KR101711391B1 - 그래핀의 도핑 방법 - Google Patents
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Abstract
그래핀의 도핑 방법에 관한 것이다.
Description
본원은 그래핀의 도핑 방법에 관한 것이다.
그래핀은 탄소 원자를 가지는 2 차원 (2D)의 벌집형 격자의 단층이다. 그래핀은 높은 열 전도도, 전하 캐리어의 우수한 이동도, 큰 비표면적, 및 우수한 기계적 안정성을 가지고 있다. 그래핀은 상기 뛰어난 특성 때문에 2004 년 발견 이후로 많은 주목을 받고 있다. 그래핀의 응용에 대한 많은 연구가 집중적으로 수행되었다. 예를 들어, 그래핀의 응용 분야는 전계 효과 트랜지스터 (field effect transistor; FET), 수퍼캐패시터, 수소 발생/저장, 태양전지, 광촉매, 및 바이오센서 등이 있다.
특히, 그래핀은 미래 전자공학을 위한 하나의 가능한 후보 소재로서 관심을 받고 있다. 종래의 Si-기반 전자공학은 크기 제한 문제에 부딪히게 될 것으로 예상되고 있다. 그러므로 Si 대체를 위한 신소재의 개발이 강력하게 요구된다. 그래핀은 나노 스케일에서 탄도성 (ballistic) 수송을 나타내고, 또한 캐리어 이동도의 손실 없이 게이트 전압 또는 분자 흡착에 의해 도핑될 수 있다. 그래핀의 뛰어난 전기 전달 특성은 또한 상이한 도핑 소스 및 도핑 양에 의해 제어될 수 있다.
원소 치환이나 전하의 이동을 통한 도핑은 그래핀의 전기적 특성을 향상시키고 환경적 안정성을 개선하기 위해 많이 시도되고 있다. 그 중에서도 전자를 끌어당기거나 전달하는 성질을 가진 화학적 작용기를 이용한 표면 전하 이동 도핑 방식은 그래핀의 결함을 야기하지 않고 다양한 가스, 유기 또는 무기 물질이 사용 가능함에 따라 매우 각광받는 방식이다. 그러나 상기 표면 전하 이동 도핑 방식에서 도핑 농도 조절은 화학적 작용기의 농도를 조절하거나 도핑 횟수를 조절해야 하는 등의 복잡한 방식을 요구하며, 때로는 정밀한 도핑 농도의 조절이 어렵다는 단점을 갖고 있다.
한편, 대한민국 공개특허 제10-2013-0096836호는 촉매 금속 층 상에 그래핀 층을 형성하는 단계; 상기 그래핀 층 상에 도펀트를 포함하는 지지층을 위치시키는 단계; 상기 촉매 금속 층을 제거하는 단계; 상기 그래핀 층을 상에 기판을 위치시키는 단계; 및 상기 지지층을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀의 도핑 방법에 대해서 개시하고 있다.
이에, 본원은 그래핀의 도핑 방법을 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 화학적 작용기에 의해 개질된 고무 렌즈에 그래핀을 접촉시켜 상기 그래핀을 도핑하는 것을 포함하는, 그래핀의 도핑 방법을 제공한다.
본원의 제 2 측면은, 제 1 측면에 따른 방법에 의해 제조되고, 화학적 작용기에 의해 개질된 고무 렌즈에 그래핀을 접촉시켜 도핑된 그래핀을 채널층으로서 포함하는, 트랜지스터를 제공한다.
전술한 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 화학적 작용기에 의해 개질된 고무 렌즈에 그래핀을 접촉시킴으로써 그래핀 도핑 농도를 정밀하게 조절할 수 있다. 전술한 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 상기 도핑된 그래핀을 이용하여 트랜지스터 또는 인버터에서의 구동 전압 등을 조절할 수 있다.
전술한 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 상기 정밀하게 도핑된 그래핀을 이용한 트랜지스터 또는 인버터의 내에서의 전하 이동을 효과적으로 조절할 수 있다.
도 1은, 본원의 일 구현예에 있어서, 폴리디메틸실록산 렌즈와 그래핀 채널 사이의 접촉 면적 조절을 나타내는 이미지이다.
도 2의 a는, 본원의 일 실시예에 따라 제조된 그래핀 트랜지스터의 Vg-Id 트랜스퍼 커브를 나타내는 그래프이고, 도 2의 b 및 c는, 본원의 일 실시예에 있어서, 모빌리티 변화값을 나타내는 그래프이고, 도 2의 d는, 본원의 일 실시예에 있어서, 그래핀 트랜지스터를 P 타입 도핑 물질을 통해 도핑시킨 결과를 나타내는 그래프이고, 도 2의 e 및 f는, 본원의 일 실시예에 있어서, 도핑 정도에 따른 모빌리티 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은, 본원의 일 실시예에 있어서, 각각 폴리에틸렌이민 (PEI)으로 개질시킨 폴리디메틸실록산 (PDMS), 아무런 개질을 하지 않은 PDMS, 및 트리플루오르 메탄술포닐아민 (TFSA)으로 개질시킨 PDMS의 접촉에서의 라만 피크 분석을 나타내는 그래프이다.
도 4의 a는, 본원의 일 구현예에 있어서, 인버터 구조를 나타내는 개략도이고, 도 4의 b는, 본원의 일 실시예에 있어서, 트랜지스터의 Vg-Id 커브를 나타내고, 도 4의 c는, 인버터 결과 커브의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2의 a는, 본원의 일 실시예에 따라 제조된 그래핀 트랜지스터의 Vg-Id 트랜스퍼 커브를 나타내는 그래프이고, 도 2의 b 및 c는, 본원의 일 실시예에 있어서, 모빌리티 변화값을 나타내는 그래프이고, 도 2의 d는, 본원의 일 실시예에 있어서, 그래핀 트랜지스터를 P 타입 도핑 물질을 통해 도핑시킨 결과를 나타내는 그래프이고, 도 2의 e 및 f는, 본원의 일 실시예에 있어서, 도핑 정도에 따른 모빌리티 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은, 본원의 일 실시예에 있어서, 각각 폴리에틸렌이민 (PEI)으로 개질시킨 폴리디메틸실록산 (PDMS), 아무런 개질을 하지 않은 PDMS, 및 트리플루오르 메탄술포닐아민 (TFSA)으로 개질시킨 PDMS의 접촉에서의 라만 피크 분석을 나타내는 그래프이다.
도 4의 a는, 본원의 일 구현예에 있어서, 인버터 구조를 나타내는 개략도이고, 도 4의 b는, 본원의 일 실시예에 있어서, 트랜지스터의 Vg-Id 커브를 나타내고, 도 4의 c는, 인버터 결과 커브의 변화를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "그래핀"이라는 용어는 복수개의 탄소 원자들이 서로 공유 결합으로 연결되어 폴리시클릭 방향족 분자를 형성한 것을 의미하는 것으로서, 상기 공유 결합으로 연결된 탄소 원자들은 기본 반복 단위로서 6 원환을 형성하나, 5 원환 및/또는 7 원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 따라서, 상기 그래핀이 형성하는 시트는 서로 공유 결합된 탄소 원자들의 단일층으로서 보일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 그래핀이 형성하는 시트는 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 시트의 측면 말단부는 수소 원자로 포화될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원 명세서 전체에서, 그래핀은 그래핀 산화물이 환원 과정을 거쳐 산소 비율이 줄어든 것을 포함할 수 있다.
본원 명세서 전체에서, 용어 "알킬(기)"는, 1 내지 20 개의 탄소 원자, 1 내지 10 개의 탄소 원자, 1 내지 8 개의 탄소 원자, 1 내지 6 개의 탄소 원자, 또는 1 내지 3 개의 탄소 원자를 갖는, 선형 또는 분지형의 알킬기를 나타낸다. 상기 알킬기가 알킬기로 치환되는 경우, 이는 "분지형의 알킬기"로도 상호교환하여 사용된다. 상기 알킬기에 치환될 수 있는 치환기로는, 할로(예를 들어, F, Cl, Br, I), 할로알킬(예를 들어, CC13 또는 CF3), 알콕시, 알킬티오, 히드록시, 카르복시(-C(O)-OH), 알킬옥시카르보닐(-C(O)-O-R), 알킬카르보닐옥시(-O-C(O)-R), 아미노(-NH2), 카르바모일(-NHC(O)OR- 또는 -O-C(O)NHR-), 우레아(-NH-C(O)-NHR-) 및 티올(-SH)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 들 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 아울러, 앞서 기술된 상기 알킬기 중 탄소수 2 이상의 알킬기는 적어도 하나의 탄소 대 탄소 이중 결합 또는 적어도 하나의 탄소 대 탄소 삼중 결합을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실, 헵실, 옥틸, 노닐, 데실, 운데실, 도데실, 트리데실, 테트라데실, 펜타데실, 헥사데실, 헵타데실, 옥타데실, 노나데실, 에이코사닐, 또는 이들의 가능한 모든 이성질체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원 명세서 전체에서, 용어 "아릴(기)" 는 적어도 하나의 방향족 탄화수소기를 포함하는 것을 의미하며, 상기 아릴은, 예를 들어, 페닐, 비페닐, 톨루일, 나프틸, 트리아지닐, 피리미디닐, 피리디닐, 푸라닐, 티아졸리닐, 퀴놀리닐, 이소퀴놀리닐, 인돌릴, 이소인돌릴, 트리아졸릴, 피롤릴, 테트라졸릴, 이미다졸릴, 피라졸릴, 옥사졸릴, 티아졸릴, 벤조푸라닐, 벤조티오페닐, 카르바졸릴, 벤즈옥사졸릴, 피리미디닐, 벤즈이미다졸릴, 퀴녹살리닐, 벤조티아졸릴, 나프티리디닐, 이속사졸릴, 이소티아졸릴, 푸리닐, 퀴나졸리닐, 피라지닐, 1-옥시도피리딜, 피리다지닐, 트리아지닐, 테트라지닐, 옥사디아졸릴, 또는 티아디아졸릴을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
이하, 본원의 구현예를 상세히 설명하였으나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 1 측면은, 화학적 작용기에 의해 개질된 고무 렌즈에 그래핀을 접촉시켜 상기 그래핀을 도핑하는 것을 포함하는, 그래핀의 도핑 방법을 제공한다.
본원에 따른 그래핀의 도핑 방법은 종래의 그래핀 표면 전하 이동 도핑에서의 정밀한 조절이 어려웠던 점을 개선하기 위한 방법으로서, 화학적 작용기에 의해 개질된 고무 렌즈를 이용하여 그래핀에 도핑할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 개질된 고무 렌즈에 포함되어 있는 화학적 작용기를 상기 그래핀에 부분적으로 도핑함으로써 그래핀 도핑 농도를 조절할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
상기 그래핀 도핑 농도를 조절하는 것은 상기 개질된 고무 렌즈를 그래핀에 부분적으로 접촉시키고 압력을 가함으로써 반구 형태의 고무 렌즈와 그래핀 사이의 압력의 크기를 증가시킴에 따라 그 면적을 조절하여 그래핀의 도핑 정도를 조절할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고무 렌즈는 폴리디메틸실록산 (PDMS) 계열의 실리콘 고무, 폴리이소프렌 (polyisoprene) 계열의 천연고무, 폴리부타디엔 (polybutadiene), 에틸렌-비닐 아세테이트 (ethylene-vinyl acetate) 고무, 에피클로로하이드린 고무 (epichlorohydrin rubber), 폴리아크릴 고무 (polyacrylic rubber), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 폴리디메틸실록산 (PDMS) 계열의 고무는 [SiO(CH3)2] 단량체 (monomer)가 반복된 고분자로, 산업적으로 디메틸디클로로실란 (dimethyldichlorosilane)과 물을 반응시켜 만든 HO[-Si(CH3)2O-]nH 의 화학 구조를 가지고 있는 고무이다.
상기 폴리이소프렌 계열의 천연고무란, 하기 화학식 1로서 표시되는 두 개의 탄소-탄소 이중 결합을 가진 단분자 중합체들이 중합하여 형성된 고분자 물질을 바탕으로 한 고무이다.
[화학식 1]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학적 작용기는 트리플루오르 C1 -6 알킬기, 아릴기, 아민기, 또는 C1 -6 알킬기를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 트리플루오르 C1 -6 알킬기는 트리플루오르 메틸기, 트리플루오르 에틸기, 또는 트리플루오르 프로필기를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 아릴기는 페닐기일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 알킬기는 C1 -6 알킬기, 또는 C1 -3 알킬기일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학적 작용기는 트리플루오르 메탄술포닐아민 (TFSA) 및 테트라플루오르 테트라시아노퀴오노디메탄 (F4-TCNQ)의 트리플루오르 메틸기 (-CF3), 또는 벤젠기 (-C6H6)와 같이 전자 수용기 (electron withdrawing group)를 포함하는 화학 물질을 이용하여 전하의 끌림을 유도하거나, 또는 폴리에틸렌이민의 아민기 (-NH2), 또는 메틸기 (-CH3)와 같이 전자 공여기 (electron donating group)를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 도핑은 상기 화학적 작용기에 의해 개질된 고무 렌즈를 그래핀에 접촉시키고 압력을 가하는 것에 의해 수행되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 압력이 가하는 것은 원형의 접촉 면적이 넓어지는 물리적인 현상을 이용할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고무 렌즈는 상기 화학적 작용기를 포함하는 물질-함유 용액을 이용하여 스핀 코팅 또는 디핑 (dipping)에 의해 개질되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고무 렌즈는 P 타입 또는 N 타입의 상기 화학적 작용기에 의해 개질되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 P 타입으로 개질된 고무 렌즈는 전하를 끌어당기는 물질을 이용하여 개질되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 P 타입의 화학적 작용기에 의한 개질은 트리플루오르 메탄술포닐아민, 테트라시아노퀴오노 디메탄, 테트라소디움 피렌테트라술포닉산 (TPA), 또는 디브로모 안트라센 (An-Br) 을 이용하여 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 N 타입으로 개질된 고무 렌즈는 전자 공여기 (electron donating group)를 이용하여 개질된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 N 타입으로 화학적 작용기에 의한 개질은 폴리에틸렌이민 (PEI), 나프탈렌 디아민 (Na-NH2), 또는 디메틸 안트라센 (An-CH3)을 이용하여 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고무 렌즈는 반구 형태인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 2 측면은, 상기 제 1 측면에 따른 방법에 의해 제조되고, 화학적 작용기에 의해 개질된 고무 렌즈에 그래핀을 접촉시켜 도핑된 그래핀을 채널층으로서 포함하는, 트랜지스터를 제공한다.
본원의 제 1 측면의 그래핀의 도핑 방법과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 그래핀의 도핑 방법에 대해 설명한 내용은 본원의 트랜지스터에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.
트랜지스터란 게이트, 드레인, 및 소스를 포함한 적어도 세 개의 단자를 가지는 소자이며, 드레인 영역과 소스 영역 사이에 채널 영역 (채널층)을 포함하고, 드레인 영역과 채널 영역과 소스 영역을 통해 전류를 흐르게 할 수 있다. 상기 소스 및 드레인은, 트랜지스터의 구조나 동작 조건 등에 따라 변화할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 이때, 트랜지스터는, 베이스, 이미터, 및 컬렉터를 포함한 적어도 세 개의 단자를 가지는 소자로 해도 가능하다. 상기 게이트란, 게이트 전극과 게이트 배선을 포함한 전체, 또는, 그것들의 일부를 말한다. 상기 게이트 전극이란, 채널 영역을 형성하는 반도체와, 게이트 절연막을 통해 오버랩되어 있는 부분의 도전막을 말한다. 또한, 게이트 단자란, 게이트 전극의 부분 또는, 게이트 전극과 전기적으로 접속되어 있는 부분에 대해서, 그 일부분을 말한다. 상기 소스란, 소스 영역과 소스 전극과 소스 배선을 포함한 전체, 또는, 그것들의 일부를 말한다. 소스 영역이란, Ｐ형 불순물이나 Ｎ형 불순물이 많이 포함되는 반도체 영역을 말한다. 소스 전극이란, 소스 영역과는 다른 재료로 형성되고, 소스 영역과 전기적으로 접속되어서 배치되어 있는 부분의 도전층을 말한다. 또한, 상기 드레인은 상기 소스와 동일하다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 개질된 고무 렌즈에 포함되어 있는 화학적 작용기를 상기 그래핀에 부분적으로 도핑함으로써 그래핀 도핑 농도를 조절할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
상기 그래핀 도핑 농도를 조절하는 것은 상기 개질된 고무 렌즈를 그래핀에 부분적으로 접촉시키고 압력을 가함으로써 반구 형태의 고무 렌즈와 그래핀 사이의 그 면적을 조절하여 그래핀의 도핑 정도를 조절할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 도핑된 그래핀을 채널층으로서 포함하는 트랜지스터는 디락 포인트를 P 방향 또는 N 방향으로 조절 가능할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 디락 포인트란, 그래핀 트랜지스터의 게이트 전압과 전류량 관계를 나타낸 커브 (Vg-Id 곡선 또는 트렌스퍼 커브)에서 전류량이 가장 낮은 부분을 나타낸다. V 형태의 트랜스퍼 커브에서 꼭지점 부분을 의미하며, 이 디락 포인트를 움직임으로써 그래핀 트랜지스터를 응용한 논리 회로의 동작 전압을 임의로 조절할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학적 작용기는 트리플루오르 C1 -6 알킬기, 아릴기, 아민기, 또는 C1 -6 알킬기를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 트리플루오르 C1 -6 알킬기는 트리플루오르 메틸기, 트리플루오르 에틸기, 또는 트리플루오르 프로필기를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 아릴기는 페닐기일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 알킬기는 C1 -6 알킬기, 또는 C1 -3 알킬기일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고무 렌즈는 P 타입 또는 N 타입의 상기 화학적 작용기에 의해 개질되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 P 타입으로 개질된 고무 렌즈는 전하를 끌어당기는 물질을 이용하여 개질되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 P 타입의 화학적 작용기에 의한 개질은 트리플루오르 메탄술포닐아민, 테트라시아노퀴오노 디메탄, 테트라소디움 피렌테트라술포닉산 (TPA), 또는 디브로모 안트라센 (An-Br) 을 이용하여 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 N 타입으로 개질된 고무 렌즈는 전자 공여기 (electron donating group)를 이용하여 개질된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 N 타입으로 화학적 작용기에 의한 개질은 폴리에틸렌이민, 나프탈렌 디아민, 또는 디메틸 안트라센을 이용하여 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고무 렌즈 및 상기 트랜지스터의 그래핀 채널층 접촉 면적이 조절되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
이하, 본원에 대하여 실시예를 이용하여 좀더 구체적으로 설명하지만, 하기 실시예는 본원의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본원의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[
실시예
]
Cu 호일을 촉매로 사용하는 CVD 방식을 이용하여 넓은 면적의 그래핀을 합성하였다. 상기 그래핀을 그래핀 트랜지스터의 채널에 사용하였다. 트랜지스터의 기재로는 n-Si/SiO2를 사용하였고, Cr/Au 전극을 이용해 그래핀 트랜지스터를 제조하였다.
반구 형태의 PDMS 렌즈는 Sylgard 184 키트 (다우코닝)를 사용하였고, 소수성 처리된 유리 위에 방울 형태로 적하하여 경화시킴으로써 반구 형태의 PDMS 렌즈를 제조하였다.
20 wt%의 폴리에틸렌이민 (polyethylenimine, PEI) (Mw=10,000, Aldrich Inc)을 에탄올에 녹인 용액 (N 타입 도핑 용액), 및 40 mM 트리플루오르 메탄술포닐아민 (TFSA) (assay 95%, Aldrich Inc)를 나이트로메탄에 녹인 용액 (P 타입 도핑 용액)을 상기 제조된 PDMS 렌즈의 표면에 각각 스핀 코팅 또는 디핑하여 원하는 화학적 작용기들로 개질시켰다. 상기 개질된 PDMS 렌즈를 그래핀 트랜지스터의 채널에 부분적으로 접촉시키고 눌러줌으로써 반구 형태의 PDMS와 그래핀 사이의 그 면적을 조절하였고, 이를 통해 그래핀 도핑 정도를 조절하였다. 그 결과, 상기 도핑된 그래핀을 채널층으로서 포함하는 트랜지스터에서의 디락 포인트를 P 방향이나 N 방향으로 원하는 만큼 조절이 가능하였다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 P 타입 및 N 타입으로 도핑된 그래핀을 접합시켜 만든 인버터 논리회로에서, 도핑 면적을 조절함으로서 인버터 회로의 작동 전압을 조절할 수 있었다.
도 1은, 유리판에 부착된 반구 형태의 PDMS 렌즈를 그래핀 채널에 접촉시킨 뒤 압력을 가함으로써 PDMS 렌즈 및 그래핀 채널 사이의 접촉 면적을 조절하는 이미지이다. 상기 PDMS 렌즈에는 P 타입 또는 N 타입의 도핑된 화학적 작용기들이 존재하며, 상기 개질된 고무 렌즈를 그래핀에 부분적으로 접촉시키고 압력을 가함으로써 반구 형태의 고무 렌즈와 그래핀 사이의 접촉 면적이 변화함에 따라 그래핀 트랜지스터에서의 도핑 정도가 변화하였다.
도 2의 a는, 상기 도핑된 그래핀을 채널층으로서 포함하는 트랜지스터의 Vg-Id 트랜스퍼 커브를 나타내었다. 상기 폴리디메틸실록산(PDMS) 렌즈를 접촉시킴으로써 N 타입으로 도핑시킨 결과를 나타내는 그래프이다. 상기 렌즈에는 N 타입 도핑 물질인 PEI 용액이 존재하며, 접촉 면적이 넓어짐에 따라 Vg-Id 커브 또한 N 쪽으로 더 많이 이동하게 된다. 도 2의 b 및 c는, 도 2의 a 그래프를 통해 계산된 디락 전압(Vg-Id 커브의 가장 낮은 포인트)의 이동 또는 도핑에 따른 전자 및 홀의 모빌리티 변화값을 나타내었다. 도 2의 d는, 상기 도핑된 그래핀을 채널층으로서 포함하는 트랜지스터를 P 타입 도핑 물질 트리플루오르 메탄술포닐아민 (TFSA)을 이용하여 도핑시킨 결과를 나타내는 그래프이다. 도핑 면적이 늘어남에 따라 그래프가 P 쪽으로 이동함을 알 수 있었다. 도 2의 e 및 f는, 도 2의 d의 그래프 변화를 통해 계산된 디락 전압의 이동과 전자 및 홀의 모빌리티 변화를 도핑 정도에 따라 나타낸 그래프이다.
도 3은 그래핀의 도핑 효과를 검증하기 위한 라만 피크의 분석 그래프이다. 라만 분석에서 그래핀의 주요 피크는 1,583 cm- 1 에서 나타나는 G-피크, 및 2,672 cm-1 에서 나타나는 2D 피크이다. 상기 두 피크의 이동은 그래핀이 도핑되었음을 나타낸다. 상기 라만 분석은 PEI로 개질시킨 PDMS 렌즈, 개질하지 않은 PDMS 렌즈, 및 TFSA로 개질시킨 PDMS 렌즈를 그래핀에 접촉시키고, 그 접촉면을 관찰하였다. 그 결과, PEI 및 TFSA로 개질시킨 PDMS 렌즈의 접촉에서 라만 피크의 이동이 발생하였고, 개질하지 않은 PDMS 렌즈는 피크의 이동이 관찰되지 않았다. 이를 통해 PDMS 렌즈는 그래핀에 아무런 화학적 도핑을 야기할 수 없으며, PEI 또는 TFSA와 같은 화학적 작용기로 개질시켜 효과적인 도핑 매개체로 작용됨을 알 수 있었다.
도 4의 a는, P 타입 및 N 타입으로 도핑된 두 개의 그래핀 트랜지스터를 연결하여 제조된 인버터 구조를 나타낸 개략도이다. 인버터에 사용된 P 타입 및 N 타입으로 각각 도핑된 그래핀 트랜지스터의 Vg-Id 커브를 도 4의 b에 나타내었다. 또한, 접촉 면적에 따른 P 타입 도핑의 조절을 함께 나타내었다. 상기 인버터 구조에서 P 타입 도핑 농도를 조절함에 따라 전체적인 인버터 커브의 변화를 도 4의 c에 나타내었다. 인버터의 구동 전압이 도핑 정도의 변화에 따라 조절 가능함을 알 수 있었다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (12)
- 화학적 작용기에 의해 개질된 고무 렌즈에 그래핀을 접촉시켜 상기 그래핀을 도핑하는 것을 포함하며,
상기 도핑은 상기 화학적 작용기에 의해 개질된 고무 렌즈를 그래핀에 접촉시키고 압력을 가하는 것에 의해 수행되는 것을 포함하고,
상기 고무 렌즈는 반구 형태인 것인,
그래핀의 도핑 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 고무 렌즈는 폴리디메틸실록산 (PDMS) 계열의 실리콘 고무, 폴리이소프렌 (polyisoprene) 계열의 천연고무, 폴리부타디엔 (polybutadiene), 에틸렌-비닐 아세테이트 (ethylene-vinyl acetate) 고무, 에피클로로하이드린 고무 (epichlorohydrin rubber), 폴리아크릴 고무 (polyacrylic rubber), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인 그래핀의 도핑 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 화학적 작용기는 트리플루오르 C1 -6 알킬기, 아릴기, 아민기, 또는 C1 -6 알킬기를 포함하는 것인, 그래핀의 도핑 방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 고무 렌즈는 상기 화학적 작용기를 포함하는 물질-함유 용액을 이용하여 스핀 코팅 또는 디핑(dipping)에 의해 개질되는 것인, 그래핀의 도핑 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 고무 렌즈는 P 타입 또는 N 타입의 상기 화학적 작용기에 의해 개질되는 것인, 그래핀의 도핑 방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 P 타입의 화학적 작용기에 의한 개질은 트리플루오르 메탄술포닐아민, 테트라시아노퀴오노 디메탄, 테트라소디움 피렌테트라술포닉산, 또는 디브로모 안트라센을 이용하여 수행되는 것인, 그래핀의 도핑 방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 N 타입의 화학적 작용기에 의한 개질은 폴리에틸렌이민, 나프탈렌 디아민, 또는 디메틸 안트라센을 이용하여 수행되는 것인, 그래핀의 도핑 방법.
- 삭제
- 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조되고, 화학적 작용기에 의해 개질된 고무 렌즈에 그래핀을 접촉시켜 도핑된 그래핀을 채널층으로서 포함하는, 트랜지스터.
- 제 10 항에 있어서,
상기 화학적 작용기는 트리플루오르 C1 -6 알킬기, 아릴기, 아민기, 또는 C1 -6 알킬기를 포함하는 것인, 트랜지스터.
- 제 10 항에 있어서,
상기 고무 렌즈는 P 타입 또는 N 타입의 상기 화학적 작용기에 의해 개질되는 것인, 트랜지스터.
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