KR101828528B1

KR101828528B1 - 그래핀의 제조 장치 및 제조 방법

Info

Publication number: KR101828528B1
Application number: KR1020110026455A
Authority: KR
Inventors: 원동관
Original assignee: 한화테크윈 주식회사
Priority date: 2010-06-28
Filing date: 2011-03-24
Publication date: 2018-02-12
Also published as: US20150353362A1; KR20120001591A; CN102958832A; US20130122220A1; CN102958832B

Abstract

본 발명에 관한 그래핀의 제조 장치는, 탄소를 포함한 가스를 공급하는 가스 공급부와, 가스 공급부에서 공급된 가스를 가열하는 가스 가열부와, 촉매층을 구비한 기판이 배치되는 증착 챔버와, 가스 가열부의 가스를 증착 챔버로 도입하는 도입관을 구비한다. 증착 챔버의 온도를 가스 가열부의 온도보다 낮은 범위에서 설정할 수 있으므로, 촉매층에 사용할 수 있는 촉매 금속의 선택 범위가 넓어지고 고온의 열로 인한 기판의 손상을 최소화할 수 있다.

Description

그래핀의 제조 장치 및 제조 방법{Manufacturing apparatus and method of graphene}

본 발명의 실시 예는 그래핀의 제조 장치 및 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대면적의 안정적인 그래핀을 경제적으로 제조할 수 있는 그래핀의 제조 장치 및 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 그래파이트(graphite)는 탄소 원자가 6각형 모양으로 연결된 판상의 2차원 그래핀 시트(graphene sheet)가 적층된 구조를 갖는다. 최근 그래파이트로부터 한층 또는 복수 개의 층의 그래핀 시트를 벗겨 내어 특성을 조사한 결과 기존의 물질과 다른 매우 유용한 특성이 발견되었다.

가장 주목할 특징으로는 그래핀 시트에서 전자가 이동할 경우 마치 전자의 질량이 제로인 것처럼 흐른다는 것이다. 이는 전자가 진공 중의 빛이 이동하는 속도, 즉 광속으로 흐른다는 것을 의미한다. 그래핀 시트는 또한 전자와 정공에 대하여 비정상적인 반정수 양자 홀 효과(half-integer quantum hall effect)를 가진다는 것이다.

현재까지 그래핀 시트의 전자 이동도는 약 20,000 내지 50,000cm2/Vs의 높은 값을 갖는 것으로 알려져 있다. 무엇보다도 그래핀 시트와 비슷한 계열인 카본나노튜브의 경우, 합성 후 정제를 거치는 경우 수율이 매우 낮기 때문에 값싼 재료를 이용하여 합성을 하더라도 최종 제품의 가격이 비싼데 그래파이트는 가격이 저렴하다.

단일벽 카본나노튜브의 경우 그 키랄성 및 직경에 따라 금속, 반도체 특성이 달라질 뿐만이 아니라, 동일한 반도체 특성을 갖더라도 밴드갭이 모두 다르다는 특징을 가지므로, 주어진 단일벽 카본나노튜브로부터 특정 반도체 성질 또는 금속성 성질을 이용하기 위해서는 각 단일벽 카본나노튜브를 모두 분리해야 될 필요가 있으며, 이는 매우 어렵다고 알려져 있다.

반면 그래핀 시트의 경우, 주어진 두께의 그래핀 시트의 결정 방향성에 따라서 전기적 특성이 변화하므로 사용자가 선택한 방향으로 전기적 특성을 발현시킬 수 있으므로 소자를 쉽게 디자인 할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 그래핀 시트의 특징은 향후 탄소계 전기 소자 또는 탄소계 전자기 소자 등에 매우 효과적으로 이용될 수 있다.

상술한 바와 같이 그래핀 시트는 매우 유용한 성질을 가지고 있지만 대면적의 그래핀 시트를 경제적인 방식으로 반복 제조하기가 어렵다. 현재까지 개발된 그래핀 시트의 제조 방법은 두 가지로 분류할 수 있는데, 미세 기계적(micro-mechanical) 방법과 SiC 결정 열분해 방법이다.

미세 기계적 방법은 그래파이트 시료에 스카치 테이프를 붙인 다음 스카치 테이프를 떼어내어 스카치 테이프 표면에 그래파이트로부터 떨어져 나온 그래핀 시트를 얻는 방식이다. 이 경우 떼어져 나온 그래핀 시트는 그 층의 수가 일정하지 않으며 모양도 일정하지가 않다. 이러한 방법으로는 대면적으로 그래핀 시트를 얻는 것이 불가능 하였다.

SiC 결정 열분해 방법은 SiC 단결정을 가열하게 되면 표면의 SiC는 분해되어 Si은 제거되며, 남아 있는 카본(C)에 의하여 그래핀 시트가 생성되는 원리이다. 그러나 이와 같은 열분해 방법의 경우, 출발물질로 사용하는 SiC 단결정이 매우 고가이며, 그래핀 시트를 대면적으로 얻기가 매우 어렵다는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 안정적인 그래핀을 경제적이면서 대면적으로 제조할 수 있는 그래핀의 제조 장치 및 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명에 관한 그래핀의 제조 장치는, 탄소를 포함한 가스를 공급하는 가스 공급부와, 가스 공급부에서 공급된 가스를 가열하는 가스 가열부와, 촉매층을 구비한 기판이 배치되는 증착 챔버와, 가스 가열부의 가스를 증착 챔버로 도입하는 도입관을 구비한다.

본 발명에 있어서, 가스 가열부는, 가스가 가열되도록 밀폐된 공간을 갖는 가스 챔버와, 가스 챔버에 배치되어 가스에 열을 가하는 가스 히팅유닛을 구비할 수 있다.

본 발명에 있어서, 가스 히팅유닛은 열을 복사하는 램프일 수 있다.

본 발명에 있어서, 가스 가열부는 가스 히팅유닛의 주변에 위치하도록 가스 챔버 내에 배치되는 석영관을 더 구비할 수 있고, 석영관에는 가스 히팅유닛에 의해 가열될 가스가 공급될 수 있다.

본 발명에 있어서, 석영관의 일단은 가스 챔버를 통과하여 가스 공급부와 연결될 수 있고, 석영관의 타단은 가스 챔버를 통과하여 도입관과 연결될 수 있다.

본 발명에 있어서, 가스 챔버는 피롤리틱 보론 질화물(pyrolitic boron nitride)로 코팅된 그래파이트 소재를 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 그래핀의 제조 장치는 증착 챔버에 배치되어 기판을 향해 열을 가하는 기판 가열부를 더 구비할 수 있다.

본 발명에 있어서, 기판 가열부는 가스 가열부의 가열 온도보다 낮은 온도에서 증착 챔버를 가열할 수 있다.

본 발명에 있어서, 기판 가열부는 열을 복사하는 램프일 수 있다.

본 발명에 있어서, 도입관은 도입관의 적어도 일부를 감싸는 단열부를 구비할 수 있다.

본 발명에 있어서, 그래핀의 제조 장치는 도입관을 가열하는 관 히팅유닛을 더 구비할 수 있다.

본 발명에 있어서, 그래핀의 제조 장치는, 기판의 일측을 감아 지지하며 회전 가능한 제1 롤과 기판의 타측을 감아 지지하며 회전 가능한 제2 롤을 구비하여 기판이 증착 챔버의 입구와 출구를 통과하도록 기판을 연속적으로 공급하는 기판 공급장치를 더 구비할 수 있다.

본 발명에 있어서, 그래핀의 제조 장치는, 입구와 출구를 개폐하도록 증착 챔버에 이동 가능하게 배치되는 커버를 더 구비할 수 있다.

본 발명에 관한 그래핀의 제조 방법은, 촉매층을 갖는 기판을 증착 챔버로 이동시키는 단계와, 증착 챔버의 외부에 배치된 가스 챔버에 탄소를 포함한 가스를 공급하는 단계와, 가스 챔버에 수용된 가스를 가열하는 단계와, 가스 챔버에서 가열된 가스를 증착 챔버로 도입하여 기판 위에 그래핀을 합성하는 단계를 포함한다.

본 발명에 있어서, 가스를 가열하는 단계는 가스 챔버에 배치된 램프에 의해 열을 복사하여 가스를 가열할 수 있다.

본 발명에 있어서, 가스를 공급하는 단계는 반응 가스와 분위기 가스를 함께 공급할 수 있다.

본 발명에 있어서, 그래핀을 합성하는 단계는 탄소를 포함한 반응 가스와 분위기 가스를 분리하여 반응 가스만을 상기 증착 챔버에 도입할 수 있다.

본 발명에 있어서, 그래핀을 합성하는 단계는 증착 챔버로 도입된 기판을 가열하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 기판을 가열하는 단계는 증착 챔버에 배치된 램프의 열을 복사하여 기판을 가열할 수 있다.

본 발명에 있어서, 기판을 가열하는 단계는 가스를 가열하는 단계에서 가스를 가열하는 온도보다 낮은 온도에서 기판을 가열할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 그래핀의 제조 장치 및 제조 방법은, 열화학 기상 증착법을 이용하여 기판의 표면에 그래핀을 형성할 수 있다. 탄소를 포함하는 가스를 가열하는 가스 가열부가 그래핀의 형성이 이루어지는 증착 챔버와 독립적으로 설치되고, 가스 가열부와 증착 챔버가 서로 다른 온도 범위에서 독립적으로 가열될 수 있다. 이로 인해 탄소를 함유한 반응 가스를 효율적으로 분해할 수 있으며 기판을 적정한 수준의 온도 범위에서 가열할 수 있어서 기판의 표면에 그래핀이 안정적으로 형성될 수 있다.

또한 기판을 가열하는 증착 챔버의 온도를 가스 가열부의 온도보다 낮은 범위에서 설정할 수 있으므로, 촉매층에 사용할 수 있는 촉매 금속의 선택 범위가 넓어지고 고온의 열로 인한 기판의 손상을 최소화할 수 있다.

또한 증착 챔버의 작동 온도를 가스 가열부의 작동 온도보다 낮은 범위에서 설정할 수 있으므로, 증착 챔버에 도입되는 기판의 소재를 다양하게 선택할 수 있다. 이로 인해 유연성을 갖는 기판의 소재를 선택하고 롤투롤(roll to roll) 방식에 의한 기판 공급장치를 사용할 수 있으므로, 대면적의 그래핀을 저렴하게 생산할 수 있다.

또한 기판 가열부와 가스 가열부를 승온 시간과 냉각 시간을 자유롭게 제어할 수 있는 급속 열처리 장치에 의해 구현함으로써 그래핀의 합성에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있고, 에너지의 소비를 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 그래핀의 제조 장치의 구성 요소들의 관계를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1의 그래핀의 제조 장치에 사용되는 기판의 단면도이다.
도 3은 도 2의 기판에 그래핀이 합성된 모습을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 관한 그래핀의 제조 방법의 단계들을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 관한 그래핀의 제조 장치의 구성 요소들의 관계를 개략적으로 도시한 설명도이다.

이하, 첨부 도면의 실시예들을 통하여, 본 발명에 관한 그래핀의 제조 장치 및 제조 방법의 구성과 작용을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 그래핀의 제조 장치의 구성 요소들의 관계를 개략적으로 도시한 블록도이다.

도 1에 나타난 실시예에 관한 그래핀의 제조 장치는, 탄소를 포함한 가스를 공급하는 가스 공급부(10)와, 가스 공급부(10)에서 공급된 가스를 가열하는 가스 가열부(20)와, 촉매층을 구비한 기판(90)이 배치되는 증착 챔버(50)와, 가스 가열부(20)에서 가열되어 분해된 가스를 증착 챔버(50)로 도입하는 도입관(40)을 구비한다.

상술한 구성의 그래핀의 제조 장치에서는, 가스의 가열이 이루어지는 가스 가열부(20)와 기판(90)의 표면에 그래핀이 증착되는 증착 챔버(50)가 분리되어 있으므로 탄소를 포함한 가스를 분해하기 위해 가스 가열부(20)에서 이루어지는 가열 공정이 증착 챔버(50)에 미치는 영향을 감소시킬 수 있다. 즉 증착 챔버(50) 내에서 기판(90)이 가열되는 온도는 가스 가열부(20) 내에서 가스가 가열되는 온도보다 낮은 범위에 존재하므로, 가스를 분해하기 위해 높은 온도로 가열하는 경우에도 기판(90)의 손상을 방지할 수 있다.

가스 공급부(10)는 가스 가열부(20)에 탄소를 함유한 가스인 반응 가스(원료 가스)를 공급하는 장치이다. 가스 공급부(10)가 공급하는 반응 가스는 탄소를 함유하는 화합물이며 탄소수 6개 이하의 화합물이나, 탄소수 4개 이하의 화합물이나, 탄소수 2개 이하의 화합물일 수 있다. 반응 가스는 예를 들어 일산화탄소, 이산화탄소, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠 및 톨루엔으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.

가스 공급부(10)는 반응 가스 이외에도 분위기 가스도 함께 공급할 수 있다. 분위기 가스는, 헬륨, 아르곤 등과 같은 불활성 가스와, 금속 촉매의 표면을 깨끗하게 유지하여 기상 반응을 제어하기 위한 수소 등을 포함하는 비반응 가스를 포함할 수 있다.

가스 공급부(10)와 가스 챔버(21)를 연결하는 공급관(10a)에는 제어밸브(11)가 설치되어 가스 공급부(10)로부터 가스 챔버(21)로 공급되는 가스의 유량 등을 제어할 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 "그래핀(graphene)" 또는 "그래핀 시트"라는 용어는 복수개의 탄소원자들이 서로 공유결합으로 연결되어 폴리시클릭 방향족 분자를 형성하는 그래핀이 시트 형태를 형성한 것으로서, 공유결합으로 연결된 탄소원자들은 기본 반복단위로서 6원환을 형성하나, 5원환 및/또는 7원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 따라서 그래핀 시트는 서로 공유 결합된 탄소원자들(통상 sp2 결합)의 단일층을 이룬다. 그래핀 시트는 다양한 구조를 가질 수 있으며, 이와 같은 구조는 그래핀 내에 포함될 수 있는 5원환 및/또는 7원환의 함량에 따라 달라질 수 있다.

그래핀 시트는 상술한 바와 같은 그래핀의 단일층으로 이루어질 수 있으나, 이들이 여러 개 서로 적층되어 복수층을 형성하는 것도 가능하여 최대 300층까지의 두께를 형성할 수 있다. 통상 그래핀의 측면 말단부는 수소원자로 포화된다.

가스 가열부(20)는 가스 공급부(10)로부터 공급된 가스를 수용하는 가스 챔버(21)와 가스 챔버(21)에 설치되어 가스 챔버(21)를 가열하는 가스 히팅유닛(22)을 구비한다.

증착 챔버(50)는 석영이나 스테인레스 스틸과 같은 금속 소재 등을 이용해 제조되며, 기판(90)의 표면에 그래핀의 합성이 이루어지는 곳이다. 증착 챔버(50)는 가스 가열부(20)의 가스 챔버(21)와는 독립된 공간으로 설치되며, 도입관(40)을 통해 가스 챔버(21)와 연결된다. 도입관(40)에는 가스 공급밸브(41)가 설치되어 가열된 가스의 가스 챔버(21)로부터 증착 챔버(50)로의 공급을 제어한다.

증착 챔버(50)는 기판(90)이 유입되는 입구(51)와, 기판(90)이 배출되는 출구(52)를 구비한다. 또한 증착 챔버(50)에는 입구(51)와 출구(52)를 개폐하도록 화살표 방향으로 이동 가능한 커버(71, 72)가 설치된다. 기판(90)의 표면에 그래핀이 합성되는 공정이 진행될 때에는 가스 챔버(21)로부터 가열된 가스가 증착 챔버(50)에 공급됨과 아울러 증착 챔버(50)의 가열이 이루어지므로, 커버(71, 72)가 입구(51) 및 출구(52)를 폐쇄시켜 외부와 증착 챔버(50)의 분위기를 분리시킨다. 그래핀 시트가 합성되는 공정이 완료된 이후에는 커버(71, 72)가 작동하여 입구(51) 및 출구(52)를 개방함과 아울러 기판(90)이 증착 챔버(50)를 통과하여 이동할 수 있게 한다.

증착 챔버(50)에는 증착 챔버(50)를 가열하는 기판 가열부(80)가 설치될 수 있다. 기판 가열부(80)와 가스 히팅유닛(22)은 배선(15a, 15b)을 통해 제어부(15)에 연결되어, 제어부(15)에 의해 제어될 수 있다.

증착 챔버(50)에는 배기관(96)을 통해 내부의 가스를 외부로 배출하기 위한 배기 펌프(95)가 연결된다. 배기관(96)에는 가스의 배출을 제어하는 배기 밸브(97)가 설치된다. 증착 챔버(50)에서 그래핀 시트의 생성이 완료된 이후에는 배기 밸브(97)가 작동하여 증착 챔버(50)의 내부의 가스를 외부로 배출할 수 있다.

기판 가열부(80)는 그래핀 시트의 합성이 이루어질 수 있도록 증착 챔버(50) 내의 온도 분위기를 제어하는 기능을 수행한다. 따라서 탄소를 함유한 반응 가스를 분해하기 위해 고온으로 가열하는 가스 히팅유닛(22)과 달리 기판 가열부(80)는 낮은 온도 범위에서 증착 챔버(50)를 가열할 수 있다.

가스 챔버(21)의 가열된 가스룰 증착 챔버(50)에 공급할 때에는 분위기 가스는 제거하고 반응 가스에서 분해된 탄소를 함유한 성분만을 필터링하여 공급할 수 있다. 또는 반응 가스와 분위기 가스를 함께 증착 챔버(50)에 공급할 수도 있다.

예를 들어 가스 히팅유닛(22)은 대략 섭씨 300도 내지 2,000도의 범위에서 가스 챔버(21)를 가열할 수 있다. 기판 가열부(80)는 대략 섭씨 300도 내지 800도의 범위에서 증착 챔버(50)를 가열할 수 있다.

만약 증착 챔버(50)에 탄소를 함유한 반응 가스를 공급하고 반응 가스를 분해함과 동시에 기판(90)의 위에 그래핀을 합성하기 위해 대략 1,000도 이상의 온도로 증착 챔버(50)를 가열하면, 기판(90)의 표면에 증착되는 촉매 금속에는 온도에 강한 소재만을 이용해야 하는 제한이 존재한다. 또한 1,000도 이상의 온도로 증착 챔버(50)를 가열할 때에는 기판(90)에 열적 손상이 발생할 수 있다.

그러나 도 1에 나타난 실시예에 관한 그래핀의 제조 장치에서는 증착 챔버(50)와 가스 챔버(21)가 서로 독립적으로 설치되어 서로 다른 온도 범위에서 가열되므로, 탄소를 함유한 반응 가스를 효율적으로 분해함과 동시에 기판(90)의 표면에 그래핀의 합성이 안정적으로 이루어질 수 있다.

가스 히팅유닛(22)과 기판 가열부(80)를 구현하기 위한 열원으로서는, 예를 들어 유도가열(induction heating), 복사열, 레이져, IR, 마이크로파, 플라즈마, UV, 표면 플라즈몬 가열 등을 제한 없이 사용할 수 있다. 이와 같은 열원은 가스 챔버(21)나 증착 챔버(50)에 부착되어 챔버 내부를 소정 온도까지 승온시키는 역할을 수행한다.

그래핀의 합성이 이루어지는 대상인 기판(90)은 기판 공급장치(63)에 의해 증착 챔버(50)에 연속적으로 공급될 수 있다. 도 1에 나타난 실시예에 관한 그래핀의 제조 장치에서는 롤투롤(roll to roll) 방식이 이용되었다.

기판 공급장치(63)는 기판(90)의 일측을 감아 지지하며 회전 가능한 제1 롤(61)과, 기판(90)의 타측을 감아 지지하며 회전 가능한 제2 롤(62)을 구비한다. 제1 롤(61)과 제2 롤(62)은 도면에 도시하지 않았지만, 모터나 벨트나 체인 등에 의해 회전할 수 있다. 기판(90)은 기판 공급장치(63)에 의해 증착 챔버(50)의 입구(51)와 출구(52)를 통과하도록 증착 챔버(50)에 연속적으로 공급된다.

본 발명은 상술한 기판(90)을 공급하는 방식에 의해 한정되는 것은 아니며, 이를 변형하여 컨베이어 벨트나, 이송 로봇을 이용하는 등 여러 가지 기술을 이용할 수 있다.

도 2는 도 1의 그래핀의 제조 장치에 사용되는 기판의 단면도이다.

증착 챔버(50)에 공급되는 기판(90)은 베이스층(91)과, 베이스층(91)의 표면에 배치되는 촉매층(92)을 구비한다.

베이스층(91)에는 내열성을 가지며 그래핀과의 밀착성이 높은 소재를 이용할 수 있다. 베이스층(91)의 자체가 이러한 성질을 갖거나 표면에 이러한 성질을 갖는 소재를 코팅한 소재를 이용할 수 있다. 베이스층(91)의 소재로 Si 기판, 글래스 기판, GaN 기판, 실리카 기판 등의 무기물 기판이나, Ni, Cu, W 등의 금속 기판 등을 사용할 수 있다. 베이스층(91)에 사용될 수 있는 소재로, 예를 들어, SiO₂, Si₃N₄, SiON, SIOF, BN, HSQ(hydrogen silsesquiloxane), 크세로겔(xerogel), 에어로겔(aero gel), 폴리 나프탈렌(poly naphthalene), 비정질 카본(carbon) 불화물(a-CF), SiOC, MSQ, 블랙 다이아몬드(black diamond) 등을 이용할 수 있다.

베이스층(91)의 표면에 배치된 촉매층(92)은 그래파이트화 촉매로서 기능하는 층으로서, 가스 챔버(21)로부터 증착 챔버(50)로 공급된 가열된 가스에 포함된 탄소 성분들이 서로 결합하여 6각형의 판상 구조를 형성하도록 도와주는 역할을 수행한다. 촉매층(92)에는 그래파이트를 합성하거나, 탄화반응을 유도하거나, 카본나노튜브를 제조하는데 사용되는 촉매를 사용할 수 있다

촉매층(92)은 예를 들어 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 로듐(Rh), 실리콘(Si), 탄탈럼(Ta), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 우라늄(U), 바나듐(V), 팔라듐(Pd), 이트리움(Y), 및 지르코늄(Zr)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 촉매를 포함할 수 있다. 촉매층(92)은 금속 촉매를 스퍼터링(sputtering) 장치, 전자빔 증발 장치(e-beam evaporator)등을 이용하여, 준비된 베이스층(91)에 증착하여 형성될 수 있다.

촉매층(92)은 다른 방법으로도 준비될 수 있는데, 예를 들면, 금속박막(foil; 호일) 형태로 바로 제공될 수 있다. 그 경우에는 산화 실리콘(SiO₂)층을 가지는 실리콘 웨이퍼 소재 등의 베이스층(91)을 사용하지 않을 수도 있다.

도시하지는 않았으나 촉매층(92)과 베이스층(91)의 사이의 불필요한 반응을 억제하기 위하여 베이스층(91)의 표면을 블록층으로 미리 도포할 수도 있다. 이와 같은 블록층은 베이스층(91)과 촉매층(92)의 사이에 존재함으로써, 촉매층(92)이 베이스층(91)과 반응함으로써 그래핀 생성 효율이 저하되는 것을 억제할 수 있다. 이와 같은 블록층에는 SiOx, TiN, Al2O3, TiO2, Si3N4 등의 소재를 사용할 수 있으며, 스퍼터링 등의 방법으로 베이스층(91) 상에 형성할 수 있다.

기판(90)과 그래핀과의 사이에 밀착성을 높이고 CNT의 생성을 억제하면서 그래핀의 평면 방향의 성장을 촉진하기 위해 기판(90)의 표면에 활성화 처리를 수행할 수도 있다.

도 1에 나타난 실시예에 관한 그래핀의 제조 장치를 이용하면, 그래파이트화 촉매로 기능한 촉매층(92)을 갖는 기판(90)을 증착 챔버(50)에 투입하고, 가스 챔버(21)로부터 공급되는 탄소를 함유한 가스(기상의 탄소 공급원)를 증착 챔버(50)에 공급하면서 증착 챔버(50)를 가열하여 기판(90)의 표면에 그래핀을 생성시킨 후, 이를 냉각하여 성장시킴으로써 그래핀 시트가 기판(90)의 표면에 형성된다.

도 3은 도 2의 기판에 그래핀이 합성된 모습을 나타낸 단면도이다.

가스 챔버(21)로부터 공급된 가열된 가스를 증착 챔버(50)에 소정 압력으로 공급하면서 소정 온도에서 소정 시간 동안 열처리하면, 기상의 탄소 공급원에 존재하는 탄소성분들이 서로 결합하여 6각형의 판상 구조를 형성하면서 그래핀이 생성되며, 이를 소정 냉각 속도로 냉각하면 균일한 배열 상태를 갖는 그래핀 시트(93)를 얻을 수 있다.

냉각 단계는, 분당 섭씨 30도 내지 600도 정도(섭씨 30 도/min 내지 600 도/min)의 냉각 속도로 급속히 냉각을 수행하여 촉매층(92)으로부터 탄소를 분리시켜 결정화시키는 방법으로, 그래핀 시트(93)를 성장시킨다. 냉각 단계는 증착 챔버(50)를 냉각시키는 방법을 이용하거나, 표면에 그래핀이 형성된 기판(90)을 증착 챔버(50)의 외부로 이동시켜 별도의 장소에서 냉각 작용이 일어나게 할 수도 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 관한 그래핀의 제조 방법의 단계들을 나타낸 순서도이다.

도 4에 나타난 실시예에 관한 그래핀의 제조 방법은, 촉매층을 갖는 기판을 증착 챔버로 이동시키는 단계(S100)와, 증착 챔버의 외부에 배치된 가스 챔버에 탄소를 포함한 가스를 공급하는 단계(S110)와, 가스 챔버에 수용된 가스를 가열하여 가스를 분해하는 단계(S120)와, 가스 챔버에서 분해된 가스를 증착 챔버로 도입하여 기판 위에 그래핀을 합성하는 단계(S130, S140)를 포함한다.

가스를 공급하는 단계(S110)에서는 탄소를 함유한 반응 가스를 공급한다. 반응 가스는, 예를 들어 일산화탄소, 이산화탄소, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠 및 톨루엔으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.

가스를 공급하는 단계(S110)에서는 상술한 반응 가스와 함께 분위기 가스를 공급할 수 있다. 분위기 가스는, 헬륨, 아르곤 등과 같은 불활성 가스와, 금속 촉매의 표면을 깨끗하게 유지하여 기상 반응을 제어하기 위한 수소 등을 포함하는 비반응 가스를 포함할 수 있다.

그래핀을 합성하는 단계(S130, S140)는, 기판을 가열하는 단계(S130)와, 가스 챔버에서 가열되어 분해된 가스를 증착 챔버로 도입하는 단계(140)를 포함한다. 기판을 가열하는 단계(S130)와, 가열되어 분해된 가스를 증착 챔버로 도입하는 단계(140)는 서로 순서를 바꾸어 수행되거나 동시에 진행될 수 있다.

가스를 가열하여 분해하는 단계에서는, 예를 들어 대략 섭씨 300도 내지 2,000도의 범위에서 가스 챔버를 가열할 수 있다. 기판을 가열하는 단계(S130)에서는 예를 들어 대략 섭씨 300도 내지 800도의 범위에서 기판을 가열할 수 있다.

만약 증착 챔버에 탄소를 함유한 반응 가스를 공급하고 반응 가스를 분해함과 동시에 기판의 위에 그래핀을 합성하기 위해 대략 1,000도 이상의 온도로 증착 챔버를 가열하면 기판에 열적 손상이 발생할 수 있다.

그러나 도 4에 나타난 실시예에 관한 그래핀의 제조 방법에서는 증착 챔버와 가스 챔버가 서로 독립적으로 설치되어 서로 다른 온도 범위에서 가열되므로, 탄소를 함유한 반응 가스를 효율적으로 분해함과 동시에 기판의 표면에 그래핀의 합성이 안정적으로 이루어질 수 있다.

증착 챔버로 가스를 도입하여 기판의 표면에 그래핀을 형성한 이후에는, 기판을 냉각시켜 기판의 표면에 그래핀을 성장시키는 냉각 단계가 실행될 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 관한 그래핀의 제조 장치의 구성 요소들의 관계를 개략적으로 도시한 설명도이다.

도 5에 나타난 실시예에 관한 그래핀의 제조 장치는, 탄소를 포함한 가스를 공급하는 가스 공급부(110)와, 가스 공급부(110)에서 공급된 가스를 가열하는 가스 가열부(120)와, 촉매층을 구비한 기판(90)이 배치되는 증착 챔버(150)와, 가스 가열부(120)에서 가열되어 분해된 가스를 증착 챔버(150)로 도입하는 도입관(140)을 구비한다.

도 1 내지 도 3에 도시된 실시예와 마찬가지로, 가스의 가열이 이루어지는 가스 가열부(120)와 증착 챔버(150)가 분리되어 있어서, 탄소를 포함한 가스를 분해하는 가열 공정이 증착 챔버(150)에 미치는 영향을 감소시킬 수 있다.

가스 가열부(120)는 가스가 가열되도록 밀폐된 공간을 형성하는 가스 챔버(121)와, 가스 챔버(121)의 내부에 배치되어 가스에 열을 가하는 가스 히팅 유닛(122)을 구비한다.

가스 챔버(121)의 내부에는 가열될 가스가 통과하는 통로로 기능하는 석영관(123)이 배치될 수 있다. 석영관(123)의 일단(123a)은 가스 챔버(121)를 통과하여 가스 공급부(110)와 연결되므로 가스 공급부(110)로부터 공급된 가스가 가스 챔버(121)의 내부로 도입될 수 있다.

석영관(123)의 타단(123b)은 가스 챔버(121)를 통과하여 도입관(140)과 연결되므로, 가스 챔버(121)에서 가열된 가스가 도입관(140)을 거쳐 증착 챔버(150)로 공급될 수 있다.

가스 히팅유닛(122)은 열을 복사하는 램프에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 가스 히팅유닛(122)은 복수 개의 할로겐 램프를 구비할 수 있다. 가스 히팅유닛(122)으로부터 복사되는 열은 석영관(123)의 내부에 있는 가스를 공정 온도까지 신속하게 가열할 수 있다.

상술한 구성을 갖는 가스 가열부(120)는 급속 열처리 장치(rapid thermal processing apparatus; RTP)로서 기능을 수행한다. 급속 열처리 장치는 고온의 조건에서 원하는 효과를 얻을 수 있으며, 단 시간(보통 수십 초에서 수분 정도) 동안에 열처리 공정이 진행되므로 불순물이 불필요하게 확산되거나 산화물이 생성되는 등의 부작용을 최소화할 수 있는 이점이 있어 열처리 공정에 많이 사용된다.

가스 챔버(121)는 예를 들어, 피롤리틱 보론 질화물(pyrolitic boron nitride; PBN)에 의해 코팅된 그래파이트 소재를 포함할 수 있다.

도입관(140)은 증착 챔버(150)와 가스 챔버(121)의 각각에 연결되어, 가스 챔버(121)의 가열된 가스를 증착 챔버(150)로 공급하는 기능을 수행한다. 단열 효과를 높이기 위해 도입관(140)의 길이를 최소화할 수 있다. 또한 도입관(140)은 도입관(140)의 적어도 일부를 감싸는 단열부(141)을 구비한다.

도입관(140)의 외측에는 도입관(140)의 온도가 저하되지 않도록 도입관(140)을 가열하는 관 히팅유닛(145)이 배치된다. 관 히팅유닛(145)은 도입관(140)을 가열하는 히터(142)와, 히터(142)에 전기를 공급하는 전원부(143)를 구비한다.

증착 챔버(150)에는 기판 가열부(180)가 배치된다. 기판 가열부(180)는 가스 가열부(120)와 마찬가지로 급속 열처리 장치로 구현될 수 있다. 즉 기판 가열부(180)는 열을 복사하는 램프에 의해 구현되어, 복사열에 의해 기판(90)을 신속히 가열할 수 있다.

급속 열처리 장치는 승온 시간과 냉각 시간을 자유롭게 제어할 수 있으므로, 기판 가열부(180)와 가스 가열부(120)를 서로 독립된 급속 열처리 장치로 구현함으로써 그래핀의 합성에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다. 즉 가스 가열부(120)에서 가스를 신속하게 가열하기 위한 공정 온도를 매우 높게 설정하고, 기판 가열부(180)에서는 가스 가열부(120)의 공정 온도에 비해 낮은 공정 온도에서 기판(90)을 가열할 수 있다.

또한 기판 가열부(180)와 가스 가열부(120)의 각각에 필요한 공정 온도를 다르게 설정함으로써, 기판(90)의 가열에 소요되는 시간과 에너지와 가스의 가열에 소요되는 시간과 에너지를 각각의 공정의 목적에 따라 최적화할 수 있으므로 에너지의 소비를 줄일 수 있다.

본 발명은 상술한 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

10: 가스 공급부 61: 제1 롤
10a: 공급관 62: 제2 롤
11: 제어밸브 63: 기판 공급장치
15: 제어부 71, 72: 커버
15a, 15b: 배선 80: 기판 가열부
20: 가스 가열부 90: 기판
21: 가스 챔버 91: 베이스층
22: 가스 히터 92: 촉매층
40: 도입관 93: 그래핀 시트
41: 가스 공급밸브 95: 배기 펌프
50: 증착 챔버 96: 배기관
51: 입구 97: 배기 밸브
52: 출구

Claims

탄소를 포함한 가스를 공급하는 가스 공급부;
상기 가스 공급부에서 공급된 탄소를 포함한 반응 가스와 분위기 가스를 함께 가열하는 가스 가열부;
촉매층을 구비한 기판이 배치되는 증착 챔버; 및
상기 가스 가열부와 상기 증착 챔버를 연결하여 상기 가스 가열부의 가스를 상기 증착 챔버로 도입하는 도입관;을 구비하고,
상기 가스 가열부와 상기 증착 챔버는 서로 독립되도록 분리되며,
상기 가스 가열부는 가스가 가열되도록 밀폐된 공간을 갖는 단일한 하나의 가스 챔버와, 상기 가스 챔버에 배치되어 상기 반응 가스와 상기 분위기 가스에 열을 가하는 가스 히팅유닛;을 구비하며,
상기 가스 공급부는 상기 가스 챔버에 상기 반응 가스와 상기 분위기 가스를 함께 공급하는, 그래핀의 제조 장치.
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제1항에 있어서,
상기 가스 히팅유닛은 열을 복사하는 램프인, 그래핀의 제조 장치.
제3항에 있어서,
상기 가스 가열부는 상기 가스 히팅유닛의 주변에 위치하도록 상기 가스 챔버 내에 배치되는 석영관을 더 구비하고, 상기 석영관에는 상기 가스 히팅유닛에 의해 가열될 가스가 공급되는, 그래핀의 제조 장치.
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제1항에 있어서,
상기 증착 챔버에 배치되어 상기 기판을 향해 열을 가하는 기판 가열부;를 더 구비하는, 그래핀의 제조 장치.
제7항에 있어서,
상기 기판 가열부는 상기 가스 가열부의 가열 온도보다 낮은 온도에서 상기 증착 챔버를 가열하는, 그래핀의 제조 장치.
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촉매층을 갖는 기판을 증착 챔버로 이동시키는 단계;
상기 증착 챔버로부터 독립되도록 상기 증착 챔버의 외부에 분리되어 배치되고 도입관에 의해 상기 증착 챔버와 연결되며 밀폐된 공간을 갖는 단일한 하나의 가스 챔버에 탄소를 포함한 반응 가스와 분위기 가스를 함께 공급하는 단계;
상기 가스 챔버에 배치된 가스 히팅유닛에 의해 상기 가스 챔버에 수용된 상기 반응 가스와 상기 분위기 가스를 함께 가열하는 단계; 및
상기 가스 챔버에서 가열된 가스를 상기 도입관에 의해 상기 증착 챔버로 도입하여 상기 기판 위에 그래핀을 합성하는 단계;를 포함하는, 그래핀의 제조 방법.
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