KR101910977B1 - 그래핀 볼 구조체 및 그 제조방법 - Google Patents

그래핀 볼 구조체 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

그래핀 볼 구조체 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 그래핀 볼 구조체는, 반도체 물질을 포함하는 구 형상의 코어(core) 및 상기 코어를 둘러싸도록 형성되는 것으로, 그래핀을 포함하는 그래핀 셸(graphene shell)을 포함한다.

Description

그래핀 볼 구조체 및 그 제조방법{Graphene ball structure and method of manufacturing the same}
그래핀 볼 구조체와 이 그래핀 볼 구조체를 제조하는 방법에 관한 것이다.
탄소 물질은 그라파이트(graphite), 버키볼(buckyball), 카본 나노튜브(CNT; Carbon NanoTube), 그래핀(graphene) 등과 같은 다양한 탄소 구조를 가지는 물질들로 존재한다. 60개의 탄소원자로 이루어진 공 모양을 가지는 버키볼은 플러렌(fullerene)으로도 불리는 탄소 동소체이다. 이러한 버키볼의 분자구조는 15개의 5각형과 20개의 6각형으로 이루어져 있으며, 5각형들 각각은 6각형들에 의해 둘러싸여 있다. 카본 나노튜브는 탄소 원자들이 육각형 벌집 무늬로 결합되어 튜브 형태를 이루고 있는 물질로서, 나노미터 수준의 극히 작은 직경을 가진다. 그리고, 최근 들어 나노 전자학(nanoelectronics), 광 전자학(optoelectronics), 화학 센서 등과 같은 다양한 분야에 응용이 가능한 그래핀에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 그래핀은 탄소원자들이 2차원적으로 연결된 구조를 가지며, 원자 단위 수준의 매우 얇은 두께를 가지는 물질이다. 그래핀은 실리콘(Si)에 비해 높은 전기 이동도 및 우수한 열특성을 가지며, 화학적으로 안정하고, 표면적이 넓다는 장점을 가지고 있다. 이러한 그래핀은 니켈이나 구리 등과 같은 전이 금속(transition metal)을 촉매로 하여 CVD 방식에 의해 합성하거나, 그라파이트를 한겹씩 떼어내서 얻어질 수 있다. 그래핀은 시트 형태로 사용되는 것이 일반적이나, 튜브 형태로 제작되어 사용될 수도 있다.
본 발명의 실시예는 그래핀 볼 구조체와 이 그래핀 볼 구조체를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 있어서,
반도체 물질을 포함하는 구 형상의 코어(core); 및
상기 코어를 둘러싸도록 형성되는 것으로, 그래핀을 포함하는 그래핀 셸(graphene shell)을 포함하는 그래핀 볼 구조체가 제공된다.
상기 반도체 물질은 Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 또는 Ⅱ-Ⅵ족 반도체를 포함할 수 있다.
상기 코어는 1nm ~ 10㎛ 의 직경을 가질 수 있으며, 상기 그래핀 셸은 하나 이상의 층 구조를 가질 수 있다.
한편, 상기 코어는 구 형상의 제1 코어와, 상기 제1 코어를 둘러싸도록 형성되며 상기 반도체 물질을 포함하는 제2 코어를 포함할 수 도 있다. 여기서, 상기 제1 코어는 절연체 또는 금속을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 있어서,
반도체 물질을 포함하는 구 형상의 코어와, 상기 코어를 둘러싸도록 형성되는 것으로 그래핀을 포함하는 그래핀 셸을 포함하는 그래핀 볼 구조체를 제조하는 방법에 있어서,
반도체 물질을 포함하는 가스와 탄소를 포함하는 가스를 이용한 화학기상증착법(CVD)에 의해 상기 그래핀 볼 구조체를 합성하는 그래핀 볼 구조체의 제조방법이 제공된다.
상기 그래핀 볼 구조체의 제조방법은, 상기 반도체 물질을 포함하는 가스와 상기 탄소를 포함하는 가스를 반응 챔버 내에 흘려주는 단계; 및 상기 반도체 물질을 포함하는 코어가 구 형상으로 형성되고, 상기 코어의 외면 상에 그래핀이 성장하여 상기 그래핀 셸이 형성되는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 그래핀 셸을 형성한 다음, 상기 코어를 제거하는 단계가 더 포함될 수 있다.
상기 반도체 물질을 포함하는 가스는 예를 들면 GeH4를 포함하고, 상기 탄소를 포함하는 가스는 예를 들면, CH4를 포함할 수 있다. 상기 반응챔버 내는 예를 들면 대략 200 ~ 900℃의 온도 및 0.1 ~ 300 Torr의 압력으로 유지될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 화학기상증착법(CVD)를 이용하여 그 크기를 다양하게 제어할 수 있는 볼 형태의 그래핀, 즉 그래핀 볼 구조체를 구현할 수 있다. 그리고, 다수의 그래핀 볼 구조체들 적층함으로써 네트워크 형태로 제작할 수도 있다. 이러한 그래핀 볼 구조체 및 그래핀 볼 네트워크는 그래핀이 가지는 높은 전하 이동도, 우수한 열 특성 등을 그대로 가질 수 있다. 그리고, 3차원적 구조로 인해 넓은 표면적을 가짐으로써 높은 반응성을 가지는 고효율의 에너지 분야 등에 유용하게 응용될 수 있다. 또한 상기한 그래핀 볼 구조체나 그래핀 볼 네트워크는 예를 들면, 리튬 이온 배터리, 수소 저장 장치, 센서, 캐퍼시터, 광소자 또는 전자 소자 등에 전극이나 전도층으로 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 그래핀 볼 구조체를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 그래핀 볼 구조체의 단면을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 그래핀 볼 구조체의 단면을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 그래핀 볼 네트워크를 도시한 것이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 그래핀 볼 구조체의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 그래핀 볼 구조체(100)를 도시한 사시도이다. 그리고, 도 2는 도 1에 도시된 그래핀 볼 구조체(100)의 단면을 도시한 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 그래핀 볼 구조체(100)는 구 형상을 가지는 코어(core,110)와, 상기 코어(110)를 둘러싸도록 형성되는 그래핀 셸(graphene shell,120)을 포함한다. 여기서, 상기 코어(110)는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 상기 반도체 물질은 예를 들면, Ge 등과 같은 Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 또는 Ⅱ-Ⅵ족 반도체를 포함할 수 있다. 이러한 코어(110)는 그 크기가 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들면, 상기 코어(110)는 대략 1nm ~ 10㎛ 의 직경을 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 코어(110)의 외면 상에는 그래핀 셸(120)이 상기 코어를 둘러싸도록 형성되어 있다. 상기 그래핀 셸(120)은 그래핀(graphene)을 포함하며, 단층 또는 복층 구조를 가질 수 있다. 상기 그래핀은 탄소원자들이 2차원적으로 연결된 구조를 가지며, 원자 단위 수준의 매우 얇은 두께를 가지는 물질을 말한다. 이러한 그래핀은 높은 전기 이동도 및 우수한 열특성을 가지며, 화학적으로 안정하고, 표면적이 넓다는 장점을 가지고 있다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 그래핀 볼 구조체(200)의 단면을 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 그래핀 볼 구조체(200)는 코어(210)와, 상기 코어(210)의 외면 상에서 상기 코어(210)를 둘러싸도록 형성되는 그래핀 셸(220)을 포함한다. 여기서, 상기 코어(210)는 구 형상의 제1 코어(211)와, 상기 제1 코어(211)를 둘러싸는 제2 코어(212)로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 제1 코어(211)는 예를 들면, 절연체 또는 금속으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 이외에도 다양한 물질로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 제2 코어(212)는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 반도체 물질은 전술한 바와 같이, Ge 등과 같은 Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 또는 Ⅱ-Ⅵ족 반도체를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 코어(211,212)로 구성된 코어(210)는 그 크기가 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들면, 상기 코어(210)는 대략 1nm ~ 10㎛ 의 직경을 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 코어(210)의 외면, 구체적으로 제2 코어(212)의 외면에는 상기 제2 코어(212)를 둘러싸도록 그래핀 셸(220)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 그래핀 셀(220)은 전술한 바와 같이 그래핀을 포함하며, 단층 또는 복층 구조를 가질 수 있다. .
이상의 실시예들에서와 같이, 반도체 물질을 포함하는 코어(110,210)와, 상기 코어(110,210)를 둘러싸는 그래핀 셸(120,220)로 구성된 그래핀 볼 구조체(100,200)는 그래핀이 가지는 높은 전하 이동도, 우수한 열 특성 등을 그대로 가질 수 있다. 그리고, 3차원적 구조로 인해 넓은 표면적을 가짐으로써 높은 반응성을 가지는 고효율의 에너지 분야 등에 유용하게 응용될 수 있다. 또한, 상기 그래핀 볼 구조체(100,200)는 후술하는 바와 같이 그 크기를 다양하게 제어할 수 있으며, 그 크기에 따라 다양한 응용이 가능하다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 그래핀 볼 네트워크를 도시한 것이다. 도 4를 참조하면, 다수의 그래핀 볼 구조체들(100,200)이 서로 결합하여 적층됨으로써 그래핀 볼 네트워크(graphene ball network)를 형성할 수 있다. 이와 같은 그래핀 볼 네트워크는 더 넓은 표면적으로 가짐으로써 반응성을 보다 향상시킬 수 있다. 상기한 그래핀 볼 구조체(100,200)나 그래핀 볼 네트워크는 예를 들면, 리튬 이온 배터리, 수소 저장 장치, 센서, 캐퍼시터, 광소자 또는 전자 소자 등에 전극이나 전도층으로 유용하게 사용될 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 그래핀 볼 구조체의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다. 본 실시예는 화학기상증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 그래핀 볼 구조체를 합성한다.
도 5를 참조하면, 반응 챔버(350) 내에 반도체 물질을 포함하는 가스와, 탄소를 포함하는 가스를 흘려준다. 상기 반도체 물질은 Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 또는 Ⅱ-Ⅵ족 반도체를 포함할 수 있다. 상기 반도체 물질을 포함하는 가스로는 예를 들면 GeH4 가스가 사용될 수 있으며, 상기 탄소를 포함하는 가스로는 예를 들면 CH4 가스가 사용될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고, 상기 반응 챔버(350)는 소정 온도(T) 및 소정 압력(P)으로 유지되어 있다. 상기 반응 챔버(350) 내의 온도(T)는 예를 들면, 대략 200 ~ 900℃ 정도가 될 수 있고, 상기 반응 챔버(350) 내의 압력(P)은 예를 들면, 대략 0.1 ~ 300 Torr 정도가 될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
도 5에 도시된 상태에서, 상기 반응 챔버(350) 내에는 반도체 물질로 이루어진 구 형상의 입자들이 먼저 형성되고, 이 반도체 입자들의 외면에 그래핀이 성장된다. 이에 따라, 도 6에 도시된 바와 같이 반응 챔버(350) 내에는 반도체 물질로 이루어진 구 형상의 코어(310)와, 상기 코어(310)의 외면 상에서 상기 코어(310)를 둘러싸는 그래핀 셀(320)로 이루어진 그래핀 볼 구조체(300)가 형성될 수 있다. 여기서, 상기 반도체 물질을 포함하는 가스의 양, 상기 탄소를 포함하는 가스의 양 또는 상기 반응 챔버(350) 내의 온도 등을 조절하게 되면 코어(310)의 크기를 제어할 수 있다. 이러한 코어(310)는 대략 1nm ~ 10㎛ 정도의 직경을 가지도록 그 크기가 조절될 수 있다. 그리고, 상기 코어(310)의 외면 상에 형성되는 그래핀 셸(320)은 단층 또는 복층 구조의 그래핀으로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 반도체 물질로 이루어진 코어(310)와, 상기 코어(310)를 둘러싸는 그래핀 셸(320)을 형성한 다음에는, 상기 코어(310)는 산화를 통해서 제거되거나 또는 소정 용매에 의해 녹음으로써 제거될 수 있다. 이와 같이, 코어(310)가 제거된 경우에 상기 그래핀 셸(320)은 케이지(cage) 형상을 가질 수 있다.
이상에서는 반도체 물질을 포함하는 코어(310)와, 상기 코어(310)를 둘러싸는 그래핀 셸(320)로 구성된 그래핀 볼 구조체(300)를 제조하는 방법에 대해서 설명되었다. 한편, 상기 반응 챔버(350) 내에 소정 직경을 가지는 절연체 입자들(미도시)이나 금속 입자들(미도시)이 존재하게 되면, 상기 반응 챔버(350) 내에는 도 3에 도시된 바와 같이 절연체 입자나 금속입자로 이루어진 구 형상의 제1 코어(211)와 상기 제1 코어(211)를 둘러싸는 반도체 물질로 이루어진 제2 코어(212)를 포함하는 코어(210)가 형성될 수 있으며, 이 코어(210)를 둘러싸도록 그래핀 셸(220)이 형성될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
100,200,300... 그래핀 볼 구조체
110,210,310... 코어
120,220,320... 그래핀 셸
211... 제1 코어 212... 제2 코어
350... 반응챔버

Claims (16)

  1. 구 형상의 코어(core); 및
    상기 코어를 둘러싸도록 형성되는 것으로, 그래핀을 포함하는 그래핀 셸(graphene shell)을 포함하며,
    상기 코어는 구 형상의 제1 코어와 상기 코어를 둘러싸는 제2 코어를 포함하며,
    상기 제1 코어는 절연체 또는 금속을 포함하며,
    상기 제2 코어는 게르마늄(Ge)을 포함하는 그래핀 볼 구조체.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어는 1nm ~ 10㎛ 의 직경을 가지는 그래핀 볼 구조체.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 다수의 제 1 항 또는 제 3 항에 기재된 그래핀 볼 구조체가 서로 결합하여 형성된 그래핀 볼 네트워크(graphene ball network).
  8. 반도체 물질을 포함하는 구 형상의 코어와, 상기 코어를 둘러싸도록 형성되는 것으로 그래핀을 포함하는 그래핀 셸을 포함하는 그래핀 볼 구조체를 제조하는 방법에 있어서,
    반도체 물질을 포함하는 가스와 탄소를 포함하는 가스를 이용한 화학기상증착법(CVD)에 의해 상기 그래핀 볼 구조체를 합성하며,
    상기 코어는 게르마늄(Ge)를 포함하며, 상기 반도체 물질을 포함하는 가스는 GeH4를 포함하는 그래핀 볼 구조체의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 반도체 물질을 포함하는 가스와 상기 탄소를 포함하는 가스를 반응챔버 내에 흘려주는 단계; 및
    상기 반도체 물질을 포함하는 코어가 구 형상으로 형성되고, 상기 코어의 외면 상에 그래핀이 성장하여 상기 그래핀 셸이 형성되는 단계;를 포함하는 그래핀 볼 구조체의 제조방법.
  10. 삭제
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 코어는 1nm ~ 10㎛ 의 직경을 가지도록 형성되는 그래핀 볼 구조체의 제조방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 그래핀 셸은 하나 이상의 층 구조를 가지도록 형성되는 그래핀 볼 구조체의 제조방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 그래핀 셸을 형성한 다음, 상기 코어를 제거하는 단계를 더 포함하는 그래핀 볼 구조체의 제조방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 탄소를 포함하는 가스는 CH4를 포함하는 그래핀 볼 구조체의 제조방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 반응챔버 내는 200 ~ 900℃의 온도로 유지되는 그래핀 볼 구조체의 제조방법.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 반응챔버 내는 0.1 ~ 300 Torr의 압력으로 유지되는 그래핀 볼 구조체의 제조방법.



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