KR20180053874A - 질화붕소 나노튜브 제조 장치 및 이를 이용한 질화붕소 나노튜브 제조 방법 - Google Patents

질화붕소 나노튜브 제조 장치 및 이를 이용한 질화붕소 나노튜브 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20180053874A
KR20180053874A KR1020160150965A KR20160150965A KR20180053874A KR 20180053874 A KR20180053874 A KR 20180053874A KR 1020160150965 A KR1020160150965 A KR 1020160150965A KR 20160150965 A KR20160150965 A KR 20160150965A KR 20180053874 A KR20180053874 A KR 20180053874A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
boron
fiber
metal layer
boron nitride
reaction chamber
Prior art date
Application number
KR1020160150965A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101867905B1 (ko
Inventor
김명종
김준희
조현진
안석훈
장세규
김수민
손동익
서태훈
Original Assignee
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR1020160150965A priority Critical patent/KR101867905B1/ko
Publication of KR20180053874A publication Critical patent/KR20180053874A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101867905B1 publication Critical patent/KR101867905B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B21/00—Nitrogen; Compounds thereof
    • C01B21/06—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron
    • C01B21/064—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron with boron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/0021—Reactive sputtering or evaporation
    • C23C14/0036—Reactive sputtering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/0021—Reactive sputtering or evaporation
    • C23C14/0036—Reactive sputtering
    • C23C14/0057—Reactive sputtering using reactive gases other than O2, H2O, N2, NH3 or CH4
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0641—Nitrides
    • C23C14/0647—Boron nitride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/32—Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating
    • C23C14/325—Electric arc evaporation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/58—After-treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/32—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/34—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/10—Particle morphology extending in one dimension, e.g. needle-like
    • C01P2004/13—Nanotubes

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

반응 챔버; 반응 챔버 내에 위치하는 음극 전극봉; 음극 전극봉과 아크 방전을 일으키는 양극 전극봉으로서, 붕소 섬유 및 금속층을 포함하는 양극 전극봉; 및 반응 챔버 내에 버퍼가스 및 질소 공급 가스를 주입하는 가스 주입구;를 포함하는 질화붕소 나노튜브 제조 장치가 제공된다.

Description

질화붕소 나노튜브 제조 장치 및 이를 이용한 질화붕소 나노튜브 제조 방법{APPARATUS FOR MANUFACTURING BORON NITRIDE NANOTUBES AND METHOD OF MANUFACTURING BORON NITRIDE NANOTUBES USING THE SAME}
본 발명은 질화붕소 나노튜브(boron nitride nanotube; BNNT) 제조 장치 및 이를 이용한 질화붕소 나노튜브의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 미세 직경을 갖는 질화붕소 나노튜브를 단시간 동안 제조할 수 있는 질화붕소 나노튜브 제조 장치 및 이용한 질화붕소 나노튜브의 제조 방법에 관한 것이다.
탄소나노튜브(Carbonnanonubes, CNT)의 발견 이후, 질화붕소 나노튜브(boron nitride nanotube, BNNT)는 CNT와 구조적인 유사성으로 인해 많은 관심을 받아왔다. 질화붕소 나노튜브는 낮은 밀도에 비해 높은 기계적 강도를 가지며 높은 열전도성, 전기 절연성, 압전성을 가지는 물질인 것이 이론적 계산 연구 결과에 의해 밝혀졌으며, 또한 방사선 차폐 기능 및 열 또는 화학적 스트레스에 대한 우수한 저항성과 같은 우수한 특성을 가지는 것이 증명되었다. 특히 질화붕소 나노튜브 의 이러한 특성 중 일부는 탄소나노튜브의 특성과 비슷하거나 더 우수한 것으로 예상되어 관심이 증대되고 있는 실정이다.
하지만 이러한 예상된 잠재력에도 불구하고, 실질적인 질화붕소 나노튜브의 합성에 대한 연구가 소수에 의해서만 진행되고 있으며 그 결과 또한 제한적이다. 특히 특성 분석 및 응용을 위한 질화붕소 나노튜브의 경우 작은 직경(<10nm)의 질화붕소 나노튜브가 바람직하고, 또한 대량생산을 통한 산업화를 위해서는 제조설비에 많은 비용이 들지 않고 보다 짧은 제조시간으로 생산이 가능해야 하는데 이러한 연구는 미비한 실정이다.
한편, 초기 질화붕소 나노튜브의 합성 방법은 CNT 합성 방법과 유사한 방법이 사용되어왔으며, 최초의 질화붕소 나노튜브는 텅스텐 막대에 보론 분말을 채워 아크방전에 의해 전극을 증발시키면서 제조되었다. 그러나 수율(mg/day)이 매우 낮은 문제점이 있었다. 또한, 레이저의 높은 열에너지를 이용하여 질소가스 분위기에서 보론의 타겟을 증발 시키는 제조방법 또한 개발되었으나, 높은 순도의 질화붕소 나노튜브의 얻을 수 있지만 수율이 낮고 레이저의 경우 초기 시설을 구축하기 위한 많은 비용이 필요하며 많은 전력이 사용되어 에너지 측면에서 대량생산에도 적합하지 않음이 밝혀졌다. 이밖에도, 화학 기상 증착 (CVD) 방법을 이용하여 금속 촉매를 함유하는 보론 분말에 열을 공급하여 촉매에 의해서 낮은 온도에서도 질화붕소 나노튜브가 성공적으로 제조 되었지만 질화붕소 나노튜브의 직경이 대부분 크게 제조되는 등 미흡한 결과를 보였다.
따라서 작은 직경의 질화붕소 나노튜브를 짧은 시간 동안 효율적인 제조할 수 있는 제조 방법에 대한 관심이 대두되고 있다.
KR 10-2015-0143798 A KR 10-2016-0019559 A
본 발명의 구현예들에서는 미세 직경을 갖는 질화붕소 나노튜브를 단 시간동안 제조할 수 있는 질화붕소 제조 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 구현예들에서는 상기 장치를 이용한 질화붕소 나노튜브의 제조 방법으로서, 우수한 효율을 갖는 질화붕소 나노튜브의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 구현예에서, 반응 챔버; 상기 반응 챔버 내에 위치하는 음극 전극봉; 상기 음극 전극봉 전극과 아크 방전을 일으키는 양극 전극봉으로서, 붕소 섬유 및 금속층을 포함하는 양극 전극봉; 및 상기 반응 챔버 내에 버퍼 가스 및 질소 공급 가스를 주입하는 가스 주입구;를 포함하는 질화붕소 나노튜브 제조 장치가 제공된다.
예시적인 구현예에서, 상기 붕소 섬유는 붕소, 붕소 질화물, 붕소 산화물, 붕산, 금속 붕화물, 암모니아 보란 및 이의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택된 1 이상을 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 붕소 섬유는 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발이고, 상기 붕소 섬유 가닥 각각에 상기 금속층이 적층된 것일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 금속층은 화학적 증착 공정 또는 물리적 증착 공정을 통해 상기 붕소 섬유 가닥 적층된 것일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 붕소 섬유는 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발이고, 상기 금속층은 상기 섬유 다발을 둘러싸는 금속 박막일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 붕소 섬유는 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발이고, 상기 금속층은 상기 섬유 다발 상에 도금된 도금 박막일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 금속층은 무전해 도금 공정 혹은 전해 도금 공정을 통해 섬유 다발 상에 도금된 도금 박막일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 붕소 섬유는 0.1 내지 1 cm의 직경을 갖고, 1cm 내지 1m의 길이를 갖는 것일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 금속층은 Ni, Cu, Fe, Cr, Mo, Si, Ti, U, Zr, Pt, Au, Al, Mg, Mn, Rh, Ta, W, Ge, 청동, 스테인레스 스틸, 백동 (White brass), 황동 (Brass) 및 이의 합금으로 이루어진 그룹에서 선택된 1 이상을 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 금속층은 1nm 내지 1mm 의 두께를 가질 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 금속층은 질화붕소 나노튜브의 합성 촉매 일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 질화붕소 나노튜브 제조장치를 통해 제조된 질화붕소 나노튜브는 10nm 이하의 평균 직경을 가질 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 질소 공급 가스는 질소(N2), 암모니아(NH3) 및 운송 가스에 의해 운반되는 보라진(B3N3H6)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서, 반응 챔버 내에 버퍼 가스와 질소 공급 가스를 주입하는 단계; 및 상기 반응 챔버 내에 배치된 음극 전극봉 및 붕소 섬유와 금속층을 포함하는 양극 전극봉 사이에 아크 방전을 발생시켜 질화붕소 나노튜브를 제조하는 단계; 를 포함하는 질화붕소 나노튜브 제조 방법이 제공된다.
예시적인 구현예에서, 상기 방법은 양극 전극봉을 형성하는 단계;를 더 포함하며, 붕소 섬유는 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발이고, 상기 붕소 섬유 가닥 각각에 화학적 증착 공정 또는 물리적 증착 공정으로 상기 금속층을 적층하여 상기 양극 전극봉을 형성하는 것일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 방법은 양극 전극봉을 형성하는 단계;를 더 포함하며, 상기 붕소 섬유는 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발이고 상기 금속층은 금속 박막이며, 상기 섬유 다발에 금속 박막을 코팅하여 상기 양극 전극봉을 형성하는 것일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 방법은 양극 전극봉을 형성하는 단계; 를 포함하며, 상기 붕소 섬유는 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발이고 상기 금속층은 도금 박막이며, 상기 섬유 다발에 무전해 도금 공정 혹은 전해 도금 공정을 수행하여 상기 섬유 다발 상에 상기 도금 박막을 형성하여 상기 양극 전극봉을 형성하는 것일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 음극 전극봉 및 양극 전극봉 사이에는 10A 내지 180A의 전류 범위에서 10V 내지 100V의 전위차를 갖도록 전원이 인가될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 반응 챔버는 2,000 내지 5,000℃의 온도를 가질 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 반응 챔버 내부의 압력은 1 mTorr 내지 5000 Torr 범위 내에 있을 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 질화붕소 제조 장치는 금속층 및 붕소 섬유를 포함하는 양극 전극봉을 포함할 수 있다. 이를 이용하는 경우, 공정 챔버 내에서의 전도성이 향상되고 금속층이 합성 촉매 역할을 수행하게 되어 미세 직경의 질화붕소 나노튜브를 단시간 내에 제조할 수 있다.
즉. 본원 발명의 양극 전극봉의 촉매 작용으로 인해 공정 챔버 내에서 붕소 섬유와 질소 공급 가스가 붕소와 질소로 효과적으로 분해되고, 이들이 서로 결합되어 질화붕소 나노튜브를 효율적으로 제조할 수 있다.
또한, 상기 질화붕소 제조 장치의 양극봉은 붕소 섬유를 포함하고, 상기 붕소 섬유는 붕소 전구체를 연속적으로 공급할 수 있다. 이에 따라, 상기 질화붕소 나노튜브의 제조 공정상에서 효율이 상승될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 질화붕소 나노튜브 제조 장치를 나타내는 개략도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 질화붕소 나노튜브의 투과전자현미경(TEM) 사진을 나타낸다. 도 2c는 본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 질화붕소 나노튜브의 전자에너지손실 분광법(EELS) 결과를 나타낸다.
도 3a 및 3b는 발명의 일 구현예에 따라 제조된 질화붕소 나노튜브에 대한X선 광전자 분광법(XPS)의 분석결과를 나타낸다.
이하, 본 발명의 구현예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 구현예들이 첨부된 도면을 참고로 설명되었으나 이는 예시를 위하여 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 구성 및 적용이 제한되지 않는다.
본 명세서에서, “미세 직경”이란 10nm 이하의 직경을 의미하며, 0.0001nm 내지 10nm 범위의 직경을 의미한다.
본 명세서에서, “붕소 섬유(boron fiber)”란 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발을 의미한다.
도 1은 질화붕소 나노튜브 제조 장치를 나타내는 개략도이다.
도 1을 살펴보면, 질화붕소 나노튜브 제조 장치로서 아크 방전 장치가 사용되며, 이는 반응 챔버(100), 반응 챔버(100) 내에 위치하는 음극 전극봉(120), 음극 전극봉(120)과 아크 방전을 일으키는 양극 전극봉(130) 및 반응 챔버(100) 내에 버퍼 가스 및 질소 공급 가스 등을 주입하는 가스 주입구들(151,152) 을 포함한다.
한편, 반응 챔버(100) 내에는 내부 공간이 정의되며, 내부 공간에서는 아크 방전에 의한 질화붕소 나노튜브(BNNT)합성을 위해 버퍼가스 및 질소 공급 가스가 주입되어 아크 방전이 발생하여 질화붕소 나노튜브가 합성되고, 합성된 질화붕소 나노튜브는 공정챔버(100) 내부에 형성된다. 질화붕소 나노튜브 합성이 완료된 후에는 내부에 형성된 질화붕소 나노튜브를 포집하게 된다.
공정챔버(100) 내에는 질화붕소 나노튜브 합성 시 아크 방전이 발생하는 음극 전극봉 및 양극 전극봉 (120, 130)이 배치된다.
음극 전극봉(120)과 양극 전극봉(130)은 길이 방향이 서로 일치하여, 끝단이 서로 마주보도록 배치될 수 있다.
양극 전극봉(130)은 붕소 섬유 및 금속층을 포함할 수 있다.
한편, 붕소 섬유는 아크 방전시 붕소의 공급원으로서의 역할을 수행할 수 있으며, 붕소, 붕소 질화물, 붕소 산화물, 붕산, 금속 붕화물, 암모니아 보란 및 이의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택된 1 이상이 섬유화된 물질을 포함할 수 있다.
붕소 섬유는 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발일 수 있다. 예를 들어, 붕소 섬유는 10 내지 10,000개의 붕소 섬유 가닥으로 이루어질 수 있다.
붕소 섬유(즉, 붕소 섬유 다발)은 0.1 내지 1 cm의 직경을 가질 수 있으며, 바람직하게는 0.5 내지 0.7cm의 직경을 가질 수 있다. 붕소 섬유가 0.1 cm 미만의 직경을 갖는 경우 질화붕소 나노튜브의 생산성이 저하될 수 있으며, 1cm를 초과하는 경우 제조되는 질화붕소 나노튜브의 순도가 훨씬 낮아질 수 있다.
양극 전극봉(130) 내에서 금속층과 붕소 섬유는 다양한 형태로 결합할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 금속층은 상기 붕소 섬유 가닥 각각에 적층된 것일 수 있다. 즉, 붕소 섬유의 다발을 구성하는 붕소 섬유 가닥 각각에 금속층이 적층된 것일 수 있다. 이 경우, 금속층은 상시 붕소 가닥에 화학적 증착 공정 또는 물리적 증착 공정으로 형성된 것일 수 있다.
혹은 상기 붕소 섬유는 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발이고, 상기 금속층은 상기 섬유 다발 상에 도금된 도금 박막일 수도 있다. 이 경우, 상기 금속층은 상기 섬유 다발에 무전해 도금 공정 혹은 전해 도금 공정을 수행하여 형성된 것일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 도금 공정을 원할하게 수행하기 위하여, 붕소 섬유(즉, 섬유 다발) 에 제1 금속층을 형성하고, 상기 섬유 다발 상에 무전해 도금 공정 혹은 전해 도금 공정을 수행하여 도금 박막을 형성하여 금속층인 도금 박막이 코팅된 붕소 섬유를 포함하는, 양극 전극봉을 제조할 수도 있다.
이와 달리, 금속층은 단순히 붕소 섬유(즉, 붕소 섬유 다발)을 둘러싸는 금속 박막일 수도 있다.
예시적인 구현예서, 금속층은 Ni, Cu, Fe, Cr, Mo, Si, Ti, U, Zr, Pt, Au, Al, Mg, Mn, Rh, Ta, W, Ge, 청동, 스테인레스 스틸, 백동 (White brass), 황동 (Brass) 및 이의 합금으로 이루어진 그룹에서 선택된 1 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 Ni 를 포함할 수 있다.
금속층은 1nm 내지 1mm의 두께를 갖도록 제조될 수 있으며, 바람직하게는 10nm 내지 500 μm의 두께를 갖도록 제조될 수 있다. 금속층이 1nm 미만의 두께를 갖는 경우 촉매 성능이 미비할 수 있으며, 1 mm를 초과하는 두께를 갖는 경우 붕소 섬유로부터 붕소가 증발되기 어려울 수 있다.
한편, 음극 전극봉(120)으로서 사용될 수 있는 물질은 양극 전극봉(130)과 아크 방전을 일으킬 수 있는 물질이라면 특별히 제한되지 않으나, 탄소 재료(예를 들어, 그라파이트) 및/또는 금속을 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 양극 전극봉(130)은 원기둥 형상의 봉 모양을 가지며, 길이 방향으로 직진 운동할 수 있도록 구성될 수 있으며 음극 전극봉(120)은 고정되어 있을 수 있다. 이를 위해, 양극 전극봉(130)에는 모터가 연결될 수 있다. 이처럼, 양극 전극봉(130)을 길이 방향으로 이동시키게 되면, 음극 전극봉(120)과의 거리 조절이 가능하게 되어, 아크 방전의 강도를 조절할 수 있게 된다.
예시적인 구현예에서, 질화붕소 나노튜브 합성에 있어, 음극 전극봉 탄소봉 및 양극 전극봉 탄소봉(120, 130) 사이는 대략 10A 내지 180A의 전류 범위에서 10V 내지 100V의 전위차를 갖도록 전원이 인가되는 것이 바람직한데, 이에 한정되지는 않는다.
한편, 반응 챔버(100) 외벽 혹은 내부에 가열 장치가 더 추가될 수도 있다(도시되지 않음). 가열 장치를 추가하는 경우, 질화붕소 나노튜브 합성 공정 시 내부공간의 온도를 일정 정도로 유지하도록 하여 질화붕소 나노튜브의 성장 시간을 길게 한다. 이에 따라, 비정질 탄소나 나노 파티클 등의 불순물 발생을 최대한 억제하여, 질화붕소 나노튜브의 수율 및 순도를 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 공정챔버(100)에는, 내부공간에 가스를 주입하기 위한 가스주입구(151, 152)가 구비된다.
도 1에는 2개의 가스 주입구가 도시되었으나, 가스 주입구(151, 152)는 다수가 구비될 수 있는데, 예를 들면, 버퍼 가스(G1)를 주입하기 위한 제1가스 주입구(151)와, 질소 공급 가스(G2)를 주입하기 위한 제2가스 주입구(152)가 구비될 수 있다.
또한, 도 1에는 2개의 가스 주입구가 도시되었으나, 필요에 따라, 반응 챔버(100)에는 하나의 가스 주입구가 구비되고, 이 가스 주입구를 통해 버퍼가스 및 질소 공급 가스가 함께 주입되도록 구성될 수도 있다.
여기서, 버퍼가스(G1)는 수소(H2), 질소(N2), 헬륨(He) 가스 등을 포함할 수 있으며, 질소 공급 가스(G2)는 질소를 포함하는 것이면 제한되지 않으나, 질소(N2), 암모니아(NH3), 운송 가스에 의해 운반되는 액체 상태의 보라진(B3N3 H6) 등을 포함할 수도 있다.
한편, 음극 전극봉 및 양극 전극봉에 전압을 인가하여 아크 방전을 발생시켜, 질화붕소 나노튜브를 생성할 수 있는데, 음극 전극봉 및 양극 전극봉 사이에는 10A 내지 180A의 전류 범위에서 10V 내지 100V의 전위차를 갖도록 전원이 인가될 수 있다.
한편, 이와 같이 전원이 인가됨에 따라, 음극 전극봉으로부터 열전자가 방출되어 열플라즈마가 발생할 수 있으며, 이때 반응 챔버는 2,000 내지 5,000℃의 온도를 가질 수 있다
음극 전극봉(120)으로부터 열전자가 방출되어 열플라즈마가 발생함에 따라, 양극 전극봉(130)에서는 붕소 섬유에서 붕소가 증발되어 붕소 공급체로서의 역할을 수행한다. 이때 붕소 섬유와 접하는 금속층이 양극 전극봉(130)의 전도성을 높이고, 촉매로서 역할을 수행하여 붕소 섬유가 보다 원활히 분해되도록 도모할 수 있다.
또한, 반응 챔버의 높은 온도에 따라 질소 공급 가스가 분해되어 질소(N2) 가 형성되며, 질소(N2)와 붕소가 반응하여 질화붕소 나노튜브가 형성될 수 있다.
이때, 양극 전극봉(130) 에서의 금속층이 질소 공급 가스가 더욱 낮은 에너지에서 분해되도록 도모할 수도 있어, 최종적으로 양극 전극봉(130)의 금속층이 붕소 섬유 및 질소 공급가스가 원활히 단시간에 분해되도록 보조할 수 있다.
또한, 금속층은 질소(N2)와 붕소의 반응을 촉진시켜 질화붕소 나노튜브가 단시간에 형성될 수 있도록 촉진시키며, 이와 같이 질화붕소 나노튜브가 단시간에 형성됨에 따라 미세 직경을 갖는 질화붕소 나노튜브가 제조될 수 있다.
일반적으로, 질화붕소 나노튜의 반응시간이 길어지는 경우, 질화붕소 나노튜브가 보다 성장하면서 여러 개의 층을 가지는 질화붕소 나노튜브가 제조될 수 있다. 이‹š 질화붕소 나노튜브는 층이 증가할수록 직경이 증가하며, 직경이 증가하는 만큼 질화붕소 나노튜브가 가지는 특성이 저하된다. 한편, 본 발명의 구현예에 따른 질화붕소 나노튜브의 제조 방법에 따르면, 단기간에 질화붕소 나노튜브가 형성되므로, 적은 층수 및 작은 직경을 갖는 질화붕소 나노튜브를 제조할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 질화붕소 나노튜브는 10 nm 이하의 평균 직경을 갖도록 제조될 수 있으며, 바람직하게는 1nm 내지 10nm의 평균 직경을 갖도록 제조될 수 있다.
한편, 상술한 질화붕소 나노튜브 제조장치를 이용하여 질화붕소 나노튜브를 제조하는 방법을 설명한다. 한편, 본 질화붕소 나노튜브의 제조 방법은 전술한 질화붕소 나노튜브 제조 장치와 동일 내지 유사한 구성을 포함하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
본 발명의 일 구현예에서, 반응 챔버 내에 버퍼 가스와 질소 공급 가스를 주입하는 단계; 및 상기 반응 챔버 내에 배치된 음극 전극봉 및 붕소 섬유와 금속층을 포함하는 양극 전극봉 사이에 아크 방전을 발생시켜 질화붕소 나노튜브를 제조하는 단계; 를 포함하는 질화붕소 나노튜브 제조 방법이 제공된다.
먼저, 양극 전극봉을 제조하는 방법부터 살펴본다.
예시적인 구현예에서, 양극 전극봉은 금속층 및 붕소섬유를 포함하고, 붕소 섬유는 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발일 수 있다. 양극 전극봉은, 예를 들어 3가지의 방법으로 제조될 수 있다.
일 예로, 붕소 섬유 가닥 각각에 화학 기상 증착(CVD) 공정 또는 물리적 기상 증착 공정(PVD) 공정을 통해 금속층을 적층하여 붕소 섬유 가닥 각각에 적층된 금속층을 포함하는 양극 전극봉을 제조할 수 있다. 즉, 양극 전극봉 내에서의 붕소 섬유는 복수 개의 금속층이 적층된 복수 개의 붕소 섬유 가닥들을 포함할 수 있다.
이때, CVD 공정 혹은 PVD 공정의 금속 소스로서 Ni, Cu, Fe, Cr, Mo, Si, Ti, U, Zr, Pt, Au, Al, Mg, Mn, Rh, Ta, W, Ge, 청동, 스테인레스 스틸, 백동 (White brass), 황동 (Brass) 및 이의 합금으로 이루어진 그룹에서 선택된 1 이상을 사용할 수 있다.
혹은, 붕소 섬유 가닥을 포함하는 붕소 섬유(즉, 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발)에 무전해 도금 공정 혹은 전해 도금 공정을 수행하여 상기 섬유 다발 상에 상기 도금 박막을 적층시켜 양극 전극봉을 제조할 수도 있다. 이 경우, 금속층은 도금 박막일 수 있으며, 양극 전극봉은 붕소 섬유의 섬유 다발 및 이를 둘러싸고 있는 도금 박막(금속층)을 포함할 수 있다.
이와 달리, 상기 양극 전극봉은 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발 상에 금속 박막을 단순히 코팅하여 형성된 것일 수도 있다. 이 경우 금속층은 붕소 섬유 상에 코팅된 금속 박막일 수 있다.
한편, 양극 전극봉을 형성한 이후, 어닐링(annealing) 공정을 추가적으로 수행할 수도 있다. 상기 어닐링 공정을 수행함에 따라, 금속층의 표면이 클리닝되고, 금속층의 결정 면에서의 크기 및 밀도가 조절될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 어닐링 공정은 퍼니스(furnace) 내에서 수행될 수 있으며, 상기 퍼니스 내부는 1 내지 2 bar의 압력으로 유지되며, 800 내지 1,500℃의 온도 조건 하에 수행될 수 있다. 또한, 상기 어닐링 공정은 30분 내지 2시간 동안 수행될 수 있다.
이후, 반응 챔버 내에 배치된 음극 전극봉 및 붕소 섬유와 금속층을 포함하는 양극 전극봉 사이에 아크 방전을 발생시켜 질화붕소 나노튜브를 제조한다.
구체적으로, 상기 양극 전극봉을 반응 챔버 내에 배치시킨 후, 반응 챔버 내에 버퍼 가스와 질소 공급 가스를 주입하고, 반응 챔버 내에 배치된 음극 전극봉과 붕소 섬유 및 금속층을 포함하는 양극 전극봉 사이에 아크 방전을 발생시켜 질화붕소 나노튜브를 제조한다.
예시적인 구현예에서, 상기 반응 챔버에 주입되는 가스들은 각각 1 내지 10, 000 cm3 / min의 유량으로 공급될 수 있으며, 반응 챔버 내부의 압력은 1mTorr 내지 5,000 Torr로 유지될 수 있다.
한편, 음극 전극봉 및 양극 전극봉에 전압을 인가하여 아크 방전을 발생시켜, 질화붕소 나노튜브를 생성할 수 있는데, 음극 전극봉 및 양극 전극봉 사이에는 10A 내지 180A의 전류 범위에서 10V 내지 100V의 전위차를 갖도록 전원이 인가될 수 있다.
또한, 이와 같이 전원이 인가됨에 따라, 음극 전극봉으로부터 열전자가 방출되어 열플라즈마가 발생할 수 있으며, 이때 반응 챔버는 2,000 내지 5,000℃의 온도를 가질 수 있다. 상기 온도 범위를 벗어나는 경우 질화붕소 나노튜브의 제조 효율이 적절하지 않을 수 있다.
아크 방전이 수행되어 음극 전극봉으로부터 열전자가 도출됨에 따라, 붕소 섬유가 분해되어 붕소가 형성되고, 이는 질소 공급 가스가 분해되어 형성된 질소와 반응하여 질화붕소 나노튜브가 제조될 수 있다. 이때, 양극 전극봉에 존재하고 있던 금속층이 질화붕소 나노튜브 제조시 촉매역할을 수행하여 미세 직경의 질화붕소 나노튜브가 보다 단시간으로 제조될수록 도모할 수 있다.
한편, 질화붕소 나노튜브가 제조된 뒤에, 반응 챔버와 연결된 가열 장치를 가동시켜 열정제를 추가적으로 수행할 수도 있다. 이에 따라, 반응 챔버 내부의 불순물을 제거하여 질화붕소 나노튜브의 순도를 향상시킬 수 있게 된다.
본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 질화붕소 나노튜브의 제조 방법에 따르면, 양극 전극봉의 촉매 작용으로 인해 반응 챔버 내에서 붕소 섬유와 질소 공급 가스를 효과적으로 각각 붕소와 질소로 분해하고, 이들을 서로 결합시켜 질화붕소 나노튜브를 효율적으로 단시간 내에 제조할 수 있다. 또한, 미세 직경을 갖는 질화붕소 나노튜브가 제조될 수 있다. 상기 질화붕소 나노튜브는 10 nm 이하의 평균 직경을 갖도록 제조될 수 있으며, 바람직하게는 1nm 내지 10nm의 평균 직경을 갖도록 제조될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예들에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
실시예
실시예 1 : 물리적증착법을이용한양극 전극봉제조방법
물리적증착법(PVD)을 이용하여 붕소 섬유 가닥 상에 니켈 금속을 코팅하였다. 100 um 직경을 가지는 붕소 섬유 가닥을 20 cm 길이 400 개로 절단 후, 웨이퍼 기판 위에 고정 후 전자빔 증발기(E-beam evaporator) 장치 챔버 내부에 설치하였다. 금속의 타켓은 Ni 금속을 사용하였으며, 코팅의 속도는 1.5 A/s, 코팅의 최종 두께는 1um로 설정하였다. 전자빔 증발기를 이용한 붕소 섬유 가닥 후에는 400개의 붕소 섬유 가닥을 모아 전극 막대의 형태를 갖도록 제조하여 양극 전극봉을 제조하였다.
실시예 2 : 금속 박막을포함하는 양극 전극봉제조방법
알루미늄(Al) 박막을 이용하여 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발을 감싸 전도성이 향상된 양극 전극봉을 제조하였다. 100 um 직경을 가지는 붕소 섬유 가닥을 20 cm 길이 400 개로 절단 후, 하나로 모아 다발 형태를 만든 후 20 cm X 20 cm 크기의 알루미늄 박막의 끝에 붕소 섬유 다발을 고정 한다. 알루미늄 박막 끝에 위치한 붕소 섬유 다발을 천천히 감싸며 하나의 원기둥의 막대 형태로 모양을 유지시켜 양극 전극봉을 제조하였다.
실시예 3 : 도금 박막을 포함하는양극 전극봉 제조방법
무전해 도금을 이용하여 붕소 섬유 다발 표면에 구리 금속을 코팅하였다. 무전해 도금에 사용되는 붕소 섬유 다발은 구리 도금의 자가 촉매 성질을 이용하기 위해, 전자빔 증발기(E-beam evaporator)를 이용하여 붕소 섬유 다발 상에 구리를 50 nm 코팅하였다. 도금에 사용되는 구리염은 황산구리 (CuSO4)를 사용하며 구리 이온농도는 3.0 g/L을 유지한다. pH 조절제는 수산화나트륨 (NaOH)을 이용하며 pH=12.5를 유지한다. 환원제는 포름알데히드(HCHO)를 사용하며 농도는 16 mL/L를 유지한다. 이러한 도금의 용액은 도금 욕조에 담기며, 도금 욕조는 가열 교반기를 사용하여 온도=40 ℃, 교반의 속도는 50 rpm을 유지한다. 이후에 전자빔 증발기를 이용하여 구리 금속이 코팅된 붕소 섬유 다발 도금 용액에 담궈 도금을 실행한다. 총 도금의 시간은 60분으로 한다. 이에 따라, 붕소 섬유 다발 상에 형성된 도금 박막을 포함하는 양극 전극봉을 제조하였다.
실시예 4 : 아크방전을이용한질화붕소 나노튜브 제조방법
상기 실시예 1에서 만들어진 양극 전극봉을 사용하였다. 이때 양극 전극봉의 붕소 섬유는 붕소의 공급원으로 사용되고 표면에 코팅된 니켈 금속은 전도성을 향상시키는 역할을 한다.
제조된 양극 전극을 반응 챔버 내부 공간에 설치하고, 설치 후 내부의 압력은 5.0 X 10-3 Torr 이하의 진공상태를 유지시켰다.
한편, 음극 전극봉은 그라파이트로 만들어지며 챔버 내부에 고정되었다. 양극 전극봉은 음극 전극봉 방향으로 가까워지면 일정 거리에서 열전자가 방출되고 챔버 내부의 플라즈마 가스와 충돌하여 열플라즈마를 발생시켰다. 실시예 4에서는 전압 30V, 전류 40A를 사용하였고, 안정된 플라즈마를 발생시키기 위해서 헬륨가스를 사용하였다. 즉, 반응 챔버 내부로 버퍼가스로서 헬륨가스가 400 SCCM, 질소 공급 가스로서 암모니아 가스가 400 SCCM 으로 1:1 비율로 하나 이상의 유입구를 통해 공급되었다. 다른 하나 이상의 유입구로 헬륨가스와 암모니아 가스가 지속적으로 배출되면서 챔버 내부의 압력은 760 Torr를 유지시켰다.
음극 전극봉으로부터 열전자의 방출로 열플라즈마가 발생하며 이때의 온도는 3500℃ 를 유지시켰다. 열전자 및 플라즈마의 높은 온도에 의해 양극 전극봉 내의 붕소 섬유는 증발하여 붕소를 공급하였다. 또한 붕소 섬유 표면의 니켈 금속은 촉매로써도 역할을 하여 질소 공급원인 암모니아 가스를 더욱 낮은 에너지에서 분해시키는 역할을 수행하고, 이로 인해 질화붕소 나노튜브의 생성이 더욱 촉진되었다. 챔버 내부의 암모니아 가스는 높은 열 및 니켈의 촉매 작용에 의해 분해되어 질소를 공급하였다. 분해된 붕소와 질소는 서로 결합하여 질화붕소 나노튜브를 형성하였다. 형성된 질화붕소 나노튜브는 챔버 내부 표면에서 수집되었다.
실험예:제조된보론나이트라이드나노튜브(BNNT)의물성분석결과
SEM 장비에서의 옵션기능 중 하나인 EDS(에너지분산형 분광분석법)를 통하여 실시예에 따라 제조된 샘플의 조성을 측정하여 표 1에 나타내었다.
표 1을 살펴보면, 샘플이 붕소과 질소로 이루어진 것을 확인할 수 있었으며 이에 따라“질화붕소 나노튜브”가 생성됨을 확인할 수 있었다.
Element Wt% Atomic% Net int. Error%
BK 46.04 52.66 94.39 11.68
CK 6.46 6.65 39.96 14.72
NK 36.27 32.01 136.66 13.03
OK 11.23 8.68 58.74 15.27
또한,실시예에 따라 제조된 질화붕소 나노튜브 샘플을 TEM(투과전자현미경)을 이용하여 형태를 분석하여 도 2a 및 도 2b에 나타내었다. 도 2a 및 2b를 살펴보면, 질화붕소 나노튜브 샘플은 나노미터 단위의 튜브 형태를 이루고 있으며, 평균 직경이 10nm이하인 것을 확인하였다. 또한 분석결과에 보충을 위하여 TEM의 옵션 기능 중에 하나인 EELS(전자에너지손실 분광법)을 이용하여 샘플의 원소를 분석하여 도 2c에 나타내었는데, 도 2c에서도 역시 제조된 질화붕소 나노튜브 샘플이 붕소와 질소로 이루어진 것을 확인하였다.
한편, 도 3a 및 3b는 실시예에 따라 제조된 질화붕소 나노튜브를 X선 광전자 분광법을 이용하여 질화붕소 나노튜브를 구성하는 원소와 화학결합상태를 파악한 것이다. 도 3a는 질화붕소 나노튜브에서 붕소가 확인되었고 또한 붕소가 질소와 결합되어있다는 것을 나타낸다. 도 3b는 질화붕소 나노튜브에서 질소가 확인되었고 또한 질소가 붕소와 결합되어있다는 것을 나타낸다. 이로써 제조된 질화붕소 나노튜브가 붕소와 질소가 서로 결합되어있는 구조라는 것을 확인하였다.
앞에서 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
100: 반응 챔버
120: 음극 전극봉
130: 양극 전극봉
151: 제1 가스 주입구
152: 제2 가스 주입구

Claims (20)

  1. 반응 챔버;
    상기 반응 챔버 내에 위치하는 음극 전극봉;
    상기 음극 전극봉 전극과 아크 방전을 일으키는 양극 전극봉으로서, 붕소 섬유 및 금속층을 포함하는 양극 전극봉; 및
    상기 반응 챔버 내에 버퍼 가스 및 질소 공급 가스를 주입하는 가스 주입구;를 포함하는 질화붕소 나노튜브 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 붕소 섬유는 붕소, 붕소 질화물, 붕소 산화물, 붕산, 금속 붕화물, 암모니아 보란 및 이의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택된 1 이상을 포함하는 질화붕소 나노튜브 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 붕소 섬유는 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발이고,
    상기 붕소 섬유 가닥 각각에 상기 금속층이 적층된 것인 질화붕소 나노튜브 제조 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 금속층은 화학적 증착 공정 또는 물리적 증착 공정을 통해 상기 붕소 섬유 가닥 적층된 것인 질화붕소 나노튜브 제조 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 붕소 섬유는 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발이고,
    상기 금속층은 상기 섬유 다발을 둘러싸는 금속 박막인 질화붕소 나노튜브 제조 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 붕소 섬유는 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발이고,
    상기 금속층은 상기 섬유 다발 상에 도금된 도금 박막인 질화붕소 나노튜브 제조 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 금속층은 무전해 도금 공정 혹은 전해 도금 공정을 통해 섬유 다발 상에 도금된 도금 박막인 질화붕소 나노튜브 제조 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 붕소 섬유는 0.1 내지 1cm의 직경을 갖고, 1cm 내지 1m의 길이를 갖는 것인 질화붕소 나노튜브 제조 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 금속층은 Ni, Cu, Fe, Cr, Mo, Si, Ti, U, Zr, Pt, Au, Al, Mg, Mn, Rh, Ta, W, Ge, 청동, 스테인레스 스틸, 백동 (White brass), 황동 (Brass) 및 이의 합금으로 이루어진 그룹에서 선택된 1 이상을 포함하는 질화붕소 나노튜브 제조 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 금속층은 1nm 내지 1mm의 두께를 갖는 질화붕소 나노튜브 제조 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 금속층은 질화붕소 나노튜브의 합성 촉매인 질화붕소 나노튜브 제조 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 질화붕소 나노튜브 제조장치를 통해 제조된 질화붕소 나노튜브는 10nm 이하의 평균 직경을 갖는 질화붕소 나노튜브 제조 장치.
  13. 제1항에 있어서.
    상기 질소 공급 가스는 질소(N2), 암모니아(NH3) 및 운송 가스에 의해 운반되는 보라진(B3N3H6)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 질화붕소 나노튜브 제조 장치.
  14. 반응 챔버 내에 버퍼 가스와 질소 공급 가스를 주입하는 단계; 및
    상기 반응 챔버 내에 배치된 음극 전극봉 및 붕소 섬유와 금속층을 포함하는 양극 전극봉 사이에 아크 방전을 발생시켜 질화붕소 나노튜브를 제조하는 단계; 를 포함하는 질화붕소 나노튜브 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 방법은 양극 전극봉을 형성하는 단계;를 더 포함하며,
    붕소 섬유는 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발이고,
    상기 붕소 섬유 가닥 각각에 화학적 증착 공정 또는 물리적 증착 공정으로 상기 금속층을 적층하여 상기 양극 전극봉을 형성하는 것을 포함하는 질화붕소 나노튜브 제조 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 방법은 양극 전극봉을 형성하는 단계;를 더 포함하며,
    상기 붕소 섬유는 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발이고 상기 금속층은 금속 박막이며,
    상기 섬유 다발에 금속 박막을 코팅하여 상기 양극 전극봉을 형성하는 것을 포함하는 질화붕소 나노튜브 제조 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 방법은 양극 전극봉을 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 붕소 섬유는 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발이고 상기 금속층은 도금 박막이며,
    상기 섬유 다발에 무전해 도금 공정 혹은 전해 도금 공정을 수행하여 상기 섬유 다발 상에 상기 도금 박막을 형성하여 상기 양극 전극봉을 형성하는 것을 포함하는 질화붕소 나노튜브 제조 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 음극 전극봉 및 양극 전극봉 사이에는 10A 내지 180A의 전류 범위에서 10V 내지 100V의 전위차를 갖도록 전원이 인가되는 질화붕소 나노튜브 제조 방법.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 반응 챔버는 2,000 내지 5,000℃의 온도를 갖는 질화붕소 나노튜브 제조 방법.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 반응 챔버 내부의 압력은 1 mTorr 내지 5000 Torr 범위 내에 있는 것인 질화붕소 나노튜브 제조 방법.
KR1020160150965A 2016-11-14 2016-11-14 질화붕소 나노튜브 제조 장치 및 이를 이용한 질화붕소 나노튜브 제조 방법 KR101867905B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160150965A KR101867905B1 (ko) 2016-11-14 2016-11-14 질화붕소 나노튜브 제조 장치 및 이를 이용한 질화붕소 나노튜브 제조 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160150965A KR101867905B1 (ko) 2016-11-14 2016-11-14 질화붕소 나노튜브 제조 장치 및 이를 이용한 질화붕소 나노튜브 제조 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180053874A true KR20180053874A (ko) 2018-05-24
KR101867905B1 KR101867905B1 (ko) 2018-06-18

Family

ID=62296610

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160150965A KR101867905B1 (ko) 2016-11-14 2016-11-14 질화붕소 나노튜브 제조 장치 및 이를 이용한 질화붕소 나노튜브 제조 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101867905B1 (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102143989B1 (ko) * 2019-10-25 2020-08-12 재단법인 철원플라즈마 산업기술연구원 질화붕소 나노튜브 제조 장치
KR102230032B1 (ko) * 2019-10-28 2021-03-19 한국과학기술연구원 질화붕소 나노튜브 제조 시스템
KR20230027747A (ko) * 2021-08-20 2023-02-28 한국과학기술연구원 보론 나이트라이드 나노튜브의 제조 방법
US11765976B2 (en) 2019-05-09 2023-09-19 NAiEEL Technology Method and apparatus for producing polymeric piezoelectric composite including boron nitride nanotubes dispersed therein, and polymeric piezoelectric composites produced using the method

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3423639B2 (ja) * 1999-04-27 2003-07-07 キヤノン株式会社 カーボンナノチューブの製造方法および製造装置
JP3998241B2 (ja) * 2002-10-18 2007-10-24 キヤノン株式会社 カーボンファイバーが固定された基体の製造方法
KR20150143798A (ko) 2013-04-18 2015-12-23 내션얼 리서치 카운슬 오브 캐나다 보론 나이트라이드 나노튜브 및 이의 제조방법
KR20160019559A (ko) 2007-05-15 2016-02-19 내셔날 인스티튜트 오프 에어로스페이스 어소시에이츠 질화붕소 나노튜브의 제조방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3423639B2 (ja) * 1999-04-27 2003-07-07 キヤノン株式会社 カーボンナノチューブの製造方法および製造装置
JP3998241B2 (ja) * 2002-10-18 2007-10-24 キヤノン株式会社 カーボンファイバーが固定された基体の製造方法
KR20160019559A (ko) 2007-05-15 2016-02-19 내셔날 인스티튜트 오프 에어로스페이스 어소시에이츠 질화붕소 나노튜브의 제조방법
KR20150143798A (ko) 2013-04-18 2015-12-23 내션얼 리서치 카운슬 오브 캐나다 보론 나이트라이드 나노튜브 및 이의 제조방법

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11765976B2 (en) 2019-05-09 2023-09-19 NAiEEL Technology Method and apparatus for producing polymeric piezoelectric composite including boron nitride nanotubes dispersed therein, and polymeric piezoelectric composites produced using the method
KR102143989B1 (ko) * 2019-10-25 2020-08-12 재단법인 철원플라즈마 산업기술연구원 질화붕소 나노튜브 제조 장치
KR102230032B1 (ko) * 2019-10-28 2021-03-19 한국과학기술연구원 질화붕소 나노튜브 제조 시스템
KR20230027747A (ko) * 2021-08-20 2023-02-28 한국과학기술연구원 보론 나이트라이드 나노튜브의 제조 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR101867905B1 (ko) 2018-06-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101867905B1 (ko) 질화붕소 나노튜브 제조 장치 및 이를 이용한 질화붕소 나노튜브 제조 방법
KR100458108B1 (ko) 아몰퍼스 나노 스케일 카본 튜브 및 그 제조 방법
JP3606232B2 (ja) 炭素構造体の製造装置および製造方法
EP3802418B1 (en) Methods for forming carbon nanostructured materials
KR20170003728A (ko) 메탈라이즈드 탄소 나노튜브 및 나노섬유를 함유한 복합 재료
KR20050121426A (ko) 탄소나노튜브 제조용 촉매의 제조 방법
KR101992633B1 (ko) 그래핀 섬유 복합체의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 그래핀 섬유복합체
WO2008094465A1 (en) Synthesis of carbon nanotubes by selectively heating catalyst
KR101842062B1 (ko) 질화붕소 나노튜브의 제조 방법
KR20140092642A (ko) 아크 방전을 이용한 고품질 그래핀 제조 방법 및 이를 이용한 고품질 그래핀
WO2012131630A1 (en) CATALYST FREE SYNTHESIS OF VERTICALLY ALIGNED CNTs ON SiNW ARRAYS
Jiang et al. Carbon nanofibers synthesized by decomposition of alcohol at atmospheric pressure
Kim et al. Growth of carbon nanotube field emitters on single strand carbon fiber: a linear electron source
KR20160118835A (ko) 질화붕소 나노튜브 제조 장치 및 방법
CN112740337B (zh) 导电元件
Kremlev et al. Synthesis of hybrid materials based on multiwalled carbon nanotubes decorated with WC 1–x nanocoatings of various morphologies
CN111041542B (zh) 具有复合电镀纳米碳金属膜的复合金属丝及其制备方法
JP5213099B2 (ja) カーボンファイバーシート上のカーボンナノチューブの成長方法およびカーボンナノチューブエミッター
KR20180096111A (ko) 금속-탄소 재료 복합 필름의 제조 방법
CN102321876A (zh) 一种碳纳米管的制备方法
US20160102420A1 (en) Carbon nanofibers with sharp tip ends and a carbon nanofibers growth method using a palladium catalyst
JP2012176865A (ja) 窒化炭素及び窒化炭素の製造方法
JP2010241655A (ja) 導電性微細繊維合成用基板及びその製造方法
CN106006628A (zh) 一种强流脉冲电子束制备纳米金刚石的方法
KR102032413B1 (ko) 그래핀 복합체의 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal