KR101350385B1 - 그래핀 레이어 형성장치 및 이에 사용되는 마이크로 피펫 - Google Patents

그래핀 레이어 형성장치 및 이에 사용되는 마이크로 피펫 Download PDF

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    • B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B82B3/0004—Apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of nanostructural devices or systems or methods for manufacturing the same

Abstract

나노 스케일의 그래핀 레이어의 형성이 가능하게 하는 그래핀 레이어 형성장치가 개시된다. 이러한 그래핀 레이어 형성장치는, 지지대 및 마이크로 피펫을 포함한다. 상기 지지대는, 패턴이 형성된 고배향성 열분해 흑연을 지지한다. 상기 마이크로 피펫은, 상기 지지대에 의해 지지된, 패턴이 형성된 고배향성 열분해 흑연과 접촉하여 부착된 후, 상기 지지대와의 상대적 운동에 의해서, 흑연 세그먼트를 분리하고, 분리된 상기 흑연 세그먼트를 기판에 부착한다.

Description

그래핀 레이어 형성장치 및 이에 사용되는 마이크로 피펫{APPARATUS FOR MANUFACTURING GRAPHENE LAYER AND MICRO PIPETTE FOR THE SAME}
본 발명은 그래핀 레이어 형성장치 및 이에 사용되는 마이크로 피펫에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노 스케일의 그래핀 레이어 형성장치 및 이에 사용되는 마이크로 피펫에 관한 것이다.
그래핀은 안정된 특성과 큰 전기 전도도로 인해 차세대 반도체 물질로서 많은 관심을 받고 있다. 그러나 그래핀은 본래 금속성 특성을 갖기 때문에, 반도체 특성을 갖도록 하기 위해서는 그래핀을 나노 스케일 선폭의 채널로 만들어야 한다.
그래핀이 실리콘 밴드갭(1.11 eV) 정도의 밴드갭을 가지기 위해서는 1-2nm의 선폭으로 그래핀을 절단해야 하는 것으로 알려지고 있다. 그러나 현재의 반도체 공정 기술에 의해서는 그래핀을 나노 스케일의 선폭(3nm) 이하로 자르는 것은 용이하지 않다. 그에 따라 그래핀에 많은 관심을 가지고 있음에도 불구하고 아직까지 그래핀 반도체 소자를 제조하기가 용이하지 못한 실정이다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 그래핀 반도체 소자를 용이하게 제조할 수 있도록 하는, 나노 스케일의 그래핀 레이어 형성장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 스케일의 그래핀 레이어 형성장치는, 지지대 및 마이크로 피펫을 포함한다. 상기 지지대는, 패턴이 형성된 고배향성 열분해 흑연을 지지한다. 상기 마이크로 피펫은, 상기 지지대에 의해 지지된, 패턴이 형성된 고배향성 열분해 흑연과 접촉하여 부착된 후, 상기 지지대와의 상대적 운동에 의해서, 흑연 세그먼트를 분리하고, 분리된 상기 흑연 세그먼트를 기판에 부착한다.
예컨대, 상기 그래핀 레이어 형성장치는, 상기 지지대를 X축, Y축 및 Z축 방향으로 정밀하게 구동하는 XYZ 슬라이딩 유닛을 포함하는 지지대 구동부를 더 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 지지대 구동부는, 상기 지지대를 Z축을 축으로 회전시키는 회전 유닛을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 지지대 구동부는, 상기 지지대를 수평하게 조절하기 위한 레블링(leveling) 유닛을 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 레블링 유닛은, 상기 지지대를 X축 및 Y축 방향으로 회전함으로써 상기 지지대의 수평을 조절하는 라지 스케일 틸트 유닛, 및 상기 지지대를 X축 및 Y축 방향으로 정밀하게 회전함으로써 지지대의 수평을 맞추는 미세 스케일 틸트 유닛을 포함할 수 있다.
한편, 상기 그래핀 레이어 형성장치는, 상기 마이크로 피펫이 상기 흑연 세그먼트를 기판에 부착할 때, 상기 마이크로 피펫에 가해지는 수직력을 측정하는 수직력 측정센서를 더 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 그래핀 레이어 형성장치는, 상기 마이크로 피펫을 지지하는 지지 포스트를 더 포함하고, 상기 지지 포스트는 진동의 영향을 최소화하기 위한 댐퍼(damper) 기능을 가질 수 있다.
한편, 상기 그래핀 레이어 형성장치는, 상기 지지 포스트를 X축 및 Y축 방향으로 구동시키는 XY 슬라이딩 유닛을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 그래핀 레이어 형성장치는, 상기 마이크로 피펫과 상기 지지대의 상대적인 변위를 측정하는 변위 센서를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 그래핀 레이어 형성장치는, 패턴이 형성된 고배향성 열분해 흑연 및 기판 중 적어도 하나를 상기 지지대에 고정하기 위한 고정부재를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 고정 부재는, 공기압적(pneumatic), 자기적(magnetic), 정전기적(electrostatic) 방법, 열적(Thermal), 물리적(physical), 기계적(mechanical), 화학적(chemical) 중, 어느 하나에 의해 패턴이 형성된 고배향성 열분해 흑연, 기판 및 제2 흑연 세그먼트 중 적어도 하나를 상기 지지대에 고정할 수 있다.
본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 마이크로 피펫은 수직방향 (z방향) 정밀 이동 및 수평방향 (xy방향) 틸팅 기능이 있는 피펫 홀더 및 팁 끝이 납작한 형상으로 되어있어 코팅이 안된 고배향성 열분해 흑연 패턴을 이용하여 그래핀을 박리 한다.
본 발명에 의한 그래핀 레이어 형성장치에 따르면, 나노 스케일의 그래핀 레이어의 형성이 가능하다. 특히, 단층(single layer), 단결정(single crystalline)의 그래핀 레이어를 제조할 수 있으며, 복층의 그래핀 레이어 등을 더욱 용이하게 제조할 수 있다.
또한, 마이크로 피펫을 지지하는 지지 포스트를 XY방향으로 구동하는 XY 슬라이딩 유닛을 이용하여, 상기 지지 포스트를 신속하게 정위치 부근으로 이동시키고, 상기 지지대를 X축, Y축 및 Z축 방향으로 정밀하게 구동하는 XYZ 슬라이딩 유닛을 이용하여, 상기 지지대를 정밀하게 정위치로 이동시킴으로써, 정밀하면서도 신속한 위치제어를 동시에 달성할 수 있다.
또한, 상기 지지대 구동부는, 상기 지지대를 Z축을 축으로 회전시키는 회전 유닛을 더 포함함으로써, 고배향성 열분해 흑연 또는 기판을 XY평면에서 회전시킴으로써 정렬할 수 있다.
또한, 상기 지지대 구동부는, 상기 지지대를 수평하게 조절하기 위한 레블링(leveling) 유닛을 더 포함함으로써, 일정한 층 수 또는 두께의 고배향성 열분해 흑연을 박리시킬 수 있다.
또한, 상기 레블링 유닛은, 상기 지지대를 X축 및 Y축 방향으로 회전함으로써 상기 지지대의 수평을 조절하는 라지 스케일 틸트 유닛, 및 상기 지지대를 X축 및 Y축 방향으로 정밀하게 회전함으로써 지지대의 수평을 맞추는 미세 스케일 틸트 유닛을 포함함으로써, 정밀하면서도 신속한 레블링을 동시에 달성할 수 있다.
또한, 상기 그래핀 레이어 형성장치는, 상기 마이크로 피펫이 상기 흑연 세그먼트를 기판에 부착할 때, 상기 마이크로 피펫에 가해지는 수직력을 측정하는 수직력 측정센서를 더 포함함으로써, 박리되는 고배향성 열분해 흑연의 층 수 또는 두께를 조절할 수 있다.
또한, 상기 그래핀 레이어 형성장치는, 패턴이 형성된 고배향성 열분해 흑연 및 기판 중 적어도 하나를, 공기압적(pneumatic), 자기적(magnetic), 정전기적(electrostatic) 방법, 열적(Thermal), 물리적(physical), 기계적(mechanical), 화학적(chemical) 중 어느 하나를 이용하여, 상기 지지대에 고정하기 위한 고정부재를 더 포함함으로써, 패턴이 형성된 고배향성 열분해 흑연, 기판 및 제2 흑연 세그먼트 중 적어도 하나를 상기 지지대에 밀착되도록 고정할 수 있다.
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 레이어 형성장치에 의하여 나노 스케일의 그래핀 레이어의 제조 방법을 나타낸다.
도 2는 도 1a 내지 도 1f에서 도시된 그래핀 래이어를 형성하는 방법을 구현하기 위한 그래핀 레이어 형성장치를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2에서 도시된 XYZ 슬라이딩 유닛을 도시한 사시도이다.
도 4는 도 2에서 도시된 회전 유닛을 도시한 사시도이다.
도 5는 도 2에서 도시된 미세 스케일 틸트 유닛을 도시한 사시도이다.
도 6은 도 2에서 도시된 라지 스케일 틸트 유닛을 도시한 사시도이다.
도 7은 도 2에서 도시된 지지대의 사시도이다.
도 8은 도 2에서 도시된 지지 포스트를 도시한 사시도이다.
도 9는 도 2에서 도시된 마이크로 피펫을 도시한 사시도이다.
도 10은 도 2에서 도시된 변위 센서를 도시한 사시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
그래핀 레이어의 형성방법
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 레이어의 형성 장치에 의하여 나노 스케일의 그래핀 레이어의 제조 방법을 나타낸다.
도 1a를 참조하면, 고배향성 열분해 흑연(Highly Oriented Pyrolytic Graphite: HOPG)(10)의 적어도 일부에 이온 빔 밀링(Ion Beam Milling) 또는 이온 에칭(Ion Etching)을 한다. 한편, 이후에 진행될 박리 과정(도 1d 참조)에서 흑연 세그먼트에 전단력(shear force)이 고르게 주어지게 하기 위하여 고배향성 열분해 흑연(10) 상단부에는 백금(Pt), 크롬(Cr) 또는 알루미늄(Al)과 같은 금속 코팅(10a)이 형성될 수 있다. 상기 고배향성 열분해 흑연(10)은 상기 이온 빔 또는 이온 에칭에 의하여 도 1b에 도시된 바와 같이 일정 부분이 식각, 즉 제거된다. 상기의 도 1b와 같이 고배향성 열분해 흑연(10)이 식각되어 패터닝된 것이 제1 흑연 세그먼트(12)이다.
제1 흑연 세그먼트(12)의 사이즈는 진공에서 집속이온빔(Focused Ion Beam:FIB)에 의하여 결정되거나 또는 공기 중에서 반응성 이온 에칭(Reactive Ion Etching)으로 결정될 수 있다. 또한 본 실시예에 따른 제1 흑연 세그먼트(12)의 주변에는 상기 제1 흑연 세그먼트(12)의 주변을 감싸는 형태의 홈이 형성될 수 있다.
도 1c를 참조하면, 제1 흑연 세그먼트(12) 중 돌출된 부분 위에 후술되는 제2 흑연 세그먼트(15)를 제1 흑연 세그먼트(12)로부터 분리하기 위한 분리유도 유닛이 얹어진다. 분리유도 유닛은 일 예로 내부에 금속이 충진된 마이크로 피펫(30)일 수 있다. 마이크로 피펫(30)의 말단에는 접착제(20)가 도포되어 있다.
도 1c는 접착제(20)가 도포된 마이크로 피펫(30)이 제1 흑연 세그먼트(12)와 결합되고 있는 과정을 도시한 것이다. 접착제(20)로 인하여 마이크로 피펫(30)과 제2 흑연 세그먼트(15)의 사이에는 강력한 접착력이 생긴다.
실시예에 따라 마이크로 피펫(30)의 말단은 그라인딩되어 평평해질 수 있다.
마이크로 피펫(30)은 접착제(20)에 담궈진 후에, 제1 흑연 세그먼트(12)의 윗면에 놓이게 된다. 그 이후 접착제(20)가 경화되면, 마이크로 피펫(30)과 제1 흑연 세그먼트(12) 사이에는 강한 접착력이 발생한다. 상기 접착력으로 인하여 흑연 세그먼트(12)는 박리 과정을 견딜 수 있게 된다.
도 1c에서의 제1 흑연 세그먼트(12)와 마이크로 피펫(30) 간의 용접은, 아래의 조건들에 의하여 좌우될 수 있다.
(1) 마이크로 피펫(30)의 말단에 접착제(20)가 도포되어야 한다.
(2) 제1 흑연 세그먼트(12)와 마이크로 피펫(30) 간의 간격이 일정해야 한다.
(3) 제1 흑연 세그먼트(12)에 전단력이 가해짐으로써 발생하는 슬라이딩에 의한 슬라이딩 속도 및 상기 슬라이딩 속도의 가속도는 임계값을 초과해야 한다.
(4) 메탈이 충전되는 마이크로 피펫(30)의 팁 말단은 주름 또는 주변부의 찢김을 방지하기 위하여 상기 슬라이딩 방향과 평행하여야 한다.
금속을 코팅하는 것은 균일한 결합력을 제공하기 위함이다. 제1 흑연 세그먼트에 금속이 코팅되지 않는 경우, 마이크로 피펫(30)과 제1 흑연 세그먼트(12) 간에는 불균일한 접착이 발생할 수 있다. 이러한 불균일한 접착은 제2 흑연 세그먼트 분리 시 세그먼트 상부의 찢어짐을 발생 시킬 수 있고, 또한 그래핀 레이어 박리 시 균일한 전단력을 제공하지 못하여 그래핀 레이어(16')의 주름 또는 그래핀 레이어(16')의 부분 박리 등을 초래할 수 있으므로 예방되어야 할 것이다.
마이크로 피펫(30)과 제1 흑연 세그먼트(12) 간의 간격은 상기 마이크로 피펫(30) 간의 결합력을 변화시킬 수 있으므로 일정한 값으로 유지되어야 한다. 즉 마이크로 피펫(30)과 제1 흑연 세그먼트(12)는 평행을 유지하는 것이 바람직하다. 또한 제1 흑연 세그먼트(12)로부터 제2 흑연 세그먼트(15)가 분리되어야 하므로, 상기 분리를 위하여 슬라이딩 속도와 상기 슬라이딩 속도의 가속도는 상기 임계값을 초과하는 것이 바람직하다.
도 1d를 참조하면, 제1 흑연 세그먼트(12) 중 마이크로 피펫(30)과 결합된 일부(15)가 분리되었다. 이하, 마이크로 피펫(30)과 결합되어 제1 흑연 세그먼트(12)로부터 분리된 흑연 세그먼트(15)를 '제2 흑연 세그먼트(15)'라 하기로 한다.
마이크로 피펫(30)과 결합된 제2 흑연 세그먼트(15)의 일부에 좌에서 우로 이동하는 방향(화살표 방향)의 힘을 가하면, 상기 제2 흑연 세그먼트(15)가 슬라이딩되면서 상기 제2 흑연 세그먼트(15)의 일부(16')가 분리될 수 있다.
실시예에 따라 도 1d에서 박리되는 제2 흑연 세그먼트(15)의 두께는 대략 20nm 이상일 수 있으며, 일 예로 대략 500nm 내지 1㎛ 정도의 범위를 가질 수 있다. 제2 흑연 세그먼트(15)의 상부는 예를 들어 Ga+ 이온 등에 의하여 손상될 수 있는데, Ga+ 이온의 침투 깊이는 대략 20nm 이므로, 제2 흑연 세그먼트(15)의 두께는 대략 20nm 이상일 수 있다. 이 경우, 후술되는 그래핀 레이어는 손상되지 않은 채로 획득될 수 있다. 제2 흑연 세그먼트(15)의 두께가 20nm 보다 커질수록, 보다 많은 그래핀 레이어를 획득할 수 있다.
제2 흑연 세그먼트(15)에 포함된 내부 레이어들(16) 간의 결합은, 제2 흑연 세그먼트(15)가 붙은 마이크로 피펫(30)의 팁(tip)을 슬라이딩시킴으로써 발생하는 기계적 전단력(이하, '제1 전단력'이라 한다)에 의하여 깨지게 된다. 도 1d는 상기와 같이 기계적 전단력, 즉 제1 전단력에 의하여 흑연 세그먼트(12)의 일부가 제2 흑연 세그먼트(15)로서 분리되는 것을 나타내고 있다.
도 1e를 참조하면, 제2 흑연 세그먼트(15)가 기판(40) 위에 놓여진다. 기판(40) 위에 놓여진 흑연 세그먼트(15)는 레벨링(Leveling)된다. 도 1f를 참조하면, 레벨링된 제2 흑연 세그먼트(15)에는 좌로부터 우 방향(화살표 방향)의 기계적 전단력(이하, '제2 전단력'이라 한다)이 가해진다. 상기 제2 전단력으로 인하여 제2 흑연 세그먼트(15)의 최하층 레이어가 제2 흑연 세그먼트(15)와 분리된다. 상기와 같이 분리되는 최하층 레이어가 그래핀 레이어(16')이다.
실시예에 따라 그래핀 레이어(16')를 박리하기 위하여 가해지는 제2 전단력은 x-y 지지대(stage)에 의한 것일 수 있다.
또한 실시예에 따라 균등한 제2 전단력을 전달하기 위해서 제2 흑연 세그먼트(15)에 상기 제2 전단력을 가해지기 전에 제2 흑연 세그먼트(15)와 기판(40) 사이가 일정하게 유지되거나 또는 평행하게 유지될 수 있다. 예를 들면, 제2 흑연 세그먼트(15)의 최하위 레이어와 기판(40)의 표면 사이는 일정하게 유지되거나 평행하게 유지될 수 있다. 이와 같이 제2 흑연 세그먼트(15)와 기판(40) 사이의 거리가 일정하게 유지되는 것 또는 평행하게 유지되는 것을 '레벨링(Leveling)'이라 한다. 본 실시예에서 상기 레벨링은 광학적 수단 또는 전기적 수단에 의하여 수행될 수 있다.
상기 레벨링을 결정하는 파라미터로는 슬라이딩 속도, 가속도, 접촉 항력, 표면 거칠기 및 제2 흑연 세그먼트(15)와 기판(40) 사이의 평행도 등이 있다. 또한 효과적인 레벨링을 위해서는 아래와 같은 조건이 필요하다.
(1) 슬라이딩 속도와 상기 슬라이딩 속도의 가속도가 전단력을 결정한다. 슬라이딩 속도와 가속도는 그래핀 레이어(16')을 박리하기 위한 임계값을 초과하여야 한다. 슬라이딩 속도는 x-y 지지대 속도와 동일할 수 있다.
(2) 그래핀 레이어(16')을 박리하는 동안 제2 흑연 세그먼트(15) 또는 기판(40)에는 균등한 힘이 가해져야 한다. 상기 기판(40)이 도전성 기판인 경우에는 제2 흑연 세그먼트(15)와 기판(40) 사이의 커패시턴스를 측정하고, 상기 커패시턴스가 최소 또는 최대가 될 때까지 레벨링을 하여야 한다. 또한 상기 기판(40)이 절연체이면서 가시광에서 투명할 경우, 예를 들어 틸팅 지지대들을 이용함으로써 광학적인 방법으로 상기 기판(40) 상의 두 개의 서로 다른 지점에서 두 개의 선명한 화상을 얻을 수 있는 지점을 찾아낼 수 있다.
(3) 접촉 항력은 그래핀 레이어(16')와 기판(40) 간의 마찰력을 결정한다. 마찰력(Fs)은 아래 수학식 1에 의하여 결정될 수 있다.
Figure 112012049977867-pat00001
여기서 μ는 마찰계수이고, Fn은 항력이다.
상기 마찰력은 제2 흑연 세그먼트(15)에 포함된 내부 레이어들(16) 간의 결합력보다 커야 한다. 실시예에 따라 상기 마찰력은, 그래핀 레이어(16')가 찢어지거나 부분 박리가 되는 것을 방지하기 위하여 기준값 이하일 수 있다.
이하, 앞서 기술된 그래핀 레이어를 형성하기 위한 방법을 구현하기 위한 그래핀 레이어 형성장치를 상세히 설명한다.
그래핀 레이어 형성장치
도 2는 도 1a 내지 도 1f에서 도시된 그래핀 래이어를 형성하는 방법을 구현하기 위한 그래핀 레이어 형성장치를 도시한 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 의한 그래핀 레이어 형성장치(100)는 앞서 설명된 바와 같이, 패턴이 형성된 고배향성 열분해 흑연(앞선 설명에서 제1 흑연 세그먼트)으로부터 일부를 박리하여, 박리된 고배향성 열분해 흑연(앞선 설명에서 제2 흑연 세그먼트)을 기판에 부착한다.
이를 위하여, 그래핀 레이어 형성장치(100)는, 상기 지지대(110) 및 마이크로 피펫(30)을 포함한다.
상기 지지대(110)는, 패턴이 형성된 고배향성 열분해 흑연(도시안됨)을 지지한다. 상기 마이크로 피펫(30)은, 앞에서 설명한 바와 같이, 상기 지지대(110)에 의해 지지된, 패턴이 형성된 고배향성 열분해 흑연과 접촉하여 부착된 후, 상기 지지대(110)와의 상대적 운동에 의해서, 흑연 세그먼트를 분리하고, 분리된 상기 흑연 세그먼트를 기판에 부착한다. 상기 마이크로 피펫(30)은 도 1c 내지 도 1f에서 그 구조가 도시되어 있고, 그에 대한 설명에서 동작을 설명하였으므로, 중복되는 설명은 생략한다.
상기 지지대(100)와 상기 마이크로 피펫(30)의 상대적인 위치를 검출하기 위해서, 또한, 상기 그래핀 레이어 형성장치(100)는, 변위 센서(130)를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 그래핀 레이어 형성장치(100)에서는, 상기 지지대(110)가 고정되고, 상기 마이크로 피펫(30)이 움직이도록 형성될 수도 있고, 이와 다르게, 상기 마이크로 피펫(30)이 고정되고, 상기 지지대(110)가 움직일 수도 있다.
예컨대, 본 실시예에 의한 그래핀 레이어 형성장치(100)에서는, 상기 지지대(110)는 X축, Y축 및 Z축 방향으로 미세하게 움직일 수 있도록 구현되며, 상기 마이크로 피펫(30)은 라지 스케일(large scale)로 움직일 수 있도록 구현되어, 상기 지지대(110)와 상기 마이크로 피펫(30)의 상대적 위치제어를 정밀하면서도 신속하게 달성할 수 있다.
이를 위하여, 상기 그래핀 레이어 형성장치(100)는 상기 지지대(110)를 구동하기 위한 지지대 구동부(120) 및 상기 마이크로 피펫(30)을 지지하는 지지대 포스트(140)를 구동하는 XY 슬라이딩 유닛(150)을 더 포함할 수 있다. 상기 지지대 구동부(120)는 상기 지지대(110)의 움직임을 미세하게 제어하며, 상기 XY 슬라이딩 유닛(150)은 상기 마이크로 피펫(30)의 움직임을 라지 스케일로 제어한다.
예컨대, 상기 지지대 구동부(120)는, XYZ 슬라이딩 유닛, 회전 유닛 및 레블링(leveling) 유닛(123)을 포함할 수 있다. 상기 XYZ 슬라이딩 유닛은 상기 지지대(110)를 X축, Y축 및 Z축을 따라서 이동시키며, 상기 회전 유닛은 상기 지지대(110)를 XY 평면상에서 회전시키며, 상기 레블링 유닛(123)은 상기 지지대(110)를 수평으로 맞춘다. 상기 레블링 유닛(123)은, 미세 스케일 틸트 유닛 및 라지 스케일 틸트 유닛을 포함할 수 있다. 상기 라지 스케일 틸트 유닛은 예컨대, 수평을 대략적으로 조절하며, 미세 스케일 틸트 유닛은 수평을 정밀하게 조절한다. 따라서, 정밀하면서도 신속하게 상기 지지대(110)를 수평으로 조절할 수 있다.
이하, 각 구성요소들에 대해서, 각 구성요소별로 도시된 도면을 참조로 보다 상세히 설명한다.
도 3은 도 2에서 도시된 XYZ 슬라이딩 유닛을 도시한 사시도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, XYZ 슬라이딩 유닛(121)은, 지지대(110)를 X축, Y축 및 Z축을 따라서 이동시키기 위하여, X축 엑추에이터(121a), Y축 엑추에이터(121b) 및 Z축 엑추에이터(121c)를 포함한다.
상기 X축 엑추에이터(121a), 상기 Y축 엑추에이터(121b) 및 상기 Z축 엑추에이터(121c)는, 각각이 서로 독립적으로 구동되며, 연결단자(121d)를 통해서 각각의 컨트롤러(도시안됨)에 연결되어, 컨트롤러에 의해 제어될 수 있다.
도 4는 도 2에서 도시된 회전 유닛을 도시한 사시도이다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 회전 유닛(122)은 상기 XYZ 슬라이딩 유닛(121) 상부에 결합될 수 있다. 상기 회전 유닛(122)은 상기 지지대(110)를 XY 평면 위에서(또는 Z축을 중심으로) 회전시켜, 흑연 세그먼트를 분리하기 전에, 패턴이 형성된 고배향성 열분해 흑연을 정열시키거나, 또는 분리된 흑연 세그먼트를 기판에 부착하기 전에, 기판을 정열시킨다.
도 5는 도 2에서 도시된 미세 스케일 틸트 유닛을 도시한 사시도이다.
도 2 및 도 5를 참조하면, 회전 유닛 상부에 미세 스케일 틸트 유닛(123a)이 결합될 수 있다. 상기 미세 스케일 틸트 유닛(123a)은, 예컨대 피에조(piezo) 방식으로 구동될 수 있으며, 상기 지지대(110)를 Z축 방향으로 미세하게 움직일 수 있으며, 또한, X축 방향, Y축 방향으로 미세하게 회전시킴으로써, 상기 지지대(110)를 수평으로 미세하게 조절할 수 있다.
도 6은 도 2에서 도시된 라지 스케일 틸트 유닛을 도시한 사시도이다.
도 2 및 도 6을 참조하면, 라지 스케일 틸트 유닛(123b)은 상기 미세 스케일 틸트 유닛의 상부에 결합될 수 있다. 상기 라지 스케일 틸트 유닛(123b)은 상기 지지대(110)의 수평을 대략적으로 조절한다. 이후, 도 5에서 도시된 미세 스케일 틸트 유닛(123a)을 이용하여 상기 지지대(110)의 수평을 정밀하게 조절한다. 따라서, 상기 지지대(110)를 신속하면서도 정밀하게 수평이 되도록 조절할 수 있다.
상기 라지 스케일 틸트 유닛(123b)은 수동으로 제어될 수 있다. 이를 위하여, 상기 라지 스케일 틸트 유닛(123b)은 X축 회전 레버(1231) 및 Y축 회전 레버(1232)를 포함할 수 있다.
상기 X축 회전 레버(1231)를 회전시켜 상기 지지대(110)를 회전시키며, 상기 Y축 회전 레버(1232)를 회전시켜 상기 지지대(110)를 회전시킴으로써, 상기 지지대(110)의 수평을 대략적으로 조절할 수 있다.
한편, 본 실시예에서, 상기 라지 스케일 틸트 유닛(123b)은 상기 미세 스케일 틸트 유닛의 상부에 결합되어 있으나, 상기 라지 스케일 틸트 유닛(123b)은 상기 회전 유닛 상부에 결합되고, 상기 미세 스케일 틸트 유닛은 상기 라지 스케일 틸트 유닛(123b) 상부에 결합될 수도 있다.
도 7은 도 2에서 도시된 지지대의 사시도이다.
도 2 및 도 7을 참조하면, 로드셀(160)은 흑연 세그먼트를 기판에 부착 시 마이크로 피펫에 가해지는 수직력을 측정하여 특정한 수직력으로 흑연 세그먼트를 부착 할 수 있도록 한다. 로드셀(160) 위에는 기판를 올려놓을 수 있는 지지대(110)의 기판지지 영역(110b)이 장착되어 있으며 이 부분을 마이크로 피펫으로 눌러 로드셀(160)로 수직력을 측정하게 된다.
지지대(110)는 상기 라지 스케일 틸트 유닛 상부에 결합될 수 있다. 한편, 상기 라지 스케일 틸트 유닛(123b)은 상기 회전 유닛 상부에 결합되고, 상기 미세 스케일 틸트 유닛은 상기 라지 스케일 틸트 유닛(123b) 상부에 결합된 경우, 상기 지지대(110)는 상기 미세 스케일 틸트 유닛 상부에 결합될 수 있다.
상기 지지대(110)는 흑연지지 영역(110a)을 포함하며 수직력 측정 센서(도시안됨)가 결합될 수 있다. 상기 기판지지 영역(110b)는 수직력 측정센서(도시안됨) 상부에 결합될 수 있다. 예컨대, 상기 흑연지지 영역(110a)에는 패턴이 형성된 고배향성 열분해 흑연이 배치되며, 상기 기판지지 영역(110b)에는 분리된 흑연 세그먼트가 부착되는 기판이 배치될 수 있다.
도시되지는 않았으나, 상기 지지대(110)에는 고정 부재(도시안됨)가 형성되어 상기 지지대(110) 상부에 배치된, 패턴이 형성된 고배향성 열분해 흑연, 기판 및 제2 흑연 세그먼트 중 적어도 하나를 상기 지지대(110)에 고정할 수 있다.
예컨대, 상기 고정 부재(도시안됨)는 공기압적(pneumatic), 자기적(magnetic), 정전기적(electrostatic), 열적(Thermal), 물리적(physical), 기계적(mechanical), 화학적(chemical) 방법 중, 어느 하나에 의해 패턴이 형성된 고배향성 열분해 흑연, 기판 및 제2 흑연 세그먼트 중 적어도 하나를 상기 지지대에 고정할 수 있다.
도 8은 도 2에서 도시된 지지 포스트를 도시한 사시도이고, 도 9는 도 2에서 도시된 마이크로 피펫을 도시한 사시도이며, 도 10은 도 2에서 도시된 변위 센서를 도시한 사시도이다.
도 2 및 도 8을 참조하면, 상기 마이크로 피펫(30)은, 포스트 암(141)을 포함하는 지지 포스트(140)에 의해 지지될 수 있다. 보다 상세히, 상기 마이크로 피펫(30)은 포스트 암(141)에 결합된 피펫 홀더(131)를 통해서, 상기 지지 포스트(140)에 결합될 수 있다.
상기 지지 포스트(140)는 앞서 언급된 바와 같이, XY 슬라이딩 유닛(150) 상부에 결합되어, XY 평면상에서 X축 및 Y축을 따라서 이동할 수 있다.
또한, 상기 지지 포스트(140)는 진동의 영향을 최소화하기 위한 댐퍼(damper) 기능을 갖도록 형성될 수 있다.
도 2, 도 8, 도 9 및 도 10을 참조하면, 상기 포스트 암(141)에는 변위 센서(130)가 결합될 수 있다. 상기 변위 센서(130)는 상기 마이크로 피펫(30)과 상기 지지대(110)의 상대적인 변위를 측정한다. 예컨대, 상기 변위 센서(130)는, 예컨대 레이저를 이용하여, 상기 변위 센서(130)와 상기 지지대(110) 사이의 거리를 측정하며, 측정 거리에 따라 상기 지지대(110)의 Z축 방향으로의 이동속도를 제어할 수 있다. 즉, 처음에는 높은 속도로 상기 지지대(110)를 상승시키다가, 상기 마이크로 피펫(30)과 상기 지지대(110)의 거리가 가까워지면(예컨대 수백 ㎛이내) 상기 지지대(110)를 천천히 상승시킬 수 있다. 또한, 상기 변위 센서(130)는 상기 지지대(110)의 수평을 조절하는데에도 사용될 수 있다.
본 발명에 의한 그래핀 레이어 형성장치에 따르면, 나노 스케일의 그래핀 레이어의 형성이 가능하다. 특히, 단층(single layer), 단결정(single crystalline)의 그래핀 레이어를 제조할 수 있으며, 복층의 그래핀 레이어 등을 더욱 용이하게 제조할 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 고배향성 열분해 흑연 12: 제1 흑연 세그먼트
15: 제2 흑연 세그먼트 16: 내부 레이어들
16': 그래핀 레이어 20: 은나노 잉크
30: 마이크로 피펫 40: 기판
100: 그래핀 레이어 형성장치 110: 지지대
110a: 기판 지지영역 110b: 흑연 지지영역
120: 지지대 구동부 121: XYZ 슬라이딩 유닛
121a: X축 엑추에이터 121b: Y축 엑추에이터
121c: Z축 엑추에이터 121d: 연결 단자
122: 회전 유닛 123: 레블링(leveling) 유닛
123a: 미세 스케일 틸트 유닛 123b: 라지 스케일 틸트 유닛
130: 변위 센서 131: 피펫 홀더
140: 지지 포스트 141: 포스트 암
150: XY 슬라이딩 유닛 160: 로드셀
10a: 금속 코팅

Claims (12)

  1. 패턴이 형성된 고배향성 열분해 흑연 및 기판을 지지하는 지지대;
    상기 지지대에 의해 지지된, 패턴이 형성된 고배향성 열분해 흑연과 접촉하여 부착된 후, 상기 지지대와의 상대적 운동에 의해서, 흑연 세그먼트를 분리하고, 분리된 상기 흑연 세그먼트를 기판에 부착하기 위한 마이크로 피펫; 및
    상기 지지대를 X축, Y축 및 Z축 방향으로 정밀하게 구동하는 XYZ 슬라이딩 유닛을 포함하는 지지대 구동부를 포함하고,
    상기 지지대 구동부는, 상기 지지대를 수평하게 조절하기 위한 레블링(leveling) 유닛을 더 포함하는 그래핀 레이어 형성장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 지지대 구동부는, 상기 지지대를 Z축을 축으로 회전시키는 회전 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 레이어 형성장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레블링 유닛은, 상기 지지대를 X축 및 Y축 방향으로 회전함으로써 상기 지지대의 수평을 조절하는 라지 스케일 틸트 유닛; 및
    상기 지지대를 X축 및 Y축 방향으로 정밀하게 회전함으로써 지지대의 수평을 맞추는 미세 스케일 틸트 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 레이어 형성장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 피펫이 상기 흑연 세그먼트를 기판에 부착할 때, 상기 마이크로 피펫에 가해지는 수직력을 측정하는 수직력 측정센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 레이어 형성장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 피펫을 지지하는 지지 포스트를 더 포함하고,
    상기 지지 포스트는 진동의 영향을 최소화하기 위한 댐퍼(damper) 기능을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 그래핀 레이어 형성장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 지지 포스트를 X축 및 Y축 방향으로 구동시키는 XY 슬라이딩 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 레이어 형성장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 피펫과 상기 지지대의 상대적인 변위를 측정하는 변위 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 레이어 형성장치.
  10. 제1항에 있어서,
    패턴이 형성된 고배향성 열분해 흑연 및 기판 중 적어도 하나를 상기 지지대에 고정하기 위한 고정부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 레이어 형성장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 고정 부재는, 공기압적(pneumatic), 자기적(magnetic), 정전기적(electrostatic), 열적(Thermal), 물리적(physical), 기계적(mechanical), 화학적(chemical) 방법 중, 어느 하나에 의해 패턴이 형성된 고배향성 열분해 흑연, 기판 및 제2 흑연 세그먼트 중 적어도 하나를 상기 지지대에 고정하는 것을 특징으로 하는 그래핀 레이어 형성장치.
  12. 수직방향 (z방향) 정밀 이동 및 수평방향 (xy방향) 틸팅 기능이 있는 피펫 홀더 및 팁 끝이 납작한 형상으로 되어있어 코팅이 안된 고배향성 열분해 흑연 패턴을 이용하여 그래핀을 박리 할 수 있는 마이크로 피펫.
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Nanotechnology Vol.21, 2010, p.205303 (2010.04.23.) *
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