WO2023075277A1 - 표면이 기능화된 그래핀층을 이용한 박막의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 박막 - Google Patents

표면이 기능화된 그래핀층을 이용한 박막의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 박막 Download PDF

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graphene layer
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이관형
류희제
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Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a thin film using a graphene layer whose surface is functionalized and a thin film manufactured using the same. It relates to a method for manufacturing a thin film using a graphene layer whose surface is functionalized and a thin film manufactured using the same.
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • ALD atomic layer deposition
  • thinning of a bulk material was achieved through vaporization of a target material using various energy sources and selection of various precursors, but formed according to chemical / physical interactions between the precursor for thin film formation and the lower substrate The uniformity and crystal quality of the thin film are determined. That is, there is a problem in that selection of a thin film material that can be deposited is limited due to differences in crystallographic, thermal, mechanical, and electrical properties between the lower substrate and the deposited material.
  • conventional two-dimensional nanomaterial surface treatment methods for activating thin film deposition include a method of forming organic materials on graphene, a surface treatment method through UV / ozone treatment, and a surface treatment method through hydrogen / oxygen plasma treatment.
  • the surface energy of graphene was increased through the physical bonding of organic materials and the formation of defects in 2D nanomaterials by high energy sources.
  • physical bonding and defects accompany deterioration of interface quality, so there is a limit to its use as an atomic layer thickness deposition growth substrate proposed by the present invention.
  • a technical problem to be achieved by the present invention is to prevent deterioration of thin film properties due to differences in crystallographic, thermal, mechanical, and electrical properties between a substrate and a material to be deposited in the process of manufacturing a thin film, and to prevent the graphene layer deposited on the substrate.
  • An exemplary embodiment of the present invention includes the steps of providing a graphene layer on one surface of a substrate; functionalizing the surface by treating the other surface opposite to the one surface of the graphene layer provided with the substrate with a reactant; preparing a composite by depositing a thin film on the other surface of the functionalized graphene layer; and separating the thin film from the composite by heating the composite.
  • the graphene layer may be provided with 1 to 5 layers.
  • the reactant may be one selected from the group consisting of XeF 2 , CF 4 , SF 6 , HF, H 2 , CH 4 and combinations thereof.
  • the reactant when the reactant is one selected from the group consisting of XeF 2 , CF 4 , SF 6 , HF, H 2 , CH 4 and combinations thereof, in the step of functionalizing the surface,
  • the reactants may be heated or in plasma form.
  • the substrate and the graphene layer may be bonded by van der Waals force or chemically bonded.
  • the thin film may have a dipole force in a direction parallel to a direction in which the thin film is deposited on the graphene layer.
  • a method of heating the composite may be furnace heating, heating by UV irradiation, or heating by laser irradiation.
  • the step of separating the thin film includes providing a support film or an additional thin film on the surface opposite to the surface deposited on the functionalized graphene layer of the composite; and separating the thin film from the support film or the additional thin film by heating the composite having the support film or the additional thin film.
  • An exemplary embodiment of the present invention provides a thin film manufactured by the above manufacturing method.
  • various thin films can be manufactured without limiting the material of the substrate, and by separating the thin film through heating, defects on the surface of the thin film may occur or The formation of foreign matter can be minimized.
  • the thin film formed on the upper part is formed as a substrate for growing the thin film by depositing a functionalized graphene layer on a lower substrate, crystallographic properties, thermal properties, mechanical properties, and electrical properties between the substrate and the thin film Due to the difference, it is possible to manufacture a thin film of a heterojunction structure in which various materials are combined.
  • graphene since graphene has few defects such as dangling bonds, it is difficult to nucleate the deposited material, so thin films are not uniformly deposited. It is fast and can form a uniform thin film.
  • the functionalized graphene layer may have a dipole moment in a vertical direction, ferroelectric properties of the thin film may be improved when a material having a dipole in the material, such as a ferroelectric material, is deposited.
  • the thickness of the thin film according to one embodiment of the present invention is reduced, it can maintain its own characteristics and can be controlled independently without a support layer, so that it is impossible to form it by the deposition method by stacking different thin films formed from graphene. It is possible to form a thin film of a bonded structure.
  • the grown thin film is chemically bonded to the defects of graphene and cannot be separated.
  • the thin film formed on the functionalized graphene layer is heated to decompose the functional group bond of the graphene layer and the functional group is separated, so that the graphene layer and the thin film can be easily physically separated.
  • the separated thin film can be stacked on an external substrate or other thin film, it is possible to transfer a high-quality thin film manufactured or fabricated through a method of stacking a thin film of a heterojunction structure in which materials that cannot be formed through a deposition method are combined to a flexible substrate.
  • FIG. 1 is a flowchart of a method of manufacturing a thin film using a graphene layer whose surface is functionalized according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram schematically illustrating a method of manufacturing a thin film using a graphene layer whose surface is functionalized according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • Example 3 is a photograph taken with an optical microscope of a state in which heat is applied to the composite in Example 1 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a photograph taken with an optical microscope of an Al 2 O 3 thin film manufactured according to Example 1 according to an exemplary embodiment of the present invention transferred to a SiO 2 /Si substrate.
  • Example 5 is a photograph taken with an atomic force microscope after transferring an Al 2 O 3 thin film prepared in Example 1 according to an exemplary embodiment of the present invention to a SiO 2 /Si substrate, and showing the height of the substrate and the thin film. it's a graph
  • Example 6 is an enlarged photograph of the surface of an Al 2 O 3 thin film prepared in Example 1 according to an exemplary embodiment of the present invention with an atomic force microscope and a graph showing the height of the surface.
  • Example 7 is a photograph taken with an optical microscope of a field effect transistor in which a channel is formed using a ZnO thin film manufactured according to Example 2 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • Example 8 is a graph showing V GS -I DS transmission characteristics of a field effect transistor having a channel formed using a ZnO thin film manufactured according to Example 2 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • a and/or B means “A and B, or A or B”.
  • 1 is a flowchart of a method of manufacturing a thin film using a graphene layer whose surface is functionalized according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 2 is a schematic diagram schematically illustrating a method of manufacturing a thin film using a graphene layer whose surface is functionalized according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • An exemplary embodiment of the present invention includes the steps of providing a graphene layer on one surface of a substrate; functionalizing the surface by treating the other surface opposite to the one surface of the graphene layer provided with the substrate with a reactant; preparing a composite by depositing a thin film on the other surface of the functionalized graphene layer; and separating the thin film from the composite by heating the composite.
  • various thin films can be manufactured without limiting the material of the substrate, and by separating the thin film through heating, defects on the surface of the thin film may occur or The formation of foreign matter can be minimized.
  • a step (S10) of providing a graphene layer 13 on one surface of the substrate 11 is included.
  • the graphene layer which is a two-dimensional material, is a material in which atomic layers are bonded between atomic layers by van der Waals (vdW) force without chemical bonding.
  • the substrate may be SiO 2 /Si, glass, polycarbonate, polystyrene, or polyimide, but may be used without limitation as long as it can physically support a graphene layer.
  • the graphene layer 13 on the substrate 11 is physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), atomic layer deposition (atomic vapor deposition) layer deposition, ALD) and a physical exfoliation method (a method of physically exfoliating a graphene layer from a graphene material), and the graphene layer can be provided by manufacturing the graphene layer and then attaching it to the substrate. there is.
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • ALD atomic layer deposition
  • ALD atomic layer deposition
  • a physical exfoliation method a method of physically exfoliating a graphene layer from a graphene material
  • a reactant (G) to functionalize the surface (S30), thereby functionalizing the graphene layer. That is, it can be fluorinated or hydrogenated, and the thin film precursor can be easily separated as described later by heating the surface-functionalized graphene layer and applying thermal shock thereto.
  • one of the ways to control physical properties of a two-dimensional nanomaterial is to control the bonding type of the surface.
  • a two-dimensional nanomaterial which is a nanomaterial with the largest surface area
  • sp 3 bond-based functionalized graphene can be produced, through which electrical and optical properties as well as surface energy
  • hydrophilicity/hydrophobicity it is possible to control hydrophilicity/hydrophobicity through adjustment.
  • functionalization of the surface of the graphene layer may be hydrogenation, fluorination, oxidation, or attaching molecules to the surface of the graphene layer.
  • the time for treating the reactant is not particularly limited, but may be adjusted according to the number of functionalized atomic layers.
  • the pressure at which the reactant is treated is not particularly limited, but may be adjusted according to the number of functionalized atomic layers.
  • the substrate in the functionalization step, the substrate may be heated. As described above, by heating the substrate in the functionalization step, the functionalization efficiency of the graphene layer may be improved.
  • a step of preparing a composite 100 by depositing a thin film 17 on the other surface of the functionalized graphene layer 15 (S50).
  • the surface sp 3 bonding is made. Since the surface energy is high, uniform growth of nuclei can be induced when thin films are grown, so that high-quality thin films can be grown on the surface.
  • the method of depositing the thin film 17 is physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD) or atomic layer deposition (ALD) ) may be any one of
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • ALD atomic layer deposition
  • the composite 100 is heated to separate the thin film 17 from the composite 100 (S70).
  • the surface functional group of the functionalized graphene layer can be removed by heating and on the surface of the functional group
  • the deposited thin film is physically separated from the graphene layer in this process.
  • the thin film may be a ferroelectric, metal, semiconductor, insulating film, etc., and the material may be selected without limitation according to a specific material to be implemented in the thin film.
  • the temperature, pressure and time for separating the thin film 17 from the composite 100 may be adjusted according to the bonding between the thin film 17 and the functionalized graphene layer 15. there is. As described above, by controlling the temperature, pressure, and time for separating the thin film 17 from the composite 100, the thin film 17 can be easily separated from the composite 100, and damage to the thin film can be prevented. can do.
  • the graphene layer 13 may be provided with one to five layers.
  • the thickness of the graphene layer By adjusting the thickness of the graphene layer by controlling the number of layers stacked in the graphene layer within the above-described range, the graphene layer is not affected by crystallographic characteristics, thermal characteristics, mechanical characteristics, and electrical characteristics according to the material of the substrate. It is possible to manufacture thin films of various materials by preventing it, and due to the thin thickness of the graphene layer, which is the two-dimensional material, transparency and flexibility can be secured without deterioration in electrical and mechanical properties.
  • the graphene layer 13 may have a thickness of 0.34 nm to 3.4 nm.
  • the thickness of the graphene layer may be adjusted within the above-described range, it is possible to manufacture thin films of various materials by preventing the graphene layer from being affected by crystallographic characteristics, thermal characteristics, mechanical characteristics, and electrical characteristics according to the material of the substrate. And, due to the thin thickness of the graphene layer, which is a two-dimensional material, transparency and flexibility can be secured without deterioration in electrical and mechanical properties.
  • the reactant (G) may be one selected from the group consisting of XeF 2 , CF 4 , SF 6 , HF, H 2 , CH 4 and combinations thereof.
  • the reactant by selecting the reactant, the graphene layer can be functionalized, and the thin film can be easily separated through thermal shock through heating. Furthermore, since the gaseous reactant cannot penetrate the graphene layer, it is possible to prevent the substrate from being affected by the reactant.
  • the reactant may be gas, liquid or plasma.
  • the reactant when the reactant is XeF 2 , the surface of the graphene layer may be treated with a gas, and when the reactant is HF, the surface of the graphene layer may be treated with a liquid, and the reactant is CF 4 or In the case of SF 6 , the surface of the graphene layer may be treated with plasma.
  • a specific compound when used to adjust the functionalization characteristics of the surface of the graphene layer, it may be treated according to the phase of the compound. As described above, the functionalization characteristics of the surface of the graphene layer can be easily controlled by implementing the reactant as gas, liquid, or plasma.
  • the reactant when the reactant is one selected from the group consisting of XeF 2 , CF 4 , SF 6 , HF, H 2 , CH 4 and combinations thereof, in the step of functionalizing the surface,
  • the reactants may be heated or in plasma form.
  • the substrate 11 and the graphene layer 13 may be bonded by van der Waals force or chemically bonded.
  • van der Waals force or chemically bonded
  • mechanical properties, electrical properties, optical properties, and chemical properties and other properties of the substrate can be realized, Joints of various structures can be implemented.
  • the thin film 17 may have a dipole force in a direction parallel to a direction in which the thin film 17 is deposited on the graphene layer 15 .
  • a functional group having polar molecules is bonded to the surface, and a dipole force appears due to a difference in polarity between the polarity of the functional group and the graphene layer.
  • the dipole force of the functionalized graphene layer induces a dipole force in the thin film precursor laminated on the functionalized graphene layer, and through this, the thin film 17 has a dipole force in a direction parallel to the direction in which the thin film 17 is deposited. It may have, through which it is possible to increase the dielectric properties of the thin film.
  • purging with an inert gas (S20) prior to functionalizing the surface of the graphene layer (S30), purging with an inert gas (S20) may be further included. As described above, by further including the step of purging with an inert gas (S20) before the functionalizing step (S30), it is possible to minimize the generation of foreign substances in the process of treating the reactant in the graphene layer.
  • the inert gas may be one selected from N 2 , He, Ne, Ar, and combinations thereof.
  • the heating temperature in the separating the thin film (S70) may be 300 °C or higher.
  • the heating temperature is 300 ° C or more and 900 ° C or less, 400 ° C or more and 800 ° C or less, 500 ° C or more and 700 ° C or less, 310 ° C or more and 400 ° C or less, 320 ° C or more and 400 ° C or less, 330 ° C or more and 400 ° C or less, 340 ° C or more.
  • the heating temperature in the step of separating the thin film (S70) within the above-described range, the thin film 17 can be easily separated from the functionalized graphene layer 15. Furthermore, the heating temperature may be adjusted to a temperature of 300 ° C. or less by adjusting the temperature according to the functionalized functional group of the graphene layer.
  • a method of heating the composite may be furnace heating, heating by UV irradiation, or heating by laser irradiation.
  • a support film (not shown) is formed on the surface opposite to the surface deposited on the functionalized graphene layer 15 of the composite 100. or providing an additional thin film (not shown) (S71); And heating the composite 100 provided with the support film (not shown) or the additional thin film (not shown) to separate the thin film 17 and the support film (not shown) or the additional thin film (not shown) ( S73) may be included.
  • the thin film may be prepared by attaching a support film or an additional thin film on the thin film and then heating the composite to separate the thin film to which the support film is attached. As described above, by separating the thin film to which the support film is attached and manufacturing the thin film, the usability of the thin film can be improved.
  • the additional thin film may be a thin film manufactured according to an exemplary embodiment of the present invention or a different thin film, and may be made of the same material as or a different material from the thin film used in the manufacturing process.
  • the support film may be a polycarbonate film, and any bond between the support film and the thin film may be used without limitation as long as the bond strength between the functionalized graphene layer and the thin film is higher than that between the functionalized graphene layer and the thin film.
  • An exemplary embodiment of the present invention provides a thin film 17 manufactured by the above manufacturing method.
  • the thickness of the thin film according to one embodiment of the present invention is reduced, it can maintain its own characteristics and can be controlled independently without a support layer, so that it is impossible to form it by the deposition method by stacking different thin films formed from graphene. It is possible to form a thin film of a bonded structure.
  • a graphene layer having a thickness of 3 nm was formed on a SiO 2 /Si substrate by a physical exfoliation method.
  • the surface of the graphene layer was fluorinated by exposing gaseous XeF 2 to graphene at a pressure of 400 torr at room temperature for 120 seconds, and then an Al 2 O 3 thin film was applied to the fluorinated graphene layer by atomic layer deposition using trimethylaluminum ( A composite was formed using TMA, trimethylaluminum, Al(CH 3 ) 3 ) and H 2 O as precursors. Thereafter, the thin film was separated by heating the composite at a temperature of 350 °C to apply thermal shock. The separated thin film was transferred and transferred onto another SiO 2 /Si substrate using a polycarbonate support film.
  • a graphene layer having a thickness of 3 nm was formed on a SiO 2 /Si substrate by a physical exfoliation method.
  • the surface of the graphene layer was fluorinated by exposing gaseous XeF 2 to graphene at a pressure of 400 torr at room temperature for 120 seconds, and then a ZnO thin film was applied to the fluorinated graphene layer by atomic layer deposition using diethyl zinc (DEZ, diethylzinc) and H 2 O were used as precursors to form a complex. Thereafter, the thin film was separated by heating the composite at a temperature of 350 °C to apply thermal shock. The separated thin film was transferred and transferred onto another SiO 2 /Si substrate using a polycarbonate support film.
  • FIG. 3 is a photograph taken with an optical microscope of a state in which heat is applied to a composite in an example according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, it was confirmed that the Al 2 O 3 thin film was separated from the fluorinated graphene layer by thermal shock to the composite.
  • FIG. 4 is a photograph taken with an optical microscope of an Al 2 O 3 thin film manufactured according to an embodiment according to an embodiment of the present invention transferred to a SiO 2 /Si substrate.
  • the Al 2 O 3 thin film prepared in the above example was transferred to a SiO 2 /Si substrate, and it was confirmed that the Al 2 O 3 thin film could be easily transferred to another substrate.
  • FIG. 5 is a graph showing a photograph taken with an atomic force microscope after transferring an Al 2 O 3 thin film manufactured according to an embodiment according to an embodiment of the present invention to a SiO 2 /Si substrate and a height between the substrate and the thin film am.
  • the thickness of the Al 2 O 3 thin film corresponds to about 12 nm, it was confirmed that various thin films can be manufactured regardless of the material of the substrate and the thickness can be formed thin.
  • FIG. 6 is an enlarged photograph of the surface of an Al 2 O 3 thin film manufactured according to an embodiment according to an embodiment of the present invention with an atomic force microscope and a graph showing the height of the surface. Referring to FIG. 6, it was confirmed that the Al 2 O 3 thin film had a roughness of less than 1 nm.
  • FIG. 7 is a photograph taken with an optical microscope of a field effect transistor in which a channel is formed using a ZnO thin film manufactured according to Example 2 according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG. 7 , it was confirmed that a field effect transistor can be implemented even when a channel is formed using a ZnO thin film.
  • FIG. 8 is a graph showing V GS -I DS transmission characteristics of a field effect transistor having a channel formed using a ZnO thin film manufactured according to Example 2 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a result of fabricating a field effect transistor using the detached ZnO thin film formed on the fluorinated graphene layer by thermal shock and transferring it to another SiO 2 /Si substrate, and measuring transfer characteristics.
  • ZnO is a metal oxide that can be used as an N-type semiconductor, and its electrical characteristics change from a semiconductor to a metal as the oxygen concentration decreases. Seeing that the IDS turns on/off when VGS changes from -80 to 80V, it works as an N-type semiconductor, and it is confirmed that the thin film on the FG does not deteriorate in the process of undergoing thermal shock.

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Abstract

본 발명은 표면이 기능화된 그래핀층을 이용한 박막의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 박막에 관한 것으로, 구체적으로 기판에 그래핀층을 위치하여 상기 기판의 재질에 상관없이 균일한 박막의 제조 및 탈부착을 가능하게 하는 표면이 기능화된 그래핀층을 이용한 박막의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 박막에 관한 것이다.

Description

표면이 기능화된 그래핀층을 이용한 박막의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 박막
본 명세서는 2021년 10월 27일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2021-0144189호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 발명에 포함된다.
본 발명은 표면이 기능화된 그래핀층을 이용한 박막의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 박막에 관한 것으로, 구체적으로 기판에 그래핀층을 위치하여 상기 기판의 재질에 상관없이 균일한 박막의 제조 및 탈부착을 가능하게 하는 표면이 기능화된 그래핀층을 이용한 박막의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 박막에 관한 것이다.
기존 박막 성장 기술의 경우, 하부 기판에 박막을 직성장 시키며, sputter와 thermal evaporation과 같은 물리적 기상 증착(physical vapor deposition, PVD) 방법 뿐만 아니라 화학적 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD), 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD) 방법을 사용하였다. 이러한 종래 박막 성장 기술의 경우 다양한 에너지원을 사용한 타겟 물질의 기상화 및 다양한 전구체의 선택을 통해 벌크 물질의 박막화를 달성하였으나, 박막 형성을 위한 전구체와 하부 기판간의 화학/물리적 상호작용에 따라 형성되는 박막의 균일도와 결정질이 결정된다. 즉, 하부 기판과 증착된 물질 사이의 결정학적, 열적, 기계적, 전기적 특성 차이에 의해 증착할 수 있는 박막 물질 선택에 제한이 있는 문제점이 있었다.
나아가, 종래 박막 증착 활성화를 위한 2차원 나노물질 표면처리 방법으로 그래핀 상에 유기물질을 형성하는 방법, UV/오존 처리를 통한 표면처리 방법, 수소/산소 플라즈마 처리를 통한 표면처리 방법 등이 있으며 유기물질의 물리적 결합 및 고 에너지원에 의한 2차원 나노물질의 결함 형성을 매개로 그래핀의 표면 에너지를 증가시켰다. 이는 그래핀의 표면 결합을 제어하는 것과 달리 물리적 결합 및 결함은 계면 품질의 저하를 수반하기 때문에 본 발명이 제안하는 원자층 두께의 증착 성장기판으로 활용하는 데 한계가 있었다.
따라서, 하부 기판의 종류 및 특성과 관계없는 박막 증착을 위해 표면에 결합한 기능기가 제어된 그래핀을 하부 기판에 부착하고 박막 증착 공정을 진행하는 기술과 하부 기판 표면을 직접 개질하는 것이 아닌, 하부 기판 위 원자 수층 두께의 그래핀의 표면을 개질함으로써 표면 특성 개질의 자유도를 증가시키고, 박막 형성 전구체와 하부 기판 간의 상호작용을 배제함으로써 박막 종류 선택 한계를 극복할 수 있는 기술에 대한 개발이 시급한 실정이었다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 박막을 제조하는 과정에서 기판과 증착하고자 하는 물질 사이에 결정학적, 열적, 기계적, 전기적 특성 차이에 의하여 박막 특성이 저하되는 것을 방지하는 것으로 기판에 증착되는 그래핀층의 표면을 기능화하여 기판의 재질에 영향을 받지 않고도 다양한 재질의 박막을 제조할 수 있는 표면이 기능화된 그래핀층을 이용한 박막의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 박막을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시상태는 기판의 일면에 그래핀층을 구비하는 단계; 상기 기판이 구비된 상기 그래핀층 일면의 반대면인 타면을 반응물질로 처리하여 표면을 기능화하는 단계; 상기 기능화된 그래핀층의 타면에 박막을 증착하여 복합체를 제조하는 단계; 및 상기 복합체를 가열하여 상기 복합체로부터 상기 박막을 분리하는 단계를 포함하는 표면이 기능화된 그래핀층을 이용한 박막의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 그래핀층은 1 개 내지 5 개의 층으로 구비된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 반응물질은 XeF2, CF4, SF6, HF, H2, CH4 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 반응물질이 XeF2, CF4, SF6, HF, H2, CH4 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 경우, 상기 표면을 기능화하는 단계에서 상기 반응물질은 가열된 것이거나 플라즈마 형태인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 기판과 상기 그래핀층은 반데르발스 힘으로 결합되거나 화학적으로 결합된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 박막은 상기 박막이 상기 그래핀층에 증착되는 방향과 나란한 방향으로 쌍극자 힘을 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 복합체를 가열하는 방법은 퍼니스 가열, 자외선 조사에 의한 가열 또는 레이저 조사에 의한 가열인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 박막을 분리하는 단계는 상기 복합체의 상기 기능화된 그래핀층에 증착된 면의 반대면에 지지필름 또는 추가 박막을 구비하는 단계; 및 상기 지지필름 또는 추가 박막이 구비된 복합체를 가열하여 상기 박막과 상기 지지필름 또는 추가 박막을 분리하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태는 상기 제조방법에 의하여 제조된 박막을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 표면이 기능화된 그래핀층을 이용한 박막의 제조방법은 기판의 재질의 제한 없이 다양한 박막을 제조할 수 있으며, 가열을 통하여 박막을 분리함으로써, 박막 표면의 결함이 발생하거나 이물질이 생성되는 것을 최소화할 수 있다.
구체적으로 설명하면, 상부에 형성되는 박막은 하부에 위치한 기판 상에 기능화된 그래핀층을 증착하여 박막이 성장하기 위한 기판으로 형성되기 때문에 기판과 박막 간의 결정학적 특성, 열적 특성, 기계적 특성 및 전기적 특성 차이로 인한 다양한 재질이 결합된 이종접합구조의 박막을 제조할 수 있다. 일반적으로 그래핀은 dangling bond와 같은 결함이 적어 증착된 물질의 핵생성이 어렵기 때문에 박막이 균일하게 증착되지 않으나, 기능기가 부착된 그래핀은 핵생성 사이트가 많고 그래핀 표면에서의 확산속도가 빨라 균일한 박막을 형성할 수 있다. 나아가, 상기 기능화된 그래핀층은 수직 방향으로 쌍극자 모멘트를 가질 수 있으므로 강유전체 물질과 같이 물질 내에 쌍극자를 가지는 물질을 증착할 경우, 박막의 강유전 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 박막은 두께가 감소하더라도 고유의 특성을 유지할 수 있으며, 지지층 없이 독립적으로 제어 가능하여, 각기 그래핀에서 형성한 다른 박막을 적층함으로써 증착방법으로 형성하는 것이 불가능한 이종 재질로 접합된 구조의 박막을 형성할 수 있다.
구체적으로 종래 그래핀에 직접 박막 성장을 하기 위한 기술로 표면에 결함을 형성하는 방법은 성장된 박막이 그래핀의 결함에 화학적으로 결합을 이루고 있어 분리할 수 없다. 또한 유기물질의 얇은 막이 표면에 형성된 그래핀에 직접 박막을 성장시키는 경우, 박막을 분리시키기 어려우며, 분리된 박막의 표면에 유기물질로 인한 오염으로 인해 적층 공정을 진행할 시 계면이 오염되는 문제가 있었지만, 기능화된 그래핀층 상에 형성된 박막은 가열하여 그래핀층의 기능기 결합을 분해하여 기능기가 떨어져 나감으로써 그래핀층과 상기 박막이 물리적으로 쉽게 분리될 수 있다. 상기 분리된 박막은 외부 기판이나 다른 박막 위로 적층할 수 있어 증착 방법을 통해 형성할 수 없는 재질이 결합된 이종접합구조의 박막을 적층하는 방법을 통해 제조하거나 제작된 고품질 박막을 플렉시블 기판으로 전사할 수 있다.
본 발명의 효과는 상술한 효과로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본원 명세서 및 첨부된 도면으로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시상태에 따른 표면이 기능화된 그래핀층을 이용한 박막의 제조방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시상태에 따른 표면이 기능화된 그래핀층을 이용한 박막의 제조방법을 개략적으로 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시상태에 따른 실시예 1에서의 복합체에 열을 가한 모습을 광학 현미경으로 촬영한 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시상태에 따른 실시예 1에 의하여 제조된 Al2O3 박막을 SiO2/Si 기판에 전사한 모습을 광학 현미경으로 촬영한 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시상태에 따른 실시예 1에 의하여 제조된 Al2O3 박막을 SiO2/Si 기판에 전사한 이후 원자힘 현미경으로 촬영한 사진 및 상기 기판과 상기 박막의 높이를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시상태에 따른 실시예 1에 의하여 제조된 Al2O3 박막의 표면을 원자힘 현미경으로 확대 촬영한 사진 및 상기 표면의 높이를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시상태에 따른 실시예 2에 의하여 제조된 ZnO 박막을 이용하여 채널을 형성한 전계효과 트랜지스터를 광학 현미경으로 촬영한 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시상태에 따른 실시예 2에 의하여 제조된 ZnO 박막을 이용하여 채널을 형성한 전계효과 트랜지스터의 VGS-IDS 전달특성을 나타낸 그래프이다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"는 "A 및 B, 또는 A 또는 B"를 의미한다.
이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시상태에 따른 표면이 기능화된 그래핀층을 이용한 박막의 제조방법의 순서도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시상태에 따른 표면이 기능화된 그래핀층을 이용한 박막의 제조방법을 개략적으로 나타낸 개략도이다.
본 발명의 일 실시상태는 기판의 일면에 그래핀층을 구비하는 단계; 상기 기판이 구비된 상기 그래핀층 일면의 반대면인 타면을 반응물질로 처리하여 표면을 기능화하는 단계; 상기 기능화된 그래핀층의 타면에 박막을 증착하여 복합체를 제조하는 단계; 및 상기 복합체를 가열하여 상기 복합체로부터 상기 박막을 분리하는 단계를 포함하는 표면이 기능화된 그래핀층을 이용한 박막의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 표면이 기능화된 그래핀층을 이용한 박막의 제조방법은 기판의 재질의 제한 없이 다양한 박막을 제조할 수 있으며, 가열을 통하여 박막을 분리함으로써, 박막 표면의 결함이 발생하거나 이물질이 생성되는 것을 최소화할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참고하여 표면이 기능화된 그래핀층을 이용한 박막의 제조방법을 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 기판(11)의 일면에 그래핀층(13)을 구비하는 단계(S10)를 포함한다. 상술한 것과 같이 상기 기판의 일면에 그래핀층을 구비함으로써, 상기 기판의 재질에 따른 결정학적 특성, 열적 특성, 기계적 특성 및 전기적 특성에 영향을 받지 않도록 그래핀층이 방지하여 다양한 재질의 박막을 제조할 수 있다. 구체적으로 상기 2차원 물질인 그래핀층은 원자층과 원자층 사이가 화학적 결합 없이 반데르발스(van der Waals, vdW) 힘에 의해 결합되어 있는 물질이다. 원자층과 원자층 사이에 화학결합이 없어 매우 얇은 두께(원자 1층 내지 원자 수 층의 두께)에서도 안정적으로 존재 가능하며, 이를 통해 기존 벌크한 재료와 다른 기계적 특성, 전기적 특성, 광학적 특성 및 화학적 특성을 나타낸다. 나아가, 상기 2차원 물질인 그래핀층의 얇은 두께로 인해 전기적 특성 및 기계적 특성 저하 없이 투명성 및 유연성을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 기판은 SiO2/Si, 유리, 폴리카보네이트, 폴리스타이렌, 폴리이미드일 수 있으나 물리적으로 그래핀층을 지지할 수 있다면 제한없이 이용될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 기판(11) 상에 상기 그래핀층(13)은 물리적 기상 증착(physical vapor deposition, PVD), 화학적 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD), 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD) 및 물리적 박리 방법(그래핀 물질에서 그래핀층을 물리적으로 박리하는 방법)으로 증착할 수 있으며, 상기 그래핀층을 제조한 뒤 상기 기판에 부착하는 방법으로 상기 그래핀층을 구비할 수 있다. 상술한 방법으로 상기 그래핀층을 구비함으로써, 상황에 따라 적절하게 기판 상에 그래핀층을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 기판(11)이 구비된 상기 그래핀층(13) 일면의 반대면인 타면을 반응물질(G)로 처리하여 표면을 기능화하는 단계(S30)를 포함한다. 상술한 것과 같이 상기 기판(11)이 구비된 상기 그래핀층(13) 일면의 반대면인 타면을 반응물질(G)로 처리하여 표면을 기능화하는 단계(S30)를 포함함으로써, 상기 그래핀층을 기능화, 즉 불화 또는 수소화할 수 있으며, 상기 표면이 기능화된 그래핀층을 가열하여 열충격을 가함으로써 후술하는 것과 같이 박막전구체를 용이하게 분리시킬 수 있다. 구체적으로 표면적이 가장 넓은 나노물질인 2차원 나노물질은 물성을 제어하는 방법 중 표면의 결합 종류를 제어하는 것이 있다. 예를 들어 탄소가 sp2 결합을 이루고 있는 그래핀층의 표면에 불소나 수소 등의 원자를 결합시켜 sp3 결합 기반의 기능화된 그래핀을 제작할 수 있으며, 이를 통해 전기적 특성 및 광학적 특성뿐만 아니라 표면 에너지 조절을 통하여 친수성/소수성 조절이 가능하다. 또한 층 단위의 기능화를 통해 원자층 두께의 균일한 산화물을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 그래핀층 표면의 기능화는 수소화, 불화, 산화시키는 것이나 분자를 그래핀층 표면에 부착하는 것일 수 있다. 상술한 것으로부터 상기 그래핀층 표면의 기능화를 선택함으로써, 구현하고자하는 상기 그래핀층 표면의 물성을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 반응물질을 처리하는 시간은 특별히 제한되지 않으나, 상기 기능화되는 원자층의 수에 따라 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 반응물질이 처리되는 압력은 특별히 제한되지 않으나, 상기 기능화되는 원자층의 수에 따라 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 기능화되는 단계에서 상기 기판은 가열될 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 기판이 상기 기능화 단계에서 가열됨으로써, 상기 그래핀층의 기능화되는 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 기능화된 그래핀층(15)의 타면에 박막(17)을 증착하여 복합체(100)를 제조하는 단계(S50)를 포함한다. 상술한 것과 같이 상기 기능화된 그래핀층(15)의 타면에 박막(17)을 증착하여 복합체(100)를 제조하는 단계를 포함함으로써, sp2 결합을 이루고 있는 그래핀층과 달리 표면 sp3 결합으로 이루어져 표면 에너지가 높기 때문에 박막을 성장시킬 때 균일한 핵성장을 유도할 수 있어 고품질의 박막이 표면에서 성장될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 박막(17)을 증착하는 방법은 물리적 기상 증착(physical vapor deposition, PVD), 화학적 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD) 또는 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD) 중 어느 하나일 수 있다. 상술한 방법으로 상기 박막(17)을 증착함으로써, 상기 증착 효율을 향상시키는 동시에 재질에 따라 안정한 박막을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 복합체(100)를 가열하여 상기 복합체(100)로부터 상기 박막(17)을 분리하는 단계(S70)를 포함한다. 상술한 것과 같이 상기 복합체(100)를 가열하여 상기 복합체(100)로부터 상기 박막(17)을 분리하는 단계 를 포함함으로써, 상기 기능화된 그래핀층의 표면 기능기는 가열하여 제거될 수 있으며 기능기 표면에 증착된 박막은 이 과정에서 그래핀층과 물리적으로 분리된다. 이를 통해 nm 두께의 박막을 그래핀층에서 탈착 즉 분리하여 지지층 없이 독립적으로 제어할 수 있으며, 분리된 박막은 외부 기판이나 다른 박막에 적층할 수 있어 증착 방법을 통해 형성할 수 없는 이종재질의 접합구조를 갖는 박막을 제작할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 박막은 강유전체, 금속, 반도체, 절연막 등일 수 있으며, 박막에서 구현하고자 하는 특정에 따라 제한없이 재질이 선택될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 박막(17)을 상기 복합체(100)로부터 분리하는 온도, 압력 및 시간은 상기 박막(17)과 상기 기능화된 그래핀층(15) 간의 결합에 따라 조절될 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 박막(17)을 상기 복합체(100)로부터 분리하는 온도, 압력 및 시간을 조절함으로써, 상기 박막(17)을 복합체(100)로부터 용이하게 분리할 수 있으며, 박막의 파손을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 그래핀층(13)은 1 개 내지 5 개의 층으로 구비된 것일 수 있다. 상술한 범위에서 상기 그래핀층의 적층되는 층수를 조절하여 상기 그래핀 층의 두께를 조절함으로써, 상기 기판의 재질에 따른 결정학적 특성, 열적 특성, 기계적 특성 및 전기적 특성에 영향을 받지 않도록 그래핀층이 방지하여 다양한 재질의 박막을 제조할 수 있으며, 상기 2차원 물질인 그래핀층의 얇은 두께로 인해 전기적 특성 및 기계적 특성 저하 없이 투명성 및 유연성을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 그래핀층(13)의 두께는 0.34 nm 내지 3.4 nm인 것일 수 있다. 상술한 범위에서 상기 상기 그래핀층의 두께를 조절함으로써, 상기 기판의 재질에 따른 결정학적 특성, 열적 특성, 기계적 특성 및 전기적 특성에 영향을 받지 않도록 그래핀층이 방지하여 다양한 재질의 박막을 제조할 수 있으며, 상기 2차원 물질인 그래핀층의 얇은 두께로 인해 전기적 특성 및 기계적 특성 저하 없이 투명성 및 유연성을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 반응물질(G)은 XeF2, CF4, SF6, HF, H2, CH4 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 반응물질을 선택함으로써, 상기 그래핀층을 기능화할 수 있으며, 가열을 통한 열충격을 통하여 용이하게 박막을 분리할 수 있다. 나아가, 상기 기체상태의 반응물질은 상기 그래핀층을 투과할 수 없으므로 기판이 반응물질에 의하여 영향받는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 반응물질은 기체, 액체 또는 플라즈마인 것일 수 있다. 구체적으로 상기 반응물질이 XeF2인 경우 기체로 상기 그래핀층의 표면을 처리할 수 있으며, 상기 반응물질이 HF인 경우 액체로 상기 그래핀층의 표면을 처리할 수 있고, 상기 반응물질이 CF4 또는 SF6인 경우 플라즈마로 상기 그래핀층의 표면을 처리할 수 있다. 나아가, 상기 그래핀층의 표면의 기능화 특성을 조절하기 위하여 특정한 화합물을 사용하는 경우 상기 화합물의 상에 따라 처리되는 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 반응물질은 기체, 액체 또는 플라즈마인 것으로 구현함으로써 상기 그래핀층의 표면의 기능화 특성을 용이하게 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 반응물질이 XeF2, CF4, SF6, HF, H2, CH4 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 경우, 상기 표면을 기능화하는 단계에서 상기 반응물질은 가열된 것이거나 플라즈마 형태인 것일 수 있다. 상술한 것으로부터 반응물질을 선택함으로써, 상기 그래핀층의 표면을 기능화하여 구현하고자 하는 성질을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 기판(11)과 상기 그래핀층(13)은 반데르발스 힘으로 결합되거나 화학적으로 결합된 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 기판(11)과 상기 그래핀층(13)이 반데르발스 힘으로 결합되거나 화학적으로 결합됨으로써, 기판의 기계적 특성, 전기적 특성, 광학적 특성 및 화학적 특성과 다른 특성을 구현할 수 있으며, 다양한 구조의 접합을 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 박막(17)은 상기 박막(17)이 상기 그래핀층(15)에 증착되는 방향과 나란한 방향으로 쌍극자 힘을 갖는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 기능화된 그래핀층은 극성분자를 갖는 기능기가 표면에 결합되고 상기 기능기의 극성과 그래핀층의 극성 차이로 인하여 쌍극자 힘이 나타난다. 상기 기능화된 그래핀층의 쌍극자 힘은 상기 기능화된 그래핀층에 적층된 상기 박막전구체에 쌍극자 힘을 유발하게 되고 이를 통하여 상기 박막(17)은 상기 박막(17)이 증착되는 방향과 나란한 방향으로 쌍극자 힘을 가질 수 있다, 이를 통하여 상기 박막의 유전특성을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 그래핀층 표면을 기능화하는 단계(S30) 이전에 비활성가스로 퍼징하는 단계(S20)를 더 포함하는 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 기능화하는 단계(S30) 이전에 비활성가스로 퍼징하는 단계(S20)를 더 포함함으로써, 상기 그래핀층에 반응물질을 처리하는 과정에서 이물질 발생을 최소화할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 비활성가스는 N2, He, Ne, Ar 및 이들의 조합으로부터 선택된 하나인 것일 수 있다. 상술한 것으로부터 비활성가스를 선택함으로써, 상기 그래핀층에 반응물질을 처리하는 과정에서 이물질 발생을 최소화할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 박막을 분리하는 단계(S70)에서의 가열 온도는 300 ℃ 이상인 것일 수 있다. 구체적으로 가열 온도는 300 ℃ 이상 900 ℃ 이하, 400 ℃ 이상 800 ℃ 이하, 500 ℃ 이상 700 ℃ 이하, 310 ℃ 이상 400 ℃ 이하, 320 ℃ 이상 400 ℃ 이하, 330 ℃ 이상 400 ℃ 이하, 340 ℃ 이상 400 ℃ 이하, 350 ℃ 이상 400 ℃ 이하, 360 ℃ 이상 400 ℃ 이하 또는 370 ℃ 이상 400 ℃ 이하일 수 있다. 상술한 범위에서 상기 박막을 분리하는 단계(S70)에서의 가열 온도를 조절함으로써, 용이하게 상기 박막(17)을 상기 기능화된 그래핀층(15)으로부터 박리할 수 있다. 나아가, 상기 가열하는 온도는 상기 그래핀층의 기능화된 작용기에 따라 온도는 조절되어 300 ℃ 이하의 온도로 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 복합체를 가열하는 방법은 퍼니스 가열, 자외선 조사에 의한 가열 또는 레이저 조사에 의한 가열인 것일 수 있다. 상술한 것으로부터 상기 복합체를 가열하는 방법을 선택함으로써, 상기 박막을 분리하는 단계의 가열 온도를 용이하게 조절할 수 있으며, 박막의 열에 의한 손상을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 박막(17)을 분리하는 단계(S70)는 상기 복합체(100)의 상기 기능화된 그래핀층(15)에 증착된 면의 반대면에 지지필름(미도시) 또는 추가 박막(미도시)을 구비하는 단계(S71); 및 상기 지지필름(미도시) 또는 추가 박막(미도시)이 구비된 복합체(100)를 가열하여 상기 박막(17)과 상기 지지필름(미도시) 또는 추가 박막(미도시)을 분리하는 단계(S73)를 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 박막 상에 지지필름 또는 추가 박막을 부착한 후 상기 복합체를 가열하여 상기 지지필름이 부착된 박막을 분리하여 상기 박막을 제조할 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 지지필름이 부착된 박막을 분리하여 상기 박막을 제조함으로써 상기 박막의 이용성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 추가 박막은 본 발명의 일 실시상태에 따라 제조된 박막이거나 다른 박막일 수 있으며, 상기 제조과정에서 사용되는 박막과 동일한 재질이거나 상이한 재질일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 지지필름은 폴리카보네이트 필름일 수 있으며, 상기 기능화된 그래핀층과 박막 간의 결합력 보다 상기 지지필름과 상기 박막 간의 결합력이 높은 것이면 제한없이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태는 상기 제조방법에 의하여 제조된 박막(17)을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 박막은 두께가 감소하더라도 고유의 특성을 유지할 수 있으며, 지지층 없이 독립적으로 제어 가능하여, 각기 그래핀에서 형성한 다른 박막을 적층함으로써 증착방법으로 형성하는 것이 불가능한 이종 재질로 접합된 구조의 박막을 형성할 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
실시예 1
SiO2/Si인 기판 상에 물리적 박리 방법으로 3 nm 두께의 그래핀 층을 형성하였다. 그래핀에 기상 XeF2를 400 torr 압력으로 상온에서 120초 동안 노출하여 상기 그래핀 층의 표면을 불화하였으며, 이후 상기 불화된 그래핀 층에 Al2O3 박막을 원자층 증착법을 통해 트리메틸알루미늄(TMA, trimethylaluminum, Al(CH3)3)와 H2O를 전구체로 사용하여 복합체를 형성하였다. 이후 상기 복합체에 350 ℃의 온도로 가열하여 열충격을 가하는 방법으로 상기 박막을 분리하였다. 상기 분리된 박막은 폴리카보네이드(polycarbonate) 지지필름을 이용하여 다른 SiO2/Si 기판 상으로 이동 및 전사하였다.
실시예 2
SiO2/Si인 기판 상에 물리적 박리 방법으로 3 nm 두께의 그래핀 층을 형성하였다. 그래핀에 기상 XeF2를 400 torr 압력으로 상온에서 120 초 동안 노출하여 상기 그래핀 층의 표면을 불화하였으며, 이후 상기 불화된 그래핀 층에 ZnO 박막을 원자층 증착법을 통해 디에틸징크(DEZ, diethylzinc)와 H2O를 전구체로 사용하여 복합체를 형성하였다. 이후 상기 복합체에 350 ℃의 온도로 가열하여 열충격을 가하는 방법으로 상기 박막을 분리하였다. 상기 분리된 박막은 폴리카보네이드(polycarbonate) 지지필름을 이용하여 다른 SiO2/Si 기판 상으로 이동 및 전사하였다.
도 3은 본 발명의 일 실시상태에 따른 실시예에서의 복합체에 열을 가한 모습을 광학 현미경으로 촬영한 사진이다. 상기 도 3을 참고하면, 복합체에 열충격에 의하여 Al2O3 박막이 상기 불화된 그래핀층에서 분리되는 것을 확인하였다.
도 4는 본 발명의 일 실시상태에 따른 실시예에 의하여 제조된 Al2O3 박막을 SiO2/Si 기판에 전사한 모습을 광학 현미경으로 촬영한 사진이다. 도 4를 참고하면, 상기 실시예에서 제조된 Al2O3 박막을 SiO2/Si 기판에 전사한 것으로 Al2O3 박막이 용이하게 다른 기판 상에 전사될 수 있음을 확인하였다.
도 5는 본 발명의 일 실시상태에 따른 실시예에 의하여 제조된 Al2O3 박막을 SiO2/Si 기판에 전사한 이후 원자힘 현미경으로 촬영한 사진 및 상기 기판과 상기 박막의 높이를 나타낸 그래프이다. 도 5를 참고하면, Al2O3 박막의 두께가 약 12 nm에 해당하는 것으로부터 상기 기판의 재질에 관계없이 다양한 박막을 제조할 수 있으며 두께를 얇게 형성할 수 있음을 확인하였다.
도 6은 본 발명의 일 실시상태에 따른 실시예에 의하여 제조된 Al2O3 박막의 표면을 원자힘 현미경으로 확대 촬영한 사진 및 상기 표면의 높이를 나타낸 그래프이다. 상기 도 6을 참고하면, Al2O3 박막의 거칠기가 1 nm 미만음을 확인하였다.
도 7은 본 발명의 일 실시상태에 따른 실시예 2에 의하여 제조된 ZnO 박막을 이용하여 채널을 형성한 전계효과 트랜지스터를 광학 현미경으로 촬영한 사진이다. 상기 도 7을 참고하면, ZnO 박막을 이용하여 채널을 형성하더라도 전계효과 트랜지스터를 구현할 수 있음을 확인하였다.
도 8은 본 발명의 일 실시상태에 따른 실시예 2에 의하여 제조된 ZnO 박막을 이용하여 채널을 형성한 전계효과 트랜지스터의 VGS-IDS 전달특성을 나타낸 그래프이다. 구체적으로 상기 도 8은 불화 그래핀층 위 형성된 ZnO 박막을 열충격으로 탈착하여 다른 SiO2/Si 기판으로 옮긴 후 이를 이용하여 전계효과 트랜지스터를 제작하고 전달 특성을 측정한 결과이다. 도 8을 참고하면, ZnO는 N형 반도체로 활용될 수 있는 금속산화물이며, 산소 농도가 감소함에 따라 전기적 특성이 반도체에서 금속으로 변화한다. VGS가 -80에서 80V로 변할 때 IDS가 On/off 되는 특성을 보이는 것을 보아 N형 반도체로 작동하며 이는 FG 위 박막이 열충격을 받는 과정에서 품질 저하가 나타나지 않는 것을 확인하였다.
결국 본 발명의 일 실시상태에 따른 표면이 기능화된 그래핀층을 이용한 박막의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 박막은 박막을 제조하는 과정에서 기판과 증착하고자하는 물질 사이에 결정학적, 열적, 기계적, 전기적 특성 차이에 의하여 박막 특성이 저하되는 것을 방지하는 것으로 기판에 증착되는 그래핀층의 표면을 불화 또는 수소화하여 기판의 재질에 영향을 받지 않고도 다양한 재질의 박막을 제조할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
[부호의 설명]
S10 : 그래핀층 구비 단계
S30 : 그래핀층 표면 기능화 단계
S50 : 박막 증착 단계
S70 : 박막 분리 단계
11 : 기판
13 : 그래핀층
15 : 기능화된 그래핀층
17 : 박막
100: 복합체
G; 반응물질

Claims (9)

  1. 기판의 일면에 그래핀층을 구비하는 단계;
    상기 기판이 구비된 상기 그래핀층 일면의 반대면인 타면을 반응물질로 처리하여 표면을 기능화하는 단계;
    상기 기능화된 그래핀층의 타면에 박막을 증착하여 복합체를 제조하는 단계; 및
    상기 복합체를 가열하여 상기 복합체로부터 상기 박막을 분리하는 단계를 포함하는,
    표면이 기능화된 그래핀층을 이용한 박막의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 그래핀층은 1 개 내지 5 개의 층으로 구비된 것인,
    표면이 기능화된 그래핀층을 이용한 박막의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응물질은 XeF2, CF4, SF6, HF, H2, CH4 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것인,
    표면이 기능화된 그래핀층을 이용한 박막의 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 반응물질이 XeF2, CF4, SF6, HF, H2, CH4 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 경우, 상기 표면을 기능화하는 단계에서 상기 반응물질은 가열된 것이거나 플라즈마 형태인 것인,
    표면이 기능화된 그래핀층을 이용한 박막의 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판과 상기 그래핀층은 반데르발스 힘으로 결합되거나 화학적으로 결합된 것인,
    표면이 기능화된 그래핀층을 이용한 박막의 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 박막은 상기 박막이 상기 그래핀층에 증착되는 방향과 나란한 방향으로 쌍극자 힘을 갖는 것인,
    표면이 기능화된 그래핀층을 이용한 박막의 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 복합체를 가열하는 방법은 퍼니스 가열, 자외선 조사에 의한 가열 또는 레이저 조사에 의한 가열인 것인,
    표면이 기능화된 그래핀층을 이용한 박막의 제조방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 박막을 분리하는 단계는
    상기 복합체의 상기 기능화된 그래핀층에 증착된 면의 반대면에 지지필름 또는 추가 박막을 구비하는 단계; 및
    상기 지지필름 또는 추가 박막이 구비된 복합체를 가열하여 상기 박막과 상기 지지필름 또는 추가 박막을 분리하는 단계를 포함하는 것인,
    표면이 기능화된 그래핀층을 이용한 박막의 제조방법.
  9. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항의 제조방법에 의하여 제조된 박막.
PCT/KR2022/015921 2021-10-27 2022-10-19 표면이 기능화된 그래핀층을 이용한 박막의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 박막 WO2023075277A1 (ko)

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