KR20160118832A - 탄소나노튜브 제조 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공정챔버와; 상기 공정챔버 내에, 서로 오프-액시스(off-axis) 관계로 배치된 음극 탄소봉 및 양극 탄소봉과; 상기 공정챔버 내부로 공정가스를 주입하는 가스주입구를 포함하는 탄소나노튜브 제조 장치를 제공한다.

Description

탄소나노튜브 제조 장치 및 방법{Apparatus and method of fabricating carbon nanotube}

본 발명은 탄소나노튜브(carbon nanotube) 제조 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 아크방전(arc discharge) 방법으로 탄소나노튜브 제조 시 발생되는 불순물을 제거할 수 있는 탄소나노튜브 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.

산업용 비파괴 촬영 및 의료용 방사선 영상 촬영에 있어, 대조도 및 해상도가 좋은 영상을 얻기 위해서는 X선 소스의 성능이 결정적인 역할을 한다.

기존에는, X선 소스의 전자원 즉 전자 에미터로서, 필라멘트를 사용하여 고온에서 전자를 방출하는 열전자 방식의 에미터가 사용되었다. 그러나, 열전자 에미터는 전자 방출을 위해 1000도 이상 높은 온도로 상승시켜야 하므로 전력 소모가 상대적으로 크고, 에미터를 즉각적으로 온/오프할 수 없는 문제점이 있다.

이를 개선하기 위해, 전계에 의한 양자역학적 터널링을 이용하여 전자를 방출하는 전계방출 방식의 에미터가 많이 사용된다.

한편, 최근에는 X선 소스의 소형화 측면에서, 전계방출 에미터로서 기존의 금속이나 반도체 물질 외에 나노미터 크기의 물질을 사용하게 되며, 특히 탄소나노튜브(carbon nano tube: CNT)를 에미터로 사용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

CNT를 제조하는 방법으로는 아크 방전(arc discharge)법, 레이저 증발법, 화학 기상 증착(CVD)법 등이 사용된다.

이와 같은 방법들 중에서 결함이 적고 고품질의 CNT를 제조하는 방법으로 레이저 증발법이 사용될 수 있는데, 이는 고온의 레이저 장치를 사용하여야 하고 생산성이 낮은 단점이 있다.

한편, 아크 방전법은 높은 생산성으로 레이저 증발법과 유사한 결정성의 CNT를 제조할 수 있는 장점이 있다.

그런데, 종래의 아크 방전법에 의해 CNT를 제조하는 경우에, CNT의 합성시간이 짧은 문제점이 있다.

이로 인해, 탄소기체가 CNT로 합성되지 못하고 비정질 탄소나 나노 파티클과 같은 불순물이 생성되어, CNT의 합성 수율과 결정성이 저하되는 문제가 발생하게 된다.

본 발명은 아크 방전법으로 CNT를 제조함에 있어 비정질 탄소와 같은 파티클을 제거하여, 수율 및 결정성이 향상된 고품질의 CNT를 제조할 수 있는 방안을 제공하는 것에 과제가 있다.

전술한 바와 같은 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 공정챔버와; 상기 공정챔버 내에, 서로 오프-액시스(off-axis) 관계로 배치된 음극 탄소봉 및 양극 탄소봉과; 상기 공정챔버 내부로 공정가스를 주입하는 가스주입구를 포함하는 탄소나노튜브 제조 장치를 제공한다.

여기서, 상기 공정가스는 상기 탄소나노튜브의 합성을 위한 불활성 가스, 질소 가스, 수소 가즈 중 적어도 하나의 제1공정가스와; 상기 공정챔버 내부에 잔존하는 불순물을 산화시키는 산소 가스, 질소 가스, 수소 가스 중 적어도 하나의 제2공정가스를 포함할 수 있다.

상기 공정챔버의 외벽에 설치되며, 탄소나노튜브 합성 공정과 상기 불순물 산화 공정에서 가열되는 히터를 포함할 수 있다.

상기 음극 탄소봉을 회전 동작시키는 모터를 포함할 수 있다.

상기 양극 탄소봉을 직진 운동시켜, 상기 음극 탄소봉과의 거리를 조절하는 모터를 포함할 수 있다.

다른 측면에서, 본 발명은 공정챔버 내에 배치된 음극 탄소봉과 양극 탄소봉에 전압을 인가하여, 탄소나노튜브를 합성하는 단계와; 상기 공정챔버 내에 공정가스를 주입하여, 상기 탄소나노튜브를 합성하는 과정에서 발생된 불순물을 산화시키는 단계를 포함하는 탄소나노튜브 제조 방법을 제공한다.

상기 불순물 산화 단계에서 주입되는 공정가스는, 산소 가스, 질소 가스, 수소 가스 중 적어도 하나일 수 있다.

상기 탄소나노튜브를 합성하는 단계와 상기 불순물 산화 단계에서, 히터를 가열하여 상기 공정챔버 내부의 온도를 상승시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 음극 탄소봉과 상기 양극 탄소봉은 서로 오프-액스시(off-axis) 관계로 배치되며, 상기 탄소나노튜브를 합성하는 단계에서, 모터를 사용하여 상기 음극 탄소봉을 회전시키는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, CNT 합성 공정 시에 히터를 사용하여 공정챔버 내부의 온도를 상승시켜 CNT 성장 온도 범위를 장시간 유지시킬 수 있게 된다. 또한, CNT 합성 공정에서 발생된 불순물에 대해, 이를 산화시킬 수 있는 공정가스를 주입하게 된다.

이처럼, 불순물의 생성을 최대한 억제하고 또한 잔존하는 불순물을 제거할 수 있게 되어, CNT 합성 효율 및 순도를 향상시켜 고품질의 CNT를 제조할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 CNT 제조 장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 CNT 제조 방법을 개략적으로 도시한 도면.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 CNT 제조 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 CNT 제조 장치(10)로서 아크 방전 장치가 사용되는데, 이는 공정챔버(100)와, 히터(110)와, 음극 탄소봉 및 양극 탄소봉(120, 130)과, 가스 주입구(150)를 포함할 수 있다.

공정챔버(100)는 내부에 내부공간(S)이 정의된다. 내부공간(S)은 CNT 합성을 위해 불활성 가스 등의 제1공정가스가 주입된 진공 상태를 갖게 되며, 이 상태에서 아크 방전이 발생하여 CNT가 합성된다. 합성된 CNT는 공정챔버(100) 내부에 형성되며, CNT 합성이 완료된 후에는 내부에 형성된 CNT를 포집하게 된다.

공정챔버(100) 내에는 CNT 합성 시 아크 방전이 발생하는 음극 탄소봉 및 양극 탄소봉(120, 130)이 배치된다.

음극 탄소봉(120)은 길이 방향이 제1방향을 갖도록 배치되고, 양극 탄소봉(130)은 길이 방향이 제1방향과 교차하는 제2방향을 갖도록 배치될 수 있다.

다시 말하면, 음극 탄소봉(120)과 양극 탄소봉(130)은 길이 방향의 축이 서로 교차하는 오프 액시스(off-axis) 형태로 배치될 수 있다.

이처럼, 오프 액시스 형태로 탄소봉(120, 130)을 배치함으로써, 탄소봉(120, 130) 사이에서 발생된 아크 플라즈마(arc plasma)가 안정적으로 형성될 수 있게 된다.

이와 관련하여, 종래에는 양극 탄소봉 및 음극 탄소봉은 길이 방향의 일끝단이 서로 마주보도록 온-액시스(on-axis) 형태로 배치되고, 이들 사이에서 아크 방전이 발생되어 CNT가 증착된다. CNT 합성에 따라 좁은 면적의 음극 탄소봉의 끝단에는 CNT나 그래파이트 등의 물질이 증착되어 성장된다. 이처럼, 좁은 면적의 음극 탄소봉의 끝단을 통해 아크 플라즈마가 발생되고, 또한 이 끝단에 위와 같은 물질이 형성되므로, 탄소봉 사이의 전압 및 전류가 저하되고 불안정하게 되어, 탄소봉 사이에 발생되는 아크 방전 특성이 저하된다.

한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 양극 탄소봉(130)의 길이 방향의 끝단은 음극 탄소봉(120)의 외주면을 바로보도록 배치된다. 이에 따라, 아크 플라즈마는 상대적으로 넓은 면적의 음극 탄소봉(120)의 외주면을 통해 발생되고, 또한 증착된 물질이 차지하는 면적이 상대적으로 작다. 따라서, 탄소봉(120, 130) 사이의 전압 및 전류가 종래에 비해 안정되어, 아크 방전 특성이 향상될 수 있게 된다.

더욱이, 본 발명의 실시예에 따르면, 음극 탄소봉(120)을 그 길이 방향을 회전축으로 하여 회전하도록 구동할 수 있다.

예를 들면, 음극 탄소봉(120)의 일끝단에 제1모터(141)를 연결하고, 제1모터(141)를 구동하여 CNT 합성 공정 시 음극 탄소봉(120)이 회전하도록 동작시킬 수 있다.

이처럼, 음극 탄소봉(120)을 회전시키게 되면, 이의 외주면 전체를 통해 아크 방전이 발생할 수 있게 되어, 아크 방전 특성이 보다 더 향상될 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 실시에에 따르면, 양극 탄소봉(130)을 그 길이 방향을 따라 직선 운동하도록 구동할 수 있다.

예를 들면, 양극 탄소봉(130)의 일끝단에 제2모터(142)를 연결하고, 제2모터(142)를 구동하여 양극 탄소봉(130)이 직선 운동하도록 동작시킬 수 있다. 이와 같은 직선 운동에 의해, 양극 탄소봉(130)과 음극 탄소봉(120)의 거리를 조절할 수 있게 된다.

이에 따라, 양극 탄소봉(130)과 음극 탄소봉(120) 사이의 아크 플라즈마 강도를 조절할 수 있다. 나아가, 계속된 CNT 합성에 의해 아크 플라즈마의 강도가 저하된 경우에, 양극 탄소봉(130)을 음극 탄소봉(120)에 가깝게 이동시켜 이들 사이의 거리를 좁게 함으로써, 플라즈마 강도를 CNT 합성에 필요한 정도로 일정하게 유지시킬 수 있다.

한편, 전술한 바와 같은 음극 탄소봉 및 양극 탄소봉(120, 130)은 아크 방전에 의해 온도가 상승하게 되는데, 이를 냉각하기 위한 냉각수가 공급되도록 구성될 수 있다.

히터(110)는 공정챔버(100)의 외벽에 설치될 수 있는데, 이에 한정되지는 않으며 공정챔버(100) 내부에 설치될 수도 있다.

히터(110)는 CNT 합성 공정 시 내부공간(S)의 온도를 일정 정도로 유지하도록 하여, CNT의 성장 시간을 길게 한다. 이에 따라, 비정질 탄소나 나노 파티클 등의 불순물 발생을 최대한 억제하여, CNT의 수율 및 순도를 향상시킬 수 있게 된다.

이와 관련하여, 아크 방전이 발생하게 되면, 양극 탄소봉(130) 표면의 온도가 탄소의 기화온도 보다 높은 대략 4000K 정도에 달하게 된다. 이에 따라, 탄소는 기하되어, 공정챔버(100) 내에는 높은 압력이 발생하게 되며, 기하된 탄소는 공정챔버(100) 내부에 충진된 제1공정가스와 충돌하게 된다. 이와 같은 충돌 과정에서, 탄소 기체는 응축 및 냉각 과정을 거쳐 CNT가 성장된다.

이때, 냉각은 매우 빠른 시간(수 msec 내지 us) 동안 진행되며, 제1공정가스의 온도가 탄소봉(130)에 비해 매우 낮은 상태이기 때문에, 기화된 기체는 급격한 냉각과정을 거치게 된다. 이렇게 되면, CNT가 성장될 수 있는 적정 온도구간에서의 성장 시간이 짧아지게 되어, 불순물의 생성이 높아지게 된다.

한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 히터(110)를 사용하여 기화된 탄소 기체의 급격한 냉각을 늦추게 되며, 이에 따라 CNT 성장시간이 증가하게 된다. 이로 인해, 불순물 생성이 최대한 억제되어, CNT의 수율 및 순도가 향상될 수 있게 된다.

여기서, CNT 합성 공정에서의 히터(110)의 온도는, 예를 들면, 1000도 이상으로 설정되는 것이 바람직한데, 이에 한정되지는 않는다.

한편, 히터(110)는 CNT 합성 과정에서 생성된 불순물을 산화시켜 제거하는 공정에서도 가동될 수 있는데, 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.

공정챔버(100)에는, 내부공간(S)에 가스를 주입하기 위한 가스 주입구(150)가 구비된다.

CNT 합성 공정을 진행하기 위해, 가스 주입구(150)를 통해 제1공정가스로서 불활성 가스와 질소(N2) 가스와 수소(H2) 가스 중 적어도 하나가 공정챔버(100) 내부로 공급된다.

또한, 불순물을 제거하기 위한 공정을 진행하기 위해, 가스 주입구(150)를 통해 불순물을 산화시키기 위한 제2공정가스가 공급된다. 이와 같은 산화용 제2공정가스는 산소(O2) 가스, 질소(N2) 가스, 수소(H2) 가스 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 더욱이, 제2공정가스와 함께 불활성 가스가 함께 공급될 수 있다.

이처럼, 산화용 제2공정가스를 주입함으로써, CNT 합성 공정 이후에 공정챔버(100) 내에 잔존하는 불순물은 산화되어 제거될 수 있게 된다.

더욱이, 불순물과의 산화 반응을 효과적으로 진행하기 위해, 히터(110)가 동작할 수 있다. 즉, 히터(110)를 가열하여 공정챔버(100) 내부의 온도를 상승시킴으로써, 불순물과 제2공정가스의 반응이 보다 더 원활하게 이루어질 수 있게 된다.

여기서, 불순물 제거 공정 시의 히터(110)의 온도는, CNT 합성 공정 시의 히터(110)의 온도 보다 낮은 것이 바람직하다. 예를 들면, 불순물 제거 공정 시의 히터(110)의 온도는 대략 200 내지 700도의 범위를 가질 수 있다.

그리고, 불순물 제거 공정은 대략 30분 내지 2시간 정도 수행될 수 있다.

이하, 전술한 바와 같은 구성을 갖는 CNT 제조 장치(10)를 사용하여 CNT를 제조하는 방법을 도 2를 더욱 참조하여 설명한다.

도 2를 참조하면, 먼저 CNT를 합성하는 공정을 진행하게 된다 (ST1). CNT 합성 공정에서는, 가스주입구(150)를 통해 제1공정가스로서, 불활성 가스, 질소 가스, 수소 가스 중 적어도 하나를 진공 상태의 공정챔버(100) 내에 주입하게 된다.

공정챔버(100)에 제1공정가스가 주입된 상태에서, 음극 탄소봉 및 양극 탄소봉(120, 130)에 전압을 인가하여, 이들 사이에 아크 방전을 발생시키게 된다.

이때, 제1모터(141)를 구동하여 음극 탄소봉(120)을 회전 동작시킬 수 있다.

음극 탄소봉 및 양극 탄소봉(120, 130) 사이에 발생된 아크 방전에 의해 양극 탄소봉(130)의 탄소는 기화되어 기체 상태가 된다. 이와 같이 기화된 탄소는 제1공정가스와 충돌하여 냉각됨으로써 CNT가 형성된다.

한편, CNT 합성 공정에서는 히터(110)를 높은 온도로 가열하게 된다. 이에 따라, CNT 성장 온도 범위의 유지 시간을 길게 할 수 있게 되어, 불순물의 발생을 최대한 억제할 수 있게 된다.

이와 관련하여 예를 들면, CNT의 성장 및 재결정 온도 범위로서, 예를 들면, 대략 1000도 이상의 온도 범위가, 대략 1분 내지 360분 유지될 수 있도록, 히터(110)를 가열하게 된다.

전술한 바와 같이 CNT 합성 공정이 진행된 후에, 공정챔버(100) 내에 형성된 CNT를 포집하여 공정챔버(100) 외부로 반출하게 된다 (ST2).

CNT를 공정챔버(100)으로부터 반출한 후에, 공정챔버(100) 내부에 존재하는 불순물을 제거하는 공정을 진행하게 된다 (ST3).

불순물 제거 공정에서는, 가스주입구(150)를 통해 제2공정가스로서, 산소(O2) 가스, 질소(N2) 가스, 수소(H2) 가스 중 적어도 하나가 공정챔버(100) 내에 주입된다. 더욱이, 제2공정가스와 함께 불활성 가스가 함께 주입될 수 있다.

이와 같은 제2공정가스는, CNT 합성 공정에서 발생된 불순물과 반응하여 불순물을 산화시키게 된다.

한편, 불순물 제거 공정에서는 히터(110)를 높은 온도, 일례로 200 내지 700도로 가열하게 된다. 이에 따라, 불순물의 산화 공정이 보다 더 효과적으로 진행될 수 있다.

이처럼, 제2공정가스 주입을 통해, 공정챔버(100) 내에 잔존하는 불순물을 제거할 수 있게 된다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, CNT 합성 공정 시에 히터를 사용하여 공정챔버 내부의 온도를 상승시켜 CNT 성장 온도 범위를 장시간 유지시킬 수 있게 된다. 또한, CNT 합성 공정에서 발생된 불순물에 대해, 이를 산화시킬 수 있는 공정가스를 주입하게 된다.

이처럼, 불순물의 생성을 최대한 억제하고 또한 잔존하는 불순물을 제거할 수 있게 되어, CNT 합성 효율 및 순도를 향상시켜 고품질의 CNT를 제조할 수 있게 된다.

전술한 본 발명의 실시예는 본 발명의 일예로서, 본 발명의 정신에 포함되는 범위 내에서 자유로운 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명은, 첨부된 특허청구범위 및 이와 등가되는 범위 내에서의 본 발명의 변형을 포함한다.

10: CNT 제조 장치 100: 공정챔버
110: 히터 120: 음극 탄소봉
130: 양극 탄소봉 141: 제1모터
142: 제2모터 150: 가스주입구

Claims (9)

1. 공정챔버와;
   상기 공정챔버 내에, 서로 오프-액시스(off-axis) 관계로 배치된 음극 탄소봉 및 양극 탄소봉과;
   상기 공정챔버 내부로 공정가스를 주입하는 가스주입구를 포함하는
   탄소나노튜브 제조 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 공정가스는 상기 탄소나노튜브의 합성을 위한 불활성 가스, 질소 가스, 수소 가즈 중 적어도 하나의 제1공정가스와;
   상기 공정챔버 내부에 잔존하는 불순물을 산화시키는 산소 가스, 질소 가스, 수소 가스 중 적어도 하나의 제2공정가스를 포함하는
   탄소나노튜브 제조 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 공정챔버의 외벽에 설치되며, 탄소나노튜브 합성 공정과 상기 불순물 산화 공정에서 가열되는 히터
   를 포함하는 탄소나노튜브 제조 장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 음극 탄소봉을 회전 동작시키는 모터
   를 포함하는 탄소나노튜브 제조 장치.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 양극 탄소봉을 직진 운동시켜, 상기 음극 탄소봉과의 거리를 조절하는 모터
   를 포함하는 탄소나노튜브 제조 장치.
   
6. 공정챔버 내에 배치된 음극 탄소봉과 양극 탄소봉에 전압을 인가하여, 탄소나노튜브를 합성하는 단계와;
   상기 공정챔버 내에 공정가스를 주입하여, 상기 탄소나노튜브를 합성하는 과정에서 발생된 불순물을 산화시키는 단계
   를 포함하는 탄소나노튜브 제조 방법.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 불순물 산화 단계에서 주입되는 공정가스는, 산소 가스, 질소 가스, 수소 가스 중 적어도 하나인
   탄소나노튜브 제조 방법.
   
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 탄소나노튜브를 합성하는 단계와 상기 불순물 산화 단계에서, 히터를 가열하여 상기 공정챔버 내부의 온도를 상승시키는 단계를 포함하는
   탄소나노튜브 제조 방법.
   
9. 제 6 항에 있어서,
   상기 음극 탄소봉과 상기 양극 탄소봉은 서로 오프-액스시(off-axis) 관계로 배치되며,
   상기 탄소나노튜브를 합성하는 단계에서, 모터를 사용하여 상기 음극 탄소봉을 회전시키는 단계를 포함하는
   탄소나노튜브 제조 방법.

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