KR100844456B1 - Manufacturing apparatus and method for carbon nanotubes - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브(Carbon nanotubes, CNT) 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 탄소나노튜브 제조장치는 기체가 유입되는 기체 유입구를 포함하며, 플라즈마를 이용하여 활성화된 라디컬 및 이온을 탄소화합물 및 반응이온으로 활성화시키는 제 1 챔버; 상기 제 1 챔버와 연통하며, 상기 제 1 챔버로부터 상기 활성화된 탄소화합물 및 반응이온을 플라즈마 반응시켜 상기 탄소화합물 및 반응이온의 밀도를 조절하는 제 2 챔버; 및 내부에 형성된 복수의 나노튜브에 상기 제 2 챔버와 연통하여 상기 플라즈마 반응된 상기 탄소화합물 및 반응이온을 통과시켜 탄소나노튜브를 성장시키고 외부로 배출하는 제 3 챔버를 포함한다.The present invention relates to an apparatus and a method for producing carbon nanotubes (Carbon nanotubes, CNT). Carbon nanotube manufacturing apparatus according to the present invention includes a gas inlet through which the gas is introduced, the first chamber for activating the radicals and ions activated by the carbon compound and the reaction ions using a plasma; A second chamber in communication with the first chamber and controlling the density of the carbon compound and the reaction ion by plasma-reacting the activated carbon compound and the reaction ion from the first chamber; And a third chamber communicating with the second chamber through the plurality of nanotubes formed therein to pass the plasma-reacted carbon compound and reaction ions to grow and discharge carbon nanotubes to the outside.

본 발명에 따르면, 플라즈마와 이온 발생기를 통해 기상의 전하 밀도를 조절하고, 다수의 튜브형태의 관의 길이를 조절함으로써 구조제어가 가능한 고순도 탄소나노튜브를 대량으로 생산할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, by controlling the charge density of the gas phase through the plasma and the ion generator, and by adjusting the length of the plurality of tube-type tube there is an effect that can produce a large amount of high-purity carbon nanotubes capable of structural control.

탄소나노튜브, 플라즈마 화학기상합성법, 나노튜브 구조제어 Carbon Nanotubes, Plasma Chemical Vapor Synthesis, Nanotube Structure Control

Description

탄소나노튜브 제조장치 및 제조방법{Manufacturing apparatus and method for carbon nanotubes} Manufacturing apparatus and method for carbon nanotubes {Manufacturing apparatus and method for carbon nanotubes}

도 1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 제조장치의 단면도이다. 1 is a cross-sectional view of a carbon nanotube manufacturing apparatus according to the present invention.

도 2는 도 1에 도시된 제 2 챔버의 플라즈마 반응기의 구성도이다.FIG. 2 is a configuration diagram of the plasma reactor of the second chamber shown in FIG. 1.

도 3은 도 1에 도시된 제 3 챔버의 입체도이다.3 is a three-dimensional view of the third chamber shown in FIG. 1.

*도면의 주요부분에 대한 설명** Description of the main parts of the drawings *

1: 기체 유입구 2: 제 1 전극1: gas inlet 2: first electrode

3: 제 2 전극 4: 제 1 챔버3: second electrode 4: first chamber

5: 통로 6: 제 2 챔버5: passage 6: second chamber

7: 제 3 전극 8: 직류 또는 고주파 플라즈마 반응기7: third electrode 8: direct current or high frequency plasma reactor

9: 제 3 챔버 10: 배출구9: third chamber 10: outlet

11: 온도 조절용 히터 12: 채집기11: heater for temperature control 12: collector

13: 나노튜브 13: Nanotube

본 발명은 탄소나노튜브의 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소화합물과 이온을 챔버에서 반응시켜 활성화시키고 나노튜브에 통과시켜 탄소나노튜브의 길이 및 구조를 조절하는 탄소나노튜브의 제조방법 및 그 제조장치에 관한 것이다.The present invention relates to a manufacturing apparatus and a manufacturing method of carbon nanotubes, and more particularly, to the carbon nanotubes for controlling the length and structure of the carbon nanotubes by reacting the carbon compound and ions in the chamber to activate and pass through the nanotubes. It relates to a manufacturing method and a manufacturing apparatus thereof.

1985년에 Croto와 Smalley에 의해 탄소의 동소체(allotrope) 중 하나인 Fullerene(C60)가 처음 발견된 이후, 1991년 일본전기회사(NEC) 부설 연구소의 Iijima 박사가 전기방전법을 사용하여 흑연 음극상에 형성시킨 탄소덩어리를 TEM으로 분석하는 과정에서 가늘고 긴 대롱 모양의 탄소나노튜브를 발견했고, 1993년에는 IBM의 Bethune과 NEC의 Iijima가 전기방전법을 사용하여 직경이 1nm 수준인 단일벽 나노튜브(SWNT: single walled nanotube)를 합성했다. 1996년에 Smalley 등은 레이져 증착법으로 직경이 균일한 SWNT를 고수율로 성장시키는 방법을 개발했으며, 1998년에는 Ren 등이 플라즈마 화학기상 증착법을 사용하여 글라스 기판 위에 수직배향된 고순도의 탄소나노튜브를 합성했다.Since the first discovery of one of the carbon allotropes, Fullerene (C60), in 1985 by Croto and Smalley, Dr. Iijima of the Institute of Electrical and Electronics Engineers (NEC) in 1991, In the process of TEM analysis of the lumps of carbon formed on the surface, a long elongated carbon nanotube was found.In 1993, IBM's Bethune and NEC's Iijima used an electric discharge method to measure 1-nm diameter single-walled nanotubes. (SWNT: single walled nanotube) was synthesized. In 1996, Smalley et al. Developed a method to grow SWNTs with uniform diameters using laser deposition, and in 1998, Ren et al. Used plasma chemical vapor deposition to produce high-purity carbon nanotubes vertically oriented on glass substrates. Synthesized.

단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)의 대표적인 제조방법은, 미국 CNI사의 HIPCO법과 일본 CNRI사의 ACCVD법이다. HIPCO법은 1000도 이상의 고온, 압력이 요구되고, 반응기내의 Fe 화합물(촉매)을 사용하기 위한 특별한 장치 및 공정이 필요하지만 순도, 수율 및 재현성이 양호하다. ACCVD법은 알콜을 원재료로 하여 고체 촉매상에 SWCNT를 생성하는 방법이다. ACCVD법은 단일벽 탄소나노튜브의 수소저장, FED, 전자디바이스 등에 사용된다. Representative methods for producing single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are the HIPCO method of CNI of USA and the ACCVD method of CNRI of Japan. The HIPCO method requires a high temperature and pressure of 1000 degrees or more and requires a special apparatus and process for using Fe compounds (catalysts) in the reactor, but the purity, yield and reproducibility are good. ACCVD is a method of producing SWCNTs on solid catalysts using alcohol as a raw material. ACCVD is used for hydrogen storage of single-walled carbon nanotubes, FEDs, electronic devices, and the like.

다중벽 탄소나노튜브(MWCNT: multi-walled carbon nanotube)는 도전성이나 기계적 강도를 이용한 복합재료로 주로 이용된다. 자동차 수지분야에서는 CNT를 첨가한 수지가 상용화되어 있다. 최근에는 MWCNT의 이종인 이중벽 탄소나노튜브(DWCNT: dual-walled carbon nanotube)가 FED 에미터의 재료로서 주목받고 있다. 높은 전계방출 효율을 갖는 SWCNT는 내구성 면에서 불리하나, 여러층이 겹쳐있는 MWCNT는 오히려, 직경이 굵어 전계방출이 낮아지기 때문이다.Multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) are commonly used as composites using conductive or mechanical strength. In the field of automotive resins, resins containing CNTs have been commercialized. Recently, dual-walled carbon nanotubes (DWCNTs), which are heterogeneous to MWCNTs, have attracted attention as materials for FED emitters. SWCNTs having high field emission efficiency are disadvantageous in terms of durability, but MWCNTs having multiple layers are rather thick, which results in low field emission.

종래의 탄소나노튜브 제조방법으로 전기방전법(Arc discharge), 레이저증착법(Laser vaporization), 플라즈마 화학기상증착법(Plasma enhanced CVD), 열화학 기상증착법(Thermal CVD), 플레임(flame) 합성법, 기상성장법(vapor phase growth) 등이 있다. 전기방전법은 단일벽 또는 이중벽 탄소나노튜브를 합성할 수 있으며, 전극으로 사용되는 그라파이트(graphite) 막대는 대개는 고순도의 재질을 사용한다. 고품질 탄소나노튜브를 합성하기 위해서는 적절한 촉매 비율과 전류세기 및 챔버의 내부압력이 큰 변수로 작용하고, Co, Ni, Fe, Y 등을 양극 흑연막대에 첨가시키면 SWCNT를 얻을 수 있다. 레이저 증착법은 1200도 이상의 레이저를 흑연타겟에 쏘아서 탄소나노튜브를 만든다. 레이저 증착법을 이용하면 보통은 MWCNT가 만들어지나, Co, Ni, Fe, Y 불순물을 함유한 흑연을 사용하면 SWCNT가 만들어진다. 플라즈마 화학기상증착법의 가장 큰 장점은 CVD보다 낮은 온도에서 탄소나노튜브를 생성할 수 있다는 점이다. 직류 또는 고주파로 플라즈마를 형성시키고, 반응기체로는 C2H2, CH4, C2H4, C2H6, CO 가스를 사용한다.Conventional methods for producing carbon nanotubes include arc discharge, laser vapor deposition, plasma enhanced CVD, thermal CVD, flame synthesis, and vapor growth. vapor phase growth). Electro-discharge can synthesize single-walled or double-walled carbon nanotubes, and graphite rods used as electrodes usually use high purity materials. In order to synthesize high quality carbon nanotubes, appropriate catalyst ratio, current strength, and internal pressure of the chamber act as large variables, and SWCNT can be obtained by adding Co, Ni, Fe, and Y to the anode graphite rod. In the laser deposition method, carbon nanotubes are made by shooting a laser of 1200 degrees or more onto a graphite target. Laser deposition usually produces MWCNTs, while graphite containing Co, Ni, Fe, and Y impurities produces SWCNTs. The biggest advantage of plasma chemical vapor deposition is that it can produce carbon nanotubes at lower temperatures than CVD. Plasma is formed by direct current or high frequency, and C 2 H 2 , CH 4 , C 2 H 4 , C 2 H 6 , and CO gas are used as the reactor.

열화학 기상증착법은 탄소나노튜브를 수직배향으로 합성할 수 있을 뿐 아니라 저온합성, 고순도 합성, 큰 면적의 기판합성이 가능하며 나아가서는 탄소나노튜브의 구조제어가 용이한 장점을 가지고 있다. 촉매 금속으로 Fe, Ni, Co, Co-Ni 금속을 증착하고, NH3를 이용하여 금속 표면을 식각하여 입자를 작게 만든다. 열화학 기상증착법은 값싼 가격으로 SWNT, DWNT, MWNT 합성을 하는데 매우 유용하다. 또한 탄소나노튜브의 직경, 길이, 밀도, 구조, 결정성 등을 제어하기 쉽고, 고순도의 탄소나노튜브를 대량생산 할 수 있어 유망한 합성방법이다.The thermochemical vapor deposition method is capable of synthesizing carbon nanotubes in a vertical orientation, synthesizing low temperature synthesis, high purity synthesis, large area substrate synthesis, and furthermore, the structure control of carbon nanotubes is easy. Fe, Ni, Co, Co-Ni metal is deposited as a catalyst metal, and the surface of the metal is etched using NH 3 to make particles smaller. Thermochemical vapor deposition is very useful for SWNT, DWNT and MWNT synthesis at low cost. In addition, it is easy to control the diameter, length, density, structure, crystallinity, etc. of carbon nanotubes, and it is a promising synthesis method because it can mass-produce high purity carbon nanotubes.

플레임(Flame) 합성법을 이용하면 CH4 등의 탄화수소화합물이 미량의 산소에서 연소되면서 발생하는 연소열이 열원이 되어 MWCNT 및 SWCNT 등이 생성된다. 플레임 온도가 균일하지 않아, 비정질 탄소도 포함되어 있으며, 결정질이 다소 떨어지므로 저비용으로 대량합성이 필요한 경우에 유용하다. 기상성장법은 열반응기 안에 촉매입자소스와 탄소반응기체를 연속적으로 공급시키면서 탄소나노튜브를 생성시키는 방법으로 나노튜브의 직경은 분해된 촉매입자의 크기에 영향을 받는다. When using a flame synthesis method, the heat of combustion generated when a hydrocarbon compound such as CH 4 is combusted in a small amount of oxygen is used as a heat source to generate MWCNT and SWCNT. The flame temperature is not uniform, amorphous carbon is included, and the crystallinity is slightly lower, which is useful when mass synthesis is required at low cost. The gas phase growth method is a method of producing carbon nanotubes while continuously supplying a catalyst particle source and a carbon reaction gas into a thermal reactor. The diameter of the nanotubes is affected by the size of the decomposed catalyst particles.

최근에 대량합성방법, 정제방법, MWNT 및 SWNT 합성방법, 수직배향 합성기술, end-cap을 제거하고 이물질을 삽입하는 방법 등의 탄소나노튜브 제조방법에서 많은 발전이 이루어지고 있다. 그러나 현재까지도 나노시스템이 갖는 복잡성, 다양성, 미세성으로 인하여 탄소나노튜브의 합성과 응용에 관한 연구 개발이 많이 필요한 상황이다. 탄소나노튜브는 제조방법에 따라 구조 및 특성이 다양하게 나올 수 있는데 제조방법에 따라 고유의 장단점이 존재하며, 구조제어와 함께 양산성까지 갖춘 제조방법은 현재까지 없다.       Recently, many advances have been made in carbon nanotube manufacturing methods such as mass synthesis method, purification method, MWNT and SWNT synthesis method, vertical orientation synthesis technology, end-cap removal and foreign material insertion method. However, due to the complexity, diversity, and fineness of nanosystems, much research and development on the synthesis and application of carbon nanotubes is required. Carbon nanotubes can come in a variety of structures and properties according to the manufacturing method, and there are inherent advantages and disadvantages depending on the manufacturing method, and there is no manufacturing method with structural control and mass production.

탄소나노튜브는 열에 의해 활성화되거나 전기적으로 활성화된 반응조건에서만 합성될 수 있는 나노소재인데, 반응의 활성화를 위해 전하(Charge)가 필요하다는 것은 금속 촉매 의존형 성장기구에서 확인할 수 있다. 그러나 금속촉매는 일종의 불순물이므로 금속촉매의 사용은 나노튜브의 순도에 영향을 미치게 된다. 기존의 방법으로 대량생산을 하기 위해서는 탄소나노튜브 구조 제어나 고순도 공정을 확보할 수 없고, 원하는 구조제어나 순도를 높이는 방법을 선택하면 대량생산을 할 수 없는 문제점이 있다. Carbon nanotubes are nanomaterials that can be synthesized only under thermally activated or electrically activated reaction conditions, and it can be seen in the metal catalyst-dependent growth mechanism that charge is required to activate the reaction. However, since metal catalysts are a kind of impurities, the use of metal catalysts affects the purity of nanotubes. In order to mass-produce by the conventional method, carbon nanotube structure control or high purity process cannot be secured, and if the desired structure control or purity method is selected, mass production cannot be performed.

본 발명은 탄소나노튜브의 제조에 있어서 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 본 발명의 목적은 금속촉매를 사용하지 않고, 플라즈마와 이온 발생기를 통해 기상의 전하 밀도를 조절하는 한편, 탄소나노튜브를 활성화시켜 성장을 제어할 수 있도록 다수의 튜브형태의 관을 이용하는 탄소나노튜브의 제조장치 및 제조방법을 제공함에 있다. The present invention is designed to solve the above problems in the production of carbon nanotubes, the object of the present invention is to control the charge density of the gas phase through the plasma and ion generator, without using a metal catalyst, while carbon nano The present invention provides a manufacturing apparatus and a method for manufacturing carbon nanotubes using a plurality of tube-type tubes to control the growth by activating the tube.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소나노튜브 제조방법은, 제 1 챔버로 공급되는 탄소 소스기체와 반응기체를 혼합하고 혼합된 상기 탄소 소스기체와 상기 반응기체를 저온-고압 플라즈마를 이용하여 탄소화합물 및 반응이온으로 활성화시키는 활성화 단계; 플라즈마를 이용하여 제 2 챔버로 유입된 상기 활성화된 탄소화합물 및 반응이온을 반응시켜 상기 탄소화합물 및 반응이온의 밀도를 조 절하는 단계; 및 상기 밀도 조절된 탄소화합물 및 반응이온을 제 3 챔버의 나노튜브에 통과시켜 탄소나노튜브를 제조하고, 제조된 상기 탄소나노튜브의 형태를 조절하는 단계를 포함한다.Carbon nanotube manufacturing method according to the present invention for achieving the above object, by mixing the carbon source gas and the reactor gas supplied to the first chamber and the mixed carbon source gas and the reactor gas using a low-temperature plasma An activation step of activating the carbon compound and the reaction ion; Controlling the density of the carbon compound and the reaction ions by reacting the activated carbon compound and the reaction ions introduced into the second chamber using a plasma; And manufacturing the carbon nanotubes by passing the density-adjusted carbon compound and reaction ions through the nanotubes of the third chamber, and adjusting the shape of the carbon nanotubes prepared.

바람직하게, 상기 활성화 단계에서 상기 제 1 챔버로 공급되는 상기 반응기체는 수소기체 및 아르곤 중 하나이며, 상기 탄소 소스기체는 C2H2, CH4, C2H4, C2H6 및 CO 가스 중 하나이다.Preferably, the reactor gas supplied to the first chamber in the activation step is one of hydrogen gas and argon, and the carbon source gas is C 2 H 2 , CH 4 , C 2 H 4 , C 2 H 6 and CO One of the gases.

상기 탄소나노튜브의 형태를 조절하는 단계에서는 상기 나노튜브의 길이 및 형상에 따라 상기 탄소나노튜브의 길이 및 형상을 조절한다.In adjusting the shape of the carbon nanotubes, the length and shape of the carbon nanotubes are adjusted according to the length and shape of the nanotubes.

상기 활성화 단계에서는 저온-고압 플라즈마 화학 기상 합성법을 이용하며, 100 내지 600도 범위에서 온도를 조절하고 10 내지 760 토르 범위에서 압력을 조절한다.In the activation step, a low-temperature plasma chemical vapor phase synthesis method is used, and the temperature is controlled in the range of 100 to 600 degrees and the pressure in the range of 10 to 760 Torr.

상기 활성화 단계 및 상기 밀도조절 단계에서는 직류 또는 고주파로 플라즈마를 형성시키고, 10 내지 1000W의 플라즈마 파워를 이용한다.In the activation step and the density control step, the plasma is formed by direct current or high frequency, and plasma power of 10 to 1000 W is used.

상기 밀도조절 단계 및 상기 탄소나노튜브 형태조절 단계에서는 상기 제 2 챔버 및 상기 제 3 챔버의 압력을 1 내지 100토르 범위로 조절한다.In the density control step and the carbon nanotube shape control step, the pressure of the second chamber and the third chamber is adjusted in the range of 1 to 100 Torr.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소나노튜브 제조장치는 기체가 유입되는 기체 유입구를 포함하며, 플라즈마를 이용하여 활성화된 라디컬 및 이온을 탄소화합물 및 반응이온으로 활성화시키는 제 1 챔버; 상기 제 1 챔버와 연통 하며, 상기 제 1 챔버로부터 상기 활성화된 탄소화합물 및 반응이온을 플라즈마 반응시켜 상기 탄소화합물 및 반응이온의 밀도를 조절하는 제 2 챔버; 및 내부에 형성된 복수의 나노튜브에 상기 제 2 챔버와 연통하여 상기 플라즈마 반응된 상기 탄소화합물 및 반응이온을 통과시켜 탄소나노튜브를 성장시키고 외부로 배출하는 제 3 챔버를 포함한다.      Carbon nanotube manufacturing apparatus according to the present invention for achieving the above object comprises a gas inlet, the gas inlet, the first chamber for activating the radicals and ions activated by the carbon compound and the reaction ion using a plasma; A second chamber in communication with the first chamber and controlling the density of the carbon compound and the reaction ion by plasma-reacting the activated carbon compound and the reaction ion from the first chamber; And a third chamber communicating with the second chamber through the plurality of nanotubes formed therein to pass the plasma-reacted carbon compound and reaction ions to grow and discharge carbon nanotubes to the outside.

바람직하게, 상기 제 1 챔버는 상기 제 1 챔버 내벽의 적어도 일부를 둘러싸도록 마련된 제 1 전극 및 상기 제 1 전극과 함께 상기 기체 유입구로부터 유입된 상기 기체의 유동로를 형성하도록 상기 제 1 전극과 이격 거리를 두고 마련된 제 2 전극을 포함한다.Preferably, the first chamber is spaced apart from the first electrode to form a flow path of the gas introduced from the gas inlet together with the first electrode and the first electrode arranged to surround at least a portion of the inner wall of the first chamber. It includes a second electrode provided at a distance.

상기 제 2 챔버에 제공된 상기 활성화된 탄소화합물 및 상기 반응이온을 플라즈마 반응시키기 위해, 상기 제 2 챔버의 상부 및 하부에 형성된 한 쌍의 제 3 전극과 상기 한 쌍의 제 3 전극 사이에 직렬로 연결된 플라즈마 반응기를 더 포함한다. 상기 제 3 전극은 1 내지 10mm의 홀을 갖는 매쉬 형태이다.In order to plasma-react the activated carbon compound and the reaction ion provided in the second chamber, a pair of third electrodes formed in the upper and lower portions of the second chamber and the pair of third electrodes are connected in series. It further comprises a plasma reactor. The third electrode is in the form of a mesh having a hole of 1 to 10mm.

상기 제 3 챔버의 외곽에는 열선 형태의 온도조절용 히터가 상기 제 3 챔버를 둘러싸고 있고, 상기 제 3 챔버에는 상기 나노튜브를 통과하여 형성된 상기 탄소나노튜브를 채집하는 채집기 및 상기 채집기와 연통하며 상기 탄소나노튜브를 배출하는 배출구가 형성되어 있다.A heater for controlling the temperature in the form of a hot wire surrounds the third chamber, and the third chamber communicates with the collector and the collector, which collects the carbon nanotubes formed through the nanotubes. An outlet for discharging carbon nanotubes is formed.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 제조장치 및 제조방법을 설명한다.Hereinafter, a carbon nanotube manufacturing apparatus and a manufacturing method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 제조장치의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a carbon nanotube manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 탄소나노튜브 제조장치는 탄소 소스기체와 반응기체가 유입되는 기체유입구(1), 유입된 기체가 1차 반응을 일으키는 제 1 챔버(4), 제 1 챔버(4) 내에 설치된 제 1 전극(2) 및 제 2 전극(3), 제 1 챔버(4)에서 활성화된 탄소화합물과 이온들이 이동하는 통로(5), 상기 통로를 통과한 반응생성물의 밀도를 조절하는 단계를 수행하는 제 2 챔버(6), 제 2 챔버(6)의 상부 및 하부에 설치된 제 3 전극(7), 제 3 전극(7)에 연결된 플라즈마 반응기(8), 다수의 나노튜브로 채워진 제 3 챔버(9) 및 반응생성물이 빠져나오는 배출구(10)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the carbon nanotube manufacturing apparatus of the present invention includes a gas inlet 1 through which a carbon source gas and a reactor gas are introduced, a first chamber 4 through which a first gas is introduced, and a first chamber ( 4) the first electrode 2 and the second electrode 3 disposed in the passage, a passage 5 through which activated carbon compounds and ions move in the first chamber 4, and a density of the reaction product passing through the passage A second chamber 6, a third electrode 7 installed at the top and bottom of the second chamber 6, a plasma reactor 8 connected to the third electrode 7, and a plurality of nanotubes. A filled third chamber 9 and outlet 10 through which the reaction product exits.

탄소 소스기체(예를 들면, C2H2, CH4, C2H4, C2H6, CO 가스)와 반응기체(예를 들면, 수소기체, 아르곤 등)가 기체 유입구(1)를 통해 들어오면 두개의 전극(2, 3)과 원뿔형태의 제 1 챔버(4)는 직류 또는 13.56MHz의 고주파로 플라즈마를 형성시킨다. 1차 반응에서는 플라즈마 화학 기상 합성법이 이용되며, 온도는 100 내지 600도의 범위에서 조절되고, 압력은 10 내지 760 Torr에서 조절된다. 이때, 플라즈마의 파워를 10 내지 1000W에서 조절하여 전하밀도를 조절한다. 제 1 챔버(4)에서는 다중벽, 단일벽 탄소나노튜브, 비반응 탄소물질 등 다양한 탄소화합물이 생성될 수 있으며 제 1 챔버(4) 내에서 활성화된 탄소화합물과 이온들은 좁은 통로(5)를 통과하여 제 2 챔버(6)로 넘어간다. A carbon source gas (e.g., C 2 H 2 , CH 4 , C 2 H 4 , C 2 H 6 , CO gas) and a reactor (e.g., hydrogen gas, argon, etc.) When entering through the two electrodes (2, 3) and the conical first chamber (4) forms a plasma at a high frequency of direct current or 13.56MHz. In the first reaction, plasma chemical vapor phase synthesis is used, the temperature is controlled in the range of 100 to 600 degrees, and the pressure is adjusted in the range of 10 to 760 Torr. At this time, the power of the plasma is adjusted at 10 to 1000W to control the charge density. In the first chamber 4, various carbon compounds such as multi-walled, single-walled carbon nanotubes, and unreacted carbon materials may be generated. The activated carbon compounds and ions in the first chamber 4 may be narrow passages 5. Pass through to the second chamber (6).

제 2 챔버(6)의 압력은 1 내지 100 Torr로 조절된다. 제 2 챔버로 넘어간 탄 소화합물과 이온들은 제 3 전극(7)사이에서 직류 또는 고주파 플라즈마 반응기(8)를 통해 2차 활성화된다. 제 3 챔버(9)내에서 탄소나노튜브의 구조제어를 용이하게 하기 위해 제 2 챔버(6)내에서 탄소화합물의 밀도를 조절한다. The pressure in the second chamber 6 is adjusted to 1 to 100 Torr. The carbon compounds and ions passed into the second chamber are secondarily activated through the direct current or high frequency plasma reactor 8 between the third electrodes 7. The density of the carbon compound is adjusted in the second chamber 6 to facilitate the structure control of the carbon nanotubes in the third chamber 9.

밀도 조절을 마친 탄소화합물은 다수의 나노튜브를 포함하는 제 3 챔버(9)를 통과하게 된다. 이곳을 통과하면서 탄소나노튜브는 적당한 길이로 성장하게 된다. 제 3 챔버(9)의 길이에 의해 탄소나노튜브의 길이가 조절될 수 있다. 최종 반응생성물인 탄소나노튜브는 배출구(10)를 통과하며 취합된다.After the density control, the carbon compound passes through the third chamber 9 including the plurality of nanotubes. As it passes through, carbon nanotubes grow to the right length. The length of the carbon nanotubes may be adjusted by the length of the third chamber 9. Carbon nanotubes, the final reaction product, are collected while passing through the outlet (10).

도 2는 도 1에 도시된 플라즈마 반응기와 제 3전극의 구성도이다.FIG. 2 is a configuration diagram of the plasma reactor and the third electrode shown in FIG. 1.

제 3 전극(7)은 제 2 챔버(6)의 상부 및 하부에 설치되고, 매쉬(mesh) 형태로 만들어져, 기체가 자유롭게 통과하도록 구성되어 있다. 매쉬는 1 내지 10mm의 홀을 가지도록 구성된다. 제 3 전극(7)과 연결된 플라즈마 반응기(8)는 13.56MHz의 고주파 또는 직류를 이용하여 플라즈마를 발생시키고, 파워는 10 내지 1000W 범위에서 조절된다. The third electrode 7 is provided in the upper and lower portions of the second chamber 6, is made in the form of a mesh, and is configured to allow gas to pass freely. The mesh is configured to have a hole of 1 to 10 mm. The plasma reactor 8 connected with the third electrode 7 generates plasma using a high frequency or direct current of 13.56 MHz, and the power is adjusted in the range of 10 to 1000 W.

도 3은 도 1에 도시된 제 3 챔버의 입체도이다.3 is a three-dimensional view of the third chamber shown in FIG. 1.

탄소나노튜브의 구조제어를 위한 제 3 챔버(9)는 제 3 챔버의 외부를 둘러싸도록 설치된 온도 조절용 히터(11), 제 3 챔버(9)의 내부에 채워진 복수 개의 나노튜브(13), 나노튜브(13)를 통과하여 형성된 탄소나노튜브를 수집하는 채집기(12), 채집된 탄소나노튜브가 배출되는 배출구(10)를 포함한다.The third chamber 9 for structural control of the carbon nanotubes includes a temperature control heater 11 installed to surround the outside of the third chamber, a plurality of nanotubes 13 filled in the third chamber 9, and nano Collector 12 for collecting the carbon nanotubes formed by passing through the tube 13, and the discharge port 10 through which the collected carbon nanotubes are discharged.

제 3 챔버(9)의 내부는 다수의 나노튜브(13)로 채워지며, 제 3 챔버(9)의 외부를 열선으로 둘러싸는 온도 조절용 히터(11)는 제 3 챔버(9)의 온도를 일정하게 유지시킨다. 나노튜브(13)의 직경은 1 내지 10mm, 길이는 50 내지 500mm로 조절될 수 있으며 이에 따라 탄소나노튜브의 성장, 즉, 탄소나노튜브의 길이 조절이 가능하다. 또한, 나노튜브(13) 다발을 서로 묶어놓은 상태에서 열처리 등으로 서로 접착되도록 만들어 나노튜브(13)들 사이의 공간을 제거하여, 기체가 튜브 안으로만 통과하게 만든다. The inside of the third chamber 9 is filled with a plurality of nanotubes 13, and the temperature control heater 11 surrounding the outside of the third chamber 9 with a hot wire keeps the temperature of the third chamber 9 constant. Keep it. The diameter of the nanotubes 13 may be adjusted to 1 to 10mm, the length is 50 to 500mm and thus the growth of carbon nanotubes, that is, the length of the carbon nanotubes can be adjusted. In addition, the bundles of nanotubes 13 are bonded to each other by heat treatment in a state in which the bundles of nanotubes 13 are tied to each other, thereby removing a space between the nanotubes 13 so that the gas passes only into the tube.

제 3 챔버(9)의 압력은 1 내지 100 Torr로 제 2 챔버(6)와 동일하게 유지된다. 제 3 챔버(9)를 통과한 반응 생성물인 탄소나노튜브는 채집기(12)를 통과하여 배출구(10)로 빠져 나오게 된다.The pressure in the third chamber 9 is kept the same as the second chamber 6 at 1 to 100 Torr. Carbon nanotubes, which are the reaction products passing through the third chamber 9, pass through the collector 12 and exit to the outlet 10.

본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아니다. 또한, 본 발명의 권리범위는 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 변형하여 실시 가능한 범위에까지 미칠 것이다.Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, the above embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, the scope of the present invention will extend to the range that can be modified by those skilled in the art within the scope of the technical idea of the present invention.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 플라즈마 반응기를 통해 기체의 전하밀도를 조절하고, 다수의 나노튜브의 길이를 조절함으로써 구조제어가 가능한 고순 도 탄소나노튜브를 대량으로 생산할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, by controlling the charge density of the gas through the plasma reactor, by controlling the length of the plurality of nanotubes there is an effect that can produce a large amount of high-purity carbon nanotubes capable of structural control.

Claims (13)

제 1 챔버로 공급되는 탄소 소스기체와 반응기체를 혼합하고 혼합된 상기 탄소 소스기체와 상기 반응기체를 저온-고압 플라즈마를 이용하여 탄소화합물 및 반응이온으로 활성화시키는 활성화 단계;An activation step of mixing the carbon source gas and the reactor gas supplied to the first chamber and activating the mixed carbon source gas and the reactor gas with a carbon compound and a reaction ion using a low-temperature plasma; 플라즈마를 이용하여 제 2 챔버로 유입된 상기 활성화된 탄소화합물 및 반응이온을 반응시켜 상기 탄소화합물 및 반응이온의 밀도를 조절하는 단계; 및Controlling the density of the carbon compound and the reaction ions by reacting the activated carbon compound and the reaction ions introduced into the second chamber using a plasma; And 상기 밀도 조절된 탄소화합물 및 반응이온을 제 3 챔버의 나노튜브에 통과시켜 탄소나노튜브를 제조하고, 제조된 상기 탄소나노튜브의 형태를 조절하는 단계Preparing carbon nanotubes by passing the density-adjusted carbon compound and reaction ions through the nanotubes of the third chamber, and controlling the shape of the prepared carbon nanotubes. 를 포함하는 탄소나노튜브 제조방법. Carbon nanotube manufacturing method comprising a. 제 1항에 있어서, 상기 활성화 단계에서 The method of claim 1, wherein in the activation step 상기 제 1 챔버로 공급되는 상기 반응기체는 수소기체 및 아르곤 중 하나이며, 상기 탄소 소스기체는 C2H2, CH4, C2H4, C2H6 및 CO 가스 중 하나인 탄소나노튜브 제조방법.The reactor gas supplied to the first chamber is one of hydrogen gas and argon, and the carbon source gas is one of C 2 H 2 , CH 4 , C 2 H 4 , C 2 H 6 and CO gas. Manufacturing method. 제 1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 형태를 조절하는 단계에서는 According to claim 1, In the step of adjusting the shape of the carbon nanotubes 상기 나노튜브의 길이 및 형상에 따라 상기 탄소나노튜브의 길이 및 형상을 조절하는 탄소나노튜브 제조방법.Carbon nanotube manufacturing method for adjusting the length and shape of the carbon nanotubes according to the length and shape of the nanotubes. 제 1항에 있어서, 상기 활성화 단계에서는The method of claim 1, wherein the activation step 저온-고압 플라즈마 화학 기상 합성법을 이용하며, 100 내지 600도 범위에서 온도를 조절하고 10 내지 760 토르 범위에서 압력을 조절하는 탄소나노튜브 제조방법.A method for producing carbon nanotubes using a low-temperature plasma chemical vapor phase synthesis method, controlling a temperature in a range of 100 to 600 degrees and a pressure in a range of 10 to 760 torr. 제 1항에 있어서, 상기 활성화 단계 및 상기 밀도조절 단계에서는 직류 또는 고주파로 플라즈마를 형성시키는 탄소나노튜브 제조방법.The method of claim 1, wherein the activation step and the density control step of forming a carbon nanotube plasma by direct current or high frequency. 제 1항에 있어서, 상기 활성화 단계 및 상기 밀도조절 단계에서는The method of claim 1, wherein the activation step and the density control step 10 내지 1000W의 플라즈마 파워를 이용하는 탄소나노튜브 제조방법. Carbon nanotube manufacturing method using a plasma power of 10 to 1000W. 제 1항에 있어서, 상기 밀도조절 단계 및 상기 탄소나노튜브 형태조절 단계에서는 상기 제 2 챔버 및 상기 제 3 챔버의 압력을 1 내지 100토르 범위로 조절하는 탄소나노튜브 제조방법.The method of claim 1, wherein the density control step and the carbon nanotube shape control step control the pressure of the second chamber and the third chamber in the range of 1 to 100 Torr. 기체가 유입되는 기체 유입구를 포함하며, 플라즈마를 이용하여 활성화된 라디컬 및 이온을 탄소화합물 및 반응이온으로 활성화시키는 제 1 챔버;      A first chamber including a gas inlet through which gas is introduced and activating radicals and ions activated using a plasma with carbon compounds and reaction ions; 상기 제 1 챔버와 연통하며, 상기 제 1 챔버로부터 상기 활성화된 탄소화합물 및 반응이온을 플라즈마 반응시켜 상기 탄소화합물 및 반응이온의 밀도를 조절하는 제 2 챔버; 및A second chamber in communication with the first chamber and controlling the density of the carbon compound and the reaction ion by plasma-reacting the activated carbon compound and the reaction ion from the first chamber; And 내부에 형성된 복수의 나노튜브에 상기 제 2 챔버와 연통하여 상기 플라즈마 반응된 상기 탄소화합물 및 반응이온을 통과시켜 탄소나노튜브를 성장시키고 외부로 배출하는 제 3 챔버A third chamber communicating with the second chamber through the plurality of nanotubes formed therein to pass the plasma-reacted carbon compound and reaction ions to grow and discharge carbon nanotubes to the outside; 를 포함하는 탄소나노튜브 제조장치.Carbon nanotube manufacturing apparatus comprising a. 제 8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 제 1 챔버는 상기 제 1 챔버 내벽의 적어도 일부를 둘러싸도록 마련된 제 1 전극 및 상기 제 1 전극과 함께 상기 기체 유입구로부터 유입된 상기 기체의 유동로를 형성하도록 상기 제 1 전극과 이격 거리를 두고 마련된 제 2 전극을 포함하는 탄소나노튜브 제조장치.The first chamber is spaced apart from the first electrode to form a flow path of the gas introduced from the gas inlet together with the first electrode and the first electrode arranged to surround at least a portion of the inner wall of the first chamber. Carbon nanotube manufacturing apparatus comprising a second electrode provided. 제 8항에 있어서, The method of claim 8, 상기 제 2 챔버에 제공된 상기 활성화된 탄소화합물 및 상기 반응이온을 플라즈마 반응시키기 위해, 상기 제 2 챔버의 상부 및 하부에 형성된 한 쌍의 제 3 전극과 상기 한 쌍의 제 3 전극 사이에 직렬로 연결된 플라즈마 반응기를 더 포함하는 탄소나노튜브 제조장치.In order to plasma-react the activated carbon compound and the reaction ion provided in the second chamber, a pair of third electrodes formed in the upper and lower portions of the second chamber and the pair of third electrodes are connected in series. Carbon nanotube manufacturing apparatus further comprising a plasma reactor. 제 10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 제 3 전극은 1 내지 10mm의 홀을 갖는 매쉬 형태인 탄소나노튜브 제조장치. The third electrode is a carbon nanotube manufacturing apparatus in the form of a mesh having a hole of 1 to 10mm. 제 8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 제 3 챔버의 외곽에는 열선 형태의 온도조절용 히터가 상기 제 3 챔버를 둘러싸고 있는 탄소나노튜브 제조장치.Carbon nanotube manufacturing apparatus in which the heater for temperature control in the form of a hot wire surrounds the third chamber on the outside of the third chamber. 제 8항에 있어서, 상기 제 3 챔버에는       The method of claim 8, wherein the third chamber 상기 나노튜브를 통과하여 형성된 상기 탄소나노튜브를 채집하는 채집기 및 A collector for collecting the carbon nanotubes formed through the nanotubes; 상기 채집기와 연통하며 상기 탄소나노튜브를 배출하는 배출구가 형성되어 있는 탄소나노튜브 제조장치.A carbon nanotube manufacturing apparatus communicating with the collector and the outlet for discharging the carbon nanotubes are formed.
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