KR20170043472A - Low-temperature transfer method of graphene - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for producing a substrate to which a graphene thin film having a clean surface free from polymer residue is transferred by using a polymer-mediated graphene transfer process; a method for removing a polymer from a graphene surface without residue; a method for forming a polymer pattern on graphene; a method for fixing a polymer layer on graphene so that a polymer layer may not be removed during the treatment with an organic solvent; and an electric/electronic device comprising a substrate to which a graphene thin film having a clean surface free from polymer residue is transferred. According to the present invention, the metal surface state of a metal-containing layer which increases the surface energy of a graphene thin film on the metal-containing layer is determined, and then conditions for changing the metal-containing layer into the thus determined metal surface state are determined.

Description

그래핀 저온 전사방법{LOW-TEMPERATURE TRANSFER METHOD OF GRAPHENE}{LOW-TEMPERATURE TRANSFER METHOD OF GRAPHENE}

본 발명은 고분자 매개성 그래핀 전사법을 이용하되, 고분자 잔류물 없는 깨끗한 표면을 가진 그래핀 박막이 전사된 기재(substrate)를 제조하는 방법; 그래핀 표면으로부터 잔류물 없이 고분자를 제거하는 방법; 그래핀 상 고분자 패턴 형성 방법; 유기용매 처리시 고분자층이 제거되지 않도록 그래핀 상에 고분자 층을 고정하는 방법; 및 고분자 잔류물 없는 깨끗한 표면을 가진 그래핀 박막이 전사된 기재를 포함하는 전기전자소자에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a substrate on which a graphene thin film having a clean surface without a polymer residue is transferred by using a polymer-mediated graphen transcription method; A method of removing a polymer from a graphene surface without a residue; A method of forming a graphene polymer pattern; A method of fixing the polymer layer on the graphene so that the polymer layer is not removed during the organic solvent treatment; And a substrate on which a graphene thin film having a clean surface without a polymer residue is transferred.

그래핀 및 다른 2차원 전이금속 디칼로게니드(dichalcogenide) (TMDC) 재료는 높은 비표면적, 화학적 안정성, 기계적 강도, 유연성, 높은 전기전도도의 관점에서 최근 몇 년 동안 상당한 관심을 끌고 있다. Graphene and other two-dimensional transition metal dichalcogenide (TMDC) materials have received considerable interest in recent years in terms of high specific surface area, chemical stability, mechanical strength, flexibility and high electrical conductivity.

특히, 그래핀은 탄소원자들이 육각형의 배열을 이루면서 원자 한층 두께를 갖는 투명한 전도성 물질이다. 그래핀은 구조적, 화학적으로 매우 안정적일 뿐만 아니라, 뛰어난 광학적, 전기적, 기계적 성질 때문에 2010년에 노벨상을 받는 재료가 되었고 현재 많은 주목을 받고 있는 물질이다. 그래핀은 원자 크기 두께를 가지며 이상적인 2차원 물질이기 때문에 전기, 디스플레이, 에너지 소자에서 많은 가능성을 가지고 있다. 특히, 그래핀은 가시광선에서 아주 높은 광투과성을 가지고 있으며, 휠 수 있기 때문에 휠 수 있는 투명 전극으로서 또한 많은 각광을 받고 있다. In particular, graphene is a transparent conductive material with a layer thickness of atoms, with the carbon atoms forming a hexagonal arrangement. Graphene is not only very structurally and chemically stable, it is also a material that has received the Nobel Prize in 2010 due to its outstanding optical, electrical and mechanical properties and is now attracting much attention. Graphene has many possibilities in electricity, display and energy devices because it has an atomic-size thickness and is an ideal two-dimensional material. In particular, graphene has a very high light transmittance in visible light and is also attracting much attention as a transparent electrode that can be turned because it can be wheeled.

이러한 원자 한층 두께의 그래핀을 응용 소자에 적용하기 위해 진행되는 그래핀 전사공정에서, 폴리메타크릴산메탈(PMMA), 폴리스티렌(PS), 포토레지스터(PR) 등의 지지층 역할을 하는 고분자가 반드시 필요하다. 이와 함께 지지층 역할을 다한 고분자를 그래핀으로부터 제거하는 공정이 필요하다.Polymers acting as support layers of polymethacrylate metal (PMMA), polystyrene (PS), photoresist (PR) and the like must be surely used in the graphene transfer process to apply such grafts need. In addition, there is a need for a process to remove the polymer that acts as a support layer from graphene.

종래에는 아세트산 및 아세톤, 클로로폼 등의 유기용매를 사용하여 그래핀에 코팅된 고분자를 제거하였다. 그러나, 일반적인 벌크(Bulk) 상태의 고분자와는 다르게 그래핀과 맞닿아 있는 얇은 분자막 상태의 고분자는 상기 유기용매에 잘 녹지 않아 제거가 어려웠다. 이러한 이유로, 종래의 공지된 기술 대부분에서는 200℃ 이상에서의 수소 또는 진공 분위기 하에서 수 십여분 이상의 열처리를 통한 후처리로 그래핀에 코팅된 고분자를 제거하고자 하였다.Conventionally, graphene-coated polymers are removed using organic solvents such as acetic acid, acetone, and chloroform. However, unlike a general bulk polymer, a polymer with a thin molecular film, which is in contact with graphene, was not easily dissolved in the organic solvent and thus was difficult to remove. For this reason, in the prior art, many attempts have been made to remove graphene-coated polymers by post-treatment through heat treatment at a temperature of 200 ° C or higher in hydrogen or a vacuum atmosphere for several tens of minutes or more.

하지만, 이러한 열처리를 통한 후처리 공정은 추가적인 비용이 많이 소요될 뿐만 아니라, 앞으로 기술이 발전될 방향인 유연소자의 기판과도 부합하지 않는다. 유연소자의 제작 공정 시 일반적으로 사용되는 기판 (PS, PE, PU 등)이 견디는 녹는점 및 유리전이 온도보다 높은 300℃ 근처에서 수행되기 때문이다.However, the post-treatment process through such heat treatment is not only costly but also incompatible with the substrate of the flexible device, which is the direction in which the technology will be developed in the future. This is because the substrate (PS, PE, PU, etc.) generally used in the manufacturing process of the flexible device is carried out at a temperature near 300 ° C., which is higher than the melting point and the glass transition temperature.

JPJP 2013-5301242013-530124 AA

본 발명의 목적은 열처리 등 추가적인 후처리 공정 없이 일반적인 고분자 제거방법에 의해서도 그래핀 상에 고분자 잔류물을 남기지 않는 그래핀 전사방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a graphene transfer method that does not leave a polymer residue on graphene even by a general polymer removal method without any additional post-treatment such as heat treatment.

본 발명의 제1양태는 고분자 매개성 그래핀 전사법을 이용하되, 고분자 잔류물 없는 깨끗한 표면을 가진 그래핀 박막이 전사된 기재(substrate)를 제조하는 방법에 있어서, 순서대로 금속 함유 층; 그래핀 박막; 및 고분자층을 구비한 복합체를 형성하는 제1단계; 상기 금속 함유 층 상(上) 그래핀 박막의 표면에너지를 증가시키는, 금속 함유 층의 금속 표면 상태로 변하는 것을 억제하는 저온 조건하에, 금속 함유 층을 제거하는 제2단계; 및 상기 금속 함유 층이 제거된 그래핀 박막 및 고분자층을 구비한 복합체를 기재에 전사한 후 고분자를 제거하는 제3단계를 포함하는 것이 특징인 그래핀 박막이 전사된 기재의 제조방법을 제공한다.A first aspect of the present invention is a method for producing a substrate on which a graphene thin film having a clean surface without a polymer residue is transferred using a polymer-mediated graphene transfer process, comprising the steps of: Graphene thin film; And a polymer layer; A second step of removing the metal-containing layer under a low-temperature condition in which the surface energy of the graphene thin film on the metal-containing layer (upper) is increased and the metal-containing layer is prevented from changing to a metal surface state; And a third step of transferring the complex containing the metal-containing layer to the substrate, and then removing the polymer, wherein the graft film and the polymer layer are removed. .

본 발명의 제2양태는 그래핀 표면으로부터 잔류물 없이 고분자를 제거하는 방법에 있어서, 순서대로 금속 함유 층; 그래핀 박막; 및 고분자층을 구비한 복합체를 형성하는 단계; 상기 금속 함유 층 상(上) 그래핀 박막의 표면에너지를 증가시키는 금속 함유 층의 금속 표면 상태를 결정하고, 상기 결정된 금속 표면 상태로 금속 함유 층이 변하지 아니하는 조건을 결정하는 단계; 고분자층이 완전히 제거될 때까지, 이전단계에서 결정된 조건으로, 금속 함유 층; 그래핀 박막; 및 고분자층을 구비한 복합체를 유지관리하는 단계; 및 고분자층을 제거하는 단계를 포함하는 것이 특징인 그래핀 상 고분자 제거 방법을 제공한다.A second aspect of the present invention is a method for removing a polymer from a graphene surface without residues, comprising the steps of: Graphene thin film; And a polymer layer; Determining a metal surface state of the metal-containing layer that increases the surface energy of the graphene thin film on the metal-containing layer, and determining a condition that the metal-containing layer does not change in the determined metal surface state; Until the polymer layer is completely removed, under the conditions determined in the previous step, a metal-containing layer; Graphene thin film; And maintaining a complex comprising the polymer layer; And removing the polymer layer. The present invention also provides a method for removing graphene polymer.

본 발명의 제3양태는 그래핀 상 고분자 패턴 형성 방법에 있어서, 순서대로 금속 함유 층; 그래핀 박막; 및 고분자층을 구비한 복합체를 형성하는 A단계; 상기 금속 함유 층 상(上) 그래핀 박막의 표면에너지를 증가시키는 금속 함유 층의 금속 표면 상태로 변화시키는 조건에서 상기 복합체를 처리하는 B단계; 및 고분자층 일부를 제거하여 그래핀 상에 고분자 패턴을 형성하는 C단계를 포함하되, 상기 고분자 패턴에 해당하는 패턴으로 금속 함유 층을 상기 복합체 내에 형성하거나, 상기 고분자 패턴에 해당하는 금속 함유 층 부위에서만 그래핀 박막의 표면에너지를 증가시키는 상기 금속 표면 상태로 변화시킴으로써, 그래핀 상에 상기 고분자 패턴에 해당하는 고분자 층을 고정하여, C단계에서 고분자층 제거 시 그래핀 상에 고분자 패턴을 형성시키는 것이 특징인 그래핀 상 고분자 패턴 형성 방법을 제공한다.In a third aspect of the present invention, there is provided a method for forming a graphene polymer pattern, comprising: sequentially forming a metal-containing layer; Graphene thin film; And a step of forming a composite having a polymer layer; (B) treating the composite under conditions that change the surface state of the metal-containing layer to increase the surface energy of the graphene thin film on the metal-containing layer; And a step C for forming a polymer pattern on the graphene by removing a part of the polymer layer, wherein a metal-containing layer is formed in the composite in the pattern corresponding to the polymer pattern, or a metal- The polymer layer corresponding to the polymer pattern is fixed on the graphene by changing the state of the metal surface to increase the surface energy of the graphene thin film to form a polymer pattern on the graphene when the polymer layer is removed in Step C The present invention also provides a method for forming a graphene-based polymer pattern.

본 발명의 제4양태는 유기용매 처리시 고분자층이 제거되지 않도록 그래핀 상에 고분자 층을 고정하는 방법에 있어서, 순서대로 금속 함유 층; 그래핀 박막; 및 고분자층을 구비한 복합체를 형성하는 단계; 상기 금속 함유 층 상(上) 그래핀 박막의 표면에너지를 증가시키는 금속 함유 층의 금속 표면 상태를 결정하고, 상기 결정된 금속 표면 상태로 금속 함유 층을 변화시키는 조건을 결정하는 단계; 및 이전 단계에서 결정된 금속 표면 상태로 금속 함유 층을 변화시키는 조건하에 금속 함유 층; 그래핀 박막; 및 고분자층을 구비한 복합체를 처리하여 그래핀 상에 고분자 층을 고정하는 단계를 포함하는 것이 특징인 그래핀 상 고분자층 고정 방법을 제공한다.In a fourth aspect of the present invention, there is provided a method of fixing a polymer layer on a graphene so that a polymer layer is not removed during an organic solvent treatment, Graphene thin film; And a polymer layer; Determining a metal surface state of the metal-containing layer that increases the surface energy of the graphene thin film on the metal-containing layer, and determining a condition for changing the metal-containing layer to the determined metal surface state; And a metal-containing layer under conditions that change the metal-containing layer to a metal surface state determined in a previous step; Graphene thin film; And a step of fixing the polymer layer on the graphene by treating the composite with the polymer layer.

본 발명의 제5양태는 제1양태에 따라 제조된, 그래핀 박막이 전사된 기재를 포함하는 전기전자소자를 제공한다.A fifth aspect of the present invention provides an electric / electronic device comprising a base material onto which a graphene thin film is transferred, produced according to the first aspect.

이하, 본 발명을 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

지금까지, 그래핀에 대한 광범위한 연구에도 불구하고, 고분자-매개성 전사(polymer-mediated transfers) 또는 패턴화를 위한 고분자 코팅이 관여하는 다양한 응용에 그래핀이 사용되는 경우 중요한 고분자(예, PMMA)-그래핀 상호작용에 관한 보고가 거의 없다. So far, despite extensive research into graphene, important polymers (such as PMMA) have been reported to be used when graphene is used in a variety of applications involving polymer-mediated transfers or polymer coatings for patterning, - There is very little reporting of graphene interaction.

이론 상 그래핀은 불활성이기 때문에 어떤 화학적 결합을 형성하지 않음에도 불구하고, 많은 실험 결과로부터, 용매로 제거할 수 없는 고분자 잔류물이 이들 계(systems)에 분명히 존재한다는 것이 잘 알려져 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 많은 연구에도 불구하고, 그 원인을 규명하기 위한 노력은 거의 없었다. Despite the fact that graphene in theory does not form any chemical bonds because it is inert, from many experimental results it is well known that polymer residues that can not be removed with solvents are clearly present in these systems. Despite many studies to address these problems, little effort has been made to identify the cause.

본 발명은 PMMA/그래핀/구리 구조에서 그래핀 상으로의 고분자 흡착에 기여하는 주요인들을 규명하였다. The present invention has identified the main contributors to the polymer adsorption from the PMMA / graphene / copper structure to the graphene phase.

일반적으로, 구리 호일로부터 임의의 기재(substrate)로 그래핀을 전사하는 방법은 3개의 단계; i) 스핀-코팅 단계, ii) 어닐링 단계, iii) 구리 에칭 및 세척 단계가 관여한다. 만일 스핀 코팅 단계에서 PMMA가 그래핀에 결합한다면, 이는 PMMA와 그래핀 사이에 강한 상호작용에 기인한다고 생각될 수 있다. 그러나, 실시예 1을 통해 제1 스핀-코팅 단계의 무관성을 확인하였다. 한편, 어닐링 단계 및 에칭 단계가 고분자 흡착을 야기한다면, 각각 열 에너지 및 구리 에칭 관련 공정에 기인한 것으로 생각된다. 실시예 2 및 3을 통해, 어닐링 단계 및 에칭 단계의 조건들이 그래핀 표면 상에 고분자 잔류물 문제를 야기할 수 있는 주요 인자인 것을 발견하였다. 특히, PMMA/그래핀/Cu 호일 시스템에 어닐링을 하지 않았음에도 불구하고, 구리 에칭 및 세척 단계에서도 여전히 잔류물이 있다는 것을 발견하였다. Generally, a method of transferring graphene from a copper foil to a substrate is performed in three steps; i) a spin-coating step, ii) an annealing step, iii) a copper etching and cleaning step. If PMMA binds to graphene in the spin-coating step, it can be thought that this is due to strong interaction between PMMA and graphene. However, in Example 1, the irrelevance of the first spin-coating step was confirmed. On the other hand, if the annealing step and the etching step lead to polymer adsorption, respectively, it is thought to be due to thermal energy and copper etching related processes. Through Examples 2 and 3, it was found that the conditions of the annealing step and the etching step were the main factors that could cause polymer residue problems on the graphene surface. In particular, it has been found that, despite not annealing the PMMA / graphene / Cu foil system, there is still residue in the copper etching and cleaning steps.

연구 결과, 본 발명자들은 그래핀 하부의 구리 표면의 물리적 및/또는 화학적 상태가 그래핀에 PMMA를 결합시키는 데 결정적인 역할을 한다는 것을 발견하였다. 상온에서 에칭된 구리표면은 저온에서 에칭된 구리표면과 물리적으로 다른 양상을 보일 뿐만 아니라, 화학적으로도 상이한 조성을 갖는다. 요컨대, 이와 같은 물리적 상태 (표면 거칠기) 및/또는 화학적 상태 (구리의 산화상태 또는 표면의 결함상태)가 고분자 흡착을 유도하며, 이와 같은 구리의 결함이 주요한 인자라는 것을 발견하였다. As a result of the study, the present inventors have found that the physical and / or chemical state of the copper surface under graphene plays a crucial role in binding PMMA to graphene. The copper surface etched at room temperature not only physically differs from the etched copper surface at low temperatures, but also has a chemically different composition. In short, it has been found that such physical states (surface roughness) and / or chemical states (oxidation state of copper or defective states of the surface) induce the adsorption of the polymer, and such defects of copper are a major factor.

금속 표면 상태에 따라 금속 물질이 그 상부에 인접한 그래핀 상에 고분자 흡착과 같은 상호작용을 유도 또는 변화시킨다는 놀라운 발견에 기초하여, 본 발명은 그래핀과 해당 고분자의 상호작용을 유도 또는 변화시킬 수 있는 금속 함유 층의 금속 표면 상태를 결정하고, 상기 금속 표면 상태로 변화 또는 유지 또는 억제시킬 수 있도록 각 공정 단계에 적절한 처리 조건을 결정하는 것이 특징이다. Based on the surprising discovery that the metal material induces or changes interactions such as polymer adsorption on the graphene adjacent to the top of the metal depending on the state of the metal surface, the present invention can induce or change the interaction of the graphene and the polymer The metal surface state of the metal-containing layer is determined, and processing conditions suitable for each process step are determined so as to change, maintain or suppress the metal surface state.

또한, 본 발명은 그래핀 하부의 금속 함유층의 표면 상태가 그래핀의 상부 표면에너지를 조절할 수 있다는 것을 발견한 것에 다른 특징이 있다. The present invention is also characterized in that it has been found that the surface state of the metal-containing layer under graphene can control the upper surface energy of the graphene.

또한, 본 발명은 그래핀과 해당 고분자의 상호작용을 유도 또는 변화시킬 수 있는 금속 함유 층의 금속 표면 상태를, 금속 표면 상태에 따른 금속 함유 층 상(上) 그래핀 박막의 표면에너지 변화, 특히 표면에너지 증가로부터 결정할 수 있다는 것을 발견한 것에 또다른 특징이 있다.In addition, the present invention relates to a metal-containing layer capable of inducing or changing the interaction between graphene and a corresponding polymer, by changing the surface energy of the metal-containing layer (upper) But can be determined from surface energy increase.

표면에너지는 모든 물질 사이의 계면이 가지고 있는 계면의 고유 특성이다. 표면에너지가 더 높은 상태는 반응성이 크다고 할 수 있다. 이 표면에너지가 높다는 것은 표면이 불안정해서 표면 면적을 줄이거나, 다른 표면과 접촉하고자 하는 경향이 커진다.Surface energy is an intrinsic property of the interface that the interface between all materials has. When the surface energy is higher, the reactivity is high. This high surface energy means that the surface is unstable, reducing the surface area or increasing the tendency to contact other surfaces.

액체 방울의 접촉각 측정을 통해 고체의 표면에너지를 측정할 수 있다. 예컨대, 표면에너지의 변화는 수접촉각의 변화로 측정가능하다. 친수 표면은 물이 표면 위에서 잘 퍼지는 표면을 의미한다.The surface energy of the solid can be measured by measuring the contact angle of the droplet. For example, a change in surface energy can be measured by a change in the water contact angle. A hydrophilic surface means a surface on which water spreads well on the surface.

또한, 본 발명은, 상기 확인된 금속 표면 상태와 처리 조건을 이용하여, 그래핀 상에 고분자의 흡착을 억제하거나, 고분자를 고정시킬 수 있다. 예컨대, Cu 표면 거칠기 및 결함 상태는 그래핀 상에 PMMA 흡착 정도를 결정하는 주요 인자이므로, 이에 기초하여, 본 발명에서는 에칭 속도를 낮추어 고분자 흡착을 억제하고자 한다. 이는 냉각기에서 에칭 공정을 수행하는 시스템의 온도를 낮춤으로써 달성될 수 있다(도 8). 따라서, 본 발명은 이러한 발견을 이용하여, "아이스 에칭법(ice etching method)"또는 "아이스 전사법(ice transfer method) 을 실행함으로써 PMMA 잔존물 없는 그래핀 전사 공정을 설계하였다. Further, in the present invention, adsorption of the polymer on the graphene can be suppressed or the polymer can be fixed using the above-identified metal surface state and treatment conditions. For example, Cu surface roughness and defect states are main factors for determining the degree of PMMA adsorption on graphenes, and thus, in the present invention, the etching rate is lowered to suppress the adsorption of the polymer. This can be achieved by lowering the temperature of the system performing the etching process in the chiller (FIG. 8). Therefore, the present invention has made use of this discovery to design a graft transfer process free of PMMA residues by executing an "ice etching method" or an "ice transfer method.

본 발명에서 개발한 아이스 전사법은 기재 종류 및 구조에 상관없이 다양한 기재에 응용할 수 있으며, 도 5에는 일반적이지 아니한 기재에 그래핀을 전사한 예가 나타나 있다. AAO 템플레이트는 300℃보다 높은 온도에서 어닐링을 견딜 수 없는 기재의 전형적인 예이며, 최소 배선폭(feature size)이 큰 폭으로 변화하면서 높은 형상비(aspect ratio) 구조들을 가진다. 그래핀 표면들로부터 고분자를 제거하는 이전 방법들은 열적 어닐링 및 기계적 세척 단계와 같은 2가지 접근법이 있다. 그러나, 낮은 유리전이온도로 인해 PET 과 같은 고분자 기재 상에 열적 어닐링을 수행하기는 어렵고, AAO 와 같은 나노구조 또는 고 컨트라스트(high contrast) 기재들은 본질적으로 기계적 세척법 사용을 어렵게 한다. 최근 고분자 보호막을 필요로 하지 않는 정전기법, 프레스 법 등의 전사방법이 개발되었음에도 불구하고 고분자 보호막을 이용하는 전사방법이 반드시 필요한 이유이기도 하다.The ice transfer method developed by the present invention can be applied to various substrates irrespective of the type and structure of the substrate, and an example in which graphene is transferred to a substrate which is not general in FIG. 5 is shown. The AAO template is a typical example of a substrate that can not withstand annealing at temperatures higher than 300 DEG C and has a high aspect ratio structure with a large minimum width of feature size. Prior approaches to removing polymers from graphene surfaces have two approaches, such as thermal annealing and mechanical cleaning steps. However, due to the low glass transition temperature, it is difficult to perform thermal annealing on polymeric substrates such as PET, and nanostructured or high contrast substrates such as AAO essentially make it difficult to use mechanical cleaning methods. In recent years, although a transfer method such as an electrostatic technique or a press method which does not require a polymer protective film has been developed, a transfer method using a polymeric protective film is also necessary.

따라서, 본 발명의 또다른 특징은 상기 금속 함유 층 상(上) 그래핀 박막의 표면에너지를 증가시키는 금속 함유 층의 물리/화학적 상태로 변하는 것을 억제하는 저온 조건하에 금속 함유 층을 제거하는 것이다. 이때, 저온 조건은 4℃ 이하이면서 금속 함유 층을 제거하는 용액의 어는점 이상일 수 있다.Accordingly, another feature of the present invention is to remove the metal-containing layer under low temperature conditions that inhibit the physical / chemical state of the metal-containing layer which increases the surface energy of the (upper) graphene film on the metal-containing layer. At this time, the low-temperature condition may be 4 ° C or lower and higher than the freezing point of the solution for removing the metal-containing layer.

<< 그래핀Grapina 표면으로부터 잔류물 없이 고분자 제거> Polymer removal without residue from surface>

본 발명에 따라 고분자 매개성 그래핀 전사법을 이용하되, 고분자 잔류물 없는 깨끗한 표면을 가진 그래핀 박막이 전사된 기재(substrate)를 제조하는 방법은According to the present invention, there is provided a method for producing a substrate on which a graphene thin film having a clean surface without polymer residue is transferred by using a polymer-mediated graphene transfer method

순서대로 금속 함유 층; 그래핀 박막; 및 고분자층을 구비한 복합체를 형성하는 제1단계; A metal-containing layer; Graphene thin film; And a polymer layer;

상기 금속 함유 층 상(上) 그래핀 박막의 표면에너지를 증가시키는, 금속 함유 층의 금속 표면 상태로 변하는 것을 억제하는 저온 조건하에, 금속 함유 층을 제거하는 제2단계; 및 A second step of removing the metal-containing layer under a low-temperature condition in which the surface energy of the graphene thin film on the metal-containing layer (upper) is increased and the metal-containing layer is prevented from changing to a metal surface state; And

상기 금속 함유 층이 제거된 그래핀 박막 및 고분자층을 구비한 복합체를 기재에 전사한 후 고분자를 제거하는 제3단계를 포함한다.And a third step of transferring the complex having the thin film and the polymer layer from which the metal-containing layer has been removed to a substrate and then removing the polymer.

또한, 제1단계는, 금속 함유 층 상에 형성된 그래핀 박막의 표면에 고분자층 형성시, 금속 함유 층 상(上) 그래핀 박막의 표면에너지를 증가시키는 금속 함유 층의 금속 산화 상태로 변하는 것을 억제하는 저온 조건하에 고분자층을 형성시키거나, 상기 금속 함유 층; 그래핀 박막; 및 고분자층을 구비한 복합체에 대해 상기 금속 함유 층 상(上) 그래핀 박막의 표면에너지를 증가시키는 금속 함유 층의 금속 산화 상태로 변화를 야기하는 고온 어닐링을 수행하지 않는 것일 수 있다.The first step is to change the metal oxide state of the metal-containing layer which increases the surface energy of the upper (upper) graphene thin film on the surface of the graphene thin film formed on the metal-containing layer Forming a polymer layer under a low-temperature condition in which the metal-containing layer; Graphene thin film; Containing layer that increases the surface energy of the (upper) graphene thin film on the metal-containing layer (s) with respect to the composite comprising the polymeric layer and the polymer layer.

한편, 본 발명에 따라 그래핀 표면으로부터 잔류물 없이 고분자를 제거하는 방법은Meanwhile, according to the present invention, a method of removing a polymer from a graphene surface without residues

순서대로 금속 함유 층; 그래핀 박막; 및 고분자층을 구비한 복합체를 형성하는 단계; A metal-containing layer; Graphene thin film; And a polymer layer;

상기 금속 함유 층 상(上) 그래핀 박막의 표면에너지를 증가시키는 금속 함유 층의 금속 표면 상태를 결정하고, 상기 결정된 금속 산화 상태로 금속 함유 층이 변하지 아니하는 조건을 결정하는 단계;Determining a metal surface state of the metal-containing layer that increases the surface energy of the graphene thin film on the metal-containing layer, and determining a condition that the metal-containing layer does not change to the determined metal oxide state;

고분자층이 완전히 제거될 때까지, 이전단계에서 결정된 조건으로, 금속 함유 층; 그래핀 박막; 및 고분자층을 구비한 복합체를 유지관리하는 단계; 및Until the polymer layer is completely removed, under the conditions determined in the previous step, a metal-containing layer; Graphene thin film; And maintaining a complex comprising the polymer layer; And

고분자층을 제거하는 단계를 포함한다.And removing the polymer layer.

상기 조건으로는 온도 조건 뿐만아니라, 공정속도 및 산화처리제와 같은 반응제 종류 등이 있을 수 있다.The conditions may include not only the temperature condition but also the kind of reactants such as process speed and oxidizing agent.

이때, 상기 복합체를 유지관리하는 단계는 상기 결정된 조건에서 금속 함유 층; 그래핀 박막; 및 고분자층을 구비한 복합체로부터 금속 함유 층을 제거하는 단계를 포함하는 것일 수 있다. At this time, the step of maintaining the composite may include: providing a metal-containing layer in the determined condition; Graphene thin film; And removing the metal-containing layer from the composite having the polymer layer.

또한, 고분자층 제거 단계 이후, 금속 함유 층; 및 그래핀 박막을 구비한 복합체로부터 금속 함유 층을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.Further, after the step of removing the polymer layer, a metal-containing layer; And removing the metal-containing layer from the composite having the graphene thin film.

상기 금속 함유 층 상(上) 그래핀 박막의 표면에너지를 증가시키는 금속 함유 층의 금속 표면 상태, 예컨대 표면 거칠기는, 그래핀 상에 유기물질이 잘 붙을 수 있는 표면 거칠기 범위 또는 표면 거칠기와 잘 붙지 않는 거칠기의 범위를 그래핀에 인가되는 스트레인이 포화되는 구간의 곡률반경이 최대치일 경우를 고려하여 결정할 수 있다.The metallic surface state of the metal-containing layer, for example, the surface roughness, which increases the surface energy of the graphene thin film on the metal-containing layer (upper), closely matches the surface roughness range or surface roughness The range of the roughness which can not be determined can be determined in consideration of the case where the radius of curvature of the section where the strain applied to the graphene is saturated is the maximum value.

본 발명에서 금속 함유 층이 구리 호일인 경우, 구리 호일 상 그래핀 박막의 표면에너지를 증가시키는 구리의 표면은 그래핀에 스트레인을 인가하는 굴곡들이 존재하거나 결함을 갖는다. In the present invention, when the metal-containing layer is a copper foil, the surface of the copper that increases the surface energy of the graphene thin film on the copper foil has defects or bends that apply strain to the graphene.

상기 금속 함유 층이 구리 호일인 경우, 구리 호일과 그래핀 박막 사이의 표면에너지를 증가시키는 구리의 표면 상태는 10 나노미터 이상, 바람직하게는 500 나노미터 이상의 거칠기를 가질 수 있다(도 3c). 반면, 상기 금속 함유 층이 구리 호일이고, 구리 호일 상 그래핀 박막을 독립시켜(그래핀이 바닥에 붙어있지 않고 떠있는 상태임) 고분자 및 기타 유무기 물질의 흡착을 방해하는 구리의 표면 상태는 표면 거칠기가 대략 5-10 나노미터일 수 있다.When the metal-containing layer is a copper foil, the surface state of copper which increases the surface energy between the copper foil and the graphene thin film may have a roughness of 10 nanometers or more, preferably 500 nanometers or more (FIG. On the other hand, the metal-containing layer is a copper foil, and the surface state of copper, which interferes with adsorption of polymers and other organic substances, is independent of the graphene film on the copper foil (graphene is not attached to the bottom) The surface roughness can be about 5-10 nanometers.

구리 결함의 예로 CuII 와 같은 구리의 산화상태가 있다. CuI 는 그래핀의 표면에너지에 영향을 적게 미친다.An example of copper defects is the oxidation state of copper, such as Cu II . Cu I less affects the surface energy of graphene.

금속의 표면 상태를 변화시켜 그래핀 표면에 유기물질이 더 잘 붙도록 해주는 금속의 다양한 결함 예로 본 발명 양태에서 제시한 매우 거친 금속표면, 또는 이종원소 등이 포함된 금속 표면 및 어떤 형태이든지 원래 상태의 금속 표면에 비해 에너지적으로 불안정한 표면이 이에 해당할 수 있다.Various defects of the metal which cause the surface of the metal to change the surface of the graphene so that the organic material adheres to the surface of the graphene more easily. For example, the very rough metal surface or the metal surface including the heteroelement, Which may be an energy-unstable surface compared to the metal surface of the metal.

그래핀은 뛰어난 신축성, 유연성 및 투명도를 동시에 가지면서도 상대적으로 간단한 방법으로 합성 및 패터닝이 가능하다.Graphene can be synthesized and patterned in a relatively simple manner while having excellent stretchability, flexibility and transparency.

테이프를 이용하여 흑연에서 그래핀을 떼어내는 방법으로 질 좋은 그래핀을 얻을 수 있다. 또한, 강산을 이용하여 산화된 그래파이트(graphite oxide)를 물과 같은 용매에 분산하여 그래핀 시트(sheet)를 만들 수 있다. 또한, 구리(Cu), 니켈(Ni) 등의 촉매를 이용하여 기상으로 그래핀을 합성하는 화학기상성장(chemical vapor deposition; CVD) 방법으로 양질의 그래핀을 대량으로 합성할 수 있다. A good graphene can be obtained by removing graphene from graphite using a tape. Also, graphite oxide can be dispersed in a solvent such as water using a strong acid to form a graphene sheet. In addition, a large amount of high quality graphene can be synthesized by a chemical vapor deposition (CVD) method in which graphene is synthesized in a vapor phase using a catalyst such as copper (Cu) or nickel (Ni).

본 명세서에서 "그래핀 박막" 은 복수개의 탄소원자들이 서로 공유결합으로 연결되어 폴리시클릭 방향족 분자를 형성하는 그래핀이 층 또는 시트 형태를 형성한 것이다. 상기 공유결합으로 연결된 탄소원자들은 기본 반복단위로서 6 원환을 형성하나, 5 원환 및/또는 7 원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 따라서, 상기 그래핀 박막은 서로 공유 결합된 탄소원자들(통상 sp2 결합)의 단일층으로서 보이게 된다. 상기 그래핀 박막은 다양한 구조를 가질 수 있으며, 이와 같은 구조는 그래핀 내에 포함될 수 있는 5 원환 및/또는 7 원환의 함량에 따라 달라질 수 있다. 상기 그래핀 박막은 그래핀의 단일층으로 이루어질 수 있으나, 이들이 여러 개 서로 적층되어 복수층을 형성하는 것도 가능하다.As used herein, a "graphene thin film" is one in which a plurality of carbon atoms are covalently linked to one another to form a polycyclic aromatic molecule, wherein the graphene forms a layer or sheet form. The carbon atoms linked by the covalent bond may form a 6-membered ring as a basic repeating unit, but may further include a 5-membered ring and / or a 7-membered ring. Thus, the graphene thin film appears as a single layer of covalently bonded carbon atoms (usually sp2 bonds) to each other. The graphene thin film may have various structures, and such a structure may vary depending on the content of the 5-membered ring and / or the 7-membered ring which may be contained in the graphene. The graphene thin film may be formed of a single layer of graphene, but they may be stacked to form a plurality of layers.

또한, 그래핀 박막은 그래핀들이 적층되어 있는 그래파이트, 단일층 그래핀, 다층 그래핀, 그래핀 옥사이드, 그래파이트 옥사이드 등과 같은 단일층 또는 다층 그래핀 또는 그래파이트 산화물, 그래핀 플루라이드(graphene fluoride), 술폰기(SO3H) 등의 기능기를 가지는 그래핀, 그래파이트 기능기화물 또는 그 환원물, 합성을 통해 제조된 그래핀 또는 그래파이트, 팽창된 그래파이트로부터 박리된 그래핀 등과 같이 그래핀 또는 그래파이트 등의 2차원 구조의 탄소 동소체, 디도데실디메틸암모니움브로마이드(didodecyldimethylammoniumbromide)화된 그래핀, 페닐이소시아네이트화된 그래파이트 옥사이드, 알킬아민화된 그래핀 등과 같이 단분자, 저분자, 고분자 그래핀 또는 그래파이트, 은(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 등의 파티클 등으로 기능기화된 그래핀류 및 그래파이트류를 모두 포함할 수 있다.Further, the graphene thin film may be a single layer or multilayer graphene or graphite oxide such as graphene laminated graphite, single layer graphene, multilayer graphene, graphene oxide, graphite oxide, etc., graphene fluoride, Graphene having a functional group such as sulfone group (SO 3 H), graphene functional group or its reduced product, graphene or graphite prepared through synthesis, graphene peeled off from expanded graphite or the like, graphene or graphite Low molecular weight, high molecular weight graphene or graphite, silver (Au) particles such as a two-dimensional carbon isotope, didodecyldimethylammonium bromide graphene, phenylisocyanate graphite oxide, alkylaminated graphene, , Platinum (Pt), palladium (Pd), and the like, and graphene Can be included.

그래핀 박막의 형성방법의 비제한적인 예로는 기계적 박리법, 화학적 박리법, 화학증기 증착법, 에피택시 합성법, 유기 합성법 등이 있으며, 바람직하게는 화학기상성장법(chemical vaper deposition) 등으로 성장시킨 그래핀일 수 있다. Examples of the method of forming the graphene thin film include a mechanical peeling method, a chemical peeling method, a chemical vapor deposition method, an epitaxy synthesis method, an organic synthesis method, etc. Preferably, the graphene thin film is grown by chemical vapor deposition It can be a pin.

한편, 금속 함유 층은 그래핀 형성 촉매역할을 수행하여, 금속 함유층상에 그래핀을 합성시킬 수 있다. 즉, 상기 금속 함유 층은 그래핀 성장용 금속 촉매층일 수 있다. 상기 그래핀 성장용 금속 촉매층은 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, Fe, 황동(brass), 청동(bronze), 스테인레스 스틸(stainless steel), Ge, 이들의 조합일 수 있다. On the other hand, the metal-containing layer serves as a graphene formation catalyst, and graphene can be synthesized on the metal-containing layer. That is, the metal-containing layer may be a metal catalyst layer for growing graphene. Wherein the metal catalyst layer for graphene growth comprises at least one of Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, Fe, Brass, Bronze, stainless steel, Ge, or a combination thereof.

그래핀 성장용 금속 촉매층 상에 그래핀 형성시 사용되는 탄소 소스의 비제한적인 예는 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 부틸렌, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 펜틴, 펜타디엔, 사이클로펜탄, 사이클로펜타디엔, 헥산, 헥센, 사이클로헥산, 사이클로헥사디엔, 벤젠, 톨루엔 및 이들의 조합 등이 있다.Non-limiting examples of carbon sources for use in forming graphene on a metal catalyst layer for graphene growth include carbon monoxide, carbon dioxide, methane, ethane, ethylene, ethanol, acetylene, propane, propylene, butane, butylene, butadiene, pentane, , Pentene, pentadiene, cyclopentane, cyclopentadiene, hexane, hexene, cyclohexane, cyclohexadiene, benzene, toluene, and combinations thereof.

상기 그래핀 성장용 금속 촉매층은 탄소 소스와 접촉함으로써 탄소 소스로부터 제공된 탄소성분들이 서로 결합하여 6 각형의 판상 구조를 형성하도록 도와주는 역할을 수행한다. The metal catalyst layer for graphene growth helps to form a hexagonal plate-like structure by bonding carbon components provided from a carbon source by contacting with a carbon source.

기재 상에 금속 함유 층, 특히 그래핀 성장용 금속 촉매층 형성시, 당업계에 공지된 다양한 증착 방법, 예를 들어, 전자-빔 증착, 열증착, 스퍼터링 방법 등에 의하여 형성될 수 있다. 상기 기재가 금속 호일인 경우 상기 기재 상에 상기 금속 함유 층을 추가로 형성할 필요가 없으며, 특히 그래핀 성장 촉매용 금속 호일인 경우 상기 기재 상에 직접 그래핀을 형성할 수 있다. 상기 금속 호일의 비제한적인 예는, 알루미늄 호일, 아연 호일, 구리 호일, 니켈 호일, 루세늄 호일, 금 호일 또는 백금 호일일 수 있다. 금속 호일의 두께는 0.1~100 ㎛ 일 수 있다.When forming a metal-containing layer on a substrate, in particular, a metal catalyst layer for graphen growth, various deposition methods known in the art can be used, for example, electron-beam evaporation, thermal evaporation, sputtering and the like. If the substrate is a metal foil, it is not necessary to further form the metal-containing layer on the substrate. In the case of a metal foil for a graphene growth catalyst, graphene can be directly formed on the substrate. Non-limiting examples of the metal foil may be aluminum foil, zinc foil, copper foil, nickel foil, ruthenium foil, gold foil or platinum foil. The thickness of the metal foil may be 0.1 to 100 탆.

상기 복합체 내 금속 함유 층은 박막 또는 후막일 수 있으며, 예들 들어, 박막인 경우 그의 두께는 약 1 nm 내지 약 1000 nm, 또는 약 1 nm 내지 약 500 nm, 또는 약 1 nm 내지 약 300 nm일 수 있으며, 또한, 후막인 경우 그의 두께는 약 1 mm 내지 약 5 mm 일 수 있다.The metal-containing layer in the composite can be a thin film or a thick film, for example, if it is a thin film, its thickness can be from about 1 nm to about 1000 nm, or from about 1 nm to about 500 nm, or from about 1 nm to about 300 nm And, in the case of a thick film, its thickness may be from about 1 mm to about 5 mm.

상기 그래핀 박막의 두께는 약 1층 내지 약 300층일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The thickness of the graphene thin film may be about 1 to about 300, but is not limited thereto.

상기 금속 함유 층의 두께는 0.1~10㎛인 것이 바람직하다. 0.1 ㎛ 미만이면 그래핀 성장이 원활하게 이루어지지 않으며, 10 ㎛ 초과이면 후속 금속 에칭 공정에 시간과 비용이 많이 소요될 수 있다. The thickness of the metal-containing layer is preferably 0.1 to 10 mu m. If it is less than 0.1 탆, graphene growth can not be smoothly performed, and if it is more than 10 탆, it may take a lot of time and cost for a subsequent metal etching process.

본 발명에 따른 고분자 매개성 그래핀 전사법에서 사용되는 고분자는, 그래핀 박막 상에 코팅되어 추후 금속 함유 층을 제거하였을 때 그래핀 박막을 지지할 수 있는 역할을 하며, 그래핀의 기계적인 강도를 보강할 수 있다. The polymer used in the polymer-mediated graphene transfer method according to the present invention is coated on the graphene thin film to serve to support the graphene thin film when the metal-containing layer is removed, and the mechanical strength Can be reinforced.

따라서, 고분자 매개성 그래핀 전사법에서 사용되는 고분자의 비제한적인 예로는 폴리다이메틸실록세인(polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리메틸메스아크릴레이트(poly methyl methacrylate; PMMS), 폴리메타크릴산메탈(PMMA), 폴리스티렌(PS), 포토레지스터(PR) 및 폴리카보네이트(PC) 등이 있다.Thus, non-limiting examples of polymers used in the polymer-mediated graphene transcription method include polydimethylsiloxane (PDMS), polymethyl methacrylate (PMMS), polymethacrylate metal (PMMA) ), Polystyrene (PS), photoresist (PR), and polycarbonate (PC).

본 발명에서 고분자층에 사용되는 고분자는 π-전자를 가지는 고분자 화합물일 수 있다. 그래핀의 sp2 전자가 상기 고분자층의 표면에 존재하는 π-전자와의 인력(예: 반 데르 발스 힘 등)에 의하여 상기 고분자층에 결합할 수 있다. 비제한적인 예로는, 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리에틸렌에테르 프탈레이트(polyethylene etherphthalate), 폴리에틸렌 프탈레이트(polyethylene phthalate), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylenenaphthalate), 폴리부틸렌 프탈레이트(polybuthylene phthalate), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리에테르이미드(polyether imide), 폴리에테르술폰(polyether sulfone), 폴리디메틸실록산(polydimethyl siloxane; PDMS), 폴리이미드 및 이들의 조합 등이 있다.In the present invention, the polymer used for the polymer layer may be a polymer compound having? -Electrons. The sp 2 electrons of the graphene can be bonded to the polymer layer by an attractive force (e.g., van der Waals force) with? -Electrons present on the surface of the polymer layer. Non-limiting examples include polyacrylate, polyethylene etherphthalate, polyethylene phthalate, polyethylene naphthalate, polybuthylene phthalate, polycarbonate, For example, polystyrene, polyether imide, polyether sulfone, polydimethyl siloxane (PDMS), polyimide, and combinations thereof.

그래핀 박막 상에 고분자층을 형성하는 방법의 비제한적인 예로는 드로핑(dropping) 코팅방법, 스핀코팅(spincoating) 방법, 저온 기상 증착 방법, 샌드위치 셀에 채워 넣는 방법, 닥터블레이드 (Doctor Blade) 방법, 페인트브러싱 (paint brushing) 방법, 스프레이 코팅 방법, 침지-인상법 (Dip coating) 등이 있다.Non-limiting examples of the method of forming the polymer layer on the graphene thin film include a dropping coating method, a spin coating method, a low temperature vapor deposition method, a method of filling in a sandwich cell, a doctor blade, A paint brushing method, a spray coating method, and a dip coating method.

고분자층의 두께는 기계적 안정성을 가질 수 있도록 50 nm 이상이면서 그래핀에 물리적 압력을 가하지 않도록 최대한 얇게 200 nm 이하일 수 있다.The thickness of the polymer layer may be less than 200 nm to be as thin as possible so as not to apply physical pressure to the graphene with a thickness of more than 50 nm so as to have mechanical stability.

본 발명에서는 그래핀 박막 상에 고분자층을 형성한 후, 상기 금속 함유 층 상(上) 그래핀 박막의 표면에너지를 증가시키는 금속 함유 층의 금속 표면 상태로 변화를 야기하는 고온 어닐링을 수행하지 않는 것이 바람직하다.In the present invention, after the formation of the polymer layer on the graphene thin film, the high-temperature annealing which causes the change of the metal surface state of the metal-containing layer which increases the surface energy of the graphene thin film on the metal- .

본 발명은, 상기 금속 함유 층 상(上) 그래핀 박막의 표면에너지를 증가시키는 금속 함유 층의 금속 표면 상태로 변하는 것을 억제하는 저온 조건하에 금속 함유 층을 제거한다.The present invention removes the metal-containing layer under a low-temperature condition that suppresses the change of the surface state of the metal-containing layer for increasing the surface energy of the (upper) graphene film on the metal-containing layer.

상기 저온 조건은 4℃ 이하, 바람직하게는 0℃ 이하이면서 금속 함유 층을 제거하는 용액의 어는점 이상일 수 있다.The low-temperature condition may be 4 ° C or lower, preferably 0 ° C or lower, or higher than the freezing point of the solution for removing the metal-containing layer.

금속 함유 층은 산, 염, FeCl3 또는 이들의 조합을 포함하는 에칭 용액을 이용한 에칭 공정에 의하여 제거될 수 있다. 상기 금속 에칭 용액은 저온에서 얼지 않는 용액이어야 하며, 따라서 물 기반의 용액에서는 에틸렌 글리콜 등의 부동액을 포함할 수 있다.The metal containing layer may be removed by an etching process using an etching solution comprising an acid, a salt, FeCl 3, or a combination thereof. The metal etching solution should be a solution that does not freeze at low temperatures, and thus may contain an antifreeze such as ethylene glycol in a water-based solution.

본 발명의 제3단계에 따라, 상기 금속 함유 층이 제거된 그래핀 박막 및 고분자층을 구비한 복합체를 기재에 전사하는 경우, 이때 사용되는 기재는 응용분야에 따라 제한없이 선택되어 사용될 수 있으나, 반도체용으로는 실리콘 기판, 전극용으로는 유연한 플라스틱 기판, 투명한 유리기판 등일 수 있다. 상기 기재는 투명성, 유연성, 또는 둘다를 가질 수 있다.According to the third step of the present invention, when the complex containing the metal-containing layer and the polymer layer is transferred onto the substrate, the substrate to be used at this time may be selected and used without limitation, A silicon substrate for a semiconductor, a flexible plastic substrate for an electrode, a transparent glass substrate, or the like. The substrate may have transparency, flexibility, or both.

상기 금속 함유 층이 제거된 그래핀 박막 및 고분자층을 구비한 복합체를 기재에 전사한 후 고분자를 제거할 때 사용가능한 고분자 제거액의 비제한적인 예는 아세트산, 아세톤 또는 클로로폼일 수 있다.Non-limiting examples of the polymer removing solution that can be used in removing the polymer after transferring the composite including the graphene thin film and the polymer layer from which the metal containing layer has been removed to the substrate may be acetic acid, acetone, or chloroform.

한편, 본 발명의 일구체예인 도 6 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 그래핀 전사방법을 단계적으로 설명하면 다음과 같다. 금속 호일(1)의 상부에 화학기상증착을 통해서 그래핀(2)을 형성한다. 상기 그래핀(2) 상부에 고분자(3)를 코팅한다(S10). 형성된 금속 호일(1)/그래핀(2)/고분자(3) 복합막을 4℃ 이하에서 금속 에칭 용액에 담가 금속 호일(1)을 에칭한다(S11). 금속 호일(1)을 에칭하고 난 후 그래핀(2)/고분자(3) 복합막을 원하는 기판(4)에 전사한 후 고분자(3)를 용해한다(S12).6 to 8, the graphene transferring method of the present invention will be described step by step. A graphene 2 is formed on the top of the metal foil 1 through chemical vapor deposition. The polymer 3 is coated on the graphene 2 (S10). The metal foil 1 is etched (S11) by immersing the formed composite foil 1 / graphene 2 / polymer 3 composite film in a metal etching solution at 4 ° C or lower. After the metal foil 1 is etched, the composite membrane of the graphene 2 / polymer 3 is transferred to the desired substrate 4 and the polymer 3 is dissolved (S12).

<< 그래핀Grapina 박막이 전사된 기재를 포함하는 전기전자소자> An electric / electronic element comprising a substrate onto which a thin film is transferred>

본 발명은 본 발명의 전사방법에 의해 제조된 그래핀 전사된 기재를 포함하는 전기전자소자를 제공한다. The present invention provides an electrical and electronic element comprising a graphene transferred substrate produced by the transfer method of the present invention.

상기 전기전자소자의 비제한적인 예로는 반도체 소자, 디스플레이, 태양전지, 배터리, 센서, 전극을 구비한 모든 전기전자소자일 수 있다. Non-limiting examples of the electric / electronic device may include all electric / electronic devices including a semiconductor device, a display, a solar cell, a battery, a sensor, and an electrode.

본 발명에 따라 고분자 잔류물 없는 깨끗한 표면을 가진 그래핀 박막이 전사된 기재는 다양한 용도에 활용할 수 있다. 그래핀의 우수한 전도성 및 투명성으로 인해 투명 전극으로서 사용될 수 있다. According to the present invention, a substrate on which a graphene thin film having a clean surface without a polymer residue is transferred can be used for various purposes. It can be used as a transparent electrode due to its excellent conductivity and transparency.

특히, 그래핀 박막이 전사된 기재는 그래핀 고유의 전기적 특성 및 기계적 특성, 광학적 특성 뿐만 아니라, 뛰어난 신축성, 유연성, 투명도, 및 쉽게 구부러지는 특성을 가지면서도 상대적으로 간단한 방법으로 합성 및 패터닝이 가능하므로, 차세대 플렉시블 전자산업 기술 전반에 사용될 수 있다. In particular, a substrate onto which a graphene thin film is transferred can be synthesized and patterned in a relatively simple manner with excellent electrical properties, mechanical properties, and optical characteristics as well as excellent stretchability, flexibility, transparency, and easy bending properties So it can be used throughout the next generation of flexible electronics industry technology.

또한, 각종 표시소자 등의 패널 전도성 박막으로서 활용하는 경우, 소량으로도 목적하는 전도성을 나타낼 수 있고, 빛의 투과량을 개선하는 것이 가능해진다. In addition, when used as a panel conductive thin film of various display elements or the like, the desired conductivity can be exhibited even in a small amount, and the light transmission amount can be improved.

아울러, 상기 그래핀 박막이 전사된 기재를 튜브 형상으로 제조할 경우 광섬유로도 활용이 가능하며, 수소저장체 혹은 수소를 선택적으로 투과시키는 멤브레인으로서도 활용이 가능하다.In addition, when the substrate on which the graphene thin film is transferred is formed into a tube shape, it can be used as an optical fiber and can be used as a membrane that selectively permeates a hydrogen storage material or hydrogen.

<< 그래핀Grapina  Prize 고분자 층Polymer layer 고정 및 고분자 패턴 형성> Fixation and Polymer Pattern Formation>

금속 표면 상태에 따라 그 상부에 인접한 그래핀 상에 고분자 흡착과 같은 상호작용을 유도 또는 변화시킨다는 발견은 그래핀 상 고분자 층 고정 및 고분자 패턴 형성에도 응용할 수 있다. The discovery that induce or change interactions such as polymer adsorption on the graphene adjacent to the upper part of the metal surface depending on the state of the metal surface can be applied to the formation of graphene polymer layer and polymer pattern formation.

따라서, 본 발명에 따라 유기용매 처리시 고분자층이 제거되지 않도록 그래핀 상에 고분자 층을 고정하는 방법은Therefore, the method of fixing the polymer layer on the graphene so that the polymer layer is not removed during the organic solvent treatment according to the present invention

순서대로 금속 함유 층; 그래핀 박막; 및 고분자층을 구비한 복합체를 형성하는 단계; A metal-containing layer; Graphene thin film; And a polymer layer;

상기 금속 함유 층 상(上) 그래핀 박막의 표면에너지를 증가시키는 금속 함유 층의 금속 표면 상태를 결정하고, 상기 결정된 금속 표면 상태로 금속 함유 층을 변화시키는 조건을 결정하는 단계; 및Determining a metal surface state of the metal-containing layer that increases the surface energy of the graphene thin film on the metal-containing layer, and determining a condition for changing the metal-containing layer to the determined metal surface state; And

이전 단계에서 결정된 금속 표면 상태로 금속 함유 층을 변화시키는 조건하에 금속 함유 층; 그래핀 박막; 및 고분자층을 구비한 복합체를 처리하여 그래핀 상에 고분자 층을 고정하는 단계; 및 A metal-containing layer under the condition of changing the metal-containing layer to the metal surface state determined in the previous step; Graphene thin film; And fixing the polymer layer on the graphene by treating the composite having the polymer layer; And

선택적으로, 그래핀 상 고분자층 고정 단계 이후 금속 함유 층; 그래핀 박막; 및 고분자층을 구비한 복합체로부터 금속 함유 층을 제거하는 단계를 포함한다.Optionally, after the step of fixing the graphene polymer layer, a metal-containing layer; Graphene thin film; And removing the metal-containing layer from the composite having the polymer layer.

또한, 본 발명에 따라 그래핀 상 고분자 패턴 형성 방법은,According to another aspect of the present invention, there is provided a method of forming a graphene polymer pattern,

순서대로 금속 함유 층; 그래핀 박막; 및 고분자층을 구비한 복합체를 형성하는 A단계; A metal-containing layer; Graphene thin film; And a step of forming a composite having a polymer layer;

상기 금속 함유 층 상(上) 그래핀 박막의 표면에너지를 증가시키는 금속 함유 층의 금속 표면 상태로 변화시키는 조건에서 상기 복합체를 처리하는 B단계; 및 (B) treating the composite under conditions that change the surface state of the metal-containing layer to increase the surface energy of the graphene thin film on the metal-containing layer; And

고분자층 일부를 제거하여 그래핀 상에 고분자 패턴을 형성하는 C단계를 포함하되,And a step (C) of removing a part of the polymer layer to form a polymer pattern on the graphene,

상기 고분자 패턴에 해당하는 패턴으로 금속 함유 층을 상기 복합체 내에 형성하거나, A metal-containing layer is formed in the composite in a pattern corresponding to the polymer pattern,

상기 고분자 패턴에 해당하는 금속 함유 층 부위에서만 그래핀 박막의 표면에너지를 증가시키는 상기 금속 표면 상태로 변화시킴으로써, 그래핀 상에 상기 고분자 패턴에 해당하는 고분자 층을 고정하여, C단계에서 고분자층 제거 시 그래핀 상에 고분자 패턴을 형성시키는 것이 특징이다. The polymer layer corresponding to the polymer pattern is fixed on the graphene by changing the state of the metal surface to increase the surface energy of the graphene thin film only in the metal containing layer corresponding to the polymer pattern, And a polymer pattern is formed on the signal graphene.

상기 금속 함유 층이 구리 호일인 경우, 구리 호일과 그래핀 박막 사이의 표면에너지를 증가시키는 구리의 표면 상태는 10 나노미터 이상, 바람직하게는 500 나노미터 이상의 거칠기를 가지거나 표면에 결함(CuII)의 수가 많은 경우이다.When the metal-containing layer is a copper foil, a copper foil and yes surface conditions of the copper to increase the surface energy between the pin thin film is 10 nm or larger, preferably 500 nm defects on the branches or surface meters or more roughness (Cu II ) Is a large number.

본 발명의 그래핀 저온 전사방법에 따르면, 그래핀 저온 전사 공정 기술을 이용하여 차세대 투명 전극재료 중에 각광 받고 있는 물질인 그래핀의 원천 전사 기술을 확보함으로써, 추가적인 처리나 비용없이 대면적으로 완전한 그래핀을 얻을 수 있다.According to the graphene low-temperature transfer method of the present invention, graphene low-temperature transfer process technology can be used to secure the source transfer technology of graphene, which is a spotlight in next-generation transparent electrode materials, The pin can be obtained.

도 1는 실시예 1 및 2에서 PMMA 필름을 도포 및 제거한 후의 그래핀/Cu 호일의 AFM 이미지 및 XPS 분석 결과이다.
도 2는 열처리 온도에 따른 표면에너지 (접촉각) 변화 (a), 열처리 온도에 따른 표면의 PMMA 잔유물 분포도 (b) 및 열처리 온도에 따른 PMMA 입자의 크기를 나타낸다.
도 3은 실시예 3에 따른 SiO2기재 상 그래핀 표면의 AFM 이미지 및 XPS 분석 결과이다.
도 4는 실시예 3에 따른 그래핀 박막의 라만 피크 패러미터들의 스캐터 플롯이다.
도 5(a)는 AAO 템플레이트 상에 전사된 그래핀의 모식도이고, 도 5(b)는 실시예 4에 따라 AAO 기재 상 ice 전사법으로 전사된 그래핀 시트의 SEM 이미지이다. 도 5(c) 및 (d)는 이들 기재 상에 ice 전사법 및 종래 전사법으로 전사된 그래핀 시트들의 AFM 표면 토폴로지(topology) 이미지를 비교한 것이다.
도 6은 본 발명의 일구체예에 따른 그래핀 저온 전사공정에 관한 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일구체예에 따른 그래핀 저온 전사공정을 나타내는 흐름도이다.
도 8은, 본 발명의 일구체에 따른 그래핀 저온 전사공정을 직접 촬영한 사진이다.
FIG. 1 shows AFM images and XPS analysis results of a graphene / Cu foil after application and removal of a PMMA film in Examples 1 and 2. FIG.
FIG. 2 shows changes in the surface energy (contact angle) according to the heat treatment temperature, the distribution of the PMMA residues on the surface according to the heat treatment temperature (b), and the size of the PMMA particles according to the heat treatment temperature.
3 shows the AFM image and XPS analysis results of the graphene surface on the SiO 2 substrate according to Example 3. FIG.
4 is a scatter plot of Raman peak parameters of the graphene thin film according to Example 3. FIG.
FIG. 5 (a) is a schematic view of graphene transferred onto an AAO template, and FIG. 5 (b) is an SEM image of a graphene sheet transferred on an AAO substrate by ice transfer according to Example 4. Figures 5 (c) and 5 (d) compare AFM surface topology images of graphene sheets transferred by ice transfer and conventional transfer onto these substrates.
6 is a schematic view of a graphene low temperature transfer process according to one embodiment of the present invention.
7 is a flowchart showing a graphene low temperature transfer process according to one embodiment of the present invention.
8 is a photograph of a graphene low temperature transfer process according to one embodiment of the present invention.

이하, 하기 실시예 및 실험예에 의하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 하기 실시예 및 실험예 만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples and experimental examples. However, the following Examples and Experimental Examples are for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited by the following Examples and Experimental Examples.

<< 실시예Example 1> 1>

저압 화학 기상 증착법(LPCVD)에 의해 메탄 전구체를 사용하여 가로, 세로의 길이가 모두 6 cm이고, 두께가 25 ㎛인 Cu 호일(Alfa aeser사의 46986, 99.8 % 금속기반) 상에 대면적 그래핀 단층 필름을 합성하였다. 성장 후에 PMMA 필름을 4000 ppm으로 스핀 코팅하여 그래핀/Cu 호일 상에 코팅하였다. PMMA/그래핀/Cu 호일을 아세톤 용액에 넣어 실온에서 15분 동안 PMMA 필름을 제거하였다. On a Cu foil (46986, made by Alfa aeser, based on 99.8% metal) with a length and a length of 6 cm and a thickness of 25 μm using a methane precursor by low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) Film was synthesized. After growth, the PMMA film was spin-coated at 4000 ppm and coated on a graphene / Cu foil. The PMMA / graphene / Cu foil was placed in an acetone solution and the PMMA film was removed at room temperature for 15 minutes.

도 1(a)는 PMMA 필름을 도포 및 제거한 후의 그래핀/Cu 호일의 AFM 이미지이며, 매우 깨끗한 표면을 보여주고 있으며, 이는 그래핀 표면이 화학적으로 안정함을 나타낸다. 동일 시료에 실시된 XPS 분석결과, sp3 탄소 피크 프로파일은 PMMA 필름을 도포하기 전 시료(pristine sample)와 유사하였다(도 1(g) 및 (i)). 이러한 결과들은 흥미롭게도, 그래핀 표면에서 통상 발견되는 PMMA 잔류물이, 그래핀 상 외부 물질의 단순 스핀 코팅법이 아닌, 다른 요인들에 의해 유도됨을 명확히 보여준다. Figure 1 (a) is an AFM image of a graphene / Cu foil after application and removal of the PMMA film, showing a very clean surface, indicating that the graphene surface is chemically stable. As a result of XPS analysis on the same sample, the sp3 carbon peak profile was similar to the pristine sample before application of the PMMA film (Fig. 1 (g) and (i)). These results clearly show that PMMA residues normally found on graphene surfaces are derived by other factors, not by simple spin coating of graphene external material.

<< 실시예Example 2> 2>

실시예 1과 동일한 방법으로 제조된, PMMA/그래핀/Cu 호일을 70℃ ~ 270℃범위 중 50℃ 간격의 온도에서 15분 동안 가열한 다음 아세톤을 사용하여 PMMA를 제거하였다. The PMMA / graphene / Cu foil prepared in the same manner as in Example 1 was heated at a temperature of 50 ° C in the range of 70 ° C to 270 ° C for 15 minutes, and then the PMMA was removed using acetone.

도 1(b) 내지 도 1(f)에서 보는 바와 같이, 170℃ 보다 높은 온도에서는 Cu 표면상에 의사색채법으로 바이올렛(falsely colored violet)으로 나타나는 잔류물 종들이 점차적으로 증가하는 것을 보여준다. 이들 영역의 C 1s 피크 프로파일은 깨끗한 그래핀과 큰 편차를 나타내면서, PMMA 의 전형적인 결합 에너지(~eV)에서 상당한 변화가 있었다. 또한, 흥미롭게도 이들 영역의 Cu 산화 상태는 주로, CuO, Cu(OH)2 및 Cu(COOH)2의 경우와 같이 933.8 eV 에 중심을 둔 결합 에너지를 갖는, CuII이었다. CuII산화 상태를 갖는 부위가 증가함에 따라, 그래핀 상에 흡착된 PMMA의 양 또한 증가하였다. 저온에서 고온으로 갈수록, 그래핀/Cu 호일의 표면 에너지가 조금씩 증가하여, 상대적으로 친수성인 표면을 형성하였다(도 2(a)). 이러한 경향은 온도가 증가함에 따라 산화물 나노입자들의 밀도 및 직경 모두가 도 2(b) 및 (c)에 도시된 바와 같이 증가한다는 사실에 주로 기인한다. 따라서, PMMA 결합을 피하는 방법은 어닐링 온도를 120 ℃를 넘기지 않도록 하는 것이다.As shown in FIGS. 1 (b) to 1 (f), at temperatures above 170 ° C., the residue species appearing as falsely colored violet on the Cu surface gradually increase. The C 1s peak profile of these regions showed significant deviations from the clean graphene, with a significant change in the typical binding energy (~ eV) of PMMA. Also interestingly, the Cu oxidation state in these regions was mainly Cu II , with binding energies centered at 933.8 eV, as was the case for CuO, Cu (OH) 2 and Cu (COOH) 2 . As the number of sites with Cu II oxidation state increased, the amount of PMMA adsorbed on graphene also increased. The surface energy of the graphene / Cu foil gradually increased from a low temperature to a high temperature to form a relatively hydrophilic surface (Fig. 2 (a)). This tendency is mainly due to the fact that as the temperature is increased, both the density and the diameter of the oxide nanoparticles increase as shown in Figs. 2 (b) and 2 (c). Therefore, the method of avoiding PMMA bonding is to prevent the annealing temperature from exceeding 120 캜.

<< 실시예Example 3> 3>

실시예 1과 동일한 방법으로 제조된, PMMA/그래핀/Cu 호일에 대해 어닐링을 하지 않고, 상온에서 구리 에칭 및 세척 단계를 수행한 후 PMMA/그래핀을 SiO2기재 상 전사한 후 아세톤을 사용하여 PMMA를 제거하였다. The PMMA / graphene / Cu foil prepared in the same manner as in Example 1 was subjected to a copper etching and cleaning step at room temperature without annealing, and then the PMMA / graphene was transferred onto the SiO 2 substrate and then acetone was used To remove PMMA.

도 3(a) 및 (b)는 실온에서 PMMA-매개 전사법을 사용하여 그래핀/구리 호일로부터 그래핀을 SiO2기재 상에 전사시킨 이후 SiO2기재 상 그래핀 표면의 AFM 이미지들이다. 상기 도면에서 보는 바와 같이, 거친 표면은 아직도 그래핀 상에 다량의 PMMA 잔류물이 존재한다는 것을 제시한다. 3 (a) and (b) using the intermediate transfer method PMMA- at room temperature for graphene / from the copper foil yes] After transferring the pin on the SiO 2 base material substrate onto SiO 2 Yes are AFM images of the pin surface. As shown in the figure, the rough surface still suggests that there is a large amount of PMMA residue on the graphene.

Cu 에칭 과정의 어떤 부분이 이러한 현상에 관여하는지를 밝히기 위해, Cu 호일을 단시간(약 1분) 동안 에칭하고 그 표면을 SEM 및 XPS로 분석하였다. 에칭된 Cu 표면의 SEM 이미지인 도 3(c)에서 알 수 있듯이, 호일이 상온에서 식각액에 용해될 때 독특한 다면체 미세구조(microstructure)를 형성하여 표면 거칠기에 영향을 준다. 또한, 도 3(d)에 도시된 바와 같이, 열적 어닐링의 경우에서와 마찬가지로, XPS 결과에 따르면, 이들 특징의 화학적 상태는 CuII상태 쪽으로 매우 편향적이었다. 이러한 결과로부터, 전사 과정 동안 Cu 호일의 화학적 에칭이 상온에서 일어날 때, 열적 어닐링과 유사한 방식으로, PMMA 잔류물이 그래핀 상에서 핵형성할 수 있음을 암시한다.To determine what part of the Cu etching process is involved in this phenomenon, the Cu foil was etched for a short time (about 1 minute) and its surface was analyzed by SEM and XPS. As can be seen in FIG. 3 (c), which is an SEM image of the etched Cu surface, when the foil is dissolved in the etchant at room temperature, it forms a unique polyhedral microstructure which affects the surface roughness. Also, as shown in Figure 3 (d), as in the case of thermal annealing, according to the XPS results, the chemical state of these features was highly biased toward the Cu II state. These results suggest that PMMA residues can nucleate on graphene in a manner similar to thermal annealing when the chemical etching of the Cu foil occurs at room temperature during the transfer process.

Cu 표면 상태는 그래핀 상에 PMMA 흡착 속도를 결정하는 주요 인자이다. 따라서, 냉각기에서 에칭 공정을 수행하는 시스템의 온도를 낮춤으로써, 에칭 속도를 낮추어 고분자 흡착을 억제하고자 하였다. The Cu surface state is a major factor in determining the adsorption rate of PMMA on graphene. Therefore, by lowering the temperature of the system for performing the etching process in the cooler, the etching rate was lowered to suppress the adsorption of the polymer.

열화상 이미지들(thermovision images)에 의하면, PMMA/그래핀/구리 호일은 냉각기에서 약 -30℃로 낮은 온도로 냉각되었다. 놀랍게도, "ice etching method"를 사용하여 제조된 SiO2상 그래핀은 매우 깨끗한 표면을 가졌다(도 3(e) 및 (f) 참조). 이러한 결과는 저온에서 에칭된 구리 호일 표면이 비교적 완만하면서 CuII 산화상태의 부존재에 의해 설명될 수 있다. XPS 프로파일에 따르면, 구리 호일이 냉각기에서 에칭될 때, CuI 산화 상태가 주로 발달된다(도 3(h)). 더욱 흥미롭게도, 실온 및 저온에 에칭된 구리 표면의 광택 및 미세 모폴로지는 도 3(c) 및 (g)와 같이 급격히 다른 형상을 보여준다.According to thermovision images, the PMMA / graphene / copper foil was cooled to a low temperature of about -30 ° C in the cooler. Surprisingly, "ice etching method" a SiO 2 phase graphene prepared using had a very clean surface (see Fig. 3 (e) and (f)). These results indicate that the Cu foil surface is relatively gentle at low temperatures and Cu II Can be explained by the absence of the oxidation state. According to the XPS profile, when the copper foil is etched in the chiller, Cu I The oxidation state is mainly developed (Fig. 3 (h)). More interestingly, the gloss and micro-morphology of the copper surface etched at room temperature and at low temperatures shows sharply different shapes as in Figs. 3 (c) and 3 (g).

종래 전사법(25℃에서 에칭) 및 본 발명에 따른 ice 전사법에 의해 각각 제조된 그래핀 박막의 라만 피크 파라미터들의 스캐터 플롯이 도 4(a) 내지 (c)에 도시되어 있다. ice 전사법의 경우 관찰되는 점 찍는 경향 서클(dotted trend circle)의 크기가 작았으며, 이는 데이터 획득점에 무관한 G 및 2D 라만 피크들이 더 균일하다는 것을 나타낸다. Ice 전사된 그래핀에서 피크 위치들 및 FWHM들 모두 편차가 더 작다. 도 4(a)에 도시된 바와 같이, G 피크 및 2D 피크 위치는 오히려 전사방법과 무관한 것으로 보인다. 종래 전사법의 경우 이러한 편차는 더 크나, 평균 피크 위치들은 잘 일치한다. 도 4(b) 및 (c)에서, 종래 전사법의 경우 G 피크 위치 범위가 더 넓은 것은, PMMA 잔류물로부터 나온 n- 또는 p-도핑을 나타낸다. 이러한 경향은 전자-홀 웅덩이로부터의 전하 변동(charge fluctuations)으로 인해 h-BN 기판과 비교했을 때 SiO2기판 상의 라만 피크가 더 넓다는 이전 보고와 잘 일치한다. 또한, ice 전사법에 의해 전사된 그래핀 시트의 경우, 피크 위치 및 FWHM 값들 뿐만 아니라 라만 피크들의 강도들도 도 4 (d) 및 (e)에 도시된 바와 같이 더 균일한 값을 가진다는 것은 중요하다. 즉, 본 발명의 아이스 전사법을 적용하면 상온에서 전사했을 때와 달리 그래핀 표면에 PMMA 잔여물이 존재하지 않는 고유의 그래핀 표면의 특성을 나타내므로 전 영역에 걸쳐 균일한 특성을 보인다. 반면, 상온에서 전사한 그래핀 표면에는 다양한 크기와 양의 PMMA 잔여물이 존재하고, 이들이 그래핀의 특성을 왜곡함으로 다양한 분포를 갖는 라만 피크들이 관측된다. Scatter plots of the Raman peak parameters of the graphene thin films respectively prepared by the conventional transfer method (etching at 25 캜) and the ice transfer method according to the present invention are shown in Figs. 4 (a) to (c). In the case of ice transfer, the observed dotted trend circle was small in size, indicating that the G and 2D Raman peaks independent of the data acquisition point are more uniform. Both the peak positions and the FWHMs in the ice-transferred graphene have a smaller deviation. As shown in Fig. 4 (a), the G peak and the 2D peak position are rather independent of the transfer method. In the case of the conventional transfer method, this deviation is larger, but the average peak positions agree well. In Figs. 4 (b) and 4 (c), in the case of the conventional transfer method, a wider G peak position range indicates n- or p-doping from the PMMA residue. This tendency is in good agreement with previous reports that Raman peaks on SiO 2 substrates are wider than h-BN substrates due to charge fluctuations from electron-hole pools. Also, in the case of the graphene sheet transferred by the ice transfer method, the intensity of Raman peaks as well as peak positions and FWHM values have more uniform values as shown in Figs. 4 (d) and 4 (e) It is important. In other words, the ice transfer method of the present invention shows uniform graphene characteristics over the entire area since the graphene surface exhibits the characteristic of the graphene surface without the PMMA residue on the graphene surface, unlike the case of transferring at room temperature. On the other hand, there are various sizes and amounts of PMMA residues on the surface of graphene transferred at room temperature. Raman peaks with various distributions are observed because they distort the characteristics of graphene.

<실시예 4>< Example 4 >

SiO2기재 대신 AAO(anodic aluminum oxide, 양극처리된 알루미늄 산화물) 템플레이트를 사용한 것을 제외하고는 실시예 3와 동일한 방법으로 ice 전사법을 이용하여 그래핀이 전사된 AAO 기재를 제조하였다. The graft-transferred AAO substrate was prepared by using the ice transfer method in the same manner as in Example 3, except that an AAO (anodic aluminum oxide) template was used instead of the SiO 2 substrate.

도 5(a)는 AAO 템플레이트 상에 전사된 그래핀의 모식도이다. 도 5(b)는 나노 크기의 기공으로 이루어진 AAO 의 SEM 이미지이다. 도 5(c) 및 (d)는 이들 기재 상에 ice 전사법 및 종래 전사법으로 전사된 그래핀 시트들의 AFM 표면 토폴로지(topology) 이미지를 비교한 것이다. 상기 이미지에 나타난 바와 같이, 두 경우 간에 오염도가 뚜렷하게 대조된다. 저온에서 전사된 그래핀 시트는 더 깨끗한 표면을 보여주며, 심지어 AAO 템플레이트의 홀(hole)에서 유래된 긴장(strain)으로 인해 층에 형성된 주름들을 관찰할 수 있다.5 (a) is a schematic diagram of graphene transferred onto an AAO template. FIG. 5 (b) is an SEM image of the AAO composed of nano-sized pores. Figures 5 (c) and 5 (d) compare AFM surface topology images of graphene sheets transferred by ice transfer and conventional transfer onto these substrates. As shown in the above image, the contamination degree between the two cases is remarkably contrasted. The graphene sheet transferred at low temperature shows a cleaner surface and even the folds formed in the layer can be observed due to the strain derived from the hole of the AAO template.

상기 본 발명의 내용은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. I will understand. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

1: 금속호일 2: 그래핀
3: 고분자 4 : 기판
1: metal foil 2: graphene
3: polymer 4: substrate

Claims (20)

고분자 매개성 그래핀 전사법을 이용하되, 고분자 잔류물 없는 깨끗한 표면을 가진 그래핀 박막이 전사된 기재(substrate)를 제조하는 방법에 있어서,
순서대로 금속 함유 층; 그래핀 박막; 및 고분자층을 구비한 복합체를 형성하는 제1단계;
상기 금속 함유 층 상(上) 그래핀 박막의 표면에너지를 증가시키는, 금속 함유 층의 금속 표면 상태로 변하는 것을 억제하는 저온 조건하에, 금속 함유 층을 제거하는 제2단계; 및
상기 금속 함유 층이 제거된 그래핀 박막 및 고분자층을 구비한 복합체를 기재에 전사한 후 고분자를 제거하는 제3단계
를 포함하는 것이 특징인 그래핀 박막이 전사된 기재의 제조방법.
A method for producing a substrate on which a graphene thin film having a clean surface without a polymer residue is transferred by using a polymer-mediated graphene transfer method,
A metal-containing layer; Graphene thin film; And a polymer layer;
A second step of removing the metal-containing layer under a low-temperature condition in which the surface energy of the graphene thin film on the metal-containing layer (upper) is increased and the metal-containing layer is prevented from changing to a metal surface state; And
A third step of transferring the complex having the metal-containing layer to the substrate and removing the polymer,
Wherein the graphene thin film is transferred onto the substrate.
제1항에 있어서, 제2단계의 저온 조건은 4℃ 이하이면서 금속 함유 층을 제거하는 용액의 어는점 이상인 것이 특징인 그래핀 박막이 전사된 기재의 제조방법.The method of manufacturing a substrate according to claim 1, wherein the low-temperature condition in the second step is at most 4 ° C, and is at or above the freezing point of the solution for removing the metal-containing layer. 제1항에 있어서, 제1단계는, 금속 함유 층 상에 형성된 그래핀 박막의 표면에 고분자층 형성시, 상기 금속 함유 층 상(上) 그래핀 박막의 표면에너지를 증가시키는 금속 함유 층의 금속 표면 상태로 변하는 것을 억제하는 저온 조건하에 고분자층을 형성시키거나, 상기 금속 함유 층; 그래핀 박막; 및 고분자층을 구비한 복합체에 대해 상기 금속 함유 층 상(上) 그래핀 박막의 표면에너지를 증가시키는 금속 함유 층의 금속 표면 상태로 변화를 야기하는 고온 어닐링을 수행하지 않는 것이 특징인 그래핀 박막이 전사된 기판의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the first step is a step of forming a metal-containing layer on the surface of the metal-containing layer, the metal-containing layer increasing the surface energy of the graphene thin film on the metal- Forming a polymer layer under a low-temperature condition for suppressing a change to a surface state; Graphene thin film; Containing layer for increasing the surface energy of the graphene thin film on the metal-containing layer (for the composite with the polymer layer), characterized in that the high-temperature annealing which causes the change to the metal surface state of the metal- And transferring the transferred substrate. 제1항에 있어서, 상기 금속 함유 층은 그래핀 성장용 금속 촉매층인 것이 특징인 그래핀 박막이 전사된 기재의 제조방법.The method of manufacturing a substrate according to claim 1, wherein the metal-containing layer is a metal catalyst layer for growing graphene. 제4항에 있어서, 상기 그래핀 성장용 금속 촉매층은 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, Fe, 황동(brass), 청동(bronze), 스테인레스 스틸(stainless steel), Ge 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로 부터 선택된 것을 포함하는 것이 특징인 그래핀 박막이 전사된 기재의 제조방법.5. The method of claim 4, wherein the metal catalyst layer for graphene growth is selected from the group consisting of Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Rh, Si, Ta, Ti, W, Wherein the graphene film is selected from the group consisting of Fe, brass, bronze, stainless steel, Ge, and combinations thereof. 제1항에 있어서, 상기 금속 함유 층은 금속 호일인 것이 특징인 그래핀 박막이 전사된 기재의 제조방법.The method of claim 1, wherein the metal-containing layer is a metal foil. 제1항에 있어서, 상기 금속 함유 층은 구리 호일이고, 구리 호일 상 그래핀 박막의 표면에너지를 증가시키는 구리의 산화상태는 CuII인 것이 특징인 그래핀 박막이 전사된 기재의 제조방법.The method of claim 1, wherein the metal-containing layer is a copper foil, and the oxidation state of copper which increases the surface energy of the graphene thin film on the copper foil is Cu II . 제1항에 있어서, 상기 금속 함유 층은 구리 호일이고 구리 호일 상 그래핀 박막의 표면에너지를 증가시키는 구리의 표면 상태는 평균 표면 거칠기가 10 나노미터 이상인 것이 특징인 그래핀 박막이 전사된 기재의 제조방법. The method of claim 1, wherein the metal-containing layer is a copper foil and the surface state of the copper for increasing the surface energy of the graphene thin film on the copper foil is an average surface roughness of 10 nm or more. Gt; 제1항에 있어서, 상기 기재는 유리, 고분자, 반도체, 금속 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것이 특징인 그래핀 박막이 전사된 기재의 제조방법.The method of producing a substrate according to claim 1, wherein the substrate is selected from the group consisting of glass, polymer, semiconductor, metal, and mixtures thereof. 제1항에 있어서, 상기 기재는 투명성, 유연성, 또는 둘다를 가지는 것이 특징인 그래핀 박막이 전사된 기재의 제조방법.The method of claim 1, wherein the substrate has transparency, flexibility, or both. 제1항에 있어서, 제2단계는 금속 에칭 용액을 사용하고, 제3단계는 해당 고분자를 용해시키는 고분자 제거액을 사용하는 것이 특징인 그래핀 박막이 전사된 기재의 제조방법.The method for producing a substrate according to claim 1, wherein the second step uses a metal etching solution, and the third step uses a polymer removing solution for dissolving the polymer. 그래핀 표면으로부터 잔류물 없이 고분자를 제거하는 방법에 있어서,
순서대로 금속 함유 층; 그래핀 박막; 및 고분자층을 구비한 복합체를 형성하는 단계;
상기 금속 함유 층 상(上) 그래핀 박막의 표면에너지를 증가시키는 금속 함유 층의 금속 표면 상태를 결정하고, 상기 결정된 금속 표면 상태로 금속 함유 층이 변하지 아니하는 조건을 결정하는 단계;
고분자층이 완전히 제거될 때까지, 이전단계에서 결정된 조건으로, 금속 함유 층; 그래핀 박막; 및 고분자층을 구비한 복합체를 유지관리하는 단계; 및
고분자층을 제거하는 단계를 포함하는 것이 특징인 그래핀 상 고분자 제거 방법.
A method for removing a polymer from a graphene surface without a residue,
A metal-containing layer; Graphene thin film; And a polymer layer;
Determining a metal surface state of the metal-containing layer that increases the surface energy of the graphene thin film on the metal-containing layer, and determining a condition that the metal-containing layer does not change in the determined metal surface state;
Until the polymer layer is completely removed, under the conditions determined in the previous step, a metal-containing layer; Graphene thin film; And maintaining a complex comprising the polymer layer; And
And removing the polymer layer.
제12항에 있어서, 상기 복합체를 유지관리하는 단계는 상기 결정된 조건에서 금속 함유 층; 그래핀 박막; 및 고분자층을 구비한 복합체로부터 금속 함유 층을 제거하는 단계를 포함하는 것이 특징인 그래핀 상 고분자 제거 방법.13. The method of claim 12, wherein maintaining the composite comprises: providing a metal-containing layer in the determined condition; Graphene thin film; And removing the metal-containing layer from the composite having the polymer layer. 제12항에 있어서, 고분자층 제거 단계 이후, 금속 함유 층; 및 그래핀 박막을 구비한 복합체로부터 금속 함유 층을 제거하는 단계를 더 포함하는 것이 특징인 그래핀 상 고분자 제거 방법.13. The method of claim 12, further comprising: after the polymer layer removal step, a metal-containing layer; And removing the metal-containing layer from the composite having the graphene thin film. 그래핀 상 고분자 패턴 형성 방법에 있어서,
순서대로 금속 함유 층; 그래핀 박막; 및 고분자층을 구비한 복합체를 형성하는 A단계;
상기 금속 함유 층 상(上) 그래핀 박막의 표면에너지를 증가시키는 금속 함유 층의 금속 표면 상태로 변화시키는 조건에서 상기 복합체를 처리하는 B단계; 및
고분자층 일부를 제거하여 그래핀 상에 고분자 패턴을 형성하는 C단계를 포함하되,
상기 고분자 패턴에 해당하는 패턴으로 금속 함유 층을 상기 복합체 내에 형성하거나,
상기 고분자 패턴에 해당하는 금속 함유 층 부위에서만 그래핀 박막의 표면에너지를 증가시키는 상기 금속 표면 상태로 변화시킴으로써, 그래핀 상에 상기 고분자 패턴에 해당하는 고분자 층을 고정하여, C단계에서 고분자층 제거 시 그래핀 상에 고분자 패턴을 형성시키는 것이 특징인 그래핀 상 고분자 패턴 형성 방법.
In the method for forming a graphene polymer pattern,
A metal-containing layer; Graphene thin film; And a step of forming a composite having a polymer layer;
(B) treating the composite under conditions that change the surface state of the metal-containing layer to increase the surface energy of the graphene thin film on the metal-containing layer; And
And a step (C) of removing a part of the polymer layer to form a polymer pattern on the graphene,
A metal-containing layer is formed in the composite in a pattern corresponding to the polymer pattern,
The polymer layer corresponding to the polymer pattern is fixed on the graphene by changing the state of the metal surface to increase the surface energy of the graphene thin film only in the metal containing layer corresponding to the polymer pattern, Wherein the polymer pattern is formed on a graphene graphene.
제15항에 있어서, 상기 금속 함유 층의 구리 호일이고, 구리 호일 상 그래핀 박막의 표면에너지를 증가시키는 구리의 표면상태는 평균 표면 거칠기가 10 나노미터 이상이거나 구리의 산화상태는 CuII 인 것이 특징인 그래핀 상 고분자 패턴 형성 방법.16. The method according to claim 15, wherein the surface condition of the copper which increases the surface energy of the graphene thin film on the copper foil is copper foil of the metal-containing layer has an average surface roughness of 10 nanometers or more and the oxidation state of copper is Cu II Wherein the graphene-based polymer pattern is formed on the substrate. 유기용매 처리시 고분자층이 제거되지 않도록 그래핀 상에 고분자 층을 고정하는 방법에 있어서,
순서대로 금속 함유 층; 그래핀 박막; 및 고분자층을 구비한 복합체를 형성하는 단계;
상기 금속 함유 층 상(上) 그래핀 박막의 표면에너지를 증가시키는 금속 함유 층의 금속 표면 상태를 결정하고, 상기 결정된 금속 표면 상태로 금속 함유 층을 변화시키는 조건을 결정하는 단계; 및
이전 단계에서 결정된 금속 표면 상태로 금속 함유 층을 변화시키는 조건하에 금속 함유 층; 그래핀 박막; 및 고분자층을 구비한 복합체를 처리하여 그래핀 상에 고분자 층을 고정하는 단계를 포함하는 것이 특징인 그래핀 상 고분자층 고정 방법.
A method for fixing a polymer layer on a graphene layer so that a polymer layer is not removed during an organic solvent treatment,
A metal-containing layer; Graphene thin film; And a polymer layer;
Determining a metal surface state of the metal-containing layer that increases the surface energy of the graphene thin film on the metal-containing layer, and determining a condition for changing the metal-containing layer to the determined metal surface state; And
A metal-containing layer under the condition of changing the metal-containing layer to the metal surface state determined in the previous step; Graphene thin film; And a step of fixing the polymer layer on the graphene by processing the composite having the polymer layer.
제17항에 있어서, 그래핀 상 고분자층 고정 단계 이후 금속 함유 층; 그래핀 박막; 및 고분자층을 구비한 복합체로부터 금속 함유 층을 제거하는 단계를 더 포함하는 것이 특징인 그래핀 상 고분자층 고정 방법.18. The method of claim 17, further comprising: after the graphene polymer layer fixing step, a metal-containing layer; Graphene thin film; And removing the metal-containing layer from the composite having the polymer layer. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따라 제조된, 그래핀 박막이 전사된 기재를 포함하는 전기전자소자.An electric / electronic device comprising a base material onto which a graphene thin film is transferred, produced according to any one of claims 1 to 11. 제19항에 있어서, 그래핀 박막이 전사된 기재는 유연성이 있는 전극인 것이 특징인 전기전자소자.
20. The electrical and electronic device according to claim 19, wherein the substrate onto which the graphene thin film is transferred is a flexible electrode.
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