KR101809251B1 - Preparation method of transition metal chalcogenide layer - Google Patents

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안기석
임종선
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Abstract

The present invention relates to a method of producing a transmission metal chalcogenide layer capable of directly synthesizing a high-quality transition metal chalcogenide layer on a variety of substrates and continuously synthesizing a large-area transition metal chalcogenide layer in large quantities. To this end, the present invention includes a step of coating a substrate with a precursor solution and a step of heat-treating a precursor coating layer formed on the substrate at a temperature of 200 to 600C.

Description

전이금속 칼코게나이드 층의 제조 방법{PREPARATION METHOD OF TRANSITION METAL CHALCOGENIDE LAYER}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a method for producing a transition metal chalcogenide layer,

본 발명은 다양한 기판에 고품질의 전이금속 칼코게나이드 층을 직접 합성할 수 있으며, 대면적의 전이금속 칼코게나이드 층을 연속적으로 대량 합성할 수 있는 전이금속 칼코게나이드 층의 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a process for producing a transition metal chalcogenide layer capable of directly synthesizing a high-quality transition metal chalcogenide layer on various substrates and continuously synthesizing a large-scale transition metal chalcogenide layer .

최근 전자 소자의 소형화 추세와 함께 실리콘 기반 전자 소자의 근본적인 문제점인 과도한 전력 소모 문제를 극복하기 위하여 2차원 구조의 반도체로서 이황화몰리브덴이 주목 받고 있다. Recently, molybdenum disulfide has attracted attention as a two-dimensional structure semiconductor in order to overcome the problem of excessive power consumption, which is a fundamental problem of a silicon-based electronic device along with miniaturization of electronic devices.

2차원 구조의 이황화몰리브덴을 얻는 방법으로는 화학적 혹은 물리적 박리법이 소개된 바 있다. 그러나, 상기 화학적 혹은 물리적 박리법은 대면적의 균일한 박막을 얻기 어렵다는 본질적인 문제점을 갖고 있다. As a method of obtaining molybdenum disulfide having a two-dimensional structure, a chemical or physical stripping method has been introduced. However, the chemical or physical peeling method has an inherent problem that it is difficult to obtain a uniform thin film having a large area.

이에, 2차원 구조의 이황화몰리브덴을 얻는 다른 방법으로 화학기상증착법 (chemical vapor deposition; CVD)을 이용하는 방법이 소개되었다. 화학기상증착법을 이용하면, 증기화된 몰리브덴 금속 라디칼과 황 함유 기체를 반응시켜 금속 기판 상에 이황화몰리브덴층을 형성하게 된다. 그러나, 이러한 방법은 통상적으로 650℃ ~ 1000℃에서 박막이 증착되기 때문에 플라스틱 기판과 같이 상기 온도 범위에서 변형을 일으키는 플렉서블 기판 상에 직접 이황화몰리브덴층을 형성할 수 없으며, 이렇게 제조된 박막은 황의 제한적인 확산에 의해 몰리브덴과 황의 원소 비율이 1:2가 아닌 이황화몰리브덴이라는 점에서 문제가 있었다. 따라서, 플렉서블 전자 소자를 제공하기 위해 플라스틱 기판과 같이 플렉서블 기판의 사용이 요구되는 경우에는 금속 기판에 이황화몰리브덴층을 형성한 후 플라스틱 기판 등으로 전사하는 공정이 필수적으로 수반되어야 한다. 그러나, 전사 과정에서 이황화몰리브덴층에 물리적 결함이 생기고, 전기적 특성이 저하되는 문제가 초래되고 있다. As another method of obtaining molybdenum disulfide having a two-dimensional structure, a method using chemical vapor deposition (CVD) has been introduced. Using chemical vapor deposition, a vaporized molybdenum metal radical is reacted with a sulfur-containing gas to form a molybdenum disulfide layer on the metal substrate. However, such a method is not suitable for forming a molybdenum disulfide layer directly on a flexible substrate which deforms in the temperature range like a plastic substrate because a thin film is usually deposited at 650 ° C to 1000 ° C, There is a problem in that molybdenum disulfide is molybdenum disulfide in which the ratio of molybdenum and sulfur is not 1: 2. Therefore, when a flexible substrate such as a plastic substrate is required to provide a flexible electronic device, a process of forming a molybdenum disulfide layer on a metal substrate and then transferring the molybdenum disulfide layer to a plastic substrate or the like must be essentially involved. However, physical defects are generated in the molybdenum disulfide layer during the transfer process, and electrical properties are deteriorated.

본 발명은 다양한 기판에 고품질 전이금속 칼코게나이드 층을 직접 합성할 수 있으며, 대면적의 전이금속 칼코게나이드 층을 연속적으로 대량 합성할 수 있는 전이금속 칼코게나이드 층의 제조 방법을 제공한다. The present invention provides a method for producing a transition metal chalcogenide layer capable of directly synthesizing a high-quality transition metal chalcogenide layer on various substrates and continuously mass-synthesizing a large-area transition metal chalcogenide layer.

이하 발명의 구체적인 구현예에 따른 전이금속 칼코게나이드 층의 제조 방법과 이로부터 제조된 전이금속 칼코게나이드 층 및 이의 용도 등에 대해 설명하기로 한다. Hereinafter, a method for preparing a transition metal chalcogenide layer according to a specific embodiment of the present invention, a transition metal chalcogenide layer prepared from the transition metal chalcogenide layer, and uses thereof will be described.

발명의 일 구현예에 따르면, 롤투롤 방식에 의해 수행되며, 기판에 전구체 용액을 코팅하는 단계(이하, 간략하게 「용액 공정」이라 한다); 및 기판에 형성된 전구체 코팅막을 200 내지 600℃로 열처리하는 단계(이하, 간략하게 「열분해 공정」이라 한다)를 포함하는 전이금속 칼코게나이드 층의 제조 방법이 제공된다. According to an embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: coating a precursor solution on a substrate (hereinafter, simply referred to as a " solution process "); And a step of heat-treating the precursor coating film formed on the substrate at 200 to 600 ° C (hereinafter simply referred to as "pyrolysis step").

기존의 화학기상증착법을 이용하여 MoS2층을 제조하는 방법에서는 650℃ ~ 1000℃에서 박막을 증착하여 융점 혹은 변형 온도가 증착 온도보다 낮은 플라스틱 기판은 사용이 불가능하였다. 이에 따라, 플렉서블 전자 소자에 적용하기 위해서는 금속 기판에 MoS2층을 증착하고, 플라스틱 기판에 MoS2층을 전사하였으나, 이러한 전사 과정에서 MoS2층에 결함이 발생되는 문제를 피할 수 없었다. 또한, 기존의 화학기상증착법을 이용하는 방법에서는 금속 기판이 황 함유 기체에 의해 부식되어 금속 기판을 황 함유 기체로부터 보호하기 위한 보호층을 별도로 형성하여야 했다. In the method of manufacturing the MoS 2 layer using the conventional chemical vapor deposition method, a thin film was deposited at 650 ° C. to 1000 ° C., and a plastic substrate having a melting point or a deformation temperature lower than the deposition temperature could not be used. Accordingly, in order to apply a flexible electronic device, but the MoS 2 layer deposited on the metal substrate, transferring the MoS 2 layer on a plastic substrate, can not be avoided the problem that the generated defective MoS 2 layer in this transfer process. In addition, in the method using the conventional chemical vapor deposition method, the metal substrate was corroded by the sulfur-containing gas, and a protective layer for protecting the metal substrate from the sulfur-containing gas had to be separately formed.

하지만, 상기 일 구현예에 따른 제조 방법은 기존의 화학기상증착법에 비해 비교적 저온에서 MoS2층 등의 전이금속 칼코게나이드 층을 합성하기 때문에 금속 기판뿐 아니라 플라스틱 기판도 사용할 수 있으며, 후술하는 용액 공정을 통해 전구체 코팅막을 얻고 이를 열분해하여 전이금속 칼코게나이드 층을 합성하기 때문에 다양한 기판에 별도의 보호층을 형성하지 않고 직접 전이금속 칼코게나이드 층을 형성할 수 있다. However, since the manufacturing method according to one embodiment of the present invention synthesizes a transition metal chalcogenide layer such as MoS 2 layer at a relatively low temperature as compared with the conventional chemical vapor deposition method, a plastic substrate as well as a metal substrate can be used. A transition metal chalcogenide layer is synthesized by pyrolyzing the precursor coating layer through a process, so that a direct transition metal chalcogenide layer can be formed without forming a separate protective layer on various substrates.

또한, 롤투롤 방식을 채용하여 대면적의 전이금속 칼코게나이드 층을 연속적으로 대량 합성할 수 있다. 특히, 상기 일 구현예의 제조 방법은 온화한 조건에서 용이한 조작으로 전이금속 칼코게나이드 층을 합성하면서도, 금속 산화물을 포함하지 않고 칼코겐의 결함 없이 화학량론적 계수를 충족하며 균일한 두께를 가지는 고품질의 전이금속 칼코게나이드 층을 제공할 수 있다. In addition, a roll-to-roll process can be adopted to continuously mass-synthesize a large-area transition metal chalcogenide layer. Particularly, the production method of this embodiment is a process for producing a chalcogenide transition metal layer which is capable of easily synthesizing a transition metal chalcogenide layer under mild conditions, A transition metal chalcogenide layer can be provided.

상기 일 구현예의 제조 방법에 따라 합성될 수 있는 전이금속 칼코게나이드는 주기율표의 6족의 전이금속과 16족의 칼코겐을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 전이금속 칼코게나이드는 MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2 또는 WTe2일 수 있다. The transition metal chalcogenide that can be synthesized according to the production method of one embodiment may include a transition metal of group 6 of the periodic table and a chalcogen of group 16. Specifically, the transition metal chalcogenide may be MoS 2 , MoSe 2 , MoTe 2 , WS 2 , WSe 2 or WTe 2 .

상기 일 구현예에 따른 제조 방법을 통해 얻어지는 고품질의 전이금속 칼코게나이드 층은 다양한 전자 소자를 제공하기 위해 사용될 수 있으며, 특히 전력 소모가 매우 적은 소형화 전자 소자를 제공할 것으로 기대된다. The high-quality transition metal chalcogenide layer obtained by the manufacturing method according to one embodiment can be used to provide various electronic devices, and it is expected to provide a miniaturized electronic device with very low power consumption.

이하, 상기 일 구현예에 따른 제조 방법을 상세히 설명한다. Hereinafter, a manufacturing method according to one embodiment will be described in detail.

상기 일 구현예에 따른 제조 방법은 롤투롤(roll to roll) 방식을 채용하여 대면적의 전이금속 칼코게나이드 층을 연속적으로 대량 합성할 수 있다. In the manufacturing method according to this embodiment, a roll-to-roll process can be adopted to continuously mass-synthesize a large-area transition metal chalcogenide layer.

구체적으로, 도 1과 같이, 다수의 롤러에 의해 기판을 이송시키면서 용액 공정과 열처리 공정을 수행하여 전이금속 칼코게나이드 층을 연속적으로 합성할 수 있다. 다만, 필요에 따라 용액 공정은 롤투롤 방식에 의하지 않고 수행될 수 있다. Specifically, as shown in FIG. 1, a transition metal chalcogenide layer can be continuously synthesized by performing a solution process and a heat treatment process while transferring a substrate by a plurality of rollers. However, if necessary, the solution process can be performed without using the roll-to-roll method.

상기 용액 공정에서는 기판에 전구체 용액을 코팅하여 전구체 코팅막을 형성할 수 있다. In the solution process, the precursor solution may be coated on the substrate to form a precursor coating layer.

전술한 대로, 상기 일 구현예에 따른 제조 방법은 비교적 저온에서 전이금속 칼코게나이드 층을 합성하여 다양한 기판에 고품질의 전이금속 칼코게나이드 층을 직접 합성할 수 있다. 따라서, 사용되는 기판의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 비제한적인 예로, 상기 기판으로는 유리 기판, 금속 기판, 실리콘 기판 또는 플라스틱 기판 등이 사용될 수 있다. As described above, the manufacturing method according to this embodiment can synthesize a high-quality transition metal chalcogenide layer directly on various substrates by synthesizing a transition metal chalcogenide layer at a relatively low temperature. Therefore, the type of the substrate to be used is not particularly limited. As a non-limiting example, the substrate may be a glass substrate, a metal substrate, a silicon substrate, a plastic substrate, or the like.

상기 전구체 용액은 전이금속 칼코게나이드를 합성할 수 있는 전구체와 용매를 포함한다. 화학량론적 계수를 충족하는 고품질의 전이금속 칼코게나이드 층을 제조하기 위해, 상기 전구체로는 (NH4)2MoS4, (NH4)2MoSe4, (NH4)2MoTe4, (NH4)2WS4, (NH4)2WSe4, (NH4)2WTe4, 상기 화합물의 NH4 중 하나 이상의 H가 탄소수 1 내지 4의 알킬기로 치환된 화합물 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. The precursor solution includes a precursor and a solvent capable of synthesizing a transition metal chalcogenide. (NH 4 ) 2 MoS 4 , (NH 4 ) 2 MoSe 4 , (NH 4 ) 2 MoTe 4 , and (NH 4 ) 2 MoSe 4 as precursors to produce high quality transition metal chalcogenide layers that meet the stoichiometric coefficients, (NH 4 ) 2 WS 4 , (NH 4 ) 2 WSe 4 , (NH 4 ) 2 WTe 4 , compounds wherein at least one H of NH 4 of the compound is substituted with an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, .

상기 화합물의 NH4 중 하나 이상의 H가 탄소수 1 내지 4의 알킬기로 치환된 화합물은 NH4 중 하나 이상의 H가 메틸기, 에틸기, 프로필기 또는 부틸기로 치환된 화합물일 수 있다. 구체적으로, 상기 화합물의 NH4 중 하나 이상의 H가 탄소수 1 내지 4의 알킬기로 치환된 화합물은 (N(CH3)4)2MoS4, (N(CH3)4)2MoSe4, (N(CH3)4)2MoTe4, (N(CH3)4)2WS4, (N(CH3)4)2WSe4 또는 (N(CH3)4)2WTe4일 수 있다. The compound in which at least one H of NH 4 of the compound is substituted with an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms may be a compound in which at least one H in NH 4 is substituted with a methyl group, an ethyl group, a propyl group or a butyl group. Specifically, the compound wherein at least one H of the NH 4 of the compound is substituted with an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms is (N (CH 3 ) 4 ) 2 MoS 4 , (N (CH 3 ) 4 ) 2 MoSe 4 , (CH 3) 4) 2 MoTe 4, (N (CH 3 ) 4 ) 2 WS 4 , (N (CH 3 ) 4 ) 2 WSe 4 or (N (CH 3 ) 4 ) 2 WTe 4 .

그리고, 용매로는 에틸렌 글리콜 또는 프로필렌 글리콜 등과 같은 알킬렌 글리콜; 디에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜 또는 하이드록시에톡시프로판올 등과 같은 디알킬렌 글리콜; 폴리에틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 하이드록시에톡시에톡시프로판올, 하이드록시에톡시프로폭시프로판올 등과 같은 폴리알킬렌 글리콜; 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. Examples of the solvent include alkylene glycols such as ethylene glycol and propylene glycol; Dialkylene glycols such as diethylene glycol, propylene glycol or hydroxyethoxypropanol; Polyalkylene glycols such as polyethylene glycol, polypropylene glycol, hydroxyethoxyethoxypropanol, and hydroxyethoxypropoxypropanol; Or a mixture thereof.

본 발명자들은 용매로 N,N-디메틸포름아미드를 사용할 경우 에틸렌 글리콜을 사용한 경우에 비해 전이금속 칼코게나이드 층의 합성 수율 및 품질이 저하되는 것을 확인하였다. The present inventors have found that when N, N-dimethylformamide is used as a solvent, the synthesis yield and quality of the transition metal chalcogenide layer are lowered compared with the case where ethylene glycol is used.

상기 전구체 용액에서 전구체의 농도는 코팅 조건 및 합성하려는 전이금속 칼코게나이드 층의 두께 등에 따라 조절될 수 있다. 일 예로, 대면적을 가지며 균일한 두께의 전이금속 칼코게나이드 층을 형성하기 위해, 전구체 용액 내 전구체의 농도는 0.5 내지 5 중량%로 조절될 수 있다. The concentration of the precursor in the precursor solution can be controlled according to the coating conditions and the thickness of the transition metal chalcogenide layer to be synthesized. In one example, the concentration of the precursor in the precursor solution may be adjusted to 0.5 to 5 wt%, to form a transition metal chalcogenide layer having a large area and a uniform thickness.

상기 용액 공정에서는 본 발명이 속한 기술분야에 알려진 다양한 방법을 통해 기판에 전구체 용액을 코팅할 수 있다. In the solution process, the precursor solution may be coated on the substrate through various methods known to those skilled in the art.

일 예로, 용액 공정이 롤투롤 방식에 의해 수행된다면 코팅 방식으로는 딥-코팅 방식, 슬롯 다이 코팅 방식, 바-코팅 방식, 그라비어 코팅 방식, 잉크젯 프린팅 방식 등이 채용될 수 있다. 또한, 다른 일 예로, 용액 공정이 롤투롤 방식에 의하지 않고 수행된다면 코팅 방식으로는 스핀 코팅 방식 등이 채용될 수 있다. 이 중에서도 딥-코팅 방식을 채용하는 것이 균일한 두께의 대면적의 전이금속 칼코게나이드 층을 연속적으로 합성할 수 있다는 측면에서 유리하다. For example, if the solution process is performed by a roll-to-roll process, a dip coating method, a slot die coating method, a bar coating method, a gravure coating method, an inkjet printing method, or the like may be employed as the coating method. In another example, if the solution process is performed without using a roll-to-roll process, a spin coating method or the like may be employed as the coating method. Among them, the use of the dip-coating method is advantageous in that a large-area transition metal chalcogenide layer having a uniform thickness can be continuously synthesized.

상기 용액 공정에서는 기판에 전구체 용액을 코팅한 후, 기판에 형성된 전구체 용액의 코팅막에 잔류하는 용매를 제거할 수 있다. 구체적으로, 상기 기판에 형성된 전구체 용액의 코팅막을 약 50 내지 150℃로 열처리할 수 있다. 이때, 열처리 시간은 전구체 용액의 코팅막에 잔류하는 용매가 제거될 수 있는 수준으로 약 30 초 내지 5 분 정도로 조절될 수 있다. In the solution process, after the precursor solution is coated on the substrate, the solvent remaining in the coating film of the precursor solution formed on the substrate may be removed. Specifically, the coating film of the precursor solution formed on the substrate may be thermally treated at about 50 to 150 ° C. At this time, the heat treatment time can be adjusted to about 30 seconds to 5 minutes to a level at which the solvent remaining in the coating film of the precursor solution can be removed.

이렇게 용액 공정을 통해 얻어진 전구체 코팅막은 열분해 공정에서 열분해되어 전이금속 칼코게나이드 층을 생성한다. 상기 일 구현예에 따른 제조 방법은 롤투롤 방식을 채용하므로, 기판에 형성된 전구체 코팅막은 도 1과 같이 다수의 롤러에 의해 열분해 공정이 수행되는 장치로 이송될 수 있다. The precursor coating film obtained through the solution process is pyrolyzed in the pyrolysis process to produce a transition metal chalcogenide layer. The precursor coating layer formed on the substrate may be transferred to an apparatus in which a pyrolysis process is performed by a plurality of rollers as shown in FIG. 1, since the manufacturing method according to one embodiment of the present invention employs a roll-to-roll method.

상기 열분해 공정에서는 1차 이상의 열처리를 통해 전이금속 칼코게나이드 층을 합성할 수 있다. 일 예로, 상기 전구체로 (NH4)2MoS4를 사용한 경우 전구체 코팅막을 200 내지 350℃, 250 내지 300℃ 혹은 약 280℃로 열처리하여 하기 반응식 1과 같이 MoS3층을 형성할 수 있다. In the pyrolysis step, a transition metal chalcogenide layer can be synthesized through first or more heat treatment. For example, when (NH 4 ) 2 MoS 4 is used as the precursor, the precursor coating film may be thermally treated at 200 to 350 ° C., 250 to 300 ° C., or about 280 ° C. to form an MoS 3 layer as shown in the following reaction formula 1.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

(NH4)2MoS4 → MoS3 + 2NH3 + H2S(NH 4 ) 2 MoS 4 → MoS 3 + 2NH 3 + H 2 S

이후, MoS3층을 360 내지 600℃, 400 내지 500℃ 혹은 약 450℃로 열처리하여 하기 반응식 2와 같이 MoS2층을 형성할 수 있다. Thereafter, the MoS 3 layer is heat-treated at 360 to 600 ° C, 400 to 500 ° C, or about 450 ° C to form an MoS 2 layer as shown in the following reaction formula (2).

MoS3 + H2 → MoS2 + H2SMoS 3 + H 2 ? MoS 2 + H 2 S

이러한 열분해 공정 조건은 MoS2층을 형성하는 경우에 한정되는 것은 아니며, 다른 전이금속 칼코게나이드 층을 합성하는 경우에도 적용될 수 있다. 또한, 상기 열분해 공정이 상술한 1차 및 2차 열분해 공정에 한정되는 것은 아니며, 전구체 코팅막을 200 내지 600℃, 400 내지 600℃ 혹은 500 내지 600℃로 1회 열처리하는 등 다른 방식에 의해 수행될 수 있다. The conditions for the pyrolysis process are not limited to the case of forming the MoS 2 layer but can also be applied to the synthesis of other transition metal chalcogenide layers. The pyrolysis process is not limited to the above-described first and second pyrolysis processes but may be performed by other methods such as heat treatment of the precursor coating film at 200 to 600 ° C, 400 to 600 ° C or 500 to 600 ° C once .

상기 열분해 공정은 약 0.1 내지 20 Torr, 약 1 내지 10 Torr 혹은 약 1 내지 5 Torr의 압력 하에서 진행될 수 있다. 또한, 상기 열분해 공정은 질소 혹은 아르곤과 같은 불활성 기체 분위기 하에서 진행될 수 있다. 이러한 조건 하에서 금속 산화물이 생성되는 것을 효과적으로 방지하면서 고품질의 전이금속 칼코게나이드 층을 형성할 수 있다. The pyrolysis process may be conducted at a pressure of about 0.1 to 20 Torr, about 1 to 10 Torr, or about 1 to 5 Torr. The pyrolysis step may be carried out in an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon. A high-quality transition metal chalcogenide layer can be formed while effectively preventing metal oxides from being produced under such conditions.

이러한 열분해 공정을 통해 화학량론적 계수를 충족하는 고품질의 전이금속 칼코게나이드 층을 합성할 수 있다. 후술하는 실험예를 참고하면, 상기 일 구현예의 제조 방법에 따르면, 다층의 균일한 2차원 구조의 전이금속 칼코게나이드가 합성되는 것이 확인된다. 또한, 상기 일 구현예의 제조 방법에 따르면, 고투명성의 전이금속 칼코게나이드 층이 합성되는 것이 확인된다. Through this pyrolysis process, a high quality transition metal chalcogenide layer that meets the stoichiometric coefficient can be synthesized. Referring to Experimental Examples to be described later, it is confirmed that a multilayered, uniform two-dimensional transition metal chalcogenide is synthesized according to the production method of one embodiment. Further, according to the production method of this embodiment, it is confirmed that a highly transparent transition metal chalcogenide layer is synthesized.

본 발명의 전이금속 칼코게나이드 층의 제조 방법에 따르면, 다양한 기판에 직접 고품질의 균일한 전이금속 칼코게나이드 층을 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 상기 제조 방법은 롤투롤 방식을 채용하여 대면적의 전이금속 칼코게나이드 층을 연속적으로 대량 합성할 수 있다. According to the method for producing a transition metal chalcogenide layer of the present invention, a high quality uniform transition metal chalcogenide layer can be easily formed directly on various substrates. Also, in the above-described production method, a large-area transition metal chalcogenide layer can be continuously mass-synthesized by employing a roll-to-roll method.

도 1은 일 구현예에 따라 롤투롤 방식에 의해 용액 공정과 열분해 공정이 수행되는 모습을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2의 a는 실시예 1에서 합성한 MoS2층의 Mo 3d core level 스펙트럼이고, b는 S 2p core level 스펙트럼이다.
도 3은 실시예 1에서 합성한 MoS2층의 라만 스펙트럼이다.
도 4는 비교예 1 및 2에서 사용된 CVD 반응 전의 기판과 CVD 반응 후의 기판을 나란히 배열한 사진이다.
도 5는 실시예 3에 따라 유리 기판에 MoS2층을 형성한 시편의 사진이다.
FIG. 1 is a diagram schematically showing a solution process and a pyrolysis process performed by a roll-to-roll process according to an embodiment.
2 (a) is the Mo 3d core level spectrum of the MoS 2 layer synthesized in Example 1, and b is the S 2p core level spectrum.
3 is a Raman spectrum of the MoS 2 layer synthesized in Example 1. Fig.
4 is a photograph of the substrate before the CVD reaction and the substrate after the CVD reaction, which are used in Comparative Examples 1 and 2, arranged side by side.
5 is a photograph of a specimen in which an MoS 2 layer is formed on a glass substrate according to Example 3. Fig.

이하 발명의 구체적인 실시예를 통해 발명의 작용, 효과를 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 다만, 이는 발명의 예시로서 제시된 것으로 이에 의해 발명의 권리범위가 어떠한 의미로든 한정되는 것은 아니다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features and advantages of the present invention will be more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which: FIG. However, this is provided as an example of the invention, and the scope of the invention is not limited thereto in any sense.

실시예Example 1: 용액 공정 및 열분해 공정을 통한 전이금속  1: Transition metal through solution process and pyrolysis process 칼코게나이드Chalcogenide 층의 합성 Synthesis of layers

에틸렌 글리콜에 (NH4)2MoS4를 1.25 중량%로 첨가하고 상온에서 60 분간 교반하였다. 그리고, 도 1에 도시된 바와 같이 롤러가 설치된 용기에 담고, 상기 롤러를 통해 니켈 기판을 이송함으로써, 상기 니켈 기판에 상기 전구체 용액을 딥-코팅(dip-coating)하였다. 이어서, 상기 니켈 기판에 형성된 전구체 용액의 코팅막을 100℃로 1 분간 열처리하여 코팅막에 잔류하는 용매를 제거함으로써 (NH4)2MoS4의 박막을 얻었다. (NH 4 ) 2 MoS 4 was added to ethylene glycol in an amount of 1.25 wt%, and the mixture was stirred at room temperature for 60 minutes. Then, the precursor solution was dip-coated on the nickel substrate by placing the nickel substrate in a container provided with a roller as shown in Fig. 1, and transferring the nickel substrate through the roller. Subsequently, the coating film of the precursor solution formed on the nickel substrate was subjected to heat treatment at 100 ° C for 1 minute to remove the solvent remaining in the coating film to obtain a (NH 4 ) 2 MoS 4 thin film.

이후, 질소를 주입하면서 1.8 Torr의 압력 하에서 기판에 형성된 (NH4)2MoS4의 박막을 280℃로 30 분간 열처리하였다. 이어서, 1.8 Torr의 압력, H2와 N2 가스의 100 sccm 흐름 하에서 상기 열처리된 박막을 450℃로 30 분간 열처리하여 MoS2층을 합성하였다. Then, the (NH 4 ) 2 MoS 4 thin film formed on the substrate under the pressure of 1.8 Torr was thermally treated at 280 ° C. for 30 minutes while injecting nitrogen. Subsequently, the heat-treated thin film was heat-treated at 450 캜 for 30 minutes under a pressure of 1.8 Torr and a flow rate of 100 sccm of H 2 and N 2 gas to synthesize an MoS 2 layer.

실시예Example 2: 용액 공정 및 열분해 공정을 통한 전이금속  2: Transition metal through solution process and pyrolysis process 칼코게나이드Chalcogenide 층의 합성 Synthesis of layers

실시예 1에서 니켈 기판 대신 폴리이미드 기판을 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 MoS2층을 합성하였다. An MoS 2 layer was synthesized in the same manner as in Example 1 except that a polyimide substrate was used in place of the nickel substrate in Example 1.

실시예Example 3: 용액 공정 및 열분해 공정을 통한 전이금속  3: Transition metal through solution process and pyrolysis process 칼코게나이드Chalcogenide 층의 합성 Synthesis of layers

실시예 1에서 니켈 기판 대신 유리 기판을 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 MoS2층을 합성하였다. An MoS 2 layer was synthesized in the same manner as in Example 1, except that a glass substrate was used instead of the nickel substrate in Example 1.

비교예Comparative Example 1:  One: 화학기상증착법을Chemical vapor deposition 통한 전이금속  Transition metal 칼코게나이드Chalcogenide 층의 합성 Synthesis of layers

롤투롤 방식에 의해 니켈 기판을 이송하면서 상기 니켈 기판에 화학기상증착법을 통해 MoS2층을 합성하기 위해 이하의 실험을 진행하였다.In order to synthesize the MoS 2 layer on the nickel substrate through chemical vapor deposition while transferring the nickel substrate by the roll-to-roll method, the following experiment was conducted.

구체적으로, 롤투롤 방식에 의해 니켈 기판이 통과할 수 있는 챔버에 전이금속 전구체로 MoO3 및 H2S 가스를 주입하고, MoO3가 기화될 수 있도록 챔버의 온도를 800℃로 설정하였다. 그리고, 상기 챔버를 통과할 수 있도록 롤투롤 방식에 의해 니켈 기판을 이송시켰다. 챔버를 통과하는 동안 증기화된 MoO3와 H2S의 반응에 의해 상기 니켈 기판 상에 박막이 형성될 것을 기대하였으나, 니켈 기판은 H2S가스에 의해 부식되어 원하는 MoS2층을 합성하지 못하였다. Specifically, MoO 3 and H 2 S gases were injected into the chamber through which the nickel substrate could pass by the roll-to-roll method as a transition metal precursor, and the temperature of the chamber was set at 800 ° C. so that MoO 3 could be vaporized. Then, the nickel substrate was transferred by a roll-to-roll method so as to pass through the chamber. It was expected that a thin film would be formed on the nickel substrate by the reaction of vaporized MoO 3 and H 2 S while passing through the chamber, but the nickel substrate was corroded by H 2 S gas to not synthesize the desired MoS 2 layer Respectively.

비교예Comparative Example 2:  2: 화학기상증착법을Chemical vapor deposition 통한 전이금속  Transition metal 칼코게나이드Chalcogenide 층의 합성 Synthesis of layers

비교예 1에서 니켈 기판 대신 구리 기판을 사용한 것을 제외하고 비교예 1과 동일한 방법의 실험을 수행하였으나, 구리 기판도 H2S가스에 의해 부식되어 원하는 MoS2층을 합성하지 못하였다. Experiments were carried out in the same manner as in Comparative Example 1 except that a copper substrate was used in place of the nickel substrate in Comparative Example 1. However, the copper substrate was also corroded by the H 2 S gas and the desired MoS 2 layer could not be synthesized.

실험예Experimental Example : 전이금속 : Transition metal 칼코게나이드Chalcogenide 층의 평가 Evaluation of the floor

<이황화몰리드덴층의 확인>&Lt; Identification of molybdenum disulfide layer >

(1) X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy; XPS)(1) X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)

도 2의 a는 실시예 1에서 합성한 MoS2층의 Mo 3d core level 스펙트럼이고, 도 2의 b는 S 2p core level 스펙트럼이다. 도 2의 스펙트럼을 통해 MoS2층에 산화몰리브덴이 거의 존재하지 않고, Mo와 S의 몰 비율이 약 1:2로 화학량론적 계수를 충족하는 MoS2가 합성되었음이 확인된다. FIG. 2 (a) is the Mo 3d core level spectrum of the MoS 2 layer synthesized in Example 1, and FIG. 2 (b) is the S 2p core level spectrum. Even without a molybdenum oxide substantially present in the MoS 2 layer over a spectrum of 2, the mole ratio of Mo and S between about 1: is viewed MoS 2 was the synthesis to meet the stoichiometric coefficient a 2.

실시예 2 및 3에서 합성한 MoS2층에 대해서도 XPS을 통해 동일 결과를 확인할 수 있었다. The MoS 2 layer synthesized in Examples 2 and 3 was confirmed to have the same results through XPS.

(2) 라만(Raman) 스펙트럼(2) Raman spectrum

실시예 1에서 합성한 MoS2층을 50 cm의 길이로 재단하여 시편을 준비하였다. 도 3은 상기 시편에 대한 라만 스펙트럼이다. 도 3을 참고하면, MoS2의 진동 모드인 E2g와 A1g 모드가 관측되는 것으로 보아 MoS2가 합성되었음이 확인되며, A1g와 E2g 모드의 차이가 약 24 cm-1인 것으로 보아 다층의 MoS2가 합성되었음이 확인된다. 1 cm의 간격으로 총 50 cm 길이의 MoS2층을 분석한 결과 MoS2층의 전 영역에서 균일한 두께의 MoS2층이 합성되었음이 확인되었다. The MoS 2 layer synthesized in Example 1 was cut to a length of 50 cm to prepare a specimen. 3 is a Raman spectrum for the specimen. Referring to Figure 3, viewed as being a vibration mode of the E 2g mode A 1g of MoS 2, and MoS 2 is observed is viewed under synthesis, A and E 1g multilayer viewed as being a difference of about 24 cm -1 mode 2g Of MoS 2 were synthesized. Analysis of MoS 2 layer with a total length of 50 cm at an interval of 1 cm confirmed that MoS 2 layer of uniform thickness was synthesized in the entire region of the MoS 2 layer.

실시예 2 및 3에서 합성한 MoS2층에 대해서도 라만 스펙트럼을 통해 동일 결과를 확인할 수 있었다. The same results were confirmed for the MoS 2 layers synthesized in Examples 2 and 3 through Raman spectroscopy.

<실시예 및 비교예의 비교>&Lt; Comparison of Examples and Comparative Examples >

비교예 1 및 2에서 사용된 CVD 반응 전의 기판과 CVD 반응 후의 기판을 나란히 배열한 사진을 도 4에 나타내었다. Fig. 4 shows photographs in which the substrate before the CVD reaction and the substrate after the CVD reaction used in Comparative Examples 1 and 2 are arranged side by side.

본 발명의 일 구현예에 따른 제조 방법을 이용한 실시예 1 내지 3에서는 다양한 기판에 직접 MoS2층 용이하게 형성할 수 있으며, 합성된 MoS2층은 Mo와 S의 몰 비율이 약 1:2로 화학량론적 계수를 충족하고 균일한 두께를 나타낼 수 있다. 그러나, 화학기상증착법을 이용한 비교예 1 및 2에서는 고온의 증착 온도로 인해 금속 기판만 한정적으로 사용 가능하며, 더욱이 황 함유 기체로 인하여 금속 기판이 부식됨에 따라 MoS2층을 형성할 수 없었다. In the Examples 1 to 3 using the method of manufacturing the same according to one embodiment of the invention can be easily formed directly MoS 2 layer on a variety of substrates, the composite MoS 2 layer is about 1 molar ratio of the Mo and S: 2 It is possible to satisfy a stoichiometric coefficient and to exhibit a uniform thickness. However, in Comparative Examples 1 and 2 using the chemical vapor deposition method, only the metal substrate can be used in a limited manner due to the high temperature deposition temperature, and the MoS 2 layer can not be formed due to the corrosion of the metal substrate due to the sulfur-containing gas.

또한, 실시예 3에 따라 유리 기판에 MoS2층을 형성한 시편은 550 nm의 파장에서 광 투과율이 90.8% ± 0.6%이었다. 도 5에는 실시예 3에 따라 유리 기판에 MoS2층을 형성한 시편의 사진을 나타내었다. 이로부터 기존의 화학기상증착법에 의해 제조된 MoS2층이 불투명하다고 알려진 바와 달리 본 발명의 일 구현예의 제조 방법에 따라 제조된 MoS2층은 고투명도를 나타내는 것이 확인된다. In addition, the specimen in which the MoS 2 layer was formed on the glass substrate according to Example 3 had a light transmittance of 90.8% ± 0.6% at a wavelength of 550 nm. FIG. 5 shows photographs of specimens having a MoS 2 layer formed on a glass substrate according to Example 3. FIG. From this, it is confirmed that the MoS 2 layer produced by the manufacturing method of one embodiment of the present invention shows high transparency, unlike the case where the MoS 2 layer produced by the existing chemical vapor deposition method is known to be opaque.

이로써, 본 발명의 일 구현예의 제조 방법에 따르면 다양한 기판에 직접 고품질의 균일한 전이금속 칼코게나이드 층을 용이하게 형성할 수 있음을 확인하였다. Thus, it has been confirmed that a high quality uniform transition metal chalcogenide layer can be easily formed directly on various substrates according to the manufacturing method of the embodiment of the present invention.

Claims (8)

롤투롤 방식에 의해 수행되며,
기판에 전구체 용액을 코팅하는 단계; 및
기판에 형성된 전구체 코팅막을 200 내지 600℃로 열처리하는 단계를 포함하고,
상기 전구체 용액은,
(NH4)2MoS4, (NH4)2MoSe4, (NH4)2MoTe4, (NH4)2WS4, (NH4)2WSe4 및 (NH4)2WTe4 로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물; 이들 군에서 선택된 화합물의 NH4 중 하나 이상의 H가 탄소수 1 내지 4의 알킬기로 치환된 화합물 군에서 선택된 1종 이상의 화합물; 또는 이들의 조합을 전구체로 포함하고,
알킬렌 글리콜, 디알킬렌 글리콜, 폴리알킬렌 글리콜 또는 이들의 혼합물을 용매로 포함하는 것인, 전이금속 칼코게나이드 층의 제조 방법.
Roll-to-roll method,
Coating a precursor solution on the substrate; And
Treating the precursor coating film formed on the substrate at a temperature of 200 to 600 DEG C,
The precursor solution,
(NH 4 ) 2 MoS 4 , (NH 4 ) 2 MoSe 4 , (NH 4 ) 2 MoTe 4 , At least one compound selected from the group consisting of (NH 4 ) 2 WS 4 , (NH 4 ) 2 WSe 4 and (NH 4 ) 2 WTe 4 ; One or more compounds selected from the group of compounds wherein at least one H of NH 4 of the compound selected in these groups is substituted with an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms; Or a combination thereof as a precursor,
Alkylene glycol, dialkylene glycol, polyalkylene glycol or a mixture thereof as a solvent.
제 1 항에 있어서, 상기 기판으로 유리 기판, 금속 기판, 실리콘 기판 또는 플라스틱 기판이 사용되는, 전이금속 칼코게나이드 층의 제조 방법.
The method of claim 1, wherein the substrate is a glass substrate, a metal substrate, a silicon substrate, or a plastic substrate.
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 코팅하는 단계에서는 기판에 전구체 용액을 코팅한 후 기판에 형성된 전구체 용액의 코팅막을 50 내지 150℃로 열처리하는, 전이금속 칼코게나이드 층의 제조 방법.
The method of claim 1, wherein in the coating step, a precursor solution is coated on a substrate, and a coating film of the precursor solution formed on the substrate is heat-treated at 50 to 150 ° C.
제 1 항에 있어서, 상기 열처리하는 단계에서는 전구체 코팅막을 200 내지 350℃로 열처리한 후 360 내지 600℃로 열처리하는, 전이금속 칼코게나이드 층의 제조 방법.
The method of claim 1, wherein the precursor coating layer is heat-treated at a temperature of 200 to 350 占 폚 and then heat-treated at a temperature of 360 to 600 占 폚.
제 1 항에 있어서, 상기 열처리하는 단계는 0.1 내지 20 Torr의 압력 하에서 열처리하는, 전이금속 칼코게나이드 층의 제조 방법.
2. The method of claim 1, wherein the heat treatment is performed at a pressure of 0.1 to 20 Torr.
제 1 항에 있어서, 전이금속 칼코게나이드 층은 MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2 또는 WTe2인, 전이금속 칼코게나이드 층의 제조 방법. The method of claim 1, wherein the transition metal chalcogenide layer is MoS 2 , MoSe 2 , MoTe 2 , WS 2 , WSe 2 or WTe 2 .
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