KR102030215B1 - Apparatus and method for synthesizing carbon nanotube - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브(CNT) 합성 장치 및 탄소나노튜브 합성 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 결정성이 우수하면서 길이가 긴 CNT를 제공할 수 있으며, 특히, 순수한 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)를 제공할 수 있다.
또한, 상기와 같이 향상된 물성을 가지는 CNT를 생산함으로써 CNT 섬유의 합성에 적용할 수 있다.The present invention relates to a carbon nanotube (CNT) synthesizing apparatus and a method for synthesizing carbon nanotubes, and according to the present invention, it is possible to provide a long CNT with excellent crystallinity, in particular, pure single-walled carbon nanotubes ( SWCNT).
In addition, it can be applied to the synthesis of CNT fibers by producing a CNT having improved properties as described above.

Description

탄소나노튜브 합성 장치 및 그 방법{Apparatus and method for synthesizing carbon nanotube}Apparatus and method for synthesizing carbon nanotube

본 발명은 탄소나노튜브의 합성에 있어서, 우수한 결정성을 유지하는 동시에 길이가 긴 탄소나노튜브를 합성하기 위한 탄소나노튜브 합성 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon nanotube synthesis apparatus and method for synthesizing long carbon nanotubes while maintaining excellent crystallinity in the synthesis of carbon nanotubes.

종래의 탄소나노튜브(CNT) 합성 방법으로는 전기 방전법, 레이저 정착법, 플라즈마 화학기상증착법, 열화학기상증착법, 기상성장법과 같은 방법이 있다. 상기 방법 중에서 주로 쓰이는 기상성장법은 일반적으로 전기로 가열 방식을 이용할 수 있다. 상기 전기로 사용 방식은 석영관(quartz tube)과 같은 튜브형 반응 장치 내에서 페로센 등의 촉매 환원과 CNT의 생성 반응이 생성되어 연속적인 CNT의 제조가 가능할 수 있다. 그러나 이러한 방법은 승온구간 발생 등의 문제로 인하여, 촉매입자의 작은 크기와 균일한 분포를 유지하기 어렵기 때문에 순수한 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)를 생성하는 데에 어려움이 있을 수 있다.Conventional carbon nanotube (CNT) synthesis methods include electric discharge, laser fixation, plasma chemical vapor deposition, thermochemical vapor deposition, and gas phase growth. The vapor phase growth method, which is mainly used among the above methods, can generally use an electric furnace heating method. In the electric furnace, a catalytic reaction such as ferrocene and a production reaction of CNT may be generated in a tubular reaction apparatus such as a quartz tube, thereby allowing continuous production of CNTs. However, such a method may have difficulty in generating pure single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) because it is difficult to maintain a small size and uniform distribution of catalyst particles due to problems such as an elevated temperature range.

또 다른 방법으로, 열플라즈마를 사용하는 합성법의 경우, 플라즈마의 높은 온도로 인하여 균일한 촉매 형성이 가능할 수 있으나, 반응 시간이 비교적 짧고 반응 시간을 조절하는 데에 어려움이 있다는 점으로 인하여, 길이가 길고 결정성이 우수한 CNT를 합성하기에는 한계가 있을 수 있다.Alternatively, in the case of the synthesis method using thermal plasma, it is possible to form a uniform catalyst due to the high temperature of the plasma, but due to the relatively short reaction time and difficulty in controlling the reaction time, There may be limitations in synthesizing long and good CNTs.

또한, 촉매의 활성화를 위하여 전처리 공정을 거쳐 CNT합성을 진행하는 경우, 전처리 공정 구간과 합성 및 반응 공정 구간이 분리되어 별도로 관리해야 하므로 비효율적일 수 있다.In addition, when the CNT synthesis proceeds through the pretreatment process to activate the catalyst, the pretreatment process section and the synthesis and reaction process section may be separated and managed separately, which may be inefficient.

따라서, CNT 합성을 위한 개선된 장치의 개발이 요구된다.Therefore, there is a need for the development of improved devices for CNT synthesis.

본 발명의 목적은 탄소나노튜브(CNT)의 합성을 위한 장치를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a device for the synthesis of carbon nanotubes (CNT).

본 발명의 또 다른 목적은 상기 장치로 CNT 합성 공정을 단순화하여 효율적인 생산을 위한 CNT 합성 방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a CNT synthesis method for efficient production by simplifying the CNT synthesis process with the above apparatus.

본 발명은 The present invention

반응영역을 구비한 수직형 반응기 본체; A vertical reactor body having a reaction zone;

상기 반응영역 상단에 구비된 반응원료 주입부; A reaction raw material injector provided at an upper end of the reaction zone;

상기 반응원료 주입부 상단에 구비된 플라즈마 발생수단; 및Plasma generating means provided at an upper end of the reaction raw material injection unit; And

상기 반응영역 하단에 구비된 탄소나노튜브 배출구;A carbon nanotube outlet provided at the bottom of the reaction zone;

를 구비하는 탄소나노튜브 합성 장치를 제공한다. It provides a carbon nanotube synthesis apparatus having a.

일 구현예에 따르면, 상기 반응원료 주입부로 주입된 반응원료가 상기 플라즈마 발생수단으로부터 발생된 플라즈마에 의해 가열되어 초기 CNT를 형성하고, 생성된 초기 CNT가 반응영역을 따라 하부로 이동하면서 성장하도록 하는 것일 수 있다. According to one embodiment, the reaction raw material injected into the reaction raw material injection unit is heated by the plasma generated from the plasma generating means to form an initial CNT, so that the generated initial CNT is moved while moving downward along the reaction region It may be.

일 구현예에 따르면, 상기 플라즈마 토치는 가스, 전기, 전자기파, 고주파 또는 이들의 조합을 플라즈마 공급원으로 하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the plasma torch may be gas, electricity, electromagnetic waves, high frequency, or a combination thereof as a plasma source.

일 구현예에 따르면, 상기 반응영역을 가열하기 위한 가열수단을 더 구비할 수 있다. According to one embodiment, a heating means for heating the reaction zone may be further provided.

일 구현예에 따르면, 상기 반응원료 주입부는 가스 주입구와, 탄소원 및 촉매 주입구가 구비된 것일 수 있다. According to one embodiment, the reaction raw material injection portion may be provided with a gas injection hole, a carbon source and a catalyst injection hole.

일 구현예에 따르면, 상기 가스 주입구와, 탄소원 및 촉매 주입구는 상기 반응영역 상단의 중심부를 향하되, 서로 마주하도록 배치되어 있는 것일 수 있다. According to one embodiment, the gas inlet, the carbon source and the catalyst inlet toward the center of the upper end of the reaction zone, may be arranged to face each other.

다른 구현예에 따르면, 상기 가스 주입구와, 탄소원 및 촉매 주입구는 상기 반응영역 상단의 중심부를 향하되, 서로 수직 높이가 다르도록 배치되어 있을 수 있다. According to another embodiment, the gas injection hole, the carbon source and the catalyst injection hole may be disposed toward the center of the upper end of the reaction zone, the vertical height is different from each other.

일 구현예에 따르면, 상기 탄소원 및 촉매는 액상의 탄소원에 촉매 또는 촉매전구체가 분산되어 있는 형태로 주입되는 것일 수 있다. According to one embodiment, the carbon source and the catalyst may be injected in a form in which the catalyst or catalyst precursor is dispersed in the carbon source in the liquid phase.

다른 구현예에 따르면, 상기 반응원료 주입부에 이송가스 주입부를 더 구비할 수 있다. According to another embodiment, the reaction raw material injection portion may further include a transfer gas injection portion.

일 구현예에 따르면, 상기 반응기 하부에 층류 형성부를 더 구비할 수 있다. According to one embodiment, the lower portion of the reactor may be further provided with a laminar flow forming unit.

일 구현예에 따르면, 상기 가스가 환원성 가스, 불활성 가스 또는 이들의 조합을 포함하는 것일 수 있다. According to one embodiment, the gas may be a reducing gas, an inert gas or a combination thereof.

일 구현예에 따르면, 상기 촉매는 철, 니켈, 코발트, 구리, 이트륨, 백금, 루테늄, 몰리브덴, 바나듐, 티탄, 지르코늄, 팔라듐, 실리콘 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the catalyst may comprise iron, nickel, cobalt, copper, yttrium, platinum, ruthenium, molybdenum, vanadium, titanium, zirconium, palladium, silicon or combinations thereof.

일 구현예에 따르면, 상기 탄소원이 에탄, 에탄올, 에틸렌, 메탄, 메탄올, 프로판, 프로펜, 프로판올, 아세톤, 자일렌, 일산화탄소, 클로로포름, 에틸아세트산, 아세틸렌, 디에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜, 에틸포르메이트, 메시틸렌(1,3,5-트리메틸벤젠), 테트라하이드로퓨란, 디메틸포름아마이드, 디클로로메탄, 헥산, 벤젠, 카본테트라클로라이드, 펜탄 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the carbon source is ethane, ethanol, ethylene, methane, methanol, propane, propene, propanol, acetone, xylene, carbon monoxide, chloroform, ethylacetic acid, acetylene, diethyl ether, polyethylene glycol, ethyl formate , Mesitylene (1,3,5-trimethylbenzene), tetrahydrofuran, dimethylformamide, dichloromethane, hexane, benzene, carbon tetrachloride, pentane or combinations thereof.

본 발명은 또한, 상기 CNT 합성 장치를 이용한 CNT 합성 방법, 나아가 CNT 섬유 합성방법도 제공한다. The present invention also provides a CNT synthesis method using the CNT synthesis apparatus, and furthermore, a CNT fiber synthesis method.

기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.Other specific details of embodiments of the present invention are included in the following detailed description.

본 발명에 따른 탄소나노튜브(CNT) 합성 장치 및 CNT 합성 방법에 의하면, 결정성이 우수하면서 길이가 긴 CNT를 제공할 수 있으며, 특히, 순수한 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)를 제공할 수 있다.According to the carbon nanotube (CNT) synthesis apparatus and the CNT synthesis method according to the present invention, it is possible to provide a long CNT with excellent crystallinity, in particular, it is possible to provide a pure single-walled carbon nanotube (SWCNT). .

또한, 상기와 같이 향상된 물성을 가지는 CNT를 생산함으로써 CNT 섬유의 합성에 적용할 수 있다.In addition, it can be applied to the synthesis of CNT fibers by producing a CNT having improved properties as described above.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 탄소나노튜브 합성장치의 개략도이다.
도 2는 실시예 1에 따른 탄소나노튜브의 투사형전자현미경(TEM) 사진이다.
도 3은 실시예 1에 따른 제조된 탄소나노튜브의 라만 분석 결과를 나타내는 그래프이다
도 4는 실시예 2에 따라, 반응기의 길이에 따른 탄소나노튜브의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.1 is a schematic diagram of a carbon nanotube synthesis apparatus according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a projection electron microscope (TEM) picture of the carbon nanotubes according to Example 1.
3 is a graph showing a Raman analysis result of the carbon nanotubes prepared according to Example 1
4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of carbon nanotubes according to the length of the reactor according to Example 2. FIG.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.As the invention allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the written description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, it should be understood to include all transformations, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In the following description of the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

본 명세서에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있거나 또는 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다.When a component is referred to herein as being "connected" or "connected" to another component, it is to be understood that the other component may be directly connected or connected to or may be in between. .

단수의 표현은 달리 명시하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.Singular expressions include plural expressions unless otherwise specified.

"포함한다" "구비한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 수치, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재함을 지칭하는 것이고, 언급되지 않은 다른 특징, 수치, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재하거나 부가될 수 있는 가능성을 배제하지 않는다.Terms such as “comprises”, “comprises” or “having” refer to the presence of features, values, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, other features not mentioned, It does not exclude the possibility that numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof may be present or added.

본 명세서에서 "탄소나노튜브섬유" 라는 용어는 탄소나노튜브가 섬유 형태로 성장되어 형성되거나 복수개의 탄소나노튜브가 섬유 형태로 융합되어 형성된 것을 모두 지칭한다.As used herein, the term "carbon nanotube fiber" refers to both carbon nanotubes formed by growing in a fiber form or a plurality of carbon nanotubes formed by fusing into a fiber form.

이하, 발명의 구현예에 따른 탄소나노튜브(CNT) 합성 장치 및 탄소나노튜브 합성 방법에 대하여 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, a carbon nanotube (CNT) synthesis apparatus and a carbon nanotube synthesis method according to an embodiment of the present invention will be described in more detail.

구체적으로 본 발명에 따른 장치는 Specifically, the device according to the present invention

반응영역(10)을 구비한 수직형 반응기 본체; A vertical reactor body having a reaction zone 10;

상기 반응영역 상단에 구비된 반응원료 주입부(13); A reaction raw material injection part 13 provided at an upper end of the reaction area;

상기 반응원료 주입부 상단에 구비된 플라즈마 발생수단(14); 및Plasma generating means (14) provided on an upper portion of the reaction raw material injection portion; And

상기 반응영역 하단에 구비된 탄소나노튜브 배출구(미도시);A carbon nanotube outlet (not shown) provided at the bottom of the reaction zone;

를 구비하는 탄소나노튜브 합성 장치를 제공한다. It provides a carbon nanotube synthesis apparatus having a.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 반응영역을 가열하기 위한 가열수단(12)을 더 구비할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, a heating means 12 for heating the reaction zone may be further provided.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전기로 또는 플라즈마를 이용한 각각의 CNT 합성 장치의 문제점을 개선하기 위하여 가열영역(예를 들어, 전기로)을 구비하는 반응기의 상부에 플라즈마 발생부를 구비하는 CNT 합성 장치가 제공된다. According to a preferred embodiment of the present invention, in order to improve the problem of each CNT synthesizing apparatus using an electric furnace or plasma, CNT synthesis having a plasma generating unit on top of a reactor having a heating zone (for example, an electric furnace) is provided. An apparatus is provided.

플라즈마와 전기로를 하나의 CNT 합성 장치에 결합하여 구비함으로써, 촉매에 의한 CNT의 연속적인 제조가 가능한 동시에, 작고 균일한 촉매입자의 생성으로 인하여 결정성이 우수한 CNT를 획득할 수 있다. 또한, 기존의 열플라즈마 합성법에서 CNT의 반응 시간이 짧다는 단점을 보완하여, 길이가 긴 CNT를 합성할 수 있다. By combining the plasma and the electric furnace into one CNT synthesis apparatus, continuous production of CNTs by the catalyst is possible, and CNTs having excellent crystallinity can be obtained due to the generation of small and uniform catalyst particles. In addition, the conventional thermal plasma synthesis method to compensate the shortcomings of the short reaction time of the CNT, it is possible to synthesize a long CNT.

구체적으로는 본 발명에 따르면, 상기 반응원료 주입부(13)로 주입된 반응원료가 상기 플라즈마 발생수단(14)으로부터 발생된 플라즈마(15)에 의해 가열되어 초기 CNT를 형성하고, 생성된 초기 CNT가 반응영역(10)을 따라 하부로 이동하면서 성장하도록 하는 것일 수 있다. Specifically, according to the present invention, the reaction raw material injected into the reaction raw material injection unit 13 is heated by the plasma 15 generated from the plasma generating means 14 to form an initial CNT, the generated initial CNT It may be to grow while moving downward along the reaction region (10).

CNT 합성 반응 초기에 플라즈마(15)에 의하여 탄소원이 수소와 탄소 성분으로 열분해 되면서 분해된 탄소 성분이 촉매 미립자와 만나 CNT의 합성이 개시되며, 상기와 같이 생성된 초기 CNT가 전기로와 같은 가열수단(12)에 의해 가열되는 반응영역(10) 내로 유입되어 성장을 지속할 수 있다. 초기에 생성된 CNT 는 플라즈마(15)에 의해 매우 작은 크기의 촉매에 의해, 예를 들면, 수 nm 내지 수십 nm 크기의 초기 입자를 형성할 수 있으며, 반응영역(10)을 따라 하강하면서 CNT의 길이가 증가할 수 있다. 또한 이 과정에서 열 플라즈마의 높은 온도 때문에 결정성이 우수해질 수 있다. When the carbon source is thermally decomposed into hydrogen and a carbon component by the plasma 15 at the initial stage of the CNT synthesis reaction, the carbon component decomposed meets the catalyst fine particles, and the synthesis of CNT is initiated. It may be introduced into the reaction zone 10 heated by 12) to continue growth. The initially produced CNTs can be formed by the plasma 15 with very small catalysts, for example, to form initial particles of a few nm to several tens of nm in size, and descend along the reaction zone 10 to the CNTs. The length may increase. In this process, the crystallinity may be excellent due to the high temperature of the thermal plasma.

본 발명에 따른 장치는 반응영역 하단으로부터 상단으로 반응원료가 공급되어 반응이 진행되는 유동층 반응기에 비해 더 작은 크기의 촉매를 형성할 수 있고 결과적으로 굵기가 더 가는 탄소나노튜브를 제조할 수 있다는 장점이 있다. The apparatus according to the present invention is capable of forming a catalyst having a smaller size compared to a fluidized bed reactor in which the reaction raw material is supplied from the bottom of the reaction zone to the top of the reaction, and as a result, a thinner carbon nanotube can be manufactured. There is this.

결과적으로, 본 발명에 따른 CNT 합성 장치에 의한 CNT는 수 nm 내지 수십 nm의 직경 및 수μm 내지 수 cm의 길이를 가질 수 있다. 특히, 고온에서 반응과 성장이 일어남으로써 결정성이 향상된 순수한 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)를 합성할 수 있다. 이러한 특징은 유동층 반응기를 이용하는 방법에서는 낮은 반응온도로 인해 구현하기가 어렵다.As a result, the CNTs by the CNT synthesis apparatus according to the present invention may have a diameter of several nm to several tens of nm and a length of several μm to several cm. In particular, pure single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) having improved crystallinity may be synthesized by reaction and growth at high temperatures. This feature is difficult to implement due to the low reaction temperature in the method using a fluidized bed reactor.

한편, 플라즈마는 온도에 따라, 고온 플라즈마 및 저온 플라즈마로 구분할 수 있으며, 고온 플라즈마는 아크플라즈마, 고온 글로우 플라즈마 등이 있고, 핵융합, 용점, 절단, 이온추진엔진, 용사 등에 쓰일 수 있으며, 저온 플라즈마는 글로우, 코로나, 평형 아크, 더스티, 글라이딩 플라즈마 등이 있으며, 화학공정, 물질합성, 표면개질, 물질 환원 및 분해, 전자산업, 환경산업 등에 사용될 수 있다. 상기 저온 플라즈마는 공정 과정에서 열 접촉에 의한 열 변형이 없도록 하는데 유용할 수 있으며, 열에너지에 비해 큰 전자에너지를 가지는 특성을 가질 수 있다. 또한, 플라즈마의 종류에는 상대적으로 온도는 낮으나 열용량이 높은 열 플라즈마가 있는데, 상기 플라즈마 토치에 의해 열플라즈마를 발생시킬 수 있다.On the other hand, the plasma may be classified into a high temperature plasma and a low temperature plasma according to the temperature, and the high temperature plasma may include arc plasma, high temperature glow plasma, and the like, and may be used for fusion, melting point, cutting, ion propulsion engine, thermal spraying, and the like. Glow, corona, equilibrium arc, dusty, gliding plasma and the like can be used in chemical processes, material synthesis, surface modification, material reduction and decomposition, electronics industry, environmental industry. The low temperature plasma may be useful to avoid thermal deformation due to thermal contact during the process, and may have a characteristic of having a large electron energy compared to thermal energy. In addition, a type of plasma includes a thermal plasma having a relatively low temperature but a high heat capacity, and may generate thermal plasma by the plasma torch.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 플라즈마 발생부를 가스, 전기, 전자기파, 고주파 또는 이들의 조합을 공급원으로 하는 플라즈마 토치일 수 있다. 구체적으로 예를 들면, 상기 플라즈마 토치는 공급원에 따라, 가스 플라즈마 토치, 전기 플라즈마 토치, 고주파 플라즈마 토치, 직류-고주파 혼성 플라즈마 토치 등을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the plasma generating unit may be a plasma torch using gas, electricity, electromagnetic waves, high frequency, or a combination thereof as a source. Specifically, for example, the plasma torch may include a gas plasma torch, an electric plasma torch, a high frequency plasma torch, a DC-high frequency hybrid plasma torch, and the like according to a source.

상기 플라즈마 토치의 구조는 공통적으로 전극, 노즐(칩), 캡, 냉각수 주입구, 가스 주입구 등을 포함하여 구성될 수 있으며, 작동 가스의 종류, 전극 재질 등에 따라 내부 구조가 달라질 수 있다. 예를 들어, 상기 플라즈마 토치는 텅스텐 전극 봉을 구비하며 아르곤, 수소, 질소 또는 이들의 조합을 가스 공급원으로 하고, 가스 공급 방식이 축류식인 것일 수 있다. 또한, 가스 공급 방식이 선회류식일 수 있다. 또한, 보조 유체로서 가스, 냉각수 또는 이들의 조합을 사용할 수 있으며, 예를 들어 보조 가스로서 탄산가스를 사용할 수 있다. 또한, 상기 플라즈마 토치는 수냉식 또는 공냉식 플라즈마 토치일 수 있다. CNT 합성 공정시, 플라즈마 토치는 촉매를 미립자로 처리하여 탄소원 및 촉매의 반응을 개시할 수 있으며, 플라즈마 토치가 발생시키는 열의 온도는 수 천 내지 수 만 ℃일 수 있다.The structure of the plasma torch may include a common electrode, a nozzle (chip), a cap, a cooling water inlet, a gas inlet, and the like, and an internal structure may vary depending on the type of working gas and the electrode material. For example, the plasma torch may include a tungsten electrode rod, and argon, hydrogen, nitrogen, or a combination thereof as a gas supply source, and the gas supply method may be an axial flow type. In addition, the gas supply method may be a swirl flow type. In addition, a gas, cooling water, or a combination thereof may be used as the auxiliary fluid, for example, carbon dioxide gas may be used as the auxiliary gas. In addition, the plasma torch may be a water-cooled or air-cooled plasma torch. In the CNT synthesis process, the plasma torch can treat the catalyst with particulates to initiate the reaction of the carbon source and the catalyst, and the temperature of the heat generated by the plasma torch can be tens of thousands to tens of thousands of degrees Celsius.

일 구현예에 따르면, 반응영역 (10) 상단 및 플라즈마 발생부(14)하단에 반응원료 주입부(13)가 구비된다. 또한 상기 반응원료 주입부(13)는 탄소원 및 촉매 주입구(1)와 가스 주입구(2)를 구비할 수 있다. 이들 주입구(1,2)는 상기 반응로의 외부로부터 중심부를 향해 연장되도록 형성될 수 있다. According to one embodiment, the reaction raw material injection portion 13 is provided at the top of the reaction region 10 and the lower portion of the plasma generator 14. In addition, the reaction raw material injector 13 may include a carbon source, a catalyst inlet 1, and a gas inlet 2. These injection holes (1, 2) may be formed to extend toward the center from the outside of the reactor.

다른 구현예에 따르면, 상기 가스 주입구(2)와 탄소원 및 촉매 주입구(1)는 각각 복수개 형성될 수 있으며, 예를 들어 각각 2개 또는 3개일 수 있다. According to another embodiment, a plurality of the gas inlet 2 and the carbon source and the catalyst inlet 1 may be formed, respectively, for example, may be two or three, respectively.

상기 반응원료 주입부(13)는 반응성이 없는 석영, 흑연 등을 포함하는 재질로 형성되는 것이 바람직할 수 있다. The reaction raw material injector 13 may be formed of a material including quartz, graphite, or the like, which is not reactive.

일 구현예에 따르면, 상기 가스 주입구(2)와, 탄소원 및 촉매 주입구(1)는 상기 반응영역 상단의 중심부를 향하되, 서로 마주하도록 배치되어 있는 것일 수 있다. According to one embodiment, the gas inlet (2), the carbon source and the catalyst inlet (1) toward the center of the upper end of the reaction zone, may be arranged to face each other.

다른 구현예에 따르면, 상기 가스 주입구(2)와, 탄소원 및 촉매 주입구(1)는 상기 반응영역 상단의 중심부를 향하되, 서로 수직 높이가 다르도록 배치되어 있을 수 있다. According to another embodiment, the gas inlet 2, the carbon source and the catalyst inlet 1 may be disposed toward the center of the upper end of the reaction zone, the vertical height is different from each other.

또 다른 구현예에 따르면, 가스 주입구(2)는 탄소원 및 촉매 주입구(1)보다 상대적으로 낮은 위치에 위치할 수 있다.According to another embodiment, the gas inlet 2 may be located at a position relatively lower than the carbon source and the catalyst inlet 1.

상기 탄소원 및 촉매 주입구는 동일하거나 동일하지 않을 수 있으며, 예를 들어, 탄소원 및 촉매를 혼합하여 동시에 같은 주입구를 통하여 주입하거나, 상기 탄소원 및 촉매를 각각 다른 주입구를 통하여 주입할 수 있다. The carbon source and the catalyst inlet may be the same or may not be the same. For example, the carbon source and the catalyst may be mixed and injected through the same inlet at the same time, or the carbon source and the catalyst may be injected through different inlets.

일 구현예에 따르면, 액상의 탄소원에 촉매 또는 촉매 전구체가 분산된 형태로 주입될 수 있다. According to one embodiment, the catalyst or catalyst precursor may be injected in a dispersed form in a liquid carbon source.

일 구현예에 따르면, 생성된 탄소나노튜브의 원활한 이송을 위해 이송가스 주입구를 더 구비하는 것도 가능하다. According to one embodiment, it is also possible to further include a transfer gas inlet for the smooth transfer of the generated carbon nanotubes.

또한, 상기 주입구(1,2)를 통해 필요에 따라 용매, 계면활성제 등을 더 주입하는 것도 가능하다. In addition, it is also possible to further inject a solvent, a surfactant, etc. as necessary through the injection port (1, 2).

상기 주입구(1,2)는 미세한 홀로 이루어진 원형 또는 각이 진 형태를 가질 수 있으며, 일정 유량으로 탄소원을 공급하는 역할을 할 수 있다. 또한, 공급원을 반응기 내로 유입할 때 공급원의 유입을 반응기 내 중심으로 집중시키고, 반응기의 벽 쪽으로 흩어지는 것을 방지할 수 있도록 하는 역할을 위하여 상기 주입구에 세라믹 필터 등이 구비될 수 있다. 또한, 가스, 탄소원 및 촉매의 주입을 용이하게 하기 위하여 상기 주입구 외부에 유량조절장치를 추가적으로 구비할 수 있다.The injection holes 1 and 2 may have a circular or angled shape formed of fine holes, and may serve to supply a carbon source at a predetermined flow rate. In addition, a ceramic filter may be provided at the inlet to concentrate the inflow of the source when the source is introduced into the reactor and to prevent the source from being dispersed toward the wall of the reactor. In addition, in order to facilitate the injection of gas, carbon source and catalyst may be additionally provided with a flow rate control device outside the inlet.

일구현예에 따르면, 상기 가스, 촉매 및 탄소원의 주입 방식은 특별히 제한되지 않으며, 버블링, 초음파 제트 분사, 기화식 주입, 스프레이식의 분무, 펌프를 사용한 펄스식 유입 등을 적용할 수 있고, 각각의 주입구가 각각 다른 방식을 적용할 수 있다. According to one embodiment, the injection method of the gas, the catalyst and the carbon source is not particularly limited, and bubbling, ultrasonic jet injection, vaporization injection, spray spraying, pulsed inflow using a pump, and the like may be applied. Each inlet may apply a different way.

일구현예에 따르면, 상기 가스는 불활성가스, 환원가스, 또는 이들의 조합일 수 있으며, 불활성 가스로는 아르곤, 질소 등을 예로 들 수 있고, 환원가스로는 수소, 암모니아 등을 예로 들 수 있다. 상기 가스는 아르곤, 질소, 수소, 헬륨, 네온, 크립톤, 염소 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 탄화수소, 일산화탄소, 암모니아, 황화수소 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 가스는 CNT 합성 공정 중 생성될 수 있는 비정질 탄소 또는 불순물과 반응하여 함께 배출됨으로써, 합성되는 CNT의 순도를 향상시킬 수 있고, 촉매 및 CNT를 이동시키는 이송체로서의 역할을 할 수 있으며, 탄소원으로서의 역할을 할 수도 있다. 예를 들어, 상기 가스의 주입 속도는 0.5 내지 50 cm/min의 선속도로 주입될 수 있으며, 이송가스의 종류, 반응기의 크기, 촉매 종류 등에 따라 달라질 수 있다.According to one embodiment, the gas may be an inert gas, a reducing gas, or a combination thereof. Examples of the inert gas include argon and nitrogen, and examples of the reducing gas include hydrogen and ammonia. The gas may include argon, nitrogen, hydrogen, helium, neon, krypton, chlorine or combinations thereof, and may include, for example, hydrocarbons, carbon monoxide, ammonia, hydrogen sulfide or combinations thereof. The gas is discharged together by reacting with amorphous carbon or impurities that may be generated during the CNT synthesis process, thereby improving the purity of the synthesized CNTs, and acting as a carrier for transporting the catalyst and the CNTs, as a carbon source. It can also play a role. For example, the injection speed of the gas may be injected at a linear speed of 0.5 to 50 cm / min, and may vary depending on the type of transport gas, the size of the reactor, the type of catalyst, and the like.

일구현예에 따르면, 상기 촉매는 액체상 또는 기체상일 수 있으며, CNT 합성시 합성 개시제로서의 역할을 할 수 있다. 상기 촉매는 예를 들어, 철, 니켈, 코발트, 구리, 이트륨, 백금, 루테늄, 몰리브덴, 바나듐, 티탄, 지르코늄, 팔라듐, 실리콘 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 산화물, 합금, 질화물, 탄화물, 황화물, 황산화물, 질산화물, 혼합물, 유기착체 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있고, 촉매 전구체로서 포함될 수 있다. 예를 들어, 상기 촉매는 사이클로펜타디엔과 전이금속이 샌드위치 구조로 결합한 새로운 유기금속화합물인 비스(사이클로펜타디엔일) 금속을 총칭하는 메탈로센과 같은 화합물일 수 있으며, 상기 사이클로펜타디엔은 전자가 풍부하므로 친전자성 반응이나 아실화 및 알킬화 반응을 할 수 있다. 메탈로센은 구체적으로 페로센, 코발토센, 오스모센, 루테노센 등을 예로 들 수 있으며, 이 중 철의 화합물인 페로센은 대부분의 메탈로센에 비해 비교적 열적으로 안정하여 470℃까지 분해되지 않을 수 있다.According to one embodiment, the catalyst may be liquid or gas phase, and may serve as a synthesis initiator in the synthesis of CNTs. The catalyst may include, for example, iron, nickel, cobalt, copper, yttrium, platinum, ruthenium, molybdenum, vanadium, titanium, zirconium, palladium, silicon or combinations thereof, and may include oxides, alloys, nitrides, carbides, It may consist of sulfides, sulfur oxides, nitrates, mixtures, organic complexes or combinations thereof and may be included as a catalyst precursor. For example, the catalyst may be a compound such as metallocene, which collectively refers to a bis (cyclopentadienyl) metal, which is a new organometallic compound in which a cyclopentadiene and a transition metal are bonded in a sandwich structure, and the cyclopentadiene is an electron. Since it is abundant, an electrophilic reaction, an acylation, and an alkylation reaction can be performed. Specific examples of the metallocene include ferrocene, cobaltocene, osmocene, and ruthenocene. Among these, ferrocene, which is a compound of iron, is relatively thermally stable compared to most metallocenes and does not decompose to 470 ° C. Can be.

상기 촉매의 구체적인 예로 페로센, 몰리브덴 헥사카보닐, 시클로펜타디에닐 코발트 디카보닐((C5H5)Co(CO)2), 니켈 디메틸글리옥심, 염화제이철(FeCl3), 철 아세테이트 히드록시드, 철 아세틸아세토네이트 또는 철 펜타카보닐 중 하나 이상을 포함하는 화합물을 들 수 있다. 상기 촉매는 탄소원에 비해 그 사용량이 과할 경우, 불순물로 작용하여 고순도의 CNT를 수득하는데 어려움이 있을 수 있고, CNT의 열적, 전기적, 물리적 특성을 저해하는 요인이 될 수 있으므로 당 업자에 의해 적절하게 선택되어 조절될 수 있다. 또한, 상기 촉매는 물, 에탄올, 메탄올, 벤젠, 자일렌, 톨루엔 등과 같은 화합물을 하나 이상 포함하는 유기용매에 용해된 상태로 공급될 수 있다.Specific examples of the catalyst include ferrocene, molybdenum hexacarbonyl, cyclopentadienyl cobalt dicarbonyl ((C 5 H 5 ) Co (CO) 2 ), nickel dimethylglyoxime, ferric chloride (FeCl 3 ), iron acetate hydroxide And compounds containing at least one of iron acetylacetonate or iron pentacarbonyl. When the amount of the catalyst is excessive compared to the carbon source, it may be difficult to obtain a high purity CNT by acting as an impurity, and may be a factor that inhibits the thermal, electrical and physical properties of the CNT. Can be selected and adjusted. In addition, the catalyst may be supplied in a dissolved state in an organic solvent including one or more compounds such as water, ethanol, methanol, benzene, xylene, toluene, and the like.

또한, 상기 촉매는 보조촉매로서 예를 들면 황함유 화합물을 사용할 수 있고, 구체적인 예로는, 메틸티올, 메틸에틸술피드, 디메틸티오케톤 등과 같은 황 함유 지방족 화합물; 페닐티올, 디페닐술피드 등과 같은 황 함유 방향족 화합물; 피리딘, 퀴놀린, 벤조티오펜, 티오펜 등과 같은 황 함유 복소환식 화합물일 수 있으며, 바람직하게는 티오펜일 수 있다. 티오펜은 촉매의 녹는점을 감소시키고, 비정질 탄소를 제거하여 낮은 온도에서 고순도의 탄소나노튜브를 합성할 수 있도록 해준다. 촉매 활성제의 함량은 탄소나노튜브의 구조에도 영향을 미칠 수 있는데, 예를 들어, 에탄올에 대하여 티오펜을 1 내지 5중량%로 혼합하는 경우, 다중벽 탄소나노튜브섬유를 수득할 수 있으며, 에탄올에 대하여 티오펜을 0.5중량% 이하로 혼합하는 경우 단일벽탄 소나노튜브를 수득할 수 있다.The catalyst may be, for example, a sulfur-containing compound as a cocatalyst, and specific examples thereof include sulfur-containing aliphatic compounds such as methylthiol, methylethylsulfide, dimethylthioketone, and the like; Sulfur-containing aromatic compounds such as phenylthiol, diphenyl sulfide and the like; Sulfur-containing heterocyclic compounds such as pyridine, quinoline, benzothiophene, thiophene, and the like, preferably thiophene. Thiophene reduces the melting point of the catalyst and removes the amorphous carbon, allowing the synthesis of high purity carbon nanotubes at low temperatures. The content of the catalytic activator may also affect the structure of the carbon nanotubes. For example, when thiophene is mixed in an amount of 1 to 5% by weight with respect to ethanol, multi-walled carbon nanotube fibers may be obtained, and ethanol When the thiophene is mixed in an amount of 0.5% by weight or less, single-walled carbon nanotubes can be obtained.

일구현예에 따르면, 상기 촉매 또는 촉매 전구체의 농도를 조절함으로써 CNT의 합성 속도, 길이, 직경, 표면 상태 등을 제어할 수 있다. 예를 들면, 주입되는 촉매의 농도를 높이면, 반응기 내에 촉매 미립자가 증가하므로, 합성되는 CNT의 수가 증가할 수 있고, 따라서, CNT의 직경은 작아질 수 있다. 한편, 촉매의 농도를 감소시키면, 생성되는 CNT의 수가 적어지므로 CNT 직경은 증가할 수 있다. According to one embodiment, by controlling the concentration of the catalyst or catalyst precursor, it is possible to control the synthesis rate, length, diameter, surface state and the like of the CNTs. For example, increasing the concentration of the injected catalyst increases the catalyst fine particles in the reactor, so that the number of synthesized CNTs can increase, and thus the diameter of the CNTs can be made smaller. On the other hand, if the concentration of the catalyst is reduced, the CNT diameter may increase because the number of CNTs produced is smaller.

일 구현예에 따르면, 상기 탄소원은 기상 또는 액상일 수 있으며, 예를 들어, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 메탄, 메탄올, 프로판, 프로펜, 프로판올, 아세톤, 자일렌, 일산화탄소, 클로로포름, 아세틸렌, 에틸아세트산, 디에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜, 에틸포르메이트, 메시틸렌(1,3,5-트리메틸벤젠), 테트라하이드로퓨란, 디메틸포름아마이드, 카본테트라클로라이드, 나프탈렌, 안트라센, 디클로로메탄, 케톤, 에테르, 헥산, 헵탄, 옥탄, 펜탄, 펜텐, 헥센, 벤젠, 사염화탄소, 톨루엔 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the carbon source may be gaseous or liquid, for example, ethane, ethylene, ethanol, methane, methanol, propane, propene, propanol, acetone, xylene, carbon monoxide, chloroform, acetylene, ethylacetic acid , Diethyl ether, polyethylene glycol, ethyl formate, mesitylene (1,3,5-trimethylbenzene), tetrahydrofuran, dimethylformamide, carbon tetrachloride, naphthalene, anthracene, dichloromethane, ketone, ether, hexane, Heptane, octane, pentane, pentene, hexene, benzene, carbon tetrachloride, toluene or combinations thereof.

일 구현예에 따르면, 상기 탄소원은 탄소를 포함하는 가스 공급원과 중복될 수 있으며, 예를 들어, 원료 공급원에 포함되는 탄소 화합물이 벤젠일 경우에는 원료 가스에 포함되는 탄소원으로는, 벤젠, 프로필렌, 에틸렌, 메탄 등과 같이 분자량이 같거나, 상대적으로 작은 것을 선택하여 통상의 기술자가 공정 조건에 따라 조절할 수 있다.According to one embodiment, the carbon source may overlap with a gas source containing carbon. For example, when the carbon compound included in the raw material source is benzene, the carbon source included in the raw material gas may include benzene, propylene, One having the same or lower molecular weight, such as ethylene or methane, may be selected by a person skilled in the art according to the process conditions.

일 구현예에 따르면, 반응영역(10)을 가열하는 가열수단(12)는 다양한 종류일 수 있으며, 예를 들어, 수열 전기로, 고온 진공 전기로, 산화환원 전기로, 수직형 전기로, 수평형 전기로, 대용량 전기로 등을 포함할 수 있다. 또한, 상기 전기로는 발열체, 내화재, 온도센서, 제어부 등을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 발열체는 금속 발열체, 비금속 발열체 등을 포함할 수 있으며, 상기 금속 발열체는 예를 들어, 몰리브데늄, 텅스텐, 플라티늄, 탄탈륨 등을 포함하는 금속발열체와 철, 크롬, 니켈, 알루미늄 등을 포함하는 합금발열체 등을 포함할 수 있다. 상기 비금속 발열체는 예를 들어, 탄화규소, 몰리브데늄 디실리사이드, 란탄크로마이트, 그래핀, 지르코니아 등을 포함할 수 있다. 상기 내화제는 예를 들어, 세라믹 섬유 보드, 세라믹 블랑켓 등을 포함할 수 있으며, 전기로를 외부로부터 단열시킴으로써 내부 발열체에서 발열된 열의 손실을 최소화시키는 역할을 할 수 있다. 상기 온도센서는 전기로 내부의 온도를 검출하는 장치로, 접촉식 또는 비접촉식일 수 있다. 예를 들어 상기 접촉식 온도센서는 열전대식 온도 센서 등을 포함할 수 있으며, 상기 비접촉식 온도센서는 복사식 온도센서 등을 포함할 수 있다. 상기 제어장치는 온도 및 전력을 제어하는 역할을 할 수 있으며, 상기 온도센서를 통해 얻어진 온도 변화 데이터를 기준으로 전력을 가감 조절할 수 있는 검출부 및 조작부 등을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the heating means 12 for heating the reaction zone 10 may be of various types, for example, hydrothermal furnace, high temperature vacuum furnace, redox furnace, vertical furnace, water Balanced electric furnaces, large capacity electric furnaces and the like. In addition, the electric furnace may include a heating element, a fireproof material, a temperature sensor, a control unit and the like. The heating element may include a metal heating element, a non-metal heating element, and the like, and the metal heating element may include, for example, a metal heating element including molybdenum, tungsten, platinum, tantalum, and the like, and iron, chromium, nickel, aluminum, and the like. Alloy heating elements and the like. The nonmetallic heating element may include, for example, silicon carbide, molybdenum disilicide, lanthanum chromite, graphene, zirconia, and the like. The fireproofing agent may include, for example, a ceramic fiber board, a ceramic blanket, and the like, and may serve to minimize the loss of heat generated in the internal heating element by insulating the electric furnace from the outside. The temperature sensor is an apparatus for detecting the temperature inside the furnace, and may be contact or non-contact. For example, the contact temperature sensor may include a thermocouple temperature sensor and the like, and the non-contact temperature sensor may include a radiation temperature sensor and the like. The control device may serve to control temperature and power, and may include a detection unit and an operation unit for adjusting or adjusting power based on the temperature change data obtained through the temperature sensor.

일구현예에 따르면, 상기 가열수단(12)은 반응기 본체 외부를 전체 또는 부분적으로 감싸는 형태로 구비될 수 있으며, 상기 반응기는 내열성 및 내압성을 가지는 것일 수 있다. 상기 반응기의 크기는 특별히 제한되지 않고 공급원의 도입량 등에 따라 적절하게 설정될 수 있다. 구체적으로, 상기 내열성 및 내압성을 가지는 반응기는 석영, 흑연, 스테인레스강, 알루미늄 스틸, 탄화규소, 세라믹, 유리 등을 포함하는 소재로 형성되거나, 상기 소재로 코팅되어 형성된 튜브형 또는 박스형일 수 있다, CNT 합성 공정시 반응기 내의 전체 또는 일부는 1,000 내지 3,000℃로 가열되어 CNT의 성장을 지속시킬 수 있다. 상기 반응기 내의 온도는 탄소의 확산 속도에 영향을 줄 수 있으므로. 반응기 내 온도를 조절함에 따라 CNT의 성장률을 조절할 수 있으며, 일반적으로 온도가 높을수록 CNT의 성장속도가 빨라지고 결정성과 강도가 증가할 수 있다.According to one embodiment, the heating means 12 may be provided in a form that completely or partially surrounds the outside of the reactor body, the reactor may have heat resistance and pressure resistance. The size of the reactor is not particularly limited and may be appropriately set according to the introduction amount of the source and the like. In detail, the reactor having heat resistance and pressure resistance may be formed of a material including quartz, graphite, stainless steel, aluminum steel, silicon carbide, ceramic, glass, or the like, or may be a tubular or box type coated with the material. During the synthesis process, all or part of the reactor may be heated to 1,000 to 3,000 ° C. to sustain the growth of the CNTs. The temperature in the reactor can affect the diffusion rate of carbon. By controlling the temperature in the reactor it is possible to control the growth rate of the CNT, and in general, the higher the temperature, the faster the growth rate of the CNT, the crystallinity and the strength can be increased.

일 구현예에 따르면, 상기 탄소나노튜브 합성 장치는 가스 및 CNT 배출구를 더 구비할 수 있다. 상기 배출구는 반응기와 연결된 상태로 상기 CNT 합성 장치의 하부에 구비될 수 있다. 상기 플라즈마 토치에 의해 반응 및 합성이 개시된 CNT가 상기 반응기 내로 도입되고, 합성이 개시된 상기 CNT가 반응기의 상부로부터 하부로 이동하면서 CNT가 지속적으로 성장하여 가스와 함께 밀려나와 배출구로 배출될 수 있다.According to one embodiment, the carbon nanotube synthesis apparatus may further include a gas and a CNT outlet. The outlet may be provided at the bottom of the CNT synthesis apparatus in a state connected to the reactor. CNT initiated reaction and synthesis by the plasma torch is introduced into the reactor, and the CNT initiated synthesis can be continuously grown and pushed out with the gas and discharged to the outlet as the CNT is moved from the top to the bottom of the reactor.

일 구현예에 따르면, 상기 CNT 합성 장치는 층류 형성부를 더 구비할 수 있으며, 상기 층류는 공급원 입자를 반응기 내에 분산시킴으로서 반응 시간 및 CNT의 특성을 향상시키는 역할을 할 수 있다. 구체적으로, 상기 반응기 하부에 형성될 수 있는 상기 층류 형성부는 반응기 내에서 크기가 작은 촉매 및 CNT가 머무는 시간을 증가시킴으로써 CNT의 반응 시간을 늘릴 수 있다. 그 결과 CNT 섬유 제조도 가능할 수 있다. According to one embodiment, the CNT synthesizing apparatus may further include a laminar flow forming unit, and the laminar flow may serve to improve reaction time and characteristics of CNT by dispersing source particles in a reactor. Specifically, the laminar flow forming unit which may be formed at the bottom of the reactor may increase the reaction time of the CNT by increasing the residence time of the small catalyst and the CNT in the reactor. As a result, CNT fiber production may also be possible.

상기 CNT 합성 장치에 의하면, 하나의 장치 내에서 촉매의 전처리 공정, CNT의 합성 공정 및 CNT 회수 공정이 연속적으로 이루어질 수 있으며, 상기 CNT 합성 장치를 상기에 기재한 구성부 이외의 장치에 결합함으로써, CNT 합성 공정을 단순화 및 응용하는 데에 적용할 수 있다. 예를 들어, 상기 CNT 합성 장치 구성부 이외에 이송장치, 후처리장치, 세정장치 등을 결합하여 추가적인 공정을 진행할 수 있다. 예를 들어, 상기 CNT 합성 장치는 상기 구성부 이외에 권취수단 등을 추가적으로 구비하여 CNT 섬유를 용이하게 획득할 수 있다.According to the CNT synthesizing apparatus, a catalyst pretreatment process, a CNT synthesizing process, and a CNT recovery process may be continuously performed in one apparatus, and by combining the CNT synthesizing apparatus with a device other than the above-described component parts, It can be applied to simplify and apply the CNT synthesis process. For example, in addition to the CNT synthesizing unit component, the transfer unit, the post-treatment unit, the washing unit, etc. may be combined to perform an additional process. For example, the CNT synthesizing apparatus may additionally include winding means in addition to the component to easily obtain CNT fibers.

상기와 같이 본 발명의 CNT 합성 장치에 따르면, 주입되는 가스, 탄소원 및 촉매의 주입 속도 또는 주입량에 따라 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT) 또는 다중벽 CNT의 합성을 조절할 수 있다. 또한, SWCNT는 지름이나 원자 격자 배열에 약간의 구조 변화에 따라 전자적 성질에 큰 영향을 받을 수 있으므로, 상기 CNT 합성 장치에 의하여, 구조적으로 균일한 SWCNT를 제조하는 신뢰성 있는 방법을 충족시킬 수 있다.According to the CNT synthesis apparatus of the present invention as described above, it is possible to control the synthesis of single-walled carbon nanotubes (SWCNT) or multi-walled CNTs depending on the injection rate or injection amount of the gas, carbon source and catalyst to be injected. In addition, since SWCNTs can be greatly influenced by electronic properties due to slight structural changes in diameter and atomic lattice arrangement, the CNT synthesis apparatus can satisfy a reliable method for producing structurally uniform SWCNTs.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily practice the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.

실시예 1 : 열플라즈마 장치를 이용한 탄소나노튜브 제조Example 1 Preparation of Carbon Nanotubes Using a Thermal Plasma Apparatus

반응로 길이 10 cm의 열플라즈마 장치를 이용하여, 다음의 조건으로 탄소나노튜브를 제조하였다. 열플라즈마장치는 직류열플라즈마 토치를 사용하였으며, 10kW 수준의 토치 출력에서, 25V, 200A의 조건으로 실험을 진행하였다. 아르곤 가스를 5~20 cc/분의 유속으로 반응원료 주입부(2)를 통해 주입하고, 반응로 상단부에 위치한 반응원료 주입부(1)를 통해 탄소공급원으로서 에틸렌을 10~1,000 ml/min의 유속으로, 촉매로서 페로신을 0.001~0.1 g/min의 속도로 공급하면서 5~20분간 반응시켜 탄소나노튜브를 합성하였다. Carbon nanotubes were manufactured under the following conditions using a thermal plasma apparatus having a length of 10 cm in a reactor. As a thermal plasma device, a DC thermal plasma torch was used, and experiments were performed under conditions of 25V and 200A at a torch output of 10kW. Argon gas is injected through the reaction raw material inlet (2) at a flow rate of 5 to 20 cc / min, and 10 to 1,000 ml / min of ethylene is supplied as a carbon source through the reaction raw material inlet (1) located at the top of the reactor. At a flow rate, ferrocin was supplied at a rate of 0.001 to 0.1 g / min as a catalyst and reacted for 5 to 20 minutes to synthesize carbon nanotubes.

구체적으로 에틸렌 유속 500 ml/min, 페로신 공급속도 0.002 g/min 조건에서 합성된 탄소나노튜브를 투사형전사현미경(TEM)으로 관찰한 사진을 도 2에 나타내었다. 도 2에 나타난 바와 같이, 합성된 탄소나노튜브는 이중벽, 삼중벽이 일부 포함되어 있으나, 대부분 단일벽 탄소나노튜브로 합성되는 것을 확인할 수 있다.Specifically, a photograph of carbon nanotubes synthesized under an ethylene flow rate of 500 ml / min and a ferrosine feed rate of 0.002 g / min under a projection-type transfer microscope (TEM) is shown in FIG. 2. As shown in FIG. 2, the synthesized carbon nanotubes include a double wall and a triple wall, but most of them are synthesized as single-wall carbon nanotubes.

또한, 합성된 탄소나노튜브의 라만 분석 결과를 도 3에 나타내었다. 일반적으로 탄소나노튜브와 비교하여 본 발명에 따른 탄소나노튜브는 D 밴드의 피이크 크기가 G 밴드의 크기와 비교하여 매우 작기 때문에 결정이 우수한 것을 확인할 수 있다.
In addition, the Raman analysis results of the synthesized carbon nanotubes are shown in FIG. 3. In general, the carbon nanotubes according to the present invention compared to the carbon nanotubes can be confirmed that the peak size of the D band is very small compared to the size of the G band crystal is excellent.

실시예 2 : 열플라즈마 장치의 길이 변화에 따른 탄소나노튜브 합성Example 2 Carbon Nanotube Synthesis According to the Change of Length of Thermal Plasma Apparatus

반응기의 길이를 5, 10 및 15cm로 한 것 외에는 실시예 1과 같은 방법으로 탄소나노튜브를 합성하였다. 합성된 탄소나노튜브를 주사전자현미경으로 관찰한 사진을 도 4에 나타내었다. 반응기의 길이가 길어질수록 제조되는 탄소나노튜브의 길이가 길이가 길어지는 것을 확인할 수 있다. Carbon nanotubes were synthesized in the same manner as in Example 1 except that the length of the reactor was 5, 10, and 15 cm. A photograph of the synthesized carbon nanotubes observed with a scanning electron microscope is shown in FIG. 4. It can be seen that the longer the length of the reactor is longer the length of the carbon nanotubes produced.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술한 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.As described above in detail specific parts of the present invention, it is apparent to those skilled in the art that such specific descriptions are merely preferred embodiments, and thus the scope of the present invention is not limited thereto. something to do. Thus, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (15)

반응영역을 구비한 수직형 반응기 본체;
상기 반응영역 상단에 구비된 반응원료 주입부;
상기 반응원료 주입부 상단에 구비된 플라즈마 발생수단; 및
상기 반응영역 하단에 구비된 탄소나노튜브 배출구를 구비하고,
상기 반응원료 주입부가 가스 주입구와, 탄소원 및 촉매 주입구를 구비하며,
상기 가스 주입구와, 탄소원 및 촉매 주입구는 상기 반응영역의 측면에 구비되어 중심부를 향하되, 서로 마주하도록 배치되고,
상기 가스 주입구가 상기 탄소원 및 촉매 주입구보다 낮은 위치에 배치되어 서로 수직 높이가 다르게 형성되는 탄소나노튜브 합성 장치.A vertical reactor body having a reaction zone;
A reaction raw material injector provided at an upper end of the reaction zone;
Plasma generating means provided at an upper end of the reaction raw material injection unit; And
And a carbon nanotube outlet provided at the bottom of the reaction zone,
The reaction raw material injection portion is provided with a gas injection hole, a carbon source and a catalyst injection hole,
The gas inlet, the carbon source and the catalyst inlet are provided on the side of the reaction zone to face the center, are disposed to face each other,
The gas inlet is disposed in a position lower than the carbon source and the catalyst inlet carbon nanotube synthesis apparatus is formed different from each other in the vertical height. 제1항에 있어서,
상기 반응원료 주입부로 주입된 반응원료가 상기 플라즈마 발생수단으로부터 발생된 플라즈마에 의해 가열되어 초기 CNT를 형성하고, 생성된 초기 CNT가 반응영역을 따라 하부로 이동하면서 성장하도록 하는 것인 탄소나노튜브 합성 장치. The method of claim 1,
Carbon nanotube synthesis in which the reaction raw material injected into the reaction raw material injection unit is heated by the plasma generated from the plasma generating means to form initial CNTs, and the generated initial CNTs move downward along the reaction zone. Device. 제1항에 있어서,
상기 플라즈마 발생수단은 가스, 전기, 전자기파, 고주파 또는 이들의 조합을 플라즈마 공급원으로 하는 것인 탄소나노튜브 합성 장치.The method of claim 1,
The plasma generating means is a carbon nanotube synthesis apparatus using a gas, electricity, electromagnetic waves, high frequency or a combination thereof as a plasma source. 제1항에 있어서,
상기 반응영역을 가열하기 위한 가열수단을 더 구비하는 것인 탄소나노튜브 합성 장치.The method of claim 1,
Carbon nanotube synthesizing apparatus further comprises a heating means for heating the reaction zone. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 탄소원 및 촉매는 액상의 탄소원에 촉매 또는 촉매전구체가 분산되어 있는 형태로 주입되는 것인 탄소나노튜브 합성 장치. The method of claim 1,
Wherein the carbon source and the catalyst is a carbon nanotube synthesis apparatus that is injected in the form of a catalyst or catalyst precursor dispersed in a liquid carbon source. 제1항에 있어서,
상기 반응원료 주입부에 이송가스 주입부를 더 구비하는 것인 탄소나노튜브 합성 장치. The method of claim 1,
Carbon nanotube synthesizing apparatus further comprising a transfer gas injection unit in the reaction raw material injection unit. 제1항에 있어서,
상기 반응기 하부에 층류 형성부를 더 구비하는 것인 탄소나노튜브 합성 장치.The method of claim 1,
Carbon nanotube synthesizing apparatus further comprising a laminar flow forming portion in the lower portion of the reactor. 제1항에 있어서,
상기 가스가 환원성 가스, 불활성 가스 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 탄소나노튜브 합성 장치. The method of claim 1,
Carbon nanotube synthesizing apparatus wherein the gas comprises a reducing gas, an inert gas or a combination thereof. 제1항에 있어서,
상기 촉매가 철, 니켈, 코발트, 구리, 이트륨, 백금, 루테늄, 몰리브덴, 바나듐, 티탄, 지르코늄, 팔라듐, 실리콘 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 탄소나노튜브 합성 장치.The method of claim 1,
Wherein the catalyst comprises iron, nickel, cobalt, copper, yttrium, platinum, ruthenium, molybdenum, vanadium, titanium, zirconium, palladium, silicon or combinations thereof. 제1항에 있어서,
상기 탄소원이 에탄, 에탄올, 에틸렌, 메탄, 메탄올, 프로판, 프로펜, 프로판올, 아세톤, 자일렌, 일산화탄소, 클로로포름, 에틸아세트산, 아세틸렌, 디에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜, 에틸포르메이트, 메시틸렌(1,3,5-트리메틸벤젠), 테트라하이드로퓨란, 디메틸포름아마이드, 디클로로메탄, 헥산, 벤젠, 카본테트라클로라이드, 펜탄 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 탄소나노튜브 합성 장치. The method of claim 1,
The carbon source is ethane, ethanol, ethylene, methane, methanol, propane, propene, propanol, acetone, xylene, carbon monoxide, chloroform, ethyl acetic acid, acetylene, diethyl ether, polyethylene glycol, ethyl formate, mesitylene (1, 3,5-trimethylbenzene), tetrahydrofuran, dimethylformamide, dichloromethane, hexane, benzene, carbon tetrachloride, pentane or a combination thereof. 제1항 내지 제4항 및 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 장치를 이용하여 탄소나노튜브를 제조하는 방법.A method for producing carbon nanotubes using the apparatus according to any one of claims 1 to 4 and 8 to 13. 제1항 내지 제4항 및 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 장치를 이용하여 탄소나노튜브 섬유를 제조하는 방법. A method for producing carbon nanotube fibers using the apparatus according to any one of claims 1 to 4 and 8 to 13.
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