KR20020090976A - 아크건을 이용한 탄소나노튜브 합성장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기존의 DLC (Diamond Like Carbon) 코팅에 쓰이는 Arc gun 장치를 전이금속이 첨가된 graphite target을 쓰거나 전이금속을 기체와 함께 공급하여 탄소나노튜브를 합성할 수 있도록 개선한 장치로써, graphite target에서 분해되어 공급되는 탄소 원자들의 재결합시 함께 분해, 공급되는 전이금속을 seed로 이용하여 탄소나노튜브를 합성할 수 있게 한 장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 DLC (Diamond Like Carbon) 코팅에 사용되는 Arc gun을 이용하여 DLC 코팅에서 사용하는 기존의 graphite target 대신에 graphite powder와 전이금속을 일정비율 혼합해서 만든 graphite target을 이용하여 탄소나노튜브 합성하거나 또 기존의 graphite target 을 그대로 쓰고 탄화수소기체와 전이금속을 동시에 흘려주어 탄소나노튜브를 합성하는 장치에 관한 것이다.
탄소나노튜브를 합성하기 위해서는 필요한 탄소원자와 전이금속의 분해 및 공급이 반드시 필요하다. 고체 상태의 graphite를 탄소 공급원으로 이용할 경우 graphite의 분해 온도가 섭씨 4000도를 넘기 때문에 고체의 graphite를 분해하여 탄소나노튜브를 합성하기 위해서는 Arc discharge나 Laser ablation 등과 같은 방법을 이용하여 고온의 열로 graphite를 분해하여 쓰고 있다. 이중에서 합성 효율이 높은 Arc discharge를 이용할 경우 Arc discharge에 사용하는 탄소봉의 직경에 비례하여 탄소봉과 cathode 사이에서의 플라즈마를 일으키는데 필요한 전류량이 크게 증가하여 탄소봉의 직경을 늘이는데는 한계가 있었다. 이러한 한계로 인해 한번에 합성할 수 있는 탄소나노튜브의 합성량을 늘리기가 어려우며 또 탄소봉을 사용시 탄소봉을 계속 교체해야 하기 때문에 대량합성에 필요한 연속공정을 적용하는데 어려움이 있었다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제로는 DLC 코팅에 이용되는 Arc gun에 이용되는 graphite target과 함께 외부에서 기체와 함께 전이금속을 공급할 수 있게 하여 graphite target 표면에 플라즈마를 발생시켜 graphite target과 전이금속을 동시에 분해하여 탄소나노튜브를 합성할 수 있게 하거나, graphite target 을 전이금속 파우더와 섞어 만들어 플라즈마로 태워 탄소나노튜브를 합성하는데 있다.
도 1. 본 발명에 의한 Arc gun을 이용한 탄소나노튜브 합성장치의 계략도.
도 2. 본 발명에 의한 Arc gun을 이용한 탄소나노튜브 합성장치의 또다른 계략도.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명에서는 기존의 DLC 코팅용 Arc gun 장치를 개선하였다. 먼저 기존의 DLC 코팅용 Arc gun에서 사용하는 filter를 제거하여 graphite target 표면에서 분해된 탄소원자와 전이금속 원자들이 대부분이 filter에 의해 걸러지지 않고 챔버 내부로 유입되게 도 1과 같이 구성하였다. 두번째로 탄소나노튜브 합성에 필요한 전이금속을 공급하기 위해서 상용화 되어 있는 기존의 DLC 코팅용 Arc gun에 사용되는 graphite target을 이용하지 않고 탄소나노튜브 합성에 필요한 전이금속을 공급하기 위해 일정 비율의 전이금속 powder와 graphite powder 그리고 바인더를 혼합하여 고압 프레스를 이용하여 graphite target을 만들어 사용하였다.
본 발명에 대한 실시예를 도 1을 통해서 보면, 먼저 전이금속이 포함된 graphite target을 Arc gun의 graphite target 거치대에 장착한 후 플라즈마 발생기(a)를 graphite target 표면에 붙인뒤 다시 떼어내면 플라즈마가 발생하게 되는데 이 플라즈마는 Arc gun 뒷부분에 있는 강력한 자석에 의해서 graphite target 윗쪽에 같혀 있게 된다. graphite target 윗쪽에 같혀있는 플라즈마가 graphite target의 표면의 탄소원자를 분해하면서 분해된 탄소원자와 전이금속이 플라즈마 내부와 외부의 압력차에 의해서 플라즈마 바깥쪽으로 이동하게 된다. 플라즈마에 의해 분해, 활성화된 탄소원자들은 플라즈마 바깥쪽으로 이동해 가면서 온도차에 의해 냉각 및 재결합을 시작하게 된다. 이때 함께 분해된 전이금속원자가 탄소원자외 결합하여 탄소나노튜브를 만드는 씨앗이 되어 탄소나노튜브를 합성시킨다. 이렇게 성장을 시작한 탄소나노튜브들은 냉각되어 있는 방의 벽면에 가까이 가면서 성장을 멈추고 챔버 벽면에 붙게 된다.
또한, 본 발명은 graphite target을 그대로 쓰는 대신 전이금속을 탄화수소기체와 같이 공급할 수 있게 개선한 장치로써 상술한 graphite powder와 전이금속 powder를 혼합하여 만든 graphite target을 이용하는 방법 이외에 도 2와 같이 bubbler를 통해서 Iron pentacarbonyl(Fe(CH)5)과 같은 유기금속을 탄화수소기체와 혼합시켜 공급할 수도 있다. 또한 본 발명의 기술적인 사상 내에서 당 분야의 통상적인 지식을 가진자에 의해 그 변형이나 개량의 가능함이 명백하다.
상술한 본 발명에 따르면, Arc gun을 이용하여 탄소나노튜브를 연속적으로 합성할 수 있다. 또한 이 방법을 이용하여 탄소나노튜브를 대량 합성할 경우 기존의 탄소나노튜브의 가격을 현저히 낮출 수 있게 되어 현재 연구가 활발히 진행되고 있는 nanocomposites, 이차전지, capacitor, 수소저장 및 전계방출평판디스플레이의 팁으로 손쉽게 이용될 수 있을 것이다.
Claims (6)
- Arc gun을 이용한 탄소나노튜브 합성장치.
- 1항에 있어서 전이금속(Ni, Co, Fe) powder를 일정비율 혼합된 graphite target을 이용한 탄소나노튜브 합성장치.
- 1항에 있어서 bubbler를 통해 [CH3CO]2Co, [CH3COCH=C(O-)CH3]2Co, [CH3COCH=C(O-)CH3]3Co, [C6H5COCH=C(O-)CH3]2Co, Co(CH)10, Co2(CH)10, [CH3CO2]2Fe, [CH3COCH=C(O-)CH3]3Fe, Fe(CO)5, Fe(CH)10, Fe2(Co)9, [CH3C)CH=C(O-)CH3]2Ni, Ni(CH)10, Ni(CO)4등을 벤젠, 톨루엔, 에탄올등의 유기용매에 녹여서 공급할 수 있게구성한 탄소나노튜브 합성장치.
- 2항에 있어서 S 파우더가 첨가제로 혼합된 graphite target을 만드는 방법
- 2항에 있어서 NiS2, FeS등의 powder를 일정비율 혼합한 graphite target을 만드는 방법.
- 3항에 있어서 첨가제로 C4H4S를 공급할 수 있게 구성한 탄소나노튜브 합성장치.
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