KR20220083597A

KR20220083597A - 탄소나노튜브 제조장치

Info

Publication number: KR20220083597A
Application number: KR1020210171324A
Authority: KR
Inventors: 윤광우; 황두성; 박혜진; 김세현
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2020-12-11
Filing date: 2021-12-02
Publication date: 2022-06-20
Also published as: KR20220083596A; KR20220083598A; KR20220083595A

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 제조장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 제조장치는 탄소나노튜브 제조장치로서, 내부에 반응이 일어나는 공간인 수용부가 형성된 원통형의 반응기 본체; 및 상기 반응기 본체의 수용부 하부에 위치되어 상기 수용부로 공급되는 반응 기체를 분산시키는 분산판을 포함하고, 상기 반응기 본체는, 하부 반응기; 상기 하부 반응기 보다 지름이 크게 형성된 상부 반응기; 및 상기 상부 반응기와 상기 하부 반응기 사이를 연결하며 지름이 점차 확장되는 경사를 형성하는 확장부를 포함하며, 상기 확장부의 경사 각도는 수직방향을 기준으로 5~45°이다.

Description

탄소나노튜브 제조장치{Carbon nanotube manufacturing device}

본 발명은 탄소나노튜브 제조장치에 관한 것이다.

유동층 반응기는 다양한 다중상(multiphase) 화학 반응을 수행하도록 이용될 수 있는 반응기 장치이다. 유동층 반응기에서는 유체(기체 또는 액체)가 미립자 상태의 고체 물질과 반응하게 되는데, 통상적으로 상기 고체 물질은 작은 구(sphere)의 형상을 가지는 촉매이고, 유체는 고체 물질을 부유시키기에 충분한 속도로 유동함으로써 고체 물질이 유체와 유사하게 거동하게 된다.

한편, 탄소나노구조물(carbon nanostructures, CNS)은 나노튜브, 나노파이버, 풀러렌, 나노콘, 나노호른, 나노로드 등 다양한 형상을 갖는 나노크기의 탄소구조물을 지칭하며, 여러 가지 우수한 성질을 보유하기 때문에 다양한 기술분야에서 활용도가 높다. 대표적인 탄소나노구조물인 탄소나노튜브(Carbon nanotubes; CNT)는 서로 이웃하는 3 개의 탄소 원자가 육각형의 벌집 구조로 결합되어 탄소 평면을 형성하고, 상기 탄소 평면이 원통형으로 말려서 튜브의 형상을 가지는 소재이다. 탄소나노튜브는 구조에 따라서, 즉, 튜브의 지름에 따라서 도체가되거나 또는 반도체가 되는 특성이 있으며, 다양한 기술 분야에서 광범위하게 응용될 수 있어서 신소재로 각광을 받는다. 예를 들어, 탄소나노튜브는 이차 전지, 연료 전지 또는 슈퍼 커패서티(super capacity)와 같은 전기 화학적 저장 장치의 전극, 전자파 차폐, 전계 방출 디스플레이, 또는 기체 센서 등에 적용될 수 있다.

탄소나노튜브의 경우 통상적으로 고온의 유동층 반응기 안에서 촉매(Seed)에 탄화수소를 반응시켜 고온에서 합성한다. 이때, 촉매 대비 탄소나노튜브의 부피 성장율은 40000% 이상이다. 최종 부피를 고려하여 반응기 사이즈(Size)를 결정할 경우, 촉매의 부피가 작기 때문에 반응기 대부분이 빈 상태이며, 탄소나토튜브 합성에 필요한 반응 온도 확보가 어렵다.

종래에는 온도 확보를 위해 제품을 유동매체를 사용하였다. 이때, 유동매체로 사용한 제품이 추가 성장을 하기 때문에 제품의 불균일성을 야기 하였으며, 반응기 전체 부피를 제품 생산하는데 사용할 수 없었다.

한국 공개특허 제10-2010-0108599호

본 발명의 하나의 관점은 반응기 온도 확보용 유동물 없이 촉매만을 이용하여 탄소나노튜브를 제조할 수 있는 탄소나노튜브 제조장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 제조장치는 탄소나노튜브 제조장치로서, 내부에 반응이 일어나는 공간인 수용부가 형성된 원통형의 반응기 본체; 및 상기 반응기 본체의 수용부 하부에 위치되어 상기 수용부로 공급되는 반응 기체를 분산시키는 분산판을 포함하고, 상기 반응기 본체는, 하부 반응기; 상기 하부 반응기 보다 지름이 크게 형성된 상부 반응기; 및 상기 상부 반응기와 상기 하부 반응기 사이를 연결하며 지름이 점차 확장되는 경사를 형성하는 확장부를 포함하며, 상기 확장부의 경사 각도는 수직방향을 기준으로 5~45°일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 제조장치를 통해 제조될 수 있다.

본 발명에 따르면, 지름이 상부로 확관된 반응기를 통해 반응기 온도 확보용 유동물 없이 촉매만을 사용하여 반응기 사용율을 높이고, 반응물간 품질 편차를 줄일 수 있다. 즉, 상부 반응기 보다 지름이 적게 형성된 하부 반응기에 촉매를 공급하고, 하부 반응기 하부로부터 반응 기체를 공급하여, 반응 온도를 확보하기 용이하고, 이로 인해 촉매만을 이용하여 탄소나노튜브의 제조가 가능하여 반응기 사용율을 현저히 높이며, 반응물의 품질 편차를 줄일 수 있다.

특히, 반응기의 확장부는 경사 각도가 수직방향을 기준으로 5~45°가 되도록 형성되어 확장부의 가장자리 부분의 유속 감소 현상을 줄일 수 있고, 이로 인해 유속 감소에 따라 발생되는 CNT 응집체 양을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라, CNT 생산량이 감소되는 것을 방지할 수 있다. 이때, 반응기의 확장부는 경사 각도가 수직방향을 기준으로 10~30°가 되도록 형성되어 유속 감소를 최소화시킬 수 있고, 이로 인해 CNT 응집체 양을 현저히 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 제조장치의 요부를 나타낸 사시도이다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 제조장치의 요부 개념을 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 제조장치를 개략적으로 나타낸 사시도이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.

실시예에 따른 탄소나노튜브 제조장치

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 제조장치의 요부를 나타낸 사시도이고, 도 2은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 제조장치의 요부개념을 나타낸 사시도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 제조장치를 개략적으로 나타낸 사시도이다.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 제조장치(100)는 탄소나노튜브 제조장치(100)로서, 수용부(114)가 형성된 반응기 본체(110) 및 반응기 본체(110)의 수용부(114)로 공급되는 반응 기체를 분산시키는 분산판(120)을 포함하고, 반응기 본체(110)는 하부 반응기(112), 상부 반응기(111), 및 확장부(113)를 포함한다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 제조장치(100)는 촉매(S)를 공급하는 촉매 공급부(130), 반응 기체를 공급하는 기체 공급부(140), 반응물(P)을 회수하는 회수부(150), 및 가스를 배출시키는 가스 배출부(160)를 더 포함할 수 있다.

보다 상세히, 도 1을 참고하면, 반응기 본체(110)는 내부에 반응이 일어나는 공간인 수용부(114)가 형성될 수 있다. 이때, 반응기 본체(110)는 원통형으로 형성될 수 있다.

반응기 본체(110)는, 하부 반응기(112) 보다 지름이 크게 형성된 상부 반응기(111), 및 상부 반응기(111)와 하부 반응기(112) 사이를 연결하며 지름이 점차 확장되는 확장부(113)를 포함할 수 있다.

도 1 및 도 2(a)를 참고하면, 반응기 본체(110)의 내부 전체 높이인 수용부(114) 높이(h1)는 예를 들어 1m ~ 10m로 형성될 수 있지만, 본 발명의 수용부(114) 높이(h1)가 여기에 반드시 한정되는 것은 아니다.

상부 반응기(111)는 지름(a)이 예를 들어 2m 이하로 형성될 수 있다. 구체적으로 상부 반응기(111)는 지름(a)이 0.4 ~ 2m로 형성될 수 있다. 하지만, 본 발명의 상부 반응기(111)는 지름(a)이 여기에 반드시 한정되는 것은 아니다.

하부 반응기(112)의 지름(b)은 예를 들어 상부 반응기(111)의 지름(a)의 1/2 이하로 형성될 수 있다. 여기서, 하부 반응기(112)의 지름(b)은 구체적으로 예를 들어 상부 반응기(111)의 지름(a)의 1/5 ~ 1/2로 형성될 수 있다.

이때, 하부 반응기(112)의 지름(b)은 상부 반응기(111) 지름(a)의 상한값인 1/2 이하로 형성되어 온도 확보가 가능한 효과가 있다.

그리고, 하부 반응기(112)의 지름(b)은 상부 반응기(111) 지름(a)의 하한값인 1/5 이상으로 형성되어 입자 이탈 방지의 효과가 있다. 구체적으로, 가스 유량 증가 시 입자는 하부 반응기(112)에서 이탈하여 상부 반응기(111)로 넘어가게 된다. 가스 유량 감소 시 촉매/CNT 순환이 일어나지 않는 문제점이 발생한다. 통상적으로 촉매의 경우 가스 선속도 250cm/s 이상에서는 입자 이탈이 발생하며, 10cm/s 이상이 되어야 입자가 순환한다. 따라서, 하부 반응기(112)의 지름(b)이 상부 반응기(111) 지름(a)의 하한값인 1/5 이상으로 형성되어, 입자 이탈을 방지하며 입자가 순환될 수 있다.

또한, 하부 반응기(112)의 높이(h2)는 반응기 본체(110)의 높이(h1)에 대하여 1/150 ~ 1/8로 구비될 수 있다. 여기서, 하부 반응기(112)의 높이(h2) 및 반응기 본체(110)의 높이(h1)는 내측에 수용부(114)가 형성된 구간의 높이 일 수 있다.

한편, 상부 반응기(111) 및 하부 반응기(112)는 각각 지름이 일정하게 형성될 수 있다.

확장부(113)는 하부 반응기(112)와 상부 반응기(111) 사이에 구비되고, 하부 반응기(112)와 상부 반응기(111) 방향으로 갈수록 지름이 점차 확장되도록 테이퍼(taper) 형태의 경사면(111a)이 형성될 수 있다.

확장부(113)의 경사 각도(α)는 예를 들어 수직방향(V)을 기준으로 5~45°로 형성될 수 있다. 여기서, 수직방향(V)은 도 1을 참고할 때, 상하방향으로 연장된 직선과 나란한 방향을 말하며, 상부 반응기(111)의 연장방향일 수 있다. 즉, 확장부(113)의 경사 각도(α)는 수직방향(V)의 직선과 확장부(113)의 경사면(113a) 사이의 각도일 수 있다. 따라서, 확장부(113)의 경사 각도(α)가 45°이하로 형성되어 확장부(113) 가장자리의 유속이 감소되는 현상을 현저히 줄일 수 있다. 결국, 유속 감소에 따라 발생되는 CNT 응집체의 발생량을 현저히 감소시킬 수 있고, CNT 응집체의 발생량을 줄일 수 있어 CNT 생산량을 현저히 증가시킬 수 있다. 아울러, 확장부(113)의 경사 각도(α)가 5°이상으로 형성되어, 상부 반응기(111)가 보다 지름이 적은 하부 반응기(112)를 형성할 수 있어, 하부 반응기(112)에서 열전달 면적을 충분히 확보하여 촉매만 주입하여도 반응하게 할 수 있다.

또한, 확장부(113)의 경사 각도(α)는 구체적으로 예를 들어 수직방향(V)을 기준으로 5~30°로 형성될 수 있다. 따라서, 확장부(113)의 경사 각도(α)가 30°이하로 형성되어 확장부(113) 가장자리의 유속이 감소되는 현상을 보다 현저히 줄일 수 있다.

아울러, 확장부(113)의 경사 각도(α)는 보다 구체적으로 예를 들어 수직방향(V)을 기준으로 10~30°로 형성될 수 있다.

분산판(120)은 반응기 본체(110)의 수용부(114) 하부에 위치되어 수용부(114)로 공급되는 반응 기체를 분산시킬 수 있다.

여기서, 분산판(120)은 하부 반응기(112)의 하부에 위치될 수 있다.

이때, 분산판(120)은 다수개의 분산홀이 형성된 원판형태로 형성될 수 있다.

분산홀은 분산판(120)의 하부에서 유입되는 반응 기체가 다수개의 분산홀을 통과하며 분산판(120)의 상부에 위치된 수용부(114)로 분산될 수 있다.

촉매 공급부(130)는 하부 반응기(112)와 연결되어 하부 반응기(112)로 촉매(S)를 공급할 수 있다.

또한, 촉매 공급부(130)는 촉매(S)의 높이(h3)를 하부 반응기(112)의 높이(h2) 보다 낮게 형성되도록 촉매(S)를 하부 반응기(112)의 내부로 공급할 수 있다. 여기서, 촉매 공급부(130)는 촉매(S)의 높이(h3)를 반응기 본체(110)의 수용부(114) 전체 높이(h1)에 대하여 1/150 ~ 1/10가 되도록 공급할 수 있다.

이때, 반응 전 촉매(S)의 높이(h3)를 반응기 본체(110)의 수용부(114) 전체 높이(h1)에 대하여 하한값인 1/150 이상으로 공급하여, 온도 확보 및 가스(Gas) 접촉시간 확보를 할 수 있는 효과가 있다. 즉, 촉매(S) 높이가 너무 낮을 경우, 단열면적 대비 촉매량이 많아 온도 확보가 어렵고, 촉매층의 기체 통과 시간이 짧아져 반응 효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 반응 전 촉매(S)의 높이(h3)를 반응기 본체(110)의 수용부(114) 전체 높이(h1)에 대하여 상한값인 1/10 이하로 공급하여, 반응물이 반응기 본체(110)에서 이탈되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

보다 상세히, 촉매(S)에서 반응물인 탄소나노튜브(CNT) 성장 시 부피가 250 ~2500배까지 성장한다. 상부 반응기(111) 대비 하부 반응기(112) 지름이 1/5(단면적 1/25)로 고려할 경우, 부피가 250배 * 1/25로 상한값이 1/10으로 산출되며, 이 경우 촉매 높이 1/10 이상일 경우 반응기 본체(110)의 수용부(114) 부피 이상이 생산되게 된다. 따라서, 반응 전 촉매(S)의 높이(h3)를 반응기 본체(110)의 수용부(114) 전체 높이(h1)에 대하여 상한값인 1/10 이하로 공급함에 따라, 반응물이 반응기 본체(110)의 부피 이상 생산되는 것을 방지할 수 있다. 촉매(S)의 종류는 예를들어 Fe, Co, Ni, Cu, Cr, Mn 중에서 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.

기체 공급부(140)는 하부 반응기(112)의 하단부와 연결되어 하부 반응기(112)로 반응 기체를 공급할 수 있다.

아울러, 기체 공급부(140)는 탄화 수소 계열 원료 기체를 포함하는 반응 기체를 공급함에 따라 반응기 본체(110) 수용부(114) 내에서 탄소 구조물이 제조될 수 있다. 이때, 탄소 구조물은 예를 들어 탄소나노튜브(CNT; Carbon nanotubes)일 수 있다.

여기서, 반응 기체는 예를 들어 질소(N2), 에틸렌(C₂H₄), 아세틸렌, 메탄, 또는 일산화탄소 중 적어도 어느 하나 이상일 수 있다.

이때, 예를 들어 반응 기체가 에틸렌을 포함할 때, 기체 공급부(140)는 반응기 내부로 에틸렌의 량을 20 ~ 1000(m³/hr)로 공급할 수 있다.

한편, 기체 공급부(140)는 예열기를 포함할 수 있다. 이때, 반응 기체는 반응기 본체(110)의 내부로 공급되기 전에 예열기(S1)에서 예열될 수 있다.

도 1 및 도 3을 참고하면, 회수부(150)는 하부 반응기(112)와 연결되어 수용부(114)의 내부에 위치된 반응물(P)을 회수할 수 있다.

회수부(150)는 하부 반응기(112)와 연결되어 반응물(P)이 회수되는 회수라인(151), 및 회수라인(151)과 연결되어 회수되는 반응물(P)이 저장되는 저장 탱크(153)를 포함할 수 있다. 또한, 회수부(150)는 회수라인(151) 상에 위치되어 반응물(P)을 냉각 시키는 쿨러(152)(Cooler)를 더 포함할 수 있다.

이때, 반응기 본체(110)에 수용된 고온의 반응물(P)이 회수라인(151)을 통해 회수되어 쿨러(152)를 통해 냉각된 후 저장 탱크(153)에 저장될 수 있다.

가스 배출부(160)는 상부 반응기(111)의 상부와 연결되어, 반응기 본체(110)의 수용부(114)에 위치된 반응이 완료된 가스를 배출시킬 수 있다.

여기서, 가스 배출부(160)는 상부 반응기(111)의 상부에서 단부 또는 측면과 연결될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 제조장치(100)는 가열부, 열교환기(170), 싸이클론(180), 소각로(190), 및 미분포집부(J)를 더 포함할 수 있다.

가열부는 반응기 본체(110)의 외측에 구비되어 반응기 본체(110)를 고온으로 가열할 수 있다.

열교환기(170)는 반응기 본체(110)의 상부에 구비된 가스 배출부(160)와 연결되어 배출되는 가스를 열교환할 수 있다. 즉, 반응기 본체(110)에서 배출되는 고온을 가스를 열교환하여 높은 온도의 열을 다른 장치로 전달하여 사용할 수 있다. 이때, 예를 들어 열교환기(170)는 스팀 파이프(Steam Pipe)를 포함하고, 스팀 파이프를 통해 열을 전달받아 기체 공급부(140)에서 반응 기체를 공급 시, 반응 기체의 예열에 사용할 수 있다.

싸이클론(180)은 열교환기(170)와 연결되어 열교환된 가스에서 미분(파우더) 및 가스를 분리할 수 있다.

소각로(190)는 싸이클론(180)의 일측과 연결되어 싸이클론(180)에서 분리된 가스를 소각할 수 있다.

미분포집부(J)는 싸이클론(180)의 타측과 연결되어 싸이클론(180)에서 분리된 미분을 포집할 수 있다.

도 2를 참고하여, 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 제조장치(100)의 작동을 구체적으로 예를 들어 설명하면, 도 2(a)를 참고할 때, 반응기 본체(110)의 수용부(114)로 질소를 공급하고, 가열부를 통해 반응기 본체(110)를 승온시키며, 촉매 공급부(130)를 통해 하부 반응기(112) 내부로 촉매를 공급한다.

그리고, 도 2(b)를 참고하면, 반응기 본체(110)의 수용부(114)로 에틸렌을 공급하여 촉매(S)와 고온에서 반응시킨다.

이후, 도 2(c)를 참고하면, 반응된 반응물(P)을 반응기 본체(110)의 수용부(114)에서 회수부(150)를 통해 회수할 수 있다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 제조장치(100)는 반응기 본체(110)를 하부 반응기(112), 하부 반응기(112) 보다 지름이 크게 형성된 상부 반응기(111), 및 상부 반응기(111)와 하부 반응기(112) 사이를 연결하며 지름이 점차 확장되는 확장부(113)로 구성함으로써, 온도 확보용 유동물 없이 촉매(S)만을 이용하여 탄소나노튜브를 제조할 수 있다. 특히, 상부 반응기(111) 보다 지름이 적게 형성된 하부 반응기(112)에 촉매(S)를 공급하고, 하부 반응기(112) 하부로부터 반응 기체를 분산판(120)을 통해 공급하여, 반응 온도를 확보하기 용이하고, 이로 인해 촉매(S)만을 이용하여 탄소나노튜브의 제조가 가능하여 반응기 사용율을 현저히 높이며, 반응물(P)간 품질 편차를 줄일 수 있다. 그리고, 하부 반응기(112) 보다 확관된 상부 반응기(111)를 구비하여 반응기의 생산량이 증가될 수 있다.

특히, 반응기 본체(110)의 확장부(113)는 경사 각도가 수직방향을 기준으로 5~45°가 되도록 형성되어 확장부(113)의 가장자리 부분의 유속 감소 현상을 줄일 수 있고, 이로 인해 유속 감소에 따라 발생되는 불필요한 CNT 응집체 양을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라, CNT 생산량이 감소되는 것을 방지할 수 있다. 이때, 확장부(113)는 경사 각도가 수직방향을 기준으로 10~30°가 되도록 형성되어 유속 감소를 최소화시킬 수 있고, 이로 인해 CNT 응집체 양을 현저히 감소시킬 수 있다.

< 제조예 1 >

본 발명의 하부 반응기, 하부 반응기 보다 지름이 크게 형성된 상부 반응기, 상부 반응기와 하부 반응기 사이를 연결하며 지름이 점차 확장되는 확장부를 포함하는 다단 형태의 반응기 본체에서, 하부 반응기의 하부로 질소를 공급하고, 가열부를 통해 반응기 본체를 승온시키며, 촉매 공급부를 통해 하부 반응기 내부로 촉매를 공급한다. 여기서, 하부 반응기의 지름은 0.05m, 상부 반응기의 지름은 0.1m, 반응기 본체의 높이는 2m 형성된다. 그리고 확장부는 높이 0.3m에서 확관되되, 수직방향에 대하여 45°경사를 갖도록 확관된다.

그리고, 하부 반응기의 하부로 에틸렌을 공급하여 촉매와 고온에서 반응시켜 반응물을 생성시킨다.

그런 다음, 반응된 반응물을 반응기 본체의 내부에서 회수부를 통해 회수한다.

이후 촉매 주입단계부터 반복하며 탄소나노튜브를 제조하였다.

< 제조예 2 >

확장부는 수직방향에 대하여 30°경사를 갖도록 확관된 것을 제외하고 제조예 1과 동일과정을 수행하였다.

< 제조예 3 >

확장부는 수직방향에 대하여 15°경사를 갖도록 확관된 것을 제외하고 제조예 1과 동일과정을 수행하였다.

< 제조예 4 >

확장부는 수직방향에 대하여 10°경사를 갖도록 확관된 것을 제외하고 제조예 1과 동일과정을 수행하였다.

< 비교예 1 >

지름이 0.1m로 일정한 기존의 1단 형태의 반응기 본체를 사용하고, 온도 확보를 위해 내부유동물을 사용한 것을 제외하고 제조예 1과 동일과정을 수행하였다.

< 비교예 2 >

지름이 0.1m로 일정한 기존의 1단 형태의 반응기 본체를 사용한 것을 제외하고 제조예 1과 동일과정을 수행하였다. 즉, 온도 확보를 위한 내부유동물을 사용하지 않고, 종래의 1단 형태의 반응기 본체를 사용하였다.

< 비교예 3 >

확장부는 수직방향에 대하여 60°경사를 갖도록 확관된 제외하고 제조예 1과 동일과정을 수행하였다.

< 비교예 4 >

하부의 지름이 상측 방향으로 갈수록 확관된 반응기 본체를 사용하고, 온도 확보를 위해 내부유동물을 사용한 것을 제외하고 제조예 1과 동일과정을 수행하였다. 즉, 반응기 본체가 1단으로 형성되되, 하부가 확관된 형태로 형성되었다.

< 비교예 5 >

하부의 지름이 상측 방향으로 갈수록 확관된 반응기 본체를 사용한 것을 제외하고 제조예 1과 동일과정을 수행하였다. 즉, 반응기 본체가 1단으로 형성되되, 하부가 확관된 형태로 형성되었다.

< 실험예 1>

탄소나뉴튜브(CNT)의 생산량, CNT 응집체 양 등을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.

Bulk density는 정량컵에 채우고 무게를 측정하여 부피로 나는 값을 사용하였다.

Purity는 CNT를 Air 분위기에서 700℃에서 2 시간(h) 가열하여 잔유물 무게를 측정하였다. (초기 무게 - 최종무게) / 초기무게 * 100

비표면적은 BET 법으로 측정하였다.

	제조예 1	제조예 2	제조예 3	제조예 4	비교예 1	비교예 2	비교예 3	비교예 4	비교예 5
반응기 지름형태	지름확관	지름확관	지름확관	지름확관	지름일정	지름일정	지름확관	하부지름확관	하부지름확관
반응기 단수	다단	다단	다단	다단	1단	1단	다단	1단확관(하부확관)	1단확관(하부확관)
경사부 각도[°]	45	30	15	10	-	-	60	45	45
내부유동물[g]	-	-	-	-	150	-	-	150	-
촉매량[g]		22.5	22.5	22.5	15	22.5	22.5	15	22.5
에틸렌 유속[L/min]		7.5	7.5	7.5	5	5	7.5	5	7.5
세팅 온도[℃]	750	750	750	750	750	750	750	750	750
촉매층 온도[℃]	710	710	710	710	710	710	710	710	556
반응+회수시간 [min]	120	120	120	120	120	120	120	120	120
생산량[g]	466	491	530	540	276	-	415	258	50
CNT 응집체양 [g]	7	4	2	2	4	-	10	5	8
Bulk density [kg/m3]	37	36.5	36.9	36.8	37.5	-	36.1	37	23.6
Purity[%]	95.6	95.9	96.3	96.4	95.4	-	95.5	95.4	59
비표면적[m2/g]	184	178	182	181	185	-	180	195	161

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 반응기 본체가 1단 형태로 형성된 비교예 1, 비교예 4, 및 비교예 5는 CNT 생산량이 50~ 276[g]에 불과한 반면, 반응기 본체가 다단으로 형성되되 상부로 갈수록 확관되는 확장부가 구비된 제조예 1 내지 4는 CNT 생산량이 466 ~ 540[g]으로 현저히 많은 것을 알 수 있다.

구체적으로, 내부 유동물을 사용하지 않고, 하부지름이 확관된 비교예 5는 반응기 본체의 최하측에서 바로 확관하는 방식이라 열전달에 불리하여 CNT 생산량이 50[g]에 불과한 것을 알 수 있다. 즉, 비교예 5는 동일 부피 유속(cm3/s)의 반응 가스 공급 시 확관에 의해 분산판 바로 위부터 선속도(cm/s)가 변화되게 된다. 따라서, 분산판 상부가 Cake(CNT 응집체)에 가장 취약한 구간인데, 확관에 의해 선속도가 감소하기 때문에 Cake(CNT 응집체) 생성이 가속되게 된다. 결국, 지름 증가에 따른 초기 주입 촉매층 높이가 감소하여, 온도 확보 및 반응성(생산량)이 감소하게 됨을 알 수 있다. 여기서, Cake(CNT 응집체) 생성 원리를 보다 구체적으로 설명하면, 반응기가 지름이 확관되는 확관형태로 형성될 때, 관성에 의해 하단에서 상단으로 가스 진입 시, 경사부 쪽으로 유입되는 가스량이 상대적으로 작으며 경사부 벽면에서는 느린 유속으로 가스 하강 현상이 발생되며, 이로 인해 촉매/Carbon 정체가 발생하며, 불필요한 Cake(Carbon 응집체, CNT 응집체)가 생성되게 된다.

반응기 본체에 지름이 전체적으로 일정한 1단형으로 형성되되, 내부 유동물이 없는 비교예 2에서는 CNT가 생산되지 않음을 알 수 있다. 따라서, 비교예 2에서 반응기 본체가 지름이 일정한 1단형으로 형성될 때는 온도 확보용 유동물 없이는 CNT가 생산되지 않지만, 제조예 1 내지 4와 같이 반응기 본체가 다단으로 형성되되 상부로 갈수록 확관되는 확장부가 구비된 경우는 온도 확보용 유동물 없이 촉매만을 이용하여도 CNT가 생산되는 것을 알 수 있다.

아울러, 반응기 본체가 다단으로 형성되되 지름이 점차 확장되는 확장부의 경사 각도가 60°로 형성된 비교예 3에서는 CNT 응집체 양이 10[g]으로 많이 발생되는 반면, 반응기 본체가 다단으로 형성되되 지름이 점차 확장되는 확장부의 경사 각도가 10~45°로 형성된 제조예 1 내지 4는 CNT 응집체 양이 2~7[g]으로 현저히 감소된 것을 알 수 있다. 즉, 확장부의 경사 각도가 증가할수록 확장부의 가장자리 부분의 유속이 감소되어 CNT 응집체 양이 증가되는 것을 알 수 있다. 따라서, 확장부의 경사 각도가 60°로 형성된 비교예 3에서 확장부의 경사 각도가 10~45°로 형성된 제조예 1 내지 4 보다 CNT 생산량이 감소된 것을 알 수 있다. 이때, 확장부의 경사 각도가 30°이하로 형성된 제조예 2 내지 4는 CNT 응집체 양이 2~4[g]으로 보다 현저히 감소된 것을 알 수 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 실시가 가능하다고 할 것이다.

또한, 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

100: 탄소나노튜브 제조장치
110: 반응기 본체
111: 상부 반응기
112: 하부 반응기
113: 확장부
114: 수용부
120: 분산판
130: 촉매 공급부
140: 기체 공급부
150: 회수부
151: 회수라인
152: 쿨러
153: 저장 탱크
160: 가스 배출부
170: 열교환기
180: 싸이클론
190: 소각로
J: 미분포집부
S: 촉매
P: 반응물

Claims

탄소나노튜브 제조장치로서,
내부에 반응이 일어나는 공간인 수용부가 형성된 원통형의 반응기 본체; 및
상기 반응기 본체의 수용부 하부에 위치되어 상기 수용부로 공급되는 반응 기체를 분산시키는 분산판을 포함하고,
상기 반응기 본체는,
하부 반응기;
상기 하부 반응기 보다 지름이 크게 형성된 상부 반응기; 및
상기 상부 반응기와 상기 하부 반응기 사이를 연결하며 지름이 점차 확장되는 경사를 형성하는 확장부를 포함하며,
상기 확장부의 경사 각도는 수직방향을 기준으로 5~45°인 탄소나노튜브 제조장치.
청구항 1에 있어서,
상기 확장부의 경사 각도는 수직방향을 기준으로 10~30°인 탄소나노튜브 제조장치.
청구항 1에 있어서,
상기 하부 반응기와 연결되어 상기 하부 반응기로 촉매를 공급하는 촉매 공급부를 더 포함하는 탄소나노튜브 제조장치.
청구항 1에 있어서,
상기 분산판은 상기 하부 반응기의 하부에 위치되는 탄소나노튜브 제조장치.
청구항 1에 있어서,
상기 하부 반응기의 하단부와 연결되어 상기 하부 반응기로 상기 반응 기체를 공급하는 기체 공급부를 더 포함하는 탄소나노튜브 제조장치.
청구항 1에 있어서,
상기 하부 반응기와 연결되어 상기 수용부의 내부에 위치된 반응물을 회수하는 회수부를 더 포함하는 탄소나노튜브 제조장치.
청구항 6에 있어서,
상기 회수부는
상기 하부 반응기와 연결되어 상기 반응물이 회수되는 회수라인; 및
상기 회수라인과 연결되어 회수되는 반응물이 저장되는 저장 탱크를 포함하는 탄소나노튜브 제조장치.
청구항 7에 있어서,
상기 회수부는
상기 회수라인 상에 위치되어 상기 반응물을 냉각 시키는 쿨러를 더 포함하는 탄소나노튜브 제조장치.
청구항 1에 있어서,
상기 상부 반응기의 상부와 연결되어, 상기 수용부에 위치된 반응이 완료된 가스를 배출시키는 가스 배출부를 더 포함하는 탄소나노튜브 제조장치.
청구항 1에 있어서,
상기 상부 반응기 및 상기 하부 반응기는 각각 지름이 일정하게 형성된 탄소나노튜브 제조장치.
청구항 1에 있어서,
상기 하부 반응기의 지름은 상기 상부 반응기의 지름의 1/5 ~ 1/2로 된 탄소나노튜브 제조장치.
청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 기재된 탄소나노튜브 제조장치를 통해 제조된 탄소나노튜브.