WO2014115942A1 - Graphene synthesis apparatus and graphene synthesis method using same - Google Patents
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Definitions
- An embodiment of the present invention relates to a graphene synthesis device for synthesizing graphene and a graphene synthesis method using the same.
- the present invention is derived from a study conducted as part of the industrial source technology development project of the Ministry of Knowledge Economy.
- Graphene is a material in which carbon is connected to each other in a hexagonal shape to form a honeycomb two-dimensional planar structure, and its thickness is very thin, transparent, and has a very high electrical conductivity. Many attempts have been made to apply graphene to touch panels, transparent displays, or flexible displays by using these characteristics of graphene. As interest in graphene increases, a method for mass production of high quality graphene is required.
- Graphene is synthesized on the surface of the catalytic metal by chemical vapor deposition (CVD) by introducing a gas containing carbon.
- CVD chemical vapor deposition
- a graphene synthesis apparatus that maintains a high temperature environment is required.
- An embodiment of the present invention provides a graphene synthesis device for synthesizing a large amount of high quality graphene and a graphene synthesis method using the same.
- a chamber defining an inner space in which a plurality of substrates disposed so that each surface is opposed to each other;
- a gas supply unit supplying a gas containing carbon to the internal space;
- a main heating unit radiating radiant heat to the inner space;
- a first auxiliary heating part disposed to face one surface of the substrate in correspondence with the main heating part, and converting the radiant heat into convective heat and discharging the radiant heat into the inner space;
- a plurality of second auxiliary heating parts disposed between the plurality of substrates so as to face at least one surface of the substrate and absorbing the radiant heat and the convective heat and then dissipating heat into the inner space. It provides a graphene synthesis device, including.
- an auxiliary heating unit is provided between the plurality of substrates to evenly transfer heat to each substrate.
- graphene is synthesized on each of the plurality of substrates, thereby allowing mass production of graphene.
- the auxiliary heating unit disposed between the plurality of substrates has a feature that it is possible to synthesize high quality graphene by smoothing the flow of heat and gas flow.
- FIG. 1 is a perspective view schematically showing the graphene referred to herein.
- FIGS. 2 and 3 are perspective views schematically showing the graphene synthesis apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 4 schematically illustrates a chamber 101 included in the graphene synthesis apparatus 100 shown in FIGS. 2 and 3.
- FIG. 5 is a schematic front view of the graphene synthesizing apparatus 100 of FIG. 2.
- FIG. 6 is a detailed view of portion V of FIG. 5.
- FIG. 7 relates to a graphene synthesizing apparatus according to another embodiment of the present invention, and shows only the portion V in the front view of the graphene synthesizing apparatus illustrated in FIG. 4.
- FIG. 8 and 9 illustrate a graphene synthesizing apparatus according to yet another embodiment of the present invention, and shows only the V portion in the front view of the graphene synthesizing apparatus shown in FIG. 4.
- a chamber defining an inner space in which a plurality of substrates disposed so that each surface is opposed to each other;
- a gas supply unit supplying a gas containing carbon to the internal space;
- a main heating unit radiating radiant heat to the inner space;
- a first auxiliary heating part disposed to face one surface of the substrate in correspondence with the main heating part, and converting the radiant heat into convective heat and discharging the radiant heat into the inner space;
- a plurality of second auxiliary heating parts disposed between the plurality of substrates so as to face at least one surface of the substrate and absorbing the radiant heat and the convective heat and then dissipating heat into the inner space. It provides a graphene synthesis device, including.
- At least one through hole is formed in at least one of the plurality of second auxiliary heating parts.
- the second auxiliary heating unit includes a plurality of holes, and when the one side of the second auxiliary heating unit is divided into four quadrants, the holes are arranged such that each of the quadrants is symmetric with each other.
- At least one of the plurality of second auxiliary heating parts has a mesh shape.
- the second auxiliary heating unit is made of a material coated with graphite or oxide film.
- the number of the plurality of second auxiliary heating parts is smaller than the number of the plurality of substrates.
- At least one surface included in the plurality of substrates and the second auxiliary heating parts is disposed in the direction of gravity.
- the gas supply unit and the discharge unit may be disposed in a direction crossing or perpendicular to a direction in which the plurality of substrates are arranged.
- a step of placing a plurality of substrates in the interior space of the chamber; Depressurizing the internal space; Injecting an atmosphere gas into the internal space; Supplying a gas containing carbon to the internal space; And irradiating radiant heat for heating the substrates; And placing the substrates includes providing a plurality of auxiliary heating parts disposed between the plurality of substrates so as to face at least one surface of the substrate. do.
- FIG. 1 is a perspective view schematically showing the graphene referred to herein.
- graphene refers to a graphene in which a plurality of carbon atoms are covalently linked to each other to form a polycyclic aromatic molecule, which is formed in a film form.
- a 6-membered ring is formed as a repeating unit, it is also possible to further include a 5-membered ring and / or a 7-membered ring.
- the graphene film thus forms a single layer of covalently bonded carbon atoms (C) (usually sp2 bonds).
- C covalently bonded carbon atoms
- the graphene film may have various structures, and such a structure may vary depending on the content of 5-membered and / or 7-membered rings that may be included in graphene.
- the graphene film may be formed of a single layer of graphene as shown, but they may be stacked with each other to form a plurality of layers, and the side end portion of the graphene may be saturated with a hydrogen atom (H). .
- FIGS. 2 and 3 are perspective views schematically showing the graphene synthesis apparatus 100 according to an embodiment of the present invention. 4 schematically illustrates a chamber included in the graphene synthesizing apparatus 100 illustrated in FIGS. 2 and 3.
- FIG. 5 is a front view schematically showing the graphene synthesizing apparatus 100 of FIG. 2, and FIG. 6 is a detailed view of part V of FIG. 5.
- the substrates 1, 2, and 3 placed in the graphene synthesizing apparatus 100 are panel type.
- the substrates 1a enclosed in the graphene synthesizing apparatus 100 are illustrated. (2a, 3a) is a roll type.
- the panel type means that the substrate has a discontinuous panel form.
- the roll type means that the substrate has a roll film form that is continuous in one direction.
- the panel type has an advantage of easy handling, and the roll type has a feature suitable for a system that produces a large amount of graphene.
- the substrate referred to herein may be a catalyst thin film for graphene growth, it will be described taking an example having a panel form for convenience.
- Substrate 1, 2, 3 is copper (Cu), nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag), aluminum (Al), chromium (Cr), magnesium (Mg), manganese (Mn), molybdenum (Mo), rhodium (Rh), silicon (Si), tantalum (Ta), titanium (Ti), tungsten (W), uranium (U), At least among vanadium (V), palladium (Pd), yttrium (Y), zirconium (Zr), germanium (Ge), brass, bronze, white brass and stainless steel It may include one metal or alloy, but is not limited thereto.
- the substrates 1, 2, and 3 may have a multilayer structure in which a catalyst metal film (not shown) is formed on a base layer (not shown).
- the base layer may be formed of inorganic materials such as silicon (Si), glass, gallium nitride (GaN), silica, or metals such as nickel (Ni), copper (Cu), and tungsten (W).
- the catalytic metal film can be formed on the base layer using a sputtering apparatus, an electron beam evaporation apparatus, or the like.
- a plurality of substrates 1, 2, and 3 are disposed inside the graphene synthesis apparatus 100 to synthesize graphene in a large amount.
- three substrates 1, 2, and 3 are shown in the drawing, the present invention is not limited thereto, and four or more substrates may be placed inside the graphene synthesis apparatus.
- each substrate is referred to as a first substrate 1, a second substrate 2, and a third substrate 3 along the X-axis direction.
- the graphene synthesizing apparatus 100 includes a chamber 101, a main heating unit 130, a first auxiliary heating unit 110, and a second auxiliary heating unit 120.
- the gas supply unit 140, the discharge unit 150, a pressure reducing unit (not shown) and a gate (not shown) may be further provided.
- FIG. 4 schematically illustrates a chamber 101 included in the graphene synthesis apparatus 100 shown in FIGS. 2 and 3.
- 2 and 3 exemplarily show that the chamber 101 is a hexahedron. Therefore, each side of the cube required for the description below will be referred to as A1 to A6 plane as shown in FIG.
- the shape of the chamber 101 is not limited to the illustrated hexahedron, for example, the chamber 101 may be provided in addition to the hexahedron, other polyhedrons, polygonal pillars, polygonal pyramids, or spheres.
- the chamber 101 defines an internal space I in which the plurality of substrates 1, 2, 3 are seated.
- the chamber 101 may be provided integrally, or may be a form in which a plurality of modules are assembled.
- An inner space I may be provided with a support (not shown) for fixing the plurality of substrates 1, 2, and 3.
- the main heating unit 130 irradiates radiant heat to the internal space I for the purpose of heating the plurality of substrates 1, 2, 3.
- the radiant heat may be light including a near infrared wavelength band, but is not limited thereto and may be light of a mid infrared ray and a visible ray wavelength band. Light in the near infrared wavelength band may heat the substrate, and light in the mid-infrared or visible wavelength band may heat a gas including carbon supplied into the chamber 101.
- the main heating unit 130 may be disposed on the surface of the chamber 101 facing the surface of the substrate 1, 2, 3 to maximize the area of radiant heat applied to the substrates 1, 2, 3. For example, when the substrates 1, 2, 3 are disposed in the internal space I in a state of gravity as shown in FIGS. 2 and 3, the main heating part 130 is formed on the A5 surface of the chamber 101 and And / or on the A6 side.
- the main heating unit 130 may include a first main heating unit 131 and a second main heating unit 132.
- the first main heating unit 131 may be disposed on the A6 surface of the chamber 101
- the second main heating unit 132 may be disposed on the A5 surface of the chamber.
- the present invention is not limited thereto, and only one main heating unit may be disposed, or three or more main heating units may be disposed on the surfaces of three or more chambers 101 different from each other.
- the main heating unit 130 may include a halogen lamp, the halogen lamp may be arranged in a plurality of spaced apart a predetermined interval. Halogen lamps) emit light of near-infrared, mid-infrared and / or visible light.
- the main heating unit 130 may further include a window (not shown), and the window may be disposed to surround the outer circumference of the halogen lamp, or may be disposed on one side of the halogen lamps arranged in parallel in one direction.
- the window may comprise a transparent material, for example quartz. The window protects the halogen lamp and can enhance the light efficiency.
- the substrates 1, 2, and 3 may reflect most of the radiant heat supplied from the main heating unit 130. In this case, the substrates 1, 2, and 3 may not be heated easily, which may take a long time to reach the temperature conditions required for graphene synthesis.
- the substrates 1, 2, 3 when the plurality of substrates 1, 2, 3 are arranged in the internal space I, the substrate disposed inside, for example, the second substrate 2, and the substrate disposed outside, for example, the first substrate 1. ) And the third substrate 3, because it receives a small amount of radiant heat, there is a problem that the heating is not sufficiently. Therefore, in order to uniformly heat the plurality of substrates 1, 2, 3 in a faster time, the graphene synthesis apparatus 100 includes a first auxiliary heating unit 110 and a second auxiliary heating unit 120. do.
- the first auxiliary heating unit 110 converts the radiant heat of the main heating unit 130 into convective heat and releases it into the internal space I to heat the substrate and the gas.
- the temperature of the first auxiliary heating unit 110 may be increased by radiant heat emitted from the main heating unit 130.
- the first auxiliary heating unit 110 may be any type of material that can be raised in temperature by radiant heat.
- the first auxiliary heating unit 110 may include a material coated with graphite or an oxide film. This is because the material may be, for example, a metal, and by coating an oxide film on the metal, the reflectance may be lowered and the absorption rate of radiant heat may be increased.
- the material is not limited to metals.
- the first auxiliary heating unit 110 is disposed to face one of the one or the other surfaces of the substrates 1, 2, and 3 in correspondence with the main heating unit 130. That is, the first auxiliary heating unit 110 is disposed to be parallel to the surface of the chamber 101 in which the main heating unit 130 is disposed, for example, the A5 surface and / or the A6 surface, and the substrates 1, 2, and 3 It may be arranged to be parallel to any one side or the other side of the.
- the first auxiliary heating unit 110 may include a first-first auxiliary heating unit 111 and a second-second auxiliary heating unit 112 disposed at both sides with the substrates 1, 2, and 3 interposed therebetween. have. However, this is exemplary and the first auxiliary heating unit 110 may include only one of the first-first auxiliary heating unit 111 or the 1-2 second auxiliary heating unit 112.
- the first-first auxiliary heating unit 111 and the second-second auxiliary heating unit 112 are disposed to face each other while being spaced apart from each other.
- the first-first auxiliary heating part 111 is disposed to face one surface of the first substrate 1
- the second-second auxiliary heating part 112 is disposed to face the other surface of the third substrate 3. Can be.
- the first auxiliary heating unit 110 emits convective heat to heat both the substrate and the gas to convert the internal space I to a high temperature optimized for graphene synthesis in a short time.
- the first-first auxiliary heating unit 111 and the second-second auxiliary heating unit 112 are provided to serve to confine heat generated in the internal space I to maintain a high temperature.
- the substrate when one or two substrates are used, the substrate may be heated to a temperature required for graphene synthesis in a short time with only the main heating unit 130 and the first auxiliary heating unit 110.
- the substrate disposed inside, for example, the second substrate 2 may be arranged on the outside, for example, the first substrate 1 and the third substrate 3. ) May interfere with heat flow or block heat, resulting in insufficient heating.
- the second auxiliary heating unit 120 is disposed between the plurality of substrates 1, 2, and 3 to evenly heat the substrate disposed inside, for example, the second substrate 2.
- the second auxiliary heating unit 120 may be raised in temperature by radiant heat emitted from the main heating unit 130 and convective heat emitted from the first auxiliary heating unit 110, and may be coated with graphite or oxide film. It may be made of a material.
- the second auxiliary heating unit 120 is arranged to apply heat to the largest area of the substrate and to face at least one of one or the other surfaces of the substrates 1, 2 and 3 in consideration of spatial efficiency.
- the area of one surface of the second auxiliary heating unit 120 is preferably about 60% or more of the area of the main heating unit 130.
- the second auxiliary heating part 120 is not heated evenly.
- the temperature of the edge of one surface of the second auxiliary heating part 120 is lower than that of the center part, so that the overall temperature of the second auxiliary heating part 120 is uneven.
- the heat flow and the gas flow of the internal space are not smooth, so that the probability of defects in graphene synthesis increases, and the process time required for graphene synthesis may increase.
- the number of second auxiliary heating units 120 is determined according to the number of substrates.
- the number of second auxiliary heating units 120 may be (number of substrates-1).
- the second auxiliary heating part 120 is the second-first auxiliary heating part 121 disposed between the first substrate 1 and the second substrate 2.
- the second auxiliary heating unit 122 may be disposed between the second substrate 2 and the third substrate 3.
- the 2-1 sub-heater 121 and the 2-2 sub-heater 122 are disposed between the substrates 1, 2, and 3 to emit heat, and thus, are disposed inside the substrate.
- the second substrate 2 can also be sufficiently heated.
- the internal space can be converted to a high temperature optimized for graphene synthesis in a short time.
- the gas supply unit 140 includes a plurality of nozzles and supplies a gas containing carbon to the internal space I.
- Gases containing carbon are reaction gases for graphene formation, such as methane (CH 4 ), carbon monoxide (CO), ethane (C 2 H 6 ), ethylene (CH 2 ), ethanol (C 2 H 5 ), acetylene (C 2 H 2 ), propane (CH 3 CH 2 CH 3 ), propylene (C 3 H 6 ), butane (C 4 H 10 ), pentane (CH 3 (CH 2 ) 3 CH 3 ), pentene (C 5 Carbon atoms such as H 10 ), cyclopentadiene (C 5 H 6 ), hexane (C 6 H 14 ), cyclohexane (C 6 H 12 ), benzene (C 6 H 6 ), toluene (C 7 H 8 )
- One or more selected from the group may be used.
- the gas containing carbon is separated into carbon atoms
- the gas supply unit 140 may supply not only the gas containing carbon but also the atmospheric gas to the internal space (I).
- the atmosphere gas may include an inert gas such as helium or argon, and an unreacted gas such as hydrogen to keep the surface of the substrate clean.
- one gas supply unit 140 supplies both a gas containing carbon and an atmosphere gas
- the present invention is not limited thereto.
- a gas supply unit supplying a gas containing carbon and a gas supply unit supplying an atmosphere gas may be provided, respectively, and the gas containing carbon and the atmosphere gas may be supplied to the internal space I, respectively.
- the gas supply unit 140 is disposed on the A3 surface, but is not limited thereto.
- the gas supply unit 140 may be disposed on the other surface.
- the plurality of gas supply units 140 may be disposed on a plurality of different surfaces.
- the discharge part 150 is used for graphene synthesis in the internal space (I) and then exhausts the remaining residual gases to the outside.
- Discharge unit 150 may be disposed on the surface facing the gas supply unit 140, for example, A4 surface in order to maximize the discharge effect.
- this is merely an example, and the arrangement structure and the number of the discharge parts 150 may be variously implemented without being limited to those illustrated.
- the graphene synthesis apparatus 100 may further include a decompression unit (not shown) that decompresses the internal space I of the chamber 101.
- a decompression unit (not shown) that decompresses the internal space I of the chamber 101.
- the gas in the internal space I is drawn out to the outside through the decompression unit so that the internal space I of the chamber 101 may be decompressed to about several torr to 10 ⁇ 3 torr.
- the graphene synthesizing apparatus 100 may further include a gate (not shown) for inserting and unloading a substrate.
- a gate for inserting and unloading a substrate.
- There may be a plurality of gates, and the specific shape, arrangement structure, and number of gates may vary depending on whether the substrate is a panel type or a roll type.
- FIG. 6 shows only the V portion in detail in the front view of the graphene synthesizing apparatus 100 shown in FIG. 5.
- 7 to 9 are related to the graphene synthesizing apparatus 100 according to another embodiment of the present invention, and shows only the portion V in the front view of the graphene synthesizing apparatus 100 illustrated in FIG. 5.
- the interval between the substrates 1, 2, 3 and the second auxiliary heating unit 120 becomes narrower.
- the substrates 1, 2, 3 and the second auxiliary heating unit 120 interfere with the heat flow and the flow of the gas, so that the substrate may not be heated evenly or the gas may not reach the substrate uniformly. Occurs. Therefore, graphene is not partially synthesized on the surface of the substrate, or the quality of graphene is degraded.
- the aforementioned problem may be solved by forming the hole H in the second auxiliary heating unit 120a.
- the second auxiliary heating part 120a includes a plurality of the second auxiliary heating part 121a and the second auxiliary heating part 122a, a plurality of second auxiliary heating parts 120a are formed, thereby forming heat. Flow and gas flow can be smoothed.
- the shape of the hole H may be circular or polygonal, but is not limited thereto.
- the size of the hole H, the number of holes H, and the like are not limited to those illustrated in FIG. 7, and may be variously implemented.
- the four quadrants provided with respect to the vertical axis Q1 and the horizontal axis Q2 passing through the center point of the second auxiliary heating part 120b are symmetrical. It is preferable to arrange the hole H. Only then can the heat flow and gas flow in the interior space be smooth to synthesize high quality graphene. As described above, the shape, size, number, and the like of the holes H are not limited to those illustrated in FIG. 8, and may be variously implemented.
- the number and area of through holes may be maximally formed in the second auxiliary heating part 120c in order to facilitate the heat flow and the gas flow in the internal space.
- the second auxiliary heating unit 120c may be manufactured in a mesh form.
- At least one of each of the 2-1 sub-heaters 121c and the 2-2 sub-heaters 122c included in the second sub-heater 120c of FIG. 9 may be manufactured in a mesh form.
- another graphene synthesizing apparatus of the present invention may further include an additional main heating unit and an additional auxiliary heating unit.
- This additional auxiliary heating portion is arranged to intersect, for example vertically, with each side of the plurality of substrates, and the additional main heating portion is disposed corresponding to the additional auxiliary heating portion.
- the additional main heating unit may be disposed on at least one of the A1 side, the A2 side, the A3 side, and the A4 side of FIG. 4, and the additional auxiliary heating unit may be disposed to be parallel to each side of the chamber in which the additional main heating unit is formed. have.
- the additional main heating unit and the additional auxiliary heating unit thus arranged may supply radiant heat and convective heat in a direction perpendicular to the plane vectors of the plurality of substrates. Therefore, radiant heat and convective heat can be effectively applied between the substrates, thereby increasing the temperature of the substrate and the internal space more quickly.
- the plurality of substrates 1, 2, and 3 are seated in the internal space I, and then a gas contained in the internal space I is transferred through a decompression unit (not shown) using a vacuum pump (not shown). Pull it out.
- the internal space I may have a pressure lower than atmospheric pressure, for example several hundred torr to 10 ⁇ 6 torr.
- the second auxiliary heating unit 120 is disposed between the plurality of substrates (1, 2, 3).
- the second auxiliary heating unit 120 is disposed to face one of the one surface or the other surface of the substrate.
- the direction in which the plurality of substrates 1, 2, 3 and the second auxiliary heating unit 120 are arranged may be a direction that crosses, for example, a direction of gravity (-Y direction). Can be.
- the sheet resistance of the synthesized graphene may be more excellent.
- the grain of the substrate increases due to the high temperature atmosphere. For example, when copper is used as the substrate, the grain of copper increases, and it is determined that the environment in which graphene is uniformly synthesized due to the increase in grain of copper is created.
- the outermost substrates are disposed to face the first auxiliary heating unit 110.
- an atmosphere gas for example, an inert gas such as helium or argon and / or a non-reactive gas such as hydrogen for maintaining the surface of the metal thin plate may be injected through the gas supply unit 140.
- the gas supply unit 140 is disposed in the direction in which the substrate is erected so that the gas can be effectively supplied between the plurality of substrates (1, 2, 3).
- the substrates 1, 2, 3 and the first and second auxiliary heaters 110, 120 are heated using the main heater 130.
- the temperatures of the first and second auxiliary heating parts 110 and 120 and the substrates 1, 2 and 3 are sufficiently high by the radiant heat emitted from the main heating part 130, the substrates 1, 2 and 3 and the first 2, a temperature sufficient for synthesizing graphene is formed in the internal space I by the heat emitted from the auxiliary heating units 110 and 120.
- the temperature of the interior space I and the substrates 1, 2, 3 may be about 300 degrees Celsius or about 1000 degrees Celsius or more.
- a gas containing carbon that is, a reaction gas
- a gas containing carbon that is, a reaction gas
- the discharge part 150 provided on the side opposite to the gas supply part 140 is also disposed in the direction in which the substrate is placed, that is, the plurality of substrates are arranged in the direction crossing the direction in which the substrates are arranged, while supplying the reaction gas to the supply unit 140, the other side may exhaust the gas using the discharge unit 150 so that the reaction gas may effectively flow through the space between the substrates.
- a nozzle of the gas supply unit 140 may be present between the plurality of substrates to facilitate gas flow .
- the reaction gas is energized in the auxiliary space (I) and decomposed into a state required for graphene synthesis.
- the substrates 1, 2, and 3 which are in contact with the surface of the activated substrate, are absorbed by the surface-activated substrate. Pin crystals grow.
- the substrates 1, 2, and 3 are heated by the main heating unit 130, and then the gas containing carbon is supplied.
- the main heating unit 130 may supply a gas containing carbon before emitting radiant heat, or at the same time as emitting radiant heat, or after radiating radiant heat. That is, when the main heating unit 130 is operated before supplying the gas containing carbon or when the main heating unit 130 is operated while supplying the gas containing carbon, or after the gas is supplied, the main heating unit is operated. 130 may be operated.
- the substrates 1, 2, 3 and the first and second auxiliary heating units 110 and 120 are heated, and the heated substrate 1, 2,3) and the case in which the internal space I is warmed and the gas containing carbon is decomposed by the heat emitted from the first and second auxiliary heating parts 110 and 120, but the present invention is not limited thereto.
- the main heating unit 130 may emit light including the near infrared wavelength band and / or the visible wavelength band as well as the near infrared wavelength band.
- the light of the near infrared wavelength band emitted from the main heating unit 130 supplies energy to the substrates 1, 2 and 3 and the first and second auxiliary heating units 10 and 120, as described above.
- the internal space I may be heated by the substrates 1, 2, 3 and the first and second auxiliary heating parts 110 and 120.
- the gas containing the carbon supplied to the internal space I may be heated by the light of the mid-infrared and / or visible light wavelength band emitted from the main heating unit 130.
- the gas containing carbon is heat and mid-infrared or / and visible light wavelength band of the internal space I warmed by the substrates 1, 2, 3 and the first and second auxiliary heating parts 110, 120. It can be decomposed by receiving energy from light. Therefore, the graphene synthesis reaction in the internal space (I) can be performed more actively in a short time.
- Embodiments of the present invention can be applied to an active layer and a display device, an electronic device, an optoelectronic device, a battery, and a solar cell including the same.
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Abstract
Description
본 발명의 실시예는 그래핀을 합성하는 그래핀 합성 장치 및 이를 이용한 그래핀 합성 방법에 관한 것이다. An embodiment of the present invention relates to a graphene synthesis device for synthesizing graphene and a graphene synthesis method using the same.
본 발명은 지식 경제부의 산업 원천 기술 개발 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다. The present invention is derived from a study conducted as part of the industrial source technology development project of the Ministry of Knowledge Economy.
[과제고유번호: 10033309, 연구과제명: 유연 나노박막용 대면적 전사 및 연속 생산 시스템 기술 개발 과제, 주관기관: 한국기계연구원][Task No .: 10033309, Project Name: Large Area Transfer and Continuous Production System Technology Development for Flexible Nano Thin Film, Organizer: Korea Institute of Machinery and Materials]
그래핀(Graphene)은 탄소가 육각형의 형태로 서로 연결되어 벌집 모양의 2차원 평면 구조를 이루는 물질로서, 그 두께가 매우 얇고 투명하며 전기 전도성이 매우 큰 특성을 가진다. 그래핀의 이러한 특성을 이용하여 그래핀을 터치 패널, 투명 디스플레이 또는 플렉서블(flexible) 디스플레이 등에 적용하려는 시도가 많이 이루어지고 있다. 이와 같은 그래핀에 대한 관심이 증대됨에 따라 고품질의 그래핀을 대량 생산하기 위한 방법이 요구되고 있다.Graphene is a material in which carbon is connected to each other in a hexagonal shape to form a honeycomb two-dimensional planar structure, and its thickness is very thin, transparent, and has a very high electrical conductivity. Many attempts have been made to apply graphene to touch panels, transparent displays, or flexible displays by using these characteristics of graphene. As interest in graphene increases, a method for mass production of high quality graphene is required.
그래핀은 탄소를 포함하는 가스를 투입하여 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition-CVD)에 의해 촉매 금속의 표면에 합성된다. 그래핀을 합성하기 위해서는 고온의 환경이 유지되는 그래핀 합성 장치가 요구된다. 그런데 고품질의 그래핀을 대량으로 합성할 때 이러한 환경을 유지하는 것이 쉽지 않으며, 대량의 그래핀 합성 장치에 대한 개발은 아직 이루어 지지 않고 있다.Graphene is synthesized on the surface of the catalytic metal by chemical vapor deposition (CVD) by introducing a gas containing carbon. In order to synthesize graphene, a graphene synthesis apparatus that maintains a high temperature environment is required. However, it is not easy to maintain such an environment when synthesizing high quality graphene in large quantities, and a large amount of graphene synthesis apparatus has not been developed yet.
본 발명의 실시예는 고품질의 그래핀을 대량으로 합성하기 위한 그래핀 합성 장치 및 이를 이용한 그래핀 합성 방법을 제공한다. An embodiment of the present invention provides a graphene synthesis device for synthesizing a large amount of high quality graphene and a graphene synthesis method using the same.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 각 면이 서로 대향하도록 배치되는 복수개의 기판들이 안치되는 내부 공간을 정의하는 챔버; 상기 내부 공간으로 탄소를 포함하는 가스를 공급하는 가스 공급부; 복사열을 상기 내부 공간으로 조사하는 주 가열부; 상기 주 가열부에 대응하여 상기 기판의 일면과 대향하도록 배치되고, 상기 복사열을 대류열로 전환하여 상기 내부 공간으로 방출하는 제1 보조 가열부; 및 상기 복수개의 기판들의 사이 사이에 상기 기판의 적어도 하나의 면과 대향하도록 배치되고, 상기 복사열 및 상기 대류열을 흡수하여 가열된 후 열을 상기 내부 공간으로 방출하는 복수개의 제2 보조 가열부들; 를 포함하는, 그래핀 합성 장치를 제공한다.According to an embodiment of the present invention for solving the above problems, a chamber defining an inner space in which a plurality of substrates disposed so that each surface is opposed to each other; A gas supply unit supplying a gas containing carbon to the internal space; A main heating unit radiating radiant heat to the inner space; A first auxiliary heating part disposed to face one surface of the substrate in correspondence with the main heating part, and converting the radiant heat into convective heat and discharging the radiant heat into the inner space; And a plurality of second auxiliary heating parts disposed between the plurality of substrates so as to face at least one surface of the substrate and absorbing the radiant heat and the convective heat and then dissipating heat into the inner space. It provides a graphene synthesis device, including.
본 발명의 실시예에 의하면, 복수의 기판들 사이 사이에 보조 가열부를 구비하여 각각의 기판에 고르게 열을 전달할 수 있다. 또한, 복수개의 기판들 각각에 그래핀이 합성되므로 그래핀을 대량 생산할 수 있다. According to the exemplary embodiment of the present invention, an auxiliary heating unit is provided between the plurality of substrates to evenly transfer heat to each substrate. In addition, graphene is synthesized on each of the plurality of substrates, thereby allowing mass production of graphene.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 복수의 기판들 사이 사이에 배치된 보조 가열부는 홀을 구비함으로써, 열 유동 및 가스의 흐름을 원활하게 하여 고품질의 그래핀을 합성할 수 있는 특징이 있다.According to another embodiment of the present invention, the auxiliary heating unit disposed between the plurality of substrates has a feature that it is possible to synthesize high quality graphene by smoothing the flow of heat and gas flow.
도 1은 본 명세서에서 언급되는 그래핀을 개략적으로 나타낸 사시도이다.1 is a perspective view schematically showing the graphene referred to herein.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 그래핀 합성 장치(100)를 개략적으로 도시한 사시도이다.2 and 3 are perspective views schematically showing the
도 4는 도 2 및 도 3에 도시된 그래핀 합성 장치(100)에 포함된 챔버(101)를 개략적으로 도시한 것이다. FIG. 4 schematically illustrates a
도 5는 도 2의 그래핀 합성 장치(100)를 개략적으로 도시한 정면도이다.FIG. 5 is a schematic front view of the
도 6은 도 5의 Ⅴ 부분을 상세히 도시한 도면이다. FIG. 6 is a detailed view of portion V of FIG. 5.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 그래핀 합성 장치에 관한 것으로, 도 4에 도시된 그래핀 합성 장치의 정면도에서 Ⅴ 부분만을 상세히 나타낸 것이다. FIG. 7 relates to a graphene synthesizing apparatus according to another embodiment of the present invention, and shows only the portion V in the front view of the graphene synthesizing apparatus illustrated in FIG. 4.
도 8 및 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 그래핀 합성 장치에 관한 것으로, 도 4에 도시된 그래핀 합성 장치의 정면도에서 Ⅴ 부분만을 상세히 나타낸 것이다.8 and 9 illustrate a graphene synthesizing apparatus according to yet another embodiment of the present invention, and shows only the V portion in the front view of the graphene synthesizing apparatus shown in FIG. 4.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 각 면이 서로 대향하도록 배치되는 복수개의 기판들이 안치되는 내부 공간을 정의하는 챔버; 상기 내부 공간으로 탄소를 포함하는 가스를 공급하는 가스 공급부; 복사열을 상기 내부 공간으로 조사하는 주 가열부; 상기 주 가열부에 대응하여 상기 기판의 일면과 대향하도록 배치되고, 상기 복사열을 대류열로 전환하여 상기 내부 공간으로 방출하는 제1 보조 가열부; 및 상기 복수개의 기판들의 사이 사이에 상기 기판의 적어도 하나의 면과 대향하도록 배치되고, 상기 복사열 및 상기 대류열을 흡수하여 가열된 후 열을 상기 내부 공간으로 방출하는 복수개의 제2 보조 가열부들; 를 포함하는, 그래핀 합성 장치를 제공한다.According to an embodiment of the present invention for solving the above problems, a chamber defining an inner space in which a plurality of substrates disposed so that each surface is opposed to each other; A gas supply unit supplying a gas containing carbon to the internal space; A main heating unit radiating radiant heat to the inner space; A first auxiliary heating part disposed to face one surface of the substrate in correspondence with the main heating part, and converting the radiant heat into convective heat and discharging the radiant heat into the inner space; And a plurality of second auxiliary heating parts disposed between the plurality of substrates so as to face at least one surface of the substrate and absorbing the radiant heat and the convective heat and then dissipating heat into the inner space. It provides a graphene synthesis device, including.
상기 복수개의 제2 보조 가열부들 중 적어도 하나에는 적어도 하나의 관통된 홀이 형성된다. At least one through hole is formed in at least one of the plurality of second auxiliary heating parts.
상기 제2 보조 가열부는 복수개의 홀들을 포함하며, 상기 제2 보조 가열부의 일면을 네 개의 사분면들로 나눌 때 각각의 상기 사분면들이 서로 대칭이 되도록 상기 홀들을 배치하는 것을 특징으로 한다. The second auxiliary heating unit includes a plurality of holes, and when the one side of the second auxiliary heating unit is divided into four quadrants, the holes are arranged such that each of the quadrants is symmetric with each other.
상기 복수개의 제2 보조 가열부들 중 적어도 하나는 그물망(mesh) 형상이다.At least one of the plurality of second auxiliary heating parts has a mesh shape.
상기 제2 보조 가열부는 그라파이트 또는 산화막이 코팅된 물질로 이루어진다.The second auxiliary heating unit is made of a material coated with graphite or oxide film.
상기 복수개의 제2 보조 가열부들의 개수는 상기 복수개의 기판의 개수보다 작다.The number of the plurality of second auxiliary heating parts is smaller than the number of the plurality of substrates.
상기 복수개의 기판들 및 상기 제2 보조 가열부들에 포함된 적어도 하나의 면이 중력의 방향으로 배치된다.At least one surface included in the plurality of substrates and the second auxiliary heating parts is disposed in the direction of gravity.
상기 내부 공간의 상기 가스를 외부로 배출하는 배출부; 를 더 포함하며, 상기 가스 공급부와 상기 배출부는 상기 복수개의 기판들이 배열된 방향과 교차하거나 수직인 방향으로 배치된다.A discharge part for discharging the gas of the internal space to the outside; The gas supply unit and the discharge unit may be disposed in a direction crossing or perpendicular to a direction in which the plurality of substrates are arranged.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 챔버의 내부 공간에 복수의 기판들을 안치하는 단계; 상기 내부 공간을 감압하는 단계; 상기 내부 공간에 분위기 가스를 주입하는 단계; 상기 내부 공간에 탄소를 포함하는 가스를 공급하는 단계; 및 상기 기판들을 가열하기 위한 복사열을 조사하는 단계; 를 포함하며, 상기 기판들을 안치하는 단계는, 상기 복수개의 기판들의 사이 사이에 상기 기판의 적어도 하나의 면과 대향하도록 복수의 보조 가열부들이 배치되도록 하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 합성 방법을 제공한다.According to an embodiment of the present invention for solving the above problems, a step of placing a plurality of substrates in the interior space of the chamber; Depressurizing the internal space; Injecting an atmosphere gas into the internal space; Supplying a gas containing carbon to the internal space; And irradiating radiant heat for heating the substrates; And placing the substrates includes providing a plurality of auxiliary heating parts disposed between the plurality of substrates so as to face at least one surface of the substrate. do.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. As the invention allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the written description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, it should be understood to include all transformations, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In the following description of the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. The terms first, second, etc. used herein may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are only used to distinguish one component from another.
본 명세서에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분"위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.In this specification, when a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be "on" or "on" another part, this includes not only the case where the other part is "right on" but also another part in the middle. do.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명함에 있어 실질적으로 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings, and in the following description with reference to the drawings, substantially the same or corresponding components will be given the same reference numerals, and redundant description thereof will be omitted. do. In the drawings, the thickness of layers, films, panels, regions, etc., are exaggerated for clarity. In the drawings, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity.
도 1은 본 명세서에서 언급되는 그래핀을 개략적으로 나타낸 사시도이다.1 is a perspective view schematically showing the graphene referred to herein.
본 명세서에서 사용되는 "그래핀(graphene)" 이라는 용어는 복수개의 탄소원자들이 서로 공유결합으로 연결되어 폴리시클릭 방향족 분자를 형성하는 그래핀이 막 형태로 형성된 것으로서, 공유결합으로 연결된 탄소원자들은 기본 반복단위로서 6원환을 형성하나, 5원환 및/또는 7원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 따라서 그래핀 막은 서로 공유 결합된 탄소원자(C)들(통상 sp2 결합)의 단일층을 이룬다. 그래핀 막은 다양한 구조를 가질 수 있으며, 이와 같은 구조는 그래핀 내에 포함될 수 있는 5원환 및/또는 7원환의 함량에 따라 달라질 수 있다. As used herein, the term "graphene" refers to a graphene in which a plurality of carbon atoms are covalently linked to each other to form a polycyclic aromatic molecule, which is formed in a film form. Although a 6-membered ring is formed as a repeating unit, it is also possible to further include a 5-membered ring and / or a 7-membered ring. The graphene film thus forms a single layer of covalently bonded carbon atoms (C) (usually sp2 bonds). The graphene film may have various structures, and such a structure may vary depending on the content of 5-membered and / or 7-membered rings that may be included in graphene.
그래핀 막은 도시된 바와 같이 그래핀의 단일층으로 이루어질 수 있으나, 이들이 여러 개 서로 적층되어 복수층을 형성하는 것도 가능하며, 통상 상기 그래핀의 측면 말단부는 수소원자(H)로 포화될 수 있다.The graphene film may be formed of a single layer of graphene as shown, but they may be stacked with each other to form a plurality of layers, and the side end portion of the graphene may be saturated with a hydrogen atom (H). .
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 그래핀 합성 장치(100)를 개략적으로 도시한 사시도이다. 도 4는 도 2 및 도 3에 도시된 그래핀 합성 장치(100)에 포함된 챔버를 개략적으로 도시한 것이다. 도 5는 도 2의 그래핀 합성 장치(100)를 개략적으로 도시한 정면도이며, 도 6은 도 5의 Ⅴ 부분을 상세히 도시한 도면이다.2 and 3 are perspective views schematically showing the
도 2에서는 그래핀 합성 장치(100)에 안치되는 기판(1,2,3)이 패널(panel) 타입인 것을 도시한 경우이며, 도 3에서는 그래핀 합성 장치(100)에 안치되는 기판(1a,2a,3a)이 롤(roll) 타입인 것을 도시한 경우이다. In FIG. 2, the
여기서 패널 타입이란, 기판이 불연속적인 패널 형태를 가지는 것을 의미한다. 여기서 롤 타입이란, 기판이 일 방향으로 연속적인 롤 필름 형태를 가지는 것이다. 패널 타입의 경우 취급이 용이한 장점이 있으며, 롤 타입의 경우 대량의 그래핀을 양산하는 시스템에 적합한 특징이 있다. Here, the panel type means that the substrate has a discontinuous panel form. Herein, the roll type means that the substrate has a roll film form that is continuous in one direction. The panel type has an advantage of easy handling, and the roll type has a feature suitable for a system that produces a large amount of graphene.
본 명세서에서 언급되는 기판은 그래핀 성장을 위한 촉매 박막일 수 있으며, 편의를 위해서 패널 형태를 가지는 것을 예로 들어 설명한다. The substrate referred to herein may be a catalyst thin film for graphene growth, it will be described taking an example having a panel form for convenience.
기판(1,2,3)은 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 로듐(Rh), 실리콘(Si), 탄탈럼(Ta), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 우라늄(U), 바나듐(V), 팔라듐(Pd), 이트리움(Y), 지르코늄(Zr), 게르마늄(Ge), 황동(brass), 청동(bronze), 백동(white brass) 및 스테인레스 스틸(stainless steel) 중 적어도 하나의 금속 또는 합금을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
기판(1,2,3)은 베이스층(미도시) 상에 촉매 금속 필름(미도시)이 형성된 다층 구조일 수 있다. 이 경우에 베이스층은 실리콘(Si), 글래스, 질화갈륨(GaN), 실리카 등의 무기물이나, 니켈(Ni), 구리(Cu), 텅스텐(W) 등의 금속을 사용할 수 있다. 촉매 금속 필름은 스퍼터링 장치, 전자빔 증발 장치 등을 이용하여 베이스층 상에 형성될 수 있다. The
도면에서는 그래핀을 대량으로 합성하기 위하여 그래핀 합성 장치(100) 내부에 복수개의 기판(1,2,3)이 배치된 것을 도시하였다. 도면에서는 3개의 기판(1,2,3)들을 도시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 4개 이상의 기판이 그래핀 합성 장치 내부에 안치될 수도 있을 것이다. 설명의 편의를 위하여 각각의 기판은 X축 방향을 따라 제1기판(1), 제2기판(2) 및 제3기판(3)으로 지칭한다. In the drawing, a plurality of
도 2 및 도 3을 참조하면, 그래핀 합성 장치(100)는, 챔버(101), 주 가열부(130), 제1 보조 가열부(110) 및 제2 보조 가열부(120)를 포함한다. 또한, 가스 공급부(140), 배출부(150), 감압부(미도시) 및 게이트(미도시)를 더 구비할 수 있다. 2 and 3, the
도 4는 도 2 및 도 3에 도시된 그래핀 합성 장치(100)에 포함된 챔버(101)를 개략적으로 도시한 것이다. 도 2 및 도 3에서는 챔버(101)가 육면체인 것을 예시적으로 도시하였다. 따라서, 이하에서 설명에 필요한 육면체의 각 면은 도 4에 도시한 바와 같이 A1면 내지 A6면으로 지칭될 것이다. 그러나 챔버(101)의 형태는 도시된 육면체에 한정되지 않으며 예를 들어 챔버(101)는 육면체 외에도 다른 다면체, 다각기둥, 다각뿔, 또는 구형으로 구비될 수도 있다. FIG. 4 schematically illustrates a
챔버(101)는 복수의 기판들(1,2,3)이 안착되는 내부 공간(I)을 정의한다. 예를 들어, 챔버(101)는 일체로 구비될 수도 있고, 복수개의 모듈이 조립된 형태일 수도 있다. 내부 공간(I)에는 복수의 기판들(1,2,3)을 고정하는 지지대(미도시)가 구비될 수 있다.The
주 가열부(130)는 복수개의 기판(1,2,3)을 가열하기 위한 목적으로 내부 공간(I)으로 복사열을 조사한다. 복사열은 근적외선 파장대역을 포함하는 광일 수 있으며, 이에 한정되지 않고 중적외선 및 가시관선 파장대역의 광일 수 있다. 근적외선 파장대역의 광은 기판을 가열할 수 있으며, 중적외선 또는 가시광선 파장대역의 광은 챔버(101)의 내부로 공급된 탄소를 포함하는 가스를 데울 수 있다.The
주 가열부(130)는 기판(1,2,3)으로 가하는 복사열을 면적을 최대하 하기 위하여 기판(1,2,3)의 면과 마주보는 챔버(101)의 면에 배치될 수 있다. 예컨대, 도 2 및 도 3과 같이 기판(1,2,3)이 중력의 방향으로 세운 상태로 내부 공간(I)에 배치되는 경우, 주 가열부(130)는 챔버(101)의 A5면 및/또는 A6 면에 배치될 수 있다. The
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 주 가열부(130)는 제1주 가열부(131) 및 제2 주 가열부(132)를 포함할 수 있다. 예컨대, 제1주 가열부(131)는 챔버(101)의 A6면에 배치되고, 제2주 가열부(132)는 챔버의 A5 면에 배치될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 주 가열부가 하나만 배치되거나, 3개 이상의 주 가열부가 서로 다른 3개 이상의 챔버(101)의 면에 각각 배치될 수도 있다. As shown in FIGS. 2 and 3, the
주 가열부(130)는 할로겐 램프를 포함할 수 있으며, 할로겐 램프는 복수개로 소정의 간격 이격되어 배치될 수 있다. 할로겐 램프)는 근적외선과, 중적외선 또는/및 가시광선의 빛을 방출한다. 주 가열부(130)는 도시되지 않은 윈도우를 더 포함할 수 있으며, 윈도우는 할로겐 램프의 외주를 둘러싸도록 배치되거나, 일방향을 따라 평행하게 배치된 할로겐 램프들의 일측에 배치될 수 있다. 윈도우는 투명한 소재로서, 예컨대 석영을 포함할 수 있다. 윈도우는 할로겐 램프를 보호하며, 광 효율을 증진시킬 수 있다.The
그런데 앞서 설명한 바와 같이 기판(1,2,3)은 반사율이 높은 금속으로 이루어지기 때문에 주 가열부(130)에서 공급된 복사열을 대부분 반사할 수 있다. 이 경우, 기판(1,2,3)이 쉽게 가열되지 않아 그래핀 합성에 필요한 온도 조건에 도달하기 위해 많은 시간이 소요될 수 있다. 또한, 내부 공간(I)에 복수개의 기판(1,2,3)들을 배치할 경우 안쪽에 배치된 기판, 예컨대 제2기판(2), 은 바깥쪽에 배치된 기판들, 예컨대 제1기판(1) 및 제3기판(3), 에 비하여 적은 양의 복사열을 받기 때문에 충분히 가열되지 않는 문제가 발생한다. 따라서, 보다 빠른 시간에 복수개의 기판 (1,2,3)들을 균일하게 가열하기 위하여, 그래핀 합성 장치(100)는 제1 보조 가열부(110) 및 제2 보조 가열부(120)를 구비한다. However, as described above, since the
제1 보조 가열부(110)는 주 가열부(130)의 복사열을 대류열로 전환하여 내부 공간(I)으로 방출함으로써 기판 및 가스를 가열한다. 제1 보조 가열부(110)는 주 가열부(130)에서 방출되는 복사열에 의해 온도가 상승될 수 있다. 제1 보조 가열부(110)는 복사열에 의해 온도가 상승될 수 있는 소재라면 그 종류를 불문할 것이다. 예컨대, 제1 보조 가열부(110)는 그라파이트(graphite) 또는 산화막을 코팅한 물질을 포함할 수 있다. 여기서 상기 물질은, 예를 들어 금속일 수 있으며 금속에 산화막을 코팅함으로써 반사율을 낮추고, 복사열의 흡수율을 높일 수 있기 때문이다. 그러나 상기 물질은 금속에 한정되는 것은 아니다.The first
제1 보조 가열부(110)는 주 가열부(130)에 대응하여 기판(1,2,3)의 일면 또는 타면 중 어느 하나와 대향하도록 배치된다. 즉, 제1 보조 가열부(110)는 주 가열부(130)가 배치된 챔버(101)의 면, 예컨대 A5면 및/또는 A6면, 과 평행하도록 배치되며, 기판(1,2,3)의 일면 또는 타면 중 어느 하나와 평행하도록 배치될 수 있다. The first
제1 보조 가열부(110)는 기판(1,2,3)들을 사이에 두고 양측에 배치되는 제1-1 보조 가열부(111) 및 제1-2 보조 가열부(112)를 포함할 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것이며, 제1 보조 가열부(110)는 제1-1 보조 가열부(111) 또는 제1-2 보조 가열부(112) 중 하나만을 포함할 수도 있다.The first
제1-1 보조 가열부(111)와 제1-2 보조 가열부(112)는 상호 이격된 채 마주보도록 배치된다. 예컨대, 제1-1 보조 가열부(111)는 제1 기판(1)의 일면과 대향하도록 배치되며, 제1-2 보조 가열부(112)는 제3 기판(3)의 타면과 대향하도록 배치될 수 있다.The first-first
이와 같이 제1 보조 가열부(110)는 대류열을 방출하여 기판 및 가스를 모두 가열하여 단시간에 내부 공간(I)을 그래핀 합성에 최적화된 고온으로 전환할 수 있다. 또한, 제1-1 보조 가열부(111) 및 제1-2 보조 가열부(112)가 구비됨으로써, 내부 공간(I)에서 발생하는 열을 가두는 역할을 하여 고온을 유지시킬 수 있다.As such, the first
그런데, 기판이 하나 또는 둘인 경우에는, 주 가열부(130) 및 제1 보조 가열부(110)만으로도 그래핀 합성에 필요한 온도까지 기판을 다소 짧은 시간에 가열할 수 있다. 그러나, 그래핀의 대량 생산을 위해서는 그래핀 합성 장치(100)에 수개 내지 수백개의 기판을 투입해야 한다. 이렇게 많은 수의 기판을 내부 공간(I)에 배치하는 경우, 안쪽에 배치된 기판, 예컨대 제2기판(2)은 바깥쪽에 배치된 기판들, 예컨대 제1기판(1) 및 제3기판(3)에 의해 열유동을 방해 받거나 열이 차단될 수 있어 충분히 가열되지 않는 문제가 발생한다. However, when one or two substrates are used, the substrate may be heated to a temperature required for graphene synthesis in a short time with only the
제2 보조 가열부(120)는 복수개의 기판(1,2,3)들 사이 사이에 배치되어 안쪽에 배치된 기판, 예를 들어 제2기판(2), 도 고르게 가열시키는 역할을 한다. 제2 보조 가열부(120)는 주 가열부(130)에서 방출되는 복사열 및 제1 보조 가열부(110)에서 방출되는 대류열에 의해 온도가 상승될 수 있으며, 그라파이트(graphite) 또는 산화막을 코팅한 물질로 이루어질 수 있다. The second
제2 보조 가열부(120)는 기판의 최대한 넓은 면적에 열을 가하고, 공간적 효율을 고려하여 기판(1,2,3)의 일면 또는 타면 중 적어도 하나와 대향하도록 배치된다. The second
제2 보조 가열부(120) 일면의 면적은 주 가열부(130) 면적의 약 60% 이상인 것이 바람직하다. 실험 결과, 제2 보조 가열부(120) 일면의 면적이 주 가열부(130) 면적의 60% 미만인 경우에는 제2 보조 가열부(120)가 전반적으로 고르게 가열되지 않는다. 상세히, 제2 보조 가열부(120) 일면 중 가장자리의 온도가 중앙부 보다 낮는 등 제2 보조 가열부(120) 전반적으로 불균일한 온도 분포를 보이게 된다. 이 경우 내부 공간의 열 유동 및 가스 흐름을 원활하지 않게 되어 그래핀 합성 시 불량이 발생할 확률이 높아지고, 그래핀 합성에 필요한 공정 소요 시간이 증가될 수 있다. 제2 보조 가열부(120)의 개수는 기판의 개수에 따라 결정되는데, 예를 들어, 제2 보조 가열부(120)의 개수는 (기판의 개수-1개) 일 수 있다. 예를 들어 3개의 기판이 내부 공간에 안치되는 경우, 제2 보조 가열부(120)는 제1 기판(1)과 제2 기판(2) 사이에 배치되는 제2-1 보조 가열부(121), 제2 기판(2)과 제3 기판(3) 사이에 배치되는 제2-2 보조 가열부(122)를 포함할 수 있다. The area of one surface of the second
이와 같이 제2-1 보조 가열부(121) 및 제2-2 보조 가열부(122)는 기판들(1,2,3)의 사이에 배치되어 열을 방출하여 안쪽에 배치된 기판, 예를 들어 제2기판(2), 도 충분히 가열시킬 수 있다. 결국, 단시간에 내부 공간을 그래핀 합성에 최적화된 고온으로 전환할 수 있다. As described above, the 2-1
가스 공급부(140)는 복수개의 노즐을 포함하며, 내부 공간(I)으로 탄소를 포함하는 가스를 공급한다. 탄소를 포함하는 가스는 그래핀 형성을 위한 반응 가스로서, 예컨대 메탄(CH4), 일산화탄소(CO), 에탄(C2H6), 에틸렌(CH2), 에탄올(C2H5), 아세틸렌(C2H2), 프로판(CH3CH2CH3), 프로필렌(C3H6), 부탄(C4H10), 펜탄(CH3(CH2)3CH3), 펜텐(C5H10), 사이클로펜타디엔(C5H6), 헥산(C6H14), 시클로헥산(C6H12), 벤젠(C6H6), 톨루엔(C7H8) 등 탄소 원자가 포함된 군에서 선택된 하나 이상이 사용될 수 있다. 이와 같이 탄소를 포함하는 가스는 고온에서 탄소 원자와 수소 원자로 분리된다. 분리된 탄소 원자는 가열된 기판에 증착되고 기판이 냉각되면서 도 1의 그래핀이 합성된다. The
한편, 가스 공급부(140)는 탄소를 포함하는 가스뿐만 아니라 분위기 가스도 내부 공간(I)으로 공급할 수 있다. 분위기 가스는 헬륨, 아르곤과 같은 불활성 가스와, 기판의 표면을 깨끗하게 유지하기 위한 수소와 같은 비반응 가스를 포함할 수 있다. On the other hand, the
본 실시예에서는 하나의 가스 공급부(140)가 탄소를 포함하는 가스 및 분위기 가스를 모두 공급하는 경우를 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 예컨대, 탄소를 포함하는 가스를 공급하는 가스 공급부와 분위기 가스를 공급하는 가스 공급부가 각각 구비되어, 탄소를 포함하는 가스와 분위기 가스가 각각 내부 공간(I)으로 공급될 수 있다.In the present embodiment, a case in which one
도면에서는 가스 공급부(140)가 A3면에 배치되었으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 가스 공급부(140)는 다른 면에 배치될 수도 있다. 또한, 가스 공급부(140)복수개인 경우 각각 서로 다른 복수개의 면에 배치될 수도 있다. In the drawing, the
배출부(150)는 내부 공간(I)에서 그래핀 합성에 이용된 후 나머지 잔류 가스들을 외부로 배기한다. 배출부(150)는 배출 효과를 극대화 하기 위하여 가스 공급부(140)와 마주보는 면, 예컨대 A4면, 에 배치될 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것이며 배출부(150)의 배치 구조 및 개수는 도시된 바에 한정되지 않고 다양하게 구현될 수 있다. The
도시되지 않았으나, 그래핀 합성 장치(100)는 챔버(101)의 내부 공간(I)을 감압하는 감압부(미도시)를 더 구비할 수 있다. 감압부는 복수개일 수 있으며 이 경우 복수개의 감압부가 서로 마주보도록 배치될 수 있다. 감압부를 통해 내부 공간(I)의 가스를 외부로 빼내어 챔버(101)의 내부 공간(I)은 약 수 torr ~ 10-3 torr 정도로 감압될 수 있다.Although not shown, the
또한, 도시되지 않았으나, 그래핀 합성 장치(100)는 기판을 투입 및 반출하는 게이트(미도시)를 더 구비할 수 있다. 게이트는 복수개 일 수 있으며, 기판이 패널 타입인지, 롤 타입인지에 따라 게이트의 구체적인 형태, 배치 구조 및 개수는 변형될 수 있다. In addition, although not shown, the
도 6은 도 5에 도시된 그래핀 합성 장치(100)의 정면도에서 Ⅴ 부분만을 상세히 나타낸 것이다. 도 7 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 그래핀 합성 장치(100)에 관한 것으로, 도 5에 도시된 그래핀 합성 장치(100)의 정면도에서 Ⅴ 부분만을 상세히 나타낸 것이다.FIG. 6 shows only the V portion in detail in the front view of the
챔버(101)에 투입되는 기판의 수가 늘어날수록, 각 기판(1,2,3)과 제2 보조 가열부(120)의 간격은 더욱 좁아진다. 이 경우, 기판(1,2,3)들과 제2 보조 가열부(120)가 열 유동 및 가스의 흐름을 방해하여, 기판이 고르게 가열되지 못하거나 가스가 기판에 균일하게 도달하지 못하는 문제가 발생한다. 따라서 기판 표면에 그래핀이 부분적으로 합성이 되지 않거나, 그래핀의 품질이 저하된다. As the number of substrates introduced into the
그런데, 도 7에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예에 의하면 제2 보조 가열부(120a)에 홀(H)을 형성함으로써 상술한 문제를 해결할 수 있다. 제2 보조 가열부(120a)가 제2-1 보조 가열부(121a) 및 제2-2 보조 가열부(122a)를 포함하여 복수개인 경우 각각에 모두 관통된 홀(H)을 형성함으로써, 열 유동 및 가스 흐름을 원활하게 할 수 있다. 홀(H)의 형태는 원형 또는 다각형일 수 있으며 이에 한정되지 않고 다양하게 구현될 수 있다. 홀(H)의 크기 및 홀(H)의 개수 등은 도 7에 도시된 바에 한정되지 않고 다양하게 구현할 수 있다. However, according to another exemplary embodiment of the present invention illustrated in FIG. 7, the aforementioned problem may be solved by forming the hole H in the second
홀(H)의 배치와 관련하여, 도 8 에 도시된 바와 같이 제2 보조 가열부(120b)의 중심점을 지나는 수직축(Q1) 및 수평축(Q2)을 기준으로 구비된 네 개의 사분면이 대칭이 되도록 홀(H)을 배치하는 것이 바람직하다. 그래야만, 내부 공간의 열 유동 및 가스 흐름을 원활하게 되어 고품질 그래핀을 합성할 수 있다. 상술한 바와 같이 홀(H)의 형태, 크기 및 개수 등은 도 8에 도시된 바에 한정되지 않고 다양하게 구현할 수 있다. 도 8의 제2 보조 가열부(120b)에 포함된 각각의 제2-1 보조 가열부(121b) 및 제2-2 보조 가열부(122b)의 적어도 하나에 상술한 배치를 가진 홀(H)들이 형성될 수 있다.Regarding the arrangement of the holes H, as shown in FIG. 8, the four quadrants provided with respect to the vertical axis Q1 and the horizontal axis Q2 passing through the center point of the second auxiliary heating part 120b are symmetrical. It is preferable to arrange the hole H. Only then can the heat flow and gas flow in the interior space be smooth to synthesize high quality graphene. As described above, the shape, size, number, and the like of the holes H are not limited to those illustrated in FIG. 8, and may be variously implemented. The hole H having the above-described arrangement in at least one of the respective 2-1
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 내부 공간의 열 유동 및 가스 흐름을 더욱 원활하게 하기 위하여, 제2 보조 가열부(120c)에 관통 구멍의 개수 및 면적을 최대한으로 형성할 수 있다. 이를 위해 제2 보조 가열부(120c) 자체를 그물망(mesh) 형태로 제작할 수 있다. 도 9의 제2 보조 가열부(120c)에 포함된 각각의 제2-1 보조 가열부(121c) 및 제2-2 보조 가열부(122c)의 적어도 하나는 그물망 형태로 제작될 수 있다.Meanwhile, according to another exemplary embodiment of the present invention, the number and area of through holes may be maximally formed in the second auxiliary heating part 120c in order to facilitate the heat flow and the gas flow in the internal space. To this end, the second auxiliary heating unit 120c may be manufactured in a mesh form. At least one of each of the 2-1
한편 도시되지 않았으나, 본 발명의 또 다른 그래핀 합성 장치는, 추가 주 가열부 및 추가 보조 가열부를 더 포함할 수 있다. Meanwhile, although not shown, another graphene synthesizing apparatus of the present invention may further include an additional main heating unit and an additional auxiliary heating unit.
이러한 추가 보조 가열부는 복수개의 기판의 각면과 교차하도록, 예를 들어 수직으로, 배치되며, 추가 주 가열부는 추가 보조 가열부에 대응하여 배치된다. 예를 들어 추가 주 가열부는 도 4의 A1면, A2 면, A3면 및 A4 면 중 적어도 하나 이상에 배치될 수 있으며, 추가 보조 가열부는 추가 주 가열부가 형성된 챔버의 각 면에 평행하도록 배치될 수 있다. This additional auxiliary heating portion is arranged to intersect, for example vertically, with each side of the plurality of substrates, and the additional main heating portion is disposed corresponding to the additional auxiliary heating portion. For example, the additional main heating unit may be disposed on at least one of the A1 side, the A2 side, the A3 side, and the A4 side of FIG. 4, and the additional auxiliary heating unit may be disposed to be parallel to each side of the chamber in which the additional main heating unit is formed. have.
이렇게 배치된 추가 주 가열부 및 추가 보조 가열부는 복수개의 기판의 면벡터에 수직한 방향으로 복사열 및 대류열을 공급할 수 있다. 따라서, 기판들의 사이 사이에도 복사열 및 대류열을 효과적으로 가할 수 있어, 기판 및 내부 공간의 온도를 보다 빠르게 상승시킬 수 있는 장점이 있다. The additional main heating unit and the additional auxiliary heating unit thus arranged may supply radiant heat and convective heat in a direction perpendicular to the plane vectors of the plurality of substrates. Therefore, radiant heat and convective heat can be effectively applied between the substrates, thereby increasing the temperature of the substrate and the internal space more quickly.
이하에서는, 상기와 같은 구조를 갖는 그래핀 합성 장치(100)에서 그래핀이 합성되는 과정을 설명한다.Hereinafter, a process of synthesizing graphene in the
먼저, 내부 공간(I)에 복수의 기판(1,2,3)들을 안착시킨 후, 진공펌프(미도시)를 이용하여 내부 공간(I)에 포함된 가스를 감압부(미도시)를 통해 외부로 빼낸다. 내부 공간(I)은 대기압 보다 낮은 압력상태, 예컨대 수백 torr ~ 10-6 torr 정도의 압력을 가질 수 있다.First, the plurality of
한편, 복수개의 기판(1,2,3)들을 안치할 때, 복수개의 기판(1,2,3)들 사이 사이에는 제2 보조 가열부(120)가 배치되도록 한다. 제2 보조 가열부(120)는 기판의 일면 또는 타면 중 하나와 대향하도록 배치한다. 또한 복수개의 기판(1,2,3)들 및 제2 보조 가열부(120)가 배열된 방향(X방향)은 중력의 방향(-Y방향)과 교차하는, 예를 들어 수직인, 방향일 수 있다. On the other hand, when the plurality of substrates (1, 2, 3) is placed, the second
상기 기판을 세운 상태로 배치하여 그래핀을 합성하는 경우, 합성된 그래핀의 면저항 특성이 더 우수할 수 있다. 기판이 수직으로 연장된 상태에서 화학기상 증착법에 따라 그래핀이 합성되는 과정에서, 고온의 분위기로 인하여 기판의 그레인이 증가한다. 예컨대, 기판으로 구리가 사용되는 경우 구리의 그레인이 증가하게 되고, 구리의 그레인 증가로 인해 그래핀이 균일하게 합성될 수 있는 환경이 조성되기 때문으로 판단된다.When the graphene is synthesized by placing the substrate in an upright state, the sheet resistance of the synthesized graphene may be more excellent. In the process of synthesizing graphene by chemical vapor deposition in a state where the substrate is extended vertically, the grain of the substrate increases due to the high temperature atmosphere. For example, when copper is used as the substrate, the grain of copper increases, and it is determined that the environment in which graphene is uniformly synthesized due to the increase in grain of copper is created.
한편, 최외각 기판들은 제1 보조 가열부(110)와 마주보도록 배치된다. Meanwhile, the outermost substrates are disposed to face the first
이 후, 가스 공급부(140)를 통해서 분위기 가스, 예컨대 헬륨, 아르곤과 같은 불활성 가스 및/ 또는 금속박판의 표면을 깨끗하게 유지하기 위한 수소와 같은 비반응 가스를 주입할 수 있다. 이 때, 가스 공급부(140)는 기판이 세워진 방향으로 배치되어 있는바 복수개의 기판(1,2,3)들 사이 사이에 가스가 효과적으로 공급될 수 있다.Thereafter, an atmosphere gas, for example, an inert gas such as helium or argon and / or a non-reactive gas such as hydrogen for maintaining the surface of the metal thin plate may be injected through the
분위기 가스를 주입한 후, 주 가열부(130)를 이용하여 기판(1,2,3) 및 제1,2 보조 가열부(110, 120)을 가열한다. 주 가열부(130)에서 방출되는 복사열에 의해 제1 및 제2 보조 가열부(110,120) 및 기판(1,2,3)의 온도가 충분히 높아지면, 기판(1,2,3)과 제1,2 보조 가열부(110, 120)에서 방출되는 열에 의하여 내부 공간(I)에는 그래핀을 합성하기에 충분한 온도가 형성된다. 예컨대, 내부 공간(I)과 기판(1,2,3)의 온도는 약 섭씨 300 도 또는 약 섭씨 1000 도 또는 그 이상이 될 수 있다.After injecting the atmospheric gas, the
이 후, 가스 공급부(140)를 통해서 탄소를 포함하는 가스, 즉 반응 가스를 공급한다. 이 때, 가스 공급부(140)와 대향하는 측에 구비된 배출부(150)도 기판이 세워진 방향으로 배치되어 있으므로, 즉, 복수개의 기판들이 배열된 방향과 교차하는 방향에 배치되므로, 일측에서는 가스 공급부(140)로 반응 가스를 공급하면서 타측에서는 배출부(150)를 이용하여 가스를 배기함으로써 반응 가스가 효과적으로 기판들 사이의 공간을 흘러 지나갈 수 있도록 한다. 그리고, 복수개의 기판들이 배열된 방향과 수직인 방향으로 배치된 경우에는 가스 공급부(140)의 노즐이 복수개의 기판들 사이에 존재하여 가스의 흐름을 원활하게 할 수 있다. 반응 가스는 보조 공간(I)에서 에너지를 공급받아 그래핀 합성에 필요한 상태로 분해된다.Thereafter, a gas containing carbon, that is, a reaction gas, is supplied through the
반응 가스가 고온의 내부 공간(I)을 지나갈 때 기판(1,2,3), 즉 표면이 활성화된 기판의 표면과 접촉하게 되는데 이 과정에서 분해된 반응 가스가 표면 활성화된 기판에 흡수되면서 그래핀 결정이 성장된다.As the reaction gas passes through the high temperature internal space I, the
본 실시예에서는 주 가열부(130)에 의하여 기판(1,2,3)을 가열한 후, 탄소를 포함하는 가스를 공급하는 경우로 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 주 가열부(130)가 복사열을 방출하기 전에, 또는 복사열을 방출함과 동시에, 또는 복사열을 방출한 후 탄소를 포함하는 가스를 공급 수 있다. 즉, 탄소를 포함하는 가스를 공급하기 전에 주 가열부(130)를 동작하는 경우나 탄소를 포함하는 가스를 공급하면서 주 가열부(130)를 동작하는 경우, 혹은 가스를 공급한 후에 주 가열부(130)를 동작할 수 있다.In the present exemplary embodiment, the
주 가열부(130)에서 조사되는 복사열인 근적외선 파장대역의 광인 경우 이로 인해 기판(1,2,3)과 제1,2 보조 가열부(110, 120)가 가열되고, 가열된 기판(1,2,3)및 제1,2 보조 가열부(110, 120)에서 방출되는 열에 의해 내부 공간(I)이 데워지고 탄소를 포함하는 가스가 분해되는 경우를 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않는다.In the case of light in the near infrared wavelength band, which is radiant heat radiated from the
본 발명의 또 다른 실시예로서, 주 가열부(130)에서는 근적외선 파장대역뿐만 아니라 중적외선 또는/및 가시광선 파장대역을 포함하는 광이 방출될 수 있다. 이 경우, 주 가열부(130)에서 방출되는 근적외선 파장대역의 광은 상술한 바와 같이 기판(1,2,3)과 제1,2 보조 가열부(10, 120)에 에너지를 공급하고, 가열된 기판(1,2,3) 및 제1,2 보조 가열부(110, 120)에 의해 내부 공간(I)이 데워질 수 있다. 동시에, 주 가열부(130)에서 방출되는 중적외선 또는/및 가시광선 파장대역의 빛이 내부 공간(I)으로 공급되는 탄소를 포함하는 가스를 데울 수 있다.As another embodiment of the present invention, the
바꾸어 말하면, 탄소를 포함하는 가스는 기판(1,2,3) 및 제1,2 보조 가열부(110, 120)에 의해 데워진 내부 공간(I)의 열 및 중적외선 또는/및 가시광선 파장대역의 광으로부터 에너지를 공급받아 분해될 수 있다. 따라서, 내부 공간(I)에서의 그래핀 합성 반응은 단시간에 더욱 활발하게 수행될 수 있다.In other words, the gas containing carbon is heat and mid-infrared or / and visible light wavelength band of the internal space I warmed by the
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments illustrated in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 고품질의 그래핀을 대량으로 합성하기 위한 그래핀 합성 장치 및 이를 이용한 그래핀 합성 방법을 제공하여, 그래핀을 상용화할 수 있으며, 그래핀을 포함하는 투명전극, 활성층 및 이들을 구비하는 표시소자, 전자소자, 광전소자, 배터리, 태양전지 등에 본 발명의 실시예들을 적용할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, by providing a graphene synthesis apparatus for synthesizing a large amount of high quality graphene and a graphene synthesis method using the same, it is possible to commercialize the graphene, a transparent electrode comprising graphene, Embodiments of the present invention can be applied to an active layer and a display device, an electronic device, an optoelectronic device, a battery, and a solar cell including the same.
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