KR102083960B1 - 그래핀의 제조 방법 및 그 그래핀과 그 제조 장치 - Google Patents

그래핀의 제조 방법 및 그 그래핀과 그 제조 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR102083960B1
KR102083960B1 KR1020130046060A KR20130046060A KR102083960B1 KR 102083960 B1 KR102083960 B1 KR 102083960B1 KR 1020130046060 A KR1020130046060 A KR 1020130046060A KR 20130046060 A KR20130046060 A KR 20130046060A KR 102083960 B1 KR102083960 B1 KR 102083960B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
metal layer
catalyst metal
tension
graphene
chamber
Prior art date
Application number
KR1020130046060A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20140029126A (ko
Inventor
문진산
노종현
박수범
김태형
홍병희
박원배
정명희
Original Assignee
엘지전자 주식회사
서울대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엘지전자 주식회사, 서울대학교산학협력단 filed Critical 엘지전자 주식회사
Priority to PCT/KR2013/006955 priority Critical patent/WO2014035068A1/ko
Priority to CN201380045441.7A priority patent/CN104603052B/zh
Priority to US14/423,463 priority patent/US9764956B2/en
Publication of KR20140029126A publication Critical patent/KR20140029126A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102083960B1 publication Critical patent/KR102083960B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182—Graphene
    • C01B32/184—Preparation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182—Graphene
    • C01B32/184—Preparation
    • C01B32/186—Preparation by chemical vapour deposition [CVD]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/18—Stationary reactors having moving elements inside
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C16/0209—Pretreatment of the material to be coated by heating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/26—Deposition of carbon only
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

그래핀의 제조 방법 및 그 그래핀과 그 제조 장치를 제공한다. 그래핀의 제조 방법은 챔버 내에 촉매 금속 층을 로딩하는 단계, 상기 촉매 금속 층에 장력을 가하는 단계 및 상기 촉매 금속 층에 장력을 가한 상태에서 상기 챔버 내에 탄소 공급원을 공급하여 상기 촉매 금속 층 상에 그래핀을 형성하는 단계를 포함한다. 따라서, 촉매 금속 층에 장력을 가하여 촉매 금속 층의 그레인(grain) 크기를 증가시키고, 이러한 촉매 금속 층을 이용하여 고품질의 균일한 그래핀을 성장시킬 수 있다.

Description

그래핀의 제조 방법 및 그 그래핀과 그 제조 장치 {Method for manufacturing graphene and the graphene manufactured by the same and the manufacturing apparatus}
본 발명은 그래핀의 제조 방법에 관한 것으로 특히, 장력을 이용한 그래핀의 제조 방법 및 그 그래핀과 그 제조 장치에 관한 것이다.
탄소 원자들로 구성된 물질로는 풀러렌(fullerene), 탄소나노튜브(Carbon Nanotube), 그래핀(graphene), 흑연(Graphite) 등이 존재한다. 이 중에서 그래핀은 탄소 원자들이 2 차원 평면상으로 원자 한 층으로 이루어지는 구조이다.
특히, 그래핀은 전기적, 기계적, 화학적인 특성이 매우 안정적이고 뛰어날 뿐 아니라 우수한 전도성 물질로서 실리콘보다 매우 빠르게 전자를 이동시키며 구리보다도 매우 큰 전류를 흐르게 할 수 있는데, 이는 2004년 흑연으로부터 그래핀을 분리하는 방법이 발견되면서 실험을 통하여 증명되었으며 현재까지 많은 연구가 진행이 되고 있다.
이러한 그래핀은 대면적으로 형성할 수 있으며, 전기적, 기계적, 화학적인 안정성을 가지고 있을 뿐만 아니라 뛰어난 도전성의 성질을 가지므로, 전자 회로의 기초 소재로 관심을 받고 있다.
또한, 그래핀은 일반적으로 주어진 두께의 그래핀의 결정 방향성에 따라 전기적 특성이 변화할 수 있으므로 사용자가 선택 방향으로의 전기적 특성을 발현시킬 수 있고 이에 따라 쉽게 소자를 디자인할 수 있다. 따라서, 그래핀은 탄소계 전기 또는 전자기 소자 등에 효과적으로 이용될 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고품질의 균일한 그래핀을 제조할 수 있는 그래핀의 제조 방법 및 그 그래핀과 그 제조 장치를 제공하고자 한다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면으로서, 본 발명은, 그래핀의 제조 방법을 제공한다. 상기 그래핀의 제조 방법은 챔버 내에 촉매 금속 층을 로딩하는 단계, 상기 촉매 금속 층에 장력을 가하는 단계 및 상기 촉매 금속 층에 장력을 가한 상태에서 상기 챔버 내에 탄소 공급원을 공급하여 상기 촉매 금속 층 상에 그래핀을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 가해지는 장력의 크기는 0.1 내지 5 kg/m일 수 있다.
또한, 장력이 가해진 촉매 금속 층의 평균 그레인 크기는 100 ㎛ 내지 500 ㎛일 수 있다.
여기서, 가해진 장력에 의하여 상기 촉매 금속 층의 방위가 변경될 수 있다.
이때, 촉매 금속 층의 방위가 (111) 방위로 변경될 수 있다.
여기서, 촉매 금속 층의 두께는 10 ㎛ 내지 50 ㎛일 수 있다.
여기서, 촉매 금속 층에 장력을 가하는 단계는, 상기 촉매 금속 층에 장력을 가한 상태에서 열처리하는 과정을 포함할 수 있다.
여기서, 챔버 내에 촉매 금속 층을 로딩하는 단계는 상기 촉매 금속 층을 수직으로 로딩할 수 있다.
또한, 상기 촉매 금속 층에 장력을 가하는 단계는 상기 촉매 금속 층의 상하 또는 좌우로 장력을 가할 수 있다.
위에서 설명한 방법으로 제조되는 그래핀을 제공할 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면으로서, 본 발명은, 가스 유입구와 배출구를 포함하고, 촉매 금속 층이 로딩되는 챔버; 상기 챔버 내에 로딩되는 촉매 금속 층에 장력을 부여하는 텐션 장치를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 텐션 장치는, 상기 촉매 금속 층의 어느 일단에 연결되는 무게 추 또는 탄성 부재를 포함하는 텐션부인 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 장치.
여기서, 텐션부에 연결되어 상기 촉매 금속 층에 부여되는 장력을 가변시키는 텐션 조절부를 더 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 챔버 내에는, 상기 촉매 금속 층을 공급하는 공급롤; 및 상기 촉매 금속 층을 권취하는 권취롤을 포함하여 구성되어, 상기 촉매 금속 층을 롤 형태로 공급할 수 있다.
여기서, 텐션부는, 상기 공급롤과 권취롤 사이의 위치에서 상기 챔버의 외측에 설치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 촉매 금속 층에 장력을 가하여 촉매 금속 층의 그레인 크기를 증가시키고, 이러한 촉매 금속 층을 이용하여 고품질의 균일한 그래핀을 성장시킬 수 있다.
또한, 촉매 금속 층에 장력을 가하여 촉매 금속 층의 방위를 (111) 방위로 변경하고, 이러한 촉매 금속 층을 이용하여 고품질의 균일한 그래핀을 성장시킬 수 있다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 2는 비교예 및 제조예에 따라 그래핀을 합성 후, 촉매 금속 층의 그레인 크기를 측정한 이미지들이다.
도 3은 비교예 및 제조예에 따라 그래핀을 합성 후, 촉매 금속 층의 방위를 측정한 이미지들이다.
도 4는 그래핀 제조 장치의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 5는 그래핀 제조 장치의 다른 예를 나타내는 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
실시예
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 그래핀의 제조 방법은 챔버 내에 촉매 금속 층을 로딩하는 단계(S1), 촉매 금속 층에 장력(tension)을 가하는 단계(S2) 및 촉매 금속 층 상에 그래핀을 형성하는 단계(S3)를 포함한다.
챔버 내에 촉매 금속 층을 로딩하는 단계(S1)는 예컨대, 다양한 증착 장치의 챔버를 이용할 수 있다. 예컨대, 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD) 장치의 챔버인 수평 CVD 챔버 또는 수직 CVD 챔버일 수 있다. 예컨대, 수평 CVD 챔버 내에 촉매 금속 층을 로딩할 수 있다.
촉매 금속 층은 그래핀을 형성할 수 있는 금속으로서, 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 백금(Pt), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 로듐(Rh), 규소(Si), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 우라늄(U), 바나듐(V), 지르코늄(Zr)으로 구성된 군에서 선택된 어느 하나가 이용될 수 있으며, 이들 중 어느 하나의 단일층 또는 이들 중 적어도 둘 이상의 합금으로 이용될 수 있다.
촉매 금속 층은 촉매 금속으로만 이루어진 단일 금속층이거나, 다른 부재와 결합된 상태일 수 있다. 예를 들어, 촉매 금속은 산화 실리콘(SiO2)을 갖는 실리콘 기판의 일 측면에 배치된 상태일 수 있다. 한편, 촉매 금속 층은 웨이퍼(wafer) 형태 또는 포일(foil) 형태일 수 있다. 예컨대, 촉매 금속 층은 구리 포일(Cu foil)일 수 있다.
촉매 금속 층의 두께는 10 ㎛ 내지 50 ㎛일 수 있다. 만일, 촉매 금속 층의 두께가 10㎛ 미만인 경우, 촉매 금속 층에 가해지는 장력의 크기를 충분히 증가시킬 수 없다. 또한, 촉매 금속 층의 두께가 50 ㎛를 상회하는 경우, 탄소 공급원과 만나는 면적은 일정한 데, 촉매 금속 층의 두께를 늘리는 것이므로 경제성이 작아질 수 있다.
촉매 금속 층에 장력(텐션; tension)을 가하는 단계(S2)는 촉매 금속 층에 장력을 인가할 수 있는 부품을 이용하여 촉매 금속 층에 장력을 가할 수 있다.
예를 들어, 챔버 내에 촉매 금속 층이 수직으로 로딩되는 경우, 촉매 금속 층의 상하 또는 좌우로 장력을 가할 수 있다. 예컨대, 수직 CVD 챔버에 촉매 금속 층이 로딩되고, 로딩된 촉매 금속 층은 배치(batch) 타입으로 걸어 놓을 수 있고, 이러한 촉매 금속 층의 하부에 장력을 인가할 수 있는 부품을 연결함으로써, 촉매 금속 층에 상하로 장력을 가할 수 있다.
또한, 챔버 내에 촉매 금속 층이 수평으로 로딩되는 경우, 촉매 금속 층의 양측으로 장력을 가할 수 있다.
한편, 롤러에 의하여 연속적으로 공급될 수 있는, 이른바, 롤투롤(roll-to-roll) 방식으로 촉매 금속 층이 로딩되는 경우, 챔버의 입구측 또는 출구측의 어느 한쪽에서 촉매 금속 층에 장력을 가하거나 양쪽에서 장력을 가할 수 있다.
이와 같이, 촉매 금속 층에 장력을 가하여 그래핀을 형성할 수 있는 제조 장치에 대한 자세한 사항은 후술한다.
이러한 장력의 크기는 0.1 kg/m 내지 5 kg/m일 수 있다. 만일, 이러한 장력의 크기가 0.1 kg/m 미만인 경우, 촉매 금속 층의 그레인 크기를 원하는 만큼 증가시키지 못하고, 이러한 장력의 크기가 5 kg/m을 상회하는 경우, 촉매 금속 층이 그 힘을 견디지 못하여 찢어짐 등의 손상이 발생될 수 있다.
이러한 장력에 의하여 촉매 금속 층의 그레인(grain) 크기는 증가될 수 있다. 예를 들어, 이러한 장력이 가해진 촉매 금속 층의 평균 그레인 크기는 100 ㎛ 내지 500 ㎛일 수 있다. 이렇게 촉매 금속 층의 그레인 크기를 증가시킴으로써, 분리된 탄소 원자가 그레인의 내부에 균일하게 확산될 수 있는 면적이 증가하게 되므로, 고품질의 그래핀을 형성할 수 있게 된다.
또한, 이러한 장력에 의하여 촉매 금속 층의 방위가 변경될 수 있다. 예를 들어, (001) 방위를 갖는 구리 포일에 장력을 가할 경우 (111) 방위로 변경될 수 있다. 이는 결정구조에 따른 표면 에너지 측면에서 볼 때, (111) 방위가 (001) 방위보다 충진율이 높고 안정하다. 또한, (111) 방위가 그래핀의 결정 구조와 유사하다. 따라서, (111) 방위의 촉매 금속 층에서 그래핀을 합성할 경우, (001) 방위에서 합성한 경우보다 균일(uniform)하고, 결함이 적은 그래핀을 얻을 수 있다.
따라서, 이러한 장력에 의하여 촉매 금속 층의 방위를 (111) 방위로 변경시킴으로써, 고품질의 그래핀을 형성할 수 있다.
한편, 촉매 금속 층에 장력을 가하는 단계(S2)는 상기 촉매 금속 층을 열처리하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 이러한 열처리 온도는 300℃ 이상일 수 있다.
촉매 금속 층에 장력을 가한 상태에서 열처리하는 단계를 추가함으로써, 촉매 금속 층의 방위를 변경하는데 도움이 되고, 촉매 금속 층이 좀 더 단일 방위 조직을 갖도록 할 수 있다. 이렇게 촉매 금속 층의 방위가 좀 더 단위 방위를 갖게 될수록 고품질의 균일한 그래핀을 합성할 수 있다.
촉매 금속 층 상에 그래핀을 형성하는 단계(S3)는 촉매 금속 층에 장력을 가한 상태에서, 챔버 내에 탄소 공급원을 공급하여 촉매 금속 층 상에 그래핀을 형성할 수 있다.
이 경우, 다양한 증착법을 이용하여 촉매 금속 층 상에 그래핀을 형성할 수 있다. 예컨대, 챔버 내에서, 촉매금속을 이용한 화학 기상 증착법에 따라 그래핀을 합성할 수 있다.
화학 기상 증착법으로는 예를 들어, 고온 화학 기상 증착법(Thermal-Chemical Vapor Deposition, T-CVD), 유도 결합 플라즈마 화학 기상 증착법(Inductive Coupled Plasma Chemical Vapor Deposition, ICP-CVD), 플라즈마 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PE-CVD), 마이크로웨이브 CVD(Microwave CVD) 등의 화학 기상 증착법이 이용될 수 있다.
그 외에도 급속가열공정(Rapid Thermal Annealing, RTA), 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD), 물리적 기상 증착법(Physical Vapor Deposition, PVD) 등의 다양한 방법이 이용될 수 있다.
탄소 공급원의 예로는 메탄(CH4), 아세틸렌(C2H2) 등의 가스 형태로 공급이 가능하고, 파우더, 폴리머 등의 고체 형태 및 버블링 알콜(bubbling alcohol) 등의 액체 형태로 공급이 가능하다.
그 외에도, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔 등과 같은 다양한 탄소 공급원이 이용될 수 있다.
촉매 금속 층의 물질로 구리(Cu)를 이용하고, 탄소 공급원으로는 메탄(CH4)을 이용한 경우를 예들 들어 설명한다.
구리 촉매 금속 층 상에서 적당한 온도를 유지하면서 수소 분위기 속에서 메탄 가스를 투입한다. 챔버의 내부를 일정 온도 상승시키면, 메탄가스는 탄소 원자와 수소 원자로 분리되고, 분리된 탄소 원자는 촉매금속의 표면에 흡수 또는 증착된다.
그 다음에, 분리된 탄소원자는 촉매금속의 그레인 내부에 확산된다. 이때의 챔버 내부의 온도는 대략 300 ℃ 내지 1500 ℃의 온도 조건에서 이루어질 수 있다.
이후에, 표면에 탄소 원자가 흡수 또는 증착된 촉매 금속 층을 냉각시켜 그래핀을 형성한다. 촉매 금속 층의 표면에 흡수된 탄소 원자는 촉매 금속 층이 냉각됨에 따라 촉매 금속 층의 표면에 합성된다.
촉매 금속 층의 냉각은 상대적으로 짧은 시간 내에 수행될 수 있다. 또한, 촉매 금속 층의 냉각은 챔버의 내부에서 수행되거나, 챔버로부터 촉매 금속 층을 반출한 후 챔버의 외부에서 수행될 수도 있다.
촉매 금속 층으로서 구리는 탄소에 대한 용해도가 낮으므로, 단일층(mono-layer)의 그래핀을 형성하는데 유리할 수 있다.
한편, 그래핀을 형성하는 단계 이후에, 촉매 금속 층을 제거하는 단계(미도시)를 더 포함할 수 있다. 촉매 금속 층은 에칭 등의 방법에 따라 제거할 수 있다. 필요에 따라, 예를 들어, 니켈 촉매 금속 층은 FeCl3 에칭 용액을 이용하여 제거할 수 있다.
또한, 그래핀 상에 캐리어 부재를 적층한 후에 촉매 금속 층을 제거할 수도 있다. 예를 들어, 폴리디메틸실록산(PDMS)를 이용하여 촉매 금속 층을 제거할 수 있다.
본원 발명은, 촉매 금속 층에 장력을 가하여 촉매 금속 층의 그레인 크기를 증가시키고, 이렇게 그레인 크기가 증가된 촉매 금속 층을 이용하여 고품질의 균일한 그래핀을 성장시킬 수 있다.
또한, 촉매 금속 층에 장력을 가하여 촉매 금속 층의 방위를 (111) 방위로 변경하고, 이렇게 (111) 방위로 변경된 촉매 금속 층을 이용하여 고품질의 균일한 그래핀을 성장시킬 수 있다.
제조예
수직 CVD 장치를 이용하여 그래핀을 합성하였다. 수직 CVD 챔버에 구리 촉매 금속 층을 로딩하고, 약 1 kg/m의 장력을 촉매 금속 층의 상하로 가한 상태에서, 탄소 공급원을 챔버 내에 공급하여 그래핀을 형성하였다.
이때, 탄소 공급원으로 CH4 가스를 50 sccm 내지 100 sccm 공급하였고, 챔버 내부의 압력은 0.2 Torr 내지 1 Torr였다.
또한, 챔버 내의 온도를 약 1000℃까지 상승시키면서 촉매 금속 층에 그래핀을 형성하였다.
비교예
촉매 금속 층에 장력을 가하지 않은 점을 제외하고 상술한 제조예와 동일하게 수행하여 그래핀을 형성하였다.
실험예
비교예 및 제조예에 따라 그래핀을 합성한 후, 촉매 금속 층의 그레인 및 오리엔테이션 맵핑(grain and orientation mapping)을 하였다.
도 2는 비교예 및 제조예에 따라 그래핀을 합성 후, 촉매 금속 층의 그레인 크기를 측정한 이미지들이다.
도 2(a)는 비교예에 따라 그래핀을 합성 후, 촉매 금속 층의 그레인 맵핑(grain mapping)을 한 이미지로, 촉매 금속 층에 장력을 가하지 않은 상태에서 그래핀을 합성한 것이다.
도 2(b)는 제조예에 따라 그래핀을 합성 후, 촉매 금속 층의 그레인 맵핑(grain mapping)을 한 이미지로, 촉매 금속 층에 장력을 가한 상태에서 그래핀을 합성한 것이다.
도 2(a) 및 도 2(b)를 참조하면, 비교예의 촉매 금속 층에 비하여 제조예의 촉매 금속 층의 그레인 크기가 현저히 증가하였음을 알 수 있다. 따라서, 촉매 금속 층에 장력을 가함으로써, 촉매 금속 층의 그레인 크기가 증가함을 알 수 있다.
도 3은 비교예 및 제조예에 따라 그래핀 합성 후, 촉매 금속 층의 방위(orientation)를 측정한 이미지들이다.
도 3(a) 및 도 3(b)는 비교예에 따라 그래핀을 합성 후, 촉매 금속 층의 오리엔테이션 맵핑(orientation mapping)을 한 이미지들이다. 도 3(a)와 도 3(b)는 동일한 이미지이며, 도 3(b)는 방향에 따라 색으로 표시한 것이다.
도 3(c) 및 도 3(d)는 제조예에 따라 그래핀을 합성 후, 촉매 금속 층의 오리엔테이션 맵핑(orientation mapping)을 한 이미지들이다. 도 3(c)와 도 3(d)는 동일한 이미지이며, 도 3(d)는 방향에 따라 색으로 표시한 것이다.
도 3(a) 내지 도 3(d)를 참조하면, 비교예의 촉매 금속 층의 방위는 (001) 방위이고, 제조예의 촉매 금속 층의 방위는 (111) 방위임을 알 수 있다. 따라서, 촉매 금속 층에 장력을 가함으로써, 촉매 금속 층의 방위가 (001) 방위에서 (111) 방위로 변경되었음을 알 수 있다.
제조 장치
도 4와 도 5는 본 발명의 제조예에 따른 그래핀을 합성하기 위한 제조 장치의 예시이다.
도 4는 챔버(10) 내에 촉매 금속 층(20)이 수직으로 로딩되는 장치를 도시하고, 도 5는 롤투롤(Roll-to-Roll) 방법으로 촉매 금속 층(10)이 챔버(10) 내에 공급되는 장치를 도시하고 있다.
먼저, 도 4에 도시된 장치를 설명한다. 이러한 그래핀 제조 장치는, 촉매 금속 층(20)이 수직으로 배치되어 로딩 되는 챔버(10)를 포함하고, 이러한 챔버(10)에는 가스 유입구(11)와 가스 배출구(12)가 구비된다.
이러한 챔버(10) 내부에는 지지대(13)가 배치되어 촉매 금속 층(20)을 지지하여 촉매 금속 층(20)이 수직으로 로딩 될 수 있도록 한다.
이렇게 지지대(13)에 지지된 촉매 금속 층(20)의 반대편에는 텐션부(30)가 연결될 수 있다.
이러한 텐션부(30)의 일례는 일정 무게를 갖는 무게 추 일 수 있다.
다른 예로서는 탄성을 갖는 탄성 부재 일 수 있다. 이러한 탄성 부재의 일례는 스프링 부재일 수 있다. 이때, 스프링 부재의 일단은 촉매 금속 층(20)에 연결되고, 타단은 챔버(10)에 고정될 수 있다.
위와 같이 무게 추 또는 고정되는 스프링 부재로 예시되는 텐션부(30)를 이용하여 촉매 금속 층(20)에 가해지는 장력을 일정한 값으로 고정될 수 있도록 조절할 수 있다.
그러나, 촉매 금속 층(20)에 가해지는 장력을 가변할 수 있게 구성하는 것도 가능하다. 즉, 장력을 조절할 수 있도록 할 수 있다.
예를 들어, 무게 추 또는 스프링 부재와 같은 텐션부(30)의 타단은 이동 가능하게 설치되는 텐션 조절부(40)에 연결되어, 이러한 텐션 조절부(40)의 동작에 의해 촉매 금속 층(20)에 가해지는 장력을 조절하는 것이 가능하게 할 수도 있다.
다음은 도 5에 도시된 롤투롤 장치를 설명한다. 도 4와 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하였다.
촉매 금속 층(20)은 공급롤(50)에서 풀려 나와 챔버(10) 내에 A 방향으로 공급되고 권취롤(60)에 권취된다.
위에서 언급한 바와 같이, 챔버(10)에는 가스 유입구(11)와 가스 배출구(12)가 구비된다.
챔버(10)의 일측, 예를 들어, 촉매 금속 층(20)이 공급되는 입구 측 외부에는 촉매 금속 층(20)에 장력을 부여하는 텐션부(31)가 구비될 수 있다.
이러한 텐션부(31)의 일례는 롤러를 이용하여 구성하는 것이 가능하다.
또한, 텐션을 조절할 수 있는 텐션 조절부(41)를 구비하여 촉매 금속 층(20)에 가해지는 장력을 가변할 수 있도록 할 수 있다.
즉, 텐션부(31)에는 이 텐션부(31)가 이동 가능하도록 설치되는 텐션 조절부(41)에 연결되어, 이 텐션 조절부(41)의 동작에 의해 촉매 금속 층(20)에 가해지는 장력을 조절할 수 있다.
이때, 텐션부(31)에 의하여 촉매 금속 층(20)에 가해지는 텐션을 측정할 수 있는 텐션 측정부(42)가 더 구비될 수 있다. 따라서, 텐션 조절부(41)는 이 텐션 측정부(42)의 측정값에 따라 촉매 금속 층(20)에 가해지는 텐션을 더욱 정밀하게 조절할 수 있고, 이러한 과정이 자동으로 이루어지게 할 수도 있다.
이러한 텐션부(21)는 촉매 금속 층(20)에 탄성을 가지며 접촉하도록 내부에 스프링과 같은 탄성 구조가 구비될 수 있다.
다른 예로는, 별도의 탄성 부재를 이용하여 텐션부(21)와 텐션 조절부(41) 사이가 연결될 수 있다.
한편, 도 5에서는, 텐션부(21)는 촉매 금속 층(20)이 유입되는 챔버(10)의 입구 측에 위치하는 예를 도시하고 있으나, 경우에 따라, 촉매 금속 층(20)이 챔버(10)에서 토출되는 출구 측의 위치에 설치하는 것도 가능하다.
또한, 챔버(10)의 입구 측과 출구 측의 양쪽에 모두 설치할 수도 있으며, 경우에 따라, 챔버(10)의 내부에 설치하는 것도 가능하다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10: 챔버 11: 유입구
12: 배출구 13: 지지대
20: 촉매 금속 층 30, 31: 텐션부
40, 41: 텐션 조절부 42: 텐션 측정부
50: 공급롤 60: 권취롤

Claims (15)

  1. 챔버 내에 촉매 금속 층을 로딩하는 단계;
    상기 촉매 금속 층의 방위가 변경되도록 상기 촉매 금속 층에 장력을 가하는 단계; 및
    상기 촉매 금속 층에 장력을 가한 상태에서 상기 챔버 내에 탄소 공급원을 공급하여 상기 촉매 금속 층 상에 그래핀을 형성하는 단계를 포함하는 그래핀의 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 장력의 크기는, 0.1 내지 5 kg/m인 것을 특징으로 하는 그래핀의 제조 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 장력이 가해진 촉매 금속 층의 평균 그레인 크기는, 100 ㎛ 내지 500 ㎛인 것을 특징으로 하는 그래핀의 제조 방법.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서, 상기 촉매 금속 층의 방위는, (111) 방위로 변경되는 것을 특징으로 하는 그래핀의 제조 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 촉매 금속 층의 두께는, 10 ㎛ 내지 50 ㎛인 것을 특징으로 하는 그래핀의 제조 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 촉매 금속 층에 장력을 가하는 단계는, 상기 촉매 금속 층에 장력을 가한 상태에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 그래핀의 제조 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 촉매 금속 층에 장력을 가하는 단계는, 상기 촉매 금속 층의 상하 또는 좌우로 장력을 가하는 것을 특징으로 하는 그래핀의 제조 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 챔버 내에 촉매 금속 층을 로딩하는 단계는, 상기 촉매 금속 층을 수직으로 로딩하는 것을 특징으로 하는 그래핀의 제조 방법.
  10. 제 1항 내지 제 3항, 제 5항 내지 제 9항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되는 그래핀.
  11. 가스 유입구와 배출구를 포함하고, 촉매 금속 층이 로딩되는 챔버; 및
    상기 촉매 금속 층의 어느 일단에 연결되는 무게 추 또는 탄성 부재를 포함하는 텐션부를 포함하여, 상기 챔버 내에 로딩되는 촉매 금속 층에 장력을 부여하는 텐션 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 장치.
  12. 삭제
  13. 제 11항에 있어서, 상기 텐션부에 연결되어 상기 촉매 금속 층에 부여되는 장력을 가변시키는 텐션 조절부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 장치.
  14. 제 11항에 있어서, 상기 챔버 내에는,
    상기 촉매 금속 층을 공급하는 공급롤; 및
    상기 촉매 금속 층을 권취하는 권취롤을 포함하여 구성되어, 상기 촉매 금속 층을 롤 형태로 공급하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 장치.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 텐션부는, 상기 공급롤과 권취롤 사이의 위치에서 상기 챔버의 외측에 설치되는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 장치.
KR1020130046060A 2012-08-30 2013-04-25 그래핀의 제조 방법 및 그 그래핀과 그 제조 장치 KR102083960B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/KR2013/006955 WO2014035068A1 (ko) 2012-08-30 2013-08-01 그래핀의 제조 방법 및 그 그래핀과 그 제조 장치
CN201380045441.7A CN104603052B (zh) 2012-08-30 2013-08-01 制造石墨烯的方法、所述石墨烯及制造所述石墨烯的设备
US14/423,463 US9764956B2 (en) 2012-08-30 2013-08-01 Method for manufacturing graphene, said graphene, and apparatus for manufacturing same

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20120095624 2012-08-30
KR1020120095624 2012-08-30

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140029126A KR20140029126A (ko) 2014-03-10
KR102083960B1 true KR102083960B1 (ko) 2020-03-03

Family

ID=50642361

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130046060A KR102083960B1 (ko) 2012-08-30 2013-04-25 그래핀의 제조 방법 및 그 그래핀과 그 제조 장치

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9764956B2 (ko)
KR (1) KR102083960B1 (ko)
CN (1) CN104603052B (ko)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101701369B1 (ko) * 2015-01-27 2017-02-01 한국과학기술연구원 탄소가 포함된 액체상의 전구체를 이용한 연속 롤투롤 방식의 고품질 그래핀 제조방법과 그 제조장치
KR101751271B1 (ko) * 2015-06-16 2017-06-29 광주과학기술원 다층 그래핀의 제조방법
KR102341186B1 (ko) 2018-12-21 2021-12-21 퍼포먼스 나노카본, 아이엔씨. 기체-액체 물질 전달을 통한 탄소 재료의 동일반응계내 생산 및 작용성화 및 이의 사용
KR102464089B1 (ko) 2020-12-29 2022-11-09 서울대학교 산학협력단 그래핀의 품질 평가 방법

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101168259B1 (ko) * 2012-03-05 2012-07-30 한국기계연구원 롤투롤 기반의 그래핀 연속 합성 장치

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060225831A1 (en) * 2005-04-08 2006-10-12 Herong Lei Process for forming polarizer plate
EP1964799B1 (en) * 2007-02-28 2010-04-21 Applied Materials, Inc. Web guide control, web processing apparatus and method for operating the same
JP5097172B2 (ja) 2009-06-23 2012-12-12 株式会社沖データ グラフェン層の剥離方法、グラフェンウエハの製造方法、及び、グラフェン素子の製造方法
US20110195207A1 (en) * 2010-02-08 2011-08-11 Sungkyunkwan University Foundation For Corporate Collaboration Graphene roll-to-roll coating apparatus and graphene roll-to-roll coating method using the same
KR20110092417A (ko) 2010-02-09 2011-08-18 주식회사 엔씨디 그래핀 제조장치 및 그래핀 제조방법
CN102859032B (zh) * 2010-02-26 2015-01-14 独立行政法人产业技术总合研究所 碳膜叠层体
KR20120061224A (ko) * 2010-12-03 2012-06-13 에스케이이노베이션 주식회사 수직형 롤투롤 화학 기상 증착법을 이용한 그래핀 필름 제조 장치 및 방법
CN102173406B (zh) * 2010-12-24 2013-09-25 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 碳纳米管或石墨烯超薄膜的制备方法
WO2012105777A2 (en) * 2011-01-31 2012-08-09 Samsung Techwin Co., Ltd. Method and apparatus for manufacturing graphene
KR101912798B1 (ko) 2011-01-31 2018-10-30 한화에어로스페이스 주식회사 그래핀 합성장치 및 합성방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101168259B1 (ko) * 2012-03-05 2012-07-30 한국기계연구원 롤투롤 기반의 그래핀 연속 합성 장치

Also Published As

Publication number Publication date
CN104603052A (zh) 2015-05-06
KR20140029126A (ko) 2014-03-10
US9764956B2 (en) 2017-09-19
CN104603052B (zh) 2016-09-21
US20150368109A1 (en) 2015-12-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11407637B2 (en) Direct graphene growing method
EP2850032B1 (en) Methods of growing uniform, large-scale, multilayer graphene films
KR101332796B1 (ko) 그래핀의 제조 방법 및 그래핀의 제조 장치
US9067796B2 (en) Method of graphene manufacturing
US20150191356A1 (en) Method of manufacturing deformation-capable graphene sheet, deformation-capable graphene sheet, and device using the same
US9284640B2 (en) Method of producing graphene from liquid metal
US20120148476A1 (en) Method for producing carbon nanotube assembly having high specific surface area
KR102083960B1 (ko) 그래핀의 제조 방법 및 그 그래핀과 그 제조 장치
KR20120088524A (ko) 그래핀 합성장치 및 합성방법
KR20120001591A (ko) 그래핀의 제조 장치 및 제조 방법
KR20090043418A (ko) 그라펜 시트 및 그의 제조방법
CN106256762A (zh) 多层石墨烯的制备方法
US20140370295A1 (en) Method for manufacturing graphene and graphene manufactured by the same
KR101581362B1 (ko) 줄 히팅을 이용한 그래핀의 제조 장치
KR102083961B1 (ko) 그래핀의 제조 장치, 제조 방법 및 그 그래핀
EP2865646A1 (en) Method of producing graphene from liquid metal
US11471871B2 (en) Method for producing graphene using joule heating
KR20130128860A (ko) 유도 가열을 이용한 그래핀의 제조 장치
WO2014035068A1 (ko) 그래핀의 제조 방법 및 그 그래핀과 그 제조 장치
JP2011201774A (ja) カーボンナノチューブ・バルク構造体の製造方法
JP5600129B2 (ja) グラフェンの合成方法およびグラフェン合成用合金触媒
KR20150099903A (ko) 기체상의 금속 촉매를 이용한 전사 공정이 생략된 그래핀의 제조 방법
KR101687620B1 (ko) 플라즈마 가열을 이용한 그래핀의 제조 장치
KR101779425B1 (ko) 3차원 구조체 상의 그래핀 제조 방법

Legal Events

Date Code Title Description
N231 Notification of change of applicant
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant