KR20170110133A - 분극화된 강유전성 중합체를 이용하여 cvd 그래핀의 결함 없는 직접적인 건조 박리 - Google Patents

분극화된 강유전성 중합체를 이용하여 cvd 그래핀의 결함 없는 직접적인 건조 박리 Download PDF

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Description

분극화된 강유전성 중합체를 이용하여 CVD 그래핀의 결함 없는 직접적인 건조 박리
본 발명의 실시예에 따른 이용 가능한 산업상 분야는 다음을 포함한다:
- 집적 회로를 기초로 한 그래핀의 제조
- 그래핀 기반의 유연성 투명 전도 막을 포함하는 장치의 제조
- 수증기 또는 다른 가스 차단, 및 자기 및 전기 차폐와 같은 화학적 캡슐화를 포함하는 장치 내에서 캡슐화를 위해 그래핀 복합체로 주어진 표면을 코팅하는 것.
그래핀(graphene)은 특별한 특성 때문에 많은 관심을 끌고 있다. 그러나, 그 제조 공정은 아직도 그래핀 장치의 상업화를 방해하는 병목현상이다.
그래핀(graphene)은 특별한 특성 때문에 많은 관심을 끌고 있다. 그러나, 그 제조 공정은 아직도 그래핀 장치의 상업화를 방해하는 병목현상이다.
(1) 전사 층을 그래핀으로 완전히 또는 부분적으로 코팅하거나 피복한다. 도 1을 보면, 종래기술에 따른, 박리 층 100, 그래핀 110 및 기판 120을 포함하는 기판/그래핀/박리 층 구조의 개략도(schematic diagram)가 도시되어 있다.
(2) 화학적으로 기판을 에칭(etching)하거나, (전기)화학적으로 박리하거나 또는 기판으로부터 그래핀을 기계적으로 박리함으로써 성장 기판으로부터 그래핀/전사 층을 떼어낸다. 화학적 에칭 및 (전기)화학적 박리는 그래핀이 용액 내에서 처리되기 때문에 습식 단계이다. 기계적 박리는 건식 단계이다.
(3) 타켓 기판 상으로 그래핀/ 전사 층을 전사한다. 이 단계는 전사 층이 그래핀의 타겟 기판일 경우 생략될 수 있다.
(4) 전사 층을 제거한다. 이 단계는 전사 층이 그래핀과 함께 남아있다면 생략될 수 있다.
이 다단계 공정은 최종 장치의 특성을 악화시키고 샘플 전체에 걸쳐 비균일하게 만드는 그래핀의 오염과 그 구조의 결함을 초래한다.
성장 기판으로부터 그래핀/전사 층을 떼어내는 방법은 생성된 그래핀의 잔류 및 결함 수준에 강하게 영향을 미친다. 상기 기술한 바와 같이, 상기 방법은 습식(화학적 에칭, (전기)화학적 박리) 또는 건식(기계적 박리)으로 분류될 수 있다.
습식 공정의 경우는 다음과 같다:
- 사용된 화학물질 또는 화학반응의 생성물은 그래핀 상에 완전히 씻어내도 쉽게 제거될 수없는 잔류물을 남긴다.
- 이러한 잔류물은 그래핀과 결합할 수 있으며 결정체 구조 내에 결함을 야기할 수 있다. 이로 인해 그래핀은 기판으로 전사되는 과정과 같은 처리 과정 또는 전사 층이 제거될 때 깨지거나 기계적인 결함이 생기기 쉽다. 이러한 결함은 또한 전자 장치 내에서 사용될 때 그래핀의 전자적인 특성을 저하시킬 것이다.
- 잔류물이 결함을 초래하지 않더라도, 그래핀 상에 그들의 존재는 여전히 그래핀의 전기적, 광학적, 화학적 또는 기계적인 특성을 저하 및/또는 덜 균일하게 만들 것이다. 예를 들어, 장치 내에서, 높은 장치 효율성을 위해 그래핀과 인접한 층 사이의 깨끗한 경계면(interfaces)이 필요하고, 이러한 잔류물은 장치 성능과 다른 장치 전반의 균일성을 감소시킬 것이다.
- 일단 그래핀이 타겟 기판 상으로 전사되면, 그래핀과 타겟 기판 사이의 경계면에 있는 화학적 잔류물은 기판에 대한 그래핀의 접착력을 감소시킬 것이고, 따라서, 장치의 기계적인 안정성이 감소시킬 것이다.
- 습식 공정은 화학반응이 발생하기 때문에 느리다. 예를 들어, 그래핀이 증착될 수 있는 35㎛ 두께의 구리 기판의 에칭은 전형적으로 두 시간 이상 지속될 것이다. (전기)화학적인 박리 공정은 모든 에칭을 포함하는 더 빠른 공정이지만 속도는 초당 1㎜ 이하로 제한된다. 이러한 공정 속도는 높은 처리량 제조와 호환되지 않는다.
건식 공정의 경우는 다음과 같다:
- 그래핀과 기판 사이의 접착력 보다 더 높은 그래핀에 대한 박리 층의 충분한 접착력을 확보하여 그래핀을 박리하는 방법이다. 기판이 구리인 경우, 구리에 대한 그래핀의 접착력은 8 J/m2이다.
- 첫 번째 기계적인 박리 방법은 그래핀과 박리 층 사이의 안정한 접합을 달성하기 위하여압력 및/또는 온도 및/또는 그들 사이의 직접적인 화학 결합을 유도하기 위하여 높은 전압을 사용한다. 그리고 나서, 그래핀에 대한 박리층의 화학적인 접착력은 기판에 대한 그래핀의 접착력 보다 높을 것이 요구된다.
- 기계적인 박리 방법의 두 번째 유형은 박리 층으로서 접착 층이 요구된다. 그리고 나서, 그래핀에 대한 접착 층의 접착력은 기판에 대한 그래핀의 접착력 보다 높을 것이 요구된다.
- 그러나, 전사된 그래핀이 항상 비균일한 변형 및/또는 비균일한 박리력으로 인해 심하게 손상되는 것으로 나타났다.
- 비균일한 변형은 박리 층이 그래핀 표면 전체에 걸쳐 균일한 코팅을 갖지 않거나 온도 및 압력과 같은 파라미터에 큰 변화가 있을 때 발생한다.
- 비균일한 박리력은 기판 토포그래피(topography)가 결정립계(grain boundary) 및 테라스(terrace)(10-100 μm2 길이 치수)로 구성 되는 기판 상의 그래핀의 실제 조건에 기인한다. 이 변화하는 토포그래피는 박리 단계 동안에 비균일한 박리력을 초래한다.
- 박리 단계 동안에, 비균일성은 갈라짐 및/또는 비전사된 그래핀 영역을 유발한다. 이러한 갈라짐의 결과로서, 전사된 그래핀의 품질이 비가역적으로 저하된다. 이러한 갈라짐은 0.1㎜ 규모에서 형성되며, 1㎜ 길이 규모 이상에서 측정될 때 그래핀의 품질에 중요한 영향을 미친다. 성장 기판 상에서 출발 물질로서 완전한 결정체 그래핀을 사용할 때, 측정값은 200 cm-2/Vs 미만으로 이동성의 감소와 1,000 ohm/sq 초과의 높은 도핑(doping)에서도 가장 낮은 시트 저항성을 갖는 투명 전극에 대한 부적합성을 나타낸다. 이와 비교하여, 그래핀에 이러한 결함이 없는 경우, 이동성은 대개 약 5,000 cm-2/Vs이며 최저 시트 저항성은 150 ohm/sq이다.
- 두 가지 유형의 박리 방법은 결함이 없는 박리를 얻기 위해 그래핀과 박리 층 사이의 충분히 높고 충분히 균일한 접착 에너지를 달성하고자 노력한다. 이들 방법은 그래핀과 기판 사이의 접착 에너지에 작용하지 않는다. 그러므로 기판으로부터 그래핀을 박리하기 위해 요구되는 최소한의 에너지는 동일하게 유지된다. 박리된 그래핀의 품질을 보다 개선시키기 위해, 그래핀에 대해 보다 강한 접착력을 갖는 박리 층, 및 그래핀 표면 전체의 비균일성을 최소화하는 기술이 여전히 요구된다.
그러므로 성장 기판으로부터 그래핀 박리를 위한 상업적으로 실생 가능산 기술이 여전히 요구되고, 이는 결함이 없는 박리 방법이 바람직하다.
본 발명의 목적은 성장 기판 상에 형성된 그래핀 층 및 그래핀 층 상에 형성된 강유전성 중합체 층을 포함하는 물품을 제공하는데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 성장 기판으로부터 강유전성 중합체 층과 그래핀 층을 포함하는 복합체를 분리하는 방법을 제공하는데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 그래핀 층은 분극화된 강유전성 중합체 층과 성장 기판 사이에 부착되고 끼워져 있으며, 분극화된 강유전성 중합체 층은 상기 그래핀 층과 상기 분극화된 강유전성 중합체 층 사이의 접착에 대하여 상대적으로 감소된 그래핀 층과 성장 기판 사이의 접착을 생성하기 위해 배열되고 분극화 되어있는 것을 특징으로 하는 성장 기판으로부터 그래핀 층의 층간 박리를 위한 물품을 제공한다.
본 발명은 또한, (i) 상기 그래핀 층과 상기 분극화된 강유전성 중합체 층 사이의 접착에 대하여 상대적으로 감소된 상기 그래핀 층과 상기 성장 기판 사이의 접착을 생성하기 위해 강유전성 중합체를 분극화하는 단계; 및 (ii) 상기 성장 기판으로부터 그래핀 층을 분리하기 위해 복합체를 박리하는 단계를 포함하는 복합체 분리 방법을 제공한다.
본 발명에 따른, 성장 기판으로부터 그래핀 층의 박리 방법은 그래핀과 기판 사이의 접착력과 비교하여 그래핀과 강유전성 층 사이의 강한 접착을 유도하기 위해 강유전성 중합체 층의 분극화를 사용한다. 본 발명에 따른 그래핀 층의 박리 방법은 박리 속도가 빠르며, 화학물질을 포함하지 않으므로 그래핀의 결함 없이도 박리 수율을 향상시킬 수 있다.
전술한 내용은 첨부된 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 대한 다음의 보다 상세한 설명에 의해 명백해 질 것이며, 동일한 도면 부호는 상이한 도면 전반에 걸쳐 동일한 부분을 의미한다. 도면은 반드시 일정한 규모가 아니며, 대신에 본 발명의 실시예를 도시할 때 강조된다.
도 1은 종래 기술에 따른, 기판/그래핀/박리 층 구조의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 박리 방법의 개략도이다: 좌측 패널(panel)은 성장 기판 상에 형성된 그래핀을 보여주고, 중앙 패널은 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride) (이하,"PVDF")와 같은 강유전성 중합체로 코팅된 그래핀을 보여주며; 및 오른쪽 패널은 그래핀 성장 기판으로부터 그래핀-PVDF 박리를 보여준다.
도 3은 본 발명의 설명에 따라서, 강한 그래핀-강유전성 중합체 결합(그래핀-PVDF 결합과 같은)을 위한 메커니즘을 도시하는 개략도이다: 왼쪽 패널은 기판에 대한 그래핀의 강화에 대하여 강유전성 막에 대한 그래핀의 PVDF-유도된 강한 정전기적 강화를 나타내고; 오른쪽 패널은 PVDF-그래핀 원자 규모의 결합을 보여준다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 원자력 현미경 이미지 세트와 기판-그래핀-강유전성 중합체 시스템의 경계면 조도(roughness)의 단면도이다. 왼쪽 패널은 강유전성 중합체 코팅 하기 전에 기판 상에 형성된 그래핀의 높이 스캔이다. 중앙 패널은 그래핀-강유전성 중합체가 기판으로부터 박리된 후의 그래핀-분극화된 강유전성 중합체의 높이 스캔이다. 오른쪽 패널은 왼쪽 및 중앙 패널의 단면에 따라 기판-그래핀 및 그래핀-분극화된 강유전성 중합체의 단면도를 보여준다.
도 5는 기판이 구리 호일이며, 그래핀은 구리 상에서 화학 기상 증착에 의해 성장된 그래핀의 하나의 층이고, 및 강유전성 중합체 층은 PVDF인, 본 발명의 특정 실시예에 따른 공정 후의 기판, 그래핀 및 강유전성 중합체 층 사이의 접착 에너제의 평면도(plot)이다. 점선은 강유전성 중합체 층과 그래핀 사이의 임계 접착 에너지와 충분한 접착 강도를 갖는 접착제가 그래핀 상에 도포된 경우의 임계 접착 에너지와 강유전성 중합체가 분극화 되지 않은 경우의 강유전성 중합체 층과 그래핀 사이의 임계 접착 에너지의 복합체를 나타낸다. 실험 데이터는 상이한 하중에서 기판으로부터의 분극화된 강유전성 중합체 층과 그래핀 복합체의 박리 조건에 관한 것이다.
도 6은 세 가지 상이한 그래핀 박리 기술을 사용하여 그래핀 박리 수율의 비교를 나타내는 사진 세트이다. 왼쪽 패널은 그래핀에 대해 충분히 강한 결합 및/또는 수직인 전기장을 초래하지 않는 중합체로 박리한 후의 결과를 보여주는 사진이고; 중앙 패널은 강유전성 결정을 형성하기 위해 처리되지 않은 구조의 강유전성 중합체 및/또는 그래핀에 대해 수직인 장(field)에 따라서 정렬되지 않은 이들 결정으로 박리한 후의 결과는 보여주는 사진이고; 및 오른쪽 패널은 본 발명의 실시예에 따른 방법을 사용하여 박리한 후의 결과를 보여주는 사진이다. 왼쪽 패널에 사용된 기술은 그래핀이 없는 영역 61과 그래핀 조각(flake) 62를 남긴다는 것; 중앙 패널을 위한 기술은 그래핀이 없는 영역 63과 그래핀 패치 64를 남긴다는 것; 본 발명의 실시예에 따른, 오른쪽 패널의 기술은 그래핀 65 및 다층 그래핀 66 둘 다 포함하는 커버리지(coverage)를 얻는다는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 방법을 사용하고 표준 상태의 최첨단 그래핀 전사 공정을 사용하여 그래핀의 박리 후의 결함(갈라짐)의 통계적인 비교를 보여주는 일련의 도표이다: 왼쪽 도표는 그들의 영역에 따른 갈라짐의 통계적인 분포를 보여주고, 오른쪽 도표는 전체 갈라진 면적에 대한 통계의 막대 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 직접적 박리 전사 방법의 사용을 보여주는 개략도이다. 패널 (a)는 그래핀/강유전성 중합체를 보여주고; 패널 (b)는 그래핀이 위를 향하고 있는, 기판 상의 그래핀-강유전성 중합체를 보여주고; 패널 (c)는 그래핀이 아래를 향하고 있는, 기판상의 그래핀-강유전성 중합체를 보여주고; 및 패널 (d)는 표면상의 그래핀을 보여준다.
본 발명의 실시예의 기재는 다음과 같다.
본 발명에 따른 설명은 성장 기판으로부터 그래핀 층의 박리 방법을 제공한다. 종래 방법은 그래핀을 기판에 대한 그래핀 결합 보다 강하게 결합할 표면에 그래핀을 접촉시킴으로써 기판에 대한 그래핀의 접착 보다 강한 그래핀과 박리 층 사이의 접착을 달성하는데 의존한다. 대신에, 본 발명의 실시예에 따른 방법은 그래핀과 기판 사이의 접착력과 비교하여 그래핀과 강유전성 층 사이의 강한 접착을 유도하기 위해 강유전성 중합체 층의 분극화를 사용한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 박리 방법의 개략도이다. 왼쪽 패널은 성장 기판 220 상에서 형성된 최초의 그래핀 210을 보여준다. 중앙 패널은 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride) (이하,"PVDF")와 같은, 강유전성 중합체 230으로 코팅되고, 이하에서 설명되는 특성을 갖는 그래핀 210을 보여준다. 오른쪽 패널은 그래핀 성장 기판 220으로부터의 그래핀 210/다유전성 중합체 층 230의 박리를 보여준다.
A) 분극화된 강유전성 층에 의한 그래핀의 박리 (메커니즘)
도 3은 본 발명의 설명에 따라서, 이론에 한정되지 않고, 강한 그래핀-강유전성 중합체 결합(그래핀-PVDF 결합과 같은)을 위한 메커니즘을 도시하는 개략도이다. 본 발명의 실시예에 따른 방법은 그래핀의 접착력을 증가시키기 위해 그래핀 상에 강유전성 중합체 층의 분극화를 사용한다. 강유전성 중합체 층의 분극화는 또한 분극화된 강유전성 중합체 층과 그래핀 복합체의 기판에 대한 접착력을 증가시킨다. 강유전성 중합체 층의 분극화는 또한 분극화된 강유전성 중합체 층에 대한 그래핀의 접착력에 대하여 기판에 대한 그래핀의 접착력을 약화시킨다.
하나의 측면(도 3의 왼쪽 패널 참조)에서, 그래핀 310과 분극화된 강유전성 중합체 330 사이 및 분극화된 강유전성 중합체 층 330과 그래핀 310 복합체와 기판 320 사이의 인력이 생성된다. 본 발명의 실시예에 따른 방법은 그래핀 310/기판 320 상에서 분극화된 강유전성 중합체 층을 사용함으로써 이 메커니즘을 가능하게 한다.
- 그래핀 310에 수직인 방향으로 분극화된 강유전성 중합체 층 330 내의 강유전성 쌍극자들의 정렬은 쌍극자들의 전기적 방향이 무엇인지와 관계없이 그래핀 310에 수직인 강한 전기장을 발생시킨다.
- 이 강유전성 층은 그래핀 시트 내에서 전하를 유도하도록 그라핀을 높게 도핑하는 전기장을 발생시킨다. 이러한 정전기적 상호작용으로 인하여 그래핀은 강유전성 층에 끌어 당겨진다. 이러한 인력은 그래핀과 강유전성 층 사이의 접착력을 향상시킨다.
- 분극화된 강유전성 층으로부터 정전기장의 결과로서, 기판과 분극화된 강유전성 중합체 층과 그래핀 복합체 간의 인력적인 상호작용 또한 유도된다.
이러한 강유전성 중합체 330/그래핀 310/기판 320 구조의 결과로서, 강유전성 중합체 330과 그래핀 310 사이의 접착력은 기판 320으로부터 그래핀 310을 박리하기 위해 요구되는 접착 에너지 보다 강하게된다. 이러한 상호작용의 결과로서, 그래핀은 결함 없이, 즉, 어떠한 유도된 기계적인 결함 없이 박리될 수 있다.
반면에, 본 발명의 설명에 따라(도 4 참조), 그래핀 310을 강유전성 중합체 330으로 코팅하는 것은 공정 동안에 그래핀이 스트레스 받는 것을 방지하기 위해, 박리 공정에서의 비균일성을 제한하여, 자동적으로 정확하고 강한 결합을 초래하는 균일한 경계면을 확실하게 하기 위함이다. 그러므로, 그래핀은 기계적인 손상으로부터 예방될 수 있다.
그래핀 310과 강유전성 층 330 사이의 경계면은 또한 그래핀의 박리를 가능하게 하는 결합에너지를 얻기 위해 그들의 낮은 접착 에너지를 역전시키도록 처리된다.
- 그래핀은 본질적으로 대부분의 물질에 대해 약한 반데르발스(van der Waals) 접착 강도를 갖는다.
- 불소중합체(Fluoropolymer)는 본질적으로 약한 인력을 가지며, 달라붙지 않는 표면에 대해 예를 들어 테프론(Teflon)과 함께 사용된다.
- 그러나, 그래핀 310과 불소중합체 330의 상호작용은 그래핀의 파이 오비탈(pi-orbitals)과 중합체의 높은 음전기의 불소 원소의 원소적인 반데르발스 상호작용의 결과로서, 반데르발스 그래핀 상에서 중합체의 코팅 및 분극화의 적합한 처리 후에 강하게 된다.
- 그래핀과 불소중합체 사이의 반데르발스 상호작용은 그래핀의 어떠한 결함도 유도하지 않는다.
- 강유전성 중합체는 불소중합체로서, 일단 분자가 적절히 배열되면, 그래핀과 불소-파이 결합 상호작용에 기초하는 강한 반데르발스 결합 강도를 위한 이상적인 물질이다.
- 그래핀 표면 상에 강유전성 중합체를 코팅하는 것은 그래핀에 어떠한 결함을 유도하지 않고 전체의 그래핀 표면에 균일한 상호작용을 초래한다.
- 본 발명의 실시예에 따른 강유전성/그래핀/기판 구조 내에서, 전체적으로, 불소-파이 분자 내 결합은 그래핀/강유전체 사이에 더 강한 인력을 갖기 때문에, 성장 기판으로부터 그래핀의 기계적인 박리가 가능하게 한다.
- 그러나, 강유전성 중합체와 그래핀 사이의 기계적인 강도는 결정립계 또는 구리 테라스와같은 부분에서 충분히 강하거나 및/또는 균일하지 않을 수 있으며, 따라서 그래핀이 박리될지라도 전사 동안에 갈라짐이 일어날 수 있다.
개별 메커니즘 각각은 결함 없는 그래핀 제조에 기여하고, 두 효과의 조합은 그래핀의 넓은영역에 걸친 결정립계 또는 구리 테라스와 같은 부분을 포함하는 초기 조건에서도, 결함이 없는 그래핀을 초래한다.
B) 본 발명의 실시예에 따른 실시 형태
1) 성장 기판 상에서의 그래핀 형성
본 발명의 실시예에 있어서, 그래핀은 구리 호일 기판 상에서 화학 기상 증착(CVD)에 의해 성장 될 수 있다. 구리 호일은 성장 챔버(chamber) 안에 놓기 전에 그 표면의 잔류물을 제거하기 위해 용매, 이에 한정되는 것은 아님,에 의해 세척될 수 있다. 성장 공정은 수소와 같은 가스가 대략 성장 온도, 즉, 대략 1000°C의 온도에서 가득한 어닐링(annealing) 단계를 포함할 수 있다. 다음으로, 메탄과 같은 탄화수소가 가득하고, 아마도 수소와 함께 그래핀의 성장을 촉진시킬 것이다. 마지막으로, 챔버가 냉각되고 표면 상에 그래핀이 형성된 구리 호일은 꺼내진다.
그래핀은 성장 기판의 종류 또는 합성 챔버 내부의 조건에 따라서 단일 층 또는 다층으로 형성될 수 있다.
대안적으로, 탄화규소(SiC)는 그래핀 성장을 위해 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 기판은 탄화규소의 표면에서 규소(Si) 원소가 승화되는 온도에서 어닐링되고 그래핀의 단일 층 또는 다층을 형성하기 위해 탄소(C) 원소의 재결정화를 촉진할 것이다.
2) 분극화된 강유전성 중합체 막으로 그래핀을 코팅
그래핀은 건조한 환경에서 강유전성 중합체의 용액으로 코팅된다. 스핀-코팅(spin-coating), 랭뮤어 블로드젯(Langmuir Blodgett), 딥 코팅(dip coating), 슬롯 다이(slot die), 바 코팅(bar coating), 닥터 블레이드(doctor blade) 또는 와이어 코팅(wire coating)와 같은, 그러나 이에 한정되지 않는 공정이 이러한 코팅을 형성하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, PVDF는 다이메틸 포름아미드(dimethyl formamide)(DMF) 내에서 용해될 수 있고 이 용액은 나중에 그래핀 상에 코팅될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 그래핀 기판/그래핀은 스핀 코팅에 의해 PVDF 박막으로 코팅될 수 있다. 2000rpm에서 DMF에 PVDF 10% 농도 용액의 스핀 코팅은 500㎚ 두께의 막의 코팅이 될 수 있다. 기판은 물 잔여물이 없는 그래핀 중합체 경계면을 얻기 위한 그래핀 상의 물 분자를 증발시키기 위하여 미리 어닐링 할 필요가 있다. 코팅은 코팅 분자 사이의 물 분자 포착으로 인한 결함이 없는 중합체 층을 위해 건조한 환경에서 완료해야 할 필요가 있다.
코팅 후에, 막은 용액을 증발시키고 중합체 사슬을 입자로 재결정화하기 위해 어닐링 될 수 있다. 어닐링 온도는 강유전성 상(phase)의 형성을 촉진시키기 위해 중합체의 녹는점 보다 낮아야 한다. 본 발명의 실시예에 있어서, 500㎚ 두께의 PVDF 막은 135℃에서 1분 내지 24시간 동안 어닐링 될 수 있다.
생성된 박막 중합체 층은 약 100㎚에 내지 약 2000㎚의 두께와 같이, 1㎚ 내지 1㎜ 두께일 수 있다.
어닐링 후에, 강유전성 중합체 박의 쌍극자는 막 전체에 걸쳐 전기장을 인가함으로써 그래핀에 대해 수직으로 정렬될 수 있다. 전기장은 예를 들어, 그러나 이에 한정되지 않는, 그들 전체에 걸쳐 전압을 인가하기 위해 외부 전극을 사용하는 방법 또는 중합체 표면을 이온화하는 것에 의해 인가될 수 있다. 설정에 따라서, 어닐링과 분극화는 하나의 공정에서 수행될 수 있다. 본 발명의 설명에 따라서, 강유전성 중합체 분극화는 약 50 V/μm 내지 약 500 V/μm의 전기장 강도를 포함하는 외부 전기장과 같은, 외부 전기장을 중합체 층에 인가하는 단계를 포함할 수 있고; 강유전성 중합체를 전기적으로 분극화하는 것은 약 1 kV/cm 내지 약 10 kV/cm의 전압에서 이온화하는 것과 같은, 중합체의 표면에서 이온화하는 단계를 포함할 수 있다.
분극화 방향은 강유전성 중합체의 불소 원소가 그래핀 표면을 향하여 정렬되도록 하는 것이 바람직하다.
강유전성 중합체로서 PVDF를 사용하는 경우에, 쌍극자를 정렬하기 위해 대략 100 V/㎛ 정도의 장이 요구된다. 본 발명의 실시예에 있어서, 약 500㎚ 두께의 PVDF 막 내에 있는 쌍극자는 6 kV/㎝의 전압에서 중합체 표면을 이온화함으로써 정렬될 수 있다. 분극화된 강유전성 중합체 층은 약 7.5 μC/cm2과 같은, 약 5 μC/cm2 내지 10 μC/cm2의 잔류 분극(remanent polarization)을 포함할 수 있다.
3) 그래핀/강유전성 중합체 복합체의 박리
본 발명의 실시예에 따라서, 성장 기판으로부터의 그래핀/강유전성 중합체의 박리는 성장 기판에 대하여 수직인 박리력이 적용됨으로써 완료될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라서, 최소한 약 85 J/m2의 박리력은 신뢰할 만한 결함이 없는 박리를 초래한다(도 5 참조). 더 큰 박리력은 또한 신뢰할 만한 박리를 초래한다. 본 발명의 실시예에 따라서, 그래핀의 박리를 위한 임계력, 즉, 그래핀의 박리를 발생시키는 최소한의 힘은 85 J/m2 이하이다.
임계력 이하의 박리력은 그래핀 내에 갈라짐을 초래할수 있다. 그러나, 적용된 힘의 충분한제어 또는 충분히 큰 박리 에너지가 있다면 보다 작은 힘에서도 신뢰할만한 결함이 없는 박리는 여전히 가능하다.
박리는 기판-그래핀-중합체 경계면에서 임계 접착 에너지 보다 강하게 PVDF(또는 그래핀 기판)에 부착될 물질을 수동으로 박리 및 압연(rolling)하는 것과 같은, 그러나 이에 한정되지 않는, 공정에 의해 완료될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 강유전성 중합체는 구리 또는 그래핀/강유전성 복합체를 잡기 위해서 금속 핀셋과 같은 도구를 사용함으로써 강유전성 중합체/그래핀/기판 적층(stack)으로부터 구리 호일을 직접 수동의 신속한 박리가 가능할 정도로 충분히 두꺼울 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서 중합체 호일, 에폭시(epoxies) 또는 테이프와 같은 추가적인 지지체는 박리를 용이하게 하기 위해 그래핀 기판, 강유전성 중합체 또는 이들 모두에 부착될 수 있다. 이러한 경우에 추가적인 지지체의 이들 표면 중 하나에 대한 결합은 기판에 대한 그래핀의 접착 보다 강할 필요가 있다. 기판은 구리 호일인 본 발명의 실시예에 있어서, 지지체는 3.7 N/20 ㎜의 접착 강도를 갖는 열 방출 테이프일 수 있다(도 5 참조). 테이프와 분극화된 강유전성 층 사이의 접착 강도는 박리 속도에 따라 증가하고, 이는 85 J/m2의 접착 강도를 갖는 기판으로부터 그래핀을 박리하기 위해 최소한 0.15m/s일 필요가 있다. 그래핀 박리는 열 방출 테이프가 그래핀 박리, 즉 강유전성 층과 그래핀을 구리 호일 상에 남겨두는 것을 유도하기 위해 분극화된 강유전성 층에 충분히 접착되지 않기 때문에 불충분한 박리 속도에서 성공적이지 못하다.
기판의 양쪽 표면 상에서 성장하는 그래핀의 경우에, 전사 공정은 각 표면 상에서 그래핀의 박리를 위해 기판의 양쪽 표면상에서 동시에 완료될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방법은 기판으로부터 복합체의 박리 이전에 그래핀 및/또는 강유전성 층의 패터닝(patterning)과 양립될 수 있다. 패터닝 방법에 따라서, 박리 방법의 이점은 패터닝되지 않은 그래핀/강유전성 중합체 복합체에만 적용될 수 있다. 예를 들어, 최초의 복합체 영역이 박리 이전에 기판으로부터 제거된다면, 그 영역은 박리되지 않을 것이다.
박리 후의 그래핀의 연속성은 그래핀 층 내에서 기계적인 결함(갈라짐)이 박리된 그래핀의 품질을 비가역적으로 저하시키기 때문에, 그래핀의 박리 방법을 검증하기 위해 사용될 수 있는 파라미터(parameter)이다. 도 6에서 다양한 기술에 의한 그래핀 박리에서의 수율을 비교하였다.
도 6의 왼쪽 패널에서, 강유전성 중합체를 사용하지 않는 것을 제외하고 본 발명의 실시예에 따른 박리 파라미터에 따라 폴리메타그릴산(poly-methyl-methacrylate) 막이 구리 호일로부터 그래핀의 박리를 위해 사용되는 경우(상기 기술된 단계 1 및 3을 따르지만, 단계 2는 그래핀의 PMMA 코팅으로 대체된다), 그래핀 조각만 박리되었다. 이는 성공적이지 않은 전사이다. 이는 기판에 대한 그래핀의 접착 보다 약한 그래핀과 비-강유전성 중합체의 접착으로 인해 발생한다.
도 6의 중앙 패널에서, 본 발명의 실시예에 따른 방법이 완전히 수행되지 않은 경우(이전의 단계 1-3은 수행되었으나 PVDF 코팅 또는 분극화 일부 단계가 생락되었다), 그래핀의 박리는 발생하지만 그래핀이 균일하게 박리되지 않고 그래핀 층 내에서 기계적인 결함이 발행하기 때문에 전사의 수율이 최대가 아니다. 이는 그래핀의 비-연속적인 전사이다. 이 경우에 강유전성 중합체가 사용되었으나 분자들이 입자를 형성하거나 및/또는 입자 내의 쌍극자가 그래핀에 대해 수직으로 정렬되지 않도록 처리되지 않았다.
이러한 결과는 그래핀의 비-연속성 때문에 본 발명에서는 성공적이지 않은 것으로 고려된다. 그러나, 이러한 결과는 박리가 수 ㎛2 범위로 나타나면 성공한 것으로 주장될 수 있다. 이 규모 길이 그래핀은 연속적으로 나타날 수 있다. 그러나, 이러한 조건은 검증에 촉매 기판 상의 결정립계, 인접한 다른 입자 상의 그래핀 및 넓은 면적/웨이퍼(wafer) 규모 제조와 관련이 있는 영역과 같은 영역을 포함한다면 그래핀의 넓은 면적 박리를 위한 방법을 검증할 수 없다.
도 6의 오른쪽 패널에서, 본 발명의 실시예에 따른 방법이 사용된 경우, 완전하고 결함이 없는 그래핀의 전사가 달성되었다. 박리 후의 그래핀의 연속성에 대한 통계적인 분석(최소 검출 가능한 결함 크기는 0.5㎛2이다)은 결함의 양은 표준 전사 조건에 관하여 상당히 개선되었고 박리된 그래핀이 샘플 표면의 99.5% ㎜2 이상을 덮는 것으로 결론지었다. 도 7의 일련의 도표는 본 발명의 실시예에 따른 방법을 사용하고 표준의 그래핀 전사 공정을 사용한 그래핀의 박리 후에 결함(갈라짐)의 통계적인 비교를 보여준다: 왼쪽 도표는 영역에 따른 갈라짐의 통계적인 분포를 보여주고, 오른쪽 도표는 전체적으로 갈라진 영역에 대한 통계 막대 그래프이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 방법이 사용된 경우, 10층까지의 다층의 적층, 또는 그 이상이 주요 그래핀 층과 함께 박리될 수 있다. 이러한 그래핀 다층은 그래핀 성장 방법에 내재되어 있다. 도 6의 오른쪽 패널의 광학 이미지에서 더 어두운 부분은 연속적인 그래핀 층과 함께 박리된 그래핀 다층에 해당한다.
본 발명의 실시예에 따른 방법은 연속적이고 결함이 없는 그래핀을 생성하는 그래핀의 박리를 위한 방법을 제공한다.
추가의 대표적인 설명이 아래에 제공된다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 직접적인 박리 전사 방법의 사용을 보여주는 개략도이다. 아래에서 추가로 기재되어 있는 바와 같이, 도 8의 패널 (a)는 그래핀 810/다유전성 중합체 830을 보여준다; 도 8의 패널 (b)는 그래핀 810이 위로 향하고 있는, 전사 기판 840 상에 형성된 그래핀 810-강유전성 중합체 830을 보여준다; 도 8의 패널 (c)는 그래핀 810이 아래로 향하고 있는, 타겟 기판 850 상에 형성된 그래핀 810-강유전성 중합체 830을 보여준다; 및 도 8의 패널 (d)는 타겟 기판 850 상에 형성된 그래핀 810을 보여준다.
A) 그래핀/분극화된 강유전성 중합체- 도 8의 패널 (a) 참조
도 8의 패널 (a)의 대표적인 방법은 연속적인 복합체 물질을 생성할 수 있다.
- 그래핀 810은 PVDF 막 830으로부터의 도핑 때문에 낮은 막 저항성을 갖고 있다. 정전기적인 도핑(PVDF에 의한)은 다른 도핑 방법과는 대조적으로 초과 시간에도 안정적이다.
- 그래핀 810은 노출되어 있으므로 후-처리될 수 있다.
- PVDF 그래핀 810은 잔여물이 없고, 연속성은 99% 초과이다.
- 그래핀 810은 오염으로부터 깨끗하다.
이 실시예의 공정은 상기 기재에 따른다.
B) 전사 기판 상에 있는 그래핀/분극화된 강유전성 중합체- 도 8의 패널 (b) 참조
도 8의 패널 (b)의 대표적인 방법은 그래핀 810이 위로 향하고 있는, 기판의 맨 위에 연속적인 복합체 물질을 생성할 수 있다.
- 그래핀 810은 PVDF 막 830으로부터의 도핑 때문에 낮은 막 저항성을 갖고 있다. 정전기적인 도핑(PVDF에 의한)은 다른 도핑 방법과는 대조적으로 초과 시간에도 안정적이다.
- 그래핀 810은 노출되어 있으므로 후-처리될 수 있다.
- PVDF 그래핀 810은 잔여물이 없고, 연속성은 99% 초과이다.
- 그래핀 810은 오염으로부터 깨끗하다.
이를 위한 공정은 다음과 같다:
- 이전의 실시예에 기재된 바와 같이 1차 기판(그래핀 기판) 상에 그래핀 810을 형성하는 단계.
- 이전의 실시예에 기재된 바와 같이 그래핀 상에 강유전성 중합체 층 830을 형성하는 단계.
- 예를 들어, 그러나 이에 한정 되지 않는, 폴리에틸렌 테레프타레이트(polyethylene terephthalate)(PET) 호일인 분극화된 강유전성 층 830(2차 기판/강유전성/그래핀/기판) 상에 2차 기판(또한 전사 기판이라고 지칭함) 840을 부착하는 단계. 바람직하게는 2차 기판 840은 강유전성 막 830과 밀접하게 연결되어 있다. 85 J/m2 또는 그 이상인 기판 840과 강유전성 막 830 사이의 접착 강도는 강유전성 막 830으로부터 2차 기판 840의 박리 없이도 그래핀 810의 박리를 가능하게 한다. 분극화된 강유전성 막에 대한 2차 기판의 접착 강도가 85 J/m2 또는 그 이상인 경우에, 박리 속도는 제한되지 않는다. 분극화된 강유전성 막에 대한 2차 기판의 접착 강도가 85 J/m2 보다 낮은 경우에, 임계 접착 강도는 경계면 사이의 접착력은 이 파라미터에 의존하기 때문에 높은 속도에서의 박리에 의해 달성될 수 있다.
- 이전의 실시예에 기재된 바와 같이 그래핀 기판으로부터의 2차 기판/강유전성/그래핀을 박리하는 단계.
C) 타겟 기판 상에 있는 분극화된 강유전성 중합체/그래핀- 도 8의 패널 (c) 참조
도 8의 패널 (c)의 대표적인 방법은 그래핀 810이 타겟 기판을 향하고 있는, 기판의 맨 위에 연속적인 복합체 물질을 생성할 수 있다.
- 그래핀 810은 PVDF 막 830으로부터의 도핑 때문에 낮은 막 저항성을 갖고 있다. 정전기적인 도핑(PVDF에 의한)은 다른 도핑 방법과는 대조적으로 초과 시간에도 안정적이다.
- 하나 또는 그 이상의 주변 층을 제거한 후에, 그래핀 810의 표면은 노출될 수 있으므로 후-처리될 수 있다.
- PVDF 그래핀 810은 잔여물이 없고, 연속성은 99% 초과이다.
- 그래핀 810은 오염으로부터 깨끗하다.
이를 위한 공정은 다음과 같다:
- 이전의 실시예에 기재된 바와 같이 1차 기판(도 3의 그래핀 기판 320) 상에 그래핀 810을 형성하는 단계.
- 이전의 실시예에 기재된 바와 같이 그래핀 상에 강유전성 중합체 층 830을 형성하는 단계.
- 분극화된 강유전성 중합체 층 830 상에 2차 기판 840(패널 (c)에 나타나지 않음)을 부착하는 단계. 이 실시예에 있어서, 2차 기판 840은 공정의 다음 단계에서 그래핀 810의 박리와 양립되고 나중에 방출될 수 있다. 2차 기판 840의 예는 열 방출 테이프이다. 2차 기판 840은 강유전성 막 830과 밀접하게 연결되어야 한다. 85 J/m2 또는 그 이상인 기판 840과 강유전성 막 830 사이의 접착 강도는 강유전성 막 830으로부터 2차 기판 840의 박리 없이도 그래핀 810의 박리를 가능하게 한다. 분극화된 강유전성 막에 대한 2차 기판의 접착 강도가 85 J/m2 보다 낮은 경우에, 접착 강도는 높은 속도에서의 박리에 의해 달성될 수 있다. 기판이 구리 호일인 본 발명의 실시예에 있어서, 지지체는 3.7 N/20 mm의 접착 강도를 갖는 열 방출 테이프일 수 있다(도 5 참조). 테이프와 분극화된 강유전성 층 사이의 접착 강도는 박리 속도에 따라 증가하고, 이는 85 J/m2의 접착 강도를 갖는 기판으로부터 그래핀을 박리하기 위해 최소한 0.15m/s일 필요가 있다. 그래핀 박리는 열 방출 테이프가 그래핀 박리, 즉 강유전성 층과 그래핀을 구리 호일 상에 남겨두는 것을 유도하기 위해 분극화된 강유전성 층에 충분히 접착되지 않기 때문에 불충분한 박리 속도에서 성공적이지 못하다.
- 이전의 실시예에 기재된 바와 같이 기판으로부터 2차 기판/강유전성/그래핀을 박리하는 단계.
- 3차 기판(타겟 기판) 850 상에 2차 기판/강유전성/그래핀 적층을 도포하는 단계. 2차 기판 840이 열 방출 테이프인 경우에, 적층의 그래핀 면은 10MPa의 압력을 적용함으로써 3차 기판 850에 밀접하게 연결될 수 있다.
- 중합체 층/그래핀/3차 기판으로부터 2차 기판 840을 떼어내는 단계. 2차 기판 840이 열 방출 테이프인 경우에, 적층은 이전에 적용된 압력을 유지하면서 테이프의 방출 온도 보다 5℃ 높은 온도(전형적으로 90 내지 150℃)까지 가열될 것이다. 방출 온도에 도달할 때까지 테이프는 분극화된 강유전성 중합체/그래핀에 손상을 방지하기 위해 천천히 제거될 것이다.
D) 타겟 기판 상에 형성된 그래핀- 도 8의 패널 (d) 참조
도 8의 패널 (d)의 대표적인 방법은 타겟 기판 850의 맨 위에 연속적인 그래핀 810을 생성할 수 있다.
- 그래핀 810은 노출될 수 있으므로 후-처리될 수 있다.
- PVDF 그래핀 810은 잔여물이 없고, 연속성은 99% 초과이다.
- 그래핀 810은 오염으로부터 깨끗하다.
이를 위한 공정은 다음과 같다:
- 상기 실시예에 기재된 바와 같이 1차 기판(도 3의 그래핀 기판 320) 상에 그래핀 810을 형성하는 단계.
- 1차 기판 상에 강유전성 중합체 층 830을 형성하는 단계(패널 (a) 내지 (c) 참조). 상기 실시예에 기재된 바와 같다.
- 강유전성 막 상에 2차 기판 840(패널 (b) 참조)을 부착하는 단계(2차 기판/강유전성/그래핀/기판). 상기 실시예에 기재된 바와 같다.
- 그래핀 기판 320(도 3 참조)으로부터 2차 기판/강유전성/그래핀을 박리하는 단계. 상기 실시예에 기재된 바와 같다.
- 3차 기판(타겟 기판) 850 상에 2차 기판/강유전성/그래핀 적층을 도포하는 단계. 상기 실시예에 기재된 바와 같다.
- 중합체 층/그래핀/3차 기판으로부터 2차 기판 840(패널 (b) 참조)을 떼어내는 단계. 상기 실시예에 기재된 바와 같다.
- 강유전성 중합체 층 830(패널 (a) 내지 (c) 참조)을 제거하는 단계. 중합체는 예를 들어, 중합체가 PVDF인 경우에 중합체를 용해시키기 위해서 사용되는 아세톤 또는 다이메틸 포름아미드와 같은 용매 내에서 강유전성 중합체로 제거될 수 있다. 중합체를 용해시키기 위해 사용되는 용매로부터 잔여물을 제거하기 위해 추가적인 용매 세척이 이용될 수 있다. 추가적으로, 어닐링 조건이 기판/그래핀 적층과 양립될 경우에 샘플은 중합체 막, 중합체의 잔류물 또는 용매 세척 단계에서의 잔류물이 제거될 온도 및 대기 조건에서 어닐링 될 수 있다. 예를 들어, 기판이 실리콘/실리콘 산화물 웨이퍼인 경우에, 적층은 350℃의 아르곤과 수소 대기 조건에서 어닐링 될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 예를 들어 아래와 같은, 많은 장점이 제공될 수 있다:
A) 일반적인 전사 방법과의 비교
본 발명의 실시예에 따른 방법은 그래핀 기판으로부터 그래핀을 떼어내기 위한 화학물질을 포함하지 않는다.
- 그래핀-기판 경계면에서의 그래핀은 기판으로부터 그래핀을 화학적으로 또는 전기화학적으로 떼어내는 경우와 마찬가지로 오염되지 않는다.
예를 들어, 그래핀의 기판이 구리이고 과산화황산 암모늄(ammonium persulfate)이 구리를 화학적으로 제거하기 위해 사용되는 경우에, 용액으로부터의 이온은 캐리어 밀도가 10㎝-2 만큼 변화할 수 있는 그래핀에서 흡수될 것이다. 이 오염은 그래핀을 박리할 때 방지될 수 있다.
- 그러므로, 그래핀은 그래핀과 새로운 기판 사이의 오염 없이도 기판 상에 도포될 수 있다. 장치 제조 및 수행에 대한 높은 처리량을 위한 집적 회로 어플리케이션(integrated circuit applications)에서 매우 중요하다.
전형적으로, 종래 기술에서는, 그래핀을 분리하기 위한 과산화황산 암모늄을 이용한 구리 기판 에칭은 그래핀을 1012㎝-2 이하의 도펀트(dopant)로 도핑하도록 제어할 수 없는 잔류물을 초래하였다. 대조적으로, 정확한 농도로 노핑되지 않거나 도핑된 그래핀이 요구되는 장치 내에서, 본 발명의 실시예에 따른 방법은 그래판 상에 어떠한 도펀트 없이 그래핀을 가능하게 한다.
본 발명의 실시예에 따른 방법은 단일 단계이며 빠른 속도로 수행된다.
- 화학적인 또는 전기화학적인 제거 공정은 몇 시간이 걸리는 에칭, 헹굼(rinsing) 및 건조 단계를 포함하는 반면에, 본 발명의 실시예에 따른 박리 단계는 하나의 단일 단계 공정이다.
보고된 가장 빠른 전사 공정은 1 ㎜/s 이하 속도에서 전사되는 전기화학적인 박리 방법을 사용한다. 본 발명의 실시예에 따른 방법은 속도에 제한되지 않는다. 본 발명의 실시예에 따른 박리는 예를 들어, 약 0.5 m/s의 범위 내에서, 0.15 m/s 이상의 속도로 발생하여, 매우 빠른 전사를 가능하게 한다.
본 발명의 실시예에 따른 방법은 잔류물을 초래하지 않는다:
- 물질의 공정 내에서 화학적인 또는 전기화학적인 에칭 단계를 포함하지 않기 때문에, 처분할 화학적인 잔류 물질이 생산되지 않는다. 본 발명의 실시예에 따른 방법은 산업적으로 더욱 지속 가능한 공정을 초래한다.
B) 다른 박리 방법과의 비교
본 발명의 실시예에 따른 방법에 있어서, 다음과 같은 장점이 적용될 수 있다:
PVDF와 그래핀 간의 상호작용은 화학적 흡수/상호작용이 아닌, 반데르발스 및 상호작용을 유도하는 분극화에 의해 발생될 수 있다.
- 그래핀의 화학적 또는 물리적 변형이 없으므로, 그 구조 및 특정이 변하지 않고 유지될 수 있다.
분극화된 강유전성 중합체 층은 그래핀 층과 분극화된 강유전성 중합체 층 사이의 접착에 대하여 상대적으로 감소된 그래핀 층과 성장 기판 사이의 접착을 생성하기 위하여 배열되고 분극화된다. 분극화된 강유전성 중합체 층은 그래핀에 대한 강유전성 중합체 층 및 기판에 대한 강유전성 중합체와 그래핀 복합체 사이의 접착을 강화하기 위해 배열되고 분극화된다.
- 이 방법은 기판으로부터 그래핀의 확실한 박리를 가능하게 할 수 있고, 결함의 가능성을 최소화할 수 있으므로, 박리 수율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방법은 넓은 면적의 CVD 그래핀에 대하여 의미있는 영역에 걸친 그래핀의 박리에 대한 통계적인 데이터를 실험적으로 증명하였다. 다른 보고된 기계적인 박리 공정은 CVD 그래핀 영역에 대한 그들의 방법을 증명할 수 없었다.
본 발명의 실시예에 따른 방법은 공정에서 중합체 물질을 녹일 필요가 없다.
- 그래핀과 중합체 사이의 반응으로 인한 변형이 유도되지 않는다.
- 열, 압력 및/또는 전압 수축을 갖는 적용 분야와 열적으로 양립할 수 있다.
정의
본 발명에 있어서, “그래핀”은 바람직하게는 예를 들어, 화학 기상 증착과 같은 공정에 의해성장하는 단일 층 또는 다층 그래핀(예를 들어, 2 내지 10층)이다. 촉매 기판은 니켈, 백금 또는 코발트를 포함하는 다른 금속, 또는 게르마늄을 포함하는, 그래핀에 촉매 작용을 하는 것으로 알려진 다른 물질일 수 있다. 상기 촉매는 추가적으로 기판 상에 금속 호일 또는 금속 박막을 포함할 수 있다. 그래핀은 또한 탄화규소(silicon carbide)의 가열과 같은 다른 에피텍셜(epitaxial) 방법에 의한 그래핀 일 수 있다.
본 발명에 있어서, “기판”은 표면 상에서 그래핀이 형성되는 기판을 의미하고 예를 들어, 구리 호일 또는 막 및 그래핀 제조에 있어서 촉매로 작용한다고 알려진 임의의 물질을 포함할 수 있다. 기판은 또한 위에 서술한 바와 같이, 상기 기판으로부터 분극화된 강유전성 중합체 막과 그래핀 복합체를 박리시키고, 타겟 기판에 그래핀 복합체를 전사할 수 있는 2차 기판을 의미할 수 있다. 타겟 기판은 그라핀이 전사되는 기판을 의미한다.
본 발명에 있어서, “강유전성 중합체”는 강유전적 특성을 나타내기 위해 처리될 수 있는, 즉, 외부 전기장에서 역전되거나, 또는 전환될 수 있는 영구적인 전기 분극을 유지할 수 있는 중합체다. 강유전성 중합체는 불소중합체(fluoropolymer)이다. 강유전성 중합체의 예는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), PVDF, 및 공중합체이다. 공중합체 하나의 예는 poly[(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene], P(VDF-TrFE)이다.
본 발명은 실시예를 참조하여 구체적으로 도시되고 기재되어 있으나, 첨부된 청구범위에 포함되는 본 발명을 벗어나지 않는 범위 내에서 형태 및 세부사항의 다양한 변경이 가능하다는 것은 통상의 기술자에게 자명할 것이다.

Claims (19)

  1. 성장 기판 상에 형성된 그래핀 층; 및
    상기 그래핀 층 상에 형성된 분극화된 강유전성 중합체 층을 포함하는 물품(article)으로, 상기 그래핀 층은 상기 분극화된 강유전성 중합체 층과 상기 성장 기판 사이에 부착되고 끼워져 있으며, 상기 분극화된 강유전성 중합체 층은 상기 그래핀 층과 상기 분극화된 강유전성 중합체 층 사이의 접착에 대하여 상대적으로 감소된 상기 그래핀 층과 상기 성장 기판 사이의 접착을 생성하기 위해 배열되고 분극화 되어있는 것을 특징으로 하는 성장 기판으로부터 그래핀 층의 층간 박리를 위한 물품.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분극화된 강유전성 중합체 층은 불소중합체(fluoropolymer)를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품.
  3. 제2항에 있어서, 상기 분극화된 강유전성 중합체 층은 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride) 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride)의 공중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품.
  4. 제1항에 있어서, 상기 분극화된 강유전성 중합체 층은 약 1nm 내지 약 10mm의 두께인 것을 특징으로 하는 물품.
  5. 제4항에 있어서, 상기 분극화된 강유전성 중합체 층은 약 100nm 내지 약 2000nm의 두께인 것을 특징으로 하는 물품.
  6. 제1항에 있어서, 상기 분극화된 강유전성 중합체 층은 약 5 μC/cm2 내지 약 10 μC/cm2의 잔류 분극(remanent polarization)을 포함하는 것을 특징으로 하는 물품.
  7. 다음 단계를 포함하는, 강유전성 중합체 층과 그래핀 층을 포함하며, 상기 그래핀 층은 상기 강유전성 중합체 층과 상기 성장 기판 사이에 부착되고 끼워져 있는 복합체를 성장 기판으로부터 분리하는 방법:
    (i) 상기 그래핀 층과 상기 분극화된 강유전성 중합체 층 사이의 접착에 대하여 상대적으로 감소된 상기 그래핀 층과 상기 성장 기판 사이의 접착을 생성하기 위해 강유전성 중합체를 분극화하는 단계; 및
    (ii) 상기 성장 기판으로부터 그래핀 층을 분리하기 위해 복합체를 박리하는 단계.
  8. 제7항에 있어서, 복합체를 형성하기 위해 상기 그래핀 층에 상기 강유전성 중합체 층을 도포하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  9. 제7항에 있어서, 타겟 기판에 상기 그래핀 층을 접착시킴으로써 상기 타겟 기판에 상기 박리된 복합체를 전사하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 타겟 기판에 접착된 상기 그래핀 층을 남겨두기 위해 상기 그래핀 층으로부터 상기 강유전성 중합체 층을 제거하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 박리 단계 후의 상기 강유전성 중합체 층 상에 있는 상기 그래핀 층의 연속성은 상기 성장 기판 상에 있는 상기 그래핀 층의 초기 커버리지(coverage)의 90% 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제7항에 있어서, 상기 박리 단계 후의 상기 강유전성 중합체 층 상에 있는 상기 그래핀 층의 연속성은 상기 성장 기판 상에 있는 상기 그래핀 층의 초기 커버리지의 95% 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제7항에 있어서, 상기 박리 단계 후의 상기 강유전성 중합체 층 상에 있는 상기 그래핀 층의 연속성은 상기 성장 기판 상에 있는 상기 그래핀 층의 초기 커버리지의 99% 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제7항에 있어서, 상기 복합체는 상기 강유전성 중합체 층에 접착된 2차 기판을 추가로 포함하고, 상기 강유전성 중합체 층은 상기 2차 기판과 상기 그래핀 층 사이에 끼워져 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 타겟 기판에 상기 그래핀 층을 접착함으로써 상기 타겟 기판에 상기 박리된 복합체를 전사하는 단계; 및
    상기 타겟 기판에 접착된 상기 강유전성 중합체 층과 상기 그래핀 층을 남겨두기 위해 상기 강유전성 중합체 층으로부터 상기 2차 기판을 분리하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 타겟 기판에 접착된 상기 그래핀 층을 남겨두기 위해 상기 그래핀 층으로부터 상기 강유전성 중합체 층을 제거하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  17. 제7항에 있어서, 상기 분극화하는 단계는 상기 중합체 층에 외부 전기장을 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제7항에 있어서, 상기 성장 기판으로부터 상기 복합체를 분리하기 위해 적어도 약 85 J/m2 의 박리 강도로 상기 복합체를 박리하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  19. 제7항에 있어서, 상기 강유전성 중합체를 분극화하여 상기 강유전성 중합체의 잔류 분극은 약 5 μC/cm2 내지 약 10 μC/cm2인 것을 특징으로 하는 방법.


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