KR20140003354A - Preparing method of graphene sheet, graphene laminate, preparing method of transformation-affordable graphene sheet, transformation-affordable graphene sheet and device using the same - Google Patents

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KR20140003354A
KR20140003354A KR1020130145303A KR20130145303A KR20140003354A KR 20140003354 A KR20140003354 A KR 20140003354A KR 1020130145303 A KR1020130145303 A KR 1020130145303A KR 20130145303 A KR20130145303 A KR 20130145303A KR 20140003354 A KR20140003354 A KR 20140003354A
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graphene sheet
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Abstract

The application relates to a graphene sheet manufacturing method which includes a step of growing graphene on a graphene growth supporter including a metallic catalyst thin film for the growth of graphene by using a chemical vapor deposition method; a graphene laminate; a transformation-affordable graphene sheet manufacturing method; a transformation-affordable graphene sheet; and a device using the same. [Reference numerals] (AA) Injecting carbon gas; (BB) Cooling; (CC,FF,GG) Etching; (DD) Stamping; (EE) transforming a graphene layer on a target substrate; (HH) Floating the graphene layer

Description

그래핀 시트의 제조 방법, 그래핀 적층체, 변형 수용성 그래핀 시트의 제조 방법, 변형 수용성 그래핀 시트, 및 이를 이용하는 소자{PREPARING METHOD OF GRAPHENE SHEET, GRAPHENE LAMINATE, PREPARING METHOD OF TRANSFORMATION-AFFORDABLE GRAPHENE SHEET, TRANSFORMATION-AFFORDABLE GRAPHENE SHEET AND DEVICE USING THE SAME}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a graphene sheet, a graphene laminate, a method of producing a graphene sheet, a water-soluble graphene sheet, TRANSFORMATION-AFFORDABLE GRAPHENE SHEET AND DEVICE USING THE SAME}

본원은 화학기상증착법을 이용하여 그래핀 성장용 금속 촉매 박막 상에 그래핀 시트를 제조하는 방법, 그래핀 적층체, 변형 수용성 그래핀 시트 제조 방법, 변형 수용성 그래핀 시트, 및 이를 이용하는 소자에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing a graphene sheet on a thin film of a metal catalyst for graphene growth using a chemical vapor deposition method, a graphene laminate, a method for producing a strain water-soluble graphene sheet, a deformable water-soluble graphene sheet and a device using the same will be.

그래핀(graphene)은 탄소 원자들이 2차원 상에서 벌집 모양의 배열을 이루면서 원자 한 층의 두께를 가지는 전도성 물질이다. 3차원으로 쌓이면 흑연, 1차원적으로 말리면 탄소나노튜브, 공 모양이 되면 0차원 구조인 풀러렌(fullerene)을 이루는 물질로서 다양한 저차원 나노 현상을 연구하는데 중요한 모델이 되어 왔다. 그래핀은 구조적, 화학적으로도 매우 안정할 뿐 아니라 매우 뛰어난 전도체로서 실리콘보다 100배 빠르게 전자를 이동시키고 구리보다도 약 100배 가량 더 많은 전류를 흐르게 할 수 있다는 것으로 예측되었다. 이러한 그래핀의 특성은 2004년 흑연으로부터 그래핀을 분리하는 방법이 발견되면서 그동안 예측되어 왔던 특성들이 실험적으로 확인되었고 이는 지난 수년간 전 세계의 과학자들을 열광시켰다.Graphene is a conductive material with a thickness of one layer of atoms, with the carbon atoms forming a honeycomb arrangement in a two-dimensional fashion. Graphite is piled up in three dimensions, carbon nanotubes rolled up in one dimension, and fullerene, which is a zero-dimensional structure, when it becomes a ball shape. Graphene is not only structurally and chemically stable, but it is also a very good conductor that is expected to move electrons 100 times faster than silicon and carry about 100 times more current than copper. These properties of graphene were experimentally confirmed by the discovery of a method for separating graphene from graphite in 2004, which has been enthusiasm for scientists around the world for many years.

그래핀은 상대적으로 가벼운 원소인 탄소만으로 이루어져 1차원 또는 2차원 나노패턴을 가공하기가 매우 용이하다는 장점이 있으며, 이를 활용하면 반도체-도체 성질을 조절할 수 있을뿐 아니라 탄소가 가지는 화학결합의 다양성을 이용해 센서, 메모리 등 광범위한 기능성 소자의 제작도 가능하다. 2008년에는 MIT에서 선정한 세계 100대 미래기술로 선정되기도 했으며, 최근 국내에서도 한국과학기술평가원 및 삼성경제연구소가 그래핀 관련 기술을 10년 이내 우리의 삶의 뒤바꿀 10대 기술로 선정하기도 했다. 국내 그래핀 관련 연구는 지난해 비로소 소규모 국가과제가 시작되었을 정도로 아직 초기단계이며 미국, 일본, 유럽 등에 비해 크게 뒤쳐져 있는 상황이다.Graphene has the advantage that it is very easy to process one-dimensional or two-dimensional nanopatterns made of carbon, which is a relatively light element. It is also possible to manufacture a wide range of functional devices such as sensors and memories. In 2008, it was selected as one of the 100 best future technologies selected by MIT. Recently, Korea Institute of Science and Technology Evaluation and Samsung Economic Research Institute also selected graphene-related technology as the top 10 technologies to change our lives within 10 years. Domestic research on graphene is still in its infancy, as small-scale national projects began last year, and is far behind the US, Japan, and Europe.

이상에서 언급한 그래핀의 뛰어난 전기적/기계적/화학적 성질에도 불구하고 그 동안 대량 합성법이 개발되지 못했기 때문에 실제 적용 가능한 기술에 대한 연구는 매우 제한적이었다. 종래의 대량 합성법은 주로 흑연을 기계적으로 분쇄하여 용액 상에 분산 시킨 후 자기조립 현상을 이용해 박막으로 만드는 것이었다. 비교적 저렴한 비용으로 합성이 가능하다는 장점이 있지만 수많은 그래핀 조각들이 서로 겹치면서 연결된 구조로 인해 전기적, 기계적 성질은 기대에 미치지 못했다.In spite of the excellent electrical / mechanical / chemical properties of graphene mentioned above, since the mass synthesis method has not been developed in the meantime, the research on practical applicable technology has been very limited. In the conventional mass synthesis method, graphite was mechanically pulverized and dispersed in a solution, followed by self-assembly to form a thin film. The advantage of being able to synthesize at a relatively low cost, however, is that the electrical and mechanical properties of the graphene pieces are not as expected due to the overlapping structure of the graphene pieces.

최근 급격히 늘어난 평판 디스플레이의 수요로 인해 세계 투명전극 시장은 향후 10년 안에 20 조원 대로 성장할 것으로 예상된다. 디스플레이 산업이 발전한 우리나라의 특성상 해마다 투명전극의 국내 수요도 수천억 원에 이르지만 원천기술의 부족으로 대부분 수입에 의존하고 있다. 대표적인 투명전극인 ITO(Indium Tin Oxide)는 디스플레이, 터치스크린, 태양전지 등에 광범위하게 응용되고 있지만 최근 인듐의 고갈로 인해 단가가 상승하면서 대체물질의 시급한 개발이 요구되어 왔다. 또한, 깨어지기 쉬운 ITO의 특성으로 인해 접거나 휘거나 늘릴 수 있는 차세대 전자제품으로 응용이 큰 제약을 받아왔다. 이에 반해, 그래핀은 뛰어난 신축성, 유연성 및 투명도를 동시에 가지면서도 상대적으로 간단한 방법으로 합성 및 패터닝이 가능하다는 장점을 가질 것으로 예측되었다. 이러한 그래핀 전극은 향후 대량 생산기술 확립이 가능한 경우 수입대체 효과뿐만 아니라 차세대 플렉시블 전자산업 기술 전반에 혁신적인 파급을 미칠 것으로 예상된다.The global transparent electrode market is expected to grow to 20 trillion won within the next 10 years due to the rapidly growing demand for flat panel displays. Due to the nature of the display industry in Korea, the domestic demand for transparent electrodes has reached several hundred billion won each year, but it is largely dependent on imports due to lack of source technology. Indium Tin Oxide (ITO), which is a representative transparent electrode, has been widely used in displays, touch screens, solar cells, etc. Recently, due to the depletion of indium, the unit price has risen and urgent development of substitute materials has been required. In addition, due to the property of ITO which is easy to break, application has been greatly restricted to next generation electronic products which can be folded, warped or stretched. Graphene, on the other hand, was expected to have the advantage of being able to synthesize and pattern in a relatively simple manner while having excellent stretchability, flexibility and transparency. These graphene electrodes are expected to revolutionize the entire next-generation flexible electronic industry as well as import substitution if mass production technology can be established in the future.

그러나, 아직 그래핀의 대량 합성법 개발 및 이를 통한 그래핀 응용의 실제 적용 가능한 기술이 개발되지 않아 이러한 기술의 개발에 대한 요구가 증가되고 있다.
However, there is still a growing need for development of graphene because of the development of graphene and the practical application of graphene application through it.

본 발명자들은 화학기상증착법을 이용하여 그래핀 성장용 금속 촉매 박막 상에서 탄소 소스를 제공하여 그래핀 시트를 형성시킴으로써 그래핀 시트를 얻는 그래핀 시트의 새로운 제조 기술을 다양하게 개발하여 본원을 완성하였다. 이러한 기술들은 대면적의 그래핀 시트를 대면적으로 용이하게 경제적으로 제조할 수 있도록 할 수 있다. The present inventors have completed the present invention by variously developing a new manufacturing technique of a graphene sheet which obtains a graphene sheet by forming a graphene sheet by providing a carbon source on a thin film of a metal catalyst for graphene growth by chemical vapor deposition. These techniques can make large-area graphene sheets economically easy to manufacture with a large area.

이에, 본원은 화학기상증착법을 이용하여 그래핀 성장용 금속 촉매 박막 상에 그래핀 시트를 제조하는 방법, 그래핀 적층체, 변형 수용성 그래핀 시트 제조 방법, 변형 수용성 그래핀 시트, 및 이를 이용하는 투명 또는 불투명의 신축성 소자 등 다양한 소자를 제공하고자 한다.The present invention relates to a method for producing a graphene sheet on a thin film of a metal catalyst for graphene growth using a chemical vapor deposition method, a graphene laminate, a method for producing a strain water-soluble graphene sheet, Or an opaque stretchable element.

또한, 본원에서는 위와 같은 그래핀 시트의 제조 과정에서 그래핀 시트에 변형 수용성을 부여하는 주름을 형성함으로써 변형 수용성 그래핀 시트를 제조하고자 한다. 상기 변형 수용성 그래핀 시트는 변형 수용성을 조절하거나 추가로 변형 수용성을 부여할 수 있다. Further, in the present invention, it is intended to produce a water-soluble graphene sheet by forming a wrinkle which imparts strain water-solubility to the graphene sheet during the manufacturing process of the graphene sheet. The deformable water-soluble graphene sheet may control strain water solubility or impart additional strain water solubility.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
However, the problem to be solved by the present application is not limited to the above-mentioned problem, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본원의 일 측면은, 그래핀 성장용 금속 촉매 박막을 포함하는 그래핀 성장 지지체에 탄소 소스를 포함하는 반응 가스 및 열을 제공하여 반응시킴으로써 상기 지지체 상에서 그래핀을 성장시키는 것을 포함하는, 그래핀 시트의 제조 방법을 제공한다. One aspect of the present invention is a process for producing a graphene sheet, comprising growing graphene on the support by providing a graphene growth support comprising a metal catalyst thin film for graphene growth, Of the present invention.

본원의 다른 측면은, 그래핀 성장용 금속 촉매 박막을 포함하는 그래핀 성장 지지체 상에서 화학기상증착법에 의하여 성장된 그래핀을 포함하는, 그래핀 시트를 제공한다.Another aspect of the present invention provides a graphene sheet comprising graphene grown by chemical vapor deposition on a graphene growth support comprising a metal catalyst thin film for graphene growth.

본원의 또 다른 측면은, 신축성 기재(substrate) 상에 전사된 그래핀 시트를 포함하는 그래핀 적층체로서, 상기 그래핀 시트는 그래핀 성장용 금속 촉매 박막을 포함하는 그래핀 성장 지지체 상에서 화학기상증착법에 의하여 성장된 그래핀을 포함하는 것인, 그래핀 적층체를 제공한다.Another aspect of the present application is a graphene laminate comprising a graphene sheet transferred onto an elastic substrate, the graphene sheet having a chemical vapor phase on a graphene growth support comprising a metal catalyst thin film for graphene growth Wherein the graphene layer comprises graphene grown by vapor deposition.

본원의 또 다른 측면은, 그래핀 성장용 금속 촉매 박막을 포함하는 그래핀 성장 지지체 상에서 화학기상증착법에 의하여 성장된 그래핀을 에칭 용액 내에 침지시켜 상기 그래핀을 상기 지지체로부터 분리시켜 기재(substrate) 상에 전사하는 것을 포함하는, 그래핀 시트의 전사 방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, graphene grown by chemical vapor deposition on a graphene growth support containing a metal catalyst thin film for graphene growth is immersed in an etching solution to separate the graphene from the support to form a substrate, And transferring the graft sheet onto a recording medium.

본원의 또 다른 측면은, 그래핀 성장용 금속 촉매 박막을 포함하는 그래핀 성장 지지체 상에서 화학기상증착법에 의하여 성장된 그래핀을 포함하는, 그래핀 시트를 포함하는 소자를 제공한다.Another aspect of the present invention provides a device comprising a graphene sheet comprising graphene grown by chemical vapor deposition on a graphene growth support comprising a metal catalyst thin film for graphene growth.

본원의 또 다른 측면은, 신축성 기재(substrate) 상에 전사된 그래핀 시트를 포함하는 그래핀 적층체로서, 상기 그래핀 시트는 그래핀 성장용 금속 촉매 박막을 포함하는 그래핀 성장 지지체 상에서 화학기상증착법에 의하여 성장된 그래핀을 포함하는 것인, 그래핀 적층체를 포함하는 소자를 제공한다.Another aspect of the present application is a graphene laminate comprising a graphene sheet transferred onto an elastic substrate, the graphene sheet having a chemical vapor phase on a graphene growth support comprising a metal catalyst thin film for graphene growth Wherein the graphene layer comprises graphene grown by vapor deposition.

본원의 또 다른 측면은, 그래핀 성장용 금속 촉매를 포함하는 그래핀 성장 지지체에 탄소 소스 및 열을 제공하여 상기 지지체 상에서 그래핀 시트를 성장시키는 단계; 상기 지지체 및 상기 그래핀 시트 중 적어도 하나를 냉각하여, 상기 그래핀 시트에 주름을 형성하는 단계; 를 포함하며, 상기 지지체와 상기 그래핀의 열팽창율이 상이한, 변형 수용성 그래핀 시트의 제조 방법을 제공한다.Yet another aspect of the present invention provides a method of growing a graphene sheet, comprising: providing a graphene growth support comprising a metal catalyst for graphene growth to a carbon source and heat to grow a graphene sheet on the support; Cooling at least one of the support and the graphene sheet to form a corrugation on the graphene sheet; Soluble graphene sheet having a thermal expansion coefficient different from that of the graphene.

본원의 또 다른 측면은, 그래핀 성장용 금속 촉매를 포함하는 그래핀 성장 지지체 상에서 성장된 그래핀 시트로서, 상기 지지체가 분리되거나 또는 접하고 있는 그래핀 시트이고, 상기 그래핀 시트에는 주름이 형성되어 있는, 변형 수용성 그래핀 시트를 제공한다.Yet another aspect of the present application is a graphene sheet grown on a graphene growth support comprising a metal catalyst for graphene growth wherein the support is a graphene sheet from which the graphene sheet is separated or contacted, Soluble graphene sheet.

본원의 또 다른 측면은, 변형 수용성 그래핀 시트를 포함하는 소자로서, 상기 변형 수용성 그래핀 시트는, 그래핀 성장용 금속 촉매를 포함하는 그래핀 성장 지지체 상에서 성장된 그래핀 시트로서, 상기 지지체가 분리되거나 또는 접하고 있는 그래핀 시트이고, 상기 그래핀 시트에는 주름이 형성되어 있는 소자를 제공한다.
Another aspect of the present application is an element comprising a deformable water soluble graphene sheet, wherein the deformable water soluble graphene sheet is a graphene sheet grown on a graphene growth support comprising a metal catalyst for graphene growth, Wherein the graphene sheet is a graphene sheet that is separated or tangent, and wherein the graphene sheet is wrinkled.

기판 위에 금속 박막 패턴을 증착시킨 후 화학기상증착법을 이용해 그래핀을 합성함으로써 센티미터 크기 이상의 대면적 그래핀 필름 패턴을 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 상기 제조된 그래핀 필름 패턴을 에칭(etching) 및 전사(transfer)함으로써 원하는 기판 위에 다양한 패턴의 그래핀 전극을 제조할 수 있다. 또한, 그래핀 성장용 금속 촉매를 포함하는 그래핀의 성장 지지체 상에 탄소 소스를 제공하여 그래핀 시트를 형성하는 과정에서 상기 그래핀 시트에 변형 수용성을 부여하는 주름을 형성할 수 있다. 이에 따라 그래핀 시트에 용이하게 변형 수용성을 부여할 수 있다. 상기 주름의 사이즈를 조절하여 그래핀 시트의 변형 수용성을 조절할 수 있다. 또한, 상기 변형 수용성 그래핀 시트에 변형 수용성을 추가로 부여할 수 있다. 제조된 변형 수용성 그래핀 시트는 각종 소자에서 전극 물질 등으로 이용되어 소자 형태의 변형이 있는 경우에도 그 성능을 유지할 수 있도록 해줄 수 있다.A large area graphene film pattern having a centimeter size or more can be easily manufactured by depositing a metal thin film pattern on a substrate and synthesizing graphene using a chemical vapor deposition method. Further, by etching and transferring the produced graphene film pattern, it is possible to produce graphene electrodes of various patterns on a desired substrate. In addition, a carbon source may be provided on a growth support of graphene containing a metal catalyst for graphene growth to form wrinkles imparting strain water solubility to the graphene sheet in the process of forming the graphene sheet. This makes it easy to impart strain water solubility to the graphene sheet. The deformation water solubility of the graphene sheet can be controlled by adjusting the size of the wrinkles. Further, strain water solubility can be further imparted to the deformable water-soluble graphene sheet. The fabricated deformable water-soluble graphene sheet can be used as an electrode material or the like in various devices, so that the performance of the deformable water-soluble graphene sheets can be maintained even when there is deformation of the device shape.

이에 따라, 본원에 의하여 대면적 그래핀 필름 패턴을 용이하게 제조할 수 있으며, 상기 제조된 대면적 그래핀 필름 이용하여 원하는 기판 위에 다양한 패턴의 그래핀 전극을 제조할 수 있다. 이에, 본원에 의하여 그래핀 필름 패턴 및 이를 이용한 신축성 전극/전선은 앞으로 플렉시블 전자기기의 핵심 소재로 활용될 뿐 아니라 기존 전극/전선 재료인 ITO/구리 등을 대체할 것으로 예상된다.
Accordingly, a large area graphene film pattern can be easily manufactured by the present invention, and various patterns of graphene electrodes can be manufactured on a desired substrate using the prepared large area graphene film. Accordingly, it is expected that the graphene film pattern and the stretchable electrode / wire using the graphene film pattern will be used not only as a core material of flexible electronic devices but also as a substitute for conventional electrode / wire materials such as ITO / copper.

도 1은 본원의 일 구현예에 따른 그래핀 시트의 합성, 에칭 및 전사 과정을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 그래핀 시트 합성, 에칭, 및 전사 과정을 나타내는 개략도이다: a) 합성과정, b) 그래핀 성장용금속 촉매 박막의 에칭 및 전사, c) 기판의 에칭 및 그래핀 성장용 금속 촉매 박막의 에칭 후 전사.
도 3a는 반응시간 및 촉매 두께에 따른 그래핀 필름의 광학현미경 사진이고, 도 3b는 최적의 조건에서 성장된 그래핀이 전사 후에 100 마이크로미터 이상의 매우 큰 결정(grain) 크기를 보이는 광학현미경 사진이다. 도 3c는 서로 다른 반응시간 및 촉매 두께의 조건에서 성장한 그래핀 층수를 비교한 그래프이다.
도 4는 다양한 방법으로 분석한 그래핀 필름의 특성을 나타내는 데이터이다: a) 주사전자현미경 사진, b) 투과전자현미경 사진, c) 광학현미경 및 원자탐침 현미경(AFM) 사진, d-e) 공초점 라만 분광기 분석 결과.
도 5는 금속 촉매 박막을 FeCl3로 에칭한 후 다양한 기판에 전사하는 과정을 나타내는 사진이다: a) Ni 박막에서 형성된 그래핀, b) 1M FeCl3 수용액에서 분리된 그래핀 필름, c) 패턴된 형태로 성장된 그래핀 전극 모양, d-f) PDMS 기판 위에 접촉 후 에칭하여 전사하는 과정, g-h) 스탬핑(Stamping)에 의해 그래핀 패턴을 절연 기판 위에 옮기는 과정.
도 6은 그래핀 필름의 전기적, 광학적 특성 분석을 나타내는 데이터이다: a) 파장 변화에 따른 광투과도 특성 및 UV-ozone etching 시간에 따른 광투과도 변화, b) 합성된 그래핀을 이용한 나노소자의 양자홀(Quantum Hall) 전도현상, c) 투명 PET 필름 위에 전사된 그래핀 필름의 접힘 특성 테스트 결과. d) 신축성 투명 PDMS 기판에 전사된 그래핀 필름의 잡아당김 특성 테스트 결과.
도 7은 CVD 반응기 상의 샘플의 상대적인 위치를 조절해 냉각하는 방식을 설명하는 사진이다.
도 8a는 본원의 일 실시예에 따른 그래핀 시트에 형성된 개별 주름을 나타내는 개략도이다.
도 8b는 본원의 일 실시예에 따른 그래핀 시트에 형성된 주름을 전체적으로 보여주는 평면 개략도이다.
도 8c는 본원의 일 구현예에 따른 그래핀 시트에 형성된 개별 주름의 단면(AA' 단면)을 보여주는 개략도이다.
도 9는 본원의 일 구현예에 따른 추가 변형 수용성을 부여하는 방법의 두 가지 예를 나타내는 개략도이다.
도 10은 본원의 일 구현예에 따른 상승과 하강을 반복하는 프로파일을 가지는 그래핀 시트의 두 가지 양상을 나타내는 개략도이다.
도 11은 본 실시예 2에 따른 변형 수용성 물질을 1축(y축) 방향으로 벤딩 변형한 경우의 각 축(x, y축)에 따른 저항 변화(Rx, Ry)를 확인한 그래프이다. 해당 그래프의 X축은 해당 변형 수용성 물질을 벤딩하는 경우에 굽어진 부분의 반지름인 벤딩 반지름(mm)을 나타내고 Y축은 저항(kΩ)을 나타낸다.
도 12는 본 실시예 2에 따른 변형 수용성 물질을 1축(y축) 방향으로 연신하면서 y축에 따른 저항 변화를 확인한 그래프이다. 해당 그래프의 X축은 연신 변형(stretching) 비율(%)을 나타내며 Y축은 저항(kΩ)을 나타낸다.
도 13은 본 실시예 5 에 따른 변형 수용성 물질을 1축(y축) 방향으로 연신하면서 y축에 따른 저항 변화를 확인한 그래프이다. 해당 그래프의 X축은 연신 변형(stretching) 비율(%)을 나타내며 Y축은 저항(kΩ)을 나타낸다.
도 14는 본 실시예 6에 따른 변형 수용성 물질을 2축(x축, y축) 연신한 경우의 각 축(x, y축)의 저항 변화(Rx, Ry)를 확인한 그래프이다. 해당 그래프의 X축은 연신 변형(stretching) 비율(%)을 나타내며 Y축은 저항(Ω)을 나타낸다.
도 15의 A 및 B는 등방성 팽창에 의해 형성되는 가시 형상(herringbone shape)의 패턴의 모습을 보여주기 위한 도면으로서, 힘을 가하여 고무 기판을 등방성 팽창시킨 후, 실리콘 막을 등방성 팽창된 고무기판 위에 접착한 다음, 고무 기판에 가해진 힘을 제거하여 형성된 실리콘 막의 가시 형상 패턴의 사진이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a process of synthesis, etching, and transfer of a graphene sheet according to an embodiment of the present invention; FIG.
Figure 2 is a schematic diagram illustrating a process of graphene sheet synthesis, etching, and transfer according to one embodiment of the present application: a) a synthesis process, b) etching and transfer of a metal catalyst thin film for graphene growth, c) Post - etching of metal catalyst thin films for growth of graphene films.
FIG. 3A is an optical microscope image of a graphene film according to the reaction time and the catalyst thickness, and FIG. 3B is an optical microscope image showing a very large grain size of 100 micrometers or more after the graphene grown under optimum conditions . Figure 3c is a graph comparing the number of graphene layers grown under different conditions of reaction time and catalyst thickness.
Fig. 4 is data showing the characteristics of the graphene film analyzed by various methods: a) scanning electron microscope photograph, b) transmission electron microscope photograph, c) optical microscope and atomic probe microscope (AFM) Spectrometer analysis results.
FIG. 5 is a photograph showing the process of etching a metal catalyst thin film with FeCl 3 and then transferring it to various substrates: a) a graphene film formed from a Ni thin film, b) a graphene film separated from a 1M FeCl 3 aqueous solution, c) Gf) transferring the graphene pattern onto the insulating substrate by stamping, df) contacting and etching on the PDMS substrate, gh) transferring the graphene pattern onto the insulating substrate by stamping.
Fig. 6 is data showing electrical and optical characteristics of the graphene film: a) the light transmittance according to the wavelength change and the light transmittance according to the UV-ozone etching time, b) the quantum of the nano device using the synthesized graphene (Quantum Hall) conduction phenomenon, and (c) folding property test results of graphene film transferred on transparent PET film. d) Tensile property test result of graphene film transferred onto stretchable transparent PDMS substrate.
Figure 7 is a photograph illustrating the manner in which the relative position of the sample on the CVD reactor is regulated and cooled.
8A is a schematic diagram illustrating individual corrugations formed on a graphene sheet according to one embodiment of the present disclosure.
FIG. 8B is a schematic plan view of the corrugation formed on the graphene sheet according to one embodiment of the present invention. FIG.
8C is a schematic diagram showing a cross section (AA 'section) of individual pleats formed in the graphene sheet according to one embodiment of the present application.
9 is a schematic diagram illustrating two examples of methods of imparting additional strain water solubility according to one embodiment of the present disclosure.
10 is a schematic diagram illustrating two aspects of a graphene sheet having a profile repeating rising and falling according to one embodiment of the present disclosure;
11 is a graph showing resistance changes (Rx, Ry) along each axis (x, y axis) when the deformable water-soluble substance according to the second embodiment is bent and deformed in the uniaxial (y axis) direction. The X-axis of the graph represents the bending radius (mm), which is the radius of the curved portion when bending the deformable water-soluble material, and the Y-axis represents the resistance (kΩ).
12 is a graph showing changes in resistance along the y-axis while stretching the water-soluble substance according to the second embodiment in a single axis (y-axis) direction. The X-axis of the graph represents the stretching ratio (%) and the Y-axis represents the resistance (kΩ).
13 is a graph showing changes in resistance along the y-axis while stretching the deformable water-soluble substance according to the fifth embodiment in the uniaxial (y-axis) direction. The X-axis of the graph represents the stretching ratio (%) and the Y-axis represents the resistance (kΩ).
14 is a graph showing resistance changes (Rx, Ry) of each axis (x, y axis) when the deformable water-soluble substance according to the sixth embodiment is stretched in two axes (x and y axes). The X-axis of the graph represents the stretching ratio (%) and the Y-axis represents the resistance (Ω).
15A and 15B are views showing a pattern of a pattern of a herringbone shape formed by isotropic expansion. After a rubber substrate is isotropically expanded by applying a force, a silicone film is adhered onto an isotropically expanded rubber substrate And then removing the force applied to the rubber substrate.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. It should be understood, however, that the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서, 용어“~ 하는 단계”는 “~를 위한 단계”를 의미하지 않는다. Throughout this specification, when an element is referred to as " including " an element, it is understood that the element may include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise. Throughout this specification, the term " to " does not mean " a step for. &Quot;

본원 명세서 전체에서, 어떤 층 또는 부재가 다른 층 또는 부재와 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 층 또는 부재가 다른 층 또는 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 층 또는 두 부재 사이에 또 다른 층 또는 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout this specification, it is to be understood that when a layer or member is "on" another layer or member, it is not only the case where a layer or member is in contact with another layer or member, Or < / RTI > another member is present. Also, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise.

본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. The terms " about ", " substantially ", etc. used to the extent that they are used throughout the specification are intended to be taken to mean the approximation of the manufacturing and material tolerances inherent in the stated sense, Accurate or absolute numbers are used to help prevent unauthorized exploitation by unauthorized intruders of the referenced disclosure.

본원에 있어서, 변형이란 구부림, 폄, 연신, 압축, 비틈, 휨, 구김 등과 같은 가능한 모든 형태 변화를 의미하며, 한가지 방향으로 변화뿐만 아니라 모든 방향으로의 형태 변화를 포함하는 것이다. 따라서, 변형 가능성이란 의미는 예를 들어 압축 또는 연신 가능성(stretchable), 굽히거나 폄 가능성(bendable), 유연성(flexible) 등의 의미를 모두 포함하는 의미이다. In the present description, a deformation means all possible shape changes such as bending, swelling, stretching, compression, creep, warping, wrinkling, etc., and includes not only a change in one direction but also a change in shape in all directions. Thus, the term deformability means a meaning including, for example, compression or stretchable, bendable, flexible, and the like.

본원에 있어서, 변형 수용성이란 변형이 존재하거나 해당 변형이 존재한 후 사라진 경우에 변형으로 인한 저항값 등의 전기적 및/또는 기계적 물성 등의 물성 변화를 방지하거나 감소시킬 수 있는 성질을 의미한다. In the present specification, the strain water solubility refers to a property capable of preventing or reducing changes in physical properties such as electrical and / or mechanical properties such as resistance due to deformation when a strain is present or disappears after the strain is present.

본원에 있어서, 주름이란 그래핀 시트의 평평(flat)한 표면을 기준으로 일부에서 불연속적으로 상승하거나 또는 하강한 프로파일을 나타내는 것을 의미하는 것이다. Herein, the corrugation means that the corrugation shows a discontinuous rising or falling profile at a part based on the flat surface of the graphene sheet.

본원에 있어서, 주름의 폭은 개별 주름의 단면에 있어서, 주름이 상승 또는 하강하기 시작하는 점에서 하강 또는 상승을 완료하는 점까지의 길이이고, 주름의 높이란 개별 주름의 변곡 지점(상승 또는 하강에서 하강 또는 상승으로 변화하는 지점)의 높이 즉, 상기 변곡 지점에서 그래핀 시트의 평평한 면에 이르는 수직 길이를 의미한다. In the present application, the width of the corrugation is the length from the point where the corrugation starts to rise or fall to the point where the corrugation starts to descend or rise on the cross section of the individual corrugations, and the height of the corrugation is the inflection point To a flat surface of the graphene sheet at the inflection point) of the graphene sheet.

본원에 있어서, 상승 및 하강을 반복하는 프로파일에 있어서, 높이는 상승 또는 하강에서 하강 또는 상승으로 변화하는 변곡 지점의 높이 즉, 상기 변곡 지점에서 해당 상승 또는 하강이 없는 경우의 평평한 면에 이르는 수직 길이를 의미하고, 폭은 상승 또는 하강하기 시작하는 점에서 하강 또는 상승을 완료하는 점까지의 길이를 의미한다.In the present invention, in the profile repeatedly rising and falling, the height is the height of the inflection point changing from rising or falling to falling or rising, that is, a vertical length from the inflection point to the flat surface when there is no corresponding rise or fall , And the width means the length from the point where it starts to rise or fall to the point where it completes the descent or rise.

본원에 있어서, 파도 형상이란 그래핀 시트와 이에 접하는 탄성체가 상승 및 하강을 반복하는 프로파일을 함께 나타내는 형상을 의미한다. In the present application, the wave shape means a shape in which the graphene sheet and the elastic body in contact with the graphene sheet together exhibit a profile repeatedly rising and falling.

본원에 있어서, 버클 형상이란 그래핀 시트가 탄성체 상에서 상승 및 하강을 반복하는 프로파일을 가지는 것으로서, 변곡 지점에서 상기 그래핀 시트가 상기 탄성체와 접하는 형상을 의미한다. In the present application, the buckle shape means a shape in which the graphen sheet contacts the elastic body at an inflection point, having a profile repeatedly rising and falling on the elastic body.

본원에 있어서, 그래핀 성장 지지체란 그래핀이 성장하기 위한 그래핀 성장용 금속 촉매로 이루어지거나 상기 그래핀 성장용 금속 촉매 및 그 하부에 형성된 추가적인 기판, 예를 들어, 희생층 등을 포함할 수 있다.
As used herein, the graphene growth support may be comprised of a metal catalyst for graphene growth to grow graphene or may comprise an additional substrate formed thereon, such as a sacrificial layer, have.

본원의 일 측면은, 그래핀 성장용 금속 촉매 박막을 포함하는 그래핀 성장 지지체에 탄소 소스를 포함하는 반응 가스 및 열을 제공하여 반응시킴으로써 상기 지지체 상에서 그래핀을 성장시키는 것을 포함하는, 그래핀 시트의 제조 방법을 제공한다. 상기 방법에 의하여, 예시적으로 횡방향 또는 종방향 길이가 1 mm 이상 내지 1000 m 에 이르는 대면적 그래핀을 용이하게 제조할 수 있으며, 또한 결함이 거의 없는 균질한 구조를 갖는 대면적 그래핀을 제조할 수 있다. 상기 그래핀 필름은 그래핀의 단일층 또는 복수층을 포함할 수 있다. One aspect of the present invention is a process for producing a graphene sheet, comprising growing graphene on the support by providing a graphene growth support comprising a metal catalyst thin film for graphene growth, Of the present invention. By this method, it is possible to easily produce a large area graphen having a transverse or longitudinal length ranging from 1 mm to 1000 m, and also to provide a large area graphene having a homogeneous structure with few defects Can be manufactured. The graphene film may comprise a single layer or multiple layers of graphene.

본원의 예시적 구현예에 있어서, 상기 지지체 및 상기 그래핀 시트 중 적어도 하나를 냉각하는 것을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In an exemplary embodiment of the present application, the method may further include cooling at least one of the support and the graphene sheet, but is not limited thereto.

본원의 예시적 구현예에 있어서, 상기 그래핀 성장용 금속 촉매 박막은 패터닝된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 그래핀 성장용 금속 촉매 박막은 다양한 모양과 선폭의 패턴 형상을 가지도록 상기 그래핀 성장 반응 전에 미리 패터닝될 수 있다. 상기 그래핀 성장용 금속 촉매 박막의 패터닝은 당업계에 공지된 방법들 중 당업자가 적의 선택하여 수행할 수 있다. 상기 그래핀 성장용 금속 촉매 박막의 패턴의 모양을 조절함으로써 그 위에 원하는 모양의 그래핀 패턴을 성장시킬 수 있다.In an exemplary embodiment of the invention, the metal catalyst thin film for graphene growth may be patterned, but is not limited thereto. For example, the metal catalyst thin film for graphene growth may be patterned before the graphene growth reaction so as to have various shapes and line width pattern shapes. The patterning of the metal catalyst thin film for graphene growth can be performed by a person skilled in the art among the methods known in the art. By controlling the shape of the pattern of the metal catalyst thin film for graphene growth, a desired shape of the graphene pattern can be grown thereon.

본원의 예시적 구현예에 있어서, 상기 그래핀 성장용 금속 촉매는 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, 황동(brass), 청동(bronze), 스테인레스 스틸(stainless steel) 및 Ge 로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속 또는 합금을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 성장용 금속 촉매 박막은 10 nm 이상의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 그래핀 성장용 금속 촉매 박막의 두께는 10 nm ~ 100 ㎛, 또는 10 nm ~ 10 ㎛, 또는 10 nm ~ 1 ㎛, 또는 10 nm ~ 500 nm, 또는 10 nm ~ 300 nm, 또는 100 nm ~ 100 ㎛, 또는 100 nm ~ 10 ㎛, 또는 100 nm ~ 1 ㎛, 또는 100 nm ~ 500 nm, 또는 100 nm ~ 300 nm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In an exemplary embodiment of the present invention, the metal catalyst for graphene growth is selected from the group consisting of Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, But is not limited to, one or more metals or alloys selected from the group consisting of Al, V, Zr, brass, bronze, stainless steel and Ge. In one embodiment, the metal catalyst thin film for graphene growth may have a thickness of 10 nm or more. For example, the thickness of the metal catalyst thin film for graphene growth may be 10 nm to 100 탆, or 10 nm to 10 탆, or 10 nm to 1 탆, or 10 nm to 500 nm, or 10 nm to 300 nm, But is not limited to, 100 nm to 100 탆, or 100 nm to 10 탆, or 100 nm to 1 탆, or 100 nm to 500 nm, or 100 nm to 300 nm.

본원의 예시적 구현예에 있어서, 상기 그래핀 시트의 두께는 상기 그래핀 성장용 금속 촉매 박막의 두께, 상기 반응 시간, 또는, 냉각 속도에 의하여 조절될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In an exemplary embodiment of the present invention, the thickness of the graphene sheet can be controlled by the thickness of the metal catalyst thin film for graphene growth, the reaction time, or the cooling rate, but is not limited thereto.

본원의 일 실시예에 있어서, 상기 그래핀 시트는 화학기상증착법(CVD)에 의하여 성장된 것일 수 있으며, 이는 그래핀 성장용 금속 촉매 박막을 포함하는 그래핀 성장 지지체 상에 형성된 것일 수 있다. 상기 그래핀 그래핀 성장용 금속 촉매 박막을 포함하는 그래핀 성장 지지체에 탄소 소스 및 열을 제공하여 그래핀 을 성장시킬 수 있으며, 상기 탄소 소스는, 예를 들어, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔 등과 같은 탄소 소스를 기상으로 공급하면서, 예를 들어, 300 내지 2000℃의 온도로 열처리하면 상기 탄소 소스에 존재하는 탄소 성분들이 결합하여 6각형의 판상 구조를 형성하면서 그래핀이 성장된다.In one embodiment of the invention, the graphene sheet may be grown by chemical vapor deposition (CVD), which may be formed on a graphene growth support comprising a metal catalyst thin film for graphene growth. The graphene can be grown by providing a carbon source and heat to a graphene growth support comprising the metal catalyst thin film for graphene graphene growth. The carbon source may be, for example, carbon monoxide, carbon dioxide, methane, ethane, For example, at a temperature of 300 to 2000 占 폚 while supplying a carbon source such as ethylene, ethanol, acetylene, propane, butane, butadiene, pentane, pentene, cyclopentadiene, hexane, cyclohexane, benzene, The carbon components present in the carbon source are combined to form a hexagonal plate-like structure, and graphene is grown.

본원의 예시적 구현예에 있어서, 상기 그래핀 시트의 제조 방법은, 상기 반응 가스의 압력과 농도를 조절하면서 이온 혹은 중성 플라즈마를 형성시켜 상기 반응 가스의 분리를 촉진시키고 상기 그래핀의 성장 온도를 낮추는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. According to an exemplary embodiment of the present invention, the method of manufacturing a graphene sheet includes forming an ion or a neutral plasma while controlling the pressure and concentration of the reaction gas to promote separation of the reaction gas, Including, but not limited to, < RTI ID = 0.0 >

본원의 예시적 구현예에 있어서, 상기 그래핀 시트는 단층 또는 복수층의 그래핀을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In an exemplary embodiment of the invention, the graphene sheet may comprise a single layer or multiple layers of graphene, but is not limited thereto.

본원의 다른 측면은, 그래핀 성장용 금속 촉매 박막을 포함하는 그래핀 성장 지지체 상에서 화학기상증착법에 의하여 성장된 그래핀을 포함하는, 그래핀 시트를 제공한다. 상기 그래핀 시트의 제조 방법에 대하여 기술된 내용은 상기 그래핀 시트에 대하여도 모두 적용될 수 있다.Another aspect of the present invention provides a graphene sheet comprising graphene grown by chemical vapor deposition on a graphene growth support comprising a metal catalyst thin film for graphene growth. The method of manufacturing the graphene sheet may be applied to the graphene sheet.

본원의 또 다른 측면은 상기 그래핀 시트를 포함하는 소자를 제공한다. 예를 들어, 상기 그래핀은 투명성이 높으므로 각종 전기 전자 소자의 제조에 적용될 수 있으며 특히 각종 전기 전자 소자의 전극 제조에 유용하게 적용될 수 있는 바, 예를 들어, 차세대 전계 효과 트랜지스터 또는 다이오드 등 각종 전자 전기 소자의 전극 제조, 또는 태양 전지, 터치 센서 및 관련된 유연성(flexible) 전자 기술 분야에서 광전자기적 응용을 위한 그래핀 투명 전극의 실용적 사용을 실현할 수 있다. Another aspect of the present invention provides an element comprising the graphene sheet. For example, since the graphene has high transparency, it can be applied to the manufacture of various electric and electronic devices, and particularly applicable to the production of electrodes for various electric and electronic devices. For example, Practical use of graphene transparent electrodes for photoelectronic applications in the manufacture of electrodes for electronic and electronic devices, or in solar cells, touch sensors and related flexible electronic technologies can be realized.

본원의 또 다른 측면은, 신축성 기재(substrate) 상에 전사된 그래핀 시트를 포함하는 그래핀 적층체로서, 상기 그래핀 시트는 그래핀 성장용 금속 촉매 박막을 포함하는 그래핀 성장 지지체 상에서 화학기상증착법에 의하여 성장된 그래핀을 포함하는 것인, 그래핀 적층체를 제공한다.Another aspect of the present application is a graphene laminate comprising a graphene sheet transferred onto an elastic substrate, the graphene sheet having a chemical vapor phase on a graphene growth support comprising a metal catalyst thin film for graphene growth Wherein the graphene layer comprises graphene grown by vapor deposition.

본원의 예시적 구현예에 있어서, 상기 신축성 기재는 상기 그래핀 시트의 전사 전에 한쪽, 양쪽, 또는, 모든 방향으로 미리 신장된(pre-stretched) 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In an exemplary embodiment of the invention, the stretchable substrate may be pre-stretched in one, both, or all directions prior to transfer of the graphene sheet, but is not limited thereto.

본원의 예시적 구현예에 있어서, 상기 신축성 기재는 투명한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 신축성 기재는 당업계에 공지된 투명 신축성 기재를 특별히 제한없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 플라스틱, 실리콘 고분자 등 다양한 유무기 고분자 등을 사용할 수 있다. In the exemplary embodiments herein, the stretchable substrate may be transparent, but is not limited thereto. The stretchable base material may be a transparent stretchable base material known in the art without any particular limitation. For example, various organic and inorganic polymers such as plastic and silicone polymers may be used.

본원의 또 다른 측면은, 상기 그래핀 적층체를 포함하는 소자를 제공한다. 예를 들어, 상기 그래핀은 투명성이 높으므로 각종 전기 전자 소자의 제조에 적용될 수 있으며, 특히 각종 전기 전자 소자의 전극 제조에 유용하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 차세대 전계 효과 트랜지스터 또는 다이오드 등 각종 전자 전기 소자의 전극 제조 또는 태양 전지, 터치 센서 및 이와 관련된 유연성(flexible) 전자 기술 분야에서 광전자기적 응용을 위한 그래핀 투명 전극의 실용적 사용을 실현할 수 있다. Yet another aspect of the invention provides an element comprising the graphene laminate. For example, since the graphene has high transparency, it can be applied to the production of various electric and electronic devices, and can be particularly useful for manufacturing electrodes of various electric and electronic devices. For example, the practical use of graphene transparent electrodes for photoelectronic applications in the manufacture of electrodes for various electronic devices, such as next generation field effect transistors or diodes, or in the field of solar cells, touch sensors and related flexible electronic technologies have.

본원의 또 다른 측면은, 그래핀 성장용 금속 촉매 박막을 포함하는 그래핀 성장 지지체 상에서 화학기상증착법에 의하여 성장된 그래핀을 에칭 용액 내에 침지시켜 상기 그래핀을 상기 지지체로부터 분리시켜 기재(substrate) 상에 전사하는 것을 포함하는, 그래핀 시트의 전사 방법을 제공한다. According to another aspect of the present invention, graphene grown by chemical vapor deposition on a graphene growth support containing a metal catalyst thin film for graphene growth is immersed in an etching solution to separate the graphene from the support to form a substrate, And transferring the graft sheet onto a recording medium.

본원의 예시적 구현예에 있어서, 상기 에칭 용액은 상기 그래핀 성장용 금속 촉매 박막 또는 상기 그래핀 성장 지지체를 제거할 수 있는 에천트(echant)를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 에칭 용액은, 예를 들어, HF, BOE, Fe(NO3)3, 또는 염화철(III)을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In an exemplary embodiment of the present invention, the etching solution may include, but is not limited to, the metal catalyst thin film for graphene growth or an echant capable of removing the graphene growth support. The etching solution may include, but is not limited to, for example, HF, BOE, Fe (NO 3 ) 3 , or iron (III) chloride.

이하, 본원에 따른 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 이용한 대면적 그래핀 제조의 일 구현예를 설명하지만, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, one embodiment of large area graphene fabrication using Chemical Vapor Deposition (CVD) according to the present invention will be described, but the present invention is not limited thereto.

종래 반응성 있는 니켈 또는 전이금속 탄화물(transition-metal-carbide) 표면 위에 탄화수소(hydrocarbons)가 화학기상증착법에 의해 얇은 흑연층을 생성할 수 있으나, 니켈 호일(nickel foils)에 흡착된 다량의 탄소원은 그래핀 필름보다 두꺼운 흑연 결정(도 3a)을 형성하는 문제가 있는 것으로 알려져 있다. 이에, 본원에서는 그래핀 성장용 금속 촉매 박막을 이용하여 화학기상증착법에 의하여 그래핀을 성장시킴으로써 상기한 문제를 해결할 수 있다.Hydrocarbons on conventional reactive nickel or transition-metal-carbide surfaces can produce a thin graphite layer by chemical vapor deposition, but a large amount of carbon source adsorbed on nickel foils is It is known that there is a problem of forming a graphite crystal (Fig. 3A) thicker than the fin film. Accordingly, the above problem can be solved by growing graphene by a chemical vapor deposition method using a metal catalyst thin film for graphene growth.

도 1은 본원의 일 구현예에 따른 그래핀 시트의 합성, 에칭 및 전사 과정을 나타내는 개략도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a process of synthesis, etching, and transfer of a graphene sheet according to an embodiment of the present invention; FIG.

일 구현예에 있어서, 열증발장치(thermal evaporator), 전자빔증발장치(e-beam evaporator), 스퍼터(sputter) 또는 전기도금(electro-plating) 방법 등을 이용하여, 그래핀 성장용 촉매로서 작용하는 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, 황동(brass), 청동(bronze), 스테인레스 스틸(stainless steel) 및 Ge 로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속 또는 합금을 포함하는 그래핀 성장용 금속 촉매 박막(30)을 기판(10) 또는 기판 상에 형성된 희생층(20), 예를 들어, SiO2 층 상에 증착한다(도 1a). In one embodiment, the catalyst is used as a catalyst for graphene growth by using a thermal evaporator, an e-beam evaporator, a sputter or an electro-plating method or the like (B), bronze, stainless steel (B), and at least one selected from the group consisting of Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, a metal catalyst thin film 30 for graphene growth comprising at least one metal or alloy selected from the group consisting of stainless steel and Ge is formed on the substrate 10 or the sacrificial layer 20 formed on the substrate, 2 layer (Fig. 1A).

상기 그래핀 성장용 금속 촉매 박막(30)을 패턴으로 제조하는 경우, 전형적인 포토리소그래피(photolithography) 혹은 전자-빔 리소그래피(e-beam lithography)를 이용하여 기판 위에 다양한 패턴 마스크를 제작한다. 이어서, 열증발장치(thermal evaporator), 전자빔증발장치(e-beam evaporator), 스퍼터(sputter), 또는, 전기도금(electro-plating) 방법 등을 이용하여, 그래핀 성장용 촉매로서 작용하는 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, 황동(brass), 청동(bronze), 스테인레스 스틸(stainless steel) 및 Ge 로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속 또는 합금을 포함하는 그래핀 성장용 촉매 박막 패턴을 형성할 수 있다. When the metal catalyst thin film 30 for growing graphene is patterned, various pattern masks are formed on the substrate by using typical photolithography or electron-beam lithography. Subsequently, using a thermal evaporator, an e-beam evaporator, a sputter, or an electro-plating method, Ni, which acts as a catalyst for graphene growth, (B), bronze, stainless steel (Co), Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, steel, and Ge may be formed on the surface of the catalyst layer.

상기 증착된 그래핀 성장용 금속 촉매 박막을 반응기에 넣고 가열하면서 수소 가스를 흘려주어 상기 금속 박막 층의 산화층 및 불순물을 제거하는 처리를 한다. 이어서, 상기 처리된 그래핀 성장용 금속 촉매 박막을 고온으로 가열하면서 Ar 혹은 He 가스와 함께 탄소를 포함하는 가스, 예를 들어, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔 등에서 선택되는 하나 이상의 가스를 반응기 안에 주입한다(도 1b). 진공도를 증가 시킨 후에 전기장을 가하여 플라즈마를 형성하는 플라즈마 화학기상증착[Plasma-Enhanced; (PE)CVD] 방법을 이용할 경우 성장 온도를 낮출 수 있다. 충분한 양의 탄소가 상기 그래핀 성장용 금속 촉매 박막 층에 흡수된 후 급속히 냉각을 하면 탄소가 상기 그래핀 성장용 금속 촉매 박막 층으로부터 분리되어 표면으로 나오면서 결정화하며 그 양에 따라 다양한 층수의 그래핀 박막 구조를 형성하게 된다(도 1c; 도 3 내지 도 6 참조). 상기한 바와 같이 형성되는 그래핀 필름(50) 패턴의 두께는 반응 시간, 촉매 금속 박막의 두께, 냉각속도를 바꾸면서 조절할 수 있다. 반응 시간이 짧을수록, 금속 박막 두께가 얇을수록 그래핀 필름이 얇게 형성된다. The deposited metal catalyst thin film for graphene growth is placed in a reactor and hydrogen gas is flowed while heating to remove the oxide layer and impurities of the metal thin film layer. Then, the treated metal catalyst thin film for graphene growth is heated to a high temperature, and a gas containing carbon, such as carbon monoxide, carbon dioxide, methane, ethane, ethylene, ethanol, acetylene, propane, butane , At least one gas selected from butadiene, pentane, pentene, cyclopentadiene, hexane, cyclohexane, benzene, toluene and the like is injected into the reactor (FIG. After increasing the degree of vacuum, an electric field is applied to generate a plasma Chemical vapor deposition [Plasma-Enhanced; (PE) CVD] method can be used to lower the growth temperature. When a sufficient amount of carbon is absorbed by the metal catalyst thin film layer for graphene growth and then rapidly cooled, carbon is separated from the metal catalyst thin film layer for graphene growth and crystallized as it exits to the surface. Depending on the amount of carbon, Thereby forming a thin film structure (see FIG. 1C; FIGS. 3 to 6). The thickness of the graphene film 50 formed as described above can be controlled by changing the reaction time, the thickness of the catalyst metal thin film, and the cooling rate. The shorter the reaction time and the thinner the metal thin film, the thinner the graphene film is formed.

형성된 그래핀 시트 또는 그래핀 패턴을 다양한 산이나 HF, BOE, FeCl3, Fe(NO3)3 등을 이용해 상기 그래핀 성장용 금속 촉매 박막으로부터 분리하여 다양한 기판으로 옮기는 것이 가능하다. 형성된 그래핀 시트는 상온/상압에서 수십 W 정도 세기를 갖는 UV를 조사하여 그 두께를 다시 조절할 수 있다. It is possible to separate the formed graphene sheet or graphene pattern from the metal catalyst thin film for graphene growth using various acids or HF, BOE, FeCl 3 , Fe (NO 3 ) 3 and the like to transfer them to various substrates. The formed graphene sheet can be regulated in thickness by irradiating UV having a strength of tens of W at normal temperature / normal pressure.

상기 그래핀 성장용 금속 촉매 박막 에칭 및 이에 따라 분리된 그래핀 시트를 다른 기판으로 전사하는 것은 디바이스 응용에 중요하다. 보통, 니켈과 같은 금속 촉매는 HNO3과 같은 강산에 의해 식각될 수 있으나, 이러한 산은 종종 수소 방울을 생성하고 상기 그래핀을 손상시킨다. Etching the metal catalyst thin film for graphene growth and transferring the separated graphene sheet to another substrate is important for device application. Normally, metal catalysts such as nickel can be etched by strong acids such as HNO 3 , but these acids often produce hydrogen droplets and damage the graphene.

이에, 본원의 일 구현예에서는, 상기 그래핀 성장용 금속 촉매 박막을 제거하기 위하여 산화 에천트로서 염화철(III)(FeCl3) 수용액(1 M)을 사용할 수 있으며, 이러한 에칭 식각 반응의 알짜 이온 방정식(net ionic equation)은, 예를 들어, 상기 그래핀 성장용 금속 촉매 박막이 Ni을 포함하는 경우 다음과 같이 나타낼 수 있다:Accordingly, in one embodiment of the present invention, an aqueous solution (1 M) of iron (III) chloride (FeCl 3 ) may be used as an oxidizing etchant to remove the metal catalyst thin film for graphene growth. The net ionic equation can be expressed, for example, when the metal catalyst thin film for graphene growth includes Ni:

2Fe3 +(aq) + Ni(s) -> 2Fe2 +(aq) + Ni2 +(aq). 2Fe 3 + (aq) + Ni (s) -> 2Fe 2 + (aq) + Ni 2 + (aq).

이러한 산화 환원 과정은 천천히 기체 생성물 또는 침전물을 형성하는 것 없이 온화한 pH 범위에서 효과적으로 상기 니켈 박막을 서서히 에칭할 수 있다. 몇 분 후에 상기 기판으로부터 분리된 그래핀 필름은 상기 용액의 표면 위로 부유되고 (도 1g 및 1h; 도 5a 및 5b 참조), 이러한 부유된 상기 그래핀 필름은 다른 목적 기판 위로 전사될 수 있다. This oxidation-reduction process can slowly etch the nickel film effectively in a mild pH range without forming gaseous products or precipitates. After several minutes, the graphene film separated from the substrate floats above the surface of the solution (Figs. 1g and 1h; see Figs. 5a and 5b), and the floating graphene film can be transferred onto another target substrate.

다른 구현예에 있어서, 버퍼 산화물 에천트(buffered oxide etchant, BOE) 또는 불화 수소 용액의 사용하여 상기 희생층(20)을 제거하여 상기 그래핀 시트(50)와 상기 그래핀 성장용 금속 촉매 박막(30)이 같이 상기 용액 표면 위에 부유하게 된다(도 1g). 상기 용액 표면 위에 부유된 상기 그래핀 시트/그래핀 성장용 금속 촉매 박막과 BOE 또는 불화 수소 용액과의 추가적 반응으로 남아있는 상기 그래핀 성장용 금속 촉매 박막을 완전히 제거한다(도 1h). 상기 그래핀 성장용 금속 촉매 박막(30)이 제거되어 부유된 그래핀 필름(50)을 목적 기판(70)으로 전사할 수 있다(도 1f; 도 2c). In another embodiment, the sacrificial layer 20 is removed using a buffered oxide etchant (BOE) or hydrogen fluoride solution to remove the graphene sheet 50 and the metal catalyst thin film for graphene growth 30) floats on the surface of the solution (Fig. 1G). The remaining metal catalyst thin film for graphene sheet / graphene floating on the surface of the solution is completely removed by further reaction with BOE or hydrogen fluoride solution (FIG. 1H). The metal catalyst thin film 30 for graphene growth is removed and the suspended graphene film 50 can be transferred to the target substrate 70 (FIG. 1F, FIG. 2C).

또 다른 구현예에 있어서, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 종류와 같은 연질 기판을 이용하여 상기 그래핀 필름을 건식-전사할 수 있다. 상기 그래핀 성장용 금속 촉매 박막 상에 화학기상증착법에 의해 성장된 그래핀 필름에 상기 PDMS 스탬프(60)를 접촉시킨다(도 1d; 도 5d). 상기 그래핀 성장용 금속 촉매 박막(30)은 위에서 언급한 바와 같이 에천트를 이용하여 에칭되어 상기 PDMS 스탬프(60) 상에 그래핀 필름(50)이 부착된다(도 1e; 도 5e 참조). 미리 패턴화된 그래핀 성장용 금속 촉매 박막을 이용하여(도 5c 참조), 다양한 크기와 형상의 상기 그래핀 필름을 임의의 기판으로 전사할 수 있다(도 1f). 상기 건식-전사 과정은 추가 리소그래피(lithography) 공정 없이 큰 스케일의 그래핀 전극 및 디바이스를 제조함에 있어서 매우 유용할 것이다(도 5f 내지 5h). In another embodiment, the graphene film can be dry-transferred using a soft substrate such as polydimethylsiloxane (PDMS). The PDMS stamp 60 is brought into contact with the graphene film grown by chemical vapor deposition on the metal catalyst thin film for growing graphene (FIG. 1d; FIG. 5d). The metal catalyst thin film 30 for growing graphene is etched using an etchant as described above to attach the graphene film 50 on the PDMS stamp 60 (see FIG. 1E, FIG. 5E). The pre-patterned metal catalyst film for graphene growth (see FIG. 5C) can be used to transfer the graphene film of various sizes and shapes to any substrate (FIG. 1F). The dry-transfer process would be very useful in fabricating large-scale graphene electrodes and devices without additional lithography processes (Figures 5f-5h).

그래핀 시트 또는 패턴을 유연한 플라스틱 기판이나 신축성이 매우 좋은 고무 기판으로 전사할 수 있다. 예를 들어, 신축성 기판을 미리 잡아당긴 후에 전사하게 되면 매우 안정된 전기특성을 얻을 수 있다. 이는 서로 직각된 두 방향이나 모든 방향으로 균일하게 잡아당긴 후 전사한 경우가 더 안정되게 나타난다. The graphen sheet or pattern can be transferred to a flexible plastic substrate or a rubber substrate having a very good elasticity. For example, when a stretchable substrate is pulled in advance and then transferred, very stable electric characteristics can be obtained. It is more stable when pulled uniformly in two directions or all directions perpendicular to each other and then transferred.

또한, 도 7의 사진에 나타낸 바와 같이, 반응기와 샘플의 상대적인 위치를 바꾸면 냉각속도를 쉽게 조절할 수 있다(도 7). 이러한 개념을 확장하면 그래핀 전극의 합성을 연속 공정화하는 것이 가능하다. 이와 관련하여, 기판이 성장 온도가 유지되는 반응기를 지나가면서 예열, 증착, 냉각이 한꺼번에 이루어지도록 할 수 있다.Further, as shown in the photograph of FIG. 7, the cooling rate can be easily adjusted by changing the relative positions of the reactor and the sample (FIG. 7). By extending this concept, it is possible to continuously process the synthesis of graphene electrodes. In this regard, the substrate can be preheated, deposited, and cooled all at once as it passes through the reactor where the growth temperature is maintained.

또한, 본원의 예시적 구현예들에 있어서, 한쪽, 양쪽 또는 모든 방향으로 미리 신장된(pre-stretched) 신축성 기판 상에 상기와 같이 제조된 그래핀 필름 패턴을 전사하여 안정된 전기적 특성을 얻을 수 있다. 이에 의하여, 그래핀 필름 패턴이 전사된 신축성 기판을 이용하여 안정된 전기적 특성을 갖는 신축성 전극, 다양한 전기/전자 소자 등을 제조할 수 있다.In addition, in the exemplary embodiments of the present application, the graphene film pattern prepared as described above may be transferred onto a stretchable substrate pre-stretched in one, both or all directions to obtain stable electrical characteristics . By using the stretchable substrate on which the graphene film pattern is transferred, a stretchable electrode having various electrical characteristics and various electric / electronic devices can be manufactured.

본원의 또 다른 측면은, 그래핀 성장용 금속 촉매 박막을 포함하는 그래핀 성장 지지체에 탄소 소스 및 열을 제공하여 상기 지지체 상에서 그래핀 시트를 성장시키는 단계; 상기 지지체 및 상기 그래핀 시트 중 적어도 하나를 냉각하여, 상기 그래핀 시트에 주름을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 지지체와 상기 그래핀의 열팽창율이 상이한, 변형 수용성 그래핀 시트의 제조 방법을 제공한다.Yet another aspect of the present invention provides a method of growing a graphene sheet comprising the steps of: providing a graphene growth support comprising a metal catalyst thin film for graphene growth to a carbon source and heat to grow a graphene sheet on the support; And cooling the at least one of the support and the graphene sheet to form a corrugation on the graphene sheet, wherein the thermal expansion rate of the support is different from that of the graphene, to provide.

본원의 또 다른 측면은, 그래핀 성장용 금속 촉매를 포함하는 그래핀 성장 지지체 상에서 성장된 그래핀 시트로서, 상기 지지체가 분리되거나 또는 접하고 있는 그래핀 시트이고, 상기 그래핀 시트에는 주름이 형성되어 있으며, 상기 주름은 상기 지지체와 상기 그래핀 시트의 열팽창율 차이에 의하여 형성된 변형 수용성 그래핀 시트를 제공한다.Yet another aspect of the present application is a graphene sheet grown on a graphene growth support comprising a metal catalyst for graphene growth wherein the support is a graphene sheet from which the graphene sheet is separated or contacted, And the corrugation provides a deformable water-soluble graphene sheet formed by a difference in thermal expansion coefficient between the support and the graphene sheet.

본원의 또 다른 측면은, 변형 수용성 그래핀 시트를 포함하는 소자로서, 상기 변형 수용성 그래핀 시트는, 그래핀 성장용 금속 촉매를 포함하는 그래핀 성장 지지체 상에서 성장된 그래핀 시트로서, 상기 지지체가 분리된 그래핀 시트이고, 상기 그래핀 시트에는 주름이 형성되어 있으며, 상기 주름은 상기 지지체와 상기 그래핀 시트의 열팽창율 차이에 의하여 형성된 소자를 제공한다.Another aspect of the present application is an element comprising a deformable water soluble graphene sheet, wherein the deformable water soluble graphene sheet is a graphene sheet grown on a graphene growth support comprising a metal catalyst for graphene growth, Wherein the graphene sheet has wrinkles formed thereon, the wrinkles providing a device formed by a difference in thermal expansion coefficient between the support and the graphene sheet.

본원의 예시적인 구현예들에서는, 그래핀 성장용 금속 촉매를 포함하는 그래핀의 성장 지지체 상에서 탄소 소스 및 열을 제공하여 그래핀 시트를 성장시킨 후, 상기 지지체 및 상기 그래핀 시트를 냉각한다. 여기서, 상기 지지체와 상기 그래핀 시트는 열팽창율 차이를 가지는 것이다. 따라서, 상기 그래핀 시트와 이에 접하는 상기 지지체를 함께 냉각하게 되면 서로 다른 정도로 열팽창된 그래핀 시트와 지지체가 서로 다른 정도로 수축하는 과정에서 그래핀 시트에 주름이 형성되도록 할 수 있다. 여기서, 그래핀 시트의 주름을 형성하기 위해서는 그래핀이 가지는 통상의 열팽창률 보다 열팽창률이 큰 촉매층을 포함한 지지체를 이용하게 된다. In exemplary embodiments of the invention, a carbon source and heat are provided on a growth support of graphene comprising a metal catalyst for graphene growth to grow a graphene sheet, followed by cooling of the support and the graphene sheet. Here, the support and the graphene sheet have a difference in thermal expansion coefficient. Therefore, when the graphene sheet and the support in contact with the graphene sheet are cooled together, the graphene sheet can be formed with wrinkles in a process in which the thermally expanded graphene sheet and the support shrink to different degrees to each other. Here, in order to form the corrugation of the graphen sheet, a support including a catalyst layer having a thermal expansion coefficient higher than that of the graphene is used.

상기 형성된 주름은 그래핀 시트에 변형 수용성을 부여할 수 있다. 예컨대, 주름이 형성되지 않은 그래핀 시트의 경우 외부의 힘(strain)의 인가에 의하여 각종 변형이 발생하고 이에 따라 균열(crack)이나 파손(fracture) 등의 기계적 손상이 발생하여, 예를 들어, 전기적 저항값 등이 증가할 수 있다. 상기 주름은 그래핀 시트에 있어서 상기 전기적 저항값 등의 증가를 방지하거나 그 증가 정도를 감소시키는 역할 즉, 변형 수용성을 제공할 수 있다.The formed corrugations may impart strain water solubility to the graphene sheet. For example, in the case of a graphene sheet without wrinkles, various deformation occurs due to the application of an external strain, resulting in mechanical damage such as cracks or fractures, for example, Electrical resistance value and the like can be increased. The corrugation may provide a role of preventing or preventing an increase in the electrical resistance value or reducing the degree of increase in the graphene sheet, that is, deformation water solubility.

나아가, 상기 주름이 형성된 그래핀 시트에 상승 및 하강을 반복하는 프로파일을 부여함으로써 변형 수용성을 더 증가시킬 수 있다. 상기 상승 및 하강을 반복하는 프로파일에 있어서 높이와 폭은 상기 주름의 높이와 폭 보다 크다(예를 들어 대략 10 내지 30배의 차이).Furthermore, by imparting a profile that repeats rising and falling to the corrugated graphene sheet, the deformation water solubility can be further increased. In a profile repeating the up and down movements, the height and width are greater than the height and width of the corrugations (e.g., about 10 to 30 times the difference).

예시적인 구현예들에서 사용되는 그래핀 성장용 금속 촉매의 비제한적인 예시로서, Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, 황동(brass), 청동(bronze), 스테인레스 스틸(stainless steel) 및 Ge 로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 또한, 상기 그래핀 성장용 금속 촉매 막은 박막 또는 후막일 수 있다. 상기 그래핀 성장용 금속 촉매 막이 박막인 경우 그 두께는 1 nm 내지 1000 nm 일 수 있다. 상기 그래핀 성장용 금속 촉매 막이 후막인 경우 그 두께는 0.01 mm 내지 5 mm 일 수 있다. As a non-limiting example of a metal catalyst for graphene growth that is used in exemplary embodiments, at least one metal selected from the group consisting of Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, , W, U, V, Zr, brass, bronze, stainless steel and Ge. The metal catalyst layer for graphene growth may be a thin film or a thick film. When the metal catalyst film for growing graphene is a thin film, the thickness may be 1 nm to 1000 nm. When the metal catalyst layer for growing graphene is a thick film, the thickness may be 0.01 mm to 5 mm.

여기서, 제조자는 그래핀 성장용 금속 촉매 막의 두께를 조절함으로써 그래핀의 두께를 조절할 수 있다. 즉, 제조자는 그래핀 성장용 금속 촉매 막의 형성 두께를 조절함으로써 그래핀의 층(layer)의 수 또는 두께를 원하는 정도로 형성할 수 있게 된다. Here, the manufacturer can adjust the thickness of the graphene by adjusting the thickness of the metal catalyst film for graphene growth. That is, the manufacturer can form a desired number or thickness of layers of graphene by controlling the thickness of the formation of the metal catalyst layer for graphene growth.

한편, 제조자는 H2 가스, 열처리 과정 등을 통하여, 그래핀 성장용 금속 촉매 막의 금속 결정(grain)의 크기를 성장시켜 결정 경계(grain boundary) 등의 결함(defect)을 줄임으로써, 형성되는 그래핀의 전기적, 광학적, 화학적 특성 등을 향상시킬 수 있다.On the other hand, the manufacturer can increase the size of the metal crystal grains of the metal catalyst layer for graphene growth by reducing the defects such as grain boundaries through H 2 gas, heat treatment process, The electrical, optical, and chemical properties of the pin can be improved.

그래핀 성장용 금속 촉매 막 또는 예컨대 실리콘옥사이드 등과 같은 기판 상에 형성된 그래핀 성장용 금속 촉매 막과 같은 그래핀 성장 지지체 상에서 탄소 소스 및 열을 제공하여 그래핀을 형성시키는 방법에는 여러 가지가 있다. There are various methods for forming graphene by providing a carbon source and heat on a graphene growth support such as a metal catalyst film for graphen growth or a metal catalyst film for graphening growth formed on a substrate such as, for example, silicon oxide.

그러한 방법들의 비제한적인 예시로서, 예컨대 그래핀 성장용 금속 촉매 막의 존재 하에 기상 탄소 공급원을 투입하고 열처리 공정을 수행함으로써 그래핀을 성장시키는 화학기상증착(CVD) 방법을 들 수 있다. 구체적으로, 그래핀 성장용 금속 촉매를 막의 형태로 형성한 후 이를 챔버에 넣고 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔 등과 같은 탄소 공급원을 기상으로 투입하면서 예컨대 300 내지 2000℃의 온도로 열처리 공정을 수행하면 상기 탄소 공급원에 존재하는 탄소 성분들이 결합하여 6각형의 판상 구조를 형성하면서 그래핀이 생성된다. Non-limiting examples of such methods include chemical vapor deposition (CVD) methods in which graphene is grown by introducing a gaseous carbon source in the presence of a metal catalyst film for graphene growth and performing a heat treatment process. Specifically, a metal catalyst for graphene growth is formed in the form of a film, which is then placed in a chamber and a gas containing carbon monoxide, carbon dioxide, methane, ethane, ethylene, ethanol, acetylene, propane, butane, butadiene, pentane, pentene, cyclopentadiene, When a carbon source such as cyclohexane, benzene, toluene or the like is introduced into the gas phase while being subjected to a heat treatment at a temperature of, for example, 300 to 2000 ° C, the carbon components present in the carbon source combine to form a hexagonal plate- .

그 다음, 분당 30℃ 내지 600℃ 정도(30℃/min ~ 600℃/min)의 냉각 속도로 상온까지 냉각하면 균일한 배열 상태를 가지며 주름이 형성된 그래핀 시트를 얻을 수 있다. 이와 같은 주름은 그래핀과 그래핀 성장용 금속 촉매 간의 열팽창율 차이에 기인하여 형성되는 것이다. 예컨대, 그래핀의 열팽창율은 0.5 내지 0.75 x 10-5/K 정도이고, 그래핀 성장용 금속 촉매 중 Ni을 사용하는 경우 그 열팽창율은 1.4 x 10-5/K 정도이다. Thereafter, when the sheet is cooled to room temperature at a cooling rate of about 30 ° C to 600 ° C per minute (30 ° C / min to 600 ° C / min), a graphene sheet having a wrinkled shape and having a uniform arrangement can be obtained. Such wrinkles are formed due to the difference in thermal expansion coefficient between the graphene and the metal catalyst for graphene growth. For example, yes, and coefficient of thermal expansion of the pin is about 0.5 to 0.75 x 10 -5 / K, the coefficient of thermal expansion pin is yes if you are using a metal catalyst for the growth of Ni is about 1.4 x 10 -5 / K.

여기서, 제조자는 냉각 속도를 조절함으로써 합성되는 그래핀의 층(layer)의 수를 조절할 수 있다. 즉, 제조자는 그래핀 및/또는 그래핀 성장용 금속 촉매 막에 대하여 직접 또는 간접적으로 냉각 속도를 조절함으로써, 그래핀의 층(layer)의 수(그래핀의 전체 두께)를 원하는 정도로 형성할 수 있게 된다. Here, the manufacturer can adjust the number of layers of graphene synthesized by controlling the cooling rate. That is, the manufacturer can control the cooling rate directly or indirectly with respect to the metal catalyst film for graphene and / or graphene growth so that the number of graphene layers (total thickness of graphene) can be formed to a desired degree .

한편, 상기 열처리 공정을 수행하기 위해서는 챔버에 열을 가하는 로(furnace)가 사용되는데, 본원에 따르면, 냉각 공정시 로(furnace)를 챔버에서 분리하는 방법을 사용할 수 있다. 이를 위해, 설계자는, 필요한 경우에 챔버로부터 로(furnace)를 용이하게 분리시켜 이동할 수 있도록, 로(furnace)와 챔버를 설계할 수 있다. 그렇게 되면 열처리 공정 시에는 챔버에 열을 가하였다가, 냉각 공정 시에는 로 자체를 챔버로부터 분리되도록 이동시킬 수 있으므로, 냉각 속도를 빠르게 조절할 수 있다. Meanwhile, in order to perform the heat treatment process, a furnace for heating the chamber is used. According to the present invention, a method of separating the furnace from the chamber during the cooling process can be used. To do this, the designer can design the furnace and chamber so that they can easily move and separate the furnace from the chamber if necessary. In this case, the heat is applied to the chamber during the heat treatment process, and since the furnace itself can be moved away from the chamber during the cooling process, the cooling rate can be controlled quickly.

또한, 상기의 경우와 반대로, 냉각 공정시 노로부터 챔버를 분리하는 방법을 사용할 수 있으며, 설계자는, 필요한 경우에 로(furnace)로부터 그래핀이 위치한 챔버를 용이하게 분리시켜 이동할 수 있도록 챔버와 로(furnace)를 설계할 수 있다. 그 경우에는 열처리 공정 시에는 챔버에 열을 가하였다가 냉각 공정 시에는 챔버를 로(furnace)로부터 분리되도록 이동시킬 수 있으므로, 냉각 속도를 빠르게 조절할 수 있다. Also, contrary to the above case, it is possible to use a method of separating the chamber from the furnace during the cooling step, and the designer can easily separate the chamber in which the graphene is located from the furnace, a furnace can be designed. In this case, since heat can be applied to the chamber during the heat treatment process and the chamber can be moved away from the furnace during the cooling process, the cooling rate can be controlled quickly.

또한, 냉각 공정 시에 로와 챔버는 고정시키고 그래핀 성장이 일어나는 촉매 기판을 이동시켜 냉각속도를 조절할 수 있다. 이러한 방법을 이용하면 롤(roll) 형태의 촉매 기판을 반응기 안에 넣고 한쪽에서 풀어주면서 로의 반응영역을 지나 다른 쪽에서 감아주는 과정을 통해 연속적인 가열-성장-냉각을 통한 그래핀의 대량 생산이 가능하다. In addition, during the cooling process, the furnace and chamber can be fixed and the cooling rate can be controlled by moving the catalyst substrate where graphene growth occurs. With this method, it is possible to mass-produce graphene by continuous heating-growth-cooling through a process of putting a roll-shaped catalyst substrate into a reactor and winding it from the other side while loosening from one side .

다른 비제한적인 예시로서, 예컨대 그래핀 성장용 금속 촉매와 액상 탄소계 물질을 접촉시킨 후, 예비 열처리에 의해 액상 탄소계 물질로부터 분해된 탄소가 그래핀 성장용 금속 촉매 내부에 침투하는 이른바 침탄 공정을 수행한 후 열을 가하여 그래핀 성장용 금속 촉매 막 상에서 그래핀을 형성시킨 후, 이를 분당 30 내지 600℃(30℃/min 내지 600℃/min) 정도로 상온 정도의 온도로 냉각하면 균일한 배열 상태를 가지고 주름이 형성된 그래핀 시트를 얻을 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 주름은 그래핀과 그래핀 성장용 금속 촉매 간의 열팽창율 차이에 기인하여 형성되는 것이다. 상기 주름의 방향은 임의로 설정이 가능한 것으로 특정 방향으로 열팽창률을 달리하는 촉매층이나, 물리적으로 특정방향으로 인장된 캐리어상에 그래핀이 형성 또는 부착되는 경우에 조절이 가능하다.As another non-limiting example, there is a so-called carburization process in which, for example, a metal catalyst for graphene growth is brought into contact with a liquid carbonaceous material, carbon decomposed from the liquid carbonaceous material is permeated into the metal catalyst for graphene growth by a preliminary heat treatment And then heat is applied thereto to form graphene on the metal catalyst film for graphene growth. The graphene is cooled to a temperature of about 30 to 600 ° C (30 ° C / min to 600 ° C / min) Graphene sheet having a wrinkled state can be obtained. As described above, the corrugation is formed due to the difference in thermal expansion coefficient between the graphene and the metal catalyst for graphene growth. The direction of the corrugation can be arbitrarily set and can be adjusted when graphene is formed or adhered to a catalyst layer having a different thermal expansion coefficient in a specific direction or a carrier physically stretched in a specific direction.

상기 그래핀 성장용 금속 촉매와 액상 탄소계 물질의 접촉 공정은 침지 등의 공정으로 수행할 수 있다. 이와 같은 액상 탄소계 물질로서는 유기 용매를 예로 들 수 있으며, 탄소를 포함하며 상기 그래핀 성장용 금속 촉매에 의하여 열 분해될 수 있는 것이라면 어느 것이나 액상 탄소계 물질로서 제한 없이 사용할 수 있다. 그 비제한적인 예시로서, 끓는점이 60 내지 400℃인 극성 또는 비극성 유기용매를 사용할 수 있다. 이와 같은 유기용매로서는 알코올계 유기용매, 에테르계 유기 용매, 케톤계 유기용매, 에스테르계 유기용매, 유기산 유기용매 등을 사용할 수 있다. 그래핀 성장용 금속 촉매와의 흡착이 용이하고, 반응성이 좋으며, 환원력이 우수하다는 측면에서 알코올계 및 에테르계 유기용매를 사용할 수 있다. 상기 액상 탄소계 물질을 사용하는 경우는, 예비 열처리 과정에 의해 침탄 과정을 진행할 수 있으며, 이와 같은 예비 열처리 과정에 의해 액상 탄소계 물질은 그래핀 성장용 금속 촉매에 의해 열분해될 수 있다. 이와 같은 열분해를 위한 상기 예비 열처리 과정은 액상 탄소계 물질과 촉매의 충분한 혼합이 이루어질 수 있도록 교반하에 수행할 수 있으며, 100 내지 400℃의 온도에서 10분 내지 24 시간 동안 수행할 수 있다. The contacting process between the metal catalyst for graphene growth and the liquid carbonaceous material may be performed by a process such as dipping. Examples of such liquid carbonaceous materials include organic solvents, and any liquid carbonaceous material including carbon and capable of being thermally decomposed by the metal catalyst for graphene growth can be used without limitation. As a non-limiting example, a polar or nonpolar organic solvent having a boiling point of 60 to 400 ° C may be used. As such an organic solvent, an alcohol organic solvent, an ether organic solvent, a ketone organic solvent, an ester organic solvent, an organic acid organic solvent, or the like can be used. Alcohol-based and ether-based organic solvents can be used in view of ease of adsorption to a metal catalyst for growth of graphene, good reactivity, and excellent reducing power. When the liquid carbonaceous material is used, the carburization process can be performed by a preliminary heat treatment process, and the liquid carbonaceous material can be pyrolyzed by the metal catalyst for graphene growth by the preliminary heat treatment process. The preliminary heat treatment for pyrolysis may be carried out under agitation so that sufficient mixing of the liquid carbonaceous material and the catalyst can be performed, and may be performed at a temperature of 100 to 400 ° C. for 10 minutes to 24 hours.

이상의 예시적인 방법 외에도 본원의 예시적인 구현예들에서는 그래핀 성장용 금속 촉매를 포함하는 그래핀 성장 지지체 상에서 그래핀 시트를 형성한 후 냉각하는 모든 방법을 이용할 수 있으며, 특정한 방법에 제한되지 않는다. In addition to the exemplary methods described above, exemplary embodiments herein may utilize any method that forms and then cools a graphene sheet on a graphene growth support comprising a metal catalyst for graphene growth, and is not limited to any particular method.

제조된 그래핀 시트는 복수 개의 탄소 원자들이 서로 공유결합(통상 sp2 결합)으로 연결되어 폴리시클릭 방향족 분자를 형성하는 그래핀이 시트 형태를 형성한 것으로서, 해당 그래핀 시트에 국부적으로 접힌 주름이 발생한 것일 수 있다. 상기 그래핀 시트에서는 공유결합으로 연결된 탄소원자들이 기본 반복단위로서 6원환을 형성한다. 그러나, 상기 그래핀 시트가 5원환 및/또는 7원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 상기 주름이 형성된 그래핀 시트의 구조는 그래핀 내에 포함될 수 있는 5원환 및/또는 7원환의 함량에 따라 달라질 수 있다. 일반적으로 상기 그래핀 시트의 측면 말단부는 수소원자로 포화된다. The prepared graphene sheet is a graphene sheet in which a plurality of carbon atoms are linked to each other through a covalent bond (usually sp 2 bond) to form a polycyclic aromatic molecule. The graphene sheet has locally folded wrinkles It may have occurred. In the graphene sheet, carbon atoms linked by a covalent bond form a 6-membered ring as a basic repeating unit. However, it is also possible that the graphene sheet further includes a 5-membered ring and / or a 7-membered ring. The structure of the corrugated graphene sheet may vary depending on the content of the 5-membered ring and / or the 7-membered ring which may be contained in the graphene. Generally, the side ends of the graphene sheet are saturated with hydrogen atoms.

예시적으로, 주름이 형성된 그래핀 시트는 횡방향 및 종방향 길이가 1 mm 이상 1,000 m 에 이르는 대면적의 그래핀 시트일 수 있다. 또한, 결함이 거의 없는 균질한 구조를 가지는 그래핀 시트일 수 있다. 이러한 그래핀 시트에서 주름의 폭과 넓이는 냉각 정도에 따라서 달라진다. Illustratively, the corrugated graphene sheet may be a large area graphene sheet having a transverse and longitudinal length ranging from 1 mm to 1,000 m. It may also be a graphene sheet having a homogeneous structure with few defects. The width and width of the corrugation in these graphene sheets vary with the degree of cooling.

상기 제조된 그래핀 시트의 후면에 접하여 있는 그래핀 성장용 금속 촉매 막과 같은 그래핀 시트의 성장 지지체는 제거하거나 제거하지 않고 사용할 수 있다. 예컨대, 그래핀 시트를 기판이나 소자 또는 후술하는 바와 같은 판상 탄성체 상에 적용시 상기 지지체가 제거된 그래핀 시트를 기판 또는 소자에 전사하거나 필요하다면 상기 지지체를 제거하지 않고 바로 전사할 수 있다. 상기 지지체를 제거하는 방법으로서 산 용액이나 염 용액, 유기산화용제 등을 이용한 습식 또는 건식 에칭 방법 등을 사용할 수 있다.The growth support of the graphene sheet, such as the metal catalyst film for graphene growth, which is in contact with the back surface of the produced graphene sheet, can be used without removing or removing it. For example, when a graphene sheet is applied to a substrate or an element or a plate-like elastic body as described later, the graphene sheet from which the support is removed can be transferred to a substrate or element or transferred directly without removing the support if necessary. As the method of removing the support, a wet or dry etching method using an acid solution, a salt solution, an organic oxidizing solvent, or the like can be used.

도 8a는 본원의 예시적 구현예에서 그래핀 시트에 형성된 개별 주름을 나타내는 개략도이고, 도 8b는 본원의 예시적 구현예에서 그래핀 시트에 형성된 주름을 전체적으로 보여주는 평면 개략도이다.FIG. 8A is a schematic diagram showing individual pleats formed in a graphene sheet in an exemplary embodiment of the present disclosure, and FIG. 8B is a schematic plan view generally showing corrugations formed in a graphene sheet in the exemplary embodiment of the present disclosure; FIG.

도 8a를 참조하면, 그래핀 시트에 주름이 형성되어 있다. 도 8b를 참조하면, 상기 주름이 그래핀 시트에서 불규칙하게 형성된 것을 알 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 주름은 그래핀 성장 지지체와 그래핀 시트 간의 열팽창율 차이에 기인하여 형성되는 것이다. Referring to FIG. 8A, corrugations are formed on the graphen sheet. Referring to FIG. 8B, it can be seen that the corrugations are irregularly formed in the graphene sheet. As described above, the corrugation is formed due to the difference in thermal expansion coefficient between the graphene growth support and the graphene sheet.

상기 주름은 그래핀 시트에 변형 수용성을 부여할 수 있다. 그래핀 시트가 완전히 평평한 상황에서 그래핀 시트에 구부림, 폄, 연장, 압축, 비틈, 휨, 구김 등과 같은 각종 변형을 유발하는 힘이 외부로부터 가해지는 경우 그래핀 시트에는 균열(crack)이나 파손(fracture)과 같은 기계적 손상이 발생할 수 있다. 이러한 기계적 손상은 전기적 저항값의 증가 등 전기적 특성의 손상으로 이어질 수 있다. 그래핀 시트의 형성시 그래핀 시트에 주름을 형성하는 경우, 외부로부터의 힘이 해당 그래핀 시트에 가해지더라도 해당 주름이 접히거나 펴지는 등으로 대응할 수 있다. 이러한 대응 방식은 구부림, 폄, 연장, 압축, 비틈, 휨, 구김, 말기 등과 같은 그래핀 시트의 변형으로 인한 물성의 변화 가능성을 방지 또는 억제할 수 있다. 외부의 힘에 대한 주름의 국부적 대응은 시트 전체가 외부로부터의 힘에 대응하는 것과 대비된다. 상기 주름의 존재에 의하여 균열이나 파손과 같은 기계적 손상의 유발을 방지 또는 억제하기가 용이할 수 있고, 그래핀 시트의 전기적 특성의 변화를 방지 또는 억제하기가 용이할 수 있다.The corrugation may impart strain water solubility to the graphene sheet. If graphene sheets are subjected to external forces that cause various deformation such as bending, stretching, elongation, compression, creep, warpage, creasing, etc., in graphene sheets in a completely flat state, cracks or breakage Mechanical damage such as fracture may occur. Such mechanical damage can lead to an impairment of electrical properties such as an increase in electrical resistance value. In the case of forming a wrinkle on the graphene sheet when forming the graphen sheet, even if an external force is applied to the graphene sheet, the wrinkle can be coped with by folding or stretching. Such a countermeasure can prevent or suppress the possibility of changes in physical properties due to deformation of the graphene sheet such as bending, stretching, elongation, compression, crevice, warping, wrinkling, The local correspondence of the corrugation to the external force is in contrast to the whole sheet corresponding to the force from the outside. It is easy to prevent or suppress the occurrence of mechanical damage such as cracking or breakage due to the presence of the wrinkles and it is easy to prevent or suppress the change of the electrical characteristics of the graphene sheet.

상기 주름이 형성된 그래핀 시트는 예컨대 0% 초과 5 % 이하의 변형(예컨대, 5%의 연신 변형)을 수용하도록 해 줄 수 있다.The corrugated graphene sheet may, for example, allow it to accommodate a deformation of greater than 0% to 5% (e.g., 5% of the elongation strain).

도 8c는 본원의 예시적 구현예에서 그래핀 시트에 형성된 개별 주름의 단면(AA' 단면)을 보여주는 개략도이다. 도 8c를 참조하면, 주름은 높이(h) 및 폭(w)을 가진다. 상기 높이(h)는 50 nm 내지 300 nm 이며, 폭(w)은 10 nm 내지 200 nm 일 수 있다. 주름은 냉각 속도 및/또는 그래핀의 두께에 따라서 상기 주름의 높이(h) 및 폭(w)은 상기 범위 내에서 달라질 수 있다. 참고로, 상기 주름의 높이(h) 및 폭(w)은 후술하는 바와 같은 추가 수용성을 부여하는 파도 형상이나 버클 형상과 같은 상승 및 하강 프로파일에 있어서의 높이 및 폭과 대비할 때 대략 10 내지 30 배 정도의 차이를 가질 수 있다. 이러한 차이는 탄성체에 미리 가해진 변형이나 그래핀의 두께 등에 따라서 달라질 수 있다. FIG. 8C is a schematic diagram showing a cross section (AA 'section) of individual pleats formed in the graphene sheet in the exemplary embodiment of the present disclosure; FIG. 8C, the pleats have a height h and a width w. The height h may be 50 nm to 300 nm and the width w may be 10 nm to 200 nm. The height (h) and the width (w) of the corrugation may vary within the above range depending on the cooling rate and / or the thickness of the graphene. For reference, the height (h) and the width (w) of the wrinkles are about 10 to 30 times larger than the height and width in the ascending and descending profile, such as wave shape or buckle shape, And the like. This difference may vary depending on the strain applied to the elastic body, the thickness of the graphene, and the like.

상기 주름이나 파도 형상, 버클 형상에서의 높이 및 폭의 측정은 수 마이크로미터의 수준에서는 AFM(Atomic Force Microscopy)을 사용할 수 있으며 그 보다 큰 경우에는 옵티컬 프로파일러(optical profiler)를 사용할 수 있다.The measurement of the wrinkle, wave shape, and height and width in the buckle shape can use AFM (Atomic Force Microscopy) at a level of several micrometers, and optical profiler can be used when the height and width are larger.

본원의 예시적인 구현예들에서 그래핀 성장용 금속 촉매를 포함하는 그래핀 성장 지지체 상에서 그래핀 시트를 형성한 후 냉각 시, 냉각 속도를 조절함으로써 상기 주름의 형성 비율, 주름의 형상 불규칙성, 주름의 높이, 주름의 폭 등을 조절할 수 있다. In the exemplary embodiments of the present application, when forming a graphene sheet on a graphene growth support comprising a metal catalyst for graphene growth, the cooling rate is adjusted during cooling to decrease the rate of formation of the wrinkles, irregularity in shape of wrinkles, Height, width of wrinkles and the like can be adjusted.

그래핀 성장 지지체와 그래핀 간의 열팽창율의 차이가 존재하는 경우에, 냉각 속도를 빨리 하면 급한 냉각에 기인하여 주름이 발생하는 비율이 커질 수 있고, 주름의 높이가 커지고 폭은 좁아질 수 있다. 반대로 냉각 속도가 작을수록 주름의 높이는 낮아지고 폭은 넓어질 수 있다.If there is a difference in the coefficient of thermal expansion between the graphene support and graphene, if the cooling rate is high, the rate of occurrence of wrinkles due to rapid cooling may become large, and the height of wrinkles may become large and the width may be narrowed. Conversely, the smaller the cooling rate, the lower the wrinkle height and the wider the width.

예시적으로, 그래핀 성용 금속 촉매를 포함하는 그래핀 성장 지지체 상에서 그래핀 시트를 형성하여 냉각 시, 냉각 속도는 분당 30℃ 내지 200℃ 범위에서 조절할 수 있다. 상기 범위 보다 냉각 속도가 빠르면 지지체의 크랙(crack)이 발생할 우려가 있다. 또한, 상기 냉각 속도 범위 보다 속도가 느리면 주름 발생이 되지 않을 수 있다. 상기 냉각 속도 범위에서 주름은 높이와 폭은 앞서 설명한 바와 같이 각각 50 nm 내지 300 nm, 10 nm 내지 200 nm 가 될 수 있다.Illustratively, when forming a graphene sheet on a graphene growth support comprising a graphenic metal catalyst and cooling, the cooling rate can be controlled in the range of 30 ° C to 200 ° C per minute. If the cooling rate is faster than the above range, cracks of the support may occur. If the cooling speed is slower than the cooling speed range, wrinkles may not be generated. In the cooling rate range, the height and width of the corrugations may be 50 nm to 300 nm and 10 nm to 200 nm, respectively, as described above.

본원의 예시적인 구현 예들에서 그래핀 성장용 금속 촉매를 포함하는 그래핀 성장 지지체 상에서 그래핀 시트를 형성하는 경우 그래핀 시트의 두께를 조절함으로써, 그래핀 시트의 주름 형성 비율, 주름의 형상 불규칙성, 주름의 높이, 주름의 폭 등을 조절할 수 있다.In the exemplary embodiments of the present application, when a graphene sheet is formed on a graphene growth support including a metal catalyst for graphene growth, by adjusting the thickness of the graphene sheet, the wrinkle formation ratio of the graphene sheet, irregularity in shape of wrinkles, The height of the wrinkles, the width of the wrinkles, and the like can be adjusted.

그래핀 시트는 래핀의 단일층으로 이루어질 수도 있고 또는 이들이 여러 개 적층 됨으로써 복수 층(최대 300 층)을 형성하는 것이 가능한데, 그 두께에 따라 주름의 형성 비율, 주름 형상의 불규칙성, 주름의 높이나 폭을 조절할 수 있는 것이다.The graphene sheet may be composed of a single layer of raffinate or a plurality of layers may be laminated to form a plurality of layers (up to 300 layers). Depending on the thickness of the graphene sheet, the ratio of formation of wrinkles, irregularity of wrinkles, It can be adjusted.

예시적으로, 그래핀 시트의 두께는 1 내지 50 층 범위에서 조절할 수 있다. 상기 범위 보다 많은 층의 그래핀이 형성되면 그래핀 자체의 물성이 아니라 그라파이트의 물성이 나올 수 있다. 또한 그래핀 층의 두께가 두꺼워 주름 생성이 어려워 질 수 있다. 상기 두께 범위에서 주름은 높이와 폭은 앞서 설명한 바와 같이 각각 50 nm 내지 300 nm, 10 nm 내지 200 nm 가 될 수 있다.Illustratively, the thickness of the graphene sheet can be adjusted in the range of 1 to 50 layers. If grains larger than the above range are formed, the physical properties of the graphene itself as well as the physical properties of the graphite can be obtained. Also, the thickness of the graphene layer is too thick, which may make it difficult to produce wrinkles. In the thickness range, the folds may have a height and a width of 50 nm to 300 nm and 10 nm to 200 nm, respectively, as described above.

이하 상기 제조된 변형 수용성 그래핀 시트에 추가적으로 변형 수용성을 부여하는 방법을 설명한다.Hereinafter, a method of imparting strain water solubility to the deformed water-soluble graphene sheet prepared above will be described.

상기 주름은 그래핀 시트에 변형 수용성을 부여한 것이다. 그런데, 이와 같은 주름에 더하여 상기 주름 보다 높이 및 폭의 정도가 큰 상승 및 하강을 반복하는 프로파일을 시트에 부여함으로써 상기 주름에 의하여 부여된 변형 수용성 외에 추가로 변형 수용성을 부여할 수 있다. The corrugation imparts strain water solubility to the graphene sheet. In addition to such wrinkles, by imparting a profile to the sheet repeatedly rising and falling more than the wrinkles, the deformation water solubility imparted by the wrinkles can be further imparted.

이와 같이 추가로 변형 수용성을 부여하는 방법으로서 예를 들어 연신된 판상의 탄성체를 이용할 수 있다. As such a method for imparting strain water solubility, for example, an elongated plate-like elastic body can be used.

즉, 앞서 설명한 바와 같이 1차적으로 주름을 통하여 변형 수용성을 가지게 된 그래핀 시트를 연신된 판상 탄성체와 접촉시킨 후 상기 탄성체를 연신 상태로부터 다시 수축시킴으로써 그 수축에 대응하여 해당 주름을 가지는 그래핀 시트가 이번에는 그 주름을 가진 채 상기 주름 보다 큰 높이와 폭을 가지는 상승 및 하강 프로파일을 반복하도록 할 수 있다.That is, as described above, the graphene sheet having the deformation water-soluble property through the wrinkle is contacted with the elongated plate-like elastic body, and then the elastic body is contracted again from the stretched state, Can now repeat the rising and falling profiles with the wrinkles having a greater height and width than the wrinkles.

여기서, 상기 판상 탄성체는 예를 들어 1축 방향으로 연신 시킨 것을 사용할 수도 있고, 2축 방향으로 연신 시킨 것을 사용할 수도 있다. 1축 방향으로 연신된 판상 탄성체를 사용하는 경우에는 1축 방향으로 상승과 하강을 반복하는 프로파일을 가진 그래핀 시트를 얻을 수 있을 것이고, 2축 방향으로 연신된 판상 탄성체를 사용하는 경우에는 2축 방향으로 상승과 하강을 반복하는 프로파일을 가진 그래핀 시트를 얻을 수 있을 것이다. 또한, 상기 판상 탄성체로 3개 이상의 축들의 방향으로 연신시킨 것을 사용할 수도 있다. 예를 들어, 4개의 축의 방향으로 연신시킨 판상 탄성체를 이용할 수 있다. 또한, 예를 들어, 판상 탄성체의 모든 방향, 즉, 방사상의 모든 방향으로 연신시킨 판상 탄성체를 사용할 수도 있다. 그 경우에는 판상 탄성체에 접촉된 그래핀 시트는 등방성 팽창을 하게 되며, 등방성 팽창에 의해 그래핀 시트에 주름이 형성되게 되는데, 그 때의 주름의 패턴 형상은 가시 형상(herringbone shape)(도 15 참조)이 될 수 있다.Here, the plate-like elastic body may be obtained by, for example, stretching in the uniaxial direction, or stretching in the biaxial direction. In the case of using the plate-shaped elastic body drawn in the uniaxial direction, a graphene sheet having a profile repeatedly rising and falling in the uniaxial direction will be obtained. In the case of using the plate-like elastic body drawn in the biaxial direction, It is possible to obtain a graphen sheet having a profile repeatedly rising and falling. It is also possible to use those obtained by stretching the plate-shaped elastic material in the direction of three or more axes. For example, a plate-like elastic body drawn in the directions of four axes can be used. Further, for example, a plate-like elastic body drawn in all directions of the plate-like elastic body, that is, in all directions in the radial direction, may be used. In this case, the graphene sheets brought into contact with the plate-like elastic body are subjected to isotropic expansion, and wrinkles are formed on the graphene sheet by isotropic expansion. The pattern shape of the wrinkles at that time is a shape of a herringbone ).

상기 탄성체의 비제한적인 예시로서, 예를 들어, 폴리디메틸실록산(PDMS)과 같은 실리콘계 또는 에틸렌 사슬을 가지는 고분자 탄성체를 사용할 수 있다.As a non-limiting example of the elastic body, a polymer elastic body having a silicone or ethylene chain such as polydimethylsiloxane (PDMS) can be used.

상기 연신된 판상 탄성체를 이용하여 수축시킬 1차적으로 주름이 형성된 변형 수용성 그래핀 시트는 시트 상 그대로 이용할 수도 있고 리본 형태로 재단하여 이용할 수도 있다. The deformable water-soluble graphene sheet, which is primarily wrinkled to be shrunk by using the stretched plate-shaped elastic body, may be used as it is in a sheet form or in a ribbon form.

이에 따라, 상기 변형 수용성이 증가된 그래핀 시트는 1축 방향 또는 2축 방향으로 상승 및 하강을 반복하는 리본 형태이거나, 또는 1축 방향 또는 2축 방향으로 상승 및 하강을 반복하는 시트 형태를 가질 수 있다.Accordingly, the graphene sheet having the increased water solubility can have a ribbon shape repeatedly rising and falling in the uniaxial or biaxial direction, or a sheet shape repeatedly rising and falling in the uniaxial or biaxial direction .

도 9는 본원의 예시적인 구현예들에서 추가 변형 수용성을 부여하는 방법의 두 가지 예를 나타내는 개략도이다.Figure 9 is a schematic diagram illustrating two examples of methods of imparting additional strain water solubility in exemplary embodiments of the present disclosure.

도 9a를 참조하면, 1차적으로 주름이 형성됨으로써 변형 수용성이 부여된 그래핀 시트가 기재(100) 상에서 리본 형상을 가지도록 놓여 있다. 참고로, 상기 기재(100)는 그래핀의 성장 지지체일 수도 있고 상기 그래핀 시트가 전사된 상기 성장 지지체와 다른 기판일 수도 있다. 도 9b의 경우도 같다.Referring to FIG. 9A, a graphene sheet to which deformation water-solubility is imparted by forming a wrinkle primarily lies on a base material 100 so as to have a ribbon shape. For reference, the substrate 100 may be a graphene growth substrate or a substrate different from the growth substrate onto which the graphene sheet is transferred. The case of FIG. 9B is also the same.

상기 리본 형상의 그래핀 시트(51)를 1축으로 연신된(L+△L) 판상 탄성체(81) 상에 접촉시키고 전사한 후, 해당 탄성체를 다시 수축(L) 시키면 수축된 리본 형상의 그래핀 시트(51)도 함께 수축되면서, 수축된 탄성체(83)와 접촉하여 있는 리본 형상의 수축된 그래핀 시트(52)에 1축 방향에서 상승과 하강을 반복하는 프로파일이 나타날 수 있다. 상기 상승과 하강의 반복은 주기적인 것일 수도 있고 비주기적인 것일 수도 있다. 여기서, 상기 탄성체의 수축은 반드시 원상태로의 수축일 필요는 없으며, 연신 상태와 원상태 사이의 임의의 중간 상태로 수축시키는 것도 물론 가능하다.After the ribbon-shaped graphene sheet 51 is brought into contact with the uniaxially stretched (L + DELTA L) plate-shaped elastic body 81 and the elastic body is again shrunk (L), a shrunk ribbon- The sheet 51 is contracted together and a profile repeatedly rising and falling in the uniaxial direction may appear on the contracted graphene sheet 52 in the form of a ribbon in contact with the contracted elastic body 83. [ The repetition of the rising and falling may be periodic or aperiodic. Here, the shrinkage of the elastic body does not necessarily have to be a shrinkage to the original state, and it is of course possible to shrink the shrinkage to an arbitrary intermediate state between the stretched state and the original state.

도 9b를 참조하면, 1차적으로 주름이 형성됨으로써 시트 형상의 변형 수용성이 부여된 그래핀 시트(53)가 기재(100)상에 놓여 있다.Referring to Fig. 9B, a graphene sheet 53 having a sheet-like deformation-water-accepting property is formed on the base material 100 by firstly forming wrinkles.

상기 시트 형상의 변형 수용성이 부여된 그래핀 시트(53)를 2축으로 연신된[(L+△L)x(L+△L)] 판상 탄성체(82) 상에 접촉시키고 전사한 후, 해당 탄성체를 다시 수축(LxL)시키면 상기 시트 형상의 그래핀 시트(53)도 함께 수축되면서, 수축된 탄성체(83)와 접촉하여 있는 수축된 시트 형상의 그래핀 시트(54)에도 2축 방향에서 상승과 하강을 반복하는 프로파일이 나타날 수 있다. 상기 상승과 하강의 반복은 주기적인 것일 수도 있고 비주기적인 것일 수도 있다. 여기서, 상기 탄성체의 수축 역시 반드시 원상태로의 수축일 필요는 없으며, 연신 상태와 원상태 사이의 임의의 중간 상태로 수축시키는 것도 물론 가능하다.The graphene sheet 53 to which the sheet-like strain water solubility is imparted is brought into contact with the biaxially stretched [(L + DELTA L) x (L + DELTA L)] plate-like elastic body 82 and transferred, The sheet-like graphene sheet 53 is contracted together with the shrinkage (LxL) so that the shrunk sheet-like graphene sheet 54 in contact with the contracted elastic body 83 is also raised and lowered in the biaxial direction Lt; RTI ID = 0.0 > a < / RTI > The repetition of the rising and falling may be periodic or aperiodic. Here, the shrinkage of the elastic body is not necessarily shrunk to the original state, and it is of course possible to shrink it to an arbitrary intermediate state between the drawn state and the original state.

탄성체의 연신 후 수축에 의하여 부여된 상승과 하강을 반복하는 프로파일은 1차적으로 주름이 형성됨으로써 변형 수용성이 부여된 그래핀 시트에 추가적인 변형 수용성을 부여할 수 있다. The profile repeatedly provided by the shrinkage after stretching of the elastic body can be imparted with additional strain water solubility to the graphene sheet to which deformation water solubility is imparted by forming a wrinkle primarily.

즉, 주름과 함께 그래핀 시트에 상승 및 하강을 반복하는 프로파일을 부여하는 경우, 외부로부터의 힘이 해당 그래핀 시트에 가해지면 해당 주름이 접히거나 펴지는 등으로 대응할 뿐만 아니라, 상기 상승과 하강 프로파일도 외부로부터의 힘에 대응하여 펴지거나 접히는 등으로 대응할 수 있다. 이에 따라, 균열이나 파손과 같은 기계적 손상의 유발을 방지 또는 억제하는 능력이 커질 수 있고, 그 결과 그래핀 시트의 전기적 특성의 변화를 방지 또는 억제하는 능력이 커질 수 있다. 즉, 위와 같은 상승 또는 하강을 반복하는 프로파일의 형성은 그래핀 시트에 변형 수용성을 추가로 부여하는 것이라고 할 수 있다.That is, in the case where a profile is repeatedly applied to the graphene sheets together with the wrinkles, when the force from the outside is applied to the graphene sheet, not only the wrinkles are folded or unfolded, The profile can also be accommodated by expanding or folding in response to external forces. Accordingly, the ability to prevent or suppress the occurrence of mechanical damage such as cracking or breakage can be increased, and as a result, the ability to prevent or suppress the change in the electrical characteristics of the graphene sheet can be increased. That is, formation of a profile that repeats the above-described rise or fall can be said to impart additional strain-accepting property to the graphene sheet.

상기와 같이 주름을 가지면서 상승 및 하강을 반복하는 프로파일이 부여된 그래핀 시트는 0% 초과 30% 이하의 변형(예컨대, 0% 초과 30% 이하의 연신 변형)을 수용하도록 해줄 수 있다. 나아가, 상기 그래핀 시트는 5% 변형을 넘어 10% 내지 30%의 변형(예컨대, 10% 내지 30%의 연신 변형)을 수용하도록 해 줄 수 있다. 이러한 변형 수용성은 1차적으로 주름만을 형성하여 변형 수용성을 약 5% 이하 범위로 부여한 것과 대비하여 추가로 변형 수용성이 부여된 결과라고 할 수 있다. As described above, the graphene sheet provided with the profile of repeatedly rising and falling with wrinkles can accommodate a deformation of more than 0% but not more than 30% (for example, not less than 0% but not more than 30% of the elongation deformation). Furthermore, the graphene sheet can accommodate 10% to 30% deformation (e.g., 10% to 30% stretch deformation) beyond 5% deformation. This strain water solubility is a result of addition of deformation water solubility as compared with the case where the water solubility is formed within the range of about 5% or less by forming only wrinkles at first.

이상과 같이 그래핀 시트에 변형 수용성을 부여하기 위해, 연신된 판상의 탄성체를 이용하여 열팽창계수의 차이로 그래핀 시트에 주름을 형성하는 방법을 설명하였지만, 본원은 이에 한정하는 것은 아니다. 즉, 본원에 따르면, 판상의 탄성체를 이용하지 않고 주름을 형성할 수 있다. 예를 들면, 그래핀을 전사시킬 기판에 힘을 가하여 연신된 상태에서 그래핀 시트를 전사시킨 후, 가한 힘을 제거하여 그래핀 시트에 주름을 형성시킴으로써 그래핀 시트에 변형 수용성을 부여할 수 있다. 즉, 그래핀이 전사될 기판의 적어도 일부를 잡아 당겨 연신하고, 그 기판에 그래핀을 전사함으로써 그래핀 시트에 주름을 형성시킬 수 있는데, 그렇게 형성된 주름은 그래핀 시트에 변형 수용성을 부여하게 된다. As described above, the method of forming the wrinkles on the graphene sheet by the difference of the thermal expansion coefficients using the elongated plate-like elastic body has been described in order to impart strain water solubility to the graphene sheet, but the present invention is not limited thereto. That is, according to the present invention, wrinkles can be formed without using a plate-like elastic body. For example, graphene sheets may be transferred in a state of being stretched by applying a force to a substrate to which the graphene is to be transferred, and then the graphene sheet may be subjected to deformation and water solubility by removing the applied force to form wrinkles on the graphene sheet . That is, at least a part of the graphene substrate to be transferred is pulled and stretched, and graphenes are transferred to the graphene sheet to form wrinkles on the graphene sheet, and the wrinkles thus formed impart gravability to the graphene sheet .

한 예로, 그래핀 시트의 모든 방향 즉, 방사상의 모든 방향으로 그래핀 시트가 부착될 기판에 직접 힘을 가함으로써, 그래핀 시트를 연신시킬 수 있다. 구체적으로 그래핀 시트가 부착될 기판의 가장자리를 고정한 후, 그 기판의 중앙을 힘을 가하여 잡아 당기게 되면 기판을 연신시킬 수 있게 되는데, 그 경우에 기판은 등방성 팽창을 하게 된다. 그러한 기판의 등방성 팽창이 이루어진 상태에서 그래핀을 전사하고 기판에 가해진 힘을 제거하면, 그래핀 시트에 주름이 형성되게 된다. 그 때의 주름의 패턴 형상은 가시 형상(herringbone shape)(도 15참조)이 될 수 있다.For example, the graphen sheet can be stretched by applying a force directly to the substrate to which the graphen sheet is to be attached in all the directions of the graphen sheet, that is, in all directions in the radial direction. Specifically, after the edge of the substrate to which the graphen sheet is to be attached is fixed, a force is applied to the center of the substrate to stretch the substrate. In this case, the substrate is isotropically expanded. When the graphene is transferred while the isotropic expansion of such a substrate is performed and the force applied to the substrate is removed, wrinkles are formed on the graphen sheet. The pattern shape of the wrinkle at that time may be a herringbone shape (see Fig. 15).

도 10은 본원의 예시적인 구현예에서 상승과 하강을 반복하는 프로파일을 가지는 그래핀 시트의 두 가지 양상을 나타내는 개략도이다.10 is a schematic diagram illustrating two aspects of a graphene sheet having a profile repeating rising and falling in an exemplary embodiment of the present disclosure;

도 10을 참조하면, 탄성체(80) 상에서 그래핀 시트는 탄성체(80)와 함께 상승 및 하강을 반복하는 프로파일 즉, 파도 형상(wavy)을 가지거나(도 10a의 W), 탄성체(80)와 변곡점 부분에서만 접하면서 상승 및 하강을 반복하는 프로파일 즉, 버클 형상(buckle)(도 10b의 B)을 가진다. 10, the graphene sheet on the elastic body 80 has a profile that repeats rising and falling with the elastic body 80, that is, a wavy shape (W in FIG. 10A) A buckle (B in Fig. 10B), which is repeatedly raised and lowered while contacting only the inflection point portion.

이러한 상승 및 하강을 반복하는 프로파일은 외부로부터의 힘에 대응하여 좁혀지거나 혹은 극단적으로 완전히 펴지는 등으로 대응함으로써 그래핀 시트에 주름과 별도로 변형 수용성을 추가로 부여할 수 있다. 이에 따라 그래핀 시트는 전기적 물성이나 기계적 물성 등의 변화를 방지 또는 감소시킬 수 있다. 참고로, 상기 버클 형상은 파도 형상의 경우와 대비하여 더 많은 변형 수용성을 부여할 수 있다. 상기 버클 형상은 상기 파도 형상 이상의 변형(예컨대 탄성체의 연신 율을 더 크게 한 후 수축시킴)을 부여한 결과로 나타날 수 있다. 예를 들어, 변형이 10% 미만인 경우에는 주로 파도 상이 나타나기 시작할 수 있으며, 10%를 넘는 경우 주로 버클 형상이 나타나기 시작할 수 있다. 변형이 10% 근방인 경우에는 파도 형상 및 버클 형상이 같이 나타날 수 있다. 한편, 상기 10%를 넘는 높은 정도의 변형이 있는 경우 외에도, 탄성체 기판과의 접착력이 약할 경우에는 버클 형상이 나타날 수 있다. Such a profile that repeats the rising and falling can be further reduced in response to the force from the outside or extremely extensively stretched to give the graphene sheet additional wrinkle and strain water solubility. Accordingly, the graphene sheet can prevent or reduce changes in electrical properties, mechanical properties, and the like. For reference, the buckle shape can impart more deformation water solubility to the case of the wave shape. The buckle shape may be a result of imparting a deformation more than the wave shape (for example, increasing the elongation ratio of the elastic body and contracting). For example, if the deformation is less than 10%, the wave image may start to appear, and if it exceeds 10%, the buckle shape may start to appear mainly. When the deformation is in the vicinity of 10%, the wave shape and the buckle shape may appear. On the other hand, in addition to the case where there is a high degree of deformation exceeding 10%, buckling may occur when the adhesive force with the elastic substrate is weak.

여기서, 개별 파도나 버클은 높이 및 폭을 가진다. 상기 높이는 1 ㎛ 내지 10 ㎛ 이며, 폭은 1 ㎛ 내지 30 ㎛ 일 수 있다. 이러한 파도나 버클의 높이 및 폭은 앞서 주름의 높이인 50 ㎛ 내지 300 ㎛, 주름의 폭인 10 ㎛ 내지 200 ㎛ 와 대비된다. 상기 파도나 버클의 높이 및/또는 폭은 주름의 높이 및/또는 폭과 대비하여 대략 10 내지 30 배 정도의 차이를 가질 수 있다. Here, the individual wave or buckle has a height and a width. The height may be 1 탆 to 10 탆, and the width may be 1 탆 to 30 탆. These waves and the height and width of the buckle are compared with the height of the wrinkles of 50 탆 to 300 탆, which is the wrinkle height, and 10 탆 to 200 탆, which is the wrinkle width. The height and / or width of the wave or buckle may be about 10 to 30 times greater than the height and / or width of the wrinkles.

본원의 예시적인 구현예들에서는 유연한 탄성체를 기판으로 하여 이에 변형 수용성이 부여된 그래핀 시트를 접촉시켜 변형 수용성 물질로서 사용할 수 있다. 여기서, 상기 변형 수용성이 부여된 그래핀 시트는 주름을 통하여 1차적으로 변형 수용성이 부여된 것이거나, 여기에 더하여 상기 상승 및 하강을 반복하는 프로파일을 통하여 추가적으로 변형 수용성이 부여된 예컨대 파도 상이나 버클 상을 가지는 그래핀 시트일 수 있다.In the exemplary embodiments of the present invention, a flexible elastomer can be used as a deformable water-soluble material by contacting a graphene sheet having a water-solubility imparted thereto as a substrate. Here, the graphene sheet to which the strain water-solubility is imparted is one which is primarily imparted with strain water solubility through wrinkles, and in addition, the graphene sheet which is subjected to the upward and downward repetitions, May be a graphen sheet.

이와 같이 제조된 변형 수용성 그래핀 시트 또는 변형 수용성 물질은 각종 변형에 대응하여 전기적 성질이나 기계적 성질의 변화를 방지 또는 억제할 수 있다. 또한 그래핀은 투명성이 높으므로 유연성 등이 요구되는 각종 전기 전자 소자의 전극 물질로 활용될 수 있다. The deformable water-soluble graphene sheet or deformed water-soluble material thus produced can prevent or suppress changes in electrical properties and mechanical properties corresponding to various strains. Also, since graphene has high transparency, it can be utilized as an electrode material for various electric and electronic devices requiring flexibility and the like.

예컨대, 압축 또는 연신 가능성(stretchable), 굽히거나 폄 가능성(bendable), 유연성(flexible) 등의 변형 가능성이 요구되는 차세대 전계 효과 트랜지스터나 다이오드 등의 각종 전자 전기 소자의 전극 물질이나 디스플레이의 픽셀, 바이오 테이프, 미래의 수술 장갑, 다관절 로봇의 표면 감지 센서, 반구형(hemispherical) 광전자소자와 같은 고기능 센서 등과 같은 다양한 소자에 활용됨으로써 외부의 변형에 의하더라도 저항 변화가 없거나 감소시키도록 하여 해당 소자의 성능을 유지시켜 줄 수 있다. For example, electrode materials of various electronic and electric devices such as next generation field effect transistors and diodes which are required to be deformable such as compressible or stretchable, bendable, flexible and flexible, It can be applied to various devices such as tapes, future surgical gloves, surface sensors of articulated robots, and high performance sensors such as hemispherical optoelectronic devices, Can be maintained.

또한, 이와 같이 제조된 변형 수용성 그래핀 시트 또는 변형 수용성 물질은, 일 방향, 양 방향, 또는 모든 방향으로 압축 또는 연신시켜 적용될 수 있는데, 그 경우 도체-반도체 특성을 조절할 수 있게 된다. 두 방향 이상의 방향으로 압축된 그래핀은 접거나 휠 때에 저항이 거의 변하지 않으므로, 접힘, 당김 등의 기계적 변형이 필요한 유연성전자소자의 전극 소재로 활용될 수 있다.The deformable water-soluble graphene sheet or deformable water-soluble substance thus produced can be applied by compression or stretching in one direction, two directions, or all directions, in which case the conductor-semiconductor characteristics can be controlled. Since graphene compressed in two or more directions has little resistance to folding or rolling, it can be used as an electrode material for flexible electronic devices requiring mechanical deformation such as folding or pulling.

또한, 이와 같이 제조된 변형 수용성 그래핀 시트 또는 변형 수용성 물질은, 신축 정도에 따른 저항을 조절할 수 있는데, 그러한 특성은 전자소자나 센서 등에 이용될 수 있다.
In addition, the deformable water-soluble graphene sheet or deformed water-soluble substance thus produced can control the resistance according to the degree of expansion and contraction. Such properties can be used for electronic devices, sensors, and the like.

이하, 비제한적이고 예시적인 실시예를 통하여 예시적인 구현예 중 하나를 더욱 상세히 설명한다.
Hereinafter, one of the exemplary implementations will be described in more detail by way of non-limiting and exemplary embodiments.

전자-빔 증착기를 이용하여 SiO2/Si 기판 상에 두께 300 nm 이하의 니켈 박막을 증착하였고, 그리고 나서 상기 샘플을 석영관(quartz tube) 내에서 아르곤 공기 하에 1,000℃까지 가열하였다. 반응 가스 혼합물(CH4 : H2 : Ar = 50 : 65 : 200 표준입방센치미터/분)을 흘려준 후, 아르곤을 흘려주는 것을 이용하여 ~10℃s-1의 속도로 빠르게 상기 샘플을 상온(~25 ℃)까지 냉각하였다. 이러한 빠른 냉각 속도가 다중층 그래핀의 형성을 억제하고, 후공정에서 상기 기판으로부터 그래핀 층을 효율적으로 분리하는데 중요하다는 것을 알아냈다.A nickel film with a thickness of 300 nm or less was deposited on a SiO 2 / Si substrate using an electron-beam evaporator, and the sample was then heated in a quartz tube to 1,000 ° C. under argon air. The reaction gas mixture (CH 4 : H 2 : Ar = 50: 65: 200 standard cubic centimeters / minute), and the sample was rapidly cooled to room temperature (~ 25 ° C) at a rate of ~ 10 ° C s -1 using flowing argon. It has been found that this rapid cooling rate is important in inhibiting the formation of multilayer graphene and in efficiently separating the graphene layer from the substrate in a post-process.

상기 니켈 박막 상에 형성된 그래핀 필름(시트)의 주사전자현미경(SEM; Jeol, JSM6490) 이미지는 다른 수의 그래핀 층을 가진 영역 사이에서 명백한 대조를 보여준다(도 4a). 투과 전자 현미경(TEM; Jeol, JEM3010) 이미지(도 3b)는 상기 필름이 대부분 그래핀의 극소수 층 이하로 구성된다는 것을 보여준다. 300-nm 두께 SiO2 층을 가진 실리콘 기판으로 상기 필름의 전사 후, 광학 공초점 주사 라만 현미경(CRM 200, Witech) 이미지(도 4c 및 4d)는 동일 영역에 대하여 측정하었다. 도 4d에 있는 가장 밝은 영역은 단분자층에 해당되고, 가장 어두운 영역은 그래핀의 10개 층 이상으로 구성된다. 이중층 구조는 300-nm 두께 니켈층 상에서 7분 동안 성장된 상기 샘플에 대해 TEM 및 라만 이미지에서 우세한 것으로 보인다. 이에 따라, 다양한 응용을 위한 그래핀의 성장을 제어할 수 있으며, 상기 그래핀 층의 평균 개수, 도메인(domain) 크기 및 기판의 적용범위는 상기 성장 과정 동안 상기 니켈 두께 및 성장 시간을 변화함으로써 제어될 수 있다는 것을 알았다(도 3).A scanning electron microscope (SEM; Jeol, JSM6490) image of the graphene film (sheet) formed on the nickel thin film shows a clear contrast between the areas with different numbers of graphene layers (Fig. 4A). A transmission electron microscope (TEM; Jeol, JEM 3010) image (FIG. 3b) shows that the film is mostly composed of fewer layers of graphene. After transferring the film to a silicon substrate with a 300-nm thick SiO 2 layer, an optical confocal scanning Raman microscope (CRM 200, Witech) image (Figures 4c and 4d) was measured for the same area. The lightest region in Figure 4d corresponds to a monolayer, and the darkest region consists of more than ten layers of graphene. The bilayer structure appears to prevail in TEM and Raman images for the sample grown on a 300-nm thick nickel layer for 7 minutes. Thus, the growth of graphene for various applications can be controlled, and the average number of the graphene layers, the domain size, and the application range of the substrate can be controlled by varying the nickel thickness and growth time during the growth process (Fig. 3).

원자간력현미경(AFM; Nanoscopes IIIa 및 E, Digital Instruments) 이미지는 니켈 및 그래핀의 열 팽창 계수(thermal expansion coefficients) 차이에 의해 초래된 주름(ripple) 구조를 보여준다(도 4c의 inset 부분). 후에 논의할 것처럼, 이러한 주름은 상기 그래핀 필름을 기계적인 신장(stretching)에 대하여 더 안정적이게 하고, 상기 필름을 더 연신가능하게 할 수 있다. 다층 그래핀 샘플은 대면적 필름 구조를 지원하기 위한 기계적 힘의 관점에서 바람직하고, 반면에 얇은 그래핀 필름은 더 높은 광 투명성을 가지고 있다. 상기의 더 짧은 성장 시간을 가진 니켈층이 마이크로 전자 장치를 위한 우세한 단층 및 2층 그래핀 필름을 제공하였다(도 3c).Nanoscopes IIIa and E, Digital Instruments (AFM) images show a ripple structure caused by the difference in the thermal expansion coefficients of nickel and graphene (inset portion of FIG. 4c). As will be discussed later, such wrinkles can make the graphene film more stable to mechanical stretching and render the film more stretchable. Multilayer graphene samples are desirable in terms of mechanical strength to support large area film structures, while thinner graphene films have higher optical transparency. The above-described nickel layer with shorter growth time provided a dominant monolayer and a two-layer graphene film for microelectronic devices (FIG. 3C).

니켈 박막 에칭 및 이에 따라 분리된 그래핀 필름을 다른 기판으로 전사하는 것은 디바이스 응용에 중요하다. 보통, 니켈은 HNO3과 같은 강산에 의해 식각될 수 있으나, 이러한 산은 종종 수소 방울을 생성하고 상기 그래핀을 손상시킨다. 본 실시예에서는, 상기 니켈 박막을 제거하기 위하여 산화 에천트로서 염화철(III)(FeCl3) 수용액(1 M)을 사용하였다. 이러한 에칭 식각 반응의 알짜 이온 방정식(net ionic equation)은 다음과 같이 나타낼 수 있다:Nickel thin film etching and thus transfer of the separated graphene film to another substrate is important for device applications. Normally, nickel can be etched by strong acids such as HNO 3 , but these acids often produce hydrogen droplets and damage the graphene. In this embodiment, an aqueous solution (1 M) of iron (III) chloride (FeCl 3 ) was used as an oxidizing etchant to remove the nickel thin film. The net ionic equation of this etching etch reaction can be expressed as:

2Fe3 +(aq) + Ni(s) -> 2Fe2 +(aq) + Ni2 +(aq).
2Fe 3 + (aq) + Ni (s) -> 2Fe 2 + (aq) + Ni 2 + (aq).

이러한 산화 환원 과정은 천천히 기체 생성물 또는 침전물을 형성하지 않고 온화한 pH 범위에서 효과적으로 상기 니켈 박막을 서서히 에칭하였다. 수 분 후에, 상기 기판으로부터 분리된 그래핀 필름은 상기 용액의 표면 위로 부유되었고 (도 5a 및 5b), 이러한 부유된 상기 그래핀 필름은 다른 목적 기판 위로 전사될 수 있다. 버퍼 산화물 에천트(buffered oxide etchant, BOE) 또는 불화 수소 용액의 사용하는 경우 이산화 실리콘 층을 제거하여 상기 패턴화된 그래핀과 상기 니켈 박막이 같이 상기 용액 표면 위에 부유하였다. 상기 부유된 패턴화된 그래핀/니켈 박막을 BOE 또는 불화 수소 용액과의 추가적 반응으로 남아있는 상기 니켈 박막을 완전히 제거하였다(도 2c). 이후, 상기 니켈 박막이 제거된 상기 부유된 그래핀 필름을 목적 기판으로 전사하였다.This oxidation-reduction process slowly etched the nickel film effectively in a mild pH range without forming gaseous products or precipitates. After a few minutes, the graphene film separated from the substrate was suspended above the surface of the solution (FIGS. 5A and 5B), and this floating graphene film could be transferred onto another target substrate. In the case of using a buffered oxide etchant (BOE) or a hydrogen fluoride solution, the silicon dioxide layer was removed and the patterned graphene and the nickel film were floated on the surface of the solution together. The floating patterned graphene / nickel thin film was completely removed from the remaining nickel thin film by further reaction with BOE or hydrogen fluoride solution (FIG. 2C). Thereafter, the floating graphene film from which the nickel thin film was removed was transferred to a target substrate.

한편, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 종류와 같은 연질 기판을 이용하여 상기 그래핀 필름을 건식-전사하였다. 상기 니켈 박막 상에 화학기상증착법에 의해 성장된 그래핀 필름에 상기 PDMS 스탬프를 접촉시켰다(도 5d). 상기 니켈 박막은 위에서 언급한 바와 같이 FeCl3를 이용하여 식각되어 상기 PDMS 기판 위에 부착된 그래핀 필름을 남겼다(도 5e 참조). 미리 패턴화된 니켈 박막을 이용하여(도 5c), 다양한 크기와 형상의 상기 그래핀 필름을 임의의 기판으로 전사하였다. 상기 건식-전사 과정은 추가 리소그래피(lithography) 공정 없이 대면적의 그래핀 전극 및 디바이스를 제조함에 있어서 매우 유용할 것이다(도 5f 내지 도 5h). 상기 전사된 그래핀 필름의 소수의 층은 60°또는 120°의 각도를 가진 선형 균열 패턴을 보여주며, 이는 큰 결정성 도메인(crystalline domains)을 가진 특정 결정 에지(crystallographic edge)를 나타낸다(도 3b). 또한, 상기 니켈 박막 상의 그래핀 필름에 대하여 측정한 라만 스펙트럼은 강하게 억제된 결함(defect)-관련 D-밴드 피크를 보여주는데, 상기 D 피크는 상기 전사 과정 후에 단지 조금 증가하며(도 4c), 이는 상기 결과로 수득된 그래핀 필름의 전체적 좋은 품질을 보여준다. 상기 기판 제어를 이용한 상기 전사 과정의 추가 최적화는 99%에 근접하는 전사 수득률을 가능하게 한다.On the other hand, the graphene film was dry-transferred using a soft substrate such as polydimethylsiloxane (PDMS). The PDMS stamp was brought into contact with the graphene film grown by chemical vapor deposition on the nickel thin film (Fig. 5D). The nickel thin film was etched using FeCl 3 as described above to leave a graphene film adhered on the PDMS substrate (see FIG. 5E). Using the pre-patterned nickel film (Figure 5c), the graphene films of various sizes and shapes were transferred to any substrate. The dry-transfer process will be very useful in fabricating large-area graphene electrodes and devices without additional lithography processes (Figures 5f-5h). A small number of layers of the transferred graphene film exhibit a linear crack pattern with an angle of 60 ° or 120 °, indicating a particular crystallographic edge with large crystalline domains ). In addition, the Raman spectrum measured for the graphene film on the nickel film shows strongly suppressed defect-related D-band peaks, which increase only slightly after the transfer process (FIG. 4c) Showing the overall good quality of the resulting graphene film. Further optimization of the transfer process using the substrate control allows for a transfer yield close to 99%.

거시적 수송 전극(transport electrode) 응용을 위하여, 1 × 1 cm2 그래핀 필름의 광학적, 전기적 성질을 각각 자외선-가시선 분광법(ultraviolet-visible spectrometer) 및 4-탐침 Van der Pauw 방법(four-probe Van der Pauw methods)에 의해 측정하였다(도 6a 및 6b). 상기 부유된 그래핀 필름을 석영판으로 전사한 후 자외선-가시선 분광법(UV-3600, Shimazdu)을 사용하여 투과율을 측정하였다(도 6a). 상기 가시 광선 범위에서, 300-nm 두께 니켈 박막 상에서 7분 동안 성장된 상기 그래핀 필름의 투과율은 이전에 연구되었던 제조된 필름에 대해 발견된 것과 유사한 값인 ~80% 이다. 개별 그래핀 층의 투과율이 ~2.3% 이기 때문에, 이러한 투과도 값은 그래핀 층의 평균 수가 6 내지 10 인 것을 나타낸다. 상기 투과율은 상기 성장 시간과 니켈 두께를 더 감소시켜 더 얇은 그래핀 필름을 생성함으로써 ~93%까지 상승될 수 있다(도 3). 자외선/오존 에칭(자외선/오존 cleaner, 60 W, BioForce) 또한 상기 투과율을 제어함에 있어 유용하다(도 6a, 상부 inset). 인듐 전극(Indium electrodes)이 접촉 저항을 최소로 하기 위해 상기 스퀘어의 각 모서리 위에 증착되었다(도 6a, 하부 inset). 최소 시트 저항은 스퀘어당 ~280 Ω이며, 그것은 제조된 필름 위에서 측정된 가장 낮은 시트 저항보다 ~30 배 더 작은 것 이다. 상기 시트 저항의 값은 자외선/오존 처리 시간과 함께 증가하고, 그래핀 층의 감소 수와 일치한다(도 6a).For macroscopic transport electrode applications, the optical and electrical properties of a 1 × 1 cm 2 graphene film were determined using an ultraviolet-visible spectrometer and a four-probe Van der Pauw method Pauw methods) (Figs. 6A and 6B). The suspended graphene film was transferred to a quartz plate, and the transmittance was measured using ultraviolet-visible spectrum (UV-3600, Shimazdu) (FIG. 6A). In the visible light range, the transmittance of the graphene film grown on a 300-nm thick nickel film for 7 minutes is ~ 80%, which is similar to that found for previously prepared films. This transmittance value indicates that the average number of graphene layers is 6 to 10 since the transmittance of the individual graphene layers is ~ 2.3%. The transmittance can be increased to ~ 93% by further reducing the growth time and nickel thickness to produce a thinner graphene film (Figure 3). Ultraviolet / ozone etching (UV / ozone cleaner, 60 W, BioForce) is also useful in controlling the transmittance (FIG. 6A, top inset). Indium electrodes were deposited on each corner of the square to minimize contact resistance (Figure 6a, bottom inset). The minimum sheet resistance is ~ 280 ohms per square, which is ~ 30 times smaller than the lowest sheet resistance measured on the produced film. The value of the sheet resistance increases with ultraviolet / ozone treatment time and coincides with the decrease in the graphene layer (Fig. 6A).

마이크로전자 응응을 위하여, 상기 그래핀 필름의 이동도(mobility)는 중요하다. 단일-도메인 그래핀 샘플의 본질적 이동성(intrinsic mobility)을 측정하기 위해, PDMS 스탬프로부터의 상기 그래핀 샘플을 300-nm 깊이로 열적 성장된 산화층을 가지는 열화된 도핑된 실리콘 웨이퍼로 전사시켰다. 단층 그래핀 샘플은 광학적 콘트라스트(contrast)로부터 쉽게 기판에 위치되었고, 라만 분광법으로 확인하였다. 전자-빔 리소그래피는 멀티-단자 장치를 만드는데 사용되었다(도 6b, 하부 inset). 두드러지게, 상기 멀티-단자 전기적 측정은 전자 이동도가 ~ 5 × 10-2 cm-2 의 캐리어(carrier) 밀도에서 ~ 3,750 cm2V-1s-1이라는 것을 보여주었다(도 6b). 8.8 T의 높은 자기장에 대해, 단층 그래핀에 대응되는 반-정수 양자 홀 효과가 관찰되었으며(도 6b), 이는 상기 CVD-성장 그래핀의 품질이 우수하다는 것을 나타낸다.
For microelectronic response, the mobility of the graphene film is important. To measure the intrinsic mobility of the single-domain graphene samples, the graphene samples from the PDMS stamps were transferred to a 300 nm deep, doped silicon wafer with a thermally grown oxide layer. The single layer graphene samples were easily located on the substrate from the optical contrast and confirmed by Raman spectroscopy. Electron-beam lithography was used to make a multi-terminal device (Fig. 6B, bottom inset). Remarkably, the multi-terminal electrical measurement showed that the electron mobility was ~ 3,750 cm 2 V -1 s -1 at a carrier density of ~ 5 × 10 -2 cm -2 (FIG. 6b). For the high magnetic field of 8.8 T, a half-integer quantum Hall effect corresponding to the single-layer graphene was observed (Fig. 6b), indicating that the quality of the CVD-grown graphene is excellent.

5 cm x 5 cm 의 크기를 갖는 실리콘 기판 위에 SiO2 300 nm 두께, Ni 10 nm 내지 600 nm 두께로 순차적으로 코팅시켜서 그래핀 성장 지지체를 형성하였다. On a silicon substrate having a size of 5 cm x 5 cm, a 300 nm thick SiO 2 layer and a 10 nm to 600 nm thick Ni layer were sequentially coated to form a graphene growth support.

이 지지체를 석영 튜브관의 로에 장입하였다. 먼저 Ni 표면의 산화막을 제거하고 Ni 촉매의 결정크기(grain size)를 키우기 위하여 900℃ 내지 1100℃에서 H2/Ar=100/200 sccm 으로 1 시간 흘려 주었다. 그 다음 동일한 온도를 유지하면서 CH4/H2/Ar=50/65/200 sccm 으로 30초 내지 20분간 흘려주어 그래핀 성장 지지체 상에서 그래핀 시트를 10 층 이하의 두께를 가지도록 제조하였다. 도 3을 참조하면 이렇게 촉매층 두께와 반응시간을 조절하여 그래핀의 층수를 조절할 수 있음을 알 수 있다. 반응시간이 짧을수록, 촉매층의 두께가 얇을수록 단층 그래핀의 분포가 증가한다.This support was charged into the furnace of a quartz tube. First, to remove the oxide film on the surface of Ni and increase the grain size of the Ni catalyst, it was flowed at 900 ° C to 1100 ° C for 1 hour at H 2 / Ar = 100/200 sccm. Then, the same temperature was maintained at a flow rate of CH 4 / H 2 / Ar = 50/65/200 sccm for 30 seconds to 20 minutes to prepare a graphene sheet having a thickness of 10 or less on the graphene growth support. Referring to FIG. 3, it can be seen that the number of graphene layers can be controlled by controlling the catalyst layer thickness and the reaction time. The shorter the reaction time and the thinner the catalyst layer, the greater the distribution of the single-layer graphene.

이후 Ar=200 sccm 으로 흘려주면서 100℃/분의 속도로 냉각하여 주름이 부여된 그래핀 시트를 형성시켰다. 여기서, 상기 그래핀 성장 지지체의 열팽창율은 1.4 x 10-5/K이고, 그래핀의 열팽창율은 0.5 내지 0.75 x 10-5/K이며, 서로 2 내지 3 배정도의 열팽창율 차이를 가진다. Thereafter, the sheet was cooled at a rate of 100 deg. C / minute while flowing Ar = 200 sccm to form a corrugated graphene sheet. Here, the graphene growth support has a thermal expansion coefficient of 1.4 x 10 < -5 > / K and the graphene has a thermal expansion coefficient of 0.5 to 0.75 x 10 < -5 > / K.

상기 얻어진 샘플을 Si/SiO2/Ni/그래핀 시트로 표현할 수 있다. 이 Si/SiO2/Ni/그래핀 시트 샘플을 FeCl3 1M 수용액이 담긴 수조에 담그어 Ni을 에칭시켰다. 물론 여기서 위와 같이 Ni을 바로 에칭하는 대신 SiO2를 먼저 에칭한 후 이어서 Ni을 에칭하는 방법을 사용하였다. 참고로, SiO2 에칭은 Ni 에칭 보다 상대적으로 에칭 시간이 길다.The obtained sample can be expressed as a Si / SiO 2 / Ni / graphene sheet. This Si / SiO 2 / Ni / graphene sheet sample was immersed in a water bath containing an aqueous 1M FeCl 3 solution to etch Ni. Of course, instead of direct etching of Ni as described above, SiO 2 is etched first and then Ni is etched. For reference, SiO 2 etching has a relatively longer etching time than Ni etching.

Ni이 에칭되면서 그래핀 시트가 분리되었다. 그래핀 시트는 소수성이기 때문에 FeCl3 수용액 위로 떠 올랐다. 상기 그래핀 시트를 별도의 기판에 전사시킨 후 수조 밖으로 꺼내는 방식으로 상기 그래핀 시트를 회수하였다. 회수된 그래핀 시트에는 주름이 형성되는데, 형성된 주름은 높이가 50 nm 내지 70 nm 이고, 폭이 70 nm 내지 100 nm 의 범위를 가지는 것이었다. 참고로, 주름의 높이 및 폭은 AFM(Atomic Force Microscopy)으로 측정하였다. 이하의 실시예들의 경우에도 동일하다.
Ni was etched and the graphen sheet was separated. Since the graphene sheet is hydrophobic, it floated on the FeCl 3 aqueous solution. The graphene sheet was transferred to a separate substrate and then taken out of the water tank to recover the graphene sheet. The recovered graphene sheet was formed with wrinkles having a height of 50 nm to 70 nm and a width of 70 nm to 100 nm. For reference, the height and width of the wrinkles were measured by AFM (Atomic Force Microscopy). The same is true for the following embodiments.

냉각 속도를 조절함에 따라 주름 높이와 폭을 조절할 수 있음을 확인하고자, 실시예 2와 동일한 방식으로 제조하되 냉각 속도를 200℃/분로 달리하였다. 그 결과 주름의 높이와 폭이 각각 90 nm 내지 120 nm, 50 nm 내지 70 nm 정로 변하였다.
In order to confirm that the wrinkle height and width can be controlled by adjusting the cooling rate, the same procedure as in Example 2 was carried out except that the cooling rate was changed to 200 ° C./min. As a result, the height and width of the wrinkles were changed from 90 nm to 120 nm and from 50 nm to 70 nm, respectively.

그래핀 시트의 두께를 조절함에 따라 주름 높이와 폭을 조절할 수 있음을 확인하고자, 실시예 2와 동일한 방식으로 제조하되 그래핀 시트의 두께를 20 층으로 달리하였다. 그 결과 주름의 높이와 폭이 각각 30 nm 내지 50 nm, 100 nm 내지 120 nm 정도로 변하였다.
In order to confirm that the wrinkle height and width can be adjusted by controlling the thickness of the graphene sheet, the graphene sheet was manufactured in the same manner as in Example 2 except that the thickness of the graphene sheet was changed to 20 layers. As a result, the height and width of the wrinkles varied from 30 nm to 50 nm and from 100 nm to 120 nm, respectively.

실시예 2에서 그래핀 시트를 별도의 기판으로 전사하여 수조 밖으로 꺼낸 뒤, 상기 기판 상의 그래핀 시트를 연신된 탄성체 기판인 폴리디메틸실록산(PDMS) 기판에 전사하였다. 상기 탄성체 기판은 원래 4 cm x 4 cm 인데 1축 방향에서 연장하여 4 cm x 5 cm 를 갖도록 연신하였다. 여기서 소수성 표면 특성을 가지는 연신된 탄성체 기판 예컨대 폴리디메틸실록산(PDMS) 기판을 사용하는 경우 FeCl3 수용액 표면으로 떠오른 그래핀 시트를 FeCl3 수용액 표면으로부터 상기 탄성체 기판 표면으로 바로 전사하는 방식을 사용할 수도 있다. In Example 2, the graphene sheet was transferred to a separate substrate and taken out from the water tank, and then the graphene sheet on the substrate was transferred to a polydimethylsiloxane (PDMS) substrate as an elongated elastic substrate. The elastic substrate was originally 4 cm x 4 cm and extended in the uniaxial direction to have a length of 4 cm x 5 cm. Here it is also possible to use a method of directly transferring the case of using the elastomer substrate, for example a polydimethylsiloxane (PDMS) substrate stretching having a hydrophobic surface properties to emerge graphene sheet with FeCl 3 aqueous solution surface in the elastic surface of the substrate from FeCl 3 aqueous solution surface .

상기 그래핀 시트가 전사된 후 상기 탄성체 기판을 다시 수축시켜 4 cm x 4 cm 로 만들었다. 상기 탄성체 기판을 연신 및 압축할 수 있는 장비를 직접 제작하여 상기 탄성체 기판을 수축시켰다. After the graphene sheet was transferred, the elastic substrate was shrunk to 4 cm x 4 cm. Equipment capable of stretching and compressing the elastic substrate was directly manufactured to shrink the elastic substrate.

이에 따라 얻어진 그래핀 시트는 1축 방향으로 탄성체 기판 상에서 상승 및 하강을 반복하는 파도 상 또는 버클 상의 프로파일을 나타내었다. 여기서, 형성된 파도 또는 버클은 높이가 1 ㎛ 내지 10 ㎛ 이며, 폭은 1 ㎛ 내지 30 ㎛ 의 범위를 가지는 것이었다.
The graphene sheet thus obtained exhibited a wave or buckle-like profile repeatedly rising and falling on the elastic substrate in the uniaxial direction. Here, the formed wave or buckle has a height of 1 占 퐉 to 10 占 퐉 and a width of 1 占 퐉 to 30 占 퐉.

실시예 5와 동일하게 하되 탄성체 기판을 원래 4 cm x 4 cm 에서 각각 1 cm씩 2축 연장하여 5 cm x 5 cm 를 갖도록 연신한 것을 사용하였다. 그래핀 시트가 전사된 후 상기 탄성체 기판을 다시 수축시켜 4 cm x 4 cm 로 만들었다. The same procedure as in Example 5 was carried out except that the elastic substrate was originally stretched so as to have 5 cm x 5 cm by biaxially stretching the original substrate 4 cm x 4 cm by 1 cm. After the graft sheet was transferred, the elastic substrate was shrunk again to make 4 cm x 4 cm.

얻어진 그래핀 시트는 2축 방향으로 탄성체 기판 상에서 상승 및 하강을 반복하는 파도 상 또는 버클 상의 프로파일을 나타내었다. 여기서 형성된 파도 또는 버클도 높이 1 ㎛ 내지 10 ㎛ 이며, 폭 1 ㎛ 내지 30 ㎛ 의 범위를 가지는 것이었다.
The graphene sheet thus obtained exhibited a wave or buckle-like profile repeatedly rising and falling on the elastic substrate in the biaxial direction. The wave or buckle formed here also had a height of 1 탆 to 10 탆 and a width of 1 탆 to 30 탆.

[실험][Experiment]

실시예 2의 그래핀 시트를 탄성체 기판인 폴리디메틸실록산 기판 상에 전사시켰다. 실시예 5 및 6의 경우 그래핀 시트에 탄성체 기판이 접합하여 있으므로 이를 그대로 사용하였다. 이들을 각 실시예에 따른 변형 수용성 물질이라고 명명한다.The graphene sheet of Example 2 was transferred onto a polydimethylsiloxane substrate as an elastic substrate. In the case of Examples 5 and 6, since the elastic substrate was bonded to the graphene sheet, the same was used. These are referred to as modified water-soluble substances according to the respective examples.

상기 실시예 2의 변형 수용성 물질에 대하여 직접 제작한 벤딩 장치에 넣어 벤딩에 따른 저항값을 측정하였다. 또한, 상기 실시예 1, 4 및 5에 대하여 직접 제작한 압축 또는 연신 기계 장치에 넣고 연신 시키면서 연신 비율에 따른 저항값을 측정하였다. 참고로, 연신율은 원래 길이에서 늘어난 길이의 비율을 측정하여 정하였으며 저항값 측정은 4-프로브(4-probe) 장치를 이용하여 측정하였다. The deformable water-soluble substance of Example 2 was placed in a bending apparatus manufactured directly and the resistance value according to bending was measured. In addition, the resistance values according to the stretching ratios were measured while being drawn into a compression or stretching machine which was produced directly for Examples 1, 4 and 5, and stretched. For reference, the elongation was measured by measuring the ratio of the elongated length to the original length, and the resistance value was measured using a 4-probe device.

도 11은 본 실시예 2에 따른 변형 수용성 물질을 1축(y축) 방향으로 벤딩 변형한 경우의 각 축(x, y축)에 따른 저항 변화(Rx, Ry)를 확인한 그래프이다. 해당 그래프의 X축은 해당 변형 수용성 물질을 벤딩하는 경우에 굽어진 부분의 반지름인 벤딩 반지름(mm)을 나타내고 Y축은 저항(kΩ)을 나타낸다.11 is a graph showing resistance changes (Rx, Ry) along each axis (x, y axis) when the deformable water-soluble substance according to the second embodiment is bent and deformed in the uniaxial (y axis) direction. The X-axis of the graph represents the bending radius (mm), which is the radius of the curved portion when bending the deformable water-soluble material, and the Y-axis represents the resistance (kΩ).

도 11을 참조하면, 벤딩 반지름을 3.5 mm로 한 경우에 저항 차이가 별로 없음을 알 수 있다. 벤딩 반지름이 2.3 mm에서 저항이 조금 증가하였으며 0.8 mm까지 증가하다가 다시 펴진 경우에 본래 저항으로 돌아왔다.Referring to FIG. 11, when the bending radius is 3.5 mm, there is not much difference in resistance. The resistance slightly increased at 2.3 mm bending radius, and increased to 0.8 mm and then returned to original resistance when re-expanded.

도 12는 본 실시예 2에 따른 변형 수용성 물질을 1축(y축) 방향으로 연신하면서 y축에 따른 저항 변화를 확인한 그래프이다. 해당 그래프의 X축은 연신 변형(stretching) 비율(%)을 나타내며 Y축은 저항(kΩ)을 나타낸다. 도 12를 참조하면, 연신 변형 비율이 5% 까지인 경우 연신 변형으로부터 원래로 회복된 경우에 가역적으로 저항값을 회복하는 것을 볼 수 있다. 12 is a graph showing changes in resistance along the y-axis while stretching the water-soluble substance according to the second embodiment in a single axis (y-axis) direction. The X-axis of the graph represents the stretching ratio (%) and the Y-axis represents the resistance (kΩ). Referring to Fig. 12, it can be seen that the resistance value is reversibly restored when the stretching strain is restored from the stretching strain when the stretch strain ratio is up to 5%.

도 13은 본 실시예 5 에 따른 변형 수용성 물질을 1축(y축) 방향으로 연신하면서 y축에 따른 저항 변화를 확인한 그래프이다. 해당 그래프의 X축은 연신 변형(stretching) 비율(%)을 나타내며 Y축은 저항(kΩ)을 나타낸다. 도 13을 참조하면, 연신율이 14%에 이르는 경우에도 저항값 변화가 작은 것을 알 수 있다. 또한 연신율이 21%로 늘어나는 경우 다소 저항값이 상승하였지만 연신으로부터 회복하는 경우 다시 저항값이 원래대로 돌아오는 것을 확인할 수 있었다.13 is a graph showing changes in resistance along the y-axis while stretching the deformable water-soluble substance according to the fifth embodiment in the uniaxial (y-axis) direction. The X-axis of the graph represents the stretching ratio (%) and the Y-axis represents the resistance (kΩ). Referring to FIG. 13, even when the elongation reaches 14%, the change in resistance value is small. When the elongation was increased to 21%, the resistance value slightly increased. However, when the elongation was recovered from the elongation, the resistance value returned to the original value.

도 14는 본 실시예 6에 따른 변형 수용성 물질을 2축(x축, y축) 연신한 경우의 각 축(x, y축)의 저항 변화(Rx, Ry)를 확인한 그래프이다. 해당 그래프의 X축은 연신 변형(stretching) 비율(%)을 나타내며 Y축은 저항(Ω)을 나타낸다. 도 14를 참조하면, Rx뿐만 아니라 Ry 모두 연신 변형(stretching) 비율 10% 까지는 저항값의 변화가 거의 없으며 10%를 넘는 경우에도 저항값의 변화가 크지 않음을 확인할 수 있다. 또한, 연신 변형 비율이 30%에 이르는 경우에도 저항값의 변화가 그리 크지 않은 것을 알 수 있다. 14 is a graph showing resistance changes (Rx, Ry) of each axis (x, y axis) when the deformable water-soluble substance according to the sixth embodiment is stretched in two axes (x and y axes). The X-axis of the graph represents the stretching ratio (%) and the Y-axis represents the resistance (Ω). Referring to FIG. 14, it can be seen that the change in the resistance value is not large even when the stretching ratio of Rx as well as Ry is 10% or less and the resistance value is not more than 10%. It is also understood that even when the elongation strain rate reaches 30%, the change of the resistance value is not so large.

도 3에서 a는 반응시간 및 촉매 두께에 따른 그래핀 필름의 광학현미경 사진으로서 촉매두께가 얇을수록, 반응시간이 짧을수록 얇은 그래핀이 형성되는 것을 알 수 있다. b는 최적의 조건에서 성장된 그래핀이 전사후에 100 ㎛ 이상의 매우 큰 결정(grain) 크기를 보이는 광학현미경 사진이다. c는 서로 다른 반응시간 및 촉매 두께의 조건에서 성장한 그래핀 층수를 비교한 것이다. 촉매가 얇을수록 반응시간이 짧을수록 단층 그래핀의 면적이 넓어지는 것을 볼 수 있다.In FIG. 3, a is an optical microscope photograph of the graphene film according to the reaction time and the catalyst thickness. As the catalyst thickness is thinner and the reaction time is shorter, thinner graphenes are formed. b is an optical micrograph showing a very large grain size of 100 mu m or more after the graphene grown under the optimal conditions. c is a comparison of the number of graphene layers grown under conditions of different reaction times and catalyst thicknesses. The thinner the catalyst and the shorter the reaction time, the wider the area of the single graphene grains.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.It will be understood by those of ordinary skill in the art that the foregoing description of the embodiments is for illustrative purposes and that those skilled in the art can easily modify the invention without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included within the scope of the present invention.

10: 기판
20: 희생층
30: 그래핀 성장용 금속 촉매 박막
40: 탄소층
50: 그래핀 필름(또는 시트)
51: 리본 형상의 변형 수용성 그래핀 시트
52: 수축된 리본 형상의 변형 수용성 그래핀 시트
53: 시트모양의 변형 수용성 그래핀 필름
54: 수축된 시트모양의 변형 수용성 그래핀 필름
60: 스탬프
70: 목적 기판
80: 탄성체
81: 1축으로 연신된 판상 탄성체
82: 2축으로 연신된 판상 탄성체
83: 수축된 판상 탄성체
100: 기재
10: substrate
20: sacrificial layer
30: Metal catalyst thin film for growth of graphene
40: carbon layer
50: graphene film (or sheet)
51: Deformation of ribbon shape Water-soluble graphene sheet
52: Shrinkage of deformed ribbon shape Water soluble graphene sheet
53: sheet-like deformation water-soluble graphene film
54: shrunk sheet-like deformation water-soluble graphene film
60: Stamp
70: target substrate
80: elastomer
81: Platelet-like elastic body stretched in one axis
82: Plate-shaped elastic body drawn in two axes
83: shrinked plate-shaped elastic body
100: substrate

Claims (1)

그래핀 성장용 금속 촉매 박막을 포함하는 그래핀 성장 지지체에 탄소 소스 를 포함하는 반응 가스 및 열을 제공하여 반응시킴으로써 상기 지지체 상에서 그래핀을 성장시키는 것을 포함하는, 그래핀 시트의 제조 방법.A method for producing a graphene sheet comprising growing the graphene on the support by providing a reaction gas containing a carbon source and heat to the graphene growth support comprising a metal catalyst thin film for graphene growth.
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