KR20180039999A - 2차원 나노박막을 전사시키는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 2차원 나노박막을 전사시키는 방법에 있어서, 방법은 모기재 상에 2차원 나노박막을 형성하는 단계; 2차원 나노박막 상에 금속 박막을 형성하는 단계; 금속 박막 상에 지지체층을 형성하는 단계; 2차원 나노박막, 금속 박막 및 지지체층이 순차적으로 적층된 모기재를 물에 침지시켜, 모기재로부터 2차원 나노박막을 박리시키는 단계; 2차원 나노박막, 금속 박막 및 지지체층이 순차적으로 적층된 구조에서 2차원 나노박막이 새로운 기판과 접촉하도록 새로운 기판 상에 부착시키는 단계; 및 지지체층 및 금속 박막을 제거하는 단계를 포함한다.

Description

2차원 나노박막을 전사시키는 방법{TRANSCRIPTION METHOD OF TWO DIMENSIONAL NANO THINLAYER}
본 발명은 2차원 나노박막을 전사시키는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 모기재에서 합성된 대면적 2차원 나노박막을 다른 기판으로 옮기는, 2차원 나노박막을 전사시키는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 합성된 2차원 나노박막을 다른 기판으로 전사시키는 기술은 산화실리콘(SiO2)과 같은 모기재 상에 2차원 나노박막을 합성하고, PMMA[poly(methyl methacrylate)]를 지지막으로 2차원 나노박막 상에 스핀 코팅한 후, 모기재를 제거하여 잔류하는 2차원 나노박막/PMMA 구조체를 다른 기판에 전사시키는 방법을 이용하고 있다. 이때, 산화실리콘은 수산화나트륨(NaOH)이나 불화수소(HF)를 이용하여 제거한다.
이와 같은 방법은 간단한 공정을 통해서 전사할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 2차원 나노박막을 전사한 후에는 아세톤과 같은 화학 물질로 PMMA를 제거해야하는데, PMMA를 제거하는 과정에서 PMMA를 완전하게 제거하는데 한계가 있어 2차원 나노박막에 불순물로서 PMMA가 잔류하는 문제점이 있다.
박막을 전사시키는 다른 방법으로서, PMMA 대신에 2차원 나노박막 상에 열 변화에 따라 접착력이 변화하는 테이프를 이용하는 방법이 있다. 즉, 모기재로부터 상기 테이프를 이용하여 2차원 나노박막을 물리적으로 뜯어내어 다른 기판으로 전사시킬 수 있다. 하지만, 이때는 물리적으로 뜯어내기 때문에 2차원 나노박막에 균일 및/또는 결함이 생겨 2차원 나노박막의 품질을 저하시키는 문제가 있다.
본 발명의 일 목적은 2차원 나노박막을 전사시키는 공정에서 2차원 나노박막의 결함 을 최소화하면서 2차원 나노박막에 불순물이 잔류하는 것을 원천적으로 방지할 수 있는 2차원 나노박막을 전사시키는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적을 위한 2차원 나노박막을 전사시키는 방법은 모기재 상에 2차원 나노박막을 형성하는 단계; 상기 2차원 나노박막 상에 금속 박막을 형성하는 단계; 상기 금속 박막 상에 지지체층을 형성하는 단계; 상기 2차원 나노박막, 상기 금속 박막 및 상기 지지체층이 순차적으로 적층된 모기재를 물에 침지시켜, 상기 모기재로부터 상기 2차원 나노박막을 박리시키는 단계; 상기 2차원 나노박막, 상기 금속 박막 및 상기 지지체층이 순차적으로 적층된 구조에서 상기 2차원 나노박막이 새로운 기판과 접촉하도록 새로운 기판 상에 부착시키는 단계; 및 상기 지지체층 및 상기 금속 박막을 제거하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 지지체층을 형성하는 단계는 상기 금속 박막 상에 제1 유기층을 코팅하여 형성하는 단계; 및 상기 제1 유기층 상에 제2 유기층을 접착하여 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 2차원 나노박막을 박리시키는 단계는 물에 의한 부력으로 상기 모기재와 상기 2차원 나노박막 사이에 개구응력이 작용하여 상기 모기재와 상기 2차원 나노박막이 부분적으로 분리되는 단계; 및 상기 금속 박막에 의한 전단응력에 의해서 상기 2차원 나노박막이 영향을 받아 상기 2차원 나노박막이 상기 모기재와 점차적으로 분리되는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 새로운 기판 상에 배치시키는 단계는 상기 2차원 나노박막, 상기 금속 박막 및 상기 지지체층이 순차적으로 적층된 구조에서 상기 2차원 나노박막이 새로운 기판과 접촉하도록 새로운 기판 상에 배치시키는 단계; 및 상기 새로운 기판 상에 상기 2차원 나노박막, 상기 금속 박막 및 상기 지지체층이 순차적으로 적층된 구조에서 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 금속 박막을 제거하는 단계에서, 상기 지지체층은 유기 용매를 이용하여 제거하고, 상기 금속 박막은 에칭 용액을 이용하여 습식 식각하여 제거할 수 있다.
본 발명의 2차원 나노박막을 전사시키는 방법에 따르면, 모기재에서 합성된 2차원 나노박막을 손상 없이 다른 기판에 안정적으로 전사시킬 수 있다. 또한, 2차원 나노박막을 전사시키는 공정에서 2차원 나노박막에 불순물이 잔류하는 것을 방지할 수 있으며, 이러한 방법에 따르면 대면적의 2차원 나노박막에도 용이하게 적용할 수 있다. 유/무기 화학 약품을 사용하지 않고도 용이하게 박리시키고 전사시킬 수 있어 환경 친화적이며, 2차원 나노박막이 박리된 모기재의 표면에 잔류하는 불순물이 최소화될 수 있으므로 모기재는 재사용할 수 있는 장점이 있다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 나노박막을 전사시키는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 제조예와 비교 제조예에 따라 얻어진 샘플에 대한 분석 결과들을 나타낸 도면들이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 나노박막을 전사시키는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
구체적으로, 도 1은 2차원 나노박막을 모기재로부터 박리시키기 위한 준비 공정의 각 단계들을 설명하기 위한 도면이고, 도 2 및 도 3은 2차원 나노박막을 박리시키는 단계를 설명하기 위한 도면들이며, 도 4는 박리된 2차원 나노박막을 전사시키는 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 1의 (a)를 참조하면, 2차원 나노박막(120)을 모기재(110) 상에 형성한다.
모기재(110)는 절연 기판으로서, 이산화규소, 질화규소 등일 수 있다. 모기재(110)를 형성하는 물질의 종류는 특별히 한정되지 않는다.
2차원 나노박막(120)은 2차원의 층상 구조를 갖는 것이면 물질의 제한 없이 이용될 수 있다. 예를 들어, 2차원 나노박막(120)은 칼코겐화 전이금속 박막일 수 있고, 전이금속으로서 몰리브덴(Mo)이나 텅스텐(W)을 포함하고 칼코겐 원소로서 황(S)이나 셀레늄(Se)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 2차원 나노박막(120)은 황화몰리브덴(MoS2)으로 이루어질 수 있다. 2차원 나노박막(120)을 형성하는 방법 또한 특별히 제한되지 않는다.
도 1의 (b)를 참조하면, 2차원 나노박막(120)이 형성된 모기재(110) 상에 금속 박막(130)을 형성한다. 금속 박막(130)을 구성하는 금속의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 일례로, 금속 박막(130)을 형성하는 금속으로서는, 구리(Cu)를 이용할 수 있다. 본 발명에서 금속 박막(130)은 2차원 나노박막(120)의 박리 공정에서 스트레스원(stressor)으로서의 역할을 한다.
도 1의 (c)를 참조하면, 금속 박막(130)이 형성된 모기재(110) 상에 지지체층(142, 144)을 형성한다. 지지체층은 2차원 나노박막(120)을 박리시키고 새로운 기재로 전사시키는 과정에서 2차원 나노박막(120) 및 금속 박막(130)을 지지체의 역할을 하는 층이다. 예를 들어, 상기 지지체층은 제1 유기층(142) 및 제2 유기층(144)을 포함할 수 있고, 이때 제1 유기층(142)은 PMMA[poly(methyl methacrylate)]일 수 있고, 제2 유기층(144)은 PDMS(polydimethylsiloxane)일 수 있다.
제1 유기층(142)은 금속 박막(130) 상에 스핀 코팅을 통해서 코팅하여 형성할 수 있다. 제2 유기층(144)은 제1 유기층(142) 상에 접착하여 형성할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 지지체층(142, 144)까지 형성한 후에 모기재(110) 상에 2차원 나노박막(120), 금속 박막(130) 및 상기 지지체층(142, 144)이 순차적으로 형성된 구조체를 물이 담긴 수조(200)에 배치시켜, 상기 구조체를 물에 침지시킨다.
상기 구조체가 물에 침지되면, 상기 구조체가 물로부터 부력(buoyancy)을 받게 되어 모기재(110)로부터, 부력에 의해서 2차원 나노박막(120), 금속 박막(130) 및 상기 지지체층(142, 144)의 적층 구조가 떨어져 나오게 된다. 즉, 부력에 의해서 모기재(110)로부터 2차원 나노박막(120)이 박리되는 결과가 된다.
구체적으로, 물에 상기 구조체가 잠기게 되면 상기 구조체는 부력, 즉, 중력과 반대 방향(윗 방향)으로 힘을 받게 된다. 특히, 이때 금속 박막(130)이 형성되어 있으므로 금속 박막(130)의 하부에 형성된 2차원 나노박막(120)과 모기재(110) 사이가 분리된다. 즉, 부력과 금속 박막(130)에 의한 인장 응력(tensile stress)에 의해서 금속 박막(130)이 변형되어 2차원 나노 박막(120)도 함께 중력의 반대 방향인 윗 방향으로 딸려 올려가게 된다.
도 3에 도시된 것과 같이 상기 구조체를 물에 침지시키면, 먼저 물에 의한 부력에 의해서 순수하게 개구응력(opening stress)이 박리가 시작될 때 작용되고(Mode 1), 어느 정도 개구가 되고나면 박리 진행 과정에서는 전단응력(shear stress)이 작용하여(Mode 2) 도 2에 도시된 것과 같이 2차원 나노박막(120), 금속 박막(130) 및 상기 지지체층(142, 144)이 모기재(110)에서 박리되게 된다. 금속 박막(130)이 2차원 나노박막(110)에 주는 압력(Δε)는 하기 식 1과 같이 나타낼 수 있다.
[식 1]
Figure pat00001
상기 식 1에서, Δσ는 금속 박막의 변화를 나타내고, M은 금속 박막의 2축 모듈러스(biaxial modulus)를 나타낸다.
도 3의 개구응력(Mode 1)과 전단응력(Mode 2)은 금속 박막(130)을 이루는 금속의 종류나, 금속 박막(130)의 두께를 조절함으로써 제어할 수 있다. 뿐만 아니라, 금속 박막(130)은 2차원 나노박막(120) 상에 형성하는 증착 조건에 따라서도 압력(Δε)이 제어될 수 있다.
도 2 및 도 3에서 설명한 바에 따르면, 2차원 나노박막(120) 상에 금속 박막(130)을 형성하고, 이를 물에 침지시키는 것만으로도 용이하게 모기재(110)로부터 2차원 나노박막(120)을 박리시킬 수 있는 장점이 있다. 별도의 다른 화학 물질을 사용하지 않기 때문에 2차원 나노박막(120)이 박리된 모기재(110)는 다시 2차원 나노박막 증착을 위해 별도의 처리 없이 건조 공정만 거침으로써 재사용할 수 있다. 또한, 이러한 박리 공정을 통해서 분리된 2차원 나노박막(120)의 손상이 실질적으로 없고, 결함이 나타나지도 않으므로 박리 신뢰성을 최대화시킬 수 있다.
도 4의 (a)를 참조하면, 박리 공정을 수행한 후 2차원 나노박막(120), 금속 박막(130) 및 상기 지지체층(142, 144)은 새로운 기판(150) 상에 부착시키는 공정, 즉, 전사 공정을 수행한다.
새로운 기판(150) 상에 2차원 나노박막(120), 금속 박막(130) 및 상기 지지체층(142, 144)을 배치하되, 2차원 나노박막(120)이 새로운 기판(150)과 접촉하도록 하여 열처리함으로써 2차원 나노박막(120)을 새로운 기판(150)에 전사시킬 수 있다.
도 4의 (b)를 참조하면, 새로운 기판(150)에 2차원 나노박막(120), 금속 박막(130) 및 상기 지지체층(142, 144)이 전사된 상태에서 상기 지지층(142, 144) 및 금속 박막(130)을 순차적으로 제거할 수 있다.
상기 지지층(142, 144)은 화학 물질을 이용하여 제거할 수 있다. 예를 들어, PMMA로 형성된 제1 유기층(142)과 PDMS로 형성된 제2 유기층(144)은 아세톤(acetone)을 이용하여 제거할 수 있다.
금속 박막(130)은 에칭 용액을 이용하여 습식 식각함으로써 제거할 수 있다. 상기 에칭 용액은 금속 박막(130)을 구성하는 금속의 종류에 따라서 결정될 수 있고, 특별히 제한되는 것은 아니다. 금속 박막(130)을 제거하는 공정 중에서 2차원 나노박막(120)은 상기 에칭 용액에 의해서 영향을 받지 않는다.
이에 따라, 최종적으로 새로운 기판(150)에 전사된 2차원 나노박막(120)만을 잔류시킬 수 있다.
상기에서 설명한 바에 따르면, 모기재(110)에서 합성된 2차원 나노박막(120)을 손상 없이 박리시키고, 다른 기판(150)에 안정적으로 전사시킬 수 있다. 또한, 2차원 나노박막(120)을 전사시키는 공정에서 열처리를 수행하거나 금속 박막(130)의 에칭 용액에 의해서 2차원 나노박막(120)은 실질적으로 손상되지 않고 표면에 불순물이 잔류하는 것을 원천적으로 방지할 수 있다. 이러한 방법은 대면적의 2차원 나노박막(120)의 박리 및 전사에 용이하게 적용할 수 있고, 환경 친화적인 장점이 있다.
이하에서는, 물을 이용하지 않는 박리 공정을 이용하거나, 금속 박막 없이 박리 공정을 수행하는 비교예들과 본 발명에 따라 제조된 샘플들의 제조 신뢰성에 대해서 구체적인 예들 및 분석 결과를 통해서 상세하게 설명하기로 한다.
제조예 1
1.5 cmㅧ1.5 cm 크기의 이산화규소 박막 위에 황화몰리브덴(MoS2) 2차원 나노박막을 형성하였다. 그 위에 70 nm 두께의 구리 박막을 전자빔 증착법을 이용하여 증착하였다. 이어서, PMMA를 스핀 코팅을 이용하여 200 nm 두께로 코팅하였고, 그 위에 PDMS를 부착하였다.
이산화규소 박막/2차원 나노박막/구리박막/PMMA/PDMS 순으로 순차적으로 적층된 구조체를 증류수에 침지시켜, 이산화규소 박막에서 2차원 나노박막이 박리되어 이산화규소 박막과 2차원 나노박막/구리박막/PMMA/PDMS 구조로 분리하였다.
이어서, 2차원 나노박막/구리박막/PMMA/PDMS에서 2차원 나노박막이 이산화규소 기판과 접촉하도록 이산화규소 기판 상에 배치시킨 후, 열처리하여 2차원 나노박막을 이산화규소 기판에 부착하여 전사 공정을 수행하여, 샘플 1을 제조하였다.
비교 제조예 1
제조예 1과 실질적으로 동일한 공정을 수행하되, 이산화규소 박막에서 2차원 나노박막/구리박막/PMMA/PDMS를 박리시킬 때 증류수에 침지시키지 않고 물리적으로 절연막으로부터 뜯어내어 이산화규소 기판에 전사하여 비교 샘플 1을 제조하였다.
비교 졔조예 2
제조예 1과 실질적으로 동일한 공정을 수행하되, 2차원 나노박막 상에 구리박막을 형성하는 공정을 생략하여, 이산화규소 박막으로부터 2차원 나노박막을 박리한 후 이산화규소 기판에 전사 공정을 수행하여 비교 샘플 2를 제조하였다.
박리 및 전사 공정의 신뢰성 평가-1
상기와 같이 준비된 샘플 1, 비교 샘플 1 및 2 각각에 대해서 광학현미경 및 전자 카메라를 이용하여 이미지들을 얻었다. 그 결과를 도 5에 나타낸다.
도 5에서, (1)은 샘플 1을 제조한 결과물을 촬영한 전자카메라 사진이고, (2)는 비교 샘플 1을 제조한 결과물을, (3)은 비교 샘플 2를 제조한 결과물을 각각 촬영한 전자카메라 사진이다. 도 5의 (1)-1은 샘플 1의 광학현미경 사진이고, (2)-1은 비교 샘플 1의 광학현미경 사진이며, 도 5의 (1), (2) 및 (3) 각각에서 왼쪽에 배치된 기판이 이산화규소 박막이고, 오른쪽에 배치된 기판이 투명 유리기판이다.
도 5를 참조하면, (1)에서는 왼쪽의 이산화규소 박막에서 오른쪽 이산화규소 기판으로 전사 공정을 수행한 경우, 2차원 나노박막/구리박막/PMMA/PDMS이 원래의 2차원 형태 그대로 새로운 이산화규소 기판으로 완전히 전사된 것을 확인할 수 있다.
반면, 물을 이용하지 않고 박리 및 전사 공정을 수행한 비교 샘플 2에 대한 (2)에서는 2차원 나노박막/구리박막/PMMA/PDMS를 포함하는 구조의 일부만이 새로운 이산화규소 기판으로 전사되고 일부는 이산화규소 박막에 남아 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 물을 이용하더라도 구리 박막을 이용하지 않고 박리 및 전사 공정을 수행한 비교 샘플 3에 대한 (3)에서는 새로운 이산화규소 기판으로 전사된 것이 없는, 즉 이산화규소 박막으로부터 2차원 나노박막/구리박막/PMMA/PDMS가 박리되지 않은 것을 확인할 수 있다.
도 5의 (1)-1의 광학현미경 사진을 참조하면 전사된 2차원 나노박막/구리박막/PMMA/PDMS의 균열이나 결함, 손상 없이 깨끗하게 새로운 이산화규소 기판으로 전사된 것을 확인할 수 있고, (2)-1의 광학현미경 사진을 참조하면 일부가 전사될 뿐만 아니라 전사된 부분에 매우 많은 균열이 존재하는 것을 확인할 수 있다.
제조예 1-1
새로운 이산화규소 기판에 전사된 형태의 상기에서 준비된 샘플 1(2차원 나노박막/구리박막/PMMA/PDMS을 아세톤에 침지시킴으로써 PDMS와 PMMA를 제거하였다.
PMMA의 제거에 의해 노출된 구리박막을 에칭 용액을 이용하여 제거함으로써 최종적으로 절연막에서 이산화규소 기판으로 전사된 2차원 나노박막을 포함하는 샘플 1-1을 제조하였다.
비교 제조예 1-1
상기 샘플 1-1을 제조하는 공정과 실질적으로 동일한 공정을 수행하여, 상기에서 준비된 비교 샘플 1(박리에 물을 이용하지 않음)을 이용하여 비교 샘플 1-1을 제조하였다.
박리 및 전사 공정의 신뢰성 평가-2
상기와 같이 준비된 샘플 1-1 및 비교 샘플 1-1과, 박리 공정 전의 이산화규소박막/2차원 나노박막/구리박막/PMMA/PDMS의 구조 각각에 대해서 광학현미경, 전자주사현미경 및 원자간력현미경을 이용하여 이미지들을 얻었다. 그 결과를 도 6에 나타낸다.
도 6의 (a), (d) 및 (g)는 이산화규소 박막 상에 2차원 나노박막이 형성된 상태인 박리 전에 대한 것이고, (b), (e) 및 (h)는 박리 공정에서 물을 이용하여 박리한 후 전사한 결과물인 샘플 1-1에 대한 것이며, (c), (f) 및 (i)는 물을 이용하지 않고 박리 공정을 수행한 후 전사한 결과물인 비교 샘플 1-1에 대한 것이다.
도 6에서, (a) 내지 (c)는 광학현미경 사진들(400㎛×400㎛ 영역의 이미지 이고, 이미지 내에 포함된 삽입 이미지는 30㎛×30㎛ 영역임)이고, (d) 내지 (f)는 전자수사 현미경 사진들이며, (g) 내지 (i)는 원자간력현미경 사진들이다.
도 6의 (a)를 참조하면, 새로운 이산화규소 기판에 전사하기 전에 이산화규소 기판의 표면과 2차원 나노박막 간의 굴절률 차이로 인해서 광학현미경 이미지에서는 서로 컬러가 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한, (d)를 참조하면, 나노박막 영역이 균일하게 형성되어 있는 것을 확인할 수 있고, (g)의 원자간력현미경 측정을 통해서 표면 거칠기를 확인할 수 있는 이때 표면 거칠기는 0.45 nm인 것으로 나타났다.
도 6의 (b)를 참조하면, 샘플 1-1의 경우에는 전사된 새로운 이산화규소 기판 상에서도 굴절률의 차이로 인해서 서로 컬러를 나타내는 이미지를 확인할 수 있고, (e)를 통해서 전사 후에도 나노박막 영역이 균일한 것을 확인할 수 있다. (f)를 참조하면, 표면 거칠기가 0.49 nm로 계산되었으며 이는 전사 전의 표면 거칠기가 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있다. 즉, 이는 구리박막을 제거한 후에 2차원 나노박막의 표면에 남는 잔여물이 없다는 것을 나타낸다.
도 6의 (c) 및 (f)를 참조하면, 물을 이용하지 않고 박리 공정을 수행한 후 전사한 경우인 비교 샘플 1-1에서는 2차원 나노박막에서 많은 균열과 결합이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 원자간력현미경 사진인 (i)를 참조하면, 표면 거칠기가 매우 높아진 것과 수많은 균열과 결함이 나타나는 것을 확인할 수 있다.
박리 및 전사 공정의 신뢰성 평가-3: 라만 및 광루미네선스 분석
상기와 같이 준비된 샘플 1-1 및 비교 샘플 1-1과, 박리 공정 전의 이산화규소박막/2차원 나노박막/구리박막/PMMA/PDMS의 구조 각각에 대해서 라만 분석 및 광루미네선스(Photoluminescence, PL) 분석을 수행하였다. 그 결과를 도 7에 나타낸다.
도 7에서 (a)는 박리 전, 샘플 1-1 및 비교 샘플 1-1의 라만 스펙트럼이고, (b)는 샘플 1-1의 라만 맵핑 이미지이며, (c)는 PL 스펙트럼이고, (d)는 샘플 1-1의 PL 맵핑 이미지이며, (e) 및 (f)는 비교 샘플 1-1의 중심 피크 라만 맵핑 이미지들이며, (g)는 비교 샘플 1-1의 PL 맵핑 이미지이다.
도 7의 (a)에서 검정색 그래프가 박리 전의 라만 스펙트럼이고, 적색 그래프는 샘플 1-1의 라만 스펙트럼이며, 청색 그래프가 비교 샘플 1-1의 라만 스펙트럼이고, 이를 이용하여 샘플 1-1의 E mode에서 A mode 피크 값을 뺀 라만 맵핑의 이미지가 (b)이다.
도 7의 (a) 및 (b)에 의해서 2차원 나노박막의 적층 층수와 결정성 보존을 확인할 수 있는데, 2차원 나노박막의 층수가 E mode 피크 값에서 A mode 피크 값을 뺀 값으로 측정 가능하며, (a)를 참조하면 1층의 MoS2의 경우에 20 cm-1 피크 값의 차이를 갖는 것을 확인할 수 있다. 물을 이용하지 않은 비교 샘플 1-1의 경우에도 피크 값과 라만 피크의 위치가 같은 것은 2차원 나노박막에 대한 일부 물리적인 손상은 전체의 결정 원자의 진동 모드에는 영향을 주지 않기 때문이다. (b)를 참조하면, 물과 구리박막을 이용하여 제조한 샘플 1-1의 경우에 박리 및 전사 전과 비교하여 물리적인 손상, 층수 변화 및 결정성이 실질적으로 변화하지 않았음을 확인할 수 있다.
하지만, 비교 샘플 1-1의 경우 (e) 및 (f)의 라만 맵핑 이미지를 확인하면 물을 이용하지 않는 박리 및 전사에서는 2차원 나노박막에 결함이 나타나는 것을 확인할 수 있다. (e)는 380~395 nm 중심 피크 라만 맵핑 이미지이고, (f)는 400~415 nm 중심 피크 라만 맵핑 이미지이다.
도 7의 (c) 및 (d)를 참조하면, 일반적인 결함이 없는 1층의 MoS2에서 K point에 직접 천이가 일어나고, 665 nm PL 피크 위치에서 확인할 수 있다. 특히 (c)에서 검은색 그래프인 박리 및 전사 전의 2차원 나노박막의 PL 피크의 세기가 665 nm 부근에서 가장 높은 것을 알 수 있고, 적색 그래프의 경우 검은색 그래프와 비교하여 실질적으로 변화가 없으며, 이는 박리 및 전사 후에 결함이 생기지 않았음을 알 수 있다. 반면, 청색 그래프(비교 샘플 1-1)의 경우에는 박리 및 전사를 통해서 물질 자체의 물성은 변화하지 않으나, PL 피크의 세기가 약해진 것을 통해서 2차원 나노박막의 물리적인 손상이 일어났음을 알 수 있다.
도 7의 (g)를 참조하면, PL 맵핑 이미지(650~670 nm)로서 물을 이용하지 않은 비교 샘플 1-1은 박리 및 전사 후 물리적인 손상으로 인해 생긴 결함에 의해서 PL 피크가 나타나지 않고, 이는 전체적인 피크의 세기에 영향을 주는 것을 확인할 수 있다.
즉, 상기에서 살펴본 바에 따르면, 구리 박막을 형성하고, 이를 물을 이용하여 박리하여 전사시킨 MoS2의 2차원 나노박막은 실질적인 손상이 없고, 안정적으로 전사된 것을 확인할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110: 모기재 120: 2차원 나노박막
130: 금속 박막 142, 144: 제1, 제2 유기층
150: 베이스 기판 200: 수조

Claims (5)

  1. 모기재 상에 2차원 나노박막을 형성하는 단계;
    상기 2차원 나노박막 상에 금속 박막을 형성하는 단계;
    상기 금속 박막 상에 지지체층을 형성하는 단계;
    상기 2차원 나노박막, 상기 금속 박막 및 상기 지지체층이 순차적으로 적층된 모기재를 물에 침지시켜, 상기 모기재로부터 상기 2차원 나노박막을 박리시키는 단계;
    상기 2차원 나노박막, 상기 금속 박막 및 상기 지지체층이 순차적으로 적층된 구조에서 상기 2차원 나노박막이 새로운 기판과 접촉하도록 새로운 기판 상에 부착시키는 단계; 및
    상기 지지체층 및 상기 금속 박막을 제거하는 단계를 포함하는,
    2차원 나노박막을 전사시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지지체층을 형성하는 단계는
    상기 금속 박막 상에 제1 유기층을 코팅하여 형성하는 단계; 및
    상기 제1 유기층 상에 제2 유기층을 접착하여 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    2차원 나노박막을 전사시키는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 2차원 나노박막을 박리시키는 단계는
    물에 의한 부력으로 상기 모기재와 상기 2차원 나노박막 사이에 개구응력이 작용하여 상기 모기재와 상기 2차원 나노박막이 부분적으로 분리되는 단계; 및
    상기 금속 박막에 의한 전단응력에 의해서 상기 2차원 나노박막이 영향을 받아 상기 2차원 나노박막이 상기 모기재와 점차적으로 분리되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    2차원 나노박막을 전사시키는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 새로운 기판 상에 배치시키는 단계는
    상기 2차원 나노박막, 상기 금속 박막 및 상기 지지체층이 순차적으로 적층된 구조에서 상기 2차원 나노박막이 새로운 기판과 접촉하도록 새로운 기판 상에 배치시키는 단계; 및
    상기 새로운 기판 상에 상기 2차원 나노박막, 상기 금속 박막 및 상기 지지체층이 순차적으로 적층된 구조에서 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    2차원 나노박막을 전사시키는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 박막을 제거하는 단계에서,
    상기 지지체층은 유기 용매를 이용하여 제거하고, 상기 금속 박막은 에칭 용액을 이용하여 습식 식각하여 제거하는 것을 특징으로 하는,
    2차원 나노박막을 전사시키는 방법.
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