JP5629784B2 - グラフェンファイバーの製造方法、グラフェンファイバー、グラフェン電線、及び同軸ケーブル - Google Patents

Description

本願は、グラフェンファイバーの製造方法、これによって製造されたグラフェンファイバー及びこれの用途に関し、線状パターンのグラフェンを利用して形成された前記グラフェンファイバーは、電線及び同軸ケーブルなどの多様な分野に適用可能である。

炭素原子で構成された低次元ナノ物質としては、フラーレン（ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ）、炭素ナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ）、グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）、黒煙（Ｇｒａｐｈｉｔｅ）などが存在する。即ち、炭素原子が６角形状の配列をなしながら球状になれば０次元構造であるフラーレン、１次元的に乾かせば炭素ナノチューブ、２次元的に原子一層からなればグラフェン、３次元的に積もれば黒煙と区分することができる。この中で、グラフェンは、構造的／化学的に非常に安定しているだけでなく、優れた伝導体として、原子一層の厚さを有しながら相対的に表面欠陷が少ない構造的特性により、卓越した伝導性を示す。例えば、グラフェンは、シリコーンより１００倍速く電子を移動させ、理論的には、銅より約１００倍ほど多い電流を流すことができる。

このようなグラフェンの優れた電気的性質は、金属電線を代替することができる物質として注目されている。従来には、銅電線を主に使用していたが、最近、中国をはじめとする開発途上国の飛躍的な経済発展と全世界的な情報通信インフラの構築により銅の使用量が急増して銅原資材の価格が上昇しただけでなく、使用量の増加により全世界の銅の埋蔵量は、今後25年乃至60年以内に枯渇すると予測される。従って、グラフェンのように金属電線を代替することができる物質に対する研究が最近集中的に行われている。

それで、本願は、化学気相蒸着法によって線状グラフェンを形成し、これを利用してグラフェンファイバーを製造する方法を提供する。また、前記言及した方法によって形成されるグラフェンファイバーを含み、電気的性質に優れたグラフェン電線または同軸ケーブルを提供する。

しかし、本願が解決しようとする課題は、以上で記述した課題に限らず、記述されなかったまた他の課題は、以下の記載から当業者に明確に理解されることができるであろう。

前記のような目的を達成するために、本願の一側面は、基板上に複数の線状パターンを含む金属層を形成し、前記線状パターンの金属層上に炭素ソースを含む反応ガス及び熱を提供して反応させることで線状パターンのグラフェンを形成し、前記基板をエッチング溶液内に含浸させて前記線状パターンの金属層を選択的に除去することで、前記基板から前記線状パターンのグラフェンを分離して前記エッチング溶液中に複数の線状グラフェンを分散させ、及び前記分散した複数の線状グラフェンを前記エッチング溶液の外部に引き出してグラフェンファイバー（ｇｒａｐｈｅｎｅ ｆｉｂｅｒ）を形成することを含む、グラフェンファイバーの製造方法を提供する。

本願の他の側面は、前記言及した方法によって製造された複数の線状グラフェンが連結されて形成されたグラフェンファイバーを提供する。

本願のまた他の側面は、本願による前記グラフェンファイバー、及び前記グラフェンファイバーを囲む絶縁体を含むグラフェン電線を提供する。

本願のまた他の側面は、グラフェンを含むコア（ｃｏｒｅ）伝導体、前記コア伝導体を囲む絶縁体、前記絶縁体を囲む外部伝導体、及び前記外部伝導体を囲む外被部を含む同軸ケーブルを提供する。

本願は、化学気相蒸着法によって線状グラフェンを形成し、これを利用してグラフェンファイバーを製造することで、良質のグラフェンファイバーを低費用で製造することができる。また、本願の方法によって製造されたグラフェンファイバーは、金属電線より非常に柔軟でかつ軽いだけでなく、電気伝導度及び熱伝導度が優れているので、前記グラフェンファイバーを利用した電線及び同軸ケーブルは、熱発生による損失を最小化して電力輸送効率及び用量を極大化することができるだけでなく、高周波においても優れた信号伝達効率を示す。

本願の一具現例による線状グラフェンを製造する過程を概略的に示すフローチャートである。 本願の一具現例による連続的なグラフェンファイバー製造装置を示す概路図である。 本願の一実施例によって製造されたグラフェンファイバーを利用して織造された纎維を示す写真である。 本願の一実施例によるグラフェンファイバーの電子顕微鏡写真である。 本願の一実施例による線状グラフェンの線幅によるグラフェンファイバーの直径を示すグラフである。 本願の一具現例による多様な形態のグラフェンファイバー及びグラフェン電線を示す概路図である。 本願の一実施例によるグラフェンファイバーの機械的強度を示すグラフである。 本願の一実施例による銅電線及び銅／グラフェン電線の電気伝導度特性を比較した結果を示すグラフである。 本願の一具現例によるグラフェンのロールツーロールコーティング装置の概念図である。

以下、添付した図面を参照して、本願が属する技術分野で通常の知識を持った者が容易に実施することができるように本願の実施形態（具体例及び実施例）を詳しく説明する。

しかし、本願は、様々な異なる形態で具現されることができ、ここで説明する具体例及び実施例に限らない。そして、図面で本発明を明確に説明するために、説明と関係ない部分は省略し、明細書全体を通じて類似した部分に対しては、類似した図面符号を付けた。

本願の明細書全体において、ある部分がある構成要素を『含む』とすると、これは、特に反対する記載がない限り、他の構成要素を除外するのではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。

本明細書において使用される程度の用語「約」、「実質的に」などは、言及された意味に固有の製造及び物質許容誤差が提示される時、その数値でまたはその数値に近接した意味として使用され、本願の理解を助けるために、正確であるか絶対的な数値が言及された開示内容を非良心的な侵害者が不当に利用することを防止するために使用される。本願の明細書全体において使用される程度の用語『〜（する）ステップ』または『〜のステップ』は、『〜のためのステップ』を意味していない。

本願の明細書全体において、『帯』とは、幅が細く長さが長い形状でなった物体を意味する。

本願の一側面によるグラフェンファイバーの製造方法は、基板上に複数の線状パターンを含む金属層を形成し、前記線状パターンの金属層上に炭素ソースを含む反応ガス及び熱を提供して反応させることで線状パターンのグラフェンを形成し、前記基板をエッチング溶液内に含浸させて前記線状パターンの金属層を選択的に除去することで、前記基板から前記線状グラフェンを分離して前記エッチング溶液中に複数の線状グラフェンを分散させ、前記分散した複数の線状グラフェンを前記エッチング溶液の外部に引き出してグラフェンファイバー（ｇｒａｐｈｅｎｅ ｆｉｂｅｒ）を形成することを含む。

一具現例において、前記エッチング溶液は、水、エッチャント及び有機溶媒を含むことができるが、これに限らない。例示的具現例において、前記エッチャントは、過硫酸アンモニウム［（ＮＨ_４）_２Ｓ_２Ｏ_８］、ＢＯＥ、Ｆｅ（ＮＯ_３）_３、塩化鉄（Ｉｒｏｎ（ＩＩＩ）Ｃｈｌｏｒｉｄｅ、ＦｅＣｌ_３）、ＣｕＣｌ_２、及び酸（ａｃｉｄ）から成る群から選択される少なくともと一つの化合物を含むことができるが、これに限らない。他の具現例において、前記酸は、有機酸または無機酸を含むことができ、例えば、ＨＦのようなフッ素−含有酸を含むことができるが、これに限らない。例示的具現例において、前記有機溶媒は、親水性基を有するもので、前記親水性基によって前記水と混合されることができるものを含むことができるが 、これに限らない。例示的具現例において、前記有機溶媒は、前記エッチング溶液の全体溶媒１００体積％に対して２０体積％以上であることができる。

また他の具現例において、前記グラフェンファイバーは、前記エッチング溶液中に分散した複数の線状グラフェンを前記エッチング溶液の外部に引き出すと同時に、回転させて捩って形成されることができるが、これに限らない。

また他の具現例において、本願のグラフェンファイバーの製造方法は、前記線状パターンの金属層上に前記線状パターンのグラフェンを形成した後、これを冷却させる工程をさらに含むことができるが、これに限らない。

また他の具現例において、前記線状パターンの金属層上に形成された線状グラフェンの厚さは、前記反応時間、前記金属層の厚さ、前記冷却の速度からなる群から選択される少なくとも一つの条件を調節して制御されることができる。

また他の具現例において、前記金属層は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｕ、Ｖ、Ｚｒ、黄銅（ｂｒａｓｓ）、青銅（ｂｒｏｎｚｅ）、白銅、ステンレススチール（ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ）及びＧｅからなる群から選択される少なくとも一つの金属または合金を含むことができるが、これに限らない。

また他の具現例において、前記線状パターンの金属層の線幅は、約１ｎｍ乃至約１００ｍｍであることができるが、これに限らない。

また、他の具現例において、前記グラフェンファイバーの直径は、前記線状パターンの金属層の線幅に応じて調節されることができるが、これに限らない。

本願の他の側面によるグラフェンファイバーは、前記言及した本願の製造方法によって形成された複数の線状グラフェンが連結されて形成されたものを含む。

一具現例において、前記グラフェンファイバーは、絶縁性物質を含むコア上に巻かれているものであることができるが、これに限らない。前記コアを形成する絶縁性物質は、当業界で通常的に使用することができるものであれば特に制限されることなく使用可能であり、例えば、絶縁性ポリマーを使用することができるが、これに限らない。前記絶縁性物質を含むコアは、グラフェンファイバー形成のための一種の支持体の役割をすることができ、前記グラフェンファイバーが前記絶縁性物質を含むコア上に巻かれている形態は、前記グラフェンファイバーのみで形成された場合より機械的強度などの特性が向上されることができる。

本願のまた他の側面によるグラフェン電線は、本願による前記グラフェンファイバー及び前記グラフェンファイバーを囲む絶縁体を含む。

一具現例において、前記絶縁体は、エナメル、フォトレジスト樹脂、ＰＭＭＡ［Ｐｏｌｙ（ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）］、ＰＥＴ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ＰＶＡ（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ）、ＰＩ（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）、及びＰＶＤＦ（Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ）からなる群から選択される少なくとも一つのものを含むことができるが、これに限らない。

他の具現例において、前記グラフェンファイバーは、絶縁性物質を含むコア上に巻かれているものであることができるが、これに限らない。前記グラフェンファイバー及び前記グラフェン電線は、前記言及したグラフェンファイバーの製造方法に記述された内容を全て含むことができ、便宜上重複記載を省略する。

本願のまた他の側面による同軸ケーブルは、グラフェンを含むコア（ｃｏｒｅ）伝導体、前記コア伝導体を囲む絶縁体、前記絶縁体を囲む外部伝導体、及び前記外部伝導体を囲む外被部を含む。

一具現例において、前記グラフェンは、前記言及した本願のグラフェンファイバー製造方法によって製造されたグラフェンファイバーであることができるが、これに限らない。

他の具現例において、前記コア伝導体は、金属部材の表面に前記グラフェンが形成されたものであることができるが、これに限らない。例示的具現例において、前記金属部材は、金属管または金属ワイヤを含むことができるが、これに限らない。

また他の具現例において、前記金属部材上に前記グラフェンを形成することは、化学気相蒸着法によって行うことができるが 、これに限らない。

また他の具現例において、前記金属部材を形成する金属は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｕ、Ｖ、Ｚｒ、黄銅（ｂｒａｓｓ）、青銅（ｂｒｏｎｚｅ）、白銅、ステンレススチール（ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ）及びＧｅからなる群から選択される少なくとも一つの金属または合金を含むことができるが、これに限らない。

また他の具現例において、前記金属部材上の前記グラフェンは、ロールツーロール工程によって形成されることができるが、これに限らない。例示的具現例において、前記ロールツーロール工程は、ロールツーロール方式によって第１ローラーから帯状（ｂａｎｄ）または線状（ｌｉｎｅ）の前記部材を前処理部に供給して表面処理するステップ、前記前処理部を通過した前記帯状（ｂａｎｄ）または線状（ｌｉｎｅ）の金属部材を合成部に移動させて前記金属部材上にグラフェンを合成と同時にコーティングするステップ、及び前記合成部を通過した前記帯状（ｂａｎｄ）または線状（ｌｉｎｅ）の金属部材をロールツーロール方式によって第２ローラーに巻いて回収するステップを含むことができるが、これに限らない。

前記同軸ケーブルは、前記言及したグラフェンファイバーの製造方法に記述された内容を全て含むことができ、便宜上重複記載を省略する。

以下、図面を参照して本願のグラフェンファイバーの製造方法、これによって形成されるグラフェンファイバー及びこれを含む同軸ケーブルに対して具体的に説明する。しかし、本願はこれに限らない。

図１は、金属層（１２０）上に化学気相蒸着法によって線状パターンのグラフェン（１４０）が形成される過程を示す図面である。

先ず、基板（１００）上に金属層を形成する。ここで、前記基板（１００）は、ガラス、プラスチック、またはシリコーン基板であることができるが、これに限らず、化学気相蒸着法によって金属層またはグラフェンがコーティングされることができる基板であれば、いずれでも構わない。必要な場合、前記金属層（１２０）のコーティングを容易にするために、前記基板の表面に絶縁層（１１０）をさらに含むことができる。前記絶縁層（１１０）は、通常の絶縁物質をコーティングして形成することができ、例えば、前記基板（１００）がシリコーン基板である場合は、前記絶縁層（１１０）は、酸化シリコーン（ＳｉＯ_２）層であることができる。

前記基板（１００）または前記絶縁層（１１０）上に前記金属層（１２０）を形成する方法は、当業界で金属層を形成する方法として通常的に使用されるものであれば、特に制限なく使用可能であり、例えば、熱蒸着装置（ｔｈｅｒｍａｌ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）、電子ビーム蒸着装置（ｅ−ｂｅａｍ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）、スパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）または電気メッキ（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｐｌａｔｉｎｇ）方法などを利用して、前記金属層（１２０）を形成することができる。前記金属層（１２０）は、シリコーン、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｕ、Ｖ、Ｚｒ、黄銅（ｂｒａｓｓ）、青銅（ｂｒｏｎｚｅ）、白銅（ｗｈｉｔｅｂｒａｓｓ）、ステンレススチール（ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ）及びＧｅからなる群から選択される少なくとも一つの金属または合金を含むことができるが、これに限らない。

次いで、前記金属層上に線状パターンのグラフェンを形成する。前記金属層上に線状パターンのグラフェンを形成する方法は、前記金属層を線状にパターニングし、前記線状パターンの金属層上に前記グラフェンを成長させる方法によるか、前記金属層上に前記グラフェンを成長させ、前記グラフェンを線状にパターニングする方法によって形成されることができる。

下記では、図１のように、前記金属層を線状にパターニングし、前記線状パターンの金属層上に前記グラフェンを成長させる方法に対して記述するが、これに限らず、金属層上に前記グラフェンを先に成長させた後、前記成長したグラフェンをパターニングして前記言及した線状のグラフェンを形成することができる。

前記金属層を線状にパターニングする方法は、当該技術分野に公知された多様な方法が利用されることができ、例えば、典型的なフォトリソグラフィ（ｐｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）あるいは電子−ビームリソグラフィ（ｅ−ｂｅａｍ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）を利用することができる。前記線状パターンの金属層を形成する非制限的な具体例として、前記金属層（１２０）上にパターニングされたフォトレジスト層（１３０）を形成した後、フォトレジスト工程を通じて前記金属層をパターニングした後、エッチングによって前記パターニングされたフォトレジスト層を除去する工程によって前記金属層（１２０）を複数の線状パターン形態に形成することができる。前記パターニング工程以後、複数の線状パターンを有する金属層（１２０）を反応器に入れて、加熱しながら水素ガスを流し、前記パターニングされた金属層上の酸化層及び不純物を除去する工程を追加で行うことができる。

次いで、前記複数の線状パターンを有する金属層（１２０）上にグラフェン（１４０）を成長させる。基材上にグラフェンを形成する方法は、当業界でグラフェンの成長のために使用される方法であれば制限なく使用可能であり、例えば、高温化学気相蒸着（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＲＴＣＶＤ）、誘導結合プラズマ化学気相蒸着（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ−Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＩＣＰ−ＣＶＤ）、低圧化学気相蒸着（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＬＰＣＶＤ）、常圧化学気相蒸着（Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＡＰＣＶＤ）、金属有機化学気相蒸着（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＭＯＣＶＤ）、または、プラズマ化学気相蒸着（Ｐｌａｓｍａ−ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＰＥＣＶＤ）を含むことができるが、これに限らない。

前記グラフェンを成長させる工程は、常圧、低圧または真空下で行うことができる。例えば、常圧条件下において前記工程を行う場合、ヘリウム（Ｈｅ）などをキャリアガスとして使用することで、高温で重いアルゴン（Ａｒ）との衝突によって生じるグラフェンの損傷（ｄａｍａｇｅ）を最小化することができる。また、常圧条件下において前記工程を行う場合、低費用で簡単な工程によって大面的のグラフェンを製造することができるという利点がある。また、前記工程が低圧または真空条件で行われる場合、水素（Ｈ_２）を雰囲気ガスとして使用し、温度を上げながら処理すると、金属触媒の酸化した表面を還元させることで、高品質のグラフェンを合成することができる。

前記のグラフェンの成長工程は、成長したグラフェンを冷却させる工程を含む。但し、前記冷却工程は、別途の冷却装置を使用して前記グラフェンを冷却させる場合だけでなく、前記グラフェンを常温で冷却させる場合も含む。このような冷却工程を通じて、前記線状の金属層（１２０）に吸収された充分な量の炭素が前記線状の金属層(１２０)から分離され、表面に出て結晶化し、その量に応じて多様な厚さの線状パターンのグラフェン（１４０）を形成することができる。前記線状パターンのグラフェン（１４０）の厚さは、反応時間、金属層の厚さ、または冷却速度を変えて調節することができる。

次いで、前記基板をエッチング溶液内に含浸させ、前記金属層（１２０）を選択的に除去することで、前記複数の線状グラフェン（１４０）を前記基板から分離して前記エッチング溶液中に分散させることができる。前記エッチング溶液は、前記金属層を選択的に除去するか、前記グラフェンから前記金属層を分離させることができる溶液であって、当業界で通常的に使用されるものであれば、特に制限なく使用可能である。前記エッチング溶液の非制限的な例として、前記エッチング溶液は、多様な酸、過硫酸アンモニウム［（ＮＨ_４）_２Ｓ_２Ｏ_８］、ＢＯＥ、Ｆｅ（ＮＯ_３）_３、塩化鉄（Ｉｒｏｎ（ＩＩＩ）Ｃｈｌｏｒｉｄｅ、ＦｅＣｌ_３）、及びＣｕＣｌ_２ からなる群から選択される少なくとも一つの化合物を含む水溶液と有機溶媒とを含むことができる。

前記エッチング溶液は、前記エッチング溶液の疎水性の程度を調節するために、前記エッチング溶液中の有機溶媒の量を調節することができる。前記エッチング溶液として普通の水のみを溶媒で使用した場合は、グラフェンの疎水性（ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙ）のため、前記グラフェンが溶液表面に浮び、ファイバー構造のグラフェンよりはフィルム構造のグラフェンが優勢に形成される。しかし、前記エッチング溶液にアルコール、アセトンなどのように水と混合されることができる有機溶媒を添加することで、前記エッチング溶液の疎水性（ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙ）を増加させることができ、これにより、前記形成されたグラフェンが溶液表面に浮遊することなく、溶液中にファイバー状で分散することができる。例えば、前記有機溶媒が前記エッチング溶液内で２０％以上になる場合、複数の線状グラフェンは表面に浮ばず、前記エッチング溶液中に分散した形態を示すことができる。一具現例において、前記エッチング溶液として０.５ＭＦｅＣｌ_３水溶液及びエチルアルコールが１:１で混合されたエッチング溶液を使用することができるが、これに限らない。

前記エッチングによって前記線状金属層(１２０)から分離され、前記エッチング溶液中に分散させた複数の線状グラフェン(１４０)は、前記エッチング溶液の界面上で自己組立現象によってファイバー状に組立てられる。より具体的に、前記エッチング溶液中に分散している前記複数の線状グラフェン(１４０)の一部領域を前記エッチング溶液の外部に引き出すと、前記複数の線状グラフェンは、前記溶液の表面張力及び前記グラフェンの疎水性によって細い糸状に変わり、このような方法によってグラフェンファイバーを収得することができる。前記グラフェンファイバーの形成過程は、図２のように、装置を使用して連続的に行うことができ、前記グラフェンファイバーの直径は、パターニングされた線状グラフェンの線幅に応じて変化させることができる。図２を参照すると、前記グラフェンファイバーの放射は、前記分散した複数の線状グラフェンを前記エッチング溶液の外部に引き出すと同時に、回転させて捩ることであってもよく、このような過程にモータを使用することができる。図３は、本願の一実施例によって製造されたグラフェンファイバーを使用して織造された纎維を表す織物を示す。

図４及び図５は、本願の一実施例により、多様な方法によって形成されたグラフェンファイバーの断面の電子顕微鏡写真(図４)及び線状グラフェンの線幅によるファイバーの直径を示すグラフ（図５）である。より具体的に、図４の上段にある写真は、前記複数の線状グラフェンを回転させて捩る過程なしに、前記エッチング溶液の外部に引いて製造したファイバー(線状グラフェンの線幅は、それぞれ３ｍｍ、５ｍｍ)であり、下段にある写真は、図２のように、モータを利用して前記複数の線状グラフェンを回転させて捩ると同時に、前記エッチング溶液の外部に引き出して製造したグラフェンファイバー(線状グラフェンの線幅は、それぞれ３ｍｍ、５ｍｍ)に対するものである。図５を参照すると、図４のように、前記線状グラフェンを回転させて捩ると同時に、前記エッチング溶液の外部に引き出して製造したグラフェンファイバー(図４の下側図面)の直径が前記捩る過程なしに形成されたグラフェンファイバー(図４の上側図面)の直径より大きくなることが分かった。

前記グラフェンファイバーは、それ自体として電線で使用されることができるが、実際、電気素子などに使用される場合には、前記グラフェンファイバー以外にも、前記グラフェンファイバー上に絶縁体を形成して使用されることができる。この場合、前記絶縁体は、エナメル、フォトレジスト樹脂、ポリオレフィン、フェノール樹脂、ＰＭＭＡ、ＰＥＴ、ＰＶＡ、及びＰＩからなる群から選択される少なくとも一つのものを含むことができるが、これに限らない。

図６は、前記言及した方法によって形成されるグラフェンファイバー及びグラフェン電線の多様な形態を示す。図６のように、前記グラフェンファイバーは、グラフェンファイバーのみで存在するか(図６（ａ）)、絶縁性物質を含むコア上に巻かれている形態(図６（ｂ）)であることができる。また、比較例の形態ではあるが、グラフェン電線として、図６（ｃ）に示すように、グラフェンファイバー及び前記グラフェンファイバーを囲む絶縁体のみで存在することが想定されるものの、図６（ｄ）のように、前記グラフェンファイバーが絶縁性物質を含むコアを囲む形態であることが好ましい。

前記グラフェンファイバー乃至前記絶縁体を含むグラフェン電線は、既存の金属電線に比べて単位重さ当たり最高３倍以上改善された伝導度を示すだけでなく、金属電線に比べて非常に柔軟で軽いので、軽量電線を要する移動式動力装置などの多様な分野に適用が可能である。例えば、図７は、本願の一実施例によって製造されたグラフェン電線の機械的強度を示すグラフであり、図７を参照すると、アルミニウム電線の強度が７０ＧＰａであることに対し、グラフェン電線は５１ＧＰａを示した。また、銅を主に使用する金属電線の場合、『表面効果（ｓｋｉｎ ｅｆｆｅｃｔ）』という現象のため、高周波であるほど抵抗（抵抗率）が増加し、信号伝達効率が低下することに対し、前記グラフェンファイバー及び前記グラフェン電線は、これと違って、高周波でも信号伝達効率が落ちない。さらに、このようなグラフェンの優れた電気伝導性は、優秀な熱伝導性まで誘発させ、卓越な熱放出の特性を有し、これによって、熱発生による電力損失を最小化して、電力輸送効率及び用量を極大化することができる。

下記の表１は、グラフェン電線の抵抗率、電気伝導度、密度、および電気伝導度／密度につき、他の物質（銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、及び炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）ファイバー）から構成されてなる電線と比較分析した表である。

より具体的に、表１を参照すると、密度を考慮する場合、銀（Ａｇ）や銅（Ｃｕ）の電線より、グラフェン電線が優れた電気伝導度を示すことを確認することができる。例えば、グラフェンファイバーの電気的／機械的特性を分析した結果、機械的強度は、アルミニウム（Ａｌ）と類似しており、電気伝導度(導電率)は、密度を考慮する場合、銀（Ａｇ）よりも優れていることが測定された(図７及び表1参照)。このような特性は、今後の合成過程の最適化を通じてさらに改善されることができ、例えば、伝導性高分子、有機および無機化合物との複合体形成を通じて機械／電気的性質を改善するか、化学的ドーピングを通じて伝導度を向上させることができる。例えば、図８は、銅（Ｃｕ）のみから形成された銅電線と、銅−グラフェン複合電線の電気伝導度とを比較した結果である。図８のように、銅−グラフェン複合電線を製造した場合、銅（Ｃｕ）のみから形成された銅電線に比べて、約３倍の伝導度効果が改善されたことが分かった。

本願の同軸ケーブルは、グラフェンを含むコア（ｃｏｒｅ）伝導体、前記コア伝導体を囲む絶縁体、前記絶縁体を囲む外部伝導体、及び前記外部伝導体を囲む外被部を含む。ここで、前記グラフェンは、前述した方法によって製造されたグラフェンファイバーのみで形成されることができるが、これに限らない。

前記コア伝導体は、グラフェンのみで形成されるか、前記グラフェン上に絶縁体が形成されている形態であることができるが、これに限らず、例えば、前記コア伝導体は、金属部材の表面上に直接グラフェンを形成することで製造することができる。このように、金属部材の表面にグラフェンを直接的に形成して同軸ケーブルを製造した場合、前記グラフェンが前記金属部材に対する酸化防止膜の役割も同時にすることができ、前記同軸ケーブルのインタコネクト接触特性及び寿命を大きく向上させることができ、エッチング及び加工のような別途の工程が必要ない。前記金属部材の形態は、当業界で通常的に同軸ケーブルのコアを形成することができる形態であれば、特に制限なく使用可能であり、その形態は、金属管または金属ワイヤであることができるが、これに限らない。

前記金属部材上に前記グラフェンを形成する方法として、化学気相蒸着法を使用することができる。前記化学気相蒸着法を利用してグラフェンを形成する非制限的な具体例として、金属ワイヤを触媒基板としてキャリアガスと共に炭素ソース及び熱を提供して反応させた後、前記金属ワイヤを冷却してこれの表面上にグラフェンを形成することができる。ここで、前記金属ワイヤは、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｕ、Ｖ、Ｚｒ、黄銅（ｂｒａｓｓ）、青銅（ｂｒｏｎｚｅ）、白銅、ステンレススチール（ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ）及びＧｅからなる群から選択される少なくとも一つの金属または合金を含むことができるが、これに限らない。このように、グラフェン−金属の複合体をコア伝導体として含む同軸ケーブルは、単純にグラフェンのみでコア伝導体を形成する場合に比べて、電気伝導度が向上されることができ、これは、前記言及した図８のグラフを通じて確認することができる。

図９は、金属部材上にグラフェンを直接形成するためのグラフェンロールツーロールコーティング装置の概念図である。前記のようなコーティング装置を使用すると、常圧または低圧基板の化学気相蒸着を連続的に行い、金属部材の表面に良質のグラフェンを大量及び低費用でコーティングすることができる。前記グラフェンロールツーロールコーティング装置を使用して金属部材上にグラフェンを形成する場合、前記金属部材は、帯状（ｂａｎｄ）または線状（ｌｉｎｅ）のものを使用することができるが、これに限らない。

前記ロールツーロールコーティング装置は、金属線または金属帯をロールツーロール方式で供給するための第１ローラー（２５０）、前記第１ローラーを通じて供給された金属部材の表面処理のための前処理部（４００）、前記前処理された金属部材の表面にグラフェンを合成と同時にコーティングするためのグラフェン合成部、及び前記グラフェン合成部を通過したグラフェンがコーティングされた金属部材をロールツーロール方式で回収するための第２ローラー（３００）を含むことができる。また、前記ロールツーロールコーティング装置は、金属線が巻かれているローラーの駆動方向と関係なくガスを安定して供給することができるガス導入部を具備するローラーを含むことができる。

前記グラフェンの合成とコーティングとは、グラフェン合成部内のガスノズルを通じて炭素ソースを含む反応ガスが注入され、前記グラフェン合成部で前記金属線または前記金属帯の表面に化学気相蒸着法によってグラフェンが合成されてコーティングされることができる。必要な場合、前記金属部材が高温で変形が激しいという問題点を補完するために、前記ロールツーロール装置を垂直または水平に配置して、反り現象及び熱の勾配を安定して維持することができる。

このような方法によって製造されたコア伝導体を含む同軸ケーブルは、前記言及したグラフェン電線と同一の電気的特性を有する。即ち、前記同軸ケーブルは、耐化学／耐腐食の特性が卓越であり、電気抵抗が改善され、高周波信号の伝達特性が優れているだけでなく、発熱(放熱)特性が向上されることができる。

以下、実施例を利用して本願に対して具体的に説明するが、本願はこれに限らない。

［実施例１］
１．ニッケル（Ｎｉ）薄膜上に大面的グラフェンの成長
シリコーン基板上にＳｉＯ_２絶縁層を形成し、前記絶縁層上にニッケル薄膜を蒸着した。フォトレジストを利用したリソグラフィ工程を通じて前記ニッケル薄膜を複数の線状パターンに形成し、線状パターンの線幅が１、２、３、４、５ｍｍである場合をそれぞれ製造した。次に、前記ニッケル薄膜が形成された基板を反応チャンバ内に導入し、１８０ｍＴｏｒｒで１０ｓｃｃｍＨ_２を流しながら前記基板を１，０００℃に加熱した。前記基板の温度が１，０００℃に到逹した後、前記水素の流れ及び圧力を維持しながら３０分間アニーリングした。次に、炭素ソースを含むガス混合物（ＣＨ_４:Ｈ_２＝３０:１０ｓｃｃｍ）を１．６Ｔｏｒｒで１５分間供給し、グラフェンを前記線状パターンのニッケル薄膜上に成長させた後、１８０ｍＴｏｒｒ圧力下でＨ_２を流しながら短時間に〜１０℃／ｓの速度で室温に冷却することで、前記線状パターンのニッケル薄膜上に成長した線状パターンのグラフェンを収得した。

２．グラフェンファイバーの製造
上記の工程によって製造された線状パターンのグラフェンが形成された基板を０．５ＭＦｅＣｌ_３水溶液及びエチルアルコールが１:１の体積で混合されたエッチング溶液内に含浸させ、前記ニッケル薄膜を選択的に除去することで、複数の線状グラフェンを前記エッチング溶液中に分散させた。以後、ピンセットを使用して線状グラフェンの一部領域を取り、これを前記エッチング溶液の外部に引き出すことでグラフェンファイバーを製造した(図１又は図２参照)。

図４を参照すると、本実施例によって製造されたグラフェンファイバーの電子顕微鏡写真を確認することができる。

以上、実施例を挙げて本願を詳しく説明したが、本願は、前記実施例に限らず、様々な多様な形態で変形されることができ、本願の技術的思想内で当分野で通常の知識を持った者によって様々な多くの変形が可能であることが明らかである。

Claims (17)

1. 基板上に複数の線状パターンを含む金属層を形成し、
   前記線状パターンの金属層上に炭素ソースを含む反応ガス及び熱を提供して反応させることで線状パターンのグラフェンを形成し、
   前記基板をエッチング溶液内に含浸させて前記線状パターンの金属層を選択的に除去することで、前記基板から前記線状パターンのグラフェンを分離して前記エッチング溶液中に複数の線状グラフェンを分散させ、及び
   前記分散した複数の線状グラフェンを前記エッチング溶液の外部に引き出してグラフェンファイバー（ｇｒａｐｈｅｎｅ ｆｉｂｅｒ）を形成することを含む，グラフェンファイバーの製造方法。
2. 前記エッチング溶液は、水、エッチャント及び有機溶媒を含むものである、請求項１に記載のグラフェンファイバーの製造方法。
3. 前記エッチャントは、過硫酸アンモニウム［（ＮＨ_４）_２Ｓ_２Ｏ_８］、酸（ａｃｉｄ）、ＢＯＥ、Ｆｅ（ＮＯ_３）_３、塩化鉄（ＦｅＣｌ_３）、及びＣｕＣｌ_２ からなる群から選択される少なくとも一つの化合物を含むものである、請求項２に記載のグラフェンファイバーの製造方法。
4. 前記有機溶媒は、親水性基を有することで前記水と混合されることができることを特徴とする請求項２に記載のグラフェンファイバーの製造方法。
5. 前記グラフェンファイバーは、前記エッチング溶液中に分散した複数の線状グラフェンを前記エッチング溶液の外部に引き出すと同時に、回転させて捩って形成されるものである、請求項１に記載のグラフェンファイバーの製造方法。
6. 前記金属層は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｕ、Ｖ、Ｚｒ、黄銅（ｂｒａｓｓ）、青銅（ｂｒｏｎｚｅ）、白銅、ステンレススチール（ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ）及びＧｅからなる群から選択される少なくとも一つの金属または合金を含むものである、請求項１に記載のグラフェンファイバーの製造方法。
7. 前記線状パターンの金属層の線幅は、１ｎｍ乃至１００ｍｍである、請求項１に記載のグラフェンファイバーの製造方法。
8. 前記グラフェンファイバーの直径は、前記線状パターンの金属層の線幅に応じて調節されるものである、請求項１に記載のグラフェンファイバーの製造方法。
9. 複数の線状グラフェンが連結されて形成されたグラフェンファイバーであって、絶縁性物質を含むコア上に巻かれているものである、請求項１〜請求項８のいずれか一項によって製造されるものである、グラフェンファイバー。
10. 請求項９に記載のグラフェンファイバー、及び
    当該グラフェンファイバーを囲む絶縁体を含む、グラフェン電線。
11. 前記絶縁体は、エナメル、フォトレジスト樹脂、ＰＭＭＡ［Ｐｏｌｙ（ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）］、ＰＥＴ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ＰＶＡ（ｐｏｌｙ ｖｉｎｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ）、及びＰＩ（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）からなる群から選択される少なくとも一つである、請求項１０に記載のグラフェン電線。
12. 請求項９に記載のグラフェンファイバーを含むコア（ｃｏｒｅ）伝導体、
    前記コア伝導体を囲む絶縁体、
    前記絶縁体を囲む外部伝導体、及び
    前記外部伝導体を囲む外被部を含む、同軸ケーブル。
13. 前記コア伝導体は、金属部材の表面に前記グラフェンファイバーが形成されたものである、請求項１２に記載の同軸ケーブル。
14. 前記金属部材は、金属管または金属ワイヤを含むものである、請求項１３に記載の同軸ケーブル。
15. 前記金属部材を形成する金属は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｕ、Ｖ、Ｚｒ、黄銅（ｂｒａｓｓ）、青銅（ｂｒｏｎｚｅ）、白銅、ステンレススチール（ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ）及びＧｅからなる群から選択される少なくとも一つの金属または合金を含むものである、請求項１３に記載の同軸ケーブル。
16. 前記金属部材上の前記グラフェンファイバーは、ロ−ルツーロ−ル工程によって形成されるものである、請求項１３に記載の同軸ケーブル。
17. 前記ロ−ルツーロ−ル工程は、
    ロ−ルツーロ−ル方式によって第１ローラーから帯状（ｂａｎｄ）または線状（ｌｉｎｅ）の前記金属部材を前処理部に供給して表面処理するステップ、
    前記前処理部を通過した前記帯状（ｂａｎｄ）または線状（ｌｉｎｅ）の金属部材を合成部に移動させて前記金属部材上にグラフェンファイバーを合成と同時にコーティングするステップ、及び
    前記合成部を通過した前記帯状（ｂａｎｄ）または線状（ｌｉｎｅ）の金属部材をロ−ルツーロ−ル方式によって第２ローラーに巻いて回収するステップを含むことである、請求項１６に記載の同軸ケーブル。