KR20180028137A - 유연 기판 상으로 금속 칼코게나이드 박막을 전사하는 방법 - Google Patents

유연 기판 상으로 금속 칼코게나이드 박막을 전사하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유연 기판 상으로 금속 칼코게나이드 박막을 전사하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 에폭시를 이용한 전사 방법을 제시하여 박막의 결함이나 불순물을 생성시키지 않으면서 전기적인 물성이 뛰어난 유연 기판 복합체를 제조하고자 하는 것이다.
본 발명의 여러 구현예에 따르면, 에폭시를 이용하여 유연 기판 상에 금속 칼코게나이드 박막을 전사함으로써, 전사되는 금속 칼코게나이드 박막의 결함이나 불순물을 생성시키지 않아 전기적인 물성이 우수한 유연 기판 복합체를 제조할 수 있다.
또한, 상술한 방법으로 제조된 유연 기판 복합체는 플렉서블 전계 효과 트랜지스터, 센서 및 LED 등과 같은 유연(플렉서블) 소자 등에 폭넓게 응용할 수 있다.

Description

유연 기판 상으로 금속 칼코게나이드 박막을 전사하는 방법{Method for transfering metal chalcogenide film on flexible substrate}
본 발명은 유연 기판 상으로 금속 칼코게나이드 박막을 전사하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 에폭시를 이용한 전사 방법을 제시하여 박막의 결함이나 불순물을 생성시키지 않으면서 전기적인 물성이 뛰어난 유연 기판 복합체를 제조하고자 하는 것이다.
현재 널리 보급되고 있는 디스플레이 장치(액정표시장치)는 유리 소재로 이루어진 투명전극 기판을 사용하고 있다. 그러나 상기 유리 기판은 두계가 두껍고 무거운 중량으로 인하여 액정표시장치의 박형화 및 경량화에 한계가 있고 내충격에 취약하며, 특히 유리 소재의 취성으로 인해 플렉서블 디스플레이에 사용하기에 부적합하다.
이에 따라, 플라스틱 광학 필름 소재의 플렉서블(flexible) 기판이 종래 유리 기판을 대체할 소재로 각광받고 있는데, 플렉서블 기판은 액정디스플레이를 비롯하여 전자페이퍼(e-paper) 등과 같은 차세대 디스플레이 장치에 매우 적합한 특성을 갖고 있다.
종래에는 이러한 플렉서블 소재를 제조하기 위하여, 유연 기판 상에 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA)나 폴리스티렌(polystyrene, PS) 등의 폴리머를 이용한 그래핀 및 메탈칼코게나이드 이차원 나노박막을 전사하는 방법이 주로 이용되어 왔다.
하지만 이러한 방법은 전사과정 중에서 불필요한 크랙이나 결함이 발생하고, 폴리머를 다시 에칭하는 과정에서 많은 불순물 생기는 문제점 등을 초래하여, 본래 박막의 물리적 전기적 특성이 저하되는 치명적인 단점을 갖는다.
따라서, 본 발명에서는 종래 전사방법의 단점을 극복하기 위하여 에폭시를 이용하여 유연 기판 상에 금속 칼코게나이드 박막을 전사한 후, 상기 에폭시를 제거하지 않고 유연 기판 자체로 함께 활용함으로써, 불필요한 결함이나 불순물이 생기지 않으면서 본래 박막의 물리적 전기적인 우수한 성질을 유지할 수 있는 유연 기판 상으로 금속 칼코게나이드 박막을 전사하는 방법을 제공하고자 한다.
한국공개특허 제2015-0048944호
따라서, 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 전사 공정 시, 박막의 결함이나 불순물이 생성되지 않으면서 전기적인 물성이 우수한 유연 기판 복합체를 제조할 수 있는 유연 기판 상으로의 금속 칼코게나이드 박막을 전사하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 상기 전사 방법을 통해 제조된 유연 기판 복합체를 플렉서블 전계 효과 트랜지스터, 센서 및 LED 등과 같은 유연(플렉서블) 소자 등에 응용하고자 하는 것이다.
본 발명의 대표적인 일 측면에 따르면, (ⅰ) 에폭시 주재와 경화제를 혼합하여 부분 경화시키는 단계;
(ⅱ) 제1 기판에 상기 부분 경화된 에폭시 혼합물을 도포하는 단계;
(ⅲ) 상기 부분 경화된 에폭시 혼합물이 도포된 제1 기판과 금속 칼코게나이드 박막이 형성된 제2 기판을 접합시키는 단계;
(ⅳ) 상기 제1 기판과 접합된 에폭시 혼합물을 완전 경화시키는 단계; 및
(ⅴ) 상기 제2 기판을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 기판 상으로 금속 칼코게나이드 박막을 전사하는 방법으로서,
상기 (ⅲ) 단계는 에폭시 혼합물과 금속 칼코게나이드 박막이 서로 맞닿아 형성되도록 접합시키는 것을 특징으로 하는 유연 기판 상으로 금속 칼코게나이드 박막을 전사하는 방법에 관한 것이다.
상기 (ⅰ) 단계의 에폭시 부분 경화물은 5 내지 8 Kgf/mm2의 인장 강도를 갖도록 부분 경화시키는 것을 특징으로 한다.
상기 (ⅰ) 단계의 부분 경화는 40 내지 60 ℃의 온도에서 3 내지 5 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기 에폭시 혼합물은 에폭시 주재와 경화제가 1: 0.1 내지 2의 중량 비율로 혼합된 것을 특징으로 한다.
상기 (ⅲ) 단계는 에폭시 혼합물과 금속칼코게나이드 박막이 서로 맞닿아 형성되도록 접합시킨 후, 상기 접합된 두 접촉면 간의 버블을 제거하는 공정을 더 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 (ⅳ) 단계의 완전 경화는 20 내지 80 ℃의 온도에서 1 내지 10 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기 (ⅴ) 단계는 증류수에 제1 기판과 접합된 제2 기판을 함께 침지시킨 후에 제2 기판을 제거하거나, 또는 상기 제2 기판을 물리적으로 제거한 후에 증류수에 침지시켜 잔여 기판 물질을 완전히 제거하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 대표적인 다른 측면에 따르면, 상기 방법으로 제조된 유연 기판 복합체 및 상기 유연 기판 복합체를 포함하는 플렉서블 소자에 관한 것이다.
본 발명의 여러 구현예에 따르면, 에폭시를 이용하여 유연 기판 상에 금속 칼코게나이드 박막을 전사함으로써, 전사되는 금속 칼코게나이드 박막의 결함이나 불순물을 생성시키지 않아 전기적인 물성이 우수한 유연 기판 복합체를 제조할 수 있다.
또한, 상술한 방법으로 제조된 유연 기판 복합체는 플렉서블 전계 효과 트랜지스터, 센서 및 LED 등과 같은 유연(플렉서블) 소자 등에 폭넓게 응용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 유연 기판 상으로 금속 칼코게나이드 박막을 전사하는 방법을 도시화한 것이다.
도 2의 a)와 c)는 각각 비교예 1, 2의 유연 기판 복합체를 촬영한 이미지이고, b)와 d)는 각각 비교예 1, 2의 유연 기판 복합체를 광학현미경으로 측정한 결과를 나타낸 이미지이다.
도 3의 (a)는 비교예 2의 유연 기판 복합체를 직접 촬영한 이미지이고, (b)는 광학현미경(optical microscope, OM)으로 측정한 이미지이다.
도 4의 (a)는 실시예 1의 유연 기판 복합체를 전사 전과 이후로 나누어 촬영한 이미지이고, (b)는 현미경으로 측정한 이미지이며, (c)는 라만 분광법으로 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 1을 라만 맵핑 분석한 결과를 나타낸 이미지이다.
도 6의 (a)는 실시예 2의 전사 전과 후, 및 sapphire 기판을 촬영한 이미지이고, (b)는 광학현미경으로 측정한 이미지이며, (c)는 라만 분광법으로 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 실시예 1 및 PET 기판을 원자력 현미경(Atomic force microscope, AFM)으로 분석한 결과를 나타낸 이미지와 그래프이다.
도 8은 실시예 1의 position에 따른 원자력 현미경 분석 결과를 나타낸 이미지이다.
도 9는 실시예 1을 이용한 전계 효과 트랜지스터의 전기적 물성을 분석한 결과를 나타낸 것으로, (a)는 Ids 대 Vg 값을 나타내고, (b)는 Ids-Vds 값을 나타낸다.
도 10은 실시예 1 및 PET 기판의 투과도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11의 (a)는 제조예 1의 공정 과정을 도시화한 것이고, (b)는 시간에 따른 온도 변화 및 기체 주입량을 나타낸 그래프이다.
도 12는 (a)는 제조예 2의 공정 과정을 도시화한 것이고, (b)는 시간에 따른 온도 변화 및 기체 주입량을 나타낸 그래프이다.
이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, (ⅰ) 에폭시 주재와 경화제를 혼합하여 부분 경화시키는 단계, (ⅱ) 제1 기판에 상기 부분 경화된 에폭시 혼합물을 도포하는 단계, (ⅲ) 상기 부분 경화된 에폭시 혼합물이 도포된 제1 기판과 금속 칼코게나이드 박막이 형성된 제2 기판을 접합시키는 단계, (ⅳ) 상기 제1 기판과 접합된 에폭시 혼합물을 완전 경화시키는 단계, 및 (ⅴ) 상기 제2 기판을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 기판 상으로 금속 칼코게나이드 박막을 전사하는 방법으로서, 상기 (ⅲ) 단계는 에폭시 혼합물과 금속 칼코게나이드 박막이 서로 맞닿아 형성되도록 접합시키는 것을 특징으로 하는 유연 기판 상으로 금속 칼코게나이드 박막을 전사하는 방법을 제공한다.
이와 관련하여, 도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 유연 기판 상으로 금속 칼코게나이드 박막을 전사하는 방법을 도시화한 것으로서, 이를 토대로 상기 전사하는 방법을 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.
먼저, 상기 (ⅰ) 단계는 에폭시 주재와 경화제를 혼합하여 부분 경화시키는 단계로서, 유연 기판 상에 고르게 분포시키기 위하여 전처리하는 단계이다.
상기 에폭시 주재와 경화제는 1: 0.1 내지 2의 중량 비율로 혼합된 것이 바람직한데, 상기 중량 비율 범위를 벗어나는 경우, 즉, 경화제가 너무 적게 들어가면 제작 시간이 지나치게 길어지거나 경화가 제대로 이루어지지 않을 우려가 있으며, 경화제가 너무 많이 들어가면 경화속도가 지나치게 빨라져 기포(버블)의 제거가 어려운 문제점을 갖는다.
더욱 바람직하게는 상기 에폭시 주재와 경화제가 1: 0.9 내지 1.1의 중량 비율로 혼합된 것으로, 상기 범위 내에서 기포가 전혀 발생하지 않으며, 공정 시간을 가장 효율적으로 단축할 수 있음을 확인하였다.
그리고, 혼합된 에폭시 혼합물은 (b)에서 보는 바와 같이 버블을 제거하는 공정을 실시하는 것이 바람직한데, 이는 후 공정에서 박막의 결함이 발생하지 않도록 하기 위함이다. 이를 위해서는 진공하에서 상기 에폭시 혼합물을 추가로 교반하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 부분 경화된 에폭시 혼합물은 5 내지 8 Kgf/mm2의 인장 강도를 갖도록 40 내지 60 ℃의 온도에서 3 내지 5 시간 동안 수행되는 것이 바람직한데, 상기 온도 및 시간 범위를 벗어나는 경우에는 상기 에폭시 혼합물의 경도 범위를 벗어나게 되므로 바람직하지 않다.
더욱 바람직하게는 6.6 내지 6.8 Kgf/mm2의 인장 강도를 갖도록 부분 경화시키는 것으로서, 상술한 인장 강도 값을 갖는 에폭시 혼합물은 4-5% 인장률 및 240-250 영률(Young's modulus) 값을 나타낸다. 이는 유연 소자로서의 유연성에 있어서 가장 효율적인 값으로, 동시에 전기적인 물성이 가장 뛰어난 것을 확인하였다.
상기 (ⅱ) 단계는 제1 기판 상에 상기 (ⅰ) 단계를 통해 부분 경화된 에폭시 혼합물을 도포하는 단계로서, 상기 도포 방법은 스핀 코팅 또는 딥코팅 등의 방법으로 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제1 기판은 유연 기판으로서, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리이미드(polyimide, PI) 및 플렉서블 유리(Willow glass) 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 폴리에틸렌테레프탈레이트이다.
상기 (ⅲ) 단계는 상기 (ⅱ) 단계를 통해 에폭시 혼합물이 도포된 제1 기판과 금속 칼코게나이드 박막이 형성된 제2 기판을 접합시키는 단계이다.
상기 에폭시 혼합물은 점착제 역할을 하는 것으로, 상기 에폭시 혼합물과 금속칼코게나이드 박막은 서로 맞닿아 형성되도록 접합시키는 것이 바람직하다. 이때, 상기 접합된 두 접촉면 간의 버블을 제거하는 공정을 추가로 수행하는 것이 더욱 바람직한데, 이는 텅스텐 삼산화물 박막에 크랙과 같은 결함이 발생하지 않고 매끄러운 표면이 형성될 수 있도록 하는 역할을 한다.
상기 금속 칼코게나이드 박막은 MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2, NbS2, NbSe2, NbTe2, TaS2, TaSe2, TaTe2, ZrS2, ZrSe2, ZrTe2, HfS2, HfSe2, TcS2, ReS2, ReTe2, CoS, CoS2, CoSe2, CoTe, RhS2, RhSe2, RhTe2, IrS2, IrSe2, IrTe3, NiS, NiSe, NiTe, PdS2, PdSe, PdSe2, PdTe, PdTe2, PtS, PtS2, PtSe2, PtTe, PtTe2,GaS, Ga2S3, GaSe, Ga2Se3, Ga2Te3, SnS2, SnS, SnSe2, SnSe 및 SnTe 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하며, 상기 제2 기판은 SiO2, 사파이어, 유리 및 석영(quartz) 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다.
상기 (ⅳ) 단계는 상기 제1 기판과 접합된 에폭시 혼합물을 완전 경화시키는 단계로서, 상기 완전 경화는 20 내지 80 ℃의 온도에서 1 내지 10 시간 동안 수행되는 것이 바람직하다. 만일 상기 온도 및 시간 범위를 벗어나는 경우에는 불필요한 기포나 균열 등이 발생할 수 있어 바람직하지 않다.
상기 완전 경화는 에폭시가 안정한 온도에서 유지됨으로써, 완전히 경화하여 이전의 물성으로 돌아가지 않고 단단해지는 것을 의미한다.
상기 (ⅴ) 단계는 상기 제2 기판을 제거하는 단계로서, 제1 기판과 접합된 제2 기판을 함께 증류수에 침지시킨 후 상기 제2 기판을 제거하거나, 또는 상기 제2 기판을 물리적으로 먼저 제거한 후 증류수에 침지시켜 잔여 기판 물질을 완전히 제거하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 유연 기판 상으로 금속 칼코게나이드 박막을 전사하는 방법을 통해 제조된 유연 기판 복합체를 제공한다.
상기 유연 기판 복합체는 유연 기판, 상기 유연 기판 상에 형성된 에폭시 혼합물, 및 상기 에폭시 혼합물 상에 형성된 칼코게나이드 박막을 포함하는 것을 특징으로 한다. 각 구성의 구체적인 설명은 앞서 상술한 내용과 동일하므로 생략하기로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 유연 기판 복합체를 포함하는 플렉서블 소자를 제공한다.
상기 플렉서블 소자는 플렉서블 전계 효과 트랜지스터, 플렉서블 센서 및 LED(light emitting diode)등과 같은 디스플레이를 모두 포함할 수 있다.
이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
또한 이하에서 제시되는 실험 결과는 상기 실시예 및 비교예의 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.
(제조예 1: MoS 2 필름이 형성된 SiO 2 /Si 제조)
웨이퍼 스케일의 MoS2 단분자층 필름은 주문 제작한 CVD 챔버에서 ~10-3 torr의 낮은 압력하에 합성되었다.
먼저, SiO2 기판은 아세톤과 이소프로필 알콜로 각각 10 분 동안 소니케이션하여 세척하고 증류수로 두 번 더 세척하였다. 그리고, 도 11에서 보는 바와 같이, 쿼츠 보트에 담긴 5 mg의 MoO3(≥99.999%, Sigma-Aldrich) 파우더를 퍼니스의 중앙에 놓고, 상기 SiO2 기판은 상기 MoO3 파우더의 하류에 놓았다. 이때, 퍼니스는 아르곤 기체(200 sccm)하에서 20 ℃/min의 속도로 600 ℃ 까지 승온시킨 후, H2S 가스를 1 ccm 주입하여 30 분 이상 MoO3를 황화시키고, 이후에 상온으로 급격히 냉각시켜 MoS2 필름이 형성된 SiO2/Si를 제조하였다.
(제조예 2: MoS 2 필름이 형성된 sapphire 기판 제조)
MoS2의 합성하기 위하여, sapphire 기판을 H2SO4/H2O2(3:1)의 피라냐 용액으로 세척하고, Di water로 여러번 세척하여 남아 있는 에칭 용액을 제거한 후, 도 12에서 보는 바와 같이, sapphire 기판은 25 mg의 MoO3(≥99.999%, Sigma-Aldrich) 파우더를 담긴 도가니 위에 엎어 놓아 열 퍼니스의 중앙에 위치시키고, 300 mg의 황(sulfur)(99.5%, Sigma-Aldrich) 파우더는 성장 기판으로부터 상류에 위치시켰다. 그리고, 상기 성장 공정은 먼저, 아르곤 기체 분위기하(20 sccm/min)에 300 ℃의 온도로 셋팅한 후, 계속 승온시켜 700 ℃의 온도에서 15 분 동안 아르곤 기체를 10 sccm 흘려주고, 700 ℃의 온도에서 10 분 동안 유지한 후, 570 ℃의 온도로 냉각시키고 20 sccm의 가스를 흘려주어 다시 200 sccm을 흘려주고, 급격히 냉각시켜 MoS2 필름이 형성된 sapphire 기판을 제조하였다.
(실시예 1: PET 기판 상으로 MoS 2 /SiO 2 /Si 기판을 전사)
에폭시 주재(KUKDO Chemical, type YDF-175) 2g과 경화제(KUKDO Chemical, type 0331) 2g을 혼합한 후, 상기 혼합물의 버블을 제거하기 위하여 진공 분위기하에서 25 분 동안 추가로 교반하였다. 그리고, PET(polyethylene terephthalate) 기판과 에폭시 점착제를 50 ℃의 온도에서 베이킹한 후, 부드러워진 에폭시 점착제를 PET 기판 상에 플랫시키고, 상기 에폭시 점착제 상부 면에 제조예 1의 MoS2 필름 면이 맞닿도록 위치시켜 접합하고 상기 두 접촉면 간의 버블을 제거하였다. 끝으로, 50 ℃의 온도에서 3 내지 5 시간 동안 에폭시 점착제를 경화시킨 후, 상기 MoS2 필름으로부터 sapphire 기판을 제거하였다.(단, 상기 PET 기판은 이소프로필 알코올과 증류수로 세척하여 사용하였다.)
(실시예 2: PET 기판 상으로 MoS 2 /sapphire 기판을 전사)
실시예 1과 동일하게 실시하되, 제조예 1 대신에 제조예 2를 사용하였다.
(비교예 1: PMMA를 이용하여 PET 기판 상으로 MoS 2 /SiO 2 /Si 기판을 전사)
PMMA(polymethyl methacrylate)를 MoS2 필름 상에 스핀 코팅으로 접합시켜 올린다. 이때, 상기 MoS2 필름은 SiO2/Si 기판 상에 형성된 것으로, 불산 용액을 사용하여 식각하는 공정을 통해 SiO2/Si 기판을 제거한다. 그리고, 상기 PMMA에 접한된 MoS2 필름을 PET 기판 상에 전사시킨 후, 아세톤을 이용하여 상기 PMMA를 제거하였다.
(비교예 2: PS를 이용하여 PET 기판 상으로 MoS 2 /sapphire 기판을 전사)
PS를 MoS2 필름 상에 스핀 코팅으로 접합시켜 올린다. 이때 상기 MoS2 필름은 sapphire 기판 상에 형성된 것으로, sapphire 기판 한쪽 끝을 임의로 컷팅한 후 물을 주입하여 기판과 MoS2 필름 사이로 분리시켜 sapphire 기판을 제거하였다. 그리고, 상기 PS에 접합된 MoS2 필름을 PET 기판 상에 전사시킨 후, 아세톤을 이용하여 PS를 제거하였다.
(시험예 1: 결함 분석)
비교예 1, 2를 통해 제조된 유연 기판 복합체 MoS2 필름의 결함정도를 확인하기 위하여, 상기 MoS2 필름 부분을 광학 현미경으로 측정하였으며, 그 결과를 도 2와 3에 나타내었다.
먼저, 도 2의 a)와 c)는 각각 비교예 1과 2를 나타낸 이미지이고, b)와 d)는 각각 비교예 1과 2를 광학 현미경으로 측정한 이미지이다. 먼저, 비교예 1을 살펴보면, SiO2/Si 기판이 완전히 제거되지 않고 많은 크랙이 발생한 것을 육안으로도 확인할 수 있다. 그리고 비교예 2의 경우, PS는 상기 비교예 1에서 사용한 PMMA 보다 소수성을 나타내어 크랙이 줄어들었으나, 여전히 wet-etching을 이용한 전사 방법은 MoS2 필름에 크랙과 잔여 기판이 많이 존재하는 것을 확인할 수 있다.
이에, 최근에는 필름과 기판 사이 물 분자를 침투시켜 MoS2 필름이 sapphire 표면의 소수성으로 인하여 제거될 수 있는 연구가 이루어졌다.
그럼에도 불구하고, 비교예 2의 결과를 나타내는 도 3을 살펴보면, sapphire 기판이 완전히 제거되지 않았으며, 많은 wrinkles을 가지고 있는 것을 확인할 수 있는데, 이러한 결과는 PS의 접착력이 충분하지 않기 때문인 것으로 보여진다.
(시험예 2: Raman 분석)
실시예 1, 2에서 MoS2 필름이 PET 유연 기판 상에 완전히 전사되었는지를 확인하기 위하여, 전사 전(Brefore transfer)과 후(After transfer)를 라만 분광법 및 광학 현미경으로 분석하였으며, 그 결과를 도 4 내지 6에 나타내었다.
도 4의 (a)는 실시예 1의 MoS2 필름이 PET 유연 기판 상에 전사 되기 전과 후를 나타낸 이미지이고, (b)는 광학현미경으로 측정한 이미지이며, (c)는 전사 후를 라만 분광법을 통해 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4의 (a)와 (b)를 참조하면, SiO2/Si 기판이 완전히 제거되었으며, 어떠한 크랙도 존재하지 않는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 에폭시 점착제의 접착력이 충분히 강하여 분리하고자 하는 SiO2/Si 기판과 MoS2 필름 간의 분리를 원활하게 하기 때문이다.
또한, SiO2/Si 기판 상에 형성된 MoS2 필름과 에폭시/PET 유연 기판 상에 전사되었을 때의 10 position을 라만 분광법으로 확인하였으며, 그 결과는 도 4의 (c)를 통해 알 수 있다.
차 주파수(frequency difference, Δk)는 MoS2 필름의 층수를 가리키는 피크 A1g 와 E1 2g에 의해 변화하며, 도 4의 (c)에서 보는 바와 같이, 상기 MoS2/Epoxy/PET의 Δk는 23.7 cm-1(tri-layer MoS2) 에서 20.8 cm-1(mono-layer MoS2)로 감소한 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 MoS2/SiO2/Si의 Δk 변화(23.7 cm-1→23.7 cm-1)와 거의 비슷한 결과이다.
게다가 도 6을 살펴보면, 상기 Δk는 25.1 cm-1의 전사 이전에서 24.9 cm-1의 전사 이후로 변화함에 따라 비슷한 결과를 나타내는 것을 알 수 있으며, 이를 통해 단분자층의 MoS2 필름이 전사되었을 때 뿐만 아니라, 다층의 MoS2 필름이 전사시켰을 때도 MoS2 필름이 완전히 전사될 수 있음을 확인할 수 있다.
또한, 도 5의 라만 맵핑 결과에서 보는 바와 같이, as-grown과 전사된 필름의 광 균일도 역시 확인할 수 있다.
전사 전과 후의 Δk 값 변화는 기판과 MoS2 필름 간의 상호작용에 의한 것으로, 도 4와 6의 (c)에서 보는 바와 같이, Shift 값의 변화를 통해 그 효과를 확인할 수 있다.
(시험예 3: AFM 분석)
실시예 1의 유연 기판 복합체에 대한 cleanness와 smoothness를 평가하기 위하여 원자력 현미경(Atomic force microscope, AFM)으로 분석하였으며, 그 결과를 도 7 내지 8에 나타내었다.
먼저 도 7을 참조하면, 실시예 1의 경우에는 표면에 매우 매끄러우며 상기 표면의 거칠기는 0.5 nm 이내 인 것을 알 수 있다. 이러한 표면 거칠기는 전사 공정에서 사용된 기판의 표면에 따라 결정되는데, 이러한 낮은 거칠기는 경화 과정에서 점착제의 몰딩 효과에서 온다.
즉, 경화 시에 부드러운 점착제는 SiO2/Si 기판 상에 형성된 MoS2 필름의 표면 topology를 표방하는 것으로 보여진다. 만약에 경화가 완전히 이루어지면, 표면 거칠기는 SiO2/Si 기판과 비슷할 것이다. 거칠기의 정도는 전사 방법에 따라 달라질 수 있다.
상기 공정에서 고분자 지지체 물질이 사용된다. 전사 공정 이후에 고분자를 제거하는 공정이 필수적이며, 고분자의 불완전한 용해성 때문에 잔여 고분자가 남게 된다. 그러나, 본 공정에서는 에폭시 점착제를 사용하여 고분자 지지체를 제거하는 공정을 필요로 하지 않으며, 잔여된 고분자 없이도 매우 깨끗하고 부드러운 표면을 나타낸다.
전사된 MoS2의 표면과는 대조적으로, 원래의 PET 표면은 figure 4b, d에서 보는 바와 같이 매우 거칠다. 거칠기는 3nm 내외로, 만일 MoS2 필름이 PET 기판에 직접 전사되면, 거칠기가 비슷하거나 또는 오히려 나빠진다.
(시험예 4: 전기적 물성 분석)
실시예 1의 유연 기판 복합체에 대한 전기적 물성을 분석하였으며, 그 결과를 도 9에 나타내었다.(단, 전기적 물성은 상기 실시예 1을 전계 효과 트랜지스터(ion gel-gated field effect transistors, FETs)로 제조하여 측정하였으며, 드레인 및 소스 전극은 에폭시/PET 기판 상의 MoS2의 탑 면에 Cr/Au를 증착시켜 사용하였다.)
도 9의 (a)는 Ids 대 Vg 값을 나타내고, (b)는 Ids-Vds 값을 나타낸 것으로, 상기 도 9를 참조하면, 실시예 1을 이용한 FET device는 약 34 cm2V-1S-1의 extracted carrier mobility 값과 on-off current 비율이 104-105를 나타내는 것을 알 수 있다.
이때, field-effect mobility는 하기 식에 의해 계산되어지며, Cion은 이온-겔 gate capacitance이고, L과 W는 채널 길이와 넓이다.
μFE = (L/WCionVds)(dIds/dVg) …………… (식)
ΔId/ΔVg 값은 Id-Vg 곡선의 기울기로부터 얻어진다.
즉, 종래의 금속 칼코게나이드가 전사된 플라스틱 기판의 경우 결함의 정도와 완전히 제거되지 않고 남아있는 기판 물질(불순물)로 인하여 10 cm2/Vs 미만의 mobility 값을 나타내었으나, 실시예 1의 경우에는 약 34 cm2V-1S-1의 값을 나타내어 전기적 물성이 현저하게 향상되었음을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 여러 구현예에 따르면, 에폭시를 이용하여 유연 기판 상에 금속 칼코게나이드 박막을 전사함으로써, 전사되는 금속 칼코게나이드 박막의 결함이나 불순물을 생성시키지 않아 전기적인 물성이 우수한 유연 기판 복합체를 제조할 수 있다.
또한, 상술한 방법으로 제조된 유연 기판 복합체는 플렉서블 전계 효과 트랜지스터, 센서 및 LED 등과 같은 유연(플렉서블) 소자 등에 폭넓게 응용할 수 있다.

Claims (12)

  1. (ⅰ) 에폭시 주재와 경화제를 혼합하여 부분 경화시키는 단계;
    (ⅱ) 제1 기판에 상기 부분 경화된 에폭시 혼합물을 도포하는 단계;
    (ⅲ) 상기 부분 경화된 에폭시 혼합물이 도포된 제1 기판과 금속 칼코게나이드 박막이 형성된 제2 기판을 접합시키는 단계;
    (ⅳ) 상기 제1 기판과 접합된 에폭시 혼합물을 완전 경화시키는 단계; 및
    (ⅴ) 상기 제2 기판을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 기판 상으로 금속 칼코게나이드 박막을 전사하는 방법으로서,
    상기 (ⅲ) 단계는 에폭시 혼합물과 금속 칼코게나이드 박막이 서로 맞닿아 형성되도록 접합시키는 것을 특징으로 하는 유연 기판 상으로 금속 칼코게나이드 박막을 전사하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에폭시 혼합물은 에폭시 주재와 경화제가 1: 0.1 내지 2의 중량 비율로 혼합된 것을 특징으로 하는 유연 기판 상으로 금속 칼코게나이드 박막을 전사하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (ⅰ) 단계의 에폭시 부분 경화물은 5 내지 8 Kgf/mm2의 인장 강도를 갖도록 부분 경화시키는 것을 특징으로 하는 유연 기판 상으로 금속 칼코게나이드 박막을 전사하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (ⅰ) 단계의 부분 경화는 40 내지 60 ℃의 온도에서 3 내지 5 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 유연 기판 상으로 금속 칼코게나이드 박막을 전사하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (ⅲ) 단계는 에폭시 혼합물과 금속 칼코게나이드 박막을 서로 맞닿아 형성되도록 접합시킨 후,
    상기 접합된 두 접촉면 간의 버블을 제거하는 공정을 더 수행하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 유연 기판 상으로 금속 칼코게나이드 박막을 전사하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (ⅳ) 단계의 완전 경화는 20 내지 80 ℃의 온도에서 1 내지 10 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 유연 기판 상으로 금속 칼코게나이드 박막을 전사하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (ⅴ) 단계는 증류수에 제1 기판과 접합된 제2 기판을 함께 침지시킨 후에 제2 기판을 제거하거나,
    또는 제2 기판을 물리적으로 제거한 후에 증류수에 침지시켜 잔여 기판 물질을 완전히 제거하는 것을 특징으로 하는 유연 기판 상으로 금속 칼코게나이드 박막을 전사하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드 및 플렉서블 유리 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유연 기판 상으로 금속 칼코게나이드 박막을 전사하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 금속 칼코게나이드 박막은 MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2, NbS2, NbSe2, NbTe2, TaS2, TaSe2, TaTe2, ZrS2, ZrSe2, ZrTe2, HfS2, HfSe2, TcS2, ReS2, ReTe2, CoS, CoS2, CoSe2, CoTe, RhS2, RhSe2, RhTe2, IrS2, IrSe2, IrTe3, NiS, NiSe, NiTe, PdS2, PdSe, PdSe2, PdTe, PdTe2, PtS, PtS2, PtSe2, PtTe, PtTe2,GaS, Ga2S3, GaSe, Ga2Se3, Ga2Te3, SnS2, SnS, SnSe2, SnSe 및 SnTe 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유연 기판 상으로 금속 칼코게나이드 박막을 전사하는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 기판은 SiO2, 사파이어, 유리 및 석영 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유연 기판 상으로 금속 칼코게나이드 박막을 전사하는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 유연 기판 복합체.
  12. 제11항에 따른 유연 기판 복합체를 포함하는 플렉서블 소자.
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