KR102516209B1 - Graphene-based sensor for ultrafine thermal-optical information detection, preparation method thereof, and controlling method of bandgap of graphene - Google Patents

Graphene-based sensor for ultrafine thermal-optical information detection, preparation method thereof, and controlling method of bandgap of graphene Download PDF

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KR102516209B1 KR1020220064009A KR20220064009A KR102516209B1 KR 102516209 B1 KR102516209 B1 KR 102516209B1 KR 1020220064009 A KR1020220064009 A KR 1020220064009A KR 20220064009 A KR20220064009 A KR 20220064009A KR 102516209 B1 KR102516209 B1 KR 102516209B1
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조학동
김득영
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동국대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information and, more specifically, to a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information, including functionalized graphene and pyroelectric materials with added semiconductor properties and increased charge concentration, a manufacturing method thereof, and a control method of a graphene band gap. According to the present invention, the graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information that is manufactured using the pyroelectric properties of functionalized graphene and pyroelectric materials by inserting a metal layer between graphene and performing heat treatment and operates at room temperature can not only contribute significantly to various sensor industries that require ultra-miniaturization and ultra-precision but can also provide a very important information value to the future bio industry that requires high-speed response and high sensitivity and to the academic and technical fields of two-dimensional materials.

Description

초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서, 이의 제조방법, 및 그래핀의 밴드갭 제어방법{Graphene-based sensor for ultrafine thermal-optical information detection, preparation method thereof, and controlling method of bandgap of graphene}Graphene-based sensor for ultrafine thermal-optical information detection, preparation method thereof, and controlling method of bandgap of graphene}

본 발명은 그래핀 기반 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 특성이 더해지고 전하 농도가 증가하여 기능화된 그래핀 및 초전 물질을 포함하는, 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서, 이의 제조방법, 및 그래핀 밴드갭의 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a graphene-based sensor, and more particularly, to a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermo-optical information, including graphene functionalized by adding semiconductor characteristics and increasing charge concentration, and a pyroelectric material, It relates to a manufacturing method and a method for controlling a graphene band gap.

4차산업 태동과 함께 센서는 인간의 오감 대신에 각종 상황을 감지하고 제어하는 역할을 하며, 천문학, 의료, 보안, 오염 모니터링, 화재 감지, 자동차 및 동작 추적, 실내 온도 등과 같은 물체의 복사 스펙트럼을 감지하는 중요한 기술이다. 특히 냉각이 필요 없는 적외선 센서와 같은 상온 동작 열-광 검출기는 다양한 분야에 응용되면서 중요성이 크게 증대하고 있다.With the advent of the 4th industry, sensors play a role in detecting and controlling various situations instead of the five human senses, and detecting the radiation spectrum of objects such as astronomy, medical care, security, pollution monitoring, fire detection, vehicle and motion tracking, and indoor temperature. It is an important skill to detect. In particular, thermal-photon detectors operating at room temperature, such as infrared sensors that do not require cooling, are greatly increasing in importance as they are applied to various fields.

오늘날 적외선 및 THz 파의 직접 생성, 조작 및 감지를 위해 이미 많은 소형 전기 제어 및 소자 기술이 존재하고 있다. 그러나, 거의 대부분의 기술이 물질 특성 등의 이유로 THz 포토닉스가 응용될 수 있는 광범위한 영역으로 확대하지 못하는 단점이 있다.Today, many miniaturized electrical control and device technologies already exist for the direct generation, manipulation and sensing of infrared and THz waves. However, most technologies have a disadvantage in that they cannot be expanded to a wide range of areas where THz photonics can be applied for reasons such as material characteristics.

한편, 그래핀의 우수한 광·전자 특성은 고속 광검출기, 디스플레이 및 광전지 모듈의 투명 전극, 광변조기, 플라즈모닉 등 다양한 광전 소자 응용에 새로운 플랫폼으로 활용되고 있으며, 현재 차세대 적외선 및 THz 광검출기 소재로의 응용 및 구현을 위해 그래핀 소재의 물성 및 기능 향상을 위한 연구가 전 세계적으로 매우 활발하게 이루어지고 있다. 그러나, 현재까지 그래핀 기반의 열-광검출기의 성능은 밴드갭이 없는 단원자 층의 얇은 두께로 인해, 전하농도가 적어서, 실온에서 금속 및 반도체 기반 볼로미터보다 1/10로 낮은 특성을 갖는 것으로 보고되어 현재 상용화된 검출기의 성능과 비교할 때 매우 낮다.On the other hand, graphene's excellent opto-electronic properties are being used as a new platform for various optoelectronic device applications such as high-speed photodetectors, transparent electrodes for displays and photovoltaic modules, light modulators, and plasmonics. For the application and implementation of graphene, research to improve the physical properties and functions of graphene materials is being actively conducted all over the world. However, to date, the performance of graphene-based thermo-photodetectors has been shown to have characteristics that are 1/10 lower than those of metal and semiconductor-based bolometers at room temperature due to the thin thickness of the monoatomic layer without a band gap and low charge concentration. It is very low compared to the performance of the reported and currently commercialized detectors.

따라서, 위와 같은 한계점들을 극복하기 위해서는 반도체 특성이 더해지고 전하 농도가 증가하여 기능화된 그래핀 및 소자공정 기술 개발이 매우 요구된다.Therefore, in order to overcome the above limitations, it is highly required to develop functionalized graphene and device processing technology by adding semiconductor characteristics and increasing charge concentration.

대한민국 등록특허 제10-2019599호Republic of Korea Patent No. 10-2019599

본 발명이 해결하고자 하는 제1 과제는 반도체 특성이 더해지고 전하 농도가 증가하여 기능화된 그래핀을 포함하는, 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서를 제공하는데 있다.A first problem to be solved by the present invention is to provide a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information, including graphene functionalized by adding semiconductor characteristics and increasing charge concentration.

본 발명이 해결하고자 하는 제2 과제는 상기 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 제조방법을 제공하는데 있다.A second problem to be solved by the present invention is to provide a method for manufacturing a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information.

본 발명이 해결하고자 하는 제3 과제는 그래핀의 밴드갭 제어방법을 제공하는데 있다.A third problem to be solved by the present invention is to provide a method for controlling a band gap of graphene.

발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems of the invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 제1 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면은 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서를 제공한다. One aspect of the present invention for solving the first problem is to provide a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information.

본 발명의 일 실시예에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서는 초전 물질을 포함하는 초전 기판; 및 상기 초전 기판 상에 형성된 기능화된 그래핀층을 포함하되, 상기 기능화된 그래핀층은 두 단일층 그래핀 시트 사이에 금속층이 삽입된 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 열처리하여 제조된 것을 특징으로 한다.A graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to an embodiment of the present invention includes a pyroelectric substrate including a pyroelectric material; and a functionalized graphene layer formed on the pyroelectric substrate, wherein the functionalized graphene layer is prepared by heat-treating a graphene/metal/graphene sandwich structure in which a metal layer is inserted between two single-layer graphene sheets. do.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서는 초전 물질을 포함하는 초전 기판; 상기 초전 기판 상의 일부에 형성된 기능화된 그래핀층; 상기 초전 기판 상에 형성되되, 상기 기능화된 그래핀층의 각각의 말단에 인접하도록 형성된 소스 전극 및 드레인 전극; 상기 기능화된 그래핀층 상에 형성되되, 상기 기능화된 그래핀층을 커버하면서 상기 소스 전극 및 드레인 전극과 접촉하도록 형성된 게이트 절연층; 및 상기 게이트 절연층 상에 형성된 게이트 전극을 포함하고, 상기 기능화된 그래핀층은 두 단일층 그래핀 시트 사이에 금속층이 삽입된 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 열처리하여 제조된 것을 특징으로 한다.In addition, a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to another embodiment of the present invention includes a pyroelectric substrate including a pyroelectric material; a functionalized graphene layer formed on a portion of the pyroelectric substrate; a source electrode and a drain electrode formed on the pyroelectric substrate to be adjacent to respective ends of the functionalized graphene layer; a gate insulating layer formed on the functionalized graphene layer and contacting the source electrode and the drain electrode while covering the functionalized graphene layer; and a gate electrode formed on the gate insulating layer, wherein the functionalized graphene layer is prepared by heat-treating a graphene/metal/graphene sandwich structure in which a metal layer is inserted between two single-layer graphene sheets. .

상기 초전 물질은 KDP(KH2PO4), ADP(NH4H2PO4), PZT(Pb(Zr,Ti)O3), PT(PbTiO3), PLT((Pb,La)TiO3), PCT((Pb,Ca)TiO3), LiTaO3, BaTiO3, TGS(황산 트리글리신), PVDF(폴리비닐리덴디플루오리드), La3Ga5SiO14, 및 LiNbO3로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다.The pyroelectric material is KDP (KH 2 PO 4 ), ADP (NH 4 H 2 PO 4 ), PZT (Pb(Zr,Ti)O 3 ), PT(PbTiO 3 ), PLT ((Pb,La)TiO 3 ) , PCT((Pb,Ca)TiO 3 ), LiTaO 3 , BaTiO 3 , TGS (triglycine sulfate), PVDF (polyvinylidenedifluoride), La 3 Ga 5 SiO 14 , and LiNbO 3 It can be.

상기 기능화된 그래핀층은 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 열처리함으로써 그래핀의 일함수가 변형되어 밴드갭이 생성됨으로써 반도체 특성을 나타낼 수 있다.The functionalized graphene layer may exhibit semiconductor characteristics by generating a band gap by modifying the work function of graphene by heat-treating the graphene/metal/graphene sandwich structure.

상기 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체에 있어서, 상기 금속은 백금(Pt), 알루미늄(Al), 인듐(In), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 마그네슘(Mg),은(Ag) 및 금(Au)으로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다.In the graphene/metal/graphene sandwich structure, the metal is platinum (Pt), aluminum (Al), indium (In), nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), magnesium (Mg) , It may be selected from the group consisting of silver (Ag) and gold (Au).

상기 금속층은 1 nm 이상 10 nm 미만의 두께를 가질 수 있다.The metal layer may have a thickness of 1 nm or more and less than 10 nm.

상기 열처리는 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 이루는 금속에 따라 110 ~ 1,050 ℃ 에서 수행될 수 있다.The heat treatment may be performed at 110 to 1,050 °C depending on the metal constituting the graphene/metal/graphene sandwich structure.

상기 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서는 상기 게이트 전극의 양 말단을 연결하는 핑거 전극들을 더 포함할 수 있다.The graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information may further include finger electrodes connecting both ends of the gate electrode.

또한, 상기 제2 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면은 상기 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 제조방법을 제공한다.In addition, another aspect of the present invention for solving the second problem provides a method of manufacturing the graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information.

본 발명의 일 실시예에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 제조방법은 초전 물질을 포함하는 초전 기판 상에 제1 단일층 그래핀 시트를 전사하는 단계(S10); 상기 제1 단일층 그래핀 시트 상에 금속층을 증착하는 단계(S20); 상기 금속층 상에 제2 단일층 그래핀 시트를 전사하여 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 형성하는 단계(S30); 및 상기 구조체를 열처리하여 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 기능화된 그래핀층으로 변환시키는 단계(S40)를 포함한다.A method of manufacturing a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to an embodiment of the present invention includes transferring a first single-layer graphene sheet onto a pyroelectric substrate including a pyroelectric material (S10); Depositing a metal layer on the first single-layer graphene sheet (S20); forming a graphene/metal/graphene sandwich structure by transferring a second single-layer graphene sheet on the metal layer (S30); and converting the graphene/metal/graphene sandwich structure into a functionalized graphene layer by heat-treating the structure (S40).

본 발명의 다른 실시예에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 제조방법은 초전 물질을 포함하는 초전 기판 상에 제1 단일층 그래핀 시트를 전사하는 단계(S10); 상기 제1 단일층 그래핀 시트 상에 금속층을 증착하는 단계(S20); 상기 금속층 상에 제2 단일층 그래핀 시트를 전사하여 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 형성하는 단계(S30); 상기 구조체를 열처리하여 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 기능화된 그래핀층으로 변환시키는 단계(S40); 기능화된 그래핀층의 각각의 말단에 인접하도록 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계(S50); 상기 기능화된 그래핀층을 커버하면서 상기 소스 전극 및 드레인 전극과 접촉하도록 게이트 절연층을 형성하는 단계(S60); 및 상기 게이트 절연층 상에 게이트 전극을 형성하는 단계(S70)를 포함한다.A method of manufacturing a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to another embodiment of the present invention includes transferring a first single-layer graphene sheet onto a pyroelectric substrate including a pyroelectric material (S10); Depositing a metal layer on the first single-layer graphene sheet (S20); forming a graphene/metal/graphene sandwich structure by transferring a second single-layer graphene sheet on the metal layer (S30); converting the graphene/metal/graphene sandwich structure into a functionalized graphene layer by heat-treating the structure (S40); Forming a source electrode and a drain electrode so as to be adjacent to each end of the functionalized graphene layer (S50); Forming a gate insulating layer to contact the source electrode and the drain electrode while covering the functionalized graphene layer (S60); and forming a gate electrode on the gate insulating layer (S70).

상기 초전 물질은 KDP(KH2PO4), ADP(NH4H2PO4), PZT(Pb(Zr,Ti)O3), PT(PbTiO3), PLT((Pb,La)TiO3), PCT((Pb,Ca)TiO3), LiTaO3, BaTiO3, TGS(황산 트리글리신), PVDF(폴리비닐리덴디플루오리드), La3Ga5SiO14, 및 LiNbO3로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다.The pyroelectric material is KDP (KH 2 PO 4 ), ADP (NH 4 H 2 PO 4 ), PZT (Pb(Zr,Ti)O 3 ), PT(PbTiO 3 ), PLT ((Pb,La)TiO 3 ) , PCT((Pb,Ca)TiO 3 ), LiTaO 3 , BaTiO 3 , TGS (triglycine sulfate), PVDF (polyvinylidenedifluoride), La 3 Ga 5 SiO 14 , and LiNbO 3 It can be.

상기 금속은 백금(Pt), 알루미늄(Al), 인듐(In), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 은(Ag) 및 금(Au)으로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다.The metal may be selected from the group consisting of platinum (Pt), aluminum (Al), indium (In), nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), silver (Ag), and gold (Au). .

상기 금속층은 원자층 증착(ALD)에 의해 형성될 수 있다.The metal layer may be formed by atomic layer deposition (ALD).

상기 금속층은 1 nm 이상 10 nm 미만의 두께를 가질 수 있다.The metal layer may have a thickness of 1 nm or more and less than 10 nm.

상기 열처리는 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 이루는 금속에 따라 110 ~ 1050 ℃ 범위에서 수행될 수 있다.The heat treatment may be performed in the range of 110 to 1050 °C depending on the metal constituting the graphene/metal/graphene sandwich structure.

초전 기판 상에 게이트 전극의 양 말단을 연결하는 핑거 전극들을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include forming finger electrodes connecting both ends of the gate electrode on the pyroelectric substrate.

또한, 상기 제3 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 측면은 그래핀의 밴드갭 제어방법을 제공한다. 상기 그래핀의 밴드갭 제어방법은 기판 상에 제1 단일층 그래핀 시트를 전사하는 단계(S10); 상기 제1 단일층 그래핀 시트 상에 금속층을 증착하는 단계(S20); 상기 금속층 상에 제2 단일층 그래핀 시트를 전사하여 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 형성하는 단계(S30); 및 상기 구조체를 열처리하여 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 기능화된 그래핀층으로 변환시키는 단계(S40);를 포함한다.In addition, another aspect of the present invention for solving the third problem provides a method for controlling a band gap of graphene. The method for controlling the bandgap of graphene may include transferring a first single-layer graphene sheet onto a substrate (S10); Depositing a metal layer on the first single-layer graphene sheet (S20); forming a graphene/metal/graphene sandwich structure by transferring a second single-layer graphene sheet on the metal layer (S30); and converting the graphene/metal/graphene sandwich structure into a functionalized graphene layer by heat-treating the structure (S40).

본 발명에 따르면, 그래핀들 사이에 금속층을 삽입하여 열처리함으로써 기능화된 그래핀과 초전기 물질의 초전기 특성을 이용하여 제조된, 상온에서 작동되는 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서를 통하여, 초소형화 및 초정밀도를 요구하는 다양한 센서 산업에 크게 기여할 수 있을 뿐만 아니라, 고속응답 및 고감도가 요구되는 미래 바이오 산업과 2차원 소재의 학술적, 기술적 분야에도 매우 중요한 정보 가치를 제공할 수 있다.According to the present invention, a graphene-based sensor for detecting ultra-fine thermo-optical information operated at room temperature, manufactured by using functionalized graphene and pyroelectric properties of a pyroelectric material by heat treatment by inserting a metal layer between graphenes, is provided. Through this, it can not only greatly contribute to various sensor industries that require microminiaturization and ultra-precision, but also provide very important information value to the future bio industry and the academic and technical fields of 2D materials that require high-speed response and high sensitivity. .

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 모식도이다.
도 3은 일반적으로 광전센서에 사용되는 반도체 물질 및 검출 범위를 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서에 사용되는 초전 물질 내의 쌍극자 모멘트와 외부자극에 의한 자연분극 및 자발적 분극 개념도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서가 열/광 조사시 상기 열/광을 검출하는 메카니즘을 나타내는 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 제조방법을 나타내는 공정도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 제조방법을 나타내는 공정도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 열처리 전후에 그래핀의 기능화를 나타내는 라만 분광 스펙트럼이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 열처리 후의 그래핀의 G 밴드 강도 맵핑을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 열처리 전후의 파장에 따른 광 검출강도를 나타내는 그래프이다.
1 is a schematic diagram of a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram of a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to another embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram showing semiconductor materials and detection ranges generally used in photoelectric sensors.
4 is a conceptual diagram of natural polarization and spontaneous polarization by external stimuli and dipole moment in a pyroelectric material used in a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to an embodiment of the present invention.
5 is a schematic diagram illustrating a mechanism for detecting heat/light when a graphene-based sensor for detecting ultrafine heat/optical information according to another embodiment of the present invention is irradiated with heat/light.
6 is a process diagram illustrating a method of manufacturing a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to an embodiment of the present invention.
7 is a process chart showing a method of manufacturing a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to another embodiment of the present invention.
8 is a Raman spectroscopy spectrum showing functionalization of graphene before and after heat treatment of a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to an embodiment of the present invention.
9 illustrates G band intensity mapping of graphene after heat treatment of a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to an embodiment of the present invention.
10 is a graph showing light detection intensity according to wavelength before and after heat treatment of a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, the terms used in this specification are terms used to appropriately express preferred embodiments of the present invention, which may vary according to the intention of a user or operator or customs in the field to which the present invention belongs. Therefore, definitions of these terms will have to be made based on the content throughout this specification.

각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Like reference numerals in each figure indicate like elements.

명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout the specification, when a member is said to be located “on” another member, this includes not only a case where a member is in contact with another member, but also a case where another member exists between the two members.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a certain component is said to "include", it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.

본 명세서에서 사용되는 "그래핀"이라는 용어는 복수개의 탄소원자들이 서로 공유결합으로 연결되어 폴리시클릭 방향족 분자를 형성한 것으로서, 상기 공유결합으로 연결된 탄소원자들은 기본 반복단위로서 6원환을 형성하나, 5원환 및/또는 7원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 그 결과, 단일층 그래핀 시트는 서로 공유결합된 탄소원자들(통상 sp2 결합)의 단일층으로서 보이게 되며, 실질적으로 탄소 원자의 두께를 가질 수 있다. 상기 단일층 그래핀 시트는 일반적으로 97 내지 98%의 광투과도를 갖는다.As used herein, the term "graphene" refers to a polycyclic aromatic molecule in which a plurality of carbon atoms are covalently linked to each other, and the covalently linked carbon atoms form a 6-membered ring as a basic repeating unit, It is also possible to further include a 5-membered ring and/or a 7-membered ring. As a result, a single-layer graphene sheet appears as a single layer of carbon atoms covalently bonded to each other (usually sp 2 bonds), and may be substantially as thick as a carbon atom. The single-layer graphene sheet generally has a light transmittance of 97 to 98%.

[초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서][Graphene-based sensor for detecting ultra-fine thermal-optical information]

본 발명의 일 측면은 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서를 제공한다.One aspect of the present invention provides a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 모식도이다.1 is a schematic diagram of a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서는 초전 물질을 포함하는 초전 기판(10); 및 상기 초전 기판 상에 형성된 기능화된 그래핀층(20)을 포함한다. 이 때, 상기 기능화된 그래핀층은 두 단일층 그래핀 시트 사이에 금속층이 삽입된 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 열처리하여 제조된 것을 특징으로 한다.Referring to FIG. 1 , a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to the present invention includes a pyroelectric substrate 10 including a pyroelectric material; and a functionalized graphene layer 20 formed on the pyroelectric substrate. At this time, the functionalized graphene layer is characterized in that it is prepared by heat-treating a graphene/metal/graphene sandwich structure in which a metal layer is inserted between two single-layer graphene sheets.

도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 그래핀은 탄소 원자들이 2차원 상에서 sp2 결합에 의한 6각형 모양으로 연결된 배열을 이루면서 탄소 원자층에 대응하는 두께를 갖는 반 금속성 물질이다. 이러한 그래핀은 한 층의 탄소 원자층을 갖는 단일층 그래핀 시트의 특성을 평가한 결과, 전자의 이동도가 약 50,000 ㎠/Vs 이상으로서 매우 우수한 전기 전도도를 나타낼 수 있음이 보고되어 있다. 또한, 그래핀은 구조적, 화학적 안정성 및 뛰어난 열 전도도의 특징을 가지고 있다. 뿐만 아니라 상대적으로 가벼운 원소인 탄소만으로 이루어져 1차원 혹은 2차원 나노패턴을 가공하기가 용이하다. 이러한 전기적, 구조적, 화학적, 경제적 특성으로 인하여 그래핀은 향후 실리콘 기반 반도체 기술 및 투명전극을 대체할 수 있을 것으로 예측되며, 특히 우수한 기계적 물성으로 유연 전자소자 분야에 응용이 가능할 것으로 기대된다.As shown in FIG. 1 , the graphene is a semi-metallic material having a thickness corresponding to that of a carbon atom layer while forming an arrangement in which carbon atoms are connected in a hexagonal shape by sp 2 bonding in a two-dimensional space. As a result of evaluating the characteristics of a single-layer graphene sheet having a single-layer carbon atom layer, it has been reported that such graphene can exhibit very excellent electrical conductivity with an electron mobility of about 50,000 cm 2 /Vs or more. In addition, graphene has the characteristics of structural and chemical stability and excellent thermal conductivity. In addition, it is composed of only carbon, a relatively light element, and it is easy to process one-dimensional or two-dimensional nanopatterns. Due to these electrical, structural, chemical, and economic characteristics, graphene is predicted to be able to replace silicon-based semiconductor technology and transparent electrodes in the future, and in particular, it is expected to be applicable to the field of flexible electronic devices due to its excellent mechanical properties.

그러나, 후술하는 바와 같이, 그래핀 자체에는 반도체의 특성을 나타내지 않으므로, 그래핀을 광전 센서 또는 광전 소자의 재료로 사용하기 위해서는 그래핀에 반도체의 기능성을 부여하는 것이 요구된다.However, as will be described later, since graphene itself does not exhibit semiconductor properties, it is required to impart semiconductor functionality to graphene in order to use it as a material for a photoelectric sensor or photoelectric device.

한편, 2004년 영국 맨체스터 대학교의 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프 교수에 의해 발견된 그래핀은 그동안 많은 연구자들에 의해 수소 원자 이외에는 알려진 어떠한 원자도 통과할 수 없는 것으로 보고된 바 있다. 이에, 본 발명자들은 그래핀에 반도체의 기능성을 부여하기 위하여 연구한 결과, 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조로 초박막 금속 층을 두 단일층 그래핀 시트 사이에 가둔다면, 금속 원소가 그래핀 밖으로 빠져나오지 못하므로, 열처리를 통해 그래핀이 금속 원소에 의해 도핑됨으로써 그래핀의 일함수가 변화하고, 이러한 그래핀의 일함수 변화에 따라 그래핀에 반도체 기능이 부여됨을 확인하였다. 이렇게 반도체 기능이 부여된, 기능화된 그래핀은 후술하는 전계방출 트랜지스터(FET)와 같은 소자에서 반도체층의 역할을 수행함으로써 열/광 검출에 유용하게 사용될 수 있다.Meanwhile, graphene, which was discovered in 2004 by professors Andre Geim and Konstantin Novoselov of the University of Manchester, UK, has been reported by many researchers as not being able to penetrate any known atoms other than hydrogen atoms. Accordingly, the present inventors have studied to impart semiconductor functionality to graphene. As a result, if an ultra-thin metal layer is confined between two single-layer graphene sheets in a graphene/metal/graphene sandwich structure, the metal element can be released from the graphene. Since it cannot come out, it was confirmed that graphene is doped with a metal element through heat treatment, thereby changing the work function of graphene, and the semiconductor function is given to graphene according to the change in the work function of graphene. Functionalized graphene with a semiconductor function in this way can be usefully used for heat/light detection by serving as a semiconductor layer in a device such as a field emission transistor (FET), which will be described later.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 모식도이다.2 is a schematic diagram of a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to another embodiment of the present invention.

도 2는 FET 소자 형태의 센서로서, 도 2를 참조하면, Figure 2 is a sensor in the form of an FET device, referring to Figure 2,

본 발명에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서는 A graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to the present invention

초전 물질을 포함하는 초전 기판(10); a pyroelectric substrate 10 containing a pyroelectric material;

상기 초전 기판 상의 일부에 형성된 기능화된 그래핀층(20); a functionalized graphene layer 20 formed on a portion of the pyroelectric substrate;

상기 초전 기판 상에 형성되되, 상기 기능화된 그래핀층의 각각의 말단에 인접하도록 형성된 소스 전극(30) 및 드레인 전극(40); a source electrode 30 and a drain electrode 40 formed on the pyroelectric substrate to be adjacent to respective ends of the functionalized graphene layer;

상기 기능화된 그래핀층 상에 형성되되, 상기 기능화된 그래핀층을 커버하면서 상기 소스 전극 및 드레인 전극과 접촉하도록 형성된 게이트 절연층(50); 및 a gate insulating layer 50 formed on the functionalized graphene layer and contacting the source electrode and the drain electrode while covering the functionalized graphene layer; and

상기 게이트 절연층 상에 형성된 게이트 전극(60)을 포함할 수 있다.A gate electrode 60 formed on the gate insulating layer may be included.

도 3은 일반적으로 광전센서에 사용되는 반도체 물질 및 검출 범위를 나타내는 모식도이다.3 is a schematic diagram showing semiconductor materials and detection ranges generally used in photoelectric sensors.

도 3에 나타낸 바와 같이, 절연체 및 반도체 물질들은 가전자대(Valance band)와 전도대(Conductance band)가 떨어져 있어서 밴드갭(band-gap)을 형성하므로 반도체 특성을 나타내며, 이에 센서 등에서 열/광 검출에 반도체 물질을 주로 사용한다. 이러한 반도체 물질들은 물질의 종류에 따라서 밴드갭의 크기가 다르므로 검출가능한 파장 영역이 달라지는데, 예를 들면, 밴드갭이 약 6 eV인 hBN은 자외선 영역의 빛에서만 검출이 가능하며, 밴드갭이 3 eV 이하인 MoS2 및 흑린(black phosphorus)은 가시광선 영역의 빛에서 검출이 가능하다. 그러나, 그래핀의 가전자대와 전도대는 두 개의 원뿔의 맞닿아 있는 형태를 가진다. 두 원뿔이 맞닿은 지점을 기준으로 자른 단면을 관찰하면 두 개의 직선이 교차하는 X자 형태가 나타나는데, 이 교차점을 디랙 포인트(Dirac Point)라 한다. 이상적인 그래핀의 경우, 디랙 포인트는 페르미 준위(Fermi level)에 위치하며, 가전자대와 전도대 사이의 밴드갭 에너지(Band-gap energy)가 0인 거의 금속의 성질을 가지는 것으로 알려져 있다. 그래핀은 페르미 준위 근처에 있는 전자의 유효 질량(effective mass)이 매우 작기 때문에 그래핀 내에서의 전자의 이동속도는 빛의 속도의 300분의 1 정도에 해당한다. 따라서, 그래핀을 기반으로 하는 트랜지스터(transistor)를 만들 경우, 실리콘을 기반으로 한 트랜지스터보다 10배 이상 큰 전자 이동도를 가질 수 있고, 가시광선 영역부터 적외선 영역을 거쳐 라디오파에 이르기까지 넓은 파장대 영역에서 검출이 가능하다.As shown in FIG. 3, insulators and semiconductor materials exhibit semiconductor characteristics because their valence band and conductance band are separated to form a band-gap, which is useful for detecting heat/light in sensors and the like. Semiconductor materials are mainly used. Since these semiconductor materials have different band gap sizes depending on the type of material, the detectable wavelength range varies. MoS 2 and black phosphorus below eV can be detected in visible light. However, the valence band and conduction band of graphene have the shape of two cones. If you observe a cross section cut based on the point where the two cones meet, you will see an X-shape where two straight lines intersect. This intersection is called the Dirac Point. In the case of ideal graphene, the Dirac point is located at the Fermi level, and it is known to have almost metallic properties with zero band-gap energy between the valence band and the conduction band. Since graphene has a very small effective mass of electrons near the Fermi level, the movement speed of electrons in graphene corresponds to about 1/300 of the speed of light. Therefore, when making a graphene-based transistor, it can have an electron mobility that is 10 times greater than that of a silicon-based transistor, and can have a wide range of wavelengths from the visible light region through the infrared region to radio waves. can be detected in the area.

그러나, 상술한 바와 같이, 그래핀 자체에는 반도체의 특성을 나타내지 않으므로, 그래핀의 일함수를 변화시켜 밴드갭을 생성함으로써 그래핀에 반도체의 기능성을 부여하는 것이 요구되었고, 이에, 본 발명에서는 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조로 초박막 금속층을 두 단일층 그래핀 시트 사이에 가두고, 열처리를 통해 그래핀이 금속 원소에 의해 도핑됨으로써 그래핀의 일함수가 변화하고, 이러한 그래핀의 일함수 변화에 따라 밴드갭이 생성되면서(예컨대, 약 0.4 eV 이상, 일례로서 0.45 eV 내지 0.8 eV, 구체적으로 0.6 eV 내지 0.8 eV), 그래핀에 반도체 기능이 부여되어 반도체 특성을 나타낼 수 있다.However, as described above, since graphene itself does not exhibit semiconductor characteristics, it has been required to impart semiconductor functionality to graphene by changing the work function of graphene to create a band gap. In a pin/metal/graphene sandwich structure, an ultra-thin metal layer is confined between two single-layer graphene sheets, and graphene is doped with a metal element through heat treatment, thereby changing the work function of graphene. While a band gap is generated according to the change (eg, about 0.4 eV or more, as an example, 0.45 eV to 0.8 eV, specifically 0.6 eV to 0.8 eV), a semiconductor function is imparted to graphene to exhibit semiconductor characteristics.

이 때, 상기 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체에 사용되는 금속은 백금(Pt), 알루미늄(Al), 인듐(In), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 마그네슘(Mg),은(Ag) 및 금(Au)으로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일례로서, 상기 금속은 인듐(In)을 사용할 수 있다.At this time, the metal used in the graphene/metal/graphene sandwich structure is platinum (Pt), aluminum (Al), indium (In), nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), magnesium ( Mg), may be selected from the group consisting of silver (Ag) and gold (Au), but is not limited thereto. As an example, indium (In) may be used as the metal.

상기 금속층은 1 nm 이상 10 nm 미만의 두께를 가지는 원자층인 것이 바람직하다. 만일 금속층의 두께가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 열처리시 이종 금속 원소가 그래핀에 도핑되는 것이 충분하지 않아, 그래핀에 반도체 기능 부여가 충분하게 생성되지 않는 문제가 있다.The metal layer is preferably an atomic layer having a thickness of 1 nm or more and less than 10 nm. If the thickness of the metal layer is out of the above range, there is a problem in that the graphene is not sufficiently doped with a different type of metal element during heat treatment, so that the graphene is not sufficiently provided with a semiconductor function.

상기 열처리는 진공 상태 또는 수소, 질소, 산소 등의 분위기에서 수행될 수 있으며, 상기 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체에 사용되는 금속에 따라 110~1,050 ℃에서 수행될 수 있다. 일례로서, 상기 금속층으로 인듐을 사용하는 경우, 상기 인듐의 상전이 온도, 즉, 녹는점(mp)은 156.6 ℃인데, 만일 열처리 온도가 금속의 상전이 온도를 초과하게 되면, 금속의 상전이에 의해 그래핀의 금속 도핑시 결함이 발생하는 문제가 있으므로, 상기 열처리는 금속의 상전이 온도 이하인 110 ℃에서 수행할 수 있다.The heat treatment may be performed in a vacuum state or an atmosphere of hydrogen, nitrogen, oxygen, or the like, and may be performed at 110 to 1,050 ° C. depending on the metal used in the graphene/metal/graphene sandwich structure. As an example, when indium is used as the metal layer, the phase transition temperature of indium, that is, the melting point (mp) is 156.6 ° C. If the heat treatment temperature exceeds the phase transition temperature of metal, graphene is caused by the phase transition of metal Since there is a problem in that defects occur during metal doping, the heat treatment may be performed at 110° C. below the phase transition temperature of metal.

또한, 본 발명에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서는 전술한 기능화된 그래핀층(20)이 초전 물질을 포함하는 초전 기판(10) 상에 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to the present invention is characterized in that the functionalized graphene layer 20 described above is formed on the pyroelectric substrate 10 including the pyroelectric material.

본 발명에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서에 있어서, 상기 초전 기판(10)은 센서의 구조를 지지하는 기판으로서의 기본적인 역할을 할 뿐만 아니라, 상기 기판 내에 포함된 초전 물질에 의해 상기 기능화된 그래핀층의 초미세 열-광정보 검출 신호를 증폭시킴으로써 초미세한 열-광정보 검출 신호의 감도를 높이는 역할을 한다.In the graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to the present invention, the pyroelectric substrate 10 not only plays a basic role as a substrate supporting the structure of the sensor, but also By amplifying the ultra-fine thermal-optical information detection signal of the functionalized graphene layer, the sensitivity of the ultra-fine thermal-optical information detection signal is increased.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서에 사용되는 초전 물질 내의 쌍극자 모멘트와 외부자극에 의한 자발적 분극 개념도이다.4 is a conceptual diagram of a dipole moment in a pyroelectric material used in a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to an embodiment of the present invention and spontaneous polarization by an external stimulus.

일반적으로 영구 전기쌍극자를 갖는 강유전체가 온도를 높이면 쌍극자 배열이 조금씩 흐트러져 분극이 약해지고, 이 물체에 온도를 계속 가해 퀴리 온도(Curie temperature) 이상으로 올리면 전기쌍극자 배열이 크게 흐트러져 분극이 0이 되는 초전기 현상이 나타난다. 초전 물질은 도 4의 (c) 및 (d)에서와 같이 온도가 증가하거나 내려가게 되면 분극이 감소 또는 증가 상태로 변화가 생기고, 표면에 부착된 전하는 이러한 분극의 변화에 신속하게 대응하여 변하기 어려우므로 표면 전하의 평형이 바뀌게 된다. 이것이 결국 전압/전류 변화로 나타나고, 이에 의해 열-광정보를 검출할 수 있다.In general, when the temperature of a ferroelectric material with permanent electric dipoles is raised, the dipole arrangement is slightly disturbed and the polarization is weakened. phenomenon appears. As shown in (c) and (d) of FIG. 4, when the temperature increases or decreases, the polarization changes to a state of decreasing or increasing, and the charge attached to the surface is difficult to change in response to such a change in polarization quickly. As a result, the balance of surface charge changes. This eventually appears as a voltage/current change, whereby thermo-optical information can be detected.

본 발명에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서는 상기 초전 물질을 포함하는 기판 상에, 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조로 초박막 금속 층을 두 단일층 그래핀 시트 사이에 형성시키고 열처리하여 반도체 기능이 부여되어 기능화된 그래핀층이 이종 접합되어 있어, 그래핀의 전자-전자 산란이 하나의 고에너지 e-h 쌍을 여러 개의 저에너지 e-h 쌍으로 변환하여 잠재적으로 광검출 효율을 크게 향상시킬 수 있어, 초미세한 광량의 파장도 검출할 수 있다.In the graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to the present invention, an ultra-thin metal layer is formed between two single-layer graphene sheets in a graphene/metal/graphene sandwich structure on a substrate including the pyroelectric material. Since the functionalized graphene layer is a heterojunction by heat treatment and imparted with a semiconductor function, electron-electron scattering of graphene converts one high-energy e-h pair into several low-energy e-h pairs, potentially greatly improving the photodetection efficiency. It can detect the wavelength of ultra-fine light quantity.

상기 초전 물질로는 KDP(KH2PO4), ADP(NH4H2PO4), PZT(Pb(Zr,Ti)O3), PT(PbTiO3), PLT((Pb,La)TiO3), PCT((Pb,Ca)TiO3), LiTaO3, BaTiO3, TGS(황산 트리글리신), PVDF(폴리비닐리덴디플루오리드), La3Ga5SiO14, 및 LiNbO3로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 일례로서 PZT를 사용할 수 있다.The pyroelectric materials include KDP (KH 2 PO 4 ), ADP (NH 4 H 2 PO 4 ), PZT (Pb(Zr,Ti)O 3 ), PT(PbTiO 3 ), PLT ((Pb,La)TiO 3 ), PCT ((Pb,Ca)TiO 3 ), LiTaO 3 , BaTiO 3 , TGS (triglycine sulfate), PVDF (polyvinylidenedifluoride), La 3 Ga 5 SiO 14 , and LiNbO 3 It may be selected, but is not limited thereto, and PZT may be used as an example.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서가 열/광 조사시 상기 열/광을 검출하는 메카니즘을 나타내는 모식도이다.5 is a schematic diagram illustrating a mechanism for detecting heat/light when a graphene-based sensor for detecting ultrafine heat/optical information according to another embodiment of the present invention is irradiated with heat/light.

도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서는 초전 기판과, 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조를 열처리하여 반도체 기능화된 그래핀층을 포함함으로써, 초미세한 열 또는 광의 입사시에도 초전 기판의 분극 현상과 기능화된 그래핀 층의 반도체 특성 및 매우 우수한 전기 전도도에 의해 전기적 특성이 나타남으로써 가시광선 영역부터 적외선 영역을 거쳐 라디오파에 이르기까지 넓은 파장대 영역에서 초미세한 파장의 검출이 가능하다.As shown in FIG. 5, the graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to the present invention includes a semiconductor-functionalized graphene layer by heat-treating a pyroelectric substrate and a graphene/metal/graphene sandwich structure, Even when minute heat or light is incident, electrical properties are revealed by the polarization of the pyroelectric substrate, the semiconductor properties of the functionalized graphene layer, and excellent electrical conductivity, so that it can be used in a wide range of wavelengths from the visible ray region through the infrared region to the radio wave. It is possible to detect ultra-fine wavelengths.

본 발명에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서에 있어서, 트랜지스터 소자형인 경우, 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극의 재료로는 도전성 재료이면 특별히 한정되지 않고, 백금, 금, 은, 니켈, 크롬, 구리, 철, 주석, 안티몬납, 탄탈륨, 인듐, 팔라듐, 텔루륨, 레늄, 이리듐, 알루미늄, 루테늄, 게르마늄, 몰리브데늄, 텅스텐, 산화주석안티몬, 산화인듐주석(ITO), 불소 도핑 산화 아연, 아연, 탄소, 흑연, 유리상 탄소, 은 페이스트 및 카본 페이스트, 리튬, 베릴륨, 나트륨, 마그네슘, 칼륨, 칼슘, 스칸듐, 타이타늄, 망간, 지르코늄, 갈륨, 니오븀, 나트륨, 나트륨-칼륨 합금, 마그네슘, 리튬, 알루미늄, 마그네슘/구리 혼합물, 마그네슘/은 혼합물, 마그네슘/알루미늄 혼합물, 마그네슘/인듐 혼합물, 알루미늄/산화 알루미늄 혼합물, 리튬/알루미늄 혼합물 등이 이용되고, 이들을 이용하는 경우는 스퍼터법 또는 진공 증착법에 의해 성막하여 전극을 형성할 수 있다.In the graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to the present invention, in the case of a transistor element type, the material of the gate electrode, the source electrode, and the drain electrode is not particularly limited as long as it is a conductive material, and platinum, gold, silver, Nickel, chromium, copper, iron, tin, antimony lead, tantalum, indium, palladium, tellurium, rhenium, iridium, aluminum, ruthenium, germanium, molybdenum, tungsten, antimony tin oxide, indium tin oxide (ITO), fluorine Doped zinc oxide, zinc, carbon, graphite, glassy carbon, silver paste and carbon paste, lithium, beryllium, sodium, magnesium, potassium, calcium, scandium, titanium, manganese, zirconium, gallium, niobium, sodium, sodium-potassium alloys, Magnesium, lithium, aluminum, magnesium/copper mixture, magnesium/silver mixture, magnesium/aluminum mixture, magnesium/indium mixture, aluminum/aluminum oxide mixture, lithium/aluminum mixture, etc. are used. By this, a film can be formed to form an electrode.

일 실시예에 있어서, 상기 소스 전극 및 드레인 전극으로는, 상기 도전성 재료를 포함하는 용액, 페이스트, 잉크, 분산액 등의 유동성 전극 재료를 이용하여 형성한 것도 이용 가능하다. 금속 미립자를 함유하는 분산물로는, 예컨대 공지된 도전성 페이스트 등을 이용할 수도 있지만, 통상 입자 직경이 0.5 ㎚ 내지 50 ㎚, 1 ㎚ 내지 10 ㎚의 금속 미립자를 함유하는 분산물이면 바람직하다. 이 금속 미립자의 재료로는, 예컨대 백금, 금, 은, 니켈, 크로뮴, 구리, 철, 주석, 안티몬납, 탄탈럼, 인듐, 팔라듐, 텔루륨, 레늄, 이리듐, 알루미늄, 루테늄, 저마늄, 몰리브데넘, 텅스텐, 아연 등을 이용할 수 있다.In one embodiment, as the source electrode and the drain electrode, those formed using a fluid electrode material such as a solution, paste, ink, or dispersion containing the conductive material may be used. As the dispersion containing metal fine particles, for example, a known conductive paste or the like can be used, but a dispersion containing metal fine particles having a particle diameter of 0.5 nm to 50 nm or 1 nm to 10 nm is preferable. Examples of the material of the metal fine particles include platinum, gold, silver, nickel, chromium, copper, iron, tin, antimony lead, tantalum, indium, palladium, tellurium, rhenium, iridium, aluminum, ruthenium, germanium, mole Libdenum, tungsten, zinc, and the like can be used.

이들의 금속 미립자를, 주로 유기 재료로 이루어지는 분산 안정제를 이용하여, 물이나 임의의 유기 용제인 분산매 중에 분산한 분산물을 이용하여 전극을 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 금속 미립자의 분산물의 제조 방법으로는, 가스중 증발법, 스퍼터링법, 금속 증기 합성법 등의 물리적 생성법이나, 콜로이드법, 공침법 등의 액상으로 금속 이온을 환원하여 금속 미립자를 생성하는 화학적 생성법을 예로 들 수 있다.It is preferable to form an electrode using a dispersion obtained by dispersing these metal fine particles in a dispersion medium such as water or any organic solvent using a dispersion stabilizer mainly composed of an organic material. As a method for producing such a dispersion of metal microparticles, physical production methods such as in-gas evaporation, sputtering, and metal vapor synthesis, or chemical production methods for generating metal microparticles by reducing metal ions in a liquid phase such as colloidal and co-precipitation methods, etc. can be cited as an example.

이들 금속 미립자 분산물을 이용하여 상기 전극을 성형하고, 용매를 건조시킨 후, 필요에 따라 100 ℃ 내지 1,300 ℃, 예를 들어 110 ℃ 내지 1,050 ℃의 적절한 범위에서 형상대로 가열함으로써 금속 미립자를 열융착시켜 목적하는 형상을 갖는 전극 패턴을 형성할 수 있다.The electrode is molded using these metal fine particle dispersions, the solvent is dried, and the metal fine particles are thermally fused by heating in an appropriate range of 100 ° C to 1,300 ° C, for example 110 ° C to 1,050 ° C, if necessary. to form an electrode pattern having a desired shape.

또한, 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극의 재료로서, 도핑 등으로 도전율을 향상시킨 공지된 도전성 폴리머를 이용할 수 있고, 예컨대 도전성 폴리아닐린, 도전성 폴리피롤, 도전성 폴리싸이오펜(폴리에틸렌다이옥시싸이오펜과 폴리스타이렌설폰산의 착체 등), 폴리에틸렌다이옥시싸이오펜(PEDOT)과 폴리스타이렌설폰산의 착체 등도 적합하게 사용될 수 있다. 이들 재료에 의해 소스 전극과 드레인 전극의 반도체 기능화된 그래핀층과의 접촉 저항을 저감할 수 있다.In addition, as materials for the gate electrode, the source electrode, and the drain electrode, known conductive polymers whose conductivity is improved by doping or the like can be used, such as conductive polyaniline, conductive polypyrrole, and conductive polythiophene (polyethylenedioxythiophene and polystyrene complexes of phononic acid, etc.), complexes of polyethylene dioxythiophene (PEDOT) and polystyrene sulfonic acid, and the like can also be suitably used. These materials can reduce the contact resistance between the source electrode and the drain electrode and the semiconductor-functionalized graphene layer.

본 발명에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서에 있어서, 상기 게이트 절연층의 재료로는, 전기 절연성을 갖고 박막으로서 형성할 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않고, 금속 산화물, 금속 질화물, 유기 화합물 등의 재료를 사용할 수 있으며, 예를 들어 비유전율이 높은 무기 산화물 피막을 사용할 수 있다.In the graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to the present invention, the material of the gate insulating layer is not particularly limited as long as it has electrical insulation and can be formed as a thin film, and metal oxide, metal nitride, Materials such as organic compounds can be used, and for example, an inorganic oxide film having a high dielectric constant can be used.

상기 무기 산화물로는 산화 규소, 산화 알루미늄, 산화 탄탈럼, 산화 타이타늄, 산화 주석, 산화 바나듐, 타이타늄산 바륨스트론튬, 지르코늄산 타이타늄산 바륨, 지르코늄산 타이타늄산 납, 타이타늄산 납 란타늄, 타이타늄산 스트론튬, 타이타늄산 바륨, 불화 바륨 마그네슘, 란타늄 산화물, 불소 산화물, 마그네슘 산화물, 비스무트 산화물, 타이타늄산 비스무트, 니오븀 산화물, 타이타늄산 스트론튬 비스무트, 탄탈럼산 스트론튬 비스무트, 오산화 탄탈럼, 탄탈럼산 니오븀산 비스무트, 트라이옥사이드이트륨 및 이들을 조합한 것을 들 수 있고, 산화규소, 산화 알루미늄, 산화 탄탈럼, 산화 티타늄을 예로 들 수 있다.Examples of the inorganic oxide include silicon oxide, aluminum oxide, tantalum oxide, titanium oxide, tin oxide, vanadium oxide, barium strontium titanate, barium titanate zirconate, lead zirconate titanate, lead lanthanum titanate, strontium titanate, Barium titanate, barium magnesium fluoride, lanthanum oxide, fluorine oxide, magnesium oxide, bismuth oxide, bismuth titanate, niobium oxide, strontium bismuth titanate, strontium bismuth tantalumate, tantalum pentoxide, bismuth tantalum niobate, yttrium trioxide and combinations thereof, and examples thereof include silicon oxide, aluminum oxide, tantalum oxide, and titanium oxide.

또한, 질화 규소(Si3N4, SixNy (x, y >0)), 질화 알루미늄 등의 무기 질화물도 적합하게 이용할 수 있다.Inorganic nitrides such as silicon nitride (Si 3 N 4 , Si x N y (x, y > 0)) and aluminum nitride can also be suitably used.

유기 화합물을 이용한 게이트 절연층으로는 폴리이미드, 폴리아마이드, 폴리에스터, 폴리아크릴레이트, 광라디칼 중합계, 광 양이온 중합계의 광경화성 수지, 아크릴로나이트릴 성분을 함유하는 공중합체, 폴리바이닐페놀, 폴리비닐알코올, 노볼락 수지 및 사이아노에틸풀루란 등을 이용할 수도 있다.Examples of gate insulating layers using organic compounds include polyimide, polyamide, polyester, polyacrylate, photoradical polymerization, photocurable resin of photocationic polymerization, copolymers containing acrylonitrile, and polyvinylphenol. , polyvinyl alcohol, novolac resin, cyanoethyl pullulan, and the like can also be used.

그 밖에, 왁스, 폴리에틸렌, 폴리클로로피렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리옥시메틸렌, 폴리바이닐클로라이드, 폴리불화바이닐리덴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리설폰, 폴리카보네이트, 폴리이미드사이아노에틸 풀룰란, 폴리(바이닐페놀)(PVP), 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA), 폴리카보네이트(PC), 폴리스타이렌(PS), 폴리올레핀, 폴리아크릴아마이드, 폴리(아크릴산), 노볼락 수지, 레졸 수지, 폴리이미드, 폴리자일렌, 에폭시 수지 및 풀룰란 등의 높은 유전율을 갖는 고분자 재료를 사용하는 것도 가능하다.In addition, wax, polyethylene, polychloropyrene, polyethylene terephthalate, polyoxymethylene, polyvinyl chloride, polyvinylidene fluoride, polymethyl methacrylate, polysulfone, polycarbonate, polyimidecyanoethyl pullulan, polyimide (vinylphenol) (PVP), poly(methyl methacrylate) (PMMA), polycarbonate (PC), polystyrene (PS), polyolefin, polyacrylamide, poly(acrylic acid), novolak resin, resol resin, polyimide , It is also possible to use a polymeric material having a high permittivity such as polyxylene, epoxy resin, and pullulan.

상기 게이트 절연층은 상술한 바와 같은 무기 또는 유기 화합물 재료를 복수 이용한 혼합층일 수도 있고, 이들 적층 구조체일 수도 있다. The gate insulating layer may be a mixed layer using a plurality of inorganic or organic compound materials as described above, or may be a laminated structure thereof.

상기 게이트 절연층의 형성 방법으로는 진공 증착법, 분자선 에피택셜 성장법, 이온 클러스터빔법, 저에너지 이온빔법, 이온 플레이팅법, CVD법, 스퍼터링법, 대기압 플라즈마법 등의 건식 프로세스나, 스프레이 코팅법, 스핀 코팅법, 블레이드 코팅법, 딥 코팅법, 캐스팅법, 롤 코팅법, 바 코팅법, 다이 코팅법 등의 도포에 의한 방법, 인쇄나 잉크 젯 등의 패터닝에 의한 방법 등의 습식 프로세스를 들 수 있고, 재료에 따라 사용할 수 있다. 습식 프로세스는 무기 산화물의 미립자를 임의의 유기 용제 또는 물에 필요에 따라 계면 활성제 등의 분산 보조제를 이용하여 분산한 액을 도포, 건조하는 방법이나 산화물 전구체의 용액을 도포, 건조하는 이른바 졸겔법이 사용될 수 있다.Methods for forming the gate insulating layer include dry processes such as vacuum deposition, molecular beam epitaxial growth, ion cluster beam method, low energy ion beam method, ion plating method, CVD method, sputtering method, atmospheric pressure plasma method, spray coating method, spin wet processes such as coating methods, blade coating methods, dip coating methods, casting methods, roll coating methods, coating methods such as bar coating methods, die coating methods, and patterning methods such as printing or ink jet; , depending on the material. In the wet process, there is a method of applying and drying a liquid in which fine particles of inorganic oxide are dispersed in any organic solvent or water using a dispersion aid such as a surfactant as necessary, or a so-called sol-gel method in which a solution of an oxide precursor is applied and dried. can be used

상기 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서는 상기 게이트 전극의 양 말단을 연결하는 핑거 전극들을 더 포함할 수 있다.The graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information may further include finger electrodes connecting both ends of the gate electrode.

상기 핑거 전극들은 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 효율을 극대화하기 위한 것으로, 핑거 전극의 폭(width), 또는 간격(spacing) 등을 수 nm 에서 수십 μm 까지 조절할 수 있다. 기판 물질인 초전 소재와 핑거 형태의 전극이 연결되면 단일 전극에 비하여 기판과의 접촉 면적이 증가하게 되므로, 외부의 열 및 광정보가 소자의 검출 부위에 조사될 때, 초전 소재의 기전에 따르는 전기 쌍극자 모멘트의 변화를 증가시키게 되고, 그 결과 전류 또는 전압의 변화의 크기 역시 증가하게 되므로 소자의 열-광정보 감지 효율을 극대화 할 수 있다. The finger electrodes are for maximizing the efficiency of the graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information, and the width or spacing of the finger electrodes can be adjusted from several nm to several tens of μm. When the pyroelectric material, which is the substrate material, and the finger-type electrode are connected, the contact area with the substrate increases compared to a single electrode, so when external heat and light information is irradiated to the detection area of the device, electricity according to the mechanism of the pyroelectric material Since the change in the dipole moment is increased, and as a result, the magnitude of the change in current or voltage is also increased, the thermal-optical information sensing efficiency of the device can be maximized.

본 발명에 따르면, 그래핀들 사이에 초박막의 금속층을 삽입하여 열처리함으로써 기능화된 그래핀과 초전 물질의 초전 특성을 이용하여 제조된, 상온에서 작동되는 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서를 통하여, 초소형화 및 초정밀도를 요구하는 다양한 센서 산업에 크게 기여할 수 있을 뿐만 아니라, 고속응답 및 고감도가 요구되는 미래 바이오 산업과 2차원 소재의 학술적, 기술적 분야에도 매우 중요한 정보 가치를 제공할 수 있다.According to the present invention, a graphene-based sensor for detecting ultra-fine thermo-optical information operated at room temperature, which is manufactured by using the pyroelectric properties of functionalized graphene and pyroelectric materials by heat-treating by inserting an ultra-thin metal layer between graphenes, Through this, it can not only greatly contribute to various sensor industries that require microminiaturization and ultra-precision, but also provide very important information value to the future bio industry and the academic and technical fields of 2D materials that require high-speed response and high sensitivity. .

[초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 제조방법][Manufacturing method of graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information]

또한, 본 발명의 다른 측면은 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 제조방법을 제공한다.In addition, another aspect of the present invention provides a method for manufacturing a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 제조방법을 나타내는 공정도이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 제조방법을 나타내는 공정도이다.6 is a process diagram illustrating a method of manufacturing a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a process diagram for detecting ultrafine thermal-optical information according to another embodiment of the present invention. It is a process chart showing a manufacturing method of a graphene-based sensor.

도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 제조방법은 Referring to FIG. 6, a method for manufacturing a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to the present invention is

초전 물질을 포함하는 초전 기판 상에 제1 단일층 그래핀 시트를 전사하는 단계(S10); transferring a first single-layer graphene sheet onto a pyroelectric substrate including a pyroelectric material (S10);

상기 제1 단일층 그래핀 시트 상에 금속층을 증착하는 단계(S20); Depositing a metal layer on the first single-layer graphene sheet (S20);

상기 금속층 상에 제2 단일층 그래핀 시트를 전사하여 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 형성하는 단계(S30); 및 forming a graphene/metal/graphene sandwich structure by transferring a second single-layer graphene sheet on the metal layer (S30); and

상기 구조체를 열처리하여 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 기능화된 그래핀층으로 변환시키는 단계(S40)를 포함한다.and converting the graphene/metal/graphene sandwich structure into a functionalized graphene layer by heat-treating the structure (S40).

또한, 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 제조방법은In addition, referring to FIG. 7, a method for manufacturing a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to the present invention is

초전 물질을 포함하는 초전 기판 상에 제1 단일층 그래핀 시트를 전사하는 단계(S10); transferring a first single-layer graphene sheet onto a pyroelectric substrate including a pyroelectric material (S10);

상기 제1 단일층 그래핀 시트 상에 금속층을 증착하는 단계(S20); Depositing a metal layer on the first single-layer graphene sheet (S20);

상기 금속층 상에 제2 단일층 그래핀 시트를 전사하여 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 형성하는 단계(S30); forming a graphene/metal/graphene sandwich structure by transferring a second single-layer graphene sheet on the metal layer (S30);

상기 구조체를 열처리하여 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 기능화된 그래핀층으로 변환시키는 단계(S40); converting the graphene/metal/graphene sandwich structure into a functionalized graphene layer by heat-treating the structure (S40);

기능화된 그래핀층의 각각의 말단에 인접하도록 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계(S50); Forming a source electrode and a drain electrode so as to be adjacent to each end of the functionalized graphene layer (S50);

상기 기능화된 그래핀층을 커버하면서 상기 소스 전극 및 드레인 전극과 접촉하도록 게이트 절연층을 형성하는 단계(S60); 및 Forming a gate insulating layer to contact the source electrode and the drain electrode while covering the functionalized graphene layer (S60); and

상기 게이트 절연층 상에 게이트 전극을 형성하는 단계(S70)를 포함한다.and forming a gate electrode on the gate insulating layer (S70).

이하, 본 발명에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 제조방법을 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, a method for manufacturing a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to the present invention will be described step by step in detail.

먼저, S10 단계는 초전 물질을 포함하는 초전 기판 상에 제1 단일층 그래핀 시트를 전사하는 단계이다.First, step S10 is a step of transferring a first single-layer graphene sheet onto a pyroelectric substrate including a pyroelectric material.

상기 초전 물질은 KDP(KH2PO4), ADP(NH4H2PO4), PZT(Pb(Zr,Ti)O3), PT(PbTiO3), PLT((Pb,La)TiO3), PCT((Pb,Ca)TiO3), LiTaO3, BaTiO3, TGS(황산 트리글리신), PVDF(폴리비닐리덴디플루오리드), La3Ga5SiO14, 및 LiNbO3로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다.The pyroelectric material is KDP (KH 2 PO 4 ), ADP (NH 4 H 2 PO 4 ), PZT (Pb(Zr,Ti)O 3 ), PT(PbTiO 3 ), PLT ((Pb,La)TiO 3 ) , PCT ((Pb,Ca)TiO 3 ), LiTaO 3 , BaTiO 3 , TGS (triglycine sulfate), PVDF (polyvinylidenedifluoride), La 3 Ga 5 SiO 14 , and LiNbO 3 It can be.

상기 단일층 그래핀 시트는 당 업계에 공지된 방법을 이용하여 제조될 수 있으며, 예를 들면 그래파이트화 촉매 금속막 상에 기상법, 폴리머법 또는 액상법을 사용하여 단일층 그래핀 시트를 제조할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The single-layer graphene sheet may be prepared using a method known in the art. For example, a single-layer graphene sheet may be prepared on a graphitization catalyst metal film using a gas phase method, a polymer method, or a liquid phase method. , but is not limited thereto.

구체적으로, 상기 기상법은 막 형태의 그래파이트화 촉매가 존재하는 챔버 내에 상기 기상의 탄소 공급원을 투입한 후, 이를 소정 온도에서 열처리하면 그래핀이 상기 그래파이트화 촉매의 표면 상에 형성된다. 상기 열처리 온도는 그래핀의 생성에 있어서 중요한 요소로 작용하며, 예를 들어 300 내지 2,000℃, 바람직하게는 500 내지 1,500 ℃를 사용할 수 있다.Specifically, in the vapor phase method, graphene is formed on the surface of the graphitization catalyst by injecting the vapor phase carbon source into a chamber containing a film-type graphitization catalyst and heat-treating it at a predetermined temperature. The heat treatment temperature acts as an important factor in the production of graphene, and may be, for example, 300 to 2,000 °C, preferably 500 to 1,500 °C.

상기 폴리머법은 그래파이트화 촉매 금속막에 액상 탄소계 물질을 접촉시키는 공정으로서, 탄소계 물질인 탄소 함유 폴리머를 상기 기판 상에 도포하는 공정을 통하여 수행될 수 있다. 상기 탄소계 물질로서 탄소 함유 폴리머를 사용하는 경우, 일반적인 탄소 함유 폴리머라면 어느 것이나 제한 없이 사용할 수 있으나, 자기 조립 폴리머를 사용하는 경우 폴리머가 촉매 표면에서 수직 방향으로 규칙적으로 배열되어 보다 치밀한 구조의 그래핀을 형성하는 것이 가능해진다. 이와 같은 자기조립막을 형성하는 자기 조립 폴리머로서는 양친매성 폴리머, 액정 폴리머 및 전도성 폴리머로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 자기 조립 폴리머를 사용할 수 있다.The polymer method is a process of bringing a liquid carbon-based material into contact with a graphitization catalyst metal film, and may be performed through a process of applying a carbon-containing polymer, which is a carbon-based material, onto the substrate. In the case of using a carbon-containing polymer as the carbon-based material, any general carbon-containing polymer can be used without limitation, but in the case of using a self-assembling polymer, the polymer is regularly arranged in a vertical direction on the catalyst surface to form a more dense structure. It becomes possible to form a fin. At least one self-assembly polymer selected from the group consisting of an amphiphilic polymer, a liquid crystal polymer, and a conductive polymer may be used as the self-assembly polymer forming the self-assembled film.

이와 같은 탄소 함유 폴리머의 중합 공정은 상기 그래파이트화 촉매 상에 도포하기 이전 또는 이후에 수행할 수 있다. 즉, 그래파이트화 촉매 상에 도포하기 전에 탄소 함유 폴리머 간의 중합을 유도한 경우에는, 별도의 중합 공정으로 얻어진 중합 막을 상기 그래파이트화 촉매 상에 전사하여 탄소계 물질층을 형성할 수 있다.Polymerization of the carbon-containing polymer may be performed before or after coating the graphitization catalyst. That is, in the case where polymerization between carbon-containing polymers is induced before application on the graphitization catalyst, the carbon-based material layer may be formed by transferring the polymerized film obtained through a separate polymerization process onto the graphitization catalyst.

상기 탄소 함유 폴리머는 다양한 도포법으로 상기 그래파이트화 촉매 상에 배열될 수 있는 바, 예를 들어 랭뮤어-브로젯(Langmuir-Blodgett), 딥코팅, 스핀코팅, 진공증착 등의 방법으로 상기 촉매 표면에 배열할 수 있다. 특히 이와 같은 도포 방법에 따라 상기 탄소 함유 폴리머는 기판 상에 전체적으로 도포되거나, 또는 상기 그래파이트화 촉매 상에 선택적으로 도포될 수 있다.The carbon-containing polymer may be arranged on the graphitization catalyst by various coating methods, such as Langmuir-Blodgett, dip coating, spin coating, vacuum deposition, etc., on the catalyst surface. can be arranged in In particular, according to such an application method, the carbon-containing polymer may be applied entirely on the substrate or selectively applied on the graphitization catalyst.

상기 액상법은 그래파이트화 촉매 금속막에 액상 탄소계 물질을 접촉시킨 후 열처리하여 그래핀을 형성할 수 있다. 이와 같은 액상 탄소계 물질로서는 유기 용매를 예를 들 수 있으며, 탄소를 포함하며, 상기 그래파이트화 촉매에 열분해될 수 있는 것이라면 어느 것이나 제한 없이 사용할 수 있으며, 끓는점이 60 내지 400℃인 극성 또는 비극성 유기용매를 사용할 수 있다. 이와 같은 유기용매로서는 알코올계 유기용매, 에테르계 유기 용매, 케톤계 유기용매, 에스테르계 유기용매, 유기산 유기용매 등을 사용할 수 있으며, 그래파이트화 금속 촉매와의 흡착이 용이하고, 반응성이 좋으며, 환원력이 우수하다는 측면에서 알코올계 및 에테르계 유기용매를 사용하는 것이 보다 바람직하다. 이와 같은 알코올계 유기용매로서는 1가 알코올류 및 다가 알코올류 등을 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있으며, 상기 1가 알코올로서는 프로판올, 펜타올, 헥사놀, 헵타놀, 옥타놀 등을 사용할 수 있으며, 다가 알코올로서는 프로필렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 트리프로필렌 글리콜, 옥틸렌 글리콜, 테트라에틸렌 글리콜, 네오펜틸 글리콜, 1,2-부탄디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 2,3-부탄디올, 디메틸-2,2-부탄디올-1,2 및 디메틸-2,2-부탄디올-1,3 등을 사용할 수 있다. 상기 1가 알코올류 및 다가 알코올류는 히드록시기 외에 에테르기를 포함할 수 있다. 이후 열처리 공정은 상술한 기상법과 동일한 방법으로 수행할 수 있다.In the liquid phase method, graphene may be formed by heat-treating a liquid carbon-based material in contact with a graphitization catalyst metal film. As such a liquid carbon-based material, an organic solvent may be exemplified, and any material containing carbon and thermally decomposable in the graphitization catalyst may be used without limitation, and a polar or non-polar organic material having a boiling point of 60 to 400 ° C. solvents may be used. As such an organic solvent, alcohol-based organic solvents, ether-based organic solvents, ketone-based organic solvents, ester-based organic solvents, organic acid organic solvents, etc. can be used, and can be easily adsorbed with graphitized metal catalysts, have good reactivity, and have reducing power. It is more preferable to use alcohol-based and ether-based organic solvents from the standpoint of being excellent. As such an alcohol-based organic solvent, monohydric alcohols and polyhydric alcohols, etc. may be used alone or in combination, and propanol, pentaol, hexanol, heptanol, octanol, etc. may be used as the monohydric alcohol, Polyhydric alcohols include propylene glycol, diethylene glycol, dipropylene glycol, triethylene glycol, tripropylene glycol, octylene glycol, tetraethylene glycol, neopentyl glycol, 1,2-butanediol, 1,3-butanediol, 1,4- butanediol, 2,3-butanediol, dimethyl-2,2-butanediol-1,2 and dimethyl-2,2-butanediol-1,3, etc. can be used. The monohydric and polyhydric alcohols may include an ether group in addition to a hydroxyl group. After that, the heat treatment process may be performed in the same manner as the gas phase method described above.

또한, 상기 단일층 그래핀 시트는 별도의 탄소 공급원 없이 기판 상에서 직접 형성할 수 있다. 이와 같은 기판으로서는 예를 들어 SiC 웨이퍼를 사용할 수 있다. SiC 웨이퍼 상에서는 그래핀이 에피택셜 방식으로 성장하게 되며, SiC 웨이퍼의 실리콘 및 탄소 표면 모두에서 그래핀이 성장할 수 있다.In addition, the single-layer graphene sheet can be directly formed on a substrate without a separate carbon source. As such a substrate, a SiC wafer can be used, for example. On the SiC wafer, graphene grows epitaxially, and graphene can grow on both the silicon and carbon surfaces of the SiC wafer.

상기 그래핀을 형성하기 위한 합성 공정 조건으로서는 진공 또는 불활성 분위기하에서 약 1,000 ℃ 내지 약 2,000 ℃의 온도에서 약 1분 내지 약 2시간 동안 수행할 수 있다. 상기 불활성 분위기는 아르곤이나 헬륨 같은 불활성 원소로 용기가 채워진 것을 의미하며 이때의 압력은 약 100 torr 내지 약 700 torr의 범위를 사용할 수 있다.As the synthesis process conditions for forming the graphene, it may be performed at a temperature of about 1,000 °C to about 2,000 °C in a vacuum or inert atmosphere for about 1 minute to about 2 hours. The inert atmosphere means that the vessel is filled with an inert element such as argon or helium, and the pressure at this time may be in the range of about 100 torr to about 700 torr.

제조된 단일층 그래핀 시트의 전사 방법은 당 업계에서 통상적으로 사용되는 방법을 사용할 수 있다. 예컨대, 상기 단일층 그래핀 시트가 촉매 금속상에 형성된 경우, 그래핀이 전사될 기판에 폴리머를 스핀 코팅하는 단계(a 단계); 폴리머가 코팅된 기판을 경화시키는 단계(b 단계); 촉매 금속상에 형성된 그래핀을 뒤집어서 그래핀이 형성된 면을 상기 기판의 폴리머가 코팅된 면에 부착시키는 단계(c 단계); 그래핀 형성을 위해 사용된 촉매 금속을 에칭하는 단계(d 단계); 및 그래핀이 부착된 기판을 세정 및 건조하는 단계(e 단계)를 포함하는 방법에 의해 초전 기판 상에 전사될 수 있다.As a method of transferring the prepared single-layer graphene sheet, a method commonly used in the art may be used. For example, when the single-layer graphene sheet is formed on a catalytic metal, spin-coating a polymer on a substrate onto which graphene is to be transferred (step a); curing the polymer-coated substrate (step b); inverting the graphene formed on the catalytic metal and attaching the graphene-formed surface to the polymer-coated surface of the substrate (step c); Etching the catalytic metal used to form graphene (step d); and cleaning and drying the graphene-attached substrate (step e).

다음으로, S20 단계는 상기 제1 단일층 그래핀 시트 상에 금속층을 증착하는 단계이다.Next, step S20 is a step of depositing a metal layer on the first single-layer graphene sheet.

상기 금속층에 사용되는 금속은 백금(Pt), 알루미늄(Al), 인듐(In), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 은(Ag) 및 금(Au)으로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The metal used in the metal layer is from the group consisting of platinum (Pt), aluminum (Al), indium (In), nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), silver (Ag) and gold (Au) It may be selected, but is not limited thereto.

상기 금속층은 원자층 증착(ALD)에 의해 1 nm 이상 10 nm 미만의 두께를 가지도록 형성될 수 있다. 만일, 금속층의 두께가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 열처리시 이종 금속 원소가 그래핀에 도핑되는 것이 충분하지 않아, 그래핀에 반도체 기능 부여가 충분하게 생성되지 않는 문제가 있다.The metal layer may be formed to have a thickness of 1 nm or more and less than 10 nm by atomic layer deposition (ALD). If the thickness of the metal layer is out of the above range, there is a problem in that the graphene is not sufficiently doped with a heterogeneous metal element during heat treatment, so that the graphene is not sufficiently provided with a semiconductor function.

다음으로, S30 단계는 상기 금속층 상에 제2 단일층 그래핀 시트를 전사하여 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 형성하는 단계이다.Next, step S30 is a step of forming a graphene/metal/graphene sandwich structure by transferring the second single-layer graphene sheet on the metal layer.

상기 제2 단일층 그래핀 시트의 전사 방법은 전술한 제1 단일층 그래핀 시트의 전사 방법과 동일한 방법으로 수행될 수 있다.The method of transferring the second single-layer graphene sheet may be performed in the same manner as the method of transferring the first single-layer graphene sheet described above.

다음으로, S40 단계는 상기 구조체를 열처리하여 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 기능화된 그래핀층으로 변환시키는 단계이다.Next, step S40 is a step of converting the graphene/metal/graphene sandwich structure into a functionalized graphene layer by heat-treating the structure.

상기 열처리는 진공 상태 또는 수소, 질소, 산소 등의 분위기에서 수행될 수 있으며, 상기 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체에 사용되는 금속에 따라 110~1,050 ℃에서 수행될 수 있다. 일례로서, 상기 금속층으로 인듐을 사용하는 경우, 상기 인듐의 상전이 온도, 즉, 녹는점(mp)은 156.6 ℃인데, 만일 열처리 온도가 금속의 상전이 온도를 초과하게 되면, 금속의 상전이에 의해 그래핀의 금속 도핑시 결함이 발생하는 문제가 있으므로, 상기 열처리는 금속의 상전이 온도 이하인 110 ℃에서 수행할 수 있다.The heat treatment may be performed in a vacuum state or an atmosphere of hydrogen, nitrogen, oxygen, or the like, and may be performed at 110 to 1,050 ° C. depending on the metal used in the graphene/metal/graphene sandwich structure. As an example, when indium is used as the metal layer, the phase transition temperature of indium, that is, the melting point (mp) is 156.6 ° C. If the heat treatment temperature exceeds the phase transition temperature of metal, graphene is caused by the phase transition of metal Since there is a problem in that defects occur during metal doping, the heat treatment may be performed at 110° C. below the phase transition temperature of metal.

상기 열처리에 의해 금속 원자가 그래핀층에 도핑되어 그래핀의 일함수의 변화가 일어나며, 이로인해 그래핀에 밴드갭이 생성되어 반도체 특성의 기능이 부여된, 기능화된 그래핀층이 형성될 수 있다.By the heat treatment, metal atoms are doped into the graphene layer to change the work function of graphene, thereby creating a band gap in graphene to form a functionalized graphene layer with semiconductor characteristics.

한편, 본 발명에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서를 트랜지스터형 소자로 제작하는 경우에는 S50 내지 S70의 단계를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, when the graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to the present invention is manufactured as a transistor type device, steps S50 to S70 may be further included.

상기 S50 단계는 기능화된 그래핀층의 각각의 말단에 인접하도록 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계이고, S60 단계는 상기 기능화된 그래핀층을 커버하면서 상기 소스 전극 및 드레인 전극과 접촉하도록 게이트 절연층을 형성하는 단계이며, 상기 S70 단계는 게이트 절연층 상에 게이트 전극을 형성하는 단계이다.The step S50 is a step of forming a source electrode and a drain electrode so as to be adjacent to each end of the functionalized graphene layer, and step S60 is a gate insulating layer covering the functionalized graphene layer and contacting the source electrode and the drain electrode. The step S70 is a step of forming a gate electrode on the gate insulating layer.

상기 소스 전극, 드레인 전극, 게이트 절연층 및 게이트 전극은 당 업계의 소자 제작시 사용되는 통상적인 물질을 사용할 수 있고, 이의 형성 방법 또한 전술한 바와 같으므로, 중복 기재를 피하기 위하여 자세한 설명은 생략한다.The source electrode, the drain electrode, the gate insulating layer, and the gate electrode may use conventional materials used in device manufacturing in the art, and the formation method thereof is also the same as described above, so detailed descriptions are omitted to avoid redundant description. .

또한, 초전 기판 상에는 게이트 전극의 양 말단을 연결하는 핑거 전극들을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include forming finger electrodes connecting both ends of the gate electrode on the pyroelectric substrate.

이렇게 제작된 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서는 이종원자 도핑에 의해 반도체 특성이 더해진 기능화된 그래핀을 초전 기판 위에 하향 분극으로 연결함으로써, 기능화된 그래핀층의 정공 또는 전자 캐리어 농도가 크게 증가하게 되므로, 드레인 전류가 효과적으로 감소하거나 증가하게 되어, 도 10에 나타낸 바와 같이, 700 nm 파장 이상의 적외선 영역에서의 초미세한 열-광 검출도 가능함을 확인하였다.The fabricated graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information connects functionalized graphene with semiconductor properties added by heteroatom doping on a pyroelectric substrate in downward polarization, thereby increasing the hole or electron carrier concentration of the functionalized graphene layer. Since the greatly increased, the drain current effectively decreased or increased, and as shown in FIG. 10, it was confirmed that ultrafine thermal-light detection in the infrared region of 700 nm or more wavelength was also possible.

따라서, 본 발명에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서는 기능화된 그래핀층과 초전 기판의 초전 특성을 이용하여 상온에서 작동할 수 있으며, 초소형화 및 초정밀도를 요구하는 다양한 센서 산업에 크게 기여할 수 있을 뿐만 아니라, 고속응답 및 고감도가 요구되는 미래 바이오 산업과 2차원 소재의 학술적, 기술적 분야에도 매우 중요한 정보 가치를 제공할 수 있다.Therefore, the graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to the present invention can operate at room temperature by using the pyroelectric properties of the functionalized graphene layer and the pyroelectric substrate, and can be used in various sensor industries requiring ultra-miniaturization and ultra-precision. In addition, it can provide very important information value to the future bio industry and the academic and technical fields of 2D materials, which require high-speed response and high sensitivity.

[그래핀의 밴드갭 제어방법][How to control the band gap of graphene]

또한, 본 발명의 또 다른 측면은 그래핀의 밴드갭 제어방법을 제공한다.In addition, another aspect of the present invention provides a method for controlling a band gap of graphene.

본 발명에 따른 그래핀의 밴드갭 제어방법은 The method for controlling the band gap of graphene according to the present invention

기판 상에 제1 단일층 그래핀 시트를 전사하는 단계(S10); Transferring the first single-layer graphene sheet onto the substrate (S10);

상기 제1 단일층 그래핀 시트 상에 금속층을 증착하는 단계(S20); Depositing a metal layer on the first single-layer graphene sheet (S20);

상기 금속층 상에 제2 단일층 그래핀 시트를 전사하여 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 형성하는 단계(S30); 및 forming a graphene/metal/graphene sandwich structure by transferring a second single-layer graphene sheet on the metal layer (S30); and

상기 구조체를 열처리하여 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 기능화된 그래핀층으로 변환시키는 단계(S40);를 포함한다.Heat-treating the structure to convert the graphene/metal/graphene sandwich structure into a functionalized graphene layer (S40);

본 발명에 따른 그래핀의 밴드갭 제어방법은 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 열처리하여 밴드갭이 생성된 기능화된 그래핀층으로 변환시킨 것에 특징이 있으며, 상기 S10 내지 S40의 단계는 전술한 [초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 제조방법]에서 설명한 바와 같으므로, 중복 기재를 피하기 위해 자세한 설명은 생략한다.The method for controlling the bandgap of graphene according to the present invention is characterized in that a graphene/metal/graphene sandwich structure is heat-treated to convert it into a functionalized graphene layer in which a bandgap is generated, and the steps of S10 to S40 are described above. As described in [Method of manufacturing graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information], a detailed description is omitted to avoid redundant description.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 제조예(example) 및 실험예를 제시한다. 다만, 하기의 제조예 및 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 제조예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred manufacturing examples and experimental examples are presented to aid understanding of the present invention. However, the following Preparation Examples and Experimental Examples are only for helping understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the following Preparation Examples and Experimental Examples.

[제조예 1][Production Example 1]

2인치 6H-SiC 웨이퍼(0001)를 680torr의 아르곤 가스로 채워진 챔버 내에 위치시키고 1,200 ℃의 온도에서 10분간 가열하였다. 이어서 서서히 냉각하여 1 mm ×10 mm의 크기를 갖는 에피택셜 단일층 그래핀 시트를 형성하였다. 이를 반복하여 단일층 그래핀 시트를 2개 형성하였다.A 2-inch 6H-SiC wafer (0001) was placed in a chamber filled with 680 torr of argon gas and heated at 1,200 °C for 10 minutes. Then, it was slowly cooled to form an epitaxial single-layer graphene sheet having a size of 1 mm × 10 mm. This was repeated to form two single-layer graphene sheets.

형성된 단일층 그래핀 시트를 PZT 기판 상에 전사시킨 후, 그 위에 원자층 증착법(ALD)을 이용하여 인듐(In) 층을 3 nm의 두께로 형성시켰다.After the formed single-layer graphene sheet was transferred onto a PZT substrate, an indium (In) layer was formed thereon to a thickness of 3 nm by atomic layer deposition (ALD).

상기 인듐층 위에 다시 단일층 그래핀 시트를 전사시켜 그래핀/인듐/그래핀 구조체를 형성하였다.A graphene/indium/graphene structure was formed by transferring a single-layer graphene sheet on the indium layer again.

이후, 상기 그래핀/인듐/그래핀 구조체를 진공, 수소, 질소, 또는 산소 분위기 하에서 110 ℃로 열처리하여, 초전 기판 상에 기능화된 그래핀층이 형성된 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서를 제조하였다.Thereafter, the graphene/indium/graphene structure is heat-treated at 110° C. in a vacuum, hydrogen, nitrogen, or oxygen atmosphere to form a functionalized graphene layer on a pyroelectric substrate. A graphene-based sensor for detecting ultrafine thermo-optical information. was manufactured.

[제조예 2][Production Example 2]

2인치 6H-SiC 웨이퍼(0001)를 680torr의 아르곤 가스로 채워진 챔버 내에 위치시키고 1,200 ℃의 온도에서 10분간 가열하였다. 이어서 서서히 냉각하여 1 mm ×10 mm의 크기를 갖는 에피택셜 단일층 그래핀 시트를 형성하였다. 이를 반복하여 단일층 그래핀 시트를 2개 형성하였다.A 2-inch 6H-SiC wafer (0001) was placed in a chamber filled with 680 torr of argon gas and heated at 1,200 °C for 10 minutes. Subsequently, it was slowly cooled to form an epitaxial single-layer graphene sheet having a size of 1 mm × 10 mm. This was repeated to form two single-layer graphene sheets.

형성된 단일층 그래핀 시트를 PZT 기판 상에 전사시킨 후, 그 위에 원자층 증착법(ALD)을 이용하여 인듐(In) 층을 3 nm의 두께로 형성시켰다.After the formed single-layer graphene sheet was transferred onto a PZT substrate, an indium (In) layer was formed thereon to a thickness of 3 nm by atomic layer deposition (ALD).

상기 인듐층 위에 다시 단일층 그래핀 시트를 전사시켜 그래핀/인듐/그래핀 구조체를 형성하였다.A graphene/indium/graphene structure was formed by transferring a single-layer graphene sheet on the indium layer again.

이후, 상기 그래핀/인듐/그래핀 구조체를 산소 분위기 하에서 110 ℃로 열처리하여, 초전 기판 상에 기능화된 그래핀층을 형성시켰다.Thereafter, the graphene/indium/graphene structure was heat treated at 110° C. under an oxygen atmosphere to form a functionalized graphene layer on the pyroelectric substrate.

이후, 상기 기능화된 그래핀층의 각각의 말단에 인접하도록 금, 백금 또는 알루미늄으로 이루어진 금속층을 증착시켜 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하였다.Thereafter, a metal layer made of gold, platinum, or aluminum was deposited adjacent to each end of the functionalized graphene layer to form a source electrode and a drain electrode.

다음으로, 상기 기능화된 그래핀층 상에서 상기 기능화된 그래핀층을 커버하고 상기 소스 전극 및 드레인 전극과 접촉하도록 산화 알루미늄을 증착시켜 게이트 절연층을 형성하였다.Next, a gate insulating layer was formed on the functionalized graphene layer by depositing aluminum oxide to cover the functionalized graphene layer and contact the source and drain electrodes.

이후, 상기 게이트 절연층 상에 게이트 전극(Au)을 증착시켜 형성하였다.Thereafter, a gate electrode (Au) was formed by depositing on the gate insulating layer.

[실험예 : 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서 내에서 그래핀/금속/그래핀 구조체의 열처리에 따른 그래핀 특성 변화 측정][Experimental Example: Measurement of change in graphene properties by heat treatment of graphene/metal/graphene structure in a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information]

본 발명에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서에 있어서, 그래핀/금속/그래핀 구조체의 열처리에 따른 그래핀 특성 변화를 알아보기 위하여, 제조예 1의 그래핀/금속/그래핀 구조체의 열처리 전후를 라만 분광법으로 측정하여 도 8에 나타내었고, 그래핀의 G 밴드의 강도 맵핑을 분석하여 도 9에 나타내었다.In the graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to the present invention, graphene/metal/graphe of Preparation Example 1 to examine the change in graphene characteristics according to heat treatment of the graphene/metal/graphene structure Before and after heat treatment of the fin structure was measured by Raman spectroscopy and shown in FIG. 8 , and the intensity mapping of the G band of graphene was analyzed and shown in FIG. 9 .

또한, 제조예 1의 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서에서 열처리 전후의 파장에 따른 광 검출강도를 측정하여 도 10에 나타내었다.In addition, in the graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information of Preparation Example 1, light detection intensity according to wavelength before and after heat treatment was measured and shown in FIG. 10 .

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 열처리 전후에 그래핀의 기능화를 나타내는 라만 분광 스펙트럼이다.8 is a Raman spectroscopy spectrum showing functionalization of graphene before and after heat treatment of a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to an embodiment of the present invention.

도 8에 나타낸 바와 같이, 상기 그래핀/금속/그래핀 구조체의 열처리 전과 후에 피크 강도의 변화는 있으나 피크의 위치는 변하지 않았으며, 약 2700 cm-1 위치에 2D 그래핀을 나타내는 피크가 유지됨으로써 그래핀의 기능화시에도 그래핀 구조를 유지하고 있으므로 높은 전기전도도를 유지하는 것으로 나타났다. 따라서, 본 발명에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서에서 그래핀/금속/그래핀 구조체의 열처리는 그래핀 자체의 손상 없이 금속의 도핑에 의해 밴드갭을 생성하므로 그래핀이 갖는 고이동도와 같은 고유의 물성을 유지하면서 그래핀의 반도체화를 달성하게 됨을 알 수 있다.As shown in FIG. 8, there is a change in peak intensity before and after heat treatment of the graphene/metal/graphene structure, but the position of the peak does not change, and the peak representing 2D graphene is maintained at about 2700 cm -1 position. It was found that high electrical conductivity was maintained because the graphene structure was maintained even during the functionalization of graphene. Therefore, in the graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to the present invention, the heat treatment of the graphene/metal/graphene structure creates a band gap by doping the metal without damaging the graphene itself. It can be seen that semiconductorization of graphene is achieved while maintaining the inherent physical properties such as high mobility.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 열처리 후의 그래핀의 G 밴드 강도 맵핑을 나타낸다.9 illustrates G band intensity mapping of graphene after heat treatment of a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to an embodiment of the present invention.

도 9에 나타낸 바와 같이, 상기 그래핀/금속/그래핀 구조체의 열처리 후에 그래핀의 G 밴드 강도가 불균일하게 생성되면서 밴드갭을 생성할 수 있어, 그래핀의 반도체화를 달성하게 됨을 알 수 있다.As shown in FIG. 9, it can be seen that after the heat treatment of the graphene/metal/graphene structure, a band gap can be created while the G band intensity of graphene is non-uniformly generated, thereby achieving semiconductorization of graphene. .

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 열처리 전후의 파장에 따른 광 검출강도를 나타내는 그래프이다.10 is a graph showing light detection intensity according to wavelength before and after heat treatment of a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to an embodiment of the present invention.

도 10에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서에서 상기 그래핀/금속/그래핀 구조체는 열처리 전에는 적외선 영역(원 표시)에서 광 검출 감도가 매우 낮았으나, 열처리 후에는 적외선 영역의 광 검출 감도가 현저하게 증가함으로써 초미세 열-광정보 검출용 센서로서 유용하게 기능할 수 있음을 확인하였다.As shown in FIG. 10, in the graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information according to the present invention, the graphene/metal/graphene structure had very low light detection sensitivity in the infrared region (circle) before heat treatment, but , after heat treatment, it was confirmed that the photodetection sensitivity in the infrared region significantly increased, and thus it could function usefully as a sensor for detecting ultrafine thermal-optical information.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명은 후술하는 특허청구범위 내에서 상기 실시예를 다양하게 변형 및 수정할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범위 내에 속하는 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한된다.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, it should be understood that the present invention is not limited to the above embodiments. The present invention can make various changes and modifications to the above embodiments within the scope of the following claims, all of which fall within the scope of the present invention. Accordingly, this invention is limited only by the claims and equivalents thereto.

10 : 초전 기판
20 : 기능화된 그래핀층
21, 22 : 단일층 그래핀 시트
23 : 금속층
30 : 드레인 전극
40 : 소스 전극
50 : 게이트 절연층
60 : 게이트 전극
61, 62 : 핑거타입 전극
61, 62 : 핑거타입 전극
10: pyroelectric substrate
20: functionalized graphene layer
21, 22: single-layer graphene sheet
23: metal layer
30: drain electrode
40: source electrode
50: gate insulation layer
60: gate electrode
61, 62: finger type electrode
61, 62: finger type electrode

Claims (20)

초전 물질을 포함하는 초전 기판; 및
상기 초전 기판 상에 형성된 기능화된 그래핀층을 포함하되,
상기 기능화된 그래핀층은 두 단일층 그래핀 시트 사이에 금속층이 삽입된 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 열처리하여 제조된 것을 특징으로 하는,
초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서.
a pyroelectric substrate containing a pyroelectric material; and
Including a functionalized graphene layer formed on the pyroelectric substrate,
Characterized in that the functionalized graphene layer is prepared by heat-treating a graphene / metal / graphene sandwich structure in which a metal layer is inserted between two single-layer graphene sheets,
A graphene-based sensor for detecting ultrafine thermo-optical information.
초전 물질을 포함하는 초전 기판;
상기 초전 기판 상의 일부에 형성된 기능화된 그래핀층;
상기 초전 기판 상에 형성되되, 상기 기능화된 그래핀층의 각각의 말단에 인접하도록 형성된 소스 전극 및 드레인 전극;
상기 기능화된 그래핀층 상에 형성되되, 상기 기능화된 그래핀층을 커버하면서 상기 소스 전극 및 드레인 전극과 접촉하도록 형성된 게이트 절연층; 및
상기 게이트 절연층 상에 형성된 게이트 전극을 포함하고,
상기 기능화된 그래핀층은 두 단일층 그래핀 시트 사이에 금속층이 삽입된 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 열처리하여 제조된 것을 특징으로 하는,
초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서.
a pyroelectric substrate containing a pyroelectric material;
a functionalized graphene layer formed on a portion of the pyroelectric substrate;
a source electrode and a drain electrode formed on the pyroelectric substrate to be adjacent to respective ends of the functionalized graphene layer;
a gate insulating layer formed on the functionalized graphene layer and contacting the source electrode and the drain electrode while covering the functionalized graphene layer; and
A gate electrode formed on the gate insulating layer;
Characterized in that the functionalized graphene layer is prepared by heat-treating a graphene / metal / graphene sandwich structure in which a metal layer is inserted between two single-layer graphene sheets,
A graphene-based sensor for detecting ultrafine thermo-optical information.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 초전 물질은 KDP(KH2PO4), ADP(NH4H2PO4), PZT(Pb(Zr,Ti)O3), PT(PbTiO3), PLT((Pb,La)TiO3), PCT((Pb,Ca)TiO3), LiTaO3, BaTiO3, TGS(황산 트리글리신), PVDF(폴리비닐리덴디플루오리드), La3Ga5SiO14, 및 LiNbO3로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서.
According to claim 1 or 2,
The pyroelectric material is KDP (KH 2 PO 4 ), ADP (NH 4 H 2 PO 4 ), PZT (Pb(Zr,Ti)O 3 ), PT(PbTiO 3 ), PLT ((Pb,La)TiO 3 ) , PCT((Pb,Ca)TiO 3 ), LiTaO 3 , BaTiO 3 , TGS (triglycine sulfate), PVDF (polyvinylidenedifluoride), La 3 Ga 5 SiO 14 , and LiNbO 3 Characterized in that, ultrafine thermo-graphene-based sensor for detecting optical information.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 기능화된 그래핀층은 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 열처리함으로써 그래핀의 일함수가 변형되어 밴드갭이 생성됨으로써 반도체 특성을 나타내는 것을 특징으로 하는, 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서.
According to claim 1 or 2,
The functionalized graphene layer is graphene for ultrafine thermo-optical information detection, characterized in that the work function of graphene is modified by heat treatment of the graphene/metal/graphene sandwich structure to generate a band gap, thereby exhibiting semiconductor characteristics. based sensor.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체에 있어서, 상기 금속은 백금(Pt), 알루미늄(Al), 인듐(In), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 마그네슘(Mg), 은(Ag) 및 금(Au)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서.
According to claim 1 or 2,
In the graphene/metal/graphene sandwich structure, the metal is platinum (Pt), aluminum (Al), indium (In), nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), magnesium (Mg) , A graphene-based sensor for detecting ultra-fine thermal-optical information, characterized in that selected from the group consisting of silver (Ag) and gold (Au).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 금속층은 1 nm 이상 10 nm 미만의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는, 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서.
According to claim 1 or 2,
Characterized in that the metal layer has a thickness of 1 nm or more and less than 10 nm, a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 열처리는 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 이루는 금속에 따라 110 ~ 1,050 ℃ 에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서.
According to claim 1 or 2,
Characterized in that the heat treatment is performed at 110 to 1,050 ° C. depending on the metal constituting the graphene / metal / graphene sandwich structure, a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information.
제2항에 있어서,
상기 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서는 상기 게이트 전극의 양 말단을 연결하는 핑거 전극들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서.
According to claim 2,
The graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information further comprises finger electrodes connecting both ends of the gate electrode.
초전 물질을 포함하는 초전 기판 상에 제1 단일층 그래핀 시트를 전사하는 단계(S10);
상기 제1 단일층 그래핀 시트 상에 금속층을 증착하는 단계(S20);
상기 금속층 상에 제2 단일층 그래핀 시트를 전사하여 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 형성하는 단계(S30); 및
상기 구조체를 열처리하여 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 기능화된 그래핀층으로 변환시키는 단계(S40)를 포함하는,
초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 제조방법.
transferring a first single-layer graphene sheet onto a pyroelectric substrate including a pyroelectric material (S10);
Depositing a metal layer on the first single-layer graphene sheet (S20);
forming a graphene/metal/graphene sandwich structure by transferring a second single-layer graphene sheet on the metal layer (S30); and
Heat-treating the structure to convert the graphene/metal/graphene sandwich structure into a functionalized graphene layer (S40),
Manufacturing method of graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information.
초전 물질을 포함하는 초전 기판 상에 제1 단일층 그래핀 시트를 전사하는 단계(S10);
상기 제1 단일층 그래핀 시트 상에 금속층을 증착하는 단계(S20);
상기 금속층 상에 제2 단일층 그래핀 시트를 전사하여 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 형성하는 단계(S30);
상기 구조체를 열처리하여 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 기능화된 그래핀층으로 변환시키는 단계(S40);
기능화된 그래핀층의 각각의 말단에 인접하도록 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계(S50);
상기 기능화된 그래핀층을 커버하면서 상기 소스 전극 및 드레인 전극과 접촉하도록 게이트 절연층을 형성하는 단계(S60); 및
상기 게이트 절연층 상에 게이트 전극을 형성하는 단계(S70)를 포함하는,
초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 제조방법.
transferring a first single-layer graphene sheet onto a pyroelectric substrate including a pyroelectric material (S10);
Depositing a metal layer on the first single-layer graphene sheet (S20);
forming a graphene/metal/graphene sandwich structure by transferring a second single-layer graphene sheet on the metal layer (S30);
converting the graphene/metal/graphene sandwich structure into a functionalized graphene layer by heat-treating the structure (S40);
Forming a source electrode and a drain electrode so as to be adjacent to each end of the functionalized graphene layer (S50);
Forming a gate insulating layer to contact the source electrode and the drain electrode while covering the functionalized graphene layer (S60); and
Forming a gate electrode on the gate insulating layer (S70),
Manufacturing method of graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information.
제9항 또는 제10항에 있어서,
상기 초전 물질은 KDP(KH2PO4), ADP(NH4H2PO4), PZT(Pb(Zr,Ti)O3), PT(PbTiO3), PLT((Pb,La)TiO3), PCT((Pb,Ca)TiO3), LiTaO3, BaTiO3, TGS(황산 트리글리신), PVDF(폴리비닐리덴디플루오리드), La3Ga5SiO14, 및 LiNbO3로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 제조방법.
The method of claim 9 or 10,
The pyroelectric material is KDP (KH 2 PO 4 ), ADP (NH 4 H 2 PO 4 ), PZT (Pb(Zr,Ti)O 3 ), PT(PbTiO 3 ), PLT ((Pb,La)TiO 3 ) , PCT((Pb,Ca)TiO 3 ), LiTaO 3 , BaTiO 3 , TGS (triglycine sulfate), PVDF (polyvinylidenedifluoride), La 3 Ga 5 SiO 14 , and LiNbO 3 Characterized in that, a method for manufacturing a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information.
제9항 또는 제10항에 있어서,
상기 금속은 백금(Pt), 알루미늄(Al), 인듐(In), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 마그네슘(Mg),은(Ag) 및 금(Au)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 제조방법.
The method of claim 9 or 10,
The metal is a group consisting of platinum (Pt), aluminum (Al), indium (In), nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), magnesium (Mg), silver (Ag) and gold (Au). A method for manufacturing a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information, characterized in that selected from.
제9항 또는 제10항에 있어서,
상기 금속층은 원자층 증착(ALD)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 제조방법.
The method of claim 9 or 10,
Characterized in that the metal layer is formed by atomic layer deposition (ALD), a method for manufacturing a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information.
제9항 또는 제10항에 있어서,
상기 금속층은 1 nm 이상 10 nm 미만의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는, 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 제조방법.
The method of claim 9 or 10,
The method of manufacturing a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information, characterized in that the metal layer has a thickness of 1 nm or more and less than 10 nm.
제9항 또는 제10항에 있어서,
상기 열처리는 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 이루는 금속에 따라 110 ~ 1,050 ℃ 에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 제조방법.
The method of claim 9 or 10,
Characterized in that the heat treatment is performed at 110 to 1,050 ° C. depending on the metal constituting the graphene / metal / graphene sandwich structure, a method for manufacturing a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information.
제10항에 있어서,
초전 기판 상에 게이트 전극의 양 말단을 연결하는 핑거 전극들을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 초미세 열-광정보 검출용 그래핀 기반 센서의 제조방법.
According to claim 10,
A method of manufacturing a graphene-based sensor for detecting ultrafine thermal-optical information, characterized in that it further comprises forming finger electrodes connecting both ends of the gate electrode on a pyroelectric substrate.
기판 상에 제1 단일층 그래핀 시트를 전사하는 단계(S10);
상기 제1 단일층 그래핀 시트 상에 금속층을 증착하는 단계(S20);
상기 금속층 상에 제2 단일층 그래핀 시트를 전사하여 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 형성하는 단계(S30);
상기 구조체를 열처리하여 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 기능화된 그래핀층으로 변환시키는 단계(S40);를 포함하는, 그래핀의 밴드갭 제어방법.
Transferring the first single-layer graphene sheet onto the substrate (S10);
Depositing a metal layer on the first single-layer graphene sheet (S20);
forming a graphene/metal/graphene sandwich structure by transferring a second single-layer graphene sheet on the metal layer (S30);
Converting the graphene/metal/graphene sandwich structure into a functionalized graphene layer by heat-treating the structure (S40); including, a method for controlling a band gap of graphene.
제17항에 있어서,
상기 금속층에 사용되는 금속은 백금(Pt), 알루미늄(Al), 인듐(In), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 마그네슘(Mg),은(Ag) 및 금(Au)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 그래핀의 밴드갭 제어방법.
According to claim 17,
Metals used in the metal layer include platinum (Pt), aluminum (Al), indium (In), nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), magnesium (Mg), silver (Ag), and gold (Au). ) Characterized in that selected from the group consisting of, graphene bandgap control method.
제17항에 있어서,
상기 금속층은 1 nm 이상 10 nm 미만의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는, 그래핀의 밴드갭 제어방법.
According to claim 17,
Characterized in that the metal layer has a thickness of 1 nm or more and less than 10 nm, graphene bandgap control method.
제17항에 있어서,
상기 열처리는 그래핀/금속/그래핀 샌드위치 구조체를 이루는 금속에 따라 110 ~ 1,050 ℃ 에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 그래핀의 밴드갭 제어방법.
According to claim 17,
The heat treatment is performed at 110 to 1,050 ° C. according to the metal constituting the graphene / metal / graphene sandwich structure.
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