KR20230033223A - 그래핀 복합체 제조장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 시편을 고정하는 고정부, 그래핀 용액을 미립화하는 압전소자가 연결된 스프레이 노즐을 포함하는 그래핀 분사부로서, 상기 시편의 표면에 미립화된 상기 그래핀 용액을 분사하여 점착시키는 그래핀 분사부; 및 상기 고정부에 열을 가하는 가열부로서, 미립화된 상기 그래핀 용액이 점착된 상기 시편을 가열하여 그래핀을 환원시키는 가열부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 코팅 복합체 제조장치를 제공한다.

Description

그래핀 복합체 제조장치 {Graphene composite manufacturing device}
본 발명은 그래핀 복합체, 구체적으로 자가조립 3차원 그래핀(self-assembled 3D graphene)을 제조할 수 있는 제조장치에 관한 것이다.
그래핀(Graphene)은 탄소들이 벌집 모양의 육각형 그물처럼 배열된 평면들이 층으로 쌓여 있는 구조인 흑연(Graphite)의 한 층으로서, 그래핀은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 실리콘보다 100배 이상 전자의 이동성이 빠르며, 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높다. 또한, 그래핀은 기계적 강도가 강철보다 200배 이상 강하며 이와 동시에 두께가 매우 얇아서 투명성이 높고 신축성도 높은 것으로 잘 알려져 있다.
이러한 그래핀을 시편(예를 들어 탄소 섬유)의 표면에 코팅함으로서 우수한 열전도도, 전기전도도 및 전자파 차폐 등의 기능성을 부여한 그래핀 코팅 복합체를 형성할 수 있다.
종래기술의 경우 시편을 그래핀 용액이 담긴 용기에 침지시키는 공정 또는 그래핀 용액을 고압의 스프레이로 분사하는 공정을 통하여 그래핀을 시편의 표면에 코팅하는 방법을 많이 사용했으나, 충분히 얇은 두께 및 넓은 비표면적을 갖는 그래핀 복합체를 얻을 수 없는 문제점이 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 넓은 비표면적으로 가지며 균일한 두께로 코팅되는 그래핀 복합체, 구체적으로 자가조립 3차원 그래핀(self-assembled 3D graphene)을 제조할 수 있는 제조장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 초음파 스프레이를 사용하여 그래핀 액적의 크기를 자유롭게 조절할 수 있어, 다양한 그래핀 복합체를 제조할 수 있는 그래핀 복합체 제조장치를 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 한정되지 않는다. 또한 기재되지 않은 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명 확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 그래핀 코팅 복합체 제조장치는, 시편을 고정하는 고정부; 그래핀 용액을 미립화하는 압전소자가 연결된 스프레이 노즐을 포함하는 그래핀 분사부로서, 상기 시편의 표면에 미립화된 상기 그래핀 용액을 분사하여 점착시키는 그래핀 분사부; 및 상기 고정부에 열을 가하는 가열부로서, 미립화된 상기 그래핀 용액이 점착된 상기 시편을 가열하여 그래핀을 환원시키는 가열부;를 포함할 수 있다.
상기 그래핀 분사부는, 상기 스프레이 노즐에서 분사된 미립화된 상기 그래핀 용액의 분사 형태를 조절하도록 캐리어 가스(Carrier Gas)를 분사하는 편향기(Deflector) 및 상기 압전소자를 냉각하는 냉각 유로를 더 포함할 수 있다.
상기 편향기에 연결되어 상기 캐리어 가스를 유입시키는 제1 가스 유입라인, 상기 냉각 유로에 연결되어 냉각 가스를 유입시키는 제2 가스 유입라인 및 상기 스프레이 노즐에 상기 그래핀 용액을 유입시키는 시린지 펌프를 더 포함하고,
상기 제1 가스 유입라인은, 상기 제1 가스 유입라인의 압력을 조절하는 제1 레귤레이터, 상기 제1 가스 유입라인을 개폐하는 제1 밸브 및 상기 제1 가스 유입라인의 유량을 제어하는 제1 유량 제어기를 포함하고,
상기 제2 가스 유입라인은, 상기 제2 가스 유입라인의 압력을 조절하는 제2 레귤레이터, 상기 제2 가스 유입라인을 개폐하는 제2 밸브 및 상기 제2 가스 유입라인의 유량을 제어하는 제1 유량 제어기를 포함할 수 있다.
상기 압전소자를 20kHz에서 200khz사이의 범위에서 진동시켜 상기 그래핀 용액의 미립화를 제어하도록 마련된 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 압전소자를 구동하고 및 상기 제2 밸브가 개방된 상태에서,
상기 제1 밸브를 개방하고 상기 시린지 펌프를 구동하여 상기 스프레이 노즐에 상기 그래핀 용액을 유입시키거나, 상기 시린지 펌프를 정지하고 상기 제1 밸브를 폐쇄하여,
상기 제1 밸브의 개방과 폐쇄사이의 제1 구간 또는 상기 제1 밸브가 폐쇄된 후 이어지는 상기 제1 밸브의 개방사이의 제2 구간을 제어하도록 마련된 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 고정부는 상기 가열부의 상단에 결합되도록 마련되며,
상기 고정부는 상기 시편을 고정하도록 상기 시편의 하부를 흡착하는 흡착홀을 포함하고,
상기 가열부는 상기 고정부와 상기 가열부 사이에 형성된 공간을 진공상태로 만드는 진공홀 및 상기 고정부를 가열하는 히터를 더 포함할 수 있다.
상기 가열부는,
상기 히터가 복수로 마련되며 인접한 상기 히터 사이에 배치되는 온도 측정부를 더 포함하고,
상기 온도 측정부를 통하여 측정된 온도에 따라 상기 고정부가 80oC내지 300oC범위로 가열되도록 상기 복수로 마련된 히터를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 그래핀 분사부가 X축 방향으로 선형이동 가능하도록 마련된 제1 레일부,
상기 제1 레일부의 양단에 연결되어 상기 제1 레일부가 Y축 방향으로 선형이동 가능하도록 마련된 제2 레일부
상기 제2 레일부의 양단에 연결되어 상기 제2 레일부가 Z축 방향으로 선형이동 가능하도록 마련된 제3 레일부 및
상기 그래핀 분사부, 제1 레일부 및 상기 제2 레일부의 위치를 제어하여 상기 시편과 상기 그래핀 분사부의 상대적 위치를 조절하도록 마련된 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 시편에 점착되지 않은 그래핀 용액을 회수하여 상기 시린지 펌프로 유입시키는 용매 회수장치를 더 포함할 수 있다.
상기 시편은 롤 형상으로 마련되며, 제1 롤에서 언와인딩되어 상기 고정부를 통과한 후 제2 롤에서 와인딩 되는 롤투롤 공정을 통하여 그래핀 코팅 복합체가 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 초음파 스프레이를 포함하는 압전소자에 의하여 미립화된 그래핀 용액을 시편에 분사하여 넓은 비표면적으로 가지며 균일한 두께로 코팅되는 그래핀 코팅 복합체 제조장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 초음파 스프레이를 사용하여 그래핀 액적의 크기를 자유롭게 조절할 수 있어, 다양한 형태의 그래핀 복합체를 제조할 수 있는 그래핀 복합체 제조장치를 제공할 수 있다.
또한 롤투롤 공정을 통하여 그래핀 코팅 복합체 제조 시간이 현저히 단축되어 생산율이 증대된 그래핀 코팅 복합체 제조장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되지 않는다. 또한 본 발명의 효과는 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 코팅 복합체 제조장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 코팅 복합체 제조장치의 그래핀 분사부에 연결된 가스 유입라인의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 코팅 복합체 제조장치의 압전소자의 진동 주파수에 따른 액적의 크기를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 코팅 복합체 제조장치의 주기제어를 위한 그래핀 분사부의 각 구성의 시간 축에 따른 ON/OFF상태를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예 따른, 제어부의 구성을 나타낸 도면이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 코팅 복합체 제조장치의 고정부 및 가열부를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 코팅 복합체 제조장치의 제1 내지 제3 레일부를 도시한 도면이다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
또한, 본 명세서의 각 도면에서 제시된 동일한 참조번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낸다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 개시된 발명을 제한 및/또는 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "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 않는다.
또한, 본 명세서에서 사용한 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 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.
이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 코팅 복합체 제조장치의 개략도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 코팅 복합체 제조장치의 그래핀 분사부에 연결된 가스 유입라인의 구성도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 코팅 복합체 제조장치의 압전소자의 진동 주파수에 따른 액적의 크기를 나타낸 그래프이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 코팅 복합체 제조장치의 주기제어를 위한 그래핀 분사부의 각 구성의 시간 축에 따른 ON/OFF상태를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 코팅 복합체 제조장치(1)는 시편(A)을 고정하는 고정부(10), 시편(A)의 표면에 미립화된 그래핀 용액(B)을 분사하여 점착시키는 그래핀 분사부(20) 및 고정부(10)에 열을 가하는 가열부(90)를 포함할 수 있다.
시편(A)은 롤 형상으로 마련될 수 있다. 그래핀 코팅 복합체 제조장치(1)는 제1 롤(61)과 제2 롤(62)을 포함하는 롤투롤 공정 장치(60)를 더 포함할 수 있다. 시편(A)은 제1 롤(61)에서 언와인딩되어 고정부(10)를 통과한 후 제2 롤(62)에서 와인딩되도록 마련될 수 있다. 제1 롤(61)의 후단과 제2 롤(62)의 전단에는 각각 시편(A)이 안정적으로 와인딩 또는 언와인딩 될 수 있도록 지지하는 보조 롤(63)이 마련될 수 있다. 시편(A)이 고정부(10)에 고정되어 그래핀 코팅되는 구조는 후술하도록 한다.
그래핀 분사부(20)는 그래핀 용액(B)을 미립화하는 압전소자(21)가 연결된 스프레이 노즐(22)을 포함할 수 있다. 그래핀 분사부(20)는 스프레이 노즐(22)에서 분사된 미립화된 그래핀 용액(B)의 분사 형태를 조절하도록 캐리어 가스(Carrier Gas)를 분사하는 편향기(Deflector, 23)를 더 포함할 수 있다. 그래핀 분사부(20)는 압전소자(21)를 냉각하는 냉각 가스(Cooling Gas)가 유동하는 냉각 유로(24)를 더 포함할 수 있다.
압전소자(21)는 초음파 신호 발생기의 초음파 신호를 기계적 작용으로 변환하여 그래핀 분사부(20)로 유입된 그래핀 용액(B)을 미립화 할 수 있다. 미립화된 그래핀 용액(B)은 스프레이 노즐(22)을 통하여 시편(A)을 향해 분사될 수 있다. 압전소자(21)는 20kHz에서 200kHz사이의 범위에서 진동되도록 마련될 수 있다. 도 3을 참조하면, 압전소자(21)의 주파수가 높아질수록 미립화된 그래핀 용액(B)의 액적의 크기가 작아진다. 시편(A)의 그래핀 코팅 사양에 따라 후술하는 제어부(80)가 압전소자(21)의 진동 주파수를 제어하도록 마련될 수 있다.
스프레이 노즐(22)에서 분사되는 미립화된 그래핀 용액(B)을 편향기(23)와 토출된 캐리어 가스의 흐름을 통하여 토출 분사되도록 함으로써 미립화된 그래핀 용액(B)의 비산을 최소화하면서 분사 영역 내에 미세하고 정확한 박막 코팅을 제공할 수 있다.
냉각 유로(24)는 압전소자(21)의 진동에 의한 발열을 냉각할 수 있도록 압전소자(21)와 인접한 영역에 냉각 가스(Cooling Gas)가 유동할 수 있도록 마련될 수 있다.
이하에서는 스프레이 노즐(22), 편향기(23) 및 냉각 유로(24)에 연결된 가스 유입 시스템(3)에 대해서 후술하도록 한다.
그래핀 코팅 복합체 제조장치(1)는 스프레이 노즐(22), 편향기(23) 및 냉각유로(24)에 연결된 가스 유입 시스템(3)을 더 포함할 수 있다. 가스 유입 시스템(3)은 편향기(23)에 연결되어 캐리어 가스를 유입시키는 제1 가스 유입라인(30), 냉각 유로(24)에 연결되어 냉각 가스를 유입시키는 제2 가스 유입라인(40) 및 스프레이 노즐(22)에 그래핀 용액(B)을 유입시키는 시린지 펌프(50)를 더 포함할 수 있다.
제1 가스 유입라인(30)은 제1 가스 유입라인(30)의 압력을 조절하는 제1 레귤레이터(31), 제1 가스 유입라인(30)을 개폐하는 제1 밸브(32) 및 제1 가스 유입라인(30)의 유량을 제어하는 제1 유량 제어기(33)를 포함할 수 있다.
제2 가스 유입라인(40)은 제2 가스 유입라인(40)의 압력을 조절하는 제2 레귤레이터(41), 제2 가스 유입라인(40)을 개폐하는 제2 밸브(42) 및 제2 가스 유입라인(40)의 유량을 제어하는 제2 유량 제어기(43)를 포함할 수 있다.
제1 유량 제어기(33) 및 제2 유량 제어기(43)는 아날로그 유량 제어기로 마련될 수 있다.
제1 레귤레이터(31)는 제1 가스 유입라인(30)의 내부가 일정한 압력으로 유지되도록 마련될 수 있다. 예를 들어 제1 레귤레이터(31)는 제1 가스 유입라인(30) 내부가 0 내지 5 Bar 내의 압력으로 유지되도록 조절할 수 있다.
제1 밸브(32)는 제1 레귤레이터(31)에서 조절된 기체압의 기체 유동이 이루어질 수 있도록 제1 가스 유입라인(30)을 개폐할 수 있다.
제1 유량 제어기(33)는 제1 밸브(32)를 통과한 기체 유동의 유량을 조절하도록 마련될 수 있다.
제2 레귤레이터(41)는 제2 가스 유입라인(40)의 내부가 일정한 압력으로 유지되도록 마련될 수 있다. 예를 들어 제2 레귤레이터(41)는 제2 가스 유입라인(40) 내부가 0 내지 5 Bar 내의 압력으로 유지되도록 조절할 수 있다.
제2 밸브(42)는 제2 레귤레이터(41)에서 조절된 기체압의 기체 유동이 이루어질 수 있도록 제2 가스 유입라인(40)을 개폐할 수 있다.
제2 유량 제어기(43)는 제2 밸브(42)를 통과한 기체 유동의 유량을 조절하도록 마련될 수 있다.
제1 가스 유입라인(30)의 일단 및 제2 가스 유입라인(40)의 일단은 모두 하나의 질소 컴프레서(70)에 연결될 수 있다. 제1 가스 유입라인(30)의 타단은 편향기(23)에 연결될 수 있다. 제2 가스 유입라인(40)의 타단은 냉각 유로(24)에 연결될 수 있다.
시린지 펌프(50)는 스프레이 노즐(22)에 그래핀 용액(B)을 유입시키도록 마련될 수 있다. 시린지 펌프(50)는 1mL/min 내지 30mL/min의 유량으로 그래핀 용액(B)을 그래핀 분사부(20)로 유입시킬 수 있다. 시린지 펌프(50)는 그래핀 분사부(20)와 별도로 압전소자를 구비하여 그래핀 용액(B)을 사전에 미립화한 후 그래핀 분사부(20)로 유입시키도록 마련될 수도 있다.
그래핀 코팅 복합체 제조장치(1)는 전반적인 시스템의 동작을 제어하는 제어부(80)를 더 포함할 수 있다.
제어부(80)는 상술한 초음파 신호 발생기의 초음파 신호를 제어하도록 마련될 수 있다. 제어부(80)는 상술한 제1 레귤레이터(31), 제2 레귤레이터(41), 제1 밸브(32), 제2 밸브(42), 제1 유량 제어기(33), 및 제2 유량 제어기(43)를 제어하도록 마련될 수 있다. 제어부(80)는 시린지 펌프(50)의 동작을 제어하도록 마련될 수 있다. 더 나아가 제어부(80)는 후술하는 그래핀 분사부(20) 및 제1 레일부(101) 내지 제2 레일부(102)의 위치를 제어하도록 마련될 수 있다.
도 4를 참조하면 제어부(80)는 상술한 구성들의 제어를 통하여 시편(A)에 미립화된 그래핀 용액(B)을 분사하는 방법으로 주기제어를 실행할 수 있다.
이 때, 도 4와 같이 코팅 복합체 제조장치의 주기제어를 통해 그래핀 용액의 분사를 제어할 수도 있고, 주기제어 없이 코팅 복합체 제조장치의 스프레이가 시편 전면을 이동하면서 그래핀 용액을 코팅할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 제어부(80)는 사용자가 설정한 주파수로 진동하도록 압전소자(21)를 구동하고 및 제2 밸브(42)를 개방하여 냉각 유로(24)에 냉각 가스가 유동하도록 제어할 수 있다. 그 다음 제1 밸브(32)의 개방과 시린지 펌프(50)의 구동이 순차적으로 진행되도록 제어할 수 있다.
제어부(80)는 압전소자(21)가 구동되며 제2 밸브(42)를 개방된 상태를 유지하며, 제1 밸브(32)의 개폐 및 시린지 펌프(50)의 동작여부를 제어할 수 있다. 제어부(80)는 압전소자를 20kHz에서 200kHz사이의 범위에서 진동시켜 상기 그래핀 용액의 미립화를 제어하도록 마련될 수 있다.
미립화된 그래핀 용액(B)의 분사 형태를 조절하기 위하여, 제어부(80)는 시린지 펌프(50)의 구동이 제1 밸브(32)가 개방된 상태에서 진행되도록 제어할 수 있다. 제어부(80)는 제1 밸브(32)의 개방과 폐쇄사이의 제1 구간(T1)을 제어할 수 있도록 마련될 수 있으며, 제1 밸브(32)가 폐쇄된 후 이어지는 제1 밸브(32)의 개방사이의 제2 구간(T2)를 제어하도록 마련될 수 있다.
제어부(80)는 제1 구간(T1)과 제2 구간(T2)는 단속적으로 반복되도록 마련될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 코팅 복합체 제조장치의 고정부 및 가열부를 나타낸 도면이다.
이하에서는 고정부(10) 및 가열부(90)에 대하여 서술하도록 한다.
그래핀 코팅 복합체 제조장치(1)는 시편(A)을 고정하는 고정부(10) 및 고정부에 열을 가하는 가열부(90)를 더 포함할 수 있다.
고정부(10)는 가열부(90)의 상단에 결합되도록 마련될 수 있다. 고정부(10)와 가열부(90)는 스크류 체결 구조에 의하여 서로 결합될 수 있다.
가열부(90)는 대략 직육면체의 형상으로 마련될 수 있으며, 고정부(10)는 가열부(90)의 상단 형상에 대응되도록 대략 사각 플레이트 형상으로 마련될 수 있다. 다만 가열부(90)와 고정부(10)의 형상이 이에 제한되는 것은 아니다.
가열부(90)와 고정부(10)는 사이에 실링을 위한 오링(90')이 배치될 수 있다. 오링(90')은 고무 또는 실리콘 재질 또는 바이톤 재질로 마련될 수 있다.
고정부(10)는 시편(A)을 고정하도록 시편(A)의 하부를 흡착하는 흡착홀(11)을 포함할 수 있다. 흡착홀(11)은 복수로 마련될 수 있다. 흡착홀(11)은 1mm 미만의 직경을 갖도록 형성될 수 있다. 복수의 흡착홀(11)은 서로 일정한 간격을 지니도록 형성될 수 있다.
가열부(90)는 상단으로부터 하방으로 함몰된 진공부(91)를 포함할 수 있다. 다시 말하자면 진공부(91)는 고정부(10)가 가열부(90) 상단에 결합된 상태에서 가열부(90)의 함몰된 공간 또는 유로에 의하여 고정부(10)와 가열부(90) 사이에 형성된 공간으로 정의될 수 있다.
진공부(91)는 도 6에 도시된 것과 같이 직육면체 형상으로 형성될 수 있으나 이에 국한되는 것은 아니며, 예를 들어 반구 형상으로 마련될 수도 있다.
진공부(91)의 하단에는 진공부(91)를 진공상태로 만드는 진공홀(92)이 형성될 수 있다. 고정부(10)의 상단 표면에 시편(A)이 위치하여 시편(A) 하부가 복수의 흡착홀(11)을 모두 덮게 되면 진공홀(92)에 연결된 진공펌프(미도시)가 작동되어 시편(A)의 하부가 고정부(10)의 상단 표면에 흡착, 고정되게 되며 동시에 진공부(91)가 진공상태로 유지될 수 있다.
가열부(90)는 히터(93)를 더 포함할 수 있다. 가열부(90)의 몸체에는 고정부(10)를 가열하는 히터(93)가 배치될 수 있다. 히터(93)는 복수로 마련될 수 있다. 복수의 히터(93)는 가열부(90)의 폭 방향으로 나란하게 배치될 수 있다.
가열부(90)는 온도 측정부(94)를 더 포함할 수 있다. 온도 측정부(94)는 복수로 마련될 수 있다. 온도 측정부(94) 각각은 인접한 히터(93) 사이에 배치될 수 있다. 온도 측정부(94)는 열전대 온도센서로 마련될 수 있다.
제어부(80)는 온도 측정부(94)를 통하여 측정된 온도에 따라 고정부(10)가 80oC내지 300oC 범위에서 가열되도록 히터를 제어하도록 마련될 수 있다. 제어부(80)의 고정부(10) 온도제어 방식은 열유속 제어방식으로 마련될 수 있다.
예를 들어 그래핀 용액(B)은 산화 그래핀을 포함할 수 있으며, 미립화된 그래핀 용액(B)이 시편(A)의 표면에 점착된 후 고정부(10)에 의하여 가열되어 산화 그래핀이 환원될 수 있다. 이로써 그래핀이 보다 강하게 시편(A)의 표면에 점착될 수 있다.
시편(A)의 상단, 즉 시편(A)과 그래핀 분사부(20) 사이에는 마스크(M)가 추가로 배치될 수 있다. 마스크(M)는 시편(A)의 상단 표면 상 그래핀 코팅이 필요한 영역에 대응되는 중공을 포함할 수 있다.
시편(A)에 그래핀이 코팅 완료되면, 제어부(80)는 진공펌프(미도시)의 구동을 정지하여 진공부(91)의 진공상태를 해제하여 시편(A)이 고정부(10)로부터 탈거되도록 제어할 수 있다. 이후 롤투롤 공정 장치가 구동되어 코팅이 되지 않은 시편이 고정부(10)의 상단에 위치하게 되며 이후 상술한 과정과 동일한 과정이 반복될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 코팅 복합체 제조장치의 제1 내지 제3 레일부를 도시한 도면이다.
그래핀 코팅 복합체 제조장치(1)는 그래핀 분사부(20)가 X축 방향으로 선형이동 가능하도록 마련된 제1 레일부(101), 제1 레일부(101)의 양단에 연결되어 제1 레일부(101)가 Y축 방향으로 선형이동 가능하도록 마련된 제2 레일부(102), 제2 레일부(102)의 양단에 연결되어 제2 레일부(102)가 Z축 방향으로 선형이동 가능하도록 마련된 제3 레일부(103)를 더 포함할 수 있다.
그래핀 분사부(20)는 제1 레일부(101)에 연결되는 분사체 이동부(100)를 더 포함할 수 있다. 분사체 이동부(100)는 이동부 스텝모터(100a)를 포함할 수 있으며, 이동부 스텝모터(100a)에 연결된 기어(G)가 제1 레일부(101)에 연결되어 그래핀 분사부(20)가 X축 방향으로 선형이동 가능하도록 마련될 수 있다. 그래핀 분사부(20)의 구동 방식은 레일과 기어의 치합 구조에 제한되는 것은 아니며, 벨트 구동 방식 또는 가이드레일-스크류 제어 방식으로 마련될 수 있다.
도 7은 벨트 구동 방식의 일 실시예를 나타낸 것으로, 이를 참조하면, 제2 레일부(102)는 제1 레일부(101)의 양단에 한 쌍의 레일로 마련될 수 있다. 제1 레일부(101)의 양단에 제1 스텝모터(101a)가 각각 구비되어 같은 회전 수 및 회전 방향으로 구동하며, 제1 스텝모터(101a)에 연결된 기어(G)가 제2 레일부(102)에 연결되어 제1 레일부(101)가 Y축 방향으로 선형이동 가능하도록 마련될 수 있다. 제1 레일부(101)가 Y축 방향으로 선형이동하면 결과적으로 그래핀 분사부(20) 역시 Y축 방향으로 선형이동하게 된다. 제1 레일부(101)의 구동방식은 레일과 기어의 치합 구조에 제한되는 것은 아니며, 벨트 구동 방식, 가이드레일-스크류 제어 방식으로으로 마련될 수 있다.
도 7을 참조하면, 제3 레일부(103)는 제2 레일부(102) 각각의 양단에 한 쌍의 레일로 마련될 수 있다. 제2 레일부(102) 각각의 양단에 제2 스텝모터(102a)가 각각 구비되어 같은 회전 수 및 회전 방향으로 구동하며, 제2 스텝모터(102a)에 연결된 기어(G)가 제3 레일부(103)에 연결되어 제2 레일부(102)가 Z축 방향으로 선형이동 가능하도록 마련될 수 있다. 제2 레일부(102)가 Z축 방향으로 선형이동하면 결과적으로 그래핀 분사부(20) 역시 Z축 방향으로 선형이동하게 된다.
제어부(80)는 그래핀 분사부(20), 제1 레일부 및 상기 제2 레일부의 위치를 제어하여 상기 시편과 상기 그래핀 분사부의 상대적 위치를 제어하도록 마련될 수 있다.
그래핀 코팅 복합체 제조장치(1)는 제1 레일부(101) 내지 제3 레일부, 그래핀 분사부(20), 고정부(10) 및 가열부(90)를 커버하는 케이스(200)를 더 포함할 수 있다. 케이스(200)은 시편(A)이 인입되는 부분과 그래핀 코팅 후 인출되는 부분에 대응되는 되는 영역에 출입개구(200a)가 형성될 수 있다. 출입개구(200a)는 Z방향으로의 시편(A)의 단면에 대응되는 형상으로 마련될 수 있다.
케이스(200)에는 환원 시 발생한 오존 등 부유 기체를 환기할 수 있는 환기장치(300)를 더 포함할 수 있다.
그래핀 코팅 복합체 제조장치(1) 시편(A)에 점착되지 않은 그래핀 용액(B)을 회수하여 시린지 펌프(50)로 유입시키는 용매 회수장치(400)를 더 포함할 수 있다. 용매 회수장치(400)를 통하여 그래핀 코팅 복합체의 제조원가를 절감하는 효과를 달성할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 코팅 복합체 제조장치(1)에 의하면 초음파 스프레이 구조를 통한 비교적 간단한 제조공정에 의하여 그래핀을 시편(A)의 표면에 코팅함과 동시에 충분히 얇은 두께 및 비표면적을 갖는 그래핀 코팅 복합체를 형성할 수 있다.
이상에서는 특정의 실시예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나, 상기한 실시예에만 한정되지 않으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.
1; 그래핀 코팅 복합체 제조장치
10; 고정부
20; 그래핀 분사부
30; 제1 가스 유입라인
40; 제2 가스 유입라인
50; 시린지 펌프
60; 롤투롤 공정 장치
70; 질소 컴프레서
80; 제어부
90; 가열부
100; 분사체 이동부
101; 제1 레일부
102; 제2 레일부
103; 제3 레일부
A; 시편
B; 그래핀 용액

Claims (10)

  1. 시편을 고정하는 고정부;
    그래핀 용액을 미립화하는 압전소자가 연결된 스프레이 노즐을 포함하는 그래핀 분사부로서, 상기 시편의 표면에 미립화된 상기 그래핀 용액을 분사하여 점착시키는 그래핀 분사부; 및
    상기 고정부에 열을 가하는 가열부로서, 미립화된 상기 그래핀 용액이 점착된 상기 시편을 가열하여 그래핀을 환원시키는 가열부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 코팅 복합체 제조장치.
  2. 제2항에 있어서,
    상기 그래핀 분사부는,
    상기 스프레이 노즐에서 분사된 미립화된 상기 그래핀 용액의 분사 형태를 조절하도록 캐리어 가스(Carrier Gas)를 분사하는 편향기(Deflector) 및
    상기 압전소자를 냉각하는 냉각 유로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 코팅 복합체 제조장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 편향기에 연결되어 상기 캐리어 가스를 유입시키는 제1 가스 유입라인, 상기 냉각 유로에 연결되어 냉각 가스를 유입시키는 제2 가스 유입라인 및 상기 스프레이 노즐에 상기 그래핀 용액을 유입시키는 시린지 펌프를 더 포함하고,
    상기 제1 가스 유입라인은,
    상기 제1 가스 유입라인의 압력을 조절하는 제1 레귤레이터, 상기 제1 가스 유입라인을 개폐하는 제1 밸브 및 상기 제1 가스 유입라인의 유량을 제어하는 제1 유량 제어기를 포함하고,
    상기 제2 가스 유입라인은,
    상기 제2 가스 유입라인의 압력을 조절하는 제2 레귤레이터, 상기 제2 가스 유입라인을 개폐하는 제2 밸브 및 상기 제2 가스 유입라인의 유량을 제어하는 제1 유량 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 코팅 복합체 제조장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 압전소자를 20kHz에서 200khz사이의 범위에서 진동시켜 상기 그래핀 용액의 미립화를 제어하도록 마련된 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 코팅 복합체 제조장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 압전소자를 구동하고 및 상기 제2 밸브가 개방된 상태에서,
    상기 제1 밸브를 개방하고 상기 시린지 펌프를 구동하여 상기 스프레이 노즐에 상기 그래핀 용액을 유입시키거나, 상기 시린지 펌프를 정지하고 상기 제1 밸브를 폐쇄하여,
    상기 제1 밸브의 개방과 폐쇄사이의 제1 구간 또는 상기 제1 밸브가 폐쇄된 후 이어지는 상기 제1 밸브의 개방사이의 제2 구간을 제어하도록 마련된 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 코팅 복합체 제조장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고정부는 상기 가열부의 상단에 결합되도록 마련되며,
    상기 고정부는 상기 시편을 고정하도록 상기 시편의 하부를 흡착하는 흡착홀을 포함하고,
    상기 가열부는 상기 고정부와 상기 가열부 사이에 형성된 공간을 진공상태로 만드는 진공홀 및 상기 고정부를 가열하는 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 코팅 복합체 제조장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가열부는,
    상기 히터가 복수로 마련되며 인접한 상기 히터 사이에 배치되는 온도 측정부를 더 포함하고,
    상기 온도 측정부를 통하여 측정된 온도에 따라 상기 고정부가 80oC내지 300oC범위로 가열되도록 상기 복수로 마련된 히터를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 코팅 복합체 제조장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀 분사부가 X축 방향으로 선형이동 가능하도록 마련된 제1 레일부,
    상기 제1 레일부의 양단에 연결되어 상기 제1 레일부가 Y축 방향으로 선형이동 가능하도록 마련된 제2 레일부
    상기 제2 레일부의 양단에 연결되어 상기 제2 레일부가 Z축 방향으로 선형이동 가능하도록 마련된 제3 레일부 및
    상기 그래핀 분사부, 제1 레일부 및 상기 제2 레일부의 위치를 제어하여 상기 시편과 상기 그래핀 분사부의 상대적 위치를 조절하도록 마련된 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 코팅 복합체 제조장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 시편에 점착되지 않은 그래핀 용액을 회수하여 상기 시린지 펌프로 유입시키는 용매 회수장치를 더 포함하는 그래핀 코팅 복합체 제조장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 시편은 롤 형상으로 마련되며, 제1 롤에서 언와인딩되어 상기 고정부를 통과한 후 제2 롤에서 와인딩 되는 롤투롤 공정을 통한 그래핀 코팅 복합체 제조장치.


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