KR20180033159A - 3차원 그래핀 구조체, 그의 제조방법 및 전사방법 - Google Patents

3차원 그래핀 구조체, 그의 제조방법 및 전사방법 Download PDF

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Abstract

3차원 그래핀 구조체, 그의 제조방법 및 전사방법이 제공된다. 3차원 형태의 기판 상에서 3차원 그래핀 구조체를 형성한 후, 이를 가스 삽입 후 분리하여 원하는 다른 절연성 필름 상에 손상 없이 전사할 수 있는 방법이 제공된다.

Description

3차원 그래핀 구조체, 그의 제조방법 및 전사방법{3-dimensional graphene structure and process for preparing and transferring the same}
3차원 그래핀 구조체, 그의 제조방법 및 전사방법이 제공된다. 상기 3차원 그래핀 구조체는 평면 구조체와 비교하여 집적도 및 성능의 향상을 도모할 수 있으며, 또한 전사 공정에서 결함이 억제되므로 다양한 산화물 필름이나 플라스틱 기재에 효율적으로 적용할 수 있게 된다.
그래핀은 실온에서 높은 이동도를 가지므로 차세대 전기소자용 물질로서 주목을 받고 있다. 그래핀은 그래파이트 박리, 에피택셜 성장 및 화학기상 증착과 같은 다양한 방법을 사용하여 제조할 수 있다.
이와 같이 제조된 그래핀을 소자에 적용하는 경우, 산화물 필름이나 플라스틱 기재와 같은 다양한 기판을 사용하게 된다. 따라서 제조된 그래핀을 이들 기판 상에 전사하는 방법이 다양하게 개발되고 있다. 하지만, 대면적을 갖는 소자에 적용시 전사 공정에서 그래핀의 손상이 발생하며, 따라서 그래핀의 전사 과정에서 이와 같은 손상을 억제할 필요가 있다.
한편, 평면 구조의 실리콘계 소자는 집적도 및 성능에 있어서 한계를 가지고 있으며, 이러한 한계를 극복하고자 3차원의 입체 형상을 갖는 소자들이 개발되고 있다. 그래핀의 경우도 패턴화 및 전사 공정이 주로 평면 구조체에 한정되어 왔다.
따라서 그래핀계 3차원 소자가 개발되기 위해서는 그래핀의 3차원 패터닝 및 전사 공정이 요구된다.
해결하려는 과제는 3차원 그래핀 구조체를 제공하는 것이다.
해결하려는 다른 과제는 상기 3차원 그래핀 구조체의 제조방법을 제공하는 것이다.
해결하려는 또 다른 과제는 상기 3차원 그래핀 구조체의 전사방법을 제공하는 것이다.
일측면에 따르면,
주기적으로 반복되는 입체 형상을 갖는 3차원 그래핀 구조체가 제공된다.
다른 일측면에 따르면,
기판의 적어도 일면 상에 입체 형상의 패턴을 부여하는 단계; 및
상기 패턴이 부여된 기판 상에 그래핀을 성장시켜 패턴 형상을 갖는 3차원 그래핀 구조체를 형성하는 단계;를 포함하는 3차원 그래핀 구조체의 제조방법을 제공한다.
또 다른 일측면에 따르면,
상기와 같이 형성된 3차원 그래핀 구조체와 기판 사이에 가스를 삽입하여 이들의 결합력을 감소시키는 단계;
상기 3차원 그래핀 구조체를 접착성 지지체와 결합시켜 상기 기판으로부터 분리하는 단계;
상기 3차원 그래핀 구조체를 절연성 기판 상에 결합시키는 단계; 및
상기 접착성 지지체를 제거하는 단계;를 포함하는 3차원 그래핀 구조체의 전사방법을 제공한다.
상기 일측면에 따른 3차원 그래핀 구조체는 일정한 형태의 입체 형상이 부여됨으로써 그래핀계 소자의 집적도 및 성능을 개선할 수 있으며, 이와 같은 3차원 구조로 인해 보다 안정적인 전사가 가능해지므로 그래핀의 손상을 억제할 수 있게 된다.
도 1은 일구현예에 따른 기판을 나타낸다.
도 2a 및 2b는 각각 일구현예에 따른 패턴이 형성된 기판 및 그의 단면을 나타낸다.
도 3a 및 3b는 각각 일구현예에 따른 3차원 그래핀 구조체가 형성된 기판 및 그의 단면을 나타낸다.
도 4a 및 4b는 각각 일구현예에 따른 그래핀 구조체 및 기판 사이에 삽입 가스가 존재하는 개략도 및 그의 단면을 나타낸다.
도 5a 및 5b는 각각 일구현예에 따른 접착성 테이프가 그래핀 상에 접착된 기판 및 그의 단면을 나타낸다.
도 6a 및 6b는 각각 일구현예에 따른 절연성 필름에 전사된 3차원 그래핀 구조체 및 그의 단면을 나타낸다.
도 7은 실시예 1에서 얻어진 SiC 패턴 웨이퍼의 SEM 사진을 나타낸다.
도 8은 실리콘 산화물 필름 상에 전사된 3차원 그래핀 구조체의 SEM 사진을 타낸다.
도 9는 도 8에 도시한 A영역의 확대도를 나타낸다.
도 10은 도 8에 도시한 B영역의 확대도를 나타낸다.
도 11은 실시예 1에서 얻어진 3차원 그래핀 구조체의 원자힘 현미경 사진을 나타낸다.
도 12는 도 11에서 사각형으로 표시한 영역의 확대도를 나타낸다.
도 13은 실시예 1에서 얻어진 3차원 그래핀 구조체의 소정 영역을 나타낸다.
도 14은 도 13에서 도시한 a, b, c 및 d 영역의 라만스펙트럼을 나타낸다.
일태양에 따르면, 주기적으로 반복되는 입체 형상을 갖는 3차원 그래핀 구조체가 제공된다.
3차원 그래핀 구조체의 경우, 이를 채용한 다양한 전기소자에서 집적도 및 성능을 향상시킬 수 있으며, 또한 3차원 구조로 인하여 전사 공정에서 결함을 최소화시키는 것이 가능해진다.
상기 3차원 그래핀 구조체에서 상기 입체 형상은 다양한 형태로 존재할 수 있으며, 그 형태에 제한은 없다. 예를 들어 돌기 형상의 볼록부(凸) 또는 오목부(凹)가 주기적으로 존재할 수 있다. 이들 볼록부 및 오목부는 내부가 비어 있는 반구형, 또는 원기둥형, 보울형(bowl) 등 다양한 형태를 가질 수 있다. 이들은 볼록부 또는 오목부가 단독으로 형성될 수 있으나, 함께 혼용되어 존재하는 것도 가능하다.
이와 같은 오목부 또는 볼록부와 같은 입체 형상들은 상기 그래핀 상에 일정한 배열을 가지고 주기적으로 존재할 수 있으며, 예를 들어 0.1㎛ 내지 100 ㎛의 크기(예를 들어 직경)를 갖는 오목부 및/또는 볼록부가 0.1㎛ 내지 100㎛의 간격으로 일정하게 엠보 형태로 배열될 수 있다. 이때 상기 오목부 및/또는 볼록부의 높이 또는 깊이는 예를 들어 약 10 nm 내지 10㎛의 범위를 가질 수 있다.
상기 3차원 그래핀 구조체는 단일층 그래핀 또는 다중층 그래핀으로 이루어질 수 있으며, 상기 다중층 그래핀은 예를 들어 약 2층 내지 약 50층의 두께를 가질 수 있다.
이와 같은 3차원 그래핀 구조체는 다음과 같은 방법으로 제조할 수 있다.
우선 기판의 적어도 일면 상에 입체 형상의 패턴을 부여한 후, 상기 패턴이 부여된 기판의 표면 상에서 그래핀을 성장시켜 패턴 형상을 갖는 3차원 그래핀 구조체를 형성할 수 있다.
상기 기판으로서는 예를 들어 SiC 기판, 예를 들어 SiC 웨이퍼를 사용할 수 있다. 이와 같은 SiC 기판 상에서는 그래핀이 에피택셜 방식으로 성장하게 되며, SiC 층의 실리콘 및 탄소 표면 모두에서 그래핀이 성장할 수 있다. SiC 웨이퍼의 탄소 표면보다는 실리콘 표면 상에서 더 우수한 균일성을 갖는 그래핀을 성장시킬 수 있다.
상기 기판의 예인 SiC 층은 두께가 약 1nm 내지 약 500㎛인 것을 사용할 수 있다. 상기 범위 내에서 그래핀 성장을 위한 충분한 탄소를 공급할 수 있게 된다.
상기 패턴이 포토리소그래피에 의해 얻어진 것일 수 있다.
상기 기판, 예를 들어 SiC 웨이퍼 상에 패턴을 형성하는 방법으로서는 건식 또는 습식 에칭 공정을 예로 들 수 있다.
상기 건식 에칭 공정은 도 1에 기재된 기판(1)에 도 2a에 도시한 바와 같은 패턴(3)을 부여하는 공정으로서, 이를 위해서는 기판(1)에 소정 두께의 네가티브 포토레지스트를 도포한 후, 여기에 일정한 구멍 형상이 주기적으로 반복되는 포토마스크를 위치시키고 노광 공정을 수행한다. 이어서 비노광 영역을 제거하여 개방된 기판 영역에 현상액 또는 현상가스로 에칭을 수행하여 기판(1)에 볼록부 패턴 형상(3)을 부여함으로써 패턴이 부여된 기판(2)을 얻을 수 있다. 도 2b는 상기 패턴(3)이 부여된 기판(2)의 단면을 나타낸다. 이와 다른 방법으로서 포지티브 포토레지스트를 사용하고 노광영역을 제거하여 개방된 기판 영역에 에칭을 수행하면 오목부의 패턴을 형성하는 것도 가능하다.
상기 패턴(3)의 형태 및 간격은 사용된 포토마스크에 따라 결정될 수 있으며, 예를 들어 상기 포토마스크에서 0.1㎛ 내지 100 ㎛의 직경을 갖는 원형의 구멍이 약 0.2㎛ 내지 100㎛의 간격(pitch)으로 형성된 경우, 얻어진 기판의 패턴 또한 이와 동일 또는 유사한 직경 및 간격을 유지하게 된다. 상기 간격은 상기 구멍의 중심에서 이웃하는 다른 구멍의 중심 사이의 거리를 의미한다.
상기 패턴(3)의 깊이 또는 높이는 사용된 에칭 공정의 강도에 따라 적절히 조절될 수 있다. 예를 들어 현상액을 사용하는 경우, 현상액의 종류, 농도, 침지 시간 등에 따라 조절할 수 있으며, 현상가스의 종류, 농도, 반응시간 등에 따라 조절할 수 있다.
이와 같이 기판 상에 패턴을 부여한 후, 이를 열처리하여 도 3a에 나타낸 바와 같이 상기 패턴의 형상으로 3차원 그래핀 구조체(4)를 형성시킬 수 있다. 도 3b는 패턴 형상의 기판(2) 상에 형성된 그래핀(4)의 단면을 나타낸다.
상기 기판으로서 탄소 함유 기판, 예를 들어 SiC 웨이퍼를 사용한 경우, 웨이퍼 자체가 탄소공급원이 되므로 별도의 탄소공급원이 요구되지 않는다. 이 경우 열처리에 의해 내부의 Si-C 결합이 약해져 탄소가 표면으로 해리되어 방출된 후, 이들이 서로 결합하여 그래핀을 형성하게 된다.
상기 그래핀이 다중층으로 형성되는 경우, 예를 들어 에피택셜 그래핀을 형성할 수 있다. 에피택셜 그래핀은 자연적으로 존재하는 그래핀에서 각 그래핀층이 아래층에 대하여 60도 회전하여 성장된 것과는 상이한 구조를 가지며, 각각의 그래핀층이 전자 구조적으로 독립하여 적층된 형태를 가질 수 있다. 예를 들어 각 그래핀층이 아래층에 대하여 30도 회전하여 존재할 수 있다.
상기 3차원 그래핀 구조체(4)를 형성하기 위한 열처리 조건으로서는 진공 또는 불활성 분위기하에 약 500 내지 약 2,000oC, 또는 약 1,000oC 내지 약 2,000oC의 온도에서 약 1분 내지 약 2시간 동안 수행할 수 있다.
상기 불활성 분위기는 아르곤이나 헬륨 같은 불활성 원소로 용기가 채워진 것을 의미하며 이때의 압력은 약 50 내지 약 1,000torr, 또는 약 100 내지 약 700torr을 사용할 수 있다.
이와 다른 방법으로서 촉매금속 및 별도의 탄소공급원을 사용하여 3차원 그래핀 구조체를 형성하는 방법을 사용할 수 있다.
탄소 함유 기판 상에 직접 패턴을 형성하는 방법과 달리, 그래파이트화 촉매금속을 기판 상에 적층한 후 여기에 패턴을 형성하거나, 또는 패턴이 형성된 그래파이트화 촉매금속층을 기판 상에 적층하는 것도 가능하다.
이때 사용가능한 기판으로서는 Si 기판, 글래스 기판, GaN 기판, 실리카 기판 등의 무기물 기판과 Ni, Cu, W 등의 금속 기판 등을 사용할 수 있으며, 상기 그래파이트화 촉매와의 불필요한 반응을 억제하기 위하여 상기 실리카 기판의 표면을 블록층으로 미리 도포하는 것도 가능하다. 이와 같은 블록층은 기판과 그래파이트화 촉매층 사이에 존재함으로써, 상기 그래파이트화 촉매가 기판과 반응함으로써 그래핀 생성 효율이 저하되는 것을 억제하게 된다. 이와 같은 블록층으로서는 SiOx, TiN, Al2O3, TiO2, Si3N4, BN 등의 소재를 사용할 수 있으며, 스퍼터링 등의 방법으로 상기 기판 상에 형성할 수 있다. 이와 같은 블록층은 소정 두께를 가질 수 있는 바, 0.1nm 내지 1000㎛의 두께를 사용할 수 있다.
상기 그래파이트화 촉매금속으로서는 탄소공급원과 접촉함으로써 탄소공급원으로부터 제공된 탄소성분들이 서로 결합하여 6각형의 판상 구조를 형성하도록 도와주는 역할을 수행하며, 그 예로서는 그래파이트를 합성하거나, 탄화반응을 유도하거나, 카본나노튜브를 제조하는데 사용되는 촉매를 사용할 수 있다. 예를 들어 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 백금(Pt), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 로듐(Rh), 실리콘(Si), 탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 우라늄(U), 팔라듐(Pd), 바나듐(V) 및 지르코늄(Zr)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 이와 같은 그래파이트화 촉매는 상기와 같은 금속 단독으로 이루어진 판상 구조체를 사용할 수 있으며, 상기 그래파이트화 촉매를 하나 이상 기판 상에 증착, 예를 들어 스퍼터링 등의 방법으로 고정하는 것도 가능하다.
상기 그래파이트화 촉매 금속에 대한 패턴 형성 방법은 종래 알려져 있는 금속에 대한 에칭 방법을 사용할 수 있으며, 상기와 같은 패턴의 형태를 부여할 수 있는 것이라면 제한 없이 사용할 수 있다.
패턴이 형성된 그래파이트화 촉매금속층을 기판 상에 형성한 후, 기상의 탄소 공급원을 투입하면서 열처리하여 그래핀을 생성시킨 후, 이를 냉각하에 성장시킴으로써 패턴 형상을 갖는 3차원 그래핀 구조체(4)가 형성될 수 있다. 즉, 패턴화된 그래파이트화 촉매금속이 존재하는 챔버 내에 기상의 탄소 공급원을 소정 압력으로 공급하면서 소정 온도에서 소정 시간 동안 열처리하면, 상기 기상의 탄소 공급원에 존재하는 탄소성분들이 서로 결합하여 6각형의 판상 구조를 형성하면서 3차원 그래핀 구조체가 생성되며, 이를 소정 냉각 속도로 냉각하면 균일한 배열 상태를 갖는 3차원 그래핀 구조체를 얻을 수 있게 된다.
상기 3차원 그래핀 구조체 형성 과정에서 탄소 공급원으로서는 탄소를 공급할 수 있으며, 약 300℃ 이상의 온도에서 기상으로 존재할 수 있는 물질이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 상기 기상 탄소 공급원으로서는 카본을 함유하는 화합물이면 가능하며, 예를 들어 탄소수 6개 이하, 또는 탄소수 4개 이하의 화합물 또는 탄소수 2개 이하의 화합물을 사용할 수 있다. 그러한 예로서는 일산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠 및 톨루엔으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.
이와 같은 탄소 공급원은 그래파이트화 촉매가 존재하는 챔버 내에 일정한 압력으로 투입되는 것이 바람직하며, 상기 챔버 내에서는 상기 탄소공급원만 존재하거나, 또는 헬륨, 아르곤 등과 같은 불활성 가스와 함께 존재하는 것도 가능하다.
또한, 상기 기상 탄소 공급원과 더불어 수소를 사용할 수 있다. 수소는 금속 촉매의 표면을 깨끗하게 유지하여 기상 반응을 제어하기 위하여 사용될 수 있으며, 용기 전체 부피의 약 5 내지 약 40 부피% 사용가능하고, 예를 들어 약 10 내지 약 30 부피%, 또는 약 15 내지 약 25 부피%를 사용할 수 있다.
막 형태의 그래파이트화 촉매가 존재하는 챔버 내에 상기 기상의 탄소 공급원을 투입한 후, 이를 소정 온도에서 열처리하면 그래핀이 상기 그래파이트화 촉매의 표면 상에 형성된다. 상기 열처리 온도는 그래핀의 생성에 있어서 중요한 요소로 작용하며, 약 300 내지 약 2000℃, 예를 들어 약 500 내지 약 1500℃가 좋다.
상기 열처리 온도의 경우, 막 형태의 그래파이트화 촉매가 후막인 경우, 박막과 비교하여 보다 고온의 열처리를 수행할 수 있게 된다.
상기 막 형태의 그래파이트화 촉매는 박막 또는 후막이 가능하며, 박막일 경우 제조 공정상 기판 상에 형성되는 것이 바람직한 바, 700℃를 넘는 고온에서는 상기 박막과 기판의 접촉이 약해질 수 있으며, 박막의 일부가 용융될 가능성도 있다. 따라서 700℃를 넘는 고온의 열처리를 사용하는 경우에는 기판의 사용이 요구되지 않는 후막을 사용할 수 있다. 상기 박막으로서는 약 1 내지 약 1,000nm, 예를 들어 약 10 내지 약 100nm의 두께를 가질 수 있으며, 상기 후막으로서는 약 0.01 내지 약 5mm, 예를 들어 약 0.1 내지 약 1mm의 두께를 가질 수 있다.
상술한 바와 같이 3차원 그래핀 구조체를 얻은 후, 이를 절연성 기판 상에 전사할 수 있다. 전사 공정은 기판 상에서 성장한 3차원 그래핀 구조체를 분리하여 다른 기판 상에 옮기는 공정을 의미하며, 상술한 바와 같이 탄소 함유 기판이나 그래파이트화 촉매금속에서 성장한 그래핀을 다양한 소자에 응용가능한 절연성 필름, 예를 들어 실리콘 산화물 필름으로 옮기는 과정을 의미한다.
이와 같은 전사공정은 상기와 같이 형성된 3차원 그래핀 구조체와 기판 사이에 가스를 삽입하여 이들의 결합력을 감소시킨 후, 상기 3차원 그래핀 구조체를 접착성 지지체와 결합시켜 상기 기판으로부터 분리하고, 이어서 상기 3차원 그래핀 구조체를 절연성 기판 상에 결합시킨 후, 상기 접착성 지지체를 제거하는 단계;를 포함한다.
이와 같은 전사공정에서 3차원 그래핀 구조체와 기판 사이의 분리 공정은 이들의 결합력으로 인해 강제로 분리할 경우 그래핀 구조체의 손상이 필연적으로 발생하게 된다. 따라서 그래핀 구조체를 기판으로부터 그래핀 손상 없이 분리하는 공정이 요구된다. 따라서 상기 3차원 그래핀 구조체와 기판 사이의 결합력을 감소시키기 위하여 이들이 존재하는 고온의 챔버 내에 가스를 삽입하게 된다.
이와 같이 고온의 가스를 삽입하게 되면 도 4a 및 4b에 도시한 바와 같이 기판(2)과 3차원 그래핀 구조체 사이에 가스(5)가 삽입되며, 그로 인해 기판(2)과 그래핀 구조체의 결합력이 약화된다.
상기와 같이 삽입되는 가스(5)로서는 수소 가스를 예로 들 수 있으며, 약 300 내지 약 1,000torr, 또는 약 500 내지 약 800torr의 압력으로 사용할 수 있다. 이때 챔버 내 온도는 약 500 내지 약 1,500oC, 또는 약 600oC 내지 약 1,200oC의 온도를 사용할 수 있다. 이와 같은 가스 삽입 공정은 약 1분 내지 약 60분 동안 수행할 수 있다.
이와 같은 가스 삽입 공정이 완료되면, 상기 기판(2)과 그래핀 구조체(4) 사이의 결합력이 약해지므로 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이 테이프 등과 같은 접착성 지지체(6)를 사용하여 그래핀 구조체를 쉽게 분리할 수 있게 된다. 이때 사용가능한 테이프로서는 접착성, 또는 점착성 테이프를 사용할 수 있다. 하지만, 이들 접착성 또는 점착성 테이프에서 그래핀 구조체를 다시 분리해야 하며, 이때 이들의 접착력으로 인해 그래핀 구조체의 손상이 발생할 수 있다. 따라서 상기 접착성 지지체로서는 열 이형 테이프(thermal release tape) 또는 UV 테이프를 사용할 수 있다. 열 이형 테이프는 일정 온도 이상이 되면 접착력을 상실하므로 가열에 의해 그래핀을 쉽게 재분리할 수 있게 된다.
상기 접착성 지지체(6)를 그래핀 구조체(4)와 접촉시켜 결합시키는 과정에서 이미 기판(2)과 상기 그래핀 구조체(4)의 결합력이 약해져 있으므로, 상기 접착성 지지체(6)를 그래핀 구조체(4)에 접착시키기 위하여 많은 압력을 가할 필요가 없게 된다. 그에 따라 전사 대상인 그래핀 구조체(4) 면적을 크게 증가시킬 수 있으며, 상기 그래핀 구조체(4)의 손상 또한 최소화시키는 것이 가능해진다.
또한, 열이형 테이프와 같은 접착성 지지체(6)를 사용하여 상기 가스 삽입된 기판(2)으로부터 3차원 그래핀 구조체(4)를 분리한 후, 도 6a 및 도 6b에 나타낸 바와 같이 이를 목적하는 다른 절연성 기판(7) 상에 이동시키고 열처리하여 상기 접착성 지지체(6)를 그래핀 구조체(4)로부터 분리함으로써 전사공정을 수행할 수 있다.
상술한 바와 같이 제조된 3차원 그래핀 구조체는 표시소자, 태양전지용 투명전극, 트랜지스터, 센서 또는 메모리의 채널 물질 등과 같은 다양한 전자소자에 유용하게 사용할 수 있다.
이하에서는 실시예를 들어 본 발명의 구현예를 보다 상세히 설명하나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
기판으로서 n-타입 6H-SiC(0001) 웨이퍼를 사용하였으며, 하기 공정의 건식 에칭 공정에 따라 패터닝을 수행하였다.
우선, 1.4㎛ 두께의 네가티브 포토레지스트(AZ5214, AZ사 제조)를 SiC 웨이퍼 전체에 걸쳐 고르게 도포하였다. 이어서 상기 SiC 웨이퍼 상에 포토마스크(크롬/석영 글래스 템플레이트, 6㎛ 도트 패턴 및 8㎛ 피치)를 위치시킨 후, 436nm의 파장을 갖는 G-line 광원으로 노광시켰다. 이어서 상기 SiC 웨이퍼의 개방 영역을 SF6/Ar 혼합 가스를 사용하는 반응성 이온 에칭으로 제거하였으며, 이때 에칭 속도는 대략 500Å/분으로 하며, 10분간 에칭한다. 상기 건식 공정을 통해 얻어진 SiC 패턴 구조체에 대한 SEM 사진을 도 7에 도시한다. 도 7에 나타낸 바와 같이 상기 SiC 패턴 구조체는 뒤집어진 보울(bowl) 형태를 가지며, 상기 패턴 하나의 직경은 6㎛, 높이는 0.5㎛이다. 링 패턴이 상기 뒤집어진 보울 패턴 상에 부가적으로 더 형성된다.
이어서 상기 SiC 패턴 구조체를 680torr의 아르곤 존재하의 챔버 내에서 1,650oC에서 10분간 열처리한 후 서서히 냉각하여 3차원 에피택셜 그래핀 구조체를 <1nm의 두께로 형성한다.
이어서 상기 챔버에 760torr의 수소를 가하고 800 내지 1,000oC의 온도 범위로 10분간 유지하여 상기 SiC 웨이퍼와 그래핀 구조체 사이에 수소를 삽입한다.
이어서 실온에서 상기 그래핀 구조체에 열 이형 테이프(REVALPHA, Nittodenko사 제조)를 접착하고 SiC 웨이퍼로부터 분리한 후, 이를 300nm의 두께를 갖는 실리콘 산화물 필름에 전사한다. 상기 열이형 테이프의 접착 강도는 온도에 의해서 조절할 수 있으며, 실온에서 열이형 테이프를 사용하여 SiC 웨이퍼 상의 그래핀 구조체에 접착시킨 후, 상기 테이프를 145oC로 가열하면 그래핀 구조체가 상기 테이프로부터 분리된다.
도 8은 실리콘 산화물 필름에 전사된 3차원 그래핀 구조체의 SEM 사진을 나타낸다. 도 9는 상기 3차원 그래핀 구조체의 중앙에 존재하는 A 영역의 확대 사진을 나타내며, 도 10은 상기 3차원 그래핀 구조체의 말단에 존재하는 B 영역의 확대 사진을 나타낸다. 상기 도 8, 9 및 10에서 알 수 있는 바와 같이 상기 3차원 그래핀 구조체는 상기 SiC 패턴 웨이프와 동일하게 뒤집어진 보울 형상을 갖는다. 도 10에 도시된 바와 같이 상기 그래핀 구조체의 보울 내부가 비어 있음을 알 수 있다. 즉, 뒤집어진 보울 형상을 갖는 3차원 그래핀 구조체는 상기 실리콘 산화물 필름 상에서 일정 부분 떠 있음을 알 수 있다. 이와 같이 떠 있는 형상의 3차원 그래핀 구조체는 보울 사이의 평면 그래핀에 의해 유지된다. 따라서 상기 도 2 내지 도 5에 도시한 바와 같이, SiC 패턴 웨이퍼 상에서 그래핀이 3차원으로 성장할 수 있으며, SiC 패턴 웨이퍼의 3차원 구조를 유지하면서 원하는 다른 기판 상에 전사되었음을 알 수 있다.
원자힘 현미경을 사용하여 상기 실리콘 산화물 기판 상에 전사된, 뒤집어진 보울 형상의 그래핀의 크기를 측정하여 도 11에 도시하며, 그 중 하나의 패턴에 대한 원자힘 현미경 사진을 도 12에 도시하며, 상기 3차원 구조체의 높이 및 직경이 466.5 및 5020.5nm임을 알 수 있다. 이와 같은 높이 및 직경은 SiC 웨이퍼의 패턴과 유사하며, SiC 패턴 웨이퍼의 링 형상 또한 뒤집어진 보울 형상에서 관찰되었다.
상기 실리콘 산화물 필름 상에 전사된 도 13의 3차원 그래핀 중 소정 영역(a,에서 b,c, d)에서 라만 스펙트럼(여기 광원: 514.5nm의 레이져)을 측정하여 그 결과를 도 14에 도시한다.
상기 라만 스펙트럼은 대략 1350 (D 피크), 1580 (G 피크), 및 2700 (2D 피크) cm-1의 세가지 주요 특징을 갖는다. 이들 중 상기 D 피크는 그래핀의 결함으로부터 유래한 것으로 알려져 있다. 다양한 위치에서 측정된 D 피크의 강도는 G 및 2D 피크에 비해 매우 작았으며, 이로부터 전사된 3차원 그래핀 구조체가 매우 균일한 것임을 알 수 있다.
상기 2D 및 G 밴드의 상대 강도 (I2D/IG)는 그래핀 층수에 반비례한다. 상기 3차원 그래핀의 30%는 평균 1.5 내지 4.0 범위의 I2D/IG 를 가지며, 3차원 그래핀의 60%는 평균 0.5 내지 1.5 범위의 I2D/IG 를 갖는다. 실리콘 산화물에 전사된 그래핀에 대하여 이미 알려진 바와 같이, 단일층 그래핀은 약 2.5의 I2D/IG를 가지며, 이중층 그래핀은 약 1.2의 I2D/IG 를 갖는다. 따라서 상기 실리콘 산화물 필름에 전사된 3차원 그래핀 구조체 대부분은 3층보다 더 작은 층수를 가짐을 알 수 있다.
1: 기판
2: 패턴 형성 기판
3: 패턴
4: 3차원 그래핀 구조체
5: 삽입가스
6: 접착성 지지체
7: 절연성 기판

Claims (15)

  1. 기판의 적어도 일면 상에 돌기 형상의 볼록부(凸) 또는 오목부(凹)가 단독으로 또는 함께 혼용되어 주기적으로 반복되는 입체 형상의 패턴을 부여하는 단계;
    상기 패턴이 부여된 기판 상에 그래핀을 성장시켜, 상기 그래핀 상에 돌기 형상의 볼록부(凸) 또는 오목부(凹)가 단독으로 또는 함께 혼용되어 주기적으로 반복되는 입체 형상의 패턴 형상을 갖는 3차원 그래핀 구조체를 형성하는 단계;
    상기 3차원 그래핀 구조체와 기판 사이에 가스를 삽입하여 이들의 결합력을 감소시키는 단계;
    상기 3차원 그래핀 구조체를 접착성 지지체와 결합시켜 상기 기판으로부터 분리하는 단계;
    상기 3차원 그래핀 구조체를 절연성 기판 상에 결합시키는 단계; 및
    상기 접착성 지지체를 제거하는 단계;
    를 포함하는 3차원 그래핀 구조체의 전사방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스가 수소기체인 것인 3차원 그래핀 구조체의 전사방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가스 삽입 공정이 600oC 내지 1,200oC의 온도에서 1분 내지 60분 동안 수행되는 것인 3차원 그래핀 구조체의 전사방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스의 압력이 500 내지 800 torr인 것인 3차원 그래핀 구조체의 전사방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 접착성 지지체가 열이형 테이프인 것인 3차원 그래핀 구조체의 전사방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 접착성 지지체의 접착 강도가 열에 의해 조절되는 것인 3차원 그래핀 구조체의 전사방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 절연성 기판이 실리콘 산화물 필름인 것인 3차원 그래핀 구조체의 전사방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기판이 SiC 웨이퍼인 것인 3차원 그래핀 구조체의 전사방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀이 에피택셜 그래핀인 것인 3차원 그래핀 구조체의 전사방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 패턴이 포토리소그래피에 의해 얻어진 것인 3차원 그래핀 구조체의 전사방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 그래핀 구조체의 패턴이 내부가 비어 있는 반구형, 원기둥형 또는 보울형의 오목부 또는 볼록부가 주기적으로 반복되는 것인 3차원 그래핀 구조체의 전사방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀의 성장이 불활성 분위기하에 1,000oC 내지 2,000oC의 온도에서 1분 내지 1시간 동안 열처리에 의해 수행되는 것인 3차원 그래핀 구조체의 전사방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 그래핀 구조체의 패턴이 상기 기판 상에 적층된 그래파이트화 촉매 금속 상에 형성된 것인 3차원 그래핀 구조체의 전사방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 기판이 그래파이트화 촉매 금속인 것인 3차원 그래핀 구조체의 전사방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀의 성장 공정에서 별도의 탄소 공급원이 존재하는 것인 3차원 그래핀 구조체의 전사방법.
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