合成碳纳米管的装置和方法

专利名称：合成碳纳米管的装置和方法
技术领域：
本发明涉及合成碳纳米管的装置和方法，具体涉及大量生产碳纳米管的装置和方法。
背景技术：
碳纳米管是碳原子形成的空心圆柱体。它们的外观是石墨卷成的管的形状，因此它们的壁为六角碳环，且它们通常形成为较大的束。碳纳米管的末端是六元环的圆顶形结构，且以五元环封顶。
由于根据其结构具有金属传导性和半导体传导性，碳纳米管目前已是应用于如下各个技术领域的首要候选对象例如，电化学存储器件(譬如蓄电池、超级电容器或燃料电池)的电极、电磁屏蔽、场发射显示器或者气体传感器。
通常，碳纳米管(CNT)的产量较小，这是因为它们的许多生产步骤的执行依然要靠人工来掌控，所述生产步骤包括将CNT-合成衬底装载到反应管上或从反应管卸载的步骤以及从反应管卸载衬底以从衬底上收取CNT的步骤。因此，很难实现连续的处理过程和碳纳米管的大量生产。
大量生产碳纳米管需要较大直径的反应管。由于这个原因，需要多段/多排结构的船形容器。但是，根据复合衬底的不同位置，多段/多排结构的船形容器在气体密度(在船形容器的前排和后排处的气体密度以及在船形容器的上段和下段处的气体密度)上有很大的偏差。通常，源气体由于其有重量而向下流动到反应管的底部。因此，在处理过程中，源气体过多地集中在位于前排、下段的复合衬底上，而相对较小量的源气体被供给到位于后排、上段的复合衬底上。结果，碳纳米管的整体生产率下降了。
由于主要使用含氢的源气体(有害的/易爆的气体)来合成碳纳米管，这就需要清除反应管内的残余气体。在合成碳纳米管之后，除非反应管内的源气体被全部排放出去，否则，反应管内的残余气体元素中的有害气体(氢气)就可能泄漏到空气中并与氧气反应而发生爆炸。尤其是，残余气体导致事故的可能性将会随着近期反应管朝着较大直径发展的趋势而增大。
由于反应管的直径变大且处理过程中所需的复合衬底数量增大，基于复合衬底(位于前排和后排的衬底)不同位置的气体密度偏差就变得更大。气体密度偏差导致对气体均匀性敏感的合成碳纳米管的处理过程在效率上更低。另外，在从反应管收取合成完了的复合衬底时，碳纳米管会落到反应管的底部。残留在反应管中的碳纳米管将会导致反应管内部的污染和用于输送复合衬底的机械手的故障，并对源气体的流动有着不利影响。

发明内容
本发明的示例性实施例提供一种合成碳纳米管的装置。在一个示例性实施例中，所述装置可以包括反应管，用于定义让碳纳米管在其中生产的生产空间；用于加热所述反应管的加热单元；船形容器，在处理过程中，所述船形容器位于所述生产空间内，在所述船形容器上装载复合衬底；以及具有喷嘴单元的气体供给部件，用于将源气体供给到所述生产空间，所述喷嘴单元包括在不同高度处供给源气体的注射部件。
本发明的示例性实施例还提供一种合成碳纳米管的方法。在一个示例性实施例中，所述方法可以包括将复合衬底装载到反应管的内部空间中；清除所述反应管内残留的氧气；将源气体供给到所述反应管中以在复合衬底的表面上合成碳纳米管；以及打开所述反应管以卸载在其上合成碳纳米管的复合衬底，其中，在所述反应管内的不同高度处将源气体注入，使得注入的源气体可以到达所述反应管内的各处。


图1显示了用于生产碳纳米管的系统。
图2是依据本发明的船形容器和复合衬底的立体图。
图3和图4显示了在反应室内的源气体流动情况。
图5是图3所示的喷嘴单元的立体图。
图6是改进的喷嘴单元的立体图。
图7显示了经由图6所示的改进的喷嘴单元的源气体流动情况。
图8显示了图1所示的催化剂涂敷部件的结构。
图9是沿着图8中A-A′线的俯视图。
图10至图12显示了在催化剂涂敷部件处的催化剂涂敷步骤。
图13显示了一种催化剂涂敷部件的结构，以说明改进的催化剂涂敷部件。
图14是图1所示的衬底承接部件和第一输送装置的俯视图。
图15是衬底承接部件的侧视图。
图16是衬底承接部件的盒架的立体图。
图17是第一输送装置的立体图。
图18是图1所示的收取部件的立体图。
图19是图11所示的收取部件的俯视图。
图20显示了在收取部件处的碳纳米管收取步骤。
图21是流程图，显示了利用本发明的合成碳纳米管的装置进行的处理过程。
图22是流程图，显示了依据本发明的合成碳纳米管的方法。
具体实施例方式
下面参照附图更充分地说明本发明，附图中示出了本发明的优选实施例。但是，本发明能以多种不同的形式实施，而不应视为受限于这里所说明的实施例。而且，提供这些实施例是为了完整、全面地公开本发明的内容，并将本发明的范围全部传达给本领域所属技术人员。附图中，为了清楚起见，放大了各层厚度和各区域。全文中，相同的附图标记表示相同的部件。
图1显示了一种示例性的合成碳纳米管的装置1(下文中称为“CNT合成装置”)。CNT合成装置1包括复合衬底10、碳纳米管合成室(下文中称为“反应室”)100和预/后处理室。
复合衬底10是一种在其上合成碳纳米管的基板。复合衬底10可以是硅片、氧化铟锡(ITO)衬底、涂敷有ITO的玻璃、钠钙玻璃(sodalime glass)、康宁玻璃(corning glass)以及氧化铝。但是，也可以使用其它材料作为复合衬底，只要它们具备足够的强度以合成(生长、生产)碳纳米管即可。
反应室100用于执行在复合衬底10上生产碳纳米管的过程。预/后处理室对装载到反应室100上或从反应室100卸载的复合衬底执行预处理过程和后处理过程。预处理过程和后处理过程包括在复合衬底上涂敷催化剂20的过程和收取在复合衬底上形成的碳纳米管的过程。预/后处理室包括安置部件200、第一输送装置300、衬底承接部件400、催化剂涂敷部件500、收取部件600以及第二输送装置700。
安置部件200设置在反应室100的一侧，与反应室100并排。安置部件200包括第一区域240和第二区域260。第一区域240与反应室100相邻，第二区域260与反应室100关于第一区域240相对。衬底承接部件400设置在第一区域240中，第一输送装置300设置在第二区域260中。反应室100和第二区域260沿同一直线设置在第一方向42上。第一区域240划分成上部区域242和下部区域244。上部区域242设置得与反应室100和第二区域260在同一直线上，下部区域244沿着垂直于第一方向42的第二方向44从上部区域242延伸。第一区域240和第二区域260均为矩形形状。
第一输送装置300用于将复合衬底装载到反应室100内或将复合衬底从反应室100卸载。衬底承接部件400构造得用于存放要装载到反应室100内的衬底或从反应室100卸载的衬底。在复合衬底10装载到反应室100内之前，催化剂涂敷部件500将催化剂20涂敷到复合衬底10上。收取部件600构造得用于从复合衬底10收取碳纳米管30，所述碳纳米管生长在从反应室100卸载的复合衬底10上。第二输送装置700用于将复合衬底10在衬底承接部件400与催化剂涂敷部件500之间以及在衬底承接部件400与收取部件600之间输送。
催化剂涂敷部件500、收取部件600和第二输送装置700与安置部件200相邻设置。沿着平行于第一方向42的方向，催化剂涂敷部件500、收取部件600和第二输送装置700并排设置在一个位置处，该位置与第一区域240的下部区域244关于上部区域242相对。第二输送装置700设置在催化剂涂敷部件500与收取部件600之间。
下面详细说明依据本发明的系统的各构成部分。
如图1所示，反应室100包括反应管120、加热单元140、气体供给单元150、船形容器160、残余气体检测单元170、气体排放单元180以及隔热部件190。反应管120由石英或石墨等耐热材料制成。一般地，反应管120为圆筒形状。在反应管120的前端安装有法兰132以便密封反应管120的内部，在反应管120的后端安装有法兰134以便与反应管120的闸门阀222连接。
如图2所示，船形容器160采用双层结构，其中复合衬底10按多段放置。在处理过程中，反应管120内有至少一个船形容器160。例如，多个复合衬底10沿着反应管120的第一方向42放置在一个船形容器160上。可任选的是，可以设计船形容器160在纵向和横向上的尺寸和结构，以支撑每个复合衬底10。也即，设计船形容器160在横向上的尺寸和结构以支撑两个复合衬底10，且设计船形容器160在纵向上的尺寸和结构以支撑两个复合衬底10。可选择的是，船形容器160可以固定安装在反应管120内。
沿着复合衬底10的边缘形成有预定高度的挡板12。挡板12包括第一至第三侧壁12a，12b和12c。第一侧壁12a形成于复合衬底10的相对两侧，其平行于气体流入方向。第二侧壁12b形成于复合衬底10的前侧，其垂直于气体流入方向。第三侧壁12c形成于复合衬底10的后侧，其垂直于气体流入方向。第二侧壁12b低于第一侧壁12a。第三侧壁12c高于第一侧壁12a和第二侧壁12b。由于第一侧壁12a对气体流动仅有轻微的影响，它也可以稍微高于第二侧壁12b和第三侧壁12c。应注意的是，如果第二侧壁12b高于第一侧壁12a，会在复合衬底10的顶面上产生涡旋，因而妨碍气体均匀流动。
形成复合衬底10的挡板12是为了防止在复合衬底10上生长的碳纳米管30从复合衬底10上脱落。尤其是，挡板12的第二侧壁12b和第三侧壁12c改变了流向复合衬底的源气体的流动，使得更多的源气体流向后排的复合衬底。即，水平流动的源气体在被导向复合衬底10的上侧之前，部分地与第二侧壁12b碰撞，因而沿着曲线去往复合衬底10的上侧。一部分源气体在流向复合衬底10上侧的同时，与涂敷在前排的复合衬底10上的催化剂反应，因而合成碳纳米管。未反应的源气体在到达后排的复合衬底之前，在去往前排的复合衬底上侧的同时与第三侧壁12c碰撞。将复合衬底10设置得形成有挡板12。借助于挡板12，控制源气体的流动，就能使更多的源气体流向后排的复合衬底。
在另一示例性实施例中，可以设计船形容器160的尺寸以支撑一个复合衬底10。在这种情况下，可以设置一个或多个船形容器160。当设置多个船形容器160时，它们可以沿着反应管120的第一方向42布置，或是沿着垂直于第一方向42的上下方向层叠。
再次参照图1，加热单元140将反应室100加热至处理温度。加热单元140包括绝热壁142和电热丝144。绝热壁142围绕着反应管120的外壁安装，电热丝142以线圈形状设置在绝热壁142内。在处理过程中，加热单元140加热反应管120以将反应管120的内部温度维持在500～1100℃的范围内(处理温度)。
气体供给单元150包括源气体源151、不活泼气体(氩气或氮气)源152、供给管线153以及喷嘴单元154。喷嘴单元154安装在法兰132处，经由在法兰132中形成的通孔将气体供给到反应管120中。随着反应管120和船形容器160尺寸的增大，在反应管的所有横截面处的气体扩散和浓度将变得更为重要。鉴于这一点，喷嘴单元154具有如下所述的结构特征。
如图3至图5所示，喷嘴单元154包括第一注射部件156和第二注射部件158，它们设在不同的高度处供给源气体。第一注射部件156设置得高于船形容器160，第二注射部件158设置得低于第一注射部件156。第一注射部件156包括长喷嘴156a，每个长喷嘴具有长管形状并安装得与反应管120内的船形容器160相邻。第二注射部件158包括中等长度的喷嘴158a，每个中等长度的喷嘴具有短于长喷嘴156a的管的形状。
如图4中的虚线所示，长喷嘴156a和中等长度的喷嘴158a可以安装成具有上弯的注射角。在每个长喷嘴156a和中等长度的喷嘴158a都具有上弯的注射角的情况下，源气体可以沿着曲线供给到船形容器160的后排。因此，具有这种多级结构的喷嘴单元154可以有效地实现大尺寸反应管中的均匀的气体扩散和均匀的气体浓度分布。
喷嘴单元154的形状、数量、长度和注射角可以随着反应管120的尺寸以及船形容器160上的复合衬底10的位置和数量而变化。下面参照图6和图7说明本发明的其它示例性实施例。如图所示，喷嘴单元154′包括第一注射部件156和第二注射部件158′。第一注射部件156设置得高于船形容器160，第二注射部件158′设置在第一注射部件156下面。第一注射部件156包括长喷嘴156a，每个长喷嘴具有与前面所述的长喷嘴156a相同的结构，第二注射部件158′包括莲蓬头159。设置莲蓬头159是为了将源气体均匀地扩散到反应管120中各处。在莲蓬头159的前表面上形成有多个注射孔159a。每个注射孔159a形成得用于在处理过程中将源气体均匀地供给到反应管120中各处。所述源气体可以是从下组中选出的至少一种乙炔、乙烯、甲烷、苯、二甲苯、一氧化碳以及二氧化碳。将源气体热分解成基团，这些基团与涂敷在复合衬底10上的催化剂反应从而合成碳纳米管。
残余气体检测单元170用于检测反应管120内的残余源气体，尤其是氢气。残余气体检测单元170包括气体检测器172和检测控制器178。气体检测器172包括检测部件173、第一吸入口174、第二吸入口175以及排放口176。检测部件173包括至少一个用于检测氢气浓度的传感器。设置第一吸入口174和第二吸入口175是为了抽吸目标检测气体使其穿过检测部件173。第一吸入口174安装得与气体排放单元180的气体排放管184连接，第二吸入口175安装得用于吸入外面的空气。排放口176安装得用于排放目标检测气体。
向气体检测器172施加压力从而连续地吸入气体。因此，气体检测器172操纵安装在第一吸入口174和第二吸入口175上的阀174a和175a，以便仅在所需的步骤中检测反应管120内的残余气体。例如，在处理过程中，打开第二吸入口175以使反应管120外面的气体(空气)流入，在完成处理过程之后，就在打开第一闸门阀222之前，打开第一吸入口174以检测反应管120内的残余气体。在各种气体元素分析装置中，可以采用残余气体分析(RGA)来检测气体，因为其不需要连续地吸入气体。但遗憾的是，采用RGA会由于其价格高而导致价格竞争力降低。
依据气体检测器172检测到的残余气体的浓度值，检测控制器178控制第一闸门阀222。例如，当检测器172检测到的残余气体中氢气的浓度值大于预定值时，检测控制器178维持第一闸门阀222的关闭状态。另一方面，当氢气的浓度值低于预定值时，检测控制器178解除第一闸门阀222的关闭状态以执行下一个步骤。
气体排放单元180用于排放反应管120内的气体。气体排放单元180包括气体排放管184、与气体排放管184连接的主排放管线185、第一排放管线(下文中称为“通风排放管线”)186以及第二排放管线(下文中称为“真空排放管线”)187。通风排放管线186和真空排放管线187从主排放管线185上分叉。气体排放管184安装在法兰134处。第一阀186a和第二阀187a分别安装在通风排放管线186和真空排放管线187上。第一阀186a和第二阀187a由排放控制器189选择性地打开或关闭。
隔热部件190用于防止系统1的尺寸增大(scale-up)，并保护第一闸门阀222使其免于遭受由辐射热导致的损坏。即，在第一闸门阀222与反应室100相邻设置的情况下，设在阀中的O-环可能会由于反应室100内的辐射热而受到损坏。考虑到这个原因，通过使反应室100足够长来充分地保证加热单元140与第一闸门阀222之间的距离。但是，反应室100长度的增加会导致系统1的尺寸增大。因此，将隔热部件190安装在第一闸门阀222与反应室100之间，以阻止从反应室100产生的辐射热到达第一闸门阀222。隔热部件190可以是由氧化铝等低热导材料制成的隔板。在所述隔板由典型金属制成的情况下，就要在该金属隔板的周围设置冷却水供给系统以增强金属隔板的热变形能力和隔挡效率。当第一闸门阀222关闭时，隔热部件190位于第一闸门阀222的前面。当第一闸门阀222打开时，隔热部件190移动到不会挡住复合衬底10的运送通道的位置。
尽管在这个实施例中说明的反应室100具有利用碳氢化合物高温分解的结构，但是，本发明的合成碳纳米管的装置1可以采用利用各种方法的任意反应室，所述方法例如有激光沉积、等离子体化学气相沉积、热化学气相沉积以及结构成分法(frame composition)。
安置部件200用于防止从反应室100卸载的复合衬底10暴露于空气中。安置部件200包括与外界隔离的室200a。第一闸门阀222安装在安置部件200与反应室100之间，以打开或关闭复合衬底10在反应室100与安置部件200之间的运送通道。第二闸门阀224安装在安置部件200与第二输送装置700之间，以打开或关闭复合衬底10在安置部件200与第二输送装置700之间的运送通道。
安置部件200包括气体供给部件280，其设置在第一区域240处，用于将氮气或氩气等不活泼气体供给到安置部件200内。在处理过程中，将不活泼气体供给到安置部件200内，以清除安置部件200内的气体(尤其是空气)，并将安置部件200内部维持为不活泼气体氛围。其目的在于，当复合衬底10从反应室100卸载时，防止复合衬底上的高温碳纳米管30在安置部件200内接触到氧气。
下面，详细说明催化剂涂敷部件500。图8是图1所示的催化剂涂敷部件500的结构示意图，图9是沿着图8中A-A′线的剖视俯视图。
参照图8和图9，在复合衬底10装载到反应室100内之前，催化剂涂敷部件500将催化剂(金属层)20涂敷到复合衬底10的顶面上。设置侧板592使它们彼此面对并相互隔开，以使复合衬底10置于架子590之间。安装支撑突起594使它们从每个侧板592向内突出，以用于支撑复合衬底10的边缘部位。可以为每个侧板592设置多个支撑突起594。
催化剂供给部件520包括催化剂存储箱521和定量供给单元560。催化剂存储箱521具有位于架子590上方的至少一个出口526a，以将规则量的催化剂20供给到复合衬底10的顶面。刷子单元580用于将涂敷在复合衬底10顶面上的催化剂均匀地抚平。
刷子单元580包括导轨584、涂敷刷587和可移动体588。导轨584沿纵向安装在上面装载有复合衬底10的架子590的两侧。可移动体588可移动地安装在导轨584上并借助于线性运动驱动器586作线性运动。可移动体588的线性运动通过常规的驱动方法来实现，例如线性马达驱动方法、气缸驱动方法以及马达驱动方法。涂敷刷587位于架子590上方，以便将催化剂均匀地抚平在复合衬底10的整个表面上。涂敷刷587设置得与架子590分隔开。涂敷刷587与架子590之间的距离等于催化剂涂敷厚度。涂敷刷587的相对侧边与可移动体588连接，使得涂敷刷587能够与可移动体588一起滑动。涂敷刷587可以是具有向前方的特定倾斜侧边的板状。涂敷刷587可以安装得根据涂敷厚度来调节其在可移动体588上的高度。涂敷刷587的高度调节可以借助于垂直运动单元589来实现。
垂直运动单元589包括顶板589a、底板589b和引导轴589c。顶板589a固定结合在可移动体588的上端，底板589b固定结合在可移动体588的下端并面对顶板589a。垂直设置引导轴589c以将顶板589a和底板589b相互连接起来。托架589d安装在引导轴589c上。借助于常规的驱动器(未示出)，托架589d沿着引导轴589c上下线性运动。涂敷刷587与托架589d固定结合。
催化剂存储箱521用于将存储在里面的催化剂20供给到复合衬底10上。催化剂存储箱521具有盖子类型的顶面522、侧面524和形成有出口526a的底面。侧面524包括顶侧部524a、中间侧部524b和底侧部524c。顶侧部524a为垂直形状，中间侧部524b从顶侧部524a向下延伸并向内弯曲。底侧部524c从中间侧部524b垂直向下延伸并具有窄的通道。由于前述结构，与底侧部524c定义的空间相比，更多的催化剂20存储在顶侧部524a定义的空间内。由于中间侧部524b的形状，在顶侧部524a定义的空间内的催化剂20被顺畅地供给到底侧部524c定义的空间。
定量供给单元560安装在催化剂存储箱521处，用于将定量的催化剂20供给到复合衬底10的顶面。定量供给单元560包括顶隔板564和底隔板562，它们用于定义让定量的催化剂20进入的定量空间568。顶隔板564和底隔板562设置在底侧部524c处。定量空间568位于催化剂存储箱521的出口526a上方。顶隔板564设置在定量空间568上方，而底隔板562设置在定量空间568下方。顶隔板564和底隔板562通过气缸566等驱动机构进行操作。当顶隔板564关闭且底隔板562也关闭时，在底隔板562与顶隔板564之间的定量空间568中填满了设定量的催化剂20。当底隔板562打开时，已进入定量空间568中的催化剂20经由出口526a供给到复合衬底10的顶面。
搅拌器540安装在催化剂存储箱521的中间侧部542b处，用于搅拌催化剂20。搅拌器540包括至少一个搅拌叶片542，在将催化剂20供给到定量空间568之前，搅拌叶片进行旋转以消除催化剂存储箱52 1内的未占用空间并引导催化剂20使其自然地供给到定量空间568。
下面参照图10至图12说明催化剂涂敷部件500的催化剂涂敷步骤。
参照图10，当通过第二输送装置700将复合衬底10装载到架子590上时，底隔板562通过气缸566进行操作，在侧向运动的同时打开定量空间568的底部。已进入定量空间568内的设定量的催化剂20落到复合衬底10顶面上。借助于刷子单元580，使积聚在衬底10顶面上的催化剂20涂敷到复合衬底10的整个表面上。也即，涂敷刷587在从复合衬底10的一端滑动至另一端的同时，使得催化剂20均匀地涂敷到复合衬底10的整个表面上。可以附加设置振动马达等振动器599以便于催化剂的均匀涂敷。振动器599安装在将振动施加给涂敷刷587或复合衬底10的位置处。在这个实施例中，振动器599安装在架子590的侧板592上。从振动器599产生的振动经由支撑突起594传递到复合衬底。
催化剂20可以是通过混合过渡金属(例如，铁、铂、钴、镍、钇或其组合物)与多孔物质(例如，MgO、Al2O3或SiO2)而制成的粉末。可选择的是，催化剂20可以是包括上述物质的液体催化剂。
在催化剂20是液体催化剂的情况下，需要另一类型的催化剂供给部件。参照图13，催化剂供给部件520′包括存储箱530、供给管线532、安装在供给管线532上的定量供给泵534以及供给喷嘴536，供给喷嘴536用于将液体催化剂20供给到复合衬底的顶面上。供给喷嘴536可以是其长度相当于复合衬底10的宽度的狭缝型喷嘴。供给喷嘴536构造成在沿着导轨538从复合衬底10一侧运动到另一侧的同时将催化剂均匀地涂敷到复合衬底10上。由于催化剂的均匀涂敷是借助于供给喷嘴536而完成的，可以省去刷子单元。
如上所述，涂敷刷587在运动的同时将催化剂20均匀地涂敷到复合衬底10上。可选择的是，可以使架子运动而涂敷刷587固定。优选的是，让涂敷刷587运动以便减小催化剂涂敷部件500的空间。
如上所述，在催化剂涂敷部件500处独立地将催化剂20涂敷到复合衬底10上，且在反应室100中在涂敷有催化剂20的复合衬底10上产生碳纳米管30。可选择的是，去掉催化剂涂敷部件之后，将催化剂气体和源气体供给到反应室100内以使催化剂覆盖在复合衬底上并产生碳纳米管。
图14是衬底承接部件400和第一输送装置300的俯视图，图1 5是衬底承接部件400的侧视图。衬底承接部件400包括用于承接复合衬底10的盒架420、垂直轨442、水平轨444和可移动机架446。垂直轨442分别位于第一区域240的各个拐角处。每个垂直轨442为直立的长棒形状，用于引导可移动机架446的上下运动。托架448与各个垂直轨442结合并通过垂直驱动器(未示出)沿着垂直轨442上下运动。各个可移动机架446纵向设置在第一方向42上并彼此面对。可移动机架446与托架448相配合从而与托架448一起沿着垂直轨442上下线性运动。水平轨444固定安装在可移动机架446上。各个水平轨444纵向设置在第二方向44上并彼此面对。水平轨444设置得贯穿第一区域240。盒架420安装在水平轨444上，从而能够在第二方向44上沿着水平轨444运动。
如图14所示，盒架420在虚线表示的等待位置X1与实线表示的装载/卸载位置X2之间水平运动。等待位置X1位于第一区域240的底部区域244中，而装载/卸载位置X2位于其顶部区域242中。当复合衬底10装载到反应室100内或从反应室100卸载时以及当复合衬底10被第二输送装置700输送时，盒架420运动至装载/卸载位置X2。此外，当等待复合衬底10降温时，盒架420运动至等待位置X1。
图16是盒架420的立体图。盒架420用于承接将要装载到反应室100内的复合衬底10和从反应室100卸载的复合衬底10。参照图16，盒架420包括支撑件422、顶板424、底板426和垂直轴428。顶板424和底板426是彼此面对的矩形板。垂直轴428将顶板424和底板426的对应拐角连接在一起。相应地，设置有四个垂直轴428。支撑件422安装在垂直轴428上以将复合衬底10堆放并承接于盒架420中。每个支撑件422具有四个支撑块423以用于支撑复合衬底10的拐角部位。支撑件422分成两组，第一组包括第一支撑件422a，第二组包括包括第二支撑件422b。第一支撑件422a支撑将要装载到反应室100内的复合衬底10，第二支撑件422b支撑从反应室100卸载的复合衬底10。在一个示例性实施例中，设置有四个第一支撑件422a和四个第二支撑件422b，且第一支撑件422a位于第二支撑件422b上方。
第二支撑件422b之间的空间大于第一支撑件422a之间的空间。前述结构使得可以减小盒架420的整体高度，并可以定义足够宽的空间以防止复合衬底10上生长的碳纳米管(CNT)30接触相邻的复合衬底10。
第一输送装置300用于将承接在盒架420的第一支撑件422a处的复合衬底10装载到反应室100内。将四个复合衬底10装载到反应室100的船形容器160上。第一输送装置300将复合衬底逐个地装载到反应室100内或从反应室100卸载。如果已经完成复合衬底10的装载，则在反应室100内执行生长碳纳米管30的处理过程。在该处理过程中，另外四个复合衬底10在涂敷催化剂之后等待在盒架420的第一支撑件422a处。如果反应室100内生长碳纳米管30的处理过程已经完成，通过第一输送装置300将高温复合衬底10从反应室100卸载，承接在盒架的第二支撑件422b处。高温复合衬底10在第二支撑件422b处冷却预定的时间。高温复合衬底10的冷却借助于自然冷却来实现。可选择的是，可以通过使用冷却水等冷却手段来强制冷却。在将已完成碳纳米管30生长的复合衬底10从反应室100中快速拉出(没有冷却到预定温度以下)时，将等待在盒架420的第一支撑件422a处(将要生长碳纳米管30)的四个复合衬底10装载到反应室100内。同样地，在反应室100中，在将反应管120的温度维持为处理温度的同时，快速装载复合衬底10以便省去将反应管120升温至处理温度的步骤。
已生长碳纳米管30的复合衬底等待在盒架420的第二支撑件422b处，直到降温至预定温度以下。用于让复合衬底10等待的盒架420位于安置部件200之内。由于安置部件200内部充满了不活泼气体，等待在盒架420处的复合衬底10不会接触外界空气(尤其是氧气)。如果高温复合衬底10暴露于室温下的空气中，生长在复合衬底10表面上的碳纳米管30就会与空气中的氧气反应而变形。因此，安置部件200内部充满了不活泼气体，以防止从反应室100卸载的复合衬底10接触氧气。
通过第二输送装置700，在盒架420的第二支撑件422b处等待了预定时间的复合衬底10经由第二闸门阀224被输送到收取部件600。收取后的复合衬底10在催化剂涂敷部件500处涂敷催化剂20之后再次承接于盒架420的第一支撑件422a处。按照CNT合成装置1，总共八个复合衬底被分成两组，在反应室内依次对这两组连续地执行合成碳纳米管30的处理过程。这样，提高了处理量，从而实现碳纳米管的大量生产。
图17是第一输送装置300的立体图。第一输送装置300包括臂320、铲片340和驱动器360。驱动器360包括垂直轨362、水平轨364、可移动机架366以及可移动块368。垂直轨362分别位于第二区域260的拐角部位。每个垂直轨362沿纵向为长棒形状，以引导可移动机架366的上下运动。托架365与每个垂直轨362相结合并借助于垂直驱动器(未示出)上下运动。可移动机架366的长度沿着第二方向44并且彼此面对。可移动机架366与托架365相配合从而与托架365一起沿着垂直轨362上下线性运动。每个可移动机架366的两端固定安装在第二方向44上的彼此面对的托架365上，且可移动机架366与托架365一起上下运动。水平轨364固定安装在可移动机架366上方。每个水平轨364的长度沿着第一方向42。水平轨364设置得贯穿第二区域260，可移动块368安装在水平轨364上以便能够在第一方向42上沿着水平轨364运动。臂320固定安装在可移动块368处，其长度沿着第一方向。铲片340安装在臂320的末端，用于支撑复合衬底10。借助于第二输送装置700，将冷却了预定时间的复合衬底10经由第二闸门阀224输送到收取部件600。
图18和图19分别是收取部件600的立体图和俯视图。图20是说明在收取部件中的碳纳米管30收取程序的视图。
参照图18和图19，收取部件600包括顶面敞开的壳体602。架子620安装在壳体602上。复合衬底10装载在架子620上。在架子620(其在壳体602的敞开的顶面下方)的下方设置有容器660，从复合衬底10收取的碳纳米管30装在该容器内。收取单元640设置在架子620处，用于将碳纳米管30从复合衬底10的顶面刷到收取容器660中。收取单元640具有沿复合衬底10的长度方向安装的导轨646。可移动体644安装在导轨646上。收取刷642安装在可移动体644上，且可以由常规金属/塑料制成。收取刷642在从复合衬底10一侧沿着长度方向滑动的同时，将复合衬底10顶面上的碳纳米管30刷到收取容器660中。由于复合衬底10采用了挡板12的形状，因此将收取刷642构造成可以旋转。即，收取刷642通常是圆柱形刷子，并在接触复合衬底10上合成的碳纳米管30的同时进行旋转，以刷取碳纳米管30。收取刷642的高度可以在可移动体644处进行控制。在收取容器660的底面处可以安装电子秤690，以测量收取到收取容器660中的碳纳米管的重量。由电子秤690测出的值包括累计量和当前收取量，它们显示在安装于外部的监视器692上。通过观察在监视器692上显示的值，操作员可以计算出精确的产量。
如上所述，收取刷642在运动的同时刷扫复合衬底10上的催化剂20。可选择的是，可以让架子运动而收取刷642固定。
其上的碳纳米管30已被收取的复合衬底10通过第二输送装置700供给到催化剂涂敷部件500处，以进行上述的涂敷过程。涂敷有催化剂的复合衬底10承接在盒架420的第一支撑件422a处。
下面详细说明使用前述的CNT合成装置1合成碳纳米管30的步骤。
图21是流程图，显示了利用本发明的合成碳纳米管的装置进行的处理过程。参照图21，在系统中进行的、用于大量生产上述碳纳米管30的处理过程包括催化剂涂敷步骤S110、碳纳米管生产步骤S120、等待(冷却)步骤S130以及收取步骤S140。
在步骤S110中，当一个剂量的催化剂20从催化剂存储箱521施加到复合衬底10的顶面上时，刷子单元580的涂敷刷587在运动的同时将催化剂20均匀地分布到该顶面上。通过第二输送装置700，使涂敷有催化剂20的复合衬底10承接于安装在安置部件200处的衬底承接部件400的盒架420中。在处理的复合衬底10从反应室100卸载之后不久，通过第一输送装置300将承接在盒架420的第一支撑件422a处的复合衬底10装载到反应室100的船形容器160上。当复合衬底10的装载已经完成时，在反应室100内执行处理过程以生产碳纳米管30(S120)。
参照图22，现在详细说明步骤S120。当复合衬底10装载到反应管120的内部空间中时(S121)，借助于加热单元140将反应管120加热至处理温度(500～1100℃)。可以用20～25分钟将反应管120加热至处理温度。在借助于加热单元140加热反应管120时(或与此同时)，将复合衬底装载到反应管120的内部空间中。当复合衬底10装载到反应管120上时，清除反应管120内部空间中的氧气(S122)。清除氧气包括第一步骤和第二步骤。在第一步骤中，通过打开真空排放管线187(关闭通风排放管线186)使反应管120内部变成真空(真空度10Torr或以下)之后，将真空排放管线187关闭。在第二步骤中，通过将不活泼气体供给到反应管120内使反应管120内部变成大气压之后，将通风排放管线186打开以排放不活泼气体。清除氧气可以只包括一个步骤，其中，在打开通风排放管线186的同时，连续地将不活泼气体供给到反应管120内从而将反应管120内的氧气排放到通风排放管线186。但是，只使用一个步骤是不能完全清除氧气的，并且会导致需要供给大量的不活泼气体。
当反应管120的内部温度到达处理温度时，将源气体供给到反应管120的内部空间中(S123)。源气体被分解成基团，这些基团与复合衬底10上涂敷的催化剂反应从而合成碳纳米管。当反应管120中合成碳纳米管已经完成时，切断来自气体供给单元150的源气体供给(S124)。通过残余气体清除步骤(S125)清除反应管120中的残余气体。所述残余气体清除步骤包括经由第二排放管线187强制排放残余气体以使反应管120内部变成真空；以及提供不活泼气体以使反应管120内部变成大气压。在检测反应管120中是否有残余气体(S126)之后，依据是否检测到残余气体(S127)来控制反应管120的打开。在未经检查是否有残余气体而将第一闸门阀222打开的情况下，残余气体中的氢气可能会与从外界流入反应管120中的氧气反应，因而引起爆炸。因此，检查残余气体中氢气的浓度是否低于设定浓度之后再打开反应管120，就能保证安全。当检测到氢气浓度高于设定浓度时，再次执行残余气体清除步骤。随后，当检测到氢气浓度低于设定浓度时，打开反应管120以卸载复合衬底(S128)。
从反应室100卸载的复合衬底10承接在盒架420的第二支撑件422b处之后，将它们冷却预定时间(S130)。预定时间之后，从安置部件200拉出复合衬底10，然后输送到收取部件600(S140)。已在收取部件600中收取了碳纳米管30的复合衬底10被输送到催化剂涂敷部件500，在涂敷催化剂20之后，承接在盒架420的第一支撑件422a处。在反应室1 00内处理后的复合衬底10承接在盒架420的第二支撑件422b处之后，重复经历上述过程。
根据上面所述，本发明具有如下优点(1)可以大量生产碳纳米管；(2)可以将源气体均匀地供给到整个反应管中并提高源气体的使用效率；(3)由于连续地维持反应室的处理过程，因此能连续地在复合衬底上合成碳纳米管，从而提高系统的工作速率；(4)自动、精确地供给催化剂从而提高处理过程的可靠性；(5)自动收取碳纳米管从而精确计算产量；(6)在检测到反应管中的残余气体浓度高于设定浓度的情况下，预先将反应管的开口关闭，以防止残余气体泄漏到外界；(7)可以检查反应管中是否有残余气体，并检查有害气体浓度是否高于设定浓度；以及(8)可以防止碳纳米管落到反应管的底部。
尽管结合附图所示的实施例说明了本发明，但本发明并不限于此。很显然，本领域所属技术人员可以作出各种替换、修改和变化而不脱离本发明的范围和精神。
权利要求
1.一种合成碳纳米管的装置，包括反应管，用于定义让碳纳米管在其中生产的生产空间；用于加热所述反应管的加热单元；船形容器，在处理过程中，所述船形容器位于所述生产空间内，在所述船形容器上装载复合衬底；以及具有喷嘴单元的气体供给部件，用于将源气体供给到所述生产空间，所述喷嘴单元包括在不同高度处供给源气体的注射部件。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述注射部件包括第一注射部件和第二注射部件，所述第一注射部件在高于所述船形容器的位置处供给源气体，所述第二注射部件在低于所述第一注射部件的位置处供给源气体。
3.如权利要求2所述的装置，其中，所述第一注射部件包括至少一个长喷嘴，所述长喷嘴形成得在长度方向上与所述船形容器相邻。
4.如权利要求3所述的装置，其中，所述第二注射部件包括至少一个短于所述长喷嘴的中等长度的喷嘴。
5.如权利要求2所述的装置，其中，所述第二注射部件包括莲蓬头，所述莲蓬头具有多个注射孔，用于均匀地将源气体扩散到整个反应管中。
6.如权利要求1所述的装置，其中，每个注射部件具有上弯的注射角。
7.如权利要求2所述的装置，其中，所述船形容器包括多段和多排。
8.如权利要求1所述的装置，还包括气体排放部件，用于排放所述反应管内的源气体；以及残余气体检测单元，用于检测所述反应管内是否有残余气体，并基于检测结果来控制复合衬底从所述反应管的卸载。
9.如权利要求8所述的装置，其中，所述残余气体检测单元包括气体检测器，其内安装有气体传感器，检测从所述反应管排放的残余气体的浓度；以及检测控制器，其依据所述气体检测器检测到的残余气体的浓度值，维持或解除所述反应管的控制阀的锁闭状态。
10.如权利要求9所述的装置，其中，所述气体检测器包括第一流入口，其与所述气体排放部件的排放管线连接，经由所述排放管线排放的气体从所述第一流入口流入；第二流入口，外界空气从所述第二流入口流入；以及阀，其借助于所述检测控制器选择性地打开或关闭所述第一流入口和所述第二流入口。
11.如权利要求10所述的装置，其中，在合成碳纳米管的处理过程已经结束的所述反应管中充入不活泼气体之后，所述检测控制器控制所述阀，打开所述第一流入口。
12.如权利要求1所述的装置，还包括气体排放部件，其用于排放所述反应管内的源气体，所述气体排放部件包括与所述反应管连接的主排放管线、从所述主排放管线分叉的通风排放管线和真空排放管线、以及排放控制器，所述排放控制器用于选择性地打开或关闭所述通风排放管线和所述真空排放管线。
13.如权利要求1所述的装置，其中，沿着复合衬底的边缘形成有预定高度的挡板。
14.如权利要求13所述的装置，其中，所述挡板包括第一侧壁，其形成在与气体流入方向平行的复合衬底的侧边处；第二侧壁，其形成在与气体流入方向垂直的复合衬底的前侧；以及第三侧壁，其形成在与气体流入方向垂直的复合衬底的后侧。
15.如权利要求14所述的装置，其中，所述第二侧壁低于所述第一侧壁。
16.一种合成碳纳米管的方法，包括如下步骤(a)将复合衬底装载到反应管的内部空间中；(b)清除所述反应管内残留的氧气；(c)将源气体供给到所述反应管中，在复合衬底的表面上合成碳纳米管；以及(d)打开所述反应管，卸载在其上合成碳纳米管的复合衬底，其中，在所述反应管内的不同高度处将源气体注入，使得注入的源气体可以到达所述反应管内的各处。
17.如权利要求16所述的方法，其中，在将不活泼气体供给到所述反应管内并排放所供给的不活泼气体的同时，执行所述步骤(b)。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述步骤(b)包括使所述反应管内部变成真空；以及将不活泼气体供给到所述反应管内，使所述反应管内部变成大气压。
19.如权利要求18所述的方法，其中，在所述步骤(c)中，控制从所述反应管排放的气体的流速，以调节所述反应管的压力。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述步骤(c)包括当所述反应管内合成碳纳米管的处理过程已经结束时，切断源气体的供给；以及清除所述反应管内的残余气体。
21.如权利要求16所述的方法，在所述步骤(d)之前还包括当所述反应管内合成碳纳米管的处理过程已经结束时，切断源气体的供给；清除所述反应管内的残余气体；检测所述反应管内是否有残余气体；以及依据所述反应管内是否有残余气体，控制所述反应管的打开或关闭。
22.如权利要求21所述的方法，其中，当检测到所述反应管内的残余气体时，再次执行残余气体清除步骤。
23.如权利要求22所述的方法，其中，在将不活泼气体供给到所述反应管内并排放所供给的不活泼气体的同时，执行残余气体清除步骤。
24.如权利要求23所述的方法，其中，所述残余气体清除步骤包括使所述反应管内部变成真空；以及将不活泼气体供给到所述反应管内，使所述反应管内部变成大气压。
25.如权利要求24所述的方法，其中，在检测所述反应管内是否有残余气体时，检测所述反应管内残留的氢气。
全文摘要
本发明提供合成碳纳米管的装置和方法，其能均匀地供给用来合成碳纳米管的源气体，有效地排放源气体，并提高碳纳米管的收取率。按照这样的装置和方法，可以大量合成碳纳米管。
文档编号B82B3/00GK1982212SQ20061016741
公开日2007年6月20日 申请日期2006年12月15日 优先权日2005年12月16日
发明者黄湖水, 金成洙, 崔硕珉, 黄镇泰, 张硕元, 金亨锡, 孔炳闰 申请人:细美事有限公司