KR20120029663A - 레이저를 이용한 그래핀 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀, 이를 위한 제조장치 - Google Patents

레이저를 이용한 그래핀 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀, 이를 위한 제조장치 Download PDF

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Abstract

레이저를 이용한 그래핀 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀, 이를 위한 제조장치가 제공된다.
본 발명에 따른 레이저를 이용한 그래핀 제조방법은 SiC 기판에 레이저 빔을 조사하는 단계; 상기 조사된 레이저 빔에 의하여 SiC 기판의 실리콘이 승화하며, 이에 따라 잔류하는 탄소가 그래핀 구조로 성장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하며, 본 발명의 그래핀 제조방법에 따르면, 본 발명의 그래핀 제조방법에 따르면, 저진공 또는 고진공 조건 속에서 레이저 빔을 이용하여 국소적 고온영역을 나노초 단위로 형성하여 SiC 기판의 실리콘을 승화시켜 그래핀을 성장시킨다. 따라서, 원하는 패턴으로 그래핀을 제조할 수 있고, 레이저 빔의 조사 영역을 가변적으로 구성함으로써, 대면적 그래핀 단일층이 제조가능하다.

Description

레이저를 이용한 그래핀 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀, 이를 위한 제조장치{Method for manufacturing graphene, graphene manufactured by the same, manufacturing device for the same}
본 발명은 레이저를 이용한 그래핀 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀, 이를 위한 제조장치에 관한 것이다. 보다 상세하게 본 발명은 저진공 또는 고진공 조건 속에서 레이저 빔을 이용하여 국소적 고온영역을 나노초 단위로 형성하여 SiC기판의 실리콘을 승화시켜 그래핀을 성장시킴으로써 원하는 패턴의 그래핀을 제조할 수 있는 레이저를 이용한 그래핀 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀, 이를 위한 제조장치에 관한 것이다.
그래핀(graphene)은 탄소원자가 2차원(2D) 격자 내로 채워진 평면 단일층 구조를 의미하며, 이것은 모든 다른 차원구조의 흑연(graphite) 물질의 기본 구조를 이룬다. 즉, 상기 그래핀은 0차원 구조인 풀러린(fullerene), 1차원 구조인 나노튜브 또는 3차원 구조로 적층된 흑연의 기본 구조가 될 수 있다. 2004년 Novoselev 등은 SiO2/Si 기판의 상부 상에서 프리-스탠딩 그래핀 단일층을 수득하였다고 보고하였으며, 이것은 기계적인 미세 분할법에 의하여 실험적으로 발견되었다.
최근 많은 연구그룹들이 그래핀이 갖는 허니콤(벌집) 형태의 결정 구조, 두 개의 상호침투하는 삼각 형태의 하위 격자 구조, 및 하나의 원자 크기에 해당하는 두께 등에 의하여 그래핀이 특이한 물리적 특성(예를 들면 제로 밴드갭)을 보이는 점에 주목한다. 또한 그래핀은 특이한 전하 운송 특성을 갖는데, 이로 인하여 그래핀은 종래에는 관찰되지 않았던 독특한 현상을 보여준다. 예를 들면, 반정수 양자 홀 효과 및 바이폴라 초전류 트랜지스터 효과 등이 그 예이며, 이 또한 상기 설명한 그래핀의 특유한 구조에 기인하는 것으로 여겨진다.
이와 같은 그래핀 단일층은 면저항이 작아 전도성 물질, 예를 들면 ITO와 같은 투명전도성 산화막을 대체할 수 있는 전극물질로 여겨지고 있다. 또한, 고품질의 단일층 그래핀을 성장시키고, 그 밴드 갭을 제어할 수 있다면, 그래핀은 실리콘을 대체할 수 있는 차세대 반조체 소자로서도 활용될 수 있다.
하지만, 그래핀 단일층을 대면적으로 균일하게 제조, 형성하는 것은 상당히 어려운 난제이다.
현재 그래핀의 제조방법은 액상에서 그래핀 산화물 필름을 제조한 후, 이를 환원시키는 액상 방식과 고온의 챔버에서 메탄, 수소가스를 공급하는 기상 방식이 있다. 하지만, 고온의 온도조건이 요구되고, 또한 대면적의 그래핀(단일층)을 제조하기 어렵다는 문제가 있다.
따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는 대면적의 그래핀 제조가 가능한 그래핀 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 상술한 방법에 의하여 제조된 그래핀을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 대면적의 그래핀 제조가 가능한 그래핀 제조장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 그래핀 제조방법으로, 상기 방법은 SiC 기판에 레이저 빔을 조사하는 단계; 및 상기 조사된 레이저 빔에 의하여 SiC 기판의 실리콘이 승화하며, 이에 따라 잔류하는 탄소가 그래핀 구조로 성장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 레이저 빔은 SiC 기판의 일 영역에 조사되며, 레이저 빔이 조사된 상기 일 영역에서 그래핀이 성장한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 방법은, 상기 SiC 기판의 이동에 따라 상기 레이저 빔에 의하여 그래핀이 성장하는 영역이 이동된다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 방법은, 상기 레이저 빔의 이동에 따라 상기 레이저 빔에 의하여 그래핀이 성장하는 영역이 이동된다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 그래핀 성장 단계의 온도는 900 내지 2000℃이며, 상기 그래핀 성장 단계의 압력 조건은 1.0 X 10-5 ~ 1.0 X 10-12 torr이다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 레이저 빔은 엑시머 레이저 또는 고체 레이저이다.
본 발명은 상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 상술한 방법에 의하여 제조된 그래핀을 제공하며, 상기 그래핀은 레이저 빔이 조사되는 SiC 기판에서 성장한다.
본 발명은 상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 상술한 그래핀을 포함하는 전극재료를 제공한다.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 그래핀 제조장치로서, SiC 기판이 내부에 적치되는 챔버; 챔버에 적치된 상기 SiC 기판에 레이저 빔을 조사하는 레이저 빔 조사 수단; 및 상기 레이저 빔 조사 수단을 이동시키는 이동수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 그래핀 제조장치로서, SiC 기판이 내부에 적치되는 챔버; 상기 챔버에 적치된 상기 SiC 기판에 레이저 빔을 조사하는 레이저 빔 조사 수단; 및 챔버 내의 SiC 기판을 이동시키는 기판 이동수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 레이저 빔의 조사에 따라 SiC 기판 온도는 900 내지 2000℃로 상승하며, 이로부터 실리콘이 승화된다. 또한 상기 챔버의 압력 조건은 1.0 X 10-5 ~ 1.0 X 10-12 torr이다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 압력 조건은 상기 챔버에 주입된 수소를 배출시킴으로써 형성된다.
본 발명의 그래핀 제조방법에 따르면, 저진공 또는 고진공 조건 속에서 레이저 빔을 이용하여 국소적 고온영역을 나노초 단위로 형성하여 SiC 기판의 실리콘을 승화시켜 그래핀을 성장시킨다. 따라서, 원하는 패턴으로 그래핀을 제조할 수 있고, 레이저 빔의 조사 영역을 가변적으로 구성함으로써, 대면적 그래핀 단일층이 제조가능하다.
도 1 내지 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조방법의 단계도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조장치에 따른 레이저 빔과 기판을 설명하는 모식도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 챔버(13)의 모식도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 그래핀 제조장치의 전체 모식도이다.
이하, 본 발명의 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 본 명세서 전반에 걸쳐 표시되는 약어는 본 명세서 내에서 별도의 다른 지칭이 없다면 당업계에서 통용되어, 이해되는 수준으로 해석되어야 한다.
본 발명은 SiC 기판에 레이저 빔을 조사하는 방식의 그래핀 제조방법을 제공한다. 즉, 레이저 빔을 기판에 조사함에 따라 SiC 기판의 소정 깊이 이내의 실리콘은 증발(승화)하며, 탄소만 기판에 남게 되며, 잔류하는 기판 표면의 탄소는 계속 조사되는 레이저 빔에 의하여 그래핀 형태로 성장하게 된다. 본 발명에서는 레이저 빔을 조사하는 동안 환원분위기를 만들기 위하여, 수소가스를 흘리게 된다. 만약, 본 발명에서와 같이 환원분위기가 아닌 상황에서 레이저 빔에 의하여 성장된 그래핀은 손쉽게 그래핀 산화물로 산화되는 문제가 있다.
즉, 본 발명의 메탄 등과 같은 별도의 탄소공급원을 제공하지 않고 기판 자체의 탄소를 그래핀 성장의 공급원으로 사용할 수 있다는 장점이 있다. 더 나아가, 레이저 빔의 조사 영역을 이동시킴으로써 원하는 형태의 그래핀 단일층을 제조할 수 있고, 대면적의 그래핀 또한 제조 가능하다.
이하 도면을 이용하여 본 발명에 따른 그래핀 제조방법을 보다 상세히 설명한다.
도 1 내지 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조방법의 단계도이다.
도 1을 참조하면, SiC 기판(101)이 개시된다. SiC 기판은 실리콘과 탄소가 단결정을 이루는 기판으로, 본 발명은 SiC 기판(101)을 레이저 빔으로 조사함으로써 기판 내의 탄소를 그래핀으로 성장시키는 방식의, 그래핀 제조방법을 제공한다. 따라서 본 발명에서 SiC 기판은 그래핀의 탄소 공급원이 된다.
도 2를 참조하면, SiC 기판(101)의 일 영역에 대하여 레이저 빔이 조사된다. 본 발명의 일 실시예에서 레이저 빔은 엑시머 레이머이고, 조사시간은 나노초에서 밀리초 수준이었다. 또한 파워는 2 내지 100W 수준이었으며, 레이저 빔의 라인 폭은 2 내지 4㎛, 길이는 수 센티미터 수준이었다. 하지만, 본 발명의 범위는 상술한 레이저 빔의 종류와 조건에 제한되지 않으며, 고체 레이저 등도 사용될 수 있다. 레이저 빔의 조사에 따라 레이저 빔이 조사된 기판(101) 영역은 900 내지 2000℃로 상승하며, 이에 따라 기판의 실리콘은 증발된다. 따라서, 본 발명에서 사용된 레이저 빔의 범위는 그 종류와 치수에 관계없이 조사된 기판의 온도를 900 내지 2000℃ 수준으로 상승시킬 수 있는 임의의 모든 레이저 빔을 다 포함한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서 상기 그래핀 성장 단계에서의 압력, 즉, 기판이 내부에 적치되어, 레이저 빔이 조사되는 닫힌 공간의 압력 조건은 고진공인 1.0 X 10-5 ~ 1.0 X 10-12 torr일 수 있다. 만약 상기 진공범위 미만인 경우, 외부의 활성 기체로 인한 그래핀 오염 등의 문제가 발생할 수 있다.
더 나아가, 본 발명의 일 실시예는 상기 챔버에 먼저 수소를 주입하여, 주소 분위기를 만든 후, 진공 챔버 등을 통하여 수소를 챔버 외부로 배출시킴으로써 환원분위기의 고진공 조건을 만들었다. 이로써 미량으로 존재할 수 있는 산소 등에 의한 그래핀의 산화를 미리 완전히 방지할 수 있다. 하지만, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않으며, 적어도 발생된 실리콘 기체의 외부 방출이 가능한 수준의 모든 진공 조건이 본 발명의 범위에 속한다.
도 3을 참조하면, 도 2의 레이저 빔 조사에 따라 SiC 기판(101)의 일부 영역에서 단일층 그래핀(104)이 성장한다. 이때, 그래핀층(104)의 성장은 레이저 빔에 노출된 기판 영역에서만 진행되므로, 원하는 패턴으로의 그래핀 제조가 가능하다.
도 4를 참조하면, 도 2 및 3에서 레이저 빔이 조사되어 그래핀이 성장한 기판의 일 영역 이외의 타 영역으로 레이저 빔이 조사된다. 즉, 본 발명은 기판에 조사되는 레이저 빔을 이동시킴으로써, 그래핀의 성장 영역을 이동시키는데, 이를 위하여 레이저 빔이 이동하거나 또는 기판 자체가 이동하는 방식 모두 가능하다. 도 4에서는 그래핀이 성장한 영역의 오른쪽 영역으로 레이저 빔을 조사한다. 특히 이때 레이저 빔이 가지는 작은 라인 폭 때문에, 그래핀 성장 영역의 정밀한 제어가 가능하다.
도 5를 참조하면, 도 4에 따른 레이저 빔 조사에 따라 SiC 기판(101)에 그래핀층(104)이 성장한다. 상기 그래핀층(104)의 성장은 기성장한 그래핀층과 연결되며, 이로써 도 3에 비하여 대면적의 그래핀층(104)이 형성된다.
도 6 및 7은 또 다른 기판의 일 영역에 대하여, 레이저 빔을 조사하여, 그래핀층(104)이 성장하는 모습을 나타낸다.
도 8은 상술한 방식의 레이저 빔 조사를 복수 회 진행하여, SiC 기판(101) 상에 대면적의 그래핀층(104)을 성장, 제조한 모습을 나타낸다.
즉, 본 발명에 따른 방법에 의하여 제조된 그래핀은 SiC 기판(101)에서 레이저 빔의 조사에 따라 실리콘이 증발하면서 성장하며, 이와 같은 그래핀은 단일층으로, ITO와 같은 전극재료로 사용될 수 있다. 더 나아가, 상기 그래핀의 상부에 트랜지스터 소자를 형성하는 경우, 그래핀은 실리콘과 유사한 반도체 소자로 사용될 수 있다.
본 발명은 상술한 그래핀 제조방법에 따라 그래핀을 제조하기 위한 그래핀 제조장치를 제공한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조장치에 따른 레이저 빔과 기판을 설명하는 모식도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 그래핀 제조장치는 그래핀이 성장하는 SiC 기판(11)에 레이저 빔을 조사하기 위한 레이저 빔 조사 수단(12)를 포함한다. 상기 레이저 빔에 의하여 조사되는 레이저 빔은 기판에 다양한 패턴으로 조사될 수 있으며, 도 9에 도시된 레이저 빔 패턴으로 본 발명의 범위가 제한되지 않는다. 레이저 빔이 조사되는 기판은 레이저 빔 조사 수단(12)가 구비된 챔버 내부에 적치된다.
도 10은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 챔버(13)의 모식도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명 일 실시예에 따른 그래핀 제조장치의 챔버(13)는 외부와 차단된 진공 챔버 형태로서, 챔버(13) 외부의 진공라인(미도시)가 연결되는 제 1 홀(15) 및 기판(w)이 놓이는 플레이트(17)을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 챔버 내의 진공 조건은 하기 설명되는 제 2 홀을 통하여 수소 기체를 주입한 후, 이를 제 1 홀(15)을 통하여 배출시키는 방식으로 형성되며, 이를 통하여 그래핀의 산화를 미리 방지한다.
상기 플레이트(17)에는 기판의 온도를 미리 상승시킬 수 있는 가열수단(미도시)이 더 구비될 수 있으며, 이로써 레이저 빔 조사에 의한 그래핀 성장을 보다 빨리 촉진시킬 수 있다. 또한, 상기 챔버(13)의 외벽에는 내부에 기체(예를 들면, 그래핀 도핑이 필요한 경우, 도핑가스, 또는 불활성가스)를 공급하기 위한 또 다른 제 2 홀(19)이 더 구비된다.
도 11은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 그래핀 제조장치의 전체 모식도이다.
도 11을 참조하면, 레이저 빔 발생부(21)로부터 생성된 레이저 빔은 광학시스템(23) 및 마스크 스테이지(25)를 거친 후, 기판이 내부에 적치된 챔버(27)로 조사된다. 상기 챔버(27)는 도 9 및 10에서 설명한 챔버(13)에 대응하는 것으로, 별도의 진공시스템과 가스시스템이 연결될 수 있다.
본 발명은 특히 대면적으로의 그래핀 성장을 위하여, 기판 자체를 이동시키는 수단 또는 레이저 빔을 이동시키는 수단을 더 포함할 수 있다. 이로써 원하는 영역에서의 선택적인 그래핀 성장이 가능하다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. 그래핀 제조방법으로, 상기 방법은
    SiC 기판에 레이저 빔을 조사하는 단계; 및
    상기 조사된 레이저 빔에 의하여 SiC 기판의 실리콘이 승화하며, 이에 따라 잔류하는 탄소가 그래핀 구조로 성장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 SiC 기판의 일 영역에 조사되며, 레이저 빔이 조사된 상기 일 영역에서 그래핀이 성장하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 방법은
    상기 SiC 기판의 이동에 따라 상기 레이저 빔에 의하여 그래핀이 성장하는 영역이 이동되는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 방법은
    상기 레이저 빔의 이동에 따라 상기 레이저 빔에 의하여 그래핀이 성장하는 영역이 이동되는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 그래핀 성장 단계의 온도는 900 내지 2000℃인 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 그래핀 성장 단계의 압력 조건은 1.0 X 10-5 ~ 1.0 X 10-12 torr인 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 엑시머 레이저 또는 고체 레이저인 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 제조된 그래핀.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 그래핀은 레이저 빔이 조사되는 SiC 기판에서 성장하는 것을 특징으로 하는 그래핀.
  10. 제 9항에 따른 그래핀을 포함하는 전극재료.
  11. 그래핀 제조장치로서,
    SiC 기판이 내부에 적치되는 챔버;
    챔버에 적치된 상기 SiC 기판에 레이저 빔을 조사하는 레이저 빔 조사 수단; 및
    상기 레이저 빔 조사 수단을 이동시키는 이동수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조장치.
  12. 그래핀 제조장치로서,
    SiC 기판이 내부에 적치되는 챔버;
    챔버에 적치된 상기 SiC 기판에 레이저 빔을 조사하는 레이저 빔 조사 수단; 및
    챔버 내의 SiC 기판을 이동시키는 기판 이동수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조장치.
  13. 제 11항 또는 제 12항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 조사에 따라 SiC 기판 온도는 900 내지 2000℃로 상승하며, 이로부터 실리콘이 승화되는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조장치.
  14. 제 11항 또는 제 12항에 있어서,
    상기 챔버의 압력 조건은 1.0 X 10-5 ~ 1.0 X 10-12 torr인 것을 특징으로 하는 그래핀 제조장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 압력 조건은 상기 챔버에 주입된 수소를 배출시킴으로써 형성된 것을 특징으로 하는 그래핀 제조장치.
KR1020100091599A 2010-09-16 2010-09-17 레이저를 이용한 그래핀 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀, 이를 위한 제조장치 KR20120029663A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20140084477A (ko) * 2012-12-26 2014-07-07 재단법인 포항산업과학연구원 그래핀 합성장치 및 그래핀 합성 방법
CN112522780A (zh) * 2020-10-13 2021-03-19 山东天岳先进科技股份有限公司 一种在碳化硅衬底上外延生长石墨烯的方法及装置

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CN112522780B (zh) * 2020-10-13 2021-08-31 山东天岳先进科技股份有限公司 一种在碳化硅衬底上外延生长石墨烯的方法及装置

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