KR20160126820A - 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치 및 롤투롤 방식으로 기판을 공급하는 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치 및 롤투롤 방식으로 기판을 공급하는 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 및 롤투롤 방식으로 기판을 공급하는 제조장치 {Graphene manufacturing apparatus using roll-to-roll process and manufacturing apparatus using substrate provided through roll-to-roll process}

본 발명은 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치 및 롤투롤 방식으로 기판을 공급하는 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.

그러나, 상기 종래의 그래핀 롤투롤 코팅 장치는 롤투롤 방식을 이용하여 그래핀을 대량으로 합성할 수 있다는 장점이 있으나, 열원이 챔버 공간 전체의 온도를 상승시켜야 하므로 열손실이 많이 발생한다는 문제가 있었다.

또한 종래 기술은 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.

또한 종래 기술은 장치 조립 관점의 편의성이 고려되지 않아 그래핀의 대량생산을 위해 장치를 증설하기가 용이하지 않다는 문제점이 있었다.

한편, 그래핀 롤투롤 코팅 장치는 롤투롤 방식을 이용하여 촉매 기판을 공급하는 방식이므로, 그래핀 합성 과정에서 촉매 기판의 사용 상태에 따라 롤 형태의 촉매 기판을 공급하기 위한 공급롤과 촉매 기판을 롤 형태로 회수하기 위한 회수롤의 장착, 탈거, 교체 등의 작업이 이뤄져야 한다.

그런데, 종래의 그래핀 롤투롤 코팅 장치는 공급롤 또는 회수롤을 장착, 탈거, 교체하는 과정에서 공급 챔버나 회수 챔버를 전체적으로 벤트(vent) 시키거나 진공압 처리를 하는 구조를 취하므로, 공급롤 또는 회수롤의 장착, 탈거, 교체 과정에서 가스 공급이나 압력 조건 제어를 위한 공정의 멈춤이나 지연에 따른 시간 비효율성이 있었고, 압력 제어가 매번 새로이 이뤄져야 한다는 불편함이 있었다.

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

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 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 구성되며, 촉매 기판을 공급하기 위한 공급롤 및/또는 촉매 기판을 회수하기 위한 회수롤이 각각 2이상 구비되어 선택적인 롤 관리가 가능하도록 구성됨으로써, 그래핀 대량생산이 용이하게 이루어지고 그래핀 제조 시의 에너지 효율을 높이며, 공급롤 또는 회수롤의 장착, 탈거, 교체 과정에서 공정의 멈춤이나 지연에 따른 시간 비효율성을 저감시키도록 하는 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은, 다양한 합성 공정을 위한 기판을 공급하기 위한 공급롤 및/또는 기판을 회수하기 위한 회수롤이 각각 2이상 구비되어 선택적인 롤 관리가 가능하도록 구성됨으로써, 공급롤 또는 회수롤의 장착, 탈거, 교체 과정에서 공정의 멈춤이나 지연에 따른 시간 비효율성을 저감시키도록 하는 롤투롤 방식으로 기판을 공급하는 제조장치를 제공하는 것을 또 다른 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 포함하는 공정용 가스를 공급하는 가스 공급밸브;를 포함하되, 상기 공급 챔버 또는 회수 챔버는 2이상의 롤이 개별적으로 분리 수용이 가능하도록 내부에 2이상의 롤 수용 공간이 구비되며, 상기 2이상의 롤 수용 공간은 상기 메인 챔버 내부 공간과 선택적으로 공간 연결 상태를 이룰 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치가 개시된다.

바람직하게, 상기 2이상의 롤 수용 공간은 제1 롤 수용 공간과 제2 롤 수용 공간을 포함하며, 그 사이에 중간 공간을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 중간 공간은 상기 메인 챔버 내부 공간과 공간 연결 상태를 이루며, 상기 제1 롤 수용 공간은 제1 내부 도어를 통해 상기 중간 공간과 선택적인 공간 연결 상태를 이루며, 상기 제2 롤 수용 공간은 제2 내부 도어를 통해 상기 중간 공간과 선택적인 공간 연결 상태를 이루도록 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 공급 챔버의 상기 제1 롤 수용 공간 또는 상기 제2 롤 수용 공간의 각각에는, 가스 공급용 배관 및 가스 배출용 배관 중의 적어도 어느 하나가 연결된 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 회수 챔버의 상기 제1 롤 수용 공간 또는 상기 제2 롤 수용 공간의 각각에는, 가스 공급용 배관 및 가스 배출용 배관 중의 적어도 어느 하나가 연결된 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 회수 챔버의 상기 제1 롤 수용 공간 또는 상기 제2 롤 수용 공간의 각각에는, 내부에 수용된 회수롤로부터 풀어지는 촉매 기판을 외부로 배출 가능하도록 배출용 도어가 구비된 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 회수 챔버의 중간 공간에는, 상기 공급롤로부터 상기 메인 챔버를 거쳐 공급된 촉매 기판을 절단하기 위한 커터가 구비된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또다른 일측면에 따르면, 외부와 밀폐되도록 형성되는 메인 챔버; 상기 메인 챔버의 일측에 구비되며, 합성 공정을 위한 기판을 상기 메인 챔버 내부로 공급하는 공급롤이 내부에 수용되는 공급 챔버; 상기 메인 챔버의 타측에 구비되며, 상기 메인 챔버 내부를 통과한 기판이 회수되는 회수롤이 내부에 수용되는 회수 챔버; 및 상기 메인 챔버 내부로 공정용 가스를 공급하는 가스 공급밸브;를 포함하되, 상기 공급 챔버 또는 회수 챔버는 2이상의 롤이 개별적으로 분리 수용이 가능하도록 내부에 2이상의 롤 수용 공간이 구비되며, 상기 2이상의 롤 수용 공간은 상기 메인 챔버 내부 공간과 선택적으로 공간 연결 상태를 이룰 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 롤투롤 방식으로 기판을 공급하는 제조장치가 개시된다.

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.

특히, 본 발명은, 촉매 기판을 공급하기 위한 공급롤 및/또는 촉매 기판을 회수하기 위한 회수롤이 각각 2이상 구비되어 선택적인 롤 관리가 가능하도록 구성됨으로써, 공급롤 또는 회수롤의 장착, 탈거, 교체 과정에서 공정의 멈춤이나 지연에 따른 시간 비효율성을 저감시킬 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명은, 그래핀 제조장치 이외에도, 챔버 내부의 온도/압력 조건이나 가스 분위기를 외부와 차단적으로 구성하는 다양한 합성 공정용 제조장치에 있어서, 기판을 공급하기 위한 공급롤 및/또는 기판을 회수하기 위한 회수롤이 각각 2이상 구비되어 선택적인 롤 관리가 가능하도록 구성됨으로써, 공급롤 또는 회수롤의 장착, 탈거, 교체 과정에서 공정의 멈춤이나 지연에 따른 시간 비효율성을 저감시킬 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.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 제조장치의 가스/가열 제어를 설명하기 위한 개략화된 모식도이다.
도 6은 도 5의 공급 챔버 측을 더욱 상세하게 나타낸 모식도이다.
도 7은 도 5의 회수 챔버 측을 더욱 상세하게 나타낸 모식도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 제조장치의 가스/가열 제어 조건의 일예를 나타내는 모식도이다.

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 본 발명의 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치의 기본 구성을 상세하게 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 폴리머, 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.

바람직하게, 상기 롤 구동수단(23, 33)은 공급 챔버(20) 및 회수 챔버(30)에 모두 구비되며, 롤 형태로 공급 측에서 회수 측으로 연속 공급되는 금속 촉매 기판의 텐션 제어를 통해 양측 롤 구동수단(23, 33)의 회전 제어가 이뤄지도록 구성된다.

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. 본 실시예에서는 반응가스 공급밸브(50)를 세개로 예시하였으며, 상기 반응가스 공급밸브(50)의 수를 증감하는 것도 가능하다.

상기 반응가스 공급밸브(50)와 함께 수소 가스와 같은 환원 가스, 아르곤 가스와 같은 퍼지용 가스 등의 공정용 가스를 주입할 수 있도록 각각의 공정용 가스를 위한 별도의 가스 공급밸브가 더욱 구비될 수 있다. 각각의 공정용 가스를 위한 별도의 가스 공급밸브는 메인 챔버(10)의 적절한 위치에 개별적으로 설치될 수 있다.

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. 이러한 반응가스는 일반적으로 탄소 포함 가스 또는 탄소 가스로 이해될 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 히팅모듈글래스(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, 예, 지지 롤)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.

한편, 바람직한 일예로, 본 실시예의 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치는, 2이상의 메인 챔버 모듈이 직렬로 결합되어 메인 챔버를 형성하고 다양한 공정용 가스의 공급 및 근적외선 가열이 각 메인 챔버 모듈별로 개별 제어되도록 구성된다. 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 제조장치의 가스/가열 제어를 설명하기 위한 개략화된 모식도이다. 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 제조장치의 가스/가열 제어 조건의 일예를 나타내는 모식도이다.

일반적으로, 그래핀 합성을 위해서는 촉매 기판(C)이 위치한 메인 챔버(10) 내에 환원 가스, 반응 가스, 퍼지용 가스를 포함하는 다양한 공정용 가스가 공정 순서에 맞추어 적절하게 공급 및 차단 제어가 이뤄져야 한다.

환원 가스는 일반적으로 촉매 기판(C)의 표면을 깨끗하게 유지하여 반응이 효과적으로 이뤄지도록 제어하기 위해 주입되며, 일반적으로 수소 가스가 사용된다.

그래핀 합성 공정에서는 일반적으로 환원 가스 공급 시 메인 챔버 내의 가열이 이뤄진다. 이러한 상태가 도 8의 왼쪽의 온도 상승 단계에 해당한다.

반응 가스는 상술한 바와 같이 그래핀 합성을 위한 탄소 공급용 원료 가스로서 주입되며, 상술한 바와 같은 다양한 종류의 탄소 가스가 사용된다. 반응 가스는 단독으로 주입될 수도 있으며, 환원 가스와 함께 주입되거나 환원 가스가 존재하는 환경 하에서 주입될 수도 있다.

그래핀 합성 공정에서는 일반적으로 반응 가스 공급 시 메인 챔버 내의 가열 상태가 유지되어, 메인 챔버 내의 온도가 그래핀 합성에 적합한 일정한 고온 상태로 소정 시간 유지된다. 이러한 상태가 도 8의 가운데의 온도 유지 단계에 해당한다.

퍼지용 가스는 그래핀 합성 이후 단계에서 환원 가스 및/또는 반응 가스를 메인 챔버 내에서 퍼지하기 위해 주입되며, 일반적으로 아르곤 가스, 질소 가스, 헬륨 가스가 사용된다.

그래핀 합성 공정에서는 일반적으로 퍼지용 가스 공급 시에 별도의 가열이 이뤄지지는 않는다. 이러한 상태가 도 8의 우측의 온도 하강 단계에 해당한다.

한편, 본 실시예의 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치에 있어서, 상기 메인 챔버(10)는 2이상의 메인 챔버 모듈(11A,11B,11C)이 직렬로 결합되어 이뤄지며, 반응가스를 포함하는 공정용 가스가 상기 2이상의 메인 챔버 모듈 별로 개별적으로 공급 또는 차단 제어되도록 구성된다. 본 실시예의 경우, 3개의 메인 챔버 모듈(11A,11B,11C)이 공급 챔버(20)와 회수 챔버(30) 사이에 직렬로 결합되어 상기 메인 챔버(10)를 구성한 경우를 예시한다. 상기 메인 챔버 모듈의 갯수는 공정 조건에 따라 변경될 수도 있다.

상술한 각각의 공정용 가스를 공급하기 위해, 본 실시예의 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치는, 상기 메인 챔버(10) 내부로 반응가스를 포함하는 공정용 가스를 공급하는 가스 공급밸브(50A,50B,50G,50H)를 포함한다.

일예로, 공급 챔버(20)에 설치된 가스 공급밸브(50A,50B)는 환원 가스를 공급하는 기능을 하며, 공급 챔버(20) 내부로 유입된 환원 가스는 제1 메인 챔버 모듈(11A)로 유입이 용이하도록 연결부의 개방부(11A')가 구성되어, 제1 메인 챔버 모듈(11A)로 환원 가스가 직접 공급되는 것과 유사한 효과를 제공할 수 있다. 제1 메인 챔버 모듈(11A)에 환원 가스가 직접 공급되도록 구성될 수도 있음은 물론이다.

또한, 제2 메인 챔버 모듈(11B)에 설치된 가스 공급밸브(50G)는 반응 가스를 공급하는 기능을 한다.

또한, 제3 메인 챔버 모듈(11C)에 설치된 가스 공급밸브(50H)는 퍼지용 가스를 공급하는 기능을 한다.

한편, 바람직하게, 상기 공급 챔버(20)와 제1 메인 챔버 모듈(11A)의 연결부, 제3 메인 챔버 모듈(11C)과 상기 회수 챔버(30)의 연결부, 각각의 메인 챔버 모듈(11A,11B,11C) 간의 상호 연결부는 촉매 기판(C)의 두께가 원활하게 통과될 정도로 일부 면적만 개방된 형태의 개방부(11A',11A'',11B',11B'',11C',11C''')를 형성하도록 구성된다.

이렇게 각각의 연결부의 일부 면적만 개방된 상태를 이루도록 개방부(11A',11A'',11B',11B'',11C',11C''')가 구성되는 경우, 공급 챔버(20), 제1/제2/제3 메인 챔버 모듈(11A,11B,11C), 회수 챔버(30)는 각각의 상호 연결부가 일부 개방된 상태를 이루므로 전체적인 압력 평형 상태를 유지할 수 있으면서도, 상술한 바와 같이 제1/제2/제3 메인 챔버 모듈(11A,11B,11C) 별로 환원 가스, 반응 가스, 퍼지용 가스가 집중적으로 공급되어 각각의 가스 분위기를 개별적으로 갖도록 제어가 가능하게 된다.

이러한 구성을 통해, 본 실시예의 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치는, 롤투롤 방식의 연속 공정 방식을 취하면서도 제1/제2/제3 메인 챔버 모듈(11A,11B,11C)이 각각 환원 공정 모듈, 반응 공정 모듈, 퍼지 공정 모듈과 같은 기능을 구분하여 연속적으로 제공하는 것과 같은 장점이 있다.

한편, 본 실시예에서, 상기 투광창(12)은 상기 2이상의 메인 챔버 모듈 중 적어도 어느 하나의 일측면에 구비되며, 상기 근적외선 히팅모듈(40)은 상기 2이상의 메인 챔버 모듈 중 적어도 어느 하나의 투광창(12) 외측에 개별적으로 설치되어, 메인 챔버 모듈 별로 개별적으로 근적외선의 조사 및 가열 제어가 이뤄질 수 있도록 구성된다.

특히, 상기 3개의 메인 챔버 모듈(11A,11B,11C) 중 환원 가스 공급이 가능한 제1 메인 챔버 모듈(11A)과, 반응 가스 공급이 가능한 제2 메인 챔버 모듈(11B)에 대하여 근적외선의 조사 및 가열 제어가 이뤄질 수 있도록, 제1 근적외선 히팅모듈(40A)과 제2 근적외선 히팅모듈(40B)이 제1 메인 챔버 모듈(11A) 및 제2 메인 챔버 모듈(11B)의 외측에 각각 설치된다.

이러한 구성을 통해, 상술한 도 8의 환원 및 반응 공정과 같은 각각의 단위 공정 조건에 따른 가스 가열 제어를 연속 공정의 형태로 제공할 수 있게 된다.

이를 다른 관점에서 보면, 제1/제2/제3 메인 챔버 모듈(11A,11B,11C)은 각각 제1 히팅 영역, 제2 히팅 영역, 쿨링 영역을 연속적으로 이루는 것으로 볼 수도 있다.

한편, 바람직한 일예로, 본 실시예의 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치는, 촉매 기판을 공급하기 위한 공급롤 및/또는 촉매 기판을 회수하기 위한 회수롤이 각각 2이상 구비되어 선택적인 롤 관리가 가능하도록 구성된다. 도 6은 도 5의 공급 챔버 측을 더욱 상세하게 나타낸 모식도이다. 도 7은 도 5의 회수 챔버 측을 더욱 상세하게 나타낸 모식도이다.

바람직한 일예로, 본 실시예의 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치에 있어서, 상기 공급 챔버(20) 또는 회수 챔버(30)는 2이상의 롤이 개별적으로 분리 수용이 가능하도록 내부에 2이상의 롤 수용 공간(20A,20C 또는 30A,30C)이 구비되며, 상기 2이상의 롤 수용 공간(20A,20C 또는 30A,30C)은 상기 메인 챔버(10) 내부 공간과 선택적으로 공간 연결 상태를 이룰 수 있도록 구성된다.

여기서, '공간 연결 상태'를 이룬다는 의미는, 연결 설치된 챔버 상호 간에 촉매 기판(C)을 제공하거나 제공받을 수 있는 공간적 경로가 형성되거나, 또는 상술한 공정용 가스의 유동 또는 진공압의 형성이 공간적으로 연결되어 형성될 수 있다는 것으로 이해될 수 있다.

도 6 내지 도 7을 참조하면, 상기 2이상의 롤 수용 공간(20A,20C 또는 30A,30C)은 제1 롤 수용 공간(20A,30A)과 제2 롤 수용 공간(20C,30C)을 포함하며, 그 사이에 중간 공간(20B,30B)을 포함하여 구성된다.

상기 중간 공간(20B,30B)은 상기 메인 챔버(10) 내부 공간과 공간 연결 상태를 이루며, 상기 제1 롤 수용 공간(20A,30A)은 제1 내부 도어(22B 또는 32C)를 통해 상기 중간 공간(20B,30B)과 선택적인 공간 연결 상태를 이루며, 상기 제2 롤 수용 공간(20C,30C)은 제2 내부 도어(22C 또는 32D)를 통해 상기 중간 공간(20B,30B)과 선택적인 공간 연결 상태를 이루도록 구성된다.

제1 내부 도어(22B 또는 32C)와 제2 내부 도어(22C 또는 32D)는 가스 압력 차단 또는 해제가 가능하고 촉매 기판(C)이 원활하게 이동 가능한 구조라면 공지의 다양한 도어 개폐 구조가 적용될 수 있다.

한편, 상술한 '선택적인 공간 연결 상태'를 이룬다는 의미는, 공급 챔버(20)를 예로 들면, 제1 내부 도어(22B)가 개방되고 제2 내부 도어(22C)가 폐쇄된 상태에서는 상기 제1 롤 수용 공간(20A)과 상기 중간 공간(20B)이 상호 간에 공간 연결 상태를 이루게 되어 하나의 챔버 공간을 형성하며, 이와 반대로 제1 내부 도어(22B)가 폐쇄되고 제2 내부 도어(22C)가 개방된 상태에서는 상기 제2 롤 수용 공간(20C)과 상기 중간 공간(20B)이 상호 간에 공간 연결 상태를 이루게 되어 하나의 챔버 공간을 형성하는 것으로 이해될 수 있다.

이렇게, '선택적인 공간 연결 상태'를 제공함에 따라, 본 실시예의 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치는, 제1 롤 수용 공간(20A)에 수용된 공급롤(21)을 통해 촉매 기판(C)이 메인 챔버(10) 내부로 공급되어 그래핀 합성이 이뤄지는 동안에, 제2 내부 도어(22C)가 폐쇄된 상태에서 제2 롤 수용 공간(20C)에 수용된 또 다른 공급롤(21')의 교체가 가능하며, 또한, 그 반대 상황의 공급롤 교체도 가능하다.

한편, 상기 공급 챔버(20)의 상기 제1 롤 수용 공간(20A) 또는 상기 제2 롤 수용 공간(20C)의 각각에는, 가스 공급용 배관(50A,50B) 및 가스 배출용 배관(50C,50D) 중의 적어도 어느 하나가 연결된다.

이렇게, 제1 롤 수용 공간(20A) 또는 상기 제2 롤 수용 공간(20C)의 각각에 개별적인 가스 공급 및 가스 배출이 가능하도록 구성함에 따라, 본 실시예의 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치는, 제1 롤 수용 공간(20A)에 수용된 공급롤(21)을 통해 촉매 기판(C)이 메인 챔버(10) 내부로 공급되는 동안에, 제2 롤 수용 공간(20C) 내부의 가스 공급 및 배출을 제1 롤 수용 공간(20A)과 독립적으로 제어하여 또 다른 공급롤(21')을 교체하는 것이 가능하다.

또한, 본 실시예의 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치는, 제1 롤 수용 공간(20A)에 수용된 공급롤(21)의 촉매 기판(C)이 모두 공급되어 해당 공급롤(21)의 교체가 필요한 경우, 제2 롤 수용 공간(20C) 내부의 가스 공급 및 압력 상태를 메인 챔버(10)와의 공간 연결에 적합하도록 미리 제어하여, 공급롤(21 또는 21') 교체 과정에 따른 시간 지연이나 가스/압력 제어 조작의 부담을 저감시킬 수 있다.

한편, 상기 회수 챔버(30)의 상기 제1 롤 수용 공간(30A) 또는 상기 제2 롤 수용 공간(30C)의 각각에도, 가스 배출용 배관(50E,50F) 및 진공용 배관(90C,90D) 중의 적어도 어느 하나가 연결된다.

이를 통해, 상기 공급 챔버(20)의 경우와 유사한 형태로, 제1 롤 수용 공간(30A) 또는 제2 롤 수용 공간(30C)의 각각에 대한 독립적인 가스/압력 제어를 가능하게 되므로, 그래핀이 합성된 촉매 기판(C)을 회수롤(31 또는 31')로부터 회수 챔버(30) 외부로 배출하는 과정에 따른 시간 지연이나 가스/압력 제어 조작의 부담을 저감시킬 수 있다.

한편, 상기 회수 챔버(30)의 상기 제1 롤 수용 공간(30A) 또는 상기 제2 롤 수용 공간(30C)의 각각에는, 내부에 수용된 회수롤(31,31')로부터 풀어지는 촉매 기판(C)을 외부로 배출 가능하도록 배출용 도어(32B,32E)가 각각 구비된다.

본 실시예의 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치가 수직형으로 설치되는 경우, 바람직하게, 상기 배출용 도어(32B,32E)는 상기 회수 챔버(30)의 하부측에 형성된다. 이를 통해, 그래핀이 합성된 촉매 기판(C)을 회수롤(31 또는 31')로부터 상기 배출용 도어(32B,32E)를 통해 회수 챔버(30) 하부로 용이하게 배출할 수 있게 된다.

더욱 바람직하게, 상기 회수 챔버(30)의 상기 제1 롤 수용 공간(30A)의 회수롤(31)로부터 배출용 도어(32B)를 통해 하부로 배출되는 촉매 기판(C)의 시작측 단부는, 상기 제2 롤 수용 공간(30C)의 회수롤(31')로부터 배출용 도어(32E)를 통해 배출되는 또다른 촉매 기판(C)의 종료측 단부와 상호 결합(예, 본딩, 용접 등)되어, 연속적인 연결 상태로 후공정으로 제공될 수 있다. 이와 반대 방향으로 촉매 기판(C)이 상호 결합될 수 있음은 물론이다.

한편, 상기 회수 챔버(30)의 중간 공간(30B)에는, 상기 공급롤(21,21')로부터 상기 메인 챔버(10)를 거쳐 공급된 촉매 기판(C)을 절단하기 위한 커터(39)가 구비된다. 상기 커터(39)에 의해 절단된 촉매 기판(C) 중 상기 회수롤(31 또는 31')에 권취된 측은 상술한 바와 같이 배출용 도어(32B,32E)를 통해 회수 챔버(30) 외부로 배출되며, 그 반대측 잔여 기판 부분은 상기 공급롤(21,21')의 역회전에 따라 다시 공급롤(21,21')로 권취되어 해당 공급롤(21 또는 21')의 교체 시에 함께 교체된다. 상기 커터(39)는 촉매 기판(C)을 절단하기에 적합한 구조라면 특별히 그 구성에 제한을 받지 않으며, 다양한 공지의 기판 절단 구조가 적용될 수 있으므로 상세 설명은 생략한다.

미설명된 부호 211,212,311,312,321,322는 촉매 기판(C)의 이동을 제어하기 위한 보조 롤이며, 부호 50C,50D,50E,50F는 벤트(vent)용 밸브이며, 부호 11C''',20''' 는 촉매 기판(C)의 이동을 가이드하기 위한 안내부이며, 부호 90A,90B,90C,90D는 진공용 배관이며, 부호 90E는 벤트(vent)용 배관이다. 미설명된 부호 22A,22D,32A,32F는 공급롤 또는 회수롤을 교체 또는 유지보수 시에 사용하는 제1 롤 수용 공간 또는 제2 롤 수용 공간의 메인 도어이다.

한편, 본 발명은, 상술한 그래핀 제조장치 이외에도, 챔버 내부의 온도/압력 조건이나 가스 분위기를 외부와 차단적으로 구성하는 다양한 롤투롤 방식의 합성 공정용 제조장치에도 적용 가능하다.

이러한 합성 공정용 제조장치의 일예로, 롤투롤 방식의 화학기상증착장치를 들 수 있다.

화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)은 박막 형성 기술의 하나로서, 원료가 되는 가스(한 종류 또는 두 종류 이상)를 반응관 또는 반응챔버 내에 흐르게 하고 열적 또는 전기적으로 여기(플라스마)하여 분해, 화학결합 등의 반응을 일으켜, 반응 생성물을 기판상에 퇴적하여 박막을 형성하는 공정이다.

롤투롤 방식으로 반응챔버(상기 실시예의 메인 챔버) 내에 기판을 공급하는 화학기상증착장치라면, 상술한 실시예의 구성이 적용 가능하다.

상술한 실시예에서는 그래핀 제조장치를 제공하기 위해 메인 챔버의 투광창 외측에 근적외선 히팅모듈을 설치하고, 메인 챔버 내부를 통과하는 기판에 투광창을 통해 근적외선을 조사하는 구성을 예시하였는데, 챔버 내부의 온도/압력 조건이나 가스 분위기를 외부와 차단적으로 구성하는 롤투롤 방식의 합성 공정용 제조장치라면 공정 특성에 따라 히팅모듈 구성을 상술한 실시예와 다르게 변형 구성하는 것도 가능하다. 일예로, 히팅모듈이 없거나 내부에 설치되는 구성이더라도, 상술한 실시예와 동일한 형태로 공급롤 및/또는 회수롤이 각각 2이상 구비되어 선택적인 롤 관리가 가능하도록 구성할 수 있다.

또한, 화학기상증착장치 이외의 공정에 있어서도, 챔버 내부의 온도/압력 조건이나 가스 분위기를 외부와 차단적으로 구성하는 롤투롤 방식의 합성 공정용 제조장치라면, 상술한 실시예와 동일한 형태로 공급롤 및/또는 회수롤이 각각 2이상 구비되어 선택적인 롤 관리가 가능하도록 구성할 수 있음은 물론이다.

화학기상증착장치 또는 이외의 다양한 공정에 본 발명의 구성을 적용하는 실시예는, 상술한 그래핀 제조장치의 실시예를 통해 자명하게 이해될 수 있으므로, 중복 설명은 생략한다.

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 : 히팅모듈글래스
50 : 반응가스 공급밸브 60 : 스로틀밸브
C : 촉매 기판 F : 플랜지

Claims (14)

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 포함하는 공정용 가스를 공급하는 가스 공급밸브;를 포함하되,
   상기 공급 챔버 또는 회수 챔버는 2이상의 롤이 개별적으로 분리 수용이 가능하도록 내부에 2이상의 롤 수용 공간이 구비되며,
   상기 2이상의 롤 수용 공간은 상기 메인 챔버 내부 공간과 선택적으로 공간 연결 상태를 이룰 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 2이상의 롤 수용 공간은 제1 롤 수용 공간과 제2 롤 수용 공간을 포함하며, 그 사이에 중간 공간을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 중간 공간은 상기 메인 챔버 내부 공간과 공간 연결 상태를 이루며,
   상기 제1 롤 수용 공간은 제1 내부 도어를 통해 상기 중간 공간과 선택적인 공간 연결 상태를 이루며,
   상기 제2 롤 수용 공간은 제2 내부 도어를 통해 상기 중간 공간과 선택적인 공간 연결 상태를 이루도록 구성된 것을 특징으로 하는 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 공급 챔버의 상기 제1 롤 수용 공간 또는 상기 제2 롤 수용 공간의 각각에는, 가스 공급용 배관 및 가스 배출용 배관 중의 적어도 어느 하나가 연결된 것을 특징으로 하는 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치.
   
5. 제3항에 있어서,
   상기 회수 챔버의 상기 제1 롤 수용 공간 또는 상기 제2 롤 수용 공간의 각각에는, 가스 공급용 배관 및 가스 배출용 배관 중의 적어도 어느 하나가 연결된 것을 특징으로 하는 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치.
   
6. 제3항에 있어서,
   상기 회수 챔버의 상기 제1 롤 수용 공간 또는 상기 제2 롤 수용 공간의 각각에는, 내부에 수용된 회수롤로부터 풀어지는 촉매 기판을 외부로 배출 가능하도록 배출용 도어가 구비된 것을 특징으로 하는 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치.
   
7. 제3항에 있어서,
   상기 회수 챔버의 중간 공간에는, 상기 공급롤로부터 상기 메인 챔버를 거쳐 공급된 촉매 기판을 절단하기 위한 커터가 구비된 것을 특징으로 하는 롤투롤 방식의 그래핀 제조장치.
   
8. 외부와 밀폐되도록 형성되는 메인 챔버;
   상기 메인 챔버의 일측에 구비되며, 합성 공정을 위한 기판을 상기 메인 챔버 내부로 공급하는 공급롤이 내부에 수용되는 공급 챔버;
   상기 메인 챔버의 타측에 구비되며, 상기 메인 챔버 내부를 통과한 기판이 회수되는 회수롤이 내부에 수용되는 회수 챔버; 및
   상기 메인 챔버 내부로 공정용 가스를 공급하는 가스 공급밸브;를 포함하되,
   상기 공급 챔버 또는 회수 챔버는 2이상의 롤이 개별적으로 분리 수용이 가능하도록 내부에 2이상의 롤 수용 공간이 구비되며,
   상기 2이상의 롤 수용 공간은 상기 메인 챔버 내부 공간과 선택적으로 공간 연결 상태를 이룰 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 롤투롤 방식으로 기판을 공급하는 제조장치.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 2이상의 롤 수용 공간은 제1 롤 수용 공간과 제2 롤 수용 공간을 포함하며, 그 사이에 중간 공간을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 롤투롤 방식으로 기판을 공급하는 제조장치.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 중간 공간은 상기 메인 챔버 내부 공간과 공간 연결 상태를 이루며,
    상기 제1 롤 수용 공간은 제1 내부 도어를 통해 상기 중간 공간과 선택적인 공간 연결 상태를 이루며,
    상기 제2 롤 수용 공간은 제2 내부 도어를 통해 상기 중간 공간과 선택적인 공간 연결 상태를 이루도록 구성된 것을 특징으로 하는 롤투롤 방식으로 기판을 공급하는 제조장치.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 공급 챔버의 상기 제1 롤 수용 공간 또는 상기 제2 롤 수용 공간의 각각에는, 가스 공급용 배관 및 가스 배출용 배관 중의 적어도 어느 하나가 연결된 것을 특징으로 하는 롤투롤 방식으로 기판을 공급하는 제조장치.
    
12. 제10항에 있어서,
    상기 회수 챔버의 상기 제1 롤 수용 공간 또는 상기 제2 롤 수용 공간의 각각에는, 가스 공급용 배관 및 가스 배출용 배관 중의 적어도 어느 하나가 연결된 것을 특징으로 하는 롤투롤 방식으로 기판을 공급하는 제조장치.
    
13. 제10항에 있어서,
    상기 회수 챔버의 상기 제1 롤 수용 공간 또는 상기 제2 롤 수용 공간의 각각에는, 내부에 수용된 회수롤로부터 풀어지는 기판을 외부로 배출 가능하도록 배출용 도어가 구비된 것을 특징으로 하는 롤투롤 방식으로 기판을 공급하는 제조장치.
    
14. 제10항에 있어서,
    상기 회수 챔버의 중간 공간에는, 상기 공급롤로부터 상기 메인 챔버를 거쳐 공급된 기판을 절단하기 위한 커터가 구비된 것을 특징으로 하는 롤투롤 방식으로 기판을 공급하는 제조장치.

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