KR20160119644A - 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치에 관한 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 외부와 밀폐되도록 형성되며 적어도 하나의 투광창을 구비한 메인 챔버; 상기 메인 챔버의 일측에 구비되며, 그래핀 합성을 위한 촉매 기판을 상기 메인 챔버 내부로 공급하는 공급롤이 내부에 수용되는 공급 챔버; 상기 메인 챔버의 타측에 구비되며, 상기 메인 챔버 내부를 통과한 촉매 기판이 회수되는 회수롤이 내부에 수용되는 회수 챔버; 상기 메인 챔버의 투광창 외측에 설치되며, 메인 챔버 내부를 통과하는 상기 촉매 기판에 상기 투광창을 통해 근적외선을 조사하여 가열하는 근적외선 히팅모듈; 및 상기 메인 챔버 내부로 반응가스를 공급하는 반응가스 공급밸브;를 포함하여 구성되는 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치가 개시된다.

Description

롤투롤 방식의 그래핀 제조장치 {Graphene manufacturing apparatus using roll-to-roll process}

본 발명은 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치에 관한 것으로서, 상세하게는 반응가스가 공급되는 메인 챔버로 롤 형태의 촉매 기판이 공급되고, 촉매 기판이 메인 챔버에 구비된 투광창을 통해 메인 챔버의 외부로부터 조사되는 근적외선에 의해 가열되어 그래핀이 제조되도록 구성됨으로써, 그래핀 대량생산이 용이하게 이루어지고 그래핀 제조 시의 에너지 효율을 높이며, 장치 관리의 편의성이 향상되도록 하는 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치에 관한 것이다.

그래핀(Graphene)은 탄소 원자들이 2차원 상에서 벌집모양의 배열을 이루면서 원자 한 층의 두께를 가지는 전도성 물질로, 잘 휘고 방열이 뛰어나고 전기전도성이 높아 응용분야가 무궁무진한 소재로 각광받고 있다.

그래핀은 다른 재질에서 얻을 수 없는 특이한 전기적 성질, 즉 반도체가 가지는 특징인 띠구조(band structure)를 가져 반금속(semi-metal)으로 분류될 수 있으며, 기존의 실리콘 대신 그래핀으로 반도체를 만들 수 있다는 점에서 그래핀을 얻기 위한 제조장치 및 방법에 대한 관심이 높아지고 있다.

초기에 제안된 바 있는, 흑연을 접착수단에 붙인 후 떼었다 붙였다를 반복하는 방법으로 그래핀을 얻는 물리적 박리법은 대량생산에 적합하지 않다는 문제가 있어, 화학증착법에 의한 방법이 고안되었다.

화학증착법은 고온에서 탄소와의 흡착성이 우수한 전이금속을 촉매로 사용하여 그래핀을 합성하는 방법으로서, 이를 통해 그래핀의 대량생산이 가능해졌으며, 일예로, 롤투롤(roll-to-roll) 공정에 의하여 구리 호일에 그래핀을 형성한 후 구리 호일을 제거하고 원하는 표면에 그래핀을 증착시키는 방식이 시도되고 있다.

종래기술의 일예로, 등록특허 제10-1371286호의 '그래핀 롤투롤 코팅 장치 및 이를 이용한 그래핀 롤투롤 코팅 방법'이 제안된 바 있다. 종래 발명은 금속부재를 롤투롤 방식으로 공급/회수하기 위한 제1/2롤러, 제1롤러를 통해 공급된 금속부재의 표면처리를 위한 전처리부, 전처리된 금속부재의 표면에 그래핀의 합성과 동시에 코팅하기 위한 그래핀 합성부를 포함하여 이루어지는 것으로, 롤투롤 방식으로 금속부재를 연속으로 이동시키면서 그래핀을 합성하는 것이다.

상기 종래의 그래핀 롤투롤 코팅 장치는 롤투롤 방식을 이용하여 그래핀을 대량으로 합성할 수 있다는 장점이 있으나, 화학증착을 위한 고온을 제공하기 위해 전처리 및 본처리 과정을 별도로 수행하고, 열원이 공간 전체의 온도를 상승시켜야 하므로 열손실이 많이 발생한다는 문제가 있었다.

또한 종래 발명은 열원을 챔버 내부에 두었으므로, 탄소가스 등의 반응 기체가 고체형태로 환원됨으로써 열원 및 열원을 조작하는 장치에 증착되는 등의 영향을 주어 열효율이 떨어짐은 물론, 심한 경우 열원을 교체해서 사용해야 한다는 문제점이 있었다.

이에 더불어 종래 발명은 장치 조립 관점의 편의성이 고려되지 않아 그래핀의 대량생산을 위해 장치를 증설하기가 용이하지 않다는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허 제10-1371286호 (등록일자 2014년 03월 03일)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 반응가스가 공급되는 메인 챔버로 롤 형태의 촉매 기판이 공급되고, 촉매 기판이 메인 챔버에 구비된 투광창을 통해 메인 챔버의 외부로부터 조사되는 근적외선에 의해 가열되어 그래핀이 제조되도록 구성됨으로써, 그래핀 대량생산이 용이하게 이루어지고 그래핀 제조 시의 에너지 효율을 높이며, 장치 관리의 편의성이 향상되도록 하는 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 외부와 밀폐되도록 형성되며 적어도 하나의 투광창을 구비한 메인 챔버; 상기 메인 챔버의 일측에 구비되며, 그래핀 합성을 위한 촉매 기판을 상기 메인 챔버 내부로 공급하는 공급롤이 내부에 수용되는 공급 챔버; 상기 메인 챔버의 타측에 구비되며, 상기 메인 챔버 내부를 통과한 촉매 기판이 회수되는 회수롤이 내부에 수용되는 회수 챔버; 상기 메인 챔버의 투광창 외측에 설치되며, 메인 챔버 내부를 통과하는 상기 촉매 기판에 상기 투광창을 통해 근적외선을 조사하여 가열하는 근적외선 히팅모듈; 및 상기 메인 챔버 내부로 반응가스를 공급하는 반응가스 공급밸브;를 포함하여 구성되는 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치가 개시된다.

바람직하게, 상기 메인 챔버는 2이상의 메인 챔버 모듈이 직렬로 결합되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 투광창은 상기 2이상의 메인 챔버 모듈 중 적어도 어느 하나의 일측면에 구비되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 투광창은 상기 메인 챔버 내부를 통과하는 촉매 기판의 기판면을 바라보는 방향으로 구비되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 공급 챔버, 메인 챔버 및 회수 챔버는 상호 분리 또는 결합이 가능하고, 상기 공급 챔버와 메인 챔버간 또는 회수 챔버와 메인 챔버간의 결합 중 적어도 어느 하나의 결합은 플랜지 결합인 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 2이상의 메인 챔버 모듈은 상호 분리 또는 결합이 가능하고, 상기 2이상의 메인 챔버 모듈 상호간의 결합은 플랜지 결합인 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 투광창은 상기 메인 챔버에 착탈 가능한 구조로 결합되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 근적외선 히팅모듈은 상기 메인 챔버의 투광창 외측에 플랜지 결합되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 그래핀 제조장치는 압력조절용 진공펌프와 연결되어 상기 메인 챔버 내부의 압력조절을 하기 위한 스로틀밸브를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 공급 챔버 또는 회수 챔버 중 적어도 어느 하나는 롤을 회전시키기 위한 롤 구동수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 공급 챔버 또는 회수 챔버 중 적어도 어느 하나는 일측면을 개방/폐쇄하기 위한 도어 개폐수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 공급 챔버는 메인 챔버의 상부에 위치하고, 상기 회수 챔버는 메인 챔버의 하부에 위치하도록 수직으로 배열되고, 상기 반응가스 공급밸브는 상기 공급 챔버에 구비되며, 상기 스로틀밸브는 상기 회수 챔버에 구비되는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명은, 그래핀 제조장치 전체를 가열하지 않고, 그래핀 제조를 위해 필요한 범위에만 근적외선을 조사할 수 있으므로 에너지 손실을 최소화할 수 있다.

또한 본 발명은, 근적외선을 조사하는 근적외선 히팅모듈이 메인 챔버 외부에 설치되므로, 내부 반응가스 등으로 인해 근적외선 히팅모듈이 손상되거나 오염되지 않는다는 장점이 있다.

특히, 본 발명은, 근적외선 히팅모듈이 관통하여 조사되는 투광창이 오염되더라도 이를 용이하게 교체할 수 있으므로, 그래핀 제조장치의 관리를 원활하게 진행할 수 있다는 장점이 있다.

또한 본 발명은 여러 개의 메인 챔버 모듈을 플랜지 결합을 통해 직렬로 연결함으로써, 장치 설치시에 간편한 조립 과정을 통해 용이한 설치가 가능하며, 그래핀 제조 조건에 맞도록 다양한 크기의 그래핀 제조장치를 유연하게 확장 형성할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 제조장치의 정단면 방향 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 제조장치의 우측단면 방향 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 메인 챔버 및 근적외선 히터모듈의 분리 상태 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 제조장치의 우측면도이다.

본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안 된다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다", "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치에 관한 것으로, 공급롤로부터 공급되는 롤 형태의 촉매 기판이 메인 챔버를 통과하면서 반응가스와 외부에서 조사된 근적외선에 의해 발생된 열로 그래핀을 합성하게 된다. 이하 도면을 중심으로 자세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 제조장치의 정단면 방향 모식도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 제조장치의 우측단면 방향 모식도이다.

본 발명의 일실시예의 그래핀 제조장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 그래핀이 합성되는 메인 챔버(10), 촉매 기판(C)을 공급하는 공급 챔버(20), 그래핀이 제조된 촉매 기판(C)을 롤 형태로 회수하는 회수 챔버(30), 메인 챔버(10)에 반응 가스를 공급하는 반응가스 공급밸브(50) 및 상기 메인 챔버(10) 내부로 근적외선을 조사하여 상기 촉매 기판(C)을 가열하는 근적외선 히팅모듈(40)을 포함하여 이뤄진다.

상기 공급 챔버(20)는 상기 메인 챔버(10)의 일측에 구비되며, 그래핀 합성을 위한 촉매 기판(C)을 상기 메인 챔버(10) 내부로 공급하는 공급롤(21)이 내부에 수용된다.

일예로, 공급롤(21)의 중심축의 양단은 공지의 베어링 수단으로 지지될 수 있다.

상기 공급롤(21)은 일실시예로, 금속 촉매로 이루어진 기판이 롤 형태로 말려진 상태에서 일단부가 권출됨으로써 메인 챔버(10) 내부로 공급되도록 할 수 있으며, 상기 금속 촉매로 이루어진 기판은 일예로, 구리판으로 이해될 수 있다.

상기 공급롤(21)은 다른 실시예로, 기재(substrate)층 위에 형성된 금속 촉매층으로 이루어진 기판이 롤 형태로 말려진 것으로 구성될 수 있다.

상기 기재층은 석영, 유리, 내열성 폴리며, 웨이퍼 등을 포함하여 이뤄질 수 있다.

바람직한 일예로, 상기 금속 촉매는 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, 황동(brass), 청동(bronze), 스테인레스 스틸(stainless steel), Ge를 포함할 수 있으며, 상기 예시된 금속 촉매의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 촉매를 포함할 수 있다.

상기 회수 챔버(30)는 상기 메인 챔버(10)의 타측에 구비되며, 상기 메인 챔버(10) 내부를 통과한 촉매 기판(C)이 회수되는 회수롤(31)이 내부에 수용된다.

일예로, 회수롤(31)의 중심축의 양단은 공지의 베어링 수단으로 지지될 수 있다.

상기 공급 챔버(20) 또는 회수 챔버(30) 중 적어도 어느 하나는 롤을 회전시키기 위한 롤 구동수단(23, 33)을 구비할 수 있다.

일예로, 상기 롤 구동수단(23, 33)은 공급롤(21) 및/또는 회수롤(31)의 일단에 감속기 등의 구동 메카니즘을 거쳐 연결된다.

상기 롤 구동수단(23, 33)은 일예로, 도 2에 도시된 바와 같이, 회전 각도 위치, 회전 속도 및 가속도를 정밀하게 제어할 수 있는 서보 모터(servo motor)로 이해될 수 있으며, 균일하면서도 원하는 속도로 롤을 회전제어할 수 있도록 하는 구동수단이라면 본 발명의 롤 구동수단(23, 33)으로 적용 가능하다.

상기 공급 챔버(20) 또는 회수 챔버(30) 중 적어도 어느 하나는 일측면을 개방/폐쇄하기 위한 도어 개폐수단(22, 32)을 구비할 수 있다.

상기 도어 개폐수단(22, 32)은 공급 챔버(20)에 구비되는 경우, 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 제조장치를 분해하지 않고도 상기 촉매 기판(C)으로 이루어진 공급롤(21)을 공급 챔버(20)로 용이하게 삽입할 수 있으며, 회수 챔버(30)에 구비되는 경우, 그래핀이 제조되어 포함된 촉매 기판(C)으로 이루어진 회수롤(31)을 용이하게 외부로 인출할 수 있게 된다.

일예로, 도어 개폐수단(22, 32)은 도어 및 이를 챔버 본체에 결합 체결하기 위한 클램프를 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 공급 챔버(20) 및/또는 회수 챔버(30)의 일측면에 구비된 클램프를 해제하는 것만으로 용이하게 도어 개폐가 가능하게 되므로, 손쉽게 롤을 교체할 수 있다.

도어 및 개폐수단은 이외에도 다양한 공지의 챔버 개폐용 구조가 적용될 수 있으므로, 그 상세 설명은 생략한다.

상기 각 챔버는 진공 상태 및 다양한 압력을 견뎌야 하고, 각종 공급되는 반응가스에 의해 내벽 등에 변형이 발생하지 않아야 하므로, 부식되지 않는 견고한 금속 재질로 이뤄지는 것이 바람직하고, 내구성, 내식성 등이 만족하는 재질이라면 공지의 다양한 소재로 형성되는 것도 가능하다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 메인 챔버(10) 및 근적외선 히터모듈의 분리 상태 모식도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 제조장치의 우측면도이다.

상기 메인 챔버(10)는 일실시예로, 도 3에 도시된 바와 같이, 촉매 기판(C)의 이동방향을 따라 내부가 관통하여 형성되고, 외부와 밀폐되도록 형성되며 적어도 하나의 투광창(12)을 구비한다.

상기 메인 챔버(10)의 단면은, 일예로, 사각형 형태로 형성될 수 있으며, 사각형 이외에도 원형 등 다양한 형태로 형성되는 것도 가능하다.

바람직하게, 상기 메인 챔버(10)는 2이상의 메인 챔버 모듈(11)이 직렬로 결합되어 형성될 수 있다.

상기 메인 챔버 모듈(11)의 결합 또는 분리가능한 구조를 통해, 본 실시예의 메인 챔버(10)는, 장치 조립 과정에서 용이하게 메인 챔버(10)의 크기를 확장 또는 축소할 수 있다.

본 발명의 일실시예로, 상기 투광창(12)은 상기 2이상의 메인 챔버 모듈(11) 중 적어도 어느 하나의 일측면에 구비된다.

상기 메인 챔버 모듈(11)은 투광창(12)을 구비하는 메인 챔버 모듈(11) 또는 투광창(12)을 구비하지 않는 메인 챔버 모듈(11)이 선택적으로 구비 가능하며, 투광창(12)이 구비된 메인 챔버 모듈(11)이 적어도 하나 구비된 상태에서 상기 다양한 종류의 메인 챔버 모듈(11)을 제조공정에 필요한 온도, 공정시간을 고려하여 적절하게 배치함으로써 최적의 그래핀 제조효율을 갖는 그래핀 제조장치를 구성할 수 있다.

상기 근적외선 히팅모듈(40)은 메인 챔버(10)의 투광창(12) 외측에 설치되며, 메인 챔버(10) 내부를 통과하는 상기 촉매 기판(C)에 상기 투광창(12)을 통해 근적외선을 조사하여 가열한다.

일예로, 상기 근적외선은 약 700㎚ 내지 약 1,500㎚의 파장을 갖도록 할 수 있으며, 이와 유사한 대역의 파장도 가능하다.

일예로, 상기 근적외선은 색온도 약 2,200K 내지 약 3,500를 가지도록 할 수 있으며, 이와 유사한 대역의 색온도도 가능하다. 상기 근적외선이 투과율이 높은 3,000K 이상의 색온도를 갖는 경우 짧은 시간 안에 촉매 기판(C)의 온도를 높일 수 있으므로, 단기간에 그래핀을 제조하는 것이 가능하게 된다.

본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 제조장치에서는 제조에 필요한 반응가스 이외의 기체를 차단하도록 진공상태가 이뤄져야 하는데, 진공을 견디기 위해서는 상기 투광창(12)의 두께가 두꺼운 것이 바람직하다. 일예로, 상기 투광창(12)은 석영, 사파이어 또는 유리를 포함하여 구성될 수 있다. 예를 들어 일반 전열 또는 원적외선을 열원으로 사용하는 경우, 두꺼워진 투광창(12) 내부로 열 또는 원적외선을 공급하는 것이 어려울 수 있지만, 본 실시예의 근적외선의 경우 투과율이 높아 두꺼운 투광창(12) 내부로 근적외선이 잘 전달될 수 있다. 특히 투광창(12)의 크기가 커질수록 진공을 견디기 위해 그 두께 또한 더 두꺼운 것이 바람직하므로, 본 발명의 실시예에 따라, 열원으로 근적외선을 이용하는 것이 바람직하다. 본 실시예의 투광창(12)은 공지의 진공압을 견디는 설치구조도 적용 가능하다. 본 실시예의 투광창(12)은 바람직하게는 투명 소재로 구성되며, 근적외선이 통과될 수 있는 소재라면 반드시 투명 소재로 한정되지 않는다.

상기 투광창(12)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 메인 챔버(10) 내부를 통과하는 촉매 기판(C)의 기판면을 바라보는 방향으로 구비될 수 있다.

즉, 본 실시예에서는 상기 투광창(12)을 통해 근적외선 히팅모듈(40)이 근적외선을 조사할 때, 상기 촉매 기판(C)의 기판면을 정면에서 조사하도록 할 수 있다. 다만 도 4에서는 상기 투광창(12) 및 촉매 기판(C)을 명확히 표현하기 위해 근적외선 히팅모듈(40)의 도시를 생략하였다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 메인 챔버(10) 외부로부터 상기 투광창(12)을 통하여 상기 촉매 기판(C)에 근적외선을 조사함으로써, 상기 메인 챔버(10)의 내부가 전체적으로 또한 직접적으로 가열되지 않으며, 상기 챔버 내부 중 상기 촉매 기판(C)의 온도가 가장 높아진다.

따라서, 근적외선이 조사된 상기 촉매 기판(C) 자체가 발열하게 됨에 따라 열에너지를 온전히 촉매 기판(C)으로 전달할 수 있어, 높은 효율의 열원 제공이 가능하게 되고, 단시간에 그래핀을 제조할 수 있게 된다.

또한 주변부로 손실되는 열에너지가 거의 없으므로, 메인 챔버(10) 등의 냉각을 위한 추가적인 장치 및 공정을 요하지 않게 된다.

상기 투광창(12)은 다른 실시예로, 상기 메인 챔버(10) 내부를 통과하는 촉매 기판(C)의 측면을 바라보는 방향으로 구비되는 것도 가능하다.

한편, 상기 가열용 투광창(12)과 별도로 외부에서 메인 챔버(10) 내부에 그래핀이 제조되는 과정을 감시, 관찰하는 감시용 투광창(부호 미도시)을 더욱 구비할 수도 있다.

한편, 공정 조건에 유연하게 대응할 수 있도록, 그래핀 제조를 위해 이용되지 않는 투광창(12)을 선택적으로 가릴 수 있도록 금속 패널 등으로 형성된 막음판(미도시)이 별도로 구비될 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 메인 챔버(10)가 사각형인 경우, 근적외선 히팅모듈(40)의 대면하는 부분의 형태가 평면을 이루도록 되어 있으나, 메인 챔버(10)가 원형을 갖도록 구성되는 경우, 근적외선 히팅모듈(40)도 이에 대응되도록 대면하는 부분이 곡면을 이루거나, 또는 이 부분만 평면을 이루도록 구성될 수 있다.

상기 반응가스 공급밸브는, 상기 메인 챔버 또는 공급 챔버 중 적어도 어느 하나에 구비될 수 있다.

상기 반응가스 공급밸브(50)는 일 실시예로, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 공급 챔버(20)에 구비된다. 상기 반응가스 공급밸브(50)는 반응가스를 포함하여 수소 가스, 아르곤 가스 등을 더 주입할 수 있다. 본 실시예에서는 반응가스 공급밸브(50)를 세개로 예시하였으며, 이외에도 보조 가스 주입을 위한 공급밸브를 더 구비하거나 상기 반응가스 공급밸브(50)의 수를 증감하는 것도 가능하다.

일예로, 상기 반응가스는 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함할 수 있다.

상기 그래핀 제조장치는 압력조절용 진공펌프(미도시)와 연결되어 상기 메인 챔버(10) 내부의 압력조절을 하기 위한 스로틀밸브(60)를 더 구비할 수 있다.

상기 스로틀밸브(60)는 압력조절용 진공펌프(미도시)를 이용하여, 메인 챔버(10)를 포함하는 각 챔버에 잔존하는 기체를 모두 방출하여 내부를 진공상태로 만든 후, 필요한 반응가스 등을 주입하여 그래핀 제조가 원활하게 일어날 수 있도록 한다.

상기 스로틀밸브(60)는 일 실시예로, 도 2에 도시된 바와 같이, 회수 챔버(30) 외측에 구비될 수 있으며, 공급 챔버(20) 또는 메인 챔버(10) 중 어느 하나에 구비되는 것도 가능하다.

상기 그래핀 제조장치는, 일 실시예로, 압력센서 포트(도면부호 미도시)를 더 구비할 수 있으며, 상기 압력센서 포트는 상기 메인 챔버(10)를 포함하는 각 챔버의 압력을 측정할 수 있도록 하는 것으로, 공지의 센서 설치용 포트가 이용될 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.

미설명된 도면부호 70은 안전보호밸브(safety relief valve)를 나타내는 것으로 챔버 내부의 압력조절을 위해 이용될 수 있으며, 상세한 설명은 생략한다.

바람직하게, 상기 공급 챔버(20), 메인 챔버(10) 및 회수 챔버(30)는 상호 분리 또는 결합이 가능하다. 이러한 결합구조를 통해 본 실시예의 제조장치는 설치 현장에서 양호한 조립 편의성을 제공한다.

또한, 상기 각 챔버는 상호 분리 또는 결합이 가능하므로, 특정 챔버에 문제 발생 시 이를 용이하게 교체 및 수리하여 사용할 수 있다.

본 발명의 일실시예로, 상기 공급 챔버(20)와 메인 챔버(10)간 또는 회수 챔버(30)와 메인 챔버(10)간의 결합 중 적어도 어느 하나의 결합은 플랜지 결합으로 이뤄진다.

플랜지(F)는 용접 등의 작업이 없이, 단순히 볼트 등의 체결 수단을 이용하여 결합부위를 견고하게 밀폐된 상태로 밀착시킬 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 제조장치는 챔버 내부의 압력이 조절되고, 반응가스가 외부로 새어나가지 않도록 외부와 폐쇄되도록 챔버가 구성된다. 또한 각 챔버간 분리/결합이 용이하도록 하는 결합수단을 이용하는 것이 바람직하므로, 상기 공급 챔버(20)와 메인 챔버(10)간 또는 회수 챔버(30)와 메인 챔버(10)간의 결합으로 플랜지 결합이 이용될 수 있다.

본 발명의 챔버 간 결합은 결합 및 분리가 용이하고 압력 밀폐가 잘 유지될 수 있도록 하는 결합수단에 해당한다면 공지의 다른 방식의 결합수단도 이용될 수 있다.

상기 메인 챔버(10)는, 전술한 바와 같이 복수의 메인 챔버 모듈(11)의 결합으로 이루어질 수 있는 바, 이 경우 상기 2이상의 메인 챔버 모듈(11)은 상호 분리 또는 결합이 가능하며, 상기 2이상의 메인 챔버 모듈(11) 상호간의 결합은 플랜지 결합으로 이뤄질 수 있다.

일예로, 상기 플랜지(F)는 압력이 밀폐 유지되고, 반응가스가 새어나가지 않도록 하는 공지의 개스킷(Gasket)을 더 구비할 수 있다.

상기 플랜지 결합은 챔버 간의 결합 이외에도, 근적외선 히팅모듈(40)과의 결합에서도 이용될 수 있다. 즉, 상기 근적외선 히팅모듈(40)이 견고히 메인 챔버(10)에 고정되도록 하기 위해, 상기 메인 챔버(10)의 투광창(12) 외측에 플랜지 결합되도록 그 대향면의 외측으로 플랜지(F)가 구성될 수 있다.

상기 근적외선 히팅모듈(40)이 투광창(12) 외측에 밀착 결합되는 경우, 근적외선 히팅램프(41)를 보호하여 외부공간과 분리하도록 하는, 상기 근적외선 히팅모듈(40)에 일반적으로 구비되는 램프글래스(42)는 별도로 설치되지 않는 것도 가능하다.

만일, 근적외선 히팅램프(41)가 메인 챔버 내부에 배치되는 경우라면, 진공 및 반응가스 환경에서 사용할 수 있도록 전기 접촉부가 별도의 보호 수단을 가져야 하나, 본 발명의 일 실시예에서와 같이 메인 챔버 외부에 배치되어 투광창(12)을 통해 근적외선을 조사하는 근적외선 히팅모듈(40)로 구성되는 경우에는, 일반적인 전기 접촉부로도 구성이 가능하다는 장점이 있다. 또한, 근적외선 히팅모듈(40)이 메인 챔버 외부에 구비되므로, 근적외선 히팅램프(41)의 교체 및 수리가 용이하여, 근적외선 히팅모듈(40)의 유지관리 편의성을 갖게 된다.

상기 근적외선 히팅모듈(40)의 고정을 위한 다른 실시예로, 상기 근적외선 히팅모듈(40)은 메인 챔버(10)의 다른 부분에 가설되거나 외부에 별도 구성된 지지부재(도면 미도시)와 결합되도록 하는 것도 가능하다.

본 발명의 일실시예로, 상기 투광창(12)은 상기 메인 챔버(10)에 착탈 가능한 구조로 결합될 수 있다.

상기 투광창(12)은 반응가스 자체 및 반응가스와 촉매 기판(C)과의 반응으로 인하여 형성되는 그래핀 등의 물질로 인해 투광창(12)이 오염되는 경우, 이를 착탈 가능한 구조로 구성함으로써 용이하게 분리하여 세척 후 사용하거나, 즉시 다른 투광창(12)으로 교체하여 본 발명의 일실시예의 그래핀 제조장치를 가동할 수 있으므로, 빠른 대처가 가능하게 된다.

본 발명의 일실시예에 따른 근적외선 히팅모듈(40)의 상세 구성은 본 출원인이 선출원 등록한 바 있는, 대한민국 등록특허 제10-0952617호 (등록일자 2010년04월06일), 대한민국 등록특허 제10-0952618호 (등록일자 2010년04월06일)를 포함한 다수의 공지 기술을 통해 이해될 수 있으므로, 그 상세 설명은 생략한다.

한편, 본 발명의 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치는 수직 또는 수평으로 구성될 수 있다.

바람직한 일 실시예로, 상기 공급 챔버(20)는 메인 챔버(10)의 상부에 위치하고, 상기 회수 챔버(30)는 메인 챔버(10)의 하부에 위치하도록 수직으로 배열될 수 있다.

상기 그래핀 제조장치가 수직으로 배열되는 실시예에서, 촉매 기판(C)이 중력에 의해 펼쳐지면서 상부에서 하부로 이동할 수 있으므로, 상기 촉매 기판(C)을 가이드하기 위한 별도의 가이드부재(도면 미도시)를 필요로 하지 않는다.

상기 수직 배열의 실시예에서는, 공급되는 반응가스가 하강하여 메인 챔버로 공급되도록 상기 반응가스 공급밸브(50)가 상기 메인 챔버(10)의 상부 즉, 상기 공급 챔버(20)에 구비되는 것이 바람직하며, 반응가스 공급 전 각 챔버 내부를 진공상태로 형성하기 위하여 상기 스로틀밸브(60)는 상기 메인 챔버(10)의 하부 즉, 상기 회수 챔버(30)에 구비되도록 하는 것이 바람직하다.

다른 실시예로, 상기 공급 챔버(20), 메인 챔버(10) 및 회수 챔버(30)는 수평으로 배열되도록 할 수 있으며, 이 경우에는 촉매 기판(C)을 중간에서 지지하기 위한 가이드부재(도면 미도시)를 더욱 구비할 수도 있다.

상기 그래핀 제조장치가 수평으로 배열되는 경우에도, 지면을 기준으로 상기 촉매 기판(C)이 상하방향으로 폭 방향을 이룬 상태에서 수평 이동되도록 구성하여, 근적외선 히팅모듈(40)이 측면에서 상기 촉매 기판(C)을 조사하도록 하는 것이 바람직하다. 이러한 구성을 취하는 경우, 촉매 기판(C)의 폭 방향이 수평으로 누워 이동되는 경우에 비해 중력으로 촉매 기판이 잘 펼쳐질 수 있게 되므로, 더욱 양호한 근적외선 조사 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석돼야 한다.

10 : 메인 챔버 11 : 메인 챔버 모듈
12 : 투광창 20 : 공급 챔버
21 : 공급롤 22, 32 : 도어 개폐수단
23, 33 : 롤 구동수단 30 : 회수 챔버
31 : 회수롤 40 : 근적외선 히팅모듈
41 : 근적외선 히팅램프 42 : 램프글래스
50 : 반응가스 공급밸브 60 : 스로틀밸브
C : 촉매 기판 F : 플랜지

Claims (12)

1. 외부와 밀폐되도록 형성되며 적어도 하나의 투광창을 구비한 메인 챔버;
   상기 메인 챔버의 일측에 구비되며, 그래핀 합성을 위한 촉매 기판을 상기 메인 챔버 내부로 공급하는 공급롤이 내부에 수용되는 공급 챔버;
   상기 메인 챔버의 타측에 구비되며, 상기 메인 챔버 내부를 통과한 촉매 기판이 회수되는 회수롤이 내부에 수용되는 회수 챔버;
   상기 메인 챔버의 투광창 외측에 설치되며, 메인 챔버 내부를 통과하는 상기 촉매 기판에 상기 투광창을 통해 근적외선을 조사하여 가열하는 근적외선 히팅모듈; 및
   상기 메인 챔버 내부로 반응가스를 공급하는 반응가스 공급밸브;를 포함하여 구성되는 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 메인 챔버는 2이상의 메인 챔버 모듈이 직렬로 결합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 투광창은 상기 2이상의 메인 챔버 모듈 중 적어도 어느 하나의 일측면에 구비되는 것을 특징으로 하는 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 투광창은 상기 메인 챔버 내부를 통과하는 촉매 기판의 기판면을 바라보는 방향으로 구비되는 것을 특징으로 하는 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 공급 챔버, 메인 챔버 및 회수 챔버는 상호 분리 또는 결합이 가능하고,
   상기 공급 챔버와 메인 챔버간 또는 회수 챔버와 메인 챔버간의 결합 중 적어도 어느 하나의 결합은 플랜지 결합인 것을 특징으로 하는 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치.
   
6. 제2항에 있어서,
   상기 2이상의 메인 챔버 모듈은 상호 분리 또는 결합이 가능하고,
   상기 2이상의 메인 챔버 모듈 상호간의 결합은 플랜지 결합인 것을 특징으로 하는 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 투광창은 상기 메인 챔버에 착탈 가능한 구조로 결합되는 것을 특징으로 하는 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치.
   
8. 제6항에 있어서,
   상기 근적외선 히팅모듈은 상기 메인 챔버의 투광창 외측에 플랜지 결합되는 것을 특징으로 하는 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치.
   
9. 제1항에 있어서,
   압력조절용 진공펌프와 연결되어 상기 메인 챔버 내부의 압력조절을 하기 위한 스로틀밸브를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 공급 챔버 또는 회수 챔버 중 적어도 어느 하나는 롤을 회전시키기 위한 롤 구동수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치.
    
11. 제1항에 있어서,
    상기 공급 챔버 또는 회수 챔버 중 적어도 어느 하나는 일측면을 개방/폐쇄하기 위한 도어 개폐수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치.
    
12. 제9항에 있어서,
    상기 공급 챔버는 메인 챔버의 상부에 위치하고, 상기 회수 챔버는 메인 챔버의 하부에 위치하도록 수직으로 배열되고,
    상기 반응가스 공급밸브는 상기 공급 챔버에 구비되며,
    상기 스로틀밸브는 상기 회수 챔버에 구비되는 것을 특징으로 하는 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치.

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