KR101007424B1 - 그래핀을 이용한 가변 에너지 가시광 방출 투과 광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 그래핀을 이용한 가시광 방출 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 그라파이트의 한 층을 구성하는 우수한 물리적 특성과 투과(Tunneling) 현상을 갖는 그래핀을 이용하여 가시광 에너지를 조절할 수 있는 그래핀을 이용한 가시광 방출 소자 및 그 제조방법을 제공한다.

그라파이트, 그래핀, 가시광 방출 소자

Description

그래핀을 이용한 가변 에너지 가시광 방출 투과 광소자 및 그 제조방법{ Variable energy visible light tunneling emitter using graphene and manufacturing method of the same}

본 발명은 그래핀을 이용한 가시광 방출 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 그라파이트의 한 층을 구성하는 우수한 물리적 특성과 투과(Tunneling) 현상을 갖는 그래핀을 이용하여 가시광 에너지를 조절할 수 있는 그래핀을 이용한 가시광 방출 소자 및 그 제조방법을 제공한다.

최근 들어 대형 디스플레이 개발에 다양한 발광소자가 적용되고 있으며, 종래의 음극선관을 이용한 디스플레이는 부피가 크고 무거우며 전력소모가 크다는 문제점이 있었다.

이를 해결하기 위하여 액정, 플라즈마, 유기발광, 전자방출 등을 이용한 평판 디스플레이 기술이 개발되어 실시되고 있다. 특히 유기발광 디스플레이와 전자방출 디스플레이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 상기 전자방출 디스플레이는 탄소나노튜브의 출현과 함께 그 우수성 때문에 많은 연구가 진행되고 있으나 전자방출의 균일성, 시간에 따라 급격하게 변하는 전자방출, 주변 기체와의 반응에 의한 성능 저하 등이 문제점으로 남아 있다.

또한, 현재 칼라디스플레이는 다양한색을 표현하기 위해 각각의 삼원색을 방출하는 3개의 형광물질을 사용하거나 또는 3개의 발광장치로 구성하고, 각 삼원색의 빛의 강도를 조절하고 합성하여 원하는 색상을 표시되도록 하였다.

일반적인 가시광 발광소자는 무기물 발광소자와 유기물 발광소자로 구분할 수 있으며, 상기 무기물 발광소자의 주재료는 주기율표상의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물로 구성된 화합물 반도체이다. 특히 삼원색을 방출하는데 반드시 필요한 청색 빛의 발광소자는 최근에서야 개발이 이루어졌으나 큰 크기의 반도체 결정성장이 아직도 어렵기 때문에 무기물로 대형 발광장치를 제조하기에는 비용이 많이 소요된다는 문제점이 있었다.

또한, 유기물을 이용한 유기발광 소자가 개발되어 대형장치에도 사용되고 있으나 여전히 발광효율, 수명, 기판관련 기술 등이 부족한 상태이며 대형 디스플레이와 같은 초대형 장치에는 적용하기 적합하지 않다는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 물리적인 특성과 투과 현상을 갖는 그래핀을 이용하여 가시광 방출 투과 광소자를 제공함으로써 가시광 에너지를 조절할 수 있고, 우수하고 안정적인 가시광을 방출할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 전자를 방출하는 별도의 에미터(또는 캐소드)를 제조하는 공정없이 상용하는 그라파이트를 이용하여 그래핀을 형성하고, 그 그래핀을 에미터로 이용함으로써 대형의 가시광 방출 소자를 제조할 수 있도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

또한, 별도의 에미터 제조공정 없이 일정한 크기로 형성된 그래핀을 에미터로 이용함으로써 가시광 방출 소자의 제조공정을 단순화하고, 이로 인해 제조비용을 절감할 수 있도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판과; 상기 기판 상부에 일정거리 이격되어 부착된 두개의 그래핀 편과; 상기 두개의 그래핀 편 상부에 일부분이 노출되도록 각각 형성된 절연층과; 상기 노출된 그래핀 편 상부에 각각 형성된 제1전극들과; 상기 절연층 상부에 형성된 제2전극들을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 가변 에너지 가시광 방출 투과 광소자를 제공한다.

또한, Si/SiO₂ 기판 상부에 원하는 크기로 절단된 두개의 그래핀 편을 일정거리 이격시켜 부착하는 단계와; 상기 두개의 그래핀 편 상부에 각각 산화금속을 이용하여 절연층을 형성하는 단계와; 상기 각각의 노출된 그래핀 편 상부에 금속을 이용하여 제1금속전극층을 형성하는 단계와; 상기 각각의 절연층 상부에 금속을 이용하여 제2금속전극층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 가변 에너지 가시광 방출 투과 광소자의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 물리적인 특성과 투과 현상을 갖는 그래핀을 이용하여 가시광 방출 투과소자를 제공함으로써 가시광 에너지를 조절할 수 있고, 우수하고 안정적인 가시광을 방출할 수 있도록 한다.

또한, 전자를 방출하는 별도의 에미터를 제조하는 공정없이 상용하는 그라파이트를 이용하여 그래핀을 형성하고, 그 그래핀을 에미터로 이용함으로써 대형의 가시광 방출 소자를 제조할 수 있다.

또한, 별도의 에미터 제조공정 없이 일정한 크기로 형성된 그래핀을 에미터로 이용함으로써 가시광 방출 소자의 제조공정을 단순화하고, 이로 인해 제조비용을 절감할 수 있다.

본 발명에 사용하는 그래핀은 그라파이트(흑연)를 구성하는 한층의 탄소층을 뜻하는 것이다.

상기 그라파이트는 층상 구조를 가진 결정구조로 층간의 약한 물리적 상호작용으로 층을 형성하며, 각 층 내의 전기 전도도는 층간의 전기 전도도보다 약 1000배 가량 높으며, 층간의 전기 전도도가 작은 것은 층간의 상호작용이 약하기 때문으로, 약한 층간의 상호작용을 이용하여 단일층의 그래핀을 용이하게 그라파이트로부터 분리할 수 있다.

또한, 상기 그래핀의 전자 구조는 종래의 재료와는 달리 선형 에너지 분산 관계를 가지고 있으며, 그 전자구조는 정전기로 조절이 가능하다. 따라서 이러한 특성을 활용하여 가변 에너지 가시광 방출 광소자 및 그 광소자를 이용한 디스플레이의 구현이 가능하다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명을 좀 더 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 도1은 본 발명에 사용하기 위한 그라파이트 및 그 그라파이트로부터 분리한 적은 층의 그래핀을 나타낸 것으로, 이미 좋은 결정구조를 가지고 있으며 상용화되고 있는 높이 Z를 갖는 그라파이트(11)로부터 층간 분리기술을 이용하여 n개로 분리하여 Z/n 높이의 적은 층의 그래핀(12)으로 얻을 수 있다. 이때, 상기 그라파이트의 전형적인 높이 Z는 1 내지 3mm이다.

다음에, 도2는 상기 도1에서 얻어진 그래핀을 가로(Lx)와 세로(Ly)의 크기가 수십 마이크로미터 이내로 재단하는 것을 나타낸 것으로, 도1에서 얻어진 그래핀(12)을 리소그라피 공정, 레이저, 주시터널링현미경(STM) 탐침, 절단기 등을 사용한 물리적인 방법을 이용하여 도시된 재단선(c)을 따라 절단하여 다수개의 그래핀 편들을 제조한다.

다음에, 도3a 및 도3b는 본 발명에 따른 그래핀을 이용한 가변 에너지 가시광 방출 투과 광소자의 제조공정을 순차적으로 나타낸 것으로, 도3a에 도시된 바와 같이 기판(20) 상부에 도2에서 제조된 그래핀 편(30a,30b)을 일정 거리 이격시켜 부착한다. 일측의 그래핀 편(30a)은 애노드 전극으로 사용하고, 타측의 그래핀 편(30b)은 캐소드 전극으로 사용한다. 이때, 상기 기판(20)은 많은 양의 도펀트가 주입된 실리콘(Si)층(21) 상부에 산화실리콘(22)층을 형성한 SiO2/Si 기판을 사용한다. 또한, 상기 기판(20) 상부에 그래핀 편을 올려 놓은 후 그 그래핀 편을 컷팅하고, 그 컷팅된 두개의 그래핀 편을 일정거리 이격시켜 부착할 수도 있다.

다음에, 도3b에 도시된 바와 같이, 상기 SiO2/Si 기판(20) 상부에 부착된 그래핀 편들(30a,30b) 상부에 각각 일부분이 노출되도록 산화알루미늄과 같은 산화금속을 이용하여 절연층(40a, 40b)을 형성하고, 상기 절연층(40a, 40b)이 형성되지 않은 그래핀 편들(30a,30b) 상부에 알루미늄, 구리, 금, 은 등의 금속을 이용하여 제1금속전극층(50a,50b)를 형성한다. 다음에, 상기 절연층(40a,40b) 상부에 알루미늄, 구리, 금, 은 등의 금속을 이용하여 제2금속전극층(60a,60b)을 형성한다.

이때, 상기 절연층(40a, 40b)으로 산화금속물 뿐만 아니라, 유기물절연체 즉 테플론계열 폴리머이나, 포토리지스티브 재료를 스핀 코팅하여 절연체로도 사용할 수 있다.

각각 그래핀의 양쪽 끝에 형성된 상기 제1금속전극층(50a,50b)과 상기 제2금속전극층(60a,60b)은 상기 그래핀 편들(30a, 30b)의 전위를 제어하기 위한 전극으로 사용된다.

다음에, 도4는 도3b와 같은 그래핀 가변 에너지 가시광 방출 투과 광소자의 캐소드 전극(30b) 및 애노드 전극(30a)에 전원들이 연결된 상태를 나타낸 것으로, 상기 제1가변전원(V_A)의해 양전압을 기판의 도펀트가 주입된 실리콘층(21)에 인가하고 음전압을 제2금속전극층(60a)에 인가한다. 또한, 제2가변전원(V_C)을 이용하여 음전압을 도펀트가 주입된 실리콘층(21)에 인가하고 양전압을 제2금속전극층(60b)에 인가한다. 그리고 상기 제1금속전극층(50a)으로 양전압과 상기 제1금속전극층(50b)으로 음전압을 인가하는 제3가변전원(V_SD)를 연결하며, 상기 제3가변전원(V_SD)과 직렬로 전류계를 연결하여 제3가변전원(V_SD)에 의해 흐르는 전류를 제어할 수 있도록 한다.

상기와 같이 상기 제1가변전원(V_A)과 상기 제2가변전원(V_C)을 인가하면 애노드 전극(30a)에는 홀이 축적되고, 캐소드 전극(30b)에는 전자가 축적된다. 따라서 두 전극 사이에 상기 제3가변전원(V_SD)을 이용하여 전압을 인가하면 캐소드 전극(30b)에 축적되어 있는 전자가 캐소드 전극(30b)과 애노드 전극(30a)간의 이격된 공간(Tunneling barrier)을 투과하여(Tunneling) 애노드 전극(30a)에 축적된 홀과 재결합하게 되고(recombination), 재결합의 결과로 빛(L)을 방출하게 된다.

도5는 본 발명에 따른 그래핀 가변 에너지 가시광 방출 투과 광소자의 두 전극의 에너지 밴드 구조를 나타낸 것으로, 상기 제2가변전원(V_C)에 의해 제2금속전극층(60b)에 양의 전압이 인가되면 캐소드 전극(30b)에 있는 높은 에너지 레벨의 전자가 상기 제1가변전원(V_A)에 의해 음의 전압이 인가된 제2금속전극층(60a)측의 애노드 전극(30a)에 있는 낮은 에너지 레벨의 홀쪽으로 이동하여 재결합하는 과정에서 빛이 방출된다. 이 때 제3가변전원(V_SD)을 이용하여 캐소드 전극(30b)과 애노드 전극(30a) 간의 전압을 조절하거나 제1가변전원(V_A) 및 상기 제2가변전원(V_C)의 전압을 조절하여 방출되는 빛의 에너지(파장)를 조절할 수 있다.

이상과 같이 본 발명을 도면에 도시한 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이는 발명을 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 발명의 상세한 설명으로부터 다양한 변형 또는 균등한 실시예가 가 능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 권리범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 결정되어야 한다.

도1은 본 발명에 사용되는 그래파이트와 그래핀을 나타낸 도면.

도2는 본 발명에 사용되는 그래핀을 컷팅하기 위해 절단선을 나타낸 도면.

도3a 도3b는 본 발명에 따른 그래핀 가변 에너지 가시광 방출 투과 광소자의 제조공정을 순차적으로 나타낸 도면.

도4는 본 발명에 따른 그래핀 가변 에너지 가시광 방출 투과 광소자에 가변전원을 연결한 상태를 나타낸 도면.

도5는 도4의 광소자를 구성하는 두 전극 사이의 에너지 준위를 나타낸 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11 : 그라파이트 12 : 그래핀

20 : 기판 21 : 도펀트가 주입된 실리콘층

22 : 산화실리콘층 30a: 그래핀 편(애노드 전극)

30b: 그래핀 편(캐노드 전극) 40a,40b: 절연층

50a,50b: 제1금속전극층 60a,60b: 제2금속전극층

V_A : 제1가변전원 V_C : 제2가변전원

V_SD : 제3가변전원 A : 전류계

c : 절단선 L : 가시광

Claims (10)

1. 기판과;

   상기 기판 상부에 일정거리 이격되어 부착된 두개의 그래핀 편과;

   상기 두개의 그래핀 편 상부에 일부분이 노출되도록 각각 형성된 절연층과;

   상기 노출된 그래핀 편 상부에 각각 형성된 제1전극들과;

   상기 절연층 상부에 형성된 제2전극들을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 가변 에너지 가시광 방출 투과 광소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 기판은,

   다량의 도펀트가 주입된 실리콘(Si)층과

   상기 실리콘층 상부에 형성된 산화실리콘층(SiO₂)으로 구성된 Si/SiO₂기판인 것을 특징으로 하는 그래핀 가변 에너지 가시광 방출 투과 광소자.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 그래핀 편의 크기는 가로와 세로가 수십 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 그래핀 가변 에너지 가시광 방출 투과 광소자.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 절연층은 산화금속, 테플론계열 폴리머, 포토리지스티브 중 어느 하나를 이용하여 형성한 것을 특징으로 하는 그래핀 가변 에너지 가시광 방출 투과 광소자.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 전극들 및 상기 제2전극들은 알루미늄, 구리, 금, 은 중 어느 하나를 이용하여 형성한 금속전극층인 것을 특징으로 하는 그래핀 가변 에너지 가시광 방출 투과 광소자.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 기판에 양전압을, 상기 제2전극들 중 어느 한 전극에 음전압을 인가하는 제1가변전원(V_A)과;

   상기 기판에 음전압을, 상기 제2전극들 중 남은 한 전극에 양전압을 인가하는 제2가변전원(V_C)과;

   상기 제1전극들간에 연결된 제3가변전원(V_SD)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 가변 에너지 가시광 방출 투과 광소자.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 제3가변전원과 직렬로 연결된 전류계가 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 그래핀 가변 에너지 가시광 방출 투과 광소자.
8. Si/SiO₂ 기판 상부에 원하는 크기로 절단된 두개의 그래핀 편을 일정거리 이격시켜 부착하는 단계와;

   상기 두개의 그래핀 편 상부에 일부분이 노출되도록 각각 산화금속을 이용하여 절연층을 형성하는 단계와;

   상기 각각의 노출된 그래핀 편 상부에 금속을 이용하여 제1금속전극층을 형성하는 단계와;

   상기 절연층 상부에 금속을 이용하여 제2금속전극층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 가변 에너지 가시광 방출 투과 광소자의 제조방법.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 절연층은,

   산화금속, 테플론계열 폴리머, 포토리지스티브 중 어느 하나를 스핀 코팅법으로 형성한 것을 특징으로 하는 그래핀 가변 에너지 가시광 방출 투과 광소자의 제조방법.
10. 제 8 항에 있어서,

    상기 제1 및 상기 제2 금속전극층은 알루니늄, 구리, 금, 은 중 어느 하나를 이용하여 형성한 것을 특징으로 하는 그래핀 가변 에너지 가시광 방출 투과 광소자의 제조방법.

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