KR20220046215A - 복합체 입자 제조장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복합체 입자 제조장치를 개시한다. 본 발명의 복합체 입자 제조장치는 탄소 원료 및 금속 촉매가 공급되고, 상기 탄소 원료로부터 단일벽 탄소나노튜브가 합성되는 탄소나노튜브 성장부 및 유동 기체에 의해 내부에 매체 입자가 유동하고, 상기 탄소나노튜브 성장부로부터 상기 단일벽 탄소나노튜브를 공급받으며, 상기 단일벽 탄소나노튜브가 상기 매체 입자 표면에 코팅되는 복합체 입자 형성부를 포함하며, 하나의 반응기에서 단일벽 탄소나노튜브의 합성 및 매체 입자의 표면에 단일벽 탄소나노튜브를 코팅하는 공정을 동시에 수행하는 것을 특징으로 한다.

Description

복합체 입자 제조장치{MANUFACTURING APPARATUS FOR COMPOSITE PARTICLE}
본 발명은 매체 입자의 표면에 탄소나노튜브가 코팅된 복합체 입자를 제조하는 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 유동층 공정 및 플로팅 반응 공정을 하나의 장치에서 동시에 수행할 수 있는 복합체 입자 제조장치에 관한 것이다.
탄소나노튜브는 1991년 일본전기회사(NEC) 부설 연구소의 이지마 스미오 박사가 전기방전시 흑연 음극상에 형성된 탄소덩어리를 분석하는 과정에서 전자현미경을 통해 처음 발견한 물질로, 그래파이트가 원통형 모양으로 결합하여 나노크기의 직경을 가지는 원통모양으로 sp2 결합한 구조의 탄소 동소체이다. 탄소나노튜브는 직경과 길이의 비율이 매우 커서 매우 우수한 기계적, 물리적, 전기적 및 열적 특성을 갖고 있다.
탄소나노튜브는 그래파이트 면이 1개인 단일벽 탄소나노튜브, 2개인 이중벽 탄소나노튜브, 3개 이상인 다중벽 탄소나노튜브로 구분할 수 있다. 탄소나노튜브의 직경이 작을 수로 직경과 길이의 비율이 증가하여 우수한 물성을 가지게 되고 따라서 단일벽 탄소나노튜브는 여러 분야에서 유용하게 사용될 수 있다. 따라서 고순도의 단일벽 탄소 나노튜브를 대량으로 합성하는 방법에 대하여 논의가 지속되었다.
탄소나노튜브를 합성하는 방법에는 여러 가지가 있는데, 예를 들면, 아크방전법(arc discharge), 레이저 증착법(laser vaporization), 플라즈마 합성법(plasma method), 화학적기상증착법(chemical vapor deposition, CVD) 등이 있다. 이 중에서 화학적기상증착법(CVD)은 고품질 고순도의 탄소나노튜브를 대량으로 생산하기 위한 대규모 생산공정에 가장 적합한 방법이다.
화학적기상증착법은 고정층 반응기, 유동층 반응기, 플로팅 촉매법 등을 이용하여 수행될 수 있고, 이 중 고정층 반응기는 효율적인 측면에서 좋지 못하다. 유동층 반응기는 충분한 공간에서 물질 및 열전달이 효과적으로 이루어질 수 있어 효율이 매우 좋으며 탄소나노튜브를 대량 생산할 수 있는 공정이다. 플로팅 촉매법은 촉매와 액체 탄소원료가 반응기로 주입되어 열분해시켜 합성하는 방법으로 연속생산공정으로 사용될 수 있으며, 금속전구체의 농도를 변화시키면서 촉매입자 크기를 조절할 수 있다.
그러나 유동층 공정은 직경이 작은 단일벽 탄소나노튜브를 합성하는데 어려움이 있으며, 합성된 탄소나노튜브가 응집된 형태로 얻게 되어 분산을 하는데 어려움이 존재한다. 또한, 플로팅 촉매법의 경우에도 생성된 탄소나노튜브를 섬유의 형태로 감아서 회수를 하기 때문에 소재로 활용 시 추가적인 분산 공정을 필요로 하는 단점이 있다.
본 발명의 일 목적은 기존 유동층 공정과 플로팅 촉매 반응 공정을 하나의 반응기에서 동시에 적용시킴으로써, 플로팅 촉매 반응 공정을 통해 고순도의 단일벽 탄소나노튜브를 얻고, 이를 유동하는 매체 입자와 함께 유동층 공정을 통해 유동시켜 매체 입자의 표면에 고르게 코팅 및 분산시킴으로써, 종래의 각각의 공정에서 존재하는 단점을 보완할 수 있는 매체 입자 표면에 단일벽 탄소나노튜브가 코팅된 복합체 입자 제조장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 유동층 공정과 플로팅 촉매 반응 공정이 수행되는 공간의 위치를 변경시킨 복합체 입자 제조장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적을 위한 복합체 입자 제조장치는 상부에 탄소 원료 및 금속 촉매를 포함하는 반응물질이 유입되는 유입구 및 하부에 탄소나노튜브를 이동시키는 하나 이상의 관통홀이 형성되고, 상기 유입구로부터 주입된 상기 탄소 원료 및 상기 금속 촉매가 상기 관통홀 방향으로 이동하면서 상기 반응물질로부터 단일벽 탄소나노튜브가 성장되는 제1 내부 공간을 구비하는 내부 튜브 구조물, 상기 내부 튜브 구조물을 둘러싸고 상기 관통홀을 통해 상기 제1 내부 공간과 연결되며 매체 입자가 유동하는 제2 내부 공간을 구비하고, 상기 관통홀로부터 이동된 상기 단일벽 탄소나노튜브를 상기 매체 입자와 반응시켜 상기 매체 입자의 표면에 상기 단일벽 탄소나노튜브가 코팅된 복합체 입자가 제조되는 외부 튜브 구조물, 상기 제2 내부 공간의 하부에 연결되어 상기 제2 내부 공간으로 상기 매체 입자를 유동시키는 불활성 기체를 공급하는 기체 공급부; 및 상기 외부 튜브 구조물의 상부에 형성되고, 상기 외부 튜브 구조물에서 제조된 복합체 입자가 배출되는 배출구를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 탄소 원료는 알케인(Alkane) 계열 탄화수소 화합물, 알켄(Alkene) 계열 탄화수소 화합물 및 알카인(Alkyne) 계열 탄화수소 화합물 중에서 선택된 어느 하나의 탄화수소 화합물일 수 있다. 예를 들어, 상기 알케인 계열 탄화수소 화합물은 메탄(CH4), 에탄(C2H6), 프로판(C3H8), 부탄(C4H10) 등과 같은 알케인 계열 탄화수소 화합물일 수 있고, 상기 알켄 계열 탄화수소 화합물은 에틸렌(C2H4), 프로필렌(C3H6), 부틸렌(C4H8) 등의 탄화수소 화합물일 수 있고, 상기 알카인 계열 탄화수소 화합물은 아세틸렌(C2H2) 등과 같은 탄화수소 화합물일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 금속 촉매는 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 금속화합물일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 반응물질은 황화합물을 추가로 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 반응물질은 불활성 기체와 함께 주입될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 매체 입자는 카본블랙, 키친블랙, 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon NanoTube, MWCNT), 그래핀(Graphene), 풀러렌(Fullerene) 및 나노-다이아몬드(nano-diamond)중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 복합체 입자 제조장치는 가열장치를 더 포함하고, 상기 가열장치는 상기 외부 튜브 구조물으로부터 이격되어, 상기 외부 튜브 구조물을 둘러싸며 배치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 가열장치는 상기 내부 및 외부 튜브 구조물의 내부 온도를 400 내지 1300 ℃으로 가열할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 가열장치 외부에 배치되고, 배출구와 연결되어 제조된 복합체 입자를 냉각하기 위한 회수부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 위한 복합체 입자 제조장치는 하부에 단일벽 탄소나노튜브가 유입되는 하나 이상의 관통홀을 형성하고, 매체 입자가 유동하는 제1 내부 공간을 구비하며, 상기 관통홀로부터 이동된 상기 단일벽 탄소나노튜브를 상기 매체 입자와 반응시켜 상기 매체 입자의 표면에 상기 단일벽 탄소나노튜브가 코팅된 복합체 입자가 제조되는 내부 튜브 구조물, 상기 내부 튜브 구조물을 둘러싸고 상부에 탄소 원료 및 금속 촉매를 포함하는 반응물질이 유입되는 유입구를 형성하고, 상기 관통홀을 통해 상기 제1 내부 공간과 연결되며 상기 유입구로부터 주입된 반응물질이 상기 관통홀 방향으로 이동하면서 상기 반응물질로부터 단일벽 탄소나노튜브가 성장되는 제2 내부 공간을 구비하는 외부 튜브 구조물, 상기 제1 내부 공간의 하부에 연결되어 상기 제1 내부 공간으로 상기 매체 입자를 유동시키는 불활성 기체를 공급하는 기체 공급부, 및 상기 내부 튜브 구조물의 상부에 형성되고, 상기 내부 튜브 구조물에서 제조된 복합체 입자가 배출되는 배출구를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 탄소 원료는 메탄(CH4)일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 금속 촉매는 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 금속화합물일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 반응물질은 황화합물을 추가로 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 반응물질은 불활성 기체와 함께 주입될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 매체 입자는 카본블랙, 키친블랙, 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon NanoTube, MWCNT), 그래핀(Graphene), 풀러렌(Fullerene) 및 나노-다이아몬드(nano-diamond)중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 복합체 입자 제조장치는 가열장치를 더 포함하고, 상기 가열장치는 상기 외부 튜브 구조물으로부터 이격되어, 상기 외부 튜브 구조물을 둘러싸며 배치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 가열장치는 상기 내부 및 외부 튜브 구조물의 내부 온도를 400 내지 1300 ℃으로 가열할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 가열장치 외부에 배치되고, 배출구와 연결되어 제조된 복합체 입자를 냉각하기 위한 회수부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적을 위한 복합체 입자 제조장치는 탄소 원료 및 금속 촉매가 공급되고, 상기 탄소 원료로부터 단일벽 탄소나노튜브가 합성되는 탄소나노튜브 성장부 및 유동 기체에 의해 내부에 매체 입자가 유동하고, 상기 탄소나노튜브 성장부로부터 상기 단일벽 탄소나노튜브를 공급받으며, 상기 단일벽 탄소나노튜브가 상기 매체 입자 표면에 코팅되는 복합체 입자 형성부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 복합체 입자 형성부에서 제조된 상기 복합체 입자를 냉각하기 위한 회수부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 하나의 반응기에서 단일벽 탄소나노튜브를 생산하기 위한 기존의 화학적 기상증착방법 2가지를 병합하여 수행함으로써 각각의 단점을 보완할 수 있으며, 공정을 단순화시킴으로써 경제적인 효과가 있다. 또한, 고순도의 단일벽 탄소나노튜브를 얻고 이를 유동하는 매체입자와 함께 유동시킴으로써, 매체 입자의 표면에 단일벽 탄소나노튜브를 균일하게 코팅 및 분산된 복합체 입자를 제조하여 고전도성 전극용 카본소재 제조 및 응용기술에 활용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합체 입자 제조장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합체 입자 제조장치를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명의 복합체 입자 제조장치는 화학적기상증착방법인 플로팅 촉매 방법 및 유동층 반응기를 이용한 방법을 동시에 수행할 수 있는 장치에 관한 것으로, 탄소 원료 및 금속 촉매가 공급되고, 상기 탄소 원료로부터 단일벽 탄소나노튜브가 합성되는 탄소나노튜브 성장부 및 유동 기체에 의해 내부에 매체 입자가 유동하고, 상기 탄소나노튜브 성장부로부터 상기 단일벽 탄소나노튜브를 공급받으며, 상기 단일벽 탄소나노튜브가 상기 매체 입자 표면에 코팅되는 복합체 입자 형성부를 포함할 수 있으며, 상기 복합체 입자 형성부에서 제조된 상기 복합체 입자를 냉각하기 위한 회수부를 더 포함할 수 있다. 이하에서는 도면들을 참조하여 본 발명의 복합체 입자 제조장치에 대해서 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합체 입자 제조장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 복합체 입자 제조장치는 상부에 탄소 원료 및 금속 촉매를 포함하는 반응물질이 유입되는 유입구 및 하부에 탄소나노튜브를 이동시키는 하나 이상의 관통홀이 형성되고, 상기 유입구로부터 주입된 상기 탄소 원료 및 상기 금속 촉매가 상기 관통홀 방향으로 이동하면서 상기 반응물질로부터 단일벽 탄소나노튜브가 성장되는 제1 내부 공간을 구비하는 내부 튜브 구조물, 상기 내부 튜브 구조물을 둘러싸고 상기 관통홀을 통해 상기 제1 내부 공간과 연결되며 매체 입자가 유동하는 제2 내부 공간을 구비하고, 상기 관통홀로부터 이동된 상기 단일벽 탄소나노튜브를 상기 매체 입자와 반응시켜 상기 매체 입자의 표면에 상기 단일벽 탄소나노튜브가 코팅된 복합체 입자가 제조되는 외부 튜브 구조물, 상기 제2 내부 공간의 하부에 연결되어 상기 제2 내부 공간으로 상기 매체 입자를 유동시키는 불활성 기체를 공급하는 기체 공급부, 및 상기 외부 튜브 구조물의 상부에 형성되고, 상기 외부 튜브 구조물에서 제조된 복합체 입자가 배출되는 배출구를 포함할 수 있다.
상기 복합체 입자 제조장치는 가열장치를 더 포함할 수 있고, 상기 가열장치는 상기 가열장치는 상기 외부 튜브 구조물으로부터 이격되어, 상기 외부 튜브 구조물을 둘러싸며 배치될 수 있다. 가열장치는 상기 내부 및 외부 튜브 구조물의 내부 온도를 약 400 내지 1300 ℃으로 가열할 수 있다. 바람직하게는, 상기 내부 온도를 약 700 내지 900℃로 가열할 수 있다. 너무 높은 온도로 가열하는 경우에는 형성되는 단일벽 탄소나노튜브 및 복합체 입자가 손상될 수 있다.
상기 탄소 원료는 단일벽 탄소나노튜브를 제조하기 위한 탄소를 포함하는 원료 물질을 의미하며, 액체 또는 기체 상태의 물질일 수 있다. 바람직하게는 탄소 원료는 액체 상태의 물질일 수 있고, 더욱 바람직하게는 액체 상태의 탄소 원료 물질을 기체 상태로 상변이한 물질일 수 있다.
상기 탄소 원료로 사용할 수 있는 물질들은 알케인(Alkane) 계열 탄화수소 화합물, 알켄(Alkene) 계열 탄화수소 화합물 및 알카인(Alkyne) 계열 탄화수소 화합물 중에서 선택된 어느 하나의 탄화수소 화합물일 수 있다. 예를 들어, 상기 알케인 계열 탄화수소 화합물은 메탄(CH4), 에탄(C2H6), 프로판(C3H8), 부탄(C4H10) 등과 같은 알케인 계열 탄화수소 화합물일 수 있고, 상기 알켄 계열 탄화수소 화합물은 에틸렌(C2H4), 프로필렌(C3H6), 부틸렌(C4H8) 등의 탄화수소 화합물일 수 있고, 상기 알카인 계열 탄화수소 화합물은 아세틸렌(C2H2) 등과 같은 탄화수소 화합물일 수 있다. 바람직하게는, 탄소 원료는 기체 상태의 메탄(CH4) 등이 사용될 수 있다.
상기 금속 촉매는 단일벽 탄소나노튜브가 합성되는 합성 속도를 빠르게 제어할 수 있는 물질로, 금속을 포함하는 금속화합물 형태의 물질을 사용할 수 있다. 예를 들어, 금속 촉매는 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 금속화합물일 수 있다. 예를 들어, 금속 촉매는 페로센(ferrocene), 코발토센(Cobaltocne), 니켈로센(Nickelocene) 등의 유기금속화합물일 수 있다. 상기 페로센, 코발토센, 니켈로센 각각은 메탈로센(metalocene)의 메탈 부분에 각각 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 등이 각각 치환된 화합물일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 반응물질은 황화합물을 더 포함할 수 있다. 황화합물을 첨가하는 경우에 합성되는 단일벽 탄소나노튜브의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 반응물질은 불활성 기체와 함께 주입될 수 있다. 불활성 기체는 반응성이 매우 낮은 기체로 예를 들어, 헬륨(He), 질소(N2) 및 아르곤(Ar)일 수 있다. 불활성 기체와 함께 반응물질을 주입하는 경우에는 반응물질들을 서로 뭉치지 않도록 반응기 내로 유동 및 분산시켜 단일벽 탄소나노튜브의 합성을 고르게 수행할 수 있으며, 또한 제1 내부 공간에서 제조된 단일벽 탄소나노튜브를 상기 관통홀을 통해 상기 제2 내부 공간으로 용이하게 이동시킬 수 있다.
상기 내부 튜브 구조물은 상기 반응물질로부터 단일벽 탄소나노튜브를 성장시키는 반응기로, 탄소를 포함하는 반응 물질들이 열에 의해 반응함으로써 탄소나노튜브를 합성하는 플로팅 촉매 방법(floating catalyst)에 의해 단일벽 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있다. 구체적으로, 탄소 원료 및 금속 촉매를 포함하는 반응물질과 불활성 기체의 아르곤 가스를 내부 튜브 구조물에 주입시키는 경우, 상기 반응 물질은 아르곤 가스에 의해 관통홀의 방향으로 유동하면서 상기 금속 촉매는 상기 가열 장치에 의해 상기 내부 튜브 구조물에 가열되는 온도에 의해 열분해되고, 나노 크기의 금속 입자로 분산될 수 있다. 상기 금속 입자는 탄소 원료로부터 탄소를 공급받아 표면에 단일벽 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있고, 결과적으로 반응물질들은 관통홀의 방향으로 유동하면서 단일벽 탄소나노튜브를 합성할 수 있다.
상기 단일벽 탄소나노튜브(single walled carbon nanotube)는 탄소 원자로 구성된 벽이 하나인 튜브 형태인 탄소나노튜브를 의미하며, 전기적, 열적, 기계적 등의 특성이 우수하고, 밀도가 낮아 많은 분야에 응용가능하며, 특히, 전기적 특성의 경우 그 구조에 따라서 매우 민감하게 변화하는 특성이 있다.
상기 내부 튜브 구조물에서 합성된 단일벽 탄소나노튜브는 관통홀을 통해 매체 입자가 유동하는 외부 튜브 구조물로 이동될 수 있다. 이 때, 단일벽 탄소나노튜브는 반응물질과 함께 주입된 불활성 가스로 인해 이동될 수 있다.
상기 외부 튜브 구조물은 단일벽 탄소나노튜브를 매체 입자와 반응시켜 상기 매체 입자의 표면에 상기 단일벽 탄소나노튜브가 코팅된 복합체 입자를 제조하는 유동층 반응기일 수 있다.
상기 관통홀을 통해 이동된 단일벽 탄소나노튜브와 매체 입자는 상기 기체 공급부에 주입되는 불활성 가스에 의해 유동성을 띠게 되며, 유동화된 단일벽 탄소나노튜브 및 매체 입자는 균일하게 분산될 수 있다. 분산된 매체 입자의 표면에는 단일벽 탄소나노튜브가 고르게 코팅되고, 결과적으로, 매체 입자의 표면에 상기 단일벽 탄소나노튜브가 코팅된 복합체 입자를 제조할 수 있다.
상기 매체 입자는 단일벽 탄소나노튜브를 표면에 코팅시키려는 입자를 의미하며, 탄소를 포함하는 물질을 사용할 수 있다. 예를 들어, 매체 입자는 카본블랙, 키친블랙, 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon NanoTube, MWCNT), 그래핀(Graphene), 풀러렌(Fullerene) 및 나노-다이아몬드(nano-diamond) 등 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 그러나 본 발명에서는 반드시 이에 한정하는 것은 아니며, 사용자의 목적에 따라 용이하게 매체 입자를 선택하는 것이 가능할 수 있다. 예를 들면, 복합체 입자를 전도성 소재로 사용하려는 경우에는 매체 입자로 카본 블랙을 사용할 수 있다.
상기 외부 튜브 구조물에서 제조된 복합체 입자는 상기 외부 튜브 구조물의 상부에 형성된 배출구에 의해 배출될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 복합체 입자 제조장치는 배출구와 연결되어 제조된 복합체 입자를 냉각 및 회수하기 위한 회수부를 더 포함할 수 있다. 이 때 회수부는 상기 가열장치 외부에 배치되어 가열장치의 열에 의해 영향을 받지 않도록 구비될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합체 입자 제조장치를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 도 2의 복합체 입자 제조장치는 도 1의 복합체 입자 제조장치 튜브 구조물을 기준으로 내부 튜브 구조물과 외부 튜브 구조물의 기능이 서로 변경된 구조를 갖는 복합체 입자 제조장치인 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 도 2의 복합체 입자 제조장치는 도 1의 복합체 입자 제조장치와 비교해보면, 도 1의 복합체 입자 제조장치는 내부 튜브 구조물에서 단일벽 탄소 나노튜브가 형성되고 외부 튜브 구조물에서 복합체 입자가 형성되는 반면, 도 2의 복합체 입자 제조장치는 외부 튜브 구조물에서 단일벽 탄소 나노튜브가 형성되고 내부 튜브 구조물에서 복합체 입자가 형성되는 것을 확인할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합체 입자 제조장치는 하부에 단일벽 탄소나노튜브가 유입되는 하나 이상의 관통홀을 형성하고, 매체 입자가 유동하는 제1 내부 공간을 구비하며, 상기 관통홀로부터 이동된 상기 단일벽 탄소나노튜브를 상기 매체 입자와 반응시켜 상기 매체 입자의 표면에 상기 단일벽 탄소나노튜브가 코팅된 복합체 입자가 제조되는 내부 튜브 구조물, 상기 내부 튜브 구조물을 둘러싸고 상부에 탄소 원료 및 금속 촉매를 포함하는 반응물질이 유입되는 유입구를 형성하고, 상기 관통홀을 통해 상기 제1 내부 공간과 연결되며 상기 유입구로부터 주입된 반응물질이 상기 관통홀 방향으로 이동하면서 상기 반응물질로부터 단일벽 탄소나노튜브가 성장되는 제2 내부 공간을 구비하는 외부 튜브 구조물, 상기 제1 내부 공간의 하부에 연결되어 상기 제1 내부 공간으로 상기 매체 입자를 유동시키는 불활성 기체를 공급하는 기체 공급부 및 상기 내부 튜브 구조물의 상부에 형성되고, 상기 내부 튜브 구조물에서 제조된 복합체 입자가 배출되는 배출구를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 외부 튜브 구조물은 상부에 탄소 원료 및 금속 촉매를 포함하는 반응물질이 유입되는 유입구가 형성되어 있는데, 상기 유입구는 튜브 형태의 구조물에서 균일하게 반응물질을 주입 및 분산시킬 수 있도록 일정간격의 노즐형태로 형성될 수 있다.
상기 복합체 입자 제조장치는 가열장치를 더 포함할 수 있고, 상기 가열장치는 상기 가열장치는 상기 외부 튜브 구조물으로부터 이격되어, 상기 외부 튜브 구조물을 둘러싸며 배치될 수 있다. 가열장치는 상기 내부 및 외부 튜브 구조물의 내부 온도를 약 400 내지 1300 ℃으로 가열할 수 있다. 너무 높은 온도로 가열하는 경우에는 형성되는 단일벽 탄소나노튜브 및 복합체 입자가 손상될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가열장치는 상기 내부 튜브 구조물의 중심부에 배치될 수 있다.
상기 복합체 입자 제조장치는 가열장치 외부에 배치되고 상기 배출구와 연결되어 제조된 복합체 입자를 냉각하기 위한 회수부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 고순도의 단일벽 탄소나노튜브를 합성하는 과정과 이를 유동하는 매체입자와 함께 유동시켜 분산시키고, 매체 입자의 표면에 고르게 코팅하는 과정을 동시에 수행함으로써 단순하고 경제적인 복합체 입자 제조장치를 제공할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (20)

  1. 상부에 탄소 원료 및 금속 촉매를 포함하는 반응물질이 유입되는 유입구 및 하부에 탄소나노튜브를 이동시키는 하나 이상의 관통홀이 형성되고, 상기 유입구로부터 주입된 상기 탄소 원료 및 상기 금속 촉매가 상기 관통홀 방향으로 이동하면서 상기 반응물질로부터 단일벽 탄소나노튜브가 성장되는 제1 내부 공간을 구비하는 내부 튜브 구조물;
    상기 내부 튜브 구조물을 둘러싸고 상기 관통홀을 통해 상기 제1 내부 공간과 연결되며 매체 입자가 유동하는 제2 내부 공간을 구비하고, 상기 관통홀로부터 이동된 상기 단일벽 탄소나노튜브를 상기 매체 입자와 반응시켜 상기 매체 입자의 표면에 상기 단일벽 탄소나노튜브가 코팅된 복합체 입자가 제조되는 외부 튜브 구조물;
    상기 제2 내부 공간의 하부에 연결되어 상기 제2 내부 공간으로 상기 매체 입자를 유동시키는 불활성 기체를 공급하는 기체 공급부; 및
    상기 외부 튜브 구조물의 상부에 형성되고, 상기 외부 튜브 구조물에서 제조된 복합체 입자가 배출되는 배출구를 포함하는,
    복합체 입자 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 원료는 알케인(Alkane) 계열 탄화수소 화합물, 알켄(Alkene) 계열 탄화수소 화합물 및 알카인(Alkyne) 계열 탄화수소 화합물 중에서 선택된 어느 하나의 탄화수소 화합물인 것인,
    복합체 입자 제조장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속 촉매는 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 금속화합물인 것을 특징으로 하는,
    복합체 입자 제조장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반응물질은 황화합물을 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    복합체 입자 제조장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반응물질은 불활성 기체와 함께 주입되는 것을 특징으로 하는,
    복합체 입자 제조장치.
  6. 제1항에 있어서,
    매체 입자는 카본블랙, 키친블랙, 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon NanoTube, MWCNT), 그래핀(Graphene), 풀러렌(Fullerene) 및 나노-다이아몬드(nano-diamond) 중에서 선택된 어느 하나인,
    복합체 입자 제조장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복합체 입자 제조장치는 가열장치를 더 포함하고,
    상기 가열장치는 상기 외부 튜브 구조물으로부터 이격되어, 상기 외부 튜브 구조물을 둘러싸며 배치된 것을 특징으로 하는,
    복합체 입자 제조장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가열장치는 상기 내부 및 외부 튜브 구조물의 내부 온도를 400 내지 1300 ℃으로 가열하는 것을 특징으로 하는,
    복합체 입자 제조장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 가열장치 외부에 배치되고, 배출구와 연결되어 제조된 복합체 입자를 냉각하기 위한 회수부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    복합체 입자 제조장치.
  10. 하부에 단일벽 탄소나노튜브가 유입되는 하나 이상의 관통홀을 형성하고, 매체 입자가 유동하는 제1 내부 공간을 구비하며, 상기 관통홀로부터 이동된 상기 단일벽 탄소나노튜브를 상기 매체 입자와 반응시켜 상기 매체 입자의 표면에 상기 단일벽 탄소나노튜브가 코팅된 복합체 입자가 제조되는 내부 튜브 구조물;
    상기 내부 튜브 구조물을 둘러싸고 상부에 탄소 원료 및 금속 촉매를 포함하는 반응물질이 유입되는 유입구를 형성하고, 상기 관통홀을 통해 상기 제1 내부 공간과 연결되며 상기 유입구로부터 주입된 반응물질이 상기 관통홀 방향으로 이동하면서 상기 반응물질로부터 단일벽 탄소나노튜브가 성장되는 제2 내부 공간을 구비하는 외부 튜브 구조물;
    상기 제1 내부 공간의 하부에 연결되어 상기 제1 내부 공간으로 상기 매체 입자를 유동시키는 불활성 기체를 공급하는 기체 공급부; 및
    상기 내부 튜브 구조물의 상부에 형성되고, 상기 내부 튜브 구조물에서 제조된 복합체 입자가 배출되는 배출구를 포함하는,
    복합체 입자 제조장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 탄소 원료는 알케인(Alkane) 계열 탄화수소 화합물, 알켄(Alkene) 계열 탄화수소 화합물 및 알카인(Alkyne) 계열 탄화수소 화합물 중에서 선택된 어느 하나의 탄화수소 화합물인 것인,
    복합체 입자 제조장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 금속 촉매는 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 중에서 어느 하나를 포함하는 금속화합물인 것을 특징으로 하는,
    복합체 입자 제조장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 반응물질은 황화합물을 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    복합체 입자 제조장치.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 반응물질은 불활성 기체와 함께 주입되는 것을 특징으로 하는,
    복합체 입자 제조장치.
  15. 제10항에 있어서,
    매체 입자는 카본블랙, 키친블랙, 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon NanoTube, MWCNT), 그래핀(Graphene), 풀러렌(Fullerene) 및 나노-다이아몬드(nano-diamond) 중에서 선택된 어느 하나인,
    복합체 입자 제조장치.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 복합체 입자 제조장치는 가열장치를 더 포함하고,
    상기 가열장치는 상기 외부 튜브 구조물으로부터 이격되어, 상기 외부 튜브 구조물을 둘러싸며 배치된 것을 특징으로 하는,
    복합체 입자 제조장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 가열장치는 상기 내부 및 외부 튜브 구조물의 내부 온도를 400 내지 1300 ℃으로 가열하는 것을 특징으로 하는,
    복합체 입자 제조장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 가열장치 외부에 배치되고, 상기 배출구와 연결되어 제조된 복합체 입자를 냉각하기 위한 회수부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    복합체 입자 제조장치.
  19. 탄소 원료 및 금속 촉매가 공급되고, 상기 탄소 원료로부터 단일벽 탄소나노튜브가 합성되는 탄소나노튜브 성장부; 및
    유동 기체에 의해 내부에 매체 입자가 유동하고, 상기 탄소나노튜브 성장부로부터 상기 단일벽 탄소나노튜브를 공급받으며, 상기 단일벽 탄소나노튜브가 상기 매체 입자 표면에 코팅되는 복합체 입자 형성부를 포함하는,
    복합체 입자 제조장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 복합체 입자 형성부에서 제조된 상기 복합체 입자를 냉각하기 위한 회수부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    복합체 입자 제조장치.
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