KR100376202B1 - 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유 합성용 기상합성 장치 및이를 사용한 합성방법 - Google Patents

탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유 합성용 기상합성 장치 및이를 사용한 합성방법 Download PDF

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Abstract

탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유 합성용 기상합성 장치 및 이를 사용한 합성 방법을 개시한다. 본 발명의 기상합성 장치는 소오스(source) 공급부와, 반응기, 보트(boat) 및 수집기를 포함하여 이루어진다. 소오스 공급부는 기상의 촉매 소오스 가스 및 반응 소오스 가스를 공급하고, 반응기는 일단이 소오스 공급부와 연결되어 공급되는 촉매 소오스 가스 및 반응 소오스 가스로부터 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유를 합성하는 위치를 제공한다. 보트는 반응기 내에 설치되며 다수의 판들이 결합되어 이루어진다. 또한, 수집기는 반응기에서 생성된 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유를 수집한다.

Description

탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유 합성용 기상합성 장치 및 이를 사용한 합성 방법{Apparatus of vapor phase-synthesis for carbon nanotubes or carbon nanofibers and synthesizing method of using the same}
본 발명은 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유에 관한 것으로, 특히, 대량으로 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유를 합성하는 기상합성 장치 및 이를 이용한 합성 방법에 관한 것이다.
탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유는 하나의 탄소 원자에 이웃하는 세 개의 탄소 원자가 sp2결합으로 연결되어 육각 환형을 이루고, 이러한 육각 환형이 벌집 형태로 반복된 흑연면(graphite sheet)이 말려 실린더 형태를 이룬다고 알려져 있다. 이러한 실린더 형태의 구조는 그 직경이 일반적으로 수 ㎚ 내지 수백 ㎚ 이며, 그 길이는 직경의 수십 배 내지 수천 배 이상으로 긴 특성을 가진다고 알려져 있다.
탄소나노튜브는 흑연면이 말린 형태에 따라서 단일벽 나노튜브(single-wall nanotube), 다중벽 나노튜브(multi-wall nanotube) 및 다발형 나노튜브(rope nanotube) 등으로 구분될 수 있다. 또한, 흑연면이 말리는 각도 및 구조에 따라 탄소나노튜브는 다양한 전기적 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 이러한 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유가 안락 의자(arm-chair) 구조를 가질 때, 금속과 같은 전기적 도전성을 가진다고 알려져 있으며, 지그 재그(zig-zag) 구조를 가질 때 반도체적 특성을 나타낸다고 알려져 있다.
이러한 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유는 전기적 특성이 우수하고 기계적 강도가 크며 화학적으로 안정한 물질이므로 전자정보산업분야에서 다양한 방법으로 응용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.
근래에 이러한 탄소나노튜브 합성에 관한 여러 가지 방법이 제안되고 있고, 이러한 방법을 실현시키기 위한 여러 가지 장치가 사용되고 있다. 현재까지 제시되고 있는 장치로는 전기방전 장치, 레이저증착 장치, 플라즈마 화학기상증착 장치, 열화학 기상증착 장치 또는 기상합성 장치 등이 있다.
이중 기상합성법은 기판을 사용하지 않고 반응로 내에서 탄소 소오스 가스를 열분해하여 기상으로 탄소나노튜브를 합성하는 방법으로 대량합성에 유리한 장점이 있으나, 현재까지 0.05㎛ 내지 30㎛의 직경을 가지는 탄소튜브 또는 탄소섬유가 주 생성물이며 이들의 직경을 수십 nm 이하로 낮추기는 어려운 점이 있다.
예를 들어, 유기금속 화합물과 탄화수소 화합물 및 수소 기체를 사용하여 600℃ 내지 1300℃ 에서 합성하는 방법이 미국특허 4,578,813호에 개시되어 있으나, 이 방법에 따라 형성된 탄소섬유의 직경은 0.05 내지 2㎛, 길이는 2000㎛ 내지 3000㎛로 매우 크다고 제시되어 있다. 또한, EP 0424922 B1호에도 일산화탄소 및 수소 가스와 전이금속을 포함하는 유기금속 화합물을 사용하여 550℃ 내지 800℃ 에서 탄소섬유를 합성하는 방법이 개시되고 있다.
그리고, 미국 특허 5,102,647 호에는 이산화탄소 및 벤젠 및 Fe(CO)5로부터 열 분해된 미세 전이금속 입자를 주입하여 탄소섬유를 합성하는 방법이 제시되고 있다. 이때, 복사열 전달을 효과적으로 이용할 수 있도록 하고 합성된 탄소섬유가 혼합되지 않도록 하는 무기물질(100㎜ 내지 0.01mm의 입자 직경을 갖는 알루미나, 뮬라이트 또는 지르코니아) 등이 반응로 내에 삽입되는 바를 함께 제시하고 있다. 그러나 이 방법에 의해 합성된 탄소섬유 역시 직경이 0.7㎛, 길이가 100㎛ 내지 200㎛ 정도로 크다.
WO 99/06618호에는 일산화탄소 및 수소 가스와 몰리브덴과 코발트를 포함하는 유기금속화합물을 반응로에 직접 주입하여 단일벽 및 다중벽 탄소나노튜브를 700-1100℃ 에서 수율 50% 이내 범위에서 합성하는 방법이 개시되어 있다. 그러나 이 방법은 압력을 0 내지 100 psig 범위 내에서 조절함으로써 반응로 내에서 반응물이 체류하는 시간을 조절한다. 따라서 반응로가 고압에도 견딜 수 있는 재질로 형성되어야 하며, 압력 증가에 따라 반응물의 농도 또한 증가하므로 비정질인 탄소입자가 다량으로 생성되는 단점이 있다고 알려져 있다.
또한, Smalley(P.Nikolaev, M.J.Bronikowske, R.K.Bradly, F.Rohmund, D.T.Colbert, K.A.Smith and R.E.Smalley, Chem. Phys. Lett., vol 303, p.91, 1999)는 일산화탄소가스를 Fe(CO)5의 유기금속화합물이 담긴 기화기 내부로 통과시키면서 유기금속화합물을 버블링(bubbling) 시켜, 0 내지 100 기압의 압력으로 노즐을 통하여 반응로 내로 분사하여 단일벽의 탄소나노튜브를 합성하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 이 방법 역시 고압을 사용하여 촉매금속 입자의 크기를 조절하기 때문에 압력 증가에 따라 반응물의 농도 또한 증가하므로 비정질인 탄소입자가 다량으로 생성되는 단점이 있다고 알려져 있다.
즉, 현재까지 알려진 방법이나 장치들로는 수십 nm 이하의 직경을 지니는 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유를 대량으로 합성하는 것은 매우 어렵다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 수십 nm 이하의 직경을 지니는 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유를 대량으로 합성할 수 있는 기상합성 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기한 기상합성 장치를 이용하여 수십 nm 이하의 직경을 지니는 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유를 대량으로 합성하는 방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유 합성용 기상합성 장치를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 기상합성 장치에 채용되는 보트의 일예를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 기상합성 장치에 채용되는 보트의 다른 예를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면들이다.
<도면의 주요 부호에 대한 간략한 설명>
100: 소오스 공급부, 110: 촉매 소오스 공급부,
150: 반응 소오스 공급부, 200: 합성 반응부,
210: 반응기, 260: 보트,
261: 판, 300: 배출부.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 기상합성 장치는, 소오스 공급부와, 반응기, 보트 및 수집기를 포함하여 이루어진다. 상기 소오스 공급부는 기상의 촉매 소오스 가스 및 반응 소오스 가스를 공급하고, 상기 반응기는 일단이 상기 소오스 공급부와 연결되어 공급되는 상기 촉매 소오스 가스 및 상기 반응 소오스 가스로부터 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유를 합성하는 위치를 제공한다. 상기 보트는 반응기 내에 설치되며 다수의 판들이 결합되어 이루어진다. 또한, 상기 수집기는 상기 반응기의 하단에서 생성된 상기 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유를 수집한다.
상기 소오스 공급부는 Fe(CO)5, Mo(CO)6, Co2(CO)8, (C5H5)2Fe 및 Ni(CO)5로 이루어지는 일군에서 선택되는 어느 하나의 유기 금속 화합물을 담은 기화기, 및 상기 기화기에 연결된 운반 가스 공급기를 포함하며 상기 촉매 소오스 가스의 공급을 위한 촉매 소오스 공급부를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 운반 가스 공급기는 아르곤 가스와 같은 비활성 가스를 제공하는 비활성 가스 공급기를 포함하는 것이 바람직하며, 아세틸렌, 메탄, 일산화 탄소 또는 이산화 탄소를 제공하는 가스 공급기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 소오스 공급부는 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, 사이클로헥산, 벤젠및 크실렌으로 이루어지는 일군에서 선택되는 어느 하나의 탄화 수소 가스를 제공하는 탄소 소오스 공급기와, 비활성 가스 공급기 및 수소 가스 공급기를 포함하는 반응 소오스 공급부를 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 반응기는 상기 소오스 공급부에 상대적으로 인근하는 저온 영역, 및 상기 저온 영역에 이후에 배치되는 고온 영역을 포함하는 것이 바람직하며, 상기 저온 영역의 상기 반응기 외주에는 상기 저온 영역을 대략 200℃ 내지 450℃로 유지하는 제1히터가 설치되고, 상기 고온 영역의 상기 반응기 외주에는 상기 고온 영역을 대략 700℃ 내지 1250℃로 유지하는 제2히터가 설치되는 것이 바람직하다.
상기 반응기 내에는 상기 소오스 공급부로부터 공급되는 상기 촉매 소오스 가스 또는 상기 반응 소오스 가스를 상기 반응기 내부에 분사하는 분사기가 더 설치되는 것이 바람직하며, 상기 분사기는 노즐 또는 샤워 헤드를 포함할 수 있다.
상기 판들은 상기 반응 소오스 가스 및 상기 촉매 소오스 가스의 주입 방향에 평행하게 또는 수직하게 배열되는 것이 바람직하다. 한편, 상기 보트는 석영 또는 그라파이트로 이루어질 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 각 장치는 설명을 위하여 개략적으로 도시되었으며, 가스관은 설명의 편의를 위하여 선으로 도시되어 있다. 도면에서 동일 참조 부호는 동일 부재를 나타낸다. 그리고, 이하에서는 본 발명에 따른 기상합성 장치를 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유 합성용으로 지칭한다. 동일 장치 내에서도 합성 조건, 사용되는 반응 가스의 조합에 따라 탄소나노튜브만 또는 탄소나노튜브가 주로 합성될 수도 있고 그 반대의 경우 즉, 탄소나노섬유만 또는 탄소나노섬유가 주로 합성될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유 합성용 기상합성 장치를 개략적으로 나타내고, 도 2는 도 1의 기상합성 장치에 채용되는 보트를 개략적으로 나타내고, 도 3은 도 2의 보트를 위에서 바라본 형상을 개략적으로 나타내고, 도 4는 도 2의 보트를 정면에서 바라본 형상을 개략적으로 나타낸다. 도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 의한 보트의 다른 예를 개략적으로 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유 합성용 기상합성 장치는 소오스 공급부(100), 합성 반응부(200) 및 배출부(300) 등을 포함하여 이루어진다.
소오스 공급부(100)는 촉매 소오스(source) 공급부(110) 및 반응 소오스 공급부(150)로 구분될 수 있다. 촉매 소오스 공급부(110)는 합성 반응부(200)에 촉매 소오스를 공급하기 위해서 구비된다. 촉매 소오스를 공급하기 위해서 다양한 장치를 사용할 수 있다. 예를 들어, 촉매 소오스 공급부(110)는 기화기(111) 및 운반가스 공급기(113)로 구성될 수 있다.
기화기(111) 내에는 촉매 소오스로 액상의 유기 금속 화합물이 제공되어 진다. 기화기(111)에 유량계(411)를 수반하며 연결되는 운반가스 공급기(113)에 의해서, 기화기(111) 내의 액상의 유기 금속 화합물은 기화된다. 이때, 유량계(125)는 운반가스로 이용되는 비활성 가스, 예컨대, 아르곤 가스(Ar)의 기화기(111)로의 유량을 조절하는 역할을 한다. 상기한 바와 같이 운반 가스 공급기(113)가 아르곤 가스 등을 공급할 경우, 운반 가스 공급기(113)는 아르곤 가스 저장 용기 또는 봄베(bombe)와 같은 비활성 가스 공급기를 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 촉매 소오스로는 Fe(CO)5, Mo(CO)6, Co2(CO)8, (C5H5)2Fe 또는 Ni(CO)5등과 같은 유기 금속 화합물이 이용될 수 있다. 또한, 기화기(111)에서 기화된 촉매 소오스 가스는 운반 가스 공급기(113)로부터 공급된 운반 가스, 예컨대, 아르곤 가스와 같은 비활성 가스에 의해 합성 반응부(200)로 주입된다. 필요에 따라, 메탄, 아세틸렌, 일산화 탄소 또는 이산화 탄소와 같은 가스 또는 이러한 가스와 상기한 아르곤 가스의 혼합 가스를 운반 가스로 사용할 수 있다.
더하여, 기화기(111) 만으로 촉매 소오스 가스로의 기화가 어려운 경우, 예컨대, 촉매 소오스로 고체상의 (C5H5)2Fe 등이 사용될 경우에, 기화기(111)와 별도로 300℃ 내지 700℃의 온도로 유지되는 승화기(미도시)를 구비할 수 있다.
이와 같이 구성되는 촉매 소오스 공급부(110)와 더불어 소오스 공급부(100)를 구성하는 반응 소오스 공급부(150)는 합성 반응부(200) 내에서 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유가 합성되는 반응에 소요되는 반응 소오스를 제공하는 역할을 한다. 이를 위해서, 반응 소오스 공급부(150)는 상기한 합성 반응에 소요되는 여러가스 반응 소오스를 제공하도록 구성된다.
예를 들어, 반응 소오스 공급부(150)는 탄소 소오스 공급기(151)를 포함하여 구성될 수 있다. 탄소 소오스 공급기(151)는 합성 반응부(200) 내에서 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유의 합성이 수행될 때, 이에 필요한 탄소 소오스를 제공하는 역할을 한다. 이때, 탄소 소오스로는 탄화 수소 가스, 예컨대, 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, 사이클로헥산, 벤젠 또는 크실렌 등을 이용할 수 있다. 이러한 탄화 수소 가스를 탄소 소오스로 사용할 경우, 탄소 소오스 공급기(151)는 탄화 수소 저장 용기 또는 봄베를 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 상기한 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유를 합성하는 데에는 상기한 탄화 수소 가스 이외에도 여러 보조 가스들이 필요하다. 예를 들어, 수소 가스 등과 같은 보조 반응 가스나 반응 소오스를 운반하거나 희석하는 데 이용되는 아르곤 가스 등과 같은 비활성 가스 등이 상기한 합성에 필요로 한다. 따라서, 반응 소오스 공급부(150)는 아르곤 가스 등을 위한 비활성 가스 공급기(153) 및 수소 가스를 위한 수소 가스 공급기(155)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
이와 같이 구성되는 반응 소오스 공급부(150)에 의해서, 합성 반응부(200) 내로 탄화 수소 가스, 수소 가스 및 아르곤 가스 등으로 이루어지는 반응 소오스 가스가 공급된다. 더하여, 소오스 공급부(100)의 가스 배관들에는 여러 개의 밸브가 설치되어 각각의 가스들의 공급 개시 또는 공급 중단을 제어할 수 있다.
소오스 공급부(100)가 일단에 연결되는 합성 반응부(200)는 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유의 합성이 이루어지는 부분이다. 합성 반응부(200)는 반응기(210)를 포함하여 구성되며, 반응기(210) 내에는 보트(260) 및 수집기(250) 등이 도입된다.
반응기(210)는 수직형 또는 수평형의 로(furnace) 형태일 수 있으며, 석영 또는 그라파이트 등으로 형성될 수 있다. 반응기(210) 앞단에는 소오스 공급부(100)로부터 공급되는 반응 소오스 가스 및 촉매 소오스 가스 등이 주입되는 주입구(212)가 설치되며, 반응기(210)의 뒷단에는 반응 후에 잔류하는 가스의 배출을 위한 배기구(214)가 구비된다.
반응기(210)는 두 개의 서로 다른 온도 영역을 구비할 수 있다. 예컨대, 저온 영역(220)과 고온 영역(230)을 반응기(210)는 구비할 수 있다. 반응기(210)의 앞단, 즉, 주입구(212) 측에 인접한 저온 영역(220)은 주입구(212)로부터 공급되는 촉매 소오스 가스를 열분해시켜, 나노 크기의 전이 금속 입자 형태의 촉매를 형성하기 위한 영역으로 제공된다. 반응기(200)의 뒷단, 즉, 배기구(214)측에 인접한 고온 영역(230)은 상기한 촉매와 함께 제공되는 탄소 소오스 가스가 열 분해되어 촉매 입자 상에서 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유가 합성되는 영역으로 제공된다.
저온 영역(220)과 고온 영역(230)은 반응기(210)의 외주에 각각 설치되어 있는 제1 및 제2 히터(heater)들(225, 235)에 의해 영역 내의 온도가 일정 온도로 유지된다. 제1 히터(225)와 제2 히터(235)는 단열재(미도시)를 사이에 두고 서로 격리되어 있는 것이 바람직하다. 그리고, 저온 영역(220) 및 고온 영역(230)에는 각각 열전대(thermocouple;미도시)가 장착되어 있어, 이들 영역에서의 온도를 검출하는 것이 바람직하다.
합성 반응 시, 저온 영역(220)은, 촉매 소오스 가스, 예컨대, 상기한 유기 금속 화합물 가스를 열분해시켜 전이 금속 입자 형태의 촉매를 형성하기에 적절한 온도인 150℃ ∼ 450 ℃의 온도, 바람직하기로는 200℃ ∼ 450 ℃의 온도로 유지된다. 고온 영역(230)은 탄소 소오스 가스, 예컨대, 탄화 수소 가스가 열 분해되기에 적절한 온도인 700℃ ∼ 1250 ℃의 온도, 바람직하기로는 850℃ ∼ 1050 ℃의 온도로 유지된다.
반응기(210)내로의 반응 소오스 가스 및 촉매 소오스 가스의 주입은 주입구(212)에 연결되는 분사기(240)를 통해서 이루어지는 것이 바람직하다. 이는, 반응 소오스 가스 또는 촉매 소오스 가스를 반응기(210) 내로 균일하게 분사하기 위해서이다. 특히, 촉매 소오스 가스로부터 형성되는 나노 크기의 입자 형태의 촉매가 반응기(210) 내의 전 영역에 균일하게 분포하기 위해서는 상기한 바와 같은 분사기(240)를 통해 촉매 소오스 가스가 반응기(210) 내에 주입되는 것이 바람직하다.
분사기(240)는 촉매 소오스 가스를 반응로(210)내에 균일하게 분사함으로써, 일정한 나노 크기의 입자 형태의 촉매들이 형성되도록 유도할 수 있다. 이에 따라, 일정한 직경의 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유의 합성 또는 생성이 가능해진다. 따라서, 분사기(240)는 촉매 소오스 가스의 열분해가 일어나는 영역인 저온 영역(220)에 대응하는 위치 또는 저온 영역(220)의 앞쪽 위치에 설치되는 것이 바람직하다.
이러한 분사기(240)로는 노즐(nozzle) 또는 샤워헤드(shower head)가 이용되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 노즐로는 스프레이(spray) 형태의 슬릿 노즐(slit nozzle)을 이용할 수 있으며, 샤워 헤드로는 분사공이 표면에 다수 형성된 원반 형태의 샤워 헤드를 이용할 수 있다.
한편, 반응기(210)의 뒷단, 예컨대, 고온 영역(230)의 뒷부분에는 합성된 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유를 수집하기 위한 수집기(250)가 설치된다. 수집기(250)는 강철 섬유(stainless steel fiber) 또는 석영면(quartz wool)으로 제조되는 트레이(tray)를 이용할 수 있다. 반응기(210)내에서 합성되는 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유는 대부분 수집기(240)에 수집된다.
그러나, 촉매는 촉매 소오스 가스가 상술한 바와 같이 반응기(210) 내로 분사되고 열분해되어 형성되므로, 반응기(210)의 벽면 상에도 상기한 바와 같은 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유가 수집될 수 있다. 예를 들어, 촉매들은 상기한 반응기(210) 내의 벽면에도 존재할 수 있으므로, 이러한 반응기(210) 내의 벽면 상에서도 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유의 합성이 가능하다.
그러나, 반응기(210)의 벽면은 한정된 표면적을 가지므로, 이와 같이 수집되는 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유의 수율을 극대화하기가 어렵다. 따라서, 단위 시간 당 반응기(210) 내부에서 생성되는 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유의 생산 수율을 극대화하기가 어렵다.
본 발명의 실시예에서는 이러한 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유의 생산 수율을 극대화하기 위해서, 반응기(210) 내부에 보트(boat:260)를 도입하는 바를 제시한다. 보트(260)는 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유가 수집될 수 있는 상기한 바와 같은 반응기(210)의 벽면과 같은 환경 또는 위치(site)를 보다 많이 제공하기 위해서 도입된다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에서 제시되는 보트(260)의 일례는, 석영 또는 그라파이트 등과 같이 고온에서 안정된 재질로 형성된다. 보트(260)는 표면적의 극대화를 위해서, 다수의 판(261)을 상호간에 일정 간격 이격시켜 형성되며, 이러한 판(261)들은 체결 수단(265), 예컨대, 가로대에 의해서 상호간에 일정 간격 이격되게 겹쳐진다. 이러한 판(261)들은 다양한 형태를 가질 수 있다. 예컨대, 판(261)들은 직사각형의 판형을 가질 수 있다. 이러한 보트(260)는, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 반응기(210) 내에서 반응 소오스 가스의 주입 방향과 평행하도록 배열된 판(261)들로 구성될 수 있다.
한편, 도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 보트(260)의 다른 예는 원형의 판(261a)들과 이들을 체결시키는 가로대와 같은 체결 수단(265a) 등으로 구성될 수 있다. 이러한 보트(260)는 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이 상기한 반응 소오스 가스의 주입 방향과 일정 각도로 배열된, 예컨대, 수직으로 배열된 판(261a)들로 구성될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 상술한 바와 같이 제시된 보트(260)를 반응기(210) 내에 도입함으로서, 반응기(210)의 벽면과 같은 환경 또는 위치(site)를 보다 많이 제공할 수 있다. 따라서, 반응기(210) 내에서 합성 생성되는 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유들을 상기한 보트(260)의 판(261)들의 표면에서도 수집할 수 있다. 이에 따라, 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유의 생산 수율을 극대화할 수 있다.
한편, 이러한 보트(260)의 판(261)의 표면 또는 반응기(210)의 벽면 표면에 수집되는 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유는, 석영, 그라파이트 또는 금속 재질의 날카로운 면이 부착된 기구를 사용하여 긁어내어져 수집될 수 있다.
한편, 반응기(210) 내부에서 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유의 합성 후 잔류한 가스 등을 배출하기 위한 배출부(300)가 반응기(210)의 배기구(214)에 연결된다. 배출부(300)는 잔류 가스에 포함되어 배출되는 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유를 걸러내기 위한 필터(310)를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 기상합성 장치를 이용하여 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유를 합성한 실험예를 설명함으로써 본 발명에 따른 기상합성 장치와 이를 사용한 합성 방법을 보다 구체적으로 설명한다.
지름이 150mm이고 길이가 1500mm이고, 기상합성이 진행되는 고온 영역(230)의 길이가 600mm인 반응기(210)를 사용하여 탄소나노튜브를 합성하였다. 먼저, 저온 영역(220)의 온도를 300℃로 설정하고, 고온 영역(230)의 온도를 850℃ 내지 950℃ 정도가 되도록 히터(225, 235)를 이용하여 온도를 상승시켰다. 반응기(210)의 온도가 설정된 온도까지 상승하는 동안, 비활성 가스 공급기(153)로부터 500㎖/min의 유량으로 아르곤 가스를 반응기(210)로 흘려보냈다.
기화기(111)에 촉매 소오스로 유기 금속 화합물인 액상의 Fe(CO)5를 담고, 운반 가스 공급기(113)로부터 비활성 가스, 예컨대, 아르곤 가스를 500㎖/min의 유량으로 기화기(111) 내부로 공급하여 기화기(111) 내부에서 기화된 촉매 소오스 가스를 반응기(210)로 수송되도록 하였다. 수송된 촉매 소오스 가스는 분사기(240),예컨대, 샤워 헤드를 통해서 반응기(210) 내로 주입되었으며, 이러한 촉매 소오스 가스의 주입과 함께 수소 가스 공급기(155)로부터 수소 가스를 1.5ℓ/min의 유량으로 반응기(210) 내로 공급하였으며, 아르곤 가스를 비활성 가스 공급기(153)로부터 10ℓ/min의 유량으로 반응기(210) 내로 공급하였다.
이와 같은 공정 조건으로 기상합성을 실시하여 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유를 연속적으로 합성하였다. 합성 반응 종료 후, 반응기(210) 내벽과 보트(260)의 판(261)들의 표면에 성장되거나 수집된 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유를 날카로운 면이 부착된 기구를 이용하여 긁어내어 수집한다. 또한, 반응기(210) 내부에서 기상에서 합성된 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유는 반응기(210) 뒷단에 설치된 수집기(250)로부터 수집된다.
이상에서, 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 설명하였으나 이러한 구성과 실시예는 본 발명을 예시하는 것이지 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며, 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위 내에서 다양한 변경이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 반응기 내부에 여러 개의 판이 결합된 보트를 배치하여 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유를 합성함으로써, 반응기 내벽이외에도 넓은 표면적을 갖는 보트의 표면에 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유를 합성할 수 있다. 이에 따라, 수 nm ∼ 수백 nm의 직경을 가지는 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유의 합성 수율을 증가시키는 것이 가능하다. 또한, 반응기 상부에 노즐 또는 샤워헤드를 설치함으로써, 열분해된 전이 금속의 입자로 이루어지는 촉매를 반응기 내부에 효과적으로 분산시켜 일정 크기를 갖는 탄소나노튜브를 성장할 수 있다.

Claims (13)

  1. 기상의 촉매 소오스 가스 및 반응 소오스 가스를 공급하는 소오스 공급부;
    일단이 상기 소오스 공급부와 연결되어 공급되는 상기 촉매 소오스 가스 및 상기 반응 소오스 가스로부터 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유를 합성하는 반응기;
    상기 반응기 내에 설치되며 다수의 판들이 결합되어 이루어진 보트; 및
    상기 반응기에서 생성된 상기 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유를 수집하는 수집기를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유 합성용 기상합성 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 소오스 공급부는
    Fe(CO)5, Mo(CO)6, Co2(CO)8, (C5H5)2Fe 및 Ni(CO)5로 이루어지는 일군에서 선택되는 어느 하나의 유기금속 화합물을 담은 기화기; 및
    상기 기화기에 연결된 운반 가스 공급기를 포함하며 상기 촉매 소오스 가스의 공급을 위한 촉매 소오스 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유 합성용 기상합성 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 운반 가스 공급기는
    비활성 가스를 제공하는 비활성 가스 공급기를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유 합성용 기상합성 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 운반 가스 공급기는
    아세틸렌, 메탄, 일산화 탄소 또는 이산화탄소를 제공하는 가스 공급기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유 합성용 기상합성 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 소오스 공급부는
    메탄, 에틸렌, 아세틸렌, 일산화탄소, 사이클로헥산, 벤젠 및 크실렌으로 이루어지는 일군에서 선택되는 어느 하나의 탄화 수소 가스를 제공하는 탄소 소오스 공급기;
    비활성 가스 공급기; 및
    수소 가스 공급기를 포함하는 반응 소오스 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유 합성용 기상합성 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 반응기는
    수직형 또는 수평형의 로 형태이며,
    상기 소오스 공급부는 상기 촉매 소오스 가스 및 반응 소오스 가스를 상기 반응기의 앞단으로부터 공급하도록 상기 반응기에 연결되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유 합성용 기상합성 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 반응기는
    상기 소오스 공급부에 상대적으로 인근하는 저온 영역; 및
    상기 저온 영역에 이후에 배치되는 고온 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유 합성용 기상합성 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 저온 영역의 상기 반응기 외주에는
    상기 저온 영역을 대략 200℃ 내지 450℃로 유지하는 제1히터가 설치되고,
    상기 고온 영역의 상기 반응기 외주에는
    상기 고온 영역을 대략 700℃ 내지 1250℃로 유지하는 제2히터가 설치되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유 합성용 기상합성 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 반응기 내에는
    상기 소오스 공급부로부터 공급되는 상기 촉매 소오스 가스 또는 상기 반응 소오스 가스를 상기 반응기 내부에 분사하는 분사기가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유 합성용 기상합성 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 분사기는
    노즐 또는 샤워 헤드를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유 합성용 기상합성 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 판들은
    상기 반응 소오스 가스 및 상기 촉매 소오스 가스의 주입 방향에 평행하게 또는 수직하게 배열되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유 합성용 기상합성 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 보트는
    석영 또는 그라파이트로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유 합성용 기상합성 장치.
  13. 제1항 내지 제12항의 장치를 사용하여 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유를 합성하는 방법.
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