KR101198482B1 - Manufacturing apparatus and method for graphene using flash ramp, and graphene manufactured by the same - Google Patents

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Abstract

플래쉬 램프를 이용한 그래핀 제조방법, 제조장치 및 이를 이용하여 제조된 그래핀이 제공된다.
본 발명에 따른 그래핀 제조장치는 기판; 상기 기판의 일 측면으로 반응가스가 유입되는 유입부; 상기 유입된 반응가스가 상기 기판의 타 측면으로 배출되는 배출부; 및 상기 기판으로부터 이격되어 상기 기판에 빛을 조사하기 위한 플래쉬 램프를 포함하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 그래핀 제조방법 및 장치는 대면적으로 조사되는 플래쉬 램프의 열을 이용, 그래핀 성장가스를 반응시켜 기판 상에 그래핀을 성장시킨다. 따라서, 종래 기술에 비하여 보다 경제적인 방식으로, 대면적의 그래핀 제조가 가능하다.Provided are a graphene manufacturing method using a flash lamp, a manufacturing apparatus, and graphene manufactured using the same.
Graphene manufacturing apparatus according to the present invention is a substrate; An inlet part through which a reaction gas flows into one side of the substrate; A discharge part through which the introduced reaction gas is discharged to the other side of the substrate; And a flash lamp spaced apart from the substrate to irradiate light onto the substrate, wherein the graphene manufacturing method and apparatus according to the present invention utilizes heat of a flash lamp irradiated in a large area to grow graphene. The gas is reacted to grow graphene on the substrate. Thus, large area graphene production is possible in a more economical manner than in the prior art.

Description

플래쉬 램프를 이용한 그래핀 제조장치, 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 그래핀{Manufacturing apparatus and method for graphene using flash ramp, and graphene manufactured by the same}Graphene manufacturing apparatus using a flash lamp, a manufacturing method and a graphene manufactured using the same {Manufacturing apparatus and method for graphene using flash ramp, and graphene manufactured by the same}

본 발명은 플래쉬 램프를 이용한 그래핀 제조장치, 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 그래핀에 관한 것으로, 보다 상세하게는 그래핀을 플래쉬 램프를 이용하여 대면적의 그래핀을 경제적으로 제조할 수 있는, 플래쉬 램프를 이용한 그래핀 제조방법, 제조장치 및 이를 이용하여 제조된 그래핀에 관한 것이다.
The present invention relates to a graphene manufacturing apparatus using a flash lamp, a manufacturing method, and a graphene manufactured using the same, and more specifically, graphene can be economically manufactured in a large area using a flash lamp. The present invention relates to a graphene manufacturing method using a flash lamp, a manufacturing apparatus, and a graphene manufactured using the same.

그래핀(graphene)은 탄소원자가 2차원(2D) 격자 내로 채워진 평면 단일층 구조를 의미하며, 이것은 모든 다른 차원구조의 흑연(graphite) 물질의 기본 구조를 이룬다. 즉, 상기 그래핀은 0차원 구조인 풀러린(fullerene), 1차원 구조인 나노튜브 또는 3차원 구조로 적층된 흑연의 기본 구조가 될 수 있다. 2004년 Novoselev 등은 SiO2/Si 기판의 상부 상에서 프리-스탠딩 그래핀 단일층을 수득하였다고 보고하였으며, 이것은 기계적인 미세 분할법에 의하여 실험적으로 발견되었다. Graphene refers to a planar monolayer structure in which carbon atoms are filled into a two-dimensional (2D) lattice, which forms the basis for all other dimensional graphite materials. That is, the graphene may be a basic structure of graphite stacked in a fullerene, a one-dimensional nanotube, or a three-dimensional structure. In 2004, Novoselev et al reported that a free-standing graphene monolayer was obtained on top of a SiO 2 / Si substrate, which was found experimentally by mechanical microfractionation.

최근 많은 연구그룹들이 그래핀이 갖는 허니콤(벌집) 형태의 결정 구조, 두 개의 상호침투하는 삼각 형태의 하위 격자 구조, 및 하나의 원자 크기에 해당하는 두께 등에 의하여 그래핀이 특이한 물리적 특성(예를 들면 제로 밴드갭)을 보이는 점에 주목한다. 또한 그래핀은 특이한 전하 운송 특성을 갖는데, 이로 인하여 그래핀은 종래에는 관찰되지 않았던 독특한 현상을 보여준다. 예를 들면, 반정수 양자 홀 효과 및 바이폴라 초전류 트랜지스터 효과 등이 그 예이며, 이 또한 상기 설명한 그래핀의 특유한 구조에 기인하는 것으로 여겨진다. In recent years, many research groups have identified graphene's unique physical properties due to its honeycomb crystal structure, two interpenetrating triangular sub lattice structures, and the thickness of one atomic size. Note that for example a zero bandgap is shown. In addition, graphene has unique charge transport characteristics, which causes graphene to exhibit a unique phenomenon that has not been observed in the past. For example, the semi-integer quantum Hall effect, the bipolar supercurrent transistor effect, and the like are examples, and this is also considered to be due to the unique structure of the graphene described above.

이러한 그래핀의 공정 처리와 응용에 있어서 그래핀의 응집 방지가 매우 중요하다. 즉, 하나의 원자 크기의 두께를 갖는 박편(시트)형태의 그래핀은 상호간의 표면 에너지에 기인하여 응집하려는 특성을 보이며, 이는 그래핀의 직접 제조, 특히 친수성 용매에서의 제조를 매우 어렵게 한다. 따라서, 현재 대부분의 연구그룹들은 변형된 Hummer법에 의하여 그래핀 산화물(graphine oxide, GO)을 먼저 제조한 후, 이를 다시 환원시키는, 비교적 복잡한 공정에 의하여 그래핀을 제조하고 있다(종래기술 1). 산화 공정에 의하여 제조된 그래핀 산화물 이외에, 또 다른 종래기술로서 N-메틸-피롤리돈, γ-부티로락톤 등과 같은 유기 용매에서의 흑연을 박리시키고, 이에 따라 얻어진 그래핀을 분산시키는 유기용매-기반 그래핀 제조방법이 개시되고 있다 (종래기술 2). 즉, 상기 유기용매법은 그래핀-그래핀 시트간의 상호 에너지와 유사한 수준의 그래핀-유기용매간의 상호 에너지를 이용하여, 그래핀간의 응집을 방지하는 기술이다. 하지만 종래 기술 1, 2에서 얻어지는 그래핀 크기는 나노미터에서 마이크로미터 수준에 불과하다. 따라서, 종래 기술 1, 2는 대면적의 그래핀을 제조하기에는 부적합하다는 문제가 있다. In the processing and application of graphene, it is very important to prevent the aggregation of graphene. In other words, graphene in the form of flakes (sheets) having a thickness of one atomic size exhibits a property to agglomerate due to mutual surface energy, which makes direct manufacture of graphene, especially in a hydrophilic solvent, very difficult. Therefore, most research groups are currently producing graphene by a relatively complicated process of preparing graphene oxide (GO) by a modified Hummer method and then reducing it again (Prior Art 1). . In addition to the graphene oxide prepared by the oxidation process, as another conventional technique, an organic solvent for exfoliating graphite in an organic solvent such as N-methyl-pyrrolidone, γ-butyrolactone, and the like, and dispersing the obtained graphene A method for preparing graphene-based graphene is disclosed (prior art 2). That is, the organic solvent method is a technique for preventing aggregation between graphenes by using mutual energy between graphene-organic solvents at a level similar to mutual energy between graphene-graphene sheets. However, the graphene sizes obtained in the prior arts 1 and 2 are only in the nanometer to micrometer level. Therefore, the prior arts 1 and 2 have a problem that they are not suitable for producing a large area of graphene.

또 다른 방식의 그래핀 제조방법은 테이프 등에 의하여 흑연으로부터 그래핀 시트를 물리적으로 박리시키고, 이를 다시 실리콘 기판상에서 반복, 적층시키는 기계적 미세분할법이다(종래기술 3). 하지만, 상기 종래기술 3에서 얻어지는 그래핀의 크기는 수십에서 수백 마이크론 단위에 불과하므로, 이 역시 대면적의 그래핀 필름을 제조하기에는 부적합하다는 문제가 있다. 최근에 보고된 화학기상증착(chemical vapor deposition)에 의한 대면적 그래핀 제조 방법은 복잡한 공정 및 고가의 장치가 필요하다는 단점을 가지고 있다. 결국, 현재 개시된 종래 기술은 상당한 시간을 요하거나 경제적으로 대면적 그래핀 필름을 제조하기에는 부적합하다는 한계를 가지고 있다. Another method for producing graphene is a mechanical microfractionation method of physically peeling a graphene sheet from graphite by a tape or the like, and repeating and laminating it on a silicon substrate (prior art 3). However, since the size of the graphene obtained in the prior art 3 is only a few tens to hundreds of micron units, this also has a problem that is not suitable for producing a large-area graphene film. Recently reported methods for producing large-area graphene by chemical vapor deposition have the disadvantage of requiring complicated processes and expensive devices. As a result, the presently disclosed prior art has the limitation that it takes considerable time or is not economically suitable for producing large-area graphene film.

따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는 종래 기술에 비하여 보다 경제적인 방식으로 대면적 그래핀 제조가 가능한 그래핀 제조방법을 제공하는 것이다. Accordingly, the problem to be solved by the present invention is to provide a graphene manufacturing method capable of manufacturing large-area graphene in a more economical manner than the prior art.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 대면적의 그래핀 제조가 가능한 그래핀 제조장치를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a graphene manufacturing apparatus capable of manufacturing a large area of graphene.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 상술한 방법 및 장치에 의하여 제조된 그래핀을 제공하는 것이다.
Another object of the present invention is to provide a graphene manufactured by the above-described method and apparatus.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 그래핀 제조장치로서, 그래핀이 성장하기 위한 기판; 상기 기판의 일 측면으로 반응가스가 유입되는 유입부; 상기 유입된 반응가스가 상기 기판의 타 측면으로 배출되는 배출부; 및 상기 기판으로부터 이격되어 상기 기판에 빛을 조사하기 위한 플래쉬 램프를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조장치를 제공한다 .In order to solve the above problems, the present invention provides a graphene manufacturing apparatus, a substrate for growing graphene; An inlet part through which a reaction gas flows into one side of the substrate; A discharge part through which the introduced reaction gas is discharged to the other side of the substrate; And a flash lamp spaced apart from the substrate for irradiating light to the substrate.

본 발명의 일 실시예에서 상기 플래쉬 램프는 복수 개이다. In one embodiment of the present invention there are a plurality of flash lamps.

본 발명의 일 실시예에서 상기 반응가스는 메탄 및 수소를 포함한다. In one embodiment of the present invention, the reaction gas includes methane and hydrogen.

본 발명의 일 실시예에서 상기 그래핀 제조장치는 플래쉬 램프 후단에 상기 플래쉬 램프로부터 조사된 빛을 전면으로 반사시키기 위한 반사 수단이 더 구비된다. In one embodiment of the present invention the graphene manufacturing apparatus is further provided with a reflecting means for reflecting the light emitted from the flash lamp to the front in the rear of the flash lamp.

본 발명의 일 실시예에서 상기 반사 수단은 곡면 거울이다. In one embodiment of the invention said reflecting means is a curved mirror.

상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 기판 표면 상에 반응가스를 접촉시키는 단계; 및 반응가스가 접촉된 기판 표면 상에 플래쉬 램프로 빛을 조사하여, 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법을 제공한다. In order to solve the above another problem, the present invention comprises the steps of contacting the reaction gas on the substrate surface; And irradiating light with a flash lamp on the surface of the substrate to which the reaction gas is contacted, thereby heating the graphene.

본 발명의 일 실시예에서 상기 반응가스는 메탄 및 수소를 포함한다. In one embodiment of the present invention, the reaction gas includes methane and hydrogen.

본 발명의 일 실시예에서 상기 플래쉬 램프는 복수 개이며, 상기 복수 개의 플래쉬 램프에 의하여 조사되는 빛은 상기 기판의 모든 영역에 도달한다. In one embodiment of the present invention, there are a plurality of flash lamps, and the light irradiated by the plurality of flash lamps reaches all regions of the substrate.

본 발명의 일 실시예에서 상기 반응가스는 상기 기판 표면 상의 일 측면으로부터 유입되어, 타 측면으로 배출된다. In one embodiment of the present invention, the reaction gas is introduced from one side on the substrate surface, and discharged to the other side.

상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상술한 방법에 의하여 제조된 그래핀을 제공한다. In order to solve the above another problem, the present invention provides a graphene produced by the above-described method.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 그래핀 제조방법으로 기판 상에 금속층을 적층하는 단계; 상기 금속층 표면 상에 반응가스를 접촉시키는 단계; 및 반응가스가 접촉된 금속층 표면 상에 플래쉬 램프로 빛을 조사하여, 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법을 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention comprises the steps of laminating a metal layer on a substrate by a graphene manufacturing method; Contacting a reaction gas on the surface of the metal layer; And irradiating light with a flash lamp on the surface of the metal layer contacted with the reaction gas, thereby heating the graphene.

본 발명의 일 실시예에서 상기 반응가스는 메탄 및 수소를 포함한다. In one embodiment of the present invention, the reaction gas includes methane and hydrogen.

본 발명의 일 실시예에서 상기 플래쉬 램프는 복수 개이며, 상기 복수 개의 플래쉬 램프에 의하여 조사되는 빛은 상기 금속층의 모든 영역에 도달한다. In one embodiment of the present invention, there are a plurality of flash lamps, and the light irradiated by the plurality of flash lamps reaches all regions of the metal layer.

본 발명의 일 실시예에서 상기 금속층은 구리 또는 니켈을 포함한다. In one embodiment of the invention the metal layer comprises copper or nickel.

상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상술한 방법에 의하여 제조된 그래핀을 제공한다. In order to solve the above another problem, the present invention provides a graphene produced by the above-described method.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 그래핀 제조방법으로, SiC 기판에 플래쉬 램프로 빛을 조사하는 단계; 상기 조사된 빛에 의하여 SiC 기판의 실리콘이 승화하는 단계; 및 기판 표면에 잔존하는 탄소가 그래핀으로 성장하는 단계를 포함한다. In order to solve the above problems, the present invention is a graphene manufacturing method, the step of irradiating light to a SiC substrate with a flash lamp; Subliming silicon of the SiC substrate by the irradiated light; And growing carbon remaining on the surface of the substrate into graphene.

본 발명의 일 실시예에서 상기 방법은 수소가스에 의한 환원분위기에서 수행된다.
In one embodiment of the invention the method is carried out in a reducing atmosphere by hydrogen gas.

본 발명에 따른 그래핀 제조방법 및 장치는 대면적으로 조사되는 플래쉬 램프의 열을 이용, 그래핀 성장가스를 반응시켜 기판 상에 그래핀을 성장시킨다. 따라서, 종래 기술에 비하여 보다 경제적인 방식으로, 대면적의 그래핀 제조가 가능하다.
The graphene manufacturing method and apparatus according to the present invention grow graphene on a substrate by reacting graphene growth gas using heat of a flash lamp irradiated with a large area. Thus, large area graphene production is possible in a more economical manner than in the prior art.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조장치의 모식도이다.
도 2 내지 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조방법의 단계별 단면도 및 평면도이다.
도 5 내지 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조방법의 단계별 단면도 및 평면도이다.
도 9 내지 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조방법의 단계별 단면도 및 평면도이다.
1 is a schematic diagram of a graphene manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 to 4 is a cross-sectional view and a plan view of a graphene manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
5 to 8 are step-by-step cross-sectional view and plan view of a graphene manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
9 to 11 is a cross-sectional view and a plan view of a graphene manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 본 명세서 전반에 걸쳐 표시되는 약어는 본 명세서 내에서 별도의 다른 지칭이 없다면 당업계에서 통용되어, 이해되는 수준으로 해석되어야 한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The following embodiments are provided as examples to ensure that the spirit of the present invention can be fully conveyed to those skilled in the art. Therefore, the present invention is not limited to the embodiments described below, but may be embodied in other forms. In the drawings, the width, length, thickness, etc. of the components may be exaggerated for convenience. Like numbers refer to like elements throughout. In addition, abbreviations displayed throughout this specification should be interpreted to the extent that they are known and used in the art unless otherwise indicated herein.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 그래핀 제조방법 및 제조장치는 인가되는 전기에너지에 따라 빛 에너지를 발생시키는 플래쉬 램프를 이용하여 그래핀을 제조한다. 즉, 나노초 수준으로 빛을 조사하는 레이저에 의한 국소 에너지(보다 정확하게는 국소 열 에너지) 집중 방식 대신, 레이저 등에 비하여 장시간인 밀리초 단위로 열 에너지 공급이 가능한 플래쉬 램프를 사용하여 그래핀을 제조한다. 따라서, 플래쉬 램프의 장점, 즉, 넓은 조사면적, 밀리초 수준의 조사 시간, 저렴한 제조비용을 활용하여, 대면적 그래핀 제조가 가능하다. As described above, the graphene manufacturing method and apparatus according to the present invention manufacture graphene using a flash lamp that generates light energy according to an applied electrical energy. That is, graphene is manufactured using a flash lamp capable of supplying thermal energy in millisecond units, which is longer than laser, instead of local energy (more precisely local thermal energy) intensive method by laser irradiating light at nanosecond level. . Therefore, utilizing the advantages of the flash lamp, that is, a large irradiation area, millisecond level of irradiation time, low production cost, it is possible to produce large area graphene.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조장치의 모식도로서, 상기 그래핀 제조장치는 빛에 의하여 열 에너지를 공급할 수 있는 복수 개의 플래쉬 램프를 포함한다. 또한 본 발명의 일 실시예에서 상기 복수 개의 플래쉬 램프는 소정 간격으로 이격되어 전면에 구비된 기판의 모든 영역에 빛을 조사하는 것이 바람직하다.1 is a schematic diagram of a graphene manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention, the graphene manufacturing apparatus includes a plurality of flash lamps that can supply heat energy by light. In addition, in one embodiment of the present invention, the plurality of flash lamps are preferably spaced at predetermined intervals to irradiate light to all areas of the substrate provided on the front.

도 1을 참조하면, 상기 제조장치는 그래핀이 성장하여, 증착되는 기판(10) 및 상기 기판의 양 측면에 각각 구비되어, 그래핀 성장을 위한 반응가스가 유입되는 유입부(20) 및 배출부(30)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 반응가스는 메탄과 수소를 포함하며, 플래쉬 램프에 의하여 인가되는 열 에너지에 의하여 상기 반응가스는 기판 상에서 분해되어, 그래핀으로 성장된다. Referring to Figure 1, the manufacturing apparatus is provided with graphene is grown, the substrate 10 is deposited on both sides of the substrate, respectively, the inlet 20 and the discharge inlet for the reaction gas for graphene growth The unit 30 is included. In an embodiment of the present invention, the reaction gas includes methane and hydrogen, and the reaction gas is decomposed on the substrate by the heat energy applied by the flash lamp, and grown to graphene.

상기 장치는 기판(10)으로부터 이격되어 인가되는 전기에너지에 따라 빛 에너지를 발생시키는 복수 개의 플래쉬 램프(플래쉬 램프 벌브, 40)를 더 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 플래쉬 램프는 제논(Xe) 램프를 사용하였으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다. The apparatus further comprises a plurality of flash lamps (flash lamp bulbs) 40 which generate light energy in accordance with the applied electrical energy spaced apart from the substrate 10. In one embodiment of the present invention, the flash lamp uses a xenon (Xe) lamp, but the scope of the present invention is not limited thereto.

본 발명에 따른 그래핀 제조장치는 또한 플래쉬 램프 후단에 구비되어 후면으로 조사되는 빛을 전면으로 반사시키기 위한 반사 수단(50)이 더 구비될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 반사 수단(50)은 소정의 곡률 반경을 갖는 곡면 거울일 수 있으나, 본 발명의 범위는 이제 제한되지 않는다. Graphene manufacturing apparatus according to the present invention may also be further provided with a reflecting means (50) provided at the rear end of the flash lamp for reflecting the light irradiated to the front to the front. In one embodiment of the present invention, the reflecting means 50 may be a curved mirror having a predetermined radius of curvature, but the scope of the present invention is now not limited.

본 발명은 플래쉬 램프(40)로부터 발생하는 빛을 메탄, 수소를 포함하는 반응가스가 채워진 챔버에 구비된 기판(10)에 조사한다. 이로써 상기 기판(10)에는 조사되는 빛에 의하여 발생하는 열이 발생하며, 발생한 열에 의하여 반응가스는 분해되어 탄소가 기판(10)에 적층되며, 그 결과 그래핀이 제조되며, 부산물인 수소는 기체 형태로 배출된다. In the present invention, the light emitted from the flash lamp 40 is irradiated to the substrate 10 provided in the chamber filled with the reaction gas containing methane and hydrogen. As a result, heat generated by the irradiated light is generated on the substrate 10. The reaction gas is decomposed by the generated heat, and carbon is deposited on the substrate 10. As a result, graphene is produced, and hydrogen, a byproduct, is a gas. Emitted in form.

도 2 내지 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조방법의 단계별 단면도 및 정면도이다. 2 to 4 is a step-by-step cross-sectional view and a front view of a graphene manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 그래핀이 성장, 제조되는 기판(101)이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 기판(101)은 실리콘산화물층을 상부층으로 포함하는 기판이었으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않으며, MgO, Al2O3, Si 기판 등도 가능하다. 또한 상기 기판은 실리콘산화물층위에 구리, 니켈과 같은 촉매금속층이 적층된 형태일 수 있는데, 이는 별도의 실시예와 도면을 통하여 아래에서 설명한다. 유입된 반응가스는 플래쉬 램프로부터 조사되는 열에 의하여 분해되어, 그래핀으로 성장한다. Referring to FIG. 2, a substrate 101 on which graphene is grown and manufactured is provided. In one embodiment of the present invention, the substrate 101 was a substrate including a silicon oxide layer as an upper layer, but the scope of the present invention is not limited thereto, and MgO, Al 2 O 3 , and Si substrates may be used. In addition, the substrate may have a form in which a catalyst metal layer such as copper and nickel is stacked on a silicon oxide layer, which will be described below through separate embodiments and drawings. The introduced reaction gas is decomposed by heat radiated from the flash lamp and grows into graphene.

도 3을 참조하면, 탄소공급원(메탄가스, CH4)를 포함하는 반응가스를 기판 측면에서 흘리면서, 플래쉬 램프를 이용, 빛을 상기 기판(101)에 조사한다. 상기 플래쉬 램프에 의한 빛 조사에 따라 열이 기판에 인가되며, 이에 의하여 기판과 접촉하는 반응가스, 특히 탄소를 함유하는 기체종인 메탄은 분해되어, 탄소가 기판(101) 표면에 적층된다. 이후, 적층된 탄소는 공정 진행에 따라 점차 성장하여, 기판 전체에 걸쳐 균일하게 성장한 그래핀으로 전환된다. Referring to FIG. 3, light is irradiated onto the substrate 101 using a flash lamp while flowing a reaction gas including a carbon supply source (methane gas, CH 4 ) from the side of the substrate. Heat is applied to the substrate in response to light irradiation by the flash lamp, whereby the reaction gas in contact with the substrate, in particular, methane, which is a gas species containing carbon, is decomposed to deposit carbon on the surface of the substrate 101. Thereafter, the stacked carbon gradually grows as the process progresses, and is converted into graphene grown uniformly over the entire substrate.

국소 지점으로 과도한 열 에너지를 인가하는 레이저 방식과 달리 본 발명은 기판 전체에 걸쳐 균일한 강도로 빛을 조사할 수 있는 플래쉬 램프를 이용하므로, 기판 전체에서 균일한 속도의 그래핀 성장을 기대할 수 있다. Unlike the laser method of applying excessive thermal energy to a localized point, the present invention uses a flash lamp capable of irradiating light with a uniform intensity over the entire substrate, and thus it is possible to expect a uniform rate of graphene growth throughout the substrate. .

도 4를 참조하면, 도 3의 공정 진행에 따라 기판(101) 상에 그래핀(102)이 성장한다. 이때, 소정 이상의 공정시간이 요구될 수 있는데, 본 발명에 따른 그래핀 제조방법은 특히 지속적인 열 에너지 인가가 가능한 플래쉬 램프를 사용하기 때문에 그래핀 성장을 위한 공정시간의 효과적인 제어가 가능하다. Referring to FIG. 4, the graphene 102 is grown on the substrate 101 as the process of FIG. 3 progresses. At this time, a predetermined or more processing time may be required. In particular, the graphene manufacturing method according to the present invention may use the flash lamp that is capable of continuously applying thermal energy, thereby effectively controlling the processing time for graphene growth.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 그래핀 제조방법은 촉매인 금속층(103)을 상부층으로 포함하는 기판에서 그래핀(102)을 플래쉬 램프로 성장시키는 방식을 제공한다. 기판 상의 금속층(103)은 기판 표면에서의 탄소화를 촉진하는 촉매로 기능한다. The graphene manufacturing method according to another embodiment of the present invention provides a method of growing the graphene 102 into a flash lamp on a substrate including a metal layer 103 as a catalyst as an upper layer. The metal layer 103 on the substrate functions as a catalyst for promoting carbonation on the substrate surface.

도 5 내지 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조방법의 단계별 단면도 및 정면도이다.5 to 8 are step-by-step cross-sectional view and a front view of a graphene manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 그래핀이 성장되는 기판(201)이 개시된다. 본 발명의 Referring to FIG. 5, a substrate 201 in which graphene is grown is disclosed. The

도 6을 참조하면, 상기 기판(201) 상에는 반응가스의 그래파이트화를 위한 촉매로 기능하는 금속층(203)이 적층된다. 상기 금속층(203)의 적층방식은 스퍼터링 공정 등의 방식이 될 수 있으며, 상기 금속층(203)은 구리 또는 니켈 등의 촉매금속층일 수 있다. 또는 상기 기판 자체가 구리 포일일 수 있으며, 이 경우 빛이 조사되는 일 면은 포일 중 구리가 도포된 일 면일 수 있다. Referring to FIG. 6, a metal layer 203 serving as a catalyst for graphite of a reaction gas is stacked on the substrate 201. The stacking method of the metal layer 203 may be a method such as a sputtering process, and the metal layer 203 may be a catalyst metal layer such as copper or nickel. Alternatively, the substrate itself may be a copper foil, and in this case, one surface to which light is irradiated may be one surface to which copper is coated.

도 7을 참조하면, 상기 금속층(203) 표면 상에 반응가스를 흘리면서 플래쉬 램프로 빛을 조사한다. 이로써 조사되는 열에 의하여 반응가스는 분해되며, 특히 촉매 금속층(203)에 의한 효과적인 그래핀 성장이 진행된다. 상기 반응가스는 상술한 바와 같이 탄소를 함유하는 기체(예를 들면 메탄)를 포함하며, 환원분위기를 만들기 위한 수소를 포함할 수 있다. 환원분위기에서 성장한 그래핀은 산소 등에 의하여 산화되는 않게 되며, 이로써 안정한 그래핀 제조가 가능하다. Referring to FIG. 7, light is irradiated with a flash lamp while flowing a reaction gas on the surface of the metal layer 203. As a result, the reaction gas is decomposed by the heat to be irradiated, and in particular, effective graphene growth by the catalytic metal layer 203 proceeds. The reaction gas includes a gas containing carbon (for example, methane) as described above, and may include hydrogen for making a reducing atmosphere. Graphene grown in the reducing atmosphere is not oxidized by oxygen and the like, thereby enabling stable graphene production.

도 8은 도 7의 그래핀 성장 공정의 진행됨에 따라 얻어진 그래핀(202)을 포함하는 기판을 나타낸다. 도 8을 참조하면, 촉매 역할을 수행하는 금속층(203) 상에 소정 두께의 그래핀층(202)이 성장하였음을 알 수 있다.FIG. 8 illustrates a substrate including graphene 202 obtained as the graphene growth process of FIG. 7 proceeds. Referring to FIG. 8, it can be seen that the graphene layer 202 having a predetermined thickness is grown on the metal layer 203 serving as a catalyst.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 그래핀 제조방법은 외부의 반응가스를 기판과 접촉시키는 대신, 기판 자체에 함유된 탄소를 이용, 그래핀을 성장, 제조하는 방법을 제공한다. Graphene manufacturing method according to another embodiment of the present invention provides a method for growing and manufacturing graphene using carbon contained in the substrate itself, instead of contacting the external reaction gas with the substrate.

도 9 내지 11은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 그래핀 제조방법을 설명하는 단계도이다. 9 to 11 are steps illustrating a graphene manufacturing method according to another embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, 탄소(C)가 기판에 함유된 SiC 기판(301)이 개시된다. 도 10을 참조하면, SiC 기판(301)에 플래쉬 램프로 빛이 조사되며, 이로부터 열이 기판에 전달된다. 이때 수소를 미리 주입하여, 챔버 내를 환원분위기로 만드는 것이 중요하다. 플래쉬 램프로부터 조사되는 열에 의하여 SiC 기판의 실리콘은 승화되며, 실리콘이 승화됨으로써 기판 표면에 잔류하는 탄소는 그래핀 형태로 표면에서 성장한다. 소정 시간 경과 후, 도 11에 도시된 바와 같이 기판 전체에 균일한 그래핀(302, 시트)이 성장한다. Referring to FIG. 9, an SiC substrate 301 containing carbon C in a substrate is disclosed. Referring to FIG. 10, light is irradiated onto a SiC substrate 301 with a flash lamp, from which heat is transferred to the substrate. At this time, it is important to inject hydrogen in advance to make the chamber into a reducing atmosphere. The silicon of the SiC substrate is sublimated by the heat radiated from the flash lamp, and the carbon remaining on the substrate surface is grown on the surface in the form of graphene by the silicon sublimation. After a predetermined time elapses, as shown in FIG. 11, uniform graphene 302 (sheet) is grown on the entire substrate.

이상 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. You will understand.

Claims (17)

그래핀 제조방법으로
기판 상에 금속층을 적층하는 단계;
상기 금속층 표면 상에 반응가스를 접촉시키는 단계; 및
반응가스가 접촉된 금속층 표면 상에 플래쉬 램프로 빛을 조사하여, 가열하는 단계를 포함하며, 여기에서 플래쉬 램프는 복수 개이며, 상기 복수 개의 플래쉬 램프에 의하여 조사되는 빛은 상기 금속층의 모든 영역에 도달하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
Graphene manufacturing method
Depositing a metal layer on the substrate;
Contacting a reaction gas on the surface of the metal layer; And
Irradiating light with a flash lamp on the surface of the metal layer to which the reaction gas is contacted, and heating the light, wherein a plurality of flash lamps are provided, and the light irradiated by the plurality of flash lamps is applied to all regions of the metal layer. Graphene manufacturing method, characterized in that reaching.
제 1항에 있어서, 상기 플래쉬 램프로부터 조사된 빛 중 일부는 상기 플래쉬 램프 후면에 구비된 곡면 거울에 의하여 반사되어, 상기 금속층에 조사되는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.

The method of claim 1, wherein some of the light irradiated from the flash lamp is reflected by a curved mirror provided on the rear surface of the flash lamp and irradiated onto the metal layer.

제 2항에 있어서,
상기 반응가스는 메탄 및 수소를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
The method of claim 2,
The reaction gas is graphene manufacturing method characterized in that it comprises methane and hydrogen.
제 1항에 있어서,
상기 금속층은 구리 또는 니켈을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
The method of claim 1,
The metal layer is a graphene manufacturing method, characterized in that containing copper or nickel.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 제조된 그래핀.

Graphene prepared by the method according to any one of claims 1 to 4.

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Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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e-J. Surf. Sci. Nanotech. Vol.7, 2009, pages 882-890 (2009.12.12. 공개)*

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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