KR101138141B1 - 그래핀 시트 제조방법 및 제조장치 - Google Patents

Abstract

원자층 증착공정을 이용한 대면적 그래핀 시트 제조방법 및 제조장치가 개시된다. 원자층 증착공정을 이용하여 그래핀 시트(graphene sheet)를 제조하기 위한 그래핀 시트 제조장치는, 증착공정이 수행되는 프로세스 챔버, 상기 프로세스 챔버 내부에 구비되어 복수의 기판이 공전 가능하게 안착되는 서셉터, 상기 서셉터 상부에서 상기 기판에 대향되게 구비되어 상기 기판에 촉매층을 형성하기 위한 촉매 소스와 그래핀층을 형성하기 위한 탄소 소스를 제공하는 분사유닛 및 상기 분사유닛에 구비되어 상기 촉매 소스와 상기 탄소 소스를 선택적으로 제공하도록 제어하는 가스제어부를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 그래핀 시트 제조장치는 원자층 증착공정을 이용하여 상기 촉매층과 상기 그래핀층을 인시튜(in-situ)로 증착할 수 있도록 형성된다.

원자층 증착방법(atomic layer deposition), 그래핀(graphene), 카본나노튜브(carbon nano tube), 이차전지

Description

그래핀 시트 제조방법 및 제조장치{METHOD AND APPARATUS FOR MANUFACTURING GRAPHENE SHEET USING ATOMIC LAYER DEPOSITION}

본 발명은 원자층 증착공정을 이용하여 대면적 그래핀 시트(graphene sheet)를 제조할 수 있는 그래핀 시트 제조방법 및 그래핀 시트 제조를 위한 그래핀 시트 제조장치를 제공하기 위한 것이다.

최근 그래파이트에서 한 층 또는 다층의 그래핀 시트를 벗겨 내어 그 특성을 조사한 결과 기존과는 다른 매우 유용한 특성을 발견하였다. 여기서, 그래핀 시트는 그래파이트(graphite)의 결정을 구성하는 탄소 원자가 정육각형 모양으로 연결된 판 상의 구조를 갖는 것으로, 가장 주목할만한 특징으로는 그래핀 시트에서 전자의 이동이 질량이 제로인 것처럼 흐른다는 것이며, 이는 전자가 진공 중에서의 빛의 속도로 이동한다는 것을 의미한다. 또한, 그래핀 시트는 전자와 정공에 대하여 비정상적인 반정수 양자 홀 효과(half-integer quantum hall effect)를 가진다는 특징이 있다.

또한, 그래핀 시트를 이용하여 카본나노튜브를 제조할 수 있다. 예를 들어, 단층 그래핀 시트를 원통형으로 권취하여 단일벽 카본나노튜브(single-walled carbon nano tube, SWCNT)를 형성하거나, 2층 이상 다층의 그래핀 시트로 이루어지는 다층벽 카본나노튜브(multi-walled carbon nano tube, MWCNT), 다발형 카본나노튜브(rope carbon nano tube)를 제조할 수 있다. 여기서, 탄소나노튜브는 원통면에서 탄소 원자가 형성하는 육각망면(六角網面)이 나선형으로 감겨진 형태를 갖는데, 이와 같은 나선 상태를 키랄성(chirality)이라 부르며, 카본나노튜브의 각종 물성은 그래핀 시트의 층수, 튜브의 직경, 키랄성에 따라 상이하다고 알려져 있다. 한편, 카본나노튜브의 경우 합성 후 정제 과정에서 수율이 매우 낮기 때문에 제조가 어렵고 비용이 증가하는데 반해, 그래핀 시트 및 그래핀 시트를 이용하여 카본나노튜브를 형성하는 방법은 제조 비용이 매우 낮다는 장점이 있다.

특히, 단일벽 카본나노튜브의 경우 키랄성 및 튜브의 직경에 따라 금속/반도체 특성이 달라질 뿐만이 아니라, 동일한 반도체 특성을 가지더라도 밴드갭이 모두 다르다는 특징을 가지므로, 주어진 단일벽 카본나노튜브로부터 특정 반도체 특성 또는 금속성 특성을 이용하기 위해서는 각 단일벽 카본나노튜브를 모두 분리해야 될 필요가 있는데 이러한 분리 공정이 매우 어렵다고 알려져 있다. 이에 반해 그래핀 시트의 경우, 주어진 두께의 그래핀 시트의 결정 방향성에 따라서 전기적 특성이 변화하므로 사용자가 선택 방향으로의 전기적 특성을 발현시킬 수 있어서 소자를 쉽게 디자인 할 수 있다.

그러나 이와 같이 그래핀 시트가 매우 유용한 특성을 갖고 있음에도 불구하고 경제적이고 재현성 있게 대면적의 그래핀 시트를 제조 할 수 있는 방법이 현재까지 개발되어 있지 않은 상황이다.

현재 개발되어 있는 그래핀 시트의 제조방법으로는 박리 방법과 SiC 결정 열분해 방법이 있다. 여기서, 박리 방법은 그래파이트 시료에 접착 테이프를 붙였다 떼어냄으로써 그래파이트 표면에서 그래핀 시트를 박리시키는 방식으로, 접착 테이프에 의해 박리된 그래핀 시트의 층 수가 일정하지 않고 모양도 일정하지 않다는 문제점이 있으며, 특히, 대면적 그래핀 시트를 제조하는 것이 불가능하다는 문제점이 있다. 그리고 SiC 결정 열분해 방법의 경우, SiC 단결정을 가열하면 표면의 SiC가 분해되면서 Si이 제거되고 카본이 잔류하여 그래핀 시트가 생성되는 방식으로, SiC 단결정이 매우 고가이므로 제조 비용이 상승한다는 문제점이 있으며, 미세 기계적 방법과 마찬가지로 대면적 그래핀 시트를 제조하기가 어렵다는 문제점이 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 실시예들은 원자층 증착공정을 이용하여 대면적 그래핀 시트를 제조할 수 있는 그래핀 시트 제조방법 및 그래핀 시트의 제조장치를 제공하기 위한 것이다.

또한, 다양한 두께 및 복수의 층으로 적층된 그래핀 시트를 제조할 수 있는 그래핀 시트 제조방법 및 제조장치를 제공하기 위한 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따르면, 원자층 증착공정을 이용하여 그래핀 시트(graphene sheet)를 제조하기 위한 그래핀 시트 제조장치는, 증착공정이 수행되는 프로세스 챔버, 상기 프로세스 챔버 내부에 구비되어 복수의 기판이 공전 가능하게 안착되는 서셉터, 상기 서셉터 상부에서 상기 기판에 대향되게 구비되어 상기 기판에 촉매층을 형성하기 위한 촉매 소스와 그래핀층을 형성하기 위한 탄소 소스를 제공하는 분사유닛 및 상기 분사유닛에 구비되어 상기 촉매 소스와 상기 탄소 소스를 선택적으로 제공하도록 제어하는 가스제어부를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 그래핀 시트 제조장치는 원자층 증착공정을 이용하여 상기 촉매층과 상기 그래핀층을 인시튜(in-situ)로 증착할 수 있도록 형성된다.

실시예에서, 상기 가스제어부는 상기 기판에 상기 촉매층이 기 설정된 두께 로 성장될 때까지 상기 분사유닛에서 상기 촉매 소스가 분사되도록 하고, 상기 촉매층이 기 설정된 두께로 성장한 후에는 상기 분사유닛에서 상기 탄소 소스가 분사되도록 제어하도록 구성된다.

그리고 상기 분사유닛은, 상기 촉매 소스 및 상기 탄소 소스가 선택적으로 분사되는 소스 영역, 퍼지 가스가 분사되는 퍼지 영역 및 상기 기판에 상기 촉매층과 상기 그래핀층을 증착하기 위한 반응 가스가 분사되는 반응 영역으로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 분사유닛은 상기 서셉터가 회전함에 따라 상기 기판이 상기 소스 영역, 상기 퍼지 영역, 상기 반응 영역 및 상기 퍼지 영역을 순차적으로 통과하도록 상기 영역들이 형성될 수 있다. 또한, 상기 분사유닛에는 촉매 소스 및 탄소 소스의 반응성을 향상시키고 촉매층 및/또는 그래핀층의 증착률을 향상시키기 위한 플라즈마 소스가 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 플라즈마 소스는 상기 분사 영역 중 적어도 어느 하나의 영역에 구비될 수 있다.

한편, 상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 원자층 증착공정을 이용하여 그래핀 시트를 제조하는 방법은, 기판에 촉매 소스를 제공하고 원자층 증착공정을 이용하여 촉매층을 형성하는 단계, 상기 촉매층 형성 단계와 인시튜(in-situ) 공정으로 수행되며, 상기 촉매층이 형성된 기판에 탄소 소스를 제공하고 원자층 증착공정을 이용하여 그래핀층 형성하는 단계 및 상기 촉매층을 제거하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.

실시예에서, 상기 촉매층 형성 단계는, 상기 기판에 촉매 소스를 제공하여 흡착시키는 단계, 상기 기판에 퍼지 가스를 제공하여 잔류 가스 및 미반응 가스를 제거하는 단계, 상기 기판에 흡착된 촉매 소스와 반응하여 촉매층을 형성하는 제1 반응 가스를 제공하고 상기 기판 표면에 촉매층을 증착하는 단계 및 상기 기판에 퍼지 가스를 제공하여 잔류 가스 및 미반응 가스를 제거하는 단계로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 촉매층의 두께가 기설정된 두께로 성장될 때까지 상기 촉매층 형성 단계를 복수 회 반복 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 촉매 소스는 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상 물질을 포함하는 가스를 사용할 수 있다. 그리고 상기 그래핀층 형성 단계는, 상기 촉매층이 형성된 기판에 탄소 소스를 제공하여 흡착시키는 단계, 상기 기판에 퍼지 가스를 제공하여 잔류 가스 및 미반응 가스를 제거하는 단계, 상기 탄소 소스와 반응하여 탄소층을 형성하는 제2 반응 가스를 제공하여 상기 촉매층 표면에 그래핀층을 증착하는 단계 및 상기 기판에 퍼지 가스를 제공하여 잔류 가스 및 미반응 가스를 제거하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 그래핀 시트는 단층 또는 2층 이상의 다층 그래핀층으로 형성될 수 있으며, 상기 그래핀층의 두께가 기설정된 두께로 성장될 때까지 상기 그래핀층 형성 단계를 적어도 1회 또는 복수회 반복 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소 소스는 일산화탄소(carbon monoxide), 이산화탄소, 알코올 및 탄화수소를 포함하는 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 물질을 포함하는 가스를 사용할 수 있다. 그리고 상기 제1 반응 가스와 상기 제2 반응 가스는 동일한 가스 또는 서로 다른 가스를 사용할 수 있다.

실시예에서, 상기 촉매층 제거 단계는 상기 촉매층과 반응하여 용해시키되 상기 그래핀층과는 반응하지 않는 약액을 이용하여 상기 촉매층을 용해시켜 제거할 수 있다.

그리고 상기 기판은 실리콘, 글라스(glass), 실리카(silicon oxide)를 포함하는 무기물 기판 및 니켈(Ni), 구리(Cu), 텅스텐(W)을 포함하는 금속 기판 중 선택된 어느 하나의 재질로 형성된 기판을 사용할 수 있다. 또는, 상기 기판은 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상 물질을 포함하는 금속 기판이 사용되고, 상기 촉매층을 형성하는 단계가 생략되고 상기 기판에 상기 탄소 소스가 제공되어 상기 그래핀층을 형성하는 것도 가능하다. 또는, 상기 기판은 상기 촉매층과 동일한 물질로 형성되는 금속 기판이고, 상기 기판은 상기 촉매층을 제거하는 단계에서 상기 촉매층과 같이 용해되어 제거되는 것도 가능하다.

또한, 상기 촉매층은 상기 기판 전체 또는 일부 영역에 형성될 수 있으며, 상기 그래핀층이 형성될 영역을 한정하는 블록층이 형성될 수 있다. 또는, 상기 그래핀층을 형성하고자 하는 형태에 따라 상기 촉매층을 일부 영역에만 형성하고 나머지 영역은 상기 기판을 그대로 노출시키도록 형성하는 것도 가능하다.

또한, 상기 촉매층을 형성하는 단계 및 상기 그래핀층을 형성하는 단계 중 적어도 하나의 단계에는 플라즈마를 제공하는 단계가 구비될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 제공 단계는 상기 제1 반응 가스 또는 상기 제2 반응 가스를 플라즈마 상태로 여기시켜 제공할 수 있다. 또는, 상기 그래핀층이 소정 두께로 형성된 후 상기 증착된 그래핀층에 플라즈마를 제공하여 어닐링하는 단계가 수행되는 것도 가능 하다.

한편, 상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 원자층 증착공정을 이용한 다층 그래핀 시트 제조방법은, 기판에 금속 소스를 제공하고 원자층 증착공정을 이용하여 금속층을 형성하는 단계 및 상기 금속층 형성 단계와 인시튜로 수행되며, 상기 금속층이 형성된 기판에 탄소 소스를 제공하고 원자층 증착공정을 이용하여 상기 금속층 상에 그래핀층을 형성하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 상기 금속층과 형성 단계와 상기 그래핀층 형성 단계를 적어도 1회 이상 복수 회 반복 수행하여 다층 그래핀 시트를 형성할 수 있다.

실시예에서, 상기 탄소 소스는 일산화탄소(carbon monoxide), 이산화탄소, 알코올 및 탄화수소를 포함하는 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 물질을 포함하는 가스를 사용할 수 있다. 그리고 상기 금속 소스는 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상 물질을 사용할 수 있다. 한편, 상기 기판은 실리콘, 글라스(glass), 실리카(silicon oxide)를 포함하는 무기물 기판 및 니켈(Ni), 구리(Cu), 텅스텐(W)을 포함하는 금속 기판 중 선택된 어느 하나의 기판을 사용할 수 있다. 또는, 상기 기판은 상기 금속 소스와 동일한 물질로 형성되는 금속 기판을 사용할 수 있다. 그리고 상기 금속층은 동일한 제1 두께를 갖는 복수의 금속층이 형성되고 상기 그래핀층은 동일한 제2 두께를 갖는 복수의 그래핀층이 서로 교번적으로 적층 형성될 수 있다.

여기서, 상기 그래핀층을 형성하는 단계는 상기 제2 반응 가스를 플라즈마 상태로 여기시켜 제공하는 플라즈마 제공 단계를 더 포함할 수 있다. 또는, 상기 그래핀층이 소정 두께로 형성된 후 상기 증착된 그래핀층에 플라즈마를 제공하여 어닐링하는 단계가 수행되는 것도 가능하다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 원자층 증착공정을 이용하여 대면적 그래핀 시트를 제조할 수 있다.

또한, 그래핀 시트의 제조 비용과 시간을 절감할 수 있으며, 그래핀 시트를 이용하여 카본나노튜브나 이차전지와 같은 다층 그래핀 시트 구조물들을 용이하고 저렴하게 제조할 수 있다.

또한, 그래핀 시트의 크기와 형태 및 두께를 자유롭게 조절할 수 있다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략될 수 있다.

이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착공정을 이용한 그래핀 시트의 제조방법에 대해 상세하게 설명한다. 참고적으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 증착공정을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 도 1의 그래핀 시트 제조방법에서 인시튜(in-situ)로 표시한 촉매층 및 그래핀층의 증착공정을 설명하게 위한 순서도이다. 그리고 도 3은 도 1 및 도 2의 그래핀 시트 제조방법을 설명하기 위한 기판의 모식도들이다. 또한, 도 4는 상술한 그래핀 시트 제조방법에 따라 그래핀 시트를 제조하기 위한 그래핀 시트 제조장치의 일 예를 도시한 단면도이고, 도 5는 도 4의 그래핀 시트 제조장치에서 분사유닛의 일 예를 설명하기 위한 평면도이다.

본 실시예들에서, '그래핀 시트'는 복수의 탄소원자들이 서로 공유결합으로 연결되어 폴리시클릭(polycyclic) 방향족 분자를 형성하는 그래핀이 시트 형태를 형성한 것을 말한다. 여기서, 그래핀 시트는 공유결합으로 연결된 탄소원자들은 기본 반복단위로서 6원환을 형성하나, 5원환 및/또는 7원환을 포함하는 것도 가능하며, 그래핀 시트는 서로 공유결합된 탄소원자들의 단일층으로 보인다.

여기서, 본 실시예에 따르면, 도 4 내지 도 5에 예시한 원자층 증착공정을 수행할 수 있는 그래핀 시트 제조장치(100)를 이용하여 원자층 증착공정과 유사하게 그래핀 시트(20)를 제조할 수 있으며, 대면적 그래핀 시트(graphene sheet)를 형성할 수 있다. 또한, 그래핀 시트 제조방법은 일반적인 원자층 증착공정과 유사하게 기판(10) 상에 탄소 소스를 제공함으로써 기판(10) 표면에서 탄소 원자층이 증착되도록 하고, 증착된 단원자층 또는 다층의 탄소층을 기판에서 분리함으로써 그래핀 시트를 제조할 수 있다.

도면을 참조하면, 먼저, 소정의 기판(10)을 제공하여(S11) 기판(10) 상에 탄 소가 증착될 수 있도록 촉매 역할을 하는 촉매층(11)을 형성하고(S12), 촉매층(11) 상에 탄소 소스를 제공하여 탄소의 단원자층을 증착시킴으로써 그래핀층(12)을 형성할 수 있다(S13). 그리고 그래핀층(12)이 형성된 기판(10)에 소정 약액을 이용하여 촉매층(11)을 제거함으로써(S14) 그래핀 시트(20)를 분리할 수 있다(S15).

여기서, 기판(10)은 실리콘 기판(silicon substrate)이나 실리카(silica, SiO2) 기판, 글라스 기판(glass substrate), GaN 기판, 등의 무기물 기판을 사용할 수 있으며, 또는 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 금속 재질로 형성된 금속 기판을 사용할 수 있다.

촉매층(11)을 형성하는 단계(S12)는 원자층 증착공정에 의해 이루어지며, 상세하게는, 촉매 소스를 제공하여 기판(10)에 촉매 소스가 흡착되고(S121), 퍼지 가스를 제공하여 기판(10)에 흡착되지 않은 잉여 촉매 소스를 제거한다(S122). 다음으로, 제1 반응 가스를 제공함으로써 기판(10) 표면에서 촉매 소스와 반응하도록 하여 촉매 소스와 제1 반응 가스의 반응 생성물이 기판(10)에 증착된다(S123). 그리고 다시 기판(10)에 퍼지 가스를 제공하여 기판(10)에서 잔류 제1 반응 가스와 미반응 가스 등을 제거한다(S124).

여기서, 상술한 바와 같이 기판(10)에 순차적으로 촉매 소스와 제1 반응 가스가 순차적으로 제공됨에 따라 단원자층에 해당하는 촉매층(11)이 증착되는데, 촉매층(11)을 한 층만 증착하거나 또는 일정 두께로 증착할 수 있다. 본 실시예에서는, 촉매층(11)이 일정 두께로 증착되며, 상술한 촉매층 증착공정을 반복 수행함으 로써 기 설정된 두께 T1을 갖는 촉매층(11)을 형성할 수 있다(S125).

다음으로, 기 설정된 두께 T1의 촉매층(11)이 형성되면 촉매층(11) 상에 그래핀층(12)을 형성한다. 여기서, 그래핀층(12)은 촉매층(11)과 마찬가지로 원자층 증착공정을 이용하여 수행되며 촉매층(11)과 동일 프로세스 챔버(101) 내부에서 인시튜 공정으로 수행된다. 여기서, 촉매층 형성 단계(S12)가 완료된 후 그래핀층 형성 단계(S13)의 수행 여부를 조절하는 것은 후술하는 가스제어부(105)에 의해 이루어지며, 가스제어부(105)의 구성 및 동작에 대해서는 도 4와 도 5를 참조하여 후술한다.

상세하게는, 그래핀층(12)을 형성하는 단계(S13)는 촉매층(11)이 형성된 기판(10)에 탄소 소스를 제공함으로써 촉매층(11) 상에 탄소 소스를 흡착시키고(S131), 퍼지 가스를 제공하여 기판(10)에 흡착되지 않은 잉여 탄소 소스를 제거한 후(S132), 소정의 제2 반응 가스를 제공함으로써 기판(10) 표면에서 탄소 소스와 반응시킴으로써 기판(10)에 그래핀층(12)이 증착된다(S133). 그리고 다시 기판(10)에 퍼지 가스를 제공하여 기판(10)에서 잔류 제2 반응 가스와 미반응 가스 등을 제거함으로써(S134) 그래핀층(12) 형성이 완료된다.

여기서, 증착된 그래핀층(12)의 두께는 단원자층 또는 소정 두께 T2로 증착할 수 있다. 그리고 상술한 바와 같이 탄소 소스와 제2 반응 가스를 순차적으로 제공하는 그래핀층 증착공정을 반복 수행함으로써 기 설정된 두께 T2로 그래핀층(12)을 성장시킬 수 있다(S135).

예를 들어, 촉매층(11)은 기판(10) 상에 형성되어 탄소 소스에 포함된 탄소 가 기판(10)에 증착되도록 촉매 역할을 하는 물질을 포함하는 것으로, 특히 탄소가 6각형 판상 구조를 형성하도록 한다. 예를 들어, 촉매층은 그래파이트를 합성하거나, 탄화 반응을 유도하거나, 카본나노튜브를 제조하는데 사용되는 촉매를 사용할 수 있다. 또한, 촉매 소스는 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속을 사용할 수 있다.

탄소 소스는 탄소 원자를 포함하는 물질로써, 일정 온도에서 기체 상태로 존재할 수 있는 물질이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 탄소 소스는 일산화탄소나 이산화탄소, 메탄올, 에탄올 등의 알코올, 메탄(methane), 에탄(ethane), 에틸렌(ethylene), 아세틸렌(acetylene), 프로판(propane), 프로필렌(propylene), 부탄(butane), 부타디엔(butadiene), 펜탄(pentane), 펜텐(pentene), 사이클로펜타디엔(cyclopentadiene), 헥산(hexane), 사이클로헥산(cyclohexane), 벤젠(benzene) 및 톨루엔(toluene) 등의 탄화수소(hydro carbon)를 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상을 물질을 사용할 수 있다.

그리고 제1 반응 가스는 촉매 소스와 반응하여 기판(10) 상에 촉매층(11)을 성장시키기 위한 가스로, 촉매 소스에 따라 실질적으로 다양한 가스를 사용할 수 있으며, 예를 들어, 산소, 오존, 질소 등의 가스나 불활성 가스 등을 사용할 수 있다. 또한, 제2 반응 가스는 탄소 소스와 반응하여 기판(10) 상에 그래핀층(12)을 성장시키기 위한 가스로, 탄소 소스에 따라 실질적으로 다양한 가스를 사용할 수 있으며, 예를 들어, 산소, 오존, 질소 또는 불활성 가스 등을 사용할 수 있다. 그 리고 제1 및 제2 반응 가스는 동일한 가스가 사용되거나 각 촉매 소스와 탄소 소스에 따라 서로 다른 반응 가스를 사용하는 것도 가능하다. 여기서, 서로 다른 가스를 사용하는 경우에는 제1 및 제2 반응 가스는 서로 화학적으로 반응하지 않는 가스를 사용할 수 있으며, 또는, 도 4에 도시한 바와 같이, 반응 가스가 분사되는 분사유닛(103)의 영역에서 각 반응 가스가 분사되는 유로가 서로 독립적으로 형성된 이중 샤워헤드 구조를 사용하는 것도 가능하다.

또한, 도면에는 별도로 도시하지 않았으나 촉매층(11) 및 그래핀층(12)의 증착속도와 증착률을 향상시키기 위해서 분사유닛(103) 일측에는 플라즈마 소스가 구비될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 소스는 반응 가스가 분사되는 영역에 구비되어 반응 가스를 플라즈마 상태로 여기시켜 제공할 수 있다. 또는, 플라즈마 소스는 반응 가스가 분사되는 영역이 아니라 영역들 사이에 플라즈마 소스가 구비되는 별도의 영역이 구비될 수 있다. 또는, 분사유닛(103) 전체에 플라즈마 소스가 구비되는 것도 가능하다. 또한, 플라즈마 소스는 촉매층(11)의 증착 공정 또는 그래핀층(12)의 증착 공정 중 하나 또는 두 공정 모두에서 작동함으로써 촉매층(11) 및/또는 그래핀층(12)의 증착률을 향상시키도록 작동할 수 있다. 또는, 이와는 달리, 그래핀층(12)을 소정 두께로 형성한 후 소정 시간 동안 작동함으로써 증착된 그래핀층(12)에 플라즈마를 제공하여 어닐링(annealing)하도록 작동하는 것도 가능하다.

다음으로, 그래핀층(12)의 증착이 완료되면 그래핀층(12)이 증착된 기판(10)을 소정의 약액을 이용하여 촉매층(11)을 제거함으로써(S14) 그래핀층(12)이 시트 형태로 분리되므로 그래핀 시트(20)를 제조할 수 있다(S15). 예를 들어, 촉매층(11)은 소정의 금속으로 형성되고 촉매층(11) 제거를 위한 용액은 금속을 용해시킬 수 있는 HF 등의 산성 용액을 이용할 수 있으며, 약액에 촉매층(11) 및 그래핀층(12)이 형성된 기판(10)을 소정 시간 침지시킴으로써 촉매층(11)이 용해되어 제거된다. 여기서, 약액은 촉매층(11)은 제거할 수 있으나 그래핀층(12)과는 반응하지 않는 약액이 사용된다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 촉매층(11) 제거 방법 및 실질적으로 다양한 방법이 사용될 수 있다.

또한, 상술한 실시예에서는 기판(10)에 별도의 촉매층(11)을 형성하는 것으로 예시하였으나 기판(10) 자체가 촉매 역할을 하는 금속 기판을 사용할 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 호일(aluminum foil)과 같이 소정 두께의 금속 기판을 이용하여 금속 기판 상에 직접 그래핀층(12)을 형성하고, 약액을 이용하여 금속 기판을 제거함으로써 시트 형태의 그래핀 시트를 제조할 수 있다.

그리고 상술한 바와 같이 제조된 그래핀 시트(20)는 기판(10)에서 분리하여 목적하는 용도에 따라 다양하게 가공하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 단층 그래핀 시트(20)를 제조하고, 시트 형태의 그래핀 시트(20)를 원통 형태로 감아서 소정 직경 및 길이를 갖는 단일벽 카본나노튜브를 형성할 수 있다. 그 이외에도 그래핀 시트(20) 자체로 연성 기판(flexible substrate)로 사용하거나 다양한 분야에 사용할 수 있다.

한편, 촉매층(11)은 상술한 군에서 선택된 하나의 금속이 단독으로 기판 상에 증착되어 촉매층(11)이 형성되는데, 기판(10)에 미리 스퍼터링 등의 방법을 이 용하여 촉매층(11)을 형성한 기판(10)을 사용하여 그래핀층(12)을 형성할 수 있다. 또는, 기판(10) 자체가 상술한 촉매 소스의 물질 중 하나의 물질로 형성된 금속 기판을 사용하는 것도 가능하다.

그러나 본 실시예에서는 일반적으로 반도체 장치의 제조에 사용되는 실리콘 기판이나 글라스 기판 상에 원자층 증착공정(atomic layer deposition, ALD)을 이용하여 촉매층(11)과 그래핀층(12)을 형성하되 동일한 프로세스 챔버 내부에서 인시튜(in-situ) 공정으로 형성할 수 있다. 여기서, 본 실시예에 따르면 비교적 가격이 저렴하고 일반적으로 사용되는 실리콘 기판이나 글라스 기판을 사용함으로써 제조 비용을 절감할 수 있으며, 단차 피복성 및 두께 균일성이 우수한 원자층 증착공정을 이용함으로써 두께 균일성이 우수한 그래핀 시트(20)를 형성할 수 있다.

여기서, 기판(10) 표면 전체에 균일하게 그래핀층(12)을 증착시키고 증착된 그래핀층(12)을 분리하는 방법으로 그래핀 시트(20)를 제조하고, 제조된 그래핀 시트(20)를 그대로 또는 가공하여 사용할 수 있다. 이와는 달리, 소정 형상을 갖는 그래핀 시트(20)를 제조하기 위해서 기판(10) 상에 그래핀층(12)이 형성될 영역을 미리 한정하는 것도 가능하다. 예를 들어, 기판(10) 상에서 그래핀 성장을 억제하기 위한 블록층(block layer or block area)을 형성할 수 있으며, 블록층은 촉매층(11) 상에서 그래핀층(12)의 형성을 억제하기 위한 영역에 형성될 수 있다. 또는 실리콘 기판에는 그래핀층(12)이 정상적으로 증착되기가 어려우므로, 이와 같이 실리콘 기판과 같이 그래핀층(12)의 증착이 어려운 기판을 사용하는 경우에는 별도의 블록층을 형성하지 않고 그래핀층(12)을 형성하고자 하는 영역에만 한정적으로 촉매층(11)을 형성하는 것도 가능하다.

이하, 원자층 증착공정을 이용하여 그래핀 시트(20)를 형성하기 위한 그래핀 시트 제조장치(100)에 대해 설명한다.

참고적으로, 본 실시예들에서 예로 들어 설명하는 그래핀 시트 제조장치(100)는 원자층 증착장치로써, 스루풋(throughput) 및 품질을 향상시키기 위해서 다수의 기판(10)에 대해 동시에 증착이 수행되며 기판(10)의 표면이 분사유닛(103)에 대해 평행하게 지지된 상태에서 공전하면서 분사유닛(103)에서 분사되는 서로 다른 종류의 가스가 분사되는 영역을 통과함에 따라 소정의 박막이 증착되는 형태의 세미 배치 타입(semi-batch type)이 사용될 수 있다. 여기서, 그래핀 시트 제조장치(100)의 상세한 기술구성은 본 발명의 요지가 아니므로, 자세한 설명 및 도시를 생략하고 주요 구성요소에 대해서만 간략하게 설명한다.

서셉터(102)는 증착공정이 수행되는 프로세스 챔버(101) 내부에 구비되어 복수의 기판(10)이 수평하게 안착되며 소정 속도록 기판(10)을 공전시킬 수 있도록 회전 가능하게 형성된다. 예를 들어, 서셉터(102)는 6장의 기판(10)이 서셉터(102)의 원주 방향을 따라 수평으로 안착되도록 형성될 수 있다. 여기서, 도 5에서 가상선으로 도시한 바와 같이 6장의 기판(10)이 배치될 수 있다.

분사유닛(103)은 원자층 증착공정에 따라 박막을 증착할 수 있도록 서로 다른 복수의 가스를 분사하는 복수의 분사영역이 형성되며, 특히, 촉매층(11)과 그래핀층(12)을 인시튜로 증착할 수 있도록 형성된다.

일 예로, 분사유닛(103)은 촉매 소스 및 탄소 소스가 선택적으로 제공되는 소스 영역(131)과 촉매 소스/탄소 소스와 각각 반응하여 촉매층(11) 및 그래핀층(12)을 형성하기 위한 반응 가스가 제공되는 반응 영역(133) 및 퍼지 가스가 제공되는 퍼지 영역(132, 134)으로 구성될 수 있다. 그리고 기판(10)에서 미반응 가스 및 배기가스를 흡입하여 배출시키기 위한 배기라인(135)이 분사유닛(103)에 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시한 바와 같이 4개의 분사영역(131, 132, 133, 134)이 형성되고, 각 분사영역(131, 132, 133, 134)의 경계를 따라 배기라인(135)이 구비되어 배기가스를 배출시킴과 더불어 각 분사영역(131, 132, 133, 134)을 분리시킬 수 있다. 그러나 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니며 도면에서 예시한 분사유닛(103) 및 배기라인(135)은 본 발명을 설명하기 위한 예시적인 형태일 뿐이며, 분사유닛(103)은 서로 다른 종류의 가스들을 영역 별로 분사할 수 있는 실질적으로 다양한 형태를 가질 수 있다.

분사유닛(103)의 각 분사영역(131, 132, 133, 134)에는 가스를 공급하는 가스공급부(104)가 연결되고, 가스공급부(104)는 촉매 소스, 탄소 소스, 반응 가스 및 퍼지 가스를 각각 공급하는 공급원(141, 142, 143, 144)를 포함할 수 있다.

여기서, 소스 영역(131)에서 촉매 소스와 탄소 소스가 제공되므로 소스 영역(131)은 서로 다른 2가지의 소스 가스를 분사할 수 있는 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시한 바와 같이, 소스 영역은 2개의 독립된 유로를 통해 촉매 소스와 탄소 소스를 서로 독립적으로 유동 및 제공할 수 있도록 이중 샤워헤드 구조를 가질 수 있다.

그리고 가스공급부(104)는 각각 독립된 유로를 통해 촉매 소스와 탄소 소스를 제공할 수 있도록 연결된다. 한편, 촉매 소스와 탄소 소스는 선택적으로 제공되므로 가스공급부(104)와 분사유닛(103)을 연결하는 공급 유로 상에는 촉매 소스와 탄소 소스의 공급을 조절하기 위한 밸브(151, 152) 및 가스제어부(105)가 구비될 수 있다. 예를 들어, 가스제어부(105)는 촉매 소스 공급원(141)과 탄소 소스 공급원(142)의 공급 유로 상에 구비된 밸브(151, 152)를 개폐함으로써 선택적으로 소스 영역(131)에서 촉매 소스 또는 탄소 소스가 제공되도록 한다. 여기서, 가스제어부(105)는 촉매 소스와 탄소 소스의 분사 여부를 촉매층(11)의 두께와 그래핀층의 두께로 판단할 수 있다. 예를 들어, 가스제어부(105)는 기판(10)에 촉매층(11)의 두께가 기 설정된 두께 T1까지 성장하는 동안은 촉매 소스를 제공하도록 하고, 촉매층(11)의 증착이 완료되면 탄소 소스가 제공되도록 제어할 수 있다.

한편, 도 4에서는 반응 영역(133)이 단일 유로의 샤워헤드 구조가 구비되는 것으로 예시하였으나, 반응 영역(133) 역시 서로 다른 반응 가스를 사용하는 경우 반응 가스가 분사되는 유로가 서로 독립적으로 형성된 이중 샤워헤드 구조를 사용하는 것도 가능하다. 또한, 도면에는 별도로 도시하지 않았으나 촉매층(11) 및 그래핀층(12)의 증착속도와 증착률을 향상시키기 위해서 분사유닛(103)의 일측 또는 반응 영역(133)에는 플라즈마 소스가 구비될 수 있다.

여기서, 플라즈마 소스는 촉매층(11)을 증착하기 위한 제1 반응 가스를 플라즈마 상태로 여기시켜 제공하거나, 그래핀층(12)을 증착하기 위한 제2 반응 가스를 플라즈마 상태로 여기시켜 제공할 수 있다. 또는, 그래핀층(12)이 소정 두께로 형 성된 후 증착된 그래핀층(12)에 플라즈마를 제공하여 어닐링하는 것도 가능하다.

한편, 본 실시예에서는 촉매 소스와 탄소 소스가 동일한 영역에서 제공되는 것으로 예시하였으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 촉매 소스가 제공되는 영역과 탄소 소스가 제공되는 영역을 별도로 구획 형성하는 것도 가능하다. 또는, 촉매 소스 및 탄소 소스 중 한 또는 둘 다는 분사영역의 일부에서 제공되는 것이 아니라 프로세스 챔버(101) 전체에 제공되도록 형성되는 것도 가능하다.

상술한 실시예에서는 원자층 증착공정을 이용하여 단층 또는 소정 두께를 갖는 그래핀 시트(20)를 제조하는 방법에 대해서 설명하였다. 이하에서는 상술한 실시예에 대한 변형 실시예로써 도 6과 도 7을 참조하여 단층 또는 소정 두께의 그래핀층(32)을 형성하되, 그래핀층(32)과 촉매층(31)이 교번적으로 복수 회 적층된 구조를 갖는 다층 그래핀 시트(30)의 제조 방법에 대해서 설명한다. 참고적으로, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다층 그래핀 시트 구조물 제조방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 7은 도 6의 그래핀 시트 제조방법에 따라 제조된 다층 그래핀 시트 구조물의 모식도이다.

여기서, 이하에서 설명하는 실시예에 따른 다층 그래핀 시트(30)는 원자층 증착공정을 이용하여 그래핀층(32)과 촉매층(31)이 인시튜 공정을 수행된다는 점에서 상술한 실시예와 실질적으로 동일하므로, 상술한 그래핀 시트 제조장치(100)를 이용하여 제조할 수 있다. 설명의 편의를 위해서 상술한 실시예와 중복되는 설명은 생략한다.

우선, 기판을 제공하고(S21), 기판 상에 촉매 소스를 제공하여 촉매층(31)을 형성하고(S22) 촉매층 형성 단계(S22)와 동일 프로세스 챔버(101)에서 인시튜 공정으로 탄소 소스를 제공하여 그래핀층(32)을 형성한다(S23). 여기서, 촉매층 형성 단계(S22)와 그래핀층 형성 단계(S23)는 상술한 실시예에서 원자층 증착공정을 이용한 촉매층 형성 단계(S12) 및 그래핀층 형성 단계(S13)와 실질적으로 동일하므로 설명은 생략한다.

예를 들어, 촉매 소스는 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속을 사용할 수 있다. 그리고 탄소 소스는 탄소 원자를 포함하는 물질로써, 일정 온도에서 기체 상태로 존재할 수 있는 물질이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 탄소 소스는 일산화탄소나 이산화탄소, 메탄올, 에탄올 등의 알코올, 메탄(methane), 에탄(ethane), 에틸렌(ethylene), 아세틸렌(acetylene), 프로판(propane), 프로필렌(propylene), 부탄(butane), 부타디엔(butadiene), 펜탄(pentane), 펜텐(pentene), 사이클로펜타디엔(cyclopentadiene), 헥산(hexane), 사이클로헥산(cyclohexane), 벤젠(benzene) 및 톨루엔(toluene) 등의 탄화수소(hydro carbon)를 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상을 물질을 사용할 수 있다.

여기서, 다층 그래핀 시트(30)는 도 7에 도시한 바와 같이, 그래핀층(32)과 촉매층(31)이 교번적으로 형성되며 복수 층의 그래핀층(32)과 촉매층(31)이 형성된 구조를 갖는다.

즉, 다층 그래핀 시트(30)를 형성하기 위해서는 기 설정된 층수로 촉매층(31) 및 그래핀층(32)이 형성될 때까지 촉매층 형성 단계(S22)와 그래핀층 형성 단계(S23)가 반복 수행된다.

여기서, 다층 그래핀 시트(30)는 촉매층(31)의 두께와 그래핀층(32)의 두께가 균일하게 형성될 수 있다. 즉, 다층 그래핀 시트(30)를 형성하는 각 촉매층(31)과 각 그래핀층(32)이 도 7에 도시한 바와 같이, 동일한 제1 두께를 갖는 복수의 촉매층(31) 사이 사이에 동일한 제2 두께를 갖는 복수의 그래핀층(32)이 배치된 형태를 가질 수 있다. 그러나 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니며 촉매층(31)의 두께와 그래핀층(32)의 두께는 실질적으로 다양하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 촉매층(31)과 그래핀층(32)의 두께가 모두 동일하게 형성되거나 또는 각 촉매층(31)/그래핀층(32)의 두께가 각각 서로 다르게 형성되는 것도 가능하다.

또한, 다층 그래핀 시트(30)의 제조 공정에서, 촉매층(31) 및 그래핀층(32)의 밀도를 증가시키고 증착률을 향상시킬 수 있도록 플라즈마를 제공할 수 있다. 예를 들어, 촉매층(31)을 증착하기 위한 제1 반응 가스를 플라즈마 상태로 여기시켜 제공하거나, 그래핀층(32)을 증착하기 위한 제2 반응 가스를 플라즈마 상태로 여기시켜 제공할 수 있다. 또는, 그래핀층(32)가 소정 두께로 형성된 후 증착된 그래핀층(32)에 플라즈마를 제공하여 어닐링하는 것도 가능하다.

여기서, 상기와 같이 형성된 다층 그래핀 시트(30)를 소정의 약액을 이용하여 기판에서 분리하여 사용하거나, 또는 기판을 촉매층(31)과 동일한 재질로 형성할 수 있다. 즉, 기판 자체가 하나의 촉매층(31)이 되므로 증착된 다층 그래핀 시 트(30)를 기판에서 분리시키는 단계를 생략할 수 있다. 예를 들어, 기판은 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 재질로 형성된 금속 기판을 사용할 수 있다.

다층 그래핀 시트(30)는 금속 재질의 촉매층(31)과 절연 재질의 그래핀층(32)이 교번적으로 적층된 구조를 가지므로 이차전지에 사용될 수 있다.

참고적으로 이차전지(secondary cell)은 전기 에너지를 화학 에너지로 저장하고 필요 시 전기 에너지로 변환시킬 수 있는 전지, 즉 충전시 전지(rechargeable battery)로써, 일반적으로 사용되는 이차전지로는 납 축전지, 니켈 카드뮴 전지(NiCd), 니켈 수소 축전지(NiMH), 리튬 이온 전지(Li-ion), 리튬 이온 폴리머 전지(Li-ion polymer) 등이 있다. 한편 이차전지의 음극 활물질로서 탄소계 물질이 사용되는데, 그래핀을 사용하면 흑연이 갖는 우수한 특성, 즉, 매우 가역적인 충/방전 거동을 갖고, 전극 수명 특성이 우수하며, Li 이온의 충전 시 전극전위가 0V Li/Li+로서 순수한 리튬 금속과 거의 유사한 전위를 나타내므로 산화물계 양극과 전지 구성 시 에너지 효율이 높다는 장점을 갖는 이차전지를 제조할 수 있다. 또한, 그래핀의 경우 충방전시 부피 팽창이나 수축이 발생하지 않으므로 상술한 다층 그래핀 시트(30)를 이용하여 이차전치를 형성하는 경우 이차전지에서 미분화, 전도 경로의 상실로 인해 수명이 저하되는 문제점을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

본 실시예들에 따르면, 기판(10) 및 촉매층(31)의 크기에 따라 대면적 그래핀 시트(20)를 제조할 수 있으며, 바람직하게는 10㎜ 이상의 대면적 그래핀 시트(20)를 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 기판(10) 및 촉매층(31)의 크기와 형태 를 조절하거나 촉매층(31)의 형태를 조절함으로써 그래핀 시트(20)의 크기를 자유롭게 조절하고 제조할 수 있다. 또한, 원자층 증착공정을 이용하므로 기판(10)의 형상 및 크기에 대한 제약이 존재하지 않으며, 예를 들어, 원형이나 사각형 등의 다각형 기판을 이용하여 다양한 형상의 그래핀 시트(20)를 제조할 수 있다.

또한, 원자층 증착장치 또는 증착공정을 이용하여 동일 프로세스 챔버(101) 내에서 촉매층(31)의 증착과 그래핀층(12)의 증착을 인시튜(in-situ) 공정으로 수행할 수 있어서 그래핀 시트(20) 제조공정을 단순화시킴으로써 그래핀 시트(20)의 제조가 용이하며, 시간과 비용을 절감할 수 있다.

원자층 증착공정은 고순도 물질을 증착할 수 있으며 증착을 위한 소스 물질에 대한 제약이 크지 않다는 특징을 가지므로, 원자층 증착공정을 이용하여 그래핀 시트(20)를 제조하는 것은 탄소 소스 및 촉매 소스로 사용할 수 있는 물질이 다양하다는 장점을 갖는다. 또한, 원자층 증착공정을 이용함으로써 기판(10)에 대해 동시에 균일한 두께와 특성을 갖는 그래핀층을 형성할 수 있으므로 분리된 그래핀 시트를 산업적으로 광범위한 분야에 적용할 수 있다. 여기서, 스텝 커버리지가 우수하고 단원자층을 증착할 수 있는 원자층 증착공정을 이용하므로 단층 그래핀 시트(20)를 제조하는 것이 가능하며 증착 사이클을 반복 수행하는 것으로 원하는 두께의 다층 그래핀 시트(20)를 제조하는 것도 가능하며, 그래핀 시트(20)의 층수 또는 두께를 자유롭게 조절할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착공정을 이용한 그래핀 시트 제조방법을 설명하기 위한 순서도;

도 2는 도 1의 그래핀 시트 제조방법에서 인시튜(in-situ) 공정을 설명하기 위한 순서도;

도 3은 도 1의 그래핀 시트 제조방법을 설명하기 위한 기판의 모식도들;

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 시트를 제조하기 위한 그래핀 시트 제조장치의 단면도;

도 5는 도 4의 그래핀 시트 제조장치에서 분사유닛의 일 예를 설명하기 위한 평면도;

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다층 그래핀 시트 구조물 제조방법을 설명하기 위한 순서도;

도 7은 도 6의 제조방법에 따라 제조된 다층 그래핀 시트 구조물의 모식도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 기판 11: 촉매층

12: 그래핀층 20: 그래핀 시트

30: 다층 그래핀 시트 31: 그래핀층

32: 금속층 100: 그래핀 시트 제조장치

101: 프로세스 챔버 102: 서셉터

103: 분사유닛 104: 가스공급부

105: 가스제어부 130, 131, 132, 133, 134: 분사영역

135: 배기라인 141, 142, 143, 144: 공급원

151, 152: 제어 밸브

Claims (22)

1. 원자층 증착공정을 이용하여 그래핀 시트(graphene sheet)를 제조하기 위한 그래핀 시트 제조장치에 있어서,

   증착공정이 수행되는 프로세스 챔버;

   상기 프로세스 챔버 내부에 구비되어 복수의 기판이 공전 가능하게 안착되는 서셉터;

   상기 서셉터 상부에서 상기 기판에 대향되게 구비되어 상기 기판에 촉매층을 형성하기 위한 촉매 소스와 그래핀층을 형성하기 위한 탄소 소스를 제공하되 상기 촉매 소스 및 상기 탄소 소스가 선택적으로 분사되는 소스 영역과, 퍼지 가스가 분사되는 퍼지 영역 및 상기 기판에 상기 촉매층과 상기 그래핀층을 증착하기 위한 반응 가스가 분사되는 반응 영역이 형성된 분사유닛; 및

   상기 분사유닛에 구비되어 상기 촉매 소스와 상기 탄소 소스를 선택적으로 제공하도록 제어하는 가스제어부;

   를 포함하고,

   원자층 증착공정을 이용하여 상기 서셉터가 회전함에 따라 상기 기판이 상기 소스 영역, 상기 퍼지 영역, 상기 반응 영역 및 상기 퍼지 영역을 순차적으로 통과함에 따라 상기 촉매층과 상기 그래핀층을 인시튜(in-situ)로 증착하는 그래핀 시트 제조장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 가스제어부는 상기 기판에 상기 촉매층이 기 설정된 두께로 성장될 때까지 상기 분사유닛에서 상기 촉매 소스가 분사되도록 하고, 상기 촉매층이 기 설정된 두께로 성장한 후에는 상기 분사유닛에서 상기 탄소 소스가 분사되도록 제어하는 그래핀 시트 제조장치.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   상기 분사유닛에는 플라즈마 소스가 구비되고,

   상기 플라즈마 소스는 상기 분사 영역 중 적어도 어느 하나의 영역에 구비된 그래핀 시트 제조장치.
5. 기판에 촉매 소스를 제공하고 원자층 증착공정을 이용하여 촉매층을 형성하는 단계;

   상기 촉매층 형성 단계와 인시튜(in-situ) 공정으로 수행되며, 상기 촉매층이 형성된 기판에 탄소 소스를 제공하고 원자층 증착공정을 이용하여 그래핀층 형 성하는 단계; 및

   상기 촉매층을 제거하는 단계;

   를 포함하는 그래핀 시트 제조방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 촉매층 형성 단계는,

   상기 기판에 촉매 소스를 제공하여 흡착시키는 단계;

   상기 기판에 퍼지 가스를 제공하여 잔류 가스 및 미반응 가스를 제거하는 단계;

   상기 기판에 흡착된 촉매 소스와 반응하여 촉매층을 형성하는 제1 반응 가스를 제공하고 상기 기판 표면에 촉매층을 증착하는 단계; 및

   상기 기판에 퍼지 가스를 제공하여 잔류 가스 및 미반응 가스를 제거하는 단계;

   를 포함하고,

   상기 촉매층의 두께가 기설정된 두께로 성장될 때까지 상기 촉매층 형성 단계를 복수 회 반복 수행하는 그래핀 시트 제조방법.
7. 제6항에 있어서,

   상기 촉매 소스는 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상 물질을 포함하는 그래핀 시트 제조방법.
8. 제5항에 있어서,

   상기 그래핀층 형성 단계는,

   상기 촉매층이 형성된 기판에 탄소 소스를 제공하여 흡착시키는 단계;

   상기 기판에 퍼지 가스를 제공하여 잔류 가스 및 미반응 가스를 제거하는 단계;

   상기 탄소 소스와 반응하여 탄소층을 형성하는 제2 반응 가스를 제공하여 상기 촉매층 표면에 그래핀층을 증착하는 단계; 및

   상기 기판에 퍼지 가스를 제공하여 잔류 가스 및 미반응 가스를 제거하는 단계;

   를 포함하는 그래핀 시트 제조방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 그래핀층은 단층 또는 2층 이상의 다층 그래핀층으로 형성되며, 상기 그래핀층의 두께가 기설정된 두께로 성장될 때까지 상기 그래핀층 형성 단계를 적어도 1회 이상 복수회 반복 수행하는 그래핀 시트 제조방법.
10. 제8항에 있어서,

    상기 탄소 소스는 일산화탄소(carbon monoxide), 이산화탄소, 알코올 및 탄 화수소를 포함하는 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 물질을 포함하는 그래핀 시트 제조방법.
11. 제8항에 있어서,

    상기 제1 반응 가스와 상기 제2 반응 가스는 동일한 가스 또는 서로 다른 가스를 사용하는 그래핀 시트 제조방법.
12. 제5항에 있어서,

    상기 촉매층 제거 단계는 상기 촉매층과 반응하여 용해시키되 상기 그래핀층과는 반응하지 않는 약액을 이용하여 상기 촉매층을 용해시켜 제거하는 그래핀 시트 제조방법.
13. 제5항에 있어서,

    상기 기판은 실리콘, 글라스(glass), 실리카(silicon oxide)를 포함하는 무기물 기판 및 니켈(Ni), 구리(Cu), 텅스텐(W)을 포함하는 금속 기판 중 선택된 어느 하나의 기판을 사용하는 그래핀 시트 제조방법.
14. 제13항에 있어서,

    상기 기판은 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상 물질을 포함하는 금속 기 판이 사용되고,

    상기 촉매층을 형성하는 단계가 생략되고 상기 기판에 상기 탄소 소스가 제공되어 상기 그래핀층이 형성되는 그래핀 시트 제조방법.
15. 제13항에 있어서,

    상기 기판은 상기 촉매층과 동일한 물질로 형성되는 금속 기판이고,

    상기 기판은 상기 촉매층을 제거하는 단계에서 상기 촉매층과 같이 용해되어 제거되는 그래핀 시트 제조방법.
16. 제5항에 있어서,

    상기 촉매층은 상기 기판 전체 또는 일부 영역에 형성될 수 있으며,

    상기 그래핀층이 형성될 영역을 한정하는 블록층이 더 형성되는 그래핀 시트 제조방법.
17. 기판에 금속 소스를 제공하고 원자층 증착공정을 이용하여 금속층을 형성하는 단계; 및

    상기 금속층 형성 단계와 인시튜로 수행되며, 상기 금속층이 형성된 기판에 탄소 소스를 제공하고 원자층 증착공정을 이용하여 상기 금속층 상에 그래핀층을 형성하는 단계;

    를 포함하고,

    상기 금속층과 형성 단계와 상기 그래핀층 형성 단계를 적어도 1회 이상 복수 회 반복 수행하는 다층 그래핀 시트 제조방법.
18. 제17항에 있어서,

    상기 탄소 소스는 일산화탄소(carbon monoxide), 이산화탄소, 알코올 및 탄화수소를 포함하는 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 물질을 포함하는 다층 그래핀 시트 제조방법.
19. 제17항에 있어서,

    상기 금속 소스는 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상 물질을 포함하는 다층 그래핀 시트 제조방법.
20. 제19항에 있어서,

    상기 기판은 실리콘, 글라스(glass), 실리카(silicon oxide)를 포함하는 무기물 기판 및 니켈(Ni), 구리(Cu), 텅스텐(W)을 포함하는 금속 기판 중 선택된 어느 하나의 기판을 사용하는 다층 그래핀 시트 제조방법.
21. 제19항에 있어서,

    상기 기판은 상기 금속 소스와 동일한 물질로 형성되는 금속 기판을 사용하 는 다층 그래핀 시트 제조방법.
22. 제17항에 있어서,

    상기 금속층은 동일한 제1 두께를 갖는 복수의 금속층이 형성되고 상기 그래핀층은 동일한 제2 두께를 갖는 복수의 그래핀층이 서로 교번적으로 적층 형성된 다층 그래핀 시트 제조방법.

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