KR20170010680A - 신축성 향상을 위한 메타 계면 구조물 및 그 제작방법 - Google Patents

신축성 향상을 위한 메타 계면 구조물 및 그 제작방법 Download PDF

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김재현
이학주
장봉균
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 신축성 향상을 위한 메타 계면 구조물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 적층 구조로 형성된 기판 및 소자(전극) 사이에 단원자층의 2차원 재료가 2층 이상 적층되어 이루어진 메타 계면이 슬라이딩 됨에 따라, 기판에 가해진 변형량보다 작은 변형량을 소자(전극)에 전달함으로써 전체 구조물의 신축성을 향상시키는 메타 계면 구조물에 관한 것이다.
본 발명은 기판(100); 상기 기판(100) 상에 구비되는 소자층(200); 및 상기 기판(100) 및 소자층(200) 사이에 구비되며, 단원자층의 2차원재료가 2층 이상 적층되어 형성되는 메타계면층(300);을 포함하여 이루어진다.
또한, 메타 계면 구조물의 제작 방법은 지지필름을 제1 이차원재료가 합성된 제1 포일에 코팅하는 제1 포일 코팅 단계(S100); 에칭 공정을 통해 상기 제1 포일을 제거하는 제1 포일 제거 단계(S200); 상기 지지필름이 코팅된 제1 이차원재료를 제2 이차원재료가 합성된 제2 포일 상에 전사하는 제1 전사 단계(S300); 에칭 공정을 통해 상기 제2 포일을 제거하는 제2 포일 제거 단계(S400); 상기 지지필름이 코팅된 상기 제1 및 제2 이차원재료를 기판 상에 전사하는 제2 전사 단계(S500); 상기 지지필름을 제거하는 지지필름 제거 단계(S600); 및 상기 제1 및 제2 이차원재료인 메타계면층(300) 상에 소자층을 적층하는 소자층 적층 단계(S700); 로 이루어진다.

Description

신축성 향상을 위한 메타 계면 구조물 및 그 제작방법{GRAPHENE META-INTERFACE STRUCTURES FOR IMPROVING FLEXIBILITY AND METHOD THEREOF}
본 발명은 신축성 향상을 위한 메타 계면 구조물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 적층 구조로 형성된 기판 및 소자(전극) 사이에 단원자층의 2차원 재료가 2층 이상 적층되어 이루어진 메타 계면이 슬라이딩 됨에 따라, 기판에 가해진 변형량보다 작은 변형량을 소자(전극)에 전달함으로써 전체 구조물의 신축성을 향상시키는 메타 계면 구조물에 관한 것이다.
전자기기의 소형화, 경량화를 추구하는 흐름에 따라 이를 구성하는 소자 및 전극의 두께가 점점 얇아지면서 최근에는 수십나노미터급의 박막으로 이루어진 구조물도 제작되었다. 이러한 구조물들이 실제 전자기기에 사용될 경우 사용 환경에 따라 다양한 형태의 하중에 놓이게 되며, 특히 유연한 전자기기에 활용되기 위해서는 뛰어난 전기-기계적 신축성이 요구된다. 그 예로 Indium tin oxide (ITO)는 투명하고 전기적 특성이 우수함에도 불구하고 전기-기계적 신축성이 좋지 않아 유연한 전자기기에 활용이 불투명한 단점이 있다.
이러한 소재를 유연한 기계장치에 구현을 위해서는 크게 세 가지 방법이 있다.
첫 번째는 유연한 소재를 이용하여 소자 및 전극을 제작하는 기술이다. 유연한 소재로 전도성 폴리머, 유기물 반도체, 폴리머 절연체 등이 있다. 하지만 Silicon 반도체나 Indium Tin Oxide(ITO)과 같은 산화물 전도체, Indium Zinc Gallium Oxide 같은 산화물 반도체, 실리콘 산화물/질화물과 같은 절연체 등의 무기물 소재들을 이용하여 제작된 소자 및 전극들에 비해 전자적 성능 및 수율이 떨어지는 단점이 있다.
두 번째는 소자와 기판 사이에 에너지 흡수층을 추가하는 기술로 폴리머 층이나 금속 박막을 추가하는 방법 등이 있다. 이 기술은 기계장치의 전체적인 두께를 증가시키고 투과도를 낮추어 높은 투과도 및 소형화가 요구되는 기계장치에는 적합하지 않다.
세 번째는 소자 및 전극이 신축성을 가지도록 설계하는 기술이다. 소자가 기판에 일부만 고정되어 있는 형태나 말굽 모양으로 전극을 만드는 것 등이 있다. 하지만 이 방법 역시 기계장치의 두께를 증가시키고, 소자 및 전극의 우수한 전자적 성능을 구현하는데 비효율적이다.
이와 관련하여, 한국공개특허 제2014-0027811호 ("플렉서블 반도체소자 및 그 제조방법", 공개일 2014.03.07., 이하 '선행기술')는 유연성을 갖는 반도체소자 및 이를 제조하는 방법에 대해 개시되어 있다. 즉, 상기 첫 번째 또는 세 번째 방법을 이용하여 제작되는 반도체소자로 전자적 성능이 및 수율이 떨어지는 단점을 가지고 있다.
따라서, 전기적 특성이 우수한 재료의 장점을 최대한 유지하면서, 전기-기계적 신축성을 크게 향상시켜 변형에 따른 균열을 방지할 수 있는 소자에 대해 요구되는 실정이다.
한국공개특허 제2014-0027811호 ("플렉서블 반도체소자 및 그 제조방법", 공개일 2014.03.07.)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 적층 구조로 형성된 기판 및 소자(전극) 사이에 단원자층의 2차원 재료가 2층 이상 적층되어 이루어진 메타 계면이 슬라이딩 됨에 따라, 기판에 가해진 변형량보다 작은 변형량을 소자(전극)에 전달함으로써 전체 구조물의 신축성을 향상시켜 변형에 따른 균열을 방지하기 위한 것이다.
본 발명은 신축성 향상을 위한 메타 계면 구조물에 관한 것으로, 기판(100); 상기 기판(100) 상에 구비되는 소자층(200); 및 상기 기판(100) 및 소자층(200) 사이에 구비되며, 단원자층의 이차원 재료가 2층 이상 적층되어 형성되는 메타계면층(300);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메타 계면 구조물은 상기 소자층(200) 및 메타계면층(300)이 상기 기판(100) 상에 복수층 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메타계면층(300)은 그래핀(Graphene), 그래핀 옥사이드(Graphene Oxide), Reduced Graphene Oxide(RGO), Hexagonal Boron Nitride(h-BN) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메타 계면층은 두께가 10 nm 이하 또는 적층된 단원자층 2차원재료의 층수가 20층 이내 인 것을 특징으로 한다.
한편, 신축성 향상을 위한 메타 계면 구조물을 제작하기 위한 메타 계면 구조물의 제작 방법은, 지지필름을 제1 이차원재료가 합성된 제1 포일에 코팅하는 제1 포일 코팅 단계(S100); 에칭 공정을 통해 상기 제1 포일을 제거하는 제1 포일 제거 단계(S200); 상기 지지필름이 코팅된 제1 이차원재료를 제2 이차원재료가 합성된 제2 포일 상에 전사하는 제1 전사 단계(S300); 에칭 공정을 통해 상기 제2 포일을 제거하는 제2 포일 제거 단계(S400); 상기 지지필름이 코팅된 상기 제1 및 제2 이차원재료를 기판 상에 전사하는 제2 전사 단계(S500); 상기 지지필름을 제거하는 지지필름 제거 단계(S600); 및 상기 제1 및 제2 이차원재료인 메타계면층(300) 상에 소자층을 적층하는 소자층 적층 단계(S700); 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 신축성 향상을 위한 메타 계면 구조물을 제작하기 위한 또 다른 메타 계면 구조물의 제작 방법은, 지지필름을 제1 이차원재료가 합성된 제1 포일 상에 부착하고, 또 다른 지지필름을 제2 이차원재료가 합성된 제2 포일 상에 부착하는 포일 부착단계(S110); 에칭 공정을 통해 상기 제1 및 제2 포일을 제거하는 포일 제거 단계(S210); 상기 지지필름이 코팅된 제1 이차원재료를 기판 상에 부착하는 제1 부착 단계(S310); 상기 지지필름을 제거하는 제1 지지필름 제거 단계(S410); 상기 또 다른 지지필름이 코팅된 제2 이차원재료를 상기 제1 이차원재료 상에 부착하는 제2 부착 단계(S510); 상기 또 다른 지지필름을 제거하는 제2 지지필름 제거 단계(S610); 및 상기 제1 및 제2 이차원재료인 메타계면층(300) 상에 소자층을 적층하는 소자층 적층 단계(S700); 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 포일 제거 단계(S200), 제2 포일 제거 단계(S400) 또는 포일 제거 단계(S210)는 상기 지지필름이 코팅된 제1 및 제2 이차원재료에 남아있는 제1 및 제2 포일의 잔여물 또는 에칭 용액을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 지지필름은 Polymethylmethacrylate(PMMA), 열박리 테잎(thermal release tape), 자외선 박리 테잎(UV-release tape) 또는 폴리머 필름에 실리콘 점착증이 있는 필름 중 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 및 제2 이차원 재료는 그래핀(Graphene), 그래핀 옥사이드(Graphene Oxide), Reduced Graphene Oxide(RGO), Hexagonal Boron Nitride(h-BN) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 포일 또는 제2 포일은 구리, 구리 합금, 니켈 재질인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 포일 제거 단계(S200), 제2 포일 제거 단계(S400) 또는 포일 제거 단계(S210)는 Ammonioum persulfate(APS) 용액을 사용하여, 상기 제1 포일 또는 제2 포일을 제거하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판은 폴리머 재질인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다층의 이차원재료인 메타계면층(300) 상에 소자층을 적층하는 단계는 챔버 내부에 소자층의 재료 및 메타계면층이 적층된 기판을 장착한 후, 챔버 내부의 압력을 낮추는 초기 진공 단계; 상기 첨버 내부에 불활성 기체를 주입시킨 후, 기판을 일정온도 유지하도록 가열하는 안정화 단계; 및 상기 소자층의 재료 및 기판 사이에 플라즈마를 생성하여, 상기 메타계면층 상에 상기 소자층을 증착시키는 소자층 증착 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다층의 이차원재료인 메타계면층(300) 상에 소자층을 적층하는 단계는 웨이퍼 상에 희생층을 증착하는 희생층 증착 단계; 상기 희생층 상에 소자층을 증착하는 소자층 증착단계; 롤 전사 장치를 이용하여, 캐리어 필름을 상기 소자층 상에 부착시키는 캐리어 필름 부착 단계(; 에칭공정을 통해, 상기 희생층 및 웨이퍼를 제거하는 희생층 제거 단계; 상기 캐리어 필름에 부착된 소자층을 다층의 이차원재료로 이루어진 메타계면층 상에 부착시키는 소자층 부착 단계; 및 상기 캐리어 필름을 떼어내어 제거하는 캐리어 필름 제거 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 신축성 향상을 위한 메타 계면 구조물에 관한 것으로, 적층 구조로 형성된 기판 및 소자(전극) 사이에 단원자층 이차원 재료가 2층 이상 적층되어 이루어진 메타 계면이 슬라이딩 됨에 따라, 기판에 가해진 변형량보다 작은 변형량을 소자(전극)에 전달함으로써 전체 구조물의 신축성을 향상시켜 변형에 따른 균열 발생이나 전기적/광학적 성능 저하를 방지하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 신축성 향상을 위한 메타계면 구조물을 나타내는 개념도
도 2a는 본 발명에 따른 신축성 향상을 위한 메타계면 구조물의 실시예1
도 2b는 본 발명에 따른 신축성 향상을 위한 메타계면 구조물의 실시예2
도 3은 본 발명에 따른 신축성 향상을 위한 메타계면 구조물의 인장에 따른 전체저항 변화를 나타내는 그래프
도 4는 본 발명에 따른 신축성 향상을 위한 메타계면 구조물의 인장에 따른 균열밀도를 나타내는 그래프
도 5는 본 발명에 따른 신축성 향상을 위한 메타계면 구조물의 인장에 따른 소자층의 저항변화를 나타내는 그래프
도 6은 본 발명에 따른 신축성 향상을 위한 메타계면 구조물을 제작하는 방법을 나타내는 실시예 1의 순서도
도 7은 본 발명에 따른 신축성 향상을 위한 메타계면 구조물의 제작 공정을 나타내는 실시예 1의 개념도
도 8은 본 발명에 따른 신축성 향상을 위한 메타계면 구조물을 제작하는 방법을 나타내는 실시예 2의 순서도
도 9는 본 발명에 따른 신축성 향상을 위한 메타계면 구조물을 제작하는 방법을 나타내는 실시예 2의 개념도
도 10은 본 발명에 따른 소자층을 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여, 메타계면층 상에 증착시키는 순서도
도 11은 본 발명에 따른 소자층을 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여, 메타계면층 상에 증착시키는 개념도
도 12는 본 발명에 따른 소자층을 롤 전사 장비를 이용하여, 메타계면층 상에 부착시키는 순서도
도 13은 본 발명에 따른 소자층을 롤 전사 장비를 이용하여, 메타계면층 상에 부착시키는 개념도
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 신축성 향상을 위한 메타계면 구조물을 나타내는 개념도이다.
본 발명의 신축성 향상을 위한 메타계면 구조물은 기판(100), 소자층(200) 및 메타계면층(300)을 포함한다.
상기 신축성 향상을 위한 메타계면 구조물은 기판(100) 상에 소자층(200)이 형성된다. 이러한 신축성 향상을 위한 메타계면 구조물은 상기 기판(100) 및 소자층(200) 사이에 메타계면층(300)이 형성된다. 상기 메타계면층(300)은 이차원 재료가 복수 적층되어 형성된다. 이차원 재료는 원자가 한층으로 이루어진 결정성 물질이다. 즉, 원자가 한층으로 형성된 이차원 재료를 복수 적층한 것이 메타계면층(300)이다.
도 1을 참조하여 신축성 향상을 위한 메타계면 구조물의 원리에 대해 설명한다. 상기 기판(100)의 양측이 인장되면, 상기 기판(100) 상의 소자층(200)도 인장된다. 이때, 메타계면층(300)은 복수층으로 형성된 이차원 재료가 슬라이딩되면서, 상기 소자층(200)으로 전달되는 응력을 감소하는 특징이 있다.
상기 소자층(200)은 소자뿐 만아니라, 투명 전극 또는 필름 등을 사용할 수 있다.
또한, 상기 메타계면층(300)은 그래핀(Graphene), 그래핀 옥사이드(Graphene Oxide), Reduced Graphene Oxide(RGO), Hexagonal Boron Nitride(h-BN) 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 또한, 상기 메타계면층(300)은 상기 재료들 외에도 이차원 재료라면 사용할 수 있다.
또한, 상기 메타계면은 두께가 10 nm 이하 또는 적층된 2차원재료의 층수가 20층 이내 인 것을 특징으로 한다. 적층된 단원자층은 van der Waals 힘에 의해 상호작용을 하는데, 적층된 2차원 재료의 층수가 20층보다 커지는 경우에는 van der Waals 힘이 미치는 범위보다 두께가 커지기 때문에, 계면으로 간주하기 어렵고, 별도의 구조체로 간주되어야 한다.
기계장치의 신축성은 기계장치가 작동 가능한 최대 변형률을 의미하며 주로 취성을 가진 소자의 파괴 변형률에 의해 결정된다. 상기 기판(100) 및 소자층(200)으로 이루어진 기계장치를 고려할 때, 기판(100)이 변형 될 경우 소자층(200)에도 힘이 전달되어 변형이 된다. 여기서 메타 계면층(300)을 소자층(200)과 기판(100) 사이에 적용하면 기판(100)이 변형 될 때 메타 계면층(300) 내에서 슬라이딩이 발생하여 소자층(200)에 전달되는 힘이 감소된다. 또한, 기계장치는 메타 계면층(300)이 없는 경우 보다 메타 계면층(300)이 있는 경우 소자층(200)에 더 적은 변형률이 걸리게 된다. 그러므로 메타 계면층(300)이 있는 경우, 소자층(200)의 파괴 변형률만큼 변형률이 가해지기 위해서는 메타 계면층(300)이 없는 경우 보다 더 큰 변형률이 기계장치에 가해져야 한다. 따라서 기존 기계장치보다 더 큰 신축성을 갖게 된다. 이렇게 기계장치에 메타 계면층(300)을 적용함으로써 기존의 취성의 특성을 가진 소자 및 전극이 있는 기계장치의 신축성을 향상 시킬 수 있다.
도 2a는 본 발명에 따른 신축성 향상을 위한 메타계면 구조물의 실시예 1이며, 도 2b는 본 발명에 따른 신축성 향상을 위한 메타계면 구조물의 실시예 2이다.
도 2a는 기판(100)과 소자층(200)이 단층 구조로 형성되며, 상기 기판(100) 및 소자층(200) 사이에 메타계면층(300)이 형성된다.
도 2b는 기판(100) 상에 소자층(200)이 복수층 구조로 형성되며, 상기 기판(100) 및 소자층(200) 사이와, 복수층 구조의 소자층(200) 사이에 메타계면층(300)이 형성된다.
도 2a 및 도 2b에서 보는 바와 같이, 메타계면 구조물 실시예 1 및 2의 기판(100) 양측을 인장하게 되면, 상기 기판(100)이 인장됨에 따라 소자층(200)이 인장된다. 이때, 상기 기판(100) 및 소자층(200) 사이의 메타 계면층(300)이 슬리이딩되어, 상기 소자층(200)에 전달되는 응력을 감소시킨다. 이로 인해 상기 소자층(200)은 상기 기판(100)의 변형률보다 낮게 변형된다.
또한, 실시예 2의 경우, 소자층(200) 사이의 메타 계면층(300)이 슬라이딩 되면서, 높이방향으로 갈수록 전달되는 응력이 줄어든다. 따라서, 상기 소자층(200)들은 높이방향으로 갈수록 변형률이 낮아지는 특징이 있다.
본 발명의 신축성 향상을 위한 메타계면 구조물은 인장 시험을 하면서 전기 저항을 측정하여 도 3, 4 및 도 5 의 그래프로 나타내었다.
도 3은 본 발명에 따른 신축성 향상을 위한 메타계면 구조물의 변형률에 따른 구조물의 전체 저항 변화를 나타내는 그래프이다. 도 4는 본 발명에 따른 신축성 향상을 위한 메타계면 구조물의 변형률에 따른 균열밀도를 나타내는 그래프이며, 도 5는 본 발명에 따른 신축성 향상을 위한 메타계면 구조물의 변형률에 따른 소자층(ITO 박막)의 저항변화를 나타내는 그래프이다.
도 3, 4및 5를 참조하여 설명하면, ITO는 기판(100)과 소자층(200)으로만 이루어진 것이며, ITO/2LG 는 기판(100)과 소자층(200) 사이에 이차원 재료가 2개 적층된 메타계면층(300)으로 이루어진 것이다. 또한, ITO/3LG 는 기판(100)과 소자층(200) 사이에 이차원 재료가 3개 적층된 메타계면층(300)으로 이루어진 것이다. 또한, ITO/4LG 는 기판(100)과 소자층(200) 사이에 이차원 재료가 4개 적층된 메타계면층(300)으로 이루어진 것이다. 또한, ITO/5LG 는 기판(100)과 소자층(200) 사이에 이차원 재료가 5개 적층된 메타계면층(300)으로 이루어진 것이다.
도 3에서 보는 바와 같이, 메타 계면층(300)이 있는 ITO/2LG, ITO/3LG, ITO/4LG 및 ITO/5LG는 기판(100)과 소자층(200)으로만 이루어진 ITO보다 구조물의 변형률에 따른 전체 저항 변화가 상대적으로 낮은 것을 확인 할 수 있다. 이것은 그래핀 메타계면층(300)이 전도성이 있어 전류가 흐를 수 있는 통로 역할을 하고, 소자층(200)에 전달되는 변형률을 감소시키기 때문이다.
도 4에서 보는 바와 같이, 메타 계면층(300)이 있는 구조물인 경우, 소자층(200)만 있는 경우에 비해 상대적으로 균열밀도가 낮은 것을 확인 할 수 있다. 또한, 메타계면층(300)으로 사용되는 이차원 재료의 층수가 증가함에 따라 균열 밀도가 더 낮은 것을 알 수 있다. 이렇게 메타계면층(300)이 적용된 구조물에서 균열 밀도가 감소한 원인은 메타계면층(300)에서 발생하는 슬라이딩으로 인하여 기판(100)에 비해 소자층(200)에 가해지는 응력이 상대적으로 줄어들기 때문이다. 또한, 이러한 슬리이딩은 이차원 재료의 층수가 증가할수록 더욱 커지는 특징이 있다.
도 5의 그래프는 변형률에 따른 소자층(200)의 저항 변화와 전기-기계적 모델을 나타낸 것이다. 메타계면층(300)이 있는 경우 변형률에 따른 소자층(200)의 저항 변화가 낮은 것을 확인 할 수 있고, 이차원 재료의 층수가 증가함에 따라 낮아지는 비율이 커지는 것을 알 수 있다. 따라서, 특정 저항 변화 값을 가질 때의 변형률을 신축성이라 가정하면, 메타계면을 적용함으로써 신축성을 향상 시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 신축성 향상을 위한 메타계면 구조물은 메타계면층(300)의 두께가 수십나노미터에 불과하고 광학적 투과율이 우수하기 때문에, 메타계면층(300)의 유무에 따라 전체 구조물의 두께 및 광학적 특성에는 거의 차이가 없다. 또한, 전기-기계적 실험과 실시간 광학적 표면 관찰을 통하여 기판(100)에 인장변형이 가해질 때, 메타계면이 적용된 구조물이 그렇지 않은 구조물에 비해 균열 밀도와 전기 저항이 크게 줄어든다. 이는 메타계면의 낮은 전단계수로 인해 기판(100)에서 소자층(200)으로 전달되는 전단응력이 현격히 낮아지기 때문이다. 또한, 메타계면층(300)의 이차원 재료의 층수가 증가할수록 전기-기계적 신축성이 더욱 향상된다. 이를 이용하면 전체 구조물의 전기-기계적 신축성을 원하는 대로 조절할 수 있어, 유연한 전자기기 설계에 유용하게 활용될 수 있다.
한편, 신축성 향상을 위한 메타 계면 구조물을 제작하기 위한 메타 계면 구조물의 제작 방법은 습식공정을 통해 메타 계면 구조물을 제작하는 방법과 건식공정을 통해 메타 계면 구조물을 제작하는 방법으로 이루어진다.
먼저, 습식공정을 통해 메타 계면 구조물을 제작하는 방법에 대해 설명한다.
도 6은 본 발명에 따른 신축성 향상을 위한 메타계면 구조물을 제작하는 방법을 나타내는 실시예 1의 순서도이며, 도 7은 본 발명에 따른 신축성 향상을 위한 메타계면 구조물의 제작 공정을 나타내는 실시예 1의 개념도이다.
도6 및 도7을 참조하여 설명하면, 습식공정을 통해 메타 계면 구조물을 제작하는 방법은 제1 포일 코팅 단계(S100), 제1 포일 제거 단계(S200), 제1 전사 단계(S300), 제2 포일 제거 단계(S400), 제2 전사 단계(S500), 지지필름 제거 단계(S600) 및 소자층 적층 단계(S700)로 이루어진다.
도7의 (a)에서 보는 바와 같이, 제1 포일 코팅 단계(S100)는 지지필름을 제1 이차원재료가 합성된 제1 포일에 코팅한다. 이때, 상기 지지필름은 Polymethylmethacrylate(PMMA)을 사용한다.
또한, 상기 제1 이차원 재료는 그래핀(Graphene), 그래핀 옥사이드(Graphene Oxide), Reduced Graphene Oxide(RGO), Hexagonal Boron Nitride(h-BN) 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 상기 제1 포일은 구리, 구리 합금, 니켈 재질 중 하나의 재질을 사용할 수 있다.
도7의 (b)에서 보는 바와 같이, 제1 포일 제거 단계(S200)는 에칭 공정을 통해, 상기 제1 포일을 제거한다. 더욱 상세하게 설명하면, 제1 포일 제거 단계(S200)는 상기 지지필름이 코팅된 제1 이차원재료 및 제1 포일을 용기에 넣고, Ammonioum persulfate(APS) 용액을 사용하여 에칭공정을 통해 상기 제1 포일을 제거한다. 이때, 상기 APS 용액은 포일의 재질에 따라 적절한 금속 에칭 용액을 사용할 수 있다.
또한, 상기 제1 포일 제거 단계(S200)는 상기 지지필름이 코팅된 제1 이차원재료를 증류수에 띄워, 상기 제1 이차원재료에 남아있는 포일의 잔여물 또는 에칭 용액인 APS 용액을 제거한다.
도7의 (c)에서 보는 바와 같이, 제1 전사 단계(S300)는 상기 지지필름이 코팅된 제1 이차원재료를 제2 이차원재료가 합성된 제2 포일로 떠내어, 상기 제2 포일 상에 제1 이차원재료를 전사한다. 이때, 상기 제2 포일은 구리, 구리 합금, 니켈 재질 중 하나의 재질을 사용할 수 있다. 예를 들어, 단원자층 합성을 위해서는 구리 재질을 사용하는 것이 바람직하나, 다층을 한번에 합성하기 위해서는 니켈이나 구리 합금 등의 다양한 금속을 사용할 수 있다.
즉, 상기 제1 전사 단계(S300)는 상기 지지필름이 코팅된 제1 이차원재료를 제2 이차원재료가 합성된 제2 포일 상에 덮도록 한다.
도7의 (d)에서 보는 바와 같이, 제2 포일 제거 단계(S400)는 상기 제1 포일 제거 단계(S200)와 동일하게 에칭 공정을 통해 제2 포일을 제거한다. 더욱 상세하게 설명하면, 상기 제2 포일 제거 단계(S400)는 APS 용액을 사용하여 에칭공정을 통해 상기 제2 포일을 제거한다. 또한, 상기 제2 포일 제거 단계(S400)는 상기 지지필름이 코팅된 제1 및 제2 이차원재료를 증류수에 띄워, 상기 제1 및 제2 이차원재료에 남아있는 포일의 잔여물 또는 에칭 용액인 APS 용액을 제거한다. 이러한 단계를 거치면, 지지필름이 코팅된 2층 구조의 이차원재료를 얻을 수 있다. 또한, 이러한 단계를 반복적으로 수행하면, 지지필름이 코팅된 다층 구조의 이차원재료를 제작할 수 있다.
도7의 (e)에서 보는 바와 같이, 제2 전사 단계(S500)는 상기 지지필름이 코팅된 제1 및 제2 이차원재료를 기판으로 떠내어, 상기 제1 및 제2 이차원재료를 기판 상에 전사한다. 이때, 상기 기판은 폴리머 재질을 사용한다.
도7의 (f)에서 보는 바와 같이, 지지필름 제거 단계(S600)는 에탄올을 사용하여 상기 지지필름인 PMMA를 제거한다.
소자층 적층 단계(S700)는 상기 다층의 이차원재료인 메타계면층(300) 상에 소자층을 적층한다. 이때, 소자층 적층 단계(S700)는 Off-axis RF 마그네트론 스퍼터링 방법 또는 롤 전사 장비를 이용하여 소자층을 적층 시킨다. 상기 소자층 적층 단계(S700)에 대한 실시예는 후술한다.
반면, 건식공정을 통해 메타 계면 구조물을 제작하는 방법에 대해 설명한다. 건식 전사 방법은 그래핀을 기판에 전사할 때 접착력 등의 기계적인 힘에 의해 전사하는 방법으로 롤 전사 등을 이용하여 대면적, 대량생산이 가능하다.
도 8은 본 발명에 따른 신축성 향상을 위한 메타계면 구조물을 제작하는 방법을 나타내는 실시예 2의 순서도이며, 도 9는 본 발명에 따른 신축성 향상을 위한 메타계면 구조물을 제작하는 방법을 나타내는 실시예 2의 개념도이다.
도8 및 도9를 참조하여 설명하면, 건식공정을 통해 메타 계면 구조물을 제작하는 방법은 포일 부착 단계(S110), 포일 제거 단계(S210), 제1 부착 단계(S310), 제1 지지필름 제거 단계(S410), 제2 부착 단계(S510), 제2 지지필름 제거 단계(S610) 및 소자층 적층 단계(S700)로 이루어진다.
도9의 (a 및 b)에서 보는 바와 같이, 포일 부착 단계(S110)는 지지필름을 제1 이차원재료가 합성된 제1 포일 상에 부착하고, 또 다른 지지필름을 제2 이차원재료가 합성된 제2 포일 상에 부착한다. 예를 들어 설명하면, 먼저 롤 장비에 지지필름을 제1 이차원재료가 합성된 제1 포일위에 오게 한 후 롤을 통과시켜 지지필름을 제1 이차원재료가 합성된 제1 포일 위에 붙인다.
이때, 상기 지지필름은 제1 및 제2 이차원재료가 손상되지 않도록 지지하는 역할을 하며, 열박리 테잎(thermal release tape), 자외선 박리 테잎(UV-release tape) 또는 폴리머 필름에 실리콘 점착증이 있는 필름 등이 사용한다.
또한, 상기 제1 및 제2 이차원 재료는 그래핀(Graphene), 그래핀 옥사이드(Graphene Oxide), Reduced Graphene Oxide(RGO), Hexagonal Boron Nitride(h-BN) 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 상기 제1 포일 및 제2 포일은 구리, 구리 합금, 니켈 재질 중 하나의 재질을 사용할 수 있다.
도9의 (c)에서 보는 바와 같이, 포일 제거 단계(S210)는 에칭 공정을 통해, 상기 제1 및 제2 포일을 제거한다. 더욱 상세하게 설명하면, 포일 제거 단계(S210)는 상기 지지필름이 코팅된 제1 이차원재료 및 제1 포일을 용기에 넣고, APS 용액에 띄워 에칭공정을 통해 상기 제1 포일을 제거한다. 또한, 상기 포일 제거 단계(S200)는 상기 지지필름이 코팅된 제1 이차원재료를 증류수에 30분 동안 띄워, 상기 제1 이차원재료에 남아있는 포일의 잔여물 또는 에칭 용액인 APS 용액을 제거한다. 또한, 또 다른 지지필름이 코팅된 제2 이차원재료가 합성된 제2 포일도 상기와 같이 에칭 공정을 통해, 제2 포일을 제거한다.
도9의 (d)에서 보는 바와 같이, 제1 부착 단계(S310)는 상기 지지필름이 코팅된 제1 이차원재료를 기판 상에 부착한다. 이때, 상기 기판은 폴리머 재질을 사용한다. 예를 들어 설명하면, 지지필름/제1 이차원재료를 기판위에 오게 하면서 롤을 통과 시켜 기판에 지지필름/제1 이차원재료를 붙인다.
도9의 (e)에서 보는 바와 같이, 제1 지지필름 제거 단계(S410)는 상기 지지필름을 제거하여, 기판 위에 제1 이차원재료만 남아있도록 한다.
여기서, 지지필름을 제거하는 방법으로 열박리테잎을 지지필름으로 사용할 경우 열박리테잎/이차원재료/기판이 올려진 스테이지를 약 110 ~ 130 ℃ 로 온도를 올려서 열박리테잎이 이차원재료로부터 떨어지게 한다.
또한, 폴리머 필름에 점착층이 있는 필름을 지지필름으로 사용할 경우 다른 처리 없이 지지필름을 떼어낸다.
또한, 자외선 박리 테잎을 사용할 경우, 자외선을 가해서 지지필름이 떨어지게 한다.
도9의 (f)에서 보는 바와 같이, 제2 부착 단계(S510)는 상기 또 다른 지지필름이 코팅된 제2 이차원재료를 상기 제1 이차원재료 상에 부착한다. 제2 부착 단계(S510)도 상기 제1 부착 단계(S310)와 동일한 방법으로 한다.
제2 지지필름 제거 단계(S610)는 상기 또 다른 지지필름을 제거한다. 제2 지지필름 제거 단계(S610)도 상기 제1 지지필름 제거 단계(S410)와 동일한 방법으로 상기 또 다른 지지필름을 제거한다.
소자층 적층 단계(S700)는 상기 다층의 이차원재료인 메타계면층(300) 상에 소자층을 적층한다.
소자층 적층 단계(S700)를 Off-axis RF 마그네트론 스퍼터링을 이용하는 방법을 설명한다.
도 10은 본 발명에 따른 소자층을 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여, 메타계면층 상에 증착시키는 순서도이며, 도 11은 본 발명에 따른 소자층을 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여, 메타계면층 상에 증착시키는 개념도이다.
도 10 및 도11을 참조하여 설명하면, 소자층 적층 단계(S700)를 Off-axis RF 마그네트론 스퍼터링을 이용하는 방법은 초기 진공 단계(S710), 안정화 단계(S711) 및 소자층 증착 단계(S712)로 이루어진다.
초기 진공 단계(S710)는 챔버 내부에 소자층의 재료 및 메타계면층이 적층된 기판을 장착한 후, 챔버 내부의 압력을 낮춘다. 더욱 상세하게 설명하면, Off-axis RF 마그네트론 스퍼터링 장치는 챔버 내부에 각각의 건 끝단에 소자층의 재료가 구비되며, 각각의 끝단이 소정거리 이격되어 마주보도록 형성된다. 또한, 기판이 끝단에 구비된 건은 상기 소자층 재료가 구비된 건과 수직방향으로 소정거리 이격되어 형성된다. 이때, 각각의 건 끝단의 거리는 약 10cm 정도를 유지한다.
이러한 스퍼터링 장치는 음극에 영구자석이 장착되며, 부도체, 금속, 산화물 등 다양한 박막을 증착 할 수 있다. 또한, 상기 소자층의 재료는 지름이 2 inch이고, In: 90 wt%, Sn: 10 wt%를 사용한다.
또한, 챔버의 초기 진공은 8 x 10-6 torr 이하로 한다.
안정화 단계(S711)는 상기 챔버 내부에 불활성 기체를 주입시킨 후, 기판을 일정온도 유지하도록 가열한다. 즉, 기판 온도가 120 ℃까지 도달하도록 가열 한 후 타겟 표면의 불순물을 제거하고 스퍼터 방전이 안정되도록 5분간 presputtering을 한다.
소자층 증착 단계(S712)는 상기 소자층의 재료 및 기판 사이에 플라즈마를 생성하여, 상기 메타계면층 상에 상기 소자층을 증착시킨다. 이때, 증착 압력 1 mtorr 에서 RF power를 125W로 하여 소자층을 증착한다.
이 방법은 일반적인 RF 스퍼터링 보다 고품질의 박막을 제조할 수 있고, 플라즈마가 기판에 직접 영향을 주지 않아 기판이 손상되거나 휘어지는 것을 막을 수 있다.
도 12는 본 발명에 따른 소자층을 롤 전사 장비를 이용하여, 메타계면층 상에 부착시키는 순서도이며, 도 13은 본 발명에 따른 소자층을 롤 전사 장비를 이용하여, 메타계면층 상에 부착시키는 개념도이다.
도 12 및 도13을 참조하여 설명하면, 롤 전사 장비를 이용하여 소자층을 적층 시키는 소자층 적층 단계(S700)는 희생층 증착 단계(S720), 소자층 증착단계(S721), 캐리어필름 부착 단계(S722), 희생층 제거 단계(S723), 소자층 부착 단계(S724) 및 캐리어 필름 제거 단계(S725)로 이루어진다.
도13의 (a)에서 보는 바와 같이, 희생층 증착 단계(S720)는 웨이퍼(210) 상에 희생층(220)을 증착한다. 상기 웨이퍼(210)는 Si(실리콘) 웨이퍼를 사용하며, 상기 희생층(220)은 은(Ag) 박막을 사용한다.
소자층 증착단계(S721)는 상기 희생층(220) 상에 소자층(200)을 증착한다.
캐리어필름 부착 단계(S722)는 롤 전사 장치를 이용하여, 캐리어필름(230)을 상기 소자층(200) 상에 부착시킨다.
도13의 (b)에서 보는 바와 같이, 희생층 제거 단계(S723)는 에칭공정을 통해, 상기 희생층(220) 및 웨이퍼(210)를 제거한다. 즉, 상기 희생층 제거 단계(S723)는 은박막인 희생층(220)을 웨이퍼(210)로부터 분리시킨다.
도13의 (c)에서 보는 바와 같이, 소자층 부착 단계(S724)는 상기 캐리어 필름(230)에 부착된 소자층(200)을 다층의 이차원재료로 이루어진 메타계면층(300) 상에 부착시킨다.
캐리어 필름 제거 단계(S725)는 상기 캐리어 필름(230)을 떼어내어 제거한다.
100 : 기판
200 : 소자층
300 : 메타계면층
S100 : 제1 포일 코팅 단계
S200 : 제1 포일 제거 단계
S300 : 제1 전사 단계
S400 : 제2 포일 제거 단계
S500 : 제2 전사 단계
S600 : 지지필름 제거 단계
S700 : 소자층 적층 단계

Claims (14)

  1. 기판(100);
    상기 기판(100) 상에 구비되는 소자층(200); 및
    상기 기판(100) 및 소자층(200) 사이에 구비되며, 단원자층의 2차원재료가 2층 이상 적층되어 형성되는 메타계면층(300);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 신축성 향상을 위한 메타 계면 구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메타 계면 구조물은
    상기 소자층(200) 및 메타계면층(300)이 상기 기판(100) 상에 복수층으로 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 신축성 향상을 위한 메타 계면 구조물.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 메타계면층(300)은
    그래핀(Graphene), 그래핀 옥사이드(Graphene Oxide), Reduced Graphene Oxide(RGO), Hexagonal Boron Nitride(h-BN) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 신축성 향상을 위한 메타 계면 구조물.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 메타계면층(300)은
    두께가 10 nm 이하 또는 적층된 2차원재료의 층수가 20층 이내 인 것을 특징으로 하는 신축성 향상을 위한 메타 계면 구조물.
  5. 제1항에 따른 신축성 향상을 위한 메타 계면 구조물을 제작하기 위한 메타 계면 구조물의 제작 방법은,
    지지필름을 제1 이차원재료가 합성된 제1 포일에 코팅하는 제1 포일 코팅 단계(S100);
    에칭 공정을 통해 상기 제1 포일을 제거하는 제1 포일 제거 단계(S200);
    상기 지지필름이 코팅된 제1 이차원재료를 제2 이차원재료가 합성된 제2 포일 상에 전사하는 제1 전사 단계(S300);
    에칭 공정을 통해 상기 제2 포일을 제거하는 제2 포일 제거 단계(S400);
    상기 지지필름이 코팅된 상기 제1 및 제2 이차원재료를 기판 상에 전사하는 제2 전사 단계(S500);
    상기 지지필름을 제거하는 지지필름 제거 단계(S600); 및
    상기 제1 및 제2 이차원재료인 메타계면층(300) 상에 소자층을 적층하는 소자층 적층 단계(S700);
    로 이루어진 메타 계면 구조물의 제작 방법.
  6. 제1항에 따른 신축성 향상을 위한 메타 계면 구조물을 제작하기 위한 메타 계면 구조물의 제작 방법은,
    지지필름을 제1 이차원재료가 합성된 제1 포일 상에 부착하고, 또 다른 지지필름을 제2 이차원재료가 합성된 제2 포일 상에 부착하는 포일 부착단계(S110);
    에칭 공정을 통해 상기 제1 및 제2 포일을 제거하는 포일 제거 단계(S210);
    상기 지지필름이 코팅된 제1 이차원재료를 기판 상에 부착하는 제1 부착 단계(S310);
    상기 지지필름을 제거하는 제1 지지필름 제거 단계(S410);
    상기 또 다른 지지필름이 코팅된 제2 이차원재료를 상기 제1 이차원재료 상에 부착하는 제2 부착 단계(S510);
    상기 또 다른 지지필름을 제거하는 제2 지지필름 제거 단계(S610); 및
    상기 제1 및 제2 이차원재료인 메타계면층(300) 상에 소자층을 적층하는 소자층 적층 단계(S700);
    로 이루어진 메타 계면 구조물의 제작 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 제1 포일 제거 단계(S200), 제2 포일 제거 단계(S400) 또는 포일 제거 단계(S210)는
    상기 지지필름이 코팅된 제1 및 제2 이차원재료에 남아있는 제1 및 제2 포일의 잔여물 또는 에칭 용액을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메타 계면 구조물의 제작 방법.
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 지지필름은
    Polymethylmethacrylate(PMMA), 열박리 테잎(thermal release tape), 자외선 박리 테잎(UV-release tape) 또는 폴리머 필름에 실리콘 점착증이 있는 필름 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 메타 계면 구조물의 제작 방법.
  9. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 이차원 재료는
    그래핀(Graphene), 그래핀 옥사이드(Graphene Oxide), Reduced Graphene Oxide(RGO), Hexagonal Boron Nitride(h-BN) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 메타 계면 구조물의 제작 방법.
  10. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 제1 포일 또는 제2 포일은
    구리, 구리 합금, 니켈 재질인 것을 특징으로 하는 메타 계면 구조물의 제작 방법.
  11. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 제1 포일 제거 단계(S200), 제2 포일 제거 단계(S400) 또는 포일 제거 단계(S210)는
    Ammonioum persulfate(APS) 용액을 사용하여, 상기 제1 포일 또는 제2 포일을 제거하는 것을 특징으로 하는 메타 계면 구조물의 제작 방법.
  12. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 기판은 폴리머 재질인 것을 특징으로 하는 메타 계면 구조물의 제작 방법.
  13. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 소자층 적층 단계(S700)는
    챔버 내부에 소자층의 재료 및 메타계면층이 적층된 기판을 장착한 후, 챔버 내부의 압력을 낮추는 초기 진공 단계(S710);
    상기 첨버 내부에 불활성 기체를 주입시킨 후, 기판을 일정온도 유지하도록 가열하는 안정화 단계(S711); 및
    상기 소자층의 재료 및 기판 사이에 플라즈마를 생성하여, 상기 메타계면층 상에 상기 소자층을 증착시키는 소자층 증착 단계(S712);
    로 이루어진 메타 계면 구조물의 제작 방법.
  14. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 소자층 적층 단계(S700)는
    웨이퍼 상에 희생층을 증착하는 희생층 증착 단계(S720);
    상기 희생층 상에 소자층을 증착하는 소자층 증착단계(S721);
    롤 전사 장치를 이용하여, 지지필름을 상기 소자층 상에 부착시키는 지지필름 부착 단계(S722);
    에칭공정을 통해, 상기 희생층 및 웨이퍼를 제거하는 희생층 제거 단계(S723);
    상기 캐리어 필름에 부착된 소자층을 다층의 이차원재료로 이루어진 메타계면층 상에 부착시키는 소자층 부착 단계(S724); 및
    상기 캐리어 필름을 떼어내어 제거하는 캐리어 필름 제거 단계(S725);
    로 이루어진 메타 계면 구조물의 제작 방법.
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