KR101211650B1 - 그래핀 제조 방법, 그래핀 제조 장치, 및 그래핀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 그래핀 제조 방법, 그래핀 제조 장치, 및 그래핀을 제공한다. 이 그래핀 제조 방법은 처리 용기 내에 시료를 제공하는 단계, 시료를 공중 부양하는 단계, 및 공중 부양된 시료의 모든 표면에 그래핀을 성장시키는 단계를 포함한다.

Description

그래핀 제조 방법, 그래핀 제조 장치, 및 그래핀{Graphene Manufacturing Method, Graphene Manufacturing Apparatus, and Graphene}
본 발명은 그래핀 제조 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로 공중 부양 기술을 이용한 그래핀 제조 방법에 관한 것이다.
그래핀은 탄소로 이루어진 물질로 흑연과 다이아몬드, 플러렌과 동소체이다. 그래핀은 흑연을 물리적으로 분리시켰을 때 만들어지는 하나의 단층이다. 2차원의 벌집 모양 격자 구조를 가지고 있다. 그래핀은 여러 가지 우수한 성질을 갖고 있다. 그래핀은 우수한 물리적 강도, 우수한 열 전도성, 빠른 전자 이동도, 유연성 등의 특성을 가진다. 그래핀은 결정 성장, 전자공학, 혼합물, 분자 기체 센서, 에너지의 저장 및 변환의 분야 등에 응용될 수 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 시료의 전면에 형성된 그래핀의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 시료의 전면에 형성된 그래핀의 제조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 방법은 처리 용기 내에 시료를 제공하는 단계, 상기 시료를 공중 부양하는 단계, 및 공중 부양된 시료의 모든 표면에 그래핀을 성장시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 장치는 처리 용기, 상기 처리 용기 내에 배치되고 시료를 공중 부양하는 공중 부양부, 상기 시료에 에너지를 인가하는 가열부, 및 상기 처리 용기에 수소 및 탄소를 포함하는 공정 가스를 상기 처리 용기에 제공하는 가스 공급부를 포함한다. 상기 시료는 표면에 전이금속 또는 탄화금속을 포함하는 촉매층을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 장치는 처리 용기, 상기 처리 용기 내에 배치되고 시료를 공중 부양하는 공중 부양부, 상기 시료에 에너지를 인가하는 가열부, 및 표면에 탄소를 포함하는 탄소층을 포함하는 시료를 포함한다. 상기 탄소층은 가열되어 표면에 그래핀층을 형성한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 방법은 시료의 전면에 그래핀을 형성할 수 있다. 이에 따라, 상기 그래핀으로 코팅된 시료는 다양한 용도에 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 장치를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 제조 장치를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀 제조 장치를 설명하는 도면이다.
그래핀은 주로 기계적 박리법, 화학적 박리법, 화학 기상 증착법, 에피택시 합성법, 또는 유기 합성법으로 제조된다.
화학 기상 증착법은 고온에서 탄소를 잘 흡착하는 전이금속을 촉매층으로 이용하여 그래핀을 형성한다. 촉매층은 구리, 니켈 등의 전이금속일 수 있다. 기판 상에 형성된 촉매층은 약 섭씨 1000도 정도의 고온에서 메탄, 수소 혼합 가스와 반응하여, 적절한 양의 탄소가 촉매층에 들어거나 흡착된다. 이어서, 이후 냉각을 통하여 촉매층에 포함된 탄소원자들은 표면에서 결정화되어 그래핀 구조를 형성한다.
에피택시 합성법의 일 예로, 실리콘 카바이트(SiC)는 고온에서 결정 내에 포함되어 있던 탄소가 표면으로 분리되면서 그래핀으로 성장한다. 또는, 고온에서 루세늄(Ru) 등에 흡착된 그래핀이 표면에서 확산되면서 그패핀 고유의 벌집 모양의 구조를 형성한다.
이러한 그래핀 형성 방법은 시료의 전 표면에 형성하기 어렵다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀은 공중 부양법을 이용하여 시료의 전 표면에 형성할 수 있다. 따라서, 입체 형상을 가진 물질의 모든 표면에 형성된 그래핀은 다양한 제품에 응용될 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 장치를 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 상기 그래핀 제조 장치는 처리 용기(130), 상기 처리 용기(130) 내에 배치되고 시료(102)를 공중 부양하는 공중 부양부(110), 상기 시료(102)에 에너지를 인가하는 가열부(120), 및 수소 및 탄소를 포함하는 공정 가스를 상기 처리 용기(130)에 제공하는 가스 공급부(150)를 포함한다. 상기 시료(102)는 표면에 전이금속 또는 탄화금속을 포함하는 촉매층(104) 또는 표면에 탄소를 포함하는 탄소층(미도시)을 포함한다. 상기 촉매층(104) 또는 탄소층 상에 그래핀(106)이 형성된다.
상기 시료(102)는 도전체 또는 유전체일 수 있다. 상기 시료(102)는 구형이 바람직하나 다른 입체형태 (예:실린더형)일 수 있다. 상기 시료(102)의 지름은 수십 나노미터 내지 수 밀리미터일 수 있다. 상기 시료(102)는 표면에 구리와 같은 전이금속 또는 탄화금속을 포함하는 촉매층(104)으로 코팅될 수 있다. 상기 촉매층(104)은 도금, 물리적 증착법, 또는 화학적 증착법에 의하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 시료(104)가 도전체인 경우, 상기 시료(102)는 상기 그래핀층(106)의 코팅에 의하여 우수한 전기 전도도 및 열적 안정성을 확보할 수 있다. 또한, 상기 그파핀층을 포함하는 시료는 새로운 물리화학적 성질을 갖을 수 있고, 트렌지스터, 바이오 센서, 기타 다양한 분야에 응용될 수 있다.
상기 시료(102)는 종래의 도전성 구슬들을 대체하여 사용될 수 있다. 종래의 도전성 구슬들은 부식 등에 취약하나, 상기 그래핀층(106)으로 코팅된 시료(102)는 높은 전기전도도, 열적, 기계적, 화학적 안정성을 가진다. 종래의 도전성 페이스트에 사용되는 도전성 구슬은 상기 그래핀층(106)으로 코팅된 시료로 대체될 수 있다. 예를 들어, 시료는 납, 은, 주석, 구리 중에서 적어도 하나를 포함하는 물질일 수 있다. 상기 시료는 구리와 같은 촉매층으로 코팅되고, 상기 촉매층 상에 그래핀이 성장할 수 있다. 상기 시료는 종래의 도전성 페이스트에 사용되는 도전성 구슬을 대신하여 활용될 수 있다.
또한, 비정질 상태 또는 다결정 상태의 상기 시료(102)에 그래핀층(106)이 형성 후, 추가적인 공정을 통하여 상기 시료(102)는 결정화될 수 있다.
상기 처리 용기(130)는 유전체 창문(137)을 포함할 수 있다. 상기 처리 용기(130)의 압력은 대기압 이하의 진공 일 수 있다. 상기 유전체 창문(137)은 쿼츠가 바람직할 수 있다. 또한, 상기 처리 용기(130)는 진공 펌프(180)에 의하여 배기될 수 있다. 상기 처리 용기(130)는 가스 공급부(150)을 통하여 공정 가스를 공급받을 수 있다. 상기 공급가스는 수소 및 탄소를 포함하는 가스일 수 있다. 상기 공급 가스는 메탄(CH4), 또는 에틸렌(C2H4)일 수 있다.
상기 공중 부양부(110)는 상기 처리 용기(110) 내에 배치되고 상기 시료(102)를 부양한다. 상기 공중 부양부(110)는 정전 공중 부양 장치(electrostatic levitator) 또는 에어로다이나믹 공중부양 장치(aerodynamic levitator) 또는 플라즈마 공중부양 장치 (plasma levitator)(미도시)일 수 있다.
상기 공중 부양부(110)는 적어도 2개의 전극들(112,114)을 포함할 수 있다. 상기 전극들(112,114)은 서로 평행하게 배치될 수 있다. 전원(116)은 상기 전극들(112,114)에 전력을 공급할 수 있다. 상기 공중 부양부(110)는 안정적인 부양을 위하여 보조 전극들(미도시)을 더 포함할 수 있다.
가열부(120)는 상기 시료(102)를 가열할 수 있다. 상기 시료(102)의 약 섭씨 1000 도 이상일 수 있다. 이에 따라, 상기 촉매층(104)에 탄소가 흡착되어 그래핀층(106)을 형성할 수 있다.
상기 가열부(120)는 할로겐 램프(122)를 포함할 수 있다. 상기 할로겐 램프(122)의 출력광은 거울(124)을 통하여 반사되어 상기 유전체 창문(137)을 통과하여 상기 시료(102)에 조사될 수 있다. 이에 따라, 상기 시료(102)에 그래핀층(106)이 성장할 수 있다.
상기 가스 공급부(150)는 상기 처리 용기(130)에 공정 가스를 공급할 수 있다.
플라즈마 발생부(140)는 수소 및 탄소를 포함하는 가스를 분해할 수 있다. 상기 탄소는 상기 시료의 촉매층에 의하여 흡착되어 상기 그래핀층을 형성할 수 있다.
상기 플라즈마 발생부(140)는 상기 처리 용기(130) 내부에 배치되거나, 상기 처리 용기(130)의 외부에 배치될 수 있다. 상기 플라즈마 발생부(140)는 전극(142) 및 상기 전극(142)에 전력을 공급하는 전원(144)을 포함할 수 있다. 상기 전극(142)은 공정 가스를 분배하는 가스 분배 기능을 동시에 수행할 수 있다. 원격 플라즈마 발생부는 RF 플라즈마, 초고주파 플라즈마 등이 사용될 수 있다. 상기 원격 플라즈마 발생부는 공정 가스를 분해하여 활성종을 상기 처리 용기에 제공할 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 시료(102)와 상기 촉매층(104)은 동일한 재질일 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 제조 장치를 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 상기 그래핀 제조 장치는 처리 용기(230), 상기 처리 용기(230) 내에 배치되고 시료(202)를 공중 부양하는 공중 부양부(210), 상기 시료(202)에 에너지를 인가하는 가열부(220), 및 표면에 탄소를 포함하는 탄소층(204)을 포함하는 상기 시료(202)를 포함한다. 상기 탄소층(202)은 가열되어 표면에 그래핀층(206)을 형성한다. 상기 탄소층(204)은 흑연 또는 SiC 일 수 있다.
상기 시료(202)는 도전체, 반도체, 또는 유전체일 수 있다. 상기 시료는 구형이 바람직하나 실린더형일 수 있다. 상기 시료의 지름은 수십 나노미터 내지 수 밀리미터일 수 있다. 상기 시료는 탄소를 포함하는 탄소층으로 코팅될 수 있다. 상기 탄소층은 도금, 물리적 증착법, 또는 화학적 증착법에 의하여 형성될 수 있다. 상기 시료(202)는 상기 그래핀층(206)에 의하여 우수한 전기 전도도 및 열적 안정성을 확보할 수 있다.
상기 처리 용기(230)는 유전체 창문(237)을 포함할 수 있다. 상기 처리 용기(230)의 압력은 대기압 이하의 극진공일 수 있다. 상기 유전체 창문(237)은 쿼츠가 바람직할 수 있다. 또한, 상기 처리 용기(230)는 진공 펌프(280)에 의하여 배기될 수 있다.
상기 공중 부양부(210)는 상기 처리 용기(230) 내에 배치되고 상기 시료(202)를 부양한다. 상기 공중 부양부(210)는 정전 공중 부양 장치(electrostatic levitator) 또는 에어로다이나믹 공중부양 장치(aerodynamic levitator) 또는 플라즈마 공중부양 장치(plasma levitator)일 수 있다.
상기 공중 부양부(210)는 적어도 하나의 노즐(214, nozzle) 및 상기 노즐(214)에 유체를 제공하는 유체 분배부(212)를 포함할 수 있다. 상기 노즐들(214)은 일렬로 배열되거나 메트릭스 형태로 배치될 수 있다. 구형 시료의 크기는 수 mm 정도가 바람직할 수 있다. 상기 유체 분배부(212)를 통하여 흐르는 유체는 불활성 가스 및 질소 포함 가스 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
가열부(220)는 상기 시료(202)를 가열할 수 있다. 상기 시료(202)의 약 섭씨 1000 도 이상일 수 있다. 상기 가열부(220)는 할로겐 램프(122)를 포함할 수 있다. 상기 할로겐 램프(222)의 출력광은 거울(224)을 통하여 반사되어 상기 유전체 창문(237)을 통과하여 상기 시료(202)에 조사될 수 있다. 이에 따라, 상기 시료(202)에 그래핀이 성장할 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀 제조 장치를 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 상기 그래핀 제조 장치는 처리 용기(330), 상기 처리 용기(330) 내에 배치되고 시료(102)를 공중 부양하는 공중 부양부(310), 상기 시료(102)에 에너지를 인가하는 가열부(320), 및 수소 및 탄소를 포함하는 공정 가스를 상기 처리 용기(330)에 제공하는 가스 공급부(350)를 포함한다. 상기 시료(102)는 표면에 전이금속 또는 탄화금속을 포함하는 촉매층(104) 또는 표면에 탄소를 포함하는 탄소층(미도시)을 포함한다. 상기 촉매층(104) 또는 탄소층 상에 그래핀(106)이 형성된다.
상기 공중 부양부(310)는 상기 처리 용기(310) 내에 배치되고 상기 시료(102)를 부양한다. 상기 공중 부양부(310)는 플라즈마 공중부양 장치(plasma levitator)일 수 있다.
상기 공중 부양부(310)는 플라즈마를 발생시키고 상기 플라즈마에서 생성된 이온들이 상기 시료의 표면에 흡착되어 전하를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 공중 부양부는 상기 시료를 부양할 수 있다. 상기 공중 부양부(310)는 적어도 2개의 전극들(312,314)을 포함할 수 있다. 상기 전극들(312,314)은 서로 평행하게 배치될 수 있다. 전원(316)은 상기 전극들(312,314)의 적어도 하나에 전력을 공급할 수 있다. 전원(316)은 라디오 주파수(radio frequency;RF) 전원일 수 있다. 상기 RF 전원은 임피던스 매칭 네트워크를 통하여 상기 전극들에 전력을 공급할 수 있다.
상기 공중 부양부(310)는 수소 및 탄소를 포함하는 가스를 분해할 수 있다. 상기 탄소는 상기 시료의 촉매층에 의하여 흡착되어 상기 그래핀층을 형성할 수 있다.
가열부(320)는 상기 시료(102)를 가열할 수 있다. 상기 시료(102)의 약 섭씨 1000 도 이상일 수 있다. 이에 따라, 상기 촉매층(104)에 탄소가 흡착되어 그래핀층(106)을 형성할 수 있다.
상기 가열부(320)는 할로겐 램프(322)를 포함할 수 있다. 상기 할로겐 램프(322)의 출력광은 거울(324)을 통하여 반사되어 상기 유전체 창문(337)을 통과하여 상기 시료(102)에 조사될 수 있다. 이에 따라, 상기 시료(102)에 그래핀층(106)이 성장할 수 있다.
상기 가스 공급부(350)는 상기 처리 용기(330)에 공정 가스를 공급할 수 있다. 상기 공정 가스는 탄소 및 수소를 포함하는 가스일 수 있다. 상기 플라즈마의 안정적 동작을 위하여 상기 가스 공급부(350)는 아르곤과 같은 불활성 가스를 추가적으로 공급할 수 있다.
다시, 도 1을 참조하면, 그래핀 제조 방법은 처리 용기 내에 시료를 제공하는 단계, 상기 시료를 공중 부양하는 단계, 및 공중 부양된 시료의 모든 표면에 그래핀을 성장시키는 단계를 포함한다.
공중 부양된 시료의 모든 표면에 그래핀을 성장시키는 단계는 수소 및 탄소를 포함하는 공정 가스를 플라즈마 처리하여 상기 처리 용기 내에 제공하는 단계, 및 상기 시료를 가열하는 그래핀을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 시료의 표면에 전이금속 또는 탄화금속을 포함하는 촉매층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 그리핀을 성장시키는 단계는 공정 가스는 수소 및 탄소를 포함하는 가스를 상기 처리 용기에 제공하는 단계, 상기 시료를 가열하여 탄소를 상기 촉매층에 흡착시키는 단계, 및 상기 시료를 냉각하여 상기 촉매층 상에 그래핀층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
다시, 도 2를 참조하면, 공중 부양된 시료의 모든 표면에 그래핀을 성장시키는 단계는 상기 시료의 표면에 탄소를 포함하는 탄소층을 형성하는 단계, 및 상기 탄소층을 열처리하여 그 표면에 그래핀을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
110: 공중 부양부
120: 가열부
130: 처리 용기
140: 플라즈마 발생부
150: 가스 공급부

Claims (11)

  1. 처리 용기 내에 시료를 제공하는 단계;
    상기 시료를 공중 부양하는 단계; 및
    공중 부양된 시료의 모든 표면에 그래핀을 성장시키는 단계를 포함하고,
    공중 부양된 시료의 모든 표면에 그래핀을 성장시키는 단계는:
    수소 및 탄소를 포함하는 공정 가스를 플라즈마 처리하여 상기 처리 용기 내에 제공하는 단계; 및
    상기 시료를 가열하여 그래핀을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 시료는 구형 또는 입체형태인 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    공중 부양된 시료의 모든 표면에 그래핀을 성장시키는 단계는:
    수소 및 탄소를 포함하는 공정 가스를 플라즈마 처리하여 상기 처리 용기 내에 제공하는 단계; 및
    상기 시료를 가열하여 그래핀을 형성하는 단계 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 방법.
  3. 처리 용기 내에 시료를 제공하는 단계;
    상기 시료를 공중 부양하는 단계;
    공중 부양된 시료의 모든 표면에 그래핀을 성장시키는 단계; 및
    상기 시료의 모든 표면에 전이금속 또는 탄화금속을 포함하는 촉매층을 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 그리핀을 성장시키는 단계는:
    수소 및 탄소를 포함하는 공정 가스를 상기 처리 용기에 제공하는 단계;
    상기 시료를 가열하여 탄소를 상기 촉매층에 흡착시키는 단계; 및
    상기 시료를 냉각하여 상기 촉매층 상에 그래핀층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 시료는 구형 또는 입체형태인 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 방법.
  4. 처리 용기 내에 시료를 제공하는 단계;
    상기 시료를 공중 부양하는 단계; 및
    공중 부양된 시료의 모든 표면에 그래핀을 성장시키는 단계를 포함하고,
    공중 부양된 시료의 모든 표면에 그래핀을 성장시키는 단계는:
    상기 시료의 모든 표면에 탄소를 포함하는 탄소층을 형성하는 단계; 및
    상기 탄소층을 열처리하여 그 표면에 그래핀을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 시료는 구형 또는 입체형태인 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 방법.
  5. 처리 용기 내에 시료를 제공하는 단계;
    상기 시료를 공중 부양하는 단계; 및
    공중 부양된 시료의 모든 표면에 그래핀을 성장시키는 단계를 포함하고,
    상기 시료를 공중 부양하는 단계는 정전기 공중 부양법(electrostatic levitation method), 에어로 다이나믹 공중 부양법(aerodynamic levitation method) 또는 플라즈마 공중 부양법(plasma levitation method)을 사용하고,
    상기 시료는 구형 또는 입체형태인 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 처리 용기;
    상기 처리 용기 내에 배치되고 시료를 공중 부양하는 공중 부양부;
    상기 시료에 에너지를 인가하는 가열부; 및
    상기 처리 용기에 수소 및 탄소를 포함하는 공정 가스를 상기 처리 용기에 제공하는 가스 공급부를 포함하고,
    상기 시료는 모든 표면에 전이금속 또는 탄화금속을 포함하는 촉매층을 포함하고,
    상기 시료는 구형 또는 입체형태인 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 처리 용기에 활성종 및 플라즈마 중에서 적어도 하나를 공급하는 플라즈마 발생부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 장치.
  9. 삭제
  10. 처리 용기;
    상기 처리 용기 내에 배치되고 시료를 공중 부양하는 공중 부양부;
    상기 시료에 에너지를 인가하는 가열부; 및
    모든 표면에 탄소를 포함하는 탄소층을 포함하는 시료를 포함하고,
    상기 탄소층은 가열되어 표면에 그래핀층을 형성하고,
    상기 시료는 구형 또는 입체형태인 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 장치.
  11. 삭제
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