JP2019511446A - グラフェン合成装置、及びそれを利用したグラフェン合成方法 - Google Patents

Abstract

チャンバ、チャンバ内に具備される加熱部、加熱部よりチャンバの中央部に近く具備される熱変換部、熱変換部に配置される触媒を含み、触媒は、細長形の金属からなるグラフェン合成装置を開示する。

Description

本発明は、グラフェン合成装置、及びそれを利用したグラフェン合成方法に係り、さらに詳細には、グラフェンワイヤ（wire）を合成することができるグラフェン合成装置、及びそれを利用したグラフェン合成方法に関する。

グラフェン（graphene）は、炭素が六角形の形態に互いに連結され、ハニカム状の二次元平面構造をなす物質であり、その厚みが非常に薄くて透明であり、電気伝導性が非常に強い特性を有する。該グラフェンのそのような特性を利用し、グラフェンをタッチパネル、透明ディスプレイまたはフレキシブル（flexible）ディスプレイなどに適用する試みが多くなされている。

該グラフェンは、炭素を含むガスを投入し、化学気相蒸着法（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）により、触媒金属の表面に合成される。

該グラフェン合成のためには、高温の環境が維持されるグラフェン合成装置が要求され、高温条件において、炭素を含むガスが解離され、触媒金属の表面にグラフェンが形成される。

本発明の実施形態は、グラフェンワイヤを合成することができるグラフェン合成装置、及びそれを利用したグラフェン合成方法を提供する。

本発明の一実施形態は、チャンバ、前記チャンバ内に具備される加熱部、前記加熱部より前記チャンバの中央部に近く具備される熱変換部、前記熱変換部に配置される触媒を含み、前記触媒は、細長形の金属からなるグラフェン合成装置を開示する。

本発明の一実施形態によれば、細長い電線形態の触媒上にグラフェンがコーティングされたグラフェンワイヤを容易く合成することができる有利な効果がある。

本発明の効果は、前述の内容以外にも、図面を参照して以下で説明する内容からも導き出されるということは言うまでもない。

本明細書で言及されるグラフェンを概略的に示した斜視図である。 本発明の一実施形態によるグラフェン合成装置の断面を概略的に図示した断面図である。 本発明の他の実施形態によるグラフェン合成装置の断面を概略的に図示した断面図である。 本発明の一実施形態による熱変換部を概略的に図示した斜視図である。 本発明の他の実施形態によるグラフェン合成装置を概略的に図示した断面図である。 本発明の一実施形態によるグラフェン合成方法を概略的に図示したフローチャートである。 本発明の他の実施形態によるグラフェン合成方法を概略的に図示したフローチャートである。 本発明の他の実施形態によるグラフェン合成方法を概略的に図示したフローチャートである。

本発明の一実施形態は、チャンバ、前記チャンバ内に具備される加熱部、前記加熱部より前記チャンバの中央部に近く具備される熱変換部、前記熱変換部に配置される触媒を含み、前記触媒は、細長形の金属からなるグラフェン合成装置を開示する。

本実施形態において、前記チャンバ内に具備されるクォーツをさらに含み、前記クォーツは、前記加熱部と前記熱変換部との間にも配置される。

本実施形態において、前記クォーツは、地面に垂直方向、または地面に水平方向にも配置される。

本実施形態において、前記触媒は、電線形態によってなり、前記触媒は、前記熱変換部の表面上に巻かれて配置される。

本実施形態において、前記熱変換部は、前記加熱部の輻射熱を伝導熱に変換し、前記伝導熱が、前記熱変換部の表面に配置される前記触媒に直接的伝達される。

本実施形態において、前記熱変換部は、黒鉛（graphite）でもある。

本実施形態において、前記熱変換部は、円柱形態または四角柱形態でもある。

本実施形態において、前記熱変換部は、第１面、前記第１面の反対面である第２面、及び前記第１面から前記第２面まで貫通するホールを含んでもよい。

本実施形態において、前記ホール内部には、駆動部が具備され、前記駆動部により、前記熱変換部は、時計回り方向または反時計回り方向に回転することができる。

本実施形態において、前記熱変換部の一側に具備される第１回転部、及び前記熱変換部の他側に具備される第２回転部を含んでもよい。

本実施形態において、前記第１回転部の表面には、電線形態の前記触媒が巻かれて配置され、前記第２回転部の表面には、グラフェンが合成された電線形態の触媒が巻かれて配置される。

また、本発明の他の実施形態は、熱変換部、及び前記熱変換部よりエッジ部に配置される加熱部を内部に含むチャンバを準備する段階、前記加熱部が輻射熱を供給する加熱段階、及び前記チャンバ内部に反応ガスを供給するガス供給段階を含み、前記熱変換部の表面には、細長形の金属からなる触媒が形成されたグラフェン合成方法を開示する。

本実施形態において、前記加熱段階が遂行された後、前記熱変換部は、前記加熱部から供給された輻射熱を伝導熱に変換し、前記触媒の温度を上昇させることができる。

本実施形態において、前記加熱段階を遂行する前に、雰囲気ガスまたは非反応ガスを注入する洗浄段階を含んでもよい。

本実施形態において、前記チャンバを準備する段階において、前記チャンバ内部には、前記加熱部と前記熱変換部との間に配置されるクォーツをさらに含んでもよい。

本実施形態において、前記チャンバを準備する段階において、前記チャンバ内部には、前記熱変換部の一側に具備される第１回転部、及び前記熱変換部の他側に具備される第２回転部をさらに含んでもよい。

本実施形態において、前記加熱段階及び前記ガス供給段階が遂行される間、前記第１回転部から前記熱変換部に前記触媒が提供されるローディング段階が含まれてもよい。

本実施形態において、前記加熱段階及び前記ガス供給段階が遂行される間、前記熱変換部の表面でグラフェンが合成された前記触媒は、前記第２回転部に移動されるアンローディング段階が含まれてもよい。

本発明は、多様な変換を加えることができ、さまざまな実施形態を有することができるが、特定実施形態を図面に例示し、詳細な説明によって詳細に説明する。本発明の効果、特徴、及びそれらを達成する方法は、図面と共に詳細に説明する実施形態を参照すれば、明確になるであろう。しかし、本発明は、以下で開示される実施形態に限定されるものではなく、多様な形態にも具現される。

以下、添付された図面を参照し、本発明の実施形態について詳細に説明するが、図面を参照して説明するとき、同一であるか、あるいは対応する構成要素は、同一図面符号を付し、それに係わる重複説明は、省略する。

以下の実施形態において、第１、第２のような用語は、限定的な意味ではなく、１つの構成要素を他の構成要素と区別する目的に使用される。

以下の実施形態において、単数の表現は、文脈上明白に異なって意味しない限り、複数の表現を含む。

以下の実施形態において、「含む」または「有する」というような用語は、明細書上に記載された特徴または構成要素が存在するということを意味するものであり、１以上の他の特徴または構成要素が付加される可能性をあらかじめ排除するものではない。

以下の実施形態において、膜、領域、構成要素などの部分が、他の部分の「上」または「上部」にあるとするとき、他の部分の真上にある場合だけではなく、その中間に、他の膜、領域、構成要素などが介在されている場合も含む。

図面においては、説明の便宜のために、構成要素が、その大きさが誇張されていたり縮小されていたりする。例えば、図面に示された各構成の大きさ及び厚みは、説明の便宜のために任意に示されており、本発明は、必ずしも図示されているところに限定されるものではない。

ある実施形態が異なって具現可能な場合、特定の工程順序は、説明される順序と異なるようにも遂行される。例えば、連続して説明される２つの工程が実質的に同時に遂行されもし、説明される順序と反対の順序にも遂行される。

図１は、本明細書で言及されるグラフェンを概略的に示した斜視図である。

本明細書で使用される「グラフェン（graphene）」という用語は、複数個の炭素原子が互いに共有結合で連結され、多環式芳香族分子を形成するグラフェンが膜形態に形成されたものであり、共有結合で連結された炭素原子は、基本反復単位として６員環を形成するが、５員環及び／または７員環をさらに含むことも可能である。従って、グラフェン膜は、互いに共有結合された炭素原子（Ｃ）（通常、ｓｐ２結合）の単一層をなす。該グラフェン膜は、多様な構造を有することができ、そのような構造は、グラフェン内に含まれる５員環及び／または７員環の含量によっても異なる。

該グラフェン膜は、図示されているように、グラフェンの単一層からもなるが、それがいくつか互いに積層されて複数層を形成することも可能であり、通常、前記グラフェンの側面末端部は、水素原子（Ｈ）で飽和される。

該グラフェンは、二次元平面構造のナノ物質であり、多様な物理的、化学的、電気的、光学的な特性を有することができる。特に、シリコン（Ｓｉ）の約１００倍、銅（Ｃｕ）の約１５０倍の電荷移動度を有することができ、銅（Ｃｕ）に比べ、約１００倍の許容電流密度を有することができる。

また、該グラフェンは、構造的に、二次元平面構造のナノ物質であるので、形態が多様に変化されて使用される。

図２は、本発明の一実施形態によるグラフェン合成装置１０００の断面を概略的に図示した断面図である。

本実施形態によるグラフェン合成装置１０００は、チャンバ１００、チャンバ１００内に具備される熱変換部１１０、加熱部１３０及び触媒２００を含んでもよい。

選択的実施形態として、チャンバ１００は、六面体でもある。

本実施形態は、図２に図示されているように、チャンバ１００が六面体である場合であり、チャンバ１００の断面を四角形に図示した。しかし、チャンバ１００の形態は、それに限定されるものではなく、例えば、チャンバ１００は、六面体以外にも、他の多面体、多角柱、多角錐、または球形にも具備される。

チャンバ１００内に具備される加熱部１３０は、輻射熱を発生させるものであるならば、いかなる熱源（heat source）でも具備される。

選択的実施形態として、加熱部１３０は、３個以上のチャンバ１００の面にもそれぞれ配置され、１つの面だけにも配置される。

本実施形態によるグラフェン合成装置１０００は、図２において、加熱部１３０が対向するチャンバ１００の２個の内面にそれぞれ配置される実施形態を図示しているが、加熱部１３０の位置及び個数は、それに限定されないことはということは言うまでもなく、１個あるいは２個以上の加熱部１３０がチャンバ１００内において、どこにも位置することができる。

例えば、加熱部１３０は、ランプ、電気ヒータ、プラズマのように熱を発生させる装置でもっても具備される。

選択的実施形態として、加熱部１３０としてランプが具備される場合に、加熱部１３０は、ハロゲンランプを含んでもよく、該ハロゲンランプは、複数個に所定間隔離隔されても配置される。該ハロゲンランプは、近赤外線と、中赤外線または／及び可視光線の光を放出する。

加熱部１３０は、図示されていないウィンドウをさらに含んでもよく、該ウィンドウは、ハロゲンランプの外周を取り囲むように配置されるか、あるいは一方向に沿って平行に配置されたハロゲンランプの一側にも配置される。該ウィンドウは、透明な素材であり、例えば、石英を含んでもよい。該ウィンドウは、ハロゲンランプを保護し、光効率を上昇させることができる。

本実施形態によるグラフェン合成装置１０００は、チャンバ１００内に具備される熱変換部１１０を含んでもよい。熱変換部１１０は、加熱部１３０から供給された輻射熱を伝導熱に転換させる役割を行うことができる。

選択的実施形態として、図２に図示されているように、熱変換部１１０は、チャンバ１００内において、チャンバ１００の中央部に位置することができる。

すなわち、熱変換部１１０は、チャンバ１００内の中央部に位置し、対向する２個のチャンバ１００内面に配置された加熱部１３０間に位置することができる。

熱変換部１１０が２個以上の加熱部１３０間に位置することにより、加熱部１３０から放出される輻射熱をさらに効率的に供給されるという有利な効果がある。

ここで、図２に図示された実施形態は、本発明グラフェン合成装置１０００の一実施形態に過ぎず、加熱部１３０及び熱変換部１１０の位置は、それに限定されるものではない。

すなわち、選択的実施形態として、熱変換部１１０は、チャンバ１００の中央部に位置することができ、熱変換部１１０の周囲には、熱変換部１１０を囲む複数個の加熱部１３０が配置され、熱変換部１１０に輻射熱を供給することができる。

選択的実施形態として、熱変換部１１０は、輻射熱によって温度が上昇する素材であるならば、限定なしに形成される。

例えば、熱変換部１１０は、黒体（black body）を含んでもよい。一部実施形態において、熱変換部１１０は、黒鉛（graphite）、または酸化膜をコーティングした金属を含んでもよい。熱変換部１１０を黒体で形成することにより、反射率を低め、輻射熱の吸収率を高めることができるのである。

熱変換部１１０は、中空の管状にも具備され、熱変換部１１０の表面には、複数個のホール１１０ｈが具備される。そのようなホール１１０ｈにより、グラフェンを合成するためのガス移動を円滑にさせ、熱変換部１１０に配置される触媒２００にグラフェンが均一に合成される。

熱変換部１１０の外部には、触媒２００が配置される。すなわち、触媒２００は、熱変換部１１０と加熱部１３０との間に位置することができる。

選択的実施形態として、触媒２００は、熱変換部１１０の表面上にも配置される。

選択的実施形態として、触媒２００は、細長形の金属からもなる。すなわち、図２に図示されているように、触媒２００は、細長い電線（wire）状の金属でもって、熱変換部１１０の表面上にも配置される。

本実施形態によるグラフェン合成装置１０００は、触媒２００が熱変換部１１０の表面に配置されることにより、熱変換部１１０によって輻射熱から変換された伝導熱を効率的に伝達されるという有利な効果がある。

すなわち、細長い電線形態の触媒２００が、効率的に伝導熱を伝達されることにより、グラフェンの合成温度まで容易に上昇し、グラフェンが容易に合成されるという有利な効果がある。

該グラフェンの合成方法に係わる詳細な説明は、グラフェン合成方法の実施形態に係わる説明で後述する。

選択的実施形態として、触媒２００は、グラフェン合成過程の高温に耐えることができる融点が高い金属であるならば、いずれからもなる。

例えば、触媒２００は、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、マグネシウム（Ｍｇ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、ロジウム（Ｒｈ）、シリコン（Ｓｉ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、ウラン（Ｕ）、バナジウム（Ｖ）、パラジウム（Ｐｄ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、黄銅（brass）、青銅（bronze）、白銅（white brass）及びステンレススチール（stainless steel）のうち少なくとも１つの金属または合金を含んでもよいが、それらに制限されるのではなくて、融点が高い金属または合金でもある。

本実施形態によるグラフェン合成装置１０００は、図２に図示されているように、電線形態の触媒２００が、一定間隔を維持しながら、熱変換部１１０の表面に巻かれた状態に具備される。

触媒２００が一定間隔を維持しながら、熱変換部１１０の表面に配置されることにより、グラフェンが広面積に効率的に合成される。

本実施形態によるグラフェン合成装置１０００は、チャンバ１００内に具備されるクォーツ（quartz）１２０をさらに含んでもよい。クォーツ１２０は、透明であり、融点が高い水晶からなるので、加熱部１３０で供給する輻射熱を通過させることができる。クォーツ１２０は、熱変換部１１０を取り囲むようにも配置され、チャンバ１００の内壁と噛み合って具備され、真空を維持する役割を行うことができる。

また、クォーツ１２０は、熱変換部１１０とチャンバ１００の内壁との間に配置され、グラフェンを合成するために供給される物質の残骸物がチャンバ１００の内壁にたまることを防止する役割を行うことができる。クォーツ１２０は、熱変換部１１０とチャンバ１００の内壁との間に配置され、グラフェンを合成するために供給される物質（ガスなど）の残骸物が、チャンバ１００の内壁よりクォーツ１２０の内壁にたまるようになる。クォーツ１２０の内壁が汚染される場合、クォーツ１２０だけ交換すればいいために、グラフェン合成装置１０００の維持補修が簡便になる。

クォーツ１２０は、少なくとも２個具備され、図２には、２つのクォーツ１２０が具備された実施形態が図示されているが、それに限定されるものでないということは言うまでもなく、３個、あるいはそれ以上の個数にクォーツが具備されてもよい。

１個あるいは２個以上のクォーツ１２０は、チャンバ１００の内部に具備され、チャンバ１００内部においてエッジ部にも配置される。

選択的実施形態として、クォーツ１２０は、熱変換部１１０と加熱部１３０との間にも配置される。言い換えれば、クォーツ１２０は、触媒金属２００と加熱部１３０との間にも配置される。

一実施形態として、図２に図示されているように２個のクォーツ１２０が具備される場合には、２個のクォーツ１２０間に熱変換部１１０が配置される。また、それぞれのクォーツ１２０が、熱変換部１１０と加熱部１３０との間にも配置される。

選択的実施形態として、図２に図示されているように、２個のクォーツ１２０が具備される場合、２つのクォーツ１２０が対向するようにも配置される。

選択的実施形態として、それぞれのクォーツ１２０は、プレート形態にも具備されることができる。

それぞれのクォーツ１２０がプレート形態に具備される場合、図２のように、クォーツ１２０の断面は、長方形に図示されるが、クォーツ１２０の形態は、それに限定されるものではないということは言うまでもない。

すなわち、それぞれのクォーツ１２０は、プレート形態ではない円筒形態に形成されたり、四角柱形態に形成されたりもする。

クォーツ１２０は、地面と垂直方向に配置されるか、あるいは地面と水平方向にも配置される。

図２に図示されているように、本実施形態によるグラフェン合成装置１０００は、クォーツ１２０が、地面を基準にして、地面に垂直方向にも配置される。

本実施形態によるグラフェン合成装置１０００は、図２に図示されているように、２個のクォーツ１２０がチャンバ１００内のエッジ部に、地面と垂直方向に対向するように配置され、対向する２個のクォーツ１２０間に、熱変換部１１０が具備されることができる。

ただし、図２に図示されたグラフェン合成装置１０００は、本発明の一実施形態に過ぎず、クォーツ１２０は、チャンバ内の真空を維持するためのものであり、地面と垂直方向、または地面と水平方向に限定されずにも配置される。

本実施形態によるグラフェン合成装置１０００は、ガス供給部１４０及び排出部１５０をさらに具備することができる。

ガス供給部１４０は、複数個のノズルを含み、チャンバ１０１内部に炭素を含むガスを供給することができる。

炭素を含むガスは、グラフェン形成のための反応ガスであり、選択的実施形態として、メタン（ＣＨ_４）が使用される。

ここで、炭素を含むガスは、それに限定されるものではなく、一酸化炭素（ＣＯ）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、エチレン（ＣＨ_２）、エタノール（Ｃ_２Ｈ_５）、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）、プロパン（ＣＨ_３ＣＨ_２ＣＨ_３）、プロピレン（Ｃ_３Ｈ_６）、ブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）、ペンタン（ＣＨ_３（ＣＨ_２）_３ＣＨ_３）、ペンテン（Ｃ_５Ｈ_１０）、シクロペンタジエン（Ｃ_５Ｈ_６）、ヘキサン（Ｃ_６Ｈ_１４）、シクロヘキサン（Ｃ_６Ｈ_１２）、ベンゼン（Ｃ_６Ｈ_６）、トルエン（Ｃ_７Ｈ_８）など、炭素原子が含まれた群から選択された１以上が使用されるということは言うまでもない。

前述の炭素を含むガスを利用してグラフェンを合成する方法に係わる詳細な説明は、後述する。

一方、ガス供給部１４０は、炭素を含むガスだけではなく、雰囲気ガスも、チャンバ１００内部に供給することができる。該雰囲気ガスは、ヘリウム、アルゴンのような不活性ガスや、銅（Ｃｕ）電線２００ａの表面をきれいに維持するための水素のような非反応ガスを含んでもよい。

本実施形態においては、１つのガス供給部１４０が炭素を含むガス、及び雰囲気ガスをいずれも供給する場合について説明したが、本発明は、それに限定されるものではない。例えば、炭素を含むガスを供給するガス供給部と、雰囲気ガスを供給するガス供給部とがそれぞれ具備され、炭素を含むガスと、雰囲気ガスとがそれぞれチャンバ１００内部に供給されもする。

排出部１５０は、チャンバ１００内部でのグラフェン合成に利用された後、残りの残留ガスを外部に排気する。

排出部１５０は、排出効果を極大化させるために、図２に図示されているように、ガス供給部１４０と対向する面にも配置される。しかし、それは、例示的なものであり、排出部１５０の配置構造及び個数は、図示されたところに限定されるものではなく、多様に具現される。

図３は、本発明の他の実施形態によるグラフェン合成装置２０００の断面を概略的に図示した断面図である。図３において、図２と同一参照符号は、同一部材を示し、ここでは、説明の簡略化のために、それらの重複説明は、省略する。

グラフェン合成装置２０００は、チャンバ１００、チャンバ１００内に具備される熱変換部１１０−１、加熱部１３０及び触媒２００を含んでもよい。また、チャンバ１００内の真空を維持する役割、またはチャンバ１００の汚染を防止する役割を行うクォーツ１２０をさらに含んでもよく、ガス供給部１４０、排出部１５０、減圧部（図示せず）及びゲート（図示せず）をさらに具備することができる。

チャンバ１００内に具備される加熱部１３０は、輻射熱を発生させるものであるならば、いかなる熱源であっても具備される。

選択的実施形態として、加熱部１３０は、３個以上のチャンバ１００の面にそれぞれ配置され、１つの面だけにも配置される。

本実施形態によるグラフェン合成装置１０００は、図３において、加熱部１３０が対向するチャンバ１００の２個の内面にそれぞれ配置される実施形態を図示しているが、加熱部１３０の位置及び個数は、それに限定されるものではないということは言うまでもなく、１個、あるいは２個以上の加熱部１３０がチャンバ１００内において、どこにでも位置することができる。

選択的実施形態として、チャンバ１００内に具備される熱変換部１１０−１は、チャンバ１００の中央部にも具備される。すなわち、加熱部１３０が、チャンバ１００の内面、すなわち、チャンバ１００内部のエッジに具備されるところに比べ、熱変換部１１０−１は、相対的にチャンバ１００の中央部に具備される。

図３に図示されているように、本実施形態によるグラフェン合成装置２０００は、熱変換部１１０−１が２個の内面に配置される加熱部１３０間に具備される。

熱変換部１１０−１が、２個以上の加熱部１３０間に位置することにより、加熱部１３０から放出される輻射熱をさらに効率的に供給されるという有利な効果がある。

選択的実施形態として、熱変換部１１０−１は、柱形状を有するようにも具備される。

選択的実施形態として、前述の図２に図示されたグラフェン合成装置１０００の熱変換部１００のように、断面が円形状を有する円柱状にも形成される。

他の選択的実施形態として、図３に図示されたグラフェン合成装置２０００の熱変換部１００−１のように、断面が四角形状を有する四角柱状にも形成される。

図２及び図３に図示された実施形態においては、熱変換部１００，１００−１がそれぞれ円柱状、四角柱状に形成されるように図示されているが、それらに限定されるものではないということは言うまでもなく、該熱変換部は、所定高さを有する柱形状であるならば、いかなる形状にもなる。

選択的実施形態として、熱変換部１１０は、輻射熱によって温度が上昇する素材であるならば、限定されるものではなく、形成される。

例えば、熱変換部１１０は、黒鉛（graphite）、または酸化膜をコーティングした金属を含んでもよい。

熱変換部１１０−１の外部には、触媒２００が配置される。すなわち、触媒２００は、熱変換部１１０−１と加熱部１３０との間に位置することができる。

選択的実施形態として、触媒２００は、熱変換部１１０−１の表面上にも配置される。

選択的実施形態として、触媒２００は、細長形の金属からもなる。すなわち、図３に図示されているように、触媒２００は、細長い電線形態で、熱変換部１１０−１の表面上にも配置される。

選択的実施形態として、触媒２００は、グラフェン合成過程の高い温度に耐えることができる融点が高い金属であるならば、いかなるものによってもなる。

図４は、本発明の一実施形態による熱変換部を概略的に図示した斜視図である。図４において、図２と同一参照符号は、同一部材を示し、ここでは、説明の簡略化のために、それらの重複説明は、省略する。

選択的実施形態として、熱変換部１１０は、円柱形状を有するように形成されるが、それに限定されるものではないということは言うまでもなく、所定高さを有する柱形状であるならば、いかなる形態によってもなる。すなわち、熱変換部は、図３に図示された四角柱形状を有することもでき、その他形状にも具備される。

熱変換部１１０は、第１面１００ａ、前記第１面１００ａの反対面である第２面１００ｂ、及び前記第１面１００ａから前記第２面１００ｂまで貫通するホールＨを含んでもよい。

選択的実施形態として、前記ホールＨの内部には、駆動部３００が含まれてもよい。

選択的実施形態として、前記駆動部３００により、熱変換部１１０は、時計回り方向または反時計回り方向に回転することができる。図４においては、反時計回り方向に回転するように図示されているが、それに限定されるものではなく、時計回り方向あるいは反時計回り方向に回転することができる。

駆動部３００は、モータによって回転されるが、それに限定されるものではなく、熱変換部１１０を回転させる動力を提供するものであるならば、いかなるものでも使用可能である。図４においては、駆動部３００がホールＨ内部に含まれるように任意形状に図示されているが、それに限定されるものではないということは言うまでもない。

熱変換部１１０の外部には、触媒２００が具備される。

選択的実施形態として、触媒２００は、熱変換部１１０の表面上に位置することができる。

選択的実施形態として、触媒２００は、細長い電線形態に具備され、熱変換部１１０の表面上に巻かれた状態にも配置される。

その他、熱変換部１１０及び触媒２００に係る説明は、すでに図１ないし図３で説明したので、省略する。

図５は、本発明の他の実施形態によるグラフェン合成装置３０００を概略的に図示した断面図である。図５において、図２及び図４と同一参照符号は、同一部材を示し、ここでは、説明の簡略化のために、それらの重複説明は、省略する。

グラフェン合成装置３０００は、チャンバ１００、チャンバ１００内に具備される熱変換部１１０、加熱部１３０及び触媒２００を含んでもよい。また、チャンバ１００内の真空を維持する役割、またはチャンバ１００の汚染を防止する役割を行うクォーツ１２０をさらに含んでもよく、ガス供給部１４０、排出部１５０、減圧部（図示せず）及びゲート（図示せず）をさらに具備することができる。

選択的実施形態として、熱変換部１１０は、ホールＨを含んでもよく、前記ホールＨの内部には、駆動部３００が含まれてもよい。選択的実施形態として、駆動部３００により、熱変換部１１０は、時計回り方向または反時計回り方向に回転することができる。

熱変換部１１０の外部には、触媒２００が配置される。すなわち、触媒２００は、熱変換部１１０と加熱部１３０との間に位置することができる。

選択的実施形態として、触媒２００は、熱変換部１１０の表面上にも配置される。

選択的実施形態として、触媒２００は、細長い電線形態にも具備され、電線形態の触媒２００が、熱変換部１１０の表面上に巻かれて配置される。

選択的実施形態として、本実施形態によるグラフェン合成装置３０００は、第１回転部４００及び第２回転部５００をさらに含んでもよい。

熱変換部１１０の一側には、第１回転部４００が配置され、熱変換部１１０の他側には、第２回転部５００が配置される。すなわち、熱変換部１１０を中心に、第１回転部４００と第２回転部５００は、反対側に位置することができる。

本実施形態によるグラフェン合成装置３０００は、図５に図示されているように、熱変換部１１０が、チャンバ１００内の中央部に位置し、第１回転部４００は、熱変換部１１０の上部に配置され、第２回転部５００は、熱変換部１１０の下部にそれぞれ配置される。

第１回転部４００及び第２回転部５００の構造及び材料は、限定されるものではなく、回転軸を中心にして回転するものであるならば、いかなるものでも可能である。第１回転部４００及び第２回転部５００は、時計回り方向または反時計回り方向に回転することができる。

図５に図示されているように、第１回転部４００には、グラフェン合成の前触媒２００が巻かれて配置される。選択的実施形態として、触媒２００は、細長い電線形態で、第１回転部４００に巻かれて配置される。グラフェン合成の前触媒２００が巻かれた第１回転部４００と、グラフェンが合成される領域である熱変換部１１０は、図５のように、同一チャンバにも配置される。しかし、それに限定されるのではなく、第１回転部４００は、別途のチャンバにも具備され、第１回転部４００で供給される触媒２００だけチャンバ１００内部に供給されるというように、多様な変形が可能である。

図５のように、第１回転部４００が熱変換部１１０と同一チャンバ１００に配置される場合、グラフェン合成過程での汚染を最小化させることができる。第１回転部４００は、前記加熱部１３０で供給する輻射熱が最小限に供給されるように、加熱部１３０領域で離隔されても配置される。

第１回転部４００に巻かれて配置された触媒２００は、第１回転部４００と熱変換部１１０とが同時に回転しながら、第１回転部４００から熱変換部１１０に移動される。

選択的実施形態として、図５に図示されているように、第２回転部５００には、グラフェン合成後触媒２００’が巻かれて配置される。

グラフェン合成装置３０００内において、熱変換部１１０表面に位置した触媒２００にグラフェンが合成されれば、第２回転部５００と熱変換部１１０とが同時に回転しながら、グラフェン合成された触媒２００’が、熱変換部１１０から第２回転部５００に移動される。詳細なグラフェン合成過程については、追って説明する。

図６は、本発明のさらに他の実施形態によるグラフェン合成装置の一部を概略的に図示した図面である。図６を参照すれば、一実施形態によるグラフェン合成装置は、熱変換部１１０内部に触媒２００が配置される。その場合、触媒２００は、熱変換部１１０内部に配置される駆動部３００に巻かれた状態でも配置される。熱変換部１１０は、加熱部１３０で供給する輻射熱を吸収し、駆動部３００に伝達することができる。このとき、駆動部３００は、熱変換部１１０において、伝達された熱を伝導熱に変え、触媒２００に伝達することができる。熱変換部１１０は、円筒状にも具備され、熱変換部１１０は、円筒の側壁を貫通するホール１１０ｈを具備することができる。前記ホール１１０ｈは、ガスの移動を円滑にさせるためのものでもある。

図７は、本発明の一実施形態によるグラフェン合成方法を概略的に図示したフローチャートであり、図８は、本発明の他の実施形態によるグラフェン合成方法を概略的に図示したフローチャートである。以下においては、図７ないし図８を参照し、グラフェン合成方法について詳細に説明する。

後述するグラフェン合成方法は、前述のグラフェン合成装置１０００，３０００（図２及び図５）を利用したものであり、図２及び図５と同一参照符号は、同一部材を示し、ここでは説明の簡略化のために、それらの重複説明は、省略する。

まず、図２及び図７を参考すれば、本発明の一実施形態によるグラフェン合成方法は、まず、チャンバ１００を準備する段階（Ｓ１０）を遂行することができる。

チャンバ１００は、内部に、加熱部１３０及び熱変換部１１０を含んでもよい。熱変換部１１０は、チャンバ１００の中央部に配置され、加熱部１３０は、熱変換部１１０に比べ、相対的にチャンバ１００のエッジ部にも配置される。

熱変換部１１０と加熱部１３０との間には、触媒２００を配置することができ、選択的実施形態として、触媒２００は、熱変換部１１０の表面上にも配置される。
触媒２００は、細長い電線形態にも具備される。

すなわち、本実施形態によるグラフェン合成方法は、熱変換部１１０の表面上に、触媒２００を配置することにより、触媒２００が薄型ではない、電線形態に具備される場合にも、効率的に触媒２００金属にグラフェンを合成させることができるという有利な効果がある。

選択的実施形態として、チャンバ１００の内部に、クォーツ１２０を具備することができる。クォーツ１２０は、チャンバ１００内部の真空を維持する役割を行うことができる。

選択的実施形態として、クォーツ１２０は、熱変換部１１０と加熱部１３０との間にも具備される。

次に、真空ポンプ（図示せず）を利用し、チャンバ１００内部に含まれたガスを、減圧部（図示せず）を介して外部に抜き取る。チャンバ１００内部は、大気圧より低い圧力状態、例えば、数百ｔｏｒｒ〜１０^−６ｔｏｒｒほどの圧力を有することができる。

前述のように、チャンバ１００内部は、クォーツ１２０によって真空が維持される。

次に、図２及び図６を参考すれば、加熱部１３０が輻射熱を供給する加熱段階（Ｓ３０）を遂行することができる。

選択的実施形態として、加熱部１３０は、ランプからもなり、チャンバ１００内部に輻射熱を供給することができる。

加熱部１３０で放出される輻射熱により、熱変換部１１０の温度が高くなる。

選択的実施形態として、熱変換部１１０は、黒体からもなり、輻射熱を伝導熱に変換させることができる。

熱変換部１１０によって輻射熱が伝導熱に変換されれば、熱変換部１１０の表面上に配置された触媒２００に熱が容易に伝達され、グラフェン合成のための温度まで効率的に触媒２００が加熱される。すなわち、チャンバ１００内部は、グラフェン合成に十分な温度が形成される。

触媒２００は、金属からなり、反射率が高いために、加熱部１３０で供給された輻射熱をほとんど反射させることができる。その場合には、触媒２００が容易に加熱されないので、グラフェン合成に必要な温度に達するまで多くの時間が必要となる。

それだけではなく、触媒２００が細長い電線形態に具備される場合には、薄型である場合と異なり、熱を受ける面積が減り、温度制御に困難を伴うという問題がある。

一方、本実施形態によるグラフェン合成方法は、前述のように、熱変換部１１０によって輻射熱が伝導熱に変換され、熱変換部１１０の表面上に配置された電線形態の触媒２００に熱が容易に伝達されるので、温度制御が容易いであるという有利な効果がある。

次に、図２及び図６を参考すれば、ガス供給部１４０を介して、炭素を含むガス、すなわち、反応ガスを供給するガス供給段階（Ｓ５０）を遂行することができる。

選択的実施形態として前記炭素を含むガスとしては、メタン（ＣＨ_４）ガスが供給される。

炭素を含む反応ガスは、チャンバ１００内部でエネルギーを供給受け、グラフェン合成に必要な状態に分解される。

選択的実施形態として反応ガスとしてメタン（ＣＨ_４）ガスが使用される場合には、チャンバ１００内部において、炭素（Ｃ）と水素Ｈとの解離が起きる。

反応ガスが、高温環境が造成されたチャンバ１００内部を通り過ぎるとき、熱変換部１１０外部に配置された触媒２００の表面と接触するが、この過程で分解された反応ガスが、表面活性化された触媒２００に吸収されながらグラフェン結晶が成長される。

すなわち、触媒２００の表面において、グラフェン結晶が成長されることにより、一定厚みを有するグラフェンコーティング膜が合成される。

選択的実施形態として、前述のように、数秒〜数分の短時間内に、急速にグラフェンを合成するに十分な温度に、チャンバ１００内部の温度が昇温され、急速熱化学気相蒸着法（rapid-thermal ＣＶＤ）により、触媒２００金属の表面にグラフェンコーティング膜が蒸着されて形成される。

本実施形態においては、加熱部１３０及び熱変換部１１０によって触媒２００を加熱した後、炭素を含むガスを供給する方法について説明したが、本発明はそれに限定されるものではない。

選択的実施形態として、高温のチャンバ１００内部において、触媒２００金属の表面にグラフェンが合成された後、冷却させることにより、グラフェンコーティング膜を安定化させることができる。

図７は、本発明の他の実施形態によるグラフェン合成方法を概略的に図示したフローチャートであり、図２及び図６と同一参照符号は、同一部材を示し、ここでは、説明の簡略化のために、それらの重複説明は、省略する。

図７を参照すれば、まず、チャンバを準備する段階（Ｓ１０）を遂行し、その後、雰囲気ガス及び／または非反応ガスを注入する洗浄段階（Ｓ２０）を遂行することができる。

すなわち、ガス供給部１４０を介して、雰囲気ガス、例えば、ヘリウム、アルゴンのような不活性ガス、及び／または金属板の表面をきれいに維持するための水素のような非反応ガスを注入することができる。

次に、加熱段階（Ｓ３０）、及び反応ガスを供給するガス供給段階（Ｓ５０）を順に遂行し、触媒２００金属表面にグラフェンを合成することができる。

図面に図示されていないが、本発明のさらに他の実施形態によるグラフェン合成方法は、チャンバを準備する段階（Ｓ１０）において、チャンバ１００内に、第１回転部４００及び第２回転部５００をさらに具備することができる。

選択的実施形態として、熱変換部１１０の一側には、第１回転部４００が配置され、熱変換部１１０の他側には、第２回転部５００が配置される。すなわち、熱変換部１１０を中心に、第１回転部４００と第２回転部５００は、反対側に位置することができる。

第１回転部４００及び第２回転部５００の構造及び材料は、限定されるものではなく、回転軸を中心にして回転するものであるならば、いかなるものでも可能である。第１回転部４００及び第２回転部５００は、時計回り方向または反時計回り方向に回転することができる。

選択的実施形態として、第１回転部４００には、グラフェン合成の前触媒２００が巻かれて配置される。また、第２回転部５００には、グラフェン合成後触媒２００’が巻かれて配置される。

前述のように、加熱部１３０、触媒２００が表面上に配置された熱変換部１１０、クォーツ１２０、第１回転部４００及び第２回転部５００を配置したチャンバ１００内で加熱段階（Ｓ３０）及びガス供給段階（Ｓ５０）を遂行する間、ローディング段階を遂行することができる。

該ローディング段階は、第１回転部４００及び熱変換部１１０を回転させ、第１回転部４００に巻かれている電線形態の触媒２００を熱変換部１１０に移動させる段階である。

すなわち、触媒２００金属を、第１回転部４００から熱変換部１１０に移動しつつ、触媒２００金属の表面にグラフェンを合成させることができる。

その場合には、持続的に新たな触媒２００を供給し、熱変換部１１０表面でグラフェンを合成するので、さらに多量のグラフェンを合成することができる有利な効果がある。

また、加熱段階（Ｓ３０）及びガス供給段階（Ｓ５０）を遂行する間、アンローディング段階を遂行することができる。

アンローディング段階は、第２回転部５００及び熱変換部１１０を回転させ、熱変換部から、グラフェンが合成された触媒２００’を、第２回転部５００に移動させる段階である。

従って、グラフェンが合成された触媒２００’は、熱変換部１１０から移動されるので、熱変換部１１０は、表面上に続けて新たな触媒２００を受け入れ、グラフェンを合成することができるので、さらに多量のグラフェンを効率的に合成することができる有利な効果がある。

以上では、本発明の望ましい実施形態について図示して説明したが、本発明は、前述の特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を外れることなく、当該発明が属する技術分野で当業者により、多様な変形実施が可能であるということは言うまでもなく、そのような変形実施は、本発明の技術的思想や展望から個別的に理解されるものであってはならない。

１００ チャンバ
１１０ 熱変換部
１１０ｈ ホール
１１０−１ 熱変換部
１２０ クォーツ
１３０ 加熱部
１４０ ガス供給部
１５０ ガス排出部
２００ 触媒
２００’ グラフェン合成後触媒
３００ 駆動部
４００ 第１回転部
５００ 第２回転部
１０００、２０００、３０００ グラフェン合成装置
Ｈ ホール

Claims (18)

1. チャンバと、
   前記チャンバ内に具備される加熱部と、
   前記加熱部より前記チャンバの中央部に近く具備される熱変換部と、
   前記熱変換部に配置される触媒と、を含み、
   前記触媒は、細長形の金属からなるグラフェン合成装置。
2. 前記チャンバ内に具備されるクォーツをさらに含み、
   前記クォーツは、前記加熱部と前記熱変換部との間に配置されることを特徴とする請求項１に記載のグラフェン合成装置。
3. 前記クォーツは、地面に垂直方向、または地面に水平方向に配置されることを特徴とする請求項２に記載のグラフェン合成装置。
4. 前記触媒は、電線形態によってなり、
   前記触媒は、前記熱変換部の表面上に巻かれて配置されることを特徴とする請求項１に記載のグラフェン合成装置。
5. 前記熱変換部は、前記加熱部の輻射熱を伝導熱に変換し、
   前記伝導熱が、前記熱変換部の表面に配置される前記触媒に直接伝達されることを特徴とする請求項１に記載のグラフェン合成装置。
6. 前記熱変換部は、黒鉛を含むグラフェンであることを特徴とする請求項１に記載の合成装置。
7. 前記熱変換部は、円柱形態または四角柱形態であることを特徴とする請求項１に記載のグラフェン合成装置。
8. 前記熱変換部は、
   第１面と、
   前記第１面の反対面である第２面と、
   前記第１面から前記第２面まで貫通するホールと、を含むことを特徴とする請求項１に記載のグラフェン合成装置。
9. 前記ホール内部には、駆動部が具備され、
   前記駆動部により、前記熱変換部は、時計回り方向または反時計回り方向に回転することを特徴とする請求項８に記載のグラフェン合成装置。
10. 前記熱変換部の一側に具備される第１回転部と、
    前記熱変換部の他側に具備される第２回転部と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のグラフェン合成装置。
11. 前記第１回転部の表面には、電線形態の前記触媒が巻かれて配置され、
    前記第２回転部の表面には、グラフェンが合成された電線形態の触媒が巻かれて配置されることを特徴とする請求項１０に記載のグラフェン合成装置。
12. 熱変換部、及び前記熱変換部よりエッジ部に配置される加熱部を内部に含むチャンバを準備する段階と、
    前記加熱部が輻射熱を供給する加熱段階と、
    前記チャンバ内部に反応ガスを供給するガス供給段階と、を含み、
    前記熱変換部の表面には、細長形の金属からなる触媒が形成されたグラフェン合成方法。
13. 前記加熱段階が遂行された後、
    前記熱変換部は、前記加熱部から供給された輻射熱を伝導熱に変換し、前記触媒の温度を上昇させることを特徴とする請求項１２に記載のグラフェン合成方法。
14. 前記加熱段階を遂行する前、雰囲気ガスまたは非反応ガスを注入する洗浄段階を含むことを特徴とする請求項１２に記載のグラフェン合成方法。
15. 前記チャンバ内部には、前記加熱部と前記熱変換部との間に配置されるクォーツをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載のグラフェン合成方法。
16. 前記チャンバ内部には、前記熱変換部の一側に具備される第１回転部と、前記熱変換部の他側に具備される第２回転部と、をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載のグラフェン合成方法。
17. 前記加熱段階及び前記ガス供給段階が遂行される間、
    前記第１回転部から前記熱変換部に、前記触媒が提供されるローディング段階が含まれることを特徴とする請求項１６に記載のグラフェン合成方法。
18. 前記加熱段階及び前記ガス供給段階が遂行される間、
    前記熱変換部の表面でグラフェンが合成された前記触媒は、前記第２回転部に移動されるアンローディング段階が含まれることを特徴とする請求項１６に記載のグラフェン合成方法。