KR20130024361A - 자장여과 아크 소스 장치를 이용한 그래핀의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 그래핀 - Google Patents

자장여과 아크 소스 장치를 이용한 그래핀의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 그래핀 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자장여과 아크 소스 장치를 이용한 그래핀의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 그래핀에 관한 것으로, 상세하게는 기판 상부에 촉매금속층을 형성시키는 단계(단계 1); 탄소소재 음극을 포함하는 자장여과 아크 소스(Filtered vacuum arc source) 장치의 탄소소재 음극을 플라즈마화 시켜 상기 단계 1에서 형성된 촉매금속층 상부로 10 내지 40 nm 두께로 비정질 탄소박막을 형성시키는 단계(단계 2); 상기 단계 2에서 형성된 비정질 탄소박막을 열처리하는 단계(단계 3); 및 상기 단계 3의 열처리가 수행된 박막을 냉각하여 그래핀층을 형성시킨 후, 기판을 분리하는 단계(단계 4)를 포함하는 그래핀 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 자장여과 아크 소스 장치를 이용한 그래핀의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 그래핀은 취급이 어려운 수소가스를 사용하지 않고 흑연을 원료로 하여 그래핀을 제조할 수 있고, 제조되는 그래핀의 두께를 제어할 수 있다. 또한, 우수한 기계적 특성 및 전기적 특성을 나타내는 그래핀을 높은 생산성으로 제조할 수 있으며, 결함이 적은 고품위의 그래핀이 제조되는 효과가 있다.

Description

자장여과 아크 소스 장치를 이용한 그래핀의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 그래핀{Fabrication method of graphene using filtered vacuum arc source, and the graphene thereby}
본 발명은 자장여과 아크 소스 장치를 이용한 그래핀의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 그래핀에 관한 것이다.
일반적으로 그래파이트(graphite)는 탄소 원자가 6각형 모양으로 연결된 판상의 2차원 그래핀(graphene)이 적층되어 있는 구조이다. 최근 그래파이트로부터 한층 또는 수층의 그래핀을 벗겨 내어, 특성을 조사한 결과 기존의 물질과 다른 매우 유용한 특성이 발견되었다. 가장 주목할 특징으로는 그래핀 상에 전자가 이동할 경우 마치 전자의 질량이 제로인 것처럼 흐른다는 것이며, 이는 전자가 진공 중의 빛이 이동하는 속도, 즉 광속으로 흐른다는 것을 의미한다. 또한, 상기 그래핀은 전자와 정공에 대하여 비정상적인 반정수 양자 홀 효과(half-integer quantum hall effect)를 갖는다.
현재까지 알려진 상기 그래핀의 이동도는 약 20,000 내지 50,000 cm2/Vs의 높은 값을 가진다고 알려져 있다. 무엇보다도 상기 그래핀과 비슷한 계열인 카본나노튜브의 경우, 합성 후 정제를 거치는 경우 수율이 매우 낮기 때문에 값싼 재료를 이용하여 합성을 하더라도 최종 제품의 가격은 비싼 반면, 그래파이트는 매우 싸다는 장점이 있으며, 단일벽 카본나노튜브의 경우 키랄성 및 직경에 따라 금속, 반도체 특성이 달라질 뿐만이 아니라, 동일한 반도체 특성을 가지더라도 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 그래핀의 경우, 주어진 두께의 그래핀의 결정 방향성에 따라서 전기적 특성이 변화하므로 사용자가 선택 방향으로의 전기적 특성을 발현시킬 수 있으므로 소자를 쉽게 설계할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 그래핀의 특징은 향후 탄소계 전기 소자 또는 탄소계 전자기 소자 등에 매우 효과적으로 이용될 수 있다.
그러나, 이와 같은 그래핀은 매우 유용한 성질을 가지고 있음에도 불구하고 경제적이고 대면적으로 재현성있게 제조할 수 있는 방법은 현재까지 개발되지 않았다.
그래핀의 대표적인 제조방법으로는 기계적인 방법, 화학기상증착법(Chemical vapor deposition,CVD) 및 화학적 방법 등이 있다.
기계적인 방법은 스카치 테이프를 이용해 흑연으로부터 그래핀을 떼어내는 것으로, 제조된 그래핀의 크기가 수십~수백 마이크로에 이를 정도로 크며, 그래핀 본연의 성질이 손상되지 않은 온전한 그래핀을 얻을 수 있다. 하지만, 대량생산에 적합하지 않고, 원료로 흑연만을 사용하여야 하는 문제가 있다.
화학적 기상 증착법은 기체상의 성분들이 화학적으로 반응하여 특정 금속이 증착된 기판표면으로 그래핀 박막을 형성시키는 방법이다. 화학기상증착법을 통해 비교적 결함이 적은 그래핀을 얻을 수 있지만, 생산 비용이 높을 뿐 아니라 과량의 수소가스를 사용하고, 제조된 그래핀의 두께와 분포를 제어하기 어려운 문제가 있다.
화학적 방법은 강한 산화제를 이용하여 흑연을 산화시켜 그래핀 옥사이드로 만든 후, 화학적 또는 열적 환원방법을 통해 그래핀 옥사이드에서 그래핀을 얻는 방법이다. 화학적 환원 방법은 하이드라진(N2H4) 또는 수산화칼륨 등을 첨가하여 환원 반응을 유도하며, 열적 환원 방법은 진공 혹은 수소 기체 등의 분위기에서 고온 열처리를 해 줌으로써 환원 반응을 유도한다. 상기와 같은 화학적 방법으로 수 마이크로 크기의 그래핀을 값싸게 대량 생산할 수 있으며, 그래핀을 얻는 과정 중 거치게 되는 그래핀 옥사이드의 기능기를 이용해 또 다른 기능기나, 금속 입자 등을 붙일 수 있어 그 활용이 보다 광범위하지만, 화학적 방법을 통해 만든 그래핀은 결함이 많이 존재하여, 전기적 성질이 비교적 떨어진다는 문제가 있다.
한편, 대한민국 공개특허 제10-2009-0108231호 (출원일 2009년 11월 10일)에서는 촉매합금을 이용한 그래핀 제조방법이 개시된 바 있으며, 원료로 탄화수소 가스를 이용하고, 화학기상증착법을 통해 그래핀을 제조하고 있으며,
대한민국 공개특허 제10-2009-0109283호 (출원일 2009년 11월 12일)에서는 대면적 그래핀의 제조방법 및 전사방법이 개시된 바 있으며, CH4, C2H2, C2H4, CO 와 같은 탄소를 포함하는 원료가스를 화학기상증착방법을 통해 그래핀으로 제조하고 있다.
또한, 대한민국 공개특허 제10-2009-0121009호 (출원일 2009년 12월 08일)에서는 그래핀 필름 및 그래핀 파우더의 제조 방법이 개시된 바 있으며, 흑연을 산화시켜 그래핀 옥사이드(graphene oxide)를 제조한 후, 이를 환원시켜 그래핀 필름을 제조하고 있다.
그러나, 상기 종래의 제조방법들은 그래핀의 기계적 성질 및 전기적 성질을 완벽하게 재현하지 못하는 문제가 있다.
한편, 표면구조 제어에 있어서 RF 플라즈마, DC 플라즈마 및 아크 플라즈마와 같은 다양한 플라즈마 소스를 이용한 연구가 진행되고 있으며, 특히 고밀도 플라즈마를 통해 고속 처리가 가능한 아크 플라즈마에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 아크 방전은 저전압, 고전류의 방전 형태로 수십 V 이내의 전압에서 수백 A급의 전류를 발생시킨다. 아크 방전이 발생된 경우 음극의 국부적 용융에 의해 음극재료의 급격한 증발이 일어나며, 음극 증기 플라즈마의 강력한 제트가 형성되고, 이를 이용하여 미세구조물의 형상제어를 수행할 수 있다.
본 발명자들은, 전기 전도도 및 기계적 성질이 우수한 그래핀의 제조방법에 대해 연구하던 중, 상기 자장 여과 아크 소스(Filtered Vacuum Arc Source, FVAS) 장치를 이용하여 그래핀을 제조하는 방법을 개발하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 자장여과 아크 소스 장치를 이용한 그래핀의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 그래핀을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
기판 상부에 촉매금속층을 형성시키는 단계(단계 1);
탄소소재 음극을 포함하는 자장여과 아크 소스(Filtered vacuum arc source) 장치의 탄소소재 음극을 플라즈마화 시켜 상기 단계 1에서 형성된 촉매금속층 상부로 10 내지 40 nm 두께로 비정질 탄소박막을 형성시키는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 형성된 비정질 탄소박막을 열처리하는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3의 열처리가 수행된 박막을 냉각하여 그래핀층을 형성시킨 후, 기판을 분리하는 단계(단계 4)를 포함하는 그래핀 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 자장여과 아크 소스 장치를 이용한 그래핀의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 그래핀은 취급이 어려운 수소가스를 사용하지 않고 흑연을 원료로 하여 그래핀을 제조할 수 있고, 제조되는 그래핀의 두께를 제어할 수 있다. 또한, 우수한 기계적 특성 및 전기적 특성을 나타내는 그래핀을 높은 생산성으로 제조할 수 있으며, 결함이 적은 고품위의 그래핀이 제조되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 제조방법에서 사용되는 자장여과 아크 소스(Filtered vacuum arc source)장치를 개략적으로 나타낸 모식도이고;
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 제조방법으로 그래핀이 형성되는 것을 나타낸 모식도이고;
도 4는 본 발명에 따른 제조방법에서 열처리가 수행되는 온도 및 시간을 나타낸 그래프이고;
도 5는 비정질탄소박막의 두께에 따른 라만 스펙트럼을 분석한 그래프이고;
도 6은 열처리온도에 따른 라만 스펙트럼을 분석한 그래프이고;
도 7은 비정질탄소박막의 두께에 따른 변화를 광학현미경으로 관찰한 사진이고;
도 8은 열처리온도에 따른 변화를 광학현미경으로 관찰한 사진이다.
본 발명은
기판 상부에 촉매금속층을 형성시키는 단계(단계 1);
탄소소재 음극을 포함하는 자장여과 아크 소스(Filtered vacuum arc source) 장치의 탄소소재 음극을 플라즈마화 시켜 상기 단계 1에서 형성된 촉매금속층 상부로 10 내지 40 nm 두께로 비정질 탄소박막을 형성시키는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 형성된 비정질 탄소박막을 열처리하는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3의 열처리가 수행된 박막을 냉각하여 그래핀층을 형성시킨 후, 기판을 분리하는 단계(단계 4)를 포함하는 그래핀 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 그래핀 제조방법에 있어서, 단계 1은 기판 상부에 촉매금속층을 형성시키는 단계이다.
단계 1의 상기 기판은 SiO2/Si 기판, 실리카 기판, 글래스(glass) 기판 등을 사용할 수 있고, 상기 촉매금속으로는 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 백금(Pt), 구리(Cu), 루테늄(Ru) 등의 금속을 사용할 수 있다. 상기 촉매금속들은 탄소가 용해될 수 있는 금속들로써, 탄소가 용해되어 용액(solution)을 형성하되, 탄소와 반응하지 않는 물질이다. 즉, 상기 촉매금속층을 형성시킴으로써 탄소를 용해시키고, 용해된 탄소를 냉각하여 그래핀을 형성시킬 수 있으며, 상기 촉매금속으로 그래핀과의 격자상수 차이가 거의 없으며, 그래핀 성장을 위한 최적의 탄소 용해도를 나타내는 니켈을 사용하는 것이 가장 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 상기 단계 1의 촉매금속층의 두께는 100 내지 300nm인 것이 바람직하며, 상기 촉매금속층의 두께가 100nm 미만인 경우에는 촉매금속층이 박리되는 문제가 있고, 촉매금속층의 두께가 300nm를 초과하는 경우에는 촉매금속층에 용해된 탄소들이 촉매금속층 표면으로 석출(diffuse-out)되지 않는 문제가 있다.
또한, 상기 촉매금속층의 형성은 스퍼터링(sputtering)을 통해 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 그래핀 제조방법에 있어서, 단계 2는 탄소소재 음극을 포함하는 자장여과 아크 소스(Filtered vacuum arc source) 장치의 탄소소재 음극을 플라즈마화 시켜 상기 단계 1에서 형성된 촉매금속층 상부로 10 내지 40 nm 두께로 비정질 탄소박막을 형성시키는 단계이다.
진공 아크는 높은 전류 및 낮은 전압에서의 전기 방전으로, 방전에 의해 기화되고 이온화된 전극 물질로 이루어진 플라즈마를 통하여 전류가 흐르게 된다. 이러한 진공 아크를 이용하여 증착을 수행하는 음극 아크 증착은 음극 표면의 임의의 아주 작은 점이 음극 점(Cathode Spot: 방전에 의해 전류가 흐르는 위치)으로 작용하여 전류가 흐르기 시작하고, 이로 인하여 전기 저항 열이 발생한다. 이때, 발생된 극소 부분의 열이 음극 물질을 녹이면서 플라즈마가 초음속으로 반대 극으로 발사되어 증착이 수행된다. 그러나, 음극이 녹으며 발생하는 대형 미립자(Macro Particle)는 증착 결과물의 품질을 저하시키는 문제가 있으며, 이를 해결하기 위하여 다양한 거대입자 제거방법들이 제안되고 있다. 특히, 자장필터를 이용하여 거대입자를 제거하는 자장여과 아크 소스(Filtered vacuum arc source)장치를 이용할 경우 거대입자를 효과적으로 제거하고 증착을 수행할 수 있다.
이에 상기 단계 2에서는 탄소소재 음극을 포함하는 자장여과 아크 소스(Filtered vacuum arc source) 장치를 통해 탄소소재 음극을 플라즈마화 시킨 후, 상기 플라즈마를 이용하여 단계 1에서 형성된 촉매금속층 상부로 비정질 탄소박막을 형성시킨다. 이를 통해 고품질의 탄소박막을 형성할 수 있으며, 예를 들어 도 1에 개략적으로 나타낸 자장여과 아크 소스 장치를 이용하여 비정질 탄소박막을 형성할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 그래핀 제조방법에서 사용하는 자장여과 아크 소스 장치는 더욱 바람직하게는 대한민국 공개특허 제10-2009-14363호 (출원일 2009년 02월 20일)에 개시된 바 있는 이중굴곡 플라즈마 덕트를 구비한 자장여과 아크 소스 장치를 이용하여 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
자장여과 아크 소스 장치를 이용하여 탄소박막을 형성하기 위하여 자장여과 아크 소스 장치는 그래핀의 원료로 사용할 수 있는 탄소소재 음극을 포함하고, 상기 탄소소재는 흑연, C60 버키볼(buckyball), 탄소나노튜브 등일 수 있다. 이를 통하여 종래의 화학기상증착법에서 탄화수소를 원료로 사용함으로써 수소가 함유되었던 문제를 원천적으로 방지할 수 있다.
한편, 상기 단계 2의 자장여과 아크 소스 장치는 10 내지 30 V인 양전압; 10 내지 30 A인 아크전류; 1 내지 5 mTorr인 운전압력; 및 1 내지 5 nm/분인 증착속도로 설정된 공정조건으로 비정질 탄소박막을 형성시킬 수 있으며, 상기 조건으로 자장여과 아크 소스 장치를 가동하여 비정질 탄소박막을 형성함으로써, 그래핀 형성에 적합한 두께인 비정질 탄소박막을 안정적으로 형성시킬 수 있다.
한편, 상기 단계 2에서 자장여과 아크 소스 장치를 이용하여 형성된 비정질 탄소박막의 두께는 10 내지 40 nm인 것이 바람직하다. 형성된 비정질 탄소박막의 두께가 10 nm 미만인 경우에는 탄소박막의 열처리 후에도 그래핀이 합성되지 않는 문제가 있고, 상기 비정질 탄소박막의 두께가 40 nm를 초과하는 경우에는 열처리 후 그래핀이 합성되는 대신 미정질 (microcrystalline) 흑연(그라파이트)이 형성되는 문제가 있다.
본 발명에 따른 그래핀 제조방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2에서 형성된 비정질 탄소박막을 열처리하는 단계로, 이때, 상기 단계 3의 열처리는 600 내지 1100 ℃의 온도에서 1 내지 10분 동안 수행되는 것이 바람직하다. 상기 열처리가 600 ℃ 미만의 온도에서 수행되는 경우 그래핀 대신 미정질 (microcrystalline) 흑연(그라파이트)이 형성되는 문제가 있고, 1100 ℃를 초과하는 온도에서 열처리가 수행되는 경우 과도하게 높은 열처리 온도로 인하여 공정에 소비되는 비용이 증가하는 문제가 있다.
본 발명에 따른 그래핀 제조방법에 있어서, 단계 4는 상기 단계 3의 열처리가 수행된 박막을 냉각하여 그래핀층을 형성시킨 후, 기판을 분리하는 단계이다. 상기 단계 2에서 자장여과 아크 소스 장치에 의해 비정질 탄소박막이 형성되고, 상기 단계 3에서 비정질 탄소박막을 열처리 함으로써 비정질 탄소박막의 탄소 원자는 촉매금속에 녹아들거나 흡착된다. 이때, 상기 단계 4에서 열처리가 수행된 탄소박막을 냉각함으로써, 촉매금속에 녹아들거나 흡착되었던 탄소원자가 촉매금속의 표면으로 석출되고 그래핀을 형성하게 된다. 본 발명에 따란 그래핀 제조방법에서 비정질 탄소박막이 형성되고, 이를 열처리 및 냉각하여 그래핀이 형성되는 과정을 개략적으로 나타낸 모식도를 도 2 및 도 3에 나타내었다.
한편, 상기 단계 4의 냉각은 20 내지 50 ℃/분의 속도로 수행되는 것이 바람직하다. 만약, 만약, 상기 냉각이 20 ℃/분보다 늦은 속도로 수행되는 경우에는 용해된 탄소들이 촉매금속층 표면으로 석출(diffuse-out)되지 않는 문제가 있고, 냉각이 50 ℃/분보다 빠른 속도로 수행되는 경우에는 두꺼운 흑연(그라파이트)층이 생성되는 문제가 있다.
본 발명에 따른 그래핀 제조방법에서 열처리 및 냉각이 수행되는 것을 도 4의 그래프를 통해 개략적으로 나타내었다.
냉각이 끝난 후, 그래핀이 촉매금속층 상부로 형성되고, 형성된 그래핀을 분리하기 위하여 상기 단계 1의 기판을 분리한다. 상기 기판의 분리는 에칭용액을 이용하여 촉매금속층을 제거함으로써 수행될 수 있으며, 바람직하게는 기판에 물리적인 힘을 가하여 기판을 제거한 후, 노출되는 촉매금속층을 에칭용액을 사용하여 제거함으로써 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 기판을 물리적으로 제거한 후 촉매금속층을 제거하는 경우, 기판을 단시간 내에 분리할 수 있으며 에칭용액으로 인하여 그래핀에 손상이 생기는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 그래핀 제조방법을 통해 그래핀을 제조하는 경우, 흑연(그라파이트)을 원료로 하여 그래핀을 제조함으로써, 종래의 화학기상증착법을 통해 그래핀을 제조함으로써 불순물인 수소가 포함되었던 문제를 방지할 수 있고, 자장여과 아크소스를 통해 비정질 탄소박막을 형성시킴으로써 형성되는 조밀입자로 인하여 형성된 탄소박막의 품질이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 그래핀 제조방법을 통해 제조되는 그래핀의 두께를 제어할 수 있으며, 결함이 적은 고품위의 그래핀을 제조할 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조되는 그래핀을 제공한다.
본 발명에 따른 그래핀은 흑연(그라파이트)를 원료로 하여 자장여과 아크 소스 장치를 통해 비정질 탄소 박막을 형성한 후 그래핀을 제조함으로써, 종래의 제조방법으로 제조된 그래핀과 비교하여 결함이 적고 우수한 특성을 나타낼 수 있다. 또한, 높은 생산성으로 인하여 낮은 단가로 그래핀이 제조됨에 따라 종래의 그래핀보다 더욱 우수한 가격경쟁력을 나타내는 경제적 이점이 있다.
또한, 본 발명은 상기 그래핀을 포함하는 투명전극기판 및
상기 투명전극기판을 포함하는 반도체소자를 제공한다.
본 발명에 따른 그래핀은 우수한 전기전도도 및 투과도를 나타내어 투명전극기판에 적용될 수 있으며, 상기 투명전극기판은 반도체소자에 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 그래핀을 포함하는 투명전극기판은 우수한 전기전도도 및 높은 투과율을 나타내고, 유연한 특성을 나타낼 수 있어 유연 전자소자의 제조에 적용될 수 있으며,
본 발명에 따른 투명전극기판을 포함하는 반도체소자는 우수한 전기적 특성 및 유연성을 나타내는 그래핀의 사용으로 인하여 종래의 공정으로 제조된 반도체소자들을 대체할 수 있을 것으로 전망된다.
이하, 본 발명을 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 하기 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 자장여과 아크 소스 장치를 이용한 그래핀의 제조 1
단계 1 : SiO2 기판 상부에 스퍼터링을 통해 촉매금속층인 니켈층을 300 nm의 두께로 형성시켰다.
단계 2 : 상기 단계 1에서 형성된 니켈층 상부로 자장여과 아크 소스 장치를 이용하여 비정질 탄소 박막을 15 nm의 두께로 형성하였다.
이때, 자장여과 아크 소스 장치는 도 1에 개략적으로 나타낸 자장여과 아크 소스 장치를 이용하여 수행하였으며, 아크 플라즈마 발생을 위해 반지름 55 mm의 흑연(그라파이트) 음극을 사용하였다. 흑연 음극에서 발생된 플라즈마는 거대입자의 필터 역할을 하는 플라즈마 덕트를 통하여 공정챔버로 이송되었고, 이때, 플라즈마 덕트는 내경 120 mm T형으로 5개의 전자석을 이용하여 자장을 형성하였다. 또한, 각 전자석 코일에 인가된 전류 값은 SM = 5 A, EM = 5 A, BM = 5 A, OM = 5 A, BBM = 2.5 A이었으며, 이는 플라즈마 덕트 내부와 수송되는 플라즈마 간의 충돌이 최소인 조건이다. 나아가, 플라즈마 덕트 내 이온 수송시 플라즈마 덕트 벽과 충돌되어 손실되는 이온을 줄이고 이온의 수송 효율을 증가시키기 위하여 플라즈마 덕트에 20 V의 DC 양전압을 인가하였고, 아크 전류는 20 A, 운전 압력은 약 1 mTorr, 방전 가스로 아르곤(Ar)이 사용하였다. 이때, 상기 단계 2에서 자장여과 아크 소스 장치의 비정질 탄소 박막 증착속도는 3 nm/min이었다.
단계 3 : 상기 단계 2에서 형성된 비정질 탄소박막을 800 ℃의 온도에서 5분 간 열처리하였다.
단계 4 : 상기 단계 3에서 열처리가 수행된 박막을 40 ℃/분의 속도로 냉각하여 그래핀을 합성하였다. 이후, 에칭용액인 FeCl3 를 이용하여 촉매금속층인 니켈층을 제거함으로써 기판을 제거하여 그래핀만을 분리해내었다.
<실시예 2> 자장여과 아크 소스 장치를 이용한 그래핀의 제조 2
상기 실시예 1의 단계 3에서 900 ℃의 온도로 열처리를 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 그래핀을 제조하였다.
<실시예 3> 자장여과 아크 소스 장치를 이용한 그래핀의 제조 3
상기 실시예 1의 단계 3에서 1000 ℃의 온도로 열처리를 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 그래핀을 제조하였다.
<실시예 4> 자장여과 아크 소스 장치를 이용한 그래핀의 제조 4
상기 실시예 1의 단계 2에서 비정질 탄소 박막을 20 nm의 두께로 형성시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 수행하여 그래핀을 제조하였다.
<실시예 5> 자장여과 아크 소스 장치를 이용한 그래핀의 제조 5
상기 실시예 1의 단계 2에서 비정질 탄소 박막을 30 nm의 두께로 형성시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 수행하여 그래핀을 제조하였다.
<실시예 6> 자장여과 아크 소스 장치를 이용한 그래핀의 제조 6
상기 실시예 1의 단계 2에서 비정질 탄소 박막을 40 nm의 두께로 형성시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 수행하여 그래핀을 제조하였다.
<비교예 1>
상기 실시예 1의 단계 3에서 600 ℃의 온도로 열처리를 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
<비교예 2>
상기 실시예 1의 단계 2에서 비정질 탄소 박막을 1 nm의 두께로 형성시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
<비교예 3>
상기 실시예 1의 단계 2에서 비정질 탄소 박막을 5 nm의 두께로 형성시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
<비교예 4>
상기 실시예 1의 단계 2에서 비정질 탄소 박막을 50 nm의 두께로 형성시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
<실험예 1> 라만분광분석
(1) 비정질 탄소 박막 두께변화에 따른 분석
본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 2 내지 4의 박막을 라만분광분석하였고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1에서 비정질 탄소박막을 15 nm의 두께로 형성함으로써 열처리 및 냉각이 수행된 후 그래핀이 형성되는 것을 알 수 있다. 반면, 비교예 2 내지 4에서 비정질 탄소박막이 각각 1, 5, 50 nm의 두께로 형성되는 경우, 열처리 및 냉각이 수행된 후에도 비정질 탄소 또는 미정질 흑연(그라파이트)이 형성되는 것을 알 수 있다. 이를 통하여, 본 발명에 따른 그래핀 제조방법에서 비정질 탄소박막 두께를 적절히 조절하여 형성시킴으로써 그래핀을 제조할 수 있음을 확인하였다.
(2) 열처리 온도 변화에 따른 분석
본 발명에 따른 실시예 1, 실시예 3 및 비교예 1의 박막을 라만분광분석하였고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 및 실시예 3에서 각각 800 ℃, 1000 ℃의 온도로 열처리하고 냉각을 수행함으로써 그래핀이 형성되는 것을 알 수 있다. 반면, 비교예 1에서 600 ℃의 온도로 열처리하고 냉각을 수행하는 경우 미정질 흑연(그라파이트)이 형성되는 것을 알 수 있다. 이를 통하여, 본 발명에 따른 그래핀 제조방법에서 비정질 탄소박막의 열처리 온도를 적절히 조절함으로써 그래핀을 제조할 수 있음을 확인하였다.
<실험예 2> 광학현미경 관찰
(1) 비정질 탄소 박막 두께변화에 따른 분석
본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 2 내지 4의 박막을 광학현미경을 이용하여 관찰하였고, 그 결과를 도 7에 나타내었다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1에서 비정질 탄소박막의 두께가 15 nm인 경우 그래핀이 형성된 것을 알 수 있다. 반면 비교예 2 내지 4에서 비정질 탄소박막의 두께가 1 nm, 5 nm, 50 nm인 경우에는 미정질 흑연(그라파이트)이 형성되거나, 비정질 탄소가 형성되는 것을 알 수 있다. 이를 통하여, 본 발명에 따른 그래핀 제조방법에서 비정질 탄소박막 두께를 적절히 조절함으로써 그래핀을 제조할 수 있음을 확인하였다.
(2) 열처리 온도 변화에 따른 분석
본 발명에 따른 실시예 1, 실시예 3 및 비교예 1의 박막을 광학현미경을 이용하여 관찰하였고, 그 결과를 도 8에 나타내었다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 및 실시예 3에서 각각 800 ℃, 1000 ℃의 온도로 열처리하고 냉각을 수행함으로써 그래핀이 형성되는 것을 알 수 있다. 반면, 비교예 1에서 600 ℃의 온도로 열처리하고 냉각을 수행하는 경우에는 미정질 흑연(그라파이트)이 형성되는 것을 알 수 있다. 이를 통하여, 본 발명에 따른 그래핀 제조방법에서 비정질 탄소박막의 열처리 온도를 적절히 조절하여 그래핀을 제조할 수 있음을 확인하였다.

Claims (12)

  1. 기판 상부에 촉매금속층을 형성시키는 단계(단계 1);
    탄소소재 음극을 포함하는 자장여과 아크 소스(Filtered vacuum arc source) 장치의 탄소소재 음극을 플라즈마화 시켜 상기 단계 1에서 형성된 촉매금속층 상부로 10 내지 40 nm 두께로 비정질 탄소박막을 형성시키는 단계(단계 2);
    상기 단계 2에서 형성된 비정질 탄소박막을 열처리하는 단계(단계 3); 및
    상기 단계 3의 열처리가 수행된 박막을 냉각하여 그래핀층을 형성시킨 후, 기판을 분리하는 단계(단계 4)를 포함하는 그래핀 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단계 1의 촉매금속은 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 백금(Pt), 구리(Cu) 및 루테늄(Ru)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속인 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 단계 1의 촉매금속층의 두께는 100 내지 300 nm인 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 단계 2의 탄소소재는 흑연, C60 버키볼(buckyball), 탄소나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 단계 2의 자장여과 아크 소스 장치는 10 내지 30 V인 양전압; 10 내지 30 A인 아크전류; 1 내지 5 mTorr인 운전압력; 및 1 내지 5 nm/분인 증착속도로 설정된 공정조건으로 비정질 탄소박막을 형성시키는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 단계 3의 열처리는 600 내지 1100 ℃의 온도로 1 내지 10 분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 단계 4의 냉각은 20 내지 50 ℃/분의 속도로 수행되는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 단계 4의 기판 분리는 기판을 물리적으로 제거한 후, 촉매금속층을 에칭용액을 이용하여 제거하여 수행되는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 단계 4의 기판 분리는 촉매금속층을 에칭용액을 이용하여 제거함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
  10. 제1항의 제조방법에 의해 제조된 그래핀.
  11. 제10항의 그래핀을 포함하는 투명전극기판.
  12. 제11항의 투명전극기판을 포함하는 반도체소자.
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