WO2021215578A1 - Apparatus for roll-to-roll synthesis of large-area graphene, method for manufacturing large-area graphene, and method for reducing graphene oxide fabric - Google Patents

Apparatus for roll-to-roll synthesis of large-area graphene, method for manufacturing large-area graphene, and method for reducing graphene oxide fabric Download PDF

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장성온
정희수
정현숙
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Abstract

The present invention relates to an apparatus for roll-to-roll synthesis of large-area graphene, a method for manufacturing large-area graphene, and a method for reducing graphene oxide fabric. An apparatus for roll-to-roll synthesis of large-area graphene according to one embodiment of the present invention comprises: a reaction chamber formed to be sealed from the outside; a supply roll unit provided inside of the reaction chamber and for unwinding a reaction substrate; a gas supply unit for supplying gas required for synthesis of graphene into the reaction chamber; a plasma supply unit for supplying plasma into the reaction chamber; a heating unit for carrying out synthesis of graphene in the reaction chamber; and a recovery roll unit for recovering the synthesized large-area graphene from the heating unit.

Description

롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치, 대면적 그래핀의 제조방법 및 산화그래핀 직물의 환원방법Roll-to-roll large-area graphene synthesis apparatus, large-area graphene production method, and reduction method of graphene oxide fabric
본 발명은 롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치, 대면적 그래핀의 제조방법 및 산화그래핀 직물의 환원방법에 관한 것이다.The present invention relates to a roll-to-roll large-area graphene synthesis apparatus, a method for producing large-area graphene, and a method for reducing graphene oxide fabric.
탄소 원자가 단층으로 배열된 2차원 평면 구조를 가지는 그래핀은 물리 화학적으로 매우 높은 안정성을 가진다. 그래핀은 철보다 200배 높은 강도와 구리보다 최대 100배 이상 전기를 잘 통하는 물질이며, 두께가 0.33 nm 수준으로 매우 얇기 때문에 다양한 분야에 응용이 가능하다. 또한 최고의 열전도성을 자랑하는 단결정 실리콘 보다 2배 이상 열전도도가 우수하고 탁월한 투명도와 기밀성으로 4차 산업혁명을 주도할 획기적인 소재로 인식되고 있다. Graphene having a two-dimensional planar structure in which carbon atoms are arranged in a single layer has very high physicochemical stability. Graphene is a material that is 200 times stronger than iron and conducts electricity up to 100 times better than copper. In addition, it is recognized as an innovative material that will lead the 4th industrial revolution due to its excellent thermal conductivity and excellent transparency and airtightness, which is more than twice that of single-crystal silicon, which boasts the best thermal conductivity.
그래핀은 디스플레이나, 전자종이, 착용식 스마트 기기, 초고속 트랜지스터, 에너지전극 등 다양한 분야에 활용이 가능하며. 이러한 그래핀은 기계적박리, 화학적박리, 화학기상증착법(CVD) 등 다양한 방법으로 합성될 수 있다. 또한 그래핀 박막이 균일하게 성장된 금속 촉매를 용액으로 에칭하여 원하는 기판에 습식으로 전사하거나, 열필름을 이용하여 건식으로 전사할 수 있다.Graphene can be used in various fields such as displays, electronic papers, wearable smart devices, high-speed transistors, and energy electrodes. Such graphene can be synthesized by various methods such as mechanical exfoliation, chemical exfoliation, and chemical vapor deposition (CVD). In addition, the metal catalyst on which the graphene thin film is uniformly grown is etched with a solution to be transferred to a desired substrate in a wet manner, or transferred in a dry manner using a thermal film.
이와 같이 그래핀을 상용화하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있지만, 가장 큰 문제는 고품질의 그래핀을 경제적으로 대면적화하는 것이다. 현재 화학기상증착법(CVD)을 통해 고품질의 그래핀을 응용 가능한 수준으로 합성할 수 있지만, 1000 ℃에 이르는 높은 온도조건이 유지되어야 하며, 이에 따라 공정시간과 비용이 증가하는 문제가 있다. 또한 롤투롤 화학기상증착법을 이용하여 고품질 그래핀의 연속생산을 하는 장치와 방법에 대한 연구도 진행되었으며, 플라즈마와 레이저를 이용한 촉매기판 전처리를 통해 금속촉매 상의 불순물을 제거하고 금속촉매의 조직을 치밀하게 하며, 고품질의 그래핀의 합성을 가능하게 하였다. 그러나 종래의 연구에서 플라즈마 전처리 챔버는 금속촉매 상의 불순물을 제거하거나, 금속부재의 조직을 치밀하게 하는 등 전처리 용도로 활용이 되었으며, 그래핀의 합성온도를 낮춰 공정비용과 시간을 단축하는데 여전히 제한이 있다. 또한, 최근 착용형 전자장치나 전자 섬유(e-textile) 분야에 적용할 신물질의 관점에서 그래핀은 복잡한 전사과정을 거쳐야 하는 문제가 있어, 상업화가 더욱 제한되고 있다.Although various studies are being conducted to commercialize graphene as described above, the biggest problem is to economically expand high-quality graphene to a large area. Currently, high-quality graphene can be synthesized at an applicable level through chemical vapor deposition (CVD), but a high temperature condition of up to 1000° C. must be maintained, and accordingly, there is a problem in that the process time and cost increase. In addition, research on a device and method for continuous production of high-quality graphene using the roll-to-roll chemical vapor deposition method has been conducted, and the metal catalyst pretreatment is performed to remove impurities on the metal catalyst and dense the structure of the metal catalyst through pretreatment of the catalyst substrate using plasma and laser. and made it possible to synthesize high-quality graphene. However, in the prior research, the plasma pretreatment chamber was used for pretreatment purposes such as removing impurities on the metal catalyst or making the structure of the metal member dense. have. In addition, from the viewpoint of a new material to be applied to the field of wearable electronic devices or electronic textiles (e-textile), graphene has a problem in that it has to undergo a complicated transfer process, which further limits its commercialization.
한편, 화학적박리법에 의한 그래핀합성은 흑연을 박리하고 산화그래핀을 화학적으로 환원하여 그래핀의 우수한 기계적, 전기적 특성을 보유한 환원그래핀을 대량 생산할 수 있는 그래핀 합성법이다. 특히, 직물 등 유연한 기판에 그래핀을 손쉽게 코팅할 수 있는 장점이 있지만, 산화그래핀을 다시 환원하는 과정은 수율이 낮고, 고품질을 유지하기 어려우며, 독성이 높은 화학적 환원제를 사용하거나, 열처리를 통한 공정을 진행해야 하므로 상용화를 달성하기에는 부족한 실정이다.On the other hand, graphene synthesis by chemical exfoliation is a graphene synthesis method that can mass-produce reduced graphene with excellent mechanical and electrical properties of graphene by exfoliating graphite and chemically reducing graphene oxide. In particular, although there is an advantage in that graphene can be easily coated on flexible substrates such as fabrics, the process of reducing graphene oxide again has a low yield, is difficult to maintain high quality, uses a chemical reducing agent with high toxicity, or through heat treatment. It is insufficient to achieve commercialization because the process has to be carried out.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 대면적 그래핀의 연속 대량합성이 가능한 롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치를 제공하는 것이다.The present invention is to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a roll-to-roll large-area graphene synthesizing apparatus capable of continuous mass synthesis of large-area graphene.
본 발명의 다른 목적은, 종래보다 낮은 합성 온도에서 금속촉매 기판 또는 비촉매 기판에 그래핀을 직접 성장하고, 연속 대량합성이 가능한 대면적 그래핀의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to directly grow graphene on a metal-catalyzed substrate or a non-catalyst substrate at a synthesis temperature lower than that of the prior art, and to provide a method for manufacturing large-area graphene capable of continuous mass synthesis.
본 발명의 또 다른 목적은 높은 환원효율 및 낮은 공정비용을 달성할 수 있는 산화그래핀 직물의 환원방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for reducing graphene oxide fabric that can achieve high reduction efficiency and low process cost.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to those mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명의 일 실시예에 따른 롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치는, 외부와 밀폐되게 형성되는 반응 챔버; 상기 반응 챔버 내부에 구비되고 반응 기판을 권출하는 공급 롤장치; 상기 반응 챔버 내부로 그래핀 합성에 필요한 가스를 공급하는 가스 공급부; 상기 반응 챔버 내부에 플라즈마를 공급하는 플라즈마 공급부; 상기 반응 챔버 내에서 그래핀 합성이 이루어지는 가열부; 및 상기 가열부로부터 합성된 대면적 그래핀을 회수하는 회수 롤장치;를 포함한다.A roll-to-roll large-area graphene synthesizing apparatus according to an embodiment of the present invention includes: a reaction chamber formed to be sealed with the outside; a supply roll device provided inside the reaction chamber and for unwinding the reaction substrate; a gas supply unit for supplying a gas necessary for graphene synthesis into the reaction chamber; a plasma supply unit supplying plasma to the inside of the reaction chamber; a heating unit for synthesizing graphene in the reaction chamber; and a recovery roll device for recovering the synthesized large-area graphene from the heating unit.
일 실시형태에 있어서, 상기 반응 챔버는, 상기 공급 롤장치에서 상기 회수 롤장치까지 일체형으로 연결되며, 교체가 가능한 것이고, 상기 플라즈마 공급부 및 상기 가열부는, 상기 반응 챔버 외부를 감싸고 있는 것일 수 있다.In an embodiment, the reaction chamber may be integrally connected from the supply roll device to the recovery roll device and replaceable, and the plasma supply unit and the heating unit may surround the outside of the reaction chamber.
일 실시형태에 있어서, 상기 공급 롤장치 및 상기 회수 롤장치는 양방향으로 이동이 가능하고, 상기 반응 기판의 공급 및 상기 대면적 그래핀의 회수는 양방향으로 가능한 것일 수 있다.In one embodiment, the supply roll device and the recovery roll device may be movable in both directions, and the supply of the reaction substrate and the recovery of the large-area graphene may be possible in both directions.
일 실시형태에 있어서, 상기 플라즈마 공급부는 ICP 플라즈마 공급부를 포함하고, 상기 플라즈마 공급부는, 쿼츠 튜브 내부, 외부 또는 이 둘에서 원형, 헬리컬형, 평판형 및 환형으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것일 수 있다.In one embodiment, the plasma supply unit may include an ICP plasma supply unit, and the plasma supply unit may be selected from the group consisting of a circle, a helical type, a flat plate type, and an annular shape in a quartz tube inside, outside, or both.
일 실시형태에 있어서, 상기 대면적 그래핀은, 그래핀, 순수 그래핀 직물 및 그래핀 직물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the large-area graphene may include at least one selected from the group consisting of graphene, pure graphene fabric, and graphene fabric.
일 실시형태에 있어서, 상기 공급 롤장치 및 상기 회수 롤장치의 축길이는 1.0 m 내지 3.0 m 인 것일 수 있다.In one embodiment, the axial length of the supply roll device and the recovery roll device may be 1.0 m to 3.0 m.
본 발명의 다른 실시예에 따른 대면적 그래핀의 제조방법은, 공급 롤장치에 반응 기판을 장착하는 반응 기판 장착 단계; 내부환경과 외부환경을 분리하도록 반응 챔버를 밀폐하고 진공을 형성하는 반응 챔버 밀폐 및 진공 형성 단계; 상기 반응 기판을 공급 롤장치를 이용하여 반응 챔버 내부로 연속적으로 공급하는 반응 기판 공급 단계; 가스 공급부를 통하여 상기 반응 챔버 내부에 기상 전구체를 공급하고, 상기 반응 기판에 그래핀이 증착되도록 플라즈마 및 열 에너지를 공급하여 그래핀을 합성하는 그래핀 합성 단계; 및 회수 롤장치를 이용하여 상기 반응 챔버로부터 제조된 대면적 그래핀을 연속 공정을 통해 회수하는 대면적 그래핀 회수 단계;를 포함한다.A method for manufacturing large-area graphene according to another embodiment of the present invention includes: a reactive substrate mounting step of mounting a reactive substrate to a supply roll device; sealing the reaction chamber and forming a vacuum to separate the internal environment from the external environment; a reaction substrate supply step of continuously supplying the reaction substrate into the reaction chamber by using a supply roll device; a graphene synthesis step of synthesizing graphene by supplying a gaseous precursor into the reaction chamber through a gas supply unit, and supplying plasma and thermal energy to deposit graphene on the reaction substrate; and a large-area graphene recovery step of recovering the large-area graphene prepared from the reaction chamber through a continuous process using a recovery roll device.
일 실시형태에 있어서, 상기 반응 기판의 공급 단계 이후에, 기상 전구체, 운반 가스, 반응 가스 또는 이들의 혼합기체를 비율과 유량을 제어하여 상기 반응 챔버로 공급하는 기체 공급 단계;를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, after the supplying of the reaction substrate, a gas supply step of supplying a gaseous precursor, a carrier gas, a reaction gas, or a mixture thereof to the reaction chamber by controlling the ratio and flow rate; may further include have.
일 실시형태에 있어서, 상기 기상 전구체는, 메탄(CH 4), 아세틸렌(C 2H 2), 에틸렌(C 2H 4), 에탄(C 2H 6), 프로펜(C 3H 6) 및 프로판(C 3H 8)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 운반 가스는, 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe), 라돈(Rn) 및 질소(N)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 비활성 가스를 포함하고, 상기 반응 가스는 수소를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the gaseous precursor is methane (CH 4 ), acetylene (C 2 H 2 ), ethylene (C 2 H 4 ), ethane (C 2 H 6 ), propene (C 3 H 6 ) and At least one selected from the group consisting of propane (C 3 H 8 ), wherein the carrier gas is helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe), At least one inert gas selected from the group consisting of radon (Rn) and nitrogen (N) may be included, and the reaction gas may include hydrogen.
일 실시형태에 있어서, 상기 반응 기판은, 금속촉매 기판, 비촉매 직물기판 또는 이 둘을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the reaction substrate may include a metal catalyst substrate, a non-catalyst fabric substrate, or both.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속촉매 기판은, Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 비촉매 직물기판은, 탄소섬유, 활성탄소섬유, 유리섬유, 케볼라 및 무기질 섬유로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the metal catalyst substrate, Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V and Zr group consisting of Including at least one selected from, the non-catalytic fabric substrate may include at least one selected from the group consisting of carbon fibers, activated carbon fibers, glass fibers, Kevola and inorganic fibers.
일 실시형태에 있어서, 상기 그래핀 합성 단계는, 300 ℃ 내지 1000 ℃의 온도 범위에서 수행되는 것일 수 있다.In one embodiment, the graphene synthesis step may be performed in a temperature range of 300 °C to 1000 °C.
일 실시형태에 있어서, 상기 그래핀 합성 단계는, 상기 반응 기판 표면에 평행한 방향으로 합성되고, 단층 그래핀 또는 다층 그래핀이 합성되는 것일 수 있다.In one embodiment, in the step of synthesizing graphene, a direction parallel to the surface of the reaction substrate may be synthesized, and single-layer graphene or multi-layer graphene may be synthesized.
일 실시형태에 있어서, 상기 그래핀 합성 단계에서, 10 MHz 내지 30 MHz 의 AC 전원을 인가하여 플라즈마를 방전하는 것일 수 있다.In one embodiment, in the graphene synthesis step, the plasma may be discharged by applying an AC power of 10 MHz to 30 MHz.
일 실시형태에 있어서, 상기 반응 기판 공급 단계 및 상기 대면적 그래핀 회수 단계는, 1 mm/min 내지 600 mm/min의 속도로 제어되고, 자동 장력제어에 의해 상기 기판 공급 및 상기 대면적 그래핀이 회수되는 것일 수 있다.In one embodiment, the reaction substrate supply step and the large-area graphene recovery step are controlled at a speed of 1 mm/min to 600 mm/min, and the substrate supply and the large-area graphene by automatic tension control This may be recoverable.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 산화그래핀 직물의 환원방법은, 공급 롤장치에 산화그래핀 직물을 장착하는 산화그래핀 직물 장착 단계; 반응 챔버를 밀폐하고 진공을 형성하는 반응 챔버 밀폐 및 진공 형성 단계; 상기 산화그래핀 직물을 공급 롤장치를 이용하여 상기 반응 챔버 내부로 연속적으로 공급하는 산화그래핀 직물 공급 단계; 상기 반응 챔버에, 플라즈마, 열에너지 또는 이 둘을 공급하여 산화그래핀 직물을 환원하는 산화그래핀 직물 환원 단계; 및 회수 롤장치를 이용하여 상기 반응 챔버로부터 환원된 그래핀 직물을 연속 공정을 통해 회수하는 환원된 그래핀 직물 회수단계;를 포함한다.The reduction method of the graphene oxide fabric according to another embodiment of the present invention, the graphene oxide fabric mounting step of mounting the graphene oxide fabric to the supply roll device; sealing the reaction chamber and forming a vacuum, sealing the reaction chamber and forming a vacuum; a graphene oxide fabric supply step of continuously supplying the graphene oxide fabric into the reaction chamber using a supply roll device; a graphene oxide fabric reduction step of reducing the graphene oxide fabric by supplying plasma, thermal energy, or both to the reaction chamber; and a reduced graphene fabric recovery step of recovering the reduced graphene fabric from the reaction chamber through a continuous process using a recovery roll device.
일 실시형태에 있어서, 상기 산화그래핀 직물 환원 단계는, 대기압 조건, 진공 조건 또는 이 둘 모두에서 수행되는 것이고, PECVD의 쿼츠 튜브와 고온 퍼니스를 함께 사용하여 온도제어가 가능한 CCP와 ICP를 얻을 수 있는 플라즈마를 방전하는 것일 수 있다.In one embodiment, the graphene oxide fabric reduction step is performed under atmospheric pressure conditions, vacuum conditions, or both, and CCP and ICP with temperature control can be obtained by using a quartz tube of PECVD and a high-temperature furnace together. It may be to discharge the existing plasma.
일 실시형태에 있어서, 상기 산화그래핀 직물 환원 단계는, 0.1 mTorr 내지 760 Torr의 압력 조건에서 1.0 kHz 내지 9.0 GHz AC 전원을 인가하여 플라즈마를 방전하는 것일 수 있다.In one embodiment, the graphene oxide fabric reduction step may be to discharge the plasma by applying 1.0 kHz to 9.0 GHz AC power under a pressure condition of 0.1 mTorr to 760 Torr.
본 발명의 일 실시예에 따른 롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치는, 낮은 합성온도와 연속생산이 가능한 제조 공정은 제조 시간의 단축과 생산단가의 절감을 가능하게 한다. 롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치를 이용하여 제조된 대면적 그래핀 및 그래핀 직물은 높은 전기전도도를 바탕으로 전자재료 분야에서 다양한 상용화를 가능하게 하고, 독성화학물질 및 화염에 대한 방호기능을 제공하는 스마트보호의류 분야에서 활용을 기대할 수 있다. 또한, 모든 공정은 설정된 조건에 따라 내부 통제프로그램에 의해 자동으로 수행될 수 있으며 모든 작업이 쉽고 빠르게 이루어질 수 있다.The roll-to-roll large-area graphene synthesizing apparatus according to an embodiment of the present invention enables a low synthesis temperature and a manufacturing process capable of continuous production to shorten the manufacturing time and reduce the production cost. Large-area graphene and graphene fabrics manufactured using a roll-to-roll large-area graphene synthesis device enable various commercialization in the field of electronic materials based on high electrical conductivity and provide protection against toxic chemicals and flames It can be expected to be used in the field of smart protective clothing. In addition, all processes can be automatically performed by the internal control program according to the set conditions, and all operations can be performed easily and quickly.
본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 그래핀의 제조방법은, 낮은 합성온도와 연속생산이 가능한 제조 공정을 이용하여 제조 시간의 단축과 생산단가의 절감을 가능하게 하고, 친환경적이다.The method of manufacturing large-area graphene according to an embodiment of the present invention enables shortening of manufacturing time and reduction of production cost by using a low synthesis temperature and a manufacturing process capable of continuous production, and is environmentally friendly.
본 발명의 일 실시예에 따른 산화그래핀의 환원방법은, 높은 환원효율 및 낮은 공정비용을 달성할 수 있는 산화그래핀 직물의 환원기능성화를 제시한다. 산화그래핀 직물의 환원은, 다기능, 일체형, 통합형, 전자섬유(e-textile), EMI shielding, 신호전달, 에너지 하베스팅, 스마트 웨어러블, 센서 등에서 등의 기술 개발 추세와 연계하여 그래핀 기반 전자섬유(e-textile)의 상업화 가능성을 높일 수 있으며, 환원 공정에서 다양한 마스크를 적용하여 산화그래핀 직물을 환원함과 동시에 패터닝까지 가능하게 한다. 또한, 산화그래핀 직물의 환원 직물은 다양한 기능을 동시에 부여할 수 있는 신소재를 적용한 그래핀 기반 독성화학물질 보호직물 또는 난연직물 및 이의 제조 방법을 제공할 수 있다.The reduction method of graphene oxide according to an embodiment of the present invention suggests reduction functionalization of graphene oxide fabric that can achieve high reduction efficiency and low process cost. The reduction of graphene oxide fabric is linked to the trend of technology development such as multifunctional, integrated, integrated, e-textile, EMI shielding, signal transmission, energy harvesting, smart wearable, sensor, etc., graphene-based electronic fiber (e-textile) can be commercialized, and various masks are applied in the reduction process to reduce graphene oxide fabric and enable patterning at the same time. In addition, the reduction fabric of the graphene oxide fabric can provide a graphene-based toxic chemical protection fabric or a flame retardant fabric and a manufacturing method thereof to which a new material that can simultaneously impart various functions is applied.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a roll-to-roll large-area graphene synthesizing apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치의 내부 사시도이다.2 is an internal perspective view of a roll-to-roll large-area graphene synthesizing apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 그래핀의 제조방법을 나타내는 순서도이다.3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing large-area graphene according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화그래핀 직물의 환원방법을 나타내는 순서도이다.4 is a flowchart illustrating a method for reducing graphene oxide fabric according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조한 대면적 단층 그래핀의 단층 그래핀의 임피던스 특성을 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing the impedance characteristics of the single-layer graphene of the large-area single-layer graphene prepared according to Example 1 of the present invention.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조한 대면적 단층 그래핀의 라만분광기 측정 결과 그래프이다.6 is a graph of Raman spectroscopy measurement results of large-area monolayer graphene prepared according to Example 1 of the present invention.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따라 제조한 환원된 그래핀 직물의 임피던스 측정 결과 그래프이다.7 is a graph of the impedance measurement result of the reduced graphene fabric prepared according to Example 2 of the present invention.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치(PECVD)의 플라즈마 발생부에서 그래핀 합성을 나타낸 도면이다.8A is a diagram illustrating graphene synthesis in a plasma generating unit of a roll-to-roll large-area graphene synthesis apparatus (PECVD) according to an embodiment of the present invention.
도 8b는 도 8a에서 제시된 코일이 고온 퍼니스와 함께 있는 도면이다.Fig. 8b is a view of the coil shown in Fig. 8a with a high-temperature furnace;
도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따른 롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치(PECVD)의 두 개의 환형 코일을 고온 퍼니스가 포함된 쿼츠 튜브 외부의 양단에 두고 전기장을 인가하여 쿼츠튜브 내부에 CCP 플라즈마 방전을 통해 그래핀을 합성하는 공정을 나타내는 도면이다. FIG. 9a shows two annular coils of a roll-to-roll large-area graphene synthesis apparatus (PECVD) according to an embodiment of the present invention at both ends outside a quartz tube containing a high-temperature furnace and applying an electric field to the inside of the quartz tube. It is a diagram showing the process of synthesizing graphene through discharge.
도 9b는 도 9a에서 제시된 환형 코일을 고온 퍼니스 내부에 두고 쿼츠 튜브 외부에서 전기장을 인가하여 쿼츠 튜브 내부에 고온의 CCP 플라즈마를 방전하는 공정을 나타내는 도면이다. 9B is a view showing a process of discharging high-temperature CCP plasma inside the quartz tube by placing the annular coil shown in FIG. 9A inside the high-temperature furnace and applying an electric field from the outside of the quartz tube.
도 10a는 도 9a의 환형 코일을 고온 퍼니스가 포함된 쿼츠 튜브 내부의 양단에 두고 CCP 플라즈마 방전을 통해 그래핀을 합성하는 공정을 나타내는 도면이다. 10A is a view showing a process of synthesizing graphene through CCP plasma discharge by placing the annular coil of FIG. 9A at both ends inside a quartz tube containing a high-temperature furnace.
도 10b는 도 9b에서 제시된 환형 코일을 고온 퍼니스 내부에 두고 쿼츠 뷰브 내부에서 전기장을 인가하여 고온의 CCP 플라즈마를 쿼츠튜브 내부에서 방전하고 그래핀을 합성시키는 공정을 나타내는 도면이다.FIG. 10b is a view showing a process of discharging high-temperature CCP plasma inside a quartz tube and synthesizing graphene by placing the annular coil shown in FIG.
도 11a는 본 발명의 일 실시예에 따른 롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치(PECVD)의 쿼츠 튜브 외부의 윗면과 아랫면에서 일정한 크기의 환형 전극을 감싸고 전기장을 인가함으로써 플라즈마를 얻는 공정을 나타내는 도면이다.11A is a view showing a process of obtaining plasma by wrapping an annular electrode of a certain size on the outer surface and the lower surface of the quartz tube of the roll-to-roll large-area graphene synthesis apparatus (PECVD) according to an embodiment of the present invention and applying an electric field. .
도 11b는 도 11a에서와 같이 쿼츠 튜브 내부의 윗면과 아랫면에서 일정한 크기의 환형 전극을 감싸고 전기장을 인가함으로써 플라즈마를 얻는 공정을 나타내는 도면이다.11B is a diagram illustrating a process of obtaining plasma by wrapping an annular electrode having a predetermined size on the upper and lower surfaces of the quartz tube and applying an electric field as in FIG. 11A .
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치(PECVD)의 쿼츠 튜브 내부에서 튜브와 나란하게 평판형 전극을 두고 플라즈마를 얻는 구조이다.12 is a structure for obtaining plasma by placing a flat electrode in parallel with the tube inside the quartz tube of the roll-to-roll large-area graphene synthesis apparatus (PECVD) according to an embodiment of the present invention.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, since various changes may be made to the embodiments, the scope of the patent application is not limited or limited by these embodiments. It should be understood that all modifications, equivalents and substitutes for the embodiments are included in the scope of the rights.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the examples are used for description purposes only, and should not be construed as limiting. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the embodiment belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same components are given the same reference numerals regardless of the reference numerals, and the overlapping description thereof will be omitted. In the description of the embodiment, if it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the gist of the embodiment, the detailed description thereof will be omitted.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.In addition, in describing the components of the embodiment, terms such as first, second, A, B, (a), (b), etc. may be used. These terms are only for distinguishing the components from other components, and the essence, order, or order of the components are not limited by the terms.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.Components included in one embodiment and components having a common function will be described using the same names in other embodiments. Unless otherwise stated, a description described in one embodiment may be applied to another embodiment, and a detailed description in the overlapping range will be omitted.
본 발명의 일 실시예에 따른 롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치는, 외부와 밀폐되게 형성되는 반응 챔버; 상기 반응 챔버 내부에 구비되고 반응 기판을 권출하는 공급 롤장치; 상기 반응 챔버 내부로 그래핀 합성에 필요한 가스를 공급하는 가스 공급부; 상기 반응 챔버 내부에 플라즈마를 공급하는 플라즈마 공급부; 상기 반응 챔버 내에서 그래핀 합성이 이루어지는 가열부; 및 상기 가열부로부터 합성된 대면적 그래핀을 회수하는 회수 롤장치;를 포함한다.A roll-to-roll large-area graphene synthesizing apparatus according to an embodiment of the present invention includes: a reaction chamber formed to be sealed with the outside; a supply roll device provided inside the reaction chamber and for unwinding the reaction substrate; a gas supply unit for supplying a gas necessary for graphene synthesis into the reaction chamber; a plasma supply unit supplying plasma to the inside of the reaction chamber; a heating unit for synthesizing graphene in the reaction chamber; and a recovery roll device for recovering the synthesized large-area graphene from the heating unit.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치의 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치의 내부 사시도이다.1 is a schematic diagram of a roll-to-roll large-area graphene synthesizing apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an internal perspective view of a roll-to-roll large-area graphene synthesizing apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치(100)는, 반응 챔버(110), 공급 롤장치(120), 가스 공급부(130), 플라즈마 공급부(140), 가열부(150), 회수 롤장치(160) 및 제어 시스템(170)을 포함한다.1 and 2, the roll-to-roll large-area graphene synthesis apparatus 100 according to an embodiment of the present invention includes a reaction chamber 110, a supply roll apparatus 120, a gas supply unit 130, and a plasma. It includes a supply unit 140 , a heating unit 150 , a recovery roll device 160 , and a control system 170 .
본 발명의 일 실시예에 따른 롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치(100)는, 플라즈마 강화 화학 기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD) 기반 장치이다.The roll-to-roll large-area graphene synthesis apparatus 100 according to an embodiment of the present invention is a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD)-based apparatus.
일 실시형태에 있어서, 상기 반응 챔버(110)는, 밀폐를 통해 내부환경과 외부환경을 분리할 수 있다. 도 1 및 도 2에서는, 공급 롤장치(120), 플라즈마 공급부(140), 가열부(150) 및 회수 롤장치(160)가 각각의 챔버 내에 있는 것이 도시되어 있다.In an embodiment, the reaction chamber 110 may separate an internal environment and an external environment through sealing. 1 and 2, it is shown that the supply roll device 120, the plasma supply part 140, the heating part 150, and the recovery roll device 160 are in each chamber.
일 실시형태에 있어서, 상기 반응 챔버(110)는, 원통형으로 구성된 일체형 반응 챔버인 것일 수 있고, 교체가 가능한 것일 수 있다.In an embodiment, the reaction chamber 110 may be an integral reaction chamber configured in a cylindrical shape, and may be replaceable.
일 실시형태에 있어서, 상기 공급 롤장치(120)는, 상기 반응 챔버(110) 내부에 구비되고 반응 기판(미도시)을 권출하는 것일 수 있다.In an embodiment, the supply roll device 120 may be provided in the reaction chamber 110 and may be to unwind a reaction substrate (not shown).
본 발명의 일 실시예에 따른 롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치는, 반응 챔버의 내부에 열과 플라즈마 에너지가 공급되어 금속촉매 기판뿐만 아니라 직물을 포함하는 비촉매 기판 위에도 그래핀의 합성이 가능하다.In the roll-to-roll large-area graphene synthesizing apparatus according to an embodiment of the present invention, heat and plasma energy are supplied to the inside of the reaction chamber, so that it is possible to synthesize graphene on a non-catalytic substrate including a fabric as well as a metal-catalyzed substrate.
일 실시형태에 있어서, 상기 반응 기판은, 금속촉매 기판, 비촉매 직물기판 또는 이 둘을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the reaction substrate may include a metal catalyst substrate, a non-catalyst fabric substrate, or both.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속촉매 기판은, Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the metal catalyst substrate, Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V and Zr group consisting of It may be to include at least any one selected from.
일 실시형태에 있어서, 상기 비촉매 직물기판은, 탄소섬유, 활성탄소섬유, 유리섬유, 케볼라 및 무기질 섬유로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the non-catalytic fabric substrate may include at least one selected from the group consisting of carbon fibers, activated carbon fibers, glass fibers, Kevola and inorganic fibers.
일 실시형태에 있어서, 상기 공급 롤장치(120) 및 후술하는 회수 롤장치(160)는 양방향으로 이동이 가능하고, 상기 반응 기판의 공급 및 상기 대면적 그래핀의 회수는 양방향으로 가능한 것일 수 있다.In one embodiment, the supply roll device 120 and the recovery roll device 160 to be described later may be movable in both directions, and the supply of the reaction substrate and the recovery of the large-area graphene may be possible in both directions. .
일 실시형태에 있어서, 상기 가스 공급부(130)는, 상기 반응 챔버 내부로 그래핀 합성에 필요한 가스를 공급하는 것일 수 있다.In one embodiment, the gas supply unit 130 may supply a gas required for graphene synthesis into the reaction chamber.
일 실시형태에 있어서, 상기 가스 공급부(130)는, 유량제어기 및 밸브를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, the gas supply unit 130 may further include a flow controller and a valve.
일 실시형태에 있어서, 상기 그래핀 합성이 필요한 가스는 탄소를 포함하는 기상 전구체, 운반 가스 및 반응 가스를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the gas required for graphene synthesis may include a gaseous precursor including carbon, a carrier gas, and a reaction gas.
일 실시형태에 있어서, 상기 기상 전구체는, 메탄(CH 4), 아세틸렌(C 2H 2), 에틸렌(C 2H 4), 에탄(C 2H 6), 프로펜(C 3H 6) 및 프로판(C 3H 8)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the gaseous precursor is methane (CH 4 ), acetylene (C 2 H 2 ), ethylene (C 2 H 4 ), ethane (C 2 H 6 ), propene (C 3 H 6 ) and Propane (C 3 H 8 ) It may include at least one selected from the group consisting of.
일 실시형태에 있어서, 상기 운반 가스는, 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe), 라돈(Rn) 및 질소(N)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 비활성 가스를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the carrier gas is selected from the group consisting of helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe), radon (Rn) and nitrogen (N). It may be to include at least one inert gas.
일 실시형태에 있어서, 상기 반응 가스는 수소를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the reaction gas may include hydrogen.
일 실시형태에 있어서, 상기 플라즈마 공급부(140)는, 반응 챔버 내부에 플라즈마를 공급하는 것일 수 있다. 상기 플라즈마 공급부(140)에서의 플라즈마로 생성된 다양한 라디칼의 영향으로 그래핀의 합성온도가 300 ℃ 수준까지 낮아질 수 있다.In an embodiment, the plasma supply unit 140 may supply plasma to the inside of the reaction chamber. The synthesis temperature of graphene may be lowered to a level of 300° C. under the influence of various radicals generated by plasma in the plasma supply unit 140 .
일 실시형태에 있어서, 상기 가열부(150)는, 반응 챔버 내에서 그래핀 합성이 이루어지는 것일 수 있다.In one embodiment, the heating unit 150 may be a graphene synthesis in the reaction chamber.
일 실시형태에 있어서, 상기 플라즈마 공급부(140)에서 플라즈마 에너지 및 상기 가열부(150)에서 열 에너지가 반응 챔버(110) 내부에 공급되어 기상 전구체가 분해, 확산, 흡착, 탈착 등의 과정을 거쳐 반응 기판의 표면 위에 합성되는 것일 수 있다. 이러한 합성 조건은 금속촉매 기판 위에 그래핀을 합성할 수 있을 뿐만 아니라 탄소섬유, 활성탄소섬유 등의 직물을 포함하는 비촉매 기판 위에도 그래핀의 합성이 가능하다.In one embodiment, plasma energy from the plasma supply unit 140 and thermal energy from the heating unit 150 are supplied to the inside of the reaction chamber 110 so that the gaseous precursor is decomposed, diffused, adsorbed, desorbed, etc. It may be synthesized on the surface of the reaction substrate. These synthesis conditions allow not only the synthesis of graphene on the metal catalyst substrate, but also the synthesis of graphene on the non-catalytic substrate including fabrics such as carbon fibers and activated carbon fibers.
일 실시형태에 있어서, 상기 플라즈마 공급부(140) 및 상기 가열부(150)는, 상기 반응 챔버(110) 외부를 감싸고 있는 것일 수 있다.In an embodiment, the plasma supply unit 140 and the heating unit 150 may surround the outside of the reaction chamber 110 .
일 실시형태에 있어서, 상기 플라즈마 공급부(140)는 ICP 플라즈마 공급부(미도시)를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the plasma supply unit 140 may include an ICP plasma supply unit (not shown).
일 실시형태에 있어서, 상기 플라즈마 공급부(140)는, 쿼츠 튜브(챔버, 132) 내부, 외부 또는 이 둘에서 원형, 헬리컬형, 평판형 및 환형으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것일 수 있다.In one embodiment, the plasma supply unit 140, the quartz tube (chamber, 132) inside, outside, or both may be selected from the group consisting of a circular shape, a helical type, a flat plate type, and an annular shape.
일 실시형태에 있어서, 상기 회수 롤장치(160)는, 가열부(150)로부터 합성된 대면적 그래핀을 회수하는 것일 수 있다. In one embodiment, the recovery roll device 160 may be to recover the synthesized large-area graphene from the heating unit 150 .
일 실시형태에 있어서, 상기 대면적 그래핀은, 그래핀, 순수 그래핀 직물 및 그래핀 직물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the large-area graphene may include at least one selected from the group consisting of graphene, pure graphene fabric, and graphene fabric.
일 실시형태에 있어서, 상기 순수그래핀 직물은, 금속촉매 기판; 및 기판 위에 증착된 순수그래핀층;을 포함하고, 상기 순수그래핀은 롤투롤 플라즈마 화학기상증착법으로 상기 기판에 종래보다 낮은 온도에서 직접 대면적으로 증착된 것일 수 있다. In one embodiment, the pure graphene fabric, a metal catalyst substrate; and a pure graphene layer deposited on the substrate, wherein the pure graphene may be directly deposited on the substrate in a large area at a lower temperature than in the prior art by a roll-to-roll plasma chemical vapor deposition method.
일 실시형태에 있어서, 상기 그래핀 직물은 상기 롤투롤 플라즈마 화학기상증착법으로 직물 위에 직접 증착된 것일 수 있다.In one embodiment, the graphene fabric may be directly deposited on the fabric by the roll-to-roll plasma chemical vapor deposition method.
일 실시형태에 있어서, 상기 공급 롤장치 및 상기 회수 롤장치의 축길이는 1.0 m 내지 3.0 m인 것일 수 있다. 바람직하게는, 1.0 m 내지 2.4 m인 것일 수 있다.In one embodiment, the axial length of the supply roll device and the recovery roll device may be 1.0 m to 3.0 m. Preferably, it may be 1.0 m to 2.4 m.
일 실시형태에 있어서, 상기 회수 롤장치(160)에는, 그래핀 합성 챔버 내부의 압력을 통제하는 펌핑 챔버(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다.In one embodiment, the recovery roll device 160 may include a pumping chamber (not shown) for controlling the pressure inside the graphene synthesis chamber.
일 실시형태에 있어서, 상기 제어 시스템(170)는, 그래핀 합성 및 기능성화 전 공정을 제어하고 통제하는 것으로서, 제어패널(172), 임베디드 통제 소프트웨어(174) 및 비상 스위치(176)를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the control system 170 controls and controls the entire process of graphene synthesis and functionalization, and includes a control panel 172 , embedded control software 174 and an emergency switch 176 . it could be
일 실시형태에 있어서, 롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치를 이용한 모든 공정은 설정된 조건에 따라 제어 시스템(170)의 내부 통제 프로그램에 의해 자동으로 수행될 수 있으며 모든 작업이 쉽고 빠르게 이루어질 수 있다.In one embodiment, all processes using the roll-to-roll large-area graphene synthesizing apparatus may be automatically performed by the internal control program of the control system 170 according to set conditions, and all operations may be performed easily and quickly.
일 실시형태에 있어서, 상기 공급 롤장치(110) 및 회수 롤장치(160)의 롤의 장력을 통제 프로그램에 의해 일정하게 유지되며 유연한 반응 기판이 중력에 의해 늘어지는 현상을 방지하기 위해, 반응 챔버 내부에 세라믹 가이드 롤(162)을 배치하는 것일 수 있다. 가이드 롤(162)은 가변형으로 위치의 이동 및 회수가 용이하도록 한다. In one embodiment, in order to keep the tension of the rolls of the supply roll device 110 and the recovery roll device 160 constant by a control program and prevent the flexible reaction substrate from sagging due to gravity, the reaction chamber The ceramic guide roll 162 may be disposed therein. The guide roll 162 is of a variable type to facilitate movement and recovery of the position.
본 발명의 일 실시예에 따른 롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치는, 낮은 합성온도와 연속생산이 가능한 제조 공정은 제조 시간의 단축과 생산단가의 절감을 가능하게 한다. 롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치를 이용하여 제조된 대면적 그래핀 및 그래핀 직물은 높은 전기전도도를 바탕으로 전자재료 분야에서 다양한 상용화를 가능하게 하고, 독성화학물질 및 화염에 대한 방호기능을 제공하는 스마트보호의류 분야에서 활용을 기대할 수 있다. 또한, 모든 공정은 설정된 조건에 따라 내부 통제프로그램에 의해 자동으로 수행될 수 있으며 모든 작업이 쉽고 빠르게 이루어질 수 있다.The roll-to-roll large-area graphene synthesizing apparatus according to an embodiment of the present invention enables a low synthesis temperature and a manufacturing process capable of continuous production to shorten the manufacturing time and reduce the production cost. Large-area graphene and graphene fabrics manufactured using a roll-to-roll large-area graphene synthesis device enable various commercialization in the field of electronic materials based on high electrical conductivity and provide protection against toxic chemicals and flames It can be expected to be used in the field of smart protective clothing. In addition, all processes can be automatically performed by the internal control program according to the set conditions, and all operations can be performed easily and quickly.
본 발명의 다른 실시예에 따른 대면적 그래핀의 제조방법은, 공급 롤장치에 반응 기판을 장착하는 반응 기판 장착 단계; 내부환경과 외부환경을 분리하도록 반응 챔버를 밀폐하고 진공을 형성하는 반응 챔버 밀폐 및 진공 형성 단계; 상기 반응 기판을 공급 롤장치를 이용하여 반응 챔버 내부로 연속적으로 공급하는 반응 기판 공급 단계; 가스 공급부를 통하여 상기 반응 챔버 내부에 기상 전구체를 공급하고, 상기 반응 기판에 그래핀이 증착되도록 플라즈마 및 열 에너지를 공급하여 그래핀을 합성하는 그래핀 합성 단계; 및 회수 롤장치를 이용하여 상기 반응 챔버로부터 제조된 대면적 그래핀을 연속 공정을 통해 회수하는 대면적 그래핀 회수 단계;를 포함한다.A method for manufacturing large-area graphene according to another embodiment of the present invention includes: a reactive substrate mounting step of mounting a reactive substrate to a supply roll device; sealing the reaction chamber and forming a vacuum to separate the internal environment from the external environment; a reaction substrate supply step of continuously supplying the reaction substrate into the reaction chamber by using a supply roll device; a graphene synthesis step of synthesizing graphene by supplying a gaseous precursor into the reaction chamber through a gas supply unit, and supplying plasma and thermal energy to deposit graphene on the reaction substrate; and a large-area graphene recovery step of recovering the large-area graphene prepared from the reaction chamber through a continuous process using a recovery roll device.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 그래핀의 제조방법을 나타내는 순서도이다.3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing large-area graphene according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 그래핀의 제조방법은 반응 기판 장착 단계 (210), 반응 챔버 밀폐 및 진공 형성 단계 (220), 반응 기판 공급 단계 (230), 그래핀 합성 단계 (240) 및 대면적 그래핀 회수 단계 (250)를 포함한다.Referring to FIG. 3 , the method for manufacturing large-area graphene according to an embodiment of the present invention includes a reaction substrate mounting step 210 , a reaction chamber sealing and vacuum forming step 220 , a reaction substrate supply step 230 , yes It includes a fin synthesis step 240 and a large-area graphene recovery step 250 .
본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 그래핀의 제조방법은 롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치를 이용하여 제조하는 것일 수 있다.The method of manufacturing large-area graphene according to an embodiment of the present invention may be manufacturing using a roll-to-roll large-area graphene synthesizing apparatus.
일 실시형태에 있어서, 상기 반응 기판 장착 단계 (210)는, 공급 롤장치에 반응 기판을 장착하는 단계이다.In one embodiment, the reaction substrate mounting step 210 is a step of mounting the reaction substrate on a supply roll device.
일 실시형태에 있어서, 상기 반응 기판은, 금속촉매 기판, 비촉매 직물기판 또는 이 둘을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the reaction substrate may include a metal catalyst substrate, a non-catalyst fabric substrate, or both.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속촉매 기판은, Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the metal catalyst substrate, Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V and Zr group consisting of It may be to include at least any one selected from.
일 실시형태에 있어서, 상기 비촉매 직물기판은, 탄소섬유, 활성탄소섬유, 유리섬유, 케볼라 및 무기질 섬유로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the non-catalytic fabric substrate may include at least one selected from the group consisting of carbon fibers, activated carbon fibers, glass fibers, Kevola and inorganic fibers.
일 실시형태에 있어서, 상기 반응 챔버 밀폐 및 진공 형성 단계 (220)는, 내부환경과 외부환경을 분리하도록 반응 챔버를 밀폐하고 진공을 형성하는 단계이다. 이 때, 회수 롤장치에 있는 펌핑 챔버를 이용하여 진공을 형성하는 것일 수 있다.In one embodiment, the step of sealing the reaction chamber and forming a vacuum 220 is a step of sealing the reaction chamber and forming a vacuum to separate the internal environment and the external environment. At this time, it may be to form a vacuum using the pumping chamber in the recovery roll device.
일 실시형태에 있어서, 진공 형성 단계에서 진공 형성 시 저진공 형성과 고진공 형성 단계를 분리하여 진행하는 것일 수 있다. 저진공 공정 진행 시 수 mTorr 내지 수십 mTorr 수준의 진공도를 유지하면서 반응을 진행하는 것일 수 있다. 고진공 공정 진행 시 최대 10 -6 Torr 수준의 진공도를 형성하여 반응을 진행하는 것일 수 있다. 일체형으로 구성된 튜브형 합성 챔버 및 롤투롤 챔버의 상태 확인 투광창은 고진공을 인가할 수 있도록 충분한 두께로 제작되어야 한다.In one embodiment, when forming a vacuum in the vacuum forming step, the low vacuum forming step and the high vacuum forming step may be separately performed. During the low-vacuum process, the reaction may be performed while maintaining a degree of vacuum of several mTorr to several tens of mTorr. During the high vacuum process, the reaction may be carried out by forming a vacuum level of up to 10 -6 Torr. The condition check of the tubular synthesis chamber and the roll-to-roll chamber, which are integrally configured, must be manufactured to a thickness sufficient to apply a high vacuum.
일 실시형태에 있어서, 상기 반응 기판 공급 단계 (230)는, 상기 반응 기판을 공급 롤장치를 이용하여 반응 챔버 내부로 연속적으로 공급하는 단계이다. 상기 반응 기판 공급 시 다양한 속도 조절이 가능하며, 자동 장력제어로 안정적인 반응 기판 공급이 가능하다. 반응 기판은 롤투롤 기반으로 공급되기 때문에 고품질의 그래핀을 반응 기판 상에 연속 합성할 수 있어 경제적이다.In one embodiment, the step of supplying the reaction substrate 230 is a step of continuously supplying the reaction substrate into the reaction chamber using a supply roll device. When supplying the reaction substrate, it is possible to control various speeds, and it is possible to supply a stable reaction substrate by automatic tension control. Since the reaction substrate is supplied on a roll-to-roll basis, it is economical because high-quality graphene can be continuously synthesized on the reaction substrate.
일 실시형태에 있어서, 상기 반응 기판의 공급 단계 (230) 이후에, 기상 전구체, 운반 가스, 반응 가스 또는 이들의 혼합기체를 비율과 유량을 제어하여 상기 반응 챔버로 공급하는 기체 공급 단계 (미도시);를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, after the supplying step 230 of the reaction substrate, a gas supply step of supplying a gaseous precursor, a carrier gas, a reaction gas, or a mixture thereof to the reaction chamber by controlling the ratio and flow rate (not shown) ); may further include.
일 실시형태에 있어서, 상기 그래핀 합성 단계 (240)는, 가스 공급부를 통하여 상기 반응 챔버 내부에 기상 전구체를 공급하고, 상기 반응 기판에 그래핀이 증착되도록 플라즈마 및 열 에너지를 공급하여 그래핀을 합성하는 단계이다.In one embodiment, in the graphene synthesis step 240, a gaseous precursor is supplied into the reaction chamber through a gas supply unit, and plasma and thermal energy are supplied so that graphene is deposited on the reaction substrate to produce graphene. This is the synthesis step.
일 실시형태에 있어서, 상기 기상 전구체는, 메탄(CH 4), 아세틸렌(C 2H 2), 에틸렌(C 2H 4), 에탄(C 2H 6), 프로펜(C 3H 6) 및 프로판(C 3H 8)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the gaseous precursor is methane (CH 4 ), acetylene (C 2 H 2 ), ethylene (C 2 H 4 ), ethane (C 2 H 6 ), propene (C 3 H 6 ) and Propane (C 3 H 8 ) It may include at least one selected from the group consisting of.
일 실시형태에 있어서, 상기 운반 가스는, 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe), 라돈(Rn) 및 질소(N)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 비활성 가스를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the carrier gas is selected from the group consisting of helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe), radon (Rn) and nitrogen (N). It may be to include at least one inert gas.
일 실시형태에 있어서, 상기 반응 가스는 수소를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the reaction gas may include hydrogen.
일 실시형태에 있어서, 상기 비촉매 직물 기판에 그래핀을 성장시키기 위해서는 탄소 전구체를 포함한 가스의 농도 분포가 균일해야 하며, 그래핀 성장점은 랜덤이다. 가스 농도가 불균일할 경우 탄소 포함 기상전구체의 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 그래핀이 성장하게 되며 가스 농도를 균일하게 하기 위해 가스 공급 단계서 충분한 혼합이 이루어지도록 롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치에는 가스 매니폴드가 구성될 수 있다. In one embodiment, in order to grow graphene on the non-catalytic fabric substrate, the concentration distribution of the gas including the carbon precursor must be uniform, and the graphene growth point is random. If the gas concentration is non-uniform, graphene grows from a high concentration to a low concentration of gaseous precursor containing carbon. A gas manifold may be configured.
일 실시형태에 있어서, 상기 비촉매 직물 기판에서 그래핀을 직접 성장시킬 때는 C xH x, CH x, C 2 라디칼 및 수소의 흡착에 의해 그래핀의 성장이 이루어질 수 있다. 그래핀의 합성은 C xH x, CH x, C 2 라디칼의 영향으로 일반적인 TCVD의 그래핀 합성온도보다 낮은 온도에서 이루어질 수 있으며, 온도는 플라즈마 전력 인가량, 탄소포함 기상전구체의 농도 및 유량, 롤의 이동속도, 반응 기판을 종류 등에 따라 300 ℃ 내지 1000 ℃의 범위에서 가능하다. In one embodiment, when the graphene is directly grown on the non-catalytic fabric substrate, the growth of graphene may be achieved by adsorption of C x H x , CH x , C 2 radicals and hydrogen. Synthesis of graphene can be made at a temperature lower than the graphene synthesis temperature of general TCVD under the influence of C x H x , CH x , C 2 radicals, and the temperature is determined by the amount of plasma power applied, the concentration and flow rate of the gaseous precursor containing carbon, It is possible in the range of 300 °C to 1000 °C depending on the moving speed of the roll, the type of the reaction substrate, and the like.
일 실시형태에 있어서, 상기 그래핀 합성 단계는, 300 ℃ 내지 1000 ℃의 온도 범위에서 수행되는 것일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치는, 플라즈마 화학적기상증착법(PECVD)에 롤투롤 기법을 적용한 것으로서, 플라즈마에 의해 생성된 라디칼들은 탄소를 포함한 기상 전구체의 분해, 확산, 흡착, 탈착 과정이 진행되는 온도를 낮추는데 활용될 수 있다. 따라서 종래 그래핀 합성 온도보다 낮은 온도에서 수행될 수 있는 것이다.In one embodiment, the graphene synthesis step may be performed in a temperature range of 300 °C to 1000 °C. The roll-to-roll large-area graphene synthesis apparatus according to an embodiment of the present invention applies a roll-to-roll technique to plasma chemical vapor deposition (PECVD), and radicals generated by plasma are decomposition, diffusion, It can be used to lower the temperature at which the adsorption and desorption processes are performed. Therefore, it can be performed at a temperature lower than the conventional graphene synthesis temperature.
일 실시형태에 있어서, 상기 그래핀 합성 단계는, 상기 반응 기판 표면에 평행한 방향으로 합성되고, 단층 그래핀 또는 다층 그래핀이 합성되는 것일 수 있다. In one embodiment, in the step of synthesizing graphene, a direction parallel to the surface of the reaction substrate may be synthesized, and single-layer graphene or multi-layer graphene may be synthesized.
일 실시형태에 있어서, 상기 그래핀 합성 단계에서, 10 MHz 내지 30 MHz AC 전원을 인가하여 플라즈마를 방전하는 것일 수 있다. 바람직하게는, 13.56 MHz 내지 27.12 MHz AC 전원을 인가하는 것일 수 있다. RF 파워 인가시 10 MHz 가 일반적이나, 30 MHz 사용시 증착율을 높일수 있다.In one embodiment, in the graphene synthesis step, 10 MHz to 30 MHz AC power may be applied to discharge the plasma. Preferably, 13.56 MHz to 27.12 MHz AC power may be applied. When RF power is applied, 10 MHz is generally used, but when 30 MHz is used, the deposition rate can be increased.
일 실시형태에 있어서, 플라즈마에 의한 공정조건 형성 시 수십 W 내지 수백 W 정도의 플라즈마 전력을 인가함으로써 챔버 내부에 플라즈마를 형성하게 되고 상기 챔버 내의 금속촉매 기판 또는 비촉매 직물 기판 상에 탄화수소 라디칼의 흡착, 확산과 표면상 그래핀 성장 핵이 발생하게 되어 그래핀 합성이 진행되는 것일 수 있다.In one embodiment, plasma is formed in the chamber by applying plasma power of several tens to several hundreds of W when forming process conditions by plasma, and adsorption of hydrocarbon radicals on a metal catalyst substrate or a non-catalyst fabric substrate in the chamber , it may be that the graphene synthesis proceeds due to diffusion and the occurrence of graphene growth nuclei on the surface.
일 실시형태에 있어서, 상기 대면적 그래핀 회수 단계 (250)는, 회수 롤장치를 이용하여 상기 반응 챔버로부터 제조된 대면적 그래핀을 연속 공정을 통해 회수하는 단계이다.In one embodiment, the large-area graphene recovery step 250 is a step of recovering the large-area graphene prepared from the reaction chamber through a continuous process using a recovery roll device.
일 실시형태에 있어서, 상기 반응 기판 공급 단계 및 상기 대면적 그래핀 회수 단계는, 1 mm/min 내지 600 mm/min의 속도로 제어되고, 자동 장력제어에 의해 상기 기판 공급 및 상기 대면적 그래핀이 회수되는 것일 수 있다.In one embodiment, the reaction substrate supply step and the large-area graphene recovery step are controlled at a speed of 1 mm/min to 600 mm/min, and the substrate supply and the large-area graphene by automatic tension control This may be recoverable.
일 실시형태에 있어서, 반응 기판을 장착하는 단계 이후의 모든 단계는 내장된 통제 프로그램에 의하여 설정된 단계와 값에 따라 자동으로 진행되는 것일 수 있다.In one embodiment, all steps after the step of mounting the reaction substrate may be automatically performed according to steps and values set by a built-in control program.
일 실시형태에 있어서, 상기 대면적 그래핀은, 그래핀, 순수 그래핀 직물 및 그래핀 직물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the large-area graphene may include at least one selected from the group consisting of graphene, pure graphene fabric, and graphene fabric.
일 실시형태에 있어서, 반응 기판을 탄소섬유나 활성탄소섬유와 같은 비촉매 직물 기판을 이용하여 그래핀을 직접 성장시키는 경우, 그래핀 직물을 형성하는 것을 수 있다. 그래핀 직물은 전자섬유(e-textile) 분야에서 그래핀의 활용 가능성을 높일 수 있으며, 그래핀의 높은 기밀성과 난연성을 바탕으로 독성물질이나 화염에 대한 보호를 제공하는 직물로의 활용도 기대할 수 있다.In one embodiment, when graphene is directly grown using a non-catalytic fabric substrate such as carbon fiber or activated carbon fiber as the reaction substrate, a graphene fabric may be formed. Graphene fabric can increase the potential of graphene in the field of electronic textiles (e-textile), and it can be expected to be used as a fabric that provides protection against toxic substances and flames based on the high airtightness and flame retardancy of graphene. .
본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 그래핀의 제조방법은, 낮은 합성온도와 연속생산이 가능한 제조 공정을 이용하여 제조 시간의 단축과 생산단가의 절감을 가능하게 하고, 친환경적이다.The method of manufacturing large-area graphene according to an embodiment of the present invention enables shortening of manufacturing time and reduction of production cost by using a low synthesis temperature and a manufacturing process capable of continuous production, and is environmentally friendly.
제조된 대면적 그래핀 및 그래핀 직물은 높은 전기전도도를 바탕으로 전자재료 분야에서 다양한 상용화를 가능하게 할 것이며, 또한 독성화학물질 및 화염에 대한 방호기능을 제공하는 스마트보호의류 분야에서 활용을 기대할 수 있다.The manufactured large-area graphene and graphene fabrics will enable various commercialization in the field of electronic materials based on their high electrical conductivity, and are also expected to be used in the field of smart protective clothing that provides protection against toxic chemicals and flames. can
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 산화그래핀 직물의 환원방법은, 공급 롤장치에 산화그래핀 직물을 장착하는 산화그래핀 직물 장착 단계; 반응 챔버를 밀폐하고 진공을 형성하는 반응 챔버 밀폐 및 진공 형성 단계; 상기 산화그래핀 직물을 공급 롤장치를 이용하여 상기 반응 챔버 내부로 연속적으로 공급하는 산화그래핀 직물 공급 단계; 상기 반응 챔버에, 플라즈마, 열에너지 또는 이 둘을 공급하여 산화그래핀 직물을 환원하는 산화그래핀 직물 환원 단계; 및 회수 롤장치를 이용하여 상기 반응 챔버로부터 환원된 그래핀 직물을 연속 공정을 통해 회수하는 환원된 그래핀 직물 회수단계;를 포함한다.The reduction method of the graphene oxide fabric according to another embodiment of the present invention, the graphene oxide fabric mounting step of mounting the graphene oxide fabric to the supply roll device; sealing the reaction chamber and forming a vacuum, sealing the reaction chamber and forming a vacuum; a graphene oxide fabric supply step of continuously supplying the graphene oxide fabric into the reaction chamber using a supply roll device; a graphene oxide fabric reduction step of reducing the graphene oxide fabric by supplying plasma, thermal energy, or both to the reaction chamber; and a reduced graphene fabric recovery step of recovering the reduced graphene fabric from the reaction chamber through a continuous process using a recovery roll device.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화그래핀 직물의 환원방법을 나타내는 순서도이다.4 is a flowchart illustrating a method for reducing graphene oxide fabric according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 산화그래핀 직물의 환원방법은, 산화그래핀 직물 장착 단계 (310), 반응 챔버 밀폐 및 진공 형성 단계 (320), 산화그래핀 직물 공급 단계 (330), 산화그래핀 직물 환원 단계 (340) 및 환원된 그래핀 회수 단계 (350)를 포함한다.Referring to Figure 4, the reduction method of the graphene oxide fabric according to an embodiment of the present invention, the graphene oxide fabric mounting step 310, the reaction chamber sealing and vacuum forming step 320, the graphene oxide fabric supply step (330), the graphene oxide fabric reduction step (340) and the reduced graphene recovery step (350).
본 발명의 일 실시예에 따른 산화그래핀 직물의 환원방법은 롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치를 이용하여 제조하는 것일 수 있다.The reduction method of the graphene oxide fabric according to an embodiment of the present invention may be manufactured using a roll-to-roll large-area graphene synthesis apparatus.
일 실시형태에 있어서, 상기 산화그래핀 직물 장착 단계 (310)는, 공급 롤장치에 산화그래핀 직물을 장착하는 단계이다. 대면적 연속공정이 가능한 산화그래핀 직물의 환원을 위하여 반응 챔버에 공급 롤장치를 이용하여 산화그래핀 직물을 장착하는 것일 수 있다.In one embodiment, the graphene oxide fabric mounting step 310 is a step of mounting the graphene oxide fabric to the supply roll device. For the reduction of the graphene oxide fabric capable of a large-area continuous process, it may be to mount the graphene oxide fabric in the reaction chamber using a supply roll device.
일 실시형태에 있어서, 상기 반응 챔버 밀폐 및 진공 형성 단계 (320)는, 반응 챔버를 밀폐하고 진공을 형성하는 단계이다.In one embodiment, the step of sealing the reaction chamber and forming a vacuum ( 320 ) is sealing the reaction chamber and forming a vacuum.
일 실시형태에 있어서, 상기 산화그래핀 직물의 환원을 위한 조건을 형성하기 위하여 반응 챔버의 내부환경과 외부환경을 분리 및 밀폐하고 필요 시 진공을 형성하는 것일 수 있다.In one embodiment, in order to form conditions for the reduction of the graphene oxide fabric, the internal environment and the external environment of the reaction chamber may be separated and sealed, and a vacuum may be formed if necessary.
일 실시형태에 있어서, 상기 산화그래핀 직물 환원 단계는, 대기압 조건, 진공 조건 또는 이 둘 모두에서 수행되는 것일 수 있다.In one embodiment, the graphene oxide fabric reduction step may be performed under atmospheric pressure conditions, vacuum conditions, or both.
일 실시형태에 있어서, 진공 형성 단계에서 산화그래핀 직물의 환원을 수행할 때 진공 형성 시 저진공 형성과 고진공 형성 단계를 분리하여 진행하는 것일 수 있다. 저진공만 공정 진행 시 수 mTorr 내지 수십 mTorr 수준의 진공도를 유지하면서 반응을 진행하는 것일 수 있다. 고진공 형성 시 최대 10 -6 Torr 수준의 진공도를 형성하여 반응을 진행하는 것일 수 있다. 일체형으로 구성된 튜브형 합성 챔버 및 롤투롤 챔버의 상태 확인 투광창은 고진공을 인가할 수 있도록 충분한 두께로 제작되어야 한다.In one embodiment, when performing the reduction of the graphene oxide fabric in the vacuum forming step, it may be to proceed by separating the low vacuum forming step and the high vacuum forming step during vacuum forming. When the low-vacuum process proceeds, the reaction may be carried out while maintaining a degree of vacuum of several mTorr to several tens of mTorr. When forming a high vacuum, the reaction may proceed by forming a vacuum level of up to 10 -6 Torr. The condition check of the tubular synthesis chamber and the roll-to-roll chamber, which are integrally configured, must be manufactured to a thickness sufficient to apply a high vacuum.
일 실시형태에 있어서, 상기 산화그래핀 직물 공급 단계 (330)는, 산화그래핀 직물을 공급 롤장치를 이용하여 상기 반응 챔버 내부로 연속적으로 공급하는 단계이다.In one embodiment, the graphene oxide fabric supply step 330 is a step of continuously supplying the graphene oxide fabric into the reaction chamber using a supply roll device.
일 실시형태에 있어서, 공급하는 산화그래핀 직물은 산화그래핀의 1 % 내지 2 % 수용액에서 롤투롤 딥코팅 및 패딩 방식으로 제작된 직물을 이용하며, 필요 시 롤투롤 딥코팅 장비와 건조장비를 롤투롤 PECVD 장비에 직렬로 연결하여, 산화그래핀 코팅과 환원기능성화를 단일 공정으로 진행하는 것일 수 있다.In one embodiment, the supplied graphene oxide fabric uses a fabric manufactured by a roll-to-roll dip coating and padding method in 1% to 2% aqueous solution of graphene oxide, and, if necessary, a roll-to-roll dip coating equipment and drying equipment It may be connected in series to the roll-to-roll PECVD equipment to perform graphene oxide coating and reduction functionalization in a single process.
일 실시형태에 있어서, 반응 챔버는 원통형으로 구성된 일체형 반응 챔버인 것일 수 있고, 플라즈마 발생기와 열원은 챔버 외부를 감싸는 형태일 수 있다.In one embodiment, the reaction chamber may be an integral reaction chamber configured in a cylindrical shape, and the plasma generator and the heat source may be of a type surrounding the outside of the chamber.
일 실시형태에 있어서, 산화그래핀 직물의 공급 시 다양한 속도 조절이 가능하며, 자동 장력제어로 안정적인 산화그래핀 직물 공급이 가능한 것일 수 있다. In one embodiment, various speed control is possible when supplying the graphene oxide fabric, and it may be possible to supply stable graphene oxide fabric by automatic tension control.
일 실시형태에 있어서, 상기 산화그래핀 직물 공급 시 다양한 속도 조절이 가능하며, 자동 장력제어로 안정적인 산화그래핀 직물 공급이 가능하다. 산화그래핀 직물은 롤투롤 기반으로 공급되기 때문에 고품질의 그래핀을 반응 기판 상에 연속 합성할 수 있어 경제적이다.In one embodiment, various speed control is possible when supplying the graphene oxide fabric, and stable supply of the graphene oxide fabric is possible by automatic tension control. Since graphene oxide fabric is supplied on a roll-to-roll basis, it is economical because high-quality graphene can be continuously synthesized on a reactive substrate.
일 실시형태에 있어서, 산화그래핀 직물을 공급하는 공급 롤장치 및 후 환원된 그래핀 직물을 회수하는 회수 롤장치는 양방향으로 이동이 가능하고, 산화그래핀 직물의 공급 및 환원된 그래핀 직물의 회수는 양방향으로 가능한 것일 수 있다.In one embodiment, the supply roll device for supplying the graphene oxide fabric and the recovery roll device for recovering the reduced graphene fabric are movable in both directions, and the supply of the graphene oxide fabric and the reduced graphene fabric are movable. Recovery may be possible in both directions.
일 실시형태에 있어서, 상기 산화그래핀 직물 환원 단계 (340)는, 상기 반응 챔버에, 플라즈마, 열에너지 또는 이 둘을 공급하여 산화그래핀 직물을 환원하는 단계이다.In one embodiment, the graphene oxide fabric reduction step 340 is a step of reducing the graphene oxide fabric by supplying plasma, thermal energy, or both to the reaction chamber.
일 실시형태에 있어서, 상기 산화그래핀 직물 환원 단계는 상기 산화그래핀 직물 환원 단계는, 0.1 mTorr 내지 760 Torr의 압력 조건에서 1.0 kHz 내지 9.0 GHz AC 전원을 인가하여 플라즈마를 방전하는 것일 수 있다. In one embodiment, the graphene oxide fabric reduction step may be to discharge the plasma by applying 1.0 kHz to 9.0 GHz AC power under a pressure condition of 0.1 mTorr to 760 Torr in the graphene oxide fabric reduction step.
일 실시형태에 있어서, PECVD의 쿼츠 튜브와 고온 퍼니스를 함께 사용하여 온도제어가 가능한 CCP와 ICP를 얻을 수 있는 플라즈마를 방전하는 것일 수 있다.In one embodiment, using a quartz tube of PECVD and a high-temperature furnace together, it may be to discharge a plasma capable of obtaining a CCP and an ICP capable of temperature control.
본 발명의 산화그래핀 직물의 환원 방법은 종래의 습식공정을 통한 산화그래핀의 환원이나, 단순 열공정에 의한 산화그래핀의 환원방법보다 간단하며 제조 시간의 단축이 가능하고, 다양한 형상의 마스크를 적용하여 환원된 부위의 정밀 패터닝이 가능하다.The reduction method of the graphene oxide fabric of the present invention is simpler than the reduction method of graphene oxide through the conventional wet process or the reduction method of graphene oxide by a simple thermal process, the manufacturing time can be shortened, and masks of various shapes Precise patterning of the reduced area is possible by applying
일 실시형태에 있어서, 반응 가스는 수소 및 비활성 운반 가스의 혼합 가스를 사용하는 것일 수 있다. 상기 운반 가스는, 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe), 라돈(Rn) 및 질소(N)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the reaction gas may be a mixed gas of hydrogen and an inert carrier gas. The carrier gas includes at least one selected from the group consisting of helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe), radon (Rn), and nitrogen (N). may be doing
일 실시형태에 있어서, 상기 환원된 그래핀 회수 단계 (350)는, 및 회수 롤장치를 이용하여 상기 반응 챔버로부터 환원된 그래핀 직물을 연속 공정을 통해 회수하는 단계이다.In one embodiment, the reduced graphene recovery step 350 is a step of recovering the reduced graphene fabric from the reaction chamber through a continuous process using a recovery roll device.
본 발명의 일 실시예에 따른 산화그래핀의 환원방법은 대면적 생산이 가능한 그래핀, 그래핀 직물, 연속 공정을 통한 산화그래핀 직물의 환원 직물을 제공한다.The reduction method of graphene oxide according to an embodiment of the present invention provides graphene, graphene fabric, and reduction fabric of graphene oxide fabric through a continuous process capable of large-area production.
일 실시형태에 있어서, 상기 대면적 그래핀은, 그래핀, 순수 그래핀 직물 및 그래핀 직물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the large-area graphene may include at least one selected from the group consisting of graphene, pure graphene fabric, and graphene fabric.
일 실시형태에 있어서, 상기 순수그래핀 직물은, 금속촉매 기판; 및 기판 위에 증착된 순수그래핀층;을 포함하고, 상기 순수그래핀은 롤투롤 플라즈마 화학기상증착법으로 상기 기판에 종래보다 낮은 온도에서 직접 대면적으로 증착된 것일 수 있다. In one embodiment, the pure graphene fabric, a metal catalyst substrate; and a pure graphene layer deposited on the substrate, wherein the pure graphene may be directly deposited on the substrate in a large area at a lower temperature than in the prior art by a roll-to-roll plasma chemical vapor deposition method.
일 실시형태에 있어서, 상기 그래핀 직물은 상기 롤투롤 플라즈마 화학기상증착법으로 직물 위에 직접 증착된 것일 수 있다.In one embodiment, the graphene fabric may be directly deposited on the fabric by the roll-to-roll plasma chemical vapor deposition method.
일 실시형태에 있어서, 상기 환원된 그래핀 직물은 연속 공정을 통해 산화그래핀 직물이 환원된 것일 수 있고, 환원 공정은 상온에서 연속적으로 이루어지는 것일 수 있다.In one embodiment, the reduced graphene fabric may be a reduced graphene oxide fabric through a continuous process, and the reduction process may be continuously made at room temperature.
본 발명의 일 실시예에 따른 산화그래핀의 환원방법은, 높은 환원효율 및 낮은 공정비용을 달성할 수 있는 산화그래핀 직물의 환원기능성화를 제시한다. 산화그래핀 직물의 환원은, 다기능, 일체형, 통합형, 전자섬유(e-textile), EMI shielding, 신호전달, 에너지 하베스팅, 스마트 웨어러블, 센서 등에서 등의 기술 개발 추세와 연계하여 그래핀 기반 전자섬유(e-textile)의 상업화 가능성을 높일 수 있으며, 환원 공정에서 다양한 마스크를 적용하여 산화그래핀 직물을 환원함과 동시에 패터닝까지 가능하게 한다. 또한, 산화그래핀 직물의 환원 직물은 다양한 기능을 동시에 부여할 수 있는 신소재를 적용한 그래핀 기반 독성화학물질 보호직물 또는 난연직물 및 이의 제조 방법을 제공할 수 있다.The reduction method of graphene oxide according to an embodiment of the present invention suggests reduction functionalization of graphene oxide fabric that can achieve high reduction efficiency and low process cost. The reduction of graphene oxide fabric is linked to the trend of technology development such as multifunctional, integrated, integrated, e-textile, EMI shielding, signal transmission, energy harvesting, smart wearable, sensor, etc., graphene-based electronic fiber (e-textile) can be commercialized, and various masks are applied in the reduction process to reduce graphene oxide fabric and enable patterning at the same time. In addition, the reduction fabric of the graphene oxide fabric can provide a graphene-based toxic chemical protection fabric or a flame retardant fabric and a manufacturing method thereof to which a new material that can simultaneously impart various functions is applied.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치는, 직물을 권출하는 권출기; 상기 직물의 표면에 그래핀을 증착하기 위한 플라즈마 반응기; 상기 플라즈마 반응기의 반응 원료를 공급하기 위한 가스공급장치; 상기 그래핀 코팅 직물을 반응기로 인출하는 드로우 롤; 및 상기 코팅 직물을 권취하는 권사기;를 포함하고, 상기 플라즈마 반응기의 압력조건을 형성하기 위한 진공펌프, 및 상기 장비를 통제하기 위한 임베디드 통제 시스템을 포함한다.A roll-to-roll large-area graphene synthesizing apparatus according to another embodiment of the present invention includes: an unwinder for unwinding a fabric; a plasma reactor for depositing graphene on the surface of the fabric; a gas supply device for supplying the reaction raw material of the plasma reactor; a draw roll for drawing the graphene-coated fabric into a reactor; and a winding machine for winding the coated fabric; including, a vacuum pump for forming pressure conditions of the plasma reactor, and an embedded control system for controlling the equipment.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전도성 그래핀 기반 복합 보호직물의 제조 방법은, (a) 권출기가 직물을 권출하는 단계; (b) 상기 직물의 표면에 순수그래핀을 증착하는 단계; (c) 드로우 롤이 그래핀이 증착된 직물을 상기 반응기로부터 인출하는 단계; 및 (d) 권사기가 상기 그래핀 증착 직물을 권취하는 단계;를 포함한다. 상기 전도성 그래핀 기반 복합 보호직물의 제조 방법에 의해 제조된 전도성 그래핀 기반 복합 보호직물은 높은 전기전도도와 신호전달능력 및 독성화학물질 보호능력을 제공하는 것일 수 있다.A method for manufacturing a conductive graphene-based composite protective fabric according to another embodiment of the present invention comprises the steps of: (a) unwinding the fabric by an unwinder; (b) depositing pure graphene on the surface of the fabric; (c) draw roll withdrawing the fabric on which graphene is deposited from the reactor; and (d) winding the graphene deposition fabric by a winding machine. The conductive graphene-based composite protective fabric manufactured by the method for manufacturing the conductive graphene-based composite protective fabric may provide high electrical conductivity, signal transmission capability, and toxic chemical protection capability.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 장비를 통제하기 위한 임베디드 통제 시스템은, 직물을 권출하는 권출기; 상기 직물 표면에 코팅된 산화그래핀층을 환원하는 플라즈마 반응기; 상기 플라즈마 반응기의 반응 가스를 공급하기 위한 가스공급장치; 상기 환원된 그래핀 코팅 직물을 반응기로 인출하는 드로우 롤; 및 상기 코팅 직물을 권취하는 권사기;를 포함한다.An embedded control system for controlling equipment according to another embodiment of the present invention, the unwinder for unwinding the fabric; a plasma reactor for reducing the graphene oxide layer coated on the fabric surface; a gas supply device for supplying a reaction gas of the plasma reactor; a draw roll for withdrawing the reduced graphene-coated fabric into a reactor; and a winding machine for winding the coated fabric.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 환원된 그래핀 기반 복합 보호직물의 제조 방법은, (a) 권출기가 직물을 권출하는 단계; (b) 상기 직물의 표면에 코팅된 산화그래핀이 환원되는 단계; (c) 드로우 롤이 환원된 그래핀이 코팅된 직물을 상기 반응기로부터 인출하는 단계; 및 (d) 권사기가 상기 직물을 권취하는 단계;를 포함한다. 상기 환원된 그래핀 기반 복합 보호직물의 제조 방법에 의해 제조된 환원된 그래핀 기반 복합 보호직물은 높은 전기전도도와 신호전달능력, 독성물질 감지센서 능력을 제공한다.A method for manufacturing a reduced graphene-based composite protective fabric according to another embodiment of the present invention comprises the steps of: (a) unwinding the fabric by an unwinder; (b) reducing the graphene oxide coated on the surface of the fabric; (c) withdrawing the graphene-coated fabric with the draw roll reduced from the reactor; and (d) winding the fabric by a winding machine. The reduced graphene-based composite protective fabric produced by the method for manufacturing the reduced graphene-based composite protective fabric provides high electrical conductivity, signal transmission capability, and toxic substance detection sensor capability.
이하, 하기 실시예 및 비교예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 그에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following Examples and Comparative Examples. However, the technical spirit of the present invention is not limited or limited thereto.
[실시예 1][Example 1]
본 발명의 대면적 연속생산이 가능한 롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치를 이용하여 고품질의 단층 그래핀을 제조하였다. 반응챔버는 원통형으로 구성된 일체형 반응챔버이고, 열원 및 플라즈마발생기는 챔버 외부를 감싸고 있는 장치를 이용하였다. 먼저, 반응챔버에 공급 롤장치를 이용하여 반응 기판을 공급하였다. 반응 기판으로 구리(Cu)와 니켈(Ni)의 금속촉매 롤을 롤투롤 공급장치에 장착하였다. 금속촉매 롤은 그래핀 합성을 위한 조건을 형성하기 위하여 반응챔버의 내부환경과 외부환경을 분리하여 반응챔버를 밀폐하고 펌핑 챔버를 활용하여 진공을 형성하였다. 진공 형성 시 저진공 형성과 고진공 형성 단계를 분리하여 진행하였다. 저진공 공정 진행 시 수 내지 1~10 mTorr 수준의 진공도를 유지하면서 반응을 진행하고, 고진공 형성 시 최대 10 -6 Torr 수준의 진공도를 형성하여 반응을 진행하였다. 일체형으로 구성된 튜브형 합성챔버 및 롤투롤 챔버의 상태 확인 투광창은 고진공을 인가할 수 있도록 충분한 두께로 제작된 것을 사용하였다.High-quality single-layer graphene was prepared using the roll-to-roll large-area graphene synthesis apparatus capable of large-area continuous production of the present invention. The reaction chamber is an integrated reaction chamber configured in a cylindrical shape, and a device surrounding the outside of the chamber is used for the heat source and plasma generator. First, the reaction substrate was supplied to the reaction chamber using a supply roll device. A metal catalyst roll of copper (Cu) and nickel (Ni) as a reaction substrate was mounted in a roll-to-roll supply device. In order to form the conditions for graphene synthesis, the metal catalyst roll sealed the reaction chamber by separating the internal and external environments of the reaction chamber, and formed a vacuum using the pumping chamber. During vacuum formation, the low vacuum formation and high vacuum formation steps were separated. During the low vacuum process, the reaction was carried out while maintaining the vacuum level of several to 1 to 10 mTorr, and when the high vacuum was formed, the reaction was carried out by forming a vacuum level of 10 -6 Torr at the maximum. The tubular synthesis chamber and roll-to-roll chamber, which are integrally configured, were manufactured to a thickness sufficient to apply a high vacuum to the transparent window.
이어서, 반응 기판을 공급 롤장치를 이용하여 반응챔버 내부로 연속적으로 공급하였다. 0.06 rpm ~ 0.6rpm의 속도로 반응기판을 공급하였고, 자동 장력제어로 안정적인 반응기판을 공급하였다.Then, the reaction substrate was continuously supplied into the reaction chamber by using a supply roll device. The reaction substrate was supplied at a speed of 0.06 rpm to 0.6 rpm, and a stable reaction substrate was supplied by automatic tension control.
반응기판에 그래핀이 증착될 수 있도록 플라즈마와 열 에너지를 공급하여 그래핀을 제조하고, 반응기판의 공급 이후에 반응챔버 내부에 탄소가 포함된 기상 전구체로서 메탄, 반응 가스는 수소를 1:10 비율로 유량을 통제하여 반응챔버로 공급하였다. Graphene is produced by supplying plasma and thermal energy so that graphene can be deposited on the reactor substrate, and methane as a gaseous precursor containing carbon in the reaction chamber after supply of the reactor substrate, and hydrogen as a reaction gas 1:10 It was supplied to the reaction chamber by controlling the flow rate at a rate.
플라즈마에 의한 공정조건 형성 시 100 W 내지는 600 W의 플라즈마 전력을 인가함으로써 챔버 내부에 플라즈마를 형성하게 되고 상기 챔버 내의 금속촉매 상에 탄화수소 라디칼의 흡착, 확산과 표면상 그래핀 성장 핵이 발생하게 되어 그래핀 합성을 진행하였다. 합성 온도는 300 ℃ 내지 500 ℃의 범위에서 수행하였다. When forming process conditions by plasma, plasma is formed inside the chamber by applying plasma power of 100 W to 600 W, and adsorption and diffusion of hydrocarbon radicals on the metal catalyst in the chamber and graphene growth nuclei on the surface are generated. Graphene synthesis was carried out. The synthesis temperature was carried out in the range of 300 °C to 500 °C.
그래핀의 합성이 완료된 후 공급 롤장치와 동일한 속도로 회수 롤장치를 이용하여 상기 반응챔버로부터 제조된 그래핀을 연속 공정을 통해 권취하여 회수하였다. After the synthesis of graphene was completed, the graphene prepared from the reaction chamber was recovered by winding through a continuous process using a recovery roll device at the same speed as the supply roll device.
반응기판을 장착하는 단계 이후의 모든 단계는 내장된 통제프로그램에 의하여 설정된 단계와 값에 따라 자동으로 진행하였다.All steps after the step of mounting the reactor board were automatically performed according to the steps and values set by the built-in control program.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조한 대면적 단층 그래핀의 단층 그래핀의 임피던스 특성을 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing the impedance characteristics of the single-layer graphene of the large-area single-layer graphene prepared according to Example 1 of the present invention.
도 5를 참조하면, 임피던스는 1 ~ 1MHz 범위에서 측정되었으며, 1 mm 간격의 탐침(probe)을 전극으로 하여 측정되었다. 저항은 1 Ohm 수준으로 매우 낮았으며 매우 높은 전기전도도를 보이는 것을 확인할 수 있다. 10 kHz에서 1 MHz 구간에서는 축전성(capacitive) 특징을 보여 주파수가 증가할수록 증가하고, 10 kHz 이하 구간에서는 주파수에 따라 변하지 않는 저항성(resistive) 특성을 보였다.Referring to FIG. 5 , the impedance was measured in the range of 1 to 1 MHz, and was measured using a probe with an interval of 1 mm as an electrode. The resistance was very low at the level of 1 Ohm, and it can be seen that the electrical conductivity was very high. In the section from 10 kHz to 1 MHz, it showed capacitive characteristics, which increased as the frequency increased, and showed resistive characteristics that did not change with frequency in the section below 10 kHz.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조한 대면적 단층 그래핀의 라만분광기 측정 결과 그래프이다.6 is a graph of Raman spectroscopy measurement results of large-area monolayer graphene prepared according to Example 1 of the present invention.
도 6을 참조하면, D 피크가 대부분 제거된 고품질의 그래핀이 합성되었음이 확인되었다. Referring to FIG. 6 , it was confirmed that high-quality graphene in which most of the D peak was removed was synthesized.
[실시예 2][Example 2]
산화그래핀 직물을 환원 공정을 수행하여 환원된 그래핀 직물을 제조하였다.A reduced graphene fabric was prepared by performing a reduction process on the graphene oxide fabric.
산화그래핀 직물은 산화그래핀의 1 % 내지 2 % 수용액에서 롤투롤 딥코팅 및 패딩 방식으로 제작된 직물을 이용하였고, 롤투롤 딥코팅 장비와 건조장비를 롤투롤 PECVD 장비에 직렬로 연결하면, 산화그래핀 코팅과 환원기능성화를 단일 공정으로 진행할 수 있다. The graphene oxide fabric used a fabric manufactured by a roll-to-roll dip coating and padding method in 1% to 2% aqueous solution of graphene oxide. When the roll-to-roll dip coating and drying equipment are connected in series to the roll-to-roll PECVD equipment, Graphene oxide coating and reduction functionalization can be performed in a single process.
산화그래핀 직물의 환원을 위한 조건을 형성하기 위하여 반응챔버의 내부환경과 외부환경을 분리 및 밀폐하고 대기압 조건 또는 진공 조건을 형성하였다. 산화그래핀 직물의 환원공정은 대기압 조건과, 진공조건에서 모두 진행하였다. 진공 형성 시 저진공 형성과 고진공 형성 단계를 분리하여 진행하였다. 저진공만으로 공정 진행서 수 내지 수십 mTorr 수준의 진공도를 유지하면서 반응을 진행하고, 고진공 형성 시 최대 10 -6 Torr 수준의 진공도를 형성하여 반응을 진행하였다. 일체형으로 구성된 튜브형 합성챔버 및 롤투롤 챔버의 상태 확인 투광창은 고진공을 인가할 수 있도록 충분한 두께로 제작된 것을 사용하였다.In order to form the conditions for the reduction of the graphene oxide fabric, the internal and external environments of the reaction chamber were separated and sealed, and atmospheric pressure or vacuum conditions were formed. The reduction process of the graphene oxide fabric was carried out under both atmospheric pressure and vacuum conditions. During vacuum formation, the low vacuum formation and high vacuum formation steps were separated. The reaction proceeded while maintaining a vacuum level of several to tens of mTorr during the process using only a low vacuum, and a vacuum level of up to 10 -6 Torr was formed when forming a high vacuum to proceed with the reaction. The tubular synthesis chamber and roll-to-roll chamber, which are integrally configured, were manufactured to a thickness sufficient to apply a high vacuum to the transparent window.
이어서, 산화그래핀 직물을 공급 롤장치를 이용하여 1 mm/min ~ 600 mm/min의 속도로 반응챔버 내부로 연속적으로 공급하는 반응기판 공급하였다.Then, the graphene oxide fabric was supplied to the reactor substrate continuously supplied into the reaction chamber at a rate of 1 mm/min to 600 mm/min using a feed roll device.
반응챔버 산화그래핀 직물이 환원되도록 1.0 kHz 내지 9.0 GHz, 100 W ~ 600 W의 플라즈마를 공급하여 산화그래핀을 환원시켰다. 반응 가스로서 수소 및 비활성 운반 가스로서 헬륨의 혼합 가스를 사용하였다.A plasma of 1.0 kHz to 9.0 GHz, 100 W to 600 W was supplied to reduce the graphene oxide fabric in the reaction chamber to reduce the graphene oxide. A mixed gas of hydrogen and helium as an inert carrier gas was used as the reaction gas.
회수 롤장치를 이용하여 반응챔버로부터 환원된 그래핀 직물을 연속 공정을 통해 권취하여 회수하였다.The graphene fabric reduced from the reaction chamber was recovered by winding through a continuous process using a recovery roll device.
산화그래핀 직물을 장착하는 단계 이후의 모든 단계는 내장된 통제프로그램에 의하여 설정된 단계와 값에 따라 자동으로 진행하였다.All steps after the step of mounting the graphene oxide fabric were automatically performed according to the steps and values set by the built-in control program.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따라 제조한 환원된 그래핀 직물의 임피던스 측정 결과 그래프이다. 환원 공정이 진행됨에 따라 전기전도도가 10 5 배 이상 증가한 것이 확인되었다. 공정의 최적화와 환원사이클 수를 통해 전기전도도의 추가 향상이 기대된다. 7 is a graph of the impedance measurement result of the reduced graphene fabric prepared according to Example 2 of the present invention. As the reduction process progressed, it was confirmed that the electrical conductivity increased by more than 10 5 times. Further improvement of electrical conductivity is expected through optimization of the process and the number of reduction cycles.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치(PECVD)의 플라즈마 발생부에서 그래핀 합성을 나타낸 도면이다. 언와인더와 와인더에 공급된 직물이나 금속필름은 온도 제어가 가능한 코일 전극으로 감싼 쿼츠 튜브(챔버)를 통과하고 고온 퍼니스로 공급된다. 이 때 코일에는 1.0 kHz 내지 9.0 GHz의 전류가 흐를 수 있고, 쿼츠 내부에서 ICP 플라즈마 방전이 가능하다.8A is a diagram illustrating graphene synthesis in a plasma generating unit of a roll-to-roll large-area graphene synthesis apparatus (PECVD) according to an embodiment of the present invention. The fabric or metal film supplied to the unwinder and the winder is passed through a quartz tube (chamber) wrapped with a temperature-controlled coil electrode and fed to a high-temperature furnace. At this time, a current of 1.0 kHz to 9.0 GHz may flow through the coil, and ICP plasma discharge is possible inside the quartz.
도 8b는 도 8a에서 제시된 코일이 고온 퍼니스와 함께 있는 도면이다. 이 경우 고온의 ICP 플라즈마를 이용하여, 높은 온도에서 그래핀의 합성이 가능하다.Fig. 8b is a view of the coil shown in Fig. 8a with a high-temperature furnace; In this case, graphene can be synthesized at a high temperature by using a high-temperature ICP plasma.
도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따른 롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치(PECVD)의 두 개의 환형 코일을 고온 퍼니스가 포함된 쿼츠 튜브 외부의 양단에 두고 전기장을 인가하여 쿼츠튜브 내부에 CCP 플라즈마 방전을 통해 그래핀을 합성하는 공정을 나타내는 도면이다.FIG. 9a shows two annular coils of a roll-to-roll large-area graphene synthesis apparatus (PECVD) according to an embodiment of the present invention at both ends outside a quartz tube containing a high-temperature furnace and applying an electric field to the inside of the quartz tube. It is a diagram showing the process of synthesizing graphene through discharge.
도 9b는 도 9a에서 제시된 환형 코일을 고온 퍼니스 내부에 두고 쿼츠 튜브 외부에서 전기장을 인가하여 쿼츠 튜브 내부에 고온의 CCP 플라즈마를 방전하는 공정을 나타내는 도면이다. 9B is a view showing a process of discharging high-temperature CCP plasma inside the quartz tube by placing the annular coil shown in FIG. 9A inside the high-temperature furnace and applying an electric field from the outside of the quartz tube.
도 10a는 도 9a의 환형 코일을 고온 퍼니스가 포함된 쿼츠 튜브 내부의 양단에 두고 CCP 플라즈마 방전을 통해 그래핀을 합성하는 공정을 나타내는 도면이다.10A is a view showing a process of synthesizing graphene through CCP plasma discharge by placing the annular coil of FIG. 9A at both ends inside a quartz tube containing a high-temperature furnace.
도 10b는 도 9b에서 제시된 환형 코일을 고온 퍼니스 내부에 두고 쿼츠 뷰브 내부에서 전기장을 인가하여 고온의 CCP 플라즈마를 쿼츠튜브 내부에서 방전하고 그래핀을 합성시키는 공정을 나타내는 도면이다.FIG. 10b is a view showing a process of discharging high-temperature CCP plasma inside a quartz tube and synthesizing graphene by placing the annular coil shown in FIG.
도 11a는 본 발명의 일 실시예에 따른 롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치(PECVD)의 쿼츠 뷰트 외부의 윗면과 아랫면에서 일정한 크기의 환형 전극을 감싸고 전기장을 인가함으로써 플라즈마를 얻는 공정을 나타내는 도면이다. 이 때 퍼니스는 방전이 일어나는 영역에 두면 고온의 CCP 플라즈마를 얻을 수 있다. 11A is a view showing a process of obtaining plasma by wrapping an annular electrode of a certain size on the outer top and bottom surfaces of a quartz butte of a roll-to-roll large-area graphene synthesis apparatus (PECVD) according to an embodiment of the present invention and applying an electric field. . At this time, if the furnace is placed in the region where the discharge occurs, high-temperature CCP plasma can be obtained.
도 11b는 도 11a에서와 같이 쿼츠 뷰트 내부의 윗면과 아랫면에서 일정한 크기의 환형 전극을 감싸고 전기장을 인가함으로써 플라즈마를 얻는 공정을 나타내는 도면이다. 이 때 퍼니스는 방전이 일어나는 영역에 두면 고온의 CCP 플라즈마를 얻을 수 있다.11B is a diagram illustrating a process of obtaining plasma by enclosing an annular electrode of a certain size on the upper and lower surfaces of the quartz butte and applying an electric field as in FIG. 11A . At this time, if the furnace is placed in the region where the discharge occurs, high-temperature CCP plasma can be obtained.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치(PECVD)의 쿼츠 뷰트 내부에서 튜브와 나란하게 평판형 전극을 두고 플라즈마를 얻는 구조이다. 이 때 퍼니스는 방전이 일어나는 영역에 두면 고온의 CCP 플라즈마를 얻을 수 있다.12 is a structure for obtaining plasma by placing a flat electrode in parallel with a tube inside a quartz butte of a roll-to-roll large-area graphene synthesis apparatus (PECVD) according to an embodiment of the present invention. At this time, if the furnace is placed in the region where the discharge occurs, high-temperature CCP plasma can be obtained.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with reference to the limited drawings, those skilled in the art may apply various technical modifications and variations based on the above. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the described components of the system, structure, apparatus, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components Or substituted or substituted by equivalents may achieve an appropriate result.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (18)

  1. 외부와 밀폐되게 형성되는 반응 챔버;The reaction chamber is formed to be sealed with the outside;
    상기 반응 챔버 내부에 구비되고 반응 기판을 권출하는 공급 롤장치;a supply roll device provided inside the reaction chamber and for unwinding the reaction substrate;
    상기 반응 챔버 내부로 그래핀 합성에 필요한 가스를 공급하는 가스 공급부;a gas supply unit for supplying a gas necessary for graphene synthesis into the reaction chamber;
    상기 반응 챔버 내부에 플라즈마를 공급하는 플라즈마 공급부;a plasma supply unit supplying plasma to the inside of the reaction chamber;
    상기 반응 챔버 내에서 그래핀 합성이 이루어지는 가열부; 및a heating unit for synthesizing graphene in the reaction chamber; and
    상기 가열부로부터 합성된 대면적 그래핀을 회수하는 회수 롤장치;a recovery roll device for recovering the synthesized large-area graphene from the heating unit;
    를 포함하는, containing,
    롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치.A roll-to-roll large-area graphene synthesis device.
  2. 제1항에 있어서,According to claim 1,
    상기 반응 챔버는, 상기 공급 롤장치에서 상기 회수 롤장치까지 일체형으로 연결되며, 교체가 가능한 것이고, The reaction chamber is integrally connected from the supply roll device to the recovery roll device and is replaceable,
    상기 플라즈마 공급부 및 상기 가열부는, 상기 반응 챔버 외부를 감싸고 있는 것인,The plasma supply unit and the heating unit will surround the outside of the reaction chamber,
    롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치.A roll-to-roll large-area graphene synthesis device.
  3. 제1항에 있어서,According to claim 1,
    상기 공급 롤장치 및 상기 회수 롤장치는 양방향으로 이동이 가능하고, The supply roll device and the recovery roll device are movable in both directions,
    상기 반응 기판의 공급 및 상기 대면적 그래핀의 회수는 양방향으로 가능한 것인,Supply of the reaction substrate and recovery of the large-area graphene is possible in both directions,
    롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치.A roll-to-roll large-area graphene synthesis device.
  4. 제1항에 있어서,According to claim 1,
    상기 플라즈마 공급부는 ICP 플라즈마 공급부를 포함하고,The plasma supply unit includes an ICP plasma supply unit,
    상기 플라즈마 공급부는, 쿼츠 튜브 내부, 외부 또는 이 둘에서 원형, 헬리컬형, 평판형 및 환형으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것인,Wherein the plasma supply unit is selected from the group consisting of a circle, a helical type, a plate type and annular shape in the inside, outside, or both of the quartz tube,
    롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치.A roll-to-roll large-area graphene synthesis device.
  5. 제1항에 있어서,According to claim 1,
    상기 대면적 그래핀은, 그래핀, 그래핀 직물 또는 이 둘을 포함하는 것인, The large-area graphene, which includes graphene, graphene fabric, or both,
    롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치.A roll-to-roll large-area graphene synthesis device.
  6. 제1항에 있어서,According to claim 1,
    상기 공급 롤장치 및 상기 회수 롤장치의 축길이는 1.0 m 내지 3.0 m 인 것인,The axial length of the supply roll device and the recovery roll device is 1.0 m to 3.0 m,
    롤투롤 대면적 그래핀 합성 장치.A roll-to-roll large-area graphene synthesis device.
  7. 공급 롤장치에 반응 기판을 장착하는 반응 기판 장착 단계;A reaction substrate mounting step of mounting the reaction substrate to the supply roll device;
    내부환경과 외부환경을 분리하도록 반응 챔버를 밀폐하고 진공을 형성하는 반응 챔버 밀폐 및 진공 형성 단계;sealing the reaction chamber and forming a vacuum to separate the internal environment from the external environment;
    상기 반응 기판을 공급 롤장치를 이용하여 반응 챔버 내부로 연속적으로 공급하는 반응 기판 공급 단계;a reaction substrate supply step of continuously supplying the reaction substrate into the reaction chamber by using a supply roll device;
    가스 공급부를 통하여 상기 반응 챔버 내부에 기상 전구체를 공급하고, 상기 반응 기판에 그래핀이 증착되도록 플라즈마 및 열 에너지를 공급하여 그래핀을 합성하는 그래핀 합성 단계; 및a graphene synthesis step of synthesizing graphene by supplying a gaseous precursor into the reaction chamber through a gas supply unit, and supplying plasma and thermal energy to deposit graphene on the reaction substrate; and
    회수 롤장치를 이용하여 상기 반응 챔버로부터 제조된 대면적 그래핀을 연속 공정을 통해 회수하는 대면적 그래핀 회수 단계;a large-area graphene recovery step of recovering the large-area graphene prepared from the reaction chamber through a continuous process using a recovery roll device;
    를 포함하는,containing,
    대면적 그래핀의 제조방법.Method for manufacturing large-area graphene.
  8. 제7항에 있어서,8. The method of claim 7,
    상기 반응 기판의 공급 단계 이후에,After the step of supplying the reaction substrate,
    기상 전구체, 운반 가스, 반응 가스 또는 이들의 혼합기체를 비율과 유량을 제어하여 상기 반응 챔버로 공급하는 기체 공급 단계;a gas supply step of supplying a gaseous precursor, a carrier gas, a reaction gas, or a mixture thereof to the reaction chamber by controlling a ratio and a flow rate;
    를 더 포함하는,further comprising,
    대면적 그래핀의 제조방법.Method for manufacturing large-area graphene.
  9. 제8항에 있어서,9. The method of claim 8,
    상기 기상 전구체는, 메탄(CH 4), 아세틸렌(C 2H 2), 에틸렌(C 2H 4), 에탄(C 2H 6), 프로펜(C 3H 6) 및 프로판(C 3H 8)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고,The gaseous precursor is methane (CH 4 ), acetylene (C 2 H 2 ), ethylene (C 2 H 4 ), ethane (C 2 H 6 ), propene (C 3 H 6 ) and propane (C 3 H 8 ) ) comprising at least one selected from the group consisting of,
    상기 운반 가스는, 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe), 라돈(Rn) 및 질소(N)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 비활성 가스를 포함하고, The carrier gas is at least one selected from the group consisting of helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe), radon (Rn) and nitrogen (N). contains gas;
    상기 반응 가스는 수소를 포함하는 것인, The reaction gas will include hydrogen,
    대면적 그래핀의 제조방법.Method for manufacturing large-area graphene.
  10. 제7항에 있어서,8. The method of claim 7,
    상기 반응 기판은, 금속촉매 기판, 비촉매 직물기판 또는 이 둘을 포함하는 것인,The reaction substrate will include a metal catalyst substrate, a non-catalyst fabric substrate, or both,
    대면적 그래핀의 제조방법.Method for manufacturing large-area graphene.
  11. 제10항에 있어서,11. The method of claim 10,
    상기 금속촉매 기판은, Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고,The metal catalyst substrate is at least one selected from the group consisting of Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V and Zr. including,
    상기 비촉매 직물기판은, 탄소섬유, 활성탄소섬유, 유리섬유, 케볼라 및 무기질 섬유로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,The non-catalytic fabric substrate, which includes at least one selected from the group consisting of carbon fibers, activated carbon fibers, glass fibers, Kevola and inorganic fibers,
    대면적 그래핀의 제조방법.Method for manufacturing large-area graphene.
  12. 제7항에 있어서,8. The method of claim 7,
    상기 그래핀 합성 단계는, 300 ℃ 내지 1000 ℃의 온도 범위에서 수행되는 것인,The graphene synthesis step is performed at a temperature range of 300 ° C to 1000 ° C.
    대면적 그래핀의 제조방법.Method for manufacturing large-area graphene.
  13. 제7항에 있어서,8. The method of claim 7,
    상기 그래핀 합성 단계는, 상기 반응 기판 표면에 평행한 방향으로 합성되고,The graphene synthesis step is synthesized in a direction parallel to the surface of the reaction substrate,
    단층 그래핀 또는 다층 그래핀이 합성되는 것인, Single-layer graphene or multi-layer graphene is synthesized,
    대면적 그래핀의 제조방법.Method for manufacturing large-area graphene.
  14. 제7항에 있어서,8. The method of claim 7,
    상기 그래핀 합성 단계에서, In the graphene synthesis step,
    10 kHz 내지 30 GHz의 AC 전원을 인가하여 플라즈마를 방전하는 것인,Discharging the plasma by applying an AC power of 10 kHz to 30 GHz,
    대면적 그래핀의 제조방법.Method for manufacturing large-area graphene.
  15. 제7항에 있어서,8. The method of claim 7,
    상기 반응 기판 공급 단계 및 상기 대면적 그래핀 회수 단계는,The reaction substrate supply step and the large-area graphene recovery step are,
    1 mm/min 내지 600 mm/min의 속도로 제어되고, 자동 장력제어에 의해 상기 기판 공급 및 상기 대면적 그래핀이 회수되는 것인,Controlled at a speed of 1 mm / min to 600 mm / min, the substrate supply and the large-area graphene is recovered by automatic tension control,
    대면적 그래핀의 제조방법.Method for manufacturing large-area graphene.
  16. 공급 롤장치에 산화그래핀 직물을 장착하는 산화그래핀 직물 장착 단계;Graphene oxide fabric mounting step of mounting the graphene oxide fabric on the supply roll device;
    반응 챔버를 밀폐하고 진공을 형성하는 반응 챔버 밀폐 및 진공 형성 단계;sealing the reaction chamber and forming a vacuum, sealing the reaction chamber and forming a vacuum;
    상기 산화그래핀 직물을 공급 롤장치를 이용하여 상기 반응 챔버 내부로 연속적으로 공급하는 산화그래핀 직물 공급 단계;a graphene oxide fabric supply step of continuously supplying the graphene oxide fabric into the reaction chamber using a supply roll device;
    상기 반응 챔버에, 플라즈마, 열에너지 또는 이 둘을 공급하여 산화그래핀 직물을 환원하는 산화그래핀 직물 환원 단계; 및a graphene oxide fabric reduction step of reducing the graphene oxide fabric by supplying plasma, thermal energy, or both to the reaction chamber; and
    회수 롤장치를 이용하여 상기 반응 챔버로부터 환원된 그래핀 직물을 연속 공정을 통해 회수하는 환원된 그래핀 직물 회수단계;a reduced graphene fabric recovery step of recovering the reduced graphene fabric from the reaction chamber through a continuous process using a recovery roll device;
    를 포함하는,containing,
    산화그래핀 직물의 환원방법.Reduction method of graphene oxide fabric.
  17. 제16항에 있어서,17. The method of claim 16,
    상기 산화그래핀 직물 환원 단계는, 대기압 조건, 진공 조건 또는 이 둘 모두에서 수행되는 것이고,The graphene oxide fabric reduction step is to be carried out under atmospheric pressure conditions, vacuum conditions, or both,
    PECVD의 쿼츠 튜브와 고온 퍼니스를 함께 사용하여 온도제어가 가능한 CCP와 ICP를 얻을 수 있는 플라즈마를 방전하는 것인,It is to discharge plasma that can obtain CCP and ICP with temperature control using a quartz tube of PECVD and a high-temperature furnace together.
    산화그래핀 직물의 환원방법.Reduction method of graphene oxide fabric.
  18. 제16항에 있어서,17. The method of claim 16,
    상기 산화그래핀 직물 환원 단계는,The graphene oxide fabric reduction step is,
    0.1 mTorr 내지 760 Torr의 압력 조건에서 1.0 kHz 내지 9.0 GHz의 AC 전원을 인가하여 플라즈마를 방전하는 것인,To discharge the plasma by applying an AC power of 1.0 kHz to 9.0 GHz under a pressure condition of 0.1 mTorr to 760 Torr,
    산화그래핀 직물의 환원방법.Reduction method of graphene oxide fabric.
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