발명의 명칭:유동층반응기

기술분야

[1] 본출원은 2019년 2월 28일자한국특허출원제 10-2019-0024231호에기초한 우선권의이익을주장하며,해당한국특허출원� �문헌에개시된모든내용은본 명세서의일부로서포함된다.

[2] 본발명은탄소나노튜브를제조하는유동층반응 기에관한것으로써 ,더욱 상세하게는센싱부를구비하여분산판에퇴적된 퇴적물의상태를파악할수 있고상기분산판에는노즐부가구비되어불활성 가스의분사를통해상기 퇴적물을파쇄할수있는유동층반응기에관한것 이다.

[3]

배경기

[4] 탄소나 이웃하는 3개의탄소원자가 육각형의벌집구조로결합되어탄소평면을형성 하고,상기탄소평면이 원통형으로말려서튜브의형상을가지는소재이 다.탄소나노튜브는다양한 기술분야에서광범위하게응용되는신소재로각 광받고있다.가령,상기 탄소나노튜브는이차전지,연료전지등과같은� �기화학적저장장치의 전극은물론,전자파차폐장치,디스플레이장치, 또는기체센서등에적용되고 있다.

[5] 상기탄소나노튜브의제조방법으로써아크방전 법,레이저증발법 ,

화학기상성장법등이공개된바있다.

[6] 이중,화학기상성장법에서는통상적으로고온� �유동층반응기안에서금속성 촉매입자와탄화수소계열의반응기체를반응시 켜탄소나노튜브를생성한다.

[7] 종래의유동층반응기의구성이개략적으로도시 된모습으로써왼쪽은

반응기본체의외부모습이도시되고오른쪽은 (일정거리를두고윗쪽에서 아래로내려다봤을때)상기반응기본체 (1)내부가투시되어분산판 (2)이장착된 모습이도시된도 1을참조하면,상기유동층반응기는길이방향을� ��라내부가 빈원통형파이프모양을갖는반응기본체 (1)를갖되,상기상기반응기본체 (1)의 뾰족한)모양을가지며,입구 (1幻로 투입된반응기체는내부의분산판 (2)에타공된타공홀들 (2 을거쳐출구 (내)로 배출되는구조를갖는다.

[8] 상기반응기본체 (1)는고온으로가열될수있도록가열기 (미도시)와

선택적으로결합될수있으며,반응기체가이동� �는동안반응기본체 (1)내에 제공된촉매금속은상기반응기체와합성이이뤄 져서 0^의제조가이뤄진다.

[9] 이때,상기분산판 (2)은반응기본체 (1)내에서반응기체를균일하게분산시켜 통과시키되촉매금속및반응에의해생성된분체 가아랫쪽으로낙하하는것을 2020/175800 1»（：1^1{2020/000929

2 방지한다.

[1이 즉,상기유동층반응기에서는분산판 (2)위에금속촉매를올려놓고

분산판 (2)에 형성된타공홀 (2 을통해반응기체를아랫쪽에서부터윗쪽으로 공급하면상기금속촉매가분산판 (2)의상측유동하면서 반응이발생된다.

[11] 합성중반응기본체 (1)내부의모습이나타난도내에도시된 , 합성중촉매금속입자에서성장한 2차입자들은서로 응집하여 한덩어리를이루며시간이 길어질수록더욱단단하게경화가이뤄져 퇴적물을생성한다.

[12] 이러한퇴적물의 생성은반응기본체 (1)내에서 여러가지문제를발생시킨다. 가령,도내에서 퇴적물이 생성된영역에서는상기 퇴적물이분산판 (2)의 타공홀들 (2 을폐쇄시킴으로써 반응기체의유동을방해하고이에

합성에 악영향을미치며 ,퇴적물들은반응기본체 (1)내에서 덩어리로뭉쳐져 고장을일으키거나여러가지 센서 및장치의오류를발생시켰다.

[13] 이러한문제를해소하기위하여종래에는반응기 본체 (1)내부또는외부에 바이브레이터를설치하여진동을가하거나상기 반응기본체 (1)내부에회전하는 임펠라를설치하여퇴적물을분쇄시키기도하였 다.

[14] 하지만, CNT의 합성은 600내지 1000도의고온에서 이뤄지고반응기체는 에틸렌,메탄등의가연성 가스가사용되므로바이브레이터에의한진동및 임펠라의 회전에의한물리적타격은화재위험성을동반하 는위험요소가되는 문제가있었고,이러한종래의 방법은퇴적물의 완전한파쇄가어려운문제점이 있었다.

[15]

발명의상세한설명

기술적과제

[16] 이에따라,본발명은분산판위에발생하는퇴적� �의 생성을감지하고생성된 퇴적물을효율적으로파쇄하여 제거할수있는유동층반응기를제공하는것에 주목적이 있다.

[17]

과제해결수단

[18] 전술한바와같은목적을달성하기위한본발명은 ,탄소나노튜브를제조하기 위한유동층반응기에 있어서,길이방향을따라속이 빈모양을갖는

반응기본체 ;판모양을갖고내부를횡방향으로구획하도록� �기반응기본체 내에장착되며 ,반응기체가통과하는복수개의 타공홀들이 형성된분산판;상기 분산판의 일면에장착되어상기분산판에 퇴적된퇴적물을파쇄하도록 외부에서불활성가스를공급받아분사하는노즐 부;상기분산판에 퇴적된 퇴적물의 퇴적상태를센싱하는센싱부;및상기 센싱부에서 센싱된정보에 따라 노즐부의 작동을제어하는제어부;를포함하는것을특징� �로한다. 2020/175800 1»（：1^1{2020/000929

[19] 상기분산판은원판모양을가지며,상기노즐부� �복수개가분산판의둘레를 따라서서로이격되어 배치된다.

[2이 본발명에 따른상기 노즐부는,퇴적물이쌓이는상기분산판의 일면에

고정되는하우징;외부에서상기하우징으로불� �성가스를공급하는공급라인; 및상기하우징에구비되어불활성가스를분사하 는분사부;를포함한다.

[21] 상기하우징에는서로다른각각의방향으로불활 성가스를분사하도록두개 이상의분사부들이구비된다.그리고,상기하우� ��에구비된분사부중적어도 어느하나는이웃하는하우징을향하여불활성가 스를분사하도록배치된다.

[22] 상기 센싱부는퇴적물이쌓이는상기분산판의 일면에서 일정거리를두고 배치되는온도계;를포함하고,상기 제어부는온도변화에 따라퇴적량을 추정하도록구성된다.

[23] 상기온도계는복수개가분산판의둘레를따라서 서로이격되어 배치된다. 바람직하게는상기온도계는복수개가장착되되 ,상기분산판과의 거리가 다르게 형성되도록배치된다.

[24] 상기온도계는퇴적물의직접접촉을통해온도를 측정하는접촉식온도계가 사용되거나,퇴적물와접촉하지 않는위치에 배치되어상기퇴적물에서 방출되는빛에너지를감지하여온도를측정하는 비접촉식온도계가사용될수 있다.다만,상기 반응기본체내부는고온이므로고장발생가능성 ,측정신뢰도 및내구성에따라접촉식온도계가사용되는것이 바람직하다.

[25]

발명의효과

[26] 상기와같은기술적특징을갖는본발명은,센싱� �를통해반응기본체내의 퇴적물을감지하고노즐부를통해상기 퇴적물을파쇄할수있으므로, 탄소나노튜브의 생산효율을더욱증대시킬수있다.

[27] 상기노즐부는복수개가분산판의둘레를따라서 서로이격되어 배치되므로 불활성가스가도달하지못하는음영구간이최소 화되거나억제되어퇴적물 파쇄가더욱효율적으로이뤄질수있다.

[28] 그리고,상기노즐부는하우징마다두개 이상의분사부들이구비되어

불활성가스를더다양한방향으로분사시킬수있 다.

[29] 아울러 ,센싱부를구성하는온도계는복수개가장착되� � 각지점의온도차에 따라퇴적물의발생상태를효율적으로센싱할수 있다.

[3이

도면의간단한설명

[31] 도 는종래의유동층반응기의구성이 개략적으로도시된모습으로써

왼쪽은반응기본체의외부모습이도시되고오른 쪽은상기반응기본체내부가 투시되어분산판이장착된모습이나타난도면.

[32] 도내는 0^의합성중도 에도시된반응기본체내부의모습이 나타난 2020/175800 1»（：1^1{2020/000929

4 단면도.

[33] 도 2는본발명에따른유동층반응기의 내부구성이 개략적으로도시된

모습으로써 왼쪽은반응기본체의 외부모습이도시되고오른쪽은상기

반응기본체내부가투시되어온도계와노즐부를 구비하는분산판이장착된 모습이 나타난도면.

[34] 서노즐부가장착된부분을확대하여도시한것으 로서상기 나타난도면.

[35] 된모양의 노즐부가투시되어 나타난도면.

[36] 실시예 1에따라반응기본체에서동일한높이로네곳에

온도계가배치된모습（좌:윗쪽에서 아랫쪽을투시하여 바라본모습,우:

외부에서 정면으로바라본모습）이도시된도면.

[37] 도 는본발명의실시예 2에 따라반응기본체에서서로다른높이로세곳에 온도계가배치된모습（좌:윗쪽에서 아랫쪽을투시하여 바라본모습,우:

외부에서 정면으로바라본모습）이도시된도면.

[38] 도 는본발명의실시예 3에따라링모양의온도계들이서로다른높이로

반응기본체내부에장착된모습을투시하여도시 한도면.

[39] 도 5는종래의유동층반응기내에 퇴적물이쌓인상태를단순화하여도시한 모습知）과본발명에따른유동층반응기내에서 퇴적물이파쇄된상태를 단순화하여도시한모습（비이나타난도면.

[4이

발명의실시를위한형태

[41] 이하,첨부된도면에 의거하여본발명에 대하여본발명이속하는기술

분야에서통상의지식을가진자가용이하게실시 할수있도록상세히설명한다. 그러나본발명은여러가지상이한형태로구현될 수있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

[42] 본발명을명확하게설명하기 위해서설명과관계없는부분은생략하였으며, 명세서 전체를통하여동일또는유사한구성요소에 대해서는동일한참조 부호를붙이도록한다.

[43] 또한,본명세서 및특허청구범위에사용된용어나단어는통상적 이거나

사전적인의미로한정하여 해석되어서는안되며,발명자는그자신의 발명을 가장최선의방법으로설명하기위해용어의 개념을적절하게정의할수있다는 원칙에 입각하여본발명의기술적사상에부합하는의미 와개념으로

해석되어야만한다.

[44] 본발명은탄소나노튜브를제조하기 위한유동층반응기에관한것으로써 , 이하여기에 첨부된도면들을참조하여본발명을더욱상세히 설명한다.

[45] 본발명에 따른유동층반응기의내부구성이 개략적으로도시된모습으로써 왼쪽은반응기본체의외부모습이도시되고오른 쪽은상기반응기본체내부가 2020/175800 1»（：1^1{2020/000929

5 투시되어온도계와노즐부를구비하는분산판이 장착된모습이나타난도 2및 상기분산판에장착된노즐부의모습이투시되어 나타난도 와도걔를 참조하면,본발명에따른유동층반응기는길이� �향을따라속이빈원통 파이프모양을갖는반응기본체 (10)내에원판형분산판 (20)이장착되는구조를 갖는다·

[46] 상기분산판 (20)은반응기본체 (10)내부를횡방향으로구획하도록장착되며 , 상기반응기본체 (10)의입구 (10 에서출구 (1아5)로유동하는반응기체가통과할 수있도록복수개의타공홀들 (21)이고르게분포하도록구성된다.

[47] 그리고,상기분산판 (20)에서탄소나노튜브가합성되는일면 (즉,퇴적물이 형성되는면)에는노즐부 (30)와센싱부가장착되며 ,상기노즐부 (30)와센싱부는 제어부와전기적으로또는무선으로연결되어통 신가능하게구성된다.상기 제어부는노즐부 (30)로불활성가스를공급하는공급장치를포함� �

외부장치들과도연결되어상기센신부에서제공 된정보를토대로상기 노즐부 (30)의작동을제어하도록구성된다.상기제어부� ��유동층반응기를 제어하는소프트웨어또는하드웨어에통합될수 있으며아니면별도의 장치로써추가될수있다.

[48] 상기노즐부 (30)는외부에서공급되는불활성가스 (가령,질소등)를공급받아 상기분산판 (20)에서퇴적된퇴적물로적절한압력조건으로� �사하여 파쇄하도록구성된다.

[49] 상기노즐부 (30: 30 30비는,퇴적물이쌓이는상기분산판 (20)의일면에

고정되는하우징 ₍₃ 을구비한다.상기하우징 ₍₃ 은도 와도걔에도시된 바와같이원통형또는각형모양을가질수있되촉 매금속및반응기체의 유동과합성에간섭을발생시키지않는범위내에 서크기와모양이한정되지 않으며분산판 (20)에고정되도록배치된다.참고적으로,도 에도시된각진 모양의하우징 (31)보다도 에도시된원통형모양의하우징 (31)이가스및 촉매금속의유동시유동저항을덜발생시킬수도 있을것이나하우징의모양과 크기는함께장착되는후술될온도계 (40)의배치구조및반응기본체 (10)내부 디자인에따라다면체,원통형,원뿔형등과같이� ��양한형태로결정될수있을 것이다.

[5이 상기하우징 (31)은반응기본체 (10)외부로연결되어외부의불활성가스

저장장치 (미도시)로부터불활성가스를공급하는공급라� �� (32)의끝단이 연결된다.상기공급라인 (32)은외부저장장치에서적절한압력으로공급� �는 불활성가스를하우징 (31)으로공급하며,도 2에도시된바와같이공급라인 (32) 하나당하나의하우징 (31)과연결되도록구성될수도있고,공급라인 (32)하나가 복수개의하우징 (31)으로연결되도록구성될수도있다.

[51] 상기공급라인 (32)의끝단에서하우징 (31)내부에는불활성가스의분출

단면적을축소시킴으로써압력에너지가속도에 너지로변환되어분사되도록 분사부 (33)가상기하우징 (31)에장착또는형성된다.상기분사부 (33)는 2020/175800 1»（：1^1{2020/000929

6 불활성가스가이동하는유로면적이공급라인 (32)의유로면적보다축소된 구조를가지며,퇴적물의파쇄가가능할정도의� �분한압력과속도로

불활성가스를분사한다.

[52] 도 3 걔에도시된바와같이본발명에서상기분사부 (33)는하우징 (31)

하나당하나씩구비될수도있으나,하우징 (31)하나당서로다른각각의 방향으로불활성가스를분사하도록두개씩구비 되는것이바람직하다 (이때, 분사구는두개를초과하여여러방향으로분사되 도록구비될수도있으나,이 경우에는불활성가스의공급시충분히더높은압 력이가해져야할것이다).

[53] 그리고,도 2에도시된바와같이 ,상기노즐부 (30)는원판형분산판 (20)의

테두리근방에서둘레를따라일정간격을두고복 수개가규칙적으로배치된다. 그리고,상기하우징 (31)에구비된분사부 (33)중적어도어느하나는이웃하는 하우징 (31)을향하여분산판 (20)의둘레를따라불활성가스가분사되도록 배치된다.이는종래의유동층반응기내에퇴적� �이쌓인상태를단순화하여 도시한모습知)과본발명에따른유동층반응기� �에서퇴적물이파쇄된상태를 단순화하여도시한모습 (비이나타난도 5에도시된바와같이,분산판 (20)과 상기반응기본체 (10)가맞닿는테두리부분에더많이쌓이게되는� �적물을더 효율적으로분쇄시키기위함이다.

[54] 또한,본발명에서분산판 (20)에퇴적된퇴적물의퇴적상태를센싱하는

센싱부는온도계 (40)로구성된다.

[55] 상기온도계 (40)는퇴적물에서방출되는빛에너지를감지하� �온도를

측정하는비접촉식온도계가사용될수도있으나 ,상기반응기본체 (10)내부는 600도이상의고온이므로고장발생가능성,신뢰� �를고려하여퇴적물의 직접접촉을통해온도를측정하는접촉식온도계 가사용되는것이바람직하다.

[56] 상기온도계 (40)는 (노즐부와마찬가지로)복수개가분산판 (20)의둘레를

따라서서로이격되어배치되며,온도정보는제� �부로전달된다.상기제어부는 반응과정동안온도계 (40)에서측정된온도편차에따라퇴적물의생성� �예측 및검출할수있다.

[57] 즉,어느특정부분에서퇴적물이발생하면반응� �체가그지점을통과하지 못하게되고이에따라합성이제대로이뤄지지못 해그지점과가장가까운 곳의온도계는다른온도계보다온도가낮게계측 될것이므로,이를토대로 제어부는퇴적물의생성위치와생성량등을추정 하고노즐부 (30)의작동을 제어하여퇴적물을파쇄시킬수있다.

[58] 아울러,본발명에따른온도계 (40)는막대또는링모양을갖되일부분은

반응기본체 (10)내부에위치하여내부온도를실시간으로계� �하며,일부분은 반응기외부에위치하여제어부로데이터를송신 하도록구성된다.

[59] 한편,본발명에서는온도계 (40)의배치구성에따라세개의실시예들을

제공한다.

[6이 본발명의실시예 1에따라반응기본체 (10)에서동일한높이로네곳에 2020/175800 1»（：1^1{2020/000929

7 온도계가배치된모습 (좌:윗쪽에서아랫쪽을투시하여바라본모습,우 :

외부에서정면으로바라본모습)이도시된도 4&를참조하면 (참고적으로,도 내지 40에서는도면에서선이중첩되는것을방지하기� ��하여노즐부는 생략하고온도계만도시한것임),실시예 1에따른온도계 (40)의배치는동일한 모양을같은온도계가반응기본체 (10)에서동일한높이로배치된다.

[61] 이때,상기온도계 (40)는막대형모양을갖되,온도계 (40)하나당여러지점에서 온도를측정하도록구성될수있다.예를들면,반� ��기본체 (10)의내주면과 상대적으로가까운지점,상대적으로먼지점,그� ��이의지점으로삼분할하고, 삼분할된영역에서독립적으로온도를측정하는 온도센서를각각배치하여 , 하나의온도계 (40)당세지점에서온도를개별적으로계측하도� �구성할수 있다.따라서,도 4a와같이네개의온도계 (40)가장착되는경우라면,열두곳의 지점각각에서개별적으로온도측정이가능하다 .물론,각온도계 (40)당 온도센서가더많이부착된다면더많은지점에서 더상세하게온도측정이 가능하다.

[62] 그리고,본발명의실시예 2에따라반응기본체에서서로다른높이로세곳� � 온도계 (40)가배치된모습 (좌:윗쪽에서아랫쪽을투시하여바라본모습,우 : 외부에서정면으로바라본모습)이도시된도 를참조하면,실시예 2에따른 온도계의배치는동일한모양을같는온도계 (40)가반응기본체 (10)에서서로 다른높이로배치된다.

[63] 이실시예에서도상기온도계 (40)는막대형모양을갖되,온도계 (40)하나당 여러지점에서온도를측정하도록구성될수있다 .또한,이와같이높이차가 발생하는배치는퇴적물의높이 (퇴적물의양)측정을가능하게할수있다.즉, 상대적으로높은위치에놓인쇼지점온도계가계 측한온도는정상이고, 0 지점과： 8지점의온도계가계측한온도가비정상이라면� �정상정도에따라 퇴적물의높이를추정할수있다.

[64] 본발명의실시예 3에따라링모양의온도계 (40)가서로다른높이로

반응기본체 (10)내부에장착된모습을투시하여도시한도 를참조하면,이와 같은링모양의온도계 (40)에서는복수개의온도센서를방사형으로배� �할수 있으므로,퇴적물이어느쪽에쌓였는지와어느� �이까지쌓였는지를더 효율적으로검출할수있는장점을가질것이다.� �지만,탄소나노튜브의합성 시촉매금속및반응기체의유동에간섭이발생할 가능성이있으므로그크기와 모양이제한될수있다.

[65] 상기와같은기술적특징을갖는본발명의유동층 반응기는센싱부를통해 반응기본체 (10)내의퇴적물을감지하고노즐부 (30)를통해상기퇴적물을 효율적으로파쇄할수있으므로탄소나노튜브의 생산효율을더욱증대시킬수 있다.

[66] 상기노즐부 (30)는복수개가분산판 (20)의둘레를따라서서로이격되어

배치되므로불활성가스가도달하지못하는음영 구간이최소화되거나억제되어 2020/175800 1»（：1^1{2020/000929

8 퇴적물파쇄가더욱효율적으로이뤄질수있다.

[67] 그리고,상기노즐부 (30)는하우징 (31)마다두개이상의분사부들 (33)이 구비되어불활성가스를더다양한방향으로분사 시킬수있다.

[68] 아울러 ,센싱부를구성하는온도계 (40)는복수개가장착되어각지점의 온도차에따라퇴적물의발생상태를효율적으로 센싱할수있다.

[69] 이상에서본발명은비록한정된실시예와도면에 의해설명되었으나,본 발명은이것에의해한정되지않으며,본발명이� �하는기술분야에서통상의 지식을가진자에의해본발명의기술사상과아래 에기재될특허청구범위의 균등범위내에서다양한실시가가능하다.