KR101263486B1 - 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치 - Google Patents

인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치 Download PDF

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induction heating
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김상민
이학주
김재현
장봉균
김경식
오충석
맥이사알렉산더
최병익
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 외부와 밀폐되게 형성되는 메인 챔버; 상기 챔버의 양측에 구비되어 기판의 양단이 연결되어 권취되며, 상기 기판이 메인 챔버 내부를 통과하도록 형성되는 공급롤 및 회수롤; 상기 메인 챔버에 구비되어 상기 메인 챔버 내부를 통과하는 기판을 유도 가열하는 인덕터; 상기 메인 챔버의 일측에 형성되어 메인 챔버 내부로 탄소를 포함한 가스를 공급하는 가스 공급부; 및 상기 메인 챔버의 일측에 형성되어 메인 챔버 내부의 가스를 배출하는 가스 배출부; 를 포함하여 이루어져, 롤투롤 방식으로 기판을 이송하여 밀폐된 메인 챔버 내부를 통과시키면서 인덕터에 의한 유도 가열로 기판을 가열 및 가스를 공급하고 냉각시킴으로써 기판에 그래핀을 연속적으로 합성할 수 있는 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치에 관한 것이다.

Description

인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치 {Apparatus for synthesizing graphene continuously using roll-to-roll process and induction heating}
본 발명은 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판을 롤투롤 방식으로 이송하여 밀폐된 챔버 내부를 통과시키면서 인덕션 히팅을 이용하여 기판을 가열하여, 기판에 그래핀을 연속적으로 합성할 수 있는 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치에 관한 것이다.
탄소 원자 한 층의 그래핀은 2차원 평면 형태를 가지고 있으며, 두께는 0.335nm 정도로 매우 얇으면서 물리적, 화학적 안정성도 높다. 또한, 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고 반도체로 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다. 게다가 강도는 강철보다 200배 이상 강하며, 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높으며, 투광성이 우수한 특징이 있다. 또 휨 특성(flexibility) 이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는다.
이런 특성으로 인해 그래핀은 차세대 신소재로 각광받는 탄소나노튜브를 뛰어넘는 소재로 평가받으며 '꿈의 나노물질'이라 불린다. 그리하여 그래핀은 구부릴 수 있는 디스플레이나 전자종이, 착용식 컴퓨터(wearable computer), 초고속 트랜지스터 등을 만들 수 있는 전자정보 산업분야의 미래 신소재로 주목받고 있다.
이러한 그래핀은 기판에 기계적 박리, 화학기상증착(CVD; Chemical Vapor Deposition), 에피택셜성장(epitaxial growth), 플라즈마 CVD 등을 종래에 알려진 다양한 방법으로 합성될 수 있다. 그리고 나노박막이 성장된 금속 촉매를 용액을 이용하여 에칭한 후 원하는 기판에 전사하는 습식전사 또는 나노박막을 열박리 테잎 등을 이용하여 원하는 기판에 전사하는 건식전사 방법을 이용하여 10nm 이하 두께의 나노박막을 원하는 기판위에 전사할 수 있다.
또한, 액상 분산기술을 이용한 코팅방법(딥코팅, 프린팅, 스크린프린팅, 스프레이코팅, 그라비아코팅, 스핀코팅, 롤코팅, 롤-투-롤 코팅) 등을 이용할 수도 있다.
이와 같이 반도체 및 디스플레이 산업 등에 그래핀을 사용하고자 하는 다양한 연구가 진행되고 있지만, 가장 큰 문제는 그래핀의 가격과 품질이다. 그런데 현재 CVD를 이용하여 응용 가능한 수준의 품질을 지닌 그래핀이 합성되고 있지만 1000℃에 이르는 온도 조건으로 인하여 30인치 면적의 그래핀을 합성하는데 5 내지 6시간 정도의 오랜 시간이 소요되며, 이는 그래핀의 가격을 크게 상승시키는 요인이 된다.
또한, 그래핀을 합성하기 위한 종래기술로 "그래핀 롤투롤 코팅 장치 및 이를 이용한 그래핀 롤투롤 코팅 방법"(한국공개특허 10-2011-0042023)이 있다. 이는 도 1과 같이 금속부재(기판,50)를 롤투롤 방식으로 공급하기 위한 제1롤러(30), 상기 제1롤러(30)를 통해 공급된 금속부재(50)의 표면처리를 위한 전처리부(10), 상기 전처리된 금속부재(50)의 표면에 그래핀의 합성과 동시에 코팅하기 위한 그래핀 합성부(20) 및 상기 그래핀 합성부(20)를 통과한 그래핀이 코팅된 금속부재를 롤투롤 방식으로 회수하기 위한 제2롤러(40)를 포함하여 이루어지며, 롤투롤 방식으로 금속부재를 연속으로 이동시키면서 그래핀을 합성하도록 하고 있다. 그러나 이는 플라즈마(11) 및 레이져(12)를 이용하여 금속부재(50)를 전처리하는 전처리부(10)가 구성되므로 장치가 복잡하며, 열원(21)이 금속부재(50)와 멀리 떨어져 있어 빠르게 금속부재(50)를 가열할 수 없어 고속으로 그래핀을 합성할 수 없는 단점이 있다.
KR 10-2011-0042023 A (2011.08.17.)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 롤투롤 방식을 이용하여 연속적으로 대면적의 그래핀을 일정한 성질을 갖도록 합성시키며, 그래핀의 합성에 필요한 열 에너지를 신속하게 가하거나 제거할 수 있도록 하여 고속으로 그래핀을 합성할 수 있는 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치는, 외부와 밀폐되게 형성되는 메인 챔버(100); 상기 메인 챔버(100)의 양측에 구비되어 기판(700)의 양단이 연결되어 권취되며, 상기 기판(700)이 메인 챔버(100) 내부를 통과하도록 형성되는 공급롤(200) 및 회수롤(300); 상기 메인 챔버(100)에 구비되어 상기 메인 챔버(100) 내부를 통과하는 기판(700)을 유도 가열하는 인덕터(400); 상기 메인 챔버(100)의 일측에 형성되어 메인 챔버(100) 내부로 탄소를 포함한 가스를 공급하는 가스 공급부(500); 및 상기 메인 챔버(100)의 일측에 형성되어 메인 챔버(100) 내부의 가스를 배출하는 가스 배출부(600); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인덕터(400)는 상기 기판(700)의 외부를 둘러싸는 인덕션 코일(410)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메인 챔버(100)는 상기 인덕션 코일(410)에 의해 가열되지 않는 재질로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메인 챔버(100)의 일측에 형성되어 상기 공급롤(200)이 내부에 수용되는 공급 챔버(210); 및 상기 메인 챔버(100)의 타측에 형성되어 상기 회수롤(300)이 내부에 수용되는 회수 챔버(310); 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인덕터(400)는 상기 메인 챔버(100)의 내부에 구비되며, 상기 메인 챔버(100) 내부를 통과하는 기판(700)의 폭 방향 및 길이 방향으로 이동 가능하게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메인 챔버(100)와 공급롤(200) 사이에 형성되는 전처리부(2000)를 더 포함하여 이루어지며, 상기 전처리부(2000)는 외부와 밀폐되게 형성되어 기판(700)이 내부를 통과하도록 형성되는 전처리 챔버(100a); 상기 전처리 챔버(100a)에 구비되어 상기 전처리 챔버(100a) 내부를 통과하는 기판(700)을 유도 가열하는 인덕터(400); 상기 전처리 챔버(100a)의 일측에 형성되어 전처리 챔버(100a) 내부로 탄소를 포함한 가스를 공급하는 가스 공급부(500); 및 상기 전처리 챔버(100a)의 일측에 형성되어 전처리 챔버(100a) 내부의 가스를 배출하는 가스 배출부(600); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전처리 챔버(100a)는 배출부(120a)가 메인 챔버(100)의 투입부(110)에 연결되도록 결합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메인 챔버(100), 공급롤(200) 및 회수롤(300)은 수직으로 형성되어, 상기 공급롤(200)이 메인 챔버(100)의 상측에 형성되고 상기 회수롤(300)이 메인 챔버(100)의 하측에 형성되되, 상기 회수롤(300)은 수직으로 배출되는 기판(700)으로부터 수평방향으로 일정거리 이격되게 형성되며, 상기 회수롤(300)에 권취되는 기판(700)의 하측에 구비되는 리미트 센서(800)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메인 챔버(100)를 통과한 기판(700)이 리미트 센서(800)에 접촉되었을 때, 상기 회수롤(300)은 일정시간 또는 일정각도 회전되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메인 챔버(100)는 투입부(110)의 기판(700)이 공급되는 전단 및 배출부(120)의 기판(700)이 배출되는 후단에 먼지 제거 및 표면의 정전기 방지 처리를 위한 노즐(5)이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메인 챔버(100)의 투입부(110) 및 배출부(120)는, 챔버(1); 상기 챔버(1) 내부에 구비되어 기판(700)이 통과되며, 챔버(1)를 밀폐하는 두 쌍의 실링 롤러(2); 상기 챔버(1)의 일측에 형성되어 챔버(1) 내부로 특정한 가스를 공급하는 가스 공급부(3); 및 상기 챔버(1)의 일측에 형성되어 챔버(1) 내부의 가스를 배출하는 가스 배출부(4); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 두 쌍의 실링 롤러(2) 사이에 구비되어 기판(700)의 일면에 밀착되는 텐션 조절 롤러(6) 및 상기 텐션 조절 롤러(6)의 일측에 결합되는 텐션 측정부(7)를 더 포함하여 이루어져, 상기 텐션 측정부(7)에서 측정되는 값에 따라 한 쌍의 제1실링롤러(2-1) 및 한 쌍의 제2실링롤러(2-2)의 속도가 제어되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치는, 인덕션 히팅 및 롤투롤 방식을 이용하여 밀폐된 챔버 내부에서 기판이 이송되도록 하면서 기판을 가열 및 탄소를 포함한 가스를 공급함으로써, 기판에 빠르고 연속적으로 그래핀을 합성할 수 있어 그래핀의 합성 단가를 크게 낮출 수 있는 장점이 있다.
또한, 롤투롤 방식을 이용하므로 기판에 연속적으로 대면적의 그래핀을 일정한 성질을 가지도록 합성할 수 있으며, 그래핀의 합성을 위해 필요한 열 에너지를 신속하게 가하거나 제거할 수 있어 그래핀 합성의 생산성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 그래핀 합성 장치 및 방법을 나타낸 개략도.
도 2 및 도 3은 본 발명의 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치의 제1실시예를 나타낸 구성도.
도 4는 본 발명의 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치의 제2실시예를 나타낸 구성도.
도 5 및 도 6은 본 발명의 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치의 제3실시예를 나타낸 구성도 및 부분 사시도.
도 7 및 도 8은 본 발명의 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치의 제4실시예 및 제5실시예를 나타낸 구성도.
도 9는 본 발명에 따른 투입부 및 배출부의 일 실시예를 나타낸 구성도.
이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치의 제1실시예를 나타낸 구성도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치(1000)는, 외부와 밀폐되게 형성되는 메인 챔버(100); 상기 메인 챔버(100)의 양측에 구비되어 기판(700)의 양단이 연결되어 권취되며, 상기 기판(700)이 메인 챔버(100) 내부를 통과하도록 형성되는 공급롤(200) 및 회수롤(300); 상기 메인 챔버(100)에 구비되어 상기 메인 챔버(100) 내부를 통과하는 기판(700)을 유도 가열하는 인덕터(400); 상기 메인 챔버(100)의 일측에 형성되어 메인 챔버(100) 내부로 탄소를 포함한 가스를 공급하는 가스 공급부(500); 및 상기 메인 챔버(100)의 일측에 형성되어 메인 챔버(100) 내부의 가스를 배출하는 가스 배출부(600); 를 포함하여 이루어진다.
우선, 상기 메인 챔버(100)는 내부가 중공되게 형성되며, 외부와 밀폐되도록 형성된다.
그리고 상기 메인 챔버(100)의 양측에 상기 공급롤(200) 및 회수롤(300)이 구비되며, 기판(700)의 양측이 각각 권취되어 상기 메인 챔버(100) 내부를 통과하면서 연속으로 이송될 수 있도록 구성된다. 이때, 상기 기판(700)은 그래핀이 성장하는 부분으로 구리(Cu)와 같은 금속 호일(foil)로 형성되어 상기 공급롤(200) 및 회수롤(300)에 권취될 수 있도록 형성된다.
이때, 상기 메인 챔버(100)의 일측에는 기판(700)이 투입될 수 있도록 투입부(110)가 형성되며, 타측에는 기판(700)이 배출될 수 있도록 배출부(120)가 형성된다. 여기에서 상기 투입부(110) 및 배출부(120)는 기판(700)은 통과되나 상기 메인 챔버(100)를 밀폐시켜 외부 공기와 차단되도록 하는 롤러 씰이 사용될 수 있다. 그리하여 상기 메인 챔버(100) 내부의 가스 환경을 일정하게 유지할 수 있어 보다 안정적인 그래핀의 합성이 이루어질 수 있다.
상기 인덕터(400)는 메인 챔버(100)에 구비되어 상기 메인 챔버(100) 내부를 통과하는 기판(700)을 유도 가열할 수 있도록 구성된다. 이때, 상기 기판(700)은 그래핀의 합성에 필요한 200℃ 내지 1100℃ 온도로 가열될 수 있어야 하는데, 상기 인덕터(400)는 1000℃ 이상으로도 가열이 가능하고 급속 가열 및 온도 조절이 용이한 장점이 있다. 또한, 상기 기판(700)은 인덕터(400)에 의해 유도 가열될 수 있도록 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co) 등 다양한 금속으로 형성될 수 있으며, 상기 인덕터(400)에 의해 급속으로 가열될 수 있고 그래핀 합성 효율이 우수한 재질을 선정하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 메인 챔버(100)에는 가스 공급부(500)가 형성되어, 상기 메인 챔버(100)의 내부로 그래핀 합성에 필요한 H2, CH4, Ar 등의 가스를 공급할 수 있도록 구성되며, 상기 가스 배출부(600)는 메인 챔버(100)의 내부를 진공 분위기로 만들거나 가스를 배출할 수 있도록 구성된다. 이때, 상기 가스 공급부(500)는 메인 챔버(100)의 일측에 연결되는 가스 공급밸브 및 가스 공급장치로 이루어질 수 있으며, 상기 가스 배출부(600)는 가스 배출밸브 및 진공 펌프(진공 발생기)로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 공급롤(200) 및 회수롤(300)은 상기 인덕터(400)에 의해 가열된 기판(700)을 냉각할 수 있도록 각각 냉각수단이 형성될 수 있으며, 상기 냉각수단은 공급롤(200) 및 회수롤(300)의 내부에 냉각수 유로를 형성하고 이 냉각수 유로에 배관을 연결하여 별도의 냉각장치와 연결하고 냉각수를 순환시켜 롤(200,300)들을 냉각시킬 수 있으며, 상기 공급롤(200) 및 회수롤(300) 내부에 냉각장치가 형성될 수도 있다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치(1000)를 이용한 그래핀의 합성 방법에 대해 설명하면, 우선 가스 배출부(600)를 통해 대기압 이하의 진공상태를 형성하고 상기 가스 공급부(500)를 통해 상기 메인 챔버(100) 내부로 H2, CH4, Ar과 같은 탄소를 포함한 가스를 공급한다. 그리고 상기 인덕터(400)를 이용하여 기판(700)을 유도 가열하면서 공급롤(200) 및 회수롤(300)을 회전시켜 메인 챔버(100) 내부를 통과하도록 기판(700)을 연속적으로 이동시키게 된다. 이때, 상기 메인 챔버(100) 내부를 통과하는 기판(700)이 가열되면서 그래핀(710)의 성장이 일어나 기판(700)의 양면에 그래핀이 합성되게 된다. 그 후 그래핀(710)이 합성된 기판(700)은 회수롤(300)에 감기면서 냉각되어 그래핀의 합성이 완료된다. 여기에서 상기 공급롤(200)도 주변의 열로 인해 가열될 수 있으므로 함께 냉각되도록 하는 것이 바람직하다.
그리하여 본 발명의 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치는, 인덕션 히팅 및 롤투롤 방식을 이용하여 밀폐된 챔버 내부에서 기판이 이송되도록 하면서 기판을 가열 및 탄소를 포함한 가스를 공급함으로써, 기판에 빠르고 연속적으로 그래핀을 합성할 수 있어 그래핀의 합성 단가를 크게 낮출 수 있는 장점이 있다. 그리고 인덕션 히팅을 이용하여 기판을 가열하므로 원하는 물질에만 빠른 시간에 고온으로 가열할 수 있어 에너지 낭비를 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, 롤투롤 방식을 이용하므로 기판에 연속적으로 대면적의 그래핀을 일정한 성질을 가지도록 합성할 수 있으며, 그래핀의 합성을 위해 필요한 열 에너지를 신속하게 가하거나 제거할 수 있으므로 그래핀을 0.1m/min 내지 3.0m/min의 고속으로 합성할 수 있어 생산성이 향상되는 장점이 있다.
그리고 상기 인덕터(400)는 상기 기판(700)의 외부를 둘러싸는 인덕션 코일로 형성될 수 있다. 이때, 인덕션 코일은 도 2 또는 도 3과 같이 메인 챔버(100)의 외부 또는 내부에 형성될 수 있으며, 상기 메인 챔버(100)의 외부에 인덕터(400)가 설치되어 기판(700)을 가열하게 되면 메인 챔버(100) 내부의 가스 흐름에 영향을 미치지 않아 기판(700)에 보다 균일하게 그래핀(710)을 합성할 수 있으며, 메인 챔버(100)와 인덕터(400) 제작 및 유지 보수가 용이한 장점이 있다.
이때, 상기 메인 챔버(100)는 상기 인덕션 코일(410)에 의해 가열되지 않는 재질로 형성될 수 있다. 즉, 메인 챔버(100)를 인덕터(400)에 의해 가열되지 않는 석영(quartz)과 같은 재질로 형성하여 불필요한 에너지 낭비를 줄일 수 있으며, 메인 챔버(100)가 가열되지 않으므로 제작 및 구성이 용이한 장점이 있다.
도 4는 본 발명의 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치의 제2실시예를 나타낸 구성도이다.
도시된 바와 같이 상기 메인 챔버(100)의 일측에 형성되어 상기 공급롤(200)이 내부에 수용되는 공급 챔버(210); 및 상기 메인 챔버(100)의 타측에 형성되어 상기 회수롤(300)이 내부에 수용되는 회수 챔버(310); 를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
이는 상기 공급롤(200) 및 회수롤(300)에 감겨진 기판(700)을 습도, 가스, 먼지 등과 같은 외부 요인으로부터 차단하여 기판(700)의 손상을 방지하기 위함이다. 즉, 상기 공급 챔버(210) 및 회수 챔버(310)에 의해 기판(700)이 보호되어 그래핀 합성의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 공급 챔버(210) 및 회수 챔버(310)의 구성에 의해 메인 챔버(100) 내부가 진공 또는 그래핀의 합성이 가능한 가스 분위기에서 기판(700)을 교체할 수 있다. 즉, 상기 공급롤(200)에 감겨있던 기판(700)이 전부 이송되어 그래핀이 합성된 후 회수롤(300)에 권취되었을 때, 회수롤(300)에 권취된 그래핀이 합성된 기판(700) 롤을 빼내고 상기 공급롤(200)에 새로운 기판(700) 롤을 장착한 후 상기 공급 챔버(210)와 회수 챔버(310) 내부를 진공상태로 만들고 공급롤(200)에 장착된 새로운 기판(700)을 회수롤(300)에 연결하게 된다. 그러므로 기판(700)의 교체시에 투입부(110) 및 배출부(120)를 기판(700)이 통과하면서 메인 챔버(100) 내부로 외부 공기가 유입되는 것을 방지할 수 있다. 그리하여 기판(700)의 교체 후 메인 챔버(100) 내부를 그래핀 합성에 필요한 가스 분위로 다시 만들 필요가 없으므로 생산성을 향상시킬 수 있다.
이때, 상기 공급 챔버(210) 및 회수 챔버(310)에는 기판(700)의 교체가 가능하고 챔버(210,310) 내부를 진공 상태로 만들 수 있도록 각각 도어 및 가스 배출부가 형성될 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치의 제3실시예를 나타낸 구성도 및 부분 사시도이다.
도시된 바와 같이 상기 인덕터(400)는 상기 메인 챔버(100)의 내부에 구비되며, 상기 메인 챔버(100) 내부를 통과하는 기판(700)의 폭 방향 및 길이 방향으로 이동 가능하게 형성될 수 있다.
이는 기판(700)의 폭이 넓은 경우 인덕터(400)를 메인 챔버(100)에 내부에 형성한 후, 인덕터(400)가 이송수단(미도시)에 의해 기판(700)의 폭 방향 및 길이 방향으로 이송되면서 그래핀이 합성되도록 할 수 있는 구성이다. 즉, 대면적으로 그래핀을 합성하기 위해 기판(700)의 폭을 넓게 형성한 경우, 메인 챔버(100)의 외부를 감싸도록 인덕터(400)를 형성하거나 인덕터(400)를 넓게 형성하면 인덕터(400)의 크기가 커져 일정크기 이상이 될 경우에는 기판(700)에 균일한 열분포가 이루어지지 않으므로, 인덕터(400)를 형성하고 이송수단에 의해 기판(700)의 폭 방향 및 길이 방향으로 이송하면서 부분 연속적으로 기판(700)을 가열하여 그래핀이 합성되도록 할 수 있다.
이때, 상기 기판(700)은 메인 챔버(100) 내부를 연속적으로 통과하면서 그래핀이 합성될 수도 있으며, 정지된 상태에서 인덕터(400)가 이송되면서 그래핀을 합성한 후 공급롤(200)과 회수롤(300)을 회전시켜 그래핀이 합성된 부분의 길이만큼 기판(700)을 감은 후 다시 정지시킨 상태에서 위 과정을 반복할 수도 있다.
도 7은 본 발명의 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치의 제4실시예를 나타낸 구성도이다.
도시된 바와 같이 상기 메인 챔버(100)와 공급롤(200) 사이에 형성되는 전처리부(2000)를 더 포함하여 이루어지며, 상기 전처리부(2000)는 외부와 밀폐되게 형성되어 기판(700)이 내부를 통과하도록 형성되는 전처리 챔버(100a); 상기 전처리 챔버(100a)에 구비되어 상기 전처리 챔버(100a) 내부를 통과하는 기판(700)을 유도 가열하는 인덕터(400); 상기 전처리 챔버(100a)의 일측에 형성되어 메인 챔버(100) 내부로 탄소를 포함한 가스를 공급하는 가스 공급부(500); 및 상기 메인 챔버(100)의 일측에 형성되어 메인 챔버(100) 내부의 가스를 배출하는 가스 배출부(600); 를 포함하여 이루어질 수 있다.
이는 메인 챔버(100)의 투입부(110)측과 공급롤(200) 사이에 전처리부(2000)가 형성되는 것이며, 상기 전처리부(2000)는 그래핀의 합성을 위해 메인 챔버(100)와 마찬가지로 외부와 밀폐되게 형성되어 기판(700)이 내부를 통과하도록 전처리 챔버(100a)가 형성되고, 그 내부를 통과하는 기판(700)을 유도 가열할 수 있도록 인덕터(400)가 구비되며, 전처리 챔버(100a) 내부를 진공 또는 특정한 가스 분위기로 만들기 위한 가스 공급부(500) 및 가스 배출부(600)가 형성되는 것이다.
이와 같은 전처리부(2000)의 구성에 의해 메인 챔버(100)에서 그래핀이 합성되기 전에 전처리 챔버(100a)로 기판(700)을 통과시켜 특정한 가스 분위기에서 100℃ 내지 1000℃ 온도로 가열하였다가 냉각시켜 기판(700) 표면의 산화물 및 이물질 등을 제거하고 표면 거칠기를 낮출 수 있다. 그리하여 메인 챔버(100)에서 기판(700)에 합성되는 그래핀(710)의 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 전처리 챔버(100a)는 배출부(120a)가 메인 챔버(100)의 투입부(110)에 연결되도록 결합될 수 있다. 즉, 전처리 챔버(100a)와 메인 챔버(100)가 연결되어 직렬 형태로 구성되어, 공급롤(200)에서 공급되는 기판(700)이 전처리 챔버(100a)의 투입부(110a)로 투입되고 전처리 챔버(100a)를 통과한 기판(700)이 메인 챔버(100)로 투입될 때 외부 공기와 접촉되지 않도록 할 수 있다. 그리하여 기판(700)의 오염을 방지할 수 있으므로 합성되는 그래핀(710)의 품질을 향상시킬 수 있다. 이때, 전처리 챔버(100a)의 배출부(120a)는 메인 챔버(100)의 투입부(110)로 대체될 수 있다.
도 8은 본 발명의 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치의 제5실시예를 나타낸 구성도이다.
도시된 바와 같이 상기 메인 챔버(100), 공급롤(200) 및 회수롤(300)은 수직으로 형성되어, 상기 공급롤(200)이 메인 챔버(100)의 상측에 형성되고 상기 회수롤(300)이 메인 챔버(100)의 하측에 형성되되, 상기 회수롤(300)은 수직으로 배출되는 기판(700)으로부터 수평방향으로 일정거리 이격되게 형성되며, 상기 회수롤(300)에 권취되는 기판(700)의 하측에 구비되는 리미트 센서(800)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
이는, 메인 챔버(100), 공급롤(200) 및 회수롤(300)이 수직 방향으로 구성되어, 메인 챔버(100)의 상측으로 기판(700)이 투입되어 하측으로 배출되며, 그래핀(910)이 합성된 후 수직으로 배출된 기판(700)은 수평방향으로 일정거리 이격되게 형성된 회수롤(300)에 권취되도록 구성되는 것이다. 이때, 회수롤(300)에 권취되는 기판(700)은 메인 챔버(100)에서 수직으로 배출되어 기판 자체의 하중에 의해 굴곡된 형태로 회수롤(300)에 감기게 되는데, 굴곡된 기판(700) 하측에 구비된 리미트 센서(800)에 의해 특정높이 이하로는 처지지 않으면서 권취될 수 있다. 이때, 리미트 센서(800)로는 광학 센서, 레이저 갭 센서, 접촉식 센서 등 다양한 종류의 센서들이 사용될 수 있다.
그리하여 메인 챔버를 통과한 그래핀이 합성된 상태의 기판에 큰 장력이 가해지지 않으면서 회수롤에 권취될 수 있어, 그래핀 및 기판의 손상을 방지할 수 있으며, 메인 챔버 내부를 통과하는 기판의 이송 속도를 일정하게 유지할 수 있어 기판(700) 전체에 균일하게 그래핀(710)을 합성할 수 있는 장점이 있다.
여기에서 상기 메인 챔버(100)를 통과한 기판(700)이 리미트 센서(800)에 접촉되었을 때, 상기 회수롤(300)은 일정시간 또는 일정각도 회전되도록 구성될 수 있다.
즉, 공급롤(200)은 연속적으로 일정하게 회전하면서 메인 챔버(100)로 기판(700)을 공급하여 그래핀(710)을 합성하면서, 메인 챔버(100)를 통과한 기판(700)이 일정높이 이하로 처지면 리미트 센서(800)에 접촉되어 정지된 상태의 회수롤(300)을 구동시켜 기판(700)이 권취되도록 할 수 있다. 이때, 회수롤(300)을 일정한 시간 또는 일정한 각도만큼 회전시켜 기판(700)에 큰 장력이 가해지지 않으면서 일정한 길이만큼 기판(700)이 권취되도록 할 수 있다.
그리고 회수롤(300)에 의해 권취되는 기판(700)의 길이는 공급롤(200)에 의해 공급되는 기판(700)의 길이보다 길도록 설계되어야 한다. 또한, 회수롤(300)의 속도를 조절하여 느린 속도로 회전하는 상태에서, 리미트 센서(800)에 기판(700)이 접촉되면 회전속도를 높임으로써 기판(700)이 회수롤(300)에 권취되는 정도를 조절할 수도 있다.
도 9는 본 발명에 따른 투입부 및 배출부의 일 실시예를 나타낸 구성도이다.
도시된 바와 같이 상기 메인 챔버(100)는 투입부(110)의 기판(700)이 공급되는 전단 및 배출부(120)의 기판(700)이 배출되는 후단에 노즐(5)이 형성될 수 있다. 즉, 메인 챔버(100)의 투입부(110)는 기판(700)이 공급되어 메인 챔버(100) 내부로 투입되기 전에 노즐(5)을 통해 공기(air) 또는 질소(N2)를 분사하여 기판(700) 표면에 부착된 먼지 또는 이물질들을 제거할 수 있으며, 기판(700) 표면의 정전기 방지 처리를 할 수 있다. 마찬가지로 배출부(120)의 후단에도 노즐(5)을 설치하여 메인 챔버(100)를 통과하며 그래핀(710)이 합성된 기판(700)을 세척할 수 있다. 이때, 노즐(5)은 기판(700)의 상면과 하면에서 일정거리 이격되도록 설치되어 기판(700)의 양면을 모두 세척할 수 있도록 형성될 수 있다. 그리하여 투입부(110) 및 배출부(120)에 구비된 롤러를 통과하거나 회수롤(300)에 권취시 기판(700) 및 합성된 그래핀(710)의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 상기 메인 챔버(100)의 투입부(110) 및 배출부(120)는, 챔버(1); 상기 챔버(1) 내부에 구비되어 기판(700)이 통과되며, 챔버(1)를 밀폐하는 두 쌍의 실링 롤러(2); 상기 챔버(1)의 일측에 형성되어 챔버(1) 내부로 특정한 가스를 공급하는 가스 공급부(3); 및 상기 챔버(1)의 일측에 형성되어 챔버(1) 내부의 가스를 배출하는 가스 배출부(4); 를 포함하여 이루어질 수 있다.
이는 상기 투입부(110)와 배출부(120)가 기판(700)은 통과되나 외부 공기가 유입되지 않도록 챔버(1)와 두 쌍의 실링 롤러(2)에 의해 밀폐되게 형성되어, 메인 챔버(100) 내부로 외부 공기가 유입되거나 메인 챔버(100)의 외부로 가스가 누출되는 것을 방지하기 위한 구성이다. 이때, 상기 실링 롤러(2)들에 의해 챔버(1) 내부가 밀폐되나 완벽한 밀폐가 이루어지지 않을 수 있으므로, 가스 공급부(3)에서 불활성 가스인 질소(N2) 또는 아르곤(Ar) 등을 공급하면서 가스 배출부(4)에서 가스를 배출하여 챔버(1) 내부를 특정한 가스 분위기로 유지하여 메인 챔버(100)를 외부 공기와 차단되도록 할 수 있다. 그리하여 상기 불활성 가스는 그래핀의 합성에 반응하지 않으므로, 메인 챔버(100) 내부로 가스가 유입되더라도 기판(700)에 안정적인 그래핀의 합성이 가능하다.
또한, 상기 두 쌍의 실링 롤러(2) 사이에 구비되어 기판(700)의 일면에 밀착되는 텐션 조절 롤러(6) 및 상기 텐션 조절 롤러(6)의 일측에 결합되는 텐션 측정부(7)를 더 포함하여 이루어져, 상기 텐션 측정부(7)에서 측정되는 값에 따라 한 쌍의 제1실링롤러(2-1) 및 한 쌍의 제2실링롤러(2-2)의 속도가 제어될 수 있다. 즉, 텐션 조절 롤러(6)가 기판(700)에 밀착된 상태에서 텐션 조절 롤러(6)의 상측에 결합된 텐션 측정부(7)에 의해 기판의 텐션이 측정되고, 이때 텐션 측정부(7)에 측정되는 값에 따라 제1실링롤러(2-1) 및 한 쌍의 제2실링롤러(2-2)의 속도가 제어되어 기판의 텐션이 조절될 수 있다. 이때, 텐션 측정부(7)는 로드셀이 사용될 수 있으며, 텐션 측정부(7)는 챔버(1)의 일측에 견고하게 고정되어, 텐션 조절 롤러(6)를 통해 전달되는 힘을 정확하게 측정하도록 할 수 있다. 그리하여 메인 챔버(100) 내부를 통과하는 기판(700)의 주름 및 처짐을 방지할 수 있어 기판에 합성되는 그래핀의 품질을 향상시킬 수 있다. 이때, 상기 텐션 조절 롤러(6)를 이용하여 공급롤(200)과 회수롤(300)간의 동기화를 조절할 수도 있다.
또한, 상기와 같은 투입부(110) 및 배출부(120)가 다단으로 구성되도록 할 수 있으며, 도 6의 제4실시예와 같이 전처리부(2000)가 구성되는 경우에는 전처리부의 투입부(110a)와 메인 챔버(100)의 배출부(120)를 상기 설명한 도 8의 일 실시예와 같이 형성할 수 있다.
또한, 도 2 내지 도 4 및 도 7과 같이 메인 챔버(100) 및 전처리 챔버(100a) 내부를 통과하는 기판(700)의 하측에 일정거리 이격되도록 처짐방지판(130) 또는 처짐방지롤러(140)가 형성되어, 인덕터(400)에 의해 기판(700)이 가열되었을 때 발생되는 처짐을 방지할 수 있다. 이때, 상기 처짐방지판(130) 또는 처짐방지롤러(140)는 메인 챔버(100) 내부를 통과하는 기판(700)의 전체 길이 및 폭이 지지될 수 있도록 형성되는 것이 바람직하며, 인덕터(400)에 의해 가열되지 않는 알루미나 등의 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1000 : 그래핀 연속 합성 장치
100 : 메인 챔버
110 : 투입부 120 : 배출부
130 : 처짐방지판 140 : 처짐방지롤러
200 : 공급롤 210 : 공급 챔버
300 : 회수롤 310 : 회수 챔버
400 : 인덕터
500 : 가스 공급부
600 : 가스 배출부
700 : 기판 710 : 그래핀
800 : 리미트 센서
2000 : 전처리부
100a : 전처리 챔버
110a : 투입부 120a : 배출부
1 : 챔버 2 : 실링 롤러
2-1 : 제1실링롤러 2-2 : 제2실링롤러
3: 가스 공급부 4 : 가스 배출부
5 : 노즐 6 : 텐션 조절 롤러
7 : 텐션 측정부

Claims (12)

  1. 외부와 밀폐되게 형성되는 메인 챔버(100);
    상기 메인 챔버(100)의 양측에 구비되어 기판(700)의 양단이 연결되어 권취되며, 상기 기판(700)이 메인 챔버(100) 내부를 통과하도록 형성되는 공급롤(200) 및 회수롤(300);
    상기 메인 챔버(100)에 구비되어 상기 메인 챔버(100) 내부를 통과하는 기판(700)을 유도 가열하는 인덕터(400);
    상기 메인 챔버(100)의 일측에 형성되어 메인 챔버(100) 내부로 탄소를 포함한 가스를 공급하는 가스 공급부(500); 및
    상기 메인 챔버(100)의 일측에 형성되어 메인 챔버(100) 내부의 가스를 배출하는 가스 배출부(600); 를 포함하여 이루어지며,
    상기 메인 챔버(100), 공급롤(200) 및 회수롤(300)은 수직으로 형성되어, 상기 공급롤(200)이 메인 챔버(100)의 상측에 형성되고 상기 회수롤(300)이 메인 챔버(100)의 하측에 형성되되, 상기 회수롤(300)은 수직으로 배출되는 기판(700)으로부터 수평방향으로 일정거리 이격되게 형성되며, 상기 회수롤(300)에 권취되는 기판(700)의 하측에 구비되는 리미트 센서(800)를 더 포함하여 이루어지는 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인덕터(400)는 상기 기판(700)의 외부를 둘러싸는 인덕션 코일인 것을 특징으로 하는 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 메인 챔버(100)는 상기 인덕션 코일에 의해 가열되지 않는 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 메인 챔버(100)의 일측에 형성되어 상기 공급롤(200)이 내부에 수용되는 공급 챔버(210); 및 상기 메인 챔버(100)의 타측에 형성되어 상기 회수롤(300)이 내부에 수용되는 회수 챔버(310); 를 더 포함하여 이루어지는 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 인덕터(400)는 상기 메인 챔버(100)의 내부에 구비되며, 상기 메인 챔버(100) 내부를 통과하는 기판(700)의 폭 방향 및 길이 방향으로 이동 가능하게 형성되는 것을 특징으로 하는 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 메인 챔버(100)와 공급롤(200) 사이에 형성되는 전처리부(2000)를 더 포함하여 이루어지며,
    상기 전처리부(2000)는 외부와 밀폐되게 형성되어 기판(700)이 내부를 통과하도록 형성되는 전처리 챔버(100a); 상기 전처리 챔버(100a)에 구비되어 상기 전처리 챔버(100a) 내부를 통과하는 기판(700)을 유도 가열하는 인덕터(400);
    상기 전처리 챔버(100a)의 일측에 형성되어 전처리 챔버(100a) 내부로 탄소를 포함한 가스를 공급하는 가스 공급부(500); 및
    상기 전처리 챔버(100a)의 일측에 형성되어 전처리 챔버(100a) 내부의 가스를 배출하는 가스 배출부(600); 를 포함하여 이루어지는 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전처리 챔버(100a)는 배출부(120a)가 메인 챔버(100)의 투입부(110)에 연결되도록 결합되는 것을 특징으로 하는 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 메인 챔버(100)를 통과한 기판(700)이 리미트 센서(800)에 접촉되었을 때, 상기 회수롤(300)은 일정시간 또는 일정각도 회전되는 것을 특징으로 하는 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 메인 챔버(100)는 투입부(110)의 기판(700)이 공급되는 전단 및 배출부(120)의 기판(700)이 배출되는 후단에 노즐(5)이 형성되는 것을 특징으로 하는 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 메인 챔버(100)의 투입부(110) 및 배출부(120)는, 챔버(1); 상기 챔버(1) 내부에 구비되어 기판(700)이 통과되며, 챔버(1)를 밀폐하는 두 쌍의 실링 롤러(2); 상기 챔버(1)의 일측에 형성되어 챔버(1) 내부로 특정한 가스를 공급하는 가스 공급부(3); 및 상기 챔버(1)의 일측에 형성되어 챔버(1) 내부의 가스를 배출하는 가스 배출부(4); 를 포함하여 이루어지는 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 두 쌍의 실링 롤러(2) 사이에 구비되어 기판(700)의 일면에 밀착되는 텐션 조절 롤러(6) 및 상기 텐션 조절 롤러(6)의 일측에 결합되는 텐션 측정부(7)를 더 포함하여 이루어져, 상기 텐션 측정부(7)에서 측정되는 값에 따라 한 쌍의 제1실링롤러(2-1) 및 한 쌍의 제2실링롤러(2-2)의 속도가 제어되는 것을 특징으로 하는 인덕션 히팅을 이용한 롤투롤 방식의 그래핀 연속 합성 장치.
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