KR20100016928A - 그래핀 나노 구조 용액 및 그래핀 소자의 제조방법. - Google Patents

그래핀 나노 구조 용액 및 그래핀 소자의 제조방법. Download PDF

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고준태
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서울대학교산학협력단
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Abstract

다층의 그래핀에 산화물 나노선을 마스크로 한 비등방성 식각을 이용하여, 균일한 그래핀 나노 구조 용액을 생성한다. 분자막이 패턴된 기판을 그래핀 나노 구조 용액에 침지하여, 그래핀이 패턴된 기판에 정렬하도록 함으로써 그래핀 소자를 제조한다.
그래핀, 자기정렬, 나노구조, 그래핀 용액

Description

그래핀 나노 구조 용액 및 그래핀 소자의 제조방법. {A Method of Manufacturing Graphene Device and Graphene Nano Structure Solution}
본 기술분야는 그래핀 나노 구조 용액 및 그래핀 소자의 제조방법에 관한 것이다.
그래핀은 안정된 특성과 큰 전기 이동도로 인해 차세대 반도체 물질로서 많은 관심을 받고 있다. 그러나 그래핀은 본래 금속성 특성을 갖기 때문에, 반도체 특성을 갖도록 하기 위해서는 그래핀을 나노스케일 선폭의 채널로 만들어야 한다.
그래핀 나노 구조는 용액이나 가루 형태로 합성이 되기 때문에, 그래핀 나노 구조를 이용한 소자를 만들기 위해서는, 그래핀 나노 구조를 고체 표면의 특정한 위치에 원하는 방향성을 가지고 정렬시키는 공정이 필요하다.
최근 그래핀 구조를 이용한 소자를 상업화시키기 위해, 그래핀 나노 구조를 기판의 원하는 위치에 선택적으로 흡착시키는 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이 중에서도 그래핀이 분산된 용액을 실리콘 기판에 뿌려 그래핀이 기판에 흡착되도록 하는 기술에 대한 연구가 진행되고 있다.
그러나, 종래 방법으로 분산된 그래핀 용액을 이용하여 나노 스케일의 그래 핀 소자를 제조하는 경우에는, 용액에 분산된 나노 구조의 그래핀이 균일한 폭을 가지지 않아 균일하게 좋은 특성을 가진 소자를 구성하기 어려웠다. 또한, 대량생산을 하기 위해 그래핀을 원하는 위치로 흡착시키는 방법이 개발되지 못하고 있는 실정이다.　
이하에서는 그래핀 나노 구조 용액 및 그래핀 소자를 제조하는 기술이 개시된다.
하나의 실시예에 따른 그래핀 나노 구조 용액의 제조방법은　
다층의 그래핀 위에 타겟 나노 구조를 흡착시키는 단계; 상기 흡착된 타겟 나노 구조를 마스크로 사용하여 비등방성 식각을 수행하고, 다층의 그래핀 나노 구조를 생성하는 단계; 상기 생성된 다층의 그래핀 나노 구조를 분산용매에 분산시켜, 그래핀 나노 구조가 분산된 용액을 생성하는 단계를 포함한다.
하나의 실시예에 따른 그래핀 나노 소자의 제조방법은
기판 위의 제1 영역에 소수성 분자막을 가지는 분자막 패턴을 형성하는 단계; 상기 소수성 분자막이 형성되지 않은 기판 위의 제2 영역에 그래핀 나노 구조를 정렬시키는 단계를 포함한다.
다른 실시예에 따른 그래핀 나노 소자의 제조방법은
다층의 그래핀 위에 산화물 나노 구조를 흡착시키는 단계; 상기 흡착된 산화물 나노 구조를 마스크로 사용하여 비등방성 식각을 수행하고, 다층의 그래핀 나노 구조를 생성하는 단계; 상기 생성된 다층의 그래핀 나노 구조를 분산용매에 분산시 켜, 그래핀 나노 구조가 분산된 용액을 생성하는 단계; 기판 위의 제1 영역에 소수성 분자막을 가지는 분자막 패턴을 형성하는 단계; 상기 분자막 패턴이 형성된 기판을 상기 그래핀 나노 구조가 분산된 용액에 침지하여, 상기 소수성 분자막이 형성되지 않은 기판 위의 제2 영역에 그래핀 나노 구조를 정렬시키는 단계를 포함한다.　
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 상세히 설명한다. 문맥상 다른 의미로 사용되지 않는 경우, 유사한 기호는 유사한 구성요소로 사용된다. 상세한 설명에서 사용되는 실시예, 도면 및 청구항은 제한적인 의미로 사용되지 않는다. 이하에서 설명되는 내용의 정신이나 범위를 벗어나지 않는, 다른 실시예나 변경이 사용될 수 있다. 이하에서 일반적으로 설명되거나 도면에 의해 도시되는 개시내용은 매우 다양한 다른 형태로 배열, 대체, 결합 및 설계될 수 있으며, 이러한 사항은 명백히 본 개시내용에 의해 알 수 있거나 본 개시내용의 일부를 구성한다는 것은 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분의 "위에"있다고 할 때, 이는 다른 부분의 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로, 어떤 부분이 다른 부분의 "바로 위에"있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이하에서 설명하는 나노 구조는 나노 스케일의 구조를 의미하며, 구체적인 구조로서는 나노리본, 나노선, 나노 튜브 등과 이들을 조합한 구조를 포함한다. 또한, 이하에서 설명하는 나노 구조는 다양한 모양을 포함한다.
다음은 본 실시예에 따른 그래핀 나노 구조가 분산된 용액을 제조하는 방법을 도 1 및 도 2를 참조해서 설명한다. 이하에서는 그래핀 나노 구조의 예로서 그래핀 나노리본으로 설명하나, 그래핀 나노리본 이외의 나노 구조에도 적용이 가능하다.　
먼저, 도 1의 (A) 및 (B)에 도시한 바와 같이, 복수의 그래핀 층(11)을 포함하는 다층의 그래핀(10) 위에 지름이 수 nm인 산화물 나노선(20)을 반데르발스 힘을 이용해서 흡착시킨다. (도 2의 S110) 본 실시예에서 다층의 그래핀(10)으로서 현재 상용화되어 있는 HOPG(Highly Oriented Prolytic Graphite)을 사용하였다.
본 실시예에서 반데르발스 힘을 이용해서 그래핀(10)에 산화물 나노선(20)을 흡착시켰으나, 정전기력을 이용하는 등의 여러 방법으로서 그래핀(10)에 산화물 나노선(20)을 흡착시킬 수 있다. 산화물 나노선(20)의 예로서 바나듐 옥사이드 나노선이 사용될 수 있으며, 이하의 설명에서는 명확한 이해를 위해 산화물 나노선(20)을 바나듐 옥사이드 나노선(20)으로 언급하기도 한다.
정전기력을 이용하여 이용하는 경우에는 그래핀에 별도의 전압을 인가하여야 하나, 반데르발스힘을 이용해 흡착하는 경우에는 별도의 외력을 가할 필요가 없이 그래핀을 나노선 용액에 담그기만 하면 되므로 간단히 산화물 나노선을 그래핀에 흡착시킬 수 있는 장점이 있다.
공유결합을 하는 산화물 나노선은 금속 결합을 하는 그래핀 보다 결합이 강하기 때문에 그래핀 보다 이온빔 밀링에 의한 식각 속도가 훨씬 느리다. 따라서, 식각 시간을 적절히 조절하면 산화물 나노선을 마스크로 이용하여 마스크 주위의 그래핀을 제거할 수 있다.
즉, 도 1의 (C)에 도시한 바와 같이, 산화물 나노선(20)이 흡착된 다층의 그래핀(10)을 이온빔으로 식각하면 산화물 나노선(20)이 마스크 역할을 하여 산화물 나노선(20) 바로 밑의 다층의 그래핀은 남고, 이외의 영역의 그래핀은 제거되어 폭이 수 nm인 다층의 그래핀 나노 리본(12)이 형성된다. (도 2의 S120) 도 1에서는 식각이 수행되기 전의 다층의 그래핀은 도면 부호 10으로 표시하였으며, 식각 후에 형성된 그래핀 나노리본은 도면 부호 12로 표시하였다.
본 실시예에서는 마스크 역할을 하는 산화물 나노선으로서 바나듐 옥사이드 나노선을 사용하였는데, 이는 바나듐 옥사이드 나노선이 매우 얇은 나노 스케일의 크기로 쉽게 만들 수 있기 때문이다. 또한, 바나듐 옥사이드 이외에도 이온빔에 대한 저항성이 강한 물질이면 본 공정에 사용할 수 있다. 특히, 바나듐 펜트 옥사이드(V2O5, 다른 바나듐 옥사이드 VxOy도 사용가능함), 산화아연(ZnO5), 이산화 규소(SiO2)와 같은 산화물 계열의 물질이 이온빔에 대한 저항성이 강한데 그 이유는 결합의 강도도 강하지만 산화물은 일반적으로 부도체이기 때문에 이온빔을 맞았을 때 이온빔에 의한 전하가 다른 곳을 흐르지 못하고 누적되어 대전되고, 누적된 전 하가 날아오는 이온을 다른 방향으로 보내기 때문이다. 또한, 산화물 나노선 이외에도 도핑이 되지 않는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge)도 이온빔에 대한 저항성이 강한 물질이므로 본 공정에 사용할 수 있다.
한편, 도 1의 (C)에 도시한 바와 같이 산화물 나노선(20)을 마스크로 이용하여 이온 빔 식각을 이용한 비등방성 식각을 수행하였으나, 산소 플라즈마를 이용한 식각과 같은 비등방 식각을 수행할 수도 있다.
그리고 나서, 도 1의 (D)에 도시한 바와 같이, 그래핀(10)에 흡착되어 있는 산화물 나노선(20)을 나노선 제거 용액에 담궈 그래핀(10)의 표면에서 떼어내어 다층의 그래핀 나노 리본(12)을 만든다. (도 2의 S130) 이때, 나노선 제거 용액은 산화물 나노선(20)의 전기적 친화도에 따라 선택되며, 본 실시예에서는 산화물 나노선(20)이 흡착된 그래핀을 염화 나트륨(NaCl) 용액에 담궈 산화물 나노선(20)을 그래핀 표면에서 떼어내어, 다층의 그래핀 나노 리본(12)을 생성한다.
다음, 도 1의 (E) 및 (F)에 도시한 바와 같이, 생성된 다층 그래핀 나로 리본(12)을 분산 용매에 넣고 초음파로 분산하여, 다층의 그래핀 나노 리본(12)을 단일 층으로 조금씩 떼어내어 균일한 그래핀 나노 리본(13)이 분산된 그래핀 나노 구조 용액을 제조한다. (도 2의 S140)
본 실시예에서는 분산 용매로서 오-디클로로벤젠(o-dichlorobenzene) 을 사용하였으나, 이외에도 1, 2, - 디클로로에탄(1,2 -dichloroethane) 또는 폴리 (m-페닐렌비닐렌 -코-2,5-디옥톡시-p-페닐렌비닐렌)[poly (m-phenylenevinylene -co-2,5-dioctoxy-p-phenylenevynylene)] 등이 사용될 수 있다.
도 1에 도시한 본 실시예에 따르면, 산화물 나노선(20)을 마스크로 하여 식각한 균일한 폭을 갖는 그래핀 나노 구조를 용매에 분산시킴으로써, 균일한 폭을 갖는 나노 구조의 그래핀이 분산된 용액을 제조할 수 있다.
다음은 도 3 및 도 4를 참조하여 그래핀 나노 구조가 분산된 용액을 이용하여, 그래핀 소자를 제조하는 방법에 대하여 설명한다. 이하에서 설명하는 그래핀 소자는 도 1에서 설명한 공정으로 제조된 그래핀 나노 구조가 분산된 용액을 이용하여 제조하나, 이외의 방법으로 제조된 그래핀 나노 구조가 분산된 용액을 이용하여 제조될 수도 있다.
그래핀은 탄소들의 이중결합과 벤젠 고리가 있기 때문에 비편재화된 전자(delocalized electron)에 의한 쌍극자(dipole)을 가지고 있다. 따라서, 그래핀은 소수성 분자막에는 조립되지 않고 그래핀이 가지는 전하와 반대되는 전하를 가지는 친수성 분자막이나 고체 표면에 조립된다. 이하에서는 고체 표면이나 친수성 분자막에 선택적으로 조립되는 성질을 이용하여 그래핀 나노 리본을 기판의 특정 위치 및 방향으로 형성하는 기술(이하에서는 이를 '자기 조립법(selectively assembly process)이라고도 함)을 이용하여 나노 사이즈의 그래핀 구조를 제작하는 방법을 설명한다.
도 3의 (A) 및 (B)에 도시한 바와 같이, 기판(30) 위에 분자막 패턴(40)을 패터닝한다. 이때, 기판(30)은 산화물 표면을 갖는 실리콘 기판(SiO2), 유리, 알미늄(Al2O3), 지르코늄(ZrO2), 하프늄(HfO2) 등이 사용될 수 있다.　 분자막 패턴(40) 은 기판 위에 그래핀 나노구조를　정렬시키기 위한 소수성 분자막 패턴으로서, 이에 대해서는 후술하기로 한다.
또한, 분자막 패턴(40)은 다양한 방법으로 형성할 수 있는데, 포토리소그래피를 이용한 분자막 패턴이 기존의 반도체 공정과의 호환성으로 인한 장점이 있기 때문에, 본 실시예에서는 포토리소그래피를 이용하여 분자막 패턴(40)을 형성하였다. 그러나, 포토리소그래피가 아닌 다른 방법, 예컨대 미세접촉인쇄(microcontact printing), DPN(Dip Pen Nanolithography)와 같은 기술을 이용해서 분자막 패턴을 형성할 수도 있다.
도 5는 및 도 6은 포토리소그래피를 이용하여 분자막 패턴을 형성하는 방법을 나타내는 도면이다. 도 5의 (A) 및 (B)에 도시한 바와 같이, 먼저 기판(30) 위에 포토리소그래피 방법으로 포토레지스트 패턴(50)을 형성한다. (도 6의 S310) 이때, 포토레지스트 패턴(50)은 그래핀 나노구조가 형성될 기판(30)의 영역(42)에 형성된다.
그리고나서, 포토레지스트 패턴(50)이 형성된 기판을 분자막 패턴(40)을 형성시키기 위한 분자가 녹아 있는 용액에 침지한다. 그러면, 도 5의 (C)에 도시한 바와 같이, 용액에 녹아있는 분자가 포토레지스트 패턴(50)이 형성된 기판에 흡착되어, 분자막(41)이 기판(30)과 포토레지스트 패턴(50) 위에 형성된다. (도 6의 S320)
그리고나서, 도 5의 (D)에 도시한 바와 같이 포토레지스트 패턴(50)를 제거하면, 포토레지스트 패턴(50)위에 형성된 분자막은 함께 제거되어, 그래핀 나노구 조가 형성될 기판(30)의 영역(42)이 노출되는 분자막 패턴(40)이 형성된다. (도 6의 S330) 이때, 분자막 패턴(40)을 형성하기 위한 분자는 포토레지스트를 녹이지 않는 용매에 녹아 있어야 한다. 본 실시예에서는 포토레지스트의 예로서 AZ5214 레지스트를 사용하였으나, 이외의 포토레지스트를 사용하여도 무방하다.
이때, 기판 위에 그래핀을 정렬하기 위해 사용되는 분자막 패턴(40)은 예를 들어, 소수성 분자의 하나인 옥타데실트리클로로실란(Octadecyltrichlorosilane, OTS), 옥타데실트리메톡시실란(Octadecyltrimethoxysilane, OTMS), 옥타데실-트리에톡시실란(Octadecyl- triethoxysilane, OTE) 등의 분자를 사용할 수 있다. 도 3에 도시한 분자막 패턴(40)은 소수성 분자만으로 형성되며, 이하에서는 소수성 분자만으로 형성되는 분자막 패턴(40)를 소수성 분자막 패턴(40)이라 칭한다.
도 3 및 도 4를 다시 참조하여, 도 3의 C에 도시한 바와 같이 소수성 분자막 패턴(40)이 형성된 기판을 분산된 그래핀 나노 구조 용액에 넣으면(도 4의 S220), 도 3의 (D)에 도시한 바와 같이, 용액에 분산된 그래핀 나노구조(13)가 소수성 분자막 패턴(40)으로 덮이지 않은 고체 표면의 영역(42)에 흡착되어 패턴모양대로 정렬한다.
한편, 도 3에 도시한 본 실시예에 따르면, 소수성 분자막 패턴(40)이 덮이지 않은 기판의 영역(42)에 사전 처리 없이 그래핀 나노 구조를 흡착시켰으나, 그래핀 나노 구조가 흡착될 영역에 미리 친수성 분자막을 형성할 수도 있다. 이 경우에는 소수성 분자막과 친수성 분자막으로 이루어진 새로운 형태의 분자막 패턴(도시하지 않음)이 기판(30) 위에 형성된다.
친수성 분자막은 그래핀 나노구조와 기판의 친화력을 증가시켜 흡착을 돕는 역할을 하며, 구체적으로 그래핀이 흡착될 영역에 친수성 분자막을 형성한 후 기판에 양의 전압을 인가하여 그래핀 나노구조가 친수성 분자막에 흡착되도록 할 수 있다.
이때, 친수성 분자막으로서는 아미노프로필트리에톡시실란(Aminopropyltriethoxysilane, APTES), 3-메르캅토프로필(3-mercaptopropyl), 트리메톡시실란(trimethoxysilane, MPTMS) 등이 사용될 수 있다.
마지막으로 도 3의 (D)에 도시한 바와 같이, 그래핀 나노 구조가 흡착된 기판을 세정(Rinsing)하여, 소수성 분자막 패턴(40) 위에 흡착되지 않은 상태로 놓여 있는 그래핀 나노 구조를 제거한다.
이상의 설명으로부터, 본 개시내용의 다양한 예가 설명의 목적으로 기재된 것이며, 본 개시내용의 정신이나 범위를 벗어나지 않는 다양한 변형 및 변경이 사용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 이상에서 설명된 다양한 실시예는 다음의 청구항에서 나타내는 범위 및 정신에 따른 것으로서 한정적인 의미로 사용된 것은 아니다.
도 1은 하나의 실시예에 의한 그래핀 나노 구조가 분산된 용액을 제조하는 방법을 나타내는 공정도이다.　
도 2는 하나의 실시예에 의한 그래핀 나노 구조가 분산된 용액을 제조하는 방법을 나타내는 순서도이다.　　
도 3은 하나의 실시예에 의한 그래핀 소자를 제조하는 방법을 나타내는 공정도이다.
도 4는 하나의 실시예에 의한 그래핀 소자를 제조하는 방법을 나타내는 순서도이다.　
도 5는 하나의 실시예에 의한 분자막 패턴을 형성하는 방법을 나타내는 공정도이다.
도 6는 하나의 실시예에 의한 분자막 패턴을 형성하는 방법을 나타내는 순서도이다.　

Claims (18)

  1. 그래핀 나노 구조 용액의 제조방법에 있어서,
    다층의 그래핀 위에 타겟 나노 구조를 흡착시키는 단계;
    상기 흡착된 타겟 나노 구조를 마스크로 사용하여 비등방성 식각을 수행하고, 다층의 그래핀 나노 구조를 생성하는 단계;
    상기 생성된 다층의 그래핀 나노 구조를 분산용매에 분산시켜, 그래핀 나노 구조가 분산된 용액을 생성하는 단계를 포함하는 그래핀 나노 구조 용액의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 타겟 나노 구조는 산화물 나노 구조인 것을 특징으로 하는 그래핀 나노 구조 용액의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 산화물 나노 구조는 반데르발스 힘으로 상기 다층의 그래핀 나노 구조 위에 흡착되는 그래핀 나노 구조 용액의 제조방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 산화물 나노 구조는 바나듐 옥사이드 나노선인 것을 특징으로 하는 그 래핀 나노 구조 용액의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분산용매는
    오-디클로벤젠인 것을 특징으로 하는 그래핀 나노 구조 용액의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 분산용매는
    1, 2, - 디클로로에탄인 것을 특징으로 하는 그래핀 나노 구조 용액의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 분산용매는
    폴리 (m-페닐렌비닐렌 -코-2,5-디오톡시-p-페닐렌비닐렌)인 것을 특징으로 하는 그래핀 나노 구조 용액의 제조방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비등방성 식각은 상기 흡착된 타겟 나노 구조를 마스크로 사용하여 수행하는 이온 빔 식각인 것을 특징으로 하는 그래핀 나노 구조 용액의 제조방법.
  9. 그래핀 나노 소자의 제조방법에 있어서,
    기판 위의 제1 영역에 소수성 분자막을 가지는 분자막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 소수성 분자막이 형성되지 않은 기판 위의 제2 영역에 그래핀 나노 구조를 정렬시키는 단계를 포함하는 그래핀 나노 소자의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 분자막 패턴은 포토리소그래피 공정을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 그래핀 나노 소자의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 기판 위의 제2 영역에 친수성 분자막이 형성된 것을 특징으로 하는 그래핀 나노 소자의 제조방법.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분자막 패턴이 형성된 기판을 그래핀 나노 구조가 분산된 용액에 침지하여, 상기 기판 위의 제2 영역에 그래핀 나노 구조를 정렬시키는 것을 특징으로 하는 그래핀 나노 소자의 제조방법.
  13. 그래핀 나노 소자의 제조방법에 있어서,
    다층의 그래핀 위에 산화물 나노 구조를 흡착시키는 단계;
    상기 흡착된 산화물 나노 구조를 마스크로 사용하여 비등방성 식각을 수행하고, 다층의 그래핀 나노 구조를 생성하는 단계;
    상기 생성된 다층의 그래핀 나노 구조를 분산용매에 분산시켜, 그래핀 나노 구조가 분산된 용액을 생성하는 단계;
    기판 위의 제1 영역에 소수성 분자막을 가지는 분자막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 분자막 패턴이 형성된 기판을 상기 그래핀 나노 구조가 분산된 용액에 침지하여, 상기 소수성 분자막이 형성되지 않은 기판 위의 제2 영역에 그래핀 나노 구조를 정렬시키는 단계를 포함하는 그래핀 나노 소자의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 산화물 나노 구조는 반데르발스 힘으로 상기 다층의 그래핀 나노 구조 위에 흡착되는 그래핀 나노 소자의 제조방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 산화물 나노 구조는 바나듐 옥사이드 나노선인 것을 특징으로 하는 그래핀 나노 소자의 제조방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 분자막 패턴은 포토리소그래피 공정을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 그래핀 나노 소자의 제조방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 기판 위의 제2 영역에 친수성 분자막이 형성된 것을 특징으로 하는 그래핀 나노 소자의 제조방법.
  18. 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비등방성 식각은 상기 흡착된 산화물 나노구조를 마스크로 사용하여 수행하는 이온 빔 식각인 것을 특징으로 하는 그래핀 나노 소자의 제조방법.
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