KR100793172B1 - 탄소나노튜브 제조 설비 및 이를 이용한 탄소나노튜브의제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소나노튜브 제조 설비 및 이를 이용한 탄소나노튜브의 제조 방법을 개시한 것으로서, 촉매 환원 유닛과 탄소나노튜브 합성 유닛이 개별적으로 마련되어, 금속 촉매의 환원 처리 공정과 탄소나노튜브의 합성 공정이 독립적으로 진행되는 것을 구성상의 특징으로 가진다.
이러한 특징에 의하면, 탄소나노튜브의 합성 공정을 연속적으로 진행하여, 공정 시간을 단축시킴으로써, 공정의 생산성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 환원 가스의 소모량과 탄소나노튜브의 합성시 사용되는 유동 가스의 소모량을 감소시켜 생산 비용을 절감할 수 있다.
탄소나노튜브, 금속 촉매, 환원 처리, 유동층
Description
도 1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 제조 설비의 일 예를 도시해 보인 개략적 구성도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 촉매 환원 유닛 110 : 환원로
122 : 환원 가스 공급기 124,324 : 유동 가스 공급기
200 : 촉매 공급 유닛 220 : 운반 가스 공급기
300 : 탄소나노튜브 합성 유닛 310 : 반응로
322 : 소스 가스 공급기 400 : 탄소나노튜브 포집 유닛
본 발명은 탄소나노튜브 제조 설비 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열분해 기상 증착 방식의 탄소나노튜브 제조 설비 및 이를 이용한 탄소나노튜브의 제조 방법에 관한 것이다.
탄소나노튜브는 하나의 탄소 원자에 이웃하는 세 개의 탄소 원자가 SP2 결합으로 연결되어 육각 환형을 이루고, 이러한 육각 환형이 벌집 형태로 반복된 흑연 면(Graphite Sheet)이 말려 실린더 형태를 이룬다. 이러한 실린더 형태의 구조는 그 지름이 일반적으로 수 ㎚ 내지 수백 ㎚ 이며, 길이는 지름의 수십 배 내지 수천 배 이상으로 긴 특성이 있다.
탄소나노튜브는 흑연 면이 말린 형태에 따라서 단일 벽 나노튜브(Single-Wall Nanotube), 다중 벽 나노튜브(Multi-Wall Nanotube) 및 다발형 나노튜브(Rope Nanotube) 등으로 구분될 수 있다. 또한, 흑연 면이 말리는 각도 및 구조에 따라 탄소나노튜브는 다양한 전기적 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 탄소나노튜브는 안락 의자 구조를 가질 경우 금속과 같은 전기적 도전성을 가지며, 지그 재그(Zig-Zag) 구조를 가질 경우에는 반도체적 특성을 가진다.
이러한 탄소나노튜브는 전기적 특성이 우수하고 기계적 강도가 크며 화학적으로 안정한 물질로, 여러 기술 분야에 폭넓게 응용될 수 있어 미래의 신소재로 각광받고 있다. 예컨대, 탄소나노튜브는 이차 전지, 연료 전지 또는 수퍼 커패시터와 같은 전기 화학적 저장 장치의 전극, 전자파 차폐, 전계 방출 디스플레이, 또는 가스 센서 등에 적용 가능하다.
현재 탄소나노튜브를 합성하는 방법으로는 전기 방전식, 레이저 증착식, 열분해 기상 증착식 및 플라즈마 화학 기상 증착식 등이 사용되고 있으며, 이 중에서 열분해 기상 증착식이 주로 사용된다. 열분해 기상 증착식은 고온의 반응로 안에 탄소 성분의 가스를 흘려주면서 탄소나노튜브를 금속 촉매에 성장시키는 방법으로, 금속 촉매 입자와 함께 600~1000도의 고온에서 진행된다.
그런데, 금속 촉매의 제조시 건조와 소성 과정을 통해 금속 촉매의 산화가 이루어지기 때문에, 탄소나노튜브의 합성을 위해서는 전이 금속을 둘러싸고 있는 산화막을 제거하기 위한 환원 처리 공정을 실시해야 한다. 일반적인 탄소나노튜브 제조 설비의 경우, 금속 촉매의 환원 처리 공정은 탄소나노튜브의 합성이 이루어지는 반응로 내에서 탄소나노튜브가 합성되기 전에 진행되며, 500 ~ 600℃의 온도 범위를 가지는 수소 분위기에서 10 ~ 20 분간 진행된다.
이와 같이, 일반적인 탄소나노튜브 제조 설비의 경우에는, 매 합성 공정마다 동일한 반응로 내에서 금속 촉매를 환원 처리한 후, 환원된 금속 촉매를 이용하여 탄소나노튜브의 합성 공정을 진행하기 때문에, 전체 공정 시간이 길어지고, 연속적으로 합성 공정을 진행하기 어려운 문제점이 있었다.
또한, 반응로 내의 넓은 공간에서 수소 가스를 이용하여 금속 촉매를 환원 처리함으로써, 수소 가스의 사용량이 많아지는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 통상적인 탄소나노튜브 제조 설비가 가진 문제점을 감안하여 이를 해소하기 위해 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 탄소나노튜브 합성 공정의 생산성을 향상시키고, 그 생산 비용을 절감시킬 수 있는 탄소나노튜브 제조 설비 및 이를 이용한 탄소나노튜브의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 탄소나노튜브 제조 설비는, 탄소 소스 가스와 금속 촉매를 반응시켜 탄소나노튜브를 합성하는 탄소나노튜브 생산 설비에 있어서, 상기 금속 촉매를 환원 처리하는 촉매 환원 유닛과; 상기 촉매 환원 유닛에서 환원 처리된 상기 금속 촉매를 전달받아 탄소나노튜브를 합성하는 탄소나노튜브 합성 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 탄소나노튜브 제조 설비에 있어서, 상기 설비는 상기 촉매 환원 유닛과 상기 탄소나노튜브 합성 유닛의 사이에 배치되며, 상기 촉매 환원 유닛으로부터 상기 탄소나노튜브 합성 유닛으로 환원 처리된 상기 금속 촉매를 전달하는 촉매 공급 유닛;을 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 촉매 환원 유닛은 상기 금속 촉매의 환원 처리 공정이 진행되는 환원로와; 상기 환원로에 제공된 상기 금속 촉매의 유동층이 형성되도록 상기 환원로에 유동 가스를 공급하는 유동 가스 공급기와; 상기 금속 촉매의 유동층에 환원 가스를 공급하는 환원 가스 공급기;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 탄소나노튜브의 제조 방법은, 탄소나노튜브를 제조하는 방법에 있어서, 촉매 환원 유닛에 공급된 금속 촉매에 환원 가스를 흘려주어 상기 금속 촉매를 환원 처리하고, 상기 환원 처리된 금속 촉매를 탄소나노튜브 합성 유닛에 제공하여 탄소 소스 가스와 반응시켜 상기 금속 촉매에 탄소나노튜브를 합성하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 탄소나노튜브의 제조 방법에 있어서, 상기 방법은 상기 촉매 환원 유닛에 유동 가스를 공급하여 상기 금속 촉매의 유동층을 형성하고, 상기 금속 촉매의 유동층에 환원 가스를 공급하여 상기 금속 촉매를 환원 처리하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 방법은 상기 촉매 환원 유닛과 상기 탄소나노튜브 합성 유닛의 사이에 배치된 촉매 공급 유닛을 이용하여, 상기 촉매 환원 유닛으로부터 상기 탄소나노튜브 합성 유닛으로 환원 처리된 상기 금속 촉매를 전달하는 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 탄소나노튜브 제조 설비 및 이를 이용한 탄소나노튜브의 제조 방법을 상세히 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
( 실시 예 )
도 1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 제조 설비의 일 예를 도시해 보인 개략적 구성도이다.
도 1을 참조하면, 탄소나노튜브 제조 설비(10)는 촉매 환원 유닛(100), 촉매 공급 유닛(200), 탄소나노튜브 합성 유닛(300) 및 탄소나노튜브 포집 유닛(400)을 포함한다.
촉매 환원 유닛(100)은 산화된 금속 촉매를 환원 처리하고, 촉매 공급 유닛(200)은 환원 처리된 금속 촉매를 탄소나노튜브 합성 유닛(300)에 제공한다. 그리고, 탄소나노튜브 합성 유닛(300)은 환원 처리된 금속 촉매와 탄소 소스 가스를 반응시켜 기상 상태에서 탄소나노튜브를 합성하며, 탄소나노튜브 포집 유닛(400)은 합성된 탄소나노튜브를 포집한다.
탄소나노튜브의 합성 공정에 사용되는 금속 촉매로는 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 등과 같은 자성체를 갖는 유기 금속 화합물이 사용된다. 그런데, 금속 촉매는 제조시 건조 과정과 소성 과정을 거치면서 산화될 수 있기 때문에, 탄소나노튜브의 합성을 위해서는 금속 촉매를 싸고 있는 산화막을 제거하기 위한 환원 처리 공정을 실시해야 한다. 이를 위해 본 발명에는 산화된 금속 촉매를 환원 처리하기 위한 촉매 환원 유닛(100)이 구비된다.
촉매 환원 유닛(100)은 환원로(110)와, 제 1 가스 공급부(120) 그리고 제 1 촉매 공급 라인(130)을 포함한다.
환원로(110)는 대체로 수직한 원통 형상으로 제공될 수 있으며, 석영(Quartz) 또는 흑연(Graphite) 등과 같이 내열성을 가지는 재질로 마련될 수 있다. 환원로(110)의 둘레에는 환원로(110)를 공정 온도로 가열하는 가열 장치(112)가 설치된다. 가열 장치(112)는 환원로(110)의 외벽을 감싸도록 코일 형상을 가지는 열선으로 마련될 수 있다. 공정 진행 중 환원로(110)는 대략 500 ~ 600 ℃ 범위 의 온도로 유지되며, 환원로(110) 내부로는 산화된 금속 촉매와, 환원 가스 및 유동 가스가 공급된다.
제 1 가스 공급부(120)는 환원 가스 공급기(122)와 유동 가스 공급기(124)를 포함한다. 환원 가스 공급기(122)는 환원로(110)의 하단에 연결되며, 환원로(110) 내로 산화된 금속 촉매를 환원시키기 위한 환원 가스를 공급한다. 환원 가스로는 수소 가스가 사용될 수 있다. 그리고, 유동 가스 공급기(124)는 환원로(110)의 하단에 연결되며, 환원로(110) 내로 금속 촉매의 유동층을 형성하기 위한 유동 가스를 공급한다. 유동 가스로는 헬륨, 질소, 아르곤 등과 같은 불활성 가스가 사용될 수 있으며, 필요에 따라 메탄, 아세틸렌, 일산화탄소 또는 이산화탄소와 같은 가스 또는 이러한 가스와 아르곤 가스의 혼합 가스를 유동 가스로 사용할 수 있다. 여기서, 유동 가스는 환원로(110) 내부에 유동층을 형성시켜 환원 가스와 금속 촉매의 반응을 활성화시키고, 환원된 금속 촉매를 제 1 촉매 공급 라인(130)을 통해 촉매 공급 유닛(200)으로 운반하는데 이용된다.
제 1 촉매 공급 라인(130)의 일단은 환원로(110)의 상단에 연결되고, 타단은 촉매 공급 유닛(200)에 연결된다. 제 1 촉매 공급 라인(130)은 환원로(110)에서 환원된 금속 촉매를 촉매 공급 유닛(200)에 공급한다.
촉매 공급 유닛(200)은 촉매 환원 유닛(100)에서 공급되는 환원 처리된 금속 촉매를 탄소나노튜브 합성 유닛(300)에 제공한다. 촉매 공급 유닛(200)은 환원 처리된 금속 촉매를 저장하기 위한 저장 탱크(210)를 가지며, 저장 탱크(210)는 제 1 촉매 공급 라인(130)에 의해 환원로(110)와 연결된다. 그리고, 저장 탱크(210)에는 가스 압력을 이용하여 탄소나노튜브 합성 유닛(300)에 금속 촉매를 정량 투입하기 위한 운반 가스 공급기(220) 및 제 2 촉매 공급 라인(230)이 연결된다. 제 2 촉매 공급 라인(230)의 타단은 탄소나노튜브 합성 유닛(300)에 연결된다. 운반 가스로는 질소 가스와 같은 비활성 가스가 사용될 수 있다. 운반 가스 공급기(220)로부터 저장 탱크(210)로 공급되는 질소 가스의 압력에 의해 저장 탱크(210)에 저장된 금속 촉매가 제 2 촉매 공급 라인(230)을 통해 탄소나노튜브 합성 유닛(300)으로 공급된다.
탄소나노튜브 합성 유닛(300)은 금속 촉매와 탄소 소스 가스를 함께 가열된 반응로(310)에 공급하고, 탄소 소스 가스를 열 분해시켜 기상 상태에서 탄소나노튜브를 연속적으로 합성하게 된다. 탄소나노튜브 합성 유닛(300)은 반응로(310)와, 제 2 가스 공급부(320) 그리고 배기 라인(330)을 포함한다.
반응로(310)는 석영(Quartz) 또는 흑연(Graphite) 등과 같이 내열성을 가지는 재질로 마련된다. 반응로(310)는 대체로 수직한 원통 형상으로 제공될 수 있다. 반응로(310)의 외측에는 반응로(310)를 공정 온도로 가열하는 가열 장치(312)가 설치된다. 가열 장치(312)는 반응로(310)의 외벽을 감싸도록 코일 형상을 가진 열선으로 마련될 수 있다. 공정 진행 중 반응로(310)는 고온으로 유지되며, 반응로(310) 내부로는 촉매 공급 유닛(200)의 촉매 공급 라인(230)을 통해 금속 촉매가 공급되며, 또한 제 2 가스 공급부(320)를 통해 탄소 소스 가스와 유동 가스가 공급된다.
제 2 가스 공급부(320)는 소스 가스 공급기(322)와 유동 가스 공급기(324)를 포함한다. 소스 가스 공급기(322)는 반응로(310)의 하단에 연결되며, 반응로(310) 내로 탄소 소스 가스를 공급한다. 탄소 소스 가스로는 주로 아세틸렌, 에틸렌, 메탄, 벤젠, 크실렌, 사이클로헥산, 일산화탄소 및 이산화탄소로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 하나가 사용될 수 있다. 유동 가스 공급기(324)는 반응로(310)의 하단에 연결되며, 반응로(310) 내로 유동 가스를 공급한다. 유동 가스로는 헬륨, 질소, 아르곤 등과 같은 불활성 가스가 사용될 수 있으며, 필요에 따라 메탄, 아세틸렌, 일산화탄소 또는 이산화탄소와 같은 가스 또는 이러한 가스와 아르곤 가스의 혼합 가스를 유동 가스로 사용할 수 있다.
여기서, 유동 가스는 탄소 소스 가스와 금속 촉매 간의 반응으로 합성된 탄소나노튜브의 성장에 따라 그 무게가 증가하여 중력 방향으로 떨어지는 것을 막아주는 역할을 한다. 뿐만 아니라, 유동 가스는 반응로(310) 내부에 유동층을 형성시켜 탄소 소스 가스와 금속 촉매의 반응을 활성화시키고, 금속 촉매에 성장된 탄소나노튜브를 배기 라인(330)을 통해 탄소나노튜브 포집 유닛(400)으로 운반하는데 이용된다.
반응로(310)의 상단에는 반응로(310)에서 합성된 탄소나노튜브를 포함하는 배기 가스가 배출되는 배기 라인(330)이 연결되며, 배기 가스는 배기 라인(330)을 통해 탄소나노튜브 포집 유닛(400)으로 제공된다. 배기 라인(330)에는 배기 가스를 강제 배기시키기 위한 진공 펌프 또는 배기 팬과 같은 배기 장치(미도시)가 설치될 수 있다.
상술한 바와 같이, 촉매 환원 유닛(100)은 탄소나노튜브 합성 공정이 진행되 는 탄소나노튜브 합성 유닛(300)과는 개별적으로 마련되기 때문에, 금속 촉매의 환원 처리 공정과 탄소나노튜브의 합성 공정은 독립적으로 진행될 수 있다. 이를 통해 금속 촉매의 환원 처리 시간 동안 대기할 필요없이 연속적으로 탄소나노튜브합성 공정을 진행할 수 있으며, 전체 공정의 소요 시간을 단축시킬 수도 있다.
그리고, 금속 촉매의 환원 처리가 촉매 환원 유닛(100)에서 진행되기 때문에 환원 가스의 소모량을 줄일 수 있다.
또한, 환원 처리로 인해 금속 촉매의 무게가 처리 전과 비교하여 상대적으로 감소되기 때문에, 탄소나노튜브의 합성시 유동 가스의 소모량을 줄일 수도 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 탄소나노튜브의 합성 공정을 연속적으로 진행하여 공정 시간을 단축시킴으로써 공정의 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 환원 가스의 소모량과 탄소나노튜브의 합성시 사용되는 유동 가스의 소모량을 감소시켜 생산 비용을 절감할 수 있다.
Claims (6)
- 탄소 소스 가스와 금속 촉매를 반응시켜 탄소나노튜브를 합성하는 탄소나노튜브 생산 설비에 있어서,상기 금속 촉매를 환원 처리하는 촉매 환원 유닛과;탄소나노튜브를 합성하는 탄소나노튜브 합성 유닛과;상기 촉매 환원 유닛으로부터 상기 탄소나노튜브 합성 유닛으로 상기 환원 처리된 금속 촉매를 전달하는 촉매 공급 유닛;을 포함하되,상기 촉매 공급 유닛은,상기 촉매 환원 유닛으로부터 전달된 상기 환원 처리된 금속 촉매를 저장하는 저장 탱크와;상기 저장 탱크에 운반 가스를 공급하는 운반 가스 공급기와;상기 저장 탱크에 저장된 상기 금속 촉매가 상기 운반 가스에 의해 상기 탄소나노튜브 합성 유닛으로 전달되는 경로를 제공하는 촉매 공급 라인;을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조 설비.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 촉매 환원 유닛은,상기 금속 촉매의 환원 처리 공정이 진행되는 환원로와;상기 환원로에 제공된 상기 금속 촉매의 유동층이 형성되도록 상기 환원로에 유동 가스를 공급하는 유동 가스 공급기와;상기 금속 촉매의 유동층에 환원 가스를 공급하는 환원 가스 공급기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조 설비.
- 탄소나노튜브를 제조하는 방법에 있어서,촉매 환원 유닛에 공급된 금속 촉매에 환원 가스를 흘려주어 상기 금속 촉매를 환원 처리하고,상기 환원 처리된 금속 촉매가 저장되는 촉매 공급 유닛의 저장 탱크에 운반 가스를 공급하여 상기 환원 처리된 금속 촉매를 상기 저장 탱크로부터 탄소나노튜브 합성 유닛으로 전달하고,상기 탄소나노튜브 합성 유닛에서 상기 금속 촉매와 탄소 소스 가스를 반응시켜 상기 금속 촉매에 탄소나노튜브를 합성하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 방법은,상기 촉매 환원 유닛에 유동 가스를 공급하여 상기 금속 촉매의 유동층을 형성하고, 상기 금속 촉매의 유동층에 환원 가스를 공급하여 상기 금속 촉매를 환원 처리하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 제조 방법.
- 삭제
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