KR101238449B1

KR101238449B1 - 순환형 그래핀 제조장치

Info

Publication number: KR101238449B1
Application number: KR1020120073071A
Authority: KR
Inventors: 김강형
Original assignee: 에스 알 씨 주식회사
Priority date: 2012-07-04
Filing date: 2012-07-04
Publication date: 2013-02-28

Abstract

순환형 그래핀 제조장치가 개시된다. 본 발명에 따른 순환형 그래핀 제조장치는, 촉매기판에 탄화수소 기체를 공급하는 증착챔버에서 연속으로 그래핀을 합성하는 그래핀 제조장치에 있어서, 촉매기판을 연속하여 공급하는 언코일러; 증착챔버로부터 촉매기판을 연속하여 공급받는 코일러; 및 언코일러 및 코일러를 수용하고, 증착챔버에 인접하여 형성되는 수용챔버를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 수용챔버, 스텝형성챔버 및 증착챔버가 서로 밀착된 순환형으로 이루어짐으로써 콤팩트한 구조를 이루고 진공 및 배기를 위한 설계가 용이하며 열효율을 높일 수 있다.

Description

순환형 그래핀 제조장치{Circulation Type Graphene Manufacturing Apparatus}

본 발명은 그래핀 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 롤투롤(Roll-to-Roll)방식에 의하여 다량의 그래핀을 대량생산할 수 있는 그래핀 제조장치에 관한 것이다.

그래핀은 이미 1962년에 Hanns-Peter Boehm에 의해 그 존재가 예언되었지만 2004년에 이르러서야 맨체스터 대학의 가임(Geim)과 노보셀로프(Novoselov) 교수팀에서 스카치 테이프로 흑연에서 원자단위의 층을 분리하는데 성공하게 되었다. 그 후 2005년에 그래핀으로 가임 교수팀이 페르미 디락 통계를 따르는 입자에 대해, 김필립 교수팀이 양자 홀 효과(Quantum Hall Effect)에 대해 실험한 결과가 각각 발표되면서 물리학계의 난제들이 해결되었다. 이전에는 단원자층인 그래핀에 대해 자연상에서 형태를 유지할 수 없고 열역학적으로 불안정하여 낮은 융점을 가질 것으로 예상되기도 했지만 실제로는 매우 안정적이고 결정성이 뛰어난 결과를 보였다.

그래핀은 전기적 성질이 서로 다른 탄소원자들이 각각 삼각형 아격자(Sublattice) 두 개를 구성하고 이들이 겹쳐 육각형 창살 격자를 만든 것이다. 상세히 살펴 보면 그래핀을 구성하는 탄소의 최외각 전자 4개 중 3개는 sp²혼성 오비탈(sp² hybrid orbitals)을 형성하여 강한 공유결합인 시그마(σ)결합을 이루며 남은 1개의 전자는 주변의 다른 탄소와 파이(π)결합을 형성하면서 그래핀 네트를 구성한다. 이 때 탄소원자들 사이의 전자는 같은 성질의 원자들을 통해 점프하며 이동하는데 그 이동속도는 20,000~50,000㎠/Vs로 Si 반도체보다 100배 빠르고 전기저항이 적어 발열량이 작다. 이뿐 아니라 리본 상으로 제조하면 가장자리 제어효과를 이용하거나 나노패터닝, 도핑 등을 통해 반도체 특성을 가지는 기능성 그래핀의 제조가 가능하다. 기계적 성질도 뛰어나 파괴강도가 125GPa로 철강의 100배, 다이아몬드의 2배에 이른다. 또한 10cm 크기인 그래핀 필름을 10% 잡아당겨도 전기적 특성을 잃지 않을 정도로 신축성이 풍부하여 쉽게 깨지지 않기 때문에 산화인듐주석(ITO)을 대체하여 디스플레이 소재와 전자종이로 활용될 투명전극 소재로 각광받고 있다. 2010년에는 세계 최대의 30인치 대면적 그래핀을 제조하는 롤투롤 (Roll to Roll) 방식 기술이 등장하는 등 산업계에서 활용할 수 있는 기술들이 지속적으로 개발되고 있다.

산업적으로 활용하기 위해서는 그래핀 박막을 단층으로 균일하게 구현하는 것이 중요한데 종래 기술에서 일반 동박을 사용할 때는 그래핀의 애피택셜 성장속도가 늦어 다층 그래핀이 섬(islands)형태로 군데 군데 존재하는 문제가 있다.

그리고 한국공개특허 제10-2012-0001591호는 "그래핀의 제조 장치 및 제조 방법"을 개시하면서, 구체적으로, 탄소를 포함한 가스를 공급하는 가스 공급부와, 가스 공급부에서 공급된 가스를 가열하는 가스 가열부와, 촉매층을 구비한 기판이 배치되는 증착 챔버와, 가스 가열부의 가스를 증착 챔버로 도입하는 도입관을 구비하도록 하고 있으며, 이에 따르면, 증착 챔버의 온도를 가스 가열부의 온도보다 낮은 범위에서 설정할 수 있으므로, 촉매층에 사용할 수 있는 촉매 금속의 선택 범위가 넓어지고 고온의 열로 인한 기판의 손상을 최소화할 수 있음을 기재하고 있다.

그러나, 한국공개특허 제10-2012-0001591호에 따른 그래핀 제조장치는, 단순히 금속박을 롤투롤로 통과시키는 아이디어를 제시하는 정도에서 그치고 있어 산업화를 위해 필요한 구체적인 장치의 개념이나 방법은 제공하지 못하는 문제가 있다. 예컨대, 증착 챔버를 통과하는 촉매박으로 인해 양측에 개방구를 설치할 수 밖에 없는데 외부 분위기와 차단하고 진공이나 압력을 유지할 수 있는 구체적 기밀방법을 제시하지 않고 있다.

본 발명의 발명자들은 촉매기판(Catalyst Substrate)의 방위와 표면에너지 상태, 특히 스텝구조가 탄소원자의 흡착과 그래핀 성장에 큰 영향을 끼친다는 사실을 발견하였다. 스텝구조는 이미 그래핀 연구자들에 의해 관찰되었지만 그 생성기구나 과정은 아직 밝혀지지 않았다. 본 발명자들은 연구를 통해 이들 스텝구조가 적층결함에너지(Stacking Fault Energy), 어닐링 온도, 방위에 따른 원자 충진율, 가공상태에 따른 전위집적도(Dislocation Density)와 쌍정(Twin) 등 여러 요인들에 의해 결정된다는 것을 확인하여 본 발명에 이르렀다.

본 발명의 목적은, 배기 용량 부담을 줄이고 열효율을 향상시킴은 물론, 증착챔버에서 촉매작용을 촉진하며 균일 핵생성과 증착시간 단축이 이루어지도록 하는 그래핀 제조장치를 제공하는 것이다.

상기 목적은, 촉매기판에 탄화수소 기체를 공급하는 증착챔버에서 연속으로 그래핀을 합성하는 그래핀 제조장치에 있어서, 상기 촉매기판을 연속하여 공급하는 언코일러; 상기 증착챔버로부터 상기 촉매기판을 연속하여 공급받는 코일러; 및 상기 언코일러 및 코일러를 수용하고, 상기 증착챔버에 인접하여 형성되는 수용챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 순환형 그래핀 제조장치에 의해 달성된다.

상기 촉매기판의 재결정 온도 이상의 어닐링 온도가 유지되도록 하는 제1가열부와, 탄소 원자량 이상의 분자량을 가지는 기체 분위기가 형성되도록 스텝용가스를 공급하는 제1노즐이 형성되어, 상기 촉매기판에 스텝구조가 형성되도록 하는 스텝형성챔버를 더 포함하고, 상기 촉매기판은 상기 언코일러, 스텝형성챔버, 증착챔버 및 코일러 순서대로 거치며, 상기 언코일러, 스텝형성챔버, 증착챔버 및 코일러는 시계방향 또는 반시계방향으로 배열된다.

상기 증착챔버에는, 600 ~ 1100 ℃ 온도가 유지되도록 하는 제2가열부와, 상기 스텝형성챔버를 거친 상기 촉매기판에 탄화수소 기체를 공급하는 제2노즐이 형성된다.

상기 수용챔버와 스텝형성챔버, 상기 스텝형성챔버와 증착챔버 및 상기 증착챔버와 수용챔버는 각각 인접하여 벽을 공유한다.

상기 수용챔버, 스텝형성챔버 및 증착챔버를 둘러싸며 밀폐된 공간을 형성하는 로셸을 더 포함하고, 상기 로셸은 이중벽 구조로 이루어지며, 상기 이중벽 사이에는 진공 또는 단열재로 충진된다.

상기 스텝형성챔버 내부에는, 상기 촉매기판이 밀착되는 원통 형상의 스텝드럼이 형성되고, 상기 증착챔버 내부에는, 상기 촉매기판이 밀착되는 원통 형상의 증착드럼이 형성된다.

상기 스텝형성챔버 내부에는, 상기 촉매기판이 일정 구간에서 상기 스텝드럼에 밀착하도록 가이드하는 스텝롤이 형성되고, 상기 증착챔버 내부에는, 상기 촉매기판이 일정 구간에서 상기 증착드럼에 밀착하도록 가이드하는 증착롤이 형성된다.

상기 증착챔버의 입구 및 출구에는 상기 촉매기판의 이동속도를 감지하는 속도감지센서가 형성되고, 상기 속도감지센서에 의해 상기 코일러의 회전속도가 제어된다.

상기 스텝형성챔버 내부로 공급되는 상기 스텝용가스가 저장되는 스텝용가스탱크; 상기 증착챔버 내부로 공급되는 재조직가스가 저장되는 재조직가스탱크; 상기 증착챔버 내부로 공급되는 탄화수소가 저장되는 탄화수소탱크; 및 상기 스텝형성챔버 및 증착챔버 내부로 공급되는 수소가 저장되는 수소탱크를 더 포함하고, 상기 재조직가스 및 수소의 공급은 선택적으로 이루어진다.

상기 스텝형성챔버 및 증착챔버에서 배기되는 가스가 상기 재조직가스탱크, 탄화수소탱크, 및 수소탱크로 각각 회수되도록 하는 회수장치가 형성된다.

상기 스텝형성챔버 및 증착챔버 내부에는, 안쪽으로 열을 반사하는 리플렉터가 각각 형성된다.

상기 스텝형성챔버 또는 증착챔버 내부에는 상기 촉매기판의 파단을 감지하는 파단감지센서가 형성된다.

상기 스텝형성챔버의 출구에는 상기 촉매기판 상에 스텝 형성 여부를 감지하는 스텝센서가 형성된다.

상기 스텝형성챔버 또는 증착챔버의 출구에는, 상기 촉매기판의 양쪽을 지지하고 상기 촉매기판의 이송속도를 조절하는 가압롤 및 구동롤로 이루어지는 버퍼부가 형성된다. 가압롤 및 구동롤이 한 조로 설치되어 촉매기판의 이동속도를 조절함으로써 다음 단계의 롤과 연동되지 않게 된다.

상기 촉매기판은 알루미늄, 니켈, 철, 스테인리스강, 은, 금 또는 구리로 이루어지고, 상기 촉매기판에 합금원소가 첨가되며, 상기 합금원소는, 600 ~ 1060℃ 범위에서 수소 고용도를 가지거나 탄화물을 형성하는 전이원소 또는 13~15족 원소 중 어느 하나 이상으로 이루어진다.

상기 스텝용가스는, 질소, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 일산화탄소, 이산화탄소, 산화질소, 암모니아, 수증기 중 어느 하나 이상으로 이루어진다.

상기 스텝용가스에는 수소, 황화수소, 수소화합물 중 어느 하나 이상이 첨가된다.

본 발명에 의하면, 수용챔버, 스텝형성챔버 및 증착챔버가 서로 밀착된 순환형으로 이루어짐으로써 콤팩트한 구조를 이루고 진공 및 배기를 위한 설계가 용이하며 열효율을 높일 수 있다.

또한, 증착챔버 이전에 스텝형성챔버를 구비하여 그래핀 형성에 앞서 촉매기판 전체면에 나노 단위의 스텝(step)이 형성되도록 함으로써, 전구체 가스(탄화수소)의 물리흡착이 용이하게 되어 촉매작용을 촉진하며 균일 핵생성과 증착시간 단축효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 스텝형성챔버를 거친 금속의 촉매기판에 스텝이 형성된 상태를 나타낸 도면,
도 2는 구리의 원자 배열과 치환형 원소 합금 상태를 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 구리와 구리합금 촉매에서 600℃에서 30분 동안 메탄을 탄소전구체로 하여 CVD로 그래핀 합성한 결과를 나타낸 도면,
도 4는 구리와 구리합금 촉매에서 800℃에서 30분간 메탄을 탄소전구체로하여 CVD로 그래핀을 합성한 결과를 나타낸 도면,
도 5는 구리 및 구리합금 촉매 표면에 스텝이 형성되어 그래핀이 성장한 결과를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 순환형 그래핀 제조장치의 구성관계를 개략적으로 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 순환형 그래핀 제조장치를 개략적으로 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 순환형 그래핀 제조장치의 일부 구성을 개략적으로 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 순환형 그래핀 제조장치의 일부 구성을 개략적으로 도시한 도면,
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 순환형 그래핀 제조장치의 일부 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 스텝형성챔버(10)를 거친 금속의 촉매기판(200)에 스텝이 형성된 상태를 나타낸 도면이고, 도 2는 구리의 원자 배열과 치환형 원소 합금 상태를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 구리와 구리합금 촉매에서 600℃에서 30분 동안 메탄을 탄소전구체로 하여 CVD로 그래핀 합성한 결과를 나타낸 도면이고, 도 4는 구리와 구리합금을 800℃에서 30분간 메탄을 탄소전구체로 하여 CVD로 그래핀을 합성한 결과를 나타낸 도면이고, 도 5는 구리 및 구리합금 촉매 표면에 스텝이 형성되어 그래핀이 성장한 결과를 나타낸 도면이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 순환형 그래핀 제조장치(1)의 구성관계를 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 순환형 그래핀 제조장치(1)는, 증착챔버(20)에서 촉매기판(200) 위에 그래핀을 합성하기 전에, 스텝형성챔버(10)에서 촉매기판(200) 전체면에 나노 단위의 스텝(step)이 형성되도록 하는 것을 주요한 기술적 특징으로 하고 있으며, 이에 따라 본 발명에서의 '스텝의 형성' 및 '스텝과 그래핀과의 관계'에 대하여 우선 설명하도록 한다.

본 발명에서 촉매기판(200)에서 균일하고 애피택셜한 그래핀을 얻기 위해서는 충진율이 높은 격자구조의 단일 방위를 가지는 것이 바람직하다. 따라서 거시적으로는 평활하면서도 나노단위의 미시적 표면상태에서는 스텝 구조인 것이 중요하고, 상기 촉매기판(200)의 면지수가 (111)과/또는 (100)인 단일방위인 것이 바람직하다. 본 발명의 스텝구조는 도3 (b)와 도5에 나타낸 바와 같이 원자단위에서부터 미크론 단위보다 작게 계단형으로 발달한 구조이다. 본 발명자들이 발견한 스텝의 형태는 주로 네 가지로 나타난다(도 1). 계단형의 패디 스텝(Paddy Step)과 평면상에 교번으로 평면굴곡을 만드는 렛지(Ledge), 톱니 모양의 라쳇(Ratchet), 육면체 조각이 쌓인 형태의 멀티큐브(Multi-cube)이다. 높은 압하율로 냉간압연된 박판을 600℃ 이상에서 어닐링하면서 탄소원자량(12g/mol) 이상의 질량을 가지는 가스를 공급해 줄 때 발달하였다.

도 2는 본 발명에서 구리만 존재할 경우의 원자배열과 치환형 합금원소가 첨가된 구리합금의 상태를 모사한 그림이다. (a)는 구리의 원자배열, (b)와 (c)는 각각 구리보다 원자직경이 큰 치환형 원소가 첨가된 고용합금과 작은 원소가 첨가된 고용합금의 원자배열 상태를 나타낸다. (b) 및 (c)처럼 원자반경에서 차이가 있으면 치환형 원자 주변에 격자변형(Lattice distortion, lattice strain)이 존재하고 이는 에너지의 불균형 상태를 초래하게 된다. 치환형 원소 주변의 원자간 연결선은 이런 격자변형 상태를 나타내는 선이다. 구리합금에서 이들 격자변형 상태는 압연과 같이 물리적으로 외부 응력을 받는 과정에서 전위와 적층결함을 유발한다. 이런 전위나 적층 결함, 쌍정들은 어닐링 과정에서 스텝으로 발달하기 쉬워지는데 스텝구조들은 핵생성 사이트로 작용하기 때문에 탄화수소를 흡착하여 그래핀 핵을 형성하는 탄소 라디칼을 생산한다. 일단 탄소 라디칼이 생성되면 주변의 탄소 라디칼과 결합하여 탄소-탄소 결합으로 그래핀핵으로 성장하게 된다.

본 발명의 일 구체예에서, 촉매기판(200)의 적층결함에너지를 낮추거나 격자변형 증가에 의해 재료 내부에 전위나 쌍정이 생기기 쉬워 내부 에너지가 높아 어닐링 후에 스텝구조를 쉽게 형성하도록 합금을 수행하였다. 이와 달리 적층결함에너지가 높은 금속에서는 전위가 서로 당기고 교차슬립이 쉽게 일어나 전위밀도가 낮아지므로 재료의 내부 에너지도 낮아진다. 따라서, 본 발명에서 합금원소를 첨가함으로써 적층결함에너지를 낮추면 고온에서 어닐링 쌍정이 발생하기 쉬워지며, 쌍정 부위는 표면에너지가 높아 같은 조건에서 더 큰 그래핀 결정을 얻을 수 있다. 합금원소는 그래핀 합성이 가능한 온도인 600~1060℃ 범위에서 수소 고용도를 가지거나 탄화물을 형성하는 전이원소 즉, 3족~12족 전이금속과 13, 14, 15족 원소들 중에 2주기~6주기에 속하는 원소들이다. 원소별로 대략적인 수소가스 고용도는 1000℃에서 구리 70.5ppm, 금 4.5ppm, 은 22.4ppm, 크롬 2.6ppm, 몰리브덴 1.2ppm, 망간 32.8ppm, 코발트 186.2ppm, 철 251ppm, 니켈 562.3ppm, 로듐 7079ppm, 백금 4.7ppm, 티타늄 11879ppm, 알루미늄 85.1ppm이다. 이를 보면 전이금속은 대부분 수소에 대해 고용도를 가진다. 그리고 전이금속이 아닌 원소들 즉, 13족의 알루미늄은 수소고용도가 크고, 인듐은 고온에서 수소와 결합하여 화합물을 형성할 정도로 결합력이 강하다. 14족과 15족 원소 중 규소는 탄화물을 만들고 게르마늄, 주석, 안티몬, 비스무스는 인듐처럼 수소화합물을 형성한다. 따라서 본 발명의 합금원소들은 대부분 첨가 가능하다.

본 발명의 일 구체예에서, 압하율이 높고 구리박의 두께가 얇을수록 전위가 많이 증가하고 고온 어닐링 과정에서 재결정입자들의 회전을 용이하게 할 수 있다. 85% 이상 압하율로 냉간압연한 구리박에서 어닐링 후에는 95% 이상 (100) 단일 방위면으로 회전하는 것을 확인하였다. 따라서, 단일 방위 집합조직을 얻기 위해 압하율 85% 이상, 두께는 50㎛ 이하로 가공할 수 있다.

구리는 적층결함에너지가 낮아 냉간가공하면 내부에 전위밀도가 높아져 어닐링 중에 원자이동과 확산을 유발한다. 고온으로 가열되면서 전위들 간에 작용하는 영상힘(image force)으로 이동하게 되는데 최종적으로 표면에 버거스 벡터(Burgers vector)만큼 스텝구조를 남기며 소멸된다. 촉매 구리합금의 적층결함에너지와 변형응력(Flow stress)이 낮고 냉간압하율이 높을수록 재료 내부의 전위 이동이 활발하여 스텝구조(Step)를 쉽게 형성한다. 하지만 이렇게 전위 이동에 의한 버거스 벡터 크기로 형성되는 원자층 단위의 스텝구조는 1000℃의 고온에서도 너무 작고 완만하게 형성되어 가스 분자들을 흡착하여 분해하기에는 부족하다. 따라서, 본 발명에서는 어닐링 과정에서 분위기 중에 아르곤이나 질소와 같이 탄소원자량 이상의 분자량을 가지면서 구리와 화학반응성이 적은 스텝용 가스를 수소와 함께 공급하면 600℃ 정도의 온도에서도 가스 분자들이 고온에서 브라운 운동으로 구리의 표면에 충돌하며 원자이동을 도와 스텝구조 형성을 촉진한다. 불순물 원소나 합금원소들이 화합물로 존재하는 부분과 달리 스텝은 촉매표면 전체에 균일하게 분포하게 되므로 그래핀이 애피택셜하게 성장하는 환경을 조성한다.

일 구체예에서, 수소량은 환원성 분위기를 유지할 정도면 되므로 진공을 유지한 뒤에는 가스 유량의 약 10~40%로 첨가한다. 어닐링 뒤에 그래핀 합성 공정에서는 수소의 비율이 높아질수록 탄화수소의 분해 속도가 늦어지므로 그래핀 성장속도를 조절하는 역할도 하게 된다. 가스 유량은 0.1~10sccm/㎛의 범위로 구리박의 두께가 늘어남에 따라 증량할 수 있고, 온도가 높을수록 원자량이 클수록 감량한다.

이 스텝구조들은 핵생성 사이트로 작용하기 때문에 탄화수소를 흡착하여 그래핀 핵이 되는 탄소 라디칼을 생산한다. 일단 그래핀 핵이 생성되면 이 핵의 탄소 라디칼은 주변의 탄소 라디칼과 결합하거나 직접 탄화수소를 흡착하여 분해하는 촉매로 작용하여 탄소-탄소 결합으로 그래핀이 급속 성장하게 된다.

실시예 1. 구리합금 촉매기판에서 그래핀의 형성

140ppm의 은을 첨가한 구리합금(도 3의 (b) 참조)에서 600℃, 30분 동안 메탄 70sccm, 수소 10sccm 분위기로 가열하여 그래핀형성 여부를 확인하였고, 대조군으로 구리(도 3의 (a) 참조)을 동일한 조건에서 그래핀 형성 여부를 확인하였다(도 3 참조).

구리에서 그래핀을 성장시킨 경우에는 그래핀 섬과 탄화물이 형성되지만 은을 첨가한 구리합금에서는 그래핀이 애피택셜하게 성장한 것을 볼 수 있다. 다만, 구리는 800℃에서 사전에 어닐링하면서 스텝구조를 형성해 준 경우에 그래핀이 애피택셜하게 성장되었다.

상기 구리합금 및 구리는 어닐링 후 (111) 또는 (100)의 육각격자구조 단일 방위를 가지게 되며 이하의 실시예에서도 촉매기판(200)은 동일한 방위를 가진다.

따라서 구리에 치환형 합금을 첨가하는 것이 그래핀 핵생성 사이트 작용과 동시에 스텝구조의 발달을 촉진하여 탄화물형성을 억제하고 에피택셜 그래핀 성장이 가능하게 한다는 것을 알 수 있었다.

실시예 2. 스텝구조형성의 효과 확인

니켈 3.2%, 규소 1.5%, 마그네슘 0.4% 함유된 18㎛ 두께의 구리합금박을 1000℃에서 30분간 아르곤 50sccm, 수소 10sccm 혼합가스 분위기에서 어닐링하여 충분히 스텝구조를 만들고, 800℃에서 30분간 메탄 70sccm과 수소 10sccm 혼합 분위기에서 CVD로 그래핀을 합성하였다(도 4(a) 참조).

대조군으로 합금원소를 첨가하지 않은 25㎛ 두께 구리를 1000℃에서 30분간 아르곤 50sccm, 수소 10sccm 혼합가스 분위기에서 어닐링하여 충분히 스텝구조를 만들고, 800℃에서 30분간 메탄 70sccm과 수소 10sccm 혼합 분위기에서 CVD로 그래핀을 합성하였다(도 4(b) 참조).

도 4(a)는 구리합금에서 다층 그래핀 위에 다이아몬드 입자가 덮여 성장하였고, 도 4(b)는 구리에서 다층 그래핀 및 다이아몬드 입자가 함께 성장하였다. 기존 CVD 그래핀 합성온도인 1000~1060℃ 보다 낮은 800℃ 온도이지만 구리합금박에서 탄소 라디칼이 빠르게 생산되는 것을 알 수 있고, 구리박에 스텝구조가 형성되면 낮은 온도에서도 그래핀이 성장한다는 것을 확인하였다.

따라서, 이렇게 스텝구조가 충분히 발달한 경우에는 탄화수소 가스의 농도를 줄이거나 시간을 단축하여 그래핀을 합성할 수 있다. 또한 도 4(a)처럼 탄소 라디칼 생성이 과다한 경우에는 합금량을 1 원자% 이하로 줄이거나, 탄화수소 가스 농도와 합성시간을 줄여 단층 그래핀을 얻을 수 있으며, 도 4(b)처럼 탄화수소 가스의 농도가 지나치게 높은 경우에는 그래핀 성장에 비해 탄소 라디칼의 생산이 빠르므로 핵 생성 위치에서 그래핀 성장과 더불어 삼각, 사각판상 다이아몬드나 막대상, 입상 다이아몬드가 성장하는 것을 알 수 있었다. 이런 경우에도 탄화수소의 농도를 낮추거나 수소 가스의 농도를 높여 그래핀을 합성하면 단층 그래핀을 얻을 수 있었다. 이런 연구를 통해 본 발명자는 스텝구조형성이 탄소 라디칼 생산뿐 아니라 그래핀 성장 속도를 촉진하여 단층 그래핀을 형성하는데 크게 기여하는 것을 알 수 있었다.

실시예 3. 다양한 합금 원소를 첨가한 촉매기판에서 그래핀 성장 확인

대조군으로 도 5의 (a)에서는 구리를 1000℃에서 30분간 아르곤 50sccm, 수소 10sccm 혼합가스 분위기에서 어닐링하고, 1000℃에서 30분간 메탄 15sccm, 수소 10sccm 공급하면서 CVD로 그래핀을 합성하였다.

한편, 도 5의 (b)에서는 은이 80ppm 합금된 구리합금을 800℃에서 30분간 아르곤 20sccm, 수소 10sccm 혼합가스 분위기에서 어닐링한 후, 1000℃에서 5분간 메탄 20sccm, 수소 10sccm 공급하면서 CVD로 그래핀을 합성한 것이고, 도 5의 (C)는 크롬 40ppm, 도 5의 (d)는 철 200ppm, 도 5의 (e)는 코발트 130ppm, 도 5의 (f)는 니켈 100ppm, 도 5의 (g)는 은 140ppm, 도 5의 (h)는 규소 70ppm을 첨가한 합금으로 1000℃에서 30분간 아르곤 50sccm, 수소 10sccm 혼합가스 분위기에서 어닐링하고, 800℃에서 3분간 메탄 20sccm, 수소 10sccm 공급하면서 CVD로 그래핀을 합성한 것이다. 이들 모두 스텝구조가 잘 발달하고 그래핀이 애피택셜하게 성장한 것을 볼 수 있다. 이때, 그래핀은 단층으로 형성되기 쉬워 광투과도가 우수하므로 투명한 특성을 지닌다. 음영이 짙은 부분은 촉매와 부착하지 않고 들떠 있거나, 결정입계 혹은 쌍정으로 그래핀 하부의 스텝구조가 바뀌기 때문에 전자를 흡수하거나 난반사하여 더 검게 보인다.

이하 본 발명에 따른 그래핀 제조장치에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 순환형 그래핀 제조장치(1)의 구성관계를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 순환형 그래핀 제조장치(1)를 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 순환형 그래핀 제조장치(1)는 롤투롤 방식에 의하여 그래핀을 대량생산하기 위한 것으로서 언코일러(30) 및 코일러(40)가 수용되는 수용챔버(150), 스텝형성챔버(10), 증착챔버(20) 및 로셸(50) 등을 포함하고, 스텝의 형성 및 그래핀 형성에 사용되는 각 가스를 수용하는 스텝용가스탱크(110), 재조직가스탱크(120), 탄화수소탱크(130) 및 수소탱크(140)를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 순환형 그래핀 제조장치(1)에서는, 촉매기판(200)이 스텝형성챔버(10) 및 증착챔버(20)로 유입되기 이전에 예열되도록 하는 제1예열부(15) 및 제2예열부(25)와, 증착챔버(20)를 거친 촉매기판(200)을 냉각시키는 냉각부(26)를 구비한다. 제1예열부(15) 및 제2예열부(25)는 스텝형성챔버(10) 및 증착챔버(20)와 별도로 형성될 수 있으며, 이와 달리 스텝형성챔버(10) 및 증착챔버(20) 내부에 각각 형성될 수도 있다.

언코일러(30)는, 본 발명에 따른 순환형 그래핀 제조장치(1)에 따른 제조가 시작되는 부분이며, 드럼 형태로 형성되어 외주면에 상술한 촉매기판(200)이 감겨져 있는 것이며, 코일러(40)는 그래핀이 형성된 촉매기판(200)이 감기는 것이다.

언코일러(30)와 코일러(40)의 가장자리에는 촉매기판(200)의 안정된 지지를 위하여 플랜지 형태의 직경이 확장된 부분이 형성될 수 있고, 세라믹 및/또는 금속 등으로 이루어질 수 있다.

그리고 언코일러(30)와 코일러(40)에는, 촉매기판(200)의 공급 및 권취가 연속적으로 이루어지도록 하기 위하여, 회전을 위한 모터(미도시) 등이 구비되며, 회전속도의 제어를 위한 제어부(미도시) 및 감속기어(미도시) 등이 구비된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 순환형 그래핀 제조장치(1)는, 언코일러(30)와 코일러(40)가 수용챔버(150) 내부에 함께 수용되어, 수용챔버(150), 스텝형성챔버(10) 및 증착챔버(20)와 같이 3개의 격실을 갖는 형태로 이루어지며, 촉매기판(200)이 수용챔버(150), 스텝형성챔버(10) 및 증착챔버(20)를 순서대로 순환하는 형태로 이루어지게 된다. 즉, 촉매기판(200)은 언코일러(30), 스텝형성챔버(10), 증착챔버(20) 및 코일러(40)를 순서대로 거치며, 언코일러(30), 스텝형성챔버(10), 증착챔버(20) 및 코일러(40)가 시계방향 또는 반시계방향으로 배열된다.

증착챔버(20)는 수용챔버(150)와 인접하며 수용챔버(150)와 벽을 공유한다. 증착챔버(20)와 수용챔버(150)가 공유하는 벽에는 촉매기판(200)의 이동을 위한 슬릿형태의 틈이 형성될 수 있다.

증착챔버(20)는 내부에서 탄소의 증착이 이루어지도록 하는 것으로서, 그래핀이 증착할 수 있는 온도인 600 ~ 1100℃의 온도가 유지되도록 가열하는 제2가열부(21)가 내부에 형성되고, 탄화수소탱크(130)로부터 공급된 탄화수소 기체가 유입 후 분사되는 제2노즐(22)이 형성된다.

그리고 증착챔버(20)에는 촉매기판(200)이 밀착되는 원통 형상의 증착드럼(27)이 구비된다. 증착챔버(20) 내부로 유입된 촉매기판(200)은 증착드럼(27)에 밀착되어 증착드럼(27)을 한바퀴 순환하는 형태로 증착챔버(20)를 거치게 된다. 다만, 증착드럼(27)은 고정되고 촉매기판(200)만이 회전하는 것은 아니고, 촉매기판(200)이 증착드럼(27) 외주면에 밀착되고 촉매기판(200)과 증착드럼(27)이 함께 회전하는 형태로 이송되는 것이 바람직하다.

증착챔버(20) 내부에는, 촉매기판(200)이 일정 구간에서 증착드럼(27)에 밀착하도록 가이드하는 증착롤(28)이 형성된다. 즉, 증착롤(28)은 촉매기판(200)이 증착드럼(27)에 밀착되어 이격됨이 없이 증착드럼(27)과 함께 회전하도록 지지한다.

본 발명에서는, 증착챔버(20) 내부에 회전형의 증착드럼(27)을 형성함으로써, 직선형의 이송수단과 비교할 때 상대적으로 협소한 공간임에도 그래핀 형성을 위한 충분한 시간과 공간을 확보할 수 있게 된다.

또한, 촉매기판이 증착드럼(27)의 외주면에 밀착되어 이송되면서 증착이 이루어지므로 촉매기판(200)의 배면(증착드럼(27)에 접촉하는 면)에 전구체 가스(탄화수소)가 도입되는 것을 방지할 수 있다. 이와 같이 가스 유동을 제어하는 경우, 촉매기판(200)의 배면에 성장한 그래핀을 제거하기 위하여 고가의 플라즈마 에칭장비로 처리하는 공정을 생략할 수 있으므로, 생산성 향상 및 원가 절감효과를 얻을 수 있다.

증착챔버(20) 및 증착드럼(27)의 전체적인 재질은, 그래핀을 증착할 수 있는 온도구간에서 용융되지 않고 탄소 전구체를 오염하지 않는 내열강화유리, 석영, 열분해 질화붕소(Pyrolytic Boron Nitride), 열분해 흑연(Pyrolytic Graphite), 금운모(Phlogopite mica), 탄화규소(SiC), 알루미나, 마그네시아, 지르코니아 등 무기재료나 스테인리스강, 니크롬강, 인바(Invar)와 같은 금속으로 이루어질 수 있다.

제2가열부(21)는 증착챔버(20)의 내측면에 인접하여 형성되고, 증착드럼(27) 주변을 둘러싸는 형태로 형성될 수 있다. 제2가열부(21)는 도 7에 도시된 바와 같이 양쪽으로 구분되어 이루어질 수 있고, 도 8에 도시된 바와 같이 연속적으로 형성될 수 있다. 제2가열부(21)는 교류전류를 이용한 코일유도가열장치, 금속 필라멘트, 복사열 튜브(Radiant Tube), 흑연 가열 엘리먼트, 적외선 램프 등으로 이루어질 수 있다.

제2가열부(21)의 바깥쪽, 즉 증착챔버(20)의 내측면과 제2가열부(21) 사이에는 리플렉터(24)가 형성되며, 제2가열부(21)에 의한 열이 증착챔버(20) 중심방향으로 집중되도록 한다.

제2노즐(22)은 탄화수소 또는 탄화수소, 재조직가스 및 수소가스가 촉매기판(200)에 균일하게 분사되어 탄소 라디칼이 고갈되는 위치가 생기지 않도록 하여야 하므로, 이에 따라 증착챔버(20) 내부에서 촉매기판(200)의 증착면 중앙부에 제2노즐(22)의 중심이 오도록 배치한다. 또한 제2노즐(22)은 촉매기판(200)의 이동방향(원주방향)을 따라 다수개로 구비될 수 있으며, 다수의 제2노즐(22)의 설치위치, 노즐의 구멍 크기 및 분사각도 등을 조절하여, 각 제2노즐(22)에서 분사되는 가스 공급량과 유속의 차이가 발생되도록 하여 가스 유동을 원활하게 할 수 있다.

재조직가스탱크(120)를 통하여 재조직가스가 증착챔버(20) 내부로 공급되며, 본 발명에서 재조직가스는, 촉매기판(200)의 불안정한 5각, 7각 그래핀 또는 공공과 같은 결함부를 재조직(Healing)하거나 질소를 도핑하기 위한 아르곤, 헬륨, 네온, 크립톤, 제논, 질소, 일산화탄소, 이산화탄소, 산화질소, 암모니아, 수소화합물, 수증기 등으로 이루어질 수 있다.

그리고 수소탱크(140)를 통하여 증착챔버(20) 내부로 공급되는 수소는 탄소 라디칼의 형성속도를 조절한다.

본 발명에 따른 순환형 그래핀 제조장치(1)는, 로셸(50)이 증착챔버(20)를 둘러싸며 밀폐된 공간을 형성하는데, 증착챔버(20) 내부로 공급되는 탄화수소, 재조직가스, 수소 등의 분압으로 이루어지는 증착챔버(20) 압력을 로셸(50)의 압력보다 높게 유지함으로써 증착챔버(20) 내부로 다른 가스가 유입되지 않도록 할 수 있으며, 이에 따라 전구체 가스(탄화수소)의 유동이 원활하게 이루어진다.

그리고 본 발명에서는, 상기 증착챔버(20) 내부 압력을 상압으로 유지하여 그래핀 성장을 수행하는 상압 화학기상증착법(AP-CVD)이 수행될 수 있고, 증착챔버(20) 내부의 압력을 저압으로 유지하여 저압 화학기상증착법(LP-CVD)을 수행될 수 있다.

아울러 증착챔버(20)에는, 증착챔버(20) 내부로 공급된 각 가스가 배출되는 배기구(23)가 형성된다. 이러한 배기구(23)는 증착챔버(20) 자체에 형성될 수 있고, 이와 달리 증착챔버(20)와 연결된 수용챔버(150)에 형성될 수 있다. 후자의 경우, 증착챔버(20) 내부에 가스는 수용챔버(150)로 이동한 후 배기구(151)를 통하여 배기된다. 후술할 스텝형성챔버(10)에도, 스텝형성챔버(10) 내부로 공급된 각 가스가 배출되는 배기구(17)가 형성된다. 이러한 배기구(17)는 스텝형성챔버(10) 자체에 형성될 수 있고, 또는 수용챔버(150)에 형성된 배기구(151)를 통하여 배기되도록 이루어질 수 있다.

본 발명에서는, 언코일러(30)와 그래핀이 성장하도록 하는 증착챔버(20) 사이에 스텝형성챔버(10)가 설치되며, 이러한 스텝형성챔버(10) 내부로 스텝용가스가 도입되도록 하여 촉매기판(200)에 그래핀이 균일하면서도 신속하게 형성되도록 돕는다.

스텝형성챔버(10)는 증착챔버(20) 및 수용챔버(150)와 인접하며, 증착챔버(20) 및 수용챔버(150)와 벽을 공유한다. 스텝형성챔버(10)와 수용챔버(150)가 공유하는 벽에는 촉매기판(200)의 이동을 위한 슬릿형태의 틈이 형성될 수 있고, 도 9에 도시된 바와 같이, 스텝형성챔버(10)를 거친 촉매기판(200)이 증착챔버(20)로 바로 유입되는 경우에는 스텝형성챔버(10)와 증착챔버(20)가 공유하는 벽에도 촉매기판(200)의 이동을 위한 슬릿형태의 틈이 형성될 수 있다.

스텝형성챔버(10) 내부에는, 촉매기판(200)의 재결정 온도 이상의 어닐링 온도로 유지되도록 가열하는 제1가열부(11)가 형성되고, 스텝용가스탱크(110)로부터 공급된 스텝용가스가 유입 후 분사되는 제1노즐(12)이 형성된다.

그리고 스텝형성챔버(10)에는 촉매기판(200)이 밀착되는 원통 형상의 스텝드럼(16)이 구비된다. 스텝형성챔버(10) 내부로 유입된 촉매기판(200)은 스텝드럼(16)에 밀착되어 스텝드럼(16)을 한바퀴 순환하는 형태로 스텝형성챔버(10)를 거치게 된다. 스텝드럼(16)은 작동은 상술한 증착드럼(27)과 동일하게 이루어진다. 스텝형성챔버(10) 내부에는, 촉매기판(200)이 일정 구간에서 스텝드럼(16)에 밀착하도록 가이드하는 스텝롤(13)이 형성된다. 즉, 스텝롤(13)은 촉매기판(200)이 스텝드럼(16)에 밀착되어 이격됨이 없이 스텝드럼(16)과 함께 회전하도록 지지한다. 스텝형성챔버(10) 내부에도 회전형의 스텝드럼(16)을 형성함으로써, 직선형의 이송수단과 비교할 때 상대적으로 협소한 공간임에도 스텝 형성을 위한 충분한 시간과 공간을 확보할 수 있게 된다.

스텝형성챔버(10) 및 스텝드럼(16)의 재질은, 상술한 증착챔버(20)에서와 같이, 내열강화유리, 석영, 열분해 질화붕소(Pyrolytic Boron Nitride), 열분해 흑연(Pyrolytic Graphite), 금운모(Phlogopite mica), 탄화규소(SiC), 알루미나, 마그네시아, 지르코니아 등 무기재료나 스테인리스강, 니크롬강, 인바(Invar)와 같은 금속으로 이루어질 수 있다.

제1가열부(11)는 제2가열부(21)와 동일한 기능 및 작용을 하도록, 동일한 구조로 이루어진다. 또한, 제1가열부(11)의 바깥쪽, 즉 스텝형성챔버(10)의 내측면과 제1가열부(11) 사이에는 리플렉터(14)가 형성되며, 제1가열부(11)에 의한 열이 스텝형성챔버(10) 중심방향으로 집중되도록 한다.

제1노즐(12)은 스텝형성가스가 촉매기판(200)에 균일하게 분사되도록, 스텝형성챔버(10) 내부에서 촉매기판(200)의 외주면 중앙에 제1노즐(12)의 중심이 오도록 배치한다. 또한 제1노즐(12)은 촉매기판(200)의 이동방향(원주방향)을 따라 다수개로 구비될 수 있으며, 다수의 제1노즐(12)의 설치위치, 노즐의 구멍 크기 및 분사각도 등을 조절하여, 각 제1노즐(12)에서 분사되는 가스 공급량과 유속의 차이가 발생되도록 하여 가스 유동을 원활하게 할 수 있다.

일반적으로 고배율의 전자현미경으로 관찰하면 어닐링 쌍정(Twin) 내부에는 나노 단위의 굴곡(NRA=Nano Ripples Array)이 존재하는 것을 확인할 수 있다. 구리와 같이 낮은 적층결함에너지를 가지는 촉매기판(200)은, 냉간 가공되면 결정 내부에 응력이 누적되는데, 어닐링 중에 재결정과 결정립 내 쌍정을 형성하면서 응력이 해소된다. 그러나 어닐링 쌍정(Annealing Twin)의 구동력으로 작용할 에너지가 충분하지 않아 결정의 일부분에만 쌍정이 형성되므로 촉매 기판 표면 전체에, 본 발명에서와 같은 스텝구조가 형성되지 못한다. 그리고, 구리 촉매기판(200)을 이용한 그래핀 성장에서는 구리의 탄소 고용도가 낮아 촉매 기판 표면에 존재하는 개재물(inclusion)이나 결정입계(Grain boundary)나 스크래치와 같은 결함부가 물리흡착에 의한 핵생성 사이트로 우선 작용하기 때문에 그래핀 핵생성이 불균일하기 쉽다.

본 발명에서는, 이러한 점을 해소하기 위하여, 어닐링 중에 촉매기판(200)을 이루는 주 원소(main element)의 원자량에 대해 약 20% 이상 질량을 가지는 스텝용가스(예컨대, 구리로 이루어지는 촉매기판(200)에서, 탄소원자량 이상의 질량인 가스로 네온, 질소, 일산화탄소, 이산화탄소, 아르곤, 크립톤, 제논, 암모니아, 수증기 등)가 브라운 운동으로 촉매기판(200)의 금속원자에 충돌하면 원자의 이동을 도와 촉매기판(200) 전체 면에 나노 단위의 스텝(Step)이 형성되도록 한다.

촉매기판(200)에 스텝형성 처리를 하면 수십에서 수백 나노미터 단위의 스텝들이 균일하게 형성되어 핵생성 사이트들로 작용하므로 촉매면에서 전구체 가스(탄화수소)의 물리흡착 (Physisorption)이 용이하게 되어 촉매작용을 촉진하며, 결과적으로 그래핀 균일 핵생성과 전구체 가스 분해속도 증가효과를 얻을 수 있다.

그리고 스텝형성으로 인해 증착시간을 단축할 수 있고, 증착온도를 낮출 수 있는데, 증착 온도를 낮출 경우 촉매기판(200)의 강도가 증가하므로, 별도의 캐리어 필름(촉매기판(200)의 절단을 방지하고 지지하기 위한 필름)과 같은 구성이 불필요한 이점이 있다.

스텝형성챔버(10)에는, 스텝용가스 이외에, 수소탱크(140)로부터 산화막 환원용 가스가 공급된다. 산화막 환원용 가스는 낮은 산화수를 가지는 환원성 가스 즉, 수소나 이를 대체할 수 있는 일산화탄소, 암모니아, 황화수소, 수소화합물과 같은 가스들이다.

본 발명에서는, 상술한 언코일러(30), 스텝형성챔버(10), 증착챔버(20) 및 코일러(40)를 둘러싸며 밀폐된 공간을 형성하는 로셸(50)이 형성된다. 즉, 로셸(50) 내부를 3개의 구역으로 구분하여 수용챔버(150), 스텝형성챔버(10) 및 증착챔버(20)를 형성할 수 있다. 상기 로셸(50)은 단일벽 구조로 이루어질 수 있음은 물론이나, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 로셸(50)은 이중벽 구조로 이루어지고, 이중벽 사이에는 진공 또는 단열재로 충진된다. 또는 이중벽 사이에 냉매가 순환하도록 이루어질 수 있다. 이와 같이 형성되는 로셸(50)의 구조(이중벽 구조)에 따라 로셸(50) 외부로 열이 방사되는 것이 방지되며, 내부 온도를 낮게 유지하여 그래핀이 합성된 촉매기판(200)의 냉각이 촉진되도록 할 수 있다.

현재, 그래핀 제조를 위한 것으로서 제안되고 있는 증착용 챔버들은 CVD용 석영관 저압·진공 챔버를 가정하고 있으며 이에 따라 진공 실링이 있어야 하는데, 촉매기판(200)의 연속적인 공급을 허용하면서 챔버의 진공을 유지하는 실링을 하는 것은 어려울 뿐 아니라 실링을 한다고 하더라도 그 구조 및 설비가 복잡하게 될 수밖에 없는 문제점이 있다. 또한, 증착용 챔버의 출구 쪽에서 진공을 유지하기 위해서는 로울러 타입이나 어떤 실링 수단으로도 기밀을 유지하는 것이 난해하며 촉매기판(200)의 그래핀 합성층이 손상되는 문제점이 발생된다.

본 발명에서는 이러한 점을 해소하기 위하여, 로셸(50)이 언코일러(30), 스텝형성챔버(10), 증착챔버(20) 및 코일러(40)를 둘러싸며 밀폐된 공간을 형성하도록 하고 있으므로, 실링의 문제점을 해소하면서 증착챔버(20)에서 저압 증착이 효과적으로 이루어지도록 할 수 있으며 촉매기판(200)에서 진공상태가 유지되도록 하여 그래핀 합성층이 손상되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 언코일러(30), 스텝형성챔버(10), 증착챔버(20) 및 코일러(40)가 순환형으로 이루어지면서, 각 챔버가 밀착된 콤팩트(compact)한 구조를 이루고 있으므로, 진공상태 유지가 보다 용이하게 이루어질 수 있고 낭비되는 공간을 줄일 수 있으므로 공급되는 가스의 양도 줄일 수 있고 배기의 부담을 줄일 수 있게 된다.

증착챔버(20)에는 탄화수소탱크(130), 재조직가스탱크(120) 및 수소탱크(140)가 배관을 통해 연결(제2노즐(22) 쪽으로 연결)되며, 각 배관에는 유량 조절을 위한 유량계(M, Mass Flow Controller)와 밸브(V)가 형성된다.

그리고 스텝형성챔버(10)에는 스텝용가스탱크(110) 및 수소탱크(140)가 배관을 통해 연결(제1노즐(12) 쪽으로 연결)되며, 각 배관에는 역시 유량 조절을 위한 유량계(M)와 밸브(V)가 형성된다.

로셸(50)의 외부에는 로셸(50)에서 배기되는 가스가 재조직가스탱크(120), 탄화수소탱크(130) 및 수소탱크(140)로 각각 회수되도록 하는 회수장치(90)가 형성된다.

회수장치(90)는 공지의 가스 회수장치(90)와 같은 형태로 이루어질 수 있으며, 가스필터 및 촉매 등을 통하여 탄화수소 등의 분해와 분류가 이루어지도록 한다. 회수장치(90)를 통하여, 로셸(50)의 배기펌프(53)를 통하여 배출되는 폐가스를 회수하여 필터링하고 분류함으로써 순도와 조성에 따라 스텝용가스, 재조직가스 및 탄화수소로 분류하며 스텝용가스탱크(110), 재조직가스탱크(120) 및 탄화수소탱크(130) 쪽으로 순환하도록 형성할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 수용챔버(150), 스텝형성챔버(10) 및 증착챔버(20)가 서로 밀착된 순환형으로 이루어짐으로써 콤팩트한 구조를 이루고 진공 및 배기를 위한 설계가 용이하며 열효율을 높일 수 있게 된다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 순환형 그래핀 제조장치(1)의 일부 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 순환형 그래핀 제조장치(1)의 일부 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

제1예열부(15), 제2예열부(25) 및 냉각부(26)는, 촉매기판(200)과 접촉하거나 촉매기판(200)에 복사열을 전달하거나 촉매기판(200)에 가열 또는 냉각된 유체를 분사하는 방식으로 다양하게 이루어질 수 있으며, 롤형태, 박스형태, 슬롯형태 등으로 형성될 수 있다.

예컨대, 롤형태로 형성되는 경우에는, 한 쌍으로 구비되고 서로 근접하게 배치되는 롤 사이에 촉매기판(200)이 지나가도록 형성하고, 롤이 촉매기판(200) 쪽으로 탄력지지되도록 하는 탄성수단을 개재하여 롤(제1예열부(15) 등)이 가이드 역할을 겸할 수 있도록 할 수 있다. 이와 같이 형성되는 제1예열부(15) 및 제2예열부(25)는, 상기 스텝형성챔버(10) 및 증착챔버(20)와 별개로 이루어지거나, 스텝형성챔버(10) 및 증착챔버(20) 내부에서 스텝롤(13) 또는 증착롤(28)을 형성하는 형태로 이루어질 수 있다.

그리고 냉각부(26)는, 내부에서 냉매가 순환하도록 형성하여 촉매기판(200)과 접촉할 때 전도에 의해 급속냉각하도록 하거나, 냉각 가스를 분사하는 노즐을 설치하여 촉매기판(200)에 분사하는 형태로 형성할 수 있다. 이때, 냉각 가스는, 별도의 공급수단에 의하여 공급될 수 있고, 재조직가스탱크(120) 또는 수소탱크(140)에서 분기되어 공급될 수 있다. 이러한 냉각 가스는 형성된 그래핀의 이상 반응을 억제하고 촉매기판(200)의 강도를 증가시키며, 촉매기판(200)이 코일러(40)에 안정되게 권취되도록 한다.

스텝형성챔버(10)의 출구에는 촉매기판(200) 상에 스텝 형성 여부를 감지하는 스텝센서(80)가 형성된다. 스텝센서(80)는, 촉매기판(200) 상에 스텝이 형성되면서 격자 완화(Lattice relaxation)로 인해 발생되는 펄스파를 측정하거나 스텝형성챔버(10) 출입구 양측에서 전기자기적 저항의 차이에 의해 상변태를 감지하는 전자기식 또는 스텝형성에 따른 광학적 차이(예를 들면 반사도)를 측정하는 형태로 이루어질 수 있다.

증착챔버(20)의 입구 및 출구에는 촉매기판(200)의 이동속도를 감지하는 속도감지센서(60)가 형성된다. 이러한 속도감지센서(60)는 코일러(40)의 회전을 제어하는 제어부에 연결되며, 코일러(40)의 회전속도가 제어되도록 한다. 그래핀이 제조되는 과정에서 촉매기판(200)이 제1예열부(15), 스텝형성챔버(10), 제2예열부(25), 증착챔버(20) 및 냉각부(26)를 거치면서 열팽창 및 수축을 일으키고, 또한 코일러(40)에 권취되는 촉매기판(200)의 직경(감긴 상태에서의 직경)이 증가하게 되므로, 코일러(40)가 일정한 속도로 회전하는 경우, 증착챔버(20)를 거치는 촉매기판(200)의 이동 속도가 변경되거나 점차 증가하게 된다. 이러한 점을 고려하여, 본 발명에서는 상기 속도감지센서(60)를 설치하여 증착챔버(20) 입구 및 출구에서의 촉매기판(200) 이동속도를 감지하고 이를 통하여 코일러(40)의 회전속도를 제어함으로써 촉매기판(200)의 이동속도를 동조(synchronizing)할 수 있도록 하고 있다.

상기 속도감지센서(60)는, 타코미터(Tachometer), 홀 효과(Hall Effect)센서, 와류탐상(Eddy current)센서 또는 라디오파(RF Speed Sensor)센서와 같은 전기·자기를 이용한 비접촉 센서 등으로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 순환형 그래핀 제조장치(1)에서는, 증착챔버(20)를 거친 촉매기판(200)이 냉각부(26)를 통하여 냉각된 후 전사용필름(300)이 도포되도록 하는 필름공급장치(100)가 형성될 수 있다. 필름공급장치(100)는 수용챔버(150) 내부에서 언코일러(30) 및 코일러(40)와 함께 구비되고, 코일러(40)와 평행하게 설치되며 전사용필름(300)이 도포된 촉매기판(200)이 코일러(40)에 권취되도록 한다. 전사용필름(300)은 PMMA, PET, PVDF 등으로 이루어질 수 있고, 그래핀이 증착된 촉매기판(200)이 증착챔버(20)를 나오면서 냉각부(26)를 거쳐 권취되는 과정에서 도포되어 전사용필름(300)이 접착된다. 코일러(40)에 권취되는 기판의 최초 더미(Dummy)부분은 그래핀이 증착되지 않은 상태로 도포되지만 증착 공정이 수행되면서 나오는 부분은 그래핀이 도포되어 나오게 된다. 필름과 기판이 합쳐지는 곳에는, 도 9에 도시된 바와 같이, 가압롤을 설치하여 전사용필름(300)이 촉매기판(200)에 밀착되게 한다.

스텝형성챔버(10) 및/또는 증착챔버(20) 내부에는, 촉매기판(200)의 파단을 감지하는 파단감지센서(70)가 형성된다.

파단감지센서(70)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 스텝형성챔버(10) 및 증착챔버(20) 내부에 레이저센서 또는 적외선 센서 형태로 이루어질 수 있으며, 발광부(71)와 수광부(72)로 구분될 수 있다. 촉매기판(200)의 어느 한쪽에 발광부(71)를 위치시키고, 다른 한쪽에 수광부(72)를 위치시키며, 촉매기판(200)의 파단이 이루어진 경우 발광부(71)에 의한 빛을 수광부(72)에서 감지하여 파단을 감지하는 형태로 이루어질 수 있다.

또한, 파단감지센서(70)는 상술한 광센서 형태가 아닌, 상술한 속도감지센서(60) 형태로 이루어질 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 증착챔버(20)의 입구 및 출구에는 촉매기판(200)의 이동속도를 감지하는 속도감지센서(60)가 형성되는데, 증착챔버(20) 내부에서 촉매기판(200)의 파단이 이루어지는 경우, 증착챔버(20)의 출구쪽에 비하여 입구쪽에서 속도가 감소하거나 속도가 '0'이 되게 되는데, 이를 통하여 촉매기판(200)의 파단을 감지할 수 있다.

또한, 파단감지는, 코일러(40)에서 걸리는 하중을 감지하는 형태로 이루어질 수 있다. 촉매기판(200)의 파단이 발생하는 경우, 코일러(40)에 걸리는 하중은 급격히 감소하게 되며, 이를 감지함으로써 파단감지가 이루어질 수 있다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 순환형 그래핀 제조장치(1)의 일부 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명에서는 스텝형성챔버(10) 또는 증착챔버(10)의 입구 및/또는 출구에 가압롤(161)과 구동롤(162)이 한 조를 이루는 버퍼부(160)가 설치되어 촉매기판(200)의 이송속도를 조절한다. 이때 촉매기판(200)의 그래핀 형성면과 접하는 가압롤(161)은 촉매기판(200)을 가볍게 누르면서 무부하로 회전하도록 형성되거나, 가압롤(161) 양단에 단차를 주어 중간에서는 그래핀 합성층과 접촉하지 않으면서도 양단의 일부만 접촉하거나 양측면을 지지함으로써 가이드 역할을 수행할 수 있도록 형성될 수 있다. 구동롤(162)은 촉매기판(200)의 하부면과 접촉하면서 마찰력을 발생하여 이송시킴으로써 그래핀층에 가압롤(161)이 미끄럼응력을 가하지 않게 되어 그래핀층의 손상을 방지할 수 있다.

본 발명에서는 각 가열부(11, 21) 입구 및/또는 출구에 버퍼부(160)에 따른 버퍼구간을 설치함으로써 다음 단계의 구동롤(162)과 연동되지 않게 함으로써 가열부(11, 21) 내에 있는 촉매기판(200)에 최소한의 장력만 작용하게 할 수 있다. 이렇게 할 경우에는 버퍼구간 없이 다음 단계와 연동될 경우에 발생할 수 있는 과도한 국부장력을 방지할 수 있는데, 이를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

버퍼부(160)가 없는 경우, 스텝형성챔버(10)의 출구에서 구동력에 의해 촉매기판(200)을 당겨주면 장력이 스텝형성챔버(10) 입구를 거쳐 언코일러(30)까지 작용하게 되어 스텝형성챔버(10) 내에서 가열되는 촉매기판(200)에 장력이 작용하여 절단사고가 일어날 수 있다.

이때 본 발명에서와 같이, 스텝형성챔버(10) 입구와 언코일러(30) 사이에 가압롤(161) 및 구동롤(162)로 조합되는 버퍼부(160)를 설치하여 촉매기판(200)이 적층될 수 있는 버퍼구간을 형성하면 제1가열부(11) 내에 있는 촉매기판(200)에는 장력이 최소한으로 작용하게 된다.

스텝형성챔버(10)와 증착챔버(20) 사이, 증착챔버(20)와 코일러(40) 사이에도 버퍼구간을 두면 같은 효과를 얻을 수 있다. 특히 증착챔버(20)와 코일러(40) 사이의 버퍼구간에 진자식 가이드(163, pendulum guide)와 같은 장치를 추가로 설치하면 촉매기판(200)이 적층되면서 버퍼구간은 냉각부를 겸할 수 있으므로 충분히 촉매기판(200)의 강도가 회복된 후 코일러(40)에 감을 수 있는 장점이 있다.

앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

1 : 순환형 그래핀 제조장치 10 : 스텝형성챔버
11 : 제1가열부 12 : 제1노즐
13 : 스텝롤 14 : 리플렉터
15 : 제1예열부 16 : 스텝드럼
17 : 배기구 20 : 증착챔버
21 : 제2가열부 22 : 제2노즐
23 : 배기구 24 : 리플렉터
25 : 제2예열부 26 : 냉각부
27 : 증착드럼 28 : 증착롤
30 : 언코일러 40 : 코일러
50 : 로셸 53 : 배기펌프
60 : 속도감지센서
70 : 파단감지센서 71 : 발광부
72 : 수광부 80 : 스텝센서
90 : 회수장치 100 : 필름공급장치
110 : 스텝용가스탱크 120 : 재조직가스탱크
130 : 탄화수소탱크 140 : 수소탱크
150 : 수용챔버 151 : 배기구
160 : 버퍼부 161 : 가압롤
162 : 구동롤 163 : 진자식 가이드
200 : 촉매기판 300 : 전사용필름
V : 밸브 M : 유량계

Claims

촉매기판에 탄화수소 기체를 공급하는 증착챔버에서 연속으로 그래핀을 합성하는 그래핀 제조장치에 있어서,
상기 촉매기판을 연속하여 공급하는 언코일러;
상기 증착챔버로부터 상기 촉매기판을 연속하여 공급받는 코일러;
상기 언코일러 및 코일러를 수용하고, 상기 증착챔버에 인접하여 형성되는 수용챔버; 및
상기 촉매기판의 재결정 온도 이상의 어닐링 온도가 유지되도록 하는 제1가열부와, 탄소 원자량 이상의 분자량을 가지는 기체 분위기가 형성되도록 스텝용가스를 공급하는 제1노즐이 형성되어, 상기 촉매기판에 스텝구조가 형성되도록 하는 스텝형성챔버를 포함하고,
상기 촉매기판은 상기 언코일러, 스텝형성챔버, 증착챔버 및 코일러 순서대로 거치며,
상기 언코일러, 스텝형성챔버, 증착챔버 및 코일러는 시계방향 또는 반시계방향으로 배열되고,
상기 수용챔버와 스텝형성챔버, 상기 스텝형성챔버와 증착챔버 및 상기 증착챔버와 수용챔버는 각각 인접하여 벽을 공유하는 것을 특징으로 하는 순환형 그래핀 제조장치.
제 1 항에 있어서,
상기 증착챔버에는, 600 ~ 1100 ℃ 온도가 유지되도록 하는 제2가열부와, 상기 스텝형성챔버를 거친 상기 촉매기판에 탄화수소 기체를 공급하는 제2노즐이 형성되는 것을 특징으로 하는 순환형 그래핀 제조장치.
제 1 항에 있어서,
상기 수용챔버, 스텝형성챔버 및 증착챔버를 둘러싸며 밀폐된 공간을 형성하는 로셸을 더 포함하고,
상기 로셸은 이중벽 구조로 이루어지며, 상기 이중벽 사이에는 진공 또는 단열재로 충진되는 것을 특징으로 하는 순환형 그래핀 제조장치.
제 2 항에 있어서,
상기 스텝형성챔버 내부에는, 상기 촉매기판이 밀착되는 원통 형상의 스텝드럼이 형성되고,
상기 증착챔버 내부에는, 상기 촉매기판이 밀착되는 원통 형상의 증착드럼이 형성되는 것을 특징으로 하는 순환형 그래핀 제조장치.
제 4 항에 있어서,
상기 스텝형성챔버 내부에는, 상기 촉매기판이 일정 구간에서 상기 스텝드럼에 밀착하도록 가이드하는 스텝롤이 형성되고,
상기 증착챔버 내부에는, 상기 촉매기판이 일정 구간에서 상기 증착드럼에 밀착하도록 가이드하는 증착롤이 형성되는 것을 특징으로 하는 순환형 그래핀 제조장치.
제 1 항에 있어서,
상기 증착챔버의 입구 및 출구에는 상기 촉매기판의 이동속도를 감지하는 속도감지센서가 형성되고,
상기 속도감지센서에 의해 상기 코일러의 회전속도가 제어되는 것을 특징으로 하는 순환형 그래핀 제조장치.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스텝형성챔버 내부로 공급되는 상기 스텝용가스가 저장되는 스텝용가스탱크;
상기 증착챔버 내부로 공급되는 재조직가스가 저장되는 재조직가스탱크;
상기 증착챔버 내부로 공급되는 탄화수소가 저장되는 탄화수소탱크; 및
상기 스텝형성챔버 및 증착챔버 내부로 공급되는 수소가 저장되는 수소탱크를 더 포함하고,
상기 재조직가스 및 수소의 공급은 선택적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 순환형 그래핀 제조장치.
제 7 항에 있어서,
상기 스텝형성챔버 및 증착챔버에서 배기되는 가스가 상기 재조직가스탱크, 탄화수소탱크, 및 수소탱크로 각각 회수되도록 하는 회수장치가 형성되는 것을 특징으로 하는 순환형 그래핀 제조장치.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스텝형성챔버 및 증착챔버 내부에는, 안쪽으로 열을 반사하는 리플렉터가 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 순환형 그래핀 제조장치.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스텝형성챔버 또는 증착챔버 내부에는 상기 촉매기판의 파단을 감지하는 파단감지센서가 형성되는 것을 특징으로 하는 순환형 그래핀 제조장치.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스텝형성챔버의 출구에는 상기 촉매기판 상에 스텝 형성 여부를 감지하는 스텝센서가 형성되는 것을 특징으로 하는 순환형 그래핀 제조장치.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스텝형성챔버 또는 증착챔버의 출구에는, 상기 촉매기판의 양쪽을 지지하고 상기 촉매기판의 이송속도를 조절하는 가압롤 및 구동롤로 이루어지는 버퍼부가 형성되는 것을 특징으로 하는 순환형 그래핀 제조장치.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 촉매기판은 알루미늄, 니켈, 철, 스테인리스강, 은, 금 또는 구리로 이루어지고,
상기 촉매기판에 합금원소가 첨가되며,
상기 합금원소는, 600 ~ 1060℃ 범위에서 수소 고용도를 가지거나 탄화물을 형성하는 전이원소 또는 13~15족 원소 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 순환형 그래핀 제조장치.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스텝용가스는, 질소, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 일산화탄소, 이산화탄소, 산화질소, 암모니아, 수증기 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 순환형 그래핀 제조장치.
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