KR20170035323A - Preparation Method of Graphene Thin Film Layer without Transferring - Google Patents

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KR20170035323A
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Abstract

The present invention relates to a preparation method of a graphene thin film layer and an electric element having a graphene thin film layer formed thereby, which can easily form a high quality graphene thin film layer having excellent crystallizability without transferring in a large area at a low temperature. Therefore, the graphene thin film layer can be directly applied to a base substrate used for a transparent electrode or a semiconductor element without an additional transferring process. More specifically, the present invention relates to a preparation method of a graphene thin film layer without transferring, which comprises the following steps of: depositing a Ti layer having a thickness of 3-20 nm by sputtering on a substrate; and growing graphene by a chemical vapor deposition on the deposited Ti layer.

Description

무전사식 그래핀층의 형성 방법{Preparation Method of Graphene Thin Film Layer without Transferring}Preparation Method of Graphene Thin Film Layer without Transferring < RTI ID = 0.0 >

본 발명은 별도의 전사과정이 없이도 투명전극이나 반도체 소자 등에 사용되는 베이스 기판에 직접 적용할 수 있도록 결정성이 우수한 고품질의 그래핀층을 무전사 방식으로 저온에서 대면적으로 용이하게 형성할 수 있는 그래핀층의 형성 방법 및 상기 방법에 의해 형성된 그래핀층을 포함하는 전기 소자에 관한 것이다.
The present invention relates to a graphene layer which can be easily applied to a base substrate used for a transparent electrode or a semiconductor device without a separate transferring process and which can easily form a high-quality graphene layer having excellent crystallinity in a non- A method of forming a pinned layer and a graphene layer formed by the method.

그래핀은 탄소원자의 2차원 육각형 sp2 결합체로서, 물리적 강도가 강철의 200배 이상이다. 구리나 알루미늄과 같은 금속보다 10배 정도의 열전도성을 가지며, 전자의 이동도가 매우 빨라 상온에서 구리에 비해 35% 이상 저항이 낮고, 상온 이상 홀효과(anomalous hall effect)를 나타내는 등 흥미로운 물리적, 전기적 특성이 보고되고 있다. 이러한 특성으로 인하여 최근 고품질 그래핀 제조 및 소자응용에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. Graphene is a two-dimensional, hexagonal sp 2 complex of carbon atoms with physical strength greater than 200 times that of steel. It has 10 times more thermal conductivity than metals such as copper and aluminum, has very high mobility of electrons, has a resistance lower than 35% at copper at room temperature, exhibits anomalous hall effect at room temperature, Electrical properties are reported. Due to these characteristics, researches on the manufacture of high quality graphene and application of devices have been actively carried out.

그래핀은 크게 기계적 박리법, 환원제를 이용한 화학적 제조법, 실리콘 카바이드 절연체를 이용한 에피택셜(Epitaxial)법 및 화학증착법(CVD)의 4가지 방법으로 제조될 수 있다.Graphene can be largely manufactured by four methods of mechanical peeling, chemical preparation using a reducing agent, epitaxial method using silicon carbide insulator, and chemical vapor deposition (CVD).

처음으로 소개된 대표적인 제조법은 그라파이트(highly ordered pyrolytic graphite: HOPG)로부터 매우 섬세한 기계적 박리기술을 이용하여 그래핀을 제조하는 것이다. 기계적 박리법은 시료준비의 간단함으로 인해 그래핀 연구를 빠르게 확산시키는 데 결정적인 역할을 하였지만 그 크기가 마이크로미터 수준에 불과하여 실제 응용적인 측면에서는 많은 제약이 있다.The first representative recipe to be introduced is to produce graphene from highly ordered pyrolytic graphite (HOPG) using a very delicate mechanical exfoliation technique. The mechanical exfoliation method has played a crucial role in rapidly diffusing graphene research due to the simplicity of sample preparation, but its size is only micrometer level and there are many limitations in practical application.

이에 대면적 그래핀 제조를 위해서, 벌크 그라파이트(HOPG)를 강한 산을 이용하여 액상에서 화학적으로 박리하여 그래핀 산화 박막(graphene oxide film)을 제조한 후, 이를 베이스 기판에 전사하고 화학적 환원법에 의해 그래핀으로 환원시키는 방법이 연구되고 있다. 그러나 그래핀의 산화ㆍ환원 시 결정결함이 발생할 수 있어 전기적 특성을 열화시킬 수 있는 단점이 있다. In order to produce a large area graphene, a bulk graphite (HOPG) is chemically peeled off in a liquid phase using a strong acid to prepare a graphene oxide film, and the graphene oxide film is transferred to a base substrate and then subjected to chemical reduction A method of reduction to graphene is being studied. However, crystal defects may occur during the oxidation or reduction of graphene, which may deteriorate electrical characteristics.

에피텍셜법은 고온에서 결정에 흡착되어 있거나 포함되어 있던 탄소가 결정 표면의 결을 따라 그래핀으로 성장하는 것이다. 예를 들어 SiC (0001) 기판에서 진공 열처리를 통해 에피텍시 그래핀 제조를 할 수 있다. 이 방법에 의하면 웨이퍼 크기 정도의 그래핀 필름을 제조할 수 있으나, 베이스 기판이 고가의 SiC (0001) 기판에 제한된다는 문제가 있다.
The epitaxial process is the adsorption of crystals at high temperatures or the carbon contained therein grows into graphene along the grain surface. For example, epitaxial graphene can be produced by vacuum heat treatment on a SiC (0001) substrate. According to this method, a graphene film of about the size of a wafer can be manufactured, but there is a problem that the base substrate is limited to an expensive SiC (0001) substrate.

최근에는 메탄가스를 이용한 화학기상증착법을 사용하여 니켈이나 구리 등의 촉매금속 상에서 그래핀을 제조하는 기술이 개발되고 있다. 화학기상증착법에 의하면 촉매의 종류와 두께, 반응시간, 반응가스의 농도 등을 조절함으로써 그래핀의 층수를 조절하는 것이 가능하다. 또한 제작된 그래핀의 특성이 가장 우수하고 대량 생산이 가능하다. Recently, a technique for producing graphene on a catalyst metal such as nickel or copper using a chemical vapor deposition method using methane gas has been developed. According to the chemical vapor deposition method, it is possible to control the number of graphene layers by controlling the type and thickness of the catalyst, the reaction time, and the concentration of the reaction gas. In addition, the characteristics of the graphene produced are excellent and mass production is possible.

그러나 화학기상증착법에 의한 그래핀층의 형성 시에는 그래핀층의 증착을 위하여 형성된 니켈이나 구리 촉매층이 그래핀층이 형성되는 베이스 기판의 전기적ㆍ광학적 특성을 변화시키기 때문에 투명전극이나 반도체 소자의 특성에도 영향을 미치게 된다. 또한 그래핀의 결정화를 위해서 일반적으로 약 1000℃ 정도의 고온에서의 증착이 이루어지므로 베이스 기판이 열에 약한 경우에는 증착과정에서 베이스 기판의 변형이 일어날 수 있다. 따라서 화학기상증착법에 의해 형성된 그래핀층을 실제의 전극이나 소자에 이용하기 위해서는 촉매 금속 위에서 성장한 그래핀층을 박리하여 원하는 베이스 기판 상으로 옮기는 전사(transferring) 과정이 필수적이다. However, when the graphene layer is formed by the chemical vapor deposition method, the nickel or copper catalyst layer formed for the deposition of the graphene layer changes the electrical and optical characteristics of the base substrate on which the graphene layer is formed, I am crazy. In addition, since deposition at a high temperature of about 1000 ° C. is generally performed for crystallization of graphene, when the base substrate is weak against heat, deformation of the base substrate may occur during the deposition process. Therefore, in order to use the graphene layer formed by the chemical vapor deposition method in an actual electrode or device, a transferring process in which the graphene layer grown on the catalytic metal is peeled off and transferred onto a desired base substrate is essential.

일반적으로 사용되는 그래핀의 전사방법은 촉매금속 상에 그래핀층을 형성한 다음 PDMS(polydimethylsiloxane)나 PMMA(polymethylmethacylate)를 지지층으로 활용하여 촉매금속을 식각하여 제거하고, 그래핀층을 베이스 기판으로 전사한 후 지지층을 제거하는 것이다. 그러나 전사과정에서 그래핀의 기계적인 변형(wrinkle, ripple 등)으로 인하여 전사된 그래핀층과 베이스 기판의 계면에 많은 결함준위가 형성되고 이로 인해 그래핀/베이스 기판의 이종접합을 이용한 소자의 거동특성이 열악하게 된다는 문제가 있다.Generally, a method of transferring graphene is a method in which a graphene layer is formed on a catalyst metal, polymethylsiloxane (PDMS) or polymethylmethacylate (PMMA) is used as a support layer to etch and remove the catalyst metal, Thereby removing the post support layer. However, due to the mechanical deformation (wrinkle, ripple, etc.) of graphene in the transfer process, many defect levels are formed at the interface between the transferred graphene layer and the base substrate, There is a problem that it becomes poor.

이러한 화학기상증착법에 의한 그래핀층 형성 방법의 문제를 해결하기 위하여 전사 성공률을 높이기 위한 다양한 방법이 개발되고 있다. 본 발명자들도 Ti 박막상에 그래핀을 전사하면, 그래핀의 전사 시 기계적 변형을 최소화하여 그래핀의 우수한 전기적 특성을 유지할 수 있음을 확인하고 이를 특허 제10-1475460호로 등록받은 바 있다. In order to solve the problem of the graphene layer forming method by the chemical vapor deposition method, various methods for increasing the transfer success rate have been developed. The inventors of the present invention have also confirmed that when graphene is transferred onto a Ti thin film, the mechanical deformation of the graphene is minimized during the transfer of the graphene, thereby maintaining excellent electrical characteristics of the graphene, and this has been registered as a patent No. 10-1475460.

그러나, 보다 근본적인 문제 해결 방법은 전사과정이 필요없는 그래핀층 형성 방법을 개발하는 것이다. However, a more fundamental problem-solving method is to develop a method of forming a graphene layer that does not require a transfer process.

이를 위하여서는 먼저 화학기상증착법에 의한 그래핀층 형성에 필요한 금속층의 도입이 베이스 기판의 전기적ㆍ광학적 특성에 영향을 미치지 않아야 한다. 그러나 아직까지 이에 대한 연구결과는 보고된 바 없다.For this purpose, the introduction of the metal layer necessary for the formation of the graphene layer by the chemical vapor deposition method should not affect the electrical and optical characteristics of the base substrate. However, no results have been reported.

베이스 기판의 전기적ㆍ광학적 특성에 영향을 미치지 않는다 하더라도 최근 반도체 소자의 베이스 기판으로 각광을 받고 있는 유연성 기판에 그래핀층을 직접 형성하기 위해서는 저온 증착이 가능하여야 한다. Rafik Addou 등은 니켈을 촉매로 하는 경우 550℃ 정도의 저온에서도 화학기상증착법에 의해 그래핀층을 형성할 수 있음을 보고하였으나, 500℃ 이하에서는 니켈층의 표면에 형성되는 카바이드가 그래핀의 성장을 저해한다는 것을 동시에 보고하였다. 폴리이미드는 유연성 소자의 베이스 기판으로서 가장 널리 사용되는 소재로 유리전이온도가 약 300℃ 정도이고, 그 중에서도 kapton 폴리이미드는 400℃ 정도까지 열에 안정하여 비교적 고온 공정에서도 적용 가능성을 보여준다. 그러나 그래핀층 형성을 위해, 베이스 기판으로 폴리이미드 계열의 합성수지에 화학기상증착법을 적용하기에는 여전히 공정온도가 높을 뿐 아니라, 가격 역시 비싸 경제성이 낮다. 따라서 열에 강한 유연성 베이스 기판의 개발과 더불어, 가격이 저렴하지만 열에 약하여 유연성 베이스 기판에 적용이 제한되는 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르 술폰(PES) 등에도 적용이 가능하도록 공정처리 온도를 낮추는 것이 강력히 요구된다.
Even if the electrical and optical characteristics of the base substrate are not affected, low-temperature deposition must be possible in order to directly form a graphene layer on a flexible substrate, which is recently attracted by the base substrate of a semiconductor device. Rafik Addou et al. Reported that a graphene layer can be formed by chemical vapor deposition even at a low temperature of about 550 ° C. when nickel is used as a catalyst. However, at 500 ° C. or lower, carbide formed on the surface of the nickel layer causes graphene growth At the same time. Polyimide is the most widely used base material for flexible devices. It has a glass transition temperature of about 300 ° C. Among them, kapton polyimide is thermally stable up to 400 ° C and is applicable to relatively high temperature processes. However, in order to form a graphene layer, not only the process temperature is high but also the cost is high and the economical efficiency is low to apply the chemical vapor deposition method to the polyimide-based synthetic resin as the base substrate. Therefore, in addition to the development of heat-resistant flexible base substrate, it is possible to produce a flexible base substrate which is low in price but weak in heat and flexible to be applied to a base substrate, such as polyethylene (PE), polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate (PC), polyether sulfone It is strongly required to lower the processing temperature so as to be applicable.

등록특허 제10-1475460호Registration No. 10-1475460

Rafik Addou 등, Applied Physics Letters 100, 021601, 2012Rafik Addou et al., Applied Physics Letters 100, 021601, 2012

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해소할 수 있도록, 베이스 기판의 전기적ㆍ광학적 특성을 변화시키지 않으면서 그래핀의 성장을 촉진시킬 수 있는 전처리 과정에 의해 별도의 전사과정을 요하지 않고 베이스 기판 상에 직접적으로 결정성이 우수한 고품질의 그래핀층을 대면적으로 형성할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a semiconductor device which does not require a separate transfer process by a pretreatment process that can promote the growth of graphene without changing the electrical and optical characteristics of the base substrate, It is another object of the present invention to provide a method for forming a high-quality graphene layer having excellent crystallinity directly on a large area.

본 발명의 또 다른 목적은 400℃, 더욱 바람직하게는 300℃ 미만의 저온에서도 결정성이 우수한 그래핀층을 형성할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method capable of forming a graphene layer excellent in crystallinity even at a low temperature of 400 캜, more preferably less than 300 캜.

또한 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 그래핀층을 포함하는 전기 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
Another object of the present invention is to provide an electrical device comprising the graphene layer produced by the above method.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 베이스 기판 상에 스퍼터링에 의해 3~20nm 두께의 Ti층을 증착하는 단계;와 상기 증착된 Ti층 상에 화학기상증착법에 의해 그래핀을 성장시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무전사식 그래핀층의 형성 방법에 관한 것이다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: depositing a Ti layer having a thickness of 3 to 20 nm on a base substrate by sputtering; and growing graphene on the deposited Ti layer by chemical vapor deposition And a method of forming the electroless graphene layer.

본 발명에서 "베이스 기판"이란 투명전극이나 반도체 소자 등 그래핀층이 형성되어 사용될 기판으로, 종래의 전사과정을 포함하는 그래핀층 형성 방법에서는 최종적으로 그래핀층이 전사되는 기판에 해당한다. 즉, 본 발명에서는 최종적으로 그래핀층이 형성되어져야 하는 기판 상에 그래핀층이 직접적으로 성장되므로 전사과정이 불필요하게 된다. 본 발명에서 베이스 기판은 그 재질이나 형상에 제한을 받지 않으며, 단일층의 기판일 수도 있고, 이미 다른 물질들이 적층되어 있는 기판일 수도 있다. 재질에도 제한이 없으나 유리나 금속산화물, SiO2, 구조 내 산소를 포함하는 PET(polyethylene terephthalate), PES(polyether sulfone), PC(polycarbonate), polyimide와 같은 합성수지는 Ti과 산소원자 사이의 화학결합에 의해 Ti이 베이스 기판과 강한 결합을 하므로 베이스 기판으로 더욱 바람직하다. 그러나 본 발명에서는 베이스 기판 상에 3~20nm Ti층을 형성하는 것에 의해 베이스 기판의 특성을 변화시키지 않으면서 화학기상증착법에 의해 그래핀을 성장시킬 수 있다는 것이 주요한 특징이므로 반드시 베이스 기판에 산소원자가 포함되어 있어야 하는 것은 아니다. In the present invention, the term "base substrate" refers to a substrate on which a graphene layer such as a transparent electrode or a semiconductor device is to be formed, and a graphene layer is finally transferred in a graphene layer formation method including a conventional transfer process. That is, in the present invention, since the graphene layer is directly grown on the substrate on which the graphene layer is to be finally formed, the transfer process is not required. In the present invention, the base substrate is not limited to the material and the shape, and may be a single layer substrate or a substrate in which other materials are stacked. Materials such as glass, metal oxide, SiO 2 , polyethylene terephthalate (PET) containing oxygen in the structure, polyether sulfone (PES), polycarbonate (PC) Ti is more preferable as a base substrate since it strongly bonds with the base substrate. However, in the present invention, graphene can be grown by chemical vapor deposition (CVD) without changing the characteristics of the base substrate by forming a 3 to 20 nm Ti layer on the base substrate. Therefore, It does not have to be.

본 발명자들의 등록특허 제10-1475460호에 게시한 바와 같이 Ti은 물리적증기증착(PVD)에 의하더라도 Ti 산화물을 형성하면서 기판 유래의 산소와 화학적으로 결합하여 기판과 강하게 결합한다. 본 발명자들은 기계적으로 박리된 그래핀에 존재하는 산소와 Ti의 결합에 의해 그래핀이 강하게 결합하므로 전사된 그래핀이 강하게 결합할 것이라 기대하고 이를 확인하여 등록특허 제10-1475460호에 기재하였다. 본 발명은 더 나아가 기계적인 결함을 유발하는 전사과정을 생략할 수 있도록, 니켈이나 구리와 같은 촉매 금속이 없이도 Ti으로 표면개질한 베이스 기판 상에 직접 화학기상증착법에 의해 그래핀을 성장시킬 수 있음을 이론적으로 계산하고, 이를 실험에 의해 확인한 것이다. As disclosed in Korean Patent No. 10-1475460 of the present inventors, Ti forms a Ti oxide even when subjected to physical vapor deposition (PVD) and chemically bonds with oxygen derived from the substrate and strongly binds to the substrate. The present inventors expect that graphene bonds strongly due to binding of oxygen and Ti present in the mechanically peeled graphene, and confirmed that the graphene is bound strongly, and it is confirmed in the registered patent No. 10-1475460. The present invention can further grow graphene by a chemical vapor deposition method directly on a base substrate surface-modified with Ti, without catalyst metal such as nickel or copper, so as to omit the transcription process causing mechanical defects And the results are confirmed by experiments.

하기 실시예에는 데이터를 기재하지 않았으나, Ti층이 증착된 유리기판의 투과율을 Ti층의 두께에 따라 UV-Vis Spectrophotometer로 측정한 결과, Ti층의 두께가 20nm 이하인 경우에는 유리의 투과율과 거의 동일하였으며 이후 Ti층의 두께가 증가할수록 투과율이 급속히 감소하였다. 면저항 역시 Ti(20nm)/glass의 면저항은 약 2.3×109 Ω/로 유리의 면저항 2.4×109 Ω/과 거의 유사하여 20nm 이하의 Ti층은 기판의 전도도에도 거의 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있었다. 따라서 베이스 기판 상에 증착된 Ti층의 두께가 3~20nm인 경우 투과율과 전도도와 같은 베이스 기판 자체의 전기적ㆍ광학적 특성에 거의 영향을 미치지 않고 표면 성질만을 개질할 수 있었다. 또한, 베이스 기판이 PET와 같이 투명하고 유연한 재질이라면 그래핀의 전사 후에도 투명성과 함께 유연성을 유지할 수 있어 그 적용범위가 더욱 확대될 수 있다.
The transmittance of the glass substrate on which the Ti layer was deposited was measured by a UV-Vis spectrophotometer according to the thickness of the Ti layer. As a result, when the thickness of the Ti layer was 20 nm or less, the transmittance of the glass substrate was almost the same And then the transmittance rapidly decreased as the thickness of the Ti layer increased. The sheet resistance of the Ti (20 nm) / glass is about 2.3 × 10 9 Ω / Ω, which is almost similar to the sheet resistance of glass of 2.4 × 10 9 Ω /. The Ti layer below 20 nm has almost no effect on the conductivity of the substrate there was. Therefore, when the thickness of the Ti layer deposited on the base substrate is 3 to 20 nm, only the surface properties can be modified without substantially affecting the electrical and optical characteristics of the base substrate itself such as transmittance and conductivity. Further, if the base substrate is made of a transparent and flexible material such as PET, the transparency and flexibility of the graphene can be maintained even after transferring the graphene.

화학기상증착법에 의한 그래핀의 성장 시 기판의 온도는 150~900℃일 수 있다. 다른 반응조건이 동일하다면 온도가 높을수록 그래핀의 결정성이 향상되므로 900℃ 이상이라 하여도 문제가 되는 것은 아니나, 온도가 높을수록 제조에 소요되는 비용이 증가하므로 900℃ 이하인 것이 바람직하다. The temperature of the substrate during the growth of graphene by the chemical vapor deposition method may be from 150 to 900 캜. If the other reaction conditions are the same, the higher the temperature, the better the crystallinity of the graphene. Therefore, even if the temperature is higher than 900 ° C., the higher the temperature, the higher the manufacturing cost.

특히 본 발명에 의하면, 화학기상증착법에 의한 그래핀의 성장 시 기판의 온도가 150~400℃인 저온에서도 결정성이 우수한 그래핀층을 형성할 수 있다는 특징이 있다. 종래기술에 의하면 니켈이나 구리와 같은 금속 촉매층을 사용한다고 하더라도 화학기상증착법에 의한 400℃ 이하의 온도에서 증착이 가능하게 됨에 따라 400℃ 정도까지 열에 안정하다고 알려진 kapton 폴리이미드를 베이스 기판으로 하여 본 발명의 방법에 의해 그래핀층을 무전사식으로 직접적으로 기판 상에 형성할 수 있다. 더 나아가 본 발명의 방법은 150℃ 이상 300℃ 미만의 온도에서도 고품질의 그래핀층을 형성할 수 있다. kapton 폴리이미드는 유연성 기판 중에서 비교적 열에 강하기 때문에 널리 활용되고 있으나 가격이 비싸고, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리에테르 술폰과 같은 고분자 수지는 가격이 저렴하기는 하지만 열에 약하기 때문에 유연성 기판의 제조 공정상 변형이 일어나 사용이 제한되었다. 그러나 본 발명은 150℃의 낮은 온도에서도 그래핀층을 형성하는 것이 가능하였으며, 라만 스펙트럼 상에서 측정된 그래핀의 특성 역시 우수하였다. 150~400℃의 온도에서 우수한 품질의 그래핀층을 형성하기 위해서는 화학기상증착법을 이용한 그래핀의 성장 시 작업압력이 10 mTorr 이하인 것이 더욱 바람직하였다.Particularly, according to the present invention, a graphene layer having excellent crystallinity can be formed even when the temperature of the substrate is 150 to 400 ° C during the growth of graphene by a chemical vapor deposition method. According to the prior art, even when a metal catalyst layer such as nickel or copper is used, deposition can be performed at a temperature of 400 ° C or less by chemical vapor deposition. Therefore, the capton polyimide, which is known to be heat stable up to about 400 ° C, The graphene layer can be directly formed on the substrate by the electroless method. Further, the method of the present invention can form a high-quality graphene layer even at a temperature of 150 ° C or more and less than 300 ° C. Kapton polyimide is widely used in flexible substrates because it is relatively heat resistant, but it is expensive, and polyethylene, polyethylene terephthalate, polycarbonate, Polymer resins such as polyethersulfone are inexpensive, but are weak to heat, so they are deformed due to the manufacturing process of flexible substrates and their use is limited. However, the present invention was able to form a graphene layer even at a low temperature of 150 DEG C, and the graphene characteristics measured on the Raman spectrum were also excellent. In order to form a good quality graphene layer at a temperature of 150 to 400 ° C, it is more preferable that the working pressure during the growth of graphene by chemical vapor deposition is 10 mTorr or less.

형성되는 그래핀층의 결정성은 작업압력, 반응가스의 조성 및 유속에 의해 추가적으로 조절하는 것이 가능하였다.The crystallinity of the formed graphene layer could be further controlled by the working pressure, the composition of the reaction gas and the flow rate.

그래핀 성장을 위한 반응가스로는 탄소원으로 메탄, 에탄, 프로판, 아세틸렌, 메탄올, 에탄올 및 프로판올로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 가스를 사용할 수 있다. 또한 상기 반응가스는 아르곤이나 헬륨과 같은 안정한 가스를 분위기 가스로 함께 공급하며 그래핀을 성장시킬 수도 있으나, 탄소원의 농도를 높이면서 공정압력이 높아지는 것을 방지하기 위해서는 별도의 분위기 가스를 사용하지 않고 탄소원만을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 반응 시 산화반응을 방지하기 위하여 수소가스와 탄소가스의 혼합물을 반응가스로 주입하는 것이 더욱 바람직하다. As the reaction gas for growth of graphene, at least one gas selected from the group consisting of methane, ethane, propane, acetylene, methanol, ethanol and propanol can be used as the carbon source. In addition, the reaction gas may be supplied with a stable gas such as argon or helium as an atmospheric gas to grow graphene. However, in order to prevent the process pressure from being increased while increasing the concentration of carbon source, Is preferably used. It is further preferable to inject a mixture of hydrogen gas and carbon gas into the reaction gas in order to prevent the oxidation reaction in the reaction.

화학기상증착법에 의해 생성된 그래핀에는 C=O, C-OH와 같은 결합이 존재하는 것으로 보고되어 있다. 상기 그래핀 유래의 산소는 Ti과 결합하여 증착된 그래핀의 안정화에 기여할 것으로 기대된다. 베이스 기판 상에 형성된 Ti층이 공기 중의 산소와 결합하여 티타늄 산화물로 존재하는 경우에는 그래핀을 안정화시킬 수 없으므로, 본 발명에서 상기 그래핀의 증착전에 Ti층의 산화 피막을 환원에 의해 제거하는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다. 산화 피막의 제거는 가열된 상태에서 Ti에 수소가스를 처리하는 것에 의해 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 하기 실시예에서도 Ti을 수소가스로 처리하는 것에 의해 그래핀의 성장 면적이 증가하고, 그래핀의 결정특성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. It has been reported that bonds such as C = O and C-OH exist in graphene produced by chemical vapor deposition. The graphene-derived oxygen is expected to contribute to the stabilization of graphene deposited by bonding with Ti. Since the graphene can not be stabilized when the Ti layer formed on the base substrate is bound to oxygen in the air and is present as titanium oxide, it is possible to remove the oxide film of the Ti layer by reduction before the deposition of the graphene in the present invention As shown in Fig. The removal of the oxide film can be achieved by treating the Ti with hydrogen gas in a heated state, but is not limited thereto. In the following examples, it was confirmed that the treatment of Ti with hydrogen gas increased the growth area of graphene and improved the crystalline properties of graphene.

본 발명의 방법에 의하면 베이스 기판의 투명도나 전도도를 변화시키지 않은 채 Ti 박막을 증착한 후, 기판 상에 그래핀을 직접 성장시키기 때문에 전사과정이 불필요하고 따라서 전사과정에서의 기계적 결함 발생에 대한 우려가 없다. 기판 상에 그래핀의 패턴을 생성하고자 하는 경우에도 티타늄의 증착 또는 그래핀의 증착 시 마스킹을 형성하는 것에 의해 식각과 같은 추가적인 공정이 없어도 용이하게 패턴 형성이 가능하다.
According to the method of the present invention, since the grains are directly grown on the substrate after the Ti thin film is deposited without changing the transparency or the conductivity of the base substrate, a transfer process is unnecessary and thus, there is a concern about the occurrence of mechanical defects in the transfer process There is no. Even if a pattern of graphene is desired to be formed on a substrate, it is possible to easily form a pattern even if there is no additional process such as etching by forming masking when depositing titanium or graphene.

본 발명은 또한 상기 방법에 의해 제작되는 것으로, 베이스 기판; 베이스 기판 상에 스퍼터링에 의해 증착된 3~20nm 두께의 Ti층; 및 Ti층 상에 화학기상증착법에 의해 증착된 그래핀층;으로 이루어진 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 소자에 관한 것이다. 상기 기판은 별도의 전사과정 없이 화학기상증착법에 의해 기판 상에 그래핀이 직접 성장된 것으로 기계적 결함이 최소화되고, 전기적 특성이 우수하여 보다 안정적인 전기적 특성을 나타낸다. The present invention is also produced by the above method, comprising: a base substrate; A 3 to 20 nm thick Ti layer deposited by sputtering on a base substrate; And a graphene layer deposited on the Ti layer by a chemical vapor deposition method. Since the graphene is directly grown on the substrate by a chemical vapor deposition method without a separate transfer process, the substrate is minimized in mechanical defects and exhibits more stable electrical characteristics due to its excellent electrical characteristics.

상기 전기 소자로는 종래 그래핀 접합 소자가 적용되던 모든 소자가 포함됨은 당연하다. 즉, 상기 전기 소자로는 그래핀을 전극으로 이용하는 모든 부품이 해당되며 커패시터, 디스플레이, 유기전계효과 트랜지스터의 전극재료, 태양전지, LED 등을 예로 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
It is a matter of course that all the devices to which the conventional graphene junction device is applied include the electric device. That is, all of the components using graphene as electrodes are examples of the electric device, and examples thereof include, but are not limited to, an electrode material of a capacitor, a display, an organic field effect transistor, a solar cell, and an LED.

이상과 같이 본 발명의 그래핀층 형성 방법에 의하면 베이스 기판의 투명도와 전기적 특성을 변화시키지 않고 Ti 박막으로 표면개질하는 것에 의해 기판 상에 그래핀을 직접 성장시킬 수 있으므로 별도의 전사과정이 필요하지 않아 그래핀의 기계적 결함이 최소화되므로 양질의 그래핀 전기 소자를 제조하는 데에 이용될 수 있다. As described above, according to the method of forming a graphene layer of the present invention, graphene can be grown directly on a substrate by surface modification with a Ti thin film without changing the transparency and electrical characteristics of the base substrate, Mechanical defects of graphene are minimized and can be used to manufacture high quality graphene electrical devices.

또한, 본 발명의 방법에 의하면 기판의 온도가 400℃이하, 특히 150℃의 저온에서도 결정성이 우수한 그래핀이 성장될 수 있으므로 PET와 같은 고분자 재질의 유연성 기판을 베이스 기판으로 사용하여 그래핀층을 직접적으로 성장시킬 수 있으며, 그래핀의 성장과정에서 그래핀 유래의 산소와 Ti층의 결합, Ti층과 기판 유래의 산소의 결합에 의해 기판과 그래핀이 강하게 결합되어 있어 내구성이 우수하므로 최근 관심을 받고 있는 유연성 전기 소자에 더욱 유용하게 활용될 수 있다.
In addition, according to the method of the present invention, since graphene having excellent crystallinity can be grown even at a low temperature of 400 ° C or lower, particularly 150 ° C, a flexible substrate of a polymeric material such as PET is used as a base substrate, It is possible to grow directly, and since graphene is strongly bonded to graphene by bonding of oxygen and Ti layer derived from graphene and bonding of Ti layer and oxygen derived from substrate in the growth process of graphene, The present invention can be more effectively utilized for a flexible electric device that receives a flexible electric device.

도 1은 티타늄 표면의 탄소의 흡착위치 분석 시뮬레이션 결과 도면.
도 2는 티타늄 표면에서 탄소의 표면확산에 소요되는 활성화 에너지의 시뮬레이션 결과 도면.
도 3은 C6고리 형성과 그래핀층 형성에 대한 열역학적 분석 시뮬레이션 결과 도면.
도 4는 Ti(0001) 기판 상에 완전한 Ti-C 격자매칭이 이루어져 그래핀이 성장된 시뮬레이션 결과 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에서 화학기상증착에 사용된 3-zone furnace의 모식도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 온도에 따른 그래핀의 성장 특성을 보여주는 라만 스펙트럼.
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 증착조건에 따른 그래핀의 성장 특성을 보여주는 라만 스펙트럼.
도 8은 작업압력에 따른 그래핀의 성장 특성을 보여주는 라만 스펙트럼 및 그래프.
도 9는 수소처리 시간에 따른 그래핀의 성장 특성을 보여주는 라만 스펙트럼 및 그래프.
도 10은 반응가스 중 수소가스 유입량에 따른 그래핀의 성장 특성을 보여주는 라만 스펙트럼 및 그래프.
도 11은 반응가스 중 메탄가스 유입량에 따른 그래핀의 성장 특성을 보여주는 라만 스펙트럼 및 그래프.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a simulation result of adsorption positional analysis of carbon on titanium surface. FIG.
Figure 2 shows a simulation result of the activation energy required for the surface diffusion of carbon at the titanium surface.
Figure 3 is a thermodynamic analysis simulation result for C6 ring formation and graphene layer formation.
Fig. 4 is a simulation result showing that a complete Ti-C lattice matching is performed on a Ti (0001) substrate to grow graphene.
5 is a schematic diagram of a 3-zone furnace used in chemical vapor deposition in an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a Raman spectrum showing the growth characteristics of graphene according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 7 is a Raman spectrum illustrating the growth characteristics of graphene according to the deposition conditions according to an embodiment of the present invention. FIG.
8 is a Raman spectrum and graph showing the growth characteristics of graphene according to working pressure.
Figure 9 is a Raman spectrum and graph showing the growth characteristics of graphene over time of hydrogen treatment.
10 is a Raman spectrum and a graph showing the growth characteristics of graphene according to the inflow amount of hydrogen gas in the reaction gas.
11 is a Raman spectrum and graph showing the growth characteristics of graphene according to methane gas inflow in the reaction gas.

이하 첨부된 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 이러한 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, these embodiments are merely examples for explaining the content and scope of the technical idea of the present invention, and thus the technical scope of the present invention is not limited or changed. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the technical idea of the present invention based on these examples.

[실시예][Example]

실시예 1 : 밀도함수이론 기반 Ti 표면에서의 그래핀 성장 시뮬레이션Example 1: Simulation of graphene growth on Ti surface based on density function theory

Ti(0001) 결정구조 표면에서 탄소의 흡착 및 표면확산에 의한 그래핀의 성장을 밀도함수이론(DFT, Density functional theory)에 기반하여 시뮬레이션하였다. The growth of graphene due to adsorption and surface diffusion of carbon on the Ti (0001) crystal structure surface was simulated based on density functional theory (DFT).

보다 구체적으로는, 프로젝터 보충파(PAW; projector-augmented-wave) 방법[Phys. Rev. B 50, 17953­17979 (1994)]이 마련된 VASP(Vienna Ab-initio Simulation Package)에서 시행되는 밀도함수이론에 기초하는 제일원리 방법을 이용하였다[Phys. Rev. B 54, 11169­11186 (1996)]. 교환상관성 에너지 함수가 PBE(Perdew-Burke-Ernzerhof) 방법[Phys. Rev. Lett. 77, 3865­3868 (1996)]에서 표준 그래디언트 근사(GGA)와 함께 이용되었으며, 운동에너지 컷오프(cutoff)는 400 eV로 하였다. 그래핀과 Ti의 접합에 대한 전자밀도함수이론 계산은 72개의 탄소원자와 5×5 크기로 Ti(0001) 방향으로 배열된 3층의 티타늄층을 이용하여 수행되었으며 산소의 영향을 판단하는 계산의 경우 37개의 산소원자를 단계적으로 티타늄에 흡착시켜 티타늄을 산화시키면서 진행하였다.
More specifically, a projector-augmented-wave (PAW) method [Phys. Rev. B 50, 1795317979 (1994)], which is based on the density function theory in the Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP) [Phys. Rev. B 54, 1116911186 (1996)). The exchange correlation energy function is determined by the Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) method [Phys. Rev. Lett. 77, 38653868 (1996)) with a kinetic energy cut-off of 400 eV. The electron density function calculation for grafting of graphene and Ti was carried out using three layers of titanium layers arranged in the direction of Ti (0001) with a size of 5 × 5 carbon atoms of 72 carbon atoms. In this case, 37 oxygen atoms were gradually adsorbed on the titanium to oxidize the titanium.

1) 티타늄 표면의 탄소원자의 흡착 위치에 대한 시뮬레이션1) Simulation of adsorption sites of carbon atoms on titanium surface

먼저, 티타늄 표면에 흡착되는 탄소원자의 결합에너지(Ebind)를 흡착 위치별로 시뮬레이션하고, 그 결과를 도 1에 도시하였다. 도 1에서 회색은 티타늄 원자를, 노란색은 탄소원자를 나타낸다. 결합에너지는 티타늄 표면에 탄소원자가 흡착된 상태의 바닥상태 에너지와 티타늄 표면 및 탄소원자 각각의 바닥상태 에너지의 합의 차이로 나타내어진다. 도 1에 도시된 바와 같이 3개의 티타늄 원자가 삼각형 형태로 모여 있으면서 아래 타타늄층이 있는 FCC 지점에서의 결합에너지가 -8.22eV/C atom으로 FCC 지점이 탄소원자의 흡착에 가장 선호되는 지점임을 확인할 수 있다. 이는 티타늄 표면에 그래핀이 생성될 때 탄소원자들이 티타늄 FCC 지점에 위치할 수 있으며 Ti-C 원자들이 형태적으로 잘 매칭됨을 의미한다.
First, the binding energy (E bind ) of carbon atoms adsorbed on the titanium surface was simulated for each adsorption position, and the results are shown in FIG. In Fig. 1, gray represents a titanium atom and yellow represents a carbon atom. The bond energy is expressed as the difference between the sum of the ground state energy of the carbon atom adsorbed on the titanium surface and the ground state energy of each of the titanium surface and the carbon atom. As shown in FIG. 1, it can be confirmed that the FCC site is the most preferred site for adsorption of carbon atoms with the binding energy of -8.22 eV / C atom at the FCC site where the three titanium atoms are gathered in a triangular form and the lower titanium layer is located . This means that when graphene is formed on the titanium surface, the carbon atoms can be located at the titanium FCC point and the Ti-C atoms are morphologically well matched.

2) 티타늄 표면에서 탄소의 표면확산에 의한 그래핀 성장에 대한 시뮬레이션2) Simulation of graphene growth by surface diffusion of carbon on titanium surface

DFT 계산에 의해 티타늄 표면에서 탄소의 표면확산을 시뮬레이션하였다. 도 2는 티타늄 표면에서 탄소의 표면확산에 소요되는 활성화 에너지의 계산 결과로, 확산되는 위치에 따라 최소 0.26eV, 최대 0.56eV의 활성화 에너지가 필요함을 나타낸다. 표 1은 0.56eV의 활성화 에너지를 가지고 확산하는 경우, 증착온도에 따른 탄소의 표면확산 속도를 시뮬레이션 한 결과이다. 표 1에서 300K에서의 탄소의 표면확산 속도는 3.91×102/sec임을 나타내며, 이는 탄소의 양이 충분하다면 저온에서도 탄소가 티타늄의 표면을 확산할 수 있음을 의미한다.The surface diffusion of carbon on the titanium surface was simulated by DFT calculation. FIG. 2 shows the calculation of the activation energy required for the surface diffusion of carbon on the titanium surface, indicating that a minimum activation energy of 0.26 eV and a maximum of 0.56 eV is required depending on the diffused position. Table 1 shows the results of simulating the surface diffusion rate of carbon with the deposition temperature in the case of diffusion with activation energy of 0.56 eV. In Table 1, the surface diffusion rate of carbon at 300 K is 3.91 × 10 2 / sec, which means that carbon can diffuse the surface of titanium even at low temperatures if the amount of carbon is sufficient.

Figure pat00001
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도 3은 DFT 계산을 통한 C6고리 형성과 그래핀층 형성에 대한 열역학적 분석 시뮬레이션 결과를 보여준다. 충분한 양의 탄소가 존재하고 확산에 충분한 시간이 주어진다고 가정할 때, 탄소원자는 티타늄층 표면의 FCC 지점에 흡착된 후 표면확산에 의해 C6고리를 형성한다. C6고리의 형성에너지(Eform)는 총 -1.66eV로 형성된 C6고리가 안정한 상태임을 나타낸다. 이후 C6링이 성장의 핵으로 작용하여 그래핀으로 성장해감에 따라 형성에너지가 점차 감소하는 것으로부터, 지속적인 C의 공급과 확산을 통해 대면적 그래핀으로의 성장이 가능함을 확인할 수 있었다. 도 4는 충분한 양의 C와 충분한 시간이 주어졌을 때 Ti(0001) 기판 상에 완전한 Ti-C 격자매칭이 이루어져 그래핀이 성장된 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
Figure 3 shows the results of a thermodynamic analysis simulation of C6 ring formation and graphene layer formation through DFT calculation. Assuming that a sufficient amount of carbon is present and sufficient time for diffusion is given, the carbon atoms adsorb to the FCC point on the surface of the titanium layer and form the C6 ring by surface diffusion. The formation energy (E form ) of the C6 ring indicates that the C6 ring formed with a total of -1.66 eV is in a stable state. Since the C6 ring acts as nuclei for growth and the formation energy gradually decreases as graphene grows, it can be confirmed that it can grow into large area graphene through continuous supply and diffusion of C. Figure 4 shows a simulation result of graphene growth where a complete Ti-C lattice match is achieved on a Ti (0001) substrate given a sufficient amount of C and sufficient time.

실시예 2 : 티타늄층을 매개로 한 그래핀층의 성장Example 2: Growth of a graphene layer through a titanium layer

1) 스퍼터링에 의한 Ti의 증착1) Deposition of Ti by sputtering

베이스 기판 상에 Ti을 스퍼터링에 의해 증착시켜 기판을 표면 개질하였다. 즉, 베이스 기판으로 SiO2(250nm)/Si 기판 또는 PET(polyethylene terephthalate, 두께 100㎛) 기판을 세척하고 N2 gas를 사용하여 표면의 이물질을 제거하였다. 이후 직경 2인치 Ti 금속 타겟(순도 99.99%)을 사용하여 dc sputtering 방법을 이용하여 상온에서 Ti을 증착하였다. 작업압력은 0.13Pa을 유지하였고, sputtering gas로는 20 sccm(standard cc/min)의 Ar gas를 사용하였으며, Ti 타겟에 dc power 20 W 를 인가하여 1.5 nm/min의 증착속도로 10 nm의 Ti 박막을 증착하였다.
Ti was deposited on the base substrate by sputtering to modify the surface of the substrate. That is, SiO 2 (250 nm) / Si substrate or PET (polyethylene terephthalate, thickness: 100 μm) substrate was washed as a base substrate and N 2 gas was used to remove foreign substances on the surface. Ti was deposited at room temperature using a dc sputtering method using a 2-inch diameter Ti metal target (purity 99.99%). The working pressure was maintained at 0.13 Pa, 20 sccm (standard cc / min) of Ar gas was used as the sputtering gas, and a dc power of 20 W was applied to the Ti target to form a Ti thin film of 10 nm at a deposition rate of 1.5 nm / Respectively.

2) 그래핀 성장온도에 따른 그래핀의 특성 평가 2) Characterization of graphene by graphene growth temperature

도 5에 도시된 3-zone furnace를 이용하여 급속-열적 펄스 화학기상증착(T-CVD, thermal chemical vapor deposition)법에 의해 1)에서 제조된 Ti(10nm)/SiO2(250nm)/Si 기판 상에 그래핀층을 형성하였다. 3-zone furnace는 반응가스가 유입되는 입구측에 가열장치가 있어, 반응가스의 열분해에 의해 C원자가 생성된다. furnace는 초입만 가열이 되기 때문에 입구로부터 멀어질수록 온도가 낮아지므로 기판의 위치에 의해 반응온도를 조절할 수 있다. 예를 들어 Si 기판이나 유리와 같이 열에 강한 기판은 고온 영역 또는 중온 영역에, 고분자 재질의 유연성 기판과 같이 열안정성이 낮은 기판은 저온 영역에 위치시켜 기판 상에 C원자의 증착 시의 반응온도를 조절할 수 있다. (10 nm) / SiO 2 (250 nm) / Si substrate prepared in 1) by rapid thermal pulse chemical vapor deposition (T-CVD) using the 3-zone furnace shown in FIG. 5 To form a graphene layer. In the 3-zone furnace, there is a heating device at the inlet side where the reaction gas is introduced, and C atoms are generated by pyrolysis of the reaction gas. Since the furnace is heated only at the beginning of the furnace, the temperature decreases as the furnace moves away from the inlet, so the reaction temperature can be controlled by the position of the substrate. For example, a heat-resistant substrate such as a Si substrate or glass is placed in a high temperature region or a middle temperature region, and a substrate having a low thermal stability such as a flexible substrate made of a polymer material is placed in a low temperature region, Can be adjusted.

Ti층 상에서 그래핀의 성장을 확인하기 위하여, 반응가스로 CH4:H2 = 50:50 sccm을 흘려주었으며, CH4가스는 5℃/min 승온속도로 공정온도 1000℃에서 분해시켰다. Ti의 표면산화막을 제거하기 위해 승온시간동안 50 sccm의 H2가스를 흘려주었다. 증착압력은 200 mTorr를 유지하였으며 기판의 위치를 조절하는 것에 의해 900, 800, 400 및 150℃에서 각각 2시간동안 증착하였다.To confirm the growth of graphene on the Ti layer, CH 4 : H 2 = 50: 50 sccm was flowed as a reaction gas, and CH 4 gas was decomposed at a process temperature of 1000 ° C at a rate of 5 ° C / min. In order to remove the surface oxide film of Ti, H 2 gas of 50 sccm was flowed during the temperature rise time. The deposition pressure was maintained at 200 mTorr and deposition was carried out at 900, 800, 400 and 150 ° C for 2 hours, respectively, by adjusting the position of the substrate.

상기 방법에 의해 생성된 기판 상에 그래핀이 성장되었음을 확인하기 위하여 Raman 스펙트럼을 측정하고 그 결과를 도 6에 도시하였다. 도 6에 도시된 바와 같이 저온인 150℃에서는 그래핀이 성장되지 않았지만 400℃ 이상에서는 G peak와 2D peak가 존재함을 통해 니켈이나 구리 촉매금속 없이 고온에서 Ti층 위에서 그래핀이 성장 가능하다는 것을 확인하였다. 특히 400℃에서도 그래핀이 생성됨을 통하여 저온성장의 가능성을 확인하였다. 약 1581 cm-1에서 sharp 하게 형성되어 있는 G peak는 Ti층 상에 성장된 그래핀이 우수한 결정성을 가지고 있음을 나타내며, 약 2704 cm-1에서 shift 없이 sharp하게 형성된 2D peak를 통해 상기 방법에 의해 증착된 C가 Ti층 위에 graphite가 아닌 그래핀으로 성장하였음을 확인할 수 있었다.
The Raman spectrum was measured to confirm that graphenes were grown on the substrate produced by the above method, and the results are shown in FIG. As shown in FIG. 6, graphene does not grow at a low temperature of 150 ° C., but G peak and 2D peak exist at a temperature of 400 ° C. or higher, indicating that graphene can grow on a Ti layer at a high temperature without nickel or copper catalyst metal Respectively. Especially, graphene was formed at 400 ℃, which confirmed the possibility of low - temperature growth. The G peak, which is formed at about 1581 cm -1 , shows that the graphene grown on the Ti layer has excellent crystallinity, and the 2D peak formed at about 2704 cm -1 without sharp shift C was deposited on the Ti layer as graphene instead of graphite.

실시예 3 : 그래핀의 저온성장 및 특성평가Example 3: Low temperature growth and characterization of graphene

유연성 기판과 같이 열안정성이 낮은 고분자 기판에 그래핀을 성장시키기 위해서는 저온에서의 성장이 필수적이다. 이에, 증착 조건에 따른 그래핀의 성장 특성을 평가하여 그래핀의 저온성장 가능성을 확인하였다.In order to grow graphene on a polymer substrate such as a flexible substrate having low thermal stability, it is essential to grow at a low temperature. Thus, the growth characteristics of graphene by deposition conditions were evaluated to confirm the possibility of low temperature growth of graphene.

투명하고 유연한 PET 기판위에 그래핀을 성장시키기 위해 실시예 2의 1)에 기재된 방법에 따라 제작된 Ti(10 nm)/PET 기판을 사용하여 2)와 동일한 방법으로 열적 화학기상증착(T-CVD, thermal chemical vapor deposition)법으로 그래핀을 제조하였다. CH4가스는 5℃/min 승온속도로 공정온도 1100℃ 에서 분해시켰으며, Ti의 표면산화막을 제거하기 위해 승온시간동안 50 sccm의 H2가스를 흘려주었다. 반응시간동안 증착온도 150℃, 증착압력 300 mTorr를 유지하였으며, 반응가스의 조성 및 유속을 CH4:H2=60:150, 100:200 또는 200:100 sccm으로 흘려주는 조건에서 각각 그래핀을 성장시켰다.(10 nm) / PET substrate fabricated according to the method described in 1) of Example 2 was used to grow graphenes on a transparent and flexible PET substrate by thermal chemical vapor deposition (T-CVD) in the same manner as in 2) , thermal chemical vapor deposition) method. The CH 4 gas was decomposed at a process temperature of 1100 ° C at a rate of 5 ° C / min. In order to remove the surface oxide film of Ti, a flow rate of 50 sccm of H 2 gas was applied during the temperature rise time. During the reaction time, the deposition temperature was maintained at 150 ° C and the deposition pressure was maintained at 300 mTorr. The composition and flow rate of the reaction gas were adjusted to CH 4 : H 2 = 60: 150, 100: 200, or 200: 100 sccm, Lt; / RTI >

도 7은 상기 방법에 의해 Ti층 위에 증착된 C의 Raman 스펙트럼이다. 도 7로부터 성장온도 150℃, CH4:H2=60:150 조건에서는 그래핀이 생성되지 않음을 알 수 있다. 그러나 CH4의 비율과 유속이 증가함에 따라 CH4:H2=100:200 조건에서 peak의 shift가 수반되기는 하였으나 G, 2D peak의 생성이 확인되어, 그래핀의 결정성이나 품질이 떨어지기는 하지만 기판 상에 그래핀이 성장하였음을 나타내었다. CH4의 비율과 유속을 더 증가시킨 CH4:H2=200:100의 조건에서 성장된 그래핀은 ~1582 cm-1에서 sharp 하게 형성되어 있는 G peak를 통하여 우수한 결정성을 가지고 있음을 확인할 수 있으며, ~2704 cm-1에서 shift 없이 sharp하게 형성된 2D peak를 통해 저온에서 상기 방법에 의해 열분해된 C가 PET 고분자 기판의 Ti층 위에 graphite가 아닌 그래핀으로 성장하였음을 확인할 수 있었다.Figure 7 is the Raman spectrum of C deposited on the Ti layer by the above method. 7, it can be seen that graphene is not generated under the growth temperature of 150 ° C and CH 4 : H 2 = 60: 150. However, as the ratio with the flow rate of CH 4 increases CH 4: H 2 = 100: Although Although accompanied by a shift of the peak in the 200 condition G, have determined the generation of the 2D peak, yes albeit crystallinity and quality of the pin, but Indicating that graphene was grown on the substrate. CH 4 ratio and which further increase the flow rate of CH 4: H 2 = 200: The graphene growth under the conditions of 100 was confirmed that has excellent crystallinity through the G peak, which is formed in the sharp at ~ 1582 cm -1 It was confirmed that the C pyrolyzed by the above method at a low temperature was grown on the Ti layer of the PET polymer substrate as graphene instead of graphite, through the 2D peak formed at ~ 2704 cm -1 without shift at a temperature of ~ 2704 cm -1 .

이에, 저온에서도 결정성이 우수한 그래핀층을 형성할 수 있도록, 증착조건별로 그래핀의 성장에 미치는 영향을 파악하였다.
The effect of graphene growth on the growth of graphene was investigated in order to form a graphene layer with excellent crystallinity even at low temperatures.

1) 작업압력에 따른 그래핀의 성장 특성 평가1) Evaluation of growth characteristics of graphene according to working pressure

실시예 2의 1)에 기재된 방법에 따라 제작된 Ti(10 nm)/SiO2/Si 기판을 사용하여 2)와 동일한 방법으로 그래핀을 성장시켰다. CH4가스는 5℃/min 승온속도로 공정온도 1100℃ 에서 분해시켰으며, Ti의 표면산화막을 제거하기 위해 승온시간 중 750℃에서 240분동안 10 sccm의 H2가스를 흘려주었다. 반응시간동안 증착온도는 150℃로 유지하였으며, 반응가스의 조성 및 유속을 CH4:H2=1:10 sccm으로 흘려주며 2시간동안 증착하였다. 작업압력이 각각 5, 10, 50 mTorr인 조건에서 그래핀을 성장시켰다. Graphene was grown in the same manner as in 2) using a Ti (10 nm) / SiO 2 / Si substrate produced according to the method described in 1) of Example 2. CH 4 gas was decomposed at a process temperature of 1100 ° C at a rate of 5 ° C / min. In order to remove the surface oxide film of Ti, 10 sccm of H 2 gas was flown at 750 ° C for 240 minutes during the temperature rise time. During the reaction time, the deposition temperature was maintained at 150 ° C and the composition and flow rate of the reaction gas were flowed at a ratio of CH 4 : H 2 = 1: 10 sccm for 2 hours. Graphene was grown under the conditions that the working pressure was 5, 10, and 50 mTorr, respectively.

도 8은 상기 방법에 의해 형성된 그래핀층의 라만 스펙트럼과, 그래핀의 성장 면적 및 라만 스펙트럼 상에 관측된 피크 특성을 보여주는 그래프이다. 도 8에서 작업압력이 낮을수록 그래핀의 성장 면적이 증가할 뿐 아니라, 결정성이 우수한 그래핀층이 형성됨을 알 수 있다.
FIG. 8 is a graph showing the Raman spectrum of the graphene layer formed by the above method, the growth area of graphene, and the peak characteristics observed on the Raman spectrum. In FIG. 8, it can be seen that as the working pressure is lower, the growth area of graphene is increased and a graphene layer having excellent crystallinity is formed.

2) Ti층의 전처리 시간에 따른 그래핀의 성장 특성 평가2) Evaluation of growth characteristics of graphene by pretreatment time of Ti layer

Ti의 표면산화막을 제거하기 위한 H2 가스의 처리 시간을 750℃에서 각각 60, 120, 180 및 240분으로 조절한 것을 제외하고는 상기 1)과 동일한 방법에 의해 그래핀을 성장시켰다. 작업압력은 5 mTorr로 유지하였다. Graphene was grown by the same method as in 1) except that the treatment time of the H 2 gas for removing the surface oxide film of Ti was adjusted to 60, 120, 180 and 240 minutes at 750 ° C, respectively. The working pressure was maintained at 5 mTorr.

도 9는 수소처리 시간에 따라 형성된 그래핀의 특성을 보여주는 라만 스펙트럼과, 그래핀의 성장 속도 및 라만 스펙트럼 상에 관측된 피크 특성을 보여주는 그래프이다. 도 9에서 수소의 처리시간이 증가함에 따라 그래핀의 성장 면적이 크게 증가함을 알 수 있으며, 수소 처리시간이 짧은 경우에는 라만 스펙트럼의 시그널이 약하지만, 수소 처리시간이 증가함에 따라 시그널의 강도가 증가하여 깨끗한 스펙트럼을 얻을 수 있어 결정성이 증가함을 알 수 있었다.
9 is a graph showing the Raman spectrum showing the characteristics of graphene formed according to the hydrogen treatment time and the peak characteristics observed on the growth rate and Raman spectrum of graphene. In FIG. 9, it can be seen that the growth area of the graphene increases with the increase of the hydrogen treatment time. When the hydrogen treatment time is short, the signal of the Raman spectrum is weak. However, as the hydrogen treatment time increases, And it was found that the crystallinity was increased because a clear spectrum was obtained.

3) 반응 가스의 조성에 따른 그래핀의 성장 특성 평가3) Evaluation of growth characteristics of graphene according to the composition of reaction gas

(1) 반응가스 중 수소 유입량 증가에 따른 그래핀의 성장 특성 평가(1) Evaluation of growth characteristics of graphene with increase of hydrogen inflow in reaction gas

반응가스의 조성 및 유속을 CH4:H2=1:10, 1:20, 1:30 및 1:40 sccm으로 조절한 것을 제외하고는 상기 1)과 동일한 방법에 의해 그래핀을 성장시켰다. 작업압력은 10 mTorr로 유지하였다. Graphene was grown in the same manner as in 1) except that the composition and flow rate of the reaction gas were adjusted to CH 4 : H 2 = 1: 10, 1:20, 1:30 and 1:40 sccm. The working pressure was maintained at 10 mTorr.

도 10은 반응가스 중 수소 유입량 증가에 따라 형성된 그래핀의 특성을 보여주는 라만 스펙트럼과, 그래핀의 성장 속도 및 라만 스펙트럼 상에 관측된 피크 특성을 보여주는 그래프이다. 도 10에서 탄소원인 CH4의 유입량을 고정시키고, 수소의 유입량만을 증가시킴에 따라 그래핀의 성장속도는 점차 감소하였으며 CH4:H2=1:40 sccm인 경우 그래핀의 성장 면적이 급격히 감소하였다. 생성된 그래핀의 라만 특성 또한 수소의 유입이 증가함에 따라 감소하였으며, CH4:H2=1:40 sccm의 조건에서 형성된 그래핀은 라만 스펙트럼의 시그널이 약해진 것을 확인할 수 있었다.
10 is a graph showing the Raman spectrum showing the characteristics of graphene formed according to the increase of the hydrogen inflow of the reaction gas and the peak characteristics observed on the growth rate and Raman spectrum of graphene. And also secure the flow rate of the carbon source is CH 4 at 10, in accordance with the increase of only the hydrogen inflow yes growth speed of the pin was gradually reduced CH 4: H 2 = 1: the case of 40 sccm Yes sharply reduced growth area of the pin Respectively. The Raman properties of the resulting graphene decreased with increasing hydrogen uptake, and graphene formed under the condition of CH 4 : H 2 = 1: 40 sccm showed weak Raman spectral signal.

(2) 반응가스 중 탄소원 유입량 증가에 따른 그래핀의 성장 특성 평가(2) Evaluation of growth characteristics of graphene with increasing carbon source in reaction gas

반응가스의 조성 및 유속을 CH4:H2=1:10, 3:10, 5:10 및 10:10 sccm으로 조절한 것을 제외하고는 상기 1)과 동일한 방법에 의해 그래핀을 성장시켰다. 작업압력은 10 mTorr로 유지하였다. Graphene was grown in the same manner as in 1) except that the composition and flow rate of the reaction gas were adjusted to CH 4 : H 2 = 1:10, 3:10, 5:10, and 10:10 sccm. The working pressure was maintained at 10 mTorr.

도 11은 반응가스 중 탄소원인 메탄가스의 유입량 증가에 따라 형성된 그래핀의 특성을 보여주는 라만 스펙트럼과, 그래핀의 성장 속도 및 라만 스펙트럼 상에 관측된 피크 특성을 보여주는 그래프이다. 도 11에서 CH4의 유입량이 증가함에 따라 그래핀의 성장 면적이 크게 감소하고, 형성된 그래핀의 라만특성 또한 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 11 is a graph showing the Raman spectrum showing the characteristics of graphene formed according to the increase of the flow rate of methane gas as the carbon source in the reaction gas and the peak characteristics observed on the growth rate and Raman spectrum of graphene. Yes Raman properties of graphene significant decrease in the growth area of the pin, formed as the influx amounts of CH 4 also increased from 11 was also confirmed that the decrease rapidly.

Claims (8)

(A) 베이스 기판 상에 스퍼터링에 의해 3~20nm 두께의 Ti층을 증착하는 단계;와
(B) 상기 증착된 Ti층 상에 화학기상증착법에 의해 그래핀을 성장시키는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 무전사식 그래핀층의 형성 방법.
(A) depositing a 3 to 20 nm thick Ti layer on the base substrate by sputtering; and
(B) growing graphene on the deposited Ti layer by chemical vapor deposition;
Wherein the graphene layer is formed on the substrate.
제 1 항에 있어서,
상기 베이스 기판은 유리, SiO2 또는 구조 내 산소원자가 함유된 합성수지인 것을 특징으로 하는 무전사식 그래핀층의 형성 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the base substrate is glass, SiO 2, or a synthetic resin containing oxygen atoms in the structure.
제 1 항에 있어서,
상기 (B) 단계는 기판의 온도가 150~900℃인 조건에서 화학기상증착법에 의해 그래핀을 성장시키는 것을 특징으로 하는 무전사식 그래핀층의 형성 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step (B) comprises growing graphene by chemical vapor deposition at a substrate temperature of 150 to 900 占 폚.
제 3 항에 있어서,
상기 (B) 단계는 기판의 온도가 150~400℃인 조건에서 화학기상증착법에 의해 그래핀을 성장시키는 것을 특징으로 하는 무전사식 그래핀층의 형성 방법.
The method of claim 3,
Wherein the step (B) comprises growing graphene by a chemical vapor deposition (CVD) process at a substrate temperature of 150 to 400 ° C.
제 4 항에 있어서,
상기 (B) 단계의 화학기상증착법에 의한 그래핀의 성장 시 작업압력이 10 mTorr 이하인 것을 특징으로 하는 무전사식 그래핀층의 형성 방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the working pressure during the growth of graphene by chemical vapor deposition in the step (B) is 10 mTorr or less.
제 1 항에 있어서,
상기 그래핀의 증착전 수소가스로 Ti층을 처리하는 것을 특징으로 하는 무전사식 그래핀층의 형성 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the Ti layer is treated with hydrogen gas before deposition of the graphene.
제 1 항에 있어서,
상기 화학기상증착법에서 반응가스는 탄소원으로 메탄, 에탄, 프로판, 아세틸렌, 메탄올, 에탄올 및 프로판올로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상과, 수소가스의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 무전사식 그래핀층의 형성 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the reaction gas in the chemical vapor deposition method is a carbon source and is made of a mixture of at least one selected from the group consisting of methane, ethane, propane, acetylene, methanol, ethanol and propanol, and hydrogen gas.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 방법에 의해 형성된 그래핀층을 포함하여,
베이스 기판;
베이스 기판 상에 스퍼터링에 의해 증착된 3~20nm의 Ti층; 및
Ti층 상에 화학기상증착법에 의해 증착된 그래핀층;
으로 이루어진 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 소자.
8. A method of manufacturing a semiconductor device comprising a graphene layer formed by the method of any one of claims 1 to 7,
A base substrate;
A 3 to 20 nm Ti layer deposited by sputtering on a base substrate; And
A graphene layer deposited on the Ti layer by chemical vapor deposition;
≪ / RTI > wherein the substrate comprises a substrate.
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