KR20120022164A - 그라핀 나노 필터 망, 그라핀 나노 필터 및 그 제조방법 - Google Patents

그라핀 나노 필터 망, 그라핀 나노 필터 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

그라핀 나노 필터 망이 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른 그라핀 나노 필터 망은, 0.1㎚ 이상 내지 0.2㎚ 이하 사이즈의 6방정계 격자 구조를 가지는 그라핀(Graphene); 및 유체는 통과시키되 1㎚ 이상의 사이즈를 가지는 유체내 입자는 걸러지도록 그라핀의 일부를 식각하여 1㎚ 이상 내지 100㎚ 이하 사이즈로 생성되는 공극;을 포함하여 구성된다.

Description

그라핀 나노 필터 망, 그라핀 나노 필터 및 그 제조방법{net of Graphene nano filter, Graphene nano filter and manufacturing method}
본 발명은 유체내 미세 입자를 필터링하는 데 사용되는 필터 망, 이를 적용한 필터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
멤브레인(membrane)은 액체나 기체내 혼합 입자를 분리시키거나, 액체에 용해된 용존 물질이나 혼합기체를 분리시키는 데에 사용되는 여과막으로, 공극 사이즈에 따라 마이크로필트레이션(microfiltration), 나노필트레이션(nanofiltration), 울트라필트레이션(ultrafiltration), 역삼투필트레이션(reverse osmosis filtration) 등으로 구분할 수 있다.
멤브레인과 같은 다공성 망 구조체를 이용한 여과 방식은, 1차적으로 필터를 이용한 체거름 효과를 통해 공극 보다 큰 입자를 거르게 되고, 2차적으로 확산과 삼투에 의한 여과를 거치게 되는데, 이러한 과정에서 여과가능한 유체내 입자 크기는 멤브레인 필터의 공극의 크기에 의존하게 된다.
보다 미세한 크기의 입자를 분리가능 할수록 높은 성능을 가진다고 판단되며, 보다 작은 크기의 공극을 가질수록 더욱 작은 크기의 입자까지 분리할 수 있으나, 종래에 필터에 적용되고 있는 고분자, 섬유, 금속, 세라믹 소재 등으로는 최소 20㎚ 이하 사이즈의 공극을 구현하기 어려웠다.
또한, 유체의 투과 과정에서 멤브레인은 항상 유체의 압력을 받게 되므로, 유압에 대한 내구성이 요구되는데, 최소 20㎚ 이하 사이즈의 입자가 투과가능할 정도의 얇은 막을 구현함에 있어서는, 내구성이 강한 금속재를 적용하더라도 이차원 평면 구조를 일정하게 유지할 수 없다는 한계가 있었다.
그러나, 멤브레인 필터 기술이 적용되고 있는 담수화 공정, 각종 화학물질의 분리, 공기 중 미세먼지 여과 등 다양한 분야의 기술 고도화에 맞추어, 20㎚ 이하의 높은 여과 성능을 신뢰성있게 구현가능한 나노스케일 여과 기술의 개발이 요구되고 있다.
또한, 오염물들이 멤브레인 필터에 누적되어 유체 투과율이 저하되면 세척하여 재사용하지 않고 새로운 것으로 교체하여 사용되고 있어 일종의 소모품으로 취급되고 있으나, 기존의 필터 소재를 적용함에 있어서는 공극의 크기, 막의 두께가 미세할수록 그 제조공정이 복잡해지고 단가가 높아져 그 사용이 제한적으로 이루어지고 있다.
상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은, 20㎚ 이하 스케일의 높은 여과 성능을 신뢰성있게 구현가능하면서도, 유압에 대한 내구성을 확보할 수 있고, 공정의 단순화 및 원가절감 또한 구현가능한 그라핀 나노 필터 망, 그라핀 나노 필터 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은, 0.1㎚ 이상 내지 0.2㎚ 이하 사이즈의 6방정계 격자 구조를 가지는 그라핀(Graphene)(111); 및 유체는 통과시키되 1㎚ 이상의 사이즈를 가지는 유체내 입자는 걸러지도록 상기 그라핀(111)의 일부를 식각하여 1㎚ 이상 내지 100㎚ 이하 사이즈로 생성되는 공극(112);을 포함하여 구성되는 그라핀 나노 필터 망(110)을 기술적 요지로 한다.
또한, 본 발명은, 상기 그라핀 나노 필터 망(110); 상기 그라핀 나노 필터 망(110)의 가장자리 둘레에 연속하여 결합되어 상기 그라핀 나노 필터 망(110)을 일정한 형태로 고정, 유지시키는 그라핀 프레임(120); 및 1㎛ 이상 내지 10㎝ 이하 너비의 내부 유로(210)가 형성되며, 상기 내부 유로(210)를 통과하는 유체가 상기 그라핀 나노 필터 망(110)을 통과하도록 상기 그라핀 프레임(120)의 외면 둘레가 내벽상에 결합, 고정되는 필터채널(200);을 포함하여 구성되는 그라핀 나노 필터를 다른 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 그라핀 프레임(120)과 필터채널(200)은, PDMS(polydimethylsiloxane)와 같은 폴리머 재질로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 필터채널(200)은, 상기 그라핀 프레임(120)의 외면 둘레를 끼워 고정가능하도록 내벽상에 함몰형성된 조립홈(221);을 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 외부의 유체가 인렛포트(inlet port)를 통해 상기 필터채널의 내부 유로(210)로 인입가능한 통로를 제공하는 인렛포트 결합홀(230); 및 상기 필터채널의 내부 유로(210)를 통과하며 필터링(filtering)된 유체가 아웃렛포트(outlet port)를 통해 상기 필터채널(200) 외부로 배출가능한 통로를 제공하는 아웃렛포트 결합홀(240);을 더 포함하여 구성될 수 있다.
그리고, 본 발명은, 탄소 원자가 0.1㎚ 이상 내지 0.2㎚ 이하 사이즈의 6방정계 격자를 이루며 2차원으로 연속된 구조를 가지는 그라핀(Graphene)(111)을 생성하는 그라핀 생성단계(S1-A); 및 실리콘 옥사이드(Silicon oxide) 소재의 마스크(mask)(20)를 이용하여 식각에 의해 1㎚ 이상 내지 100㎚ 이하 사이즈의 공극(112)을 상기 그라핀(111)에 형성하는 그라핀 식각단계(S2);를 포함하여 구성되는 그라핀 나노 필터 제작방법을 또 다른 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 그라핀 생성단계(S1-A)에서는, 화학 증착법(CVD, chemical vapor deposition technique) 또는 기계적 박리법에 의해 1㎛ 이상 내지 10㎝ 이하 너비의 모노레이어(mono-layer), 바이레이어(bi-layer), 또는 트리플레이어(triple-layer) 이상의 적층구조를 가지는 그라핀(111)을 생성할 수 있다.
그리고, 상기 그라핀 식각단계(S2)에서는, 바이레이어(bi-layer) 또는 트리플레이어(triple-layer) 이상의 적층구조를 가지는 그라핀(111)의 양측에 각각 독립적인 패턴의 공극(112)을 형성하여, 양측에 형성된 패턴의 위치, 형태의 일치정도에 따라 공극(112)의 형태와 크기를 조정, 제어할 수 있다.
또한, 상기 그라핀 식각단계(S2)는, 상기 그라핀(111)을 실리콘 기판(10)상에 이송, 안착시키는 그라핀 준비단계(S2-1); 상기 그라핀(111)에 1㎚ 이상 내지 100㎚ 이하 사이즈의 홀이 패터닝된 상기 마스크(20)를 씌우는 마스크 준비단계(S2-2); 및 플라즈마(plasma)를 상기 마스크(20)측으로 분사하여, 상기 마스크(20)에 형성된 홀을 통과한 플라즈마에 의해 그라핀(111)을 구성하는 탄소원자간의 공유 결합을 끊으면서 1㎚ 이상 내지 100㎚ 이하 사이즈의 미세 공극(112)을 형성하는 플라즈마 식각단계(S2-3);를 포함하여 구성될 수 있다.
그리고, 상기 그라핀 식각단계(S2) 이전에, 실리콘(Silicon) 기판에 2㎚ 이상 내지 200㎚ 이하 사이즈의 홀을 가공하고, 실리콘 옥사이드(Silicon oxide)로 산화시키는 것에 의해, 부피를 1.5배로 확장시키며 1㎚ 이상 내지 100㎚ 이하 사이즈로 홀을 축소시켜 상기 마스크(20)를 제작하는 마스크 제작단계(S1-B);를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 그라핀 식각단계(S2)는, 일정한 사이즈의 홀이 패터닝된 상기 마스크(20)를 이용하는 경우, 식각 시간에 따라 상기 공극(112) 사이즈를 확대 또는 축소 조정할 수 있다.
그리고, 상기 그라핀 식각단계(S2)를 거친 상기 그라핀(111)의 가장자리 둘레에, 상기 그라핀(111)을 일정한 형태로 고정, 유지가능한 강성을 가지는 그라핀 프레임(120)을 연속하여 결합시키는 프레임 결합단계(S3); 및 1㎛ 이상 내지 10㎝ 이하 너비의 내부 유로(210)가 형성된 필터채널(200)의 내벽상에 상기 그라핀 프레임(120)의 외면 둘레를 결합, 고정시키는 필터채널 조립단계(S4);를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 필터채널 조립단계(S4)에서는, 상기 필터채널의 내부 유로(210)의 길이방향을 따라 다수의 상기 그라핀(111) 및 그라핀 프레임(120)을 배치킬 수 있다.
상술한 바와 같은 구성에 의한 본 발명은, 탄소 원자 사이의 거리 및 격자 0.14㎚ 정도의 사이즈를 가지는 그라핀의 탄소 원자간 연결을 부분적으로 끊어 공극을 형성함으로써, 20㎚ 이하 스케일의 높은 여과 성능을 신뢰성있게 구현가능할 뿐만 아니라, 최소 1㎚ 스케일의 정밀도 또한 간단히 구현가능하다는 효과가 있다.
또한, 그라핀은 4Å 정도의 얇은 이차원 망 구조를 가지면서도, 종탄성계수가(young’s modulus)가 0.5TPa에 달하고 강철의 200배에 해당되는 강도를 가지므로, 유압에 대한 우수한 내구성을 확보할 수 있다는 다른 효과가 있다.
또한, 화학 증착법(CVD, chemical vapor deposition technique) 등에 의해 2차원 구조의 그라핀을 제작하고, 플라즈마 식각하는 단순한 공정에 의해 구현가능하여 공정의 간소화 및 원가절감을 구현할 수 있으며, 이에 따라 필터로서의 실용성, 활용성 또한 확보할 수 있다는 또 다른 효과가 있다.
도 1 - 본 발명에 따른 그라핀 나노 필터 망의 일실시예를 도시한 사시도
도 2 - 본 발명에 따른 그라핀 나노 필터의 일실시예를 도시한 요부 투시도
도 3 - 도 2의 요부단면도
도 4 - 도 2에서 인렛포트와 아웃렛포트로부터 그라핀 나노 필터를 이탈시킨 상태를 도시한 요부 투시도
도 5 - 본 발명에 따른 그라핀 나노 필터 제작방법의 일실시예를 도시한 흐름도
도 6 - 그라핀 식각단계에서 그라핀 준비단계가 완료된 일예를 도시한 사시도
도 7 - 그라핀 식각단계에서 마스크 준비단계가 완료된 일예를 도시한 요부 단면사시도
도 8 - 그라핀 식각단계에서 플라즈마 식각단계가 완료된 일예를 도시한 사시도
도 9 - 플라즈마 식각을 통한 공극의 확대 형성 과정을 도시한 모식도
도 1은 본 발명에 따른 그라핀 나노 필터 망의 일실시예를 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 그라핀 나노 필터 망(110)의 일실시예는, 0.1㎚ 이상 내지 0.2㎚ 이하 사이즈의 6방정계 격자 구조를 가지는 그라핀(Graphene)(111)과, 상기 그라핀(111)의 일부를 식각하여 1㎚ 이상 내지 100㎚ 이하 사이즈로 생성되는 공극(112)으로 이루어진 구조를 가진다.
그라핀(graphene)은 흑연을 뜻하는 '그라파이트(Graphite)'와 화학에서 탄소 이중결합을 가진 분자를 뜻하는 접미사인 'ene'을 결합해 만든 조어로, 탄소가 벌집 모양과 같이 육각형의 형태로 서로 연결된 2차원 평면 구조를 이루는 물질이며, 탄소로 구성되어 있어 약 4 Å 정도의 얇은 두께를 가지면서도 화학적으로 안정성, 기계적, 전기적 성질이 우수하고, 대면적에서 균일한 성질을 가진다.
각 그라핀을 이루고 있는 탄소원자 간의 결합은 공유 결합이며, 그라핀 간 결합은 공유결합에 비해 상대적으로 약한 반데르발스 (van der Waals) 결합을 하고 있어, 이러한 특성을 이용하여 흑연으로부터 그라핀을 박피, 분리하는 기계적 박리법, 화학 증착법(CVD, chemical vapor deposition technique) 등에 의해 제조된다.
상기 공극(112)이 1㎚의 사이즈로 형성되면, 약 0.5㎚의 분자 크기를 가지는 물과 같은 유체는 상기 공극(112)을 통과하게 되며, 1㎚을 초과하는 사이즈를 가지는 유체내 입자는 상기 공극(112)을 통과하지 못하고 걸러지게 된다.
도 2는 본 발명에 따른 그라핀 나노 필터의 일실시예를 도시한 요부 투시도이고, 도 3은 도 2의 요부단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 그라핀 나노 필터의 일실시예는 상기 그라핀 나노 필터 망(110)과, 상기 그라핀 나노 필터 망(110)을 일정한 형태로 고정, 유지시키는 그라핀 프레임(120)으로 구성되는 그라핀 나노 필터 칩(100)이 필터채널(200) 내벽상에 결합된 구조를 가진다.
상기 그라핀 프레임(120)은 상기 그라핀 나노 필터 망(110)의 가장자리 둘레에 연속하여 결합되고, 상기 필터채널(200)에는 유체의 유동경로를 제공하는 내부 유로(210)가 유량과 유속 등의 조건에 따라 1㎛ 이상 내지 10㎝ 이하 너비로 다양하게 적용되며, 예를 들면 상기 내부 유로(210)의 너비가 500㎛일 때, 약 100㎖/min의 통과 유량을 구현하게 된다.
상기 그라핀 프레임(120)은, 상기 그라핀 나노 필터 망(110)의 2차원 연속면이 유체의 진행방향에 수직되는 방향으로 연장되도록 배치된 상태에서 외면 둘레가 상기 필터채널의 내부 유로(210)의 내벽상에 결합, 고정되어, 상기 내부유로(210)를 통과하는 유체는 자연히 상기 그라핀 나노 필터 망(110)을 투과하게 된다.
상기 그라핀 프레임(120)과 필터채널(200)은, 상기와 같이 상기 그라핀 나노 필터 망(110)을 일정한 형태로 지지, 유지하고, 유체의 통과와 상기 그라핀 나노필터 망(110)의 설치가 가능한 상기 내부 유로(210)를 제공한다면 특정한 구조와 형상, 재질로 한정되지 않는다.
상기 그라핀 프레임(120)과 필터채널(200)을 PDMS(polydimethylsiloxane)와 같은 폴리머 재질로 구성하면, 폴리머의 점성, 경화상태를 조정하면서, 별도의 부속품을 추가로 구비하지 않고도, 상기 그라핀 나노 필터 망(110)과 그라핀 프레임(120)간의 결합 및 상기 그라핀 프레임(120)과 필터채널(200)간의 결합을 견고하게 구현할 수 있다.
상기 필터채널(200)에는, 상기 필터채널(200)의 외부의 유체가 상기 필터채널의 내부 유로(210)로 인입가능한 통로를 제공하는 인렛포트 결합홀(230)과, 상기 필터채널의 내부 유로(210)를 통과하며 필터링(filtering)된 유체가 상기 필터채널(200) 외부로 배출가능한 통로를 제공하는 아웃렛포트 결합홀(240)이 형성된다.
도 3을 참조하면, 하나의 상기 그라핀 나노 필터 칩(100)만을 이용하는 이외에, 여과 성능의 안정성, 장치 수명을 확보하기 위해 상기 필터채널의 내부 유로(210)의 길이방향을 따라 다수의 상기 그라핀 나노 필터 칩(100)을 배치시킬 수 있다.
다단 구조로 상기 그라핀 나노 필터 칩(100)을 배치시킴에 있어서는, 모노레이어(mono-layer), 바이레이어(bi-layer), 또는 트리플레이어(triple-layer) 이상의 적층구조를 가지는 그라핀(111) 전부를 적용가능하며, 예를 들어, 모노레이어 10장을 이용하거나, 바이레이어 5장을 이용하거나, 트리플레이어 3장을 이용하여 동일한 정도의 여과성능을 구현할 수 있다.
상기 필터채널(200)의 내벽상에 상기 그라핀 프레임(120)의 외면 둘레를 끼워 고정가능한 조립홈(221)을 함몰형성하면, 대량생산 과정에서 상기 그라핀 프레임(120)을 지정된 조립위치상에 명확하게 결합시킬 수 있으며, 유체의 진행경로상에 노출된 지점에서만 상기 그라핀 프레임(120)과 필터채널(200)간의 결합이 이루어지는 경우에 비해 유압에 대해 보다 견고한 내구성을 구현할 수 있다.
도 4는 인렛포트(inlet port)와 아웃렛포트(outlet port)로 부터 상기 그라핀 나노 필터를 이탈시킨 상태를 도시한 요부 투시도이다.
도 4를 참조하면, 상기 필터채널(200) 내부로 유체를 공급하는 유입로가 되는 인렛포트에 상기 인렛포트 결합홀(230)을 착탈시키고, 상기 필터채널(200) 내부의 유체를 외부로 배출하는 유출로가 되는 아웃렛포트에 상기 아웃렛포트 결합홀(240)을 착탈시키는 조립에 의해, 인렛포트와 아웃렛포트가 구비된 유로상에 본 발명에 따른 그라핀 나노 필터를 용이하게 설치 및 교체할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 그라핀 나노필터 제작방법의 일실시예를 도시한 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 그라핀 나노 필터 제작방법의 일실시예는, 크게 그라핀 생성단계(S1-A), 마스크 제작단계(S1-B), 그라핀 식각단계(S2), 프레임 결합단계(S3), 필터채널 조립단계(S4)로 이루어지며, 상기 그라핀 식각단계(S2)는 그라핀 준비단계(S2-1), 마스크 준비단계(S2-2), 플라즈마 식각단계(S2-3)로 이루어진 구성을 가진다.
상기 그라핀 생성단계(S1-A)에서는, 탄소 원자가 0.1㎚ 이상 내지 0.2㎚ 이하 사이즈의 6방정계 격자를 이루며 2차원으로 연속된 구조를 가지는 그라핀(Graphene)(111)을 생성한다.
그라핀을 생성함에 있어서는, 화학 증착법(CVD, chemical vapor deposition technique) 또는 기계적 박리법에 의해 1㎛ 이상 내지 10㎝ 이하에 이르는 다양한 사이즈의 모노레이어(mono-layer), 바이레이어(bi-layer), 또는 트리플레이어(triple-layer) 이상의 적층구조를 가지는 그라핀(111)을 생성할 수 있다.
그라핀 생성방법에 대해서는 "Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes"(nature 457 5 2009, Keun Soo Kim, Yue Zhao, Houk Jang, Sang Yoon Lee, Jong Min Kim, Kwang S. Kim, Jong-Hyun Ahn, Philip Kim, Jae-Young Choi & Byung Hee Hong)를 포함한 기존의 공지기술을 따르는 바, 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
이하 상기 그라핀 식각단계(S2)에서는 마스크(20)를 사용하지 않고 무작위적인 형태로 공극을 형성할 수도 있으나, 상기 마스크 제작단계(S1-B)를 거쳐 상기 마스크(20)를 제작, 이용함으로써, 상기 공극(112)을 보다 규칙적이며 정밀하게 설계할 수 있다.
실리콘(Silicon)은 산화에 의해 1.5배 정도로 그 부피가 확장되는데, 상기 마스크 제작단계(S1-B)에서는, 실리콘(Silicon) 기판에 2㎚ 이상 내지 200㎚ 이하 사이즈의 홀이 가공한 후 산화시켜 1.5배로 부피를 확장시키는 것에 의해, 1㎚ 이상 내지 100㎚ 이하 사이즈의 홀이 형성된 실리콘 옥사이드 소재의 마스크(20)를 제작한다.
실리콘 기판에 점을 하나하나 찍어나가는 것과 같이 미세한 전자빔을 쏘아서 패턴을 그리는 E빔 리소그래피(E-beam lithography) 방식에 의해 20㎚ 직경의 패턴, 공극을 형성한 후, 실리콘 기판의 표면을 산화시켜 실리콘 옥사이드로 변형시키면 부피의 증가로 인하여 공극의 크기가 약 10㎚로 줄어들게 된다.
광학 마스크에 자외선을 쐬어 발생하는 그림자 패턴을 이용하는 포토 리소그래피(photo-lithography) 방식의 경우 1㎛ 이하의 해상도를 가지나, E빔 리소그래피는, 가공 속도가 느린 대신, 마스크를 필요로 하지 않으며, 전자의 크기가 작은 만큼 10㎚ 사이즈의 고해상도를 구현할 수 있다.
상기 그라핀 식각단계(S2)에서는, 실리콘 옥사이드(Silicon oxide) 소재의 상기 마스크(mask)(20)를 이용하여, 식각에 의해 1㎚ 이상 내지 100㎚ 이하 사이즈의 공극(112)을 상기 그라핀(111)에 형성한다.
도 6, 6, 7은 각각 상기 그라핀 식각단계(S2)에서 상기 그라핀 준비단계(S2-1), 마스크 준비단계(S2-2), 플라즈마 식각단계(S2-3)가 완료된 일예를 도시한 요부 단면사시도이다.
도 6를 참조하면, 상기 그라핀 준비단계(S2-1)에서는 상기 그라핀(111)을 실리콘 기판(10)상에 이송, 안착시키고, 도 7을 참조하면, 상기 마스크 준비단계(S2-2)에서는 상기 그라핀(111)에 1㎚ 이상 내지 100㎚ 이하 사이즈의 홀이 패터닝된 상기 마스크(20)를 씌운다.
도 8을 참조하면, 상기 플라즈마 식각단계(S2-3)에서는, 산소 플라즈마(Oxygen plasma) 등의 플라즈마를 상기 마스크(20)측으로 분사하여, 상기 마스크(20)에 형성된 홀을 통과한 플라즈마에 의해 그라핀(111)을 구성하는 탄소원자간의 공유 결합을 끊으면서 1㎚ 이상 내지 100㎚ 이하 사이즈의 미세 공극(112)을 형성한다.
도 9은 플라즈마 식각을 통한 상기 공극(112)의 확대 형성 과정을 도시한 모식도이다.
도 9을 참조하면, 상기 그라핀 식각단계(S2)에서는, 식각 시간에 비례하여 상기 공극(112)의 사이즈를 최소 1㎚부터 100㎚까지 축소 또는 확대 조정할 수 있으며, 상기 그라핀(111)에 전반에 플라즈마를 가하면 무작위적인 형태의 상기 공극(112)을 형성할 수 있고, 일정한 사이즈의 홀이 패터닝된 상기 마스크(20)를 이용하면 규칙적인 형태의 상기 공극(112)을 형성할 수 있다.
또한, 바이레이어(bi-layer), 또는 트리플레이어(triple-layer) 이상의 적층구조를 가지는 그라핀(111)의 양측에 각각 독립적인 패턴의 공극(112)을 형성하여, 양측에 형성된 패턴의 위치, 형태의 일치정도에 따라 공극(112)의 형태와 크기를 조정, 제어할 수도 있다.
모노레이어 그라핀(111)을 적용함에 있어서는, 공극 형성 가공시간이 10초 이하로 짧으나, 트리플레이어 이상의 적층 구조를 가지는 그라핀(111)을 적용하는 경우, 공극 형성 가공시간이 20초 내외로서, 모노레이어 그라핀(111)에 비해 상대적으로 연장되므로, 공극의 크기 및 형태를 보다 정밀하게 조정할 수 있다.
상기 프레임 결합단계(S3)에서는, 상기 그라핀 식각단계(S2)를 거친 상기 그라핀(111)의 가장자리 둘레에, 상기 그라핀(111)을 일정한 형태로 고정, 유지가능한 강성을 가지는 상기 그라핀 프레임(120)을 연속하여 결합시킨다.
상기 필터채널 조립단계(S4)에서는, 1㎛ 이상 내지 10㎝ 이하 너비의 내부 유로(210)가 형성된 상기 필터채널(200)의 내벽상에, 상기 내부 유로(210)의 길이방향을 따라 다수의 상기 그라핀 프레임(120)을 결합, 고정시킴으로써, 다수겹의 그라핀(111)으로 이루어진 나노필터를 완성하게 된다.
PDMS(polydimethylsiloxane)와 같은 폴리머의 표면에 에너지를 가해주면 표면을 활성화시킬 수 있으며, 활성화된 PDMS 표면끼리 서로 접합한 후 경화시키면 그 접합부를 반영구적으로 결합시킬 수 있다.
상기와 같은 방식으로 표면이 활성화된 액자 형태의 상기 그라핀 프레임(120) 사이에 상기 그라핀 나노필터 망(110)을 위치시킴으로써 그라핀(111)이 PDMS 틀에 결합된 구조의 상기 그라핀 나노필터 칩(100)을 제작할 수 있으며, 상기 필터채널(200) 또한 PDMS 재질로 구성함으로써, 상기 그라핀 프레임(120)과 필터채널(200) 또한 동일한 방법으로 결합시킬 수 있다.
PDMS는 고분자 물질로써 상온에서 점성을 가지는 액체로 존재하지만 경화제(curing agent)를 섞고 약 80℃에서 45분 내지 1시간 동안 가열하면 불투명한 고체로 변하는 성질을 가지므로, PDMS를 패턴이 형성된 실리콘 기판 위에 흘려 넣고 경화시킴으로써 PDMS채널을 얻을 수 있으며, PDMS속의 기포를 제거해 주기 위하여 진공의 환경에서 성형공정을 진행하는 것이 유리하다.
상기 필터채널(200)을 제조함에 있어서는, 일단부가 개방된 육면체 형상으로 고형화시킨 2개의 PDMS 성형체를 실리콘 기판에서 떼어낸 후, 2개 중 일측에 상기 그라핀 나노 필터 망(110)이 결합된 상기 그라핀 프레임(120)을 결합시키고, 다른 PDMS 성형체를 상기 그라핀 프레임(120)이 형성된 PDMS 성형체의 개방단부 및 그라핀 프레임(120)의 돌출단부 둘레에 결합시킴으로써 그라핀 나노필터용 채널 구조를 완성할 수 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 그라핀 나노 필터 망(110), 그라핀 나노 필터 및 그 제조방법에 의하면, 탄소 원자 사이의 거리 및 격자 0.14㎚ 정도의 사이즈를 가지는 그라핀의 탄소 원자간 연결을 부분적으로 끊어 공극을 형성함으로써, 20㎚ 이하 스케일의 높은 여과 성능을 신뢰성있게 구현가능할 뿐만 아니라, 최소 1㎚ 스케일의 정밀도 또한 간단히 구현할 수 있다.
또한, 그라핀은 4Å 정도의 얇은 이차원 망 구조를 가지면서도, 종탄성계수가(young’s modulus)가 0.5TPa에 달하고 강철의 200배에 해당되는 강도를 가지므로, 유압에 대한 우수한 내구성을 확보할 수 있다.
또한, 화학 증착법(CVD, chemical vapor deposition technique) 등에 의해 2차원 구조의 그라핀을 제작하고, 플라즈마 식각하는 단순한 공정에 의해 구현가능하여 공정의 간소화 및 원가절감을 구현할 수 있으며, 이에 따라 필터로서의 실용성, 활용성 또한 확보할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 상기 실시예들을 기존의 공지기술과 단순히 조합 적용한 실시예와 함께 본 발명의 특허청구범위와 상세한 설명에서 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 변형하여 이용할 수 있는 기술은 본 발명의 기술범위에 당연히 포함된다고 보아야 할 것이다.
10 : 실리콘 기판 20 : 마스크
100 : 그라핀 나노 필터 칩 110 : 그라핀 나노 필터 망
111 : 그라핀 112 : 공극
120 : 그라핀 프레임 200 : 필터채널
210 : 내부 유로 221 : 조립홈
230 : 인렛포트 결합홀 240 : 아웃렛포트 결합홀
S1-A : 그라핀 생성단계 S1-B : 마스크 제작단계
S2 : 그라핀 식각단계 S2-1 : 그라핀 준비단계
S2-2 : 마스크 준비단계 S2-3 : 플라즈마 식각단계
S3 : 프레임 결합단계 S4 : 필터채널 조립단계

Claims (13)

  1. 0.1㎚ 이상 내지 0.2㎚ 이하 사이즈의 6방정계 격자 구조를 가지는 그라핀(Graphene)(111); 및
    유체는 통과시키되 1㎚ 이상의 사이즈를 가지는 유체내 입자는 걸러지도록 상기 그라핀(111)의 일부를 식각하여 1㎚ 이상 내지 100㎚ 이하 사이즈로 생성되는 공극(112);
    을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 그라핀 나노 필터 망(110).
  2. 제1항에 의한 그라핀 나노 필터 망(110);
    상기 그라핀 나노 필터 망(110)의 가장자리 둘레에 연속하여 결합되어 상기 그라핀 나노 필터 망(110)을 일정한 형태로 고정, 유지시키는 그라핀 프레임(120); 및
    1㎛ 이상 내지 10㎝ 이하 너비의 내부 유로(210)가 형성되며, 상기 내부 유로(210)를 통과하는 유체가 상기 그라핀 나노 필터 망(110)을 통과하도록 상기 그라핀 프레임(120)의 외면 둘레가 내벽상에 결합, 고정되는 필터채널(200);
    을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 그라핀 나노 필터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 그라핀 프레임(120)과 필터채널(200)은,
    PDMS(polydimethylsiloxane)와 같은 폴리머 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 그라핀 나노 필터.
  4. 제2항에 있어서, 상기 필터채널(200)은,
    상기 그라핀 프레임(120)의 외면 둘레를 끼워 고정가능하도록 내벽상에 함몰형성된 조립홈(221);
    을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 그라핀 나노 필터.
  5. 제2항에 있어서,
    외부의 유체가 인렛포트(inlet port)를 통해 상기 필터채널의 내부 유로(210)로 인입가능한 통로를 제공하는 인렛포트 결합홀(230); 및
    상기 필터채널의 내부 유로(210)를 통과하며 필터링(filtering)된 유체가 아웃렛포트(outlet port)를 통해 상기 필터채널(200) 외부로 배출가능한 통로를 제공하는 아웃렛포트 결합홀(240);
    을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 그라핀 나노 필터.
  6. 탄소 원자가 0.1㎚ 이상 내지 0.2㎚ 이하 사이즈의 6방정계 격자를 이루며 2차원으로 연속된 구조를 가지는 그라핀(Graphene)(111)을 생성하는 그라핀 생성단계(S1-A); 및
    실리콘 옥사이드(Silicon oxide) 소재의 마스크(mask)(20)를 이용하여 식각에 의해 1㎚ 이상 내지 100㎚ 이하 사이즈의 공극(112)을 상기 그라핀(111)에 형성하는 그라핀 식각단계(S2);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 그라핀 나노 필터 제작방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 그라핀 생성단계(S1-A)는,
    화학 증착법(CVD, chemical vapor deposition technique) 또는 기계적 박리법에 의해 1㎛ 이상 내지 10㎝ 이하 너비의 모노레이어(mono-layer), 바이레이어(bi-layer), 또는 트리플레이어(triple-layer) 이상의 적층구조를 가지는 그라핀(111)을 생성하는 것을 특징으로 하는 그라핀 나노 필터 제작방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 그라핀 식각단계(S2)는,
    바이레이어(bi-layer) 또는 트리플레이어(triple-layer) 이상의 적층구조를 가지는 그라핀(111)의 양측에 각각 독립적인 패턴의 공극(112)을 형성하여, 양측에 형성된 패턴의 위치, 형태의 일치정도에 따라 공극(112)의 형태와 크기를 조정, 제어하는 것을 특징으로 하는 그라핀 나노 필터 제작방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 그라핀 식각단계(S2)는,
    상기 그라핀(111)을 실리콘 기판(10)상에 이송, 안착시키는 그라핀 준비단계(S2-1);
    상기 그라핀(111)에 1㎚ 이상 내지 100㎚ 이하 사이즈의 홀이 패터닝된 상기 마스크(20)를 씌우는 마스크 준비단계(S2-2); 및
    플라즈마(plasma)를 상기 마스크(20)측으로 분사하여, 상기 마스크(20)에 형성된 홀을 통과한 플라즈마에 의해 그라핀(111)을 구성하는 탄소원자간의 공유 결합을 끊으면서 1㎚ 이상 내지 100㎚ 이하 사이즈의 미세 공극(112)을 형성하는 플라즈마 식각단계(S2-3);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 그라핀 나노 필터 제작방법.
  10. 제6항 또는 제9항에 있어서,
    상기 그라핀 식각단계(S2) 이전에, 실리콘(Silicon) 기판에 2㎚ 이상 내지 200㎚ 이하 사이즈의 홀을 가공하고, 실리콘 옥사이드(Silicon oxide)로 산화시키는 것에 의해, 부피를 1.5배로 확장시키며 1㎚ 이상 내지 100㎚ 이하 사이즈로 홀을 축소시켜 상기 마스크(20)를 제작하는 마스크 제작단계(S1-B);
    를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 그라핀 나노 필터 제작방법.
  11. 제6항에 있어서, 상기 그라핀 식각단계(S2)는,
    식각 시간에 따라 상기 공극(112) 사이즈를 확대 또는 축소 조정하는 것을 특징으로 하는 그라핀 나노 필터 제작방법.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 그라핀 식각단계(S2)를 거친 상기 그라핀(111)의 가장자리 둘레에, 상기 그라핀(111)을 일정한 형태로 고정, 유지가능한 강성을 가지는 그라핀 프레임(120)을 연속하여 결합시키는 프레임 결합단계(S3); 및
    1㎛ 이상 내지 10㎝ 이하 너비의 내부 유로(210)가 형성된 필터채널(200)의 내벽상에 상기 그라핀 프레임(120)의 외면 둘레를 결합, 고정시키는 필터채널 조립단계(S4);
    를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 그라핀 나노 필터 제조방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 필터채널 조립단계(S4)는,
    상기 필터채널의 내부 유로(210)의 길이방향을 따라 다수의 상기 그라핀(111) 및 그라핀 프레임(120)을 배치시키는 것을 특징으로 하는 그라핀 나노 필터 제조방법.
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