KR101465419B1 - 흑연 시트의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 흑연층과 점착층이 일체로 합지된 흑연 시트의 제조 방법에 관한 기술로서, 특히, 상기 흑연 시트의 롤-투-롤 제조 방법을 제공한다.

Description

흑연 시트의 제조 방법{PRUDUCING METHOD FOR GRAPHITE SHEET}

본원은 흑연 시트의 롤-투-롤 제조 방법에 관한 것이다.

세라믹 재료 중에 탄화규소는 고온강도, 크립 저항성, 내마모성, 화학적 안정성 등 우수한 특성들로 열기관, 열교환기, 내마모 용품 및 우주항공기의 재료 등 여러 분야에서 광범위하게 사용되고 있으며, 수요산업계에서는 경량이면서 파괴인성, 내식성 및 고온강도를 가진 탄화규소 복합화에 대한 응용 범위는 계속 확대되고 있는 실정이다.

탄소 원자들이 2차원 상에서 벌집 모양의 배열을 이루면서 원자 한 층의 두께를 가지는 전도성 물질인 그래핀이 3차원으로 쌓여 형성된 흑연은 구조적, 화학적으로도 매우 안정할 뿐 아니라, 매우 뛰어난 열전도체로서 기존 구리와 알루미늄보다 수배 이상 뛰어난 방열 효과를 제공할 수 있다고 알려져 있다.

흑연 소재 방열판은 최대 2,000 W/mㆍk의 열전도율을　나타내는데, 이는 기존 알루미늄 제품의 평균　열전도율인 228 W/mㆍk보다 약 10배 정도 우수하다. 이러한 탁월한 열전도율 성능뿐만 아니라 팬이나 히트파이프와 같은 다른 열관리 제품의 중복 설치를 피함으로써 유효 공간의 최대 확보도 기대할 수 있다. 또한 구리와 알루미늄보다 무게가 가벼워 무게에 민감한 휴대용 전기제품에 이상적인 특성을 구현할 수 있다.

그러나 아직 수십 ㎛ 이하 두께의 고밀도 흑연 필름의 대량 합성법 개발 및 이를 통한 방열필름 응용의 실제 적용 가능한 기술이 개발되지 않아 이러한 기술의 개발에 대한 요구가 증가되고 있다.

현재 금속촉매를 활용한 화학증기증착법은 1 nm 미만의 두께를 갖는 투명전도필름용 얇은 그래핀 합성에 대해서만 기술이 개발이 되어 있으며(대한민국 공개 특허 제10-2011-0031863호) 방열필름에 사용할 수 있는 수십 ㎛ 두께의 흑연 필름 합성 기술에 대해서는 연구가 되어 있지 않다.

또한, 기존의 흑연 필름 제조는 고분자 필름의 고온소성, 탄화법 공정을 통해 이루어 질 수 있으나, 2000℃ 이상의 고열조건하에서 장시간 소성 과정이 필요하여 막대한 에너지를 필요로 하는 문제점을 가지고 있다 (일본 공개 특허 JP 2006-306068).

본 발명의 목적은 흑연층과 점착층이 합지된 흑연 시트를 제조함에 있어서, 롤-투-롤 방법을 적용한 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명은 흑연층 위에 점착층이 형성된 흑연 시트의 제조 방법에 있어서, 상기 흑연 시트는 롤-투-롤 방법에 의해 제조되되, 상기 롤-투-롤 방법은: 지지체가 감겨 있는 제 1 롤러; 상기 제 1 롤러로부터 공급되는 상기 지지체를 전처리하기 위한 전처리부; 탄소 소스가 공급되는 분위기 하에서 상기 전처리부를 통과한 상기 지지체를 가열하여 지지체의 적어도 일면에 흑연층을 형성하는 흑연 합성부; 상기 흑연 합성부를 통과하여 적어도 일면에 흑연층이 형성된 지지체를 냉각하기 위한 냉각부; 상기 점착층이 감겨 있는 제 2 롤러; 및 상기 냉각부를 통과한 적어도 일면에 흑연층이 형성된 지지체와 상기 제 2 롤러로부터 공급되는 점착층을 합지하여 감는 제 3 롤러를 포함하여 이루어지는 롤-투-롤 방법인 것을 특징으로 하는 흑연 시트의 제조 방법을 제공한다.

특히, 상기 지지체를 제거하는 단계를 추가 포함하는 것이 바람직하다.

특히, 상기 지지체는 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, 황동(brass), 청동(bronze), 백동(white brass), 스테인레스 스틸(stainless steel), Ge 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.

특히, 상기 지지체는 그의 표면에 형성되는 흑연 성장용 금속 촉매층을 포함하는 것이 바람직하다.

특히, 상기 지지체를 제거하는 단계는 에칭 용액조에서 실시하는 것이 바람직하다.

특히, 상기 흑연 성장용 금속 촉매층은 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, 황동(brass), 청동(bronze), 백동(white brass), 스테인레스 스틸(stainless steel), Ge 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것이 바람직하다.

특히, 상기 흑연층은 100 nm 내지 100 ㎛ 두께를 가지는 것이 바람직하다.

특히, 상기 흑연층의 일면에 절연층을 형성하는 단계를 추가 포함하는 것이 바람직하다.

특히, 상기 점착층은 열 박리성(thermal release) 폴리머, 저밀도 폴리에틸렌, 또는 저분자 폴리머인 것이 바람직하다.

특히, 상기 절연층은 폴리에스테르, 폴리스티렌, 폴리이미드, PET (polyethylene terephthalate), 폴리올레핀, 셀룰로스에스테르, 폴리카보네이트, 폴리술폰 또는 이들의 조합에서 선택되는 것이 바람직하다.

본원의 흑연 시트의 제조 방법에 의하면, 기존의 고분자 필름 탄화법과는 달리 니켈, 철 등의 금속 또는 이들의 합금 형태의 지지체 상에 탄소 소스를 공급하면서, 별도의 외부 고로에 의한 가열공정 없이 금속 지지체에 전류를 공급하여 주울 가열로 금속 지지체를 900℃ 이상으로 가열하여 탄소 흡착에 의한 고밀도의 흑연을 용이하게 제조할 수 있어, 열전도도, 전자파자폐, 내열성, 내화학성 및 기계적 특성 등의 뛰어난 특성을 갖는 흑연 시트를 방열 필름뿐만 아니라 전자파 차폐 등의 보완제로서 폭넓은 산업 분야에 적용 가능하다.

또한, 본원의 흑연 시트를 포함하는 방열 필름으로 코팅된 전자 소자 등은 열 방출이 좋아짐으로써 높은 전기적 성질을 보다 장시간 동안 유지할 수 있다.

본원에 따른 스마트폰, 타블렛 PC, TV와 같은 전자소자 등에 적용되는 흑연 방열필름은 단시간 내에 저비용으로 목적 소자상에 삽입할 수 있으며, 상기 코팅 필름은 수 ㎛에서 수십 ㎛로 매우 얇으며, 경량이고, 유연성 및 탄성이 탁월한 특징을 나타낸다.

도 1은 본원의 일 구현예에 따른 흑연 시트 제조 방법의 흐름도이다.
도 2는 본원의 일 구현예에 따른 흑연 시트의 제조 과정을 나타낸 개략도이다.
도 3은 본원의 일 구현예에 따른 흑연 시트의 제조 과정을 나타낸 개략도이다.
도 4는 본원의 일 구현예에 따른 흑연 시트 제조 방법의 흐름도이다.
도 5는 본원의 일 구현예에 따른 흑연 시트의 제조 과정을 나타낸 개략도이다.
도 6은 본원의 일 구현예에 따른 흑연 시트의 롤-투-롤 제조 장치를 나타낸 것이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 상에 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 이들의 조합(들)의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.

본원 명세서 전체에서 사용된 용어 "주울 가열(Joule heating)"은 도체에 전류가 흐름으로 인해 열이 발생하는 과정을 의미한다. 발생하는 열은 전류의 제곱과 전선의 전기저항의 곱에 비례한다.

이하, 본원에 대하여 도면을 참조하여 구현예와 실시예를 이용하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 본원에 이러한 구현예와 실시예에 제한되는 것은 아니다.

도 1 및 도 2는 본원의 일 구현예에 따른 흑연 시트 제조 방법의 흐름도 및 제조 과정을 나타낸 개략도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본원의 일 구현예에 따른 흑연 시트는 금속층에 흑연층을 형성하는 단계(S10); 상기 흑연층에 점착층을 형성하는 단계(S21); 및 상기 흑연 시트를 건조하는 단계(S30)에 의해 제조할 수 있다. 본원의 다른 구현예에 있어서, 도 5에서와 같이, 상기 흑연층에 점착층을 형성하는 단계(S21) 이후에 상기 금속층을 제거하고 세척하는 단계(S22)를 추가 포함할 수 있다(도 4).

도 2에 도시된 바와 같이, 본원의 일 구현예에 따른 흑연 시트는, 지지체(110)의 양면에 흑연층(120)을 형성하고, 상기 흑연층(120)에 점착층(130)을 형성하여 제조될 수 있다.

본원의 예시적인 구현예에 있어서, 상기 흑연층은 단일층 또는 다층의 그래핀을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 흑연층은, 예를 들어, 약 100 nm 내지 약 100 ㎛, 약 300 nm 내지 약 100 ㎛, 약 500 nm 내지 약 100 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 약 50 ㎛ nm 내지 약 100 ㎛, 약 100 nm 내지 약 90 ㎛, 약 100 nm 내지 약 50 ㎛, 약 100 nm 내지 약 10 ㎛, 약 100 nm 내지 약 1 ㎛, 또는 약 100 nm 내지 약 500 nm의 두께일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 흑연층은 횡방향 및/또는 종방향의 길이가 약 10 mm 내지 약 1000 m의 대면적으로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 예시적인 구현예에 있어서, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 흑연층(120)의 일면에 절연층(140)을 추가 형성할 수 있다. 지지체(110)의 양면에 흑연층(120)을 형성하고, 상기 흑연층(120)의 다른 일면에 점착층(130)을 형성하여, 상기 흑연층(120)에 상기 절연층(140) 및 상기 점착층(130)이 형성된 흑연 시트를 제조할 수 있다. 본원의 다른 구현예에 있어서, 도 5에 도시된 바와 같이, 지지체(110)의 양면에 흑연층(120)을 형성하고, 상기 흑연층(120)의 다른 일면에 점착층(130)을 형성한 후, 상기 지지체(110)를 에칭하여 제거하여, 상기 흑연층(120)에 상기 점착층(130)이 형성된 흑연 시트를 제조할 수 있다.

본원의 예시적인 구현예에 있어서, 상기 점착층(130)은 열 박리성(thermal release) 폴리머, 저밀도 폴리에틸렌, 또는 저분자 폴리머를 포함할 수 있으며, 예를 들어, PDMS(poly-dimethylsiloxane), 폴리 우레탄 필름, 수계 점착제, 수용성 점착제, 초산 비닐 에멀젼 접착제, 핫멜트 접착제, 광경화용 접착제, PBI(Polybenizimidazole), PI(Polyimide), 실리콘/이미드(Silicone/imide), BMI(Bismaleimide), 변성 에폭시 수지, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 점착층은 약 0.1 ㎛ 내지 약 500㎛, 예를 들어, 약 1 ㎛ 내지 약 500㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 500㎛, 약 50 ㎛ 내지 약 500㎛, 약 100 ㎛ 내지 약 500㎛, 약 200 ㎛ 내지 약 500㎛, 약 300 ㎛ 내지 약 500㎛, 약 0.1 ㎛ 내지 약 400㎛, 약 0.1 ㎛ 내지 약 300㎛, 약 0.1 ㎛ 내지 약 200㎛, 약 0.1 ㎛ 내지 약 100㎛, 약 0.1 ㎛ 내지 약 50㎛, 약 0.1 ㎛ 내지 약 10㎛, 또는 약 0.1 ㎛ 내지 약 1㎛ 의 두께일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 점착층(13)은 종래의 라미네이션법, 스프레이법 등을 통해 상기 흑연층(120)에 코팅함으로써 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 절연층(140)은 절연성 커버 또는 시트의 형태로 사용가능한 플라스틱이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 폴리에스테르, 폴리스티렌, 폴리이미드, PET (polyethylene terephthalate), 폴리올레핀, 셀룰로스에스테르, 폴리카보네이트, 폴리술폰 또는 이들의 조합들을 포함하는 것일 수 있으며, 예를 들어, PET(poly ethylene telephtalate)일 수 있다.

본원의 예시적인 구현예에 있어서, 상기 지지체의 양면에 흑연층(120)을 형성하는 단계는 주울 가열을 이용한 것으로서, 지지체에 접촉된 전극을 통해 고전류를 흘려주어 가열한 후 탄소 소스를 포함하는 반응가스를 흘려주어 흑연이 상기 지지체의 표면에 성장 및 코팅되어 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 예시적인 구현예에 있어서, 상기 흑연 시트를 건조하는 단계(S30)를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 예시적인 구현예에 있어서, 상기 흑연 시트를 냉각하는 단계를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 예시적인 구현예에 있어서, 상기 흑연 시트의 제조 방법은 도 6에 도시된 바와 같은 장치에 의해 제조될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 도 6에 도시된 바와 같은 장치는, 상기 지지체(110)를 롤-투-롤 방식으로 공급하기 위한 제 1 롤러(210); 상기 지지체(110)의 전치리를 위한 전처리부(400); 상기 지지체(110)의 표면에 흑연층(120)을 합성과 동시에 코팅하여 흑연 시트를 형성하기 위한 흑연 합성부(300); 상기 흑연 합성부(300)에서 형성된 상기 흑연 시트를 냉각하기 위한 냉각부(500); 상기 점착층(130)을 형성하기 위한 점착물질을 롤투롤 방식으로 공급하기 위한 제 2 롤러(220); 및 상기 건조된 흑연 시트를 롤투롤 방식으로 회수하기 위한 제 3 롤러(230)를 포함할 수 있다. 상기 지지체(110)는 상기 제 1 롤러(210)와 상기 제 3 롤러(230)의 구동에 의하여 상기 제 1 롤러(210)로부터 상기 전처리부(400), 흑연 합성부(300), 및 냉각부(500)를 순차적으로 통과하면서 흑연층(120)이 코팅되고 점착층(130)이 형성됨으로써, 상기 흑연층(120) 및 상기 점착층(130)을 포함하는 흑연 시트가 상기 제 3 롤러(230)에 의하여 회수된다.

상기 전처리부(400)에서는 상기 제 1 롤러를 통해 공급되는 금속부재 표면 상에 플라즈마, 레이져, 예열 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 공정이 수행될 수 있다. 예를 들어, 필요에 따라 플라즈마 공정, 레이져 공정, 또는 예열 공정을 순차적으로 진행시킬 수 있다.

상기 플라즈마 공정 및 상기 레이져 공정은 그래핀이 합성될 금속부재 또는 금속촉매 상에 불순물을 제거하고 금속부재의 조직을 치밀하게 하며, 조직의 크기를 성장시키기 위해 사용될 수 있다. 이 경우, 상기 플라즈마 공정 및/또는 상기 레이져 공정에 의해 제거된 불순물의 이동을 방지하기 위하여, 상기 전처리부 내의 플라즈마 공정과 레이저 공정 사이에 격벽을 설치할 수 있다. 또한 상기 전처리부의 입구 및/또는 출구에 외부 공기와의 유출입을 차단하기 위하여 격벽이 추가로 형성되어 있을 수 있다.

상기 예열 공정은 상기 흑연 합성부(300)에서 흑연의 합성 및/또는 코팅 전에, 흑연의 성장 및 코팅이 용이하게 일어날 수 있는 온도로 미리 금속부재를 가열하는 공정을 말한다. 상기 예열 공정에 의해 상기 금속부재는 상기 흑연 합성부에서 화학기상증착이 용이하게 일어날수 있는 온도와 동일하게 또는 그보다 낮은 온도로 예열될 수 있다. 상기 온도는, 예를 들어 약 300℃ 내지 약 2000℃, 또는 약 300℃ 내지 약 1000℃, 또는 약 300℃ 내지 약 500℃를 포함한다.

본원의 예시적인 구현예에 있어서, 상기 냉각부(500)는 공냉 또는 수냉식 냉각 장치를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 흑연 시트의 제조 장치는 수직 또는 수평으로 배치할 수 있다. 상기 지지체(110)가 고온에서 변형 및/또는 휨 현상을 최소화하거나 방지하고 열의 구배를 안정적으로 유지시키기 위해 상기 장치를 수직으로 배치하는 것이 효과적일 수 있으며, 상기 수직으로 배치된 흑연 시트의 롤-투-롤 장치는 지지체(110) 상에 흑연 성장용 금속 촉매층을 증착하여 흑연층(120)을 코팅하는 경우, 상기 촉매층의 대면적 결정화가 가능하여 보다 용이하게 상기 지지체(110) 상에 흑연층(120)을 코팅할 수 있다. 또한 상기 장치를 수평으로 배치하는 경우 특별한 지그 제작을 통해 안정적으로 이송 가능하게 하여 상기 롤-투-롤 장치를 작동시킬 수 있다.

상기 흑연 합성부(300)는 챔버 형태를 가지는 것일 수 있다. 상기 챔버 형태의 장치는 상기 지지체(110)의 표면 상에 흑연층(120)을 코팅하는 경우에 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

흑연 합성부(300)는 상기 지지체(110)의 표면에 흑연층(120)을 합성과 동시에 코팅시킨다. 상기 흑연층(120)의 합성을 위한 방법으로는 주울 가열(joule heating)을 위한 방법이라면 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 상기 지지체(110)에 전극을 접촉하여 전력 공급부(350)을 통해 고전류를 흘려주어 주울 가열에 의해 상기 지지체(110)의 온도를 상승시킨 후 탄소 소스를 포함하는 반응 가스를 주입하여 상기 흑연층을 성장 및 코팅할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 지지체는 예를 들어, 약 700℃ 이상, 약 800 ℃ 이상, 약 900℃ 이상, 약 1000℃ 이상, 약 1100℃ 이상 또는 약 1200℃ 이상의 온도로 가열될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

예시적 구현예에서, 상기 흑연층(120)의 합성과 코팅은 흑연 합성부 내의 가스 노즐(310)을 통하여 탄소 소스를 포함하는 반응 가스가 주입되어, 상기 흑연 합성부(300)에서 주울 가열에 의해 가열된 상기 지지체(110) 표면에 흑연층(120)이 합성되어 코팅되는 것일 수 있다. 상기 탄소 소스를 포함하는 반응가스는 상기 탄소 소스만으로 존재하거나, 또는 질소, 헬륨, 아르곤 등과 같은 불활성 가스와 상기 탄소 소스가 함께 존재할 수도 있다. 또한, 상기 탄소 소스를 포함하는 반응가스는 상기 탄소 소스와 더불어 수소를 포함할 수 있다. 수소는 상기 기재의 표면을 깨끗하게 유지하여 기상 반응을 제어하기 위하여 사용될 수 있으며, 용기 전체 부피의 약 1 부피% 내지 약 40 부피% 로 사용가능하고, 예를 들어, 약 10 부피% 내지 약 30 부피%, 또는 약 5 부피% 내지 약 25 부피% 이다.

상기 탄소 소스는 일산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 탄소 소스 또는 타르, 고분자, 석탄 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 고체상태의 탄소 소스를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 탄소 소스를 포함하는 반응 가스를 기상으로 상기 흑연 합성부(300)에 공급하면서, 상기 주울 가열에 의해 가열된 상기 지지체(110)의 표면에서 상기 탄소 소스에 존재하는 탄소 성분들이 결합하여 6 각형의 판상 구조를 형성하면서 그래핀이 합성되고 성장시간이 증가함에 따라 그래핀이 적층된 흑연층(120)이 합성된다. 상기 언급한 방법에 의해 제조되는 흑연층(120)은 단층 그래핀 또는 다층 그래핀을 포함할 수 있다.

흑연 합성부(300) 내의 가스 노즐(310)은 상기 챔버의 양 측면에 각각 설치된 한 쌍 또는 여러 쌍일 수 있으며, 필요에 따라 상기 흑연 합성부 내에 상기 가스 노즐을 복수개 설치하여 흑연의 합성 정도를 조절할 수 있다.

상기 점착층(130)은 상기 지지체(110)에 형성된 흑연층(120)의 일면에 롤-투-롤 공정에 의해 형성될 수 있다.

본원의 본원의 예시적인 구현예에 있어서, 상기 지지체(110)을 제거하는 단계를 추가 포함할 수 있으며, 상기 지지체(110)의 제거를 위해 에칭부를 추가 포함할 수 있다. 상기 에칭부는 에칭 용액조 및 세척액조를 포함할 수 있다. 상기 점착층(130)이 형성된 흑연 시트가 상기 에칭 용액조에 함침되어 통과함으로써 상기 지지체(110)가 에칭되어 제거된 후 상기 세척액조에 함침되어 통과함으로써 세척될 수 있다.

상기 에칭 용액은 상기 지지체(110)를 에칭할 수 있는 수용액이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 불화수소(HF), BOE(buffered oxide etch), 염화 철(Iron(III) Chloride), 과산화수소계 화합물 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 세척액은 물, 에탄올, 메탄올, 이소프로필알콜 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 예시적인 구현예에 있어서, 상기 지지체는, 상기 지지체의 양측에 금속 촉매층이 형성되어 제조될 수 있다.

본원의 예시적인 구현예에 있어서, 상기 지지체(110)는 유연성이 있는 호일, 필름, 시트 또는 플레이트 형태의 금속 기재일 수 있으며, 예를 들어, Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, 황동(brass), 청동(bronze), 백동(white brass), 스테인레스 스틸(stainless steel), Ge 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 금속 도체는 구리 또는 구리 합금일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 예시적인 구현예에 있어서, 상기 금속 촉매층은 탄소 용해도가 우수한 금속이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, 황동(brass), 청동(bronze), 백동(white brass), 스테인레스 스틸(stainless steel), Ge 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 금속 촉매층은 전해 방식, 무전해 방식, 전기도금, 스퍼터링, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 방법에 의해 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

이하, 본원에 대하여 실시예를 이용하여 좀 더 구체적으로 설명하지만, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.

[ 실시예 ]

실시예 1

탄소 프리폼의 제조

두께 25 ㎛의 니켈 호일의 양 끝단에 전극을 접촉하여 고전류를 흘려주어 주울 가열에 의해 니켈 호일 자체 온도가 900℃ 이상으로 가열되게 한 후 하기와 같은 조건으로 메탄가스와 질소를 흘려주어 니켈 호일 양면에 수 ㎛ 두께의 흑연을 성장, 코팅하였다:

1) 600 ℃ 까지 아르곤 가스 1000 sccm; 2) 1000 ℃ 까지 아르곤 700 sccm , 수소 250 sccm; 3) 수 시간 동안, 아르곤 700 sccm, 수소 250 sccm, 메탄 600 sccm; 및 4) 아르곤 700 sccm, 수소 250 sccm 조건에서 천천히 냉각하고 이후 상온에서 아르곤 700 sccm 분위기로 공냉으로 급냉각.

주울 가열 조건은

공식에 전류의 제곱과 니켈 호일 저항의 곱에 의해 발열량 계산법에 의거하여 전류값을 산정하였다.

상기 니켈 호일의 앞 뒤 표면에 약 2 ㎛ 내지 약 10 ㎛ 두께의 흑연층이 합성되어 코팅되었다. 니켈을 포함한 흑연의 필름의 전기전도도는 두 프로브(two probe) 상에서 10^-1~10^-2 ohm대로 측정되었다. 열전도도(단위: W/m·K)는 가로, 세로가 각각 50 mm인 정사각형 모양의 시편을 준비하여 ASTM D 5470 방법에 따라 측정한 결과, 1000 W/m·K 이상이었다. 핫 스팟(hot spot) 법에 의해 130℃ 핫 스팟 조건에서 25 ㎛의 니켈(비교예)는 107℃로 감소되었으나, 본원에 따른 흑연층이 코팅된 니켈의 경우 86℃로 44℃ 온도 낮춤 효과가 관측되었다.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

110: 지지체 330: 격벽
120: 흑연층 350: 전력 공급부
130: 점착층 400: 전처리부
140: 절연층 410: 플라즈마
210: 제 1 롤러 420: 레이져
220: 제 2 롤러 500: 냉각부
230: 제 3 롤러
300: 흑연 합성부
310: 가스 노즐

Claims (23)

1. 흑연층 위에 점착층이 형성된 흑연 시트의 제조 방법에 있어서,
   상기 흑연 시트는 롤-투-롤 방법에 의해 제조되되,
   상기 롤-투-롤 방법은:
   지지체가 감겨 있는 제 1 롤러;
   상기 제 1 롤러로부터 공급되는 상기 지지체를 전처리하기 위한 전처리부;
   탄소 소스가 공급되는 분위기 하에서 상기 전처리부를 통과한 상기 지지체를 가열하여 지지체의 적어도 일면에 흑연층을 형성하는 흑연 합성부;
   상기 흑연 합성부를 통과하여 적어도 일면에 흑연층이 형성된 지지체를 냉각하기 위한 냉각부;
   상기 점착층이 감겨 있는 제 2 롤러; 및
   상기 냉각부를 통과한 적어도 일면에 흑연층이 형성된 지지체와 상기 제 2 롤러로부터 공급되는 점착층을 합지하여 감는 제 3 롤러를 포함하여 이루어지는 롤-투-롤 방법인 것을 특징으로 하는 흑연 시트의 제조 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 지지체를 제거하는 단계를 추가 포함하는 것을 특징으로 하는 흑연 시트의 제조 방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 지지체는 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, 황동(brass), 청동(bronze), 백동(white brass), 스테인레스 스틸(stainless steel), Ge 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 흑연 시트의 제조 방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 지지체는 그의 표면에 형성되는 흑연 성장용 금속 촉매층을 포함하는 것을 특징으로 하는 흑연 시트의 제조 방법.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 흑연 성장용 금속 촉매층은 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, 황동(brass), 청동(bronze), 백동(white brass), 스테인레스 스틸(stainless steel), Ge 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 흑연 시트의 제조 방법.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 흑연층은 100 nm 내지 100 ㎛ 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 흑연 시트의 제조 방법.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 점착층은 열 박리성(thermal release) 폴리머, 저밀도 폴리에틸렌 또는 저분자 폴리머 재질인 것을 특징으로 하는 흑연 시트의 제조 방법.
   
8. 제 2 항에 있어서,
   상기 지지체를 제거하는 단계는 에칭 용액조에서 실시하는 것을 특징으로 하는 흑연 시트의 제조 방법.
   
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