KR20120013604A

KR20120013604A - 그래핀의 전사 장치 및 전사 방법

Info

Publication number: KR20120013604A
Application number: KR1020100075673A
Authority: KR
Inventors: 원동관; 조승민; 류재철
Original assignee: 삼성테크윈 주식회사
Priority date: 2010-08-05
Filing date: 2010-08-05
Publication date: 2012-02-15
Also published as: KR101429518B1

Abstract

본 발명에 관한 그래핀의 전사 장치는, 베이스 부재와 그래핀을 구비한 전사 소재를 공급하는 소재 공급부와, 그래핀이 전사될 기판을 공급하는 기판 공급부와, 기판과 전사 소재에 표면 처리를 행하는 표면 처리부와, 전사 소재와 기판를 접촉시켜 그래핀을 기판에 전사하는 그래핀 전사부를 구비한다.

Description

그래핀의 전사 장치 및 전사 방법{Method and apparatus for transferring graphene}

본 발명의 실시예는 그래핀의 전사 장치 및 전사 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 그래핀이 전사될 대상인 기판의 표면 처리 단계를 이용해 그래핀의 특성을 조정하여 기판 위에 그래핀을 효과적으로 전사할 수 있는 그래핀의 전사 장치 및 전사 방법에 관한 것이다.

최근 들어, 탄소로 구성되는 풀러렌(fullerenes), 탄소 나노 튜브(carbon nanotubes), 그래핀(graphene), 흑연(graphite) 등의 탄소 물질에 관한 관심이 증가하고 있다.

특히, 탄소 나노 튜브와 그래핀에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 그래핀은 대면으로 형성할 수 있으며, 전기적, 기계적, 화학적인 안정성을 가지고 있을 뿐만 아니라 뛰어난 도전성의 성질을 가지므로, 전자 회로의 기초 소재로 관심을 받고 있다.

그래핀은 전기 및 전자 장치에 필수적으로 설치되는 회로기판의 배선이나 디스플레이 장치에서 유용하게 사용될 수 있는 투명전극을 구현하기 위해 이용될 수 있다.

전극이나 배선의 소재로 그래핀을 이용하려면 그래핀의 전기 전도도를 향상시켜야 하며, 그래핀이 사용되는 환경에 맞추어 그래핀의 캐리어들, 즉 전자와 정공의 종류와 농도를 조정하여야 한다. 종래에는 그래핀의 전기 전도도를 향상시키기 위해서 그래핀을 갖는 전사 소재를 제조하는 공정 중에 화학적 도핑을 실시하는데, 그래핀의 화학적 도핑 단계는 제조 공정을 복잡하게 하고 비용을 증가시키는 문제점이 있었다.

그래핀을 이용하여 회로기판이나 디스플레이용 투명전극 등을 구현할 때에는 표면에 그래핀이 형성된 전사 소재를 회로기판이나 디스플레이용 기판에 접촉시켜 그래핀을 전사하는 기술이 사용된다. 상술한 바와 같이 그래핀을 갖는 전사 소재를 제조하는 공정 중에 도핑 단계를 포함시키는 경우에도 최종 제품에 그래핀을 전사하는 동안 그래핀의 전기적 특성이 변화하는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 기판 위에 그래핀을 효과적으로 전사할 수 있는 그래핀의 전사 장치 및 전사 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 그래핀의 특성을 조정하여 기판 위에 그래핀을 전사할 수 있는 그래핀의 전사 장치 및 전사 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 기판의 표면 처리 단계를 이용해 그래핀의 전기적 특성을 조정함으로써 공정을 단순화하고 비용을 최소화할 수 있는 그래핀의 전사 장치 및 전사 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명은 기판의 표면 처리 단계를 이용해 그래핀의 특성을 조정할 수 있는 그래핀의 전사 장치 및 전사 방법을 제공한다.

본 발명에 관한 그래핀의 전사 방법은, 베이스 부재와 베이스 부재의 적어도 일측에 배치된 그래핀을 구비한 전사 소재를 준비하는 단계와, 그래핀이 전사될 기판을 준비하는 단계와, 기판과 전사 소재의 표면을 처리하는 단계와, 전사 소재와 기판을 접촉시켜 그래핀을 기판에 전사하는 단계를 포함한다.

본 발명에 있어서, 기판과 전사 소재의 표면을 처리하는 단계는, 도금액을 기판의 표면에 적용하여 도금하는 단계와 도금액을 전사 소재의 표면에 접촉시키는 도핑하는 단계를 함께 실행할 수 있다.

본 발명에 있어서, 도금액은 산을 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 기판과 전사 소재의 표면을 처리하는 단계는, 전처리 용액을 기판에 적용하여 기판의 표면을 전처리하는 단계와, 전처리 용액을 전사 소재에 접촉시켜 도핑하는 단계와, 전처리가 이루어진 기판의 표면을 도금하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 베이스 부재는 열이 가해지면 접착력이 약화되는 열박리 테이프를 개재하여 그래핀과 결합될 수 있고, 그래핀을 전사하는 단계는 전사 소재와 기판을 접합한 후 열을 가하여 베이스 부재를 제거할 수 있다.

본 발명에 있어서, 기판과 전사 소재의 표면을 처리하는 단계와 그래핀을 기판에 전사하는 단계에서, 기판과 전사 소재의 각각은 회전 가능한 롤에 감아 지지되며 롤이 회전됨에 따라 이동하는 롤투롤 방식으로 공급될 수 있다.

본 발명에 있어서, 표면 처리부는, 기판의 표면과 전사 소재의 표면에 도금액을 각각 적용하여 기판을 도금하고 전사 소재의 그래핀을 도핑할 수 있다.

본 발명에 있어서, 표면 처리부는, 기판의 표면과 전사 소재의 표면에 전처리 용액을 각각 적용하여 기판의 표면을 전처리하고 전사 소재의 그래핀을 도핑하는 전처리부와, 전처리가 이루어진 기판의 표면을 도금하는 도금부를 구비할 수 있다.

본 발명에 있어서, 베이스 부재는 열이 가해지면 접착력이 약화되는 열박리 테이프를 개재하여 그래핀과 결합될 수 있고, 그래핀의 전사 장치는 전사 부재에 열을 가하여 베이스 부재를 제거하는 박리부를 더 구비할 수 있다.

본 발명에 있어서, 소재 공급부와 기판 공급부는 각각 전사 소재와 기판을 감아 지지하며 회전 가능한 롤을 구비하여 전사 소재와 기판을 연속적으로 공급할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 그래핀의 전사 장치 및 전사 방법은, 그래핀이 전사될 대상인 기판의 표면 처리 단계를 이용해 그래핀의 특성을 조정하여 기판 위에 그래핀을 효과적으로 전사할 수 있다. 즉 전극이나 배선 등을 형성하기 위해 기판에 그래핀을 전사할 때에는 기판의 표면을 도금하거나 기판의 표면에 대해 특별한 목적의 전처리 작업을 수행하는데, 이러한 기판의 표면 처리 단계에서 그래핀의 도핑을 실시할 수 있으므로 공정과 설비를 증가시키지 않고 그래핀의 특성을 조정하여 효과적으로 그래핀을 전사할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 그래핀의 전사 방법의 단계들을 나타낸 순서도이다.
도 2는 그래핀을 구비하는 전사 소재를 준비하는 단계를 나타낸 순서도이다.
도 3은 도 1의 그래핀의 전사 방법에서 사용될 전사 소재의 준비 단계를 설명한 그래핀 성장 기판의 단면도이다.
도 4는 도 3의 그래핀 성장 기판에 접착 부재가 부착된 단계를 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 4에서 지지 기판을 제거하는 단계를 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 5에서 촉매층을 제거하는 단계를 나타낸 단면도이다.
도 7은 도 6에서 촉매층이 제거되어 완성된 전사 소재를 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 관한 그래핀의 전사 장치의 구성 요소들을 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 관한 그래핀의 전사 방법의 단계들을 나타낸 순서도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 관한 그래핀의 전사 장치의 구성 요소들을 개략적으로 나타낸 측면도이다.

이하, 첨부 도면의 실시예들을 통하여, 본 발명에 관한 그래핀의 전사 장치 및 전사 방법의 구성과 작용을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 그래핀의 전사 방법의 단계들을 나타낸 순서도이다.

도 1에 나타난 실시예에 관한 그래핀의 전사 방법은, 전사 소재를 준비하는 단계(S100)와, 그래핀이 전사될 기판을 준비하는 단계(S110)와, 기판과 전사 소재의 표면을 처리하는 단계(S120)와, 전사 소재와 기판을 접촉시켜 그래핀을 기판에 전사하는 단계(S130)를 포함한다. 그래핀을 기판에 전사한 이후에는 전사 소재의 베이스 부재를 제거하는 단계(S140)가 실행될 수 있다.

기판과 전사 소재의 표면을 처리하는 단계(S120)는 기판의 표면에 도금액을 적용하여 기판을 도금하는 단계(S121)와, 기판을 도금하는 도금액을 전사 소재의 표면에 접촉시켜 전사 소재의 표면을 도핑하는 단계(S122)를 포함한다.

도 2는 그래핀을 구비하는 전사 소재를 준비하는 단계를 나타낸 순서도로서, 도 1에 나타난 그래핀의 전사 방법에서 전사 소재를 준비하는 단계(S100)에 해당한다.

일반적으로 그래파이트(graphite)는 탄소 원자가 6각형 모양으로 연결된 판상의 2차원 그래핀 시트(graphene sheet)가 적층된 구조를 갖는다. 최근 그래파이트로부터 한층 또는 복수 개의 층의 그래핀 시트를 벗겨 내어 특성을 조사한 결과 기존의 물질과 다른 매우 유용한 특성이 발견되었다.

가장 주목할 특징으로는 그래핀 시트에서 전자가 이동할 경우 마치 전자의 질량이 제로인 것처럼 흐른다는 것이다. 이는 전자가 진공 중의 빛이 이동하는 속도, 즉 광속으로 흐른다는 것을 의미한다. 그래핀 시트는 또한 전자와 정공에 대하여 비정상적인 반정수 양자 홀 효과(half-integer quantum hall effect)를 가진다는 것이다.

현재까지 그래핀 시트의 전자 이동도는 약 20,000 내지 50,000cm2/Vs의 높은 값을 갖는 것으로 알려져 있다. 무엇보다도 그래핀 시트와 비슷한 계열인 카본나노튜브의 경우, 합성 후 정제를 거치는 경우 수율이 매우 낮기 때문에 값싼 재료를 이용하여 합성을 하더라도 최종 제품의 가격이 비싼데 그래파이트는 가격이 저렴하다.

단일벽 카본나노튜브의 경우 그 키랄성 및 직경에 따라 금속, 반도체 특성이 달라질 뿐만이 아니라, 동일한 반도체 특성을 갖더라도 밴드갭이 모두 다르다는 특징을 가지므로, 주어진 단일벽 카본나노튜브로부터 특정 반도체 성질 또는 금속성 성질을 이용하기 위해서는 각 단일벽 카본나노튜브를 모두 분리해야 될 필요가 있으며, 이는 매우 어렵다고 알려져 있다.

반면 그래핀 시트의 경우, 주어진 두께의 그래핀 시트의 결정 방향성에 따라서 전기적 특성이 변화하므로 사용자가 선택한 방향으로 전기적 특성을 발현시킬 수 있으므로 소자를 쉽게 디자인 할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 그래핀 시트의 특징은 향후 탄소계 전기 소자 또는 탄소계 전자기 소자 등에 매우 효과적으로 이용될 수 있다.

상술한 바와 같이 그래핀 시트는 매우 유용한 성질을 가지고 있지만 대면적의 그래핀 시트를 경제적인 방식으로 반복 제조하기가 어렵다. 현재까지 개발된 그래핀 시트의 제조 방법은 몇 가지로 분류할 수 있는데, 미세 기계적(micro-mechanical) 방법과 SiC 결정 열분해 방법과, 화학 기상 증착 방법(CVD)이 있다.

미세 기계적 방법은 그래파이트 시료에 스카치 테이프를 붙인 다음 스카치 테이프를 떼어내어 스카치 테이프 표면에 그래파이트로부터 떨어져 나온 그래핀 시트를 얻는 방식이다. 이 경우 떼어져 나온 그래핀 시트는 그 층의 수가 일정하지 않으며 모양도 일정하지가 않다. 이러한 방법으로는 대면적으로 그래핀 시트를 얻는 것이 불가능 하였다.

SiC 결정 열분해 방법은 SiC 단결정을 가열하게 되면 표면의 SiC는 분해되어 Si은 제거되며, 남아 있는 카본(C)에 의하여 그래핀 시트가 생성되는 원리이다. 그러나 이와 같은 열분해 방법의 경우, 출발물질로 사용하는 SiC 단결정이 매우 고가이며, 그래핀 시트를 대면적으로 얻기가 매우 어렵다는 문제가 있다.

화학 기상 증착법을 이용한 그래핀의 제조 공정은 다음과 같다.

우선, 산화 실리콘(SiO2)층을 가지는 실리콘 웨이퍼를 준비한다. 이어, Ni, Cu, Al, Fe 등의 금속 촉매를, 스퍼터링(sputtering) 장치, 전자빔 증발 장치(e-beam evaporator)등을 이용하여, 준비된 산화 실리콘(SiO2)층에 증착시켜, 금속 촉매층을 형성한다.

다음으로, 금속 촉매층이 형성된 실리콘 웨이퍼와 탄소를 포함하는 가스(CH4, C2H2, C2H4, CO등)를 열화학 기상 증착이나 유도 결합 화학 기상 증착법(ICP-CVD, Inductive Coupled Plasma Chemical Vapor Deposition)을 위한 반응기에 넣고 가열함으로써, 금속 촉매층에 탄소가 흡수되도록 한다. 이어, 급속히 냉각을 수행하여 금속 촉매층으로부터 탄소를 분리시켜 결정화시키는 방법으로, 그래핀을 성장시킨다.

도 1에 나타난 그래핀의 전사 방법에서 전사 소재를 준비하는 단계(S100)는 상술한 바와 같은 그래핀의 제조 방법들 중에서 어느 하나에 한정되는 것은 아니며 여러 가지 방법을 이용하여 전사 소재를 준비할 수 있다.

도 2를 참고하면, 전사 소재를 준비하는 단계는, 지지 기판을 준비하는 단계(S200)와, 지지 기판의 표면을 처리하는 단계(S210)와, 지지 기판의 표면에 그래핀을 형성하는 단계(S220)와, 그래핀에 베이스 부재를 결합시키는 단계(S230)와,지지 기판을 제거하는 단계(S240)와, 촉매층을 제거하는 단계(S250)를 포함한다.

도 3은 도 1의 그래핀의 전사 방법에서 사용될 전사 소재의 준비 단계를 설명한 그래핀 성장 기판의 단면도이다.

표면에 그래핀이 합성된 그래핀 성장 기판(100)은, 지지 기판(110)과, 산화층(120)과, 금속 촉매층(130)과, 그래핀(140)을 구비한다.

지지 기판(110)에는 내열성을 가지며 그래핀과의 밀착성이 높은 소재를 이용할 수 있다. 지지 기판(110)의 자체가 이러한 성질을 갖거나 표면에 이러한 성질을 갖는 소재를 코팅한 소재를 이용할 수 있다.

지지 기판(110)의 소재로 Si 기판, 글래스 기판, GaN 기판, 실리카 기판 등의 무기물 기판이나, Ni, Cu, W 등의 금속 기판 등을 사용할 수 있다. 또한 지지 기판(110)에 사용될 수 있는 소재로, 다른 예를 들면 SiO2, Si3N4, SiON, SIOF, BN, HSQ(hydrogensilsesquiloxane), 크세로겔(xerogel), 에어로겔(aero gel), 폴리 나프탈렌(poly naphthalene), 비정질 카본(carbon) 불화물(a-CF), SiOC, MSQ, 블랙 다이아몬드(black diamond) 등을 이용할 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 "그래핀(graphene)" 또는 "그래핀 시트"라는 용어는 복수 개의 탄소원자들이 서로 공유결합으로 연결되어 폴리시클릭 방향족 분자를 형성하는 그래핀이 시트 형태를 형성한 것으로서, 공유결합으로 연결된 탄소원자들은 기본 반복단위로서 6원환을 형성하나, 5원환 및/또는 7원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 따라서 그래핀 시트는 서로 공유 결합된 탄소원자들(통상 sp2 결합)의 단일층을 이룬다. 그래핀 시트는 다양한 구조를 가질 수 있으며, 이와 같은 구조는 그래핀 내에 포함될 수 있는 5원환 및/또는 7원환의 함량에 따라 달라질 수 있다.

그래핀 시트는 상술한 바와 같은 그래핀의 단일층으로 이루어질 수 있으나, 이들이 여러 개 서로 적층되어 복수층을 형성하는 것도 가능하여 최대 300층까지의 두께를 형성할 수 있다. 통상 그래핀의 측면 말단부는 수소원자로 포화된다.

금속 촉매층(130)과 지지 기판(110)의 사이에 배치되는 산화층(120)은 금속 촉매층(130)이 지지 기판(110)과 반응함으로써 그래핀 생성 효율이 저하되는 것을 억제할 수 있다. 이와 같은 산화층(120)에는 SiOx, TiN, Al2O3, TiO2, Si3N4 등의 소재를 사용할 수 있으며, 스퍼터링 등의 방법으로 지지 기판(110) 위에 형성할 수 있다. 예를 들어 산화층(120)은 산화 실리콘(SiO2)으로 이루어지며, 그 두께는 통상 300nm이상으로 형성된다.

산화층(120)의 표면에 배치된 금속 촉매층(130)은 그래파이트화 촉매로 기능하는 층으로서, 증착 챔버에 공급된 가스에 포함된 탄소 성분들이 서로 결합하여 6각형의 판상 구조를 형성하도록 도와주는 역할을 수행한다. 금속 촉매층(130)에는 그래파이트를 합성하거나, 탄화반응을 유도하거나, 카본나노튜브를 제조하는데 사용되는 촉매를 사용할 수 있다

금속 촉매층(130)은 예를 들어 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 로듐(Rh), 실리콘(Si), 탄탈럼(Ta), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 우라늄(U), 바나듐(V), 팔라듐(Pd), 이트리움(Y), 및 지르코늄(Zr)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 촉매를 포함할 수 있다. 금속 촉매층(130)은 금속 촉매를 스퍼터링(sputtering) 장치, 전자빔 증발 장치(e-beam evaporator)등을 이용하여, 준비된 지지 기판(110)에 증착하여 형성될 수 있다.

금속 촉매층(130)은 다른 방법으로도 준비될 수 있는데, 예를 들면, 금속박막(foil; 호일) 형태로 바로 제공될 수 있다. 그 경우에는 산화 실리콘(SiO₂) 소재의 산화층(120)을 갖는 실리콘 웨이퍼 소재의 지지 기판(110)을 사용하지 않을 수도 있다.

도 4는 도 3의 그래핀 성장 기판에 접착 부재가 부착된 단계를 나타낸 단면도이다.

예를 들어 열화학 기상 증착법을 이용하여 금속 촉매층(130)에 그래핀(140)이 성장되면, 그래핀(140)의 상면에 접착 부재(150)를 배치한다. 접착 부재(150)는 접착층(150a)을 개재하여 그래핀(140)에 부착될 수 있다. 접착 부재(150)는 예를 들어 PMMA(Polymetethylmethacrylate), PDMS(Polydimethylsiloxane), PET(Polyethylen Terephthalate), 폴리 이미드 필름(Polyimide film), 폴리 우레탄 필름, 유리(glass), 합성 고무, 천연 고무 등으로 이루어질 수 있다.

접착층(150a)은 단일의 층으로 형성되는데, 접착층(150a)의 소재로 포토 레지스트(Photo Resist), 수용성 폴리 우레탄 수지, 수용성 에폭시 수지, 수용성 아크릴 수지, 수용성 천연 고분자 수지, 수계 접착제, 알코올 박리 테이프, 초산 비닐 에멀젼 접착제, 핫멜트 접착제, 가시광 경화형 접착제, 적외선 경화형 접착제, 전자빔(EB) 경화형 접착제, PBI(Polybenizimidazole) 접착제, 폴리 이미드 접착제, 실리콘 접착제, 이미드 접착제, BMI(Bismaleimide) 접착제, 변성 에폭시 수지 등이 사용될 수 있다.

본 실시예에 따른 접착층(150a)은 단일의 층으로 이루어지지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 접착층은 복수개의 층으로 이루어질 수 있다.

도 5는 도 4에서 지지 기판을 제거하는 단계를 나타낸 단면도이고, 도 6은 도 5에서 촉매층을 제거하는 단계를 나타낸 단면도이며, 도 7은 도 6에서 촉매층이 제거되어 완성된 전사 소재를 나타낸 단면도이다.

접착 부재(150)에 화살표 방향의 소정의 힘(P)을 가하면, 산화층(120)과 금속 촉매층(130)의 사이가 분리될 수 있다. 산화층(120)과 금속 촉매층(130)의 사이를 분리하기 위한 힘(P)의 크기는 산화층(120)으로부터 금속 촉매층(130)이 비교적 매끄럽게 분리될 수 있을 정도의 힘의 크기를 산정하여 결정한다.

산화층(120)과 금속 촉매층(130)이 분리된 이후에는, 금속 촉매층(130)을 제거하는 에칭 단계가 실행된다. 에칭 단계는 에칭액을 금속 촉매층(130)에 분사하는 방법으로 이루어지는데, 에칭액으로는 산, 불화수소(HF), BOE(buffered oxide etch), 염화제2철(FeCl₃)용액, 질산제2철(Fe(No₃)₃)용액 등이 사용될 수 있다.

이상과 같은 방법으로 금속 촉매층(130)을 제거하면 베이스 부재(211)와, 베이스 부재(211)의 적어도 일측에 배치된 그래핀(140)을 구비한 전사 소재(210)를 얻을 수 있다. 베이스 부재(211)는 접착 부재(150)와, 접착층(150a)을 구비한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 관한 그래핀의 전사 장치의 구성 요소들을 개략적으로 나타낸 측면도이다.

도 8에 나타난 실시예에 관한 그래핀의 전사 장치는 전사 소재(210)를 공급하는 소재 공급부(10)와, 그래핀이 전사될 기판(220)을 공급하는 기판 공급부(20)와, 기판(220)과 전사 소재(210)에 표면 처리를 행하는 표면 처리부(30)와, 전사 소재(210)의 그래핀을 기판(220)에 전사하는 그래핀 전사부(60)를 구비한다.

전사 소재(210)를 공급하는 소재 공급부(10)는 도 7에 나타난 것과 같이 베이스 부재(211)와, 그래핀(140)을 구비한 전사 소재(210)를 연속적으로 공급하는 기능을 수행한다. 소재 공급부(10)는 전사 소재(210)의 양단을 각각 감아 지지하며 회전 가능한 롤러들(11, 15)을 구비한다. 소재 공급부(10)에 의해 공급되는 전사 소재(210)는 안내 롤러(12)에 의해 안내되어 표면 처리부(30)와 그래핀 전사부(60)를 통과한다.

기판(220)은 전사 소재(210)의 그래핀이 전사될 대상으로서, 기판 공급부(20)는 기판(220)을 연속적으로 공급할 수 있다. 기판 공급부(20)는 기판(220)의 양단을 각각 감아 지지하며 회전 가능한 롤러들(21, 25)을 구비한다. 기판 공급부(20)에 의해 공급되는 기판(220)은 안내 롤러(22)에 의해 안내되어 표면 처리부(30)와 그래핀 전사부(60)를 통과한다.

표면 처리부(30)는 기판(220)과 전사 소재(210)에 표면 처리를 수행하는 부분으로 챔버(31)와, 챔버(31) 내에 배치되어 기판(220)과 전사 소재(210)에 표면 처리용 물질을 공급하는 분사 유닛(32)을 구비한다. 분사 유닛(32)에 의해 공급되는 표면 처리용 물질은 기판(220)의 표면을 도금하기 위해 사용되는 도금액을 포함할 수 있다. 표면 처리부(30)에서는 기판(220)의 표면을 도금하는 도금액을 이용하여 전사 소재(210)의 표면에 형성된 그래핀을 도핑하는 단계도 함께 실행할 수 있다.

기판(220)에 회로 배선을 형성하기 위해 기판(220)의 표면에 그래핀을 전사하는 경우, 기판(220)의 표면을 처리하는 단계가 필수적으로 수행된다. 도 8에 나타난 실시예에 관한 그래핀의 전사 장치에 의하면 기판(220)의 표면을 도금하는 단계를 이용하여 전사 소재(210)의 그래핀을 도핑할 수 있으므로 공정과 설비를 증가시키지 않고 전사 소재(210)의 전사 공정에 필요한 단계를 용이하게 실시할 수 있다.

그래핀의 캐리어(전자나 정공)의 형태나 농도는 그래핀 표면에 금속이나 분자를 도입하는 도핑 공정에 의해 제어될 수 있는데, 이와 같은 도핑 공정을 이용하여 그래핀이 적용되는 제품에 맞도록 그래핀의 전기적 특성이나 광학적 특성을 조절할 수 있다.

그래핀은 0.34 ㎚의 두께를 갖는 카본 평면 구조로 이루어지며, 이차원 격자 구조를 형성한다. 그래핀은 높은 전자 이동도를 보이는 탁월한 전도체이다. 일반 소재는 두께를 높이는 경우 전도도의 향상을 얻을 수 있지만, 그래핀은 각 층이 반데르 발스(Van der walls force)에 의한 결합을 이루기 때문에 두께를 높여도 원하는 수준의 전기 전도도 향상이 이루어지지 않는다. 또한 그래핀은 하나의 레이어마다 약 2.3%의 투과율 저하가 발생하므로, 일정 수준 이상의 투명도를 유지하기 위해서는 적층할 수 있는 그래핀의 층수가 제한된다.

전기 전도율의 공식은 ρ=eμΝ로 알려져 있는데, 여기에서 e는 하전량, μ는 전자 이동도, Ν은 전하의 수를 나타낸다. 전기 전도도를 향상시키기 위해서는 화학적 도핑을 통해 전하의 수를 늘릴 수 있다.

예를 들어 표면 처리부(30)에서는 전사 소재(210)의 표면에 형성된 그래핀에 티타늄(titanium), 포타슘(potassium) 원자, 기체 분자로서 NO2, NH3, CO 등의 기체, 질산(HNO3)이나 황산(H2SO4)과 같은 산, 또는 테트라 플르오로 테트라시아노퀴노디메탄(tetrafluoro-tetracyanoquinodimethane; F4-TCNQ), 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine)의 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 도입하여 n타입이나 p타입의 도핑을 실시할 수 있다.

그러므로 기판(220)의 표면에 도금을 실시하기 위해 표면 처리부(30)에서 사용되는 도금액을 선정할 때에 전사 소재(210)의 표면의 그래핀을 도핑하기 위한 물질을 이용하거나, 도금액에 도핑용 물질로서 예를 들어 질산이나 황산 등의 산을 포함시킬 수 있다.

표면 처리부(30)를 통과하며 표면 처리가 이루어진 기판(220)과 전사 소재(210)는 그래핀 전사부(60)를 통과한다. 그래핀 전사부(60)는 전사 소재(210)와 기판(220)을 접촉시켜 전사 소재(210)의 그래핀을 기판(220)에 전사하는 기능을 수행한다. 그래핀 전사부(60)는 예를 들어 가압 롤러들(17, 27)을 구비할 수 있다.

그래핀의 전사 장치는 전사 소재(210)의 베이스 부재(211)를 제거하는 박리부(40)를 구비한다. 도 7에 도시된 전사 소재(210)에서 접착층(150a)은 열이 가해지면 접착력이 약해지는 열박리 테이프(온도 반응형 점착력 소멸 테이프; thermal release tape)로 이루어진다. 박리부(40)는 전사 소재(210)에 열을 가하는 히터(42)와, 전사 소재(210)로부터 분리된 베이스 부재(211)를 가이드하는 가이드 롤러(41)를 구비한다. 전사 소재(210)로부터 박리된 베이스 부재(211)는 소재 공급부(10)의 롤러(15)에 의해 수거된다.

도시된 실시예에서, 베이스 부재(211)의 접착층(150a)은 열박리 테이프로 이루어지고 박리부(40)는 열을 이용하여 베이스 부재(211)를 박리하지만, 본 발명은 이러한 박리부(40) 등의 구성에 의해 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 베이스 부재(211)는 자외선을 가하면 점착력이 약해지는 UV 테이프를 개재하여 그래핀에 결합되고, 박리부(40)는 전사 소재(210)에 자외선을 공급하도록 구현될 수 있다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 관한 그래핀의 전사 방법의 단계들을 나타낸 순서도이다.

도 9에 나타난 실시예에 관한 그래핀의 전사 방법은, 전사 소재를 준비하는 단계(S300)와, 그래핀이 전사될 기판을 준비하는 단계(S310)와, 기판과 전사 소재의 표면을 처리하는 단계(S320)와, 전사 소재와 기판을 접촉시켜 그래핀을 기판에 전사하는 단계(S330)를 포함한다. 기판과 전사 소재의 표면을 처리하는 단계(S320)는 기판의 표면에 전처리 용액을 적용하여 기판의 표면을 전처리하는 단계(S321)와, 전처리 용액을 전사 소재에 접촉시켜 전사 소재의 그래핀을 도핑하는 단계(S322)와, 전처리가 이루어진 기판의 표면을 도금하는 단계(S323)를 포함한다.

전사 소재를 준비하는 단계(S300)와, 기판을 준비하는 단계(S310)와, 전사 단계(S330)와 베이스 부재를 제거하는 단계(S340)는 도 1 내지 도 8에 나타난 실시예와 동일한 단계로 이루어질 수 있다.

기판과 전사 소재의 표면을 처리하는 단계(S320)는 기판의 표면을 전처리하는 단계(S321)를 실행할 때에 기판의 표면을 전처리하기 위해 사용되는 전처리 용액을 이용하여 전사 소재의 그래핀을 도핑하는 단계(S322)가 실행된다. 그리고 기판과 전사 소재의 전처리가 끝난 이후에 기판의 표면을 도금하는 단계(S323)가 별도록 실행된다.

회로 기판의 배선을 형성하거나 디스플레이의 전극을 형성하는 등의 공정을 실행할 때에 전극이나 배선 등이 형성될 기판은 반드시 표면 처리 공정을 거치게 된다. 기판의 표면에 이루어지는 표면 처리 공정은 예를 들어 불순물을 제거하거나, 도금 단계가 효과적으로 이루어지게 하기 위하여 기판의 표면에 시드층을 형성하거나, 기판과 전극이나 배선의 사이에 확산이 이루어지는 것을 방지하도록 산화막이나 질화막을 형성하는 등의 단계를 포함할 수 있다.

도 9에 나타난 실시예에 관한 그래핀의 전사 방법에 의하면, 이러한 기판의 표면 처리에 사용되는 전처리 용액을 전사 소재의 그래핀에 적용함으로써 그래핀의 도핑 효과를 얻을 수 있으므로, 별도의 공정이나 장치를 사용할 필요 없이 그래핀을 도핑하여 그래핀의 성능을 전기적 성능 및 광학적 성능을 향상시킬 수 있다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 관한 그래핀의 전사 장치의 구성 요소들을 개략적으로 나타낸 측면도이다.

도 10에 나타난 실시예에 관한 그래핀의 전사 장치는 전사 소재(210)를 공급하는 소재 공급부(10)와, 그래핀이 전사될 기판(220)을 공급하는 기판 공급부(20)와, 기판(220)과 전사 소재(210)에 표면 처리를 행하는 표면 처리부(135, 145)와, 전사 소재(210)의 그래핀을 기판(220)에 전사하는 그래핀 전사부(160)를 구비한다.

전사 소재(210)를 공급하는 소재 공급부(10)는 전사 소재(210)를 감아서 지지하며 회전 가능하게 배치된 롤러들(11, 15)에 의해 전사 소재(210)를 연속적으로 공급하는 기능을 수행한다.

기판(220)을 공급하는 기판 공급부(20)는 기판(220)을 감아서 지지하며 회전 가능한 롤러들(21, 25)에 의해 기판(220)을 연속적으로 공급할 수 있다.

표면 처리부(135, 145)는 기판(220)의 표면과 전사 소재(210)의 표면에 전처리 용액을 각각 적용하여 기판(220)의 표면을 전처리함과 동시에 전사 소재(210)의 그래핀을 도핑하는 전처리부(135)와, 전처리가 이루어진 기판(220)의 표면을 도금하는 도금부(145)를 구비한다.

전처리부(135)는 전처리를 위한 분위기를 조성하는 챔버(131)와, 전처리용 물질을 공급하는 분사 유닛(132)을 구비한다. 전사 소재(210)와 기판(220)은 각각 안내 롤러들(12, 22)을 통해 전처리부(135)의 챔버(131)로 도입될 수 있다.

기판(220)의 표면에 도금을 실시하기 위해 전처리부(135)에서 사용되는 전처리용 물질(전처리액)을 선정할 때에 전사 소재(210)의 표면의 그래핀을 도핑하기 위한 물질을 이용하거나, 전처리액에 도핑용 물질로서 예를 들어 질산이나 황산 등의 산을 포함시킬 수 있다.

전처리액은 이후의 도금 단계가 효과적으로 이루어지게 하기 위하여 기판(220)의 표면에 시드층을 형성하거나, 기판(220)과 전극이나 배선의 사이에 확산이 이루어지는 것을 방지하도록 산화막이나 질화막을 형성하는 등의 목적으로 사용될 수 있는 물질이다.

도금부(145)는 도금을 위한 분위기를 조성하는 챔버(141)와, 도금액을 공급하는 분사 유닛(142)을 구비한다.

도 10에 나타난 실시예에 관한 그래핀의 전사 장치에 의하면 기판(220)의 표면을 전처리하는 단계를 이용하여 전사 소재(210)의 그래핀을 도핑할 수 있으므로 공정과 설비를 증가시키지 않고 전사 소재(210)의 전사 공정에 필요한 단계를 용이하게 실시할 수 있다.

도금부(145)를 통과하며 도금이 이루어진 기판(220)과 전사 소재(210)는 그래핀 전사부(160)를 통과한다. 그래핀 전사부(160)는 전사 소재(210)와 기판(220)을 접촉시켜 전사 소재(210)의 그래핀을 기판(220)에 전사하는 기능을 수행한다. 그래핀 전사부(160)는 예를 들어 가압 롤러들(17, 27)을 구비할 수 있다.

그래핀의 전사 장치는 전사 소재(210)의 베이스 부재(211)를 제거하는 박리부(40)를 구비한다. 베이스 부재(211)는 열이 가해지면 접착력이 약해지는 열박리 테이프를 개재하여 그래핀에 결합되어 있으므로, 박리부(40)는 전사 소재(210)에 열을 가하는 히터(42)와, 전사 소재(210)로부터 분리된 베이스 부재(211)를 가이드하는 가이드 롤러(41)를 구비한다. 전사 소재(210)로부터 박리된 베이스 부재(211)는 소재 공급부(10)의 롤러(15)에 의해 수거된다.

본 발명은 상술한 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

10: 소재 공급부 135: 전처리부
11, 15, 21, 25: 롤러들 130: 금속 촉매층
12, 22: 안내 롤러 140: 그래핀
17, 27: 가압 롤러들 145: 도금부
20: 기판 공급부 150: 접착 부재
40: 박리부 150a: 접착층
41: 가이드 롤러 210: 전사 소재
42: 히터 211: 베이스 부재
60, 160: 그래핀 전사부 220: 기판
100: 그래핀 성장 기판 31, 131, 141: 챔버
110: 지지 기판 32, 132, 142: 분사 유닛
120: 산화층 30: 표면 처리부

Claims

베이스 부재와, 상기 베이스 부재의 적어도 일측에 배치된 그래핀을 구비한 전사 소재를 준비하는 단계;
상기 그래핀이 전사될 기판을 준비하는 단계;
상기 기판과 상기 전사 소재의 표면을 처리하는 단계; 및
상기 전사 소재와 상기 기판을 접촉시켜 상기 그래핀을 상기 기판에 전사하는 단계;를 포함하는, 그래핀의 전사 방법.
제1항에 있어서,
상기 기판과 상기 전사 소재의 표면을 처리하는 단계는, 도금액을 상기 기판의 표면에 적용하여 도금하는 단계와 상기 도금액을 상기 전사 소재의 표면에 접촉시키는 도핑하는 단계를 함께 실행하는, 그래핀의 전사 방법.
제1항에 있어서,
상기 도금액은 산을 포함하는, 그래핀의 전사 방법.
제1항에 있어서,
상기 기판과 상기 전사 소재의 표면을 처리하는 단계는, 전처리 용액을 상기 기판에 적용하여 상기 기판의 표면을 전처리하는 단계와, 상기 전처리 용액을 상기 전사 소재에 접촉시켜 도핑하는 단계와, 전처리가 이루어진 상기 기판의 표면을 도금하는 단계를 포함하는, 그래핀의 전사 방법.
제1항에 있어서,
상기 베이스 부재는 열이 가해지면 접착력이 약화되는 열박리 테이프를 개재하여 상기 그래핀과 결합되고, 상기 그래핀을 전사하는 단계는 상기 전사 소재와 상기 기판을 접합한 후 열을 가하여 상기 베이스 부재를 제거하는, 그래핀의 전사 방법.
제1항에 있어서,
상기 기판과 상기 전사 소재의 표면을 처리하는 단계 및 상기 그래핀을 상기 기판에 전사하는 단계에서, 상기 기판과 상기 전사 소재의 각각은 회전 가능한 롤에 감아 지지되며 상기 롤이 회전됨에 따라 이동하는 롤투롤 방식으로 공급되는, 그래핀의 전사 방법.
베이스 부재와 그래핀을 구비한 전사 소재를 공급하는 소재 공급부;
상기 그래핀이 전사될 기판을 공급하는 기판 공급부;
상기 기판과 상기 전사 소재에 표면 처리를 행하는 표면 처리부; 및
상기 전사 소재와 상기 기판를 접촉시켜 상기 그래핀을 상기 기판에 전사하는 그래핀 전사부;를 구비하는, 그래핀의 전사 장치.
제7항에 있어서,
상기 표면 처리부는, 상기 기판의 표면과 상기 전사 소재의 표면에 도금액을 각각 적용하여 상기 기판을 도금하고 상기 전사 소재의 상기 그래핀을 도핑하는, 그래핀의 전사 장치.
제7항에 있어서,
상기 표면 처리부는, 상기 기판의 표면과 상기 전사 소재의 표면에 전처리 용액을 각각 적용하여 상기 기판의 표면을 전처리하고 상기 전사 소재의 상기 그래핀을 도핑하는 전처리부와, 전처리가 이루어진 상기 기판의 표면을 도금하는 도금부를 구비하는, 그래핀의 전사 장치.
제7항에 있어서,
상기 베이스 부재는 열이 가해지면 접착력이 약화되는 열박리 테이프를 개재하여 상기 그래핀과 결합되고, 상기 전사 부재에 열을 가하여 상기 베이스 부재를 제거하는 박리부를 더 구비하는, 그래핀의 전사 장치.
제7항에 있어서,
상기 소재 공급부와 상기 기판 공급부는 각각 상기 전사 소재와 상기 기판을 감아 지지하며 회전 가능한 롤을 구비하여, 상기 전사 소재와 상기 기판을 연속적으로 공급하는 그래핀의 전사 장치.