KR20140001371A - 그래핀 기판 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20140001371A
KR20140001371A KR1020120068699A KR20120068699A KR20140001371A KR 20140001371 A KR20140001371 A KR 20140001371A KR 1020120068699 A KR1020120068699 A KR 1020120068699A KR 20120068699 A KR20120068699 A KR 20120068699A KR 20140001371 A KR20140001371 A KR 20140001371A
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Abstract

본 발명의 그래핀 기판은 절연 물질로 구성된 평평한 기판; 상기 기판 위에 전사되고 그래핀으로 구성된 그래핀층; 및 상기 기판에 접촉된 그래핀층의 표면에 도펀트로 구성된 도펀트층이 형성된 구조를 갖는다.
본 발명에 따르면, 도펀트층이 그래핀층에 의해 외부와 차단됨으로써, 그래핀 기판의 전도도가 높아진 상태와 그래핀층의 면저항값이 감소된 상태가 줄어들지 않고 오래도록 지속된다.

Description

그래핀 기판 및 그 제조 방법{Graphene substrate and manufacturing method thereof}
본 발명은 고분자 화합물에 관한 것으로서, 특히 전류가 흐르는 배선용으로 그래핀을 구비하는 그래핀 기판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
과학기술이 발전하면서 나노 기술을 이용한 신소재의 개발이 활발히 진행되고 있다. 그 중에서, 탄소가 포함된 재료들, 예컨대 탄소 나노튜브(carbon nanotube), 다이아몬드(diamond), 그래파이트(graphite), 그래핀(graphene) 등에 관한 연구가 나노 기술 분야에서 집중적으로 연구되고 있다. 이러한 재료들은 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor), 바이오 센서(biosensor), 나노 복합물(nanocomposite), 양자 소자(quantum device) 등에 이용될 수 있다.
그래핀은 2차원 탄소 동소체로서, 기존의 물질과 다른 매우 유용한 특성을 가진다. 그 중 주목할만한 특징으로는 그래핀에서 전자가 이동할 경우 마치 전자의 질량이 제로인 것처럼 흐른다는 것이다. 이는 전자가 진공 중의 빛이 이동하는 속도, 즉 광속으로 흐르는 것을 의미한다. 현재까지 알려진 그래핀의 전자 이동도는 최대 200,000 cm2/Vs에 달한다. 즉, 그래핀은 ITO 소재 등의 산화물 투명전극 보다 내충격성, 유연성 등이 뛰어나며, 높은 투명도와 높은 전기 전도도를 가지고 있는 특성이 있다. 따라서 그래핀은 전기 또는 전자기 소자 등에 효과적으로 이용될 수 있다.
그래핀이 전기 또는 전자기 소자에 유용하게 이용되기 위해서는 면저항이 작아야 한다. 그래핀의 면저항을 감소시키기 위한 그래핀의 제조 방법이 국내공개특허(#2011-0093666호)에 개시되어 있다. 상기 공개특허는 그래핀에 도펀트를 도핑하여 전기적 성질을 개선하는 다층 그래핀 제조 방법을 개시하고 있으며, 이러한 방법에 따라 그래핀을 제조할 경우에 도펀트가 공기중에 반응하여 도핑효과가 지속되지 않아서 그래핀의 면저항 감소 효과가 점차적으로 줄어든다.
본 발명은 그래핀의 면저항의 감소 효과가 지속되는 그래핀 기판을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 또한, 상기 그래핀 기판의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명은,
절연 물질로 구성된 평평한 기판; 상기 기판 위에 전사되고 그래핀으로 구성된 그래핀층; 및 상기 기판에 접촉된 그래핀층의 표면에 도펀트로 구성된 도펀트층이 형성된 그래핀 기판을 제공한다.
상기 기판은 투명한 재질로 구성될 수 있다.
상기 기판은 전사 필름으로 구성될 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명은 또한,
(a) 절연성 필름의 일면에 그래핀층이 형성된 부재를 준비하는 단계 (b) 상기 그래핀층의 표면을 도핑하여 도펀트층을 형성하는 단계 (c) 상기 도펀트층이 기판과 그래핀층 사이에 접촉되도록 상기 그래핀층을 기판에 전사하는 단계 및 (d) 상기 절연성 필름을 제거하는 단계를 포함하는 그래핀 기판 제조 방법을 제공한다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명은 또한,
(a) 절연성 필름의 일면에 그래핀층이 형성된 부재를 준비하는 단계 (b) 기판의 표면을 도핑하여 도펀트층을 형성하는 단계 (c) 상기 도펀트층이 상기 그래핀층에 접촉되도록 상기 그래핀층을 기판에 전사하는 단계 및 (d) 상기 절연성 필름을 제거하는 단계를 포함하는 그래핀 기판 제조 방법을 제공한다.
상기 (a) 단계는, (a-1) 촉매 금속의 일 면에 상기 그래핀층을 합성하는 단계; (a-2) 상기 그래핀층의 표면에 상기 절연성 필름을 부착하는 단계; (a-3) 상기 금속을 제거하여 상기 부재를 구비하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 절연성 필름은 캐리어 필름으로 구성할 수 있다.
상기 부재 또는 기판을 도핑 용액이 담긴 용기에 담구어서 상기 그래핀층 또는 기판의 표면을 도핑할 수 있다. 이 때, 상기 도핑 용액은 염화금(AuAl3), 질산(HNO3), 염화수소(HCL), 염화구리(CuCl2), 폴리비닐리덴디플루오리드(PVDF), 브로민(Br2), TFSI(trifluoromethan sulfonyl imide) 중 하나를 이용하여 만들 수 있다.
상기 부재 또는 기판을 도펀트 증기 내로 통과시켜서 상기 도펀트층을 형성할 수도 있다.
본 발명에 따라 그래핀 기판에 구비되는 그래핀층에 도펀트층을 형성함으로써 그래핀 기판의 전도도가 높아지고, 그래핀층의 면저항값이 감소된다.
또한, 상기 도펀트층은 그래핀층에 의해 외부와 차단되도록 구성된다. 따라서, 그래핀층의 도핑 효과가 지속된다. 즉, 도펀트층이 그래핀층에 의해 외부와 차단됨으로써, 그래핀 기판의 전도도가 높아진 상태와 그래핀층의 면저항값이 감소된 상태가 줄어들지 않고 오래도록 지속된다.
도 1은 본 발명에 따른 그래핀 기판의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기판의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3은 도 2에 도시한 제1 단계를 상세히 도시한 흐름도이다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명에 따른 그래핀 기판의 제조 방법을 순차적으로 도시한 단면도들이다.
도 5는 그래핀 기판의 도핑 공정을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 기판의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참고하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 각 도면에 제시된 참조부호들 중 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 그래핀(graphene) 기판(101)의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 그래핀 기판(101)은 기판(111), 그래핀층(121) 및 도펀트(dophant)층(131)을 구비한다.
기판(111)은 전기가 통하지 않는 절연성을 가지며, 또한 투명한 물질로 구성될 수 있다. 즉, 기판(111)은 전사 필름, 예컨대 PET(polyethylene terephthalate), 유리(glass), 석영(quartz), 사파이어(sapphire), 웨이퍼(wafer) 중 하나로 구성될 수 있다. 기판(111)은 평평하며, 플렉시블(flexible)한 재질로 구성된 것이 바람직하다.
그래핀층(121)은 그래핀(graphene)으로 구성되며, 기판(111) 위에 전사되어 있다.
상기 그래핀은 탄소(C) 원자 한 층 또는 복수의 층으로 이루어진 벌집 구조의 2차원 박막을 갖는다. 탄소 원자는 sp
Figure pat00001
혼성궤도에 의해 화학 결합을 하는 경우, 이차원의 탄소 육각망면을 형성한다. 탄소는 최외각 전자가 4개로, 결합을 할 때 4개의 전자가 혼성되어 결합에 참여한다. 탄소의 결합에는, sp
Figure pat00002
결합을 하는 방법과 sp
Figure pat00003
결합을 하는 방법이 있으며, sp
Figure pat00004
결합만으로 이루어진 것이 정사각형의 다이아몬드이고, sp
Figure pat00005
결합만으로 이루어진 물질이 흑연(graphite) 또는 흑연의 한 층인 그래핀이다. 예를 들면, 원래 s 궤도(orbital)와 p궤도에만 존재해야 할 전자들이, s와 p 궤도를 합친 sp
Figure pat00006
및 sp
Figure pat00007
의 혼성 오비탈을 갖게 된다. 상기 sp
Figure pat00008
혼성 오비탈은 s궤도에 전자 하나와 p궤도에 전자 두 개를 가지므로, sp
Figure pat00009
혼성 오비탈은 총 전자 3개를 가지게 되고, 이때 각 전자의 에너지 준위는 동일하다. 각기 s와 p 오비탈을 갖는 것보다 이와 같이 혼성 오비탈을 갖는 것이 안정하기 때문에 혼성 오비탈 상태에 있게 된다. 이와 같은 sp
Figure pat00010
결합에 의하여 평면 구조를 가지는 탄소 원자의 집합체가 그래핀이며, 단일층의 두께는 탄소 원자 하나의 크기에 불과하여 약 0.3 nm이다.
그래핀은 그 특성이 금속성으로, 층방향으로 전도성을 가지며 열전도성이 우수하고, 전하 캐리어(carrier)의 이동도(mobility)가 커서 고속 전자 소자를 구현할 수 있다. 그래핀 시트(sheet)의 전자 이동도는 약 20,000 내지 50,000 [cm2/Vs]의 값을 가지는 것으로 알려져 있다. 그래핀은 역학적 견고성과 화학적 안정성이 뛰어나고, 반도체와 도체의 성질을 모두 가지고 있으며, 두께가 얇아, 평판 표시 소자, 트랜지스터, 에너지 저장체 및 나노 크기의 전자소자로의 응용성이 크다. 그래핀을 이용하면 종래의 반도체 공정 기술을 이용하여 소자를 제조하기 용이하며, 특히 대면적 집적화가 용이한 이점이 있다.
도펀트층(131)은 기판(111)과 그래핀층(121)에 모두 접촉하며, 그래핀층(121)의 표면에 도핑되어 있다. 도펀트층(131)은 도펀트로 이루어지며, 그래핀층(121)과 기판(111) 사이에 위치하여 외부와 차단된다. 상기 도펀트는 NO2BF4, NOBF4, NO2SbF6, HCl, H2PO4, CH3COOH, H2SO4, HNO3, PVDF, 나피온(Nafion), AuCl3, SOCl2, Br2, CH3NO2, 디클로로디시아노퀴논, 옥손, 디미리스토일포스파티딜이노시톨 및 트리플루오로메탄술폰이미드 중 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 그래핀층(121)에 도펀트층(131)을 형성함으로써 그래핀 기판(101)의 전도도가 높아지고, 그래핀층(121)의 면저항값이 감소된다. 또한, 도펀트층(131)은 그래핀층(121)에 의해 외부와 차단되도록 구성됨으로써, 그래핀층(121)의 도핑 효과가 지속된다. 즉, 그래핀 기판(101)의 전도도가 높아진 상태와 그래핀층(121)의 면저항값이 감소된 상태가 줄어들지 않고 오래도록 지속된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기판 제조 방법을 도시한 흐름도이다. 도 2를 참조하면, 그래핀 기판 제조 방법은 제1 내지 제4 단계(211∼241)를 포함한다. 도 4c 내지 도 4f를 참조하여 도 2에 도시된 그래핀 기판 제조 방법을 설명하기로 한다.
제1 단계(211)로써, 도 4c를 참조하면, 절연성 필름(151)의 일면에 그래핀층(121)이 형성된 부재(105)를 준비한다. 절연성 필름(151)은 그래핀층(121)을 운반하기 위하여 그래핀층(121)에 부착되는 절연 물질의 필름이며, 캐리어 필름(carrier film)으로 구성하는 것이 바람직하다.
상기 캐리어 필름은 액상 소재, 예컨대 솔더 레지스트(Solder Resist), 포토레지스트(Photoresist), 포토 솔더 레지스트(Photo Solder Resist) 중 하나로 형성될 수 있다. 상기 액상 소재는 스크린 프린팅(screen printing) 방법과 롤 코팅(roll coating) 방법 중 하나를 이용할 수 있다. 상기 스크린 프린팅 방법을 사용하는 경우, 스크린 프린팅 후 150∼180[℃]에서 약 5분 가량 경화(curing)를 수행하는 것이 바람직하다.
상기 캐리어 필름은 또한, 열박리 테이프, UV(Ultraviolet) 테이프, 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 경화형 접착제, PBI(Polybenizimidazole) 접착제, 폴리 이미드 접착제, 실리콘 접착제, 이미드 접착제, BMI(Bismaleimide) 접착제, 변성 에폭시 수지, 유리(glass) 등의 다양한 소재를 이용하여 구성될 수 있다.
상기 캐리어 필름을 그래핀층(121)의 일 면에 접착하기 위하여, 그래핀층(121)과 상기 캐리어 필름이 나란히 배치된 상태에서 상기 캐리어 필름의 후면에 복수개의 분사노즐들(도시 안됨)을 배치하고, 상기 복수개의 분사노즐들로 상기 캐리어 필름에 공기를 분사하여 공압을 가한다. 그러면, 상기 복수개의 분사노즐들이 가하는 공압에 의해서, 상기 캐리어 필름은 그래핀층(121) 쪽으로 밀려나 상기 캐리어 필름은 그래핀층(121)에 달라붙게 된다. 이 때, 상기 캐리어 필름을 가압하는 공기를 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 캐리어 필름에 가해지는 공기를 가열하는 단계를 더 구비함으로써, 공기가 상기 캐리어 필름에 공압을 가함과 동시에 상기 캐리어 필름을 가열하므로 상기 캐리어 필름과 그래핀층(121)이 더욱 잘 달라붙게 된다. 또한, 상기 캐리어 필름이 가열되면 상기 캐리어 필름 및 그래핀층(121)의 계면 간의 접촉시 유연성이 증가된다. 따라서, 상기 캐리어 필름 또는 그래핀층(121)의 표면에 요철, 곡면 또는 패턴이 형성되는 등, 상기 캐리어 필름 또는 그래핀층(121)이 다양한 표면 상태를 가지더라도 유연하게 대처할 수 있다.
제2 단계(221)로써, 도 4d를 참조하면, 그래핀층(121)의 표면을 도펀트로 도핑(doping)한다. 그래핀층(121)을 도핑하기 위해서는 도펀트로 구성된 도핑 용액이 담긴 용기를 준비한다. 그런 다음, 부재(도 4a의 105)를 상기 도핑 용액에 담구면, 그래핀층(121)의 표면이 도핑된다. 상기 도핑 용액은 염화금(AuAl3), 질산(HNO3), 염화수소(HCL), 염화구리(CuCl2), 폴리비닐리덴디플루오리드(PVDF), 브로민(Br2), TFSI(trifluoromethan sulfonyl imide) 중 하나를 이용하여 만들 수 있다.
그래핀층(121)의 표면을 도핑하기 위한 방법으로써, 도 5에 도시된 바와 같이, 부재(105)가 감긴 공급 릴(reel)(511), 도핑 용액(525)이 담긴 용기(521), 및 수신 릴(512)을 순서대로 설치한다. 이 상태에서, 공급 릴(511)로부터 부재(105)를 풀면서 수신 릴(512)에 부재(105)를 감는다. 이 때, 공급 릴(511)로부터 풀리는 부재(105)가 도핑 용액(525)이 담긴 용기(521)를 통과하도록 한다. 이와 같이, 부재(105)가 도핑 용액(525)이 담긴 용기(521)를 통과하면서, 부재(105)에 구비된 그래핀층(121)의 표면은 도펀트로 도핑된다.
그래핀층(121)의 표면은 도펀트 증기를 이용하여 도핑할 수도 있다. 상기 도펀트 증기는 용기(도 5의 521)에 담긴 도핑 용액(도 5의 525)을 가열시켜서 기화됨에 의해 생성될 수 있다. 이 때, 부재(105)는 도핑 용액(도 5의 525)으로부터 기화되는 도펀트 증기가 증착될 수 있도록 도핑 용액(도 5의 525)의 상부에 위치할 수 있다. 이 경우에, 부재(105)의 높이를 조절할 수 있는 높이 조절 장치(도시 안됨)가 구비될 수 있다.
그래핀층(121)의 표면을 도핑할 때 도펀트의 종류나 도핑 시간을 달리하여 도핑된 그래핀층(121)의 전도 특성을 조절할 수 있다. 즉, 도펀트의 종류나 도핑 시간이 변경됨에 따라 도핑된 그래핀층(121)의 면저항 및 투명도를 조절할 수 있다.
제3 단계(231)로써, 도 4e를 참조하면, 그래핀층(121)을 기판(111)에 전사한다. 그래핀층(121)은 습식 전사 방법 또는 건식 전사 방법을 이용하여 기판(111)에 전사할 수 있다. 건식 전사 방법으로는 UV 테이프(Ultraviolet tape), 온도 반응형 점착력 소멸 테이프(thermal release tape) 등을 이용한 간접 전사 방법을 사용하거나, 직접 그래핀층(121)을 기판(111)에 전사하는 직접 전사 방법이 사용될 수 있다.
그래핀층(121)을 전사하기 전에 그래핀층(121)의 표면을 플라즈마 처리할 수 있다. 그래핀층(121)의 표면을 플라즈마 처리함으로써 그래핀층(121)의 표면 특성이 향상되어 그래핀층(121)이 기판(111)에 견고하게 결착된다.
제4 단계(241)로써, 도 4f를 참조하면, 절연성 필름(141)을 제거한다. 그래핀층(121)이 기판(111)에 전사된 상태에서 절연성 필름(141)을 제거하기 위하여, 기판(111)의 한쪽 끝을 잡고 절연성 필름(141)을 상방 또는 하방으로 잡아당긴다. 그러면, 물리적 힘에 의하여 절연성 필름(141)이 기판(111)으로부터 분리된다. 따라서, 도 1에 도시된 그래핀 기판(101)이 완성된다.
본 실시 예에서는 기판(111)의 한쪽 끝에 물리적 힘이 작용하는 경우를 설명하였으나 본 발명은 이에 한하지 않는다. 예컨대, 절연성 필름(141)의 양쪽 끝, 또는 사방에 물리적 힘을 가하여 절연성 필름(141)을 기판(111)으로부터 분리시킬 수 있다.
절연성 필름(141)을 기판(111)으로부터 용이하게 분리시키기 위하여 특정 조건을 제공할 때 절연성 필름(141)의 접착력이 약해지는 부재를 사용할 수 있다. 예컨대, 절연성 필름(141)으로써 열박리 테이프를 사용하게 되면, 열을 절연성 필름(141)에 가함으로써 절연성 필름(141)의 접착력이 약하여져서 기판(111)으로부터 쉽게 분리될 수 있다.
절연성 필름(141)을 제거한 후에 그래핀층(121)을 세정 및 건조한 후 그래핀층(121)에 보호층(도시 안됨)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시한 제1 단계(211)를 상세히 도시한 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 제1 단계(211)는 3개의 공정들(201∼203)을 포함한다. 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 도 3에 도시된 그래핀 기판 제조 방법의 제1 단계(211)를 상세히 설명하기로 한다.
첫 번째 공정(201)으로써, 도 4a를 참조하면, 금속(151)의 일 면에 그래핀층(121)을 합성한다. 이 때, 금속(151)은 촉매 금속의 역할을 한다. 금속(151)에 그래핀층(121)을 합성하기 위하여 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition)이나 열화학기상증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition)을 이용할 수 있다. 특히, 화학기상증착법은 저온에서 진행이 가능하고 대량 생산이 가능하여 금속(151)에 그래핀층(121)을 합성하기에 바람직한 공정이라 할 수 있다.
금속(151)은 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) 중 하나 이상으로 구성될 수 있다.
금속(151)의 표면에 그래핀층(121)을 형성하기 위해서는 먼저, 금속(151)을 챔버(chamber)(도시 안됨) 내에 장착한다. 이어서, 상기 챔버 내에 탄화수소(CH4) 가스를 일정 농도로 충진한 후, 상기 탄화수소에서 탄소(C) 원자와 수소(H) 원자를 분리시키기 위해 상기 챔버 내에 열에너지를 공급한다. 그러면, 상기 열에너지에 의해 탄소 원자와 수소 원자가 분리되고, 상기 분리된 탄소 원자가 금속(151)의 표면에 증착되어 그래핀층(121)이 합성된다.
금속(151)이 상기 챔버 내에 장착된 상태에서 상기 챔버 내에 열에너지를 주입하기 전에 상기 챔버에 수소(H2) 가스를 먼저 주입하여 금속(151)의 표면을 표면 처리하는 공정을 더 진행할 수 있다. 금속(151)을 표면처리함으로써, 그래핀층(121)이 금속(151)의 표면에 보다 더 견고하게 형성될 수 있다.
본 실시 예에서는 탄소 공급원으로 탄화수소 기체가 투입되는 경우를 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 일산화탄소, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 부타티엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔 등 탄소 원자가 포함된 군에서 선택된 하나 이상이 상기 탄소 공급원으로써 사용될 수 있다.
금속(151)의 표면에 그래핀층(121)을 형성하기 전에 금속(151)의 표면에 대하여 전처리를 수행할 수 있다. 상기 전처리 공정은 금속(151)의 표면에 존재하는 이물질을 제거하기 위한 공정으로, 예컨대 수소(H2) 기체를 사용할 수 있다. 상기 수소 기체의 공급으로 금속(151)의 표면을 깨끗이 유지할 수 있다. 다른 실시예로써, 특정 용액을 이용하여 금속(151)의 표면을 전처리할 수 있다. 예컨대, 산 용액이나 알칼리 용액을 사용하여 금속(151)의 표면을 세정할 수 있다.
금속(151)의 일 면에 그래핀층(121)이 형성된 소재를 구비하기 위하여, 금속(151)의 양면에 그래핀층(121)들을 합성한 후에 일 면의 그래핀층(121)을 제거할 수도 있다. 금속(151)의 양 면에 그래핀층(121)들을 합성하기 위하여 금속(151)의 일 면에 그래핀층(121)을 합성하는 방법과 동일한 방법 및 동일한 장비를 이용할 수 있다.
두 번째 공정(202)으로써, 도 4b를 참조하면, 그래핀층(121)의 표면에 절연성 필름(141)을 부착한다. 절연성 필름(141)은 캐리어 필름으로써 구성된다. 상기 캐리어 필름은 액상 소재, 예컨대 솔더 레지스트(Solder Resist), 포토레지스트(Photoresist), 포토 솔더 레지스트(Photo Solder Resist) 중 하나로 구성될 수 있다. 상기 액상 소재는 스크린 프린팅(screen printing) 방법과 롤 코팅(roll coating) 방법 중 하나를 이용하여 상기ㅐ 캐리어 필름으로 구성될 수 있다. 상기 스크린 프린팅 방법을 사용하는 경우, 스크린 프린팅 후 150∼180[℃]에서 약 5분 가량 경화(curing)를 수행하는 것이 바람직하다.
절연성 필름(141)은 폴리다이메탈실록세인 (polydimethylsiloxane), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylen terephthalate), 폴리 이미드 필름(polyimide film), 폴리우레탄 필름(polyurethane film), 유리(glass) 등의 다양한 소재로써 구성될 수 있고, 일정한 온도에 이르면 접착력을 잃는 열 박리 필름으로 구성될 수도 있다.
절연성 필름(141)을 그래핀층(121)의 표면에 접착하기 위하여, 그래핀층(121)과 절연성 필름(141)이 나란히 배치된 상태에서 절연성 필름(141)의 후면에 복수개의 분사노즐들(도시 안됨)을 배치하고, 상기 복수개의 분사노즐들로 캐리어 필름에 공기를 분사하여 공압을 가한다. 그러면, 상기 복수개의 분사노즐들이 가하는 공압에 의해서, 절연성 필름(141)은 그래핀층(121) 쪽으로 밀려나 그래핀층(121)에 접착된다. 이 때, 절연성 필름(141)을 가압하는 공기를 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다. 절연성 필름(141)에 가해지는 공기를 가열하는 단계를 더 구비함으로써, 공기가 절연성 필름(141)에 공압을 가함과 동시에 절연성 필름(141)을 가열하므로 절연성 필름(141)과 그래핀층(121)이 더욱 잘 달라붙게 된다. 또한 절연성 필름(141)이 가열되면 절연성 필름(141) 및 그래핀층(121)의 계면 간의 접촉시 유연성이 증가된다. 따라서 절연성 필름(141) 또는 그래핀층(121)의 표면에 요철, 곡면 또는 패턴이 형성되는 등, 절연성 필름(141) 또는 그래핀층(121)이 다양한 표면 상태를 가지더라도 유연하게 대처할 수 있다.
세 번째 공정(203)으로써, 도 4c를 참조하면, 그래핀층(121)으로부터 금속(151)을 제거한다. 금속(151)은 에칭 공정을 이용하여 제거할 수 있다. 상기 에칭 공정으로는 습식 공정이 이용될 수 있다. 상기 에칭 공정에 이용되는 에칭액으로는 산, 불화수소(HF), BOE(buffered oxide etch), 염화 제2철(FeCl3) 용액, 질산 제2철(Fe(No3)3) 용액 등이 있다.
본 실시 예에는 금속(151)을 제거하는 방법으로써 에칭액을 이용하는 습식 에칭 공정을 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 예컨대, 에칭 공정으로써 건식 에칭 공정이 적용될 수도 있고, 스퍼터링을 이용하여 금속(151)을 제거하는 공정이 적용될 수도 있다. 금속(151)을 제거하면 도 4c에 도시된 바와 같이 그래핀층(121)이 노출된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 기판 제조 방법을 도시한 흐름도이다. 도 6을 참조하면, 그래핀 기판 제조 방법은 제1 내지 제4 단계(611∼641)를 포함한다. 도 6에 도시된 그래핀 기판 제조 방법은 도 2에 도시된 그래핀 기판 제조 방법과 유사하며, 단지 제2 단계(621)와 제3 단계(631)만 다르므로, 이들에 대해서만 상세히 설명하기로 한다.
제2 단계(621)로써, 기판(도 1의 111)을 별도로 준비하고, 상기 기판(도 1의 111)의 일 표면을 도펀트로 도핑(doping)하여 도펀트층(도 1의131)을 형성한다. 기판(도 1의 111)의 표면을 도핑하기 위해서는 도펀트로 구성된 도핑 용액이 담긴 용기를 준비한다. 그런 다음, 기판(도 1의 111)을 상기 도핑 용액에 담구면, 기판(도 1의111)의 표면이 도펀트로 도핑된다. 상기 도핑 용액은 염화금(AuAl3), 질산(HNO3), 염화수소(HCL), 염화구리(CuCl2), 폴리비닐리덴디플루오리드(PVDF), 브로민(Br2), TFSI 중 하나를 이용하여 만들 수 있다.
기판(도 1의 111)의 표면을 도핑하는 방법은 도 2의 제2 단계(221)에 도시된 그래핀층(도 1의 121)을 도핑하는 방법과 유사하게 진행할 수 있으므로 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 한다.
제3 단계(631)로써, 그래핀층(도 1의 121)을 도펀트층(도 1의 131)이 형성된 기판(도 1의 111)에 전사한다. 그래핀층(도 1의 121)을 기판(도 1의 111)에 전사하는 방법은 도 2의 제3 단계(231)를 통하여 상세히 설명하였으므로, 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 도면들에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이들로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 절연 물질로 구성된 평평한 기판;
    상기 기판 위에 전사되고 그래핀으로 구성된 그래핀층; 및
    상기 기판에 접촉된 그래핀층의 표면에 도펀트로 구성된 도펀트층이 형성된 것을 특징으로 하는 그래핀 기판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 투명한 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 그래핀 기판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 전사 필름으로 구성된 것을 특징으로 하는 그래핀 기판.
  4. (a) 절연성 필름의 일면에 그래핀층이 형성된 부재를 준비하는 단계;
    (b) 상기 그래핀층의 표면을 도핑하여 도펀트층을 형성하는 단계;
    (c) 상기 도펀트층이 기판에 접촉되도록 상기 그래핀층을 기판에 전사하는 단계; 및
    (d) 상기 절연성 필름을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 기판 제조 방법.
  5. (a) 절연성 필름의 일면에 그래핀층이 형성된 부재를 준비하는 단계
    (b) 기판의 표면을 도핑하여 도펀트층을 형성하는 단계
    (c) 상기 도펀트층이 상기 그래핀층에 접촉되도록 상기 그래핀층을 기판에 전사하는 단계 및
    (d) 상기 절연성 필름을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 기판 제조 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 (a) 단계는
    (a-1) 촉매 금속의 일 면에 상기 그래핀층을 합성하는 단계
    (a-2) 상기 그래핀층의 표면에 상기 절연성 필름을 부착하는 단계
    (a-3) 상기 금속을 제거하여 상기 부재를 구비하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 기판 제조 방법.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 절연성 필름은 캐리어 필름으로 구성하는 것을 특징으로 하는 그래핀 기판 제조 방법.
  8. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 부재 또는 기판을 도핑 용액이 담긴 용기에 담구어서 상기 그래핀층 또는 기판의 표면을 도핑하는 것을 특징으로 하는 그래핀 기판 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 도핑 용액은 염화금(AuAl3), 질산(HNO3), 염화수소(HCL), 염화구리(CuCl2), 폴리비닐리덴디플루오리드(PVDF), 브로민(Br2), TFSI 중 하나를 이용하여 만드는 것을 특징으로 하는 그래핀 기판 제조 방법.
  10. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 부재 또는 기판을 도펀트 증기 내로 통과시켜서 상기 도펀트층을 형성하는 것을 특징으로 하는 그래핀 기판 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20190098541A (ko) * 2018-02-14 2019-08-22 광운대학교 산학협력단 실시간 당 모니터링 센서 시스템 및 저온 용액 공정에 기반한 당센서의 제조 방법

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