의 표면상에 탄소 나노튜브-형성 촉매를 배치시키는 단계; 및 (b) 상기 섬유 물질상에 탄소 나노튜브를 직접 합성하여, 이에 따라 탄소 나노튜브-주입 섬유 물질을 형성하는 단계를 포함하는 CNT 주입을 위한 연속 방법을 제공한다. 9피트 길이 시스템에 대해, 공정의 회선속도는 약 1.5-108ft/min 범위일 수 있다. 본 명세서에 기재된 방법에 의해 달성되는 회선속도는 짧은 제조시간으로 상업적으로 적절한 양의 CNT-주입 섬유 물질의 형성을 가능하게 한다. 예를 들어, 36ft/min 회선속도에서, CNT-주입 섬유(섬유 중량에 대하여 5%를 넘는 주입된 CNTs)의 양은 5개의 별도의 토우(20lb/토우)를 동시에 처리하도록 디자인된 시스템에서 하루에 제조되는 물질의 100파운드 이상을 초과할 수 있다. 시스템은 동시에 더 많은 토우를 혹은 성장 영역을 반복함으로써 보다 빠른 속도로 생산하도록 만들 수 있다. 나아가, CNT의 제조에 있어서 일부 단계는, 이 기술분야에서 알려져 있는 바와 같이, 연속 모드 작업을 방해하는 매우 느린 속도를 갖는다. 예를 들어, 이 기술 분야에 알려져 있는 전형적인 공정에서, CNT-형성 촉매 환원단계의 수행에는 1-12시간이 소요된다. CNT 성장 자체는 또한 시간 소모적일 수 있다. 예를 들어 CNT 성장을 위해 10분이 필요하며, 이는 본 발명에서 실현되는 신속한 회선속도를 방해한다. 본 명세서에 기재된 공정은 이러한 속도 제한 단계를 극복한다.
본 발명의 CNT-주입 섬유 물질-형성 공정은 미리-형성된 탄소 나노튜브의 서스펜션을 섬유 물질에 적용하는 경우에 발생하는 CNT 번들링(bundling)을 회피할 수 있다. 즉, 미리-형성된 CNTs는 탄소 섬유 물질에 대하여 녹지(fuse) 않기 때문에, CNT가 번들(bundle)로 되거나 얽히는 경향이 있다. 그 결과는 CNT의 균일한 분포를 악화시켜 탄소 섬유 물질에 대하여 약하게 부착하게 된다. 그러나, 본 발명의 공정은, 필요한 경우, 성장 밀도를 감소시킴으로써 섬유물질의 표면에 고도로 균일하게 얽혀진(entangled) CNT 매트를 제공할 수 있다. 낮은 밀도에서 성장된 상기 CNTs는 먼저 섬유 물질에 주입된다. 이러한 구현에서, 상기 섬유는 수직 정렬을 유도하기에 충분히 조밀하게 되지 않는다. 그 결과, 탄소 섬유 물질 표면에서 매트가 얽히게 된다. 대조적으로, 미리-형성된 CNTs의 매뉴얼 적용(manual application)은 상기 섬유 물질 상에 CNT 매트의 균일한 분포 및 밀도를 보장하지 않는다.
도 15는 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 CNT-주입 섬유 물질을 제조하기 위한 공정의 흐름도를 나타낸다. 또한, 탄소 섬유 물질의 사용은 단지 예시적인 것이다.
공정(1500)은 적어도 다음의 공정을 포함한다:
1501: 탄소 섬유 물질을 기능화하는 단계.
1502: 기능화된 탄소 섬유 물질에 배리어 코팅 및 CNT-형성 촉매를 도포하는 단계.
1504: 탄소 나노튜브 합성에 충분한 온도로 탄소 섬유 물질을 가열하는 단계.
1506: 상기 촉매-적재된 탄소 섬유 상에서 CVD-매개된(CVD-mediated) CNT 성장을 촉진하는 단계.
단계 1501에서, 섬유의 표면 습윤을 촉진하고 배리어 코팅의 흡착을 향상시키기 위해 탄소 섬유 물질은 기능화된다.
탄소 나노튜브를 탄소 섬유 물질에 주입하기 위해, 상기 탄소 나노튜브는 상기 탄소 섬유 물질에서 합성되며, 이는 배리어 코팅으로 등각적으로(conformally) 코팅된다. 일 구현으로, 이는 먼저, 탄소 섬유 물질을 배리어 코팅으로 등각적으로 코팅한 다음, 오퍼레이션(1502)에 따라, 배리어 코팅 상에 나노튜브-형성 촉매를 배치시킴으로써 달성된다. 일부 구현으로, 배리어 코팅은 촉배 배치전에 부분적으로 경화될 수 있다. 이는 촉매를 받아들이는데 수용적인 표면을 제공할 수 있으며, CNT 형서 촉매와 탄소 섬유 물질간의 표면 접촉이 이루어지는 것을 포함하여 배리어 코팅에 매립되는 것을 가능케 한다. 이러한 구현에서, 배리어 코팅은 촉매 매립 후 완전히 경화될 수 있다. 일부 구현으로, 배리어 코팅은 CNT-형성 촉매의 디포지션과 동시에 탄소 섬유 물질에 걸쳐 등각적으로 코팅된다. CNT-형성 촉매 및 배리어 코팅이 제자리에 배치되면, 배리어 코팅은 완전히 경화될 수 있다.
일부 구현으로, 배리어 코팅은 촉매 디포지션 이전에 완전히 경화될 수 있다. 이러한 구현으로, 완전히 경화된 배리어-코팅된 탄소 섬유 물질은 촉매를 수용할 표면을 제조하기 위해 플라즈마로 임의로 처리될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 처리된 탄소 섬유 무질은 CNT-형성 촉매가 디포지트될 수 있는 거친 표면(roughened)을 제공할 수 있다. 배리어의 표면을 "거칠게 하는(roughing)" 상기 플라즈마 처리는 촉매 디포지션을 촉진한다. 상기 거칠기는 전형적으로 나노미터 스케일이다. 상기 플라즈마 처리 공정에 있어서, 나노미터의 깊이 및 나노미터의 직경인 구멍(craters) 또는 함몰(depressions)이 형성된다. 이러한 표면 개질은 이에 한정하는 것은 아니나, 아르곤, 헬륨, 산소, 암모니아, 질소 및 수소를 포함하는 하나 이상의 다양한 상이한 가스의 플라즈마를 사용하여 달성될 수 있다. 일부 구현으로, 플라즈마를 이용하여 거칠게 하는 것은 또한 탄소 섬유 물질 자체에 직접적으로 수행될 수 있다. 이는 탄소 섬유 물질에 배리어 코팅의 접착을 촉진시킨다.
도 15와 함께 이하에서 추가로 기재되는 것으로서, 상기 촉매는 전이금속 나노 입자를 포함하는 CNT-형성 촉매를 함유하는 액상 용액으로서 제조된다. 상기 합성된 나노튜브의 직경은 상기와 같은 금속 입자의 사이즈와 관련된다. 일부 구현으로, 상업적인 분산물의 CNT-형성 전이 금속 나노입자 촉매가 이용가능하며, 희석없이 사용되며, 다른 구현으로, 상업적인 분산물의 촉매는 희석될 수 있다. 이러한 용액을 희석하는지는 상기한 바와 같이 성장시키려는 CNT의 원하는 밀도 및 길이에 따라 달라질 수 있다.
도 15의 예시적인 구현과 관련하여, 탄소 나노튜브 합성은 화학적 증기 증착(CVD) 공정을 기초로 나타내며, 상승된 온도에서 일어난다. 구체적인 온도는 촉매 선택의 함수이지만, 전형적으로 약 500℃ 내지 1000℃의 범위에 있을 것이다. 따라서, 오퍼레이션 1504는 탄소 나노튜브 합성을 지속하기 위해 배리어 코팅된 탄소 섬유 물질을 상기한 범위의 온도로 가열하는 단계를 포함한다.
오퍼레이션 1506에 있어서, 그 후에 촉매-적재 탄소 섬유 물질상에서 CVD-촉진된(promoted) 나노튜브 성장이 수행된다. CVD 공정은 예를 들어, 아세틸렌, 에틸렌 및/또는 에탄올과 같은 탄소-함유 공급원료 가스에 의해 촉진될 수 있다. 상기 CNT 합성 공정은 일반적으로 불활성 가스(질소, 아르곤, 헬륨)를 제1 캐리어 가스로서 사용한다. 상기 탄소 공급원료는 전체 혼합물의 약 0% 내지 약 15%의 범위에서 제공된다. CVD 성장을 위한 실질적인 불활성 분위기는 성장 챔버에서 수분 및 산소를 제거함으로써 준비된다.
CNT 합성 공정에 있어서, CNT는 CNT-형성 전이금속 나노입자 촉매의 위치에서 성장한다. 강한 플라즈마-생성 전기장의 존재는 나노튜브 성장에 영향을 끼치도록 임의로 사용될 수 있다. 즉, 성장은 전기장의 방향을 따르는 경향이 있다. 플라즈마 분사 및 전기장의 기하학적 배열을 적절하게 조절함으로써 수직으로 정렬된 CNT(즉, 탄소 섬유 물질에 수직)가 합성될 수 있다. 특정 조건 하에서, 심지어 플라즈마 존재하는 않는 경우에도, 가까이-이격된(closely-spaced) 나노튜브는 카페트 또는 포레스트를 닮은 CNT의 조밀한 어레이(dense array)의 결과를 가져오는 수직 성장 방향을 유지할 것이다.
탄소 섬유 물질상에 촉매를 배치하는 오퍼레이션은 용액을 스프레이(spraying) 또는 딥 코팅(dip coating)하거나 또는 예를 들어, 플라즈마 공정에 의한 기상증착으로 수행될 수 있다. 기술의 선택은 배리어 코팅이 도포되는 방식에 따라 조정될 수 있다. 그러므로, 일부 구현에서, 용매에 촉매 용액을 형성한 후에, 배리어 코팅된 탄소 섬유 물질을 상기 용액으로 스프레이 또는 딥 코팅함으로써 또는 스프레이 및 딥 코팅의 조합에 의해 촉매가 도포될 수 있다. 단독 또는 조합으로 사용된 어떠한 기술은 1회, 2회, 3회, 4회, CNT-형성 촉매로 충분히 균일하게 코팅되는 탄소 섬유 물질을 제공하는 어느 회수까지 적용될 수 있다. 예를 들어, 딥 코팅이 사용되는 경우, 탄소 섬유 물질은 제1 디핑 욕 내에서의 제1 체류시간 동안 제1 디핑 욕 내에 배치될 수 있다. 제2 디핑 욕을 사용하는 경우, 상기 탄소섬유 물질은 제2 체류 시간 동안 제2 디핑 욕 내에 놓여질 수 있다. 예를 들어, 탄소 섬유 물질은 디핑 배치형태 및 회선 속도에 따라 약 3초 내지 약 90초 동안 CNT-형성 촉매의 용액으로 처리될 수 있다. 스프레이 또는 딥 코팅 공정을 사용할 때, 약 5% 표면 피복률(coverage) 미만 내지 약 80% 피복률 정도의 높은 피복률로 촉매의 표면 밀도로 탄소 섬유 물질이 처리되며, 상기 CNT-형성 촉매 나노입자는 거의 단층이다. 일부 구현으로, 상기 CNT-형성 촉매를 탄소 섬유 물질상에 코팅하는 공정은 단지 단층(monolayer)을 생성하여야 한다. 예를 들어, CNT-형성 촉매의 스택 상의 CNT 성장은 탄소 섬유 물질에 대한 CNT의 주입 정도를 약화시킬 수 있다. 다른 구현으로, 전이금속 촉매는 증발기술(evaporation techniques), 전해 디포지션 기술(electrolytic deposition techniques) 및 금속 유기물, 금속염 또는 기타 기상 수송을 증진시키는 조성물과 같은 플라즈마 공급원료 가스에 대한 전이금속 촉매의 첨가와 같은 이 기술분야의 숙련된 자들에게 알려져 있는 다른 공정을 사용하여 탄소 섬유 물질상에 디포지트될 수 있다.
본 발명의 공정은 연속적으로 디자인되기 때문에, 스풀러블 탄소 섬유 물질이 딥 코팅 욕이 공간적으로 분리되어 있는 일련의 욕에 딥-코팅될 수 있다. 초기의 탄소 섬유가 새로 생성되는 연속 공정에서, 탄소 섬유 물질에 배리어 코팅을 도포하고 경화하거나 부분적으로 경화한 후에 CNT-형성 촉매의 디핑 욕 또는 분무가 첫번째 단계일 수 있다. 따라서, 배리어 코팅 및 CNT 형성 촉매의 적용은 새로 형성된 탄소 섬유 물질을 위해 사이징의 적용을 대신하여 수행될 수 있다. 다른 구현으로, 상기 CNT-형성 촉매가 배리어 코팅 후에 다른 사이징제의 존재 하에서 새로이 형성된 탄소 섬유에 적용될 수 있다. CNT-형성 촉매 및 기타 사이징제의 이러한 동시 적용은 또한 상기 탄소 섬유 물질의 배리어 코팅과의 접촉표면에 상기 CNT-형성 촉매를 제공하여 CNT 주입을 확보할 수 있다.
상기 사용된 촉매 용액은 상기한 바와 같은 어떤 d-블록 전이금속일 수 있는 전이금속 나노입자일 수 있다. 나아가, 상기 나노입자는 원소형태로 또는 염 형태로, 그리고 이들의 혼합물로, d-블록 금속의 합금 및 비합금 혼합물을 포함할 수 있다. 이러한 염 형태는 제한없이, 산화물, 카바이드, 및 니트라이드를 포함한다. 비제한적인 대표적인 전이금속 NPs는 Ni, Fe, Co, Mo, Cu, Pt, Au, 및 Ag, 그리고 이들의 염 및 이들의 혼합물을 포함한다. 일부 구현으로, 이러한 CNT-형성 촉매는 배리어 코팅 디포지션과 동시에 CNT-형성 촉매를 탄소 섬유 물질에 직접 적용 또는 주입함으로써 탄소 섬유상에 배치된다. 많은 이러한 전이금속 촉매는 예를 들어, Ferrotec Corporation(Bedford, NH)를 포함하는 다양한 공급업체로부터 용이하게 상업적으로 입수할 수 있다.
CNT-형성 촉매를 상기 탄소 섬유 물질에 적용하는데 사용되는 촉매 용액은 CNT-형성 촉매가 전역에 걸쳐 균일하게 분산되도록 하는 통상의 어떠한 용매일 수 있다. 이러한 용매는 제한 없이, 물, 아세톤, 헥산, 이소프로필 알코올, 톨루엔, 에탄올, 메탄올, 테트라하이드로퓨란(THF), 시클로헥산 또는 CNT-형성 촉매 나노입자의 적절한 분산을 생성하는 제어된 극성을 갖는 기타 용매를 포함할 수 있다. CNT-형성 촉매의 농도는 촉매 대 용매 약 1:1 내지 1:10000의 범위일 수 있다. 이러한 농도는 배리어 코팅 및 CNT-형성 촉매가 동시에 도포될 경우에도 사용될 수 있다.
일부 구현으로, CNT-형성 촉매의 배치 후 탄소 나노튜브를 합성하기 위한 탄소 섬유 물질의 가열은 약 500℃ 내지 1000℃ 사이의 온도일 수 있다. 이러한 온도로의 가열은 CNT 성장을 위한 탄소 공급스톡의 도입 전 또는 실질적으로 동시에 수행될 수 있다.
일부 구현으로, 본 발명은 탄소 섬유 물질로부터 사이징제를 제거하는 단계, 탄소 섬유 물질에 걸쳐 배리어 코팅을 등각적으로(conformally) 도포하는 단계, CNT-형성 촉매를 상기 탄소 섬유 물질에 도포하는 단계, 상기 탄소 섬유 물질을 적어도 500℃로 가열하는 단계, 및 상기 탄소 섬유 물질상에서 탄소 나노튜브를 합성시키는 단계를 포함하는 공정을 제공한다. 일부 구현으로, 상기 CNT-주입 공정의 운전(operation)은 탄소 섬유 물질로부터 사이징을 제거하는 단계, CNT-형성 촉매를 상기 탄소 섬유에 도포하는 단계, CNT-합성 온도로 상기 섬유를 가열하는 단계 및 상기 촉매-적재된 탄소 섬유 물질상에서 CVD-촉진 CNT 성장을 수행하는 단계를 포함한다. 그러므로, 상업적 탄소 섬유 물질이 사용되는 경우에, CNT-주입 탄소 섬유를 형성하기 위한 공정은 상기 탄소 섬유 물질상에 배리어 코팅 및 상기 촉매를 배치하기 전에 상기 탄소 섬유 물질로부터 사이징을 제거하는 별도의 단계를 포함할 수 있다.
탄소 나노튜브를 합성하는 단계는 본 명세서에 참고로 포함된 게류중인 미국특허출원번호 US2004/0245088호에 기재된 것을 포함하여, 탄소 나노튜브를 형성하기 위한 많은 기술을 포함할 수 있다. 본 발명의 섬유상에 성장된 CNT는, 제한 없이, 미세 공동(micro-cavity), 열 또는 플라즈마 증강된 CVD 기술, 레이저 제거(laser ablation), 아크 방전, 및 고압 탄소 모노옥사이드(HiPCO)를 포함하여, 이 기술분야에서 알려진 기술에 의해 얻어질 수 있다. CVD 중, 특히, 그 위에 배치된 CNT-형성 촉매를 갖는 배리어 코팅된 탄소 섬유 물질이 직접 사용될 수 있다. 일부 구현으로, 어떠한 통상적인 사이징제가 CNT 합성 도중에 제거될 수 있다. 다른 구현으로, 아세틸렌 가스가 이온화되어 CNT 합성을 위한 저온 탄소 플라즈마(cold carbon plasma)의 분출물(jet)을 생성한다. 상기 플라즈마는 촉매-함유 탄소 섬유 물질로 직접적으로 향한다. 그러므로, 일부 구현으로, 탄소 섬유 물질상에 CNT를 합성하는 것은 (a) 탄소 플라즈마를 형성하는 단계; 및 (b) 상기 탄소 섬유 물질상에 배치된 촉매에 탄소 플라즈마를 직접 닿게하는(directing) 단계를 포함한다. 성장된 CNTs의 직경은 상기한 바와 같이 CNT-형성 촉매의 사이즈에 의해 영향을 받는다. 일부 구현으로, 상기 어떤 크기로 만들어진 섬유 기재는 약 550℃ 내지 약 800℃로 가열되어 CNT 합성을 촉진한다. CNTs 성장을 개시하기 위해, 2가지 가스가 반응기 내로 공급된다: 아르곤, 헬륨, 또는 질소와 같은 공정 가스 및 아세틸렌, 에틸렌, 에탄올 또는 메탄과 같은 탄소 함유 가스. CNTs는 CNT-형성 촉매의 위치에서 성장한다.
일부 구현예에 있어서, CVD 성장은 플라즈마-강화(plasma-enhanced)된다. 플라즈마는 상기 성장 공정 중 전기장을 제공함으로써 생성될 수 있다. 이러한 조건 하에서 성장된 CNT는 전기장의 방향을 따를 수 있다. 그러므로, 반응기의 기하학적 구조를 조절함으로써 수직으로 정렬된 탄소 나노튜브를 원통형의 섬유에 대하여 방사상으로 성장시킬 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 플라즈마는 상기 섬유에 대하여 방사상 성장을 위해 요구되지 않는다. 테이프, 매트, 패브릭, 플라이 등과 같은 구별되는 면을 갖는 탄소 섬유 물질에 대하여, 촉매가 일면 또는 양면에 배치될 수 있으며, 이에 상응하여, CNTs 역시 일면 또는 양면에서 성장될 수 있다.
상기한 바와 같이, CNT-합성은 스풀러블 탄소 섬유 물질을 기능화하기 위한 연속공정을 제공하기에 충분한 속도로 수행된다. 아래와 같이 예시되는 것으로서 많은 장치 배열이 이러한 연속 합성을 가능하게 한다.
일부 구현으로, CNT-주입 탄소 섬유 물질은 "모든 플라즈마(all plasma)" 공정에서 제조될 수 있다. 모든 플라즈마 공정은 아르곤 또는 헬륨계 플라즈마내의 산소, 질소, 수소와 같은 특이적 반응 가스종을 사용함으로써 탄소 섬유 물질의 기능화의 사용을 통해 섬유 표면 습윤 특성을 향상시키기 위해 그리고 보다 등각적인 코팅을 제공할 뿐만 아니라 기계적 교합 및 화학적 접착을 통한 코팅 접착성을 향상시키기 위해 상기한 바와 같이 탄소 섬유 물질을 플라즈마로 거칠게 하는 것으로 이루어질 수 있다.
배리어 코팅된 탄소 섬유 물질은 추가로 다양한 플라즈마-매개 단계(plasma-mediated steps)를 통과하여 최종 CNT-주입 제품을 형성한다. 일부 구현으로, 모든 플라즈마 공정은 배리어 코팅이 경화된 후 제 2의 표면 개질을 포함할 수 있다. 이는 촉매 디포지션을 용이하게 하기 위해 탄소 섬유 물질상의 배리어 코팅의 표면을 "거칠게 하는(roughing)" 플라즈마 공정이다. 상기한 바와 같이, 표면 개질은 제한 없이, 아르곤, 헬륨, 산소, 암모니아, 수소 및 질소를 포함하는 많은 상이한 가스의 하나 이상의 플라즈마를 사용하여 달성될 수 있다.
표면 개질 후에, 배리어 코팅된 탄소 섬유 물질은 촉매 적용이 행해진다. 이는 섬유 상에 CNT-형성 촉매를 디포지팅하는 플라즈마 공정이다. 상기 CNT-형성 촉매는 전형적으로 상기한 바와 같은 전이금속이다. 상기 전이금속 촉매는 액체자석(ferrofluid), 금속 유기물, 금속염 또는 기상(gas phase) 이송을 증진시키는 기타 조성물 형태의 전구체로서 플라즈마 공급원료 가스에 첨가될 수 있다. 상기 촉매는 진공 또는 불활성 분위기의 어떠한 것도 요구되지 않는 대기 분위기에서 실온에서 적용될 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 상기 탄소 섬유 물질은 촉매 적용 전에 냉각된다.
모든-플라즈마 공정(all-plasma process)를 지속시킴으로써 탄소 나노튜브 합성이 CNT-성장 반응기에서 일어난다. 이는 플라즈마-보강된(plasma-enhanced) 화학 증기 증착의 사용을 통해 달성될 수 있으며, 여기서, 탄소 플라즈마가 촉매 적재된 섬유상에 스프레이된다. 탄소 나노튜브 성장은 높은 온도(전형적으로 촉매에 따라 500℃ 내지 1000℃ 범위)에서 일어나기 때문에, 상기 촉매 적재된 섬유는 탄소 플라즈마에 노출하기 전에 가열될 수 있다. 주입 공정을 위해, 탄소 섬유 물질은 부드러워 질 때까지 임의로 가열될 수 있다. 가열 후에, 상기 탄소 섬유 물질은 용이하게 탄소 플라즈마를 수용한다. 탄소 플라즈마는 아세틸렌, 에틸렌, 에탄올 등과 같은 탄소 함유 가스를 이온화시킬 수 있는 전기장을 통해 상기 탄소함유 가스를 통과시킴으로써 생성된다. 이러한 냉각된 탄소 플라즈마는 스프레이 노즐을 통해, 탄소 섬유 물질로 향한다. 상기 탄소 섬유 물질은 플라즈마를 수용하기 위해서 상기 스프레이 노즐의 약 1센티미터 이내와 같이 상기 스프레이 노즐에 아주 근접하여 있을 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 히터가 상기 탄소 섬유 물질 위 상기 플라즈마 스프레이어에 배치되어 상기 탄소 섬유 물질의 높은 온도를 유지시킬 수 있다.
연속적인 탄소 나노튜브 합성의 다른 배열은 탄소 섬유 물질상에 직접적으로 탄소 나노튜브의 합성 및 성장을 위한 특별한 직사각형의 반응기를 포함한다. 상기 반응기는 탄소-나노튜브 함유 섬유를 제조하는 연속 인-라인 공정에 사용하도록 디자인될 수 있다. 일부 구현예에 있어서, CNT는 대기압 및 멀티-영역 반응기(multi-zone reactor)에서 약 550℃ 내지 800℃ 범위의 높은 온도에서 화학적 기상증착("CVD") 공정을 통해 성장된다. 상기 합성은 대기압에서 일어난다는 사실이 파이버 상 CNT 합성(CNT-on-fiber synthesis)을 위한 연속 공정 라인 내에 상기 반응기의 편입을 가능하게 하는 요인이다. 이러한 영역 반응기를 사용하는 인-라인 연속 공정에서의 한결같은 다른 이점은 이 기술분야에서 전형적인 다른 공정 및 장치 배열에서 수분 (또는 그 이상)과는 달리, CNT 성장이 수초 내에 일어난다는 것이다.
다양한 구현예에 따른 CNT 합성 반응기는 다음의 특징들을 포함한다:
직사각형으로 배열된 합성 반응기: 본 분야에서 공지된 전형적인 CNT 합성 반응기의 단면은 원형이다. 여기에는 예를 들어, (실린더형 반응기가 실험실에서 사용되었다는) 역사적인 이유 및 (유체 역학이 실린더형 반응기에서 모형화하기가 용이하며, 히터 시스템은 원형 튜브(석영, 등)를 쉽게 받아들인다는) 편리성 및 제조의 용이성을 포함하는 많은 이유가 있다. 실린더형 관례로부터 출발해서, 본 발명은 직사각형의 단면을 갖는 CNT 합성 반응기를 제공한다. 이러한 출발의 이유는 다음과 같다: 1. 반응기에 의해 처리될 수 있는 많은 탄소 섬유 물질은 편평한 테이프 또는 시트 형태와 같이 비교적 평면이기 때문에, 원형 단면은 반응기의 체적을 비효율적으로 사용한다. 이러한 비효율성은 실린더형 CNT 합성 반응기에 대하여 예를 들어, 다음과 같은 것을 포함하여 몇 가지 단점을 야기한다. a) 충분한 시스템 제거(purge) 유지; 증가된 반응기 체적은 동일한 가스 제거 수준을 유지하기 위해 증가된 가스 흐름 속도를 요구한다. 이는 시스템이 개방된 환경에서 높은 체적의 CNTs 제조를 위하여 불충분한 시스템의 결과를 야기한다. b) 증가된 탄소 공급원료 가스 흐름; 위 a)에서 기재한 바와 같이, 불활성 가스 흐름의 상대적으로 증가는 증가된 탄소 공급원료 가스 흐름을 요구한다. 12K 탄소 섬유 토우의 체적이 직사각형 단면을 갖는 합성 반응기의 전체 체적에 비하여 2000배 작은 것으로 고려된다. 동일한 성장 실린더 반응기(즉, 직사각형 단면 반응기로서 동일한 평면화된 탄소 섬유 물질을 수용하는 폭을 갖는 실린더형 반응기)에서, 상기 탄소 섬유 물질의 체적은 상기 챔버 체적보다 17,500배 적다. CVD와 같은 가스 증착 공정은 전형적으로 압력 및 온도 만에 의해 지배되지만, 체적이 증착의 효율성에 중요한 영향을 끼친다. 직사각형 반응기는 여전히 과도한 체적이다. 이러한 과도한 체적은 원하지 않는 반응을 조장한다; 그러나 실린더형 반응기는 그 체적의 약 8배를 갖는다. 이러한 경쟁 반응이 일어날 기회가 증가함으로 인해, 원하는 반응은 실린더형 반응기 챔버에서 더 천천히 효과적으로 일어난다. 이러한 CNT 성장의 속도 저하는 연속적인 공정의 발전에 문제가 된다. 직사각형 반응기 배열의 이점은 반응기 체적이 이러한 체적비를 보다 양호하게 하며, 반응을 보다 효과적으로 하기 위해 작은 높이의 직사각형 챔버를 사용함으로써 상기 반응기 체적을 감소시킬 수 있다는 것이다. 본 발명의 일부 구현예에 있어서, 직사각형 합성 반응기의 총 체적은 상기 합성 반응기를 통과하는 탄소 섬유 물질 전체 체적의 대략 3000배 이하로 크다. 일부 추가적인 구현예에 있어서, 상기 직사각형 합성 반응기의 전체 체적은 상기 합성 반응기를 통과하는 탄소 섬유 물질의 전체 체적보다 대략 4000배 이하로 크다. 일부 또 다른 구현예에 있어서, 상기 직사각형 합성 반응기의 전체 체적은 상기 합성 반응기를 통과하는 탄소 섬유 물질의 전체 체적보다 약 10,000배 미만으로 크다. 또한, 실린더형 반응기를 사용하는 경우, 직사각형 단면을 갖는 반응기에 비하여 보다 많은 탄소 공급원료 가스가 동일한 흐름 퍼센트를 제공하기 위해 요구된다는 것을 알 수 있다. 일부 다른 구현예에 있어서, 상기 합성 반응기는 직사각형이 아니라 그와 비슷하며, 원형 단면을 갖는 반응기에 비하여 반응기 체적이 비슷한 감소를 제공하는 다변형 형태로 기술되는 단면을 갖는 것으로 이해되어야 한다; c) 문제가 있는 온도 분포; 상대적으로 작은 직경의 반응기가 사용되는 경우에, 챔버의 중심부에서 그 벽으로의 온도 구배는 최소화된다. 그러나, 상업적 규모의 제조를 위해 사용되는 것처럼 사이즈가 증가할수록 온도 구배는 증가한다. 이러한 온도 구배는 탄소 섬유 물질 기재 전반에 대하여 제품 품질 변화의 결과를 가져온다(즉, 제품 품질이 반경 위치의 함수에 따라 변화한다). 이러한 문제는 직사각형 단면을 갖는 반응기를 사용할 때 실질적으로 회피된다. 특히, 평면 기재가 사용될 때, 기재(substrate)의 사이즈가 위로 올라감에 따라 반응기 높이가 일정하게 유지될 수 있다. 상기 반응기의 상부와 하부의 온도 구배는 필수적으로 무시될 수 있으며, 그 결과, 열 문제 및 그 결과로 나타나는 제품 품질 변화가 방지된다. 2. 가스 도입: 관형 로(tubular furnaces)가 통상 이 기술분야에서 사용되기 때문에, 전형적인 CNT 합성 반응기는 일 단부에서 도입하고, 그리고, 다른 단부로 반응기를 통해 이동한다. 본 명세서에 기재된 일부 구현예에 있어서, 가스는 상기 반응기의 중심부 또는 타겟 성장 구역에 대칭적으로, 상기 반응기의 측면을 통해 또는 상부 및 하부 플레이트를 통해 도입된다. 이는 유입되는 공급원료 가스가 CNT 성장이 가장 활발한 곳인 상기 시스템의 가장 뜨거운 위치에 연속적으로 보충되기 때문에 전체 CNT 성장속도를 향상시킨다. 이러한 일정한 가스 보충이 직사각형 CNT 반응기에 의해 나타나는 증가된 성장 속도의 중요한 측면이다.
구역제(Zoning). 상대적으로 냉각된 배출구역(cool purge zones)을 제공하는 챔버는 직사각형 합성 반응기의 양 단부에 매달린다. 출원인은 뜨거운 가스가 외부 환경(즉, 반응기 외부)과 혼합되는 경우, 탄소 섬유 물질의 저하를 증가시킨다고 판단하였다. 냉각된 배출구역(purge zones)은 내부 시스템과 외부 환경 사이에 버퍼(buffer)를 제공한다. 이 기술분야에서 공지된 전형적인 CNT 합성 반응기 배열은 전형적으로 상기 기재가 조심스럽게(그리고 서서히) 냉각될 것을 필요로 한다. 본 직사각형 CNT 성장 반응기의 배출구에서 상기 냉각 배출 구역은 연속 인-라인 공정에서 필요한 경우 짧은 시간 동안에 냉각을 달성한다.
비접촉, 가열된-벽, 금속성 반응기: 일부 구현예에 있어서, 금속, 특히, 스테인리스 스틸로 제조된 가열된 벽을 갖는 반응기가 사용된다. 이는 금속 및 특히 스테인리스 스틸은 탄소증착(즉, 그을음 및 부산물 형성)에 훨씬 민감하기 때문에 직관에 반하는 것으로 보일 수 있다. 그러므로, 탄소 부착이 적고, 석영이 청소하기 용이하며, 석영은 간단한 관찰을 가능하게 하기 때문에, 대부분의 CNT 반응기 배열은 석영 반응기를 사용한다. 그러나, 출원인은 스테인리스 스틸 상의 증가된 그을음 및 탄소 부착은 보다 더욱 일정하고, 더 빠르고, 더 효과적이며, 더 안정한 CNT 성장의 결과를 가져온다는 것을 알았다. 이론으로 한정하지 않고, 대기 분위기 운전과 결합하여, 반응기에서 일어나는 CVD 공정은 확산이 제한된다. 즉, 촉매는 "과공급되어(overfed)" (상기 반응기가 부분적으로 진공 하에서 잔동하는 경우에 비하여) 상대적으로 보다 높은 부분압으로 인해 너무 많은 탄소가 반응기 시스템에서 이용할 수 있게 된다. 결과적으로, 개방 시스템에 있어서-특히 깨끗한 것- CNT를 합성할 수 있는 것을 포함하여, 너무 많은 탄소가 촉매 입자에 부착할 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 금속성 반응기 벽에 부착된 그을음으로 반응기가 "지저분한(dirty)" 경우에 직사각형 반응기를 의도적으로 운전한다. 일단 탄소가 반응기 벽에 단층으로 부착하면, 탄소는 용이하게 탄소 위에 부착할 것이다. 이용가능한 탄소의 일부가 이러한 메커니즘으로 인해 "중단(withdrawn)"되면, 나머지 탄소 공급원료가 라디칼의 형태로 촉매를 피독시키지 않는 속도로 촉매와 반응한다. 연속 공정에서 개방되는 경우, "깨끗하게(cleanly)" 운전되는 기존 시스템은 감소된 성장 속도로 한층 적은 CNTs 생성률을 나타낼 것이다.
CNT 합성을 상기한 바와 같이 "지저분하게" 행하는 것이 일반적으로 유리하지만, 매니폴드 및 유입구와 같은 장치의 특정 부분은 그럼에도 불구하고, 그을음이 폐색을 야기하였을 때 CNT 성장 공정에 부정적인 영향을 끼칠 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, CNT 성장 반응 챔버의 이러한 영역을 실리카, 알루미나, 또는 MgO와 같은 그을음 방지 코팅으로 보호할 수 있다. 실제, 장치의 이들 부분을 이러한 그을음 억제 코팅으로 코팅할 수 있다. INVAR는 보다 높은 온도에서 적절한 코팅의 부착을 보장하며, 중요한 구역에 그을음이 상당히 생성되는 것을 방지하는 비슷한 CTE(열팽창 계수)를 갖는 것으로서, INVAR？와 같은 금속을 이러한 코팅으로 사용할 수 있다.
조합된 촉매 환원 및 CNT 합성: 여기에 기재된 CNT 합성 반응기에서, 촉매 환원 및 CNT 성장 모두가 상기 반응기에서 일어난다. 상기 환원단계는 별개의 오퍼레이션으로서 수행되는 경우, 연속 공정에서 사용하기에 시간적으로 충분히 수행될 수 없기 때문에 이는 중요하다. 이 기술분야에서 알려진 전형적인 공정에 있어서, 환원단계는 전형적으로 1-12시간 수행된다. 실린더형 반응기의 사용은 이 기술분야에서 전형적인 것으로서, 탄소 공급원료 가스가, 단부가 아니라, 적어도 부분적으로, 반응기의 중심으로 도입된다는 사실로 인하여, 본 발명에 따라 두 오퍼레이션 모두 반응기에서 일어난다. 상기 환원공정은 섬유가 가열된 구역을 들어감에 따라 일어나며, 이 점에서, 상기 가스가 (수소 라디칼 상호 반응을 통해) 촉매와 반응하여 산화 환원반응을 야기하기 전에 벽과 반응하고, 냉각할 시간을 가진다. 이것이 상기 반응이 일어나는 전이 영역이다. 상기 시스템 내의 가장 뜨거운 등온 구역에서, 상기 반응기의 중심 부근 가스 도입구 근처에서 최대 성장속도로 상기 CNT 성장이 일어난다.
일부 구현예에 있어서, 탄소 토우와 같은 느슨하게 연계된 탄소 섬유 물질이 사용되는 경우에, 상기 연속 공정은 스트랜드 및/또는 토우의 필라멘트를 펼치는(spread) 단계를 포함할 수 있다. 그러므로, 토우가 풀어짐에 따라 예를 들어, 진공계 섬유 펼침 시스템(spreading system)을 사용하여 펼칠 수 있다. 상대적으로 스티프(stiff)할 수 있는 사이즈된(sized) 유리 섬유를 사용하는 경우, 상기 토우를 "부드럽게 하여(soften)" 섬유 펼침(fiber spreading)을 촉진하기 위해 추가적인 가열이 행해질 수 있다. 개별적인 필라멘트를 포함하는 상기 펼쳐진 섬유(spread fibers)는 필라멘트의 전체 표면적을 노출시키기에 충분히 떨어져서 펼쳐질 수 있으며, 그리하여 이후의 공정 단계에서 상기 토우가 보다 효과적으로 반응할 수 있게 한다. 이러한 펼침은 3k 토우에 대해 가로질러 약 4-6인치 사이에 접근할 수 있다. 이러한 펼쳐친 탄소 토우는 상기한 바와 같이, 플라즈마 시스템을 구성하는 표면처리 단계를 통과할 수 있다. 그 후, 거칠게 된, 펼쳐진 섬유(roughened, spread fibers)는 CNT-형성 촉매 딥 욕조를 통과할 수 있다. 그 결과는 표면에 방사상으로 분포된 촉매 입자를 갖는 탄소 토우의 섬유이다. 상기 토우의 촉매-적재된 섬유는 그 후에 대기압 CVD 또는 PE-CVD 공정을 통한 흐름이 CNTs를 1초당 수 미크론 정도의 고속으로 합성하는데 사용되는 상기한 직사각형 챔버와 같은 적합한 CNT 성장 챔버로 들어간다. 방사상으로 정렬된 CNTs를 갖는 상기 토우의 섬유는 CNT 성장 반응기를 나간다.
일부 구현예에 있어서, CNT-주입 탄소 섬유 물질은 일부 구현예로서 CNT를 기능화하는데 사용되는 플라즈마 공정인 또 다른 처리 공정을 통과할 수 있다. 추가적인 CNTs의 기능화는 특별한 수지에 부착을 증진시키기 위해 사용될 수 있다. 그러므로, 일부 구현예에 있어서, 본 발명은 기능화된 CNTs를 갖는 CNT-주입 탄소 섬유 물질를 제공한다.
스풀러블 탄소 섬유 물질의 연속적인 처리의 일부로서, CNT-주입된 탄소 탄소 섬유 물질은 나아가 최종 제품에 유리할 수 있는 추가적인 어떠한 사이징제를 적용하기 위해 사이징 딥 욕조를 추가적으로 통과할 수 있다. 최종적으로, 습식 권취가 요구되는 경우, CNT-주입 탄소 섬유 물질은 수지 욕을 통과하여, 맨드럴 또는 스풀에 권취될 수 있다. 그 결과, 탄소 섬유 물질/수지 조합은 탄소 섬유 물질 상에 CNTs를 고정시켜 취급 및 복합체 제조를 보다 용이하게 할 수 있다. 일부 구현예에 있어서, CNT 주입은 향상된 필라멘트 권취를 제공하도록 사용된다. 그러므로, 탄소 토우와 같은 탄소 섬유 상에 형성된 CNTs는 수지 욕을 통과하여 수지-함침된, CNT-주입된 탄소 토우를 생성한다. 수지 함침 후, 탄소 토우는 송출 헤드(delivery head)에 의해 회전하는 맨드럴의 표면에 배치될 수 있다. 그 후에, 상기 토우는 알려져 있는 형태로 정밀한 기하학적 패턴으로 상기 맨드럴 상에 권취될 수 있다.
상기 권취 공정은 메일 몰드(male mold)를 통해 특징적으로 제조되는 파이프, 튜브, 기타 형태를 제공한다. 그러나, 본 명세서에 개시된 상기 권취공정으로부터 제조된 형태들은 통상적인 필라멘트 권취 공정에 의해 제조된 것들과는 다르다. 특히, 본 명세서에 개시된 공정에서, 상기 형태들은 CNT-주입 토우를 포함하는 복합체 물질로부터 제조된다. 그러므로, 이러한 형태들은 CNT-주입 토우에 의해 제공되는 바와 같이 강화된 강도 등으로부터 유리할 것이다.
일부 구현예에 있어서, 스풀러블 탄소 섬유 물질 상에 CNT의 주입을 위한 연속 공정은 약 0.5ft/min 내지 약 36ft/min의 회선 속도를 달성할 수 있다. CNT 성장 챔버가 3피트 길이 및 750℃ 성장 온도에서 오퍼레이션되는 이러한 구현예에 있어서, 상기 공정은 약 6ft/min 내지 약 36ft/min의 회선 속도로 운전되어 예를 들어, 약 1미크론 내지 약 10미크론의 길이를 갖는 CNTs를 생성한다. 상기 공정은 또한 약 1ft/min 내지 약 6ft/min의 회선 속도로 운전되어 예를 들어, 약 10미크론 내지 약 100미크론의 길이를 갖는 CNTs를 제조할 수 있다. 상기 공정은 약 0.5ft/min 내지 약 1ft/min의 회선 속도로 운전되어, 예를 들어, 약 100미크론 내지 약 200미크론의 길이를 갖는 CNTs를 제조할 수 있다. 상기 CNT 길이는 회선 속도 및 성장 온도에만 구속되는 것은 아니지만, 탄소 공급 원료 및 불활성 캐리어 가스 모두의 흐름 속도 또한 CNT 길이에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 높은 회선 속도(6ft/min 내지 36ft/min)로 불활성 가스 내에 1% 미만의 탄소 공급 원료로 이루어진 흐름 속도는 1미크론 내지 약 5미크론의 길이를 갖는 CNTs를 제공할 수 있다. 높은 회선 속도(6ft/min 내지 36ft/min)로 불활성 가스 내에 약 1%를 초과하는 탄소 공급 원료로 이루어진 흐름 속도는 5미크론 내지 약 10미크론의 길이를 갖는 CNT를 제공할 수 있다.
일부 구현예에 있어서, 하나 이상의 탄소 물질은 상기 공정을 통해 동시에 운전될 수 있다. 예를 들어, 복수의 테이프 토우, 필라멘트, 스트랜드 등은 상기 공정을 통해 동시에 운전될 수 있다. 그러므로, 어떠한 수의 미리 제조된 탄소 섬유 물질의 스풀(spools)은 상기 공정을 통해 동시에 운전되고, 상기 공정의 단부에서 다시-스풀(re-spool)될 수 있다. 동시에 운전될 수 있는 스풀된 탄소 섬유 물질의 수는 최대 상기 CNT-성장 반응 챔버의 폭에 의해 수용될 수 있는 수 까지로, 하나, 둘, 셋, 넷, 다섯, 여섯을 포함할 수 있다. 나아가, 복수의 탄소 섬유 물질이 상기 공정을 통해 운전되는 경우, 수집 스풀의 수는 공정의 시작에서의 스풀의 수보다 적을 수 있다. 이러한 구현예에 있어서, 탄소 스트랜드, 로빙 등은 이러한 탄소 섬유 물질를 혼합하는 추가적인 공정을 통해 직물 등과 같은 고도로 정리된 탄소 섬유 물질로 보내질 수 있다. 연속공정은 또한 예를 들어, CNT-주입 촙드(chopped) 섬유 매트(CNT-infused chopped fiber mats) 형성을 용이하게하는 후처리 초퍼(post processing chopper)를 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 구현예의 활동에 실질적인 영향을 미치지 않는 개조 역시 여기서 기재된 본 발명의 정의 내에 포함되는 것으로 이해된다. 또한, 다음의 실시예는 본 발명을 한정하지 않고 예시하고자 하는 의도이다.
실시예 I
본 실시예는 태양광 수신기에 사용되는 CNT 주입 코팅의 제조 및 모델의 특성화를 보여준다.
CNT 베이즈드 코팅은 하기 공정에 의해 제조될 수 있다:
CNTs는 상기 개괄적으로 서술한 바와 같이 릴-투-릴(reel-to-reel) 시스템에서 탄소 섬유 토우(예시적인 탄소 섬유)에 주입된다. CNT 주입 섬유 토우는 그 다음, 가열 소자에 걸쳐 감싸진다. 추가의 반사 층이 필요시 첨가된다. 이러한 공정에 의해 제조된 코팅은 태양광 선택적 코팅인 특성을 나타내는 것으로 예측된다. CNT-주입 섬유를 이용하는 코팅의 정밀한 특성은 CNT 길이 및 밀도에 따라 달라질 것이다.
도 16은 이러한 CNT-주입 섬유 코팅의 모델, 즉, 점선으로 나타낸 이론적 이상 코팅의 오버레이를 갖는 버키페이퍼(Buckypaper)에 대한 반사율 데이터를 보여준다. 가열 소자 둘레를 감싼 CNT-주입 섬유는 버키페이퍼와 유사한 CNTs의 배열을 갖는다. 버키페이퍼에서 CNTs의 배열은 도 17의 SEM 이미지로 나타내어진다.
CNT-주입 섬유를 갖는 코팅은 도 18에 예시된 바와 같이 태양광 수신기내로 편입되기 위한 열 흡수 소자의 외부 표면상에 형성될 수 있다. 이러한 태양광 수신기는 CNT-주입 코팅으로 코팅된 열 흡수 소자를 감싸는 애뉼러스(annulus)를 포함한다. 애뉼러스는 애뉼러스를 통해 투과되는 입사광 방사의 양을 최대화하기 위해 이의 외부 표면, 내부 표면 또는 양 표면상에 반사 방지 코팅을 갖는 보로실리케이트 유리일 수 있다. 애뉼러스는 CNT-주입 코팅과 애뉼러스간에 존재하는 공기내의 대류에 기인한 열 손실을 최소화하기 위한 압력(0.0001토르이하)으로 진공될 수 있다.
본 발명은 상기 구현을 참고로 설명되었으나, 본 발명의 정신을 벗어나지 않고 다양한 변형 및 변화가 이루어질 수 있다. 따라서, 이러한 모든 변형 및 변화는 첨부된 특허청구범위 및 등가물의 범위에 포함되는 것으로 이해된다.

Claims (22)

  1. 외부 표면 및 상기 외부 표면의 반대편에 있는 내부 표면을 갖는 열 흡수 소자; 및
    상기 열 흡수 소자의 외부 표면과 표면이 접하며 적어도 부분적으로 상기 열 흡수 소자의 외부 표면을 덮는 탄소 나노튜브(CNT)-주입 섬유 물질을 포함하는 제 1 코팅을 포함하며,
    상기 제 1 코팅 상에 태양 복사 입사광이 수신, 흡수되고 열 에너지로 전환되며, 그리고 상기 열 에너지는 상기 제 1 코팅으로부터 열 흡수 소자로 이동되는, 태양광 수신기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 열 흡수 소자는 제 1 단부 및 제 2 단부를 가지며, 여기서 열 전달 유체는 상기 제 1 단부에서 열 흡수 소자에 들어가고 상기 제 2 단부에서 열 흡수 소자로부터 빠져나오는 것을 특징으로 하는 태양광 수신기.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 열 흡수 소자는 열 파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 수신기.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 열 흡수 소자는 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 수신기.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 열 흡수 소자는 상기 CNT-주입 섬유 물질을 수용하는 크기의 그루브를 갖는 것을 특징으로 하는 태양광 수신기.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 CNT-주입 섬유 물질은 탄소 나노튜브-주입 섬유 토우를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 수신기.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 코팅 내에 통합된 친환경 코팅을 더 포함하여 복합체를 형성하는 것을 특징으로 하는 태양광 수신기.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 친환경 코팅은 세라믹 매트릭스 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 수신기.
  9. 제 7항에 있어서, 금속 입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 수신기.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 코팅 상에 배치된 친환경 코팅을 더 포함하며, 여기서 상기 친환경 코팅은 저방사율 코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 수신기.
  11. 제 1항에 있어서, 금속을 포함하는 친환경 코팅을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 수신기.
  12. 제 1항에 있어서, 반사 방지 물질을 포함하는 친환경 코팅을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 수신기.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 코팅과 상기 열 흡수 소자를 둘러싸며 갭을 생성하는 애뉼러스(annulus)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 수신기.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 갭은 공기를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 수신기.
  15. 제 13항에 있어서, 상기 갭은 진공배기된 것을 특징으로 하는 태양광 수신기.
  16. 제 1항에 있어서, 발전 시스템과 통합되도록 형성된 것을 특징으로 하는 태양광 수신기.
  17. CNT-주입 섬유 물질을 포함하는 제 1 코팅; 및
    상기 제 1 코팅 상에 배치된 친환경 코팅
    을 포함하는 태양광 수신 장치용 다층 코팅.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 제 1 코팅은 세라믹 매트릭스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅.
  19. 제 17항에 있어서, 상기 제 1 코팅은 금속 입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅.
  20. 제 17항에 있어서, 상기 친환경 코팅은 금속 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅.
  21. 제 17항에 있어서, 상기 친환경 코팅은 반사 방지 코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅.
  22. 제 17항에 있어서, 상기 친환경 코팅은 저 방사율 코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅.
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