KR102271677B1 - 탄소나노튜브 압축 펠렛 건조 및 회수 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브(CNT) 제조장치로부터 배출되는 고온의 탄소나노튜브 회수 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 탄소나노튜브의 회수 단계에서 발생할 수 있는 냉각 효율 및 막힘 현상을 개선할 수 있어 탄소나노튜브의 대량생산에 효과적으로 적용할 수 있다.

Description

탄소나노튜브 압축 펠렛 건조 및 회수 장치 {APPARATUS FOR DRYING AND COLLECTING COMPRESSED CARBON NANOTUBE PELLET}

본 발명은 탄소나노튜브의 회수에 있어서, 제품을 이송하는 과정에서 발생할 수 있는 냉각 효율 및 정체 현상을 개선시키기 위한 탄소나노튜브 회수 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

탄소나노튜브는 특정 구조에 따른 물성에 따라, 정보통신기술분야의 표시소자, 고집적 메모리소자, 2차 전지 및 초고용량 캐패시터(super capacitor), 수소저장 물질, 화학 센서, 고강도/초경량 복합재료, 정전기 제거 복합재료, 전자파 차폐(EMI/RFI shielding) 물질 등에 다기능적으로 적용할 수 있으며, 기존의 재료가 갖는 한계를 넘어설 가능성을 가지므로, 연구가 계속되고 있다.

탄소동소체의 한 종류인 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)는 직경이 수 내지 수십 nm이며, 길이가 수백 ㎛에서 수 mm인 물질로 1991년 Iijima 박사에 의해 Nature 저널에 보고된 이후 우수한 열적, 전기적, 물리적 성질과 높은 종횡비 때문에 다양한 분야에서 연구가 진행되어왔다. 이러한 탄소나노튜브의 고유한 특성은 탄소의 sp2 결합에서 기인하며, 철보다 강하고, 알루미늄보다 가벼우며, 금속에 준하는 전기전도성을 나타낸다. 탄소나노튜브의 종류는 크게 나노튜브의 벽수에 따라서 단일벽 탄소나노튜브(Single-Wall Carbon Nanotube, SWNT), 이중벽 탄소나노튜브(Double-Wall Carbon Nanotube, DWNT), 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Wall Carbon Nanotube, MWNT)로 구분할 수 있으며, 비대칭성/말린 각도(chirality)에 따라서 지그재그(zigzag), 암체어(armchair), 키랄(chiral) 구조로 나뉜다.

탄소나노튜브(CNT) 회수 장치는 회수부와 이송부를 포함하며, 탄소나노튜브 제조장치로부터 배출된 탄소나노튜브를 회수하거나 회수 후 후속장치에 이송하는데 사용된다.

그러나 회수 장치로 도입된 고온의 탄소나노튜브(CNT)의 냉각시키는 문제나, 장치 간 이송 시 벌크밀도(Bulk density)가 낮은 탄소나노튜브의 응집으로 인해 막힘 현상이 발생하는 문제점이 있다. 따라서, 제조장치로부터 배출되는 고온의 탄소나노튜브를 냉각시키거나 응집 및 정체 현상을 개선하기 위한 추가적인 장치 및 조작을 필요로 한다.

본 발명의 목적은 탄소나노튜브(CNT) 제조장치로부터 배출되는 CNT를 회수하는데 사용되는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 탄소나노튜브 회수 공정에서 발생할 수 있는 냉각 효율 및 정체로 인한 문제점을 개선시키기 위한 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 기술적 과제를 해결하기 위하여,

탄소나노튜브 제조장치로부터 배출되는 탄소나노튜브를 회수하기 위한 탄소나노튜브 회수장치에 있어서,

내측 벽면, 외측 벽면 및 회수하고자 하는 탄소나노튜브가 수집 및 냉각되는 내부영역을 구비한 회수통;

상기 회수통의 내측 벽면, 외측 벽면, 내부 영역 또는 이들 중 둘 이상의 영역에 구비되는 냉각수단; 및

상기 회수통의 내부 영역에 구비되어 탄소나노튜브를 교반하기 위한 날개를 구비한 회전체;를 포함하는 탄소나노튜브 회수 장치를 제공한다.

상기 냉각수단은 냉매가 유동하는 것일 수 있다.

또한, 상기 냉매는 물, 질소 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것일 수 있다.

또한, 상기 냉각수단은 밴드형, 메쉬형, 코일형, 링형 또는 이들 중 둘 이상의 조합으로 구비될 수 있다.

또한, 상기 회전체의 날개에 냉각 수단이 결합된 것일 수 있다.

또한, 상기 회전체에 결합된 냉각수단은 날개 가장자리 또는 날개 면을 감싸는 형태로 구비된 것일 수 있다.

또한, 상기 회수통 하부에 냉각된 탄소나노튜브를 후속 장치로 이송하기 위한 이송부가 구비된 것일 수 있다.

또한, 상기 회수통의 내부영역 및 상기 이송부가 격리되어 있으며, 필요시 연통을 위한 밸브가 구비될 수 있다.

또한, 상기 회수통은 내부 영역 내에 가스를 주입 및 배출하기 위한 가스 조절부가 더 구비될 수 있다.

또한, 상기 회수통의 적어도 일면에 내부 관찰용 윈도우가 구비될 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 장치를 이용하여 탄소나노튜브 제조장치로부터 배출되는 탄소나노튜브를 회수하는 방법을 제공한다.

기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.

본 발명에 따른 탄소나노튜브(CNT) 회수 장치 및 그 방법에 의하면, 탄소나노튜브를 회수하는 단계에서 장치 간 이송 시 벌크밀도(Bulk density)가 낮은 고온의 탄소나노튜브(CNT)의 막힘 현상 없이 우수한 효율로 냉각시킬 수 있으며, 탄소나노튜브 냉각을 위한 별도의 냉각 장치나 공정을 필요로 하지 않아 공정을 단순화할 수 있으므로 탄소나노튜브의 대량 생산에 적용할 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일구현예에 따른 탄소나노튜브 회수 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일구현예에 따라 회수통에 구비되는 냉각수단의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일구현에에 따라 회전체에 구비되는 냉각수단의 개략도이다.

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.

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.

단수의 표현은 달리 명시하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.

"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.

본 명세서에서 "탄소나노튜브"라는 용어는 단수 또는 복수의 탄소나노튜브를 지칭할 수 있으며, 복수개의 탄소나노튜브가 섬유 형태로 형성된 것을 포함할 수 있다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 도면을 참조로 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1 및 도 2에는 본 발명의 일구현예에 따른 탄소나노튜브 회수 장치(1)가 개략적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 상기 회수부(14)는 탄소나노튜브를 회수통(10) 내에 도입하기 위한 도입구(15)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 도입구(15)는 상기 회수통(10) 외부로부터 중심부를 향해 연장되도록 형성되어 상기 회수통(10) 내부로 돌출되어 형성되거나, 돌출되지 않도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 도입구(15)의 수는 하나 이상으로 적절하게 선택될 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 회수통(10)에는 내부 영역의 가스량를 조절하기 위한 가스 조절부(12)가 더 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 가스 조절부(12)는 상기 회수통(10)에 대하여 개폐가 가능한 형태로 하나 이상 구비될 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 도입구(15) 및 가스 조절부(12)는 일정 유량으로 탄소나노튜브를 도입하거나 또는 가스를 공급 및 배출시키는 역할을 할 수 있다. 또한, 상기 탄소나노튜브 및 가스의 유입 또는 배출 시 유량을 조절하기 위하여, 상기 도입구(15) 및 가스 조절부(12)에 유량조절장치를 추가적으로 구비할 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 가스 및 탄소나노튜브 주입 방식은 특별히 제한되지 않으며, 버블링, 초음파 제트 분사, 기화식 주입, 스프레이식 분무, 펌프를 사용한 펄스식 유입 등을 적용할 수 있고, 상기 도입구(15) 및 가스 조절부(12)가 다수인 경우에는 각각의 주입구가 각각 다른 방식을 적용할 수도 있다.

일 구현예에 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 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

일 구현예에 따르면, 상기 회수통(10) 내부영역의 하부에는 탄소나노튜브의 이송을 위하여 이송부(30)를 더 구비할 수 있다. 상기 이송부(30)는 회수된 탄소나노튜브에 대하여 후처리가 필요한 경우, 상기 탄소나노튜브를 타 공정이 진행되는 장치로 이송시키기 위하여 타 공정의 장치와 연결되는 부분을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 컨베이어 이송 장치 연결부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 회수통(10) 및 상기 이송부(30) 사이에는 고온용 밸브(31)를 더 구비할 수 있다. 상기 고온용 밸브(31)로서 고내열성 밸브를 사용할 수 있고, 회수통(10)과 이송부(30) 내의 가스를 실링(sealing)하는 역할을 할 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 회수통(10)의 적어도 일면에 전체 또는 일부 면적에 대하여 내부 관찰용 오픈 영역(13)을 더 구비할 수 있다. 상기 오픈 영역(13)은 고내열성의 투명도를 가진 것이라면 특별히 제한되지 않는다.

일 구현예에 따르면, 상기 냉각물질은 냉각수, 질소 및 이들의 조합으로부터 선택할 수 있으며, 냉각을 목적으로 사용하는 것이라면 기상 또는 액상의 형태로 공급될 수 있고, 이에 제한되지 않는다.

상기 냉각수는 부식방지제, 안정제, 기포방지제, 변성제, 윤활제, 부동액을 포함할 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 회전체(20)는 회전형, 스크류형, 프로펠러형, 터빈형, 패들형, 앵커형, 리본형, 스프링형, 헤리컬형 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

일 구현예에 따르면, 상기 회수통(10)은 내열성 및 내압성을 가지는 것일 수 있다. 상기 회수통(10)의 크기는 특별히 제한되지 않고 공급원의 도입량 등에 따라 적절하게 설정될 수 있다. 예를 들어, 상기 회수통(10)은 600℃ 이상의 온도에서 내열성을 가질 수 있으며, 구체적으로, 석영, 흑연, 스테인레스강, 알루미늄 스틸, 탄화규소, 세라믹, 유리 등을 포함하는 소재로 형성되거나, 상기 소재로 코팅되어 형성된 튜브형 또는 박스형일 수 있다.

상기 회수통(10)의 일부에는 내부의 관찰을 용이하게 하기 위하여, 내부 관찰용 오픈 영역(윈도우)(13)이 형성될 수 있으며, 상기 내부 관찰용 오픈 영역 또는 윈도우(13)는 투명도가 높고, 내열성 및 내압성 물질로 이루어지는 것이라면 제한되지 않는다.

또한, 상기 회수통(10) 내부에는 회전체(20)가 구비되어 있다. 상기 회전체(20)는 회전형, 스크류형, 프로펠러형, 터빈형, 패들형, 앵커형, 리본형, 스프링형, 헤리컬형 및 이들의 조합으로부터 하나 이상으로 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 회수통(10)의 하부에는 탄소나노튜브를 타공정 및 타장치로 이송시키기 위한 이송부(30)가 형성될 수 있다. 상기 이송부(30)는 고온용 밸브(31)의 의하여, 상기 회수통(10)의 내부 영역과 구분 및 격리될 수 있고, 상기 고온용 밸브(31)는 필요시에 오픈 및 연통되도록 함으로써 이송되는 탄소나노튜브의 유량 등을 조절하는 역할을 할 수 있다.

도 2에는 원통형 회수장치가 개략적으로 도시되어 있으며, 각 구성은 상기 도 1과 대응되므로 동일한 부호를 사용하였다. 도 2의 장치에는 이송부 대신 컨베이터 이송장치 연결부(35, 36)가 구비된 모습을 도시하였다.

도 3은 냉각 수단의 구현예를 도시한다.

본 발명에 따른 탄소나노튜브 회수장치에 의하면, 상기 회수통(10)의 내측벽면, 외측벽면 또는 내부 영역에 냉각수단(40)을 구비함으로써, 회수 후 이송 단계를 포함하는 후처리 단계에 있어서 탄소나노튜브에 발생할 수 있는 정체 및 막힘 현상을 개선시킬 수 있다.

벌크밀도가 낮은 650℃ 이상의 고온 탄소나노튜브를 회수하는 데 있어서, 상기 탄소나노튜브의 냉각과 관련한 문제점이 발생할 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소나노튜브를 고온의 상태로 회수하게 되면 탄소나노튜브의 응집률이 높아짐으로써 공정 중 장치 내에서 막힘 현상이 발생할 수 있다.

상기 냉각수단(40)은 상기 회수통(10)의 내측 및 외측 벽면 또는 내부 영역에 특정 형상으로서 구비될 수 있다. 구체적으로는, 도 3에 도시된 바와 같이, 내측 또는 외측 벽에 밴드형(a) 또는 메쉬형(b)으로 형성될 수 있으며, 이들을 조합하여 적용할 수 있다.

또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 냉각수단 회전체(20)에 결합된 형태로 형성될 수 있다. 구체적으로 상기 회전체(20)의 가장자리에 링형(51)의 관 형태로 형성될 수 있고, 회전체 날개에 메쉬형(52)으로 형성될 수 있으며, 상기 회전체(20) 날개 부분에 코일 형태(53)로 감아져 형성될 수 있다.

상기 냉각수단(40)의 내부 또는 외부로 냉각물질을 도입시킴으로써, 회수통 내부의 탄소나노튜브의 냉각효과를 나타낼 수 있다. 상기 냉각물질은 냉각수, 질소 등을 포함할 수 있으며, 고체, 액체 또는 기체일 수 있고, 상기 기재에 제한되지는 않는다. 또한, 상기 냉각수단(40)은 냉매 공급부(11)를 통하여 공급될 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기와 같은 장치를 사용하여, 도입구(15)로부터 탄소나노튜브를 회수통(10)으로 도입하고, 상기 회수통(10)에 구비되는 냉각수단(40)에 의하여 탄소나노튜브를 냉각시키면서 후속 공정으로 이송시킴으로써, 회수 및 냉각을 동시에 진행할 수 있다.

본 발명에 따른 탄소나노튜브(CNT) 회수 장치에 의하면, 하나의 장치 내에서 탄소나노튜브의 회수 공정 및 냉각 공정이 연속적으로 이루어질 수 있으며, 상기 탄소나노튜브 회수 장치를 후속 장치에 결합함으로써, CNT 제조 공정을 단순화할 수 있다.

예를 들어, 상기 탄소나노튜브 회수 장치에 이송장치, 후처리장치, 세정장치 등을 결합하여 추가적인 공정을 진행할 수 있다. 예를 들어, 상기 CNT 회수 장치는 권취수단 등을 추가적으로 구비하여 CNT 섬유를 용이하게 획득할 수 있다.

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.

Claims (11)

1. 탄소나노튜브 제조장치로부터 배출되는 탄소나노튜브를 회수하기 위한 탄소나노튜브 회수장치에 있어서,
   내측 벽면, 외측 벽면 및 회수하고자 하는 탄소나노튜브가 수집 및 냉각되는 내부영역을 구비한 회수통;
   상기 회수통의 내측 벽면, 외측 벽면, 내부 영역 또는 이들 중 둘 이상의 영역에 구비되는 냉각수단; 및
   상기 회수통의 내부 영역에 구비되어 탄소나노튜브를 교반하기 위한 날개를 구비한 회전체;를 포함하는 탄소나노튜브 회수 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 냉각수단은 냉매가 유동하는 것인 탄소나노튜브 회수 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 냉매는 물, 질소 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인 탄소나노튜브 회수 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 냉각수단이 밴드형, 메쉬형, 코일형, 링형 또는 이들 중 둘 이상의 조합으로 구비된 것인 탄소나노튜브 회수 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 회전체의 날개에 냉각 수단이 결합된 것인 탄소나노튜브 회수 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 회전체에 결합된 냉각수단은 날개 가장자리 또는 날개 면을 감싸는 형태로 구비된 것인 탄소나노튜브 회수 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 회수통 하부에 냉각된 탄소나노튜브를 후속 장치로 이송하기 위한 이송부가 구비된 것인 탄소나노튜브 회수 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 회수통의 내부영역 및 상기 이송부가 격리되어 있으며, 필요시 연통을 위한 밸브가 구비된 것인 탄소나노튜브 회수 장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 회수통은 내부 영역 내에 가스를 주입 및 배출하기 위한 가스 조절부가 더 구비되는 것인 탄소나노튜브 회수 장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 회수통의 적어도 일면에 내부 관찰용 윈도우가 구비된 것인 탄소나노튜브 회수 장치.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 장치를 이용하여 탄소나노튜브 제조장치로부터 배출되는 탄소나노튜브를 회수하는 방법.

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