KR101812208B1 - 그래핀 합성 장치 및 이를 이용한 그래핀 합성 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예는 챔버, 상기 챔버 내에 구비되는 가열부, 상기 가열부보다 상기 챔버의 중앙부에 가깝게 구비되는 열 변환부, 상기 열 변환부의 외부에 배치되는 촉매를 포함하며, 상기 촉매는 가늘고 긴 형태의 금속으로 이루어지는 그래핀 합성 장치를 개시한다.
Description
본 발명은 그래핀 합성 장치 및 이를 이용한 그래핀 합성 방법에 관한 것이다.
그래핀(Graphene)은 탄소가 육각형의 형태로 서로 연결되어 벌집 모양의 2차원 평면 구조를 이루는 물질로서, 그 두께가 매우 얇고 투명하며 전기 전도성이 매우 큰 특성을 가진다. 그래핀의 이러한 특성을 이용하여 그래핀을 터치 패널, 투명 디스플레이 또는 플렉서블(flexible) 디스플레이 등에 적용하려는 시도가 많이 이루어지고 있다.
그래핀은 탄소를 포함하는 가스를 투입하여 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition-CVD)에 의해 촉매 금속의 표면에 합성된다.
그래핀을 합성하기 위해서는 고온의 환경이 유지되는 그래핀 합성 장치가 요구되며, 고온의 조건에서 탄소를 포함하는 가스가 해리되어 촉매 금속의 표면에 그래핀이 형성될 수 있다.
본 발명의 목적은, 그래핀 합성 장치 및 이를 이용한 그래핀 합성 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예는 챔버, 상기 챔버 내에 구비되는 가열부, 상기 가열부보다 상기 챔버의 중앙부에 가깝게 구비되는 열 변환부, 상기 열 변환부의 외부에 배치되는 촉매를 포함하며, 상기 촉매는 가늘고 긴 형태의 금속으로 이루어지는 그래핀 합성 장치를 개시한다.
본 실시예에 있어서, 상기 챔버 내에 구비되는 쿼츠를 더 포함하고, 상기 쿼츠는 상기 가열부와 상기 열 변환부의 사이에 배치될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 쿼츠는 지면에 수직한 방향 또는 지면에 수평한 방향으로 배치될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 촉매는 전선 형태로 이루어지며, 상기 촉매는 상기 열 변환부의 표면상에 감겨져 배치될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 열 변환부는 상기 가열부의 복사열을 전도열으로 변환하고, 상기 전도열이 상기 열 변환부의 표면에 배치되는 상기 촉매에 직접적으로 전달될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 열 변환부는 흑체(graphite)일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 열 변환부는 원기둥 형태 또는 사각기둥 형태일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 열 변환부는 제1면, 상기 제1면의 반대면인 제2면 및 상기 제1면으로부터 상기 제2면까지 관통하는 홀을 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 홀 내부에는 구동부가 구비되고, 상기 구동부에 의해 상기 열 변환부는 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 열 변환부의 일측에 구비되는 제1 회전부 및 상기 열 변환부의 타측에 구비되는 제2 회전부를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 회전부의 표면에는 전선 형태의 상기 촉매가 감겨져 배치되며, 상기 제2 회전부의 표면에는 그래핀이 합성된 전선 형태의 촉매가 감겨져 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예는 열 변환부 및 상기 열 변환부보다 가장자리부에 배치되는 가열부를 내부에 포함하는 챔버를 준비하는 단계, 상기 가열부가 복사열을 공급하는 가열 단계 및 상기 챔버 내부로 반응 가스를 공급하는 가스 공급 단계를 포함하며, 상기 열 변환부의 표면에는 가늘고 긴 형태의 금속으로 이루어지는 촉매가 형성된 그래핀 합성 방법을 개시한다.
본 실시예에 있어서, 상기 가열단계가 수행된 후, 상기 열 변환부는 상기 가열부로부터 공급받은 복사열을 전도열으로 변환하여, 상기 촉매의 온도를 상승시킬 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 가열 단계를 수행하기 전에, 분위기 가스 또는 비반응 가스를 주입하는 세척 단계를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 챔버를 준비하는 단계에서, 상기 챔버 내부에는 상기 가열부와 상기 열 변환부의 사이에 배치되는 쿼츠를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 챔버를 준비하는 단계에서, 상기 챔버 내부에는 상기 열 변환부의 일측에 구비되는 제1 회전부 및 상기 열 변환부의 타측에 구비되는 제2 회전부를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 가열 단계 및 상기 가스 공급 단계가 수행되기 동안에, 상기 제1 회전부로부터 상기 열 변환부로 상기 촉매가 제공되는 로딩 단계가 포함될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 가열 단계 및 상기 가스 공급 단계가 수행되기 동안에, 상기 열 변환부의 표면에서 그래핀이 합성된 상기 촉매는 상기 제2 회전부로 이동되는 언로딩 단계가 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 박형이 아닌 가늘고 긴 전선 형태의 촉매를 이용하여 그래핀을 용이하게 합성할 수 있는 유리한 효과가 있다.
본 발명의 효과는 상술한 내용 이외에도, 도면을 참조하여 이하에서 설명할 내용으로부터도 도출될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 명세서에서 언급되는 그래핀을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(1000)의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(2000)의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 변환부를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(3000)를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 합성 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 합성 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(1000)의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(2000)의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 변환부를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(3000)를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 합성 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 합성 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용된다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 "위"에 또는 "상"에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 수행될 수도 있다.
도 1은 본 명세서에서 언급되는 그래핀을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
본 명세서에서 사용되는 "그래핀(graphene)" 이라는 용어는 복수개의 탄소원자들이 서로 공유결합으로 연결되어 폴리시클릭 방향족 분자를 형성하는 그래핀이 막 형태로 형성된 것으로서, 공유결합으로 연결된 탄소원자들은 기본 반복단위로서 6원환을 형성하나, 5원환 및/또는 7원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 따라서 그래핀 막은 서로 공유 결합된 탄소원자(C)들(통상 sp2 결합)의 단일층을 이룬다. 그래핀 막은 다양한 구조를 가질 수 있으며, 이와 같은 구조는 그래핀 내에 포함될 수 있는 5원환 및/또는 7원환의 함량에 따라 달라질 수 있다.
그래핀 막은 도시된 바와 같이 그래핀의 단일층으로 이루어질 수 있으나, 이들이 여러 개 서로 적층되어 복수층을 형성하는 것도 가능하며, 통상 상기 그래핀의 측면 말단부는 수소원자(H)로 포화될 수 있다.
그래핀(grapheme)은 2차원 평면 구조의 나노 물질로서 다양한 물리, 화학, 전기, 광학적 특성을 가질 수 있다. 특히, 실리콘(Si)의 약 100배, 구리(Cu)의 약 150배의 전하 이동도를 가질 수 있으며, 구리(Cu)에 비해 약 100배의 허용 전류밀도를 가질 수 있다.
또한 그래핀(grapheme)은 구조적으로 2차원 평면 구조의 나노 물질이므로 형태가 다양하게 변화되어 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(1000)의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
본 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(1000)는 챔버(100), 챔버(100) 내에 구비되는 열 변환부(110), 가열부(130) 및 촉매(200)를 포함할 수 있다.
선택적 실시예로서, 챔버(100)는 육면체일 수 있다.
본 실시예는 도 2에 도시된 바와 같이 챔버(100)가 육면체인 경우로서 챔버(100)의 단면을 사각형으로 도시하였다. 그러나 챔버(100)의 형태는 이에 한정되지 않으며 예를 들어 챔버(100)는 육면체 외에도 다른 다면체, 다각기둥, 다각뿔, 또는 구형으로 구비될 수도 있다.
챔버(100) 내에 구비되는 가열부(130)는 복사열을 발생시키는 것이라면 어떤 열원(heat source)으로도 구비될 수 있다.
선택적 실시예로서, 가열부(130)는 3개 이상의 챔버(100)의 면에 각각 배치될 수도 있고, 하나의 면에만 배치될 수도 있다.
본 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(1000)는 도 2에서 가열부(130)가 마주보는 챔버(100)의 2개의 내면에 각각 배치되는 실시예를 도시하고 있으나 가열부(130)의 위치 및 개수가 이에 한정되지 않음은 물론이며, 1개 혹은 2개 이상의 가열부(130)가 챔버(100) 내에서 어디든지 위치할 수 있다.
예를 들어, 가열부(130)는 램프, 전기 히터, 플라즈마 등과 같이 열을 발생시키는 장치로 구비될 수 있다.
선택적 실시예로서, 가열부(130)로 램프가 구비되는 경우에, 가열부(130)는 할로겐 램프를 포함할 수 있으며, 할로겐 램프는 복수개로 소정의 간격 이격되어 배치될 수 있다. 할로겐 램프는 근적외선과, 중적외선 또는/및 가시광선의 빛을 방출한다.
가열부(130)는 도시되지 않은 윈도우를 더 포함할 수 있으며, 윈도우는 할로겐 램프의 외주를 둘러싸도록 배치되거나, 일방향을 따라 평행하게 배치된 할로겐 램프들의 일측에 배치될 수 있다. 윈도우는 투명한 소재로서, 예컨대 석영을 포함할 수 있다. 윈도우는 할로겐 램프를 보호하며, 광 효율을 증진시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(1000)는 챔버(100) 내에 구비되는 열 변환부(110)를 포함할 수 있다. 열 변환부(110)는 가열부(130)로부터 공급받은 복사열을 전도열으로 전환시키는 역할을 할 수 있다.
선택적 실시예로서, 도 2에 도시된 바와 같이 열 변환부(110)는 챔버(100) 내에서 챔버(100)의 중앙부에 위치할 수 있다.
즉, 열 변환부(110)는 챔버(100) 내의 중앙부에 위치하고, 마주보는 2개의 챔버(100) 내면에 배치된 가열부(130)의 사이에 위치할 수 있다.
열 변환부(110)가 2개 이상의 가열부(130)의 사이에 위치함에 따라 가열부(130)로부터 방출되는 복사열을 보다 효율적으로 공급받을 수 있는 유리한 효과가 있다.
물론, 도 2에 도시된 실시예는 본 발명 그래핀 합성 장치(1000)의 일 실시예에 불과한 것이며, 가열부(130) 및 열 변환부(110)의 위치는 이에 한정되지 않는다.
즉, 선택적 실시예로서, 열 변환부(110)는 챔버(100)의 중앙부에 위치할 수 있으며, 열 변환부(110)의 주위에는 열 변환부(110)를 에워싸는 복수개의 가열부(130)가 배치되어 열 변환부(110)에 복사열을 공급할 수 있다.
선택적 실시예로서, 열 변환부(110)는 복사열에 의해 온도가 상승될 수 있는 소재라면 한정되지 않고 형성될 수 있다.
예를 들어, 열 변환부(110)는 흑체(graphite) 또는 산화막을 코팅한 금속을 포함할 수 있다. 금속에 산화막을 코팅함으로써 반사율을 낮추고, 복사열의 흡수율을 높일 수 있기 때문이다.
열 변환부(110)의 형상 및 구조에 관하여는 이후 도 2 및 도 3을 참고하여 보다 상세히 설명하도록 한다.
열 변환부(110)의 외부에는 촉매(200)가 배치될 수 있다. 즉, 촉매(200)는 열 변환부(110)와 가열부(130)의 사이에 위치할 수 있다.
선택적 실시예로서, 촉매(200)는 열 변환부(110)의 표면상에 배치될 수 있다.
선택적 실시예로서, 촉매(200)는 가늘고 긴 형태의 금속으로 이루어질 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 촉매(200)는 가늘고 긴 전선(Wire) 형태로 열 변환부(110)의 표면상에 배치될 수 있다.
본 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(1000)는 촉매(200)가 열 변환부(110) 표면에 배치됨에 따라 열 변환부(110)에 의해 복사열로부터 변환된 전도열을 효율적으로 전달받을 수 있는 유리한 효과가 있다.
즉, 가늘고 긴 전선 형태의 촉매(200)가 효율적으로 전도열을 전달 받음에 따라 그래핀의 합성 온도까지 용이하게 상승하여 그래핀이 용이하게 합성될 수 있는 유리한 효과가 있다.
그래핀의 합성 방법에 대한 상세한 설명은 그래핀 합성 방법의 실시예에 관한 설명에서 후술하도록 한다.
선택적 실시예로서, 촉매(200)는 그래핀 합성 과정의 높은 온도를 견딜 수 있는 녹는점이 높은 금속이라면 어떤 것으로도 이루어질수 있다.
예를 들면, 촉매(200)는 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 로듐(Rh), 실리콘(Si), 탄탈럼(Ta), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 우라늄(U), 바나듐(V), 팔라듐(Pd), 이트리움(Y), 지르코늄(Zr), 게르마늄(Ge), 황동(brass), 청동(bronze), 백동(white brass) 및 스테인레스 스틸(stainless steel) 중 적어도 하나의 금속 또는 합금을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 녹는점이 높은 금속 또는 합금일 수 있다.
본 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(1000)는 도 2에 도시된 바와 같이 전선(Wire) 형태의 촉매(200)가 일정한 간격을 유지하면서 열 변환부(110)의 표면에 감겨진 상태로 구비될 수 있다.
촉매(200)가 일정 간격을 유지하며 열 변환부(110)의 표면에 배치됨에 따라 그래핀이 넓은 면적에 효율적으로 합성될 수 있다.
본 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(1000)는 챔버(100) 내에 구비되는 쿼츠(120)를 더 포함할 수 있다. 쿼츠(120)는 수정으로 이루어지고 챔버(100) 내의 진공을 유지하는 역할을 할 수 있다.
쿼츠(120)는 적어도 2개 구비될 수 있으며, 도 2에는 두 개의 쿼츠(120)가 구비된 실시예가 도시되어 있으나 이에 한정되지 않음은 물론이며 3개 혹은 그 이상의 개수로 쿼츠가 구비될 수 있다.
1개 혹은 2개 이상의 쿼츠(120)들은 챔버(100)의 내부에 구비될 수 있으며, 챔버(100) 내부 가운데 가장자리부에 배치될 수 있다.
선택적 실시예로서, 쿼츠(120)는 열 변환부(110)와 가열부(130)의 사이에 배치될 수 있다. 다시 말해, 쿼츠(120)는 촉매 금속(200)과 가열부(130) 사이에 배치될 수 있다.
일 실시예로서, 도 2에 도시된 바와 같이 2개의 쿼츠(120)가 구비되는 경우에는 2개의 쿼츠(120) 사이에 열 변환부(110)가 배치될 수 있다. 또한, 각각의 쿼츠(120)가 열 변환부(110)와 가열부(130)의 사이에 배치될 수 있다.
선택적 실시예로서, 도 2에 도시된 바와 같이 2개의 쿼츠(120)가 구비되는 경우 두 개의 쿼츠(120)가 마주보도록 배치될 수 있다.
선택적 실시예로서, 각각의 쿼츠(120)는 플레이트(plate) 형태로 구비될 수 있다.
각각의 쿼츠(120)가 플레이트(plate) 형태로 구비되는 경우 도2와 같이 쿼츠(120)의 단면은 직사각형으로 도시되나 쿼츠(120)의 형태가 이에 한정되지 않음은 물론이다.
즉, 각각의 쿼츠(120)는 플레이트(plate) 형태가 아닌 원통 형태로 형성되거나 사각기둥 형태로 형성될 수도 있다.
쿼츠(120)는 지면과 수직한 방향으로 배치되거나 지면과 수평을 이루는 방향으로 배치될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(1000)는 쿼츠(120)가 지면을 기준으로 하여 지면에 수직한 방향으로 배치될 수 있다.
본 실시예에 다른 그래핀 합성 장치(1000)는 도 2에 도시된 바와 같이 2개의 쿼츠(120)가 챔버(100) 내의 가장자리부에 지면과 수직한 방향으로 마주보도록 배치되고, 마주보는 2개의 쿼츠(120) 사이에 열 변환부(110)가 구비될 수 있다.
다만, 도 2에 도시된 그래핀 합성 장치(1000)는 본 발명의 일 실시예에 불과한 것이며, 쿼츠(120)는 챔버 내의 진공을 유지하기 위한 것으로써 지면과 수직한 방향 또는 수평한 방향에 한정되지 않고 배치될 수 있다.
본 실시예에 다른 그래핀 합성 장치(1000)는 가스 공급부(140) 및 배출부(150) 를 더 구비할 수 있다.
가스 공급부(140)는 복수개의 노즐을 포함하며, 챔버(101) 내부로 탄소를 포함하는 가스를 공급할 수 있다.
탄소를 포함하는 가스는 그래핀 형성을 위한 반응 가스로서, 선택적 실시예로서 메탄(CH4)이 사용될 수 있다.
물론, 탄소를 포함하는 가스는 이에 한정되지 않으며 일산화탄소(CO), 에탄(C2H6), 에틸렌(CH2), 에탄올(C2H5), 아세틸렌(C2H2), 프로판(CH3CH2CH3), 프로필렌(C3H6), 부탄(C4H10), 펜탄(CH3(CH2)3CH3), 펜텐(C5H10), 사이클로펜타디엔(C5H6), 헥산(C6H14), 시클로헥산(C6H12), 벤젠(C6H6), 톨루엔(C7H8) 등 탄소 원자가 포함된 군에서 선택된 하나 이상이 사용될 수 있다.
상술한 탄소를 포함하는 가스를 이용해 그래핀을 합성하는 방법에 관한 상세한 설명은 후술하도록 한다.
한편, 가스 공급부(140)는 탄소를 포함하는 가스뿐만 아니라 분위기 가스도 챔버(100) 내부로 공급할 수 있다. 분위기 가스는 헬륨, 아르곤과 같은 불활성 가스와, 구리(Cu) 전선(200a)의 표면을 깨끗하게 유지하기 위한 수소와 같은 비반응 가스를 포함할 수 있다.
본 실시예에서는 하나의 가스 공급부(140)가 탄소를 포함하는 가스 및 분위기 가스를 모두 공급하는 경우를 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 예컨대, 탄소를 포함하는 가스를 공급하는 가스 공급부와 분위기 가스를 공급하는 가스 공급부가 각각 구비되어, 탄소를 포함하는 가스와 분위기 가스가 각각 챔버(100) 내부로 공급될 수 있다.
배출부(150)는 챔버(100) 내부에서 그래핀이 합성되는데 이용된 후 나머지 잔류 가스들을 외부로 배기한다.
배출부(150)는 배출 효과를 극대화 하기 위하여 도 2에 도시된 바와 같이 가스 공급부(140)와 마주보는 면에 배치될 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것이며 배출부(150)의 배치 구조 및 개수는 도시된 바에 한정되지 않고 다양하게 구현될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(2000)의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 3에서, 도 2와 동일한 참조 부호는 동일 부재를 나타내며, 여기서는 설명의 간략화를 위하여 이들의 중복 설명은 생략한다.
그래핀 합성 장치(2000)는 챔버(100), 챔버(100) 내에 구비되는 열 변환부(110-1), 가열부(130) 및 촉매(200)를 포함할 수 있다. 또한, 챔버(100) 내의 진공을 유지하는 역할을 수행하는 쿼츠(120)를 더 포함할 수 있으며, 가스 공급부(140), 배출부(150), 감압부(미도시) 및 게이트(미도시)를 더 구비할 수 있다.
챔버(100) 내에 구비되는 가열부(130)는 복사열을 발생시키는 것이라면 어떤 열원(heat source)으로도 구비될 수 있다.
선택적 실시예로서, 가열부(130)는 3개 이상의 챔버(100)의 면에 각각 배치될 수도 있고, 하나의 면에만 배치될 수도 있다.
본 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(1000)는 도 3에서 가열부(130)가 마주보는 챔버(100)의 2개의 내면에 각각 배치되는 실시예를 도시하고 있으나 가열부(130)의 위치 및 개수가 이에 한정되지 않음은 물론이며, 1개 혹은 2개 이상의 가열부(130)가 챔버(100) 내에서 어디든지 위치할 수 있다.
선택적 실시예로서, 챔버(100) 내에 구비되는 열 변환부(110-1)는 챔버(100)의 중앙부에 구비될 수 있다. 즉, 가열부(130)가 챔버(100)의 내면 즉, 챔버(100) 내부의 가장자리에 구비되는 것에 비하여 열 변환부(110-1)는 상대적으로 챔버(100)의 중앙부에 구비될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(2000)는 열 변환부(110-1)가 2개의 내면에 배치되는 가열부(130)들 사이에 구비될 수 있다.
열 변환부(110-1)가 2개 이상의 가열부(130)의 사이에 위치함에 따라 가열부(130)로부터 방출되는 복사열을 보다 효율적으로 공급받을 수 있는 유리한 효과가 있다.
선택적 실시예로서, 열 변환부(110-1)는 기둥 형상을 갖도록 구비될 수 있다.
선택적 실시예로서, 상술한 도 2에 도시된 그래핀 합성 장치(1000)의 열 변환부(100)와 같이 단면이 원형 형상을 갖는 원형 기둥 형상으로 형성될 수 있다.
또 다른 선택적 실시예로서, 도 3에 도시된 그래핀 합성 장치(2000)의 열 변환부(100-1)와 같이 단면이 사각형 형상을 갖는 사각 기둥 형상으로 형성될 수도 있다.
도 2와 도 3에 도시된 실시예에서는 열 변환부(100, 100-1)가 각각 원기둥, 사각기둥 형상으로 형성되는 것을 도시하였으나, 이에 한정되지 않음은 물론이며, 열 변환부는 소정의 높이를 갖는 기둥 형상이라면 어떠한 형상으로도 이루어질 수 있다.
선택적 실시예로서, 열 변환부(110)는 복사열에 의해 온도가 상승될 수 있는 소재라면 한정되지 않고 형성될 수 있다.
예를 들어, 열 변환부(110)는 그라파이트(graphite) 또는 산화막을 코팅한 금속을 포함할 수 있다.
열 변환부(110-1)의 외부에는 촉매(200)가 배치될 수 있다. 즉, 촉매(200)는 열 변환부(110-1)와 가열부(130)의 사이에 위치할 수 있다.
선택적 실시예로서, 촉매(200)는 열 변환부(110-1)의 표면상에 배치될 수 있다.
선택적 실시예로서, 촉매(200)는 가늘고 긴 형태의 금속으로 이루어질 수 있다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이 촉매(200)는 가늘고 긴 전선(Wire) 형태로 열 변환부(110-1)의 표면상에 배치될 수 있다.
선택적 실시예로서, 촉매(200)는 그래핀 합성 과정의 높은 온도를 견딜 수 있는 녹는점이 높은 금속이라면 어떤 것으로도 이루어질수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 변환부를 개략적으로 도시한 사시도이다. 도 4에서, 도 2와 동일한 참조 부호는 동일 부재를 나타내며, 여기서는 설명의 간략화를 위하여 이들의 중복 설명은 생략한다.
선택적 실시예로서, 열 변환부(110)는 원형 기둥 형상을 갖도록 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않음은 물론이며 소정의 높이를 갖는 기둥 형상이라면 어떤 형태로도 이루어질 수 있다. 즉, 열 변환부는 도 3에 도시된 사각 기둥 형상을 가질 수도 있고, 기타 다른 형상으로 구비될 수도 있다.
열 변환부(110)는 제1면(100a), 상기 제1면(100a)의 반대면인 제2면(100b) 및 상기 제1면(100a)으로부터 상기 제2면(100b)까지 관통하는 홀(H)을 포함할 수 있다.
선택적 실시예로서, 상기 홀(H)의 내부에는 구동부(300)가 포함될 수 있다.
선택적 실시예로서, 상기 구동부(300)에 의해 열 변환부(110)는 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있다. 도 4에서는 반시계 방향으로 회전하는 것으로 도시되어 있으나 이에 한정되지 않으며 시계 방향 혹은 반시계 방향으로 회전할 수 있다.
구동부(300)는 모터일 수 있으며, 이에 한정되지 않고 열 변환부(110)를 회전시키는 동력을 제공하는 것이라면 어떤 것이라도 사용 가능하다. 도 4에서는 구동부(300)가 홀(H) 내부에 포함되도록 임의의 형상으로 도시하였으나 이에 한정되지 않음은 물론이다.
열 변환부(110)의 외부에는 촉매(200)가 구비될 수 있다.
선택적 실시예로서, 촉매(200)는 열 변환부(110)의 표면상에 위치할 수 있다.
선택적 실시예로서, 촉매(200)는 가늘고 긴 전선 형태로 구비되어 열 변환부(110)의 표면상에 감겨진 상태로 배치될 수 있다.
기타 열 변환부(110) 및 촉매(200)에 관한 설명은 이미 도 1 내지 도 3에서 상술하였는바 생략하도록 한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(3000)를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 5에서, 도 2 및 도 4와 동일한 참조 부호는 동일 부재를 나타내며, 여기서는 설명의 간략화를 위하여 이들의 중복 설명은 생략한다.
그래핀 합성 장치(3000)는 챔버(100), 챔버(100) 내에 구비되는 열 변환부(110), 가열부(130) 및 촉매(200)를 포함할 수 있다.
또한, 챔버(100) 내의 진공을 유지하는 역할을 수행하는 쿼츠(120)를 더 포함할 수 있으며, 가스 공급부(140), 배출부(150), 감압부(미도시) 및 게이트(미도시)를 더 구비할 수 있다.
선택적 실시예로서, 열 변환부(110)는 홀(H)을 포함할 수 있으며, 상기 홀(H)의 내부에는 구동부(300)가 포함될 수 있다.
선택적 실시예로서, 구동부(300)에 의해 열 변환부(110)는 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있다.
열 변환부(110)의 외부에는 촉매(200)가 배치될 수 있다. 즉, 촉매(200)는 열 변환부(110)와 가열부(130)의 사이에 위치할 수 있다.
선택적 실시예로서, 촉매(200)는 열 변환부(110)의 표면상에 배치될 수 있다.
선택적 실시예로서, 촉매(200)는 가늘고 긴 전선(Wire) 형태로 구비될 수 있으며, 전선 형태의 촉매(200)가 열 변환부(110)의 표면상에 감겨져 배치될 수 있다.
선택적 실시예로서, 본 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(3000)는 제1 회전부(400) 및 제2 회전부(500)를 더 포함할 수 있다.
열 변환부(110)의 일측에는 제1 회전부(400)가, 열 변환부(110)의 타측에는 제2 회전부(500)가 배치될 수 있다. 즉, 열 변환부(110)를 중심으로 제1 회전부(400)와 제2 회전부(500)는 반대측에 위치할 수 있다.
본 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(3000)는 도 5에 도시된 바와 같이 열 변환부(110)가 챔버(100) 내의 중앙부에 위치하고, 제1 회전부(400)는 열 변환부(110)의 상부에, 제2 회전부(500)는 열 변환부(110)의 하부에 각각 배치될 수 있다.
제1 회전부(400) 및 제2 회전부(500)의 구조 및 재료는 한정되지 않으며, 회전축을 중심으로 하여 회전을 하는 것이라면 어떤 것이라도 가능하다. 제1 회전부(400) 및 제2 회전부(500)는 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제1 회전부(400)에는 그래핀 합성 전 촉매(200)가 감겨져 배치될 수 있다. 선택적 실시예로서, 촉매(200)는 가늘고 긴 전선 형태로 제1 회전부(400)에 감겨져 배치될 수 있다.
제1 회전부(400)에 감겨져 배치된 촉매(200)는 제1 회전부(400)와 열 변환부(110)가 동시에 회전하면서 제1 회전부(400)로부터 열 변환부(110)로 이동될 수 있다. 상세한 그래핀 합성 과정에 대하여는 이후 설명하도록 한다.
선택적 실시예로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 회전부(500)에는 그래핀 합성 후 촉매(200’)가 감겨져 배치될 수 있다.
그래핀 합성 장치(3000) 내에서 열 변환부(110) 표면에 위치한 촉매(200)에 그래핀이 합성되면, 제2 회전부(500)와 열 변환부(110)가 동시에 회전하면서 그래핀 합성된 촉매(200’)가 열 변환부(110)로부터 제2 회전부(500)로 이동될 수 있다. 상세한 그래핀 합성 과정에 대하여는 이후 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 합성 방법을 개략적으로 도시한 순서도이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 합성 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다. 이하에서는 도 6 내지 도 7을 참고하여 그래핀 합성 방법에 관하여 상세히 설명하도록 한다.
후술하는 그래핀 합성 방법은 상술한 그래핀 합성 장치(1000, 3000, 도 2 및 도 5 참고)를 이용한 것으로서, 도 2 및 도 5와 동일한 참조 부호는 동일 부재를 나타내며, 여기서는 설명의 간략화를 위하여 이들의 중복 설명은 생략한다.
먼저, 도 2 및 도 6을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 합성 방법은 먼저, 챔버(100)를 준비하는 단계(S10)를 수행할 수 있다.
챔버(100)는 내부에 가열부(130) 및 열 변환부(110)를 포함할 수 있다. 열 변환부(110)는 챔버(100)의 중앙부에 배치되고, 가열부(130)는 열 변환부(110)에 비해 상대적으로 챔버(100)의 가장자리부에 배치될 수 있다.
열 변환부(110)와 가열부(130)의 사이에는 촉매(200)를 배치할 수 있고, 선택적 실시예로서, 촉매(200)는 열 변환부(110)의 표면 상에 배치될 수 있다.
촉매(200)는 가늘고 긴 전선(Wire) 형태로 구비될 수 있다.
즉, 본 실시예에 따른 그래핀 합성 방법은 열 변환부(110)의 표면상에 촉매(200)를 배치함에 따라 촉매(200)가 박형이 아닌, 전선 형태로 구비되는 경우에도 효율적으로 촉매(200) 금속에 그래핀을 합성시킬 수 있는 유리한 효과가 있다.
선택적 실시예로서, 챔버(100)의 내부에 쿼츠(120)를 구비할 수 있다. 쿼츠(120)는 챔버(100) 내부의 진공을 유지하는 역할을 수행할 수 있다.
선택적 실시예로서, 쿼츠(120)는 열 변환부(110)와 가열부(130)의 사이에 구비될 수 있다.
다음으로, 진공펌프(미도시)를 이용하여 챔버(100) 내부에 포함된 가스를 감압부(미도시)를 통해 외부로 빼낸다. 챔버(100) 내부는 대기압 보다 낮은 압력상태, 예컨대 수백 torr ~ 10-6 torr 정도의 압력을 가질 수 있다.
상술한 바와 같이, 챔버(100) 내부는 쿼츠(120)에 의해 진공이 유지될 수 있다.
다음으로, 도 2 및 도 6을 참고하면, 가열부(130)가 복사열을 공급하는 가열 단계(S30)를 수행할 수 있다.
선택적 실시예로서, 가열부(130)는 램프로 이루어질 수 있으며, 챔버(100) 내부로 복사열을 공급할 수 있다.
가열부(130)에서 방출되는 복사열에 의해 열 변환부(110)의 온도가 높아질 수 있다.
선택적 실시예로서, 열 변환부(110)는 흑체(Graphite)로 이루어질 수 있으며, 복사열을 전도열으로 변환시킬 수 있다.
열 변환부(110)에 의해 복사열이 전도열으로 변환되면, 열 변환부(110)의 표면 상에 배치된 촉매(200)에 열이 쉽게 전달되고, 그래핀 합성을 위한 온도까지 효율적으로 촉매(200)가 가열될 수 있다. 즉, 챔버(100) 내부는 그래핀을 합성하기에 충분한 온도가 형성된다.
촉매(200)는 금속으로 이루어질 수 있고, 반사율이 높기 때문에 가열부(130)에서 공급된 복사열을 대부분 반사할 수 있다. 이 경우에는 촉매(200)가 쉽게 가열되지 않으므로 그래핀이 합성되는데 필요한 온도에 도달하기까지 많은 시간이 소요될 수 있다.
뿐만 아니라, 촉매(200)가 가늘고 긴 전선 형태로 구비되는 경우에는 박형인 경우와 달리 열을 받는 면적이 줄어들어 온도를 제어하는데 어려움을 겪을 수 있는 문제가 있다.
반면, 본 실시예에 따른 그래핀 합성 방법은 상술한 바와 같이 열 변환부(110)에 의해 복사열이 전도열으로 변환되고, 열 변환부(110)의 표면 상에 배치된 전선 형태의 촉매(200)에 열이 쉽게 전달되므로 온도 제어가 용이한 유리한 효과가 있다.
다음으로, 도 2 및 도 6을 참고하면, 가스 공급부(140)를 통해서 탄소를 포함하는 가스, 즉 반응 가스를 공급하는 가스 공급 단계(S50)를 수행할 수 있다.
선택적 실시예로서 상기 탄소를 포함하는 가스로는 메탄(CH4) 가스가 공급될 수 있다.
탄소를 포함하는 반응 가스는 챔버(100) 내부에서 에너지를 공급받아 그래핀 합성에 필요한 상태로 분해된다.
선택적 실시예로서 반응 가스로 메탄(CH4) 가스가 사용되는 경우에는 챔버(100) 내부에서 탄소(C)와 수소(H)로 해리가 일어난다.
반응가스가 고온의 환경이 조성된 챔버(100) 내부를 지나갈 때 열 변환부(110)의 외부에 배치된 촉매(200)의 표면과 접촉하게 되는데 이 과정에서 분해된 반응 가스가 표면 활성화된 촉매(200)에 흡수되면서 그래핀 결정이 성장된다.
즉, 촉매(200)의 표면에서 그래핀 결정이 성장됨에 따라 일정한 두께를 갖는 그래핀 코팅막이 합성될 수 있다.
선택적 실시예로서, 상술한 바와 같이 수초~수분의 빠른 시간 내에 급속으로 그래핀을 합성하기에 충분한 온도로 챔버(100) 내부의 온도가 승온되어 급속 열 화학 기상 증착법(Rapid-Thermal CVD)에 의해 촉매(200) 금속의 표면에 그래핀 코팅막이 증착되어 형성될 수 있다.
본 실시예에서는 가열부(130) 및 열 변환부(110)에 의해 촉매(200)를 가열한 후, 탄소를 포함하는 가스를 공급하는 방법을 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
선택적 실시예로서, 고온의 챔버(100) 내부에서 촉매(200) 금속의 표면에 그래핀이 합성되고 난 후 냉각시킴에 따라 그래핀 코팅막을 안정화시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 합성 방법을 개략적으로 도시한 순서도로, 도 2 및 도 6과 동일한 참조 부호는 동일 부재를 나타내며, 여기서는 설명의 간략화를 위하여 이들의 중복 설명은 생략한다.
도 7을 참고하면, 먼저, 챔버를 준비하는 단계(S10)를 수행하고, 이후, 분위기 가스 및/ 또는 비반응 가스를 주입하는 세척 단계(S20)를 수행할 수 있다.
즉, 가스 공급부(140)를 통해서 분위기 가스, 예컨대 헬륨, 아르곤과 같은 불활성 가스 및/ 또는 금속박판의 표면을 깨끗하게 유지하기 위한 수소와 같은 비반응 가스를 주입할 수 있다.
다음으로, 가열 단계(S30) 및 반응 가스를 공급하는 가스 공급 단계(S50)를 순차로 수행하여 촉매(200) 금속 표면에 그래핀을 합성할 수 있다.
도면에 도시되지는 않았으나 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀 합성 방법은 챔버를 준비하는 단계(S10)에서 챔버(100) 내에 제1 회전부(400) 및 제2 회전부(500)를 더 구비할 수 있다.
선택적 실시예로서, 열 변환부(110)의 일측에는 제1 회전부(400)가, 열 변환부(110)의 타측에는 제2 회전부(500)가 배치될 수 있다. 즉, 열 변환부(110)를 중심으로 제1 회전부(400)와 제2 회전부(500)는 반대측에 위치할 수 있다.
제1 회전부(400) 및 제2 회전부(500)의 구조 및 재료는 한정되지 않으며, 회전축을 중심으로 하여 회전을 하는 것이라면 어떤 것이라도 가능하다. 제1 회전부(400) 및 제2 회전부(500)는 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있다.
선택적 실시예로서, 제1 회전부(400)에는 그래핀 합성 전 촉매(200)가 감겨져 배치될 수 있다. 또한, 제2 회전부(500)에는 그래핀 합성 후 촉매(200’)가 감겨져 배치될 수 있다.
상술한 바와 같이, 가열부(130), 촉매(200)가 표면상에 배치된 열 변환부(110), 쿼츠(120), 제1 회전부(400) 및 제2 회전부(500)를 배치한 챔버(100) 내에 가열 단계(S30) 및 가스 공급 단계(S50)를 수행하는 동안에 로딩 단계를 수행할 수 있다.
로딩 단계는 제1 회전부(400) 및 열 변환부(110)를 회전시켜 제1 회전부(400)에 감겨있는 전선 형태의 촉매(200)를 열 변환부(110)로 이동시키는 단계이다.
즉, 촉매(200) 금속을 제1 회전부(400)에서 열 변환부(110)로 이동시면서 촉매(200) 금속의 표면에 그래핀을 합성시킬 수 있다.
이 경우에는 지속적으로 새로운 촉매(200)를 공급하여 열 변환부(110) 표면에서 그래핀을 합성하게 되므로 보다 많은 양의 그래핀을 합성할 수 있는 유리한 효과가 있다.
또한, 가열 단계(S30) 및 가스 공급 단계(S50)를 수행하는 동안에 언로딩 단꼐를 수행할 수 있다.
언로딩 단계는 제2 회전부(500) 및 열 변환부(110)를 회전시켜 열 변환부에서 그래핀이 합성된 촉매(200’)를 제2 회전부(500)로 이동시키는 단계이다.
따라서, 그래핀이 합성된 촉매(200’)는 열 변환부(110)로부터 이동되므로 열 변환부(110)는 표면상에 계속하여 새로운 촉매(200)를 받아들여 그래핀을 합성할 수 있으므로 보다 많은 양의 그래핀을 효율적으로 합성할 수 있는 유리한 효과가 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
1000, 2000, 3000: 그래핀 합성 장치
100: 챔버
110, 110-1: 열 변환부
120: 쿼츠
130: 가열부
140: 가스 공급부
150: 배출부
200: 촉매
200’: 그래핀 합성된 촉매
300: 구동부
400: 제1 회전부
500: 제2 회전부
100: 챔버
110, 110-1: 열 변환부
120: 쿼츠
130: 가열부
140: 가스 공급부
150: 배출부
200: 촉매
200’: 그래핀 합성된 촉매
300: 구동부
400: 제1 회전부
500: 제2 회전부
Claims (19)
- 챔버;
상기 챔버 내에 구비되는 가열부;
상기 가열부보다 상기 챔버의 중앙부에 가깝게 구비되며, 원기둥 형태 또는 사각기둥 형태인 열 변환부;
상기 열 변환부의 외부 표면상에 서로 겹치지 않게 복수로 감겨져 배치되는 촉매; 및
상기 챔버 내에 구비되며, 상기 열 변환부를 둘러싸도록 배치되는 쿼츠;를 포함하고,
상기 촉매는 가늘고 긴 형태의 금속으로 이루어지며,
상기 촉매는 상기 가열부의 복사열을 직접적으로 받는 그래핀 합성 장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 열 변환부는 상기 가열부의 복사열을 전도열으로 변환하고,
상기 전도열이 상기 열 변환부의 표면에 배치되는 상기 촉매에 직접적으로 전달되는 그래핀 합성 장치. - 제1항에 있어서,
상기 열 변환부는 흑체(graphite)인 그래핀 합성 장치. - 제1항에 있어서,
상기 가열부는, 할로겐 램프 및 상기 할로겐 램프를 둘러싸는 윈도우를 포함하는, 그래핀 합성 장치. - 제1항에 있어서,
상기 열 변환부는 제1면; 상기 제1면의 반대면인 제2면; 및 상기 제1면으로부터 상기 제2면까지 관통하는 홀;을 포함하는 그래핀 합성 장치. - 제8항에 있어서,
상기 홀 내부에는 구동부;가 구비되고,
상기 구동부에 의해 상기 열 변환부는 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 그래핀 합성 장치. - 제1항에 있어서,
상기 열 변환부의 일측에 구비되는 제1 회전부; 및
상기 열 변환부의 타측에 구비되는 제2 회전부;를 포함하는 그래핀 합성 장치. - 제10항에 있어서,
상기 제1 회전부의 표면에는 전선 형태의 상기 촉매가 감겨져 배치되며,
상기 제2 회전부의 표면에는 그래핀이 합성된 전선 형태의 촉매가 감겨져 배치되는 그래핀 합성 장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 챔버;
상기 챔버 내에 구비되어, 할로겐 램프 및 상기 할로겐 램프를 둘러싸는 윈도우를 포함하는 가열부;
상기 가열부보다 상기 챔버의 중앙부에 가깝게 구비되며, 중앙에 관통홀을 구비하는 원기둥 형태 또는 사각기둥 형태인 열 변환부;
상기 관통홀 내부에 배치되어, 상기 열변환부를 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전시키는 구동부;
상기 열 변환부의 외부 표면상에 감겨져 배치되는 촉매; 및
상기 챔버 내에 구비되며, 상기 열 변환부를 둘러싸도록 배치되는 쿼츠;를 포함하며,
상기 촉매는 가늘고 긴 형태의 금속으로 이루어지는 그래핀 합성 장치.
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