KR101625195B1 - 다공성 그래핀 필터의 제조 방법, 이를 이용하여 제조된 다공성 그래핀 필터 및 이를 이용한 필터 장치 - Google Patents
다공성 그래핀 필터의 제조 방법, 이를 이용하여 제조된 다공성 그래핀 필터 및 이를 이용한 필터 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 탄소 단원자층 구조를 갖는 그래핀에 인위적으로 매우 작은 사이즈의 홀들을 형성하고, 그래핀에 인위적으로 형성한 홀들을 갖는 복수개의 다공성 그래핀 필터들을 이용하여 복수개의 물질들이 혼합된 혼합 물질 중 특정 물질을 선택적으로 필터링 할 수 있는 다공성 그래핀 필터의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 다공성 그래핀 필터를 제공하며, 다공성 그래핀 필터의 제조 방법은 탄소 소스로부터 생성된 탄소 원자들로 그래핀을 성막하는 도중 일부 탄소 원자를 치환 소스로부터 생성된 치환 원자로 치환하여 상기 그래핀에 제1 사이즈를 갖는 제1 홀들이 형성된 제1 그래핀 필터를 형성하는 단계, 탄소 소스로부터 생성된 탄소 원자들로 그래핀을 성막하는 도중 일부 탄소 원자를 치환 소스로부터 생성된 치환 원자로 치환하여 상기 그래핀에 상기 제1 사이즈보다 큰 제2 사이즈를 갖는 제2 홀들이 형성된 제2 그래핀 필터를 형성하는 단계, 및 상기 제1 및 제2 그래핀 필터들을 유입구 및 배출구가 형성된 필터 몸체 내부에 배치하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 다공성 그래핀 필터의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 다공성 그래핀 필터에 관한 것으로, 보다 구체적으로 본 발명은 다공성 그래핀을 이용하여 적어도 2 개의 서로 다른 물질들이 혼합된 혼합 물질들 중 특정 물질을 선택적으로 필터링 할 수 있는 다공성 그래핀 필터의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 다공성 그래핀 필터 및 이를 이용한 필터 장치에 관한 것이다.
최근 들어, 탄소 단원자층을 포함하는 그래핀(graphene)의 기술 개발이 급속히 진행되고 있다.
그래핀은 탄소 원자들이 한층으로 형성된 단원자층을 포함하며, 그래핀의 도전성은 구리에 비하여 매우 우수하고, 그래핀의 전자 이동성은 실리콘(silicon)에 비하여 빠르며, 그래핀은 강철에 비하여 매우 높은 강도를 갖는 다양한 장점들을 갖는 신소재로서, 그래핀은 초고속 반도체, 투명 전극을 활용한 플랙시블 디스플레이, 컴퓨터의 부품, 고효율 태양전지 등 다양한 분야에 적용되고 있다.
종래 반도체, 디스플레이, 컴퓨터 부품 및 태양 전지 등에 사용되는 그래핀은 그래핀에 홀(through hole) 등과 같은 결함이 형성되지 않도록 하는 기술 방향으로 기술 개발이 진행되고 있다.
본 발명은 탄소 단원자층 구조를 갖는 그래핀을 성막하는 도중 그래핀에 인위적으로 매우 작은 사이즈의 홀들을 형성하고, 그래핀에 인위적으로 형성한 홀들을 갖는 복수개의 다공성 그래핀 필터들을 이용하여 복수개의 물질들이 혼합된 혼합 물질 중 특정 물질을 선택적으로 필터링 할 수 있는 다공성 그래핀 필터의 제조 방법, 이를 이용하여 제조된 다공성 그래핀 필터 및 이를 이용한 필터 장치를 제공한다.
일실시예로서, 다공성 그래핀 필터의 제조 방법은 탄소 소스로부터 생성된 탄소 원자들로 그래핀을 성막하는 도중 일부 탄소 원자를 치환 소스로부터 생성된 치환 원자로 치환하여 상기 그래핀에 제1 사이즈를 갖는 제1 홀들이 형성된 제1 그래핀 필터를 형성하는 단계; 탄소 소스로부터 생성된 탄소 원자들로 그래핀을 성막하는 도중 일부 탄소 원자를 치환 소스로부터 생성된 치환 원자로 치환하여 상기 그래핀에 상기 제1 사이즈보다 큰 제2 사이즈를 갖는 제2 홀들이 형성된 제2 그래핀 필터를 형성하는 단계; 및 상기 제1 및 제2 그래핀 필터들을 유입구 및 배출구가 형성된 필터 몸체 내부에 배치하는 단계를 포함한다.
상기 제1 그래핀 필터에 상기 제1 홀들을 형성하는 상기 치환 소스 및 상기 제2 그래핀 필터에 상기 제2 홀들을 형성하는 상기 치환 소스는 질소 원자를 포함한다.
상기 제1 그래핀 필터를 형성하는 단계에서 상기 치환 소스의 제공량은 상기 제2 그래핀 필터를 형성하는 단계에서 상기 치환 소스의 제공량보다 적다.
상기 탄소 소스는 메탄(CH4), 메탄올(CH3OH), 일산화탄소(CO), 에탄(C2H6), 에틸렌(C2H4), 에탄올(C2H5OH), 아세틸렌(C2H2), 아세톤(CH3COCH3), 프로판(CH3CH2CH3), 프로필렌(C3H6), 부탄(C4H10), 펜탄(CH3(CH2)3CH3), 펜텐(C5H10), 사이클로펜타디엔(C5H6), 헥산(C6H14), 시클로헥산(C6H12), 벤젠(C6H6), 톨루엔(C7H8) 및 자일렌(C6H4(CH3)2)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함한다.
상기 치환 소스는 피리딘(pyridine)을 포함한다.
상기 제1 및 제2 그래핀 필터들을 각각 형성할 때, 상기 탄소 소스 및 상기 치환 소스는 각각 동시에 기화되어 상기 제1 및 제2 그래핀 필터들이 형성되는 증착로로 제공된다.
일실시예로서, 다공성 그래핀 필터는 그래핀을 이루는 탄소 원자들 중 공유 결합 부분에 결정 결함이 형성된 탄소 원자를 치환 원자로 치환하여 제1 사이즈를 갖는 제1 홀들이 형성된 제1 그래핀 필터; 그래핀을 이루는 탄소 원자들 중 공유 결합 부분에 결정 결함이 형성된 탄소 원자를 치환 원자로 치환하여 제2 사이즈를 갖는 제2 홀들이 형성된 제2 그래핀 필터; 및 복수개의 물질들이 혼합된 혼합 물질들이 유입되며, 상기 혼합 물질들의 이동 경로 상에 상기 제1 및 제2 그래핀 필터를 고정하는 필터 몸체를 포함한다.
다공성 그래핀 필터의 상기 제1 및 제2 그래핀 필터들은 필름 형태 또는 원통 형상으로 형성된다.
일실시예로서, 필터 장치는 서로 다른 사이즈를 갖는 물질들이 혼합된 일정량의 혼합물질을 단속적으로 제공하는 혼합물질 공급 장치; 상기 혼합물질이 제공되는 유입구를 갖고 측면에 적어도 두 개의 배출구들이 형성된 필터 몸체, 상기 필터 몸체의 내측에 배치되며 상기 배출구들 사이를 가로막아 상기 혼합물질에 포함된 물질을 분리하는 홀이 형성된 적어도 하나의 그래핀 박막을 포함하는 그래핀 필터; 및 상기 배출구들에 각각 연결되어 상기 혼합물질로부터 분리된 각 물질들을 회수하는 회수 유닛을 포함한다.
필터 장치의 상기 혼합물질 공급 장치는 상기 혼합물질을 제공하는 혼합물질 제공 유닛; 상기 혼합물질을 일정량 수납하는 수납 용기; 및 상기 수납 용기에 수납된 상기 혼합물질을 배출하는 배출 유닛을 포함한다.
필터 장치의 상기 배출 유닛은 상기 수납 용기로 공기 또는 불활성 가스를 제공하는 블로워를 포함한다.
필터 장치는 상기 혼합물질 공급 장치, 상기 그래핀 필터 및 상기 회수 장치에 결합된 전자 밸브들; 및 상기 전자 밸브들을 제어하는 밸브 콘트롤러를 더 포함한다.
필터 장치의 상기 그래핀 필터는 상기 필터 몸체의 내측면에 배치되며 제1 사이즈를 갖는 제1 홀들이 형성된 제1 그래핀 필터; 및 상기 필터 몸체의 상기 내측면에 상기 제1 그래핀 필터와 마주하게 배치되며 제2 사이즈를 갖는 제2 홀들이 형성된 제2 그래핀 필터를 포함한다.
본 발명에 따른 다공성 그래핀 필터의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 다공성 그래핀 필터는 탄소 단원자층 구조를 갖는 그래핀 박막을 성막하는 도중 그래핀 박막에 인위적으로 매우 작은 사이즈의 홀들을 형성하고, 그래핀에 인위적으로 형성한 홀들을 갖는 다공성 그래핀 필터를 이용하여 복수개의 물질들이 혼합된 혼합 물질 중 특정 물질을 선택적으로 필터링 및 분리할 수 있도록 하는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 그래핀 필터의 제조 방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 도 1의 제1 그래핀 필터를 도시한 평면도이다.
도 3은 도 1의 제2 그래핀 필터를 도시한 평면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 제1 그래핀 필터 또는 제2 그래핀 필터를 제조하는 장치를 도시한 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 그래핀 필터를 도시한 단면도이다.
도 6은 도 5의 다공성 그래핀 필터의 필터 과정을 도시한 개념도이다.
도 7 및 도 8은 제1 및 제2 그래핀 필터들을 필름 형상 또는 원통 형상으로 형성한 것을 도시한 사시도들이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 필터 장치를 도시한 블럭도이다.
도 2는 도 1의 제1 그래핀 필터를 도시한 평면도이다.
도 3은 도 1의 제2 그래핀 필터를 도시한 평면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 제1 그래핀 필터 또는 제2 그래핀 필터를 제조하는 장치를 도시한 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 그래핀 필터를 도시한 단면도이다.
도 6은 도 5의 다공성 그래핀 필터의 필터 과정을 도시한 개념도이다.
도 7 및 도 8은 제1 및 제2 그래핀 필터들을 필름 형상 또는 원통 형상으로 형성한 것을 도시한 사시도들이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 필터 장치를 도시한 블럭도이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명에서 빈번하게 사용되는 기술 용어인 "그래핀(graphene)"은 탄소 원자들이 단원자층(one atomic layer)을 이룬 막 형태의 구조로 형성되며, 상기 그래핀은 단원자층을 이루는 탄소 원자들이 기본 반복 단위로서 6 개가 링 형상으로 공유 결합되는 것으로 정의된다.
그러나, 본 발명에서는 5 개의 탄소 원자들이 기본 반복 단위로서 상호 공유 결합 또는 7 개의 탄소 원자들이 기본 반복 단위로서 상호 공유 결합된 단원자층 구조 역시 "그래핀"으로 정의될 수 있다.
또한, 본 발명에서 빈번하게 사용되는 기술 용어인 "결정 결함(crystal defect) 또는 결함"은 그래핀을 이루는 탄소 원자를 질소 원자 등으로 치환하기 위하여 그래핀을 이루는 탄소 원자들 중 일부 탄소 원자의 공유 결합 중 적어도 하나를 끊는 것으로 정의하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 그래핀 필터의 제조 방법을 도시한 순서도이다. 도 2는 도 1의 제1 그래핀 필터를 도시한 평면도이다. 도 3은 도 1의 제2 그래핀 필터를 도시한 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 다공성 그래핀 필터를 제조하기 위해서는 먼저, 평균적으로 제1 사이즈(S1)를 갖는 제1 홀(H1)들이 형성된 제1 그래핀 필터(1)가 형성된다.(단계 S10)
단계 S10에서, 평균적으로 제1 사이즈(S1)를 갖는 제1 홀(H1)들이 형성된 제1 그래핀 필터(1)를 형성하기 위해서는 먼저, 고온에서 탄소 원자 및 수소 원자로 분해되어 그래핀을 성막하는 탄소 전구체를 포함하는 탄소 소스(carbon source)를 기화 시키는 단계가 수행된다.
본 발명의 일실시예에서, 탄소 소스를 기화시켜 증착로 등으로 제공할 경우 종래에 비하여 매우 단순한 공정에 의하여 다공성 그래핀 필터를 생산할 수 있는 장점을 갖는다.
본 발명의 일실시예에서, 제1 그래핀 필터(1)를 형성하기 위한 탄소 소스로서 사용될 수 있는 물질의 예로서는 메탄(CH4), 메탄올(CH3OH), 일산화탄소(CO), 에탄(C2H6), 에틸렌(C2H4), 에탄올(C2H5OH), 아세틸렌(C2H2), 아세톤(CH3COCH3), 프로판(CH3CH2CH3), 프로필렌(C3H6), 부탄(C4H10), 펜탄(CH3(CH2)3CH3), 펜텐(C5H10), 사이클로펜타디엔(C5H6), 헥산(C6H14), 시클로헥산(C6H12), 벤젠(C6H6), 톨루엔(C7H8) 및 자일렌(C6H4(CH3)2) 등과 같이 열에 의하여 탄소 원자 및 수소 원자로 분리되는 탄화 수소(hydrocarbon)를 들 수 있다.
또한, 탄소 소스를 기화 시킴과 동시에 탄소 소스에 의하여 그래핀을 성막하는 도중 평균적으로 제1 사이즈(S1)를 갖는 제1 홀(H1)들을 그래핀에 형성하기 위해 그래핀에 포함된 탄소 원자들 중 일부 탄소 원자에 결정 결함을 형성 및 결정 결함에 의하여 끊어진 공유 결합 부분에 치환 원자를 치환하여 결합 시키기 위한 치환 소스(또는 도핑 소스)를 기화 시키는 단계가 수행된다.
본 발명의 일실시예에서, 치환 소스로서는 질소 화합물을 포함하는 질소 전구체가 사용될 수 있다.
제1 그래핀 필터(1)에 제1 홀(H1)들을 형성하기 위한 치환 소스로서 사용될 수 있는 질소 화합물의 예로서는 피리딘(pyridine)을 들 수 있다.
본 발명의 일실시예에서 제1 그래핀 필터(1)를 형성하는 탄소 원자를 제공하는 탄소 소스 및 제1 그래핀 필터(1)를 형성하는 도중 평균적으로 제1 사이즈(S1)를 갖는 제1 홀(H1)들을 형성하기 위한 치환 소스는 양질의 제1 그래핀 필터를 제조하기 위해 각각 다른 용기에서 동시 기화 방식으로 기화된다.
제1 그래핀 필터(1)를 형성하기 위해 동시 기화 방식으로 기화된 탄소 소스 및 치환 소스는 각각 그래핀이 성막되기에 적합한 공정 조건이 형성된 증착로(deposition funace) 내부로 각각 제공되며, 기화된 탄소 소스 및 기화된 치환 소스는 증착로의 내부에서 혼합된다.
증착로의 내부로 제공된 탄소 소스는 증착로 내부에서 탄소 원자 및 수소 원자로 열 분해 되고, 수소 원자는 증착로의 외부로 배기되며 탄소 원자는 증착로의 내부에 배치된 기판에 단원자층 구조로 성막된다.
증착로의 내부에서 탄소 원자가 기판 상에 성막될 때, 증착로의 내부로 제공된 치환 소스는 증착로 내부에서 질소 원자로 분해되고, 질소 원자는 탄소 원자들 중 일부 탄소 원자들의 공유 결합 부분에 작용(또는 도핑)하여 결정 결함을 유발하고, 질소 원자는 결정 결함이 발생된 탄소 원자들의 끊어진 공유 결합 부분에 결합된다.
탄소 원자들의 공유 결합이 끊어진 부분이 질소 원자로 치환됨에 따라 증착로 내부에 배치된 기판에는 평균적으로 제1 사이즈(S1)를 갖는 제1 홀(H1)들이 형성된 제1 그래핀 필터(1)가 형성된다.
본 발명의 일실시예에서, 탄소 원자들의 공유 결합이 끊어진 부분의 개수가 증가하여 보다 많은 질소 원자가 탄소 원자드의 결정 결함 부분에 결합될 경우 제1 그래핀 필터(1)의 제1 홀(H1)들의 제1 사이즈(S1)가 커지게 된다.
즉, 제1 그래핀 필터(1)에 형성된 제1 홀(H1)들의 개수 및 제1 홀(H1)들의 평균적인 제1 사이즈(S1)는 탄소 소스 및 치환 소스의 비율 또는 치환 소스의 농도에 의하여 결정된다.
일정량의 탄소 소스에 대하여 치환 소스의 양을 증가시킬 경우, 그래핀에서는 보다 많은 개수의 탄소 원자들에서 결정 결함이 발생되고, 결정 결함이 발생된 탄소 원자들에 질소 원자가 결합되어 제1 홀(H1)들의 개수가 증가되기 때문에 제1 그래핀 필터(1)의 제1 홀(H1)들의 평균적인 제1 사이즈(S1)는 증가된다.
반대로, 일정량의 탄소 소스에 대하여 치환 소스의 양을 감소시킬 경우, 그래핀에서는 보다 적은 개수의 탄소 원자들에서 결정 결함이 발생되고, 결정 결함이 발생된 탄소 원자들에 질소 원자로 결합되어 제1 홀(H1)들의 개수가 감소되기 때문에 결과적으로 제1 그래핀 필터(1)의 제1 홀(H1)들의 평균적인 제1 사이즈(S1)는 감소된다.
본 발명의 일실시예에서, 그래핀에 형성되는 제1 홀(H1)들의 평균적인 제1 사이즈(S1)의 데이터, 제1 홀(H1)들의 제1 사이즈(S1) 편차 데이터는 탄소 소스 및 치환 소스의 비율을 변경하면서 실험함으로써 구할 수 있다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 제1 그래핀 필터(1)가 형성된 후 또는 제1 그래핀 필터(1)가 형성될 때, 평균적으로 제2 사이즈(S2)를 갖는 제2 홀(H2)들이 형성된 제2 그래핀 필터(2)가 형성된다.(단계 S20)
도 1의 단계 S20에서, 평균적으로 제2 사이즈(S2)를 갖는 제2 홀(H2)들이 형성된 제2 그래핀 필터(2)를 형성하기 위해서는 먼저, 그래핀을 형성하기 위한 탄소 전구체를 포함하는 탄소 소스를 기화 시키는 단계가 수행된다.
본 발명의 일실시예에서, 제2 그래핀 필터(2)를 형성하기 위한 탄소 소스로서 사용될 수 있는 물질의 예로서는 메탄(CH4), 메탄올(CH3OH), 일산화탄소(CO), 에탄(C2H6), 에틸렌(C2H4), 에탄올(C2H5OH), 아세틸렌(C2H2), 아세톤(CH3COCH3), 프로판(CH3CH2CH3), 프로필렌(C3H6), 부탄(C4H10), 펜탄(CH3(CH2)3CH3), 펜텐(C5H10), 사이클로펜타디엔(C5H6), 헥산(C6H14), 시클로헥산(C6H12), 벤젠(C6H6), 톨루엔(C7H8) 및 자일렌(C6H4(CH3)2) 등과 같이 열에 의하여 탄소 원자 및 수소 원자로 분리되는 탄화 수소(hydrocarbon)를 들 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 제2 그래핀 필터(2)를 형성할 때 사용되는 탄소 소스는 제1 그래핀 필터(1)를 형성할 때 사용되는 탄소 소스와 동일하거나 다를 수 있다.
또한, 탄소 소스를 기화 시킴과 동시에 탄소 소스에 의하여 제2 그래핀 필터(2)를 형성하는 도중 평균적으로 제2 사이즈(S2)를 갖는 제2 홀(H2)들을 형성하기 위해 그래핀에 포함된 탄소 원자들 중 일부 탄소 원자에 결정 결함을 형성 및 결정 결함에 의하여 끊어진 공유 결합 부분에 치환 원자를 치환하여 결합 시키기 위한 치환 소스(또는 도핑 소스)를 기화 시키는 단계가 수행된다.
본 발명의 일실시예에서, 제2 그래핀 필터(2)의 치환 소스로서는 질소 화합물을 포함하는 질소 전구체가 사용될 수 있다.
제2 그래핀 필터(2)의 치환 소스로서 사용될 수 있는 질소 화합물의 예로서는 피리딘(pyridine)을 들 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 제2 그래핀 필터(2)를 형성하기 위한 치환 소스 및 제1 그래핀 필터(1)를 형성하기 위한 치환 소스는 동일하거나 다를 수 있다.
본 발명의 일실시예에서 제2 그래핀 필터(2)를 형성하는 탄소 원자를 제공하는 탄소 소스 및 제2 그래핀 필터(2)를 형성하는 도중 평균적으로 제2 사이즈(S2)를 갖는 제2 홀(H2)들을 형성하기 위한 치환 소스는 제2 그래핀 필터(2)를 대량 생산하기 위해 각각 다른 용기에서 동시 기화 방식으로 기화된다.
제2 그래핀 필터(2)를 형성하기 위해 동시 기화 방식으로 기화된 탄소 소스 및 치환 소스는 각각 제2 그래핀 필터(2)의 그래핀이 성막되기에 적합한 공정 조건이 형성된 증착로 내부로 독립적으로 제공되며, 기화된 탄소 소스 및 기화된 치환 소스는 증착로의 내부에서 혼합된다.
증착로의 내부로 제공된 탄소 소스는 증착로 내부에서 탄소 원자 및 수소 원자로 열 분해 되고, 수소 원자는 증착로의 외부로 배기되며 탄소 원자는 증착로의 내부에 배치된 기판에 단원자층 구조로 성막된다.
증착로의 내부에서 탄소 원자가 기판 상에 성막될 때, 증착로의 내부로 제공된 치환 소스는 증착로 내부에서 질소 원자로 분해되고, 질소 원자는 탄소 원자들 중 일부 탄소 원자들의 공유 결합 부분에 작용(또는 도핑)하여 결정 결함을 유발하고, 질소 원자는 결정 결함이 발생된 탄소 원자들의 끊어진 공유 결합 부분에 결합된다.
탄소 원자들의 공유 결합이 끊어진 부분이 질소 원자로 치환됨에 따라 증착로 내부에 배치된 기판에는 평균적으로 제2 사이즈(S2)를 갖는 제2 홀(H2)들이 형성된 제2 그래핀 필터(2)가 형성된다.
본 발명의 일실시예에서, 제2 그래핀 필터(2)에 형성된 제2 홀(H2)들의 개수 및 제2 홀(H2)들의 평균적인 제2 사이즈(S2)는 탄소 소스 및 치환 소스의 비율 또는 치환 소스의 농도에 의하여 결정된다.
구체적으로, 일정량의 탄소 소스에 대하여 치환 소스의 제공양을 증가시킬 경우, 그래핀에서 보다 많은 개수의 탄소 원자가 질소 원자로 치환되어 제2 홀(H2)들의 개수가 증가되어 결과적으로 제2 홀(H2)들의 평균적인 제2 사이즈(S2)는 증가된다.
반대로, 일정량의 탄소 소스에 대하여 치환 소스의 양을 감소시킬 경우, 그래핀에서는 보다 적은 개수의 탄소 원자가 질소 원자로 치환되어 제2 홀(H2)들의 개수가 감소되고 결과적으로 제2 홀(H2)들의 평균적인 제2 사이즈(S2)는 감소된다.
본 발명의 일실시예에서, 그래핀에 형성되는 제2 홀(H2)들의 평균적인 제2 사이즈(S2)의 데이터, 제2 홀(H2)들의 제2 사이즈(S2)의 편차 데이터는 탄소 소스 및 치환 소스의 비율을 변경하면서 실험함으로써 구할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 단계 S20에서 형성된 제2 그래핀 필터(2)의 제2 홀(H2)들의 평균적인 제2 사이즈(S2)는 단계 S10에서 형성된 제1 그래핀 필터(1)의 제1 홀(H1)들의 평균적인 제1 사이즈(S1) 이하로 형성될수 있다.
이때, 제2 그래핀 필터(2)의 제2 홀(H2)들 중 가장 큰 사이즈의 제2 홀(H2)은 제1 그래핀 필터(1)의 제1 홀(H1)들 중 가장 작은 사이즈 이하로 형성될 수 있다.
비록 본 발명의 일실시예에서, 단계 S20에서 형성된 제2 그래핀 필터(2)의 제2 홀(H2)들의 평균적인 제2 사이즈(S2)가 단계 S10에서 제1 그래핀 필터(1)의 제1 홀(H1)들의 평균적인 제1 사이즈(S1)보다 작은 것이 도시 및 설명되고 있지만, 이와 다르게 제2 그래핀 필터(2)의 제2 홀(H2)들의 평균적인 제2 사이즈(S2)가 제1 그래핀 필터(1)의 제1 홀(H1)들의 평균적인 제1 사이즈(S2) 이상이여도 무방하다.
본 발명의 일실시예에서, 평균적으로 제1 사이즈(S1)를 갖는 제1 홀(H1)들이 형성된 제1 그래핀 필터(1) 및 평균적으로 제2 사이즈(S2)를 갖는 제2 홀(H2)들이 형성된 제2 그래핀 필터(2)들은 하나의 증착로에서 순차적으로 형성 또는 서로 다른 증착로들에서 개별적으로 형성될 수 있다.
단계 S10에서 평균적으로 제1 사이즈(S1)를 갖는 제1 홀(H1)들이 형성된 제1 그래핀 필터(1)가 형성되고, 단계 S20에서 평균적으로 제2 사이즈(S2)를 갖는 제2 홀(S2)들이 형성된 제2 그래핀 필터(2)들이 형성된 후, 제1 및 제2 그래핀 필터(1,2)들은 필터 몸체에 장착되어 다공성 그래핀 필터가 제조된다.(단계 S30)
필터 몸체는 적어도 2개의 물질들이 혼합된 혼합물질들이 통과하는 통로를 제공하며, 단계 S10에서 제조된 제1 그래핀 필터(1) 및 단계 S20에서 제조된 제2 그래핀 필터(2)는 필터 몸체의 통로에 의하여 형성된 혼합물질의 유동 경로 상에 배치되어 혼합물질로부터 각 물질들을 제1 및 제2 그래핀 필터(1,2)들의 제1 홀(H1)들 및 제2 홀(H2)들을 이용하여 필터링한다.
에를 들어, 다공성 그래핀 필터를 이용할 경우, 공기에 포함된 이산화탄소를 선별적으로 필터링, 물속에 포함된 불순물을 선별적으로 필터링, 자동차 배기 가스로부터 특정 물질을 선별적으로 필터링, 혈액 속에 포함된 불순물 또는 혈액 속에 포함된 특정 물질을 선별적으로 필터링 할 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 제1 그래핀 필터 또는 제2 그래핀 필터를 제조하는 장치를 도시한 블럭도이다.
도 4를 참조하면, 다공성 그래핀 필터 제조 장치(700)는 도 1에 도시된 제1 그래핀 필터 및 제2 그래핀 필터를 제조한다.
본 발명의 일실시예에서, 제1 그래핀 필터(1) 및 제2 그래핀 필터(2)는 하나의 다공성 그래핀 필터 제조 장치(700)로부터 모두 제조될 수 있다. 이와 다르게, 제1 그래핀 필터(1) 또는 제2 그래핀 필터(2)는 서로 다른 다공성 그래핀 필터 제조 장치(700)로부터 제조될 수 있다.
다공성 그래핀 필터 제조 장치(700)는 시료 공급 장치(200), 동시 기화기(300) 및 증착로(400)를 포함한다. 이에 더하여 다공성 그래핀 부재 제조 장치(700)는 캐리어 가스 공급부(500)를 더 포함할 수 있다.
시료 공급 장치(200)는 제1 시료 공급 장치(210) 및 제2 시료 공급 장치(220)를 포함한다.
제1 시료 공급 장치(210)는 그래핀을 형성하기 위한 탄소 소스를 후술 될 동시 기화기(300)의 제1 기화기(310)로 제공한다.
제1 시료 공급 장치(210)로부터 제1 기화기(310)로 제공되는 탄소 소스는 증착로(400)의 내부에서 탄소 원자 및 수소 원자로 분해되는 탄화 수소를 포함하는 탄소 전구체일 수 있다.
제1 시료 공급 장치(210)로부터 제공되는 탄소 전구체의 예로서는 메탄(CH4), 메탄올(CH3OH), 일산화탄소(CO), 에탄(C2H6), 에틸렌(C2H4), 에탄올(C2H5OH), 아세틸렌(C2H2), 아세톤(CH3COCH3), 프로판(CH3CH2CH3), 프로필렌(C3H6), 부탄(C4H10), 펜탄(CH3(CH2)3CH3), 펜텐(C5H10), 사이클로펜타디엔(C5H6), 헥산(C6H14), 시클로헥산(C6H12), 벤젠(C6H6), 톨루엔(C7H8) 및 자일렌(C6H4(CH3)2) 등과 같이 탄소 원자 및 수소 원자를 포함하는 탄화 수소(hydrocarbon)일 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 제1 시료 공급 장치(210)에 기상 탄소 전구체가 저장될 경우, 제1 시료 공급(210)로부터 제공되는 기상 탄소 전구체는 후술 될 동시 기화기(300)의 제1 기화기(310)를 바이패스하여 증착로(400)로 제공될 수 있다.
제2 시료 공급 장치(220)는 그래핀에 홀(through-hole)을 형성하는 치환 소스(또는 도핑 소스)를 후술될 동시 기화기(300)의 제2 기화기(320)로 제공한다.
본 발명의 일실시예에서, 치환 소스를 기화기(300)로 제공하는 제2 시료 공급 장치(220)에는 치환 소스의 농도, 치환 소스의 제공량을 정밀하게 제어하는 시료 조절 장치(225)가 결합된다.
시료 조절 공급 장치(225)를 이용하여 제2 기화기(320)로 제공되는 치환 소스의 제공량을 변경할 수 있게 됨으로써, 도 2에 도시된 제1 사이즈(S1)를 갖는 제1 홀(H1)들이 형성된 제1 그래핀 필터(1) 및 도 3에 도시된 제2 사이즈(S2)를 갖는 제2 홀(H2)들이 형성된 제2 그래핀 필터(2)를 형성할 수 있다.
비록 본 발명의 일실시예에서는 제2 시료 공급 장치(220)로부터 제2 기화기(320)로 제공되는 치환 소스의 농도 및 치환 소스의 제공량을 시료 조절 장치(225)에 의하여 제어하는 것이 도시 및 설명되고 있지만, 이와 다르게, 제1 및 제2 시료 공급 장치(210,220)에는 탄소 소스 및 치환 소스의 제공량을 개별적으로 조절하기 위한 전자 밸브 또는 유량 제어기(MFC)가 각각 설치되어도 무방하다.
제2 시료 공급 장치(220)로부터 제2 기화기(320)로 제공되는 치환 소스는 질소 화합물을 포함하는 질소 전구체일 수 있다.
도 4에 도시된 제2 시료 공급 장치(220)로부터 제공되는 치환 소스인 질소 전구체의 예로서는 피리딘(pyridine)을 들 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 제2 시료 공급 장치(220)로부터 기상 질소 전구체가 제공될 경우, 제2 시료 공급(220)로부터 제공되는 기상 질소 전구체는 후술 될 동시 기화기(300)의 제2 기화기(320)를 바이패스하여 증착로(400)로 제공될 수 있다.
동시 기화기(300)는 제1 기화기(310) 및 제2 기화기(350)를 포함한다.
제1 기화기(310)는 제1 시료 공급 장치(210)와 연통되며, 이로 인해 제1 기화기(310)로는 제1 시료 공급 장치(210)로부터, 예를 들어, 탄소 소스인 탄소 전구체가 제공된다.
제1 기화기(310)는 기화되는 탄소 전구체가 유입되는 유입구 및 기화된 탄소 전구체가 배출되는 배출구를 포함하는 용기를 포함하며, 유입구는 제1 시료 공급 장치(210)에 연통되며, 배출구는 후술 될 증착로(400)의 내부와 연통된다.
제1 기화기(310)로 제공된 탄소 전구체를 열에 의하여 기화시키기 위해서 제1 기화기(310)의 외측에는 제1 가열로(315)가 배치되며, 제1 가열로(315)의 내측에는 열을 발생시키는 열선(316)들이 배치될 수 있다. 제1 가열로(315)는 열선(316) 이외에 다양한 열 발생 장치가 배치될 수 있다.
제2 기화기(320)는 제2 시료 공급 장치(220)와 연통되며, 이로 인해 제2 기화기(320)로는 제2 시료 공급 장치(220)로부터, 예를 들어, 치환 소스인 질소 전구체가 제공된다.
제2 기화기(320)는 기화될 질소 전구체가 제공되는 유입구 및 기화된 질소 전구체가 배출되는 배출구를 포함하는 용기를 포함하며, 유입구는 제2 시료 공급 장치(220)에 연통되며, 배출구는 후술 될 증착로(400)의 내부와 연통된다.
제2 기화기(320)로 제공된 질소 전구체를 열에 의하여 기화시키기 위해서 제2 기화기(320)의 외측에는 제2 가열로(325)가 배치되며, 제2 가열로(325)의 내측에는 열을 발생시키는 열선(326)들이 배치된다. 제2 가열로(325)는 열선(326) 이외에 다양한 열 발생 장치가 배치될 수 있다.
비록 본 발명의 일실시예에서는 제1 및 제2 기화기(310,320)들로 제공된 탄소 전구체 및 질소 전구체를 각각 기화시키기 위해서 열선(316,326)들을 포함하는제1 및 제2 가열로(315,325)들을 사용하지만 이와 다르게 탄소 전구체 및 질소 전구체에 반응 가스를 제공하여 화학적으로 탄소 전구체 및 질소 전구체를 기화시켜도 무방하다.
한편, 제1 기화기(310)로부터 기화된 탄소 전구체 및 제2 기화기(320)로부터 기화된 질소 전구체를 각각 증착로(400)로 운반하기 위해서 제1 기화기(310) 및 제2 기화기(320)에는 캐리어 가스 공급부(500)가 연통된다.
캐리어 가스 공급부(500)는 질소, 아르곤과 같은 불활성 가스를 제1 기화기(310) 및 제2 기화기(320)로 제공하며, 제1 기화기(310)에서 기화된 탄소 전구체 및 제2 기화기(320)에서 기화된 질소 전구체는 각각 캐리어 가스 공급부(500)로부터 제공된 불활성 가스에 의하여 증착로(400)로 운반된다.
본 발명의 일실시예에서 캐리어 가스 공급부(500) 및 제1 기화기(310), 캐리어 가스 공급부(500) 및 제2 기화기(320)는 각각 불활성 가스 공급 배관(510,520)에 의하여 연통된다. 불활성 가스 공급 배관(510,520)에는 각각 불활성 가스의 유량을 제어하기 위한 유량 제어기(Mass Flow Controller, MFC)가 결합될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서는 캐리어 가스 공급부(500)에서 제1 기화기(310) 및 제2 기화기(320)로 제공되는 불활성 가스의 유량을 다르게 제어함으로써 도 2에 도시된 제1 사이즈(S1)를 갖는 제1 홀(H1)들이 형성된 제1 그래핀 필터(1) 및 도 3에 도시된 제2 사이즈(S2)를 갖는 제2 홀(H2)들이 형성된 제2 그래핀 필터(2)를 형성할 수 있다.
도 4를 다시 참조하면, 제1 기화기(310)로부터 기화된 탄소 전구체가 배출되는 제1 기화기(310)의 배출구는 제1 배관(317)과 연통되고, 제2 기화기(320)로부터 기화된 질소 전구체가 배출되는 제2 기화기(320)의 배출구는 제2 배관(327)과 연통된다.
제1 배관(317) 및 제2 배관(318)은 각각 공통 배관(330)과 연통되며, 공통 배관(330)은 증착로(400)와 연통된다.
제1 배관(317)을 통해 제공되는 기화된 탄소 전구체 및 제2 배관(327)을 통해 제공되는 기화된 질소 전구체는 공통 배관(330)에서 혼합된 후 증착로(400)로 제공되며, 이로 인해 기화된 탄소 및 질소 전구체들은 증착로(400)내로 균일하게 혼합되어 제공될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 제1 배관(317)을 통해 공통 배관(330)으로 제공되는 기화된 탄소 전구체 및 제2 배관(327)을 통해 공통 배관(330)으로 제공된 기화된 질소 전구체들의 온도 변화에 의하여 기화된 탄소 및 질소 전구체들이 다시 액화되거나 제1 및 제2 배관(317,327)의 내벽에 피착되는 것을 방지하기 위하여 공통 배관(330)에는 히팅 유닛(335)이 장착될 수 있다.
히팅 유닛(335)은, 예를 들어, 전기 에너지를 소모하여 열을 발생시키는 열선을 포함할 수 있으며, 히팅 유닛(335)은 공통 배관(330)을 가열하여 기화된 탄소 및 질소 전구체들의 온도 변화를 최소화한다.
본 발명의 일실시예에서는 기화된 탄소 전구체 및 기화된 질소 전구체가 합쳐지는 공통 배관(330)에 히팅 유닛(335)이 형성되는 것이 도시 및 설명되고 있지만, 이와 다르게 히팅 유닛(335)은 제1 배관(317) 및 제2 배관(327)에 추가로 설치될 수 있다.
도 4를 다시 참조하면, 증착로(400)는 제1 기화기(310), 제1 배관(317) 및 공통 배관(330)으로 제공된 탄소 전구체 및 제2 기화기(320), 제2 배관(327) 및 공통 배관(330)으로 제공된 질소 전구체를 이용하여 도 2 및 도 3에 도시된 제1 및 제2 그래핀 필터(1,2)들을 형성하기 위한 공간 및 제1 및 제2 그래핀 필터(1,2)들을 형성하기 위한 공정 조건 및 공정 분위기를 조성하는 역할을 한다.
제1 및 제2 그래핀 필터(1,2)들을 형성하기 위한 공정 조건 및 공정 분위기를 조성하는 증착로(400)는, 예를 들어, 화학기상증착 설비(Chemical Vapor Deposition equipment), 열 화학기상증착 설비(Thermal Chemical Vapor Deposition equipment), 급속 열 화학기상증착 설비(Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition equipment), 유도결합플라즈마 화학기상증착 설비(Inductive Coupled Plasma Chemical Vapor Deposition equipment), 원자층증착 설비(Atomic Layer Deposition equipment) 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서는 증착로(400)의 내부에 배치된 기판 상에 단원자층 그래핀을 형성하기 때문에 원자층증착법(ALD)을 사용하는 것이 바람직하다.
증착로(400)의 내부에 배치되어 제1 및 제2 그래핀 필터(1,2)들이 증착되는 기판(410)은, 예를 들어, 기판(410) 상에 증착에 의하여 형성된 제1 및 제2 그래핀 필터(1,2)들이 기판(410)으로부터 쉽게 분리 및 고온의 열에서 형상 변형이 발생되지 않는 금속 소재로 제작된다.
증착로(400)의 내부에 배치된 금속 소재는, 예를 들어, 제1 및 제2 그래핀 필터(1,2)들에 대하여 약한 부착력을 갖는 구리판 또는 구리 도금판을 포함할 수 있다.
비록 본 발명의 일실시예에서는 증착로(400)의 내부에 배치되어 제1 및 제2 그래핀 필터(1,2)들이 형성되는 기판이 구리판 또는 구리 도금판인 것이 설명되고 있지만, 이와 다르게 증착로(400) 내부에 배치된 기판은 제1 및 제2 그래핀 필터(1,2)들이 기판으로부터 쉽게 박리되기에 적합한 다양한 금속 소재를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 그래핀 필터를 도시한 단면도이다. 도 6은 도 5의 다공성 그래핀 필터의 필터 과정을 도시한 개념도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 다공성 그래핀 필터(800)는 제1 그래핀 필터(1), 제2 그래핀 필터(2) 및 필터 몸체(750)를 포함한다.
도 2 및 도 5를 참조하면, 제1 그래핀 필터(1)는 도 1에 도시된 제1 및 제2 그래핀 필터(1,2)들의 제조 방법 및 도 4에 도시된 다공성 그래핀 필터의 제조 장치에 의하여 제조되며, 제1 그래핀 필터(1)는 도 2에 도시된 바와 같은 구조를 갖는다.
제1 그래핀 필터(1)는 탄소 소스를 분해하여 형성된 탄소 원자를 그래핀으로 성막하는 도중 성막되는 그래핀에 치환 소스인 질소 원자를 제공하여 탄소 원자들 중 일부 탄소 원자에 결정 결함을 형성하고 결정 결함이 발생된 탄소 원자를 질소 원자로 치환함으로써 형성된다.
제1 그래핀 필터(1)는 도 2에 도시된 바와 같이 제1 사이즈(S1)를 갖는 제1 홀(H1)들을 포함한다.
제1 그래핀 필터(1)는 도 7에 도시된 바와 같이 필름 형상으로 형성될 수 있고, 제1 그래핀 필터(1)가 필름 형상으로 형성될 경우, 제1 그래핀 필터(1)의 테두리에는 사각 프레임이 결합된다.
사각 프레임에 제1 그래핀 필터(1)를 결합함에 따라 제1 그래핀 필터(1)는 매우 높은 인장강도 및 압축강도를 갖게 된다.
본 발명의 일실실예에서, 제1 그래핀 필터(1)는 도 8에 도시된 바와 같이 원통 형상으로 형성될 수 있고, 제1 그래핀 필터(1)가 원통 형상으로 형성될 경우, 제1 그래핀 필터(1)의 양쪽 단부에는 링 형상을 갖는 프레임이 결합된다.
링 형상을 갖는 프레임에 원통 형상을 갖는 제1 그래핀 필터(1)를 결합함에 따라 제1 그래핀 필터는 매우 높은 인장강도 및 압축강도를 갖게 된다.
도 2 및 도 5를 참조하면, 제2 그래핀 필터(2)는 도 1에 도시된 제1 및 제2 그래핀 필터(1,2)들의 제조 방법 및 도 4에 도시된 다공성 그래핀 필터의 제조 장치에 의하여 제조되며, 제2 그래핀 필터(2)는 도 3에 도시된 바와 같은 구조를 갖는다.
제2 그래핀 필터(2)는 탄소 소스를 분해하여 형성된 탄소 원자를 그래핀으로 성막하는 도중 성막되는 그래핀에 치환 소스인 질소 원자를 제공하여 탄소 원자들 중 일부 탄소 원자에 결정 결함을 형성하고 결정 결함이 발생된 탄소 원자를 질소 원자로 치환함으로써 형성된다.
제2 그래핀 필터(2)는 도 3에 도시된 바와 같이 제2 사이즈(S2)를 갖는 제2 홀(H2)들을 포함하며, 제2 그래핀 필터(2)의 제2 홀(H2)들의 제2 사이즈(S2)는 제1 그래핀 필터(1)의 제1 홀(H1)들의 제1 사이즈(S1) 보다 큰 사이즈로 형성된다.
본 발명의 일실시예에서, 제2 그래핀 필터(2)의 제2 홀(H2)의 제2 사이즈(S2)는 일정량의 탄소 소스에 대하여 치환 소스의 농도 및 치환 소스의 제공량을 변경함으로써 변경된다.
제2 그래핀 필터(2)는 도 7에 도시된 바와 같이 필름 형상으로 형성될 수 있고, 제2 그래핀 필터(2)가 필름 형상으로 형성될 경우, 제2 그래핀 필터(2)의 테두리에는 사각 프레임이 결합된다. 사각 프레임에 제2 그래핀 필터(2)를 결합함에 따라 제2 그래핀 필터(2)는 매우 높은 인장강도 및 압축강도를 갖게 된다.
본 발명의 일실실예에서, 제2 그래핀 필터(2)는 도 8에 도시된 바와 같이 원통 형상으로 형성될 수 있고, 제2 그래핀 필터(2)를 원통 형상으로 형성할 경우, 제2 그래핀 필터(2)의 양쪽 단부에는 링 형상을 갖는 프레임들이 결합된다.
링 형상을 갖는 프레임에 원통 형상을 갖는 제2 그래핀 필터(2)를 결합함에 따라 제2 그래핀 필터(2)는 매우 높은 인장강도 및 압축강도를 갖게 된다.
본 발명의 일실시예에서, 제1 및 제2 그래핀 필터(1,2)들은, 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이 필름 형상으로 형성되며, 필름 형상을 갖는 제1 및 제2 그래핀 필터(1,2)들의 테두리에는 각각 사각 프레임이 결합된다.
본 발명의 일실시예에서는 제1 및 제2 그래핀 필터(1,2)들이 각각 사각 필름 형상으로 형성되고, 제1 및 제2 그래핀 필터(1,2)들의 테두리에 사각 프레임이 결합된 것이 도시 및 설명되고 있지만, 이와 다르게 제1 및 제2 그래핀 필터(1,2)들은 원판 형상으로 형성되고, 원판 형상을 갖는 제1 및 제2 그래핀 필터(1,2)들에 각각 원형 프레임을 결합하여도 무방하다.
사각 프레임에 결합된 제1 및 제2 그래핀 필터(1,2)들은 각각 필터 몸체(750)의 내부에 결합되며, 제1 및 제2 그래핀 필터(1,2)들은 상호 이격되어 배치된다.
필터 몸체(750)는 양단이 개구된 또는 일측단이 막힌 통 형상으로 형성될 수 있다.
필터 몸체(750)는, 예를 들어, 유입부(752) 및 상기 유입부(751)와 대향하는 토출부(754)를 포함하는 양단이 개구된 통 형상으로 형성된다. 필터 몸체(750)는, 예를 들어, 강성이 높은 금속 소재 또는 합성 수지 소재로 형성될 수 있다.
필터 몸체(750)의 유입부(752)로는 적어도 2 개의 물질들이 혼합된 혼합 물질들이 유입되며, 필터 몸체(750)의 토출부(754)로는 혼합 물질들로부터 필터링이 진행된 물질이 토출된다.
도 6을 참조하면, 필터 몸체(750)의 내부에 제1 및 제2 그래핀 필터(1,2)들이 상호 이격되어 배치된 상태에서 필터 몸체(750)의 유입부(752)로 제1 그래핀 필터(1)의 제1 홀(H1)의 평균적인 제1 사이즈(S1)보다 큰 크기를 갖는 A 물질, 제1 그래핀 필터(1)의 제1 홀(H1)의 평균적인 제1 사이즈(S1) 보다는 작고 제2 그래핀 필터(2)의 제2 홀(H2)의 평균적인 제2 사이즈(S2) 보다 큰 사이즈를 갖는 B 물질 및 제2 그래핀 필터(2)의 제2 홀(H2)의 평균적인 제2 사이즈(S2) 보다 작은 사이즈를 갖고 필터링을 하기를 원하는 타겟 물질인 C 물질이 혼합된 혼합물질이 유입될 경우, 타겟 물질인 C 물질은 제1 그래핀 필터(1)의 제1 홀(H1) 및 제2 그래핀 필터(2)의 제2 홀(H2)을 통과하여 필터링되는 반면, A 물질 및 B 물질은 제1 및 제2 그래핀 필터(1,2)의 제1 및 제2 홀(H1,H2)를 통과하지 못하게 된다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 필터 장치를 도시한 블럭도이다.
도 9에 따른 필터 장치는 서로 다른 사이즈를 갖는 적어도 2 개의 물질들이 혼합된 혼합물질들로부터 각 물질들을 회수할 수 있도록 한다.
필터 장치(900)는 혼합물 공급 장치(910), 그래핀 필터(950), 회수 유닛(960), 블로워(970) 및 밸브 콘트롤러(980)를 포함한다.
혼합물 공급 장치(910)는 서로 다른 사이즈를 갖는 적어도 2 개의 물질들이 혼합된 혼합물질을 후술 될 그래핀 필터(950)로 제공한다.
혼합물 공급 장치(910)는 상기 혼합물질들이 제공되는 혼합물질 제공 유닛(912), 수납 용기(914), 배출 유닛(916) 및 전자 밸브(918,919)를 포함한다.
혼합물질 제공 유닛(912)는, 예를 들어, 평균적으로 제1 사이즈를 갖는 A 물질, 평균적으로 제1 사이즈보다 작은 제2 사이즈를 갖는 B 물질 및 평균적으로 제2 사이즈보다 작은 제3 사이즈를 갖는 C 물질이 혼합된 혼합물질을 외부로부터 공급받아 수납 용기(914)로 제공한다.
혼합물질 제공 유닛(912) 및 수납 용기(914)는 배관(913)에 의하여 상호 연결되며, 배관(913)에는 수납용기(914)로 혼합물질을 제공 또는 수납용기(914)로 혼합물질의 제공을 차단하기 위한 전자 밸브(918)가 결합되며, 전자 밸브(918)는 후술 될 밸브 콘트롤러(980)로부터 제공된 제어 신호에 의하여 개폐된다.
수납용기(914)는 배관(913)에 연결되며, 수납용기(914)는 일정량의 혼합물질을 임시적으로 저장하는 역할을 한다.
수납용기(914)에는 임시적으로 저장된 일정량의 혼합물질을 외부로 배출하기 위한 배출관(915)이 연결되며, 배출관(915)에는 전자 밸브(919)가 결합된다. 전자밸브(919)는 수납용기(914)에 임시적으로 저장된 일정량의 혼합물질이 후술될 그래핀 필터(950)로 제공되는 것을 방지한다.
전자 밸브(919)는 후수 될 밸브 콘트롤러(980)로부터 제공된 제어 신호에 의하여 개폐된다.
배출 유닛(916)은 수납용기(914)에 임시적으로 저장된 혼합물질을 후술 될 그래핀 필터(950)로 제공하는 역할을 한다.
배출 유닛(916)은, 예를 들어, 배관(913)에 연결될 수 있으며, 배출 유닛(916)은, 예를 들어, 수납 용기(914)에 공기 또는 불활성 가스를 제공하여 수납용기(914)의 내부에 저장된 혼합물질을 그래핀 필터(950)로 강제로 제공하는 블러워를 포함할 수 있다.
그래핀 필터(950)는 수납용기(914)에 연결된 배출관(915)과 결합되는 유입구(921) 및 배출구(922,924,926)들을 갖는 필터 몸체(920) 및 그래핀 박막(930,940)들을 포함한다.
필터 몸체(920)는 양단이 막힌 통 형상으로 형성되며, 필터 몸체(920)의 상단에는 수납용기(914)의 배출관(915)과 연통되는 유입구(921)가 형성된다. 유입구(921)를 통해 수납용기(914)에 저장된 혼합물질은 필터 몸체(920)의 내부로 유입된다.
필터 몸체(920)에는 혼합물질에 혼합된 물질들의 수에 대응하는 수로 배출구(922,924,926)들이 형성된다.
본 발명의 일실시예에서, 혼합물질은 A 물질, B 물질 및 C 물질로 이루어지기 때문에 필터 몸체(920)에는 3 개의 배출구(922,924,926)들이 형성되며, 배출구(922,924,926)들은 각각 상호 소정 간격 이격되어 배치된다.
그래핀 박막(930,940)들은 앞서 도 1 내지 도 4를 통해 도시 및 설명한 방법에 의하여 제조되며, 그래핀 박막(930,940)의 구성 및 제조 방법에 대한 중복된 설명은 생략하기로 한다.
그래핀 박막(930,940)들 중 하나의 그래핀 박막(930)은 필터 몸체(920)의 내부에 배치되며, 필터 몸체(920)의 내부를 막는 형태로 배치된다.
그래핀 박막(930)은, 예를 들어, 혼합물질에 포함된 A 물질은 통과하지 못하고, B 물질 및 C 물질은 통과하는 제1 사이즈의 제1 홀들을 갖는다.
그래핀 박막(930)은 배출구(922,924)들 사이에 배치된다.
그래핀 박막(930,940)들 중 하나의 그래핀 박막(940)은 필터 몸체(920)의 내부에 배치되며, 그래핀 박막(940)은 그래핀 박막(930)과 마주하는 형태로 필터 몸체(920)의 내부를 막는 형태로 배치된다.
그래핀 박막(940)은, 예를 들어, 혼합물질에 포함된 B 물질은 통과하지 못하고 C 물질은 통과하는 제2 사이즈의 제2 홀들을 갖는다.
그래핀 박막(940)은 배출구(924,926)들 사이에 배치된다.
회수 유닛(960)은 배출구(922,924,926)들에 각각 연결되어 혼합물질들로부터 분리된 A 물질, B 물질 및 C 물질들을 수거 및 저장한다.
회수 유닛(960)은 A 물질, B 물질 및 C 물질을 선택적으로 수거 및 저장할 수 있도록 전자 밸브(962,964,966)들을 포함한다.
밸브 콘트롤러(980)는 전자 밸브(918,919,962,964,966)들을 선택적으로 개방 또는 폐쇄하기 위한 제어 신호를 제공하여 혼합물질로부터 분리된 각 물질들이 분리될 수 있도록 한다.
도 6에 도시된 그래핀 필터는 A 물질, B 물질 및 C 물질 중 어느 하나의 물질을 선택적으로 필터링 또는 분리하기에 적합한 반면 A,B 및 C 물질을 개별적으로 분리하기 어렵지남 이하 도 9에 도시 및 설명되는 필터 장치에 의하면, 서로 다른 사이즈를 갖는 A 물질, B 물질 및 C 물질을 개별적으로 필터링 또는 분리할 수 있다.
이하, 도 9에 도시된 필터 장치에 의하여 혼합물질로부터 각 물질을 개별적으로 분리 또는 필터링하는 과정을 설명하기로 한다.
먼저, 혼합물질 공급 장치(910)의 혼합물질 제공 유닛(912)으로부터는 A 물질, B 물질 및 C 물질이 혼합된 혼합물질이 배관(913)을 통해 수납 용기(914)로 제공된다.
이때, 밸브 콘트롤러(980)는 지정된 시간 동안 전자 밸브(918)를 개방하는 제어 신호를 전자 밸브(918)로 인가하여 배관(913)을 통해 수납용기(914)로 일정량의 혼합물질이 제공되도록 한다.
수납용기(914)에 일정량의 혼합물질이 제공되면, 밸브 콘트롤러(980)는 전자 밸브(918)에 제어 신호를 인가하여 전자 밸브(918)를 폐쇄하여 수납용기(914)로 혼합물질의 공급을 차단한다.
수납용기(914)에 혼합물질이 일정량 제공되면, 밸브 콘트롤러(980)는 수납용기(914)의 배출관(915)에 연결된 전자 밸브(919)를 개방하면서 배출 유닛(916)으로부터 수납용기(914)에 공기 또는 불활성 가스를 제공하여 수납 용기(914) 내부의 혼합물질이 그래핀 필터(950)의 내부로 제공되도록 한다.
수납용기(914)로부터 그래핀 필터(950)의 유입부(921)를 통해 그래핀 필터(950)의 내부로 제공된 혼합물질은 제1 사이즈를 갖는 제1 홀들이 형성된 그래핀 박막(930)에 도달하게 되고, 그래핀 박막(930)의 제1 홀들을 통해 혼합물질을 이루는 B 물질 및 C 물질들은 통과하고, A 물질은 그래핀 박막(930)을 통과하지 못하고 그래핀 박막(930)의 상부에 남게 된다.
그래핀 박막(930)을 통과한 혼합물질을 이루는 B 물질 및 C 물질은 제2 사이즈의 제2 홀들이 형성된 그래핀 박막(940)에 도달하게 되고, 그래핀 박막(940)의 제2 홀로는 C 물질이 통과하고 B 물질은 그래핀 박막(940)의 상부에 남게 된다.
따라서, 수납용기(914)로부터 그래핀 필터(950)으로 일정량의 혼합물질이 제공될 경우, 그래핀 필터(950)의 각 그래핀 박막(930,940)에는 A 물질, B 물질 및 C 물질이 분리된 상태로 남게 된다.
이와 같이 그래핀 박막(930,940)에 각각 A 물질, B 물질 및 C 물질이 분리된 상태로 남은 상태에서, A 물질은 배출구(922), B 물질은 배출구(924), C 물질은 배출구(926)를 통해 각각 회수 유닛(960)으로 제공되어 혼합물질을 이루는 각 물질들은 분리된 상태로 회수되며, 밸브 컨트롤러(980)는 각 배출구(922,924,926)에 연결된 각 전자 밸브(962,964,966)들에 제어 신호를 제공하여 각 전자 밸브(962,964,966)들의 개폐를 개별적으로 제어한다.
본 발명의 일실시예에서, 혼합물질은 서로 다른 사이즈를 갖는 기체 물질들, 서로 다른 사이즈를 갖는 액체 물질들 또는 서로 다른 사이즈를 갖는 고체 물질들을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시에에서, 필터 장치는 혈액 투석과 같은 의료 분야, 특정 기체 분리와 같은 필터 분야 등에 폭 넓게 사용될 수 있다.
이상에서 상세하게 설명한 바에 의하면, 탄소 단원자층 구조를 갖는 그래핀박막을 성막하는 도중 인위적으로 매우 작은 사이즈의 홀들을 그래핀 박막에 형성하고, 그래핀에 인위적으로 형성한 홀들을 갖는 다공성 그래핀 필터를 이용하여 복수개의 물질들이 혼합된 혼합 물질 중 특정 물질을 선택적으로 필터링 및 분리 할 수 있도록 하는 효과를 갖는다.
한편, 본 도면에 개시된 실시예는 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
Claims (13)
- 탄소 소스로부터 생성된 탄소 원자들을 증착하여 그래핀을 성막하는 도중 일부 탄소 원자들을 피리딘을 포함하는 치환 소스로부터 생성된 질소 원자로 치환하여 상기 그래핀에 제1 사이즈를 갖는 제1 홀들이 형성된 제1 그래핀 필터를 형성하는 단계;
탄소 소스로부터 생성된 탄소 원자들을 증착하여 그래핀을 성막하는 도중 일부 탄소 원자를 피리딘을 포함하는 치환 소스로부터 생성된 질소 원자로 치환하여 상기 그래핀에 상기 제1 사이즈보다 큰 제2 사이즈를 갖는 제2 홀들이 형성된 제2 그래핀 필터를 형성하는 단계; 및
상기 제1 및 제2 그래핀 필터들을 유입구 및 배출구가 형성된 필터 몸체 내부에 배치하는 단계를 포함하는 다공성 그래핀 필터의 제조 방법. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 그래핀 필터를 형성하는 단계에서 상기 치환 소스의 제공량은 상기 제2 그래핀 필터를 형성하는 단계에서 상기 치환 소스의 제공량보다 적은 다공성 그래핀 필터의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 탄소 소스는 메탄(CH4), 메탄올(CH3OH), 일산화탄소(CO), 에탄(C2H6), 에틸렌(C2H4), 에탄올(C2H5OH), 아세틸렌(C2H2), 아세톤(CH3COCH3), 프로판(CH3CH2CH3), 프로필렌(C3H6), 부탄(C4H10), 펜탄(CH3(CH2)3CH3), 펜텐(C5H10), 사이클로펜타디엔(C5H6), 헥산(C6H14), 시클로헥산(C6H12), 벤젠(C6H6), 톨루엔(C7H8) 및 자일렌(C6H4(CH3)2)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는 다공성 그래핀 필터의 제조 방법. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 그래핀 필터들을 각각 형성할 때, 상기 탄소 소스 및 상기 치환 소스는 각각 동시에 기화되어 상기 제1 및 제2 그래핀 필터들이 형성되는 증착로로 제공되는 다공성 그래핀 필터의 제조 방법. - 그래핀을 이루는 탄소 원자들 중 공유 결합 부분에 결정 결함이 형성된 탄소 원자를 피리딘을 포함하는 치환 소스로부터 생성된 질소 원자로 치환하여 제1 사이즈를 갖는 제1 홀들이 형성된 제1 그래핀 필터;
그래핀을 이루는 탄소 원자들 중 공유 결합 부분에 결정 결함이 형성된 탄소 원자를 피리딘을 포함하는 치환 소스로부터 생성된 질소 원자로 치환하여 상기 제1 사이즈보다 큰 제2 사이즈를 갖는 제2 홀들이 형성된 제2 그래핀 필터; 및
복수개의 물질들이 혼합된 혼합 물질들이 유입되며, 상기 혼합 물질들의 이동 경로 상에 상기 제1 및 제2 그래핀 필터를 고정하는 필터 몸체를 포함하는 다공성 그래핀 필터. - 제7항에 있어서,
상기 제1 및 제2 그래핀 필터들은 필름 형태 또는 원통 형상으로 형성된 다공성 그래핀 필터. - 서로 다른 사이즈를 갖는 물질들이 혼합된 일정량의 혼합물질을 단속적으로 제공하는 혼합물질 공급 장치;
상기 혼합물질이 제공되는 유입구를 갖고 측면에 적어도 두 개의 배출구들이 형성된 필터 몸체, 상기 필터 몸체의 내측에 배치되며 상기 배출구들 사이를 가로막아 상기 혼합물질에 포함된 물질을 분리하는 홀이 형성된 적어도 하나의 그래핀 박막을 포함하는 그래핀 필터; 및
상기 배출구들에 각각 연결되어 상기 혼합물질로부터 분리된 각 물질들을 회수하는 회수 유닛을 포함하는 필터 장치로서,
상기 홀은 탄소 원자들을 증착하여 그래핀을 성막하는 도중 일부 탄소 원자들을 피리딘을 포함하는 치환 소스로부터 생성된 질소 원자로 치환함으로써 형성되며,
상기 그래핀 필터는 상기 필터 몸체의 내측면에 배치되고 제1 사이즈를 갖는 제1 홀들이 형성된 제1 그래핀 필터; 및 상기 필터 몸체의 상기 내측면에 상기 제1 그래핀 필터와 마주하게 배치되며 상기 제1 사이즈보다 큰 제2 사이즈를 갖는 제2 홀들이 형성된 제2 그래핀 필터를 포함하는 필터 장치. - 제9항에 있어서,
상기 혼합물질 공급 장치는 상기 혼합물질을 제공하는 혼합물질 제공 유닛;
상기 혼합물질을 일정량 수납하는 수납 용기;
상기 수납 용기에 수납된 상기 혼합물질을 배출하는 배출 유닛을 포함하는 필터 장치. - 제10항에 있어서,
상기 배출 유닛은 상기 수납 용기로 공기 또는 불활성 가스를 제공하는 블로워를 포함하는 필터 장치. - 제9항에 있어서,
상기 혼합물질 공급 장치, 상기 그래핀 필터 및 상기 회수 유닛에 결합된 전자 밸브들; 및
상기 전자 밸브들을 제어하는 밸브 콘트롤러를 더 포함하는 필터 장치. - 삭제
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