(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素ナノチューブを形成する反応空間を提供する反応チャンバと、
前記反応チャンバの下底に備わり、前記炭素ナノチューブを生成するためのソースガスを前記反応空間に分散する分散板を備え、
前記分散板は、プレートと、前記プレートの上面の端部に備わり、外部から提供されたソースガスを前記プレートの中央部に向けてガイドするガス誘導部と、を含む炭素ナノチューブ製造装置において、
前記プレートの中央部に前記ソースガスと反応して前記炭素ナノチューブを生成する金属触媒が注入される触媒供給ホールが形成され、
前記金属触媒は前記触媒供給ホールを通して前記反応空間に流入し、
前記ガス誘導部は、
前記プレートとの間に形成された、前記ソースガスが流入するガス格納空間と、前記ガス格納空間に流入した前記ソースガスを前記プレートの中央部に向けて排出するガス排出口と、を有することを特徴とする炭素ナノチューブ製造装置。
【請求項２】
前記ガス誘導部は、
前記プレートと対向する第１ガイド面と、
前記プレートから延びて前記第１ガイド面に連結される第２ガイド面と、
前記第１ガイド面から延びて前記第２ガイド面と対向し、前記ガス排出口が形成される第３ガイド面と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブ製造装置。
【請求項３】
前記第３ガイド面の全部又は一部は前記プレートから離隔して前記ガス排出口を形成することを特徴とする請求項２に記載の炭素ナノチューブ製造装置。
【請求項４】
前記プレートの上面は前記ガス誘導部が形成された端部から前記触媒供給ホールが形成された中央部上方に向かって次第に突出することを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブ製造装置。
【請求項５】
前記プレートは前記ガス格納空間に前記ソースガスを流入させる少なくとも一つのガス流入ホールを有することを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブ製造装置。
【請求項６】
前記ガス流入ホールを通して前記ソースガスを前記ガス誘導部に提供するガス供給ライ
ンをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の炭素ナノチューブ製造装置。
【請求項７】
前記ガス誘導部は平面上で見る時、リング形状を有することを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブ製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素ナノチューブ製造装置及びその方法に係り、特に金属触媒粒子を分散し浮遊させて炭素ナノチューブを生成するための炭素ナノチューブ製造装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素ナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏ  ｔｕｂｅｓ）は、各炭素原子が隣り合う３つの炭素原子と結合して連続する六角形のハチの巣状パターンからなる炭素平面を形成し、さらにこの炭素平面が円筒形に巻かれてチューブ形状になるものである。
【０００３】
炭素ナノチューブは、その構造によって金属的な導電性または半導体的な導電性を表し、種々の技術分野に幅広く応用できるので、未来の新素材として脚光を浴びている。例えば、炭素ナノチューブは、二次電池、燃料電池またはスーパーキャパシタのような電気化学的蓄積装置の電極、電磁波遮蔽、電界放出ディスプレイ、またはガスセンサなどに適用できる。
【０００４】
炭素ナノチューブは、高温の反応器に金属触媒粒子と炭化水素系のガスを分散しながら反応させて生成される。具体的に、炭素ナノチューブを製造する装置は、反応器、反応器内に備わって金属触媒を提供するノズル、及び反応器内に備わって炭素成分のガスを分散する分散板を含む。
【０００５】
分散板は、ノズルの下に備わり、ガスを流入及び分散する複数のホールを有する。ノズルから提供された金属触媒は、分散板を通して提供されるガスによって反応器内を浮遊し、ガスの炭素成分と反応して炭素ナノチューブを成長させる。
【０００６】
このように、炭素ナノチューブ製造装置は、ノズルが反応器内に備わるので、金属触媒の分散及び浮遊を妨害し、金属触媒がノズル周辺に堆積すると、金属触媒の機能が失われる。また、分散板がノズルの下に備わり、ガスが特定の方向性無しに分散板の上部に分散するので、分散板の上面に金属触媒が堆積してチャネリングを誘発する。また、分散板の複数のホールに均一のガスを提供するガスウィンドボックス、及びガスを分解しながら分散板に提供するヒータをさらに備えなければならない。これによって、空間活用率が低下する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、金属触媒の堆積による損失を抑制し、空間活用率を向上することができる炭素ナノチューブ製造装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、前記１炭素ナノチューブ製造装置を用いて炭素ナノチューブを製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の本発明の目的を実現するための一つの特徴による炭素ナノチューブ製造装置は、反応チャンバ及び分散板からなる。
【０００９】
反応チャンバは、炭素ナノチューブが形成される反応空間を提供する。分散板は、反応チャンバの下底に備わり、前記炭素ナノチューブを生成するためのソースガスを前記反応空間に分散する。具体的に、分散板は、プレート及びガス誘導部を含む。ガス誘導部は、前記プレートの上面の端部に備わり、外部から提供されたソースガスを前記プレートの中央部に向けてガイドする。
【００１０】
また、プレートの中央部には、金属触媒が注入される触媒供給ホールが形成される。前記金属触媒は、前記触媒供給ホールを通して前記反応空間に流入し、ソースガスと反応して炭素ナノチューブを生成する。
【００１１】
前記ガス誘導部は、前記プレートとの間に形成されて前記ソースガスが流入するガス格納空間と、前記ガス格納空間に流入した前記ソースガスを前記プレートの中央部に向けて排出するガス排出口と、を有する。
【００１２】
具体的に、 前記ガス誘導部は、第１〜第３ガイド面からなる。 第１ガイド面は、前記プレートと対向する。第２ガイド面は、前記プレートから延びて前記第１ガイド面に連結される。第３ガイド面は、前記第１ガイド面から延びて前記第２ガイド面と対向し、前記第３ガイド面には前記ガス排出口が形成される。
【００１３】
ここで、前記第３ガイド面の全部又は一部は、前記プレートから離隔して前記ガス排出口を形成する。
【００１４】
前記プレートの上面は、前記ガス誘導部が形成された端部から前記触媒供給ホールが形成された中央部上方に向かって次第に突出する。
【００１５】
また、前記プレートは、前記ガス格納空間に前記ソースガスを流入させる少なくとも一つのガス流入ホールを有し、炭素ナノチューブ製造装置は、前記ガス流入ホールを通して前記ソースガスを前記ガス誘導部に提供するガス供給ラインをさらに含むことができる。 
【００１６】
ここで、前記ガス誘導部は、平面上で見る時、リング形状を有する。
【００１７】
また、上記の本発明の目的を実現するための一つの特徴による炭素ナノチューブ製造方法は、次の通りである。まず、内部に反応空間が形成された反応チャンバを加熱し、前記反応空間に金属触媒及びソースガスを流入、分散させる。前記金属触媒が前記ソースガスによって前記反応空間を浮遊しつつ前記ソースガスと反応して炭素ナノチューブを生成する。
【００１８】
前記金属触媒及び前記ソースガスが流入し分散する過程を見ると、前記反応チャンバの下底の中央部に前記金属触媒が流入すると共に、前記反応チャンバの下底の端部に前記ソースガスが流入する。続いて、前記反応チャンバの下底の端部に流入した前記ソースガスを前記反応チャンバの下底の中央部上方に向けてガイドする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明による炭素ナノチューブ製造装置によれば、分散板は、金属触媒を反応チャンバに流入させ、ソースガスをガイドして金属触媒を特定方向に分散し浮遊させる。これと共に、炭素ナノチューブ製造装置は、ソースガスと金属触媒がすべて分散板を通して分散されるので、金属触媒の供給のための別途のノズルとソースガスとを均一に分散するための別途の装置を備える必要がない。したがって、炭素ナノチューブ製造装置は、金属触媒の堆積による損失及びチャネリングを防ぎ、空間活用率を向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態をさらに詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一実施形態による炭素ナノチューブ製造装置を示した図面である。
【００２２】
図１に示すように、本発明による炭素ナノチューブ製造装置１００は、反応チャンバ１１０、分散板１２０、多数のガス供給ライン１３０、ヒーティング部１４０及び排気ライン１５０を含む。
【００２３】
反応チャンバ１１０は、炭素ナノチューブの製造工程がなされる反応空間ＲＳを提供する。反応チャンバ１１０は、円筒形状を有し、熱に強い材質、例えば、ステンレスで構成される。円筒形状の反応チャンバ１１０の上底は蓋部材（符番なし）により密閉され、下底は分散板１２０により密閉される。
【００２４】
分散板１２０は、炭素ナノチューブを生成するためのソースガスＳＧと金属触媒ＭＣとを反応空間ＲＳに流入させ分散する機能を有する。
【００２５】
ここで、ソースガスＳＧとしては、炭化水素系ガス、例えば、アセチレン、エチレン、メタン、水素ガスなどが利用され、金属触媒ＭＣでは、磁性体を有する有機金属化合物、例えば、鉄Ｆｅ、コバルト、ニッケルなどが利用される。ソースガスＳＧは、反応空間ＲＳ内に流入した金属触媒ＭＣが分散板１２０に落ちないように浮遊させながら、金属触媒ＭＣと反応して金属触媒ＭＣに炭素ナノチューブを成長させる。
【００２６】
このように、炭素ナノチューブは、金属触媒ＭＣが反応空間ＲＳを浮遊しつつ生成されるため、金属触媒ＭＣの浮遊が活性化されるほど炭素ナノチューブの成長が活性化される。
【００２７】
以下、図面を参照して分散板１２０の構造について具体的に説明する。
【００２８】
図２は、図１に示した分散板を含む部分を表した斜視断面図であり、図３は、図２に示した分散板の平面図であり、図４は、図１の‘Ａ’部分の拡大断面図である。
【００２９】
図２及び図３に示すように、分散板１２０は、プレート１２１及びガス誘導部１２２を含む。本発明の一例として、プレート１２１は円形でなされるが、プレート１２１の形状は、反応チャンバ１１０の形状によって変更される。プレート１２１は、反応チャンバ１１０の開口された底面に備わって反応チャンバ１１０を密閉する。
【００３０】
プレート１２１の中央部には、金属触媒ＭＣが注入される触媒供給ホール１２１ａが形成され、金属触媒ＭＣは、触媒供給ホール１２１ａを通して反応空間ＲＳ（図１参照）に流入される。
【００３１】
プレート１２１の上面は、端部から触媒供給ホール１２１ａが形成された中央部へ行くほど次第に突出して、ガス誘導部１２２から排出されたソースガスＳＧをプレート１２１の中央部上方にガイドする。すなわち、プレート１２１の上面は、触媒供給ホール１２１ａから端部に向かって次第に低くなる傾斜面からなり、これによって、プレート１２１の厚さは端部から中央部へ行くほど次第に増加する。本発明の一例として、プレート１２１の傾斜面は、ソースガスＳＧのガイド効率を向上するために下に凹む曲面からなる。
【００３２】
ガス誘導部１２２から排出されたソースガスＳＧは、プレート１２１の傾斜した上面を沿って上昇しつつプレート１２１の中央部側に移動し、触媒供給ホール１２１ａから排出された金属触媒ＭＣを反応空間ＲＳの上方側に向かって浮遊させる。
【００３３】
一方、プレート１２１の端部には、複数のガス流入ホール１２１ｂが形成される。ガス流入ホール１２１ｂは、ガス誘導部１２２と対応する領域に形成され、ソースガスＳＧは、ガス流入ホール１２１ｂを通してガス誘導部１２２に流入する。ガス流入ホール１２１ｂの数は、各ガス流入ホールの大きさ及びプレート１２１の大きさによって変わる。
【００３４】
プレート１２１の上面には、ガス誘導部１２２が形成される。ガス誘導部１２２は、プレート１２１の端部に形成され、ガス流入ホール１２１ｂを通して流入したソースガスＳＧの経路を変更してプレート１２１の中央部に向けてガイドする。本発明の一例として、ガス誘導部１２２は、平面上で見る時、リング形状を有し、プレート１２１と一体に形成される。
【００３５】
具体的に、ガス誘導部１２２は、ガス流入ホール１２１ｂを通して流入したソースガスＳＧが一時的に滞留するガス格納空間ＧＳを形成する。また、ガス誘導部１２２は、ガス格納空間ＧＳに流入したソースガスＳＧをプレート１２１の中央部に向けて排出するガス排出口１２２ｄを有する。
【００３６】
図２及び図４に示すように、本発明の一例として、ガス誘導部１２２は、第１ないし第３ガイド面１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃを備える。第１ガイド面１２２ａは、プレート１２１の上面と対向し、第２ガイド面１２２ｂは、プレート１２１からガス格納空間ＧＳを形成するように延びて第１ガイド面１２２ａと連結される。第３ガイド面１２２ｃは、第１ガイド面１２２ａから延びて第２ガイド面１２２ｂと対向し、プレート１２１から離隔されてガス排出口１２２ｄを形成する。本発明の一例として、ガス排出口１２２ｄは、第３ガイド面１２２ｃとプレート１２１が離隔された空間によって定義される。
本発明による変形例として、第３ガイド面１２２ｃが第１ガイド面１２２ａから第２ガイド面１２２ｂと対向しながら一部分において延伸されて、プレート１２１に連結され、連結されない部分がガス排出口１２２ｄを形成してもよい。
【００３７】
第１ないし第３ガイド面１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃは、ガス格納空間ＧＳに流入したソースガスＳＧの経路を変更して、経路が変更されたソースガスＳＧは、ガス排出口１２２ｄを通してプレート１２１の中央部に向けて排出される。ガス排出口１２２ｄを通して排出されたソースガスＳＧは、プレート１２１の傾斜した上面を沿ってプレート１２１の中央部上方に誘導され、触媒供給ホール１２１ａを通して流入した金属触媒ＭＣを浮遊させる。
【００３８】
このように、炭素ナノチューブ製造装置１００は、分散板１２０を用いてソースガスＳＧと金属触媒ＭＣを反応空間ＲＳに流入させ、ソースガスＳＧをガイドして金属触媒ＭＣを特定方向に移動する。これによって、炭素ナノチューブ製造装置１００は、金属触媒ＭＣを提供するための別途のノズルを備える必要がなく、ノズルによる金属触媒ＭＣの移動妨害及び堆積による損失を防ぐ。
【００３９】
また、炭素ナノチューブ製造装置１００は、分散板に提供されるソースガスＳＧを均一に分散するための別途の装置及びこのための空間を確保する必要がないので、空間活用度を向上し、製造原価を減らす。
【００４０】
また、ガス誘導部１２２がプレート１２１の端部に備わり、ガス誘導部１２２から排出されたソースガスＳＧは、プレート１２１の上面を沿って移動する。これによって、炭素ナノチューブ製造装置１００は、プレート１２１に金属触媒ＭＣが堆積することを防ぎ、チャネリングを防ぐ。
【００４１】
また、図１に示すように、分散板１２０の下には、複数のガス供給ライン１３０が備わる。ガス供給ライン１３０は、ガス流入ホール１２１ｂと一対一対応して連結され、ガス供給装置（図示せず）からソースガスＳＧが提供されてガス流入ホール１２１ｂを通してガス誘導部１２２に排出される。
【００４２】
一方、反応チャンバ１１０の外側壁には、ヒーティング部１４０が備わる。ヒーティング部１４０は、反応チャンバ１１０を加熱する。これによって、反応空間ＲＳは、ソースガスＳＧと金属触媒ＭＣの反応を活性化するための適正温度を維持する。本発明の一例として、反応空間ＲＳは、ヒーティング部１４０によって約５００℃ないし５０００℃の高温に維持される。
【００４３】
反応チャンバ１１０の上段には排気ライン１５０が備わり、排気ライン１５０は反応チャンバ１１０の上端に形成された排気ホール１１１と連結される。排気ライン１５０には、反応チャンバ１１０内に充填されたガスが排気ホール１１１を通して流入し、排気ライン１５０は、ガスを外部に排出する。すなわち、金属触媒とソースガスＳＧが反応する間、反応空間ＲＳに充填されたガスは、排気ライン１５０を通して外部に排出する。この時、反応空間ＲＳには、ソースガスＳＧが流入し続ける。
【００４４】
図面には示さなかったが、炭素ナノチューブ製造装置１００は、金属触媒ＭＣにより生成された炭素ナノチューブを外部に排出するための炭素ナノチューブ排気ラインを備える。炭素ナノチューブ排気ラインは、反応チャンバ１１０の側壁に連結され、反応空間ＲＳ内に形成された炭素ナノチューブを外部の炭素ナノチューブ捕集装置（図示せず）に排出する。
【００４５】
以下、図面を参照して、反応空間ＲＳで炭素ナノチューブが生成される過程を具体的に説明する。
【００４６】
図５は、図１に示した炭素ナノチューブ製造装置で炭素ナノチューブを生成する工程を表した図面である。
【００４７】
図４及び図５に示すように、ヒーティング部１４０は、反応チャンバ１１０を加熱して反応空間ＲＳの温度を適正温度に上昇する。
【００４８】
ガス供給ライン１３０は、ソースガスＳＧをガス流入ホール１２１ｂを通してガス誘導部１２２のガス格納空間ＧＳに提供する。ここで、金属触媒ＭＣを浮遊するためにガス供給ライン１３０には適正圧力のソースガスＳＧが提供される。
【００４９】
ガス誘導部１２２は、ソースガスＳＧの経路をプレート１２１中央部側に変更してガス排出口１２２ｄを通して排出する。ガス排出口１２２ｄから排出したソースガスＳＧは、プレート１２１の傾斜した上面を沿って上昇しつつプレート１２１の中央部上方に移動して反応空間ＲＳの上部に向かって上昇する。
【００５０】
これと同時に、金属触媒ＭＣがプレート１２１の触媒供給ホール１２１ａを通して反応空間ＲＳ内に流入する。触媒注入口１２１ａから排出した金属触媒ＭＣは、ガス誘導部１２２からプレート１２１の中央部にガイドされたソースガスＳＧによって反応空間ＲＳの上部に向かって移動する。
【００５１】
反応空間ＲＳの上部側に向かって移動した金属触媒ＭＣは、ソースガスＳＧの流れに乗って反応空間ＲＳを分散、浮遊しつつソースガスＳＧと反応して炭素ナノチューブを生成する。ここで、反応空間ＲＳに流入したソースガスＳＧは、プレート１２１の端部、プレート１２１の中央部、反応空間ＲＳの上部、反応チャンバ１２１の側壁、プレート１２１の端部、の順に移動しつつ循環する。
【００５２】
金属触媒ＭＣにより生成された炭素ナノチューブは、別途の炭素ナノチューブ排気ラインを通して反応チャンバ１１０から排出して炭素ナノチューブ捕集装置に格納される。
【００５３】
以上実施形態を参照して説明したが、当該技術分野の熟練した当業者ならば、特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の一実施形態による炭素ナノチューブ製造装置を表した図面である。
【図２】図１に示した分散板を含む部分を表した斜視断面図である。
【図３】図２に示した分散板の平面図である。
【図４】図１の‘Ａ’部分の拡大断面図である。
【図５】図１に示した炭素ナノチューブ製造装置で炭素ナノチューブを生成する工程を表した図面である。
【符号の説明】
【００５５】
１００    炭素ナノチューブ製造装置
１１０    反応チャンバ
１１１    排気ホール
１２０    分散板
１２１    プレート
１２１ａ  触媒供給ホール
１２１ｂ  ガス流入ホール
１２２    ガス誘導部
１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ    第１、第２、第３ガイド面
１２２ｄ  ガス排出口
１３０    ガス供給ライン
１４０    ヒーティング部
１５０    排気ライン
【図１】
0004976352.tif 000002
【図２】
0004976352.tif 000003
【図３】
0004976352.tif 000004
【図４】
0004976352.tif 000005
【図５】
0004976352.tif 000006