KR101307982B1 - 그래핀 표면을 갖는 금속선의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

그래핀 표면을 갖는 금속선 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 금속선 제조방법은 금속선 표면에 카본 소스를 포함하는 고분자층을 코팅하는 제1 단계; 및 마이크로파 조사 및 IPL(Intensed Pulse Light) 조사 중 적어도 1이상의 열원을 통해, 상기 고분자층을 가열하여 2차원 구조를 갖는 탄소 동소체층을 형성하는 제2 단계를 포함한다.

Description

그래핀 표면을 갖는 금속선의 제조방법{METHOD FOR METAL WIRE WITH GRAPHENE SURFACE}
본 발명은 그래핀 표면을 갖는 금속선의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마이크로파 및 IPL(고감도 광원) 조사를 이용하여 표면에 그래핀이 형성된 금속선의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 금속선 내지 금속 케이블은 금속을 이용하여 만든 선으로, 전력용(송배전용), 통신용, 제어용, 기기용, 수송용 등 매우 다양한 분야에서 사용되고 있다.
이러한 금속선 내지 금속 케이블은 대표적 도체인 금속으로 제조되므로 도전율이 뛰어나지만, 경우에 따라서는 강도 저하, 부식에 의한 영향, 단면적 축소에 따른 저항 증가 등의 이유로 도전재료로서의 충분한 능력을 발휘하기가 어려울 때도 있다. 그러므로 금속선 내지 금속 케이블의 전기적, 열적 특성을 보존하거나 또는 향상시키기 위하여, 사용되는 합금을 개발하거나 금속선/금속 케이블의 표면처리(코팅 등)하는 방법들이 연구되고 있다.
상술한 방법들 중, 금속선/금속 케이블 표면에 그래핀을 형성시키는 것은 좋은 대안이 될 수 있다. 왜냐하면, 그래핀은 상온에서 단위면적당 구리보다 약 100배 많은 전류를 전달할 수 있을 뿐만 아니라, 열전도성이 다이아몬드보다 2배 이상 높다. 또한, 기계적 강도는 강철보다 200배 이상 강하고, 유연성이 뛰어나므로 늘리거나 접어도 전도성이 저하되지 않는 장점이 있기 때문이다.
한편, 이러한 그래핀을 합성하는 방법은 다양할 수 있으나, 통상적으로는 박리법(일명 스카치 테치프법) 또는 금속 촉매상에 그래핀을 직접 성장시키는 방법이 이용되고 있다.
그런데, 박리법(exfolidation)의 경우에는, 기본적으로 우연에 기대하는 공정으로 스카치 테이프로 기판 위에 증착하는 과정에서 그래핀과 여러층의 그래파이트가 쉽게 부셔지면서 그래핀과 그래파이트 조각들이 무질서하게 섞이는 문제점이 있었다. 따라서, 박리법을 이용하여 금속선 표면에 그래핀을 형성하고자 하는 경우에는 그래핀이 균일하게 형성되지 못하는 문제점이 있다.
또한, 금속 촉매상에 그래핀을 직접 성장시키는 방법의 경우에는 금속 촉매 상에 탄소 소스를 포함하는 반응소스를 공급하고 상압에서 열처리 함으로써 그래핀을 성장시키게 되는데, 1000℃ 이상의 고온이 요구된다는 문제점이 있었으며, 그래핀 성장 후에 금속 촉매를 에칭 등의 방법을 이용하여 제거하는 과정에서 금속 촉매 상부에 형성된 그래핀에 존재하는 오염물질의 완벽한 제거가 어렵다는 문제점이 있으므로, 금속선 표면에 그래핀을 형성하기에는 적합하지 않다는 문제점이 있다.
따라서, 금속선 표면에 그래핀을 형성함에 있어, 상대적으로 저온에서 균일하게 그래핀을 형성시킬 수 있는 방법의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명의 실시예들은 마이크로파 및/또는 IPL(고감도 광원) 조사를 통해 그래핀층을 금속선 표면에 형성함으로써, 상대적으로 저온에서 빠른 속도로 그래핀 표면을 갖는 금속선 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 마이크로파 및/또는 IPL 조사를 통해 금속 촉매 입자를 국부적으로 융해시켜 오염물질의 잔류 없이 그래핀을 적층시킴으로써, 보다 안정적으로 그래핀 표면을 갖는 금속선 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 금속선 표면에 카본 소스를 포함하는 고분자층을 코팅하는 제1 단계; 및 마이크로파 조사 및 IPL(Intensed Pulse Light) 조사 중 적어도 1이상의 열원을 통해, 상기 고분자층을 가열하여 2차원 구조를 갖는 탄소 동소체층을 형성하는 제2 단계를 포함하는 금속선 제조방법이 제공될 수 있다.
이 때, 상기 금속선은 구리, 철, 니켈, 알루미늄, 금, 은, 백금 또는 이들의 조합이고, 상기 탄소 동소체층은 제1 그래핀층일 수 있다.
또한, 상기 카본 소스를 포함하는 고분자층은 폴리메타크릴레이트, 폴리스티렌, 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(Acrylonitrile Butadiene Styrene, ABS), SAM(Self-assembled monolayer) 및 폴리이미드 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
한편, 상기 제2 단계는, 상기 마이크로파 조사 및 IPL(Intensed Pulse Light) 조사 중 적어도 1 이상의 열원을 통해 상기 고분자층을 300 내지 1000℃로 가열하는 것일 수 있다.
한편, 상기 제2 단계 이후에, 상기 제1 그래핀층 상부를 금속 촉매 입자로 코팅하는 제3 단계를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 금속 촉매 입자는 실리콘(Si), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 백금(Pt), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 로듐(Rh), 탄탈륨(Ta), 타이타늄(Ti), 텅스텐(W), 우라늄(U), 바나듐(V), 지르코늄(Zr), 황동, 청동, 백동, 스테인리스 스틸 및 게르마늄(Ge)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 또는 합금일 수 있다.
또한, 상기 제3 단계 이후에, 마이크로파 조사 및 IPL(Intensed Pulse Light) 조사 중 적어도 1 이상의 열원을 통해, 상기 금속 촉매 입자를 국부적으로 융해시켜 제2 그래핀층을 상기 제1 그래핀층 상부와 접합시키는 제4 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에 다른 측면에 따르면, 본 발명의 일 측면에 따른 금속선 제조방법에 의해 제조되는 그래핀 표면을 갖는 금속선이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 마이크로파 및/또는 IPL(고감도 광원) 조사를 통해 탄소 소스를 포함하는 고분자층을 가열함으로써, 저온에서 빠른 속도로 금속선 표면에 그래핀층을 형성할 수 있다.
또한, 마이크로파 및/또는 IPL(고감도 광원) 조사를 통해 금속 촉매 입자를 국부적으로 융해시켜 금속선 표면에 복수의 그래핀층을 접합할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 그래핀층을 갖는 금속선은 전기적, 열적, 기계적 특성이 크게 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속선 제조방법의 제1 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속선 제조방법의 제2 공정도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속선 제조방법의 제3 공정도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속선 제조방법의 제4 공정도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속선 제조방법의 제5 공정도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속선 제조방법의 제1 공정도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속선(100) 제조방법은 우선 금속선(110) 표면에 카본 소스를 포함하는 고분자층(120)을 코팅한다.
금속선(110)은 구리, 철, 니켈, 알루미늄, 금, 은, 백금 또는 이들의 조합일 수 있으며, 통상적으로 사용되는 금속선일 수 있다.
카본 소스를 포함하는 고분자층(120, 이하 고분자층)은 그래핀 합성을 위한 시드층의 역할을 수행할 수 있다. 고분자층(120)은 예를 들어, 폴리메타크릴레이트, 폴리스티렌, 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(Acrylonitrile Butadiene Styrene, ABS), SAM(Self-assembled monolayer), 폴리이미드 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
이 때, 상기 SAM(Self-assembled monolayer)은 소위 '자기조립단분자막'으로 불리는 것으로, 예를 들면, 부틸트리에톡시실란, 트리클로로옥틸실란, 트리클로로옥타데실실란 또는 트리메톡시페닐실란 등이 있다.
한편, 상기 카본 소스는 높은 온도를 받으면 고분자의 화학구조 중 일부가 분해되어 화학결합이 재배열되고, 이 때 C-C 결합의 고리화가 진행되어 그래핀을 형성시키는 역할을 수행할 수 있다. 상기 카본 소스의 예로는 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔 등이 있을 수 있다.
고분자층(120)을 형성하는 방법은 한정되지 않는다. 예를 들어, 고분자층(120)은 금속선(110) 표면에 스핀코팅, 딥코팅, 스프레이 코팅 등 통상의 코팅 방법 내지는 도포 방법을 사용하는 것이 가능하다. 또한, 고분자층(120)의 코팅두께는 한정되지 않는다. 예를 들면, 고분자층(120)은 금속선(110) 표면에 100nm 내지 1㎛의 두께로 코팅될 수 있다(이상 제1 단계).
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속선 제조방법의 제2 공정도이다.
도 2를 참조하면, 표면에 고분자층(120)이 코팅된 금속선(110)에 대하여, 마이크로파(Microwaves) 조사 및 IPL(Intensed Pulsed Light, 백색단파장) 조사 중 적어도 1 이상의 열원을 통해 고분자층(120)을 가열하여 2차원 구조를 갖는 탄소 동소체층을 형성한다. 이 때, 상기 탄소 동소체층은 그래핀층일 수 있다. 이하에서는 탄소 동소체층이 그래핀층인 경우를 중심으로 설명하기로 하고, 금속선(110)에 형성되는 탄소 동소체층을 제1 그래핀층(130)이라 칭하기로 한다.
한편, 상기 열원을 통해 가해지는 온도는 300 내지 1000℃일 수 있다. 따라서, 종래 그래핀 합성온도보다 상대적으로 낮은 온도에서 금속선 표면에 그래핀층을 형성시키는 것이 가능하다.
한편, 상기 열원으로 마이크로파 조사만을 행하거나, IPL 조사만을 행하는 것이 가능하다. 또한, 상기 마이크로파 조사 및 IPL 조사를 동시에 행하는 것도 가능하다.
여기에서 마이크로파는 라디오파와 적외선 사이의 파장을 가진 전자기파에 클라이스트론과 마그네트론에 의해 발생되는 파장이 1㎜와 0.1m 사이의 전자기 방사를 의미한다. 마이크로파를 이용한 가열방식은 주파수를 흡수하는 물질만 선택적으로 진동시키는 방식으로 상기 물질을 가열할 수 있는 장점을 갖는다. 따라서, 본 발명에 따른 일 실시예에서 상기 마이크로파를 이용하여 금속선(110) 표면에 코팅된 고분자층(120)만을 가열하여 그래핀층을 형성 가능하다.
이 때, 마이크로파의 주파수 또는 조사 시간은 한정되지 않는다. 예를 들면, 상기 마이크로파는 1 내지 10GHz의 주파수로, 2분 내지 60분 가량 조사되는 것이 가능하다.
한편, IPL(Intensed Pulsed Light, 백색단파장)은 350nm 내지 1200nm의 넓은 대역의 빛을 발생시키는 플래시 램프 또는 제논 램프(xenon lamp)를 이용하는 열원을 의미한다. 상기 IPL 조사는 빠른 속도로 펄스를 바꾸어주며 금속선(110)을 손상하지 않고 가열시킬 수 있는 장점을 갖는다.
상기 마이크로파 조사 및/또는 IPL 조사는 통상적으로 이용되는 마이크로파 조사 장치 및 IPL 조사 장치를 이용하여 수행될 수 있다. 한편, 상기 IPL 조사에 의한 효과를 높이기 위하여 금속선(110) 표면에 광반응성 고분자(예를 들면, 폴리비닐알콜(PVP))를 추가적으로 코팅하여 광촉매 반응을 유도시키는 것이 가능하다. 상기 광촉매 반응의 일 예는 하기 [식1]에 기재되어 있다.
[식 1]
Cu2O+CH3OH(g)→2Cu+H2O(g)+CO2(g) *G(310 ℃)=-161 kJ
Cu2O+HCOOH(g)→2Cu+H2O(g)+HCHO(g) *G(310 ℃)=-69 kJ
따라서, 카본 소스를 포함하는 고분자층(120)을 마이크로파 및/또는 IPL조사를 이용하여 가열할 경우에는 상대적으로 저온에서 빠른 속도로 가열시켜 표면 산화층을 제거함과 동시에 그래핀층을 직접 합성 가능하다.
상기 마이크로파 조사 및/또는 IPL 조사를 통해 형성된 제1 그래핀층(130)은 복수개의 탄소원자들이 서로 공유결합으로 연결되어 폴리시클릭 방향족 분자를 형성하는 그래핀이 층 또는 시트 형태를 형성한 것이다.
상기 공유결합으로 연결된 탄소원자들은 기본 반복단위로서 도 2에 도시된 바와 같이 6원환을 형성하나, 이에 한정되지 않는다. 즉, 상기 탄소원자들은 5원환, 7원환 등으로 형성되는 것도 가능하다.
제1 그래핀층(130)은 단일층으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지 않고 복수층으로 형성되는 것도 가능하다. 예를 들면, 제1 그래핀층(130)은 50층으로 형성되는 것이 가능하다. 또한, 제1 그래핀층(130)은 대면적으로 형성될 수 있으며, 예를 들면 횡방향 또는 종방향의 길이가 약 1mm 이상 내지 1000m에 이르도록 형성되는 것이 가능하다(이상 제2 단계).
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속선 제조방법의 제3 공정도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속선 제조방법은 제1 그래핀층(130) 상부를 금속 촉매 입자(140)로 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.
금속 촉매 입자(140)는 제1 그래핀층(130)과 후술할 제2 그래핀층(150)을 접합시키기 위한 매개체로의 역할을 수행할 수 있다.
금속 촉매 입자(140)에서 상기 금속은 특정 종류로 한정되지 아니하며, 예를 들면, 실리콘(Si), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 백금(Pt), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 로듐(Rh), 탄탈륨(Ta), 타이타늄(Ti), 텅스텐(W), 우라늄(U), 바나듐(V), 지르코늄(Zr), 황동, 청동, 백동, 스테인리스 스틸 및 게르마늄(Ge)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속 또는 합금을 포함할 수 있다.
또한, 제1 그래핀층(130) 상부에 금속 촉매 입자(140)를 코팅하는 방법은 한정되지 않는다. 예를 들면, 제1 그래핀층(130) 상부에 금속 촉매 입자(140)를 스핀코팅, 딥코팅, 스프레이 코팅 등 통상의 코팅 방법 내지는 도포 방법을 사용하는 것이 가능하다(이상 제3 단계)
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속선 제조방법의 제4 공정도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속선 제조방법의 제5 공정도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 복합필름 제조방법은 제1 그래핀층(130) 상부에 제2 그래핀층(150)을 적층하고, 마이크로파 조사 및/또는 IPL 조사를 통해 금속 촉매 입자(140)를 국부적으로 융해시켜 제2 그래핀층(150)을 제1 그래핀층(130) 상부와 접합시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
제2 그래핀층(150)은 제1 그래핀층(130)과 동일 또는 유사한 것으로, 제1 그래핀층(130)과 동일 또는 유사한 방법에 의해 제조될 수 있다. 이에 대해서 중복 설명은 생략하도록 한다. 한편, 제2 그래핀층(150)은 제1 그래핀층(130)과는 다른 방법으로 제조되는 것도 가능하다. 예를 들면, 금속 촉매상에 그래핀을 직접 성장시킨 후, 상기 금속 촉매를 제거함으로써 제2 그래핀층(150)을 제조하는 것이 가능하다.
상기 마이크로파 조사 및 IPL 조사에 대해서는 전술하였으므로, 중복 설명은 생략하도록 한다. 상기 마이크로파 조사 및 IPL 조사는 제1 그래핀층(130) 상부에 코팅된 금속 촉매 입자(140)를 선택적으로 및 국부적으로 융해시킬 수 있으므로, 오염물질의 잔류 없이 제1 그래핀층(130) 및 제2 그래핀층(150)을 접합 시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 실시예들에 따른 금속선 제조방법에 따라 제조되는 그래핀 표면을 갖는 금속선이 제공될 수 있다.
상기 금속선은 전력용(송배전용), 통신용, 제어용, 기기용, 수송용, 기판배선용 등 다양한 분야에서 사용되는 것이 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 마이크로파 및/또는 IPL(고감도 광원) 조사를 통해 탄소 소스를 포함하는 고분자층을 가열함으로써, 저온에서 빠른 속도로 금속선 표면에 그래핀층을 형성할 수 있다. 또한, 마이크로파 및/또는 IPL(고감도 광원) 조사를 통해 금속 촉매 입자를 국부적으로 융해시켜 금속선 표면에 복수의 그래핀층을 접합할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 그래핀층을 갖는 금속선은 종래에 비해 크게 향상된 전기적, 열적, 기계적 특성을 가질 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100: 그래핀 표면을 갖는 금속선 110: 금속선
120: 고분자층 130: 제1 그래핀층
140: 금속 촉매 입자 150: 제2 그래핀층

Claims (8)

  1. 금속선 표면에 카본 소스를 포함하는 고분자층을 코팅하는 제1 단계;
    마이크로파 조사 및 IPL(Intensed Pulse Light) 조사 중 적어도 1이상의 열원을 통해 상기 고분자층을 가열하여 제1 그래핀층을 형성하는 제2 단계; 및
    상기 제1 그래핀층 상부를 금속 촉매 입자로 코팅하는 제3 단계를 포함하는 금속선 제조방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 금속선은 구리, 철, 니켈, 알루미늄, 금, 은, 백금 또는 이들의 조합인 금속선 제조방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 카본 소스를 포함하는 고분자층은 폴리메타크릴레이트, 폴리스티렌, 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(Acrylonitrile Butadiene Styrene, ABS), SAM(Self-assembled monolayer) 및 폴리이미드 중에서 선택되는 1종 이상인 금속선 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 단계는,
    상기 마이크로파 조사 및 IPL(Intensed Pulse Light) 조사 중 적어도 1 이상의 열원을 통해 상기 고분자층을 300 내지 1000℃로 가열하는 금속선 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 촉매 입자는 실리콘(Si), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 백금(Pt), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 로듐(Rh), 탄탈륨(Ta), 타이타늄(Ti), 텅스텐(W), 우라늄(U), 바나듐(V), 지르코늄(Zr), 황동, 청동, 백동, 스테인리스 스틸 및 게르마늄(Ge)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 또는 합금인 금속선 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제3 단계 이후에,
    마이크로파 조사 및 IPL(Intensed Pulse Light) 조사 중 적어도 1 이상의 열원을 통해, 상기 금속 촉매 입자를 국부적으로 융해시켜 제2 그래핀층을 상기 제1 그래핀층 상부와 접합시키는 제4 단계를 더 포함하는 금속선 제조방법.
  8. 제1 항 내지 제4 항, 제6항 및 제 7항 중 어느 한 항에 따른 금속선 제조방법에 의해 제조되는 그래핀 표면을 갖는 금속선.
KR1020110124374A 2011-11-25 2011-11-25 그래핀 표면을 갖는 금속선의 제조방법 KR101307982B1 (ko)

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