KR20230137037A - 탄소나노튜브 제조 장치 및 탄소나노튜브 제조 방법 - Google Patents

탄소나노튜브 제조 장치 및 탄소나노튜브 제조 방법 Download PDF

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KR20230137037A
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최진호
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 제조 장치는, 탄소나노튜브를 금속 기판에 성장시키기 위한 공간을 형성하는 진공챔버, 상기 진공챔버의 내부 일측에 배치되어 상기 금속 기판이 배치되고 음극전원이 인가되는 전도체 재질의 제1 전극부, 상기 진공챔버의 내부 타측에 상기 제1 전극부와 마주보게 배치되고 상기 제1 전극부와의 사이에 플라즈마를 발생시키도록 양극전원이 인가되는 전도체 재질의 제2 전극부, 및 상기 진공챔버의 외측에 배치되고 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부 및 상기 금속 기판을 설정 온도 이상으로 전자기 유도 가열하는 인덕션 히터를 포함할 수 있다.

Description

탄소나노튜브 제조 장치 및 탄소나노튜브 제조 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MANUFACTURING CARBON NANOTUBE}
본 발명은 탄소나노튜브를 제조하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 화학기상증착법(CVD, chemical vapor deposition)과 플라즈마 강화 화학기상증착법(PECVD, plasma enhanced CVD)을 융합한 방식으로 탄소나노튜브(CNT)을 효율적으로 제조할 수 있는 탄소나노튜브 제조 장치 및 탄소나노튜브 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 탄소나노튜브(CNT, carbon nanotube)는 원통형 모양의 나노 구조를 지니는 탄소의 동소체로서, 우수한 기계적 특성, 전기적 선택성, 뛰어난 전계방출 특성, 고효율의 수소 저장 매체 특성 등을 구비하고 있기 때문에 의료용이나 산업용 등으로 응용 범위가 널리 확대되고 있다. 예컨대, 탄소나노튜브는 전자 디바이스 재료, 광학 소자 재료, 도전성 재료 및 생체 관련 재료 등과 같이 다양한 분야의 재료로 응용이 확대되고 있다.
최근에는 엑스레이의 전계 방출원으로 탄소나노튜브를 이용한 엑스레이가 개발되어 보급되고 있다. 특히, 탄소나노튜브는 고온에서 후처리가 가능하여 내구성이 좋으면서 수명과 성능이 향상된 우수한 엑스레이 소스로 사용 가능하므로, 엑스레이 발생기 등과 같은 방사선 관련 제품의 제조에 적용할 수 있다.
상기와 같은 탄소나노튜브를 제조하는 방법은 지속적으로 개발되고 있다. 탄소나노튜브를 제조하는 방법으로는 아크 방전법, 레이저 증발법, 화학기상증착법(이하, 'CVD'로 기재함), 및 플라즈마 강화 화학기상증착법(이하, 'PECVD'로 기재함) 등이 대표적이다.
그런데, 탄소나노튜브를 제조하는 다양한 방법들 중에서도 CVD와 PECVD가 최근에 널리 사용되는 추세이다. CVD는 금속기판의 표면에 탄소나노튜브를 직접 성장시키는 방식이고, PECVD는 양극전극과 음극전극의 전위차에 따라 발생된 플라즈마를 이용하여 탄소나노튜브를 성장시키는 방식이다.
하지만, 기존의 CVD는 고온의 환경에서 작동되어야만 하기 때문에 고온 히터를 이용하여 설정온도 이상으로 충분히 가열해야만 한다. 따라서, CVD는 전체 작동 시간이 많이 걸리고, 가열 에너지의 소모가 크며, 온도 조절이 어려운 단점이 있다.
또한, 기존의 PECVD는 양극전극과 음극전극 사이에 발생되는 플라즈마를 이용하여 기판의 표면에 탄소나노튜브를 성장시킨다. 이때, PECVD는 기판과 챔버 내의 온도를 높임으로써 탄소나노튜브의 생성 효율을 높일 수 있다. 따라서, 기존에는 챔버 내부에 히터를 설치하고 있지만, 플라즈마의 발생시 영향으로 히터의 작동에 문제가 발생하거나 전기적인 락킹 현상이 발생하기 때문에 CVD의 고온 히터보다 현저하게 낮은 온도로 가열하는 저온 히터만 사용 가능한 단점이 있다.
상기와 같이 CVD의 고온 작동시 PECVD와 같이 플라즈마를 동시에 이용하면 탄소나노튜브를 더 빠르게 성장시키는 것이 가능하다. 하지만, 하나의 챔버 내부에 플라즈마 발생기와 히터를 동시에 설치할 때의 간섭으로 인해서 저온 환경에서만 플라즈마를 이용하여 탄소나노튜브를 성장시키는 실정이다.
따라서, 저온 환경에서 플라즈마만을 사용하여 탄소나노튜브를 성장시키는 PECVD 또는 플라즈마 없이 고온 환경에서 탄소나노튜브를 성장시키는 CVD 등과 비교할 경우, 탄소나노튜브의 생성 효율이 우수한 탄소나노튜브의 제조 장치 및 제조 방법에 대한 기술 개발이 매우 절실한 실정이다.
관련 선행기술문헌으로는 일본공개특허 제 2008-514531호 (발명의 명칭: 카본 나노튜브를 형성하기 위한 플라즈마 화학 기상 성장 시스템, 공개일: 2008.05.08)이 있다.
일본공개특허 제2008-514531호 (2008.05.08 공개)
본 발명의 실시예는, CVD와 PECVD의 탄소나노튜브 생성 방식을 융합하여 탄소나노튜브(CNT)을 더 효율적으로 제조할 수 있는 탄소나노튜브 제조 장치 및 탄소나노튜브 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예는, 챔버 외측에 배치된 인덕션 히터에 의해 고온의 환경을 조성한 후 플라즈마를 이용하여 금속 기판에 탄소나노튜브를 신속하게 생성할 수 있고, 챔버 외측에 인덕션 히터를 배치하여 플라즈마의 생성시 전기적 간섭을 회피할 수 있는 탄소나노튜브 제조 장치 및 탄소나노튜브 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 탄소나노튜브를 금속 기판에 성장시키기 위한 공간을 형성하는 진공챔버, 상기 진공챔버의 내부 일측에 배치되어 상기 금속 기판이 배치되고 음극전원이 인가되는 전도체 재질의 제1 전극부, 상기 진공챔버의 내부 타측에 상기 제1 전극부와 마주보게 배치되고 상기 제1 전극부와의 사이에 플라즈마를 발생시키도록 양극전원이 인가되는 전도체 재질의 제2 전극부, 및 상기 진공챔버의 외측에 배치되고 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부 및 상기 금속 기판을 설정 온도 이상으로 전자기 유도 가열하는 인덕션 히터를 포함하는 탄소나노튜브 제조 장치를 제공한다.
여기서, 상기 인덕션 히터는 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부 및 상기 금속 기판의 온도를 1000℃ 이상으로 가열시킬 수 있다. 상기 진공챔버의 내부에는 상기 탄소나노튜브의 성장에 사용되는 원료가스가 공급될 수 있다.
바람직하게, 상기 인덕션 히터는, 상기 진공챔버의 외측 둘레를 나선형으로 감싸는 인덕션 코일, 및 상기 인덕션 코일에 고주파 전류를 공급하는 전류공급부를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 전극부는, 상기 금속 기판의 하부를 지지하는 서스셉터(susceptor) 역할을 수행하고 상기 인덕션 히터에 의해 전자기 유도 가열됨에 따라 상기 금속 기판의 하부를 가열시키는 제1 가열전극, 및 상기 제1 가열전극에 일단부가 연결되고 상기 진공챔버의 외측에 타단부가 배치되어 상기 음극전원과 연결되는 제1 전원연결부재를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극부는, 상기 제1 가열전극을 지지하도록 상기 제1 가열전극의 하부에 배치되는 전극 받침대를 더 포함할 수 있다. 상기 전극 받침대는, 상기 제1 가열전극과 상기 금속 기판을 이동시키도록 상기 진공챔버의 내부에 이동 가능하게 배치될 수 있다.
바람직하게, 상기 제2 전극부는, 상기 제1 가열전극의 상측에 마주보도록 배치되고 상기 인덕션 히터에 의해 전자기 유도 가열됨에 따라 상기 금속 기판의 상부를 가열시키는 제2 가열전극, 및 상기 제2 가열전극에 일단부가 연결되고 상기 진공챔버의 외측에 타단부가 배치되어 상기 양극전원과 연결되는 제2 전원연결부재를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 인덕션 히터는, 상기 진공챔버의 외측에 둘레 방향을 따라 균일하게 배치될 수 있고, 상기 제1 가열전극과 상기 제2 가열전극에 대응되는 부위에 다른 부위보다 더 집중적으로 배치될 수 있다.
바람직하게, 상기 진공챔버의 일측에는 상기 원료가스를 상기 진공챔버의 내부로 유입시키기 위한 유입부가 형성될 수 있고, 상기 진공챔버의 타측에는 상기 탄소나노튜브의 성장에 사용된 가스를 상기 진공챔버의 외부로 유출시키기 위한 유출부가 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 진공챔버의 내부에 배치된 제1 전극부와 제2 전극부 사이에 금속 기판을 배치하는 단계, 상기 진공챔버의 외측에 배치된 인덕션 히터를 작동시켜 상기 금속 기판과 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부를 설정 온도 이상으로 가열하는 단계, 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부에 전원을 인가하여 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부 사이에 플라즈마를 발생하는 단계, 및 상기 금속 기판이 설정 온도 이상의 고온 분위기에서 플라즈마의 발생에 따라 상기 금속 기판의 표면에 탄소나노튜브를 생성하는 단계를 포함하는 탄소나노튜브 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 제조 장치 및 탄소나노튜브 제조 방법은, 진공챔버의 외측에 배치된 인덕션 히터를 이용하여 진공챔버 내의 금속 기판, 제1 전극부 및 제2 전극부를 고온으로 가열한 후 제1 전극부와 제2 전극부에 전원을 인가하여 제1 전극부와 제2 전극부 사이에 플라즈마를 생성하므로, CVD의 고온 환경 및 PECVD의 플라즈마 환경을 융합시켜 탄소나노튜브(CNT)을 더 효율적으로 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 제조 장치 및 탄소나노튜브 제조 방법은, 인덕션 히터를 진공챔버의 외측에 배치한 구조이므로, 인덕션 히터는 제1 전극부와 제2 전극부의 플라즈마 생성시 발생되는 전자기적 간섭으로부터 회피할 수 있고, 그에 따라 인덕션 히터의 전기 회로 또는 전자 부품이 플라즈마 생성의 전자기적 간섭에 의해 손상되는 것도 미연에 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 제조 장치 및 탄소나노튜브 제조 방법은, 인덕션 히터의 전자기적 유도 가열을 통해 전도체 재질의 금속 기판과 제1 전극부 및 제2 전극부를 가열시켜 진공챔버의 내부를 설정 온도 이상의 고온 환경으로 만들 수 있고, 인덕션 히터의 사용으로 인하여 온도 조절이 쉽고 가열이 빠르며 진공챔버의 내부 환경을 오염시키지 않고 저렴하게 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 제조 장치 및 탄소나노튜브 제조 방법은, 제1 전극부의 제1 가열전극 및 제2 전극부의 제2 가열전극이 인덕션 히터에 의해 유도 가열되면서 제1 전원연결부재 및 제2 전원연결부재에 인가된 음극전원과 양극전원에 의해 제1 가열전극과 제2 가열전극 사이에 플라스마가 발생되므로, 제1 가열전극과 제2 가열전극은 플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 발생기의 역할을 수행하면서 금속 기판의 상부와 하부를 가열하기 위한 인덕션 가열판의 역할도 함께 수행할 수 있다.
도 1는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브 제조 장치가 개략적으로 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브 제조 방법이 순차적으로 도시된 도면이다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브 제조 장치(100)가 개략적으로 도시된 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브 제조 장치(100)는, 진공챔버(110), 제1 전극부(120), 제2 전극부(130), 및 인덕션 히터(140)을 포함할 수 있다.
본 실시예의 탄소나노튜브 제조 장치(100)은, 금속 기판(10)과 제1 전극부(120) 및 제2 전극부(130)를 인덕션 히터(140)에 의해 전자기적으로 유도 가열시키면서 제1 전극부(120)와 제2 전극부(130)에 음극전원(150)과 양극전원(160)을 인가하여 플라즈마를 발생할 수 있다. 상기와 같은 탄소나노튜브 제조 장치(100)는 인덕션 히터(140)의 유도 가열에 따른 고열 에어지 및 제1 전극부(120)와 제2 전극부(130) 사이의 플라즈마 에너지를 모두 이용하여 탄소나노튜브를 금속 기판(10)의 표면에 신속하고 효율적으로 성장시킬 수 있다.
여기서, 금속 기판(10)은 인덕션 히터(140)에 의해 유도 가열도록 전도성이 우수한 금속 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 금속 기판(10)은 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe) 및 크롬(Cr) 중에서 선택되는 적어도 하나의 재질로 구성될 수 있다.
또한, 금속 기판(10)은 탄소나노튜브의 제조시 인덕션 히터(140)에 의해 설정 온도 이상으로 유도 가열될 수 있다. 예컨대, 본 실시예에서는 금속 기판(10)이 인덕션 히터(140)에 의해 1000℃ 이상으로 가열되는 것으로 설명한다. 상기와 같이 금속 기판(10)의 온도가 매우 높은 고온의 환경에서는, 탄소나노튜브의 성장이 매우 빠르게 진행될 수 있다.
이하, 본 실시예에서는 제1 전극부(120)에 음극전원(150)을 연결하고 제2 전극부(130)에 양극전원(160)을 연결하는 것으로 설명한다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 전극부(120)에 양극전원(160)을 연결하고 제2 전극부(130)에 음극전원(150)을 연결할 수도 있다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 진공챔버(110)는 탄소나노튜브를 금속 기판(10)에 성장시키기 위한 공간을 형성하는 통 형상의 부재이다. 상기와 같은 진공챔버(110)는 미리 설정된 압력 이하의 진공 상태로 설정 유지될 수 있다. 일례로, 진공챔버(110)의 내부 압력은 2 Torr 이하로 설정될 수 있다.
여기서, 진공챔버(110)의 내부에는 금속 기판(10), 제1 전극부(120), 제2 전극부(130)가 배치될 수 있고, 진공챔버(110)의 외부에는 인덕션 히터(140)가 배치될 수 있다.
또한, 진공챔버(110)의 내부에는 탄소나노튜브의 제조시 탄소나노튜브의 성장에 사용되는 원료가스(G)가 공급될 수 있다. 원료가스(G)는, 금속 기판(10)을 식각하여 수많은 촉매 미립자들을 형성시키기 위한 플라즈마 에칭가스, 및 증착 플라즈마를 형성시키기 위해 사용되는 가스를 포함할 수 있다. 플라즈마 에칭가스로는 암모니아(NH3), 질소(N2), 수소(H2), 아르곤(Ar) 중에서 적어도 하나가 사용될 수 있다. 증착 플라즈마를 형성시키기 위해 사용되는 가스로는 메탄(CH4), 아세틸렌(C2H2), 프로필렌(C2H6), 프로판(C3H8) 등과 같이 탄소가 포함된 탄화수소 계열 가스가 사용될 수 있다. 이때, 원료가스(G)는 증착 플라즈마를 형성시키기 위해 사용되는 가스 및 플라즈마 에칭 가스를 소정 비율로 혼합하여 사용한다. 일례로, 원료가스(G)의 혼합 비율은, 탄화수소 계열 가스의 유량을 15프로로 설정하고, 탄소나노튜브의 고품위 성장을 위하여 에칭가스의 유량을 85 프로로 설정하는 것이 바람직하다.
한편, 진공챔버(110)의 일측에는 원료가스(G)를 진공챔버(110)의 내부로 유입시키기 위한 유입부(112)가 형성될 수 있고, 진공챔버(110)의 타측에는 탄소나노튜브의 성장에 사용된 가스를 진공챔버(110)의 외부로 유출시키기 위한 유출부(114)가 형성될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 유입부(112)가 진공챔버(110)의 상부에 연통되게 마련되고, 유출부(114)가 진공챔버(110)의 하부에 연통되게 마련된 것으로 설명한다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 유입부(112)와 유출부(114)의 배치 구조는 탄소나노튜브 제조 장치(100)의 설계 조건 및 상황에 따라 다양하게 형성될 수 있다. 일례로, 유입부(112)와 유출부(114)가 제1 전극부(120) 또는 제2 전극부(130)에 형성될 수도 있다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 제1 전극부(120)는, 금속 기판(10)을 지지하면서 금속 기판(10)을 가열하거나 제2 전극부(130)와 함께 플라즈마를 생성하기 위한 구성이다. 제1 전극부(120)는 진공챔버(110)의 내부에 배치되되, 금속 기판(10)의 안착 지지가 가능하도록 진공챔버(110)의 하부에 위치될 수 있다. 상기와 같은 제1 전극부(120)는 인덕션 히터(140)에 의해 유도 가열되면서 플라즈마를 생성하기 위한 전극으로도 사용될 수 있도록 전도체 재질로 형성될 수 있다. 제1 전극부(120)에는 음극전원(150)이 인가될 수 있다.
예를 들면, 제1 전극부(120)는 제1 가열전극(122), 제1 전원연결부재(124) 및 전극 받침대(126)를 포함할 수 있다.
제1 가열전극(122)은, 금속 기판(10)의 하부를 지지하는 서스셉터(susceptor) 역할을 수행할 수 있고, 인덕션 히터(140)에 의해 전자기 유도 가열됨에 따라 금속 기판(10)의 하부를 가열시킬 수 있다. 제1 가열전극(122)은 진공챔버(110)의 내부에 평탄하게 배치된 전도체 재질의 판재로 형성될 수 있다. 따라서, 금속 기판(10)은, 제1 가열전극(122)의 상면에 안착 지지될 수 있고, 인덕션 히터(140)에 의해 유도 가열된 제1 가열전극(122)에 의해 하부가 가열될 수 있다.
제1 전원연결부재(124)는 제1 가열전극(122)에 음극전원(150)을 인가하도록 제1 가열전극(122)과 음극전원(150)에 연결될 수 있다. 제1 전원연결부재(124)의 일단부는 제1 가열전극(122)의 하부에 연결될 수 있고, 제1 전원연결부재(124)의 타단부는 진공챔버(110)의 외측에 배치된 음극전원(150)과 연결될 수 있다. 일례로, 제1 전원연결부재(124)는 전도체 재질로 형성된 케이블, 와이어, 봉, 바 또는 커넥터 중 적어도 하나로 마련될 수 있다.
전극 받침대(126)는 제1 가열전극(122)을 지지하는 부재로서, 제1 가열전극(122)의 하부에 배치될 수 있다. 제1 가열전극(122)은 전극 받침대(126)의 상면에 안착될 수 있고, 제1 전원연결부재(124)는 전극 받침대(126)에 관통되게 배치되거나 전극 받침대(126)를 회피하는 방향으로 절곡될 수 있다. 한편, 본 실시예에서는 전극 받침대(126)가 진공챔버(110)의 내부에 상하 방향으로 승강 이동되도록 배치된 것으로 설명한다. 즉, 전극 받침대(126)가 승강 이동됨에 따라 제1 가열전극(122)과 금속 기판(10)도 함께 이동될 수 있고, 이를 이용하여 금속 기판(10)이 설치 및 인출되거나 교체될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 제2 전극부(130)는 제1 전극부(120)와 함께 플라즈마를 생성하기 위한 구성이다. 제2 전극부(130)는 진공챔버(110)의 내부에 배치되되, 제1 전극부(120)와 일정 간격으로 마주보도록 진공챔버(110)의 상부에 위치될 수 있다. 상기와 같은 제2 전극부(130)는 인덕션 히터(140)에 의해 유도 가열되면서 플라즈마를 생성하기 위한 전극으로도 사용될 수 있도록 전도체 재질로 형성될 수 있다. 제2 전극부(130)에는 양극전원(160)이 인가될 수 있다.
예를 들면, 제2 전극부(130)는 제2 가열전극(132) 및 제2 전원연결부재(134)를 포함할 수 있다.
제2 가열전극(132)은, 금속 기판(10)의 상부를 덮는 형상으로 위치할 수 있고, 인덕션 히터(140)에 의해 전자기 유도 가열됨에 따라 금속 기판(10)의 상부를 가열시킬 수 있다. 제2 가열전극(132)은 제1 가열전극(122)의 상측에 제1 가열전극(122)과 나란하도록 진공챔버(110)의 내부에 평탄하게 배치된 전도체 재질의 판재로 형성될 수 있다. 따라서, 금속 기판(10)의 상부는 인덕션 히터(140)에 의해 유도 가열된 제2 가열전극(132)에 의해 가열될 수 있다. 상기와 같은 제1 가열전극(122)과 제2 가열전극(132)의 이격 간격은 10mm 이상으로 설정될 수 있다.
제2 전원연결부재(134)는, 제2 가열전극(132)에 양극전원(160)을 인가하도록 제2 가열전극(132)과 양극전원(160)에 연결될 수 있다. 제2 전원연결부재(134)의 일단부는 제2 가열전극(132)의 상부에 연결될 수 있고, 제2 전원연결부재(134)의 타단부는 진공챔버(110)의 외측에 배치된 양극전원(160)과 연결될 수 있다. 일례로, 제2 전원연결부재(134)는 전도체 재질로 형성된 케이블, 와이어, 봉, 바 또는 커넥터 중 적어도 하나로 마련될 수 있다.
한편, 제1 가열전극(122)과 제2 가열전극(132)은 서로 간에 일정 간격으로 이격된 상태이며, 금속 기판(10)은 제1 가열전극(122)과 제2 가열전극(132) 사이에 배치된 상태이다. 이때, 제1 가열전극(122)과 제2 가열전극(132)에는 제1 전원연결부재(124)와 제2 전원연결부재(134)에 의해 음극전원(150)과 양극전원(160)이 인가될 수 있다. 따라서, 제1 가열전극(122)과 제2 가열전극(132) 사이에서는 음극전원(150)과 양극전원(160)의 전위차에 따라 플라즈마가 발생될 수 있다. 예컨대, 본 실시예에서는 음극전원(150)의 전압이 -600V이고 양극전원(160)의 전압이 0V인 것으로 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 탄소나노튜브 제조 장치(100)의 설계 조건 및 상황에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 인덕션 히터(140)는 제1 전극부(120)의 제1 가열전극, 제2 전극부(130)의 제2 가열전극(132) 및 금속 기판(10)을 설정 온도 이상으로 전자기 유도 가열하는 구성이다. 본 실시예에서는 설정 온도가 1000℃인 것으로 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 탄소나노튜브 제조 장치(100)의 설계 조건 및 상황에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 상기와 같은 인덕션 히터(140)는 진공챔버(110)의 외측에 배치되되, 바람직하게는 진공챔버(110)의 외측 둘레를 감싸도록 배치될 수 있다.
예를 들면, 인덕션 히터(140)는 인덕션 코일(142) 및 전류공급부(144)를 포함할 수 있다.
인덕션 코일(142)은 진공챔버(110)의 외측 둘레를 나선형으로 감싸도록 배치될 수 있다. 인덕션 코일(142)은 고주파 전류를 공급 받아서 유도 가열을 위한 전자기파를 진공챔버(110)의 내부에 발생시킬 수 있다. 한편, 본 실시예에서는 금속 기판(10)이 진공챔버(110)의 둘레 방향을 따라 균일하게 유도 가열되도록 인덕션 히터(140)가 진공챔버(110)의 외측에 둘레 방향을 따라 균일하게 배치될 수 있다. 뿐만 아니라, 본 실시예에서는 인덕션 히터(140)의 가열 효율을 높이기 위해서 인덕션 히터(140)가 제1 가열전극(122)과 제2 가열전극(132)에 대응되는 부위에 다른 부위보다 더 높은 밀도로 집중 배치될 수 있다.
전류공급부(144)는 인덕션 코일(142)에 고주파 전류를 공급하기 위한 전선 케이블로 마련될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브 제조 방법이 순차적으로 도시된 도면이다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브 제조 장치(100)를 이용한 탄소나노튜브 제조 방법을 살펴보면 다음과 같다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브 제조 방법은, 진공챔버(110)의 내부에 배치된 제1 전극부(120)와 제2 전극부(130) 사이에 금속 기판(10)을 배치하는 단계(S1 참조), 진공챔버(110)의 외측에 배치된 인덕션 히터(140)를 작동시켜 금속 기판(10)과 제1 전극부(120)와 제2 전극부(130)를 설정 온도 이상으로 가열하는 단계(S2 참조), 제1 전극부(120)와 제2 전극부(130)에 전원을 인가하여 제1 전극부(120)와 제2 전극부(130) 사이에 플라즈마를 발생하는 단계(S4 참조), 및 금속 기판(10)이 설정 온도 이상의 고온 분위기에서 플라즈마의 발생에 따라 금속 기판(10)의 표면에 탄소나노튜브를 생성하는 단계(S5 참조)를 포함할 수 있다.
금속 기판(10)을 배치하는 단계(S1 참조)에서는 제1 전극부(120)의 제1 가열전극(122)에 탄소나노튜브를 성장시킬 금속 기판(10)을 배치한다. 이때, 제1 가열전극(122)은 전극 받침대(126)에 의해 진공챔버(110)의 내부 하측으로 하강한 후 금속 기판(10)을 배치하고, 금속 기판(10)이 배치되면 전극 받침대(126)에 의해 제2 전극부(130)를 향해 상승한다.
금속 기판(10)과 제1 전극부(120)와 제2 전극부(130)를 가열하는 단계(S2 참조)에서는, 인덕션 히터(140)의 전류공급부(144)가 인덕션 코일(142)에 고주파 전류를 공급하고, 인덕션 히터(140)의 인덕션 코일(142)이 전자기파를 진공챔버(110)의 내부로 전파한다. 따라서, 인덕션 코일(142)의 전자기파에 의해서 전도체 재질로 형성된 금속 기판(10)과 제1 가열전극(122) 및 제2 가열전극(132)이 유도 가열될 수 있다.
플라즈마를 발생하는 단계(S4 참조)에서는, 제1 전원연결부재(124)를 통해 음극전원(150)을 제1 가열전극(122)에 인가하고, 제2 전원연결부재(134)를 통해 양극전원(160)을 제2 가열전극(132)에 인가한다. 따라서, 제1 가열전극(122)과 제2 가열전극(132) 사이에서는 플라즈마가 발생될 수 있다.
탄소나노튜브를 생성하는 단계(S5 참조)에서는, 금속 기판(10)이 설정 온도 이상으로 가열된 고온 분위기에서 제1 가열전극(122)과 제2 가열전극(132) 사이에 발생된 플라즈마에 의해서 금속 기판(10)의 표면에 탄소나노튜브가 빠르게 성장한다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브 제조 방법은, 원료가스(G)를 진공챔버(110)의 내부에 주입하는 단계(S3 참조)를 더 포함할 수 있다. 상기와 같은 원료가스(G)를 주입하는 단계(S3 참조)는, 금속 기판(10)과 제1 전극부(120)와 제2 전극부(130)를 가열하는 단계(S2 참조)의 이전이나 이후에 실시되거나, 또는 플라즈마를 발생하는 단계(S4 참조) 이전에 실시될 수 있다. 바람직하게는, 원료가스(G)를 주입하는 단계(S3 참조)는, 금속 기판(10)과 제1 전극부(120)와 제2 전극부(130)를 가열하는 단계(S2 참조)가 실시됨과 동시에 실시될 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 청구범위뿐 아니라 이 청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 탄소나노튜브 제조 장치
110: 진공챔버
120: 제1 전극부
122: 제1 가열전극
124: 제1 전원연결부재
126: 전극 받침대
130: 제2 전극부
132: 제2 가열전극
134: 제2 전원연결부재
140: 인덕션 히터
150: 음극전원
160: 양극전원
G: 원료 가스
E: 배출 가스

Claims (10)

  1. 탄소나노튜브를 금속 기판에 성장시키기 위한 공간을 형성하는 진공챔버;
    상기 진공챔버의 내부 일측에 배치되어 상기 금속 기판이 배치되고, 음극전원이 인가되는 전도체 재질의 제1 전극부;
    상기 진공챔버의 내부 타측에 상기 제1 전극부와 마주보게 배치되고, 상기 제1 전극부와의 사이에 플라즈마를 발생시키도록 양극전원이 인가되는 전도체 재질의 제2 전극부; 및
    상기 진공챔버의 외측에 배치되고, 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부 및 상기 금속 기판을 설정 온도 이상으로 전자기 유도 가열하는 인덕션 히터;
    를 포함하는 탄소나노튜브 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인덕션 히터는 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부 및 상기 금속 기판의 온도를 1000℃ 이상으로 가열시키고,
    상기 진공챔버의 내부에는 상기 탄소나노튜브의 성장에 사용되는 원료가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 인덕션 히터는,
    상기 진공챔버의 외측 둘레를 나선형으로 감싸는 인덕션 코일; 및
    상기 인덕션 코일에 고주파 전류를 공급하는 전류공급부;
    을 포함하는 탄소나노튜브 제조 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극부는,
    상기 금속 기판의 하부를 지지하는 서스셉터(susceptor) 역할을 수행하고, 상기 인덕션 히터에 의해 전자기 유도 가열됨에 따라 상기 금속 기판의 하부를 가열시키는 제1 가열전극; 및
    상기 제1 가열전극에 일단부가 연결되고, 상기 진공챔버의 외측에 타단부가 배치되어 상기 음극전원과 연결되는 제1 전원연결부재;
    를 포함하는 탄소나노튜브 제조 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 전극부는,
    상기 제1 가열전극을 지지하도록 상기 제1 가열전극의 하부에 배치되는 전극 받침대;
    를 더 포함하는 탄소나노튜브 제조 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전극 받침대는, 상기 제1 가열전극과 상기 금속 기판을 이동시키도록 상기 진공챔버의 내부에 이동 가능하게 배치된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제2 전극부는,
    상기 제1 가열전극의 상측에 마주보도록 배치되고, 상기 인덕션 히터에 의해 전자기 유도 가열됨에 따라 상기 금속 기판의 상부를 가열시키는 제2 가열전극; 및
    상기 제2 가열전극에 일단부가 연결되고, 상기 진공챔버의 외측에 타단부가 배치되어 상기 양극전원과 연결되는 제2 전원연결부재;
    를 포함하는 탄소나노튜브 제조 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 인덕션 히터는,
    상기 진공챔버의 외측에 둘레 방향을 따라 균일하게 배치되고, 상기 제1 가열전극과 상기 제2 가열전극에 대응되는 부위에 다른 부위보다 더 집중적으로 배치된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조 장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 진공챔버의 일측에는 상기 원료가스를 상기 진공챔버의 내부로 유입시키기 위한 유입부가 형성되고,
    상기 진공챔버의 타측에는 상기 탄소나노튜브의 성장에 사용된 가스를 상기 진공챔버의 외부로 유출시키기 위한 유출부가 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조 장치.
  10. 진공챔버의 내부에 배치된 제1 전극부와 제2 전극부 사이에 금속 기판을 배치하는 단계;
    상기 진공챔버의 외측에 배치된 인덕션 히터를 작동시켜 상기 금속 기판과 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부를 설정 온도 이상으로 가열하는 단계;
    상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부에 전원을 인가하여 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부 사이에 플라즈마를 발생하는 단계; 및
    상기 금속 기판이 설정 온도 이상의 고온 분위기에서 플라즈마의 발생에 따라 상기 금속 기판의 표면에 탄소나노튜브를 생성하는 단계;
    를 포함하는 탄소나노튜브 제조 방법.
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