KR101874317B1 - 롤투롤 공정을 이용한 그래핀 시트의 제조 방법 및 그 장치 - Google Patents

롤투롤 공정을 이용한 그래핀 시트의 제조 방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

롤투롤(roll-to-roll) 공정을 이용한 그래핀 시트 제조 방법 및 그 장치가 개시되어 있다. 두 장 이상의 촉매 기판들의 적어도 가장자리를 연속적으로 상호 접합한다. 접합된 촉매 기판의 외표면 중의 일 표면 또는 양 표면 상에 그래핀(graphene)을 성장시킨다. 그런 다음, 접합된 촉매 기판을 서로 분리한다. 본 발명에 따른 방법 및 장치에 의하면, 최소 두 장의 그래핀 시트를 동시에 제조하는 것이 가능하며, 한 장의 촉매 기판을 사용하였을 때에 수반되는 그래핀의 식각 공정을 생략할 수 있어, 그래핀 시트의 제조 공정이 단순화되고 생산성이 개선되게 한다.

Description

롤투롤 공정을 이용한 그래핀 시트의 제조 방법 및 그 장치 {APPARATUS AND METHOD FOR MANUFACTURING GRAPHENE SHEET USING ROLL TO ROLL PROCESS}
본 발명은 롤투롤 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 이용한 그래핀(graphene) 시트 제조 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유연성을 갖는 두 장 이상의 촉매 기판을 사용하여 하나의 공정으로 최소한 두 장의 그래핀 시트를 제조할 수 있으며 그래핀의 식각 공정을 생략할 수 있는 그래핀 시트 제조 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
그래핀은 탄소 원자들이 육각형 형태로 연결된 2차원 구조로 이루어져 있으며 수많은 그래핀 층이 적층된 형태인 흑연(그래파이트, Graphite)이 잘 알려져 있다. 그래핀은 2004년 흑연으로부터 분리되어, 우수한 전자이동도 (20,000 cm2/Vs 이상), 비정상적인 양자 홀 효과(Quantum Hall Effect) 등의 독특한 특성을 보유하고 있는 것이 발견되었고, 차세대 반도체소자로서의 가능성이 보고되었다. 이와 함께, 그래핀은 우수한 기계적, 화학적인 특성을 갖는 것으로 알려져 있으며, 유연성이 우수하여 10 % 이상의 면적을 늘려도 전기 전도성을 유지하는 특성을 가지는 것으로 알려졌다(참고문헌 1). 이러한 그래핀의 우수한 특성으로 인하여, 기존의 탄소계 물질, 예를 들어, 탄소 원자들이 0 차원의 공 모양의 구조를 가지는 플러렌(Fullerene), 1 차원적 구조로 관 형태를 가지는 탄소나노튜브(Carbon Nanotube) 등의 물질과 함께 최근 주목을 받고 있다.
그래핀을 제조하는 대표적인 방법으로는 그래파이트로부터 그래핀을 박리하는 방법과 화학 기상 증착법을 이용하여 그래핀을 합성하는 방법이 있다. 그래라이트로부터 그래핀을 직접 얻는 박리법은 기계적 박리법과 화학적 박리법이 있다. 기계적 박리법은 그래파이트로부터 그래핀을 분리하는 제조 방법이다. 하지만 이러한 방법은 분리된 그래핀의 층 수를 일정하게 조절하기가 어려우며, 또한 균일한 형태를 갖는 마이크로 미터 크기 이상의 그래핀을 제조하는데 제약이 크다. 화학적 박리법은 그래파이트로부터 화학적 처리를 통하여 그래핀을 분리해내는 방법을 의미한다. 그래파이트를 강산을 이용한 화학적 처리를 통하여 산화된 그래핀을 제조할 수 있으며 이를 환원제를 이용하여 다시 그래핀으로 환원시키는 과정이 포함된다. 이러한 방법으로 제조된 그래핀은 넓은 면적의 전도성을 갖는 필름을 형성할 수 있으나 산화 그래핀이 완전히 환원되지 못하고 결함을 많이 남기기 때문에 전기적 성질이 떨어진다는 단점이 있다. 이에 반해, 화학기상 증착법은 고온에서 탄소를 잘 흡착하는 전이금속을 촉매 층으로 이용하여 그래핀을 합성하는 방법이다. 그래핀을 화학 기상 증착법을 통해 제조하기 위해서는 고온에서 탄소를 잘 흡착하는 금속을 촉매층으로 이용하여야 한다. 화학 기상 증착법을 이용한 그래핀 제조 방법은 탄소를 잘 흡착하는 금속 촉매층을 고온에서 열처리한 후, CH4와 H2 가스를 주입하여 적절한 양의 탄소가금속 촉매층에 녹아 들어가게 하거나 흡착되게 한 후, 냉각을 통하여 금속 촉매층에 포함되어 있던 탄소 원자들을 표면에서 반응함으로써 그래핀을 생성시키는 과정을 포함한다. 일반적으로 사용되는 금속의 종류와 두께, 반응시간, 냉각속도, 반응 가스의 농도 등을 조절함으로써 그래핀 층수를 조절하는 것이 가능하다(참고문헌 2). 또한, 화학 기상 증착법을 이용하면 대면적을 갖는 투명성과 전기적 특성이 우수한 그래핀을 제조할 수 있다. 그러나, 현재까지 알려진 그래핀 제조 장비에서는 고온 처리 중에 금속 기판이 뒤틀리는 현상이 발생하게 되며 제조 공정이 복잡하여 우수한 물성을 갖는 대면적의 그래핀을 제조하는 것이 용이하지 않다.
(참고문헌 1). K. S. Novoselov et. al., Science 2004, 306, 666. Mikhail I. Katsnelson, materialstoday 2007, 10, 1-2, 20.; Keun Soo Kimet. al., Nature 2009, 457, 706 (참고문헌 2). Keun Soo Kimet. al., Nature 2009, 457, 706. 및 Sukang Bae et. al., Nature Nanotechnology 2010
본 발명은 종래기술의 문제점 또는 한계를 극복하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 하나의 공정으로 최소한 두 장의 그래핀 시트를 제조할 수 있으며 하나의 촉매 기판을 사용하였을 때에 수반되는 그래핀 시트의 식각 공정을 생략할 수 있어 공정적으로 및/또는 경제적으로 유리한 그래핀 시트 제조 방법 및 그 장치를 제공하는 데에 있다.
상기 및 그 밖의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은,
롤투롤(roll-to-roll) 공정을 이용한 그래핀 시트 제조 방법에 있어서,
(a) 두 장 이상의 촉매 기판들의 적어도 가장자리를 연속적으로 상호 접합하는 단계;
(b) 상기 접합된 촉매 기판의 외표면 중의 일 표면 또는 양 표면 상에 그래핀(graphene)을 성장시키는 단계;
(c) 필요에 따라 바람직하게는, 상기 단계 (b)로부터의 접합된 촉매 기판의 가장자리를 슬리팅(slitting)하는 단계; 및
(d) 상기 접합된 촉매 기판을 서로 분리하는 단계를 포함하는 그래핀 시트 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 있어, 상기 단계 (a)에서의 두 장 이상의 촉매 기판은 각각의 권취 롤러에 각각 권취되어 있는 두 장 이상의 촉매 기판을 함께 압착롤러쌍을 통과하여 이송시킴으로써 접합된다.
본 발명에 따른 그래핀 제조 방법은 촉매 기판과 연속하는 그래핀층이 형성된 촉매 기판의 평면에 대한 법선이 중력 방향과 나란하게 또는 중력 방향에 대하여 수직한 방향으로 촉매 기판이 이송될 수 있다. 촉매 기판과 연속하는 그래핀층이 형성된 촉매 기판의 평면에 대한 법선이 중력 방향에 대하여 수직한 방향으로 이송되게 하는 후자의 경우에는, 화학 기상 증착법을 이용한 그래핀 시트 제조 과정 중 고온 처리 과정 중에 발생할 수 있는 촉매 기판의 뒤틀림 현상을 없애거나 최소화할 수 있다는 점에서 유리하다.
본 발명에 있어, 상기 단계 (b)에서의 그래핀 성장은 화학 기상 증착 방법에 의해 수행되며, 이때 300℃ 내지 2000℃의 온도에서 수행된다.
그래핀이 성장되는 상기 촉매 기판은 그래핀의 지지체 역할을 함과 동시에 그래핀의 성장에 있어서 촉매 역할을 하며, 일반적으로 유연성을 갖는 구리 기판이 사용되나, 기판형태의 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Ir, Si, Ta, Ti, W, Pd, V, Zr 로 이루어진 군으로부터 사용되거나 이들의 합금으로부터 사용되거나 이들로부터 제조된 다층구조의 기판이 사용될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명을 구성하는 그래핀을 촉매 기판의 표면상에 성장시키는 단계에서 사용되는 방법으로는 예를 들어 화학 기상 증착법(CVD)이 언급될 수 있다. 상기 탄소의 공급원으로 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 에틸렌, 아세틸렌 등의 탄소를 포함하는 물질과 수소 및 아르곤을 기상으로 화학기상 증착 장비 내에 공급하면서 300℃ 에서부터 사용된 촉매 기판의 녹는점 이하의 온도 범위로 가열하면 주입된 탄소의 공급원들이 촉매층의 표면위에서 서로 반응하여 그래핀이 생성된다. 구체적인 예로, 구리 기판의 경우, 약 1,000℃ 의 온도에서 메탄을 탄소 공급원으로 사용하고 수소와 아르곤을 일정량을 혼합하여 주입한 후, 일정시간 동안 약 1,000 ℃를 유지하고 냉각하면 구리 기판의 표면위에 그래핀이 형성되는 것이 알려져 있다. (문헌: Sukang Bae et. al., Nature Nanotechnology 2010,).
그러나, 상기의 방법은 배치(Batch)형태의 화학기상 증착 장비를 사용하고 약 2시간의 긴 제조공정 시간이 소요되는 것이 일반적이다. 이로 인하여, 새로운 제조 공정의 개발을 통하여 단위시간 당 그래핀의 생산량을 증가시켜 경제성을 개선하는 것이 반드시 필요한 상황이다. 이를 위하여 롤투롤 화학 기상 증착법 혹은 롤투롤 플라즈마 화학 기상 증착법을 사용할 수 있다.(문헌: KR 10-2009-0126273) 롤투롤 화학 기상 증착법은 촉매 기판촉매 기판을 사용하여 연속적으로 그래핀을 성장시킴으로써, 단위시간 당 생산량을 획기적으로 개선하는 것이 가능하다. 그러나, 결함이 적고 품질이 우수한 그래핀의 성장을 위해서는 약1000 ℃의 매우 높은 온도가 필요하나, 플라즈마(Plasma) 및 마이크로웨이브(Microwave) 화학 기상 증착법을 사용할 경우, 그래핀의 성장 온도를 낮출 수 있다는 것이 알려져 있다. (문헌: M. Zhu et al., Carbon 45, 2229, 2007.; Alexander Malesevic et al., Nanotechnology 19, 305604, 2008)) 그러나, 약 1,000 ℃의 높은 그래핀 합성 온도에서는 구리 기판의 기계적강도가 저하되어 롤투롤 공정에 적합한 기계적 강도를 만족시키지 못하는 문제가 발생한다. 이로 인하여 제조공정 중, 촉매 기판이 끊어지거나 접히는 등의 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 그래핀을 성장시키는 공정에서 기상의 탄소 공급원과 구리 기판이 양면에서 접촉하여 반응함으로써 구리 기판의 양면에 그래핀이 성장돤다. 따라서, 그래핀을 원하는 기판으로 전사하는 공정 (문헌: Sukang Bae et. al., Nature Nanotechnology 2010,.)을 위해서는 전단계로 구리 기판의 양쪽 면에 합성된 그래핀의 한면을 RIE(Reactive Ion Etching) 등의 건식 식각(Dry Etching)공정을 이용하여 제거하는 공정이 추가적으로 필요하다. 본 발명은 두 장의 촉매 기판을 접합하여 촉매 기판의 양면에 그래핀이 성장되는 것을 방지하여 추가적인 식각 공정을 제거함과 동시에 두 장의 촉매 기판의 표면위에 성장된 그래핀을 모두 활용함으로써 생산 속도를 획기적으로 개선하는 것이 가능하다.
또한, 또한, 추가적으로, 그래핀의 합성 온도에서 촉매 기판의 기계적 물성의 저하 문제를 보완하기 위해서 촉매 기판의 융점보다 높은 용융점을 갖는 와이어 혹은 기판 형태의 지지체를 사용함으로써, 제조 공정 상에서 촉매 기판의 처짐, 구겨짐 등의 문제를개선하는 것이 가능하다. 여기서, 지지체로 사용가능한 금속계 물질은 Fe, Cr, Mn, Ni, Ti, W, C 로 구성된 합금이나, 이에 한정하지는 않으며 그래핀 합성온도에서 기계적 강도의 저하가 촉매 기판보다 적은 물질을 사용할 수 있다.
구체적인 예로, 구리 기판을 촉매 기판으로 사용할 경우, 600 ℃ 이상의 온도에서 두 장의 구리 기판이 겹쳐진 상태에서 120 kgf/cm2의 압력을 가해주면 구리 기판이 서로 접합된다. 도 2에 예시된 바와 같이, 600 ℃ 이상의 온도의 압착롤을 이용하여 두 장의 구리 기판의 가장자리를 압착하면 두 장의 구리 기판의 가장자리가 접합된 상태가 되며, 이 상태에서 탄소 공급원인 메탄가스가 공급되고 히터를 통해 800 ~ 1100 ℃ 로 촉매 기판을 가열하면 두 장의 구리 기판의 외측 면에 각각 그래핀이 성장된다. 다음 단계로 나이프를 이용하며 압착된 양쪽 가장자리를 슬리팅(Slitting)하고 두 장의 구리 기판을 서로 분리하면 한 면만 그래핀이 합성된 두 장의 구리 기판을 동시에 얻게 된다. 이러한 방법으로써, 한 장의 구리 기판을 사용하는 일반적인 방법에서 요구되는 구리 기판의 한 면의 그래핀을 제거하는 공정이 필요성이 없게 되며 생산속도도 증대된다. 또한 추가적으로, 그래핀 합성 온도에서 구리 기판의 처짐과 끊어짐을 방지하기 위하여 구리 기판보다 높은 온도의 융점을 갖는 지지체를 두 장의 구리 기판을 압착하는 단계에서 도입할 수 있다. 두 장의 구리 기판의 사이에 지지체와 함께 압착을 하여 구리 기판의 양쪽에서 지지함으로써 그래핀의 합성 온도에서 구리 기판이 끊어지거나 처지는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 구리 기판의 처짐 현상을 더욱 더 개선하기 위하여 지지체의 사용과 함께 또는 독립적으로 구리 기판이 지면과 수직이 되도록 장비를 구성하여 수직 방향으로 구리 기판이 장치내부에서 위치하는 수직 공정이 적용될 수 있다.
또한, 본 발명은, 롤투롤(roll-to-roll) 공정을 이용한 그래핀 시트 제조 장치로서,
촉매 기판이 권취되어 있는 2개 이상의 권출 롤러;
상기 권출 롤러로부터 이송되는 각각의 촉매 기판을 통과시킴으로써 함께 압착시켜 상호 접합되게 하기 위한 제 1 압착롤러쌍;
상기 압착롤러쌍을 통과하여 접합된 촉매 기판의 일면 또는 양면에 그래핀을 성장시키기 위한 화학기상증착부;
상기 화학기상증착부를 거쳐 이송된 촉매 기판이 상호 접합 유지되게 하기 위한 제 2 압착롤러쌍; 및
상기 제 2 압착롤러쌍을 통과하여 이송되는 접합 상태의 촉매 기판으로부터 각각의 촉매 기판을 개별적으로 권취하기 위한 2개 이상의 권취 롤러를 포함하는 그래핀 시트 제조 장치를 제공한다.
본 발명에 있어, 상기 화학기상증착부의 후단에는 촉매 기판의 이송 방향에 대하여 반대되는 방향으로 하나 이상의 나이프가 장착된다. 이러한 촉매 기판의 이송 방향에 대하여 반대되는 방향으로 장착되는 나이프에 의해 촉매 기판의 이송에 따라 촉매 기판의 가장자리가 슬리팅(slitting)되어 가장자리가 접합된 촉매 기판이 상호 분리되어 이들의 후단에 배치되어 있는 각각의 권취 롤러에 촉매 기판이 용이하게 권취되게 할 수 있는 환경을 조성한다.
또한, 본 발명에서는, 상기 권출 롤러로부터 권출(unwinding)되는 각각의 촉매 기판의 사이에 지지체가 배치되어 상기 촉매 기판과 함께 이송되면서 상기 제 1 압착롤러쌍에서부터 상기 촉매 기판과 함께 접합되게 지지체 권출 롤러와 지지체 권취 롤러가 배치된다. 상기 지지체는 상기 촉매 기판의 용융점 보다 상대적으로 높은 용융점을 갖는 와이어 또는 기판 형태의 Fe, Cr, Mn, Ni, Ti, W 및 C로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 포함하는 합금으로 구성되는 바람직하다.
본 발명에 따른 그래핀 제조 장치는 촉매 기판과 연속하는 그래핀층이 형성된 촉매 기판의 평면에 대한 법선이 중력 방향과 나란하게 또는 중력 방향에 대하여 수직한 방향으로 촉매 기판이 이송될 수 있게 각각의 롤러가 배치될 수 있다. 촉매 기판과 연속하는 그래핀층이 형성된 촉매 기판의 평면에 대한 법선이 중력 방향에 대하여 수직한 방향으로 이송되게 배치되는 후자의 경우에는, 화학 기상 증착법을 이용한 그래핀 시트 제조 과정 중 고온 처리 과정 중에 발생할 수 있는 촉매 기판의 뒤틀림 현상을 없애거나 최소화할 수 있다는 점에서 유리하다.
본 발명에 있어, 상기 화학기상증착부에는 상기 증착 대상 기판을 향하여 탄소원이 공급 및 분사되는 하나 이상의 가스 분사 노즐, 플라즈마 발생 장치 및/또는 열처리 장치가 배치된다.
본 발명에 따른 방법 및 장치에 의하면, 최소 두 장의 그래핀 시트를 동시에 제조하는 것이 가능하며, 한 장의 촉매 기판을 사용하였을 때에 수반되는 그래핀의 식각 공정을 생략할 수 있어, 그래핀 시트의 제조 공정이 단순화되고 생산성이 개선되게 한다.
도 1은 본 발명의 하나의 바람직한 구체예에 따른 롤투롤 공정을 이용한 그래핀 제조 장치의 요부를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 보다 바람직한 구체예에 따른 롤투롤 공정을 이용한 그래핀 제조 장치의 요부를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 그래핀 제조 장치를 변형한 것으로, 촉매 기판의 처짐, 구겨짐, 단락을 방지하기 위하여 촉매 기판과 연속하는 그래핀층이 형성된 촉매 기판의 평면에 대한 법선이 중력 방향에 대하여 수직한 방향이 되게 설치되어 있는 롤투롤 공정을 이용한 그래핀 시트 제조 장치의 측면의 요부를 나타낸 도면이다. 도 3을 볼 때에는 그래핀 시트 제조 장치의 하부가 지면 방향으로 인식되어야 한다.
본 발명은 첨부 도면들과 이하 설명을 참조하여 이해될 수 있다. 도면들 중에서 동일한 요소는 동일한 참조 부호로 표기하였다. 한편, 연속적인 공정 중의 하나로서의 롤투롤(roll-to-roll, R2R) 방식은 당해기술분야에 널리 공지되어 있다. 본 발명의 핵심은 이러한 롤투롤 공정을 그래핀 제조 공정에서 어떻게 활용할 것인지에 대한 새로운 방법론적 및 기계적 접근 방식을 포함한다.
본원에서 사용되는 용어 "상부" 및 "하부"는 통상적인 개념인 지면을 기준으로 정한 용어로서, 지면쪽에 해당하는 부분을 하부로, 지면쪽에서 먼 거리에 있는 부분을 상부로 이해하여야 한다.
도 1에는 본 발명의 하나의 바람직한 구체예에 따른 그래핀 시트 제조 장치의 요부가 개략적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 하나의 바람직한 구체예에 따른 그래핀 시트 제조 장치는 롤투롤(roll-to-roll) 공정을 이용한다.
이러한 그래핀 시트 제조 장치는 도시된 바와 같이 2개의 권출 롤러(6a, 6b)와 2개의 권취 롤러(8a, 8b)를 포함한다. 권출 롤러(6a, 6b)와 권취 롤러(8a, 8b) 사이에는 제 1 압착롤러쌍(10a)과 제 2 압착롤러쌍(10b)이 배치되어 있으며, 제 1 압착롤러쌍(10a)과 제 2 압착롤러쌍(10b)의 사이에는 화학기상증착부가 배치되어 있다. 또한, 화학기상증착부와 제 2 압착롤러쌍(10b) 사이에는 나이프(14)가 장착된다.
2개의 권출 롤러(6a, 6b)에는 각각 촉매 기판(2)이 권취되어 있으며, 이의 후단에 구비된 각각의 권취 롤러(8a, 8b)의 회전에 의한 촉매 기판(2)의 권취에 의해 2개의 권출 롤러(6a, 6b)에 권취되어 있던 각각의 촉매 기판(2)이 권출되어 권취 롤러(8a, 8b) 방향으로 이송된다. 촉매 기판(2)은 다양한 재질로 구성되며, 대표적인 예로는 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V 및 Zr 으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 포함한다. 이러한 촉매 기판(2)은 롤러로부터의 권출 및/또는 롤러로의 권취에 유리하도록 유연성을 갖는 것이 바람직하다.
권출 롤러(6a, 6b)로부터 권출되는 각각의 촉매 기판(2)은 권출 롤러(6a, 6b)와 권취 롤러(8a, 8b) 사이에 구비된 제 1 압착롤러쌍(10a)의 사이를 관통하여 이송된다. 이때, 권출 롤러(6a, 6b)로부터 권출되어 이송되는 각각의 촉매 기판(2)은 제 1 압착롤러쌍(10a)에 의한 압착에 의해 상호 접합되는 과정을 거치게 된다.
제 1 압착롤러쌍(10a)으로부터 이송 중인 상호 접합된 촉매 기판(2)은 도 1에 예시적으로 도시된 바와 같이 가스 분사 노즐(18)을 통한 탄소원의 공급하에 열처리 장치(12)에 의한 처리 과정을 거치게 된다. 본 실시예에서는 열처리 장치(12)가 단독으로 적용되고 있으나, 플라즈마 유도 하에서의 열처리도 고려될 수 있다. 열처리 장치(12)를 단독으로 사용하는 경우보다 플라즈마 유도된 상태에서 열처리하는 경우에는 적용되는 온도를 낮출 수 있어 유리하다. 본 발명에서 사용될 수 있는 플라즈마 유도 방법의 비제한적인 예로는 정전 결합 플라즈마(Capacitive Coupled Plasma), 유도 결합 플라즈마(Inductive Coupled Plasma), 열 플라즈마(Thermal Plasma), 고주파 플라즈마(Radio Frequency Plasma)가 있다. 본 명세서를 숙지한 당업자라면 이들 장치를 선택에 따라 개별적으로 또는 함께 적용할 수 있다는 것을 인지할 것이다. 열처리 장치(12) 및/또는 플라즈마 유도(도시되어 있지 않음) 하의 열처리 장치(12)에 의한 처리 과정은 고온으로 수행되며, 바람직하게는 300℃ 내지 2000℃의 온도에서 수행된다.
가스 분사 노즐(18)로부터 분사된 탄소원은 열처리 장치(12) 및/또는 플라즈마 유도 하의 열처리 장치에 의한 처리에 의해 이송 중인 촉매 기판(2)에 증착되어 도 1에 예시적으로 구분하여 도시한 바와 같이 그래핀층(G)이 형성된 촉매 기판(2)이 형성되게 한다.
이후, 화학기상증착부로부터의 촉매 기판(2)은 이의 후단에 촉매 기판(2)의 이송 방향에 대하여 반대 방향으로 장착된 2개의 나이프(14)에 가장자리가 슬리팅(slitting)된다. 촉매 기판(2)의 가장자리를 연속적으로 슬리팅하기 위해 각각의 나이프(14)는 촉매 기판(2)의 폭보다 작은 폭으로 각각 배치된다.
가장자리가 슬리팅된 그래핀층(G)이 형성된 촉매 기판(2)은 도시된 바와 같이 후단에 마련된 제 2 압착롤러쌍(10b)을 통과하여 이의 후단부에 구비되어 있는 권취 롤러(8a, 8b)에 권취되는 과정을 거치게 된다. 이러한 과정을 거치면서 접합된 각각의 촉매 기판(2)은 분리되어 권취 롤러(8a, 8b)에 권취되는 것이다.
도 2에는 본 발명의 보다 바람직한 형태의 그래핀 시트 제조 장치가 개략적으로 도시되어 있다. 도 2에 도시된 그래핀 시트 제조 장치는 제조 공정 중에 발생할 수 있는 촉매 기판(2)의 처짐, 구겨짐, 단락을 방지할 수 있게 하는 지지체(4)의 구조가 추가된 것을 제외하고는 도 1에 도시된 그래핀 시트 제조 장치와 동일하다.
2개의 권출 롤러(6a, 6b) 사이에 배치된 지지체 권출 롤러(16a)로부터의 지지체(4)가 권출 롤러(6a, 6b)로부터의 촉매 기판(2)과 제 1 압착롤러쌍(10a)에서 함께 압착된다. 이러한 지지체(4)는 촉매 기판(2)의 용융점 보다 상대적으로 높은 용융점을 갖는 와이어 또는 기판 형태의 Fe, Cr, Mn, Ni, Ti, W 및 C로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 포함하는 합금으로 구성된다.
지지체(4)는 촉매 기판(2)의 폭보다 작은 폭을 가지며, 촉매 기판(2)과 함께 제 1 압착롤러쌍(10a)을 통과하면서 압착되는 과정을 거치게 된다. 이때 촉매 기판(2)은 길이 방향으로 가장자리가 상호 접합된다.
권출 롤러(6a, 6b) 사이에는 지지체(4)의 권출 및 권취를 목적으로 지지체 권출 롤러(16a)와 지지체 권출 롤러(16b)가 배치되어 있으며, 접합된 촉매 기판(2)의 사이에 함께 압착되었던 지지체(4)는 지지체 권취 롤러(16b)로 연속적으로 권취된다. 이러한 지지체(4)에 의한 공정에 의해 제조 공정 중에 발생할 수 있는 촉매 기판(2)의 처짐, 구겨짐, 단락을 방지할 수 있게 되는 것이다.
도 3은 도 1에 도시된 그래핀 제조 장치의 변형한 것으로, 촉매 기판의 처짐, 구겨짐, 단락을 방지하기 위하여 촉매 기판과 연속하는 그래핀층이 형성된 촉매 기판의 평면에 대한 법선이 중력 방향에 대하여 수직한 방향이 되게 설치되어 있는 롤투롤 공정을 이용한 그래핀 시트 제조 장치의 측면의 요부를 나타낸 도면이다. 도 2를 볼 때에는 그래핀 시트 제조 장치의 하부가 지면 방향으로 인식되어야 한다.
상기 촉매 기판(2)과 연속하는 그래핀층(G)이 형성된 촉매 기판(2)의 평면에 대한 법선이 중력 방향에 대하여 수직한 방향이 되게 구성되어 있는 것을 제외하고는 도 1의 그래핀 시트 제조 장치와 동일하다. 이러한 구조는 지지체(4)의 사용과 함께 촉매 기판(2)의 처짐 현상을 더욱 더 개선할 수 있게 한다.
2 : 촉매 기판 4 : 지지체
6a, 6b : 권출 롤러 10a : 제 1 압착롤러쌍
10b : 제 2 압착롤러쌍 12 : 열처리 장치
14 : 나이프(knife) 16a : 지지체 권출 롤러
16b : 지지체 권취 롤러 18 : 가스 분사 노즐
A : 잘려나간 촉매 기판과 연속하여 그래핀층이 형성된 촉매 기판 부분
B : 촉매 기판과 연속하여 그래핀층이 형성된 촉매 기판 부분
G : 그래핀층

Claims (15)

  1. 롤투롤(roll-to-roll) 공정을 이용한 그래핀 시트 제조 방법에 있어서,
    (a) 두 장 이상의 촉매 기판들의 적어도 가장자리를 연속적으로 상호 접합하는 단계;
    (b) 상기 접합된 촉매 기판의 외표면 중의 일 표면 또는 양 표면 상에 이송 중에 화학기상증착 방법으로 그래핀(graphene)을 성장시키는 단계; 및
    (d) 상기 접합된 촉매 기판을 서로 분리하는 단계를 포함하는 그래핀 시트 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 단계 (b)와 상기 단계 (d) 사이에, (c) 상기 단계 (b)로부터의 접합된 촉매 기판의 가장자리를 슬리팅(slitting)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 시트 제조 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 단계 (a)에서의 두 장 이상의 촉매 기판은 각각의 권취 롤러에 각각 권취되어 있는 두 장 이상의 촉매 기판을 함께 압착롤러쌍을 통과하여 이송시킴으로써 접합되는 것을 특징으로 하는 그래핀 시트 제조 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 촉매 기판과 연속하는 그래핀층이 형성된 촉매 기판의 평면에 대한 법선이 중력 방향에 대하여 수직한 방향으로 촉매 기판이 이송되는 것을 특징으로 하는 그래핀 시트 제조 방법.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서, 상기 화학 기상 증착은 300℃ 내지 2000℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 그래핀 시트 제조 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 촉매 기판은 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V 및 Zr 으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 포함하는 것을 특징하는 그래핀 시트 제조 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 촉매 기판은 유연성 기판인 것을 특징으로 하는 그래핀 시트 제조 방법.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 두 장 이상의 상기 촉매 기판은 상기 촉매 기판의 용융점 보다 상대적으로 높은 용융점을 갖는 와이어 또는 기판 형태의 Fe, Cr, Mn, Ni, Ti, W 및 C로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 포함하는 합금으로 구성된 지지체가 상기 두 장 이상의 촉매 기판 사이에 삽입되어 이송되는 것을 특징으로 하는 그래핀 시트 제조 방법.
  10. 롤투롤(roll-to-roll) 공정을 이용한 그래핀 시트 제조 장치로서,
    촉매 기판(2)이 권취되어 있는 2개 이상의 권출 롤러(6a, 6b);
    상기 권출 롤러(6a, 6b)로부터 이송되는 각각의 촉매 기판(2)을 통과시킴으로써 함께 압착시켜 상호 접합되게 하기 위한 제 1 압착롤러쌍(10a);
    상기 압착롤러쌍(10a)을 통과하여 이송 중에 접합된 촉매 기판(2)의 외표면 중의 일표면 또는 양표면에 그래핀을 성장시키기 위한 화학기상증착부;
    상기 화학기상증착부를 거쳐 이송된 촉매 기판(2)이 상호 접합 유지되게 하기 위한 제 2 압착롤러쌍(10b); 및
    상기 제 2 압착롤러쌍(10b)을 통과하여 이송되는 접합 상태의 촉매 기판(2)으로부터 각각의 촉매 기판(2)을 개별적으로 권취하기 위한 2개 이상의 권취 롤러(8a, 8b)를 포함하는 그래핀 시트 제조 장치.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 화학기상증착부의 후단에 촉매 기판(2)의 이송 방향에 대하여 반대되는 방향으로 하나 이상의 나이프(14)가 장착되되, 촉매 기판(2)의 이송에 따라 촉매 기판(2)의 가장자리가 슬리팅(slitting)되게 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 그래핀 시트 제조 장치.
  12. 제 10항 또는 제 11항에 있어서, 상기 권출 롤러(6a, 6b)로부터 권출(unwinding)되는 각각의 촉매 기판(2)의 사이에 지지체(4)가 배치되어 상기 촉매 기판(2)과 함께 이송되면서 상기 제 1 압착롤러쌍(10a)에서부터 상기 촉매 기판(2)과 함께 접합되게 지지체 권출 롤러(16a)와 지지체 권취 롤러(16b)가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 그래핀 시트 제조 장치.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 지지체(4)는 상기 촉매 기판(2)의 용융점 보다 상대적으로 높은 용융점을 갖는 와이어 또는 기판 형태의 Fe, Cr, Mn, Ni, Ti, W 및 C로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 포함하는 합금으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 그래핀 시트 제조 장치.
  14. 제 10항 또는 제 11항에 있어서, 상기 촉매 기판과 연속하는 그래핀층이 형성된 촉매 기판의 평면에 대한 법선이 중력 방향에 대하여 수직한 방향이 되게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 그래핀 시트 제조 장치.
  15. 제 10항 또는 제 11항에 있어서, 상기 화학기상증착부에는 상기 증착 대상 기판을 향하여 탄소원이 공급 및 분사되는 하나 이상의 가스 분사 노즐, 플라즈마 발생 장치 또는 열처리 장치가 선택적으로 또는 함께 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 그래핀 시트 제조 장치.
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