KR101317459B1 - 그래핀 결정면의 광학적 시각화 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 그래핀 결정면의 광학적 시각화 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 측정대상 그래핀 층을 기판상에 형성하고, 형성된 측정대상 그래핀 층상에 액정 층을 형성시킨 다음, 형성된 네마틱 액정 층의 광학적 특성을 측정함으로써, 그래핀의 도메인과 경계면을 광학적으로 시각화할 수 있는 그래핀 결정면의 광학적 시각화 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 그래핀 결정면의 광학적 시각화 방법은 종래의 그래핀 결정면을 관찰하는 방법에 비해 간단하고, 손쉬운 액정 코팅방법을 사용함으로써 그 작업이 단순하고 시간과 비용이 줄어드는 동시에 편광현미경 등으로 관찰 가능한 범위의 매우 넓은 영역의 결정구조를 확인할 수 있어 그래핀 특성을 연구하는데 매우 유용하게 사용할 수 있다.

Description

그래핀 결정면의 광학적 시각화 방법{Method for Optical Visualizing of Graphene Domains}
본 발명은 그래핀 결정면의 광학적 시각화 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 측정대상 그래핀 층을 기판상에 형성하고, 형성된 측정대상 그래핀 층상에 액정 층을 형성시킨 다음, 형성된 네마틱 액정 층의 광학적 특성을 측정함으로써, 그래핀의 도메인과 경계면을 광학적으로 시각화할 수 있는 그래핀 결정면의 광학적 시각화 방법에 관한 것이다.
기존의 실리콘 기반의 무기물 소자가 지니는 한계를 극복하기 위하여 나노와이어, 카본 나노 튜브, 전도성 고분자 등과 같은 첨단 소재들이 다양한 분야에서 연구되고 있다. 특히 최근에 존재가 발견된, 그래핀(graphene)은 탄소 원자가 육각형의 규칙적인 평면 구조를 이루고 있는 물질로 양자홀 효과 등 특이한 물리적 성질을 보인다. 또한 그래핀 한 층은 97.5%의 투과도에서 매우 높은 전기전도도를 가져, 현재 급격히 가격 상승을 보이는 산화 인듐주석(indium tin oxide, ITO) 투명 전극을 대체 할 것으로 기대된다. 이 밖의 그래핀의 유연한 성질은 미래 산업에서 필요로 하는 유연하고 접을 수 있는 소자에 투명전극 및 반도체 소재로써 이용될 수 있다.
그래핀을 실질적인 산업에 응용하기 위해서는 대량의 그래핀 생산 기술을 확보하는 것이 관건이다. 테이프를 이용하여 흑연에서 그래핀을 떼어내는 방법은 질 좋은 그래핀을 얻을 수 있다는 장점이 있지만, 실제 얻어진 그래핀의 크기가 수십 마이크로미터에 불과해 실질적인 산업에서는 응용이 불가능하다. 또한 강산을 이용하여 산화된 그래파이트(graphite oxide)를 물과 같은 용매에 분산하여 그래핀 시트(sheet)를 만드는 방법은 그래핀에 다양한 작용기의 형성과 같은 결함을 유발하기 때문에, 실질적인 그래핀의 뛰어난 전기적 성질을 유지하기가 불가능하다.
구리(Cu), 니켈(Ni) 등의 촉매를 이용하여 기상으로 그래핀을 합성하는 화학기상성장(chemical vapor deposition; CVD) 방법이 양질의 그래핀을 대량으로 합성할 수 있을 것으로 기대되고 있어, 이를 이용한 양질의 그래핀을 합성하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 화학기상성장 방법을 이용하여 합성된 그래핀은 다결정성을 가지고 있어, 단결정을 가졌을 때 예상되는 특성보다 낮은 특성을 보인다. 이는 그래핀 경계에서 전기적, 기계적 성질이 크게 영향을 받기 때문이다.
전술된 바와 같이, 이상적인 특성을 지니는 그래핀을 합성하기 위해서 그래핀의 도메인과 경계를 관찰하는 것은 매우 중요하다. 그러나, 라만 2D 맵핑(Raman 2D mapping) 분석, 저 에너지 전자 회절(Low Energy Electron Diffaction) 분석, 투과전자현미경(Transmittance Electron Microscopy) 분석 등 기존의 방법들은 고가의 장비를 이용하고, 그래핀의 도메인을 관찰하는데 많은 시간이 요구될 뿐 아니라, 그 관찰 범위 또한 수 마이크로로 제한적이다. 따라서 그래핀의 특성을 조절하기 위해서 범용적이며, 손쉽게 그래핀의 결정면을 관찰하는 방법이 요구되고 있다.
이에, 한국공개특허 제2010-0112726호에서는 그래핀의 지그재그 가장자리에서의 흡착 에너지가 다른 부분에서의 흡착 에너지보다 크게 나타나는 원자 또는 분자를 이용하여 그래핀 나노리본의 가장자리 모양을 검출할 수 있는 방법을 개시하고 있으나, 상기 방법은 흡착재의 흡착 여부에 따라 분석 결과가 상이할 수 있고, 그래핀 나노리본의 가장 자리 모양만을 측정할 수 있으며, 측정된 그래핀 나노리본의 가장 자리 모양을 시각화할 수 없다는 문제점이 있다.
이에, 본 발명자들은 범용적이면서 손쉽게 그래핀의 도메인과 경계를 넓은 영역에서 관찰하기 위해 예의 노력한 결과, 측정대상 그래핀 층을 기판상에 형성하고, 형성된 측정대상 그래핀 층상에 액정 층을 형성시킨 다음, 형성된 액정 층의 광학적 특성을 측정할 경우, 그래핀의 도메인과 경계면을 용이하게 광학적으로 시각화할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 주된 목적은 범용적이면서 손쉽게 그래핀의 도메인과 경계를 넓은 영역에서 관찰하기 위한 그래핀 결정면의 광학적 시각화 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 기판상에 측정대상 그래핀 층을 형성하는 단계; (b) 상기 형성된 측정대상 그래핀 층상에 액정 층을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 형성된 액정 층의 광학적 특성을 측정하여 측정대상 그래핀 결정면을 시각화하는 단계를 포함하는, 그래핀 결정면의 광학적 시각화 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 그래핀 결정면의 광학적 시각화 방법은 종래의 그래핀 결정면을 관찰하는 방법에 비해 간단하고, 손쉬운 액정 코팅방법을 사용함으로써 그 작업이 단순하고 시간과 비용이 줄어드는 동시에 편광현미경 등으로 관찰 가능한 범위의 매우 넓은 영역의 결정구조를 확인할 수 있어 그래핀 특성을 연구하는데 매우 유용하게 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 그래핀 결정면의 광학적 시각화 방법의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 액정 층 형성방법 중 모세관 현상 이용방법(a) 및 스핀코팅 방법(b)을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 방법으로 제조된 그래핀의 200 배율의 OM 이미지(a), 10,000 배율의 SEM 이미지(b) 및 SiO2/Si 기판상에 전사된 그래핀의 라만 스펙트럼 측정 그래프(c)이다.
도 4는 그래핀 결정면을 측정한 편광현미경 이미지로, (a)는 그래핀상에 형성된 액정층의 이미지이고, (a')는 액정층이 형성되지 않은 그래핀의 이미지이며, (b) 및 (c)는 그래핀상에 형성된 액정층을 30°회전시킨 전·후의 이미지이고, (d) 및 (e)는 (b) 및 (c)의 모식도이다.
도 5는 ZOC-5162XX-2(a), ZOC-5162XX-5(b) 및 CH-100(c) 액정물질들을 사용하여 관찰한 그래핀 결정면의 편광현미경 이미지이다.
도 6은 드로핑 코팅방법(a), 드로핑 코팅/질소가스 블로잉 주입방법(b), 그래핀과 커버기판의 사이가 각각 5㎛(c) 또는 2㎛(d)인 샌드위치 셀에 액정을 주입하는 방법, 회전속도가 2000rpm(e) 또는 3000rpm(f)인 스핀코팅(spincoating) 방법으로 그래핀 층상에 형성된 액정 층의 편광 현미경 이미지이다.
도 7은 그래핀과 커버기판의 사이가 10㎛인 샌드위치 셀에 5CB 액정을 주입하는 방법으로 그래핀 층상에 형성된 액정 층의 편광 현미경 이미지이다.
도 8은 유리 기판(a) 및 PET 기판(b)을 사용하여 관찰된 그래핀 결정면의 편광현미경 이미지이다.
이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 발명의 실시를 위한 구체적인 내용에서는 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 층 또는 부재가 다른 층 또는 부재와 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 층 또는 부재가 다른 층 또는 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 층 또는 두 부재 사이에 또 다른 층 또는 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 "그래핀 층" 이라는 용어는 복수개의 탄소원자들이 서로 공유결합으로 연결되어 폴리시 클릭 방향족 분자를 형성하는 그래핀이 층 또는 시트 형태를 형성한 것으로서, 상기 공유결합으로 연결된 탄소 원자들은 기본 반복단위로서 6 원환을 형성하나, 5 원환 및/또는 7 원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 따라서 상기 그래핀 층은 서로 공유 결합된 탄소원자들(통상 sp2 결합)의 단일층으로서 보이게 된다. 상기 그래핀 층은 다양한 구조를 가질 수 있으며, 이와 같은 구조는 그래핀 내에 포함될 수 있는 5 원환 및/또는 7 원환의 함량에 따라 달라질 수 있다. 상기 그래핀 층은 상술한 바와 같이 그래핀의 단일층으로 이루어질 수 있으나, 이들이 여러 개 서로 적층되어 복수층을 형성하는 것도 가능하다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 명세서에 사용되는 '광학적 특성'은 측정대상 그래핀상에 네마틱 액정층을 형성시킴으로써 에피택시(epitaxy) 효과에 의해 그래핀 결정의 방향에 따라 액정분자가 재배열되고, 액정분자의 재배열에 의해 변화되는 광학적 특성을 의미하고, '측정대상'은 도메인과 경계면을 관찰할 대상의 그래핀을 의미한다.
본 발명은 일 관점에서, (a) 기판상에 측정대상 그래핀 층을 형성하는 단계; (b) 상기 형성된 측정대상 그래핀 층상에 액정 층을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 형성된 액정 층의 광학적 특성을 측정하여 측정대상 그래핀 결정면을 시각화하는 단계를 포함하는, 그래핀 결정면의 광학적 시각화 방법에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 그래핀 결정면의 광학적 시각화 방법은 도 1에 나타난 바와 같이, 측정대상 그래핀을 기판(5)상에 전사하여 그래핀 층을 형성하고, 형성된 측정대상 그래핀(10) 층에 액정(15) 층을 형성시킨 다음, 형성된 액정(15) 층의 광학적 특성을 편광현미경 등을 이용하여 관찰하는 것이다.
즉, 액정 층이 형성되지 않은 일반 그래핀을 편광 현미경을 이용하여 관찰할 경우, 그래핀 내에 광학적인 변화가 없기 때문에 도메인의 모양과 경계가 식별되지 않는 반면, 그래핀 층상에 액정 층을 형성시킬 경우에는 그래핀 표면을 따라 액정 층의 액정분자가 에피택시(epitaxy)하게 재배열되어 이를 편광현미경 등을 이용하여 액정 층을 관찰함으로써 그래핀의 도메인의 모양과 경계를 용이하게 시각적으로 식별할 수 있다.
본 발명에 있어서, 기판(5)은 그래핀 층상에 형성된 액정층의 이미지가 왜곡되지 않도록 요철 등이 없는 평탄한 기판이면 투명도나 재질에 제한 없이 사용 가능하고, 바람직하게는 웨이퍼나 유리뿐만 아니라, 유연 기판으로 쓰이는 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate; PET) 등과 같은 고분자 기판 등을 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 측정 대상 그래핀(10) 층은 그래핀들이 적층되어 있는 그래파이트, 단일층 그래핀, 다층 그래핀, 그래핀 옥사이드, 그래파이트 옥사이드 등과 같은 단일층 또는 다층 그래핀 또는 그래파이트 산화물, 그래핀 플루라이드(graphene fluoride), 술폰기(SO3H) 등의 기능기를 가지는 그래핀, 그래파이트 기능기화물 또는 그 환원물, 합성을 통해 제조된 그래핀 또는 그래파이트, 팽창된 그래파이트로부터 박리된 그래핀 등과 같이 그래핀 또는 그래파이트 등의 2차원 구조의 탄소 동소체, 디도데실디메틸암모니움브마이드(didodecyldimethylammoniumbromide)화된 그래핀, 페닐이소시아네이트화된 그래파이트 옥사이드, 알킬아민화된 그래핀 등과 같이 단분자, 저분자, 고분자 그래핀 또는 그래파이트, 은(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 등의 파티클 등으로 기능기화된 그래핀류 및 그래파이트류를 모두 포함할 수 있다.
본 발명의 그래핀 결정면의 광학적 시각화 방법은 그래핀 표면과 액정 분자간의 상호작용에 기인하기 때문에 그래핀 표면을 깨끗하게 유지하는 것이 중요하므로, 기판(5)상에 그래핀(10) 층을 전사시킨 후, 아르곤 등과 불활성 분위기나 진공 상태에서 200℃ ~ 600℃로 1분 ~ 1시간 동안 열처리하여 불순물을 제거한다. 이때, 상기 그래핀 층을 200℃ 미만으로 열처리할 경우, 그래핀에 함유되어 있는 불순물의 제거가 제대로 이루어지지 않는 문제점이 있고, 600℃를 초과하는 경우에는 기판이 손상될 수 있는 문제점이 있다.
이러한, 그래핀(10) 층의 형성방법은 기판(5)상에 균일한 그래핀 층을 형성시킬 수 있는 방법이면 제한 없이 사용 가능하고, 기계적 박리법, 화학적 박리법, 화학증기 증착법, 에피택시 합성법, 유기 합성법 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 화학기상성장법(chemical vaper deposition) 등으로 성장시킨 그래핀을 폴리다이메틸실록세인(polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리메틸메스아크릴레이트(poly methyl methacrylate; PMMS), 열방출 테이프, 롤(roll) 등을 이용하여 기판(5)에 전사시켜 그래핀(10) 층을 형성시킬 수 있다.
전술된 바와 같이 기판상에 형성된 그래핀(10) 층은 상기 그래핀 층상에 액정(15) 층을 형성시킨다. 상기 액정(15) 층의 형성은 그래핀 층상에 액정 층을 균일하게 형성시킬 수 있는 방법이면 제한 없이 사용 가능하고, 바람직하게는 드로핑(dropping) 코팅방법, 스핀코팅(spincoating) 방법, 저온 기상 증착 방법, 샌드위치 셀에 채워 넣는 방법, 닥터블레이드 (Doctor Blade) 방법, 페인트브러싱 (paint brushing) 방법, 스프레이 코팅 방법, 침지-인상법 (Dip coating)으로 구성된 군에서 선택되며, 더욱 바람직하게는 스핀 코팅을 이용하여 그래핀 층상에 액정 층을 형성시키거나(도 2a), 그래핀 층상에 커버기판(20)을 배치하여 샌드위치 셀을 제작한 다음, 그래핀 층과 커버기판 사이의 모세관 현상을 이용하여 그래핀 층과 커버기판(20) 사이에 액정을 주입하는 것을 일컫는 샌드위치 셀에 액정을 주입하는 방법(도 2b) 또한 이용할 수 있다.
이때, 액정 층의 두께는 사용되는 액정물질의 고유한 복굴절 값에 따라 결정된다. 배향된 액정층을 통해 가시광선 영역에서 광학적으로 그래핀의 경계면을 관찰하기 위해서는 액정 층의 두께가 300nm ~ 100㎛인 것이 바람직하다. 만약 액정 층의 두께가 300nm 미만인 경우 복굴절 값이 너무 작아서 색(color)을 구별할 수 없으며, 그래핀 표면에 의한 액정 배향뿐만 아니라, 공기로부터 발생되는 배향에 대한 영향을 받을 수 있다는 문제점이 있다. 또한, 액정 층의 두께가 100㎛를 초과하는 경우에는 너무 두꺼워진 액정층 때문에 복굴절에 의한 색을 관찰하기가 어렵다.
상기 액정 층의 액정은 그래핀의 결정방향에 따라 액정 분자가 재배열될 수 있는 모든 네마틱 액정이면 사용 가능하고, 바람직하게는 네마틱 액정으로 탄소수가 2 ~ 30인 알킬기 또는 벤젠링을 가지는 모든 네마틱 액정을 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 4-phetyl-4'-cyanobiphenyl, 4-octyl-4'-cyanobiphenyl, ZOC-5162XX-2(chisso Co., Ltd., Japan), ZOC5162XX-5(chisso Co., Ltd., Japan), CH-100(shichem Co., Ltd., China) 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택된다.
상기 네마틱 액정의 알킬기는 그래핀 층의 그래핀 육각형 구조 중 지그재그 간격과 일치하여 그래핀 층의 결정방향에 따라 알킬기를 가지는 액정분자가 그래핀 표면상에서 각각 적합한 방향으로 에피택시(epitaxy)하게 재배열되어 정착(anchoring)되며, 또한, 액정 분자체에 포함된 벤젠링 구조는 sp2 혼성결합으로 이루어진 육각형 벌집모양의 그래핀 표면과도 강한 상호작용을 한다. 따라서, 그래핀의 결정면에 따라 정착된 액정분자에 의해 빛의 복굴절이 변화되고, 그 결과 각각의 그래핀 결정면(도메인)에 따라 액정 층이 각각 다른 색으로 띄게 되어 그래핀의 결정면을 광학적으로 시각화할 수 있다.
이러한, 재배열된 액정 층의 광학 특성은 평관된 빛을 통하여 측정하는 방법 또는 장치라면 제한 없이 사용 가능하고, 바람직하게는 관찰 가능한 범위가 매우 넓은 편광현미경을 사용하여 그래핀의 결정방향에 따라 재배열된 액정 층의 광학 특성을 관찰, 측정할 수 있다.
이에, 본 발명에 따른 그래핀 결정면의 광학적 시각화 방법은 종래의 그래핀 결정면을 관찰하는 방법에 비해 간단하고, 손쉬운 액정 코팅방법을 사용함으로써 그 작업이 단순하고 시간과 비용이 줄어드는 동시에 편광현미경으로 관찰 가능한 범위의 매우 넓은 영역의 결정구조를 확인할 수 있어 그래핀 특성을 연구하는데 매우 유용하게 사용할 수 있다.
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
실시예 1: 그래핀 결정면 측정
1-1: 그래핀 합성 및 전사
그래핀은 Li 등이 보고한 화학기상성장(CVD)법을 이용하여 합성하였다(Li, X. et al ., Large-area synthesis of high-quality and uniform graphene films on copper foils, Science , 324, 1312-1314, 2009). 먼저, 동박(Cu foil)을 석영관에 삽입한 다음, 90mtorr 압력하에서 10sccm의 속도로 수소를 흘려보내면서 1,000℃로 가열하였다. 그 다음, 1,000℃에 도달하면, 상기 조건에서 2시간 동안 동박을 어닐링(annealing)하고, 메탄(CH4) 및 수소(H2)를 각각 30sccm 및 10sccm으로 30분 동안 석영관을 통과시켰다. 최종적으로 동박은 90mtorr의 압력에서 수소 분위기하에 실온으로 재빨리 냉각시켜 그래핀을 성장시켰다(도 3). 기판에 전사된 그래핀의 지지층 생성을 위해 성장된 그래핀에 PMMA를 스핀코팅하였고, 액상 에천트(FeCl3)을 사용하여 동박을 제거하였으며, 그래핀/PMMA 필름의 잔여 에천트를 제거하기 위해 세척한 다음 유리 또는 SiO2/Si 기판상에 전사시켰다. 이렇게 전사된 그래핀/PMMA 필름에서 PMMA는 아세톤으로 제거하였다. 그래핀 상의 잔여 PMMA 또는 다른 불순물은 아세톤으로 세척한 다음 400℃에서 30분간 열처리하였다.
1-2: 액정 층의 형성
4-pentyl-4'-cyanobiphenyl(이하, 5CB라 함)를 실시예 1-1에서 수득된 그래핀상에 스핀 코팅하였다. 또한, 그래핀 위에 커버 기판을 제작한 다음, 모세관 현상을 이용하여 실시예 1-1에서 수득된 그래핀과 상기 커버 기판사이에 5CB를 주입하였다. 상기 형성된 액정 층의 두께는 2㎛, 5㎛ 및 10㎛이였다.
1-3: 액정 층의 광학적 특성 관찰
실시예 1에서 제조된 SiO2/Si 기판상의 그래핀 층에 5㎛의 두께로 스핀 코팅된 5CB의 광학적 특성을 평가하기 위하여 온도조절장치(hot stage)가 장착된 편광 현미경(LV 100-POL, Nikon)을 이용하여 측정하였다. 또한, 그래핀상에 5CB 분자의 배향을 측정하기 위하여 실시예 1에서 제조된 SiO2/Si 기판상의 그래핀 층에 코팅된 5CB를 빛 확산 방향의 수직이 되도록 회전가능한 편광 현미경 재물대에 탑재시켜 측정하였다.
그 결과, 도 4a'에 나타난 바와 같이, 5CB가 코팅되지 않은 SiO2/Si 기판상의 그래핀 층은 그래핀의 도메인 모양과 경계가 식별되지 않는 반면, SiO2/Si 기판상의 그래핀 층에 스핀 코팅된 5CB(도 4a)은 그래핀의 결정 방향에 따라 다른 색으로 관찰됨으로써 그래핀의 도메인과 경계면을 용이하게 식별할 수 있었다. 또한, 200㎛를 초과하는 그래핀 도메인 영역 또한 용이하게 식별할 수 있음을 확인하였다.
또한, 도 4b에 나타난 바와 같이, 그래핀상에 형성된 액정층은 다른 색으로 구별되는 식별 가능한 경계를 가지는 모자이크와 같은 구조로 나타났고, 동일한 색을 나타낸 도메인은 회전시 같은 복굴절 변화가 나타났으며, 30°시계 방향으로 회전시킬 경우(도 4c)에는 적은 복굴절인 빨간 원의 녹색 도메인이 균일한 어두운 색 및 최소 강도로 나타났다. 이는 액정분자가 분석기 또는 편광판 중 하나에서 배향됨을 알 수 있었다. 또한, 도 4b에서 나타난 붉은색 도메인은 30°회전 후 밝은 흰색으로 변경되었다. 한편, 멀티-도메인 그래핀 표면상의 액정 분자의 편광 현미경 결정 방향에 대한 모식도를 도 4d 및 도 4e에 나타냈다. 그래핀 멀티-도메인에 의해 유도된 네마틱 액정의 배향 변화를 위한 원동력은 강력한 액정 분자-그래핀 상호 작용의 존재에 기인하는 것을 알 수 있었다. 이는 그래핀 표면상에 존재하는 헥사곤이 매우 강한 π - 스태킹(stacking) 상호 작용에 의해 발생으로 시아노비페닐기 및 알킬기를 함유하는 액정의 정돈된 패킹(packing)을 유발하는 것으로 보고되었다(Foster, J. S. & Frommer, J. E. Imaging of liquid crystals using a tunneling microscope. Nature 333, 542-545, 1988; Smith, D. P. E., Horber, H., Gerber, C. & Binning, G. Smectic liquid crystal monolayers on graphite observed by scanning tunneling microscopy, Science 245, 43-45, 1989).
실험예 1: 액정 종류에 따른 광학적 특성 관찰
액정 종류에 따른 그래핀의 도메인 및 경계면을 측정하기 위하여 액정 층의 형성방법에 따른 그래핀의 도메인 및 경계면을 측정하기 위하여 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 상용화되고 있는 ZOC-5162XX-2(Chisso, Japan), ZOC-5162XX-5(Chisso, Japan) 및 CH-100(Slichem, China)를 그래핀 층 표면상에 5㎛ 두께로 스핀 코팅하여 그래핀상에 액정 층을 형성시켰고, 상기 형성된 액정 층은 발열기(hot stage)가 장착된 편광 현미경(LV 100-POL, Nikon)을 이용하여 액정 층의 광학적 특성을 측정하였다.
그 결과, 도 5에 나타난 바와 같이, 전술된 5CB뿐만 아니라. ZOC-5162XX-2(Chisso, Japan)(도 5a), ZOC-5162XX-5(Chisso, Japan)(도 5b) 및 CH-100(Slichem, China)(도 5c)에서도 그래핀의 결정면을 용이하게 시각적으로 관찰할 수 있음을 알 수 있었다.
실험예 2: 액정 층의 형성방법에 따른 광학적 특성 관찰
액정 층의 형성방법에 따른 그래핀의 도메인 및 경계면을 측정하기 위하여 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 그래핀 층 표면상에 액정을 드로핑(dropping) 코팅방법(도 6a), 드로핑(dropping) 코팅 한 다음, 질소 가스를 블로잉(blowing)하는 방법(도 6b), 그래핀과 커버 기판의 사이가 각각 5㎛(도 6c), 2㎛(도 6d) 및 10㎛(도 7)인 샌드위치 셀에 액정을 주입하는 방법, 회전속도가 2000rpm(도 6e) 또는 3000rpm(도 6f)인 스핀코팅(spincoating) 방법을 사용하였다. 전술된 방법으로 그래핀 층상에 형성된 액정 층은 발열기(hot stage)가 장착된 편광 현미경(LV 100-POL, Nikon)을 이용하여 광학적 특성을 측정하였다.
그 결과, 도 6에 나타난 바와 같이, 다양한 방법으로 그래핀 층상 표면에 액정 층을 형성시킬 수 있음을 확인하였고, 정확한 그래핀 도메인과 경계면을 관찰하기 위해서는 액정의 두께를 적정 수준으로 균일하게 코팅하는 것이 중요한 것을 알 수 있었다.
실험예 3: 기판의 종류에 따른 광학적 특성 관찰
사용되는 기판의 종류에 따른 그래핀의 도메인 및 경계면을 측정하기 위하여 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 기판으로 유리 재질 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET) 재질을 사용하였고, 액정 층의 광학적 특성은 온도조절장치(hot stage)가 장착된 편광 현미경(LV 100-POL, Nikon)을 이용하여 측정하였다.
그 결과, 도 8에 나타난 바와 같이, 유리 기판뿐만 아니라, PET 기판을 사용하여 그래핀 결정면을 측정할 수 있는 것으로 나타남에 따라, 액정의 이미지가 왜곡되지 않는 다양한 기판을 사용할 수 있음을 알 수 있었다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시예일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
5: 기판 10: 그래핀
15: 액정 20: 커버기판

Claims (9)

  1. 다음 단계를 포함하는, 그래핀 결정면의 광학적 시각화 방법:
    (a) 기판상에 측정대상 그래핀 층을 형성하는 단계;
    (b) 상기 형성된 측정대상 그래핀 층상에 액정 층을 형성하는 단계; 및
    (c) 상기 형성된 액정 층의 광학적 특성을 편광된 빛을 통하여 측정하여 측정대상 그래핀 결정면을 시각화하는 단계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판은 유리, 고분자, 반도체 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 그래핀 결정면의 광학적 시각화 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 액정 층의 액정은 네마틱 액정인 것을 특징으로 하는 그래핀 결정면의 광학적 시각화 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 네마틱 액정은 탄소수 2~30인 알킬기 또는 벤젠링을 가지는 네마틱 액정인 것을 특징으로 하는 그래핀 결정면의 광학적 시각화 방법.
  5. 제1항에 있어서, (a) 단계는 기판상에 측정대상 그래핀 층을 형성한 다음, 불순물을 제거하기 위해 형성된 측정대상 그래핀 층을 열처리하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 결정면의 광학적 시각화 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 열처리는 200~600℃에서 1~60분간 수행하는 것을 특징으로 하는 그래핀 결정면의 광학적 시각화 방법
  7. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계의 액정 층은 두께가 300nm ~ 100㎛인 것을 특징으로 하는 그래핀 결정면의 광학적 시각화 방법.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계의 액정 층의 형성은 드로핑(dropping) 코팅방법, 스핀코팅(spincoating) 방법, 저온 기상 증착 방법, 샌드위치 셀에 주입하는 방법, 닥터블레이드(doctor blade)방법, 페인트브러싱(paint brushing) 방법, 스프레이 코팅방법 및 침지-인상법(dip coating)으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 그래핀 결정면의 광학적 시각화 방법.
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