TW201837224A - 石墨烯製造裝置與方法 - Google Patents

Abstract

一種石墨烯製造裝置與方法。該方法包含以下步驟：（A）將基體膜設置於用以化學氣相沉積生成石墨烯的反應腔機構內；及（B）於化學氣相沉積生成石墨烯的過程中，相對反應腔機構旋轉基體膜，使沉積於基體膜的石墨烯構成一個立體石墨烯結構體。透過於化學氣相沉積石墨烯的過程中，相對反應腔機構旋轉基體膜的方式，能使沉積於基體膜的石墨烯構成一體成型結構的立體石墨烯結構體，是一種非常創新的石墨烯製造裝置與製造方法。

Description

石墨烯製造裝置與方法

本發明是有關於一種石墨烯製造裝置與製造方法，特別是指一種製造立體幾何外形之石墨烯結構體的製造裝置與方法。

由於石墨烯具有極大的機械強度、彈性、氣體不滲透性、高透明度與熱傳導率等優異機械性質，近年來已成為備受矚目之新興科技材料，已有許多研究單位投入大量資金、人力研究探討其可能之應用，且目前石墨烯的製造已經發展至可捲對捲大面積生產製造的量產階段，勢必會對目前許多科技產業產生革命性的影響。

目前製造石墨烯的最佳方法是採用化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，CVD），透過將碳源裂解而於基體上沉積反應，以大面積生成高質量的石墨烯。但目前之製造方法所製得之石墨烯都是二維片狀結構體，由於石墨烯具有極佳的機械強度與彈性，且片狀石墨烯相當薄，所以後續不易將其加工成管狀結構體，以致於目前之石墨烯都僅限於片狀結構之應用。

因此，本發明的目的，即在提供一種能改善先前技術之至少一個缺點的石墨烯製造裝置與方法。

於是，本發明石墨烯製造裝置，適用於透過化學氣相沉積製造一個立體石墨烯結構體。該石墨烯製造裝置包含一個內部界定出一個能供進行石墨烯之化學氣相沉積的反應空間的反應腔機構、一個安裝於該反應腔機構的模具機構、一個能供沉積反應生成石墨烯地包覆設置於該模具本體外表面而具有特定立體幾何外形的基體膜，及一個傳動連結於該模具機構的驅動機構。該模具機構包括一個能相對該反應腔機構轉動地設置於該反應空間內的模具本體，該驅動機構能於化學氣相沉積石墨烯過程中傳動該模具本體帶動該基體膜相對該反應腔機構旋轉，使反應沉積於該基體膜之石墨烯構成該立體石墨烯結構體。

於是，本發明石墨烯製造方法，適用於製造立體石墨烯結構體，包含以下步驟：（A）將一個具有特定立體幾何外形的基體膜設置於一個用以化學氣相沉積生成石墨烯的反應腔機構內；及（B）於化學氣相沉積生成石墨烯的過程中，相對該反應腔機構旋轉該基體膜，使沉積於該基體膜的石墨烯構成一個立體石墨烯結構體。

本發明的功效在於：透過該模具機構與基體膜結構設計，能於化學氣相沉積石墨烯的過程中，透過相對該反應腔機構旋轉該模具機構的方式，使沉積於該基體膜的石墨烯構成一體成型結構的立體石墨烯結構體，是一種非常創新的石墨烯製造裝置與製造方法。

參閱圖1、5，本發明石墨烯製造裝置的實施例，適用於製造立體石墨烯結構體900’，所述「立體」外形包含各種立體幾何外形，例如但不限於管狀、環狀、柱狀、球狀、三角體、多邊體與橢圓體等，在本實施例中，是以製造環管狀之立體石墨結構體為例進行說明，但實施時不以此為限。

該石墨烯製造裝置包含一個用以進行化學氣相沉積反應的反應腔機構3、一個能相對旋轉地安裝於該反應腔機構3之模具機構4、一個設置該模具機構4且位於該反應腔機構3內的基體膜5、一個設置於該反應腔機構3外且傳動連結於該模具機構4之驅動機構6，及一個安裝於該反應腔機構3的冷卻機構7。

該反應腔機構3包括一個具有一個朝外之出入口310的腔本體31，及一個能拆離地安裝固定於該腔本體31並蓋封該出入口310之蓋體32，且該腔本體31與該蓋體32相配界定出一個用以進行石墨烯之化學氣相沉積的反應空間30。

本發明實施時，會再於該反應腔機構3加裝用以導入進行石墨烯化學氣相沉所需之反應氣體的反應氣體控制設備、用以控制該反應空間30內之溫度的溫控設備，以及用以控制該反應空間30內之氣壓的氣壓控制設備，但因為該反應氣體控制設備、該溫控設備與該氣壓控制設備之類型眾多且為習知技術，亦非本發明之改良重點，因此不再詳述。

該模具機構4包括一個水平延伸設置於反應空間30內之模具本體41，及一個固接於該模具本體41且同軸地往外延伸貫穿樞設於該蓋體32之軸桿42。在本實施例中，該模具本體41與該軸桿42皆為陶瓷材質，但實施時，不以此為限。由於該軸桿42可相對轉動地氣密穿設安裝於該蓋體32的方式眾多，且非本發明創作改良重點，因此不再詳述。

該散熱機構7是安裝於該蓋體32中，且環繞套置於該軸桿42外，能用以散除該軸桿42穿經於該蓋體32之區段的熱能，以降低該軸桿42溫度，例如透過氣冷方式來降低溫度。但實施時，由於該散熱機構7能散除該軸桿42熱能以降低溫度的方式眾多，且非本發明之改良重點，因此不再詳述。

該基體膜5為被覆固定於該模具本體41外表面之銅箔，能被該模具本體41連動而相對該反應腔機構3旋轉。該基體膜5之厚度範圍可依實際需求調整，只要其外表面能夠催化石墨烯沉積反應而生成薄片。

在本實施例中，該基體膜5之材質為銅，但實施時，在本發明之其它實施態樣中，該基體膜5之材質也可選自於鎳、銅、釕、銥、鉑、鈷、鈀、金以及鎳、銅、釕、銥、鉑、鈷、鈀與金之混合所組成之群體。

此外，在本實施例中，該模具本體41為沿該軸線延伸之圓柱體，其斷面是呈圓形，所以該基體膜5斷面是呈環管狀，而能用以沉積成型圓管狀之立體石墨烯結構體900’，但實施時，在本發明之其它實施態樣中，該模具本體41之外形也可呈沿其軸線延伸之三角柱體、四角柱體與六角柱體等長柱狀結構外形，該基體膜5則是環套於該模具本體41外周面，能用以成型不同環管狀結構外形的立體石墨烯結構體900’。實施時，在本發明之其它實施態樣中，該模具本體41也可呈各種球體、三角體、四方體與錐形體等幾何結構，該基體膜5是包覆於該模具本體41之外表面，能用以成型不同立體結構外形的立體石墨烯結構體900’。

該驅動機構6是傳動連結於該軸桿42外露於該反應腔機構3外的區段，能傳動該軸桿42帶動該模具本體41與該基體膜5相對該反應腔機構3旋轉，使該基體膜5之外周面50的各部位接續旋轉朝上，以供沉積生成石墨烯。

參閱圖1、圖2~圖4、圖6，本發明石墨烯製造裝置用以製造立體石墨烯結構體900’的方法包含以下步驟：

步驟（一）將具有特定立體幾何外形的基體膜5設置於反應腔機構3內。將該模具機構4安裝於該蓋體32，且將該基體膜5包覆設置於該模具本體41外，然後將該蓋體32蓋設於該反應腔體3，使該基體膜5位於該反應空間30內。

步驟（二）相對該反應腔機構3旋轉該基體膜5以沉積生成石墨烯。根據化學氣相沉積石墨烯所需之反應條件，調控該反應空間30之溫度與壓力，並通入各種反應氣體，使石墨烯能反應沉積於該基體膜5之外周面50的朝上部位以形成一個片狀石墨烯結構體900。並於沉積生成該片狀石墨烯結構體900的過程中，驅使該驅動機構6傳動該模具機構4相對該反應腔機構3旋轉，使該模具機構4帶動該基體膜5以特定轉速相對該反應腔體3緩慢旋轉，讓該基體膜5外周面50之各部位依序旋轉至朝上的位置，而能供石墨烯繼續反應沉積於該基體膜5之朝上部位，以逐漸擴大沉積生成的片狀石墨烯結構體900的面積。當該基體膜5轉動一圈、特定圈數或特定角度後，該片狀墨烯結構體800就會連接形成一個環管狀的立體石墨烯結構體900’。由於化學氣相沉積石墨烯的條件參數眾多，且非本發明之改良重點，因此不再詳述。

在本實施例中，該基體膜5相對該反應腔機構3的轉速極低，是根據石墨烯於該基體膜5之外周面50的朝上部位的沉積生長速度決定，且實施時，能透過調整該基體膜5之該外周面50頂側與該反應腔機構3間的空間大小設計，調整該立體石墨烯結構體900’的沉積生長速度。

參閱圖1、5、6、7，步驟（三）拆取該立體石墨烯結構體900’。當於該基體膜5成型出所需之該立體石墨烯結構體900’後，停止化學氣相沉積反應。經退火降溫等化學氣相沉積石墨烯之常規處理後，將該蓋體32與該模具機構4一起拆離該反應腔體3。接著，透過目前已知之方法，將該立體石墨烯結構體900’與該基體膜5分離，例如以電化學層離方法分離基體膜5與立體石墨烯結構體900’，或者是以浸蝕法蝕去該基體膜5，使該立體石墨烯結構體900’脫離該模具本體41，就能得到圍繞界定出一個中空空間901之中空的立體石墨烯結構體900’。然後，再將取得之該立體石墨烯結構體900’轉移套置於一個支撐物800外，就可獲得一體成型之該立體石墨烯結構體900’。

所述支撐物800之表面材質可以是二氧化矽（SiO₂ ）、聚乙烯醋酸乙烯酯（Ethylene vinyl acetate，EVA），或聚對苯二甲酸乙二酯（polyethylene terephthalate，PET）等，且不以上述材質為限。

在本實施例中，該基體膜5是呈薄膜狀，且是被覆固定於該模具本體41外，但實施時，在本發明之另一實施態樣中，也可將該基體膜5設計成能拆離地套置於該模具本體41外的樣式，能於沉積成型該立體石墨烯結構體900’後，直接將該基體膜5拆離該模具本體41，以方便後續進行該基體膜5與該立體石墨烯結構體900’的分離作業。再者，實施應用時，也不以將成型之該立體石墨烯結構體900’與 該基體膜5分離為必要。

此外，除了透過該驅動機構6傳動該模具機構4相對該反應腔機構3轉動外，在本發明之另一實施態樣中，也可進一步於該反應腔機構3安裝設置另外一個驅動設備（圖未示），使該驅動設備能傳動該反應腔機構3相對該模具機構4旋轉，使該反應腔機構的旋轉方向相反於該模具機構4之旋轉方向，可提高兩者之相對旋轉速度，有助於提高該立體石墨烯結構體900’的成型速度，但實施時不以此為限。

參閱圖5、8，在上述實施例中，該基體膜5是完整被覆在該模具本體41外，而能用以成型表面結構完整的該立體石墨烯結構體900’，但實施時，在本發明之另一個實施態樣中，可使該基體膜5具有徑向貫穿的通孔51，該等通孔51可為圓孔或多角形孔等幾何孔形。藉此設計，在沉積石墨烯的過程中，石墨烯不會反應沉積於該基體膜5之該等通孔51處，所以可使製成之該立體石墨烯結構體900’表面具有多個分別與該等通孔51對應的穿孔902。所以實施時，可根據所欲製造之該立體石墨烯結構體900’的穿孔902之數量與分佈位置，直接於該基體膜5對應設置所述通孔51，相當方便。

綜上所述，透過該模具機構4，及設置於該模具機構4外之立體幾何外形的基體膜5結構設計，能於化學氣相沉積石墨烯的過程中，透過相對該反應腔機構3旋轉該模具機構4的方式，使石墨烯逐漸沉積於該基體膜5，而能直接製造出具有一體成型結構的立體石墨烯結構體900’，是一種非常創新的石墨烯製造裝置與製造方法，能大幅提高石墨烯的應用領域。因此，確實可達到本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

3‧‧‧反應腔機構

30‧‧‧反應空間

31‧‧‧腔本體

310‧‧‧出入口

32‧‧‧蓋體

4‧‧‧模具機構

41‧‧‧模具本體

42‧‧‧軸桿

5‧‧‧基體膜

50‧‧‧外周面

51‧‧‧通孔

6‧‧‧驅動機構

7‧‧‧散熱機構

800‧‧‧支撐物

900‧‧‧片狀石墨烯結構體

900’‧‧‧立體石墨烯結構體

901‧‧‧中空空間

902‧‧‧穿孔

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是本發明石墨烯製造裝置的一個實施例的側剖示意圖； 圖2是該實施例之不完整的剖視示意圖，示意說明於一個基體膜的朝上部位沉積生成一個片狀石墨烯結構體的情況； 圖3是類似圖2之視圖，示意說明該基體膜轉動特定角度以擴大沉積之該片狀石墨烯結構體面積的情況； 圖4是類似圖3之視圖，示意說明該片狀石墨烯結構體連接構成一個環管狀之立體石墨烯結構體的情況； 圖5是該實施例的一個不完整的側剖示意圖，示意說明已於該基體膜套外成型環管狀的該立體石墨烯結構體的情況； 圖6是本發明石墨烯製造方法的步驟流程圖； 圖7示意說明將該立體石墨烯結構體拆離該模具本體，並套置於一個支撐物外的步驟；及 圖8是類似圖5之視圖，示意說明該實施例之另一種實施態樣。

Claims (10)

1. 一種石墨烯製造裝置，適用於透過化學氣相沉積製造一個立體石墨烯結構體，並包含： 一個反應腔機構，內部界定出一個能供進行石墨烯之化學氣相沉積的反應空間； 一個模具機構，安裝於該反應腔機構，包括一個能相對該反應腔機構轉動地設置於該反應空間內的模具本體； 一個基體膜，能供沉積反應生成石墨烯地包覆設置於該模具本體外表面，而具有特定立體幾何外形；及 一個驅動機構，傳動連結於該模具機構，能於化學氣相沉積石墨烯過程中傳動該模具本體帶動該基體膜相對該反應腔機構旋轉，使反應沉積於該基體膜之石墨烯構成該立體石墨烯結構體。
2. 如請求項1所述的石墨烯製造裝置，其中，該反應腔機構包括一個具有一個朝外之出入口的腔本體，及一個可拆離地蓋封該出入口的蓋體，且該腔本體與該蓋體相配合界定出該反應空間，該模具機構是能被該驅動機構驅轉地樞設於該蓋體，並能被該蓋體連動移離該腔本體。
3. 如請求項2所述的石墨烯製造裝置，其中，該模具機構還具有一個固接於該模具本體並往外水平延伸貫穿樞設於該蓋體，且與該驅動機構傳動連結之軸桿，該石墨烯製造裝置還包含一個安裝於該蓋體中且能散除該軸桿穿經該蓋體之區段的熱能以進行降溫的散熱機構。
4. 如請求項1所述的石墨烯製造裝置，其中，該基體膜具有至少一個徑向貫穿之通孔。
5. 如請求項1所述的石墨烯製造裝置，其中，該基體膜是被覆固定於該模具本體外表面，或能脫離地套設於該模具本體外。
6. 如請求項1所述的石墨烯製造裝置，其中，該基體膜之材質是選自於鎳、銅、釕、銥、鉑、鈷、鈀、金以及鎳、銅、釕、銥、鉑、鈷、鈀與金之混合所組成之群體。
7. 如請求項1所述的石墨烯製造裝置，其中，該基體膜為斷面外形呈圓形、橢圓形或多邊形之環管狀。
8. 一種石墨烯製造方法，適用於製造立體石墨烯結構體，包含以下步驟： （A）將一個具有特定立體幾何外形的基體膜設置於一個用以化學氣相沉積生成石墨烯的反應腔機構內；及 （B）於化學氣相沉積生成石墨烯的過程中，相對該反應腔機構旋轉該基體膜，使沉積於該基體膜的石墨烯構成一個立體石墨烯結構體。
9. 如請求項8所述之製造立體石墨烯結構體的方法，還包含步驟（C）將該基體膜移離該反應腔機構，並將該立體石墨烯結構體與該基體膜分離。
10. 如請求項9所述之製造立體石墨烯結構體的方法，其中，該步驟（C）是透過浸蝕方式蝕去該基體膜以得到該立體石墨烯結構體，或者是透過電化學層離法將該立體石墨烯結構體與該基體膜分離。