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KR20180013966A - 직접 유도를 통한 질화붕소 나노튜브 합성 - Google Patents

직접 유도를 통한 질화붕소 나노튜브 합성 Download PDF

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KR20180013966A
KR20180013966A KR1020177036077A KR20177036077A KR20180013966A KR 20180013966 A KR20180013966 A KR 20180013966A KR 1020177036077 A KR1020177036077 A KR 1020177036077A KR 20177036077 A KR20177036077 A KR 20177036077A KR 20180013966 A KR20180013966 A KR 20180013966A
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KR
South Korea
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boron
melt
bnnt
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direct induction
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KR1020177036077A
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KR102599773B1 (ko
Inventor
마이클 더블유. 스미스
케빈 씨. 조단
조나단 씨. 스티븐스
알. 로이 휘트니
Original Assignee
비엔엔티 엘엘씨
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Publication date
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Abstract

길고, 유연하고, 결정형 구조에 월 분자 및 결함이 거의 없는 고품질의, 촉매-비함유 질화붕소 나노튜브(BNNT)는 일차적으로 직접 유도에 의해 유도된 방법에 의해 효율적으로 제조될 수 있다. 이차 직접 유도 코일, 직류 히터, 레이저, 및 전호가 추가 가열을 제공하여 방법을 맞춤화하고 불순물을 감소시키면서 BNNT의 품질을 증강시킬 수 있다. 초기 붕소 원료를 이것이 전기 전도체로 작용하도록 유도하는 온도까지 가열하는 것은 초기 붕소 원료에 내화 금속을 포함시킴으로써 또는 레이저 또는 전호를 통해 추가적인 열을 제공함으로써 달성될 수 있다. 직접 유도 방법은 에너지 효율적일 수 있고 무한한 시기 동안 지속 가능할 수 있다. 주의 깊은 열 및 기류 프로필 관리를 이용하여 상당한 생산율로 고품질 BNNT의 제조를 증강시킬 수 있다.

Description

직접 유도를 통한 질화붕소 나노튜브 합성
본 출원은 2015년 5월 21일에 출원된 U.S. 특허 가출원 번호 62/164,997, 및 2015년 6월 21일에 출원된 U.S. 특허 가출원 번호 62/194,972에 관한 것이며, 그 내용이 명시적으로 참조로 포함된다.
정부 지원에 대한 진술
없음
분야
본 개시는 일반적으로 질화붕소 나노튜브(BNNT)의 합성, 그리고 특히 붕소 용융물의 생성 및 직접 유도 방법을 이용한 질화붕소 나노튜브의 합성 증강에 관한 것이다.
결함이 거의 없고, 일반적으로 10,000 초과 또는 심지어 1,000,000 대 1의 어스펙트비를 가지며 월이 거의 없는 고도 결정형인 질화붕소 나노튜브(BNNT)의 합성은 전형적으로 고온에서 안정하고 잘-제어되는 자가-어셈블리 영역을 필요로 한다. 이러한 합성 방법에서 제조되는 BNNT 물질에서 붕소 및 질화붕소 불순물의 최소화는 이러한 BNNT의 여러 잠재 용도를 위해 중요하다. 또한, 여러 적용을 위해 필요한 양으로의 BNNT의 제조는 점점 더 중요한 고려사항이 되고 있다.
긴 섬유, 실, 또는 스트링 형태로의 BNNT의 생성을 위해, BNNT의 순도 및 정렬은 종종 국제 특허 출원 일련 번호 PCT/US2015/27570에서 교시된 바와 같이, 합성 방법에서 BNNT 물질의 품질에 의해 주도된다. 국제 특허 출원 일련 번호 PCT/US2015/58615에 기재된 바와 같은 현재의 레이저 방법, 및 국제 특허 출원 일련 번호 PCT/US2014/63349에 기재된 바와 같은 유도 커플링 플라즈마(ICP) 방법은 이들이 요망되는 품질의 BNNT를 제조할 수 있음을 실증하였다. 그러나 이러한 방법은 에너지 효율로 인한 제한 및 붕소 입자, 무정형 질화붕소(무정형 BN) 입자 및 육각형 질화붕소(h-BN) 입자의 불순물 수준으로 인한 제한을 가질 수 있다.
일반적으로, BNNT 구조는 질소 기체의 존재 하에 챔버에서 붕소 원료(feedstock)의 열적 여기에 의해 형성될 수 있다. 탄소 나노튜브(CNT)와는 달리, 그 전문이 참고로 포함되는 Smith 등의 U.S. 특허 8,206,674는 BNNT가 화학적 촉매의 존재 없이, 그리고 바람직하게는 약 2 atm 내지 약 250 atm의 승압에서 형성됨을 시사한다. 반면에, CNT는 전형적으로 화학적 촉매, 예컨대 금속 촉매의 존재를 필요로 한다. BNNT는 이러한 촉매의 존재 하에 형성되지 않는 것으로 나타나서, BNNT의 형성이 CNT의 형성과 근본적으로 상이함을 시사하였다.
대부분의 동시대 BNNT 합성 방법은 낮은 수율, 짧은 튜브, 불연속적 제조, 불량한 결정성(즉, 분자 구조 내의 다수 결함), 및 불량한 정렬 중 하나 이상을 가지는 것을 포함하는 심각한 단점을 갖는다. 추가적으로, 여러 동시대 BNNT 합성 방법은 고품질 BNNT를 제조하지 않는다. 과학 문헌에서 표준에 대해 합의되지는 않았지만, 용어 '고품질' BNNT는 일반적으로 분자의 결정형 구조에 결함이 거의 없는 길고, 유연한 분자를 나타낸다. 본 출원인의 방법 이외에, 특히 결함이 거의 없고 우수한 정렬을 갖는, 연속적 BNNT 섬유 또는 BNNT 가닥의 합성에 대한 다른 보고는 존재하지 않는다. 예를 들어, Smith 등의 U.S. 특허 8,206,674에 기재된 BNNT "스트리머(streamer)"는 핵화 부위, 예컨대 붕소 원료의 표면 근처에 형성되지만, 약 1 cm 길이로 제한되었다. 이러한 길이의 BNNT "스트리머"는 BNNT 섬유 및 실의 제조를 위해 부적절하다.
결함이 거의 없고 우수한 정렬을 갖는 BNNT 섬유 및 BNNT 가닥의 연속적 제조를 위한 장치, 시스템, 및 방법이 요구된다. 본 출원인은 관련 출원에서 이러한 장치, 시스템, 및 방법을 기재하였다. 예를 들어, 국제 특허 출원 번호 PCT/US15/27570(그 전문이 참조로 포함됨)에서, 본 출원인은 특히 BNNT 섬유, BNNT 가닥, 및 BNNT 실의 연속적 형성을 기재한다. 그 개시에서, 본 출원인은 하나 이상의 레이저가 붕소 용융물을 생성하기 위한 열적 여기를 제공하는 구현예를 제공한다.
국제 특허 출원 일련 번호 PCT/US2015/58615에 기재된 바와 같이, 레이저 유도 구현예를 통한 고품질 BNNT의 합성 유도는 효과적이지만, 레이저 유도 방법은 전기 에너지, 또는 다른 형태의 에너지로부터 최종 고품질 BNNT로의 전환에서 비교적 비효율적이며, 결과적으로 매우 고전력으로 스케일조정하기 어려울 수 있다. 예를 들어, 공지된 레이저 유도 BNNT 합성 시스템의 평균 전력은 5 kW 미만이다.
수십 년 동안, 무선 주파수(RF) 유도 기술은 와트부터 메가와트까지의 범위인 전력 수준에서 물질을 용융하기 위해 이용되었다. 손가락 반지 미만부터 큰 통 물질까지의 크기 범위인 물품을 용융하였다. 그러나, RF 기술은 고온, 즉 붕소의 용융점 초과에서 BNNT의 합성을 위해 이용된 바 없었고, 특히 고품질 BNNT의 합성을 위해 구현한 바 없었다. RF 유도가 고품질 BNNT를 합성하기 위한 붕소 용융물의 가열을 위해 이용되는 경우, RF 유도는 직접 유도로 언급될 것이다.
RF 유도 가열은 보통 표면 변형의 목적을 위해 고체를 가열하기 위해 이용된다. 이는 고체 내의 고상 반응(예를 들어, 표면에서만 또는 물질 내의 임의의 깊이에서 일어날 수 있는, 오스테나이트화 열 처리 방법) 또는 표면이 대기와 반응하는 방법(탄화, 질화, 붕소화 등)을 일으킬 수 있다. RF 유도성 가열 적용, 예컨대 단조 또는 용접은 이에 관련되지 않는다. RF 유도 가열은 또한 제련, 합금화 및 주조 공정을 위한 금속을 용융시키기 위해 널리 이용된다. RF 유도 가열이 최근에 고온에서 전도성이 되는 비-전도성 비금속을 가공하기 위해 이용되었으나(예를 들어, 실리콘 결정 성장, 결정 제련, 또는 입방체 지르코니아의 스컬(skull) 용융), 이러한 적용에서 모든 화학 반응은 용융물 내에서 일어난다.
추가적으로, 직접 유도는 합성 또는 탄소 나노튜브(CNT) 자가 어셈블리 방법을 위해 이용된 바 없었다. 본원에 기재된 방법 및 시스템이 탄소 나노튜브(CNT)의 형성에 적용되지 않음이 주지되어야 한다. 고온 BNNT 합성 방법 및 시스템에는 일반적으로 방법이 촉매 또는 다른 원소의 화학 반응성 종이 관여되지 않는 액체 물질 및 기체의 조합을 제조하도록, 승압에서 질소 환경 하에 매우 고온에서 다소 안정한 상태의 붕소 원료로부터, 본원에서 붕소 용융물로 언급되는 액체 물질의 형성이 관여된다. 반면, CNT 합성은 보통 불순물을 제외하고 CNT가 되지 않는 금속 촉매 또는 다른 원소, 예컨대 수소를 필요로 한다. 소정 아크 방전 및 레이저 방법은 보통 탄화수소 기체 또는 불활성 기체의 진공, 저압 환경에서, 제한된 양의 CNT를 만들 것이다. BNNT 및 CNT의 합성 간 차이의 마지막 예로서, CNT 합성 방법에는 촉매 없이 일정 상태의 액체 탄소 볼을 갖는 것이 관여되며 단지 액체 탄소 상태를 달성하기 위해 4,300℃의 온도 및 거의 동일한 고온에서 되어야 할 순수 탄소 기체 영역에서의 임의의 수준의 CNT 자가 어셈블리를 달성하기 위해 이보다 높은 온도를 최소한 필요로 할 것이다.
따라서, 고품질 BNNT를 포함하는 BNNT의 합성을 위한, 에너지-효율적 장치, 시스템, 및 방법이 요구된다. 또한, 이러한 장치, 시스템, 및 방법은 BNNT의 여러 적용을 가능케 하기 위해 충분한 제조량으로 BNNT를 합성할 수 있어야 한다. 추가적으로, 이러한 장치, 시스템, 및 방법은 고도로 정렬된 BNNT 섬유, 스트링, 및 실을 포함하는, BNNT 섬유, 스트링, 및 실을 제조할 수 있어야 한다.
직접 유도 방법을 도입하는, 고품질 BNNT를 포함하는 BNNT의 합성을 위한 장치, 시스템, 및 방법이 본원에 기재된다.
BNNT를 합성하기 위한 직접 유도 방법의 도입에는 여러 난제가 존재한다. 직접 유도의 이용에 대한 이러한 난제에는 1) 용융되는 물질이 전기 전도체여야 하거나, 또는 대안적으로 전기 전도성 용기에 있어야 하며; 2) 붕소 및 질화붕소 원료 물질이 800℃ 미만의 온도에서 전기 전도성이 아니고, 이들이 용융 상태에 있을 때까지 최소로만 전기 전도성이고; 및 3) 고품질 BNNT 합성 방법이 일반적으로 질화붕소의 용융 온도, 2,973℃ 초과 온도에서 작동하는 것이 포함된다.
본 출원인은 직접 유도를 이용하여 BNNT의 합성을 위해 이러한 난제에 대한 해결책을 확인하였다. BNNT 자가-어셈블리 방법으로 들어가는 물질에 대해 열을 제공하는 원천으로 직접 유도를 이용함으로써, 나타낸 문제가 성공적으로 해결될 수 있고, 요망되는 품질 및 양의 BNNT가 경제적으로 제조될 수 있다. 본원에 기재된 직접 유도 방법은 ICP 방법보다 상당히 더 에너지-효율적이고, 실질적으로 더 적은 불순물을 생성한다. 플라즈마가 기상을 가열하는 ICP 방법과 달리, 이러한 직접 유도 방법은 붕소 원료에 열을 공급한다. 그 결과, 본원에 기재된 직접 유도 방법에 대한 처리 난제가 독특하다.
실제로, 본 개시 전까지, RF 유도는 방법의 일차적인 최종 산물로서의 용융 물질에 대해 외부인 고온 기상 화학 반응을 유도하기 위해 이용된 바 없었다. 화학 증착 방법에서 RF 유도 가열의 이용은 반응이 표면 변형이라는 단독 목적을 위해 가열된 표면에서 일어나므로, 여러 면에서 반대이다. 화학 증착(CVD) 방법에서, RF 유도는 증기가 침적되고 되거나 다양한 화학 반응을 통해 반응되는 이들의 표면을 포함하는 물질을 가열하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 저품질 BNNT, 즉 전형적으로 여러 결함을 갖는 10 내지 50개 월의 BNNT의 제조에서, 몇몇 버전에서의 BOCVD(붕소 산화물 화학 증착)는 전구체 내 금속 산화물, 예컨대 MgO 또는 Li2O가 촉매로서 작용할 것을 필요로 한다. RF 유도는 반응 챔버를 둘러싼 그래파이트 서셉터(susceptor)를 1300℃-질화붕소의 용융점보다 훨씬 낮은 영역의 온도까지 가열하기 위해 이용된다. 그 결과, CVD 방법은 붕소 용융물과 유사한 어떠한 것도 생성하거나, 관여되거나, 일으키지 않으며, 이에 따라 직접 유도 방법에 의해 제시되는 난제의 극복에서 교훈적이지 못할 것이다.
본 접근 하에, 질화붕소 나노튜브의 합성 방법에는 일반적으로 질소 기체를 제1 방향으로, 그리고 일부 구현예에서 승압에서 챔버로 공급하는 단계, 및 붕소 원료를 둘러싼 직접 유도 코일로 전력을 공급하여 붕소 용융물을 형성하는 단계가 포함된다. 질소 기류는 방법 내 다양한 위치에서, 예컨대 붕소 용융물에서 그리고 성장 구역을 통해 제어될 수 있다. 일부 구현예에서, 적어도 하나의 희가스가 특히 방법 시작 동안, 챔버로 공급될 수 있다. 희가스의 도입은 붕소 용융물의 전체 온도가 달성될 때까지, 유익할 수 있는 붕소 및 질화붕소 미세-액적의 형성을 억제한다. 예를 들어, 시작 동안의 형성 억제는 불순물을 최소화한다. 붕소 원료가 요망되는 온도에 도달한 후, 챔버로의 희가스 공급이 중단되어, BNNT 자가 어셈블리 공정이 시작하도록 허용할 수 있다. 붕소 및 질화붕소 미세-액적은 제1 방향으로 붕소 용융물의 붕소 용융물 하류로부터 나오고, BNNT는 붕소 및 질화붕소 미세-액적으로부터의 하류에서 자가-어셈블리된다. 일부 구현예에서, 직접 유도 코일로의 전력 공급은 또한 질소 기체의 일부가 챔버로 들어가서 붕소 용융물 중에 용해되고 질화붕소 분자, 이어서 붕소 및 질화붕소 미세-액적을 형성하도록 유도한다.
붕소 원료에는 붕소 함유 물질이 포함되며, 일부 구현예에서는 내화 금속이 또한 포함될 수 있다. 내화 물질은, 예를 들어, 몰리브덴 및/또는 텅스텐일 수 있다. 일부 구현예에서, 붕소 원료는 도가니(crucible)에서 지지된다. 도가니는 다시 직접 유도 코일, 예컨대 붕소 원료를 둘러싼 직접 유도 코일에 의해 지지될 수 있고, 일부 구현예에서 직접 유도 에디 전류장 선광기에 의해 지지될 수 있다. 일부 구현예에서 도가니는, 예컨대 당분야에 공지된 기법 중에, 대류 냉각, 물 냉각, 공기 냉각, 도가니와의 접촉 냉각을 통해 냉각될 수 있다.
일부 구현예에서, 질화붕소층은 붕소 원료 아래에 침적될 수 있다. 일부 구현예에서, 붕소 원료는 가열되어 전기 전도성 붕소 원료를 형성할 수 있다. 예를 들어, 레이저 및/또는 전호(electric arc)를 이용하는 것과 같은 보충 가열이 이용되어 붕소 원료가 전기 전도성이 되도록 붕소 원료의 온도를 상승시킬 수 있다.
본 접근의 구현예에서, BNNT의 합성 장치에는 붕소 원료 실장(mounting) 표면을 제공하는 챔버, 일부 구현예에서는 승압에서, 질소 기체를 제1 방향으로 챔버로 공급하도록 배치된 질소 기체 공급 시스템, 붕소 원료 지지체, 및 붕소 원료 지지체를 둘러싼 직접 유도 코일이 포함될 수 있다.
구현예에는 제1 방향으로 붕소 원료 지지체 하류의 성장 구역 영역이 포함될 수 있고, 여기서 BNNT는 제1 방향으로 붕소 원료 지지체의 하류에서 자가-어셈블리된다. 붕소 원료 지지체는 도가니일 수 있고, 일부 구현예에서 도가니는 다른 물질 중에서, 질화붕소로 제조될 수 있다.
장치의 일부 구현예에는 또한 직접 유도 에디 전류장 선광기가 포함될 수 있다. 일반적으로, 선광기는 제1 방향에 제1 길이의 외부 실린더형 부분 및 제1 방향에 제2 길이의 내부 실린더형 부분을 포함하며, 제1 길이가 제2 길이보다 길다. 선광기에는 직접 유도 선광기에서 생성된 에디 전류가 순환 경로를 따르도록 만들기 위해 배치된 수직 슬롯이 포함될 수 있다. 선광기는 도가니를 수용하도록 배치될 수 있다. 일부 구현예에서, 직접 유도 코일은 도가니를 수용하도록 배치될 수 있다.
일부 구현예에서, 장치에는 붕소 원료 지지체의 적어도 일부를 둘러싼 제2 직접 유도 가열 코일이 포함될 수 있다. 제2 직접 유도 코일은 또한 성장 구역의 일부를 가열하기 위해 이용될 수 있고, 여기서 BNNT가 자가-어셈블리된다. 일부 구현예에는 보충 열원, 예컨대 레이저 또는 전호 중 적어도 하나가 포함될 수 있다. 보충 열원은 붕소 원료 및 붕소 용융물을 가열하고 붕소 원료가 전기 전도성으로 거동하도록 유도하기 위해 이용될 수 있다. 일부 구현예에는 성장 구역에서 온도 프로필을 제어하기 위해 성장 구역의 적어도 일부를 둘러싼 직류 가열 코일이 포함될 수 있다.
도 1은 직접 유도를 이용하는 BNNT 합성 장치의 하나의 구현예를 예시한다.
도 2는 직접 유도 코일의 단면 주변의 전자기장 세기의 시뮬레이션을 나나타낸다.
도 3a 및 3b는 본 접근의 하나의 구현예에 따른 선광기 및 그 전류 및 냉각수 흐름을 예시한다.
도 4는 본 접근의 하나의 구현예를 이용하여 생성되는 냉각된 붕소 용융물을 함유하는 선광기를 나타내는 사진이다.
도 5는 직접 유도를 이용하는 BNNT 합성 장치의 하나의 구현예를 예시한다.
도 6은 직접 유도를 이용하는 BNNT 합성 장치의 하나의 구현예의 하나의 양태의 확대도를 예시한다.
도 7은 본 접근의 하나의 구현예에 따른 직접 유도를 이용하는 BNNT 합성 순서도이다.
도 8은 본 접근의 하나의 구현예에 따른 직접 유도를 이용하여 합성된 BNNT를 나타내는 사진이다.
도 9는 본 접근의 하나의 구현예에 따른 직접 유도를 이용하여 합성된 BNNT의 투과 전자 현미경 이미지를 나타낸다.
다음 기재는 질화붕소 나노튜브를 합성하기 위한, 그리고 특히 직접 유도를 이용하여 붕소 용융물을 생성하고 질화붕소 나노튜브의 합성을 증강시키기 위한 본 접근의 예시적 구현예를 수행하는 현재 고려되는 최적 방식에 대한 것이다. 본 기재는 제한하는 개념으로 간주되어서는 안 되며, 단지 본 접근의 일반 원리를 예시하려는 목적을 위해 수행된다.
고온 방법에 의한 BNNT 합성은 일반적으로, 전형적으로 원소 붕소의 발연점, 즉 본 기재에서 B/BN으로 언급되는 조합인 붕소(B) 및 붕소-질소(BxNy)의 분자가 붕소 용융물로부터 증발되는 지점 근처의 온도까지, 붕소를 액체 붕소 용융물로 가열하는 것을 필요로 한다. 붕소 원료는 질소 분위기에서 붕소 용융물로 가열된다. 작동 압력은, 예를 들어, 약 1 대기압 내지 약 12 대기압을 포함하여, 1/10 대기압 내지 약 250 대기압일 수 있다. 약 2 대기압 내지 약 250 대기압의 승압에서 BNNT를 합성할 수 있지만, 직접 유도로 유도되는 방법은 레이저 유도 및 촉매-비함유 유도 커플링 플라즈마 방법에서 유용한 승압을 포함하여, 더 낮은 압력에서도 BNNT를 합성한다. 추가적으로, 희가스, 예컨대 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤 및/또는 제논이 직접 유도 방법의 일부 단계 동안, 예컨대 붕소 원료의 초기 가열 동안 존재할 수 있다. 희가스(들)는 반응을 위해 이용 가능한 질소 분자를 대체함으로써 반응을 위축시켜서 BNNT 자가-어셈블리를 방해한다. 희가스 분압의 증가는 붕소 및 질화붕소 미세-액적의 형성을 지연시키며 BNNT 자가-어셈블리 속도를 지연시키고, 충분히 높은 분압에서는 BNNT 자가 어셈블리 및 붕소, 무정형 BN 및 h-BN의 형성을 중단시킬 것이다. 이들 기체는 촉매로서 작용하지 않지만, 대신에 BNNT 형성 속도 및 붕소, 무정형 BN 및 h-BN의 불순물 형성 속도를 제어하기 위해 이용될 수 있음이 이해되어야 한다. 붕소 용융물이 그 작동 온도를 달성할 때까지 형성 속도를 최소화하는 것은 유리하게는 합성된 BNNT에서 불순물을 감소시킨다.
직접 유도는 일차 코일 내 교류(AC)가 전기 전력을 이차 전도체에서 유도된 전류로 전달하는 변환기를 설정하여 작동한다. 이차 전도체에서 흐르는 유도된 AC 전류는 저항 가열을 통해 이차 전도체를 가열한다. 보다 복잡한 직접 유도에는 생성 변환기에 3개 이상의 층이 존재하도록 중간 코일, 코일들, 또는 선광기를 삽입하는 것이 관여된다.
일반적으로, 고온 방법을 통한 BNNT 생성 방법에는 챔버 내 3개 구역이 관여된다. 본 출원은 이들 가열 구역을 가열 전-지지 구역, 붕소 용융 구역, 및 BNNT 성장 구역으로 언급한다. 가열 전-지지 구역은 질소 기체가 승압에서 챔버로 흐를 수 있도록 배치된다. 일부 구현예에서, 질소 기체는 용융 구역 및 성장 구역에 대해, 흐름 방향으로 흐를 수 있다. 붕소 용융 구역은 표적 홀더 상에서 붕소 원료에 열을 전달하도록 배치된다. 열은 원료로부터 붕소 용융물을 형성할 것이며, 이에 따라 표적 홀더는 초기 원료로부터 붕소 용융물로의 상 전이를 취급하도록 배치되어야 한다. B/BN을 포함하는 붕소 및 질화붕소 미세-액적이 붕소 용융물로부터 증발하며, BNNT는 성장 구역에서 자가-어셈블리될 것이다. 흐름 방향으로 흐르는 질소 기체를 이용하는 구현예에서, 미세-액적은 붕소 용융물 하류에서 형성되고 증발할 것이며, BNNT 성장 구역도 붕소 용융물의 하류일 것이다. 일부 구현예에서, 구역 간에 점차적 전이 및/또는 중첩이 존재할 수 있음이 주지되어야 한다. 또한, 구역 간 임의의 전이 및/또는 중첩은 공정 동안, 예컨대 시작부터 연속 제조까지 변화할 수 있다. 직접 유도 전력 수준 및 전기장 배치이 공정 동안 조정 가능하므로, 붕소 용융물로 들어가는 전력은 전체 전력 및 전력 분배의 관점에서 모두 제어될 수 있다. 또한, 전력 분배는 BNNT 자가 어셈블리 방법의 유도를 보조하도록 제어될 수 있다.
도 1은 직접 유도를 이용하는 붕소 원료로부터 BNNT의 합성 장치의 하나의 구현예를 예시한다. 본 구현예에서, 붕소 용융물(11)은 도가니(12) 상에 휴지한다. 도가니(12)는 챔버(나타내지 않음)에 배치되며, 일부 구현예에서, 포스트(13) 상에 지지될 수 있다. 직접 유도 일차 코일(14)은 도가니(12)를 둘러싼다. 코일 파라미터는 구현예에 따라 변할 것이므로, 본 구현예에서 일차 코일(14) 내 회전수는 단순히 예시이다. 붕소 원료가 붕소 용융물(11)로 전환된 후, 붕소 용융물(11)은 붕소 용융물(11) 위에 및 주변의 영역(15) 내로, 및 BNNT 자가-어셈블리 영역(16) 내로 B/BN 분자를 방출한다. 도 1에 나타낸 배향에 기반하여, 질소 기체는 도가니(12)에서 구멍(나타내지 않음)을 통해 화살표(18)에 의해 나타낸 바와 같이 도가니(12) 아래로부터 방법으로 들어간다. 또한, 질소 기체는 화살표(17)에 의해 나타낸 바와 같이 도가니(12) 위로부터 방법으로 들어갈 수 있다. 전기 교류 전력 및 냉각수는 화살표(110 및 112)에 의해 나타낸 바와 같이 외부 공급(19 및 111)으로부터 코일(14) 안팎으로 흐른다. 본 구현예에서 코일(14)이 일차로 작용하며 붕소 용융물(11)이 이차로 작용한다.
도 2는 직접 유도 코일의 단면 근처 전자기장 세기의 시뮬레이션을 나타낸다. 그 물 냉각 채널(22)과 함께 직접 유도 코일(21)의 전자기장 선을 중심선(23)의 한 쪽에서 볼 수 있다(나머지 장치는 표시의 용이성을 위해 생략된다). 붕소 용융물(24)의 근처 영역은 붕소 용융물 영역(25)의 외부 가장자리가 어떻게 직접 유도 코일(21)로부터 인근 전자기장(26)을 경험하는지를 나타낸다. 국소 전자기장(25 및 26) 상의 붕소 용융물(24)의 피드백은 시뮬레이션에 포함되지 않았다. 외부 전자기장(27)은 실질적으로 강도가 더 적다. 당업자가 이해할 바와 같이, 코일(21)을 형성하는 튜브의 기하구조를 포함하는 코일(21)의 치수, 붕소 용융물 영역(24)의 크기, 성분 간 간격, 및 교류의 주파수 및 전력 수준은 붕소 용융물 영역(24)에서 생성되는 전자기장의 강도에 기여한다. 따라서, 이러한 파라미터는 붕소 용융물(11)의 온도 분배 및 BNNT 자가 어셈블리 영역(16)의 온도 분배를 최적화하기 위해 본 접근의 특정 구현예에 적합하도록 조정될 수 있다.
일부 구현예에는 이차 코일로 작동하여 추가 루프를 효과적으로 부가할 수 있는 직접 유도 에디 전류장 선광기가 포함될 수 있다. 일부 구현예는 붕소 용융물 영역에서 요망되는 열 프로필을 달성하기에 유용한 직접 유도 에디 전류장 선광기를 확인할 수 있다. 도 3a 및 3b는 본 접근의 하나의 구현예에 따른 선광기(30) 및 그 전류(36 및 37) 흐름 및 냉각수 채널(35)을 예시한다. 선광기(30)는 직접 유도 변환기에서 하나의 요소로 이용될 수 있다. 도 3a 및 3b에서 직접 유도 선광기(30)의 외부 부분(32)은 본 구현예에서 실린더형이고, 선광기(30)는 대략 도 1에서 직접 유도 일차 코일(14)의 높이(38)이다. 직접 유도 선광기(31)의 내부 부분은 붕소 용융물(11)을 수용하기 위한 개방 센터(33) 및 그 도가니(12)를 가지며, 내부 부분(31)의 높이(39)는 최고 수준의 전류가 선광기(30)의 내부 표면(310) 상에 있도록 외부 부분(32)의 높이(39)보다 작다. 도 3a에 나타낸 바와 같이, 수직 슬롯(34)이 직접 유도 선광기(30)에 배치될 수 있다. 슬롯(34)은 직접 유도 일차 코일(14)(도 3에서 나타내지 않음)에서 전류에 의해 직접 유도 선광기(30)에서 생성된 에디 전류가 화살표(36 및 37)에서와 같은 순환 경로를 따르도록 유도한다. 순환 경로는 내부(36) 및 외부(37) 에디 전류 간 로렌츠력의 결과이다. 붕소 용융물(11)(도 3에는 나타내지 않음)에서 생성된 전류는 대부분 직접 유도 선광기(30)에서의 내부 에디 전류(36)로부터 나온다. 당업자가 이해할 바와 같이, 붕소 용융물(11)의 영역(33) 내 장의 형태는 직접 선광기의 외부 부분(32)의 높이(38) 대 내부 부분(31)의 높이(39) 간 상대 비율뿐만 아니라 직접 유도 선광기(30)의 내부 부분(31)의 내부 반지름 프로필(310)에 의해 제어될 수 있다. 전형적으로 직접 유도 선광기(30)는 구리로 제조되지만, 다른 고도의 전기 및 열 전도성 물질이 고려될 수 있다.
도 4는 붕소 용융물(44)이 직접 유도를 이용하여 붕소 원료로부터 생성된 프로토타입 직접 유도 선광기(40)의 일부의 클로즈업 이미지를 나타낸다. 상기 이미지는 질화붕소 도가니(45)에서 냉각된 붕소 용융물(44)을 나타낸다. 프로토타입 선광기(40)는 상술된 바와 같이 질화붕소 도가니(45)를 수용하였다. 명확성을 위해, 선광기(40)의 외부 부분(41), 선광기(40)의 내부 부분(42) 및 선광기(40) 내 슬롯(43)만 나타낸다. 프로토타입 장치의 나머지는 도 4에서 볼 수 없다.
도 5은 직접 유도를 이용하는 BNNT 합성 장치의 하나의 구현예를 예시한다. 도 5에 나타낸 구현예는 고품질 BNNT를 합성하도록 배치될 수 있고, 합성 방법을 제어하기 위한 하나 이상의 추가 가열원이 포함될 수 있다. 도 5에 예시된 3개의 중복 구역이 존재한다:
1) 가열 전-지지 구역(53)에는 붕소 원료(예컨대, 시작 시)를 위한, 그리고 또한 생성된 붕소 용융물(58)(예컨대, 초기 가열 후 및 일반적으로 일정-상태 공정 동안)을 위한 물리적 지지 포스트(513)가 포함될 수 있다. 일부 구현예에서, 붕소 용융물(58)은 장치 내 물리적 또는 기계적 지지체를 필요로 하도록 충분히 클 수 있고, 이에 따라 일부 구현예에서 물리적 지지체(513)가 붕소 용융물(58)을 보유하는 질화붕소 도가니(510)를 지지할 수 있다. 일부 구현예에서 가열 전 구역(53)에는 지지 포스트(513)를 위한 직접 유도 또는 직류 가열 코일(57)이 포함될 수 있다. 대안적으로, 일부 구현예에서 지지 포스트(513)는 물 냉각을 필요로 할 수 있고, (57)에 나타낸 코일은 전류보다는 물을 위한 것일 수 있다. 특정 구현예에서 지지 포스트(513)의 냉각 또는 가열의 선택은, 예를 들어, 특정 장치의 크기 및 중량 및 질소 흐름을 최적하기 위해 가열-전 지지 구역에서 자유로운, 비점유 공간의 가열 또는 냉각의 잠재 이익을 포함하는 특정 구현예에 의존한다. 일부 구현예에는 가열-전 지지 구역 내로 흐르는 질소 기체의 사전-가열이 포함될 수 있다.
2) 붕소 용융 구역(52)은 열이 붕소 용융물(58)로 도입되는 장치 내 구역이다. 상술된 바와 같이, 시작 동안 열은 붕소 원료 온도를 상승시켜 붕소 용융물(58)을 생성한 후, 공정 동안 그 발연점, 즉 붕소 용융물(58)이 붕소 및 붕소-질소 분자, BxNy("B/BN")를 방출하는 온도에서 붕소 용융물(58)을 유지한다. B/BN 분자는 BNNT 성장 구역(51) 내로 흐르며, 여기서 BNNT는 B/BN 분자 및 연관된 B/BN 액적으로부터 자가-어셈블리된다. 자가-어셈블리는 주로 붕소 용융물(58)의 하류에서 일어나지만, BNNT 성장 구역(51)의 위치는 특정 구현예 및 작동 조건에 의존할 것이다. 직접 유도 코일(56)은 질화붕소 도가니(510)를 보유하며 직접 유도 코일(56)은 질화붕소 도가니(510)와의 접촉으로부터 질화붕소 도가니(510)에 대한 냉각을 제공한다. 나타내지 않은, 질화붕소 충전제 물질이 직접 유도 코일(56) 그리고 질화붕소 도가니(510) 간에 및 직접 유도 코일(56) 내 코일 간에 도입될 수 있다. 질화붕소 도가니(510)는 용광도의 분해를 감소시키기 위해, 2,973℃의 질소붕소의 용융 온도 미만으로 유지될 수 있다. 질화붕소 도가니(510)는, 예컨대 하부 개구(511), 측면 개구(512) 및/또는 상부 개구로부터 도가니에 들어가는 질소 기체에 의해서도 냉각될 수 있다(도 1, 화살표 17 참고). 붕소 용융물(58)에는 또한 붕소 용융물(58) 및 질화붕소 도가니(510) 간에 형성된 붕소 및 질화붕소 물질 크러스트(59)로부터의 지지체 및 지지 포스트(513)가 제공된다. 크러스트(59)는 시작 동안 붕소 용융물(58) 상에 형성되지만, 일부 구현예에서는 크러스트(59)의 형성을 개시하기 위해 도가니(510) 상에서 질화붕소 분말의 박층 또는 층 상에 붕소 원료를 배치하는 것이 유리할 수 있다. 일부 구현예에서, 레이저, 다중 레이저 또는 전호(515)가 질화붕소 도가니(510)의 상부에서 개구로부터 붕소 원료 및/또는 붕소 용융물(58)에 열을 제공하기 위해 이용될 수 있다. 이러한 보충 열원을 갖는 데에는 적어도 2개의 일반적 이유가 존재한다: 1) 이들은 초기 붕소 원료를 800C를 초과하는 충분히 고온으로 만드는 데 유용할 수 있고, 여기서 붕소 원료는 직접 유도 코일(56)로부터 전자기장에 대해 충분히 전기 전도성이 되어 붕소 원료의 온도를 추가 증가시킴으로써 붕소 용융물(58)이 되며; 및 2) 고품질 BNNT의 형성은 B/BN 액적 및 연관된 B/BN 분자가 붕소 입자, 무정형 BN 및/또는 h-BN으로 전환하기보다 BNNT로 완전 전환하도록 BNNT 자가 어셈블리 영역(54)의 온도 프로필의 제어를 필요로 한다. 보충 열원(515)은 자가 어셈블리 영역(54)에서의 온도 프로필이 BNNT 자가 어셈블리에 대해 최적 조건을 갖도록 붕소 용융물(58) 영역에 열을 제공하기 위해 이용될 수 있다.
일부 구현예에서, 도가니(510)의 냉각은 과-가열 및 분해를 방지하기 위해 작동 동안 수행될 수 있다. 질화붕소 도가니(510)의 냉각을 제공하는 방법에서, 도가니(도 1, 화살표 17 및 18 참고)에 들어가는 질소 기체는 이것이 챔버로 공급되고 붕소 용융 구역(52)을 향해 나아감에 따라 가열된다. 또한, 챔버로 들어가는 질소 기체는 지지 포스트(513)에 대한 냉각을 또한 제공할 수 있다. 이에 따라 챔버를 통한 질소 기류는 장치의 구조 냉각을 보조하도록 배치될 수 있다.
3) 성장 구역(51)에서, B/BN 분자는 일반적으로 붕소 용융물(58)의 하류에 B/BN 미세-액적을 형성한다. BNNT는 또한 붕소 용융물(58)의 하류, B/BN 미세-액적으로부터 자가-어셈블리된다. B/BN 미세-액적으로부터 BNNT의 자가-어셈블리를 최대화하기 위해, BNNT 성장 구역(51) 온도 프로필은 복사 및 대류 열 손실을 책임지도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 질화붕소 도가니(510)의 상부 부분은 도가니(510)의 외부 표면을 따라 대류로 흐르는 질소 기체, 도가니(510)에서 개구(511 및 512)(포함되는 경우) 내로 흐르는 질소 기체, 및 선택적으로 도가니(510)의 상부 부분을 둘러싼 수-냉각된 구리(나타내지 않음)의 조합에 의해 요구되는 바에 따라 냉각될 수 있다.
일부 구현예에서, 보충 열원(515)에 부가하여 BNNT 성장 구역(51)으로 추가적인 열을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 추가적인 직접 유도 코일(55)에 의해 둘러싸일 수 있는 내화 금속 또는 그래파이트 실린더(514)가 BNNT 성장 구역(51)에 열을 부가하기 위해 이용될 수 있다. 대안적으로, 추가적인 열은 당분야에 공지된 바와 같은 다른 열원, 예컨대 교류 또는 직류 히터(나타내지 않음), 레이저 등에 의해 공급될 수 있다. 일부 구현예에서, 직접 유도 또는 대안적으로 마이크로파 가열(나타내지 않음)도 성장 구역(51) 내로 열을 공급하는 성장 구역(51) 내에 충분한 전기 전도성이 존재할 수 있다. 보충 열의 제공은 BNNT 자가 어셈블리 영역(54)에서 B/BN 미세-액적 및 B/BN 분자의 체류 시간 관리를 허용한다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 레이저(들)(515)는 붕소 용융물(56)의 상부 부분의 열 분배를 제어하기 위해 이용되고, 상부 직접 유도 코일(55)은 BNNT 자가 어셈블리 영역 내로 직접 가는 열을 제어하기 위해 이용된다. 또한, 당업자가 이해할 바와 같이, 내부 반지름 프로필, 직접 유도 코일(55 및 56) 내로 가는 코일 요소의 상세 간격 및 직접 유도 전력의 주파수가 모두 붕소 용융물(58)의 방법 및 BNNT 자가 어셈블리 영역(54) 내로 흐르는 열을 제어하기 위해 이용될 수 있다.
도 5에 예시된 바와 같이, 일부 구현예에서, 지지 구역(53), 용융 구역(52) 및 성장 구역(51)은 모두 중복될 수 있다. 존재하는 경우, 직접 유도 코일(55, 56 및/또는 57)에 대해 이용되는 주파수가 동일할 필요는 없다. 각각의 코일(55, 56 및/또는 57)은 특정 구현예의 조건에 대해 최적화된 주파수를 가질 수 있다. 당업자가 이해할 바와 같이, 직접 유도 주파수 및 RF 주파수는 특정 구현예에서 이용되는 성분의 크기 및 기하구조 및 전력(가열) 수준에 의존한다. 이용되는 경우, 직접 유도 선광기의 내부 표면의 반지름은 붕소 용융물(58)의 주어진 부분에서 가열을 증가시키거나 감소시키기 위해, 그리고 붕소 용융물(58) 상의 부상력의 양을 추가로 증가시키거나 감소시키기 위해, 붕소 용융물(58) 상의 가열 및 로렌츠력을 변화시키도록 높이와 함께 변화될 수 있다. 일반적으로, 로렌츠력은 붕소 용융물(58) 상으로 밀어내는 방향 및 붕소 용융물(58) 상에서 밀어올리는 방향에 있을 것이다. 이러한 힘이 관리되지 않는 한, 붕소 용융물(58)이 도가니(510)에서 불안정해지고 진동할 수 있다. 이러한 힘은 붕소 용융물(58)을 안쪽으로 밀며, 이는, 특히 질화붕소의 용융점보다 과도한 작동 온도에서, 도가니(510) 내 붕소 용융물(58)이 질화붕소 도가니(510)의 월을 터치하는 것을 방지하므로 유익할 수 있다. 붕소 용융물(58)의 직접 유도 코일(56)에 대한 상세 형태, 주파수, 전력 수준이 안정한 작동을 달성하기 위해 고려되어야 한다. 일부 구현예에서, 붕소 용융물(58)의 상부 부분의 부상을 추가로 억제하기 위해 역회전이 포함될 수 있다(나타내지 않음). 역회전에는 또한 추가적인 코일이 포함될 수 있다. 일부 구현예에서, 부상력은 질화붕소 도가니(510) 하부의 약간 위의 위치로 붕소 용융물(58)을 부상하기 위해 이용될 수 있다. 이는 질화붕소 도가니(510)에서 나오는 냉각을 감소시키기 위해 이용될 수 있다.
도 6은 직접 유도를 이용하는 BNNT 합성 장치의 하나의 구현예의 하나의 양태의 확대도를 예시한다. 원료로부터 붕소 용융물(64)을 어떻게 형성하는지, 그리고 온도 프로필을 어떻게 제어하는지에 대해 보다 상세히 실증하기 위해 성장 구역(61)(또한 도 5에서 (53)) 내 붕소 용융물(64) 및 BNNT 자사-어셈블리를 나타낸다. 상기 논의된 바와 같이, 붕소 원료가 전기 전도성이 아닌 한, 직접 유도는 유용하지 않다. 붕소 원료는 하나 이상의 레이저(67) 또는 전호로 이것이 적절히 전기 전도성이 되도록 800C 초과로 가열될 수 있다. 대안적으로, 또는 추가적으로, 붕소 원료에는 하나 이상의 내화 금속, 예컨대 몰리브덴, 텅스텐, 또는 원료 내 다른 내화 금속이 포함될 수 있다. 초기 붕소 원료에서 내화 금속의 양은 초기 붕소 원료의 질량에 의존하며, 중량에 의해 결정되는 붕소의 양의 몇 퍼센트부터 인수 5 이상까지 변할 수 있다. 요구되는 내화 금속의 양은 일부 내화 금속이 비교적 순수하고 붕소 원료 내로 분산되지 않는 경우 더 적다. 하나 이상의 내화 금속이 이용되는 경우, 이들은 반응물 또는 촉매로서 BNNT 자가-어셈블리에 참여하지 않으며, 직접 유도로 유도된 에디 전류에 의해 가열될 수 있는 전도체를 제공하는 기능만을 한다. 하나 이상의 레이저(67)가 존재하는 경우, 빔은 자가-어셈블리 영역(65) 및 BNNT가 하류로 흐르는 것을 손상시키지 않도록, 도 6에 나타낸 바와 같은 각도로부터 장치에 들어갈 수 있다. 도 6에 나타낸 레이저(67)의 각도는 단지 예시이며, 실제로 각도는 특정한 구현예에 의존할 것이다. 추가적으로, 일부 구현예에서 질소와 혼합된 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 및/또는 제논 기체를 갖는 것이 유용할 수 있다. 이러한 기체는 시작 동안 BNNT 자가 어셈블리 방법을 억제하기 위해 이용됨으로써 BNNT 물질에서 불순물을 감소시킬 수 있다. 붕소 용융물(58 및 68)이 요망되는 온도에 도달하면, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 및/또는 제논의 양이 감소될 수 있고 BNNT 자가 어셈블리가 진행될 수 있다.
붕소 원료가 충분히 가열되어 적절히 전기 전도성이 된 후, 이것이 붕소 용융물(64)을 형성할 때까지 붕소 원료 내 직접 유도 에디 전류가 붕소 원료를 가열한다. 직접 유도 코일(들) 및/또는 선광기(도 3 및 4 참고)로부터의 로렌츠력은 용융물의 상부 부분(62)이 전형적으로 용융물의 하부 부분(63)보다 지름이 더 작도록 붕소 용융물(64)의 형태를 변경하기 위해 이용될 수 있다. 직접 유도 전류에서의 다중 주파수, 직접 유도 코일 또는 선광기의 간격(코일-대-코일 간격 및 내부 지름 간격 모두)이 붕소 용융물(64)의 형태 및 붕소 용융물(64)의 수직 가열 프로필을 모두 제어하기 위해 조작될 수 있다. 붕소 용융물(64)의 형태는 여러 이유에 있어서 중요한 요인이다. 예를 들어, 붕소 용융물의 하부 영역(63)은 붕소 용융물(64)의 하부쪽 상에서 형성되는 대부분의 질화붕소 크러스트(66)의 용융점 미만으로 유지되어야 한다. 다른 경우, 크러스트(66)가 용융될 것이며, 이어서 붕소 용융물(64)이 질화붕소 도가니(510)를 용융시킬 것이다. 또한, 붕소 용융물의 상부 영역(62)은 B/BN 분자가 붕소 용융물(64)의 상부로부터 증발하도록, 발연점에 도달해야 한다. 또한, 붕소 용융물의 온도가 증가함에 따라 챔버(나타내지 않음)로 들어가는 일부 질소 기체가 붕소 용융물 내로 용해되어 B/BN 분자의 형성에 기여한다. 질소 용해 속도는 온도 의존적이며 온도와 함께 증가한다. 붕소 용융물(64) 상의 열 프로필을 조정하는 능력을 갖는 것은 붕소 용융물(64)에 걸쳐 온도 분배를 변화시키고 이에 의해 질소 용해 및 결과적인 B/BN의 방출을 변화시키기 위해 이용될 수 있다.
B/BN 분자 제조의 국소 플럭스 분배를 제어하는 방식으로, 도 6에 예시된 레이저 빔(67) 및 전호가 또한 붕소 용융물의 상부 영역(62) 상의 가열 및 결과적인 온도 프로필을 추가 제어하기 위해 이용될 수 있다. 또한, 상기 가열 분배는 자가-어셈블리 영역(61)에서 전단력 및 열 프로필을 제어하는 데 기여할 수 있다. BNNT 자가-어셈블리 방법의 제어는 BNNT 섬유의 정렬을 포함하는 BNNT 물질의 품질을 위해 중요하다.
몰리브덴, 텅스텐, 또는 다른 내화 금속이 이용되는 경우, 이러한 금속은 BNNT 합성 방법에서 촉매가 아니며 또한 BNNT에서 나타나지 않음이 이해되어야 한다. 대신에, 이러한 금속은 붕소 원료를 원료가 직접 유도 코일 또는 선광기로부터 직접 유도에 의해 가열될 수 있는 전기 전도성 수준으로 만드는 방법을 보조할 뿐이다.
도 7은 직접 유도를 통한 고품질 BNNT의 합성을 위한 기본 방법 순서도를 제공한다. 단계 S701에서, 붕소 원료, 예컨대 고체 붕소 또는 질화붕소가 도가니에 배치된다. 선택적 단계 S702에서, 붕소 원료는 내화 금속으로 도핑될 수 있다. 붕소 원료 내 내화 금속 조각의 단순 배치로 작용한다; 추가적으로, 붕소 원료는 이미, 예를 들어 붕소, 질화붕소 및 내화 금속의 혼합물일 수 있다. 단계 S703에서, 질소 기류가 챔버에 도입된다. 질소 기류는, 예를 들어, 약 1 atm 내지 약 12 atm을 포함하여, 약 1 atm 내지 약 250 atm의 승압에 있을 수 있다. 추가적으로, 희가스, 예컨대 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤 및/또는 제논은 붕소 용융물이 달성되면서 특히 시작 동안 존재할 수 있다. 요망되는 작동압이 달성된 후, 단계 S704에서, 질소 흐름 순환이 개시된다. 단계 S705에서, 전력이 직접 유도 코일로 공급된다. 추가적인 열원, 예컨대 레이저 또는 전호를 포함하는 구현예에서, 선택적 단계 706에는 원료에서 레이저(들)를 포커싱하여 붕소 용융물 및 질화붕소 크러스트를 형성하는 것이 관여된다. 붕소 용융물이 형성된 후, BNNT 합성을 제어하기 위해 단계 S707의 일환으로 추가적인 열원이 제거되거나, 조정될 수 있다. 단계 S707에서, 코일 전력 및 임의의 추가적인 열은 챔버에서 붕소 용융물의 형태 및 열 프로필을 제어하기 위해 조작된다. 단계 동안, 붕소 용융물의 표면 내의 및 상에서의 붕소 및 질소의 반응은 질소 흐름 방향으로, 붕소 용융물의 하류 방향에서 B/BN의 방출을 일으킨다. BNNT는 붕소 액적 및 B/BN으로부터 자가-어셈블리될 것이다. 단계 S708에서, 코일의 냉각 및 질소 흐름은 챔버에서, 및 특히 붕소 용융물 하류에서 전단 프로필을 제어하기 위해 수행된다. 챔버에서 전단 프로필은 하류에 자가-어셈블리된 BNNT를 유도하고, BNNT를 BNNT 섬유 내로 정렬한다. 일부 구현예에서 선택적일 수 있는 단계 S709에서, 붕소 원료는 원료 물질의 첨가를 통해 보충될 수 있다. 예를 들어, 붕소 막대가 도가니(510)의 상부 가장자리 근처로부터 삽입될 수 있고, 붕소 또는 질화붕소 분말이 위로부터 단순 적하될 수 있고, 또는 나타내지 않은 튜브 도가니 배열이 붕소 또는 질화붕소의 입자를 사전 가열하고, 이들이 붕소 용융물(64) 위로부터 붕소 용융물(64) 상으로 떨어지도록 할 수 있다.
화학적 방법(즉, BNNT 자가-어셈블리)은 붕소 용융물의 하류 및 붕소 용융물의 외부이지만, 직접 유도가 붕소 원료 및/또는 붕소 용융물, 그 지지체, 및 BNNT 자가-어셈블리 영역으로 열을 효율적으로 제공하기 위한 도구로서 이용될 수 있고, 이에 의해 B/BN 분자 생성의 관점에서 붕소 용융물 내에서 어느 정도까지 화학적 반응 방법을 유도함이 본 접근으로부터 자명할 것이다. 본 접근은 직접 유도를 이용하여 붕소를 단순 가열하는 것보다 많은 것을 필요로 하며, 직접 유도에 의해 전부 또는 일부가 다양한 단계 및 다양한 위치에서 공급되는 열에 의해 유도된 BNNT 자가 어셈블리로 이어지는 복잡한 일련의 화학 반응이 관여됨이 이해되어야 한다.
일부 구현예는 일반적으로 안정-상태 작동을 확립하기 위해, 다양한 성분의 온도를 제어하는 데에서 이익을 얻을 수 있다. 당업자는 작동 동안 온도 프로필이 BNNT 자가-어셈블리 플럭스에 대한 영향 및 BNNT 분자 형성에 대한 전단력을 가질 수 있음을 인식할 것이다. 따라서, 장치의 하류 부분은 요망되는 BNNT 산물을 제조하기 위해 요망되는 전단 및 속도 프로필을 생성하고 유지하도록 배치될 수 있다.
도 8은 본 접근의 하나의 구현예에 따라 직접 유도를 이용하여 합성된 BNNT, 및 특히 도 4에 나타낸 구현예와 유사한 프로토타입 장치에서 붕소 용융물(17) 위에서 회수된 BNNT "거미집"을 나타내는 사진이다. 장치 내 투명 튜브는 지름이 대략 3 cm였고, BNNT "거미집"은 길이가 약 10 cm였다. 프로토타입 장치를 이용한 실증이 비교적 짧은 기간이었으므로, 약 10분의 느린 가열로 BNNT 거미집이 10초 내에 형성되었다. 자가-어셈블리 영역에 대해 추가적인 열 또는 냉각은 제공되지 않았다. 직접 유도 코일이 적절한 열을 제공하였으므로 실증에서 추가적인 가열을 위한 레이저가 요구되지 않았지만, 붕소 원료에는 붕소 용융물을 형성하기 위해 필요한 전기 전도성을 제공하기 위해 내화 금속이 포함되었다.
도 9는 도 8에 나타낸 BNNT의 투과 전자 현미경(TEM) 이미지를 나타낸다. "X" 형태의 연약한 탄소 그리드 구조에 대해, 대부분 이미지의 왼쪽 위에서부터 오른쪽 아래로 진행되는 BNNT 장섬유가 방법에서 또한 형성된 붕소 및 질화붕소 입자 수집물과 함께, TEM에서 BNNT를 지지하기 위해 이용된다. 관찰된 BNNT는 월이 거의 없고 전형적으로 대략 2.5마이크론 폭의 이미지를 훨씬 넘어서는 길이를 갖는다. 작동 조건은 초기 개념 증명을 위해서는 적절하지만, 이용된 프로토타입 장치가 산물에서 붕소 및 질화붕소 입자의 양을 최소화하거나 다량의 BNNT 물질을 수집하도록 배치되지 않았음이 이해되어야 한다.
기계적 구조, 코일 및 주변 표면에 대한 수 냉각, 질소압 챔버, 및 BNNT를 수확하기 위한 시스템은 도 1, 2, 3, 5 및 6에 나타내지 않는다. 당업자가 이해할 바와 같이, 다양한 수의 열원, 냉각을 위한 배열 및 전기기계적 배열이 다양한 형태의 BNNT의 효율적 제조를 제공하기 위해 조합될 수 있다. 예를 들어, 모두 이의 전문이 참고로 포함되는, 관련 출원 U.S. 특허 가출원 번호 62/164,997, U.S. 특허 가출원 번호 62/194,972, 및 국제 출원 번호 PCT/US2015/58615를 참고한다.
고품질 BNNT의 제조는 BNNT 자가-어셈블리 방법의 유도를 위한 열원으로서 직접 유도 기술을 이용하여 달성될 수 있다. 적절한 구조, 물질, 기하구조, 크기 및 방법이 이용되어야 한다. BNNT의 지속되는 제조를 달성하기 위한 조건이 실증되었다.
본원에서 이용되는 용어는 단지 특정 구현예를 설명하려는 목적을 위한 것이며, 본 접근을 제한하려는 것이 아니다. 본원에서 이용되는 단수 형태는 문맥 상 명확히 달리 나타내지 않는 한, 복수 형태도 포함하려는 것이다. 용어 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은 본 명세서에서 이용되는 경우, 언급된 특징, 정수, 단계, 작동, 요소, 및/또는 성분의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 작동, 요소, 성분, 및/또는 이의 그룹의 존재 또는 부가를 배제하지 않음이 추가로 이해될 것이다.
본원에 기재된 원리는 이의 정신 또는 본질적 특징에서 벗어나지 않고 다른 구체적 형태로 구현될 수 있다. 따라서 본 구현예는 모든 측면에서 예시적이며 제한적이 아닌 것으로 간주되어야 한다.

Claims (30)

  1. 질소 기체를 제1 방향으로 챔버로 공급하는 단계; 및
    붕소 원료(feedstock)를 둘러싼 직접 유도 코일로 전력을 공급하여 붕소 용융물을 형성하는 단계를 포함하는 질화붕소 나노튜브(BNNT)의 합성 방법으로서,
    붕소 및 질화붕소 미세-액적이 상기 제1 방향으로 상기 붕소 용융물의 하류에서 상기 붕소 용융물로부터 나오며, BNNT는 상기 붕소 및 질화붕소 미세-액적의 하류에서 자가-어셈블리되는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    직접 유도 코일로 전력을 공급하는 단계는 상기 챔버로 들어가는 일부 질소 기체가 상기 붕소 용융물에 용해되고 질화붕소 미세-액적을 형성하도록 유도하는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 붕소 원료는 붕소 물질 및 내화 금속을 포함하는 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 내화 물질은 몰리브덴 및 텅스텐 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 붕소 원료는 도가니에서 지지되는 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 도가니는 직접 유도 에디 전류장 선광기에서 지지되는 방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 도가니는 직접 유도 코일에 의해 지지되는 방법.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 도가니를 냉각하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 붕소 원료 아래에 질화붕소층을 침적하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 붕소 원료를 가열하여 전기 전도성 붕소 원료를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 붕소 원료를 적어도 하나의 레이저로 가열하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 붕소 원료를 적어도 하나의 전호(electric arc)로 가열하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    적어도 하나의 희가스를 상기 챔버로 공급하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  14. 청구항 1에 있어서,
    BNNT가 상기 제1 방향으로 상기 붕소 용융물의 하류 성장 구역에서 상기 붕소 및 질화붕소 미세-액적으로부터 자가-어셈블리되고, 상기 성장 구역의 적어도 일부를 둘러싼 제2 직접 유도 코일로 전력을 공급하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  15. 청구항 1에 있어서,
    BNNT가 상기 제1 방향으로 상기 붕소 용융물의 하류 성장 구역에서 상기 붕소 및 질화붕소 미세-액적으로부터 자가-어셈블리되고, 상기 성장 구역의 적어도 일부를 둘러싼 직류 코일로 전력을 공급하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 붕소 용융물 및 상기 붕소 용융물의 하류 BNNT 자가 어셈블리 성장 구역에서 상기 질소 기체의 유속을 제어하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  17. 붕소 원료 실장(mounting) 표면을 제공하는 챔버;
    질소를 제1 방향으로 상기 챔버로 공급하도록 배치된 질소 기체 공급 시스템;
    붕소 원료 지지체; 및
    상기 붕소 원료 지지체를 둘러싼 직접 유도 코일을 포함하는 BNNT의 합성 장치.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 제1 방향으로 상기 붕소 원료 지지체 하류의 성장 구역 영역을 추가로 포함하며, 상기 성장 구역 영역은 BNNT가 상기 제1 방향으로 상기 붕소 원료 지지체의 하류에서 자가-어셈블리될 수 있도록 배치되는 장치.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 붕소 원료 지지체는 질화붕소로 제조된 도가니를 포함하는 장치.
  20. 청구항 19에 있어서,
    직접 유도 에디 전류장 선광기를 추가로 포함하는 장치.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 선광기는 상기 도가니를 수용하도록 배치되는 장치.
  22. 청구항 20에 있어서,
    상기 선광기는 상기 제1 방향으로 제1 길이의 외부 실린더형 부분 및 상기 제1 방향으로 제2 길이의 내부 실린더형 부분을 포함하며, 상기 제1 길이는 상기 제2 길이보다 긴 장치.
  23. 청구항 18에 있어서,
    상기 선광기는 상기 직접 유도 선광기에서 생성된 에디 전류가 순환 경로를 따르도록 만들게 배치된 수직 슬롯을 추가로 포함하는 장치.
  24. 청구항 17에 있어서,
    상기 붕소 원료 지지체는 질화붕소로 제조된 도가니를 포함하고, 상기 직접 유도 코일은 상기 도가니를 수용하도록 배치되는 장치.
  25. 청구항 17에 있어서,
    상기 붕소 원료 지지체의 적어도 일부를 둘러싼 제2 직접 유도 가열 코일을 추가로 포함하는 장치.
  26. 청구항 17에 있어서,
    상기 붕소 원료 및 붕소 용융물의 가열을 위한 적어도 하나의 레이저를 추가로 포함하는 장치.
  27. 청구항 17에 있어서,
    상기 붕소 원료 및 붕소 용융물의 가열을 위한 적어도 하나의 전호를 추가로 포함하는 장치.
  28. 청구항 17에 있어서,
    상기 성장 구역의 적어도 일부를 둘러싼 직류 가열 코일을 추가로 포함하는 장치.
  29. 청구항 17에 있어서,
    상기 질소 기체 공급 시스템은 질소 기체를 승압에서 상기 챔버로 공급하도록 배치되는 장치.
  30. 청구항 29에 있어서,
    상기 승압은 약 2 대기압 내지 약 250 대기압인 장치.
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