KR101956135B1 - 그래핀 합성장치 및 그래핀 합성 방법 - Google Patents

그래핀 합성장치 및 그래핀 합성 방법 Download PDF

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Abstract

그래핀 합성장치가 제공된다. 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 합성장치는 기판으로 플라즈마 아크를 발생시키는 플라즈마 아크 발생유닛과, 상기 기판 상에서 상기 플라즈마 아크 발생유닛에 의해 플라즈마 아크가 발생된 영역에 탄소원을 공급하는 탄소원 공급유닛과, 상기 탄소원 공급유닛에 의해 탄소원이 상기 기판의 표면에 형성된 상태에서 레이저를 조사하여 탄소원에 포함된 탄소원자를 해리시키는 레이저 조사유닛을 포함할 수 있다.

Description

그래핀 합성장치 및 그래핀 합성 방법{Apparatus for forming graphene and Method for forming graphene}
본 발명은 그래핀 합성장치 및 그래핀 합성 방법에 관한 것이다.
그래핀은 이차원평면구조를 갖는 탄소 단원자 층이다. 그래핀은 탄소원자간의 강한 공유결합에 의하여 전기적, 열적 및 화학적으로 안정한 물질이다. 이러한 그래핀의 특성을 이용하여 반도체, 투명전극, 고강도소재, 방열소재 등의 제조가 가능하다. 그래핀을 합성하는 방법에는 기계적박리법, 화학적합성법, CVD성장법, 에피택시합성법 등이 사용될 수 있다.
한국공개특허 2009-0028681 (공개일 2010.10.12) 열플라즈마 화학기상증착법을 이용한 제어 가능한 그래핀 시트 제조 방법이 개시되어 있다.
이와 같이 열플라즈마를 이용한 화학기상증착법으로 그래핀을 형성하는 방법도 있으나, 이러한 방법에서는 대상물의 필요한 부위에 선택적으로 그래핀을 합성하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시예는 대상물의 표면의 특정부위에 그래핀을 선택적으로 합성할 수 있게 한 그래핀 합성장치 및 그래핀 합성 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른, 그래핀 합성장치는 기판으로 플라즈마 아크를 발생시키는 플라즈마 아크 발생유닛과, 상기 기판 상에서 상기 플라즈마 아크 발생유닛에 의해 플라즈마 아크가 발생된 영역에 탄소원을 공급하는 탄소원 공급유닛과, 상기 탄소원 공급유닛에 의해 탄소원이 상기 기판의 표면에 형성된 상태에서 레이저를 조사하여 탄소원에 포함된 탄소원자를 해리시키는 레이저 조사유닛을 포함할 수 있다.
이때, 상기 플라즈마 아크 발생유닛은 직류전류 및/혹은 펄스형태일 수 있다.
이때, 상기 레이저 조사유닛에서 조사되는 레이저의 조사 형태는 연속파, 펄스 및 펨토초 중 선택된 어느 하나일 수 있다.
이때, 상기 기판에 인접하게 배치되어 기판을 냉각시키는 기판냉각유닛을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른, 그래핀 합성방법은 상기 기판 상에서 그래핀이 합성되는 영역에 대한 위치정보를 설정하는 단계와, 상기 기판 상에 플라즈마 가스를 공급하는 단계와, 상기 플라즈마 아크 발생유닛으로 상기 기판에 아크를 발생시켜서 상기 기판에 플라즈마를 형성시키는 단계와, 상기 탄소원 공급유닛으로부터 발생되는 탄소원을 상기 기판에 공급하는 단계와, 상기 기판에 상기 탄소원을 포함하는 플라즈마가 형성된 상태에서, 상기 기판의 표면에 레이저빔을 조사하는 단계와, 상기 레이저빔에 의해 상기 탄소원의 탄소를 분해시킨 상태에서 상기 기판 표면을 냉각하여 상기 기판 상에 그래핀을 합성시키는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 기판 상에 연속적으로 그래핀을 합성하는 단계와, 상기 기판 전체에 그래핀을 합성하여 종료하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에따른 그래핀 합성장치에서는 레이저와 플라즈마를 모두 사용하여 기판에서 원하는 특정 부위에 토치를 위치시켜놓고, 기판 상에 플라즈마가 형성된 상태에서 탄소원을 공급하고, 레이저를 조사하여 그래핀을 합성할 수 있다. 즉, 기판 상에서 사용자가 원하는 위치에 그래핀을 선택적으로 용이하게 합성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 합성장치를 개략적으로 도시한 구성도.
도 2는, 도 1에 도시된 그래핀 합성장치에 의해 기판 상에 그래핀이 연속적으로 형성되는 상태를 도시한 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 합성장치에 의하여 철강 표면에 합성된 그래핀을 도시한 개념도.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 합성방법을 도시한 순서도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 합성방법에 의하여 철강과 그래핀의 결합된 구조를 도시한 모식도.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 합성장치를 개략적으로 도시한 구성도이고, 도 2는, 도 1에 도시된 그래핀 합성장치에 의해 기판 상에 그래핀이 연속적으로 형성되는 상태를 도시한 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 합성장치(100)는 플라즈마 아크 발생유닛(100)과, 탄소원 공급유닛(120)과, 레이저 조사유닛(130)을 포함할 수 있다.
플라즈마 아크 발생유닛(100)은 기판으로 플라즈마 아크(30)를 발생시킨다. 기판의 소재의 일예로 철강, 알루미늄합금, 마그네슘합금, 동 및 니켈중 선택된 어느 하나로 이루어진 금속일 수 있다. 또한, 기판의 다른 소재의 일예로 알루미나, 실리콘 등의 대부분의 세라믹이 사용될 수 있고, 아크릴, 폴리카보네이트 등 대부분의 폴리머도 사용될 수 있다.
상기 플라즈마 아크 발생유닛(100)의 구조의 일예로, 플라즈마 발생부(111)와, 가스공급부(112)와, 토치(113)와, 케이블(114)을 포함할 수 있다. 플라즈마 발생부(111)는 플라즈마 생성에 필요한 전기와 가스를 후술할 토치(113)에 공급한다. 여기서, 가스의 일예로 아르곤 또는 헬륨일 수 있다. 가스공급부(112)는 플라즈마 발생부(111)에 가스를 공급한다. 이를 위한 가스공급부(112)는 플라즈마 발생부(111)에 연결될 수 있다. 토치(113)는 플라즈마 발생부(111)에 연결될 수 있다. 케이블(114)은 기판(10)에 전기가 인가될 수 있게 한다. 이를 위한 케이블(114)의 일측은 플라즈마 발생부(111)에 연결되고, 타측은 기판(10)에 연결될 수 있다.
상기와 같은 구조로 이루어진 플라즈마 아크 발생유닛(100)에서는 직류전류가 사용될 수 있다. 그리고, 플라즈마 아크 발생유닛(100)에서는 펄스형태의 전류를 사용하여 기판(10)의 가열을 감소시켜서 그래핀(20) 합성 효율을 향상시키는 것도 가능하다.
상기와 같은 구조로 이루어진 플라즈마 아크 발생유닛(100)의 동작과정을 간략하게 설명한다. 기판(10)이 준비된 상태에서 가스공급부(112)로부터 공급된 가스가 플라즈마 발생부(111)를 지나 토치(113)를 통하여 기판(10) 상에 공급된다. 이때, 플라즈마 발생부(111)로부터 케이블(114)을 통하여 기판(10) 및 토치(113)에 전류가 인가되면, 기판(10) 상에 플라즈마 아크(30)가 발생된다.
탄소원 공급유닛(120)은 상기 기판(10) 상에서 상기 플라즈마 아크 발생유닛(100)에 의해 플라즈마 아크(30)가 발생된 영역에 탄소원(40)을 공급한다. 이를 위한 탄소원 공급유닛(120)의 구조의 일예로, 탄소원 저장탱크(121)와, 연결관(122)을 포함할 수 있다. 탄소원 저장탱크(121)에는 탄소원(40)이 저장된다. 연결관(122)은 탄소원 저장탱크(121)와 플라즈마 아크 발생유닛(100)에 포함된 토치(113)를 연결한다. 이러한 탄소원 공급유닛(120)에 의해 기판(10) 상에서 플라즈마 아크(30)가 형성된 위치에 탄소원(40)이 바로 공급될 수 있다. 한편, 탄소원 공급유닛(120)으로부터 공급되는 탄소원(40)의 일예로 에탄올 또는 메탄올 일 수 있다. 탄소원 공급유닛(120)에 의해 공급된 탄소원(40)은 활성화되어 상기 기판(10) 위를 흐르게 된다.
레이저 조사유닛(130)은 상기 탄소원 공급유닛(120)에 의해 탄소원(40)이 상기기판(10)의 표면에 형성된 상태에서 레이저를 조사하여 탄소원(40)에 포함된 탄소원자를 해리시킨다. 이를 위한 레이저 조사유닛(130)의 구조의 일예로, 미도시된 레이저 생성부와, 레이저 전송부(131)와 레이저 헤드(132)를 포함할 수 있다. 레이저 전송부(131)는 레이저를 레이저 헤드(132)로 전송한다. 레이저 전송부(131)의 일예로 광섬유일 수 있다. 레이저 전송부(131)는 미도시된 레이저 생성부에 광정렬되도록 연결될 수 있다. 레이저 헤드(132)는 레이저 전송부(131)에 연결되어 레이저 전송부(131)에서 전송되는 레이저가 집광되어 기판(10)에 조사되게 한다. 이러한 구조로 이루어진 레이저 조사유닛(130)으로부터 조사된 레이저빔(133)이 기판(10)에 조사되면 탄소원(40)에 포함된 탄소원자가 해리된다. 상기 해리된 탄소원자는 저온의 기판(10)에 의하여 급냉되어 그래핀(20)을 형성한다.
한편, 레이저의종류의 일예로, CO2 레이저, Nd:YAG(neodymium-doped yttrium aluminum garnet) 레이저, 화이버레이저, 디스크레이저 및 다이오드레이저 중 선택된 어느 하나일 수 있다. 그리고, 상기와 같은 다양한 레이저 중에서 취급이 용이한 광섬유를 통하여 전송 가능한 근적외선 파장대의 레이저를 사용하는 것이 레이저 조사유닛(130)을 용이하게 구현하는데 있어서 더욱 유리할 수 있다.
상기 레이저 조사유닛(130)에서 조사되는 레이저의 조사 형태는 연속파, 펄스파 및 펨토초 중 선택된 어느 하나일 수 있다. 다만, 펄스파 또는 펨토초 레이저를 사용하는 것이 분해된 탄소원자를 냉각시키는데 있어서 더욱 유리할 수 있다.
한편, 그래핀(20) 합성 장치는 미도시된 기판냉각유닛을 더 포함할 수 있다. 기판냉각유닛은 상기 기판(10)에 인접하게 배치되어 기판(10)을 냉각시킨다. 기판냉각유닛의 일예로, 기판(10)의 온도보다 저온의 공기를 기판(10) 주변에 공급하여 기판(10)의 온도를 간접적으로 낮추도록 이루어진 장치일 수 있다. 이와 다르게, 기판냉각유닛의 다른 일예로, 기판(10)의 일측과 접촉되도록 배치된 미도시된 방열부와, 상기 방열부와 열교환가능하도록 이루어진 미도시된 열교환기를 포함하여 기판(10)의 온도를 직접적으로 낮추도록 이루어진 장치일 수 있다.
이러한 기판냉각유닛의 구조는 특정 물체의 온도를 낮추기 위한 장치이면 어떠한 장치를 사용해도 무방하다. 상기와 같은 기판냉각유닛에 의해 기판(10)이 냉각되어 해리된 탄소원자의 냉각을 더욱 촉진시킴으로써, 그래핀(20)의 합성효율이 향상될 수 있다.
전술한 구조로 이루어진 그래핀 합성장치(100)에 의해 기판(10)에 그래핀(20)이 합성되는 과정을 설명한다. 우선, 플라즈마 아크 발생유닛(100)에 의해 기판(10)에 플라즈마 아크(30)가 발생된다. 플라즈마 아크(30)가 발생된 위치에 탄소원 공급유닛(120)에 의해 토치(113)를 통하여 탄소원(40)이 공급되면, 상기 탄소원(40)은 플라즈마에 의하여 활성화되고 레이저빔(133)에 의하여 해리된다. 여기서, 해리된 탄소원(40)은 상대적으로 저온의 기판(10)에 의하여 냉각됨으로써, 상기 기판(10)의 표면에는 그래핀(20)이 합성된다. 여기서, 도 2에 도시된 바와 같이 토치(113)가 기판(10) 상에서 연속적으로 이동되면, 상기 기판(10)의 표면에 면상의 그래핀(20)이 합성된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 합성장치에 의하여 철강 표면에 합성된 그래핀을 도시한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 합성장치(100)에서와 같이 레이저와 플라즈마를 모두 이용하는 방법에서는 기판(10)의 특정 부위에 토치(113)를 위치시켜놓고, 기판(10) 상에 플라즈마가 형성된 상태에서 탄소원(40)을 공급하고, 레이저를 조사하여 그래핀(20)을 용이하게 합성할 수 있다. 즉, 기판(10) 상에서 사용자가 원하는 위치에 그래핀(20)을 선택적으로 용이하게 합성할 수 있다.
이하에서는 상기와 같은 구조로 이루어진 구조로 이루어진 그래핀 합성 장치로 기판에 그래핀을 합성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 합성방법에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 합성방법을 도시한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 합성방법은 상기 기판 상에서 그래핀이 합성되는 영역에 대한 위치정보를 설정하는 단계와, 상기 기판 상에 플라즈마 가스를 공급하는 단계와, 상기 플라즈마 아크 발생유닛으로 상기 기판에 아크를 발생시켜서 상기 기판에 플라즈마를 형성시키는 단계와, 상기 탄소원 공급유닛으로부터 발생되는 탄소원을 상기 기판에 공급하는 단계와, 상기 기판에 상기 탄소원을 포함하는 플라즈마가 형성된 상태에서, 상기 기판의 표면에 레이저빔을 조사하는 단계와, 상기 레이저빔에 의해 상기 탄소원의 탄소를 분해시킨 상태에서 상기 기판 표면을 냉각하여 상기 기판 상에 그래핀을 합성시키는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 상기 기판 상에서 그래핀이 합성되는 영역에 대한 위치정보를 설정하는 단계에서는, 플라즈마 아크 발생유닛과 레이저 조사유닛의 초기 동작 조건을 설정할 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 아크 발생유닛의 동작전류값, 토치로부터 분사되는 가스량 및 레이저 조사유닛으로부터 출력되는 레이저강도 등이 설정될 수 있다.
그리고, 기판 상에서 그래핀이 합성되는 영역에 대한 위치정보를 설정하는 단계에서는 별도의 미도시된 입력장치를 통하여 사용자에 의해 수동으로 입력될 수 있다. 이와 다르게, 미도시된 메모리영역에 저장된 기설정된 위치정보를 로딩하여 사용하는 것도 가능하다. 또한, 별도의 카메라를 기판에 인접하게 설치하여 기판의 위치를 촬영하고, 기판에서 그래핀이 형성되어야 하는 위치로 토치를 별도의 미도시된 토치이동유닛으로 이동시켜서 토치의 초기 동작 위치를 설정하는 것도 가능하다.
한편, 본 발명에 따른 그래핀 합성방법은 상기 기판 상에 연속적으로 그래핀을 합성하는 단계와, 상기 기판 전체에 그래핀을 합성하여 종료하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 기판 상에 연속적으로 그래핀을 합성하는 단계에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 토치(113)가 기판의 우측에서 좌측으로 이동되고, 좌측 끝부분까지 이동이 완료된 다음에는, 토치(113)가 좌우방향에 수직인 전후 방향으로 일정 간격으로 이동된다. 그리고, 토치(113)가 기판의 우측에서 좌측으로 이동되는 과정과, 전후 방향으로 이동되는 과정이 반복적으로 실시되어 기판 전체에 그래핀이 합성되도록 할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 합성방법에서 상기 기판 상에 플라즈마 가스를 공급하는 단계부터의 상세한 과정은 앞서 설명한 그래핀 합성장치(100, 도 1 참조)의 각 구성을 설명하면서 상세하게 설명하였으므로, 이에 대한 세부적인 설명은 생략한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 합성방법에 의하여 철강과 그래핀의 결합된 구조를 도시한 모식도이다.
도 5를 참조하면, Fe원자(50)들은 서로 금속결합(51)에 의하여 체심입방 형태의 결정구조를 이루며, 탄소원자(52)는 Fe원자(50) 사이에 고용된다. 상기 고용된 탄소원자(52)는 그래핀의 탄소원자(41)와 공유결합에 의하여 그래핀층과 철강표면 사이의 접합강도가 유지될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 합성 장치와, 이러한 그래핀 합성 장치로 기판에 그래핀을 합성하기 위한 그래핀 합성방법을 사용하여 철강에 그래핀을 합성한 경우, 철강 표면에 그래핀층과 철강표면 사이에 일정 크기로 접합강도가 유지됨에 따라, 철강, 알루미늄 및 마그네슘 합금의 2종 이상으로 구성된 이종접합에서 소재들 사이가 전기적으로 절연됨으로써 전위차부식이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
이상에서 본 발명의 여러 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10: 기판 20: 그래핀
30: 플라즈마 아크 40: 탄소원
100: 그래핀 합성장치 110: 플라즈마 아크 발생유닛
111: 플라즈마 발생부 112: 가스공급부
113: 토치 114: 케이블
120: 탄소원 공급유닛 121: 정재은 저장탱크
122: 연결관 130: 레이저 조사유닛
131: 레이저 전송부 132: 레이저 헤드
133: 레이저빔

Claims (6)

  1. 기판으로 플라즈마 아크를 발생시키는 플라즈마 아크 발생유닛,
    상기 기판 상에서 상기 플라즈마 아크 발생유닛에 의해 플라즈마 아크가 발생된 영역에 탄소원을 공급하는 탄소원 공급유닛, 및
    상기 탄소원 공급유닛에 의해 탄소원이 상기 기판의 표면에 형성된 상태에서 레이저를 조사하여 탄소원에 포함된 탄소원자를 해리시키는 레이저 조사유닛을 포함하는, 그래핀 합성장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 아크 발생유닛은,
    직류전류 또는 펄스형태인 그래핀 합성 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 조사유닛에서 조사되는 레이저의 조사 형태는 연속파, 펄스 및 펨토초 중 선택된 어느 하나인 그래핀 합성 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판에 인접하게 배치되어 기판을 냉각시키는 기판냉각유닛을 더 포함하는 그래핀 합성 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 구조로 이루어진 그래핀 합성 장치로 기판에 그래핀을 합성하는 그래핀 합성방법에 있어서,
    상기 기판 상에서 그래핀이 합성되는 영역에 대한 위치정보를 설정하는 단계,
    상기 기판 상에 플라즈마 가스를 공급하는 단계,
    상기 플라즈마 아크 발생유닛으로 상기 기판에 아크를 발생시켜서 상기 기판에 플라즈마를 형성시키는 단계,
    상기 탄소원 공급유닛으로부터 발생되는 탄소원을 상기 기판에 공급하는 단계,
    상기 기판에 상기 탄소원을 포함하는 플라즈마가 형성된 상태에서, 상기 기판의 표면에 레이저빔을 조사하는 단계,
    상기 레이저빔에 의해 상기 탄소원의 탄소를 분해시킨 상태에서 상기 기판 표면을 냉각하여 상기 기판 상에 그래핀을 합성시키는 단계를 포함하는 그래핀 합성방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 기판 상에 연속적으로 그래핀을 합성하는 단계,
    상기 기판 전체에 그래핀을 합성하여 종료하는 단계를 더 포함하는 그래핀 합성방법.
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