KR101842027B1 - 그래핀 합성 장치 및 이를 이용한 그래핀 합성 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 각 면이 서로 대향하도록 배치되는 복수개의 기판들이 안치되는 내부 공간을 정의하는 챔버; 상기 내부 공간으로 탄소를 포함하는 가스를 공급하는 가스 공급부; 복사열을 상기 내부 공간으로 조사하는 주 가열부; 상기 주 가열부에 대응하여 상기 기판의 일면과 대향하도록 배치되고, 상기 복사열을 대류열로 전환하여 상기 내부 공간으로 방출하는 제1 보조 가열부; 및 상기 복수개의 기판들의 사이 사이에 상기 기판의 적어도 하나의 면과 대향하도록 배치되고, 상기 복사열 및 상기 대류열을 흡수하여 가열된 후 열을 상기 내부 공간으로 방출하는 복수개의 제2 보조 가열부들; 를 포함하는, 그래핀 합성 장치를 개시한다.
Description
본 발명의 실시예는 그래핀을 합성하는 그래핀 합성 장치 및 이를 이용한 그래핀 합성 방법에 관한 것이다.
본 발명은 지식 경제부의 산업 원천 기술 개발 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.
[과제고유번호: 10033309, 연구과제명: 유연 나노박막용 대면적 전사 및 연속 생산 시스템 기술 개발 과제, 주관기관: 한국기계연구원]
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. 이와 같은 그래핀에 대한 관심이 증대됨에 따라 고품질의 그래핀을 대량 생산하기 위한 방법이 요구되고 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 요구된다. 그런데 고품질의 그래핀을 대량으로 합성할 때 이러한 환경을 유지하는 것이 쉽지 않으며, 대량의 그래핀 합성 장치에 대한 개발은 아직 이루어 지지 않고 있다.
본 발명의 실시예는 고품질의 그래핀을 대량으로 합성하기 위한 그래핀 합성 장치 및 이를 이용한 그래핀 합성 방법을 제공한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 각 면이 서로 대향하도록 배치되는 복수개의 기판들이 안치되는 내부 공간을 정의하는 챔버; 상기 내부 공간으로 탄소를 포함하는 가스를 공급하는 가스 공급부; 복사열을 상기 내부 공간으로 조사하는 주 가열부; 상기 주 가열부에 대응하여 상기 기판의 일면과 대향하도록 배치되고, 상기 복사열을 대류열로 전환하여 상기 내부 공간으로 방출하는 제1 보조 가열부; 및 상기 복수개의 기판들의 사이 사이에 상기 기판의 적어도 하나의 면과 대향하도록 배치되고, 상기 복사열 및 상기 대류열을 흡수하여 가열된 후 열을 상기 내부 공간으로 방출하는 복수개의 제2 보조 가열부들; 를 포함하는, 그래핀 합성 장치를 제공한다.
상기 복수개의 제2 보조 가열부들 각각에는 적어도 하나의 홀이 형성된다.
상기 복수개의 제2 보조 가열부들의 개수는 상기 복수개의 기판의 개수보다 작다.
상기 복수개의 기판들 및 상기 제2 보조 가열부들에 포함된 적어도 하나의 면이 중력의 방향으로 배치된다.
상기 내부 공간의 상기 가스를 외부로 배출하는 배출부; 를 더 포함하며, 상기 가스 공급부와 상기 배출부는 상기 복수개의 기판들이 배열된 방향과 교차하거나 수직인 방향으로 배치된다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 챔버의 내부 공간에 복수의 기판들을 안치하는 단계; 상기 내부 공간을 감압하는 단계; 상기 내부 공간에 분위기 가스를 주입하는 단계; 상기 내부 공간에 탄소를 포함하는 가스를 공급하는 단계; 및 상기 기판들을 가열하기 위한 복사열을 조사하는 단계; 를 포함하며, 상기 기판들을 안치하는 단계는, 상기 복수개의 기판들의 사이 사이에 상기 기판의 적어도 하나의 면과 대향하도록 복수의 보조 가열부들이 배치되도록 하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 합성 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 복수의 기판들 사이 사이에 보조 가열부를 구비하여 각각의 기판에 고르게 열을 전달할 수 있다. 또한, 복수개의 기판들 각각에 그래핀이 합성되므로 그래핀을 대량 생산할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 복수의 기판들 사이 사이에 배치된 보조 가열부는 홀을 구비함으로써, 열 유동 및 가스의 흐름을 원활하게 하여 고품질의 그래핀을 합성할 수 있는 특징이 있다.
도 1은 본 명세서에서 언급되는 그래핀을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 그래핀 합성 장치(100)를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4는 도 2의 그래핀 합성 장치(100)를 개략적으로 도시한 정면도이다.
도 5는 도 4의 Ⅴ 부분을 상세히 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 그래핀 합성 장치에 관한 것으로, 도 4에 도시된 그래핀 합성 장치의 정면도에서 Ⅴ 부분만을 상세히 나타낸 것이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 그래핀 합성 장치(100)를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4는 도 2의 그래핀 합성 장치(100)를 개략적으로 도시한 정면도이다.
도 5는 도 4의 Ⅴ 부분을 상세히 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 그래핀 합성 장치에 관한 것으로, 도 4에 도시된 그래핀 합성 장치의 정면도에서 Ⅴ 부분만을 상세히 나타낸 것이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분"위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명함에 있어 실질적으로 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
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.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 그래핀 합성 장치(100)를 개략적으로 도시한 사시도이다. 도 4는 도 2의 그래핀 합성 장치(100)를 개략적으로 도시한 정면도이며, 도 5는 도 4의 Ⅴ 부분을 상세히 도시한 도면이다.
도 2에서는 그래핀 합성 장치(100)에 안치되는 기판(1,2,3)이 패널(panel) 타입인 것을 도시한 경우이며, 도 3에서는 그래핀 합성 장치(100)에 안치되는 기판(1a,2a,3a)이 롤(roll) 타입인 것을 도시한 경우이다.
여기서 패널 타입이란, 기판이 불연속적인 패널 형태를 가지는 것을 의미한다. 여기서 롤 타입이란, 기판이 일 방향으로 연속적인 롤 필름 형태를 가지는 것이다. 패널 타입의 경우 취급이 용이한 장점이 있으며, 롤 타입의 경우 대량의 그래핀을 양산하는 시스템에 적합한 특징이 있다.
본 명세서에서 언급되는 “기판”은 그래핀 성장을 위한 촉매 박막일 수 있으며, 편의를 위해서 패널 형태를 가지는 것을 예로 들어 설명한다.
기판(1,2,3)은 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 아니다.
기판(1,2,3)은 베이스층(미도시) 상에 촉매 금속 필름(미도시)이 형성된 다층 구조일 수 있다. 이 경우에 베이스층은 실리콘(Si), 글래스, 질화갈륨(GaN), 실리카 등의 무기물이나, 니켈(Ni), 구리(Cu), 텅스텐(W) 등의 금속을 사용할 수 있다. 촉매 금속 필름은 스퍼터링 장치, 전자빔 증발 장치 등을 이용하여 베이스층 상에 형성될 수 있다.
도면에서는 그래핀을 대량으로 합성하기 위하여 그래핀 합성 장치(100) 내부에 복수개의 기판(1,2,3)이 배치된 것을 도시하였다. 도면에서는 3개의 기판(1,2,3)들을 도시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 4개 이상의 기판이 그래핀 합성 장치 내부에 안치될 수도 있을 것이다. 설명의 편의를 위하여 각각의 기판은 X축 방향을 따라 제1기판(1), 제2기판(2) 및 제3기판(3)으로 지칭한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 그래핀 합성 장치(100)는, 챔버(101), 주 가열부(130), 제1 보조 가열부(110) 및 제2 보조 가열부(120)를 포함한다. 또한, 가스 공급부(140), 배출부(150), 감압부(미도시) 및 게이트(미도시)를 더 구비할 수 있다.
도 4는 도 2 및 도 3에 도시된 그래핀 합성 장치(100)에 포함된 챔버(101)를 개략적으로 도시한 것이다. 도 2 및 도 3에서는 챔버(101)가 육면체인 것을 예시적으로 도시하였다. 따라서, 이하에서 설명에 필요한 육면체의 각 면은 도 4에 도시한 바와 같이 A1면 내지 A6면으로 지칭될 것이다. 그러나 챔버(101)의 형태는 도시된 육면체에 한정되지 않으며 예를 들어 챔버(101)는 육면체 외에도 다른 다면체, 다각기둥, 다각뿔, 또는 구형으로 구비될 수도 있다.
챔버(101)는 복수의 기판들(1,2,3)이 안착되는 내부 공간(I)을 정의한다. 예를 들어, 챔버(101)는 일체로 구비될 수도 있고, 복수개의 모듈이 조립된 형태일 수도 있다. 내부 공간(I)에는 복수의 기판들(1,2,3)을 고정하는 지지대(미도시)가 구비될 수 있다.
주 가열부(130)는 복수개의 기판(1,2,3)을 가열하기 위한 목적으로 내부 공간(I)으로 복사열을 조사한다. 복사열은 근적외선 파장대역을 포함하는 광일 수 있으며, 이에 한정되지 않고 중적외선 및 가시관선 파장대역의 광일 수 있다. 근적외선 파장대역의 광은 기판을 가열할 수 있으며, 중적외선 또는 가시광선 파장대역의 광은 챔버(101)의 내부로 공급된 탄소를 포함하는 가스를 데울 수 있다.
주 가열부(130)는 기판(1,2,3)으로 가하는 복사열을 면적을 최대하 하기 위하여 기판(1,2,3)의 면과 마주보는 챔버(101)의 면에 배치될 수 있다. 예컨대, 도 2 및 도 3과 같이 기판(1,2,3)이 중력의 방향으로 세운 상태로 내부 공간(I)에 배치되는 경우, 주 가열부(130)는 챔버(101)의 A5면 및/또는 A6 면에 배치될 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 주 가열부(130)는 제1주 가열부(131) 및 제2 주 가열부(132)를 포함할 수 있다. 예컨대, 제1주 가열부(131)는 챔버(101)의 A6면에 배치되고, 제2주 가열부(132)는 챔버의 A5 면에 배치될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 주 가열부가 하나만 배치되거나, 3개 이상의 주 가열부가 서로 다른 3개 이상의 챔버(101)의 면에 각각 배치될 수도 있다.
주 가열부(130)는 할로겐 램프를 포함할 수 있으며, 할로겐 램프는 복수개로 소정의 간격 이격되어 배치될 수 있다. 할로겐 램프)는 근적외선과, 중적외선 또는/및 가시광선의 빛을 방출한다. 주 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.
그런데 앞서 설명한 바와 같이 기판(1,2,3)은 반사율이 높은 금속으로 이루어지기 때문에 주 가열부(130)에서 공급된 복사열을 대부분 반사할 수 있다. 이 경우, 기판(1,2,3)이 쉽게 가열되지 않아 그래핀 합성에 필요한 온도 조건에 도달하기 위해 많은 시간이 소요될 수 있다. 또한, 내부 공간(I)에 복수개의 기판(1,2,3)들을 배치할 경우 안쪽에 배치된 기판, 예컨대 제2기판(2), 은 바깥쪽에 배치된 기판들, 예컨대 제1기판(1) 및 제3기판(3), 에 비하여 적은 양의 복사열을 받기 때문에 충분히 가열되지 않는 문제가 발생한다. 따라서, 보다 빠른 시간에 복수개의 기판 (1,2,3)들을 균일하게 가열하기 위하여, 그래핀 합성 장치(100)는 제1 보조 가열부(110) 및 제2 보조 가열부(120)를 구비한다.
제1 보조 가열부(110)는 주 가열부(130)의 복사열을 대류열로 전환하여 내부 공간(I)으로 방출함으로써 기판 및 가스를 가열한다. 제1 보조 가열부(110)는 주 가열부(130)에서 방출되는 복사열에 의해 온도가 상승될 수 있다. 제1 보조 가열부(110)는 복사열에 의해 온도가 상승될 수 있는 소재라면 그 종류를 불문할 것이다. 예컨대, 제1 보조 가열부(110)는 그라파이트(graphite) 또는 산화막을 코팅한 금속을 포함할 수 있다. 금속에 산화막을 코팅함으로써 반사율을 낮추고, 복사열의 흡수율을 높일 수 있기 때문이다.
제1 보조 가열부(110)는 주 가열부(130)에 대응하여 기판(1,2,3)의 일면 또는 타면 중 어느 하나와 대향하도록 배치된다. 즉, 제1 보조 가열부(110)는 주 가열부(130)가 배치된 챔버(101)의 면, 예컨대 A5면 및/또는 A6면, 과 평행하도록 배치되며, 기판(1,2,3)의 일면 또는 타면 중 어느 하나와 평행하도록 배치될 수 있다.
제1 보조 가열부(110)는 기판(1,2,3)들을 사이에 두고 양측에 배치되는 제1-1 보조 가열부(111) 및 제1-2 보조 가열부(112)를 포함할 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것이며, 제1 보조 가열부(110)는 제1-1 보조 가열부(111) 또는 제1-2 보조 가열부(112) 중 하나만을 포함할 수도 있다.
제1-1 보조 가열부(111)와 제1-2 보조 가열부(112)는 상호 이격된 채 마주보도록 배치된다. 예컨대, 제1-1 보조 가열부(111)는 제1 기판(1)의 일면과 대향하도록 배치되며, 제1-2 보조 가열부(112)는 제3 기판(3)의 타면과 대향하도록 배치될 수 있다.
이와 같이 제1 보조 가열부(110)는 대류열을 방출하여 기판 및 가스를 모두 가열하여 단시간에 내부 공간(I)을 그래핀 합성에 최적화된 고온으로 전환할 수 있다. 또한, 제1-1 보조 가열부(111) 및 제1-2 보조 가열부(112)가 구비됨으로써, 내부 공간(I)에서 발생하는 열을 가두는 역할을 하여 고온을 유지시킬 수 있다.
그런데, 기판이 하나 또는 둘인 경우에는, 주 가열부(130) 및 제1 보조 가열부(110)만으로도 그래핀 합성에 필요한 온도까지 기판을 다소 짧은 시간에 가열할 수 있다. 그러나, 그래핀의 대량 생산을 위해서는 그래핀 합성 장치(100)에 수개 내지 수백개의 기판을 투입해야 한다. 이렇게 많은 수의 기판을 내부 공간(I)에 배치하는 경우, 안쪽에 배치된 기판, 예컨대 제2기판(2), 은 바깥쪽에 배치된 기판들, 예컨대 제1기판(1) 및 제3기판(3), 에 의해 열유동을 방해 받거나 열이 차단될 수 있어 충분히 가열되지 않는 문제가 발생한다.
제2 보조 가열부(120)는 복수개의 기판(1,2,3)들 사이 사이에 배치되어 안쪽에 배치된 기판, 예를 들어 제2기판(2), 도 고르게 가열시키는 역할을 한다. 제2 보조 가열부(120)는 주 가열부(130)에서 방출되는 복사열 및 제1 보조 가열부(110)에서 방출되는 대류열에 의해 온도가 상승될 수 있으며, 그라파이트(graphite) 또는 산화막을 코팅한 금속으로 이루어질 수 있다.
제2 보조 가열부(120)는 기판의 최대한 넓은 면적에 열을 가하고, 공간적 효율을 고려하여 기판(1,2,3)의 일면 또는 타면 중 적어도 하나와 대향하도록 배치된다.
제2 보조 가열부(120)의 개수는 기판의 개수에 따라 결정되는데, 예를 들어, 제2 보조 가열부(120)의 개수는 (기판의 개수-1개) 일 수 있다. 예를 들어 3개의 기판이 내부 공간에 안치되는 경우, 제2 보조 가열부(120)는 제1 기판(1)과 제2 기판(2) 사이에 배치되는 제2-1 보조 가열부(121), 제2 기판(2)과 제3 기판(3) 사이에 배치되는 제2-2 보조 가열부(122)를 포함할 수 있다.
이와 같이 제2-1 보조 가열부(121) 및 제2-2 보조 가열부(122)는 기판들(1,2,3)의 사이에 배치되어 열을 방출하여 안쪽에 배치된 기판, 예를 들어 제2기판(2), 도 충분히 가열시킬 수 있다. 결국, 단시간에 내부 공간을 그래핀 합성에 최적화된 고온으로 전환할 수 있다.
가스 공급부(140)는 복수개의 노즐을 포함하며, 내부 공간(I)으로 탄소를 포함하는 가스를 공급한다. 탄소를 포함하는 가스는 그래핀 형성을 위한 반응 가스로서, 예컨대 메탄(CH4), 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. 이와 같이 탄소를 포함하는 가스는 고온에서 탄소 원자와 수소 원자로 분리된다. 분리된 탄소 원자는 가열된 기판에 증착되고 기판이 냉각되면서 도 1의 그래핀이 합성된다.
한편, 가스 공급부(140)는 탄소를 포함하는 가스뿐만 아니라 분위기 가스도 내부 공간(I)으로 공급할 수 있다. 분위기 가스는 헬륨, 아르곤과 같은 불활성 가스와, 기판의 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 내부 공간(I)으로 공급될 수 있다.
도면에서는 가스 공급부(140)가 A3면에 배치되었으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 가스 공급부(140)는 다른 면에 배치될 수도 있다. 또한, 가스 공급부(140)복수개인 경우 각각 서로 다른 복수개의 면에 배치될 수도 있다.
배출부(150)는 내부 공간(I)에서 그래핀 합성에 이용된 후 나머지 잔류 가스들을 외부로 배기한다. 배출부(150)는 배출 효과를 극대화 하기 위하여 가스 공급부(140)와 마주보는 면, 예컨대 A4면, 에 배치될 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것이며 배출부(150)의 배치 구조 및 개수는 도시된 바에 한정되지 않고 다양하게 구현될 수 있다.
도시되지 않았으나, 그래핀 합성 장치(100)는 챔버(101)의 내부 공간(I)을 감압하는 감압부(미도시)를 더 구비할 수 있다. 감압부는 복수개일 수 있으며 이 경우 복수개의 감압부가 서로 마주보도록 배치될 수 있다. 감압부를 통해 내부 공간(I)의 가스를 외부로 빼내어 챔버(101)의 내부 공간(I)은 약 수 torr ~ 10-3 torr 정도로 감압될 수 있다.
또한, 도시되지 않았으나, 그래핀 합성 장치(100)는 기판을 투입 및 반출하는 게이트(미도시)를 더 구비할 수 있다. 게이트는 복수개 일 수 있으며, 기판이 패널 타입인지, 롤 타입인지에 따라 게이트의 구체적인 형태, 배치 구조 및 개수는 변형될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 그래핀 합성 장치(100)에 관한 것으로, 도 4에 도시된 그래핀 합성 장치(100)의 정면도에서 Ⅴ 부분만을 상세히 나타낸 것이다.
챔버(101)에 투입되는 기판의 수가 늘어날수록, 각 기판(1,2,3)과 제2 보조 가열부(120)의 간격은 더욱 좁아진다. 이 경우, 기판(1,2,3)들과 제2 보조 가열부(120)가 열 유동 및 가스의 흐름을 방해하여, 기판이 고르게 가열되지 못하거나 가스가 기판에 균일하게 도달하지 못하는 문제가 발생한다. 따라서 기판 표면에 그래핀이 부분적으로 합성이 되지 않거나, 그래핀의 품질이 저하된다.
그런데, 본 발명의 다른 실시예에 의하면 제2 보조 가열부(120a)에 홀(H)을 형성함으로써 상술한 문제를 해결할 수 있다. 제2 보조 가열부(120)가 제2-1 보조 가열부(121) 및 제2-2 보조 가열부(122)를 포함하여 복수개인 경우 각각에 모두 홀(H)을 형성함으로써, 열 유동 및 가스 흐름을 원활하게 할 수 있다. 홀(H)의 형태, 홀(H)의 배치, 홀(H)의 크기, 홀(H)의 개수 등은 도시된 바에 한정되지 않고 다양하게 구현될 수 있다.
한편 도시되지 않았으나, 본 발명의 또 다른 그래핀 합성 장치는, 추가 주 가열부 및 추가 보조 가열부를 더 포함할 수 있다.
이러한 추가 보조 가열부는 복수개의 기판의 각면과 교차하도록, 예를 들어 수직으로, 배치되며, 추가 주 가열부는 추가 보조 가열부에 대응하여 배치된다. 예를 들어 추가 주 가열부는 도 4의 A1면, A2 면, A3면 및 A4 면 중 적어도 하나 이상에 배치될 수 있으며, 추가 보조 가열부는 추가 주 가열부가 형성된 챔버의 각 면에 평행하도록 배치될 수 있다.
이렇게 배치된 추가 주 가열부 및 추가 보조 가열부는 복수개의 기판의 면벡터에 수직한 방향으로 복사열 및 대류열을 공급할 수 있다. 따라서, 기판들의 사이 사이에도 복사열 및 대류열을 효과적으로 가할 수 있어, 기판 및 내부 공간의 온도를 보다 빠르게 상승시킬 수 있는 장점이 있다.
이하에서는, 상기와 같은 구조를 갖는 그래핀 합성 장치(100)에서 그래핀이 합성되는 과정을 설명한다.
먼저, 내부 공간(I)에 복수의 기판(1,2,3)들을 안착시킨 후, 진공펌프(미도시)를 이용하여 내부 공간(I)에 포함된 가스를 감압부(미도시)를 통해 외부로 빼낸다. 내부 공간(I)은 대기압 보다 낮은 압력상태, 예컨대 수백 torr ~ 10-6 torr 정도의 압력을 가질 수 있다.
한편, 복수개의 기판(1,2,3)들을 안치할 때, 복수개의 기판(1,2,3)들 사이 사이에는 제2 보조 가열부(120)가 배치되도록 한다. 제2 보조 가열부(120)는 기판의 일면 또는 타면 중 하나와 대향하도록 배치한다. 또한 복수개의 기판(1,2,3)들 및 제2 보조 가열부(120)가 배열된 방향(X방향)은 중력의 방향(-Y방향)과 교차하는, 예를 들어 수직인, 방향일 수 있다.
상기 기판을 세운 상태로 배치하여 그래핀을 합성하는 경우, 합성된 그래핀의 면저항 특성이 더 우수할 수 있다. 기판이 수직으로 연장된 상태에서 화학기상 증착법에 따라 그래핀이 합성되는 과정에서, 고온의 분위기로 인하여 기판의 그레인이 증가한다. 예컨대, 기판으로 구리가 사용되는 경우 구리의 그레인이 증가하게 되고, 구리의 그레인 증가로 인해 그래핀이 균일하게 합성될 수 있는 환경이 조성되기 때문으로 판단된다.
한편, 최외각 기판들은 제1 보조 가열부(110)와 마주보도록 배치된다.
이 후, 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. 이 때, 가스 공급부(140)는 기판이 세워진 방향으로 배치되어 있는바 복수개의 기판(1,2,3)들 사이 사이에 가스가 효과적으로 공급될 수 있다.
분위기 가스를 주입한 후, 주 가열부(130)를 이용하여 기판(1,2,3) 및 제1,2 보조 가열부(110, 120)을 가열한다. 주 가열부(130)에서 방출되는 복사열에 의해 제1 및 제2 보조 가열부(110,120) 및 기판(1,2,3)의 온도가 충분히 높아지면, 기판(1,2,3)과 제1,2 보조 가열부(110, 120)에서 방출되는 열에 의하여 내부 공간(I)에는 그래핀을 합성하기에 충분한 온도가 형성된다. 예컨대, 내부 공간(I)과 기판(1,2,3)의 온도는 약 300 ℃ 또는 1000℃ 또는 그 이상이 될 수 있다.
이 후, 가스 공급부(140)를 통해서 탄소를 포함하는 가스, 즉 반응 가스를 공급한다. 이 때, 가스 공급부(140)와 대향하는 측에 구비된 배출부(150)도 기판이 세워진 방향으로 배치되어 있으므로, 즉, 복수개의 기판들이 배열된 방향과 교차하는 방향에 배치되므로, 일측에서는 가스 공급부(140)로 반응 가스를 공급하면서 타측에서는 배출부(150)를 이용하여 가스를 배기함으로써 반응 가스가 효과적으로 기판들 사이의 공간을 흘러 지나갈 수 있도록 한다. 그리고, 복수개의 기판들이 배열된 방향과 수직인 방향으로 배치된 경우에는 가스 공급부(140)의 노즐이 복수개의 기판들 사이에 존재하여 가스의 흐름을 원활하게 할 수 있다. 반응 가스는 보조 공간(I)에서 에너지를 공급받아 그래핀 합성에 필요한 상태로 분해된다.
반응 가스가 고온의 내부 공간(I)을 지나갈 때 기판(1,2,3), 즉 표면이 활성화된 기판의 표면과 접촉하게 되는데 이 과정에서 분해된 반응 가스가 표면 활성화된 기판에 흡수되면서 그래핀 결정이 성장된다.
본 실시예에서는 주 가열부(130)에 의하여 기판(1,2,3)을 가열한 후, 탄소를 포함하는 가스를 공급하는 경우로 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 주 가열부(130)가 복사열을 방출하기 전에, 또는 복사열을 방출함과 동시에, 또는 복사열을 방출한 후 탄소를 포함하는 가스를 공급 수 있다. 즉, 탄소를 포함하는 가스를 공급하기 전에 주 가열부(130)를 동작하는 경우나 탄소를 포함하는 가스를 공급하면서 주 가열부(130)를 동작하는 경우, 혹은 가스를 공급한 후에 주 가열부(130)를 동작할 수 있다.
주 가열부(130)에서 조사되는 복사열인 근적외선 파장대역의 광인 경우 이로 인해 기판(1,2,3)과 제1,2 보조 가열부(110, 120)가 가열되고, 가열된 기판(1,2,3)및 제1,2 보조 가열부(110, 120)에서 방출되는 열에 의해 내부 공간(I)이 데워지고 탄소를 포함하는 가스가 분해되는 경우를 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 또 다른 실시예로서, 주 가열부(130)에서는 근적외선 파장대역뿐만 아니라 중적외선 또는/및 가시광선 파장대역을 포함하는 광이 방출될 수 있다. 이 경우, 주 가열부(130)에서 방출되는 근적외선 파장대역의 광은 상술한 바와 같이 기판(1,2,3)과 제1,2 보조 가열부(10, 120)에 에너지를 공급하고, 가열된 기판(1,2,3) 및 제1,2 보조 가열부(110, 120)에 의해 내부 공간(I)이 데워질 수 있다. 동시에, 주 가열부(130)에서 방출되는 중적외선 또는/및 가시광선 파장대역의 빛이 내부 공간(I)으로 공급되는 탄소를 포함하는 가스를 데울 수 있다.
바꾸어 말하면, 탄소를 포함하는 가스는 기판(1,2,3) 및 제1,2 보조 가열부(110, 120)에 의해 데워진 내부 공간(I)의 열 및 중적외선 또는/및 가시광선 파장대역의 광으로부터 에너지를 공급받아 분해될 수 있다. 따라서, 내부 공간(I)에서의 그래핀 합성 반응은 단시간에 더욱 활발하게 수행될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 그래핀 합성 장치
101: 챔버
130: 주 가열부
110: 제1 보조 가열부
120: 제2 보조 가열부
101: 챔버
130: 주 가열부
110: 제1 보조 가열부
120: 제2 보조 가열부
Claims (6)
- 각 면이 서로 대향하도록 배치되는 복수개의 기판들이 안치되는 내부 공간을 정의하는 챔버;
상기 내부 공간으로 탄소를 포함하는 가스를 공급하는 가스 공급부;
복사열을 상기 내부 공간으로 조사하는 주 가열부;
상기 주 가열부에 대응하여 상기 기판의 일면과 대향하도록 배치되고, 상기 복사열을 대류열로 전환하여 상기 내부 공간으로 방출하는 제1 보조 가열부; 및
상기 복수개의 기판들의 사이 사이에 상기 기판의 적어도 하나의 면과 대향하도록 배치되고, 상기 복사열 및 상기 대류열을 흡수하여 가열된 후 열을 상기 내부 공간으로 방출하는 복수개의 제2 보조 가열부들을 포함하며,
상기 복수개의 제2 보조 가열부들 각각에는 적어도 하나의 홀이 형성된, 그래핀 합성 장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 복수개의 제2 보조 가열부들의 개수는 상기 복수개의 기판들의 개수보다 작은, 그래핀 합성 장치. - 제1항에 있어서,
상기 복수개의 기판들 및 상기 복수개의 제2 보조 가열부들이 배열된 방향은 중력의 방향과 교차하는 방향이거나 수직인, 그래핀 합성 장치. - 제4항에 있어서,
상기 내부 공간의 상기 가스를 외부로 배출하는 배출부; 를 더 포함하며,
상기 가스 공급부와 상기 배출부는 상기 복수개의 기판들이 배열된 방향과 교차하는 방향에 배치되는, 그래핀 합성 장치. - 챔버의 내부 공간에 복수의 기판들을 안치하는 단계;
상기 내부 공간을 감압하는 단계; 상기 내부 공간에 분위기 가스를 주입하는 단계;
상기 내부 공간에 탄소를 포함하는 가스를 공급하는 단계; 및
상기 기판들을 가열하기 위한 복사열을 조사하는 단계;
를 포함하며,
상기 기판들을 안치하는 단계는,
상기 복수개의 기판들의 사이 사이에 상기 기판의 적어도 하나의 면과 대향하도록 각각에 적어도 하나의 홀이 형성된 복수의 보조 가열부들이 배치되도록 하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 합성 방법.
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