KR20140024561A - 그래핀 코팅된 금속 도체 및 이를 포함하는 가요성 평판 케이블 - Google Patents

그래핀 코팅된 금속 도체 및 이를 포함하는 가요성 평판 케이블 Download PDF

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Abstract

본원은 그래핀 코팅된 금속 도체 및 이를 포함하는 가요성 평판 케이블 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

그래핀 코팅된 금속 도체 및 이를 포함하는 가요성 평판 케이블 {GRAPHENE COATED METAL CONDUCTOR AND FLEXIBLE FLAT CABLE CONTAINING THE SAME}
본원은 그래핀 코팅된 금속 도체, 이를 포함하는 가요성 평판 케이블, 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
가요성 평판 케이블은 CDP, MP3, 오디오, 비디오, 스캐너, 프린터, 무선 전화, 팩스, 셋-톱 박스, PDP, LCD모니터, M/C, 노트북, 자동차 오디오 등 다양한 전자제품에 사용되고 있다. 특히, 고성능의 디지털 가전 제품의 경우에는 각종 부품들간에 또는 각종 기기들간에 대량의 데이터를 정보 손실 없이 효과적으로 전송할 수 있는 시스템이 요구된다. 이와 같이, 디지털 가전 제품에서는 신호 전달 성능이 그 제품의 성능으로 직결되기 때문에 데이터 전송 시스템에 대한 성능 향상의 노력이 중점적으로 이루어지고 있으며, 이러한 디지털 가전 제품의 성능 향상을 위하여, 데이터 전송량의 증가에 따른 신호 전송 속도의 고속화를 구현할 수 있도록 사용 주파수의 고주파화와 함께 새로운 인터페이스 기술이 요구되고 있다. 현재 구리 평판 도체선의 경우 공기에 노출시 공기 중 수증기 및 산소 등과 반응하여 표면에 산화구리층 형성을 형성하는 등의 문제로 인한 전기전송속도 감소로 고속 데이터 전송에 어려움을 겪고 있어 이것에 대한 개선책이 필요한 상황이다. 이러한 문제점을 해결하고자 고속 전송 시 표피 효과에 의한 원리를 이용해 전기전도도가 뛰어난 Au, Ag, Sn 등을 구리 표면에 도금하는 방법이 사용되고 있으나, 소재 비용이 증가하는 문제점이 있다 (대한민국 등록특허 제10-1044324호).
탄소 원자들이 2차원 상에서 벌집 모양의 배열을 이루면서 원자 한 층의 두께를 가지는 전도성 물질인 그래핀이 3차원으로 쌓여 형성된 흑연은 구조적, 화학적으로도 매우 안정할 뿐 아니라 매우 뛰어난 전기전도특성과 탄소의 sp2 결합에 의한 산소 배리어 특성이 아주 우수한 것으로 알려져 있다. 또한, 구리선의 경우 회로선 폭이 작아질수록 노이즈에 위한 고주파신호 전송에 어려움이 있으나, 그래핀의 경우 좁은 선폭에서도 노이즈 영향없이 고주파 신호 전송에 유리하다는 결과가 보고되고 있다.
이에, 본원은 금속 도체에 그래핀을 코팅하여 형성된 그래핀 코팅된 금속 도체, 이를 포함하는 가요성 평판 케이블, 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 기술한 과제로 제한되지 않으며, 기술되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 금속 도체, 및 상기 금속 도체 표면에 형성된 그래핀층을 포함하는, 그래핀 코팅된 금속 도체를 제공한다.
본원의 제 2 측면은, 상기 제 1 측면의 그래핀 코팅된 금속 도체를 포함하는, 가요성 평판 케이블을 제공한다.
본원의 제 3 측면은, 금속 도체에 그래핀을 코팅하는 것을 포함하는, 그래핀 코팅된 금속 도체의 제조 방법을 제공한다.
본원의 그래핀 코팅된 금속 도체는, 구리 또는 구리 합금과 같은 금속 도체 표면에 그래핀(graphene)을 코팅한 적층 구조의 도체를 형성함으로써 특성 임피던스를 구현할 수 있고, 저전압으로 신호를 전송할 수 있으며, 2.4Gbps 이상의 전송 속도를 실현하여 고속으로 데이터를 전송할 수 있고, 신호 전달 과정에서 발생하는 전자파 장애(Electro Magnetic Interference: EMI)를 효과적으로 저감할 수 있는 가요성 케이블의 개발을 가능하게 한다. 그래핀은 다른 소재에 비하여 열전도도, 전자파차폐, 내열성, 내화학성 및 산소차폐 특성 등 다수의 월등한 특성을 갖기 때문에 그래핀을 코팅한 평판 도체는 고속 데이터 전송 목적의 케이블을 사용하는 폭넓은 산업 분야에 적용 가능하다.
또한, 그래핀 코팅된 금속 도체를 포함하는 전자 소자 등은 내산화 특성이 좋아짐으로써 높은 전기적 성질을 보다 장시간 동안 유지할 수 있다.
도 1은 본원의 일 구현예에 따른 그래핀 코팅된 평판 도체의 제조 과정을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본원의 일 구현예에 따른 그래핀 코팅된 평판 도체의 제조 과정을 나타낸 개략도이다.
도 3은 본원의 일 구현예에 따른 그래핀 코팅된 환형 도체의 제조 과정을 나타낸 개략도이다.
도 4는 본원의 일 구현예에 따른 그래핀 코팅된 환형 도체의 제조 과정을 나타낸 개략도이다.
도 5는 본원의 일 구현예에 따른 그래핀 코팅된 금속 도체의 롤-투-롤 제조 장치를 나타낸 것이다.
도 6은 본원의 일 구현예에 따른 가요성 평판 케이블의 사시도이다.
도 7은 본원의 일 구현예에 따른 가요성 평판 케이블의 아이 패턴(Eye Pattern)을 나타낸 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합들"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A, B, 또는, A 및 B"를 의미한다.
본원의 제 1 측면은, 금속 도체 및 상기 금속 도체 표면에 형성된 그래핀층을 포함하는, 그래핀 코팅된 금속 도체를 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속 도체는 평판 도체 또는 환형 도체를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속 도체는 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, 황동(brass), 청동(bronze), 백동(white brass), 스테인레스 스틸(stainless steel), Ge 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 금속 도체는 구리 또는 구리 합금일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속 도체는, 상기 금속 도체의 표면에 고밀도의 그래핀층을 성장시키고 산화방지 효과를 증강시키기 위하여, 그의 표면에 형성된 그래핀 성장용 금속 촉매층을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 그래핀 성장용 금속 촉매층은 탄소 용해도가 우수한 금속이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, 황동(brass), 청동(bronze), 백동(white brass), 스테인레스 스틸(stainless steel), Ge 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 그래핀 성장용 금속 촉매층은 전기 도금을 통해 상기 금속 도체에 형성될 수 있으며, 예를 들어, 약 0.01 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 약 0.05 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 약 0.1 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 약 0.5 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 약 5 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 약 0.01 ㎛ 내지 약 5 ㎛, 약 0.01 ㎛ 내지 약 1 ㎛, 또는 약 0.01 ㎛ 내지 약 0.1 ㎛의 두께일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀층은 단일층 또는 다층의 그래핀층을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 그래핀층의 층 수를 조절하여 두께를 조절할 수 있으며, 예를 들어, 약 0.1 nm 내지 약 100 nm, 약 0.5 nm 내지 약 100 nm, 약 1 nm 내지 약 100 nm, 약 5 nm 내지 약 100 nm, 약 10 nm 내지 약 100 nm, 약 20 nm 내지 약 100 nm, 약 30 nm 내지 약 100 nm, 약 40 nm 내지 약 100 nm, 약 50 nm 내지 약 100 nm, 약 60 nm 내지 약 100 nm, 약 70 nm 내지 약 100 nm, 약 80 nm 내지 약 100 nm, 약 90 nm 내지 약 100 nm, 약 0.1 nm 내지 약 90 nm, 약 0.1 nm 내지 약 80 nm, 약 0.1 nm 내지 약 70 nm, 약 0.1 nm 내지 약 60 nm, 약 0.1 nm 내지 약 50 nm, 약 0.1 nm 내지 약 40 nm, 약 0.1 nm 내지 약 30 nm, 약 0.1 nm 내지 약 20 nm, 약 0.1 nm 내지 약 10 nm, 약 0.1 nm 내지 약 5 nm, 또는 약 0.1 nm 내지 약 1 nm의 두께일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 그래핀 성장용 금속 촉매층의 형성에 의해 상기 그래핀층은 고밀도의 다층 그래핀으로 상기 금속 도체의 표면에 성장하여 코팅될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 그래핀층의 두께에 따라 투명도, 전도도, 산소 차폐 효과 수치에 영향을 미치게 되므로, 그래핀의 층수를 조절하여 요구되는 두께로 형성할 수 있다.
본원의 제 2 측면은, 상기 제 1 측면의 그래핀 코팅된 금속 도체를 포함하는 가요성 평판 케이블을 제공한다.
본원의 제 3 측면은, 금속 도체에 그래핀을 코팅하는 것을 포함하는, 그래핀 코팅된 금속 도체의 제조 방법을 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속 도체는 평판 도체 또는 환형 도체를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀은 화학기상층착법(CVD)에 의해 합성되어 동시에 코팅되는 것으로, 예를 들어, 상기 그래핀은 탄소 소스를 포함하는 반응 가스를 주입하여 상기 금속 도체 표면에 화학기상증착법에 의하여 그래핀이 합성되어 동시에 코팅되는 것이나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 화학기상증착법은 열 화학기상증착법 (thermal chemical vapor deposition; T-CVD), 급속 열처리 화학기상증착법 (rapid thermal chemical vapor deposition; RTCVD), 플라즈마 화학기상증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition; PECVD), 유도전류플라즈마 화학기상증착법(inductively coupled plasma enhanced chemical vapor deposition; ICPCVD), 유기금속 화학기상증착법(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD), 저압화학증기증착(low pressure chemical vapor deposition; LPCVD), 상압화학증기증착(atmospheric pressure chemical vapor deposition; APCVD) 또는 Laser heating 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소 소스는 일산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 탄소 소스 또는 타르, 고분자, 석탄 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 고체상태의 탄소 소스를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 탄소 소스는 상기 탄소 소스만으로 존재하거나, 또는 헬륨, 아르곤 등과 같은 불활성 가스와 상기 탄소 소스가 함께 존재할 수도 있다. 또한, 상기 탄소 소스는 상기 탄소 소스와 더불어 수소를 포함할 수 있다. 수소는 상기 기재의 표면을 깨끗하게 유지하여 기상 반응을 제어하기 위하여 사용될 수 있으며, 용기 전체 부피의 약 1 내지 약 40 부피%로 사용가능하고, 예를 들어, 약 10 내지 약 30 부피%, 또는 약 15 내지 약 25 부피%일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 탄소 소스를 기상으로 공급하면서 열처리 하면 상기 탄소 소스에 존재하는 탄소 성분들이 결합하여 상기 금속 도체 표면에서 6 각형의 판상 구조를 형성하면서 그래핀이 합성된다. 상기 열처리에 의해 반응 온도는 약 300℃ 내지 약 2000℃ 정도로 유지되며, 약 10-2 내지 약 10-3 torr의 저압 하에 열처리가 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 언급한 방법에 의해 제조되는 그래핀은 단층 그래핀 또는 다층 그래핀일 수 있으며, 예를 들어, 약 0.1 nm 내지 약 100 nm, 약 0.5 nm 내지 약 100 nm, 약 1 nm 내지 약 100 nm, 약 5 nm 내지 약 100 nm, 약 10 nm 내지 약 100 nm, 약 20 nm 내지 약 100 nm, 약 30 nm 내지 약 100 nm, 약 40 nm 내지 약 100 nm, 약 50 nm 내지 약 100 nm, 약 60 nm 내지 약 100 nm, 약 70 nm 내지 약 100 nm, 약 80 nm 내지 약 100 nm, 약 90 nm 내지 약 100 nm, 약 0.1 nm 내지 약 90 nm, 약 0.1 nm 내지 약 80 nm, 약 0.1 nm 내지 약 70 nm, 약 0.1 nm 내지 약 60 nm, 약 0.1 nm 내지 약 500 nm, 약 0.1 nm 내지 약 40 nm, 약 0.1 nm 내지 약 30 nm, 약 0.1 nm 내지 약 20 nm, 약 0.1 nm 내지 약 10 nm, 약 0.1 nm 내지 약 5 nm, 또는 약 0.1 nm 내지 약 1 nm의 두께일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 그래핀 성장용 금속 촉매층의 형성에 의해 상기 그래핀층은 고밀도의 다층 그래핀으로 상기 금속 도체의 표면에 성장하여 코팅될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 그래핀층의 두께에 따라 투명도, 전도도, 산소 차폐 효과 수치에 영향을 미치게 되므로, 그래핀의 층수를 조절하여 요구되는 두께로 형성할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속 도체는 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, 황동(brass), 청동(bronze), 백동(white brass), 스테인레스 스틸(stainless steel), Ge 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 금속 도체는 구리 또는 구리 합금일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속 도체는, 상기 금속 도체의 표면에 고밀도의 그래핀층을 성장시키고 산화방지 효과를 증강시키기 위하여, 그의 표면에 형성된 그래핀 성장용 금속 촉매층을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 그래핀 성장용 금속 촉매층은 탄소 용해도가 우수한 금속이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, 황동(brass), 청동(bronze), 백동(white brass), 스테인레스 스틸(stainless steel), Ge 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 그래핀 성장용 금속 촉매층은 전기 도금을 통해 상기 금속 도체에 형성될 수 있으며, 예를 들어, 약 0.01 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 약 0.05 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 약 0.1 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 약 0.5 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 약 5 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 약 0.01 ㎛ 내지 약 5 ㎛, 약 0.01 ㎛ 내지 약 1 ㎛, 또는 약 0.01 ㎛ 내지 약 0.1 ㎛의 두께일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 본원의 그래핀 코팅된 금속 도체 및 이를 포함하는 가요성 평판 케이블 및 이의 제조 방법에 대하여 구현예 및 실시예를 도면을 이용하여 자세히 설명한다. 그러나, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1 및 도 2는 본원의 일 구현예에 따른 그래핀 코팅된 평판 도체의 제조 과정을 나타낸 개략도이며, 도 3 및 도 4는 본원의 일 구현예에 따른 그래핀 코팅된 환형 도체의 제조 과정을 나타낸 개략도이다.
본원의 그래핀 코팅된 금속 도체 또는 환형 도체는, 평판 또는 환형의 금속 도체(110)의 표면에 그래핀(120)을 코팅하여 제조될 수 있다. 예시적인 구현예에 있어서, 고밀도의 그래핀층 형성하고 산화방지 효과를 증강시키기 위하여, 상기 금속 도체(110)에 그래핀 성장용 금속 촉매층(130)을 형성한 후 그래핀(120)을 코팅할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적인 구현예에 있어서, 상기 금속 도체(110)는 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, 황동(brass), 청동(bronze), 백동(white brass), 스테인레스 스틸(stainless steel), Ge 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 금속 도체는 구리 또는 구리 합금일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적인 구현예에 있어서, 상기 그래핀 성장용 금속 촉매층(130)은 탄소 용해도가 우수한 금속이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, 황동(brass), 청동(bronze), 백동(white brass), 스테인레스 스틸(stainless steel), Ge 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적인 구현예에 있어서, 상기 그래핀(120)은 화학기상증착법(CVD)에 의해 합성됨과 동시에 코팅되는 단층 또는 다층의 그래핀층을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 그래핀 성장용 금속 촉매층(130)의 형성에 의해 상기 그래핀(120)은 고밀도의 다층 그래핀으로 상기 금속 도체(120)의 표면에 성장하여 코팅될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적인 구현예에 있어서, 상기 그래핀(120)은 화학기상층착법(CVD)에 의해 합성되어 동시에 코팅되는 것으로, 예를 들어, 상기 그래핀(120)은 탄소 소스를 포함하는 반응 가스를 주입하여 상기 금속 도체 표면에 화학기상증착법에 의하여 그래핀이 합성되어 동시에 코팅되는 것이나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 화학기상증착법은 열 화학기상증착법 (thermal chemical vapor deposition; T-CVD), 급속 열처리 화학기상증착법 (rapid thermal chemical vapor deposition; RTCVD), 플라즈마 화학기상증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition; PECVD), 유도전류플라즈마 화학기상증착법(inductively coupled plasma enhanced chemical vapor deposition; ICPCVD), 유기금속 화학기상증착법(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD), 저압화학증기증착(low pressure chemical vapor deposition; LPCVD), 상압화학증기증착(atmospheric pressure chemical vapor deposition; APCVD) 또는 Laser heating 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적인 구현예에 있어서, 상기 탄소 소스는 일산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 탄소 소스 또는 타르, 고분자, 석탄 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 고체상태의 탄소 소스를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 탄소 소스는 상기 탄소 소스만으로 존재하거나, 또는 헬륨, 아르곤 등과 같은 불활성 가스와 상기 탄소 소스가 함께 존재할 수도 있다. 또한, 상기 탄소 소스는 상기 탄소 소스와 더불어 수소를 포함할 수 있다. 수소는 상기 기재의 표면을 깨끗하게 유지하여 기상 반응을 제어하기 위하여 사용될 수 있으며, 용기 전체 부피의 약 1 내지 약 40 부피%로 사용가능하고, 예를 들어, 약 10 내지 약 30 부피%, 또는 약 15 내지 약 25 부피%일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 탄소 소스를 기상으로 공급하면서 열처리 하면 상기 탄소 소스에 존재하는 탄소 성분들이 결합하여 상기 금속 도체 표면에서 6 각형의 판상 구조를 형성하면서 그래핀이 합성된다. 상기 열처리에 의해 반응 온도는 약 300℃ 내지 약 2000℃ 정도로 유지되며, 약 10-2 내지 약 10-3 torr의 저압 하에 열처리가 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 언급한 방법에 의해 제조되는 그래핀은 단층 그래핀 또는 다층 그래핀일 수 있으며, 예를 들어, 약 0.1 nm 내지 약 100 nm, 약 0.5 nm 내지 약 100 nm, 약 1 nm 내지 약 100 nm, 약 5 nm 내지 약 100 nm, 약 10 nm 내지 약 100 nm, 약 20 nm 내지 약 100 nm, 약 30 nm 내지 약 100 nm, 약 40 nm 내지 약 100 nm, 약 50 nm 내지 약 100 nm, 약 60 nm 내지 약 100 nm, 약 70 nm 내지 약 100 nm, 약 80 nm 내지 약 100 nm, 약 90 nm 내지 약 100 nm, 약 0.1 nm 내지 약 90 nm, 약 0.1 nm 내지 약 80 nm, 약 0.1 nm 내지 약 70 nm, 약 0.1 nm 내지 약 60 nm, 약 0.1 nm 내지 약 50 nm, 약 0.1 nm 내지 약 40 nm, 약 0.1 nm 내지 약 30 nm, 약 0.1 nm 내지 약 20 nm, 약 0.1 nm 내지 약 10 nm, 약 0.1 nm 내지 약 5 nm, 또는 약 0.1 nm 내지 약 1 nm의 두께일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 5는 본원의 일 구현예에 따른 그래핀 코팅된 금속 도체의 롤-투-롤 제조 장치에 대한 것으로, 금속 도체(110)를 롤투롤 방식으로 공급하기 위한 제 1 롤러(210); 상기 제 1 롤러를 통해 공급된 금속부재의 표면 처리를 위한 전처리부(400); 상기 전처리된 금속도체(110)의 표면에 그래핀(120)을 합성과 동시에 코팅하기 위한 그래핀 합성부(300); 및 상기 그래핀 합성부를 통과한 그래핀(120)이 코팅된 금속 도체(110)를 냉각하기 위한 냉각부(500); 상기 냉각된 그래핀이 코팅된 금속 도체(110)를 롤투롤 방식으로 회수하기 위한 제 2 롤러(230)를 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에 있어서, 상기 그래핀(120)이 코팅된 금속 도체(110)를 상기 제 2 롤러(230)로 회수하기 전에 건조하기 위한 건조부를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전처리부(400)에서는 상기 제 1 롤러를 통해 공급되는 금속부재 표면 상에 플라즈마, 레이져, 예열 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 공정이 수행될 수 있다. 예를 들어, 필요에 따라 플라즈마 공정, 레이져 공정, 또는 예열 공정을 순차적으로 진행시킬 수 있다.
상기 플라즈마 공정 및 상기 레이져 공정은 그래핀이 합성될 금속부재 또는 금속촉매 상에 불순물을 제거하고 금속부재의 조직을 치밀하게 하며, 조직의 크기를 성장시키기 위해 사용될 수 있다. 이 경우, 상기 플라즈마 공정 및/또는 상기 레이져 공정에 의해 제거된 불순물의 이동을 방지하기 위하여, 상기 전처리부 내의 플라즈마 공정과 레이저 공정 사이에 격벽(430)을 설치할 수 있다. 또한 상기 전처리부의 입구 및/또는 출구에 외부 공기와의 유출입을 차단하기 위하여 격벽이 추가로 형성되어 있을 수 있다.
상기 예열 공정은 상기 그래핀 합성부에서 그래핀의 합성 및/또는 코팅 전에, 화학기상증착이 용이하게 일어날 수 있는 온도로 미리 금속부재를 가열하는 공정을 말한다. 상기 예열 공정은, 보다 바람직하게는, 상기 그래핀 합성부에서 고온 화학기상증착법을 사용하는 경우에 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 예열 공정에 의해 상기 금속부재는 상기 그래핀 합성부에서 화학기상증착이 용이하게 일어날수 있는 온도와 동일하게 또는 그보다 낮은 온도로 예열될 수 있다. 상기 온도는, 예를 들어 약 300℃ 내지 약 2000℃, 또는 약 300℃ 내지 약 1000℃, 또는 약 300℃ 내지 약 500℃를 포함한다.
예시적인 구현예에 있어서, 상기 냉각부는 공냉 또는 수냉식 냉각 장치를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 금속 도체(110)는, 상기 제 1 롤러(210)와 상기 제 2 롤러(230)의 구동에 의하여 상기 제 1 롤러(210)로부터 상기 그래핀 합성부(300) 및 필요한 경우 상기 냉각부 및/또는 건조부를 순차적으로 통과하면서 그래핀(120)이 코팅되어 상기 제 2 롤러(230)에 의하여 회수된다.
본원의 그래핀 코팅된 금속 도체의 롤-투-롤 제조 장치는 수직 또는 수평으로 배치할 수 있다. 상기 금속 도체(110)가 고온에서 변형 및/또는 휨 현상을 최소화하거나 방지하고 열의 구배를 안정적으로 유지시키기 위해 상기 장치를 수직으로 배치하는 것이 효과적일 수 있으며, 상기 수직으로 배치된 그래핀 코팅된 금속 도체의 롤-투-롤 제조 장치는 금속 도체 상에 그래핀 성장용 금속 촉매층(130)을 증착하여 그래핀(120)을 코팅하는 경우, 상기 촉매층(130)의 대면적 결정화가 가능하여 보다 용이하게 상기 금속 도체(110) 상에 그래핀(120)을 코팅할 수 있다. 또한 상기 장치를 수평으로 배치하는 경우 특별한 지그 제작을 통해 안정적으로 이송 가능하게 하여 상기 그래핀 코팅된 금속 도체의 롤-투-롤 제조 장치를 작동시킬 수 있다.
상기 그래핀 합성부(300)는 챔버 형태를 가지는 것일 수 있다. 상기 챔버 형태의 롤-투-롤 제조 장치는 금속 부재(110)의 표면 상에 그래핀(120)을 코팅하는 경우에 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본원의 그래핀 코팅된 금속 도체의 롤-투-롤 제조 장치는 안정적인 연속공정을 수행하기 위해 코팅공정 동안 저압 또는 진공 분위기를 유지할 수 있다.
그래핀 합성부(300)는 상기 전처리된 금속 도체(110)의 표면에 그래핀(120)을 합성과 동시에 코팅시킨다. 상기 그래핀(120)의 합성을 위한 방법으로는 당업계에서 통상적으로 사용되는 화학기상증착법(chemical vapor deposition) 이라면 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 열 화학기상증착법(thermal chemical vapor deposition; T-CVD), 급속 열처리 화학기상증착법(rapid thermal chemical vapor deposition; RTCVD), 플라즈마 화학기상증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition; PECVD), 유도전류플라즈마 화학기상증착법(inductively coupled plasma enhanced chemical vapor deposition; ICPCVD), 유기금속 화학기상증착법(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD), 저압화학증기증착(low pressure chemical vapor deposition; LPCVD), 상압화학증기증착(atmospheric pressure chemical vapor deposition; APCVD) 또는 Laser heating 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적 구현예에서, 상기 그래핀(120)의 합성과 코팅은 그래핀 합성부 내의 가스 노즐(310)을 통하여 탄소 소스를 포함하는 반응 가스가 주입되어, 상기 그래핀 합성부에서 상기 금속 도체(110) 표면에 화학기상증착법에 의하여 그래핀(120)이 합성되어 코팅되는 것일 수 있다. 상기 탄소 소스를 포함하는 반응가스는 상기 탄소 소스만으로 존재하거나, 또는 헬륨, 아르곤 등과 같은 불활성 가스와 상기 탄소 소스가 함께 존재할 수도 있다. 또한, 상기 탄소 소스를 포함하는 반응가스는 상기 탄소 소스와 더불어 수소를 포함할 수 있다. 수소는 상기 기재의 표면을 깨끗하게 유지하여 기상 반응을 제어하기 위하여 사용될 수 있으며, 용기 전체 부피의 약 1 부피% 내지 약 40 부피% 로 사용가능하고, 예를 들어, 약 10 부피% 내지 약 30 부피%, 또는 약 5 부피% 내지 약 25 부피% 이다.
상기 탄소 소스는 일산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 탄소 소스 또는 타르, 고분자, 석탄 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 고체상태의 탄소 소스를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 탄소 소스를 포함하는 반응 가스를 기상으로 상기 그래핀 합성부(300)에 공급하면서, 온도를 제어할 수 있는 열원(320)에 의해 열처리하면 상기 탄소 소스에 존재하는 탄소 성분들이 결합하여 상기 금속 도체(110) 표면에서 6 각형의 판상 구조를 형성하면서 그래핀(120)이 합성된다. 상기 열처리에 의해 반응 온도는 약 300℃ 내지 약 2000℃ 정도로 유지된다. 상기 언급한 방법에 의해 제조되는 그래핀(120)은 단층 그래핀 또는 다층 그래핀일 수 있다.
그래핀 합성부 내의 가스 노즐(310)은 상기 챔버의 양 측면에 각각 설치된 한 쌍 또는 여러 쌍일 수 있으며, 필요에 따라 상기 그래핀 합성부 내에 상기 가스 노즐을 복수개 설치하여 그래핀의 합성 정도를 조절할 수 있다.
상기 챔버 형태의 챔버 형태의 그래핀 합성부(300)의 입구 및/또는 출구에 롤러(220)를 추가 포함할 수 있다. 상기 롤러(220)는 고온에서 상기 금속 도체가 변형 및/또는 휨 현상을 최소화하거나 방지하고 열의 구배를 안정적으로 유지하는 기능을 할 수 있다.
도 6은 본원의 일 구현예에 따른 그래핀 코팅된 평판 도체(630)를 포함하는 가요성 평판 케이블(600)을 나타낸 것으로, 보강 테이프(610); 상기 보강 테이프(610) 상에 형성된 절연기판(620); 상기 절연기판에 형성되며 일부가 외부로 노출된 복수개의 본원의 그래핀 코팅된 평판 도체(630); 상기 그래핀 코팅된 평판 도체에 형성된 임피던스 정합층(640); 상기 임피던스 정합층(640)에 형성된 도전층(650); 및 상기 도전층에 형성된 커버 필름(660)을 포함할 수 있다.
상기 도전층(650)은 Au, Ag, Cu, Sn 또는 Al 호일일 수 있으며, 상기 커버 필름(660)은 PET 필름을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 본원에 대하여 실시예를 이용하여 좀 더 구체적으로 설명하지만, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.
[ 실시예 ]
실시예 1
도 5의 장치를 이용하여 구리선에 그래핀 코팅하였다.
10-2 내지 약 10-3 torr의 저압 및 약 900℃ 내지 1000℃의 온도 조건 하에서 탄소 소스로서 메탄 가스를 사용하여 구리선(폭 : 0.2-0.3 mm, 두께 : 0.05-0.1 mm)의 표면에 단층의 그래핀을 합성하여 코팅하였다.
실시예 2
산화방지 효과를 극대화하기 위해 구리선(폭 : 0.2-0.3 mm, 두께 : 0.05-0.1 mm)을 니켈로 0.01 ㎛ 내지 1 ㎛ 도금한 후, 실시예 1과 같은 방법으로 CVD법에 의해 그래핀을 8 층 내지 10 층으로 코팅하였다.
실험예 1
실시예 1의 그래핀 코팅된 구리선을 절연필름과 임피던스 매칭용 필름 등과 함께 적층시킨 후 800 mm 길이에서 신호전송특성을 측정하였다.
샘플링 오실로스코프(Sampling Oscilloscope)(Agilent-86100C)와 J-BERT(Agilent-4903B)을 이용하여 2.4 Gbps 및 3.0 Gbps에 대한 전송 특성을 측정하였다. 기존 1.5 Gbps 급의 특성을 보인 구리선이 그래핀 코팅 후 2.4 Gbps 이상에서도 좋은 전송 특성을 나타내는 것을 확인하였다 (도 7).
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110: 금속 도체 400: 전처리부
120: 그래핀층 410: 플라즈마
130: 그래핀 성장용 금속 촉매층 600: 가요성 평판 케이블
210: 제 1 롤러 610: 보강 테이프
220: 롤러 620: 절연기판
230: 제 2 롤러 630: 그래핀 코팅된 평판 도체
300: 그래핀 합성부 640: 임피던스 정합층
310: 가스 노즐 650: 도전층
320: 열원 660: 커버필름
330: 격벽

Claims (18)

  1. 금속 도체; 및
    상기 금속 도체 표면에 형성된 그래핀층
    을 포함하는, 그래핀 코팅된 금속 도체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 도체는 평판 도체 또는 환형 도체를 포함하는 것인, 그래핀 코팅된 금속 도체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 도체는 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, 황동(brass), 청동(bronze), 백동(white brass), 스테인레스 스틸(stainless steel), Ge 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함하는 것인, 그래핀 코팅된 금속 도체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 도체는 그의 표면에 형성된 그래핀 성장용 금속 촉매층을 포함하는 것인, 그래핀 코팅된 금속 도체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 그래핀 성장용 금속 촉매층은 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, 황동(brass), 청동(bronze), 백동(white brass), 스테인레스 스틸(stainless steel), Ge 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함하는 것인, 그래핀 코팅된 금속 도체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀층은 단일층 또는 다층의 그래핀층을 포함하는 것인, 그래핀 코팅된 금속 도체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀층은 0.1 nm 내지 100 nm 두께를 가지는 것인, 그래핀 코팅된 금속 도체.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 그래핀 코팅된 금속 도체를 포함하는, 가요성 평판 케이블.
  9. 금속 도체에 그래핀을 코팅하는 것을 포함하는, 그래핀 코팅된 금속 도체의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 금속 도체는 평판 도체 또는 환형 도체를 포함하는 것인, 그래핀 코팅된 금속 도체의 제조 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 그래핀은 화학기상증착법에 의해 상기 금속 도체 표면에서 합성되어 동시에 코팅되는 것인, 그래핀 코팅된 금속 도체의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 그래핀은 탄소 소스를 포함하는 반응 가스를 주입하여 상기 금속 도체 표면에 화학기상증착법에 의하여 그래핀이 합성되어 동시에 코팅되는 것인, 그래핀 코팅된 금속 도체의 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 탄소 소스는 일산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 탄소 소스, 또는 타르, 고분자, 석탄 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 고체상태의 탄소 소스를 포함하는 것인, 그래핀 코팅된 금속 도체의 제조 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 금속 도체는 그의 표면에 형성된 그래핀 성장용 금속 촉매층을 포함하는 것인, 그래핀 코팅된 금속 도체의 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 그래핀 성장용 금속 촉매층은 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, 황동(brass), 청동(bronze), 백동(white brass), 스테인레스 스틸(stainless steel), Ge 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함하는 것인, 그래핀 코팅된 금속 도체의 제조 방법.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 그래핀은 단일층 또는 다층의 그래핀을 포함하는 것인, 그래핀 코팅된 금속 도체의 제조 방법.
  17. 제 9 항에 있어서,
    상기 그래핀은 0.1 nm 내지 100 nm 두께로 코팅되는 것인, 그래핀 코팅된 금속 도체의 제조 방법.
  18. 제 9 항에 있어서,
    상기 금속 도체는 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, 황동(brass), 청동(bronze), 백동(white brass), 스테인레스 스틸(stainless steel), Ge 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함하는 것인, 그래핀 코팅된 금속 도체의 제조 방법.
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