KR101878748B1 - 그래핀의 전사 방법 및 이를 이용한 소자의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

그래핀 전사 방법 및 이를 포함한 소자의 제조 방법을 제공한다. 본 그래핀 전사 방법은 제1 기판 상에 희생층 및 그래핀층을 순차적으로 형성하는 단계, 그래핀층을 타겟층에 접합하는 단계 및 레이저를 이용하여 희생층을 제거함으로써 상기 제1 기판을 그래핀층으로부터 분리하는 단계를 포함한다.

Description

그래핀의 전사 방법 및 이를 이용한 소자의 제조 방법{Method of transferring graphene and method of manufacturing device using the same}
본 개시는 그래핀을 전사하는 방법 및 이를 이용한 소자의 제조방법에 관한 것이다.
그래핀 (graphene)은 탄소 원자들로 이루어진 육방정계(hexagonal) 구조물로서, 구조적/화학적으로 안정하고, 전기적/물리적으로 우수한 특성을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 그래핀층은 실리콘(Si) 보다 100배 이상 빠른 전하 이동도(∼2×105㎠/Vs)를 갖고, 구리(Cu)보다 100배 이상 큰 전류 밀도(약 108A/㎠)를 갖는다. 또한 그래핀은 투광성을 갖고, 실온에서 양자 특성을 나타낼 수 있다. 이러한 그래핀은 기존 소자의 한계를 극복할 수 있는 차세대 소재로 주목받고 있다.
그러나 그래핀 형성 공정상의 제약으로 인해, 그래핀을 적용한 소자의 제조는 현실적으로 용이하지 않다. 기존의 그래핀 전사 방법으로는 그래핀과 유기물을 포함한 다양한 재료의 혼성 구조(hybrid structure)를 형성하기 어렵다. 더욱이, 소정 기판에 그래핀을 전이(전사)하는데 있어서, 전이 특성과 관련된 체계적인(systematic) 연구가 아직까지 이루어지지 않고 있기 때문에, 전이 특성을 조절/개선할 수 있는 인자(factor)가 제대로 알려져 있지 않다.
그래핀의 전사(전이) 특성을 개선할 수 있는 그래핀 전사 방법을 제공한다.
절연층상에 그래핀을 용이하게 전사하는 방법을 제공한다.
레이저를 이용하여 대면적의 그래핀을 전사할 수 있는 방법을 제공한다.
레이저를 이용하여 촉매층의 표면을 노출시킴으로써 용이하게 촉매층을 제거할 수 있는 그래핀 전사 방법을 제공한다.
상기 그래핀 전사 방법을 이용한 소자의 제조방법을 제공한다.
본 측면에 따르는 그래핀 전사 방법은, 제1 기판 상에 희생층 및 그래핀층을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 그래핀층을 타겟층에 접합하는 단계; 및 레이저를 이용하여 상기 희생층을 제거함으로써 상기 제1 기판을 상기 그래핀층으로부터 분리하는 단계;를 포함한다.
그리고, 상기 희생층은, 상기 레이저에 의해 가스가 발생하여 깨지는 물질을 포함할 수 있다.
또한, 상기 가스는, 수소, 산소 및 질소 중 적어도 하나일 수 있다.
그리고, 상기 희생층의 녹는점은, 상기 희생층과 인접한 층보다 낮을 수 있다.
또한, 상기 희생층은 TiN, TaN, AlN, WN, NiO, TiO2, Ta2O5, ZnO, CeO2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 레이저는 제1 기판을 통해 상기 희생층에 조사될 수 있다.
또한, 상기 레이저는 엑시머 레이저일 수 있다.
그리고, 상기 분리하는 단계는, DI 용액에 잠긴상태에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 희생층 및 그래핀층을 순차적으로 형성하는 단계는, 상기 제1 기판상에 상기 희생층을 형성하는 단계; 상기 희생층상에 촉매층을 형성하는 단계: 및 상기 촉매층상에 상기 그래핀층을 성장시키는 단계;를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 촉매층의 깁스 자유 에너지는 상기 희생층의 깁스 자유 에너지보다 클 수 있다.
또한, 상기 희생층이 제거된 후 상기 촉매층을 제거하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 그래핀상에는 절연 물질이 형성될 수 있다.
또한, 상기 절연물질은 상기 그래핀층이 상기 타겟층에 접합하기 전 상기 그래핀층상에 형성될 수 있다.
그리고, 상기 절연 물질은 상기 타겟층의 표면에 형성되어, 상기 그래핀층이 상기 타겟층에 접합함으로써 상기 그래핀층상에 형성될 수 있다.
또한, 상기 절연 물질은 수소가 없는 절연 물질일 수 있다.
그리고, 상기 타겟층은 제2 기판 및 절연층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 기판은, 실리콘, 유리, 플라스틱, 석영, 사파이어, 폴리머, 용융 실리카 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
한편, 또 다른 측면에 따른 그래핀을 포함한 소자의 제조 방법은, 앞서 기술한 방법을 이용하여 제1 기판으로부터 제2 기판으로 그래핀층을 전사하는 단계; 및 상기 제2 기판 상에 상기 그래핀층을 포함하는 소자를 구성하는 단계;를 포함한다.
그리고, 상기 그래핀층을 패터닝하는 단계;를 더 포함하는 그래핀층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 소자는, 센서, 트랜지스터 및 태양 전지 중 어느 하나일 수 있다.
본 개시는 그래핀의 전사 특성을 개선할 수 있다.
대면적의 그래핀을 용이하게 전사할 수 있다.
대면적의 그래핀층을 저비용으로 전사할 수 있다.
우수한 막질을 갖는 그래핀층을 포함하는 다양한 소자를 제조할 수 있다.
도 1a 내지 도 1h는 일 실시예에 따른 그래핀 전사 방법을 보여주는 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 그래핀 전사 방법에 의해 제조된 그래핀 소자의 예시적인 구조를 보인다.
도 3은 일 실시예에 따른 그래핀 전사 방법에 의해 제조된 그래핀 소자의 다른 예시적인 구조를 보인다.
도 4는 일 실시예에 따른 그래핀 전사 방법에 의해 제조된 그래핀을 포함한 태양 전지의 예시적인 구조를 보인다.
본 명세서에서 사용되는 "그래핀"이라는 용어는 복수개의 탄소원자들이 서로 공유결합으로 연결되어 폴리시클릭 방향족 분자가 시트 형태를 형성한 것으로서 원통 형상의 구조를 갖는 카본나노튜브와는 구별된다. 상기 공유결합으로 연결된 탄소원자들은 기본 반복단위로서 6원환을 형성하나, 5원환 및/또는 7원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 따라서 상기 그래핀은 서로 공유결합된 탄소원자들(통상 sp2 결합)의 단일층으로서 보이게 된다. 상기 그래핀은 단일층으로 이루어질 수 있으나, 이들이 여러 개 서로 적층되어 복수층을 형성하는 것도 가능하다.
이하, 본 개시에 따른 그래핀 전사 방법 및 이를 포함한 소자의 제조 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성을 위해 다소 과장되게 도시될 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소들을 나타낸다.
일 실시예에 따른 그래핀 전사 방법은, 제1 기판 상에 희생층 및 그래핀층을 순차적으로 형성하고, 상기한 그래핀층을 타겟층과 접합시킨다. 그리고, 레이저를 이용하여 희생층을 제거함으로써 제1 기판을 그래핀층으로부터 분리한다.
도 1a 내지 도 1h는 일 실시예에 따른 그래핀 전사 방법을 보여주는 사시도이다.
도 1a를 참조하면, 제1 기판(10) 상에 희생층(11)을 형성할 수 있다. 제1 기판(10)은 투명 기판으로서, 고온 공정이 가능한 기판일 수 있다. 예를 들어, 제1 기판(10)은 석영(quartz), 사파이어(sapphire) 또는 용융 실리카(fused silica) 등을 포함할 수 있다. 희생층(11)은 그래핀층(13)을 타겟층에 접합시킨 후 제1 기판(10)을 그래핀층(13)으로부터 분리시키기 위한 층으로, 레이저에 반응하여 선택적으로 어닐링되는 물질를 포함할 수 있다. 예를 들어, 희생층(11)은 레이저 어닐링시 희생층(11)의 에너지가 삭마 임계 에너지(Ablation threshold energy)를 초과하는 경우, 희생층(11)은 가스가 발생하면서 깨질 수 있는 물질를 포함할 수 있다. 희생층(11)에서 발생되는 가스는 질소(N2), 수소(H2) 또는 산소(O2) 일 수 있다. 또는 희생층(11)은 녹는점이 인접한 층보다 낮아 레이저의 조사에 의해 깨져서 급속하게 용융 및 냉각이 가능한 물질를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 희생층(11)은 TiN, TaN, AlN, GaN, WN, PECVD SiO:H, a-Si:H, a-SixGe1 -x:H(0<x<1), AlO, ZnO, MgO, NiO, CuO2,W2O3, TiO2, Ta2O5, CeO2 , AlxNy:H, SiOxNy:H, PZT(PbZr1 - xTixO3), BTO(BaTiO3), LMO(LaMnO3) 등 3차원 페롭스카이계 산화물 등을 포함할 수 있다.
그리고, 도 1b에 도시된 바와 같이, 희생층(11)상에 촉매층(12) 및 그래핀층(13)을 순차적으로 형성한다. 촉매층(12)은, 예컨대, Cu, Ni, Mo, Co, Pt, Ru 등으로 이루어진 금속 및 이들의 혼합물 중 적어도 하나로 구성될 수 있다. 이러한 금속 물질은 스퍼터링(sputtering) 장치, 전자빔 증발 장치(e-beam evaporator), 도금법을 단독 혹은 복합사용을 이용한 증착 공정으로 형성될 수 있다. 또한, 금속 물질의 깁스 자유 에너지는 촉매층(12)의 깁스 자유 에너지보다 클 수 있다. 그리하여, 희생층(11)이 환원되는 것을 방지할 수 있다. 희생층(11)이 환원되면 레이저에 반응하지 않을 수 있기 때문이다.
그래핀층(13)은 에피택셜하게(epitaxially) 성장된 층일 수있다. 예를 들어, 그래핀층(13)은 화학 기상 증착법(CVD)을 이용하여 형성될 수 있다. 구체적으로, 희생층(11) 및 촉매층(12)이 형성된 제1 기판(10)과, 탄소를 포함하는 가스(CH4, C2H2, C2H4, CO등)를 열화학 기상 증착이나 유도 결합 화학 기상 증착법(ICP-CVD, Inductive Coupled Plasma Chemical Vapor Deposition)을 위한 반응기에 넣고 가열하여 촉매층(12)에 탄소가 흡수되도록 한다. 이어, 급속히 냉각을 수행하여 촉매층(12)으로부터 탄소를 분리시켜 결정화시키는 방법으로 그래핀층(13)을 성장시킬 수 있다. 이외에도 그래핀층(13)은 열분해(pyrolysis) 법 등으로 형성될 수 있다.
그래핀층(13)은 1∼10층 정도의 그래핀층(13)을 포함할 수 있다. 즉, 그래핀층(13)은 단일층으로 구성되거나, 약 10층 이내의 복수의 그래핀층(13)이 적층된 구조를 가질 수 있다.
또한, 도 1c에 도시된 바와 같이, 그래핀층(13)상에 제1 절연층(14)을 형성할 수 있다. 제1 절연층(14)은, 예를 들어, SiO2, AlOx 등을 포함할 수 있다. 그래핀층(13)은 열에 약하기 때문에 제1 절연층(14)은 저온에서 형성되는 것이 바람직하다. 상기한 제1 절연층(14)은 열 산화 방법, 원자층 증착법, 전자빔 증착법 등에 의해 형성될 수 있다. 제1 절연층(14)은 추후 타겟층에 그래핀층(13)을 전사할 때 본딩이 용이하게 할 뿐만 아니라, 그래핀층(13)에 이물 유입을 방지하는 기능을 수행할 수 있다. 또한, 제1 절연층(14)은 수소가 없는(hydrogen-free) 절연 물질로 이루어질 수 있다. 그러면, 본딩이 보다 용이할 수 있다.
한편, 도 1d에 도시된 바와 같이, 제2 기판(20)상에 제2 절연층(21)을 형성함으로써 타겟층을 형성할 수 있다. 제2 기판(20)은 실리콘, 유리, 플라스틱, 석영, 사파이어 및 용융 실리카, 폴리머 등으로 형성되거나 그 위에 절연 물질이 추가적으로 형성될 수도 있고, c-Si, a-Si, poly-Si 등의 반도체일 수 있다. 이외에도 제2 기판(20)은 전도성 물질로도 형성될 수 있다. 그리고, 제2 절연층(21)의 절연 물질은 수소가 없는(hydrogen-free) 물질일 수 있다. 제2 절연층(21)은 제1 절연층(14)의 절연 물질과 동일할 수 있고, 다를 수 도 있다. 제2 절연층(21)도 열 산화 방법, 원자층 증착법, 전자빔 증착법 등에 의해 제2 기판(20)상에 형성될 수 있다.
그리고 나서, 도 1e에 도시된 바와 같이, 제1 절연층(14)이 형성된 제1 기판(10)과 제2 절연층(21)이 형성된 제2 기판(20)을 접합할 수 있다. 제1 절연층(14)과 제2 절연층(21)이 서로 마주보도록 배치한 상태에서 제1 절연층(14)과 제2 절연층(21)을 접합함으로써, 제1 기판(10)과 제2 기판(20)이 접합될 수 있다. 접합은 상온에서 수행될 수 있고, 고온에서 수행될 수 있다. 고온에서 수행되는 경우, 800? 내지 900?에서 수행될 수 있다. 상온에서 수행될 수 있다. 상기한 접합은 압력을 가하지 않는 접착일 수도 있고, 약 5000kgf의 힘을 가하여 수행될 수도 있다.
그리고, 도 1f에 도시된 바와 같이, 제1 절연층(14)과 제2 절연층(21)이 접합한 상태에서 희생층(11)에 레이저를 조사함으로써, 그래핀층(13)으로부터 제1 기판(10)을 분리시킨다. 레이저는 엑시머 레이저일 수 있다. 레이저는, 예를 들어, ArF, KrF, XeCl 등 엑시머로 불리우는 분자를 이용한 기체 레이저일 수 있다. 상기한 레이저는 제1 기판(10)을 통해 희생층(11)에 조사될 수 있다. 레이저가 희생층(11)에 조사되어 희생층(11)을 어닐링시키면, 희생층(11)이 깨지면서 제1 기판(10)과 제2 기판(20)은 희생층(11)을 기준으로 분리된다. 이와 같이 희생층(11)에 고르게 레이저를 조사하여 제1 기판(10)과 제2 기판(20)을 분리할 수 있기 때문에 대면전 그래핀의 전사가 가능하다.
한편, 희생층(11)이 깨지면서 파티클이 발생할 수 있다. 그래핀층(13), 제2 절연층(21) 및 제2 기판(20)이 상기한 파티클에 의해 오염되는 것을 최소화하기 위해 제1 기판(10)과 제2 기판(20)의 분리 공정은 DI(Deionized water) 용액(31) 내에서 수행될 수 있다. 예를 들어, DI 용액이 수용된 용기내에 접합된 제1 기판(10)과 제2 기판(20)을 잠근 다음 레이저를 희생층(11)에 조사할 수 있다.
그리고 나서 촉매층(12)을 제거할 수 있다. 레이저에 의해 희생층(11)이 제거되기 때문에 촉매층(12)의 표면이 전체적으로 외부에 노출된다. 그리하여, 촉매층(12)의 제거도 용이하다. 도 1f에 도시된 바와 같이, 촉매층(12)은 습식 식각 방법으로 제거될 수 있다. 용해액(32)은 촉매층(12)을 이루는 금속 물질에 따라 정해진다. 예를 들어, 촉매층(12)이 Cu로 구성된 경우, FeCl3와 같은 산성 에천트(acid etchant)를 식각 용액으로 사용해서 제거할 수 있다. 이를 통해, 도 1g에 도시된 바와 같이, 절연층상에 그래핀층(13)이 구비된 구조체를 얻을 수 있다. 도 1g에 도시된 절연층상의 그래핀층(13)은 도 1f에서 촉매층(12)이 제거된 후의 역상이다. 그러나, 촉매층(12)의 제거는 습식 에칭에 한정되지 않는다. 다른 방법에 의해서도 제거될 수 있다. 결국, 본래 제1 기판(10) (도 1b 참조)에 형성되었던 그래핀층(13)이 제2 기판(20)으로 전사(전이)된 것이라 할 수 있다.
이와 같은 방법으로 그래핀층(13)은 절연층상에 배치될 수 있다. 실시예에는 제2 기판(20)상에 제2 절연층(21)을 형성한 후 제1 절연층(14)과 제2 절연층(21)을 접합시킴으로써, 그래핀층(13)은 상기한 절연층에 전사한다고 하였으나, 이에 한정되지 않는다. 제2 기판(20)이 절연 물질로 구성된 경우, 제1 절연층(14)을 제2 기판(20)에 접합함으로써 그래핀층(13)을 제2 기판(20)으로 전사할 수 도 있다. 또한, 제1 절연층(14)없이 그래핀층(13)을 제2 절연층(21) 또는 절연 물질로 구성된 제2 기판(20)상에 형성할 수도 있다. 뿐만 아니라, 패터닝된 절연층상에 그래핀층(13)을 전사할 수도 있다.
또한, 도 1b의 희생층상에 촉매층을 적층하기 전에 희생층상에 열을 격리시키는 제3 절연층이 추가적으로 적층될 수 있다. 상기한 제3 절연층은 이산화규소(SiO2)로 형성될 수 있다. 제3 절연층은, 도 1f의 레이저로 희생층을 조사할 때 레이저에 의한 열이 촉매층 및 그래핀층에 전달되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 제3 절연층은 촉매층 및 그래핀층의 열적 충격을 완화시키거나 높은 온도로 인하여 희생층 및 촉매층이 분산된는 것을 방지할 수 있다.
뿐만 아니라, 도 1f에서 DI 용액내에서 제1 기판을 제2 기판의 아래에 배치시키고, 제1 기판의 아래에서 레이저를 조사한다고 하였으나 이에 한정되지 않는다. 제1 기판을 제2 기판의 위에 배치시키고 레이저를 위에서 아래방향으로 제1 기판에 조사할 수도 있다. 또한, 레이저의 조사는 제1 기판과 챔버 사이에 갭이 없는 밀착된 공간에서 수행될 수 도 있다. 그리고, 제1 기판이 위로 배치된 상태에서 제1 기판의 가장자리를 용액이 감싸는 상태에서도 레이저 조사가 수행될 수 있으며, 이와 같은 경우에도 파티클 발생이 억제될 수 있다.
상기와 같이 전사된 그래핀층(13)은 그래핀이 적용되는 소자를 제조하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 그래핀층(13)을 소정 모양으로 패터닝한 후, 기판상에 상기 패터닝된 그래핀을 포함하는 다양한 소자를 제조할 수 있다.
그래핀은 전도성이 우수하고, 막의 균일도가 높아 투명 전극으로서 유용하게 사용될 수 있다. 태양전지 등에서는 기판 상에 전극이 사용되며, 빛이 투과해야 하는 특성상 투명 전극이 요구되고 있다. 이러한 투명 전극으로서 상기 그래핀을 사용하는 경우, 우수한 전도성을 나타내게 된다. 또한, 각종 표시소자 등의 패널 전도성 박막으로서 활용하는 경우, 소량으로도 목적하는 전도성을 나타낼 수 있고, 빛의 투과량을 개선하는 것이 가능해진다.
아울러, 메모리소자용 채널, 센서, 전자 종이 등에 사용할 수 있다. 도 2는 일 실시예에 따른 그래핀 전사 방법에 의해 제조된 그래핀 소자의 예시적인 구조를 보인다.
도 1h의 단계 후, 그래핀층(113) 위에 제1 전극(130)과 제2 전극(140)을 형성하는 과정이 더 수행되고, 도 2와 같은 그래핀 소자(100)가 제조될 수 있다. 이러한 그래핀 소자(100)는 센서로 응용될 수 있으며, 예를 들어, 그래핀층(113)은 센서의 역할을 하며, 특정한 물질의 흡착 등으로 인한 전기적 특성의 변화가 제1 전극(130) 및 제2 전극(140)으로부터 측정될 수 있다.
또한, 상기 그래핀은 다양한 전기소자에 사용될 수 있으며, 예를 들어 센서, 바이폴라 정션 트랜지스터, 전계 효과형 트랜지스터, 이종 접합 바이폴러 트랜지스터, 싱글 일렉트론 트랜지스터, 발광다이오드, 유기전계 발광다이오드 등을 예시할 수 있다. 이와 같은 소자들에서 상기 그래핀은 채널층, 전극, 또는 전극과 채널층 사이의 버퍼층 등에 사용될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 그래핀 전사 방법에 의해 제조된 그래핀 소자의 다른 예시적인 구조를 보인다.
도 1d의 단계에서, 제2 기판(120) 상에 게이트 전극(230)이 형성되고, 게이트 전극(230)을 덮는 제2 절연층(221)이 형성된 구조가 사용될 수 있으며, 이러한 제2 절연층(221) 상에 도 1c의 그래핀층(213)이 전사될 수 있다. 그리고, 그래핀층(213) 상에 소스 전극(240)과 드레인 전극(250)을 더 형성하여, 도 3과 같은 그래핀 소자(200)가 제조될 수 있다. 이러한 그래핀 소자(200)는 그래핀층(213)이 채널층의 역할을 하는 트랜지스터가 될 수 있다. 그리고, 트랜지스터에 있어서, 발광소자를 상기 트랜지스터와 전기적으로 연결한 후, 소스-드레인 사이를 흐르는 전류를 이용하여 상기 발광소자를 제어할 수 있으며, 이를 이용하여 평판표시장치를 구성할 수 있다.
뿐만 아니라, 절연 기판 상의 그래핀을 이용하여 태양 전지를 제조할 수 있다. 도 4는 일 실시예에 따른 그래핀 전사 방법에 의해 제조된 그래핀을 포함한 태양 전지의 예시적인 구조를 보인다.
도 4에 도시된 태양 전지는 염료감응 태양전지일 수 있다. 상기 염료감응 태양전지는 반도체 전극(310), 전해질층(313) 및 대향전극(314)을 포함하며, 상기 반도체 전극은 전도성 투명기판(311) 및 광흡수층(312)으로 이루어지며, 전도성 유리기판 상에 나노입자 산화물(312a)의 콜로이드 용액을 코팅하여 고온의 전기로에서 가열한 후 염료(312b)를 흡착시켜 완성된다.
상기 전도성 투명기판(311)으로서 절연 기판 상의 그래핀을 구비한 투명 전극을 사용하게 된다. 이와 같은 투명 전극은 상술한 바와 같은 제조공정에 따라 그래핀을 기판상에 형성하여 얻어지며, 상기 절연 기판으로서는 예를 들어 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 또는 폴리에틸렌나프탈레이트와 같은 투명한 고분자 물질 또는 글래스 기판을 사용할 수 있다. 이는 대향전극(314)에도 그대로 적용된다.
상기 염료 감응 태양전지를 구부림이 가능한 구조, 예를 들어 원통형 구조를 만들기 위해서는 상기 투명 전극 외에도, 대향전극 등이 모두 함께 연질로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 태양전지에 사용되는 나노입자 산화물(312a)은 반도체 미립자로서 광 여기하에서 전도대 전자가 캐리어로 되어 애노드 전류를 제공하는 n형 반도체인 것이 바람직하다. 구체적으로 예시하면 TiO2, SnO2, ZnO2, WO3, Nb2O5, Al2O3, MgO, TiSrO3 등을 들 수 있으며, 특히 바람직하게는 아나타제형의 TiO2이다. 아울러 상기 금속 산화물은 이들에 한정되는 것은 아니며, 이들을 단독 또는 두 가지 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 이와 같은 반도체 미립자는 표면에 흡착된 염료가 보다 많은 빛을 흡수하도록 하기 위하여 표면적을 크게 하는 것이 바람직하며, 이를 위해 반도체 미립자의 입경이 20nm 이하 정도로 하는 것이 바람직하다.
또한 상기 염료(312b)는 태양 전지 혹은 광전지 분야에서 일반적으로 사용되는 것이라면 아무 제한 없이 사용할 수 있으나, 루테늄 착물이 바람직하다. 상기 루테늄 착물로서는 RuL2(SCN)2, RuL2(H2O)2, RuL3, RuL2 등을 사용할 수 있다(식중 L은 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복실레이트 등을 나타낸다). 그렇지만 이와 같은 염료(312b)로서는 전하 분리기능을 갖고 감응 작용을 나타내는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니며, 루테늄 착물 이외에도 예를 들어 로다민 B, 로즈벤갈, 에오신, 에리스로신 등의 크산틴계 색소, 퀴노시아닌, 크립토시아닌 등의 시아닌계 색소, 페노사프라닌, 카브리블루, 티오신, 메틸렌블루 등의 염기성 염료, 클로로필, 아연 포르피린, 마그네슘 포르피린 등의 포르피린계 화합물, 기타 아조 색소, 프탈로시아닌 화합물, Ru 트리스비피리딜 등의 착화합물, 안트라퀴논계 색소, 다환 퀴논계 색소 등을 들 수 있으며, 이들을 단독 또는 두가지 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 나노입자 산화물(312a) 및 염료(312b)를 포함하는 광흡수층(312)의 두께는 15미크론 이하, 바람직하게는 1 내지 15미크론이 좋다. 왜냐하면 이 광흡수층은 그 구조상의 이유에서 직렬저항이 크고, 직렬저항의 증가는 변환효율의 저하를 초래하는 바, 막 두께를 15미크론 이하로 함으로써 그 기능을 유지하면서 직렬저항을 낮게 유지하여 변환효율의 저하를 방지할 수 있게 된다.
상기 염료감응 태양전지에 사용되는 전해질층(313)은 액체 전해질, 이온성 액체 전해질, 이온성 겔 전해질, 고분자 전해질 및 이들간에 복합체를 예로 들 수 있다. 대표적으로는 전해액으로 이루어지고, 상기 광흡수층(312)을 포함하거나, 또는 전해액이 광흡수층에 침윤되도록 형성된다. 전해액으로서는 예를 들면 요오드의 아세토나이트릴 용액 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 홀 전도 기능이 있는 것이라면 어느 것이나 제한 없이 사용할 수 있다.
더불어 상기 염료감응 태양전지는 촉매층(12)을 더 포함할 수 있으며, 이와 같은 촉매층(312)은 염료감응 태양전지의 산화환원 반응을 촉진하기 위한 것으로서 백금, 탄소, 그래파이트, 카본 나노튜브, 카본블랙, p-형 반도체 및 이들간의 복합체 등을 사용할 수 있으며, 이들은 상기 전해질층과 상대 전극 사이에 위치하게 된다. 이와 같은 촉매층(312)은 미세구조로 표면적을 증가시킨 것이 바람직하며, 예를 들어 백금이면 백금흑 상태로, 카본이면 다공질 상태로 되어 있는 것이 바람직하다. 백금흑 상태는 백금의 양극 산화법, 염화백금산 처리 등에 의해, 또한 다공질 상태의 카본은, 카본 미립자의 소결이나 유기폴리머의 소성 등의 방법에 의해 형성할 수 있다.
상술한 바와 같은 염료 감응 태양전지는 전도성이 우슈한 그래핀을 포함하는 투명 전극을 채용함으로써 보다 우수한 광효율 및 가공성을 갖게 된다.
아울러, 제2 기판에 전사된 그래핀층을 소정 모양으로 패터닝한 후, 제2 기판상에 상기 패터닝된 그래핀층을 포함하는 다양한 소자를 제조할 수 있다. 전사된 그래핀층으로부터 소자를 제조하는 방법은 그래핀층을 패터닝하는 단계 및 패터닝된 그래핀층을 포함하는 소정의 소자를 구성하는 단계를 포함할 수도 있다. 또한, 그래핀층상에 전체적으로 절연 물질이 구성되는 것이 아니라, 일부 영역에만 절연 물질이 구성될 수 있다. 이는 소자의 종류에 따라 달라질 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 전술한 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 전사 방법은 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한 본 발명의 실시예에 따라 전사된 그래핀층은 다양한 소자에 다양한 목적으로 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
10: 제1 기판,
11: 희생층
12: 촉매층
13: 그래핀층
14: 제1 절연층
20: 제2 기판
21: 제2 절연층

Claims (20)

  1. 제1 기판 상에 희생층 및 그래핀층을 순차적으로 형성하는 단계;
    상기 그래핀층을 타겟층에 접합하는 단계; 및
    레이저를 이용하여 상기 희생층을 제거함으로써 상기 제1 기판을 상기 그래핀층으로부터 분리하는 단계;를 포함하고,
    상기 분리하는 단계는, DI(Deionized water) 용액에 잠긴 상태에서 수행되어, 상기 희생층이 완전히 제거되는 그래핀 전사 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 희생층은,
    상기 레이저에 의해 가스가 발생하여 깨지는 물질를 포함하는 그래핀 전사 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 가스는,
    수소, 산소 및 질소 중 적어도 하나인 그래핀 전사 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 희생층의 녹는점은,
    상기 희생층과 인접한 층보다 낮은 그래핀 전사 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 희생층은
    TiN, TaN, AlN, WN, NiO, TiO2, Ta2O5, ZnO, CeO2 , PZT, BTO, LMO 중 적어도 하나로 형성된 그래핀 전사 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저는 제1 기판을 통해 상기 희생층에 조사되는 그래핀 전사 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저는
    엑시머 레이저인 그래핀 전사 방법.
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 희생층 및 그래핀층을 순차적으로 형성하는 단계는,
    상기 제1 기판상에 상기 희생층을 형성하는 단계;
    상기 희생층상에 촉매층을 형성하는 단계: 및
    상기 촉매층상에 상기 그래핀층을 성장시키는 단계;를 포함하는 그래핀 전사 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 촉매층의 깁스 자유 에너지는 상기 희생층의 깁스 자유 에너지보다 큰 그래핀 전사 방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 희생층이 제거된 후 상기 촉매층을 제거하는 단계;를 더 포함하는 그래핀 전사 방법.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 그래핀층상에는 절연 물질이 형성된 그래핀 전사 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 절연 물질은
    상기 그래핀층이 상기 타겟층에 접합하기 전 상기 그래핀층상에 형성된 그래핀 전사 방법.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 절연 물질은 상기 타겟층의 표면에 형성되어, 상기 그래핀층이 상기 타겟층에 접합함으로써 상기 그래핀층상에 형성된 그래핀 전사 방법.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 절연 물질은 수소가 없는 절연 물질인 그래핀 전사 방법.
  16. 제 12항에 있어서,
    상기 타겟층은
    제2 기판 및 절연층을 포함하는 그래핀 전사 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 제2 기판은,
    실리콘, 유리, 플라스틱, 석영, 사파이어, 폴리머, 용융 실리카 중 적어도 하나를 포함하는 그래핀 전사 방법.
  18. 제 1항 내지 제 7항, 제 9항 내지 제 17항 중 어느 하나에 기재된 방법을 이용해서 제1 기판으로부터 제2 기판으로 그래핀층을 전사하는 단계; 및
    상기 제2 기판 상에 상기 그래핀층을 포함하는 소자를 구성하는 단계;를 포함하는 그래핀을 포함한 소자의 제조방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 그래핀층을 패터닝하는 단계;를 더 포함하는 그래핀층을 포함한 소자의 제조 방법.
  20. 제 18항에 있어서,
    상기 소자는,
    센서, 트랜지스터 및 태양 전지 중 어느 하나인 그래핀을 포함한 소자의 제조 방법.
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