WO2017213447A1 - 그래핀 구조체 및 그래핀 주름 패턴 형성 방법 - Google Patents

그래핀 구조체 및 그래핀 주름 패턴 형성 방법 Download PDF

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WO2017213447A1
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wrinkle
graphene
layer
substrate
providing layer
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PCT/KR2017/005981
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박완준
천성우
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한양대학교 산학협력단
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    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/90—Other morphology not specified above

Definitions

  • the present invention relates to a graphene structure and a graphene wrinkle pattern forming method, and more specifically, by providing a wrinkle providing layer between the substrate and the graphene layer, the graphene structure and graphene wrinkle pattern formed with controllable wrinkles on the graphene layer It relates to the formation method.
  • Carbon nanotubes Materials composed of carbon atoms include carbon nanotubes, graphene, graphite, and the like.
  • Graphene is one of the allotrope of carbon and carbon atoms can have a two-dimensional planar structure. Each carbon atom forms a hexagonal lattice, with carbon atoms located at the vertices of the hexagon. This shape is also called honeycomb structure or honeycomb lattice. It is a thin film composed of one atom thick and has a high physical and chemical stability while being about 0.2 nm in thickness.
  • Graphene has a very high intrinsic electron mobility of about 200,000 cm 2 / V ⁇ s, a high thermal conductivity of ⁇ 5000 W / m ⁇ K, a Young's modulus of ⁇ 1.0 TPa, and a large theoretical specific surface area. .
  • the absorption of visible light is very low, and the transmittance of light having a wavelength of 550 nm is known to be very high as 97.7%.
  • the present inventors have invented a graphene structure and a graphene wrinkle pattern forming method for forming controllable wrinkles on graphene.
  • One technical problem to be solved by the present invention is to provide a graphene structure having a controllable wrinkles and a graphene wrinkle pattern forming method.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a graphene structure and a graphene wrinkle pattern forming method having a high reliability wrinkles by a simple method through heat treatment.
  • the technical problem to be solved by the present invention is not limited by the aforementioned technical problem.
  • the present invention provides a graphene wrinkle pattern forming method.
  • the graphene wrinkle pattern forming method forming a wrinkle providing layer having a first thermal expansion coefficient on one surface of the graphene layer, a substrate having a second thermal expansion coefficient on one surface of the wrinkle providing layer And forming a wrinkle pattern on the graphene layer by forming a wrinkle on the wrinkle providing layer through a difference between the first and second thermal expansion coefficients by forming and heat treatment.
  • the first coefficient of thermal expansion may be smaller than the second coefficient of thermal expansion.
  • the heat treatment temperature may be greater than or equal to the glass transition temperature (glass transition temperature).
  • the heat treatment temperature may be equal to or less than a temperature at which bonding between the corrugation patterns occurs.
  • the substrate may be made of a material softer than the wrinkle providing layer.
  • the period of the wrinkle pattern may increase.
  • the contact angle of the wrinkle pattern may increase.
  • the present invention provides a graphene structure.
  • a graphene structure according to an embodiment of the present invention, a substrate having a first side and a second side longer than the first side, a wrinkle providing layer formed on the substrate and having a wrinkle in the first side direction and the It is formed on the wrinkle providing layer, it may include a graphene layer having a wrinkle pattern corresponding to the wrinkle.
  • the substrate may include protruding and concave regions on a surface interfacing with the wrinkle providing layer, and the wrinkle pattern may be formed on the concave region.
  • the wrinkle providing layer may have a first coefficient of thermal expansion
  • the substrate may have a second coefficient of thermal expansion that is greater than the first coefficient of thermal expansion
  • the substrate may be made of a material softer than the wrinkle providing layer.
  • the wrinkle providing layer may be made of one of SiO 2, PMMA, and PVP.
  • the substrate may be made of a flexible substrate.
  • forming a wrinkle providing layer having a first coefficient of thermal expansion on one surface of the graphene layer forming a substrate having a second coefficient of thermal expansion on one surface of the wrinkle providing layer and performing heat treatment
  • forming a wrinkle in the wrinkle providing layer through the difference between the first and second thermal expansion coefficient it may be made of a step of forming a wrinkle pattern on the graphene layer.
  • controllable wrinkles may be formed in the graphene layer by wrinkles formed in the wrinkle providing layer.
  • wrinkles since the wrinkles are formed in the graphene layer through the difference in thermal expansion coefficient between the wrinkles providing layer and the substrate, wrinkles may be formed in the graphene layer by a simpler method.
  • an embodiment of the present invention may provide a graphene structure and a graphene wrinkle pattern forming method in which wrinkles can be controlled by a simpler method.
  • FIG. 1 is a flowchart illustrating a graphene wrinkle pattern forming method according to an embodiment of the present invention.
  • step S100 is a flowchart illustrating step S100 according to an embodiment of the present invention in more detail.
  • step S120 is a flowchart illustrating step S120 in detail according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 4 is a view for explaining the formation of the graphene wrinkle pattern according to FIGS.
  • FIG. 5 shows experimental results of experiments on the effect of heat treatment temperature on the graphene wrinkle pattern formation according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 shows experimental results of experiments on the effect of heat treatment temperature on the contact angle of the graphene surface according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7 shows the experimental results of the effect of the thickness of the wrinkle providing layer according to an embodiment of the present invention on the shape of the graphene wrinkle pattern.
  • FIG. 8 illustrates an experimental result of an effect of a shape of a substrate on a graphene surface wrinkle pattern according to an embodiment of the present invention.
  • first, second, and third are used to describe various components, but these components should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. Thus, what is referred to as a first component in one embodiment may be referred to as a second component in another embodiment.
  • first component in one embodiment may be referred to as a second component in another embodiment.
  • second component in another embodiment.
  • Each embodiment described and illustrated herein also includes its complementary embodiment.
  • the term 'and / or' is used herein to include at least one of the components listed before and after.
  • connection is used herein to mean both indirectly connecting a plurality of components, and directly connecting.
  • FIG. 1 is a flow chart illustrating a method for forming a graphene wrinkle pattern according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a flow chart for explaining in more detail step S100 according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is 4 is a flowchart illustrating step S120 according to an embodiment of the present invention in more detail
  • FIG. 4 is a view for explaining graphene wrinkle pattern formation according to FIGS. 1 to 3.
  • the graphene wrinkle pattern forming method the step of forming a wrinkle providing layer having a first thermal expansion coefficient on one surface of the graphene layer (S100), one surface of the wrinkle providing layer Forming a substrate having a second coefficient of thermal expansion at (S110), by performing heat treatment to form wrinkles in the wrinkle providing layer through a difference between the first and second coefficients of thermal expansion, thereby forming a wrinkle pattern in the graphene layer.
  • It may include at least one step of forming (S120).
  • each step will be described in detail.
  • step S100 includes forming a graphene layer on a sacrificial layer (S102), and spin coating a wrinkle providing layer having a first thermal expansion coefficient on one surface of the graphene layer. It may include at least one step of the step (S104).
  • the graphene layer may be formed on the sacrificial layer.
  • the sacrificial layer is, for example, at least one metal of Cu, Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr Or at least two alloys.
  • the sacrificial layer is copper.
  • copper may be advantageous in forming a single layer of graphene because of its low solubility in carbon.
  • the graphene layer may be formed on the sacrificial layer in various ways.
  • the graphene layer may include chemicals such as high temperature chemical vapor deposition (CVD), inductively coupled plasma chemical vapor deposition (ICP-CVD), plasma chemical vapor deposition (PE-CVD), and microwave CVD. It may be formed by a vapor deposition method, in addition, it may be formed by a method such as rapid thermal annealing (RTA), atomic layer deposition (ALD) physical vapor deposition (PVD).
  • RTA rapid thermal annealing
  • ALD atomic layer deposition
  • PVD physical vapor deposition
  • the graphene layer When the graphene layer is formed on the sacrificial layer by chemical vapor deposition, the graphene layer may be grown by placing a sacrificial layer in a chamber and adding a carbon source.
  • the carbon source is at least one of methane (CH4), acetylene (C2H2), ethane, ethylene, ethanol, acetylene, propane, butane, butadiene, pentane, pentene, cyclopentadiene, hexane, cyclohexane, benzene, toluene Can be.
  • a graphene layer may be formed on the copper sacrificial layer by reaction of hydrogen and methane.
  • the graphene layer 110 may be formed on the sacrificial layer 100 through step S102.
  • the graphene layer may be formed to directly contact the graphene layer on the sacrificial layer.
  • step S104 the wrinkle providing layer having the first coefficient of thermal expansion may be spin coated on one surface of the graphene layer.
  • the wrinkle providing layer may mean a layer providing a wrinkle pattern to the graphene layer through the wrinkles formed on the wrinkle providing layer itself.
  • the wrinkle providing layer may be selected in consideration of various factors such that wrinkles are formed on the wrinkle providing layer itself.
  • the coefficient of thermal expansion can be considered.
  • the wrinkle providing layer may have a coefficient of thermal expansion different from that of the substrate to be described later.
  • the thermal expansion coefficient of the wrinkle providing layer may be lower than the thermal expansion coefficient of the substrate.
  • the wrinkle providing layer may be made of a material harder than the substrate.
  • wrinkles may be formed on the wrinkle providing layer by expansion of the substrate.
  • advice energy representing adhesion between the wrinkle providing layer and the graphene layer may be considered.
  • wrinkles formed on the wrinkle providing layer may not be formed on the graphene layer, and delamination may be formed between the wrinkle providing layer and the graphene layer.
  • the wrinkle providing layer may be selected in consideration of the surface roughness.
  • the wrinkle providing layer may be selected in consideration of the glass transition temperature (glass transition temperature).
  • the wrinkle providing layer may be made of, for example, at least one of SiO 2, poly methyl methacrylate (PMMA), and poly vinyl pyrrolidone (PVP).
  • PMMA poly methyl methacrylate
  • PVP poly vinyl pyrrolidone
  • the wrinkle of the graphene layer may be controlled through the thickness of the wrinkle providing layer.
  • the wrinkle cycle of the graphene layer can be lengthened.
  • the wrinkle providing layer may be formed on one surface of the copper / graphene layer formed in step S102.
  • the wrinkle providing layer may be formed on one surface of the graphene layer.
  • the wrinkle providing layer may be formed on one surface of the graphene layer by spin-coating.
  • step S104 the regenerative layer 100, the graphene layer 110, and the wrinkle providing layer 120 may be sequentially stacked.
  • a substrate having a second coefficient of thermal expansion may be formed on one surface of the wrinkle providing layer. That is, the graphene layer formed on the wrinkle providing layer on the substrate may be transferred. Accordingly, one surface of the wrinkle providing layer may directly contact the substrate.
  • the substrate may be selected according to the factors considered in the relationship with the wrinkle providing layer described above. That is, the thermal expansion coefficient of the substrate and the thermal expansion coefficient of the wrinkle providing layer may be different from each other. More specifically, the thermal expansion coefficient of the substrate may be greater than the thermal expansion coefficient of the wrinkle providing layer. As described above, this is to form wrinkles in the wrinkle providing layer by using the phenomenon that the degree of expansion is different during heat treatment due to the difference in thermal expansion coefficient of the substrate and the wrinkle providing layer, and to induce the formed wrinkles to be formed in the graphene layer. to be.
  • the substrate may be made of a material softer than the wrinkle providing layer.
  • the substrate may be a flexible substrate.
  • the substrate may be made of at least one material of polydimethylsiloxane (PDMS), polyethylene terephthalate (PET), polyethersulfone (PES), polyimide (PI), and polyethylene naphthalate (PEN) according to the aforementioned at least one criterion.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • PET polyethylene terephthalate
  • PES polyethersulfone
  • PI polyimide
  • PEN polyethylene naphthalate
  • the substrate may have different lengths of the first side and the second side.
  • the horizontal side length and the vertical side length of the substrate may be different from each other.
  • the horizontal side of the substrate may be longer than the vertical side.
  • the direction of wrinkles of the graphene layer may be determined by the length difference between the sides of the substrate. If the horizontal side of the substrate is longer than the vertical side, wrinkles may be formed in the graphene layer in a direction parallel to the vertical side. Alternatively, the longitudinal side of the substrate may be longer than the horizontal side. In this case, wrinkles may be formed in the graphene layer in a direction parallel to the horizontal sides. In other words, it is possible to control the wrinkle direction of the graphene layer through the horizontal / vertical length difference of the substrate. In this case, the parallel direction herein may be understood as a concept including a substantially parallel direction.
  • the substrate may further include a pattern in which the protruding areas and concave regions are repeated on the surface bonded to the wrinkle providing layer.
  • the substrate may control a region where wrinkles are formed in the graphene layer. If the substrate has a pattern of protruding regions and concave regions on the surface of the substrate, the main wrinkles of the wrinkle providing layer may be formed concentrated on the concave region. Accordingly, the wrinkled pattern may be concentrated on the recessed region in the graphene layer. In other words, it is possible to control a region where wrinkles of the graphene layer are formed according to the pattern of the substrate surface.
  • the sacrificial layer 100, the graphene layer 110, the wrinkle providing layer 120, and the substrate 130 may be sequentially formed. That is, the copper 100 / graphene layer 110 / PMMA 120 / PDMS 130 may be formed sequentially.
  • heat treatment may be performed to form wrinkles on the wrinkle providing layer through a difference between the first and second thermal expansion coefficients, thereby forming a wrinkle pattern on the graphene layer.
  • step 120 at least one of removing the sacrificial layer (S122) and heat treating the substrate / wrinkle providing layer / graphene layer structure from which the sacrificial layer has been removed (S124). It can be made, including the step of. Hereinafter, each step will be described in detail.
  • step S122 the sacrificial layer may be removed.
  • the sacrificial layer 100 may be removed in a wet manner using, for example, FeCl 3 solution and HCl. It can then be ringed in HCI and DI water.
  • Heat treatment may be performed in step S124 (see FIG. 4 (e)).
  • the wrinkle pattern may be formed on the graphene layer.
  • the substrate may expand more than the wrinkle providing layer. Accordingly, wrinkles may be formed in the wrinkle providing layer.
  • a wrinkle pattern corresponding to the morphology of the wrinkles formed on the wrinkle providing layer may be formed on the graphene layer.
  • the heat treatment temperature may be higher than the glass transition temperature of the wrinkle providing layer. If the heat treatment temperature is lower than the glass transition temperature, wrinkles are not actively formed, so wrinkles are formed only in the local area. Therefore, the uniformity of the wrinkles is lowered.
  • the heat treatment temperature may be equal to or less than a temperature at which bonding between the corrugation patterns occurs. If the heat treatment temperature is greater than the temperature at which the bonding between the wrinkle patterns occurs, the uniformity of the wrinkles may be reduced due to the bonding between the wrinkle patterns.
  • the heat treatment temperature is equal to or higher than the glass transition temperature of the wrinkle providing layer and below the temperature at which bonding between the wrinkle patterns occurs.
  • the wrinkle direction of the graphene layer may be controlled by the shape of the substrate. As described above, when the horizontal side of the substrate is longer than the vertical side, wrinkles may be formed in the graphene layer in a direction parallel to the vertical side of the substrate. On the contrary, when the longitudinal side of the substrate is longer than the horizontal side, wrinkles may be formed in the graphene layer in a direction parallel to the horizontal side of the substrate.
  • the wrinkled region of the graphene layer may be controlled according to the pattern of the substrate surface. As described above, when the pattern of the protruding region and the concave region is formed on the substrate surface, the main wrinkles of the wrinkle providing layer may be concentrated on the concave region. Accordingly, the wrinkled pattern may be concentrated on the recessed region in the graphene layer.
  • the graphene structure and the graphene wrinkle pattern forming method according to an embodiment of the present invention have been described above with reference to FIGS. 1 to 4.
  • the substrate and the wrinkle providing layer may have a different thermal expansion coefficient, thereby forming a wrinkle pattern on the graphene layer.
  • a wrinkle providing layer may be formed between the graphene layer and the substrate, and wrinkles may be formed in the wrinkle providing layer and the graphene layer through heat treatment.
  • the period of the wrinkle pattern formed on the graphene layer can be controlled by the thickness of the wrinkle providing layer
  • the degree of wrinkles formed on the graphene layer can be controlled by the heat treatment temperature
  • the region of the wrinkle pattern formed on the graphene layer Can be controlled through the pattern shape of the substrate.
  • the method can provide high reliability graphene by forming controllable wrinkles in the graphene layer.
  • the graphene structure to be described with reference to FIGS. 5 to 8 may have a structure in which a graphene layer is formed on a wrinkle providing layer made of PMMA on a substrate made of PDMS.
  • FIG. 5 shows experimental results of experiments on the effect of heat treatment temperature on the graphene wrinkle pattern formation according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 (a) shows the surface of the graphene layer before performing the heat treatment. As shown in Figure 5 (a), it can be seen that no shrinkage (contraction) occurs on the graphene surface does not form wrinkles.
  • FIG. 5 (b) shows the surface of the graphene layer when heat treated at 85 degrees. As shown in FIG. 5 (b), it can be seen that wrinkles are formed locally. This may be understood that the wrinkles did not form in earnest because the glass transition temperature of the wrinkle providing layer did not reach.
  • FIG. 5 (c) shows the surface of the graphene layer when heat treated at 105 degrees. As shown in FIG. 5 (c), it can be seen that a high density wrinkle pattern is formed on the surface of the graphene layer. This may be understood to be due to the formation of wrinkles active by heat treatment according to the glass transition temperature of the wrinkle providing layer.
  • Figure 5 (d) shows the surface of the graphene layer when the heat treatment at 150 degrees. As shown in FIG. 5 (d), it can be seen that a large volume of wrinkles is formed locally on the surface of the graphene layer. It can be understood that due to excessive heat treatment, the surface wrinkles are bonded to each other to form locally large volumes of wrinkles.
  • the heat treatment temperature is more than the glass transition temperature and below the temperature at which the bonding between the wrinkle pattern occurs. In other words, by controlling the heat treatment temperature within the above range, it is possible to control the degree of the wrinkle pattern on the surface of the graphene layer.
  • FIG. 6 shows experimental results of experiments on the effect of heat treatment temperature on the contact angle of the graphene surface according to an embodiment of the present invention.
  • the contact angle of the graphene layer wrinkle pattern is reduced by the glass transition temperature before and after. That is, when the heat treatment temperature is low or high based on the heat treatment temperature of 105 degrees, it can be seen that the contact angle of the graphene layer wrinkle pattern decreases. In other words, as the heat treatment temperature approaches the glass transition temperature, the contact angle of the graphene layer wrinkle pattern increases, so that the non-hydrophilic property is excellent. In other words, by controlling the heat treatment temperature, the contact angle of the wrinkle pattern on the surface of the graphene layer can be controlled.
  • Figure 7 shows the experimental results of the effect of the thickness of the wrinkle providing layer according to an embodiment of the present invention on the shape of the graphene wrinkle pattern.
  • FIG. 8 illustrates an experimental result of an effect of a shape of a substrate on a graphene surface wrinkle pattern according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8A shows a graphene wrinkle pattern on a flat substrate having a horizontal side B longer than a vertical side A.
  • FIG. 8 (a) it can be seen that the wrinkle pattern of the graphene layer appears in a direction substantially parallel to the short side (A) of the substrate.
  • FIG. 8 (b) shows a graphene wrinkle pattern on a substrate that repeatedly has protruding and concave regions. As shown in FIG. 8 (b), it can be seen that the wrinkled pattern of the graphene layer is concentrated on the concave region of the substrate.
  • the position of the wrinkle pattern formed on the graphene layer may be controlled according to the formation of the substrate pattern.
  • the graphene structure and the graphene wrinkle pattern forming method described above with reference to FIGS. 1 to 8 are based on a simple method of heat treatment, the cycle of the graphene layer wrinkle pattern, the contact angle of each graphene layer wrinkles, and the graphene layer wrinkles.
  • the degree of pattern formation and the position where the graphene layer wrinkle pattern is formed may be controlled. Accordingly, although the wrinkles of the graphene layer are inadvertently generated in the related art, by controlling the wrinkle pattern of the graphene layer according to an embodiment of the present invention, it is possible to provide graphene with high reliability.
  • the graphene structure according to an embodiment of the present invention may be used in at least a super capacitor, a strain sensor, a non-hydrophilic field, and a purification device.

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Abstract

그래핀 주름 패턴 형성 방법이 제공된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀 주름 패턴 형성 방법은, 그래핀층 일 면에 제1 열팽창 계수를 가지는 주름제공층을 형성하는 단계, 상기 주름제공층 일 면에 제2 열팽창 계수를 가지는 기판을 형성하는 단계 및 열처리를 수행하여, 상기 제1 및 제2 열팽창 계수 간의 차이를 통하여, 상기 주름제공층에 주름을 형성함으로써, 상기 그래핀층에 주름 패턴을 형성하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

Description

그래핀 구조체 및 그래핀 주름 패턴 형성 방법
본 발명은 그래핀 구조체 및 그래핀 주름 패턴 형성 방법에 관련된 것으로, 보다 구체적으로는 기판과 그래핀층 사이에 주름제공층을 마련하여, 그래핀층에 제어 가능한 주름이 형성된 그래핀 구조체 및 그래핀 주름 패턴 형성 방법에 관련된 것이다.
탄소 원자들로 구성된 물질로는, 탄소나노튜브(Carbon Nanotube), 그래핀(Graphene), 흑연(Graphite) 등이 있다. 그래핀은 탄소의 동소체 중 하나이며 탄소 원자들이 모여 2차원 평면 구조를 가질 수 있다. 각 탄소 원자들은 육각형의 격자를 이루며 육각형의 꼭지점에 탄소 원자가 위치하고 있는 모양이다. 이 모양을 벌집구조(honeycomb structure) 또는 벌집격자(honeycomb lattice)라고 부르기도 한다. 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막으로, 두께는 약 0.2　nm으로 얇으면서 물리적·화학적 안정성도 높은 특성을 가진다.
그래핀은, 약 200,000　cm2/V·s의 매우 높은 진성(intrinsic) 전자이동도, ~5000 W/m·K의 높은 열전도도, ~1.0 TPa의 영 계수를 갖고 있으며 이론적 비표면적 또한 매우 크다. 또한 한 층으로 구성되어 있기 때문에 가시광선에 대한 흡수량이 매우 낮아 550nm의 파장을 갖는 빛에 대한 투과율이 97.7%로 매우 높은 것으로 알려져 있다.
그러나 그래핀은 2차원 물질이기 때문에 원천적으로 안정할 수가 없는 것으로 알려져 있으며, 실제로 Intrinsic ripples in graphene, The structure of suspended graphene sheets 등의 논문들은 실제 그래핀이 불안정하여 표면에 제어되지 않는 주름이 형성되는 것을 증명하였다.
이에 따라 본 연구자들은, 그래핀에 제어 가능한 주름을 형성하는 그래핀 구조체 및 그래핀 주름 패턴 형성 방법을 발명하게 되었다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 제어 가능한 주름을 가지는 그래핀 구조체 및 그래핀 주름 패턴 형성 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 열처리를 통하여 간이한 방법으로 고 신뢰도의 주름이 형성된 그래핀 구조체 및 그래핀 주름 패턴 형성 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상기 언급한 기술적 과제에 의하여 제한되지 아니한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 그래핀 주름 패턴 형성 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀 주름 패턴 형성 방법은, 그래핀층 일 면에 제1 열팽창 계수를 가지는 주름제공층을 형성하는 단계, 상기 주름제공층 일 면에 제2 열팽창 계수를 가지는 기판을 형성하는 단계 및 열처리를 수행하여, 상기 제1 및 제2 열팽창 계수 간의 차이를 통하여, 상기 주름제공층에 주름을 형성함으로써, 상기 그래핀층에 주름 패턴을 형성하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 열팽창 계수는 상기 제2 열팽창 계수보다 작을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 열처리 온도는 유리전이온도(glass transition temperature) 이상일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 열처리 온도는 상기 주름 패턴 간의 결합이 발생하는 온도 이하일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기판은 상기 주름제공층보다 소프트(soft)한 물질로 이루어질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 주름제공층의 두께가 증가할수록 상기 주름 패턴의 주기가 증가할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 열처리 온도가 상기 주름제공층의 유리전이온도에 근접할수록 상기 주름 패턴의 접촉각도가 증가할 수 있다.
또한, 상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 그래핀 구조체를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀 구조체는, 제1 변과 상기 제1 변보다 긴 제2 변을 가지는 기판, 상기 기판 상에 형성되며 상기 제1 변 방향으로 주름을 가지는 주름제공층 및 상기 주름제공층 상에 형성되며, 상기 주름에 대응되는 주름 패턴을 가지는 그래핀층을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기판은, 상기 주름제공층과 계면하는 표면에 돌출 및 오목 영역을 포함하며, 상기 주름 패턴은 상기 오목 영역 상에 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 주름제공층은, 제1 열팽창 계수를 가지며, 상기 기판은 상기 제1 열팽창 계수보다 큰 제2 열팽창 계수를 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기판은 상기 주름제공층보다 소프트한 물질로 이루어질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 주름제공층은, SiO2, PMMA 및 PVP 중 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기판은, 유연한 기판으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 그래핀층 일 면에 제1 열팽창 계수를 가지는 주름제공층을 형성하는 단계, 상기 주름제공층 일 면에 제2 열팽창 계수를 가지는 기판을 형성하는 단계 및 열처리를 수행하여, 상기 제1 및 제2 열팽창 계수 간의 차이를 통하여, 상기 주름제공층에 주름을 형성함으로써, 상기 그래핀층에 주름 패턴을 형성하는 단계로 이루어질 수 있다.
이에 따라, 주름제공층에 형성된 주름에 의하여 그래핀층에 제어 가능한 주름이 형성될 수 있다. 또한, 주름제공층과 기판의 열팽창 계수 차이를 통하여 그래핀층에 주름을 형성하므로 보다 간이한 방법으로 그래핀층에 주름을 형성할 수 있다.
다시 말해, 본 발명의 일 실시 예는, 보다 간이한 방법으로 제어 가능한 주름이 형성된 그래핀 구조체 및 그래핀 주름 패턴 형성 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀 주름 패턴 형성 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단계 S100을 보다 상세하게 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단계 S120을 보다 상세하게 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 도 1 내지 도 3에 따른 그래핀 주름 패턴 형성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열처리 온도가 그래핀 주름 패턴 형성에 미치는 영향을 실험한 실험 결과를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열처리 온도가 그래핀 표면의 접촉각도에 미치는 영향을 실험한 실험 결과를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 주름제공층의 두께가 그래핀 주름 패턴의 형상에 미치는 영향을 실험한 실험 결과를 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판의 형상이 그래핀 표면 주름 패턴에 미치는 영향을 실험한 실험 결과를 도시한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀 주름 패턴 형성 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단계 S100을 보다 상세하게 설명하기 위한 순서도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단계 S120을 보다 상세하게 설명하기 위한 순서도이고, 도 4는 도 1 내지 도 3에 따른 그래핀 주름 패턴 형성을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀 주름 패턴 형성 방법은, 그래핀층 일 면에 제1 열팽창 계수를 가지는 주름제공층을 형성하는 단계(S100), 상기 주름제공층 일 면에 제2 열팽창 계수를 가지는 기판을 형성하는 단계(S110), 열처리를 수행하여 상기 제1 및 제2 열팽창 계수 간의 차이를 통하여, 상기 주름제공층에 주름을 형성함으로써, 상기 그래핀층에 주름 패턴을 형성하는 단계(S120) 중 적어도 하나의 단계를 포함할 수 있다. 이하 각 단계에 대하여 상술하기로 한다.
단계 S100
단계 S100에서, 그래핀층 일 면에 제1 열팽창 계수를 가지는 주름제공층이 형성될 수 있다. 단계 S100을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 도 2를 참조하면, 단계 S100은, 희생층 상에 그래핀층을 형성하는 단계(S102), 그래핀층 일 면에 제1 열팽창 계수를 가지는 주름제공층을 스핀 코팅하는 단계(S104) 중 적어도 하나의 단계를 포함할 수 있다.
단계 S102에서, 그래핀층은 희생층 상에 형성될 수 있다. 희생층은, 예를 들어, Cu, Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr 중 적어도 하나의 금속 또는 적어도 두 개의 합금으로 이루어질 수 있다. 이하에서는 희생층은 구리인 경우를 상정하기로 한다. 특히 구리는 탄소에 대한 용해도가 낮기 때문에 단일층의 그래핀을 형성하는데 유리할 수 있다.
상기 그래핀층은 상기 희생층 상에 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 그래핀층은, 고온 화학 기상 증착법(Thermal-chemical vapor deposition; CVD), 유도 결합 플라즈마 화학 기상 증착법(ICP-CVD), 플라즈마 화학 기상 증착법(PE-CVD), Microwave CVD 등의 화학 기상 증착법으로 형성될 수 있으며, 그 외에도 RTA(rapid thermal annealing), ALD(atomic layer deposition) PVD(physical vapor deposition) 등의 방법으로 형성될 수도 있다.
상기 그래핀층이 화학 기상 증착법으로 상기 희생층 상에 형성되는 경우, 챔버 내에 희생층을 위치시키고 탄소 공급원을 투입하여, 그래핀층을 성장시킬 수 있다. 이 때, 탄소 공급원은 메탄(CH4), 아세틸렌(C2H2), 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 챔버 내의 구리 희생층에 수소 분위기에서 메탄 가스를 투입하면, 수소와 메탄의 반응에 의하여 구리 희생층 상에 그래핀층이 형성될 수 있다.
이에 따라 도 4(a)에 도시된 바와 같이, 단계 S102를 통하여, 희생층(100) 상에 그래핀층(110)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 그래핀층은 상기 희생층 상에 상기 그래핀층이 직접 접촉하도록 형성될 수 있다.
단계 S104에서, 그래핀층 일 면에 제1 열팽창 계수를 가지는 주름제공층이 스핀 코팅될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 주름제공층은 주름제공층 자체에 형성된 주름을 통하여 그래핀층에 주름 패턴을 제공하는 층을 의미할 수 있다. 주름제공층은 주름제공층 자체에 주름이 형성되도록 다양한 인자(factor)를 고려하여 선정될 수 있다.
상기 인자로서, 열팽창 계수가 고려될 수 있다. 예를 들어, 주름제공층은 후술할 기판과 다른 열팽창 계수를 가질 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 주름제공층의 열팽창 계수는 기판의 열팽창 계수보다 낮을 수 있다. 이로써, 기판과 주름제공층에 열처리가 수행되는 경우, 서로 다른 열팽창 계수에 의하여 주름제공층에 주름이 형성될 수 있다.
또한, 주름제공층은 기판보다 하드(hard)한 물질로 이루어질 수 있다. 이로써, 기판과 주름제공층에 열처리가 수행되는 경우, 기판의 팽창에 의하여 주름제공층에 주름이 형성될 수 있다.
또한, 주름제공층과 그래핀층 사이의 접착력을 나타내는 어드히전 에너지(adhesion energy)가 고려될 수 있다. 예를 들어, 어드히전 에너지가 낮은 경우, 주름제공층에 형성된 주름이 그래핀층에 형성되지 못하고, 주름제공층과 그래핀층 사이에 박리(delamination)이 형성될 수 있다.
또한, 주름제공층은 표면 거칠기를 고려하여 선정될 수 있다.
또한, 주름제공층은 유리전이온도(glass transition temperature)를 고려하여 선정될 수 있다.
상기 주름제공층은 예를 들어, SiO2, PMMA(poly methyl methacrylate), PVP(poly vinyl pyrrolidone) 중 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 이하에서 주름제공층은 PMMA인 경우를 상정하기로 한다.
일 실시 예에 따르면 주름제공층의 두께를 통하여 그래핀층의 주름을 제어할 수 있다. 예를 들어, 주름제공층의 두께가 두꺼운 경우, 그래핀층의 주름 주기를 길게 할 수 있다.
상기 주름제공층은 단계 S102에서 형성된 구리/그래핀층의 일 면에 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 주름제공층은 그래핀층의 일 면에 형성될 수 있다. 이 때, 상기 주름제공층은 스핀-코팅으로 상기 그래핀층의 일 면에 형성될 수 있다.
이에 따라, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 단계 S104를 통하여, 회생층(100), 그래핀층(110), 주름제공층(120)이 순서대로 적층 형성될 수 있다.
단계 S110
다시 도 1을 참조하면, 단계 S110에서, 상기 주름제공층 일 면에 제2 열팽창 계수를 가지는 기판이 형성될 수 있다. 즉, 기판 상에 주름제공층에 형성된 그래핀층이 전사(transfer)될 수 있다. 이에 따라 상기 주름제공층의 일 면은 상기 기판과 직접 접촉할 수 있다.
상기 기판은, 앞서 설명한 주름제공층과의 관계에서 고려되는 인자에 따라 선정될 수 있다. 즉, 상기 기판의 열팽창 계수와 상기 주름제공층의 열팽창 계수는 서로 다를 수 있다. 보다 구체적으로 상기 기판의 열팽창 계수는 상기 주름제공층의 열팽창 계수보다 클 수 있다. 이는, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 기판과 주름제공층의 열팽창 계수의 차이에 의하여 열처리 시 팽창 정도가 다르다는 현상을 이용하여 주름제공층에 주름을 형성하고, 형성된 주름이 그래핀층에 형성되도록 유도하기 위함이다.
또한, 상기 기판은 상기 주름제공층보다 소프트한 물질로 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 기판은, 유연한 기판(flexible substrate)일 수 있다.
상기 언급한 적어도 하나의 기준에 따라 상기 기판은, PDMS(polydimethylsiloxane), PET(polyethylene terephthalate), PES(polyethersulfone), PI(polyimide) 및 PEN(polyethylene naphthalate) 중 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 이하에서 상기 기판은, PDMS인 경우를 상정하기로 한다.
또한, 상기 기판은, 제1 변과 제2 변의 길이가 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 상기 기판의 가로 변 길이와 세로 변 길이가 서로 다를 수 있다. 일 예에 따르면, 상기 기판의 가로 변은 세로 변보다 길 수 있다.
상기 기판의 변들의 길이 차에 의하여 그래핀층의 주름의 방향이 결정될 수 있다. 만약, 상기 기판의 가로 변이 세로 변보다 긴 경우, 그래핀층에는 세로 변과 평행한 방향으로 주름이 형성될 수 있다. 이와 달리, 상기 기판의 세로 변이 가로 변보다 길 수 있다. 이 경우, 그래핀층에는 가로 변과 평행한 방향으로 주름이 형성될 수 있다. 다시 말해, 기판의 가로/세로 길이 차이를 통하여 그래핀층의 주름 방향을 제어할 수 있는 것이다. 이 때, 본 명세서에서 평행한 방향이라 함은 실질적으로 평행한 방향을 포함하는 개념으로 이해될 수 있다.
또한, 기판은 상기 주름제공층과 접합하는 면 상에 반복되는 돌출 영영과 오목 영역이 형성된 패턴을 더 포함할 수 있다.
상기 기판이 상기 주름제공층과의 접촉 계면에 패턴을 가짐으로써, 그래핀층에 주름이 형성되는 영역을 제어할 수 있다. 만약, 기판이 기판의 표면에 돌출 영역과 오목 영역의 패턴을 가지는 경우, 주름제공층의 주요 주름은 상기 오목 영역 상에 집중되어 형성될 수 있다. 이에 따라, 그래핀층에도 오목 영역 상에 주름 패턴이 집중적으로 형성될 수 있다. 다시 말해, 기판 표면의 패턴에 따라 그래핀층의 주름이 형성되는 영역을 제어할 수 있다.
도 4(c)에 도시된 바와 같이, 단계 S110을 통하여, 희생층(100)/그래핀층(110)/주름제공층(120)/기판(130)이 순차적으로 형성될 수 있다. 즉, 구리(100)/그래핀층(110)/PMMA(120)/PDMS(130)가 순차적으로 형성될 수 있다.
단계 S120
단계 S120에서, 열처리를 수행하여, 상기 제1 및 제2 열팽창 계수 간의 차이를 통하여, 상기 주름제공층에 주름을 형성함으로써, 상기 그래핀층에 주름 패턴이 형성될 수 있다. 보다 상세한 설명을 위하여, 도 3을 참조하면, 단계 120은, 희생층을 제거하는 단계(S122), 희생층이 제거된 기판/주름제공층/그래핀층 구조체를 열처리하는 단계(S124) 중 적어도 하나의 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. 이하 각 단계에 대하여 상술하기로 한다.
단계 S122에서, 희생층이 제거될 수 있다.
상기 희생층(100, 도 4(d) 참조)은 예를 들어, FeCl3 용액 및 HCl을 이용하여 습식 방식으로 제거될 수 있다. 이후, HCI 및 DI 워터에서 링징(ringing)될 수 있다.
단계 S124에서 열처리가 수행될 수 있다(도 4(e) 참조).
즉, 열처리를 수행하여, 주름제공층의 제1 열팽창 계수 및 기판의 제2 열팽창 계수 간의 차이를 통하여, 상기 주름제공층에 주름을 형성함으로써, 상기 그래핀층에 주름 패턴이 형성될 수 있다.
다시 말해, 그래핀/주름제공층/기판이 순차적으로 형성된 삼중층에 열을 가함으로써, 기판과 주름제공층 간에 상이한 열팽창을 유도할 수 있다. 예를 들어, 기판의 열팽창 계수가 주름제공층의 열팽창 계수보다 큰 경우, 기판은 주름제공층보다 더욱 많이 팽창할 수 있다. 이에 따라, 주름제공층에 주름이 형성될 수 있는 것이다. 이 때, 주름제공층 상에 그래핀층이 형성되어 있으므로, 주름제공층에 형성된 주름의 모폴로지(morphology)에 대응하는 주름 패턴이 그래핀층에 형성될 수 있다.
이 때, 열처리 온도는 주름제공층의 유리전이온도 이상일 수 있다. 만약 열처리 온도가 유리전이온도 보다 작은 경우, 주름의 형성이 활발하게 이루어지지 않기 때문에 국소적인 영역에만 주름이 형성되게 된다. 따라서, 주름의 균일성이 낮아지게 된다.
또한 열처리 온도는 주름 패턴 간의 결합이 발생하는 온도 이하일 수 있다. 만약 열처리 온도가 주름 패턴 간의 결합이 발생하는 온도 보다 큰 경우에는 주름 패턴 간의 결합에 의하여 주름의 균일성이 낮아지는 문제점이 발생할 수 있다.
따라서, 열처리 온도는 주름제공층의 유리전이온도 이상이며 주름 패턴 간의 결합이 발생하는 온도 이하인 것이 바람직할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 그래핀층의 주름 방향은 기판의 형상에 의하여 제어될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 기판의 가로 변이 세로 변보다 긴 경우, 그래핀층에는 기판의 세로 변과 평행한 방향으로 주름이 형성될 수 있다. 이와 달리, 상기 기판의 세로 변이 가로 변보다 긴 경우, 그래핀층에는 기판의 가로 변과 평행한 방향으로 주름이 형성될 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따르면, 그래핀층의 주름 형성 영역이 기판 표면의 패턴에 따라 제어될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 기판 표면에 돌출 영역과 오목 영역의 패턴이 형성된 경우, 주름제공층의 주요 주름은 오목 영역 상에 집중적으로 형성될 수 있다. 이에 따라 그래핀층에도 오목 영역 상에 주름 패턴이 집중적으로 형성될 수 있다.
이상 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀 구조체 및 그래핀 주름 패턴 형성 방법을 설명하였다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면 기판과 그래핀층 사이에 주름제공층을 제공하되, 기판과 주름제공층이 서로 다른 열팽창 계수를 가짐으로써, 그래핀층에 주름 패턴을 형성할 수 있다.
종래에는 그래핀층에 의도치 않은 비 균일한 주름이 발생하였으나, 이는 2차원적 구조를 가지기 때문에 어쩔 수 없이 발생하는 한계로 작용하였다. 즉, 종래에는 그래핀층에 제어 불가능한 주름이 형성되기 때문에 고 신뢰도의 그래핀층을 형성하는 데 어려움이 있었다.
그러나, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 주름제공층을 그래핀층과 기판 사이에 형성하고 열처리를 통하여 주름제공층 및 그래핀층에 주름을 형성할 수 있다. 이 때, 그래핀층에 형성되는 주름 패턴의 주기를 주름제공층의 두께로 제어할 수 있으며, 그래핀층에 형성되는 주름의 정도를 열처리 온도로 제어할 수 있으며, 그래핀층에 형성되는 주름 패턴의 영역을 기판의 패턴 형상을 통하여 제어할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀 구조체 및 그래핀 주름 패턴 형성 방
법은, 제어 가능한 주름을 그래핀층에 형성함으로써, 고 신뢰도의 그래핀을 제공할 수 있다.
이하 도 5 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 실험 결과를 설명하기로 한다. 도 5 내지 도 8을 참조하여 설명할 그래핀 구조체는 PDMS로 이루어진 기판 상에 PMMA로 이루어진 주름제공층 상에 그래핀층이 형성된 구조를 가질 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열처리 온도가 그래핀 주름 패턴 형성에 미치는 영향을 실험한 실험 결과를 도시한다.
도 5(a)는 열처리 수행 전의 그래핀층 표면을 도시한다. 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 그래핀 표면에 수축(contraction)이 발생하지 않아 주름이 형성되지 않은 것을 확인할 수 있다.
도 5(b)는 85도로 열처리 한 경우의 그래핀층 표면을 도시한다. 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 국소적으로 주름이 형성된 것을 확인할 수 있다. 이는 주름제공층의 유리전이온도에 도달하지 못했기 때문에 주름이 본격적으로 형성되지 못한 것으로 이해될 수 있다.
도 5(c)는 105도에서 열처리 한 경우의 그래핀층 표면을 도시한다. 도 5(c)에 도시된 바와 같이, 그래핀층의 표면에 고밀도의 주름 패턴이 형성된 것을 확인할 수 있다. 이는, 주름제공층의 유리전이온도에 따른 열처리에 의하여 주름의 형성이 활발해졌기 때문인 것으로 이해될 수 있다.
도 5(d)는 150도에서 열처리 한 경우의 그래핀층 표면을 도시한다. 도 5(d)에 도시된 바와 같이, 그래핀층의 표면에 국소적으로 큰 부피의 주름이 형성된 것을 확인할 수 있다. 이는, 과도한 열처리로 인하여, 표면 주름 들이 서로 결합하여 국소적으로 큰 부피의 주름이 형성된 것으로 이해될 수 있다.
이상 도 5를 참조하여 설명한 열처리 온도가 그래핀 주름 패턴 형성에 미치는 영향을 분석한 결과 열처리 온도는 유리전이온도 이상이고 주름 패턴 간의 결합이 발생하는 온도 이하인 것이 바람직한 것으로 확인되었다. 다시 말해, 상기 범위 내에서 열처리 온도를 제어함으로써, 그래핀층 표면의 주름 패턴의 정도를 제어할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열처리 온도가 그래핀 표면의 접촉각도에 미치는 영향을 실험한 실험 결과를 도시한다.
도 6을 참조하면, 유리전이온도를 전/후로 하여 그래핀층 주름 패턴의 접촉각도(contact angle)가 작아지는 것을 확인할 수 있다. 즉, 열처리 온도 105도를 기준으로 열처리 온도가 낮거나 높은 경우, 그래핀층 주름 패턴의 접촉각이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 다시 말해, 열처리 온도가 유리전이온도에 근접할수록 그래핀층 주름 패턴의 접촉각도가 증가하여 비-친수성 특성이 우수해지는 것을 확인할 수 있다. 다시 말해, 열처리 온도를 제어함으로써, 그래핀층 표면의 주름 패턴의 접촉각을 제어할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 주름제공층의 두께가 그래핀 주름 패턴의 형상에 미치는 영향을 실험한 실험 결과를 도시한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 주름제공층의 두께가 두꺼워질수록 그래핀층에 형성되는 주름 패턴의 주기가 길어지는 것을 확인할 수 있다. 다시 말해, 주름제공층의 두께를 제어함으로써, 그래핀층에 형성되는 주름 패턴의 주기를 제어할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판의 형상이 그래핀 표면 주름 패턴에 미치는 영향을 실험한 실험 결과를 도시한다.
도 8(a)는 가로 변(B)이 세로 변(A) 보다 긴 평판(flat)형의 기판 상의 그래핀 주름 패턴을 도시한다. 도 8(a)에 도시된 바와 같이, 그래핀층의 주름 패턴은 기판의 짧은 변(A)과 실질적으로 평행한 방향으로 나타나는 것을 확인할 수 있다.
도 8(b)는, 반복적으로 돌출 영역과 오목 영역을 가지는 기판 상의 그래핀 주름 패턴을 도시한다. 도 8(b)에 도시된 바와 같이, 그래핀층의 주름 패턴은 기판의 오목 영역 상에 집중적으로 형성됨을 확인할 수 있다.
다시 말해, 기판 패턴의 형성에 따라 그래핀층에 형성되는 주름 패턴의 위치를 제어할 수 있다.
이상 도 1 내지 도 8을 참조하여 설명한 그래핀 구조체 및 그래핀 주름 패턴 형성 방법은, 열처리라는 간이한 방법을 기본으로 하여, 그래핀층 주름 패턴의 주기, 그래핀층 각 주름의 접촉각도, 그래핀층 주름 패턴 형성 정도, 그래핀층 주름 패턴 형성 위치를 제어할 수 있다. 이에 따라, 종래에 그래핀층의 주름은 의도치 않게 발생하였지만, 본 발명의 일 실시 예에 따르면 그래핀층의 주름 패턴을 제어함으로써, 고 신뢰도의 그래핀을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀 구조체는, 적어도 슈퍼 캐퍼시터, 스트레인 센서, 비-친수성 요구 분야, 정화 장치에 이용될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 그래핀층 일 면에 제1 열팽창 계수를 가지는 주름제공층을 형성하는 단계;
    상기 주름제공층 일 면에 제2 열팽창 계수를 가지는 기판을 형성하는 단계; 및
    열처리를 수행하여, 상기 제1 및 제2 열팽창 계수 간의 차이를 통하여, 상기 주름제공층에 주름을 형성함으로써, 상기 그래핀층에 주름 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는 그래핀 주름 패턴 형성 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 열팽창 계수는 상기 제2 열팽창 계수보다 작은 그래핀 주름 패턴 형성 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 열처리 온도는 유리전이온도(glass transition temperature) 이상인 그래핀 주름 패턴 형성 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 열처리 온도는 상기 주름 패턴 간의 결합이 발생하는 온도 이하인 그래핀 주름 패턴 형성 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 주름제공층보다 소프트(soft)한 물질로 이루어진 그래핀 주름 패턴 형성 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 주름제공층의 두께가 증가할수록 상기 주름 패턴의 주기가 증가하는 그래핀 주름 패턴 형성 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 열처리 온도가 상기 주름제공층의 유리전이온도에 근접할수록 상기 주름 패턴의 접촉각도가 증가하는 그래핀 주름 패턴 형성 방법.
  8. 제1 변과 상기 제1 변보다 긴 제2 변을 가지는 기판;
    상기 기판 상에 형성되며 상기 제1 변 방향으로 주름을 가지는 주름제공층; 및
    상기 주름제공층 상에 형성되며, 상기 주름에 대응되는 주름 패턴을 가지는 그래핀층을 포함하는 그래핀 구조체.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 기판은, 상기 주름제공층과 계면하는 표면에 돌출 및 오목 영역을 포함하며, 상기 주름 패턴은 상기 오목 영역 상에 형성되는 그래핀 구조체.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 주름제공층은, 제1 열팽창 계수를 가지며, 상기 기판은 상기 제1 열팽창 계수보다 큰 제2 열팽창 계수를 가지는 그래핀 구조체.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 주름제공층보다 소프트한 물질로 이루어진 그래핀 구조체.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 주름제공층은, SiO2, PMMA 및 PVP 중 하나의 물질로 이루어진 그래핀 구조체.
  13. 제8 항에 있어서,
    상기 기판은, 유연한 기판으로 이루어진 그래핀 구조체.
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