KR20140092317A - 재사용가능한 기판 상에 탄소 나노구조를 지속적으로 생산하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

시스템은, 탄소 나노구조가, 탄소 나노구조 포함된 재사용가능한 기판(carbon nanostructure laden reusable substrate)으로서 형성되어 있는 재사용가능한 기판, 탄소 나노튜브 촉매 적용부(a carbon nanotube catalyst application station) 및 탄소 나노구조 성장부(carbon nanostructure growth station)를 통해 상기 재사용가능한 기판을 지속적으로 전달하는데 적합한 제1 컨베이어 시스템, 및 제2 기판과 상기 탄소 나노구조 포함된 재사용가능한 기판 사이의 경계면(interface)을 형성하는데 적합한 제2 컨베이어 시스템으로서, 상기 경계면은 상기 탄소 나노구조 포함된 재사용가능한 기판으로부터 제2 기판으로의 탄소 나노구조의 이동을 용이하게 하는 것인, 제2 컨베이어 시스템을 포함한다. 방법은, 재사용가능한 기판 상에 탄소 나노구조를 성장시키는 단계로서, 상기 탄소 나노구조는, 인터디지테이션(interdigitation), 가지화(branching), 교차결합(crosslinking), 및 공유된 월(shared walls)을 포함하는 구조적인 형태를 갖는 탄소 나노튜브 중합체를 포함하는 것인, 단계, 및 탄소 나노구조-포함된 제2 기판을 제공하도록 상기 탄소 나노구조를 제2 기판으로 이동시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은, 상기 재사용가능한 기판 상에서 지속적인 탄소 나노구조 생산에 적합하다. 프리-프레그(pre-preg)는 이러한 탄소 나노구조를 포함한다.

Description

재사용가능한 기판 상에 탄소 나노구조를 지속적으로 생산하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR CONTINUOUSLY PRODUCING CARBON NANOSTRUCTURES ON REUSABLE SUBSTRATES}

관련된 출원에 대한 상호-참조

본원 출원은, 모든 목적을 위해 이의 전체가 참고문헌으로서 본원에 포함된, 2011년 10월 19일에 출원된, "METHOD FOR CONTINUOUSLY PRODUCING CARBON NANOSTRUCTURES IMPREGNATED MATERIALS ON REUSABLE SUBSTRATES"로 제목 붙여진, 미국 가출원 연속물(U.S. Provisional Patent Application Serial) No. 61/549,182, 및 2012년 9월 28일에 출원된, "NANOSTRUCTURE AND METHOD OF MAKING THE SAME"로 제목 붙여진, 미국 가출원 연속물 No. 61/707,738 의 이익을 청구한다.

기술 분야

본원 발명은, 복합재료 물질(composite materials), 및 보다 바람직하게, 탄소 나노구조를 포함하는 복합재료 물질에 관한 것이다.

본 발명의 배경기술

복합재료 내에 탄소 나노튜브(CNTs)를 결합시키는 것은, 기판 상에 직접적인 성장을 통해 또는 복합재료 매트릭스 물질(composite matrix material)에서 상기 나노튜브를 물리적으로 혼합하는 것을 포함하는 다양한 기술에 의해 이루어질 수 있다. 물리적인 혼합 공정에서 CNT 로딩(loading)은, 상기 CNT 농도가 증가한 바와 같이, 점성(viscosity)에서 크게 증가하기 때문에 제한될 수 있다. 그 밖의 제한은, CNT 실린 복합재료를 경화시키기 전에, 과량의 수지를 제거하도록, 상기 제한된 능력 때문에 발생한다. 다양한 기판에서 CNT의 직접적인 성장은, 몇몇의 기판의 완전한 상태(integrity)에 영향을 줄 수 있는, CNT 합성에 사용된 종종 높은 온도 때문에 제한될 수 있다.

발명의 요약

몇몇 측면에서, 본원 나타낸 실시형태는, 탄소 나노구조 포함된(실린, laden) 재사용가능한 기판(carbon nanostructure laden reusable substrate)을 제공하기 위한, 탄소 나노구조가 시스템 내 형성되어 있는 재사용가능한 기판, 탄소 나노튜브 촉매 적용부(a carbon nanotube catalyst application station) 및 탄소 나노구조 성장부(carbon nanostructure growth station)를 통해 상기 재사용가능한 기판을 지속적으로 전달하는데 적합한 제1 컨베이어 시스템, 및 제2 기판과 상기 탄소 나노구조-포함된 재사용가능한 기판 사이의 경계면(interface)을 형성하는데 적합한 제2 컨베이어 시스템으로서, 상기 경계면은 상기 탄소 나노구조-포함된 재사용가능한 기판으로부터 제2 기판으로의 탄소 나노구조의 이동을 용이하게 하는 것인, 제2 컨베이어 시스템을 포함하는 시스템에 관한 것이다.

다른 측면에서, 본원에 나타낸 실시형태는, 재사용가능한 기판 상에 탄소 나노구조를 성장시키는 단계에 관한 것으로서, 상기 탄소 나노구조는, 인터디지테이션(interdigitation), 가지화(branching), 교차결합(crosslinking), 및 공유된 월(shared walls)을 포함하는 구조적인 형태를 갖는 탄소 나노튜브 중합체를 포함하는 것인, 단계; 및 탄소 나노구조-포함된 제2 기판을 제공하기 위해 상기 탄소 나노구조를 제2 기판으로 이동시키는 단계;를 포함하는 방법으로서, 상기 방법은, 상기 재사용가능한 기판 상에서 지속적인 탄소 나노구조 생산에 적합한 것인, 방법이다.

또 다른 측면에서, 본원에 나타낸 실시형태는, 탄소 나노구조를 포함하는 프리-프레그(pre-preg)에 관한 것이고, 상기 탄소 나노구조는 인터디지테이션(interdigitation), 가지화(branching), 교차결합(crosslinking), 및 공유된 월(shared walls)을 포함하는 구조적인 형태를 갖는 탄소 나노튜브 중합체를 포함한다.

도 1 은, 본원에 나타낸 실시형태에 따라, 재사용가능한 기판 상에 탄소 나노구조(CNS)를 제조하고, 상기 CNS를 제2 기판으로 이동하기 위한 시스템의 도식도를 나타낸 것이다.
도 2 는, 본원에 나타낸 실시형태에 따라, 단순화된 투시도(simplified rendering)로서 탄소 나노구조(CNS) 또는 "플레이크(flake)" 구조를 나타낸 것이다.
도 3은, 본원에 나타낸 실시형태에 따라, 정확한(authentic) 샘플 CNS 구조의 주사형 전자 현미경(SEM) 사진(scanning electron micrograph image)을 나타낸 것이다.
도 4 는, 본원에 나타낸 실시형태에 따라, 상기 기판 및/또는 촉매로부터 분리하는 CNS를 가능하게 하기 위한 항-접착 층을 갖는 촉매를 나타낸 것이다.

상세한 설명

본원 발명은 부분적으로, 재사용가능한 기판 상에 탄소 나노구조(CNS)를 합성하고, 상기 초기의 CNS를 제2 기판으로 상기 이동하기 위한 지속적인 공정에 관한 것이다. 상기 재사용가능한 기판 상에 제조된 CNS 는, 프리-프레그 물질 또는 그 밖의 제2 기판 또는 프리 스탠딩, 즉 기판과 연관 없는 CNS로서 분리된 그 밖의 것들, 다양한 복합재료 적용에서 충전 물질로서 도입될 수도 있는 어떠한 것으로 이동될 수도 있다(CNS prepared on the reusable substrate can be transferred to a pre-preg material or other second substrate or otherwise isolated as a free standing CNS, i.e. free from association with a substrate, any of which may be introduced as filler materials in various composite applications). 예로서, 상기 제2 기판은 상기 CNS의 최종 목적지일 수도 있고, 결과적으로 생성된 복합 재료는, 지속적인 상 매트릭스 물질 내로 상기 CNS-포함된(실린, laden) 제2 기판(CNS-laden second substrate)을 도입함으로써 보다 높은 차원의 복합물질(higher order composites) 내로 더 전환될 수도 있다. 그 밖의 실시형태에서, 상기 CNS-포함된 제2 기판은 프리-프레그이다. 대체적으로, 상기 CNS-포함된(실린, laden) 제2 기판은 상기 CNS에 대한 통상적인 저장 디바이스로서 역할을 할 수도 있고, 상기 CNS는 필요한 경우 나중에(at a later time) 제2 기판으로부터 제거될 수 있다. 추가적인 실시형태에서, 상기 CNS-포함된(실린, laden) 기판은, 상기 CNS를 제3 기판으로 이동하는데 사용될 수 있다. 추가적인 실시형태에서, 상기 CNS-포함된(실린, laden) 기판은, CNS-포함된 절단된 섬유와 같이, CNS-포함된 절단된 물질을 제공하기 위해, 어떠한 원하는 간격으로 절단될 수도 있다(the CNS-laden second substrate may be chopped at any desired interval to provide a CNS-laden chopped material, such as a CNS-laden chopped fiber).

많은 장점 중에서, 본원 발명은, 예를 들어, 온도-의존적인 분해(temperature-dependent degradation)로 인하여, 그렇지 않으면 이것에 대해 직접적인 CNS 합성을 가능하게 하지 않는, 온도 민감성 제2 기판(temperature sensitive second substrates)으로 이동하는 것을 가능하게 하는, 재사용가능한 기판 상에 CNS를 생산하기 위한 지속적인 공정을 제공한다. 예를 들어, 섬유 표면 상 내로 직접적으로 탄소 나노튜브를 증착시키는 현재의 공정은 성장 챔버에서 상기 섬유의 가열을 필요로 하고, 상기 결과적으로 생성된 복합재료의 더 낮은 강도 및 섬유 손상을 유발할 수 있다. 본원에 나타낸 이러한 시스템 및 방법은, 섬유의 가열을 필요로 하지 않고, 상기 복합재료가 약해질 경향이 있는 인터-플라이 영역(inter-ply regions)에 집중된 CNSs를 결과적으로 야기한다. 탄소 나노튜브(CNT) 주입된 복합재료를 생산하기 위한 현재의 기술은, 수지(resin)에서 프리 CNTs의 배치(dispersion of free CNTs) 또는 섬유 기판의 가열을 필요로 한다. 이러한 두 가지 공정의 결점은 하기를 포함한다 : (1) 섬유 기판을 가열하는 것은 인장 강도(tensile strength)의 손실을 일반적으로 유발하고; (2) 일반적으로 약 3 % 미만, 제한된 양의 CNTs가 수지에서 분산될 수 있고, (3) 이들을 분산시키는 것은 복잡하고 비효율적일 수 있다.

본원에 나타낸 상기 공정은, 프리-프레그 물질에 의해 예를 든 바와 같이, CNS 성장을 위한 재사용가능한 기판 상에 CNS의 지속적인 성장, 저비용 및 사용가능한 매체(useable medium)로의 이동을 제공한다. 확실히, 프리-프레그 물질의 제조와 함께 직접적인 혼합은, 본 분야에서 전형적인 공정과 비교된 이러한 물질로의 합리화된 접근(streamlined approach)을 제공한다. 높은 부피 및 높은 속도(high rates)로 CNS 구조를 제조하기 위한 능력은, 본원 나타낸 상기 시스템 및 방법에 대한 추가적인 장점을 제공한다.

최종적으로, 본원에 나타낸 상기 시스템 및 방법은, CNS의 상기 조절된 성장이 예를 들어, 전기적인, 기계적인, 및 열 특성(thermal properties)에서의 증진을 목표로 하기 때문에, CNS 길이를 기초로 특정한 특성을 최적화하는 것을 가능하게 한다. 이러한 특성 증진(property enhancements)은, 특히 기계적인 특성이 중요한, 상기 복합재료 산업에 걸쳐 향상을 제공한다. 땅, 바다, 공기 및 공간에 대한 구조적인 다기능성 복합재료(Structural multifunctional composites)는 쉽게 접근가능하다.

몇몇 실시형태에서, 본원 발명은, 탄소 나노구조 포함된(실린, laden) 재사용가능한 기판을 제공하기 위한, 탄소 나노구조가 시스템 내 형성되어 있는 재사용가능한 기판, 탄소 나노튜브 촉매 적용부 및 탄소 나노구조 성장부를 통해 상기 재사용가능한 기판을 지속적으로 전달하는데 적합한 제1 컨베이어 시스템, 및 제2 기판과 상기 탄소 나노구조 포함된 재사용가능한 기판 사이의 경계면(interface)을 형성하는데 적합한 제2 컨베이어 시스템으로서, 상기 경계면은 상기 탄소 나노구조 포함된 재사용가능한 기판으로부터 제2 기판으로의 탄소 나노구조의 이동을 용이하게 하는 것인, 제2 컨베이어 시스템;을 포함하는 시스템을 제공한다.

도 1 에 나타낸 바와 같이, CNS 성장 및 이동이 지속적으로 단일 공정 내로 포함되는 시스템(100)을 나타낸 것이다. 시스템(100)은, CNS 제조를 위한 스캐폴드(scaffold)로서 재사용가능한 기판(110) 및 재사용가능한 기판(110)으로부터 상기 CNS를 받아들이는 제2 기판(120)을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 재사용가능한 기판(110)은 많은 주기 이상에서 재사용할 수 있거나, 다른 실시형태에서, 그 밖의 목적을 위해, 배치되거나 및/또는 재생될 수도 있다(recycle). 몇몇 실시형태에서, 재사용가능한 기판(110)은, 이를 제2 기판으로 이동할 때까지, 무기한으로 CNS 구조를 저장하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 재사용가능한 기판(110)은, CNT 촉매 적용부(CNT catalyst application station)(130)를 통해 통과함으로써 CNS 제조 사이클을 시작한다. 상기 촉매 적용부와 통합되거나 상기 촉매 적용부 전에, 촉매를 받기 위한 상기 기판을 제조하기 위한, 선택적인 기판 세척부(optional substrated cleaning station)가 있다. 이로부터, 상기 촉매-포함된 재사용가능한 기판(110)이, 상기 CNS가 재사용가능한 기판(110) 상에 형성되는 CNS 성장부(140)로 전달된다. 컨베이어 시스템(150)은, 상기 CNS-포함된 재사용가능한 기판이 제2 기판(120)으로 전달되고, 제2 기판(120)은 예를 들어, 다수의 롤러(160)에 의해 전달된다. 도 1 에 나타낸 실시형태에서, 다수의 롤러(160) 중의 하나는, 상기 CNS 구조가 상기 제2 기판으로 이동하도록 상기 컨베이어 시스템(150)과 접촉한다. 본 분야의 숙련자는, 많은 조정된 단계가 CNS 이동을 용이하게 하기 위해 이러한 접촉 시점(contact point) 전에 도입될 수도 있음을 인지할 것이다. 예를 들어, 몇몇 실시형태에서, 상기 CNS는, 재사용가능한 기판(110)에서 제2 기판(120)으로의 이동을 용이하게 하기 위한 에어 나이프(air knife)와 함께 느슨해지게 하는 단계(loosening step)를 받을 수도 있다. 몇몇의 실시형태에서, 다수의 롤러(160) 중의 하나 이상은, 이동을 용이하게 하기 위해 재사용가능한 기판(110)과 제2 기판(120) 사이의 다수의 접촉점(multiple contact points)을 제공하는 컨베이어 시스템(150)과 접촉할 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 본원에 나타낸 시스템은, 섬유 물질 또는 시트를 포함하는 재사용가능한 기판을 이용한다. 몇몇의 이러한 실시형태에서, 재사용가능한 기판(110)은 스프레드 와이어 토우 기판(spread wire tow substrate)이다. 이는, 보다 큰 CNS 밀도를 제공하기 위해 더 큰 표면적(a greater surface area) 및 더 낮은 확산(less diffusion)을 제공하는 장점을 가질 수 있다. 스프레드 토우의 큰 채널은, 예를 들어, 탄소 공급원료 가스를 확산하기 위한 보다 큰 공간을 제공한다. 몇몇 실시형태에서, 재사용가능한 기판(110)은 알루미늄, Al로 코팅된 강철과 같은, 금속성 시트(metallic sheet) 또는 벨트일 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 스틸은 높은 용융 상업적인 스틸 시트(high melting commercial steel sheet)이다. 몇몇 실시형태에서, 상기 형성된 CNS는, 재사용가능한 기판(110)으로부터 제거되고, 느슨해진 CNS 구조(loose CNS structures)로서 직접적으로 분리될 수 있다. 몇몇의 이러한 실시형태에서, 상기 CNS 구조는 상기 재사용가능한 기판으로부터 제거되거나 또는 날림으로써 수집될 수 있다(the CNS structure can be collected by blowing or wiping off the resusable substrate). 몇몇의 실시형태에서, 재사용가능한 기판(110)으로부터 상기 CNS의 제거는, 음파처리(sonication)(액체와 함께 또는 액체 없이), 전자기파(microwave radiation), 또는 화학적인 처리와 같은, 기계적인 수단을 사용한다. 몇몇 실시형태에서, 상기 CNS 구조는 용액 내로 직접적으로 수집된 것이다. 몇몇 실시형태에서, 상기 재사용가능한 기판 상에 형성된 상기 CNS는, 수지와 함께 섬유-프리-프레그-엮어진 섬유인, 제2 기판(120)으로 이동될 수 있다(the CNS formed on the reusable substrate can be transferred to second substrate 120 that is a fiber-pre-preg-woven fabric with resin).

몇몇 실시형태에서, 본원에 나타낸 시스템은, 미세공동(microcavity)을 포함하는 탄소 나노구조 성장부를 제공한다. 몇몇의 이러한 실시형태에서, 상기 탄소 나노구조 성장부는, 초당 몇몇의 미크론의 성장 속도로 상기 재사용가능한 기판 상에 상기 탄소 나노구조의 합성을 가능하게 한다. 이론에 얽매임이 없이, 상기 CNS 구조를 결과적으로 나타내는 성장 동안에, CNS의 교차결합(crosslinking) 및 가지화(branching)이, CNT 성장에서 생산적인 화학적 반응의 위한 더 많은 기회를 제공하는 작은 성장 공동(small growth cavity)에 의해 매우 증진될 수 있음을 나타낸다. 상기 결과적으로 나타낸 CNS 구조는, 탄소 나노튜브의 고도로 교차결합되고 가지화된 중합체(crosslinked and branched polymer)로서 나타낸 것이다. 상기 CNS 구조는, 실질적으로 보다 느린 성장 속도 하에 일반적으로 성장하고, 교차결합 및 가지화의 높은 정도를 제공하지 않는, 통상적인 CNT 포레스트(CNT forests)로부터 실질적으로 벗어나 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 CNS 구조는, 상기 탄소 공급원료가 상기 미세공동으로 들어가는 바와 같이, CNT 합성을 촉진하는 온도에서 탄소 공급원료 가스를 제공하기 위해 상기 시스템에서 가스 예열기(gas pre-heater)의 포함에 의해 또한 유리할 수도 있다. 이러한 방식에서, 상기 작은 공동 반응기에 국한된, 반응성 중간물질은, 상기 CNT 성장 촉매와 만나고, 비-반응성 면의 반응 화학이 최소화될 수도 있다(reactive intermediates, confined in the small cavity reactor encounter the CNT growth catalyst and non-productive side reaction chemistry may be minimized).

몇몇 실시형태에서, 본원에 나타낸 시스템은, 항-접착 코팅부를 더 포함할 수도 있다. 이러한 부는 상기 촉매 적용부 전 및 후에 배치될 수도 있다. 이러한 부(station)의 작용은 상기 제2 기판에 CNS 이동을 촉진할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 항-접착은 이 자체로 상기 CNT 성장 촉매 상에서 제공된다. 몇몇 실시형태에서, 상기 항-접착 코팅은 실란(silane), 알루미나 등을 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 항-접착 코팅은, 상기 재사용가능한 기판의 표면 상에 상기 CNT 성장 촉매의 이동성을 감소시키고, 보다 큰 입자 내로 상기 촉매의 응집(agglomerization)을 감소시키는 수단을 또한 제공할 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 본원에 나타낸 시스템은, 프리-프레그(pre-preg)인 제2 기판을 이용하는데 특히 적합할 수도 있다. 몇몇의 이러한 실시형태에서, 상기 프리-프레그는, 상기 CNS 구조와 함께 주입될 수도 있고, 그 다음에 경화부 또는 복합재료 형성부로 이동될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 프리-프레그는, 부분적으로 경화된 매트릭스 물질을 포함하는, 소위 B-단계 프리-프레그(B-stage pre-preg)일 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 본원에 나타낸 시스템은, 탄소 나노구조 변형부를 더 포함할 수도 있다. 이러한 부 또는 다수의 부(multiple stations)는, 상기 초기의 탄소 나노구조에서 화학반응(chemistries)을 실행할 수도 있다. 이러한 반응은, 산화, 환원, 플루오르첨가 등을 포함할 수도 있지만, 이로 제한되지 않는다. 몇몇 실시형태에서, 상기 변형부는, 카르복실산 기와 같은, 상기 CNS 구조에서 유기적 작용기 핸들(organic functional group handles)을 제공하기 위한 산화부(oxidation station)를 포함할 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 본원 발명은 재사용가능한 기판 상의 탄소 나노구조를 성장하는 것을 포함하고, 상기 탄소 나노구조는, 인터디지테이션(interdigitation), 가지화(branching), 교차결합(crosslinking), 및 공유된 월(shared walls)을 포함하는 구조적인 형태를 갖는 탄소 나노튜브 중합체를 포함하고, 탄소 나노구조-포함된 나노구조를 제공하기 위해 상기 탄소 나노구조를 제2 기판으로 이동시키고, 상기 공정은 상기 재사용가능한 기판 상에서 지속적인 탄소 나노구조 생산에 적합하다. 몇몇 실시형태에서, 본원에 나타낸 방법은, 상기에 기재된 바와 같이, 섬유 물질 또는 시트인 재사용가능한 기판을 제공한다.

몇몇 실시형태에서, 본원에 나타낸 방법은, 상기 재사용가능한 기판에 탄소 나노튜브 성장 촉매를 적용하는 것을 더 포함할 수도 있다. 다른 실시형태에서, 본원의 방법은, 상기 재사용가능한 기판에 항-접착 코팅을 적용하는 것을 더 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 본원에 나타낸 방법은, 프리-프레그 또는 단계 B 경화된 수지 필름인, 제2 기판을 이용하는데 특히 적합하다. 몇몇 실시형태에서, 본원에 나타낸 방법은, 상기 제2 기판으로부터 제3 기판으로 상기 탄소 나노구조를 이동하는 것을 더 포함할 수도 있다. 이 점에서, 상기 제2 기판은, 수송(shipping) 등을 위한 상기 CNS 구조의 통상적인 저장의 목적을 위해 오로지 디자인될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 본원에 나타낸 방법은, 상기 제2 기판으로 상기 탄소 나노구조를 이동시킨 후에 상기 제2 기판을 절단하는 것을 더 포함할 수도 있다. 몇몇의 이러한 실시형태에서, 상기 제2 기판은 섬유 물질이고, 상기 결과적으로 나타낸 CNS-포함된 절단된 섬유 물질(the resultant CNS-laden chopped fiber material)은 절단된 스트랜드 매트(chopped strand mat) 내로 형성될 수도 있다. 몇몇의 실시형태에서, 상기 CNS-포함된 제2 기판은 몰드(mold) 내로 형성될 수도 있고, 매트릭스 물질은, 상기 매트릭스 물질을 경화시키면서, 복합재료를 형성하도록, 몰드 및 상기 몰드 내로 이동된 매트릭스 물질을 형성할 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 본원 발명은 탄소 나노구조를 포함하는 프리-프레그를 제공하고, 상기 탄소 나노구조는, 인터디지테이션(interdigitation), 가지화(branching), 교차결합(crosslinking), 및 공유된 월(shared walls)을 포함하는 구조적인 형태를 갖는 탄소 나노튜브 중합체를 포함한다. 상기 프리-프레그는, 프리-프레그를 경화하는 낮은 온도조차도 어떠한 상업적인 구조일 수도 있다(The pre-preg may be any commercial structure even low temperature curing pre-pregs). 이 점에서, 상기 재사용가능한 기판으로부터의 CNS 이동은, 조기 경화(premature curing)에 대한 걱정 없이 상기 프리-프레그에서 상기 CNS 를 배치하기 위한 조건의 매우 가벼운 세트(a very mild set)를 제공할 수 있다.

하기의 논의는, 본 분야에서 알려진 유사한 CNT 배열 및 통상적인 탄소 나노튜브 포레스트(carbon nanotube forests)로부터 외형에서 매우 상이한 상기 CNS 구조의 일반적인 서술로서 제공된다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 플레이크-유사 마이크로구조(flake-like microstructure)로서 상기 CNS(200)의 도표를 나타낸 것이고, 상기 플레이크는 적합한 기판 상에 상기 CNS의 성장 후에 분리되고, 상기 기판으로부터 제거된다. 상기 기본적인 플레이크는, 이들 사이의 어떠한 수치 및 이의 일부(fractions)를 포함하는, 약 1 나노미터(nm) 내지 약 500 nm 두께의 범위에 있는, 제1 치수(a first dimension)(210)를 가질 수 있다. 상기 기본적인 플레이크는, 이들 사이의 어떠한 수치 및 이의 단편을 포함하는, 약 1 미크론 내지 약 750 미크론 높이의 범위에 있는 제2 치수(220)를 가질 수도 있다. 상기 기본적인 플레이크 치수는, 상기 CNS가 성장하는 기판의 길이를 기초로 한 사이즈로만 제한되는 제3 치수(230)를 가질 수 있다. 예를 들어, 기판 상에 CNS를 성장하기 위한 상기 공정은 섬유-기초된 물질(fiber-based material)의 이동(roving) 또는 토우(tow)을 성취할 수 있다. 상기 공정은 지속적이고, 상기 CNS는 섬유의 스풀(spool)의 전체적인 길이를 확장할 수 있다. 따라서, 한 예로서, 제3 치수(230)은 약 1 미터(m) 내지 약 10,000 m 너비(wide)의 범위에 있을 수 있다. 또다시, 이러한 치수는, 상기 CNS가 제조되는 경우에 상기 기판의 축을 따라 미치는 상기 치수를 나타내는 것이기 때문에 매우 길 수 있고, 이는 섬유 토우(fiber tow) 또는 이동(roving), 테이프, 시트 등과 같은 연속적인 피드 기판(continuously fed substrate) 상에서 수행될 수 있다. 명확하게, 제3 치수(230)은 또한 1 미터 미만의 어떠한 원하는 길이로 잘라질 수 있다. 예를 들어, 몇몇의 실시형태에서, 제3 치수(230)은, 나열된 범위 사이의 어떠한 양 및 이의 일부를 포함하는, 어떠한 원하는 길이 까지, 약 1 내지 약 10 미크론, 약 100 내지 약 500 미크론, 약 100 내지 약 500 cm 등의 순서일 수 있다. 따라서, 상기 CNS 중합체-유사 구조는, 차례로, 예외적으로 고분자량의 물질을 제공할 수 있는, 성장된, 어떤 모든 기판 타입 상에 지속적인 층으로서 제공된다(The CNS polymer-like structure is thus provided as a continuous layer on whatever substrate type upon which it is grown which, in turn, can provide materials of exceptionally high molecular weight).

CNS(200)은, 이들 사이의 모든 수치 및 이의 일부를 포함하는, 약 15,000 g/mol 내지 약 150,000 g/mol의 범위에서, 분자량을 가질 수도 있는, 탄소 나노튜브 중합체(또는 "탄소 나노중합체")의 형태로 CNTs의 거미집 모양의 네트워크(webbed network)(240)를 포함한다. 상기 분자량의 윗부분은, 200,000 g/mol, 500,000 g/mol, 및 1,000,000 g/mol을 포함하는, 보다 높을 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 분자량은, 상기 탄소 나노구조 웹 내의 CNTs의 수많은 월 및 현저한 직경의 기능일 수도 있다(the molecular weight may be a function of the predominant diameter and number of walls of CNTs within the carbon nanostructure web). 본원에 나타낸 CNS(200)은, 약 2 mol/cm³ 내지 약 80 mol/cm³의 범위에 있는 교차결합 밀도(cross link density)를 가질 수 있다. 상기 교차결합 밀도는, CNS 성장 조건 뿐만 아니라 상기 기판의 상기 표면 상의 CNS 성장 밀도의 작용(function)일 수도 있다.

CNS(200)은, 도 3에 나타낸 CNS(310)의 기준 샘플(authentic sample)의 상기 SEM 이미지(300) 및 도 2에 예술적으로 제공된 바와 같이, 플레이크-유사 물질로서 분리되고 추출될 수 있고, 복합재료 섬유와 같은 기판 상의 강력한 코팅으로서 성장하는, 탄소 나노튜브(CNTs)(240)의 매우 서로 맞물려있고, 얽어매져있고, 교차-결합된 네트워크(highly interdigitated, entangled, and cross-linked networks)를 포함한다. CNS(310)은, 매우 정렬된 CNTs의 교차-결합(cross-linking) 및 엉킴(entanglement)으로 인하여 3 차원 미세구조(three dimensional microstructure)으로서 존재한다. 상기 배열된 형태학(The aligned morphology)은, 기판 상에 수행된 상기 합성을 반영하고, 즉, 상기 CNS 네트워크는 상기 기판 표면으로부터 수직으로 성장한다. 이론에 얽매임이 없이, 초 당 몇몇의 미크론을 접근할 수도 있는, CNT 합성 조건의 빠른 속도가 부분적으로, 상기 복잡한 CNS 형태학에 기여할 수도 있음을, 가정하고 있다(Without being bound by theory, it has been postulated that the rapid rate of CNT synthesis conditions, which may approach several microns per second, may contribute, in part, to the complex CNS morphology).

상기 분리된 CNS(200) 및 (300)은, 통상적인 벌크 CNT 분말과 비교하여, 개선된 전기적인 여과(electrical percolation) 및 열 응답(thermal response)을 부여하고, 매트릭스 물질에서 보다 우세한 분산성(superior dispersability)을 보여줄 수 있다. 다중월 탄소 나노튜브(multi-walled carbon nanotubes, MWNTs)에 관하여 관찰된 개선된 분산성 및 실행은, 도 3에서의 도표에 나타낸 것이다. 최소 1/5의 MWNTs에 관하여 CNS의 질량 퍼센트가 상기 동일한 양의 저항력 실행을 제공하는데 사용될 수 있음을 상기 데이터는 나타낸다(The data shows that as low as 1/5 the mass percentage of CNS relative to MWNTs can be used to provide the same volume resistivity performance). 본 분야의 숙련자는, 이러한 예에서 상이한 매트릭스 물질에서 낮은 영향을 인지할 것이다.

상기 CNS 형태학은, 하기에 더 상세하게 나타낸, CNT 성장 조건을 통해 접근될 수 있다. 상기 CNS 플레이크 생산물(CNS flake product)의 밀도는, 예를 들어, 상기 기판에 배치된 상기 촉매 입자의 농도를 포함하는, 상기 CNT 성장 조건에 의해 단단하게 조절될 수 있다. 유리하게, 상기 교차결합(crosslinking)은, 이로운 CNT 특성을 약화시킬 수 있는(erode), 화학적인 에칭 및 그 밖의 화학적인 변형과 같은 교차결합을 가져오는 어떠한 후의 CNT 변형 반응(any post CNT modification reactions)을 필요로 하지 않는다. 상기 CNS 구조는 상기 기판 상의 상기 CNS의 빠른 성장을 결과적으로 나타낼 것으로 믿는다. 최대 성장 기술을 사용하여 일반적으로 몇 분이 걸리는 통상적인 CNT 성장 공정과 반면에, 상기 CNS 공정은, 지속적인 원위치 공정에서 대략 몇 초에서 얼마안되는 CNT 성장 속도를 이용한다(the CNS process employs a nominal CNT growth rate on the order of seconds in a continuous in situ process). 결과로서, 매우 얽어매져있고, 가지쳐지고, 교차-결합된 CNT를 포함하는, 상기 구조는 보다 결함이 있다(As a result, the structure is more defective, containing highly entangled, branched, and cross-linked CNTs). 본 분야의 숙련자의 기술은, 높은 온도 및 보다 긴 합성 시간을 필요로 하는 높은 순도 성장 상에서 주로 있으면서, CNS 성장을 위한 상기 원위치, 지속적인 성장 공정은, CNS인 가지쳐지고, 교차결합된 CNT 네트워크를 생성하는 이러한 빠른 속도에서 CNTs를 합성한다(While the focus of the skilled artisan has been mainly on high purity growth which requires higher temperatures and longer synthesis times, the in situ, continuous growth process for CNS growth synthesizes CNTs at such a rapid rate that it creates a branched and crosslinked CNT network that is CNS). 게다가, 기판 상에서 지속적으로 상기 CNS 구조를 성장하는 능력은, 통상적인 CNT 제조를 통해 접근하기 어려운, 다량의 CNS 플레이크에 대한 접근을 제공한다(the ability to grow the CNS structure continuously on a substrate provides access to quantities of CNS flake that are difficult to access via conventional CNT preparations). 기판 상의 상기 CNS의 제조는, 개별화된 CNTs와 작업하는 경우에 관찰되는, CNT 번들링을 피하는데 돕는다(The preparation of the CNS on a substrate helps to avoid CNT bundling which is observed when working with individualized CNTs). 몇몇의 실시형태에서, 번들링(bundling)은 상기 기판 상의 상기 CNS의 성장 및 크기(길이)의 정렬(alignment)을 통해 조절될 수 있다.

몇몇의 실시형태에서, 촉매 적용을 위한 하나의 모드는, 예를 들어, 액체 또는 콜로이드의 전구체-기초된 적용(liquid or colloidal precursor-based application)을 포함하는 촉매 적용과 함께 입자의 흡수를 통한 것이다. 적합한 촉매 물질은, 어떠한 d-블록 전이 금속(d-block transition metal) 또는 d-블록 전이 금속 염(d-block transition metal salt)을 포함할 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 금속염은 열 처리(thermal treatments) 없이 적용될 수 있다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 몇몇의 실시형태에서, 코팅된-촉매(400)은 항-접착 층(420)과 함께 코어 촉매 입자(core catalyst particle)(410)를 포함할 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 콜로이드 입자 용액은 외부층에서 사용되고, 상기 촉매 나노입자는, 입자 접착에 대한 기판을 촉진하지만 입자 접착에 대한 CNS를 예방한다(colloidal particle solutions can be used in which an exterior layer about the catalyst nanoparticle which promotes substrate to particle adhesion but prevents CNS to particle adhesion).

하기의 서술은, 본원 발명의 재사용가능한 기판 상에서 탄소 나노구조(CNS)를 생산하기 위한 본 분야의 숙련자에 대한 추가적인 안내(guidance)로서 제공된다. 하기에 나타낸 금속 섬유 상에서 탄소 나노구조의 제조를 서술하는 실시형태가 단지 예시적임을 본 분야의 숙련자에 의해 인지될 것이다. 예를 들어, 탄소 나노구조를 갖는 유사한 물질(similar materials bearing carbon nanostructures)은, 유사한 방법에 의해 그 밖의 섬유 물질을 포함하는, 그 밖의 물질에서 제조될 수 있다. 상기 CNS 생산물의 정확한 성질이 복잡하지만, 이는 일차의 구조적인 요소, 탄소 나노튜브를 가지는 바와 같이, 상기의 토론이 상기 용어 CNS와 CNT 는 교환하여 사용될 수 있음을 이해할 것이다.

몇몇 실시형태에서, 본원 발명은, 상기 재사용가능한 기판으로서 금속 섬유 토우 물질을 이용한다. 따라서, 본원의 내용은, 부분적으로 금속 섬유 물질에서 CNSs 합성에 관한 것이다. 본원에 나타낸 상기 공정은, 토우(tow), 로빙(roving), 테이프, 섬유(fabrics), 메쉬(meshes), 구멍난 금속 시트(perforated metal sheets), 고체 금속 시트(solid metal sheets), 리본(ribbons)의 스풀가능한 길이(spoolable lengths)를 따라 균일한 길이 및 분포(distribution)의 탄소 나노튜브의 지속적인 생산을 위해 가능하다. 다양한 매트 및 엮어지고 엮어지지 않은 섬유 등이 본원 발명의 공정에 의해 기능화될 수 있으면서, 이러한 부모 물질(parent materials)의 CNT 기능화(functionalization) 후에, 부모 로빙(parent roving), 토우, 실(yarn) 등으로부터의 이러한 고차의 구조를 생성하는 것을 또한 가능하게 한다. 예를 들어, CNT-주입된 절단된 스트랜드 매트(CNT-infused chopped strand mat)는, CNT-주입된 금속 섬유 로빙(CNT-infused metal fiber roving)으로부터 생성될 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "금속 섬유 물질"은, 이의 기본적인 구조적인 요소로서 금속 섬유를 가지는 어떠한 물질을 나타낸다. 상기 용어는, 섬유, 필라멘트(filaments), 실, 토우, 테이프, 엮어지고 엮어지지 않는 섬유(woven and non-woven fabrics), 가닥(plies), 메트(mats) 및 메쉬(meshes)를 포함한다.

본원에 사용된 바와 같이, 상기 용어 "스풀가능한 치수(spoolable dimensions)"는, 상기 물질이 스풀 또는 맨드렐(mandrel)에 저장되는 것을 가능하게 하는, 길이를 제한하지 않는, 적어도 하나의 치수를 갖는 금속 섬유 물질을 나타낸다. "스풀가능한 치수"의 금속 섬유 물질은, 본원 기재된 바와 같은 CNT 투입을 위한 배치 또는 지속적인 공정의 사용을 나타내는 적어도 하나의 치수를 갖는다. 상업적으로 입수가능한 스풀가능한 치수의 하나의 금속 섬유 물질은, 8706의 텍스 수치(tex value)(1 tex = 1 g/1,000 m) 또는 57 yard/lb (Mechanical Metals, Inc., Newton, PA)을 갖는 Stainless Steel metal fiber wire에 의해 전형적인 예가 된다. 상업적인 금속 섬유 로빙(Commercial metal fiber roving)은, 특히, 예를 들어, 1 oz, ¼, ½, 1, 5. 10, 25 lb, 및 더 높은 스풀에서 수득될 수 있다. 본원의 공정은, 보다 큰 스풀이 사용될 수 있을지라도, 1 내지 25 lb. 스풀과 함께 손쉽게 작동한다. 게다가, 전-처리 작용(pre-process operation)이, 두 개의 50 lb 스풀과 같은 치수를 다루기 쉽도록, 매우 큰 스풀가능한 길이, 예를 들어, 100 lb. 또는 그 이상을 나누는 것을 포함할 수 있다.

본원에 사용된 바와 같이, 상기 용어 "탄소 나노튜브"(CNT, 복수의 CNTs)는, 단일-월 탄소 나노튜브(SWNTs), 이중-월 탄소 나노튜브(DWNTS), 다수의 월 탄소 나노튜브(MWNTs)를 포함하는, 플러린 패밀리의 탄소의 어떠한 수의 원통형의 동소체를 나타낸다(As used herein, the term "carbon nanotube" refers to any of a number of cylindrically-shaped allotropes of carbon of the fullerene family including single-walled carbon nanotubes, double-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes). CNTs는, 플러렌-유사 구조 또는 양단 개방에 의해 덮힐 수 있다(CNTs can be capped by a fullerene-like structure or open-ended. CNTs include those that encapsulate other materials).

본원에 사용된 바와 같이, "길이에서의 균일함(uniform in length)"은 반응기에서 성장된 CNTs의 길이를 나타낸다. "균일한 길이(uniform length)"는, 약 1 미크론 내지 약 500 미크론 사이의 다양한 CNT 길이를 위한, 전체 CNT 길이의 약 20 %의 플러스 또는 마이너스 또는 미만의 내성을 갖는 길이를 갖는다("Uniform length" means that the CNTs have lengths with tolerances of plus or minus about 20% of the total CNT length or less, for CNT lengths varying from between about 1 micron to about 500 microns). 1 내지 4 미크론과 같은, 매우 짧은 길이에서, 이러한 오차는, 전체 CNT 길이의 약 20 %의 플러스 또는 마이너스 사이의 범위에서 약 1 미크론의 플러스 또는 마이너스까지의 범위에 있을 수도 있고, 즉 전체 CNT 길이의 약 20 % 초과일 수도 있다(At very short lengths, such as 1-4 microns, this error may be in a range from between about plus or minus 20% of the total CNT length up to about plus or minus 1 micron, that is, somewhat more than about 20% of the total CNT length). CNT 길이에서의 균일함이 어떠한 길이의 스풀가능한 금속 섬유 물질의 전체를 가로질러 수득될 수 있을지라도, 본원의 공정은 또한, 상기 CNT 길이가 상기 스풀가능한 물질의 어떠한 일부의 분리된 부분에서 다양한 것을 가능하게 한다. 따라서, 예를 들어, 금속 섬유 물질의 스풀가능한 길이는 많은 부분 내의 균일한 CNT 길이를 가질 수 있고, 각각의 부분은 동일한 CNT 길이를 필수적으로 갖지는 않는다(a spoolable length of metal fiber material can have uniform CNT lengths within any number of sections, each section not necessarily having the same CNT length). 상이한 CNT 길이의 이러한 부분은 어떠한 순서로 나타날 수 있고, CNTs 결여된 부분을 임의적으로 포함할 수 있다. CNT 길이의 이러한 조절은, 상기 공정의 회선속도(linespeed), 캐리어의 흐름 속도(the flow rates of the carrier) 및 탄소 공급원료 가스(carbon feedstock gases) 및 반응 온도를 다양하게 함으로써 가능하게 제조된다. 상기 공정에서 모든 이러한 변수는 컴퓨터 조절에 의해 자동화되고, 운영될 수 있다.

본원에 나타낸 바와 같은, "분포에서의 균일함(uniform in distribution)"은 금속 섬유 물질에서 CNTs의 밀도의 일관성을 나타낸다. "분포에서의 균일함"은, 상기 CNTs가 CNTs에 의해 뒤덮힌 상기 섬유의 표면적의 퍼센트로서 나타낸 플러스 또는 마이너스의 약 10 %의 적용범위의 허용 오차와 함께 상기 금속 섬유 물질에서의 밀도를 가짐을, 의미한다("Uniform in distribution" means that the CNTs have a density on the metal fiber material with tolerances of plus or minus about 10% coverage defined as the percentage of the surface area of the fiber covered by CNTs). 이는 5 월과 함께 8 nm 직경 CNT를 위한 ± 1500 CNTs/μm2와 같다(This is equivalent to ± 1500 CNTs/μm2 for an 8 nm diameter CNT with 5 walls). 이러한 수치는 채울 수 있는 상기 CNTs의 내부의 공간을 추정한다(Such a figure assumes the space inside the CNTs as fillable).

본원에 사용된 바와 같이, 상기 용어 "주입된(infused)"는 결합되는 것을 의미하고, "주입된(infused)"은 결합의 공정을 의미한다(the term "infused" means bonded and "infused" means the process of bonding). 이러한 결합은, 직접적인 공유 결합, 이온 결합, pi-pi, 및/또는 반데르발스 힘-매개된 물리흡착 또는 기계적인 교합(van der Waals force-mediated physisorption or mechanical interlocking)을 포함할 수 있다. 주입은, 상기 CNTs와 금속 섬유 물질 사이의 배치된 전이 금속 나노입자 사이를 개입하고, 및/또는 장벽 코팅(barrier coating)에 대한 결합을 통해 상기 금속 섬유에 대한 간접적인 CNT 주입과 같은 간접적인 결합을 또한 포함할 수 있다. CNT가 금속 섬유 물질에 주입되는 특정한 방식은, "결합 모티프(bonding motif)"로서 나타낸다. 몇몇의 실시형태에서, 주입은, 상기 재사용가능한 기판으로부터 상기 제2 기판으로의 상기 CNT-포함하는 네트워크의 이동을 방해하지 않기 위한 강도(strength)의 것일 수도 있다.

본원에 사용된 바와 같이, 용어 "전이 금속"은, 주기율표의 d-블록에서 어떠한 요소(element) 또는 요소의 합금을 나타낸다. 상기 용어 "전이 금속"은 산화물(oxides), 탄소화물(carbides), 질소화물(nitrides) 등과 같은 기초의 전이 금속 요소의 염의 형태를 또한 포함한다.

본원에 사용된 바와 같이, 용어 "나노입자" 또는 NP (복수의 NPs), 또는 이의 문법적인 등가물(grammatical equivalents)은, 상기 NPs가 형태에서 구의 형상이 아닐지라도, 등가의 구의 지름(equivalent spherical diameter)에서 약 0.1 내지 약 100 나노미터 사이의 크기의 입자를 나타낸다. 특히, 전이 금속 NPs는, 상기 금속 섬유 물질에서 CNT 성장을 위한 촉매로서 작용한다.

본원에 사용된 바와 같이, 상기 용어 "매트릭스 물질"은, 임의적인 방향을 포함하는, 특히 방향에서 크기가 부여된 CNT-주입된 금속 섬유 물질(sized CNT-infused metal fiber materials)을 조직하기 위한 역할을 할 수 있는 벌크 물질(bulk material)을 나타낸다. 상기 매트릭스 물질은, 상기 매트릭스 물질에 대한 상기 CNT-주입된 금속 섬유 물질의 물리적 및/또는 화학적 특성의 몇몇의 측면을 부여함으로써 상기 CNT-주입된 금속 섬유 물질의 존재로부터의 이익일 수 있다.

본원에 사용된 바와 같은, 상기 용어 "직물 잔류 시간(material residence time)"은, 스풀가능한 직경의 유리 섬유 물질을 따라 분리된 지점이 본원에 기재된 상기 CNT 주입 공정 동안에 CNT 성장 조건에 노출된, 시간을 나타낸다(As used herein, the term "material residence time" refers to the amount of time a discrete point along a glass fiber material of spoolable dimensions is exposed to CNT growth conditions during the CNT infusion processes described herein). 이러한 정의는 다수의 CNT 성장 챔버를 사용한 경우에서의 반응 시간을 포함한다.

본원에 사용된 바와 같이, 상기 용어 "회선속도(linespeed)"는, 회선속도가 상기 물질의 잔류 시간에 의해 CNT 챔버 길이를 분리함으로써 측정된 속도인 경우에, 스풀가능한 치수의 유리 섬유 물질이 본원에 기재된 상기 CNT 주입 공정을 통해 공급될 수 있는 속도를 나타낸다.

몇몇 실시형태에서, 본원 발명은, 탄소 나노튜브 (CNT)-주입된 금속 섬유 물질을 포함하는 조성물을 제공한다. 상기 CNT-주입된 섬유 물질은, 상기 금속 섬유 물질에 주입된 탄소 나노튜브(CNTs), 상기 금속 섬유 물질에 대해 등각으로 배치된 장벽 코팅, 및 스풀가능한 치수의 금속 섬유 물질을 포함한다. 상기 금속 섬유 물질에 대한 CNTs의 주입은, 전이 금속 NP에 대한 개별적인 CNTs의 직접적인 결합의 결합 모티브(bonding motif)를 포함할 수 있다. 차례로, 상기 NPs는, 상기 금속 섬유 물질, 상기 장벽 코팅 및 이의 혼합물에 대해 주입될 수 있다.

이론에 얽매임이 없이, CNT-형성하는 촉매(CNT-forming catalyst)로서 작용하는 전이 금속 NPs는, CNT 성장 시드 구조(CNT growth seed structure)를 형성함으로써 CNT 성장을 촉매할 수 있다. 상기 CNT-형성하는 촉매는 상기 금속 섬유 물질의 표면에 주입되고, 상기 장벽에 의해 고정된, 상기 금속 섬유 물질의 베이스(base)에 남아있을 수 있다. 이러한 경우에서, 상기 전이 금속 나노입자 촉매에 의해 초기에 형성된 상기 시드 구조는, 본 분야에서 관찰된 바와 같이, CNT 성장을 안내하는 가장자리(leading edge)를 따라 움직이는 상기 촉매 없이 지속된 비-촉매화된 시드된 CNT 성장을 위해 충분하다(In such a case, the seed structure initially formed by the transition metal nanoparticle catalyst is sufficient for continued non-catalyzed seeded CNT growth without the catalyst moving along the leading edge of CNT growth, as often observed in the art). 몇몇 실시형태에서, 상기 CNT 성장 촉매는 장벽 코팅의 존재에도 불구하고 상기 성장하는 CNTs의 유도하는 가장자리(leading edge)를 따를 수 있다. 이러한 실시형태에서, 상기 CNT 성장 나노입자 촉매는 상기 섬유에 대한 말단에 배치되고, 상기 CNT는 상기 금속 섬유 또는 상기 장벽 코팅에 직접적으로 주입할 수 있다. 다른 실시형태에서, 상기 나노입자는, 상기 금속 섬유 물질에 대한 상기 CNT를 위한 부착의 지점으로서 역할을 한다. 상기 장벽 코팅의 존재는 또한, 추가적인 간접적인 결합 모티브를 유도할 수 있다. 예를 들어, 상기 CNT 형성하는 촉매는, 상기에 기재된 바와 같이, 상기 장벽 코팅 내로 고정될 수 있지만, 표면이 아닌 금속 섬유 물질과 접촉한다(the CNT forming catalyst can be locked into the barrier coating, as described above, but not in surface contact with metal fiber material). 이러한 경우에, 상기 장벽 코팅과 함께 잔뜩 쌓인 구조(stacked structure)는, 상기 CNT 형성하는 촉매와 금속 섬유 물질 결과물 사이에 배치된다. 어떠한 경우에, 상기 형성된 CNTs는 상기 금속 섬유 물질에, 비록 간접적으로, 주입된다. 상기 탄소 나노튜브와 상기 금속 섬유 물질 사이에 형성된 실제의 결합 모티브의 성질에 상관없이, 상기 주입된 CNT는 튼튼하고, 상기 CNT-주입된 금속 섬유 물질이 탄소 나노튜브 성질 및/또는 특성을 나타내는 것을 가능하게 한다.

한 번 더, 이론에 얽매임이 없이, 금속 섬유 물질에서 CNTs를 성장시키는 경우에, 상기 반응 챔버에 존재할 수 있는 상기 증진된 온도 및/또는 어떠한 잔류의 산소 및/또는 수분이, 이러한 노출을 최소화하기 위한 표준 측정이 일반적으로 실행될지라도, 상기 금속 섬유 물질을 손상시킬 수 있다. 이러한 문제는, 상기 금속 섬유 물질이 산화에 취약한 영가 금속(zero-valent metal)인 경우에 고려될 수 있다. 게다가, 상기 금속 섬유 물질 이 자체로, 상기 CNT-형성하는 촉매와 반응에 의해 변할 수 있다. 그러한 것은, CNT 합성을 위해 사용된 상기 반응 온도에서 상기 촉매와 함께 합금을 형성할 수 있다. 상기 CNT-형성하는 나노입자 촉매는 또한, 상기 표면 금속 섬유 물질에서 소결하는 높은 온도에 취약하다. 이러한 것은, 금속의 표면 구조가 CNT 합성에 사용된 높은 온도에서 상기 표면에서 입자 수송(particle transport)을 가능하게 한다. 본원 발명에서 사용된 상기 장벽 코팅은, 상기 금속 표면에서 상기 촉매의 합금화(alloying) 및/또는 소결화(intering)를 예방하는 것 뿐만 아니라, 금속 섬유 물질에서 CNT 합성을 촉진하도록 설계되었다. 이론에 의해 얽매임이 없이, 상기 장벽 코팅은, 예를 들어, 아연, 알루미늄, 납 및 주석과 같은 낮은 용융 금속 섬유 물질 기판과 함께 사용을 위한 열 장벽을 제공할 수 있다. 이러한 열 보호는 또한, 합금의 형성을 줄이는데 도움될 수 있다. 게다가, 상기 장벽 코팅은, 상기 금속 섬유 물질의 표면 상에 상기 촉매 나노입자의 제한된 움직임(restricting movement)에 의해 상기 CNT-형성하는 촉매 나노입자의 소결화(sintering)를 예방하는 물리적인 장벽을 또한 제공할 수 있다. 게다가, 상기 장벽 코팅은 상기 CNT-형성하는 촉매 및 상기 금속 섬유 물질 사이의 상기 표면적 촉매를 최소화할 수 있고, 및/또는 이는 CNT 성장 온도에서 상기 CNT-형성하는 촉매에 대한 상기 금속 섬유 물질의 노출의 효과를 완화시킬 수 있다.

CNT-주입된 금속 섬유 물질을 갖는 조성물은, 상기 CNTs가 길이에서 실질적으로 균일한 것을 제공한다. 본원에 기재된 지속적인 공정에서, 상기 CNT 성장 챔버에서 상기 금속 섬유 물질의 잔류 시간은, CNT 성장 및 궁극적으로 CNT 길이를 조절하기 위해 조절될 수 있다. 이러한 것은, 성장된 CNTs의 특정한 특성을 조절하기 위한 수단을 제공한다. CNT 길이는 또한 상기 탄소 공급 원료 및 캐리어 가스 흐름 속도, 및 성장 온도의 조절을 통해 조절될 수 있다. 상기 CNT 특성의 추가적인 조절은, 예를 들어, 상기 CNTs를 제조하는데 사용된 상기 CNT 촉매의 크기를 조절함으로써 수득될 수 있다. 예를 들어, 1 nm 전이 금속 나노입자 촉매가 특히 SWNTs를 제공하는데 사용될 수 있다. 보다 큰 촉매는 대부분 MWNTs를 제조하는데 사용될 수 있다.

게다가, 사용된 상기 CNT 성장 공정은, 전-형성된 CNTs)가 용매 용액에 분산되거나 또는 현탁되고, 상기 금속 섬유 물질에 대한 역할(hand)에 의해 적용된 공정에서 발생할 수 있는 상기 CNTs의 번들링 및/또는 응집을 피하면서, 금속 섬유 물질 상에 균일하게 분산된 CNTs와 함께 CNT-주입된 금속 섬유 물질을 제공하는데 유용하다(the CNT growth processes employed are useful for providing a CNT-infused metal fiber material with uniformly distributed CNTs on metal fiber materials while avoiding bundling and/or aggregation of the CNTs that can occur in processes in which pre-formed CNTs are suspended or dispersed in a solvent solution and applied by hand to the metal fiber material). 이러한 응집된 CNTs가 금속 섬유 물질에 약하게 부착되는 경향이 있고, 특징적인 CNT 특성이 적어도 매우 약하게 나타난다. 몇몇의 실시형태에서, 퍼센트 적용범위(percent coverage), 즉 뒤덮힌 섬유의 표면으로서 나타낸, 상기 최대의 분포 밀도는, 5 월과 함께 가열 약 8 nm 직경이라면, 최대한 약 55 %일 수 있다. 이러한 적용범위(coverage)는, "충전가능한" 공간으로서 상기 CNTs의 내부의 상기 공간을 고려함으로써 계산된다. 다양한 분포/밀도 수치는 가스 구성요소, 상기 공정의 라인속도(linespeed), 및 반응 온도를 조절할 뿐만 아니라, 상기 표면 상의 촉매 분포를 다양하게 함으로써 성취될 수 있다. 파라미터의 주어진 세트에 대해 일반적으로, 약 10 % 내의 퍼센트 적용범위는 금속 섬유 물질 표면에 걸쳐서 성취될 수 있다(Typically for a given set of parameters, a percent coverage within about 10% can be achieved across a metal fiber material surface). 보다 높은 밀도 및 보다 짧은 CNTs는 기계적인 특성을 개선하기 위해 유용한 반면에, 증가된 밀도가 여전히 유리할지라도, 보다 낮은 밀도를 갖는 보다 긴 CNTs는 열 및 전기적인 특성을 개선하기 위해 유용하다. 보다 낮은 밀도는, 보다 긴 CNTs가 성장하는 경우에 발생할 수 있다. 이는, 보다 낮은 촉매 입자의 산출을 야기하는, 보다 높은 온도 및 보다 빠른 성장의 결과일 수 있다.

CNT-주입된 금속 섬유 물질을 갖는 본원 발명의 조성물은, 금속 필라멘트, 금속 섬유 실, 금속 섬유 토우, 금속 테이프, 금속 섬유-브레이드(metal fiber-braid), 엮어진 금속 섬유, 엮어지지 않은 금속 섬유 매트 금속 섬유 매트(a non-woven metal fiber mat), 금속 섬유 다발(metal fiber ply), 메쉬 리본, 고체 금속 시트(solid metal sheets), 및 구멍난 금속 시트와 같은 금속 섬유 물질을 포함할 수 있다. 금속 필라멘트는, 약 10 미크론 내지 약 12.5 mm 또는 그 이상의 크기의 범위에 이르는 직경을 갖는 높은 가로세로비 섬유(high aspect ratio fibers)를 포함한다. 금속 섬유 토우는 필라멘트의 일반적으로 조밀하게 연관된 번들(bundles)이고, 로프(ropes)를 제공하기 위해 일반적으로 서로 뒤틀려있다.

로프는 뒤틀린 필라멘트의 밀접하게 연관된 번들을 포함한다. 로프에서 각각의 필라멘트는 상대적으로 균일하다. 로프는, 1000 선형의 미터의 그램에서의 중량으로서 표현된, 이들의 '텍스(tex)', 또는 약 4000 tex 내지 약 100000 tex 사이에 일반적인 전형적인 tex 범위와 함께, 10,000 yard의 파운드에서의 중량으로서 표현된 데니어(denier)에 의해 기재된 다양한 중량을 갖는다.

토우는 꼬여지지 않는 필라멘트의 느슨하게 결합된 번들을 포함한다. 로프에서와 같이, 토우에서 필라멘트 직경은 일반적으로 균일하다. 토우는 또한 다양한 중량을 가지고, 상기 tex 범위는 보통 2000 g 내지 12000 g 이다. 이들은, 예를 들어 10 와이어 로브(wire rope), 50 와이어 로프, 100 와이어 로프 등, 토우에서 수천의 필라멘트에 의해 자주 특징지어 진다.

금속 메쉬는 엮어지지 않은 납작해진 로프를 나타낼 수 있고, 엮는 것과 같이 조립될 수 있는 물질이다(Metal meshes are materials that can be assembled as weaves or can represent non-woven flattened ropes). 금속 테이프는 너비에서 다양할 수 있고, 리본과 유사한 일반적으로 양면의 구조이다. 본원 발명의 공정은, 테이프의 한 면 또는 양면에서 CNT 주입과 양립할 수 있다. CNT-주입된 테이프는, 평평한 기판 표면에서 "카페트(carpet)" 또는 "포레스트(forest)"와 유사할 수 있다. 또다시, 본원 발명의 공정은 테이프의 기능화된 스풀에 대한 지속적인 모드에서 실행될 수 있다.

금속 섬유-브레이드(Metal fiber-braids)는, 꽉 재워진 금속 섬유의 로프-유사 구조를 나타낸다. 이러한 구조는 예를 들어, 로프로부터 조립될 수 있다. 브레이드 구조는 속이 빈 부분(hollow portion)을 포함할 수 있거나, 브레이드 구조는 또 다른 코어 물질과 조립될 수 있다.

몇몇 실시형태에서, 다수의 초기의 금속 섬유 물질 구조는 섬유 또는 시트-유사 구조 내로 조직화될 수 있다. 이러한 것들은, 예를 들어, 상기에 기재된 상기 테이프 뿐만 아니라, 엮어진 금속 메쉬, 엮어지지 않은 금속 섬유 매트 및 금속 섬유 파일을 포함한다. 이러한 고차의 구조는 부모 섬유(parent fiber)에서 이미 주입된 CNTs와 함께, 부모 토우(parent tows), 로프, 필라멘트 등으로부터 조립될 수 있다. 대체적으로, 이러한 구조는 본원에 기재된 상기 CNT 주입 공정을 위한 상기 기판으로서 역할을 할 수 있다.

금속 섬유 물질은, 예를 들어, d-블록 금속, 란탄계열원소(lanthanides), 악티니드(actinides), 주요한 군의 금속 등을 포함하는 영가 산화 상태(zero-valent oxidation state)에서의 어떠한 금속을 포함할 수 있다. 이러한 금속 중의 어떠한 것은 또한, 예를 들어, 금속 산화물, 금속 질화물 등을 포함하는, 비-영가 산화 상태(non-zero-valent oxidation state)에 사용될 수 있다. 대표적인 d-블록 금속은, 예를 들어, 스칸듐, 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 이트륨(yttrium), 지르코늄, 니오븀(niobium), 몰리브덴(molybdenum), 테크네튬(technetium), 루테늄(ruthenium), 로듐(rhodium), 팔라듐, 은, 카드뮴, 하프늄(hafnium), 탄탈럼(tantalum), 텅스텐(tungsten), 레늄(rhenium), 오스뮴(osmium), 이리듐(iridium), 백금 및 금을 포함한다. 대표적인 주요한 군의 금속은, 예를 들어, 알루미늄, 갈륨, 인듐, 주석, 탈륨(thallium), 납(lead) 및 비스무트(bismuth)를 포함한다. 본원 발명에서 유용한 대표적인 금속 염은, 산화물(oxides), 카르비드(carbides), 질화물, 및 아세테이트를 포함하지만 이로 제한되지 않는다.

금속 섬유 물질에 대한 주입에 유용한 CNTs는, 단일-월 CNTs, 이중-월 CNTs, 다중-월 CNTs 및 이의 혼합물을 포함한다. 사용될 정확한 CNTs는 상기 CNT-주입된 금속 섬유의 적용에 달려 있다. CNTs는, 열 및/또는 전기적인 전도성 적용에 사용될 수 있거나, 또는 절연체(insulators)로서 사용될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 주입된 탄소 나노튜브는 단일-월 나노튜브이다. 몇몇 실시형태에서, 상기 주입된 탄소 나노튜브는 다중-월 나노튜브이다. 몇몇 실시형태에서, 상기 주입된 탄소 나노튜브는 단일-월 및 다중-월 나노튜브의 조합이다. 상기 섬유의 몇몇의 최종 용도를 위해, 하나 또는 그 이상의 타입의 나노튜브의 합성에 영향을 주는, 단일-월 및 다중-월 나노튜브의 특유의 특성에서 몇몇의 차이점이 있다. 예를 들어, 단일-월 나노튜브는 반도체성(semi-conducting) 또는 금속성(metallic)일 수 있는 반면에, 다중-월 나노튜브는 금속성이다.

CNTs는, 상기 CNT-주입된 금속 섬유 물질에 대한 전기 저항률 및 높은 열전도성 등을 조절하기 위해 낮고, 기계적인 강도와 같은 이들의 특징적인 특성을 부여한다(CNTs lend their characteristic properties such as mechanical strength, low to moderate electrical resistivity, high thermal conductivity, and the like to the CNT-infused metal fiber material). 예를 들어, 몇몇의 실시형태에서, 탄소 나노튜브-주입된 금속 섬유 물질의 상기 전기 저항률은, 부모 금속 섬유 물질(parent metal fiber material)의 전기 저항률보다 낮다. 상기 주입된 CNTs는 경량과 함께 이로운 전도성을 또한 제공할 수 있다. 게다가, 보다 짧은 CNTs의 용도는 더 큰 인장 강도를 제공하는데 사용될 수 있으면서, 전기 전도율을 또한 개선한다. 보다 일반적으로, 상기 결과적으로 생성된 CNT-주입된 섬유가 이들의 특성을 나타내는 정도는, 상기 탄소 나노튜브에 의해 상기 금속 섬유의 적용범위(coverage)의 밀도 및 정도의 기능(function of the extent)일 수 있다. 상기 섬유의 0 내지 55 %의, 상기 섬유 표면적의 어떠한 양은, 8 nm 직경이라면, 5-월 MWNT를 덮을 수 있다(또 다시, 이러한 계산은 채울 수 있는 바와 같이 상기 CNTs 내부의 공간을 계산한다)[Any amount of the fiber surface area, from 0-55% of the fiber can be covered assuming an 8 nm diameter, 5-walled MWNT (again this calculation counts the space inside the CNTs as fillable)]. 이러한 수는 보다 작은 직경 CNTs를 위해 보다 낮고, 보다 큰 직경 CNTs를 위해 보다 크다(This number is lower for smaller diameter CNTs and more for greater diameter CNTs). 55 %의 표면적 적용 범위는 약 15,000 CNTs/미크론2와 대등하다. 추가적으로, CNT 특성은, 상기에 기재된 바와 같이, CNT 길이에 의존하는 방식으로 상기 금속 섬유 물질에 부여할 수 있다. 주입된 CNTs는, 1 미크론, 2 미크론, 3 미크론, 4 미크론, 5 미크론, 6 미크론, 7 미크론, 8 미크론, 9 미크론, 10 미크론, 15 미크론, 20 미크론, 25 미크론, 30 미크론, 35 미크론, 40 미크론, 45 미크론, 50 미크론, 60 미크론, 70 미크론, 80 미크론, 90 미크론, 100 미크론, 150 미크론, 200 미크론, 250 미크론, 300 미크론, 350 미크론, 400 미크론, 450 미크론, 500 미크론, 및 이들 사이의 어떠한 수치를 포함하는, 약 1 미크론 내지 약 500 미크론 사이의 범위의 길이에서 매우 다양할 수 있다. CNTs는 또한, 예를 들어, 약 0.5 미크론을 포함하는, 길이에서 약 1 미크론 미만일 수 있다. CNTs는 또한, 예를 들어, 510 미크론, 520 미크론, 550 미크론, 600 미크론, 700 미크론 및 이들 사이의 모든 수치를 포함하는, 500 미크론 초과일 수 있다.

본원 발명의 조성물은, 약 1 미크론 내지 약 10 미크론의 길이를 갖는 CNTs를 포함할 수 있다. 이러한 CNT 길이는 전단 강도(shear strength)를 증가시키기 위해 적용에서 유용할 수 있다. CNTs는 또한 약 5 내지 70 미크론의 길이를 가질 수 있다. 만약 상기 CNTs가 상기 섬유 방향으로 정렬된다면, 이러한 CNT 길이가 인장 강도를 증가시키기 위해 적용하는데 유용할 수 있다. CNTs는 약 10 미크론 내지 약 100 미크론의 길이를 또한 가질 수 있다. 이러한 CNT 길이는, 전기적인/열 및 기계적인 특성을 증가시키기 위해 유용할 수 있다. 본원 발명에 사용된 상기 공정은, 전기적인 및 열의 특성을 증가시키기 위해 이로울 수 있는, 약 100 미크론 내지 약 500 미크론의 길이를 갖는 CNTs를 또한 제공할 수 있다. 본 분야에서의 숙련자는, 부여된 특성이 연속체(continuum)이고, 몇몇의 인장 강도 이익이 보다 긴 CNT 길이에서 여전히 인식될 수 있음을 인식할 것이다. 이와 비슷하게, 보다 짧은 CNT 길이는 이로운 전기적인 특성도 여전히 부여할 수 있다. CNT 길이의 조절은, 하기에 추가적으로 기재된 바와 같이, 다양한 공정 라인속도 및 반응 온도와 결합된 탄소 공급원료 및 캐리어 가스 흐름의 조절을 통해 쉽게 달성된다.

몇몇의 실시형태에서, CNT-주입된 금속 섬유 물질의 스풀가능한 길이를 포함하는 조성물은, 상이한 길이의 CNTs와 함께 다양한 균일한 영역을 가질 수 있다. 예를 들어, 인장 및 전단 강도 특성을 증진시키기 위해, 균일하게 보다 짧은 CNT 길이와 함께 CNT-주입된 금속 섬유 물질의 제1 섹션(first section), 및 전기적인 또는 열의 특성을 증진시키기 위해, 균일한 보다 긴 CNT 길이와 함께 상기 동일한 스풀가능한 물질의 제2 섹션을 갖는 것이 바람직할 수 있다.

금속 섬유 물질에 대한 CNT 주입을 위한 본원 발명의 공정은, 스풀가능한 금속 섬유 물질이 높은 속도로 CNTs와 기능화될 수 있도록, 지속적인 공정에서 및 균일성을 갖는 상기 CNT 길이의 조절을 가능하게 한다. 5 내지 300 초 사이의 물질 잔여 시간과 함께, 3 피트 긴 것인 시스템을 위한 지속적인 공정에서 라인속도는, 약 0.5 ft/min 내지 약 36 ft/min 및 그 이상의 어떠한 범위에 있을 수 있다. 상기 선택된 속도는 하기의 추가적으로 설명된 바와 같은 다양한 파라미터에 따라 다르다.

몇몇 실시형태에서, CNT 성장 챔버에서 약 5 내지 약 300 초의 물질 잔여 시간은, 약 1 미크론 내지 약 10 미크론 사이의 길이를 갖는 CNTs를 생산할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, CNT 성장 챔버에서 약 30 내지 약 180 초의 물질 잔여 시간은, 약 10 미크론 내지 약 100 미크론 사이의 길이를 갖는 CNTs를 생산할 수 있다. 여전히 다른 실시형태에서, 약 180 내지 약 300 초의 물질 잔여 시간은, 약 100 미크론 내지 약 500 미크론 사이의 길이를 갖는 CNTs를 생산할 수 있다. 본 분야의 숙련자는 이러한 숫자가 근사치임을 인지할 것이고, 성장 온도 및 캐리어 및 탄소 공급원료 흐름 속도(carbon feedstock flow rates)가 주어진 물질 잔여 시간 동안 CNT 성장을 또한 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 증가된 온도는, 원하는 CNT 길이를 위한 보다 낮은 물질 잔여 시간을 필요로 하는 전체적인 성장 속도를 일반적으로 증가시킨다. 증가된 탄소 공급원료 흐름 속도[탄소 공급원료에 대해 불활성(inert to carbon feedstock)]는, 이러한 효과가 상기 성장 온도를 변화시키는 것보다 작을지라도 성장 속도를 또한 증가시킬 수 있다.

본원 발명의 CNT-주입된 금속 섬유 물질은 장벽 코팅을 포함한다. 장벽 코팅은, 알루목산(alumoxane), 알루미나 나노입자(alumina nanoparticles), 메틸실록산(methylsiloxane)과 같은 알콕시실란(alkoxysilane), 유리에서의 스핀(spin on glass) 및 유리 나노입자를 포함할 수 있다. 하기에 기재된 바와 같이, 상기 CNT-형성하는 촉매(CNT-forming catalyst)는, 경화되지 않는 장벽 코팅 물질(the uncured barrier coating material)에 첨가된 다음에, 상기 금속 섬유 물질과 함께 적용될 수 있다. 다른 실시형태에서, 상기 장벽 코팅 물질은, 상기 CNT-형성하는 촉매의 증착 전에 상기 금속 섬유 물질에 첨가될 수 있다. 상기 장벽 코팅 물질은, 차후의 CVD 성장을 위한 상기 탄소 공급원료에 대한 상기 CNT-형성하는 촉매의 노출을 가능하게 하도록 충분하게 얇은 두께의 것일 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 상기 두께는, 상기 CNT-형성하는 촉매의 효과적인 직경 보다 적거나 또는 동일하다. 몇몇의 실시형태에서, 상기 두께는 약 10 nm 내지 약 100 nm이다. 몇몇의 실시형태에서, 상기 두께는, 1 nm, 2 nm, 3 nm, 4 nm, 5 nm, 6 nm, 7 nm, 8 nm, 9 nm, 및 이들 사이의 어떠한 수치를 포함하는, 10 nm 미만일 수 있다.

이론에 의해 얽매임이 없이, 상기 장벽 코팅은 상기 금속 섬유 물질과 상기 CNTs 사이의 중간층(intermediate layer)으로서의 역할을 할 수 있고, 사이트 CNT 성장(site CNT growth)으로서 역할을 하는, 고정된 CNT-형성하는 촉매 나노입자를 통해 상기 금속 섬유 물질에 상기 CNTs를 기계적으로 주입하도록 제공될 수 있다. 이러한 기계적인 주입은, 상기 금속 섬유 물질이 상기 CNTs를 구조화하기 위해 플랫폼으로서 역할을 하면서, 상기 금속 섬유 물질에 상기 CNTs의 특성을 여전히 부여하는, 탄탄한 시스템(robust system)을 제공한다. 게다가, 장벽 코팅을 포함하는 것의 장점은, CNT 성장을 촉진하는데 사용된 온도에서 상기 금속 섬유 물질을 가열한 경우에, 합금화(alloying), 소결화(sintering) 등의 어떠한 열적인 효과, 수분 및 산소에 대한 노출로 인한 화학적인 손상으로부터 상기 금속 섬유 물질을 보호하는 즉각적인 보호이다.

상기 주입된 CNTs는, 복합재료 물질에서 상기 섬유-대-매트릭스 상호접촉(fiber-to-matrix interface)을 개선할 수 있고, 보다 일반적으로 섬유-대-섬유 상호접촉을 개선할 수 있다. 사실, 본원에 나타낸 상기 CNT-주입된 금속 섬유 물질은 이들 자체로 복합재료 물질이고, 의미에 있어서, 상기 CNT-주입된 금속 섬유 물질 특성은 상기 주입된 CNTs의 것들 뿐만 아니라 상기 금속 섬유 물질의 이러한 것들의 조합일 것이다(Indeed, the CNT-infused metal fiber materials disclosed herein are themselves composite materials in the sense the CNT-infused metal fiber material properties will be a combination of those of the metal fiber material as well as those of the infused CNTs). 따라서, 본원 발명의 실시형태는, 불출분한 측정에서 이들을 소유하거나 이러한 특성이 결여되어 있다면, 금속 섬유 물질에 대한 원하는 특성을 부여하기 위한 수단을 제공한다(embodiments of the present invention provide a means to impart desired properties to a metal fiber material that otherwise lack such properties or possesses them in insufficient measure). 금속 섬유 물질은, 특정한 적용의 상기 필요를 충족하기 위해, 조정하거나 설계할 수 있다. 상기 CNTs는, 크기를 조절하는 제제가 금속 섬유와 함께 보통 사용될지라도, 상기 소수성 CNT 구조로 인하여 금속 섬유 물질이 수분을 흡수하는 것으로부터 보호하기 위한 크기를 부여하는 것으로서 행동한다(The CNTs behave as a sizing to protect metal fiber materials from absorbing moisture due to the hydrophobic CNT structure, although sizing agents are not commonly employed with metal fibers). 게다가, 하기에 추가로 설명된 바와 같은, 소수성 매트릭스 물질은, 매트릭스 상호작용을 위해 개선된 섬유를 제공하기 위한, 소수성 CNTs와 함께 상호작용한다.

본원 발명의 복합재료는, 상기 CNT-주입된 금속 섬유 물질과 함께 복합재료를 형성하기 위해 매트릭스 물질을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 매트릭스 물질은, 예를 들어, 에폭시, 폴리에스테르, 비닐에스테르, 폴리에테르이미드(polyetherimide), 폴리에테르케톤케톤(polyetherketoneketone), 폴리프탈아미드(polyphthalamide), 폴리에테르케톤(polyetherketone), 폴리에테르에테르케톤(polytheretherketone), 폴리이미드(polyimide), 페놀-폴리알데히드(phenol-formaldehyde), 및 비스말레이미드(bismaleimide)를 포함할 수 있다. 본원 발명에서 유용한 매트릭스 물질은, 공지된 매트릭스 물질의 어떠한 것을 포함할 수 있다[Mel M. Schwartz, Composite Materials Handbook (2d ed. 1992)를 참고하라]. 보다 일반적으로 매트릭스 물질은 수지(중합체), 열경화성 및 열가소성 둘 다, 금속, 세라믹 및 시멘트를 포함할 수 있다.

매트릭스 물질로서 유용한 열경화성 수지는, 프탈릭/말레익 타입 폴리에스테르(phthalic/maelic type polyesters), 비닐 에스테르, 에폭시, 페놀(phenolics), 시안산염(cyanates), 비스말레이미드(bismaleimides) 및 나딕 말단-캡 덮인 폴리이미드(nadic end-capped polyimides)(예를 들어, PMR-15)를 포함한다. 열경화성 수지는, 폴리술폰, 폴리이미드, 폴리카르보네이트, 폴리페닐렌 산화물, 폴리설파이드(polysulfides), 폴리에테르 에테르 케톤, 폴리에테르 술폰(polyether sulfones), 폴리아미드-이미드, 폴리에테르이미드(polyetherimides), 폴리이미드 폴리아릴레이트, 및 액체 결정질 폴리에스테르를 포함한다.

매트릭스 물질로서 유용한 금속은, 알루미늄 6061, 2024, 및 713 알루미늄 브라제(aluminum braze)와 같은 알루미늄 합금을 포함한다. 매트릭스 물질과 같은 유용한 세라믹은, 리튬 알루미노규산염과 같은 탄소 세라믹, 알루미나 및 물라이트(mullite)와 같은 산화물, 질화규소와 같은 질화물, 및 탄화규소(silicon carbide)와 같은 탄화물(carbide)을 포함한다. 매트릭스 물질로서 유용한 시멘트는, 탄화물-베이스 시멘트(carbide-base cements)[텅스텐 탄화물(tungsten carbide), 크롬 탄화물(chromium carbide) 및 티타늄 탄화물(titanium carbide)], 내화 시멘트(refractory cements)[텅스텐-토리아(tungsten-thoria) 및 바륨-카르보네이트-니켈(barium-carbonate-nickel)], 크롬-알루미나, 니켈-마그네시아 아연-지르코늄 탄화물(chromium-alumina, nickel-magnesia iron-zirconium carbide)을 포함한다. 상기에 기재된 매트릭스 물질의 어떠한 것은 단독으로 또는 결합하여 사용될 수 있다.

CNT-주입된 금속 섬유를 사용하는 적용은 많다. 대표적인 적용은, 광발전 디바이스(photovoltaic devices), 반도체 물질, 저항력을 감소시킴(decreasing resistivity), 동력라인(powerlines), 특성을 약화시킴(dampening characteristics), 오디오 스피커 시스템(audio speaker systems), EMI 차폐(EMI shielding), 태양 수집기(solar collectors), 배터리, 슈퍼커패시터를 위한 전극, 데이터 케이블 섬유(data cable fiber), rf 케이블류(rf cabling), 및 동축 케이블(coaxial cables)을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다. CNT-주입된 금속 섬유 물질은, 예를 들어, 자동차, 스포츠 및 레저 장치, 항공우주산업 및 탄도학 적용(ballistics application) 등을 포함하는, 수많은 산업에서 구조적인 요소를 개선할 수 있다.

몇몇 실시형태에서, 본원 발명은, (a) 스풀가능한 직경의 유리 섬유 물질의 표면 상에 탄소 나노튜브-형성하는 촉매를 배치하는 것; 및 (b) 상기 유리 섬유 물질 상에 직접적으로 탄소 나노튜브를 합성하는 것을 포함하는, CNT 주입을 위한 지속적인 공정을 제공하여, 이로 인하여 탄소 나노튜브-주입된 유리 섬유 물질을 형성한다. 9 개의 풋 롱 시스템(9 foot long system)에 대해, 상기 공정의 라인속도는 약 1.5 ft/min 내지 약 108 ft/min 사이의 범위일 수 있다. 본원에 기재된 상기 공정에 의해 달성된 상기 라인속도는, 보다 짧은 생산 시간과 함께 CNT-주입된 유리 섬유 물질의 일반적으로 관련된 양의 형성을 가능하게 한다. 예를 들어, 36 ft/min 라인속도에서, CNT-주입된 유리 섬유의 양(중량에 의해 섬유에서 5 % 초과 주입된 CNTs)은 동시에 공정 5 개의 분리된 로빙(50 lb/ roving)으로 설계된 시스템에서 하루 당 생산된 250 파운드 또는 그 이상의 물질을 초과할 수 있다[For example, at 36 ft/min linespeed, the quantities of CNT-infused glass fibers (over 5% infused CNTs on fiber by weight) can exceed over 250 pound or more of material produced per day in a system that is designed to simultaneously process 5 separate rovings (50 lb/ roving)]. 시스템은, 성장 존을 반복함으로써 보다 빠른 속도로 또는 즉시 보다 나은 로빙을 생산하기 위해 제조될 수 있다(Systems can be made to produce more rovings at once or at faster speeds by repeating growth zones). 게다가, 본 분야에서 공지된 바와 같은, CNTs의 제조에서의 몇몇의 단계는, 작동의 지속적인 모드를 제공하는 엄청나게 느린 속도를 갖는다. 예를 들어, 본 분야에서 알려진 일반적인 공정에서, CNT-형성하는 촉매 환원 단계(CNT-forming catalyst reduction step)는, 실행하기 위해 1 내지 12 시간이 걸릴 수 있다. 본원에 기재된 공정은 단계를 제한하는 이러한 속도를 극복한다(The process described herein overcomes such rate limiting steps).

본원 발명의 공정을 사용하여 달성가능한 라인속도는, 본 분야에서 알려진 바와 같은 CNTs의 제조에서 몇몇의 단계가 그렇지 않으면 엄청나게 느린 속도를 가짐을, 고려한 경우에 특히 주목할 만하고, 따라서 운영의 지속적인 모드를 제공한다(The linespeeds achievable using processes of the invention are particular remarkable when considering that some steps in the fabrication of CNTs, as known in the art, have otherwise prohibitively slow rates, thus preventing a continuous mode of operation). 예를 들어, 본 분야에서 알려진 일반적인 공정에서, CNT-형성하는 촉매 환원 단계는 실행하기 위해 1 내지 12 시간이 걸릴 수 있다. CNT 성장 이 자체는 또한, 본원 발명에서 인지된 빠른 라인 속도를 불가능하게 하는, 예를 들어 CNT 성장을 위한 수십분을 필요로 하는, 시간을 소비할 수 있다. 본원에 기재된 상기 공정은 이러한 속도 제한 단계를 극복한다.

본원 발명의 상기 CNT-주입된 금속 섬유 물질-형성하는 공정은, 섬유 물질에 전-형성된(pre-formed) 탄소 나노튜브의 현탁액을 적용하는 것을 시도한 경우에 발생하는 CNT 얽힘(entanglement)을 피할 수 있다. 즉, 전-형성된 CNTs가 금속 섬유 물질에 결합되지 않기 때문에, 상기 CNTs는 번들 및 얽히는 경향이 있다(That is, because pre-formed CNTs are not fused to the metal fiber material, the CNTs tend to bundle and entangle). 상기 결과는, 상기 금속 섬유 물질에 약하게 접착하는 CNTs의 좋지 못한 균일한 분포이다. 그러나, 본원 발명의 공정은, 만약 원한다면, 성장 밀도를 감소시킴으로써 상기 금속 섬유 물질의 표면 상에 매우 균일한 얽힌 CNT 매트를 제공할 수 있다. 낮은 밀도로 성장된 상기 CNTs는 상기 금속 섬유 물질에 첫 번째로 주입된다. 이러한 실시형태에서, 상기 섬유는 종단 배열(vertical alignment)을 유도하는데 충분한 밀도로 성장하지 않고, 상기 결과는 상기 금속 섬유 물질 표면 상에 얽힌 매트(entangled mats)이다. 대조적으로, 전-형성된 CNTs의 수동의 적용(manual application)은, 상기 금속 섬유 물질 상에 CNT 매트의 균일한 분포 및 밀도를 보증하지 않는다.

CNT-주입된 금속 섬유 물질을 생산하기 위한 공정은, 1) 장벽 코팅을 받아들이도록 금속 섬유 물질을 기능화하는 것; 2) 상기 금속 섬유 물질에 장벽 코팅 및 CNT-형성하는 촉매를 적용하는 것; 3) 탄소 나노튜브 합성을 위해 충분한 온도로 상기 금속 섬유 물질을 가열하는 것; 4) 상기 촉매-포함된 금속 섬유(catalyst-laden metal fiber) 상에 CVD-매개된 성장에 의해 CNTs를 합성하는 것;의 작동을 적어도 포함한다.

장벽 코팅을 위한 금속 섬유 물질을 제조하기 위해, 상기 금속 섬유 물질을 기능화하는 것이 실행되었다. 몇몇 실시형태에서, 상기 금속 섬유 물질을 기능화하는 것은, 상기 금속 섬유 물질 표면 상에 반응성 작용기(reactive functional groups)[금속 옥소(metal oxo) 및/또는 히드록실기(hydroxyl groups)]를 형성하기 위해 습윤 화학적 산화 에칭(wet chemical oxidative etch)을 포함할 수 있다. 이러한 것은, 표면 산화층을 형성하기 위해, 영가 금속을 사용한 경우에 특히 유용할 수 있다. 다른 실시형태에서, 기능화하는 것은, 상기에 기재된 바와 같은 작용기를 형성하고, 표면적을 개선하기 위해 상기 금속 섬유 물질 표면을 거칠게 하고, 상기 장벽 코팅의 증착을 포함하는, 상기 금속 섬유 물질을 습윤시키는 특성의 이중 역할을 할 수도 있는, 플라즈마 공정을 포함할 수 있다(In other embodiments, functionalizing can include a plasma process, which may serve a dual role of creating functional groups as described above, and roughening the metal fiber material surface to enhance the surface area and wetting properties of the metal fiber material, including the deposition of the barrier coating). 금속 섬유 물질 내로 탄소 나노튜브를 주입하기 위해, 상기 탄소 나노튜브는 장벽 코팅으로 등각으로(conformally) 코팅된 금속 섬유 물질 상에 합성화된다. 하나의 실시형태에서, 이는 장벽 코팅으로 상기 금속 섬유 물질을 등각으로 코팅한 다음에, 상기 장벽 코팅 상에 탄소 나노튜브-형성하는 촉매를 증착시킴으로써 실행된다. 몇몇 실시형태에서, 상기 장벽 코팅은 측매 증착 전에 부분적으로 경화될 수 있다. 이는 상기 CNT 형성하는 촉매와 상기 금속 섬유 물질 사이의 표면 접촉을 가능하게 하는 것을 포함하는, 이를 상기 장벽 코팅에 끼워 넣는 것을 가능하게 하고, 상기 촉매를 수용하기 위해 받아들이는 표면을 제공할 수 있다. 이러한 실시형태에서, 상기 장벽 코팅은 상기 촉매를 끼워 넣은 후에 완전하게 경화될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 장벽 코팅은, 상기 CNT-형성 촉매의 증착과 동시에 상기 금속 섬유 물질 위에 등각으로 코팅된다. 상기 CNT-형성하는 촉매 및 장벽 코팅이 제자리에 있는 경우에, 상기 장벽 코팅은 완전하게 경화될 수 있다.

몇몇의 실시형태에서, 상기 장벽 코팅은, 촉매 증착 전에 완전하게 경화될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 완전하게 경화된 장벽-코팅된 금속 섬유 물질은, 상기 촉매를 받아들이기 위한 상기 표면을 제조하기 위해 플라즈마(plasma)로 처리될 수 있다. 예를 들어, 경화된 장벽 코팅을 갖는 플라즈마 처리된 금속 섬유 물질은, 상기 CNT-형성하는 촉매가 증착될 수 있는 거칠어진 표면(roughened surface)을 제공할 수 있다. 따라서, 상기 장벽 코팅의 표면을 "거칠게 하기(roughing)" 위한 플라즈마 공정은 촉매 증착을 용이하게 한다. 거칠기(roughness)는 일반적으로 나노미터의 규모 상에 있다. 상기 플라즈마 처리 공정에서, 분화구(crater) 또는 오목한 곳(depression)은, 직경에서 나노미터 및 나노미터의 깊이인 것으로 형성된 것이다. 이러한 표면 변형은, 아르곤, 헬륨, 산소, 질소 및 수소를 포함하지만 이로 제한되지 않는, 다양한 상이한 가스의 하나 또는 그 이상의 어떠한 것의 플라즈마를 사용하여 달성될 수 있다. 지속적인 방식에서 금속 섬유 물질을 처리하기 위해, 진공을 필요로 하지 않는 '대기의(atmospheric)' 플라즈마가 이용되어야 한다. 플라즈마는, 상기 두 개의 전극 사이의 상기 기체의 공간을 차례로 이온화하는, 두 개의 전극을 가로질러 전압을 적용함으로써 생성된다. 플라즈마 환경은, 상기 이온화된 기체가 상기 기판에 대해 흘러 내리는 '하강(downstream)' 방식으로 금속 섬유 기판에 적용될 수 있다. 처리될 상기 플라즈마 환경 내로 상기 두 개의 전극 사이로 상기 금속 섬유 기판을 보내는 것이 또한 가능할 것이다.

몇몇의 실시형태에서, 상기 금속 섬유는 장벽 코팅 적용 전에 플라즈마 환경(plasma environment)으로 처리될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 처리된 금속 섬유 물질은 보다 높은 표면 에너지를 가질 수 있고, 따라서 상기 장벽 코팅의 적용범위 및 보다 나은 담금(better wet-out)을 가능하게 한다. 상기 플라즈마 공정은, 상기에 언급된 바와 같이, 동일한 방식으로 상기 장벽 코팅의 보다 나은 기계적인 결합을 가능하게 하는 상기 금속 섬유 표면에 거칠기(roughness)를 또한 첨가할 수 있다.

상기 촉매는, 전이 금속 나노입자를 포함하는 CNT-형성하는 촉매를 포함하는 용액으로서 제조될 수 있다. 상기 합성화된 나노튜브의 직경은, 상기에 나타낸 바와 같이 상기 금속 입자의 크기에 관한 것이다. 몇몇 실시형태에서, CNT-형성하는 전이 금속 나노입자 촉매의 통상적인 분산은 이용할 수 있고, 희석 없이 사용되고, 다른 실시형태에서, 촉매의 통상적인 분산액이 희석될 수 있다. 이러한 용액을 희석하거나 희석하지 않는 것은, 상기 기재된 바와 같이 성장될 CNT의 원하는 밀도 및 길이에 따라 달라질 수 있다.

탄소 나노튜브 합성은, 화학적 증기 증착(chemical vapor deposition, CVD) 공정을 기초로 할 수 있고, 증가된 온도에서 발생할 수 있다. 상기 특정한 온도는 촉매 선택의 기능이지만, 일반적으로 약 500 내지 1000 ℃의 범위에 있을 것이다. 이에 따라서, 이는, 탄소 나노튜브 합성을 지지하기 위한(to support) 상기에 언급된 범위에서 온도로 상기 장벽-코팅된 금속 섬유 물질을 가열하는 것을 포함한다. 온도 민감한 것(temperature sensitive)인, 또는 낮은 용융점을 갖는 금속 섬유 물질을 사용하는 경우에, 상기 공급원료 및 캐리어 가스의 전-가열(pre-heat)은 하기에 더 기재된 바와 같이 사용될 수 있다.

그리고 난 다음에, 상기 촉매-포함된 금속 섬유 물질 상에서 CVD-촉진된 나노튜브 성장이 실행된다. 상기 CVD 공정은, 예를 들어, 아세틸렌, 에틸렌 및/또는 에탄올과 같은 탄소-포함하는 공급원료에 의해 촉진될 수 있다. 상기 CNT 합성 공정은 일반적으로, 일차 캐리어 가스로서 불활성 가스(질소, 아르곤, 헬륨)를 사용한다. 상기 탄소 공급원료는 약 0 % 내지 약 15 %의 전체적인 혼합물의 범위로 제공된다. CVD 성장을 위한 실질적으로 불활성 환경은, 성장 챔버로부터 수분 및 산소의 제거에 의해 제조된다.

상기 CNT 합성 공정에서, CNTs는 CNT-형성하는 전이 금속 나노입자 촉매의 사이트(sites)에서 성장한다. 강한 플라즈마-형성하는 전기장의 존재는, 나노튜브 성장에 영향을 미치도록 임의적으로 사용될 수 있다. 즉, 상기 성장은 상기 전기장의 방향을 따르는 경향이 있다. 전기장 및 상기 플라즈마 스프레이의 기하학을 적절하게 조절함으로써, 수직적으로-정렬된 CNTs(즉, 상기 금속 섬유에 직각으로)가 합성될 수 있다. 플라즈마의 부재에서, 특정한 조건 하에서, 밀접-배치된 나노튜브는, 카페트(carpet) 또는 포레스트 유사한 CNTs의 밀접한 배열을 결과적으로 나타내는 수직 성장 방향을 유지할 것이다. 상기 장벽 코팅의 존재는 CNT 성장의 방향성에 영향을 미칠 수 있다.

상기 금속 섬유 물질 상에 촉매를 배치하는 운영(operation)은, 예를 들어, 플라즈마 공정을 통해 가스상 증착 또는 용액을 분무(spraying)하거나 침지코팅(dip coating)함으로써 성취될 수 있다. 기술의 선택은, 상기 장벽 코팅이 적용되는 모드와 함께 조직화될 수 있다. 따라서, 몇몇의 실시형태에서, 용매에서 촉매의 용액을 형성한 후에, 촉매는 용액과 함께 상기 장벽 코팅된 금속 섬유 물질을 침지코팅하거나 분무하거나 또는 스프레이 및 침지코팅의 조합으로 적용될 수 있다. 단독으로 사용되거나 또는 조합으로 사용된, 기술 중의 어떠한 것은, CNT-형성하는 촉매(CNT-forming catalyst)로 충분하게 균일하게 코팅된 금속 섬유 물질을 제공하기 위해, 한 번, 두 번, 세 번, 네 번, 어떠한 수까지, 사용될 수 있다. 침지 코팅이 사용된 경우에, 예를 들어, 금속 섬유 물질은 상기 첫 번째 침지 수조에서 첫 번째 잔류 시간 동안 첫 번째 침지 수조(first dip bath)에 배치될 수 있다. 두 번째 침지 수조를 사용한 경우에, 상기 금속 섬유 물질은, 두 번째 잔류 시간 동안 두 번째 침지 수조에서 배치될 수 있다. 예를 들어, 금속 섬유 물질은, 침지 배열(dip configuration) 및 라인속도에 따라 약 3 초 내지 약 90 초 동안 CNT-형성하는 촉매의 용액을 받을 수 있다(metal fiber materials can be subjected to a solution of CNT-forming catalyst for between about 3 seconds to about 90 seconds depending on the dip configuration and linespeed). 분무 또는 침지 코팅 공정을 사용하는 것은, 상기 CNT-형성하는 촉매 나노입자가 거의 단일층인, 약 5 % 미만 표면 적용범위 내지 최대한 약 80 %의 적용범위의 촉매의 표면적 밀도를 갖는 금속 섬유 물질을 처리한다. 몇몇 실시형태에서, 상기 금속 섬유 물질 상에서 상기 CNT-형성하는 촉매를 코팅하는 공정은, 단지 단일층(no more than a monolayer)을 생성 해야한다. 예를 들어, CNT-형성하는 촉매의 무더기(stack)에서 CNT 성장은, 상기 금속 섬유 물질에 대한 상기 CNT의 주입의 정도를 약화시킬 수 있다. 다른 실시형태에서, 상기 전이 금속 촉매는, 증발 기술(evaporation techniques), 전해질 증착 기술(electrolytic deposition techniques), 및 금속 유기물(metal organic), 금속 염 또는 가스 상 수송을 촉진하는 그 밖의 복합재료와 같은, 플라즈마 공급원료에 상기 전이 금속 촉매의 첨가와 같은, 본 분야의 숙련자에게 알려진 그 밖의 공정을 사용하여 상기 금속 섬유 물질 상에서 증착될 수 있다.

본원 발명의 공정이 지속적으로 될 계획이기 때문에, 스풀가능한 금속 섬유 물질이 침지 코팅 수조가 공간적으로 분리되는 일련의 수조에서 침지-코팅될 수 있다. 초기의 금속 섬유가 처음부터 발생하는 지속적인 공정에서, 침지 수조 또는 CNT-형성하는 촉매의 분무는, 적용되고, 상기 금속 섬유 물질에 대한 장벽 코팅을 부분적으로 경화시키거나 경화시킨 후의 첫 번째 단계일 수 있다(In a continuous process in which nascent metal fibers are being generated de novo, dip bath or spraying of CNT-forming catalyst can be the first step after applying and curing or partially curing a barrier coating to the metal fiber material). 다른 실시형태에서, 상기 CNT-형성하는 촉매는, 장벽 코팅 후에 그 밖의 크기를 부여하는 제제(sizing agents)의 존재에서 새로이 형성된 금속 섬유에 적용될 수 있다. CNT-형성하는 촉매 및 그 밖의 크기를 부여하는 제제의 이러한 동시의 적용은, CNT 주입을 보증하기 위해, 상기 금속 섬유 물질의 상기 장벽 코팅과 함께 표면 접촉에서 상기 CNT-형성하는 촉매를 여전히 제공할 수 있다.

사용된 상기 촉매 용액은, 상기에 기재된 바와 같은 어떠한 d-블록 전이 금속일 수 있는 전이 금속 나노입자일 수 있다. 게다가, 상기 나노입자는, 기본적인 형태 또는 염의 형태, 및 이의 혼합물에서 d-블록 금속의 합금 및 비-합금 혼합물을 포함할 수 있다. 이러한 염의 형태는, 산화물, 탄화물 및 질화물을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다. 비-제한적인 대표적인 전이 금속 NPs는, Ni, Fe, Co, Mo, Cu, Pt, Au, 및 Ag 및 이의 염 및 이의 혼합물을 포함한다. 몇몇의 실시형태에서, 이러한 CNT-형성하는 촉매는, 장벽 코팅 증착과 함께 동시에 상기 금속 섬유 물질에 직접적으로 CNT-형성하는 촉매를 적용하거나 또는 주입함으로써 상기 금속 섬유 상에 배치된다. 이러한 전이 금속 촉매 중의 많은 것은, 예를 들어, Ferrotec Corporation (Bedford, NH)를 포함하는, 많은 공급자로부터 쉽게 상업적으로 입수가능하다.

상기 금속 섬유 물질에 상기 CNT-형성하는 촉매를 적용하기 위해 사용된 촉매 용액은, 이를 통해 균일하게 분산될 상기 CNT-형성하는 촉매를 가능하게 하는 어떠한 공통의 용매에 있을 수 있다. 이러한 용매는, 상기 CNT-형성하는 촉매 나노입자의 적절한 분산액을 형성하기 위해, 물, 아세톤, 헥산, 이소프로필 알코올, 톨루엔, 에탄올, 메탄올, 테트라히드로푸란(THF), 시클로헥산 또는 조절된 극성과 함께 어떠한 다른 용매를 포함할 수 있지만 이로 제한되지 않는다. CNT-형성하는 촉매의 농도는, 약 1 : 1 내지 1 : 10000 촉매 대 용매의 범위에 있을 수 있다. 이러한 농도는, 상기 장벽 코팅 및 CNT-형성하는 촉매가 동시에 적용되는 경우에 사용될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 장벽 코팅된 금속 섬유 물질의 가열이, 상기 CNT-형성하는 촉매의 증착 후에 탄소 나노튜브를 합성하기 위해, 상기 특정한 금속 기판에 따라 약 500 ℃ 내지 1000 ℃에 있는 온도에 있을 수 있다. 이러한 온도에서 가열하는 것은, 하기에 더 설명된 바와 같이, 상기 탄소 공급원료 및 금속 섬유 물질을 위한 특정한 및 분리된 가열 조건이 조절될 수 있을지라도, CNT를 위한 탄소 공급원료의 도입 전에 또는 실질적으로 동시에 수행될 수 있다. 게다가, 상기 사용될 실질적인 온도는 또한, 상기 장벽 코팅의 존재에 의해 완화될 수 있는, 상기 금속 섬유 물질의 온도 용인(temperature tolerance)의 적용일 것이다.

몇몇의 실시형태에서, 본원 발명은, 금속 섬유 물질로부터의 크기를 부여하는 제제를 제거하는 것, 상기 금속 섬유 물질 위에 등각으로 장벽 코팅을 적용하는 것, 상기 금속 섬유 물질에 CNT-형성하는 촉매를 적용하는 것, 적어도 500 ℃로 상기 금속 섬유 물질을 가열하는 것, 및 상기 금속 섬유 물질 상에 탄소 나노튜브를 합성하는 것을 포함하는 공정을 제공한다. 몇몇의 실시형태에서, 상기 CNT-주입 공정의 운영은, 금속 섬유 물질로부터 크기를 부여하는 것을 제거하는 것, 상기 금속 섬유 물질에 장벽 코팅을 적용하는 것, 상기 금속 섬유에 CNT-형성하는 촉매를 적용하는 것, CNT-합성 온도 및 CVD-촉진된 CNT 성장 상기 촉매-포함된 금속 섬유 물질로 상기 섬유를 가열하는 것을 포함한다(operations of the CNT-infusion process include removing sizing from a metal fiber material, applying a barrier coating to the metal fiber material, applying a CNT-forming catalyst to the metal fiber, heating the fiber to CNT-synthesis temperature and CVD-promoted CNT growth the catalyst-laden metal fiber material). 따라서, 통상적인 금속 섬유 물질이 사용된 경우에, CNT-주입된 금속 섬유를 구성하기 위한 공정은, 상기 금속 섬유 물질 상에서 상기 촉매 및 장벽 코팅을 배치하기 전에, 상기 금속 섬유 물질로부터 크기를 부여하는 것을 제거하는 별개의 단계(discrete step of removing sizing from the metal fiber material)를 포함할 수 있다.

탄소 나노튜브를 합성하는 단계는, 참고문헌으로 본원에 의해 포함되는, 공동-계류중인 미국 특허 출원 US 2004/0245088에 기재된 것들을 포함하는, 탄소 나노튜브를 형성하기 위한 수많은 기술을 포함할 수 있다. 본원 발명의 섬유 상에 성장된 상기 CNTs는, 미세-공동(micro-cavity), 열 또는 플라즈마-증진된 CVD 기술, 레이저 증착법(laser ablation), 아크 방전(arc discharge), 및 높은 압력 일산화탄소(high pressure carbon monoxide)(HiPCO)를 포함하지만, 이로 제한되지 않는 본 분야에서 알려진 기술에 의해 수행될 수 있다. CVD 동안에, 특히 이에 대해 배치된 CNT-형성하는 촉매와 함께 장벽 코팅된 금속 섬유 물질이 직접적으로 사용될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 어떠한 통상적인 크기를 부여하는 제제는, CNT 합성 전에 임의적으로 제거될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 아세틸렌 가스(acetylene gas)는, CNT 합성을 위한 차가운 탄소 플라즈마(cold carbon plasma)의 분출구(jet)를 형성하기 위해 이온화된다. 상기 플라즈마는, 상기 촉매-갖는 금속 섬유 물질로 향한다(The plasma is directed toward the catalyst-bearing metal fiber material). 따라서, 몇몇의 실시형태에서, 금속 섬유 물질 상에 CNTs를 합성하는 것은, (a) 탄소 플라즈마를 형성하는 것; 및 (b) 상기 금속 섬유 물질 상에 배치된 상기 촉매로 상기 탄소 플라즈마를 향하는 것(directing the carbon plasma onto said catalyst disposed on the metal fiber material)을 포함한다. 성장된 CNTs의 직경은, 상기에 기재된 바와 같이 상기 CNT-형성하는 촉매의 크기에 의해 부분적으로 영향을 받는다. CNTs의 성장을 개시하기 위해, 두 개의 가스는 상기 반응기 내로 빼낸다 : 아르곤, 헬륨, 또는 질소와 같은 캐리어 또는 공정 가스, 및 아세틸렌, 에틸렌, 에탄올 또는 메탄과 같은 탄소-포함하는 공급원료 가스. CNTs는 상기 CNT-형성하는 촉매의 사이트(sites)에서 성장한다.

몇몇 실시형태에서, 상기 CVD 성장은 플라즈마-증진된 것이다(plasma-enhanced). 플라즈마는 상기 성장 공정 동안에 전기장을 제공함으로써 생성될 수 있다. 이러한 조건 하에 성장된 CNTs는, 전기장의 방향을 따를 수 있다. 따라서, 탄소 나노튜브가 수직으로 배열된 상기 반응기의 기하학(geometry)을 조절함으로써, 원통형 섬유에 대해 방사상으로 성장될 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 플라즈마는 상기 섬유에 대해서 방사상 성장을 위해 필요로 하지 않는다(a plasma is not required for radial growth about the fiber). 테이프, 매트, 섬유, 가닥(plies), 리본, 메쉬, 및 고체 및 구멍이 뚫린 시트와 같은 별개의 면을 가지는 금속 섬유 물질에 대해, 촉매는 하나의 또는 양면 상에 배치될 수 있고, 상대적으로, CNTs는 하나 또는 양면 상에 성장될 수 있다.

상기한 바와 같이, CNT-합성은, 스풀가능한 금속 섬유 물질을 기능화하기 위해 지속적인 공정을 제공하기 위해 충분한 속도로 실행된다. 수많은 장치 배열(apparatus configurations)은, 하기에 설명된 바와 같이 이러한 지속적인 합성을 가능하게 한다.

몇몇의 실시형태에서, CNT-주입된 금속 섬유 물질은 "모든 플라즈마(all plasma)" 공정에서 구성될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 장벽 코팅된 금속 섬유 물질은, 상기 최종의 CNT-주입된 생산물을 형성하기 위해, 수많은 플라즈마-매개된 단계를 통해 통과한다. 상기 플라즈마 공정의 첫 번째는, 섬유 표면 변형(fiber surface modification)의 단계를 포함할 수 있다. 이는 상기한 바와 같이, 촉매 증착을 용이하게 하기 위해, 상기 금속 섬유 물질 상에 상기 장벽 코팅의 표면을 "거칠게 하기(roughing)" 위한 플라즈마 공정이다. 상기에 기재된 바와 같이, 표면 변형은, 아르곤, 헬륨, 산소, 수소 및 질소를 포함하지만, 이로 제한되지 않는 다양한 상이한 가스의 어떠한 하나 또는 그 이상의 플라즈마를 사용하여 달성될 수 있다.

표면 변형 후에, 상기 장벽 코팅된 금속 섬유 물질은 촉매 적용으로 진행된다. 이는, 상기 섬유 상에 상기 CNT-형성하는 촉매를 증착시키기 위한 플라즈마 공정이다. 상기 CNT-형성하는 촉매는 상기에 기재된 바와 같은 일반적으로 전이 금속이다. 상기 전이 금속 촉매는, 가스 상 수송(gas phase transport)을 촉진하기 위한, 자성유체(ferrofluid), 금속 유기물(metal organic), 금속 염 또는 그 밖의 복합재료의 형태로 전구체(precursor)로서 플라즈마 공급원료 가스에 첨가될 수 있다. 상기 촉매는, 진공 또는 불활성 대기가 필요하지 않은 주위 환경에서 실온에서 적용될 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 상기 금속 섬유 물질은 촉매 적용 전에 냉각된다.

모든-플라즈마 공정을 지속하는 것에서, 탄소 나노튜브 합성은 CNT-성장 반응기에서 발생한다. 이러한 것은 플라즈마-증진된 화학적 증기 증착(plasma-enhanced chemical vapor deposition)의 사용을 통해 달성될 수 있고, 탄소 플라즈마가 상기 촉매-포함된 섬유 내로 분사된다. 탄소 나노튜브 성장이 증진된 온도(상기 금속 기판 및 촉매에 따라 약 500 내지 1000 ℃의 범위에 일반적으로 있음)에서 발생하기 때문에, 상기 촉매-포함된 섬유는 상기 탄소 플라즈마에 노출되기 전에 가열될 수 있다. 가열한 후에, 상기 금속 섬유 물질은 상기 탄소 플라즈마를 수용할 준비가 되어 있다. 상기 탄소 플라즈마는, 가스를 이온화할 수 있는 전기장을 통해, 예를 들어, 아세틸렌, 에틸렌, 에탄올 등과 같은 탄소 포함하는 가스를 통과함으로써 생성된다. 이러한 냉각된 탄소 플라즈마는, 스프레이 노즐을 통해, 상기 금속 섬유 물질로 향한다. 상기 금속 섬유 물질은, 상기 플라즈마를 수용하기 위해, 스프레이 노즐의 약 1 센티미터 내와 같은, 상기 스프레이 노즐에 가까운 곳에 있을 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 가열기는, 상기 금속 섬유 물질의 상승된 온도를 유지하기 위해 상기 플라즈마 분무기에서 상기 금속 섬유 물질 상에 배치된다.

지속적인 탄소 나노튜브 합성을 위한 추가적인 계획 배열은, 금속 섬유 물질 상에 직접적으로 탄소 나노튜브의 합성 및 성장을 위한 특정한 직사각형 반응기(rectangular reactor)를 포함한다. 상기 반응기는, 탄소-나노튜브를 갖는 금속 섬유 물질을 생산하기 위한 지속적인 인-라인 공정(continuous in-line process)에서의 용도를 위해 계획될 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, CNTs는, 상기 특정한 금속 기판에 따라 다수의-존 반응기(multi-zone reactor)에서 약 550 ℃ 내지 약 800 ℃의 범위에서 증가된 온도 및 대기압에서 화학 증기 증착(chemical vapor deposition, "CVD") 공정을 통해 성장한다. 상기 합성이 대기압에서 발생하는 사실은, CNT-온-섬유 합성(CNT-on-fiber synthesis)을 위해 지속적인 프로세싱 라인 내로 상기 반응기의 포함을 촉진하는 하나의 인자(factor)이다. 존 반응기와 같은 것을 사용하여 인-라인 지속적인 프로세싱과 일치하는 그 밖의 장점은, CNT 성장이, 본 분야에서의 그 밖의 절차 및 장치 배열에서와 같은, 몇 분(또는 보다 긴)과 대조적으로, 몇 초(seconds)에서 발생하는 점이다.

다양한 실시형태에 따라 CNT 합성 반응기는 하기의 특징을 포함한다 : 직사각형 배열된 합성 반응기(Rectangular Configured Synthesis Reactors) : 본 분야에서 공지된 일반적인 CNT 합성 반응기의 단면적은 원형이다. 예를 들어, 역사상의 이유(원통형 반응기가 실험실에서 종종 사용됨) 및 편리[동적 흐름(flow dynamics)은 원통형 반응기에서 모형을 만드는 것을 쉽게함)를 포함하는 이러한 것에 대한 수많은 이유가 있고, 가열기 시스템은 원형의 튜브(석영 등)을 쉽게 받아들이고, 제조의 용이성이 있다. 상기 원통형의 관례로부터 벗어나, 본원 발명은, 직사각형의 단면적을 갖는 CNT 합성 반응기를 제공한다. 상기 출발을 위한 이유는 하기와 같다 :

1. 상기 반응기에 의해 진행될 수 있는 많은 금속 섬유 물질이 형태에서 평평한 테이프 또는 시트-유사와 같이 상대적으로 평면이기 때문에, 원형의 단면적은 상기 반응기 부피의 비효율적인 사용(use)이다. 이러한 비효율성은, 예를 들어, a) 충분한 시스템 퍼지를 유지하는 것;을 포함하는 원통형의 CNT 합성 반응기에 대한 몇몇의 결점을 야기하고, 증가된 반응기 부피는 가스 퍼지의 동일한 레벨을 유지하기 위해 증가된 가스 흐름 비율을 필요로 한다. 시스템에서의 이러한 결과는 개방 환경(open environment)에서 CNTs의 높은 부피 생산을 위해 불충분한 시스템을 야기한다; b) 증가된 탄소 공급원료 가스 흐름; 상기 a)에 따라, 불활성 기체 흐름에서 상기 상대적인 증가는 증가된 탄소 공급원료 가스 흐름을 필요로 한다. 12K 금속 섬유 토우의 부피가 직사각형 단면적을 갖는 합성 반응기의 전체 부피의 2000 배 미만인 점을 고려한다(Consider that the volume of a 12K metal fiber tow is 2000 times less than the total volume of a synthesis reactor having a rectangular cross section). 동등한 성장 원통형 반응기(즉, 직사각형 단면적 반응기로서 상기 동일한 평면화된 금속 섬유 물질을 제공하는 너비를 갖는 원통형 반응기)에서, 상기 금속 섬유 물질의 부피는 상기 챔버의 부피의 17,500 배 미만이다(the volume of the metal fiber material is 17,500 times less than the volume of the chamber). CVD와 같은, 가스 증착 공정이 오직 압력 및 온도에 의해 일반적으로 좌우될지라도, 부피는 증착의 효율 상에서 현저한 영향을 갖는다. 직사각형 반응기와 함께, 이는 여전히 과량의 부피이다(there is a still excess volume). 이러한 과량의 부피는 원하지 않는 반응을 촉진한다 ; 게다가, 원통형의 반응기는 상기 부피의 약 8 배를 작다. 발생하기 위해 반응을 경쟁하기 위한 이러한 보다 큰 기회로 인하여, 상기 원하는 반응은 효율적으로, 원통형 반응기 챔버에서 보다 느리게 발생한다. CNT 성장에서 이러한 속도를 늦추는 것은 지속적인 공정의 발달을 위해 문제가 있다. 직사각형 반응기 배열의 하나의 장점은, 이러한 부피 비율을 보다 좋게 하고, 반응을 보다 효율적으로 하도록, 상기 직사각형 챔버에 대한 작은 높이를 사용함으로써 감소될 수 있다. 본원 발명의 몇몇의 실시형태에서, 직사각형 합성 반응기의 전체 부피는, 상기 합성 반응기를 통해 통과하는 금속 섬유 물질의 전체 부피보다 단지 약 3000 배 더 많다(the total volume of a rectangular synthesis reactor is no more than about 3000 times greater than the total volume of a metal fiber material being passed through the synthesis reactor). 몇몇의 추가적인 실시형태에서, 상기 직사각형 합성 반응기의 전체적인 부피는, 상기 합성 반응기를 통해 통과하는 상기 금속 섬유 물질의 상기 전체적인 부피보다 단지 약 400 배 더 많다. 몇몇의 여전히 추가적인 실시형태에서, 상기 직사각형 합성 반응기의 전체적인 부피는, 상기 합성 반응기를 통해 통과하는 상기 금속 섬유 물질의 전체적인 부피보다 더 많은 약 10,000 배 미만이다(the total volume of the rectangular synthesis reactor is less than about 10,000 times greater than the total volume of the metal fiber material being passed through the synthesis reactor). 추가적으로, 원통형 반응기를 사용한 경우에, 보다 탄소 공급원료 가스가 직사각형의 단면적을 갖는 반응기와 비교한 바와 같은 동일한 흐름 퍼센트를 제공하기 위해 필요로 한 것임이 주목하라. 몇몇의 실시형태에서, 상기 합성 반응기가 직사각형이 아닌 다각형의 형태에 의해 기재된 교차면을 갖지만, 이에 유사한 상대적인 단면적을 갖고, 원형의 단면적을 갖는 반응기에 상대적인 반응기 부피에서 유사한 감소를 제공하는 것임을 인지하여야 한다; c) 문제가 있는 온도 분포; 상대적인 작은 직경 반응기가 사용된 경우에, 상기 챔버의 센터로부터 이의 월까지의 온도 기울기가 최소이다. 그러나, 상업의-규모 생산을 위해 사용된 바와 같이, 증가된 크기와 함께, 상기 온도 기울기는 증가한다. 이러한 온도 기울기는, 금속 섬유 물질 가로질러 생산물 품질 변화(product quality variations)를 결과적으로 나타낸다(즉, 생산물 품질은 방사상의 위치의 기능으로서 다양하다). 이러한 문제는, 직사각형 단면적을 갖는 반응기를 사용한 경우에 실질적으로 피해진다. 특히, 평면 기판이 사용된 경우에, 반응기 높이는 상기 기판의 규모의 크기가 위쪽으로 향한 바와 같이 일정하게 유지될 수 있다(when a planar substrate is used, reactor height can be maintained constant as the size of the substrate scales upward). 상기 반응기의 위(top)와 아래(bottom) 사이의 온도 기울기는 근본적으로 무시할 수 있고, 결과로, 발생할 수 있는 열 문제 및 상기 생산물-품질 변화가 피해진다(Temperature gradients between the top and bottom of the reactor are essentially negligible as well and, as a consequence, thermal issues and the product-quality variations that can result are avoided).

2. 가스 도입(Gas introduction): 관으로 된 용광로가 본 분야에서 일반적으로 사용되기 때문에, 전형적인 CNT 합성 반응기는 하나의 말단에서 가스를 도입하고, 상기 반응기를 통해 이를 다른 말단(the other end)으로 끌어낸다. 본원에 나타낸 몇몇의 실시형태에서, 가스는, 상기 반응기의 위와 아래 면을 통해 또는 상기 면을 통해, 대칭적으로, 타겟 성장 존(target growth zone) 내에 또는 상기 반응기의 센터에 도입될 수 있다. 이는, 상기 도입되는 공급원료 가스가 CNT 성장이 가장 활발한, 상기 시스템의 가장 뜨거운 부분에서 지속적으로 보충되기 때문에, 전제적인 CNT 성장 비율을 개선한다. 이러한 끊임없는 가스 보충은, 직사각형의 CNT 반응기에 의해 나타낸 상기 증가된 성장 속도에 대한 중요한 측면이다.

구역 설정(Zoning). 상대적으로 냉각된 퍼지 존(relatively cool purge zone)을 제공하는 챔버는, 상기 지속적인 공정에서 사용된 상기 직사각형 합성의 둘 다의 말단으로부터 의존한다. 출원인은, 가장 뜨거운 가스가 상기 외부의 환경(즉, 상기 반응기의 외부)와 혼합된다면, 상기 금속 섬유 물질의 저하(degradation)에서의 증가가 있음을, 알아내었다. 상기 냉각된 퍼지 존은, 상기 내부의 시스템과 외부의 환경 사이의 완충용액(buffer)을 제공한다. 전형적으로 본 분야에서 알려진 전형적인 CNT 합성 반응기는, 상기 기판이 조심스럽게(및 천천히) 냉각됨을 필요로 한다. 상기 본원의 직사각형의 CNT 성장 반응기의 출구에서 상기 냉각 퍼지 존은, 상기 지속적인 인-라인 프로세싱에 필요로 한 바와 같은, 짧은 기간에서의 냉각을 달성한다.

비-접촉, 뜨거운-월(hot-walled), 금속성 반응기. 몇몇 실시형태에서, 금속으로 만들어진 뜨거운-월 반응기, 특히 스테인리스 강이 사용되었다. 금속, 및 특히 스테인리스 강이 탄소 증착에 보다 민감하기 때문에(즉, 그을음 및 부산물 형성) 이는 반직관적임(counterintuitive)을 나타낼 수도 있다. 따라서, 대부분의 CNT 반응기 배열은 보다 적은 탄소 증착 때문에 쿼츠 반응기(quartz reactor)를 사용하고, 쿼츠는 세척하기 보다 쉽고, 쿼츠는 샘플 관찰을 용이하게 한다. 그러나, 출원인은, 스테인리스 강 상의 증가된 그을음 및 탄소 증착이 보다 일관적이고, 보다 빠르고, 보다 효율적이고 보다 안정된 CNT 성장을 결과적으로 나타냄을 관찰하였다. 이론에 의해 얽매임이 없이, 대기의 운영과 함께(in conjunction with atmospheric operation), 상기 반응기에서 발생하는 상기 CVD 공정은 제한된 확산(diffusion)임을 나타내고 있다. 즉, 상기 촉매가 "너무 많이 공급된다(overfed)"; 너무 많은 탄소는, [만약 상기 반응기가 부분 부피 하에서 작용했을 때보다(than if the reactor was operating under partial vacuum)] 이의 상대적으로 높은 부분압으로 인하여 상기 반응기 시스템에서 이용할 수 있다. 결과로서, 개방 시스템에서 - 특히 깨끗한 것(clean one) - 너무 많은 탄소가 CNTs를 합성하도록 이들의 능력을 위태롭게 하는, 촉매 입자에 부착될 수 있다(As a consequence, in an open system - especially a clean one - too much carbon can adhere to catalyst particles, compromising their ability to synthesize CNTs). 몇몇의 실시형태에서, 상기 반응기가 상기 금속성 반응기 월 상에 증착된 그을음과 함께 있는 "더러운(dirty)" 것인 경우에 상기 직사각형 반응기는 의도적으로 운영된다(run). 탄소가 상기 반응기의 월 상에 단일층에 대한 증착된 때에, 탄소는 이 자체로 쉽게 증착될 것이다. 몇몇의 이용할 수 있는 탄소가 이러한 매커니즘으로 인하여 "철회되기(withdrawn)" 때문에, 라디컬(radicals)의 형태에서, 잔여하는 탄소 공급원료가 상기 촉매를 오염시키지 않는 속도로 상기 촉매와 반응한다. 만약 이들이 지속적인 프로세싱을 위한 개방된다면, 존재하는 시스템은 "깨끗하게(cleanly)" 운영되고, 감소된 성장 속도에서 CNTs의 보다 낮은 수득률을 생산한다(Existing systems run "cleanly" which, if they were open for continuous processing, would produce a much lower yield of CNTs at reduced growth rates).

이는 상기에 기재된 바와 같이 CNT 합성 "더럽게(dirty)" 실행되기 위해 일반적으로 이로울지라도, 가스 다면체(gas manifolds) 및 주입구(inlet)와 같은, 상기 장치의 특정한 부분이, 그을음이 장애물(blockage)을 형성한 경우에, 그럼에도 불구하고 상기 CNT 성장 공정을 부정적으로 영향을 줄 수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위해, 상기 CNT 성장 반응 챔버의 이러한 영역은, 실리카, 알루미나, 또는 MgO와 같은 코팅을 방해하는 그을음과 함께 보호될 수 있다. 실제는, 상기 장치의 이러한 부분이, 코팅을 방해하는 이러한 그을음에서 침지-코팅될 수 있다(dip-coated). INVAR이 보다 높은 온도에서의 코팅의 적절한 부착을 보장하고, 임계 지역(critical zones)에서 현저하게 돋음으로부터 상기 그을음을 예방하는 유사한 CTE를 갖는 바와 같이, INVAR®과 같은 금속은 이러한 코팅과 함께 사용될 수 있다[Metals such as INVAR® can be used with these coatings as INVAR has a similar CTE (coefficient of thermal expansion) ensuring proper adhesion of the coating at higher temperatures, preventing the soot from significantly building up in critical zones].

결합된 촉매 환원(Combined Catalyst Reduction) 및 CNT 합성. 본원에 나타낸 상기 CNT 합성 반응기에서, 촉매 환원 및 CNT 성장 둘 다가 상기 반응기 내에서 발생한다. 이는 만약 분리된 운영으로서 실행한다면, 지속적인 공정에서 사용을 위한 시기적절하게 충분하게 성취되지 않을 수 있기 때문에, 이는 중요하다. 본 분야에서 공지된 전형적인 공정에서, 환원 단계는 실행을 위해 전형적으로 1 내지 12 시간이 걸린다. 운영 둘 다는, 원통형의 반응기를 사용하여 본 분야에서 전형적인 바와 같이, 탄소 공급원료 가스가 말단이 아니라, 상기 반응기의 센터에서 도입되는 사실로 인하여, 적어도 부분적으로 본원 발명에 따른 반응기에서 발생한다(Both operations occur in a reactor in accordance with the present invention due, at least in part, to the fact that carbon feedstock gas is introduced at the center of the reactor, not the end as would be typical in the art using cylindrical reactors). 상기 환원 공정은 상기 섬유가 열존(heated zone)을 통과하는 것과 같이 발생한다; 이러한 시점에 의해, 상기 가스는, 상기 월과 반응하기 위한 시간을 가지고, 촉매와 반응하고, 산화-환원[수소 라디칼 상호작용을 통해(via hydrogen radical interactions)]을 일으키기 전에, 냉각되는 시간을 갖는다. 이는 상기 환원이 발생하는 이러한 전이 영역이다. 상기 시스템에서 가장 뜨거운 지열항온대에서, 상기 CNT 성장은, 상기 반응기의 중심에 가까운 상기 가스 주입구에 인접하여 발생하는 가장 큰 성장 속도로 발생한다.

저온 시스템은, 낮은 용융 또는 특히 온도 민감성, 금속 섬유 물질의 경우에 특히 사용될 수 있다. 이러한 시스템은, 성장 챔버, 가열기, 금속 섬유 물질원(metal fiber material source), 탄소 공급 가스원(carbon feed gas source), 프로세스 또는 캐리어 가스 원, 가스 예비-가열기(gas pre-heater), 및 조절기(controller)를 포함한다.

몇몇 실시형태에서, 성장 챔버는 오픈-에어 지속적인 작동, 반응기를 통한 흐름이다(growth chamber is an open-air continuous operation, flow through reactor). 상기 시스템은 몇몇의 실시형태에서 대기압에서 운영될 수 있고, 다른 실시형태에서 감압(reduced pressures)에서 운영될 수 있다. 상기 성장 챔버는, 금속 섬유 물질이 하나의 말단으로부터 들어가고, 지속적으로 제2 말단으로부터 떠나는 것을 통해 작은 부피 공동(small volume cavity)(나타내지 않음)을 포함하고, 이로 인하여 상기 금속 섬유 물질 상의 탄소 나노튜브의 지속적인 합성을 용이하게 한다. 예를 들어, 토우(tow)와 같은, 금속 섬유 물질은, 상류원(upstream source)으로부터 금속 섬유의 지속적인 공급을 가능하게 한다.

탄소 공급 가스를 포함하는 가스 혼합물 및 공정 또는 캐리어 가스는, 상기 챔버 공동(chamber cavity) 내에 지속적으로 공급될 수 있다. 상기 성장 챔버는, 일반적으로 H-형성된 배열(H-shaped configuration)에서 배열된, 두 개의 수직의 막(two vertical members) 및 두 개의 수평선의 막(two horizontal members)에 의해 형성될 수 있다. 상기 성장 챔버는, 상기 CNT 성장 속도를 증가시키기 위해 상기에 기재된 바와 같은, 작은 동공 부피를 갖는다. 적절한 장벽 코팅 및 CNT-형성하는 촉매를 갖는 금속 섬유 물질은, 상기 동일한 조절기에 의해 유지된 제1 온도 T1에서 조절기, 또는 임의적으로 제1 조절기에 작동가능하게 연결된 분리된 조절기(separate controller operably-linked to the first controller)에 의해 결정된 속도에서 하나의 말단에서의 성장 챔버를 통해 통과한다. 온도 T1은 상기 금속 섬유 물질 상에서 탄소 나노튜브의 성장을 가능하게 하도록 충분하게 높지만, 상기 금속 섬유 물질의 물리적 및 화학적 특성을 불리한 영향을 주도록 높지 않다(Temperature T1 is sufficiently high to allow the growth of carbon nanotubes on the metal fiber material, but not so high as to adversely impact the physical and chemical properties of the metal fiber material). 상기 섬유의 온전함은 또한, 단열재(thermal insulator)로서 작용할 수 있는, 상기 장벽 코팅의 존재에 의해 보호될 수 있다. 예를 들어, 제1 온도 T1은 약 350 내지 650 ℃일 수 있다. 예비-가열된 탄소 공급원료 및 어떠한 캐리어 가스는, 상기 금속 섬유 물질 상에서 CNT 합성을 용이하기 하기 위한, 온도 T2, T1 보다 더 높은 온도에서 제공된다. CNT 합성 후에, 상기 금속 섬유 물질은 상기의 정 반대쪽 끝(the opposite end)에서, 상기 성장 챔버를 떠난다(exits). 거기로부터, 상기 CNT-주입된 금속 섬유 물질은, 크기를 부여하는 제제(sizing agents)의 적용과 같은 수많은 CNT 성장후 프로세싱 단계(post CNT growth processing steps)를 받을 수 있다.

가열기는 상기 성장 챔버의 동공을 가열하고, 예비-세트 레벨(pre-set level)에서 상기 챔버의 운용상의 온도 T1(operational temperature T1)을 유지한다. 몇몇의 실시형태에서, 상기 조절기에 의해 통제되는, 상기 가열기는, 수평선의 막의 각각에 포함된 가열하는 코일(heating coil)의 형태를 취한다. 상기 수평선 막은 작은 부피 공동을 제공하기 위해 가까이 간격을 두기 때문에(Because the horizontal members are closely spaced to provide a small volume cavity), 상기 금속 섬유 물질이 통과를 통한 간격(gap)은, 어떠한 큰 온도 구배 없이 균일하게 가열된다. 따라서, 상기 가열기는, 상기 성장 챔버를 통해 균일한 가열을 제공하기 위한 상기 수평선의 막의 표면을 가열한다. 몇몇의 실시형태에서, 상기 수평선의 막 사이의 간격은 약 1 내지 약 25 mm 이다.

상기 금속 섬유 물질 원(metal fiber material source)은, 상기 성장 챔버에 대한 상기 금속 섬유 물질을 지속적으로 공급하는데 적합할 수 있다. 전형적인 금속 섬유 물질은, 상기 본원에 기재된 바와 같이, 토우, 실(yarn), 직물(fabric), 또는 그 밖의 형태로서 공급될 수 있다. 탄소 공급 가스 원은 가스 예비-가열기와 함께 유체 전달에 있다(A carbon feed gas source is in fluid communication with a gas pre-heater). 상기 가스 예비-가열기는, 상기 성장 챔버의 뜻하지 않은 가열(unintentional heating)을 예방하기 위해 상기 성장 챔버로부터 열에 의해 분리된다. 게다가, 상기 가스 예비-가열기는, 상기 환경으로부터 열로 절연된다. 상기 가스 예비-가열기는, 가스 흐름에서 저항성 가열 토치(resistive heat torches), 전기 저항적으로 가열된 세라믹 가열기 내부에 가열된 코일 튜브(coiled tubes), 유도 가열(induction heating), 뜨거운 필라멘트(hot filaments)를 포함할 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 탄소 공급 가열 원(carbon feed gas source) 및 프로세스 가스는, 상기 예비-가열기에 공급되기 전에 혼합된다. 상기 탄소 공급 가스원은, 상기 탄소 공급이, CNT 성장을 용이하게 하는, 상기 금속 섬유 물질 상에 배치된 상기 CNT-형성하는 촉매의 존재에서, 상기 필요한 프리 탄소 라티칼 내로 열에 의해 "갈라진(cracked)" 또는 분리되도록, 온도 T2로 상기 예비-가열기에 의해 가열된다. 몇몇의 실시형태에서, 상기 탄소 공급 가스 원은 아세틸렌이고, 상기 프로세스 가스는 질소, 헬륨, 아르곤 또는 이의 혼합물이다. 상기 탄소 공급 원으로서 아세틸렌 가스는, 이들의 산화 형태에 있는, 전이 금속 나노입자 촉매를 환원시키기 위해, 상기 성장 챔버 내로 수소를 도입하는 분리된 공정에 대한 필요를 제거한다. 상기 탄소 공급 가스 원 및 프로세스 가스의 흐름 속도는 또한, 상기 조절기, 또는 제1 조절기에 작동가능하게 연결된 또 다른 조절기에 의해 유지될 수 있다.

상기 조절기가, 상기에 상세한 바와 같이, 상기 시스템 파라미터를 독립적으로 감지, 모니터 및 조절하는데 적합할 수 있음을 이해한다. 상기 조절기(다수의 조절기들)은, 파라미터 데이터를 받아들이고, 조절 파라미터(control parameters) 또는 수동 조절 배열(manual control arrangement)의 다양한 자동화된 조절을 실행하는, 집적된, 자동화된 컴퓨터화된 시스템 조절기일 수 있다.

몇몇의 실시형태에서, 아세틸렌을 포함하는 탄소 공급 가스가, 약 550 내지 1000 ℃ 사이일 수 있는, 온도 T2로 가열되고, 상기 성장 챔버 내로 공급된 경우에, 상기 아세틸렌은, 상기 금속 섬유 물질 상의 상기 촉매의 존재에서 탄소 및 수소로 분리된다. 상기 더 높은 온도 T2 는 아세틸렌의 빠른 분리를 촉진하지만, 이는 더 낮은 온도 T1에서 챔버 온도를 유지하면서, 상기 예비-가열기에서 외부적으로 가열되기 때문에, 상기 금속 섬유 물질의 온전함(integrity)은 CNT 합성 동안에 보존된다.

대체적으로, 확산기(diffuser)는 상기 예비-가열기와 상기 성장 챔버 사이에 배치된다. 상기 확산기는, 상기 성장 챔버에서 상기 금속 섬유 물질 상에 상기 탄소 공급 가스 및 프로세스 가스 혼합물(process gas mixture)의 균일 분포를 제공한다. 몇몇의 실시형태에서, 상기 확산기는 가스 수송을 위한 균일하게 분포된 장치와 함께 플레이트(plate)의 형태를 취한다. 몇몇 실시형태에서, 상기 확산기는 상기 성장 챔버의 선택된 부분(selected section)을 따라 확장한다. 대체적인 실시형태에서, 상기 확산기는 상기 성장 챔버의 전체를 따라 확장한다. 상기 확산기는, 수직의 막을 따라 수평선의 방향에서 상기 성장 챔버에 인접하게 배치될 수 있다. 여전히 다른 실시형태에서, 상기 확산기는 상기 막을 따라 수직의 방향에서 상기 성장 챔버에 인접하게 배치된다. 또 다른 실시형태에서, 상기 확산기는 상기 예비-가열기 내로 포함된다.

몇몇의 실시형태에서, 토우와 같은 느슨하게 연결된 금속 섬유 물질이 사용된 경우에, 상기 지속적인 공정은, 상기 토우의 스트랜드(strands) 및/또는 필라멘트를 떨어져 나가게 하는 단계를 포함할 수 있다(when loosely affiliated metal fiber materials, such as a tow are employed, the continuous process can include steps that spread out the strands and/or filaments of the tow). 따라서, 토우가 풀어지는 때에, 이는 예를 들어 진공-기초된 섬유 풀어지는 시스템(vacuum-based fiber spreading system)을 사용하여 풀어질 수 있다. 상대적으로 뻣뻣할 수 있는, 크기가 부여된 금속 섬유 물질(sized metal fiber materials)을 사용한 경우에, 추가적인 가열은, 섬유 풀어짐(fiber spreading)을 촉진하기 위한 상기 토우를 "부드럽게(soften)" 하도록 사용될 수 있다. 개별적인 필라멘트를 포함하는 상기 스프레드 섬유(spread fibers)는, 상기 필라멘트의 전체적인 표면적을 드러내도록 충분하게 떨어져 펼쳐질 수 있고, 따라서 상기 토우가 다음의 공정 단계에서 보다 효율적으로 반응하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 상기 스프레드 금속 섬유 토우는, 상기한 바와 같은 장벽 코팅 및/또는 플라즈마 시스템으로 구성된 표면 처리 단계를 통해 통과할 수 있다. 그리고 난 다음에 상기 거칠어진(roughened) 및/또는 코팅된, 스프레드 섬유는 CNT-형성하는 촉매 침지 수조(CNT-forming catalyst dip bath)를 통해 통과할 수 있다. 상기 결과는, 이들의 표면 상에 방사상으로 분포된 촉매 입자를 갖는, 상기 금속 섬유 토우의 섬유이다. 그리고 난 다음에, 상기 토우의 촉매-포함된 섬유는, 상기한 바와 같은 가스 예비-가열기가 갖춰진 상기 직사각형의 챔버와 같은, 적절한 CNT 성장 챔버를 통과하고, 상기 CNT 성장 챔버는, 대기압 CVD 또는 PE-CVD 공정을 통한 흐름이, 초당 약 0.1 내지 10 미크론을 포함하는, 초 당 몇몇까지의 미크론의 속도로 상기 CNTs를 합성하는데 사용된다. 현재 방사상으로 배열된 CNTs와 함께, 상기 토우의 섬유는, 상기 CNT 성장 반응기를 나간다.

몇몇의 실시형태에서, CNT-주입된 금속 섬유 물질은, 몇몇의 실시형태에서, 상기 CNTs를 기능화하는데 사용된 플라즈마 공정인, 또 다른 처리 공정을 통해 통과할 수 있다. CNTs의 추가적인 기능화(functionalization)는, 특정한 수지에 이들의 접착을 촉진하는데 사용될 수 있다. 따라서, 몇몇의 실시형태에서, 본원 발명은, 기능화된 CNTs를 갖는 CNT-주입된 금속 섬유 물질을 제공한다.

스풀가능한 금속 섬유 물질의 지속적인 프로세싱의 일부로서, 상기 CNT-주입된 금속 섬유 물질은, 최종 생산물에서 유리할 수 있는, 어떠한 추가적인 크기를 부여하는 제제를 적용하기 위해 침지 수조에 크기의 부여를 통해 더 통과할 수 있다(As part of the continuous processing of spoolable metal fiber materials, the a CNT-infused metal fiber material can further pass through a sizing dip bath to apply any additional sizing agents which can be beneficial in a final product). 최종적으로, 만약 습식 윈딩(wet winding)이 바람직하다면, 상기 CNT-주입된 금속 섬유 물질은 수지 수조를 통해 통과할 수 있고, 맨드릴 또는 스풀 상에서 감긴다(wound on a mandrel or spool). 결과적으로 생성된 금속 섬유 물질/수지 조합은, 보다 쉬운 처리 및 복합재료 제조를 가능하게 하기 위한 상기 금속 섬유 물질 상의 상기 CNTs를 고정한다(locks). 몇몇의 실시형태에서, CNT 주입은 개선된 필라멘트 와인딩을 제공하는데 사용된다. 따라서, 금속 토우와 같은 금속 섬유 상에 형성된 CNTs는, 수지-주입된, CNT- 금속 토우(resin-impregnated, CNT-infused metal tow)를 생산하기 위해 수지 수조를 통해 통과한다. 수지 주입 후에, 상기 금속 토우는, 수송 윗 부분에 의해 회전하는 맨드릴의 표면 상에 배치될 수 있다(After resin impregnation, the metal tow can be positioned on the surface of a rotating mandrel by a delivery head). 그리고 난 다음에, 상기 토우는, 공지된 방식으로, 정확한 기하학적 패턴에서 상기 맨드릴 위로 손상될 수 있다(The tow can then be wound onto the mandrel in a precise geometric pattern in known fashion).

상기에 기재된 상기 와인딩 공정은, 파이프, 튜브, 또는 볼록형 몰드(male mol)를 통해 특징적으로 생산된 바와 같은 그 밖의 형태를 제공한다. 그러나, 본원 기재된 상기 와인딩 공정으로부터 제조된 상기 형태는, 통상적인 필라멘트 와인딩 공정을 통해 생산된 것들과 상이하다. 명확하게, 본원에 나타낸 공정에서, 상기 형태는, CNT-주입된 토우를 포함하는 복합재료 물질로부터 제조된다. 따라서, 이러한 형태는, 상기 CNT-주입된 토우에 의해 제공된 바와 같이, 증진된 강도(enhanced strength) 등으로부터의 유용할 것이다.

몇몇의 실시형태에서, 스풀가능한 금속 섬유 물질 상의 CNTs의 주입을 위한 지속적인 공정은, 약 0.5 ft/min 내지 약 36 ft/min의 라인속도(linespeed)를 성취할 수 있다. 이러한 실시형태에서, 상기 시스템은 3 피트 길고, 750 ℃의 성장 온도에서 운영되는 경우에, 상기 공정은, 예를 들어, 약 1 미크론 내지 약 10 미크론 사이의 길이를 갖는 CNTs를 생산하기 위한 약 6 ft/min 내지 약 36 ft/min의 라인속도와 함께 운영될 수 있다. 상기 공정은, 예를 들어, 약 10 미크론 내지 약 100 미크론 사이의 길이를 갖는 CNTs를 생산하기 위한 약 1 ft/min 내지 약 6 ft/min의 라인속도와 함께 운영될 수 있다. 상기 공정은, 예를 들어, 약 100 미크론 내지 약 200 미크론 사이의 길이를 갖는 CNTs를 생산하기 위한 약 0.5 ft/min 내지 약 1 ft/min의 라인속도와 함께 운영될 수 있다. 상기 CNT 길이는 라인속도 및 성장 온도만으로 고정되지 않지만, 상기 탄소 공급원료 및 상기 불활성 캐리어 가스의 흐름 속도가 또한 CNT 길이에 영향을 줄 수 있다.

몇몇 실시형태에서, 하나 초과의 금속 섬유 물질은 상기 공정을 통해 동시적으로 운영될 수 있다. 예를 들어, 다수의 테이프 토우, 필라멘트, 스트랜드 등은 동시에 상기 공정을 통해 운영될 수 있다. 따라서, 많은 금속 섬유 물질의 전-제조된 스풀은, 상기 공정을 통해 동시에 운영될 수 있고, 상기 프로세스의 말단에서 다시 풀려질 수 있다(any number of pre-fabricated spools of metal fiber material can be run in parallel through the process and re-spooled at the end of the process). 동시에 작용될 수 있는 풀려진 금속 섬유 물질(spooled metal fiber materials)의 수는, 하나, 둘, 셋, 넷, 다섯, 여섯, 상기 CNT-성장 반응 챔버의 너비에 의해 제공될 수 있는 어떠한 수까지를 포함할 수 있다. 게다가, 다수의 금속 섬유 물질이 상기 공정을 통해 운영된 경우에, 수집 스풀의 수는 상기 공정의 출발에서 스풀의 수 미만일 수 있다(Moreover, when multiple metal fiber materials are run through the process, the number of collection spools can be less than the number of spools at the start of the process). 이러한 실시형태에서, 금속 실 또는 토우 등은, 직물(woven fabric) 등과 같은 고차의 금속 섬유 물질 내로 이러한 금속 섬유 물질을 결합하는 추가적인 공정을 통해 보내질 수 있다. 상기 지속적인 공정은 또한, 예를 들어, 형성 CNT-주입된 금속 절단된 섬유 매트(formation CNT-infused metal chopped fiber mats)를 용이하게 하는 나중의 프로세싱 절단(post processing chopper)을 포함할 수 있다.

몇몇 실시형태에서, 본원 발명의 공정은, 상기 금속 섬유 물질 상에서 첫 번째 양의 탄소 나노튜브의 제1 타입을 합성하는 것을 가능하게 하고, 상기 제1 타입의 탄소 나노튜브가 상기 금속 섬유 물질의 적어도 하나의 제1 특성을 변경하기 위해 선택된다(processes of the invention allow for synthesizing a first amount of a first type of carbon nanotube on the metal fiber material, in which the first type of carbon nanotube is selected to alter at least one first property of the metal fiber material). 그 후에, 본원 발명의 공정은, 상기 금속 섬유 물질 상에서 두 번째 양의 탄소 나노튜브의 제2 타입을 합성하는 것을 가능하게 하고, 상기 두 번째 타입의 탄소 나노튜브는 상기 금속 섬유 물질의 적어도 하나의 제2 특성을 변경하기 위해 선택된다.

몇몇 실시형태에서, CNTs의 첫 번째 양 및 두 번째 양은 상이하다. 이는 상기 CNT 타입에서의 변화에 의해 동반될 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 따라서, CNTs의 밀도를 다양하게 하는 것은, 상기 CNT 타입이 변하지 않는 것으로 남아있더라도, 원래의 금속 섬유 물질의 특성을 변경하는데 사용될 수 있다. CNT 타입은 예를 들어, CNT 길이(length) 및 월의 수(the number of walls)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 첫 번째 양과 두 번째 양은 동일하다. 만약 상이한 특성이, 상기 스풀가능한 물질(spoolable material)의 두 개의 상이한 스트레치(stretches)를 따라, 이러한 경우에 바람직하다면, 상기 CNT 타입은 상기 CNT 길이와 같이, 변화될 수 있다. 예를 들어, 보다 긴 CNTs가 전기적인/열의 적용에서 유용할 수 있는 반면에, 보다 짧은 CNTs가 기계적인 강화 적용에서 유용할 수 있다.

상기 금속 섬유 물질의 특성을 변경하는 것과 관련하여 상기에 언급된 내용을 고려하여, 탄소 나노튜브의 제1 타입 및 탄소 나노튜브의 제2 타입은 몇몇의 실시형태에서 동일할 수 있는 반면에, 탄소 나노튜브의 제1 타입과 탄소 나노튜브의 제2 타입은 다른 실시형태에서 상이할 수 있다. 비슷하게, 제1 특성 및 제2 특성은 몇몇 실시형태에서 동일할 수 있다. 예를 들어, 상기 EMI 차폐 특성은 첫 번째 양 및 CNTs의 타입 및 두 번째 양 및 CNTs의 타입에 의해 다뤄진 흥미로운 특성일 수 있지만, 이러한 특성에서 변화의 정도는 사용된 CNTs의 타입 및/또는 상이한 양에 의해 반영된 바와 같이, 상이할 수 있다(For example, the EMI shielding property can be the property of interest addressed by the first amount and type of CNTs and the 2nd amount and type of CNTs, but the degree of change in this property can be different, as reflected by differing amounts, and/or types of CNTs employed). 최종적으로, 몇몇의 실시형태에서, 제1 특성 및 제2 특성이 상이할 수 있다. 이는 CNT 타입에서의 변화를 반영할 수도 있다. 예를 들어, 상기 제1 특성은 보다 짧은 CNTs와 함께 기계적인 강도일 수도 있는 반면에, 제2 특성은 보다 긴 CNTs와 함께 전기적인/열의 특성일 수 있다. 본 분야의 숙련자는, 예를 들어, 상기 CNTs에서 상이한 CNT 밀도, CNT 길이, 및 단일 월, 이중-월, 및 다중-월과 같은 다수의 월의 사용을 통해, 상기 금속 섬유 물질의 특성을 조정하기 위한 능력을 인식할 것이다.

몇몇 실시형태에서, 본원 발명의 공정은, 금속 섬유 물질 상의 탄소 나노튜브의 첫 번째 양을 합성하는 것을 제공하고, 이러한 첫 번째 양은 상기 탄소 나노튜브-주입된 금속 섬유 물질이 상기 금속 섬유 물질 이 자체에 의해 나타내는 제1 그룹의 특성과 상이한 제2 그룹의 특성을 나타내는 것을 가능하게 하도록 한다. 그것은, 인장 강도와 같은, 상기 금속 섬유 물질의 하나 또는 그 이상의 특성을 변경할 수 있는 양을 선택하는 것이다. 제1 그룹의 특성 및 제2 그룹의 특성은 적어도 하나의 상기 동일한 특성을 포함할 수 있고, 따라서 상기 금속 섬유 물질의 이미 존재하는 특성을 증진시키는 것을 나타낸다. 몇몇의 실시형태에서, CNT 주입은, 상기 금속 섬유 물질 이 자체에 의해 나타낸 상기 제1 그룹의 특성 중에서 포함되지 않는, 상기 탄소 나노튜브-주입된 금속 섬유 물질에 대한 제2 그룹의 특성을 줄 수 있다.

몇몇 실시형태에서, 탄소 나노튜브의 첫 번째 양은, 상기 탄소 나노튜브-주입된 금속 섬유 물질의 인장 강도, 영률(Young's Modulus), 전단 강도, 전단 탄성률, 인성(toughness), 압축 강도(compression strength), 압축 모듈(compression modulus), 밀도, EM 파장 흡수성/반사율(EM wave absorptivity/reflectivity), 음향 투과성(acoustic transmittance), 전기 전도성 및 열 전도율(thermal conductivity)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 특성의 수치가 상기 금속 섬유 물질 이 자체의 동일한 특성의 수치와 상이하도록 선택된다.

인장 강도는 세 개의 상이한 측정을 포함할 수 있다: 1) 물질 압력(material strain)이 탄성 변형으로부터 상기 물질이 불변으로 변형되는 것을 초래하는 소성 변형(plastic deformation)까지의 변하는 압박을 평가하는 항복강도(Yield strength); 2) 물질이 장력, 압축 또는 전단(shearing)을 하는 경우에 견딜 수 있는 최대한의 압박(maximum stress)을 평가하는 극한 강도(Ultimate strength); 및 3) 파열 시점에서 응력-변형 곡선에서 동등한 상기 압박을 평가하는 파괴 강도(Breaking strength). 특히, 다수 월 탄소 나노튜브는, 성취될 63 GPa의 인장 강도와 함께, 아직 측정되지 않은 어떠한 물질의 가장 높은 인장 강도를 갖는다. 게다가, 이론적인 계산은 약 300 GPa의 CNTs의 가능한 인장 강도를 나타낸다. 따라서, CNT-주입된 금속 섬유 물질은, 상기 부모 금속 섬유 물질과 비교한 실질적으로 더 높은 궁극적인 강도를 갖는 것으로 예상된다. 상기한 바와 같이, 인장 강도에서의 증가는, 상기 금속 섬유 물질 상의 밀도 및 분포 뿐만 아니라 사용된 상기 CNTs의 정확한 성질에 따라 다를 것이다. CNT-주입된 금속 섬유 물질은 예를 들어, 인장 성질에서 1.5 배의 개선을 나타낼 수 있다. 대표적인 CNT-주입된 금속 섬유 물질은, 최대로 2 배의 압축 강도 및 상기 부모 기능화되지 않은 금속 섬유 물질로서 최대로 2 배의 전단 강도를 가질 수 있다(Exemplary CNT-infused metal fiber materials can have as high as two times the shear strength as the parent unfunctionalized metal fiber material and as high as two times the compression strength).

영률은 등방성의 탄성 물질의 강도의 측정이다(Young's modulus is a measure of the stiffness of an isotropic elastic material). 이는, 후크의 법칙이 유지되는 압박의 범위에서 상기 단축 스트레인 상의 상기 단축 압박 비율로서 정의된 것이다(It is defined as the ratio of the uniaxial stress over the uniaxial strain in the range of stress in which Hooke's Law holds). 이는 상기 물질의 샘플 상에 전도된 인장 테스트 동안에 생성된 압박-스트레인 곡선(stress-strain curve)의 경사(slope)로부터 실험적으로 측정될 수 있다.

복합재료 전단 강도는, 하중이 상기 섬유 방향에 수직으로 적용된 경우에, 물질이 실패한 압박을 평가한다(Composite shear strength evaluates the stress at which a material fails when a load is applied perpendicular to the fiber direction). 압축 강도는, 압축 하중(compressive load)이 적용된 경우에 물질이 실패한 압박을 평가한다.

전기 전도성 또는 특정한 전도도는, 전류를 전도하기 위한 물질의 능력의 평가이다. CNT 비대칭성과 관련된, 뒤틀림의 정도와 같은 특정한 구조적인 파라미터를 갖는 CNTs는, 매우 전도될 수 있고, 따라서 금속성 특성을 나타낸다. 명명법의 인지된 시스템(M. S. Dresselhaus, et al. Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes, Academic Press, San Diego, CA pp. 756-760, (1996))은 공식화되어 있고, CNT 비대칭성에 대하여 본 분야의 숙련자에 의해 인지된다. 따라서, 예를 들어, CNTs는 이중 인덱스(n,m)에 의해 서로와 구별되고, n 과 m은, 이는 실린더(cylinder)의 상기 표면 위로 포장되고, 상기 가장자리가 함께 밀봉된 경우에 이는 튜브를 만들기 위한 육각형의 흑연의 절단 및 포장(wrapping)을 기재하는 정수이다[Thus, for example, CNTs are distinguished from each other by a double index (n,m) where n and m are integers that describe the cut and wrapping of hexagonal graphite so that it makes a tube when it is wrapped onto the surface of a cylinder and the edges are sealed together]. 상기 두 개의 인덱스가 동일한 경우, m = n 에, 상기 결과적으로 생성된 튜브가 "암-체어(arm-chair)"(또는 n, n) 타입의 것이라고 하고, 상기 튜브가 상기 CNT 축에 수직으로 절단된 경우에, 6 각형의 상기 오직 하나의 면이 노출되고, 상기 튜브 가장자리의 말단부 주변의 이들의 패턴이 n 번 반복된 암 체어의 시트 및 암과 유사하기 때문이다[When the two indices are the same, m=n, the resultant tube is said to be of the "arm-chair" (or n,n) type, since when the tube is cut perpendicular to the CNT axis only the sides of the hexagons are exposed and their pattern around the periphery of the tube edge resembles the arm and seat of an arm chair repeated n times]. 암-체어 CNTs, 특히 SWNTs는 금속성이고, 매우 높은 전기적인 및 열의 전도성을 가진다. 게다가, 이러한 SWNTs가 매우 높은 인장 강도를 가진다.

게다가, 뒤틀린 CNT 직경의 정도는 전기적인 전도성을 또한 가져온다. 상기한 바와 같이, CNT 직경은, 조절된 크기의 CNT-형성하는 촉매 나노입자의 사용에 의해 조절될 수 있다. CNTs는 또한 반도체 물질(semi-conducting materials)로서 형성될 수 있다. 다수월 CNTs(MWNTs)에서의 전도성은 보다 복잡할 수 있다. MWNTs 내의 인터월 반응(Interwall reactions)은, 균일하지 않게 개별적인 튜브 상에 전류를 재분배될 수 있다. 대조적으로, 금속성 단일-월 나노튜브(SWNTs)의 상이한 부분을 가로질러 전류에서의 어떠한 변화도 없다. 탄소 나노튜브는, 다이아몬드 결정 및 평면 내 흑연 시트와 비교하여, 매우 높은 열 전도성을 또한 가진다.

상기 CNT-주입된 금속 섬유 물질은, 상기에 기재된 특성에서 CNTs의 존재로부터 유리할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 공정에서 더 가벼운 물질을 또한 제공할 수 있다. 따라서, 이러한 더 낮은 밀도 및 더 높은 강도 물질은, 더 큰 강도 대 중량비로 해석한다.

상기에-기재된 실시형태는 본원 발명을 단지 설명하고, 상기 기재된 실시형태의 많은 변화는, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 본 분야의 숙련자에 의해 고안될 수 있음을 이해할 수 있다. 예를 들어, 이러한 명세서에서, 수많은 특정한 세부사항은, 본원 발명의 설명적인 실시형태의 이해 및 설명을 통해 제공될 수 있도록 제공된다. 그러나, 본 분야에서의 숙련자는, 하나 또는 그 이상의 그것들의 세부사항 없이, 또는 그 밖의 공정, 물질, 요소 등과 함께 실행될 수 있음을 인지할 것이다.

게다가, 몇몇의 예에서, 널리-알려진 구조, 물질, 또는 운영은, 설명적인 실시형태의 잘 알려지지 않는 측면을 피하기 위해 상세하게 나타내지 않거나 설명하지 않았다. 도면에서 나타낸 다양한 실시형태는 설명적이고, 규모를 필수적으로 나타내지 않음을 이해할 수 있다. 명세서에 기재된 참고로서 "하나의 실시형태" 또는 "실시형태" 또는 "몇몇 실시형태"는, 상기 실시형태(들)과 연결되어 기재된 특정한 특징, 구조, 물질, 또는 특성이 본원 발명의 적어도 하나의 실시형태에 포함되지만, 모든 실시형태에 필수적으로 포함되는 것이 아님을 의미한다. 따라서, 상기 명세서를 통한 다양한 곳에서의 상기 구문 "하나의 실시형태에서", "실시형태에서" 또는 "몇몇 실시형태에서"의 표현은, 상기 동일한 실시형태를 모두 필수적으로 나타내지 않는다. 더욱이, 상기 특정한 특징, 구조, 물질 또는 특성은, 하나 또는 그 이상의 실시형태에서 어떠한 적합한 방식으로 복합될 수 있다. 따라서, 이러한 변형은 하기의 특허청구범위 및 이들의 등가물 내에 포함됨을 인지할 수 있다.

Claims (16)

1. 탄소 나노구조 포함된 재사용가능한 기판(carbon nanostructure laden reusable substrate)을 제공하기 위한, 탄소 나노구조가 시스템 내 형성되어 있는 재사용가능한 기판;
   탄소 나노튜브 촉매 적용부(a carbon nanotube catalyst application station) 및 탄소 나노구조 성장부(carbon nanostructure growth station)를 통해 상기 재사용가능한 기판을 지속적으로 전달하는데 적합한 제1 컨베이어 시스템; 및
   제2 기판과 상기 탄소 나노구조-포함된 재사용가능한 기판 사이의 경계면(interface)을 형성하는데 적합한 제2 컨베이어 시스템으로서, 상기 경계면은 상기 탄소 나노구조-포함된 재사용가능한 기판으로부터 제2 기판으로의 탄소 나노구조의 이동을 용이하게 하는 것인, 제2 컨베이어 시스템;
   을 포함하는 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 재사용가능한 기판은 섬유 물질 또는 시트를 포함하는 것인, 시스템.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 탄소 나노구조 성장부는 미세공동(microcavity)을 포함하는 것인, 시스템.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 탄소 나노구조 성장부는, 초 당 몇몇의 미크론의 성장 속도로 상기 재사용가능한 기판 상에 상기 탄소 나노구조의 합성을 가능하게 하는 것인, 시스템.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 제2 기판은 프리-프레그(pre-preg)인 것인, 시스템.
   
6. 제1항에 있어서,
   항-접착 코팅부(anti-adhesive coating station)를 더 포함하는, 시스템.
   
7. 제1항에 있어서,
   탄소 나노구조 변형부를 더 포함하는, 시스템.
   
8. 재사용가능한 기판 상에 탄소 나노구조를 성장시키는 단계로서, 상기 탄소 나노구조는, 인터디지테이션(interdigitation), 가지화(branching), 교차결합(crosslinking), 및 공유된 월(shared walls)을 포함하는 구조적인 형태를 갖는 탄소 나노튜브 중합체를 포함하는 것인, 단계; 및
   탄소 나노구조-포함된 제2 기판을 제공하도록 상기 탄소 나노구조를 제2 기판으로 이동시키는 단계;
   를 포함하는 방법으로서,
   상기 방법은, 상기 재사용가능한 기판 상에서 지속적인 탄소 나노구조 생산에 적합한 것인, 방법.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 재사용가능한 기판은 섬유 물질 또는 시트인 것인, 방법.
   
10. 제8항에 있어서,
    상기 재사용가능한 기판에 탄소 나노튜브 성장 촉매를 적용하는 것을 더 포함하는, 방법.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 재사용가능한 기판에 항-접착 코팅을 적용하는 것을 더 포함하는, 방법.
    
12. 제8항에 있어서,
    상기 제2 기판은 프리-프레그 또는 수지 필름(resin film)인 것인, 방법.
    
13. 제8항에 있어서,
    상기 제2 기판으로부터 제3 기판으로 상기 탄소 나노구조를 이동하는 것을 더 포함하는, 방법.
    
14. 제8항에 있어서,
    상기 제2 기판으로 상기 탄소 나노구조를 이동시킨 후에, 상기 제2 기판을 절단(chopping)하는 것을 더 포함하는, 방법.
    
15. 제8항에 있어서,
    복합재료(composite)을 제공하도록, 매트릭스 물질에서 상기 탄소 나노구조 포함된 제2 기판을 배치하는 것을 더 포함하는, 방법.
    
16. 탄소 나노구조를 포함하는 프리-프레그로서,
    상기 탄소 나노구조는, 인터디지테이션(interdigitation), 가지화(branching), 교차결합(crosslinking), 및 공유된 월(shared walls)을 포함하는 구조적인 형태를 갖는 탄소 나노튜브 중합체를 포함하는 것인, 프리-프레그.

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