KR20170060408A - 그래핀 합성 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 촉매금속에 그래핀이 합성되는 공간을 정의하는 챔버; 상기 챔버 내부로 탄소를 포함한 가스를 공급하는 가스 공급부;상기 챔버 내부에 배치되고, 복사열을 이용하여 상기 촉매금속과 상기 탄소를 포함한 가스를 가열하는 제1 가열부; 및 상기 챔버 내부에 배치되고, 줄열을 이용하여 상기 촉매금속을 가열하는 제2 가열부;를 포함하는 그래핀 합성 장치를 개시한다.

Description

그래핀 합성 장치{Graphene Synthesis Apparatus}
본 발명의 실시예들은 그래핀 합성 장치에 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 vaper 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 내부 공간에 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 제2012-0001591호(2012.01.04) "그래핀의 제조 장치 및 제조 방법"
본 발명의 일 실시예는 대량 생산이 가능하며, 고품질의 그래핀을 제조할 수 있는 그래핀 합성 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예는 촉매금속에 그래핀이 합성되는 공간을 정의하는 챔버;상기 챔버 내부로 탄소를 포함한 가스를 공급하는 가스 공급부;상기 챔버 내부에 배치되고, 복사열을 이용하여 상기 촉매금속과 상기 탄소를 포함한 가스를 가열하는 제1 가열부; 및 상기 챔버 내부에 배치되고, 줄열을 이용하여 상기 촉매금속을 가열하는 제2 가열부;를 포함하는 그래핀 합성 장치를 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 가열부는, 서로 이격된 상태로 상기 촉매금속과 접촉되며, 상기 촉매 금속을 이동시키는 롤링 역할을 하는 한 쌍의 전도성 롤러를 포함하고, 상기 그래핀 합성 장치는, 상기 한 쌍의 전도성 롤러를 통하여 상기 촉매금속에 전류를 공급하는 전류 공급부;를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 그래핀 합성시 롤-투-롤 방식으로 상기 촉매금속을 상기 챔버 내부로 공급하는 촉매금속 공급부를 더 포함하고, 상기 제1 가열부 및 상기 제2 가열부는, 상기 촉매금속의 진행방향에 따라 순차적으로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 챔버는, 상기 제1 가열부가 배치되는 제1 영역과 상기 제2 가열부가 배치되는 제2 영역을 분할하는 적어도 하나의 차단벽을 더 포함하고, 상기 차단벽은, 단열부재로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 가열부는,상기 챔버의 적어도 일측면에 구비되며, 상기 촉매금속을 향하여 빛을 방출함으로써, 상기 촉매금속을 가열하는 램프를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 촉매금속과 서로 이격된 채 마주보도록 배치되며, 상기 제1 가열부에서 방출되는 열을 흡수하여 상기 촉매금속을 향해 방출하는 서셉터부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 챔버 내부에 배치되고, 상기 제1 가열부와 상기 제2 가열부 사이에 배치되어 상기 제1 가열부로부터 배출된 상기 촉매금속을 냉각시키는 냉각부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 가열부에 의한 가열과 상기 제2 가열부에 의한 가열은 순차적으로 이루어지며, 실질적으로 동일한 제1 온도에서 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 그래핀 합성 장치는, 상기 제1 가열부에 의한 가열 후 상기 제2 가열부에 의한 가열 전에 제2 온도에서 상기 촉매금속을 냉각하고, 상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 낮되, 그래핀 합성이 가능한 온도 중 최대 온도일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 복사열을 이용하여 촉매금속을 가열하는 제1 챔버; 및 상기 제1 챔버를 통해 가열된 후 냉각된 상기 촉매금속를 가열하되, 줄열을 이용하여 가열하는 제2 챔버;를 포함하는 그래핀 합성 장치를 개시한다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 제2 챔버 내부에 배치되고, 서로 이격된 상태로 상기 촉매금속과 접촉되는 한쌍의 제2 가열부; 및 상기 한 쌍의 제2 가열부를 통하여 상기 촉매금속에 전류를 공급하는 전류 공급부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 한 쌍의 제2 가열부는 상기 촉매 금속을 이동시키는 롤링 역할을 하는 한 쌍의 전도성 롤러일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 제1 챔버 및 상기 제2 챔버로 순차적으로 상기 촉매금속을 공급하는 촉매금속 공급부;를 더 포함하고, 상기 촉매금속 공급부는, 롤-투-롤 방식으로 상기 촉매금속을 공급할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 제1 챔버의 적어도 일측면에 구비되며, 상기 촉매금속을 향하여 빛을 방출함으로써, 상기 촉매금속을 가열하는 제1 가열부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 제1 챔버에 의한 가열과 상기 제2 챔버에 의한 가열은 순차적으로 이루어지며, 실질적으로 동일한 제1 온도에서 이루어지고, 상기 그래핀 합성 장치는, 상기 제1 가열부에 의한 가열 후 상기 제2 가열부에 의한 가열 전에 제2 온도에서 상기 촉매금속을 냉각하고, 상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 낮되, 그래핀 합성이 가능한 온도 중 최대 온도일 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점은 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 특허청구범위 및 도면으로부터 명확해질 것이다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예들에 따르면, 두 번의 그래핀 합성 공정에 의해 치밀한 구조를 갖는 고품질의 그래핀을 합성할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 합성 챔버에서 그래핀을 합성할 ‹š에 사용되는 금속박판의 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 그래핀 합성 장치를 개략적으로 나타낸 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 그래핀 합성 장치의 온도조건을 시간(t)에 따라 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 그래핀 합성 장치를 개략적으로 나타낸 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 그래핀 합성 장치를 개략적으로 나타낸 측단면도이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 그래핀 합성 장치를 개략적으로 나타낸 측단면도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
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" 및/또는 "포함하는"은 언급된 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, 층, 막, 영역, 판 등의 각종 구성요소가 다른 구성요소 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 구성요소 "바로 상에" 있는 경우뿐 아니라 그 사이에 다른 구성요소가 개재된 경우도 포함한다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 합성 챔버에서 그래핀을 합성할 때에 사용되는 촉매금속의 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
본 명세서에서 "촉매금속(10)"은 도 1a에 도시된 바와 같이 단일의 금속층으로 형성되거나, 도 1b에 도시된 바와 같이 베이스층(20) 상에 형성될 수 있다. 촉매금속(10)은 그래파이트화의 촉매로서 기능하는 층으로서, 소스 가스에 포함된 탄소 성분들이 서로 결합하여 6각형의 판상 구조를 형성하도록 도와주는 역할을 수행한다.
예컨대, 촉매금속(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 촉매금속(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 발명의 제1 실시예에 따른 그래핀 합성 장치를 개략적으로 나타낸 측단면도이다. 도 2에서는 설명의 편의를 위하여 촉매금속(10)이 단일의 금속층으로 형성된 경우로 도시하였다.
도 2를 참조하면, 그래핀 합성 장치(1000)는 챔버(100), 가스공급부(110), 가스배출부(120), 제1 가열부(130), 제2 가열부(170) 및 전류 공급부(180)를 포함할 수 있다.
챔버(100)는 대략 육면체의 형상이며, 챔버(100)의 내부는 촉매금속(10)에 그래핀을 합성하는 공간이 정의된다. 챔버(100)는 SUS와 같은 소재로 제작될 수 있다. 챔버(100)의 일측에는 챔버(100) 내부로 탄소를 포함한 가스를 공급하는 가스 공급부(110)가 구비되어 있다. 또한, 가스 공급부(110)와 반대편, 즉 챔버(100)의 타측에는 가스가 배출될 수 있는 가스배출부(120)가 구비되어 있다. 도면에서는, 챔버(100)에 하나의 가스공급부(110) 및 가스배출부(120)가 배치되는 것으로 도시하였으나, 본 발명에서는 이를 한정하지 않는다. 예를 들면, 가스 공급부(110) 및 가스 배출부(120)는 촉매금속(10)의 진행방향과 같은 방향으로 가스가 드나들도록 배치될 수 있으며, 챔버의 제1 영역(100A) 및 제2 영역(100C)에 각각 배치될 수도 있다.
가스 공급부(110)를 통해 챔버(100)의 내부 공간으로 탄소를 포함하는 가스가 공급될 수 있다. 탄소를 포함하는 가스는 그래핀 형성을 위한 소스 가스로서, 예컨대 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 에탄(C2H6), 에틸렌(C2H4), 에탄올(C2H6O), 아세틸렌(C2H2), 프로판(CH3CH2CH3), 프로필렌(C3H6), 부탄(C4H10), 부타디엔, 펜탄CH3(CH2)3CH3, 펜텐(C5H10), 사이클로펜타디엔(C5H6), 헥산(C6H14), 사이클로헥산(C6H12), 벤젠(C6H6) 및 톨루엔(C7H8)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 가스가 포함될 수 있다.
한편, 가스 공급부(110)를 통해 분위기 가스도 챔버(100)의 내부 공간으로 유입될 수 있다. 분위기 가스는 헬륨(He)이나 아르곤(Ar) 같은 불활성 가스, 또는/및 촉매금속(10)의 표면을 깨끗하게 유지하기 위한 수소(H2)와 같은 비반응 가스를 포함할 수 있다.
가스 배출부(120)는 그래핀 합성이 이루어진 후에 생성되는 잔류 가스를 외부로 배출할 수 있다.
한편, 가스 공급부(110)와 가스 배출부(120)의 개폐동작에 의하여, 그래핀의 합성이 수행되기 전에 챔버(100) 내부의 진공 상태를 유지할 수 있다. 예컨대, 가스 공급부(110)를 폐쇄한 상태에서 가스 배출부(120)와 연결된 진공 펌프(미도시)를 가동함으로써 챔버(100)의 내부를 진공으로 만들 수 있다.
제1 가열부(130)는 챔버(100) 내부에 배치되고, 복사열을 이용하여 촉매금속(10)과 탄소를 포함한 가스를 가열할 수 있다. 제1 가열부(130)는 챔버(100)의 적어도 일측에 배치되어 촉매금속(10)의 제1 면 및 제1 면과 반대측에 구비된 제2 면 중 적어도 하나와 마주보도록 배치될 수 있다.
제1 가열부(130)는 근적외선 파장대역을 포함하는 빛을 방출하는 램프(131)를 포함할 수 있다. 램프(131)에서 방출되는 빛의 대부분이 촉매금속(10)을 향할 수 있도록 램프(131)의 일측에는 반사면(132)이 구비될 수 있다. 제1 가열부(130)는 복수의 램프(131)들의 출력을 제어함으로써, 촉매금속(10)을 일정한 온도로 가열할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(1000)는 촉매금속(10)과 서로 이격된 채 마주보도록 배치되며, 제1 가열부(130)에서 방출되는 열을 흡수하여 촉매금속(10)을 향해 방출하는 서셉터부(140)를 더 포함할 수 있다. 서셉터부(140)는 촉매금속(10)의 제1 면 및 제1 면과 반대편에 구비된 제2 면 중 적어도 어느 하나의 면과 상호 이격된 채 마주보도록 배치될 수 있다. 서셉터부(140)를 구비함으로써, 제1 가열부(130)에서 방출되는 빛에 의한 촉매금속(10)의 급격한 온도 상승을 방지할 수 있으며, 촉매금속(10) 주변의 온도를 가두는 역할을 수행하여 그래핀 합성에 필요한 환경을 비교적 오랫동안 일정하게 유지시킬 수 있다.
제2 가열부(170)는 챔버(100) 내부에 배치되고, 줄열(Jule heating)을 이용하여 촉매금속(10)을 가열할 수 있다. 제2 가열부(170)는 제1 전도성 롤러(171) 및 제2 전도성 롤러(172)로 이루어진 한쌍의 전도성 롤러를 포함할 수 있으며, 서로 이격된 상태로 촉매금속(10)과 접촉되며, 촉매금속(10)을 롤링함으로써 이동시키는 역할을 할 수 있다. 제2 가열부(170)는 촉매금속(10)을 지지하는 지지 롤러로 작용할 수 있다. 다른 실시예로서, 제2 가열부(170)는 한쌍 이상이 구비될 수도 있다. 다시 말해, 두 쌍이 구비되어, 촉매금속(10)의 서로 다른 영역에 전류를 공급할 수도 있다. 본 발명에서는 제2 가열부(170)의 개수를 제한하지 않는다.
전류 공급부(180)는 제2 가열부(170)를 통하여 촉매금속(10)에 전류를 공급할 수 있다. 제2 가열부(170)는 전도성을 가지고, 촉매 금속(10)에 선 접촉(또는 면 접촉)할 수 있으므로, 촉매금속(10)에 균일한 전류를 공급할 수 있다. 전류공급부(180)는 제2 가열부(170), 즉 제1 전도성 롤러(171) 및 제2 전도성 롤러(172) 각각에 서로 다른 극성의 전압을 갖도록 연결함으로써, 제1 전도성 롤러(171) 및 제2 전도성 롤러(172)가 접촉된 촉매금속(10)에 전류를 공급할 수 있다. 촉매금속(10)은 전류가 공급되면 줄열(Jule heating)에 의해 가열될 수 있다.
여기서, 줄열(Jule heating)이란 저항체에 전류를 통할 때에 발생하는 열로서, 전류의 제곱, 저항 및 시간에 비례한다(Q=I2RT), 본 발명의 제1 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(1000)는 촉매금속(10)으로 전류가 공급되면, 촉매금속(10) 또는/및 촉매금속(10) 상에 형성된 그래핀의 저항에 의해 줄열이 발생할 수 있다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(1000)는 전류 공급부(180)의 출력을 제어함으로써, 촉매금속(10)을 일정한 온도로 가열할 수 있다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(1000)는 그래핀 합성시 롤-투-롤 방식으로 촉매금속(10)을 챔버(100) 내부로 공급하는 촉매금속 공급부(151)를 더 포함할 수 있다. 촉매금속 공급부(151)로부터 공급된 촉매금속(10)은 챔버(100) 내부를 거쳐 촉매금속 수납부(152)에 의해 수납될 수 있다.
제1 가열부(130) 및 제2 가열부(170)는 챔버(100) 내부에 배치되어 고정된 촉매금속(10)을 가열할 수 있다. 다른 실시예로서, 제1 가열부(130) 및 제2 가열부(170)는 롤-투-롤 방식으로 공급되는 촉매금속(10)의 진행방향에 따라 순차적으로 배치되어, 제1 가열부(130)로부터 가열된 후 냉각된 촉매금속(10)을 다시 제2 가열부(170)를 통해 가열하여 그래핀을 합성할 수 있다. 본 발명은 롤-투-롤 방식에 한정되는 것은 아니나, 설명의 편의를 위하여 롤-투-롤 방식으로 촉매금속(10)을 공급하는 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
이러한 경우, 챔버(100)는 제1 가열부(130)가 배치되는 제1 영역(100A) 및 제2 가열부(170)가 배치되는 제2 영역(100C)을 포함할 수 있으며, 제1 영역(100A) 및 제2 영역(100C)을 분할하는 적어도 하나의 차단벽(105)을 더 포함할 수 있다. 차단벽(105)은 단열부재로 이루어져서 제1 영역(100A) 및 제2 영역(100C)의 열교환이 이루어지지 않도록 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 그래핀 합성 장치(1000)의 온도조건을 시간(t)에 따라 개략적으로 나타낸 그래프이다.
촉매금속(10)은 챔버(100)의 제1 영역(100A)으로 공급되어, 복사열을 이용하여 가열하는 제1 가열부(130)를 통해 제1 가열(A)될 수 있다. 이후, 촉매금속(10)은 일정한 온도까지 냉각(B)된 후, 다시 제2 가열부(170)을 통해 제2 가열(C)될 수 있다. 제1 가열(A)에 의해서 촉매금속에 탄소가 흡수되며, 냉각(B) 과정에 의해 탄소가 결정화 되면서 그래핀이 합성될 수 있다. 이때, 제1 가열부(130) 및 제2 가열부(170)를 통해 가열되는 제1 온도(Ⅰ)는 실질적으로 동일할 수 있다. 제1 온도(Ⅰ)는 가스 종류에 따라 온도가 달라질 수 있으며, 예를 들어 약 500℃ 내지 1200℃의 범위를 가질 수 있다.
냉각온도인 제2 온도(Ⅱ)는 제1 온도(Ⅰ)보다 낮되, 탄소가 결정화될 수 있는 온도 범위를 가질 수 있다. 제2 온도(Ⅱ)는 탄소가 결정화될 수 있는 온도 범위 중 선택된 일정한 온도일 수 있다. 그래핀 합성이 가능한 온도 범위는 가스 종류에 따라서 달라질 수 있는데, 예를 들어, 가스가 메탄(CH4)인 경우에 약 550℃ 내지 700℃, 가스가 아세틸렌(C2H2)인 경우에는 약 300℃ 내지 450℃의 온도 범위를 가질 수 있다. 일부 실시예에 있어서 제2 온도(Ⅱ)는 탄소가 결정화될 수 있는 온도 범위 중 최대 온도일 수 있으며, 예를 들어 가스가 메탄(CH4)인 경우는 약 700℃, 가스가 아세틸렌(C2H2)인 경우에는 약 450℃ 일 수 있다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(1000)는 제1 가열된 촉매금속을 그래핀 합성이 가능한 온도 범위 중 최대 온도로서 냉각시키므로, 제2 가열시에 상온까지 냉각시킨 후 가열하는 경우보다 적은 에너지로 빠른 시간 내에 제1 온도(Ⅰ)로 재가열할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(1000)는 제1 가열부(130)의 on/off를 제어함으로써, 촉매금속(10)을 냉각시킬 수 있다. 이때, 제1 가열부(130)가 배치되는 제1 영역(100A)과 제2 가열부(170)가 배치되는 제2 영역(100C)은 단열부재인 차단벽(105)으로 분할되어있어 열교환이 이루어지지 않을 수 있다.
본 발명의 비교예에 따른 그래핀 합성 장치는 한번의 가열 및 냉각 공정을 통해서, 촉매금속에 그래핀을 합성할 수 있다. 이때, 촉매금속에 합성된 그래핀은 치밀(dense)하게 합성되지 않는 부분이 발생할 수 있어 고품질의 그래핀을 얻을 수 없다. 이에 반해 본 발명의 제1 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(1000)는 제1 가열부(130)를 통해 그래핀의 시드(seed)를 합성한 후, 제2 가열부(170)를 통해 그래핀의 시드(seed)가 형성된 촉매금속(10)을 제2 가열(C)함으로써, 그래핀을 촉매금속(10)의 전 영역에 걸쳐 치밀(dense)하게 합성시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(1000)는 두 번의 그래핀 합성 공정에 의해 고품질의 그래핀을 합성할 수 있다.
한편, 본 발명의 제1 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(1000)는 복사열을 이용하여 제1 가열한 후, 줄열을 이용하여 제2 가열함으로써, 복사열만으로 제1 가열 및 제2 가열하는 경우보다, 그래핀이 합성되는 시간을 단축시킬 수 있다. 복사열을 이용하여 가열하는 방법은 챔버 전체를 일정한 온도까지 올려야 하므로, 촉매금속만 가열하는 줄열을 이용한 방법보다 가열 시간이 오래 걸리기 때문이다. 마찬가지로, 줄열을 이용한 가열은 촉매금속만 가열하는데 에너지가 필요하므로, 복사열을 이용한 가열하는 경우보다 적은 전력으로도 동일한 온도 조건을 구현할 수 있어 에너지 효율을 높일 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(2000)를 개략적으로 나타낸 측단면도이다.
도 4를 참조하면, 그래핀 합성 장치(2000)는 챔버(200), 가스공급부(210), 제1 가열부(230), 제2 가열부(270), 전류 공급부(280), 제1 촉매금속 공급부(251) 및 제2 촉매금속 공급부(253)를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(2000)는 제1 촉매금속 공급부(251) 및 제2 촉매금속 공급부(253)를 포함한다는 점을 제외하고, 일 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(1000)의 구성요소와 동일하므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
그래핀 합성장치(2000)는 제1 촉매금속(10A)을 공급하는 제1 촉매금속 공급부(251) 및 제2 촉매금속(10B)을 공급하는 제2 촉매금속 공급부(253)를 구비함으로써, 한번의 공정으로 제1 촉매금속(10A) 및 제2 촉매금속(10B)에 그래핀을 합성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(3000)를 개략적으로 나타낸 측단면도이다.
도 5를 참조하면, 그래핀 합성 장치(3000)는 챔버(100), 가스공급부(110), 제1 가열부(130), 제2 가열부(170), 전류 공급부(180), 촉매금속 공급부(351) 및 냉각부(390)를 포함할 수 있다. 본 발명의 제3 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(3000)는 냉각부(390)를 제외하고, 제1 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(1000)의 구성요소와 동일하므로, 중복되는 설명은 생략한다.
냉각부(390)는 챔버(300) 내부에 배치되어 챔버(300)의 제3 영역(300B)을 냉각시킬 수 있다. 다른 실시예로서, 냉각부(390)는 챔버(300) 외부에 배치되어 챔버(300)의 내부를 냉각시킬 수 있으나, 챔버(300)의 프레임에 배치될 수도 있으며, 본 발명에서는 냉각부(390)의 위치에 대하여 한정하지 않는다.
냉각부(390)는 제1 가열부(330)가 배치되는 제1 영역(300A)과 제2 가열부(370)가 배치되는 제2 영역(300C) 사이에 배치되어, 제1 가열부(330)로부터 배출된 촉매금속(10)을 냉각시킬 수 있다. 냉각부(390)는 냉각수가 흐를 수 있는 유로로 형성될 수 있으며, 유로는 챔버(300)의 제3 영역(300B)을 둘러싸면서 순환하는 구조로 형성될 수 있다. 다른 실시예로서, 냉각부는 제3 영역(300B)뿐만 아니라, 제1 및 제2 영역(300A,C)을 포함하는 챔버(300)의 전체 내부를 냉각시키도록 배치될 수 도 있으나, 본 발명에서는 설명의 편의를 위하여 냉각부(390)가 제3 영역(300B)에 배치되는 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
냉각부(390)를 유동하는 냉각수에 의하여 약 분당 섭씨 30도 내지 600도 정(섭씨 30 도/min 내지 600 도/min)의 냉각 속도로 급속히 냉각을 수행하여 촉매금속(10)으로부터 탄소를 분리시켜 결정화하는 방법으로, 그래핀을 성장시킬 수 있다. 냉각부(390)가 배치되는 제3 영역(300B)은 제1 영역(300A) 및 제2 영역(300C)과 차단벽(305)로 분리되어 있어 열교환이 이루어지지 않는다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(3000)는 제1 가열부(330)에 의해 가열된 촉매금속(10)을 냉각부(390)를 통해 냉각시킨 다음, 제2 가열부(370)를 통해 가열함으로써, 촉매금속(10)을 챔버(300) 내에서 정지하지 않고도 연속적으로 그래핀을 합성할 수 있다. 또한, 제1 가열부(330)의 출력에 의해 온도를 제어하는 것보다 정확하게 냉각온도를 제어할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(4000)를 개략적으로 나타낸 측단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(4000)는 제1 챔버(400), 제1 가스공급부(410), 제2 가스공급부(510), 제1 가열부(430), 제2 가열부(570), 전류 공급부(580) 및 촉매금속 공급부(451)를 포함할 수 있다. 본 발명의 제4 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(4000)는 챔버 대신 제1 챔버(400) 및 제2 챔버(500)를 포함한다는 점을 제외하고, 제1 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(1000)의 구성요소와 동일하므로, 중복되는 설명은 생략한다.
제1 챔버(400)는복사열을 이용하여 공급되는 촉매금속(10)을 가열할 수 있다. 제1 챔버(400)는 제1 가열부(430) 및 서셉터부(440)를 포함할 수 있다.
제1 가열부(430)는 제1 챔버(400)의 적어도 일측면에 구비되며, 촉매금속(10)을 향하여 빛을 방출함으로써, 촉매금속(10)을 가열할 수 있다. 서셉터부(440)는 제1 챔버(400) 내부에서 촉매금속(10)과 서로 이격된 채 마주보도록 배치되며, 제1 가열부(430)에서 방출되는 열을 흡수하여 촉매금속(10)을 향해 방출할 수 있다.
제2 챔버(500)는 촉매금속(10)을 가열하되, 줄열을 이용하여 가열할 수 있다. 이때, 촉매금속(10)은 제1 챔버(400)를 통해 가열된 후 냉각된 촉매금속(10)일 수 있다. 제2 챔버(500)는 한쌍의 제2 가열부(570) 및 전류공급부(580)를 포함할 수 있다.
제2 가열부(570)는 제2 챔버(500) 내부에 배치되고, 서로 이격된 상태로 촉매금속과 접촉될 수 있다. 이때, 한쌍의 제2 가열부(570)는 촉매금속을 이동시키는 롤링 역할을 하는 한쌍의 전도성 롤러(571,572)일 수 있다. 제2 가열부(570)는 전류공급부(580)로부터 공급된 전류를 촉매금속(10)에 전달함으로써, 줄열을 이용한 촉매금속(10)의 가열이 가능하도록 한다.
제1 챔버(400) 및 제2 챔버(500)의 배치에 제한은 없으나, 롤-투-롤 방식으로 촉매금속(10)을 공급하는 촉매금속 공급부(451)를 포함하는 경우, 제1 챔버(400) 및 제2 챔버(500)는 공급되는 촉매금속(10)의 이동경로를 따라 순차적으로 배치될 수 있다. 이때, 제1 챔버(400)와 제2 챔버(500) 사이에는 촉매금속(10)의 노출로 인하여 오염되는 것을 방지하기 위한 연결부(600)를 더 포함할 수 있다. 연결부(600)는 이동하는 촉매금속(10)의 온도 변화를 최소화하기 위하여 단열부재로 형성될 수 있으며, 또 다른 챔버로 이루어질 수도 있다.
본 발명의 제4 실시예에 따른 그래핀 합성 장치(4000)는 제1 가열부가 배치되는 공간과 제2 가열부가 배치되는 공간을 각각의 제1 챔버 및 제2 챔버로 분리함으로써, 가스공급유량 및 온도와 같은 챔버 내 분위기를 각각 제어할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1000, 2000, 3000, 4000 : 그래핀 합성 장치
10 : 촉매금속
100 : 챔버
110 : 가스공급부
120 : 가스배출부
390 : 냉각부
130 : 제1 가열부
131 : 램프
132 : 반사면
140 : 서셉터부
170 : 제2 가열부
180 : 전류공급부
151 : 촉매금속 공급부
105 : 차단벽

Claims (15)

  1. 촉매금속에 그래핀이 합성되는 공간을 정의하는 챔버;
    상기 챔버 내부로 탄소를 포함한 가스를 공급하는 가스 공급부;
    상기 챔버 내부에 배치되고, 복사열을 이용하여 상기 촉매금속과 상기 탄소를 포함한 가스를 가열하는 제1 가열부; 및
    상기 챔버 내부에 배치되고, 줄열을 이용하여 상기 촉매금속을 가열하는 제2 가열부;를 포함하는, 그래핀 합성 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제2 가열부는,
    서로 이격된 상태로 상기 촉매금속과 접촉되며, 상기 촉매 금속을 이동시키는 롤링 역할을 하는 한 쌍의 전도성 롤러를 포함하고,
    상기 그래핀 합성 장치는, 상기 한 쌍의 전도성 롤러를 통하여 상기 촉매금속에 전류를 공급하는 전류 공급부;를 더 포함하는, 그래핀 합성 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    그래핀 합성시 롤-투-롤 방식으로 상기 촉매금속을 상기 챔버 내부로 공급하는 촉매금속 공급부를 더 포함하고,
    상기 제1 가열부 및 상기 제2 가열부는,
    상기 촉매금속의 진행방향에 따라 순차적으로 배치되는, 그래핀 합성 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 챔버는,
    상기 제1 가열부가 배치되는 제1 영역과 상기 제2 가열부가 배치되는 제2 영역을 분할하는 적어도 하나의 차단벽을 더 포함하고,
    상기 차단벽은, 단열부재로 이루어지는, 그래핀 합성 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제1 가열부는,
    상기 챔버의 적어도 일측면에 구비되며, 상기 촉매금속을 향하여 빛을 방출함으로써, 상기 촉매금속을 가열하는 램프를 포함하는, 그래핀 합성 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 촉매금속과 서로 이격된 채 마주보도록 배치되며, 상기 제1 가열부에서 방출되는 열을 흡수하여 상기 촉매금속을 향해 방출하는 서셉터부;를 더 포함하는, 그래핀 합성 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 챔버 내부에 배치되고, 상기 제1 가열부와 상기 제2 가열부 사이에 배치되어 상기 제1 가열부로부터 배출된 상기 촉매금속을 냉각시키는 냉각부;를 더 포함하는, 그래핀 합성 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 가열부에 의한 가열과 상기 제2 가열부에 의한 가열은 순차적으로 이루어지며, 실질적으로 동일한 제1 온도에서 이루어지는, 그래핀 합성 장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 그래핀 합성 장치는,
    상기 제1 가열부에 의한 가열 후 상기 제2 가열부에 의한 가열 전에 제2 온도에서 상기 촉매금속을 냉각하고,
    상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 낮되, 그래핀 합성이 가능한 온도 중 최대 온도인, 그래핀 합성 장치.
  10. 복사열을 이용하여 촉매금속을 가열하는 제1 챔버; 및
    상기 제1 챔버를 통해 가열된 후 냉각된 상기 촉매금속를 가열하되, 줄열을 이용하여 가열하는 제2 챔버;를 포함하는, 그래핀 합성 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제2 챔버 내부에 배치되고, 서로 이격된 상태로 상기 촉매금속과 접촉되는 한쌍의 제2 가열부; 및
    상기 한 쌍의 제2 가열부를 통하여 상기 촉매금속에 전류를 공급하는 전류 공급부;를 포함하는, 그래핀 합성 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 한 쌍의 제2 가열부는 상기 촉매 금속을 이동시키는 롤링 역할을 하는 한 쌍의 전도성 롤러인, 그래핀 합성 장치.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 제1 챔버 및 상기 제2 챔버로 순차적으로 상기 촉매금속을 공급하는 촉매금속 공급부;를 더 포함하고,
    상기 촉매금속 공급부는, 롤-투-롤 방식으로 상기 촉매금속을 공급하는, 그래핀 합성 장치.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 제1 챔버의 적어도 일측면에 구비되며, 상기 촉매금속을 향하여 빛을 방출함으로써, 상기 촉매금속을 가열하는 제1 가열부를 포함하는, 그래핀 합성 장치.
  15. 제 10항에 있어서,
    상기 제1 가열부에 의한 가열과 상기 제2 가열부에 의한 가열은 순차적으로 이루어지며, 실질적으로 동일한 제1 온도에서 이루어지고,
    상기 그래핀 합성 장치는, 상기 제1 가열부에 의한 가열 후 상기 제2 가열부에 의한 가열 전에 제2 온도에서 상기 촉매금속을 냉각하고,
    상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 낮되, 그래핀 합성이 가능한 온도 중 최대 온도인, 그래핀 합성 장치.
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