KR20230138354A - 버블 프리 계면을 가지는 2차원 나노 소재 적층 구조체 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
버블 프리 계면을 가지는 2차원 나노 소재 적층 구조체 및 그 제조 방법을 제공한다. 적층 구조체의 제조 방법은, i) 실리콘 산화층이 그 표면에 형성된 실리콘 기판을 제공하는 단계, ii) 실리콘 산화층 위에 제1 평면체를 부착시키는 단계, iii) 제1 평면체 위에 물방울을 도포하는 단계, iv) 제2 평면체가 부착된 폴리머 기판을 제공하는 단계, v) 실리콘 기판 위에 폴리머 기판을 제공하여 제2 평면체가 제1 평면체와 접하면서 그 사이에 버블 프리 계면을 형성하는 단계, vi) 적층 구조체를 50℃ 내지 80℃로 가열하는 단계, vii) 적층 구조체를 아세톤에 침지하여 폴리머 기판을 녹여 제거하는 단계, 및 viii) 제2 평면체가 외부로 노출된 적층 구조체를 제공하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 2차원 나노 소재 적층 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 버블 프리 계면을 가지는 2차원 나노 소재 기반의 적층 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
우수한 기계적, 전기적, 광학적 특성을 갖는 상이한 2차원 나노 소재들을 적층하여 제조된 반데르발스 적층 구조체는 계면내에서 전하 운반체의 이송이나 여기자, 광자, 음향 양자 등의 발생과 제한을 제어할 수 있는 특징을 가진다. 그 결과, 적층 구조체를 구성하는 2차원 나노 소재 각각의 특성을 유지시키거나 향상시켜 맞춤형 특성을 가지는 소자를 설계 및 제작할 수 있다.
한편, 이러한 반데르발스 적층 구조체를 제조하는 중에 공기와 하이드로카본 및 수분 등은 층간 계면내에 갇혀서 버블을 형성한다. 버블은 반데르발스 적층 구조체의 기능적 특성을 약화시키며 2차원 나노 소재간에 약한 계면 접착 특성을 부여해 기계적 안정성을 손상시킨다. 따라서, 반데르발스 적층 구조체를 활용해 제조된 소자 및 기기의 성능 및 신뢰성을 확보하기 위해서 버블 프리 계면을 형성할 필요가 있다.
버블 프리 계면이 형성된 2차원 나노 소재 기반의 동종/이종 적층 구조체를 제공하고자 한다. 또한, 전술한 적층 구조체의 제조 방법을 제공하고자 한다.
버블 프리 계면을 가지는 2차원 나노 소재의 적층 구조체의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 구조체의 제조 방법은, i) 실리콘 산화층이 그 표면에 형성된 실리콘 기판을 제공하는 단계, ii) 실리콘 산화층 위에 제1 평면체를 부착시키는 단계, iii) 제1 평면체 위에 물방울을 도포하는 단계, iv) 제2 평면체가 부착된 폴리머 기판을 제공하는 단계, v) 실리콘 기판 위에 폴리머 기판을 제공하여 제2 평면체가 제1 평면체와 접하면서 그 사이에 버블 프리 계면을 형성하는 단계, vi) 적층 구조체를 50℃ 내지 80℃로 가열하는 단계, vii) 적층 구조체를 아세톤에 침지하여 폴리머 기판을 녹여 제거하는 단계, 및 viii) 제2 평면체가 외부로 노출된 적층 구조체를 제공하는 단계를 포함한다.
폴리머 기판을 제공하는 단계에서, 제2 평면체를 외부로 노출시키는 개구부가 형성된 열박리 테이프가 폴리머 기판 위에 부착될 수 있다. 적층 구조체를 제공하는 단계에서, 적층 구조체는 실리콘 기판과 폴리머 기판 사이에 위치하는 열박리 테이프를 더 포함할 수 있다. 적층 구조체를 가열하는 단계에서 열박리 테이프는 제거될 수 있다.
폴리머 기판을 제공하는 단계에서, 폴리머 기판은 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA)를 포함할 수 있다. 물방울을 도포하는 단계에서, 물방울은 탈이온수일 수 있다. 적층 구조체를 제공하는 단계에서, 물방울은 폴리머 기판이 실리콘 기판과 밀착되면서 일방향으로 밀려 이동될 수 있다.
적층 구조체를 제공하는 단계에서, 제1 평면체 및 제2 평면체 중 하나 이상의 평면체는 그래핀 또는 이황화 몰리브덴을 포함할 수 있다. 제1 평면체 및 제2 평면체 중 한 평면체는 그래핀이고, 다른 평면체는 이황화 몰리브덴일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적층 구조체의 제조 방법은, i) 제2 평면체 위에 또다른 물방울을 도포하는 단계, ii) 제3 평면체가 부착된 또다른 폴리머 기판을 제공하는 단계, iii) 제2 평면체 위에 또다른 폴리머 기판을 제공하여 제3 평면체가 제2 평면체와 접하면서 또다른 버블 프리 계면이 형성된 또다른 적층 구조체를 제공하는 단계, iv) 또다른 적층 구조체를 50℃ 내지 80℃로 가열하는 단계, v) 또다른 적층 구조체를 아세톤에 침지하여 또다른 폴리머 기판을 녹여 제거해 제3 평면체를 외부로 노출시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또다른 폴리머 기판을 제공하는 단계에서, 제3 평면체를 외부로 노출시키는 또다른 개구부가 형성된 또다른 열박리 테이프가 폴리머 기판 위에 부착될 수 있다. 적층 구조체를 제공하는 단계에서, 적층 구조체는 실리콘 기판과 폴리머 기판 사이에 위치하는 또다른 열박리 테이프를 더 포함할 수 있다. 또다른 적층 구조체를 가열하는 단계에서 또다른 열박리 테이프는 제거될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적층 구조체는 버블 프리 계면을 가지는 2차원 나노 소재를 포함한다. 적층 구조체는 i) 실리콘 산화층이 증착된 실리콘 기판, 및 ii) 실리콘 산화층 위에 위치한 적층 구조체를 포함한다. 적층 구조체는, i) 실리콘 산화층 위에 제공된 제1 평면체, 및 ii) 제1 평면체와 버블 프리 계면을 형성하는 제2 평면체를 포함한다.
제1 평면체 및 제2 평면체 중 하나 이상의 평면체는 그래핀 또는 이황화 몰리브덴을 포함할 수 있다. 제1 평면체 및 제2 평면체 중 한 평면체는 그래핀이고, 다른 평면체는 이황화 몰리브덴일 수 있다.
버블 프리 계면을 가지는 고품질의 2차원 나노 소재의 동종/이종 적층 구조체를 제조할 수 있다. 따라서 다양한 2차원 나노 소재를 적층한 반데르발스 적층 구조체로 구성된 소자 및 기기를 자유롭게 설계 및 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 구조체의 제조 방법의 개략적인 순서도이다.
도 2 내지 도 6은 도 1의 적층 구조체의 제조 방법의 각 단계들을 개략적으로 나타내는 도면들이다.
도 7은 제1 평면체 위에 물방울이 있을 경우 평면체들이 버블 프리 계면을 형성하는 접합 과정을 순서대로 나타낸 개락적인 도면이다.
도 8 및 도 9는 각각 물방울의 유무에 따른 평면체들의 접합 과정을 보여주는 인시츄 광학현미경 사진들이다.
도 10 및 도 11은 도 1의 적층 구조체의 제조 방법의 각 단계들을 개략적으로 나타내는 도면들이다.
도 12 및 도 13은 각각 본 발명의 실험예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 그래핀 동종 적층 구조체 관련 측정 결과의 사진들이다.
도 14는 본 발명의 실험예 2에 따라 제조된 이황화 몰리브덴 동종 적층 구조체 관련 측정 결과의 사진이다.
도 15는 본 발명의 실험예 3에 따라 제조된 그래핀/이황화 몰리브덴 이종 적층 구조체 관련 측정 결과의 사진이다.
도 2 내지 도 6은 도 1의 적층 구조체의 제조 방법의 각 단계들을 개략적으로 나타내는 도면들이다.
도 7은 제1 평면체 위에 물방울이 있을 경우 평면체들이 버블 프리 계면을 형성하는 접합 과정을 순서대로 나타낸 개락적인 도면이다.
도 8 및 도 9는 각각 물방울의 유무에 따른 평면체들의 접합 과정을 보여주는 인시츄 광학현미경 사진들이다.
도 10 및 도 11은 도 1의 적층 구조체의 제조 방법의 각 단계들을 개략적으로 나타내는 도면들이다.
도 12 및 도 13은 각각 본 발명의 실험예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 그래핀 동종 적층 구조체 관련 측정 결과의 사진들이다.
도 14는 본 발명의 실험예 2에 따라 제조된 이황화 몰리브덴 동종 적층 구조체 관련 측정 결과의 사진이다.
도 15는 본 발명의 실험예 3에 따라 제조된 그래핀/이황화 몰리브덴 이종 적층 구조체 관련 측정 결과의 사진이다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 구조체의 제조 방법의 순서도를 개략적으로 나타낸다. 도 1의 적층 구조체의 제조 방법은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 적층 구조체의 제조 방법을 다르게 변형할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 적층 구조체의 제조 방법은, 실리콘 산화층이 그 표면에 형성된 실리콘 기판을 제공하는 단계(S10), 실리콘 산화층 위에 제1 평면체를 부착하는 단계(S20), 제1 평면체 위에 물방울을 도포하는 단계(S30), 실리콘 기판 위에 폴리머 기판을 제공하여 제2 평면체가 제1 평면체와 접하면서 버블 프리 계면을 형성하는 단계(S40), 적층 구조체를 가열하는 단계(S50), 적층 구조체를 아세톤에 침지하여 폴리머 기판을 녹여 제거하는 단계(S60), 그리고 제2 평면체가 외부로 노출된 적층 구조체를 제공하는 단계(S70)를 포함한다. 이외에, 적층 구조체의 제조 방법은 다른 단계들을 더 포함할 수 있다. 이러한 적층 구조체의 제조 방법은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 2 내지 도 6과 도 10 및 도 11은 도 1의 적층 구조체의 제조 방법의 각 단계들을 개략적으로 나타낸다. 이하에서는 도 1의 각 단계들을 이를 참조하여 설명한다.
먼저, 단계(S10)에서는 실리콘 산화층(101)이 그 표면에 증착된 실리콘 기판(10)을 제공한다. (도 2에 도시, 이하 동일) 실리콘 산화층(101)은 빛의 반사 및 굴절을 변화시켜 2차원 나노 소재를 이용해 제1 평면체를 제조시 층수 판별을 가능하게 해 준다. 실리콘 산화층(101)의 두께(t101)는 280nm 내지 320nm일 수 있다. 두께(t101)가 너무 작거나 큰 경우 2차원 나노 소재의 층수 판별이 불가능하다. 따라서 두께(t101)를 전술한 범위로 조절한다. 바람직하게는, 실리콘 산화층(101)의 두께(t101)는 300nm일 수 있다.
다음으로, 도 1의 단계(S20)에서는 실리콘 산화층(101) 위에 제1 평면체(20)를 부착한다. (도 3에 도시, 이하 동일) 제1 평면체(20)는 2차원 나노 소재 플레이크(flake) 형태일 수 있다. 예를 들면, 제1 평면체(20)의 소재로서 그래핀 또는 이황화 몰리브덴을 포함한 다양한 2차원 나노 소재를 사용할 수 있다.
도 1의 단계(S30)에서는 제1 평면체(20) 위에 물방울(30)을 도포한다. (도 4에 도시) 즉, 실리콘 산화층(101) 위에 물방울(30)이 위치하면서 제1 평면체(20)를 덮는다. 물방울로는 탈이온수(deionized water, DI)를 사용할 수 있다.
다음으로, 도 1의 단계(S40)에서는 실리콘 기판(10) 위에 폴리머 기판(40)을 제공한다. (도 5에 도시) 제2 평면체(22)는 제1 평면체(20)와 접하면서 버블 프리 계면을 갖는 적층 구조체(90)를 형성한다. (도 6에 도시) 도 5의 확대원에는 실리콘 기판(10)과 결합하기 전의 폴리머 기판(40)을 나타낸다. 폴리머 기판(40)을 화살표 방향으로 180℃ 뒤집어서 실리콘 기판(10) 위에 결합시킨다.
도 5에 도시한 바와 같이, 폴리머 기판(40) 위에는 열박리 테이프(thermal release tape, TRT)(50)가 부착된다. 열박리 테이프(50)에는 개구부(501)가 형성되어 폴리머 기판(40) 위로 제2 평면체(22)를 외부 노출시킬 수 있다. 그 결과, 열박리 테이프(50)를 이용하여 제2 평면체(22)를 제1 평면체(20) 위에 안정적으로 위치시킬 수 있다. 또한, 열박리 테이프(50)를 이용해 폴리머 기판(40)을 실리콘 산화층(101)에 안정적으로 부착시켜 고정할 수 있다. 이하에서는 도 7를 통하여 전술한 단계(S40)를 좀더 상세하게 설명한다.
도 7은 도 5의 적층 구조체(90)의 제공 과정을 순서대로 개략적으로 나타낸다. 즉, 도 7에 화살표로 나타낸 바와 같이, 제2 평면체(22)가 제1 평면체(20) 위에 적층되면서 그 사이에 존재하였던 물이 이동하면서 버블 프리 계면을 형성하는 과정을 나타낸다. 도 7의 적층 구조체(90)의 제공 과정은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 도 7의 적층 구조체(100)의 제공 과정을 다른 형태로도 변형할 수 있다.
도 7에 도시한 바와 같이, 폴리머 기판(40)이 그 일측부터 실리콘 산화층(101) 위에 화살표 방향을 따라 점진적으로 접촉되면서 그 사이에 존재하던 물방울(30)이 화살표로 도시한 +x축 방향으로 점차 이동하면서 배출된다. 즉, 제1 평면체(20)와 제2 평면체(22)가 물방울을 사이에 두고 위치하다가 물이 이동함에 따라 방향성을 가지는 점진적인 접촉이 일어난다. 그 결과, 제1 평면체(20)와 제2 평면체(22)는 그 계면에 버블이 존재하지 않는 상태로 상호 밀착된다. 이하에서는 도 8 및 도 9를 통하여 물방울로 보조된 점진적 접촉 전사 방법을 좀더 상세하게 설명한다.
도 8 및 도 9는 각각 제1 평면체 위에 물방울의 유무에 따른 평면체들의 접합 과정을 인시츄(in-situ)로 측정한 광학현미경 사진들을 나타낸다. 도 8은 물방울이 있는 경우의 평면체들의 접합 과정에서의 인시츄 광학현미경 사진들을 나타내고, 도 9는 물방울이 없는 경우의 평면체들의 접합 과정에서의 인시츄 광학현미경 사진들을 나타낸다. 평면체들의 소재로는 이황화 몰리브덴과 그래핀을 예시로 나타낸다. 도 8과 도 9의 인시츄 광학현미경 사진들은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 인시츄 광학현미경 사진들은 다른 형태로도 변형될 수 있다.
도 8의 (a) 내지 (e)에서는 물방울이 존재하는 경우, 물방물에 의한 점진적 접촉 과정에서의 인시츄 광학현미경 사진들을 나타낸다. 특히, 도 8의 (e)에서는 시간 경과, 즉 0초, 1.7초, 2.3초, 12.3초에서의 물방물에 의한 점진적 접촉 과정의 광학현미경 사진들을 나타낸다.
도 8의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 각각 제2 평면체(22) 및 제1 평면체(20)가 준비된다. 도 8의 (c)와 (d)는 각각 제조된 적층 구조체의 광학 명시야(bright-field) 및 암시야(dark-field) 사진을 나타낸다. 도 8의 (e)에서는 물방울에 의해 비접촉 영역을 형성하는 제1 평면체(20) 및 제2 평면체(22)가 폴리머 기판과 실리콘 기판의 상호 밀착에 의해 일방향으로 물이 밀려 나가면서 접합되는 과정을 보여준다. 접촉 영역은 폴리머 기판과 실리콘 기판이 직접 상호 접촉하는 영역을 나타내고, 비접촉 영역은 물에 의해 폴리머 기판과 실리콘 기판이 접촉하지 않는 영역을 나타낸다. 폴리머 기판과 실리콘 기판의 상호 밀착에 따라 노란 점선으로 나타낸 접촉 영역과 비접촉 영역의 경계가 점차 우하측으로 밀려나면서 12초 후에는 제1 평면체(20)와 제2 평면체(22)가 직접 접하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 물방울을 이용한 일방향으로의 점진적 접합 과정은 제1 평면체와 제2 평면체의 계면에 버블을 만들지 않는 것을 확인할 수 있다. 즉, 물방울을 사용하여 버블 프리 계면을 형성할 수 있다.
이와는 대조적으로, 도 9의 (a) 내지 (e)는 물방울이 존재하지 않는 경우의 접촉 과정에서의 인시츄 광학현미경 사진들을 나타낸다. 도 9는 제1 평면체 위에 물방울이 존재하지 않는 것을 제외하고는 도 8의 조건과 동일한 조건을 가진다. 즉, 도 9의 (a) 내지 (e)는 각각 도 8의 (a) 내지 (e)에 대응한다. 도 9의 (e)에서는 시간 경과, 즉 0초, 0.1초, 0.2초에서의 접합 과정의 광학현미경 사진들을 나타낸다.
도 9의 (e)에 도시한 바와 같이, 물이 존재하지 않는 경우의 평면체들의 적층 과정에서는 0.2초만에 폴리머 기판과 실리콘 기판의 급작스럽고 무작위한 접촉이 발생하였다. 이로 인해 평면체들이 제어되지 않은 상태로 접합되어 그 계면에 버블이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
종래에는 층들의 적층 후에 버블을 제거하기 위해 어닐링 공정 또는 원자 현미경법(atomic force microscopy, AFM) 팁에 의한 평탄화 공정 등이 사용되었다. 어닐링 공정에서 버블은 열에 의해 그 위치가 변경되거나 인접한 다른 버블과 병합되어 제거되었다. 그러나 어닐링은 편평한 면적은 증가하지만 버블의 완벽한 제거는 어려웠다. 한편, AFM 팁을 이용한 공정은 AFM 팁에 수직 하중을 가하면서 표면을 스캔해 버블을 밀어내 제거하였다. AFM 팁에 의한 평탄화 공정에서는 평면형 소재간의 균일하고 친밀한 접촉을 통해 강한 계면 커플링을 유도할 수 있었다. 그러나 AFM 스캔 영역의 한계, 속도 제약 및 표면 손상 등의 문제점 발생으로 인해 그 사용이 제한적이었다.
그리고 적층 공정 중에 버블 형성을 방지하기 위해 반데르발스 픽업 전사법이 사용되어 왔다. 반데르발스 픽업 전사법은 전체 공정에서 캐리어층 없이 2D 소재를 적층하여 소재 사이의 불순물을 저감한다. 이 방법에서는 폴리프로필렌 카보네이트 (polypropylene carbonate, PPC)가 코팅된 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 스탬프를 사용한다. 이 경우, 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride, hBN)와 대상 소재 사이의 접착력이 대상 소재와 기판 사이의 접착력보다 강한 상태임을 이용한다. 즉, 대상 소재를 들어올려 상호 다른 소재로 된 평면체들을 적층해 이종 적층 구조체를 제조한다. 그러나 반데르발스 픽업 전사법은 PDMS 스탬프 형성에 시간이 필요하고 실험 구성도 복잡하며, hBN 이종 적층 구조체만 제조할 수 있는 단점이 있다.
이외에, 고온에서의 높은 흡착제 이동성을 이용하거나 PDMS 스탬프를 기울이거나 렌즈형 또는 반구형의 돌출부가 있는 형태로 변경해 소재 사이의 접촉 각도를 발생시켜 점진적 접촉을 유도하는 방법이 개발되었다. 그러나 전술한 바와 동일한 단점이 여전히 존재했다. 이와는 대조적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 구조체의 제조 방법은 간단하게 계면의 버블을 완벽하게 제거할 수 있다는 점에서 효율적이다.
다시 도 1로 되돌아가면, 단계(S50)에서는 적층 구조체(90)를 가열하여 제1 평면체(20)와 제2 평면체(22) 및 실리콘 기판 사이의 접착력을 개선한다. (도 6에 도시) 이 경우, 열박리 테이프(50)(도 5에 도시, 이하 동일)는 제거되고, 제1 평면체와 제2 평면체의 접착력과 제1 평면체와 기판사이의 접착력이 개선된다. 이를 위해 적층 구조체(90)를 50℃ 내지 80℃로 가열할 수 있다. 적층 구조체(90)의 가열 온도가 너무 낮은 경우, 단계(S60)에서 폴리머 기판(40)을 녹여 제거하는 동안 적층 구조체가 기판으로부터 분리 될 수 있을 뿐 아니라, 열박리 테이프(50)가 제거되지 않는다. 또한, 적층 구조체(90)의 가열 온도가 너무 높은 경우, 평면체들(20, 22) 사이에 그리고 제1 평면체와 실리콘 기판 사이에 버블이 발생될 수 있다. 따라서 적층 구조체(90)의 가열 온도를 전술한 범위로 조절한다. 바람직하게는, 적층 구조체(90)의 가열 온도는 70℃일 수 있다.
도 1의 단계(S60)에서는 적층 구조체(90)를 아세톤(62)에 침지하여 폴리머 기판(40)을 녹여 제거한다. (도 10에 도시) 즉, 아세톤(62)이 수용된 수조(60)에 적층 구조체(90)를 침지한다. 이 경우, 폴리머 기판(40)은 아세톤(62)에 의해 녹아 제거된다.
마지막으로, 도 1의 단계(S70)에서는 제2 평면체(22)가 외부로 노출된 적층 구조체(100)를 제공한다. (도 11에 도시) 즉, 실리콘 산화층(101) 위에 제1 평면체(20) 및 제2 평면체(22)가 차례로 적층된 2차원 나노 소재 기반 적층 구조체를 얻을 수 있다. 제1 평면체(20) 및 제2 평면체(22)의 소재들을 동일하게 하거나 상이하게 하여 동종 적층 구조체 또는 이종 적층 구조체를 제조할 수 있다. 예를 들면, 그 소재로서 그래핀이나 이황화 몰리브덴을 사용할 수 있다. 즉, 제1 평면체(20) 및 제2 평면체(22)를 모두 그래핀으로 사용하거나 모두 이황화 몰리브덴으로 사용할 수 있다. 또는 제1 평면체(20) 및 제2 평면체(22) 중 어느 한 평면체의 소재를 그래핀으로 하는 경우 다른 평면체의 소재는 이황화 몰리브덴으로 사용할 수 있다. 한편, 도 1에는 도시하지 않았지만 전술한 도 1의 과정들을 반복하여 평면체들을 더 적층할 수 있다. 예를 들면, 3층 또는 4층 구조의 적층체를 형성할 수 있다. 즉, 제2 평면체(22) 위에 물방울을 도포하고, 제3 평면체(미도시, 이하 동일)가 부착된 폴리머 기판(미도시, 이하 동일)을 제공하여 실리콘 기판 위에 폴리머 기판을 제공한다. 이렇게 함으로써 제2 평면체와 제3 평면체 사이에 버블이 없는 적층 구조체를 형성한다. 그리고 적층 구조체를 아세톤에 침지하여 폴리머 기판을 녹여 제거해 제3 평면체를 외부로 노출시킨다. 이 경우, 제1 평면체(20), 제2 평면체(22) 및 제3 평면체가 차례로 적층된 버블 프리 계면을 가지는 적층 구조체를 제조할 수 있다. 또한, 전술한 과정을 반복하여 4층의 적층 구조체를 제조할 수 있다.
이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
실험예
2차원 나노 소재 플레이크를 준비하였다. 건식 전사(dry transfer)를 이용해, 즉, 수용성 폴리머 층과 PMMA가 코팅된 실리콘 기판에 기계적 박리를 이용해 2차원 나노 소재를 부착시켜 플레이크를 준비하였다. 이 경우, 습식 전사에 따른 수산화칼륨 잔여물에 의한 오염을 방지할 수 있다. 실리콘 기판 위에 3:1의 질량비를 가진 탈이온수 및 Sigma-Aldrich 社의 Poly(4-styrene sulfonic acid)(PSS)과 Kayaku Advanced Materials 社의 495 PMMA A5 용액을 떨어뜨린 후 5500rpm으로 1분 동안 스핀 코팅하였다. 그리고 1분 동안 130℃의 핫플레이트에서 가열하였다. 이러한 방법으로 PMMA/PSS/실리콘 기판을 제조하였다. Nitto Denko 社의 니토 테이프(SPV-KL-680TRB)(5.6N/mm 부착력)를 이용해 플레이크를 기계적으로 박리하고, 광학 현미경(올림푸스 社의 BX53M 사용, 100x 배율)으로 적층할 플레이크를 선정하였다. 그리고 Tapeworld 社의 구멍이 뚫린 열박리 테이프(TRT)(TW-KR-70N5)를 PMMA/PSS/실리콘 기판 위에 부착한 후 물에 띄워 PSS 층 제거를 통해 TRT/제2 평면체/PMMA을 제조하였다. 그리고 이를 데시케이터(desiccator)에서 하루 이상 건조하였다.
한편, 제1 평면체를 준비하기 위해 SiO2/Si 기판 위에 전술한 니토 테이프를 사용하여 기계적 박리법으로 2차원 나노 소재 플레이크를 박리시켰다. 그리고 광학 현미경으로 적층할 플레이크를 선정하였다. 제1 평면체/SiO2/Si 기판을 아세톤, 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol, IPA), 탈이온수 순서로 각각 1시간 동안 넣어 세척하였다. 그리고 제1 평면체/SiO2/Si 기판을 70℃의 오븐에서 3시간 동안 가열한 후 데시케이터에서 하루 이상 건조하였다.
반데르발스 적층 구조체를 제조하기 위해 광학현미경 기반의 자체 제작한 전사 장비를 사용하였다. 앞서 제조한 TRT/제2 평면체/PMMA와 제1 평면체/SiO2/Si 기판을 전사 장비에 배치하였다. 그리고 광학현미경을 통해 2개의 평면체들이 적층될 위치와 형태를 제어하였다. 그 후, 제1 평면체위에 1μL의 탈이온수를 떨어뜨리고 TRT/제2 평면체/PMMA을 천천히 내려 2개의 평면체들을 상호 적층시켰다. PMMA/제2 평면체/제1 평면체/SiO2/Si 기판을 오븐에서 70℃로 5시간 동안 가열한 후 열박리 테이프를 제거하고, 상온의 아세톤 용액에서 PMMA를 제거해 적층 구조체를 제조하였다.
이 경우, 버블 프리 계면이 얻어진다. 즉, TRT/제2 평면체/PMMA가 제1 평면체/SiO2/Si 기판에 가까워지면서 PMMA 층이 SiO2/Si 기판에 접합하면서 물이 기판 위로 퍼진다. 이때 물이 없는 영역에서 PMMA 층과 기판의 접촉이 먼저 이루어진다. 이 경우, 물은 제1 평면체와 제2 평면체의 급작스럽고 랜덤한 접합을 방지시킨다. 시간 경과에 따라 PMMA 층과 기판의 부착력에 의해 접합 영역이 증가하면서 물은 점차적으로 밀려 나간다. 그 결과, 제1 평면체와 제2 평면체 사이에 방향성을 가진 점진적인 접합이 형성되어 버블 프리 계면을 가진 적층 구조체를 제조할 수 있었다.
그래핀 2차원 나노 소재를 이용한 동종 적층 구조체의 제조 실험
실험예 1
동일한 소재로 된 그래핀 플레이크들을 적층하여 동종 적층 구조체(1L 그래핀/2L 그래핀)를 제조하였다. 나머지 실험 과정은 전술한 실험예와 동일하였다.
도 12는 본 발명의 실험예 1에 따른 그래핀 동종 적층 구조체 관련 측정결과들을 나타낸다. 좀더 구체적으로, 도 12에서, (a)는 광학 명시야 이미지, (b)는 광학 암시야 이미지, (c)는 AFM 이미지, (d)는 라만 스펙트럼, (e)는 라만 2D 피크 강도 맵(Raman 2D peak intensity map)을 나타낸다.
도 12의 (a) 및 (b)는 개발된 전사방법을 사용하여 제조한 제2 평면체인 1층 그래핀(t-1L Gr)과 제1 평면체인 2층 그래핀(b-2L Gr)의 동종 적층 구조체를 나타낸다. 도 12의 (a) 및 (b)에서 보듯이 광학현미경 상에서 눈에 보이는 버블이 없음을 확인할 수 있었다. 또한, 도 12의 (c)에 도시한 바와 같이, 제조된 동종 적층 구조체의 표면은 1~2nm 이하의 거칠기를 가지는 균일한 표면임을 확인할 수 있었으며, 이는 계면에 1~2nm 이상의 버블이 존재하지 않음을 보여주었다.
도 12의 (d)에서 전사 후 각각의 영역 (#1 위치: t-Gr, #2 위치: Gr/Gr 동종 적층 구조체)에서 모두 라만 D 피크는 관찰되지 않았다. 이를 통해 제조 공정 중에 그래핀의 물리적 손상이 발생하지 않았음을 확인할 수 있었다. 그리고, 라만 2D 피크의 로렌츠지안(Lorentzian) 피팅을 통해 각각 1층 그래핀(#1 위치)과 3층 그래핀(#2 위치)임을 확인하였다. 계면에 버블이 존재할 경우 2차 평면체(t-1L Gr)가 기판 위에 떠 있는 상태가 되기에 2D 피크 강도가 커지게 되는데, 도 12의 (e)에서 보면 적층된 부분에서 균일한 2D 피크 강도 값을 보여주므로, 계면에 버블이 없음을 확인할 수 있었다.
비교예 1
도 13은 비교예 1에 따른 그래핀 동종 적층 구조체 관련 측정결과들을 나타낸다. 비교예 1에서는 물방울을 사용하지 않은 것을 제외하고는 모든 공정이 전술한 실험예 1과 동일하므로, 이에 대한 설명을 생략한다. 도 13에서, (a)는 광학 명시야 이미지, (b)는 광학 암시야 이미지, (c)는 AFM 이미지, (d)는 라만 2D 피크 강도 맵을 나타낸다.
도 13의 (a) 내지 (d)에 도시한 바와 같이, 모든 이미지에서 버블이 관찰되었다. 도 13의 (a) 및 (b)에서 계면에 형성된 버블은 각각 파란색 및 흰색 부분으로 표시가 되었으며 적층 구조체 전 영역에서 발생하였다. 그림 13의 (c)에서 보면 계면에 형성된 버블은 높이가 수 십 나노미터(15~50nm) 정도임을 확인할 수 있다. 그래핀의 경우 기판이 없는 자유지지(free-standing) 상태가 되면 라만 2D 피크 강도가 크게 증가한다고 알려져 있다. 따라서, 계면에 버블이 형성될 경우, 제2 평면체는 제1 평면체와 분리되게 되어 자유지지 상태가 되고 이로 인해 라만 2D 피크 강도가 크게 증가한다. 도 13(d)에서 보면 이러한 결과를 확인할 수 있다. 이러한 비교예 1 결과를 통해, 물방울을 사용하지 않고 2차원 나노 소재 적층 구조체 제조시 계면에 버블이 불가피하게 형성됨을 확인하였다.
이황화 몰리브덴 2차원 나노 소재를 이용한 동종 적층 구조체의 제조 실험
실험예 2
이황화 몰리브덴으로 된 동종 적층 구조체(1L MoS2/2L MoS2)를 제조하였다. 이황화 몰리브덴을 사용한 점을 제외하고는 실험예 2는 실험예 1과 동일하므로, 그 상세한 설명을 생략한다.
도 14는 본 발명의 실험예 2에 따른 이황화 몰리브덴 동종 적층 구조체 관련 측정결과들을 나타낸다. 좀더 구체적으로, 도 14에서, (a)는 광학 명시야 이미지, (b)는 광학 암시야 이미지, (c)는 AFM 이미지, (d)는 라만 스펙트럼, (e)와 (f)는 각각 라만 E2g 및 A1g 피크 강도 맵을 나타낸다.
도 14의 (a) 및 (b)에서 보듯이 적층 구조체에서 균일한 광학현미경 이미지가 얻어졌으며, 이는 계면에 버블이 형성되지 않았음을 보여주었다. 도 14의 (c)에서 보면 적층 구조체의 표면거칠기는 약 1nm 정도로 전 영역에서 균일하였다. 이러한 결과는 약 1nm 크기 이상의 버블이 계면에 형성되지 않았음을 증명해 준다.
도 14의 (a)에서 #1 위치는 상부 제2 평면체(t-1L MoS2), #2 위치는 하부 제1 평면체(b-2L MoS2), 및 #3 위치는 동종 적층 구조체(t-1L MoS2/ b-2L MoS2)를 나타낸다. 도 14의 (d)는 도 14의 (a)의 #1 위치, #2 위치, 및 #3 위치에서 측정한 라만 스펙트럼을 보여준다. 각 영역에서 측정된 E2g 피크와 A1g 피크 사이의 거리는 MoS2의 층 수 판별에 사용될 수 있으며, 제1 평면체는 1 층(19.61cm-1), 제2 평면체는 2 층(21.86cm-1)에 해당하는 값을 보여주었다.
계면에 버블이 생겨 제2 평면체가 제1 평면체와 분리되어 자유지지 구조가 될 경우 E2g 피크 강도 및 A1g 피크 강도가 커진다는 사실이 알려져 있다. 하지만, 도 14의 (e) 및 (f)에서 보듯이 적층 구조체에서 균일한 E2g 피크 강도 및 A1g 피크 강도가 측정되었기에 계면에 버블이 발생하지 않았음을 확인할 수 있었다.
그래핀 및 이황화 몰리브덴 2차원 나노 소재들을 이용한 이종 적층 구조체의 제조 실험
실험예 3
그래핀/이황화 몰리브덴(1L Gr/4L MoS2)으로 구성된 이종 적층 구조체를 제조하였다. 그래핀과 이황화 몰리브덴을 각각 사용한 점을 제외하고는 실험예 3은 실험예 1과 동일하므로, 그 상세한 설명을 생략한다.
도 15는 본 발명의 실험예 3에 따른 적층 구조체 관련 측정결과들을 나타낸다. 즉 좀더 구체적으로, 도 15에서, (a)는 광학 명시야 이미지, (b)는 광학 암시야 이미지, (c)는 AFM 이미지, (d)는 라만 스펙트럼, (e)는 라만 2D 피크 강도 맵을 각각 나타낸다. 도 15의 (a)에서 #1 위치는 상부 제2 평면체(t-1L Gr), #2 위치는 그래핀/이황화 몰리브덴 이종 적층 구조체를 나타낸다.
도 15의 (a) 및 (b)에서 도시한 바와 같이, 계면에 버블이 형성되지 않았기에 균일한 광학현미경 이미지가 얻어졌다. 도 15의 (c)에 보듯이 이종 적층 구조체의 표면거칠기는 1nm 이하로 전 영역에서 균일하였으며, 이는 1nm 이상의 버블이 계면에 형성되지 않았음을 보여준다. 도 15의 (d)의 라만 스펙트럼 분석을 통해 도 15의 (a)에서 #1 위치는 1층 그래핀(라만 2D 피크의 로렌츠지안 피팅 결과), #2 위치는 그래핀(t-1L Gr)/이황화 몰리브덴(b-4L MoS2) 이종 적층 구조체에 해당함을 확인할 수 있었다(E2g 피크와 A1g 피크 사이의 거리가 22.77cm-1 이었으며, 이는 4층 MoS2에 해당).
또한, 앞서 설명한 것처럼, 계면에 버블이 형성될 경우 제2 평면체인 1층 그래핀은 자유지지 상태가 되고 이로 인해 라만 2D 피크 강도가 크게 증가하여야 하지만, 도 15의 (e)에서 보듯이 라만 2D 피크 강도가 이종 적층 구조체 전 영역에서 균일함을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 이종 적층 구조체 계면에 버블이 형성되지 않았음을 입증해 준다.
전술한 실험예 1 내지 실험예 3을 통하여 버블 프리 계면을 가지는 그래핀 동종 적층 구조체, 이황화 몰리브덴 동종 적층 구조체, 그래핀/이황화 몰리브덴 이종 적층 구조체를 제조할 수 있었다. 따라서 다양한 조합의 2차원 나노 소재 적층 구조체의 제조가 가능할 것으로 예상된다.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
10. 실리콘 기판
20. 제1 평면체
22. 제2 평면체
30. 물방울
40. 폴리머 기판
50. 열박리 테이프
60. 수조
62. 아세톤
90. 적층 구조체(폴리머 기판/적층 구조체/SiO2/Si)
100. 적층 구조체(적층 구조체/SiO2/Si)
101. 실리콘 산화층
501. 개구부
20. 제1 평면체
22. 제2 평면체
30. 물방울
40. 폴리머 기판
50. 열박리 테이프
60. 수조
62. 아세톤
90. 적층 구조체(폴리머 기판/적층 구조체/SiO2/Si)
100. 적층 구조체(적층 구조체/SiO2/Si)
101. 실리콘 산화층
501. 개구부
Claims (12)
- 버블 프리 계면을 가지는 2차원 나노 소재 적층 구조체의 제조 방법으로서,
실리콘 산화층이 그 표면에 형성된 실리콘 기판을 제공하는 단계,
상기 실리콘 산화층 위에 제1 평면체를 부착시키는 단계,
상기 제1 평면체 위에 물방울을 도포하는 단계,
제2 평면체가 부착된 폴리머 기판을 제공하는 단계,
상기 실리콘 기판 위에 상기 폴리머 기판을 제공하여 상기 제2 평면체가 상기 제1 평면체와 접하면서 그 사이에 상기 버블 프리 계면을 형성하는 단계,
상기 적층 구조체를 50℃ 내지 80℃로 가열하는 단계,
상기 적층 구조체를 아세톤에 침지하여 상기 폴리머 기판을 녹여 제거하는 단계, 및
상기 제2 평면체가 외부로 노출된 적층 구조체를 제공하는 단계
를 포함하는 적층 구조체의 제조 방법. - 제1항에서,
상기 폴리머 기판을 제공하는 단계에서, 상기 제2 평면체를 외부로 노출시키는 개구부가 형성된 열박리 테이프가 상기 폴리머 기판 위에 부착되고,
상기 적층 구조체를 제공하는 단계에서, 상기 적층 구조체는 상기 실리콘 기판과 상기 폴리머 기판 사이에 위치하는 상기 열박리 테이프를 더 포함하고,
상기 적층 구조체를 가열하는 단계에서 상기 열박리 테이프는 제거되는 적층 구조체의 제조 방법. - 제1항에서,
상기 폴리머 기판을 제공하는 단계에서, 상기 폴리머 기판은 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA)를 포함하는 적층 구조체의 제조 방법. - 제1항에서,
상기 물방울을 도포하는 단계에서, 상기 물방울은 탈이온수인 적층 구조체의 제조 방법. - 제1항에서,
상기 적층 구조체를 제공하는 단계에서, 상기 물방울은 상기 폴리머 기판이 상기 실리콘 기판과 밀착되면서 일방향으로 밀려 이동되는 적층 구조체의 제조 방법. - 제1항에서,
상기 적층 구조체를 제공하는 단계에서, 상기 제1 평면체 및 상기 제2 평면체 중 하나 이상의 평면체는 그래핀 또는 이황화 몰리브덴을 포함하는 적층 구조체의 제조 방법. - 제6항에서,
상기 제1 평면체 및 상기 제2 평면체 중 한 평면체는 상기 그래핀이고, 다른 평면체는 이황화 몰리브덴인 이종 적층 구조체의 제조 방법. - 제1항에서,
상기 제2 평면체 위에 또다른 물방울을 도포하는 단계,
제3 평면체가 부착된 또다른 폴리머 기판을 제공하는 단계,
상기 제2 평면체 위에 상기 또다른 폴리머 기판을 제공하여 상기 제3 평면체가 상기 제2 평면체와 접하면서 또다른 버블 프리 계면이 형성된 또다른 적층 구조체를 제공하는 단계,
상기 또다른 적층 구조체를 50℃ 내지 80℃로 가열하는 단계,
상기 또다른 적층 구조체를 상기 아세톤에 침지하여 상기 또다른 폴리머 기판을 녹여 제거해 상기 제3 평면체를 외부로 노출시키는 단계
를 더 포함하는 적층 구조체의 제조 방법. - 제8항에서,
상기 또다른 폴리머 기판을 제공하는 단계에서, 상기 제3 평면체를 외부로 노출시키는 또다른 개구부가 형성된 또다른 열박리 테이프가 상기 폴리머 기판 위에 부착되고,
상기 적층 구조체를 제공하는 단계에서, 상기 적층 구조체는 상기 실리콘 기판과 상기 폴리머 기판 사이에 위치하는 상기 또다른 열박리 테이프를 더 포함하고,
상기 또다른 적층 구조체를 가열하는 단계에서 상기 또다른 열박리 테이프는 제거되는 적층 구조체의 제조 방법. - 버블 프리 계면을 가지는 2차원 나노 소재 적층 구조체로서,
실리콘 산화층이 증착된 실리콘 기판, 및
상기 실리콘 산화층 위에 위치한 적층 구조체
를 포함하고,
상기 적층 구조체는,
상기 실리콘 산화층 위에 제공된 제1 평면체, 및
상기 제1 평면체와 상기 버블 프리 계면을 형성하는 제2 평면체
를 포함하는 적층 구조체. - 제10항에서,
상기 제1 평면체 및 상기 제2 평면체 중 하나 이상의 평면체는 그래핀 또는 이황화 몰리브덴을 포함하는 적층 구조체. - 제10항에서,
상기 제1 평면체 및 상기 제2 평면체 중 한 평면체는 상기 그래핀이고, 다른 평면체는 이황화 몰리브덴인 적층 구조체.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220036312A KR102627439B1 (ko) | 2022-03-23 | 2022-03-23 | 버블 프리 계면을 가지는 2차원 나노 소재 적층 구조체 및 그 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220036312A KR102627439B1 (ko) | 2022-03-23 | 2022-03-23 | 버블 프리 계면을 가지는 2차원 나노 소재 적층 구조체 및 그 제조 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230138354A true KR20230138354A (ko) | 2023-10-05 |
| KR102627439B1 KR102627439B1 (ko) | 2024-01-19 |
Family
ID=88293955
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220036312A KR102627439B1 (ko) | 2022-03-23 | 2022-03-23 | 버블 프리 계면을 가지는 2차원 나노 소재 적층 구조체 및 그 제조 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102627439B1 (ko) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101563231B1 (ko) * | 2014-12-19 | 2015-10-26 | 성균관대학교산학협력단 | 나노시트-무기물 적층 다공성 나노구조체 및 이의 제조 방법 |
| KR20180039999A (ko) * | 2016-10-11 | 2018-04-19 | 성균관대학교산학협력단 | 2차원 나노박막을 전사시키는 방법 |
| KR20200041064A (ko) * | 2018-10-11 | 2020-04-21 | 성균관대학교산학협력단 | 반데르발스 힘을 이용한 박막 필름 전사 방법 |
| KR20210094402A (ko) * | 2020-01-21 | 2021-07-29 | 한국과학기술연구원 | 3차원 적층구조체의 제조방법, 이에 의해 제조된 3차원 적층구조체 및 이를 이용한 광센서 |
-
2022
- 2022-03-23 KR KR1020220036312A patent/KR102627439B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101563231B1 (ko) * | 2014-12-19 | 2015-10-26 | 성균관대학교산학협력단 | 나노시트-무기물 적층 다공성 나노구조체 및 이의 제조 방법 |
| KR20180039999A (ko) * | 2016-10-11 | 2018-04-19 | 성균관대학교산학협력단 | 2차원 나노박막을 전사시키는 방법 |
| KR20200041064A (ko) * | 2018-10-11 | 2020-04-21 | 성균관대학교산학협력단 | 반데르발스 힘을 이용한 박막 필름 전사 방법 |
| KR20210094402A (ko) * | 2020-01-21 | 2021-07-29 | 한국과학기술연구원 | 3차원 적층구조체의 제조방법, 이에 의해 제조된 3차원 적층구조체 및 이를 이용한 광센서 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102627439B1 (ko) | 2024-01-19 |
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