KR101867905B1 - Apparatus for manufacturing boron nitride nanotubes and method of manufacturing boron nitride nanotubes using the same - Google Patents
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Abstract
반응 챔버; 반응 챔버 내에 위치하는 음극 전극봉; 음극 전극봉과 아크 방전을 일으키는 양극 전극봉으로서, 붕소 섬유 및 금속층을 포함하는 양극 전극봉; 및 반응 챔버 내에 버퍼가스 및 질소 공급 가스를 주입하는 가스 주입구;를 포함하는 질화붕소 나노튜브 제조 장치가 제공된다.A reaction chamber; A cathode electrode rod positioned in the reaction chamber; A cathode electrode rod including a boron fiber and a metal layer as a cathode electrode rod for causing arc discharge with the cathode electrode rod; And a gas injection port for injecting a buffer gas and a nitrogen supply gas into the reaction chamber.
Description
본 발명은 질화붕소 나노튜브(boron nitride nanotube; BNNT) 제조 장치 및 이를 이용한 질화붕소 나노튜브의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 미세 직경을 갖는 질화붕소 나노튜브를 단시간 동안 제조할 수 있는 질화붕소 나노튜브 제조 장치 및 이용한 질화붕소 나노튜브의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for producing boron nitride nanotube (BNNT) and a method for manufacturing boron nitride nanotubes using the same, and more particularly, to a boron nitride nanotube A boron nitride nanotube production apparatus, and a method of manufacturing a boron nitride nanotube.
탄소나노튜브(Carbonnanonubes, CNT)의 발견 이후, 질화붕소 나노튜브(boron nitride nanotube, BNNT)는 CNT와 구조적인 유사성으로 인해 많은 관심을 받아왔다. 질화붕소 나노튜브는 낮은 밀도에 비해 높은 기계적 강도를 가지며 높은 열전도성, 전기 절연성, 압전성을 가지는 물질인 것이 이론적 계산 연구 결과에 의해 밝혀졌으며, 또한 방사선 차폐 기능 및 열 또는 화학적 스트레스에 대한 우수한 저항성과 같은 우수한 특성을 가지는 것이 증명되었다. 특히 질화붕소 나노튜브 의 이러한 특성 중 일부는 탄소나노튜브의 특성과 비슷하거나 더 우수한 것으로 예상되어 관심이 증대되고 있는 실정이다.Since the discovery of carbon nanotubes (CNTs), boron nitride nanotubes (BNNTs) have received much attention due to their structural similarity to CNTs. Boron nitride nanotubes have high mechanical strength compared to low density and have high thermal conductivity, electrical insulation, and piezoelectricity. They have been found by theoretical computational studies and also have excellent resistance to radiation shielding and thermal or chemical stress Has proven to have the same excellent properties. Particularly, some of these properties of boron nitride nanotubes are expected to be similar to or better than the characteristics of carbon nanotubes.
하지만 이러한 예상된 잠재력에도 불구하고, 실질적인 질화붕소 나노튜브의 합성에 대한 연구가 소수에 의해서만 진행되고 있으며 그 결과 또한 제한적이다. 특히 특성 분석 및 응용을 위한 질화붕소 나노튜브의 경우 작은 직경(<10nm)의 질화붕소 나노튜브가 바람직하고, 또한 대량생산을 통한 산업화를 위해서는 제조설비에 많은 비용이 들지 않고 보다 짧은 제조시간으로 생산이 가능해야 하는데 이러한 연구는 미비한 실정이다.However, despite these anticipated potentials, studies on the synthesis of substantial boron nitride nanotubes are only being conducted by few, and the results are also limited. In particular, boron nitride nanotubes having a small diameter (< 10 nm) are preferred for boron nitride nanotubes for characterization and application. Also, for industrialization through mass production, production costs are low and manufacturing time is short This study should be made possible.
한편, 초기 질화붕소 나노튜브의 합성 방법은 CNT 합성 방법과 유사한 방법이 사용되어왔으며, 최초의 질화붕소 나노튜브는 텅스텐 막대에 보론 분말을 채워 아크방전에 의해 전극을 증발시키면서 제조되었다. 그러나 수율(mg/day)이 매우 낮은 문제점이 있었다. 또한, 레이저의 높은 열에너지를 이용하여 질소가스 분위기에서 보론의 타겟을 증발 시키는 제조방법 또한 개발되었으나, 높은 순도의 질화붕소 나노튜브의 얻을 수 있지만 수율이 낮고 레이저의 경우 초기 시설을 구축하기 위한 많은 비용이 필요하며 많은 전력이 사용되어 에너지 측면에서 대량생산에도 적합하지 않음이 밝혀졌다. 이밖에도, 화학 기상 증착 (CVD) 방법을 이용하여 금속 촉매를 함유하는 보론 분말에 열을 공급하여 촉매에 의해서 낮은 온도에서도 질화붕소 나노튜브가 성공적으로 제조 되었지만 질화붕소 나노튜브의 직경이 대부분 크게 제조되는 등 미흡한 결과를 보였다. On the other hand, an initial method of synthesizing boron nitride nanotubes has been used in a similar manner to the synthesis of CNTs. The first boron nitride nanotubes were prepared by evaporating the electrodes by charging the boron powder to the tungsten rod by arc discharge. However, there is a problem that the yield (mg / day) is very low. In addition, although a manufacturing method of evaporating a boron target in a nitrogen gas atmosphere using a high thermal energy of a laser has been developed, boron nitride nanotubes of high purity can be obtained. However, in the case of a laser, And it is found that a lot of electric power is used, which is not suitable for mass production in terms of energy. In addition, although boron nitride nanotubes were successfully produced at low temperature by the catalyst by supplying heat to a boron powder containing a metal catalyst using a chemical vapor deposition (CVD) method, the diameter of the boron nitride nanotubes was largely largely manufactured And so on.
따라서 작은 직경의 질화붕소 나노튜브를 짧은 시간 동안 효율적인 제조할 수 있는 제조 방법에 대한 관심이 대두되고 있다.Therefore, there is a growing interest in a manufacturing method capable of efficiently producing small-diameter boron nitride nanotubes in a short time.
본 발명의 구현예들에서는 미세 직경을 갖는 질화붕소 나노튜브를 단 시간동안 제조할 수 있는 질화붕소 제조 장치를 제공하고자 한다.Embodiments of the present invention provide a boron nitride manufacturing apparatus capable of producing a boron nitride nanotube having a fine diameter for a short time.
본 발명의 다른 구현예들에서는 상기 장치를 이용한 질화붕소 나노튜브의 제조 방법으로서, 우수한 효율을 갖는 질화붕소 나노튜브의 제조 방법을 제공하고자 한다.In another embodiment of the present invention, a method for producing boron nitride nanotubes using the apparatus is provided.
본 발명의 구현예에서, 반응 챔버; 상기 반응 챔버 내에 위치하는 음극 전극봉; 상기 음극 전극봉 전극과 아크 방전을 일으키는 양극 전극봉으로서, 붕소 섬유 및 금속층을 포함하는 양극 전극봉; 및 상기 반응 챔버 내에 버퍼 가스 및 질소 공급 가스를 주입하는 가스 주입구;를 포함하는 질화붕소 나노튜브 제조 장치가 제공된다.In an embodiment of the present invention, a reaction chamber; A cathode electrode rod positioned in the reaction chamber; An anode electrode rod including a boron fiber and a metal layer as an anode electrode rod for causing an arc discharge with the cathode electrode electrode; And a gas injection port for injecting a buffer gas and a nitrogen supply gas into the reaction chamber.
예시적인 구현예에서, 상기 붕소 섬유는 붕소, 붕소 질화물, 붕소 산화물, 붕산, 금속 붕화물, 암모니아 보란 및 이의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택된 1 이상을 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the boron fiber may include at least one selected from the group consisting of boron, boron nitride, boron oxide, boric acid, metal boride, ammonia borane, and mixtures thereof.
예시적인 구현예에서, 상기 붕소 섬유는 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발이고, 상기 붕소 섬유 가닥 각각에 상기 금속층이 적층된 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the boron fiber is a fiber bundle comprising a plurality of boron fiber strands, and the metal layer may be laminated on each of the boron fiber strands.
예시적인 구현예에서, 상기 금속층은 화학적 증착 공정 또는 물리적 증착 공정을 통해 상기 붕소 섬유 가닥 적층된 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the metal layer may be a laminate of the boron fiber strands through a chemical vapor deposition process or a physical vapor deposition process.
예시적인 구현예에서, 상기 붕소 섬유는 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발이고, 상기 금속층은 상기 섬유 다발을 둘러싸는 금속 박막일 수 있다.In an exemplary embodiment, the boron fiber is a fiber bundle comprising a plurality of boron fiber strands, and the metal layer may be a metal thin film surrounding the fiber bundle.
예시적인 구현예에서, 상기 붕소 섬유는 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발이고, 상기 금속층은 상기 섬유 다발 상에 도금된 도금 박막일 수 있다.In an exemplary embodiment, the boron fiber is a fiber bundle comprising a plurality of boron fiber strands, and the metal layer may be a plated thin film plated on the fiber bundle.
예시적인 구현예에서, 상기 금속층은 무전해 도금 공정 혹은 전해 도금 공정을 통해 섬유 다발 상에 도금된 도금 박막일 수 있다.In an exemplary embodiment, the metal layer may be a plated thin film plated on a fiber bundle through an electroless plating or electroplating process.
예시적인 구현예에서, 상기 붕소 섬유는 0.1 내지 1 cm의 직경을 갖고, 1cm 내지 1m의 길이를 갖는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the boron fiber has a diameter of 0.1 to 1 cm and may have a length of 1 cm to 1 m.
예시적인 구현예에서, 상기 금속층은 Ni, Cu, Fe, Cr, Mo, Si, Ti, U, Zr, Pt, Au, Al, Mg, Mn, Rh, Ta, W, Ge, 청동, 스테인레스 스틸, 백동 (White brass), 황동 (Brass) 및 이의 합금으로 이루어진 그룹에서 선택된 1 이상을 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the metal layer may comprise at least one of Ni, Cu, Fe, Cr, Mo, Si, Ti, U, Zr, Pt, Au, Al, Mg, Mn, Rh, Ta, W, Ge, White brass, brass, and an alloy thereof.
예시적인 구현예에서, 상기 금속층은 1nm 내지 1mm 의 두께를 가질 수 있다.In an exemplary embodiment, the metal layer may have a thickness of 1 nm to 1 mm.
예시적인 구현예에서, 상기 금속층은 질화붕소 나노튜브의 합성 촉매 일 수 있다.In an exemplary embodiment, the metal layer may be a synthesis catalyst of boron nitride nanotubes.
예시적인 구현예에서, 상기 질화붕소 나노튜브 제조장치를 통해 제조된 질화붕소 나노튜브는 10nm 이하의 평균 직경을 가질 수 있다.In an exemplary embodiment, the boron nitride nanotubes prepared through the boron nitride nanotube production apparatus may have an average diameter of 10 nm or less.
예시적인 구현예에서, 상기 질소 공급 가스는 질소(N2), 암모니아(NH3) 및 운송 가스에 의해 운반되는 보라진(B3N3H6)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the nitrogen feed gas may include one or more selected from the group consisting of nitrogen (N 2 ), ammonia (NH 3 ), and borazine (B 3 N 3 H 6 ) carried by the carrier gas have.
본 발명의 다른 구현예에서, 반응 챔버 내에 버퍼 가스와 질소 공급 가스를 주입하는 단계; 및 상기 반응 챔버 내에 배치된 음극 전극봉 및 붕소 섬유와 금속층을 포함하는 양극 전극봉 사이에 아크 방전을 발생시켜 질화붕소 나노튜브를 제조하는 단계; 를 포함하는 질화붕소 나노튜브 제조 방법이 제공된다.In another embodiment of the present invention, there is provided a method comprising: injecting a buffer gas and a nitrogen feed gas into a reaction chamber; And generating an arc discharge between a cathode electrode disposed in the reaction chamber and an anode electrode including a metal layer and a boron fiber to produce a boron nitride nanotube; The present invention also provides a method for producing a boron nitride nanotube.
예시적인 구현예에서, 상기 방법은 양극 전극봉을 형성하는 단계;를 더 포함하며, 붕소 섬유는 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발이고, 상기 붕소 섬유 가닥 각각에 화학적 증착 공정 또는 물리적 증착 공정으로 상기 금속층을 적층하여 상기 양극 전극봉을 형성하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the method further comprises forming an anode electrode rod, wherein the boron fiber is a fiber bundle comprising a plurality of boron fiber strands, wherein each of the boron fiber strands is subjected to a chemical or physical vapor deposition process And the metal layer may be laminated to form the anode electrode.
예시적인 구현예에서, 상기 방법은 양극 전극봉을 형성하는 단계;를 더 포함하며, 상기 붕소 섬유는 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발이고 상기 금속층은 금속 박막이며, 상기 섬유 다발에 금속 박막을 코팅하여 상기 양극 전극봉을 형성하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the method further comprises forming an anode electrode bar, wherein the boron fiber is a fiber bundle comprising a plurality of boron fiber strands, the metal layer is a metal thin film, And then forming the anode electrode by coating.
예시적인 구현예에서, 상기 방법은 양극 전극봉을 형성하는 단계; 를 포함하며, 상기 붕소 섬유는 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발이고 상기 금속층은 도금 박막이며, 상기 섬유 다발에 무전해 도금 공정 혹은 전해 도금 공정을 수행하여 상기 섬유 다발 상에 상기 도금 박막을 형성하여 상기 양극 전극봉을 형성하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the method includes forming an anode electrode bar; Wherein the boron fiber is a fiber bundle comprising a plurality of boron fiber strands and the metal layer is a plated thin film and the electroless plating process or the electrolytic plating process is performed on the fiber bundle to form the plated thin film on the fiber bundle, To form the anode electrode bar.
예시적인 구현예에서, 상기 음극 전극봉 및 양극 전극봉 사이에는 10A 내지 180A의 전류 범위에서 10V 내지 100V의 전위차를 갖도록 전원이 인가될 수 있다. In an exemplary embodiment, power can be applied between the cathode electrode and the anode electrode to have a potential difference of 10 V to 100 V in a current range of 10A to 180A.
예시적인 구현예에서, 상기 반응 챔버는 2,000 내지 5,000℃의 온도를 가질 수 있다.In an exemplary embodiment, the reaction chamber may have a temperature of 2,000 to 5,000 占 폚.
예시적인 구현예에서, 상기 반응 챔버 내부의 압력은 1 mTorr 내지 5000 Torr 범위 내에 있을 수 있다.In an exemplary embodiment, the pressure inside the reaction chamber may be in the range of 1 mTorr to 5000 Torr.
본 발명의 일 구현예에 따른 질화붕소 제조 장치는 금속층 및 붕소 섬유를 포함하는 양극 전극봉을 포함할 수 있다. 이를 이용하는 경우, 공정 챔버 내에서의 전도성이 향상되고 금속층이 합성 촉매 역할을 수행하게 되어 미세 직경의 질화붕소 나노튜브를 단시간 내에 제조할 수 있다. The apparatus for producing boron nitride according to an embodiment of the present invention may include a metal layer and a cathode electrode including boron fiber. In this case, the conductivity in the process chamber is improved and the metal layer functions as a synthesis catalyst, so that the boron nitride nanotube having a fine diameter can be produced in a short time.
즉. 본원 발명의 양극 전극봉의 촉매 작용으로 인해 공정 챔버 내에서 붕소 섬유와 질소 공급 가스가 붕소와 질소로 효과적으로 분해되고, 이들이 서로 결합되어 질화붕소 나노튜브를 효율적으로 제조할 수 있다.In other words. Due to the catalytic action of the anode electrode of the present invention, the boron fiber and the nitrogen feed gas are effectively decomposed into boron and nitrogen in the process chamber, and they can be bonded together to efficiently produce the boron nitride nanotubes.
또한, 상기 질화붕소 제조 장치의 양극봉은 붕소 섬유를 포함하고, 상기 붕소 섬유는 붕소 전구체를 연속적으로 공급할 수 있다. 이에 따라, 상기 질화붕소 나노튜브의 제조 공정상에서 효율이 상승될 수 있다.In addition, the anode bar of the boron nitride producing apparatus includes boron fiber, and the boron fiber can continuously supply the boron precursor. Accordingly, the efficiency of the boron nitride nanotubes can be increased in the manufacturing process.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 질화붕소 나노튜브 제조 장치를 나타내는 개략도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 질화붕소 나노튜브의 투과전자현미경(TEM) 사진을 나타낸다. 도 2c는 본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 질화붕소 나노튜브의 전자에너지손실 분광법(EELS) 결과를 나타낸다.
도 3a 및 3b는 발명의 일 구현예에 따라 제조된 질화붕소 나노튜브에 대한X선 광전자 분광법(XPS)의 분석결과를 나타낸다. 1 is a schematic view showing an apparatus for manufacturing boron nitride nanotubes according to an embodiment of the present invention.
2A and 2B show transmission electron microscope (TEM) photographs of boron nitride nanotubes prepared according to an embodiment of the present invention. 2C shows electron energy loss spectroscopy (EELS) results of boron nitride nanotubes prepared according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 3A and 3B show the results of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis of boron nitride nanotubes prepared according to an embodiment of the present invention. FIG.
이하, 본 발명의 구현예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 구현예들이 첨부된 도면을 참고로 설명되었으나 이는 예시를 위하여 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 구성 및 적용이 제한되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, it is to be understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limiting the scope of the present invention.
본 명세서에서, “미세 직경”이란 10nm 이하의 직경을 의미하며, 0.0001nm 내지 10nm 범위의 직경을 의미한다.As used herein, "fine diameter" means a diameter of 10 nm or less, and means a diameter in the range of 0.0001 nm to 10 nm.
본 명세서에서, “붕소 섬유(boron fiber)”란 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발을 의미한다.As used herein, " boron fiber " means a fiber bundle comprising a plurality of boron fiber strands.
도 1은 질화붕소 나노튜브 제조 장치를 나타내는 개략도이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view showing an apparatus for producing a boron nitride nanotube. FIG.
도 1을 살펴보면, 질화붕소 나노튜브 제조 장치로서 아크 방전 장치가 사용되며, 이는 반응 챔버(100), 반응 챔버(100) 내에 위치하는 음극 전극봉(120), 음극 전극봉(120)과 아크 방전을 일으키는 양극 전극봉(130) 및 반응 챔버(100) 내에 버퍼 가스 및 질소 공급 가스 등을 주입하는 가스 주입구들(151,152) 을 포함한다.Referring to FIG. 1, an arc discharge device is used as an apparatus for producing boron nitride nanotubes, which includes a
한편, 반응 챔버(100) 내에는 내부 공간이 정의되며, 내부 공간에서는 아크 방전에 의한 질화붕소 나노튜브(BNNT)합성을 위해 버퍼가스 및 질소 공급 가스가 주입되어 아크 방전이 발생하여 질화붕소 나노튜브가 합성되고, 합성된 질화붕소 나노튜브는 공정챔버(100) 내부에 형성된다. 질화붕소 나노튜브 합성이 완료된 후에는 내부에 형성된 질화붕소 나노튜브를 포집하게 된다.Meanwhile, in the
공정챔버(100) 내에는 질화붕소 나노튜브 합성 시 아크 방전이 발생하는 음극 전극봉 및 양극 전극봉 (120, 130)이 배치된다.In the
음극 전극봉(120)과 양극 전극봉(130)은 길이 방향이 서로 일치하여, 끝단이 서로 마주보도록 배치될 수 있다.The
양극 전극봉(130)은 붕소 섬유 및 금속층을 포함할 수 있다. The
한편, 붕소 섬유는 아크 방전시 붕소의 공급원으로서의 역할을 수행할 수 있으며, 붕소, 붕소 질화물, 붕소 산화물, 붕산, 금속 붕화물, 암모니아 보란 및 이의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택된 1 이상이 섬유화된 물질을 포함할 수 있다. On the other hand, the boron fiber may serve as a source of boron in the arc discharge and may contain at least one fibrous material selected from the group consisting of boron, boron nitride, boron oxide, boric acid, metal boride, ammonia borane, .
붕소 섬유는 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발일 수 있다. 예를 들어, 붕소 섬유는 10 내지 10,000개의 붕소 섬유 가닥으로 이루어질 수 있다.The boron fiber may be a fiber bundle comprising a plurality of boron fiber strands. For example, the boron fiber may comprise 10 to 10,000 boron fiber strands.
붕소 섬유(즉, 붕소 섬유 다발)은 0.1 내지 1 cm의 직경을 가질 수 있으며, 바람직하게는 0.5 내지 0.7cm의 직경을 가질 수 있다. 붕소 섬유가 0.1 cm 미만의 직경을 갖는 경우 질화붕소 나노튜브의 생산성이 저하될 수 있으며, 1cm를 초과하는 경우 제조되는 질화붕소 나노튜브의 순도가 훨씬 낮아질 수 있다.The boron fiber (i.e., the boron fiber bundle) may have a diameter of 0.1 to 1 cm, and may preferably have a diameter of 0.5 to 0.7 cm. When the boron fiber has a diameter of less than 0.1 cm, the productivity of the boron nitride nanotube may deteriorate, and when the boron fiber exceeds 1 cm, the purity of the boron nitride nanotube to be produced may be much lower.
양극 전극봉(130) 내에서 금속층과 붕소 섬유는 다양한 형태로 결합할 수 있다.In the
예시적인 구현예에서, 금속층은 상기 붕소 섬유 가닥 각각에 적층된 것일 수 있다. 즉, 붕소 섬유의 다발을 구성하는 붕소 섬유 가닥 각각에 금속층이 적층된 것일 수 있다. 이 경우, 금속층은 상시 붕소 가닥에 화학적 증착 공정 또는 물리적 증착 공정으로 형성된 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, a metal layer may be deposited on each of the boron fiber strands. That is, a metal layer may be laminated on each of the boron fiber strands constituting the bundle of boron fibers. In this case, the metal layer may always be formed by a chemical vapor deposition process or physical vapor deposition process on the boron strand.
혹은 상기 붕소 섬유는 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발이고, 상기 금속층은 상기 섬유 다발 상에 도금된 도금 박막일 수도 있다. 이 경우, 상기 금속층은 상기 섬유 다발에 무전해 도금 공정 혹은 전해 도금 공정을 수행하여 형성된 것일 수 있다. Alternatively, the boron fiber is a fiber bundle including a plurality of boron fiber strands, and the metal layer may be a plated thin film plated on the fiber bundle. In this case, the metal layer may be formed by performing an electroless plating process or an electrolytic plating process on the fiber bundle.
일 구현예에서, 상기 도금 공정을 원할하게 수행하기 위하여, 붕소 섬유(즉, 섬유 다발) 에 제1 금속층을 형성하고, 상기 섬유 다발 상에 무전해 도금 공정 혹은 전해 도금 공정을 수행하여 도금 박막을 형성하여 금속층인 도금 박막이 코팅된 붕소 섬유를 포함하는, 양극 전극봉을 제조할 수도 있다.In one embodiment, in order to perform the plating process smoothly, a first metal layer is formed on boron fiber (i.e., a fiber bundle), and an electroless plating process or an electrolytic plating process is performed on the fiber bundle, And a boron fiber coated with a plated thin film which is a metal layer.
이와 달리, 금속층은 단순히 붕소 섬유(즉, 붕소 섬유 다발)을 둘러싸는 금속 박막일 수도 있다.Alternatively, the metal layer may simply be a thin metal film surrounding the boron fiber (i.e., the boron fiber bundle).
예시적인 구현예서, 금속층은 Ni, Cu, Fe, Cr, Mo, Si, Ti, U, Zr, Pt, Au, Al, Mg, Mn, Rh, Ta, W, Ge, 청동, 스테인레스 스틸, 백동 (White brass), 황동 (Brass) 및 이의 합금으로 이루어진 그룹에서 선택된 1 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 Ni 를 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the metal layer may comprise at least one of Ni, Cu, Fe, Cr, Mo, Si, Ti, U, Zr, Pt, Au, Al, Mg, Mn, Rh, Ta, W, Ge, White brass, brass, and an alloy thereof, and may preferably include Ni.
금속층은 1nm 내지 1mm의 두께를 갖도록 제조될 수 있으며, 바람직하게는 10nm 내지 500 μm의 두께를 갖도록 제조될 수 있다. 금속층이 1nm 미만의 두께를 갖는 경우 촉매 성능이 미비할 수 있으며, 1 mm를 초과하는 두께를 갖는 경우 붕소 섬유로부터 붕소가 증발되기 어려울 수 있다.The metal layer may be made to have a thickness of 1 nm to 1 mm, preferably 10 nm to 500 μm. Catalyst performance may be poor if the metal layer has a thickness of less than 1 nm, and boron may be difficult to evaporate from the boron fiber if the metal layer has a thickness greater than 1 mm.
한편, 음극 전극봉(120)으로서 사용될 수 있는 물질은 양극 전극봉(130)과 아크 방전을 일으킬 수 있는 물질이라면 특별히 제한되지 않으나, 탄소 재료(예를 들어, 그라파이트) 및/또는 금속을 포함하는 것이 바람직하다.The material that can be used as the
한편, 양극 전극봉(130)은 원기둥 형상의 봉 모양을 가지며, 길이 방향으로 직진 운동할 수 있도록 구성될 수 있으며 음극 전극봉(120)은 고정되어 있을 수 있다. 이를 위해, 양극 전극봉(130)에는 모터가 연결될 수 있다. 이처럼, 양극 전극봉(130)을 길이 방향으로 이동시키게 되면, 음극 전극봉(120)과의 거리 조절이 가능하게 되어, 아크 방전의 강도를 조절할 수 있게 된다.On the other hand, the
예시적인 구현예에서, 질화붕소 나노튜브 합성에 있어, 음극 전극봉 탄소봉 및 양극 전극봉 탄소봉(120, 130) 사이는 대략 10A 내지 180A의 전류 범위에서 10V 내지 100V의 전위차를 갖도록 전원이 인가되는 것이 바람직한데, 이에 한정되지는 않는다.In an exemplary embodiment, in the synthesis of boron nitride nanotubes, it is desirable that power is applied between the cathode and
한편, 반응 챔버(100) 외벽 혹은 내부에 가열 장치가 더 추가될 수도 있다(도시되지 않음). 가열 장치를 추가하는 경우, 질화붕소 나노튜브 합성 공정 시 내부공간의 온도를 일정 정도로 유지하도록 하여 질화붕소 나노튜브의 성장 시간을 길게 한다. 이에 따라, 비정질 탄소나 나노 파티클 등의 불순물 발생을 최대한 억제하여, 질화붕소 나노튜브의 수율 및 순도를 향상시킬 수 있게 된다.On the other hand, a heating device may be further added to the outer wall or the inside of the reaction chamber 100 (not shown). When a heating device is added, the temperature of the inner space is maintained at a certain level in the process of synthesizing the boron nitride nanotubes, thereby lengthening the growth time of the boron nitride nanotubes. Thus, the generation of impurities such as amorphous carbon and nanoparticles can be suppressed as much as possible, and the yield and purity of the boron nitride nanotubes can be improved.
또한, 공정챔버(100)에는, 내부공간에 가스를 주입하기 위한 가스주입구(151, 152)가 구비된다.In addition, the
도 1에는 2개의 가스 주입구가 도시되었으나, 가스 주입구(151, 152)는 다수가 구비될 수 있는데, 예를 들면, 버퍼 가스(G1)를 주입하기 위한 제1가스 주입구(151)와, 질소 공급 가스(G2)를 주입하기 위한 제2가스 주입구(152)가 구비될 수 있다.Although two gas injection ports are shown in FIG. 1, a plurality of
또한, 도 1에는 2개의 가스 주입구가 도시되었으나, 필요에 따라, 반응 챔버(100)에는 하나의 가스 주입구가 구비되고, 이 가스 주입구를 통해 버퍼가스 및 질소 공급 가스가 함께 주입되도록 구성될 수도 있다.Further, although two gas injection openings are shown in Fig. 1, if necessary, the
여기서, 버퍼가스(G1)는 수소(H2), 질소(N2), 헬륨(He) 가스 등을 포함할 수 있으며, 질소 공급 가스(G2)는 질소를 포함하는 것이면 제한되지 않으나, 질소(N2), 암모니아(NH3), 운송 가스에 의해 운반되는 액체 상태의 보라진(B3N3 H6) 등을 포함할 수도 있다.Here, the buffer gas (G1) may contain hydrogen (H 2), nitrogen (N 2), helium (He) gas, etc., but are not nitrogen feed gas (G2) is restricted so long as it contains nitrogen, nitrogen ( N 2 ), ammonia (NH 3 ), liquid state borazine transported by a carrier gas (B 3 N 3 H 6 ), and the like.
한편, 음극 전극봉 및 양극 전극봉에 전압을 인가하여 아크 방전을 발생시켜, 질화붕소 나노튜브를 생성할 수 있는데, 음극 전극봉 및 양극 전극봉 사이에는 10A 내지 180A의 전류 범위에서 10V 내지 100V의 전위차를 갖도록 전원이 인가될 수 있다.Meanwhile, a voltage is applied to the cathode electrode and the anode electrode bar to generate an arc discharge to generate a boron nitride nanotube. A voltage between 10 V and 100 V is applied between the cathode electrode and the anode electrode, Can be applied.
한편, 이와 같이 전원이 인가됨에 따라, 음극 전극봉으로부터 열전자가 방출되어 열플라즈마가 발생할 수 있으며, 이때 반응 챔버는 2,000 내지 5,000℃의 온도를 가질 수 있다On the other hand, as the power source is applied, thermoelectrons are emitted from the cathode electrode bar to generate thermal plasma. At this time, the reaction chamber may have a temperature of 2,000 to 5,000 ° C
음극 전극봉(120)으로부터 열전자가 방출되어 열플라즈마가 발생함에 따라, 양극 전극봉(130)에서는 붕소 섬유에서 붕소가 증발되어 붕소 공급체로서의 역할을 수행한다. 이때 붕소 섬유와 접하는 금속층이 양극 전극봉(130)의 전도성을 높이고, 촉매로서 역할을 수행하여 붕소 섬유가 보다 원활히 분해되도록 도모할 수 있다.As thermal electrons are emitted from the
또한, 반응 챔버의 높은 온도에 따라 질소 공급 가스가 분해되어 질소(N2) 가 형성되며, 질소(N2)와 붕소가 반응하여 질화붕소 나노튜브가 형성될 수 있다.Further, the nitrogen supply gas is decomposed to form nitrogen (N 2) according to the high temperature of the reaction chamber, and nitrogen (N 2) and boron react with each other to form boron nitride nanotubes.
이때, 양극 전극봉(130) 에서의 금속층이 질소 공급 가스가 더욱 낮은 에너지에서 분해되도록 도모할 수도 있어, 최종적으로 양극 전극봉(130)의 금속층이 붕소 섬유 및 질소 공급가스가 원활히 단시간에 분해되도록 보조할 수 있다.At this time, the metal layer in the
또한, 금속층은 질소(N2)와 붕소의 반응을 촉진시켜 질화붕소 나노튜브가 단시간에 형성될 수 있도록 촉진시키며, 이와 같이 질화붕소 나노튜브가 단시간에 형성됨에 따라 미세 직경을 갖는 질화붕소 나노튜브가 제조될 수 있다. The metal layer promotes the reaction between nitrogen (N 2) and boron to promote the formation of boron nitride nanotubes in a short period of time. As the boron nitride nanotubes are formed in a short time, the boron nitride nanotubes .
일반적으로, 질화붕소 나노튜의 반응시간이 길어지는 경우, 질화붕소 나노튜브가 보다 성장하면서 여러 개의 층을 가지는 질화붕소 나노튜브가 제조될 수 있다. 이? 질화붕소 나노튜브는 층이 증가할수록 직경이 증가하며, 직경이 증가하는 만큼 질화붕소 나노튜브가 가지는 특성이 저하된다. 한편, 본 발명의 구현예에 따른 질화붕소 나노튜브의 제조 방법에 따르면, 단기간에 질화붕소 나노튜브가 형성되므로, 적은 층수 및 작은 직경을 갖는 질화붕소 나노튜브를 제조할 수 있다. Generally, when the reaction time of the boron nitride nanotubes is prolonged, boron nitride nanotubes having multiple layers can be produced while the boron nitride nanotubes grow more. this? The diameter of the boron nitride nanotubes increases with an increase in the number of layers, and the characteristics of the boron nitride nanotubes decrease as the diameter increases. Meanwhile, according to the method for producing a boron nitride nanotube according to an embodiment of the present invention, since boron nitride nanotubes are formed in a short period of time, boron nitride nanotubes having a small number of layers and small diameters can be manufactured.
본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 질화붕소 나노튜브는 10 nm 이하의 평균 직경을 갖도록 제조될 수 있으며, 바람직하게는 1nm 내지 10nm의 평균 직경을 갖도록 제조될 수 있다. The boron nitride nanotubes prepared according to one embodiment of the present invention may be prepared to have an average diameter of 10 nm or less, preferably, an average diameter of 1 nm to 10 nm.
한편, 상술한 질화붕소 나노튜브 제조장치를 이용하여 질화붕소 나노튜브를 제조하는 방법을 설명한다. 한편, 본 질화붕소 나노튜브의 제조 방법은 전술한 질화붕소 나노튜브 제조 장치와 동일 내지 유사한 구성을 포함하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.On the other hand, a method for producing boron nitride nanotubes by using the above-described apparatus for producing boron nitride nanotubes will be described. Meanwhile, the method for manufacturing the present boron nitride nanotube includes the same or similar structure as the above-described boron nitride nanotube production apparatus, and thus a detailed description thereof will be omitted.
본 발명의 일 구현예에서, 반응 챔버 내에 버퍼 가스와 질소 공급 가스를 주입하는 단계; 및 상기 반응 챔버 내에 배치된 음극 전극봉 및 붕소 섬유와 금속층을 포함하는 양극 전극봉 사이에 아크 방전을 발생시켜 질화붕소 나노튜브를 제조하는 단계; 를 포함하는 질화붕소 나노튜브 제조 방법이 제공된다. In one embodiment of the present invention, there is provided a method comprising: injecting a buffer gas and a nitrogen feed gas into a reaction chamber; And generating an arc discharge between a cathode electrode disposed in the reaction chamber and an anode electrode including a metal layer and a boron fiber to produce a boron nitride nanotube; The present invention also provides a method for producing a boron nitride nanotube.
먼저, 양극 전극봉을 제조하는 방법부터 살펴본다.First, a method for manufacturing the positive electrode electrode will be described.
예시적인 구현예에서, 양극 전극봉은 금속층 및 붕소섬유를 포함하고, 붕소 섬유는 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발일 수 있다. 양극 전극봉은, 예를 들어 3가지의 방법으로 제조될 수 있다.In an exemplary embodiment, the anode electrode rod comprises a metal layer and a boron fiber, and the boron fiber may be a fiber bundle comprising a plurality of boron fiber strands. The anode electrode rod can be manufactured, for example, by three methods.
일 예로, 붕소 섬유 가닥 각각에 화학 기상 증착(CVD) 공정 또는 물리적 기상 증착 공정(PVD) 공정을 통해 금속층을 적층하여 붕소 섬유 가닥 각각에 적층된 금속층을 포함하는 양극 전극봉을 제조할 수 있다. 즉, 양극 전극봉 내에서의 붕소 섬유는 복수 개의 금속층이 적층된 복수 개의 붕소 섬유 가닥들을 포함할 수 있다.For example, a metal layer may be laminated to each of the boron fiber strands through a chemical vapor deposition (CVD) process or a physical vapor deposition process (PVD) process to produce a positive electrode electrode including a metal layer laminated on each of the boron fiber strands. That is, the boron fiber in the anode electrode rod may include a plurality of boron fiber strands in which a plurality of metal layers are laminated.
이때, CVD 공정 혹은 PVD 공정의 금속 소스로서 Ni, Cu, Fe, Cr, Mo, Si, Ti, U, Zr, Pt, Au, Al, Mg, Mn, Rh, Ta, W, Ge, 청동, 스테인레스 스틸, 백동 (White brass), 황동 (Brass) 및 이의 합금으로 이루어진 그룹에서 선택된 1 이상을 사용할 수 있다.At this time, as a metal source of the CVD process or the PVD process, a metal such as Ni, Cu, Fe, Cr, Mo, Si, Ti, U, Zr, Pt, Au, Al, Mg, Mn, Rh, Ta, W, Ge, Steel, white brass, brass, and alloys thereof may be used.
혹은, 붕소 섬유 가닥을 포함하는 붕소 섬유(즉, 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발)에 무전해 도금 공정 혹은 전해 도금 공정을 수행하여 상기 섬유 다발 상에 상기 도금 박막을 적층시켜 양극 전극봉을 제조할 수도 있다. 이 경우, 금속층은 도금 박막일 수 있으며, 양극 전극봉은 붕소 섬유의 섬유 다발 및 이를 둘러싸고 있는 도금 박막(금속층)을 포함할 수 있다.Alternatively, an electroless plating process or an electrolytic plating process is performed on the boron fiber (that is, the fiber bundle including the boron fiber strand) including the boron fiber strand to laminate the plating thin film on the fiber bundle to manufacture the anode electrode rod It is possible. In this case, the metal layer may be a plated thin film, and the anode electrode rod may comprise a fiber bundle of boron fibers and a plated thin film (metal layer) surrounding the bundle.
이와 달리, 상기 양극 전극봉은 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발 상에 금속 박막을 단순히 코팅하여 형성된 것일 수도 있다. 이 경우 금속층은 붕소 섬유 상에 코팅된 금속 박막일 수 있다.Alternatively, the anode electrode rod may be formed by simply coating a metal thin film on a fiber bundle including a boron fiber strand. In this case, the metal layer may be a metal thin film coated on the boron fiber.
한편, 양극 전극봉을 형성한 이후, 어닐링(annealing) 공정을 추가적으로 수행할 수도 있다. 상기 어닐링 공정을 수행함에 따라, 금속층의 표면이 클리닝되고, 금속층의 결정 면에서의 크기 및 밀도가 조절될 수 있다.On the other hand, after the anode electrode is formed, an annealing process may be further performed. By performing the annealing process, the surface of the metal layer can be cleaned, and the size and density of the metal layer on the crystal plane can be controlled.
예시적인 구현예에서, 상기 어닐링 공정은 퍼니스(furnace) 내에서 수행될 수 있으며, 상기 퍼니스 내부는 1 내지 2 bar의 압력으로 유지되며, 800 내지 1,500℃의 온도 조건 하에 수행될 수 있다. 또한, 상기 어닐링 공정은 30분 내지 2시간 동안 수행될 수 있다. In an exemplary embodiment, the annealing process may be performed in a furnace, the furnace interior is maintained at a pressure of 1 to 2 bar, and may be performed at a temperature of 800 to 1,500 ° C. Also, the annealing process may be performed for 30 minutes to 2 hours.
이후, 반응 챔버 내에 배치된 음극 전극봉 및 붕소 섬유와 금속층을 포함하는 양극 전극봉 사이에 아크 방전을 발생시켜 질화붕소 나노튜브를 제조한다.Thereafter, arc discharge is generated between the cathode electrode rod disposed in the reaction chamber and the anode electrode rod including the boron fiber and the metal layer to produce the boron nitride nanotube.
구체적으로, 상기 양극 전극봉을 반응 챔버 내에 배치시킨 후, 반응 챔버 내에 버퍼 가스와 질소 공급 가스를 주입하고, 반응 챔버 내에 배치된 음극 전극봉과 붕소 섬유 및 금속층을 포함하는 양극 전극봉 사이에 아크 방전을 발생시켜 질화붕소 나노튜브를 제조한다.Specifically, after the anode electrode rod is disposed in the reaction chamber, a buffer gas and a nitrogen supply gas are injected into the reaction chamber, and an arc discharge is generated between the anode electrode rod disposed in the reaction chamber and the anode electrode rod including the boron fiber and the metal layer To produce a boron nitride nanotube.
예시적인 구현예에서, 상기 반응 챔버에 주입되는 가스들은 각각 1 내지 10, 000 cm3 / min의 유량으로 공급될 수 있으며, 반응 챔버 내부의 압력은 1mTorr 내지 5,000 Torr로 유지될 수 있다.In an exemplary embodiment, the gases injected into the reaction chamber may each be supplied at a flow rate of 1 to 10,000 cm 3 / min, and the pressure inside the reaction chamber may be maintained at 1 mTorr to 5,000 Torr.
한편, 음극 전극봉 및 양극 전극봉에 전압을 인가하여 아크 방전을 발생시켜, 질화붕소 나노튜브를 생성할 수 있는데, 음극 전극봉 및 양극 전극봉 사이에는 10A 내지 180A의 전류 범위에서 10V 내지 100V의 전위차를 갖도록 전원이 인가될 수 있다.Meanwhile, a voltage is applied to the cathode electrode and the anode electrode bar to generate an arc discharge to generate a boron nitride nanotube. A voltage between 10 V and 100 V is applied between the cathode electrode and the anode electrode, Can be applied.
또한, 이와 같이 전원이 인가됨에 따라, 음극 전극봉으로부터 열전자가 방출되어 열플라즈마가 발생할 수 있으며, 이때 반응 챔버는 2,000 내지 5,000℃의 온도를 가질 수 있다. 상기 온도 범위를 벗어나는 경우 질화붕소 나노튜브의 제조 효율이 적절하지 않을 수 있다. In addition, as the power source is applied, thermal electrons are emitted from the cathode electrode to generate thermal plasma, and the reaction chamber may have a temperature of 2,000 to 5,000 ° C. If the temperature is out of the above temperature range, the production efficiency of the boron nitride nanotubes may be inadequate.
아크 방전이 수행되어 음극 전극봉으로부터 열전자가 도출됨에 따라, 붕소 섬유가 분해되어 붕소가 형성되고, 이는 질소 공급 가스가 분해되어 형성된 질소와 반응하여 질화붕소 나노튜브가 제조될 수 있다. 이때, 양극 전극봉에 존재하고 있던 금속층이 질화붕소 나노튜브 제조시 촉매역할을 수행하여 미세 직경의 질화붕소 나노튜브가 보다 단시간으로 제조될수록 도모할 수 있다.As the arc discharge is performed and the thermoelectrons are led out from the cathode electrode rod, the boron fiber is decomposed to form boron, which reacts with the nitrogen formed by the decomposition of the nitrogen supply gas to produce the boron nitride nanotubes. At this time, the metal layer existing in the anode electrode rod functions as a catalyst in the production of the boron nitride nanotubes, so that the boron nitride nanotubes having a finer diameter can be manufactured in a shorter time.
한편, 질화붕소 나노튜브가 제조된 뒤에, 반응 챔버와 연결된 가열 장치를 가동시켜 열정제를 추가적으로 수행할 수도 있다. 이에 따라, 반응 챔버 내부의 불순물을 제거하여 질화붕소 나노튜브의 순도를 향상시킬 수 있게 된다. After the boron nitride nanotubes are manufactured, a heating apparatus connected to the reaction chamber may be operated to additionally perform a heat treatment. Accordingly, the purity of the boron nitride nanotubes can be improved by removing impurities in the reaction chamber.
본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 질화붕소 나노튜브의 제조 방법에 따르면, 양극 전극봉의 촉매 작용으로 인해 반응 챔버 내에서 붕소 섬유와 질소 공급 가스를 효과적으로 각각 붕소와 질소로 분해하고, 이들을 서로 결합시켜 질화붕소 나노튜브를 효율적으로 단시간 내에 제조할 수 있다. 또한, 미세 직경을 갖는 질화붕소 나노튜브가 제조될 수 있다. 상기 질화붕소 나노튜브는 10 nm 이하의 평균 직경을 갖도록 제조될 수 있으며, 바람직하게는 1nm 내지 10nm의 평균 직경을 갖도록 제조될 수 있다. According to the method for producing a boron nitride nanotube according to one embodiment of the present invention, the boron fiber and the nitrogen supply gas are effectively decomposed into boron and nitrogen in the reaction chamber due to the catalytic action of the anode electrode, The boron nitride nanotubes can be efficiently produced in a short time. In addition, boron nitride nanotubes having a fine diameter can be produced. The boron nitride nanotubes may be prepared to have an average diameter of 10 nm or less, and preferably have an average diameter of 1 nm to 10 nm.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예들에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are only for illustrating the present invention and that the scope of the present invention is not construed as being limited by these embodiments.
실시예Example
실시예 1 : 물리적증착법을이용한양극 전극봉제조방법Example 1: Manufacturing method of anode electrode using physical vapor deposition method
물리적증착법(PVD)을 이용하여 붕소 섬유 가닥 상에 니켈 금속을 코팅하였다. 100 um 직경을 가지는 붕소 섬유 가닥을 20 cm 길이 400 개로 절단 후, 웨이퍼 기판 위에 고정 후 전자빔 증발기(E-beam evaporator) 장치 챔버 내부에 설치하였다. 금속의 타켓은 Ni 금속을 사용하였으며, 코팅의 속도는 1.5 A/s, 코팅의 최종 두께는 1um로 설정하였다. 전자빔 증발기를 이용한 붕소 섬유 가닥 후에는 400개의 붕소 섬유 가닥을 모아 전극 막대의 형태를 갖도록 제조하여 양극 전극봉을 제조하였다.Physical vapor deposition (PVD) was used to coat nickel metal on the boron fiber strand. Boron fiber strands having a diameter of 100 mu m were cut into 400 pieces each having a length of 20 cm, fixed on a wafer substrate, and then installed in an E-beam evaporator chamber. The metal target was Ni metal, the coating speed was 1.5 A / s, and the final thickness of the coating was 1 um. After the boron fiber strand using the electron beam evaporator, 400 boron fiber strands were gathered to have an electrode rod shape, and a cathode electrode was manufactured.
실시예 2 : 금속 박막을포함하는 양극 전극봉제조방법Example 2: A method for producing a positive electrode including a metal thin film
알루미늄(Al) 박막을 이용하여 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발을 감싸 전도성이 향상된 양극 전극봉을 제조하였다. 100 um 직경을 가지는 붕소 섬유 가닥을 20 cm 길이 400 개로 절단 후, 하나로 모아 다발 형태를 만든 후 20 cm X 20 cm 크기의 알루미늄 박막의 끝에 붕소 섬유 다발을 고정 한다. 알루미늄 박막 끝에 위치한 붕소 섬유 다발을 천천히 감싸며 하나의 원기둥의 막대 형태로 모양을 유지시켜 양극 전극봉을 제조하였다.Aluminum (Al) thin films were used to wrap the bundles of fibers containing boron fiber strands to produce anode electrodes with improved conductivity. Boron fiber strands having a diameter of 100 .mu.m are cut into 400 pieces each having a length of 20 cm and then bundled into one bundle to form a bundle of boron fibers at the ends of a 20 cm.times.20 cm aluminum film. The anode electrode rod was fabricated by slowly wrapping a bundle of boron fibers located at the end of the aluminum thin film and maintaining the shape of a single cylindrical bar.
실시예 3 : 도금 박막을 포함하는양극 전극봉 제조방법Example 3: A method for producing a positive electrode including a plated thin film
무전해 도금을 이용하여 붕소 섬유 다발 표면에 구리 금속을 코팅하였다. 무전해 도금에 사용되는 붕소 섬유 다발은 구리 도금의 자가 촉매 성질을 이용하기 위해, 전자빔 증발기(E-beam evaporator)를 이용하여 붕소 섬유 다발 상에 구리를 50 nm 코팅하였다. 도금에 사용되는 구리염은 황산구리 (CuSO4)를 사용하며 구리 이온농도는 3.0 g/L을 유지한다. pH 조절제는 수산화나트륨 (NaOH)을 이용하며 pH=12.5를 유지한다. 환원제는 포름알데히드(HCHO)를 사용하며 농도는 16 mL/L를 유지한다. 이러한 도금의 용액은 도금 욕조에 담기며, 도금 욕조는 가열 교반기를 사용하여 온도=40 ℃, 교반의 속도는 50 rpm을 유지한다. 이후에 전자빔 증발기를 이용하여 구리 금속이 코팅된 붕소 섬유 다발 도금 용액에 담궈 도금을 실행한다. 총 도금의 시간은 60분으로 한다. 이에 따라, 붕소 섬유 다발 상에 형성된 도금 박막을 포함하는 양극 전극봉을 제조하였다.Copper metal was coated on the surface of the boron fiber bundle using electroless plating. The boron fiber bundles used for the electroless plating were coated with 50 nm of copper on the boron fiber bundles using an electron beam evaporator (E-beam evaporator) to utilize the self-catalytic properties of the copper plating. The copper salt used for plating is copper sulfate (CuSO 4 ) and the copper ion concentration is maintained at 3.0 g / L. The pH adjuster is sodium hydroxide (NaOH) and maintains pH = 12.5. Formaldehyde (HCHO) is used as the reducing agent and the concentration is maintained at 16 mL / L. This plating solution is placed in a plating bath, and the plating bath is maintained at a temperature of 40 DEG C and a stirring speed of 50 rpm using a heating stirrer. Thereafter, plating is performed by immersing the substrate in a boron fiber bundle plating solution coated with a copper metal using an electron beam evaporator. The total plating time is 60 minutes. Thus, a positive electrode electrode including a plated thin film formed on a bundle of boron fibers was produced.
실시예 4 : 아크방전을이용한질화붕소 나노튜브 제조방법Example 4: Manufacturing method of boron nitride nanotubes by arc discharge
상기 실시예 1에서 만들어진 양극 전극봉을 사용하였다. 이때 양극 전극봉의 붕소 섬유는 붕소의 공급원으로 사용되고 표면에 코팅된 니켈 금속은 전도성을 향상시키는 역할을 한다. The positive electrode electrode prepared in Example 1 was used. At this time, the boron fiber of the anode electrode rod is used as a source of boron, and the nickel metal coated on the surface serves to improve the conductivity.
제조된 양극 전극을 반응 챔버 내부 공간에 설치하고, 설치 후 내부의 압력은 5.0 X 10-3 Torr 이하의 진공상태를 유지시켰다.The prepared positive electrode was installed in the space inside the reaction chamber, and the inside pressure was kept at a vacuum of 5.0 X 10 < -3 > Torr or less.
한편, 음극 전극봉은 그라파이트로 만들어지며 챔버 내부에 고정되었다. 양극 전극봉은 음극 전극봉 방향으로 가까워지면 일정 거리에서 열전자가 방출되고 챔버 내부의 플라즈마 가스와 충돌하여 열플라즈마를 발생시켰다. 실시예 4에서는 전압 30V, 전류 40A를 사용하였고, 안정된 플라즈마를 발생시키기 위해서 헬륨가스를 사용하였다. 즉, 반응 챔버 내부로 버퍼가스로서 헬륨가스가 400 SCCM, 질소 공급 가스로서 암모니아 가스가 400 SCCM 으로 1:1 비율로 하나 이상의 유입구를 통해 공급되었다. 다른 하나 이상의 유입구로 헬륨가스와 암모니아 가스가 지속적으로 배출되면서 챔버 내부의 압력은 760 Torr를 유지시켰다. On the other hand, the cathode electrode rod was made of graphite and fixed inside the chamber. When the anode electrode was moved toward the cathode electrode, thermoelectrons were emitted at a certain distance and collided with the plasma gas in the chamber to generate thermal plasma. In Example 4, a voltage of 30 V and a current of 40 A were used, and helium gas was used to generate a stable plasma. That is, 400 SCCM of helium gas as buffer gas and 400 SCCM of ammonia gas as nitrogen feed gas were fed into the reaction chamber through one or more inlets at a ratio of 1: 1. The pressure inside the chamber was maintained at 760 Torr as helium gas and ammonia gas were continuously discharged into the at least one other inlet.
음극 전극봉으로부터 열전자의 방출로 열플라즈마가 발생하며 이때의 온도는 3500℃ 를 유지시켰다. 열전자 및 플라즈마의 높은 온도에 의해 양극 전극봉 내의 붕소 섬유는 증발하여 붕소를 공급하였다. 또한 붕소 섬유 표면의 니켈 금속은 촉매로써도 역할을 하여 질소 공급원인 암모니아 가스를 더욱 낮은 에너지에서 분해시키는 역할을 수행하고, 이로 인해 질화붕소 나노튜브의 생성이 더욱 촉진되었다. 챔버 내부의 암모니아 가스는 높은 열 및 니켈의 촉매 작용에 의해 분해되어 질소를 공급하였다. 분해된 붕소와 질소는 서로 결합하여 질화붕소 나노튜브를 형성하였다. 형성된 질화붕소 나노튜브는 챔버 내부 표면에서 수집되었다.A thermal plasma was generated from the cathode electrode rod by the release of the thermal electrons, and the temperature at this time was maintained at 3500 ° C. Due to the high temperature of the thermoelectrons and plasma, the boron fibers in the anode electrode were evaporated to supply boron. In addition, the nickel metal on the surface of the boron fiber serves also as a catalyst to decompose ammonia gas, which is a nitrogen supply source, at a lower energy level, thereby further promoting the formation of boron nitride nanotubes. The ammonia gas inside the chamber was decomposed by the catalytic action of high heat and nickel to supply nitrogen. The decomposed boron and nitrogen combine with each other to form boron nitride nanotubes. The formed boron nitride nanotubes were collected on the inner surface of the chamber.
실험예:제조된보론나이트라이드나노튜브(BNNT)의물성분석결과Experimental Example: Analysis of physical properties of the prepared boron nitride nanotubes (BNNT)
SEM 장비에서의 옵션기능 중 하나인 EDS(에너지분산형 분광분석법)를 통하여 실시예에 따라 제조된 샘플의 조성을 측정하여 표 1에 나타내었다.The composition of samples prepared according to the examples was measured by EDS (Energy Dispersive Spectroscopy), which is one of the optional functions in the SEM equipment, and is shown in Table 1.
표 1을 살펴보면, 샘플이 붕소과 질소로 이루어진 것을 확인할 수 있었으며 이에 따라“질화붕소 나노튜브”가 생성됨을 확인할 수 있었다.As shown in Table 1, it was confirmed that the sample was composed of boron and nitrogen, and thus it was confirmed that "boron nitride nanotube" was produced.
또한,실시예에 따라 제조된 질화붕소 나노튜브 샘플을 TEM(투과전자현미경)을 이용하여 형태를 분석하여 도 2a 및 도 2b에 나타내었다. 도 2a 및 2b를 살펴보면, 질화붕소 나노튜브 샘플은 나노미터 단위의 튜브 형태를 이루고 있으며, 평균 직경이 10nm이하인 것을 확인하였다. 또한 분석결과에 보충을 위하여 TEM의 옵션 기능 중에 하나인 EELS(전자에너지손실 분광법)을 이용하여 샘플의 원소를 분석하여 도 2c에 나타내었는데, 도 2c에서도 역시 제조된 질화붕소 나노튜브 샘플이 붕소와 질소로 이루어진 것을 확인하였다.The morphology of the boron nitride nanotube sample prepared according to the embodiment was analyzed using a TEM (transmission electron microscope), and it is shown in FIGS. 2A and 2B. Referring to FIGS. 2A and 2B, the boron nitride nanotube sample has a nanometer-unit tube shape and has an average diameter of 10 nm or less. In addition, in order to supplement the analysis results, the elements of the sample are analyzed using EELS (Electron Energy Loss Spectroscopy), which is one of the optional functions of the TEM, as shown in FIG. 2C. Also in FIG. 2C, the boron nitride nanotube sample, Nitrogen.
한편, 도 3a 및 3b는 실시예에 따라 제조된 질화붕소 나노튜브를 X선 광전자 분광법을 이용하여 질화붕소 나노튜브를 구성하는 원소와 화학결합상태를 파악한 것이다. 도 3a는 질화붕소 나노튜브에서 붕소가 확인되었고 또한 붕소가 질소와 결합되어있다는 것을 나타낸다. 도 3b는 질화붕소 나노튜브에서 질소가 확인되었고 또한 질소가 붕소와 결합되어있다는 것을 나타낸다. 이로써 제조된 질화붕소 나노튜브가 붕소와 질소가 서로 결합되어있는 구조라는 것을 확인하였다. 3A and 3B illustrate the state of chemical bonding between the boron nitride nanotube manufactured according to the embodiment and the element constituting the boron nitride nanotube by X-ray photoelectron spectroscopy. Figure 3a shows that boron was identified in boron nitride nanotubes and that boron is also bound to nitrogen. FIG. 3B shows that nitrogen was confirmed in the boron nitride nanotubes and nitrogen was bonded to the boron. It was confirmed that the boron nitride nanotube thus produced had a structure in which boron and nitrogen were bonded to each other.
앞에서 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.The embodiments of the present invention described above should not be construed as limiting the technical idea of the present invention. The scope of protection of the present invention is limited only by the matters described in the claims, and those skilled in the art will be able to modify the technical idea of the present invention in various forms. Accordingly, such improvements and modifications will fall within the scope of protection of the present invention as long as it is obvious to those skilled in the art.
100: 반응 챔버
120: 음극 전극봉
130: 양극 전극봉
151: 제1 가스 주입구
152: 제2 가스 주입구100: reaction chamber
120: cathode electrode rod
130: positive electrode
151: first gas inlet
152: second gas inlet
Claims (20)
상기 반응 챔버 내에 위치하는 음극 전극봉;
상기 음극 전극봉 전극과 아크 방전을 일으키는 양극 전극봉으로서, 붕소 섬유 및 금속층을 포함하는 양극 전극봉; 및
상기 반응 챔버 내에 버퍼 가스 및 질소 공급 가스를 주입하는 가스 주입구;를 포함하며,
상기 붕소 섬유는 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발이고,
상기 붕소 섬유 가닥 각각에 상기 금속층이 적층된 것인 질화붕소 나노튜브 제조 장치.A reaction chamber;
A cathode electrode rod positioned in the reaction chamber;
An anode electrode rod including a boron fiber and a metal layer as an anode electrode rod for causing an arc discharge with the cathode electrode electrode; And
And a gas injection port for injecting a buffer gas and a nitrogen supply gas into the reaction chamber,
Wherein the boron fiber is a fiber bundle comprising a plurality of boron fiber strands,
And the metal layer is laminated on each of the boron fiber strands.
상기 금속층은 화학적 증착 공정 또는 물리적 증착 공정을 통해 상기 붕소 섬유 가닥 적층된 것인 질화붕소 나노튜브 제조 장치.The method according to claim 1,
Wherein the metal layer is laminated with the boron fiber strands through a chemical vapor deposition process or a physical vapor deposition process.
상기 반응 챔버 내에 위치하는 음극 전극봉;
상기 음극 전극봉 전극과 아크 방전을 일으키는 양극 전극봉으로서, 붕소 섬유 및 금속층을 포함하는 양극 전극봉; 및
상기 반응 챔버 내에 버퍼 가스 및 질소 공급 가스를 주입하는 가스 주입구;를 포함하며,
상기 붕소 섬유는 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발이고,
상기 금속층은 상기 섬유 다발을 둘러싸는 금속 박막인 질화붕소 나노튜브 제조 장치.A reaction chamber;
A cathode electrode rod positioned in the reaction chamber;
An anode electrode rod including a boron fiber and a metal layer as an anode electrode rod for causing an arc discharge with the cathode electrode electrode; And
And a gas injection port for injecting a buffer gas and a nitrogen supply gas into the reaction chamber,
Wherein the boron fiber is a fiber bundle comprising a plurality of boron fiber strands,
Wherein the metal layer is a metal thin film surrounding the fiber bundle.
상기 반응 챔버 내에 위치하는 음극 전극봉;
상기 음극 전극봉 전극과 아크 방전을 일으키는 양극 전극봉으로서, 붕소 섬유 및 금속층을 포함하는 양극 전극봉; 및
상기 반응 챔버 내에 버퍼 가스 및 질소 공급 가스를 주입하는 가스 주입구;를 포함하며,
상기 붕소 섬유는 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발이고,
상기 금속층은 상기 섬유 다발 상에 도금된 도금 박막인 질화붕소 나노튜브 제조 장치.A reaction chamber;
A cathode electrode rod positioned in the reaction chamber;
An anode electrode rod including a boron fiber and a metal layer as an anode electrode rod for causing an arc discharge with the cathode electrode electrode; And
And a gas injection port for injecting a buffer gas and a nitrogen supply gas into the reaction chamber,
Wherein the boron fiber is a fiber bundle comprising a plurality of boron fiber strands,
Wherein the metal layer is a plated thin film plated on the fiber bundle.
상기 금속층은 무전해 도금 공정 혹은 전해 도금 공정을 통해 섬유 다발 상에 도금된 도금 박막인 질화붕소 나노튜브 제조 장치.5. The method of claim 4,
Wherein the metal layer is a plated thin film plated on a fiber bundle through an electroless plating process or an electrolytic plating process.
상기 붕소 섬유는 붕소, 붕소 질화물, 붕소 산화물, 붕산, 금속 붕화물, 암모니아 보란 및 이의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택된 1 이상을 포함하는 질화붕소 나노튜브 제조 장치.6. The method according to any one of claims 1 to 5,
Wherein the boron fiber comprises at least one selected from the group consisting of boron, boron nitride, boron oxide, boric acid, metal boride, ammonia borane, and mixtures thereof.
상기 붕소 섬유는 0.1 내지 1cm의 직경을 갖고, 1cm 내지 1m의 길이를 갖는 것인 질화붕소 나노튜브 제조 장치.6. The method according to any one of claims 1 to 5,
Wherein the boron fiber has a diameter of 0.1 to 1 cm and a length of 1 cm to 1 m.
상기 금속층은 Ni, Cu, Fe, Cr, Mo, Si, Ti, U, Zr, Pt, Au, Al, Mg, Mn, Rh, Ta, W, Ge, 청동, 스테인레스 스틸, 백동 (White brass), 황동 (Brass) 및 이의 합금으로 이루어진 그룹에서 선택된 1 이상을 포함하는 질화붕소 나노튜브 제조 장치.6. The method according to any one of claims 1 to 5,
The metal layer may be at least one of Ni, Cu, Fe, Cr, Mo, Si, Ti, U, Zr, Pt, Au, Al, Mg, Mn, Rh, Ta, W, Ge, bronze, stainless steel, At least one selected from the group consisting of brass and an alloy thereof.
상기 금속층은 1nm 내지 1mm의 두께를 갖는 질화붕소 나노튜브 제조 장치.6. The method according to any one of claims 1 to 5,
Wherein the metal layer has a thickness of 1 nm to 1 mm.
상기 금속층은 질화붕소 나노튜브의 합성 촉매인 질화붕소 나노튜브 제조 장치.6. The method according to any one of claims 1 to 5,
Wherein the metal layer is a synthesis catalyst of boron nitride nanotubes.
상기 질화붕소 나노튜브 제조장치를 통해 제조된 질화붕소 나노튜브는 10nm 이하의 평균 직경을 갖는 질화붕소 나노튜브 제조 장치.6. The method according to any one of claims 1 to 5,
Wherein the boron nitride nanotubes produced through the boron nitride nanotube production apparatus have an average diameter of 10 nm or less.
상기 질소 공급 가스는 질소(N2), 암모니아(NH3) 및 운송 가스에 의해 운반되는 보라진(B3N3H6)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 질화붕소 나노튜브 제조 장치.6. The method according to any one of claims 1 to 5,
Wherein the nitrogen feed gas comprises at least one selected from the group consisting of nitrogen (N 2 ), ammonia (NH 3 ), and borazine (B 3 N 3 H 6 ) carried by the carrier gas.
상기 반응 챔버 내에 배치된 음극 전극봉 및 붕소 섬유와 금속층을 포함하는 양극 전극봉 사이에 아크 방전을 발생시켜 질화붕소 나노튜브를 제조하는 단계; 및
양극 전극봉을 형성하는 단계;를 포함하며,
붕소 섬유는 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발이고,
상기 붕소 섬유 가닥 각각에 화학적 증착 공정 또는 물리적 증착 공정으로 상기 금속층을 적층하여 상기 양극 전극봉을 형성하는 것을 포함하는 질화붕소 나노튜브 제조 방법.Injecting a buffer gas and a nitrogen feed gas into the reaction chamber;
Generating arc discharge between a cathode electrode disposed in the reaction chamber and an anode electrode including a metal layer and a boron fiber to produce a boron nitride nanotube; And
And forming an anode electrode rod,
The boron fiber is a fiber bundle comprising a plurality of boron fiber strands,
And laminating the metal layer on each of the boron fiber strands by a chemical vapor deposition process or a physical vapor deposition process to form the anode electrode bar.
상기 반응 챔버 내에 배치된 음극 전극봉 및 붕소 섬유와 금속층을 포함하는 양극 전극봉 사이에 아크 방전을 발생시켜 질화붕소 나노튜브를 제조하는 단계; 및
양극 전극봉을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 붕소 섬유는 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발이고 상기 금속층은 금속 박막이며,
상기 섬유 다발에 금속 박막을 코팅하여 상기 양극 전극봉을 형성하는 것을 포함하는 질화붕소 나노튜브 제조 방법.Injecting a buffer gas and a nitrogen feed gas into the reaction chamber;
Generating arc discharge between a cathode electrode disposed in the reaction chamber and an anode electrode including a metal layer and a boron fiber to produce a boron nitride nanotube; And
And forming an anode electrode rod,
Wherein the boron fiber is a fiber bundle comprising a plurality of boron fiber strands and the metal layer is a metal thin film,
And coating a metal thin film on the fiber bundle to form the anode electrode bar.
상기 반응 챔버 내에 배치된 음극 전극봉 및 붕소 섬유와 금속층을 포함하는 양극 전극봉 사이에 아크 방전을 발생시켜 질화붕소 나노튜브를 제조하는 단계; 및
양극 전극봉을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 붕소 섬유는 복수 개의 붕소 섬유 가닥을 포함하는 섬유 다발이고 상기 금속층은 도금 박막이며,
상기 섬유 다발에 무전해 도금 공정 혹은 전해 도금 공정을 수행하여 상기 섬유 다발 상에 상기 도금 박막을 형성하여 상기 양극 전극봉을 형성하는 것을 포함하는 질화붕소 나노튜브 제조 방법.Injecting a buffer gas and a nitrogen feed gas into the reaction chamber;
Generating arc discharge between a cathode electrode disposed in the reaction chamber and an anode electrode including a metal layer and a boron fiber to produce a boron nitride nanotube; And
And forming an anode electrode rod,
Wherein the boron fiber is a fiber bundle comprising a plurality of boron fiber strands and the metal layer is a plated thin film,
And performing an electroless plating process or an electrolytic plating process on the fiber bundle to form the plated thin film on the fiber bundle to form the positive electrode electrode.
상기 음극 전극봉 및 양극 전극봉 사이에는 10A 내지 180A의 전류 범위에서 10V 내지 100V의 전위차를 갖도록 전원이 인가되는 질화붕소 나노튜브 제조 방법.16. The method according to any one of claims 13 to 15,
And a power source is applied between the cathode electrode and the anode electrode to have a potential difference of 10V to 100V in a current range of 10A to 180A.
상기 반응 챔버는 2,000 내지 5,000℃의 온도를 갖는 질화붕소 나노튜브 제조 방법.16. The method according to any one of claims 13 to 15,
Wherein the reaction chamber has a temperature of 2,000 to 5,000 占 폚.
상기 반응 챔버 내부의 압력은 1 mTorr 내지 5000 Torr 범위 내에 있는 것인 질화붕소 나노튜브 제조 방법.16. The method according to any one of claims 13 to 15,
Wherein the pressure inside the reaction chamber is in the range of 1 mTorr to 5000 Torr.
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