KR20230055510A - 그래핀 제조 장치 - Google Patents
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Abstract
그래핀 제조 장치가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 장치는 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말을 공급하는 공급부; 상기 공급부가 일측에 결합되고 내부에 소정의 폭을 가지고 일측으로부터 일 방향으로 연장되는 이동면 및 상기 이동면의 상측에 이동 공간이 형성되는 이동부 몸체를 구비하고 상기 공급부로부터 공급된 상기 그라파이트 옥사이드 분말 또는 상기 그래핀 옥사이드 분말을 상기 이동 공간의 일측으로 공급받아 타측으로 이동시키는 이동부; 상기 그라파이트 옥사이드 분말 또는 상기 그래핀 옥사이드 분말의 이동 경로 상에 레이저를 조사하여 상기 그라파이트 옥사이드 분말 또는 상기 그래핀 옥사이드 분말을 그래핀 분말로 제조하는 레이저 조사부; 및 상기 이동부의 타측에 연결되어 상기 그래핀 분말을 상기 그라파이트 옥사이드 분말 또는 상기 그래핀 옥사이드 분말과 분리하여 포집하는 포집부; 를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 그래핀 제조 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 그라파이트 옥사이드(graphite oxide) 분말 또는 그래핀 옥사이드(graphene oxide) 분말에 레이저를 조사하여 그래핀(graphene) 분말을 제조하는 그래핀 제조 장치에 관한 것이다.
그래핀(graphene)은 탄소의 동소체 중 하나이며 탄소 원자들이 모여 2차원 평면을 이루고 있는 구조이다. 각 탄소 원자들은 육각형의 격자를 이루며 육각형의 꼭짓점에 탄소 원자가 위치하고 있는 모양이다.
그래핀은 매우 높은 전성(intrinsic) 전자이동도, 높은 열전도도, 영 계수를 갖고 있으며 이론적 비표면적이 매우 크다는 특성을 가진다. 또한 한 층으로 구성되어 있기 때문에 가시광선에 대한 흡수량이 매우 낮은 특성을 가진다.
이와 같은 그래핀의 특성으로 인해, 그래핀은 얇고 가벼우면서 내구성 강한 물체를 만들어 비행기나 자동차, 건축자재 등에 사용되거나, 그래핀의 강도로 섬유를 만들어 가볍고 안전한 전투복과 방탄복에 사용되는 등 최근 그래핀을 이용한 탄소섬유가 주목받고 있다. 또한, 그래핀의 빠른 전기전도도는 전기저항을 줄여 의료산업 분야에서의 발전도 예상된다.
이와 같은 그래핀은 흑연으로부터 생산되는 것으로서, 종래에는 그래핀을 생산하기 위하여 물리적 박리법, 화학 증기 증착법, 화학적 박리법, 에피텍셜 합성법 등이 사용되어 왔으나 그래핀을 안정적으로 생산해내기에는 아직 미흡한 실정이다.
이와 같은 방법들은 그래핀의 잔류 산소 불순물(Residual oxygen impurities) 포함도가 10% 이하가 되도록 그래핀을 제조하기 어려울 뿐만 아니라, 제조 방식이 복잡하고 제조 시간이 길다는 문제가 있었다.
특히, 에피텍셜 합성법의 경우 잔류 산소 불순물 포함도를 10% 이하로 만들기 위해 1500도에서 2500도 이상의 열처리가 필요하며, 이와 같은 열처리를 이용하더라도 생성된 그래핀이 리스텍(restack)되는 문제가 있었다.
따라서, 상술한 종래의 방법과 달리 그래핀을 용이하게 제조할 수 있으면서도 그래핀의 잔류 산소 불순물을 줄일 수 있는 그래핀 제조 장치에 대한 필요성이 대두되고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은, 복잡한 처리과정 없이도 그래핀을 제조할 수 있는 그래핀 제조 장치를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 다량의 그래핀을 지속적으로 제조할 수 있는 그래핀 제조 장치를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 그래핀 제조효율을 높일 수 있는 그래핀 제조 장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 그래핀 제조 장치는 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말을 공급하는 공급부; 상기 공급부가 일측에 결합되고 내부에 소정의 폭을 가지고 일측으로부터 일 방향으로 연장되는 이동면 및 상기 이동면의 상측에 이동 공간이 형성되는 이동부 몸체를 구비하고 상기 공급부로부터 공급된 상기 그라파이트 옥사이드 분말 또는 상기 그래핀 옥사이드 분말을 상기 이동 공간의 일측으로 공급받아 타측으로 이동시키는 이동부; 상기 그라파이트 옥사이드 분말 또는 상기 그래핀 옥사이드 분말의 이동 경로 상에 레이저를 조사하여 상기 그라파이트 옥사이드 분말 또는 상기 그래핀 옥사이드 분말을 그래핀 분말로 제조하는 레이저 조사부; 및 상기 이동부의 타측에 연결되어 상기 그래핀 분말을 포집하는 포집부; 를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 레이저 조사부는 상기 이동면의 폭 방향으로 연장된 선형의 레이저를 조사할 수 있다.
이 때, 상기 공급부는 상기 그라파이트 옥사이드 분말 또는 상기 그래핀 옥사이드 분말이 상기 폭 방향으로 분포하도록 상기 이동면의 일측에 상기 그라파이트 옥사이드 분말 또는 상기 그래핀 옥사이드 분말을 공급할 수 있다.
이 때, 상기 레이저 조사부가 상기 레이저의 세기(LASER Power Intensity)는 30 W/mm2 이상 150 W/mm2 이하일 수 있다.
이 때, 상기 이동부가 상기 그라파이트 옥사이드 분말 또는 상기 그래핀 옥사이드 분말을 이동시키는 속도는 5 mm/s 이상 50mm/s 이하일 수 있다.
이 때, 상기 이동부는 내부에 상기 이동 공간이 형성되도록 통형으로 형성되고 하측 내면에 자중 방향과 소정의 각도를 가지는 이동면이 형성되는 이동부 몸체; 및 상기 이동부 몸체의 일측에 배치되고 진동을 발생시키는 진동 발생부; 를 포함하고, 상기 진동 발생부는 상기 이동부 몸체에 상기 진동을 전달하여 상기 그라파이트 옥사이드 분말 또는 상기 그래핀 옥사이드 분말을 상기 이동면을 따라 이동시킬 수 있다.
이 때, 상기 레이저 조사부가 상기 레이저를 조사하는 영역에 형성되는 석영 기판(230); 을 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 석영 기판은 상기 이동부 몸체와 일체로 형성될 수 있다.
이 때, 상기 레이저 조사부는 상기 이동부의 외부에 배치되고, 상기 레이저 조사부(300)로부터 조사되는 상기 레이저(L)가 투과하여 상기 이동면(212)에 도달하도록 상기 이동부 몸체(210)에 형성되는 렌즈(240); 를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 이동부의 타측에 결합되어 상기 제조된 그래핀 분말을 상기 그라파이트 옥사이드 분말 또는 상기 그래핀 옥사이드 분말과 분리하여 포집하는 포집부; 를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 포집부는 상기 레이저가 상기 그라파이트 옥사이드 분말 또는 상기 그래핀 옥사이드 분말에 조사되어 상기 그래핀 분말이 형성됨에 따라 상기 이동 공간에 부유하는 상기 그래핀 분말을 포집하도록 흡입력을 제공하는 흡입 부재; 및 상기 흡입 부재에 연결되어 포집된 상기 그래핀 분말이 저장되는 포집 용기; 를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 흡입 부재는 사이클론 호퍼일 수 있다.
이 때, 상기 포집부는 상기 이동 공간을 따라 상기 그래핀 분말이 이동할 수 있도록 유동을 형성하는 기체 공급 부재; 를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 기체 공급 부재가 공급하는 기체는 비활성 기체일 수 있다.
이 때, 상기 기체 공급 부재는 복수 개로 형성되고, 상기 기체 공급 부재의 일부는 상기 레이저 조사부에 의하여 상기 레이저가 조사된 영역의 후방에 배치되고, 상기 기체 공급 부재의 다른 일부는 상기 레이저 조사부에 의하여 상기 레이저가 조사된 영역의 전방에 배치될 수 있다.
이 때, 상기 기체 공급 부재에 의하여 형성되는 유동을 상기 포집부 측으로 가이드하도록 상기 이동부 몸체의 상측 내면으로부터 돌출되는 가이드 부재가 형성될 수 있다.
이 때, 상기 이동부의 타측으로 이동된 상기 그라파이트 옥사이드 분말 또는 상기 그래핀 옥사이드 분말을 회수하여 상기 공급부로 공급하는 회수부; 를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 장치는, 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말에 레이저를 조사함으로써 복잡한 처리과정 없이도 그래핀을 제조할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 장치는, 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말을 연속적으로 이동시키는 이동부를 구비함으로써 다량의 그래핀을 지속적으로 제조할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 장치는, 레이저 조사 후 그래핀이 되지 못한 그라파이트 옥사이드 또는 그래핀 옥사이드를 분리하는 회수부를 구비함으로써 그래핀 제조효율을 높일 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 장치의 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말 이동 상태를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 장치의 이동부를 확대 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 장치의 레이저 조사 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 A-A를 확대 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 장치의 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말에 레이저가 조사되는 상태를 확대 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 방법을 이용하여 제1 실험 조건하에 제조한 그래핀의 라만 이동(Raman Shift) 값을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 방법을 이용하여 제2 실험 조건하에 제조한 그래핀의 라만 이동 값을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 방법을 이용하여 제3 실험 조건하에 제조한 그래핀의 라만 이동 값을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 방법을 이용하여 제4 실험 조건하에 제조한 그래핀의 라만 이동 값을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 방법을 이용하여 제5 실험 조건하에 제조한 그래핀의 라만 이동 값을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 장치의 이동부를 확대 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 장치의 레이저 조사 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 A-A를 확대 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 장치의 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말에 레이저가 조사되는 상태를 확대 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 방법을 이용하여 제1 실험 조건하에 제조한 그래핀의 라만 이동(Raman Shift) 값을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 방법을 이용하여 제2 실험 조건하에 제조한 그래핀의 라만 이동 값을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 방법을 이용하여 제3 실험 조건하에 제조한 그래핀의 라만 이동 값을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 방법을 이용하여 제4 실험 조건하에 제조한 그래핀의 라만 이동 값을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 방법을 이용하여 제5 실험 조건하에 제조한 그래핀의 라만 이동 값을 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명의 실시예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도면에서 구성의 특징을 명확하게 표현하기 위하여 두께나 크기를 과장되게 나타내었으며, 도면에서 나타낸 구성의 두께나 크기를 실제와 같이 나타내는 것은 아니다.
본 발명은 그래핀 제조 장치에 관한 것으로서, 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말에 레이저를 조사하여 그래핀 분말을 제조하는 그래핀 제조 장치를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 장치의 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말 이동 상태를 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 장치의 이동부를 확대 도시한 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 장치의 레이저 조사 상태를 도시한 도면이다. 도 4는 도 3의 A-A를 확대 도시한 단면도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 장치의 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말에 레이저가 조사되는 상태를 확대 도시한 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 장치(1)는 공급부(100), 이동부(200), 레이저 조사부(300), 석영 기판(230) 및 포집부(700)를 구비한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 공급부(100)는 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)을 공급한다. 이 때, 공급부(100)의 일측에는 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)이 배출되는 공급구(110)가 돌출되어 형성될 수 있다.
공급구(110)는 폭 방향으로 연장되어 형성될 수 있으며, 공급구(110)를 통하여 배출되는 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)은 소정의 폭(W)으로 분포하도록 연속적으로 배치될 수 있다. 이에 따라, 후술하는 레이저 조사부(300)는 넓은 영역으로 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)에 레이저(L)를 조사할 수 있게 된다.
도 1에 도시된 바와 같이 이동부(200)는 공급부(100)의 공급구(110)에 연결된다. 이 때, 이동부(200)는 공급부(100)로부터 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)을 공급받게 되며 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)을 일측에서 타측으로 이동시킨다.
이를 보다 상세하게 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 장치(1)의 이동부(200)는 이동부 몸체(210), 이동면(212) 및 이동 공간(211)을 구비한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 이동부 몸체(210)의 내부에는 소정의 폭(W)을 가지고 일측으로부터 일 방향으로 연장되는 이동면(212)이 형성된다. 이동면(212)은 이동부 몸체(210)의 내부에 자중 방향을 따라 하측에 형성되며 공급부(100)를 통해 공급된 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)의 이동 경로가 된다.
이동면(212)의 상측에는 이동 공간(211)이 형성되는데 이동 공간(211)은 이동면(212)과 같이 길이 방향으로 연장된다. 이 때, 이동부 몸체(210)는 도 1에 도시된 바와 같이 통형으로 형성될 수 있으나 이에 제한이 있는 것은 아니다.
이동부 몸체(210)의 일측에는 공급구(110)가 결합되며 이에 따라 공급부(100)로부터 공급된 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)은 이동면(212)의 일측에 배치된다. 이 때, 이동부 몸체(210)에는 진동 발생부(400)가 결합된다.
진동 발생부(400)는 이동부 몸체(210)가 소정의 진동수로 진동할 수 있도록 이동부 몸체(210)를 진동시킨다. 이 때, 도 2에 도시된 바와 같이, 이동면(212)은 자중 방향으로 연장된 축(C)과 소정의 각도를 가지도록 형성된다. 이를 통하여, 진동 발생부(400)가 이동부 몸체(210)를 진동시키면 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)은 이동면(212)으로부터 이격되고 다시 자중 방향으로 중력을 받아 이동면(212) 측으로 이동하는 과정에서, 경사진 이동면(212)을 따라 일 방향으로 이동하게 된다.
이 때, 진동 발생부(400)가 발생시키는 진동의 진동수는 필요에 따라 달라질 수 있다. 이동면(212)을 따라 이동하는 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)의 이동 속도는 진동수에 따라 5 mm/s 이상 50mm/s 이하일 수 있으며, 바람직하게는 16.67mm/s일 수 있다. 이 때, 이동면(212)을 따라 이동하는 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)의 이동 속도가 16.67mm/s일 경우 후술하는 레이저 조사부(300)에 의하여 조사된 레이저(L)에 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)이 노출되는 시간은 0.024초가 될 수 있다.
그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)이 별도의 이동 수단에 의하여 일 방향으로 이동되는 경우, 별도의 이동 수단과 이동부 몸체(210) 사이에는 필연적으로 이격이 발생되며 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)이 의도치 않게 상술한 이격으로 인해 발생하는 공간에 누적될 수 있게 된다. 이에 따라, 이동 수단의 고장을 야기할 뿐만 아니라, 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)이 유실되어 그래핀 제조 효율을 떨어뜨리는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 같이 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)을 진동에 의하여 이동면(212)을 따라 이동시킴으로써 위와 같은 문제점을 방지할 수 있게 된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 조사부(300)는 이동면(212)을 따라 이동하는 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)에 레이저(L)를 조사하여 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)을 그래핀 분말(G2)로 제조한다.
이 때, 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)이 레이저(L)에 노출되면 그라파이트 옥사이드 또는 그래핀 옥사이드가 그래핀으로 환원되는데, 환원되어 형성되는 그래핀 분말(G2)은 이동부 몸체(210)의 이동 공간(211)으로 부유하게 된다.
이 때, 레이저 조사부(300)가 조사하는 레이저(L)의 세기(LASER Power Intensity)는 30 W/mm2 이상 150 W/mm2 이하일 수 있으며, 바람직하게는 84,85 W/mm2 일 수 있다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 레이저 조사부(300)가 조사하는 레이저(L)는 이동면(212)의 연장 방향과 수직한 이동면(212)의 폭 방향으로 연장되는 선형, 즉 라인 레이저일 수 있다. 이에 따라 이동면(212)에 폭 방향으로 분포되는 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)이 이동면(212)의 연장 방향으로 이동되면서 레이저(L)가 조사되는 영역(A)이 넓어질 수 있게 된다. 이에 따라 보다 많은 그래핀 분말(G2)을 제조할 수 있게 된다.
레이저 조사부(300)는 이동부 몸체(210)의 외부에 배치될 수 있으며, 이에 따라 이동부 몸체(210)의 레이저 조사부(300) 측에는 레이저(L)가 투과하여 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)에 도달할 수 있도록 렌즈(240)가 구비될 수 있다. 렌즈(240)는 공지된 렌즈가 이용될 수 있으며, 렌즈(240)의 형상이나 재질에 제한이 있는 것은 아니다.
레이저 조사부(300)가 외부에 배치됨으로써 후술할 바와 같이 그래핀 분말(G2)의 이동 흐름을 원활하게 할 수 있다. 또한, 렌즈(240)를 구비함으로써 레이저(L) 조사를 위하여 이동부 몸체(210)의 이동 공간(211)이 외부로 노출되는 것을 방지함으로써 레이저 조사 시 제조되는 그래핀 분말(G2)이 이동부 몸체(210)의 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다.
도 3, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 이동부 몸체(210)의 이동면(212)의 일부분으로서 레이저(L)가 조사되는 영역에는 석영 기판(230)이 형성된다. 석영 기판(230)은 레이저(L)에 의하여 이동부 몸체(210)가 손상되는 것을 방지한다.
이 때, 석영 기판(230)과 이동부 몸체(210)의 일체로 형성됨으로써 이동면(212)에 단차가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 이를 통해 석영 기판(230)과 이동부 몸체(210) 사이에 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)이 적체되어 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)의 원활한 이동이 저해되는 것을 방지할 수 있게 된다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이 포집부(700)는 레이저(L)에 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)이 노출되어 생성된 그래핀 분말(G2)을 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)과 분리하여 포집한다.
이 때, 포집부(700)는 이동부 몸체(210)의 타측에 결합되는데, 보다 상세하게는 이동부 몸체(210)의 타측에 이동 공간(211)과 외부가 유체 소통 가능하도록 형성되는 포집구(260)와 결합하게 된다. 포집부(700)는 포집구(260)를 통하여 이동 공간(211)에 부유하는 그래핀 분말(G2)을 흡입함으로써 그래핀 분말(G2)을 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)과 분리하여 포집할 수 있게 된다.
이를 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 장치(1)의 포집부(700)는 흡입 부재(710) 및 포집 용기(720)를 구비한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 흡입 부재(710)는 일측이 포집구(260)에 결합되며 포집구(260)를 통하여 흡입력을 제공한다. 이 때, 흡입 부재(710)가 흡입력을 제공하는 방식은 공지된 다양한 방식이 이용될 수 있다. 예를 들면, 흡입 부재(710)는 분말을 포집하기에 적합한 사이클론 호퍼일 수 있다.
흡입 부재(710)의 타측에는 흡입 부재(710)에 의하여 포집구(260)를 통해 배출된 그래핀 분말(G2)이 저장될 수 있는 포집 용기(720)가 결합된다. 포집 용기(720)는 그래핀 분말(G2)이 저장될 수 있는 공간을 제공할 수 있으면 형상에 제한이 있는 것은 아니다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 장치(1)는 기체 공급 부재(500) 및 가이드 부재(220)를 더 구비할 수 있다.
기체 공급 부재(500)는 이동 공간(211) 내에 부유하는 그래핀 분말(G2)이 이동부 몸체(210)의 일측, 즉 포집구(260) 측으로 이동될 수 있도록 기체 유동을 형성한다.
이를 위하여 기체 공급 부재(500)는 포집구(260) 측으로 기체를 공급한다. 이 때, 기체 공급 부재(500)는 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)이 부유하지 않도록 미세한 세기로 기체를 공급하여 기체 유동을 형성한다.
기체 공급 부재(500)로부터 공급되는 기체는 기체가 그래핀 분말(G2)과 반응하는 것을 방지하기 위하여 질소 등 비활성 기체일 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이 기체 공급 부재(500)는 그래핀 분말(G2)을 보다 효율적으로 이동시키기 위하여 복수 개로 형성될 수 있다. 기체 공급 부재(500)의 개수에는 제한이 없으며, 본 실시예에서는 제1 기체 공급 부재(500a)와 제2 기체 공급 부재(500b)가 배치되는 것으로 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 기체 공급 부재(500a)는 레이저 조사부(300)가 레이저(L)를 조사하는 영역(A)의 전방으로서 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)의 이동 방향 측과 후방으로서 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)의 이동 방향의 반대 측에 배치될 수 있다. 이에 따라 레이저(L) 조사로 부유하게 되는 그래핀 분말(G2)이 이동 공간(211)의 후방으로 이동하는 것을 방지하고 포집구(260)로 이동하도록 유도하게 된다.
이 때, 제1 기체 공급 부재(500a) 및 제2 기체 공급 부재(500b)를 통하여 이동하게 되는 그래핀 분말(G2)의 이동 경로를 가이드하기 위하여 도 3에 도시된 바와 같이, 이동부 몸체(210)의 내부 상측면으로부터 돌출되는 가이드 부재(220)가 형성될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 가이드 부재(220)는 그래핀 분말(G2)이 포집구(260) 측에 인접하게 이동하도록 경사를 가지고 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 장치(1)는 회수부(600)를 더 구비할 수 있다.
회수부(600)는 레이저(L)가 조사된 후에도 그래핀으로 환원되지 못한 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)을 회수하여 공급부(100)로 공급함으로써 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)이 지속적으로 레이저(L)에 노출되어 그래핀으로 환원될 수 있도록 한다.
회수부(600)는 이동부 몸체(210)의 타측에 배치되며, 레이저(L)가 조사되는 영역(A)의 전방에 배치되는 위치에 제한이 있는 것은 아니다.
회수부(600)가 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)을 공급부(100)로 이동시키는 방식에는 제한이 없으며, 본 실시예에서는 이를 위하여 회수부(600)가 회수 가이드 부재(610)와 이동 부재(620)를 구비할 수 있다.
회수 가이드 부재(610)는 도 3에 도시된 바와 같이, 이동부 몸체(210)의 타측에 형성되는 회수구(250)에 결합된다. 회수구(250)는 이동면(212)의 타측에 하방으로 관통 형성되며, 이동면(212)을 따라 이동되는 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)은 회수구(250)를 통하여 이동부 몸체(210)의 외부로 배출된다.
회수구(250)를 통하여 배출된 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)은 회수 가이드 부재(610)에 의하여 가이드되어 이동 부재(620)로 이동하게 된다. 이동 부재(620)는 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)을 공급부(100)로 이동시키게 되며, 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)을 공급받은 공급부(100)는 재차 공급구(110)를 통해 이동부 몸체(210)로 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)을 공급하게 된다. 이 때, 이동 부재(620)는 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말(G1)을 이동시키기 위하여 공지된 다양한 부품이 사용될 수 있으며, 제한이 있는 것은 아니다.
이하에서는 도 6 내지 도 10를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 제조 방법의 레이저(L)의 단위면적당 세기와 그래핀의 순도의 관계를 살펴본다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 방법을 이용하여 제1 실험 조건하에 제조한 그래핀의 라만 이동 값을 도시한 도면이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 방법을 이용하여 제2 실험 조건하에 제조한 그래핀의 라만 이동 값을 도시한 도면이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 방법을 이용하여 제3 실험 조건하에 제조한 그래핀의 라만 이동 값을 도시한 도면이다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 방법을 이용하여 제4 실험 조건하에 제조한 그래핀의 라만 이동 값을 도시한 도면이다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 방법을 이용하여 제5 실험 조건하에 제조한 그래핀의 라만 이동 값을 도시한 도면이다.
레이저(L)를 그라파이트 옥사이드 또는 그래핀 옥사이드에 조사하여 그래핀으로 한원 시 잔류 산소 불순물 포함도가 3~5%에 해당되며, 양질의 그래핀을 생산할 수 있게 된다. 이 때, 그라파이트 옥사이드 또는 그래핀 옥사이드가 그래핀으로 환원되는 정도를 판별하기 위하여 빛을 조사하여 라만 이동 값을 확인할 수 있다.
그래핀으로 환원되는 정도가 높은 경우 라만 이동 값의 G피크 값이 D피크 값보다 높게 나오게 되며, 2D피크 값이 다른 실험보다 높게 나오게 된다.
도 6 내지 도 10의 실험 조건은, 그래핀 옥사이드 분말(G1)이 16.67mm/s로 이동할 때, 레이저(L)가 조사되는 영역이 선형으로서 면적이 132 mm2이고, 레이저(L)의 최대 출력이 16 W이며, 레이저(L)를 조사한 상태에서 그래핀 옥사이드 분말(G1)이 1회 이동하는 것을 전제로 한다.
도 6에서 개별적으로 진행된 6번의 제1 실험은 레이저(L)의 출력을 최대 출력의 30 %로 실험한 결과이고, 이에 따라 레이저(L)의 단위면적당 세기는 36.36 W/mm2이고, 단위 면적이 레이저(L)에 노출되는 시간은 0.024 s가 된다.
도 7에서 개별적으로 진행된 6번의 제2 실험은 레이저(L)의 출력을 최대 출력의 50 %로 실험한 결과이고, 이에 따라 레이저(L)의 단위면적당 세기는 60.61 W/mm2이고, 단위 면적이 레이저(L)에 노출되는 시간은 0.024 s가 된다.
도 8에서 개별적으로 진행된 6번의 제3 실험은 레이저(L)의 출력을 최대 출력의 70 %로 실험한 결과이고, 이에 따라 레이저(L)의 단위면적당 세기는 84.85 W/mm2이고, 단위 면적이 레이저(L)에 노출되는 시간은 0.024 s가 된다.
도 9에서 개별적으로 진행된 6번의 제4 실험은 레이저()의 출력을 최대 출력의 90 %로 실험한 결과이고, 이에 따라 레이저(L)의 단위면적당 세기는 109.09 W/mm2이고, 단위 면적이 레이저(L)에 노출되는 시간은 0.024 s가 된다.
도 10에서 개별적으로 진행된 6번의 제5 실험은 레이저()의 출력을 최대 출력의 100 %로 실험한 결과이고, 이에 따라 레이저(L)의 단위면적당 세기는 121.21 W/mm2이고, 단위 면적이 레이저(L)에 노출되는 시간은 0.024 s가 된다.
도 6 내지 도 10에서 확인할 수 있듯이, 상대적으로 D피크 값이 작아지고 G피크 값이 커지는 때는 제3 실험, 제4 실험 및 제5 실험이며, 제3 실험, 제4 실험 및 제5 실험의 결과는 큰 차이가 없으므로, 레이저(L)의 효율적인 전력 사용을 위하여 레이저(L)의 단위면적당 세기가 적어도 70 W/mm2 이상일 때 높은 순도의 그래핀을 제조할 수 있으며, 레이저(L)의 단위면적당 세기가 84.85 W/mm2 일 때부터 최적의 순도의 그래핀을 생성할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명의 여러 실시예에 따른 그래핀 제조 장치에 대하여 설명하였으나, 본 실시예에 따른 그래핀 제조 장치는 그래핀 제조를 위하여만 적용될 수 있는 것은 아니며, 지속적으로 제공되는 원재료에 레이저를 조사하여 특정 물질을 제조하기 위한 장치로 사용될 수도 있음을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술한 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
1 그래핀 제조 장치
500 기체 공급 부재
100 공급부 600 회수부
110 공급구 610 회수 가이드 부재
200 이동부 620 이동 부재
210 몸체 700 포집부
211 이동 공간 710 흡입 부재
212 이동면 720 포집 용기
220 가이드 부재 500a 제1 기체 공급 부재
230 석영 기판 500b 제2 기체 공급 부재
240 렌즈 A 레이저 조사 영역
250 회수구
G1 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말
260 포집구 G2 그래핀 분말
300 레이저 조사부 L 레이저
400 진동 발생부 W 폭
100 공급부 600 회수부
110 공급구 610 회수 가이드 부재
200 이동부 620 이동 부재
210 몸체 700 포집부
211 이동 공간 710 흡입 부재
212 이동면 720 포집 용기
220 가이드 부재 500a 제1 기체 공급 부재
230 석영 기판 500b 제2 기체 공급 부재
240 렌즈 A 레이저 조사 영역
250 회수구
G1 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말
260 포집구 G2 그래핀 분말
300 레이저 조사부 L 레이저
400 진동 발생부 W 폭
Claims (16)
- 그라파이트 옥사이드 분말 또는 그래핀 옥사이드 분말을 공급하는 공급부;
상기 공급부가 일측에 결합되고 내부에 소정의 폭을 가지고 일측으로부터 일 방향으로 연장되는 이동면 및 상기 이동면의 상측에 이동 공간이 형성되는 이동부 몸체를 구비하고 상기 공급부로부터 공급된 상기 그라파이트 옥사이드 분말 또는 상기 그래핀 옥사이드 분말을 상기 이동 공간의 일측으로 공급받아 타측으로 이동시키는 이동부;
상기 그라파이트 옥사이드 분말 또는 상기 그래핀 옥사이드 분말의 이동 경로 상에 레이저를 조사하여 상기 그라파이트 옥사이드 분말 또는 상기 그래핀 옥사이드 분말을 그래핀 분말로 제조하는 레이저 조사부; 및
상기 이동부의 타측에 연결되어 상기 그래핀 분말을 상기 그라파이트 옥사이드 분말 또는 상기 그래핀 옥사이드 분말과 분리하여 포집하는 포집부; 를 포함하는, 그래핀 제조 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 레이저 조사부는 상기 이동면의 폭 방향으로 연장된 선형의 레이저를 조사하는, 그래핀 제조 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 공급부는 상기 그라파이트 옥사이드 분말 또는 상기 그래핀 옥사이드 분말이 상기 폭 방향으로 분포하도록 상기 이동면의 일측에 상기 그라파이트 옥사이드 분말 또는 상기 그래핀 옥사이드 분말을 공급하는, 그래핀 제조 장치. - 제2 항에 있어서,
상기 레이저 조사부가 상기 레이저의 세기(LASER Power Intensity)는 30 W/mm2 이상 150 W/mm2 이하인, 그래핀 제조 장치. - 제4 항에 있어서,
상기 이동부가 상기 그라파이트 옥사이드 분말 또는 상기 그래핀 옥사이드 분말을 이동시키는 속도는 5 mm/s 이상 50mm/s 이하인, 그래핀 제조 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 이동면은 자중 방향과 소정의 각도를 가지도록 형성되고,
상기 이동부 몸체의 일측에 배치되고 진동을 발생시키는 진동 발생부; 를 더 포함하고,
상기 진동 발생부는 상기 이동부 몸체에 상기 진동을 전달하여 상기 그라파이트 옥사이드 분말 또는 상기 그래핀 옥사이드 분말을 상기 이동면을 따라 이동시키는, 그래핀 제조 장치. - 제2 항에 있어서,
상기 레이저 조사부가 상기 레이저를 조사하는 영역에 형성되는 석영 기판; 을 더 포함하는, 그래핀 제조 장치. - 제7 항에 있어서,
상기 석영 기판은 상기 이동부 몸체와 일체로 형성되는, 그래핀 제조 장치. - 제6 항에 있어서,
상기 레이저 조사부는 상기 이동부의 외부에 배치되고,
상기 레이저 조사부로부터 조사되는 상기 레이저가 투과하여 상기 이동면에 도달하도록 상기 이동부 몸체에 형성되는 렌즈; 를 더 포함하는, 그래핀 제조 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 포집부는
상기 레이저가 상기 그라파이트 옥사이드 분말 또는 상기 그래핀 옥사이드 분말에 조사되어 상기 그래핀 분말이 형성됨에 따라 상기 이동 공간에 부유하는 상기 그래핀 분말을 포집하도록 흡입력을 제공하는 흡입 부재; 및
상기 흡입 부재에 연결되어 포집된 상기 그래핀 분말이 저장되는 포집 용기; 를 포함하는, 그래핀 제조 장치. - 제10 항에 있어서,
상기 흡입 부재는 사이클론 호퍼인, 그래핀 제조 장치. - 제10 항에 있어서,
상기 포집부는 상기 이동 공간을 따라 상기 그래핀 분말이 이동할 수 있도록 유동을 형성하는 기체 공급 부재; 를 더 포함하는, 그래핀 제조 장치. - 제12 항에 있어서,
상기 기체 공급 부재가 공급하는 기체는 비활성 기체인, 그래핀 제조 장치. - 제12 항에 있어서,
상기 기체 공급 부재는 복수 개로 형성되고,
상기 기체 공급 부재의 일부는 상기 레이저 조사부에 의하여 상기 레이저가 조사된 영역의 후방에 배치되고,
상기 기체 공급 부재의 다른 일부는 상기 레이저 조사부에 의하여 상기 레이저가 조사된 영역의 전방에 배치되는, 그래핀 제조 장치. - 제12 항에 있어서,
상기 기체 공급 부재에 의하여 형성되는 유동을 상기 포집부 측으로 가이드하도록 상기 이동부 몸체의 상측 내면으로부터 돌출되는 가이드 부재가 형성되는, 그래핀 제조 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 이동부의 타측으로 이동된 상기 그라파이트 옥사이드 분말 또는 상기 그래핀 옥사이드 분말을 회수하여 상기 공급부로 공급하는 회수부; 를 더 포함하는, 그래핀 제조 장치.
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|---|---|---|---|
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