KR20150094284A - 패턴화된 그래핀의 직접 성장 방법 및 그를 이용하여 제조된 그래핀 - Google Patents

패턴화된 그래핀의 직접 성장 방법 및 그를 이용하여 제조된 그래핀 Download PDF

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Abstract

패턴화된 그래핀의 직접 성장 방법 및 그를 이용하여 제조된 그래핀이 개시된다. 이는 기판 상의 마스크층에 홀을 형성하고 홀에 그래핀을 성장시키기 때문에 그래핀이 패턴화됨과 동시에 별도의 전사 과정이 불필요하므로 공정 효율이 향상되는 효과가 있다.

Description

패턴화된 그래핀의 직접 성장 방법 및 그를 이용하여 제조된 그래핀{METHOD FOR DIRECT GROWTH OF PATTERNED GRAPHENE AND GRAPHENE USING THE SAME}
본 발명은 그래핀의 성장 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기판 상의 마스크층에 홀을 형성하여 패턴화된 그래핀을 직접 성장시키기 위한 패턴화된 그래핀의 직접 성장 방법 및 그를 이용하여 제조된 그래핀에 관한 것이다.
일반적으로 그래파이트(graphite)는 탄소 원자가 6각형 모양으로 연결된 판상의 2차원 그래핀이 적층되어 있는 구조이다. 그래핀은 투명도 및 전도성이 우수하여 표시소자용 전극, 태양전지용 전극과 같은 다양한 전기소자에 유용하게 사용될 수 있다. 탄소나노튜브와는 달리 그래핀은 유일한 평면 구조를 가지며, 기존의 잘 알려진 식각 방법을 이용하여 패턴 공정도 사용할 수 있어서, 그래핀이 가지고 있는 독특한 물리적 특성을 충분히 활용하여 대형 소자를 만들 수 있으리라 기대된다. 하지만, 이러한 기대를 충족하기 위해서는 먼저 대면적의 양질의 그래핀 제조 기술이 선행되어야 한다.
이를 위해, 최근에는 화학기상증착(CVD: Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 그래핀을 대면적으로 성장시키는 방법에 대한 연구 결과가 발표되고 있다. 그러나 지금까지 CVD를 이용한 그래핀 성장 방법에 대한 많은 발전이 있었음에도 불구하고, 종래의 CVD를 이용한 그래핀 성장 방법은 그래핀 성장 시 거의 1000℃ 이상의 높은 성장 온도의 필요성 때문에 그래핀을 소자개발에 적용하는 데에 문제점이 있었다.
특히, 그래핀 고유의 물리적 특성을 이용하는 소자 응용을 위해서, 촉매 금속을 사전에 증착시킨 다음 매우 높은 성장온도에서 CVD를 이용하여 성장시킨 그래핀은 추가적인 공정이 필요하게 된다는 문제점이 있다.
이하, 종래기술에 따른 그래핀 제조방법을 설명한다.
먼저, 기판을 준비하고, 준비된 기판 상에 금속촉매를 증착한다. 이어서, 금속촉매가 기판위에 증착되면 약 1000℃ 이상의 온도에서 CVD를 이용하여 그래핀을 성장시킨 후 금속촉매를 제거하기 위해 금속촉매를 식각한다. 이어서, 성장된 그래핀을 별도의 특정 기판으로 전사(Transfer)하게 된다.
그러나, 이러한 종래기술에 따른 그래핀 성장법은 촉매 금속 표면 위에 그래핀을 성장시킨 뒤 그래핀을 촉매로부터 떼어내는 과정이 어렵다는 문제점이 있다. 보다 상세하게는, 전사 과정에서 의도하지 않은 그래핀의 손상, 즉 찢어짐이나 주름 발생 등의 결함이 발생하여 최종 전기소자의 물성에 부정적인 영향을 끼치게 된다.
또한, 기판과 촉매금속이 맞닿아 있으면 탄소원자들이 촉매금속 하부까지 확산하여 도달했음에도 불구하고 계면에서 그래핀 층을 형성하는데 어렵다는 문제점이 있다.
한국특허공개공보 제10-2013-0096837호
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하고자, 기판 상의 마스크층에 홀을 형성하여 패터닝됨과 동시에 직접 성장 가능한 그래핀 및 그래핀을 이용한 직접 성장 방법을 제공한다.
본 발명은 패턴화된 그래핀의 직접 성장 방법을 제공한다.
이는 (a) 기판 상에 그래핀이 형성될 부위를 노출하는 홀을 가지는 마스크층을 형성하는 단계, (b) 마스크층 상을 포함하는 전체 면에 촉매금속층을 형성하는 단계 및 (c) 적어도 홀 내에서 노출된 촉매금속층의 면에 그래핀을 형성하는 단계를 포함한다.
단계 (b)는 홀에 충진물질을 채우는 단계, 촉매금속층을 충진물질 및 마스크층 상을 포함하는 전체 면에 형성하는 단계 및 충진물질을 제거하는 단계를 더 포함한다.
충진물질은 습식 식각을 이용하여 제거한다.
단계 (c)는 적어도 홀 내에서 노출된 촉매금속층의 면에 그래핀을 형성하는 단계, 그래핀은 기판에 접촉되도록 성장되는 단계 및 촉매금속층 및 마스크층을 제거하는 단계를 더 포함한다.
기판은 금속, 반도체 또는 절연체인 것이다.
마스크층은 SiO2, W, TiN, Al2O3, TiO2, Si3N4 및 SOG(Spin on glass) 중 어느 하나인 것이다.
촉매금속층은 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 Ge로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속 또는 합금을 포함한다.
홀을 가지는 마스크층을 형성하는 단계는 포토리소그래피(photolithography) 또는 전자-빔 리소그래피(e-beam lithography)를 이용한다.
촉매금속층을 형성하는 단계는 열증발장치(thermal evaporator), 전자빔증발장치(e-beam evaporator), 스퍼터(sputter) 또는 전기도금(electro-plating) 방법을 이용한다.
그래핀을 형성하는 단계는 화학기상증착법(CVD)을 이용한다.
그래핀을 형성하기 위해 사용되는 탄소공급원은 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔, PMMA(poly methyl methacrylate), PSS(PEDOT), PS(Polystyrene) 및 PAN(Polyacrylonitrile) 중 어느 하나로부터 선택된다.
상술한 어느 한 항에 따른 성장 방법으로 얻어진 기판 상의 패턴화된 그래핀을 포함한다.
본 발명의 패턴화된 그래핀의 직접 성장 방법 및 그를 이용하여 제조된 그래핀은 기판 상의 마스크층에 홀을 형성하고 홀에 그래핀을 성장시키기 때문에 그래핀이 패턴화됨과 동시에 별도의 전사 과정이 불필요하므로 공정 효율이 향상되는 효과가 있다.
도 1a 내지 도 1h는 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀의 제조 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 패턴화된 그래핀이 기판 상에 직접 성장된 것을 광학이미지로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 성장을 위한 구조가 형성된 것을 나타낸 SEM이미지이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 그래핀의 라만 분광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 패턴화된 그래핀이 기판 상에 다양한 형태로 직접 성장된 것을 나타낸 사시도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1a 내지 도 1h는 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀의 제조 공정도이다.
도 1a를 참조하면, 기판(100) 상에 그래핀이 형성될 부위의 기판(100)을 노출하는 홀(250)을 포함하는 마스크층(200)이 형성된다. 이때, 기판(100)은 금속 산화물계, 실리카계, 질화물계, 붕화질소계 또는 실리콘계 기판 중 어느 하나, 또는 이들이 2종 이상 적층된 것을 사용할 수 있다. 금속 산화물계 기판으로서는 Al2O3, 사파이어, TiO2, ZnO, ZrO2, HfO2 등을 예로 들 수 있으며, 실리카계 기판으로서는 SiO2, 글래스, 쿼츠 등을 예로 들 수 있고, 질화물계 기판으로서는 GaN 등을 예로 들 수 있고, 질화붕소계 기판으로서는 h-BN 등을 예로 들 수 있고, 실리콘계 기판으로서는 Si[111], Si[100], p-Si 등을 예로 들 수 있다.
마스크층(200)은 스퍼터링 등의 방법으로 기판(100) 상에 형성될 수 있다. 마스크층(200)은 SiO2, W, Al2O3, TiO2, 질화물 계열의 유전체 및 SOG(Spin On Glass) 중 어느 하나로 이루어지는 것일 수 있다. 또한, 마스크층(200)은 그래핀의 패터닝 및 직접 성장을 위해 기판(100)의 표면을 노출시키는 홀(250)을 다수개 가지는 것일 수 있다. 다수개의 홀(250)을 가지는 마스크층(200)은 통상의 리소그래피 공정을 통해 형성될 수 있다.
홀(250)의 너비 또는 간격을 조절함으로써, 마스크층(200)은 다양한 형태를 가질 수 있고, 그에 따라 그래핀은 다양한 형태로 패터닝될 수 있다.
도 1b를 참조하면, 홀(250)과 마스크층(200) 상에 충진물질(300)이 형성된다. 충진물질(300)로는 포토레지스트 또는 폴리머 물질이 사용될 수 있다. 이는 그래핀이 직접 성장될 공간을 형성하기 위해 임시적으로 코팅되는 것으로, 후에 제거가 쉽게 가능한 물질이라면 사용에 제한을 두지 않는다.
도 1c를 참조하면, 홀(250) 또는 마스크층(200) 상에 도포된 충진물질(300) 일부를 산소 플라즈마 처리(etch back)할 수 있다. 이는 그래핀 형성을 위한 촉매금속층의 고른 증착을 위함이다. 즉, 그래핀 형성을 위해 충진물질(300) 제거 시 촉매금속층이 함께 제거되는 현상을 방지하기 위해, 산소 플라즈마 처리를 하여 마스크층(200) 상부 면을 편평하게 할 수 있다. 따라서 마스크층(200) 상에 형성되는 촉매금속이 고르게 증착될 수 있다.
도 1d를 참조하면, 마스크층(200) 위의 전체 면에 촉매금속층(400)이 형성될 수 있다. 촉매금속층(400)의 형성 방법으로는 열증발장치(thermal evaporator), 전자빔증발장치(e-beam evaporator), 스퍼터(sputter) 또는 전기도금(electro-plating) 방법을 이용할 수 있다. 촉매금속으로는 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. 촉매금속층(400)은 단일 층일 수도 있고, 적어도 2개의 층으로 이루어진 다층 기판 중 1개의 층이 촉매금속일 수 있다. 이 경우 촉매금속층(400)은 다층 기판의 최외곽에 배치된다.
또한, 촉매금속층(400) 형성에 있어서 그래핀이 형성되기 전 촉매금속층(400)의 표면을 세정하기 위해 전처리 과정이 진행될 수 있다. 전처리과정은 촉매금속층(400)의 표면에 존재하는 이물질을 제거하기 위한 것으로, 수소 기체를 사용할 수 있다. 또는, 산/알칼리 용액 등을 사용하여 촉매금속층(400)의 표면을 세정함으로써, 이후의 공정인 그래핀 형성 시 결함을 줄일 수 있다. 촉매금속층(400)의 표면을 세정하는 본 단계는 필요에 따라 생략될 수 있다.
도 1e를 참조하면, 홀(250)에 형성된 충진물질이 제거된다. 따라서, 그래핀 직접 성장 및 패터닝을 위한 구조가 완성된다. 충진물질의 제거는 통상의 포토리소그래피(photolithography)를 이용할 수 있다.
도 1f를 참조하면, 촉매금속층(400)에 탄소 원자가 확산된다. 그래핀(500)의 성장을 위한 탄소 원자의 확산 공정으로는 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD), 열 화학기상증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition: TCVD), 급속 열 화학기상증착법(Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition: PTCVD), 유도결합플라즈마 화학기상증착법(Inductive Coupled Plasma Chemical Vapor Deposition:ICP-CVD), 원자층증착법(Atomic Layer Deposition: ALD) 등 다양한 공정이 이용될 수 있다. 바람직하게는, 본 발명의 실시예에서는 화학기상증착법을 이용할 수 있다.
그래핀(500)은 촉매금속층(400)에 기상의 탄소 공급원을 투입하고 열처리함으로써 형성된다. 열처리는 가열 및 냉각으로 이루어진다. 열처리 공정을 수행하기 위해서는 챔버에 열을 가하는 로(furnace)가 사용되는데, 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. 또한, 상술한 경우와 반대로, 냉각 공정시 로(furnace)로부터 챔버를 분리하는 방법을 사용할 수 있으며, 설계자는, 필요한 경우에 로(furnace)로부터 그래핀(500)이 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.
기상의 탄소 공급원은 메탄(CH4), 일산화탄소(CO), 에탄(C2H6), 에틸렌(CH2), 에탄올(C2H5), 아세틸렌(C2H2), 프로판(CH3CH2CH3), 프로필렌(C3H6), 부탄(C4H10), 펜탄(CH3(CH2)3CH3), 펜텐(C5H10), 사이클로펜타디엔(C5H6), 헥산(C6H14), 시클로헥산(C6H12), 벤젠(C6H6), 톨루엔(C7H8) 등 탄소 원자가 포함된 군에서 선택된 하나 이상이 사용될 수 있다. 이와 같은 기상의 탄소 공급원은 고온(300 내지 2000℃)에서 탄소 원자와 수소 원자로 분리된다.
또한, 열처리 공정 중, 반응 가스의 압력과 농도를 조절하면서 이온 혹은 중성 플라즈마를 형성시켜 반응 가스의 분리를 촉진시키고 그래핀(500)의 성장 온도를 낮추는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1g를 참조하면, 촉매금속층(400) 상/하부에 그래핀(500)이 형성된다. 다만, 촉매금속층(400) 하부에는 홀(250)에만 선택적으로 그래핀(500)이 형성된다. 촉매금속층(400)과 기판(100)이 접촉하고 있는 면에서는 서로 강한 결합력을 가지기 때문에 그래핀(500)이 쉽게 형성되지 않는다. 따라서 상술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 촉매금속층(400)과 기판(100) 사이에 홀(250)을 구비하여 그래핀(500)이 촉매금속층(400) 하부 표면에서 용이하게 형성되도록 하고, 상술한 그래핀(500)은 하나 이상의 층으로 적층되어 기판(100) 상에 직접 성장되도록 한다. 보다 상세하게는, 충분한 양의 탄소가 촉매금속층(400)에 흡수된 후 급속히 냉각을 하면 탄소가 촉매금속층(400)으로부터 분리되어 표면으로 나오면서 결정화되며 그 양에 따라 다양한 층수의 그래핀(500)을 형성하게 된다. 이때, 형성되는 그래핀(500)의 두께는 반응 시간, 촉매금속층(400)의 두께, 냉각속도를 바꾸면서 조절될 수 있다. 반응 시간이 짧을수록, 촉매금속층(400)의 두께가 얇을수록 그래핀(500)이 얇게 형성된다. 상술한 방식으로 형성되는 그래핀(500)은 기판(100)에 접촉될 때까지 직접 성장될 수 있다.
도 1h를 참조하면, 촉매금속층 및 마스크층이 순차적으로 제거된다.
촉매금속층을 제거하기 위해 산화 에천트로서 염화철(III)(FeCl3) 수용액(1 M)을 사용할 수 있다. 이러한 에칭 식각 반응의 알짜 이온 방정식(net ionic equation)은, 예를 들어, 촉매금속층이 Ni을 포함하는 경우 다음과 같이 나타낼 수 있다:
2Fe3+(aq) + Ni(s) -> 2Fe2+(aq) + Ni2+(aq).
이러한 산화 환원 과정은 천천히 기체 생성물 또는 침전물을 형성하는 것 없이 온화한 pH 범위에서 효과적으로 니켈 박막을 서서히 에칭할 수 있다.
마스크층은 버퍼 산화물 에천트(buffered oxide etchant, BOE) 또는 불화 수소 용액의 사용하여 제거할 수 있다.
촉매금속층 및 마스크층이 순차적으로 제거되면, 기판(100) 상에 직접 성장된 그래핀(500)이 기존의 일부 식각된 마스크층의 형태에 따라 패턴화되어 잔류 된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 그래핀(500)은 복수개의 탄소원자들이 서로 공유결합으로 연결되어 폴리시클릭 방향족 분자가 시트 형태를 형성한 것으로서 원통 형상의 구조를 갖는 카본나노튜브와는 구별된다. 공유결합으로 연결된 탄소원자들은 기본 반복단위로서 6원환을 형성하나, 5원환 및/또는 7원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 따라서 그래핀(500)은 서로 공유결합된 탄소원자들(통상 sp2결합)의 단일층으로서 보이게 된다. 그래핀(500)은 상술한 바와 같은 그래핀(500)의 단일층으로 이루어질 수 있으나, 이들이 여러 개 서로 적층되어 복수층을 형성하는 것도 가능하며, 최대 300층까지의 두께를 형성하게 된다. 통상 그래핀(500)의 측면 말단부는 수소원자로 포화된다.
상술한 바와 같은 직접 성장 방법에 의해 얻어지는 그래핀(500)은 기판(100) 상에서 직접 성장되므로 별도의 전사 공정이 요구되지 않아 전자소자에 적용시 그래핀(500)의 손상을 최소화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 공정이 단축되는 효과가 있다.
또한, 종래에는 촉매금속층 상에 산화막 패턴을 한 후 그래핀(500)을 전사하기 때문에 타겟 기판 상의 사용자가 원하는 위치에 그래핀(500)의 정확한 패터닝이 어려웠으나, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 그래핀(500)은 홀에서부터 기판(100)까지 직접 성장되므로 정확한 패턴 구현이 가능하다.
더욱이, 종래의 직접 성장 방식을 적용한 기술에서도 촉매금속과 기판(100)이 맞닿아 그래핀(500)이 효율적으로 형성되지 않는 문제점을 홀을 통해 해결 가능하게 되었다.
본 발명의 실시예에 따라 제조된 그래핀(500)은 횡방향 및 종방향 길이가 1mm 이상, 예를 들어 10mm 이상, 또는 10mm 내지 1,000m인 대면적을 가질 수 있다. 즉, 기판(100)의 크기를 자유롭게 조절함으로써 대면적의 그래핀(500)이 얻어질 수 있다.
또한 탄소 공급원이 기상으로 공급되므로 기판(100)의 형상에 대한 제약이 존재하지 않으며, 3차원 입체 형상을 갖는 기판이라도 사용할 수 있다.
기판(100) 상에 형성된 그래핀(500)은 다양한 용도에 활용할 수 있다. 우선 전도성이 우수하고, 막의 균일도가 높아 투명 전극으로서 유용하게 사용될 수 있다. 태양전지 등에서는 기판(100) 상에 전극이 사용되며, 빛이 투과해야 하는 특성상 투명 전극이 요구되고 있다. 이러한 투명 전극으로서 고결정성 그래핀(500)이 형성된 기판(100)을 사용하는 경우, 우수한 전도성을 나타내게 된다. 또한, 각종 표시소자 등의 패널 전도성 박막으로서 활용하는 경우, 소량으로도 목적하는 전도성을 나타낼 수 있고, 빛의 투과량을 개선하는 것이 가능해진다.
따라서 FED, LCD, OLED 등의 다양한 표시소자 슈퍼 커패시터, 연료전지 또는 태양전지와 같은 다양한 전지, FET, 메모리 소자 등의 다양한 나노소자, 수소 저장체, 광섬유, 센서와 같은 전기소자에 효과적으로 이용할 수 있다는 장점이 있다.
도 2를 참조하면, 마스크층 제거 후에 홀에 선택적으로 그래핀이 형성된다.
도 3을 참조하면, 기판과 촉매금속층 사이에 홀이 형성되어 그래핀의 직접 성장을 위한 구조가 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명에서 제조된 그래핀의 라만 분광 스펙트럼에서 2D 피크는 2701㎝-1에서, G 피크는 1580㎝-1에서, D 피크는 1340㎝-1에서 나타난다.
도 5를 참조하면, 기판 상에 다양한 형태로 패터닝된 그래핀이 직접 성장된다.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
100 : 기판
200 : 마스크층
250 : 홀
300 : 충진물질
400 : 촉매금속층
500 : 그래핀

Claims (12)

  1. (a) 기판 상에 그래핀이 형성될 부위를 노출하는 홀을 가지는 마스크층을 형성하는 단계;
    (b) 상기 마스크층 상을 포함하는 전체 면에 촉매금속층을 형성하는 단계; 및
    (c) 적어도 상기 홀 내에서 노출된 상기 촉매금속층의 면에 그래핀을 형성하는 단계;를 포함하는 것인,
    패턴화된 그래핀의 직접 성장 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단계 (b)는,
    상기 홀에 충진물질을 채우는 단계;
    상기 촉매금속층을 상기 충진물질 및 상기 마스크층 상을 포함하는 전체 면에 형성하는 단계; 및
    상기 충진물질을 제거하는 단계;를 더 포함하는 것인,
    패턴화된 그래핀의 직접 성장 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 충진물질은 습식 식각을 이용하여 제거하는 것인,
    패턴화된 그래핀의 직접 성장 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 단계 (c)는,
    적어도 상기 홀 내에서 노출된 상기 촉매금속층의 면에 그래핀을 형성하는 단계;
    상기 그래핀은 상기 기판에 접촉되도록 성장되는 단계; 및
    상기 촉매금속층 및 상기 마스크층을 제거하는 단계;를 더 포함하는 것인,
    패턴화된 그래핀의 직접 성장 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기판은,
    금속, 반도체 또는 절연체인 것인 패턴화된 그래핀의 직접 성장 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 마스크층은,
    SiO2, W, TiN, Al2O3, TiO2, Si3N4 및 SOG(Spin on glass) 중 어느 하나인 것인 패턴화된 그래핀의 직접 성장 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 촉매금속층은,
    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 Ge로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속 또는 합금을 포함하는 것인 패턴화된 그래핀의 직접 성장 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 홀을 가지는 마스크층을 형성하는 단계는,
    포토리소그래피(photolithography) 또는 전자-빔 리소그래피(e-beam lithography)를 이용하는 것인 패턴화된 그래핀의 직접 성장 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 촉매금속층을 형성하는 단계는,
    열증발장치(thermal evaporator), 전자빔증발장치(e-beam evaporator), 스퍼터(sputter) 또는 전기도금(electro-plating) 방법을 이용하는 것인 패턴화된 그래핀의 직접 성장 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 그래핀을 형성하는 단계는,
    화학기상증착법(CVD)을 이용하는 것인 패턴화된 그래핀의 직접 성장 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀을 형성하기 위해 사용되는 탄소공급원은,
    일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔, PMMA(poly methyl methacrylate), PSS(PEDOT), PS(Polystyrene) 및 PAN(Polyacrylonitrile) 중 어느 하나로부터 선택되는 것인 패턴화된 그래핀의 직접 성장 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 성장 방법으로 얻어진 상기 기판 상의 패턴화된 그래핀.

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WO2018212365A1 (ko) * 2017-05-15 2018-11-22 전자부품연구원 그래핀 제조방법
CN110993492A (zh) * 2019-12-16 2020-04-10 中国科学院半导体研究所 基于等离子工艺的同步生成并图形化石墨烯的方法
WO2020139077A1 (en) * 2018-12-26 2020-07-02 Mimos Berhad Method of forming graphene bump structure
CN111785820A (zh) * 2020-07-29 2020-10-16 北京创盈光电医疗科技有限公司 一种led芯片、led芯片的绝缘反射层及其制备方法
KR20220104860A (ko) * 2021-01-19 2022-07-26 순천대학교 산학협력단 입체구조 패터닝 공정을 이용한 그래핀 주름 제조방법

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101886659B1 (ko) * 2015-09-22 2018-08-09 충남대학교산학협력단 무전사식 그래핀층의 형성 방법
KR102680664B1 (ko) * 2022-06-03 2024-07-03 한국원자력연구원 포토리소그래피와 이온빔 조사 기술을 이용한 그래핀 양자점 패턴의 제조방법

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018212365A1 (ko) * 2017-05-15 2018-11-22 전자부품연구원 그래핀 제조방법
WO2020139077A1 (en) * 2018-12-26 2020-07-02 Mimos Berhad Method of forming graphene bump structure
CN110993492A (zh) * 2019-12-16 2020-04-10 中国科学院半导体研究所 基于等离子工艺的同步生成并图形化石墨烯的方法
CN111785820A (zh) * 2020-07-29 2020-10-16 北京创盈光电医疗科技有限公司 一种led芯片、led芯片的绝缘反射层及其制备方法
KR20220104860A (ko) * 2021-01-19 2022-07-26 순천대학교 산학협력단 입체구조 패터닝 공정을 이용한 그래핀 주름 제조방법

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