KR101703340B1

KR101703340B1 - 가스 예열법을 이용한 저온 ｃｎｔ 성장

Info

Publication number: KR101703340B1
Application number: KR1020117019627A
Authority: KR
Inventors: 해리 씨. 말레키; 투샤르 케이. 샤
Original assignee: 어플라이드 나노스트럭처드 솔루션스, 엘엘씨.
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2017-02-06
Also published as: AU2010257117A1; EP2401416B1; EP2401416A4; US8580342B2; BRPI1008131A2; CA2752525C; CA2752525A1; CN102333906B; US20120255494A1; KR20110122828A; CN102333906A; JP5753102B2; WO2010141130A1; JP2012519141A; US20100221424A1; ZA201105326B; EP2401416A1

Abstract

탄소 나노튜브(CNT)를 합성하는 방법은 탄소 나노튜브의 성장을 촉진하기에 충분히 높은 제 1 온도로 가열되는 성장 챔버(growth chamber)를 제공하는 단계; 상기 성장 챔버를 통해 기판을 통과시키는 단계; 및 적어도 유리 탄소 라디칼(free carbon radicals)에 상기 공급 가스의 적어도 일부를 분리하기에 충분한 제 2 온도로 예열된 상기 성장 챔버에 공급 가스를 도입하여 그에 의해 상기 기판 상에 탄소 나노튜브의 형성을 개시하는 단계를 포함한다.

Description

가스 예열법을 이용한 저온 ＣＮＴ 성장{LOW TEMPERATURE CNT GROWTH USING GAS-PREHEAT METHOD}

본 출원은 2009년 2월 27일자로 출원되고, 여기에 그 전체가 참조예로 병합되어 있는 미국 가출원번호 제61/155,935호에 대한 우선권을 주장한다.

연방 지원 연구 또는 개발에 대한 진술

적용되지 않음.

본 발명은 전체적으로 탄소 나노튜브의 연속 합성에 대한 시스템, 방법 및 장치에 관한 것이다.

탄소나노튜브("CNT")는 우수한 물리적 특성을 나타낸다. 가장 강력한 CNT는 고탄소강의 80배 강도, 60배 인성(즉, Young's 모듈러스) 및 16배의 밀도를 나타낸다. 그러므로, 복합재료에 이러한 바람직한 특성을 갖는 CNT를 개발하는 것은 중요한 관심사이다.

복합 재료는 거시적 스케일에서 형태 또는 조성이 상이한 2 이상의 성분의 이질적인 조합이다. 조성물의 2가지 성분은 강화제(reinforcing agent) 및 수지 매트릭스를 포함한다. 섬유계 복합체에서, 상기 섬유가 강화제로서 역할을 한다. 상기 수지 매트릭스는 원하는 위치 및 배향으로 섬유를 유지시키며, 또한 복합체 내의 섬유들 간에 하중-전달 매개체(load-transfer medium)로서 역할을 한다. 이들의 특별한 물리적 특성으로 인해, CNT는 복합 재료에서 섬유를 더욱 강화시키기 위해 사용된다.

복합체에 대한 섬유 특성들의 이익을 실현하기 위해, 섬유와 매트릭스 사이의 양호한 계면이 존재해야 한다. 이는 전형적으로는 "사이징(sizing)"이라 불리는 표면 코팅(surface coating)의 사용을 통해 달성될 수 있다. 상기 사이징은 섬유와 수지 매트릭스 사이에 물리-화학적(physio-chemical) 결합을 제공하며, 상기 복합체의 물리적 및 화학적 특성에 상당한 영향을 끼친다. 상기 사이징은 그 제조 중에 섬유에 적용될 수 있다. 일반적으로 통상적인 CNT 합성은 700℃ 내지 1500℃ 범위의 높은 온도를 필요로 한다.

그러나, 대부분의 섬유 및 CNT가 형성될 때 사이징은 통상적인 공정에서 CNT 합성에 필요한 상기 높은 온도로 인해 부정적인 영향을 받는다. 저온 인라인(in-line) CNT 합성을 제공하기 위한 대체 방법 및 시스템이 요구된다.

본 발명의 일 견지에 따르면, 탄소 나노튜브의 성장을 촉진하기에 충분히 높은 제 1 온도로 가열되는 성장 챔버(growth chamber)를 제공하는 단계; 상기 성장 챔버를 통해 기판을 통과시키는 단계; 및 적어도 유리 탄소 라디칼(free carbon radicals)에 상기 공급 가스의 적어도 일부를 분리하기에 충분한 제 2 온도로 예열된 상기 성장 챔버에 공급 가스를 도입하여 그에 의해 상기 기판 상에 탄소 나노튜브의 형성을 개시하는 단계를 포함하는 탄소 나노튜브(CNT)를 합성하는 방법이 제공된다.

본 발명의 다른 견지에 따르면, 탄소나노튜브(CNT)를 합성하는 방법은 제 1 온도로 가열되는 성장챔버를 제공하는 단계; 상기 성장 챔버를 통해 기판을 통과시키는 단계; 제 2 온도로 예열된 공급가스를 제공하는 단계; 및 상기 예열된 공급 가스를 상기 성장 챔버에 도입하는 단계의 단계들을 포함하며, 여기서 상기 제 2 온도는 성장 챔버 내에 소정의 온도 프로파일을 달성하도록 선택되어 상기 기판상에 탄소 나노튜브의 형성을 가능하게 한다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 탄소나노튜브(CNT)를 합성하는 시스템은 촉매가 상부에 배치된 기판을 수용하는 성장챔버; 상기 기판상에 탄소 나노튜브의 성장을 촉진하기에 충분히 높은 온도인 제 1 온도로 상기 성장챔버를 가열하기 위한 히터; 및 제 2 온도로 공급 가스를 가열하고, 상기 공급가스를 상기 성장 챔버에 도입하여 상기 기판상에 탄소 나노튜브를 합성하는 가스 예열기를 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따라 가스 예열을 사용하는 저온 CNT 성장을 위한 시스템의 개략적 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따라 가스 예열을 사용하는 저온 CNT 성장을 위한 시스템의 개략적 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 도 2의 시스템의 대표적인 구성 요소를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 도 3의 성장 챔버의 개략적인 사시도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 도 3의 성장 챔버의 단면도를 나타낸다.
도 6a는 본 발명의 일 구현예에 따른 가스 예열을 사용하여 저온에서 CNT를 성장시키는 방법에 대한 공정 흐름도이다.
도 6b는 본 발명의 일 구현예에 따른 가스 예열을 사용하여 저온에서 CNT를 성장시키는 방법에 대한 다른 공정 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 가스 예열을 사용하는 저온 CNT 성장의 개략적인 도표이다.
도 8은 본 발명의 일 구현예에 따른 가스 예열기 레이아웃의 개략적인 도표이다.
도 9는은 본 발명의 다른 구현예에 따른 가스 예열기 레이아웃의 개략적인 도표이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 가스 예열기 레이아웃의 개략적인 도표를 나타낸다.
도 11은는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 가스 예열기 레이아웃의 개략적인 도표를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 가스 예열기 레이아웃의 개략적인 도표를 나타낸다.
도 13은 본 발명의 일 구현예에 따른 CNT주입 파이버를 제조하는 시스템의 흐름도를 나타낸다.

본 발명은 대체적으로 CNT의 연속적 합성을 위한 시스템, 방법 및 장치에 관한 것이다. CNT는 다양한 기판에 유리하게 합성되어 탄소나노튜브-주입된("CNT-infused") 기판을 제조할 수 있다. 상기 CNT의 주입은 예를 들어, 수분, 산화, 마모, 압축으로부터의 손상에 대하여 보호하는 사이징제(sizing agent)로서의 기능을 포함하여 많은 기능을 제공할 수 있다. CNT계 사이징제는 또한 복합체에서 기판과 매트릭스 재료 사이의 계면으로서 역할을 할 수 있다. 상기 CNT는 또한 기판을 코팅하는 몇가지 사이징제 중 하나로서 역할을 할 수 있다. 나아가, 기판에 주입된 CNT는 상기 기판의 다양한 특성, 예를 들어, 열 및/또는 전기 전도성 및/또는 인장강도와 같은 특성을 변화시킬 수 있다. CNT-주입 기판을 제조하는데 적용되는 방법은 개질되는 기판 전체에 대하여 유용한 특성을 균일하게 부여하기 위해 실질적으로 일정한 길이 및 분포를 갖는 CNT를 제공할 수 있다. 나아가, 여기에 기재되는 방법은 감을 수 있는 치수의 CNT-주입 기판을 생산할 수 있다.

여기에 기재된 시스템 및 방법은 또한 다양한 사이징제 및 통상적인 탄소나뉴튜브 합성 공정에서 사용되는 높은 작업 온도를 견딜 수 없는 Kevlar를 포함하는 폴리아미드 섬유와 같은 기판을 사용할 수 있게 한다. 나아가, 본 발명의 시스템 및 방법은 성장 챔버에서 적어도 부분적으로 상대적으로 낮은 온도로 인해 CNT가 주입된 복합 재료의 형성에 저가의 기판이 사용될 수 있게 한다. 본 시스템 및 방법의 추가적인 이점은 CNT의 연속적인 합성이 예열된 공급 가스 흐름 속도, 탄소 농도, 기판 공급속도, 성장 챔버의 온도 및 예열된 공급가스 온도의 적절한 제어에 의해 얻어질 수 있으며, CNT를 갖는 복합 재료의 대량생산을 촉진한다는 것이다. 상기 연속적인 합성 방법은 동적 기길, 즉, 유입구를 통해 성장 캐버티(growth cavity)를 도입하고, 상기 성장 캐버티를 통해 이리저리 움직이며, 그리고 상기 성장 캐버티의 배출구로부터 빠져나가는 기판상에서 수행될 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 공정 가스는 외부 히터에서 미리 예열되며, 상기 공급 가스는 상기 성장 챔버로 도입되기 직전에 상기 예열된 공정 가스에 의해 예열된다. 이는 열 손실 및 시스템 구성요소의 표면과 반응에 의한 유리 탄소 라디칼(free carbon radicals)의 손실(즉, 공정 설비에 그을음을 형성함)을 감소시킨다.

여기에 기재된 방법은 감을 수 있는 길이를 따라 CNT의 일정한 길이 및 분포를 갖는 토우, 테이프, 패브릭 및 기타 3D 직물 구조의 연속적 제조를 가능하게 한다. 한편, 다양한 매트, 직물 및 부직물 등이 본 발명의 방법에 의해 기능화될 수 있으나, 이러한 모재의 CNT 기능화 후에 모재 토우, 얀 등으로부터 이러한 고 정령 구조를 생성하는 것이 또한 가능하다. 예를 들어, CNT-주입 직물은 CNT-주입 섬유 토우로부터 생성될 수 있다.

용어 "기판"은 CNT가 그 위에 합성될 수 있는 어느 물질을 포함하는 것으로 의도되며, 이에 한정하는 것은 아니나 탄소 섬유, 그라파이트 섬유, 셀룰로즈 섬유, 유리 섬유, 금속 섬유, 세라믹 섬유, 아라미드 섬유 또는 이의 조합을 포함하는 어느 기판을 포함할 수 있다. 상기 기판은 예를 들어, 섬유 토우로(전형적으로 약 1000-12000 섬유를 갖는) 배열된 섬유 또는 필라멘트 뿐만 아니라 직물, 테이프 또는 기타 섬유 제품들과 같은 평면 기판 및 그 위에 CNT가 합성될 수 있는 물질을 포함할 수 있다.

본 명세서에 사용된 용어 "스풀러블 치수"는 길이로 한정되지 않는 적어도 하나의 치수를 가지며, 재료가 스풀 또는 맨드렐상에 저장될 수 있는 기판을 가리킨다. "스풀러블 치수"의 기판은 본 명세서에 나타낸 바와 같은 CNT 주입을 위한 일괄 또는 연속 공정의 사용을 나타내는 적어도 하나의 치수를 갖는다. 상업적으로 이용가능한 스풀러블 치수의 일 기판은 800의 텍스 값(1텍스=1g/l,000m) 또는 620yard/lb를 갖는 AS4 12k 탄소 섬유 토우(Grafil, Inc., Sacramento, CA)로 예시된다. 상업적인 탄소 섬유 토우는 특히 5, 10, 20, 50 및 100lb(고중량, 일반적으로 3k/12K 토우를 갖는 스풀에 대해) 스풀에서 획득될 수 있으나, 예를 들어 보다 큰 스풀은 특별 지시를 필요로 할 수 있다.

본 명세서에 사용된 용어, "탄소 나노튜브"(CNT, 복수의 CNTs)는 그라펜, 증기 성장 탄소 섬유, 탄소 나노섬유, 단일벽 CNTs(SWNTs), 이중벽 CNTs(DWNTs), 및 다중벽 CNTs(MWNTs)를 포함하는 풀러린 과의 어느 다수의 원통형 탄소 동소체를 칭한다. CNT는 다른 재료들을 캡슐화하는 것들을 포함한다.

본 명세서에 사용된 "길이의 균일"은 반응기에서 성장된 CNTs의 길이를 칭한다. "균일한 길이"는 CNTs가 총 CNT 길이의 플러스 또는 마이너스 20%이하의 허용오차 길이를 갖거나, 약 1-500미크론 범위내로 달라지는 CNT 길이를 의미한다. 1-4 미크론과 같이 매우 짧은 길이에서, 이러한 오차는 총 CNT 길이의 약 플러스 또는 마이너스 20%의 범위내일 수 있으며, 최대 약 1미크론 플러스 또는 마이너스로, 즉, 총 CNT 길이의 약 20%를 다소 넘을 수 있다.

본 명세서에 사용된 "분포의 균일"은 기판상에서 CNTs의 밀도의 균일성을 칭한다. "균일 분포"는 CNTs가 CNTs에 의해 커버되는 섬유의 표면적의 퍼센트로 정의되는 플러스 또는 마이너스 약 10% 커버리지의 허용오차로 기판상에서의 밀도를 갖는 것을 의미한다. 이는 5벽을 갖는 8nm 직경 CNT에 대해 ±1500CNTs/㎛²에 해당된다. 이러한 값은 CNTs내부에 공간이 충진가능한 것으로 추정된다.

본 명세서에 사용된 용어 "주입된"은 결합된 것을 의미하며, "주입"은 결합 공정을 의미한다. 이러한 결합은 직접적인 공유 결합, 이온 결합, pi-pi, 및/또는 반데르 발스 힘-매개 물리흡착을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 구현으로, CNTs는 기판에 직접적으로 결합될 수 있다. 결합은 배리어 코팅 및/또는 CNTs와 기판간에 배치된 중개 전이 금속 나노파티클을 통해 섬유 물질에 CNT 주입과 같이 간접적일 수 있다. 상기 CNT-주입 기판에서, 탄소 나노튜브는 상기 기판에 직접 또는 간접적으로 "주입"될 수 있다. CNT가 기판에 "주입"되는 특정 방식은 "결합 모티프"로 칭하여진다.

본 명세서에 사용된 용어 "전이 금속"은 주기율표의 d-블록에서 어느 원소 또는 원소들의 합금을 칭한다. 용어 "전이 금속"은 또한 옥사이드, 카바이드, 니트라이드 등과 같은 염기 전이 금속 원소의 염 형태를 포함한다.

본 명세서에 사용된 용어 "나노파티클" 또는 NP(복수의 NPs), 또는 이의 문법적 등가물은 등가 구형 직경으로 약 0.1-100나노미터간의 크기를 갖는 입자를 칭하며, NPs는 모양이 반드시 구형일 필요는 없다. 전이 금속 NPs는 특히 기판상에서 CNT 성장을 위한 촉매로 작용한다.

본 명세서에 사용된 용어 "공급 가스"는 휘발, 분무, 원자화되거나 또는 유체화될 수 있으며, 그리고 고온에서 적어도 일부 유리 탄소 라디칼로 분열하거나 크래킹될 수 있으며, 촉매의 존재하에서 기판상에 CNT를 형성할 수 있는 어느 탄소 화합물 가스, 고체 또는 액체를 칭한다.

본 명세서에 사용된 용어 "유리 탄소 라디칼"은 CNT의 성장에 첨가될 수 있는 어느 반응성 탄소종을 칭한다. 이론으로 제한하는 것은 아니나, 유리 탄소 라디칼은 기판의 표면상에서 CNT 촉매와 결합함으로써 CNT를 형성하는 CNT 성장에 첨가되는 것으로 여겨진다.

본 명세서에 사용된 용어 "사이징제", "섬유 사이징제", 또는 "사이징"은 일부 기판 제조시(예, 탄소 섬유) 기판의 고유성을 보호하기 위해 복합체에서 기판과 매트릭스 물질간의 증가된 계면 상호작용을 제공하기 위해, 그리고/또는 기판의 특정 물리적 특성을 변화시키거나 그리고/또는 증가시키기 위해 코팅제로서 사용된 물질을 총괄하여 칭한다. 일부 구현으로, 기판에 주입된 CNTs는 사이징제로 작용한다.

본 명세서에 사용된 용어 "물질 체류 시간"은 상기한 CNT 주입 공정 도중에 스풀러블 치수의 기판과 함께 각 요소가 CNT 성장 조건에 노출되는 시간량을 칭한다. 이러한 정의는 다중 CNT 성장 챔버를 이용할 경우의 체류 시간을 포함한다.

본 명세서에 사용된 용어 "회선 속도(linespeed)"는 스풀러블 치수의 기판이 상기한 바와 같은 CNT 주입 공정을 통해 공급될 수 있는 속도를 칭하며, 여기서 회선속도는 CNT 챔버(들) 길이를 물질 체류 시간으로 나누어 계산된 속도이다.

도 1을 참조하면, 저온 공정을 이용한 CNT 합성을 위한 시스템 100을 개략적적으로 도시한 것이다. 본 발명의 일부 구현에 따라, 시스템 100은 성장 챔버 110, 히터 120, 기판 공급원 130, 공급 가스 공급원 140, 공정 또는 캐리어 가스 공급원 150, 가스 예열기 160, 및 제어기 170을 포함한다.

일부 구현으로, 성장 챔버 110은 옥외 연속 수행, 플로우-드로우 반응기이다. 상기 시스템은 대기압에서 또는 대기압 보다 다소 높은 압력에서 수행될 수 있다. 성장 챔버 110은 소 용량 캐버티(나타내지 않음)를 포함하며, 이를 통해 기판이 주입구로 들어가며 연속적으로 배출구를 빠져나가 기판상에서 CNT의 연속적 합성을 촉진한다. 상기 캐버티는 성장 챔버를 통해 통과하는 기판의 크기 및 형태에 기초한 직사각형, 원형, 타원형 또는 유사한 단면을 가질 수 있다. 성장 챔버의 체적은 성장 챔버를 통해 지나가는 기판의 초기 및 최종 크기에 적어도 부분적으로 기초할 것이며, CNT의 합성에 기초한 기판의 체적 증가가 함께 고려된다. 일부 구현으로, 성장 챔버의 체적은 성장 챔버 110에 공급되는 기판의 부피의 약 7000% 이하이다. 섬유 토우 형태의 기판은 예를 들어 상류 기판 공급원 130으로부터 기판의 연속 공급을 가능케 한다.

성장 챔버 110은 공급 가스를 함유하는 가스 혼합물을 연속적으로 받을 수 있으며, 임의로 챔버 캐버티내로 들어가는 프로세스(즉, 캐리어 가스)를 갖는다. 성장 챔버 110은 도 4에 나타낸 바와 같이 두 수직 부재 및 일반적으로 H-형상으로 배열되는 두 수평 부재 (도 4의) 455, 465에 의해 형성될 수 있다. 수직 부재 435, 445와 함께 수평 부재 455, 465는 (도 3의) 기판 315가 통과하는 소 용량 캐버티 425를 형성한다. 일부 구현으로, 부재 435, 445, 455, 465는 스테인리스강으로 이루어진다. 다른 구현으로, 고 작업온도에 견딜 수 있으며, 캐버티 425를 통해 공급되는 원소들과 반응하지 않으며, 일반적으로 이러한 원소들에 불투과성인 다른 금속 및/또는 합금이 사용될 수 있다.

성장 챔버 110은 또한 섬유 형태로 (도 3의) 기판 315를 받으며, 이는 제어기 170에 의해 제어되는 주어진 속도로 사이징제 및/또는 촉매 입자로 코팅될 수 있다. 기판은 캐버티 425를 통해 통과할 수 있으며, 이는 제어기 170에 의해 제 1 온도로 유지될 수 있다. 온도 T1은 기판상에서 CNT의 성장이 가능하도록 충분히 높지만 기판의 물리 및 화학적 특성에 악영향을 미칠 정도로 높진 않다. 일부 구현으로, 온도 T1은 어느 섬유 사이징을 제거하도록 충분히 높을 수 있다. 다른 구현으로, 온도 T1은 섬유 사이징을 손상시키거나 제거하지 않고 CNT 성장을 촉진하기에 충분히 높을 수 있다. 예를 들어, 캐버티 425는 약 450-650℃의 온도로 유지될 수 있다.

도 1을 다시 참조하면, 히터 120은 성장 챔버 110의 캐버티 425를 가열하고 성장 챔버 110의 수행 온도 T1을 유지시킨다. 히터 120은 제어기 170에 의해 제어될 수 있다. 일부 구현으로, 히터 120은 별도의 제어기에 의해 제어될 수 있으며, 이는 제어기 170에 연결될 수 있다. 히터 120은 성장 챔버 110을 대략 수행 온도 T1으로 유지시킬 수 있는 어느 적절한 장치일 수 있다. 일부 구현으로, 히터 120은 각각의 수평 부재 455, 465에 함유된 가열 코일을 포함할 수 있다. 수평 부재 455, 465는 이들 사이에 작은 갭을 갖도록 근접하게 배치된다. 수평 부재간의 갭이 작기 때문에, 갭은 그안에서 어느 현저한 온도 구배없이 균일하게 가열될 수 있다. 히터 120은 수평 부재 455, 465의 표면을 가열시킬 수 있으며, 이는 차례대로 이들 사이의 갭을 가열시킬 수 있다. 일부 구현으로, 멤버 455, 465간의 갭은 약 5-20mm일 수 있다. 다른 구현으로, 수평 부재 455, 465간의 갭은 약 9.5mm이다.

기판 공급원 130은 기판을 성장 챔버 110에 연속적으로 공급하도록 개조될 수 있다. 기판은 기판로 사용하기에 적절한 것으로 상기 열거된 어느 재료들을 포함할 수 있다. 일부 구현으로, 상기 기판은 사이징제로 코팅된 E-글래스 섬유를 포함할 수 있다. 다른 구현으로, 상기 기판은 비싸지 않은 유리 섬유 및 탄소 섬유와 같은 다른 섬유를 포함할 수 있다. 다른 구현으로, 상기 기판은 Kevlar와 같은 아라미드 섬유일 수 있다. 섬유는 "토우"로 알려진 번들로 제공될 수 있다. 토우는 약 1000-12000 섬유 필라멘트를 가질 수 있다. 일부 구현으로, 섬유 필라멘트는 약 10미크론의 직경을 가질 수 있으나, 다른 직경을 갖는 섬유 필라멘트가 사용될 수 있다. 섬유는 또한 탄소 얀, 탄소 테이프, 단방향성 탄소 테이프, 탄소 섬유-브레이드, 짜여진 탄소 직물, 부직 탄소 섬유 매트, 탄소 섬유 플라이, 3D 직물 구조 등을 포함할 수 있다.

일부 구현으로, 상기 기판은 사이징제로 코팅될 수 있다. 사이징제는 타입 및 기능이 폭넓게 달라질 수 있으며, 이에 한정하는 것은 아니나, 계면활성제, 정전기 방지제, 윤활제, 실록산, 알콕시실란, 아미노실란, 실란, 실란올, 폴리비닐 알코올, 전분 및 이의 혼합을 포함할 수 있다. 이러한 사이징제는 CNT 자체를 보호하기 위해 또는 주입된 CNT의 존재에 의해 특성이 부여되지 않은 섬유에 추가 특성을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 일부 구현으로, 어느 사이징은 CNT 합성 전에 제거될 수 있다. 일부 구현으로, 사이징 제거는 제 1 온도 T1에서 가열 장치에 의해 이루어질 수 있다.

공급원 130으로부터 챔버 110을 성장시키기 위해 제공되는 섬유는 CNT의 합성을 개시하기 위해 촉매로 코팅될 수 있다. 이러한 촉매는 나노-사이즈 입자의 촉매 형태를 취할 수 있다. 사용되는 촉매는 상기한 바와 같이 어느 d-블록 전이 금속일 수 있는 전이 금속 나노파티클일 수 있다. 또한, 나노파티클(NPs)은 원소 형태 또는 염 형태로 d-블록 금속의 합금 및 비합금 혼합물, 및 이의 혼합물일 수 있다. 이러한 염 형태는 이에 한정하는 것은 아니나, 산화물, 카바이드, 클로라이드, 클로레이트, 아세테이트, 설피드, 설페이트, 니트라이드, 니트레이트 및 이의 혼합물을 포함한다. 비한정적인 예시적 전이 금속 NP는 Ni, Fe, Co, Mo, Cu, Pt, Au 및 이의 염을 포함한다. 일부 구현으로, 이러한 CNT-형성 촉매는 배리어 코팅 증착과 함께 동시에 기판에 직접적으로 CNT-형성 촉매를 적용하거나 주입함으로써 기판 재료상에 배치된다. 다수의 이러한 전이 금속 촉매는 예를 들어, Ferrotec Corporation(Bedford, NH)를 포함하는 다양한 공급처로부터 상업적으로 이용가능하다.

이론으로 한정하는 것은 아니나, CNT-형성 촉매로 제공될 수 있는 전이 금속 NP는 CNT 성장 시드 구조를 형성함으로써 CNT 성장을 촉진시킬 수 있다. 일부 구현으로, CNT-형성 촉매는 기판의 베이스로 유지될 수 있으며, 기판의 표면에 주입될 수 있다. 이러한 경우에, 초기에 전이 금속 NP 촉매에 의해 형성된 시드 구조는 당 기술분야에서 종종 관찰되는 바와 같이 촉매가 CNT 성장의 앞 가장자리를 따라 제거되는 것 없이, 연속된 비-촉매 시딩된 CNT 성장에 충분하다. 일부 구현으로, CNT 성장 촉매는 성장하는 나노튜브의 앞 가장자리를 따라갈 수 있다. 이러한 경우에, 이는 기판에 CNT의 직접적 결합을 일으킬 수 있다. CNT와 기판간에 형성되는 실제 결합 모티브의 특성에 관계없이, 주입된 CNT는 탄탄하며, CNT-주입 기판이 탄소 나노튜브 특성 및/또는 특성들을 나타낼 수 있도록 한다.

상기 기판은 성장 챔버 110으로 들어가기 전에 촉매로 코팅될 수 있다. 기판상에 촉매를 배치하는 작업은 용액을 스프레이 또는 딥 코팅하거나, 예를 들어 플라즈마 공정을 통해 기상 증착에 의해 수행될 수 있다. 일부 구현으로, 상기 기판은 콜로이드 용액 또는 질산철과 같은 금속염 용액에 기판을 침지함으로써 촉매로 코팅될 수 있다. 다른 구현으로, 섬유는 니켈 니트레이트 또는 코발트 니트레이트 금속염 용액을 통해 통과될 수 있다. 다른 촉매 용액 또는 적용이 또한 사용될 수 있다. 일부 구현으로, CNT-형성 전이 금속 나노파티클 촉매의 상업적 분산물이 이용가능하며, 희석없이 사용되며, 다른 구현으로 촉매의 상업적 분산물은 희석될 수 있다. 이러한 용액을 희석시키는지 여부는 성장시키고자 하는 CNT의 원하는 밀도 및 길이에 따라 달라질 수 있다. 기판에 촉매를 도포하는데 사용되는 촉매 용액은 촉매가 전체적으로 균일하게 분산되도록 하는 어느 용매를 포함할 수 있다. 이러한 용매는 이에 한정하는 것은 아니나, 물, 아세톤, 헥산, 이소프로필 알코올, 톨루엔, 에탄올, 메탄올, 테트라히드로퓨란(THF), 시클로헥산 또는 CNT-형성 촉매 나노파티클의 적절한 분산물을 형성하도록 제어된 극성을 갖는 어느 다른 용매를 포함할 수 있다. CNT-형성 촉매의 농도는 약 1:1 내지 1:10000의 촉매 대 용매의 비율범위일 수 있다.

도 1을 다시 참조하면, 공급 가스 공급원 140은 가스 예열기 160과 유체적으로 통할 수 있으며, 제어기 170에 의해 제어될 수 있다. 다른 구현으로, 공급 가스 공급원 140의 가스 및 공정 가스 공급원 150은 가스 혼합물을 가스 예열기 160에 공급하기 전에 혼합된다.

상기 공급 가스는 휘발, 분무, 원자화되거나 또는 유체화될 수 있으며, 그리고 고온에서 적어도 일부 유리 탄소 라디칼로 분리되거나 크래킹될 수 있으며, 촉매의 존재하에서 기판상에 CNT를 형성할 수 있는 어느 탄소 화합물 가스, 고체 또는 액체일 수 있다. 일부 구현으로, 공급 가스는 아세틸렌, 에틸렌, 메탄올, 메탄, 프로판, 벤젠, 천연가스 또는 이의 어느 조합을 포함할 수 있다. 일 예시적인 구현으로, 아세틸렌을 포함하는 공급가스가 온도 T2(예, 약 550-1000℃)로 가열되고 성장 챔버 110의 캐버티 425내로 공급되는 경우(참조 도 4), 아세틸렌의 적어도 일부는 기판상에 촉매의 존재하에서 탄소 및 수소로 분해된다. 보다 높은 온도 T2는 아세틸렌의 신속한 분해를 촉진하지만 기판 및/또는 존재하는 어느 사이징제의 물리적 및 화학적 특성에 악영향을 주지 않는다. 성장 챔버 110 외부에서 공급 가스를 보다 높은 온도 T2로 가열하고 한편으로 성장 챔버를 보다 낮은 온도 T1으로 유지함으로써, CNT 형성중에 기판 및 어느 사이징제 또는 다른 코팅제의 고유성을 유지할 수 있다.

아세틸렌과 같은 공급 가스의 사용은 산화물을 함유하는 촉매를 환원시키는데 사용될 수 있는 성장 캐버티 425내로 수소를 도입하는 별도의 공정이 필요로 하는 것을 줄일 수 있다. 공급 가스의 분해는 수소를 제공할 수 있으며, 이는 촉매 입자를 순수 입자 또는 적어도 수용가능한 산화물 수준으로 환원시킬 수 있다. 예를 들어, 촉매가 철 산화물인 경우 이러한 철 산화물 입자는, 공급 가스로부터 탄소 라디칼이 기판상의 산화물과 반응하여 CNT 형성 대신에 이산화탄소 및 일산화탄소를 형성하기 때문에 CNT의 합성에 도움이 되지 않는다. 산화물의 화학적 조성은 촉매 입자를 통한 유리 탄소 라디칼의 확산을 또한 억제하여 CNT의 성장을 저해하거나 감소시킨다. 이는 CNT의 형성 및 CNT의 성장 속도에 유용한 탄소 라디칼의 양을 감소시킬 수 있다. 아세틸렌의 수소는 기판상의 촉매 입자로부터 산화물을 효과적으로 제거하고 유리 탄소 라디칼과 산화물의 반응을 억제시킨다.

공정 가스는 (도 4의) 성장 캐버티 425로부터 CNT의 성장에 해로운 산소를 제거하기 위해 사용될 수 있다. 만일 산소가 (도 4의) 성장 캐버티 425에 존재하는 경우, 공급 가스로부터 형성된 탄소 라디칼은 산소와 반응하여 기판상에 CNT가 형성되는 것 대신에 이산화탄소 및 일산화탄소가 형성된다. 공정 가스는 CNT 성장 진행에 해로운 영향을 주지 않는 어느 비활성 가스를 포함할 수 있다. 일부 구현으로, 상기 공정 가스는 이에 한정하는 것은 아니나, 질소, 헬륨, 아르곤 또는 이의 어느 조합을 포함할 수 있다. 일부 구현으로, 공급 가스 및 공정 가스의 흐름 속도는 제어기 170에 의해 제어된다. 일부 구현으로, 상기 공급 가스는 총 가스 혼합물의 약 0-15% 범위내로 제공될 수 있다.

당 기술분야의 숙련자는 제어기 170이 독립적으로 기판 공급 속도, 제 1 온도, 제 2 온도, 공급 가스 제공 및 공정 가스 제공 중 하나 이상을 포함하는 시스템 파라미터를 감지, 모니터 및 제어하도록 개조될 수 있음을 인식할 것이다. 제어기 170은 당 기술분야의 숙련자에게 이해되는 바와 같이 파라미터를 받고 제어 파라미터 또는 수동 제어 배열의 다양한 자동화 조정을 수행하는 통합, 자동화 컴퓨터 시스템일 수 있다.

일부 구현으로 도 1에 나타낸 바와 같이, 공급 가스는 (도 4의) 성장 캐버티 425내로 도입되기 전에 가스 예열기 160에서 온도 T2로 예열될 수 있다. 일 구현으로, T2는 약 550-1000℃ 범위일 수 있다. 가스 예열기 160은 성장 챔버 110의 외부에 존재하며 공급 가스, 공정 가스 또는 공급 가스와 공정 가스의 혼합물을 성장 챔버 110내로 도입하기 전에 예열하도록 작동한다. 가스 예열기 160은 성장 챔버 110의 의도하지 않은 가열을 방지하기 위해 성장 챔버 110으로부터 열 분리될 수 있다. 가스 예열기 160은 가열된 가스 또는 가스 혼합물로부터 주위환경으로의 열 손실을 억제하기 위해 절연될 수 있다. 가스 예열기 110은 가스를 온도 T2로 가열할 수 있는 어느 장치를 포함할 수 있다. 일 구현으로, 가스 예열기 160은 이에 한정하는 것은 아니나, 토치, 코일드 튜브 가열 내부의 저항력있게 가열된 세라믹 히터, 유도 열, 가스 스트림내의 핫 필라멘트 및 적외선 열을 포함할 수 있다.

일 구현으로, 가스 예열기 160의 일부 또는 전부는 금속, 특히 스테인리스강으로 제작될 수 있다. 이러한 금속, 특히 스테인리스의 사용은 탄소 증착을 일으킬 수 있다(즉, 그을음 및 부산물 형성). 탄소가 장치의 막상에 단층으로 증착되고 나면, 탄소는 쉽게 그 자체위에 증착된다. 이러한 공정은 가스 예열기내에서 좁은 통과로 증강된 속도에서 발생할 수 있다. 결과적으로, 공급 가스, 공정 가스 또는 모두의 흐름을 방해하는 어떠한 탄소 증착을 방지하기 위해 주기적인 세척 및 유지가 적용될 수 있다.

도 8을 참조하면, 예열기 형태의 구현이 예시되어 있다. 예시된 구현에서, 확산기 280은 가스 예열기 160과 성장 챔버 110 사이에 가스 매니폴드 606의 일부로서 삽입된다. 일 구현으로, 공급 가스 및/또는 공급 가스와 공정 가스의 혼합물은 가스 주입구 602를 통해 가스 예열기 160으로 들어간다. 그 다음, 가스는 가스 예열기 160으로부터 도관 604를 통해 가스 매니폴드 606으로 통과한다. 도관 604는 예열 가스의 온도 및 조건에 견딜 수 있도록 적절한 재료로 절연 및 구성될 수 있다. 부가적이며 임의적인 가스 주입구 610은 가스 매니폴드 606으로 공급되어 부가적인 공급 가스, 공정 가스 또는 모두가 가스 예열기 160의 예열 가스와 혼합되도록 하여 원하는 온도 또는 흐름 속도에서 공급 및 공정 가스의 원하는 가스 혼합물을 성장 챔버 110에 제공한다. 그 다음, 가스 매니폴드 606내의 가스 혼합물은 가스 매니폴드 606으로부터 확산기 280을 통해 성장 챔버 110으로 통과한다. 확산기 280은 성장 챔버 110내에 형성된 기판부에 걸쳐 가스 혼합물의 균일한 분포를 이루게 한다. 일 형태로, 확산기 280은 가스 운반을 위해 균일하게 분포된 구멍을 갖는 플래이트 형태를 취한다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 확산기 280은 성장 챔버 110의 선택된 면을 따라 확장한다. 다른 구현으로, 확산기 280은 성장 챔버 110의 전장을 따라 확장한다. 일 구현으로, 확산기 280은 (도 4의) 수직 부재 435, 445를 따라 수평 방향으로 성장 챔버 110에 인접 배치된다. 다른 형태로, 가스 예열기 160은 확산기 280내로 편입될 수 있다. 일 구현으로, 탄소 증착은 탄소 공급스톡이 가열도중에 브레이크다운될 수 있기 때문에 가스 예열기내에서 발생할 수 있다. 그러나, 공급 가스 및/또는 공급 가스와 공정 가스의 혼합물의 예열은 공급 가스가 완전히 예열되고 성장 챔버로 들어가기 전에 브레이크 다운되는 것을 보장할 수 있다.

예열 형태의 다른 구현을 도 9에 나타내었다. 이러한 구현에서, 가스 예열기 160은 주입구 602를 통해 공정 가스를 받고 이를 가열한다. 가열된 공정 가스는 그 다음, 가스 예열기 160으로부터 도관 604를 통해 가스 매니폴드 606으로 통과한다. 그 다음, 공급 가스는 도관 702를 통해 예열 공정 가스와 혼합된다. 공급 가스는 가열 공정 가스보다 낮은 온도일 수 있으며, 일 구현으로 주위 온도이다. 가열 공정 가스와 공급 가스의 혼합물은 성장 챔버 10에 분포되기 위해 혼합물이 가스 매니폴드 606으로 들어가기 전에 T2의 온도를 갖는 가스 혼합물을 제공할 수 있다. 부가적이며 임의적인 가스 주입구 610은 부가적인 공급 가스, 공정 가스 또는 모두가 가스 예열기 160으로부터 예열 가스와 혼합되어 원하는 가스 혼합물, 온도 또는 흐름 속도를 성장 챔버 110에 제공하도록 가스 매니폴드 606에 제공될 수 있다. 가스 매니폴드 606내 가스는 가스 매니폴드 606으로부터 확산기 280을 통해 성장 챔버 110으로 통과한다. 이러한 형태를 사용하는 일 구현으로, 공급 가스의 가열은 공급 가스가 성장 챔버 110으로 공급되는 지점 부근까지 연장될 수 있다. 이러한 구현은 가스 예열기 160에 그리고 관련 장치에 형성되는 탄소 증착량을 감소시키며, 이에 따라 필요한 유지량 및 빈도를 감소시킨다.

도 10은 가스 예열기의 예시적인 구현을 나타내었다. 이러한 구현에서, 가스 예열기 160은 주입구 602를 통해 가스를 받는다. 그 다음, 가스는 가스 예열기 160내에 코일 802를 통해 통과한다. 코일 802는 코일 802 외부에 열을 공급하는 가열부에 기인하여 가열된다. 일 구현으로, 코일 802에 공급되는 열은 전극 804에 의해 가동되는 저항적 가열부에 의해 제공될 수 있다. 전체 가스 예열기는 외부 환경으로부터 절연된 예열기에 담겨질 수 있다. 가스가 코일 802를 통해 통과함에 따라, 외부 도관 604를 통해 가스 예열기 160의 외부를 지나기 전에 코일내에서 가스는 예열되고 팽창된다. 코일 802의 길이는 가스의 원하는 체류 시간이 가스 예열기 160내에서 달성되도록 조절될 수 있으며, 이에 따라 가스는 원하는 온도에 이를 수 있다. 체류시간은 가스 흐름 속도, 주입 온도, 배출 온도 및 코일 기하학(예, 직경, 길이)에 일부 기초하여 결정될 수 있다. 코일은 가열부에 의해 공급되는 온도를 견딜 수 있는 재료로 구성될 수 있다. 일 구현으로 코일은 금속 또는 스테인리스 강과 같은 금속 합금으로 구성될 수 있다. 상기한 바와 같이, 탄소 증착은 공급 가스가 공급 가스 성분의 분해 온도 이상으로 가열될 경우 금속 표면상에 형성될 수 있다. 이에 따라, 코일내 형성되는 폐색을 방지하기 위해 주기적인 유지가 이용될 수 있다. 일 구현으로, 코팅은 포밍업 또는 빌딩업으로부터 탄소 증착을 방지하기 위해 탄소증착되는 표면상에 배치될 수 있다. 적절한 코팅은 이에 한정하는 것은 아니나 알루미나, 실리카 및 마그네슘 산화물을 포함할 수 있다.

도 11은 가스 예열기의 다른 구현을 나타내는 것이다. 이러한 구현에서, 가스 예열기 160은 주입구 602를 통해 가스를 받는다. 그 다음 가스는 가스 예열기 160내에서 팽창 확산기 806을 통해 통과한다. 팽창 확산기 806은 가스가 팽창 확산 캐버티 804로 팽창될 경우 주입 구멍을 통해 가스를 받는 다수의 팽창 캐버티 804를 포함한다. 가열시, 가스는 팽창하고 외부 구멍을 통해 인접 팽창 캐버티로 흘러들어간다. 이러한 방식으로, 가스는 팽창하고 가스가 외부 도관 604에 이를 때까지 일련의 팽창 캐버티 804를 통해 흐른다. 다수의 팽창 캐버티 804는 팽창 확산기 806에 열을 제공하는 가열부에 의해 가열된다. 일 구현으로, 팽창 확산기 806에 공급되는 열은 저항성 가열부 808에 의해 제공될 수 있다. 전체 가스 예열기는 외부 환경으로부터 절연되는 적절한 덮개에 담겨질 수 있다. 가스의 원하는 체류시간은 가스가 외부 도관 604에 이르기 전에 또는 이르렀을 때 원하는 온도에 다다르도록 가스 예열기 160내에서 이루어질 수 있다. 체류시간은 가스 흐름 속도, 주입 온도, 배출 온도 및 팽창 확산기 기하학(예, 팽창 캐버티 치수, 구멍 모양)에 일부 기초하여 결정될 수 있다. 팽창 확산기 806은 가열부에 의해 공급되는 온도를 견딜 수 있는 재료로 구성될 수 있다. 일 구현으로 팽창 확산기는 금속 또는 스테인리스 강과 같은 금속 합금으로 구성될 수 있다. 상기한 바와 같이, 탄소 증착은 공급 가스가 존재하는 경우 가스의 가열에 의해 팽창 확산기내에서 형성될 수 있다. 이러한 구현에서, 탄소 증착은 팽창 캐버티들간의 구멍내에서 형성될 수 있다. 이에 따라 주기적인 유지가 이용될 수 있다.

도 12는 가스 예열기의 다른 구현을 나타낸다. 이러한 구현에서, 일련의 핫 필라멘트 810은 확산기 280을 통해 분포된다. 핫 필라멘트 810은 저항적으로 가열되는 코일 또는 원하는 예열 온도 T2이상의 온도로 가열될 수 있는 와이어일 수 있으며 제어기 170으로 제어될 수 있다. 필라멘트의 온도는 필라멘트를 지나는 가스가 단기간동안 필라멘트에 근접할 때에도 원하는 온도에 이를 수 있도록 충분히 높을 수 있다. 일 구현으로, 핫 필라멘트는 약 1100℃, 약 1200℃, 약 1300, 약 1400℃, 약 1500℃를 포함하는 약 1000℃ 이상의 온도일 수 있다. 공급 가스, 공정 가스, 또는 둘의 혼합물이 하나 이상의 주입구 602를 통해 가스 매니폴드로 도입될 수 있다. 가스는 그 다음 확산기 280에 의한 배압 형성에 기인하여 부분적으로 가스 매니폴드의 폭을 통해 분무되고, 확산기 280을 통해 일련의 핫 필라멘트 810을 통해 지나고, 성장 챔버 110으로 들어간다. 이러한 구현에서, 탄소 증착은 가스가 성장 챔버로 들어가기 직전에 가열되기 때문에 매니폴드에서 잘 일어나지 않는다. 다른 적절한 예열 디자인이 또한 본 명세서에 기줄된 공정 및 시스템과 함께 사용될 수 있다.

일 구현으로, 가스 예열기는 공급 가스, 공정 가스 또는 공급 가스와 공정 가스의 혼합물을 온도 T2로 상승시키기 위해 사용될 수 있다. 일 구현으로, 온도 T2는 공급 가스의 적어도 일부가 성장 챔버의 주입전 또는 주입시 적어도 일부 유리 탄소 라디칼로 분해되거나 크래킹되도록 충분히 높을 수 있다. 이러한 구현에서, 온도 T2는 성장 챔버 및 기판의 온도, T1 이상일 수 있다. 보다 낮은 온도 T1은 기판(예, 존재하는 어느 촉매 및/또는 사이징)상에서 기판 및/또는 어느 코팅이 온도 T2에서 발생할 수 있는 어느 분해로부터 보호되도록 한다. 이에 따라, 공급 가스의 예열은 통상적인 CNT 성장 공정에서 사용되는 CNT 상승 온도에서 분해될 수 있는 기판을 이용하여 CNT 주입 기판의 생성을 가능케 한다.

일부 구현으로, 온도 T2는 온도 T2에서 공급 가스의 도입이 성장 챔버내 온도 프로필에 악영향을 주지않도록 하는 온도 T1 부근일 수 있다. 이러한 구현에서, T2는 온도 T1의 25%내이거나, 택일적으로 온도 T1의 40%내이거나, 이보다 높거나 낮을 수 있다. 이러한 구현에서, T2는 약 400-1000℃의 온도범위일 수 있다. 일 구현으로, 온도 T2는 성장 챔버내에서 원하는 온도 프로필 또는 구배를 생성하도록 조절될 수 있으며, 또는 T2는 보다 균일한 온도 프로필을 생성하도록 성장 챔버내에서 어느 온도 구배를 감소시키도록 조절될 수 있다. 예를 들어, T2는 공급 가스가 성장 챔버로 들어가는 지점에서 성장 챔버의 온도에 맞게 조절될 수 있다. 이론으로 한정하는 것은 아니나, 원하는 온도 프로필을 달성하기 위해 성장 챔버내에서 온도 구배를 조절하는 것은 기판상에서 CNT의 성장 속도 및 특성을 조절하는데 도움을 줄 수 있는 것으로 여겨진다.

도 3을 다시 참조하면, 시스템 300은 저온에서 기판상에 CNT를 합성하는 것을 예시하고 있다. 시스템 300은 성장 챔버 310, 성장 챔버 히터 320 및 4개의 가스 예열기 360a, 360b, 360c, 360d를 포함한다. 예시된 구현에서, 두 가스 예열기 360a, 360b는 성장 챔버 310의 일면상에 위치하고, 두 가스 예열기 360c, 360d는 성장 챔버 310의 다른 일면상에 위치한다. 가스 예열기 360a, 360b, 360c, 360d는 본 명세서에 개시된 어느 형태를 포함할 수 있다. 예시적인 구현으로, 가스 예열기 360a, 360b, 360c, 360d는 그 안에 위치한 튜브 코일(나타내지 않음)과 함께 세라믹 히터로서 형성될 수 있다. 예시적인 구현으로, 코일은 약 9피트의 스테인리스강으로 이루어지며, 이를 통해 공급 가스 및/또는 공급 가스와 공정 가스 플로우의 혼합물이 가열된다.

가스 매니폴드는 성장 챔버 310에 중심에 위치하며, 가스 혼합물을 (도 4의) 성장 캐버티 425에 균일하게 분포시키기 위한 확산기 280을 포함한다. 예열된 공급 가스 및 공정 가스 혼합물은 가스 예열기 360a, 360b로부터 가스 매니폴드에 들어가며, 성장 챔버 310내에 균일하게 확산이 이루어질 수 있다. 가스 공급 라인 340a, 340b는 가스 혼합물을 각각 가스 예열기 360a, 360b의 주입구에 공급한다. 그 위에 배치된 촉매를 갖는 기판 315는 성장 챔버 310의 주입구내로 주어진 속도로 도입되며, 여기서 기판 315는 온도 T1(예, 약 500-600℃)으로 가열된다. 동시에, 예열된 공급 가스 및 온도 T2(예, 약 550-1000℃)로 가열된 공정 가스는 성장 챔버 310으로 도입된다. 공급 가스의 적어도 일부는 기판상에서 CNT 성장을 가능하게 하기 위해 분해될 수 있다. 합성된 CNT를 갖는 CNT 주입 기판 317은 배출구에서 성장 챔버 310으로부터 빠져나온다. 일부 구현으로, 공급 가스 및 공정 가스 혼합물의 공급 속도는 약 15-20리터/초이며, 이는 모두 (도 1의) 제어기 170에 의해 조절될 수 있다.

도 5를 참조하면, 성장 챔버 310의 측면도가 예시되어 있다. 히터 565, 567은 H-형상 성장 챔버 310의 상부 및 하부 면에 배열된다. 외부에 부착되고 열 절연된 모듈 585, 587은 성장 챔버 310에서 주고받는 각각의 인풋 및 아우풋을 제공한다. 모듈 585, 587은 성장 챔버 내부에 뜨거운 가스가 성장 챔버 외부의 산소가 풍부한 가스와 혼합되는 것을 방지하기 위해 그리고 성장 챔버 310으로 들어가거나 빠져나오는 기판에 악영향을 줄 수 있는 국소적 산화 조건을 생성하는 것을 방지하기 위해 성장 챔버의 말단에 배치된다. 원치않는 뜨거운 가스와 외부 환경의 혼합을 방지하기 위해 질소와 같은 차가운 비활성 가스가 성장 챔버 310과 외부 환경간의 버퍼로서 성장 챔버의 주입구 및 배출구에 포트 575, 577을 통해 제공된다. 유입되는 차가운 가스는 이에 상응하는 모듈에 걸쳐 냉 가스를 퍼뜨리기 위해 확산기 플래이트에 형성된 매니폴드에 들어갈 수 있다.

도 7을 참조하면, 가스 예열기를 이용한 저온에서의 CNT 합성을 위한 시스템 700의 다른 구현이 개시되어 있다. 시스템 700은 하기를 제외하고 도 2에 나타낸 시스템 200의 구현과 동일하다. 시스템 700에서, 단지 공정 가스만이 보다 높은 온도(예, 약 800℃)로 외부 히터를 통해 예열된다. 예열된 공정 가스는 그 다음, 공급 가스와 혼합되고, 이는 확산기 280에서 약 주위온도 내지 250℃ 범위의 보다 낮은 온도일 수 있다. 따라서, 공급 가스는 성장 챔버 110의 (도 4의) 성장 캐버티 425내로 도입되기 직전에 예열된 공정 가스에 의해 가열된다. 일반적으로, 어느 예열기 디자인은 상기한 구현들을 포함하는 본 구현에서 공정 가스를 가열하는데 사용될 수 있다. 공급 가스의 예열을 지연시키는 잇점은 공급 가스의 크래킹(즉, 분리)이 공급 가스가 성장 챔버 110내로 도입될 때까지 또는 도입에 근접할 때까지 시작되지 않는 것이다. 만일 공급 가스가 보다 일찍 크래킹될 경우, 유리 탄소 라디칼은 확산기 280의 벽과 반응하여 기판상에 CNT의 성장에 유용한 탄소 라디칼의 양을 감소시킬 수 있다.

도 6A에, CNT를 합성하는 방법을 도시한 흐름도를 예시하였다. 블록 610에서, 성장 챔버가 제공되고 제 1 온도 T1으로 가열된다. 제 1 온도 T1은 약 450-650℃ 범위내일 수 있다. 블록 620에서, 기판은 성장 챔버를 통해 통과한다. 온도 T1은 성장 챔버에서 적어도 유리 탄소 라디칼로 분해되지만 기판을 분해하거나 그리고/또는 기판상에 배치된 어느 사이징을 분해할 정도로 높지 않은 예열 공급 가스의 존재하에서 성장 챔버를 통해 연속적으로 통과하는 기판상에서 CNT의 합성을 촉진하도록 충분히 높다. 블록 630에서, 공급 가스는 성장 챔버내로 도입되기 전에 제 2 온도 T2로 예열된다. 제 2 온도 T2는 약 550-1000℃ 범위내일 수 있다. 유리 탄소 라디칼은 이러한 온도에서 쉽게 생성된다. 공급 가스는 본 명세서에 기술된 어느 방법이나 장치를 이용하여 가열될 수 있다. 예를 들어, 공급 가스는 공급 가스를 T2 이상의 온도로 가열된 공정 가스와 혼합시켜 그 혼합물이 성장 챔버로 들어갈 때에 온도 T2가 되도록 가열될 수 있다. 예열된 공급 가스는 성장 챔버내로 도입되고, 여기서 분해된 유리 탄소 라디칼은 적절한 촉매 입자로 코팅될 경우 기판상에서 CNT로 집합된다. 예열된 공급 가스는 기판상에서 촉매 입자의 온도를 상승시키는 것으로 나타났으며, 이는 기판상의 촉매 입자상에 있는 탄소의 벌크 및 표면 확산을 통해 신속한 CNT 합성을 증가시킬 수 있다. 그러나, 예열된 가스는 어느 현저한 정도로 기판의 벌크 물질 온도를 상승시키기 위한 충분한 열 에너지를 갖지 못한다. 따라서, 기판 및 어느 임의의 사이징의 온도는 기판 섬유가 성장 챔버를 통해 이동함에 따라 이의 분해 온도이하로 유지될 수 있다. 일부 구현으로, 온도 T1은 기판 및/또는 사이징제의 조성물과 비호환적일 수 있으나, CNT 성장의 속도 및 효율은 기판이 상승된 온도 T1으로 노출되는 도중에 체류 시간을 감소시키기에 충분하다.

도 6B는 CNT를 합성시키는 방법을 도시한 다른 흐름도가 예시되어 있다. 블록 640에서, 성장 챔버는 제 1 온도 T1으로 제공되고 가열된다. 제 1 온도 T1은 약 450-650℃ 범위내일 수 있다. 온도 T1은 챔버내로 연속적으로 공급되는 기판상에서 CNT의 합성을 촉진하도록 충분히 높을 수 있으나 기판이나 기판상에 코팅된 어느 임의의 사이징제를 분해할 정도로 높진 않다. 블록 650에서, 기판은 성장 챔버를 통해 통과한다. 블록 660에서, 공급 가스는 성장 챔버내로 도입되기 전에 제 2 온도 T2로 예열된다. 제 2 온도 T2는 약 400-1000℃ 범위내일 수 있다. 공급 가스는 본 명세서에 기재된 어느 방법이나 장치를 사용하여 가열될 수 있다. 예를 들어, 공급 가스는 공급 가스를 T2 이상의 온도로 가열된 공정 가스와 혼합하여 가열되어 그 혼합물이 성장 챔버로 들어갈 때에 온도 T2가 될 수 있다. 이러한 온도는 성장 챔버내에서 원하는 온도 프로필을 얻는데 충분할 수 있다. 블록 680에서, 예열된 공급 가스는 성장 챔버내에서 원하는 온도 프로필을 달성하기 위해 성장 챔버내로 도입된다. 그 다음, CNT가 기판상에 형성되어 CNT 주입된 기판이 생성된다. 온도 T2에서, 예열된 가스는 기판의 벌크 줄질 온도를 어느 현저한 정도로 상승시키기에 충분한 열 에너지를 갖지 못한다. 따라서, 기판 및 어느 임의의 사이징의 온도는 기판 섬유가 성장 챔버를 통해 이동함에 따라 이의 분해 온도이하로 유지될 수 있다.

시스템의 예시적인 구현은 도 3 및 도 4로 설명된다. 성장 캐버티 425는 직사각형의 단면 및 약 0.27입방피트의 체적을 갖는다. 캐버티 425는 헥산 200부(부피)에 약 8nm의 크기를 갖는 철 산화물 나노-파티클 1부(부피)를 갖는 용액을 통해 약 1피트/분 회선속도로 섬유 토우를 통과시킴으로써 획득된 철 산화물 촉매로 코팅된 기판 섬유 토우를 받는다. 섬유 토우는 약 4피트/분의 회선속도로 통과한다. 성장 캐버티 425는 약 550℃로 유지된다. 약 0.15-2리터의 아세틸렌과 약 15-20리터의 질소로 이루어진 공정 가스와 공급 가스 혼합물은 약 650℃의 온도로 예열된다. 예열된 가스는 약 15.15-20.2리터/분의 속도로 성장 캐버티 425내로 도입된다. 성장 캐버티 425로부터 연속적으로 산출된 섬유 토우는 약 1.0-2%(하중 퍼센트)범위내의 CNT를 나타낸다. CNT 주입된 기판은 캐버티 425의 배출구에서 성장 챔버 110을 나타낸다. CNT-주입 기판은 실질적으로 길이가 균일한 CNT를 가질 수 있다. 본 명세서에 기술된 공정에서, CNT 성장 챔버 110에서 기판의 체류 시간은 CNT 성장을 조절하고 궁극적으로는 CNT 길이를 조절하도록 제어될 수 있다. 이는 성장된 CNT의 특이적 특성을 조절하는 것을 의미한다. CNT 길이는 또한 공급 가스 및 공정 가스 흐름 속도 및 반응 온도의 조절을 통해 제어될 수 있다. CNT 특성의 부가적인 조절은 예를 들어, CNT를 제조하는데 사용된 촉매의 크기를 조절함으로써 확보될 수 있다. 예를 들어, 1nm 전이 금속 나노파티클 촉매는 특히 SWNT를 제공하도록 사용될 수 있다. 보다 큰 촉매는 대부분 MWNT를 제조하는데 사용될 수 있다.

또한, 본 명세서에 기재된 CNT 성장 방법 및 시스템은 기판상에 균일하게 분포된 CNT를 갖는 CNT-주입 기판을 제공할 수 있다. 일 구현으로, 퍼센트 피복률로 표현되는 최대 분포 밀도, 즉, 피복되는 섬유의 표면적은 5벽을 갖는 약 8nm 직경 CNT로 추정되는 약 55%정도로 높을 수 있다. 이러한 피복률은 "충진가능한" 공간으로 CNT 내부의 공간을 고려하여 계산된다. 다양한 분포/밀도 값은 가스 조성 및 공정 속도 뿐만 아니라 표면상의 촉매 분포를 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 주어진 세트의 파라미터에 대해 전형적으로, 약 10%내의 퍼센트 피복률이 섬유 표면을 통해 달성될 수 있다. 보다 높은 밀도 및 보다 짧은 CNT는 기계적 특성을 향상시키는데 유용하며, 보다 낮은 밀도를 갖는 보다 긴 CNT는 열 및 전기적 특성을 향상시키는데 유용하나, 증가된 밀도가 호의적이다. 보다 낮은 밀도는 보다 긴 CNT가 성장될 경우에 형성될 수 있다. 이는 보다 높은 온도 및 보다 신속한 성장을 일으켜 보다 낮은 촉매 입자 생성을 야기한다.

CNT-주입 기판은 탄소 필라멘트, 탄소 섬유 얀, 탄소 섬유 토우, 탄소 테이프, 탄소 섬유-브레이트, 짜여진 탄소 직물, 부직 탄소 섬유 매트, 탄소 섬유 플라이, 및 기타 3D 직물 구조와 같은 기판을 포함할 수 있다. 필라멘트는 약 1-100미크론 크기범위의 직경을 갖는 높은 가로세로비를 갖는다. 섬유 토우는 일반적으로 촘촘히 결합된 필라멘트 번들이며, 보통 서로 꼬여 얀을 생성한다.

기판에 CNT 주입을 위한 본 발명의 방법은 CNT 길이를 균일하고 연속적인 공정으로 조절할 수 있으며, 이는 스풀러블 기판을 고속으로 CNT로 기능화되도록 한다. 성장 챔버 110에서 5-300초의 물질 체류 시간으로 3피트 길이의 시스템에 대한 연속 공정에서 회선속도는 어느 지점에서든지 약 0.5-36피트/분 이상의 범위일 수 있다. 일 구현으로, 약 5-30초의 물질 체류 시간은 약 1-10미크론 사이의 길이를 갖는 CNT를 생성할 수 있다. 일 구현으로, 약 30-180초의 물질 체류 시간은 약 10-100미크론의 길이를 갖는 CNT를 생성할 수 있다. 다른 구현으로, 약 180-300초의 물질 체류 시간은 약 100-500미크론의 길이를 갖는 CNT를 생성할 수 있다. 당 기술분야의 숙련자는 이러한 범위가 대략적인 것이며, CNT 길이는 또한 반응 온도, 및 캐리어와 공급스톡 농도 및 흐름 속도에 의해 조절될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 이러한 복합 물질은 매트릭스 물질을 포함하여 CNT-주입 기판을 갖는 복합체를 형성할 수 있다. 본 발명에 유용한 매트릭스 물질은 이에 한정하는 것은 아니나 수지(폴리머), 열경화성 및 열가소성 수지, 금속, 세라믹, 및 시멘트를 포함할 수 있다. 매트릭스 물질로서 유용한 열경화성 수지는 프탈릭/마엘릭 타입 폴리에스테르, 비닐 에스테르, 에폭시드, 페놀릭, 시아네이트, 비스말레이미드, 및 나딕 엔드-캡티드 폴리이미드(예, PMR-15)를 포함한다. 열가소성 수지는 폴리설폰, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리설피드, 폴리에테르 에테르 케톤, 폴리에테르 설폰, 폴리아미드-이미드, 폴리에테르이미드, 폴리이미드, 폴리아릴레이트 및 액정 폴리에스테르를 포함한다. 매트릭스 물질로서 유용한 금속은 알루미늄 6061, 2024 및 713 알루미늄 브레이즈와 같은 알루미늄의 합금을 포함한다. 리튬 알루미노실리케이트와 같은 탄소 세라믹, 알루미나 및 멀라이트와 같은 산화물, 실리콘 니트라이드와 같은 니트라이드 및 실리콘 카바이드와 같은 카바이드를 포함한다. 매트릭스 물질로서 유용한 시멘트는 카바이드계 시멘트(텅스텐 카바이드, 크롬 카바이드 및 티타늄 카바이드), 리프랙터리 시멘트(텅스텐-토리아 및 바륨-카보네이트-니켈), 크롬-알루미나, 니켈-마그네시아 철-지르코늄 카바이드를 포함한다. 상기한 어느 매트릭스 물질이 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있다.

실시예

본 실시예는 기계적 특성 향상을 위해, 특히 전단 강도와 같은 계면특성을 향상시키기 위해 아라미드 섬유 물질이 가스 예열을 이용하여 저온에서 연속 공정으로 CNT로 주입될 수 있는 방법을 보여준다.

본 실시예에서, 섬유상에 보다 짧은 CNT의 적재를 목표로 하며, 여기서 800의 텍스값을 갖는 케블라 섬유 토우(Du Pont, Wilmington, DE)가 섬유 기판로 이행된다. 이러한 아라미드 섬유 토우에서 각각의 필라멘트는 약 17μm의 직경을 갖는다.

도 13은 본 발명의 예시적인 구현에 따른 CNT-주입 섬유를 생성하는 시스템 1300의 흐름도를 나타낸다. 시스템 1300은 나타낸 바와 같이 서로 관련있는 아라미드 섬유 물질 페이아웃 및 텐셔너 스테이션 1302, 섬유 스프레더 스테이션 1308, 플라즈마 처리 스테이션 1310, 코팅 도포 스테이션 1312, 에어 드라이 스테이션 1314, 제 2 코팅 도포 스테이션 1316, 제 2 에어 드라이 스테이션 1318, CNT-주입 스테이션 1320, CNT 정렬 시스템 1322, 수지 배스 1324, 및 회전 맨드렐 1330을 포함한다.

페이아웃 및 텐션 스테이션 1302는 페이아웃 보빈 1304 및 텐셔너 1306을 포함한다. 페이아웃 보빈은 아라미드 섬유 물질 1301을 공정으로 운반하며; 섬유는 텐셔너 1306을 통해 텐셔닝된다. 본 실시예에서, 아라미드 섬유는 약 5피트/분의 회선속도로 처리된다.

섬유 물질 1301은 섬유 스프레더 스테이션 1308에 운반된다. 이러한 섬유는 사이징없이 제조됨에 따라, 사이징 제거 공정이 섬유 스프레더 스테이션 1308의 일부로서 포함되지 않는다.

섬유 물질 1301은 플라즈마 처리 스테이션 1310으로 운반된다. 본 실시에에서, 대기 플라즈마 처리가 스프레드 아라미드 섬유 물질로부터 12mm의 거리로 '다운스트림' 방식으로 이용된다. 가스성 공급스톡은 총 비활성 가스 플로우(헬륨)의 1.1%의 양으로 산소를 포함하여 구성된다. 아라미드 섬유 물질의 표면상에 산소 함량 조절은 후속적인 코팅의 부착성을 증가시키는 효과적인 방법이며, 이에 따라 아라미드 섬유 복합체의 기계적 특성을 증가시키는데 바람직하다.

플라즈마 증진된 섬유 1311는 코팅 도포 스테이션 1312에 운반된다. 본 실시예에서, 철 산화물계 촉매 및 배리어 코팅 물질은 단일 '하이브리드' 용액으로 혼합되고 딥 코팅 형태로 사용된다. '하이브리드' 용액은 1체적부 'EFH-1'(Ferrotec Corporation(Bedford, NH)로부터 이용가능한 철 산화물계 촉매 용액), 5부 'Accuglass T-11 Spin-On Glass'(Honeywell International Inc.(Morristown, NJ)로부터 이용가능함), 24부 헥산, 24부 이소프로필 알코올 및 146부 테트라히드로퓨란이다. 이러한 '하이브리드' 코팅을 이용하는 잇점은 고온에서 섬유 분해 영향을 감소시키는 것이다. 이론으로 한정하는 것은 아니나, 아라미드 섬유 물질의 분해는 고온에서(CNT의 성장에 필수적인 것과 동일한 온도) 촉매 NPs의 소결에 의해 심해지는 것으로 여겨진다. 각 촉매 NP를 이의 자신의 배리어 코팅으로 캡슐화함으로써 이러한 효과를 조절하는 것이 가능하다. 열/전기적 특성이 아닌 기계적 특성의 증가를 목표로 하기 때문에, 아라미드 섬유계 물질의 고유성을 유지하는 것이 바람직하며, 이에 따라 '하이브리드' 코팅이 이용될 수 있다.

촉매-적재된 그리고 배리어 코팅된 아라미드 섬유 물질 1313은 배리어 코팅의 부분적 커링을 위해 에어 드라이 스테이션 1314로 운반된다. 에어 드라이 스테이션은 전체 아라미드 섬유 스프레드를 통해 가열된 에어의 스트림을 보낸다. 이용된 온도는 약 100-350℃의 범위내일 수 있다.

에어 드라이 후에, 촉매 및 배리어 코팅-적재된 아라미드 섬유 1313은 코팅 도포 스테이션 1316으로 운반되며, 이는 코팅 도포 스테이션 1312와 동일하다. 동일한 '하이브리드' 용액이 사용된다(1체적부 'EFH-1', 5부 'Accuglass T-11 Spin-On Glass', 24부 헥산, 24부 이소프로필 알코올 및 146부 테트라히드로퓨란). 본 실시예에서, 플라즈마 증진된 섬유 1311상에 '하이브리드'의 피복률을 최적화하도록 다중 코팅 도포 스테이션을 포함하는 형태가 사용된다.

촉매 및 배리어 코팅-적재된 아라미드 섬유 1317은 배리어 코팅의 부분적 커링을 위해 에어 드라이 스테이션 1318에 운반되고, 이는 에어 드라이 스테이션 1314와 동일하다.

에어 드라이 후에, 촉매 및 배리어 코팅-적재된 아라미드 섬유 1317은 최종적으로 CNT-주입 스테이션 1320으로 이동한다. 본 실시예에서, 12인치 성장 구역을 갖는 직사각형 반응기가 주위 압력에서 CVD 성장을 위해 사용된다. 도 8에 나타낸 것과 동일한 가스 예열 시스템을 사용하여 성장 가스를 약 700℃의 온도로 예열한다. 총 가스 흐름의 약 97.6%가 비활성 가스(질소)이며, 나머지 2.4%는 탄소 공급 스톡(아세틸렌)이다. 성장 구역은 약 550℃로 고정된다. 상기 직사각형 반응기에 있어서, 550℃는 비교적 저 성장 온도이지만 배리어 코팅에 의해 제공된 열 보호에 따른 가스 예열은 아라미드 섬유의 고온 분해를 억제하고 CNT 성장을 가능케 한다.

그 다음, CNT-주입된 섬유 1321은 CNT 정렬 시스템 1322를 통해 통과하며, 여기서 일련의 다이가 각 로빙의 방향으로 CNT의 축을 기계적으로 정렬하는데 사용된다. 0.125인치 직경 구멍으로 말단처리된 테이퍼드 다이가 CNT의 정렬을 돕는데 사용된다.

CNT 정렬 시스템 1322를 통해 통과한 후, 정렬된 CNT-주입 섬유 1323은 수지 배스 1324로 운반된다. 수지 배스는 CNT-주입 섬유 및 수지를 포함하는 복합 재료의 제조를 위한 수지를 함유한다. 이러한 수지는 이에 한정하는 것은 아니나 폴리에스테르(예, 오르토프탈릭 폴리에스테르), 개질된 폴리에스테르(예, 이소프탈릭 폴리에스테르), 에폭시 및 비닐 에스테르와 같이 상업적으로 이용가능한 수지 매트릭스를 포함할 수 있다.

수지 배스 1324는 다양한 방식으로 수행되며, 이중 두 가지를 하기에 나타내었다. 우선, 수지 배스 1324는 닥터 블래이트 롤러 배스로서 수행될 수 있으며, 여기서 배스에 배치된 폴리시드 회전 실린더(예, 실린더 1325)는 이것이 회전함에 따라 수지를 들어 올린다. 닥터 바(도 13에 나타내지 않음)는 실린더 1325상에 정확한 수지 필름 두께를 확보하기 위해 실린더를 누르고, 과잉의 수지를 배스내로 다시 밀어넣는다. 아라미드 섬유 로빙 1323이 실린더 1325의 상부 한쪽에 높여짐에 따라, 이는 수지 필름과 접촉하고 담겨진다. 택일적으로, 수지 배스 1324는 침지 배스로서 사용되며, 여기서 아라미드 섬유 로빙 723은 수지내로 잠수된 다음, 과잉 수지를 제거하는 일련의 와이퍼 또는 롤러를 통해 당겨진다.

수지 배스 1324에서 꺼낸 후, 수지에 적셔진 CNT-주입 섬유 1323은 다양한 고리, 아이릿 및 전형적으로 운반 헤드 뒤에 배치된 다중핀 "콤(comb)"(도시하지 않음)을 통해 통과한다. 콤은 회전 맨드렐 1330상에 단일 조합 밴드와 함께 가져오게될 때까지 아라미드 섬유 1323을 분리된 채로 유지한다. 맨드렐은 향상된 기계적 강도를 갖는 복합 물질을 필요로 하는 구조를 위한 몰드로 작용한다.

이는 상기 구현이 단지 본 발명을 예시하는 것이며, 다수의 다양한 상기 구현이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 당 기술분야의 숙련자에 의해 행해질 수 있는 것으로 이해된다. 예를 들어, 본 명세서에서, 다수의 특정 설명은 본 발명의 예시적 구현의 전반적인 설명 및 이해를 제공하기 위해 제공되는 것이다. 그러나, 당 기술분야의 숙련자는 본 발명이 하나 이상의 이러한 상세한 설명 또는 다른 공정, 물질, 성분 등이 없이 수행될 수 있음을 알 수 있을 것이다.

또한, 일 예로, 잘 알려진 구조, 물질 또는 수행은 예시적인 구현의 모호한 측면을 회피하기 위해 자세히 나타내거나 설명하지 않는다. 도면으로 나타낸 다양한 구현은 예시적인 것이며, 반드시 비율적으로 도시된 것은 아니다. 명세서 전반에 걸친 문구 "일 구현" 또는 구현" 또는 "일부 구현"은 구현(들)과 관련되어 기술된 특정 형태, 구조, 물질 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 구현에 포함되나 반드시 모든 구현을 포함하는 것은 아닌 것임을 의미한다. 결국, 명세서 전반에 걸친 문구 "일 구현으로", "구현으로" 또는 "일부 구현으로"는 반드시 동일한 구현을 언급하는 것은 아니다. 또한, 특정 형태, 구조, 물질 또는 특성은 하나 이상의 구현에서 어느 적절한 방식으로 조합될 수 있다. 따라서, 이러한 변형은 하기 청구범위 및 이의 등가범위내에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims

탄소 나노튜브의 성장을 촉진하기에 충분히 높고 450-650℃의 범위인 제 1 온도로 가열되는 성장 챔버(growth chamber)를 제공하는 단계;
상기 성장 챔버를 통해 기판을 통과시키는 단계;
제 2 온도를 초과하는 온도로 공정 가스를 가열하는 단계;
탄소 화합물을 포함하는 공급 가스를 가열된 공정 가스와 혼합하여서 상기 공급 가스와 상기 공정 가스의 예열된 혼합물을 생성시키는 단계로서, 여기서 상기 예열된 혼합물은 적어도 상기 제 2 온도에 이르며, 상기 제 2 온도는 상기 공급 가스의 적어도 일부를 적어도 유리 탄소 라디칼(free carbon radicals)로 분리하기에 충분하고 550-1000℃의 범위인 단계; 및
상기 공급 가스와 상기 공정 가스의 예열된 혼합물을 상기 성장 챔버에 도입하여서 상기 기판상에 탄소 나노튜브의 형성을 개시하는 단계
를 포함하는
탄소 나노튜브(CNT)를 합성하는 방법.
제 1항에 있어서,
상기 제 2 온도는 제 1 온도보다 높은 것을 특징으로 하는 방법.
삭제
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제 1항에 있어서,
상기 기판은 탄소 섬유, 그라파이트 섬유, 셀룰로즈 섬유, 유리 섬유, 금속 섬유, 세라믹 섬유, 아라미드 섬유 및 이의 어느 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서,
상기 기판은 촉매 및 사이징제로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료로 코팅되는 것을 특징으로 하는 방법.
삭제
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제 1항에 있어서,
상기 제 2 온도의 온도를 초과하는 온도로 상기 공정 가스를 가열한 후, 상기 제 2 온도 미만의 온도에서 상기 공급 가스와 혼합하여서 상기 공급 가스의 온도를 상기 제 2 온도로 상승시킴으로써, 상기 공급 가스를 가열하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서,
상기 제 2 온도는 기판상에 탄소 나노튜브의 형성을 이루기 위해 성장 챔버내에 원하는 온도 프로필을 달성하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서,
상기 제 2 온도는 상기 제 1 온도보다 높고 상기 제 1 온도의 40%내인 것을 특징으로 하는 방법.
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촉매가 상부에 배치된 기판을 수용하도록 구성된 성장 챔버;
상기 기판상에 탄소 나노튜브의 성장을 촉진하기에 충분히 높고 450-650℃인 제 1 온도로 상기 성장 챔버를 가열하도록 구성된 히터; 및
탄소 화합물을 포함하는 공급 가스 및 공정 가스를, 상기 공급 가스의 적어도 일부를 적어도 유리 탄소 라디칼(free carbon radicals)로 분리하기에 충분하고 550-1000℃인 제 2 온도로 가열하고, 제 2 온도를 초과하는 온도로 공정 가스를 가열하고, 이를 제 2 온도 미만의 온도에서 공급 가스와 혼합하며, 이로 인해 상기 공급 가스와 상기 공정 가스의 예열된 혼합물을 형성시키도록 구성된 가스 예열기로서, 상기 가스 예열기는 상기 공급 가스와 상기 공정 가스의 예열된 혼합물을 상기 성장 챔버에 도입하여서 상기 기판상에 탄소 나노튜브를 합성하도록 추가로 구성된 가스 예열기
를 포함하는
탄소 나노튜브(CNT)를 합성하는 장치.
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제 17항에 있어서,
상기 제 2 온도는 상기 제 1 온도보다 높고 상기 제 1 온도의 40%내이며, 성장 챔버내에 원하는 온도 프로필을 달성하기에 충분한 것을 특징으로 하는 장치.
제 17항에 있어서,
상기 가스 예열기는, 상기 공급 가스 및 상기 공정 가스를 상기 제 2 온도로 제어가능하게 가열하도록 구성되는 성장 챔버 외부에 가열기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 17항에 있어서,
상기 가스 예열기는 공정 가스를 상기 제 2 온도를 초과하는 온도로 제어가능하게 가열하도록 구성되는 성장 챔버 외부에 가열기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 17항에 있어서,
상기 기판은 탄소 섬유, 그라파이트 섬유, 셀룰로즈 섬유, 유리 섬유, 금속 섬유, 세라믹 섬유, 아라미드 섬유 및 이의 어느 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 17항에 있어서,
상기 성장 챔버가 상기 기판을 수용하는 속도, 상기 제 1 온도, 상기 제 2 온도 및 공급 가스 공급량 중 하나 이상을 조절하도록 구성된 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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제 17항에 있어서,
상기 기판은 그 상부에 사이징제 및 철계 촉매를 갖는 섬유 토우인 것을 특징으로 하는 장치.
제 17항에 있어서,
상기 공급 가스는 아세틸렌, 메탄올, 에틸렌, 메탄, 프로판, 벤젠 및 천연가스로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 17항에 있어서,
상기 공정 가스는 질소, 헬륨 및 아르곤으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.