KR20170133098A - 가스실링 방식을 이용한 합성장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수직형 합성장치에서 합성장치의 하부에 개방된 형태로 배출구를 형성하고 배출구의 둘레에 질소커튼을 형성함으로써 외기의 유입을 차단할 수 있고 이에 더해서 합성된 탄소나노튜브의 수집을 하는 방법을 다양한 방법으로 구현할 수 있는 가스실링 방식을 이용한 합성장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 수직타입의 탄소나노튜브 합성장치에 관한 것으로서 기상합성법을 이용하여 탄소나노튜브를 합성하며 합성된 탄소나노튜브는 합성장치의 개방된 하부구조를 통해 배출되도록 한 것이며 이 때 개방된 하부구조는 외기 차단을 위해 질소커튼을 사용한 것에 특징이 있다.
탄소나노튜브(Carbonnanotube, CNT)는 1개의 탄소 원자가 3개의 다른 탄소 원자와 결합한 육각형 벌집 모양의 흑연면이 나노크기의 직경으로 둥글게 말린 형태를 갖고 있으며, 크기나 형태에 따라 독특한 물리적 성질을 갖는 거대 분자이다. 이러한 탄소나노튜브는 속이 비어 있어 가볍고 전기 전도도와 열 전도도가 높으며 인장력이 강하다. 또한 원통형을 이루는 결합 구조에 따라 일부러 불순물을 넣지 않아도 튜브와 튜브가 상호 작용하면서 도체에서 반도체로 변한다.
이러한 탄소나노튜브는 말려진 형태와 직경에 따라 단층벽 나노튜브(single walled nanotube, SWNT), 다층벽 나노튜브(multi-walled nanotube, MWNT), 다발형 나노튜브(rope nanotube)로 구분되기도 한다.
이러한 탄소나노튜브는 일반적으로 전기방전법, 레이저 증착법, 플라즈마 화학기상증착법, 열화학증착법, 기상합성법 및 전기분해법 등의 방법으로 제조될 수 있으며, 이중 기상합성법의 경우 기판을 사용하지 않고 반응로 안에 탄소를 함유하고 있는 가스와 촉매금속을 직접 공급하여 반응시켜 탄소나노튜브의 증착물을 형성하기 때문에 고순도의 탄소나노튜브를 대량으로 합성할 수 있으면서도 경제성이 뛰어나 가장 각광받고 있다.
따라서, 기상합성법에서는 촉매금속의 사용이 필수적이며, Ni, Co 또는 Fe 등이 촉매금속으로서 가장 많이 쓰이고 있으며, 각각의 촉매금속 입자는 하나의 씨드(seed)로 작용하여 탄소나노튜브가 형성되기 때문에, 촉매금속을 수 나노부터 수십 나노 크기의 입자로 형상화하는 것이 탄소나노튜브 합성의 핵심 기술이라 할 수 있다.
이러한 기상합성법에 의한 탄소나노튜브 합성장치 중에서는 수직방향으로 원재료를 투하하여 원재료가 하강하면서 합성반응이 이루어지도록 하는 수직형 탄소나노튜브 합성장치가 있다.
종래의 대부분의 수직형 탄소나노튜브 합성장치는 외기를 차단하기 위해 하부가 밀폐된 구조로 형성되어 있어서 합성이 완료된 탄소나노튜브는 펌프나 싸이클론 등을 통해 회수하는 방식을 적용하였다.
그러나 이렇게 하부가 밀폐된 합성장치는 합성된 탄소나노튜브를 수집하기 위하여 복잡한 다수의 구성을 필요로 하고 수집을 하기 위한 방법이 제한될 수 밖에 없는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 본 발명의 목적은 탄소나노튜브를 합성하는 수직형 합성장치에서 합성장치의 하부에 개방된 형태로 배출구를 형성하고 배출구의 둘레에 질소커튼을 형성함으로써 외기의 유입을 차단할 수 있고 이에 더해서 합성된 탄소나노튜브의 수집을 하는 방법을 다양한 방법으로 구현할 수 있는 가스실링 방식을 이용한 합성장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 본 발명의 과제는 수직형 합성장치에서 합성장치의 하부에 개방된 형태로 배출구를 형성하고 배출구의 둘레에 질소커튼을 형성하는 구성을 갖는 가스실링 방식을 이용한 합성장치에 의해 달성된다.
또한 상기 본 발명의 과제는 수직형 합성장치에 관한 것으로서, 합성장치의 상부에서 촉매를 포함하는 원재료와 운반가스가 공급되고, 합성장치의 가열영역에서 탄소나노튜브의 합성이 이루어지며, 합성이 완료된 탄소나노튜브를 합성장치의 하부의 개방된 배출구를 통해 배출되고, 개방된 배출구의 주변에 질소커튼이 형성되는 것을 특징으로 하는 가스실링 방식을 이용한 합성장치에 의해서도 달성된다.
또한 상기 질소커튼은 수직하방향, 경사진 하방향 또는 수평방향으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한 질소커튼을 대신하여 아르곤 가스와 같은 불활성 가스를 사용한 불활성가스커튼이 형성되는 것도 가능하다.
상기한 구성을 갖는 본 발명에 따른 가스실링 방식을 이용한 합성장치에 의하면 질소커튼을 통해 탄소나노튜브 합성장치의 하부를 개방형으로 구성함으로써 합성된 탄소나노튜브를 수집하기 위해 복잡한 구성들을 필요로 하지 않으며 합성장치의 하부에서 탄소나노튜브를 제약 없이 다양한 방법으로 집속(수집)할 수 있다.
또한 질소커튼의 형성방향을 다양한 형태로 구현함으로써 합성된 탄소나노튜브의 이동의 방향성을 의도한 방향으로 유도하여 합성된 탄소나노튜브를 더욱 용이하게 수집할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스실링 방식을 이용한 합성장치의 주요구성을 간략하게 개념적으로 표시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스실링 방식을 이용한 합성장치를 정면에서 도시한 정면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스실링 방식을 이용한 합성장치를 정면에서 도시한 정면도이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 다만 발명의 요지와 무관한 일부 구성은 생략 또는 압축할 것이나, 생략된 구성이라고 하여 반드시 본 발명에서 필요가 없는 구성은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 결합되어 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스실링 방식을 이용한 합성장치의 주요구성을 간략하게 개념적으로 표시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스실링 방식을 이용한 합성장치를 정면에서 도시한 정면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 가스실링 방식을 이용한 합성장치는 탄소나노튜브(CNT)를 합성하기 위해 수직형 합성장치를 사용하며, 수직형 합성장치의 상부에서 촉매 나노입자와 운반가스가 합성장치의 상부에서 공급되어 온도가 1100~1400℃인 가열영역(Heating Zone)에서 탄소나노튜브가 합성된다.
*합성된 탄소나노튜브는 운반가스를 통해 합성장치의 하부로 연속적으로 내려온다.
운반가스로 수소, 질소, 아르곤 등이 사용되는데, 특히 수소를 사용할 때에 합성장치의 개방된 하부를 통해 외기가 유입되면 폭발의 위험이 있기 때문에 종래에는 합성장치의 하부를 진공상태로 만들어 주거나 또는 합성장치의 하부를 물에 담가서 외기의 차단을 막는 방식을 적용하는 경우가 많았다.
그러나 본 발명은 이러한 종래기술의 불편함을 해결하여, 합성장치의 하부를 개방된 구조로 하되, 합성장치의 개방된 배출구를 통해 외기가 유입되는 것을 차단할 수 있도록 개방된 배출구를 질소커튼이 둘러싸도록 하였다.
따라서 본 발명에 따른 합성장치는 질소커튼을 통해 하부를 개방형으로 구성함으로써 합성장치의 하부에서 CNT를 제약 없이 다양한 방법으로 집속할 수 있다.
질소커튼의 형성방향은 다양한 형태로 구현될 수 있다.
첫째 도 1에 도시된 바와 같이 탄소나노튜브가 하강하는 하방향으로 질소커튼을 형성하는 형태이다.
둘째 도면에 도시되지는 않았지만 합성장치의 배출구보다 위쪽에 질소분사모듈을 형성하고 질소모듈을 통해 합성장치의 내부공간으로 질소를 분사하면 분사된 질소와 합성된 탄소나노튜브가 함께 배출구를 통해 배출되는 형태이다.
셋째 배출구의 주변에서 배출구의 중심축선상의 일 지점을 향하여 배출구의 둘레방향에서 질소를 경사진 방향으로 분사하여 질소커튼을 형성하는 형태이다.
여기서 위 3가지 형태의 경우 질소커튼을 통해 합성된 탄소나노튜브가 이동하는 것을 보조하게 되어 합성된 탄소나노뷰트의 방향성을 좋게 하므로 합성장치의 아래에서 더욱 용이하게 탄소나노튜브를 수집할 수 있다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면, 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 본 발명의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다
1 : 합성장치
Claims (3)
- 수직형 합성장치에 관한 것으로서,
합성장치의 상부에서 촉매를 포함하는 원재료와 운반가스가 공급되고, 합성장치의 가열영역에서 탄소나노튜브의 합성이 이루어지며, 합성이 완료된 탄소나노튜브를 합성장치의 하부의 개방된 배출구를 통해 배출되고,
개방된 배출구의 주변에 질소커튼이 형성되는 것을 특징으로 하는 가스실링 방식을 이용한 합성장치.
- 제1항에 있어서,
상기 질소커튼은 수직하방향, 경사진 하방향 또는 수평방향으로 형성될 수 있는 것을 특징으로 하는 가스실링 방식을 이용한 합성장치.
- 제1항에 있어서,
질소커튼을 대신하여 아르곤 가스와 같은 불활성 가스를 사용한 불활성가스커튼이 형성되는 것을 특징으로 하는 가스실링 방식을 이용한 합성장치.
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