JP2012156202A - Graphene/polymer laminate and application of the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide efficient and low-cost processes of fabricating a graphene/polymer laminate with excellent physical properties and smooth surfaces.SOLUTION: The method includes a graphene transfer process where at least one layer of a multilayer graphene 10 having multiple layers of graphenes formed on a metal substrate is cleaved between layers in the multilayer graphene 10, and laminated to a polymeric film 3.

Description

本発明は、グラフェン/高分子積層体およびその利用に関し、例えば、エッチングプロセスを用いない、グラフェン/高分子積層体の製造方法、および、その製造方法によって製造される、透明導電体等の積層体に関するものである。   The present invention relates to a graphene / polymer laminate and use thereof, for example, a method for producing a graphene / polymer laminate without using an etching process, and a laminate such as a transparent conductor produced by the production method. It is about.

近年、グラフェンは、種々の優れた電気的特性、熱的特性、並びに光学的特性を有するため、エレクトロニクス分野、燃料電池分野等をはじめとして、広範な分野での利用が期待されている。すなわち、グラフェンはカーボンナノチューブに匹敵、もしくはそれを超えるナノ材料として国内外を問わず注目される炭素材料である。   In recent years, graphene has various excellent electrical characteristics, thermal characteristics, and optical characteristics, and is expected to be used in a wide range of fields including the electronics field and the fuel cell field. In other words, graphene is a carbon material that is attracting attention both in Japan and overseas as a nanomaterial comparable to or exceeding that of carbon nanotubes.

従来、グラフェンを製造する方法としては、CVD(Chemical Vapor Deposition、化学蒸着)法、グラファイトからの化学的剥離法、グラファイトからの機械的剥離法、等が用いられている。CVD法は、所定の条件下で、銅等の基板上にメタン等のガスを接触させることによって、銅等の基板上に主に1層のグラフェン(以下、「単層グラフェン」という。)を形成する手法である。   Conventionally, as a method for producing graphene, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a chemical exfoliation method from graphite, a mechanical exfoliation method from graphite, and the like are used. In the CVD method, a gas such as methane is brought into contact with a substrate such as copper under a predetermined condition, so that one layer of graphene (hereinafter referred to as “single layer graphene”) is mainly formed on the substrate such as copper. It is a technique to form.

CVD法を用いて形成された単層グラフェンは、高分子フィルムに転写される場合、接着している銅等とともに転写され、転写後に銅等をエッチングで除去することによって、グラフェンを積層した高分子フィルムが得られる。CVD法を用いて形成された単層グラフェンを、高分子フィルムに転写させる技術として、例えば、非特許文献1には、熱CVD法によって銅基板上に形成されたグラフェン層を、銅のエッチングプロセスを含むロール・to・ロール方式によって、単層グラフェンを高分子フィルムに転写させる方法が示されている。   Single-layer graphene formed using the CVD method is transferred to a polymer film, transferred together with the adhered copper, etc., and after transfer, the polymer is laminated with graphene by etching away the copper, etc. A film is obtained. As a technique for transferring single-layer graphene formed using a CVD method to a polymer film, for example, Non-Patent Document 1 discloses a graphene layer formed on a copper substrate by a thermal CVD method as a copper etching process. A method of transferring single-layer graphene to a polymer film by a roll-to-roll system including

また、CVD法を用いずにグラフェンを製造する方法として、例えば、非特許文献2には、銅基板上に形成された有機高分子化合物薄膜に熱処理を施すことによって、グラフェンを製造する方法が示されている。   As a method for producing graphene without using the CVD method, for example, Non-Patent Document 2 shows a method for producing graphene by performing a heat treatment on an organic polymer compound thin film formed on a copper substrate. Has been.

Sukang Bae et. al., Roll-to-roll production of 30-inch graphene films for transparent electrodes, Nature Nanotechnology, Volume:5, p.574-578, 2010Sukang Bae et.al., Roll-to-roll production of 30-inch graphene films for transparent electrodes, Nature Nanotechnology, Volume: 5, p.574-578, 2010 Zhengzong Sun et. al., Growth of graphene from solid carbon sources, Nature, Volume:468, p.549-552, 2010Zhengzong Sun et.al., Growth of graphene from solid carbon sources, Nature, Volume: 468, p.549-552, 2010

しかしながら、CVD法を用いてグラフェンを製造する方法では、主に単層グラフェンが製造され、良質な複数層のグラフェンを製造することはできない。それは、CVD法では順に炭素源が基板上に積み重なるので、単層グラフェンの上に積み重なった炭素源には触媒としての銅が働かなくなるため、2層目以上のグラフェン層の性質は著しく悪いものとなるからである。透明導電体として利用するために単層グラフェンを高分子フィルムに転写させる場合、単層グラフェンと銅基板とを剥離することが困難であるために、高分子フィルムと単層グラフェンとを接着後、銅等をエッチングで除去する必要があり、このエッチングプロセスに時間およびコストがかかるという問題がある。さらに、エッチングした銅等を再利用することができないという問題もある。   However, in the method of producing graphene using the CVD method, single-layer graphene is mainly produced, and high-quality multi-layer graphene cannot be produced. In the CVD method, since the carbon source is sequentially stacked on the substrate, copper as a catalyst does not work on the carbon source stacked on the single-layer graphene. Therefore, the properties of the second and higher graphene layers are extremely bad. Because it becomes. When transferring single layer graphene to a polymer film for use as a transparent conductor, it is difficult to peel off the single layer graphene and the copper substrate, so after bonding the polymer film and the single layer graphene, Copper or the like needs to be removed by etching, and there is a problem that this etching process takes time and cost. Furthermore, there is a problem that etched copper or the like cannot be reused.

一方、非特許文献2に示されている方法で製造されたグラフェンを、高分子フィルムに転写させる際の転写方法についても、特に優れた手法は編み出されていない。   On the other hand, no particularly excellent technique has been devised for the transfer method for transferring graphene produced by the method disclosed in Non-Patent Document 2 to a polymer film.

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、効率的に、かつ低コストで、優れた物性値をもつ単層グラフェンあるいは多層グラフェンを製造する方法、グラフェン/高分子積層体を製造する方法、およびその利用を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a method for producing single-layer graphene or multilayer graphene having excellent physical property values efficiently and at low cost, graphene / To provide a method for producing a polymer laminate and use thereof.

本発明者らは、上記課題に鑑み、エッチングプロセスを用いることなく、透明高分子フィルム上に優れた物性値を有する単層グラフェンおよび多層グラフェンを製造する方法を鋭意検討した。その結果、有機高分子化合物の熱処理法によって金属基板上に形成されるグラフェンは、単層グラフェンのみでなく2層以上の複数層のグラフェンでも優れた物性値をもち、さらに、このような方法で得られた複数層のグラフェンからは単層あるいは複数層のグラフェンを物理(機械)的に剥離することができるということを見出し、本発明を完成させるに至った。通常、グラファイトから物理的剥離によってグラフェンを作製する場合には、グラファイトのどの部分で剥離が起きるかが決められないために、どのような厚さのグラファイト薄膜が剥離されるかは分からず、部分的に層数の異なるグラファイト薄膜(あるいはグラフェン)としてしか得られない、という問題がある。しかしながら、本発明の方法では、驚くべきことに、剥離部分のほとんどで層数が一定のグラフェンを剥離することができる。これは、金属上に形成されたグラフェン層数が極めて少ないために、剥離されるグラフェン層の数も限定され、剥離を行うための母材として極めて優れていることを示している。   In view of the above problems, the present inventors have intensively studied a method for producing single-layer graphene and multilayer graphene having excellent physical property values on a transparent polymer film without using an etching process. As a result, graphene formed on a metal substrate by a heat treatment method of an organic polymer compound has excellent physical property values not only in single-layer graphene but also in two or more layers of graphene. The present inventors have found that a single layer or a plurality of layers of graphene can be physically (mechanically) peeled from the obtained multiple layers of graphene, and have completed the present invention. Usually, when graphene is produced from graphite by physical exfoliation, it is not possible to determine at which part of graphite the exfoliation occurs. In particular, there is a problem that it can be obtained only as a graphite thin film (or graphene) having a different number of layers. However, surprisingly, in the method of the present invention, graphene having a constant number of layers can be peeled off at most peeling portions. This indicates that since the number of graphene layers formed on the metal is extremely small, the number of graphene layers to be peeled is also limited, and is excellent as a base material for peeling.

さらに、このときの金属基板としては、銅のみでなく、鉄、ニッケル、クロム、または少なくとも銅、鉄、ニッケルもしくはクロムを含む合金、さらに、これらの金属の酸化物、あるいは酸化シリコン、が有効に使用できることも分かった。すなわち、本発明の基本原理は、複数層のグラフェン間の層間剥離性に着目し、接着性を有する高分子フィルムをグラフェン層に接着後、複数層のグラフェンのうち少なくとも1層を層間で剥がして、優れた物性値をもつ平滑なグラフェン/高分子積層体を製造できることを独自に見出したことにある。   Furthermore, as the metal substrate at this time, not only copper but also iron, nickel, chromium, or an alloy containing at least copper, iron, nickel, or chromium, oxides of these metals, or silicon oxide are effective. I also found that it can be used. That is, the basic principle of the present invention focuses on delamination between multiple layers of graphene, and after adhering an adhesive polymer film to the graphene layer, at least one of the multiple layers of graphene is peeled off between the layers. In other words, it has been uniquely found that a smooth graphene / polymer laminate having excellent physical properties can be produced.

ここで、複数層のグラフェンは、層間で剥離しやすく、剥離させたグラフェンは平滑であり、かつ優れた物性値をもっている。また、本発明の方法によれば、エッチングプロセスを用いる必要がなく、さらに、エッチングしていない銅等の基板を再利用することもできる。   Here, the multi-layer graphene is easily peeled between layers, and the peeled graphene is smooth and has excellent physical properties. Further, according to the method of the present invention, it is not necessary to use an etching process, and a substrate such as copper that has not been etched can be reused.

すなわち、本発明のグラフェン/高分子積層体の製造方法は、上記の課題を解決するために、金属基板上に形成された、グラフェンを複数層有する多層グラフェンのうち少なくとも1層を、該多層グラフェンの層間で剥がして高分子フィルムに転写(貼り付ける)する、グラフェン転写工程を含むことを特徴としている。   That is, in order to solve the above-described problem, the method for producing a graphene / polymer laminate according to the present invention includes at least one layer of multi-layer graphene formed on a metal substrate and including a plurality of graphene layers. It is characterized by including a graphene transfer process in which the film is peeled between the layers and transferred (attached) to a polymer film.

上記の構成によれば、多層グラフェンが剥離前に銅等の基板と接着している場合でも、高分子フィルムに貼り付けられたグラフェンには銅等が付着しない。これにより、グラフェンが高分子フィルムに貼り付けられた後に、エッチングプロセスを用いる必要がない。さらに、グラフェンが高分子フィルムに貼り付けられた後に、エッチングしていない銅等を再利用することもできる。   According to the above configuration, even when the multilayer graphene is bonded to a substrate such as copper before peeling, copper or the like does not adhere to the graphene attached to the polymer film. This eliminates the need to use an etching process after the graphene is attached to the polymer film. Furthermore, after graphene is attached to the polymer film, unetched copper or the like can be reused.

また、本発明のグラフェン/高分子積層体の製造方法は、上記多層グラフェンが、上記金属基板上に形成した有機高分子化合物の層を、水素の存在下で800℃以上、1700℃以下の範囲内の温度にて熱処理して得られたものであることが好ましい。   Further, in the method for producing a graphene / polymer laminate according to the present invention, the multilayer graphene forms a layer of an organic polymer compound formed on the metal substrate in a range of 800 ° C. or higher and 1700 ° C. or lower in the presence of hydrogen. It is preferable that it is obtained by heat treatment at the inner temperature.

これにより、本発明のグラフェン/高分子積層体の製造方法は、上記グラフェン形成工程にて、多層グラフェンを効率的に形成することができる。   Thereby, the manufacturing method of the graphene / polymer laminated body of this invention can form multilayer graphene efficiently in the said graphene formation process.

また、上記金属基板は、銅、鉄、ニッケル、クロム、シリコンもしくはこれらを少なくとも1種含む合金、またはその酸化物を有するものであることが好ましく、より品質の高い複数グラフェン層を該金属基板上に形成するためには、800℃以上のできる限り高温で熱処理することが好ましい。基板金属の融点を考慮すると、銅では1000℃、鉄では1500℃、ニッケルでは1400℃、ステンレスでは1700℃が有効な温度範囲の最大値となる。   The metal substrate preferably includes copper, iron, nickel, chromium, silicon, an alloy containing at least one of these, or an oxide thereof, and a plurality of higher-quality graphene layers are formed on the metal substrate. In order to form it, it is preferable to heat-process at 800 degreeC or more as high temperature as possible. Considering the melting point of the substrate metal, 1000 ° C. for copper, 1500 ° C. for iron, 1400 ° C. for nickel, and 1700 ° C. for stainless steel are the maximum effective temperature ranges.

また、本発明のグラフェン/高分子積層体の製造方法は、上記多層グラフェンを形成するグラフェン形成工程において、有機高分子化合物に対して、水素ガス流を接触させる処理を行い、水素ガスの流量が、1sccm以上、100sccm以下の範囲内であることが好ましい。   In the graphene / polymer laminate manufacturing method of the present invention, in the graphene forming step of forming the multilayer graphene, a process of bringing a hydrogen gas flow into contact with the organic polymer compound is performed, and a flow rate of the hydrogen gas is increased. It is preferably in the range of 1 sccm or more and 100 sccm or less.

これにより、本発明のグラフェン/高分子積層体の製造方法は、上記グラフェン形成工程にて、多層グラフェンを効率的に形成することができる。   Thereby, the manufacturing method of the graphene / polymer laminated body of this invention can form multilayer graphene efficiently in the said graphene formation process.

また、本発明のグラフェン/高分子積層体の製造方法は、上記有機高分子化合物が、少なくとも酸素原子を含む置換基を有している、すなわち、少なくとも酸素原子を有する有機高分子化合物から選択されることが好ましく、具体的には、水酸基、カルボニル基、カルボキシル基等の置換基を含む有機高分子化合物であることが好ましい。   In the method for producing a graphene / polymer laminate according to the present invention, the organic polymer compound has a substituent containing at least an oxygen atom, that is, selected from organic polymer compounds having at least an oxygen atom. Specifically, an organic polymer compound containing a substituent such as a hydroxyl group, a carbonyl group, or a carboxyl group is preferable.

これにより、本発明のグラフェン/高分子積層体の製造方法は、上記グラフェン形成工程にて、多層グラフェンを形成しやすくなる。   Thereby, the manufacturing method of the graphene / polymer laminated body of this invention becomes easy to form multilayer graphene in the said graphene formation process.

また、本発明のグラフェン/高分子積層体の製造方法は、上記金属基板の表面粗さ(Ra)が、0.01μm以下であることが好ましい。   In the method for producing a graphene / polymer laminate of the present invention, the metal substrate preferably has a surface roughness (Ra) of 0.01 μm or less.

これにより、本発明のグラフェン/高分子積層体は、多層グラフェンのうち少なくとも1層を該多層グラフェンの層間で剥がしやすくなると考えられる。   Accordingly, it is considered that the graphene / polymer laminate of the present invention can easily peel at least one layer of multilayer graphene between the layers of the multilayer graphene.

また、本発明のグラフェン/高分子積層体の製造方法は、上記グラフェン転写工程では、上記金属基板上に形成された多層グラフェン上に、接着性を有する高分子フィルムを圧着し、その後に、該多層グラフェンのうち少なくとも1層を、該多層グラフェンの層間で剥がして、該高分子フィルムに貼り付けることが好ましい。   In the graphene / polymer laminate manufacturing method of the present invention, in the graphene transfer step, an adhesive polymer film is pressure-bonded onto the multilayer graphene formed on the metal substrate, and then the It is preferable that at least one layer of the multilayer graphene is peeled off between the layers of the multilayer graphene and attached to the polymer film.

これにより、本発明のグラフェン/高分子積層体の製造方法は、上記グラフェン転写工程にて、グラフェンを高分子フィルムに転写しやすくなる。   Thereby, the manufacturing method of the graphene / polymer laminated body of this invention becomes easy to transcribe | transfer graphene to a polymer film in the said graphene transfer process.

また、本発明のグラフェン/高分子積層体の製造方法は、上記グラフェン転写工程では、ロール状の上記高分子フィルムを用い、ロール状の上記高分子フィルムを回転させることによって、上記多層グラフェンのうち少なくとも1層を該多層グラフェンの層間で剥がして、該高分子フィルムに貼り付けることが好ましい。   In the graphene / polymer laminate manufacturing method of the present invention, in the graphene transfer step, the roll-shaped polymer film is used and the roll-shaped polymer film is rotated, so that the multilayer graphene It is preferable that at least one layer is peeled off between the layers of the multilayer graphene and attached to the polymer film.

これにより、本発明のグラフェン/高分子積層体の製造方法は、上記グラフェン転写工程にて、グラフェンを高分子フィルムに転写しやすくなる。   Thereby, the manufacturing method of the graphene / polymer laminated body of this invention becomes easy to transcribe | transfer graphene to a polymer film in the said graphene transfer process.

また、本発明のグラフェン/高分子積層体は、上記グラフェン/高分子積層体の製造方法によって製造され得ることを特徴としている。   The graphene / polymer laminate of the present invention is characterized in that it can be produced by the above-described method for producing a graphene / polymer laminate.

これにより、本発明のグラフェン/高分子積層体は、上記グラフェンの表面を平滑にすることができる。   Thereby, the graphene / polymer laminate of the present invention can smooth the surface of the graphene.

また、本発明のグラフェン/高分子積層体は、上記高分子フィルムが、透明であることが好ましい。   In the graphene / polymer laminate of the present invention, the polymer film is preferably transparent.

グラフェンは透明性と電気伝導性とを有しているので、上記高分子フィルムが透明であることによって、本発明のグラフェン/高分子積層体は透明導電体となる。その結果、本発明のグラフェン/高分子積層体は、ITO(Indium Tin Oxide)等の代替品として用いることが可能となる。   Since graphene has transparency and electrical conductivity, the graphene / polymer laminate of the present invention becomes a transparent conductor when the polymer film is transparent. As a result, the graphene / polymer laminate of the present invention can be used as an alternative such as ITO (Indium Tin Oxide).

また、本発明の透明導電体は、上記グラフェン/高分子積層体の製造方法によって製造され得ることを特徴としている。   In addition, the transparent conductor of the present invention is characterized in that it can be manufactured by the above-described graphene / polymer laminate manufacturing method.

グラフェンは極めて薄く、しかも高い伝導性を有しているので、本発明の透明導電体は、光透過性が向上する。その結果、本発明の透明導電体は、ITO等の代替品として用いることが可能となる。   Since graphene is extremely thin and has high conductivity, the transparent conductor of the present invention has improved light transmittance. As a result, the transparent conductor of the present invention can be used as a substitute for ITO or the like.

また、本発明のデバイスは、上記透明導電体を備えていることを特徴としている。   Moreover, the device of the present invention is characterized by including the transparent conductor.

これにより、本発明のデバイスは、ITOからなる電極等の部材を備えている装置に適用することができる。   Thereby, the device of this invention is applicable to the apparatus provided with members, such as an electrode which consists of ITO.

本発明のグラフェン/高分子積層体の製造方法は、以上のように、金属基板上に形成された、グラフェンを複数層有する多層グラフェンのうち少なくとも1層を、該多層グラフェンの層間で剥がして、高分子フィルムに貼り付ける、グラフェン転写工程を含む方法である。   The method for producing a graphene / polymer laminate of the present invention, as described above, peels at least one layer of multilayer graphene having a plurality of graphene layers formed on a metal substrate between the multilayer graphene layers, It is a method including a graphene transfer step for attaching to a polymer film.

それゆえ、本発明のグラフェン/高分子積層体の製造方法は、効率的に、かつ低コストで、優れた物性値をもち、表面が平滑な、グラフェン/高分子積層体を製造することができるという効果を奏する。   Therefore, the method for producing a graphene / polymer laminate of the present invention can produce a graphene / polymer laminate having an excellent physical property value and a smooth surface efficiently and at low cost. There is an effect.

本発明の一実施形態におけるグラフェン/高分子積層体の製造方法の工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the process of the manufacturing method of the graphene / polymer laminated body in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態におけるグラフェン/高分子積層体の製造方法の工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the process of the manufacturing method of the graphene / polymer laminated body in one Embodiment of this invention.

本発明の一実施形態について、以下に詳しく説明するが、本発明の範囲はこれらの説明に拘束されることはなく、以下の例示以外についても、本発明の趣旨を損なわない範囲で適宜変更して実施し得るものである。   One embodiment of the present invention will be described in detail below, but the scope of the present invention is not limited to these explanations, and modifications other than the following exemplifications are made as appropriate without departing from the spirit of the present invention. Can be implemented.

(I)本実施形態におけるグラフェン/高分子積層体の製造方法
本実施形態におけるグラフェン/高分子積層体の製造方法は、金属基板上に形成された多層グラフェンのうち少なくとも1層を、該多層グラフェンの層間で剥がして、高分子フィルムに貼り付ける、グラフェン転写工程を含む方法である。
(I) Method for Producing Graphene / Polymer Laminate in the Present Embodiment A method for producing a graphene / polymer laminate in the present embodiment comprises at least one layer of multilayer graphene formed on a metal substrate. It is a method including a graphene transfer process in which the film is peeled between the layers and attached to a polymer film.

また、本実施形態におけるグラフェン/高分子積層体の製造方法は、さらに、上記多層グラフェンを形成する、グラフェン形成工程を含み、上記グラフェン形成工程では、有機高分子化合物(炭素を含有する高分子化合物)に対して、水素ガスを接触させる処理を行い、かつ加熱処理を行うことが好ましい。   Further, the method for producing a graphene / polymer laminate in the present embodiment further includes a graphene forming step of forming the multilayer graphene, and in the graphene forming step, an organic polymer compound (carbon-containing polymer compound) ) Is preferably subjected to a treatment with hydrogen gas and a heat treatment.

また、本実施形態におけるグラフェン/高分子積層体の製造方法は、上記グラフェン転写工程では、接着性を有する高分子フィルムを多層グラフェンに圧着し、しかる後に上記多層グラフェンのうち少なくとも1層を該多層グラフェンの層間で剥がして、該高分子フィルムに貼り付けることを特徴としている。このときさらに、ロール状の上記高分子フィルムを用い、ロール状の上記高分子フィルムを回転させることによって、上記多層グラフェンのうち少なくとも1層を該多層グラフェンの層間で剥がして、該高分子フィルムに貼り付けることが好ましい。   In the graphene / polymer laminate manufacturing method according to the present embodiment, in the graphene transfer step, an adhesive polymer film is pressure-bonded to the multilayer graphene, and then at least one of the multilayer graphenes is bonded to the multilayer graphene. It is characterized by being peeled off between graphene layers and affixed to the polymer film. At this time, the roll-shaped polymer film is further used, and the roll-shaped polymer film is rotated to peel at least one layer of the multilayer graphene between the layers of the multilayer graphene. It is preferable to paste.

<グラフェン>
本明細書において、グラフェンとは、ベンゼン環が二次元的につながった、炭素原子1原子分の厚さのシートをいう。具体的には、グラフェンは、グラファイトの形態の2次元結晶であり、その中で原子は六角形構造の規則的秩序に従って配置されている。このシートの厚みは、炭素原子の厚みに相当し、結果的にナノメートル未満の厚みに相当する。グラフェンは、平面状六角形格子の形態であり、各炭素原子が3つの炭素原子に結合され、その結果、化学結合に用いられる4つの外殻電子のうち1つの電子を自由な状態にしている。その結果、これらの自由電子は、結晶格子に沿って移動することができるため高い電気伝導性を有している。
<Graphene>
In this specification, graphene refers to a sheet having a thickness of one atom of carbon atoms in which benzene rings are two-dimensionally connected. Specifically, graphene is a two-dimensional crystal in the form of graphite, in which atoms are arranged according to the regular order of a hexagonal structure. The thickness of this sheet corresponds to the thickness of carbon atoms and consequently corresponds to a thickness of less than nanometers. Graphene is in the form of a planar hexagonal lattice, with each carbon atom bonded to three carbon atoms, thus leaving one of the four outer electrons used for chemical bonding in a free state. . As a result, these free electrons have high electrical conductivity because they can move along the crystal lattice.

本明細書において、「多層グラフェン」とは、グラフェンを複数層有するものをいい、グラファイト超薄膜とも言えるものである。また、本明細書において、「グラフェン/高分子積層体」とは、少なくとも1層のグラフェンと、高分子フィルム等のグラフェン以外の材料と、の混合物をいう。「グラフェン/高分子積層体」としては、例えば、「グラフェン及び高分子フィルムの積層体」などが挙げられる。   In this specification, “multilayer graphene” refers to one having a plurality of graphene layers, and can also be referred to as an ultrathin graphite film. Further, in this specification, “graphene / polymer laminate” refers to a mixture of at least one layer of graphene and a material other than graphene such as a polymer film. Examples of the “graphene / polymer laminate” include “graphene and polymer film laminate”.

<グラフェン形成工程>
本実施形態のグラフェン形成工程では、多層グラフェンを形成する。具体的には、図1に示すように、基板2上に、有機高分子化合物1を配置し、以下の条件で処理することによって、多層グラフェン10を得る。図1において、多層グラフェン10は2層のグラフェンであるが、これに限定されず、2層以上20層以下の範囲内のものであれば本実施形態に含まれ、特に2層以上10層以下であることが好ましい。本実施形態のグラフェン形成の条件等について、以下に説明する。
<Graphene formation process>
In the graphene formation step of this embodiment, multilayer graphene is formed. Specifically, as shown in FIG. 1, the organic polymer compound 1 is disposed on the substrate 2 and processed under the following conditions to obtain the multilayer graphene 10. In FIG. 1, the multilayer graphene 10 is a two-layer graphene, but is not limited to this, and is included in the present embodiment as long as it is within the range of 2 or more and 20 or less, particularly 2 or more and 10 or less. It is preferable that The conditions for forming graphene according to the present embodiment will be described below.

《基板》
本実施形態の上記グラフェン形成工程では、上記高分子化合物を金属基板上に配置しておくことが好ましい。
"substrate"
In the graphene forming step of the present embodiment, the polymer compound is preferably placed on a metal substrate.

本実施形態に用いられる金属基板は、ケイ素を含む基板上に形成されたものでもよい。ケイ素を含む基板としては、結晶シリコン基板、ポリシリコン基板、アモルファスシリコン基板、エピタキシャルシリコン基板、二酸化シリコン基板、シリコンカーバイド基板、シリコンオキシカーバイド基板、窒化シリコン基板、炭窒化シリコン基板(SiCN)、ケイ素、酸素、炭素、およびフッ素を含む基板(SiOCFで表される)、ホウ窒化シリコン基板等が挙げられる。   The metal substrate used in this embodiment may be formed on a substrate containing silicon. As a substrate containing silicon, a crystalline silicon substrate, a polysilicon substrate, an amorphous silicon substrate, an epitaxial silicon substrate, a silicon dioxide substrate, a silicon carbide substrate, a silicon oxycarbide substrate, a silicon nitride substrate, a silicon carbonitride substrate (SiCN), silicon, A substrate containing oxygen, carbon, and fluorine (expressed as SiOCF), a silicon boronitride substrate, and the like can be given.

また、上記金属は、銅(Cu)、タングステン(W)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、イットリウム(Y)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、金(Au)、モリブデン(Mo)および銀(Ag)、のいずれか1種の純金属、またはこれらの2種以上を含む合金、あるいはこれらの金属酸化物で構成することができる。また、上記金属は、銅、鉄、ニッケル、あるいはこれらの金属酸化物であることが特に好ましい。   The metals are copper (Cu), tungsten (W), nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), yttrium (Y), palladium (Pd), platinum (Pt), and gold (Au). , Molybdenum (Mo) and silver (Ag), any one pure metal, an alloy containing two or more of these, or a metal oxide thereof. The metal is particularly preferably copper, iron, nickel, or a metal oxide thereof.

《有機高分子化合物》
本実施形態に用いられる「有機高分子化合物」としては、皮膜形成能に優れた有機高分子であること、少なくとも酸素原子を含む置換基を有していることが好ましい。具体的な有機高分子としては、ポリメチルメタアクリレート(PMMA、poly methyl methacrylate)、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルピロリドン、ポリビニルブチラール、ポリメタアクリレート、ポリ−L−リシン、スルホン化ポリスチレン、グリシジル変性ポリエステル、ポリエステル、スルホン酸変性ポリエステル、カルボン酸変性ポリエステル、カルボキシメチルセルロース、エポキシ樹脂、サッカロース、およびこれらの誘導体からなる群より選ばれる少なくとも1つを有する高分子化合物または共重合体、等を例示することができる。また、N−ドープを行うためには、メラミン等の含窒素有機物をさらに含有すること、例えば、メラミンとPMMAとの混合物を用いること、が好ましい。
《Organic polymer compound》
The “organic polymer compound” used in the present embodiment is preferably an organic polymer excellent in film forming ability and has a substituent containing at least an oxygen atom. Specific organic polymers include polymethyl methacrylate (PMMA, poly methyl methacrylate), polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl butyral, polymethacrylate, poly-L-lysine, sulfonated polystyrene, glycidyl modified. Exemplifying a polymer compound or copolymer having at least one selected from the group consisting of polyester, polyester, sulfonic acid-modified polyester, carboxylic acid-modified polyester, carboxymethyl cellulose, epoxy resin, saccharose, and derivatives thereof Can do. In order to perform N-doping, it is preferable to further contain a nitrogen-containing organic substance such as melamine, for example, to use a mixture of melamine and PMMA.

《水素ガス》
本実施形態のグラフェン形成工程は水素の存在下で行うことが好ましく、水素ガス流の下で行うことがより好ましい。2層から10層の多層グラフェンを得るためには、水素ガス流量は、1sccm以上、100sccm以下の範囲内であることが好ましく、2sccm以上、40sccm以下の範囲内であることがより好ましく、3sccm以上、20sccm以下の範囲内であることが特に好ましい。
《Hydrogen gas》
The graphene formation step of the present embodiment is preferably performed in the presence of hydrogen, and more preferably performed in a hydrogen gas flow. In order to obtain two to ten layers of multilayer graphene, the hydrogen gas flow rate is preferably in the range of 1 sccm or more and 100 sccm or less, more preferably in the range of 2 sccm or more and 40 sccm or less, more preferably 3 sccm or more. , 20 sccm or less is particularly preferable.

《水素ガス以外のガス》
本実施形態のグラフェン形成工程には、水素ガス以外の、アルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガス等のガスを水素ガスと混合して用いてもよい。
《Gas other than hydrogen gas》
In the graphene formation step of this embodiment, a gas other than hydrogen gas, such as argon gas, nitrogen gas, and helium gas, may be mixed with hydrogen gas.

《加熱処理》
本実施形態の多層グラフェン形成工程における加熱処理の温度の上限は、用いる金属基板の融点によって制限されるが、良質なグラフェン作製のためには、800℃以上であることが好ましく、できるだけ高温度であることがより好ましい。例えば、銅基板の場合には1000℃、鉄基板の場合には1500℃、ニッケル基板の場合には1400℃、ステンレス基板の場合には1700℃、モリブデン基板の場合には2600℃、タングステン基板の場合には3000℃であることが好ましい。実用的な観点からは、銅、鉄、ニッケル、ステンレス、シリコン、あるいはこれらの金属の酸化物が重要であり、この点を考慮すると、望ましい加熱温度の範囲は、800℃〜1700℃である。
<Heat treatment>
Although the upper limit of the temperature of the heat treatment in the multilayer graphene forming step of the present embodiment is limited by the melting point of the metal substrate to be used, it is preferably 800 ° C. or higher for producing high-quality graphene, and as high as possible. More preferably. For example, 1000 ° C. for a copper substrate, 1500 ° C. for an iron substrate, 1400 ° C. for a nickel substrate, 1700 ° C. for a stainless steel substrate, 2600 ° C. for a molybdenum substrate, In some cases, the temperature is preferably 3000 ° C. From a practical point of view, copper, iron, nickel, stainless steel, silicon, or oxides of these metals are important, and considering this point, a desirable heating temperature range is 800 ° C to 1700 ° C.

《その他の処理条件》
本実施形態のグラフェン形成工程は、上記の処理以外に、加熱後の冷却速度の制御等を行ってもよい。急激な冷却によってより高品質のグラフェンが形成され、さらにグラフェン以外の炭素(無定形炭素など)の析出を防止することができる。大きな冷却速度を得るためには、加熱後同様の雰囲気下で生成したグラフェンを加熱部分から引き離すことが有効である。
<Other processing conditions>
In the graphene formation step of the present embodiment, control of the cooling rate after heating may be performed in addition to the above processing. High-quality graphene is formed by rapid cooling, and precipitation of carbon other than graphene (such as amorphous carbon) can be prevented. In order to obtain a large cooling rate, it is effective to separate graphene generated in the same atmosphere after heating from the heated portion.

<グラフェン転写工程>
本実施形態のグラフェン転写工程では、グラフェンを複数層有する多層グラフェンのうち少なくとも1層を、該多層グラフェンの層間で剥がして、高分子フィルムに貼り付ける。グラフェン転写の条件等について、以下に説明する。
<Graphene transfer process>
In the graphene transfer step of this embodiment, at least one layer of multilayer graphene having a plurality of graphene layers is peeled off between the multilayer graphene layers and attached to a polymer film. The conditions for graphene transfer and the like will be described below.

《高分子フィルム》
本実施形態に用いられる高分子フィルムとしては、ポリメチルメタアクリレート、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルピロリドン、ポリビニルブチラール、ポリメタアクリレート、ポリ−L−リシン、スルホン化ポリスチレン、グリシジル変性ポリエステル、ポリエステル、スルホン酸変性ポリエステル、カルボン酸変性ポリエステル、カルボキシメチルセルロース、エポキシ樹脂、サッカロース、およびこれらの誘導体からなる群より選ばれる少なくとも1つを有する高分子化合物または共重合体を含むフィルムを例示することができる。
《Polymer film》
As the polymer film used in the present embodiment, polymethyl methacrylate, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl butyral, polymethacrylate, poly-L-lysine, sulfonated polystyrene, glycidyl-modified polyester, polyester, Examples thereof include a film containing a polymer compound or copolymer having at least one selected from the group consisting of sulfonic acid-modified polyester, carboxylic acid-modified polyester, carboxymethyl cellulose, epoxy resin, saccharose, and derivatives thereof.

ここで、本明細書において、「高分子フィルム」には、上記高分子化合物または上記共重合体を含む高分子シート等も含まれる。   Here, in the present specification, the “polymer film” includes a polymer sheet containing the polymer compound or the copolymer.

また、本実施形態に用いられる高分子フィルムは、透明であることが好ましい。グラフェンは透明性を有しているので、上記高分子フィルムが透明であることによって、本実施形態のグラフェン/高分子積層体は透明導電体となる。その結果、当該透明導電体は、ITO(Indium Tin Oxide)の代替品として用いることが可能となる。   Moreover, it is preferable that the polymer film used for this embodiment is transparent. Since graphene has transparency, the graphene / polymer laminate of this embodiment becomes a transparent conductor when the polymer film is transparent. As a result, the transparent conductor can be used as a substitute for ITO (Indium Tin Oxide).

《転写手法》
グラフェンを高分子フィルムに転写する手法について、図2を参照しながら以下に説明する。
<Transcription method>
A method for transferring graphene to a polymer film will be described below with reference to FIG.

多層グラフェン10の高分子フィルム3への転写は、高分子フィルム3を多層グラフェン10の表面に圧着する(押し付ける)ことによって行う。高分子フィルム3の表面は、粘着剤やポリイミド等の転写剤を塗布したり、酸素プラズマ処理等の活性化処理を行ったりして、多層グラフェン10との密着性を予め高めておくことが好ましい。高分子フィルム3の表面の密着力は、基板2と多層グラフェン10との密着力よりも弱くする。また、高分子フィルム3の表面の密着力は、多層グラフェン10間の層間密着力よりも強くする。これにより、基板2上の多層グラフェン10のうち少なくとも1層を高分子フィルム3に転写して取り出すことができる。   The transfer of the multilayer graphene 10 to the polymer film 3 is performed by pressure-bonding (pressing) the polymer film 3 to the surface of the multilayer graphene 10. The surface of the polymer film 3 is preferably preliminarily improved in adhesion to the multilayer graphene 10 by applying a transfer agent such as an adhesive or polyimide, or performing an activation treatment such as an oxygen plasma treatment. . The adhesion force of the surface of the polymer film 3 is made weaker than the adhesion force between the substrate 2 and the multilayer graphene 10. Further, the adhesion of the surface of the polymer film 3 is made stronger than the interlayer adhesion between the multilayer graphenes 10. Thereby, at least one layer of the multilayer graphene 10 on the substrate 2 can be transferred to the polymer film 3 and taken out.

なお、高分子フィルム3がロール状になっている場合には、高分子フィルム3を回転させることによって、多層グラフェン10のうち少なくとも1層を高分子フィルム3に転写する(貼り付ける)ことができる。   When the polymer film 3 is in a roll shape, at least one layer of the multilayer graphene 10 can be transferred (attached) to the polymer film 3 by rotating the polymer film 3. .

転写用のフィルムの一例として、熱硬化型のエポキシ接着剤樹脂と透明ポリエステルフィルムとからなる2層構造の高分子フィルムを挙げることができる。   As an example of the transfer film, a polymer film having a two-layer structure composed of a thermosetting epoxy adhesive resin and a transparent polyester film can be exemplified.

具体的な熱硬化型エポキシ接着剤の例として、芳香族系エポキシ樹脂ビスフェノールA型(エピコート828)や脂環式エポキシ樹脂(例えば、3,4−エポキシシクロヘキシル・メチル−3,4−エポキシシクロヘキシルカルボキシレート(商品名:セロキサイド2021−P))などを示すことができる。これらの硬化剤としては酸無水物系硬化剤が好ましく用いられる。また、イミダゾール系硬化触媒を用いることはより好ましい。   Specific examples of thermosetting epoxy adhesives include aromatic epoxy resin bisphenol A type (Epicoat 828) and alicyclic epoxy resins (for example, 3,4-epoxycyclohexyl methyl-3,4-epoxycyclohexylcarboxy). Rate (trade name: Celoxide 2021-P)) and the like. As these curing agents, acid anhydride curing agents are preferably used. It is more preferable to use an imidazole-based curing catalyst.

このような構成の高分子フィルムの接着層を基板上に形成された多層グラフェンに圧着し、ポリエステル側からの赤外光によってエポキシ接着層を硬化させ、グラフェン層をエポキシ層に転写させることができる。   The adhesive layer of the polymer film having such a structure can be pressure-bonded to the multilayer graphene formed on the substrate, the epoxy adhesive layer can be cured by infrared light from the polyester side, and the graphene layer can be transferred to the epoxy layer .

《ロール状の高分子フィルムを用いる手法》
本実施形態におけるグラフェン/高分子積層体の製造方法は、上記グラフェン転写工程では、ロール状の上記高分子フィルムを用い、ロール状の上記高分子フィルムを回転させることによって、多層グラフェンのうち少なくとも1層を該グラフェンの層間で剥がして、該高分子フィルムに貼り付けることが好ましい。
《Method using roll-shaped polymer film》
In the graphene / polymer laminate manufacturing method according to the present embodiment, in the graphene transfer step, the roll-shaped polymer film is used, and the roll-shaped polymer film is rotated, thereby rotating at least one of the multilayer graphenes. The layer is preferably peeled off between the graphene layers and attached to the polymer film.

<グラフェン転写工程における処理後の基板>
グラフェン転写工程における処理後の基板は、本実施形態におけるグラフェン/高分子積層体の製造方法に再利用することができる。具体的には、当該処理後の基板に再び有機高分子化合物を配置し、上記の条件で処理することによって、グラフェンを得ることができる。この際、有機高分子化合物を配置する前に、基板表面をより高濃度の水素ガスによって熱処理して、単層グラフェンのみを残してもよいし、あるいは完全にグラフェン層を取り除いてもよい。
<Substrate after processing in graphene transfer process>
The substrate after the treatment in the graphene transfer step can be reused in the method for producing the graphene / polymer laminate in the present embodiment. Specifically, graphene can be obtained by placing the organic polymer compound again on the substrate after the treatment and treating the substrate under the above-described conditions. At this time, before the organic polymer compound is disposed, the substrate surface may be heat-treated with a higher concentration of hydrogen gas to leave only the single-layer graphene, or the graphene layer may be completely removed.

(II)本実施形態におけるグラフェン/高分子積層体の構成
本実施形態におけるグラフェン/高分子積層体は、グラフェンを複数層有する多層グラフェンのうち少なくとも1層を、該多層グラフェンの層間で剥がして、高分子フィルムに貼り付ける、グラフェン転写工程を含む製造方法によって製造されるものである。また、本実施形態におけるグラフェン/高分子積層体は、上記多層グラフェンを形成する、グラフェン形成工程をさらに含む製造方法によって製造されるものであることが好ましい。
(II) Configuration of graphene / polymer laminate in the present embodiment The graphene / polymer laminate in the present embodiment peels at least one layer of multilayer graphene having a plurality of graphene layers between the multilayer graphene layers, It is manufactured by a manufacturing method including a graphene transfer process that is attached to a polymer film. Moreover, it is preferable that the graphene / polymer laminated body in this embodiment is manufactured by the manufacturing method which further includes the graphene formation process which forms the said multilayer graphene.

また、本実施形態におけるグラフェン/高分子積層体は、上記高分子フィルムが透明であることが好ましい。グラフェンは透明性を有しているので、上記高分子フィルムが透明であることによって、本実施形態におけるグラフェン/高分子積層体は透明導電体となる。   In the graphene / polymer laminate in the present embodiment, the polymer film is preferably transparent. Since graphene has transparency, when the polymer film is transparent, the graphene / polymer laminate in the present embodiment becomes a transparent conductor.

<本実施形態におけるグラフェン/高分子積層体の物性等>
《表面粗さ(Ra)》
本実施形態におけるグラフェン作製のための金属基板の表面粗さ(Ra)は、0.01μm以下であることが好ましく、0.002μm以下であることがより好ましく、0.001μm以下であることが特に好ましい。金属基板の表面粗さが0.01μmよりも大きい場合には、本実施形態の方法を用いても多層グラフェンから単層または多層グラフェンを剥離することはできない。
<Physical Properties of Graphene / Polymer Laminate in the Present Embodiment>
<< Surface roughness (Ra) >>
The surface roughness (Ra) of the metal substrate for producing graphene in this embodiment is preferably 0.01 μm or less, more preferably 0.002 μm or less, and particularly preferably 0.001 μm or less. preferable. When the surface roughness of the metal substrate is larger than 0.01 μm, the single layer or the multilayer graphene cannot be peeled from the multilayer graphene even by using the method of the present embodiment.

《透過率、表面抵抗値、剥離性等》
本実施形態におけるグラフェンはきわめて良好で、単層グラフェンの場合の透過率(基板の透過率を差し引いた値)はおよそ98%、単位面積あたりの表面抵抗値は1200Ωであった。さらに、本実施形態の方法で剥離されたグラフェン層の層数は剥離面全面で均一であり、グラファイト結晶から剥離を行う場合と比較して極めて優れていた。
<< Transmissivity, surface resistance, peelability, etc. >>
The graphene in this embodiment is extremely good, and the transmittance (value obtained by subtracting the transmittance of the substrate) in the case of single-layer graphene is about 98%, and the surface resistance value per unit area is 1200Ω. Furthermore, the number of graphene layers exfoliated by the method of the present embodiment was uniform over the entire exfoliation surface, and was extremely excellent compared to the case of exfoliation from graphite crystals.

(III)本実施形態におけるグラフェン/高分子積層体の製造装置
本実施形態におけるグラフェン/高分子積層体の製造装置は、主として、ヒーター、真空ポンプ、水素流量制御弁を備えていることが好ましい。
(III) Graphene / polymer laminate manufacturing apparatus in the present embodiment The graphene / polymer stack manufacturing apparatus in the present embodiment preferably mainly includes a heater, a vacuum pump, and a hydrogen flow control valve.

(IV)本実施形態における、透明導電体およびこれを備えたデバイスの構成
本実施形態における透明導電体(透明導電膜)は、グラフェンを複数層有する多層グラフェンのうち少なくとも1層を、該多層グラフェンの層間で剥がして、高分子フィルムに貼り付ける、グラフェン転写工程を含む製造方法によって製造され、上記高分子フィルムが透明である。
(IV) Configuration of transparent conductor and device having the same in this embodiment The transparent conductor (transparent conductive film) in the present embodiment includes at least one of the graphenes having a plurality of graphene layers. It is manufactured by a manufacturing method including a graphene transfer step, which is peeled off between layers and attached to a polymer film, and the polymer film is transparent.

本実施形態における透明導電体は、ITOの代替品として、画素電極等の電極、タッチパネル、直下型LCD−TVの電磁シールド、無機EL電極、有機EL電極、などに適用することができる。   The transparent conductor in the present embodiment can be applied to an electrode such as a pixel electrode, a touch panel, an electromagnetic shield of a direct type LCD-TV, an inorganic EL electrode, an organic EL electrode, or the like as an alternative to ITO.

また、本実施形態におけるデバイスは、上記透明導電体を備えているものである。透明導電体以外の構成は特に限定されず、従来公知の部材を備えていればよい。   Moreover, the device in this embodiment is provided with the said transparent conductor. The configuration other than the transparent conductor is not particularly limited, and may include a conventionally known member.

(V)本実施形態におけるグラフェン/高分子積層体の製造方法の具体例
以下に、本発明のグラフェン/高分子積層体の製造方法について、代表的な具体例としてPMMA薄膜を用いてグラフェンを作製した場合を取り上げ、より具体的に説明する。ただし、本発明のグラフェン/高分子積層体の製造方法は、以下の具体例にのみ限定されるものではない。
(V) Specific Example of Method for Producing Graphene / Polymer Laminate in This Embodiment Hereinafter, a graphene is produced using a PMMA thin film as a typical example of the method for producing a graphene / polymer laminate of the present invention. Take up the case and explain it more specifically. However, the method for producing the graphene / polymer laminate of the present invention is not limited to the following specific examples.

PMMAを100nm程度の厚さとなるようにスピンコート法で銅(Cu)フィルム上に塗る。銅は予め、「SiO/Si基板」上に置かれているものである。そのようにして得られた「PMMA/Cu/SiO/Si基板」を、800℃にて10分間加熱する。その際、「Ar/Hの還元雰囲気」で低圧条件下にてPMMAを熱分解させる。 PMMA is applied on a copper (Cu) film by spin coating so as to have a thickness of about 100 nm. Copper is previously placed on the “SiO 2 / Si substrate”. The “PMMA / Cu / SiO 2 / Si substrate” thus obtained is heated at 800 ° C. for 10 minutes. At this time, PMMA is thermally decomposed under low pressure conditions in an “Ar / H 2 reducing atmosphere”.

これにより、銅上に1層のグラフェン(単層グラフェン)を形成することができる。この単層グラフェンのラマンスペクトルは極めて良好である。具体的には、例えば、「I(2D)/I(G)比」は4程度である。また、2Dの線幅は30cm−1程度である。なお、この単層グラフェンでは、1cm−1四方で10箇所以上のラマンスペクトルを確認すればよい。 Thus, one layer of graphene (single layer graphene) can be formed on copper. This single layer graphene has a very good Raman spectrum. Specifically, for example, the “I (2D) / I (G) ratio” is about 4. The 2D line width is about 30 cm −1 . In this single layer graphene, 10 or more Raman spectra may be confirmed in 1 cm −1 square.

また、1000℃の条件下にてPMMAを出発物質として、アルゴン(Ar)の流量を一定の500sccmにして水素(H)の流量を変化させて同様の操作を行う。 Further, under the condition of 1000 ° C., the same operation is performed by changing the flow rate of hydrogen (H 2 ) using PMMA as a starting material and the flow rate of argon (Ar) at a constant 500 sccm.

(a)水素の流量が50sccmの場合、単層グラフェンだけを形成することができる。このときのグラフェンシートの抵抗は1200Ωである。また、透過率は97.1%である。   (A) When the flow rate of hydrogen is 50 sccm, only single-layer graphene can be formed. The resistance of the graphene sheet at this time is 1200Ω. The transmittance is 97.1%.

(b)水素の流量が10sccmの場合、2層グラフェンを形成することができる。このときのグラフェンシートの透過率は94.3%である。   (B) When the flow rate of hydrogen is 10 sccm, bilayer graphene can be formed. At this time, the transmittance of the graphene sheet is 94.3%.

(c)水素の流量が3〜5sccmの場合、数層(6層程度)グラフェンを形成することができる。このときのグラフェンシートの透過率は83%である。すなわち、ゆっくりとした水素のフローによって、多層グラフェンを形成することができる。   (C) When the flow rate of hydrogen is 3 to 5 sccm, several layers (about six layers) of graphene can be formed. At this time, the transmittance of the graphene sheet is 83%. That is, multilayer graphene can be formed by a slow hydrogen flow.

上記(a)〜(c)によれば、水素の流量でグラフェンの層数を制御することができることがわかる。   According to the above (a) to (c), it is understood that the number of graphene layers can be controlled by the flow rate of hydrogen.

出発物質をPMMAに代えて、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルピロリドン、ポリビニルブチラール、ポリメタアクリレート、サッカロース、等としても、PMMAを用いる場合と同様に、単層および複数層グラフェンを形成することができる。   As in the case of using PMMA, single-layer and multi-layer graphene can be formed by using polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl butyral, polymethacrylate, saccharose, etc. instead of PMMA. it can.

PMMAから得られた単層グラフェンのラマンスペクトルを、サンプルの1cmあたり10箇所以上で確認する。このスペクトルにおいて、最も突出した2つのピークは、1,580cm−1のGピークおよび2,690cm−1の2Dピークである。I2D/Iの強度比は約4である。また、2Dピークの線幅における最大値の半分は約30cm−1である。Dピーク(〜1,350cm−1)はノイズレベルである。 The Raman spectrum of single-layer graphene obtained from PMMA is confirmed at 10 or more locations per 1 cm 2 of the sample. In this spectrum, two peaks most prominent is the 2D peak of G peak and 2,690Cm -1 of 1,580cm -1. The intensity ratio of I 2D / I G is about 4. Moreover, half of the maximum value in the line width of the 2D peak is about 30 cm −1 . The D peak (˜1,350 cm −1 ) is the noise level.

本明細書では、PMMAから得られるグラフェンの厚さが、アルゴン(Ar)および水素(H)ガスの流量を変化させることによって制御され得る事、すなわち、単層グラフェン、2層グラフェンまたは数層グラフェンを製造し得ることを示している。典型的な厚さは、グラフェンにおけるラマンスペクトルおよび紫外線透過率によって評価される。PMMAから得られる2層グラフェンは、アルゴンの流量が500cmSTPmin−1および水素の流量が10cmSTPmin−1場合、1000℃の条件下にて得られる。また、PMMAから得られる数層グラフェンは、アルゴンの流量が500cmSTPmin−1および水素の流量が3〜5cmSTPmin−1場合、1000℃の条件下にて得られる。水素の流量が50cmSTPmin−1以上に増加する場合、単層グラフェンが得られる。単層グラフェンは、550nmの波長で97.1%の紫外線透過率を示す。単層グラフェンは、透明電極材料とすることによって、1200Ωのシート抵抗(R)を有する。2層グラフェンは、550nmの波長で94.3%の紫外線透過率を示す。数層グラフェン、6層グラフェンを評価すれば、550nmの波長で83%の紫外線透過率を示す。2Dピークの形状および位置は、単層グラフェンと、2層グラフェンおよび数層グラフェンとでは異なっている。具体的には、単層グラフェンの2Dピークの形状は、1つの鋭いピークであるのに対し、2層グラフェンおよび数層グラフェンの2Dピークの形状は、グラフェン表面の相互作用によって分裂したピークとなる。2Dピークに対するGピークの位置は、グラフェンフィルムの均一性を示している。I/I2Dの強度比が0.4未満の場合、95%以上が単層グラフェンである。I/I2Dの強度比が約0.8の場合、85%以上が2層グラフェンである。 Herein, the thickness of graphene obtained from PMMA can be controlled by changing the flow rate of argon (Ar) and hydrogen (H 2 ) gas, ie single layer graphene, two layer graphene or several layers It shows that graphene can be produced. Typical thickness is assessed by the Raman spectrum and UV transmission in graphene. Two-layer graphene obtained from PMMA is obtained under conditions of 1000 ° C. when the flow rate of argon is 500 cm 3 STPmin −1 and the flow rate of hydrogen is 10 cm 3 STPmin −1 . In addition, several-layer graphene obtained from PMMA is obtained under conditions of 1000 ° C. when the flow rate of argon is 500 cm 3 STPmin −1 and the flow rate of hydrogen is 3 to 5 cm 3 STPmin −1 . When the flow rate of hydrogen increases to 50 cm 3 STPmin −1 or more, single-layer graphene is obtained. Single layer graphene exhibits 97.1% UV transmission at a wavelength of 550 nm. Single layer graphene has a sheet resistance (R S ) of 1200Ω by using a transparent electrode material. The bilayer graphene exhibits 94.3% UV transmission at a wavelength of 550 nm. If several layers of graphene and 6 layers of graphene are evaluated, an ultraviolet transmittance of 83% is exhibited at a wavelength of 550 nm. The shape and position of the 2D peak is different between single-layer graphene, double-layer graphene, and several-layer graphene. Specifically, the shape of the 2D peak of single-layer graphene is one sharp peak, whereas the shape of the 2D peak of double-layer graphene and several-layer graphene is a peak split by the interaction of the graphene surface . The position of the G peak with respect to the 2D peak indicates the uniformity of the graphene film. When the intensity ratio of I G / I 2D is less than 0.4, 95% or more is single-layer graphene. When the intensity ratio of I G / I 2D is about 0.8, 85% or more is bilayer graphene.

本発明における水素は、還元剤としての働きおよびPMMAから炭素原子を移動させるためのキャリアガスとしての働きを行う。水素のゆっくりとした流れは、多層グラフェンの合成を促す事になる。   Hydrogen in the present invention functions as a reducing agent and as a carrier gas for transferring carbon atoms from PMMA. The slow flow of hydrogen will facilitate the synthesis of multilayer graphene.

さらに、「Ar/H」の流量に応じて、温度を変更することができる。ラマンスペクトル分析におけるD/Gピーク比によって、グラフェンフィルムの品質を評価する。800℃で得られたグラフェンシートのピーク比は0.1未満であり、750℃で得られたグラフェンシートのピーク比は〜0.35である。これにより、PMMAからグラフェンを得るためには、800℃が下限値であるといえる。 Furthermore, the temperature can be changed according to the flow rate of “Ar / H 2 ”. The quality of the graphene film is evaluated by the D / G peak ratio in the Raman spectrum analysis. The peak ratio of the graphene sheet obtained at 800 ° C. is less than 0.1, and the peak ratio of the graphene sheet obtained at 750 ° C. is ˜0.35. Thereby, in order to obtain graphene from PMMA, it can be said that 800 degreeC is a lower limit.

また、Ni、Si等の酸化物および200nmの厚さを有するSiOの基板は、PMMAでコーティングされると、グラフェンを生成する。このラマンスペクトルによれば、PMMAを、1,350cm−1のDピークの無い、高品質な結晶性グラフェン材料にするのに、Niが触媒基板としての効果を奏していることがわかる。同じ条件では、SiまたはSiO上にはグラフェンもアモルファス炭素も得られない。このことは、SiまたはSiO上に堆積(蒸着)されたNiまたはCuの薄膜からグラフェンが得られたことを実証している。さらに、温度と水素濃度とを変更することにより、鉄、Ni、ステンレスなどの金属でも多層グラフェンを得ることができる。鉄においては1500℃の高温での多層グラフェン膜作製が可能であり、このときアルゴンの流量が500cmSTPmin−1および水素の流量が10cmSTPmin−1の場合、5層〜10層の多層グラフェンが形成される。また、ニッケルにおいては1400℃での多層グラフェン作製が可能である。このときアルゴンの流量が500cmSTPmin−1および水素の流量が10cmSTPmin−1の場合、4層〜8層の多層グラフェンの作製が可能である。 In addition, an oxide such as Ni or Si and a substrate of SiO 2 having a thickness of 200 nm generate graphene when coated with PMMA. According to this Raman spectrum, it can be seen that Ni has an effect as a catalyst substrate in order to make PMMA a high-quality crystalline graphene material without a D peak of 1,350 cm −1 . Under the same conditions, neither graphene nor amorphous carbon is obtained on Si or SiO 2 . This demonstrates that graphene was obtained from a thin film of Ni or Cu deposited (evaporated) on Si or SiO 2 . Furthermore, multilayer graphene can be obtained even with metals such as iron, Ni, and stainless steel by changing the temperature and the hydrogen concentration. In iron, a multilayer graphene film can be produced at a high temperature of 1500 ° C., and when the flow rate of argon is 500 cm 3 STPmin −1 and the flow rate of hydrogen is 10 cm 3 STPmin −1 , the multilayer graphene of 5 to 10 layers Is formed. In addition, in nickel, multilayer graphene can be produced at 1400 ° C. At this time, when the flow rate of argon is 500 cm 3 STPmin −1 and the flow rate of hydrogen is 10 cm 3 STPmin −1 , four to eight layers of multilayer graphene can be manufactured.

結論として、本明細書では、固形の炭素源を用いて、一段階の工程にて、初期のグラフェンおよびドーピングされたグラフェンの両方を、制御可能な状態で得ることを示している。これは、CVD法を補完する方法として役立つ。   In conclusion, this document shows that using a solid carbon source, both initial graphene and doped graphene can be obtained in a controllable state in a one-step process. This serves as a supplement to the CVD method.

その後、グラフェン形成工程にて得られたグラフェンを高分子フィルムに転写する。銅基板上に上記条件で形成した6層グラフェン上に熱硬化型の透明エポキシ層(芳香族ビスフェノールA型(エピコート828)を備えたPETフィルムを圧着し、1時間、120℃で加熱後、銅基板より剥離した。なお、用いた硬化剤は、4−メチルヘキサヒドロ無水フタル酸/ヘキサヒドロ無水フタル酸、であり、用いた硬化触媒は、2−エチル−4−メチルイミダゾールである。このときPET基板には4層のグラフェンが転写されたが、驚くべき事にこのときPET上に転写されたグラフェンはほぼ全面に渡って4層であり、きわめて均一なグラフェン膜であった。表面抵抗は340Ω/cmであり、基板の透過率を差し引いた透過率はおよそ90%であった。 Thereafter, the graphene obtained in the graphene forming step is transferred to a polymer film. A PET film provided with a thermosetting transparent epoxy layer (aromatic bisphenol A type (Epicoat 828)) is pressure-bonded on 6-layer graphene formed on a copper substrate under the above conditions, heated at 120 ° C. for 1 hour, and then copper The curing agent used was 4-methylhexahydrophthalic anhydride / hexahydrophthalic anhydride, and the curing catalyst used was 2-ethyl-4-methylimidazole. Four layers of graphene were transferred to the substrate, but surprisingly, the graphene transferred onto the PET at this time was four layers over almost the entire surface, and was a very uniform graphene film with a surface resistance of 340Ω. / Cm 2 , and the transmittance obtained by subtracting the transmittance of the substrate was approximately 90%.

同様の剥離、転写の工程を鉄基板上に形成された6層グラフェンについても行ったが、PET基板に転写されたグラフェンは2層グラフェンであり、表面抵抗は700Ω/cm、基板の透過率を差し引いた透過率は約95%であった。ニッケル基板を用い、形成された8層基板の場合には、4層のグラフェン層が転写され、表面抵抗は320Ω/cm、基板の透過率を差し引いた透過率は90%であった。いずれの場合でもPET高分子フィルムに転写されたグラフェン層の層数はほぼ一定であり、本発明の方法が極めてすぐれた手法であることを示している。 The same peeling and transfer processes were performed for 6-layer graphene formed on an iron substrate, but the graphene transferred to the PET substrate was 2-layer graphene, the surface resistance was 700 Ω / cm 2 , and the transmittance of the substrate The transmittance after subtracting was about 95%. In the case of an 8-layer substrate formed using a nickel substrate, four graphene layers were transferred, the surface resistance was 320 Ω / cm 2 , and the transmittance after subtracting the transmittance of the substrate was 90%. In any case, the number of graphene layers transferred to the PET polymer film is almost constant, indicating that the method of the present invention is a very good method.

なお、高分子フィルムがロール状になっている場合には、ロールと共に高分子フィルムを回転、圧着させることによって、グラフェンの高分子フィルムへの転写(貼り付け)を同時に実施することができる。   When the polymer film is in a roll shape, the graphene can be transferred (attached) to the polymer film simultaneously by rotating and pressing the polymer film together with the roll.

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope shown in the claims. That is, embodiments obtained by combining technical means appropriately modified within the scope of the claims are also included in the technical scope of the present invention.

本発明は、透明導電体等に適用することができるため、エレクトロニクス分野、燃料電池分野等の広範な分野に利用することができる。   Since the present invention can be applied to a transparent conductor or the like, it can be used in a wide range of fields such as the electronics field and the fuel cell field.

1 有機高分子化合物
2 基板
3 高分子フィルム
10 多層グラフェン
1 Organic Polymer Compound 2 Substrate 3 Polymer Film 10 Multilayer Graphene

Claims (12)

金属基板上に形成された、グラフェンを複数層有する多層グラフェンのうち少なくとも1層を、該多層グラフェンの層間で剥がして、高分子フィルムに貼り付ける、グラフェン転写工程
を含むことを特徴とするグラフェン/高分子積層体の製造方法。
A graphene transfer step, comprising: a graphene transfer step of peeling at least one layer of multilayer graphene having a plurality of graphene layers formed on a metal substrate between layers of the multilayer graphene and attaching the graphene to a polymer film A method for producing a polymer laminate.
上記多層グラフェンが、上記金属基板上に形成した有機高分子化合物の層を、水素の存在下で800℃以上、1700℃以下の範囲内の温度にて熱処理して得られたものであることを特徴とする請求項1に記載のグラフェン/高分子積層体の製造方法。   The multilayer graphene is obtained by heat-treating an organic polymer compound layer formed on the metal substrate at a temperature in the range of 800 ° C. or higher and 1700 ° C. or lower in the presence of hydrogen. The method for producing a graphene / polymer laminate according to claim 1. 上記金属基板が、銅、鉄、ニッケル、クロム、シリコンもしくはこれらを少なくとも1種含む合金、またはその酸化物を有するものであることを特徴とする請求項1または2に記載のグラフェン/高分子積層体の製造方法。   3. The graphene / polymer laminate according to claim 1, wherein the metal substrate has copper, iron, nickel, chromium, silicon, an alloy containing at least one of them, or an oxide thereof. Body manufacturing method. 上記多層グラフェンを形成するグラフェン形成工程において、有機高分子化合物に対して、水素ガス流を接触させる処理を行い、
水素ガスの流量が、1sccm以上、100sccm以下の範囲内であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のグラフェン/高分子積層体の製造方法。
In the graphene forming step of forming the multilayer graphene, a process of bringing a hydrogen gas flow into contact with the organic polymer compound is performed.
The method for producing a graphene / polymer laminate according to any one of claims 1 to 3, wherein a flow rate of hydrogen gas is in a range of 1 sccm or more and 100 sccm or less.
上記有機高分子化合物が、少なくとも酸素原子を含む置換基を有していることを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項に記載のグラフェン/高分子積層体の製造方法。   The method for producing a graphene / polymer laminate according to any one of claims 2 to 4, wherein the organic polymer compound has a substituent containing at least an oxygen atom. 上記金属基板の表面粗さ(Ra)が、0.01μm以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のグラフェン/高分子積層体。   The graphene / polymer laminate according to any one of claims 1 to 5, wherein the metal substrate has a surface roughness (Ra) of 0.01 µm or less. 上記グラフェン転写工程では、上記金属基板上に形成された多層グラフェン上に、接着性を有する高分子フィルムを圧着し、その後に、該多層グラフェンのうち少なくとも1層を、該多層グラフェンの層間で剥がして、該高分子フィルムに貼り付けることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のグラフェン/高分子積層体。   In the graphene transfer step, an adhesive polymer film is pressure-bonded onto the multilayer graphene formed on the metal substrate, and then at least one layer of the multilayer graphene is peeled off between the layers of the multilayer graphene. The graphene / polymer laminate according to claim 1, wherein the graphene / polymer laminate is attached to the polymer film. 上記グラフェン転写工程では、ロール状の上記高分子フィルムを用い、
ロール状の上記高分子フィルムを回転させることによって、上記多層グラフェンのうち少なくとも1層を該多層グラフェンの層間で剥がして、該高分子フィルムに貼り付けることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のグラフェン/高分子積層体の製造方法。
In the graphene transfer step, using the roll-shaped polymer film,
The roll-shaped polymer film is rotated so that at least one of the multilayer graphenes is peeled off between the multilayer graphene layers and attached to the polymer film. The method for producing a graphene / polymer laminate according to claim 1.
請求項1〜8のいずれか1項に記載のグラフェン/高分子積層体の製造方法によって製造され得ることを特徴とするグラフェン/高分子積層体。   A graphene / polymer laminate, which can be produced by the method for producing a graphene / polymer laminate according to any one of claims 1 to 8. 上記高分子フィルムが、透明であることを特徴とする請求項9に記載のグラフェン/高分子積層体。   The graphene / polymer laminate according to claim 9, wherein the polymer film is transparent. 請求項1〜8のいずれか1項に記載のグラフェン/高分子積層体の製造方法によって製造され得ることを特徴とする透明導電体。   A transparent conductor which can be produced by the method for producing a graphene / polymer laminate according to claim 1. 請求項11に記載の透明導電体を備えていることを特徴とするデバイス。
A device comprising the transparent conductor according to claim 11.
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