KR101339413B1 - 레이저 및 이온 임플란테이션 기술을 이용한 그래핀 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀, 이를 위한 제조장치 - Google Patents

Abstract

레이저 및 이온 임플란테이션 기술을 이용한 그래핀 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀, 이를 위한 제조장치가 제공된다.

Description

레이저 및 이온 임플란테이션 기술을 이용한 그래핀 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀, 이를 위한 제조장치{Method for manufacturing grapheme using laser and ion-implantation technology, graphene manufactured by the same, manufacturing device for the same}

본 발명은 레이저 및 이온 임플란테이션 기술을 이용한 그래핀 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀, 이를 위한 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게 이온 임플란테이션 기술을 이용하여 탄소가 도핑된 기판에 레이저 빔을 조사하여 원하는 패턴으로 그래핀을 제조할 수 있는, 레이저 및 이온 임플란테이션 기술을 이용한 그래핀 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀, 이를 위한 제조장치에 관한 것이다.

그래핀(graphene)은 탄소원자가 2차원(2D) 격자 내로 채워진 평면 단일층 구조를 의미하며, 이것은 모든 다른 차원구조의 흑연(graphite) 물질의 기본 구조를 이룬다. 즉, 상기 그래핀은 0차원 구조인 풀러린(fullerene), 1차원 구조인 나노튜브 또는 3차원 구조로 적층된 흑연의 기본 구조가 될 수 있다. 2004년 Novoselev 등은 SiO₂/Si 기판의 상부 상에서 프리-스탠딩 그래핀 단일층을 수득하였다고 보고하였으며, 이것은 기계적인 미세 분할법에 의하여 실험적으로 발견되었다.

최근 많은 연구그룹들이 그래핀이 갖는 허니콤(벌집) 형태의 결정 구조, 두 개의 상호침투하는 삼각 형태의 하위 격자 구조, 및 하나의 원자 크기에 해당하는 두께 등에 의하여 그래핀이 특이한 물리적 특성(예를 들면 제로 밴드갭)을 보이는 점에 주목한다. 또한 그래핀은 특이한 전하 운송 특성을 갖는데, 이로 인하여 그래핀은 종래에는 관찰되지 않았던 독특한 현상을 보여준다. 예를 들면, 반정수 양자 홀 효과 및 바이폴라 초전류 트랜지스터 효과 등이 그 예이며, 이 또한 상기 설명한 그래핀의 특유한 구조에 기인하는 것으로 여겨진다.

이와 같은 그래핀 단일층은 면저항이 작아 전도성 물질, 예를 들면 ITO와 같은 투명전도성 산화막을 대체할 수 있는 전극물질로 여겨지고 있다. 또한, 고품질의 단일층 그래핀을 성장시키고, 그 밴드 갭을 제어할 수 있다면, 그래핀은 실리콘을 대체할 수 있는 차세대 반조체 소자로서도 활용될 수 있다.

하지만, 그래핀 단일층을 대면적으로 균일하게 제조, 형성하는 것은 상당히 어려운 난제이다.

현재 그래핀의 제조방법은 액상에서 그래핀 산화물 필름을 제조한 후, 이를 환원시키는 액상 방식과 고온의 챔버에서 메탄, 수소가스를 공급하는 기상 방식이 있다. 하지만, 고온의 온도조건이 요구되고, 또한 대면적의 그래핀(단일층)을 제조하기 어렵다는 문제가 있다.

따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는 대면적의 그래핀 제조가 가능한 그래핀 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 상술한 방법에 의하여 제조된 그래핀을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 그래핀 제조방법으로, 상기 방법은

금속 기판에 탄소를 도핑하는 단계; 상기 탄소가 도핑된 금속 기판에 레이저 빔을 조사하여 상기 금속 기판을 용융시키는 단계; 및 상기 용융된 금속 기판을 냉각시키는 단계를 포함하며, 상기 냉각 단계에서 상기 도핑된 탄소는 금속 기판 표면으로 이동하여, 그래핀으로 성장하는 특징의 그래핀 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용융 단계에서 레이저 빔이 조사되는 영역의 금속 기판만이 용융된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면,상기 금속 기판은 비금속 기판; 및 상기 비금속 기판상에 적층된 금속층으로 이루어진다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소 도핑은 이온 임플란테이션 방식으로 진행된다.

상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 금속 기판; 상기 금속 기판 상에 형성된 그래핀을 포함하며, 여기에서 상기 그래핀은 탄소가 도핑된 금속기판을 레이저 빔으로 용융시킨 후, 냉각시키는 방식으로 성장된 것을 특징으로 하는 그래핀을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소는 이온 임플란테이션 방식으로 상기 금속 기판에 도핑된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 기판은 비금속 기판; 및 상기 비금속 기판상에 적층된 금속층으로 이루어진다.

금속이 함유된 기판에 탄소 이온을 도핑하고, 이후 탄소이온이 도핑된 금속 함유 기판에 레이저 빔을 조사, 상기 금속을 용융시킨다. 이후, 상기 용융된 금속의 냉각 과정에서 차가운 대기 방향으로 이동하는 탄소 및 그 응집에 따라 그래핀을 제조한다. 따라서, 레이저 빔의 조사 영역에서만 그래핀이 성장하므로, 그래핀 성장을 원하는 영역에서만 진행할 수 있다.

도 1 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조방법의 단계도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조장치에 따른 레이저 빔과 기판을 설명하는 모식도이다.

이하, 본 발명의 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 본 명세서 전반에 걸쳐 표시되는 약어는 본 명세서 내에서 별도의 다른 지칭이 없다면 당업계에서 통용되어, 이해되는 수준으로 해석되어야 한다.

본 발명은 메탄 및 수소를 포함하는 반응가스를 레이저 빔으로 분해시키는 방식으로 기판상에 그래핀(층)을 제조한다. 즉, 메탄 가스의 열분해 속도가 수 펨토초인 점을 고려하여, 이보다 긴 시간의 펄스 주기(나노 초)의 레이저 빔을 이용하여, 효과적인 반응가스(즉, 그래핀 성장용 챔버 주입가스)의 분해를 발생시킨다. 더 나아가, 작은 폭의 레이저 빔을 이용, 정밀한 기판 조사 영역의 제어가 가능하므로, 대면적으로 균일한 그래핀을 제조할 수 있다.

이하 도면을 이용하여 본 발명에 따른 그래핀 제조방법을 보다 상세히 설명한다.

도 1 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조방법의 단계도이다.

도 1을 참조하면, 기판(101)이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 실리콘, 유리, 석영, 플라스틱 기판, 금속 포일 등의 모든 종류의 물질이 상기 기판 성분으로 사용될 수 있다.

도 2를 참조하면, 상기 기판(101) 상에 금속층(102)을 증착한다. 상기 금속층(102)은 그래핀 성장에 대한 촉매 역할을 수행하므로, 상기 금속층(102) 증착은 기판(101) 종류에 따라 선택적으로 수행될 수 있다. 예를 들면, 실리콘, 석영, 유리 등과 같이 금속성분이 함유되지 않은 기판의 경우, 상기 금속층(102)이 기판(101)상에 증착될 수 있다.

도 3을 참조하면, 상기 금속층(102)에 탄소(130)가 도핑된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 탄소 성분 도핑은 이온 임플란테이션(ion implantation)에 의하여 수행되며, 도핑된 탄소는 그래핀 성장의 종자(Seed) 역할을 수행한다. 이와 같이 본 발명은 탄소(103)를 금속층(102) 자체에 강제로 도핑시켜, 레이저에 의한 그래핀 성장을 빠르게 촉진시키는 기술구성을 제공한다. 하지만, 상기 금속층(102)이 적층되지 않은 기판, 예를 들면 금속 기판의 경우 상기 탄소 도핑은 기판 자체에서 진행될 수 있다.

도 4를 참조하면, 상기 탄소 도핑된 금속층(102)에 레이저 빔을 조사한다.

본 발명의 일 실시예에서 상기 레이저 빔의 파워는 2 내지 100W 수준이었고, 레이저 빔의 라인 폭은 2 내지 4㎛, 길이는 수 센티미터 수준이었다. 하지만, 본 발명의 범위는 상술한 레이저 빔의 종류와 조건에 제한되지 않으며, 고체 레이저 등도 사용될 수 있다. 레이저 빔의 조사에 따라 레이저 빔이 조사된 기판 영역은 900 내지 2000℃로 상승하며, 이에 따라 온도 상승된 기판과 접촉하는 반응가스의 메탄가스는 분해된다. 따라서, 본 발명에서 사용된 레이저 빔의 범위는 그 종류와 치수에 관계없이 조사된 기판의 온도를 900 내지 2000℃ 수준으로 상승시킬 수 있는 임의의 모든 레이저 빔을 다 포함한다.

또한, 상기 레이저 빔은 펄스레이저와 연속파(continuous wave) 형태일 수 있으며, 상기 레이저 빔 조사는 공기 상태에서 진행될 수 있으나, 필요하다면 수소가스, 질소가스를 공급하여 환원분위기에서 진행될 수 있다.

도 5를 참조하면, 상기 조사되는 광 에너지인 레이저 빔에 의하여 상기 금속층(102)은 용융되며, 용융된 금속은 탄소와 혼합된다. 이후 가열된 탄소-금속 혼합체는 냉각되며, 이러한 냉각 결과 탄소는 외부로 이동, 응집된다. 그 결과 도 5에서 도시된 바와 같이 상기 이동, 응집된 탄소는 그래핀(104)을 이루게 된다.

본 발명은 상술한 바와 같이 금속이 함유된 기판에 탄소 이온을 도핑하고, 이후 탄소이온이 도핑된 금속 함유 기판에 레이저 빔을 조사, 상기 금속을 용융시킨다. 이후, 상기 용융된 금속의 냉각 과정에서 차가운 대기 방향으로 이동하는 탄소 및 그 응집에 따라 그래핀을 제조한다. 따라서, 레이저 빔의 조사 영역에서만 그래핀이 성장하므로, 그래핀 성장을 원하는 영역에서만 진행할 수 있다.

본 발명은 상술한 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 레이저 빔에 기반한 그래핀 제조장치를 제공한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조장치에 따른 레이저 빔과 기판을 설명하는 모식도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 그래핀 제조장치는 그래핀이 성장하는 탄소 함유 금속 기판(11)에 레이저 빔을 조사하기 위한 레이저 빔 조사 수단(12)를 포함한다. 상기 레이저 빔에 의하여 조사되는 레이저 빔은 기판에 다양한 패턴으로 조사될 수 있으며, 도 15에 도시된 레이저 빔 패턴으로 본 발명의 범위가 제한되지 않는다. 레이저 빔이 조사되는 기판은 레이저 빔 조사 수단(12)가 구비된 챔버 내부에 적치된다. 여기에서 기판은 탄소 성분이 함유된 금속 기판으로서, 예를 들면 비금속 기판의 경우, 상기 금속 기판은 상기 비금속 기판상에 적층된 금속층일 수 있다. 상기 레이저 빔 조사가 진행되는 금속 기판은 용융되며, 상기 용융된 기판 냉각 과정에서 그래핀이 형성됨은 상술한 바와 같다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

1. 그래핀 제조방법으로, 상기 방법은
   금속 기판에 탄소를 도핑하는 단계;
   상기 탄소가 도핑된 금속 기판에 레이저 빔을 조사하여 상기 금속 기판을 용융시키는 단계; 및
   상기 용융된 금속 기판을 냉각시키는 단계를 포함하며, 상기 냉각 단계에서 상기 도핑된 탄소는 금속 기판 표면으로 이동하여, 그래핀으로 성장되는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 용융 단계에서 레이저 빔이 조사되는 영역의 금속 기판만이 용융되는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 금속 기판은
   비금속 기판; 및
   상기 비금속 기판상에 적층된 금속층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 탄소 도핑은 이온 임플란테이션 방식으로 진행되는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
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