KR20130012653A - 탄소나노튜브의 생성 방법 - Google Patents
탄소나노튜브의 생성 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20130012653A KR20130012653A KR1020110073917A KR20110073917A KR20130012653A KR 20130012653 A KR20130012653 A KR 20130012653A KR 1020110073917 A KR1020110073917 A KR 1020110073917A KR 20110073917 A KR20110073917 A KR 20110073917A KR 20130012653 A KR20130012653 A KR 20130012653A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- reactor
- carbon nanotubes
- gas
- catalyst
- producing
- Prior art date
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 124
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 title claims abstract description 117
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 114
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 39
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 64
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 53
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 31
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 24
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims description 24
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 8
- 238000010531 catalytic reduction reaction Methods 0.000 claims description 7
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 7
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 claims description 3
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 3
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims description 3
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims description 3
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 claims 2
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 abstract description 5
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 8
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 6
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 5
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 5
- 238000002230 thermal chemical vapour deposition Methods 0.000 description 5
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 4
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 4
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 4
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 description 3
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 2
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 2
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021536 Zeolite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 150000001721 carbon Chemical group 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002079 double walled nanotube Substances 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 229910001026 inconel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 description 1
- 238000001182 laser chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000002109 single walled nanotube Substances 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 239000010457 zeolite Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/158—Carbon nanotubes
- C01B32/16—Preparation
- C01B32/164—Preparation involving continuous processes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J19/28—Moving reactors, e.g. rotary drums
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
- C23C16/26—Deposition of carbon only
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
본 발명은 탄소나노튜브의 생성 방법에 관한 것으로서, 특히, 반응로를 구간별로 최적의 온도를 설정하여 가열하고, 반응로의 회전에 의해 탄소나노튜브가 생성되어 배출되는 시간을 조절할 수 있으며, 반응로 내부로 촉매 및 가스를 상호 다른 방향에서 투입하여 탄소나노튜브의 고수율 합성이 가능한 탄소나노튜브의 생성 방법에 관한 것이다.
본 발명의 구성은, 반응로를 가열하는 반응로 가열단계와, 가열된 상기 반응로의 내부로 촉매와 가스를 주입하여 탄소나노튜브를 생성하는 탄소나노튜브 생성단계를 포함하는 탄소나노튜브의 생성 방법에 있어서, 상기 반응로 가열단계에서는 상기 반응로를 적어도 복수 개의 구간으로 나누고, 구간별로 각각 온도를 동일하게 하거나 달리하여 가열하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 구성은, 반응로를 가열하는 반응로 가열단계와, 가열된 상기 반응로의 내부로 촉매와 가스를 주입하여 탄소나노튜브를 생성하는 탄소나노튜브 생성단계를 포함하는 탄소나노튜브의 생성 방법에 있어서, 상기 반응로 가열단계에서는 상기 반응로를 적어도 복수 개의 구간으로 나누고, 구간별로 각각 온도를 동일하게 하거나 달리하여 가열하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 탄소나노튜브의 생성 방법에 관한 것으로서, 특히, 발열체에 의해 가열되며 회전하는 반응로 내에 촉매제 및 가스를 주입하여 탄소나노튜브를 생성하는 탄소나노튜브의 생성 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 탄소나노튜브(CNT)는 SP2 결합을 하는 탄소동소체 중의 하나로서, 흑연층이 말려진 원통형 튜브형상을 가진다. 이의 직경은 수nm~수십nm, 길이는 직경의 수십~수천 배 이상의 큰 종횡비(aspect ratio)의 특성과 나선성(chirality)에 따라 부도체성, 전도체 또는 반도체적 성질을 나타내며, 열적 안정성, 탄소 원자간의 강력한 공유결합(covalent bond)에 의한 높은 강도 등의 특성으로 산업 전반에 응용될 수 있는 소재이다.
CNT의 합성법으로는 아크방전법(arc-discharge process), 레이저 증착법(laser-ablation), 열화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD) 등이 있으며, 이에 따라 각각의 목적에 맞게 구성된 장치를 이용하게 된다.
그러나, 상기와 같은 목적으로 구성된 전기 방전장치나 레이저 증착장치는 탄소나노튜브의 합성 수율이 비교적 낮고, 합성속도가 떨어질 뿐만 아니라, 합성과정에서 불순물이 포함되기 때문에 별도의 정제과정이 필요하여 대량생산이 곤란한 문제점이 있다.
또한, 플라즈마 화학 기상증착장치는 양 전극에 인가되는 고주파 전원에 의하여 챔버 또는 반응로 내에 글로우 방전을 발생시키는 것으로서, 불순물이 거의 발생하지 않고, 비교적 저온에서 탄소나노튜브를 합성할 수 있으나, 고가의 진공장비가 필요할 뿐 아니라, 탄소나노튜브를 성장시키는데 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다.
한편, 열화학 기상 증착법은 고온의 반응로에서 주입가스(탄소성분의 가스)와 주입된 촉매가 반응하여 탄소나노튜브(CNT)를 성장시키는 방법이다.
즉, 반응로의 유입부로 촉매가 주입되고 촉매와 주입가스의 반응으로 탄소나노튜브가 성장되며 반응로의 배출부를 통해 배출되는데, 이때, 탄소나노튜브의 성장시 촉매와 가스와의 (접촉)반응이 매우 중요하다 할 수 있다.
본 발명은 열화학 기상 증착법에 의해 탄소나노튜브를 생성시키는 방법에 있어서, 탄소나노튜브의 생성시 촉매제와 가스의 접촉률을 향상시켜 고수율이 합성이 이루어질 수 있는 탄소나노튜브의 생성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 탄소나노튜브를 연속적으로 대량생산할 수 있는 탄소나노튜브의 생성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명인 탄소나노튜브의 생성 방법은, 반응로를 가열하는 반응로 가열단계와, 가열된 상기 반응로의 내부로 촉매와 가스를 주입하여 탄소나노튜브를 생성하는 탄소나노튜브 생성단계를 포함하는 탄소나노튜브의 생성 방법에 있어서, 상기 반응로 가열단계에서는 상기 반응로를 적어도 복수 개의 구간으로 나누고, 구간별로 각각 온도를 동일하게 하거나 달리하여 가열하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 반응로를 세 구간으로 나누고, 각 구간의 온도를 400℃~1000℃ 범위 내에서 동일하게 하거나 달리하여 가열하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반응로는 회전속도가 조절되어 회전하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반응로 내부로 주입되는 촉매 및 가스는 상기 반응로의 상호 반대방향에서 각각 투입되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반응로 가열단계는, 상기 반응로의 내부온도를 상승시키는 내부온도 상승단계; 승온된 상기 반응로 내부의 온도를 유지시키는 온도유지단계; 및 상기 반응로의 온도를 일정 온도 떨어뜨리는 냉각단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 내부온도 상승단계 및 상기 냉각단계에서는 불활성 가스가 주입되고, 상기 온도유지단계에서는 촉매환원가스 및 탄소나노튜브 합성가스 중 적어도 어느 하나가 주입되는 것을 특징으로 한다.
또한, 가스의 배출시 가스의 배출량을 조절하는 가스배출 제어단계가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 상술한 본 발명에 따르면, 탄소나노튜브의 고수율의 합성이 이루어질 뿐만 아니라, 촉매 및 가스의 연속적 주입으로 탄소나노튜브의 대량 생산이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 생성 방법의 일실시예에 의해 탄소나노튜브가 만들어지는 과정을 개략적으로 나타낸 개념도,
도 2 내지도 6은 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 생성 방법의 각각의 실시예에 의한 반응로 가열단계에서 반응로 내부로 투입되는 가스의 종류를 나타낸 도면.
도 2 내지도 6은 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 생성 방법의 각각의 실시예에 의한 반응로 가열단계에서 반응로 내부로 투입되는 가스의 종류를 나타낸 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위해 탄소나노튜브 및 열화학 기상 증착법에 대하여 간략히 소개하고자 한다.
탄소나노튜브(Carbon Nanotube)란 하나의 탄소원자에 3개의 다른 탄소원자가 결합되어 육각형 벌집 무늬를 이루는 구조를 가지는 그라파이트(Graphite)가 둥글게 말려, 그 직경이 실린더와 같은 나노크기의 모양으로 형성된 것이다.
즉, 탄소나노튜브 하나는 속이 빈 튜브 또는 실린더와 같은 모양을 가지는데, 이것을 나노튜브라고 부르는 이유는 그 튜브의 직경이 보통 수~수십 나노미터(1나노미터는 10억분의 1미터) 정도로 극히 작기 때문이다.
이러한 그라파이트 구조를 둥글게 말면 탄소나노튜브가 되는데 이때 그라파이트를 어느 각도로 말 것인가에 따라서 탄소나노튜브는 금속과 같은 전기적 도체(Armchair 구조)가 되기도 하고 반도체(Zig-Zag 구조) 성질을 가지게 된다.
또한 말린 형태에 따라서 단일벽 탄소나노튜브(Single-wall Carbon Nanotube), 이중벽 탄소나노튜브 (Double Wall Carbon Nanotube), 얇은 다중벽 탄소나노튜브 (Thin-Multi Wall Carbon Nanotube), 다중벽 탄소나노튜브(Multi wall Carbon Nanotube), 다발형 탄소나노튜브(Rope Carbon Nanotube)로 구분하기도 한다.
이러한 탄소나노튜브는 큰 종횡비(High Aspect Ratio)와 비표면적의 특성을 가지며, 전기적 성질 및 기계적 강도가 우수하며, 화학적 및 열적으로 안정된 물질이므로, 고분자 복합재, 전자정보 산업분야 등 광범위한 분야에 그 응용이 크게 기대되고 있다.
근래에 이러한 탄소나노튜브 합성에 관한 여러 가지 방법이 제안되었고 이러한 방법을 실현시키기 위한 여러 가지 장치가 사용되고 있다. 현재 사용되고 있는 장치로는 전기 방전장치, 레이저 증착장치, 화학기상 증착장치 등이 있으며, 화학기상 증착장치는 플라즈마 화학기상 증착장치 및 열 화학기상 증착장치 등으로 분류할 수 있다.
그런데, 상기와 같은 전기 방전장치나 레이저 증착장치는 탄소나노튜브의 합성 수율이 비교적 낮고, 합성속도가 떨어질 뿐아니라, 합성과정에서 불순물이 포함되기 때문에 별도의 정제과정이 필요하여 대량생산이 곤란한 문제점이 있다.
또한, 플라즈마 화학 기상증착장치는 양 전극에 인가되는 고주파 전원에 의하여 챔버 또는 반응로 내에 글로우 방전을 발생시키는 것으로서, 불순물이 거의 발생하지 않고, 비교적 저온에서 탄소나노튜브를 합성할 수 있으나, 고가의 진공장비가 필요할 뿐 아니라, 탄소나노튜브를 성장시키는데 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다.
이에 비해, 열 화학기상 증착장치는 촉매금속이 증착된 기판 또는 촉매금속을 적재한 쿼츠보트의 사용과 원료가스의 공급 및 온도제어에 따라 탄소나노튜브의 합성이 가능하여 장비의 제작이 용이하다.
열 화학기상 증착장치에 기판을 이용할 시에는 촉매금속으로 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co) 등의 전이금속을 증착시킨 후, CVD 장치의 반응로(챔버)에 설치하고, 상기 반응로 내에 탄소함유 화합물을 투입하여 고온에서 탄소나노튜브를 기판상에 성장시키는 방법으로서, 불순물이 거의 없을 뿐 아니라, 대면적의 기판에도 적용될 수 있다.
또한, 열 화학기상 증착장치는 촉매금속을 이용하여 다량의 탄소나노튜브를 합성할 수 있는 이점이 있다. 그러나, 촉매금속을 적재한 쿼츠보트를 사용하는 합성장치는 합성 후, 온도의 냉각을 기다려야는 점 및 쿼츠보트에 촉매를 적재해야하므로 그 양이 한정적일 수밖에 없다.
따라서, 열 화학기상 증착장치로서 금속촉매를 연속적으로 주입하며, 반응로의 회전과 원료가스의 공급 및 온도제어에 따라 탄소나노튜브의 대량합성이 가능한 장비의 제작이 용이하다.
열 화학기상 증착장치에 촉매파우더를 이용할 시에는 촉매금속으로 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co) 등의 전이금속 및 Al2O3, 제올라이트, SiO2, 등의 지지체 등을 이용할 수 있으며, CVD 장치의 반응로에 이를 연속적으로 주입하며, 상기 반응로 내에 탄소함유 화합물을 투입하여 고온에서 탄소나노튜브를 성장하여 배출되도록 하는 방법으로서, 불순물이 거의 없을 뿐만 아니라, 고수율의 합성이 가능하다.
또한, 연속배출 시스템으로써, 탄소나노튜브의 대량합성에 적합하다 할 수 있다.
본 발명을 설명하기에 앞서, 본 발명의 핵심은,
반응로(10)를 가열하는 반응로 가열단계와, 가열된 반응로(10)의 내부로 촉매와 가스를 주입하여 탄소나노튜브를 생성하는 탄소나노튜브 생성단계를 포함하는 탄소나노튜브의 생성 방법에 있어서,
1) 상기 반응로 가열단계에서 반응로(10)를 적어도 복수 개의 구간으로 나누고, 구간별로 각각 온도를 동일하게 하거나 달리하여 가열하는 방법
2) 반응로(10)의 RPM을 조절하여 회전시키는 방법
3) 상기 촉매는 반응로(10)의 일측으로 투입되어 타측으로 배출되도록 하고, 상기 가스는 반응로(10)의 타측으로 투입되어 일측으로 배출되도록 하는 방법.
이상 세 가지이다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이, 반응로를 가열하는 반응로 가열단계와, 가열된 반응로(10)의 내부로 촉매와 가스를 주입하여 탄소나노튜브를 생성하는 탄소나노튜브 생성단계를 포함하는 탄소나노튜브의 생성 방법에 있어서, 상기 반응로 가열단계에서는 반응로(10)를 적어도 복수 개의 구간으로 나누고, 구간별로 각각 온도를 동일하게 하거나 달리하여 가열하도록 구성된다.
또한, 반응로(10)를 주입된 상기 촉매의 환원 및 합성 진행방향으로 적어도 제1구간, 제2구간 및 제3구간의 세 구간으로 나누고, 즉, ZONE1, ZONE2 및 ZONE3으로 구분하고, 각 구간의 온도를 400℃~1000℃ 범위 내에서 동일하게 하거나 달리하여 가열할 수 있다.
즉, ZONE1에서 촉매가 환원되게 하고, ZONE2에서는 CNT(탄소나노튜브)가 합성되며, ZONE3에서는 CNT가 냉각되어 배출되도록 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 반응로(10)는 촉매가 주입되는 일측 상부로부터 가스가 주입되는 타측 하부로 소정 각도 기울어지게 형성되며, 반응로(10)는 회전하게 된다.
따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 반응로(10)의 일측으로 주입된 촉매(제)는 반응로(10)의 회전에 따라 반응로(10)의 타측으로 이동되어 배출되며, 반응로(10)의 타측에서 주입된 가스는 반응로(10)의 일측으로 배출되면서 촉매와 접촉하여 탄소나노튜브를 생성하게 된다.
이때, 반응로(10)의 회전속도는 조절가능하여 촉매가 탄소나노튜브로 변환되어 배출되는 속도를 조절할 수 있다.
| 온도(℃) | 촉매량 | CNT 생성량 | 합성수율 | ||
| ZONE 1 | ZONE 2 | ZONE 3 | (g) | (g) | (%) |
| 400 | 400 | 400 | 300 | 3600 | 1100 |
| 400 | 500 | 400 | 300 | 5670 | 1790 |
| 500 | 500 | 500 | 300 | 5760 | 1820 |
| 500 | 600 | 500 | 300 | 5970 | 1890 |
| 600 | 600 | 600 | 300 | 6300 | 2000 |
| 600 | 700 | 600 | 300 | 6150 | 1950 |
| 700 | 700 | 700 | 300 | 6060 | 1920 |
| 700 | 800 | 700 | 300 | 6000 | 1900 |
| 800 | 800 | 800 | 300 | 5970 | 1890 |
| 800 | 900 | 800 | 300 | 5910 | 1870 |
| 900 | 1000 | 800 | 300 | 5790 | |
[표 1]은 반응로(10)의 ZONE1, ZONE2 및 ZONE3의 구간별 온도를 각각 달리하고, 촉매량을 동일하게 투입하였을 경우 생성되는 탄소나노튜브의 생성 수율을 나타낸 것이다.
이때, 반응로(10)의 길이는 2500㎜, 반응로(10)의 기울기는 2도로 설정하였으며, 촉매는 금속산화물을 사용하여 실험하였다.
수율 계산식은 다음과 같다.
이때, ZONE1, ZONE2 및 ZONE3의 온도 조건을 조금씩 달리하여 실험하였으며, [표 1]에는 대표적인 실험값만을 나타내었다.
상기 실험 결과, 탄소나노튜브가 생성되는 최적의 온도는 ZONE1, ZONE2 및 ZONE3의 온도 모두 600℃일 때 최적의 합성 수율을 나타냄을 알 수 있었다.
| CNT 배출시간 | 반응로의 회전 RPM | CNT 생성 수율(%) |
| 30 min | 1 | 2000 |
| 60 min | 0.8 | 4700 |
| 90 min | 0.5 | 5200 |
[표 2]에는 반응로(10)의 ZONE 1, 2, 3의 온도를 모두 600℃로 하고, 반응로(10)의 회전속도(RPM)에 따른 배출시간 및 CNT 생성 수율을 나타냈으며, 대표값 만을 나타내었다.
이때, 반응로(10)의 기울기는 2도이고, 반응로(10)의 길이는 2500㎜로 설정하였으며, 촉매는 금속산화물을 사용하여 실험하였다.
반응로(10)는 촉매가 주입되는 일측 상부에서 주입된 촉매가 배출되는 타측 하부로 소정 각도 기울어져 있으므로, 반응로(10)의 일측으로 주입된 촉매는 반응로의 회전속도에 따라 타측으로 이동되는 속도가 정해지며, 이는 최종적으로 CNT가 배출되는 시간과 직결된다.
즉, 가스와의 반응시간을 조절하여 탄소나노튜브 생성률을 최적으로 구성할 수 있으며, 실험결과 반응로(10)에 촉매가 머무르는 시간이 60분이었을때 최적의 생성 수율을 얻을 수 있었다.
또한, 60분 이상의 조건에서는 CNT의 생성수율이 높아지긴 했으나, 60분이었을 때와 크게 달라지지는 않았으며, 90분이었을 때 더 큰 생성 수율을 얻을 수 있었으나 CNT를 생성하기 위해 투입된 비용 대비 생성된 CNT를 고려하였을 때, 60분이 최적의 시간임을 알 수 있었다.
또한, 반응로(10)의 기울기, 직경, 길이, 반응로 내부의 형상 및 회전 속도에 따라 CNT 배출 시간은 달라질 수 있으므로, CNT 배출 시간을 고려하여 반응로(10)의 회전속도를 결정하는 것이 바람직하다 할 것이다.
[표 1] 및 [표 2]의 실험 결과, 반응로(10)의 내부온도는 600℃로 하고, 촉매가 CNT로 변환되어 배출되는 시간을 60분(반응로의 회전 RPM 0.8)으로 설정하였을 때 최적의 CNT 생성 수율을 얻을 수 있었다.
한편, 반응로(10)의 재질은 스테인리스 또는 인코넬로 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 반응로(10) 내부에는 돌출편 등을 복수 개 구비하여, 반응로(10)의 회전시 반응로(10) 내부로 주입된 촉매 및 가스가 골고루 섞여 고수율의 합성이 이루어지도록 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 반응로(10) 내부로 주입되는 가스는, 관 등을 연결하여 CNT(탄소나노튜브)합성이 가장 잘 이루어지는 ZONE2로 직접 분사되도록 구성할 수 있다.
한편, 반응로(10)의 타측으로 주입된 가스는 공기보다 가벼우므로, 반응로(10)의 경사각을 따라 반응로(10)의 일측으로 배출된다.
가스의 분위기는 조정할 수 있으며, 가스의 배출은 제어부 등을 구성하여 자동 또는 수동으로 작동할 수 있다.
또한, 가스의 배출시 가스배출 제어단계가 구비되어 가스의 배출량을 제어함으로써, 반응로(10) 내부의 가스 농도를 최적의 상태로 일정하게 유지할 수 있다.
즉, 미도시 하였으나, 가스배출부는 반응로(10)에 공급된 상기 탄소가스를 외부로 배출 및 차단시키는 가스배출조절수단; 및 반응로(10) 내부의 가스압력을 나타내는 압력표시수단을 포함하도록 구성할 수 있으며, 압력표시수단의 압력상태에 따라 가스배출조절수단을 컨트롤하는 제어수단이 더 포함되도록 구성할 수 있다.
이때, 압력표시수단은 아날로그 방식 또는 디지털 방식의 압력게이지를 사용할 수 있다.
또한, 가스배출조절수단은 밸브스위치를 정·역회전시켜 개폐할 수 있도록 수동으로 구성하거나, 솔레노이드밸브 등과 같은 자동개폐밸브로 구성하여 제어수단에 의해 자동으로 컨트롤되도록 구성할 수 있다.
한편, 상기 반응로 가열단계는 크게 상기 반응로(10)의 내부온도를 상승시키는 내부온도 상승단계; 승온된 상기 반응로(10) 내부의 온도를 유지시키는 온도유지단계; 및 상기 반응로(10)의 온도를 일정 온도 떨어뜨리는 냉각단계로 구분할 수 있다.
상기 온도유지단계는 도 2 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 세부적으로 내부승온 및 안정화 단계와 초기 촉매 환원단계 및 승온유지단계로 구분할 수 있다.
도 2 내지 도 6에 도시된 각 구간의 번호들은 구간에서 사용되는 가스를 나타내며, ①은 불활성 가스를, ②는 촉매환원가스를 ③은 탄소나노튜브 합성가스를 나타낸다.
상기 내부온도 상승단계 및 상기 냉각단계에서는 상기 반응로(10) 내부를 불활성 분위기로 조성하도록 불활성 가스가 주입되고, 상기 온도유지단계에서는 주입된 촉매를 환원시키는 촉매환원가스 및 환원된 촉매와 결합되어 탄소나노튜브를 생성시키는 탄소나노튜브 합성가스 중 적어도 어느 하나가 주입된다.
이때, 상기 불활성 가스는 Ar 및 N2 중 어느 하나가 사용된다.
또한, 상기 촉매환원가스는 H2, NH4 및 Hydro Carbon 중 어느 하나가 사용되는데, Hydro Carbon은 분해됨으로써 사용되며, 상기 탄소나노튜브 합성가스는 CO, CH4, C2H2, C2H4, C2H6 중 어느 하나가 사용된다.
또한, 도 2 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 촉매주입은 초기 촉매 환원 기점 또는 초기 촉매 환원 기점 중간에 가스분위기가 조성된 후 주입할 수 있으며, 촉매주입완료는 마지막 주입 촉매가 충분히 합성되는 시간을 고려하여 결정하며, 촉매 중단 후 합성진행 뒤 냉각단계에 진입하게 된다.
또한, 도 2 내지 도 6에는 각각의 실시예를 도시하였으나, 도 6과 같이 구성하는 것이 바람직하다.
10 :반응로
Claims (16)
- 반응로를 가열하는 반응로 가열단계와, 가열된 상기 반응로의 내부로 촉매와 가스를 주입하여 탄소나노튜브를 생성하는 탄소나노튜브 생성단계를 포함하는 탄소나노튜브의 생성 방법에 있어서,
상기 반응로 가열단계에서는 상기 반응로를 적어도 복수 개의 구간으로 나누고, 구간별로 각각 온도를 동일하게 하거나 달리하여 가열하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 생성 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 반응로를 주입된 상기 촉매의 환원 및 합성 진행방향으로 적어도 제1구간, 제2구간 및 제3구간의 세 구간으로 나누고, 각 구간의 온도를 400℃~1000℃ 범위 내에서 동일하게 하거나 달리하여 가열하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 생성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 반응로 가열단계는,
상기 반응로의 내부온도를 상승시키는 내부온도 상승단계;
승온된 상기 반응로 내부의 온도를 유지시키는 온도유지단계; 및
상기 반응로의 온도를 일정 온도 떨어뜨리는 냉각단계를 포함하는 탄소나노튜브의 생성 방법.
- 제3항에 있어서,
상기 내부온도 상승단계 및 상기 냉각단계에서는 상기 반응로 내부를 불활성 분위기로 조성하도록 불활성 가스가 주입되고,
상기 온도유지단계에서는 주입된 촉매를 환원시키는 촉매환원가스 및 환원된 촉매와 결합되어 탄소나노튜브를 생성시키는 탄소나노튜브 합성가스 중 적어도 어느 하나가 주입되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 생성 방법.
- 제4항에 있어서,
상기 불활성 가스는 Ar 및 N2 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 생성 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 촉매환원가스는,
H2, NH4 및 Hydro Carbon 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 생성 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 합성가스는,
CO, CH4, C2H2, C2H4, C2H6 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 생성 방법.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응로를 회전시키는 반응로 회전단계가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 생성 방법.
- 제8항에 있어서,
상기 반응로의 회전 속도가 조절되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 생성 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 생성단계에서는,
상기 촉매는 상기 반응로의 일측으로 투입되어 타측으로 배출되고,
상기 가스는 상기 반응로의 타측으로 투입되어 일측으로 배출되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 생성 방법.
- 제10항에 있어서, 가스의 배출시,
가스의 배출량을 조절하는 가스배출 제어단계가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 생성 방법.
- 반응로를 가열하는 반응로 가열단계와, 가열된 상기 반응로의 내부로 촉매와 가스를 주입하여 탄소나노튜브를 생성하는 탄소나노튜브 생성단계를 포함하는 탄소나노튜브의 생성 방법에 있어서,
상기 반응로를 회전시키는 반응로 회전단계가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 생성 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 반응로의 회전 속도가 조절되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 생성 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 생성단계에서는,
상기 촉매는 상기 반응로의 일측으로 투입되어 타측으로 배출되고,
상기 가스는 상기 반응로의 타측으로 투입되어 일측으로 배출되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 생성 방법.
- 반응로를 가열하는 반응로 가열단계와, 가열된 상기 반응로의 내부로 촉매와 가스를 주입하여 탄소나노튜브를 생성하는 탄소나노튜브 생성단계를 포함하는 탄소나노튜브의 생성 방법에 있어서,
상기 탄소나노튜브 생성단계에서,
상기 촉매는 상기 반응로의 일측으로 투입되어 타측으로 배출되고,
상기 가스는 상기 반응로의 타측으로 투입되어 일측으로 배출되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 생성 방법.
- 제14항 또는 제15항에 있어서, 가스의 배출시,
가스의 배출량을 조절하는 가스배출 제어단계가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 생성 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110073917A KR101282308B1 (ko) | 2011-07-26 | 2011-07-26 | 탄소나노튜브의 생성 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110073917A KR101282308B1 (ko) | 2011-07-26 | 2011-07-26 | 탄소나노튜브의 생성 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20130012653A true KR20130012653A (ko) | 2013-02-05 |
| KR101282308B1 KR101282308B1 (ko) | 2013-07-11 |
Family
ID=47893277
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020110073917A KR101282308B1 (ko) | 2011-07-26 | 2011-07-26 | 탄소나노튜브의 생성 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101282308B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210037214A (ko) | 2019-09-27 | 2021-04-06 | 주식회사 엘지화학 | 탄소 나노튜브의 제조 방법 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100593418B1 (ko) * | 2005-05-26 | 2006-06-28 | 주식회사 비코 | 탄소나노튜브의 대량 생산을 위한 방법 |
| KR101349678B1 (ko) * | 2007-08-07 | 2014-01-09 | 금호석유화학 주식회사 | 탄소나노튜브 합성 장치 |
-
2011
- 2011-07-26 KR KR1020110073917A patent/KR101282308B1/ko active IP Right Grant
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210037214A (ko) | 2019-09-27 | 2021-04-06 | 주식회사 엘지화학 | 탄소 나노튜브의 제조 방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR101282308B1 (ko) | 2013-07-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8142568B2 (en) | Apparatus for synthesizing a single-wall carbon nanotube array | |
| CN100376477C (zh) | 一种碳纳米管阵列生长装置及多壁碳纳米管阵列的生长方法 | |
| US8057778B2 (en) | Method and apparatus for forming carbon nanotube array | |
| KR20120014116A (ko) | 연속하여 이동하는 기질에서 탄소 나노튜브를 제조하는 장치 및 방법 | |
| US20090117026A1 (en) | Method for manufacturing carbon nano-tube | |
| CN1935637A (zh) | 碳纳米管制备方法 | |
| KR101313746B1 (ko) | 탄소 나노튜브의 저온 대량합성 방법 | |
| WO2010147191A1 (ja) | カーボンナノチューブの製造装置および製造方法 | |
| WO2012057229A1 (ja) | カーボンナノチューブの製造方法 | |
| KR101282308B1 (ko) | 탄소나노튜브의 생성 방법 | |
| JP5700819B2 (ja) | カーボンナノチューブ配向集合体の製造方法 | |
| KR101248545B1 (ko) | 탄소나노튜브 합성장치의 믹싱편이 구비된 반응관 | |
| KR20120092344A (ko) | 금속유기구조체(ＭＯＦｓ)를 이용한 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유 | |
| KR101679693B1 (ko) | 탄소나노튜브 제조방법 및 하이브리드 탄소나노튜브 복합체 | |
| KR101128928B1 (ko) | 열화학 기상 증착법을 이용한 탄소나노튜브 대량 합성장치 | |
| CN108383102B (zh) | 开放环境下等离子体制备碳纳米材料的方法及装置 | |
| JP2005279624A (ja) | カーボンナノチューブの製造用触媒、製造方法及び製造装置 | |
| CN110217778A (zh) | 一种连续制备高质量碳纳米管的装置及其制备方法 | |
| JP4977982B2 (ja) | 線状炭素材料の製造方法及び機能デバイスの製造方法 | |
| KR101097906B1 (ko) | 탄소나노튜브 합성장치 및 합성시스템 | |
| KR100793172B1 (ko) | 탄소나노튜브 제조 설비 및 이를 이용한 탄소나노튜브의제조 방법 | |
| Wang et al. | Large-scale synthesis of β-SiC/SiOx coaxial nanocables by chemical vapor reaction approach | |
| CN101857461A (zh) | 一种半导体碳纳米管阵列的制备方法 | |
| KR100593423B1 (ko) | 탄소나노튜브의 대량 생산을 위한 대량합성 장치 | |
| JP2006298684A (ja) | 炭素系一次元材料およびその合成方法ならびに炭素系一次元材料合成用触媒およびその合成方法ならびに電子素子およびその製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20110726 |
|
| PA0201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20121220 Patent event code: PE09021S01D |
|
| PG1501 | Laying open of application | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| PE0701 | Decision of registration |
Patent event code: PE07011S01D Comment text: Decision to Grant Registration Patent event date: 20130627 |
|
| GRNT | Written decision to grant | ||
| PR0701 | Registration of establishment |
Comment text: Registration of Establishment Patent event date: 20130628 Patent event code: PR07011E01D |
|
| PR1002 | Payment of registration fee |
Payment date: 20130628 End annual number: 3 Start annual number: 1 |
|
| PG1601 | Publication of registration | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20160616 Year of fee payment: 4 |
|
| PR1001 | Payment of annual fee |
Payment date: 20160616 Start annual number: 4 End annual number: 4 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20170622 Year of fee payment: 5 |
|
| PR1001 | Payment of annual fee |
Payment date: 20170622 Start annual number: 5 End annual number: 5 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20180625 Year of fee payment: 6 |
|
| PR1001 | Payment of annual fee |
Payment date: 20180625 Start annual number: 6 End annual number: 6 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20190626 Year of fee payment: 7 |
|
| PR1001 | Payment of annual fee |
Payment date: 20190626 Start annual number: 7 End annual number: 7 |
|
| PR1001 | Payment of annual fee |
Payment date: 20200629 Start annual number: 8 End annual number: 8 |
|
| PR1001 | Payment of annual fee |
Payment date: 20210628 Start annual number: 9 End annual number: 9 |
|
| PR1001 | Payment of annual fee |
Payment date: 20220628 Start annual number: 10 End annual number: 10 |
|
| PR1001 | Payment of annual fee |
Payment date: 20230626 Start annual number: 11 End annual number: 11 |