KR20170132450A - 전선 구조체 및 이의 제조 방법 - Google Patents

전선 구조체 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 일 방향으로 길게 연장되어 구비되는 구리(Cu) 전선 및 상기 구리(Cu) 전선의 외측에 상기 구리(Cu) 전선을 에워싸도록 형성되는 그래핀 코팅막을 포함하고, 상기 구리(Cu) 전선은 99.9% 이상의 순도를 갖는 구리(Cu) 금속으로 형성되는 전선 구조체를 개시한다.

Description

전선 구조체 및 이의 제조 방법 {Electric Wire Structure and the method of manufacturing thereof}
본 발명은 전선 구조체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
그래핀(Graphene)은 탄소가 육각형의 형태로 서로 연결되어 벌집 모양의 2차원 평면 구조를 이루는 물질로서, 그 두께가 매우 얇고 투명하며 전기 전도성이 매우 큰 특성을 가진다. 그래핀의 이러한 특성을 이용하여 그래핀을 터치 패널, 투명 디스플레이 또는 플렉서블(flexible) 디스플레이 등에 적용하려는 시도가 많이 이루어지고 있다.
그래핀은 탄소를 포함하는 가스를 투입하여 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition-CVD)에 의해 촉매 금속의 표면에 합성된다.
그래핀을 합성하기 위해서는 고온의 환경이 유지되는 그래핀 합성 장치가 요구되며, 고온의 조건에서 탄소를 포함하는 가스가 해리되어 촉매 금속의 표면에 그래핀이 형성될 수 있다.
본 발명의 목적은, 전선 구조체 및 이의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예는 일 방향으로 길게 연장되어 구비되는 구리(Cu) 전선 및 상기 구리(Cu) 전선의 외측에 상기 구리(Cu) 전선을 에워싸도록 형성되는 그래핀 코팅막을 포함하고, 상기 구리(Cu) 전선은 99.9% 이상의 순도를 갖는 구리(Cu) 금속으로 형성되는 전선 구조체를 개시한다.
본 실시예에 있어서, 상기 구리(Cu) 전선의 표면에 도금되는 금속을 더 포함하고, 상기 그래핀 코팅막은 상기 구리(Cu) 전선을 에워싸도록 상기 구리(Cu) 전선의 표면에 도금되는 금속의 표면에 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 구리(Cu) 전선의 표면에 도금되는 금속은 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 로듐(Rh) 가운데 하나일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 그래핀 코팅막은 급속 열 화학 기상 증착법(Rapid-Thermal CVD)에 의해 상기 구리(Cu) 전선을 에워싸도록 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 급속 열 화학 기상 증착법(Rapid-Thermal CVD) 공정 중에 탄소를 포함하는 가스가 주입되어 상기 구리(Cu) 전선의 외측에 상기 그래핀 코팅막이 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 탄소를 포함하는 가스는 메탄(CH4)가스 일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 구리(Cu) 전선을 형성하는 구리(Cu) 금속의 결정 크기는 순수한 구리(Cu) 금속의 결정 크기보다 클 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 구리(Cu) 전선을 형성하는 구리(Cu) 금속의 결정 형성 방향은 특정한 방향으로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예는, 챔버 내에 일 방향으로 길게 연장되어 구비되는 구리(Cu) 전선을 제공하는 단계, 상기 챔버 내에 탄소를 포함하는 가스를 공급하는 단계, 상기 구리(Cu) 전선을 가열하기 위해 상기 챔버 내부를 수 초~ 수 분내에 급속으로 600도씨 이상의 온도로 승온시키는 단계 및 상기 챔버 내부에 탄소를 포함하는 가스를 주입하는 단계를 포함하며, 상기 구리(Cu) 전선은 99.9% 이상의 순도를 갖는 구리(Cu) 금속으로 형성되는 전선 구조체의 제조 방법을 개시한다.
본 실시예에 있어서, 상기 탄소를 포함하는 가스가 해리되어 상기 구리(Cu) 전선을 에워싸도록 그래핀 코팅막이 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 구리(Cu) 전선을 에워싸는 상기 그래핀 코팅막이 형성된 후, 일정한 속도로 냉각시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 탄소를 포함하는 가스는 메탄(CH4)가스 일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 구리(Cu) 전선을 형성하는 구리(Cu) 금속의 결정 크기는 순수한 구리(Cu) 금속의 결정 크기보다 클 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 구리(Cu) 전선을 형성하는 구리(Cu) 금속의 결정 형성 방향은 특정한 하나의 방향으로 이루어질 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 구리(Cu) 전선은 표면에 구리(Cu) 이외의 금속 또는 합금이 도금될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 구리(Cu) 전선의 표면에 도금된 금속은 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 로듐(Rh) 가운데 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전선 구조체의 전기 전도도가 향상되고 노이즈가 제거되는 유리한 효과가 있다.
본 발명의 효과는 상술한 내용 이외에도, 도면을 참조하여 이하에서 설명할 내용으로부터도 도출될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 명세서에서 언급되는 그래핀을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전선 구조체를 도시한 사시도이다.
도 3은 전선 구조체를 형성하기 위한 전선 구조체 제조 장치의 일 실시예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전선 구조체를 도시한 사시도이다.
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.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용된다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 "위"에 또는 "상"에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 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.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 수행될 수도 있다.
도 1은 본 명세서에서 언급되는 그래핀을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
본 명세서에서 사용되는 "그래핀(graphene)" 이라는 용어는 복수개의 탄소원자들이 서로 공유결합으로 연결되어 폴리시클릭 방향족 분자를 형성하는 그래핀이 막 형태로 형성된 것으로서, 공유결합으로 연결된 탄소원자들은 기본 반복단위로서 6원환을 형성하나, 5원환 및/또는 7원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 따라서 그래핀 막은 서로 공유 결합된 탄소원자(C)들(통상 sp2 결합)의 단일층을 이룬다. 그래핀 막은 다양한 구조를 가질 수 있으며, 이와 같은 구조는 그래핀 내에 포함될 수 있는 5원환 및/또는 7원환의 함량에 따라 달라질 수 있다.
그래핀 막은 도시된 바와 같이 그래핀의 단일층으로 이루어질 수 있으나, 이들이 여러 개 서로 적층되어 복수층을 형성하는 것도 가능하며, 통상 상기 그래핀의 측면 말단부는 수소원자(H)로 포화될 수 있다.
그래핀(grapheme)은 2차원 평면 구조의 나노 물질로서 다양한 물리, 화학, 전기, 광학적 특성을 가질 수 있다. 특히, 실리콘(Si)의 약 100배, 구리(Cu)의 약 150배의 전하 이동도를 가질 수 있으며, 구리(Cu)에 비해 약 100배의 허용 전류밀도를 가질 수 있다.
또한 그래핀(grapheme)은 구조적으로 2차원 평면 구조의 나노 물질이므로 형태가 다양하게 변화되어 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전선 구조체(1000)를 도시한 사시도이고, 도 3은 전선 구조체를 형성하기 위한 전선 구조체 제조 장치(100)의 일 실시예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
본 실시예에 따른 전선 구조체(1000)는 구리(Cu) 전선(200b) 및 구리(Cu) 전선(200b)을 에워싸도록 구리(Cu) 전선(200)의 표면에 코팅되어 있는 그래핀 코팅막(300)을 포함할 수 있다.
선택적 실시예로서, 구리(Cu) 전선(200b)은 순도 99.9% 이상의 구리(Cu) 금속으로 형성될 수 있다.
구리(Cu) 전선(200b)을 형성하는 구리(Cu) 금속의 순도가 낮고 다른 원소들이 많이 포함되어 있는 경우에는 전선 구조체(1000)를 형성하는 과정에서 구리(Cu) 금속 이외의 다른 원소들에 의해 구리(Cu) 전선(200a)의 표면에 그래핀(graphene)이 균일하게 코팅되기 어려운 문제가 있다.
이에 따라 본 실시예에 따른 전선 구조체(1000)는 순도 99.9% 이상의 구리(Cu)금속으로 이루어진 구리(Cu) 전선(200a)으로 형성함에 따라 그래핀 코팅막(300)의 형성시에 표면에 그래핀(graphene)을 균일하게 코팅할 수 있는 유리한 효과가 있다.
그래핀(graphene)은 상술한 바와 같이 실리콘(Si)의 약 100배, 구리(Cu)의 약 150배의 전하 이동도를 가진다. 뿐만 아니라, 구리(Cu)의 약 100배의 허용 전류밀도를 가지며, 높은 열전도도를 가지는 특성이 있다.
따라서, 구리(Cu) 전선(200b)을 둘러싸도록 그래핀 코팅막(300)이 형성되어 있는 본 실시예에 따른 전선 구조체(1000)는 전하 이동도, 전류밀도, 열전도도 등의 전기적 특성이 더욱 우수해지는 유리한 효과가 있다.
또한, 전선에 고주파(고음)의 전류가 흐를 때에는 전선 단면에 전체적으로 전류가 흐르는 것이 아니라 표면 가까이에 전류가 모이는 현상(skin effect)이 발생할 수 있다.
반면, 본 실시예에 따른 전선 구조체(1000)의 경우 구리(Cu) 전선(200b)을 둘러싸도록 높은 전하 이동도를 갖는 그래핀 코팅막(300)이 구리(Cu) 전선(200b)의 표면에 형성됨에 따라 표면 가까이에 모이는 전류를 빠르게 이동시켜 전기 전도도를 향상 시킬 뿐만 아니라 노이즈를 제거할 수 있는 유리한 효과가 있다.
이하에서는 본 실시예에 따른 전선 구조체(1000)를 전선 구조체 제조 장치(100)에 의해 제조하는 방법에 관하여 상세히 설명하도록 한다.
본 실시예에 따른 전선 구조체(1000)를 형성하기 위하여는 먼저 도 3에 도시된 바와 같이 일 방향으로 연장되어 구비되는 구리(Cu) 전선(200a)이 전선 구조체 제조 장치(100) 내에 구비되어야 한다.
본 발명 전선 구조체는 전기 전도도가 높고 노이즈가 제거된 전선을 형성하는데 목적이 있으므로 일 방향으로 길게 연장된 와이어 형태를 가지는 구리(Cu) 전선(200a)을 전선 구조체 제조 장치(100) 내에 구비할 수 있다.
도면상으로는 2개의 구리(Cu) 전선(200a)을 전선 구조체 제조 장치(100) 내에 구비하는 것을 도시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 1개의 구리(Cu) 전선(200a) 만이 구비되거나 3개 이상의 구리(Cu) 전선(200a)이 전선 구조체 제조 장치(100) 내에 구비될 수 있음은 물론이다.
도 3을 참조하면, 전선 구조체 제조 장치(100)는 챔버(101), 램프부(130) 및 전도판(110)을 포함할 수 있다. 또한, 가스 공급부(140), 배출부(150), 감압부(미도시) 및 게이트(미도시)를 더 구비할 수 있다.
도 3은 전선 구조체 제조 장치(100)의 단면을 도시한 것으로써, 본 실시예는 챔버(101)가 육면체인 경우로서 챔버(101)의 단면을 사각형으로 도시하였다. 그러나 챔버(101)의 형태는 이에 한정되지 않으며 예를 들어 챔버(101)는 육면체 외에도 다른 다면체, 다각기둥, 다각뿔, 또는 구형으로 구비될 수도 있다.
램프부(130)는 구리(Cu) 전선(200a)으로 가하는 복사열의 면적을 최대화하기 위하여 구리(Cu) 전선(200a)과 마주보는 면에 각각 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않음은 물론이다. 예를 들어 램프부(130)는 3개 이상의 챔버(101)의 면에 각각 배치될 수도 있고, 하나의 면에만 배치될 수도 있다.
램프부(130)는 할로겐 램프를 포함할 수 있으며, 할로겐 램프는 복수개로 소정의 간격 이격되어 배치될 수 있다. 할로겐 램프는 근적외선과, 중적외선 또는/및 가시광선의 빛을 방출한다.
램프부(130)는 도시되지 않은 윈도우를 더 포함할 수 있으며, 윈도우는 할로겐 램프의 외주를 둘러싸도록 배치되거나, 일방향을 따라 평행하게 배치된 할로겐 램프들의 일측에 배치될 수 있다. 윈도우는 투명한 소재로서, 예컨대 석영을 포함할 수 있다. 윈도우는 할로겐 램프를 보호하며, 광 효율을 증진시킬 수 있다.
다만, 본 실시예에 따른 구리(Cu) 전선(200a)은 반사율이 높기 때문에 램프부(130)에서 공급된 복사열을 대부분 반사할 수 있다. 이 경우에는 구리(Cu) 전선(200a)이 쉽게 가열되지 않아 그래핀 코팅막(300)이 형성되는데 필요한 온도에 도달하기 까지 많은 시간이 소요될 수 있다.
따라서, 선택적 실시예로서 전선 구조체 제조 장치(100)는 전도판(110)을 더 포함할 수 있다.
전도판(110)은 램프부(130)의 복사열을 대류열로 전환하여 챔버(101) 내부로 방출함으로써 구리(Cu) 전선(200a) 및 가스를 가열한다. 전도판(110)은 램프부(130)에서 방출되는 복사열에 의해 온도가 상승될 수 있다. 전도판(110)은 복사열에 의해 온도가 상승될 수 있는 소재라면 한정되지 않고 형성될 수 있다.
일 실시예로서, 전도판(110)은 그라파이트(graphite) 또는 산화막을 코팅한 금속을 포함할 수 있다. 금속에 산화막을 코팅함으로써 반사율을 낮추고, 복사열의 흡수율을 높일 수 있기 때문이다.
전도판(110)은 램프부(130)와 함께 구리(Cu) 전선(200a)과 대향하도록 배치될 수 있다.
즉, 전도판(110)은 도 3에 도시된 바와 같이 램프부(130)와 평행하게 형성될 수 있으며 램프부(130)와 구리(Cu) 전선(200a)의 사이에 배치되어 램프부(130)의 복사열을 대류열로 전환하여 구리(Cu) 전선(200a)을 가열할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 전도판(110)은 램프부(130)와 마찬가지로 구리(Cu) 전선(200a)을 사이에 두고 챔버(101)의 양면에 배치될 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않음은 물론이며 다른 실시예로서 1개의 전도판(110)만이 챔버(101) 내부에 형성될 수도 있다.
이와 같이 전도판(110)은 대류열을 방출하여 구리(Cu) 전선(200a) 및 가스를 모두 가열하여 단시간에 챔버(101) 내부를 그래핀 합성에 최적화된 고온으로 전환할 수 있다.
또한, 전도판(110)이 구비됨으로써, 챔버(101) 내부에서 발생하는 열을 가두는 역할을 하여 고온을 유지시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 전선 구조체 제조 장치(100)는 전도판(110) 및 램프부(130)에 의해 챔버(101) 내부를 수초~ 수분 이내에 600℃ 이상의 고온으로 전환할 수 있다.
선택적 실시예로서 챔버(101) 내부의 온도는 900~1050℃의 고온으로 급속 승온될 수 있다.
즉, 본 실시예에 따른 전선 구조체(1000)는 급속 열 화학 기상 증착법(Rapid-Thermal CVD)에 의해 가열된 구리(Cu) 전선(200b)의 표면에 그래핀 코팅막(300)이 증착되어 형성될 수 있다.
다시 말해서, 본 실시예에 따른 전선 구조체 제조 장치(100)는 빠른 시간 내에 급속으로 챔버(101) 내부를 승온시켜 그래핀 코팅막(300)이 형성될 수 있는 고온의 조건으로 만들 수 있다.
챔버(101) 내부가 램프부(130)에서 방출된 복사열 및 전도판(110)에 의해 전달된 대류열에 의해 빠른 시간 내에 급속으로 고온으로 전환됨에 따라 챔버(101) 내에 구비된 구리(Cu) 전선(200a)은 재결정화가 일어나게 된다.
즉, 수초~수분의 빠른 승온 속도에서 구리(Cu) 전선(200a)을 형성하는 구리(Cu) 금속의 결정립의 크기가 매우 커질 수 있다. 뿐만 아니라, 구리(Cu) 전선(200a)을 형성하는 구리(Cu) 금속의 결정립이 특정한 방향으로 성장될 수 있다.
이에 따라, 급속으로 가열된 후 구리(Cu) 전선(200b, 도2 참고)을 이루는 은 재결정화된 구리(Cu) 금속의 결정립의 크기는 재결정화 되기 전 순수한 구리(Cu) 금속의 결정립의 크기보다 크고 결정 방향은 특정한 한 방향으로 성장되어 전류의 전달에 유리한 효과가 있다.
즉, 재결정화된 구리(Cu) 금속으로 이루어지는 구리(Cu) 전선(200b, 도2 참고)은 재결정화되기 전 순수한 구리(Cu) 금속으로 이루어지는 구리(Cu) 전선(200a) 보다 전기 전도도가 향상되고 저항 및 노이즈가 줄어드는 유리한 효과가 있다.
뿐만 아니라 재결정화된 구리(Cu) 금속의 결정립의 크기가 커짐에 따라 그래핀 코팅막(300)의 형성시 그래핀이 보다 균일하게 합성되어 면저항 값이 낮아지는 유리한 효과가 있다.
이하에서는 설명의 편의를 위하여 가열되기 전 순수한 구리(Cu) 금속으로 이루어지는 구리(Cu) 전선(200a)은 도 3을, 가열된 후 재결정화된 구리(Cu) 금속으로 이루어지는 구리(Cu) 전선(200b)은 도 2를 참고하여 설명하도록 한다.
가스 공급부(140)는 복수개의 노즐을 포함하며, 챔버(101) 내부로 탄소를 포함하는 가스를 공급할 수 있다.
탄소를 포함하는 가스는 그래핀 형성을 위한 반응 가스로서, 선택적 실시예로서 메탄(CH4)이 사용될 수 있다.
물론, 탄소를 포함하는 가스는 이에 한정되지 않으며 일산화탄소(CO), 에탄(C2H6), 에틸렌(CH2), 에탄올(C2H5), 아세틸렌(C2H2), 프로판(CH3CH2CH3), 프로필렌(C3H6), 부탄(C4H10), 펜탄(CH3(CH2)3CH3), 펜텐(C5H10), 사이클로펜타디엔(C5H6), 헥산(C6H14), 시클로헥산(C6H12), 벤젠(C6H6), 톨루엔(C7H8) 등 탄소 원자가 포함된 군에서 선택된 하나 이상이 사용될 수 있다.
이와 같이 탄소를 포함하는 가스는 고온에서 탄소 원자와 수소 원자로 분리된다. 탄소를 포함하는 가스에 포함된 탄소 원자는 가열된 구리(Cu) 전선(200b)에 급속 열 화학 기상 증착법(Rapid-Thermal CVD)에 의해 증착되어 구리(Cu) 전선(200b)을 둘러싸도록 그래핀 코팅막(300)이 형성될 수 있다.
급속으로 가열된 구리(Cu) 전선(200b)은 상술한 바와 같이 재결정화가 일어나 가열되기 전보다 전기 전도도가 향상되고 전류 이동시 노이즈가 줄어드는 유리한 효과가 있다.
이러한 구리(Cu) 전선(200b)의 표면에 구리(Cu) 전선(200b)을 둘러싸도록 전기 전도도가 높은 그래핀 코팅막(300)이 형성되는 경우 상술한 효과가 극대화될 수 있다.
즉, 단순히 순수한 구리(Cu) 전선의 표면에 전선을 둘러싸도록 그래핀을 형성하는 경우에도 그래핀 자체의 전기전도도가 높기 때문에 전기전도도 향상 및 노이즈를 제거할 수 있는 유리한 효과가 있다.
한편, 본 실시예에 따른 전선 구조체(1000)의 경우에는 구리(Cu) 전선(200b) 자체도 급속으로 가열됨에 따라 전기 전도도가 향상될 뿐만 아니라 이러한 구리(Cu) 전선(200b)을 둘러싸도록 그래핀 코팅막(300)을 형성함에 따라 전선으로서 사용되는 경우 전기 전도도 및 노이즈 제거 효과가 극대화될 수 있는 유리한 효과가 있다.
또한, 재결정화된 구리(Cu) 금속의 결정립의 크기가 커짐에 따라 저항값이 매우 낮은 그래핀이 균일하게 구리(Cu) 전선(200b)을 둘러싸도록 형성될 수 있는 유리한 효과가 있다.
선택적 실시예로서 순도 99.9% 이상의 구리(Cu) 금속으로 이루어진 구리(Cu) 전선(200a)이 사용됨에 따라 챔버(101) 내부가 급속으로 승온되더라도 구리(Cu) 이외의 원소들이 거의 없기 때문에 그래핀이 구리(Cu) 전선(200b)의 표면에 균일하게 합성될 수 있는 유리한 효과가 있다.
한편, 가스 공급부(140)는 탄소를 포함하는 가스뿐만 아니라 분위기 가스도 챔버(101) 내부로 공급할 수 있다. 분위기 가스는 헬륨, 아르곤과 같은 불활성 가스와, 구리(Cu) 전선(200a)의 표면을 깨끗하게 유지하기 위한 수소와 같은 비반응 가스를 포함할 수 있다.
본 실시예에서는 하나의 가스 공급부(140)가 탄소를 포함하는 가스 및 분위기 가스를 모두 공급하는 경우를 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 예컨대, 탄소를 포함하는 가스를 공급하는 가스 공급부와 분위기 가스를 공급하는 가스 공급부가 각각 구비되어, 탄소를 포함하는 가스와 분위기 가스가 각각 챔버(101) 내부로 공급될 수 있다.
배출부(150)는 챔버(101) 내부에서 그래핀 코팅막(300)이 형성되는 데 이용된 후 나머지 잔류 가스들을 외부로 배기한다.
배출부(150)는 배출 효과를 극대화 하기 위하여 가스 공급부(140)와 마주보는 면에 배치될 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것이며 배출부(150)의 배치 구조 및 개수는 도시된 바에 한정되지 않고 다양하게 구현될 수 있다.
이하에서는 가열된 구리(Cu) 전선(200b)의 표면에서 그래핀이 합성되어 구리(Cu) 전선(200b)을 둘러싸도록 그래핀 코팅막(300)이 형성되는 과정을 상세히 설명하도록 한다.
먼저, 챔버(101) 내부에 1개 혹은 2개 이상의 구리(Cu) 전선(200a)을 배치시킨 후, 진공펌프(미도시)를 이용하여 챔버(101) 내부에 포함된 가스를 감압부(미도시)를 통해 외부로 빼낸다. 챔버(101) 내부는 대기압 보다 낮은 압력상태, 예컨대 수백 torr ~ 10-6 torr 정도의 압력을 가질 수 있다.
선택적 실시예로서, 구리(Cu) 전선(200a)을 전도판(110)에 대향하도록 배치할 수 있다.
이 후, 가스 공급부(140)를 통해서 분위기 가스, 예컨대 헬륨, 아르곤과 같은 불활성 가스 및/ 또는 금속박판의 표면을 깨끗하게 유지하기 위한 수소와 같은 비반응 가스를 주입할 수 있다.
분위기 가스를 주입한 후, 램프부(130)를 이용하여 구리(Cu) 전선(200a) 및 전도판(110)을 가열할 수 있다.
램프부(130)에서 방출되는 복사열에 의해 전도판(110) 및 구리(Cu) 전선(200b)의 온도가 충분히 높아지면 구리(Cu) 전선(200a) 및 전도판(110)에서 방출되는 열에 의하여 챔버(101) 내부에는 그래핀을 합성하기에 충분한 온도가 형성된다.
선택적 실시예로서 챔버(101) 내부는 600 ℃ 이상의 고온 환경이 조성될 수 있으며, 다른 선택적 실시예로 챔버(101) 내부는 900~1050 ℃ 의 고온을 유지할 수 있다.
이에 따라, 램프부(130) 및 전도판(110)에 의해 수초~수분의 빠른 시간 내에 급속으로 그래핀을 합성하기에 충분한 온도로 챔버(101) 내부가 승온되어 가열된 구리(Cu) 전선(200b)은 구리(Cu) 금속의 결정 크기와 결정 방향이 변화되는 재결정화가 일어날 수 있다.
이후, 가스 공급부(140)를 통해서 탄소를 포함하는 가스, 즉 반응 가스를 공급한다.
선택적 실시예로서 상기 탄소를 포함하는 가스로는 메탄(CH4) 가스가 공급될 수 있다.
이 때, 가스 공급부(140)와 대향하는 측에 구비된 배출부(150)도 배치되어 있으므로 일측에서는 가스 공급부(140)로 반응 가스를 공급하면서 타측에서는 배출부(150)를 이용하여 가스를 배기함으로써 반응 가스가 효과적으로 챔버(101) 내부를 흘러 지나갈 수 있도록 한다.
탄소를 포함하는 반응 가스는 챔버(101) 내부에서 에너지를 공급받아 그래핀 합성에 필요한 상태로 분해된다.
선택적 실시예로서 반응 가스로 메탄(CH4) 가스가 사용되는 경우에는 챔버(101) 내부에서 탄소(C)와 수소(H)로 해리가 일어난다.
반응가스가 고온의 환경이 조성된 챔버(101) 내부를 지나갈 때 구리(Cu) 전선(200b), 즉 표면이 활성화된 구리(Cu) 전선(200b)의 표면과 접촉하게 되는데 이 과정에서 분해된 반응 가스가 표면 활성화된 구리(Cu) 전선(200b)에 흡수되면서 그래핀 결정이 성장된다.
즉, 그래핀 결정이 성장됨에 따라 구리(Cu) 전선(200b)의 표면을 에워싸도록 일정한 두께를 갖는 그래핀 코팅막(300)이 형성될 수 있다.
선택적 실시예로서, 상술한 바와 같이 수초~수분의 빠른 시간 내에 급속으로 그래핀을 합성하기에 충분한 온도로 챔버(101) 내부의 온도가 승온되어 급속 열 화학 기상 증착법(Rapid-Thermal CVD)에 의해 구리(Cu) 전선(200b)의 표면에 그래핀 코팅막(300)이 증착 형성될 수 있다.
본 실시예에서는 램프부(130)에 의해 구리(Cu) 전선(200a)을 가열한 후, 탄소를 포함하는 가스를 공급하는 방법을 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
즉, 램프부(130)가 복사열을 방출하기 전에, 또는 복사열을 방출함과 동시에, 또는 복사열을 방출한 후에 탄소를 포함하는 가스를 공급할 수 있다. 즉, 탄소를 포함하는 가스를 공급하기 전에 램프부(130)를 동작하는 경우나 탄소를 포함하는 가스를 공급하면서 램프부(130)를 동작하는 경우, 혹은 가스를 공급한 후에 램프부(130)를 동작할 수 있다.
램프부(130)에서 조사되는 복사열인 근적외선 파장대역의 광인 경우 이로 인해 구리(Cu) 전선(200a)과 전도판(110)이 가열되고, 가열된 구리(Cu) 전선(200b)및 전도판(110)에서 방출되는 열에 의해 챔버(101) 내부가 데워지고 탄소를 포함하는 가스가 분해되는 경우를 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 또 다른 실시예로서, 램프부(130)에서는 근적외선 파장대역뿐만 아니라 중적외선 또는/및 가시광선 파장대역을 포함하는 광이 방출될 수 있다. 이 경우, 램프부(130)에서 방출되는 근적외선 파장대역의 광은 상술한 바와 같이 구리(Cu) 전선(200a)과 전도판(110)에 에너지를 공급하고, 가열된 구리(Cu) 전선(200b)및 전도판(110)에 의해 챔버(101) 내부가 데워질 수 있다.
동시에, 램프부(130)에서 방출되는 중적외선 또는/및 가시광선 파장대역의 빛이 챔버(101) 내부로 공급되는 탄소를 포함하는 가스를 데울 수 있다.
바꾸어 말하면, 탄소를 포함하는 가스는 램프부(130) 및 전도판(110)에 의해 급속으로 데워진 챔버(101) 내부의 열 및 중적외선 또는/및 가시광선 파장대역의 광으로부터 에너지를 공급받아 분해될 수 있다. 따라서, 챔버(101) 내부에서의 그래핀 합성 반응은 단시간에 더욱 활발하게 수행될 수 있다.
고온의 챔버(101) 내부에서 구리(Cu) 전선(200b)의 표면에 그래핀이 합성되고 난 후 그래핀 코팅막(300)이 형성된 전선 구조체(1000)를 냉각시킴에 따라 그래핀 코팅막(300)을 안정화시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전선 구조체(2000)를 개략적으로 도시한 사시도이다. 도 4에서 도 2와 동일한 참조 부호는 동일 부재를 나타내며, 여기서는 설명의 간략화를 위하여 동일한 부분의 중복 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 전선 구조체(2000)는 일 방향으로 연장되어 구비되는 구리(Cu) 전선(200b), 구리(Cu) 전선(200b)의 표면에 도금되어 있는 금속(250) 및 상기 구리(Cu) 전선(200b)과 금속(250)을 에워싸고 있는 그래핀 코팅막(300)을 포함하여 형성할 수 있다.
구리(Cu) 전선(200b)은 일 방향으로 길게 연장되어 와이어 형태를 갖도록 구비될 수 있다.
선택적 실시예로서, 구리(Cu) 전선(200b)은 순도 99.9% 이상의 구리(Cu) 금속으로 형성될 수 있다.
구리(Cu) 전선(200a)을 형성하는 구리(Cu) 금속의 순도가 낮고 다른 원소들이 많이 포함되어 있는 경우에는 전선 구조체(1000)를 형성하는 과정에서 구리(Cu) 금속 이외의 다른 원소들에 의해 구리(Cu) 전선(200a)의 표면에 그래핀(graphene)이 균일하게 코팅되기 어려운 문제가 있다.
이에 따라 본 실시예에 따른 전선 구조체(1000)는 순도 99.9% 이상의 구리(Cu)금속으로 이루어진 구리(Cu) 전선(200b)으로 형성됨에 따라 표면에 그래핀(graphene)을 균일하게 코팅할 수 있는 유리한 효과가 있다.
구리(Cu) 전선(200b)의 표면에는 금속 또는 합금이 도금될 수 있다.
상기 금속(250)은 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 로듐(Rh), 실리콘(Si), 탄탈럼(Ta), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 우라늄(U), 바나듐(V), 팔라듐(Pd), 이트리움(Y), 지르코늄(Zr), 게르마늄(Ge), 황동(brass), 청동(bronze), 백동(white brass) 및 스테인레스 스틸(stainless steel) 중 적어도 하나의 금속 또는 합금을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 전기전도도가 높은 금속 또는 합금이면 어떤 것이라도 도금될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 전선 구조체(2000)는 구리(Cu) 전선(200b)에 도금된 금속(250)의 표면을 둘러싸도록 그래핀 코팅막(300)이 형성될 수 있다.
즉, 구리(Cu) 전선(200b)의 외측을 에워싸도록 구리(Cu) 전선(200b)에 도금된 금속(250)의 표면상에 그래핀 코팅막(300)이 일정한 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 전선 구조체(2000)는 상기 전선 구조체 제조 장치(100) 내에 표면에 금속(250)이 코팅된 상태의 구리(Cu) 전선(200a)을 배치할 수 있다.
다음으로, 진공펌프(미도시)를 이용하여 챔버(101) 내부에 포함된 가스를 감압부(미도시)를 통해 외부로 빼낸다. 챔버(101) 내부는 대기압 보다 낮은 압력상태, 예컨대 수백 torr ~ 10-6 torr 정도의 압력을 가질 수 있다.
이 후, 가스 공급부(140)를 통해서 분위기 가스, 예컨대 헬륨, 아르곤과 같은 불활성 가스 및/ 또는 금속박판의 표면을 깨끗하게 유지하기 위한 수소와 같은 비반응 가스를 주입할 수 있다.
분위기 가스를 주입한 후, 램프부(130)를 이용하여 표면에 금속(250)이 코팅된 구리(Cu) 전선(200a) 및 전도판(110)을 가열할 수 있다.
램프부(130)에서 방출되는 복사열에 의해 전도판(110) 및 구리(Cu) 전선(200b)의 온도가 충분히 높아지면, 구리(Cu) 전선(200b) 및 전도판(110)에서 방출되는 열에 의하여 챔버(101) 내부에는 그래핀을 합성하기에 충분한 온도가 형성된다.
선택적 실시예로서 챔버(101) 내부는 600 ℃ 이상의 고온 환경이 조성될 수 있으며, 다른 선택적 실시예로 챔버(101) 내부는 900~1050 ℃의 고온을 유지할 수 있다.
이에 따라, 램프부(130) 및 전도판(110)에 의해 챔버(101) 내부가 수초~수분의 빠른 시간 내에 급속으로 그래핀을 합성하기에 충분한 온도로 승온되고, 구리(Cu) 전선(200a)은 가열됨에 따라 구리(Cu) 금속의 결정 크기와 결정 방향이 변화되어 재결정화가 일어날 수 있다.
이후, 가스 공급부(140)를 통해서 탄소를 포함하는 가스, 즉 반응 가스를 공급한다.
선택적 실시예로서 상기 탄소를 포함하는 가스로는 메탄(CH4) 가스가 공급될 수 있다.
탄소를 포함하는 반응 가스는 챔버(101) 내부에서 에너지를 공급받아 그래핀 합성에 필요한 상태로 분해된다.
선택적 실시예로서 반응 가스로 메탄(CH4) 가스가 사용되는 경우에는 챔버(101) 내부에서 탄소(C)와 수소(H)로 해리가 일어난다.
반응가스가 고온의 환경이 조성된 챔버(101) 내부를 지나갈 때 금속(250)으로 도금된 구리(Cu) 전선(200b), 즉 구리(Cu) 전선(200b)의 표면에 코팅되어 있는 금속(250)의 표면과 접촉하게 되는데 이 과정에서 분해된 반응 가스가 표면 활성화된 금속(250)에 흡수되면서 그래핀 결정이 성장된다.
즉, 구리(Cu) 전선에 코팅된 금속(250)의 표면에서 그래핀 결정이 성장됨에 따라 구리(Cu) 전선(200b) 및 금속(250)을 에워싸도록 일정한 두께를 갖는 그래핀 코팅막(300)이 형성될 수 있다.
다시 말해서, 본 실시예에 따른 전선 구조체(2000)는 구리(Cu) 전선(200b)을 둘러싸도록, 구리(Cu) 전선(200b)에 도금된 금속(250)의 표면에 그래핀 코팅막(300)이 형성될 수 있다.
선택적 실시예로서, 상술한 바와 같이 수초~수분의 빠른 시간 내에 급속으로 그래핀을 합성하기에 충분한 온도로 챔버(101) 내부의 온도가 승온되어 급속 열 화학 기상 증착법(Rapid-Thermal CVD)에 의해 도금된 금속(250)의 표면에 그래핀 코팅막(300)이 증착되어 형성될 수 있다.
본 실시예에서는 램프부(130)에 의해 구리(Cu) 전선(200a)을 가열한 후, 탄소를 포함하는 가스를 공급하는 방법을 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
고온의 챔버(101) 내부에서 구리(Cu) 전선(200b)을 둘러싸도록 도금된 금속(250)의 표면에 그래핀이 합성되고 난 후 그래핀 코팅막(300)이 형성된 전선 구조체(2000)를 냉각시킴에 따라 그래핀 코팅막(300)을 안정화시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
?
100: 전선 구조체 제조 장치
110: 전도판
130: 램프부
1000, 2000: 전선 구조체
200a, 200b: 구리(Cu) 전선
250: 금속
300: 그래핀 코팅막

Claims (16)

  1. 일 방향으로 길게 연장되어 구비되는 구리(Cu) 전선; 및
    상기 구리(Cu) 전선의 외측에 상기 구리(Cu) 전선을 에워싸도록 형성되는 그래핀 코팅막;을 포함하고,
    상기 구리(Cu) 전선은 99.9% 이상의 순도를 갖는 구리(Cu) 금속으로 형성되는 전선 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구리(Cu) 전선의 표면에 도금되는 금속;을 더 포함하고,
    상기 그래핀 코팅막은 상기 구리(Cu) 전선을 에워싸도록 상기 구리(Cu) 전선의 표면에 도금되는 금속의 표면에 형성되는 전선 구조체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 구리(Cu) 전선의 표면에 도금되는 금속은 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 로듐(Rh) 가운데 하나인 전선 구조체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀 코팅막은 급속 열 화학 기상 증착법(Rapid-Thermal CVD)에 의해 상기 구리(Cu) 전선을 에워싸도록 형성되는 전선 구조체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 급속 열 화학 기상 증착법(Rapid-Thermal CVD) 공정 중에 탄소를 포함하는 가스가 주입되어 상기 구리(Cu) 전선의 외측에 상기 그래핀 코팅막이 형성되는 전선 구조체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 탄소를 포함하는 가스는 메탄(CH4)가스인 전선 구조체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 구리(Cu) 전선을 형성하는 구리(Cu) 금속의 결정 크기는 순수한 구리(Cu) 금속의 결정 크기보다 큰 전선 구조체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 구리(Cu) 전선을 형성하는 구리(Cu) 금속의 결정 형성 방향은 특정한 방향으로 이루어진 전선 구조체.
  9. 챔버 내에 일 방향으로 길게 연장되어 구비되는 구리(Cu) 전선을 제공하는 단계;
    상기 챔버 내에 탄소를 포함하는 가스를 공급하는 단계;
    상기 구리(Cu) 전선을 가열하기 위해 상기 챔버 내부를 수 초~ 수 분내에 급속으로 600도씨 이상의 온도로 승온시키는 단계; 및
    상기 챔버 내부에 탄소를 포함하는 가스를 주입하는 단계;를 포함하며,
    상기 구리(Cu) 전선은 99.9% 이상의 순도를 갖는 구리(Cu) 금속으로 형성되는 전선 구조체의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 탄소를 포함하는 가스가 해리되어 상기 구리(Cu) 전선을 에워싸도록 그래핀 코팅막이 형성되는 전선 구조체의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 구리(Cu) 전선을 에워싸는 상기 그래핀 코팅막이 형성된 후, 일정한 속도로 냉각시키는 단계;를 더 포함하는 전선 구조체의 제조 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 탄소를 포함하는 가스는 메탄(CH4)가스인 전선 구조체의 제조 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 구리(Cu) 전선을 형성하는 구리(Cu) 금속의 결정 크기는 순수한 구리(Cu) 금속의 결정 크기보다 큰 전선 구조체의 제조 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 구리(Cu) 전선을 형성하는 구리(Cu) 금속의 결정 형성 방향은 특정한 하나의 방향으로 이루어진 전선 구조체의 제조 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 구리(Cu) 전선은 표면에 구리(Cu) 이외의 금속 또는 합금이 도금된 전선 구조체의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 구리(Cu) 전선의 표면에 도금된 금속은 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 로듐(Rh) 가운데 하나인 전선 구조체의 제조 방법.
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