KR20130050167A - 그래핀 양자점의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 그래핀 양자점 - Google Patents

그래핀 양자점의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 그래핀 양자점 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 일실시예에 따르면 촉매금속필름에 적어도 하나의 층의 그래핀을 형성하는 단계, 상기 촉매금속필름에 형성된 그래핀을 상기 촉매금속필름과 분리하여 기판으로 전사하는 단계, 상기 그래핀의 표면에 복수의 나노스피어를 배열하여 나노스피어층을 형성하는 단계, 상기 나노스피어층을 식각 마스크로 하여 그래핀을 식각하는 단계 및 상기 나노스피어층를 제거하는 단계를 포함함으로써, 공정단계 및 공정시간을 감소시키는 등 공정효율을 향상시킬 수 있는 그래핀 양자점의 제조방법을 제공한다.

Description

그래핀 양자점의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 그래핀 양자점{A method for manufacturing graphene quantum dot and graphene quantum dot manufactured by the same}
본 발명은 그래핀 양자점의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 그래핀 양자점에 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. 이는 2004년 Novoselev 등이 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 상호 침투하는 삼각 형태의 하위 격자 구조 및 하나의 원자 크기에 해당하는 두께 등에 의하여 그래핀이 특이한 물리적 특성(예를 들면 제로 밴드갭)을 보이는 점에 주목하고 있다. 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.
또한 그래핀에 대한 연구와 더불어, 그래핀을 이용한 그래핀 양자점(quantum dot: QD)의 발광 특성에 대한 연구 역시 활발히 진행되고 있다. 그래핀 양자점은 3차원적인 크기가 드브로이 파장의 길이보다 작은 시료의 나노 단위의 결정구조를 가진 그래핀 조각을 말한다. 그래핀 양자점은 수십만 개 이상의 전자로 이루어져 있지만, 대부분의 전자들은 원자핵에 견고하게 속박되어 있어 속박되지 않은 자유 전자의 수는 1 내지 100개 정도로 제한된다. 이 경우, 전자들이 가지는 에너지 준위가 불연속적으로 제한되어 연속적인 밴드를 형성하는 시트 형태의 그래핀과는 다른 전기적 및 광학적 특성을 나타낸다. 양자점은 크기 및 형태에 따라 밴드갭을 조절할 수 있어 발광 파장을 조절할 수 있다.
이러한 그래핀 양자점을 제조하기 위해서, 종래에는 산화, 환원, 정제라는 화학적 과정을 거쳐 분산액을 만든 이후, 기판에 코팅하여 기판 상에 그래핀 양자점을 만드는 방법을 이용하였다.
그러나, 상기 방법은 산화, 환원, 정제 각각의 공정마다 수 일(日)이 소요되어 그래핀 양자점을 제조하는데 약 2주 정도의 시일이 소요되었으며, 양자점의 크기 및 형태가 불규칙하게 형성되어 별도의 필터링 공정을 통해 양자점의 크기를 조절해야 하는 등 공정효율이 떨어진다는 문제점이 있었다. 그리고, 기판이 소수성 기판인 경우, 분산액을 기판에 코팅하는 과정에서 분산액이 기판 밖으로 이탈하는 현상이 발생하여 기판 선택이 제한된다는 문제점이 있었다.
또한, 상기 방법을 통해 제조된 그래핀 양자점은 화학적 과정시 그래핀 양자점의 층수를 조절할 수 없어 흡광도를 조절하는 것이 어려웠으며, 산화과정에서 그래핀에 붙어있던 산화물이 완전히 제거되지 않아 그로 인해 그래핀의 발광효율 및 전도성이 저해될 수 있다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 공정 효율을 개선시키는 한편, 발광 효율 및 전도성이 우수한 그래핀 양자점을 제조하는 그래핀 양자점 제조방법 및 이에 의하여 제조된 그래핀 양자점을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 양자점 제조방법은
촉매금속필름에 적어도 하나의 층의 그래핀을 형성하는 단계;
상기 촉매금속필름에 형성된 그래핀을 상기 촉매금속필름과 분리하여 기판으로 전사하는 단계;
상기 그래핀의 표면에 복수의 나노스피어를 배열하여 나노스피어층을 형성하는 단계;
상기 나노스피어층을 식각 마스크로 하여 그래핀을 식각하는 단계; 및
상기 나노스피어층를 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 촉매금속필름은 니켈, 구리, 코발트, 철, 백금, 금, 알루미늄, 크롬, 마그네슘, 망간, 몰리브덴, 로듐, 규소, 탄탈륨, 티타늄, 텅스텐으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 그래핀 전사단계에서는 그래핀이 형성된 상기 촉매금속필름에서 상기 촉매금속필름을 선택적으로 식각하는 용액을 이용하여 상기 촉매금속필름을 제거할 수 있다.
상기 나노스피어층 형성단계에서는 그래핀의 상부에 상기 복수의 나노스피어가 분산된 용액을 스핀 코팅법(spin coating), 슬릿 코팅법(slit coating), 드롭 캐스팅법(drop casting), 딥 캐스팅법(dip casting) 중 어느 하나의 방법을 이용하여 도포할 수 있다.
상기 식각단계에서는 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching)방법을 이용할 수 있다.
그리고, 상기 식각단계는 식각 속도 또는 식각 각도 중 적어도 하나를 제어함으로써 그래핀 양자점의 크기 또는 형태를 제어할 수 있다.
상기 나노스피어층 제거단계는 상기 나노스피어를 선택적으로 용해시키는 용액을 이용할 수 있다. 상기 나노스피어를 선택적으로 용해시키는 것으로서 BOE(buffered oxide etcher)를 이용할 수 있다.
그리고, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제조 방법에 따라 제조되는 그래핀 양자점을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 화학기상증착법을 이용하여 그래핀을 형성하고, 나노스피어 리소그래피를 이용하여 그래핀을 식각함으로써, 그래핀 양자점을 제조함에 있어서 공정단계 및 공정시간을 감소시켜 결과적으로 공정효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 그래핀 양자점의 크기 및 형태를 제어할 수 있어, 이를 통해 전도성, 흡광도 및 발광효율이 향상된 그래핀 양자점을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 양자점의 제조방법의 수행과정을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 그래핀 양자점의 제조방법 중 그래핀 형성단계의 바람직한 일 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 그래핀 양자점의 제조방법 중 그래핀 전사단계에 대한 바람직한 일 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 그래핀 양자점의 제조방법 중 나노스피어층을 이용한 리소그래피 단계의 일 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 그래핀 양자점의 제조방법에 의해 제조된 그래핀 양자점의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 양자점 제조방법에서 식각 시간에 따른 식각 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6에 따른 식각 단계 진행 후, 완성된 그래핀 양자점을 나타낸 평면도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 양자점의 제조방법에서 식각 각도에 따른 식각 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8에 따른 식각 단계 진행 후, 완성된 그래핀 양자점을 나타낸 평면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 그래핀 양자점 제조방법 및 이에 의하여 제조된 그래핀 양자점의 실시예들에 대해서 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성을 위해 다소 과장되게 도시된 것이다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 그래핀 양자점의 제조방법의 일 실시예의 수행과정을 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 그래핀 양자점의 제조방법은 촉매금속필름에 적어도 하나의 층의 그래핀을 형성하는 단계(S100), 상기 촉매금속필름에 형성된 그래핀을 상기 촉매금속필름으로부터 분리하여 기판으로 전사하는 단계(S200), 상기 그래핀의 표면에 복수의 나노스피어를 배열하여 나노스피어층을 형성하는 단계(S300), 상기 나노스피어층을 식각 마스크로 하여 그래핀을 식각하는 단계(S400) 및 상기 나노스피어층를 제거하는 단계(S500)를 포함한다.
도 2는 도 1에 도시된 그래핀 형성단계의 일 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 그래핀 형성단계(S100)는 촉매금속필름(100)에 적어도 하나의 층의 그래핀을 형성하기 위하여 화학 기상 증착(CVD, Chemical Vapor Deposition)을 이용할 수 있다.
화학 기상 증착에 의해 그래핀을 형성하는 단계로서, 먼저 촉매금속필름(100)을 반응기(10) 내부에 배치한다. 촉매금속필름(100)으로서는 고온에서 탄소를 잘 흡착하는 전이금속이 사용될 수 있다. 예를 들어, 촉매금속필름(100)은 니켈, 구리, 코발트, 철, 백금, 금, 알루미늄, 크롬, 마그네슘, 망간, 몰리브덴, 로듐, 규소, 탄탈륨, 티타늄, 텅스텐으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 촉매금속필름(100)은 호일 형상을 가질 수 있다. 그리고, 반응기(10)는 내부에 별도의 반응관(20)을 구비하여, 반응관(20) 내에서 촉매금속필름(100)과 기상 탄소가 반응할 수 있는 공간을 제공할 수도 있다.
촉매금속필름(100)이 배치된 반응관(20) 내부에 기상 탄소가 공급된다. 기상 탄소는 일산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠 및 톨루엔으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
촉매금속필름(100)과 기상 탄소가 반응하여 촉매금속필름(100)의 적어도 일면에 그래핀이 형성되도록 열처리한다. 열처리는 500 내지 1100℃ 정도의 온도에서 가열한 후, 결과물을 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기와 같이 화학 기상 증착을 이용하여 그래핀을 형성할 경우, 종래 방식인 산화, 환원을 이용하여 그래핀을 형성하는 방법에 비해 단시간 내에 대량의 그래핀을 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 품질이 우수한 그래핀을 형성할 수 있게 된다.
또한, 본 실시예의 그래핀 형성단계에서는 그래핀의 층수를 조절할 수 있다. 그래핀의 층수를 조절함으로써 그래핀 양자점의 전도성, 흡광도 및 발광효율을 조절할 수 있다.
그래핀의 층수를 조절하기 위한 일 예로서, 촉매금속필름(100)의 종류 또는 두께 중 하나 이상의 인자를 제어하는 방법을 이용할 수 있다. 촉매금속필름(100)의 종류를 제어하는 예로서, 단일 층의 그래핀을 형성하고자 할 경우에는 촉매금속필름(100)으로 구리를 사용할 수 있으며, 복수 층의 그래핀을 형성하고자 할 경우에는 촉매금속필름(100)으로 니켈을 사용할 수 있다.
그래핀의 층수를 조절하기 위한 다른 방법으로서, 열처리 시간 또는 열처리 속도를 제어하는 방법을 이용할 수 있다. 여기서, 열처리 시간이라 함은 가열 시간 및 냉각 시간 중 적어도 하나를 포함하는 개념이며, 열처리 속도라 함은 가열 속도 및 냉각 속도 중 적어도 하나를 포함하는 개념이다.
그리고, 그래핀의 층수를 조절하기 위한 또 다른 방법으로서, 촉매금속필름(100)에 공급하는 기상 탄소의 농도를 제어하는 방법을 이용할 수 있다.
다음으로 그래핀 전사단계(S200)에서는 상기 그래핀 형성단계에서 형성된 그래핀(200)을 촉매금속필름(100)과 분리하여 목적하는 기판(300)에 전사한다.
도 3은 도 1에 도시된 그래핀 전사단계의 일 실시예를 개략적으로 도시한 것이다. 도 3을 참조하면, 그래핀 전사단계의 일 실시예로서, 그래핀(200)을 목적하는 기판(300)에 전사하기 위해서 그래핀(200)과 촉매금속필름(100)을 분리할 때, 촉매금속필름(100)만을 선택적으로 식각하는 식각용액(40)을 이용하여 촉매금속필름(100)을 제거하는 방법을 이용할 수 있다.
도 3의 (A)와 같이, 식각용액(40)이 담긴 수조(30)에 그래핀(200)이 형성된 촉매금속필름(100)을 담근다. 촉매금속필름(100)은 식각용액(40)에 의해 선택적으로 식각되며, 그에 따라 그래핀(200)이 분리된 상태로 수조(30)에 잔류하게 된다. 이 때, 식각용액(40)으로는 그래핀(200)을 식각하지 않으면서 촉매금속필름(100)만을 식각하는 용액을 이용할 수 있으며, 예로서 산(acid), 불화수소(HF), BOE(buffered oxide etchant), 염화제2철(FeCl3)용액, 질산제2철(Fe(No3)3) 용액 중 적어도 어느 하나를 이용할 수 있다. 여기서, 산(acid)은 수용액 중에서 해리하여 수소이온을 생성하고 염기와 중화하여 염을 만드는 물질로서, 질산, 염산, 인산, 초산, 황산 등이 이에 속한다.
그래핀(200)이 형성된 촉매금속필름(100)에서 촉매금속필름(100)만을 선택적으로 식각하였기 때문에, 수조(30)에는 그래핀(200)이 촉매금속필름(100)과 분리되어 남게 된다. 그래핀(200)이 남겨진 상태에서, 도 3의 (B)와 같이 기판(300)을 수조(30)에 담근다.
그리고, 도 3의 (C)와 같이 기판(300)을 들어 올려, 기판(300) 위에 그래핀(200)을 전사한다. 이와 같이 기판(300)을 들어 올려 그래핀(200)을 전사함에 따라, 기판(300)의 종류가 친수성 기판(300)인 경우는 물론 소수성 기판(300)인 경우에도 그래핀(200)을 기판(300) 위에 균일한 박막형태로 전사할 수 있게 된다.
도 3에서는 촉매금속필름(100)을 식각한 후에 기판(300)을 담그는 것이 개시되어 있으나, 각 단계의 전후관계는 이에 한정되지 아니하며, 기판(300)이 수조(30)에 담긴 후에 촉매금속필름(100)을 식각하는 단계가 진행될 수도 있다.
그리고, 도면에는 도시되어 있지 않으나 그래핀(200) 상부에 배치된 별도의 지지층에 의해 그래핀(200)을 지지할 수 있으며, 이 때 지지층으로 PDMS(Polydimethylsiloxane) 또는 PMMA(Polymethylmethacrylate)를 활용할 수 있다.
본 실시예에 따른 식각 단계는 식각용액(40)을 이용하는 습식 식각 공정이나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 식각 단계는 건식 식각 공정이 될 수 있고, 스퍼터링을 이용하여 금속 촉매층을 제거하는 공정이 적용될 수도 있다.
또한, 본 실시예에서는 촉매금속필름(100)을 선택적으로 식각하는 방법을 개시하였으나, 반드시 이에 한정되는 것이 아니다. 그래핀(200)을 촉매금속필름(100)과 분리하기 위한 모든 전사단계를 포함할 수 있다.
한편, 그래핀 전사단계에서는 기판(300)을 담그는 횟수, 즉, 전사횟수를 조절함으로써 그래핀(200)의 층수를 조절할 수도 있다.
도 4는 나노스피어층을 이용한 리소그래피(lithography) 단계의 일 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
나노스피어층을 이용한 리소그래피 단계는 나노스피어층을 형성하는 단계(S300), 식각단계(S400), 나노스피어층을 제거하는 단계(S500)를 포함할 수 있다.
도 4의 (A)를 참조하면, 나노스피어층 형성단계(S300)에서는 기판(300) 상부에 배치된 그래핀(200)의 표면에 복수의 나노스피어(N)를 배열하여 나노스피어층을 형성한다.
그래핀(200) 상에 규칙적으로 배열된 복수의 나노스피어(N)는 복수의 나노스피어(N)가 분산된 용액을 그래핀(200) 상에 도포하여 나노스피어층을 형성한 후, 진공 또는 열처리를 통해 용액을 제거하는 일련의 과정을 통해 형성할 수 있다. 이때, 복수의 나노스피어(N)가 분산된 용액은 스핀코팅법(spin coating), 딥캐스팅법(dip casting), 슬릿코팅법(slit coating), 드롭캐스팅법(drop casting) 등을 사용하여 그래핀(200) 상에 도포(coating)할 수 있다.
나노스피어(N)의 재질은 그래핀(200)의 재질을 고려하여 선택하는 것이 바람직하다. 이는, 나노스피어(N)를 그래핀(200)과 같은 재질을 사용할 경우, 이후 진행될 나노스피어 제거단계에서 선택적인 식각이 불가능하기 때문이다. 나노스피어(N)의 재질의 일 예로서 그래핀(200)의 성분을 고려하여, 메탈, 실리카, 리스틸렌, 글라스 등이 사용될 수 있다.
나노스피어층 형성단계에서는 일정한 크기의 나노스피어(N)를 제공하기 위해서, 도면상 도시하지는 않았으나 정제단계를 더 포함할 수 있다. 정제단계를 더 포함함으로써, 일정한 크기의 나노스피어(N)들이 배열된 나노스피어층을 형성할 수 있게 되며, 결과적으로 일정한 크기의 그래핀 양자점(G)을 제조할 수 있게 된다.
정제단계의 예로서 원심분리 방법을 사용할 수 있다. 원심분리 방법을 사용함으로써, 단시간 내에 원하는 크기의 나노스피어(N)만을 선택적으로 추출할 수 있게 되어, 공정을 신속하게 진행할 수 있게 된다.
도 4의 (B)를 참조하면, 그래핀의 식각단계(S400)에서는 나노스피어(N)를 식각 마스크로 하여 그래핀(200)을 식각하는 방법으로서, 플라즈마를 이용하는 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching; RIE) 방법을 사용할 수 있다. 여기서, 반응성 이온 식각(RIE)이란 이온 충격을 이용한 반응성 화학공정과 물리적 공정으로 피식각체의 표면으로부터 물질을 제거하기 위한 기술이다. 식각 가스로는 산소(O2) 가스 등을 사용할 수 있다. 그러나, 식각 가스의 종류는 이에 한정되지 아니하며, 나노스피어(N)의 재질을 고려하여 다른 식각 가스를 선택할 수 있다.
다음으로 나노스피어층 제거단계(S500)에서는 도 4의 (C)와 같이 나노스피어(N)를 제거함으로써, 상기 그래핀(200)의 식각에 의해 형성된 그래핀 양자점(G)만이 남게 된다. 도 5는 도 4의 (C)의 평면도이며, 도 5를 참조하면 그래핀 양자점(G)은 나노스피어(N)의 배열 및 크기에 대응하여 형성된다.
나노스피어층은 화학적 식각을 통한 리프트 오프(lift off) 방법으로 제거될 수 있다. 식각용액(40)으로는 나노스피어(N)의 재질을 고려하여 선택할 수 있다. 예를 들어, 실리카나 글라스 등의 나노스피어층을 식각하는 경우에는 불화수소(HF), BOE(buffered oxide etchant)를 사용할 수 있으며, 폴리스틸렌과 같은 폴리머 재질의 나노스피어층을 식각하는 경우에는 아세톤이나 포토 레지스트 식각액(PR remover) 등을 사용할 수 있다.
상기와 같은 나노스피어층을 이용한 리소그래피 방법은 그래핀 양자점(G)의 크기 또는 형태를 제어할 수 있다. 그래핀 양자점(G)의 크기 또는 형태를 제어함으로써, 그래핀 양자점(G)의 발광파장을 변경할 수 있다.
그래핀 양자점(G)의 크기 또는 형태를 제어하는 방법의 일 예로서, 나노스피어층 형성단계에서 배열되는 복수의 나노스피어(N)의 크기, 간격 또는 배열 중 어느 하나의 인자를 제어하는 방법을 사용할 수 있다. 상기 복수의 나노스피어(N)의 크기, 간격 또는 배열을 제어하기 위하여 나노스피어(N)의 구성성분 및 그 비율을 조절하거나, 나노스피어(N)의 형성시간을 조절하는 방법을 사용할 수 있다.
그래핀 양자점(G)의 크기 또는 형태를 제어하는 방법의 다른 예로서 식각단계에서 식각조건을 제어하는 방법을 사용할 수도 있다. 식각조건의 예로서, 식각 시간 또는 식각 각도 등을 고려할 수 있다.
먼저, 식각조건의 예로서 식각 시간을 제어함에 따른 그래핀 양자점(G)의 크기 또는 형태의 변화를 살펴본다.
도 6은 식각 시간에 따른 식각 단계의 단면도를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 7은 도 6에 따른 식각 단계 진행 후, 완성된 그래핀 양자점을 나타낸 평면도이다.
도 6의 (A) 및 도 7의 (A)는 식각 시간을 수초 단위, 예를 들어 5초로 제어하였을 때, 그래핀 양자점(G)의 크기 및 형태를 나타낸 것이며, 도 6의 (B) 및 도 7의 (B)는 식각 시간을 수십 초 단위, 예를 들어 25초로 제어하였을 때, 그래핀 양자점(G)의 크기 및 형태를 나타낸 것이다. 상기 도면을 참조하면, 식각 시간이 달라짐에 따라 그래핀 양자점(G)이 식각되는 양이 달라짐을 알 수 있었다. 즉, 식각 시간이 5초인 경우, 식각 시간이 짧기 때문에 복수의 나노스피어(N)의 간격과 실질적으로 동일한 형상대로 그래핀(200)이 식각되었으나, 식각 시간이 25초로 길어지는 경우에는 복수의 나노스피어(N)의 간격보다 크게 그래핀(200)이 식각되어 그래핀 양자점(G)의 크기가 작아지고 배열간격이 커지는 것을 알 수 있었다. 그래핀 양자점(G)의 크기가 달라짐에 따라 그래핀 양자점(G)을 통해 발광되는 빛의 파장이 달라지게 된다.
다음으로, 식각 조건의 예로서 식각 각도를 제어함에 따른 그래핀 양자점(G)의 크기 또는 형태의 변화를 살펴본다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 양자점의 제조방법에서 식각 각도에 따른 식각 단계의 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 9는 도 8에 따른 식각 단계 진행 후, 완성된 그래핀 양자점을 나타낸 평면도이다.
도 8 및 도 9는, 그래핀(200)에 대한 식각이 그래핀(200)에 대하여 경사지게 이루어지도록 제어한 것이다. 그리고, 도 6의 (A) 및 도 7의 (A)는 그래핀(200)에 대한 식각이 그래핀(200)의 평면에 대하여 수직방향으로 이루어지도록 제어한 것이다. 상기 도면을 비교해보면, 식각이 경사지게 진행되도록 함으로써, 식각에 의해 형성되는 그래핀 양자점(G)은 그 크기뿐만 아니라 형태도 달라짐을 알 수 있었다. 즉, 식각이 경사지게 됨으로써, 형성되는 그래핀 양자점(G)은 나노스피어(N)의 형상에도 불구하고 원형이 아닌 도 9와 같이 타원형의 형태로 형성될 수 있었다. 그래핀 양자점(G)은 특히 그 형태에 따라 밴드갭이 현저히 달라질 수 있는 바, 결국 그래핀(200)에 대한 식각 각도를 조절함으로써 발광파장을 현저히 달라지도록 제어할 수 있음을 알 수 있다. 식각 각도를 간단히 변경하기 위한 방법으로는 식각 장비 내에서 배치되는 기판(300)의 각도를 달리하는 방법을 이용할 수 있다.
상기와 같이 화학 기상 증착에 의해 그래핀(200)을 형성하고, 나노스피어 리소그래피를 이용함으로써, 이에 의해 제조된 그래핀 양자점(G)은 탄소배열의 규칙성이 향상된다. 또한, 종래의 산화, 환원과정에서 발생할 수 있는 잔류하는 산화물로 인해 발생하는 문제점, 예를 들어, 스캐터링 현상을 방지할 수 있어 전도성이 향상될 뿐만 아니라 발광효율이 향상될 수 있다. 그리고, 그래핀(200)의 층수 조절 및 그래핀 양자점(G)의 크기 조절이 가능함으로 인해, 제조되는 그래핀 양자점(G)을 빽빽하게 배열할 수 있게 되어, 빛의 흡수율(흡광도) 역시 향상될 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 전술한 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 양자점 제조방법은 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한 본 발명의 실시예에 따라 제조된 그래핀 양자점은 그래핀 발광층, 이를 포함하는 발광소자에 적용될 수 있으며, 그 밖에 다른 목적으로도 다양하게 사용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
10: 반응기 20: 반응관
30: 수조 40: 식각용액
100: 촉매금속필름 200: 그래핀
300: 기판 N: 나노스피어
G: 그래핀 양자점

Claims (16)

  1. 촉매금속필름에 적어도 하나의 층의 그래핀을 형성하는 단계;
    상기 그래핀을 상기 촉매금속필름으로부터 분리하여 기판으로 전사하는 단계;
    상기 그래핀의 표면에 복수의 나노스피어를 배열하여 나노스피어층을 형성하는 단계;
    상기 나노스피어층을 식각 마스크로 하여 상기 그래핀을 식각하는 단계; 및
    상기 나노스피어층를 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 양자점의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀을 형성하는 단계는,
    상기 촉매금속필름을 반응기 내에 배치하는 단계;
    상기 반응기 내부에 기상 탄소를 공급하는 단계; 및
    상기 촉매금속필름과 기상 탄소가 반응하도록 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 양자점의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 촉매금속필름의 종류 또는 두께를 제어하여 상기 그래핀의 층수를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 양자점의 제조방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 기상 탄소를 공급하는 단계는,
    상기 기상 탄소의 농도를 제어하여 상기 그래핀의 층수를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 양자점의 제조방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 열처리하는 단계는,
    열처리 시간 또는 열처리 속도를 제어하여 상기 그래핀의 층수를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 양자점의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매금속필름은 니켈, 구리, 코발트, 철, 백금, 금, 알루미늄, 크롬, 마그네슘, 망간, 몰리브덴, 로듐, 규소, 탄탈륨, 티타늄, 텅스텐으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 양자점의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀을 전사하는 단계는,
    상기 그래핀이 형성된 상기 촉매금속필름에서 상기 촉매금속필름을 선택적으로 식각하는 용액을 이용하여 상기 촉매금속필름을 제거하는 것을 특징으로 하는 그래핀 양자점의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 식각용액으로 산(acid), 불화수소(HF), BOE(buffered oxide etchant), 염화제2철(FeCl3) 용액, 질산제2철(Fe(No3)3) 용액 중 적어도 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 그래핀 양자점의 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노스피어층을 형성하는 단계는,
    상기 그래핀의 상부에 상기 복수의 나노스피어가 분산된 용액을 스핀 코팅법(spin coating), 슬릿 코팅법(slit coating), 드롭 캐스팅법(drop casting), 딥 캐스팅법(dip casting) 중 어느 하나의 방법을 이용하여 도포하는 것을 특징으로 하는 그래핀 양자점의 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노스피어층을 형성하는 단계는,
    상기 복수의 나노스피어의 크기, 간격 또는 배열 중 어느 하나를 제어하여 그래핀 양자점의 크기 또는 형태를 제어하는 것을 특징으로 하는 그래핀 양자점의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 식각하는 단계는,
    반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching)방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 그래핀 양자점의 제조방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 식각하는 단계는,
    식각 속도를 제어함으로써 그래핀 양자점의 크기 또는 형태를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 양자점의 제조방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 식각하는 단계는,
    식각 각도를 제어함으로써 그래핀 양자점의 크기 또는 형태를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 양자점의 제조방법
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노스피어층을 제거하는 단계는,
    상기 나노스피어를 선택적으로 용해시키는 용액을 이용하는 것을 특징으로 하는 그래핀 양자점의 제조방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 용액은 BOE(buffered oxide etchant)인 것을 특징으로 하는 그래핀 양자점의 제조방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 하나의 항에 기재된 그래핀의 제조 방법에 따라 제조되는 그래핀 양자점.
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