KR20240022895A - 열플라즈마를 이용한 탄소나노튜브의 합성방법 및 합성장치 - Google Patents

열플라즈마를 이용한 탄소나노튜브의 합성방법 및 합성장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열플라즈마를 이용한 탄소나노튜브의 합성방법 및 합성장치에 관한 것으로서, 360°전방향으로 비산되는 증기화된 금속촉매에 탄소공급원 함유 가스가 360°전방향에서 주입되어 미반응 금속촉매를 최소화하면서 탄소공급원 함유 가스가 고온에서 미리 분해되지 않고 금속촉매에 의해 열분해되는 특징을 갖는다.

Description

열플라즈마를 이용한 탄소나노튜브의 합성방법 및 합성장치{METHOD AND APPARATUS FOR SYNTHESIZING CARBON NANOTUBE USING THERMAL PLASMA}
본 발명은 전극 간의 아크방전에 의해 플라즈마 제트가 발생되는 열플라즈마(Thermal plasma)를 이용한 탄소나노튜브의 합성방법 및 합성장치에 관한 것이다.
탄소나노튜브(CNT)는 탄소원자들이 육각형의 벌집모양으로 서로 연결된 고분자 탄소 동소체로서, 탄소 벽의 개수에 따라서 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)와 다중벽 탄소나노브튜(MWCNT)로 구분될 수 있다. 이러한 탄소나노튜브(CNT)를 합성하는 대표적인 방법으로는 아크방전(Arc-discharge)법과 CVD(Chemical Vapor Deposition)법을 들 수 있다.
상기 아크방전법 중 하나인 열플라즈마를 이용한 합성방법은 결정성이 높아 전기적 특성이 우수한 탄노나노튜브를 합성할 수 있는 장점이 있다. 그러나 이 방법은 전극의 수명이 짧고 탄소나노튜브의 합성효율이 떨어지는 단점이 있다.
구체적으로 종래의 열플라즈마를 이용한 합성방법은 전극이 위치한 열플라즈마 토치 관로(Gas flow channel)에 플라즈마 형성을 위한 가스로서, 탄화수소가스, 또는 탄화수소가스와 Ar, N2, H2, He 등의 가스가 혼합된 혼합가스를 도입하는데, 이때, 도입된 가스로부터 유래된 탄소 성분에 의해 전극에 탄화물이 형성됨에 따라 전극의 수명이 단축되는 것이다. 이를 해결하기 위해 양극부(Positive charging; Anode)에 구멍을 뚫어 플라즈마 형성을 위한 가스와 소스가스(탄소공급원 함유 가스)를 함께 주입하는 방법이 제안되었으나, 이 방법은 소스가스가 열플라즈마 토치 장치의 보호를 위해 흘려주는 냉각수에 의해 냉각되고, 냉각된 소스가스가 금속촉매와 닿았을 때 금속촉매를 급랭(Quenching)시켜 탄소나노튜브의 합성이 원활히 이루어지지 않는 문제가 있다.
또한 열플라즈마를 이용함에 따라 소스가스가 수 천도 이상의 열플라즈마 화염(Thermal plasma flame)에 노출되어 금속촉매와 만나기 전에 분해됨으로써 부반응(Free carbon 생성, Carbon encapsulation 등)이 일어나는 문제도 있다.
이외에 반응챔버 벽에 관을 연결하여 소스가스를 주입함에 따라 소스가스가 단방향으로 흐르게 되어 이와 만나지 못하는 금속촉매가 미반응 촉매(CNT를 합성하지 못하고 카본쉘(Carbon shell)에 둘러쌓임)로 다량 존재하게 되어 탄소나노튜브의 순도를 떨어뜨리고 탄소전환효율도 감소시키는 문제가 있다.
대한민국 공개특허 제 2021-0016102 호 (2021.02.15)
본 발명은 열플라즈마를 이용하여 탄소나노튜브를 합성하는 과정에서 부반응이 일어나는 것을 제어하면서 미반응 금속촉매의 양을 최소화할 수 있는 탄소나노튜브의 합성방법 및 합성장치를 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 반응챔버에 수용된 도가니 내부에 금속촉매를 공급하는 단계; 플라즈마 제트발생부에서 플라즈마 제트를 발생시키는 단계; 상기 플라즈마 제트를 상기 금속촉매에 분사하여 상기 금속촉매를 증기화시키는 단계; 및 상기 증기화된 금속촉매에 탄소공급원 함유 가스를 공급하여 증기화된 금속촉매와 탄소공급원을 반응시키는 단계를 포함하는 탄소나노튜브의 합성방법을 제공한다.
또 본 발명은, 상기 탄소나노튜브의 합성방법에 의해 합성된 탄소나노튜브를 제공한다.
또한 본 발명은, 플라즈마 제트를 발생시키는 플라즈마 제트발생부; 상기 플라즈마 제트에 의해 증기화되는 금속촉매가 담기는 도가니; 상기 도가니를 수용하는 반응챔버; 및 상기 증기화된 금속촉매와 탄소공급원 함유 가스에 함유된 탄소공급원의 반응에 의해 합성된 탄소나노튜브를 포집하는 포집부를 포함하는 탄소나노튜브의 합성장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 탄소공급원 함유 가스가 1,500 ℃ 이상의 높은 합성온도 환경에서 미리 분해되지 않고 금속촉매에 의한 열분해가 이루어지도록 탄소나노튜브의 합성 환경을 제어하기 때문에 합성과정에서 부반응(Free carbon 생성, Carbon encapsulation 등)이 일어나는 것을 최소화하면서 고순도를 나타내는 탄소나노튜브를 합성할 수 있다.
특히, 본 발명에 따르면, 합성과정에서 360°전방향으로 비산되는 증기화된 금속촉매에 대응되도록 탄소공급원 함유 가스를 360°전방향으로 공급이 가능하기 때문에 탄소전환율을 극대화시킬 수 있고, 미반응 금속촉매가 최소화되어 고순도를 나타내는 탄소나노튜브를 수득할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브의 합성장치를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 2에서 합성한 탄소나노튜브를 투과전자현미경으로 확인한 이미지이다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다. 여기서, 본 발명은 이하에 개시된 내용으로 한정되는 것이 아니라 발명의 요지가 변경되지 않는 한, 다양한 형태로 변형될 수 있다.
본 명세서에서 "포함"한다는 기재는 특정 특성, 영역, 단계, 공정, 요소 및/또는 성분을 구체화하기 위한 것이며, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 그 외 다른 특성, 영역, 단계, 공정, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
본 명세서에서 하나의 구성요소가 다른 구성요소와 연결 또는 결합한다는 기재는, 이들 구성요소 간에 직접, 또는 또 다른 구성요소를 개재하여 간접적으로 연결 또는 결합하는 것을 모두 포함한다.
본 명세서에서 단수 표현은 특별한 설명이 없으면 문맥상 해석되는 단수 또는 복수를 포함하는 의미로 해석된다.
본 명세서에 기재된 구성성분의 양, 반응 조건 등을 나타내는 모든 숫자 및 표현은 특별한 기재가 없는 한 모든 경우에 "약"이라는 용어로써 수식될 수 있다.
본 명세서에 기재된 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소를 설명하기 위해 사용되는 것이고, 상기 구성 요소들은 상기 용어에 의해 한정되어서는 안되며, 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로 구별하는 목적으로만 사용된다.
탄소나노튜브의 합성방법
본 발명은 증기화되어 360°전방향(전방위) 영역으로 비산되는(날아가는) 금속촉매의 비행거리가 너무 멀어지기 전에 탄소공급원 함유 가스를 전방향 영역으로 공급하여 금속촉매와 탄소공급원을 반응시키는 것이 특징이며, 이로 인해 미반응 금속촉매의 양을 최소화하고 물성이 우수한 탄소나노튜브를 고효율(고수율)로 합성할 수 있다.
구체적으로 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 합성방법은, 반응챔버에 수용된 도가니 내부에 금속촉매를 공급하는 단계(S-1); 플라즈마 제트발생부에서 플라즈마 제트를 발생시키는 단계(S-2); 상기 플라즈마 제트를 상기 금속촉매에 분사하여 상기 금속촉매를 증기화시키는 단계(S-3); 및 상기 증기화된 금속촉매에 탄소공급원 함유 가스를 공급하여 증기화된 금속촉매와 탄소공급원을 반응시키는 단계(S-4)를 포함하는데, 이에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
S-1: 금속촉매 공급
상기 S-1 단계는 반응챔버에 수용된 도가니 내부에 금속촉매(예컨대, 금속촉매 분말)를 공급하는 단계이다. 구체적으로 상기 도가니 내부에 상기 금속촉매가 담기도록 상기 금속촉매를 공급하는 것으로, 이때, 금속촉매를 공급하는 방법은 통상적으로 공지된 방법으로 이루어질 수 있다.
상기 도가니의 재질은 특별히 한정되지 않으나, 내구성 및 내열성 등이 우수한 탄소 재질 또는 세라믹 재질일 수 있다.
상기 금속촉매는 특별히 한정되지 않으나, 테크네튬(Tc), 코발트(Co), 텅스텐(W), 망간(Mn), 구리(Cu), 바나듐(V), 크롬(Cr), 스칸듐(Sc), 티탄(Ti), 이트륨(Y), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr), 니오브(Nb), 몰리브덴(Mo), 철(Fe), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 하프늄(Hf), 탄탈(Ta), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 금(Au), 악티늄(Ac), 아연(Zn), 게르마늄(Ge), 베릴륨(Be), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 비스무트(Bi), 카드뮴(Cd), 납(Pb), 주석(Sn), 탈륨(Tl), 인듐(In), 나트륨(Na), 리튬(Li), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 갈륨(Ga), 세슘(Cs), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra), 텔루르(Te), 규소(Si) 및 인(P)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소를 포함하는 금속촉매일 수 있다. 구체적으로 상기 금속 촉매는 상기 1종 이상의 원소를 포함하는 황화물, 염화물, 수산화물, 질화물, 또는 유기 금속 화합물이거나 이들의 혼합물일 수 있다.
예를 들어, 상기 금속촉매는 테크네튬(Tc), 코발트(Co), 텅스텐(W), 망간(Mn), 구리(Cu), 바나듐(V), 크롬(Cr), 스칸듐(Sc), 티탄(Ti), 이트륨(Y), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr), 니오브(Nb), 몰리브덴(Mo), 철(Fe), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 하프늄(Hf), 탄탈(Ta), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 금(Au), 악티늄(Ac), 아연(Zn), 게르마늄(Ge), 베릴륨(Be), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 비스무트(Bi), 카드뮴(Cd), 납(Pb), 주석(Sn), 탈륨(Tl), 인듐(In), 나트륨(Na), 리튬(Li), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 갈륨(Ga), 세슘(Cs), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra), 텔루르(Te), 규소(Si) 및 인(P)으로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상, 또는 3종 이상의 원소를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 금속촉매는 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 철(Fe)로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상의 원소를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
S-2: 플라즈마 제트 발생
상기 S-2 단계는 상기 도가니에 공급된 금속촉매를 용융시키기 위해 플라즈마 제트발생부에서 플라즈마 제트(plasma jet)를 발생시키는 단계이다. 상기 플라즈마 제트의 발생은 상기 플라즈마 제트발생부를 통한 이송 방식(transferred type) 또는 비이송 방식(non-transferred type)으로 이루어질 수 있다.
구체적으로 본 발명에 따르면, 상기 플라즈마 제트를 발생시키는 단계는, 양극 및 음극이 내부에 구비된 플라즈마 제트발생부 내부로 플라즈마 생성가스를 주입하는 단계(S-2a); 상기 플라즈마 제트발생부에 전력을 공급하는 단계(S-2b); 및 상기 양극 측에서 플라즈마 아크영역이 발생하는 단계(S-2c)를 포함하는 것으로, 비이송 방식으로 플라즈마 제트를 발생시킬 수 있다. 상기 플라즈마 제트를 비이송 방식으로 발생시킴에 따라 플라즈마 제트발생부 외부에 전기가 통하지 않아 비도전성인 금속 화합물(산화물, 염화물, 질화물 등)을 금속촉매로 활용할 수 있고, 용융된 금속촉매와 플라즈마 제트발생부 간의 이격거리를 자유롭게 조정할 수 있으며, 이송 방식에 비해 안정적으로 플라즈마 제트를 발생시킬 수 있다.
상기 S-2a 단계는 플라즈마가 생성될 수 있도록 상기 플라즈마 제트발생부 내부로 플라즈마 생성가스를 주입하는 단계일 수 있다. 이때, 상기 플라즈마 생성가스가 주입되는 유량은 10 내지 100 SLPM일 수 있고, 구체적으로는 15 내지 60 SLPM, 또는 20 내지 40 SLPM일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 유량이 상기 범위 내임에 따라 플라즈마의 생성 효율 및 탄소나노튜브의 합성수율을 높일 수 있다.
상기 S-2b 단계는 상기 플라즈마 제트발생부에 전력을 공급하여 플라즈마 형성을 위한 열에너지(높은 전계)를 생성하는 단계일 수 있다. 이때, 상기 플라즈마 제트발생부에 공급되는 전력은 5 내지 100 kW일 수 있고, 구체적으로는 6 내지 50 kW, 또는 7 내지 25 kW일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 전력이 상기 범위 내로 공급됨에 따라 열에너지 생성이 안정적으로 이루어질 수 있다.
상기 플라즈마 생성가스는 특별히 한정되지 않으나, 아르곤(Ar), 수소(H2), 질소(N2), 일산화탄소(CO), 헬륨(He) 및 탄화수소(CxHy)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 가스일 수 있다. 구체적으로 플라즈마 생성가스는 아르곤(Ar)과, 수소(H2), 질소(N2), 일산화탄소(CO), 헬륨(He) 및 탄화수소(CxHy)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 가스가 혼합된 혼합가스일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 플라즈마 생성가스는 아르곤(Ar)과 수소(H2)의 혼합가스, 또는 아르곤(Ar)과 질소(N2)의 혼합가스일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 플라즈마 생성가스가 상기 혼합가스임에 따라 플라즈마 생성을 위한 열에너지가 높아져(전리 전압이 높아져 대출력화됨) 탄소나노튜브의 합성 수율을 현저히 높일 수 있다.
상기 S-2c 단계는 상기 플라즈마 생성가스가 열에너지를 받아 플라즈마를 생성하고 생성된 플라즈마의 밀도가 높아져 상기 플라즈마 제트발생부 내부에 구비된 양극 측에서 플라즈마 아크영역(아크점)이 발생하는 단계이다.
상기 S-2b 및 S-2c 단계를 거침으로써, 생성된 플라즈마는 상기 플라즈마 아크영역에 의해 상기 플라즈마 제트발생부에서 플라즈마 제트 형태로 분사될 수 있다.
상기 플라즈마 제트발생부에서 발생된 플라즈마 제트의 중심 온도는 10000 K 이상, 18000 K 이상, 또는 30000 K 이상(예컨대, 10000 내지 40000 K)일 수 있다. 상기 온도가 상기 범위 내임에 따라 금속촉매의 증기화가 원활히 이루어질 수 있다.
S-3: 금속촉매 증기화
상기 S-3 단계는 상기 플라즈마 제트발생부에서 발생한 상기 플라즈마 제트를 상기 도가니 내부에 담긴 상기 금속촉매에 분사하여 금속촉매를 증기화시키는 단계이다. 구체적으로 상기 S-3 단계를 통해 입자 형태로 증발되어 비산되는 금속촉매(floating metal catalyst)가 형성될 수 있다. 즉, 상기 플라즈마 제트가 상기 금속촉매에 분사되기 시작하면 상기 금속촉매는 용융되어 금속촉매 용탕을 형성하게 되고, 이어서 계속적으로 플라즈마 제트가 분사됨에 따라 금속촉매 용탕에서 입자 형태로 증발되는 금속촉매가 형성될 수 있다.
상기 금속촉매의 증기화가 보다 잘 이루어지도록 하기 위해 상기 플라즈마 제트는 상기 금속촉매에 수직으로 분사될 수 있다.
상기 금속촉매의 증기화는 도가니 내부에 존재하는 금속촉매가 모두 증기화될 때까지 이루어질 수 있으며, 이때의 소요 시간은 플라즈마 생성가스의 주입 유량, 플라즈마 제트발생부에 공급되는 전력량, 금속촉매와 플라즈마 제트 간의 이격거리 등에 영향을 받으므로, 이들을 적절히 설정하여 소요 시간을 제어함으로써, 탄소나노튜브의 합성수율을 최적화할 수 있다.
S-4: 증기화된 금속촉매와 탄소공급원의 반응
상기 S-4 단계는 상기 증기화된 금속촉매에 탄소공급원 함유 가스를 공급하여 증기화된 금속촉매와 탄소공급원을 반응시키는 단계이다. 이러한 S-4 단계에서는 탄소공급원 함유 가스의 공급 경로, 탄소공급원과 금속촉매의 반응 조건 등을 제어하는 것으로, 이로 인해 미반응 금속촉매의 양을 최소화하면서 물성이 우수한 탄소나노튜브를 합성할 수 있다.
구체적으로 본 발명에 따르면, 상기 탄소공급원 함유 가스는 상기 플라즈마 제트발생부에 구비된 제1 관로, 상기 도가니에 구비된 제2 관로 및 상기 반응챔버에 구비된 제3 관로 중 1종 이상의 관로를 통해 공급될 수 있다. 상기 제1 관로 내지 제3 관로 중 1종 이상의 관로를 통해 상기 탄소공급원 함유 가스를 공급함에 따라 탄소공급원 함유 가스는 금속촉매에 전방향(상하 및 좌우) 영역으로 공급될 수 있으며, 이로 인해 전방향으로 비산되는 입자 형태의 금속촉매와의 반응양을 매우 높일 수 있다. 즉, 탄소공급원과 금속촉매가 다방면으로 만나 반응하게 됨에 따라 미반응 금속촉매의 양은 최소화되고 합성되는 탄소나노튜브의 양이 현저히 높아지는 것이다. 또한 상기 탄소공급원이 상기 금속촉매와 만나기 전에 미리 분해되지 않고 상기 금속촉매의 열에 의해 분해됨에 따라 탄소나노튜브의 합성과정에서 부반응(Free carbon 생성, Carbon encapsulation 등)이 일어나는 것도 최소화될 수 있다.
한편, 상기 증기화된 금속촉매와 상기 탄소공급원의 반응은 상기 증기화된 금속촉매의 평균 입경이 20 ㎚를 초과하기 전에 이루어지도록 제어될 수 있다. 상기 증기화된 금속촉매의 평균 입경이 20 ㎚를 초과하기 전에 상기 반응이 이루어지도록 함에 따라 물성(예컨대, 전기전도도, 순도 등)이 우수한 탄소나노튜브를 합성할 수 있다.
즉, 상기 증기화된 금속촉매는 입자 형태로 비산되는데, 이때, 비산되는 금속촉매의 농도가 높거나 비행시간이 길어지면 금속촉매 간의 마이그레이션(Migration)으로 인한 핵성장이 일어나 평균 입경이 커지게 된다. 여기서 평균 입경이 너무 커진 금속촉매는 탄소공급원과 반응하더라도 탄소나노튜브가 성장되지 않아 탄소나노튜브의 합성수율이 현저히 떨어질 수 있다. 또한 평균 입경이 너무 커진 금속촉매와 탄소공급원의 반응을 통해 얻어진 탄소나노튜브는 결정성과 직진성이 떨어져 전기전도도가 낮을 수 있다. 이에 본 발명은 금속촉매의 평균 입경이 너무 커지기 전인, 즉, 평균 입경이 20 nm를 초과하지 않는 금속촉매(예컨대, 평균 입경이 1 내지 10 ㎚인 금속촉매)와 탄소공급원이 반응하도록 제어한 것으로, 이로 인해 물성이 우수한 탄소나노튜브를 합성할 수 있다.
또한, 상기 증기화된 금속촉매와 상기 탄소공급원의 반응은 상기 플라즈마 제트발생부의 일단과 상기 도가니 내부의 금속촉매 사이 공간에서 이루어지는데, 이때, 상기 플라즈마 제트발생부의 일단(선단)과 상기 금속촉매 간의 이격거리(플라즈마 제트발생부의 플라즈마 제트 토치노즐에서부터 금속촉매의 표면까지의 수직 거리)가 10 내지 100 ㎜(구체적으로 15 내지 90 ㎜, 또는 25 내지 80 ㎜)인 범위 내에서 상기 반응이 이루어지도록 제어될 수 있다. 상기 이격거리 범위 내에서 상기 증기화된 금속촉매와 상기 탄소공급원의 반응이 이루어지도록 함에 따라 물성이 우수한 탄소나노튜브를 합성할 수 있다.
또, 상기 증기화된 금속촉매와 상기 탄소공급원의 반응은 600 ℃ 이상의 온도에서 이루어지도록 제어될 수 있다. 구체적으로 상기 증기화된 금속촉매와 상기 탄소공급원의 반응은 600 내지 2000 ℃, 또는 900 내지 1200 ℃에서 이루어질 수 있으며, 이로 인해 물성이 우수한 탄소나노튜브를 합성할 수 있다.
한편, 상기 탄소공급원 함유 가스는 탄소공급원 및 캐리어가스를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 탄소공급원은 탄화수소 가스, 고상 탄소체, 또는 액상 탄소체일 수 있다. 구체적으로 상기 탄소공급원은 메탄(CH4), 아세틸렌(C2H2), 에틸렌(C2H4), 에탄(C2H6), 프로판(C3H8), 부탄(C4H10) 및 펜탄(C5H12)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 캐리어가스는 상기 탄소공급원 함유 가스에 포함되어 이동상 역할을 한다. 이러한 캐리어가스는 구체적으로 아르곤(Ar), 질소(N2), 수소(H2) 및 헬륨(He)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
탄소나노튜브
본 발명에 따른 탄소나노튜브는 상술한 합성방법으로 얻어 짐에 따라 전기적 특성이 우수하면서 고순도를 나타낼 수 있다. 이러한 탄소나노튜브는 단일벽탄소나노튜브(SWCNT) 또는 다중벽탄소나노튜브(MWCNT)일 수 있고, 구체적으로는 단일벽탄소나노튜브(SWCNT)일 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 전기전도도가 500 S/cm 이상, 700 S/cm 이상, 또는 900 S/cm 이상, 구체적으로 600 내지 1500 S/cm, 750 내지 1300 S/cm, 또는 900 내지 1250 S/cm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 탄소나노튜브는 탄소순도가 80 % 이상이고, 합성수율이 500 % 이상일 수 있다. 구체적으로 상기 탄소나노튜브는 탄소순도가 80 내지 99.9 %, 85 내지 99 %, 또는 90 내지 98 %일 수 있고, 합성수율이 700 내지 2500 %, 900 내지 2300 %, 또는 1000 내지 2000 %일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또 상기 탄소나노튜브는 단일벽탄소나노튜브(SWCNT)를 기준으로 할 때, 라만 분광법을 통한 G/D ratio가 45 이상, 50 이상, 55 이상, 또는 60 이상, 구체적으로 45 내지 90, 48 내지 85, 50 내지 80, 또는 55 내지 80일 수 있다.
탄소나노튜브의 합성장치
본 발명은 전방향으로 비산되어 날라가는 금속촉매의 미반응 양이 최소화되도록 탄소공급원 함유 가스를 전방향(다방면)으로 공급할 수 있는 탄소나노튜브의 합성장치를 제공한다. 구체적으로 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 합성장치는, 플라즈마 제트를 발생시키는 플라즈마 제트발생부; 상기 플라즈마 제트에 의해 증기화되는 금속촉매가 담기는 도가니; 상기 도가니를 수용하는 반응챔버; 및 상기 증기화된 금속촉매와 탄소공급원 함유 가스에 함유된 탄소공급원의 반응에 의해 합성된 탄소나노튜브를 포집하는 포집부를 포함한다.
또한, 상기 탄소나노튜브의 합성장치는 상기 플라즈마 제트발생부에 구비된 제1 관로; 상기 도가니에 구비된 제2 관로; 및 상기 반응챔버에 구비된 제3 관로 중 1종 이상의 관로를 더 포함하고, 상기 제1 관로, 상기 제2 관로 및 상기 제3 관로 중 1종 이상의 관로를 통해 상기 탄소공급원 함유 가스가 상기 증기화된 금속촉매에 공급된다.
이에 대해 도 1을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
플라즈마 제트발생부(10)
상기 플라즈마 제트발생부(10)는 플라즈마 제트를 발생시킨다. 구체적으로 상기 플라즈마 제트발생부(10)는 플라즈마 생성가스를 공급받아 플라즈마 아크영역을 형성하는 양극 및 음극; 상기 양극 및 음극을 수용하는 하우징; 및 상기 하우징의 일단에 구비된 플라즈마 제트 토치노즐을 포함하여 비이송 방식으로 플라즈마 제트를 발생시킬 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 플라즈마 제트발생부(10)에 포함되는 양극(11) 및 음극(12)은 플라즈마 생성가스 공급부(80)로부터 플라즈마 생성가스를 공급받아 플라즈마 아크영역(Arc)을 형성한다. 구체적으로 상기 플라즈마 아크영역(Arc)은 상기 양극(11) 측에 형성될 수 있다. 이러한 양극(11) 및 음극(12)은 통상적으로 공지된 소재로 이루어질 수 있다.
상기 플라즈마 제트발생부(10)에 포함되는 하우징(13)은 상기 양극(11) 및 상기 음극(12)을 수용한다. 이러한 하우징(13)은 통상적으로 공지된 금속 소재로 이루어질 수 있고, 그 구조는 상기 양극(11) 및 상기 음극(12)을 수용할 수 있는 구조라면 특별히 한정되지 않는다.
상기 플라즈마 제트발생부(10)에 포함되는 플라즈마 제트 토치노즐(14)은 상기 하우징(13)의 일단(선단)에 구비된 것으로, 이를 통해 플라즈마 제트(D1)가 분사된다. 이러한 플라즈마 제트 토치노즐(14)은 통상적으로 공지된 소재 및 구조로 이루어질 수 있다.
상기 플라즈마 제트발생부(10)는 후술되는 도가니(20) 상에 수직으로 위치할 수 있다. 상기 플라즈마 제트발생부(10)가 상기 도가니(20) 상에 수직으로 위치할 경우, 상기 플라즈마 제트발생부(10)에서 발생한 플라즈마 제트(D1)가 상기 도가니(20) 내부에 담기는 금속촉매에 집중적으로 분사되어, 금속촉매의 증기화가 효율적으로 이루어질 수 있다.
한편 상기 플라즈마 제트발생부(10)에는 상기 탄소공급원 함유 가스가 상기 증기화된 금속촉매에 공급될 수 있도록 하는 제1 관로(50)가 구비되어 있을 수 있다. 상기 제1 관로(50)의 개수는 1 이상일 수 있으며, 그 구조는 상기 탄소공급원 함유 가스가 원활히 공급될 수 있는 구조라면 특별히 한정되지 않는다. 이러한 제1 관로(50)는 탄소공급원 함유 가스 공급부(90)와 연결되어 상기 탄소공급원 함유 가스가 상기 증기화된 금속촉매에 공급되도록 할 수 있으며, 제1 관로(50)를 통해 상기 탄소공급원 함유 가스는 상방향에서 하방향으로 상기 증기화된 금속촉매에 공급될 수 있다.
도가니(20)
상기 도가니(20)는 상기 플라즈마 제트에 의해 증기화되는 금속촉매가 담긴다. 구체적으로 상기 도가니(20)에는 고상의 금속촉매가 담기고 상기 플라즈마 제트에 의해 금속촉매가 용융 및 증기화될 경우, 상기 도가니(20)에는 금속촉매 용탕(D2)이 담기게 된다. 이러한 도가니(20)는 통상적으로 공지된 소재 및 구조로 이루어질 수 있다.
상기 도가니(20)에는 상기 탄소공급원 함유 가스가 상기 증기화된 금속촉매에 공급될 수 있도록 하는 제2 관로(60)가 구비되어 있을 수 있다. 상기 제2 관로(60)의 개수는 1 이상일 수 있으며, 그 구조는 상기 탄소공급원 함유 가스가 원활히 공급될 수 있는 구조라면 특별히 한정되지 않는다. 이러한 제2 관로(60)는 탄소공급원 함유 가스 공급부(90)와 연결되어 상기 탄소공급원 함유 가스가 상기 증기화된 금속촉매에 공급되도록 할 수 있으며, 제2 관로(60)를 통해 상기 탄소공급원 함유 가스는 하방향에서 상방향으로 상기 증기화된 금속촉매에 공급될 수 있다.
반응챔버(30)
상기 반응챔버(30)는 상기 도가니(20)를 수용한다. 이러한 반응챔버(30)는 도가니(20)를 수용하면서 상기 증기화된 금속촉매와 상기 탄소공급원의 반응이 원활히 이루어질 수 있도록 하는 체적 및 구조를 가질 수 있다. 또한 상기 반응챔버(30)의 운전 압력은 특별히 한정되지 않으나, 상압(예컨대, 1 기압)일 수 있다.
상기 반응챔버(30)에는 상기 탄소공급원 함유 가스가 상기 증기화된 금속촉매에 공급될 수 있도록 하는 제3 관로(70)가 구비되어 있을 수 있다. 상기 제3 관로(70)의 개수는 1 이상일 수 있으며, 그 구조는 상기 탄소공급원 함유 가스가 원활히 공급될 수 있는 구조라면 특별히 한정되지 않는다. 이러한 제3 관로(70)는 탄소공급원 함유 가스 공급부(90)와 연결되어 상기 탄소공급원 함유 가스가 상기 증기화된 금속촉매에 공급되도록 할 수 있으며, 제3 관로(70)를 통해 상기 탄소공급원 함유 가스는 수평방향으로 상기 증기화된 금속촉매에 공급될 수 있다.
포집부(40)
상기 포집부(40)는 상기 증기화된 금속촉매와 상기 탄소공급원의 반응에 의해 합성된 탄소나노튜브를 포집한다. 이러한 포집부(40)는 합성된 탄소나노튜브가 손상되지 않도록 수집할 수 있는 구조 및 소재로 이루어질 수 있다. 또한 포집부(40)의 위치는 적절히 변경될 수 있으며, 포집부(40) 내에서 탄소나노튜브의 정제 과정이 이루어질 수도 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 단, 이들 실시예로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
도가니 내부에 금속촉매(조성: Fe 1 mol + Co 1 mol + Ni 1 mol, 순도 99%) 100 g을 공급하였다.
비이송 방식(Non-transferred type)의 플라즈마 제트발생부를 도가니 내부의 금속촉매와 30 ㎜ 이격되도록 도가니 상에 위치시켰다. 다음으로, 플라즈마 생성가스로서 아르곤(Ar)을 질량유량제어기(Mass Flow Controller, MFC)를 활용하여 30 SLPM로 플라즈마 제트발생부에 주입하였다. 이때, 플라즈마 제트발생부에 공급된 전력은 7 kW(350 A × 20 V)였고, 도가니가 수용된 0.3 ㎥ 체적의 반응챔버의 내부 압력은 상압으로 하였다.
이어서, 플라즈마 제트발생부에서 발생된 플라즈마 제트(화염)를 도가니 내부의 금속촉매에 수직으로 집중되도록 분사시켜 금속촉매를 증기화시켰다.
상기 플라즈마 제트를 분사함과 동시에 MFC를 활용하여 탄소공급원으로서 순수 메탄(CH4, 99.9% 이상)과 캐리어가스로서 수소(H2)를 각각 1 SLPM과 2 SPLM으로 동시에 플라즈마 제트발생부에 구비된 제1 관로에 주입하고 상기 제1 관로를 통해 상기 메탄과 상기 수소가 혼합된 가스(공정가스)를 상기 증기화된 금속촉매에 공급하여 단일벽탄소나노튜브(Single-walled carbon nanotubes, SWCNT)를 합성하였다. 이때, 합성과정에서 도가니에 공급된 금속촉매는 30 분 이내에 완전히 증발되었다.
실시예 2
플라즈마 제트발생부와 도가니 내부의 금속촉매 사이의 이격거리를 40 ㎜로 조정하고, 플라즈마 생성가스로서 아르곤(Ar)과 수소(H2)가 혼합된 가스를 사용하고, 플라즈마 제트발생부에 공급되는 전력을 10 kW(350 A × 29 V)로 제어한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정을 거쳐 단일벽탄소나노튜브(SWCNT)를 합성하였다. 이때, 합성과정에서 도가니에 공급된 금속촉매는 25 분 이내에 완전히 증발되었다.
실시예 3
플라즈마 제트발생부와 도가니 내부의 금속촉매 사이의 이격거리를 70 ㎜로 조정하고, 플라즈마 생성가스로서 아르곤(Ar)과 질소(N2)가 혼합된 가스를 사용하고, 플라즈마 제트발생부에 공급되는 전력을 18 kW(350 A × 50 V)로 제어한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정을 거쳐 단일벽탄소나노튜브(SWCNT)를 합성하였다. 이때, 합성과정에서 도가니에 공급된 금속촉매는 10 분 이내에 완전히 증발되었다.
실시예 4
탄소공급원으로서 메탄과 캐리어가스로서 수소(H2)를 플라즈마 제트발생부에 구비된 제1 관로, 도가니에 구비된 제2 관로 및 반응챔버에 구비된 제3 관로에 각각 주입하고 제1 관로 내지 제3 관로를 통해 가스(공정가스)를 증기화된 금속촉매에 공급하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 과정을 거쳐 단일벽탄소나노튜브(SWCNT)를 합성하였다.
실시예 5
탄소공급원으로서 메탄과 캐리어가스로서 수소(H2)를 플라즈마 제트발생부에 구비된 제1 관로 및 도가니에 구비된 제2 관로에 각각 주입하고 제1 관로 및 제2 관로를 통해 가스(공정가스)를 증기화된 금속촉매에 공급하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 과정을 거쳐 단일벽탄소나노튜브(SWCNT)를 합성하였다.
실시예 6
탄소공급원으로서 메탄과 캐리어가스로서 수소(H2)를 도가니에 구비된 제2 관로 및 반응챔버에 구비된 제3 관로에 각각 주입하고 제2 관로 및 제3 관로를 통해 가스(공정가스)를 증기화된 금속촉매에 공급하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 과정을 거쳐 단일벽탄소나노튜브(SWCNT)를 합성하였다.
실시예 7
탄소공급원으로서 메탄과 캐리어가스로서 수소(H2)를 플라즈마 제트발생부에 구비된 제1 관로 및 반응챔버에 구비된 제3 관로에 각각 주입하고 제1 관로 및 제3 관로를 통해 가스(공정가스)를 증기화된 금속촉매에 공급하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 과정을 거쳐 단일벽탄소나노튜브(SWCNT)를 합성하였다.
실시예 8
탄소공급원으로서 메탄과 캐리어가스로서 수소(H2)를 도가니에 구비된 제2 관로에 주입하고 제2 관로를 통해 가스(공정가스)를 증기화된 금속촉매에 공급하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 과정을 거쳐 단일벽탄소나노튜브(SWCNT)를 합성하였다.
실시예 9
탄소공급원으로서 메탄과 캐리어가스로서 수소(H2)를 반응챔버에 구비된 제3 관로에 주입하고 제3 관로를 통해 가스(공정가스)를 증기화된 금속촉매에 공급하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 과정을 거쳐 단일벽탄소나노튜브(SWCNT)를 합성하였다.
비교예 1
Fe/Co/Al를 1:0.5:1의 몰비율로 함유하는 금속촉매를 이용하여 8 ㎥ 규모의 연속식 고정층 반응장치에서 다중벽탄소나노튜브(Multi-walled carbon nanotubes, MWCNT)를 합성하였다. 구체적으로 수화반응법으로 제조된 금속촉매 산화물을 탄소재질의 컨테이너에 넣고, 670 ℃로 유지되고 있는 수소가스와 에틸렌가스를 각각 1 SLM 및 3 SLM의 유속으로 흘리면서 1시간 동안 반응시켜 다중벽탄소나노튜브(MWCNT)를 합성하였다.
비교예 2
흑연 분말(입도: 20 ㎍, 순도: 99.9 %) 60 g과, Fe, Co, Ni 각각의 분말(순도: 99.9 %)을 4 g, 14 g, 8 g씩 혼합한 후 분쇄하여 제1 촉매조성물을 제조하였다. 제1 촉매조성물을 내부가 원형으로 뚫린 탄소봉(외경: 15 ㎜, 내경: 7.5 ㎜, 깊이: 200 ㎜, 길이: 300 ㎜)에 투입하고, 이를 아크방전 챔버에 장착한 후, 방전 전압 20 V, 방전 전류 250 A에서 아크 플라즈마를 발생시켜 1시간 동안 단일벽탄소나노튜브(SWCNT)를 합성하였다.
시험예 1. 합성 결과 확인
실시예 2에서 합성된 탄소나노튜브를 투과전자현미경(Transmission electron microscope)으로 확인하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2를 참조하면, 단일벽탄소나노튜브(SWCNT)의 형성이 잘 이루어진 것을 확인할 수 있다.
시험예 2. 결정성 측정
실시예 및 비교예에서 각각 합성된 탄소나노튜브의 결정성을 라만 분광법(Raman spectroscopy)의 RBM(radial breathing mode)을 통해 분석하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 구체적으로 탄소나노튜브 및 그라파이트의 각 고유 특성인 약 1,593 ㎝-1에서의 G-peak(Graphite mode)를 약 1,330 ㎝-1에서 관찰되는 D-peak(Disorder mode)로 나눈 값을 결정성으로 정의하였다.
시험예 3. 탄소순도 측정
실시예 및 비교예에서 각각 합성된 탄소나노튜브의 탄소순도를 열중량분석(Thermogravity analysis)법으로 분석하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 구체적으로 산소 분위기(100ml/min)에서 최소 5 ㎎ 이상씩 탄소나노튜브를 로딩하고 1000 ℃까지 산화시켜 남은 잔여물(Ash; 금속촉매)을 뺀 나머지의 중량부 백분율을 탄소나노튜브의 탄소순도로 정의하였다.
시험예 4. 합성수율 측정
하기 식 1에 따라 탄소나노튜브의 합성수율을 계산하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
[식 1]
합성수율(Synthesized carbon yield) = {(수득된 탄소 총량 - 금속촉매 총량) / 수득된 탄소 총량} × 100
시험예 5. 전기전도도 측정
실시예 및 비교예에서 각각 합성된 탄소나노튜브 0.1 내지 0.2 g을 100 kgf에서 2,000 kgf까지 100 kgf 마다 하중(힘)에 대한 저항을 측정하고, 이를 전기전도도로 환산하여, 하중이 2,000 kgf에서의 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
구분 촉매
조성		 공정
전력
(kW)		 플라즈마
생성가스
(SLPM)		 공정
가스
(SLPM)		 공정
가스
공급 관로		 탄소
순도
(%)		 합성
수율
(%)		 결정성 CNT종류 전기
전도도
(S/㎝)
실시예 1 Fe/Co/Ni 7 Ar 30 CH4 1
H2 2		 제1 관로 90 1000 54 SWCNT 864
실시예 2 10 Ar+H2 30 제1 관로 93 1430 73 SWCNT 917
실시예 3 18 Ar+N2 30 제1 관로 90 1000 79 SWCNT 952
실시예 4 10 Ar+H2 30 제1 내지 제3 관로 95 2000 72 SWCNT 1107
실시예 5 10 Ar+H2 30 제1 및 제2 관로 95 2000 68 SWCNT 1132
실시예 6 10 Ar+H2 30 제2 및 제3 관로 95 2000 73 SWCNT 1164
실시예 7 10 Ar+H2 30 제1 및 제3 관로 94 1670 72 SWCNT 1059
실시예 8 10 Ar+H2 30 제2 관로 95 2000 74 SWCNT 1201
실시예 9 10 Ar+H2 30 제3 관로 92 1250 71 SWCNT 1088
비교예 1 CVD 공정 95 2000 4 MWCNT 8
비교예 2 ARC 공정 50 200 88 SWCNT 721
상기 표 1을 참조하면, 본 발명과 같이 플라즈마 제트의 발생 조건, 탄소공급원 함유 가스(공정가스)의 공급 경로 등을 제어하여 탄소나노튜브를 합성한 실시예 1 내지 9는 순도, 결정성 및 전기전도도가 높은 탄소나노튜브가 고수율로 합성되는 것을 확인할 수 있다.
구체적으로 플라즈마 생성가스로서 아르곤(Ar)을 단독으로 사용한 실시예 1보다 아르곤(Ar)과, 수소(H2) 또는 질소(N2)가 혼합된 혼합가스를 사용하고 공급 전력이 높아진 실시예 2 및 3은 플라즈마 제트 발생 에너지가 높아짐에 따라 탄소나노튜브의 결정성과 탄소나노튜브의 합성수율이 높아진 것을 확인할 수 있다.
또한 탄소공급원 함유 가스(공정가스)가 제1 관로, 제2 관로 및 제 3 관로 각각을 통해, 또는 이들 중 둘 이상의 관로를 통해 공급됨에 따라 탄소나노튜브의 결정성과 탄소나노튜브의 합성수율이 제어되는 것을 확인할 수 있다.
10: 플라즈마 제트발생부
11: 양극
12: 음극
13: 하우징
14: 플라즈마 제트 토치노즐
20: 도가니
30: 반응챔버
40: 포집부
50: 제1 관로
60: 제2 관로
70: 제3 관로
80: 플라즈마 생성가스 공급부
90: 탄소공급원 함유 가스 공급부
D1: 플라즈마 제트
D2: 금속촉매 용탕

Claims (17)

  1. 반응챔버에 수용된 도가니 내부에 금속촉매를 공급하는 단계;
    플라즈마 제트발생부에서 플라즈마 제트를 발생시키는 단계;
    상기 플라즈마 제트를 상기 금속촉매에 분사하여 상기 금속촉매를 증기화시키는 단계; 및
    상기 증기화된 금속촉매에 탄소공급원 함유 가스를 공급하여 증기화된 금속촉매와 탄소공급원을 반응시키는 단계를 포함하는, 탄소나노튜브의 합성방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소공급원 함유 가스는,
    상기 플라즈마 제트발생부에 구비된 제1 관로;
    상기 도가니에 구비된 제2 관로; 및
    상기 반응챔버에 구비된 제3 관로 중 1종 이상의 관로를 통해 공급되는, 탄소나노튜브의 합성방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 증기화된 금속촉매의 평균 입경이 20 ㎚를 초과하기 전에 상기 증기화된 금속촉매와 상기 탄소공급원의 반응이 이루어지는, 탄소나노튜브의 합성방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 제트발생부의 일단과 상기 도가니 내부의 금속촉매 사이의 이격거리가 10 내지 100 ㎜이고,
    상기 이격거리 범위 내에서 상기 증기화된 금속촉매와 상기 탄소공급원의 반응이 이루어지는, 탄소나노튜브의 합성방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 증기화된 금속촉매와 상기 탄소공급원의 반응이 600 ℃ 이상의 온도에서 이루어지는, 탄소나노튜브의 합성방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 제트를 발생시키는 단계는,
    양극 및 음극이 내부에 구비된 플라즈마 제트발생부 내부로 플라즈마 생성가스를 주입하는 단계;
    상기 플라즈마 제트발생부에 전력을 공급하는 단계; 및
    상기 양극 측에서 플라즈마 아크영역이 발생하는 단계를 포함하는, 탄소나노튜브의 합성방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성가스가 아르곤(Ar), 수소(H2), 질소(N2), 일산화탄소(CO), 헬륨(He) 및 탄화수소로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 탄소나노튜브의 합성방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성가스가 10 내지 100 SLPM으로 주입되는, 탄소나노튜브의 합성방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 플라즈마 제트발생부에 공급되는 전력이 5 내지 100 kW인, 탄소나노튜브의 합성방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소공급원이 메탄(CH4), 아세틸렌(C2H2), 에틸렌(C2H4), 에탄(C2H6), 프로판(C3H8), 부탄(C4H10) 및 펜탄(C5H12)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 탄소나노튜브의 합성방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속촉매가 테크네튬(Tc), 코발트(Co), 텅스텐(W), 망간(Mn), 구리(Cu), 바나듐(V), 크롬(Cr), 스칸듐(Sc), 티탄(Ti), 이트륨(Y), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr), 니오브(Nb), 몰리브덴(Mo), 철(Fe), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 하프늄(Hf), 탄탈(Ta), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 금(Au), 악티늄(Ac), 아연(Zn), 게르마늄(Ge), 베릴륨(Be), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 비스무트(Bi), 카드뮴(Cd), 납(Pb), 주석(Sn), 탈륨(Tl), 인듐(In), 나트륨(Na), 리튬(Li), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 갈륨(Ga), 세슘(Cs), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra), 텔루르(Te), 규소(Si) 및 인(P)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 탄소나노튜브의 합성방법.
  12. 제 1 항의 탄소나노튜브의 합성방법에 의해 합성된, 탄소나노튜브.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는, 전기전도도가 500 S/cm 이상이고, 탄소순도가 80 % 이상이고, 합성수율이 500 % 이상인, 탄소나노튜브.
  14. 플라즈마 제트를 발생시키는 플라즈마 제트발생부;
    상기 플라즈마 제트에 의해 증기화되는 금속촉매가 담기는 도가니;
    상기 도가니를 수용하는 반응챔버; 및
    상기 증기화된 금속촉매와 탄소공급원 함유 가스에 함유된 탄소공급원의 반응에 의해 합성된 탄소나노튜브를 포집하는 포집부를 포함하는, 탄소나노튜브의 합성장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 플라즈마 제트발생부에 구비된 제1 관로; 상기 도가니에 구비된 제2 관로; 및 상기 반응챔버에 구비된 제3 관로 중 1종 이상의 관로를 더 포함하고,
    상기 제1 관로, 상기 제2 관로 및 상기 제3 관로 중 1종 이상의 관로를 통해 상기 탄소공급원 함유 가스가 상기 증기화된 금속촉매에 공급되는, 탄소나노튜브의 합성장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 플라즈마 제트발생부가 상기 도가니 상에 수직으로 위치하는, 탄소나노튜브의 합성장치.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 플라즈마 제트발생부는,
    플라즈마 생성가스를 공급받아 플라즈마 아크영역을 형성하는 양극 및 음극;
    상기 양극 및 음극을 수용하는 하우징; 및
    상기 하우징의 일단에 구비된 플라즈마 제트 토치노즐을 포함하는, 탄소나노튜브의 합성장치.
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