KR101802946B1 - Process for formation of metal oxide film on graphene - Google Patents

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Abstract

그래핀상에 금속산화물 박막을 제조하는 방법이 제공되며, 금속전구체 화합물을 용매에 용해시킨 용액을 사용하여 초음파 분무 열분해에 의해 그래핀상에 증착함으로써 그래핀을 손상시키지 않고, 비교적 낮은 온도에서 결정성이 높고 투명한 금속산화물 박막을 제조할 수 있다.There is provided a method for producing a metal oxide thin film on a graphene film which comprises depositing a graphene phase by ultrasonic spray pyrolysis using a solution in which a metal precursor compound is dissolved in a solvent, A high and transparent metal oxide thin film can be produced.

Description

그래핀상의 금속산화물 박막의 제조 방법 {Process for formation of metal oxide film on graphene}[0001] The present invention relates to a method for manufacturing a metal oxide thin film on a graphene film,

본 발명은 산화막 형성 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 그래핀의 손상및 온도의 제한없이 그래핀상에 금속산화물 박막을 형성할 수 있으며, 특히 저비점 용매를 사용함으로써 비교적 낮은 온도에서도 그래핀상에 결함 생성없이 균일한 금속산화물을 형성할할 수 있는 방법에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a method of forming an oxide film, and more particularly, to a method for forming a metal oxide thin film on a graphene film, To form a homogeneous metal oxide.

탄소 원자의 2차원 벌집형 결정 구조로 형성된 단일층인 그래핀은 최근에 양자 전자 수송성(quantum electronic transport), 광학적 투명성, 화학적 안정성 및 기계적 내구성을 포함하여, 현저한 전자적, 광학적, 화학적 및 기계적 특성으로 인하여 나노스케일의 기능성 소자 등에서 관심을 끌어왔다. Graphene, a single layer formed of a two-dimensional honeycomb crystal structure of carbon atoms, has recently been characterized by significant electronic, optical, chemical and mechanical properties, including quantum electronic transport, optical transparency, chemical stability and mechanical durability Have attracted attention in nanoscale functional devices and the like.

그래핀은 태양전지 및 발광 다이오드를 포함하여 광전자 소자에서 인듐주석산화물(ITO) 및 플루오로주석산화물(FTO)과 같은 종래의 투명 전도성 산화물(TCO)을 대체할 차세대 투명 도전재로 가장 촉망받는 것중의 하나이다.Graphene is one of the most promising next-generation transparent conductive materials to replace conventional transparent conductive oxides (TCO) such as indium tin oxide (ITO) and fluoro-tin oxide (FTO) in optoelectronic devices including solar cells and light emitting diodes Lt; / RTI >

이와 같이 그래핀을 디바이스화하기 위해서는 그래핀상에 금속산화물 박막을 형성하는 공정이 필요하다. 그러나 그래핀은 소수성을 띠고, 금속산화물은 친수성을 띠므로, 소수성인 그래핀상에 친수성인 금속산화물의 박막을 형성하기가 곤란하다. In order to form the graphene into such a device, a step of forming a metal oxide thin film on the graphene is required. However, since graphene is hydrophobic and metal oxide is hydrophilic, it is difficult to form a thin film of metal oxide which is hydrophilic on hydrophobic graphene.

졸-겔법, 수용액법, 금속 유기물 화학증착법(CVD), 스퍼터링법, 및 플라즈마 표면 처리, 시딩층(seeding layer) 또는 계면 자기조립 단일층을 사용한 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD)을 포함하는 다양한 방법을 사용하여 그래핀 상에 ZnO, TiOx, 산화알루미늄, 산화하프늄 박막 또는 나노구조체와 같은 고품질의 금속산화물 박막을 제조하려는 노력이 있어왔다. 그러나, 플라즈마에 의한 그래핀의 손상, 그래핀의 소수성 및 화학적으로 비활성인 특성으로 인하여 금속산화물의 비균질한 증착 및 금속산화물과 그래핀 사이의 약한 접촉과 같은 문제가 여전히 해결되지 못하였다.Including atomic layer deposition (ALD) using a sol-gel method, an aqueous solution method, a metalorganic chemical vapor deposition (CVD), a sputtering method, and a plasma surface treatment, a seeding layer or an interfacially self- Efforts have been made to produce high quality metal oxide thin films such as ZnO, TiO x , aluminum oxide, hafnium oxide thin films or nanostructures on graphene using a variety of methods. However, problems such as inhomogeneous deposition of the metal oxide and weak contact between the metal oxide and the graphene have not yet been solved, due to the damage of the graphene by the plasma, the hydrophobic and chemically inert nature of the graphene.

예를 들어, 금속산화물 박막과 그래핀의 접착성을 향상시키기 위해 유기 물질로 그래핀층을 코팅하거나, 그래핀층을 오존으로 처리한 다음 ALD법으로 금속산화물 박막을 형성하는 방법을 사용하는 경우, 유기 물질과 같은 이물질의 존재로 전기적 특성이 감소하거나, 오존 처리시 그래핀의 일부가 산화될 수 있다. 뿐만 아니라 ALD법은 시간 및 비용이 많이 소요되어 경제적이지 않을 뿐 아니라 처리할 수 있는 그래핀의 크기에 제한이 있다. For example, when a method of coating a graphene layer with an organic material to improve the adhesion between a metal oxide thin film and graphene or a method of forming a metal oxide thin film by an ALD method after treating the graphene layer with ozone, The presence of a foreign substance such as a material may reduce the electrical properties, or part of the graphene may be oxidized during ozone treatment. In addition, the ALD process is time-consuming, costly and not economical, and has limitations on the size of graphene that can be processed.

본 발명의 제1 과제는 그래핀을 손상시키지 않고 비교적 낮은 온도에서 그래핀상에 균일한 금속산화물 박막을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.A first object of the present invention is to provide a method for producing a uniform metal oxide thin film on a graphene film at a relatively low temperature without damaging the graphene.

본 발명이 해결하고자 하는 제2 과제는 상기 방법으로 제조된 그래핀상의 금속산화물 박막을 포함하는 소자를 제공하는 것이다.A second problem to be solved by the present invention is to provide a device comprising the metal oxide thin film on the graphene produced by the above method.

상기 제1 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따르면,To achieve the first object, according to an aspect of the present invention,

금속 전구체 화합물을 용매에 용해시켜 금속 전구체 용액을 얻는 단계;Dissolving the metal precursor compound in a solvent to obtain a metal precursor solution;

상기 금속 전구체 용액을 초음파 처리하여 금속산화물 전구체가 용매에 분산되어 있는 액적(mist)을 얻는 단계; 및Ultrasonicing the metal precursor solution to obtain a mist in which the metal oxide precursor is dispersed in a solvent; And

상기 액적을 캐리어 가스에 의해 그래핀이 들어 있는 챔버내로 공급하여 상기 그래핀상에 흡착시키는 단계를 포함하는 Feeding the droplet into a chamber containing graphene by a carrier gas and adsorbing it on the graphene

그래핀상의 금속산화물 박막의 제조 방법이 제공된다.A method for producing a thin metal oxide film on a graphene film is provided.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 전구체 화합물은 금속의 아세트산염, 염화물, 질산염 및 아세트산 무수물 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the metal precursor compound may be at least one selected from the group consisting of acetate, chloride, nitrate, and acetic anhydride of the metal.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 용매는 물 또는 저비점 용매일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the solvent may be water or a low boiling point solvent.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 금속 전구체 화합물은 아연, 구리, 알루미늄, 주석 및 마그네슘 중에서 선택된 1종 이상의 금속의 전구체 화합물일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the metal precursor compound may be a precursor compound of at least one metal selected from zinc, copper, aluminum, tin and magnesium.

상기 제2 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 다른 측면에 따르면,According to another aspect of the present invention to achieve the second object,

기판; 상기 기판상에 형성된 그래핀; 및 상기 그래핀상에 형성된 금속산화물박막을 포함하는 소자로서, 상기 금속산화물 박막은 상기한 제조 방법으로 제조된 소자가 제공된다.Board; Graphene formed on the substrate; And a metal oxide thin film formed on the graphene, wherein the metal oxide thin film is provided with an element manufactured by the above manufacturing method.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 소자는 투명 에너지 발전 소자 또는 투명 광전 소자일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the element may be a transparent energy generation element or a transparent photoelectric element.

본 발명의 일 구현예에 따른 제조방법에 의하면 그래핀을 손상시키지 않고, 결정성 및 전도성이 뛰어난 금속산화물 박막을 온도 제한 없이 비교적 낮은 온도에서 제조할 수 있다.According to the manufacturing method of the present invention, the metal oxide thin film having excellent crystallinity and conductivity can be manufactured at a relatively low temperature without temperature limitation without damaging graphene.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 제조방법으로 그래핀상에 ZnO 박막이 성장하는 단계를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1과 2에서 제조한 ZnO 박막의 전계발광 주사전자현미경 (Field Emission-Scanning Electron Microscope; FE-SEM) 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2 및 비교예 3에서 제조한 ZnO 박막의 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2 및 비교예 3에서 제조한 ZnO 박막의 라만스펙트럼 및 면저항 그래프이다.
도 5는 실시예 1의 그래핀 및 ZnO 박막의 투과도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 1에서 얻은 ZnO 박막에 대하여 싱크로트론 X-선 회절(Syncrotron XRD) 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7a 및 도 7b는 상기 실시예 1에서 얻은 ZnO 박막을 포함한 IOSC의 개략도 및 에너지 레벨 다이어그램이다.
도 8a 및 도 8b는 AM 1.5G 조사시 및 어둠속에서 실시예 1에서 얻은 ZnO 박막을 포함한 가요성 BHJ IOSC 및 종래의 ITO 전극을 포함한 BHJ IOSC의 J-V 특성을 나타낸 그래프이다.
FIG. 1 is a schematic view showing a step of growing a ZnO thin film on a graphene by a manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
2 is a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) photograph of the ZnO thin film prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 of the present invention.
3 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the ZnO thin films prepared in Example 2 and Comparative Example 3 of the present invention.
4 is a graph of Raman spectrum and sheet resistance of the ZnO thin films prepared in Example 2 and Comparative Example 3 of the present invention.
5 is a graph showing the transmittance of the graphene and ZnO thin films of Example 1. Fig.
6 is a graph showing the result of synchrotron X-ray diffraction (Syncrotron XRD) of the ZnO thin film obtained in Example 1. Fig.
FIGS. 7A and 7B are schematic diagrams and energy level diagrams of the IOSC including the ZnO thin film obtained in Example 1. FIG.
8A and 8B are graphs showing JV characteristics of BHJ IOSC including flexible BHJ IOSC including the ZnO thin film obtained in Example 1 and conventional ITO electrodes at the time of AM 1.5G irradiation and in the dark.

이하에서 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명에 일구현예에 따른 금속산화물 박막의 제조방법은 A method of manufacturing a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention includes:

금속 전구체 화합물을 용매에 용해시켜 금속 전구체 용액을 얻는 단계; 상기 금속 전구체 용액을 초음파 처리하여 금속산화물 전구체가 용매에 분산되어 있는 액적을 얻는 단계; 상기 액적을 캐리어 가스에 의해 그래핀이 들어 있는 챔버내로 공급하여 상기 그래핀상에 흡착시키는 단계를 포함한다. Dissolving the metal precursor compound in a solvent to obtain a metal precursor solution; Ultrasonically treating the metal precursor solution to obtain a droplet in which the metal oxide precursor is dispersed in a solvent; Supplying the droplet into a chamber containing graphene by a carrier gas, and adsorbing the droplet onto the graphene.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 기판, 예를 들어 가요성 플라스틱 기판에 형성된 그래핀상에 우수한 계면 특성을 가지는 금속산화물 박막을 성공적으로 직성장(direct growth)시킬 수 있다. 즉, 그래핀층에 열적, 구조적 또는 전기적 손상을 일으키지 않으며, 낮은 성장온도, 예를 들어 160℃의 저온에서, 비진공 공정으로 분무 열분해 화학 기상 증착법(Mist Pyrolysis Chemical Vapor Deposition; MPCVD)으로 금속을산화물 박막을 성장시키는 것이다. According to one embodiment of the present invention, a metal oxide thin film having excellent interface characteristics on a substrate, for example, a graft formed on a flexible plastic substrate, can be successfully grown directly. That is, at a low growth temperature, for example, at a low temperature of 160 DEG C, the metal is oxidized by a non-vacuum process by Mist Pyrolysis Chemical Vapor Deposition (MPCVD), without causing thermal, structural or electrical damage to the graphene layer To grow the thin film.

본 발명의 일 구현예에 따른 금속산화물 박막의 제조에 사용되는 금속 전구체 화합물은 금속의 아세트산염, 염화물, 질산염 및 아세트산 무수물로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 또한, 상기 금속 전구체 화합물은 아연, 구리, 알루미늄, 주석 및 마그네슘으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속의 전구체 화합물일 수 있다. 상기 금속전구체 화합물은 최종적으로 산소와 반응하여 원하는 금속산화물 박막을 형성할 수 있으면 제한없이 사용가능하다. 특히 아연 아세테이트가 용매에 제한이 없으며, 보다 저온에서 쉽게 고품질의 박막 증착이 가능하므로 유용할 수 있다.The metal precursor compound used for preparing the metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention may be at least one selected from the group consisting of acetate, chloride, nitrate and acetic anhydride of the metal. The metal precursor compound may be a precursor compound of at least one metal selected from the group consisting of zinc, copper, aluminum, tin, and magnesium. The metal precursor compound can be used without limitation as long as it can finally react with oxygen to form a desired metal oxide thin film. In particular, zinc acetate is not limited to a solvent and can be easily used because it enables high-quality thin film deposition at a lower temperature.

상기 금속전구체 화합물의 용액을 제조하기 위한 용매로는 물 또는 저비점 용매를 사용할 수 있다. 상기 저비점 용매는 아세톤, 메탄올 및 에탄올 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 상기 저비점 용매를 사용함으로써 궁극적으로 열분해에 의한 금속산화물 흡착시 비교적 낮은 온도에서 가능하게 된다.As the solvent for preparing the solution of the metal precursor compound, water or a low boiling point solvent may be used. The low boiling point solvent may be at least one selected from acetone, methanol and ethanol. By using the low boiling point solvent, ultimately, the metal oxide can be adsorbed at a relatively low temperature upon pyrolysis.

상기 금속 전구체 화합물은 용매 100중량부에 대하여 1 내지 50중량부의 양으로 사용될 수 있다. 상기 범위내에 드는 경우 금속 전구체가 용매에 완전히 용해될 수 있다.The metal precursor compound may be used in an amount of 1 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the solvent. If it is within the above range, the metal precursor can be completely dissolved in the solvent.

상기 금속전구체 용액을 초음파처리하여 금속산화물 전구체가 분산되어 있는 액적을 얻게 된다.The metal precursor solution is subjected to ultrasonic treatment to obtain a droplet in which the metal oxide precursor is dispersed.

상기 액적은 입경이 3 내지 1.8㎛일 수 있다. 상기 액적의 입경이 상기 범위내에 들면 캐리어 가스에 의해 챔버로의 운반이 용이하고 그래핀 상에 흡착이 용이하게 이루어질 수 있다. 상기 액적은 용매중 금속 전구체 화합물이 이온화된 상태로 존재하는 것이다.The diameter of the droplet may be 3 to 1.8 탆. When the particle size of the droplet is within the above range, the carrier gas can be easily transported to the chamber and the adsorption on the graphene can be facilitated. The metal precursor compound in the droplet solvent exists in an ionized state.

상기 액적이 흡착되는 그래핀은 챔버내에 위치하며, 통상적으로 기판 위에 형성되어 있다.The graphene on which the droplets are adsorbed is located in the chamber and is typically formed on the substrate.

상기 금속산화물 전구체 액적을 캐리어 가스로 그래핀이 존재하는 챔버로 공급하게 된다. The metal oxide precursor droplet is supplied to the chamber in which the graphene is present as the carrier gas.

상기 캐리어 가스로는 산소 또는 질소, 아르곤 등의 비활성 가스를 사용할 수 있으며, 10 내지 20000 sccm의 유속으로 사용될 수 있다.The carrier gas may be oxygen or an inert gas such as nitrogen or argon, and may be used at a flow rate of 10 to 20000 sccm.

상기 그래핀이 존재하는 챔버로 공급된 금속산화물 전구체를 포함한 액적은 상기 그래핀상에 흡착되고 열분해에 의해 금속산화물 박막이 형성하게 된다.A droplet containing the metal oxide precursor supplied to the chamber in which the graphen is present is adsorbed on the graphene and a metal oxide thin film is formed by pyrolysis.

저비점 용매로 아세톤을 사용하는 경우를 예로 들어 금속산화물 박막의 형성 원리를 설명하면 다음과 같다. 이것은 단지 설명하기 위한 것이며, 이로 인하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다.The principle of formation of the metal oxide thin film will be described below taking the case of using acetone as a low boiling point solvent. This is for illustrative purposes only, and the invention is not limited thereby.

금속전구체 화합물, 예를 들어 아연아세테이트의 액적으로부터 유래한 Zn 이온이 ZnO 형태로 그래핀상에 흡착되는 것은 다음과 같은 방식으로 일어난다.Zn ion derived from a droplet of a metal precursor compound, for example, zinc acetate, is adsorbed to the graphene phase in the form of ZnO in the following manner.

먼저, 아연아세테이트를 용매에 용해한 후 초음파 처리하면 다음과 같은 상태로 존재하게 된다:First, after dissolving zinc acetate in a solvent and sonication, it is present in the following state:

4Zn(CH3COO)2(g) --> 4Zn2 + + 8CH3COO- (1) 4Zn (CH 3 COO) 2 ( g) -> 4Zn 2 + + 8CH 3 COO - (1)

여기서 "g"는 가스 상태를 의미한다. Here, "g" means gas state.

상기 액적은 캐리어 가스에 의해 그래핀이 있는 챔버로 공급되고, 여기서 열분해 공정이 일어난다. ZnO 박막은 아연아세테이트의 분해와 연속적인 공정으로 성장한다: The droplets are fed to the chamber with graphene by carrier gas, where a pyrolysis process takes place. The ZnO thin film grows in a continuous process with decomposition of zinc acetate:

CH3COCH3(g) +4O2(g) --> 3CO2(g) + 3H2O(g) (2)CH 3 COCH 3 (g) + 4O 2 (g) -> 3CO 2 (g) + 3H 2 O (g)

H2O(g) --> H+ + OH- (3)H 2 O (g) -> H + + OH - (3)

CH3COO- + H+ --> CH3COOH(g) (4)CH 3 COO - + H + -> CH 3 COOH (g) (4)

Zn2 + + OH- --> ZnO + H2O (5)Zn 2 + + OH - -> ZnO + H 2 O (5)

아세톤은 ZnO 박막의 성장에 매우 중요한데, 용매로서뿐만 아니라 추가적인산소 이온의 제공을 위한 원료로서 작용한다. 아세톤이 가열되면 공기중의 O2로 인하여 연소반응을 하여 이로부터 H2O가 방출되고, ZnO 박막의 성장동안에 H2O의 존재로 인하여 ZnO 결정의 물성을 개선시키는 것으로 기대된다Acetone is very important for the growth of ZnO thin films and acts as a raw material for the provision of additional oxygen ions as well as solvents. When acetone is heated, H 2 O is released from the combustion reaction due to O 2 in air, and it is expected to improve the physical properties of ZnO crystals due to the presence of H 2 O during the growth of the ZnO thin film

상기 그래핀은 기판 위에 형성된 것일 수 있다. 기판은 투명한 유리기판, 플라스틱 기판 등을 제한없이 사용할 수 있으나, 특히 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에테르설폰 (PES) 등과 같은 가요성 플라스틱 기판일 수 있다.The graphene may be formed on the substrate. The substrate may be a transparent glass substrate, a plastic substrate, or the like, but may be a flexible plastic substrate such as polyethylene naphthalate (PEN), polyethersulfone (PES), and the like.

상기 기판상에 그래핀을 형성하는 방법은 공지된 방법으로 행해질 수 있다.예를 들어 그래파이트화 촉매로 사용되는 금속 호일 위에 탄소 공급원을 화학증착한 다음 상기 그래핀을 기판에 이송시키기 위하여 그래파이트화 촉매가 형성된 면과 반대쪽의 그래핀 상에 PMMA와 같은 폴리머를 스핀코팅한다. 그런 다음 에천트를 사용하여 그래파이트화 촉매를 제거하고, PMMA상의 그래핀을 PEN 기판상에 이송시킨 다음 용매를 사용하여 PMMA를 제거한다.For example, a carbon source may be chemically deposited on a metal foil used as a graphitizing catalyst, and then a graphitizing catalyst may be used to transport the graphene to the substrate. A polymer such as PMMA is spin-coated on the graphene opposite to the surface on which the grains are formed. Then the etchant is removed using an etchant, the graphene on the PMMA is transferred onto the PEN substrate, and the PMMA is then removed using a solvent.

상기 그래핀 형성 과정에서 탄소 공급원으로서는 탄소를 공급할 수 있으며, 300℃ 이상의 온도에서 기상으로 존재할 수 있는 물질이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 상기 기상 탄소 공급원으로서는 카본을 함유하는 화합물이면 가능하며, 탄소수 6개 이하의 화합물이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 탄소수 4개 이하의 화합물이고, 더욱 바람직하게는 탄소수 2개 이하의 화합물이다. 그러한 예로서는 일산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠 및 톨루엔으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.In the graphene formation process, carbon can be supplied as a carbon source, and any material that can be present in a gaseous phase at a temperature of 300 ° C or higher can be used without any particular limitation. The gaseous carbon source may be a compound containing carbon, more preferably a compound having a carbon number of 6 or less, more preferably a compound having a carbon number of 4 or less, and still more preferably a compound having a carbon number of 2 or less. Examples thereof include at least one selected from the group consisting of carbon monoxide, methane, ethane, ethylene, ethanol, acetylene, propane, propylene, butane, butadiene, pentane, pentene, cyclopentadiene, hexane, cyclohexane, benzene and toluene.

이와 같은 탄소 공급원은 그래파이트화 촉매가 존재하는 챔버 내에 일정한 압력으로 투입될 수 있으며, 상기 챔버 내에서는 상기 탄소공급원만 존재하거나, 또는 헬륨, 아르곤 등과 같은 불활성 가스와 함께 존재하는 것도 가능하다.Such a carbon source may be introduced into the chamber where the graphitizing catalyst is present at a constant pressure. In the chamber, the carbon source alone may be present, or may be present together with an inert gas such as helium, argon, or the like.

또한, 상기 탄소 공급원과 더불어 수소를 사용할 수 있다. 수소는 금속 촉매의 표면을 깨끗하게 유지하여 기상 반응을 제어하기 위하여 사용될 수 있으며, 용기 전체 부피의 5 내지 40 부피% 사용가능하고, 예를 들어 10 내지 30 부피%, 또는 15 내지 25 부피% 이다. Hydrogen may be used in addition to the carbon source. Hydrogen can be used to keep the surface of the metal catalyst clean to control the gas phase reaction, and is 5 to 40% by volume of the total volume of the vessel, for example, 10 to 30% by volume, or 15 to 25% by volume.

그래파이트화 촉매가 존재하는 챔버 내에 상기 탄소 공급원을 투입한 후, 이를 소정 온도에서 열처리하면 그래핀이 상기 그래파이트화 촉매의 표면 상에 형성된다. 상기 열처리는 그래파이트화 촉매의 필름 형상을 유지할 수 있도록 행해진다. 상기 열처리 온도는 그래핀의 생성에 있어서 중요한 요소로 작용하며, 예를 들어 300 내지 2000℃, 또는 500 내지 1500℃일 수 있다. 상기 열처리 온도가 상기 범위내에 있는 경우 시트 형상의 그래핀을 효과적으로 얻을 수 있다.After the carbon source is introduced into the chamber in which the graphitizing catalyst is present, the graphene is formed on the surface of the graphitizing catalyst by heat treatment at a predetermined temperature. The heat treatment is performed so as to maintain the film shape of the graphitizing catalyst. The heat treatment temperature serves as an important factor in the production of graphene, and may be, for example, 300 to 2000 占 폚, or 500 to 1500 占 폚. When the heat treatment temperature is within the above range, sheet-like graphene can be effectively obtained.

상기와 같은 열처리는 소정 온도에서 일정한 시간 동안 유지함으로써 그래핀의 생성 정도를 조절하는 것이 가능하다. 즉 열처리 공정을 오랜 동안 유지할 경우 생성되는 그래핀이 많아지므로, 결과적인 그래핀의 두께를 크게 할 수 있으며, 열처리 공정이 그보다 짧아지면 결과적인 그래핀의 두께가 작아지는 효과를 낳게 된다. 따라서 목적하는 그래핀의 두께를 얻기 위해서는 상기 탄소 공급원의 종류 및 공급 압력, 그래파이트화 촉매의 종류, 챔버의 크기 외에, 상기 열처리 공정의 유지시간이 중요한 요소로서 작용할 수 있다. 이와 같은 열처리 공정의 유지 시간은 일반적으로 0.001 내지 1000시간 동안 유지할 수 있으며, 상기 범위내에 드는 경우 원하는 그래핀을 효과적으로 얻을 수 있다.It is possible to control the degree of formation of graphene by maintaining the above-mentioned heat treatment at a predetermined temperature for a predetermined time. That is, when the heat treatment process is maintained for a long time, the number of graphenes formed increases, so that the thickness of the resulting graphene can be increased. If the heat treatment process is shorter than that, the resulting graphene thickness is reduced. Therefore, in order to obtain the desired graphene thickness, the holding time of the heat treatment process may be an important factor in addition to the type of the carbon source, the supply pressure, the type of the graphitizing catalyst, and the size of the chamber. The holding time of such a heat treatment process can be generally maintained for 0.001 to 1000 hours, and if desired, the desired graphene can be effectively obtained.

상기 열처리를 위한 열원으로서는 유도가열(inductin heating), 복사열, 레이져, IR, 마이크로파, 플라즈마, UV, 표면 플라즈몬 가열 등을 제한없이 사용할 수 있다. 이와 같은 열원은 상기 챔버에 부착되어 챔버 내부를 소정 온도까지 승온시키는 역할을 수행한다.As the heat source for the heat treatment, induction heating, radiation heat, laser, IR, microwave, plasma, UV, surface plasmon heating and the like can be used without limitation. Such a heat source is attached to the chamber and functions to raise the temperature inside the chamber to a predetermined temperature.

상기와 같은 열처리 이후에, 상기 열처리 결과물은 소정의 냉각 공정을 거치게 된다. 이와 같은 냉각 공정은 생성된 그래핀이 균일하게 성장하여 일정하게 배열될 수 있도록 하기 위한 공정으로서, 급격한 냉각은 생성되는 그래핀의 균열 등을 야기할 수 있으므로, 가급적 일정 속도로 서서히 냉각시키는 것이 바람직하며, 예를 들어 분당 10 내지 100℃의 속도로 냉각시킬 수 있고, 자연 냉각 등의 방법을 사용하는 것도 가능하다. 상기 자연 냉각은 열처리에 사용된 열원을 단순히 제거한 것으로서, 이와 같은 열원의 제거만으로도 충분한 냉각 속도를 얻는 것이 가능해진다.After the heat treatment as described above, the heat treatment result is subjected to a predetermined cooling process. Such a cooling process is a process for uniformly growing the graphene so that it can be uniformly arranged. Rapid cooling may cause cracks or the like of the generated graphene. Therefore, it is preferable to cool gradually at a constant rate For example, at a rate of 10 to 100 ° C per minute, and it is also possible to use a method such as natural cooling. The natural cooling is obtained by simply removing the heat source used for the heat treatment, and it becomes possible to obtain a sufficient cooling rate even by removing the heat source.

이와 같은 냉각공정 이후 얻어지는 그래핀은 1층부터 약 300층에 이르는 두께를 갖는 것이 가능하며, 예를 들어 1층 내지 60층, 또는 1층 내지 15층일 수 있다.The graphene obtained after such a cooling step can have a thickness ranging from one layer to about 300 layers, for example, from 1 to 60 layers, or from 1 to 15 layers.

상술한 바와 같은 열처리 및 냉각 과정은 1 사이클 과정으로 수행할 수 있으나, 이들을 수차례 반복하여 층수가 높으면서 치밀한 구조의 그래핀을 생성하는 것도 가능하다. The heat treatment and cooling process as described above can be performed in one cycle, but it is possible to produce graphene having a dense structure with a high number of layers by repeating these processes several times.

상기 그래핀상에 금속산화물 전구체를 포함한 액적을 흡착하는 단계는 350℃ 이하의 온도, 예를 들어 50℃ 내지 200℃의 온도, 80℃ 내지 160℃, 및 공기 분위기에서 행해질 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 따른 제조 방법에서는 비교적 낮은 온도에서 공기 분위기에서 금속산화물의 흡착이 이루어지기 때문에 그래핀의 손상이 적고 용이하게 금속산화물 박막을 형성할 수 있다. 또한 낮은 온도가 가능하므로 플라스틱 기판에서의 공정이 직접적으로 가능하다.The step of adsorbing droplets containing a metal oxide precursor on the graphene can be performed at a temperature of 350 DEG C or less, for example, a temperature of 50 DEG C to 200 DEG C, 80 DEG C to 160 DEG C, and an air atmosphere. In the manufacturing method according to an embodiment of the present invention, metal oxide is adsorbed in an air atmosphere at a relatively low temperature, so that damage to graphene is small and a metal oxide thin film can be easily formed. It is also possible to process directly on a plastic substrate since low temperatures are possible.

금속산화물의 스핀코팅에서 박막 두께 및 기타 물성은 주로 스핀 속도에 의해 조절되는 원심력과, 용매의 점도 및 기판 젖음성에 의해 결정되는 점성력(viscous force)간의 균형에 좌우된다. 그래핀 표면은 젖음성이 약하여(즉, 소수성), 졸-겔법에 의해 형성되는 금속산화물 박막은 물방울 무늬(polka-type)의 점을 가진 표면을 가진다. Thin film thickness and other properties in the spin coating of metal oxides depend primarily on the balance between the centrifugal force controlled by the spin rate and the viscous force determined by the viscosity of the solvent and the substrate wettability. Since the graphene surface is weakly wettable (i.e., hydrophobic), the metal oxide thin film formed by the sol-gel method has a surface with a polka-type point.

반면에, 본 발명의 일 구현예에 따른 제조 방법에서 금속산화물 박막의 성장은 기판상에 금속산화물 전구체가 흡착된 후에 발생하는 화학적 반응에 기초한다. 따라서 박막의 핵 형성 및 성장은 표면 젖음성보다는 주로 성장 온도 및 기재의 결정 구조에 의해 주로 정해진다. 저온에서의 금속산화물의 핵형성은 고온에서보다 더 활성적인 반면 낮은 성장 온도로 인하여 그래핀상에 흡착된 원자의 표면 확산 길이는 짧아, 초기 성장 단계에서 비-에피택셜(non-epitaxial) 그래핀 기재 상에 다수의 불규칙적으로 배향된 금속산화물 핵을 형성한다. 몇몇 배향에서는 추가 성장으로 인하여 초기에 불규칙하게 배열된 핵으로부터 클러스터 성장이 나타난다. 클러스터의 바람직한 배향은 이 단계에서 초기 핵의 바람직한 배향에 의해서만 결정된다. 클러스터 모폴로지는 금속산화물의 성장이 진행함에 따라 나노 스케일의 질감(texture)을 갖는 표면 형태로 변환된다. 볼머-웨버(Volmer-Weber) 성장 모드는 흡착원자-흡착원자(adatom-adatom) 상호작용이 흡착원자-기판 표면의 상호작용보다 훨씬 더 강한 경우 질감을 가진 표면 모폴로지를 형성하게 된다.On the other hand, in the manufacturing method according to an embodiment of the present invention, the growth of the metal oxide thin film is based on a chemical reaction that occurs after the metal oxide precursor is adsorbed on the substrate. Therefore, the nucleation and growth of the thin film are mainly determined by the growth temperature and the crystal structure of the substrate, rather than the surface wettability. Nucleation of the metal oxide at low temperature is more active than at high temperature while the surface diffusion length of the atoms adsorbed to the graphene phase due to the low growth temperature is short and the non-epitaxial graphene substrate RTI ID = 0.0 > irregularly < / RTI > oriented metal oxide nuclei. In some orientations, cluster growth occurs from irregularly arranged nuclei initially due to additional growth. The preferred orientation of the cluster is only determined by the preferred orientation of the initial nuclei at this stage. The cluster morphology is transformed into a surface with a nanoscale texture as the metal oxide grows. The Volmer-Weber growth mode forms a textured surface morphology when the adsorption atom-adatom-adatom interaction is much stronger than the adsorption atom-substrate surface interaction.

도 1은 볼머-웨버 성장 모드에 따라 본 발명의 일 구현예에 따른 제조방법으로 그래핀상에 ZnO 박막이 성장하는 단계를 나타내는 개략도이다.FIG. 1 is a schematic view showing a step of growing a ZnO thin film on a graphene by a manufacturing method according to an embodiment of the present invention according to a Bolmer-Weber growth mode.

먼저, 불규칙한 배향으로 핵이 형성되고(도 1a), 이러한 핵이 연속적으로 형성되며(도 1b), 바람직한 배향으로 성장이 진행되며(도 1c), 볼머-웨버 성장 모드로 박막이 형성된다(도 1d). First, nuclei are formed by irregular orientation (FIG. 1A), nuclei formed continuously (FIG. 1B), growth proceeds in a preferred orientation (FIG. 1C), and thin films are formed in the Bolmer- 1d).

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 기판; 상기 기판상에 형성된 그래핀; 및 상기 그래핀상에 형성된 금속산화물 박막을 포함하는 소자로서, 상기 금속산화물 박막은 상기한 방법으로 제조될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a substrate; Graphene formed on the substrate; And a metal oxide thin film formed on the graphene, wherein the metal oxide thin film can be produced by the above-described method.

상기 그래핀은 1 내지 100개의 층으로 이루어질 수 있으며, 상기 금속산화물 박막은 10nm 내지 1㎛의 두께를 가질 수 있다.The graphene layer may have 1 to 100 layers, and the metal oxide layer may have a thickness of 10 nm to 1 탆.

상기 소자로는 투명 에너지 발전소자 또는 투명 광전소자 등을 들 수 있으며, 인버티드 유기 태양전지(Inverted Organic Solar Cell) 등을 들 수 있다. Examples of the device include a transparent energy generation device or a transparent photoelectric device, and an inverted organic solar cell.

고성능(전환율 약 2.5% 이하)의 화학증착(CVD) 성장된 그래핀 애노드에 기초한 유기 태양전지(Organic Solar Cell; OSC)가 최근에 보고되었다. 그러나, 반도체성 폴리머/플러렌 벌크 헤테로 접합(BHJ) 블렌드를 포함한 CVD 성장 그래핀 애노드에 기초한 OSC는 플라스틱 기판보다는 유리 기판상에서 제조되었으며, 그래핀 전극으로 제조된 BHJ OSC의 실질적인 가요성(flexibility)을 나타내는 보고는 없었다. 더욱이 종래의 그래핀 애노드에 기초한 BHJ OSC는 흡습성인(hygroscopic)인 산성 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)(PEDOT:PSS) 층 및 공기중에서 쉽게 산화되는 낮은 일함수의 금속성 캐소드(예를 들어, Al, Ca)를 포함한 결과, BHJ층 및 캐소드는 OSC의 안정성에 지대한 영향을 끼치게 된다. Organic solar cells (OSC) based on graphene grown by chemical vapor deposition (CVD) of high performance (less than about 2.5% conversion) have recently been reported. However, OSC based on CVD grown graphene anodes, including semiconducting polymer / fullerene bulk heterojunction (BHJ) blends, were fabricated on glass substrates rather than plastic substrates, and the practical flexibility of the BHJ OSCs made with graphene electrodes There was no report. Furthermore, the BHJ OSC based on conventional graphene anodes has a hygroscopic acidic poly (3,4-ethylenedioxythiophene): poly (styrenesulfonate) (PEDOT: PSS) layer and a low- As a result of including the metallic cathode of the function (e.g., Al, Ca), the BHJ layer and the cathode have a significant impact on the stability of the OSC.

인버티드 유기 태양전지는 높은 잠재성의 계면 안정성으로 인하여 집중적으로 연구되어 왔는데, 상기 태양전지는 공기에 안정하고 높은 일함수의 금속 애노드(예를 들면 Au, Ag)로 낮은 일함수의 금속 캐소드를 대체하고, 전자를 폴리머층으로부터 캐소드 전극으로 효과적으로 수송할 수 있는 바람직한 경로로서 n-형 금속산화물 반도체를 도입함으로써 달성된다.Inverted organic solar cells have been intensively studied due to their high latency interfacial stability, which replaces low work-function metal cathodes with air-stable, high work function metal anodes (e.g., Au, Ag) And introducing an n-type metal oxide semiconductor as a preferable path capable of effectively transporting electrons from the polymer layer to the cathode electrode.

지금까지 그래핀/플라스틱 기판상에 산화아연(ZnO) 산화티탄(TiOx) 및 탄산세슘(Cs2CO3)와 같은 고품질의 n-형 금속산화물 반도체를 저온에서 직성장시키는 것과 관련된 기술적 어려움으로 인하여 그래핀 캐소드에 기초한 가요성 BHJ IOSC는 보고된 바 없다. 본 발명에 일 구현예에 따른 제조방법으로 제조된 금속산화물 박막을 포함하는 그래핀 캐소드를 사용함으로써 가요성 IOSC를 용이하게 제조할 수 있다.Until now, due to technical difficulties associated with the direct growth of a high quality n-type metal oxide semiconductor such as zinc oxide (ZnO) titanium oxide (TiO x ) and cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ) on a graphen / Flexible BHJ IOSCs based on graphene cathodes have not been reported. The flexible IOSC can be easily manufactured by using the graphene cathode including the metal oxide thin film manufactured by the manufacturing method according to one embodiment of the present invention.

이하에서 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명하나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited thereto.

실시예 1Example 1

기판상의 그래핀 시트의 제조Fabrication of graphene sheets on substrates

Cu 호일(구입처: Alpha Asher 두께: 125㎛)을 자체 제작한 가열 CVD 챔버 내에 위치시키고, 수소 가스를 200 sccm으로 상기 챔버내에 일정하게 투입하면서 할로겐 램프 열원을 사용하여 1000℃에서 30분 동안 가열하였다. 그리고 CH4 20sccm / H2 4sccm의 혼합가스를 30분 동안 상기 챔버에 가하였다. 이어서, 상기 챔버를 서서히 냉각하여 그래핀이 균일하게 배향되도록 성장시켜 1층의 두께를 갖는 10mm X 10mm 크기의 그래핀 단일층을 형성하였다.Cu foil (purchased from Alpha Asher thickness: 125 占 퐉) was placed in a self-made heated CVD chamber and heated at 1000 占 폚 for 30 minutes using a halogen lamp heat source while constantly introducing hydrogen gas at 200 sccm into the chamber . And a mixed gas of CH 4 20 sccm / H 2 4 sccm was added to the chamber for 30 minutes. The chamber was then slowly cooled to grow graphene uniformly to form a graphene monolayer having a thickness of 10 mm x 10 mm with a thickness of one layer.

이어서 Cu 호일로부터 그래핀을 분리하기 위해 그래핀/Cu 호일 상에 PMMA가 용해된 클로로벤젠 용액(5중량%)을 1,000rpm의 속도로 60초동안 코팅한 후 결과물을 Cu 에천트(FeCl3) 용액(Transene type 1)에 담갔다. 1시간 침지하여 상기 Cu 호일을 제거함으로써 PMMA 상에 부착된 상태의 그래핀을 분리하였다. PMMA상에 부착된 상태의 그래핀을 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN, DPont Teijin)에 시트에 이송하고 건조시킨 다음, 아세톤으로 PMMA를 제거하였다. 이 이송 공정을 3회 반복하여 그래핀 3층(graphene 3 layer)을 얻었다.
Subsequently, to separate the graphene from the Cu foil, a solution of chlorobenzene (5 wt%) in which PMMA was dissolved on a graphene / Cu foil was coated at a rate of 1,000 rpm for 60 seconds, and the resultant was subjected to Cu etch (FeCl 3 ) Solution (Transene type 1). And the Cu foil was removed by immersing for 1 hour to separate the graphene attached to the PMMA. The graphene attached to the PMMA was transferred to a sheet of polyethylene naphthalate (PEN, DPont Teijin), dried, and then PMMA was removed with acetone. This transferring step was repeated three times to obtain a graphene 3 layer.

그래핀/PEN상의 ZnO 박막의 형성Formation of ZnO Thin Films on Graphene / PEN

ZnO 박막의 성장을 위한 원료 용액은 0.01M 아연아세테이트를 아세톤(100mL)에 용해시켜 제조하였다. ZnO 전구체를 형성하기 위하여 상기 원료 용액을 초음파처리하여 액적(mist) 으로 만들고, 이를 5000sccm의 질소 캐리어 가스에 의해 상기 그래핀이 들어있는 챔버내로 공급하여 그래핀상에 흡착시켰다. 이 때 챔버의 온도는 160℃로 유지하여 70nm 두께의 ZnO 박막을 그래핀상에 형성하였다.The raw material solution for ZnO thin film growth was prepared by dissolving 0.01 M zinc acetate in acetone (100 mL). The raw material solution was ultrasonicated to form a mist to form a ZnO precursor, which was supplied into a chamber containing the graphene by a nitrogen carrier gas of 5000 sccm and adsorbed on the graphene. At this time, the temperature of the chamber was maintained at 160 캜 to form a 70 nm thick ZnO thin film on the graphene phase.

비교예 1: 졸-겔법에 의한 그래핀/PEN상의 ZnO 박막 형성Comparative Example 1: ZnO thin film formation on graphene / PEN by sol-gel method

아연아세테이트 무수물(Zn(CH3COO)2·2H2O, 0.05M)을 메톡시에탄올(C3H8O2, 9.56ml) 및 모노에탄올아민(C2H7NO, 0.44mL)에 용해시켜 ZnO 졸을 형성하였다. 상기 ZnO 졸을 4000rpm에서 30초동안 스핀코팅하여 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 제조한 그래핀/PEN 상에 부착시키고, 150℃에서 30분동안 가열하여 ZnO 박막을 형성하였다.
Zinc acetate anhydride (Zn (CH 3 COO) 2 .2H 2 O, 0.05M) was dissolved in methoxyethanol (C 3 H 8 O 2 , 9.56 ml) and monoethanolamine (C 2 H 7 NO, 0.44 ml) To form a ZnO sol. The ZnO sol was spin-coated at 4000 rpm for 30 seconds, adhered onto graphene / PEN prepared in the same manner as in Example 1, and heated at 150 ° C for 30 minutes to form a ZnO thin film.

비교예 2: 스퍼터링법에 의한 그래핀/PEN상의 ZnO 박막 형성Comparative Example 2: ZnO thin film formation on graphene / PEN film by sputtering

Ar/O2(29:0.1 가스 비) 분위기에서 시판되는 ZnO 타겟으로부터 라디오파(RF) 마그네트론 스퍼터링 시스템에 의해 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 제조한 그래핀/PEN상에 ZnO를 부착하였다. ZnO 박막의 증착 온도 및 챔버 압력은 각각 100℃ 및 3mTorr이었다. RF 전력은 150W에서 16분동안 유지하여 약 60nm 두께를 부착하였다.
ZnO was deposited on a graphene / PEN prepared by the same method as in Example 1 from a commercially available ZnO target in an Ar / O 2 (29: 0.1 gas ratio) atmosphere by a radio frequency (RF) magnetron sputtering system. The deposition temperature and the chamber pressure of the ZnO thin film were 100 캜 and 3 mTorr, respectively. RF power was maintained at 150 W for 16 minutes to attach a thickness of about 60 nm.

실시예 2Example 2

PEN 기판 대신 SiO2/Si 기판을 사용하고, 그래핀의 층수를 6층으로 하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 ZnO 박막을 그래핀/SiO2상에 형성하였다.
A ZnO thin film was formed on the graphene / SiO 2 layer in the same manner as in Example 1, except that a SiO 2 / Si substrate was used in place of the PEN substrate and the number of graphene layers was six.

비교예 3: 스퍼터링법에 의한 그래핀/ SiO2상의 ZnO 박막 형성Comparative Example 3: ZnO thin film formation on graphene / SiO 2 by sputtering

PEN 기판 대신 SiO2 기판을 사용하고 그래핀의 층수를 6층으로 하는 것을 제외하고는 상기 비교예 2와 동일한 방법을 ZnO 박막을 그래핀/SiO2상에 형성하였다.A ZnO thin film was formed on the graphene / SiO 2 layer in the same manner as in Comparative Example 2, except that the SiO 2 substrate was used instead of the PEN substrate and the number of graphene layers was changed to six.

도 2는 실시예 1 및 비교예 1과 2에 따라 제조한 그래핀/PEN 기판상에 형성된 ZnO 박막의 전계발광주사전자현미경(FE-SEM) 사진을 나타낸다. FIG. 2 is an electroluminescence scanning electron microscope (FE-SEM) photograph of a ZnO thin film formed on a graphene / PEN substrate prepared according to Example 1 and Comparative Examples 1 and 2.

그래핀의 고온 CVD 성장 및 그래핀 이송 공정에서 도 2a에 도시한 것처럼 몇몇 그래핀 주름이 형성되었지만 원자적으로 평평한 그래핀 표면이 얻어졌다. 비교예 1의 졸-겔법을 사용하여 형성된 ZnO 박막은 점이 있고 다공성의 표면을 가졌다(도 2b). 비교예 2의 스퍼터링법에 의해 형성된 ZnO 박막은 플라즈마에 의한 손상으로 그래핀에 대한 접착성이 떨어졌고, 그 결과 크랙이 생기고 박리된 ZnO 표면을 나타내었다(도 2c).In the high temperature CVD growth and graphene transfer process of graphene, some graphene wrinkles were formed as shown in FIG. 2A, but an atomically flat graphene surface was obtained. The ZnO thin film formed using the sol-gel method of Comparative Example 1 had a pointed and porous surface (Fig. 2B). The ZnO thin film formed by the sputtering method of Comparative Example 2 was deteriorated in adhesiveness to graphene due to plasma damage, resulting in cracking and showing the peeled ZnO surface (FIG. 2C).

반면에, 실시예 1에 따라 형성된 ZnO 박막은 그래핀의 소수성 및 화학적 비활성 특성에도 불구하고 나노스케일의 질감(texture)을 갖는 표면 모폴로지의 ZnO 박막이 그래핀 3층/PEN의 대면적에 걸쳐 균일하게 성장되었다(도 2d).On the other hand, the ZnO thin film formed according to Example 1 exhibited uniformity over a large area of the graphene 3 layer / PEN, even though the ZnO thin film of the surface morphology having the nanoscale texture, despite the hydrophobicity and the chemical inertness characteristic of graphene, (Fig. 2D).

도 3은 실시예 2 및 비교예 3에 따라 형성된 ZnO 박막의 투과전자현미경 사진(TEM;JEM 2100F, JEOL)이다. FIG. 3 is a TEM (JEM 2100F, JEOL) of a ZnO thin film formed according to Example 2 and Comparative Example 3.

실시예 2에 따르면 다결정 특성을 가진 70nm 두께의 ZnO 박막은 그래핀상에 성공적으로 성장하였다(도 3a). 그래핀 시트는 TEM 샘플 제조시에 약간 손상되었지만 실시예 2에 따른 그래핀 시트의 결정 격자는 도 3b에 도시한 것처럼 고해상도 투과전자현미경(HR-TEM)으로 관찰되었다. 이와는 달리 도 3c에서 보듯이, 비교예 3에서는 그래핀 시트가 완전히 손상되었으며, 스퍼터링법에 의한 ZnO 박막 형성시 그래핀 표면상에 비정질상이 형성되었음을 보여준다. 도 3d 및 도 3e는 각각 도 3b의 P1 및 도 3c의 P2로 표시한 영역에 해당하는 고속 푸리에 변환(FFT) 패턴이다. 이로부터 실시예 2에 따른 ZnO 박막은 결정상이고 비교예 3에 따른 ZnO 박막은 비정질상임을 확인할 수 있다.According to Example 2, a 70 nm thick ZnO thin film with polycrystalline properties successfully grown on graphene (Fig. 3A). The graphene sheet was slightly damaged during the production of the TEM sample, but the crystal lattice of the graphene sheet according to Example 2 was observed with a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) as shown in Fig. 3B. In contrast, as shown in FIG. 3C, the graphene sheet was completely damaged in Comparative Example 3, and the amorphous phase was formed on the graphene surface when the ZnO thin film was formed by the sputtering method. 3D and 3E are fast Fourier transform (FFT) patterns corresponding to the areas indicated by P1 in FIG. 3B and P2 in FIG. 3C, respectively. From this, it can be confirmed that the ZnO thin film according to Example 2 is a crystalline phase and the ZnO thin film according to Comparative Example 3 is an amorphous phase.

도 4는 실시예 2 및 비교예 3에서 얻은 ZnO 박막의 라만 스펙트럼(514nm의 여기에서 마이크로 라만분광분석기(Reinshaw, RM-1000 Invia))을 도시한 것이다. 도 4a에서 보듯이 완전히 새것인 그래핀층의 라만 스펙트럼에서는 뚜렷한 G- 및 2D-피크가 1580cm-1 및 2700cm-1에서 각각 관찰되었다. 한편, 스퍼터링법에 의해 형성된 비교예 3의 ZnO 박막의 경우 1350cm-1에서의 D-피크의 강도는 상당히 증가한 반면 G-피크 및 2D-피크의 강도는 현저히 감소하였다. 스퍼터링법에 의해 형성된 ZnO 박막에서의 피크 강도 비(ID/IG)가 본 발명의 실시예 2의 제조 방법에 의해 형성된 ZnO 박막에서의 피크 강도 비에 비해 명백하게 증가되었는데, 이것은 스퍼터링 공정동안에 그래핀에 심한 구조적 손상이 있었음을 나타낸다. 공정동안 그래핀의 손상은 부가적으로 밴더 파우 배치(Van der Pauw configuration)에 기초한 실온에서의 홀 효과(Hall effect) 측정(ACCENT semiconductor UK/HL 5500PC)에서도 확인되었다(도 4b). 도 4b에서 보듯이, 실시예 2에서 얻은 ZnO 박막의 면 저항에서는 경미한 변화가 있은 반면(278Ω/sq에서 409Ω/sq), 비교예 3의 스퍼터링법을 이용한 ZnO 증착 후의 그래핀의 면저항에서는 플라즈마 손상으로 인하여 극적인 증가가 관찰되었다(278Ω/sq 에서 1887Ω/sq). 따라서, 본 발명의 일 구현예에 따른 금속산화물 박막의 제조방법은 그래핀층에 손상을 주지않음을 확인할 수 있다.Fig. 4 shows a Raman spectrum of the ZnO thin film obtained in Example 2 and Comparative Example 3 (Reinshaw, RM-1000 Invia at 514 nm). In the Raman spectra of the completely new graphene layer as shown in Fig. 4A, distinct G- and 2D-peaks were observed at 1580 cm -1 and 2700 cm -1 , respectively. On the other hand, in the case of the ZnO thin film of Comparative Example 3 formed by the sputtering method, the intensity of the D-peak at 1350 cm -1 significantly increased, while the intensity of the G-peak and 2D-peak decreased significantly. The peak intensity ratio (I D / I G ) in the ZnO thin film formed by the sputtering method was obviously increased compared to the peak intensity ratio in the ZnO thin film formed by the manufacturing method of Example 2 of the present invention, Indicating severe structural damage to the pin. Graphene damage during the process was additionally confirmed in the Hall effect measurement at room temperature (ACCENT semiconductor UK / HL 5500PC) based on the Van der Pauw configuration (FIG. 4B). 4B, there was a slight change in the surface resistance of the ZnO thin film obtained in Example 2 (409? / Sq at 278? / Sq), while in the sheet resistance of the graphene after ZnO deposition using the sputtering method of Comparative Example 3, A dramatic increase was observed (1887? / Sq at 278? / Sq). Therefore, it can be confirmed that the method of manufacturing a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention does not damage the graphene layer.

도 5는 실시예 1에서 얻은 PEN 기판상에서의 그래핀 및 PEN 기판상의 ZnO/그래핀의 파장에 따른 투과도를 나타낸 그래프이다. 도 5에서 보듯이, 그래핀 3층/PEN 샘플은 550nm의 파장에서 약 82.6%의 투과도를 나타내었고, 70nm 두께의 ZnO 박막/그래핀 3층/PEN 샘플은 78.9%의 높은 투과도를 나타내며, 이것은 ZnO 성장시 투과도에 큰 변화가 없었음을 의미한다. 5 is a graph showing the transmittance of ZnO / graphene on the graphene and PEN substrate on the PEN substrate obtained in Example 1 according to the wavelengths. As shown in FIG. 5, the graphene 3 layer / PEN sample showed a transmittance of about 82.6% at a wavelength of 550 nm, and the 70 nm thick ZnO thin film / graphene 3 layer / PEN sample showed a high transmittance of 78.9% Which means that there was no significant change in the transmittance during ZnO growth.

도 6은 실시예 1에서 얻은 ZnO 박막에 대하여 싱크로트론 X-선 회절(Syncrotron XRD) 결과를 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing the result of synchrotron X-ray diffraction (Syncrotron XRD) of the ZnO thin film obtained in Example 1. Fig.

스캔은 표면방향에 대하여 수직으로 즉, Qz[Q=4πsin(2θ/2)/λ]로 역공간(reciprocal space)으로 행하였다. 도 6에서 보듯이, ZnO의 섬유아연석(wurtzite) 구조와 관련된 (002) 반사 피크는 2.406ㅕ의 Qz 값에서 분명하게 검출되었는데 그 피크는 약하고 넓기는 하였다. 그러나 그래핀 관련 피크는 싱크로트론 XRD 측정에서도 그래핀이 지극히 얇기 때문에 관찰되지 않았다.
The scan was performed in reciprocal space with respect to the surface direction, that is, Qz [Q = 4? Sin (2? / 2) /?]. As shown in FIG. 6, the (002) reflection peak associated with the wurtzite structure of ZnO was clearly detected at a Qz value of 2.406 는데, and its peak was weak and broad. However, graphene-related peaks were not observed in synchrotron XRD measurements because graphene was extremely thin.

가요성 벌크 헤테로접합 인버티드 유기 태양전지(BHJ IOSC)의 제조Fabrication of Flexible Bulk Heterojunction Inverted Organic Solar Cell (BHJ IOSC)

클로로벤젠 용매(150ml)중의 폴리(3-헥실티오펜): [6,6]-페닐-C61-부티르산 메틸에스테르(P3HT:PCBM 1:1중량비)의 폴리머 블렌드를 글로브 박스에서 40℃에서 14시간동안 교반하였다. 상기 용액을 각각 상기 실시예 및 비교예에서 제조한 ZnO 박막(전자수송층, 70nm)/그래핀(하부 캐소드)/PEN(또는 SiO2)상에 900rpm에서 스핀코팅하여 두께 180nm의 활성층을 얻었다. 상기 활성층을 핫플레이트에서 110℃에서 10분동안 어닐링하였다. MoO3 전자차단층 및 Ag 애노드를 계속해서 열증착(thermal evaporation)에 의해 각각 20nm 및 80nm의 두께로 증착하여 각 실시예 및 비교예에 해당하는 IOSC를 제조하였다. A polymer blend of poly (3-hexylthiophene): [6,6] -phenyl-C61-butyric acid methyl ester (P3HT: PCBM 1: 1 by weight) in a chlorobenzene solvent (150 ml) Lt; / RTI > The above solution was spin-coated on the ZnO thin film (electron transporting layer, 70 nm) / graphene (lower cathode) / PEN (or SiO 2 ) prepared in the above Examples and Comparative Examples at 900 rpm to obtain an active layer with a thickness of 180 nm. The active layer was annealed in a hot plate at 110 DEG C for 10 minutes. The MoO 3 electron blocking layer and the Ag anode were continuously deposited by thermal evaporation to a thickness of 20 nm and 80 nm, respectively, to prepare IOSC corresponding to each of Examples and Comparative Examples.

도 7a 및 도 7b는 상기 실시예 1에서 얻은 ZnO 박막을 포함한 IOSC의 개략도 및 에너지 레벨 다이어그램을 나타낸다. FIGS. 7A and 7B show schematic diagrams and energy level diagrams of IOSC including the ZnO thin film obtained in Example 1. FIG.

전류밀도-전압(J-V) 측정은 표준 AM 1.5G 태양광 조사하에 태양광 시뮬레이터를 사용하여 수행하였다. 도 8a 및 도 8b는 AM 1.5G 조사시 및 어둠속에서 실시예 1에서 얻은 ZnO 박막을 포함한 가요성 BHJ IOSC 및 종래의 ITO 전극을 포함한 BHJ IOSC의 J-V 특성을 나타낸다. 실시예 1에서 얻은 ZnO 박막을 포함한 가요성 BHJ IOSC의 J-V 특성은 뚜렷한 다이오드 거동을 나타내었고, 쇼트 회로 전류(Jsc), 충전 팩터(FF), 개방 회로 전류(VOC) 및 광변환효율(PCE)은 각각 6.62mA/cm2, 46.59%, 0.50V, 및 1.55%를 나타내었다. 이러한 값들은 시판되는 ITO에 기초한 가요성 IOSC의 값(7.50mA/cm2의 JSC, 57.77%의 FF, 0.52V의 VOC, 및 2.25%의 PCE)보다는 약간 작지만, 유리 기판상의 그래핀 애노드에 기초한 BHJ OSC에 견줄만하다.Current density-voltage (JV) measurements were performed using a solar simulator under standard AM 1.5G solar irradiation. 8A and 8B show JV characteristics of BHJ IOSC including flexible BHJ IOSC including the ZnO thin film obtained in Example 1 and conventional ITO electrode at the time of AM 1.5G irradiation and in the dark. The JV characteristics of the flexible BHJ IOSC including the ZnO thin film obtained in Example 1 showed a remarkable diode behavior and the short circuit current (Jsc), the charge factor (FF), the open circuit current (VOC) Showed 6.62 mA / cm 2 , 46.59%, 0.50 V, and 1.55%, respectively. These values are slightly smaller than the values of the flexible IOSC based on commercially available ITO (JSC of 7.50 mA / cm 2 , FF of 57.77%, VOC of 0.52 V, and PCE of 2.25%) but based on graphene anodes on glass substrates It is comparable to BHJ OSC.

본 발명의 일 구현예에 따른 방법으로 성장된 금속산화물 박막은 균일한 모폴로지를 나타내고 졸겔법 및 스퍼터링법을 사용하여 증착된 박막보다 더 높은 결정성, 더 높은 전기전도성, 및 더 높은 투명성을 나타낸다. The metal oxide thin films grown by the method according to one embodiment of the present invention exhibit a uniform morphology and exhibit higher crystallinity, higher electrical conductivity, and higher transparency than the thin films deposited using the sol-gel method and the sputtering method.

Claims (14)

금속 전구체 화합물을 용매에 용해시켜 금속 전구체 용액을 얻는 단계;
상기 금속 전구체 용액을 초음파 처리하여 금속산화물 전구체가 용매에 분산되어 있는 액적을 얻는 단계;
상기 액적을 캐리어 가스에 의해 그래핀이 들어 있는 챔버내로 공급하여 상기 그래핀상에 흡착시키는 단계를 포함하고,
상기 용매는 물 또는 저비점 용매이고,
상기 저비점 용매는 아세톤, 에탄올 및 메탄올 중에서 선택된 1종 이상인,
그래핀상의 금속산화물 박막의 제조방법.
Dissolving the metal precursor compound in a solvent to obtain a metal precursor solution;
Ultrasonically treating the metal precursor solution to obtain a droplet in which the metal oxide precursor is dispersed in a solvent;
Feeding the droplet into a chamber containing graphene by a carrier gas and adsorbing the droplet onto the graphene,
The solvent is water or a low boiling solvent,
Wherein the low boiling point solvent is at least one selected from acetone, ethanol and methanol,
A method for producing a thin metal oxide film on a graphene film.
제1항에 있어서,
상기 금속 전구체 화합물은 금속의 아세트산염, 염화물, 질산염 및 아세트산무수물로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상인 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal precursor compound is at least one selected from the group consisting of an acetate, a chloride, a nitrate, and an acetic anhydride of a metal.
제1항에 있어서,
상기 금속 전구체 화합물은 아연, 구리, 알루미늄, 주석 및 마그네슘으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속의 전구체 화합물인 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal precursor compound is a precursor compound of at least one metal selected from the group consisting of zinc, copper, aluminum, tin, and magnesium.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 그래핀은 기판 위에 형성되어 있는 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the graphene is formed on a substrate.
제6항에 있어서,
상기 기판은 투명 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 또는 SiO2 기판인 제조 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the substrate is transparent polyethylene naphthalate (PEN) or a SiO 2 substrate.
제1항에 있어서,
상기 흡착 단계는 350℃ 이하의 온도 및 공기 분위기에서 행해지는 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the adsorption step is carried out at a temperature of 350 DEG C or less and in an air atmosphere.
제1항에 있어서,
상기 캐리어 가스는 질소 또는 아르곤이고, 유속이 100 내지 5000 sccm인 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the carrier gas is nitrogen or argon and the flow rate is 100 to 5000 sccm.
기판;
상기 기판 위에 형성된 그래핀; 및
상기 그래핀상에 형성된 금속산화물 박막을 포함하는 소자로서,
상기 금속산화물 박막은 제1항 내지 제3항 및 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 제조방법으로 제조된 금속산화물 박막인 소자.
Board;
Graphene formed on the substrate; And
And a metal oxide thin film formed on the graphene,
Wherein the metal oxide thin film is a metal oxide thin film produced by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 3 and 6 to 9.
제10항에 있어서,
상기 그래핀은 1 내지 100개의 층으로 이루어진 소자.
11. The method of claim 10,
Wherein the graphene comprises 1 to 100 layers.
제10항에 있어서,
상기 금속산화물 박막은 10nm 내지 1㎛의 두께를 갖는 소자.
11. The method of claim 10,
Wherein the metal oxide thin film has a thickness of 10 nm to 1 占 퐉.
제10항에 있어서,
상기 소자는 투명 에너지 발전 소자 또는 투명 광전 소자인 소자.
11. The method of claim 10,
Wherein the element is a transparent energy generation element or a transparent photoelectric element.
제10항에 있어서,
상기 소자는 인버티드 유기 태양전지인 소자.
11. The method of claim 10,
Wherein the device is an inverted organic solar cell.
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