KR101252333B1 - 열플라즈마 화학기상증착법을 이용한 제어 가능한 그래핀 시트 제조방법 - Google Patents

열플라즈마 화학기상증착법을 이용한 제어 가능한 그래핀 시트 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열플라즈마 화학기상증착법 (thermal plasma chemical vapor deposition)에 의한 그래핀(graphene)의 제조방법에 관한 것으로, 플라즈마 장치의 양극(anode) 끝에 긴 탄소봉을 부착하고, 봉에서 조금 떨어지게 흑연판을 수직하게 위치시킨 후, 열플라즈마의 고온을 이용하여 주입된 에탄올, 메탄 등의 액체나 기체 탄소원 물질을 열분해시켜 원자화하고, 열플라즈마 플레임에 편승되어 흐르는 탄소원자 빔을 긴 봉(tube)을 통과시키므로 빔의 에너지를 감소시킴과 동시에 빔을 안정화시키고 균일하게 만들어 흑연판에 충돌시켜 그래핀을 제조하는 것으로 구성되며; 탄소원 물질을 연속적으로 공급할 수 있기 때문에 그래핀을 연속 및 대량 생산하는 것이 가능하며, 그래핀이 흑연판의 표면구조(그래핀 구조)에 의한 적층성장(epitaxial growth)으로 합성되므로 고결정성을 갖는 순수한 그래핀 시트(sheet)를 제조할 수 있고, 주입하는 탄소원의 주입 속도를 조절하여 그래핀 시트의 층(layer) 수를 조절할 수 있으며, 양극(anode)에 부착된 봉과 흑연판 사이의 거리를 조절하여 그래핀의 크기를 조절할 수 있으며, 양극(anode)에 부착된 봉과 흑연판 사이의 간격을 일정하게 유지시키면서 긴 흑연판을 일정한 속도로 탄소원자 빔을 통과시켜 띠 모양의 긴 그래핀 시트를 제조할 수 있으며, 흑연판을 회전시키는 경우 회전 속도에 따라 그래핀 시트의 층수 조절이 가능하며, 흑연판을 빠른 속도로 회전시키는 경우 탄소원의 주입 속도를 증가시킬 수 있어 단위 시간 당 제조되는 그래핀의 양을 증가 시킬 수 있다.
그래핀 시트, 열플라즈마 화학기상증착, 탄소원자 빔

Description

열플라즈마 화학기상증착법을 이용한 제어 가능한 그래핀 시트 제조방법 {A controllable fabrication method of graphene sheets using the thermal plasma chemical vapor deposition method}
본 발명은 열플라즈마 화학기상증착법 (thermal plasma chemical vapor deposition)에 의한 그래핀 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알코올, 탄화수소 등의 탄소원 물질을 열플라즈마 플레임(thermal plasma flame)에 일정한 속도로 주입할 때 열분해로 생성된 탄소원자들이 열플라즈마 플레임에 편승되어 흐르는 탄소원자 빔을 양극(anode)에 긴 탄소봉을 부착하여 봉 속으로 통과시키므로 빔의 에너지를 감소시킴과 동시에 빔을 안정화시키고 균일하게 만들어 탄소봉 끝에서 조금 떨어진 곳에 봉에 수직하게 위치된 흑연판에 충돌시켜 그래핀 시트를 제조하거나, 긴 흑연판을 일정한 속도로 탄소원자 빔에 통과시켜 긴 띠 모양의 그래핀 시트를 제조하거나, 흑연판을 회전시켜 회전 속도에 따라 그래핀 시트의 층수를 조절하거나, 흑연판을 빠른 속도로 회전시키면서 탄소원의 주입 속도를 증가시켜 단위 시간 당 제조되는 그래핀의 양을 증가 시키는 열플라즈마 화학기상증착법에 의한 그래핀의 제조방법에 관한 것이다.
그래핀(graphene)[Nature Mater 6, 18319 (2007)]은 탄소 원자들만이 sp2 결합을 하면서 만들어지는 육각 고리들이 벌집 모양을 하고 있는 원자 두께의 완벽한 2-D 물질이라 할 수 있다. 즉, 층상 구조인 흑연의 한 층에 해당하는 물질이다. 최근에 그래핀이 상온에서 매우 높은 전기 전도도를 가지며 상온에서 quantum Hall effect, 전자들이 massless Dirac fermion 같이 행동하는 현상 등 특이한 물리적 성질과 전자 소자, 투명전극, 기체 센서 등 다양한 응용 가능성이 알려지면서 지대한 관심의 대상이 되고 있다. 이러한 그래핀의 물리적 성질 연구와 응용을 위해서는 제어된 고 결정성의 그래핀을 대량으로 제조하는 기술의 개발이 필수적이라 할 수 있다.
그래핀을 소량 제조하는 방법으로 흑연의 층을 베껴내는 방법[Science 306, 666 (2004)], CVD (chemical vapor deposition) 방법으로 기판에 적층성장(epitaxial growth)시키는 방법[Surf. Sci. 264, 261 (1992)], silicon carbide를 열분해 시켜 제조하는 방법[Science 312, 1191 (2006)] 등이 알려져 있다. 그래핀을 대량 생산할 있는 방법으로 흑연을 산화시켜 용매에 분산시키고 분산된 산화 그래핀을 환원시키는 방법[J Am. Chem. Soc. 128, 7720 (2006)]과 에탄올을 Na과 반응시켜 그래핀을 제조하는 방법[Nature Nanotech. 4, 30 (2008)]은 제조과정에 화학반응이 관여하기 때문에 그래핀의 결정성이 화학반응에 영향을 받을 수 있다. 에탄올을 microwave plasma로 열분해 시켜 기체상에서 제조하는 방법[Nano letters 8, 2012 (2008)]은 연속적인 공정이기는 하지만 촉매나 다른 물질의 도움 없이 plasma 영역을 통과하는 짧은 시간 동안 기체 충돌에 의해 그래핀이 만들어지기 때문에 수율이 상대적으로 낮다는 단점이 있다. 또한 이들 방법은 그래핀 시트의 층수나 크기를 인위적으로 조절할 수는 없다.
열플라즈마 플레임에 의해 구현되는 특정의 온도 하에서 알코올이나 탄화수소계 물질을 열분해 시켜 원자화 한 후 이를 열플라즈마 플레임에 편승시켜 탄소원자 빔을 만들고, anode에 긴 봉을 부착하여 빔을 봉 속으로 흐르게 하여 안정화시키고 균일하게 만든 후 봉에 수직하게 위치된 흑연판에 충돌시켜 그래핀을 제조하는 방법을 개발하였다. 본 발명은 탄소원을 연속적으로 공급할 수 있기 때문에 그래핀을 연속 및 대량 생산하는 것이 가능하며, 발생된 열플라즈마가 수천 내지 수만 도의 고온을 구현할 수 있으므로 고결정성을 갖는 고품질의 그래핀을 제조할 수 있으며, 탄소원의 주입 속도를 조절하여 그래핀 시트의 층수를 조절할 수 있고, 양극(anode)에 부착된 탄소봉의 내경과 길이 및 흑연판 사이의 거리조정을 통해 그래핀의 크기를 조절할 수 있으며, 긴 흑연판을 일정한 속도로 탄소원자빔을 통과시켜 긴 띠 모양의 그래핀 시트를 제조할 수 있고, 흑연판을 회전시켜 회전 속도에 따라 그래핀 시트의 층수 조절이 가능하며, 흑연판을 빠른 속도로 회전시키며 탄소원 물질의 주입 속도를 크게 증가시켜 단위 시간 당 제조되는 그래핀 시트의 양을 증가 시킬 수 있다. 따라서 본 발명을 통해 상기의 문제점들을 해결할 수 있을 것으로 여겨진다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 열플라즈마 화학기상증착법을 이용한 그래핀 시트 제조방법은, 고온의 열플라즈마 플레임을 플라즈마 가스를 주입하여 형성시키는 단계; 형성된 고온의 열플라즈마 플레임에 기상 또는 액상의 탄소원 물질을 플라즈마 플레임 내로 주입하여 원자화된 탄소원자들이 열플라즈마 플레임에 편승되어 흐르는 탄소원자 빔을 형성하는 단계; 형성된 탄소원자 빔을 양극(anode)에 긴 봉(tube)을 부착하여 봉 속으로 흐르게 하므로 탄소원자 빔의 에너지를 감소시킴과 동시에 빔을 안정화시키고 균일하게 만드는 단계; 봉을 빠져나온 탄소원자 빔을 봉 끝에서 적당한 거리에 수직으로 위치시킨 흑연판에 충돌시키는 단계; 탄소원 물질의 주입 속도(mL/min)를 조절하여 그래핀 시트의 층수를 조절하는 단계; 내경이 다른 봉을 부착하고 봉의 내경에 따라 부착된 봉과 흑연판 간격을 조절하여 제조하므로 그래핀 시트의 크기를 조절하는 단계; 흑연판을 고정시키는 대신 긴 흑연판을 일정한 속도로 탄소원자빔을 통과시켜 긴 띠 모양의 그래핀 시트를 제조하는 단계; 흑연판을 고정시키는 대신 흑연판을 회전시키며 회전 속도를 조절하여 탄소원자 빔이 흑연판에 충돌하는 시간을 조절하여 충돌하는 탄소원자 수를 조절하므로 제조되는 그래핀 시트의 층수를 조절하며 탄소원의 주입 속도를 증가시켜 단위 시간 당 제조되는 그래핀의 양을 증가시키는 단계를 포함하는 공정을 수행하여 그래핀을 제조함으로써, 흑연판의 표면구조(그래핀 구조)에 의한 적층성장(epitaxial growth)에 의한 고순도, 고결정성의 그래핀을 제조할 수 있으며, 그래핀 시트의 층수를 조절할 수 있으며, 그래핀 시트의 크기를 조절할 수 있으며, 긴 띠 모양의 그래핀 시트를 제조할 수 있으며, 탄소원 물질을 연속적으로 공급할 수 있기 때문에 그래핀을 연속 및 대량 생산할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 열플라즈마 화학기상증착법을 이용한 그래핀의 제조방법은, (가) 플라즈마 가스인 Ar을 플라즈마 가스 주입구로 주입하여 1000 ~ 20000 도의 열플라즈마 플레임을 형성시키는 단계;(나) 주사기 펌프나 가스유량제어장치로 탄소원 물질 주입구를 통하여 탄소원 물질을 연속적으로 플라즈마 플레임 내로 주입하여 플라즈마의 고온을 이용하여 탄소원 물질을 원자화 시킨 후 열플라즈마에 편승시켜 양극(anode)에 부착된 탄소 혹은 세라믹 재질의 봉을 따라 흐르게 하는 단계; (다) 양극(anode)에 부착된 봉의 끝에서 조금 떨어진 곳에 봉에 수직하게 흑연판 혹은 구리 등의 금속판을 위치시켜 탄소원자 빔을 판에 충돌시키는 단계; 를 포함하며, (라) 단계 (나)에서 탄소원의 주입 속도(mL/min)를 조절하여 그래핀 시트의 층수를 조절하는 방법; (마) 단계 (나)와 (다)에서 내경이 다른 봉을 양극(anode)에 부착하고 봉의 내경에 따라 봉과 판 사이의 간격을 달리하여 그래핀을 제조하므로 그래핀의 크기를 조절하는 방법; (바) 단계 (다)에서 띠 모양의 긴 판을 일정한 속도로 움직이면서 탄소원자빔을 통과시켜 긴 띠 모양의 그래핀 시트를 제조하는 방법; (사) 단계 (다)에서 판을 회전시키며 회전 속도를 조절하여 그래핀 시트의 층수를 조절하는 방법 및 판을 빠른 속도로 회전시키면서 탄소원의 주입 속도를 증가시켜 단위 시간 당 만들어지는 그래핀의 양을 증가시키는 방법을 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 (가) 단계에서 상기 고온의 열플라즈마 플레임은 비이송식 또는 이송식 열플라즈마 토치 (torch)를 이용하여 형성 시키며, 플라즈마 토치의 양극 노즐의 직경은 2 ~ 15 mm의 크기이며, 4 ~ 6 mm가 바람직하다. 형성된 플라즈마 플레임의 적당한 온도는 1000 ~ 20000 oC이며, 5000 ~ 10000 oC가 바람직하다. 또한, 본 발명에 있어서, 상기 (나) 단계에서 플라즈마 플레임 내로 에탄올 등의 탄소원 물질을 주입하기 위한 주입구는 플라즈마 음극과 0 ~ 10 mm 거리 사이에 위치되며, 0 ~ 5 mm 사이가 바람직하다. 사용되는 탄소원 물질은 에탄올 등의 알코올류 액체, 탄화수소계의 메탄, 에틸렌, 아세틸렌 등의 기체와 CO 기체가 사용된다. 양극(anode)에 부착하는 봉은 고온에서 견디는 세라믹 봉 등을 사용할 수 있으나 높은 온도에도 견디고 가공하기 쉬운 탄소봉이 바람직하며, 탄소원자 빔이 봉을 따라 흐르는 동안 빔의 에너지를 감소시킴과 동시에 안정화시키고 균일하게 만들기 위한 봉은 10 ~ 100 cm 길이의 봉을 사용할 수 있으나 길이가 10 ~ 30 cm 사이가 바람직하며 내경은 0.5 ~ 5 cm 사이가 바람직하다.
상기 (다) 단계에서 탄소원자 빔이 충돌하게 부착된 봉 앞에 놓는 판은 모든 내열성 물질의 판이면 사용할 수 있으나 그래핀의 적층성장(epitaxial growth)이 가능한 흑연판이 바람직하며, 흑연판은 봉의 끝에서부터 0.5 ~ 20 cm 떨어진 곳에 위치시킬 수 있으나 3 ~ 10 cm 떨어진 곳에 위치시키는 것이 바람직하며, 봉에 수직하게 위치시키는 것이 바람직하다.
상기 (라) 방법에서는 탄소원의 주입 속도를 조절하여 합성되는 그래핀 시트 수를 조절하는 방법으로 탄소원이 에탄올 같이 액상인 경우 주사기 펌프를 사용하여 0.001 ~ 1 mL/min 속도로 그리고 메탄과 같이 기상인 경우 가스유량제어장치로 10 ~ 1000 sccm 속도로 주입하면 그래핀 시트의 층(layer) 수가 1 ~ 수십 개 사이의 그래핀이 제조된다.
상기 (마) 방법에서는 내경이 다른 봉을 양극(anode)에 부착하고 봉의 내경에 따라 봉과 흑연판 사이의 간격을 달리하여 그래핀을 제조하므로 그래핀 시트의 크기를 조절하는 방법으로 내경이 0.5 ~ 2 cm 인 탄소봉을 부착하고 흑연판과 탄소봉의 거리를 3 ~ 10 cm 간격으로 조절하면 크기가 100 nm ~ 수십 μm 사이의 그래핀 시트 가 제조된다.
상기 (바) 방법에서는 양극(anode)에 부착된 봉과 판 사이의 거리를 일정하게 유지하면서 리니어 모터를 이용하여 띠 모양의 긴 판을 일정한 속도(1mm/s ~ 1 m/s)로 탄소원자빔을 통과시키면 원자 빔을 통과하는 위치의 판에 일정한 시간 동안 탄소원자 빔이 충돌하며 판이 일정한 속도로 옆으로 움직이므로 그래핀 시트가 옆으로 자라면서 긴 띠 모양의 그래핀 시트가 제조된다.
상기 (사) 방법에서는 판을 고정시키는 대신 판을 회전시킨다. 판을 일정한 속도(1~3000 rpm)로 회전시키면서 탄소원 물질을 일정한 속도로 주입하는 경우 매 회전 시 판의 특정 부분에 충돌하는 탄소원자의 양은 일정할 것이며 회전 속도가 증가할수록 충돌하는 탄소원자의 양은 감소할 것이다. 충돌에 만들어진 그래핀을 다음 충돌 전에 판에서 제거하면 회전 속도를 조절하여 그래핀 시트의 층수 조절이 가능하다. 또한 회전시키는 경우 그래핀이 반응 죤(zone)에 머무는 시간이 짧아지므로 탄소원의 주입 속도를 크게 증가하여도 얇은 그래핀이 제조되므로 탄소원의 주입 속도를 증가시키면 단위 시간당 제조되는 그래핀 양이 증가된다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 열플라즈마 화학기상증착법을 이용한 그래핀의 제조방법을 상세하게 설명한다.
본 발명은 에탄올 등의 알코올류, 메탄 등의 탄화수소, CO 등의 탄소원 물질을 열플라즈마의 고온으로 열분해 시킬 때 생성되는 탄소원자들이 열플라즈마 플레임에 편승되어 만들어지는 탄소원자 빔을 양극(anode)에 봉(tube)을 부착하여 봉 속으로 흐르게 하므로 탄소원자 빔의 에너지를 감소시킴과 동시에 안정화시키고 균일하게 만들어 봉에서 어느 정도(3 ~ 10 cm) 떨어진 곳에 봉에 수직하게 위치시킨 흑연판 혹은 구리, 아연 같은 금속 재질 판에 충돌시켜 그래핀을 제조하는 것을 특징으로 한다. 즉, 에탄올 등의 탄소원 물질을 열플라즈마를 이용하여 원자화하고, 양극(anode)에 봉 부착하여 봉 속으로 흐르게 하므로 탄소원자 빔의 에너지를 감소시킴과 동시에 탄소원자 빔을 안정화시키고 균일하게 만들고, 봉을 빠져나온 탄소원자 빔은 급격히 에너지가 감소하므로 봉의 끝에서부터 판이 위치하는 거리를 조절하여 적당한 에너지를 가진 탄소원자 빔을 판에 충돌시키므로 순간적으로 판의 표면 구조에 영향을 받는 즉 적층성장(epitaxial growth)으로 그래핀이 합성된다. 이 때 내경이 큰 봉을 부착하는 경우 봉 내에서 탄소원자 빔의 운동에너지가 크게 감소하므로 판을 상대적으로 봉 가까이에 위치시킬 수 있게 된다. 그래핀 시트의 크기는 탄소원자 빔의 균일도 및 판의 표면 거칠기에 영향을 받으며, 탄소원자 빔은 봉 끝을 빠져나온 후 봉의 끝에서 멀어질수록 더 많이 옆으로 퍼지므로 빔의 균일도는 봉 끝에서 멀어질수록 더 많이 감소한다. 그러므로 큰 내경의 긴 봉을 부착하여 봉 내에서 탄소원자 빔의 운동에너지를 충분히 감소시킨 후 판을 봉 가까이 위치시켜 그래핀을 제조할수록 더 큰 그래핀 시트가 제조된다. 이와 같은 그래핀 제조 방법에 있어서, 탄소원이 고온에서 열분해되므로 완전히 원자화되고 탄소원자 빔이 판에 충돌하면서 그래핀 구조에 의한 적층성장(epitaxial growth)이 일어남으로 고결정성을 갖는 순수한 그래핀을 제조할 수 있으며, 탄소원 물질을 주입하는 속도를 조절하여 그래핀 시트의 층수를 조절할 수 있고, 봉과 판과의 간격을 조절하여 그래핀의 크기를 조절할 수 있으며, 띠 모양의 긴 판을 일정한 속도로 탄소원자빔을 통과시켜 긴 띠 모양의 그래핀 시트를 제조할 수 있으며, 판을 회전시키는 경우 회전 속도를 조절하여 그래핀 시트의 층수를 조절할 수 있으며 또한 판을 회전시키는 경우 주입하는 탄소원의 양을 증가시킬 수 있어 단위 시간 당 만들어지는 그래핀의 양을 증가시킬 수 있으며, 탄소원 물질을 연속적으로 공급할 수 있기 때문에 그래핀을 연속 및 대량 생산을 가능하게 할 수 있다.
이러한 열플라즈마 화학기상증착법을 이용한 그래핀의 제조방법을 공정 단계별로 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 열플라즈마 토치를 이용하여 고온의 열플라즈마 플레임을 형성 시킨다. 이때, 도 1에 도시한 바와 같이, 열플라즈마 토치는 비이송식 또는 이송식 열플라즈마 토치를 이용하여 형성 시키며, 플라즈마 토치의 양극 노즐의 직경은 2 ~ 15 mm의 크기이며, 4 ~ 6 mm가 바람직하다. 형성된 플라즈마 플레임의 적당한 온도는 1000 ~ 20000 oC이며, 5000 ~ 10000 oC가 바람직하다.
다음에, 액상이나 기상의 탄소원 물질을 플라즈마 플레임 내로 일정한 속도로 연속적으로 주입하여 플라즈마의 고온으로 열분해 시켜 원자화 한 후 열플라즈마에 편승되어 흐르게 한다. 이 공정에서 플라즈마 플레임 내로 탄소원 물질을 주입하기 위한 주입구는 플라즈마 음극과 0 ~ 10 mm 거리 사이에 위치되며, 0 ~ 5 mm 사이가 바람직하다. 사용되는 탄소원 물질은 액상의 에탄올 등의 알코올류, 메탄, 에틸렌, 아세틸렌 등의 탄화수소 가스, CO가 사용된다. 탄소원 물질의 주입 속도는 합성하고자 하는 그래핀 시트의 층수에 따라 조절한다.
다음에, 도 1에 도시한 바와 같이, 양극(anode) 끝에 봉을 부착하고 판을 봉의 끝에서 조금 떨어진 곳에 봉에 수직하게 위치시켜 적당한 에너지를 가진 탄소원자 빔을 판에 충돌시킨다. 이 공정에서 형성된 탄소원자 빔의 에너지를 감소시킴과 동시에 안정화시키고 균일하게 만들 목적으로 양극(anode)에 부착하는 봉은 세라믹, 탄소 등의 봉을 사용할 수 있으나 고온에서 잘 견디며 가공하기 쉬운 탄소봉이 바람직하다. 봉은 5 ~ 50 cm 사이의 다양한 길이의 봉을 사용할 수 있으나 15 ~ 25 cm 사이가 바람직하다. 탄소원자 빔이 너무 높은 에너지로 판에 충돌하는 경우 그래핀 대신 탄소나노튜브가 만들어진다. 탄소원자 빔의 에너지는 봉을 따라 흐르는 동안 조금씩 감소하지만 봉의 끝을 빠져나와 판에 도달하는 동안 급격히 감소하며 또한 빔이 급격히 퍼지므로 봉의 끝에서부터 판을 위치시키는 거리가 매우 중요하다. 봉의 내경 및 봉의 길이와 봉의 끝에서부터 판 사이의 거리는 서로 관련이 있으며, 봉의 내경이 0.5 cm 이고 길이가 20 cm 봉인 경우 약 10 cm 떨어진 곳에 판을 위치시켜 충돌시킴이 바람직하다.
다음에, 탄소원 물질의 주입 속도(mL/min)를 조절하여 그래핀 시트의 층수를 조절한다. 탄소원이 에탄올 같인 액상인 경우 0.001 ~ 1 mL/min 속도로 주입하며 메탄과 같이 기상인 경우 10 ~ 5000 sccm 속도로 주입하며 그래핀 시트의 층수가 1 ~ 수십 개 사이의 그래핀이 제조된다.
다음에, 내경이 다른 봉을 양극(anode)에 부착하고 내경에 따라 봉과 판 사이의 거리를 조절하여 그래핀 시트의 크기를 조절한다. 내경이 0.5 ~ 2 cm인 탄소봉을 부착하고 봉과 판 사이의 간격을 3 ~ 10 cm로 조절하며 크기가 100 nm ~ 수십μm 사이의 그래핀이 제조된다.
다음에, 리니어 모터를 이용하여 긴 흑연판(10 cm ~ 1m)을 일정한 속도(1 mm/s ~ 1 m/s)로 탄소원자 빔을 통과시키면 긴 띠 모양의 그래핀 시트가 제조된다. 그래핀 시트의 폭은 탄소봉의 내경의 크기(0.5 ~ 50 cm)를 조절하여 그리고 그래핀 시트의 층(layer) 수는 흑연판의 이동 속도를 조절하면 조절된다.
다음에, 판을 일정한 속도(1~3000 rpm)로 회전시키는 경우 매 회전 마다 탄소원자 빔이 판의 특정 부분에 충돌하는 시간이 일정하며 회전 속도를 증가시키면 그 시간은 더욱 짧아진다. 회전 속도를 조절하면 그래핀 시트의 층수가 조절되며 또한 탄소원의 주입 속도(1 ~ 60 mL/min)를 증가시키면 단위 시간당 만들어지는 그래핀의 양이 증가된다.
이와 같이 제조된 그래핀을 SEM (scanning electron microscopy) 방법으로 분석한 결과들이 도 2, 도 3, 도 4에 도시된다. 도 3에 도시된 바와 같이 단위 시간 당 주입되는 탄소원의 양이 적은 경우 아주 얇아 투명한 그래핀이 그리고 양이 많은 경우 두꺼운 불투명한 그래핀이 제조된다. 이는 탄소원의 주입 속도에 따라 그래핀 시트의 층수가 달라짐을 보여준다. 도 4에 도시된 바와 같이 부착한 탄소봉과 흑연판 사이의 간격에 따라 그래핀 시트의 크기가 달라짐을 보여준다. 또한 도 2, 3, 4 에서 보는 바와 같이, 상기의 공정을 통해 제조된 생성물에는 다른 불순물이 포함되지 않은 아주 순수한 그래핀으로 존재한다.
도 1은 열플라즈마 화학기상증착(thermal plasma chemical vapor deposition) 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
<도면 부호의 설명>
1. 전원 공급기.
2. 플라즈마 가스 주입구.
3. 플라즈마 cathode (음극).
4. 플라즈마 anode (양극).
5. 탄소원 물질 주입구.
6. 열플라즈마 플레임.
7. 탄소봉.
8. 흑연판.
9. 배기구.
도 2는 본 발명에 따라 열플라즈마 화학기상증착법으로 제조된 그래핀 시트의 고배율(위)과 저배율(아래)의 SEM (scanning electron microscopy) 사진이다.
도 3은 본 발명에 따라 에탄올의 주입 속도를 0.05 mL/min 와 0.1 mL/min로 달리하여 열플라즈마 화학기상증착법으로 제조된 그래핀 시트의 층(layer)수가 적은 그래핀 시트(위)와 많은 그래핀 시트(아래)의 사진이다.
도 4는 본 발명에 따라 작은 지름의 탄소봉(내경: 0.5 cm, 길이: 20 cm) 과 큰 지름의 탄소봉(내경: 1.5 cm, 길이: 20 cm) 부착하고 탄소봉과 흑연판 사이의 간격을 작은 지름의 탄소봉의 경우 10 cm 그리고 큰 지름의 탄소봉의 경우 3.5 cm로 달리하여 열플라즈마 화학기상증착법으로 제조된 크기가 작은 그래핀 시트(위)와 큰 그래핀 시트(아래)의 사진이다.

Claims (10)

  1. (가) 플라즈마 가스 주입구로 플라즈마 가스를 주입하여 섭씨 1000 ~ 20000 도의 열플라즈마 플레임을 형성시키는 단계;
    (나) 상기 형성된 열플라즈마 플레임에 기상 또는 액상의 탄소원 물질을 탄소원 물질 주입구를 통하여 플라즈마 플레임 내로 주입하여 원자화된 탄소원자들이 열플라즈마 플레임에 편승되어 탄소원자 빔을 형성하는 단계;
    (다) 상기 형성된 탄소원자 빔을 양극(anode)에 10~100 cm 길이의 봉(tube)을 부착하여 봉 속으로 흐르게 하므로 탄소원자 빔의 에너지를 감소시킴과 동시에 빔을 안정화시키고 균일하게 만드는 단계;
    (라) 상기 봉을 빠져나온 탄소원자 빔을 봉 끝에서 0.5 ~ 20 cm 거리에 수직으로 위치시킨 판에 충돌시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 열플라즈마 화학기상증착법을 이용한 그래핀의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 (가) 단계에서 상기 섭씨 1000 ~ 20000 도의 열플라즈마 플레임은 비이송식 또는 이송식 열플라즈마 토치 (torch)를 이용하여 형성 시키며, 플라즈마 토치의 양극 노즐의 직경이 2 ~ 15 mm이며 플라즈마 플레임의 온도가 섭씨 1000~ 20000 도인 것을 특징으로 하는 열플라즈마 화학기상증착법을 이용한 그래핀의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 (나) 단계에서 상기 명시된 기상 또는 액상의 탄소원 물질을 주사기 펌프나 가스유량제어장치를 사용하여 주입하는 것을 특징으로 하는 열플라즈마 화학기상증착법을 이용한 그래핀의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 (다) 단계에서 생성된 탄소원자 빔의 에너지를 감소시킴과 동시에 빔을 안정화시키고 균일하게 만들기 위하여 높은온도에서 잘견디는 탄소로 제작한 내경이 0.5 ~ 5cm인 봉을 양극(anode)에 부착하는 것을 특징으로 하는 열플라즈마 화학기상증착법을 이용한 그래핀의 제조방법.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 (나) 단계에서 탄소원 물질의 주입 속도를 조절하여 그래핀 시트의 층(layer)수를 조절하는 것을 특징으로 하는 열플라즈마 화학기상증착법을 이용한 그래핀의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 (라) 단계에서 내경이 다른 봉을 부착하고 부착된 봉에 따라 봉과 판(plate) 사이의 간격을 달리하여 합성하므로 그래핀 시트(sheet)의 넓이를 조절하는 것을 특징으로 하는 열플라즈마 화학기상증착법을 이용한 그래핀의 제조방법
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 (라) 단계에서 판(plate)을 고정시키는 대신 부착된 봉과 판 사이의 간격을 일정하게 유지시키면서 띠 모양의 판을 리니어 모터를 이용하여 1 mm/s ~ 1 m/s의 일정한 속도로 탄소원자 빔을 통과시켜 띠 모양의 긴 그래핀 시트를 제조하는 것을 특징으로 하는 열플라즈마 화학기상증착법을 이용한 그래핀의 제조방법
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 (라) 단계에서 판(plate)을 고정시키는 대신 판을 회전시키며 탄소원 물질을 일정한 속도로 주입하면서 판의 회전 속도를 조절하여 그래핀 시트의 층수를 조절하고, 주입하는 탄소원의 양을 증가시켜 단위 시간 당 제조되는 그래핀 양을 증가시키는 것을 특징으로 하는 열플라즈마 화학기상증착법을 이용한 그래핀의 제조방법
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