KR102460946B1 - 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법 및 이를 통해 제조된 환원된 그래핀 옥사이드를 포함하는 박막 트랜지스터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법 및 이를 통해 제조된 환원된 그래핀 옥사이드를 포함하는 박막 트랜지스터를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법은 그라파이트를 산화시켜 그라파이트 옥사이드를 제조하는 단계, 그라파이트 옥사이드를 박리 및 분산시켜 그래핀 옥사이드를 포함하는 분산 용액을 제조하는 단계 및 그래핀 옥사이드를 부분적으로 환원시키기 위하여, 그래핀 옥사이드를 포함하는 분산 용액에 할로겐산을 투입하고 가열하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법 및 이를 통해 제조된 환원된 그래핀 옥사이드를 포함하는 박막 트랜지스터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 분산성이 우수하면서도 박막 트랜지스터 제조시 소자 성능을 저하시키지 않는 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 정보화 시대로 접어듦에 따라 전기적 정보신호를 시각적으로 표현하는 디스플레이(display) 분야가 급속도로 발전해 왔고, 이에 부응하여 박형화, 경량화, 저소비전력화의 우수한 성능을 지닌 여러 가지 다양한 표시 장치(Display Device)가 개발되고 있다. 이와 같은 표시 장치의 구체적인 예로는 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display device: LCD), 플라즈마 표시 장치(Plasma Display Panel device: PDP), 전계 방출 표시 장치(Field Emission Display device: FED), 유기 발광 표시 장치(Organic Light Emitting Display Device: OLED) 등을 들 수 있다.
이와 같은 표시 장치는 복수의 박막 트랜지스터를 필수적으로 포함한다. 표시 장치는 각 화소 영역을 정의하도록 서로 교차 배치되는 게이트 라인과 데이터 라인 및 복수의 화소에 각각 대응하여, 게이트 라인과 데이터 라인이 교차하는 영역에 배치되는 복수의 박막 트랜지스터를 포함하여 이루어진다.
각각의 박막 트랜지스터는 게이트 라인과 연결되는 게이트 전극, 데이터 라인과 연결되는 소스 전극, 화소 전극과 연결되는 드레인 전극, 게이트 절연층을 사이에 두고 게이트 전극과 적어도 일부 중첩하여, 게이트 전극의 전압레벨에 따라 소스 전극과 드레인 전극 사이에 채널(channel)을 형성하는 액티브층을 포함한다. 이러한 박막 트랜지스터는 게이트 라인의 신호에 응답하여 턴온하면, 데이터 라인의 신호를 화소 전극으로 인가한다.
종래의 박막 트랜지스터에 있어서, 액티브층은 아몰퍼스 실리콘(amorphous silicon) 또는 폴리 실리콘(poly silicon)과 같은 실리콘 반도체 물질로 구성되거나, 산화물 반도체 물질로 구성된다. 최근에는 액티브층을 구성하는 물질로 그래핀(graphene)을 포함하는 박막 트랜지스터에 대한 연구 및 개발이 이루어지고 있다. 그래핀을 사용하는 경우 전자 이동도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 예를 들어, 그래핀은 실리콘 반도체 물질 또는 산화물 반도체 물질과 함께 혼합되어 박막 트랜지스터의 액티브층을 형성할 수도 있고, 실리콘 반도체 물질 또는 산화물 반도체 물질과 분리되어 별도의 층 또는 영역을 형성할 수도 있으며, 그래핀으로만 액티브층을 형성할 수도 있다.
그래핀을 포함하는 액티브층을 형성하기 위해서는, 그래핀을 포함하는 용액을 코팅한 다음, 레이저 어닐링 공정 또는 열처리 공정을 거쳐야 한다. 그러나, 그래핀은 일반적으로 분산성이 우수하지 못하여 액티층을 형성하기 어려우며, 그래핀 입자의 응집에 의하여 액티브층의 이동도가 향상되지 못하는 문제점이 있다.
그래핀의 분산성을 향상시키 위하여, 그래핀에 히드록시기, 카르복시기, 에폭시기와 같은 산소 원자를 포함하는 작용기를 형성하는 방법이 연구되어 왔다. 즉, 그래핀을 그래핀 옥사이드로 산화시킴으로써 그래핀을 친용매 성질로 변경하여, 분산성을 향상시키고 액티브층 형성시 그래핀 간의 응집 현상을 억제할 수 있었다.
그러나, 상술한 그래핀 옥사이드를 이용하여 박막 트랜지스터의 액티브층을 형성하는 경우, 액티브층에서 결함이 발생하는 문제점이 발생한다. 구체적으로, 그래핀 옥사이드를 포함하는 용액을 이용하여 액티브층을 형성하는 과정에서 열을 가하거나, 기타 다른 박막 트랜지스터의 구성 요소를 형성하는 과정에서 열을 가하는 경우, 그래핀 옥사이드의 작용기로부터 기체가 발생하는 문제점이 있다. 즉, 박막 트랜지스터의 제조 공정 중 가해진 열에 의하여, 그래핀 옥사이드의 표면에 존재하는 히드록시기, 카르복시기, 에폭시기와 같은 산소 원자를 포함하는 작용기가 환원되거나 분해되면서 각종 기체가 발생되고, 외부로 빠져나가는 기체에 의하여 액티브층에 미세 크랙 및 각종 결함이 발생한다. 액티브층에 크랙이 발생하게 되면, 전자 응집 현상이 발생하게 되어, 오히려 이동도가 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 이동도를 향상시키기 위해 그래핀을 이용하여 박막 트랜지스터의 액티브층을 형성하는 경우, 용액화를 위한 분산성 확보와 액티브층을 포함하는 박막 트랜지스터의 물성 향상은 서로 트레이드 오프(Trade-Off) 관계에 있어, 이를 조절하는데 어려움이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 분산성이 확보되어 용액화하기 용이하면서도 열에 의한 기체 발생을 최소화할 수 있는 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법을 통해 제조되는 환원된 그래핀 옥사이드 및 이를 포함하는 박막 트랜지스터를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 전자 이동도가 향상된 박막 트랜지스터를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법은 그라파이트를 산화시켜 그라파이트 옥사이드를 제조하는 단계, 그라파이트 옥사이드를 박리 및 분산시켜 그래핀 옥사이드를 포함하는 분산 용액을 제조하는 단계 및 그래핀 옥사이드를 부분적으로 환원시키기 위하여, 그래핀 옥사이드를 포함하는 분산 용액에 할로겐산을 투입하고 가열하는 단계를 포함한다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 환원된 그래핀 산화물의 제조 방법은 그라파이트를 산화시켜 그라파이트 옥사이드를 포함하는 분산 용액을 제조하는 단계, 분산 용액에 할로겐산을 투입하고 가열하여, 그라파이트 옥사이드의 적어도 일부를 환원시키는 단계 및 환원된 그라파이트 옥사이드를 용매하에서 박리하여 환원된 그래핀 옥사이드를 제조하는 단계를 포함한다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 트랜지스터는 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 환원된 그래핀 옥사이드 및 반도체 물질을 포함하는 액티브층, 액티브층 상에 배치되는 게이트 절연층, 게이트 절연막 상에 베치되는 게이트 전극 및 액티브층에 접촉되는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함한다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 트랜지스터는 기판, 기판 상에 배치되고, 환원된 그래핀 옥사이드 및 반도체 물질을 포함하는 액티브층, 액티브층 상에 배치되는 게이트 절연층, 게이트 절연막 상에 베치되는 게이트 전극 및 액티브층에 접촉되는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함한다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명은 고온에서 할로겐산을 이용함으로써, 분산성이 우수함과 동시에 열에 의한 기체 발생을 최소화할 수 있는 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법 및 이를 통해 제조된 환원된 그래핀 옥사이드를 제공하는 것이다.
본 발명은, 박막 트랜지스터 제조시 열처리에 의해 발생하는 기포를 억제하고, 박막 트랜지스터의 이동도를 개선시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 발명 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원된 그래핀 옥사이드를 포함하는 박막 트랜지스터를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 실시예에 따른 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 과정을 나타낸 모식도이다.
도 5a 내지 도 5c는 각각 실시예에 따라 제조된 환원된 그래핀 옥사이드와 비교예에 따라 제조된 그래핀 옥사이드를 X-선 광전자 분광기로 분석한 그래프이다.
도 6은 실시예에 따라 제조된 환원된 그래핀 옥사이드와 비교예에 따라 제조된 그래핀 옥사이드를 FT-IR로 분석한 그래프이다.
도 7은 실시예에 따라 제조된 환원된 그래핀 옥사이드와 비교예에 따라 제조된 그래핀 옥사이드를 UV-vis 스펙트럼로 분석한 그래프이다.
도 8은 실시예에 따라 제조된 환원된 그래핀 옥사이드와 비교예에 따라 제조된 그래핀 옥사이드를 라만 분광 스펙트럼으로 분석한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원된 그래핀 옥사이드를 포함하는 박막 트랜지스터를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 실시예에 따른 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 과정을 나타낸 모식도이다.
도 5a 내지 도 5c는 각각 실시예에 따라 제조된 환원된 그래핀 옥사이드와 비교예에 따라 제조된 그래핀 옥사이드를 X-선 광전자 분광기로 분석한 그래프이다.
도 6은 실시예에 따라 제조된 환원된 그래핀 옥사이드와 비교예에 따라 제조된 그래핀 옥사이드를 FT-IR로 분석한 그래프이다.
도 7은 실시예에 따라 제조된 환원된 그래핀 옥사이드와 비교예에 따라 제조된 그래핀 옥사이드를 UV-vis 스펙트럼로 분석한 그래프이다.
도 8은 실시예에 따라 제조된 환원된 그래핀 옥사이드와 비교예에 따라 제조된 그래핀 옥사이드를 라만 분광 스펙트럼으로 분석한 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 제한되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 발명 상에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 ‘직접’이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
소자 또는 층이 다른 소자 또는 층 "위 (on)"로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다.
또한 제 1, 제 2 등이 다양한 구성 요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성 요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제 1 구성 요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제 2 구성 요소일 수도 있다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시할 수도 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 1을 참조하면, 발명의 일 실시예에 따른 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법은 그라파이트(graphite)를 산화시켜 그라파이트 옥사이드(graphite oxide)를 제조하는 단계(S110), 그라파이트 옥사이드를 박리 및 분산시켜 그래핀 옥사이드(graphene oxide)를 포함하는 분산 용액을 제조하는 단계(S120) 및 그래핀 옥사이드를 부분적으로 환원시키기 위하여, 그래핀 옥사이드를 포함하는 분산 용액에 할로겐산을 투입하고 가열하는 단계(S130)를 포함한다.
먼저, 그라파이트를 산화시켜 그라파이트 옥사이드를 제조한다(S110).
일반적으로, 그라파이트 옥사이드는 분말 상태의 그라파이트를 산 처리함으로써 합성될 수 있다. 구체적으로, 그라파이트를 황산, 질산과 같은 강산을 이용하여 산화시키는 방법으로 그라파이트 옥사이드를 제조할 수 있다. 또한, 그라파이트 옥사이드는 염화칼륨(Potassium Chloride, NaCl), 과황산칼륨(Potassium Persulfate, KPS), 질산암모늄세륨(Cerium Ammonium Nitrate), 과산화수소(H2O2), 과요오드산(Periodic acid, HIO4), 과망간산칼륨(potassium permanganate, KMnO4) 및 다이크로뮴산 칼륨(potassium dichromate, K2Cr2O7) 등과 같은 강한 산화제를 이용하여 그라파이트를 산화시킴으로써 제조될 수 있다. 그라파이트 옥사이드의 산화 정도는 그라파이트의 산화 반응 온도에 따라 달라질 수 있다.
그라파이트의 산화는 과산화수소를 과량 투입함으로써 중단시킬 수 있다. 예를 들어, 산화 반응이 진행중인 그라파이트가 포함된 용액에, 증류수와 과산화수소를 연속적으로 첨가함으로써 그라파이트의 산화 반응을 종료시킬 수 있다.
그라파이트를 산화시켜 그라파이트 옥사이드를 제조하는 단계(S110)은 증류수 및 산을 이용하여 불순물 및 잔류물을 제거하기 위한 세척 및 여과하는 단계를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 그라파이트의 산화 반응이 종료된 후 형성된 그라파이트 옥사이드를 세척 및 여과한다. 세척 공정을 이용하여, 그라파이트 옥사이드 생성 공정 중 발생한 불순물 및 잔류물을 제거할 수 있다. 이때, 당해 기술 분야에서 사용되는 통상의 여과 방법을 사용하여, 제조된 그라파이트 옥사이드를 여과시킬 수 있다. 세척 과정과 여과 과정은 반복하여 수행될 수 있으며, 이를 통해, 그라파이트 옥사이드의 순도를 높일 수 있다.
한편, 분말 형태의 그라파이트 옥사이드를 제조하기 위하여, 세척하는 단계 및 여과하는 단계 다음에, 그라파이트 옥사이드를 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 세척 및 여과된 그라파이트 산화물을 포함하는 용액은 건조 과정을 거친 후 그라인딩(grinding)을 이용하여 분말 상태로 제조될 수 있다.
다음으로, 그라파이트 옥사이드를 분산 및 박리시켜 그래핀 옥사이드를 포함하는 분산 용액을 제조한다(S120).
S110 단계를 거쳐 제조된 그라파이트 옥사이드를 용매 내에 분산 및 박리시킨다. 보다 구체적으로, 제조된 분말 형태의 그라파이트 옥사이드를 용매 내에 분산 및 박리시킴으로써, 그라파이트 옥사이드로부터 그래핀 옥사이드가 형성된다. 여기서, 그래핀은 복수의 층으로 적층된 그라파이트의 한층으로 이루어진 물질을 의미하며, 그래핀 옥사이드는 그라파이트 옥사이드의 한층으로 이루어진 물질을 의미한다.
그라파이트 옥사이드를 용매 하에서 분산 및 박리시키는 방법으로는 그라파이트 옥사이드를 용매에 첨가한 다음 초음파를 조사하거나 교반시키는 방법을 이용할 수 있다. 한편, 그라파이트를 분산 및 박리시키는 방법으로는 상술한 초음파 분쇄(sonication) 방법 외에도 호모게나이저(homogenizer) 또는 고압균질기(high pressurehomogenizer)를 이용할 수도 있다.
그라파이트 옥사이드를 분산 및 박리시키기 위한 용매로는, 예를 들어, 물, 에탄올(Ethanol), 디메틸포름아마이드(Dimethylformamide, DMF), 메틸설폭사이드(Dimethylsulfoxide, DMSO), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF) 및 아세톤(Acetone) 등을 사용할 수 있으며, 수산화나트륨(NaOH) 수용액, 수산화칼륨(KOH) 수용액, 수산화리튬(LiOH) 수용액, 수산화칼슘 (Ca(OH)2) 수용액 등의 알칼리 용매를 사용할 수 있다. S120 단계에서 사용되는 용매로는 상술한 예에 제한되지 않고, 산소를 포함하는 작용기를 제공하여 그라파이트 옥사이드의 각각의 면을 용이하게 박리시킬 수 있는 용매라면 제한 없이 사용할 수 있다.
분산 및 박리 시 필요한 시간은 10분 내지 5시간일 수 있다. 10분 미만의 경우 분산 및 박리가 원활이 이루어지지 않을 수 있으며, 5시간 초과 처리 시, 결함 형성이 많아지기 때문에 고품질의 그래핀 옥사이드를 얻기 어려울 수 있다.
다음으로, 그래핀 옥사이드를 부분적으로 환원시키기 위하여, 그래핀 옥사이드를 포함하는 분산 용액에 할로겐산을 투입하고 가열한다(S130).
그래핀 옥사이드를 포함하는 분산 용액에 할로겐산을 투입하여 반응시킨다. S120 단계를 거쳐 형성된 그래핀 옥사이드는 할로겐산에 의하여 부분적으로 환원된다. 구체적으로, 할로겐산은 그래핀 옥사이드에 존재하는 에폭시기, 카르복시기, 캐톤기 등을 환원시킨다. 또한, 할로겐산은 그래핀 옥사이드에 형성된 히드록시기를 환원시킨다. 구체적으로, 할로겐산은 Sn1 반응을 통해, 그래핀 옥사이드의 히드록시기는 할로겐기로 치환될 수 있다. 치환된 할로겐기는 가열 공정에 의해 발생한 열에 의해 빠른 속도로 제거된다. 이로 인해, 그래핀 옥사이드의 히드록시기는 S130 단계에서 제거될 수 있다. 할로겐산과의 반응에 의하여 그래핀 옥사이드의 전체적인 산화수는 감소한다.
할로겐산은 염산(HCl), 브롬산(HBr), 요오드산(HI)이다.
그래핀 옥사이드를 포함하는 분산 용액에 투입되는 할로겐산의 농도는 1M 내지 10M인 것이 바람직하다. 할로겐산의 농도가 1M 이하인 경우, 그래핀 옥사이드가 거의 환원되지 않을 수 있다. 또한, 할로겐산의 농도가 10M 초과인 경우, 그래핀 옥사이드의 표면에 존재하는 작용기의 대부분이 제거되고, 이로 인해, 최종 생성되는 환원된 그래핀 옥사이드의 분산도가 크게 저하된다. 그래핀 옥사이드의 분산도가 저하되면, 그래핀 옥사이드를 포함하는 소자, 예를 들어, 박막 트랜지스터 소자의 성능 저하가 발생할 수 있다.
그래핀 옥사이드를 포함하는 분산 용액에 할로겐산을 투입한 다음 용액을 가열한다. 이때, 가열 온도는 50℃ 내지 100℃인 것이 바람직하다. 또는, 그래핀 옥사이드를 포함하는 분산 용액의 온도를 50℃ 내지 100℃으로 유지하면서, 할로겐산을 투입한다. 할로겐산을 투입하고 가열하는 단계를 50℃ 내지 100℃의 온도에서 진행함으로써, 할로겐산과 그래핀 옥사이드와의 치환 반응을 진행시킬 수 있다.
그래핀 옥사이드를 포함하는 분산 용액에 할로겐산을 투입하고 가열한 다음, 1시간 내지 48시간 동안 그래핀 옥사이드와 할로겐산의 반응시간을 유지시키는 것이 바람직하다. 그래핀 옥사이드와 할로겐산의 반응시간이 1시간 미만인 경우, 그래핀 옥사이드와 할로겐의 반응이 충분히 일어나지 않아, 그래핀 옥사이드의 작용기가 충분히 제거되지 않는다. 또한, 산화물과 할로겐산의 반응시간이 48시간 초과인 경우, 그래핀 옥사이드의 표면에 존재하는 작용기의 상당수가 제거되어, 최종 생성되는 환원된 그래핀 옥사이드의 분산도가 감소할 수 있다.
그래핀 옥사이드를 포함하는 분산 용액에 할로겐산을 투입하고 가열하여 환원 공정을 진행한 다음, 제조된 환원된 그래핀 옥사이드를 세척하는 단계를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 증류수를 이용하여 환원 공정 중 발생한 불순물 및 잔류물을 제거하고 중성화를 시킬 수 있다.
환원된 그래핀 옥사이드를 회수하는 방법은 당업계에서 통상적으로 사용하는 방법을 이용하여 수행할 수 있으며, 상기 언급한 방법으로 제한되지는 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 의해 제조된 환원된 그래핀 옥사이드는 표면이 부분적으로 환원되어, 일반적인 그래핀 옥사이드와 비교하여 산화수가 적다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 의해 제조된 환원된 그래핀 옥사이드는 일반적인 그래핀 옥사이드의 표면에 존재하는 히드록시기, 카르복시기, 에폭시기와 같은 산소 원자를 포함하는 작용기의 일부가 환원되거나 제거되어 작용기의 수가 적다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 의해 제조된 환원된 그래핀 옥사이드는 남아있는 상당수의 산소 원자를 포함하는 작용기에 의하여 충분한 분산성을 가진다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 의해 제조된 환원된 그래핀 옥사이드를 이용하여 박막 트랜지스터를 제조하는 경우, 용이하게 액티브층을 형성할 수 있다. 이와 동시에, 환원된 그래핀 옥사이드는 박막 트랜지스터의 액티브층을 구성할 수 있으며, 박막 트랜지스터 제조 공정시 수반되는 가열 공정에 의해 기체 발생을 최소화할 수 있어, 크랙 또는 기공과 같은 액티브 층의 결함을 억제할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 의해 제조된 환원된 그래핀 옥사이드를 박막 트랜지스터의 구성요소로 함으로써, 박막 트랜지스터의 이동도를 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법은 산소/탄소 원자 비율이 1.0 내지 1.15인 환원된 그래핀 옥사이드를 제공한다. 바람직하게는 환원된 그래핀 옥사이드의 산소/탄소 원자 비율이 1.1 내지 1.15일 수 있다. 환원된 그래핀 옥사이드의 산소/탄소 원자 비율이 상기 범위를 만족하는 경우, 용매에 충분한 분산성을 만족시킬 수 있으며, 환원된 그래핀 옥사이드를 이용하여 박막 트랜지스터의 액티브층을 제조하는 경우, 소자의 성능 하락을 최소화할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법은 그라파이트를 산화시켜 그라파이트 옥사이드를 포함하는 분산 용액을 제조하는 단계(S210), 분산 용액에 할로겐산을 투입하고 가열하여, 그라파이트 옥사이드의 적어도 일부를 환원시키는 단계(S220) 및 환원된 그라파이트 옥사이드를 용매하에서 박리하여 환원된 그래핀 옥사이드를 제조하는 단계(S230)를 포함한다.
먼저, 그라파이트를 산화시켜 그라파이트 옥사이드를 포함하는 분산 용액을 제조한다(S210).
도 2에 도시된 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법에 있어서, S210 단계는 도 1에 도시된 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법의 S110과 비교하여, 그라파이트를 산화시켜 분말 형태의 그라파이트 옥사이드를 제조하는 것이 아니라, 용액에 분산된 형태로 제조하는 점에 차이점이 있다.
구체적으로, 분말 형태의 그라파이트를 황산, 질산과 같은 강산을 이용하여 산화시킴으로써, 그라파이트 옥사이드를 제조할 수 있다. 이때, 그라파이트 옥사이드는 염화칼륨(NaCl), 과황산칼륨(KPS), 질산암모늄세륨, 과산화수소(H2O2), 과요오드산(HIO4), 과망간산칼륨(KMnO4) 및 다이크로뮴산 칼륨(K2Cr2O7) 등과 같은 강한 산화제를 이용하여 그라파이트를 산화시켜 제조될 수 있다.
그라파이트의 산화는 과산화수소를 과량 투입함으로써 중단시킬 수 있다. 예를 들어, 산화 반응이 진행중인 그라파이트가 포함된 용액에, 증류수와 과산화수소를 연속적으로 첨가함으로써 그라파이트의 산화 반응을 종료시킬 수 있다.
한편, 그라파이트를 산화시켜 그라파이트 옥사이드를 포함하는 분산 용액을 제조하는 단계는, 증류수 또는 산을 이용하여 그라파이트를 산화시키는 과정에서 발생하는 불순물을 제거하기 위한 세척하는 단계 및 여과하는 단계를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 그라파이트의 산화 반응이 종료된 후 형성된 그라파이트 옥사이드를 세척 또는 여과한다. 세척 공정을 이용하여, 그라파이트 옥사이드 생성 공정 중 발생한 불순물 및 잔류물을 제거할 수 있다. 이때, 당해 기술 분야에서 사용되는 통상의 여과 방법을 사용하여, 제조된 그라파이트 옥사이드를 여과시킬 수 있다. 세척 과정과 여과 과정은 반복하여 수행될 수 있으며, 이를 통해, 그라파이트 옥사이드의 순도를 높일 수 있다.
다음으로, 분산 용액에 할로겐산을 투입하고 가열하여, 그라파이트 옥사이드의 적어도 일부를 환원시킨다(S220). S210 단계를 거쳐 제조된 그라파이트 옥사이드를 포함하는 분산 용액에 할로겐산을 투입하여 가열한다. 그라파이트 옥사이드는 할로겐산에 의하여 부분적으로 환원된다. 구체적으로, 할로겐산은 그라파이트 옥사이드에 존재하는 에폭시기, 카르복시기, 캐톤기 등을 환원시킨다. 또한, 할로겐산은 그라파이트 옥사이드에 형성된 히드록시기를 환원시킨다. 구체적으로, 할로겐산은 Sn1 반응을 통해, 그라파이트 옥사이드의 히드록시기는 할로겐기로 치환된다. 치환된 할로겐기는 가열 공정에 의해 발생한 열에 의해 빠른 속도로 제거된다. 이로 인해, 그라파이트 옥사이드의 히드록시기는 S220 단계에서 제거될 수 있다. 할로겐산과의 반응에 의하여 그라파이트 옥사이드의 전체적인 산화수는 감소한다.
S220 단계에서 투입되는 할로겐산 및 가열 공정의 구체적인 내용은 도 1에 도시된 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법에서 설명한 내용과 실질적으로 동일하므로, 중복 내용은 생략한다.
다음으로, 환원된 그라파이트 옥사이드를 용매하에서 박리하여 환원된 그라파이트 옥사이드르 제조한다(S230).
구체적으로 S220 단계에서 제조된 환원된 그라파이트 옥사이드는 용매 내에 분산된 형태로 반응이 종결된다. 이때, 그라파이트 옥사이드가 포함된 용액에 초음파를 조사함과 동시에 교반시키는 방법을 이용할 수 있다.
그라파이트 옥사이드를 먼저 박리하여 그래핀 옥사이드를 제조하는 도 1에 도시된 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법과 달리, 도 2에 도시된 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법은 그라파이트 옥사이드를 그래핀 옥사이드로 먼저 박리한 다음에 환원시키는 것이 아니라, 그라파이트 옥사이드를 포함하는 분산 용액에 곧바로 할로겐산을 투입하여 환원 공정을 진행할 수 있다. 이 경우, S210 단계에서 산을 이용하여 세척 및 여과하는 단계를 거친 후 그대로 할로겐산의 투입과 동시에 가열함으로써 환원 공정을 진행할 수 있으므로, 제조 공정이 용이하고 단순해질 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법에 의해 제조된 환원된 그래핀 옥사이드를 포함하는 박막 트랜지스터에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원된 그래핀 옥사이드를 포함하는 박막 트랜지스터를 설명하기 위한 단면도이다.
박막 트랜지스터(100)는 기판(110) 상에 배치된다. 박막 트랜지스터(100)는 액티브층(120), 게이트 전극(130), 소스 전극(135a), 및 드레인 전극(135b)을 포함한다. 기판(110)과 액티브층(120) 사이에는 버퍼층이 더 형성될 수 있다. 액티브층(120) 상에 액티브층(120)과 게이트 전극(130)을 절연시키기 위한 게이트 절연층(125)이 형성된다. 또한, 게이트 절연층(125) 상에 액티브층(120)과 중첩되도록 게이트 전극(130)이 형성되고, 게이트 전극(130) 및 게이트 절연층(125) 상에 층간 절연층(114)이 형성된다. 층간 절연층(114) 상에 소스 전극(135a) 및 드레인 전극(135b)이 형성된다. 소스 전극(135a) 및 드레인 전극(135b)은 액티브층(120)과 전기적으로 연결된다.
그리고, 액티브층(120)은 비정질 실리콘(amorphous silicon, a-Si), 다결정 실리콘(polycrystalline silicon, poly-Si) 또는 산화물(oxide) 반도체 등으로 형성될 수 있다. 액티브층(120)을 산화물 반도체로 형성할 경우, ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide) 또는 ITZO(Indium Tin Zinc Oxide) 등으로 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 액티브층(120)을 IGZO로 형성할 때, In:Ga:Zn의 비율은 1:2:1일 수 있다. 이 경우, 액티브층(120)에는 Ga고분포층(Ga-Rich Layer)이 IGZO층의 상면에 형성될 수 있다.
도 3에서는 설명의 편의를 위해 본 명세서에서는 박막 트랜지스터(100)가 인버티드 스태거드(inverted staggered) 구조인 것으로 설명하나 코플래너(coplanar) 구조의 박막 트랜지스터도 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 박막 트랜지스터(100)는 액티브층(120)에 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 의해 제조된 환원된 그래핀 옥사이드를 포함한다.
이때, 환원된 그래핀 옥사이드의 산소/탄소 원자 비율은 1.0 내지 1.15일 수 있으며, 바람직하게는 1.1 내지 1.15일 수 있다. 환원된 그래핀 옥사이드의 산소/탄소 원자 비율이 상기 범위를 만족하는 경우, 환원된 그래핀 옥사이드는 용매에 충분히 분산될 수 있어, 박막 트랜지스터 제조 공정에서 특별한 결점없이 액티브층이 형성될 수 있다. 뿐만 아니라, 환원된 그래핀 옥사이드의 산소/탄소 원자 비율이 상기 범위를 만족하는 경우, 박막 트랜지스터 제조 공정에서 가열 공정에 의해서도 박막 트랜지스터의 다른 결함없이 우수한 이동도를 구현할 수 있다.
한편, 액티브층에 포함된 환원된 그래핀 옥사이드는 하기 수학식 1로 표시되는 라만 R값이 1.00내지 1.10을 만족할 수 있다.
[수학식 1]
라만 R = Id/Ig
여기서, 라만 R은, 라만 분광 분석법에 의해 얻어진 1580㎝-1 내지 1600㎝-1의 흡수 영역의 피크의 세기 값(Ig)에 대한 1350㎝-1 내지 1380㎝-1의 흡수 영역의 피크의 세기 값(Id)의 비로 계산된다.
강기 두 흡수 영역의 세기와 폭에 따라 환원된 그래핀 옥사이드의 결정화도를 판단할 수 있는데, D 피크는 탄소 구조의 무정형 상태와 관련이 있으며, G 피크는 SP2 혼성궤도 결합의 흑연결정 구조를 나타낸다.
환원된 그래핀 옥사이드의 경우, 라만 R 값이 높을수록 결정화도가 높다. 이는 그래핀 옥사이드의 표면에 존재하는 작용기가 제거되는 경우, 탄소 원자 간 단일 결합이 증가하는 경향을 보이기 때문이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 트랜지스터의 액티브층에 포함되는 환원된 그래핀 옥사이드는 일반적인 그래핀 옥사이드에 비하여 히드록시기, 카르복시기, 에폭시기와 같은 산소 원자를 포함하는 작용기의 수가 적기 때문에, 그래핀 내의 탄소 원자 간 단일 결합이 증가하므로, 종래의 그래핀 옥사이드에 비하여 결정화도가 높다.
본 발명의 일 실시예에 따른 박막 트랜지스터는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원된 그래핀 옥사이드를 액티브층의 구성요소롤 포함한다. 일반적으로 그래핀을 액티브층에 사용하는 경우, 그래핀의 구조상 특징에 의해 박막 트랜지스터의 전자 이동도가 크게 향상될 수 있다. 그러나, 상술한 바와 같이, 그래핀은 분산성이 매우 낮아 액티브층을 형성하기 부적절한 면이 있어, 산소를 포함하는 작용기를 갖는 그래핀 옥사이드가 활용되고 있다. 그러나, 일반적인 그래핀 옥사이드는 박막 트랜지스터 공정 중 가열 과정에서 기포를 배출하게 되어 액티브층에 결점을 형성시킬 수 있고 이로 인해 박막 트랜지스터의 성능을 저하시키는 문제가 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원된 그래핀 옥사이드는 적절한 수의 산소 원자를 가지고 있어 우수한 분산성을 가짐과 동시에, 박막 트랜지스터 공정 중 가열 과정에서 기포 배출을 최소화하여 박막 트랜지스터의 성능 저하를 억제할 수 있다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 발명의 예시를 위한 것이며, 하기 실시예에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예 - 환원된 그래핀 옥사이드 (도 4)
그라파이트 분말 1g과 50ml의 황산을 플라스크에 넣고 분산시킨 후, 6g의 과산화망간을 천천히 약 1시간 동안 첨가하였다. 상기 혼합 용액을 35℃ 온도에서 2 시간 동안 교반한 후, 증류수(80 ml)를 더 첨가한 후, 90℃ 온도에서 1 시간 동안 추가적으로 교반하였다. 그 후 얼음물 배스에서 상기 용액에 200ml의 증류수와 50ml의 과산화수소(30wt%)를 연속적으로 첨가하여 반응을 종결하여, 그라파이트 옥사이드를 제조하였다. 제조된 그라파이트 옥사이드를 35℃ 온도에서 1M 농도의 염산(HCl) 및 250ml의 증류수로 각각 2회 세척 및 여과를 진행한다.
제조된 그라파이트 옥사이드가 포함된 용액에 10M 농도의 염산(HCl) 250ml을 첨가하고 가열하여 100℃에서 강하게 교반시켜 환원 공정을 진행한다. 이후 250ml의 증류수로 각각 5회 세척을 진행하고, 초음파 세정기를 이용하여 초음파를 조사하여 박리 공정을 거쳐 최종적으로 환원된 그래핀 옥사이드 분산 용액을 제조하였다.
도 4는 실시예에 따른 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 과정을 나타낸 모식도이다.
비교예 - 그래핀 옥사이드
그라래파이트 분말 1g과 50ml의 황산을 플라스크에 넣고 분산시킨 후, 6g의 과산화망간을 천천히 약 1시간 동안 첨가하였다. 상기 혼합 용액을 35℃ 온도에서 2 시간 동안 교반한 후, 증류수(80 ml)를 더 첨가한 후, 90℃ 온도에서 1 시간 동안 추가적으로 교반하였다. 그 후 얼음물 배스에서 상기 용액에 200ml의 증류수와 50ml의 과산화수소(30wt%)를 연속적으로 첨가하여 반응을 종결하여, 그라파이트 옥사이드를 제조하였다. 제조된 그라파이트 옥사이드를 35℃ 온도에서 1M 농도의 염산(HCl) 및 250ml의 증류수로 각각 2회 세척 및 여과를 진행하고, 초음파 세정기를 이용하여 초음파를 조사하여 박리 공정을 거쳐 최종적으로 그래핀 옥사이드 분산 용액을 제조하였다.
실험예 1 - X-선 광전자 분광기 분석
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 환원된 그래핀 옥사이드의 환원 여부를 확인하기 위하여, 실시예에 따라 제조된 환원된 그래핀 옥사이드와 비교예에 따라 제조된 그래핀 옥사이드를 X-선 광전자 분광기(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)를 사용하여 분석하였고, 그 결과를 도 5a 내지 5c에 나타내었다.
도 5a 내지 도 5c는 각각 실시예에 따라 제조된 환원된 그래핀 옥사이드와 비교예에 따라 제조된 그래핀 옥사이드를 X-선 광전자 분광기로 분석한 그래프이다. 그래핀 옥사이드 구조에서 sp2 혼성 탄소에 해당하는 피크는 284.6 eV의 결합 에너지에서 나타나며, 산소가 포함된 작용기(수산기, 에폭시기, 케톤기 및 카르복실기 등)들에 대한 피크는 286 내지 290eV의 결합 에너지에서 나타난다.
도 5a는 실시예에 따라 제조된 환원된 그래핀 옥사이드를 X-선 광전자 분광기로 분석한 그래프로서, 도 5a를 참조하면, C-C 결합 에너지를 나타내는 284.6 eV의 결합 에너지에서의 피크는 산소가 포함된 작용기(수산기, 에폭시기, 케톤기 및 카르복실기 등)들에 대한 피크는 286 내지 290eV의 결합 에너지에서 나타나는 피크보다 작다. 실제로 탄소/산소 비율은 1.14임을 확인할 수 있었다.
도 5b는 비교예에 따라 제조된 그래핀 옥사이드를 X-선 광전자 분광기로 분석한 그래프로서, 도 5b를 참조하면, 탄소/산소 비율은 1.21임을 확인할 수 있었다.
뿐만 아니라, 도 5c를 참조하면, 실시예에 따른 환원된 그래핀 옥사이드가 비교예에 따른 그래핀 옥사이드에 비하여 탄소-탄소 결합의 비율이 높고, 탄소-산소의 결합 비율이 낮은 것을 확인할 수 있었다.
이로부터, 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법으로부터 제조된 환원된 그래핀 옥사이드는 일반적인 그래핀 옥사이드 보다 산소의 함량이 적은 것을 확인할 수 있었다.
실험예 2 - 핵자기 공명 분광법 분석
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 환원된 그래핀 옥사이드의 환원 여부를 확인하기 위하여, 실시예에 따라 제조된 환원된 그래핀 옥사이드와 비교예에 따라 제조된 그래핀 옥사이드를 푸리에 변환 적외선 분광법(Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR)를 사용하여 분석하였고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6은 실시예에 따라 제조된 환원된 그래핀 옥사이드와 비교예에 따라 제조된 그래핀 옥사이드를 FT-IR로 분석한 그래프이다. 도 6을 참조하면, 환원되지 않은 비교예에 따른 그래핀 옥사이드는 약 1050 cm-1의 파장에서는 알콕사이드(C-O)를 나타내는 피크, 약 1220 cm-1의 파장에서는 에폭사이드(C-O)를 나타내는 피크, 약 1380 cm-1의 파장에서는 카르복시기(C-O)를 나타내는 피크, 약 700 내지 1400cm-1의 파장에서는 방향족(C=C)를 나타내는 피크, 약 1720 cm-1의 파장에서는 카르복시기 및 카르보닐기(C=O)가 확인되었다. 이에 반하여 실시예에 따른 환원된 그래프 옥사이드는 상술한 파장에서 현저하게 낮은 피크를 나타내었다.
이로부터, 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법으로부터 제조된 환원된 그래핀 옥사이드는 산소를 함유하는 작용기의 일부가 환원되어 제거된 것을 확인할 수 있었다.
실험예 3 - UV-vis 스펙트럼 분석
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 환원된 그래핀 옥사이드의 환원 여부를 확인하기 위하여, 실시예에 따라 제조된 환원된 그래핀 옥사이드와 비교예에 따라 제조된 그래핀 옥사이드를 UV-vis 스펙트럼을 사용하여 분석하였고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 7은 실시예에 따라 제조된 환원된 그래핀 옥사이드와 비교예에 따라 제조된 그래핀 옥사이드를 UV-vis 스펙트럼로 분석한 그래프이다. 도 7을 참조하면, 실시예에 따라 제조된 환원된 그래핀 옥사이드는 비교예에 따라 제조된 그래핀 옥사이드와 비교하여, 270nm 내지 280nm의 흡수율이 향상됐다. 270nm 내지 280nm의 흡수율은 π-π 상호 작용에 대한 피크이다. 비교예에 따른 그래핀 옥사이드와 비교하여, 실시예에 따른 환원된 그래핀 옥사이드가 270nm 내지 280nm에서 흡수율이 증가된 것을 확인할 수 있었다.
실험예 4 - 전자 이동도 평가
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 환원된 그래핀 옥사이드의 효과를 확인하기 위하여, 실시예에 따라 제조된 환원된 그래핀 옥사이드와 비교예에 따라 제조된 그래핀 옥사이드를 함량을 달리하여 산화물 반도체 물질과 혼합하여 액티브층을 형성하는 경우의 전자 이동도를 측정하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.
| 함량(wt%) | 이동도(cm2/Vs) | |
| 비교예 | 실시예1 | |
| 0.05 | 5.32 | 6.70 |
| 0.1 | 7.14 | 16.71 |
| 0.2 | 7.45 | 13.96 |
| 0.4 | 5.68 | - |
| 0.8 | 4.30 | - |
| 1.0 | 2.31 | - |
표 1을 참조하면, 비교예에 따라 제조된 그래핀 옥사이드는 0.2wt%의 함량으로 액티브층에 포함될 때 전자 이동도가 7.45cm2/Vs 로 최대를 나타내었다. 이와 달리 실시예에 따라 제조된 환원된 그래핀 옥사이드는 0.1wt%의 함량으로 액티브층에 포함될 때 이동도가 16.71cm2/Vs로 최대를 나타내었다. 즉, 실시예에 따라 제조된 환원된 그래핀은 보다 적은 함량으로 비교예 보다 2배 이상의 전자 이동도를 나타내었다. 이로부터, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원된 그래핀 옥사이드는 액티브층을 형성하는 과정에서 발생하는 열에 의하여 박막 트랜지스터의 성능이 저하되는 것을 억제할 수 있음을 확인할 수 있다.
실험예 5 - 결정화도 평가
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 환원된 그래핀 옥사이드의 효과를 확인하기 위하여, 실시예에 따라 제조된 환원된 그래핀 옥사이드와 비교예에 따라 제조된 그래핀 옥사이드의 라만 R값(Id/Ig)을 측정하였다. 그 결과를 도 8에 나타내었다.
도 8은 실시예에 따라 제조된 환원된 그래핀 옥사이드와 비교예에 따라 제조된 그래핀 옥사이드를 라만 분광 스펙트럼으로 분석한 그래프이다. 라만 R값은 라만 분광 스펙트럼에서 1580 내지 1600㎝-1의 흡수 영역의 피크의 세기 값(Ig)에 대한 1350 내지 1380㎝-1의 흡수 영역의 피크의 세기 값(Id)의 비로 계산된다.
도 8을 참조하면, 실시예에 따른 환원된 그래핀 옥사이드의 라만 R값(Id/Ig)은 1.02이므로, 비교예에 따라 제조된 그래핀 옥사이드의 라만 R값(Id/Ig) 0.97 보다 큰 것을 확인할 수 있었다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법은 그라파이트를 산화시켜 그라파이트 옥사이드를 제조하는 단계, 그라파이트 옥사이드를 박리 및 분산시켜 그래핀 옥사이드를 포함하는 분산 용액을 제조하는 단계 및 그래핀 옥사이드를 부분적으로 환원시키기 위하여, 그래핀 옥사이드를 포함하는 분산 용액에 할로겐산을 투입하고 가열하는 단계를 포함한다.
그라파이트 옥사이드를 제조하는 단계는, 분말 형태의 그라파이트를 산 처리하는 단계 및 과산화수소를 과량 투입하여 산화를 중단하는 단계를 포함할 수 있다.
그라파이트 옥사이드를 제조하는 단계는, 증류수를 이용하여 불순물을 제거하기 위한 세척 및 여과하는 단계 및 분말 형태의 그라파이트 옥사이드를 제조하기 위하여 그라파이트 옥사이드를 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
할로겐산은 염산(HCl), 브롬산(HBr) 및 요오드산(HI)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다.
할로겐산의 농도는 1M 내지 10M일 수 있다.
할로겐산을 투입하고 가열하는 단계는 50℃ 내지 100℃의 온도에서 진행될 수 있다.
할로겐산을 투입하고 가열하는 단계는 그래핀 옥사이드와 할로겐산의 반응을 위해 1시간 내지 48시간 동안 유지될 수 있다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 환원된 그래핀 산화물의 제조 방법은 그라파이트를 산화시켜 그라파이트 옥사이드를 포함하는 분산 용액을 제조하는 단계, 분산 용액에 할로겐산을 투입하고 가열하여, 그라파이트 옥사이드의 적어도 일부를 환원시키는 단계 및 환원된 그라파이트 옥사이드를 용매하에서 박리하여 환원된 그래핀 옥사이드를 제조하는 단계를 포함한다.
그라파이트 옥사이드를 포함하는 분산 용액을 제조하는 단계는, 그라파이트를 산 처리하는 단계, 과산화수소를 과량 투입하여 그라파이트의 산화 반응을 중단하는 단계 및 증류수 또는 산을 이용하여 불순물을 제거하기 위한 세척 및 여과하는 단계를 포함할 수 있다.
할로겐산은 염산(HCl), 브롬산(HBr) 및 요오드산(HI)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다.
할로겐산의 농도는 1M 내지 10M일 수 있다.
그라파이트 옥사이드의 적어도 일부를 환원시키는 단계는 50℃ 내지 100℃의 온도에서 1시간 내지 48시간 동안 진행될 수 있다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 트랜지스터는 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 환원된 그래핀 옥사이드 및 반도체 물질을 포함하는 액티브층, 액티브층 상에 배치되는 게이트 절연층, 게이트 절연막 상에 베치되는 게이트 전극 및 액티브층에 접촉되는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함한다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 트랜지스터는 기판, 기판 상에 배치되고, 환원된 그래핀 옥사이드 및 반도체 물질을 포함하는 액티브층, 액티브층 상에 배치되는 게이트 절연층, 게이트 절연막 상에 베치되는 게이트 전극 및 액티브층에 접촉되는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함한다.
환원된 그래핀 옥사이드의 산소/탄소 원자 비율은 1.0 내지 1.15일 수 있다.
환원된 그래핀 옥사이드는 하기 수학식 1로 표시되는 라만 R값이 1.00내지 1.10일 수 있다.
[수학식 1]
라만 R = Id/Ig
(라만 R은, 라만 분광 분석법에 의해 얻어진 1580 내지 1600㎝-1의 흡수 영역의 피크의 세기 값(Ig)에 대한 1350 내지 1380㎝-1의 흡수 영역의 피크의 세기 값(Id)의 비이다.)
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 제한하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 제한되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 박막 트랜지스터
110: 기판
120: 액티브층
125: 게이트 절연층
130: 게이트 전극
135a: 소스 전극
135b: 드레인 전극
110: 기판
120: 액티브층
125: 게이트 절연층
130: 게이트 전극
135a: 소스 전극
135b: 드레인 전극
Claims (16)
- 그라파이트를 산화시켜 그라파이트 옥사이드를 제조하는 단계;
상기 그라파이트 옥사이드를 박리 및 분산시켜 그래핀 옥사이드를 포함하는 분산 용액을 제조하는 단계; 및
상기 그래핀 옥사이드를 부분적으로 환원시키기 위하여, 상기 그래핀 옥사이드를 포함하는 분산 용액에 할로겐산을 투입하고 가열하는 단계를 포함하고,
상기 할로겐산의 농도는 1M 내지 10M이고,
상기 환원된 그래핀 옥사이드의 산소/탄소 원자 비율은 1.0 내지 1.15인, 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 그라파이트 옥사이드를 제조하는 단계는,
분말 형태의 상기 그라파이트를 산 처리하는 단계; 및
과산화수소를 과량 투입하여 산화를 중단하는 단계를 포함하는, 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법. - 제2 항에 있어서,
상기 그라파이트 옥사이드를 제조하는 단계는,
증류수를 이용하여 불순물을 제거하기 위한 세척 및 여과하는 단계; 및
분말 형태의 그라파이트 옥사이드를 제조하기 위하여 상기 그라파이트 옥사이드를 건조하는 단계를 더 포함하는, 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 할로겐산은 염산(HCl), 브롬산(HBr) 및 요오드산(HI)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나인, 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법. - 삭제
- 제1 항에 있어서,
상기 할로겐산을 투입하고 가열하는 단계는 50℃ 내지 100℃의 온도에서 진행되는, 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법. - 제6 항에 있어서,
상기 할로겐산을 투입하고 가열하는 단계는 상기 그래핀 옥사이드와 상기 할로겐산의 반응을 위해 1시간 내지 48시간 동안 유지되는, 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법. - 그라파이트를 산화시켜 그라파이트 옥사이드를 포함하는 분산 용액을 제조하는 단계;
상기 분산 용액에 할로겐산을 투입하고 가열하여, 상기 그라파이트 옥사이드의 적어도 일부를 환원시키는 단계; 및
상기 환원된 그라파이트 옥사이드를 용매하에서 박리하여 환원된 그래핀 옥사이드를 제조하는 단계를 포함하고,
상기 할로겐산의 농도는 1M 내지 10M이고,
상기 환원된 그래핀 옥사이드의 산소/탄소 원자 비율은 1.0 내지 1.15인, 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법. - 제8 항에 있어서,
상기 그라파이트 옥사이드를 포함하는 분산 용액을 제조하는 단계는,
상기 그라파이트를 산 처리하는 단계;
과산화수소를 과량 투입하여 그라파이트의 산화 반응을 중단하는 단계; 및
증류수 또는 산을 이용하여 불순물을 제거하기 위한 세척 및 여과하는 단계를 포함하는, 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법. - 제9 항에 있어서,
상기 할로겐산은 염산(HCl), 브롬산(HBr) 및 요오드산(HI)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나인, 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법. - 삭제
- 제8 항에 있어서,
상기 그라파이트 옥사이드의 적어도 일부를 환원시키는 단계는 50℃ 내지 100℃의 온도에서 1시간 내지 48시간 동안 진행되는, 환원된 그래핀 옥사이드의 제조 방법. - 상기 제1항 내지 제4항, 제6항 내지 10항 및 제12항 중 어느 한 항의 제조 방법에 의해 제조된 환원된 그래핀 옥사이드 및 반도체 물질을 포함하는 액티브층;
상기 액티브층 상에 배치되는 게이트 절연층;
상기 게이트 절연층 상에 배치되는 게이트 전극; 및
상기 액티브층에 접촉되는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하고,
상기 환원된 그래핀 옥사이드의 산소/탄소 원자 비율은 1.0 내지 1.15인, 박막 트랜지스터. - 삭제
- 삭제
- 제13 항에 있어서,
상기 환원된 그래핀 옥사이드는 하기 수학식 1로 표시되는 라만 R값이 1.00내지 1.10인, 박막 트랜지스터.
[수학식 1]
라만 R = Id/Ig
(라만 R은, 라만 분광 분석법에 의해 얻어진 1580 내지 1600㎝-1의 흡수 영역의 피크의 세기 값(Ig)에 대한 1350 내지 1380㎝-1의 흡수 영역의 피크의 세기 값(Id)의 비이다.)
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