KR20140054740A - 열 증착을 이용한 유기나노필름 기반 탄소재료 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열 증착을 이용한 유기나노필름 기반의 탄소재료 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 기판 상에, 고분자액 또는 고분자 및 용매를 포함하는 고분자 용액을 증착시켜 유기나노필름을 제조하는 유기나노필름 제조 단계; 상기 제조된 유기나노필름 내의 탄소 원자가 고리 배열을 가지도록 안정화 시키는 안정화 단계; 및 상기 안정화된 유기나노필름을 탄화시켜 탄소재료를 제조하는 탄소재료 제조 단계; 를 포함하되, 상기 유기나노필름 제조 단계는 열을 이용한 증착방법으로 상기 고분자액 또는 고분자 용액을 기판 상에 증착시키는 구성을 취함으로써, 제조되는 탄소재료가 응용 분야에 적합한 재료 두께, 면 저항, 표면 거칠기를 가질 뿐만 아니라 이를 조절할 수 있게 되고, 아울러, 비교적 저렴한 원료인 피치를 이용할 수 있으므로 전체적인 제조비용이 절감될 뿐만 아니라 복잡한 추가의 패터닝 공정이 생략되어 전자 소자에 바로 응용이 가능하게 된다.

Description

열 증착을 이용한 유기나노필름 기반 탄소재료 및 그 제조방법{Carbon materials based on organic nano film using thermal evaporation and method for preparing the same}
본 발명은 열 증착을 이용한 유기나노필름 기반의 탄소재료 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가격이 저렴한 석유 잔사유 또는 석탄으로부터 얻어지는 고상의 피치를 원료로 하고, 열을 이용한 증착 공정을 이용하여 그래핀, 탄소나노필름 등의 탄소재료를 제조하는 열 증착을 이용한 유기나노필름 기반의 탄소재료 및 그 제조방법에 관한 것이다.
탄소재료는 ‘물리적, 화학적 특성이 우수하여 여러 산업분야에서 이용되고 있다. 예를 들어, 그래핀(Graphene), 그래파이트(Graphite), 탄소나노필름(Carbon nanofilm),탄소나노튜브(Carbon nanotube) 및 플러렌(Fullerene) 등의 탄소재료는 전기·전자 소자, 광학 소자 및 필터 소자 등의 재료로 각광을 받고 있다.
이와 같은 탄소 재료 중에서도 그래핀 또는 탄소나노필름, 특히 그래핀의 경우 전자이동도, 열전도도, 기계적 강도 및 유연성 등이 기존의 소자 재료에 비해 월등하므로 이에 대한 연구가 진행되고 있다.
관련한 종래의 기술로 한국공개특허공보 제10-2009-00265568호, 제10-2009-0043418호, 제 10-2010-0120492호 및 한국등록특허공보 제10-1063359호 등에서는 그래핀 및 탄소나노필름 제조에 있어서 촉매 역할을 하는 금속필름 위에 마이크로 두께의 유기필름을 코팅하고, 고온의 탄화 공정을 거쳐 그래핀 또는 탄소나노필름을 제조하였다.
그러나, 상기 선행발명의 경우, 제조된 그래핀 및 탄소나노필름을 소자 분야 특히 전자 소자분야에 응용하기 위해서 별도의 추가적인 패터닝 공정을 필요로 하며, 상기 공정은 복잡할 뿐만 아니라, 그에 따라 비용이 많이 드는 문제점이 있었다. 또한, 상기 코팅에 있어서 유기분자의 선택이 까다롭고, 설사 증착이 가능하더라도 재료가 고가인 문제가 있었다.
따라서, 본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, 가격이 저렴한 석유 잔사유 또는 석탄으로부터 얻어지는 고상의 피치(pitch) 계 소재를 원료로 하고, 열을 이용한 증착법을 이용하여 유기나노필름을 만들고, 상기 만들어진 유기나노필름으로 탄소재료를 제조할 경우, 비용이 절감될 뿐만 아니라, 추가적인 패터닝 공정을 요하지 않는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
한국공개특허공보 제10-2009-0026568호(2009.03.13.) 한국공개특허공보 제10-2009-0043418호(2009.05.06.) 한국공개특허공보 제10-2010-0120492호(2010.11.16.) 한국공개특허공보 제10-2009-0065206호(2009.06.22.) 한국등록특허공보 제10-1063359호
Nature, Z. Sun et al. (2010, 468, 549-552)
본 발명에서는 고분자액 또는 고분자 용액, 특히 가격이 저렴한 석유 잔사유 또는 석탄으로부터 얻어지는 고상의 피치(pitch) 계 소재를 원료로 하고, 열을 기반으로 한 증착법을 이용함으로써, 비용이 절감될 뿐만 아니라, 추가적인 패터닝 공정을 요하지 않는, 열 증착을 이용한 유기나노필름 기반의 탄소재료 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 기판 상에, 고분자액 또는 고분자 및 용매를 포함하는 고분자 용액을 증착시켜 유기나노필름을 제조하는 유기나노필름 제조 단계; 상기 제조된 유기나노필름 내의 탄소 원자가 고리 배열을 가지도록 안정화시키는 안정화 단계; 및 상기 안정화된 유기나노필름을 탄화시켜 탄소재료를 제조하는 탄소재료 제조 단계; 를 포함하되, 상기 유기나노필름 제조 단계는 열을 이용한 증착방법으로 상기 고분자액 또는 고분자 용액을 기판 상에 증착시키는 것을 특징으로 하는 열 증착을 이용한 유기나노필름 기반 탄소재료 제조 방법을 제공한다.
예시적인 구현예에서, 상기 탄소재료 제조 단계를 통해 제조된 탄소재료를 1800℃ 내지 3000℃ 온도 범위 내에서 가열하여 흑연화 하는 흑연화 단계; 를 더 포함하는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 열을 이용한 증착방법은 열 기상증착, 마이크로웨이브 증착, 플라즈마 증착, 레이저 증착 및 열을 이용한 물리증착으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 증착방법인 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 고분자액 또는 고분자 용액은 피치, 석탄 계, 석유 계, 셀룰로오스 계, 리그닌 계, 천연고분자 계, 폴리올레핀 계를 포함하는 유기분자 및 고분자 단량체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 기판은, 실리콘, 실리콘 화합물, 실리콘 산화물, 석영(quartz), 실리콘 질화물, 실리콘 카바이드, Al2O3, ZnO, GaN, GaAs 및 Cu, Ni, Co, Pt, Ru, Rh, Fe로 구성된 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 유기나노필름 제조 단계에서 상기 기판 상에 고분자액 또는 고분자 용액을 선택적으로 증착시키기 위하여, 패턴화 된 쉐도우 마스크를 하나 이상 사용하는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 유기나노필름 제조 단계에서 상기 고분자액 또는 고분자 용액의 증착 속도를 조절함으로써, 제조되는 탄소재료의 두께와 균일도를 조절하는 단계; 를 더 포함하는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 유기나노필름 제조 단계에서 상기 고분자액 또는 고분자 용액의 기화 온도 또는 증착 챔버 내의 진공도 조건의 조절을 통해, 상기 기판 상에 증착되는 고분자의 분자량을 제어함으로써, 제조되는 탄소재료의 두께와 균일도를 조절하는 단계; 를 더 포함하는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 고분자액 또는 고분자 용액의 기화 온도 범위는 50℃ 내지 500℃인 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 고분자액 또는 고분자 용액이 기화되는 증착 챔버 내의 진공도는 103 내지 10-11 torr 인 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 안정화 단계는, 상기 제조된 유기나노필름을 열 처리, 알칼리 처리 및 플라즈마, 이온빔, 방사선, 자외선 조사, 마이크로웨이브로 구성된 그룹에서 선택되는 물리적 처리 중 하나 이상을 선택하여 처리함으로써 안정화시키는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 탄소재료 제조 단계에 있어서, 도핑가스 및 아세틸렌, 에틸렌, 메탄으로 구성된 탄화원자를 함유하는 가스 중에서 선택되는 하나 이상의 가스를 투입하는 가스 투입 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
예시적인 구현예에서, 상기 탄소재료 제조 단계에 있어서, 상기 안정화된 유기나노필름의 탄화는 400℃ 내지 1800℃의 온도 범위에서 진행되는 것이 바람직하다.
본 발명의 과제를 달성하기 위한 또 다른 구현예는 상기 방법들 중 어느 하나로 제조되는 그래핀을 제공한다.
본 발명의 과제를 달성하기 위한 또 다른 구현예는 상기 방법들 중 어느 하나로 제조되는 탄소나노필름을 제공한다.
본 발명의 열 증착을 이용한 유기나노필름 기반의 탄소재료 및 그 제조방법에 따라 제조되는 탄소재료는 응용 분야에 적합한 재료 두께, 면 저항, 표면 거칠기를 가질 뿐만 아니라 이를 조절할 수 있는 효과를 가진다. 아울러, 상기 제조방법에 따르면, 복잡한 추가의 패터닝 공정이 요구되지 않고, 따라서 전체적인 제조비용이 절감될 뿐만 아니라 전자 소자에 바로 응용이 가능한 효과를 가진다.
도 1a는 본 발명의 일구현예에 따른 유기나노필름을 제조하기 위한 열 기상증착 공정을 도시한 것이다.
도 1b는 본 발명의 일구현예에 따른 유기나노 필름을 제조하기 위한 열 기상증착 공정으로서, 패턴화를 위해 쉐도우 마스크를 추가적으로 도입한 것을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일구현예에 따라 제조된 유기나노필름을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일구현예에 따라 유기나노필름이 안정화 및 탄화과정을 거쳐 제조된 탄소재료를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일구현예에 따라 제조된 탄소재료(그래핀)의 시트저항을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일구현예에 따라 제조된 탄소재료(그래핀)를 라만 스펙트로스코피로 분석하여, 탄소재료(그래핀)의 결정성을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일구현예 따라 제조된 패턴화 된 탄소재료(그래핀)를 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 구현예를 첨한 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다. 본 발명은 도면에 도시된 구현예를 참고로 설명되었으나, 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
특히, 특허청구범위 및 요약서를 포함하여 본 명세서의 전반에 걸쳐 사용되는 용어인 탄소재료는 탄소원자가 고리배열을 가지는 것이면 제한되지 않는다. 상기 탄소 원자는 바람직하게는 6각형 고리배열을 가진다. 이러한 탄소재료는 예를 들어, 그래핀, 탄소나노필름 등 일 수 있다. 본 발명의 구현예에 따라 제조된 탄소 재료의 형상은 제한되지 않으며, 예를 들어 필름 또는 시트와 같은 형태일 수 있다.
또한, 본 발명의 구현예들에 따라 제조되는 탄소재료는 0.1 내지 1000㎚의 두께를 가질 수 있으며, 더 바람직하게는 0.1 내지 100㎚일 수 있다. 상기 탄소재료의 두께 편차는 1 내지 50㎚인 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 구현예를 상술한다.
본 발명에 따른 일구현예에서, 기판 상에, 고분자액 또는 고분자 및 용매를 포함하는 고분자 용액을 증착시켜 유기나노필름을 제조하는 유기나노필름 제조 단계; 상기 제조된 유기나노필름 내의 탄소 원자가 고리 배열을 가지도록 안정화 시키는 안정화 단계; 및 상기 안정화된 유기나노필름을 탄화시켜 탄소재료를 제조하는 탄소재료 제조 단계; 를 포함하되, 상기 유기나노필름 제조 단계는 열을 이용한 증착방법으로 상기 고분자액 또는 고분자 용액을 기판 상에 증착시키는 것을 특징으로 하는 열 증착을 이용한 유기나노필름 기반 탄소재료 제조 방법이 제공된다.
상기 유기나노필름 제조 단계에서, 상기 기판은 상기 기판 상에 고분자액 또는 고분자 용액을 증착시켜 유기나노필름을 제조할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 기판은 실리콘, 실리콘 화합물, 실리콘 산화물, 석영(quartz), 실리콘 질화물, 실리콘 카바이드, Al2O3, ZnO, GaN, GaAs 및 Cu, Ni, Co, Pt, Ru, Rh, Fe 등으로 구성된 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 고분자액 또는 고분자와 용매를 포함하는 고분자 용액은 탄소원자를 포함하는 것으로, 이러한 고분자액 또는 고분자 용액은 구체적으로, 피치(pitch), 석탄 계, 석유 계, 셀룰로오스 계, 리그닌 계, 천연고분자 계, 폴리올레핀 계를 포함하는 유기분자 및 고분자 단량체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 특히, 피치(pitch)는 화학 공정에서 얻어지는 예컨대 검은 색 또는 암갈색은 잔사(residue)이다. 상기 피치를 얻는 방법은 여러 가지가 존재하는데, 예컨대, 콜타르, 우드 타르, 지방, 지방산, 지방 오일 등의 증류, 석유 정제, PVC 의 피롤리시스 또는 나프탈렌이나 안트라센과 같은 고리 화합물의 피롤리시스로 얻을 수 있다. 또한 상기 피치는 천연 아스팔트(예컨대, 트리니다드)로부터 얻어질 수 있다. 상기 피치를 원료로 탄소재료를 제조할 경우, 종래의 기술들에 비하여 가격 면에서 현저히 유리하므로, 경제성을 향상시키는 효과가 있다.
상기 고분자액 또는 고분자 용액을 상기 기판 상에 증착시켜 유기나노필름을 제조하는 방법으로 다양한 증착방법이 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 열을 기반으로 한 증착방법을 이용하여 유기나노필름을 제조하였다.
본 발명에서 사용되는 열 기반 증착법은 열을 이용하여 상기 고분자액 또는 고분자 용액을 상기 기판 상에 증착할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 열 기상증착, 마이크로웨이브 증착, 플라즈마 증착, 레이저 증착, 열을 이용한 물리적 증착 방법 등 일 수 있다. 특히 도 1a 및 도 1b에서 개시된 장치는 열을 이용한 증착을 위한 열을 이용한 고분자액 또는 고분자 용액의 증착부(100), (200)로서, 상기 증착부(100) 내에는 진공 챔버(110), (210)가 위치하고, 상기 진공 챔버 내에는 고분자액 또는 고분자 용액을 담을 수 있는 도가니(121), (221)가 위치하며, 상기 도가니(121), (221)에 열을 인가할 수 있는 열 인가 수단(120), (220)이 구비되어 있다. 상기 열 인가 수단은(120), (220)은 상기 도가니(121), (221)와 직접적으로 접하여 열 전달 효율을 높이는 것이 바람직하다. 상기 열 인가 수단에서 방출된 열은 상기 도가니에 담긴 고분자액 또는 고분자 용액을 증발시키고, 상기 증발된 고분자액 또는 고분자 용액은 기판 고정 수단(111), (211)에 의해 고정된 기판(130), (230) 상에 증착된다. 상기 과정을 거쳐 고분자액 또는 고분자 용액이 기판 상에 증착됨(132), (232)으로써 유기나노필름을 제조할 수 있다.
상기 유기나노필름 제조 단계에서는 패턴화를 위한 공정이 추가될 수 있다. 상기 패턴화 공정은 상기 유기나노필름 제조 단계에서 패턴화 된 쉐도우 마스크(231)를 하나 이상 사용하여 이루어질 수 있으며, 상기 과정에 의해 선택적으로 패터닝 된 유기나노필름을 제조할 수 있게 되므로, 별도의 패턴화 공정이 요구되지 않는 장점이 있다.
상기 쉐도우 마스크(231)를 이용하지 않고도 패턴화 할 경우에는, 준비된 기판에 포토리소그래피, 나노임프린트, 이빔리소그래피 공정과 같은 패터닝용 레지스터를 활용한 선행 패터닝 공정 후에, 상기 언급한 증착방법으로 유기나노필름을 제조하며, 상기 증착된 유기분자에 대한 용해도는 없으나 상기 패터닝용 레지스터에 대한 용해성이 있는 용매를 사용하여 상기 패터닝용 레지스터를 제거함으로써 상기 유기나노필름을 패턴화 할 수도 있다.
상기 유기나노필름 제조 단계에서는, 최종 탄소재료 제조 단계에서 제조되는 탄소재료의 두께를 조절하기 위하여, 상기 유기나노필름이 제조되는 속도를 조절할 수 있다. 특히, 상기 유기나노필름 제조 단계에서, 고분자액 또는 고분자 용액의 증착 속도를 조절함으로써, 최종 단계에서 제조되는 탄소재료의 두께 및 균일도를 조절할 수 있게 된다.
또한, 상기 유기나노필름 제조 단계에서, 고분자액 또는 고분자 용액의 기화 온도 또는 증착 챔버 내의 진공도 조건을 조절하여, 상기 기판 상에 증착되는 고분자의 분자량을 제어함으로써, 최종 단계에서 제조되는 탄소재료의 두께 및 균일도를 조절할 수 있게 된다. 특히 상기 기화 온도는 50℃ 내지 500℃ 온도 범위 내일 수 있으며, 바람직하게는 70℃ 내지 200℃의 온도 범위일 수 있다.
또한, 상기 증착 챔버 내의 진공도는 10-3 내지 10-11 torr 범위 내 일 수 있으며, 바람직하게는 10-4 내지 10-9 torr 범위일 수 있다.
상기 온도 및 압력 범위에서 상기 언급한 일련의 고분자액 또는 고분자 용액의 기화가 용이하게 이루어질 수 있기 때문이다.
상기 제조된 유기나노필름은 안정화 단계를 거치게 된다. 상기 유기나노필름은 상기 안정화 단계를 거치면서 상기 유기나노필름 내의 탄소 원자가 고리 배열을 가지도록 하게 되어 고분자 사슬의 끊김 없이 균일한 유기나노필름 구조를 유지할 수 있게 된다. 상기 안정화 단계의 안정화 반응은 상기 제조된 유기나노필름을 열 처리하거나 강알칼리 수용액 또는 강알칼리 유기용액을 사용하여 화학적 안정화 반응을 유도하거나, 플라즈마, 이온빔, 방사선, 자외선 조사, 마이크로웨이브로 구성된 수단을 가하여 처리함으로써 유도하게 된다. 또한 공단량체를 이용하여 고분자 사슬의 구조를 변화시키거나 고분자 사슬을 화학적으로 가교시켜 유도할 수도 있다.
그 다음으로 상기 안정화된 유기나노필름은 탄화 과정을 거친다. 상기 탄화 과정을 거치면서 상기 유기나노필름은 탄소재료가 되며, 상기 탄화는 상기 유기나노필름을 불활성 가스, 수소 등의 일 종 이상의 가스가 포함된 불활성 가스, 진공 분위기 등의 조건으로 400℃ 내지 1800℃ 온도 범위 내에서 진행된다. 이때, 제조되는 탄소재료의 품질을 향상시키기 위하여 도핑가스, 아세틸렌, 에틸렌, 메탄 등으로 구성되는 탄화원자를 함유한 가스를 함께 주입하여 최종 탄소재료를 제조하게 된다.
상기 최종적으로 제조된 탄소재료의 품질을 보다 향상시키기 위하여, 상기 탄소재료 제조 단계 이후에, 상게 탄소재료를 1800℃ 내지 3000℃ 온도 범위 내에서 가열하여 흑연화 하는 흑연화 단계를 더 포함할 수 있다. 이 단계에서 제조되는 탄소재료, 예를 들어 그래핀 및 탄소나노필름의 두께는 1층 내지 300층일 수 있고, 상기 그래핀 및 탄소필름의 가로 및 세로 길이는 1㎚ 내지 1m 일 수 있다.
상기와 같은 방법에 따라 탄소재료를 제조할 경우, 별도의 추가적인 패턴화 공정을 생략할 수 있을 뿐만 아니라, 비용이 비교적 저렴한 원료인 피치를 이용하기 때문에, 일련의 공정들이 종래의 기술에 비하여 비교적 간단할 뿐만 아니라 경제성이 향상되는 효과를 가진다.
또한, 상기와 같은 방법에 따라 최종적으로 제조되는 탄소재료, 예를 들어 그래핀 또는 탄소나노필름은 응용 분야에 적합한 재료 두께, 면 저항, 표면 거칠기를 가질 뿐만 이날, 뛰어난 전기전도도, 열전도도 및 기계적 강도를 가지는 효과가 있다.
[실시예]
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1
석유 잔사유인 고상의 pitch를 원료로 사용하고 열 증착 공정을 통해 그래핀 및 탄소나노필름을 제조하였다. 열 증착 공정을 도 1a에 나타내었다. 먼저, 벌크형태의 pitch를 분쇄하여 분말형태로 제조한 후, pitch 분말을 열 증착하기 위하여 quartz crucible에 옮겨 담아 진공열 증착장비의 텅스텐 코일에 위치시킨다.
장비의 진공도를 5 x 10-6 torr 이하로 유지시킨 상태에서, 텅스텐 코일에 전류를 인가하고 장비 내부를 가열한다. 장비 내부에 승화된 pitch는 실리콘 옥사이드 기판 위에 증착되며, thickness monitor를 이용하여 증착되는 pitch필름의 두께를 실시간 확인하여 원하는 두께로 조절한다. 열 층착된 40nm 두께의 pitch필름 이미지를 도 2에 나타내었다.
상기 방법으로 증착된 유기나노필름은 수 ∼ 수십 nm 두께로 조절이 매우 용이하다. 또한, 원자힘 현미경 (Atomic Force Microscope)으로 표면의 거칠기를 분석한 결과, 1 nm이하의 두께 편차를 갖는 균일한 필름이 형성된 것을 알 수 있다. 증착된 pitch 필름은 290℃, 공기분위기에서 2시간동안 안정화 반응을 유도하였다.
이후 안정화된 pitch 필름을 2000 sccm의 속도로 주입되는 아르곤과 수소가 혼합된 가스분위기 하에서 5 ℃/min의 승온속도로 1000℃까지 탄화 처리하여 그래핀 및 탄소나노필름을 제조하였다. 상기 공정으로 제조된 그래핀 및 탄소 나노필름을 도 3에 나타내었다.
열 증착을 통해 만들어진 pitch 필름과 이를 안정화 그리고 탄화하여 얻은 그래핀 및 탄소나노필름의 경우 60 내지 70% 정도 수축하여 도 2에 나타난 40nm 두께의 pitch 필름을 안정화 탄화하면 도 3에 나타난 것과 같이 약 8nm 정도의 두께를 가지는 그래핀 및 탄소나노필름이 제조된다.
준비된 그래핀 및 탄소나노필름의 두께와 사탐침 (4-probe)법으로 측정한 그래핀 및 탄소나노필름의 표면저항을 계산하여 도 4에 나타내었다. 라만스펙트로스코피 (Raman Spectroscopy) 분석을 통해 그래핀 및 탄소나노필름의 결정성을 확인한 결과를 도 5에 나타내었다. 일반적으로 2680 cm-1 부근에서 관찰되는 G'-band의 피크가 관찰되었다.
실시예 2
유기나노필름을 실리콘 옥사이드 기판 위에 선택적으로 증착시키고 이를 통해 패턴화 된 그래핀 및 탄소나노필름을 제작하기 위하여, 열 증착 공정 시 원하는 패턴을 갖는 쉐도우 마스크를 실리콘 옥사이드 기판 위에 놓고 증착공정을 진행하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 공정을 진행하였다(도 1b 참조).
도 6에 나타낸 바와 같이, 쉐도우 마스크와 동일한 형태의 유기나노필름이 증착된 것을 확인할 수 있다. 쉐도우 마스크의 선폭에 따라 증착되는 유기나노필름의 선폭을 제어할 수 있으며, 안정화와 탄화공정을 거치면 유기나노필름은 수 나노미터 이하의 선폭을 갖는 그래핀 및 탄소나노필름을 제조할 수 있다.
이는 기존의 식각 기술의 한계를 뛰어넘는 얇은 선폭을 구현할 수 있어 전자소자의 집적화에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
100, 200 : 증착부 110, 210 : 진공 챔버
111, 211 : 기판 고정 수단 120, 220 : 열 인가 수단
121, 221 : 도가니 130, 230 : 기판
231 : 쉐도우 마스크
132, 232 : 기판에 증착된 고분자액 또는 고분자 용액

Claims (15)

  1. 기판 상에, 고분자액 또는 고분자 및 용매를 포함하는 고분자 용액을 증착시켜 유기나노필름을 제조하는 유기나노필름 제조 단계;
    상기 제조된 유기나노필름 내의 탄소 원자가 고리 배열을 가지도록 안정화 시키는 안정화 단계; 및
    상기 안정화된 유기나노필름을 탄화시켜 탄소재료를 제조하는 탄소재료 제조 단계; 를 포함하되,
    상기 유기나노필름 제조 단계는 열을 이용한 증착방법으로 상기 고분자액 또는 고분자 용액을 기판 상에 증착시키는 것을 특징으로 하는 열 증착을 이용한 유기나노필름 기반 탄소재료 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소재료 제조 단계를 통해 제조된 탄소재료를 1800℃ 내지 3000℃ 온도 범위 내에서 가열하여 흑연화 하는 흑연화 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 증착을 이용한 유기나노필름 기반 탄소재료 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열을 이용한 증착방법은 열 기상증착, 마이크로웨이브 증착, 플라즈마 증착, 레이저 증착 및 열을 이용한 물리증착으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 증착방법인 것을 특징으로 하는 열 증착을 이용한 유기나노필름 기반 탄소재료 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자액 또는 고분자 용액은 피치, 석탄 계, 석유 계, 셀룰로오스 계, 리그닌 계, 천연고분자 계, 폴리올레핀 계를 포함하는 유기분자 및 고분자 단량체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 증착을 이용한 유기나노필름 기반 탄소재료 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은, 실리콘, 실리콘 화합물, 실리콘 산화물, 석영(quartz), 실리콘 질화물, 실리콘 카바이드, Al2O3, ZnO, GaN, GaAs 및 Cu, Ni, Co, Pt, Ru, Rh, Fe로 구성된 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 증착을 이용한 유기나노필름 기반 탄소재료 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기나노필름 제조 단계에서 상기 기판 상에 고분자액 또는 고분자 용액을 선택적으로 증착시키기 위하여, 패턴화 된 쉐도우 마스크를 하나 이상 사용하는 것을 특징으로 하는 열 증착을 이용한 유기나노필름 기반 탄소재료 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기나노필름 제조 단계에서 상기 고분자액 또는 고분자 용액의 증착 속도를 조절함으로써, 제조되는 탄소재료의 두께와 균일도를 조절하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 증착을 이용한 유기나노필름 기반 탄소재료 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기나노필름 제조 단계에서 상기 고분자액 또는 고분자 용액의 기화 온도 또는 증착 챔버 내의 진공도 조건의 조절을 통해, 상기 기판 상에 증착되는 고분자의 분자량을 제어함으로써, 제조되는 탄소재료의 두께와 균일도를 조절하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 증착을 이용한 유기나노필름 기반 탄소재료 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 고분자액 또는 고분자 용액의 기화 온도 범위는 50℃ 내지 500℃인 것을 특징으로 하는 열 증착을 이용한 유기나노필름 기반 탄소재료 제조방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 고분자액 또는 고분자 용액이 기화되는 증착 챔버 내의 진공도는 103 내지 10-11 torr 인 것을 특징으로 하는 열 증착을 이용한 유기나노필름 기반 탄소재료 제조방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 안정화 단계는, 상기 제조된 유기나노필름을 열 처리, 알칼리 처리 및 플라즈마, 이온빔, 방사선, 자외선 조사, 마이크로웨이브로 구성된 그룹에서 선택되는 물리적 처리 중 하나 이상을 선택하여 처리함으로써 안정화시키는 것을 특징으로 하는 열 증착을 이용한 유기나노필름 기반 탄소재료 제조방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소재료 제조 단계에 있어서, 도핑가스 및 아세틸렌, 에틸렌, 메탄으로 구성된 탄화원자를 함유하는 가스 중에서 선택되는 하나 이상의 가스를 투입하는 가스 투입 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 증착을 이용한 유기나노필름 기반 탄소재료 제조방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소재료 제조 단계에 있어서, 상기 안정화된 유기나노필름의 탄화는 400℃ 내지 1800℃의 온도 범위에서 진행되는 것을 특징으로 하는 열 증착을 이용한 유기나노필름 기반 탄소재료 제조방법.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조되는 그래핀.
  15. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조되는 탄소나노필름.
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