[논문]유입.유출구 크기 변화에 따른 CNT용 CVD 장비 내의 열 및 유동해석

하다솜; 장영운; 김종석; 윤석범; 임익태

유입.유출구 크기 변화에 따른 CNT용 CVD 장비 내의 열 및 유동해석
Flow and heat transfer in a thermal CVD for carbon nanotubes according to variation of the inlet and outlet areas 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.10 no.4, 2011년, pp.119 - 124

하다솜 (전북대학교 대학원 기계설계공학과) , 장영운 (전북대학교 대학원 기계설계공학과) , 김종석 (전북대학교 공과대학 화학공학부) , 윤석범 (전북대학교 공과대학 기계설계공학부) , 임익태 (전북대학교 공과대학 기계설계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Flow and temperature field in reactors are important factors for design of thermal chemical vapor deposition system to grow carbon nanotubes. In this study, effects of the variations of the inlet and outlet areas of the CVD reactor to the flow characteristics and temperature field are numerically analyzed. High temperature of the gas in the entrance region is obtained with slow gas speed resulted from the enlarged inlet area. Variation of the exit area has little effects on the flow field and temperature in the reactor. However the largest area among considered cases gives the highest gas temperature though the differences are small.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 CNT용 CVD 장비의 입구와 출구의 면적을 변화시킬 때 내부의 온도분포와 유동이 어떻게 변화하는가 살펴보았다.
본 연구에서는 탄소나노튜브를 대량 합성할 때 사용하는 열 화학기상증착 장비내부의 유동현상에 대해 연구하였다. 현재 대량생산에 사용하는 장비의 반응기 내 보트(boat)에서 합성되는 CNT의 분포는 Fig.
이와 같은 성장률의 차이가 유동특성에 기인하는 것인지를 파악하고 보트 전체에 걸쳐 성장률을 균일하게 증가시키기 위한 방안을 찾기 위해서는 반응기 내부의 유동현상을 해석하고 이를 분석하여 유동특성을 파악하여야 한다. 이에 따라 본 연구에서는 보트 사이의 유동을 제어하기 위한 방안으로 반응기 입구와 출구의 면적을 변화시키면서 반응기 내부의 유동 및 온도 분포에 대하여 해석하였다. 반응기 내부 열 및 유동해석에는 상용 전산유체 해석 프로그램(FLUENT V 6.

가설 설정

또 반응기 튜브의 직경을 기준으로 한 Reynolds수가 13200정도 이므로 난류유동으로 가정하였으며 난류모델은 k-ε모델을 사용하였다.
이내 일 때까지 계산하여 수렴한 것으로 하였다.반응기 내부의 가스는 이상기체로 가정하였다. 또 반응기 튜브의 직경을 기준으로 한 Reynolds수가 13200정도 이므로 난류유동으로 가정하였으며 난류모델은 k-ε모델을 사용하였다.

제안 방법

반응기의 입구와 출구면적의 크기변화에 따른 반응기 내부의 온도분포 및 유동변화를 다음 절에서 각각 자세히 살펴본다.
또 반응기 튜브의 직경을 기준으로 한 Reynolds수가 13200정도 이므로 난류유동으로 가정하였으며 난류모델은 k-ε모델을 사용하였다. 반응기의 히터온도는 1300 K로 일정하며 비교적 높은 공정온도이므로 복사열전달을 고려하였다. 복사 열전달 해석은 Discrete Transfer Radiation Model(DTRM)을 적용하였다.
가열부에는 35 cm × 20 cm × 2 cm의 반응보트 6개가 대칭으로 놓여 있다. 실제의 공정조건에서는 메탄과 수소가 25 : 2의 일정한 부피비율로 혼합 유입되나 수소의 양이 소량이고 메탄에 비해 매우 낮은 질량분율을 차지하므로 해석에서는 수소의 혼합을 고려하지 않았다. 따라서 반응기 내부로 유입되는 가스는 메탄이며 공정 중의 온도변화가 크기 때문에 밀도, 비열, 점성계수, 열전도율 등의 물성치의 온도에 따른 변화를 고려하였다.
유입구의 크기가 반응기 내부의 유동과 온도분포에 주는 영향을 살펴보기 위하여 Table 1에 나타낸 것과 같이 Case 1, Case 2 및 Case 3에 대해 해석하였다. Case 2는 입구면적을 출구면적의 절반에 해당하도록하였으며, Case 3은 출구면적과 입구면적의 크기를 동일하게 하였다.

대상 데이터

2와 같다. 반응 기의 재질은 석영(Quartz)이며 직경은 30.7 cm, 전체 길이는 170.5cm이다.
본 연구에서 사용된 반응기는 산업용 대량 합성용 반응기이며 반응로 부분의 형상은 Fig. 2와 같다. 반응 기의 재질은 석영(Quartz)이며 직경은 30.

데이터처리

이에 따라 본 연구에서는 보트 사이의 유동을 제어하기 위한 방안으로 반응기 입구와 출구의 면적을 변화시키면서 반응기 내부의 유동 및 온도 분포에 대하여 해석하였다. 반응기 내부 열 및 유동해석에는 상용 전산유체 해석 프로그램(FLUENT V 6.1)[2]을 사용하였다.

이론/모형

반응기의 히터온도는 1300 K로 일정하며 비교적 높은 공정온도이므로 복사열전달을 고려하였다. 복사 열전달 해석은 Discrete Transfer Radiation Model(DTRM)을 적용하였다. 비열, 점성계수, 열전도계수는 각각 온도에 대한 5~7차 다항식으로 계산하였으며[3] 압력보정방법은 SIMPLE 알고리즘[4]을 사용하였다.
복사 열전달 해석은 Discrete Transfer Radiation Model(DTRM)을 적용하였다. 비열, 점성계수, 열전도계수는 각각 온도에 대한 5~7차 다항식으로 계산하였으며[3] 압력보정방법은 SIMPLE 알고리즘[4]을 사용하였다.

성능/효과

하지만 출구부분의 속도는 입구 면적 변경에 대해 큰 영향을 받지 않았다. 또한 입구 면적이 넓은 경우가 상대적으로 기체의 속도가 느려 입구 면적이 좁은 경우보다 유입구 부분에서 기체의 가열이 잘 되는 것으로 나타났다.
출구 면적을 변화시킨 경우에는 입구 면적을 변화시킨 경우에 비해 속도분포에서 서로 큰 차이를 보이지 않았지만, 출구의 면적이 좁아지면 반응기 내부의 속도가 약간 증가하는 것으로 나타났다. 온도분포에서는 세 경우 모두 유사한 양상을 나타내었다.
해석 모델의 격자는 약 35만개에서 40만개 정도이며 반복 전후의 해의 차이가 10−5이내 일 때까지 계산하여 수렴한 것으로 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄소나노튜브의 특징은?	탄소나노튜브는(carbon nanotube, CNT)는 뛰어난 전기전도성, 열전도성 및 우수한 기계적 강도를 가지는 물질로, 그 뛰어난 물리적 특성을 이용하여 정보통신기기용 평면디스플레이 소자, 고집적 메모리 소자, 수소 저장 물질, 화학센서, 고강도/초경량 복합재료, 전자파 차폐 물질 등 여러 가지 분야에 응용하기 위해 많은 연구가 이루어지고 있다. 다양한 분야에서 사용하기 위한 고밀도, 고순도 탄소나노튜브를 낮은 비용으로 대량합성하기 위하여 여전히 많은 노력이 이루어지고 있다.
	화학기상증착의 장점은?	화학기상증착이란 여러 종류의 박막 제조에서 많이 사용되는 기술로 박막 원료 물질을 포함하는 가스에 열, 플라즈마 등의 에너지를 가하여 화학방법을 일으키고 기판 표면에 생성물을 증착시키는 방법이다. 이 방법은 여러 가지 종류의 원소 및 화합물의 합성이 가능하며 공정조건의 제어 범위가 매우 넓은 것이 장점이다. 또한 합성되는 물질의 순도가 높으며 대량 생산이 가능한 것이 장점이다. 탄소나노튜브의 성장에 영향을 끼치는 요소로는 반응기 내부의 온도, 압력, 반응기의 형상 및 혼합가스의 종류, 투입량과 속도 등이 있다.
	화학기상증착이란 무엇인가?	화학기상증착이란 여러 종류의 박막 제조에서 많이 사용되는 기술로 박막 원료 물질을 포함하는 가스에 열, 플라즈마 등의 에너지를 가하여 화학방법을 일으키고 기판 표면에 생성물을 증착시키는 방법이다. 이 방법은 여러 가지 종류의 원소 및 화합물의 합성이 가능하며 공정조건의 제어 범위가 매우 넓은 것이 장점이다.

참고문헌 (5)

최시영, 김진섭, 마대영, 박욱동, 최규만, 김기완, 박막공학의 기초, 일진사, p.31, 2007.
FLUENT IS A Product of Fluent Inc., 2003. 10, Cavendish Court, Lebanon, NH, USA.
Stephen R. Turns, An introduction to combustion second edition, Mc graw hill, p. 652, 2006.
S.C., Patankar, 이재천 역, 열전달 및 유체유동 수치해법, 대한교과서 주식회사, p. 143, 1988.
Wu, T., S., Chang, S., M., "Temperature enhanced growth of ultralong multi-walled carbon nanotubes forest", Current Applied Physics, Vol.9, pp.1117-1121, 2009.

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