KR20160146300A - 탄소나노튜브섬유 제조장치 및 이를 이용한 탄소나노튜브섬유 제조방법 - Google Patents

탄소나노튜브섬유 제조장치 및 이를 이용한 탄소나노튜브섬유 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브섬유 제조장치 및 이를 이용한 탄소나노튜브섬유 제조방법에 관한 것이다.

Description

탄소나노튜브섬유 제조장치 및 이를 이용한 탄소나노튜브섬유 제조방법{APPARATUS FOR PREPARING CARBON NANOTUBE FIBER AND PROCESS FOR PREPARING CARBON NANOTUBE FIBER USING SAME}
본 발명은 탄소나노튜브섬유 제조장치 및 이를 이용한 탄소나노튜브섬유 제조방법에 관한 것이다.
탄소동소체의 한 종류인 탄소나노튜브(CarbonNanotube, CNT)는 직경이 수 내지 수십 nm이며, 길이가 수백 ㎛에서 수 mm인 물질로 1991년 Iijima 박사에 의해 Nature 저널에 보고된 이후 우수한 열적, 전기적, 물리적 성질과 높은 종횡비 때문에 다양한 분야에서 연구가 진행되어왔다. 이러한 탄소나노튜브의 고유한 특성은 탄소의 sp2결합에서 기인하며, 철보다 강하고, 알루미늄보다 가벼우며, 금속에 준하는 전기전도성을 나타낸다. 탄소나노튜브의 종류는 크게 나노튜브의 벽수에 따라서 단일벽 탄소나노튜브(Single-Wall Carbon Nanotube, SWNT), 이중벽 탄소나노튜브(Double-Wall Carbon Nanotube, DWNT), 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Wall Carbon Nanotube, MWNT)로 구분할 수 있으며, 비대칭성/말린 각도(chirality)에 따라서 지그재그(zigzag), 암체어(armchair), 키랄(chiral) 구조로 나뉜다.
탄소나노튜브 (CNT) 섬유를 제작하는 방법에는 포레스트 방사와 직접 방사가 있다. 상기 포레스트 방사는 기판에 촉매를 증착한 후 기판에 수직된 방향으로 CNT 포 레스트를 합성하고, 기판 끝쪽의 CNT를 핀셋이나 테이프 등으로 잡아 당기면 CNT 사이의 반데르발스 인력에 의해 CNT 연결된 형태로 딸려나오면서 CNT 섬유를 방사하는 방법이다. 이 방법은 연속 공정이 불가능하여 생산량을 높일 수 없다는 단점이 있다.
한편, 종래기술인 대한민국 등록특허 10-1286751에 따르면, 탄소나노튜브(CNT) 섬유 제조에는 일반적으로 수소를 운반기체(carrier gas)로 사용한다. 그래서 반응기 내부는 대부분 수소이지만 유입용액(feed solution)에서 공급되는 탄소원(carbon source)이 일부 존재한다. 상기 CNT 섬유 제조 과정에서 촉매의 활성이 낮을 뿐 아니라 체류시간(residence time)이 짧아서 반응기 내부에 미반응 탄화수소 가스들이 존재하게 된다. 반응기 배출구(outlet)로 고순도의 수소가스가 배출될 경우, 수소가스를 재순환(recycle)하여 생산 단가를 낮출 수 있으나, 미반응 탄화수소가 존재할 경우 이 공정이 어렵다는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 10-1286751
종래기술의 탄소나노튜브(Carbonenanotube, CNT)섬유 제조방법은 촉매의 체류시간이 짧아 효율적인 반응이 어려우며, 반응기 내부에 미반응 탄화수소 가스들이 존재하는 문제가 있다.
본 발명은 반응기 내에 잔존하는 미반응 탄화수소의 제거를 통해 배출되는 수소 가스를 재순환하여 반응의 경제성을 향상시키는 원통형 탄소나노튜브섬유 제조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 반응영역을 구비한 원통형 고온 반응기 본체; 상기 본체의 반응영역에 탄소물질 및 수소를 주입하는 유입구; 상기 반응영역을 가열하는 가열수단; 상기 본체의 하단에 설치되는 탄소나노튜브섬유를 배출하는 배출구; 상기 가열수단과 배출구 사이, 또는 배출구 후단에, 반응영역 내에 잔존하는 미반응 가스를 배출하는 배기구; 및 상기 배기구에 연결되어 상기 반응기 본체 외부에 설치되는 미반응 가스 처리장치;를 포함하는 탄소나노튜브 섬유 제조장치를 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 미반응 탄화수소 재순환장치는 챔버; 상기 챔버를 가열하는 가열수단; 전이금속을 포함하는 메쉬망; 및 상기 메쉬망의 양단에 구비되어 있는 스크류컨베이어;를 포함할 수 있다.
상기 탄소나노튜브섬유 배출구는 상기 원통형 고온 반응기 본체의 하단으로부터 배출되는 탄소나노튜브섬유를 권취하여 수집하는 권취수단을 구비할 수 있다. 그리고 상기 유입구로부터 유입되는 수소는 층류를 형성할 수 있는 선속도로 상기 반응영역에 유입될 수 있으며, 상기 유입구는 탄소물질을 주입하는 분사노즐 및 수소를 주입하는 분산판을 포함할 수 있다. 또한, 상기 탄소물질은 기상 또는 액상의 탄소화합물에 촉매 전구체가 분산된 것인 수 있으며, 상기 탄소물질은 촉매 활성제를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 태양은 본 발명의 장치를 이용하여 탄소나노튜브섬유를 제조하는 방법 및 본 발명의 장치를 이용하여 제조된 탄소나노튜브 섬유를 제공한다.
본 발명은 반응의 효율이 증가하는 원통형 탄소나노튜브섬유 제조장치를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 탄소나노튜브섬유 제조장치를 이용하면, 반응기 내부에 미반응 탄화수소는 제거되고, 고순도의 수소가스는 재순환(recycle)하여 생산 단가를 낮출 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브섬유의 제조 장치를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다. 하기의 구체적 설명은 본 발명의 일 실시예에 대한 설명이므로, 비록 한정적 표현이 있더라도 특허청구범위로부터 정해지는 권리범위를 제한하는 것은 아니다.
각 도면에서 유사한 참조부호는 유사한 구성요소에 대하여 사용하였다.
"및/또는" 이라는 용어는 복수의 기재된 항목들 중 어느 하나 또는 이들의 포함하는 조합을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있거나 또는 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다.
단수의 표현은 달리 명시하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
"포함한다" "구비한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 수치, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재함을 지칭하는 것이고, 언급되지 않은 다른 특징, 수치, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재하거나 부가될 수 있는 가능성을 배제하지 않는다.
본 명세서에서 "탄소나노튜브섬유" 라는 용어는 탄소나노튜브가 섬유 형태로 성장되어 형성되거나 복수개의 탄소나노튜브가 섬유 형태로 융합되어 형성된 것을 모두 지칭한다.
탄소나노튜브섬유를 제조하는 기술로는, 용액방사, 어레이방사, 에어로겔방사 및/또는 필름의 꼬기 또는 롤링(rolling)법 등이 있다. 본 발명은 이 가운데 화학증착법(CD, chemical deposition)을 이용하여 반응기 내에서 탄소물질의 투입 직후 형성되는 탄소나노튜브 에어로겔로부터 탄소나노튜브섬유 또는 리본을 직접방사하는 공정을 따른다.
상기 직접방사법(direct spinning)은 탄소원에 촉매를 첨가하여 수소와 함께 수직의 고온 가열로(vertical furnace)에 일정 속도로 주입하여 탄소나노튜브를 가열로 내에서 합성하고, 순수하게 탄소나노튜브만으로 이루어진 탄소나노튜브섬유를 연속적으로 제조하는 공정이다.
본 발명의 촉매 전구체는 촉매반응의 계 내에서, 그 자체는 촉매사이클 속에 포함되지 않지만 활성적인 촉매로 변화하는(혹은 활성적인 촉매를 생성하는) 물질이며, 본 발명에서는 촉매전구체가 촉매를 형성한 후, CNT를 합성한다.
종래기술의 탄소나노튜브(Carbonenanotube, CNT)섬유 제조방법은 촉매의 활성이 낮고, 반응 가스의 체류시간이 짧아 효율적인 반응이 어려우며, 반응기 내부에 미반응 탄화수소 가스들이 존재하는 문제가 있다.
이에 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여 예의 노력한 바, 미반응가스 처리장치를 포함함으로써, 이를 해결할 수 있다는 것을 발견하였다.
즉, 탄소물질 및 수소가 반응하는 반응영역을 구비한 원통형 고온 반응기 본체; 상기 본체의 반응영역에 탄소물질 및 수소를 주입하기 위한 유입구; 상기 반응영역을 가열하기 위한 가열수단; 상기 본체의 하단에 설치되는 탄소나노튜브섬유 배출구; 상기 가열수단과 배출구 사이 또는 배출구 후단에, 반응영역 내에 잔존하는 미반응 가스 배기구; 및 상기 배기구에 연결되어 상기 반응기 본체 외부에 설치되는 미반응 가스 처리장치;를 포함하는 탄소나노튜브 섬유 제조장치를 제공한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일구현예에 따른 탄소나노튜브섬유 제조장치를 도시한 것이다. 즉, 반응영역을 구비한 원통형 고온 반응기 본체(11); 상기 본체의 반응영역에 탄소물질 및 수소를 주입하는 유입구(10); 상기 반응영역을 가열하는 가열수단(13); 상기 본체의 하단에 설치되는 탄소나노튜브섬유를 배출하는 배출구(14); 상기 가열수단과 배출구 사이에 반응영역 내에서의 미반응 가스를 배출하는 배기구(15); 및 상기 배기구에 연결되어 상기 반응기 본체 외부에 설치되는 미반응 가스 처리장치(16);를 포함하는 탄소나노튜브 섬유 제조장치이다.
그리고 상기 반응영역(12) 하단에서, 생성된 탄소나노튜브의 연속집합체를 권취하여 섬유화하는 권취수단(17);을 구비하고 있다. 그리고 상기 유입구(10)는 탄소물질을 주입하는 분사노즐 및 수소를 주입하는 분산판을 포함할 수 있다. 그리고 상기 유입구는 분사노즐일 수 있고, 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고 상기 장치는, 상기 유입구(10)에 반응기 본체(11)에 탄소물질을 공급하는 탄소물질 공급유닛과, 수소를 공급하는 수소 공급유닛을 더 구비할 수 있다. 또한, 상기 탄소물질 공급유닛은 기상 또는 액상의 탄소화합물에 촉매 전구체를 분산시키는 혼합부 및 혼합부에서 형성된 탄소물질을 탄소물질 분사노즐로 공급하는 운반펌프를 포함하는 것일 수 있다. 그리고 상기 유입구로부터 유입되는 수소는 층류를 형성할 수 있도록 선속도로 상기 반응영역에 유입되는 것이 하는 것이 바람직하며, 이를 위해 분산판을 이용할 수 있다. 상기 수소는 가스탱크와 유량조절수단을 구비한 수소 공급유닛으로부터 유입구(10)를 통해 반응기 본체(11) 내로 유입될 수 있다. 상기 유량조절수단은 수소가 층류를 형성할 수 있는 선속도로 공급되도록 가스유량을 조절한다.
구체적으로 설명하면, 상기 탄소물질 및 수소가 유입구를 통해서 반응기로 유입된다. 그리고 탄소물질 내에 포함되어 있는 촉매 전구체가 반응기에 공급될 때, 촉매를 형성한다. 형성된 촉매는 반응기의 상단에서 하단방향으로 유동하면서 탄소나노튜브를 형성하며 성장 또는 융합하여 탄소나노튜브섬유를 형성한다. 이 때, CNT가 성장한 촉매입자는 하단으로 이동하며, 형성된 CNT 섬유는 배출구를 통해서 권취수단으로 방사되게된다. 수소 및/또는 미반응 탄화수소를 포함하는 미반응 가스는 배기구를 통해 배출된다. 그리고 촉매는 CNT가 성장하기 때문에 CNT와 함께 배출되고, 미반응 촉매도 마찬가지로 CNT에 묻어서 배출된다.
그리고 반응영역 내에 잔존하는 상기 미반응 가스 배기구는 상기 가열수단과 배출구 사이 또는 CNT 섬유 배출구 후단에 구비되어있을 수 있다. 그리고 상기 미반응 가스는 미반응 탄화수소 및 수소를 포함할 수 있고, 상기 배기구에 연결되어 상기 반응기 본체 외부에 설치되는 미반응 가스 처리장치;를 통해서 미반응 탄화수소와 수소를 분리하여 배출할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 미반응 가스 처리장치는 챔버; 상기 챔버를 가열하는 가열수단; 전이금속을 포함하는 메쉬망; 상기 메쉬망의 양단에 구비되는 스크류컨베이어; 및 가스 배기구를 포함할 수 있다. 상기 미반응 가스는 미반응 탄화수소 및 수소를 포함할 수 있고, 상기 미반응 탄화수소는 메쉬망에서 전이금속과 반응하여 스크류컨베이어를 통해 배출되고, 상기 수소는 가스 배기구를 통해 배출될 수 있다.
즉, 상기 미반응 가스 처리장치는 탄소 용해도가 높은 전이금속(transition metal)을 이용하여 반응기 내에 잔존하는 미반응 탄화수소를 포집하여 처리하고, 수소는 다시 재사용할 수 있게 한다. 구체적으로 설명하면, 상기 미반응 가스에 포함되어 있는 미반응 탄화수소는 스크류컨베이어를 통해 메쉬망으로 유입되어 전이금속과 반응한 후, 스크류컨베이어를 통해 배출될 수 있다. 그리고 상기 미반응 가스에 포함되어 있는 수소는 스크류컨베이어를 통해 메쉬망으로 유입되어 전이금속과 반응하지 않고, 가스 배기구를 통해 배출된다. 도 1을 참고하여 설명하면, 미반응 가스는 스크류 컨베이어(25a)를 통해 챔버부(21) 및 저가의 전이금속(24)을 포함하는 메쉬망(23)에 유입된다. 그리고 메쉬망(23)에 구비되어 있는 저가의 전이금속(24)들이 유입된 미반응 가스에 포함되어 있는 미반응 탄화수소를 흡수하여 금속탄화물을 형성한다. 탄화된 금속은 반대편의 스크류 컨베이어(25b)를 통해 밖으로 배출된다. 그리고 포집된 미반응 가스에서 탄화수소가 제거되고, 남은 수소는 챔버(21)에서 바로 외부로 배출되어서 재사용된다. 그리고 챔버(21)에서 배출된 일부 수소는 상기 금속탄화물을 태운 금속 산화물을 수소로 환원시켜 탄화수소는 제거하고, 전이금속은 재사용 가능할 수 있다. 상기 반응에 필요한 열원은 일부 수소를 태워서 사용 가능하여 추가적인 비용이 거의 들지 않는 연속 공정이 가능하다.
본 발명에 있어서, 상기 챔버는 미반응 가스들이 포집되는 곳이며, 상기 챔버 내에 전이금속을 포함하는 메쉬망이 구비되어 있다. 상기 전이금속은 철(Fe), 니켈(Ni) 및 코발트(Co)로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 그리고 상기 챔버 내에 있는 미반응 탄화수소과 전이금속을 반응시키기 위해서 메쉬망을 사용한다. 상기 메쉬망의 평균 메쉬크기는 챔버 사이즈에 따라 비례하여 커지며 챔버 사이즈의 직경과 거의 비슷한 수준일 수 있고, 이에 한정하지는 않는다. 상기 챔버를 가열하는 가열수단(22)은 상기 반응기 본체를 감싸고 있는 가열수단(13)과 동일할 수 있으며, 상기 챔버(21)를 1,000 내지 3,000℃로 가열할 수 있다. 챔버의 고온영역은 바람직하게는 1,000 내지 2,000℃, 1,000 내지 1,500℃ 또는 1,000 내지 1300℃의 온도를 유지할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1,100 내지 1,200℃ 일 수 있다. 챔버의 고온 영역의 온도는 주입되는 전이금속에 영향을 주어 전이금속의 탄소 용해도를 조절한다. 그리고 상기 스크류 컨베이어는 상기 외부에서 상기 메쉬망안으로 전이금속을 이동시키고, 메쉬망 내에서 형성된 금속탄화물을 외부로 배출시키는 통로이다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 탄소나노튜브섬유 배출구는 상기 원통형 고온 반응기 본체의 하단으로부터 배출되는 탄소나노튜브섬유를 권취하여 수집하는 권취수단을 구비할 수 있다. 즉, 탄소물질이 지속적으로 주입되면 반응영역(12) 내부에서 합성된 탄소나노튜브는 연속되는 집합체를 원통형상으로 형성하면서 반응기 본체 및 가열로의 하단에서, 상기 집합체를 포집하여 고온 영역 바깥으로 끄집어내어 권취수단(17)으로 감아 섬유화한다.
상기 권취수단(17)은 스핀들, 릴, 드럼 및 컨베이어 중 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않으며, 배출되는 탄소나노튜브섬유를 안정적으로 권취할 수 있는 임의의 수단을 사용할 수 있다. 권취(winding) 온도 및 속도는 섬유 내 탄소나노튜브가 섬유축 방향으로 배향되는데 영향을 주게 되어, 탄소나 노튜브섬유의 열적, 전기적, 물리적 성질을 결정한다. 바람직하게는, 15 내지 120의 온도에서 5 내지 100rpm범위에서 와인딩 할 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브섬유 배출구(14)에는 불활성가스가 주입구가 구비되어 탄소나노튜브섬유 연속 집합체의 둘레를 감싸는 불활성가스 커튼이 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 탄소나노튜브섬유 제조장치는 상기 가스 배기구에서 배출된 수소를 상기 원통형 고온 반응기 본체에 재순환시키는 수소 재순환장치를 더 포함할 수 있다. 상기 수소 재순환장치(30)는 원통형 고온 반응기 본체로 유입되어 반응 후 잔존하는 미반응 수소를 상기 미반응 가스 처리장치에서 미반응 탄화수소와 분리되어 포집된다. 그리고 상기 수소 재순환장치에서 상기 유입구에 주입되는 탄소물질의 비율에 맞춰서 다시 재주입되어 사용할 수 있다.
한편, 상기 탄소물질은 액상 형태뿐 아니라 가스형태의 탄소화합물을 포함할 수 있다. 상기 액상 또는 기상의 탄소화합물은 탄소원으로서 촉매로 확산됨으로써 탄소나노튜브로 합성되며, 분자량 분포도, 농도, 점도, 표면 장력, 유전율 상수 및 사용하는 용매의 성질을 고려하여 이용한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 액상 또는 기상의 탄소화합물은 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, 메틸아세틸렌, 비닐아세틸렌, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 아세톤, 자일렌, 클로로포름, 에틸아세트산, 디에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜, 에틸포르메이트, 메시틸렌, 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), 디클로로메탄, 헥산, 벤젠, 사염화탄소 및 펜탄으로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로, 구체적으로, 상기 액상의 탄소화합물은 에탄올, 메탄올, 프로판올, 아세톤, 자일렌, 클로로포름, 에틸아세트산, 디에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜, 에틸포르메이트, 메시틸렌, 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), 디클로로메탄, 헥산, 벤젠, 사염화탄소 및 펜탄으로 구성된 그룹에서 선택된 하나이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는 에탄올(C2H5OH), 자일렌(C8H10), 디에틸에테르[(C2H5)2O], 폴리에틸렌글리콜[ㅡ(CH2-CH2-O)9], 1-프로판올(CH3CH2CH2OH), 아세톤(CH3OCH3), 에틸포르메이트(CH3CH2COOH), 벤젠(C6H6), 헥산(C6H14) 및 메시틸렌[C6H3(CH3)3]으로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나이상을 포함할 수 있다. 상기 기상 탄소화합물은 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, 메틸아세틸렌 및 비닐아세틸렌으로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 탄소물질은 액상 또는 기상의 탄소화합물에 촉매 전구체를 분산시킨 것일 수 있다. 그리고 상기 탄소물질은 액상 또는 기상의 탄소화합물에 대하여 촉매 전구체가 0.5 내지 5 중량%, 바람직하게는 1 내지 5 중량%, 또는 1.5 내지 4 중량% 혼합될 수 있다. 만약, 상기 탄소물질의 액상 또는 기상의 탄소화합물에 비해 과잉의 촉매 전구체를 사용하는 경우 촉매가 불순물로 작용하여 고순도의 탄소나노튜브섬유를 수득하기 어렵다. 또한, 탄소나노튜브섬유의 열적, 전기적 및/또는 물리적 특성을 저해하는 요인이 될 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 촉매 전구체는 페로센을 포함한 메탈로센, 철, 니켈, 코발트, 백금, 루테늄, 몰리브덴, 바나듐 및 이의 산화물로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 촉매 전구체는 나노입자 형태일 수 있다. 그리고 바람직하게는 철, 니켈, 코발트 등이 함유된 화합물인 페로센(Ferrocene)과 같은 메탈로센 형태; 염화철(FeCl2)등의 철; 코발트; 및 니켈 원자;중 선택되는 1종 이상이 포함된 촉매 전구체를 사용할 수 있다.
그리고 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 탄소물질은 촉매 활성제를 더 포함할 수 있다. 통상적으로 탄소나노튜브의 합성은 촉매가 용융된 상태에서 탄소가 촉매로 확산된 후 석출되면서 진행되는데, 상기 촉매 활성제는 탄소나노튜브 합성시 프로모터로 사용되어 탄소 확산율(diffusion rate)을 증가시켜 빠른 시간 내에 탄소나노튜브가 합성되도록 한다. 상기 촉매 활성제로 예로는 티오펜(thiophene, C4H4S)을 이용할 수 있다. 티오펜은 촉매의 녹는점을 감소시키고, 비정질 탄소를 제거하여 낮은 온도에서 고순도의 탄소나노튜브를 합성할 수 있도록 해준다. 촉매 활성제의 함량은 탄소나노튜브의 구조에도 영향을 미칠 수 있는데, 예를 들어, 상기 탄소화합물인 에탄올에 대하여 티오펜을 1 내지 5중량%로 혼합하는 경우, 다중벽 탄소나노튜브섬유를 수득할 수 있으며, 에탄올에 대하여 티오펜을 0.5중량% 이하로 혼합하는 경우 단일벽탄소나노튜브 섬유를 수득할 수 있다. 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 촉매 전구체 및 촉매 활성제는 액상 탄소화합물에서는 액상일 수 있고, 기상 탄소화합물에서는 기상일 수 있다. 따라서, 액상 탄소화합물에는 촉매 전구체나 촉매 활성제를 녹여서 주입가능하며, 기상 탄소화합물에는 기화해서 가스형태로도 주입 가능하다.
본 발명의 다른 태양은 본 발명의 탄소나노튜브섬유 제조장치를 이용하여 탄소나노튜브섬유를 제조하는 방법을 제공한다. 구체적으로, (a) 기상 또는 액상의 탄소화합물에 촉매 전구체가 분산된 탄소물질을 준비하는 단계; (b) 수소를 준비하는 단계; (c) 상기 탄소물질을 상기 수소와 함께 고온 영역을 구비한 반응기의 상단에서 하단방향으로 주입하여 방사함으로써 상기 탄소물질이 상기 수소에 의해 상기 고온영역에 이동하면서 반응하여 탄소나노튜브의 연속 집합체를 형성하도록 하는 단계; 및 (d) 상기 탄소나노튜브의 연속 집합체를 반응기 상단에서 권취하여 섬유화하는 단계;를 포함하는 탄소나노튜브섬유 제조방법을 제공한다. 그리고 반응영역 내에 잔존하는 미반응 가스를 처리하여 수소를 재순환하여 사용할 수 있다.
본 발명은 또한, 본 발명의 탄소나노튜브섬유 제조장치를 이용하여 제조된 탄소나노튜브섬유를 제공한다.
10: 유입구 11: 반응기 본체 12: 반응영역 13: 가열수단
14: 배출구 15: 배기구 16: 미반응 가스 처리장치 17: 권취수단
21: 챔버 22: 가열수단 23: 메쉬망 24: 전이금속 25a, 25b: 스크류컨베이어 26: 가스 배기구 30: 수소재순환장치

Claims (17)

  1. 반응영역을 구비한 원통형 고온 반응기 본체;
    상기 본체의 반응영역에 탄소물질 및 수소를 주입하는 유입구;
    상기 반응영역을 가열하는 가열수단;
    상기 본체의 하단에 설치되어 탄소나노튜브섬유를 배출하는 배출구;
    상기 가열수단과 배출구 사이, 또는 배출구 후단에, 반응영역 내에 잔존하는 미반응 가스를 배출하는 배기구; 및
    상기 배기구에 연결되어 상기 반응기 본체 외부에 설치되는 미반응 가스 처리장치;를 포함하는 탄소나노튜브 섬유 제조장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 미반응 가스 처리장치는
    챔버;
    상기 챔버를 가열하는 가열수단;
    전이금속을 포함하는 메쉬망;
    상기 메쉬망의 양단에 구비되어 있는 스크류컨베이어; 및
    가스 배기구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유 제조장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 전이금속은 철(Fe), 니켈(Ni) 및 코발트(Co)로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유 제조장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 미반응 가스는 미반응 탄화수소 및 수소를 포함하고,
    상기 미반응 탄화수소는 메쉬망에서 전이금속과 반응하여 스크류컨베이어를 통해 배출되고, 상기 수소는 가스 배기구를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브섬유 제조장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 가스 배기구에서 배출된 수소를 상기 원통형 고온 반응기 본체에 재순환시키는 수소 재순환장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브섬유 제조장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 유입구는 탄소물질을 공급하는 탄소물질 공급유닛과, 수소를 공급하는 수소 공급유닛을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브섬유 제조장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소나노튜브섬유 배출구는 상기 원통형 고온 반응기 본체의 하단으로부터 배출되는 탄소나노튜브섬유를 권취하여 수집하는 권취수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브섬유 제조장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 권취수단은 스핀들, 릴, 드럼 및 컨베이어 중 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브섬유 제조장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 유입구로부터 유입되는 수소는 층류를 형성할 수 있는 선속도로 상기 반응영역에 유입되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브섬유 제조장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 유입구는 탄소물질을 주입하는 분사노즐 및 수소를 주입하는 분산판을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브섬유 제조장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 가열수단은 상기 반응기 본체를 감싸고 있는 가열로이며, 반응영역을 1,000 내지 3,000℃로 가열하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브섬유 제조장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소물질은 기상 또는 액상 탄소화합물에 촉매 전구체가 분산된 것인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브섬유 제조장치
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 탄소물질이 촉매 활성제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브섬유 제조장치.
  14. 청구항 12에 있어서
    상기 촉매 전구체는 페로센을 포함한 메탈로센, 철, 니켈, 코발트, 백금, 루테늄, 몰리브덴, 바나듐 및 이의 산화물로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브섬유 제조장치.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 기상 또는 액상 탄소화합물은 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, 메틸아세틸렌, 비닐아세틸렌, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 아세톤, 자일렌, 클로로포름, 에틸아세트산, 디에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜, 에틸포르메이트, 메시틸렌, 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), 디클로로메탄, 헥산, 벤젠, 사염화탄소 및 펜탄으로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브섬유 제조장치.
  16. 청구항 1 내지 청구항 15 중 어느 한 항의 장치를 이용하여 탄소나노튜브섬유를 제조하는 방법.
  17. 청구항 1 내지 청구항 15 중 어느 한 항의 장치를 이용하여 제조된 탄소나노튜브 섬유.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109056085A (zh) * 2018-08-01 2018-12-21 南通纺织丝绸产业技术研究院 熔喷喷嘴结构
KR101984226B1 (ko) * 2018-03-27 2019-05-30 주식회사 남텍 탄소나노튜브섬유 제조에서 배출되는 수소 처리용 노즐 장치
CN113631260A (zh) * 2019-04-03 2021-11-09 纳米复合技术股份有限公司 生产碳纳米管的系统和方法
WO2023182813A1 (ko) * 2022-03-22 2023-09-28 한국재료연구원 탄소나노튜브 섬유 제조 장치 및 이로부터 제조된 탄소나노튜브 섬유
WO2024014705A1 (ko) * 2022-03-22 2024-01-18 한국재료연구원 나노 탄소 섬유 제조 장치 및 제조 방법

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101286751B1 (ko) 2012-01-12 2013-07-16 주식회사 제이오 분사를 이용한 연속식 탄소섬유 또는 탄소나노튜브가 융합된 탄소섬유 제조 장치 및 방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101286751B1 (ko) 2012-01-12 2013-07-16 주식회사 제이오 분사를 이용한 연속식 탄소섬유 또는 탄소나노튜브가 융합된 탄소섬유 제조 장치 및 방법

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101984226B1 (ko) * 2018-03-27 2019-05-30 주식회사 남텍 탄소나노튜브섬유 제조에서 배출되는 수소 처리용 노즐 장치
CN109056085A (zh) * 2018-08-01 2018-12-21 南通纺织丝绸产业技术研究院 熔喷喷嘴结构
CN113631260A (zh) * 2019-04-03 2021-11-09 纳米复合技术股份有限公司 生产碳纳米管的系统和方法
WO2023182813A1 (ko) * 2022-03-22 2023-09-28 한국재료연구원 탄소나노튜브 섬유 제조 장치 및 이로부터 제조된 탄소나노튜브 섬유
WO2024014705A1 (ko) * 2022-03-22 2024-01-18 한국재료연구원 나노 탄소 섬유 제조 장치 및 제조 방법

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