KR20160144194A - 고상 탄소공급원을 이용한 그래핀 제조방법 - Google Patents

Abstract

고상 탄소 공급원 물질을 촉매 금속 상에 도포하는 단계; 환원 분위기에서 상기 도포된 고상 탄소 공급원 물질에 빛을 조사하는 단계; 및 상기 고상 탄소 공급원 물질로부터 그래핀을 상기 촉매 금속 상에 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법이 제공된다.

Description

고상 탄소공급원을 이용한 그래핀 제조방법{Method for preparing graphene using solid carbon source}

본 발명은 고상 탄소공급원을 이용한 그래핀 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기체를 탄소공급원으로 사용하지 않음으로써 공정이 간단하고 제어가능한, 고상 탄소공급원을 이용한 그래핀 제조방법에 관한 것이다.

그래핀(graphene)은 탄소원자가 2차원(2D) 격자 내로 채워진 평면 단일층 구조를 의미하며, 이것은 모든 다른 차원구조의 흑연(graphite) 물질의 기본 구조를 이룬다. 즉, 상기 그래핀은 0차원 구조인 풀러린(fullerene), 1차원 구조인 나노튜브 또는 3차원 구조로 적층된 흑연의 기본 구조가 될 수 있다. 2004년 Novoselev 등은 SiO₂/Si 기판의 상부 상에서 프리-스탠딩 그래핀 단일층을 수득하였다고 보고하였으며, 이것은 기계적인 미세 분할법에 의하여 실험적으로 발견되었다.

최근 많은 연구그룹들이 그래핀이 갖는 허니콤(벌집) 형태의 결정 구조, 두 개의 상호침투하는 삼각 형태의 하위 격자 구조, 및 하나의 원자 크기에 해당하는 두께 등에 의하여 그래핀이 특이한 물리적 특성(예를 들면 제로 밴드갭)을 보이는 점에 주목한다. 또한 그래핀은 특이한 전하 운송 특성을 갖는데, 이로 인하여 그래핀은 종래에는 관찰되지 않았던 독특한 현상을 보여준다. 예를 들면, 반정수 양자 홀 효과 및 바이폴라 초전류 트랜지스터 효과 등이 그 예이며, 이 또한 상기 설명한 그래핀의 특유한 구조에 기인하는 것으로 여겨진다.

이와 같은 그래핀 단일층은 면저항이 작아 전도성 물질, 예를 들면 ITO와 같은 투명전도성 산화막을 대체할 수 있는 전극물질로 여겨지고 있다. 또한, 고품질의 단일층 그래핀을 성장시키고, 그 밴드 갭을 제어할 수 있다면, 그래핀은 실리콘을 대체할 수 있는 차세대 반조체 소자로서도 활용될 수 있다.

하지만, 그래핀 단일층을 대면적으로 균일하게 제조, 형성하는 것은 상당히 어려운 난제이다.

현재 그래핀의 제조방법은 액상에서 그래핀 산화물 필름을 제조한 후, 이를 환원시키는 액상 방식과 고온의 챔버에서 메탄, 수소가스를 공급하는 기상 방식이 있다. 하지만, 고온의 온도조건이 요구되고, 또한 대면적의 그래핀(단일층)을 제조하기 어렵다는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 대한민국 등록특허 10-1339417호는 플래쉬 램프 및 이온 임플란테이션 기술을 이용한 그래핀 제조방법을 개시한다. 하지만, 플래쉬 램프에 의하여 탄소로부터 그래핀이 제어된 방식으로 형성되지 않는 문제가 발생하며, 소스 가스를 제어해야하는 점에서 문제가 있다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 탄소 공급원 기체를 사용하지 않는 새로운 그래핀 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르며 고체의 탄소 공급원으로부터 그래핀을 대면적으로 제조할 수 있다. 또한, 기체를 탄소공급원으로 사용하지 않음으로써 공정이 간단하고 제어가능하다는 장점이 있다.

도 1 내지 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조방법의 단계별 도면이다.
도 5 및 6은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 도핑 성격의 그래핀 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 그래핀의 EBSD 분석 결과이고, 도 8은 Raman 분석 결과, 도 9는 TEM 분석 결과이다.

이하, 본 발명의 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 본 명세서 전반에 걸쳐 표시되는 약어는 본 명세서 내에서 별도의 다른 지칭이 없다면 당업계에서 통용되어, 이해되는 수준으로 해석되어야 한다.

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여, 그래핀 제조에 있어서 그래핀의 탄소를 공급하기 위한 공급원으로 탄소, 보다 바람직하게는 메틸기를 포함하는 고상 탄소 공급원(Solid carbon source)을 사용한다. 본 명세서에서 상기 고상은 기상이 아닌 물질상을 말하며, 예를 들어 고체, 액상, 젤상 등을 모두 포함한다.

본 발명은 상술한 바와 같이 기상이 아닌 상태의 물질을 탄소 공급원으로 사용한다. 따라서, 기상과 달리 고상 탄소공급원의 두께는 다양한 방식으로 제어될 수 있다. 예를 들어 스핀 코팅 형태로 탄소공급원을 코팅한 후, 스핀 속도를 제어하여 상기 탄소공급원의 두께를 제어할 수 있으며, 더 나아가 그래핀 자체의 층수와 두께도 제어될 수 있다.

이하 도면을 이용하여 본 발명에 따른 그래핀 제조방법을 상세히 설명한다.

도 1 내지 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조방법의 단계별 도면이다.

도 1을 참조하면, 기판(101)이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 기판은 실리콘 기판이었으나, 알루미나, 유리, 석영, 플라스틱과 같은 물질이 상기 기판재료로 사용될 수 있다.

도 2를 참조하면, 상기 기판(101) 상에 촉매 금속(102)이 증착된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 촉매 금속(102)으로 니켈이 사용되었으나, 그래핀을 성장시키는 것으로 알려짐 임의의 모든 물질이 상기 촉매 금속(102)으로 사용될 수 있다. 별도 증착 공정이 아닌 금속 호일이 상기 촉매 금속(102)으로 상기 기판(101) 위에 구비될 수 있다.

도 3을 참조하면, 상기 촉매 금속(102) 상에 탄소 공급원 물질(103)이 형성된다. 본 발명에서, 상기 탄소 공급원 물질(103)은 탄소를 함유한 고분자로서, 특히 메틸기를 함유하고 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 공급원 물질(103)은 메틸기를 함유한 고분자인 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)이었으나, 그 외에도 자당(sucrose)이나 플루오렌(fluorene) 등이 상기 고상 탄소 공급원 물질로 사용될 수 있다.

즉, 본 발명은 메탄 가스를 탄소 공급원으로 사용하는 종래 기술과 달리 촉매 금속 위에 바로 기상이 아닌 고상 탄소공급원 물질을 도포한 후, 빛을 조사하여 촉매 금속과 함께 탄소 공급원 물질을 가열하여 그래핀을 성장시킨다. 따라서, 메탄 기체를 이용하는 경우에 비하여, 공정의 제어가 용이하고, 두께 조절이 용이하다는 장점이 있다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에서는 상기 도포된 탄소 공급원 물질(103)은 스핀코팅되어, 상기 탄소 공급원 물질(103)의 두께가 조절된다.

도 4를 참조하면, 상기 탄소 공급원 물질(103)에 빛이 조사되며, 그 결과 그래핀(104)이 형성된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 빛은 플래쉬 램프로부터 조사되는 빛, 특히 펄스 빛일 수 있으며, 환원 분위기를 조성하기 위하여 수소와 아르곤 가스가 공급될 수 있다.

본 발명은 더 나아가, 미리 도핑 물질이 도핑된 고상 탄소 공급원을 이용하여, 특정 타입의 반도체 성격을 갖는 그래핀을 제조하는 방법을 제공한다.

도 5 및 6은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 도핑 성격의 그래핀 제조방법을 설명하는 도면이다.

도 5를 참조하면, N 타입 또는 P 타입 불순물이 도핑된 탄소 공급원 물질(103)이 상기 촉매 금속(102)에 도포된다. 상기 불순물은 질소 또는 붕소일 수 있으며, 특히 기상에서 불순물 제어가 매우 어렵다는 종래 기술에 비하여 불순물 양의 제어가 본 발명은 매우 용이하다.

도 6을 참조하면, 도 4와 동일하게, 빛을 조사하여 그래핀을 형성한다. 따라서, 도핑된 불순물 종류에 따라 그래핀의 반도체 타입이 결정된다. 이때 환원분위기를 조성하기 위하여 수소와 아르곤이 공급될 수 있다.

도 7은 플래쉬 램프 장비를 이용하여 3ms의 펄스 주기에서 각각 295V, 310V 의 빛을 조사한 후 EBSD 분석을 통해 금속 촉매층의 결정립 크기를 분석한 결과이다.

도 7을 참조하면, 더욱 강한 에너지를 조사한 경우 금속 촉매층의 결정립이 증가하는 것을 볼 수 있으며, 금속 촉매층의 결정립이 증가할수록 성장되는 그래핀의 결정립도 증가하게 된다.

도 8은 금속 촉매층 위에 고체 탄소 소스를 도포한 후, 플래쉬 램프 빛을 이용하여 성장된 그래핀의 Raman 분석 결과이다.

도 8을 참조하면. 그래핀의 Raman 분석에서 특징적인 3가지의 피크가 나타나는 것을 알 수 있는데, 1350cm^-1의 D peak, ~1580cm^-1 의 G peak, ~2700cm^-1의 2D peak 이다. 여기서 G peak의 크기 대비 2D peak의 크기가 클수록 그래핀의 특성이 우수하며, 층수가 낮다는 것을 의미한다. 도 8에서 보듯이, 고체 탄소 소스를 이용하여 성장된 그래핀은 약 10층 내의 특성이 우수한 그래핀이 성장한 것을 확인할 수 있다.

도 9는 고체 탄소 소스를 이용하여 금속 촉매층 위에 성장된 그래핀의 TEM 분석 결과이다.

도 9를 참조하면. 금속 촉매층 위에 10층 이내의 그래핀이 성장된 것을 볼 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

1. 고상 탄소 공급원 물질을 촉매 금속 상에 도포하는 단계;
   환원 분위기에서 상기 도포된 고상 탄소 공급원 물질에 빛을 조사하는 단계; 및
   상기 고상 탄소 공급원 물질로부터 그래핀을 상기 촉매 금속 상에 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 탄소 공급원 물질은 메틸기를 함유하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 탄소 공급원 물질은 메틸기를 함유한 고분자인 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 탄소 공급원 물질은 폴리메틸메타크릴레이트, 자당(sucrose) 및 플로우렌으로 이루어진 건으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 탄소 공급원 물질에는 도핑 물질이 도핑된 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 빛은 플래쉬 램프로부터 조사되는 펄스 형태의 빛인 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 도포하는 단계 후, 상기 탄소 공급원 물질을 스핀코팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
   

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