KR101507383B1 - 유도 가열 그래핀 형성 장치 및 그래핀 형성 방법 - Google Patents

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KR101507383B1
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신용현
유신재
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한국표준과학연구원
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Abstract

본 발명은 유도 가열 그래핀 형성 장치 및 유도 가열 그래핀 형성 방법을 제공한다. 이 유도 가열 그래핀 형성 장치는 유전체 튜브, 상기 유전체 튜브의 주위에 배치된 유도 가열 코일, 상기 유도 가열 코일에 교류 전력을 제공하는 교류 전원, 상기 유도 가열 코일에 의하여 유도 가열되고 상기 유전체 튜브 내에 배치된 가열 블록, 및 상기 유도 가열 코일에 의하여 가열되어 액상으로 유지되고 상기 가열 블록 상에 배치된 금속 촉매를 포함한다. 상기 가열 블록에서 형성된 와류(eddy current)는 폐루프(closed loop)를 형성하고, 상기 유전체 튜브 내에 제공되는 탄소함유가스는 상기 금속 촉매 상에 그래핀(graphene)을 형성한다.

Description

유도 가열 그래핀 형성 장치 및 그래핀 형성 방법{Inductive Heating Graphene Forming Apparatus and Graphene Forming Method}
본 발명은 그래핀 형성 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 금속 촉매를 유도 가열하여 용융시키고 용융된 금속 촉매 상에 그래핀을 형성하는 유도 가열 그래핀 형성 장치에 관한 것이다.
그래핀은 탄소 원자들이 2차원적으로 배열된 판상 구조를 가지고, 수 nm 두께의 박막물질로, 그 내부에서 전하가 제로 유효 질량 입자로 작용하기 때문에 높은 전기전도도를 가지며, 높은 열전도도, 및 탄성을 가진다.
금속촉매를 이용한 그래핀 제조 방법이 알려져 있다. 그러나, 금속촉매를 이용한 그래핀 제조 방법은 금속 촉매의 그래인 바운더리(grain boundary), 불순물, 및 표면 거칠기(surface roughness)에 의존할 수 있다. 따라서, 대면적 그래핀 도메인(large-sized graphene domain)을 얻을 수 있는 새로운 금속 촉매 방법이 요구된다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 액상의 금속 촉매 상에 대면적의 그래핀 박막의 제조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 그래핀 형성 장치는 유전체 튜브; 상기 유전체 튜브의 주위에 배치된 유도 가열 코일; 상기 유도 가열 코일에 교류 전력을 제공하는 교류 전원; 상기 유도 가열 코일에 의하여 유도 가열되고 상기 유전체 튜브 내에 배치된 가열 블록; 및 상기 유도 가열 코일에 의하여 가열되어 액상으로 유지되고 상기 가열 블록 상에 배치된 금속 촉매를 포함한다. 상기 가열 블록에서 형성된 와류(eddy current)는 폐루프(closed loop)를 형성하고, 상기 유전체 튜브 내에 제공되는 탄소함유가스는 상기 금속 촉매 상에 그래핀(graphene)을 형성한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속 촉매는 상기 주 가열부에 형성된 함몰부에 수납될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유도 가열 코일은 상기 유전체 튜브를 감싸는 스파이럴(spiral) 형상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 가열 블록은 제1 방향으로 연장되는 표면에 형성된 트렌치를 포함하는 보조 가열부; 및 상기 트렌치 상에 배치된 판 형상의 주 가열부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 가열 블록은 상기 주 가열부 상에 배치된 절연부; 및 상기 절연부 상에 배치되고 상기 제1 방향으로 연장되는 보조 트렌치를 포함하는 덮개부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 가열 블록의 배치 평면의 법선(normal) 방향은 상기 유전체 튜브의 연장 방향에 수직할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 가열 블록의 배치 평면의 법선(normal) 방향은 상기 유전체 튜브의 연장 방향과 일치하고, 중력의 방향은 상기 유전체 튜브의 연장과 일치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 탄소함유가스를 활성화시키어 상기 금속 촉매에 제공하는 활성화부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 그래핀 형성 방법은 유전체 튜브 안에 배치된 가열 블록 상에 금속 촉매를 제공하는 단계; 상기 유전체 튜브 주위에 배치된 유도 가열 코일의 유도 전기장을 이용하여 상기 가열 블록을 유도 가열하는 단계; 상기 금속 촉매를 녹여 금속 촉매층을 형성하는 단계; 탄소 포함 가스를 활성화시키는 단계; 상기 금속 촉매층에 기체 상태의 활성화된 탄소포함가스를 제공하는 단계; 및 상기 금속 촉매층을 냉각하여 상기 금속촉매층 상에 그래핀을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 가열 블록은 보조 가열부 및 상기 보조 가열부 상에 배치된 주 가열부를 포함하고, 상기 보조 가열부와 상기 주 가열부는 전기적으로 직렬 연결된다. 상기 금속 촉매층의 온도는 녹는 점 내지 녹는 점에서 녹는 점으로부터 섭씨 200 도 높은 온도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 형성 장치는 액상의 금속 촉매 상에 대면적의 그래핀 박막을 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 그래핀 형성 장치를 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1의 I-I' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 3a은 도 1의 가열 블록을 설명하는 사시도이다.
도 3b는 도 3a의 II-II'선을 따라 자른 단면도이다.
도 4a은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가열 블록을 설명하는 사시도이다.
도 4b는 도 4a의 III-III'선을 따라 자른 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유도 가열 그래핀 형성 장치를 설명하는 도면이다.
도 6은 도 5의 IV-IV' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유도 가열 그래핀 형성 장치를 설명하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 보다 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
금속 촉매를 이용하여 그래핀을 합성하는 과정 중, 금속 촉매의 그래인과 그래인 사이의 경계(boundary)에서 그래핀의 결정성 및 방향성이 바뀌거나 그래핀을 구성하는 탄소 입자 사이의 연결이 끊어지는 것과 같은 결함(defect)이 빈번히 발생한다. 일반적으로 그래핀의 결정성 및 방향성은 전자의 이동에 영향을 미치는 요소이므로, 그래핀의 결정성 및 방향성이 바뀌면 전자의 흐름에 방해가 되고, 그래핀의 면저항이 증가하게 된다. 또한, 그래인(grain)과 그래인 사이의 경계를 중심으로 발생하는 그래핀의 결함에 의해서도 전자의 흐름이 방해를 받으므로 그래핀의 면저항이 증가된다.
통상적인 그래핀 증착방법에서, 촉매역할을 하는 구리 포일(Cu Foil)은 섭씨 1100도 정도로 가열되고, 메탄(CH4) 가스를 상기 구리 포일 위에 흘려주면, 구리 포일 상에 그래핀이 성장된다. 이때 만들어진 그래핀의 그래인(grain)의 크기는 수백 nm 정도이고, 결정 상태는 다결정(poly-crystalline)이다. 따라서, 전기적 특성이 나쁘다. 따라서, 그래인의 크기(grain size)를 키우는 그래핀 증착 방법이 요구된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 금속 촉매가 가열되면, 상기 금속 촉매는 고체에서 액체로 상전이(phase transition)된다. 이에 따라, 금속 촉매의 그래인 경계에 의한 효과가 억제될 수 있다. 또한, 유도 가열 장치를 사용하면, 유도 전기장을 따라 그래핀 시드(graphene seeds)는 유도 전기장 방향으로 정렬(align)될 수 있다. 이에 따라, 용이하게 대면적 단결정 그래핀(large area single crystalline graphene)이 성장될 수 있다.
금속 촉매의 그래인 경계(grain boundary)을 억제하기 위하여, 액상의 금속 촉매가 그래핀을 성장시키기 위하여 사용될 수 있다. 한편, 가열로(furnace)를 이용하여 액상의 금속 촉매를 형성하는 경우, 많은 가열 시간 및 냉각 시간이 요구된다. 따라서, 금속 촉매만을 빠른 시간에 선택적으로 가열할 수 있는 방법이 요구된다. 이를 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 유도 가열 방법이 채용되었다.
유도 가열은 유도 전기장에 의하여 발생되고, 유도 전기장은 시변(time varying) 자기장에 의하여 발생될 수 있다. 상기 유도 전기장은 표피 깊이(skin depth) 내에서 도전성 물질을 가열할 수 있다. 효율적인 유도 가열을 위하여, 표피 깊이 정도의 두께를 가지는 판은 폐 루프(closed loop)를 형성할 수 있다. 유도 전기장은 상기 폐 루프를 따라 와류(eddy current)를 형성하고, 상기 와류는 오옴익 가열(Ohmic heating)을 통하여 온도를 상승시킬 수 있다. 이에 따라, 폐루프 구조는 열 용량(heat capacity)을 최소화하면서, 빠른 가열을 수행할 수 있다. 상기 폐 루프(closed loop)를 형성하는 도전체의 상부면은 금속 촉매를 수납하는 공간으로 사용될 수 있다.
유도 전기장은 특정한 방향성을 가지며, 강한 유도 전기장은 유전체에 분극을 유발할 수 있다. 구체적으로, 강한 유도 전기장은 탄소 포함 가스 또는 금속 촉매에 녹아있는 탄소 포함 가스를 분극(polarization)시킬 수 있다. 이에 따라, 탄소 포함 가스는 특정한 방향으로 정렬될 수 있다. 이에 따라, 탄소 시드(carbon seeds) 또는 그래핀 도메인(graphene domain)은 서로 정렬되고, 그래핀 경계가 서로 결합하여, 대면적의 그래핀이 용이하게 형성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 그래핀 형성 장치를 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1의 I-I' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 3a은 도 1의 가열 블록을 설명하는 사시도이다.
도 3b는 도 3a의 II-II'선을 따라 자른 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 유도 가열 그래핀 형성 장치(100)는 유전체 튜브(140), 상기 유전체 튜브(140)의 주위에 배치된 유도 가열 코일(120), 상기 유도 가열 코일(120)에 교류 전력을 제공하는 교류 전원(130), 상기 유도 가열 코일(120)에 의하여 유도 가열되고 상기 유전체 튜브(140) 내에 배치된 가열 블록(110), 및 상기 유도 가열 코일(120)에 의하여 가열되어 액상으로 유지되고 상기 가열 블록(110) 상에 배치된 금속 촉매(114)를 포함한다. 상기 가열 블록(110)에서 형성된 와류(eddy current)는 폐루프(closed loop)를 형성하고, 상기 유전체 튜브(140) 내에 제공되는 탄소함유가스는 상기 금속 촉매(114) 상에 그래핀(graphene)을 형성한다.
유전체 튜브(140)는 세라믹 또는 쿼츠일 수 있다. 상기 유전체 튜브(140)는 원통 형상일 수 있다. 상기 유전체 튜브(140)는 z축 방향으로 연장되고, 중력 방향은 음의 x축 방향일 수 있다.
챔버(150)는 상기 유전체 튜브(140)의 양단에 결합하여 내부 공간을 형성할 수 있다. 상기 내부 공간에는 탄소포함가스가 채워지고, 가열 블록(110)이 배치될 수 있다. 상기 챔버(150)는 도전성 물질로 형성되고, 상기 유전체 튜브(140)의 일단에 결합하는 챔버(150)는 활성화부(160)에 연결될 수 있다. 상기 유전체 튜브(140)의 타단에 결합하는 챔버(150)는 배기 펌프(170)에 연결될 수 있다. 상기 챔버(150)의 압력은 수 토르 내지 수백 토르일 수 있다. 따라서, 유도 가열 코일(120)에 의한 유도 전기장은 상기 챔버 내부에 플라즈마를 형성하지 못한다.
활성화부(160)는 상기 챔버(150)의 내부에 배치되고 외부에 공급되는 탄소포함가스를 활성화시킬 수 있다. 활성화된 가스는 상기 금속 촉매(114) 상에 제공될 수 있다. 상기 활성화부(160)는 탄소포함가스를 가열할 수 있는 가열 수단일 수 있다.
상기 활성화부(160)는 활성화 유전체 튜브(164), 상기 활성화 유전체 튜브(164)의 내주면에 배치된 활성화 가열부(163), 상기 유전체 튜브(140)를 감싸고 상기 활성화 가열부(163)에 유도 기전력을 전달하는 활성화 유도 코일(162), 및 상기 활성화 유도 코일(162)에 교류 전력을 제공하는 활성화 교류 전원(161)을 포함할 수 있다. 상기 활성화 유전체 튜브(164)는 상기 유전체 튜브(140)의 중심축 상에 배치되고, 상기 활성화 유전체 튜브(164)는 쿼츠, 알루미나, 또는 세라믹 재질일 수 있다. 상기 활성화 유전체 튜브(164)의 내주면을 따라 상기 활성화 가열부(163)가 배치될 수 있다. 상기 활성화 가열부(163)의 재질은 탄탈(tantalum) 또는 텅스텐일 수 있다. 상기 활성화 가열부(163)는 원통 형상일 수 있다. 상기 활성화 가열부(163)는 상기 활성화 유전체 튜브(164)의 내주면에 접촉하여 배치될 수 있다. 상기 활성화 가열부(163)는 상기 탄소포함가스를 가열하여 상기 금속 촉매에 제공할 수 있다. 상기 활성화 교류 전원(161)의 주파수는 플라즈마를 형성하지 않도록 수 kHz 내지 수 백 kHz일 수 있다.
탄소포함가스(carbon-containing gas)는 매탄(CH4) 가스일 수 있다. 상기 탄소포함가스는 밸브(172)를 통하여 상기 활성화부(160) 또는 상기 유전체 튜브(140)에 공급될 수 있다. 수소(H2) 가스는 밸브(174)를 통하여 상기 활성화부(160) 또는 유전체 튜브(140)에 공급될 수 있다. 상기 수소(H2) 가스는 상기 금속 촉매(114)의 표면을 세정하기 위하여 사용될 수 있다.
유도 가열 코일(120)은 스파이럴 형상일 수 있다. 상기 유도 가열 코일(120)의 내부에는 냉매가 흐를 수 있다. 상기 유도 가열 코일(120)은 구리 파이프를 감아서 형성될 수 있다. 상기 유도 가열 코일(120)은 상기 유전체 튜브를 감싸는 헬리칼 형태로 감길 수 있다. 상기 유도 가열 코일(120)에 전류가 흐르면, 시변 자기장이 생성될 수 있다. 상기 시변 자기장은 유도 전기장을 생성할 수 있다.
교류 전원(130)은 상기 유도 가열 코일(120)에 연결되고, 교류 전력을 공급할 수 있다. 상기 교류 전원(130)의 주파수는 10 kHz 내지 100 MHz일 수 있다. 상기 교류 전원(130)의 전력은 수 십 와트 내지 수십 킬로와트일 수 있다.
상기 가열 블록(110)은 제1 방향(z축 방향)으로 연장되는 표면에 형성된 트렌치(113)를 포함하는 보조 가열부(111) 및 상기 트렌치(113) 상에 배치된 판 형상의 주 가열부(112)를 포함할 수 있다. 상기 보조 가열부(111)와 상기 주 가열부(112)는 서로 전기적으로 직렬 연결되어 폐 루프를 형성할 수 있다. 상기 보조 가열부(111)는 흑연(graphite) 또는 금속일 수 있다. 또한, 상기 주 가열부(112)는 몰리브텐 또는 텅스텐일 수 있다. 상기 주 가열부(112)의 상부면에서 함몰부가 형성되고, 상기 함몰부에 상기 금속 촉매(114)가 배치될 수 있다. 상기 주 가열부(112)는 사각 판 형상일 수 있다. 상기 함몰부(112a)는 사각형 형상일 수 있다. 보조 가열부(111)의 사각 판 형상이고, 상기 보조 가열부(111)는 상기 주 가열부(112)와 정렬될 수 있다.
상기 보조 가열부(111)와 상기 주 가열부(112)는 전기적으로 폐루프를 형성하도록 서로 고정결합할 수 있다. 상기 고정 결합을 위하여, 볼트가 사용될 수 있다. 상기 주 가열부(112)의 전기전도도는 상기 주 가열부(112)의 전기전도도보다 작을 수 있다. 상기 보조 가열부(111)의 트렌치(113)는 상기 주 가열부(112)를 마주볼 수 있다. 상기 보조 가열부(111)의 트렌치(113)에 의하여, 열용량이 감소될 수 있다. 이에 따라, 유도 전기장은 효율적으로 상기 주 가열부(112)를 가열할 수 있다. 상기 트렌치(113)의 연장 방향은 상기 유전체 튜브(140)의 연장 방향과 일치할 수 있다. 상기 트렌치(113)의 폭은 상기 금속 촉매의 폭보다 클 수 있다.
상기 가열 블록(110)의 배치 평면의 법선(normal) 방향은 상기 유전체 튜브(140)의 연장 방향에 수직할 수 있다. 상기 트렌치(113)의 연장 방향은 상기 유전체 튜브(140)의 연장 방향과 일치할 수 있다. 이에 따라, 유도 전기장에 의한 표피 깊이(skin depth) 내의 와류(eddy current)는 상기 가열 블록(110) 내에서 폐루프를 형성할 수 있다.
상기 금속 촉매(114)는 유도 가열되어 액상일 수 있다. 상기 금속 촉매(114)는 상기 주 가열부(112)에 형성된 함몰부(112a)에 수납될 수 있다. 상기 금속 촉매는 구리(Cu), 인듐(In), 또는 갈륨(Ga)일 수 있다. 상기 금속 촉매(114)는 알갱이 형태로 상기 함몰부(112a)에 수납되어 유도 가열에 의하여 녹을 수 있다. 이에 따라, 상기 금속 촉매는 금속 촉매층을 형성할 수 있다.
상기 금속 촉매(114)는 얇은 포일(thin foil)형태로 상기 함몰부(112a)에 수납되고, 유도 가열에 의하여 녹아 금속 촉매층을 형성할 수 있다. 상기 금속 촉매(114) 상에 그래핀(116)이 형성될 수 있다. 상기 금속 촉매(114)의 온도는 녹는점 이상이고 녹는점으로부터 섭씨 200 도 이내의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 금속 촉매(114)가 가열되는 동안, 수소 가스는 상기 금속 촉매(114)에 부착된 불순물을 제거할 수 있다. 상기 금속 촉매(114)가 녹는점 이상의 설정 온도에 도달한 경우, 탄소함유가스는 상기 금속촉매(114) 상에 제공될 수 있다. 이에 따라, 그래핀(116)이 상기 금속 촉매(114) 상에 형성될 수 있다. 상기 교류 전원(130)의 전력을 제거한 경우, 상기 금속 촉매(114)는 빠른 속도로 냉각될 수 있다.
배기 펌프(170)는 챔버(150)에 연결되어 챔버(150) 내부의 가스를 외부로 배출할 수 있다.
도 4a은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가열 블록을 설명하는 사시도이다.
도 4b는 도 4a의 III-III'선을 따라 자른 단면도이다.
도 3a 및 도 3b에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 상기 가열 블록(110)은 제1 방향(z축 방향)으로 연장되는 표면에 형성된 트렌치(113)를 포함하는 보조 가열부(111) 및 상기 트렌치(113) 상에 배치된 판 형상의 주 가열부(112)를 포함할 수 있다. 상기 가열 블록(110)은 상기 주 가열부(112) 상에 배치된 절연부(119) 및 상기 절연부(119) 상에 배치되고 상기 제1 방향으로 연장되는 보조 트렌치(117)를 포함하는 덮개부(118)를 더 포함할 수 있다.
상기 절연부(119)는 상기 주 가열부(112)의 상부면의 양측에 배치되고 제1 방향(z축 방향)으로 연장될 수 있다. 상기 절연부(119)는 세라믹 재질이고 티 형태일 수 있다.
덮개부(118)는 상기 절연부(119) 상에 배치될 수 있다. 상기 덮개부(118)는 상기 보조 가열부(111)와 유사한 형태를 가질 수 있다. 상기 덮개부(118)는 상기 제1 방향으로 연장되는 보조 트렌치(117)를 포함할 수 있다. 상기 보조 트렌치(117)의 폭은 상기 금속 촉매의 폭보다 클 수 있다. 상기 덮개부(118)의 재질은 흑연일 수 있다. 상기 덮개부(118)는 상기 주 가열부(112)와 정렬될 수 있다. 상기 덮개부(118)에는 폐루프를 형성하지 않을 수 있다. 이에 따라, 와류가 효율적으로 흐르지 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 덮개부(118)의 온도는 상기 하부 가열부의 온도보다 낮을 수 있다. 상기 덮개부는 그래핀 주위의 분위기를 유지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유도 가열 그래핀 형성 장치를 설명하는 도면이다.
도 6은 도 5의 IV-IV' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 유도 가열 그래핀 형성 장치(100b)는 유전체 튜브(140), 상기 유전체 튜브(140)의 주위에 배치된 유도 가열 코일(120), 상기 유도 가열 코일(120)에 교류 전력을 제공하는 교류 전원(130), 상기 유도 가열 코일(120)에 의하여 유도 가열되고 상기 유전체 튜브(140) 내에 배치된 가열 블록(110), 및 상기 유도 가열 코일(120)에 의하여 가열되어 액상으로 유지되고 상기 가열 블록(110) 상에 배치된 금속 촉매(114)를 포함한다. 상기 가열 블록(110)에서 형성된 와류(eddy current)는 폐루프(closed loop)를 형성하고, 상기 유전체 튜브(140) 내에 제공되는 탄소함유가스는 상기 금속 촉매(114) 상에 그래핀(graphene)을 형성한다. 유전체 튜브(140)의 연장 방향은 z축이고, 중력 방향은 z축 방향일 수 있다.
활성화부(160)는 상기 챔버(150)의 내부에 배치되고 외부에 공급되는 탄소포함가스를 가열하여 활성화시킬 수 있다.
상기 가열 블록(110)의 배치 평면의 법선(normal) 방향은 상기 유전체 튜브(140)의 연장 방향과 일치하고, 중력의 방향은 상기 유전체 튜브(140)의 연장과 일치할 수 있다.
상기 가열 블록(110)은 주 가열부(112)를 포함할 수 있다. 상기 주 가열부(112)는 원판 형상이고, 상기 주 가열부(112)의 상부면에 함몰부가 형성될 수 있다. 상기 함몰부에 금속 촉매가 배치될 수 있다. 상기 금속 촉매(114) 상에 그래핀(116)이 형성될 수 있다.
유도 전기장은 xy 평면에서 회전하는 방향으로 형성되고, 와류는 폐루프를 형성할 수 있다. 이에 따라, 상기 주 가열부(112)는 효율적으로 가열될 수 있다. 이에 따라, 상기 금속 촉매(114)는 액상으로 가열된다. 설정 온도에 도달하면, 탄소포함가스가 상기 유전체 튜브에 제공되고, 상기 금속 촉매 상에 그래핀이 형성될 수 있다. 그래핀 도메인(graphene domain)은 상기 회전 방향으로 정렬하여, 대면적 그래핀이 형성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유도 가열 그래핀 형성 장치를 설명하는 도면이다.
도 7을 참조하면, 유도 가열 그래핀 형성 장치(100b)는 유전체 튜브(140), 상기 유전체 튜브(140)의 주위에 배치된 유도 가열 코일(120), 상기 유도 가열 코일(120)에 교류 전력을 제공하는 교류 전원(130), 상기 유도 가열 코일(120)에 의하여 유도 가열되고 상기 유전체 튜브(140) 내에 배치된 가열 블록(110), 및 상기 유도 가열 코일(120)에 의하여 가열되어 액상으로 유지되고 상기 가열 블록(110) 상에 배치된 금속 촉매(114)를 포함한다. 상기 가열 블록(110)에서 형성된 와류(eddy current)는 폐루프(closed loop)를 형성하고, 상기 유전체 튜브(140) 내에 제공되는 탄소함유가스는 상기 금속 촉매(114) 상에 그래핀(graphene)을 형성한다.
활성화부(160a)는 상기 챔버(150)의 내부에 배치되고 외부에 공급되는 탄소포함가스를 이온화시켜 플라즈마 및 활성화된 라디칼을 형성시킬 수 있다. 상기 활성화부(160a)는 활성화 유전체 튜브(164), 상기 유전체 튜브(140)를 감싸고 상기 활성화 유전체 튜브(164) 주위에 유도 기전력을 전달하는 활성화 유도 코일(162), 및 상기 활성화 유도 코일(162)에 교류 전력을 제공하는 활성화 교류 전원(161)을 포함할 수 있다. 상기 활성화 교류 전원(161a)의 주파수는 상기 활성화 유전체 튜브(164) 내에 유도 결합 플라즈마를 형성하도록 수 MHz 내지 수 백 MHz일 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 활성화부(160a)는 상기 탄소포함가스를 해리시킬 수 있는 플라즈마 발생 수단일 수 있다. 상기 플라즈마 발생 수단은 초고주파 방전, RF 유전체 장벽 방전(RF dielectric barrier discharge), 또는 DC 방전일 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
110: 가열 블록
120: 유도 가열 코일
130: 교류 전원
140: 유전체 튜브
150: 챔버

Claims (9)

  1. 유전체 튜브;
    상기 유전체 튜브의 주위에 배치된 유도 가열 코일;
    상기 유도 가열 코일에 교류 전력을 제공하는 교류 전원;
    상기 유도 가열 코일에 의하여 유도 가열되고 상기 유전체 튜브 내에 배치된 가열 블록; 및
    상기 유도 가열 코일에 의하여 가열되어 액상으로 유지되고 상기 가열 블록 상에 배치된 금속 촉매를 포함하고,
    상기 가열 블록에서 형성된 와류(eddy current)는 폐루프(closed loop)를 형성하고,
    상기 유전체 튜브 내에 제공되는 탄소함유가스는 상기 금속 촉매 상에 그래핀(graphene)을 형성하고,
    상기 가열 블록은:
    제1 방향으로 연장되는 표면에 형성된 트렌치를 포함하는 보조 가열부; 및
    상기 트렌치 상에 배치된 판 형상의 주 가열부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 그래핀 형성 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 금속 촉매는 상기 주 가열부에 형성된 함몰부에 수납되는 것을 특징으로 하는 유도 가열 그래핀 형성 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 유도 가열 코일은 상기 유전체 튜브를 감싸는 스파이럴(spiral) 형상인 것을 특징으로 하는 유도 가열 그래핀 형성 장치.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 가열 블록은:
    상기 주 가열부 상에 배치된 절연부; 및
    상기 절연부 상에 배치되고 상기 제1 방향으로 연장되는 보조 트렌치를 포함하는 덮개부;를 더 포함하는 유도 가열 그래핀 형성 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 가열 블록의 배치 평면의 법선(normal) 방향은 상기 유전체 튜브의 연장 방향에 수직한 것을 특징으로 하는 유도 가열 그래핀 형성 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 가열 블록의 배치 평면의 법선(normal) 방향은 상기 유전체 튜브의 연장 방향과 일치하고,
    중력의 방향은 상기 유전체 튜브의 연장과 일치하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 그래핀 형성 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 탄소함유가스를 활성화시키어 상기 금속 촉매에 제공하는 활성화부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 그래핀 형성 장치.
  9. 유전체 튜브 안에 배치된 가열 블록 상에 금속 촉매를 제공하는 단계;
    상기 유전체 튜브 주위에 배치된 유도 가열 코일의 유도 전기장을 이용하여 상기 가열 블록을 유도 가열하는 단계;
    상기 금속 촉매를 녹여 금속 촉매층을 형성하는 단계;
    탄소 포함 가스를 활성화시키는 단계;
    상기 금속 촉매층에 기체 상태의 활성화된 탄소포함가스를 제공하는 단계; 및
    상기 금속 촉매층을 냉각하여 상기 금속촉매층 상에 그래핀을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 가열 블록은 보조 가열부 및 상기 보조 가열부 상에 배치된 주 가열부를 포함하고,
    상기 보조 가열부와 상기 주 가열부는 전기적으로 직렬 연결되고,
    상기 금속 촉매층의 온도는 녹는 점 내지 녹는 점에서 녹는 점으로부터 섭씨 200 도 높은 온도인 것은 특징으로 하는 유도 가열 그래핀 형성 방법.
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