CN108689401A - 石墨烯制造装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种石墨烯制造装置与方法。所述石墨烯制造方法包含以下步骤：(A)将基体膜设置于用于化学气相沉积生成石墨烯的反应腔机构内；及(B)于化学气相沉积生成石墨烯的过程中，相对反应腔机构旋转所述基体膜，使沉积于所述基体膜的石墨烯构成立体石墨烯结构体。通过于化学气相沉积石墨烯的过程中，相对所述反应腔机构旋转所述基体膜的方式，能使沉积于所述基体膜的石墨烯构成一体成型结构的立体石墨烯结构体，是一种非常创新的石墨烯制造方法。

Description

石墨烯制造装置与方法

技术领域

本发明涉及一种石墨烯制造装置与制造方法，特别是涉及一种制造立体几何外形的石墨烯结构体的制造装置与方法。

背景技术

由于石墨烯具有极大的机械强度、弹性、气体不渗透性、高透明度与热传导率等优异机械性质，近年来已成为备受瞩目的新兴科技材料，已有许多研究单位投入大量资金、人力研究探讨其可能的应用，且目前石墨烯的制造已经发展至可卷对卷大面积生产制造的量产阶段，势必会对目前许多科技产业产生革命性的影响。

目前制造石墨烯的最佳方法是采用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)，通过将碳源裂解而于基体上沉积反应，以大面积生成高质量的石墨烯。但目前的制造方法所制得的石墨烯都是二维片状结构体，由于石墨烯具有极佳的机械强度与弹性，且片状石墨烯相当薄，所以后续不易将其加工成管状结构体，以致于目前的石墨烯都只限于片状结构的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能改善现有技术的至少一个缺点的石墨烯制造装置与方法。

本发明石墨烯制造装置，适用于通过化学气相沉积制造立体石墨烯结构体。所述石墨烯制造装置包含内部界定出能供进行石墨烯的化学气相沉积的反应空间的反应腔机构、安装于所述反应腔机构的模具机构、能供沉积反应生成石墨烯地包覆设置于所述模具本体外表面而具有特定立体几何外形的基体膜，及连结于所述模具机构的驱动机构。所述模具机构包括能相对所述反应腔机构转动地设置于所述反应空间内的模具本体，所述驱动机构能于化学气相沉积石墨烯过程中传动所述模具本体带动所述基体膜相对所述反应腔机构旋转，使反应沉积于所述基体膜的石墨烯构成所述立体石墨烯结构体。

本发明所述的石墨烯制造装置，所述反应腔机构包括具有朝外的出入口的腔本体，及能拆离地盖封所述出入口的盖体，且所述腔本体与所述盖体相配合界定出所述反应空间，所述模具机构是能被所述驱动机构驱转地枢设于所述盖体，并能被所述盖体连动移离所述腔本体。

本发明所述的石墨烯制造装置，所述模具机构还具有固接于所述模具本体并往外水平延伸贯穿枢设于所述盖体，且与所述驱动机构连结的轴杆，所述石墨烯制造装置还包含安装于所述盖体中且能散除所述轴杆穿经所述盖体的区段的热能以进行降温的散热机构。

本发明所述的石墨烯制造装置，所述基体膜具有至少一个径向贯穿的通孔。

本发明所述的石墨烯制造装置，所述基体膜是被覆固定于所述模具本体外表面，或能脱离地套设于所述模具本体外。

本发明所述的石墨烯制造装置，所述基体膜的材质是选自于镍、铜、钌、铱、铂、钴、钯、金以及镍、铜、钌、铱、铂、钴、钯与金的混合所组成的群体。

本发明所述的石墨烯制造装置，所述基体膜为断面外形呈圆形、椭圆形或多边形的环管状。

本发明石墨烯制造方法，适用于制造立体石墨烯结构体，包含以下步骤：(A)将具有特定立体几何外形的基体膜设置于用于化学气相沉积生成石墨烯的反应腔机构内；及(B)于化学气相沉积生成石墨烯的过程中，相对所述反应腔机构旋转所述基体膜，使沉积于所述基体膜的石墨烯构成立体石墨烯结构体。

本发明所述的石墨烯制造方法，还包含步骤(C)将所述基体膜移离所述反应腔机构，并将所述立体石墨烯结构体与所述基体膜分离。

本发明所述的石墨烯制造方法，所述步骤(C)是通过浸蚀方式蚀去所述基体膜以得到所述立体石墨烯结构体，或者是通过电化学层离法将所述立体石墨烯结构体与所述基体膜分离。

本发明的功效在于：通过所述模具机构与基体膜结构设计，能于化学气相沉积石墨烯的过程中，通过相对所述反应腔机构旋转所述模具机构的方式，使沉积于所述基体膜的石墨烯构成一体成型结构的立体石墨烯结构体，是一种非常创新的石墨烯制造装置与制造方法。

附图说明

本发明的其他的特征及功效，将于参照图式的实施方式中清楚地呈现，其中：

图1是本发明石墨烯制造装置的一个实施例的侧剖示意图；

图2是所述实施例的不完整的剖视示意图，示意说明于一个基体膜的朝上部位沉积生成一个片状石墨烯结构体的情况；

图3是类似图2的视图，示意说明所述基体膜转动特定角度以扩大沉积的所述片状石墨烯结构体面积的情况；

图4是类似图3的视图，示意说明所述片状石墨烯结构体连接构成一个环管状的立体石墨烯结构体的情况；

图5是所述实施例的一个不完整的侧剖示意图，示意说明已于所述基体膜套外成型环管状的所述立体石墨烯结构体的情况；

图6是本发明石墨烯制造方法的步骤流程图；

图7示意说明将所述立体石墨烯结构体拆离所述模具本体，并套置于一个支撑物外的步骤；及

图8是类似图5的视图，示意说明所述实施例的另一种实施态样。

具体实施方式

参阅图1、5，本发明石墨烯制造装置的实施例，适用于制造立体石墨烯结构体900’，所述「立体」外形包含各种立体几何外形，例如但不限于管状、环状、柱状、球状、三角体、多边体与椭圆体等，在本实施例中，是以制造环管状的立体石墨结构体为例进行说明，但实施时不以此为限。

所述石墨烯制造装置包含一个用于进行化学气相沉积反应的反应腔机构3、一个能相对旋转地安装于所述反应腔机构3的模具机构4、一个设置所述模具机构4且位于所述反应腔机构3内的基体膜5、一个设置于所述反应腔机构3外且连结于所述模具机构4的驱动机构6，及一个安装于所述反应腔机构3的散热机构7。

所述反应腔机构3包括一个具有一个朝外的出入口310的腔本体31，及一个能拆离地安装固定于所述腔本体31并盖封所述出入口310的盖体32，且所述腔本体31与所述盖体32相配界定出一个用于进行石墨烯的化学气相沉积的反应空间30。

本发明实施时，会再于所述反应腔机构3加装用于导入进行石墨烯化学气相沉所需的反应气体的反应气体控制设备、用于控制所述反应空间30内的温度的温控设备，以及用于控制所述反应空间30内的气压的气压控制设备，但因为所述反应气体控制设备、所述温控设备与所述气压控制设备的类型众多且为现有技术，也非本发明的改良重点，因此不再详述。

所述模具机构4包括一个水平延伸设置于反应空间30内的模具本体41，及一个固接于所述模具本体41且同轴地往外延伸贯穿枢设于所述盖体32的轴杆42。在本实施例中，所述模具本体41与所述轴杆42都为陶瓷材质，但实施时，不以此为限。由于所述轴杆42可相对转动地气密穿设安装于所述盖体32的方式众多，且非本发明创作改良重点，因此不再详述。

所述散热机构7是安装于所述盖体32中，且环绕套置于所述轴杆42外，能用于散除所述轴杆42穿经于所述盖体32的区段的热能，以降低所述轴杆42温度，例如通过气冷方式来降低温度。但实施时，由于所述散热机构7能散除所述轴杆42热能以降低温度的方式众多，且非本发明的改良重点，因此不再详述。

所述基体膜5为被覆固定于所述模具本体41外表面的铜箔，能被所述模具本体41连动而相对所述反应腔机构3旋转。所述基体膜5的厚度范围可依实际需求调整，只要其外表面能够催化石墨烯沉积反应而生成薄片。

在本实施例中，所述基体膜5的材质为铜，但实施时，在本发明的其它实施态样中，所述基体膜5的材质也可选自于镍、铜、钌、铱、铂、钴、钯、金以及镍、铜、钌、铱、铂、钴、钯与金的混合所组成的群体。

此外，在本实施例中，所述模具本体41为沿所述轴线延伸的圆柱体，其断面是呈圆形，所以所述基体膜5断面是呈环管状，而能用于沉积成型圆管状的立体石墨烯结构体900’，但实施时，在本发明的其它实施态样中，所述模具本体41的外形也可呈沿其轴线延伸的三角柱体、四角柱体与六角柱体等长柱状结构外形，所述基体膜5则是环套于所述模具本体41外周面，能用于成型不同环管状结构外形的立体石墨烯结构体900’。实施时，在本发明的其它实施态样中，所述模具本体41也可呈各种球体、三角体、四方体与锥形体等几何结构，所述基体膜5是包覆于所述模具本体41的外表面，能用于成型不同立体结构外形的立体石墨烯结构体900’。

所述驱动机构6是连结于所述轴杆42外露于所述反应腔机构3外的区段，能传动所述轴杆42带动所述模具本体41与所述基体膜5相对所述反应腔机构3旋转，使所述基体膜5的外周面50的各部位接续旋转朝上，以供沉积生成石墨烯。

参阅图1、图2～图4、图6，本发明石墨烯制造装置用于制造立体石墨烯结构体900’的方法包含以下步骤：

步骤(一)将具有特定立体几何外形的基体膜5设置于反应腔机构3内。将所述模具机构4安装于所述盖体32，且将所述基体膜5包覆设置于所述模具本体41外，然后将所述盖体32盖设于所述反应腔体3，使所述基体膜5位于所述反应空间30内。

步骤(二)相对所述反应腔机构3旋转所述基体膜5以沉积生成石墨烯。根据化学气相沉积石墨烯所需的反应条件，调控所述反应空间30的温度与压力，并通入各种反应气体，使石墨烯能反应沉积于所述基体膜5的外周面50的朝上部位以构成一个片状石墨烯结构体900。并于沉积生成所述片状石墨烯结构体900的过程中，驱使所述驱动机构6传动所述模具机构4相对所述反应腔机构3旋转，使所述模具机构4带动所述基体膜5以特定转速相对所述反应腔体3缓慢旋转，让所述基体膜5外周面50的各部位依序旋转至朝上的位置，而能供石墨烯继续反应沉积于所述基体膜5的朝上部位，以逐渐扩大沉积生成的片状石墨烯结构体900的面积。当所述基体膜5转动一圈、特定圈数或特定角度后，所述片状墨烯结构体900就会连接构成一个环管状的立体石墨烯结构体900’。由于化学气相沉积石墨烯的条件参数众多，且非本发明的改良重点，因此不再详述。

在本实施例中，所述基体膜5相对所述反应腔机构3的转速极低，是根据石墨烯于所述基体膜5的外周面50的朝上部位的沉积生长速度决定，且实施时，能通过调整所述基体膜5的所述外周面50顶侧与所述反应腔机构3间的空间大小设计，调整所述立体石墨烯结构体900’的沉积生长速度。

参阅图1、5、6、7，步骤(三)拆取所述立体石墨烯结构体900’。当于所述基体膜5成型出所需的所述立体石墨烯结构体900’后，停止化学气相沉积反应。经退火降温等化学气相沉积石墨烯的常规处理后，将所述盖体32与所述模具机构4一起拆离所述反应腔机构3。接着，通过目前已知的方法，将所述立体石墨烯结构体900’与所述基体膜5分离，例如以电化学层离方法分离基体膜5与立体石墨烯结构体900’，或者是以浸蚀法蚀去所述基体膜5，使所述立体石墨烯结构体900’脱离所述模具本体41，就能得到围绕界定出一个中空空间901的中空的立体石墨烯结构体900’。然后，再将取得的所述立体石墨烯结构体900’转移套置于一个支撑物800外，就可获得一体成型的所述立体石墨烯结构体900’。

所述支撑物800的表面材质可以是二氧化硅(SiO₂)、聚乙烯醋酸乙烯酯(Ethylenevinyl acetate，EVA)，或聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate，PET)等，且不以上述材质为限。

在本实施例中，所述基体膜5是呈薄膜状，且是被覆固定于所述模具本体41外，但实施时，在本发明的另一实施态样中，也可将所述基体膜5设计成能拆离地套置于所述模具本体41外的样式，能于沉积成型所述立体石墨烯结构体900’后，直接将所述基体膜5拆离所述模具本体41，以方便后续进行所述基体膜5与所述立体石墨烯结构体900’的分离作业。再者，实施应用时，也不以将成型的所述立体石墨烯结构体900’与所述基体膜5分离为必要。

此外，除了通过所述驱动机构6传动所述模具机构4相对所述反应腔机构3转动外，在本发明的另一实施态样中，也可进一步于所述反应腔机构3安装设置另外一个驱动设备(图未示)，使所述驱动设备能传动所述反应腔机构3相对所述模具机构4旋转，使所述反应腔机构的旋转方向相反于所述模具机构4的旋转方向，可提高两者的相对旋转速度，有助于提高所述立体石墨烯结构体900’的成型速度，但实施时不以此为限。

参阅图5、8，在上述实施例中，所述基体膜5是完整被覆在所述模具本体41外，而能用于成型表面结构完整的所述立体石墨烯结构体900’，但实施时，在本发明的另一个实施态样中，可使所述基体膜5具有径向贯穿的通孔51，所述所述通孔51可为圆孔或多角形孔等几何孔形。借此设计，在沉积石墨烯的过程中，石墨烯不会反应沉积于所述基体膜5的所述所述通孔51处，所以可使制成的所述立体石墨烯结构体900’表面具有多个分别与所述所述通孔51对应的穿孔902。所以实施时，可根据所欲制造的所述立体石墨烯结构体900’的穿孔902的数量与分布位置，直接于所述基体膜5对应设置所述通孔51，相当方便。

综上所述，通过所述模具机构4，及设置于所述模具机构4外的立体几何外形的基体膜5结构设计，能于化学气相沉积石墨烯的过程中，通过相对所述反应腔机构3旋转所述模具机构4的方式，使石墨烯逐渐沉积于所述基体膜5，而能直接制造出具有一体成型结构的立体石墨烯结构体900’，是一种非常创新的石墨烯制造装置与制造方法，能大幅提高石墨烯的应用领域。因此，确实可达到本发明的目的。

惟以上所述者，只为本发明的实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，凡是依本发明权利要求书的范围及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，都仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种石墨烯制造装置，适用于通过化学气相沉积制造立体石墨烯结构体，所述石墨烯制造装置包含内部界定出能供进行石墨烯的化学气相沉积的反应空间的反应腔机构，其特征在于：所述石墨烯制造装置还包含安装于所述反应腔机构的模具机构、包覆设置在所述模具机构外的基体膜，及连结于所述模具机构的驱动机构，所述模具机构包括能相对所述反应腔机构转动地设置于所述反应空间内的模具本体，所述基体膜是能供沉积反应生成石墨烯地包覆设置于所述模具本体外表面，且具有特定立体几何外形，所述驱动机构能于化学气相沉积石墨烯过程中传动所述模具本体带动所述基体膜相对所述反应腔机构旋转，使反应沉积于所述基体膜的石墨烯构成所述立体石墨烯结构体。

2.根据权利要求1所述的石墨烯制造装置，其特征在于：所述反应腔机构包括具有朝外的出入口的腔本体，及能拆离地盖封所述出入口的盖体，且所述腔本体与所述盖体相配合界定出所述反应空间，所述模具机构是能被所述驱动机构驱转地枢设于所述盖体，并能被所述盖体连动移离所述腔本体。

3.根据权利要求2所述的石墨烯制造装置，其特征在于：所述模具机构还具有固接于所述模具本体并往外水平延伸贯穿枢设于所述盖体，且与所述驱动机构连结的轴杆，所述石墨烯制造装置还包含安装于所述盖体中且能散除所述轴杆穿经所述盖体的区段的热能以进行降温的散热机构。

4.根据权利要求1所述的石墨烯制造装置，其特征在于：所述基体膜具有至少一个径向贯穿的通孔。

5.根据权利要求1所述的石墨烯制造装置，其特征在于：所述基体膜是被覆固定于所述模具本体外表面，或能脱离地套设于所述模具本体外。

6.根据权利要求1所述的石墨烯制造装置，其特征在于：所述基体膜的材质是选自于镍、铜、钌、铱、铂、钴、钯、金以及镍、铜、钌、铱、铂、钴、钯与金的混合所组成的群体。

7.根据权利要求1所述的石墨烯制造装置，其特征在于：所述基体膜为断面外形呈圆形、椭圆形或多边形的环管状。

8.一种石墨烯制造方法，适用于制造立体石墨烯结构体，其特征在于：包含步骤(A)将具有特定立体几何外形的基体膜设置于用于化学气相沉积生成石墨烯的反应腔机构内；及步骤(B)于化学气相沉积生成石墨烯的过程中，相对所述反应腔机构旋转所述基体膜，使沉积于所述基体膜的石墨烯构成立体石墨烯结构体。

9.根据权利要求8所述的制造立体石墨烯结构体的方法，其特征在于：还包含步骤(C)将所述基体膜移离所述反应腔机构，并将所述立体石墨烯结构体与所述基体膜分离。

10.根据权利要求9所述的制造立体石墨烯结构体的方法，其特征在于：所述步骤(C)是通过浸蚀方式蚀去所述基体膜以得到所述立体石墨烯结构体，或者是通过电化学层离法将所述立体石墨烯结构体与所述基体膜分离。