KR20010032588A - 탄소 생성용 촉매 - Google Patents

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KR20010032588A
KR20010032588A KR1020007005841A KR20007005841A KR20010032588A KR 20010032588 A KR20010032588 A KR 20010032588A KR 1020007005841 A KR1020007005841 A KR 1020007005841A KR 20007005841 A KR20007005841 A KR 20007005841A KR 20010032588 A KR20010032588 A KR 20010032588A
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캠베 노부유키
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • D01F9/127—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by thermal decomposition of hydrocarbon gases or vapours or other carbon-containing compounds in the form of gas or vapour, e.g. carbon monoxide, alcohols

Abstract

본 발명에 따른 원소 탄소 섬유 및 탄소 입자를 생성하는 방법에서는 바람직하게는 레이저 열분해에 의해 만들어진 균일한 촉매 입자를 이용한다. 바람직한 촉매 입자는 원소 철, 철 탄화물 또는 황화철을 포함하고, 평균 입자 직경이 약 1000 nm 내지 약 5 nm이다. 또한, 바람직한 촉매 입자는 입자의 직경 분포가 좁고 입자의 크기에 있어서 어떤 단락이 있어, 그 직경 분포에는 큰 직경을 향하는 미부(尾部)가 없다.

Description

탄소 생성용 촉매{CATALYSTS FOR CARBON PRODUCTION}
탄소 섬유를 생성하는 것은 상업적으로 상당한 관심의 대상이 된다. 그래파이트 탄소 원섬유(原纖維)(graphitic carbon fibrils)는 표면적과 탄성 영률(Young's modulus of elasticity) 및 인장 강도가 크다. 이들 섬유는 섬유 강화형 복합물(fiber-reinforced composites)을 생성하는 데에 이용된다. 탄소 섬유 강화형 복합물은 단위 중량당 강도와 강성(剛性, stiffness) 및 인성(靭性, toughness)이 현저하게 크기 때문에 상업적으로 유용하다. 탄소 섬유 복합물은 그 뛰어난 성질 때문에, 항공 산업 및 스포츠 상품 산업에서 이용되고 있다.
그래파이트 탄소 섬유를 형성할 때에는 일반적으로 약 2900℃의 온도가 요구된다. 그래파이트 탄소 섬유를 형성하는 데에 적당한 온도는 촉매를 사용하여 낮출 수 있다. 바람직한 탄소 섬유에는 비정질의 "열적" 탄소(thermal carbon)가 있다 하더라도 거의 포함되어 있지 않다. 섬유와 연관된 비정질의 탄소는 약 2500℃ 내지 약 3000℃ 사이의 온도로 가열함으로써 그래파이트 형태로 전환시킬 수 있다.
또한, 나노 크기의 탄소 입자는 다양한 용도로 사용된다. 이들 탄소는 그 전기적 전도성으로 인해 특히 유용하다. 이러한 전도성 입자는 배터리, 커패시터 등에 사용되는 중합체를 기본으로 하는 전극(polymer based electrodes)과 같은 여러 전기 소자에 합체될 수 있다.
본 발명은 나노 크기(nanoscale)의 입자를 포함하는 촉매를 사용하여 탄소 전구 물질(carbon precursors)로부터 탄소 입자와 탄소 섬유를 생성하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 레이저 복사 경로의 중간을 취한 레이저 열분해 장치의 일실시예의 개략적인 단면도로서, 상측의 삽입부는 분사 노즐의 저면도이고, 하측의 삽입부는 집속 노즐의 평면도이다.
도 2는 레이저 열분해 장치의 다른 실시예의 반응 챔버의 개략적인 사시도로서, 챔버 내의 물질은 장치의 내부를 드러내기 위하여 투과하여 나타내었다.
도 3은 도 2의 반응 챔버를 3-3 선을 따라 취한 단면도이다.
도 4는 수정관의 중심을 취하여 나타낸 나노 크기 입자를 가열하는 오븐의 개략적인 단면도이다.
원소 탄소 형성용의 개선된 촉매 입자는 레이저 열분해(laser pyrolysis)를 통해 생성할 수 있다. 상기 개선된 촉매 입자는 그 균일성의 정도가 크다. 특히, 상기 입자의 평균 직경은 작은 직경의 원하는 탄소 입자 및 섬유를 생성하는 데에 적당하게 작다. 또한, 상기 입자의 직경은 평균 직경을 중심으로 작게 분포되어 있다. 또한, 상기 입자는, 평균 직경보다 상당히 큰 직경의 입자가 있다 하더라도 거의 없게 입자 분포에 있어서 어떤 단락(cut off)이 있다. 상기 개선된 촉매 입자는 개선된 원소 탄소 생성물을 생성하는 탄소 전구 물질을 포함하는 분자 스트림(molecular stream)과 접촉된다.
제1 양태에 있어서, 본 발명은 원소 철, 철 탄화물(iron carbide) 또는 황화철(iron sulfide)을 포함하고, 평균 직경이 약 5 nm 내지 약 1000 nm이며, 적어도 입자의 약 95%가 평균 직경의 약 60%보다 큰 직경으로 되어 있고, 평균 입자 직경의 약 140% 보다 작은 직경으로 입자 직경이 분포되어 있는 촉매 입자를 탄소 전구 물질 가스와 접촉시키는 단계를 포함하는 원소 탄소 생성 방법을 특징으로 한다. 상기 촉매 입자의 평균 직경은 약 500 nm 미만인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 약 100 nm 미만이다.
특정의 실시예에 있어서, 상기 촉매 입자에는 약 1 미크로보다 큰 직경의 입자가 실질적으로 없다. 상기 촉매 입자는 레이저 열분해에 의해 생성할 수 있다. 원소 탄소를 생성하기 위하여, 상기 촉매 입자와 탄소 전구 물질 가스는 약 650℃ 내지 약 1300℃의 온도로 가열하는 것이 바람직하다. 상기 원소 탄소 생성물에는 탄소 섬유가 포함될 수 있다.
다른 양태에 있어서, 본 발명은 원소 철, 철 탄화물 또는 황화철을 포함하고, 약 1 미크론 보다 큰 직경의 입자가 실질적으로 없는 약 5 nm 내지 약 1000 nm평균 직경의 촉매 입자를 탄소 전구 물질 가스와 접촉시키는 단계를 포함하는 원소 탄소 생성 방법을 특징으로 한다. 상기 촉매 입자의 평균 직경은 약 500 nm 미만인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 약 100 nm 미만이다. 상기 원소 탄소를 생성하기 위하여, 상기 촉매 입자와 탄소 전구 물질 가스는 약 650℃ 내지 약 1300℃의 온도로 가열하는 것이 바람직하다. 상기 원소 탄소 생성물은 탄소 섬유를 포함할 수 있다.
다른 양태에 있어서, 본 발명은 철 전구 물질 화합물, 황 공급원(sulfur source), 복사 흡수 가스(radiation absorbing gas)를 포함하는 분자 스트림을 열분해하는 단계를 포함하고, 이러한 열분해 단계는 레이저 빔으로부터 흡수된 열에 의해 구동되는 황화철 입자 생성 방법을 특징으로 한다. 상기 철 전구 물질은 Fe(CO)5을 포함할 수 있고, 상기 황 공급원은 H2S를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 후술하는 본 발명의 상세한 설명 및 청구의 범위로부터 명확해질 것이다.
개선된 촉매 입자는 탄소 형성에 적당한 뛰어난 성질을 갖고 있다. 특히, 탄소 형성용 촉매로서 유용한 나노 크기의 철 입자와 철 화합물 입자는 균일성의 수준이 상당히 크다. 바람직한 입자의 균일성은 입자 직경의 분포가 좁은 것과, 조성(composition), 결정성(crystallinity) 및 결정 형태(crystal morphology)와 관련한 균일성을 포함한다. 바람직한 촉매 입자는 레이저 열분해에 의해 형성된다. 바람직한 입자는, 예컨대 원소 철, 철 탄화물 또는 황화철을 포함할 수 있다.
나노 크기의 금속 입자 또는 금속 화합물 입자를 생성하는 레이저 열분해의 성공적인 용례의 기본적인 특징은 금속 전구 물질 화합물, 복사 흡수체(radiation absorber), 제2의 반응 화합물을 포함하는 분자 스트림을 생성하는 것이다. 상기 분자 스트림은 강한 레이저 빔에 의해 열분해된다. 레이저 복사 흡수로부터 생기는 강한 열은 제2의 반응 화합물의 존재 하에서 금속 전구 물질 화합물의 반응을 유도한다. 레이저 열분해는 열역학적 평형 상태 하에서는 형성하기가 어려울 수 있는 입자를 형성한다. 분자 스트림이 레이저 빔을 떠날 때, 금속 입자 또는 금속 화합물 입자는 급속히 냉각된다. 다음에, 상기 입자는 입자의 성질을 변경 및/또는 개선하기 위하여 추가 처리될 수 있다.
탄소 입자를 형성하기 위하여, 상기 촉매 입자를 상승 온도에서 탄소 함유 가스와 접촉시킨다. 상기 온도는 약 1500℃ 미만인 것이 바람직하다. 상기 촉매 입자는 상기 탄소 함유 가스의 분해와 원소 탄소의 형성을 촉진시킨다. 특정의 환경 하에서, 상기 촉매 입자는 원소 탄소 내에 넣어진다. 별법으로서, 상기 탄소 입자는 탄소 섬유의 형성을 촉진시킨다. 상기 탄소 섬유는 일반적으로 원통형인 것이 바람직하고, 동심원의 규칙적인 탄소 원자층을 포함하는 것이 바람직하다.
A. 촉매 생성
레이저 열분해는 관심 대상인 나노 크기의 원소 철 입자, 철 탄화물 입자 및 황화철 입자를 생성하는 데에 유용한 방법이라는 것이 밝혀졌다. 또한, 레이저 열분해에 의해 생성된 상기 나노 크기의 입자는 원하는 철 입자, 철 탄화물 입자 및 황화철 입자를 생성하기 위하여, 열처리와 같은 추가 처리를 위한 종래의 물질이다. 따라서, 열분해 단독 또는 추가 처리와 조합하여, 다양한 종류의 나노 크기 입자를 생성할 수 있다.
반응 조건은 레이저 열분해에 의해 생성되는 나노 크기 입자의 질을 결정한다. 레이저 열분해를 위한 반응 조건은 원하는 성질을 갖는 입자를 생성하기 위하여 비교적 정밀하게 제어할 수 있다. 특정 형태의 입자를 생성하는 데에 적절한 반응 조건은 일반적으로 입자 장치의 구조에 의존한다. 그럼에도 불구하고, 반응 조건과 그 결과 생성되는 입자 사이의 관계에 대한 몇몇 일반적인 관찰이 이루어졌다.
레이저 빔의 출력을 증가시키면, 반응 영역에서의 반응 온도가 증가되고 냉각 속도도 빨라진다. 급속한 냉각 속도는 보다 큰 에너지 구조를 생성하는 데에 양호하다. 유사하게, 챔버의 압력을 증가시키면 보다 큰 에너지 구조를 생성하는 데에 양호하다. 또한, 반응물 스트림에서 탄소 또는 황 공급원으로서 역할을 하는 반응물의 농도를 증가시키면, 탄소 또는 황의 양이 증대된 금속 탄화물 또는 황화물이 생성된다.
반응물 가스 스트림의 반응물 가스 유량과 속도는 입자의 크기와 역비례 관계에 있으므로, 반응물 가스의 유량 또는 속도를 증대시키면 입자의 크기는 보다 작아진다. 또한, 입자의 성장 힘(growth dynamics)은 생성되는 입자의 크기에 상당한 영향을 미친다. 즉, 금속 화합물의 결정 형태가 다른 경우 비교적 유사한 조건 하에서 다른 결정 형태를 갖는 입자와는 다른 크기의 입자가 형성되는 경향이 있다. 레이저 출력도 입자 크기에 영향을 미치는데, 레이저 출력을 증대시키면 보다 낮은 용융 재료용의 보다 큰 입자가 형성되고 보다 높은 용융 재료용의 보다 작은 입자가 형성된다.
적절한 철 전구 물질 화합물은 일반적으로 합리적인 증기압, 즉 상기 반응물 스트림에서 원하는 양의 전구 물질 증기를 얻는 데 충분한 증기압을 갖는 철 화합물을 포함한다. 상기 철 전구 물질 화합물을 보유하는 용기는 원한다면, 철 전구 물질의 증기압을 증대시키기 위하여 가열될 수 있다. 바람직한 철 전구 물질은, 예컨대 Fe(CO)5를 포함한다.
탄소 공급원으로서 역할을 하는 바람직한 제2의 반응물은, 예컨대 C2H4, C6H6및 이들의 혼합물을 포함한다. 황 공급원으로서 역할을 하는 바람직한 제2의 반응물은, 예컨대 H2S를 포함한다. 원소 철 입자를 형성하기 위하여, 상기 제2의 반응물은 일반적으로 필요하지는 않다. 그러나, 고순도를 원하는 경우, 철 전구 물질 중 비철 성분이 있는 화합물을 형성하는 데에 효과적인 제2의 반응물을 사용하여야 한다. 상기 제2의 반응 화합물은 반응 영역으로 들어가기 전에 상기 철 전구 물질과 현저히 반응하지 않아야 하는데, 왜냐하면 그와 같은 일이 일어나게 되는 경우 큰 입자가 형성되기 때문이다.
여러 가지의 광 레이저 진동수(optical laser frequencies)를 이용하여 레이저 열분해를 수행할 수 있다. 바람직한 레이저는 전자기 스펙트럼 중 적외선 부분에서 동작한다. 레이저 광 공급원으로서 CO2레이저가 특히 바람직하다. 적외선 흡수체와 같은 복사 흡수체는 복사 빔으로부터 에너지를 흡수하고, 그 에너지를 열로서 다른 반응물에 분배하여 열분해를 일으킨다. 분자 스트림에 포함되는 적외선 흡수체로는, 예컨대 C2H4, NH3, SF6, O3가 포함된다. C2H4는 탄소 공급원으로서 역할을 할 수 있는 반응물 및 적외선 흡수체로서 작용할 수 있다. C2H4가 탄소 공급원으로서 역할을 할 수 있을지라도, 원소 철을 생성하기 위한 제2의 반응물 및 적외선 흡수체로서 비교적 작은 농도일 때 유용하기도 하다.
바람직하게는, 상기 복사 빔으로부터 흡수된 에너지는 상당한 속도, 제어된 조건 하에서 강한 발열 반응에 의해 에너지가 생성되는 속도의 수배의 속도로 상기 온도를 증대시킨다. 상기 과정에는 일반적으로 비평형 상태가 포함되기는 하지만, 상기 온도는 대략, 흡수 영역에서의 에너지에 기초하여 설명할 수 있다. 상기 레이저 열분해 과정은 에너지 공급원이 반응을 야기하는 연소 반응기에서의 과정과는 정성적으로 다르지만, 상기 반응은 발열 반응에 의해 방출된 에너지에 의해 구동된다.
상기 반응물 챔버 구성품과 접촉하는 반응물 및 생성물 분자의 양을 감소시키기 위하여, 불활성 차폐 가스를 사용할 수 있다. 철 입자, 철 탄화물 입자 및 황화철 입자를 생성하기 위하여, 적당한 차폐 가스는, 예컨대 Ar, He, N2를 포함한다.
레이저 열분해에 의해 α철과 철 탄화물을 생성하는 것은 본 명세서에 참고로 합체하는 J.Master. Res, 8:1666-1674(1993)에 기재된 비(Bi) 등의 "CO2레이저 열분해에 의해 생성한 비결정의 α철, Fe3C, Fe7C3"에 개시되어 있다.
적절한 레이저 열분해 장치에는 일반적으로 주변 환경과 분리되어 있는 반응 챔버가 포함된다. 반응물 공급 장치에 연결된 반응물 유입구는 반응 챔버를 통해 분자 스트림을 생성한다. 레이저 빔 경로는 반응 영역에서 분자 스트림과 교차한다. 분자 스트림은 반응 영역 후 유출구까지 계속되는데, 상기 유출구에서 분자 스트림은 반응 챔버를 빠져 나가 집속 장치(collection system)로 들어간다. 일반적으로, 레이저는 반응 챔버 외부에 배치되고, 레이저 빔은 적절한 창을 통해 상기 반응 챔버로 들어간다.
도 1을 참조하면, 특정 실시예의 열분해 장치(100)에는 반응물 공급 장치(102), 반응 챔버(104), 집속 장치(106), 레이저(108)가 포함되어 있다. 반응물 공급 장치(102)에는 금속 전구 물질 화합물의 공급원(120)이 포함되어 있다. 액상의 철 전구 물질에 대하여, 캐리어 가스가 캐리어 가스 공급원(122)으로부터 전구 물질 공급원(120)으로 도입될 수 있는데, 상기 공급원에는 전구 물질의 급송을 용이하게 하는 액상의 전구 물질이 들어 있다. 공급원(122)으로부터의 캐리어 가스는 적외선 흡수체 또는 불활성 가스인 것이 바람직하고, 액상의 금속 전구 물질 화합물을 통해 기포화되는 것이 바람직하다. 반응 영역에 있는 전구 물질 증기의 양은 대체로 캐리어 가스의 유량에 비례한다.
별법으로서, 캐리어 가스는 필요에 따라 적외선 흡수체 공급원(124) 또는 불활성 가스 공급원(126)으로부터 직접 공급될 수 있다. 제2의 반응 화합물은 가스 실린더 또는 다른 적절한 용기일 수 있는 공급원(128)으로부터 공급된다. 금속 전구 물질 화합물 공급원(120)으로부터의 가스는 제2의 반응물 공급원(128), 적외선 흡수체 공급원(124), 불활성 가스 공급원(126)으로부터의 가스와 그 가스들을 관(130)의 단일부에서 조합함으로써 혼합된다. 이들 가스는 반응 챔버(104)로부터 충분한 거리를 두고 조합되어, 반응 챔버(104)로 들어가기 전에 잘 혼합된다. 관(130)의 조합 가스는 덕트(132)를 통해 사각형 채널(134) 내로 들어가는데, 상기 채널은 반응물을 반응 챔버 내로 향하게 하는 분사 노즐(injection nozzle)의 일부를 형성한다.
공급원(122, 124, 126, 128)으로부터의 유동은 질량 유동 컨트롤러(136)에 의해 독자적으로 제어하는 것이 바람직하다. 질량 유동 컨트롤러(136)는 각 공급원으로부터 제어된 유량을 제공하는 것이 바람직하다. 적당한 질량 유동 컨트롤러로는, 예컨대 윌밍턴에 소재하는 에드워즈 하이 베큐엄 인터내쇼날(Edwards High Vacuum International)에서 판매하는 에드워즈 질량 유동 컨트롤러, 모델 825 시리즈가 있다.
불활성 가스 공급원(138)은 환형 채널(142) 내로 통하는 불활성 가스 덕트(140)에 연결되어 있다. 질량 유동 컨트롤러(144)가 불활성 가스 덕트(140) 내로의 불활성 가스 유동을 조절한다. 불활성 가스 공급원(126)은 원한다면, 덕트(140)용 불활성 가스 공급원으로서 기능할 수도 있다.
반응 챔버(104)에는 주 챔버(200)가 포함되어 있다. 반응물 공급 장치(102)는 분사 노즐(202)에서 주 챔버(200)에 연결되어 있다. 분사 노즐(202)의 단부에는 불활성 차폐 가스 통로용의 환형 개구(204)와, 반응 챔버에서 분자 스트림을 형성하는 반응물 가스 통로용의 사각형 슬릿(206)이 있다. 환형 개구(204)의 직경은 약 1.5 인치이고, 반경 방향을 따른 폭은 약 1/16 인치이다. 환형 개구(204)를 통한 차폐 가스의 유동은 반응물 가스와 생성물 입자가 반응 챔버(104) 전체에 걸쳐 흩어지는 것을 방지하는 것을 도와준다.
관형부(208, 210)가 분사 노즐(202)의 양측에 배치되어 있다. 관형부(208, 210)에는 각각 ZnSe 창(212, 214)이 포함되어 있다. 창(212, 214)의 직경은 약 1 인치이다. 창(212, 214)은, 노즐 개구 중심 바로 아래의 한 지점으로 빔을 집속하기 위하여 촛점 길이가 챔버 중심과 렌즈 표면에 이르는 거리와 동일한 평면 집속 렌즈인 것이 바람직하다. 창(212, 214)에는 반사 방지 코팅을 마련하는 것이 바람직하다. 적절한 ZnSe 렌즈는 버몬트 타운젠드에 소재하는 자노스 테크놀러지(Janos Technology)에서 구매할 수 있다. 관형부(208, 210)는 창(212, 214)이 반응물이나 생성물에 의해 덜 오염되게 창(212, 214)이 주 챔버(200)로부터 멀리 이동할 수 있게 한다. 창(212, 214)은 주 챔버(200)의 연부로부터, 예컨대 약 3 cm 이동되어 있다.
창(212, 214)은 고무 O링을 이용하여 관형부(208, 210)를 밀봉하여, 주변 공기가 반응 챔버(104) 내로 유동하는 것을 방지한다. 관형의 유입구(216, 218)는 차폐 가스가 관형부(208, 210) 내로 유동할 수 있게 하여, 창(212, 214)이 오염되는 것을 감소시킨다. 관형의 유입구(216, 218)는 불활성 가스 공급원(138) 또는 별도의 불활성 가스 공급원에 연결되어 있다. 어느 경우이든지, 유입구(216, 218)로의 유동은 질량 유동 컨트롤러(220)에 의해 제어된다.
레이저(108)는 창(212)으로 들어가 창(214)을 통해 빠져 나가는 레이저 빔(222)을 생성시키도록 정렬되어 있다. 창(212, 214)은 반응 영역(224)에서 반응물 흐름과 교차하는 주챔버(200)를 통한 레이저 광 경로를 형성한다. 레이저 빔(222)은 창(214)을 떠난 후에, 빔 덤프(beam dump)로서도 작용하는 출력 미터(power meter)(226)와 충돌한다. 적절한 출력 미터는 캘리포니아주 산타 클라라에 소재하는 코히런트 인코포레이티드(Coherent Inc.)로부터 구할 수 있다. 레이저(108)는 아크 램프와 같이 종래의 강한 광 공급원으로 대체할 수도 있다. 바람직하게는, 레이저(108)는 적외선 레이저, 특히 뉴저지주 랜딩에 소재하는 PRC 코포레이션에서 판매하는 최대 출력이 1800 와트인 CW CO2레이저이다.
분사 노즐(202)의 슬릿(206)을 통과하는 반응물은 분자 스트림을 일으킨다. 분자 스트림은 금속 전구 물질 화합물을 포함하는 반응이 일어나는 반응 영역(224)을 통과한다. 반응 영역(224)에서의 가스 가열은 특정 조건에 따라 105℃/sec 정도로 극히 빠르다. 상기 반응은 반응 영역(224)을 떠나자마자 급속히 떨어지고, 분자 스트림에는 나노 크기의 입자(228)가 형성된다. 이러한 과정의 비평형 성질은 크기의 분포가 균일하고 구조적으로 동질인 나노 크기 입자를 생성할 수 있게 해준다.
분자 스트림 경로는 집속 노즐(230)까지 계속된다. 집속 노즐(230)은 분사 노즐(202)로부터 약 2 cm 이격되어 있다. 분사 노즐(202)과 집속 노즐(230) 사이의 간격이 작을수록 반응 챔버(104)가 반응물 및 생성물로 오염되는 것을 감소시킬 수 있다. 집속 노즐(230)에는 원형 개구(232)가 있다. 원형 개구(232)는 집속 장치(106) 내로 이어진다.
챔버의 압력은 주 챔버에 부착된 압력 게이지에 의해 모니터된다. 챔버의 압력은 일반적으로 약 5 Torr 내지 약 1000 Torr의 범위에 있다. 원소 철, 철 탄화물, 황화철을 생성하는 데에 바람직한 챔버의 압력은 약 40 Torr 내지 약 500 Torr이다.
반응 챔버(104)에는 도시하지 않은 두 개의 추가 관형부가 있다. 한 관형부는 도 1의 단면도의 평면 내로 돌출되고, 다른 관형부는 도 1의 단면도의 평면으로부터 돌출된다. 위에서 보았을 때, 4개의 관형부는 챔버의 중심 주변에 대체로 대칭적으로 분포되어 있다. 이들 추가 관형부에는 챔버의 내부를 관찰하기 위한 창이 있다. 이와 같은 상기 장치의 구성에 있어서, 나노 크기의 입자를 생성하는 것을 용이하게 하기 위하여 상기 두 개의 추가 관형부를 사용하지는 않는다.
집속 장치(106)는 집속 노즐(230)로부터 나오는 만곡 채널(250)을 포함할 수 있다. 나노 크기 입자의 부양성(浮揚性) 때문에, 생성 나노 크기 입자는 상기 만곡부 둘레로 가스 흐름을 따라간다. 집속 장치(106)는 상기 생성 나노 크기 입자를 수집하기 위하여 가스 흐름 내에 필터(252)를 포함한다. 테프론, 유리 섬유 등과 같은 각종의 재료는 불활성이고 상기 입자를 포집하기에 충분한 미세 메쉬(mesh)가 있는 한 필터로서 사용될 수 있다. 필터용으로 바람직한 재료로는, 예컨대 뉴저지주 에이씨이 글래스 인코포레이티드(ACE Glass Inc.)에서 판매하는 유리 섬유 필터가 있다.
집속 장치(106)를 감소된 압력에서 유지하기 위하여 펌프(254)가 사용된다. 각종의 다른 펌프가 사용될 수 있다. 적절한 펌프(254)로는, 예컨대 펜실베니아주 엑스포트에 소재하는 레이볼드 베큐엄 프라덕츠(Laybold Vacuum Products)에서 판매하는 레이볼드 모델 SV300 펌프로서 그 펌프 용량은 약 195 cfm이다. 대기로 배기하기 전에 어떤 잔류 반응 화학물을 제거하기 위하여, 펌프 배기물을 스크루버(scrubber)(256)를 통해 유동시키는 것이 바람직할 수 있다. 장치(100) 전체는 배기의 목적 및 안전을 고려하여 퓸 후드(fume hood) 내에 배치할 수 있다. 일반적으로, 레이저는 그 큰 크기로 인해 상기 퓸 후드 외부에 남아 있다.
상기 장치는 컴퓨터에 의해 제어된다. 일반적으로, 컴퓨터는 레이저를 제어하고 반응 챔버의 압력을 모니터한다. 컴퓨터는 반응물 및/또는 차폐 가스의 흐름을 제어하는 데에 사용될 수 있다. 펌핑 속도는 펌프(254)와 필터(252) 사이에 삽입되어 있는 수동식 니들 밸브 또는 자동식 쓰로틀 밸브에 의해 제어된다. 챔버의 압력이 필터(252) 상에 축적되는 입자로 인해 증가함에 따라, 상기 수동식 밸브 또는 쓰로틀 밸브는 펌핑 속도 및 그에 상응하는 챔버 압력을 유지하기 위하여 조절될 수 있다.
상기 반응은, 충분한 나노 크기 입자가 필터(252)에 수집되어 펌프가 필터(252)를 통한 저항에 대해 반응 챔버(104) 내에 원하는 압력을 더 이상 유지할 수 없을 때까지 계속될 수 있다. 반응 챔버(104)의 압력이 원하는 값에서 더 이상 유지될 수 없을 때, 반응은 멈춰지고, 필터(252)는 제거된다. 이러한 실시예에 있어서, 챔버의 압력이 더 이상 유지될 수 없기 전에, 단 한 번의 가동으로 약 3-75 그램의 나노 크기 입자가 수집될 수 있다. 한 번의 가동은 생성되는 입자의 형태 및 특정 필터에 따라 약 10분 내지 약 3 시간 유지될 수 있다.
반응 조건은 비교적 정밀하게 제어될 수 있다. 질량 유동 컨트롤러는 상당히 정확하다. 레이저의 출력 안정성은 일반적으로 약 0.5%이다. 수동 제어 또는 쓰로틀 밸브를 이용하여, 상기 챔버 압력을 약 1% 이내로 제어할 수 있다.
반응물 공급 장치(102)와 집속 장치(106)의 구성은 바꿀 수 있다. 이러한 별법의 구성에 있어서, 반응물은 반응 챔버의 바닥으로부터 공급되고, 생성물 입자는 챔버의 상단에서부터 수집된다. 이러한 별법은 구성에는 생성물이 약간 더 많이 수집되는데, 왜냐하면 나노 크기의 입자는 일반적으로 주변 가스에서 부양성이 있기 때문이다. 이러한 구성에 있어서, 수집 필터가 반응 챔버 바로 위에 장착되지 않게 수집 장치에 만곡부를 포함시키는 것이 바람직하다.
레이저 열분해 장치의 별법의 구성은 이미 개시되어있다. 본원에서 참고로 합체하는 "화학 반응에 의한 입자의 효율적인 생성"이라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 제08/808,850호를 참조하라. 이 별법의 구성은 나노 크기 입자를 상업적인 양으로 생성하는 것을 용이하게 한다. 반응 물질을 반응 챔버 내로 분사하는 각종의 구성이 개시되어 있다.
상기 별법의 장치에는 생성 용량을 증대시키고 공급원으로 효율적으로 이용할 수 있도록 하기 위하여, 입자에 의한 챔버 벽의 오염을 최소화하게 구성된 반응 챔버가 포함되어 있다. 이러한 목적을 달성하기 위하여, 상기 반응 챔버는 일반적으로 세장형의 반응물 유입구의 형태에 상응하고, 분자 스트림 외부의 사적(dead volume)을 감소시킨다. 가스는 사적에 축적되어, 비반응 분자에 의한 분산 또는 흡수를 통해 버려지는 복사량을 증가시킨다. 또한, 사적 내의 가스 유동 감소로 인해, 입자가 사적에 축적될 수 있어 챔버 오염을 증대시킨다.
개선된 반응 챔버(300)의 구조가 도 2 및 도 3에 개략적으로 도시되어 있다. 반응물 가스 채널(302)은 블록(304) 내부에 배치되어 있다. 블록(304)의 퍼싯(facets)(306)은 도관(308)의 일부를 형성한다. 도관(308)의 다른 일부는 연부(310)에서 주 챔버(312)의 내면과 결합된다. 도관(308)은 차폐 가스 유입구(314)에서 종단된다. 블록(304)은 세장형의 반응물 유입구(316)와 차폐 가스 유입구(314) 사이의 관계를 변화시키기 위하여, 상기 반응 및 원하는 조건에 따라 재배치 또는 대체될 수 있다. 상기 차폐 가스 유입구(314)로부터의 차폐 가스는 반응물 유입구(316)에서 기원하는 분자 스트림 둘레에 블랭킷(blankets)을 형성한다.
세장형 반응물 유입구(316)의 치수는 고효율로 입자를 생성하도록 설계되어 있다. 1800 와트 CO2레이저를 사용하여, 철 입자, 철 탄화물 입자, 황화철 입자를 생성하는 데에 합리적인 반응물 유입구 치수는 약 5 mm 내지 약 1 m이다.
주 챔버(312)는 일반적으로 세장형 반응물 유입구(316)의 형태에 상응한다. 주 챔버(312)에는 분자 스트림을 따라, 입자 생성물, 임의의 반응하지 않은 가스 및 불활성 가스를 제거하기 위한 유출구(318)가 포함되어 있다. 관형부(320, 322)가 주 챔버(312)로부터 연장된다. 관형부(320, 322)는 창(324, 326)을 유지하여, 반응 챔버(300)를 통한 레이저 빔 경로(328)를 정한다. 관형부(320, 322)에는 차폐 가스를 관형부(320, 322) 내로 도입하는 차폐 가스 유입구(330, 332)가 포함될 수 있다.
상기 개선된 장치에는 분자 스트림으로부터 나노 크기 입자를 제거하는 수집 장치가 포함되어 있다. 이 수집 장치는 생산을 중단하는 일 없이 다량의 입자를 수집하거나 집속 장치 내부의 다른 입자 수집기 사이에서 전환됨으로써 연속 생산식으로 가동되게 구성할 수 있다. 상기 수집 장치는 상기 유동 흐름 내부에, 도 1에 도시한 집속 장치의 만곡부와 유사한 만곡된 구성품을 포함할 수 있다. 반응물 분사 구성품 및 집속 장치의 구성은 입자가 상기 장치의 상부에서 수집되게 바꿀 수 있다.
전술한 바와 같이, 생성되는 나노 크기 입자의 성질은 추가 처리에 의해 수정될 수 있다. 예를 들면, 입자의 균일성 및/또는 결정성을 증대시키고, 가능하다면 입자 상의 흡착된 화합물을 제거하기 위하여 열처리를 이용할 수 있다. 오븐에서 입자를 둘러싸는 분위기는 비반응성 환경이다. 온화한 조건, 즉 나노 크기 입자의 융접 아래의 온도를 이용하면, 입자를 더 큰 입자로 신터링하지 않으면서 입자의 결정 구조를 수정할 수 있다는 것이 발견되었다. 오븐에서의 이러한 과정은 본원에서 참고로 합체하는 "바나듐 옥사이드 입자의 열처리"라는 제목의 미국 특허 출원 제08/897,903호에 상세히 설명되어 있다.
이러한 열처리를 수행하는 장치(400)의 한 예가 도 4에 도시되어 있다. 장치(400)에는 나노 크기 입자가 배치되는 관(402)이 포함되어 있다. 관(402)은 비반응성 가스 공급원(404)에 연결되어 있다. 상기 비반응성 가스는 관(402) 내에 원하는 분위기를 생성하는 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 원하는 가스는 관(402)을 통해 유동한다. 적절한 비반응성 가스는, 예컨대 O2, CO2, N2, Ar, He 및 이들의 조합을 포함한다. 상기 비반응성 가스는 공기일 수 있다.
상기 열처리를 수행하기 위해 각종의 오븐이 사용될 수 있다. 하나의 실시예가 도 4에 도시되어 있다. 관(402)은 오븐 또는 노(爐) 내부(408)에 배치되어 있다. 오븐(408)은, 원한다면 온도를 열처리 중에 체계적으로 변화시킬 수 있지만, 비교적 일정한 온도로 관의 관련 부분을 유지한다. 오븐(408)의 온도는 일반적으로 열전대(410)를 이용하여 측정한다.
입자는 관(402)에서 유리병(vial)(412) 내부에 놓일 수 있다. 유리병(412)은 가스 유동으로 인한 입자의 손실을 방지한다. 유리병(412)은 일반적으로 개방 단부가 가스 유동 공급원을 방향을 향하게 된 채 배향되어 있다. 별법으로서, 입자를 적소에 유지하면서 가스 흐름을 가능케 하는 재료 내부에 입자를 배치할 수 있다. 예를 들면, 레이저 열분해로부터의 수집 필터는 입자를 필터 재료에 유지하는 경향이 있는 방향으로 관(402) 내부에 배치될 수 있다.
비반응성 가스의 유형, 비반응성 가스의 농도, 가스의 압력 또는 유량, 온도 및 처리 시간을 비롯한 정확한 조건은 원하는 성질의 생성 물질을 생성하도록 선택할 수 있다. 상기 온도는 일반적으로 온화하다. 즉 재료의 융점보다 상당히 낮다. 온화한 조건을 이용함으로써, 입자 사이가 신터링되어 더 큰 크기의 입자로 되는 것을 방지할 수 있다. 평균 입자 직경이 약간 더 큰 입자를 생성하기 위하여, 다소 고온의 오븐(408)에서 금속 또는 금속 화합물의 일부 제어된 신터링을 수행할 수 있다.
α철, 철 탄화물, 황화철을 처리하기 위하여, 상기 온도의 범위는 약 50℃ 내지 약 1000℃인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 약 50℃ 내지 약 500℃이다. 상기 나노 크기 입자는 약 1 시간 내지 약 100 시간 동안 가열된다. 원하는 물질을 생성하는 데에 적절한 조건을 만들기 위하여, 일부 경험적인 조정이 필요할 수 있다.
B. 촉매 입자 성질
바람직한 원소 철 입자, 철 탄화물 입자 또는 황화물 입자의 평균 직경은 1 미크론 미만이고, 바람직하게는 약 5 nm 내지 약 500 nm, 보다 바람직하게는 약 5 nm 내지 약 100 nm, 더욱 바람직하게는 약 5 nm 내지 약 50 nm이다. 상기 입자의 외관은 전체적으로 대략 구형의 그로스(spherical gross)이다. 좀 더 세밀히 조사해 보면, 상기 입자에는 하부의 결정 격자에 상응하는 퍼싯이 있다. 그럼에도 불구하고, 상기 입자는 대략 물리적인 3차원에서 그로스 구형 외관과 같이 성장하는 경향이 있다. 비대칭 입자의 직경 측정은 입자의 주축을 따른 길이 측정값의 평균에 기초한다. 상기 주축을 따른 측정값은 나노 크기 입자의 적어도 약 95%, 보다 바람직하게는 나노 크기 입자의 적어도 약 98%에 대해 약 1 미크론 미만이다.
상기 입자는 그 크기가 작아서, 입자 사이의 반 데르 발스 힘으로 인해 느슨한 덩어리(agglomerate)를 형성하는 경향이 있다. 그럼에도 불구하고, 나노미터 크기의 입자를 입자의 투과 전자 현미경 사진에서 명확히 볼 수 있다. 결정형 입자에 있어서, 입자의 크기는 대체로 결정 크기에 상응한다. 입자의 표면적은 현미경에서 관찰한 것과 같은 나노미터 크기의 입자에 상응한다. 또한, 입자는 그 작은 크기 및 재료의 중량당 표면적이 커서 그 독특한 성질이 증폭된다.
생성하였을 때, 입자 크기의 균일성 정도는 크다. 투과 전자 현미경을 통해 결정한 바와 같이, 입자는, 입자의 적어도 약 95%가 평균 직경의 약 40%보다 큰 직경으로 되어 있고, 평균 직경의 약 160%보다 작은 직경으로 입자 직경이 분포되어 있다. 바람직하게는, 상기 나노 크기 입자의 직경은, 입자의 적어도 약 95%가 평균 직경의 60% 보다 큰 직경으로 되어 있고, 평균 직경의 140% 보다 작은 직경으로 입자 직경이 분포되어 있다.
또한, 평균 직경보다 약 5배 이상의 평균 직경으로 된 입자는 실질적으로 없다. 즉, 이러한 입자 크기 분포에는 상당히 큰 크기로 되어 있는 적은 수의 입자를 나타내는 미부(尾部, tail)가 없다. 이는 레이저 열분해의 반응 영역이 작고 그에 상응하여 입자의 급속한 냉각에 따른 결과이다. 바람직하게는, 106개 중 약 1개 미만의 입자가 평균 직경의 약 5배 이상의 직경으로 되어 있다. 입자 분포에 있어서, 크기 분포가 좁고 상기 미부가 없다는 것은 후술하는 것처럼 균일한 탄소 입자 및 섬유를 생성하는 데에 활용될 수 있다.
특정의 조건 하에서, 혼합된 상의 재료가 형성될 수 있지만, 레이저 열분해는 일반적으로 단일 상의 결정질 입자를 생성하는 데에 효율적이다. 레이저 열분해에 의해 생성된 입자는 상 내부에 단일의 결정상 및 그에 상응하는 화학양론을 나타내는 것과 관련하여 균일성이 상당히 크다. 주 입자는 일반적으로 단일 결정의 재료로 구성된다. 특정의 조건 하에서, 비정질의 입자가 레이저 열분해에 의해 형성된다. 비정질의 입자는 특정의 용례에 유용할 수 있고, 온화한 조건 하에서 가열되어 결정질의 입자를 형성할 수 있다.
유사하게, 레이저 열분해에 의해 생성된 입자는 결정성의 정도가 크다는 것이 밝혀졌다. 또한, 상기한 방법에 의해 생성된 철 입자, 철 탄화물 입자 및 황화철 입자는 반응물 가스보다 순도가 더 큰데, 왜냐하면 상기 결정 형성 프로세스는 격자(lattice)로부터 오염물을 배제하는 경향이 있기 때문이다. 이러한 모든 특징, 특히 입자 크기가 작고, 크기가 균일하며, 결정질의 상 및 순도의 관점에서, 본 명세서에서 설명한 입자는 촉매 용례에 특히 적당하다,
실온에서는 α철(bcc, body centered cubic)이 철의 안정한 상이다. α철은 강자성(ferromagnetic) 재료이다. 770℃보다 큰 온도에서는, β철이 형성된다. β철은 상자성(paramagnetic)이고, α철과 동일하거나 유사한 격자 구조를 갖는다. 약 910℃보다 큰 온도에서는, γ철(ccp, cubic closed packed)이 철의 안정한 상이다. 1400℃보다 큰 온도에서는, δ철(bcc)이 원소 철의 안정한 상이다.
철은 몇 가지의 다른 산화 상태로 존재한다고 알려져 있다. 예를 들면, Fe3C(cementite orthorhombic), Fe7C3(triclinic and hexagonal, pseudo hexagonal or orthorhombic), Fe5C2(Hagg carbide-monoclinic), Fe2C(cementite, orthorhombic), Fe20C9, Fe4C 및 ε-탄화물(FexC, 2〈x〈3, hexagonal)의 화학양론으로 되어 있는 철 탄화물이 관찰되었다. 황화철의 화학양론은 FeS(hexagonal, NiAs 같은 구조), FeS2(cubic, NaCl 같은 구조) 일 수 있다. 또한, 많은 비화학양론적 황화철이 관찰되었다. 레이저 열분해에서 이용되는 조건은 일반적으로 원하는 형태의 철 화합물을 선택하기 위해 변경할 수 있다. α철, Fe3C, Fe7C3를 선택적으로 생성하기 위한 특정 장치의 조건은 앞서 설명한 비(Bi) 등의 논문에 개시되어 있다.
C. 탄소 형성
탄소 입자 및 필라멘트성 탄소는 탄화 수소 및 다른 탄소 함유 분자를 열분해하여 생성할 수 있다. 촉매는 원소 탄소를 생성하는 데에 저온을 이용할 수 있게 해준다. 탄소 입자 또는 탄소 섬유의 성질은 반응 조건 및 촉매 입자의 성질에 의존한다.
레이저 열분해에 의해 형성된 철 입자, 철 탄화물 입자 및 황화철 입자는 원소 탄소 형성을 위한 촉매 입자에 의해 개선된다. 이들 입자는 특히, 그 균일성의 수준이 크기 때문에 탄소 섬유 형성용으로 개선된다. 특히, 크기가 균일하다는 것은, 보다 균일한 탄소 섬유 및 탄소 입자를 생성하는 데에 유리하다.
적당한 탄소 반응물은, 예컨대 일산화탄소, 벤젠, 톨루엔, 크실렌(xylene), 큐멘(cumene), 에틸벤젠, 나프탈렌, 페나트렌(phenanthrene), 안트라센(anthracene) 및 이들의 혼합물과 같은 방향족 탄화 수소, 메탄, 에탄, 프로판, 에틸렌, 프로필렌, 아세틸렌 및 이들의 혼합물과 같은 비방향족 탄화 수소를 포함한다. 적당한 탄화 수소는 산소, 질소, 플루오린, 인, 황, 염소, 브로민 등을 함유할 수도 있다. 산소 함유 탄화 수소의 예로서, 메탄올 및 에탄올과 같은 알코올, 아세톤과 같은 케톤, 포름알데히드, 아세트알데히드와 같은 알데히드 및 이들의 혼합물 등이 있다. 반응물 스트림에는 CO2, 아르곤, 헬륨 또는 N2와 같은 불활성 희석제가 함유될 수 있다. 또한, 상기 반응물 스트림에는 H2, H2S, H20와 같은 다른 반응물이 포함될 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 촉매 입자는 탄소 입자를 형성하기 위하여 원소 탄소로 코팅할 수 있다. 별법으로서 또는 추가하여, 탄소 섬유가 형성될 수 있다. 탄소 섬유의 길이는 섬유 직경의 적어도 약 5 배이다. 생성 조건에 따라, 탄소 섬유의 길이는 섬유 직경의 약 100 배 이상 만큼 클 수 있다. 그 외경은 약 3 nm 내지 약 100 nm인 것이 바람직하다. 증거에 따르면, 상기 섬유의 외경은 대략, 섬유 형성을 위한 촉매 사이트를 제공하는 촉매 입자 직경 크기이다. 바람직한 촉매로 코팅된 탄소 섬유는 그 섬유 직경의 분포 정도가 좁은데, 이는 촉매 직경의 분포가 좁다는 것을 반영하는 것이다.
탄소 섬유에는 내측의 코어 영역(inner core region) 둘레에 배치된 규칙적인 탄소층이 있다. 이 규칙적인 탄소층에는 c축이 섬유의 원통형 축에 실질적으로 수직하게 배향된 그래파이트 도메인(graphitic domain)이 있는 것이 바람직하다. 상기 섬유는 그 길이를 따른 단면이 대체로 원형인 넓은 관점에서 보았을 때 전체적으로 원통형이지만, 그 중앙축을 중심으로 만곡되어 있다. 생성되었을 때의 섬유는 촉매 입자와 연관될 수도 있다. 원한다면, 수용액의 염화 수소산 또는 탄소 성분을 분쇄하지 않는 다른 적당한 조성물로 처리하여 상기 촉매 입자를 제거할 수 있다.
본 명세서에 참고로 합체되는 "탄소 원섬유 및 그 제조 방법"이라는 명칭의 미국 특허 제5,165,909호에는 섬유의 외측에 파이로리틱 탄소 오버 코트(overcoat of pyrolytic carbon)가 없고 원래 그래파이트인 탄소 원섬유(즉, 섬유)를 생성하는 접근법이 개시되어 있다. 촉매 예비 처리의 정도에 따라, 상기 특허에 개시된 방법에 의해, 탄소 코팅된 촉매 입자 및/또는 탄소 섬유가 생성된다. 전술한 이유로 인해, 본 발명의 촉매 입자는 미국 특허에 개시된 방법을 개선한다. 촉매 활성을 위해 입자를 활성화하기 위해 예비 처리가 효율적일 수 있다. 예비 처리에는 촉매를 탄소 전구 물질과 접촉시키기 바로 전에 활성화 분위기에서 입자를 가열하는 것이 포함될 수 있다. 특정의 촉매에 대하여, 특정의 반응 생성물을 얻는 데 적당한 반응 조건 및 예비 처리는 본 명세서의 일반적인 설명에 기초하여 경험적으로 결정할 수 있다.
탄소 전구 물질이 있는 반응물 스트림은 촉매와 혼합되어, 가열된 반응 챔버를 통해 유동할 수 있다. 반응 챔버는 통상 약 650℃ 내지 약 1300℃의 온도로 가열된다. 이 온도는 원소 탄소를 촉매 생성하기에 충분히 크지만, 상당양의 열적 탄소가 생성되지 않도록 충분히 낮게 선택해야 한다. 탄소 전구 물질이 열적으로 불안정하다면, 상기 촉매 입자는 탄소 전구 물질을 촉매 입자와 접촉시키기 전에 탄소 전구 물질보다 높은 온도로 가열될 수 있다.
각종의 추가 반응 변수로는, 예컨대 촉매 조성, 촉매 예비 반응 처리, 전구 물질 온도, 챔버 압력, 유량, 성장 시간, 반응물 스트림 조성 등이 있다. 상기 반응 변수는 상호 의존적이다. 적당한 반응 조건은 일반적으로 특정 장치의 구성에 의존한다. 다른 유형의 촉매 입자로 특정의 장치를 사용할 때 적당한 반응 조건에 대한 상세한 내용은 상기 미국 특허를 참조하라. 특정의 장치를 이용하여 직관적인 조정을 수행할 수 있다.
상기 촉매 입자는 원하는 탄소 입자 또는 섬유를 생성하기 위해 적당한 시간 주기 동안 탄소 전구 물질 스트림과 접촉된다. 적당한 시간 주기는 조건에 따라 약 10초 내지 약 수백분에 이른다. 일반적으로, 탄소 전구 물질과 촉매의 중량비는 적어도 100:1, 바람직하게는 적어도 약 1000:1이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 탄소 섬유는 연속 공정으로 생성된다. 연속 생성을 위해, 탄소 전구 물질 및/또는 촉매는 동일 또는 다른 온도까지 가열된다. 가열된 탄소 전구 물질 및 촉매는 반응 챔버에서 조합된다. 조합된 촉매 및 전구 물질은 반응 챔버를 통해 유동하고, 통상 탄소 섬유 성장에 적당한 온도까지 가열된다. 생성물 탄소 및 촉매는 반응 챔버 단부 또는 반응 챔버 외부에 설치한 필터를 이용하여 상기 흐름으로부터 제거할 수 있다. 반응되지 않은 탄소 전구 물질은 상기 반응 챔버를 통해 재생할 수 있다. 원한다면, 상기 촉매 및 탄소 전구 물질은 가열 전에 혼합될 수 있다. 반응 챔버의 각종 구조 및 배치는 이들 일반적인 범주에 기초하여 사용할 수 있다. 하나의 적당한 반응 챔버 구조가 상기 미국 특허 도 6에 개략적으로 도시되어 있다.
별법의 실시예에 있어서, 상기 촉매 입자는 반응 챔버를 통해 유동되지 않는다. 그 촉매 입자는 반응 영역에 포함되어 있고, 탄소 전구 물질은 상기 반응 영역을 통해 유동된다. 촉매 입자는 탄소 전구 물질이 촉매 입자 베드 위로 또는 그 베드를 통해 유동하도록 적층 베드(packed bed) 또는 유체화된 베드(fluidized bed)를 형성할 수 있다. 상기 촉매는 탄소 전구 물질이 계속 유동하는 중에 연속적으로 또는 탄소 섬유 생성이 종료될 때 완전히 제거될 수 있다. 다시, 상기 촉매 입자의 적층 베드 또는 유체 베드가 마련된 장치에 대해 각종의 구조를 이용할 수 있다.
일실시예에 있어서, 도 4의 장치는 탄소 입자 및/또는 탄소 섬유의 생성을 위해 적합하게 할 수 있다. 촉매 입자는 오븐 내에 배치된 관 내부의 필터 상에 또는 유리병 안에 배치된다. 다른 반응물 가스 또는 불활성 가스와 함께 탄소 전구 물질은 상기 관을 통해 유동된다. 상기 오븐은 반응을 위해 원하는 온도로 설정되어 있다. 탄소 입자는 상기 유리병 또는 필터로부터 회수된다.
전술한 실시예는 예시적인 것이며 제한적인 것이 아니다. 본 발명의 추가 실시예는 청구의 범위 내에 있다. 당업자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 전술한 방법 및 장치에 있어서, 이하의 청구의 범위에 개시된 것에 의해 제한되는 본 발명의 범위 및 사상을 벗어나지 않으면서 많은 변형이 이루어질 수 있다.
본 발명을 바람직한 실시예를 참고로 하여 설명하였지만, 당업자라면 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 형태 및 상세한 부분에 있어서 변형이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (18)

  1. 원소 철, 철 탄화물 또는 황화철을 포함하고, 평균 직경이 약 5 nm 내지 약 1000 nm이며, 입자의 적어도 약 95%가 평균 직경의 약 60%보다 큰 직경으로 되어 있고 평균 입자 직경의 약 140%보다는 작은 직경으로 입자 직경이 분포되어 있는 촉매 입자를 탄소 전구 물질 가스와 접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원소 탄소의 생성 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 촉매 입자의 평균 직경은 약 500 nm 미만인 것을 특징으로 하는 원소 탄소의 생성 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 촉매 입자의 평균 직경은 약 100 nm 미만인 것을 특징으로 하는 원소 탄소의 생성 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 촉매 입자는 황화철을 포함하는 것을 특징으로 하는 원소 탄소의 생성 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 촉매 입자에는 약 1 미크론보다 큰 직경의 입자가 실질적으로 없는 것을 특징으로 하는 원소 탄소의 생성 방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 촉매 입자는 레이저 열분해에 의해 생성하는 것을 특징으로 하는 원소 탄소의 생성 방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 촉매 입자와 탄소 전구 물질은 약 650℃ 내지 약 1300℃의 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 원소 탄소의 생성 방법.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 원소 탄소 생성물은 탄소 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 원소 탄소의 생성 방법.
  9. 원소 철, 철 탄화물 또는 황화철을 포함하고, 평균 직경이 약 5 nm 내지 약 1000 nm이며, 약 1 미크론 보다 큰 직경의 입자가 실질적으로 없는 촉매 입자를 탄소 전구 물질 가스와 접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원소 탄소의 생성 방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 촉매 입자의 평균 직경은 약 500 nm 미만인 것을 특징으로 하는 원소 탄소의 생성 방법.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 촉매 입자의 평균 직경은 약 100 nm 미만인 것을 특징으로 하는 원소 탄소의 생성 방법.
  12. 청구항 9에 있어서, 상기 촉매 입자는 황화철을 포함하는 것을 특징으로 하는 원소 탄소의 생성 방법.
  13. 청구항 9에 있어서, 상기 촉매 입자는 레이저 열분해에 의해 생성하는 것을 특징으로 하는 원소 탄소의 생성 방법.
  14. 청구항 9에 있어서, 상기 촉매 입자와 탄소 전구 물질은 약 650℃ 내지 약 1300℃의 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 원소 탄소의 생성 방법.
  15. 청구항 9에 있어서, 상기 원소 탄소 생성물은 탄소 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 원소 탄소의 생성 방법.
  16. 철 전구 물질 화합물, 황 공급원 및 복사 흡수 가스를 포함하는 분자 스트림을 열분해하는 단계를 포함하고, 이 열분해 단계는 레이저 빔으로부터 흡수된 열에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 황화철 입자의 생성 방법.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 철 전구 물질 화합물은 Fe(CO)5를 포함하는 것을 특징으로 하는 황화철 입자의 생성 방법.
  18. 청구항 16에 있어서, 상기 황 공급원은 H2S를 포함하는 것을 특징으로 하는 황화철 입자의 생성 방법.
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