KR20210107945A - Preparation method of large-area graphene thin films by using energy-beam irradiation - Google Patents

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KR20210107945A KR1020200022148A KR20200022148A KR20210107945A KR 20210107945 A KR20210107945 A KR 20210107945A KR 1020200022148 A KR1020200022148 A KR 1020200022148A KR 20200022148 A KR20200022148 A KR 20200022148A KR 20210107945 A KR20210107945 A KR 20210107945A
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Abstract

The present invention relates to a method for preparing a low-defect graphene thin film with a large area by using linear energy beams and a metal catalyst. The method can be applied to a pellicle material based on graphene having a thickness of 20-50 nm, which is the biggest huddle of the ultra UV exposure technology. Besides the pellicle material, the method according to the present invention can also be applied to the next-generation technologies, such as encapsulation of a flexible display, electrodes of a touch panel, semiconductors (e.g., high-speed transistors), conductive ink, high-efficiency solar cells, secondary batteries, vehicles, lightings, touch panels, heat radiation films, various coating materials, ultrathin speakers, seawater desalination filters, ultrafast chargers, or the like.

Description

에너지빔 조사를 이용한 대면적 그래핀 박막의 제조방법{Preparation method of large-area graphene thin films by using energy-beam irradiation}Preparation method of large-area graphene thin films by using energy-beam irradiation

본 발명은 에너지빔 조사를 이용한 대면적 그래핀 박막의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a large-area graphene thin film using energy beam irradiation.

그래핀(Graphene)은 탄소의 동소체 중 하나로, 탄소 원자들이 모여 2차원 평면을 이루고 있는 구조를 갖는다. 상기 그래핀은 진성(intrinsic) 전자의 이동, 열전도도 및 비표면적이 높고, 가시광선에 대한 낮은 흡수량으로 투명한 특성을 갖는다. 특히, 다른 재질에서 얻을 수 없는 독특한 전기적 성질을 가짐에 따라 반도체 산업에서 크게 주목 받고 있다.Graphene is one of the allotropes of carbon, and has a structure in which carbon atoms are gathered to form a two-dimensional plane. The graphene has high intrinsic electron movement, thermal conductivity and specific surface area, and is transparent due to low absorption of visible light. In particular, as it has unique electrical properties that cannot be obtained from other materials, it is receiving great attention in the semiconductor industry.

그래핀의 응용 분야는 매우 넓으며, 일례로, 플렉서블 디스플레이의 Encapsulation, 터치 패널의 전극, 반도체(예, 고속 트랜지스터, High speed transistor), 전도성 잉크, 고효율 태양전지, 이차 전지, 자동차, 조명, 터치패널, 방열 필름, 각종 코팅 재료, 초박형 스피커, 바닷물 담수화 필터, 초고속 충전기 등 차세대 첨단 기술에 적용 가능하다. The application fields of graphene are very wide, for example, encapsulation of flexible displays, electrodes of touch panels, semiconductors (eg, high-speed transistors), conductive inks, high-efficiency solar cells, secondary batteries, automobiles, lighting, touch It can be applied to next-generation advanced technologies such as panels, heat-dissipating films, various coating materials, ultra-thin speakers, seawater desalination filters, and ultra-fast chargers.

특히, 최근 반도체 공정에서 가장 큰 이슈 중 하나인 20nm 이하 공정에 적용될 극자외선 노광 기술(EUV Lithography)에 사용하는 포토 마스크 전면에 적용되는 핵심 물질인 Pellicle 소재에 적합한 후보군 물질로써 높은 투과도, 기계적 특성이 뛰어난 그래핀이 언급되고 있다. In particular, as a candidate material suitable for the pellicle material, which is a core material applied to the entire surface of the photomask used in EUV lithography, which is one of the biggest issues in the recent semiconductor process, it has high transmittance and mechanical properties. Excellent graphene is mentioned.

그래핀이 상기 언급한 차세대 첨단 기술에 적용되기 위한 요구 조건은 공정 시 High throughput, 공정 단순화, 비용 절감 등의 기술이 뒷받침되어야 한다. 하지만 현재 그래핀 제조 기술에서는 아직까지는 대면적화에 대한 기술적인 한계로 인해 적용이 곤란한 상황이다.The requirements for graphene to be applied to the above-mentioned next-generation advanced technology must be supported by technologies such as high throughput, process simplification, and cost reduction during the process. However, in the current graphene manufacturing technology, it is still difficult to apply due to the technical limitations of large area.

대면적의 그래핀 제조를 위해 다양한 방법이 시도되고 있다.Various methods have been tried for the manufacture of large-area graphene.

대한민국 등록특허 제10-1127742호에서는 실리콘층 및 실리콘 산화물층이 순차적으로 적층된 기판에 탄소를 함유하는 CH4 가스를 접촉시키고, 여기에 레이저 빔을 조사하여 900 내지 2000℃에서 상기 CH4 가스를 분해하고, 이 분해에 의해 기판 상에 그래핀을 성장시킬 수 있음을 개시하고 있다. 이러한 방법은 고품질의 그래핀 박막을 제조할 수 있으나, CH4 가스를 고온 상태에서 주입함에 따라 공정이 복잡하고 고비용이 요구될 뿐만 아니라 Throughput을 높이는데 어려움이 있다. 특히, CH4가스는 지구의 온난화의 주범이므로 대량사용에 제약을 받는다.In Korean Patent No. 10-1127742, a silicon layer and a silicon oxide layer are sequentially stacked on a substrate with CH 4 gas containing carbon, and a laser beam is irradiated thereto to generate the CH 4 gas at 900 to 2000°C. It is disclosed that by decomposition, graphene can be grown on a substrate by this decomposition. This method can produce a high-quality graphene thin film, but as CH 4 gas is injected at a high temperature, the process is complicated, high cost is required, and it is difficult to increase throughput. In particular, CH 4 gas is the main culprit of global warming, so its mass use is limited.

또한, 그래핀 박막을 Pellicle 소재로 적용하기 위해선 에칭액을 사용하여 촉매층을 제거하고, 분리된 그래핀 박막을 원하는 기판에 전사하는 공정이 필요하다. 이때 사용하는 에칭액에 의해 전사공정 이후 그래핀 박막의 주름이나 결함이 발생되기 쉽다. 더욱이 전사 공정에서 두께 제어가 안되기 때문에 결국 한계가 있다.In addition, in order to apply the graphene thin film as a pellicle material, a process of removing the catalyst layer using an etchant and transferring the separated graphene thin film to a desired substrate is required. At this time, wrinkles or defects of the graphene thin film are likely to occur after the transfer process by the etchant used. Moreover, there is a limit in the end because the thickness control is not possible in the transfer process.

이에 그래핀 소스로서 가스가 아닌 전구체를 적용하고자 하는 기술이 제안되었다. 상기 전구체는 고분자 재질이 사용되며, 이들은 비용 면에서 유리하고, 코팅 두께에 따라 최종 얻어지는 그래핀 박막의 두께를 제어할 수 있어, Pellicle 소재로 적용이 보다 유리하다.Accordingly, a technique for applying a precursor, not a gas, as a graphene source has been proposed. As the precursor, a polymer material is used, which is advantageous in terms of cost, and the thickness of the finally obtained graphene thin film can be controlled according to the coating thickness, so that it is more advantageous to apply as a pellicle material.

대한민국 공개특허 제10-2013-0104752호에서는 기판에 유기물 박막을 도포 후 방사선을 조사하여 가교화한 후 800 내지 1500 ℃에서 탄화시켜 그래핀 박막을 제조할 수 있다고 개시하고 있다. 이 기술을 통해 대면적의 그래핀 시트가 가능하나 상기 특허와 같이 고온에서의 탄화공정의 수행이 요구되어 생산성이 낮은 문제가 있고, 유기물의 가교화 및 탄화공정으로 인해 최종 얻어지는 그래핀 박막의 품질 제어 또한 쉽지 않은 문제가 있다.Korean Patent Laid-Open No. 10-2013-0104752 discloses that a graphene thin film can be prepared by applying a thin film of an organic material to a substrate, crosslinking it by irradiating radiation, and then carbonizing it at 800 to 1500°C. Although a large-area graphene sheet is possible through this technology, as in the above patent, it is required to perform a carbonization process at a high temperature, so there is a problem of low productivity. Control is also not an easy problem.

최근에는 기판 상에 그래핀 전구체인 유기물을 도포 후 레이저를 조사하여 그래핀 패턴을 형성하는 LIG(Laser Induced Graphene) 기술이 제시되었다. 이 기술은 공정이 매우 간단한 이점이 있으나 작은 면적의 그래핀, 즉, 그래핀 전극 패턴에 적용하고 있고, 레이저의 좁은 빔 폭으로 인해 대면적에 적용 시 빔 스캔을 중첩하여야 하므로 고품질의 그래핀 박막을 얻을 수 없었다.Recently, a LIG (Laser Induced Graphene) technology that forms a graphene pattern by coating an organic material, which is a graphene precursor, on a substrate and then irradiating a laser has been proposed. Although this technology has the advantage of a very simple process, it is applied to graphene of a small area, that is, a graphene electrode pattern, and when applied to a large area due to the narrow beam width of the laser, the beam scan must be overlapped, so a high-quality graphene thin film could not get

대한민국 등록특허 제10-1127742호(2012.03.09), 레이저를 이용한 그래핀 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀, 이를 위한 제조장치Republic of Korea Patent No. 10-1127742 (03.09.2012), Graphene manufacturing method using laser, Graphene manufactured thereby, manufacturing apparatus for the same 대한민국 공개특허 제10-2013-0104752호(2013.09.25), 방사선을 이용한 유기물로부터의 그래핀 제조방법 및 이에 제조된 그래핀Korean Patent Laid-Open Patent No. 10-2013-0104752 (2013.09.25), method for manufacturing graphene from organic material using radiation and graphene prepared therefrom

본 발명자들은 대면적의 그래핀 박막을 제조하되, 최종 얻어지는 그래핀 박막의 두께 조절이 용이하면서도 고품질의 박막을 얻을 수 있는 방법에 대해 연구를 진행하였고, 그래핀 전구체에 에너지빔 조사를 통해 그래핀을 제조하는 공정을 적용하되, 그래핀 전구체 코팅 전 또는 코팅 후 촉매층을 형성하고 에너지빔의 스캔 방식을 설계하여 고품질의 그래핀 박막을 대면적으로 제조 가능함을 확인하였다.The present inventors have conducted research on a method for manufacturing a large-area graphene thin film, but to obtain a high-quality thin film while easily controlling the thickness of the finally obtained graphene thin film, and graphene through energy beam irradiation on a graphene precursor It was confirmed that a high-quality graphene thin film can be manufactured over a large area by forming a catalyst layer before or after coating the graphene precursor and designing an energy beam scan method.

따라서, 본 발명은 대면적의 그래핀 박막의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a large-area graphene thin film.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 In order to achieve the above object, the present invention

기판 상에 그래핀 전구체 막을 형성한 후 에너지빔을 조사하는 단계를 포함하고, 상기 그래핀 전구체 막 형성 전 또는 후에 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는, 대면적 그래핀 박막의 제조방법을 제공한다.It provides a method of manufacturing a large-area graphene thin film, comprising irradiating an energy beam after forming a graphene precursor film on a substrate, and forming a catalyst layer before or after forming the graphene precursor film.

상기 그래핀 전구체 막은 그래핀 전구체 용액을 코팅 후 경화하여 그래핀 경화 도막 또는 스퍼터링 또는 진공증착에 의해 형성된 카본 증착층일 수 있다.The graphene precursor film may be a graphene cured coating film or a carbon deposition layer formed by sputtering or vacuum deposition by coating and curing the graphene precursor solution.

이때 상기 기판은 유리, 석영, 파이렉스, 알루미나, 지르코니아, 실리콘나이트라이드, 실리콘카바이드, 사파이어, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리에테르술폰, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리스티렌, 폴리염화비닐, 폴리비닐피롤리돈, 폴리에틸렌, 폴리디메틸실록산, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 고무, 금속판, Si, Ge, GaAs, InP, InSb, InAs, AlAs, AlSb, CdTe, ZnTe, ZnS, ZnSe, CdSe, CdSb, GaP, SiC, Al, 또는 Hg로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 재질을 포함한다. In this case, the substrate is glass, quartz, Pyrex, alumina, zirconia, silicon nitride, silicon carbide, sapphire, polyethylene naphthalate, polyethersulfone, polyimide, polycarbonate, polytetrafluoroethylene, polyethylene terephthalate, polystyrene, poly Vinyl chloride, polyvinylpyrrolidone, polyethylene, polydimethylsiloxane, polymethyl methacrylate (PMMA), rubber, metal plate, Si, Ge, GaAs, InP, InSb, InAs, AlAs, AlSb, CdTe, ZnTe, ZnS, and at least one material selected from the group consisting of ZnSe, CdSe, CdSb, GaP, SiC, Al, or Hg.

또한, 촉매층은 FCC 구조에서 (111)면을 갖는 촉매 금속이며, Al, Cu, Au, Pb, Ni, Pt, 및 Ag로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 단일 금속 또는 합금일 수 있으며, 두께가 10㎚ 내지 10㎛의 범위를 갖는다.In addition, the catalyst layer is a catalyst metal having a (111) plane in the FCC structure, and may be one or more single metals or alloys selected from the group consisting of Al, Cu, Au, Pb, Ni, Pt, and Ag, and has a thickness of 10 It has a range from nm to 10 μm.

상기 그래핀 전구체 용액은 그래핀 전구체 및 용매를 포함하며, 0.1 내지 99.9 중량%의 농도를 갖는다.The graphene precursor solution includes a graphene precursor and a solvent, and has a concentration of 0.1 to 99.9 wt%.

이때 그래핀 전구체는 폴리이미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리스티렌, 레이온, 리그닌, 피치, 보라진 올리고머 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 고분자를 포함한다.In this case, the graphene precursor includes one kind of polymer selected from the group consisting of polyimide, polyacrylonitrile, polystyrene, rayon, lignin, pitch, borazine oligomer, and combinations thereof.

상기 카본 증착층은 CVD(Chemical Vapor Deposition), PECVD(Plasma Enhenced Chemical Vapor Deposition) 혹은 PVD(Physical Vapor Deposition)의 진공박막공정으로 증착되어질 수 있고, CVD, PECVD에서는 CH4, C2H2 등을 포함한 탄화수소가스를, 그리고 스퍼터링법과 IBD방식을 포함하는 PVD에서는 그라파이트 타겟을 사용하여 증착될 수 있다.The carbon deposition layer may be deposited by a vacuum thin film process of CVD (Chemical Vapor Deposition), PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) or PVD (Physical Vapor Deposition), and in CVD and PECVD, CH 4 , C 2 H 2 , etc. In PVD including hydrocarbon gas, and sputtering method and IBD method, it can be deposited using a graphite target.

상기 경화 도막은 열 경화를 통해 형성되며, 5nm 내지 15㎛의 두께를 갖는다.The cured coating film is formed through thermal curing, and has a thickness of 5 nm to 15 μm.

또한, 상기 에너지빔은 기판 상에 전자총을 직렬 또는 병렬로 배치한 후, 기판 또는 에너지 소스를 일 방향으로 이송하여 에너지빔을 스캔하는 방식으로 수행하되, 기판 전체에 1 eV 내지 500 KeV의 조사 에너지로 조사한다. In addition, the energy beam is performed by disposing electron guns in series or in parallel on the substrate, and then transferring the substrate or energy source in one direction to scan the energy beam, but irradiation energy of 1 eV to 500 KeV on the entire substrate investigate with

이때 에너지빔이 조사되는 영역의 기판의 주변 온도는 20℃ 내지 800℃, 기판 주위의 작업 압력은 10-7 내지 10-1 Torr 하에서 수행한다. At this time, the ambient temperature of the substrate in the region to which the energy beam is irradiated is 20° C. to 800° C., and the working pressure around the substrate is 10 -7 to 10 -1 Torr.

본 발명에 따른 에너지빔 조사 방식에 의한 그래핀의 제조방법은 대면적의 그래핀 시트를 간단한 공정으로 제조가 가능할 뿐만 아니라 에너지빔 스캔 방식을 통해 10세대급 디스플레이 면적에 해당하는 대면적에 에너지빔 스캔이 가능하기 때문에 High-Throughput이 가능하다. The method for manufacturing graphene by the energy beam irradiation method according to the present invention not only enables a simple process to manufacture a large-area graphene sheet, but also applies an energy beam to a large area corresponding to the 10th generation display area through the energy beam scanning method. High-Throughput is possible because scanning is possible.

상기 방법은 그래핀 전구체 용액의 조성, 점도, 코팅 방식, 및 코팅 두께에 따라 막의 재질 및 두께를 용이하게 조절할 수 있어, 최종 얻어지는 그래핀 박막의 특성 및 두께 조절이 용이하고, 결함이 거의 없는 고품질로 박막을 제조할 수 있다. The method can easily control the material and thickness of the film according to the composition, viscosity, coating method, and coating thickness of the graphene precursor solution, so it is easy to control the properties and thickness of the finally obtained graphene thin film, and high quality with few defects thin film can be produced.

따라서, 본 발명에서 제시하는 방법을 통해 종래 극자외선 노광 기술의 가장 큰 난관인 20nm 내지 50nm 두께의 그래핀 기반의 Pellicle 소재에 적용이 가능하여 반도체 산업의 발전에 선도적인 역할의 주도가 가능해진다.Therefore, through the method presented in the present invention, it can be applied to graphene-based pellicle materials with a thickness of 20 nm to 50 nm, which is the biggest difficulty of the conventional extreme ultraviolet exposure technology, so that it is possible to lead a leading role in the development of the semiconductor industry.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 그래핀 박막의 제조 공정을 보여주는 순서도이다.
도 2는 전자총의 빔 형태를 보여주는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 구현 예에 따라 대형 기판 상에 에너지빔을 조사하는 것을 보여주는 모식도이다. 도 3과 같이 Linear Beam Source의 직렬연결에 의해 대면적 처리가 가능할 뿐만 아니라 또 다른 Linear Beam Source를 병렬로 연결해서 처리의 속도를 높일 수 있다.
도 4는 Q-Q' 절단면을 보여주는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 다른 구현예에 따른 그래핀 박막의 제조 공정을 보여주는 순서도이다.
도 6은 실시예 2에서 제조한 그래핀 박막의 라만 스펙트럼이다. 여기에서 D peak은 Disorder peak, G peak는 graphite peak, 2D는 graphene이 형성되었을 ‹š 나타나는 전형적인 peak이다.
도 7은 실시예 2의 결과에 의하여 도 6에서 보여주는 2D peak가 나타나는 graphene을 형성하였을 때 그래핀 박막의 깊이 방향으로 원소를 확인한 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) depth profile 결과 그래프이다.
1 is a flowchart showing a manufacturing process of a graphene thin film according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram showing a beam shape of an electron gun.
3 is a schematic diagram showing irradiating an energy beam on a large substrate according to an embodiment of the present invention. As shown in Fig. 3, it is possible to not only process a large area by serial connection of a linear beam source, but also connect another linear beam source in parallel to increase the processing speed.
4 is a schematic diagram showing a QQ' cross-section.
5 is a flowchart showing a manufacturing process of a graphene thin film according to another embodiment of the present invention.
6 is a Raman spectrum of the graphene thin film prepared in Example 2. Here, D peak is a Disorder peak, G peak is a graphite peak, and 2D is a typical peak that appears when graphene is formed.
7 is a graph showing X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) depth profile results in which elements are identified in the depth direction of the graphene thin film when graphene having the 2D peak shown in FIG. 6 is formed according to the results of Example 2;

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present application will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art to which the present application pertains can easily implement them. However, the present application may be embodied in several different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present application in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification. In addition, in the drawings for convenience of description, the size of the components may be exaggerated or reduced.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when it is said that a member is positioned "on", "on", "on", "under", "under", or "under" another member, this means that a member is positioned on the other member. It includes not only the case where they are in contact, but also the case where another member exists between two members.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout this specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용 오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.As used herein, the terms “about,” “substantially,” and the like are used in a sense at or close to the numerical value when the manufacturing and material tolerances inherent in the stated meaning are presented, and to aid in the understanding of the present application. It is used to prevent an unconscionable infringer from using the mentioned disclosure in an unreasonable manner. Also, throughout this specification, "step to" or "step to" does not mean "step for".

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout this specification, the term "combination of these" included in the expression of the Markush form means one or more mixtures or combinations selected from the group consisting of the components described in the expression of the Markush form, and the components It is meant to include one or more selected from the group consisting of.

본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 의 기재는, "A, B, 또는, A 및 B" 를 의미한다Throughout this specification, a reference to “A and/or B” means “A, B, or A and B”

본 발명은 높은 Throughput을 확보하면서 저결함의 그래핀 박막을 대면적으로 제조하는 방법을 제시한다.The present invention provides a method of manufacturing a low-defect graphene thin film with a large area while securing high throughput.

저결함의 그래핀 박막을 대면적으로 제조하기 위한 방법 중 하나로, 본 발명에서는 에너지빔 조사에 의한 방법을 채택하였다. 에너지빔은 기존 CVD의 기상 증착 공정에서의 그래핀 박막의 결점 및 공정 제어의 어려움을 보완함과 동시에 좁은 면적에 국한되는 그래핀 박막을 제조하는 레이저 조사에 의한 공정의 단점을 개선할 수 있다.As one of the methods for manufacturing a low-defect graphene thin film with a large area, in the present invention, a method by energy beam irradiation is adopted. The energy beam can improve the drawbacks of the graphene thin film in the existing CVD vapor deposition process and the difficulty of process control, and at the same time improve the disadvantages of the laser irradiation process for producing the graphene thin film limited to a narrow area.

에너지빔을 이용한 그래핀 박막의 제조는, 에너지빔에 의해 그래핀으로 전환될 수 있는 그래핀 전구체를 포함하는 도막을 형성한 다음, 여기에 에너지빔을 조사하는 방식으로 진행될 수 있다.The manufacture of a graphene thin film using an energy beam may be performed by forming a coating film including a graphene precursor that can be converted into graphene by an energy beam, and then irradiating the energy beam thereto.

에너지빔 조사를 통해 그래핀 전구체에 에너지를 공급하여 상기 그래핀 전구체 내 각 원자들의 반응성 및 유동성을 증가시키며, 도막 표면 및 내부의 벌크 상태에서의 원자들간의 확산을 일으킨다. 상기 그래핀 전구체는 탄소를 포함하는 재료로서 에너지빔 조사에 의해 방향족 육각형 C=C 결합이 생성되어 박막 상태의 그래핀으로 전환된다. 실제 공정에 적용할 경우 촉매층없이 그래핀 전구체에 열 혹은 에너지를 공급하여 그래핀을 제작하는 방법은 그래핀 박막의 형성이 용이하지 않으며, 실험 스케일을 높여 대면적에 적용하고자 할 경우 그래핀 박막이 실질적으로 제조되지 않거나 제조되더라도 그 품질(즉, 결함 발생)이 매우 낮다.By supplying energy to the graphene precursor through energy beam irradiation, the reactivity and fluidity of each atom in the graphene precursor is increased, and diffusion between atoms in the bulk state on the surface and inside of the coating film occurs. The graphene precursor is a material containing carbon, and an aromatic hexagonal C=C bond is generated by irradiation with an energy beam and is converted into graphene in a thin film state. When applied to an actual process, the method of manufacturing graphene by supplying heat or energy to the graphene precursor without a catalyst layer is not easy to form a graphene thin film. It is practically not manufactured, or even if manufactured, its quality (ie, the occurrence of defects) is very low.

본 발명에서는 에너지빔을 조사하여 저결점의 그래핀 박막을 대면적으로 제조하기 위해 그래핀 전구체 혹은 카본의 진공박막증착 방법에 더하여 촉매층을 적용하고, 그래핀 전구체의 종류 및 조성을 한정함과 동시에 에너지빔 조사 시 스캔 방식을 최적화하였다. 그 결과 저결점의 그래핀 박막을 대면적으로 용이하게 제조하고 높은 Throughput을 확보할 뿐만 아니라 그래핀 전구체의 두께 조절을 통해 최종 만들어지는 그래핀 박막의 두께 또한 용이하게 조절할 수 있었다.In the present invention, a catalyst layer is applied in addition to the vacuum thin film deposition method of a graphene precursor or carbon in order to produce a graphene thin film with low defects in a large area by irradiating an energy beam, and the type and composition of the graphene precursor are limited and energy The scanning method was optimized when irradiating the beam. As a result, it was possible to easily manufacture a low-defect graphene thin film in a large area and secure high throughput, as well as to easily control the thickness of the final graphene thin film by controlling the thickness of the graphene precursor.

촉매층의 도입은 그래핀 전구체의 도입 전 또는 후 중 어느 하나의 단계에 적용될 수 있다. The introduction of the catalyst layer may be applied either before or after the introduction of the graphene precursor.

(제1방법)(Method 1)

구체적으로, 본 발명의 일 구현예에 따른 대면적의 그래핀 박막은 Specifically, the graphene thin film having a large area according to an embodiment of the present invention is

(S1) 기판 상에 촉매층을 형성하는 단계;(S1) forming a catalyst layer on the substrate;

(S2) 상기 촉매층 상에 그래핀 전구체 막을 형성하는 단계; 및(S2) forming a graphene precursor film on the catalyst layer; and

(S3) 에너지빔을 조사하는 단계;를 포함하여 수행한다.(S3) irradiating the energy beam;

(S1) 촉매층 형성 단계(S1) catalyst layer formation step

먼저, 기판(10)을 준비한 후 일정 두께를 갖도록 촉매층(20)을 형성한다(도 1a, 도 1b).First, after preparing the substrate 10 , the catalyst layer 20 is formed to have a predetermined thickness ( FIGS. 1A and 1B ).

기판(10)은 유리, 석영, 파이렉스, 알루미나, 지르코니아, 사파이어 등의 무기물; 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN), 폴리에테르술폰(polyethersulfone, PES), 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC), 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리에틸렌(polyethlene, PE), 폴리디메틸실록산( Polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA), 고무(rubber) 등의 유기물; 박판 스테인레스와 같은 금속판; Si, Ge, GaAs, InP, InSb, InAs, AlAs, AlSb, CdTe, ZnTe, ZnS, ZnSe, CdSe, CdSb, GaP, SiC, Al, 또는 Hg 등의 불투명한 무기물 기판 중 어느 하나일 수 있다.The substrate 10 may include inorganic materials such as glass, quartz, Pyrex, alumina, zirconia, and sapphire; Polyethylene naphthalate (PEN), polyethersulfone (PES), polyimide (PI), polycarbonate (PC), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene terephthalate ( polyethylene terephthalate, PET), polystyrene (PS), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylpyrrolidone (PVP), polyethylene (polyethlene, PE), polydimethylsiloxane (PDMS), organic substances such as polymethyl methacrylate (PMMA) and rubber; metal plates such as thin plate stainless; It may be any one of an opaque inorganic substrate such as Si, Ge, GaAs, InP, InSb, InAs, AlAs, AlSb, CdTe, ZnTe, ZnS, ZnSe, CdSe, CdSb, GaP, SiC, Al, or Hg.

기판의 두께는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 대면적 그래핀 박막의 적용 용도 등에 따라 달라질 수 있다. 이때 도면 상에는 편평한 상태의 기판을 도시하였으나, 구형, 타원형, 원통형, 원뿔형, 다각형, 불규칙한 형태 등 그 형태 또는 형상을 한정하지 않는다.The thickness of the substrate is not particularly limited in the present invention, and may vary depending on the application purpose of the large-area graphene thin film. At this time, although the substrate in a flat state is illustrated in the drawing, the shape or shape thereof is not limited, such as a spherical shape, an elliptical shape, a cylindrical shape, a conical shape, a polygonal shape, and an irregular shape.

특히, 기존 그래핀 박막을 제조하기 위한 CVD, 레이저빔 조사 또는 탄화 등에 의한 공정은 고온 공정이 요구되어 상기 기판(10)의 사용에 제한이 있으나, 본 발명의 에너지빔 조사 공정은 상온에서도 충분히 수행하능함에 따라 기판(10) 사용에 비제한적이다. In particular, the conventional process by CVD, laser beam irradiation, or carbonization for producing a graphene thin film requires a high temperature process, so there is a limit to the use of the substrate 10 , but the energy beam irradiation process of the present invention is sufficiently performed even at room temperature. There is no limit to the use of the substrate 10 as it is possible.

촉매층(20)은 그래핀 전구체가 에너지빔에 의해 방향족 육각형 C=C 결합이 생성될 수 있는 결함을 제공하는 역할을 한다. 이에 촉매층(20)의 형성 없이는 실질적으로 그래핀 박막(40)의 제조가 불가능하다.The catalyst layer 20 serves to provide a defect in which the graphene precursor can generate an aromatic hexagonal C=C bond by an energy beam. Accordingly, it is substantially impossible to manufacture the graphene thin film 40 without the formation of the catalyst layer 20 .

촉매층(20)을 형성하는 촉매 금속은 우선적으로 금속이어야 하며, 특이한 결정구조, 즉 FCC(Face Centered Cunic, 면심입방격자) 구조를 가져야 한다. 금속의 결정 구조는 BCC(Body Centered Cubic Lattics, 체심입방격자) 구조, FCC 구조, 및 HCP (Closed Packed Hexagonal Lattics, HCP) 구조가 있으며, 금속 대부분은 이들 중 하나의 결정 격자 구조를 갖는다. 또한, 동일한 결정 구조를 가지더라도 결정면 및 결정 방향에 따라 다른 특성을 가지며, 일례로, 구리(Copper, Cu)의 경우 결정구조에 따라 구리(001), 구리(110), 구리(111)로 구분된다.The catalyst metal forming the catalyst layer 20 should preferentially be a metal, and should have a specific crystal structure, that is, a face centered cubic (FCC) structure. The crystal structure of the metal includes a body centered cubic lattice (BCC) structure, an FCC structure, and a closed packed hexagonal lattices (HCP) structure, and most metals have one of these crystal lattice structures. In addition, even if it has the same crystal structure, it has different characteristics depending on the crystal plane and the crystal direction. do.

본 발명의 촉매층(20)은 FCC 구조에서 (111)면을 갖는 촉매 금속을 사용한다. 에너지빔 조사에 의해 그래핀 전구체의 탄소 원자는 방향족 육각형 C=C 결합을 이루며, 이때 촉매 금속의 표면 상에 탄소 원자가 흡착하여 그래핀 박막으로 성장한다. 상기 촉매 금속의 표면 에너지가 불안정할 경우 탄소 원자가 흡착되는 속도가 달라 탄소 원자가 그래핀이 아닌 흑연화하는 결과를 가져온다. 촉매 금속의 FCC 구조에서 (111)면은 가장 안정하면서 균일한 표면 에너지를 가지므로, 탄소 원자가 고르게 정착하여 그래핀 박막으로 안정적으로 성장을 가능케 한다.The catalyst layer 20 of the present invention uses a catalyst metal having a (111) plane in the FCC structure. The carbon atoms of the graphene precursor form an aromatic hexagonal C=C bond by the energy beam irradiation, and at this time, the carbon atoms are adsorbed on the surface of the catalyst metal to grow into a graphene thin film. When the surface energy of the catalyst metal is unstable, the rate at which carbon atoms are adsorbed is different, resulting in graphitization of carbon atoms rather than graphene. In the FCC structure of the catalytic metal, the (111) plane has the most stable and uniform surface energy, so that carbon atoms are uniformly settled, enabling stable growth into a graphene thin film.

바람직하기로, 촉매 금속으로는 Al, Cu, Au, Pb, Ni, Pt, 및 Ag로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 단일 금속 또는 합금이 사용될 수 있다. Preferably, as the catalyst metal, at least one single metal or alloy selected from the group consisting of Al, Cu, Au, Pb, Ni, Pt, and Ag may be used.

이러한 촉매층(20)은 두께는 특별히 제한되지 않으나, 10㎚ 내지 10㎛일 수 있으며, 바람직하게는 20nm 내지 1㎛일 수 있다. 만약 그 두께가 상기 범위 미만인 경우 기계적 강도가 저하 될 수 있으며, 반대로 상기 범위를 초과할 경우 투명성(낮은 광투과도)이 낮아 투명 전극 이용에 문제가 발생할 수 있으므로, 상기 범위 내에서 적절히 사용한다.The thickness of the catalyst layer 20 is not particularly limited, but may be 10 nm to 10 μm, preferably 20 nm to 1 μm. If the thickness is less than the above range, mechanical strength may be reduced, and on the contrary, if it exceeds the above range, transparency (low light transmittance) is low and a problem may occur in using a transparent electrode, so it is appropriately used within the above range.

촉매층(20)의 형성은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 기판 전체에 걸쳐 균일한 박막을 형성할 수 있는 방법이면 어느 것이든 사용될 수 있다. 일례로, 도금, RF/DC 스퍼터링, 이온빔 스퍼터링, 화학기상증착(CVD), 저압 화학기상증착(LPCVD), 플라즈마 화학기상증착(PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 진공증착(Vacuum Evaporation), 전자빔 증착(E-beam Evaporation), 이온 플레이팅(ion-plating), Pulsed Laser Deposition, Powder Vacuum Spraying 방법 등이 포함된다.The formation of the catalyst layer 20 is not particularly limited in the present invention, and any method capable of forming a uniform thin film over the entire substrate may be used. For example, plating, RF/DC sputtering, ion beam sputtering, chemical vapor deposition (CVD), low pressure chemical vapor deposition (LPCVD), plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), vacuum deposition (Vacuum Evaporation), electron beam These include E-beam Evaporation, ion-plating, Pulsed Laser Deposition, and Powder Vacuum Spraying methods.

(S2) 그래핀 전구체 막 형성 단계(S2) Graphene precursor film formation step

다음으로, 상기 촉매층(20) 상에 그래핀 전구체 용액을 도포하여 건조 도막(30a)을 형성한다(도 1c). 이때 건조 도막(30a)은 미경화된 상태, 즉 용액만 제거된 상태로 후속의 그래핀 전구체 막(30)과 달리한다.Next, a dry coating film 30a is formed by applying a graphene precursor solution on the catalyst layer 20 ( FIG. 1C ). At this time, the dry coating film 30a is different from the subsequent graphene precursor film 30 in an uncured state, that is, in a state in which only the solution is removed.

그래핀 전구체 용액은 그래핀 전구체와 용매를 포함한다.The graphene precursor solution includes a graphene precursor and a solvent.

그래핀 전구체는 고분자이며, 에너지빔 조사에 의해 그래핀 구조를 갖는 것이면 어느 것이든 가능하다. 대표적으로, 상기 그래핀 전구체는 폴리이미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스티렌, 레이온, 리그닌, 피치, 보라진 올리고머 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다. 이들 그래핀 전구체 중 에너지빔 조사에 의해 방향족 육각형 C=C 결합이 쉽게 일어날 수 있도록 방향족 탄화수소 계열, 즉 폴리이미드가 바람직하다. 또한, 상기 고분자는 후속의 경화 공정이 수행될 수 있도록 올리고머인 것이 바람직하다.The graphene precursor is a polymer, and any one having a graphene structure by energy beam irradiation may be used. Typically, the graphene precursor may be one selected from the group consisting of polyimide, polyacrylonitrile, polymethylmethacrylate, polystyrene, rayon, lignin, pitch, borazine oligomer, and combinations thereof. Among these graphene precursors, an aromatic hydrocarbon series, that is, polyimide, is preferable so that an aromatic hexagonal C=C bond can easily occur by energy beam irradiation. In addition, the polymer is preferably an oligomer so that a subsequent curing process can be performed.

이때 그래핀 전구체의 조성에 의해 최종 얻어지는 그래핀 성상 및 종류를 조절할 수 있다. 일례로, 폴리이미드나 PMMA인 경우 전도성이 우수한 그래핀 박막의 제조가 가능하고, 보라진 올리고머인 경우 화이트 그래핀 박막을 제조할 수 있다.In this case, the properties and types of graphene finally obtained can be controlled by the composition of the graphene precursor. For example, in the case of polyimide or PMMA, it is possible to prepare a graphene thin film having excellent conductivity, and in the case of a borazine oligomer, a white graphene thin film may be prepared.

사용 가능한 용매는 상기 그래핀 전구체를 충분히 용해시켜 소정 범위의 점도를 조절할 수 있는 것이면 어느 것이든 사용 가능하다. 이 용매는 그래핀 전구체, 즉 고분자의 조성이나 분자량에 따라 달라질 수 있으며, 일례로 디메틸포름아미드(DMF), 포름알데히드(formaldehyde), 클로로포름(chloroform), 디메틸아세트아미드(DMA), 피리딘, 벤조피리딘(quinoline), 벤젠, 자일렌, 톨루엔, 다이옥산, 테트라하이드로퓨란(THF), 디에틸에테르, 디메틸설폭사이드(DMSO), n-메틸-2-피롤리돈(NMP) 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함할 수 있다.Any solvent can be used as long as it can sufficiently dissolve the graphene precursor to adjust the viscosity in a predetermined range. The solvent may vary depending on the composition or molecular weight of the graphene precursor, that is, the polymer. For example, dimethylformamide (DMF), formaldehyde, chloroform, dimethylacetamide (DMA), pyridine, benzopyridine (quinoline), benzene, xylene, toluene, dioxane, tetrahydrofuran (THF), diethyl ether, dimethyl sulfoxide (DMSO), n-methyl-2-pyrrolidone (NMP) one selected from the group or It may include two or more types.

필요한 경우, 그래핀 전구체 용액은 분산성, 도포성, 점도 등을 조절하기 위한 첨가제, 및/또는 도핑 목적으로 도판트 등을 더욱 포함할 수 있다. 그 종류 및 함량 범위는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 당업자에 의해 적절히 선택될 수 있다. If necessary, the graphene precursor solution may further include an additive for controlling dispersibility, coatability, viscosity, etc., and/or a dopant for doping purpose. The type and content range are not particularly limited in the present invention, and may be appropriately selected by those skilled in the art.

상기 그래핀 전구체 용액을 이용한 그래핀 전구체 건조 도막(30a)은 촉매층(20) 상에 통상의 습식 코팅 방식을 수행한 후 건조를 통해 형성할 수 있다.The graphene precursor dry coating film 30a using the graphene precursor solution may be formed by drying after performing a conventional wet coating method on the catalyst layer 20 .

이때 코팅을 용이하게 하고 균일한 건조 도막(30a)을 형성할 수 있도록 그래핀 전구체 용액의 점도를 한정한다. 바람직하기로 100cps 내지 10cps 범주 내에서 가능하며 점도가 낮을수록 코팅 두께가 낮아진다. 만약 그 농도가 상기 범위 미만이면 소정 두께의 그래핀 전구체 건조 도막(30a)을 형성하기 위해 여러 번의 코팅 공정을 거쳐야 하고 이에 따라 균일한 건조 도막(30a) 형성이 어려울 수 있다. 반대로, 그 점도가 너무 높게 되면 후속의 경화 공정 후에 얻어지는 경화 도막(도 1d의 30) 전체의 물성이 균일하지 않을 수 있으므로, 상기 범위 내에서 적절히 사용한다. At this time, the viscosity of the graphene precursor solution is limited to facilitate coating and to form a uniform dry coating film 30a. Preferably within the range of 100 cps to 10 cps, the lower the viscosity, the lower the coating thickness. If the concentration is less than the above range, it is necessary to go through several coating processes to form the dry coating film 30a of the graphene precursor having a predetermined thickness, and thus it may be difficult to form a uniform dry coating film 30a. Conversely, if the viscosity is too high, the physical properties of the entire cured coating film (30 in FIG. 1D ) obtained after the subsequent curing process may not be uniform, so it is appropriately used within the above range.

습식 코팅 방식은 롤 코팅법, 분무 코팅법, 함침 코팅법, 스핀 코팅법, 그라비아 코팅법, 나이프 코팅법, 바 코팅법, 슬롯 다이 코팅법, 또는 스크린 인쇄법 중 어느 하나일 수 있으며, 이 중에서도 공정이 용이하고 균일한 도막을 형성할 수 있도록 분무 코팅법, 또는 연속 공정의 경우 롤 코팅법이 사용될 수 있다.The wet coating method may be any one of a roll coating method, a spray coating method, an impregnation coating method, a spin coating method, a gravure coating method, a knife coating method, a bar coating method, a slot die coating method, or a screen printing method, among which In order to facilitate the process and form a uniform coating film, a spray coating method or, in the case of a continuous process, a roll coating method may be used.

촉매층(20) 상에 그래핀 전구체 용액을 코팅한 이후 건조하여 용매를 제거한다. 용매 제거는 사용되는 용매의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 통상 열풍건조 또는 유도가열 건조 방식이 사용될 수 있으며 30℃ 내지 90℃, 35℃ 내지 85℃, 40℃ 내지 80℃에서 수행하며, 필요한 경우 감압을 수행할 수 있다.After coating the graphene precursor solution on the catalyst layer 20, the solvent is removed by drying. Removal of the solvent may vary depending on the type of solvent used. Usually, hot air drying or induction heating drying method may be used, and it is carried out at 30 ° C. to 90 ° C., 35 ° C. to 85 ° C., 40 ° C. to 80 ° C., and, if necessary, reduced pressure. can be performed.

건조 이후 촉매층(20) 상의 그래핀 전구체의 건조 도막(30a)는 소정 두께의 도막(즉, 후막)이 형성되며, 그래핀 전구체의 경화를 위해 열을 인가한다. 이때 온도는 그래핀 전구체의 고분자의 종류에 따라 달라지며, 폴리이미드의 경우 400℃에서 수행하였다. After drying, a coating film (ie, thick film) of a predetermined thickness is formed on the dried coating film 30a of the graphene precursor on the catalyst layer 20, and heat is applied to cure the graphene precursor. At this time, the temperature varies depending on the type of polymer of the graphene precursor, and in the case of polyimide, it was performed at 400°C.

경화 이후 얻어진 그래핀 전구체의 경화 도막(30)은 5nm 내지 15㎛, 20nm 내지 14㎛, 50nm 내지 14㎛, 100nm 내지 13㎛, 100nm 내지 10㎛, 0.5㎛ 내지 10㎛, 1㎛ 내지 10㎛일 수 있다. 이 그래핀 전구체 막(30)의 두께는 에너지빔에 의해 제조되는 총 그래핀 박막(도 1e의 40)의 두께와 두께 조절이 가능해진다. 만약 상기 두께가 너무 얇을 경우에는 그래핀을 안정적인 구조로 형성할 수 없고, 반대로 너무 두꺼울 경우 흑연화 또는 여러층으로된 그라파이트가 형성될 수 있다. The cured coating film 30 of the graphene precursor obtained after curing is 5 nm to 15 μm, 20 nm to 14 μm, 50 nm to 14 μm, 100 nm to 13 μm, 100 nm to 10 μm, 0.5 μm to 10 μm, 1 μm to 10 μm. can The thickness of the graphene precursor film 30 can be adjusted to the thickness and thickness of the total graphene thin film (40 in FIG. 1E ) manufactured by the energy beam. If the thickness is too thin, graphene cannot be formed into a stable structure, and if it is too thick, graphitized or multi-layered graphite may be formed.

이때 (S2) 단계에서 도 1에서 도시하지 않았으나, 건식 진공 코팅 방법으로 그래핀 전구체(30) 막으로 카본 증착층을 형성할 수 있다.At this time, although not shown in FIG. 1 in step (S2), a carbon deposition layer may be formed with the graphene precursor 30 film by a dry vacuum coating method.

카본 증착층은 CVD(Chemical Vapor Deposition), PECVD(Plasma Enhenced Chemical Vapor Deposition) 혹은 PVD(Physical Vapor Deposition)의 진공박막공정으로 증착되어질 수 있고, CVD, PECVD에서는 CH4, C2H2 등을 포함한 탄화수소가스를, 그리고 스퍼터링법과 IBD방식을 포함하는 PVD에서는 그라파이트 타겟을 사용하여 증착될 수 있다.The carbon deposition layer can be deposited by a vacuum thin film process of CVD (Chemical Vapor Deposition), PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), or PVD (Physical Vapor Deposition), and in CVD and PECVD, hydrocarbon gas including CH 4 , C2H 2 , etc. In PVD including sputtering method and IBD method, it can be deposited using a graphite target.

이때 카본 증착층은 경화 공정 없이 형성될 수 있으며, 상기 언급한 도막의 두께를 갖는다.At this time, the carbon deposition layer may be formed without a curing process, and has the above-mentioned thickness of the coating film.

(S3) 에너지빔 조사 단계(S3) energy beam irradiation step

다음으로, 기판(10) 전체에 형성된 그래핀 전구체 막(30)에 에너지빔을 조사하여 촉매층(20) 상에 그래핀 박막(40)을 형성한다(도 1e).Next, an energy beam is irradiated to the graphene precursor film 30 formed on the entire substrate 10 to form the graphene thin film 40 on the catalyst layer 20 ( FIG. 1E ).

에너지빔은 이온빔, 전자빔, 레이저빔 또는 중성자빔이고, 바람직하기로는 전자빔일 수 있다.The energy beam is an ion beam, an electron beam, a laser beam or a neutron beam, preferably an electron beam.

에너지빔의 조사를 통해 촉매 금속의 표면에 접한 그래핀 전구체에서부터 그래핀이 형성되어, 점차 도막 내부까지 그래핀이 성장 확산된다. 이 성장된 그래핀은 기공이나 결함들을 포함하지 않은 치밀한 상태의 박막 형태로 얻어지며, 성장이 촉매층 표면에서부터 비교적 동일한 속도로 균일하게 일어나 높은 평활도를 갖는 그래핀 박막(40)을 얻을 수 있다.Through the irradiation of the energy beam, graphene is formed from the graphene precursor in contact with the surface of the catalyst metal, and the graphene gradually grows and diffuses to the inside of the coating film. The grown graphene is obtained in the form of a thin film in a dense state that does not include pores or defects, and growth occurs uniformly from the surface of the catalyst layer at a relatively same rate to obtain the graphene thin film 40 having a high degree of smoothness.

특히, 본 발명의 에너지빔은 에너지와 flux를 높여주면 상대적으로 처리 시간을 단축할 수 있어 일반적인 열처리 방법보다 월등히 빠른 속도로 향상된 특성의 그래핀 박막(40)을 얻을 수 있다. 또한, 별도의 열처리, 즉 기판(10)에 열을 가하지 않고 수행할 수 있어, 종래 열에 의해 제한되는 기판을 비제한적으로 사용할 수 있고 공정 면에서 비교적 적은 비용이 요구된다.In particular, when the energy and flux of the energy beam of the present invention are increased, the processing time can be relatively shortened, so that the graphene thin film 40 with improved properties can be obtained at a much faster rate than the general heat treatment method. In addition, a separate heat treatment, that is, it can be performed without applying heat to the substrate 10, so that a conventional substrate limited by heat can be used without limitation, and a relatively low cost is required in terms of processing.

보다 구체적으로 대면적의 그래핀 박막을 제조하기 위해, 에너지빔 조사의 공정 조건을 제한한다.More specifically, in order to manufacture a large-area graphene thin film, the process conditions of energy beam irradiation are limited.

에너지빔의 조사는 공지된 바의 에너지빔 조사가 가능한 진공 챔버 내에서 이루어진다. 상기 진공 챔버는 내부에 지지대가 배치되고, 상기 지지대 상에 기판을 장착하고, 이 기판에 에너지빔을 조사하기 위한 에너지빔 소스가 배치된다.Irradiation of the energy beam is performed in a vacuum chamber capable of irradiating a known energy beam. In the vacuum chamber, a support is disposed therein, a substrate is mounted on the support, and an energy beam source for irradiating an energy beam to the substrate is disposed.

에너지빔 소스 중 전자빔은 전자빔을 생성하기 위하여 날카로운 첨단부에 높은 음전압을 걸어 전자를 추출하는 전계추출(Field Emission) 방식, 텅스텐과 LaB6와 같은 필라멘트를 가열하여 만드는 열전자법 또는 플라즈마를 그리드로 차폐함과 동시에 전압을 걸어 전자를 추출하여 가속하는 플라즈마 추출 방식 등이 사용될 수 있다. Among the energy beam sources, the electron beam uses a field emission method to extract electrons by applying a high negative voltage to a sharp tip to generate an electron beam, a thermoelectric method made by heating filaments such as tungsten and LaB6, or a grid shielding plasma A plasma extraction method in which electrons are extracted and accelerated by applying a voltage at the same time may be used.

이중에서도 플라즈마 추출 방식이 장대형 소스가 가능하며 이를 대형 기판의 수직 방향으로 스캔(scan)하면 대면적을 균일하게 처리할 수 있다. 이때, 플라즈마를 만들기 위한 전원은 교류 주파수에 따라 LF, MF, HF, RF, UHF, Microwave와 같은 다양한 종류를 사용할 수 있고 또한 전극이나 안테나의 형태에 따라 Capacitive, Inductive, ICP, ECR, Helical, Helicon, Hollow cathode, Hot filament 와 같은 다양한 종류를 사용할 수 있으며 대기압 플라즈마와 같은 높은 압력의 플라즈마를 사용할 수 있다.Among them, the plasma extraction method can be a large source, and by scanning it in the vertical direction of the large substrate, a large area can be uniformly processed. At this time, various types of power source for making plasma, such as LF, MF, HF, RF, UHF, and Microwave, can be used depending on the AC frequency. Also, depending on the shape of the electrode or antenna, Capacitive, Inductive, ICP, ECR, Helical, Helicon Various types such as , hollow cathode, and hot filament can be used, and high pressure plasma such as atmospheric pressure plasma can be used.

에너지빔의 조사는 에너지빔 소스가 고정된 상태에서 지지대를 일정 속도로 이송시키거나, 지지대가 고정된 상태에서 에너지빔 소스가 이송하면서 수행할 수 있으며, 바람직하기로 후자의 경우가 공정 제어 면에서 유리하다.Irradiation of the energy beam may be performed while the support is transferred at a constant speed while the energy beam source is fixed, or the energy beam source is transferred while the support is fixed. It is advantageous.

이때 에너지빔 소스는 1개 이상일 수 있으며, 대면적의 그래핀 박막을 위해서 복수 개의 에너지빔 소스를 사용하되 이들은 직렬 또는 병렬로 배치될 수 있다.In this case, there may be one or more energy beam sources, and a plurality of energy beam sources are used for a large-area graphene thin film, but these may be arranged in series or in parallel.

도 2는 에너지빔 소스의 빔 형태를 보여주는 모식도로, 상기 에너지빔 소스(beam source)의 단면 형태(즉, 스폿)에 따라 원형 에너지빔을 발생시키는 원형(round) 건(도 2a), 가로와 세로의 비율이 다른 선형(linear)의 에너지빔을 발생시키는 선형 건(도 2b)일 수 있으며, 이들의 다양한 배치를 통해 대면적의 그래핀 박막(40)의 형성이 가능하다. 바람직하기로, 에너지빔 소스는 기판의 폭과 유사한 길이를 갖는 긴 직육면체 형태의 선형 건이 사용될 수 있다.2 is a schematic diagram showing the beam shape of the energy beam source, a round gun (FIG. 2a) for generating a circular energy beam according to the cross-sectional shape (ie, spot) of the energy beam source, horizontal and It may be a linear gun (FIG. 2B) that generates a linear energy beam having a different vertical ratio, and the graphene thin film 40 having a large area can be formed through various arrangements thereof. Preferably, as the energy beam source, a linear gun in the form of a long cuboid having a length similar to the width of the substrate may be used.

도 3은 본 발명의 일 구현예에 따라 기판 상에 에너지빔을 조사하는 것을 보여주는 모식도이고, 도 4는 Q-Q' 절단면을 보여주는 모식도이다. 이때 도면에서 조사되는 에너지빔은 소정 영역으로만 조사되는 것으로 도시하였으나, 실제로 에너지빔 조사 시 이들 에너지빔은 어느 정도 퍼지면서 비행하므로, 각 전자총들에 의해 조사되는 에너지빔들 사이의 빈 공간은 실질적으로 없는 것으로 판단한다.3 is a schematic diagram showing irradiating an energy beam on a substrate according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a schematic diagram showing a Q-Q' cross section. At this time, although the energy beam irradiated in the drawing is illustrated as being irradiated only to a predetermined area, when actually irradiating the energy beam, these energy beams fly while spreading to some extent, so the empty space between the energy beams irradiated by each electron gun is substantially judged to be absent.

도 3을 참조하면, 촉매층(20)/그래핀 전구체 막(30)이 순차적으로 형성된 기판(10) 상에 3개의 선형의 에너지빔 소스를(source1, source2, source 3) 직렬로 배치한 후, 기판(10)을 고정시킨 상태에서 에너지빔을 조사하면서 일측 방향으로 에너지빔 소스를 이송함으로써 기판(10) 전체에 걸쳐 에너지빔이 조사되어 그래핀 박막을 대면적으로 형성할 수 있다. 도 3과 같이 Linear Beam Source의 직렬연결에 의해 대면적 처리가 가능할 뿐만 아니라 또 다른 Linear Beam Source를 병렬로 연결해서 처리의 속도를 높일 수 있다.Referring to FIG. 3 , after arranging three linear energy beam sources (source1, source2, source3) in series on the substrate 10 on which the catalyst layer 20/graphene precursor film 30 is sequentially formed, By transferring the energy beam source in one direction while irradiating the energy beam in a state in which the substrate 10 is fixed, the energy beam is irradiated over the entire substrate 10 to form a graphene thin film with a large area. As shown in FIG. 3 , it is possible to not only process a large area by serial connection of a linear beam source, but also connect another linear beam source in parallel to increase the processing speed.

또한, 기판(10)의 폭에 에너지빔이 모두 조사될 수 있도록 3개의 에너지빔 소스가 직렬로 배치한다. 이때 도 4와 같이, 일측 방향으로 에너지빔 소스를 이송하여 기판(10) 전체에 걸쳐 에너지빔이 조사되고, 조사된 후 그래핀 전구체 막(30)은 그래핀 박막으로 전환된다.In addition, three energy beam sources are arranged in series so that all energy beams can be irradiated to the width of the substrate 10 . At this time, as shown in FIG. 4 , the energy beam is irradiated over the entire substrate 10 by transferring the energy beam source in one direction, and after the irradiation, the graphene precursor film 30 is converted into a graphene thin film.

도 3 및 도 4에서 도시한 방식은 3개의 선행의 에너지빔 소스를 직렬 배치하여 상기 에너지빔 소스를 이송하면서 스캔하는 방식이다. 이 방식은 본 발명의 일 구현예에 속하는 것이며, 기판(10)의 크기에 따라 에너지빔 소스의 개수 및 에너지빔 소스의 형태를 달리할 수 있고, 상기 에너지빔 소스의 배치 또한 직렬 방식 이외에 병렬 방식, 또는 이들의 혼합 방식이 이루어질 수 있다. 또한, 상기 예에서는 에너지빔 소스를 이동시켜 스캔하는 방식을 설명하였으나, 에너지빔 소스를 고정시킨 상태에서 기판(10)을 일측 방향으로 이송시키는 방법이 사용될 수 있다.The method shown in FIGS. 3 and 4 is a method of scanning while transporting the energy beam sources by arranging three preceding energy beam sources in series. This method belongs to one embodiment of the present invention, and the number of energy beam sources and the shape of the energy beam sources may vary depending on the size of the substrate 10 , and the arrangement of the energy beam sources is also a parallel method in addition to the series method. , or a mixture thereof may be made. In addition, although the method of scanning by moving the energy beam source has been described in the above example, a method of transferring the substrate 10 in one direction while the energy beam source is fixed may be used.

에너지빔 조사시 에너지빔 소스 또는 기판(10)의 이송 속도는 그래핀 전구체 막(30)에서 그래핀 박막(40)이 충분히 형성될 수 있는 시간을 제공할 수 있도록 한다. 즉, 그래핀 전구체 막(30)의 두께가 얇을 수록, 인가되는 에너지빔의 에너지가 클수록 상기 이송 속도는 증가할 수 있다. 보다 구체적인 조건은 당업자에 의해 적절히 선정 및 변경될 수 있다. When irradiating the energy beam, the transfer speed of the energy beam source or the substrate 10 may provide a sufficient time for the graphene thin film 40 to be sufficiently formed in the graphene precursor film 30 . That is, as the thickness of the graphene precursor layer 30 decreases and the energy of the applied energy beam increases, the transport speed may increase. More specific conditions may be appropriately selected and changed by those skilled in the art.

기판(10)에 조사되는 에너지빔은 가해주는 전압에 의해 1eV 내지 500keV, 2KeV 내지 450KeV의 운동 에너지를 가지도록 가속되어 기판(10) 상의 공정 영역에 조사된다. 만약 조사되는 에너지가 상기 범위 미만이면 그래핀 박막의 제조가 어렵고, 반대로 상기 범위 이상의 에너지가 조사되더라도 그래핀으로의 전환에 큰 영향이 없어 비 경제적이므로, 상기 범위 내에서 적절하게 사용한다.The energy beam irradiated to the substrate 10 is accelerated to have kinetic energy of 1 eV to 500 keV and 2 KeV to 450 KeV by the applied voltage and is irradiated to the process region on the substrate 10 . If the irradiated energy is less than the above range, it is difficult to manufacture a graphene thin film, and on the contrary, even if energy above the above range is irradiated, there is no significant effect on conversion to graphene, so it is uneconomical, so it is appropriately used within the above range.

본 에너지빔 조사 공정은 다양한 주위 조건하에 발생할 수 있다. 이 주위 조건은, 온도, 압력, 공기의 존재 및 이들의 조합을 포함하지만, 이들에 국한되는 것은 아니다. The present energy beam irradiation process may occur under various ambient conditions. These ambient conditions include, but are not limited to, temperature, pressure, presence of air, and combinations thereof.

구체적으로, 에너지빔이 조사되는 영역의 상기 기판의 주변 온도는 20℃ 내지 800℃, 25℃ 내지 750℃, 25℃ 내지 500℃, 기판 주위의 작업 압력은 10-7 내지 10-1 Torr에서 수행한다. 만약 그 온도가 상기 범위 이상이면 탄화로 인해 그래핀이 아닌 그라파이트가 생성될 우려가 있다. 또한, 압력의 경우 너무 높을 경우 에너지빔 조사 시 챔버의 입자들에 의해 scattering이 발생하면서 빔의 안정성이 저하되므로, 상기 범위 내에서 적절히 사용한다.Specifically, the ambient temperature of the substrate in the region to which the energy beam is irradiated is 20° C. to 800° C., 25° C. to 750° C., 25° C. to 500° C., and the working pressure around the substrate is 10 -7 to 10 -1 Torr. do. If the temperature is above the above range, there is a risk that graphite, not graphene, is generated due to carbonization. In addition, when the pressure is too high, scattering occurs by the particles in the chamber when the energy beam is irradiated and the stability of the beam is reduced, so it is appropriately used within the above range.

또한, 상기 에너지빔 조사 공정은 비활성 기체 존재 하에서 수행하며, 이때 비활성 기체로는 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 제논 또는 이들의 혼합 가스 중에서 선택되는 1종 또는 2종이상인 것이 바람직하며, 이로 제한되지는 않는다.In addition, the energy beam irradiation process is performed in the presence of an inert gas, in this case, the inert gas is preferably one or two or more selected from nitrogen, helium, neon, argon, xenon, or a mixture thereof, but not limited thereto. does not

전술한 바의 본 단계의 에너지빔 조사를 비롯한 상기 촉매층(20) 및 그래핀 전구체 건조 박막(30a) 및 전구체 막(30)의 형성, 및 에너지빔 조사의 단계는 롤투롤 공정을 통해 연속적으로 자동으로 수행하거나, 각 단계별로 나뉘어 수행할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 개시 내용의 방법의 하나 이상의 단계는 자동으로, 예를 들면, 컴퓨터 제어된 자동 가공 라인의 사용을 통해 발생할 수 있다. 일례로, 롤투롤 진공 챔버 시스템에 리니어 에너지빔 소스 장착 후 연속 라인을 통하여 대면적 그래핀 공정이 기술적으로 가능하다. The steps of forming the catalyst layer 20 and the graphene precursor dry thin film 30a and the precursor film 30, including the energy beam irradiation of this step as described above, and the energy beam irradiation are continuously and automatically through a roll-to-roll process. It can be carried out as a single step, or it can be performed separately for each step. As such, one or more steps of the method of the present disclosure may occur automatically, for example, through the use of computer-controlled automated processing lines. For example, it is technically possible to process a large-area graphene through a continuous line after mounting a linear energy beam source in a roll-to-roll vacuum chamber system.

추가로 상기 단계에서 에너지빔 조사 이후 그래핀 박막상에 존재하는 미량의 비정질 탄소층을 제거하기 위하여 수소를 사용한 플라즈마 에칭 혹은 수소 플라즈마 활성화로 만든 수소빔을 표면에 조사하는 공정을 더욱 수행하여 줄 수 있다.In addition, in order to remove a trace amount of amorphous carbon layer present on the graphene thin film after energy beam irradiation in the above step, a process of irradiating the surface with a hydrogen beam made by plasma etching using hydrogen or hydrogen plasma activation can be further performed. have.

(제2방법)(Method 2)

또한, 본 발명의 다른 구현예에 따른 대면적 그래핀 박막은 그래핀 전구체 막 상에 촉매층을 형성한 후 에너지빔을 조사하는 방식으로 수행 가능하다.In addition, the large-area graphene thin film according to another embodiment of the present invention can be performed by irradiating an energy beam after forming a catalyst layer on the graphene precursor film.

구체적으로, Specifically,

(S1) 기판 상에 그래핀 전구체 막을 형성하는 단계;(S1) forming a graphene precursor film on the substrate;

(S2) 그래핀 전구체 막 상에 촉매층을 형성하는 단계;(S2) forming a catalyst layer on the graphene precursor film;

(S3) 에너지빔을 조사하는 단계;를 포함하여 수행한다.(S3) irradiating the energy beam;

이하 도면을 참조하여 각 단계별로 상세히 설명한다. 도 5는 본 발명의 일 구현 예에 따른 그래핀 박막의 제조 공정을 보여주는 순서도이다.Hereinafter, each step will be described in detail with reference to the drawings. 5 is a flowchart showing a manufacturing process of a graphene thin film according to an embodiment of the present invention.

먼저, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 기판(10) 상에 그래핀 전구체 용액을 도포하여 건조 도막(30a)을 형성한다. First, referring to FIGS. 5A and 5B , a dry coating film 30a is formed by applying a graphene precursor solution on a substrate 10 .

이때 카본 증착층을 건조 도막(30a) 대신 형성할 수 있다. 상기 카본 증착층은 전구체 코팅을 쓰는 대신에 CVD, PECVD 혹은 PVD의 진공박막공정으로 카본층이 증착되어질 수 있다. 상기 카본 증착층은 이후 경화 공정을 수행하지 않는다.In this case, a carbon deposition layer may be formed instead of the dry coating film 30a. The carbon deposition layer may be deposited using a vacuum thin film process such as CVD, PECVD or PVD instead of using a precursor coating. The carbon deposition layer is not subsequently cured.

다음으로, 상기 건조 도막(30a) 상에 촉매층(20)을 형성한다(도 5c 참조). Next, a catalyst layer 20 is formed on the dry coating film 30a (see FIG. 5C ).

다음으로, 경화 공정을 수행하여 그래핀 전구체 막(30)을 얻는다(도 5d 참조).Next, a curing process is performed to obtain a graphene precursor film 30 (see FIG. 5D ).

다음으로, 에너지빔을 조사하여 상기 그래핀 전구체막(30)을 그래핀 박막(40)을 얻는다(도 5e 참조).Next, by irradiating an energy beam, the graphene precursor film 30 is obtained as a graphene thin film 40 (see FIG. 5E ).

상기 각 단계의 구체적인 사항은 상기 언급한 바의 구현 예를 따른다. The specific details of each step follow the above-mentioned implementation examples.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따라 에너지빔 조사에 의해 대면적으로 제조된 그래핀 박막(40)은 단층 그래핀, 다층 그래핀, 이중층 그래핀, 삼중층 그래핀, 도핑된 그래핀, 다공성 그래핀, 미작용화된 그래핀, 자연상태(pristine) 그래핀, 작용화된 그래핀, 산화된 그래핀, 터보스트래릭 그래핀, 화이트 그래핀을 모두 포함한다. 이때 박막은 그래핀으로 이루어지며, 나노미터~마이크론미터 크기의 2차원적인 평면 구조를 갖는 시트 성상을 의미한다.As described above, the graphene thin film 40 prepared in a large area by energy beam irradiation according to the present invention is single-layered graphene, multi-layered graphene, double-layered graphene, triple-layered graphene, doped graphene, and porous graphene. Pines, unfunctionalized graphene, pristine graphene, functionalized graphene, oxidized graphene, turbostratic graphene, and white graphene are all included. In this case, the thin film is made of graphene, and refers to a sheet shape having a two-dimensional planar structure with a size of nanometers to microns.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 다층의 그래핀 박막을 얻기 위해 상기 단계를 2회 이상 반복적으로 수행할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the above step may be repeatedly performed two or more times to obtain a multi-layered graphene thin film.

또한, 본 발명의 다른 구현예에 따르면, 그래핀 전구체 막을 다층으로 형성하여 다층의 그래핀 박막을 얻을 수 있다.In addition, according to another embodiment of the present invention, a multilayer graphene precursor film may be formed to obtain a multilayer graphene thin film.

또한, 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 그래핀 전구체의 종류를 달리하여 다층의 그래핀 박막을 얻을 수 있다.In addition, according to another embodiment of the present invention, it is possible to obtain a multi-layered graphene thin film by changing the type of the graphene precursor.

또한, 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 그래핀 전구체 도막의 조성을 달리하여 그래핀/화이트 그래핀이 서로 적층된 구조를 얻을 수 있다.In addition, according to another embodiment of the present invention, it is possible to obtain a structure in which graphene/white graphene are stacked on each other by changing the composition of the graphene precursor coating film.

이러한 다양한 구조는 상기 단계의 각종 파라미터들을 변경함으로써 수행할 수 있다.These various structures can be performed by changing various parameters of the above steps.

본 발명에 따라 제조된 대면적의 그래핀 박막은 전구체층의 재질 및 두께에 따라 그 특성 및 두께 조절이 용이하고, 고품질로 제조되어 전사 공정 이후 주름이나 결함의 발생이 거의 없다. 일례로, 1nm 내지 10㎛, 10nm 내지 8㎛, 20nm 내지 8㎛, 0.5㎛ 내지 7㎛, 1㎛ 내지 7㎛ 범위의 두께를 갖는다. The large-area graphene thin film prepared according to the present invention can easily control its properties and thickness depending on the material and thickness of the precursor layer, and is manufactured with high quality, so that wrinkles or defects hardly occur after the transfer process. For example, the thickness ranges from 1 nm to 10 μm, 10 nm to 8 μm, 20 nm to 8 μm, 0.5 μm to 7 μm, and 1 μm to 7 μm.

상기 그래핀 박막(40)은 기판 상태 그대로 응용되거나, 그래핀 박막(40)을 촉매층(20)으로부터 분리하여 시트 형태로 다양한 분야에 적용될 수 있다. 이때 분리를 위한 방법은 화학적 처리법(예, 에칭), 또는 자기장 인가법 등 다양한 방법을 통해 전사 공정을 수행하여 이루어질 수 있다. The graphene thin film 40 may be applied as it is as a substrate, or may be applied to various fields in the form of a sheet by separating the graphene thin film 40 from the catalyst layer 20 . In this case, the separation method may be performed by performing a transfer process through various methods such as a chemical treatment method (eg, etching) or a magnetic field application method.

바람직하기로, 본 발명에서는 상기 제시한 방법을 통해 기판(10) 상에 직접 그래핀 박막(40)을 제조함으로써 전사 공정을 생략하여 그래핀 박막의 제조 시간을 단축시킴과 동시에 분리 및 전사 공정에서 일어나는 그래핀의 결함을 최소화할 수 있다. Preferably, in the present invention, by manufacturing the graphene thin film 40 directly on the substrate 10 through the above-described method, the transfer process is omitted to shorten the manufacturing time of the graphene thin film, and at the same time, in the separation and transfer process Defects in graphene that occur can be minimized.

더불어, 그래핀의 응용은 상기 Pellicle 소재 이외에 플렉서블 디스플레이의 Encapsulation, 터치 패널의 전극, 반도체(예, 고속 트랜지스터, High speed transistor), 전도성 잉크, 고효율 태양전지, 이차 전지, 자동차, 조명, 터치패널, 방열필름, 각종 코팅 재료, 초박형 스피커, 바닷물 담수화 필터, 초고속 충전기 등 차세대 기술에 적용 가능하다.In addition, the application of graphene is, in addition to the Pellicle material, encapsulation of flexible displays, electrodes of touch panels, semiconductors (eg, high-speed transistors), conductive inks, high-efficiency solar cells, secondary batteries, automobiles, lighting, touch panels, It can be applied to next-generation technologies such as heat dissipation films, various coating materials, ultra-thin speakers, seawater desalination filters, and ultra-fast chargers.

한편, 전술한 바의 (제1방법) 및 (제2방법)에 따른 대면적 그래핀 박막은 비정질 실리콘층을 형성하여, 최종적으로 그래핀/c-Si의 다층 구조를 갖는 박막의 제조가 가능하다. On the other hand, the large-area graphene thin film according to the above-mentioned (first method) and (second method) forms an amorphous silicon layer, so that it is possible to finally prepare a thin film having a graphene/c-Si multilayer structure do.

비정질 실리콘층의 증착은 에너지빔 조사 전단계에서 수행한다.Deposition of the amorphous silicon layer is performed before the energy beam irradiation.

(제1방법)을 따를 경우 그래핀 전구체 막을 형성 후 비정질 실리콘층(amorphous silicon layer)을 형성한 후 에너지빔 조사 단계 순으로 수행하고, (제2방법)을 따를 경우, 촉매층 형성 위에 비정질 실리콘층을 형성한 후 에너지빔 조사 단계 순으로 수행한다. If (1st method) is followed, after forming the graphene precursor film, an amorphous silicon layer is formed and then the energy beam irradiation step is performed in order, and (2nd method) is followed, an amorphous silicon layer is formed on the catalyst layer After forming the energy beam irradiation step is performed in order.

증착된 비정질 실리콘층은 에너지빔 조사에 의해 결정화가 일어나 결정질 실리콘층(crystalline silicon layer, c-Si)이 형성되어 그래핀/c-Si 다층 구조를 갖는 다층 박막 또는 이종 막을 형성한다. The deposited amorphous silicon layer is crystallized by energy beam irradiation to form a crystalline silicon layer (c-Si) to form a multilayer thin film or a heterogeneous film having a graphene/c-Si multilayer structure.

(제 2방법)에서 에너지빔을 조사시 비정질 실리콘은 촉매금속에 의해 실리콘의 결정화가 용이하고, 이와 동시에 촉매금속 하단의 탄소원자가 확산으로 촉매금속을 투과하여 실리콘 밑에 그래핀을 형성한다. 결과적으로 그래핀/c-Si 혹은 그래핀/ 탄화규소(SiC)/c-Si 구조를 형성할 수 있다.When irradiating an energy beam in (Method 2), amorphous silicon is easily crystallized by the catalyst metal, and at the same time, carbon atoms at the bottom of the catalyst metal penetrate the catalyst metal by diffusion to form graphene under the silicon. As a result, a graphene/c-Si or graphene/silicon carbide (SiC)/c-Si structure can be formed.

그래핀/c-Si 다층 구조를 갖는 다층 박막은 EUV(Extreme Ultra Violet)용 Pellicle(펠리클)에 적용 가능하며, 결정질 실리콘층으로 인해 EYV에 대한 투과도를 높일 수 있고, 이와 동시에 실리콘의 취약한 기계적 특성은 그래핀에 의해 보완되어, 그래핀과 결정질 실리콘간의 상호 보완으로 인해 EUV용 Pellicle 의 강도를 저하시키는 일 없이 EUV용 Pellicle 의 투과율을 향상시킬 수 있다.A multilayer thin film with a graphene/c-Si multilayer structure can be applied to a pellicle for EUV (Extreme Ultra Violet), and it can increase the transmittance to EYV due to the crystalline silicon layer, and at the same time, the weak mechanical properties of silicon is supplemented by graphene, and the transmittance of the EUV pellicle can be improved without reducing the strength of the EUV pellicle due to the mutual complementation between graphene and crystalline silicon.

특히, 전자빔에 의한 실리콘의 결정화는 레이저빔 조사 방식의 결과와는 달리 조대한 Grain boundary를 형성하지 않기 때문에 쉽게 깨지지 않고 여기에 우수한 강도를 만족하는 그래핀과의 다층막은 Pellicle에서 필요한 우수한 기계적 특성을 만족할 수 있다. In particular, since crystallization of silicon by electron beam does not form coarse grain boundaries, unlike the results of laser beam irradiation, a multilayer film with graphene that does not break easily and satisfies excellent strength has excellent mechanical properties required for the pellicle. can be satisfied

비정질 실리콘층의 형성은 증착 공정으로 수행이 가능하며, RF/DC 스퍼터링, 이온빔 스퍼터링(IBD), 화학기상증착(CVD), 저압 화학기상증착(LPCVD), 플라즈마 화학기상증착(PECVD), 진공증착(Vacuum Evaporation), 전자빔 증착(E-beam Evaporation), 이온 플레이팅(ion-plating), Pulsed Laser Deposition, Powder Vacuum Spraying 방법 등이 포함된다.Formation of the amorphous silicon layer can be performed by a deposition process, and RF/DC sputtering, ion beam sputtering (IBD), chemical vapor deposition (CVD), low pressure chemical vapor deposition (LPCVD), plasma chemical vapor deposition (PECVD), vacuum deposition (Vacuum Evaporation), E-beam evaporation (E-beam Evaporation), ion plating (ion-plating), Pulsed Laser Deposition, Powder Vacuum Spraying methods and the like are included.

이때 비정질 실리콘층의 두께는 5nm 내지 50nm의 범위로 형성한다. 상기 두께 범위는 에너지빔 조사에 의해 형성된 결정질 실리콘층의 최종 두께를 고려한 것으로, EUV용 Pellicle에 적용 시 최적 물성을 확보할 수 있는 적절한 두께를 의미한다.At this time, the thickness of the amorphous silicon layer is formed in the range of 5 nm to 50 nm. The thickness range considers the final thickness of the crystalline silicon layer formed by energy beam irradiation, and means an appropriate thickness to secure optimal physical properties when applied to the EUV pellicle.

결정질 실리콘층의 형성은 종래 증착막의 레이저 조사에 의한 방법, 고상 결정화 방법, 급속열처리 방법 등 다양한 방법이 있으나, 이를 그래핀의 박막 공정에 적용 시 그래핀/c-Si 박막의 깨짐이나 탄화 등이 발생할 우려가 있어, 그 적용이 거의 불가능하다고 할 수 있다. 그러나, 본 발명과 같이 그래핀 박막 공정에서 비정질 실리콘층의 증착과 에너지빔의 처리만으로 그래핀/c-Si 박막의 형성이 가능하여 공정의 단순화와 함께 안정적인 그래핀/c-Si 다층 구조를 갖는 다층 박막의 제조가 가능하여, EUV용 Pellicle에 바람직하게 적용할 수 있다.There are various methods for forming the crystalline silicon layer, such as the conventional method by laser irradiation of the deposited film, the solid-state crystallization method, and the rapid heat treatment method. It can be said that it is almost impossible to apply. However, in the graphene thin film process as in the present invention, the formation of a graphene/c-Si thin film is possible only by deposition of an amorphous silicon layer and treatment with an energy beam, thereby simplifying the process and having a stable graphene/c-Si multilayer structure. Since it is possible to manufacture a multi-layer thin film, it can be preferably applied to a Pellicle for EUV.

이러한 방법은 그래핀/c-Si, 그래핀/c-Si/그래핀, c-Si/그래핀/c-Si, c-Si/SiC/그래핀, c-Si/SiC/그래핀/SiC/c-Si, 그래핀/SiC/c-Si/SiC/그래핀의 구조로 제작이 가능하다.These methods include graphene/c-Si, graphene/c-Si/graphene, c-Si/graphene/c-Si, c-Si/SiC/graphene, c-Si/SiC/graphene/SiC It can be manufactured in the structure of /c-Si, graphene/SiC/c-Si/SiC/graphene.

[실시예][Example]

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples. However, the following examples are merely illustrative of the present invention, and the content of the present invention is not limited by the following examples.

(실시예 1) 그래핀 박막 제조(Example 1) Preparation of graphene thin film

실리콘 기판 상에 CVD을 통해 촉매층으로 750nm 두께의 구리 박막을 형성하였다. 상기 촉매층 상에 그래핀 전구체 용액(폴리이미드/NMP 용액, 50cps)을 코팅한 후, 40℃에서 10분 동안 건조한 다음, 400℃에서 20분간 동안 열경화를 수행하여 100nm 두께의 그래핀 전구체 경화 도막을 제조하였다. 혹은 전구체 코팅을 쓰는 대신에 CVD, PECVD 혹은 PVD의 진공박막공정으로 비정질 카본층을 증착하였다. A 750 nm thick copper thin film was formed as a catalyst layer on a silicon substrate by CVD. After coating a graphene precursor solution (polyimide/NMP solution, 50cps) on the catalyst layer, drying at 40° C. for 10 minutes, and thermal curing at 400° C. for 20 minutes, a 100 nm thick graphene precursor cured coating film was prepared. Alternatively, instead of using a precursor coating, an amorphous carbon layer was deposited by a vacuum thin film process such as CVD, PECVD, or PVD.

상기 기판을 전자빔 증착 챔버 내로 이송한 다음, 5Kev의 전자빔을 상온(10-1 torr)에서 20분간 조사하여 80nm 두께의 그래핀 박막을 제조하였다.The substrate was transferred into an electron beam deposition chamber, and then an electron beam of 5 Kev was irradiated at room temperature (10 −1 torr) for 20 minutes to prepare a graphene thin film having a thickness of 80 nm.

(실시예 2) 그래핀 박막 제조(Example 2) Preparation of graphene thin film

실리콘 기판 상에 그래핀 전구체 용액(폴리이미드/NMP 용액, 50cps)을 코팅한 후, 40℃에서 10분 동안 건조하여 도막을 형성하였다. 혹은 전구체 코팅을 쓰는 대신에 CVD, PECVD 혹은 PVD의 진공박막공정으로 비정질 카본층을 증착하였다. 여기에, CVD을 통해 촉매층으로 500nm 두께의 니켈 박막을 형성하였다. 400℃에서 20분간 동안 열경화를 수행하여 100nm 두께의 그래핀 전구체 경화 도막을 제조하였다.A graphene precursor solution (polyimide/NMP solution, 50 cps) was coated on a silicon substrate, and then dried at 40° C. for 10 minutes to form a coating film. Alternatively, instead of using a precursor coating, an amorphous carbon layer was deposited by a vacuum thin film process such as CVD, PECVD, or PVD. Here, a nickel thin film with a thickness of 500 nm was formed as a catalyst layer through CVD. Thermal curing was performed at 400° C. for 20 minutes to prepare a 100 nm thick graphene precursor cured coating film.

상기 기판을 전자빔 증착 챔버 내로 이송한 다음, 5Kev의 전자빔을 상온(10-1 torr)에서 20분간 조사하여 80nm 두께의 그래핀 박막을 제조하였다.The substrate was transferred into an electron beam deposition chamber, and then an electron beam of 5 Kev was irradiated at room temperature (10 −1 torr) for 20 minutes to prepare a graphene thin film having a thickness of 80 nm.

(비교예 1) (Comparative Example 1)

촉매층을 형성하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 수행하여 그래핀 박막을 제조하였다. A graphene thin film was prepared in the same manner as in Example 1, except for forming a catalyst layer.

(결과)(result)

라만 스펙트럼 분석 결과 비교예 1에서 그래핀 박막이 형성되지 않음을 확인하였다.As a result of Raman spectrum analysis, it was confirmed that a graphene thin film was not formed in Comparative Example 1.

도 6은 실시예 2의 그래핀 박막의 라만 스펙트럼이다. 여기에서 D peak은 Disorder peak, G peak는 graphite peak, 2D는 graphene이 형성되었을 ‹š 나타나는 전형적인 peak이다. 도 6을 보면, 1300cm-1: D peak, 1580cm-1: G peak와 함께 그래핀을 나타내는 2700cm-1: 2D peak가 확인되어, 그래핀 박막이 형성되었음을 알 수 있다. 이러한 경향은 실시예 1의 그래핀 박막에서도 동일하게 나타내었다.6 is a Raman spectrum of the graphene thin film of Example 2. Here, D peak is a Disorder peak, G peak is a graphite peak, and 2D is a typical peak that appears when graphene is formed. Referring to FIG. 6, 1300cm -1: D peak, 1580cm -1: with G peak Yes 2700cm -1 indicating the pin: have determined the 2D peak, So it can be seen that pin thin film is formed. This trend was also shown in the graphene thin film of Example 1.

도 7은 실시예 2의 결과에 의하여 도 6에서 보여주는 2D peak가 나타나는 graphene을 형성하였을 때 그래핀 박막의 깊이 방향으로 원소를 확인한 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) depth profile 결과 그래프이다.7 is a graph showing the X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) depth profile result in which the elements in the depth direction of the graphene thin film are confirmed when graphene having the 2D peak shown in FIG. 6 is formed according to the results of Example 2;

도 7을 보면, 80nm의 그래핀 박막을 상부에서부터 식각할 경우 그래핀 이외의 다른 조성은 검출되지 않았으며, 80nm 이후에는 기판으로 사용하는 실리콘 기판의 조성이 검출되었다. 이러한 결과를 볼 때, 촉매층으로 사용하는 니켈 촉매는 에너지빔 조사 과정에서 탄소화 결합을 통해 증발되어, 실리콘 기판은 그래핀만 잔류함을 알 수 있다. 이를 통해, 그래핀 전구체 경화 도막의 두께 또는 함량만으로 형성되는 그래핀 박막의 두께 제어가 가능함을 알 수 있다.Referring to FIG. 7 , when the 80 nm graphene thin film was etched from the top, no composition other than graphene was detected, and after 80 nm, the composition of the silicon substrate used as the substrate was detected. From these results, it can be seen that the nickel catalyst used as the catalyst layer is evaporated through carbonization bonding during the energy beam irradiation process, and only graphene remains on the silicon substrate. Through this, it can be seen that it is possible to control the thickness of the graphene thin film formed only by the thickness or content of the graphene precursor cured coating film.

10: 기판
20: 촉매층
30: 그래핀 전구체 막
30a: 그래핀 전구체 건조 도막
40: 그래핀 박막
10: substrate
20: catalyst layer
30: graphene precursor film
30a: graphene precursor dry coating film
40: graphene thin film

Claims (15)

대면적의 그래핀 박막을 제조하기 위해,
기판 상에 그래핀 전구체 막을 형성한 후 에너지빔을 조사하는 단계를 포함하고, 상기 그래핀 전구체 막 형성 전 또는 후에 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는, 대면적 그래핀 박막의 제조방법.
In order to prepare a large-area graphene thin film,
A method of manufacturing a large-area graphene thin film, comprising: irradiating an energy beam after forming a graphene precursor film on a substrate; and forming a catalyst layer before or after forming the graphene precursor film.
제1항에 있어서
상기 그래핀 전구체 막은 그래핀 전구체 용액을 코팅 후 경화하여 그래핀 경화 도막 또는 스퍼터링 또는 진공증착에 의해 형성된 카본 증착층인, 대면적 그래핀 박막의 제조방법.
The method of claim 1
The graphene precursor film is a graphene cured coating film or a carbon deposition layer formed by sputtering or vacuum deposition by curing the graphene precursor solution after coating, a method for producing a large-area graphene thin film.
제2항에 있어서,
상기 그래핀 전구체는 폴리이미드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리스티렌, 레이온, 리그닌, 피치, 보라진 올리고머 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 고분자를 포함하는, 대면적 그래핀 박막의 제조방법.
3. The method of claim 2,
The graphene precursor includes at least one polymer selected from the group consisting of polyimide, polymethyl methacrylate, polyacrylonitrile, polystyrene, rayon, lignin, pitch, borazine oligomer, and combinations thereof, large-area graphene A method for manufacturing a fin thin film.
제2항에 있어서
상기 카본 증착층은 그래핀 스퍼터링이나 Graphite IBD 혹은 C2H2, CH4 가스를 이용한 CVD, PECVD등의 진공증착 방법으로 형성된 것인, 대면적 그래핀 박막의 제조방법
3. The method of claim 2
The carbon deposition layer is formed by vacuum deposition such as graphene sputtering, Graphite IBD or C 2 H 2 , CVD using CH 4 gas, PECVD, etc., a method of manufacturing a large-area graphene thin film
제1항에 있어서,
상기 기판은 유리, 석영, 파이렉스, 알루미나, 지르코니아, 사파이어, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리에테르술폰, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리스티렌, 폴리염화비닐, 폴리비닐피롤리돈, 폴리에틸렌, 폴리디메틸실록산, 폴리메틸메타크릴레이트, 고무, 금속판, Si, Ge, GaAs, InP, InSb, InAs, AlAs, AlSb, CdTe, ZnTe, ZnS, ZnSe, CdSe, CdSb, GaP, SiC, Al, 또는 Hg로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 재질을 포함하는, 대면적 그래핀 박막의 제조방법.
According to claim 1,
The substrate is glass, quartz, pyrex, alumina, zirconia, sapphire, polyethylene naphthalate, polyethersulfone, polyimide, polycarbonate, polytetrafluoroethylene, polyethylene terephthalate, polystyrene, polyvinyl chloride, polyvinylpyrrolidone , polyethylene, polydimethylsiloxane, polymethyl methacrylate, rubber, metal plate, Si, Ge, GaAs, InP, InSb, InAs, AlAs, AlSb, CdTe, ZnTe, ZnS, ZnSe, CdSe, CdSb, GaP, SiC, Al , or a method of manufacturing a large-area graphene thin film comprising at least one material selected from the group consisting of Hg.
제1항에 있어서,
상기 촉매층은 FCC 구조에서 (111)면을 갖는 촉매 금속을 포함하는, 대면적 그래핀 박막의 제조방법.
According to claim 1,
The catalyst layer comprises a catalyst metal having a (111) plane in the FCC structure, a method for producing a large-area graphene thin film.
제1항에 있어서,
상기 촉매층은 Al, Cu, Au, Pb, Ni, Pt, 및 Ag로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 단일 금속 또는 합금인, 대면적 그래핀 박막의 제조방법.
According to claim 1,
The catalyst layer is one or more single metals or alloys selected from the group consisting of Al, Cu, Au, Pb, Ni, Pt, and Ag, a method for producing a large-area graphene thin film.
제1항에 있어서,
상기 촉매층은 두께가 10㎚ 내지 10㎛인, 대면적 그래핀 박막의 제조방법.
According to claim 1,
The catalyst layer has a thickness of 10 nm to 10 μm, a method for producing a large-area graphene thin film.
제1항에 있어서,
상기 그래핀 전구체 막은 5nm 내지 15㎛의 두께를 갖는, 대면적 그래핀 박막의 제조방법.
According to claim 1,
The graphene precursor film has a thickness of 5 nm to 15 μm, a method of manufacturing a large-area graphene thin film.
제1항에 있어서,
상기 에너지빔은 이온빔, 전자빔, 레이저빔 또는 중성자빔인, 대면적 그래핀 박막의 제조방법.
According to claim 1,
The energy beam is an ion beam, an electron beam, a laser beam or a neutron beam, a method of manufacturing a large-area graphene thin film.
제1항에 있어서,
상기 에너지빔은 1eV 내지 500keV의 조사 에너지로 조사하는 대면적 그래핀 박막의 제조방법.
According to claim 1,
The energy beam is a method of manufacturing a large-area graphene thin film irradiated with an irradiation energy of 1eV to 500keV.
제1항에 있어서,
상기 에너지빔 조사는 기판 상에 에너지빔 소스를 직렬, 병렬 또는 이들의 혼합으로 배치한 후, 기판 또는 에너지빔 소스를 일 방향으로 이송시켜 기판 전체에 조사하는, 대면적 그래핀 박막의 제조방법.
According to claim 1,
The energy beam irradiation is a method of manufacturing a large-area graphene thin film in which the energy beam source is disposed on a substrate in series, parallel, or a mixture thereof, and then the substrate or the energy beam source is transferred in one direction to irradiate the entire substrate.
제1항에 있어서,
상기 에너지빔 조사는 20℃ 내지 800℃ 및 10-7 내지 10-1 Torr의 압력 하에서 수행하는, 대면적 그래핀 박막의 제조방법.
According to claim 1,
The energy beam irradiation is performed under a pressure of 20 ℃ to 800 ℃ and 10 -7 to 10 -1 Torr, a method for producing a large-area graphene thin film.
제1항에 있어서,
추가로 수소를 사용한 플라즈마 에칭 혹은 수소 플라즈마로부터 나온 활성화 수소빔을 표면에 조사하여 비정질 탄소층을 에칭하는 단계를 추가로 수행하는, 대면적 그래핀 박막의 제조방법.
According to claim 1,
In addition, a method of manufacturing a large-area graphene thin film by further performing plasma etching using hydrogen or etching the amorphous carbon layer by irradiating the surface with an activated hydrogen beam from hydrogen plasma.
제1항에 있어서,
추가로 에너지빔 조사 전에 기판/촉매/(그래핀 전구체 경화 도막) 또는 기판/(그래핀 전구체 경화 도막)/촉매층 위에 비정질 실리콘층을 형성하는, 대면적 그래핀 박막의 제조방법.
According to claim 1,
In addition, a method for producing a large-area graphene thin film to form an amorphous silicon layer on the substrate / catalyst / (graphene precursor cured coating film) or substrate / (graphene precursor cured coating film) / catalyst layer before the energy beam irradiation.
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