KR20130096529A - 그래핀 합성 챔버 - Google Patents

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KR20130096529A
KR20130096529A KR1020120018058A KR20120018058A KR20130096529A KR 20130096529 A KR20130096529 A KR 20130096529A KR 1020120018058 A KR1020120018058 A KR 1020120018058A KR 20120018058 A KR20120018058 A KR 20120018058A KR 20130096529 A KR20130096529 A KR 20130096529A
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Abstract

본 발명은, 내부에 금속박판이 안치되는 챔버, 챔버의 내부로 탄소를 포함하는 가스를 공급하는 유입부, 챔버 내부의 가스를 외부로 배출하는 배출부, 챔버의 적어도 일측면에 구비되며 금속박판을 향하여 빛을 방출함으로써 금속박판을 가열하는 주 가열부, 및 챔버의 내부에서 금속박판의 가장자리와 인접하게 배치되며 금속박판을 가열함에 따라 금속박판으로부터 기화된 금속입자를 흡착하는 흡착부를 포함하는 그래핀 합성 챔버를 제공한다.

Description

그래핀 합성 챔버{Graphene Synthesis Chamber}
본 발명은 그래핀 합성 챔버에 관한 것이다.
일반적으로 그래파이트(graphite)는 탄소 원자가 6각형 모양으로 연결된 판상의 2차원 그래핀 시트(graphene sheet)가 적층된 구조를 갖는다. 최근 그래파이트로부터 그래핀을 벗겨 내어 특성을 조사한 결과 기존의 물질과 다른 매우 유용한 특성이 발견되었다.
가장 주목할 특징으로는 그래핀에서 전자가 이동할 경우 마치 전자의 질량이 제로인 것처럼 흐른다는 것이다. 이는 전자가 진공 중의 빛이 이동하는 속도, 즉 광속으로 흐른다는 것을 의미한다. 그래핀은 또한 전자와 정공에 대하여 비정상적인 반정수 양자 홀 효과(half-integer quantum hall effect)를 가진다는 것이다. 또한, 현재까지 그래핀의 전자 이동도는 약 20,000 내지 50,000cm2/Vs의 높은 값을 갖는 것으로 알려져 있다.
그래핀을 합성하기 위한 방법으로 화학기상증착법(chemical vapor deposition-CVD)이 사용된다. 화학기상증착법은 구리 또는 백금 등의 촉매금속으로 이루어진 금속박판을 그래핀 합성 챔버의 내부공간에 안치시키고, 메탄 또는 에탄 등의 탄화수소를 그래핀 합성 챔버의 내부공간에 주입한 후, 그래핀 합성 챔버의 내부공간을 고온으로 가열함으로써 금속박판의 표면에 그래핀을 합성하는 방법이다.
상술한 바와 같이 그래핀은 매우 유용한 성질을 가지고 있지만 그래핀을 합성하기 위해 고온/고진공의 환경에서 최적의 그래핀을 합성하기는 어렵다.
한국특허공개공보 제2011-0109680호(2011.10.06) "게르마늄층을 이용한 그래핀 제조 방법
본 발명의 일실시예는, 촉매금속으로 사용되는 금속박판으로 인해 챔버가 오염되는 것을 방지하는 그래핀 합성 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 내부에 금속박판이 안치되는 챔버; 상기 챔버의 내부로 탄소를 포함하는 가스를 공급하는 유입부; 상기 챔버 내부의 가스를 외부로 배출하는 배출부; 상기 챔버의 적어도 일측면에 구비되며, 상기 금속박판을 향하여 빛을 방출함으로써 상기 금속박판을 가열하는 주 가열부; 및 상기 챔버의 내부에서 상기 금속박판의 가장자리와 인접하게 배치되며, 상기 금속박판을 가열함에 따라 상기 금속박판으로부터 기화된 금속입자를 흡착하는 흡착부;를 포함하는 그래핀 합성 챔버를 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 주 가열부는 상기 챔버의 내부에서 상기 금속박판의 제1 면 및 제1 면과 반대측에 구비된 제2 면 중 적어도 하나와 마주보도록 배치되고, 상기 흡착부는 상기 유입부 및 상기 배출부와 인접하게 배치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 금속박판과 상호 이격된 채 마주보도록 배치되며, 상기 주 가열부에서 방출되는 열을 흡수하여 상기 금속박판을 향해 방출하는 보조 가열부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 흡착부는, 상기 금속박판과 상기 보조 가열부 사이에 구비되며, 상기 금속박판의 가장자리 둘레를 따라 배치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 챔버의 내부를 냉각시키기 위해 상기 챔버의 외주에 배치되는 냉각부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 주 가열부는 상기 주 가열부의 제1 면이 상기 금속박판과 마주보도록 배치되고, 상기 주 가열부의 제1 면과 반대편에 구비된 상기 주 가열부의 제2 면 측에 구비되며, 상기 금속박판으로부터 기화된 금속입자를 흡착하는 제2 흡착부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 흡착부는 그래파이트를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 내부에 금속박판이 안치되는 챔버; 상기 챔버의 내부로 탄소를 포함하는 가스를 공급하는 유입부; 상기 챔버 내부의 가스를 외부로 배출하는 배출부; 상기 챔버의 적어도 일측면에 구비되며, 상기 금속박판을 향하여 빛을 방출함으로써 상기 금속박판을 가열하는 주 가열부; 상기 금속박판과 상호 이격된 채 마주보도록 배치되며, 상기 주 가열부에서 방출되는 열을 흡수하여 상기 금속박판을 향해 방출하는 보조 가열부; 및 상기 금속박판의 가장자리와 인접하게 배치되며, 상기 금속박판을 가열함에 따라 상기 금속박판으로부터 기화된 금속입자를 흡착하는 흡착부;를 포함하는 그래핀 합성 챔버를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 보조 가열부는 상기 금속박판의 중심 영역과 마주보도록 배치되며, 상기 흡착부는 상기 보조 가열부의 양측 또는 상기 보조 가열부의 가장자리 둘레에 배치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 보조 가열부와 상기 흡착부는 동일한 소재를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 보조 가열부의 열용량은 상기 흡착부의 열용량 보다 클 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 챔버의 내부를 냉각시키기 위해 상기 챔버의 외주에 배치되는 냉각부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 주 가열부는 상기 주 가열부의 제1 면이 상기 금속박판과 마주보도록 배치되고, 상기 주 가열부의 제1 면과 반대편에 구비된 상기 보조 가열부의 제2 면 측에 구비되며, 상기 금속박판으로부터 기화된 금속입자를 흡착하는 제2 흡착부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 흡착부는 그래파이트를 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 일실시예에 따르면, 가열된 금속박판으로부터 생성되는 금속입자를 흡착할 수 있는 흡착부를 포함함으로써, 그래핀 합성에 필요한 최적의 환경을 조성할 수 있으며, 따라서 고품질의 그래핀을 생성할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 합성 챔버에서 그래핀을 합성할 때에 사용되는 금속박판의 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명을 일 실시예에 따른 그래핀 합성 장치를 개략적으로 나타낸 측단면도이다.
도 3은 본 발명을 또 다른 실시예에 따른 그래핀 합성 장치를 개략적으로 나타낸 측단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 보조 가열부, 제1 흡착부 및 금속박판의 배치상태를 략적으로 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀 합성 장치를 개략적으로 나타낸 측단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 보조 가열부, 제1 흡착부 및 금속박판의 배치상태를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서에서 "금속박판(10)"은 도 1a에 도시된 바와 같이 단일의 금속층으로 형성되거나, 도 1b에 도시된 바와 같이 베이스층(20) 상에 형성되는 경우를 나타낸다. 금속박판(10)은 그래파이트화 촉매로서 기능하는 층으로서, 소스 가스에 포함된 탄소 성분들이 서로 결합하여 6각형의 판상 구조를 형성하도록 도와주는 역할을 수행한다.
예컨대, 금속박판(10)은 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 로듐(Rh), 실리콘(Si), 탄탈럼(Ta), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 우라늄(U), 바나듐(V), 팔라듐(Pd), 이트리움(Y), 및 지르코늄(Zr)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다.
베이스층(20)은 내열성을 가지는 소재를 이용할 수 있다. 베이스층(20) 상에는 스퍼터링 장치, 전자빔 증발장치 등을 이용하여 금속박판(10)이 형성될 수 있다. 베이스층(20)은 예를 들어, SiO2, Si3N4, SiON, SIOF, BN, HSQ(hydrogen silsesquiloxane), 크세로겔(xerogel), 에어로겔(aero gel), 폴리 나프탈렌(poly naphthalene), 비정질 카본(carbon) 불화물(a-CF), SiOC, MSQ, 블랙 다이아몬드(black diamond) 등을 이용할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "그래핀(graphene)" 이라는 용어는 복수개의 탄소원자들이 서로 공유결합으로 연결되어 폴리시클릭 방향족 분자를 형성하는 그래핀이 시트 형태를 형성한 것으로서, 공유결합으로 연결된 탄소원자들은 기본 반복단위로서 6원환을 형성하나, 5원환 및/또는 7원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 따라서 그래핀 시트는 서로 공유 결합된 탄소원자들(통상 sp2 결합)의 단일층을 이룬다. 그래핀 시트는 다양한 구조를 가질 수 있으며, 이와 같은 구조는 그래핀 내에 포함될 수 있는 5원환 및/또는 7원환의 함량에 따라 달라질 수 있다.
도 2는 본 발명을 일 실시예에 따른 그래핀 합성 장치를 개략적으로 나타낸 측단면도이다. 도2에서는 설명의 편의를 위하여 금속박판(10)이 단일의 금속층으로 형성된 경우로 도시하였다.
도 2를 참조하면, 그래핀 합성 장치는 챔버(100), 유입부(110), 배출부(120), 주 가열부(130), 냉각부(150) 및 제1,2 흡착부(160, 170)를 포함할 수 있다.
챔버(100)는 대략 육면체의 형상이며, 내부에는 금속박판(10)이 안치될 수 있는 공간을 정의한다. 챔버(100)는 SUS 와 같은 소재로 제작될 수 있다. 챔버(100)의 일측에는 가스가 드나들 수 있는 유입부(110)가 구비되어 있으며, 유입부(110)와 반대편, 즉 챔버(100)의 타측에는 가스가 드나들 수 있는 배출부(120)가 구비되어 있다.
유입부(110)를 통해 챔버(100)의 내부 공간으로 탄소를 포함하는 가스가 공급될 수 있다. 탄소를 포함하는 가스는 그래핀 형성을 위한 소스 가스로서, 예컨대 일산화탄소, 이산화탄소, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠 및 톨루엔으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.
한편, 유입부(110)를 통해 분위기 가스도 챔버(100)의 내부 공간으로 유입될 수 있다. 분위기 가스는 헬륨이나 아르곤 같은 불활성 가스, 또는/및 금속박판(10)의 표면을 깨끗하게 유지하기 위한 수소와 같은 비반응 가스를 포함할 수 있다.
배출부(120)는 그래핀 합성이 이루어진 후에 생성되는 잔류 가스를 외부로 배출할 수 있다.
한편, 유입부(110)와 배출부(120)의 개폐동작에 의하여, 그래핀의 합성이 수행되기 전에 챔버(100)의 내부는 진공 상태를 유지할 수 있다. 예컨대, 유입부(110)를 폐쇄한 상태에서 배출부(120)와 연결된 진공 펌프(미도시)를 가동함으로써 챔버(100)의 내부를 진공으로 만들 수 있다.
주 가열부(130)는 그래핀 합성에 필요한 주요 열원으로서, 챔버(100)의 내부로 빛을 방출함으로써 챔버(100) 내부에 안치된 금속박판(10)을 가열한다. 주 가열부(130)는 챔버(100)의 적어도 일측에 배치되어 금속박판(10)의 제1 면 및 제1 면과 반대측에 구비된 제2 면 중 적어도 하나와 마주보도록 배치될 수 있다.
주 가열부(130)는 근적외선 파장대역을 포함하는 빛을 방출하는 램프(131)를 포함할 수 있다. 램프(131)에서 방출되는 빛의 대부분이 금속박판(10)을 향할 수 있도록 램프(131)의 일측에는 반사면(132)이 구비될 수 있다. 예컨대, 램프(131)의 제1 면은 금속박판(10)을 향해 노출되어 있으며, 제1 면과 반대편인 램프(131)의 제2 면에는 반사면(132)이 구비될 수 있다.
본 발명의 비교예로서, 인덕터 코일을 이용하여 챔버를 가열하는 방식은, 챔버의 내부 공간을 전체적으로 데움으로써 금속박판(10)까지 데우는 간적접인 가열 형태이므로 그래핀 합성에 필요한 온도를 형성하는데 오랜 시간이 걸린다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따르면 근적외선 파장대역의 빛이 금속박판(10)에 직접 조사되어 금속박판(10) 자체의 온도를 상승시키므로, 금속박판(10)을 그래핀 합성에 적절한 온도로 단시간에 가열할 수 있다.
주 가열부(130)에 구비된 복수의 램프(131)들의 출력을 제어함으로써 금속박판(10)을 일정한 온도로 가열할 수 있다. 금속박판(10)은 주 가열부(130)에 의하여 그래핀 합성에 적절한 온도까지 상승할 수 있다. 가열된 금속박판(10)의 표면에는 소스 가스에 존재하는 탄소성분들이 금속박판(10)에 흡수된다. 이를 소정의 냉각속도로 냉각하면 균일한 배열을 갖는 그래핀을 얻을 수 있다.
이를 위해, 냉각부(150)는 챔버(100)의 외부에 형성되어, 챔버(100)의 내부를 냉각시킬 수 있다. 냉각부(150)는 챔버(100)의 외부에 형성되며, 격벽(151)이 구비되어 유로(152)를 형성할 수 있다. 유로(152)는 챔버(100)의 외주를 둘러싸면서 순환하는 구조로 형성되며, 냉각수가 유로(152)를 통해 챔버(100)의 외주를 순환하면서 챔버(100)를 냉각시킬 수 있다.
냉각부(150)를 유동하는 냉각수에 의하여 약 분당 섭씨 30도 내지 600도 정도(섭씨 30 도/min 내지 600 도/min)의 냉각 속도로 급속히 냉각을 수행하여 금속박판(10)으로부터 탄소를 분리시켜 결정화하는 방법으로, 그래핀을 성장시킬 수 있다.
챔버(100)는 그 자체의 구조 및 냉각부(150)의 구조에 의하여 온도 구배를 가질 수 있다. 예컨대, 챔버(100)의 제1 가장자리 영역(b)은 챔버(100)의 중간 영역(a)에 비하여 상대적으로 온도가 낮을 수 있다. 제1 가장자리 영역(b)은 가스가 유입 또는 배출되는 유입부(110)와 배출부(120)가 인접하게 구비된 상태이고, 챔버(100)와 인접하므로 중간 영역에 비하여 상대적으로 챔버(100) 자체에 의해 열을 빼앗기기 쉽다. 뿐만 아니라 챔버(100)의 외주를 흐르는 냉각수에 의해서도 열을 빼앗기므로 챔버(100)의 제1 가장자리 영역(b)은 중간 영역(a)에 비하여 온도가 낮을 수 있다.
주 가열부(130)에서 조사되는 빛에 의해 가열되는 금속박판(10)은 그 한계 온도 이상으로 가열되는 경우 금속박판(10)을 이루는 금속입자가 기화(evaporation)되면서 챔버(100)의 내부를 부유하게 된다. 기화되어 챔버(100) 내부를 부유하는 금속입자는 상대적으로 온도가 낮은 제1 가장자리 영역(b) 측에 놓인 챔버(100)의 내측면 또는 유입부(110)와 배출부(120) 측에 부착되어, 그래핀 합성의 효율을 저하시킬 수 있다. 이와 같은 현상을 방지하기 위하여 제1 흡착부(160)가 챔버(100)의 제1 가장자리 영역(b)에 구비될 수 있다.
제1 흡착부(160)는 챔버(100)의 제1 가장자리 영역(b), 예컨대 금속박판(10)의 가장자리와 인접하게 배치되어, 금속박판(10)에서 기화된 금속입자를 흡착할 수 있다. 한편, 제1 흡착부(160)는 유입부(110) 및 배출부(120)와 인접하게 배치될 수 있다. 제1 흡착부(160)는 주 가열부(130)에 의해서도 쉽게 가열되어 기화되지 않는 그라파이트 소재를 포함할 수 있다.
한편, 제2 흡착부(170)는 챔버(100)의 또 다른 가장자리 영역 제2 가장자리 영역(c)인 주 가열부(130)의 뒤쪽에 구비될 수 있다. 주 가열부(130)의 뒤쪽에 구비된 챔버(100)의 제2 가장자리 영역(c)은, 챔버(100)와 인접하게 구비되어 있으므로 챔버(100)의 중간 영역 (a)에 비하여 상대적으로 온도가 낮은 영역일 수 있다. 따라서, 금속박판(10)을 가열함으로써 생성된 기화된 금속입자 중 제1 흡착부(160)에 흡착되지 못하고 부유하는 나머지 금속입자를 흡착하도록 제2 흡착부(170)는 주 가열부(130)의 뒤쪽에 구비된 챔버(100)의 제2 가장자리 영역(c)에 배치될 수 있다.
제2 흡착부(170)도 제1 흡착부(160)와 마찬가지로, 주 가열부(130)에 의해서 쉽게 가열되어 기화되지 않는 그라파이트 소재를 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명을 또 다른 실시예에 따른 그래핀 합성 장치를 개략적으로 나타낸 측단면도이다. 도 3에서도 설명의 편의를 위하여 금속박판(10)이 단일의 금속층으로 형성된 경우로 설명한다.
도 3을 참조하면, 그래핀 합성 장치는 챔버(200), 유입부(210), 배출부(220), 주 가열부(230), 보조 가열부(240), 냉각부(250) 및 제1,2 흡착부(260, 270)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 그래핀 합성 장치 중 챔버(200), 챔버(200)에 구비된 유입부(210)와 배출부(220), 및 냉각부(250)의 구성은 앞서 도 2를 참조하여 설명한 그래핀 합성 장치의 챔버(100), 챔버(100)에 구비된 유입부(110)와 배출부(120), 및 냉각부(150)의 구성과 동일하다. 동일한 구성에 대해서는 도 2를 참조하여 설명한 내용으로 갈음하며, 이하에서는 차이점을 위주로 설명한다.
주 가열부(230)는 그래핀 합성에 필요한 주요 열원으로서, 챔버(200)의 내부로 빛을 방출함으로써 챔버(200) 내부에 안치된 금속박판(10)을 가열한다. 또한, 금속박판(10)과 상호 이격되어 배치된 보조 가열부(240)를 가열할 수 있다.
주 가열부(230)는 근적외선 파장대역을 포함하는 빛을 방출하는 램프(231)를 포함할 수 있다. 램프(231)에서 방출되는 빛의 대부분이 금속박판(10) 측을 향할 수 있도록 램프(231)의 일측에는 반사면이 구비될 수 있다. 예컨대, 램프(231)의 제1 면은 금속박판(10)을 향해 노출되어 있으며, 제1 면과 반대편인 램프(231)의 제2 면에는 반사면이 구비될 수 있다.
보조 가열부(240)는 금속박판(10)의 제1 면 및 제1 면과 반대편에 구비된 제2 면 중 적어도 어느 하나의 면과 상호 이격된 채 마주보도록 배치될 수 있다. 금속박판(10)과 보조 가열부(240) 사이에 형성된 중간 영역(a)은 다른 영역(b, c)에 비하여 상대적으로 온도가 높은 영역이 될 수 있다. 예컨대, 주 가열부(230)에서 방출된 빛에 의하여 금속박판(10)뿐만 아니라 보조 가열부(240)도 가열한다. 즉, 주 가열부(230)에서 방출된 빛에 의해 금속박판(10)이 가열되면서 금속박판(10) 자체의 온도가 상승될 뿐만 아니라 금속박판(10)에서 발생되는 열에 의하여 금속박판(10)의 주변의 온도, 즉 중간 영역(a)의 온도가 국소적으로 상승한다. 또한, 주 가열부(230)에서 방출된 빛에 의해 보조 가열부(240)도 가열되면서 보조 가열부(240)의 주변의 온도, 즉 중간 영역(a)의 온도가 국소적으로 상승하게 된다.
보조 가열부(240)를 구비함으로써 주 가열부(230)에서 방출되는 빛에 의한 금속박판(10)의 급격한 온도 상승을 방지할 수 있으며, 금속박판(10) 주변의 온도를 가두는 역할을 수행하여 그래핀 합성에 필요한 환경을 비교적 오랫동안 일정하게 유지시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 챔버(200)는 그 자체의 소재와 유입부(210)와 배출부(220)의 구조, 냉각부(250)의 구조, 및 보조 가열부(240)의 구조에 의하여 온도 구배를 가질 수 있다. 보조 가열부(240)에 의해 형성된 공간 중, 금속박판(10)의 중심 영역과 대응되는 챔버(200)의 중간 영역(a)은 챔버(200)의 금속박판(10)의 가장자리 영역과 대응되는 제1 가장자리 영역(b) 에 비하여 온도가 상대적으로 높다.
챔버(200)의 제1 가장자리 영역(b)는 가스가 유입 또는 배출되는 유입부(210)와 배출부(220)가 인접하게 구비된 상태이고, 챔버(200)와 인접하므로 중간 영역(a)에 비하여 상대적으로 챔버(200)에 의해 열을 빼앗기기 쉽다. 뿐만 아니라 챔버(200)의 외주를 흐르는 냉각수에 의해서, 챔버(200)의 제1 가장자리 영역(b)은 중간 영역(a)에 비하여 온도가 낮게 형성될 수 있다.
제1 흡착부(260)는 가열된 금속박판(10)으로부터 기화되어 부유하는 금속입자를 흡착하기 위하여, 금속박판(10)의 가장자리와 인접하게 배치될 수 있다. 제1 흡착부(260)는 주 가열부(230) 또는/및 보조 가열부(240)에 의해서 쉽게 가열되어 기화되지 않는 그라파이트 소재를 포함할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 보조 가열부(240), 제1 흡착부(260) 및 금속박판(10)의 배치상태를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 설명의 편의를 위하여 도 4a 및 도 4b에서는 보조 가열부(240), 제1 흡착부(260) 및 금속박판(10) 간의 간격을 과장하여 도시하였다.
도 4a를 참조하면, 보조 가열부(240)는 금속박판(10)을 사이에 두고 서로 평행하게 배치되며, 금속박판(10)과 보조 가열부(240) 사이에는 제1 흡착부(260)가 구비될 수 있다. 제1 흡착부(260)는 중간 영역(a)에 비하여 상대적으로 온도가 낮은 금속박판(10)의 가장자리 둘레를 따라 배치될 수 있다. 예컨대, 제1 흡착부(260)는 가운데가 천공된 프레임의 형상으로서, 제1 가장자리 영역(b)에 배치되어 기화된 금속입자를 흡착할 수 있다.
도 4b를 참조하면, 제1 흡착부(260)는 복수의 흡착 유닛을 포함할 수 있다. 복수의 흡착 유닛은 제1 가장자리 영역(b)을 따라 일정한 간격으로 배치될 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 제2 흡착부(270)는 챔버(200)의 또 다른 가장자리 영역인 주 가열부(230)의 뒤쪽에 구비된 챔버(200)의 제2 가장자리 영역(c)에 구비될 수 있다. 주 가열부(230)의 뒤쪽에 구비된 제2 가장자리 영역(c)은, 챔버(200)와 인접하게 구비되어 있으므로 챔버(200)의 중간 영역(a)에 비하여 상대적으로 온도가 낮은 영역일 수 있다. 또한, 챔버(200)의 제1 가장자리 영역(b) 보다도 온도가 낮을 수 있다.
금속박판(10)을 가열함으로써 생성된 기화된 금속입자 중 제1 흡착부(260)에 흡착되지 못하고 부유하는 나머지 금속입자는 주 가열부(230)의 뒤쪽에 구비된 제2 흡착부(270)에 흡착될 수 있다. 제2 흡착부(270)도 제1 흡착부(260)와 마찬가지로, 가열부에 의해서 쉽게 가열되어 기화되지 않는 그라파이트 소재를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀 합성 장치를 개략적으로 나타낸 측단면도이다. 도 5에서도 설명의 편의를 위하여 금속박판(10)이 단일의 금속층으로 형성된 경우로 설명한다.
도 5를 참조하면, 그래핀 합성 장치는 챔버(300), 유입부(310), 배출부(320), 주 가열부(330), 보조 가열부(340), 냉각부(350) 및 제1,2 흡착부(360, 370)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 그래핀 합성 장치 중 챔버(300), 챔버(300)에 구비된 유입부(310)와 배출부(320), 및 냉각부(350)의 구성은 앞서 도 2를 참조하여 설명한 그래핀 합성 장치의 챔버(100), 챔버(100)에 구비된 유입부(110)와 배출부(120), 및 냉각부(150)의 구성과 동일하다. 한편, 주 가열부(330)와 보조 가열부(340)는 앞서 도 3을 참조하여 설명한 주 가열부(230) 및 보조 가열부(240)와 동일하므로 동일한 구성에 대해서는 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 내용으로 갈음하고, 이하에서는 차이점을 위주로 설명한다.
보조 가열부(340)는 금속박판(10)의 제1 면 및 제1 면과 반대편에 구비된 제2 면 중 적어도 어느 하나의 면과 상호 이격된 채 마주보도록 배치될 수 있다. 금속박판(10)과 보조 가열부(340) 사이에 형성된 중간 영역(a)은 다른 영역(b, c)에 비하여 상대적으로 온도가 높은 영역이 될 수 있다. 예컨대, 주 가열부(330)에서 방출된 빛에 의하여 기판뿐만 아니라 보조 가열부(340)도 가열한다. 즉, 주 가열부(330)에서 방출된 빛에 의해 기판이 가열되면서 금속박판(10) 자체의 온도가 상승될 뿐만 아니라 금속박판(10)에서 발생되는 열에 의하여 금속박판(10) 주변의 온도, 즉 중간 영역(a)의 온도가 국소적으로 상승한다. 또한, 주 가열부(330)에서 방출된 빛에 의해 보조 가열부(340)도 가열되면서 보조 가열부(340)의 주변의 온도, 즉 중간 영역(a)의 온도가 국소적으로 상승하게 된다.
보조 가열부(340)를 구비함으로써 주 가열부(330)에서 방출되는 빛에 의한 금속박판(10)의 급격한 온도 상승을 방지할 수 있으며, 금속박판(10) 주변의 온도를 가두는 역할을 수행하여 그래핀 합성에 필요한 환경을 비교적 오랫동안 일정하게 유지시킬 수 있다. 보조 가열부(340)의 폭은 금속박판(10)의 폭과 실질적으로 동일하게 형성될 수 있다.
제1 흡착부(360)는 금속박판(10)의 가장자리와 인접하도록, 보조 가열부(340)와 동일한 평면상에 배치될 수 있다. 제1 흡착부(360)는 보조 가열부(340)와 동일한 소재, 예컨대 그라파이트 소재를 포함할 수 있다. 제1 흡착부(360)는 보조 가열부(340)와 마찬가지로 주 가열부(330)에서 방출되는 빛에 의해 온도가 상승될 수 있으며, 금속박판(10)과의 공간에 형성된 열을 가두는 역할을 수행할 수도 있다. 다만, 제1 흡착부(360)의 주된 기능은 기화된 금속입자를 흡착하기 위한 것이므로, 제1 흡착부(360)의 열용량은 보조 가열부(340)의 열용량 보다 작게 형성함이 바람직하다. 이를 위해, 제1 흡착부(360)의 두께 및 폭은 보조 가열부(340)의 두께 및 폭보다 작게 형성할 수 있다.
그러나, 제1 흡착부(360)가 구비된 챔버(300)의 제1 가장자리 영역(b), 즉 금속박판(10)의 가장자리 영역과 대응되는 영역은 챔버(300)의 중간 영역(a), 즉 금속박판(10)의 중심 영역과 대응되는 영역에 비하여 온도가 상대적으로 낮다.
제1 가장자리 영역(b)는 가스가 유입 또는 배출되는 유입부(310)와 배출부(320)가 인접하게 구비된 상태이고, 챔버(300)와 인접하므로 중간 영역(a)에 비하여 상대적으로 챔버(300)에 의해 열을 빼앗기기 쉽다. 뿐만 아니라 챔버(300)의 외주를 흐르는 냉각수에 의해서, 챔버(300)의 제1 가장자리 영역(b)은 중간 영역(a)에 비하여 온도가 낮게 형성될 수 있다.
가열된 금속박판(10)으로부터 기화된 급속입자는 상대적으로 온도가 낮은 영역에 구비된 제1 흡착부(360)에 흡착될 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 보조 가열부(340), 제1 흡착부(360) 및 금속박판(10)의 배치상태를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 설명의 편의를 위하여 도 6a 및 도 6b에서는 보조 가열부(340), 제1 흡착부(360) 및 금속박판(10) 간의 간격을 과장하여 도시하였다.
도 6a를 참조하면, 보조 가열부(340)는 금속박판(10)을 사이에 두고 서로 평행하게 배치되며, 보조 가열부(340)의 양측에 제1 흡착부(360)가 구비될 수 있다.
도 6b를 참조하면, 제1 흡착부(360)는 가운데가 천공된 프레임의 형상으로서, 제1 가장자리 영역(b)에 배치되어 기화된 금속입자를 흡착할 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 제2 흡착부(370)는 챔버(300)의 또 다른 가장자리 영역인 주 가열부(330)의 뒤쪽에 구비된 챔버(300)의 제2 가장자리 영역(c)에 구비될 수 있다. 주 가열부(330)의 뒤쪽에 구비된 제2 가장자리 영역(c)은, 챔버(300)와 인접하게 구비되어 있으므로 챔버(300)의 중간 영역(a)에 비하여 상대적으로 온도가 낮은 영역일 수 있다. 또한, 챔버(300)의 제1 가장자리 영역(b) 보다도 온도가 낮을 수 있다.
금속박판(10)을 가열함으로써 생성된 기화된 금속입자 중 제1 흡착부(360)에 흡착되지 못하고 부유하는 나머지 금속입자는 주 가열부(330)의 뒤쪽에 구비된 제2 흡착부(370)에 흡착될 수 있다. 제2 흡착부(370)도 제1 흡착부(360)와 마찬가지로, 가열부에 의해서 쉽게 가열되어 기화되지 않는 그라파이트 소재를 포함할 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
100, 200, 300: 챔버
110, 210, 310: 유입부
120, 220, 320: 배출부
130, 230, 330: 주 가열부
240, 340: 보조 가열부
150, 250, 350: 냉각부
160, 260, 360: 제1 흡착부
170, 270, 370: 제2 흡착부
a: 중간 영역
b: 제1 가장자리 영역
c: 제2 가장자리 영역

Claims (14)

  1. 내부에 금속박판이 안치되는 챔버;
    상기 챔버의 내부로 탄소를 포함하는 가스를 공급하는 유입부;
    상기 챔버 내부의 가스를 외부로 배출하는 배출부;
    상기 챔버의 적어도 일측면에 구비되며, 상기 금속박판을 향하여 빛을 방출함으로써 상기 금속박판을 가열하는 주 가열부; 및
    상기 챔버의 내부에서 상기 금속박판의 가장자리와 인접하게 배치되며, 상기 금속박판을 가열함에 따라 상기 금속박판으로부터 기화된 금속입자를 흡착하는 흡착부;를 포함하는 그래핀 합성 챔버.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주 가열부는 상기 챔버의 내부에서 상기 금속박판의 제1 면 및 제1 면과 반대측에 구비된 제2 면 중 적어도 하나와 마주보도록 배치되고,
    상기 흡착부는 상기 유입부 및 상기 배출부와 인접하게 배치되는 그래핀 합성 챔버.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속박판과 상호 이격된 채 마주보도록 배치되며, 상기 주 가열부에서 방출되는 열을 흡수하여 상기 금속박판을 향해 방출하는 보조 가열부;를 더 포함하는 그래핀 합성 챔버.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 흡착부는,
    상기 금속박판과 상기 보조 가열부 사이에 구비되며, 상기 금속박판의 가장자리 둘레를 따라 배치되는 그래핀 합성 챔버.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 챔버의 내부를 냉각시키기 위해 상기 챔버의 외주에 배치되는 냉각부;를 더 포함하는 그래핀 합성 챔버.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 주 가열부는 상기 주 가열부의 제1 면이 상기 금속박판과 마주보도록 배치되고,
    상기 주 가열부의 제1 면과 반대편에 구비된 상기 주 가열부의 제2 면 측에 구비되며, 상기 금속박판으로부터 기화된 금속입자를 흡착하는 제2 흡착부;를 더 포함하는 그래핀 합성 챔버.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 흡착부는 그래파이트를 포함하는 그래핀 합성 챔버.
  8. 내부에 금속박판이 안치되는 챔버;
    상기 챔버의 내부로 탄소를 포함하는 가스를 공급하는 유입부;
    상기 챔버 내부의 가스를 외부로 배출하는 배출부;
    상기 챔버의 적어도 일측면에 구비되며, 상기 금속박판을 향하여 빛을 방출함으로써 상기 금속박판을 가열하는 주 가열부;
    상기 금속박판과 상호 이격된 채 마주보도록 배치되며, 상기 주 가열부에서 방출되는 열을 흡수하여 상기 금속박판을 향해 방출하는 보조 가열부; 및
    상기 금속박판의 가장자리와 인접하게 배치되며, 상기 금속박판을 가열함에 따라 상기 금속박판으로부터 기화된 금속입자를 흡착하는 흡착부;를 포함하는 그래핀 합성 챔버.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 보조 가열부는 상기 금속박판의 중심 영역과 마주보도록 배치되며,
    상기 흡착부는 상기 보조 가열부의 양측 또는 상기 보조 가열부의 가장자리 둘레에 배치되는 그래핀 합성 챔버.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 보조 가열부와 상기 흡착부는 동일한 소재를 포함하는 그래핀 합성 챔버.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보조 가열부의 열용량은 상기 흡착부의 열용량 보다 큰 그래핀 합성 챔버.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 챔버의 내부를 냉각시키기 위해 상기 챔버의 외주에 배치되는 냉각부;를 더 포함하는 그래핀 합성 챔버.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 주 가열부는 상기 주 가열부의 제1 면이 상기 금속박판과 마주보도록 배치되고,
    상기 주 가열부의 제1 면과 반대편에 구비된 상기 보조 가열부의 제2 면 측에 구비되며, 상기 금속박판으로부터 기화된 금속입자를 흡착하는 제2 흡착부;를 더 포함하는 그래핀 합성 챔버.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 흡착부는 그래파이트를 포함하는 그래핀 합성 챔버.
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