KR20240033927A - 접선 속도 저감 구조가 구비된 화학기상증착 반응기 - Google Patents

접선 속도 저감 구조가 구비된 화학기상증착 반응기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배출구 부근의 접선 속도를 저감시켜 나선 형태의 유동 패턴에 의해 발생한 원심력을 약화시켜줌으로써, 제조되는 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nano Tube) 입자 배출이 원활하도록 한 접선 속도 저감 구조가 구비된 화학기상증착 반응기에 관한 것이다.

Description

접선 속도 저감 구조가 구비된 화학기상증착 반응기{CHEMICAL VAPOR DEPOSITION REACTOR WITH TANGENTIAL VELOCITY REDUCTION STRUCTURE}
본 발명은 배출구 부근의 접선 속도를 저감시켜 제조되는 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nano Tube) 입자 배출이 원활하도록 한 접선 속도 저감 구조가 구비된 화학기상증착 반응기에 관한 것이다.
일반적으로, 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube)는 튜브 형상을 가지며, 수 나노미터 크기의 직경을 가진 탄소 물질이다. 이러한 탄소나노튜브는 실린더 형태의 말린 면 개수에 따라 단일벽 탄소나노튜브(Single walled carbon nano tube), 이중벽 탄소나노튜브(Double walled carbon nano tube) 등으로 구분된다.
구체적으로, 상기 탄소나노튜브는 코발트 나노 촉매를 고온의 화학기상증착 반응기(Chemical vapor deposition reactor)에 주입해 탄소나노튜브를 성장시켜 제조하게 된다.
이 경우 상기 반응기의 나노 촉매는 반응기의 하측에 구비된 투입구(특수 노즐)를 통해 공급되며, 나선형으로 회전하는 유동 패턴을 형성하면서 반응기 내에 투입된다.
이때, 상기 반응기 내에 투입되는 나노 촉매량이 많을수록 탄소나노튜브의 생산량이 증가할 수 있으나, 너무 과하게 투입될 경우에는 반응기 내부 상측의 배출구 부근에서 강한 회전이 발생할 수 있다. 즉 상기 배출구 부근에서 접선 속도가 강해지면 입자의 원심력이 강해지고, 이에 따라 반응기 내에서 생산된 반응물(탄소나노튜브 입자)가 배출구를 통해 원활하게 배출되지 않을 수 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2019-0004096호(공개일: 2019.01.11)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 한 것으로, 배출구 부근의 접선 속도를 저감시켜 나선 형태의 유동 패턴에 의해 발생한 원심력을 약화시켜줌으로써, 제조되는 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nano Tube) 입자 배출이 원활하도록 한 접선 속도 저감 구조가 구비된 화학기상증착 반응기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 접선 속도 저감 구조가 구비된 화학기상증착 반응기는, 내부에 수용공간이 마련되는 원통 형상으로 형성되며, 하부에 나노 촉매 투입구가 구비되고, 상부에 배출구가 구비되는 하우징; 상기 하우징의 내부 상측 내주면에 상기 하우징의 중심축선을 기준으로 방사상으로 소정각도 이격되게 형성되어, 나노 촉매가 상기 투입구의 노즐을 통해 상기 수용공간 내에 투입된 후 나선 형태의 유동 패턴으로 상승하는 반응물의 접선 속도(Tangential velocity)를 감소시켜 원심력을 약화시키는 복수의 리브부재;를 포함할 수 있다.
이 경우 상기 배출구가 구비되는 상기 하우징의 내부 상측에는, 상기 배출구 측으로 갈수록 점차 내부 직경이 좁아지는 하광상협(下廣上狹)의 배출유도구간이 마련되고, 상기 리브부재는 상기 배출유도구간의 초입부에 배치될 수 있다.
또한 상기 리브부재는, 상기 하우징의 중심축선을 따라 소정거리 이격되게 복수열로 배치될 수 있다.
또한 상기 복수열의 리브부재는, 상기 배출구 측으로 갈수록 상기 중심축선을 향하는 돌출 길이가 점차 길게 형성될 수 있다.
또한 상기 복수열의 리브부재는, 상기 반응물의 나선 유동 방향을 향해 소정각도 기울어지게 형성되되, 상기 배출구 측으로 갈수록 점차 중심축선 측을 향하도록 열마다 기울기 각도가 서로 다르게 형성될 수 있다.
이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 접선 속도 저감 구조가 구비된 화학기상증착 반응기는, 하우징의 투입구를 통해 나노 촉매가 수용공간 내부로 투입된 후 나선 형태의 유동 패턴으로 상승하면서 제조되는 반응물이 배출구 부근에 구비된 복수의 리브부재에 의해 접선 속도가 점차 줄어들도록 할 수 있다.
이처럼 상기 복수의 리브부재를 통해 나선 형태의 유동 패턴으로 상승하는 반응물의 접선 속도를 줄여줌으로써 원심력을 약화시킬 수 있으며, 이에 따라 제조되는 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nano Tube) 입자 배출이 원활하도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 접선 속도 저감 구조가 구비된 화학기상증착 반응기의 사시도,
도 2는 도 1의 측단면도,
도 3은 본 발명에 따른 반응기의 배출구 부근에 리브부재가 배치된 상태를 보여주는 요부사시도,
도 4는 도 3의 측단면도,
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 리브부재의 다양한 실시예,
도 7의 (a) 내지 (c)는 도 6에 구비된 리브부재 각각의 기울기 각도를 보여주는 평단면도,
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 화학기상증착 반응기의 배출 효율을 확인할 수 있는 실험 결과이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
여기서, 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 접선 속도 저감 구조가 구비된 화학기상증착 반응기의 사시도이고, 도 2는 도 1의 측단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 반응기의 배출구 부근에 리브부재가 배치된 상태를 보여주는 요부사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 접선 속도 저감 구조가 구비된 화학기상증착 반응기(100)는, 하우징(110), 리브부재(120)를 포함할 수 있다.
이러한 본 발명의 구성에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2를 참조하면, 하우징(110)은 화학기상증착 반응기(100)의 주된 본체를 이루는 것으로, 내부에 수용공간(S)이 마련되는 원통 형상(수직 방향으로 배치)으로 형성될 수 있다.
아울러 상기 하우징(110)의 하부에는 수용공간(S) 내에 나노 촉매(F)를 투입할 수 있도록 투입구(111)가 구비되고, 하우징(110)의 상부에는 제조되는 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nano Tube)(이하, '반응물'이라 함) 입자가 배출되는 배출구(113)가 구비될 수 있다.
또한 상기 투입구(111)에는 수용공간(S)에 투입되는 나노 촉매(F)가 나선 형태의 유동 패턴을 형성할 수 있도록 노즐(111a)이 구비될 수 있다.
또한 상기 배출구(113)가 구비되는 하우징(110)의 내부 상측에는 배출구(113) 측으로 갈수록 점차 내부 직경이 좁아지는 하광상협(下廣上狹) 형상의 배출유도구간(115)이 마련될 수 있다.
즉 상기 투입구(111)를 통해 하우징(110) 내부로 투입된 나노 촉매(F)는 나선 형태의 유동 패턴을 보이며 상승하고, 소정의 반응 공정을 통해 제조된 반응물은 하우징(110) 상부에 위치한 원뿔 형태의 배출유도구간(115)에 의해 상부 중심축선 상에 위치한 배출구(113)로 모인 후 외부로 배출될 수 있다.
이 경우 본 발명에서 상기 노즐(111a)을 통해 하우징(110) 내부에 나노 촉매(F)를 나선 형태의 유동 패턴을 형성하도록 투입하여 탄소나노튜브를 제조하는 공정은 공지된 기술임에 따라 이에 대한 상세한 원리 설명은 생략하기로 한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 리브부재(120)는 하우징(110) 내부의 상측 내주면에 하우징(110)의 중심축선을 기준으로 복수 개가 방사상으로 소정각도 이격되게 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 리브부재(120)는 하우징(110)의 상부에 위치한 배출유도구간(115)의 초입부에 배치될 수 있다.
상기와 같은 구조의 리브부재(120)는 나노 촉매(F)가 투입구(111)의 노즐(111a)을 통해 수용공간(S) 내부로 투입된 후 배출구(113) 측을 향해 나선 형태의 유동 패턴으로 상승하는 반응물의 접선 속도(Tangential velocity)를 감소시켜줄 수 있다. 이처럼 상기 리브부재(120)가 배출구(113) 측으로 향하는 반응물의 접선 속도를 감소시켜줌으로써 원심력을 약화시킬 수 있으며, 이에 따라 상기 배출구(113)를 통해 반응물 입자가 원활하게 배출되도록 할 수 있다.
이 경우 본 발명에서는 상기 리브부재(120)의 이격 각도와 개수는 특별히 한정하지 않으며, 상기 배출구(113) 부근에서 나선 형태로 유동하는 반응물의 접선 속도를 효율적으로 감소시킬 수 있는 다양한 이격 각도와 개수로 변경 적용될 수 있다.
도 5를 참조하면, 다른 실시예로, 상기 리브부재(120)는 하우징(110)의 중심축선을 따라 소정거리(L) 이격되게 복수열(120a ~ 120n)로 배치될 수 있다. 이처럼 리브부재(120)가 배출구(113) 부근에 복수 열(120a ~ 120n)로 이격 배치됨에 따라배출구(113)를 향해 나선형태로 유동하는 반응물의 접선 속도를 순차적으로 감소시킬 수 있다.
즉 상기 리브부재(120)를 배출구(113) 부근에 1열로 형성하여도 무방하나, 상기 리브부재(120)를 배출구(113) 부근에 2열 내지 3열과 같이 복수열(120a ~ 120n)로 형성함에 따라 배출구(113) 측을 향해 나선 형태로 상승하는 반응물의 속도를 순차적으로 서서히 감소시킬 수 있다. 이에 따라 반응물 입자의 배출 효율을 향상시킬 수 있다.
이 경우 본 발명에서 상기 리브부재(120)가 3열로 형성된 경우의 일례를 들어 도시하고 설명하였으나 이에 한정하는 것은 아니며, 배출구(113) 부근에서 반응물의 접선 속도를 효율적으로 줄이 수 있다면 상기 리브부재(120)를 다양한 열로 변경 적용할 수 있다.
또한 상기 배출구(113) 부근에 복수열(120a ~ 120n)로 이격 배치되는 리브부재(120)는 배출구(113) 측으로 갈수록 하우징(110)의 중심축선을 향하는 돌출길이(t)가 점차 길게 형성될 수 있다.
즉 상기 복수열(120a ~ 120n)의 리브부재(120)를 열마다 돌출길이(t)를 서로 다르게 형성함으로써, 나선 형태로 상승하는 반응물이 맨 하측에 위치한 돌출길이(t)가 제일 짧은 리브부재(120n)와 처음 부딪치며 접선 속도를 1차로 줄여줄 수 있다. 그 후 점차 돌출길이(t)가 길게 형성된 나머지 리브부재(120b → 120a)를 순차적(2차, 3차)으로 통과하면서 반응물의 접선 속도를 서서히 줄여줄 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 또 다른 실시예로, 상기 복수열의 리브부재(120)는 반응물의 나선 유동 방향을 향해 소정각도 기울어지게 형성되되, 상기 배출구 측으로 갈수록 점차 중심축선 측을 향하도록 열마다 기울기 각도(θ)가 서로 다르게 형성될 수 있다.
즉 상기 하우징(110)을 평단면으로 보았을 때 시계 방향의 나선 형태로 상승하는 반응물이 맨 하측의 리브부재(120n)(도 7의 (c) 참조)와 부딪치면서 접선 속도를 1차로 줄여줄 수 있다. 이때, 상기 리브부재(120n)의 기울기 각도(θ)가 반응물이 회전하는 방향을 향해 기울어지게 형성됨에 따라 상기 반응물의 접선 속도를 서서히 줄여줄 수 있다. 그 후 점차 기울기 각도(θ)가 점차 하우징(110)의 중심축선을 향하도록 형성된 나머지 리브부재(120b → 120a)를 순차적(2차, 3차)으로 통과하면서 반응물의 접선 속도를 서서히 줄여줄 수 있다.
이 경우 본 발명에서는 상기 하우징(110) 내에서 반응물이 시계 방향으로 회전하는 경우의 일례를 들어 복수열의 리브부재(120a ~ 120n) 기울기 각도(θ)를 도시하고 설명하였으나, 이에 한정되지 않으며 하우징(110) 내에서 반응물이 회전하는 방향에 따라 상기 복수열의 리브부재(120a ~ 120n)의 기울기 방향을 대응되게 변경 적용할 수 있다.
< 실험예 >
본 발명의 접선 속도 저감 구조가 구비된 화학기상증착 반응기(100)(Modified Model, 이하 '실시예')와 기존의 화학기상증착 반응기(Original Model, 이하 '비교예')를 통해 하우징 내부의 반응물(DWCNT Particle)의 거동 비교하는 실험을 실시하였다.
그 결과, 도 8에 도시된 바와 같이, 비교예는 하우징(110) 상부의 배출구(113) 부근에서 강한 회전이 발생하여 생성된 반응물이 배출구(113)를 통해 원활하게 배출되지 않았다.
이에 반해, 본 발명에 따른 실시예의 경우 하우징(110) 상부에 구비된 복수의 리브부재(120)에 의해 회전이 감소하면서 반응물이 배출구(113)를 통해 원활하게 배출되는 것을 확인할 수 있다.
또한 도 9에 도시된 바와 같이, 하우징(110) 상부 단면에서의 접선 속도(Tangential velocity)를 비교하면, 비교예에 비해 실시예에서 접선 속도의 절대값이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
참고로, 도면에서 접선 속도 값이 양수일 경우 반시계방향으로 회전하는 것을 뜻한다.
이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 접선 속도 저감 구조가 구비된 화학기상증착 반응기(100)는, 하우징(110)의 투입구(111)를 통해 나노 촉매(F)가 수용공간(S) 내부로 투입된 후 나선 형태의 유동 패턴으로 상승하면서 제조되는 반응물이 배출구(113) 부근에 구비된 복수의 리브부재(120)에 의해 접선 속도가 점차 줄어들도록 할 수 있다.
이처럼 상기 복수의 리브부재(120)를 통해 나선 형태의 유동 패턴으로 상승하는 반응물의 접선 속도를 줄여줌으로써 원심력을 약화시킬 수 있으며, 이에 따라 제조되는 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nano Tube) 입자 배출이 원활하도록 할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 구체적인 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않으며 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경과 수정이 가능함은 물론이다.
100 : 화학기상증착 반응기 110 : 하우징
S : 수용공간 111 : 투입구
111a : 노즐 113 : 배출구
115 : 배출유도구간 120 : 리브부재

Claims (5)

  1. 내부에 수용공간이 마련되는 원통 형상으로 형성되며, 하부에 나노 촉매 투입구가 구비되고, 상부에 배출구가 구비되는 하우징;
    상기 하우징의 내부 상측 내주면에 상기 하우징의 중심축선을 기준으로 방사상으로 소정각도 이격되게 형성되어, 나노 촉매가 상기 투입구의 노즐을 통해 상기 수용공간 내에 투입된 후 나선 형태의 유동 패턴으로 상승하는 반응물의 접선 속도(Tangential velocity)를 감소시켜 원심력을 약화시키는 복수의 리브부재;를 포함하는 화학기상증착 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배출구가 구비되는 상기 하우징의 내부 상측에는,
    상기 배출구 측으로 갈수록 점차 내부 직경이 좁아지는 하광상협(下廣上狹)의 배출유도구간이 마련되고, 상기 리브부재는 상기 배출유도구간의 초입부에 배치되는 것인 화학기상증착 반응기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 리브부재는,
    상기 하우징의 중심축선을 따라 소정거리 이격되게 복수열로 배치되는 것인 화학기상증착 반응기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수열의 리브부재는,
    상기 배출구 측으로 갈수록 상기 중심축선을 향하는 돌출 길이가 점차 길게 형성되는 것인 화학기상증착 반응기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 복수열의 리브부재는,
    상기 반응물의 나선 유동 방향을 향해 소정각도 기울어지게 형성되되, 상기 배출구 측으로 갈수록 점차 중심축선 측을 향하도록 열마다 기울기 각도가 서로 다르게 형성되는 것인 화학기상증착 반응기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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