KR20130069035A - 그래핀상의 하이브리드 나노구조체 형성 방법 - Google Patents

그래핀상의 하이브리드 나노구조체 형성 방법 Download PDF

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KR20130069035A
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김상우
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삼성전자주식회사
성균관대학교산학협력단
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Abstract

하이브리드 나노구조체의 형성 방법이 제공된다. 금 금속층의 두께를 일정 범위로 조절함으로써 모폴로지가 제어된 하이브리드 나노구조체를 얻을 수 있고, 이를 포함하는 나노 전기소자는 안정적인 전기적 특성을 나타내며, DC 모드를 가질 수 있다.

Description

그래핀상의 하이브리드 나노구조체 형성 방법 {Process for forming hybrid nanostructure on graphene}
그래핀상에 하이브리드 나노구조체를 형성시키는 방법이 제공된다. 더욱 상세하게는 금 금속층의 두께를 조절하여 나노구조체의 모폴로지를 제어함으로써 하이브리드 나노구조체를 그래핀상에 형성시키는 방법에 관한 것이다.
탄소 원자의 2차원 벌집형 결정 구조로 형성된 단일층인 그래핀은 최근에 양자 전자 수송성(quantum electronic transport), 광학적 투명성, 화학적 안정성 및 기계적 내구성을 포함하여, 현저한 전자적, 광학적, 화학적 및 기계적 특성으로 인하여 나노스케일의 기능성 소자 등에서 관심을 끌어왔다.
그래핀은 태양전지 및 발광 다이오드를 포함하여 광전자 소자에서 인듐주석산화물(ITO) 및 플루오로주석산화물(FTO)과 같은 종래의 투명 전도성 산화물(TCO)을 대체할 차세대 투명 도전재로 가장 촉망받는 것중의 하나이다.
한편, 인듐주석산화물(ITO), GaN, 및 AlN을 포함한 다양한 기판에 나노물질을 성장시켜 얻은 복합 나노구조체는 압전 소자에 널리 사용되어 왔다. 이러한 복합 나노구조체에서 기판과 나노구조체 사이에 그래핀층을 개재시킴으로써 그래핀의 우수한 열적, 기계적 특성 및 우수한 전도성을 통합시켜 더욱 우수한 나노 전기소자를 제조할 수 있게 되었다.
그러나, 그래핀층 위에 형성되는 나노구조체의 배향을 제어하기가 곤란하여, 나노와이어의 경우 그래핀층에 수직인 방향으로의 성장보다는 경사진 방향으로의 성장이 주로 이루어져 안정적인 품질의 나노구조체를 얻기가 곤란하였다.
또한, 나노물질이 성장될 때의 조건에 따라 나노와이어, 나노로드, 나노튜브 등의 다양한 형상의 나노구조체가 형성될 수 있는데, 이러한 나노구조체의 다양한 형상에 따라 이를 포함하는 압전 소자의 전기적 성질 또한 다양해질 수 있으므로 나노구조체의 모폴로지를 제어할 필요가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 제1 과제는 그래핀상에 하이브리드 나노구조체를 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 제2 과제는 상기 방법으로 형성된 하이브리드 나노구조체를 포함하는 복합 나노구조체를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 제3 과제는 상기 복합 나노구조체를 포함하는 나노 전기소자를 제공하는 것이다.
상기 제1 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따르면,
기판상에 그래핀층을 형성하는 단계;
상기 그래핀층에 금 금속층을 형성하는 단계;
상기 금 금속층이 형성된 그래핀층에 나노물질을 화학증착하는 단계를 포함하는
그래핀상에 하이브리드 나노구조체를 형성하는 방법이 제공된다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 나노물질은 IV족 반도체, III-V족 반도체, II-VI족 반도체, IV-VI족 반도체, IV-V-VI 반도체, 산화물 반도체, 질화물 반도체 및 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 나노물질을 화학증착하는 단계는 800 내지 950℃에서 30분 내지 2시간동안 행해질 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 그래핀층은 금속 촉매층 위에 화학증착에 의해 그래핀층을 성장시키는 단계; 상기 그래핀층으로부터 상기 금속 촉매층을 제거하는 단계; 및 상기 그래핀을 기판에 전달하는 단계를 포함하는 방법으로 제조될 수 있다.
상기 제2 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 다른 측면에 따르면,
기판;
상기 기판위에 형성된 그래핀층;
상기 그래핀층 위에 형성되고, 나노월 구조와 나노와이어 구조가 혼재된 하이브리드 나노구조체를 포함하는 복합 나노구조체가 제공된다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 하이브리드 나노구조체는 그래핀층에 가까운 쪽으로부터 나노월, 나노월과 나노와이어의 혼합물, 및 나노와이어로 이루어질 수 있다.
상기 제3 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 복합 나노구조체를 포함하는 나노 전기소자가 제공된다.
본 발명의 일 구현예에 따르면 나노구조체의 모폴로지를 효율적으로 제어하여 원하는 하이브리드 나노구조체를 그래핀상에 형성하여 DC 모드의 나노 전기소자를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 하이브리드 나노구조체의 형성 공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 하이브리드 나노구조체의 위에서 본 FE-SEM 이미지 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 하이브리드 나노구조체의 단면에서 본 FE-SEM 이미지 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 하이브리드 나노구조체를 포함하는 복합 나노구조체의 XRD 그래프이다.
도 5는 실시예 2에서 제조한 하이브리드 나노구조체를 포함한 복합 나노구조체의 HR-TEM의 분석결과 사진이다.
도 6은 실시예 2에서 제조한 하이브리드 나노구조체를 포함한 나노 전기소자의 시간에 따른 전류 밀도(도 6a) 및 전압(도 6b)을 나타낸 그래프이다.
도 7은 실시예 2에서 얻은 하이브리드 나노구조체의 HR-TEM 이미지(도 7a) 및 μ-EDS 스펙트럼(도 7b)이다.
이하에서 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 그래핀상에 하이브리드 나노구조체를 형성하는 방법은
기판상에 그래핀층을 형성하는 단계;
상기 그래핀층에 금 금속층을 형성하는 단계; 및
상기 금 금속층이 형성된 그래핀층에 나노물질을 화학증착하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 나노물질의 성장에 촉매로 작용하는 금 금속층의 두께를 일정 범위로 조절함으로써 나노구조체의 모폴로지를 효과적으로 조절하여 원하는 하이브리드 나노구조체를 형성할 수 있다.
본 발명에서 "하이브리드 나노구조체"라 함은 나노와이어, 나노튜브, 나노로드, 및 나노월과 같은 다양한 형태의 나노구조체가 혼재되어 있는 것을 의미하고, 특히 나노월과 나노와이어가 혼재되어 있는 나노구조체를 의미한다.
본 발명에서 "나노와이어"라 함은 직경이 수십 nm 내지 수백 nm이고, 길이가 수 ㎛ 내지 수십 ㎛인 털실같이 생긴 구조를 의미한다.
본 발명에서 "나노월"이라 함은 3차원구조를 가지는 입체형 나노구조로, 표면상에 수직으로 세워져 있는 벽 구조를 의미한다. 즉, 나노 구조의 벽이 서로 네트워킹되어 벌집 형상을 이룬 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 하이브리드 나노구조체의 형성 방법을 나타내는 공정도이다. 이하에서는 도 1을 참고로 하여 본 발명의 일 구현예에 따른 하이브리드 나노구조체의 형성 방법을 더욱 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 기판(11) 상에 그래핀층(12)을 형성하게 된다. 상기 기판(11)은 투명한 유리기판, 플라스틱 기판, 금속 산화물 기판 등을 제한없이 사용할 수 있으나, 특히 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), SiO2 또는 Al2O3 기판일 수 있다.
상기 기판(11)상에 그래핀층(12)을 형성하는 방법은 공지된 방법을 제한없이사용할 수 있다. 예를 들어 그래파이트화 촉매로 사용되는 금속 호일 위에 탄소 공급원을 화학증착하여 그래핀을 형성한 다음, 상기 그래핀을 기판에 이송시키기 위하여 그래파이트화 촉매가 형성된 면과 반대쪽의 그래핀 상에 PMMA와 같은 폴리머를 스핀코팅한다. 그런 다음 에천트를 사용하여 그래파이트화 촉매를 제거하고, PMMA상의 그래핀을 기판상에 이송시킨 다음 용매를 사용하여 PMMA를 제거한다.
상기 그래핀 형성 과정에서 탄소 공급원으로서는 탄소를 공급할 수 있으며, 300℃ 이상의 온도에서 기상으로 존재할 수 있는 물질이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 상기 기상 탄소 공급원으로서는 카본을 함유하는 화합물이면 가능하며, 탄소수 6개 이하의 화합물이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 탄소수 4개 이하의 화합물이고, 더욱 바람직하게는 탄소수 2개 이하의 화합물이다. 그러한 예로서는 일산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠 및 톨루엔으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.
이와 같은 탄소 공급원은 그래파이트화 촉매가 존재하는 챔버 내에 일정한 압력으로 투입될 수 있으며, 상기 챔버 내에서는 상기 탄소공급원만 존재하거나, 또는 헬륨, 아르곤 등과 같은 불활성 가스와 함께 존재하는 것도 가능하다.
또한, 상기 탄소 공급원과 더불어 수소를 사용할 수 있다. 수소는 그래파이트화 촉매의 표면을 깨끗하게 유지하여 기상 반응을 제어하기 위하여 사용될 수 있으며, 용기 전체 부피의 5 내지 40 부피% 사용가능하고, 예를 들어 10 내지 30 부피%, 또는 15 내지 25 부피%이다.
그래파이트화 촉매가 존재하는 챔버 내에 상기 탄소 공급원을 투입한 후, 이를 소정 온도에서 열처리하면 그래핀이 상기 그래파이트화 촉매의 표면 상에 형성된다. 상기 열처리는 그래파이트화 촉매의 필름 형상을 유지할 수 있도록 행해진다. 상기 열처리 온도는 그래핀의 생성에 있어서 중요한 요소로 작용하며, 예를 들어 300 내지 2000℃, 또는 500 내지 1500℃일 수 있다. 상기 열처리 온도가 상기 범위내에 있는 경우 시트 형상의 그래핀을 효과적으로 얻을 수 있다.
상기와 같은 열처리는 소정 온도에서 일정한 시간 동안 유지함으로써 그래핀의 생성 정도를 조절하는 것이 가능하다. 즉 열처리 공정을 오랜 동안 유지할 경우 생성되는 그래핀이 많아지므로, 결과적인 그래핀의 두께를 크게 할 수 있으며, 열처리 공정이 그보다 짧아지면 결과적인 그래핀의 두께가 작아지는 효과를 낳게 된다. 따라서 목적하는 그래핀의 두께를 얻기 위해서는 상기 탄소 공급원의 종류 및 공급 압력, 그래파이트화 촉매의 종류, 챔버의 크기 외에, 상기 열처리 공정의 유지시간이 중요한 요소로서 작용할 수 있다. 이와 같은 열처리 공정의 유지 시간은 일반적으로 0.001 내지 1000시간 동안 유지할 수 있으며, 상기 범위내에 드는 경우 원하는 그래핀을 효과적으로 얻을 수 있다.
상기 열처리를 위한 열원으로서는 유도가열(inductin heating), 복사열, 레이져, IR, 마이크로파, 플라즈마, UV, 표면 플라즈몬 가열 등을 제한없이 사용할 수 있다. 이와 같은 열원은 상기 챔버에 부착되어 챔버 내부를 소정 온도까지 승온시키는 역할을 수행한다.
상기와 같은 열처리 이후에, 상기 열처리 결과물은 소정의 냉각 공정을 거치게 된다. 이와 같은 냉각 공정은 생성된 그래핀이 균일하게 성장하여 일정하게 배열될 수 있도록 하기 위한 공정으로서, 급격한 냉각은 생성되는 그래핀의 균열 등을 야기할 수 있으므로, 가급적 일정 속도로 서서히 냉각시키는 것이 바람직하며, 예를 들어 분당 10 내지 100℃의 속도로 냉각시킬 수 있고, 자연 냉각 등의 방법을 사용하는 것도 가능하다. 상기 자연 냉각은 열처리에 사용된 열원을 단순히 제거한 것으로서, 이와 같은 열원의 제거만으로도 충분한 냉각 속도를 얻는 것이 가능해진다.
이와 같은 냉각공정 이후 얻어지는 그래핀은 1층부터 약 300층에 이르는 두께를 갖는 것이 가능하며, 예를 들어 1층 내지 60층, 또는 1층 내지 15층일 수 있다.
상술한 바와 같은 열처리 및 냉각 과정은 1 사이클 과정으로 수행할 수 있으나, 이들을 수차례 반복하여 층수가 높으면서 치밀한 구조의 그래핀을 생성하는 것도 가능하다.
상기 그래핀층은 화학증착법 외에 그래핀 옥사이드를 환원시켜 제조하는 등여러가지 방법으로 형성될 수 있다.
상기 그래핀층(12)상에 예를 들어 열증발(thermal evaporation)에 의해 금 금속층(13)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 형성되는 금 금속층의 두께를 0.5nm 내지 5nm로 조절할 수 있다.
이와 같이 금 금속층(13)이 형성된 그래핀층(12)에 나노물질(14)을 화학증착하여 하이브리드 나노구조체(15)를 형성하게 된다.
종래의 방법에서는 기판상에 직접 또는 그래핀층에 스핀코팅에 의해 나노물질층을 형성하고, 가열에 의해 나노핵을 형성한 다음, 상기 기판을 나노물질이 용해되어 있는 용액에 투입하여 나노물질을 성장시킴으로써 나노구조체를 형성하였다. 이 경우 나노구조체의 배향성을 조절할 수는 있으나 나노구조체의 모폴로지를 조절하는데는 어려움이 있다.
또한, 종래의 금 금속층을 사용하여 증기-액체-고체(Vapor-Liquid-Solid)법으로 기판 위에 직접 나노물질을 성장시켜 나노구조체를 형성하는 경우, 금과 기판과의 결합에너지보다 나노물질과 기판과의 결합에너지가 더 작아 나노구조체가 형성됨에 따라 금 금속은 위로 밀려 올라가게 된다. 이 방법에서는 나노와이어를 기판에 수직 방향으로 성장시키기가 곤란하여 안정적인 전기적 특성을 가진 나노 전기소자를 얻기가 곤란하였다.
본 발명에서는 그래핀층상에 금 금속층을 촉매로 하여 화학증착에 의해 나노물질을 형성 및 성장시킴으로써 원하는 모폴로지를 갖는 하이브리드 나노구조체를 얻게 된다.
하이브리드 나노구조체(15)는 기판(11)쪽으로부터 나노월(16), 나노월과 나노와이어의 혼합물(17) 및 나노와이어(18)로 배열될 수 있다. 즉, 금 금속층에 의해 나노물질이 나노월 형태로 성장하고, 금 금속층과의 거리가 멀어짐에 따라 나노와이어가 성장하기 시작하여 최종적으로는 나노와이어 구조를 형성하게 된다. 뿐만 아니라 상기 나노와이어는 그래핀 표면상에 완전히 수직으로(002) 배열된다.
본 발명의 일 구현예에 따른 나노물질을 성장시키는 방법은, 예를 들어 챔버내에 금 금속층이 존재하는 그래핀층이 형성된 기판을 넣고, 비활성 기체 분위기하에서 산화아연 및 그래파이트 분말을 상기 그래핀층 위에 화학증착하여 나노물질을 형성 및 성장시킨다. 상기 그래핀층 위에 화학증착으로 형성되는 나노물질의 종류에 따라 GaN, VO2, SnO2, CdS, CdSe, TiO2 등의 원료 분말을 사용할 수 있다. 상기 화학증착은 800 내지 950℃에서 30분 내지 2시간동안 행해질 수 있다.
상기 화학증착시 금 금속층은 열에 의해 섬(island) 구조를 형성하게 되고, 이러한 섬 구조가 핵 형성 사이트로 작용하여 나노물질이 성장하게 된다. 즉, 증착된 금 금속층에 열을 가하면 표면 에너지를 줄이기 위해 구형 형태인 섬으로 변하게 된다. 일반적으로 나노 단위의 두께로 증착된 금 금속 박막의 경우 약 350~800℃ 내외에서 섬 형태로 변형하게 된다. 또한 금의 섬 구조의 경우 금 금속층의 두께를 증가하였을 경우 섬 구조의 크기 및 밀도가 증가하게 된다. 상기 섬 구조의 금 금속층 위에 하이브리드 나노구조체를 형성할 수 있다. 상기 하이브리드 나노구조체는 나노월과 나노와이어가 혼재된 것으로, 그래핀층에 가까운 쪽으로부터 나노월, 나노월과 나노와이어의 혼합물, 및 나노와이어가 혼재될 수 있다.
종래의 기판에 직접 나노물질을 성장시키는 경우, 고온의 성장 온도로 인하여 기판이 손상되었으나 본 발명에서는 기판 위에 그래핀 완충층이 존재함으로써 기판의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에서와 같이 그래핀층 위에 나노물질을 성장시키게 되면 금 금속과 그래핀과의 결합에너지가 나노물질과 그래핀의 결합에너지보다 작아 금 금속은 그래핀과 공유결합을 하게 되어 안정적으로 나노구조체가 형성될 뿐 아니라 금이 존재함에 따라 표면 플라즈몬(surface Plasmon) 효과로 인하여 광학 소자 제조시에 유리하다.
본 발명에서와 같이 금 금속층의 두께를 조절하여 하이브리드 나노구조체를 얻게 되는 원리를 설명하면 다음과 같으며, 이는 단지 이론적으로 설명하기 위한 것이지 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
섬 구조를 이루는 금 금속 입자의 확산 계수는 하기 수학식 1로 나타낼 수 있다:
[수학식 1]
Figure pat00001
즉, 확산계수(D)는 금 원자가 점프하는데 필요한 활성화 에너지(Ea)와 관련이 있다.
나노물질의 화학증착 온도 범위를 800 내지 950℃로 조절하면, 금 원자의그래핀 표면으로 확산을 억제하여 그래핀 네트워크내에서 탄소 원자와 금이 강한 공유결합을 형성할 수 있다. 또한, 그 위에 형성되는 나노구조체도 상기 확산계수의 크기에 따라 모폴로지가 제어되어 하이브리드 나노구조체를 형성할 수 있게 된다. 특히 상기 온도 범위에서 화학증착하는 경우 금 금속 입자 위에 나노월 구조가 일정 높이까지 형성된 다음 나노월과 나노와이어의 혼합물, 그리고 나노와이어가 차례로 형성된다.
증착 온도를 증가시킴에 따라 그래핀 위에 형성되는 금 금속 섬은 비교적 균일한 분포도를 가지게 된다. 또한 금 금속의 일부는 그래핀의 그레인 바운더리에 분포하게 된다. 따라서, 금 금속층의 두께를 조절함에 의해 그 위에 형성되는 나노구조물의 형태를 제어할 수 있는데, 금 금속층의 두께가 두꺼워짐에 따라 금 금속 섬의 밀도 및 크기가 증가하게 되고, 이에 따라 각각의 나노구조 형태의 나노구조체가 형성된다.
예를 들어 증착되는 금 금속층의 두께가 0.5nm에서 1nm로 증가함에 따라 나노구조물은 금 금속 섬과 합금 형성으로 인해 부피가 증가하게 되고, 주변 금 금속 섬과 네트워크 현상으로 나노월이 형성된다. 그런 다음 일정한 높이까지 나노월이 성장한 후 나노와이어가 형성되기 시작하여 나노월과 나노와이어의 혼합물, 그리고 나노와이어가 차례로 형성되어 궁극적으로 하이브리드 나노구조물을 형성하게 된다.
한편, 나노물질의 화학증착시 금 금속층은 섬(island) 구조를 형성하게 되고, 상기 섬 구조는 그래핀의 그레인 바운더리를 따라 형성된다. 다시 말하면, 그래핀은 많은 그레인 바운더리를 가지는데, 그레인 바운더리는 각각의 단결정들이 만나는 계면으로 불안정한 에너지 상태를 가진다. 금 금속의 섬 구조는 열에너지에 의해 낮은 에너지의 형상을 가지는 형태로 변형되면서 진동 및 이동하게 되고, 이 때 에너지적으로 불안정한 그레인 바운더리에 위치하게 된다. 따라서, 금 금속의 섬 구조의 평균 직경을 측정하여 그래핀의 그레인 사이즈를 결정할 수 있으므로 적절한 그래핀의 단결정화 조건을 설정할 수 있게 된다.
본 발명의 일 구현예에 따른 방법에 사용되는 상기 나노물질은 C, Si, Ge 등과 같은 Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 반도체, Ⅱ-Ⅵ족 반도체, Ⅳ-Ⅵ족 반도체 또는 Ⅳ-Ⅴ-Ⅵ족 반도체 등으로 이루어질 수 있으며, 이외에도 ZnO 등과 같은 산화물 반도체, 질화물 반도체 또는 금속으로 이루어질 수 있다. 그러나 상기 나노물질이 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 다양한 물질로 이루어질 수 있다. 한편, 상기 나노물질은 서로 다른 성분을 가지는 물질이 결합된 이종구조(heterostructure), 예를 들면, 반경 방향에 따른 이종 구조 또는 길이 방향에 따른 이종 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 기판; 상기 기판 위에 형성된 그래핀층; 및상기 그래핀층 위에 형성되고, 나노월 구조와 나노와이어 구조가 혼재된 하이브리드 나노구조체를 포함하는 복합 나노구조체가 제공된다.
상기 복합 나노구조체는 상기 그래핀층과 상기 하이브리드 나노구조체 사이에 금 금속층을 추가로 포함할 수 있다.
상기 복합 나노구조체에서 하이브리드 나노구조체는 그래핀층에 가까운 쪽으로부터 나노월, 나노월과 나노와이어의 혼합물, 및 나노와이어가 혼재된 형태일 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 복합 나노구조체를 포함하는 나노 전기소자가 제공된다.
상기 나노 전기소자는 상기 복합 나노구조체상에 이격되어 위치하는 상대 전극층을 더 포함할 수 있다. 상기 상대 전극층은 그래핀층, ITO, Au 또는 Pt, IZTO 등 일반적인 전극으로 사용되는 물질이면 모두 가능하다.
상기 나노 전기소자에서 상기 기판은 투명 폴리에틸렌테레프탈레이트(PEN), SiO2 또는 Al2O3 기판일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 나노 전기소자는 DC(Direct Current) 모드를 가진 나노 발전기일 수 있다.
나노 전기소자를 구성하는 나노구조체에 힘을 가하면 나노구조체 상부의 전자가 나노구조체 하부로 이동하고 나노와이어만으로 이루어진 나노구조체의 경우는 힘을 제거함과 동시에 나노구조체 하부에 존재하던 전자가 다시 나노구조체 상부로 이동하게 되므로 AC 모드의 나노 발전기를 이루게 된다. 그러나, 본 발명에서와 같이 나노월이 나노구조체 하부에 존재하는 경우, 이동하여 온 전자가 쌓이지 않고 다시 나노구조체 상부로 흘러가게 되므로 DC 모드의 나노 발전기를 형성할 수 있게 된다.
이하에서 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명하나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
기판상의 그래핀 시트의 제조
Cu 호일(구입처: 와코파 두께: 0.2T )을 챔버(제조사명: ㈜케프텍, 모델명: High Temp. Furnace 14030FL) 내에 위치시키고, 혼합 가스(메탄:수소=2:1)를 30sccm으로 상기 챔버 내에 일정하게 투입하면서 할로겐 램프 열원을 사용하여 1000℃에서 30분 동안 열처리하여 상기 Cu 호일상에 그래핀을 생성하였다.
이어서 Cu 호일로부터 그래핀을 분리하기 위해 그래핀/Cu 호일 상에 PMMA가 용해된 클로로벤젠 용액(5중량%)을 1,000rpm의 속도로 60초동안 코팅한 후 결과물을 에천트(CuSO4+HCl+FeCl) 용액(구입처:TRANSENE COMPANY Inc., 제품명: Nickel Etchant type 1)에 담갔다. 1시간 침지하여 상기 Cu 호일을 제거함으로써 PMMA상에 부착된 상태의 그래핀을 분리하였다. PMMA상에 부착된 상태의 그래핀을 Al2O3 층에 시트에 이송하고 건조시킨 다음, 아세톤으로 PMMA를 제거하였다. 이 이송 공정을 3회 반복하여 그래핀 3층(graphene 3 layer)을 얻었다.
그래핀/Al 2 O 3 상의 금(Au) 금속층 형성(두께 0.5nm)
열 증발법 장비(제조사명: Sntek) 챔버안 하부에는 금 금속(소스)을 장입하고, 상부에는 그래핀/Al2O3 기판을 장착하였다. 기판 및 소스의 장착 후 챔버 내부는 저진공(1 X 10-3 torr)을 거쳐 고진공(1 X 10-5 torr)까지 분위기를 만들었다. 고진공 분위기에서 하부에 위치한 금 금속에 열을 가하여 금 금속을 기화시키고, 기화된 금 기체는 그래핀/ Al2O3 기판상에 증착되었다. 형성되는 금 금속층의 두께를 열 증발법 장비에 장착된 센서 모니터를 이용하여 0.5nm로 조절하였다.
ZnO 하이브리드 나노구조체 형성
챔버 중앙에 산화아연 및 그래파이트를 혼합한 분말을 장입하고, 상기 혼합 분말 아래 약 1cm 떨어진 위치에 상기 준비된 금/그래핀/Al2O3 기판을 위치시켰다. 챔버내에 혼합분말 및 기판의 세팅이 완료되면, 비활성 기체 분위기하 (Ar 가스, 공급유량 1000sccm)에서 온도를 증가시켰다. 이 때 화학 증착은 900℃ 내외에서 60분 동안 행하였다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 금 금속층의 두께가 0.5nm 대신 1.0nm가 되도록 하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 ZnO 하이브리드 나노구조체를 형성하였다.
실시예 3
상기 실시예 1에서 금 금속층의 두께가 0.5nm 대신 2.0nm가 되도록 하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 ZnO 하이브리드 나노구조체를 형성하였다.
도 2는 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 성장시킨 하이브리드 나노구조체의 위에서 본 FE-SEM 사진을 나타낸다.
도 3은 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 성장시킨 하이브리드 나노구조체의 단면에서 본 FE-SEM 사진을 나타낸다.
도 2 및 도 3에서 보듯이, 본 발명의 일 구현예에 따른 하이브리드 나노구조체의 모폴로지는 금 금속층의 두께에 좌우된다는 것을 확인할 수 있다. 즉 금 금속층의 두께가 두꺼울수록 금의 섬 구조의 크기가 커져, 그 위에 성장되는 나노구조체의 직경 또한 커지게 되므로, 인접한 나노구조체끼리 서로 융합되어 나노월 구조가 많이 형성되고 나노와이어는 상대적으로 적게 형성됨을 볼 수 있다. 그렇지만 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 하이브리드 나노구조체 모두 그래핀층에 가까운 쪽으로부터 나노월, 나노월과 나노와이어의 혼합물 및 나노와이어의 형태를 가짐을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 얻은 하이브리드 나노구조체의 XRD 패턴을 나타낸다. 도 4에서 보듯이, 본 발명의 일 구현예에 따른 하이브리드 나노구조체의 나노와이어는 그래핀층에 대해 수직 방향(002)으로 성장하였음을 확인할 수 있다. 즉 본 발명의 일 구현예에 따른 하이브리드 나노구조체 형성 방법은 나노와이어의 성장 방향을 기판에 대하여 수직 방향으로 제어함으로써 안정적인 전기적 성질을 갖는 나노 전기소자를 얻을 수 있도록 한다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따라 성장시킨 하이브리드 나노구조체의 HR-TEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 5에서 보듯이, Al2O3 기판 위에 그래핀이 있음을 확인할 수 있으며, 그 위로 성장된 ZnO 하이브리드 구조를 확인할 수 있다. 또한 그래핀의 성장방향인 002 방향과 동일한 방향으로 ZnO가 성장되어 있음을 확인할 수 있다.
한편, 상기 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1과 비교예 2에서 얻은 나노구조체를 사용하여 나노 전기소자를 제조하였다.
나노 전기소자는 상부기판과 하부 기판을 글루건 장비를 사용하여 고정하였으며, 측정장비로 연결하기 위하여 상하부 전극에서 전선을 이용하였으며, 전극에 전선을 글루건으로 고정한 후 전자가 잘 통할 수 있도록 은(Ag) 페이스트를 사용하여 전선과 전극을 접합하였다. 소자의 전체적인 구조는 Al2O3 기판과 그래핀 // ZnO 하이브리드 나노구조체 // 금 금속층 // 플랙서블 기판 형태의 구조이다.
상기에서 제조한 나노 전기소자를 사용하여 스위칭 극성 테스트를 실시하였다. 스위칭 극성 테스트는 전기소자의 구동 여부를 판단하는 것이다. 즉, 전기소자에서 출력되는 시그널은 매우 낮은 단위이며, 측정되는 출력 값이 외부에서 유입되어 측정되는 것인지 소자에서 구동으로 인해 측정되는 것인지를 판단하기 위해서이다. 스위칭 극성 테스트 방법은 측정 시 소자의 극성을 바꾸었을 때 출력되는 방향이 바뀌는지 유무를 판단한다.
도 6은 본 발명의 실시예 2 에 따라 제조한 나노 전기소자의 스위칭 극성 테스트를 나타낸 도면이다.
도 6에서 보듯이, DC 타입의 전류 밀도와 전압을 확인할 수 있었다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따라 성장시킨 나노구조체의 HR-TEM 이미지 및 μ-EDS 스펙트럼을 나타낸 도면이다. 도 7에서 보듯이, Au (금속 촉매)의 위치가 그래핀 위에 위치함을 알 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서는 금 금속층의 두께를 일정 범위로 하여 하이브리드 나노구조체의 모폴로지를 제어함으로써 안정적인 전기적 성질을 가지며 DC 모드인 나노 전기소자를 얻을 수 있다.
11: 기판 12: 그래핀층
13: 금 금속층 14: 나노물질
15: 나노구조체 16: 나노월
17: 나노월과 나노와이어의 혼합물
18: 나노와이어

Claims (15)

  1. 기판상에 그래핀층을 형성하는 단계;
    상기 그래핀층에 금 금속층을 형성하는 단계; 및
    상기 금 금속층이 형성된 그래핀층에 나노물질을 화학증착하는 단계
    를 포함하는
    상기 그래핀상에 하이브리드 나노구조체를 형성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀층은 금속 촉매층 위에 화학증착에 의해 그래핀층을 성장시키는 단계;
    상기 그래핀층으로부터 상기 금속 촉매층을 제거하는 단계; 및
    상기 그래핀을 기판에 전달하는 단계를 포함하는 방법으로 제조되는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속층은 0.5nm 내지 5nm의 두께로 형성하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 나노물질은 800 내지 950℃에서 30분 내지 2시간동안 화학 증착되는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 나노물질은 Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 반도체, Ⅱ-Ⅵ족 반도체, Ⅳ-Ⅵ족 반도체, Ⅳ-Ⅴ-Ⅵ족 반도체, 산화물 반도체, 질화물 반도체 및 금속으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 하이브리드 나노구조체는 그래핀층에 가까운 쪽으로부터 나노월, 나노월과 나노와이어의 혼합물 및 나노와이어가 혼재된 형태인 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금 금속층은 나노물질의 화학증착시 섬(island) 구조로 변환되는 방법.
  8. 기판;
    상기 기판 위에 형성된 그래핀층; 및
    상기 그래핀층 위에 형성되고, 나노월 구조와 나노와이어 구조가 혼재된 하이브리드 나노구조체
    를 포함하는 복합 나노구조체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 그래핀층과 상기 나노구조체 사이에 금 금속층을 추가로 포함하는 복합 나노구조체.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 하이 브리드 나노구조체는 기판쪽으로부터 나노월, 나노월과 나노와이어의 혼합물, 및 나노와이어가 형성된 구조인 복합 나노구조체.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 기판은 투명 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), SiO2 또는 Al2O3 기판인 복합 나노구조체.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 복합 나노구조체를 포함하는 나노전기소자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 하이브리드 나노구조체상에 이격되어 위치하는 상대 전극층을 더 포함하는 나노 전기소자.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 상대전극층은 그래핀층, ITO, AU, Pt 또는 IZTO인 나노 전기소자.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 나노 전기소자가 DC(Direct Current) 모드 나노발전기인 나노 전기소자.
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