[논문]탄소나노튜브의 합성에 대한 아세틸렌 혼합 비율의 영향

김재현; 이주희; 최재혁

doi:10.7837/kosomes.2014.20.6.768

탄소나노튜브의 합성에 대한 아세틸렌 혼합 비율의 영향
Effect of Acetylene Mixing Rate on Synthesis of Carbon Nanotube 원문보기

海洋環境安全學會誌 = Journal of the Korean society of marine environment & safety, v.20 no.6 = no.65, 2014년, pp.768 - 773

김재현 ((사)한국선급) , 이주희 (한국항공우주연구원) , 최재혁 (한국해양대학교 기관시스템공학부)

초록
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본 연구에서는 메탄 대향류 확산 화염내 탄소나노튜브의 합성에 대하여 실험 및 수치적 연구를 수행하였다. 아세틸렌을 일정비율로 메탄에 혼합하여 연료 가스로 사용하였으며, 탄소나노튜브의 합성을 위한 촉매로서 페로센이 이용되었다. 주요 인자로는 메탄 연료에 대한 아세틸렌의 혼합비율이며, 2 %, 6 %, 10 %로 혼합하였다. 탄소나노튜브를 채취한 그리드 위의 탄소나노튜브 합성 특성은 SEM 이미지로 분석되었다. 수치해석에서 화학반응 메카니즘으로는 GRI-Mech 3.0 이 적용되었다. 수치결과로는 아세틸렌 혼합 비율이 증가할수록 화염 온도도 증가하며 CO 몰분율도 증가하는 것을 알 수 있다. 실험결과로는 2% 아세틸렌 혼합 화염이 6 % 및 10 % 혼합 화염과 비교해 탄소나노튜브 합성이 잘 이루어졌음을 알 수 있었다. 이것은 6 % 및 10 % 아세틸렌 혼합화염의 경우 과도한 카본 소스의 생성이 발생해 오히려 화염 내 카본소스가 촉매입자로의 공급을 방해하기 때문이라 생각한다. 이 결과로부터 양호한 질의 탄소나노튜브 생성을 위해서는 적정한 양의 카본소스가 생성되어야 한다는 것을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, experimental and numerical studies for the synthesis of carbon nanotube(CNT) in methane counterflow diffusion flame have been performed. Methane mixed with acetylene($C_2H_2$) was used as a fuel gas and ferrocene was used as a catalyst for synthesis of CNT. The major parameters was $C_2H_2$ mixing rate and mixing rates were 2 %, 6 %, and 10 %. Characteristics of CNT formation on grid were analyzed from SEM images. the chemical reaction mechanism adopted is GRI-MECH 3.0. Numerical results showed that flame temperature and CO mole fraction were increased with increasing acetylene mixing rate. Experimental results showed that the CNT synthesis in 2% acetylene mixture flame better than that of 6% and 10% acetylene mixture flames. It can be considered that 6% and 10% acetylene mixture flames generated the excessive carbon source and then it interrupted the supplement of the carbon source into ferrocene catalyst. It can be found that the supply of appropriate quantity of carbon source can make effect to synthesis of high purity of CNT.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

아세틸렌은 C2 화학종을 포함하고 있고 이는 고온 영역에서 매연 생성에 주요 역할을 하는 화학종이기 때문이다. 따라서 아세틸렌 혼합비율을 변경함으로써 화염 내 카본 소스의 생성량의 차이를 만들어 탄소나노튜브의 합성 특성을 조사할 수 있다.
본 연구에서는 메탄-아세틸렌 대향류 확산화염을 이용한 화염 합성법을 통하여 탄소나노튜브의 합성에 관한 실험 및 수치해석을 수행하였다. 주요 인자로는 메탄에 대한 아세틸렌의 혼합 비율이며, 비율에 따라 변화하는 화염 내 온도 및 화학종의 변화가 탄소나노튜브의 합성에 미치는 영향을 조사하였다.
이에 본 연구에서는 메탄 대향류 확산화염을 이용하여 탄소나노튜브의 합성에 관한 실험 및 수치해석을 수행하였다. 특히 메탄 연료에 아세틸렌을 혼합함으로써 혼합 비율에 따른 확산 화염 내 탄소나노튜브의 합성 특성에 대하여 조사하였다.

제안 방법

7은 그리드상에 채취된 탄소나노튜브의 사진과 EDS 성분 분석 결과를 나타낸다. EDS 분석은 그 측정 위치에 따라 성분들이 조금씩 차이가 있는데 본 결과에서는 탄소 나노튜브 SEM 사진 상 C1 부근에서 분석하였다.
그리드에 채취된 탄소나노튜브 및 나노물질들의 구조 및 형상 특성을 파악하기 위해서는 전자현미경을 활용하였으며, 특히 탄소나노튜브의 형성 여부 및 전체적인 구조를 파악하기 위해서는 50,000배 이하 촬영이 가능한 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 사용하였다. 탄소나노튜브의 성분분석에는 전자현미경에 부착된 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy) 분석을 활용하였다.
노즐간의간격은 12 mm로 이 사이에서 시료 채취 및 열전대 측정 등의 활동이 가능하다. 연료와 산화제 및 질소 쉴드의 유량조정은 별도의 보정을 거친 MFC(mass flow controllers, MKS Co,.)를 통해 이루어졌다.
본 연구에서는 메탄-아세틸렌 대향류 확산화염을 이용한 화염 합성법을 통하여 탄소나노튜브의 합성에 관한 실험 및 수치해석을 수행하였다. 주요 인자로는 메탄에 대한 아세틸렌의 혼합 비율이며, 비율에 따라 변화하는 화염 내 온도 및 화학종의 변화가 탄소나노튜브의 합성에 미치는 영향을 조사하였다.
1과 같이 평면 비예혼합화염이 형성된다. 초기온도 및 초기 압력은 각각 298.15 K 및 1기압으로 하여 수치해석을 수행하였다. 화학반응 메커니즘으로는 GRI-Mech 3.
탄소나노튜브의 샘플링은 연료측에서 5.0 mm 떨어진 지점에서 수행하였다.
그리드에 채취된 탄소나노튜브 및 나노물질들의 구조 및 형상 특성을 파악하기 위해서는 전자현미경을 활용하였으며, 특히 탄소나노튜브의 형성 여부 및 전체적인 구조를 파악하기 위해서는 50,000배 이하 촬영이 가능한 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 사용하였다. 탄소나노튜브의 성분분석에는 전자현미경에 부착된 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy) 분석을 활용하였다.
이에 본 연구에서는 메탄 대향류 확산화염을 이용하여 탄소나노튜브의 합성에 관한 실험 및 수치해석을 수행하였다. 특히 메탄 연료에 아세틸렌을 혼합함으로써 혼합 비율에 따른 확산 화염 내 탄소나노튜브의 합성 특성에 대하여 조사하였다.
5는 35 % CH₄ + 2 % C₂H₂ + 63 % N₂, 35 % CH₄ + 6 % C₂H₂+ 59 % N₂, 35 % CH₄ + 10 % C₂H₂ + 55 % N₂ 의 혼합 화염에 대한 온도 분포와 주요 화학종 몰분율을 나타낸다. 특히 수치결과에서는 온도 및 CO 몰분율의 변화를 중점으로 살펴보도록 한다. 그 이유는 탄소나노튜브의 생성에 있어서는 적정한 온도와 매연의 생성량이 중요한 역할을 하기 때문이다.

대상 데이터

수치결과로는 아세틸렌 혼합비율이 증가할수록 화염 온도도 증가하였으며, CO 몰분율도 증가하는 것을 알 수 있었다. 따라서 이 결과를 기준으로 탄소나노튜브 생성을 위한 적정한 온도와 CO 몰분율 값을 가지는 z=5 mm를 탄소나노튜브샘플링 위치로 선정하였다.
샘플링에 사용되는 에어실린더는 화염 내 샘플링 위치의 변화를 위하여 X-Z 스테이지 위에 설치하여 사용하였으며 촉매로는 페로센(ferrocene)을 그리고 합성물의 증착을 위한 기판으로는 구리 재질의 TEM grid(300mesh, TED PELLA)를 사용하였다.

이론/모형

0은 53개의 화학종에 대하여 총 325개의 반응 단계로 이루어져 있다. 열역학적 물성치와 전달 물성치는 각각 CHEMKINⅢ (Kee et al., 1996)와 TRANSPORT package(Kee et al., 1983)를 이용하여 계산되었다.
화염온도 및 화학종의 몰분율을 조사하기 위한 수치해석은 1차원 대향류 확산혼합 화염에 대하여 OPPDIF code(Lutz et al., 1997)를 이용하여 수행되었다. 양쪽 노즐에서 연료와 산화제가 각각 공급되고, Fig.
15 K 및 1기압으로 하여 수치해석을 수행하였다. 화학반응 메커니즘으로는 GRI-Mech 3.0(Smith et al., 2000)을 이용하였다. GRI-Mech 3.

성능/효과

이러한 결과는 메탄 대향류 확산화염에 있어 적정량 이상의 아세틸렌의 혼합은 과다한 카본소스의 생성을 유발할 수 있고 이는 오히려 촉매입자를 오염시켜 카본소스가 촉매입자로 공급되는 것을 차단하여 합성을 저해하였기 때문이다. 따라서 메탄 대향류 확산화염을 열원으로 한 화염합성법에서 아세틸렌을 혼합하여 탄소나노튜브를 합성하기 위해서는 2 % 전후의 소량의 아세틸렌 혼합 비율이 적정하다는 것을 알 수 있었다.
따라서, 고수율의 탄소나노튜브 합성을 위해서는 적정한 카본소스의 공급이 중요하게 작용함을 확인할 수 있었다.
수치결과로는 아세틸렌 혼합비율이 증가할수록 화염 온도도 증가하였으며, CO 몰분율도 증가하는 것을 알 수 있었다. 따라서 이 결과를 기준으로 탄소나노튜브 생성을 위한 적정한 온도와 CO 몰분율 값을 가지는 z=5 mm를 탄소나노튜브샘플링 위치로 선정하였다.
실험 결과로는 화염 직접 사진으로부터 아세틸렌의 혼합 비율이 증가할수록 대향류 확산화염 내 매연 생성량이 증가하는 것을 확인하였다. 이것은 연료로서 C₂ 화학종을 포함한 아세틸렌을 첨가할 경우, 화염온도와 CO 몰분율이 상승하기 때문이다.
따라서 대부분의 성분은 C와 Fe로 이루어져 있다. 이 결과는 본 연구에 있어 탄소나노튜브의 합성에 있어 화염에서 생성된 카본 소스와 촉매 성분인 Fe 두 성분이 중요한 역할을 한다고 할 수 있다.

후속연구

그러나 아직까지 탄소나노튜브의 생성 및 합성 메커니즘에 대해서는 많은 연구가 필요하며, 대향류 화염을 열원으로 하는 화염 합성법에 의한 탄소나노튜브 합성에 대해서는 극히 제한적인 연구만이 수행 중으로 보다 많은 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄소나노튜브는 어떤 특성을 가지고 있는가?	이에 최근 각광받고 있는 소재들 중 하나가 탄소나노튜브(carbon nanotubes, CNTs)이다. 탄소나노튜브는 튜브의 직경과 구조에 따라 도체 또는 반도체의 특성을 보이며, 도체의 탄소나노튜브는 매우 우수한 전기전도도 및 매우 강한 기계적 강도를 갖고 있다(Park, 2006).
	특히 화염합성법은 화염 중에서도 대향류 확산화염을 사용할 경우에 어떤 장점이 있는가?	화염합성법은 현재 탄소나노튜브의 합성법으로 가장 각광받고 있는 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD)과 비교하였을 때 합성에 필요한 고온의 열원을 화염을 통해 손쉽게 형성하고, 매우 간단한 장치의 구성으로 탄소나노튜브를 대량 합성할 수 있는 장점이 있다. 특히 화염 중에서도 대향류 확산화염을 사용할 경우 동축류 확산화염과 비교하여 넓은 화염의 면적을 활용할 수 있어 균일한 열전달을 통해 고순도의 탄소나노튜브 합성이 가능하다(Choi, 2012).
	현재까지 개발된 탄소나노튜브 합성 방법에는 무엇이 있는가?	이후 많은 연구자들에 의하여 다양한 합성 방법들이 등장하면서 탄소나노튜브를 상용화하려는 노력이 이루어지고 있다. 현재까지 개발된 탄소나노튜브 합성 방법으로는 전기 방전법, 레이저 증착법, 화학기상증착법, 기상합성법, HiPCO법 등(Lyu et al., 2009; Mamalis et al, 2004)이 있다.

참고문헌 (15)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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