JP6054499B1 - Porous graphene filter manufacturing method, porous graphene filter manufactured using the same, and filter device using the same - Google Patents
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Abstract
【課題】炭素単原子層構造を有するグラフェンに人為的に非常に小さなサイズの細孔を形成させ、細孔を有する複数の多孔質グラフェンフィルタを用いることによる多孔質グラフェンフィルタの製造方法と前記製造方法で製造された多孔質グラフェンフィルタを提供する。【解決手段】グラフェン形成のための炭素源から生成される炭素原子の堆積のあいだに、一部の炭素原子を置換源から生成される置換原子に置換することにより第1サイズを有する第1細孔が形成された第1グラフェンフィルタを形成し、グラフェン形成のための炭素源から生成される炭素原子の堆積のあいだに、一部の炭素原子を置換源から生成される置換原子で置換することによりグラフェンに第1サイズよりも大きな第2サイズを有する第2細孔が形成された第2グラフェンフィルタを形成し、第1及び第2グラフェンフィルタを流入口及び排出口を備えるフィルタ本体の内部に配置することで、複数の物質の混合物から特定の物質を選択的にフィルタリングできる。【選択図】図1A method of manufacturing a porous graphene filter by artificially forming pores having a very small size in graphene having a carbon monoatomic layer structure and using a plurality of porous graphene filters having pores, and the manufacture A porous graphene filter manufactured by the method is provided. During deposition of carbon atoms generated from a carbon source for graphene formation, a first cell having a first size is substituted by replacing some of the carbon atoms with substituted atoms generated from a substitution source. Forming a first graphene filter with pores and replacing some of the carbon atoms with substitution atoms generated from the substitution source during the deposition of the carbon atoms generated from the carbon source for graphene formation; To form a second graphene filter in which second pores having a second size larger than the first size are formed in the graphene, and the first and second graphene filters are disposed inside the filter body including the inlet and the outlet. By arranging, a specific substance can be selectively filtered from a mixture of a plurality of substances. [Selection] Figure 1
Description
本発明は、多孔質グラフェンフィルタの製造方法及びこれを用いて製造される多孔質グラフェンフィルタに関し、より具体的には、本発明は、少なくとも2つの互いに異なる物質が混合されている混合物から特定の物質を多孔質グラフェンを用いて選択的にフィルタリングできる多孔質グラフェンフィルタの製造方法及びこれを用いて製造される多孔質グラフェンフィルタ及びこれを用いたフィルタ装置に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a porous graphene filter and a porous graphene filter manufactured using the method, and more specifically, the present invention relates to a specific method from a mixture in which at least two different substances are mixed. The present invention relates to a porous graphene filter manufacturing method capable of selectively filtering a substance using porous graphene, a porous graphene filter manufactured using the same, and a filter device using the same.
近年、炭素単原子層を含むグラフェン(graphene)の技術開発が急速に進んでいる。 In recent years, the technological development of graphene containing carbon monoatomic layers has been progressing rapidly.
グラフェンは、一層の炭素原子で形成された単原子層を含む、銅に比べて非常に優れた導電性、シリコン(silicon)に比べて高い電子移動度、鋼鉄に比べて非常に高い強度などを有する多様な長所を有する新素材であって、超高速半導体、透明電極を活用したフレキシブルディスプレイ、コンピュータの部品、高効率太陽電池など多様な分野に適用されている。 Graphene includes a monoatomic layer formed of a single carbon atom. It has excellent conductivity compared to copper, high electron mobility compared to silicon, and very high strength compared to steel. It is a new material with various advantages, and is applied to various fields such as ultra-high-speed semiconductors, flexible displays using transparent electrodes, computer parts, and high-efficiency solar cells.
特許文献1は、グラフェンを含む溶液を使用してグラフェン-ポリマー複合体フィルタを製造するための方法を開示している。
従来の半導体、ディスプレイ、コンピュータ部品及び太陽電池などに用いられるグラフェンは、グラフェンに空孔(through hole)などのような欠陥が形成されないようにする方向で技術が開発されている。 BACKGROUND ART Graphene used for conventional semiconductors, displays, computer parts, solar cells, and the like has been developed in a direction that prevents defects such as through holes from being formed in graphene.
そこで、本発明は前記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、炭素単原子層構造を有するグラフェン形成のあいだにグラフェンに人為的に非常に小さなサイズの細孔を形成させたグラフェンを含む多孔質グラフェンフィルタ、複数の物質が混合されている混合物から特定の物質を選択的にフィルタリングするための複数の多孔質グラフェンフィルタ、多孔質グラフェンフィルタの製造方法、及びこれを用いるフィルタ装置を提供することである。 Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and the object thereof is to provide graphene in which extremely small pores are artificially formed in graphene during the formation of graphene having a carbon monoatomic layer structure. A porous graphene filter including a plurality of porous graphene filters for selectively filtering a specific substance from a mixture in which a plurality of substances are mixed, a method for manufacturing a porous graphene filter, and a filter device using the same Is to provide.
一実施形態において、多孔質グラフェンフィルタの製造方法は、グラフェン形成のための炭素源から生成される炭素原子の堆積のあいだに、一部の炭素原子を置換源から生成される置換原子に置換することにより第1サイズを有する第1細孔が形成された第1グラフェンフィルタを形成する工程と、グラフェン形成のための炭素源から生成される炭素原子の堆積のあいだに、一部の炭素原子を置換源から生成される置換原子で置換することによりグラフェンに第1サイズよりも大きな第2サイズを有する第2細孔が形成された第2グラフェンフィルタを形成する工程と、第1及び第2グラフェンフィルタを流入口及び排出口を備えるフィルタ本体の内部に配置する工程とを含む。 In one embodiment, a method for manufacturing a porous graphene filter replaces some carbon atoms with substitution atoms generated from a substitution source during deposition of carbon atoms generated from the carbon source for graphene formation. During the step of forming the first graphene filter in which the first pores having the first size are formed and the deposition of carbon atoms generated from the carbon source for graphene formation, some carbon atoms are removed. Forming a second graphene filter in which second pores having a second size larger than the first size are formed in graphene by substituting with substitution atoms generated from a substitution source; and first and second graphenes Placing the filter inside a filter body comprising an inlet and an outlet.
いくつかの実施形態において、第1グラフェンフィルタに第1細孔を形成する置換源、及び、第2グラフェンフィルタに第2細孔を形成する置換源は、窒素原子を含む。 In some embodiments, the substitution source that forms the first pores in the first graphene filter and the substitution source that forms the second pores in the second graphene filter include nitrogen atoms.
いくつかの実施形態において、第1グラフェンフィルタを形成する工程における置換源の供給量は、第2グラフェンフィルタを形成する工程における置換源の供給量よりも少ない。 In some embodiments, the supply amount of the substitution source in the step of forming the first graphene filter is smaller than the supply amount of the substitution source in the step of forming the second graphene filter.
いくつかの実施形態において、炭素源は、メタン(CH4)、メタノール(CH3OH)、一酸化炭素(CO)、エタン(C2H6)、エチレン(C2H4)、エタノール(C2H5OH)、アセチレン(C2H2)、アセトン(CH3COCH3)、プロパン(C3H8)、プロピレン(C3H6)、ブタン(C4H10)、ペンタン(C5H12)、ペンテン(C5H10)、シクロペンタジエン(C5H6)、ヘキサン(C6H14)、シクロヘキサン(C6H12)、ベンゼン(C6H6)、トルエン(C7H8)及びキシレン(C8H10)からなる群より選択される少なくとも1つを含む。 In some embodiments, the carbon source is methane (CH 4 ), methanol (CH 3 OH), carbon monoxide (CO), ethane (C 2 H 6 ), ethylene (C 2 H 4 ), ethanol (C 2 H 5 OH), acetylene (C 2 H 2 ), acetone (CH 3 COCH 3 ), propane (C 3 H 8 ), propylene (C 3 H 6 ), butane (C 4 H 10 ), pentane (C 5 H 12 ), pentene (C 5 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 ) and at least one selected from the group consisting of xylene (C 8 H 10 ).
いくつかの実施形態において、置換源は、アンモニア(NH3)、ヒドラジン(N2H4)、ピリジン(C5H5N)、ピロール(C4H5N)、アセトニトリル(CH3CN)、硝酸(HNO3)、硝酸銀(AgNO3)、硝酸バリウム(Ba(NO3)2)、N,N-ジメチルホルムアミド((CH3)2NCHO)、窒化リチウム(Li3N)及び塩化シアヌル(C3Cl3N3)からなる群より選択される少なくとも1つを含む。 In some embodiments, the substitution source is ammonia (NH 3 ), hydrazine (N 2 H 4 ), pyridine (C 5 H 5 N), pyrrole (C 4 H 5 N), acetonitrile (CH 3 CN), Nitric acid (HNO 3 ), silver nitrate (AgNO 3 ), barium nitrate (Ba (NO 3 ) 2 ), N, N-dimethylformamide ((CH 3 ) 2 NCHO), lithium nitride (Li 3 N) and cyanuric chloride (C At least one selected from the group consisting of 3 Cl 3 N 3 ).
いくつかの実施形態において、第1または第2グラフェンフィルタが形成されるとき、炭素源及び置換源は、同時に気化されて第1または第2グラフェンフィルタが形成される蒸着炉に供給される。 In some embodiments, when the first or second graphene filter is formed, the carbon source and the substitution source are supplied to a vapor deposition furnace that is vaporized simultaneously to form the first or second graphene filter.
一実施形態の多孔質グラフェンフィルタは、グラフェン中の共有結合部分に結晶欠陥を有する炭素原子の一部を置換原子で置換することにより形成される第1サイズを有する第1細孔が形成されている第1グラフェンフィルタと、グラフェン中の共有結合部分に結晶欠陥を有する炭素原子の一部を置換原子で置換することにより形成される第2サイズを有する第2細孔が形成されている第2グラフェンフィルタと、複数の物質の混合物がフィルタ本体に導入された後に混合物が移動する経路上に第1及び第2グラフェンフィルタが固定されているフィルタ本体と、を備える。 In the porous graphene filter of one embodiment, first pores having a first size formed by substituting a part of carbon atoms having a crystal defect in a covalent bond portion in graphene with a substitution atom are formed. And a second pore having a second size formed by substituting a part of a carbon atom having a crystal defect in a covalent bond portion in the graphene with a substitution atom. A graphene filter, and a filter body in which the first and second graphene filters are fixed on a path along which the mixture moves after the mixture of a plurality of substances is introduced into the filter body.
いくつかの実施形態において、多孔質グラフェンフィルタの第1及び第2グラフェンフィルタは、それぞれ独立して、フィルム状又は円筒状に形成される。 In some embodiments, the first and second graphene filters of the porous graphene filter are each independently formed in a film shape or a cylindrical shape.
一実施形態として、本発明は、互いに異なるサイズを有する物質を含む所定の量の混合物を逐次供給する混合物供給装置と、そこを通って混合物が導入されるための注入口および側面上の少なくとも2つの排出口を備えるフィルタ本体と、混合物中の個々の物質をそれぞれ分離するための、フィルタ本体内の排出口のあいだに配置されている、その中に細孔が形成されている少なくとも1つのグラフェン薄膜と、排出口に連結され、混合物から分離された各物質を回収するための回収ユニットと、を備えるフィルタ装置を提供する。 In one embodiment, the present invention provides a mixture supply apparatus for sequentially supplying a predetermined amount of a mixture containing substances having different sizes from each other, and at least two on the inlet and the side through which the mixture is introduced. At least one graphene in which pores are formed, which are arranged between the filter body with one outlet and the outlet in the filter body for separating individual substances in the mixture, respectively Provided is a filter device comprising a thin film and a recovery unit connected to a discharge port for recovering each substance separated from a mixture.
いくつかの実施形態において、フィルタ装置の混合物供給装置は、混合物を提供するための混合物提供ユニットと、所定量の混合物を受容する収納容器と、収納容器から混合物を排出するための排出ユニットとを備える。 In some embodiments, the mixture supply device of the filter device includes a mixture providing unit for providing a mixture, a storage container for receiving a predetermined amount of the mixture, and a discharge unit for discharging the mixture from the storage container. Prepare.
いくつかの実施形態において、フィルタ装置の排出ユニットは、収納容器に空気又は不活性ガスを提供するブローワを備える。 In some embodiments, the discharge unit of the filter device comprises a blower that provides air or inert gas to the storage container.
いくつかの実施形態において、フィルタ装置は、混合物供給装置、グラフェンフィルタ及び回収ユニットに結合されている電子バルブと、電子バルブを制御するバルブコントローラとを更に備える。 In some embodiments, the filter device further comprises an electronic valve coupled to the mixture supply device, the graphene filter, and the recovery unit, and a valve controller that controls the electronic valve.
いくつかの実施形態において、フィルタ装置のグラフェンフィルタは、フィルタ本体の内部に配置され、第1サイズを有する第1細孔が形成されている第1グラフェンフィルタと、フィルタ本体の内部で第1グラフェンフィルタと対向するように配置され、第2サイズを有する第2細孔が形成されている第2グラフェンフィルタとを備える。 In some embodiments, the graphene filter of the filter device includes a first graphene filter disposed inside the filter body and having first pores having a first size, and the first graphene inside the filter body. A second graphene filter disposed to face the filter and having second pores having a second size.
本発明による多孔質グラフェンフィルタの製造方法及びこれを用いて製造された多孔質グラフェンフィルタは、炭素単原子層構造を有するグラフェン薄膜であって、グラフェン形成のあいだにグラフェン薄膜に人為的に非常に小さなサイズの細孔が形成されるような方法で製造され得るグラフェン薄膜を有することにより、複数の物質からなる混合物から特定の物質を選択的にフィルタリング及び分離できるという効果を奏する。 A method for manufacturing a porous graphene filter according to the present invention and a porous graphene filter manufactured using the method are a graphene thin film having a carbon monoatomic layer structure, and the graphene thin film is artificially very thin during graphene formation. By having a graphene thin film that can be manufactured by a method in which small-sized pores are formed, it is possible to selectively filter and separate a specific substance from a mixture of a plurality of substances.
下記の説明では、本発明の実施形態を理解するために必要な部分のみ説明され、それ以外の部分の説明は、本発明の要旨を不明確にしないように省略されるということに留意すべきである。 In the following description, it should be noted that only parts necessary for understanding the embodiments of the present invention are described, and descriptions of other parts are omitted so as not to obscure the gist of the present invention. It is.
以下で説明される本明細書及び請求の範囲に用いられた用語や単語は、通常的、又は辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は自身の発明を最も最善の方法で説明するために、用語の概念により適切に定義できるという原則に即して本発明の技術的な思想に整合する意味と概念で解釈されなければならない。従って、本明細書に記載された実施形態と図面に示された構成は、本発明の好適な実施形態に過ぎず、本発明の技術的思想を何れも代弁するものではないので、本出願時点においてそれらに代えられる多様な均等物と変形例が存在し得ることが理解できるはずである。 Terms and words used in the specification and claims described below should not be construed as limited to ordinary or lexicographic meanings, and the inventor shall best understand his invention. In order to explain in a method, it should be interpreted in a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention in accordance with the principle that it can be appropriately defined by the concept of terms. Accordingly, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are merely preferred embodiments of the present invention and do not represent any technical ideas of the present invention. It should be understood that various equivalents and modifications may be substituted for them.
本発明で頻繁に用いられる技術用語である「グラフェン(graphene)」は、炭素原子の単原子層(one atomic layer)の構造であって、単原子層を構成する炭素原子が基本的な反復単位として6角形のリング状骨格で共有結合されているものとして定義される。 The term “graphene”, which is a technical term frequently used in the present invention, is a structure of one atomic layer of carbon atoms, in which the carbon atoms constituting the monoatomic layer are basic repeating units. As a covalent bond in a hexagonal ring skeleton.
しかしながら、本発明では5つの炭素原子が一緒に共有結合して基本的な反復単位を構成する又は7つの炭素原子が一緒に共有結合して基本的な反復単位を構成する単原子層構造も「グラフェン」として定義され得る。 However, in the present invention, a monoatomic layer structure in which five carbon atoms are covalently bonded together to form a basic repeating unit, or seven carbon atoms are covalently bonded together to form a basic repeating unit is also “ May be defined as "graphene".
また、本発明で頻繁に用いられる技術用語である「結晶欠陥(crystal defect)又は欠陥(defect)」は、グラフェンを形成している炭素原子を窒素原子などに置換することを目的として、グラフェンを形成しているいくつかの炭素原子間の共有結合のうちの少なくとも1つの切断として定義される。 In addition, “crystal defect” or “defect”, which is a technical term frequently used in the present invention, is to replace graphene with a nitrogen atom or the like for the purpose of substituting a carbon atom forming graphene with a nitrogen atom or the like. It is defined as the cleavage of at least one of the covalent bonds between several forming carbon atoms.
図1は、本発明の一実施形態に係る多孔質グラフェンフィルタの製造方法を示す流れ図である。図2は、図1の第1グラフェンフィルタを示す平面図である。図3は、図1の第2グラフェンフィルタを示す平面図である。 FIG. 1 is a flowchart showing a method for manufacturing a porous graphene filter according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a plan view showing the first graphene filter of FIG. FIG. 3 is a plan view showing the second graphene filter of FIG.
図1及び図2を参照して、多孔質グラフェンフィルタを製造するために、まず、平均して第1サイズS1を有する第1細孔H1が形成された第1グラフェンフィルタ1が形成される(工程S10)。
1 and 2, in order to manufacture a porous graphene filter, first, a
工程S10で、平均して第1サイズS1を有する第1細孔H1が形成された第1グラフェンフィルタ1を形成するために、まず、高温で炭素原子及び水素原子に分解され得る炭素前駆体を含む炭素源(carbon source)を、グラフェン薄膜を形成させるために気化させる工程が行われる。
In step S10, in order to form a
本発明の一実施形態において、炭素源を気化させて蒸着炉などに提供する場合、従来に比べて非常に単純な工程によって多孔質グラフェンフィルタを製造できるという長所を有する。 In one embodiment of the present invention, when a carbon source is vaporized and provided to a vapor deposition furnace or the like, a porous graphene filter can be manufactured by a very simple process compared to the conventional method.
本発明の一実施形態において、第1グラフェンフィルタ1を形成するための炭素源として使用され得る物質の例としては、メタン(CH4)、メタノール(CH3OH)、一酸化炭素(CO)、エタン(C2H6)、エチレン(C2H4)、エタノール(C2H5OH)、アセチレン(C2H2)、アセトン(CH3COCH3)、プロパン(C3H8)、プロピレン(C3H6)、ブタン(C4H10)、ペンタン(C5H12)、ペンテン(C5H10)、シクロペンタジエン(C5H6)、ヘキサン(C6H14)、シクロヘキサン(C6H12)、ベンゼン(C6H6)、トルエン(C7H8)及びキシレン(C8H10)などの、熱によって炭素原子及び水素原子に分解される炭化水素(hydrocarbon)が挙げられる。
In an embodiment of the present invention, examples of materials that can be used as a carbon source for forming the
また、炭素源の気化によって生成される炭素原子によるグラフェンの形成のあいだ、平均して第1サイズS1を有する第1細孔H1をグラフェンに形成させるために、グラフェン中の炭素原子のうちの一部の炭素原子に結晶欠陥を生じさせ、及び結晶欠陥によって切断された共有結合部分に置換原子を置換して結合させるための置換源(又はドーピング源)を気化させる工程が行われる。 Further, during the formation of graphene by the carbon atoms generated by the vaporization of the carbon source, in order to form the first pores H 1 having the first size S1 on average in the graphene, among the carbon atoms in the graphene A process of causing a crystal defect in some carbon atoms and vaporizing a substitution source (or doping source) for substituting a substitution atom and bonding to a covalent bond part cut by the crystal defect is performed.
本発明の一実施形態において、置換源としては、窒素化合物を含む窒素前駆体が使用され得る。 In one embodiment of the present invention, a nitrogen precursor containing a nitrogen compound can be used as a substitution source.
第1グラフェンフィルタ1に第1細孔H1を形成するための置換源として使用され得る窒素化合物の例としては、アンモニア(NH3)、ヒドラジン(N2H4)、ピリジン(C5H5N)、ピロール(C4H5N)、アセトニトリル(CH3CN)、硝酸(HNO3)、硝酸銀(AgNO3)、硝酸バリウム(Ba(NO3)2)、N,N-ジメチルホルムアミド((CH3)2NCHO)、窒化リチウム(Li3N)、塩化シアヌル(C3Cl3N3)などの、窒素化合物が挙げられる。
Examples of the nitrogen compounds which may be used as a replacement source for forming a first aperture H 1 in a
本発明の一実施形態において、第1グラフェンフィルタ1を形成する炭素原子を提供する炭素源、及び、第1グラフェンフィルタ1を形成するあいだに、平均して第1サイズS1を有する第1細孔H1を形成するための置換源は、良質の第1グラフェンフィルタを製造するために、それぞれ別の容器内で同時気化方式で気化される。
In one embodiment of the present invention, the carbon source that provides the carbon atoms that form the
第1グラフェンフィルタ1を形成するために、同時気化方式で気化された炭素源及び置換源は、それぞれ第1グラフェンフィルタ1が形成されるのに適した工程条件とされた蒸着炉(deposition furnace)の内部にそれぞれ導入され、蒸着炉の内部で混合される。
In order to form the
蒸着炉の内部に導入された炭素源は、蒸着炉の内部で炭素原子及び水素原子に熱分解され、水素原子は蒸着炉の外部に排気され、炭素原子は蒸着炉の内部に配置された基板に単原子層構造を形成するように堆積される。 The carbon source introduced into the vapor deposition furnace is thermally decomposed into carbon atoms and hydrogen atoms inside the vapor deposition furnace, the hydrogen atoms are exhausted to the outside of the vapor deposition furnace, and the carbon atoms are arranged inside the vapor deposition furnace. To form a monoatomic layer structure.
蒸着炉の内部で炭素原子が基板上に成膜されているあいだ、蒸着炉の内部に導入された置換源は、蒸着炉の内部で窒素原子に分解され、窒素原子は、炭素原子のうち一部の共有結合されている部分に作用(又はドーピング)して結晶欠陥を誘発し、結晶欠陥が発生した炭素原子の切断された共有結合部分に窒素原子が結合される。 While carbon atoms are deposited on the substrate inside the vapor deposition furnace, the substitution source introduced into the vapor deposition furnace is decomposed into nitrogen atoms inside the vapor deposition furnace, and the nitrogen atoms are one of the carbon atoms. A crystal defect is induced by acting (or doping) on the covalently bonded portion of the portion, and a nitrogen atom is bonded to the cut covalent bond portion of the carbon atom where the crystal defect is generated.
炭素原子の共有結合が切断された部分が窒素原子に置換されることによって蒸着炉の内部に配置された基板には、平均して第1サイズS1を有する第1細孔H1が形成された第1グラフェンフィルタ1が形成される。
The first pores H 1 having an average first size S1 were formed on the substrate placed inside the vapor deposition furnace by replacing the portion where the covalent bond of the carbon atom was broken with nitrogen atoms. A
本発明の一実施形態において、炭素原子の共有結合が切断された部分の個数が増加し、より多くの窒素原子が結晶欠陥部分に結合される場合、第1グラフェンフィルタ1の第1細孔H1の第1サイズS1が大きくなる。
In an embodiment of the present invention, when the number of carbon atom covalent bond breaks is increased and more nitrogen atoms are bonded to the crystal defect portion, the first pore H of the
即ち、第1グラフェンフィルタ1に形成される第1細孔H1の個数及び第1細孔H1の平均した第1サイズS1は、炭素源及び置換源の割合又は置換源の濃度によって決定される。
That is, the number of first pores H 1 formed in the
一定量の炭素源に対して置換源の量を増加させる場合、グラフェン中のより多い個数の炭素原子に関して結晶欠陥が発生して、炭素原子に代わって窒素原子が結合されるため、第1細孔H1の個数が増加し、第1グラフェンフィルタ1の第1細孔H1の平均した第1サイズS1は増加する。
When the amount of the substitution source is increased with respect to a certain amount of carbon source, crystal defects are generated with respect to a larger number of carbon atoms in graphene, and nitrogen atoms are bonded instead of carbon atoms. As the number of holes H 1 increases, the average
反対に、一定量の炭素源に対して置換源の量を減少させる場合、グラフェン中のより少ない個数の炭素原子に関して結晶欠陥が発生して、炭素原子に代わって窒素原子が結合されるため、第1グラフェンフィルタ1の第1細孔H1の個数および平均した第1サイズS1は減少する。
On the other hand, when the amount of the substitution source is decreased with respect to a certain amount of carbon source, a crystal defect occurs with respect to a smaller number of carbon atoms in graphene, and nitrogen atoms are bonded instead of carbon atoms. The number of first pores H 1 of the
本発明の一実施形態において、グラフェンに形成される第1細孔H1の平均した第1サイズS1のデータ、第1細孔H1の第1サイズS1の偏差データは、炭素源及び置換源の割合を変更しながら実験することによって求めることができる。 In one embodiment of the present invention, the average data of the first size S1 of the first pores H 1 formed in the graphene and the deviation data of the first size S1 of the first pores H 1 are the carbon source and the substitution source. This can be obtained by experimenting while changing the ratio.
図1及び図3を参照して、第1グラフェンフィルタ1が製造された後又は第1グラフェンフィルタ1の製造のあいだ、平均して第2サイズS2を有する第2細孔H2が形成された第2グラフェンフィルタ2が形成される(工程S20)。
Referring to FIGS. 1 and 3, after the
図1の工程S20で、平均して第2サイズS2を有する第2細孔H2が形成された第2グラフェンフィルタ2を形成するために、まず、第2グラフェンフィルタ2を形成するための炭素前駆体を含む炭素源を気化させる工程が行われる。
In order to form the
本発明の一実施形態において、第2グラフェンフィルタ2を形成するための炭素源として使用され得る物質の例としては、メタン(CH4)、メタノール(CH3OH)、一酸化炭素(CO)、エタン(C2H6)、エチレン(C2H4)、エタノール(C2H5OH)、アセチレン(C2H2)、アセトン(CH3COCH3)、プロパン(C3H8)、プロピレン(C3H6)、ブタン(C4H10)、ペンタン(C5H12)、ペンテン(C5H10)、シクロペンタジエン(C5H6)、ヘキサン(C6H14)、シクロヘキサン(C6H12)、ベンゼン(C6H6)、トルエン(C7H8)及びキシレン(C8H10)などの、熱によって炭素原子及び水素原子に分解される炭化水素(hydrocarbon)が挙げられる。
In an embodiment of the present invention, examples of materials that can be used as a carbon source for forming the
本発明の一実施形態において、第2グラフェンフィルタ2を形成する際に用いられる炭素源は、第1グラフェンフィルタ1を形成する際に用いられる炭素源と同一であってもよく、また異なっていてもよい。
In one embodiment of the present invention, the carbon source used when forming the
また、炭素源の気化によって生成される炭素源による第2グラフェンフィルタ2の製造のあいだ、平均して第2サイズS2を有する第2細孔H2を形成させるために、グラフェン中の炭素原子のうちの一部の炭素原子に結晶欠陥を生じさせ、及び結晶欠陥によって切断された共有結合部分に置換原子を置換して結合させるための置換源(又はドーピング源)を気化させる工程が行われる。
In addition, during the production of the
本発明の一実施形態において、第2グラフェンフィルタ2の置換源としては、窒素化合物を含む窒素前駆体が使用され得る。
In an embodiment of the present invention, a nitrogen precursor containing a nitrogen compound may be used as a replacement source for the
第2グラフェンフィルタ2の置換源として使用され得る窒素化合物の例としては、アンモニア(NH3)、ヒドラジン(N2H4)、ピリジン(C5H5N)、ピロール(C4H5N)、アセトニトリル(CH3CN)、硝酸(HNO3)、硝酸銀(AgNO3)、硝酸バリウム(Ba(NO3)2)、N,N-ジメチルホルムアミド((CH3)2NCHO)、窒化リチウム(Li3N)、塩化シアヌル(C3Cl3N3)などの、窒素化合物が挙げられる。
Examples of nitrogen compounds that can be used as a substitution source for the
本発明の一実施形態において、第2グラフェンフィルタ2を形成するための置換源及び第1グラフェンフィルタ1を形成するための置換源は、同一であってもよく、また異なっていてもよい。
In one embodiment of the present invention, the substitution source for forming the
本発明の一実施形態において、第2グラフェンフィルタ2の形成において使用される炭素原子を提供する炭素源及び第2グラフェンフィルタ2の形成のあいだ、平均して第2サイズS2を有する第2細孔H2の形成において使用される置換源は、第2グラフェンフィルタ2を大量生産するために、それぞれ他の容器で同時気化方式で気化される。
In one embodiment of the present invention, the second pore having an average second size S2 during the formation of the carbon source providing the carbon atoms used in the formation of the
第2グラフェンフィルタ2を形成するために、同時気化方式で気化された炭素源及び置換源は、それぞれ第2グラフェンフィルタ2が形成されるのに適した工程条件とされた蒸着炉の内部にそれぞれ導入され、蒸着炉の内部で混合される。
In order to form the
蒸着炉の内部に導入された炭素源は、蒸着炉の内部で炭素原子及び水素原子に熱分解され、水素原子は蒸着炉の外部に排気され、炭素原子は蒸着炉の内部に配置された基板に単原子層構造を形成するように堆積される。 The carbon source introduced into the vapor deposition furnace is thermally decomposed into carbon atoms and hydrogen atoms inside the vapor deposition furnace, the hydrogen atoms are exhausted to the outside of the vapor deposition furnace, and the carbon atoms are arranged inside the vapor deposition furnace. To form a monoatomic layer structure.
蒸着炉の内部で炭素原子が基板上に成膜されるあいだ、蒸着炉の内部に導入された置換源は、蒸着炉の内部で窒素原子に分解され、窒素原子は、炭素原子のうち一部の共有結合されている部分に作用(又はドーピング)して結晶欠陥を誘発し、窒素原子は結晶欠陥が発生した炭素原子の切断された共有結合部分に結合される。 While carbon atoms are deposited on the substrate inside the vapor deposition furnace, the substitution source introduced into the vapor deposition furnace is decomposed into nitrogen atoms inside the vapor deposition furnace, and the nitrogen atoms are part of the carbon atoms. A crystal defect is induced by acting (or doping) on the covalently bonded portion of the nitrogen atom, and the nitrogen atom is bonded to the broken covalent bond portion of the carbon atom in which the crystal defect is generated.
炭素原子の共有結合が切断された部分が窒素原子に置換されることによって蒸着炉の内部に配置された基板には、平均して第2サイズS2を有する第2細孔H2が形成された第2グラフェンフィルタ2が形成される。
A second pore H 2 having an average second size S2 was formed on the substrate disposed inside the vapor deposition furnace by replacing the portion where the covalent bond of the carbon atom was broken with a nitrogen atom. A
本発明の一実施形態において、第2グラフェンフィルタ2に形成される第2細孔H2の個数及び第2細孔H2の平均の第2サイズS2は、炭素源及び置換源の割合又は置換源の濃度によって決定される。
In one embodiment of the present invention, the number of second pores H 2 formed in the
具体的に、一定量の炭素源に対して置換源の供給量を増加させる場合、グラフェン中のより多くの個数の炭素原子が窒素原子に置換されて第2細孔H2の個数が増加し、結果として、第2細孔H2の平均的な第2サイズS2は増加する。 Specifically, when the supply amount of the substitution source is increased with respect to a certain amount of carbon source, a larger number of carbon atoms in graphene are substituted with nitrogen atoms, and the number of second pores H 2 is increased. as a result, the average second size S2 of the second pores H 2 is increased.
反対に、一定量の炭素源に対して置換源の量を減少させる場合、グラフェン中のより少ない個数の炭素原子が窒素原子に置換されるため、第2細孔H2の個数が減少し、結果として、第2細孔H2の平均的な第2サイズS2は減少する。 On the other hand, when the amount of the substitution source is decreased with respect to a certain amount of the carbon source, a smaller number of carbon atoms in the graphene are substituted with nitrogen atoms, so that the number of the second pores H 2 is reduced. as a result, the average second size S2 of the second pores H 2 decreases.
本発明の一実施形態において、グラフェンに形成される第2細孔H2の平均の第2サイズS2のデータ、第2細孔H2の第2サイズS2の偏差データは、炭素源及び置換源の割合を変更しながら実験することによって求めることができる。 In one embodiment of the present invention, data of the second pores H average of the second size S2 of 2 formed graphene, deviation data of the second pores H 2 of the second size S2 is a carbon source and substituted sources This can be obtained by experimenting while changing the ratio.
本発明の一実施形態において、工程S20で形成された第2グラフェンフィルタ2の第2細孔H2の平均した第2サイズS2は、工程S10で形成された第1グラフェンフィルタ1の第1細孔H1の平均的な第1サイズS1より小さくされてもよい。
In one embodiment of the present invention, a second size S2, which second average pore of H 2
このとき、第2グラフェンフィルタ2の第2細孔H2のうち最も大きなサイズの第2細孔H2は、第1グラフェンフィルタ1の第1細孔H1のうち最も小さなサイズ以下で形成され得る。
At this time, the second pore H 2 having the largest size among the second pores H 2 of the second graphene filter 2 is formed to be smaller than the smallest size among the first pores H 1 of the
たとえ本発明の一実施形態において、工程S20で形成された第2グラフェンフィルタ2の第2細孔H2の平均の第2サイズS2が、工程S10で形成された第1グラフェンフィルタ1の第1細孔H1の平均の第1サイズS1よりも小さいことが図示及び説明されていたとしても、この態様とは異なり、第2グラフェンフィルタ2の第2細孔H2の平均の第2サイズS2が第1グラフェンフィルタ1の第1細孔H1の平均の第1サイズS2以上であってもよい。
In one embodiment of the example the present invention, the second graphene second pore H second size S2 average of filter 2 formed in step S20 is, the
本発明の一実施形態において、平均して第1サイズS1を有する第1細孔H1が形成された第1グラフェンフィルタ1及び平均して第2サイズS2を有する第2細孔H2が形成された第2グラフェンフィルタ2は、1つの蒸着炉で順次形成又は互いに異なる蒸着炉で個別に形成され得る。
In an embodiment of the present invention, a
工程S10で平均して第1サイズS1を有する第1細孔H1が形成された第1グラフェンフィルタ1が形成され、工程S20で平均して第2サイズS2を有する第2細孔S2が形成された第2グラフェンフィルタ2が形成された後、第1及び第2グラフェンフィルタ1、2は、フィルタ本体に装着されて多孔質グラフェンフィルタが製造される(工程S30)。
The
フィルタ本体は、少なくとも2つの物質が混合されている混合物が通過する経路を提供し、工程S10で製造された第1グラフェンフィルタ1及び工程S20で製造された第2グラフェンフィルタ2が、第1及び第2グラフェンフィルタ1、2の第1細孔H1及び第2細孔H2を通して対象物質をフィルタで取り除くために経路内に配置される。
The filter body provides a path through which a mixture in which at least two substances are mixed passes, and the
例えば、多孔質グラフェンフィルタは、空気から二酸化炭素を、水から不純物、自動車排気ガスから特定の物質を、血液から不純物又は特定の物質を選択的にフィルタリングするために適用され得る。 For example, a porous graphene filter can be applied to selectively filter carbon dioxide from air, impurities from water, specific substances from automobile exhaust, and impurities or specific substances from blood.
図4は、図1に示す第1グラフェンフィルタ又は第2グラフェンフィルタを製造する装置を示すブロック図である。 FIG. 4 is a block diagram illustrating an apparatus for manufacturing the first graphene filter or the second graphene filter illustrated in FIG. 1.
図4を参照して、多孔質グラフェンフィルタ製造装置700は、図1に示す第1グラフェンフィルタ及び第2グラフェンフィルタを製造する。
Referring to FIG. 4, a porous graphene
本発明の一実施形態において、第1グラフェンフィルタ1及び第2グラフェンフィルタ2の両方が、1つの多孔質グラフェンフィルタ製造装置700から製造され得る。これとは異なり、第1グラフェンフィルタ1又は第2グラフェンフィルタ2が、互いに異なる多孔質グラフェンフィルタ製造装置700から製造されてもよい。
In an embodiment of the present invention, both the
多孔質グラフェンフィルタ製造装置700は、試料供給装置200、同時気化器300及び蒸着炉400を備える。これに加えて、多孔質グラフェンフィルタ製造装置700は、キャリアガス供給部500を更に備えていてもよい。
The porous graphene
試料供給装置200は、第1試料供給装置210及び第2試料供給装置220を備える。
The
第1試料供給装置210は、後述するように、グラフェンを形成するための炭素源を同時気化器300の第1気化器310に供給する。
As will be described later, the first sample supply device 210 supplies a carbon source for forming graphene to the
第1試料供給装置210から第1気化器310に供給される炭素源は、蒸着炉400の内部で炭素原子及び水素原子に分解される炭化水素を含む炭素前駆体であり得る。
The carbon source supplied from the first sample supply device 210 to the
第1試料供給装置210から供給される炭素前駆体の例としては、メタン(CH4)、メタノール(CH3OH)、一酸化炭素(CO)、エタン(C2H6)、エチレン(C2H4)、エタノール(C2H5OH)、アセチレン(C2H2)、アセトン(CH3COCH3)、プロパン(C3H8)、プロピレン(C3H6)、ブタン(C4H10)、ペンタン(C5H12)、ペンテン(C5H10)、シクロペンタジエン(C5H6)、ヘキサン(C6H14)、シクロヘキサン(C6H12)、ベンゼン(C6H6)、トルエン(C7H8)及びキシレン(C8H10)などの、熱によって炭素原子及び水素原子に分解される炭化水素(hydrocarbon)が挙げられ得る。 Examples of the carbon precursor supplied from the first sample supply device 210 include methane (CH 4 ), methanol (CH 3 OH), carbon monoxide (CO), ethane (C 2 H 6 ), ethylene (C 2 H 4), ethanol (C 2 H 5 OH), acetylene (C 2 H 2), acetone (CH 3 COCH 3), propane (C 3 H 8), propylene (C 3 H 6), butane (C 4 H 10), pentane (C 5 H 12), pentene (C 5 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 ) and xylene (C 8 H 10 ), hydrocarbons that are decomposed to carbon and hydrogen atoms by heat.
本発明の一実施形態において、炭素前駆体が、第1試料供給装置210に気相として貯蔵される場合、第1試料供給装置210から供給される炭素前駆体は、同時気化器300の第1気化器310をバイパスして蒸着炉400に供給され得る。
In an embodiment of the present invention, when the carbon precursor is stored as a gas phase in the first sample supply device 210, the carbon precursor supplied from the first sample supply device 210 is the first of the
第2試料供給装置220は、グラフェンに細孔(through-hole)を形成する置換源(又はドーピング源)を、同時気化器300の第2気化器320に供給する。
The second
本発明の一実施形態において、置換源を気化器300に供給する第2試料供給装置220には、置換源の濃度、置換源の供給量を精密に制御する試料調節装置225が結合される。
In an embodiment of the present invention, the second
試料調節装置225を用いて、第2気化器320に供給される置換源の供給量を変更できるようにすることで、図2に示される第1サイズS1を有する第1細孔H1が形成された第1グラフェンフィルタ1及び図3に示される第2サイズS2を有する第2細孔H2が形成された第2グラフェンフィルタ2が形成され得る。
The first pore H 1 having the
たとえ本発明の一実施形態では、第2試料供給装置220から第2気化器320に供給される置換源の濃度及び置換源の供給量を試料調節装置225によって制御することが図示及び説明されていても、これとは異なり、第1及び第2試料供給装置210、220に、炭素源及び置換源の供給量を個別に調節するための電子バルブ又は流量制御器(MFC)がそれぞれ設置されてもよい。
In one embodiment of the present invention, it is shown and described that the concentration of the substitution source supplied from the second
第2試料供給装置220から第2気化器320に供給される置換源は、窒素化合物を含む窒素前駆体であり得る。
The substitution source supplied from the second
図4に示す第2試料供給装置220から供給される置換源である窒素前駆体の例としては、アンモニア(NH3)、ヒドラジン(N2H4)、ピリジン(C5H5N)、ピロール(C4H5N)、アセトニトリル(CH3CN)、硝酸(HNO3)、硝酸銀(AgNO3)、硝酸バリウム(Ba(NO3)2)、N,N-ジメチルホルムアミド((CH3)2NCHO)、窒化リチウム(Li3N)、塩化シアヌル(C3Cl3N3)などが挙げられる。
Examples of nitrogen precursors that are substitution sources supplied from the second
本発明の一実施形態において、窒素前駆体が、第2試料供給装置220から気相で供給される場合、第2試料供給装置220から供給される窒素前駆体は、同時気化器300の第2気化器320をバイパスして蒸着炉400に供給され得る。
In an embodiment of the present invention, when the nitrogen precursor is supplied in a gas phase from the second
同時気化器300は、第1気化器310及び第2気化器320を備える。
The
第1気化器310は、第1試料供給装置210と連通され、これによって第1気化器310には第1試料供給装置210から、例えば、炭素源である炭素前駆体が供給される。
The
第1気化器310は、気化される炭素前駆体がそれを通って容器へと導入される流入口と、気化された炭素前駆体がそれを通って容器から放出される排出口をと備える容器を備え、そして後述するように、流入口は第1試料供給装置210に連通され、排出口は蒸着炉400の内部と連通される。
The
第1気化器310に供給された炭素前駆体を熱によって気化させるために、第1気化器310の外側には第1加熱炉315が配置され、第1加熱炉315の内側には熱を発生させる熱線316が配置され得る。第1加熱炉315には、熱線316以外に多様な熱発生装置が配置され得る。
In order to vaporize the carbon precursor supplied to the
第2気化器320は、第2試料供給装置220と連通され、これによって第2気化器320には第2試料供給装置220から、置換源、例えば窒素前駆体が供給される。
The
第2気化器320は、気化される窒素前駆体がそれを通って容器へと導入される流入口と、気化された窒素前駆体がそれを通って容器から放出される排出口とを備える容器を備え、そして後述するように、流入口は第2試料供給装置220に連通され、排出口は蒸着炉400の内部と連通される。
The
第2気化器320に供給された窒素前駆体を熱によって気化させるために、第2気化器320の外側には第2加熱炉325が配置され、第2加熱炉325の内側には熱を発生させる熱線326が配置される。第2加熱炉325には、熱線326以外に多様な熱発生装置が配置されてもよい。
In order to vaporize the nitrogen precursor supplied to the
たとえ本発明の一実施形態では、第1及び第2気化器310、320に供給された炭素前駆体及び窒素前駆体をそれぞれ気化させるために、熱線316、326を備える第1及び第2加熱炉315、325が用いられていても、これとは異なり、炭素前駆体及び窒素前駆体に反応ガスを供給して化学的に炭素前駆体及び窒素前駆体が気化されてもよい。
In one embodiment of the present invention, first and second heating furnaces provided with
一方、キャリアガスが第1気化器310から気化された炭素前駆体及び第2気化器320から気化された窒素前駆体をそれぞれ蒸着炉400に運搬できるように、キャリアガスを供給するためのキャリアガス供給部500は、第1気化器310及び第2気化器320の両方と連通される。
On the other hand, the carrier gas for supplying the carrier gas so that the carbon precursor vaporized from the
キャリアガス供給部500は、窒素、アルゴンのような不活性ガスを第1気化器310及び第2気化器320に供給し、第1気化器310で気化された炭素前駆体及び第2気化器320で気化された窒素前駆体のそれぞれは、キャリアガス供給部500から供給された不活性ガスによって蒸着炉400に運搬される。
The carrier
本発明の一実施形態において、キャリアガス供給部500及び第1気化器310、キャリアガス供給部500及び第2気化器320は、それぞれ不活性ガス供給配管510、520によって連通される。不活性ガス供給配管510、520には、それぞれ不活性ガスの流量を制御するための流量制御器(Mass Flow Controller、MFC)が連結され得る。
In an embodiment of the present invention, the carrier
本発明の一実施形態では、キャリアガス供給部500で第1気化器310及び第2気化器320に供給される不活性ガスの流量が異なるように制御することによって、図2に示される第1サイズS1を有する第1細孔H1が形成された第1グラフェンフィルタ1及び図3に示される第2サイズS2を有する第2細孔H2が形成された第2グラフェンフィルタ2が形成され得る。
In one embodiment of the present invention, the carrier
図4を更に参照すれば、第1気化器310において気化された炭素前駆体がそこから放出される第1気化器310の排出口は、第1配管317と連通され、第2気化器320において気化された窒素前駆体がそこから放出される第2気化器320の排出口は、第2配管327と連通される。
Referring further to FIG. 4, the outlet of the
第1配管317及び第2配管327は、共通配管330に合流され、共通配管330は、蒸着炉400と連通される。
The
第1配管317によって供給される気化された炭素前駆体及び第2配管327によって供給される気化された窒素前駆体は、共通配管330で混合された後、蒸着炉400に供給されるため、気化された炭素及び窒素前駆体は、均一な混合物の形状で蒸着炉400に向かって送られ得る。
Since the vaporized carbon precursor supplied by the
本発明の一実施形態において、第1配管317によって共通配管330に供給される気化された炭素前駆体及び第2配管327によって共通配管330に供給される気化された窒素前駆体の温度変化によって、気化された炭素及び窒素前駆体が再び液化されること、または、第1及び第2配管317、327の内壁に被着されることを防止するために、共通配管330には、ヒーティングユニット335が備えられていてもよい。
In one embodiment of the present invention, due to the temperature change of the vaporized carbon precursor supplied to the
ヒーティングユニット335は、例えば、電気エネルギーを消費して熱を発生させる熱線を備えていてもよく、ヒーティングユニット335は、共通配管330を加熱して、気化された炭素及び窒素前駆体の温度変化を最小限のものとする。
The
本発明の一実施形態では、気化された炭素前駆体及び気化された窒素前駆体が混合される共通配管330にヒーティングユニット335が備えられることが図示及び説明されているが、これとは異なり、ヒーティングユニット335が、第1配管317及び第2配管327のそれぞれにさらに備えられていてもよい。
In one embodiment of the present invention, it is illustrated and described that the
図4を更に参照して、蒸着炉400は、第1気化器310から第1配管317及び共通配管330を通って供給される炭素前駆体、ならびに、第2気化器320から第2配管327及び共通配管330を通って供給される窒素前駆体を用いて、図2及び図3に示される第1及び第2グラフェンフィルタ1、2が製造されるためのプロセス条件及び雰囲気を確立するように機能する。
Still referring to FIG. 4, the
第1及び第2グラフェンフィルタ1、2を形成するためのプロセス条件及び雰囲気を確立する蒸着炉400としては、例えば、化学気相蒸着装置(Chemical Vapor Deposition equipment)、熱化学気相蒸着装置(Thermal Chemical Vapor Deposition equipment)、急速熱化学気相蒸着設備(Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition equipment)、誘導結合プラズマ化学気相蒸着装置(Inductive Coupled Plasma Chemical Vapor Deposition equipment)、原子層蒸着装置(Atomic Layer Deposition equipment)のうち何れか1つが用いられてもよい。
Examples of the
本発明の一実施形態では、単原子層が蒸着炉400の内部に配置された基板上に形成されるため、原子層蒸着法(ALD)を用いることが好ましい。
In one embodiment of the present invention, the atomic layer deposition method (ALD) is preferably used because the monoatomic layer is formed on a substrate disposed inside the
蒸着炉400の内部に配置され、その上に第1及び第2グラフェンフィルタ1、2が堆積される基板は、例えば、基板上に蒸着によって形成された第1及び第2グラフェンフィルタ1、2の基板からの容易な分離を可能にし、及び高温の熱で形状変形が発生しない金属材料で作製され得る。
The substrate disposed in the
蒸着炉400の内部に配置された金属材料は、例えば、第1及び第2グラフェンフィルタ1、2に対して弱い付着力を有する銅板又は銅メッキ板を含むことができる。
The metal material disposed inside the
たとえ本発明の一実施形態では、蒸着炉400の内部に配置されて第1及び第2グラフェンフィルタ1、2がその上に形成される基板が銅板又は銅メッキ板であることが説明されていても、これとは異なり、蒸着炉400の内部に配置された基板が第1及び第2グラフェンフィルタ1、2の基板からの容易な剥離を可能としている限り、多様な金属材料が使用され得る。
In one embodiment of the present invention, it is described that the substrate disposed in the
図5は、本発明の一実施形態に係る多孔質グラフェンフィルタを示す断面図である。図6は、図5の多孔質グラフェンフィルタのフィルタプロセスを示す概念図である。 FIG. 5 is a cross-sectional view showing a porous graphene filter according to an embodiment of the present invention. FIG. 6 is a conceptual diagram showing a filter process of the porous graphene filter of FIG.
図5及び図6を参照して、多孔質グラフェンフィルタ800は、第1グラフェンフィルタ1、第2グラフェンフィルタ2及びフィルタ本体750を備える。
5 and 6, the
図2及び図5を参照すれば、第1グラフェンフィルタ1は、図1に示される第1及び第2グラフェンフィルタ1、2の製造方法によって、図4に示される多孔質グラフェンフィルタを製造するための装置を用いて製造され得、第1グラフェンフィルタ1は、図2に示される構造を有する。
Referring to FIGS. 2 and 5, the
第1グラフェンフィルタ1は、炭素源の分解によって生成された炭素原子を用いたグラフェンの形成のあいだに、置換源が、炭素原子のうち一部の炭素原子に結晶欠陥を引き起こし、結晶欠陥が発生した炭素原子を置換する置換原子、すなわち窒素原子を生成するために気化されるという方法で製造される。
In the
第1グラフェンフィルタ1は、図2に示されるように、第1サイズS1を有する第1細孔H1を含む。
As shown in FIG. 2, the
第1グラフェンフィルタ1は、図7に示されるように、フィルム状に形成され得、第1グラフェンフィルタ1がフィルム状に形成される場合、第1グラフェンフィルタ1の枠には、矩形のフレームが結合される。
As shown in FIG. 7, the
矩形のフレームに第1グラフェンフィルタ1を結合させることによって、第1グラフェンフィルタ1は、非常に高い引張強度及び圧縮強度を有するようになる。
By coupling the
本発明の一実施形態において、第1グラフェンフィルタ1は、図8に示されるように、円筒状に形成され得、第1グラフェンフィルタ1が円筒状に形成される場合、第1グラフェンフィルタ1の両側端部には、リング状のフレームが結合され得る。
In an embodiment of the present invention, the
リング状のフレームに円筒状の第1グラフェンフィルタ1を結合することによって、第1グラフェンフィルタは、非常に高い引張強度及び圧縮強度を有するようになる。
By joining the cylindrical
図2及び図5を参照して、第2グラフェンフィルタ2は、図1に示される第1及び第2グラフェンフィルタ1、2の製造方法によって、図4に示される多孔質グラフェンフィルタを製造するための装置を用いて製造され得、第2グラフェンフィルタ2は、図3に示されるような構造を有する。
2 and 5, the
第2グラフェンフィルタ2は、炭素源の分解によって生成された炭素原子を用いたグラフェンの形成のあいだに、置換源が、炭素原子のうち一部の炭素原子に結晶欠陥を引き起こし、結晶欠陥が発生した炭素原子を置換する置換原子、すなわち窒素原子を生成するために気化されるという方法で製造される。
In the
第2グラフェンフィルタ2は、図3に示されるように、第2サイズS2を有する第2細孔H2を有し、第2グラフェンフィルタ2の第2細孔H2の第2サイズS2は、第1グラフェンフィルタ1の第1細孔H1の第1サイズS1よりも大きなサイズで形成される。
本発明の一実施形態において、第2グラフェンフィルタ2の第2細孔H2の第2サイズS2は、炭素源に対する置換源の濃度及び置換源の供給速度を調整することによって変更され得る。 In one embodiment of the present invention, the second graphene second second size S2 of the pores of H 2 filter 2 can be changed by adjusting the feed rate of the concentration and substitution source replacement source to carbon source.
第2グラフェンフィルタ2は、図7に示されるように、フィルム状に形成され得、第2グラフェンフィルタ2がフィルム状に形成される場合、第2グラフェンフィルタ2の枠には、矩形のフレームが結合され得る。矩形のフレームに第2グラフェンフィルタ2を結合させることによって、第2グラフェンフィルタ2は、非常に高い引張強度及び圧縮強度を有するようになる。
As shown in FIG. 7, the
本発明の一実施形態において、第2グラフェンフィルタ2は、図8に示されるように、円筒状に形成され得、第2グラフェンフィルタ2が円筒状に形成される場合、第2グラフェンフィルタ2の両側端部には、リング状のフレームが結合され得る。
In an embodiment of the present invention, the
リング状のフレームに円筒状の第2グラフェンフィルタ2を結合することによって、第2グラフェンフィルタ2は、非常に高い引張強度及び圧縮強度を有するようになる。
By joining the cylindrical
本発明の一実施形態において、第1及び第2グラフェンフィルタ1、2の両方が、例えば、図7に示すように、フィルム状に形成され、フィルム状の第1及び第2グラフェンフィルタ1、2の枠には、それぞれ矩形のフレームが結合される。
In an embodiment of the present invention, both the first and
本発明の一実施形態では、第1及び第2グラフェンフィルタ1、2がそれぞれ矩形のフィルム状に形成され、第1及び第2グラフェンフィルタ1、2の枠に矩形のフレームが結合されたことが図示及び説明されているが、これとは異なり、第1及び第2グラフェンフィルタ1、2が、円形に形成され、円形の第1及び第2グラフェンフィルタ1、2にそれぞれ円形フレームが結合されてもよい。
In one embodiment of the present invention, the first and
対応するフレームに結合された第1及び第2グラフェンフィルタ1、2は、フィルタ本体750内部で互いに所定の距離で離間して配置され得る。
The first and
フィルタ本体750は、両方の端部が開口された筒状又は一方の端部のみが開口された筒状に形成され得る。
The
フィルタ本体750は、例えば、両方の端部が開口されて、それぞれが流入部752及び流入部752と反対側の吐出部754を構成している筒状の形状に形成されてもよい。フィルタ本体750は、例えば、剛性の高い金属材料又は合成樹脂材料から形成されてもよい。
For example, the filter
フィルタ本体750の流入部752を通って、少なくとも2つの物質の混合物がフィルタ本体内に導入され、混合物からのフィルタリングの結果得られる物質が、フィルタ本体750の吐出部754から吐出される。
Through the
図6を参照して、第1及び第2グラフェンフィルタ1、2が互いに所定の距離で離間して配置されているフィルタ本体750内に、第1グラフェンフィルタ1の第1細孔H1の平均の第1サイズS1よりも大きな物質A、第1グラフェンフィルタ1の第1細孔H1の平均の第1サイズS1よりは小さいが第2グラフェンフィルタ2の第2細孔H2の平均の第2サイズS2よりは大きい物質B、及び第2グラフェンフィルタ2の第2細孔H2の平均の第2サイズS2よりも小さい、フィルタリングの標的物質である物質Cが混合されている混合物が、フィルタ本体750の流入部752から導入される場合、標的物質である物質Cは、第1グラフェンフィルタ1の第1細孔H1及び第2グラフェンフィルタ2の第2細孔H2を通過する一方、物質A及び物質Bは、第1グラフェンフィルタ1の第1細孔H1または第2グラフェンフィルタ2の第2細孔H2を通過することができない。
Referring to FIG. 6, the average of the first pores H 1 of the
図9は、本発明の他の実施形態に係るフィルタ装置を示すブロック図である。 FIG. 9 is a block diagram showing a filter device according to another embodiment of the present invention.
図9に示されるフィルタ装置は、互いに異なるサイズを有する少なくとも2つの物質の混合物を各物質に分離することを可能にする。 The filter device shown in FIG. 9 makes it possible to separate a mixture of at least two substances having different sizes from one another.
フィルタ装置900は、混合物供給装置910、グラフェンフィルタ950、回収ユニット960及びバルブコントローラ980を備える。
The
混合物供給装置910は、後述するように、互いに異なるサイズを有する少なくとも2つの物質の混合物をグラフェンフィルタ950に供給する。
As will be described later, the
混合物供給装置910は、混合物を提供するための混合物提供ユニット912、収納容器914、排出ユニット916及び電子バルブ918、919を備える。
The
混合物提供ユニット912は、例えば、平均して第1サイズを有する物質A、平均して第1サイズよりも小さな第2サイズを有する物質B及び平均して第2サイズよりも小さな第3サイズを有する物質Cの混合物の外部からの供給を受けて、混合物を収納容器914に提供する。
The
混合物提供ユニット912及び収納容器914は、配管913によって互いに連結され、配管913には、収納容器914に混合物を提供する又は収納容器914への混合物の提供を遮断するための電子バルブ918が備えられ、電子バルブ918は、後述されるように、バルブコントローラ980からの制御信号によって開閉される。
The
収納容器914は配管913に連結され、収納容器914は所定の量の混合物を仮貯蔵するように機能する。
The storage container 914 is connected to the
収納容器914には、仮貯蔵された所定の量の混合物を放出するための排出管915が連結され、排出管915には、電子バルブ919が備えられる。電子バルブ919は、後述されるように、収納容器914に仮貯蔵された混合物のグラフェンフィルタ950への供給を調整する。
The storage container 914 is connected to a
電子バルブ919は同様に、後述されるように、バルブコントローラ980からの制御信号によって開閉される。
Similarly, the
排出ユニット916は、収納容器914内に仮貯蔵されている混合物をグラフェンフィルタ950に供給するように機能する。
The discharge unit 916 functions to supply the
排出ユニット916は、例えば、配管913に連結され得、および、収納容器914内に貯蔵されている混合物をグラフェンフィルタ950中に強制的に提供するために空気又は不活性ガスを吐出するブローワを備えていてもよい。
The discharge unit 916 can include, for example, a blower that can be coupled to the
グラフェンフィルタ950は、収納容器914の排出管915に連結される流入口921及び排出口922、924、926を備えるフィルタ本体920と、フィルタ本体920内に配置されるグラフェン薄膜930、940と、を備える。
The
フィルタ本体920は、両方の端部が閉鎖された筒状に形成されてもよく、フィルタ本体920の上端部に流入口921が形成されて、収納容器914の排出管915と連通される。収納容器914内に貯蔵された混合物は、流入口921を通ってフィルタ本体920内に導入される。
The
フィルタ本体920には、混合物中に存在する物質の数に対応する数の排出口が形成される。
The
本発明の一実施形態において、混合物は、物質A、物質B及び物質Cから構成されているため、フィルタ本体920には、3つの排出口922、924、926が備えられており、排出口922、924、926は、それぞれ互いに所定の間隔で離間して配置される。
In the embodiment of the present invention, the mixture is composed of the substance A, the substance B, and the substance C. Therefore, the
グラフェン薄膜930、940は、前述の図1〜図4に図示及び説明された方法によって製造され得、したがってグラフェン薄膜930、940の構成及びその製造方法に関して重複する説明は省略される。
The graphene
グラフェン薄膜930、940のうちの1つのグラフェン薄膜930は、フィルタ本体920の内部に、フィルタ本体920を通り抜ける経路をブロックする形態で配置される。
One graphene
グラフェン薄膜930は、例えば、混合物に含まれている物質Aは通過できないが、物質B及び物質Cは通過することのできる第1サイズの第1細孔を有する。
For example, the graphene
グラフェン薄膜930は、排出口922と排出口924との間に配置される。
The graphene
グラフェン薄膜930、940のうちの1つのグラフェン薄膜940は、フィルタ本体920の内部でグラフェン薄膜930に対向して、同様にフィルタ本体920を通り抜ける経路をブロックする形態で配置される。
One graphene
グラフェン薄膜940は、例えば、混合物に含まれている物質Bは通過できないが、物質Cは通過することのできる第2サイズの第2細孔を有する。
For example, the graphene
グラフェン薄膜940は、排出口924と排出口926との間に配置される。回収ユニット960は、排出口922、924、926と連通して、混合物から物質A、物質B及び物質Cを分離して回収し及び貯蔵する。
The graphene
回収ユニット960は、物質A、物質B及び物質Cを選択的に回収し及び貯蔵するために使用される電子バルブ962、964、966を備える。
The
バルブコントローラ980は、混合物から各物質を選択的に分離するために、電子バルブ918、919、962、964および966の開閉のための制御信号を提供する。
The valve controller 980 provides control signals for opening and closing the
図6に示されるグラフェンフィルタは、物質A、物質B及び物質Cの何れか1つの物質を混合物から選択的にフィルタリング又は分離するのに適する反面、物質A、B及びCのそれぞれを個別に分離することは難しいが、図9に図示及び説明されるフィルタ装置は、互いに異なるサイズを有する物質A、物質B及び物質Cを個別にフィルタリング又は分離することを可能にする。 The graphene filter shown in FIG. 6 is suitable for selectively filtering or separating any one of the substances A, B and C from the mixture, but separates each of the substances A, B and C individually. Although difficult to do, the filter device shown and described in FIG. 9 makes it possible to individually filter or separate substances A, B and C having different sizes.
以下、図9に示されるフィルタ装置によって混合物から各物質を個別に分離又はフィルタリングする工程を説明する。 Hereinafter, a process of individually separating or filtering each substance from the mixture by the filter device shown in FIG. 9 will be described.
まず、混合物供給装置910の混合物提供ユニット912から、物質A、物質B及び物質Cの混合物が、配管913を通って収納容器914に提供される。
First, the mixture of the substance A, the substance B, and the substance C is provided from the
このとき、バルブコントローラ980は、所定の期間の電子バルブ918の開放を指示するための制御信号を電子バルブ918に適用して、その所定の期間のあいだ所定の量の混合物が配管913を通って収納容器914内に提供されるようにする。
At this time, the valve controller 980 applies a control signal for instructing opening of the
収納容器914に所定の量の混合物が提供されると、バルブコントローラ980は、電子バルブ918に制御信号を適用して電子バルブ918を閉鎖し、収納容器914への混合物の提供を遮断する。
When a predetermined amount of the mixture is provided to the storage container 914, the valve controller 980 applies a control signal to the
一方、収納容器914に所定の量の混合物が提供されると、バルブコントローラ980は、収納容器914の排出管915に連結された電子バルブ919を開放し、これによって排出ユニット916から空気又は不活性ガスが収納容器914に提供され、同時に収納容器914内部の混合物がグラフェンフィルタ950の内部に送られる。
On the other hand, when a predetermined amount of the mixture is provided to the storage container 914, the valve controller 980 opens the
流入部921を通って収納容器914からグラフェンフィルタ950の内部に入った後、混合物は、第1サイズを有する第1細孔が形成されているグラフェン薄膜930に到達する。混合物中の物質B及び物質Cは、グラフェン薄膜930の第1細孔を通過できるが、物質Aはグラフェン薄膜930を通過できず、グラフェン薄膜930上に残る。
After entering the inside of the
グラフェン薄膜930を通過した混合物を形成する物質B及び物質Cは、第2サイズの第2細孔が形成されているグラフェン薄膜940に到達する。物質Cはグラフェン薄膜940の第2細孔を通過し、物質Bはグラフェン薄膜940上に残る。
The substance B and the substance C that form the mixture that has passed through the graphene
従って、収納容器914からグラフェンフィルタ950に所定の量の混合物が提供される限り、グラフェンフィルタ950の各グラフェン薄膜930、940によって、物質A、物質B及び物質Cはそれぞれ分離された状態で残る。
Accordingly, as long as a predetermined amount of the mixture is provided from the storage container 914 to the
このようにグラフェン薄膜930、940によってそれぞれ物質A、物質B及び物質Cが分離された状態で分配されており、物質Aは排出口922、物質Bは排出口924、物質Cは排出口926を通ってそれぞれ回収ユニット960へと回収される。バルブコントローラ980は、各排出口922、924および926にそれぞれ連結された電子バルブ962、964および966の開閉のための制御信号を提供して、各電子バルブ962、964および966の開閉を個別に制御する。
In this manner, the substance A, the substance B, and the substance C are distributed in a state of being separated by the graphene
本発明の一実施形態において、混合物は互いに異なるサイズを有する、気体状、液体状又は固体状物質を含んでいてもよい。 In one embodiment of the present invention, the mixture may include gaseous, liquid or solid materials having different sizes.
本発明の一実施形態において、フィルタ装置は、例えば血液の透析などの医療分野、特定の気体の分離などのフィルタ分野などで幅広く使用され得る。 In one embodiment of the present invention, the filter device can be widely used in the medical field such as dialysis of blood, the filter field such as separation of a specific gas, and the like.
以上の詳細な説明によれば、炭素単原子層構造を有するグラフェン薄膜の形成のあいだに、グラフェン薄膜に非常に小さなサイズの細孔を人為的に形成し、グラフェン中に人為的に形成した細孔を有する多孔質グラフェンフィルタを用いることにより、複数の物質からなる混合物から特定の物質を選択的にフィルタリング及び分離できるようにするという効果を奏する。 According to the above detailed explanation, during the formation of a graphene thin film having a carbon monoatomic layer structure, pores of very small size were artificially formed in the graphene thin film, and the finely formed finely formed in the graphene. By using a porous graphene filter having pores, it is possible to selectively filter and separate a specific substance from a mixture of a plurality of substances.
一方、本図面に開示された実施形態は、理解を促進するために特定例を提示したものに過ぎず、本発明の範囲を限定しようとするものではない。ここに開示された実施形態以外にも本発明の技術的思想に基づく他の変形例が実施可能であるということは、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者には自明である。 On the other hand, the embodiments disclosed in the drawings are merely specific examples for facilitating understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains that other variations based on the technical idea of the present invention are possible in addition to the embodiments disclosed herein.
200 試料供給装置
210 第1試料供給装置
220 第2試料供給装置
225 試料調節装置
300 同時気化器
310 第1気化器
320 第2気化器
315 第1加熱炉
325 第2加熱炉
400 蒸着炉
500 キャリアガス供給部
700、800 多孔質グラフェンフィルタ製造装置
900 フィルタ装置
910 混合物供給装置
912 混合物提供ユニット
914 収納容器
916 排出ユニット
920 フィルタ本体
930、940 グラフェン薄膜
950 グラフェンフィルタ
960 回収ユニット
200 Sample supply device 210 First
Claims (10)
グラフェン形成のための炭素源から生成される炭素原子の堆積のあいだに、一部の炭素原子をピリジンを含む置換源から生成される置換原子で置換することにより前記グラフェンに前記第1サイズよりも大きな第2サイズを有する第2細孔が形成された第2グラフェンフィルタを形成する工程と、
前記第1及び第2グラフェンフィルタを流入口及び排出口を備えるフィルタ本体の内部に配置する工程と
を含む多孔質グラフェンフィルタの製造方法。 During the deposition of carbon atoms generated from a carbon source for graphene formation, first pores having a first size by replacing some of the carbon atoms with substituent atoms generated from a substitution source comprising pyridine Forming a first graphene filter in which is formed,
During the deposition of carbon atoms generated from a carbon source for graphene formation, the graphene is made to be larger than the first size by replacing some carbon atoms with substituent atoms generated from a substitution source including pyridine. Forming a second graphene filter in which second pores having a large second size are formed;
And disposing the first and second graphene filters inside a filter main body having an inlet and an outlet.
グラフェン中の共有結合部分に結晶欠陥を有する炭素原子の一部をピリジンを含む置換源から生成された窒素原子で置換することにより前記第1サイズよりも大きな第2サイズを有する第2細孔が形成されている第2グラフェンフィルタと、
複数の物質の混合物がフィルタ本体に導入された後に前記混合物が移動する経路上に前記第1及び第2グラフェンフィルタが固定されているフィルタ本体と
を備える多孔質グラフェンフィルタ。 A first pore having a first size formed by substituting a part of a carbon atom having a crystal defect in a covalent bond portion in graphene with a nitrogen atom generated from a substitution source containing pyridine is formed. A first graphene filter;
A second pore having a second size larger than the first size is obtained by substituting a part of the carbon atom having a crystal defect in a covalent bond part in graphene with a nitrogen atom generated from a substitution source containing pyridine. A second graphene filter formed;
A porous graphene filter comprising: a filter body in which the first and second graphene filters are fixed on a path along which the mixture moves after a mixture of a plurality of substances is introduced into the filter body.
前記混合物が導入されるための流入口および側面上の少なくとも2つの排出口を備えるフィルタ本体と、前記フィルタ本体内の排出口のあいだに配置され、前記混合物に含まれている個々の物質を分離するためのグラフェンフィルタであって、
グラフェン中の共有結合部分に結晶欠陥を有する炭素原子の一部をピリジンを含む置換源から生成された窒素原子で置換することにより形成される第1サイズを有する第1細孔が形成されている第1グラフェンフィルタと、グラフェン中の共有結合部分に結晶欠陥を有する炭素原子の一部をピリジンを含む置換源から生成された窒素原子で置換することにより前記第1サイズよりも大きな第2サイズを有する第2細孔が形成されている第2グラフェンフィルタと、を含むグラフェンフィルタと、
前記排出口に連結され、前記混合物から分離された各物質を回収するための回収ユニットと
を備えるフィルタ装置。 A mixture supply device for sequentially supplying a predetermined amount of a mixture containing substances having different sizes from each other;
A filter body having an inlet for introducing the mixture and at least two outlets on a side surface, and an outlet in the filter body, for separating individual substances contained in the mixture a grayed Rafen filter for,
A first pore having a first size formed by substituting a part of a carbon atom having a crystal defect in a covalent bond portion in graphene with a nitrogen atom generated from a substitution source containing pyridine is formed. A first graphene filter and a second size larger than the first size can be obtained by substituting a part of carbon atoms having a crystal defect in a covalent bond portion in the graphene with a nitrogen atom generated from a substitution source containing pyridine. A second graphene filter in which second pores are formed, and a graphene filter comprising:
A filter device comprising: a recovery unit connected to the discharge port and recovering each substance separated from the mixture.
前記混合物を提供するための混合物提供ユニットと、
所定量の前記混合物を受容する収納容器と、
前記収納容器から前記混合物を排出するための排出ユニットと
を備えることを特徴とする請求項7に記載のフィルタ装置。 The mixture supply device comprises:
A mixture providing unit for providing the mixture;
A storage container for receiving a predetermined amount of the mixture;
The filter device according to claim 7 , further comprising a discharge unit for discharging the mixture from the storage container.
前記電子バルブを制御するバルブコントローラと
を更に備えることを特徴とする請求項7に記載のフィルタ装置。 An electronic valve coupled to the mixture supply device, the graphene filter and the recovery unit;
The filter device according to claim 7 , further comprising a valve controller that controls the electronic valve.
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