KR101197639B1 - Graphene structure, method of the same and transparent electrode using the graphene structure - Google Patents

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Abstract

비정질 탄소막을 이용한 그래핀 제조 방법 및 그에 의해 제조된 그래핀을 이용한 태양 전지가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조 방법은, 기판 상에 비정질 탄소막을 형성하는 단계; 상기 비정질 탄소막 상에 그래파이트화 촉매막을 형성하는 단계; 및 상기 비정질 탄소막이 결정화되어 상기 그래파이트화 촉매막 상에 그래핀막이 형성되도록, 상기 비정질 탄소막 및 상기 그래파이트화 촉매막을 열처리하는 단계;를 포함한다.Provided are a graphene manufacturing method using an amorphous carbon film and a solar cell using the graphene produced thereby. Graphene manufacturing method according to an embodiment of the present invention, forming an amorphous carbon film on a substrate; Forming a graphitization catalyst film on the amorphous carbon film; And heat-treating the amorphous carbon film and the graphitized catalyst film so that the amorphous carbon film is crystallized to form a graphene film on the graphitized catalyst film.

Description

그래핀 구조, 그 제조 방법 및 그래핀 구조를 이용한 투명 전극{Graphene structure, method of the same and transparent electrode using the graphene structure} Graphene structure, method of manufacturing and transparent electrode using graphene structure {Graphene structure, method of the same and transparent electrode using the graphene structure}

본 발명은 비정질 탄소막을 이용한 그래핀 제조 방법, 그에 의해 제조된 그래핀 구조 및 그래핀 구조를 이용한 투명 전극에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 비정질 탄소막의 금속 접합을 이용한 그래핀 제조 방법, 그래핀 구조 및 그에 의해 제조된 그래핀을 이용한 투명 전극에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing graphene using an amorphous carbon film, a graphene structure and a transparent electrode using the graphene structure produced by the present invention, and more particularly, a method for producing graphene using a metal junction of an amorphous carbon film, graphene It relates to a structure and a transparent electrode using the graphene produced thereby.

본 발명은 교육과학기술부 및 서울대학교 산학협력단의 연구중심대학육성사업의 일환으로　수행한 연구로부터 도출된 것이다. The present invention is derived from the research conducted by the Ministry of Education, Science and Technology and Seoul National University Industry-Academic Cooperation Group as part of the research-oriented university development project.

[과제관리번호: R31-2008-000-10075-0, 과제명: 지속가능성을 위한 하이브리드 재료] [Task Control Number: R31-2008-000-10075-0, Title: Hybrid Materials for Sustainability]

그래핀(graphene)은 탄소(C) 원자 한 층 또는 복수의 층으로 이루어진 벌집 구조의 2차원 박막을 말한다. 탄소 원자는 sp2 혼성궤도에 의해 화학 결합을 하는 경우, 이차원의 탄소 육각망면을 형성한다. 탄소는 최외각 전자가 4개로, 결합을 할 때 4개의 전자가 혼성되어 결합에 참여한다. Graphene refers to a two-dimensional thin film of a honeycomb structure composed of one or more layers of carbon atoms. When the carbon atoms are chemically bonded by sp 2 hybrid orbits, they form a two-dimensional carbon hexagonal network surface. Carbon has four outermost electrons, and when combined, four electrons hybridize to participate.

탄소의 결합에는, sp3 결합을 하는 방법과 sp2 결합을 하는 방법이 있으며, sp3 결합만으로 이루어진 것이 정사각형의 다이아몬드이고 sp2 결합만으로 이루어진 물질이 흑연(graphite) 또는 흑연의 한 층인 그래핀이다. 예를 들면, 원래 s 궤도(orbital)와 p궤도에만 존재해야 할 전자들이, s와 p 궤도를 합친 sp2 및 sp3 의 혼성 오비탈을 갖게 된다. 상기 sp2 혼성 오비탈은 s궤도에 전자 하나와 p궤도에 전자 두 개를 가지므로, sp2 혼성 오비탈은 총 전자 3개를 가지게 되고, 이때 각 전자의 에너지 준위는 동일하다. 각기 s와 p 오비탈을 갖는 것보다 이와 같이 혼성 오비탈을 갖는 것이 안정하기 때문에 혼성 오비탈 상태에 있게 된다. Carbon bonds include sp 3 bonds and sp 2 bonds, and only sp 3 bonds are square diamond and sp 2 bonds are graphite or graphene, a layer of graphite. . For example, electrons that would originally exist only in the orbital and p orbitals have a hybrid orbital of sp 2 and sp 3 that combines the s and p orbits. Since the sp 2 hybrid orbital has one electron in the orbit and two electrons in the orbit, the sp 2 hybrid orbital has a total of three electrons, wherein the energy levels of the respective electrons are the same. It is in a hybrid orbital state because it is more stable to have a hybrid orbital than to have s and p orbitals, respectively.

이와 같은 sp2 결합에 의하여 평면 구조를 가지는 탄소 원자의 집합체가 그래핀이며, 단일층의 두께는 탄소 원자 하나의 크기에 불과하여 약 0.3 nm이다. 그래핀은 그 특성이 금속성으로, 층방향으로 전도성을 가지며 열전도성이 우수하고, 전하 캐리어(carrier)의 이동도(mobility)가 커서 고속 전자 소자를 구현할 수 있다. 그래핀 시트(sheet)의 전자 이동도는 약 20,000 내지 50,000 cm2/Vs의 값을 가지는 것으로 알려져 있다. 그래핀은 역학적 견고성과 화학적 안정성이 뛰어나고, 반도체와 도체의 성질을 모두 가지고 있으며, 두께가 얇아, 평판 표시 소자, 트랜지스터, 에너지 저장체 및 나노 크기의 전자소자로의 응용성이 크다. 그래핀을 이용하면 종래의 반도체 공정 기술을 이용하여 소자를 제조하기 용이하며, 특히 대면적 집적화가 용이한 이점이 있다.By sp 2 bonds, the aggregate of carbon atoms having a planar structure is graphene, and the thickness of a single layer is about 0.3 nm because it is only one carbon atom in size. Graphene has a metallic property, has conductivity in the layer direction, has excellent thermal conductivity, and has high mobility of charge carriers, thereby enabling high-speed electronic devices. It is known that the electron mobility of the graphene sheet has a value of about 20,000 to 50,000 cm 2 / Vs. Graphene has excellent mechanical robustness and chemical stability, has both semiconductor and conductor properties, and is thin, and thus has great applicability to flat panel display devices, transistors, energy storage devices, and nano-sized electronic devices. The use of graphene facilitates fabrication of devices using conventional semiconductor processing techniques, and particularly has the advantage of easy integration of large areas.

그래핀은 특히 태양 전지 또는 광검출기와 같이 빛을 받아 이를 전기로 전환하는 광기전력(photovoltaic) 원리를 이용하는 전자 소자의 전자 수송층 및 투명 전극으로서 크게 주목 받고 있다. 전자 소자의 투명 전극으로는 ITO(Indium Tin Oxide)가 가장 널리 사용되고 있으나, 주재료인 인듐(In)의 가격 상승 및 고갈 가능성으로 인해 제조 비용이 높아지고 있으며, 유연성이 없기 때문에 휘어지는 소자에 적용하기 곤란한 점이 있다. Graphene has attracted much attention as an electron transport layer and a transparent electrode of an electronic device, in particular, using a photovoltaic principle of receiving light and converting it into electricity, such as a solar cell or a photodetector. Indium Tin Oxide (ITO) is the most widely used transparent electrode for electronic devices, but the manufacturing cost is increasing due to the price rise and depletion of indium (In), which is a main material, and it is difficult to be applied to curved devices because of inflexibility. have.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 높은 투과성 및 전기 전도성을 가지는 그래핀 구조 및 그래핀 구조를 이용한 투명 전극을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide a graphene structure having a high permeability and electrical conductivity and a transparent electrode using the graphene structure.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 소자 제작용 기판 상에 직접 그래핀을 형성할 수 있는 그래핀 제조방법 및 이를 이용한 투명 전극을 제공하는 것이다.In addition, the technical problem to be solved by the present invention, to provide a graphene manufacturing method capable of forming a graphene directly on the substrate for manufacturing the device and a transparent electrode using the same.

본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 탄소막을 이용한 그래핀 제조 방법이 제공된다. 상기 그래핀 제조 방법은, 기판 상에 비정질 탄소막을 형성하는 단계; 상기 비정질 탄소막 상에 그래파이트화 촉매막을 형성하는 단계; 및 상기 비정질 탄소막이 결정화되어 상기 그래파이트화 촉매막 상에 그래핀막이 형성되도록, 상기 비정질 탄소막 및 상기 그래파이트화 촉매막을 열처리하는 단계;를 포함한다.A graphene manufacturing method using an amorphous carbon film according to an embodiment of the present invention is provided. The graphene manufacturing method may include forming an amorphous carbon film on a substrate; Forming a graphitization catalyst film on the amorphous carbon film; And heat-treating the amorphous carbon film and the graphitized catalyst film so that the amorphous carbon film is crystallized to form a graphene film on the graphitized catalyst film.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 열처리하는 단계에 의하여, 상기 그래파이트화 촉매막이 응집(agglomeration)된다.In some embodiments of the present invention, the graphitization catalyst film is agglomerated by the heat treatment.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 그래파이트화 촉매막 및 상기 그래핀막의 적층 구조물은 80 % 이상의 투과도를 가진다.In some embodiments of the present invention, the graphitized catalyst film and the laminated structure of the graphene film have a transmittance of 80% or more.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 그래파이트화 촉매막 및 상기 그래핀막의 적층 구조물은 10 Ω/□ 내지 50 Ω/□ 범위의 면저항을 가진다.In some embodiments of the present invention, the graphitized catalyst film and the laminated structure of the graphene film have a sheet resistance in the range of 10 kV / □ to 50 kV / □.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 그래파이트화 촉매막은 가열에 의해 비정질 탄소를 결정화시킬 수 있는 물질이다.In some embodiments of the present invention, the graphite catalyst film is a material capable of crystallizing amorphous carbon by heating.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 그래파이트화 촉매막은 니켈(Ni), 구리(Cu), 코발트(Co), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 철(Fe), 백금(Pt), 팔라듐(Pt) 및 로듐(Rh)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속 또는 금속 합금을 포함한다.In some embodiments of the present invention, the graphitization catalyst film is nickel (Ni), copper (Cu), cobalt (Co), ruthenium (Ru), iridium (Ir), iron (Fe), platinum (Pt), One or more metals or metal alloys selected from the group consisting of palladium (Pt) and rhodium (Rh).

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 비정질 탄소막을 형성하는 단계 이전에, 상기 기판 상에 상기 그래파이트화 촉매막을 형성하는 단계; 및 상기 그래파이트화 촉매막을 열처리하는 단계;를 더 포함한다.In some embodiments of the present invention, prior to forming the amorphous carbon film, forming the graphitization catalyst film on the substrate; And heat treating the graphite catalyst film.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 열처리하는 단계 이후에, 상기 기판을 제거하는 단계;를 더 포함한다.In some embodiments of the present disclosure, the method may further include removing the substrate after the heat treatment.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 열처리하는 단계 이후에, 상기 그래파이트 촉매막을 제거하는 단계;를 더 포함한다.In some embodiments of the present invention, after the heat treatment step, removing the graphite catalyst film; further includes.

본 발명의 다른 실시예에 따른 비정질 탄소막을 이용한 그래핀 제조 방법이 제공된다. 상기 그래핀 제조 방법은, 기판 상에 그래파이트화 촉매막을 형성하는 단계; 상기 그래파이트화 촉매막 상에 비정질 탄소막을 형성하는 단계; 및 상기 비정질 탄소막이 결정화되어 상기 그래파이트화 촉매막 상부 및 하부 중 적어도 하나에 그래핀막이 형성되도록, 상기 비정질 탄소막 및 상기 그래파이트화 촉매막을 열처리하는 단계;를 포함한다.A graphene manufacturing method using an amorphous carbon film according to another embodiment of the present invention is provided. The graphene manufacturing method includes forming a graphitization catalyst film on a substrate; Forming an amorphous carbon film on the graphite catalyst film; And heat-treating the amorphous carbon film and the graphitized catalyst film so that the amorphous carbon film is crystallized to form a graphene film on at least one of the upper and lower portions of the graphitized catalyst film.

본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 구조가 제공된다. 상기 그래핀 구조는, 그래파이트화 촉매 파티클; 및 상기 그래파이트화 촉매 파티클 상의 그래핀 막;을 포함한다.A graphene structure according to an embodiment of the present invention is provided. The graphene structure, the graphitized catalyst particles; And graphene films on the graphitized catalyst particles.

본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극이 제공된다. 상기 투명 전극은, 그래파이트화 촉매 파티클; 및 상기 그래파이트화 촉매 파티클 상의 그래핀 막;을 포함한다.According to one embodiment of the present invention, a transparent electrode is provided. The transparent electrode, the graphitization catalyst particles; And graphene films on the graphitized catalyst particles.

본 발명의 그래핀 구조 및 이를 이용한 투명 전극에 따르면, 높은 전기 전도성 및 광 투과성을 가지는 그래핀 구조 및 투명 전극을 얻을 수 있다.According to the graphene structure of the present invention and the transparent electrode using the same, it is possible to obtain a graphene structure and a transparent electrode having high electrical conductivity and light transmittance.

본 발명의 그래핀 제조 방법에 따르면,　비정질 탄소막의 금속 접합을 이용함으로써, 상대적으로 낮은 온도에서 결정화된 그래핀을 제조할 수 있다. 따라서, 간단한 공정으로 다량의 그래핀 제조가 가능해진다.According to the graphene manufacturing method of the present invention, by using a metal bonding of the amorphous carbon film, it is possible to produce crystallized graphene at a relatively low temperature. Therefore, a large amount of graphene can be produced by a simple process.

본 발명에 따르면, 소자 제작용 기판 상에 직접 그래핀을 형성할 수 있다. 이에 따라, 그래핀을 별도로 제작하여 그래핀을 분리시킨 후, 소자 제작용 기판에 옮기는 과정이 필요 없게 되어, 공정이 간단해지고, 그래핀을 옮기는 과정에서 발생할 그래핀의 손상의 우려가 없다.According to the present invention, it is possible to form graphene directly on the substrate for device fabrication. Accordingly, after the graphene is manufactured separately, the graphene is separated, and the process of transferring the graphene is not necessary, thereby simplifying the process, and there is no fear of damaging the graphene in the process of transferring the graphene.

도 1은 본 발명에 따른 그래핀 구조의 일 실시예를 도시하는 단면도이다.
도 2 내지 도 7은 본 발명에 따른 그래핀 제조 방법의 일 실시예를 도시하는 단면도들이다.
도 8은 본 발명에 따른 그래핀 구조를 도시하는 전자 현미경 사진이다.
도 9는 본 발명에 따른 그래핀 구조의 라만(Raman) 스펙트럼을 도시하는 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 그래핀 구조의 면저항 측정 결과를 도시하는 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 그래핀 구조의 투과도 측정 결과를 도시하는 그래프이다.
도 12 내지 도 15는 본 발명에 따른 그래핀 제조 방법의 다른 실시예를 도시하는 단면도들이다.
도 16은 본 발명에 따른 그래핀 구조를 이용한 태양 전지의 일 실시예를 도시하는 단면도이다.
도 17은 본 발명에 따른 그래핀 구조를 이용한 태양 전지의 다른 실시예를 도시하는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a graphene structure according to the present invention.
2 to 7 are cross-sectional views showing an embodiment of a graphene manufacturing method according to the present invention.
8 is an electron micrograph showing a graphene structure according to the present invention.
9 is a graph showing a Raman spectrum of a graphene structure according to the present invention.
10 is a graph showing the sheet resistance measurement results of the graphene structure according to the present invention.
11 is a graph showing the results of measuring the transmittance of the graphene structure according to the present invention.
12 to 15 are cross-sectional views showing another embodiment of the graphene manufacturing method according to the present invention.
16 is a cross-sectional view showing an embodiment of a solar cell using a graphene structure according to the present invention.
17 is a cross-sectional view showing another embodiment of a solar cell using a graphene structure according to the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments of the present invention are described in order to more fully explain the present invention to those skilled in the art, and the following embodiments may be modified into various other forms, It is not limited to the embodiment. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be more faithful and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.

도 1은 본 발명에 따른 그래핀 구조의 일 실시예를 도시하는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a graphene structure according to the present invention.

도 1을 참조하면, 기판(100) 상에 그래파이트화 촉매 파티클(120P) 및 그래핀막(130)이 형성될 수 있다. 상기 그래파이트화 촉매 파티클(120P)은 박막 형태의 그래파이트화 촉매막이 열처리에 의해 응집(agglomeration)된 형태일 수 있다.Referring to FIG. 1, a graphitization catalyst particle 120P and a graphene film 130 may be formed on a substrate 100. The graphitization catalyst particle 120P may have a form in which the graphitization catalyst film in the form of a thin film is agglomerated by heat treatment.

상기 기판(100)은 탄소가 용해 및 확산되지 않는 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(100)은 유리(glass) 기판, 석영(quartz) 기판 또는 사파이어(sapphire) 기판 일 수 있다. 또는 산화물을 포함하는 기판일 수 있다.The substrate 100 may be made of a material in which carbon is not dissolved and diffused. For example, the substrate 100 may be a glass substrate, a quartz substrate, or a sapphire substrate. Or a substrate including an oxide.

상기 그래파이트화 촉매 파티클(120P)은 비정질 탄소층을 결정화시킬 수 있는 물질일 수 있다. 또한, 금속 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 그래파이트화 촉매 파티클(120P)은 니켈(Ni), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 철(Fe), 백금(Pt), 구리(Cu), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir) 및 로듐(Rh)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다. The graphite catalyst particles 120P may be a material capable of crystallizing the amorphous carbon layer. It may also comprise a metallic material. For example, the graphitization catalyst particles 120P may include nickel (Ni), cobalt (Co), palladium (Pd), iron (Fe), platinum (Pt), copper (Cu), ruthenium (Ru), and iridium ( Ir) and rhodium (Rh) may comprise one or more materials selected from the group consisting of.

상기 그래핀막(130)은 단층 또는 복수의 층의 그래핀으로 이루어질 수 있다. 상기 그래핀막(130)은 상기 그래파이트화 촉매 파티클(120P) 상에 형성될 수 있으며, 연속적인 막의 형태일 수 있다. 상기 그래핀막(130)의 하부는 상기 그래파이트화 촉매 파티클(120P)에 의한 굴곡을 가질 수 있으며, 상부는 굴곡 없이 형성될 수 있다. 또는, 상기 그래핀막(130)의 상부는 상기 그래파이트화 촉매 파티클(120P)에 의한 소정의 굴곡을 가질 수 있다.The graphene film 130 may be formed of graphene of a single layer or a plurality of layers. The graphene film 130 may be formed on the graphitization catalyst particle 120P, and may be in the form of a continuous film. A lower portion of the graphene film 130 may have a bend by the graphitization catalyst particle 120P, and an upper portion thereof may be formed without bending. Alternatively, an upper portion of the graphene film 130 may have a predetermined curvature due to the graphitization catalyst particle 120P.

상기 그래파이트화 촉매 파티클(120P) 및 상기 그래핀막(130)의 적층 구조는 본 명세서에서 그래핀 구조로 지칭된다. 상기 그래핀 구조는 투명 전극으로 사용될 수 있다. 상기 투명 전극은 광 투과성 및 전기 전도성이 요구되는 이미지센서, 태양 전지 및 발광 소자에 사용될 수 있다. 또한, 상기 투명 전극은 PDP, LCD 또는 플렉서블(flexible) 디스플레이와 같은 각종 디스플레이에서 전극층으로 사용될 수 있다.The lamination structure of the graphitization catalyst particle 120P and the graphene film 130 is referred to herein as a graphene structure. The graphene structure may be used as a transparent electrode. The transparent electrode may be used in an image sensor, a solar cell, and a light emitting device that require light transmittance and electrical conductivity. In addition, the transparent electrode may be used as an electrode layer in various displays such as a PDP, LCD, or a flexible display.

도 2 내지 도 7은 본 발명에 따른 그래핀 제조 방법의 일 실시예를 도시하는 단면도들이다.2 to 7 are cross-sectional views showing an embodiment of a graphene manufacturing method according to the present invention.

도 2를 참조하면, 기판(100) 상에 비정질 탄소(amorphous carbon)막(110)이 형성될 수 있다. 상기 비정질 탄소막(110)은 스퍼터링(sputtering)법, 분자 빔 에피텍시(Molecular Beam Epitaxy, MBE) 및 열적 증발법(thermal evaporation)과 같은 물리 기상 증착법(Physical Vapor Deposition, PVD) 또는 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 비정질 탄소막(110)은 수 나노미터 내지 수십 나노미터의 두께, 예를 들어, 1 nm 내지 30 nm의 두께를 가지도록 형성될 수 있다.Referring to FIG. 2, an amorphous carbon film 110 may be formed on the substrate 100. The amorphous carbon film 110 may be formed by physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (sputtering), molecular beam epitaxy (MBE), and thermal evaporation (thermal evaporation). Chemical Vapor Deposition, CVD). The amorphous carbon film 110 may be formed to have a thickness of several nanometers to several tens of nanometers, for example, 1 nm to 30 nm.

도 3을 참조하면, 비정질 탄소막(110) 상에 그래파이트화 촉매막(120)이 형성될 수 있다. 상기 그래파이트화 촉매막(120)은 탄소가 용해(dissolve)될 수 있는 금속 물질을 포함할 수 있다. 즉, 상기 그래파이트화 촉매막(120)을 이루는 금속 물질은 탄소가 용해되어 용액(solution)을 형성할 수 있는 물질로서, 비정질 탄소층을 결정화시킬 수 있는 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 그래파이트화 촉매막(120)은 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 백금(Pt), 구리(Cu), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir) 및 로듐(Rh)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 3, a graphitization catalyst film 120 may be formed on the amorphous carbon film 110. The graphitization catalyst film 120 may include a metal material in which carbon may be dissolved. That is, the metal material constituting the graphitization catalyst film 120 is a material capable of dissolving carbon to form a solution, and may be made of a material capable of crystallizing an amorphous carbon layer. For example, the graphitization catalyst film 120 is nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), platinum (Pt), copper (Cu), ruthenium (Ru), palladium (Pd), iridium ( Ir) and rhodium (Rh) may comprise one or more materials selected from the group consisting of.

상기 그래파이트화 촉매막(120)은 PVD, CVD, 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD) 또는 전해 도금법을 사용하여 형성될 수 있다. 또한, 도 2를 참조하여 전술한, 비정질 탄소막(110)의 형성과 인-시츄(in-situ)로 형성될 수 있다. 상기 그래파이트화 촉매막(120)의 두께는 수 나노미터 내지 수십 나노미터, 예를 들어, 10 nm 내지 30 nm의 두께를 가질 수 있다.The graphitized catalyst film 120 may be formed using PVD, CVD, atomic layer deposition (ALD), or electrolytic plating. In addition, the amorphous carbon film 110 described above with reference to FIG. 2 may be formed in-situ. The graphite catalyst film 120 may have a thickness of several nanometers to several tens of nanometers, for example, 10 nm to 30 nm.

도 4를 참조하면, 기판(100) 상에 적층된 비정질 탄소막(110) 및 그래파이트화 촉매막(120)의 적층 구조가 열처리될 수 있다. 상기 열처리 공정은 300℃ 내지 1200℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다. 저온에서는 탄소가 용해 및 확산되지 않을 수 있으며, 고온에서 열처리되는 경우 기판(100)이 손상될 수 있다. 상기 열처리 공정은 불활성 기체, 예컨대 아르곤(Ar) 가스 분위기에서 수행될 수 있다. 또한, 수소(H2) 가스가 첨가될 수 있다. 예를 들어, 상기 아르곤 가스 및 수소 가스의 부피비는 2:1일 수 있다. 상기 열처리 공정은 예를 들어, 5분 내지 10분 동안 행해질 수 있다. 상기 열처리 공정은 고온 급속 열처리(Rapid Thermal Annealing, RTA) 장비 또는 일반적인 퍼니스(furnace)를 이용하여 수행될 수 있다. 상기 열처리 공정 후, 기판(100) 상에 적층된 비정질 탄소막(110) 및 그래파이트화 촉매막(120)의 적층 구조를 냉각시킬 수 있다. 상기 냉각 공정은 자연 냉각을 이용하여 이루어질 수 있다. Referring to FIG. 4, a stacked structure of the amorphous carbon film 110 and the graphite catalyst film 120 stacked on the substrate 100 may be heat treated. The heat treatment process may be performed in a temperature range of 300 ℃ to 1200 ℃. At low temperatures, carbon may not be dissolved and diffused, and the substrate 100 may be damaged when heat treated at a high temperature. The heat treatment process may be performed in an inert gas, such as argon (Ar) gas atmosphere. In addition, hydrogen (H 2 ) gas may be added. For example, the volume ratio of the argon gas and the hydrogen gas may be 2: 1. The heat treatment process may be performed, for example, for 5 minutes to 10 minutes. The heat treatment process may be performed by using a rapid thermal annealing (RTA) equipment or a general furnace. After the heat treatment process, the stacked structure of the amorphous carbon film 110 and the graphite catalyst film 120 stacked on the substrate 100 may be cooled. The cooling process may be performed using natural cooling.

도 5를 참조하면, 상기 그래핀막(130)은 상기 열처리 공정 중, 비정질 탄소막(110)이 상기 그래파이트화 촉매막(120)에 용해되고 확산하는 과정에 의하여 형성될 수 있다. 즉, 상기 열처리 공정 중에 비정질 탄소막(110)의 탄소는 그래파이트화 촉매막(120)에 용해된다. 그리고 상기 열처리 공정 및 냉각 공정을 통해 그래파이트화 촉매막(120)에 용해된 탄소 원자는 그래파이트화 촉매막(120) 상에 재배열되어 그래핀막(130)을 형성하게 된다. 상기 그래핀막(130)은 비정질 탄소가 상기 그래파이트화 촉매막(120)에 의해 결정화가 유도되어 형성될 수 있다.Referring to FIG. 5, the graphene film 130 may be formed by a process in which an amorphous carbon film 110 is dissolved and diffused in the graphite catalyst film 120 during the heat treatment process. That is, the carbon of the amorphous carbon film 110 is dissolved in the graphite catalyst film 120 during the heat treatment process. Carbon atoms dissolved in the graphitization catalyst film 120 through the heat treatment and cooling processes are rearranged on the graphitization catalyst film 120 to form the graphene film 130. The graphene film 130 may be formed by amorphous carbon being crystallized by the graphitization catalyst film 120.

도 6을 참조하면, 열처리 공정 후에, 그래파이트화 촉매 파티클(120P) 및 그래핀막(130)이 형성될 수 있다. Referring to FIG. 6, after the heat treatment process, the graphitization catalyst particle 120P and the graphene film 130 may be formed.

상기 그래파이트화 촉매 파티클(120P)은 상기 열처리 공정 중에, 그래파이트화 촉매막(120, 도 5 참조)이 응집(agglomeration)되어 형성될 수 있다. 상기 그래파이트화 촉매 파티클(120P)의 크기는, 그래파이트화 촉매막(120)의 두께 및 열처리 온도에 따라 상이할 수 있다. The graphitization catalyst particle 120P may be formed by agglomeration of the graphitization catalyst film 120 (see FIG. 5) during the heat treatment process. The size of the graphitization catalyst particle 120P may be different depending on the thickness of the graphitization catalyst film 120 and the heat treatment temperature.

상기 그래핀막(130)은 비정질 탄소막(110)의 탄소가 모두 결정화되어 형성될 수 있다. 따라서, 상기 그래핀막(130)의 두께는 비정질 탄소막(110)의 두께에 의해 결정될 수 있다. 상기 그래핀막(130)의 두께가 얇은 경우, 도시된 바와 같이 상기 그래파이트화 촉매 파티클(120P)에 의한 표면 굴곡이 형성될 수 있다. 변형된 실시예에서, 도 2의 그래핀 형성 구조와 같이 그래핀막(130)이 표면 굴곡 없이 형성될 수도 있다.The graphene film 130 may be formed by crystallizing all of the carbon of the amorphous carbon film 110. Therefore, the thickness of the graphene film 130 may be determined by the thickness of the amorphous carbon film 110. When the thickness of the graphene film 130 is thin, surface bending by the graphitization catalyst particle 120P may be formed as shown. In a modified embodiment, the graphene film 130 may be formed without surface curvature as in the graphene formation structure of FIG. 2.

도 7을 참조하면, 기판(100)이 제거될 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(100)은 식각 용액을 이용하여 제거될 수 있다. 이에 의해, 그래파이트화 촉매 파티클(120P) 및 그래핀(130)의 적층 구조만 얻을 수 있다. 응용 소자에 따라, 상기 그래핀 구조는 다른 기판에 옮겨서 사용될 수 있다.Referring to FIG. 7, the substrate 100 may be removed. For example, the substrate 100 may be removed using an etching solution. Thereby, only the laminated structure of the graphitization catalyst particle 120P and the graphene 130 can be obtained. Depending on the application device, the graphene structure can be used by transferring to another substrate.

도면에 도시하지는 않았지만, 추가적으로 상기 그래파이트화 촉매 파티클(120P)이 제거되는 공정이 수행될 수 있다. 상기 그래파이트화 촉매 파티클(120P)은, 예를 들어 습식 식각 또는 건식 식각 공정에 의해 선택적으로 제거될 수 있다. 상기 제거 공정은, 상기 기판(100)이 제거된 이후뿐 아니라, 상기 기판(100)이 제거되지 전에도 수행될 수 있다.Although not shown in the drawings, a process of additionally removing the graphite catalyst particles 120P may be performed. The graphite catalyst particles 120P may be selectively removed by, for example, a wet etching process or a dry etching process. The removal process may be performed not only after the substrate 100 is removed but also before the substrate 100 is removed.

본 발명의 변형된 실시예에서, 도 2a를 참조하여 상술한 비정질 탄소막(110)을 형성하는 단계 전에, 상기 기판(100) 상에 그래파이트화 촉매막(120)을 형성하는 단계가 추가될 수 있다. 즉, 비정질 탄소막(110)의 하면 및 상면 모두에 그래파이트화 촉매막(110)이 형성될 수 있다. 또한, 다른 실시예에서, 상기 비정질 탄소막(110)의 하면에 그래파이트화 촉매막(120)을 형성한 이후, 열처리 단계가 추가될 수 있다. 즉, 열처리에 의해 그래파이트화 촉매 파티클(120P)을 기판(100)의 표면에 형성한 후에, 상기 비정질 탄소막(110)을 형성하는 단계를 수행할 수 있다. 이에 의하면, 그래파이트화 촉매 물질과의 접촉 면적이 증가될 수 있다.In a modified embodiment of the present invention, before forming the amorphous carbon film 110 described above with reference to FIG. 2A, the step of forming the graphitization catalyst film 120 on the substrate 100 may be added. . That is, the graphitization catalyst film 110 may be formed on both the bottom surface and the top surface of the amorphous carbon film 110. Further, in another embodiment, after forming the graphitization catalyst film 120 on the lower surface of the amorphous carbon film 110, a heat treatment step may be added. That is, after the graphitization catalyst particle 120P is formed on the surface of the substrate 100 by heat treatment, the amorphous carbon film 110 may be formed. This can increase the contact area with the graphitization catalyst material.

그래핀막을 형성하는 방법은 여러 가지가 공지되어 있다. 대표적으로, 흑연 결정으로부터의 기계적 박리법 또는 실리콘 카바이드(SiC) 결정 열분해 방법에 의하여 형성할 수 있다. Various methods of forming a graphene film are known. Typically, it can be formed by a mechanical peeling method from graphite crystals or by a silicon carbide (SiC) crystal pyrolysis method.

기계적 박리법의 일종인 접착 테이프방법(Scotch tape method)은, 미세 기계적 박리 방법으로 흑연 시료에 접착 테이프를 붙인 다음, 접착 테이프를 떼어내어 접착 테이프 표면에서 흑연으로부터 떨어져 나온 그래핀 시트를 얻는 방식이다. 실리콘 탄화물(SiC) 결정 열분해 방법은, SiC 단결정을 가열하면 표면의 SiC가 분해되어 실리콘(Si)이 제거되며, 남아있는 탄소에 의해 그래핀 시트가 형성되는 원리를 이용한다.  The adhesive tape method, which is a kind of mechanical peeling method, is a method of attaching an adhesive tape to a graphite sample by a fine mechanical peeling method, and then peeling off the adhesive tape to obtain a graphene sheet separated from graphite on the adhesive tape surface. . The silicon carbide (SiC) crystal pyrolysis method uses the principle that when SiC single crystal is heated, SiC on the surface is decomposed to remove silicon (Si), and a graphene sheet is formed by the remaining carbon.

이외에, 증착 공정을 이용하여 그래핀을 형성할 수도 있다. 예를 들어, 사파이어 기판 상에 MBE 또는 CVD를 이용하여 그래핀 에피텍시(epitaxy)를 성장시키며, 그래핀과 사파이어 기판 사이의 결정학적 적합성(crystallographic compatibility) 때문에 에피텍시의 성장이 용이하게 달성될 수 있다. In addition, graphene may be formed using a deposition process. For example, graphene epitaxy is grown using MBE or CVD on sapphire substrate, and epitaxial growth is easily achieved due to crystallographic compatibility between graphene and sapphire substrate. Can be.

본 발명에 따른 그래핀 제조 방법에 따르면, 비정질 탄소막 및 그래파이트화 촉매막의 증착 후 열처리 과정만으로 그래핀막을 형성할 수 있으므로, 간단한 공정을 통해 대면적의 그래핀을 제조할 수 있게 된다. 또한, 기판 상에 바로 그래핀막을 형성할 수 있으므로, 그래핀을 별도로 제작하여 분리시킨 후 소자 제작용 기판에 옮기는 과정이 필요 없게 된다. 따라서, 제조 공정이 간단해지고, 그래핀을 옮기는 과정에서 발생할 그래핀의 손상의 우려가 없어지게 된다. According to the graphene manufacturing method according to the present invention, the graphene film can be formed only by heat treatment after deposition of the amorphous carbon film and the graphitized catalyst film, it is possible to manufacture a large area graphene through a simple process. In addition, since the graphene film can be formed directly on the substrate, it is not necessary to separately manufacture and separate the graphene and then transfer it to the substrate for device fabrication. Therefore, the manufacturing process is simplified, and there is no fear of damaging the graphene that occurs in the process of transferring the graphene.

도 8은 본 발명에 따른 그래핀 구조를 도시하는 전자 현미경 사진이다. 8 is an electron micrograph showing a graphene structure according to the present invention.

도 8을 참조하면, 투과 전자 현미경(Transmission Electron Microscope, TEM)에 의한 분석 결과가 도시된다. 분석에 사용된 그래핀막 및 그래파이트화 촉매막의 적층 구조, 즉 그래핀 구조는 도 2 내지 도 6을 참조하여 전술한 그래핀 제조 방법에 의해 형성된 것으로, 비정질 탄소막 및 그래파이트화 촉매막인 니켈(Ni)이 각각 10 nm 형성된 그래핀 구조를 500℃에서 열처리하였다. 이하의 도면에서, 별도의 언급이 없는 경우 상기 조건에서 형성된 그래핀 구조를 사용하여 분석한 결과에 해당한다.Referring to FIG. 8, the results of analysis by a transmission electron microscope (TEM) are shown. The stacked structure of the graphene film and the graphitized catalyst film used in the analysis, that is, the graphene structure is formed by the graphene manufacturing method described above with reference to FIGS. 2 to 6, and is an amorphous carbon film and a graphitized catalyst film (Ni). The graphene structures formed 10 nm each were heat-treated at 500 ° C. In the following drawings, unless otherwise stated, it corresponds to the result of analysis using the graphene structure formed under the above conditions.

기판(100)은 석영(quartz) 기판을 사용하였으며, 사진 위의 어두운 영역은 분석을 위한 시료 준비 과정에서 형성된 보호막에 해당한다. 그래핀막(130)이 상기 기판(100) 상에 형성되어 있으며, 상기 그래핀막(130)의 격자 줄무늬(lattice fringe)가 나타난다. 비정질 탄소의 결정화 온도는 2000℃ 이상인 것으로 알려져 있으나, 본 발명의 그래핀 제조 방법에 의하면, 니켈(Ni)과 같은 금속 파티클에 의해 결정화가 유도되어 상기 결정화 온도보다 낮은 온도에서도 결정화가 이루어질 수 있다. 본 실시예에서도, 500℃에서의 열처리 공정을 통해 결정화된 그래핀이 얻어짐을 확인할 수 있다.The substrate 100 used a quartz substrate, and the dark area on the photograph corresponds to a protective film formed during the preparation of a sample for analysis. A graphene film 130 is formed on the substrate 100, and lattice fringes of the graphene film 130 appear. It is known that the crystallization temperature of amorphous carbon is more than 2000 ℃, according to the graphene manufacturing method of the present invention, crystallization is induced by metal particles such as nickel (Ni) can be crystallized even at a temperature lower than the crystallization temperature. Also in this embodiment, it can be seen that the crystallized graphene is obtained through a heat treatment at 500 ° C.

도 9는 본 발명에 따른 그래핀 구조의 라만(Raman) 스펙트럼을 도시하는 그래프이다.9 is a graph showing a Raman spectrum of a graphene structure according to the present invention.

도 9를 참조하면, 열처리 온도에 따른 라만 스펙트럼이 도시된다. G 피크(약 1580 cm-1) 및 2D 피크(약 2690 cm-1)의 존재로부터 그래핀이 형성되었음을 알 수 있다. 특히, G 피크는 그래핀의 sp2 결합을 나타내는 피크이다. 도시된 바와 같이, 400℃ 이상의 온도에서 열처리한 결과, 그래핀이 형성되었음을 알 수 있다.Referring to FIG. 9, the Raman spectrum is shown according to the heat treatment temperature. It can be seen that graphene is formed from the presence of the G peak (about 1580 cm −1 ) and the 2D peak (about 2690 cm −1 ). In particular, the G peak is a peak indicating sp 2 bond of graphene. As shown, as a result of heat treatment at a temperature of 400 ℃ or more, it can be seen that the graphene is formed.

참고로, D 피크(약 1340 cm-1)는 그래핀의 결정(grain) 크기와 관련된 것으로, 결정 크기가 커지면 피크가 약화되는 경향을 갖는다. 또한, G 피크(약 1580 cm-1)와 2D 피크(약 2690 cm-1)의 비율을 통해 그래핀막의 두께 경향을 알 수 있다.For reference, the D peak (about 1340 cm −1 ) is related to the grain size of graphene, and as the crystal size increases, the peak tends to be weakened. In addition, the trend of the thickness of the graphene film can be seen through the ratio of the G peak (about 1580 cm −1 ) and the 2D peak (about 2690 cm −1 ).

도 10은 본 발명에 따른 그래핀 구조의 면저항 측정 결과를 도시하는 그래프이다.10 is a graph showing the sheet resistance measurement results of the graphene structure according to the present invention.

도 10을 참조하면, 열처리 온도에 따른 면저항(sheet resistance, Rs)의 측정 결과가 도시된다. 그래파이트화 촉매 파티클(120P, 도 1 참조)을 포함한 그래핀 구조의 면저항은 약 10 Ω/□ 내지 50 Ω/□의 범위를 갖는다. 구체적으로, 400℃에서 열처리 한 경우, 약 20 Ω/□의 면저항 값을 갖는다.Referring to FIG. 10, a measurement result of sheet resistance (Rs) according to a heat treatment temperature is shown. The sheet resistance of the graphene structure including the graphitized catalyst particles 120P (see FIG. 1) ranges from about 10 kPa / square to 50 kPa / square. Specifically, when the heat treatment at 400 ℃, it has a sheet resistance value of about 20 kW / □.

열처리 하지 않은 비정질 탄소의 비저항이 10,000 μΩㆍcm이고, 니켈(Ni)의 비저항이 30μΩㆍcm인 것을 고려하면, 상기 그래핀 구조의 면저항 값은 니켈(Ni)에 특성에 가까운 것으로 볼 수 있다. 즉, 금속과 비슷한 범위의 면저항 값을 갖는다. 따라서, 본 발명에 따른 그래핀막은 높은 전기 전도성을 갖는 것으로 볼 수 있다.Considering that the specific resistance of the amorphous carbon without heat treatment is 10,000 µΩ · cm and the specific resistance of nickel (Ni) is 30 µΩ · cm, the sheet resistance value of the graphene structure can be considered to be close to that of nickel (Ni). That is, it has a sheet resistance value similar to that of metal. Therefore, the graphene film according to the present invention can be seen as having a high electrical conductivity.

도 11은 본 발명에 따른 그래핀 구조의 투과도 측정 결과를 도시하는 그래프이다. 본 투과도 분석은 자외선-가시광선 분광 분석기(UV - visible spectrophotometer)에 의한 것으로, 투과도를 확률로 나타내었다.11 is a graph showing the results of measuring the transmittance of the graphene structure according to the present invention. This transmittance analysis is by means of a UV-visible spectrophotometer (UV-visible spectrophotometer), the transmittance was expressed as a probability.

도 11을 참조하면, 500℃ 이상에서 열처리 한 경우, 투과도가 80 % 이상으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 가시광선 영역에 해당하는 약 400 nm 내지 750 nm의 파장의 전 영역에서 약 75 % 이상의 투과도를 나타낸다. Referring to Figure 11, when the heat treatment at 500 ℃ or more, it can be seen that the transmittance is increased to 80% or more. It exhibits a transmission of at least about 75% in the entire region of the wavelength of about 400 nm to 750 nm corresponding to the visible light region.

참고로, 도면에 도시되지 않았으나, 10 nm 두께의 비정질 탄소막은 약 57 %의 투과도를 갖는다. 또한, 니켈(Ni) 박막만을 열처리 한 경우, 100 %에 가까운 높은 투과도를 나타내며 열처리 온도가 증가할수록 높은 투과도를 나타낸다.For reference, although not shown in the drawing, the 10 nm thick amorphous carbon film has a transmittance of about 57%. In addition, when only the nickel (Ni) thin film is heat treated, it shows high transmittance close to 100% and shows high transmittance as the heat treatment temperature increases.

본 발명에 따른 그래핀 구조는 비정질 탄소막보다 높은 투과도를 나타내는 것을 알 수 있다. 또한, 금속이 열처리 되는 경우 높은 투과도를 나타내는 것을 고려할 때, 그래파이트화 촉매 파티클(120P, 도 1 참조)에 해당하는 니켈(Ni) 파티클은 투과도에 영향을 주지 않는 것으로 생각할 수 있다.It can be seen that the graphene structure according to the present invention exhibits higher transmittance than the amorphous carbon film. In addition, considering that the metal exhibits high transmittance when the metal is heat treated, it may be considered that the nickel (Ni) particles corresponding to the graphitized catalyst particles 120P (see FIG. 1) do not affect the permeability.

도 12 내지 도 15는 본 발명에 따른 그래핀 제조 방법의 다른 실시예를 도시하는 단면도들이다. 도 12 내지 15에서, 도 2 내지 도 6에서와 중복되는 설명은 생략한다. 12 to 15 are cross-sectional views showing another embodiment of the graphene manufacturing method according to the present invention. In FIGS. 12 to 15, descriptions overlapping with those in FIGS. 2 to 6 will be omitted.

도 12를 참조하면, 기판(200) 상에 그래파이트화 촉매막(220)이 형성될 수 있다. 상기 그래파이트화 촉매막(220)은 탄소가 용해될 수 있는 금속 물질을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 12, a graphitization catalyst film 220 may be formed on the substrate 200. The graphitization catalyst film 220 may include a metal material in which carbon may be dissolved.

상기 그래파이트화 촉매막(220)은 PVD, CVD, 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD) 또는 전해 도금법을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 그래파이트화 촉매막(220)의 두께는 수 나노미터 내지 수십 나노미터, 예를 들어, 1 nm 내지 30 nm의 두께를 가질 수 있다.The graphite catalyst film 220 may be formed using PVD, CVD, atomic layer deposition (ALD), or electrolytic plating. The graphitization catalyst film 220 may have a thickness of several nanometers to several tens of nanometers, for example, 1 nm to 30 nm.

도 13을 참조하면, 상기 그래파이트화 촉매막(220) 상에 비정질 탄소막(210)이 형성될 수 있다. 상기 비정질 탄소막(210)은 스퍼터링법 또는 열적 증발법과 같은 PVD를 사용하여 형성될 수 있다. 상기 비정질 탄소막(110)은 수 나노미터 내지 수십 나노미터의 두께, 예를 들어, 10 nm 내지 30 nm의 두께를 가지도록 형성될 수 있다.Referring to FIG. 13, an amorphous carbon film 210 may be formed on the graphite catalyst film 220. The amorphous carbon film 210 may be formed using PVD such as sputtering or thermal evaporation. The amorphous carbon film 110 may be formed to have a thickness of several nanometers to several tens of nanometers, for example, 10 nm to 30 nm.

도 14를 참조하면, 기판(200) 상에 적층된 그래파이트화 촉매막(220) 및 비정질 탄소막(210)의 적층 구조가 열처리될 수 있다. 상기 열처리 공정은 300℃ 내지 1200℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다. 상기 열처리 공정은 불활성 기체, 예컨대 아르곤(Ar) 가스 분위기에서 수행될 수 있다. 또한, 수소(H2) 가스가 첨가될 수 있다. 예를 들어, 상기 아르곤 가스 및 수소 가스의 부피비는 2:1일 수 있다. 상기 열처리 공정은 예를 들어, 5분 내지 10분 동안 행해질 수 있다. 상기 열처리 공정은 고온 급속 열처리(Rapid Thermal Annealing, RTA) 장비를 통해 이루어질 수 있다. 상기 열처리 공정 후, 기판(100) 상에 적층된 비정질 탄소막(110) 및 그래파이트화 촉매막(120)의 적층 구조를 냉각시킬 수 있다. 상기 냉각 공정은 자연 냉각을 이용하여 이루어질 수 있다. Referring to FIG. 14, a stacked structure of the graphitization catalyst film 220 and the amorphous carbon film 210 stacked on the substrate 200 may be heat treated. The heat treatment process may be performed in a temperature range of 300 ℃ to 1200 ℃. The heat treatment process may be performed in an inert gas, such as argon (Ar) gas atmosphere. In addition, hydrogen (H 2 ) gas may be added. For example, the volume ratio of the argon gas and the hydrogen gas may be 2: 1. The heat treatment process may be performed, for example, for 5 minutes to 10 minutes. The heat treatment process may be performed through rapid thermal annealing (RTA) equipment. After the heat treatment process, the stacked structure of the amorphous carbon film 110 and the graphite catalyst film 120 stacked on the substrate 100 may be cooled. The cooling process may be performed using natural cooling.

도 15를 도 14와 함께 참조하면, 열처리 공정 후에, 그래파이트화 촉매 파티클(220P) 및 그래핀막(230)이 형성될 수 있다. Referring to FIG. 15 together with FIG. 14, after the heat treatment process, the graphitization catalyst particle 220P and the graphene film 230 may be formed.

상기 그래파이트화 촉매 파티클(220P)은 상기 열처리 공정 중에, 그래파이트화 촉매막(220, 도 14 참조)이 응집(agglomeration)되어 형성될 수 있다. The graphitization catalyst particle 220P may be formed by agglomeration of the graphitization catalyst film 220 (see FIG. 14) during the heat treatment process.

상기 그래핀막(230)은 상기 열처리 공정 중에, 비정질 탄소막(210, 도 14 참조)이 상기 그래파이트화 촉매막(220)에 용해되고 확산되어 형성될 수 있다. 상기 그래핀막(230)은 비정질 탄소가 상기 그래파이트화 촉매막(220)에 의해 결정화가 유도되어 형성될 수 있다. 상기 그래핀막(230)은 상기 그래파이트화 촉매막(220)의 상부 및 하부 모두에 형성될 수 있다. 변형된 실시예에서, 상기 그래핀막(230)은 상기 그래파이트화 촉매막(220)의 상부 또는 하부 어느 한 쪽에만 형성될 수도 있다The graphene film 230 may be formed by dissolving and diffusing an amorphous carbon film 210 (see FIG. 14) in the graphitization catalyst film 220 during the heat treatment process. The graphene film 230 may be formed by amorphous carbon being crystallized by the graphitization catalyst film 220. The graphene film 230 may be formed on both the upper and lower portions of the graphitization catalyst film 220. In a modified embodiment, the graphene film 230 may be formed only on either the top or the bottom of the graphitization catalyst film 220.

도 16은 본 발명에 따른 그래핀 구조를 이용한 태양 전지의 일 실시예를 도시하는 단면도이다.16 is a cross-sectional view showing an embodiment of a solar cell using a graphene structure according to the present invention.

태양 전지는 반도체의 성질을 이용하여 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환 시키는 장치이다. 태양 전지는 기본적으로 pn 접합(junction)으로 구성된 다이오드로서 그 동작 원리는 다음과 같다. 태양 전지의 pn 접합에 반도체의 에너지 밴드 갭(band gap)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 생성되고, 이들 전자-정공이 pn 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로 정공은 p층으로 이동함에 따라 pn간에 광기전력이 발생하게 되는데, 이때 태양 전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산하게 된다.Solar cells are devices that convert solar energy into electrical energy using the properties of semiconductors. A solar cell is basically a diode composed of a pn junction, and its operation principle is as follows. When solar light having energy greater than the energy band gap of a semiconductor is incident on a pn junction of a solar cell, electron-hole pairs are generated, and these electron-holes are generated in an electric field formed at the pn junction. As the electron moves to the n-layer and the hole moves to the p-layer, photovoltaic power is generated between pn. At this time, when a load or a system is connected to both ends of the solar cell, current flows to produce power.

도 16을 참조하면, 기판(400) 상에 순서대로 적층된 그라파이트화 촉매 파티클(420P), 그래핀막(430), 반도체층(440) 및 상부 전극층(450)으로 이루어진 태양 전지가 제공된다.Referring to FIG. 16, a solar cell including a graphitization catalyst particle 420P, a graphene film 430, a semiconductor layer 440, and an upper electrode layer 450 stacked in order on a substrate 400 is provided.

상기 기판(400)은 유리, 석영 또는 투명한 플라스틱 기판일 수 있다.The substrate 400 may be a glass, quartz or transparent plastic substrate.

상기 그라파이트화 촉매 파티클(420P) 및 그래핀막(430)은 본 명세서에서 그래핀 구조로 지칭되며, 투명 전극으로서 하부 전극층의 역할을 수행할 수 있다. 상기 그래핀 구조는 도 2 내지 도 6을 참조하여 전술한 제조 방법에 의해 제조될 수 있다. 상기 기판(400)도 상기 그래핀 구조의 제조 시에 사용된 기판을 그대로 사용할 수 있다. The graphitization catalyst particles 420P and the graphene film 430 are referred to herein as graphene structures, and may serve as a lower electrode layer as a transparent electrode. The graphene structure may be manufactured by the manufacturing method described above with reference to FIGS. 2 to 6. The substrate 400 may also be used as it is a substrate used in the manufacture of the graphene structure.

상기 반도체층(440)은 상기 그래핀막(430) 상에 형성되며, p형 반도체층(442), i형 반도체층(444) 및 n형 반도체층(446)이 순서대로 적층된 pin구조를 가질 수 있다. 상기 p형 반도체층(442), i형 반도체층(444) 및 n형 반도체층(446)은 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 비정질 실리콘 또는 화합물 반도체일 수 있다. 상기 i형 반도체층(444)은 p형 반도체층(442) 및 n형 반도체층(446)에 의해 공핍(depletion)되어 내부에 전기장이 발생하게 된다. 태양광에 의해 생성되는 정공 및 전자는 상기 전기장에 의해 드리프트(drift)되어 각각 p형 반도체층(442) 및 n형 반도체층(446)으로 모이게 된다.The semiconductor layer 440 is formed on the graphene film 430, and has a pin structure in which a p-type semiconductor layer 442, an i-type semiconductor layer 444, and an n-type semiconductor layer 446 are sequentially stacked. Can be. The p-type semiconductor layer 442, the i-type semiconductor layer 444, and the n-type semiconductor layer 446 may be monocrystalline silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, or a compound semiconductor. The i-type semiconductor layer 444 is depleted by the p-type semiconductor layer 442 and the n-type semiconductor layer 446 to generate an electric field therein. Holes and electrons generated by sunlight are drift by the electric field and are collected in the p-type semiconductor layer 442 and the n-type semiconductor layer 446, respectively.

상기 상부 전극층(450)은 예컨대 알루미늄(Al) 또는 은(Ag)과 같은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 상기 상부 전극층(450)은 스퍼터링 또는 열적 증발법과 같은 PVD에 의해 형성할 수 있다.The upper electrode layer 450 may include a conductive material such as aluminum (Al) or silver (Ag). The upper electrode layer 450 may be formed by PVD, such as sputtering or thermal evaporation.

본 발명의 그래핀 구조를 이용한 태양 전지에 따르면, 기판(400) 상에 그래핀 구조가 형성된 상태로 바로 태양 전지 소자의 제작이 가능하다. 또한, 상기 그래핀 구조는 투과성 및 전기 전도성이 확보되어, 하부 전극층으로서 사용될 수 있다. 또한, 상기 그래핀 구조가 표면 굴곡을 가지는 경우, 상기 굴곡에 의해 태양광이 산란되고 다양하게 굴절되므로, 태양 전지 내부로의 태양광의 흡수 비율을 증가시킬 수 있다. According to the solar cell using the graphene structure of the present invention, it is possible to manufacture a solar cell device immediately in a state in which a graphene structure is formed on the substrate 400. In addition, the graphene structure is secured permeability and electrical conductivity, can be used as the lower electrode layer. In addition, when the graphene structure has surface curvature, the solar light is scattered and variously refracted by the curvature, thereby increasing the absorption rate of the solar light into the solar cell.

태양 전지는 기판형 태양 전지 및 박막형 태양 전지가 있다. 기판형 태양 전지는 실리콘(Si)과 같은 반도체 물질 자체를 기판으로 이용한 것이며, 박막형 태양 전지는 유리 등과 같은 기판 상에 박막 형태로 반도체를 형성하여 태양 전지를 제조한 것이다. 본 실시예에서는, 박막형 태양 전지를 예로 설명하지만, 본 발명에 따른 그래핀 구조를 이용한 투명 전극은 이에 한정되지 않으며, 기판형 태양 전지에도 적용 가능할 것이다. 예를 들어, 상기 투명 전극은 기판형 태양 전지의 상부 전극층 및/또는 상부 전극층을 위한 보호막으로 사용될 수 있을 것이다. 이 경우, 상기 투명 전극은 단결정 또는 다결정 실리콘(Si)과 같은 반도체 기판 상에 형성될 수 있다.Solar cells include substrate type solar cells and thin film type solar cells. The substrate type solar cell uses a semiconductor material such as silicon (Si) as a substrate, and the thin film type solar cell is a solar cell manufactured by forming a semiconductor in a thin film form on a substrate such as glass. In the present embodiment, a thin-film solar cell is described as an example, but the transparent electrode using the graphene structure according to the present invention is not limited thereto and may be applicable to a substrate-type solar cell. For example, the transparent electrode may be used as a protective film for the upper electrode layer and / or the upper electrode layer of the substrate-type solar cell. In this case, the transparent electrode may be formed on a semiconductor substrate such as single crystal or polycrystalline silicon (Si).

도 17은 본 발명에 따른 그래핀 구조를 이용한 태양 전지의 다른 실시예를 도시하는 단면도이다. 도 17에서, 도 16에서와 중복되는 설명은 생략한다. 17 is a cross-sectional view showing another embodiment of a solar cell using a graphene structure according to the present invention. In FIG. 17, description overlapping with that in FIG. 16 is omitted.

도 17을 참조하면, 기판(500) 상에 순서대로 적층된 반사 방지막(505), 하부 전극층(535), 그라파이트화 촉매 파티클(520P), 그래핀막(530), 반도체층(540) 및 상부 전극층(550)으로 이루어진 태양 전지가 제공된다.Referring to FIG. 17, an anti-reflection film 505, a lower electrode layer 535, a graphitized catalyst particle 520P, a graphene film 530, a semiconductor layer 540, and an upper electrode layer may be sequentially stacked on the substrate 500. A solar cell consisting of 550 is provided.

상기 기판(500)은 유리, 석영 또는 투명한 플라스틱 기판일 수 있다.The substrate 500 may be a glass, quartz or transparent plastic substrate.

상기 반사 방지막(505)은 상기 기판(500)을 통해 입사된 태양광이 반도체층(540)에 흡수되지 못하고 바로 외부로 반사됨으로써 태양 전지의 효율을 저하시키는 현상을 방지하는 역할을 한다. 상기 반사 방지막(505)은 예컨대 실리콘 질화물(SiN) 또는 실리콘 산화물(SiO2)일 수 있다.The anti-reflection film 505 serves to prevent a phenomenon in which solar light incident through the substrate 500 is not absorbed by the semiconductor layer 540 and is directly reflected to the outside, thereby reducing the efficiency of the solar cell. The anti-reflection film 505 may be, for example, silicon nitride (SiN) or silicon oxide (SiO 2 ).

상기 하부 전극층(535)은 ZnO, SnO2 및 ITO와 같은 투명 전도성 산화물(Transparent Conductive Oxide, TCO)일 수 있다. 또한, 상기 물질에 소량의 불순물을 첨가하여 전도성이 향상되도록 할 수도 있다.The lower electrode layer 535 may be a transparent conductive oxide (TCO) such as ZnO, SnO 2, and ITO. In addition, a small amount of impurities may be added to the material to improve conductivity.

상기 그라파이트화 촉매 파티클(520P) 및 그래핀막(530)은 그래핀 구조로 지칭하며, 상기 하부 전극층(535)을 보호하는 역할을 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 전극층(535)가 형성된 후, 후속의 배선 공정에서 전해 도금법이 사용되는 경우, 전해 용액에 의한 상기 하부 전극층(535)의 손상을 방지할 수 있다. 또한, 상기 그래핀 구조는 투과성이 높을 뿐 아니라, 전도성이 높으므로, 상기 하부 전극층(535)과 이중층을 이루어 전극으로 사용될 수도 있다.The graphitization catalyst particles 520P and the graphene film 530 may be referred to as graphene structures, and may serve to protect the lower electrode layer 535. For example, after the lower electrode layer 535 is formed, when the electroplating method is used in a subsequent wiring process, damage to the lower electrode layer 535 by the electrolytic solution can be prevented. In addition, the graphene structure may be used as an electrode by forming a double layer with the lower electrode layer 535 since the graphene structure has high permeability and high conductivity.

상기 그래핀 구조는 도 2 내지 도 7을 참조하여 전술한 제조 방법에 의해 제조될 수 있다. 상기 그래핀 구조는 상기 기판(500), 반사 방지막(505) 및 하부 전극층(535)의 적층 구조 상에 직접 형성될 수 있다. 또는, 별도의 다른 기판에서 형성되어 옮겨질 수도 있다.The graphene structure may be manufactured by the manufacturing method described above with reference to FIGS. 2 to 7. The graphene structure may be directly formed on the stacked structure of the substrate 500, the anti-reflection film 505, and the lower electrode layer 535. Alternatively, it may be formed and moved on another separate substrate.

상기 반도체층(540)은 상기 그래핀막(530) 상에 형성되며, p형 반도체층(542), i형 반도체층(544) 및 n형 반도체층(546)이 순서대로 적층된 pin구조를 가질 수 있다. 상기 p형 반도체층(542), i형 반도체층(544) 및 n형 반도체층(546)은 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 비정질 실리콘 또는 화합물 반도체일 수 있다.The semiconductor layer 540 is formed on the graphene film 530 and has a pin structure in which a p-type semiconductor layer 542, an i-type semiconductor layer 544, and an n-type semiconductor layer 546 are sequentially stacked. Can be. The p-type semiconductor layer 542, the i-type semiconductor layer 544, and the n-type semiconductor layer 546 may be single crystal silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, or a compound semiconductor.

상기 상부 전극층(550)은 예컨대 알루미늄(Al) 또는 은(Ag)과 같은 도전성 물질을 포함할 수 있다. The upper electrode layer 550 may include a conductive material such as aluminum (Al) or silver (Ag).

본 발명의 그래핀 구조를 이용한 태양 전지에 따르면, 상기 그래핀 구조는 투과성 및 전기 전도성이 확보되어, 하부 전극층인 ITO와 함께 전극으로 사용될 수 있다. 또는, 상기 그래핀 구조는 상기 하부 전극층을 보호하는 역할을 수행할 수 있다.According to the solar cell using the graphene structure of the present invention, the graphene structure is secured permeability and electrical conductivity, it can be used as an electrode with the lower electrode layer ITO. Alternatively, the graphene structure may serve to protect the lower electrode layer.

이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. Will be clear to those who have knowledge of.

100, 200, 400, 500 : 기판
110, 210 : 비정질 탄소막
120, 220 : 그래파이트 촉매막
120P, 220P, 420P, 520P : 그래파이트화 촉매 파티클
130, 230, 430, 530 : 그래핀막
440, 540 : 반도체층
442, 542 : p형 반도체층
444, 544 : i형 반도체층
446, 546 : n형 반도체층
450, 550 : 상부 전극층100, 200, 400, 500: substrate
110, 210: amorphous carbon film
120, 220: graphite catalyst film
120P, 220P, 420P, 520P: Graphitized Catalyst Particles
130, 230, 430, 530: graphene film
440 and 540: semiconductor layer
442 and 542: p-type semiconductor layer
444, 544: i-type semiconductor layer
446, 546 n-type semiconductor layer
450, 550: upper electrode layer

Claims (12)

기판 상에 비정질 탄소막을 형성하는 단계;
상기 비정질 탄소막 상에 그래파이트화 촉매막을 형성하는 단계; 및
상기 비정질 탄소막이 결정화되어 상기 그래파이트화 촉매막 상에 그래핀막이 형성되도록, 상기 비정질 탄소막 및 상기 그래파이트화 촉매막을 열처리하는 단계;를 포함하고,
상기 열처리하는 단계에 의하여, 상기 그래파이트화 촉매막이 응집(agglomeration)되어 그래파이트화 촉매 파티클이 형성되는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 방법.Forming an amorphous carbon film on the substrate;
Forming a graphitization catalyst film on the amorphous carbon film; And
And heat-treating the amorphous carbon film and the graphitized catalyst film so that the amorphous carbon film is crystallized to form a graphene film on the graphitized catalyst film.
By the heat treatment step, the graphitization catalyst film is agglomerated (agglomeration) is a graphene production method characterized in that the graphitization catalyst particles are formed. 삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 그래파이트화 촉매막 및 상기 그래핀막의 적층 구조물은 80 % 이상의 투과도를 가지는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 방법.The method according to claim 1,
The graphitic catalyst film and the graphene film laminated structure of the graphene manufacturing method characterized in that it has a transmittance of 80% or more. 제1 항에 있어서,
상기 그래파이트화 촉매막 및 상기 그래핀막의 적층 구조물은 10 Ω/□ 내지 50 Ω/□ 범위의 면저항을 가지는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 방법.The method according to claim 1,
The graphitic catalyst film and the laminated structure of the graphene film is graphene manufacturing method characterized in that it has a sheet resistance in the range of 10 Ω / □ to 50 Ω / □. 제1 항에 있어서,
상기 그래파이트화 촉매막은 가열에 의해 비정질 탄소를 결정화시킬 수 있는 물질인 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 방법.The method according to claim 1,
The graphitization catalyst film is a graphene manufacturing method, characterized in that the material capable of crystallizing amorphous carbon by heating. 제1 항에 있어서,
상기 그래파이트화 촉매막은 니켈(Ni), 구리(Cu), 코발트(Co), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 철(Fe), 백금(Pt), 팔라듐(Pt) 및 로듐(Rh)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속 또는 금속 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 방법.The method according to claim 1,
The graphitized catalyst film is nickel (Ni), copper (Cu), cobalt (Co), ruthenium (Ru), iridium (Ir), iron (Fe), platinum (Pt), palladium (Pt) and rhodium (Rh) Graphene manufacturing method characterized in that it comprises at least one metal or metal alloy selected from the group consisting of. 제1 항에 있어서,
상기 비정질 탄소막을 형성하는 단계 이전에,
상기 기판 상에 상기 그래파이트화 촉매막을 형성하는 단계; 및
상기 그래파이트화 촉매막을 열처리하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 방법.The method according to claim 1,
Before forming the amorphous carbon film,
Forming the graphitization catalyst film on the substrate; And
Heat treating the graphite catalyst film;
Graphene manufacturing method characterized in that it further comprises. 제1 항에 있어서,
상기 열처리하는 단계 이후에,
상기 기판을 제거하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 방법.The method according to claim 1,
After the heat treatment step,
Removing the substrate;
Graphene manufacturing method characterized in that it further comprises. 제1 항에 있어서,
상기 열처리하는 단계 이후에,
상기 그래파이트 촉매막을 제거하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조 방법.The method according to claim 1,
After the heat treatment step,
Removing the graphite catalyst film;
Graphene manufacturing method characterized in that it further comprises. 삭제delete 제1 항, 및 제3 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 따른 상기 그래파이트화 촉매 파티클 및 상기 그래핀막을 포함하는 그래핀 구조.A graphene structure comprising the graphitized catalyst particles and the graphene film according to any one of claims 1 and 3 to 9. 제1 항, 및 제3 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 따른 상기 그래파이트화 촉매 파티클 및 상기 그래핀막을 포함하는 투명 전극.10. A transparent electrode comprising the graphitized catalyst particles and the graphene film according to claim 1.
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