KR20100119401A - 탄소나노튜브 섬유화 시스템 - Google Patents

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KR20100119401A KR1020090038499A KR20090038499A KR20100119401A KR 20100119401 A KR20100119401 A KR 20100119401A KR 1020090038499 A KR1020090038499 A KR 1020090038499A KR 20090038499 A KR20090038499 A KR 20090038499A KR 20100119401 A KR20100119401 A KR 20100119401A
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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 섬유화 시스템에 관한 것으로, 보다 자세하게는 탄소나노튜브 합성 장치와 탄소나노튜브 섬유화 장치를 구비하여 탄소나노튜브를 합성한 후 이를 바로 탄소나노튜브 섬유화할 수 있는 탄소나노튜브 섬유화 시스템에 관한 것이다.
Figure P1020090038499
탄소나노튜브, 합성 장치, 섬유화 장치, 탄소나노튜브 섬유화 시스템

Description

탄소나노튜브 섬유화 시스템{A CNTs yarning system}
본 발명은 탄소나노튜브 섬유화 시스템에 관한 것으로, 보다 자세하게는 탄소나노튜브 합성 장치와 탄소나노튜브 섬유화 장치를 구비하여 탄소나노튜브를 합성한 후 이를 바로 탄소나노튜브 섬유화할 수 있는 탄소나노튜브 섬유화 시스템에 관한 것이다.
탄소나노튜브(Carbon Nanotubes:CNTs)는 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 서로 연결되어 관 모양을 이루는 원통(튜브)형태의 신소재로, 최근 그 산업활용 범위의 다양성 및 기술적 효율성으로 인해 미래의 신소재로 각광을 받고 있다.
상기 탄소나노튜브는 관의 지름이 수십 나노미터에 불과하고, 전기 전도도가 구리와 비슷하고, 열전도율은 자연계에서 가장 뛰어난 다이아몬드와 같으며, 강도는 강철의 10만배에 달하고 변형에 대한 내성이나 인장력에 대단히 뛰어난 특성을 가지고 있어 미래 신소재로서의 특성을 고루 갖추고 있다.
또한, 미래의 신소재로 불리는 탄소나노튜브의 활용 범위는 무궁무진한데, 첨단 전자산업의 소재는 물론 일상생활의 소재로도 널리 사용될 전망이며, 이 소재의 지름 등을 조절하면 도체가 반도체로 바뀌어 기존 실리콘의 1만배인 테라바이트급 집적도를 가진 메모리 칩의 설계도 가능하게 되며 일반 소재와는 달리 엄청난 빛을 발산하는 성질을 이용하여 두께가 얇고 전력소모가 극히 적은 브라운관도 제조할 수 있게 되며 전구의 강력한 대체소재로는 물론 우주복과 같은 초강력 섬유, 휴대폰 충전기, 수소연료전지, 센서 등, 그 활용도는 응용기술의 개발에 따라 무궁무진하다.
그러나 종래에는 상기 탄소나노튜브를 합성하는 방법 또는 장치에 관한 연구만이 집중적으로 연구되었을 뿐 상기 탄소나노튜브를 섬유화하는 방법이나 장치에 관한 연구가 이루어지지 않았을 뿐만 아니라 상기 탄소나노튜브의 합성과 동시에 섬유화하는 장치에 관한 연구는 전혀 이루어지지 않고 있는 실정이다.
본 발명의 목적은 탄소나노튜브를 합성하는 동시에 섬유화할 수 있는 탄소나노튜브 섬유화 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 탄소나노튜브 합성 장치 및 탄소나노튜브 섬유화 장치를 포함하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 기판상에 탄소나노튜브층을 합성하는 합성 장치; 상기 기판상에 합성된 탄소나노튜브층을 섬유화(yarning)하는 탄소나노튜브 섬유화 장치; 및 상기 기판을 상기 합성 장치에서 상기 탄소나노튜브 섬유화 장치로 이송하거나 상기 탄소나노튜브 섬유화 장치에서 상기 합성 장치로 이송하는 기판 이송 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 기판은 상기 합성 장치와 탄소나노튜브 섬유화 장치 사이를 순환하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 합성 장치:는 챔버(chamber); 상기 챔버 내부에 구비되며, 상기 기판을 지지하며, 상기 기판을 일정 온도로 가열하는 가열 부재를 구비한 서셉터(susceptor); 상기 서셉터에 대향되는 플라즈마 헤드(plasma head); 및 상기 챔버에 구비되며, 상기 기판을 장입 또는 인출하기 위한 챔버 도 어(chamber door);를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 합성 장치:는 상기 플라즈마 헤드에 가스를 공급하는 가스 공급 장치; 및 상기 플라즈마 헤드에 전원을 공급하는 전원 공급 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브 섬유화 시스템은 상기 합성 장치에서 탄소나노튜브층이 합성된 기판을 냉각시키는 기판 냉각 장치를 포함하는 냉각 챔버를 구비하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 기판 냉각 장치는 그 내부에 냉각 라인을 구비한 지지대인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브 섬유화 시스템은 상기 기판상에 잔류하는 탄소나노튜브 또는 잔류하는 비정질 탄소를 세정하는 세정 챔버를 구비하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브 섬유화 장치:는 상기 탄소나노튜브층이 합성된 기판을 지지하는 기판 지지대; 상기 탄소나노튜브층에 접촉하는 니들; 상기 니들에 연결되며, 상기 니들을 회전시키는 니들 회전 모터; 상기 니들 회전 모터를 지지하는 회전 모터 테이블; 및 상기 회전 모터 테이블을 지지하며, 상기 회전 모터 테이블을 상기 기판 지지대로부터 멀어지게 하거나 인접시키는 리니어 엑추에이터;를 포함하며, 상기 탄소나노튜브 섬유화 장치는 상기 니들을 상기 탄소나노튜브층에 접촉시킨 후, 상기 니들을 회전시키는 동시에 상기 탄소나노튜브 층으로부터 멀어지도록 하여 상기 탄소나노튜브층으로부터 탄소나노튜브 섬유를 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브 섬유화 장치는 상기 탄소나노튜브 섬유를 감아두는 보빈을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브 섬유화 장치는 상기 니들과 니들 회전 모터 사이에 구비되며, 상기 니들에 체결된 스핀들; 및 상기 스핀들과 니들 회전 모터에 체결된 커플링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 니들은 정전기 또는 자성을 가질 수 있는 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 니들은 상기 탄소나노튜브층과 접촉하는 끝단에 상기 탄소나노튜브층과의 접합력을 높이기 위한 코팅막을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 코팅막은 SiN 박막인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 합성 장치는 AP-PECVD(Atmospher Pressure - Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브층이 합성되는 기판은 상기 탄 소나노튜브층이 성장하기 위한 시드층을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 이송 장치는 로봇 암인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템이다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.
먼저, 본 발명의 탄소나노튜브 섬유화 시스템은 간단한 구성으로 탄소나노튜브 섬유를 획득할 수 있는 탄소나노튜브 섬유화 시스템을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 탄소나노튜브 섬유화 시스템은 탄소나노튜브를 합성하는 동시에 섬유화할 수 있는 탄소나노튜브 섬유화 시스템을 얻을 수 있다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구 체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노튜브 섬유화 시스템의 개념을 도시한 개략도이다.
도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노튜브 섬유화 시스템을 설명하면, 상기 탄소나노튜브 섬유화 시스템(1000)은 합성 장치(100), 탄소나노튜브 섬유화 장치(200) 및 기판 이송 장치(300)를 포함하고 있다.
상기 합성 장치(100)는 기판(400) 상에 탄소나노튜브층(410)을 합성하는 장치이다.
또한, 상기 탄소나노튜브 섬유화 장치(200)는 상기 탄소나노튜브층(410)이 합성된 기판(400)에서 상기 탄소나노튜브층(410)을 꼬는 동시에 뽑아내어 탄소나노튜브 섬유(420)로 섬유화(yarning)하는 장치이다.
또한, 상기 기판 이송 장치(300)는 상기 기판(400)을 이송하는 장치로서, 상기 합성 장치(100)로부터 상기 탄소나노튜브 섬유화 장치(200)로 이송하거나, 상기 탄소나노튜브 섬유화 장치(200)로부터 상기 합성 장치(100)로 이송하여 상기 기판(400)을 상기 탄소나노튜브 섬유화 시스템(1000) 내에서 순환시키는 장치이다.
이때, 상기 기판(400)은 상기 합성 장치(100)에서 그 표면 상에 탄소나노튜브층(410)을 형성하고, 상기 기판 이송 장치(300)에 의해 상기 탄소나노튜브 섬유화 장치(200)로 이송되고, 상기 탄소나노튜브 섬유화 장치(200)에서 상기 탄소나노튜브층(410)에서 탄소나노튜브를 뽑아내어 탄소나노튜브 섬유로 섬유화한 후에는 다시 상기 합성 장치(100)로 이송되어 탄소나노튜브층(410)을 형성한다. 즉, 상기 기판(400)은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노튜브 섬유화 시스템(1000) 내에서 순환, 즉 상기 합성 장치(100) 및 탄소나노튜브 섬유화 장치(200) 사이를 순환하게 된다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노튜브 섬유화 시스템(1000)의 일 구성인 합성 장치(100)는 챔버(chamber)(110), 상기 챔버(110) 내부에 구비되며, 기판(400)을 지지하며, 상기 기판(400)을 일정 온도로 가열하는 가열 부재를 구비한 서셉터(susceptor)(120), 상기 챔버(110) 내부에 구비되되, 상기 서셉터(120)에 대향되는 위치에 구비된 플라즈마 헤드(plasma head)(130) 및 상기 챔버(110)의 일정 위치에 구비되되, 상기 기판(400)을 장입 또는 인출하기 위한 챔버 도어(chamber door)(140)를 포함하고 있다.
또한, 상기 합성 장치(100)는 상기 기판(400) 상에 탄소나노튜브층(410)을 형성하기 위해 상기 플라즈마 헤드(130)에 원료 가스 또는 플라즈마 소스 가스를 주입하기 위한 가스 공급 장치(150)를 구비하고, 플라즈마를 발생시키기 위해 상기 플라즈마 헤드(130)에 전원을 공급하는 전원 공급 장치(160)를 구비하고 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노튜브 섬유화 시스템(1000)의 일 구성인 탄소나노튜브 섬유화 장치(200)는 상기 합성 장치(100)에서 탄소나노튜브층(410)이 합성된 기판(400)을 안착시키고 지지하는 기판 지지대(210), 상기 탄소나노튜브층(410)에 접촉하여 탄소나노튜브 섬유(420)를 형성하는 니들(220), 상기 니들(220)에 연결되며, 상기 니들(220)을 회전시키는 니들 회전 모터(230), 상기 니들 회전 모터(230)를 지지하는 회전 모터 테이블(240) 및 상기 회전 모터 테이블(240)을 지지하면서 상기 니들(220)을 포함하는 회전 모터 테이블(240)을 상기 기판 지지대(210)로부터 멀어지게 하거나 인접시키는 리니어 엑추에이터(250)를 포함하고 있다.
이때, 상기 니들(220)이 상기 니들 회전 모터(230)에 연결될 때에는 상기 니들(220)을 직접 상기 니들 회전 모터(230)의 회전 축에 연결하여도 무방하나, 상기 니들(220)과 니들 회전 모터(230)의 회전 축 사이에는 상기 니들(220)에 체결되는 스핀들(222) 및 상기 스핀들(222)과 상기 니들 회전 모터(230)의 회전 축에 체결된 커플링(224)으로 연결하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 탄소나노튜브 섬유화 장치(200)는 상기 니들(220)을 상기 기판 지지대(210) 상에 안착되어 있는 기판(400) 상의 탄소나노튜브층(410)에 접촉시킨 후, 상기 니들(220)을 상기 니들 회전 모터(230)로 회전시키는 동시에, 상기 리니어 엑추에이터(250)을 이용하여 상기 니들(220)을 상기 탄소나노튜브층(410)으로부터 멀어지도록 하여 상기 탄소나노튜브층(410)으로부터 탄소나노튜브 섬유(420)를 형성하는 장치이다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노튜브 섬유화 시스템(1000)의 일부품인 기판 이송 장치(300)는 상기 합성 장치(100)의 챔버(110) 내부로 상기 기판(400)을 장입, 상기 챔버(110)로부터 외부로의 인출, 상기 탄소나노튜브 섬유화 장치(200)의 기판 지지대(410)로 이송하거나, 상기 기판 지지대(410)에서 반송하는 역할을 하는 장치로, 도 1에 도시된 바와 같이 로봇 암으로 구성될 수 있다.
또한, 도에서는 도시하고 있지 않지만, 상기 기판 이송 장치(300)는 컨베이어 벨트로 구성될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노튜브 섬유화 시스템(1000)에 이용될 수 있는 기판 이송 장치(300)는 상기 합성 장치(100) 및 탄소나노튜브 섬유화 장치(200) 사이에서 상기 기판(400)을 이송시킬 수 있는 장치라면 어떤 이송 장치를 이용하여도 무방하다. 다만, 상기 기판 이송 장치(300)는 상기 기판(400)을 상기 합성 장치(100) 및 탄소나노튜브 섬유화 장치(200) 사이에서 순환하도록 하는 구조를 이루도록 하는 이송 장치를 사용하는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노튜브 섬유화 시스템의 일 구성인 합성 장치의 개략적인 구성을 보여주는 개략도이다.
도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노튜브 섬유화 시스템의 일 구성인 합성 장치를 좀더 자세히 설명하면, 상기 합성 장치(100)는 외부 환경으로부터 내부 환경을 분리할 수 있도록 밀폐되어 있는 구조로 이루어진 챔버(110)를 구비하고 있다.
이때, 상기 챔버(110)는 그 형상이 육면체인 것으로 도시하고 있으나, 필요하다면 원기둥 형태로 이루어질 수도 있고, 다른 형태로 이루고 있어도 무방하다.
상기 챔버(110) 내부에는 기판(400)을 지지하는 서셉터(120)를 구비할 수 있는데, 상기 서셉터(120) 내부에는 상기 기판(400)을 일정 온도로 가열할 수 있는 가열 부재(122)를 구비할 수 있다.
상기 가열 부재(122)는 도 2에서 도시한 바와 같이 가열 선으로 구비될 수 도 있고, 도에서는 도시하고 있지 않지만, 카트리지 히터 또는 할로겐 램프를 이용 할 수 있다.
이때, 상기 가열 부재(122)는 상기 서셉터(120) 상에 구비된 기판(400)을 700℃ 내지 800℃로 가열시키는 역할을 한다.
한편, 상기 서셉터(120) 상에 안착된 기판(400)은 그 표면 상에서 탄소나노튜브가 상기 기판(400)의 표면과 수직하는 방향으로 성장하여 탄소나노튜브층(410)으로 성장할 수 있도록 하는 시드층(seed layer)(415)을 구비하고 있는 것이 바람직하다.
상기 챔버(110)에는 상기 서셉터(120) 상에 안착된 기판(400)을 외부로 인출하거나, 상기 챔버(110) 내부로 상기 기판(400)을 장입할 때 이용되는 챔버 도어(140)를 구비하고 있다.
상기 합성 장치(100)는 상기 챔버(110) 내부에 구비되되, 상기 서셉터(120)에 대향하는 위치, 즉, 상기 서셉터(120)가 상기 챔버(110) 내부의 하단에 위치하는 경우, 상기 챔버(110) 내부의 상단 위치에 플라즈마 헤드(130)를 구비하고 있다.
상기 플라즈마 헤드(130)는 이후 설명될 가스 공급 장치(150)로부터 가스를 공급받고, 전원 공급 장치(160)로부터 전원을 공급받아 플라즈마를 발생시켜 상기 기판(400) 상, 정확하게는 기판(400)의 시드층(415) 상에 탄소나노튜브층(410)을 합성하도록 하는 구성 요소이다. 이때, 상기 플라즈마 헤드(130)는 상기 기판(400)과 대향하는 표면 상에 헤드 홀(132)을 복수 개 구비하여 상기 헤드 홀(132)들에서 분사되는 상기 플라즈마에 의해 분해 또는 활성화된 원료 가스(예컨대, 탄소계 가 스, 바람직하게는 아세틸렌(C2H2) 가스)의 탄소가 상기 기판(400) 상에서 탄소나노튜브층(410)으로 성장하여 합성하도록 한다.
이때, 상기 합성 장치(100)는 상기 플라즈마 헤드(130)에 원료 가스 또는 플라즈마 소스 가스를 공급하는 가스 공급 장치(150)를 구비할 수 있다.
상기 가스 공급 장치(150)는 도에서는 도시하고 있지 않지만, 상기 기판(400) 상에 탄소나노튜브층(410)을 형성함에 있어 필요한 가스들을 공급하는 가스 저장 부재들을 구비할 수 있고, 상기 가스 저장 부재들로부터 공급된 가스들을 상기 플라즈마 헤드(130)에 공급함에 있어 정해진 양을 공급 또는 흐를 수 있도록 하는 MFC(mass flow controller)(152)들을 구비할 수 있다.
이때, 도에서는 각각 MFC(152)가 장착된 두 개의 가스 공급 라인을 구비하고 있는 것으로 도시하고 있는데, 상기 가스 공급 라인들 각각은 상기 기판(400) 상에 탄소나노튜브층(410)을 형성하기 위한 원료 가스 및 플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 소스 가스(예컨대, 불활성 가스, 바람직하게는 헬륨 가스)를 공급하기 위한 가스 공급 라인일 수 있다. 물론 필요하다면 상기 가스 공급 라인을 셋 이상 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 합성 장치(100)는 상기 플라즈마 헤드(130)에 플라즈마를 생성하기 위한 전원을 공급하기 위한 전원 장치(160)를 구비할 수 있다.
이때, 상기 전원 장치(160)는 상기 기판(400)과 대향하는 면, 즉, 상기 헤드 홀(132)이 구비된 면은 RF 메칭 콘트롤러(RF matching controller)(162)이 연결된 RF 파워 서플라이(RF power supply)(164)를 연결하고, 상기 기판(400)과 대향하는 표면과 대향하는 면에는 그라운드(ground)(166)로 연결하도록 구성된다.
한편, 상기 합성 장치(100)는 상기 챔버(110) 내부에 잔류하는 가스를 배기하거나 챔버(110) 내부를 진공 분위기로 형성하기 위한 펌프(170)를 상기 챔버(110)의 일정 위치에 연결하여 구비하고 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노튜브 섬유화 시스템(1000)의 일 구성인 합성 장치(100)는 서셉터(120), 플라즈마 헤드(130), 가스 공급 장치(150) 및 전원 공급 장치(160)를 구비한 AP-PECVD(Atmospher Pressure - Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)일 수 있다.
이때, 상기 합성 장치(100)가 상기 기판(400) 상에 탄소나노튜브층(410)을 형성하는 방법을 설명하면, 우선 시드층(415)을 구비한 기판(400)을 서셉터(120) 상에 안착시키고, 상기 기판(400)을 일정 온도, 바람직하게는 700℃ 내지 800℃로 가열한다. 이때, 상기 서셉터(120) 상에 기판(400)을 안착시키고, 상기 챔버(110) 내부를 상기 펌프(170)를 이용하여 진공 분위기로 형성한 후 상기 기판(400)을 가열할 수 있다.
이어서, 상기 가스 공급 장치(150)를 통해 플라즈마 소스 가스를 주입하여 상기 챔버(110) 내부를 상기 플라즈마 소스 가스로 채워 상압 분위기를 유지시키고, 상기 전원 공급 장치(160)를 통해 전원을 공급하여 상기 플라즈마 헤드(130) 내에서 플라즈마를 발생시키는 동시에 상기 가스 공급 장치(150)를 통해 원료 가스를 주입하여 상기 플라즈마에 의해 분해 또는 활성화된 탄소가 상기 기판(400), 정 확하게는 상기 시드층(415) 상에 탄소나노튜브층(410)이 합성하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노튜브 섬유화 시스템의 일 구성인 탄소나노튜브 섬유화 장치의 개략적인 구성을 보여주는 개략도이다.
도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노튜브 섬유화 시스템의 일 구성인 탄소나노튜브 섬유화 장치를 설명하면, 상기 탄소나노튜브 섬유화 장치(200)는 기판 지지대(210) 상에 탄소나노튜브층(410)이 구비된 기판(400)이 위치하게 되면, 상기 탄소나노튜브층(410)으로부터 탄소나노튜브 섬유(420)를 섬유화하는 장치이다.
도에서는 도시하고 있지 않지만, 상기 기판 지지대(210) 내부에 냉각 부재를 구비할 수 있다. 즉, 상기 기판 지지대(210) 상에 안착되는 기판(400)은 시드층(415) 상부에 상기 도 2를 참조하여 설명한 상기 합성 장치(100)에 의해 탄소나노튜브층(410)이 성장하여 합성되는데, 이때, 상기 기판(400)은 700℃ 내지 800℃의 온도로 가열되기 때문에 이를 냉각할 필요가 있기 때문이다. 물론 상기 기판(400)이 냉각된 후 상기 기판 지지대(210) 상에 안착되는 경우에는 상기 기판 지지대(210) 내부에 냉각 부재를 구비할 필요가 없을 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에서는 상기 탄소나노튜브층(415)의 탄소나노튜브에 니들(220)을 접촉하여 상기 탄소나노튜브층(415)의 탄소나노튜브를 상기 니들(220)에 접합한 후 상기 니들(220)을 회전시키면서 잡아당겨 상기 탄소나노튜브층(415)의 탄소나노튜브를 탄소나노튜브 섬유(420)로 섬유화하는 방법을 사용하는데, 이때 상기 니들(220)과 상기 탄소나노튜브층(415)의 탄소나노튜브와의 접합이 중요하다.
상기 니들(220)과 탄소나노튜브층(415)의 탄소나노튜브와의 접합력을 높이기 위해 본 발명에서는 상기 니들(220)의 끝단, 즉, 상기 탄소나노튜브층(415)과 접촉면 상에 코팅막을 형성할 수 있다.
상기 코팅막은 SiN 박막 등으로 형성하되, 그 표면의 거칠기(roughness)가 거칠도록 형성하여 상기 탄소나노튜브층(415)의 탄소나노튜브와 상기 니들(220)의 마찰력을 증대시켜 상기 탄소나노튜브층(415)의 탄소나노튜브와 상기 니들(220)의 접합을 용이하게 할 수 있다. 한편, 상기 니들(220)은 그 직경이 수백 내지 수천㎛인 것이 바람직하다.
또한, 상기 니들(220)을 정전기가 띠기 쉬운 물질로 구성하여 상기 니들(220)에 정전기가 발생하도록 하여 금속성인 탄소나노튜브층(415)의 탄소나노튜브와 정전기력을 발생시켜 상기 탄소나노튜브가 상기 니들(220)에 끌어 당겨지도록 하여 상기 니들(220)과 탄소나노튜브층(415)의 탄소나노튜브가 접합을 용이하게 할 수도 있다.
또한, 상기 니들(220)을 자성이 띠기 쉬운 물질로 구성하여 금속성인 탄소나노튜브층(415)의 탄소나노튜브가 상기 니들(220)의 인력에 의해 상기 니들(220)에 접합하기 용이하도록 할 수도 있다.
이때, 상기 니들(220)과 상기 니들 회전 모터(230) 사이에는 스핀들(222) 및 커플링(224)이 구비될 수 있는데, 상기 스핀들(222)은 상기 니들(220)과 마찬가지로 자성을 띠는 물질로 이루어질 수 있을 뿐만 아니라 상기 니들(220)에 정전기를 띠게하기 위해 전류가 잘 흐르는 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 커플링(224)은 상기 스핀들(222)과 니들 회전 모터(230) 사이를 절연하기 위해 절연 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
이때, 상기 니들(220)에 상기 탄소나노튜브층(415)의 탄소나노튜브가 접합하기 위해서는 상기 니들(220)과 탄소나노튜브층(415) 간의 거리가 최소 1mm 이하가 되도록 한다.
상기 니들(220)과 탄소나노튜브층(415)간의 거리를 조절하는 것은 상기 리니어 엑추에이터(250)에 의해서 이루어지는데, 상기 리니어 엑추에이터(250)는 상기 니들(220)과 상기 니들(220)에 연결되며, 상기 니들(220)을 회전시키는 니들 회전 모터(230)를 지지하는 회전 모터 테이블(240)을 이동시킴으로써 이루어질 수 있다.
즉, 상기 리니어 엑추에이터(250)는 상기 회전 모터 테이블(240)이 이동되는 리니어 레일(251), 상기 리니어 레일(251)의 끝단에 구비되며, 상기 회전 모터 테이블(240)을 이동시키는 동력을 발생시키는 리니어 모터(252), 상기 리니어 모터(252)의 회전축에 연결되며, 상기 리니어 모터(252)에서 발생된 동력에 의해 회전하며 그 표면에 나사선이 구비된 스크루축(253)을 구비하고 있다.
이때, 상기 스크루축(253)의 양 끝단부에는 상기 스크루축(253)을 지지하면서 고정할 수 있도록 하는 지지 유닛(254)을 구비하고 있다.
한편, 상기 리니어 엑추에이터(250)는 상기 스크루축(253)의 회전 운동을 직진 운동으로 변환하는 너트 유닛(255)이 상기 스크루축(253)에 장착되어 있고, 상기 너트 유닛(255)은 상기 회전 모터 테이블(240)에 체결되어 있어 상기 회전 모터 테이블(240)을 전진 또는 후진하도록 하여 상기 니들(220)이 상기 탄소나노튜브층(410)에 접근하거나 멀어지게 하도록 구성되어 있다.
따라서, 상기 탄소나노튜브 섬유화 장치(200)는 상기 리니어 엑추에이터(250)에 장착된 니들(220)을 상기 탄소나노튜브층(410)을 구비한 기판(400)에 접근시켜, 상기 니들(220)이 상기 탄소나노튜브층(410)과 접촉하여 탄소나노튜브와 접합하도록 한 후, 상기 니들(220)을 회전시키면서 상기 탄소나노트뷰층(410)으로부터 멀어지게 하여 상기 탄소나노튜브를 꼬으면서(twisting) 잡아당김으로써 탄소나노튜브 섬유(420)를 형성할 수 있다.
도 4에서는 탄소나노튜브층(410)이 탄소나노튜브 섬유(420)로 섬유화되는 것을 보여주고 있는데, 도 4의 (a)에서는 상기 탄소나노튜브층(410)에서 탄소나노튜브가 뽑아져 나오는 것을 보여주고 있고, 도 4의 (b)에서는 상기 탄소나노튜브가 꼬이는 것을 보여주고 있다.
이때, 상기 니들 회전 모터(230)는 상기 니들(220)의 회전을 조절할 수 있는데, 상기 니들 회전 모터(230)는 상기 니들(220)을 100 내지 3,000rpm으로 회전시킬 수 있도록 구성하여 상기 탄소나노튜브 섬유(420)가 100 내지 3,000turns/cm 범위로 꼬임을 줄 수 있도록 한다.
또한, 상기 리니어 엑추에이터(250)은 상기 니들(220)을 1 내지 75cm/min의 속도로 이동시킬 수 있을 뿐만 아니라 1m 이상 이동시킬 수 있는 구조로 구성되어 상기 탄소나노튜브 섬유(420)를 1m 이상 생산할 수 있도록 한다.
한편, 상기 탄소나노튜브 섬유화 장치(200)는 생산된 탄소나노튜브 섬 유(420)를 감아서 보관하는 보빈(500)을 구비할 수 있다.
이때, 상기 보빈(500)에 상기 탄소나노튜브 섬유(420)를 감는 방법으로는 상기 니들(220)에 부착된 탄소나노튜브 섬유(220)를 분리하여 상기 보빈(500)에 감긴 탄소나노튜브 섬유(420)의 끝단을 연결한 후, 생산된 탄소나노튜브 섬유(220)를 감는 방법을 이용한다. 이때, 상기 탄소나노튜브 섬유(220)들의 연결은 에탄올을 이용하여 각 탄소나노튜브 섬유(220)의 끝단을 접합하여 연결시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노튜브 섬유화 시스템의 합성 장치와 탄소나노튜브 섬유화 장치 사이에서 기판을 이송하는 기판 이송 장치를 도시한 개념도이다.
도 5를 참조하여 일 실시 예에 따른 탄소나노튜브 섬유화 시스템의 합성 장치와 탄소나노튜브 섬유화 장치 사이에서 기판을 이송하는 기판 이송 장치를 설명하면, 상기 기판 이송 장치(300)는 상기 합성 장치(100)와 탄소나노튜브 섬유화 장치(200) 사이에서 기판(400)을 이송하는 장치이다.
즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노튜브 섬유화 시스템(1000)의 기판 이송 장치(300)는 기본적으로 상기 합성 장치(100)와 탄소나노튜브 섬유화 장치(200) 사이에서 상기 기판(400)을 이송시키는 장치, 즉 상기 기판(400)을 상기 탄소나노튜브 섬유화 시스템(1000) 내부에서 순환하도록 하는 장치이다.
도 5에서 도시한 기판 이송 장치(300)는 상기 합성 장치(100)와 클러스터(cluster) 모듈로 일체화된 장치로 도시하고 있으나 상기 이송 장치(300)가 반드시 도 5에 도시된 바와 같이 상기 합성 장치(100)와 일체화되지 않고 분리된 상태 로 구비되어도 무방하다.
도 5에 도시된 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노튜브 섬유화 시스템(1000)은 상기 합성 장치(100), 상기 탄소나노튜브 섬유화 장치(200), 상기 합성 장치(100)에 연결된 트랜스퍼 챔버(610) 내부에 구비된 기판 이송 장치(300), 상기 트랜스퍼 챔버(610)에 연결되며, 그 내부에 기판 냉각 장치(700)를 구비한 냉각 챔버(620), 상기 트랜스퍼 챔버(610)에 연결되며, 상기 기판(400) 상에 잔류하는 탄소나노튜브층(410) 또는 잔류하는 비정질 탄소(amorphous carbon)를 제거하기 위한 세정 챔버(630)를 구비하고 있다.
이때, 본 발명에서 반드시 필요한 장치는 상기 합성 장치(100), 탄소나노튜브 섬유화 장치(200) 및 기판 이송 장치(300)(이때, 기판 이송 장치(300)는 트랜스퍼 챔버(610) 내부에 구비될 필요가 없음으로 상기 트랜스퍼 챔버(610) 역시 반드시 필요하지 않음)임으로, 상기 트랜스퍼 챔버(610), 상기 기판 냉각 장치(700)를 포함하는 냉각 챔버(620) 및 세정 챔버(630)는 반드시 필요한 구성 요소가 아님으로 불필요하다면 구비할 필요가 없음을 밝혀 둔다.
이때, 각 챔버들(110,610,620,630) 사이뿐만 아니라 상기 탄소나노튜브 섬유화 장치(200)로 상기 기판(400)을 이송하기 위한 챔버 도어(140)들이 각각의 챔버들(110,610,620,630)에 구비되어 있고, 상기 세정 챔버(630) 내부에는 세정하기 기판(미도시)를 안착시키기 위한 척(632)을 구비할 수 있다.
상기 냉각 챔버(620)는 상기 합성 장치(100)에서 가열된 기판(400)을 냉각하기 위한 챔버로 상기 냉각 챔버(620) 내부에 구비된 기판 냉각 장치(700)는 그 내 부에 냉각 라인(710)을 구비하고 있다.
따라서, 상기 기판(400)은 상기 합성 장치(100)에서 탄소나노튜브층(410)을 합성한 후, 상기 기판 이송 장치(300)로 상기 기판(400)을 상기 합성 장치(100)에서 인출하여 상기 탄소나노튜브층(410)으로부터 탄소나노튜브 섬유(420)를 생산하기 위해 상기 탄소나노튜브 섬유화 장치(200)로 이송된다.
이때, 상기 냉각 챔버(620)를 구비하고 있는 경우, 상기 기판 이송 장치(300)는 상기 기판(400)을 상기 합성 장치(100)로부터 인출하여 상기 냉각 챔버(620) 내에 장입하여 상기 기판(400)을 냉각시킨 후 상기 냉각 챔버(620)에서 인출하여 상기 탄소나노튜브 섬유화 장치(200)로 이송시킬 수도 있다.
상기 탄소나노튜브 섬유화 장치(200)에서 섬유화 공정이 완료되면, 다시 상기 기판(400)을 상기 합성 장치(100)로 이송시켜 상기 기판(400) 상에 다시 탄소나노튜브층(410)을 합성하는 공정을 진행한다.
이때, 상기 세정 챔버(630)를 구비하고 있는 경우, 상기 기판(400)을 상기 세정 챔버(630)에 장입하여 상기 기판(400), 정확하게는 기판(400)의 시드층(415) 상에 잔류하는 탄소나노튜브층(410) 또는 잔류하는 비정질 탄소를 제거하여 상기 시드층(415) 표면을 깨끗하게 세정한 후 상기 합성 장치(100)로 상기 기판(400)을 이송시킬 수도 있다. 이때, 상기 기판(400) 상에 잔류하는 탄소나노튜브층(410) 또는 잔류하는 비정질 탄소를 제거하는 세정 공정은 산소를 이용하여 상기 잔류하는 탄소나노튜브층(410) 또는 잔류하는 비정질 탄소를 제거하는 세정 공정을 많이 이용하는데, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 세정 챔버(630)를 별도로 구비하여 세정 공정을 진행할 수 있고, 상기 세정 챔버(630)를 구비하지 않고 상기 합성 장치(100) 내에서 세정 공정을 진행할 수도 있다.
상기에서 상술한 기판(400)의 순환은 상기 탄소나노튜브 섬유화 시스템(1000) 내에 하나의 기판(400)만 있을 때를 기준으로 설명하였으나, 본 발명에서는 다수 개의 기판을 동시에 순환시킬 수 있다. 즉, 본 발명에서는 별도의 기판을 추가하거나 교체하는 일 없이 상기 기판(400)들을 이용하여 탄소나노튜브 섬유화가 가능하다.
도 5에 도시한 바와 같이 합성 장치(100) 및 탄소나노튜브 섬유화 장치(200)를 포함하여 냉각 챔버(620) 및 세정 챔버(630)를 구비하는 경우, 네 장의 기판(400)을 이용하여 각각 공정을 상기 기판(400)들을 순환시킬 수 있다.
즉, 각각의 기판(400)들은 기판(400) 상이 탄소나노튜브층(410)을 합성시키는 합성 공정, 가열된 기판(400)을 냉각시키는 냉각 공정, 탄소나노튜브 섬유(420)를 형성하는 탄소나노튜브 섬유화 공정 및 기판(400)을 세정하는 세정 공정을 순차적으로 진행하되 각각의 공정에는 하나의 기판(400)을 진행하고, 상기 네 개의 공정이 모두 끝나면 동시에 상기 기판(400)들을 다음 공정으로 이동시킴으로써 상기 기판(400)들을 순환시킬 수 있다.
물론 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노튜브 섬유화 시스템(1000)에 구비된 챔버의 수가 2개(즉, 상기 냉각 챔버(620) 또는 세정 챔버(630)가 구비되어 있지 않다면)라면 세 개의 기판(400)을 순환시킬 수 있고, 챔버의 수가 1개(즉, 상기 냉각 챔버(620) 및 세정 챔버(630) 둘 다 구비되어 있지 않다면)라면 두 개의 기판(400)을 순환시킬 수도 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노튜브 섬유화 시스템의 개념을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노튜브 섬유화 시스템의 일 구성인 합성 장치의 개략적인 구성을 보여주는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노튜브 섬유화 시스템의 일 구성인 탄소나노튜브 섬유화 장치의 개략적인 구성을 보여주는 개략도이다.
도 4는 탄소나노튜브층이 탄소나노튜브 섬유로 섬유화하는 것을 보여주는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄소나노튜브 섬유화 시스템의 합성 장치와 탄소나노튜브 섬유화 장치 사이에서 기판을 이송하는 기판 이송 장치를 도시한 개념도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 합성 장치 200 : 탄소나노튜브 섬유화 장치
300 : 이송 장치 400 : 기판

Claims (16)

  1. 기판상에 탄소나노튜브층을 합성하는 합성 장치;
    상기 기판상에 합성된 탄소나노튜브층을 섬유화(yarning)하는 탄소나노튜브 섬유화 장치; 및
    상기 기판을 상기 합성 장치에서 상기 탄소나노튜브 섬유화 장치로 이송하거나 상기 탄소나노튜브 섬유화 장치에서 상기 합성 장치로 이송하는 기판 이송 장치;를 포함하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 합성 장치와 탄소나노튜브 섬유화 장치 사이를 순환하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 합성 장치:는
    챔버(chamber);
    상기 챔버 내부에 구비되며, 상기 기판을 지지하며, 상기 기판을 일정 온도로 가열하는 가열 부재를 구비한 서셉터(susceptor);
    상기 서셉터에 대향되는 플라즈마 헤드(plasma head); 및
    상기 챔버에 구비되며, 상기 기판을 장입 또는 인출하기 위한 챔버 도어(chamber door);를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 합성 장치:는
    상기 플라즈마 헤드에 가스를 공급하는 가스 공급 장치; 및
    상기 플라즈마 헤드에 전원을 공급하는 전원 공급 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 섬유화 시스템은 상기 합성 장치에서 탄소나노튜브층이 합성된 기판을 냉각시키는 기판 냉각 장치를 포함하는 냉각 챔버를 구비하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 기판 냉각 장치는 그 내부에 냉각 라인을 구비한 지지대인 것을 특징으 로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 섬유화 시스템은 상기 기판상에 잔류하는 탄소나노튜브 또는 잔류하는 비정질 탄소를 세정하는 세정 챔버를 구비하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 섬유화 장치:는
    상기 탄소나노튜브층이 합성된 기판을 지지하는 기판 지지대;
    상기 탄소나노튜브층에 접촉하는 니들;
    상기 니들에 연결되며, 상기 니들을 회전시키는 니들 회전 모터;
    상기 니들 회전 모터를 지지하는 회전 모터 테이블; 및
    상기 회전 모터 테이블을 지지하며, 상기 회전 모터 테이블을 상기 기판 지지대로부터 멀어지게 하거나 인접시키는 리니어 엑추에이터;를 포함하며,
    상기 탄소나노튜브 섬유화 장치는 상기 니들을 상기 탄소나노튜브층에 접촉시킨 후, 상기 니들을 회전시키는 동시에 상기 탄소나노튜브층으로부터 멀어지도록 하여 상기 탄소나노튜브층으로부터 탄소나노튜브 섬유를 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 섬유화 장치는 상기 탄소나노튜브 섬유를 감아두는 보빈을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 섬유화 장치는 상기 니들과 니들 회전 모터 사이에 구비되며,
    상기 니들에 체결된 스핀들; 및
    상기 스핀들과 니들 회전 모터에 체결된 커플링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 니들은 정전기 또는 자성을 가질 수 있는 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 니들은 상기 탄소나노튜브층과 접촉하는 끝단에 상기 탄소나노튜브층과의 접합력을 높이기 위한 코팅막을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 코팅막은 SiN 박막인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 합성 장치는 AP-PECVD(Atmospher Pressure - Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템.
  15. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브층이 합성되는 기판은 상기 탄소나노튜브층이 성장하기 위한 시드층을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템.
  16. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 이송 장치는 로봇 암인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 섬유화 시스템.
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