KR20120061224A - 수직형 롤투롤 화학 기상 증착법을 이용한 그래핀 필름 제조 장치 및 방법 - Google Patents

수직형 롤투롤 화학 기상 증착법을 이용한 그래핀 필름 제조 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

롤투롤(roll-to-roll) 화학 기상 증착법을 이용한 그래핀(graphene) 필름 제조 장치가 개시되어 있다. 이러한 롤투롤 방식을 이용한 그래핀 제조 장치는 공정 챔버의 내부에서 각각 2개 이상의 롤러들이 쌍을 이루는 둘 이상의 롤러 쌍에 의한 배치에 의해 금속 촉매층과 화학 기상 증착 공정 후의 상기 금속 촉매층과 연속하는 그래핀이 제조된 금속 촉매층의 일부 또는 전체가 중력 방향으로 배향되게 구성되어 있다. 이러한 그래핀 제조 장치는 금속 촉매층이 중력 방향으로 팽팽하게 배치되게 하는 구성을 취하므로 고온의 화학 기상 증착 공정에 의한 금속 촉매층의 뒤틀림 현상을 없애거나 최소화시킨다.

Description

수직형 롤투롤 화학 기상 증착법을 이용한 그래핀 필름 제조 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR PREPARING GRAPHENE FILM USING CHEMICAL VAPOR DEPOSITION}
본 발명은 롤투롤(roll-to-roll) 화학 기상 증착법을 이용한 그래핀(graphene) 필름 제조 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 예를 들어 화학 기상 증착 장비의 일부 또는 전부를 지면에 대하여 수직으로 또는 중력 방향으로 제공함으로써 금속 촉매층을 지면에 수직한 방향으로 또는 중력방향으로 롤투롤하는 방식을 이용하여 금속 촉매층이 고온의 열처리 과정에서 뒤틀리는 현상을 억제하면서 그래핀 필름을 제조하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
증착 대상 기판 상에 박막을 기상 증착하는 방법으로는 증착하고자 하는 원료 물질을 증착 대상 기판 상에 물리적으로 결합시키는 물리 기상 증착법 (Physical Vapor Deposition, PVD)과 화학적인 반응을 이용하여 원료물질을 증착 대상 기판 상에 증착시켜 박막을 제조하는 화학 기상 증착법 (Chemical Vapor Deposition, CVD)이 있다.
이들 방법 중에서 화학 기상 증착법은 우수한 반응성을 갖는 원료물질을 가스 상태로 챔버 안에 공급한 후, 이를 빛, 열, 플라즈마, 마이크로 웨이브, 전기장 등을 이용하여 가스 상태의 원료 물질을 활성화시켜 증착 대상 기판 상에 박막을 형성하는 방법이다.
이러한 화학 기상 증착법은 원료물질에 따라 다양한 종류의 박막을 형성할 수 있다. 예를 들어, SiO2 박막은 Si와 O2 가스의 주입을 통해 제조될 수 있고, Si3N4 박막은 NH3와 SiCl2 가스의 주입을 통해 제조될 수 있으며, 탄소 물질로 이루어진 박막은 CH4와 같은 탄소화 촉매와 H2 가스의 주입을 통해 제조될 수 있다.
탄소 물질로 이루어진 동소체에는 공 모양의 구조를 갖는 풀러렌 (Fullerene), 튜브 형태의 구조를 갖는 탄소나노튜브 (Carbon Nanotube) 그리고 육각형 벌집 모양의 판상형 구조를 형성하는 그래핀 (Graphene)이 있다.
그 중에서 탄소 박막인 그래핀은 현재 반도체 산업에서 사용되는 실리콘에 비해 100배 이상의 높은 전기 전도도(매우 우수한 전기적 특성)를 가질 뿐만 아니라 10% 이상으로 면적을 늘리거나 접어도 전기 전도도를 잃지 않으면서 유연한 우수한 기계적 물성을 가지고 있다는 사실이 밝혀지면서 현재 많은 연구가 진행되고 있다.
전기적, 기계적, 화학적으로 매우 우수한 특성을 갖는 그래핀을 제조하는 대표적인 방법으로는 기계적 박리법, 화학적 박리법, 화학 기상 증착법이 있다. 이들 중에서 화학 기상 증착법을 이용하면 대면적의 우수한 그래핀을 제조할 수 있다.
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 탄소가 금속 촉매층에 녹아 들어가게 하거나 흡착되게 한 후, 냉각을 통하여 금속 촉매층에 포함되어 있던 탄소 원자들을 표면에서 결정화시킴으로써 그래핀을 생성시키는 과정을 포함한다. 일반적으로 사용되는 금속의 종류와 두께, 반응시간, 냉각속도, 반응 가스의 농도 등을 조절함으로써 그래핀 층수를 조절하는 것이 가능하다.
그러나, 현재까지 알려진 그래핀 제조 장비에서는 고온 처리 중에 금속 촉매층이 뒤틀리는 현상이 발생하게 되어 우수한 물성을 갖는 그래핀을 제조하는 것이 용이하지 않다.
본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 화학 기상 증착법을 이용한 그래핀 제조 과정 중 고온 처리 과정 중에 발생할 수 있는 금속 촉매층의 뒤틀림 현상을 없애거나 최소화할 수 있는 그래핀 필름 제조 장치를 제공하는 데에 있다.
상기 및 그 밖의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일면은, 롤투롤(roll-to-roll) 방식을 이용한 그래핀 제조 장치에 있어서,
공정 챔버의 내부에서 각각 2개 이상의 롤러들이 쌍을 이루는 둘 이상의 롤러 쌍에 의한 배치에 의해 금속 촉매층과 화학 기상 증착 공정 후의 상기 금속 촉매층과 연속하는 그래핀이 제조된 금속 촉매층의 일부 또는 전체가 중력 방향으로 배향되게 구성되어 있는 그래핀 제조 장치를 제공한다.
본 발명의 하나의 바람직한 구체예에 있어, 상기 금속 촉매층과 연속하는 그래핀이 제조된 금속 촉매층의 이송 방향이 중력 방향이 되게 구성된다.
본 발명의 다른 바람직한 구체예에 있어, 상기 금속 촉매층과 연속하는 그래핀이 제조된 금속 촉매층의 평면이 중력 방향에 대하여 수직한 방향이 되게 구성된다.
본 발명의 상기한 구체예에 있어, 상기 금속 촉매층을 향하여 하나 이상의 가스 주입 노즐이 배치되어 있으며, 또한 플라즈마 유도 장치 또는 열처리 장치가 단독으로 또는 플라즈마 유도 장치와 열처리 장치가 함께 배치된다.
바람직하게는, 상기 공정 챔버의 외부에는 상기 금속 촉매층이 상기 공정 챔버의 내부로 안내되게 하는 가이드 롤러와 상기 공정 챔버에서의 화학 기상 증착 후에 상기 금속 촉매층 상에 그래핀이 제조된 금속 촉매층이 권취되게 하는 권취 롤러가 제공되되, 상기 가이드 롤러로부터의 금속 촉매층과 상기 권취 롤러로의 그래핀이 제조된 금속 촉매층의 이송 경로가 상기 공정 챔버의 내부에 속하여 있는 각 쌍의 롤러의 접점의 연장선과 엇갈리게 배치되는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어, 상기 금속 촉매층은 바람직하게는 유연성 기판이며, 보다 바람직하게는 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V 및 Zr 로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 포함하는 유연성 기판이다.
본 발명의 상기한 구체예에 있어, 상기 공정 챔버에서 수행되는 화학 기상 증착은 300℃에서 2000℃의 온도로 수행된다.
본 발명의 다른 일면은, 롤투롤(roll-to-roll) 방식의 화학기상 증착법을 이용한 그래핀 제조 방법으로서, 공정 챔버의 내부에 배치되어 있는 각각의 롤러쌍의 배치에 의해 금속 촉매층과 상기 금속 촉매층과 연속하는 그래핀이 제조된 금속 촉매층의 일부 또는 전체가 중력 방향으로 배향되게 하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 롤투롤 화학 기상 증착 장비를 수직으로 제조하는 공정은 아래의 효과를 얻을 수 있는 장점이 있다.
고정 롤러에 의해 금속 촉매층이 지면에 수직한 방향 즉, 중력 방향으로 위치시킴으로써, 종래의 수평 방향으로 금속 촉매층을 이동하면서 열 처리하였을 때 발생되는 금속 촉매층의 뒤틀림 현상 발생을 개선하는 것이 가능하다.
부가적으로는 화학 기상 증착 장비에 플라즈마 장치를 이용함으로써 종래의 플라즈마 장치가 없을 때 요구되었던 높은 그래핀 성장 온도 조건을 현저히 낮출 수 있는 효과 또한 기대된다.
도 1은 본 발명의 하나의 바람직한 구체예에 따른 수직형 롤투롤(Roll-to-Roll) 화학 기상 증착 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 바람직한 구체예에 따른 수직형 롤투롤 화학 기상 증착 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2에서는, 금속 촉매층을 지면에 수직한 방향으로 롤투롤하는 방식의 화학 기상 증착 장치 개략도이다.
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 방식을 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.
본원에서 사용되는 용어 "상류부" 및 "하류부"는 금속 촉매층 또는 상기 금속 촉매층과 연속하는 그래핀이 제조된 금속 촉매층의 이송 방향을 기준으로 정한 용어로, 이송 전을 상류부로 이송 후를 하류부로 이해하여야 한다.
도 1에는 본 발명의 하나의 바람직한 구체예에 따른 그래핀 제조 장치가 개략적으로 도시되어 있다.
본 발명의 하나의 바람직한 구체예에 따른 롤투롤(roll-to-roll) 방식을 이용한 그래핀 제조 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 공정 챔버(11) 및 공정 챔버(11)로 금속 촉매층(16)을 공정 챔버(11)로 가이드해주는 가이드 롤러(10a) 및 공정 챔버(11)로부터의 그래핀이 제조된 금속 촉매층(17)을 권취하기 위한 권취 롤러(10b)를 포함한다.
본 발명에서는 사용되는 금속 촉매층(16)은 바람직하게는 유연성 기판이며, 고온에서 탄소를 잘 흡착하는 금속이어야 한다. 이러한 금속의 비제한적인 예로는 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V 및 Zr 이 있으며, 이들 금속 성분은 단독으로 또는 조합적으로 사용될 수 있다.
공정 챔버(11)에는 도 1에 도시된 바와 같이 각각 2개의 롤러들이 쌍을 이루는 적어도 2개의 롤러쌍(12a, 12b)이 도면상 상부 및 하부에 각각 배치되어 있다. 도 1을 볼 때, 도면상 하부는 지면을 향하고 도면상 상부는 중력 방향에 대하여 대향하는 쪽을 향하고 있는 것으로 이해하여야 한다. 특히, 공정 챔버(11)의 내부에 도시되어 있는 금속 촉매층(16)과 상기 금속 촉매층에 연속하는 그래핀이 제조된 금속 촉매층(17)이 지면에 대하여 수직하는 방향으로 또는 중력 방향으로 이송되는 것으로 이해하여야 한다.
공정 챔버(11) 내의 도면상 상부에 있는 롤러쌍(또는 상부 롤러쌍)(12a)은 가이드 롤러(10a)로부터의 금속 촉매층(16)을 공정 챔버(11) 내에서 연속적으로 이송되게 하며, 가이드 롤러(10a)로부터의 금속 촉매층(16)을 잡아주는 역할을 동시에 수행하게 된다.
상부 롤러쌍(12a)을 이루는 각각의 고정 롤러는 금속 촉매층의 두께에 따라 상호간의 거리가 조정된다. 이때 사용되는 각각의 고정 롤러는 공정 챔버(11) 내부에서 적용되는 열에 의한 변형이 없는 재질로 만들어지는 것이 바람직할 것이다.
상부 롤러쌍(12a)으로부터 이송 중인 금속 촉매층은 도 1에 예시적으로 도시된 바와 같이 가스 분사 노즐(13)을 통한 탄소원의 공급하에 열처리 장치(14)에 의한 처리 과정을 거치게 된다. 본 실시예에서는 플라즈마 유도(15) 하에서 열처리 장치(14)가 함께 적용되고 있다. 열처리 장치(14)를 단독으로 사용하는 경우보다 플라즈마 유도된 상태에서 열처리하는 경우에는 적용되는 온도를 낮출 수 있어 유리하다. 본 발명에서 사용되는 플라즈마 유도 방법의 비제한적인 예로는 정전 결합 플라즈마 (Capacitive Coupled Plasma), 유도 결합 플라즈마 (Inductive Coupled Plasma), 열 플라즈마 (Thermal Plasma)가 있으며, 유도 결합 플라즈마에는 마이크로웨이브 플라즈마 (Microwave Plasma), 고주파 플라즈마 (Radio Frequency Plasma)가 있다. 본 명세서를 숙지한 당업자라면 이들 장치를 선택에 따라 개별적으로 또는 함께 모두 적용할 수 있다는 사실을 알고 있을 것이다. 열처리 장치(14) 및/또는 플라즈마 유도(15)하의 열처리 장치(14)에 의한 처리 과정은 고온으로 수행되며, 바람직하게는 300℃에서 2000℃의 온도에서 수행된다.
가스 분사 노즐(13)로부터 분사된 탄소원은 열처리 장치(14) 및/또는 플라즈마 유도(15)하의 열처리 장치에 의한 처리에 의해 이송 중인 금속 촉매층(16)에 증착되어 도 1에 예시적으로 구분하여 도시한 바와 같이 그래핀이 제조된 금속 촉매층(17)이 형성되게 한다.
이후, 그래핀이 제조된 금속 촉매층(17)은 상기 상부 롤러쌍(12a)을 이루는 2개의 롤러간의 접점과 중력 방향으로 나란하게 접점이 형성된 하부 롤러쌍(12b)을 통해 이송된다. 즉, 공정 챔버(11)의 내부에서 상기 상부 롤러쌍(12a)을 통과하여 이송되는 금속 촉매층(16)과 상기 금속 촉매층(16)에 연속하는 그래핀이 제조된 금속 촉매층(17)이 중력 방향으로 이송되게 하부 롤러쌍(12b)이 구비되는 구성을 갖는다. 이와 같은 상부 롤러쌍(12a)과 하부 롤러쌍(12b)의 중력 방향 배치에 의해 이송되는 금속 촉매층(16)이 탄소원에 의한 고온의 증착 공정 중 또는 공정 후에도 중력 방향으로의 힘 때문에 뒤틀림 현상 없이 안정적으로 그래핀이 제조된 금속 촉매층(17)이 형성되도록 한다.
하부 롤러쌍(12b)을 통과하는 그래핀이 제조된 금속 촉매층(17)은 하부 롤러쌍(12b)을 이루는 롤러들의 압력에 의해 압착되고, 이후 도면상에는 도시되어 있지 않지만 냉각 공정을 거치게 된다.
이어서, 하부 롤러쌍(12b)으로부터의 그래핀이 제조된 금속 촉매층(17)은 도 1에 도시된 바와 같이 권취 롤러(10b)에 의해 권취되게 하므로써 그래핀 필름이 연속적으로 제조된다.
도 2에는 본 발명의 다른 바람직한 구체예에 따른 그래핀 제조 장치가 개략적으로 도시되어 있다.
본 발명의 다른 바람직한 구체예에 따른 롤투롤 방식을 이용한 그래핀 제조 장치는 도 2에 도시된 바와 같이 공정 챔버(11) 및 공정 챔버(11)로 금속 촉매층(16)을 공정 챔버(11)로 가이드해주는 가이드 롤러(10a) 및 공정 챔버(11)로부터의 그래핀이 제조된 금속 촉매층(17)을 권취하기 위한 권취 롤러(10b)를 포함한다.
본 발명에서는 사용되는 금속 촉매층(16)은 바람직하게는 유연성 기판이며, 고온에서 탄소를 잘 흡착하는 금속이어야 한다. 이러한 금속의 비제한적인 예로는 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V 및 Zr 이 있으며, 이들 금속 성분은 단독으로 또는 조합적으로 사용될 수 있다.
공정 챔버(11)에는 도 2에 도시된 바와 같이 각각 2개의 롤러들이 쌍을 이루는 적어도 2개의 롤러쌍(12a, 12b)이 도면상 좌측 및 우측에 각각 배치되어 있다. 도 2를 볼 때, 도면상 하부는 지면을 향하고 도면상 상부는 중력 방향에 대하여 대향하는 쪽을 향하고 있는 것으로 이해하여야 한다. 특히, 공정 챔버(11)의 내부에 도시되어 있는 금속 촉매층(16)과 상기 금속 촉매층에 연속하는 그래핀이 제조된 금속 촉매층(17)의 평면이 지면에 대하여 수직하는 방향으로 또는 중력 방향으로 이송되는 것으로 이해하여야 한다.
공정 챔버(11) 내의 도면상 좌측에 있는 롤러쌍(또는 상류부 롤러쌍)(12a)은 가이드 롤러(10a)로부터의 금속 촉매층(16)을 공정 챔버(11) 내에서 연속적으로 이송되게 하며, 가이드 롤러(10a)로부터의 금속 촉매층(16)을 잡아주는 역할을 동시에 수행하게 된다.
상류부 롤러쌍(12a)을 이루는 각각의 고정 롤러는 금속 촉매층의 두께에 따라 상호간의 거리가 조정된다. 이때 사용되는 각각의 고정 롤러는 공정 챔버(11) 내부에서 적용되는 열에 의한 변형이 없는 재질로 만들어지는 것이 바람직할 것이다.
상류부 롤러쌍(12a)으로부터 이송 중인 금속 촉매층은 도 2에 예시적으로 도시된 바와 같이 가스 분사 노즐(13)을 통한 탄소원의 공급하에 열처리 장치(14)에 의한 가열 또는 플라즈마 유도(15) 하에서 열처리 장치(14)에 의한 처리 과정을 거치게 된다. 본 발명에서 사용되는 플라즈마 유도 방법의 비제한적인 예로는 정전 결합 플라즈마 (Capacitive Coupled Plasma), 유도 결합 플라즈마 (Inductive Coupled Plasma), 열 플라즈마 (Thermal Plasma)가 있으며, 유도 결합 플라즈마에는 마이크로웨이브 플라즈마 (Microwave Plasma), 고주파 플라즈마(Radio Frequency Plasma)가 있다. 본 실시예에서는 플라즈마 유도(15) 하에서 열처리 장치(14)가 함께 적용되고 있다. 열처리 장치(14)를 단독으로 사용하는 경우보다 플라즈마 유도된 상태에서 열처리하는 경우에는 적용되는 온도를 낮출 수 있어 유리하다. 본 명세서를 숙지한 당업자라면 이들 장치를 선택에 따라 개별적으로 또는 함께 모두 적용할 수 있다는 사실을 알고 있을 것이다. 열처리 장치(14) 및/또는 플라즈마 유도(15)하의 열처리 장치(14)에 의한 처리 과정은 고온으로 수행되며, 바람직하게는 300℃에서 2000℃의 온도에서 수행된다.
가스 분사 노즐(13)로부터 분사된 탄소원은 열처리 장치(14) 및/또는 플라즈마 유도(15)하의 열처리 장치(14)에 의한 처리에 의해 이송 중인 금속 촉매층(16)에 증착되어 도 2에 예시적으로 구분하여 도시한 바와 같이 그래핀이 제조된 금속 촉매층(17)이 형성되게 한다.
이후, 그래핀이 제조된 금속 촉매층(17)은 각각의 회전축이 중력방향으로 회전 가능하게 고정되어 있는 상류부 롤러쌍(12a)과 각각의 회전축이 중력방향으로 회전 가능하게 고정되어 있는 하류부 롤러쌍(12b)을 통해 이송된다. 즉, 공정 챔버(11)의 내부에서 상기 상류부 롤러쌍(12a)을 통과하여 이송되는 금속 촉매층(16)과 상기 금속 촉매층(16)에 연속하는 그래핀이 제조된 금속 촉매층(17)의 평면이 중력 방향에 대하여 수직하게 배치된 상태에서 이송되게 하는 구성을 갖는다. 이와 같은 상류부 롤러쌍(12a)과 하류부 롤러쌍(12b)에 있는 각각의 회전축이 중력 방향으로 배치되게 함으로써 이송되는 금속 촉매층(16)이 탄소원에 의한 고온의 화학 기상 증착 공정 중 또는 공정 후에도 중력 방향으로의 힘 때문에 뒤틀림 현상 없이 안정적으로 그래핀이 제조된 금속 촉매층(17)이 형성되도록 한다.
하류부 롤러쌍(12a)을 통과하는 그래핀이 제조된 금속 촉매층(17)은 하류부 롤러쌍(12a)을 이루는 롤러들의 상호 압력에 의해 압착되고, 이후 도면상에는 도시되어 있지 않지만 냉각 공정을 거치게 된다.
이어서, 하류부 롤러쌍(12b)으로부터의 그래핀이 제조된 금속 촉매층(17)은 도 2에 도시된 바와 같이 권취 롤러(10b)에 의해 권취되게 하므로써 그래핀 필름이 연속적으로 제조된다.
10a : 가이드 롤러
10b : 권취 롤러
11 : 공정 챔버
12a : 상부(또는 상류부) 롤러쌍
12b : 하부(또는 하류부) 롤러쌍
13 : 가스 분사 노즐
14 : 열처리 장치 (Heater)
15 : 플라즈마 유도 장치
16 : 금속 촉매층
17 : 그래핀이 제조된 금속 촉매층

Claims (10)

  1. 롤투롤(roll-to-roll) 방식을 이용한 그래핀 제조 장치로서, 공정 챔버의 내부에서 각각 2개 이상의 롤러들이 쌍을 이루는 둘 이상의 롤러 쌍에 의한 배치에 의해 금속 촉매층과 화학 기상 증착 공정 후의 상기 금속 촉매층과 연속하는 그래핀이 제조된 금속 촉매층의 일부 또는 전체가 중력 방향으로 배향되게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 금속 촉매층과 연속하는 그래핀이 제조된 금속 촉매층의 이송 방향이 중력 방향이 되게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 금속 촉매층과 연속하는 그래핀이 제조된 금속 촉매층의 평면이 중력 방향에 대하여 수직한 방향이 되게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중의 어느 한 항에 있어서, 플라즈마 유도 장치 또는 열처리 장치가 단독으로 또는 플라즈마 유도 장치와 열처리 장치가 함께 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 공정 챔버의 외부에는 상기 금속 촉매층이 상기 공정 챔버의 내부로 안내되게 하는 가이드 롤러와 상기 공정 챔버에서의 처리 후에 상기 금속 촉매층 상에 그래핀이 제조된 금속 촉매층이 권취되게 하는 권취 롤러가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 장치.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 플라즈마 유도 장치에서의 플라즈마 방법은 마이크로웨이브 플라즈마 및 고주파 플라즈마를 포함한 유도 결합 플라즈마, 정전 결합 플라즈마 및 열 플라즈마 방법 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 장치.
  7. 제 1항 내지 제 3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 촉매층은 유연성 기판인 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 장치.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 금속 촉매층은 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V 및 Zr로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 장치.
  9. 제 1항 내지 제 3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 공정 챔버에서 수행되는 화학 기상 증착은 300℃에서 2000℃의 온도로 수행되는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 장치.
  10. 롤투롤(roll-to-roll) 방식의 플라즈마 화학기상 증착법을 이용한 그래핀 제조 방법으로서, 공정 챔버의 내부에 배치되어 있는 각각의 롤러쌍의 배치에 의해 금속 촉매층과 화학 기상 증착 공정 후의 상기 금속 촉매층과 연속하는 그래핀이 제조된 금속 촉매층의 일부 또는 전체가 중력 방향으로 배향되게 하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 방법.
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Cited By (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014035068A1 (ko) * 2012-08-30 2014-03-06 엘지전자 주식회사 그래핀의 제조 방법 및 그 그래핀과 그 제조 장치
KR20140029126A (ko) * 2012-08-30 2014-03-10 엘지전자 주식회사 그래핀의 제조 방법 및 그 그래핀과 그 제조 장치
KR101372310B1 (ko) * 2012-08-14 2014-03-14 (주)씨엔원 롤투롤 방식의 원자층 증착 장비 및 원자층 증착 방법
WO2014182697A1 (en) * 2013-05-08 2014-11-13 The University Of Houston System Methods for the synthesis of arrays of thin crystal grains of layered semiconductors sns2 and sns at designed locations
WO2014181989A1 (en) * 2013-05-10 2014-11-13 Lg Electronics Inc. Apparatus for manufacturing graphene, method for manufacturing the same and graphene manufactured by the method
KR101511584B1 (ko) * 2008-09-25 2015-04-13 해성디에스 주식회사 롤 투 롤 반도체부품 제조장치 및 그에 적용되는 이송방법
KR20150077132A (ko) * 2013-12-27 2015-07-07 엘아이지인베니아 주식회사 플렉서블 기판 처리장치 및 이의 클리닝 방법
KR20150077112A (ko) * 2013-12-27 2015-07-07 엘아이지인베니아 주식회사 플렉시블 기판 처리장치 및 이를 이용한 플렉시블 기판 처리방법
KR20150077050A (ko) * 2013-12-27 2015-07-07 삼성테크윈 주식회사 그래핀 제조 장치
KR20150107474A (ko) * 2014-03-14 2015-09-23 한화테크윈 주식회사 그래핀 제조 장치
KR20160025207A (ko) 2014-08-27 2016-03-08 주식회사 에스에프에이 필름 제조장치
KR20160092344A (ko) 2015-01-27 2016-08-04 한국과학기술연구원 탄소가 포함된 액체상의 전구체를 이용한 연속 롤투롤 방식의 고품질 그래핀 제조방법과 그 제조장치
WO2017034138A1 (ko) * 2015-08-27 2017-03-02 주식회사 참트론 그래핀 필름 제조장치
JP2017066506A (ja) * 2015-10-02 2017-04-06 国立研究開発法人産業技術総合研究所 グラフェン膜の作製方法
WO2018016746A1 (ko) * 2016-07-20 2018-01-25 주식회사 참트론 고품질 그래핀 합성을 위한 열처리 장비
CN107761071A (zh) * 2017-10-27 2018-03-06 南昌航空大学 无缺陷峰石墨烯薄膜的制备方法
CN109680259A (zh) * 2019-02-18 2019-04-26 合肥百思新材料研究院有限公司 一种立式连续pe增强卷对卷石墨烯薄膜生长设备
CN110699666A (zh) * 2019-10-18 2020-01-17 北京石墨烯技术研究院有限公司 石墨烯铜层状复合薄膜材料的制备方法
KR20210074730A (ko) 2019-12-12 2021-06-22 주식회사 참그래핀 텐션 조절부가 하부에 구비된 롤투롤 그래핀 필름 제조장치
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CN115125524A (zh) * 2022-07-05 2022-09-30 常州第六元素半导体有限公司 一种分段式卷对卷cvd石墨烯连续生长设备
CN115124032A (zh) * 2021-03-25 2022-09-30 电子科技大学 多层卷对卷制备系统及多层卷对卷制备方法

Cited By (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101511584B1 (ko) * 2008-09-25 2015-04-13 해성디에스 주식회사 롤 투 롤 반도체부품 제조장치 및 그에 적용되는 이송방법
KR101372310B1 (ko) * 2012-08-14 2014-03-14 (주)씨엔원 롤투롤 방식의 원자층 증착 장비 및 원자층 증착 방법
KR20140029126A (ko) * 2012-08-30 2014-03-10 엘지전자 주식회사 그래핀의 제조 방법 및 그 그래핀과 그 제조 장치
US9764956B2 (en) 2012-08-30 2017-09-19 Lg Electronics Inc. Method for manufacturing graphene, said graphene, and apparatus for manufacturing same
WO2014035068A1 (ko) * 2012-08-30 2014-03-06 엘지전자 주식회사 그래핀의 제조 방법 및 그 그래핀과 그 제조 장치
US9761446B2 (en) 2013-05-08 2017-09-12 University Of Houston System Methods for the synthesis of arrays of thin crystal grains of layered semiconductors SnS2 and SnS at designed locations
WO2014182697A1 (en) * 2013-05-08 2014-11-13 The University Of Houston System Methods for the synthesis of arrays of thin crystal grains of layered semiconductors sns2 and sns at designed locations
WO2014181989A1 (en) * 2013-05-10 2014-11-13 Lg Electronics Inc. Apparatus for manufacturing graphene, method for manufacturing the same and graphene manufactured by the method
KR20150077112A (ko) * 2013-12-27 2015-07-07 엘아이지인베니아 주식회사 플렉시블 기판 처리장치 및 이를 이용한 플렉시블 기판 처리방법
KR20150077050A (ko) * 2013-12-27 2015-07-07 삼성테크윈 주식회사 그래핀 제조 장치
KR20150077132A (ko) * 2013-12-27 2015-07-07 엘아이지인베니아 주식회사 플렉서블 기판 처리장치 및 이의 클리닝 방법
KR20150107474A (ko) * 2014-03-14 2015-09-23 한화테크윈 주식회사 그래핀 제조 장치
KR20160025207A (ko) 2014-08-27 2016-03-08 주식회사 에스에프에이 필름 제조장치
KR20160092344A (ko) 2015-01-27 2016-08-04 한국과학기술연구원 탄소가 포함된 액체상의 전구체를 이용한 연속 롤투롤 방식의 고품질 그래핀 제조방법과 그 제조장치
WO2017034138A1 (ko) * 2015-08-27 2017-03-02 주식회사 참트론 그래핀 필름 제조장치
JP2017066506A (ja) * 2015-10-02 2017-04-06 国立研究開発法人産業技術総合研究所 グラフェン膜の作製方法
US11214869B2 (en) 2016-07-20 2022-01-04 Charmtron Co., Ltd. Heat treatment apparatus for high-quality graphene synthesis
WO2018016746A1 (ko) * 2016-07-20 2018-01-25 주식회사 참트론 고품질 그래핀 합성을 위한 열처리 장비
CN107761071A (zh) * 2017-10-27 2018-03-06 南昌航空大学 无缺陷峰石墨烯薄膜的制备方法
CN107761071B (zh) * 2017-10-27 2020-05-29 南昌航空大学 无缺陷峰石墨烯薄膜的制备方法
CN109680259A (zh) * 2019-02-18 2019-04-26 合肥百思新材料研究院有限公司 一种立式连续pe增强卷对卷石墨烯薄膜生长设备
CN109680259B (zh) * 2019-02-18 2023-11-03 安徽贝意克设备技术有限公司 一种立式连续pe增强卷对卷石墨烯薄膜生长设备
CN110699666A (zh) * 2019-10-18 2020-01-17 北京石墨烯技术研究院有限公司 石墨烯铜层状复合薄膜材料的制备方法
KR20210074730A (ko) 2019-12-12 2021-06-22 주식회사 참그래핀 텐션 조절부가 하부에 구비된 롤투롤 그래핀 필름 제조장치
KR20210074475A (ko) 2019-12-12 2021-06-22 주식회사 참그래핀 텐션 조절부가 하부에 구비된 양면 증착형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치
KR20210074478A (ko) 2019-12-12 2021-06-22 주식회사 참그래핀 텐션 조절부가 상부에 구비된 양면 증착형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치
CN115124032A (zh) * 2021-03-25 2022-09-30 电子科技大学 多层卷对卷制备系统及多层卷对卷制备方法
CN115125524A (zh) * 2022-07-05 2022-09-30 常州第六元素半导体有限公司 一种分段式卷对卷cvd石墨烯连续生长设备

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