KR101630291B1 - 그래핀의 전사 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, (a) 베이스 부재와, 상기 베이스 부재에 형성된 친수성 산화층과, 상기 산화층에 형성된 소수성 금속 촉매층과, 상기 금속 촉매층에 형성된 그래핀을 포함하는 그래핀 형성 구조체를 준비하는 단계와, (b) 상기 그래핀을 제1 캐리어에 부착시키는 단계와, (c) 상기 그래핀 형성 구조체에 수증기를 가하여, 상기 금속 촉매층으로부터 상기 산화층을 분리하는 단계와, (d) 상기 금속 촉매층을 제거하는 단계를 포함하는 그래핀의 전사 방법을 제공한다.

Description

그래핀의 전사 방법{Method for transferring graphene}
본 발명은 그래핀의 전사 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 그래핀 형성 구조체에 형성되어 있는 그래핀을 전사하는 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 탄소로 구성되는 풀러렌(fullerenes), 탄소 나노 튜브(carbon nanotubes), 그래핀(graphene), 흑연(graphite) 등의 탄소 물질에 관한 관심이 증가하고 있다.
특히, 탄소 나노 튜브와 그래핀에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 그래핀은 대면적으로 형성할 수 있으며, 전기적, 기계적, 화학적인 안정성을 가지고 있을 뿐만 아니라 뛰어난 도전성의 성질을 가지고 있으므로, 전자 회로의 기초 소재로 관심을 받고 있다.
대면적 그래핀의 제조 기술은 최근에 비약적으로 발전을 했는데, 네이쳐(nature)지에 2009년 1월 14일에 공개된 "Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes"의 논문(nature07719)에는 화학 기상 증착법(CVD: chemical vapour deposition)을 이용한 그래핀의 제조 공정이 개시되어 있다.
화학 기상 증착법을 이용한 그래핀의 제조 공정은 다음과 같다.
우선, 산화 실리콘(SiO2)층을 가지는 실리콘 웨이퍼를 준비한다. 이어, Ni, Cu, Al, Fe 등의 금속 촉매를, 스퍼터링(sputtering) 장치, 전자빔 증발 장치(e-beam evaporator)등을 이용하여, 준비된 산화 실리콘(SiO2)층에 증착시켜, 금속 촉매층을 형성한다.
다음으로, 금속 촉매층이 형성된 실리콘 웨이퍼와 탄소를 포함하는 가스(CH4, C2H2, C2H4, CO 등)를 화학 기상 증착 및 유도 결합 화학 기상 증착법(ICP-CVD, Inductive Coupled Plasma Chemical Vapor Deposition)을 위한 반응기에 넣고 가열함으로써, 금속 촉매층에 탄소가 흡수되도록 한다. 이어, 급속히 냉각을 수행하여 금속 촉매층으로부터 탄소를 분리시켜 결정화시키는 방법으로, 그래핀을 성장시킨다.
본 발명은, 그래핀이 형성되어 있는 그래핀 형성 구조체로부터 그래핀을 용이하게 전사시킬 수 있는 그래핀 전사 방법을 제공하는 것을 주된 과제로 한다.
본 발명은, (a) 베이스 부재와, 상기 베이스 부재에 형성된 친수성 산화층과, 상기 산화층에 형성된 소수성 금속 촉매층과, 상기 금속 촉매층에 형성된 그래핀을 포함하는 그래핀 형성 구조체를 준비하는 단계;와, (b) 상기 그래핀을 제1 캐리어에 부착시키는 단계;와, (c) 상기 그래핀 형성 구조체에 수증기를 가하여, 상기 금속 촉매층으로부터 상기 산화층을 분리하는 단계;와, (d) 상기 금속 촉매층을 제거하는 단계;를 포함하는 그래핀의 전사 방법을 제공한다.
여기서, 상기 베이스 부재는 실리콘(Si)을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 산화층은 산화 실리콘(SiO2)으로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 금속 촉매층은, 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 철(Fe), 코발트(Co) 및 텅스텐(W) 중 적어도 어느 하나의 소재로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 제1 캐리어는 연성의 소재이고, 상기 제1 캐리어의 적어도 일부는 롤(roll)에 감겨 있어 롤-투-롤 공정에 의해 상기 제1 캐리어가 이송될 수 있다.
여기서, 상기 제1 캐리어는 적어도 일면에 접착면을 가지는 열 박리 테이프로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 (d)단계 이후에, 상기 그래핀을 제2 캐리어에 부착시키고 상기 제1 캐리어에 열을 가하여 상기 그래핀을 상기 제1 캐리어로부터 분리함으로써, 상기 그래핀을 상기 제2 캐리어에 전사할 수 있다.
여기서, 상기 (b)단계는, 상기 제1 캐리어의 접착면을 상기 그래핀 방향으로 밀어, 상기 그래핀을 상기 제1 캐리어에 부착시킬 수 있다.
여기서, 상기 제1 캐리어의 접착면을 상기 그래핀 방향으로 밀기 위해서, 상기 제1 캐리어의 면들 중 상기 접착면의 반대면 쪽으로 압축 공기를 분사시킬 수 있다.
여기서, 상기 (c)단계에서, 상기 수증기는 압축 공기와 함께 상기 그래핀 형성 구조체에 분사될 수 있다.
여기서, 상기 압축 공기는 에어 나이프(air knife) 장치에 의해 분사될 수 있다.
여기서, 상기 (c)단계와 상기 (d)단계 사이에, 상기 금속 촉매층 상에 소정의 패턴 형상을 가지는 에칭 레지스트를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 (c)단계 도중에, 상기 제1 캐리어의 진행 방향은, 상기 베이스 부재의 진행 방향과 평행한 방향으로부터 상기 베이스 부재의 진행 방향에 경사진 방향으로 변경될 수 있다.
여기서, 상기 (c)단계를 거쳐 상기 금속 촉매층으로부터 분리된 상기 산화층 및 상기 베이스 부재는 상기 제1 캐리어로부터 이격되도록 이송될 수 있다.
여기서, 상기 (d) 단계는 에칭 공정에 의하여 이루어지고, 상기 에칭 공정은, 산, 불화수소(HF), BOE(buffered oxide etch), 염화제2철(FeCl3) 용액 및 질산제2철(Fe(No3)3) 용액 중 적어도 어느 하나를 이용하여 수행될 수 있다.
여기서, 상기 (d)단계 이후에, 상기 그래핀을 제2 캐리어에 부착시키고 상기 그래핀을 상기 제1 캐리어로부터 분리함으로써, 상기 그래핀을 상기 제2 캐리어에 전사할 수 있다.
여기서, 상기 (d)단계 이후에, 상기 그래핀의 일부를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 그래핀의 전사 방법에 따르면, 그래핀이 형성되어 있는 그래핀 형성 구조체로부터 그래핀을 용이하게 전사시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 그래핀 형성 구조체의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 관한 그래핀의 전사 방법에 관한 개략적인 도면이다.
도 3은 도 2의 A 부분을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 4는 도 2의 작업 영역 P3의 일부를 확대한 도면이다.
도 5는 도 2의 B 부분을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 6은 도 2의 C 부분을 확대한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 관한 그래핀이 제2 캐리어에 전사된 모습을 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 관한 그래핀의 전사 방법을 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일한 부호를 사용함으로써 중복 설명을 생략한다. 또한, 본 발명의 도면 중에는 이해를 돕기 위하여 두께 및 크기 등을 일부 과장되게 그린 부분도 존재한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 그래핀 형성 구조체의 단면도이다. 여기서, 「그래핀 형성 구조체」란, 전술한 「배경기술」란에서 설명한 화학 기상 증착법을 이용하여 그래핀을 충분히 성장시킨 구조체를 의미한다. 즉, 본 실시예에 관한 그래핀 형성 구조체(100)는 사용하기에 충분히 성장된 상태지만 전사되지 않은 그래핀(140)을 포함하고 있다.
도 1을 참조하여, 그래핀 형성 구조체(100)의 구조를 설명하기로 한다.
그래핀 형성 구조체(100)는 베이스 부재(110), 산화층(120), 금속 촉매층(130), 그래핀(140)을 구비하고 있다.
베이스 부재(110)는 실리콘(Si) 소재의 웨이퍼로 구성된다.
본 실시예에 따른 베이스 부재(110)는 실리콘 소재의 웨이퍼로 구성되나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 베이스 부재의 소재에는 특별한 제한이 없다.
산화층(120)은 산화 실리콘(SiO2)으로 이루어지며, 그 두께는 300nm이상으로 형성된다. 산화층(120)은 그 소재인 산화 실리콘의 성질 상 친수성(親水性)의 성질을 가진다.
본 실시예에 따른 산화층(120)은 산화 실리콘(SiO2)으로 이루어지나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 산화층의 소재는 친수성의 성질을 가지고 금속 촉매층(130)을 형성하기에 용이한 소재로 이루어지면 되고, 그 외의 소재 선택에 관한 특별한 제한은 없다.
금속 촉매층(130)의 소재는 니켈(Ni)로 이루어져 있으며, 스퍼터링의 방법으로 산화층(120)위에 형성되되 그 두께는 100nm 이상으로 형성된다. 금속 촉매층(120)은 그 소재인 니켈(Ni)의 성질 상 소수성(疏水性)의 성질을 가진다.
본 실시예에 따른 금속 촉매층(130)은 니켈(Ni)의 소재로 이루어지나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 금속 촉매층의 소재는, 화학 기상 증착법을 수행할 때 탄소를 흡수하여 그래핀을 성장시킬 수 있으며 소수성의 성질을 가지면 되고, 그 외의 소재 선택에 관한 특별한 제한은 없다. 즉, 본 발명에 따른 금속 촉매층의 소재는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 철(Fe), 코발트(Co), 텅스텐(W) 등의 소재가 다양하게 선택될 수 있다.
그래핀(140)은 탄소 원자들간의 공유 결합에 의해 단일층 또는 복수층으로 형성된 매우 얇은 박판 또는 필름 형상을 가지고 있는데, 화학 기상 증착법에 의해 금속 촉매층(130)의 상면에 필름 형상으로 성장한 상태이다.
이하, 도 2 내지 도 8을 참조하여, 본 실시예에 관한 그래핀의 전사 방법에 대해 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 관한 그래핀의 전사 방법에 관한 개략적인 도면이다. 도 3은 도 2의 A 부분을 확대하여 도시한 단면도이고, 도 4는 도 2의 작업 영역 P3의 일부를 확대한 도면이다. 또한, 도 5는 도 2의 B 부분을 확대하여 도시한 단면도이며, 도 6은 도 2의 C 부분을 확대한 단면도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 관한 그래핀이 제2 캐리어에 전사된 모습을 도시한 단면도이다. 또한, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 관한 그래핀의 전사 방법을 도시한 흐름도이다.
먼저, 전술한 바와 같이, 작업자는, 전술한 화학 기상 증착법으로 그래핀(140)이 충분히 성장되어 있는 그래핀 형성 구조체(100)를 준비한다(S1 단계).
그 다음, 도 2에 도시된 바와 같이, 그래핀 형성 구조체(100)에 원통 형상의 지지대(111)를 부착하고, 지지대(111)를 잡아 그래핀 형성 구조체(100)를 제1 캐리어(150)에 배치한다(S2 단계).
즉, 그래핀 형성 구조체(100)는 제1 캐리어(150)의 부분 중 작업 영역 P1에 위치한 부분에 배치되는데, 이를 위해 작업자는 구조체 배치 장치(210)를 이용하여 베이스 부재(110)의 상면에 부착된 지지대(111)를 잡아 움직임으로써, 그래핀 형성 구조체(100)를 제1 캐리어(150)에 배치한다.
구조체 배치 장치(210)는 컴퓨터에 의해 자동으로 제어되는 로봇 장치로서, 흡착부(211)와 흡착부 구동부(212)를 포함한다. 여기서 흡착부(211)는 지지대(111)를 잡는 부분으로서, 흡착부(211) 내부의 진공 상태에 의해 지지대(111)를 잡게 된다.
본 실시예에서는 그래핀 형성 구조체(100)를 제1 캐리어(150)에 배치하기 위해, 베이스 부재(110)에 지지대(111)를 별개로 부착하였으나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면, 지지대(111)를 베이스 부재(110)에 부착하지 않아도 된다. 그 경우에, 흡착부(211)는 베이스 부재(110)의 표면을 직접 흡착하는 방식으로 그래핀 형성 구조체(100)를 집어 올려 제1 캐리어(150)에 배치하게 된다.
또한, 본 실시예에서는 구조체 배치 장치(210)를 이용하여 그래핀 형성 구조체(100)를 제1 캐리어(150)에 배치하나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면, 구조체 배치 장치(210)를 이용하지 않고 작업자가 직접 그래핀 형성 구조체(100)를 수작업으로 제1 캐리어(150)에 배치할 수도 있다. 또한, 작업자는 본 실시예의 구조체 배치 장치(210)와는 상이한 구조의 배치 장치를 이용하여 그래핀 형성 구조체(100)를 제1 캐리어(150)에 배치시킬 수도 있다.
한편, 제1 캐리어(150)는 연성의 열 박리 테이프(thermal release tape)로 이루어져 있다. 제1 캐리어(150)의 소재가 되는 열 박리 테이프는 시중에서 유통되고 있는 열 박리 테이프가 바로 사용될 수 있으며, 일면에 접착면(150a)을 가지고 있다. 따라서, 작업자 또는 구조체 배치 장치(120)로 그래핀 형성 구조체(100)를 제1 캐리어(150)에 배치할 때, 그래핀 형성 구조체(100)의 그래핀(140)이 제1 캐리어(150)의 접착면(150a)에 접촉하도록 배치한다.
본 실시예의 제1 캐리어(150)는 열 박리 테이프로 이루어지나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 제1 캐리어의 소재 및 형상에는 특별한 제한이 없다. 즉, 본 발명에 따른 제1 캐리어의 소재로는 그래핀(140)에 탈부착 시 그래핀(140)의 표면 등에 손상이 가지 않거나 손상을 최소화할 수 있는 소재이면 되고 그 외의 특별한 제한은 없다.
제1 캐리어(150)는 공급 롤(roll)(151) 및 회수 롤(152)에 일부가 감겨져 있어, 이송 시 롤-투-롤 공정(roll-to-roll processing)에 의해 공급 롤(151)에서 풀려나와 회수 롤(152)로 이송되는 구성을 가지고 있다.
본 실시예의 제1 캐리어(150)는 롤-투-롤 공정에 의해 이송되나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 제1 캐리어의 이송 방법에는 특별한 제한이 없다. 예를 들어, 제1 캐리어를 판상의 형상으로 형성하고, 별도의 컨베이어 벨트 이송 기구를 구비하여, 제1 캐리어를 컨베이어 벨트에 놓아 이송시킬 수도 있다.
그 다음, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 캐리어(150)가 작업 영역 P2에 도달하게 되면, 압축 공기가 제1 캐리어(150)를 그래핀(140) 방향으로 밀어, 그래핀(140)을 제1 캐리어(150)의 접착면(150a)에 확실히 부착시킨다(S3 단계).
이를 위해, 제1 캐리어(150)의 하방에 압축 공기 분사기(160)를 준비하고, 압축 공기 분사기(160)의 노즐(161)의 방향을 제1 캐리어(150)의 후면(150b)을 향하게 한 후, 압축 공기를 분사시킨다. 제1 캐리어(150)의 후면(150b)은 접착면(150a)에 반대되는 면으로서, 노즐(161)에서 분사된 압축 공기가 후면(150b)에 부딪히게 되면, 제1 캐리어(150)를 그래핀(140) 방향으로 밀게 됨으로써, 그래핀(140)은 접착면(150a)에 확실히 부착하게 된다. 본 실시예의 경우에는 그래핀(140)을 제1 캐리어(150)의 접착면(150a)에 부착시킬 때에 고체 가압 수단의 물리적인 접촉에 의한 가압을 수행하지 않기 때문에, 부착 시 그래핀(140)의 표면 손상을 최소화할 수 있는 특징이 있다.
본 실시예에 따르면, 압축 공기를 분사하여 제1 캐리어(150)를 그래핀(140) 방향으로 밀게 함으로써 그래핀(140)을 접착면(150a)에 확실히 부착시키나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 일 예로, 제1 캐리어(150)의 후면(150b)에 접촉하는 별도의 롤러(roller) 등을 설치하여, 그러한 롤러 등이 제1 캐리어(150)의 후면(150b)을 밀게 함으로써 그래핀(140)과 제1 캐리어(150)의 접착면(150a)을 압착시킬 수도 있다.
이상과 같이 설명한 S3 단계를 거치게 되면, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 캐리어(150)의 접착면(150a)에 그래핀(140)이 확실히 부착되게 된다.
그 다음, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 캐리어(150)가 작업 영역 P3으로 진입하게 되면, 제1 캐리어(150)에 부착된 그래핀 형성 구조체(100)는 고압의 수증기 분사 장소에 이르게 된다. 이어 수증기가 수증기 분사 장치(170)에 의해 그래핀 형성 구조체(100)에 분사됨으로써, 수증기의 작용에 의해 산화층(120)이 금속 촉매층(130)으로부터 분리되게 된다(S4 단계).
즉, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 수증기 분사 장치(170)는 수증기를 그래핀 형성 구조체(100)쪽으로 분사하는데, 분사된 수증기는 산화층(120)과 금속 촉매층(130) 사이에 침투하여 산화층(120)을 분리시키게 된다. 여기서, 수증기의 분사 방향은 대체로 제1 캐리어(150)의 진행 방향과 반대 방향으로 분사되게 된다. 아울러 수증기 분사 장치(180)는 고온의 압축 공기도 함께 분사하게 되는데, 이러한 작용은 산화층(120)과 금속 촉매층(130) 사이에 수증기의 침투를 용이하게 할 뿐만 아니라, 분사된 수증기에 추가적인 열을 공급하여 산화층(120)과 금속 촉매층(130)의 분리에 도움을 주게 된다.
즉, 산화층(120)은 친수성의 성질을 가지고 있고, 금속 촉매층(130)은 소수성의 성질을 가지고 있기 때문에 수증기가 침투하게 되면, 산화층(120)과 금속 촉매층(130)은 분리되게 된다. 아울러, 수증기는 추가적인 열을 받거나 상변이를 할 수 있는 에너지를 공급받거나 그에 준하는 분위기가 되면 원래 체적과 비교하여 수백 배 이상으로 체적이 급격히 팽창하게 되는 특성이 있는데, 상기와 같이 고온의 압축 공기를 공급하게 되면 분사되는 수증기에 열을 추가적으로 공급하게 되므로, 더욱 용이하게 산화층(120)과 금속 촉매층(130) 사이를 분리시킬 수 있게 된다.
본 실시예에서는, 그래핀(140)을 제1 캐리어(150)에 부착시키는 S3 단계와, 산화층(120)이 금속 촉매층(130)으로부터 분리되는 S4 단계를 분리하여 진행하나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면, S3 단계와 S4 단계가 거의 동시에 이루어질 수도 있다. 즉, 선행하는 그래핀 형성 구조체(100)의 일부가 S3 단계를 먼저 거치고 S4 단계를 거칠 때, 후행하는 그래핀 형성 구조체(100)의 타부는 S3 단계를 거칠 수도 있다. 즉, 하나의 그래핀 형성 구조체(100)에 S3 단계와 S4 단계가 동시에 진행될 수 있게 되고, 그 경우에 단계 진행의 물리적인 공간도 거의 동일한 공간에서 진행되게 된다.
본 실시예에의 수증기 분사 장치(170)는 수증기 뿐만 아니라 고온의 압축 공기도 함께 분사하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 수증기 분사 장치(170)는 고온의 압축 공기를 함께 분사하지 않고, 오직 수증기만을 분사하도록 구성될 수도 있다.
여기서, 수증기 분사 장치(170)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 수증기 공급부(171)와, 히터가 장착이 된 고온/고압 공기 분사부(172), 분사 노즐(173)로 구성된다.
수증기 공급부(171)는 수증기를 공급하며, 고온/고압 공기 분사부(172)는 고온 고압의 공기를 분사하는 기능을 수행하며, 분사 노즐(173)은 수증기 및 고온 고압의 공기의 속도를 증대시켜 그래핀 형성 구조체(100) 방향으로 분사하는 기능을 수행한다. 여기서, 고온/고압 공기 분사부(172)는 히터(heater) 장착이 된 에어 나이프(air knife) 장치가 사용될 수 있다. 여기서, 히터의 작동에 의한 고온 적용 여부나 고압의 적용 여부는, 상기 S4 단계의 진행 속도나 그래핀 형성 구조체(100)의 크기 등을 고려하여 선택적으로 적용가능하며, 고온이나 고압의 강약 조절도 가능하다.
본 실시예에서는 고온/고압 공기 분사부(172)가 수증기 공급부(171)의 후방에 배치되나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면 고온/고압 공기 분사부(172)는 수증기 공급부(171)의 전방에 배치될 수도 있다.
한편, 상기 S4 단계에서는, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 가이드 롤러들(153a)(153b)(153c)의 배치 구성에 의해 제1 캐리어(150)의 진행 방향이 변경된다. 즉, 전술한 S3 단계에서는 제1 캐리어(150)의 진행 방향이 베이스 부재(110)의 진행 방향과 평행한 방향(도 4에 도시된 제1방향의 화살표 방향)으로 진행하게 되는데 비하여, S4 단계에서 제1 캐리어(150)의 진행 방향은, 상기 도 4의 제1방향에서 베이스 부재(110)의 진행 방향에 경사진 방향(도 4에 도시된 제2방향의 화살표 방향)으로 변경되게 된다. 그러한 구성은 수증기에 의해 산화층(120)으로부터 분리되기 시작하는 금속 촉매층(130) 및 그래핀(140)을 하방으로 점차 이동시켜 금속 촉매층(130)과 산화층(120) 사이의 분리 작용을 돕는다.
한편, 제1 캐리어(150)가 작업 영역 P3으로 진입하게 되면, 제2 흡착부(221)는 베이스 부재(110)의 상면에 부착된 지지대(111)를 흡착한다. 제2 흡착부(221)는 지지대(111)에 흡착된 상태로 제1 캐리어(150)의 이동 속도와 동일한 속도로 수평으로 움직이게 된다. 즉, 제2 흡착부(221)는 제2 흡착부 이송 장치(220)에 의해 수평 방향으로 이송된다. 여기서, 제2 흡착부 이송 장치(220)는 컴퓨터에 의해 자동으로 제어되는 로봇 장치로서 주지의 구성이 이용될 수 있다.
그러한 구성은, 전술한 제1 캐리어(150)의 이송 방향 변경 작용(도 4의 제1방향에서 제2방향으로 변경됨)과 함께 작용하여 산화층(120)과 금속 촉매층(130) 사이의 분리 작용을 돕는다. 즉, 제1 캐리어(150)의 진행 방향이 도 4의 제1방향에서 경사진 방향(도 4의 제2 방향)으로 변경되더라도 제2 흡착부(221)는 계속해서 처음의 방향(도 4의 제1 방향)으로 움직이게 된다. 그렇게 되면, 지지대(111)에 부착된 베이스 부재(110) 및 산화층(120)도 처음의 제1방향으로 계속해서 움직이게 됨으로써, 산화층(120)과 금속 촉매층(130) 사이의 분리 작용이 용이하게 된다. 한편, 그러한 S4 단계가 종료되면, 분리된 베이스 부재(110) 및 산화층(120)은 제2 흡착부 이송 장치(220)에 의해 제1 캐리어(150)로부터 이격되도록 이송된 후, 소정의 후처리를 통해서 그래핀 합성을 위한 공정으로 이동하거나 상태에 따라 별도의 곳으로 가서 폐기처분되거나 후가공을 통해 재활용되게 된다.
이상과 같이 설명한 S4 단계를 거치게 되면, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 캐리어(150)의 상면에 그래핀(140) 및 금속 촉매층(130)만이 남게 된다.
그 다음, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 캐리어(150)가 작업 영역 P4에 도달하게 되면, 금속 촉매층(130)을 제거하는 에칭 공정이 수행된다(S5 단계).
여기서, 에칭 공정은 에칭액에 의해 이루어지는데, 에칭액으로는 산, 불화수소(HF), BOE(buffered oxide etch), 염화제2철(FeCl3) 용액, 질산제2철(Fe(No3)3) 용액 등이 사용될 수 있다.
본 실시예에 따른 에칭 공정은 에칭액을 이용하는 습식 에칭 공정이나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 에칭 공정은 건식 에칭 공정이 될 수 있고, 스퍼터링 방법을 이용한 금속 촉매층을 제거하는 공정이 적용될 수도 있다.
본 실시예에서는 에칭 공정을 수행함으로써, 금속 촉매층(130)을 전부 제거하나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 S5 단계의 에칭 공정은, 사전에 금속 촉매층(130) 상에 소정의 패턴 형상을 가지는 에칭 레지스트를 형성한 후 진행함으로써, 금속 촉매층(130)을 선택적으로 제거할 수 있다.
즉, S5 단계 이전에 감광성 포토 레지스트를 이용하여 노광 및 현상 공정 등을 거쳐 금속 촉매층(130) 위에 패턴 형성된 에칭 레지스트를 형성한 후 에칭 공정을 수행함으로써, 금속 촉매층(130)도 패터닝된 형상만을 남기고 나머지 부분을 제거할 수 있다. 이 때, 금속 촉매층(130)의 가장 자리만을 남겨서 일련의 연속 공정 시 진행 방향에 대해 인장력을 강화시킬 수도 있다. 또한, 추가적으로 그래핀(140)의 회로 패턴을 형성하기 위해서, 상기 금속 촉매층(130)의 패턴 에칭 공정 후에 그래핀(140)을 상기 금속 촉매층(130)의 패턴 형상에 따라 일부를 제거함으로써, 그래핀(140)과 금속 촉매층(130)이 일체적으로 적층된 회로 패턴을 형성할 수 있으며, 차후 그러한 「그래핀(140)과 금속 촉매층(130)이 일체적으로 적층된 회로 패턴」을 제2 캐리어(180)에 전사시킬 수도 있다.
이상과 같이 설명한 S5 단계를 거치게 되면, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 캐리어(150)의 상면에 그래핀(140)만이 남게 된다.
그 다음, 제1 캐리어(150)가 작업 영역 P5로 진입하게 되면, 작업자는 제2 캐리어(180)를 준비하여 그래핀(140)에 부착시킨 후, 제1 캐리어(150)에 열을 가하여 접착층(150a)의 접착력을 무력화시켜, 그래핀(140)을 제2 캐리어(180)에 재전사한다(S6 단계).
즉, 제1 캐리어(150)는 열 박리 테이프이므로 열을 가하면 소정의 온도에서 접착력이 무력화되는데, 본 실시예에서는 열을 가하는 방법으로 제1 캐리어(150)에 열풍을 가하는 방법을 사용한다. 이를 위해 히터를 구비한 열풍기(190)가 사용된다.
본 실시에에 따르면, 열풍기(190)를 이용하여 제1 캐리어(150)의 접착층(150a)의 접착력을 무력화시키나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 예를 들면, 열풍기(190)를 사용하지 않고 열 복사에 의해 제1 캐리어(150)의 접착면(150a)에 열을 가하는 방법도 사용될 수 있다.
한편, 제2 캐리어(180)는 제1 캐리어(150)의 경우와 마찬가지로 열 박리 테이프로 구성될 수 있지만, 그 외의 소재로 이루어져도 된다. 예를 들어, 제2 캐리어로는 PDMS(Polydimethylsiloxane), PET(Polyethylen Terephthalate), 폴리 이미드 필름(Polyimide film), 유리(glass), 합성 고무, 천연 고무 등이 이용될 수 있으며, 제2 캐리어(180)는 직접 회로 패턴이 형성되는 기판이 될 수도 있다.
이상과 같이 설명한 S6 단계를 거치게 되면, 도 7에 도시된 바와 같이 제2 캐리어(180)에 그래핀(140)이 전사되게 된다. 아울러, 분리된 제1 캐리어(150)는 회수 롤(152)에 다시 감겨 회수된다.
또한, 본 실시예에 따르면, 전사 공정에 단계 S6을 포함하여 그래핀(140)을 제2 캐리어(180)에 재전사하는 공정까지 포함하고 있으나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면, S5 단계를 거친후, 그래핀(140) 표면에 얇은 보호 필름을 배치하거나 보호 코팅 공정을 수행한 뒤, 그래핀(140)이 배치된 제1 캐리어(150)를 회수 롤(152)에 감아 회수함으로써, 그 회수 롤(152) 자체가 최종 생산품이 될 수 있다.
그 경우, 회수 롤(152)에는 제1 캐리어(150)가 감겨져 있으므로, 생산자는 회수 롤(152)을 구입하여, 원하는 물체(예, 회로 기판, 디스플레이 패널 기판 등)에 그래핀(140)을 부착한 후, 열 박리 테이프인 제1 캐리어(150)에 열을 가하기만 하면 그래핀(140)으로부터 제1 캐리어(150)가 분리되므로, 그래핀(140)을 원하는 물체에 전사할 수 있게 된다.
이상과 같이, 본 실시예에 따른 그래핀의 전사 방법에 따르면, 산화층(120)이 친수성이고 금속 촉매층(130)이 소수성인 점에 착안하여, 수증기를 사용하여 산화층(120)과 금속 촉매층(130)의 분리 작용을 도움으로써, 그래핀(140)의 전사 작업을 신속히 수행할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 롤-투-롤 공정으로 제1 캐리어(150)를 이송시키면서 그래핀(140)을 전사시킴으로써, 대량으로 신속하게 그래핀(140)의 전사 공정을 수행할 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명의 예시적인 구현 예들에 있어서, 본 발명에 따라 전사된 그래핀은, 투명 전극, 전도성 박막, 방열 또는 발열 소자, 플렉서블 디스플레이 장치, 터치 스크린, 유기 LED, 염료 감응형 솔라셀 전극 등의 다양한 응용처에 적용될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
본 발명은 그래핀의 전사 방법에 적용될 수 있다.
100: 그래핀 형성 구조체 110: 베이스 부재
120: 산화층 130: 금속 촉매층
140: 그래핀 150: 제1 캐리어
160: 압축 공기 분사기 170: 수증기 분사 장치
180: 제2 캐리어 190: 열풍기

Claims (17)

  1. (a) 베이스 부재와, 상기 베이스 부재에 형성된 친수성 산화층과, 상기 산화층에 형성된 소수성 금속 촉매층과, 상기 금속 촉매층에 형성된 그래핀을 포함하는 그래핀 형성 구조체를 준비하는 단계;
    (b) 상기 그래핀을 제1 캐리어에 부착시키는 단계;
    (c) 상기 그래핀 형성 구조체에 수증기를 가하여, 상기 금속 촉매층으로부터 상기 산화층을 분리하는 단계; 및
    (d) 상기 금속 촉매층을 제거하는 단계;를 포함하는 그래핀의 전사 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 캐리어는 연성의 소재이고, 상기 제1 캐리어의 적어도 일부는 롤(roll)에 감겨 있어 롤-투-롤 공정에 의해 상기 제1 캐리어가 이송되는 그래핀의 전사 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계에서, 상기 수증기는 압축 공기와 함께 상기 그래핀 형성 구조체에 분사되는 그래핀의 전사 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계 도중에, 상기 제1 캐리어의 진행 방향은, 상기 베이스 부재의 진행 방향과 평행한 방향으로부터 상기 베이스 부재의 진행 방향에 경사진 방향으로 변경되는 그래핀의 전사 방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
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