KR101093657B1 - 열저항가열방식을 이용한 그래핀막 제조 방법 - Google Patents

Abstract

열저항가열방식(joule heating)을 이용한 그래핀막 제조 방법을 제공한다. 본 발명에서는 그래파이트화 금속막이 형성된 기판을 챔버 내에 장입한 다음, 상기 챔버 내에서 상기 그래파이트화 금속막 및 기판 중 적어도 어느 하나에 전류를 흘려 그 때의 전열 효과에 의해 상기 그래파이트화 금속막을 가열한다. 상기 그래파이트화 금속막이 가열되는 상태에서 상기 챔버 내에 기상 탄소 공급원을 공급하여 상기 그래파이트화 금속막 안에 탄소 성분을 고용시킨 후, 상기 전류의 양을 조절하여 상기 그래파이트화 금속막을 제어된 속도로 냉각시킴으로써 상기 고용시킨 탄소 성분으로부터 상기 그래파이트화 금속막 표면에 그래핀을 석출시킨다.

Description

열저항가열방식을 이용한 그래핀막 제조 방법 {Fabrication method of graphene film by using joule heating}

본 발명은 그래핀막 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 그래파이트화 금속 촉매가 형성된 기판에 기상 탄소 공급원을 공급하여 그래핀을 생성시키는 방법에 관한 것이다.

그래핀은 탄소 원자들이 그래파이트와 같이 2차원으로 결합되어 구성된 물질이며, 그래파이트와는 달리 단층 또는 2 ~ 3층으로 아주 얇게 형성되어 있다. 이러한 그래핀은 유연하고 전기 전도도가 매우 높으며 투명하기 때문에, 투명하고 휘어지는 전극으로 사용하거나 전자 소자에서 전자 수송층과 같은 전자 전송 물질로 활용하려는 연구가 진행되고 있다.

그래핀은 특히 태양 전지 또는 광검출기와 같이 빛을 받아 이를 전기로 전환하는 광기전력(photovoltaic) 원리를 이용하는 전자 소자의 전자 수송층 및 투명 전극으로서 크게 주목 받고 있다. 전자 소자의 투명 전극으로는 ITO(Indium Tin Oxide)가 가장 널리 사용되고 있으나, 주재료인 인듐(In)의 가격 상승 및 고갈 가능성으로 인해 제조비용이 높아지고 있으며, 유연성이 없기 때문에 휘어지는 소자 에 적용하기 곤란한 점이 있다.

기존에 그래핀막을 얻는 방법에는 미세 기계적(micromechanical) 방법과 SiC 결정 열분해 방법이 있다. 미세 기계적 방법은 그래파이트 시료에 스카치테이프를 붙인 다음 이를 떼어내어, 스카치테이프 표면에 그래파이트로부터 떨어져 나온 시트(sheet) 형태의 그래핀을 얻는 방식이다. 이 경우 떼어져 나온 그래핀 시트는 그 층의 수가 일정하지 않으며, 모양도 종이가 찢긴 형상으로 일정하지가 않다. 더욱이 대면적으로 그래핀 시트를 얻는 것은 지극히 곤란하다는 단점이 있다. 그리고 SiC 결정 열분해 방법은 SiC 단결정을 가열하게 되면 표면의 SiC는 분해되어 Si은 제거되고 남아 있는 탄소(C)에 의하여 그래핀이 생성되는 원리를 이용한다. 이 방법의 경우 출발물질로 사용하는 SiC 단결정이 매우 고가이며, 그래핀을 대면적으로 얻기가 매우 어렵다는 문제가 있다.

기존에 투명 전극용 그래핀막을 제작하는 방법 중에는 기판 위에 부착된 그래파이트 위에 촉매를 입힌 후 고분자를 그 위에 덮고 열처리하여 그래파이트로부터 그래핀을 얻은 다음 기판을 제거하여 그래핀막을 얻는 방법이 있다. 이 방법은 고품질의 그래핀막을 얻을 수 있으나 공정 과정이 다소 복잡하다.

다른 방법으로는 그래핀을 산화시킨 후 용액 속에 섞어 분산시킨 뒤 이를 스핀 코팅을 통해 전극 또는 전자 수송층으로 직접 형성하는 방법이 있다. 산화시킨 그래핀을 사용하는 방법은 스핀 코팅과 같은 일반적인 고분자 공정을 사용할 수 있기 때문에 공정 과정이 간단하고 쉽게 대면적의 그래핀막을 형성할 수 있으며 그래파이트를 정제하는 방법에 비해 간단하다는 장점을 가지고 있다. 그러나 산화된 그 래핀을 사용하기 때문에 순수한 그래핀을 사용하는 경우에 비해 전기적 특성이 떨어지며, 단일 박막이 아닌 작은 조각으로 나뉘어 형성되기 때문에 투명 전극으로서의 특성은 기존의 ITO에 비해 떨어진다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고품질의 그래핀막을 간단하고 쉽게 대면적으로 얻을 수 있는 방법을 제공하는 데 있다.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 그래핀막 제조 방법에서는 그래파이트화 금속 촉매가 형성된 기판을 열저항가열방식(joule heating)으로 가열하면서 기상 탄소 공급원을 공급하여 그래핀을 생성할 것을 제안한다. 본 발명에서는 그래파이트화 금속막이 형성된 기판을 챔버 내에 장입한 다음, 상기 챔버 내에서 상기 그래파이트화 금속막 및 기판 중 적어도 어느 하나에 전류를 흘려 그 때의 전열 효과에 의해 상기 그래파이트화 금속막을 가열한다. 상기 그래파이트화 금속막이 가열되는 상태에서 상기 챔버 내에 기상 탄소 공급원을 공급하여 상기 그래파이트화 금속막 안에 탄소 성분을 고용시킨 후, 상기 전류의 양을 조절하여 상기 그래파이트화 금속막을 제어된 속도로 냉각시킴으로써 상기 고용시킨 탄소 성분으로부터 상기 그래파이트화 금속막 표면에 그래핀을 석출시킨다.

상기 기상 탄소 공급원은 CH₄ 가스를 포함할 수 있으며, 상기 기상 탄소 공 급원과 함께 수소를 더 공급할 수도 있다. 상기 기상 탄소 공급원을 공급할 때에 상기 그래파이트화 금속막의 가열 온도는 600 내지 1000℃일 수 있고, 상기 그래핀을 석출시킬 때에 상기 그래파이트화 금속막의 냉각 속도는 초당 1 ~ 50℃일 수 있다. 상기 석출된 그래핀의 두께는 1 내지 1000nm일 수 있으며, 상기 그래파이트화 금속막은 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.

상기 그래핀 석출 이후에 산처리에 의해 상기 그래파이트화 금속막을 제거함으로써, 석출된 그래핀을 상기 기판으로부터 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 기판으로부터 분리된 그래핀은 막 또는 시트 형상을 가지며 이것은 태양 전지와 광검출기와 같은 소자의 투명 전극으로 이용될 수 있다.

본 발명에 따르면, 그래파이트화 금속막 및 기판 중 적어도 어느 하나에 전류를 흘려 그 때의 전열 효과에 의해 그래파이트화 금속막을 가열한다. 즉, 열저항가열방식을 이용한다. 흘려주는 전류에 의해 형성되는 전기장은 그래파이트화 금속막의 입자 사이즈를 크게 하여 그 표면을 매우 평탄하게 된다. 이것은 보다 고품질의 그래핀막을 얻을 수 있게 한다.

그래핀 공정 과정의 가장 마지막인 냉각은 형성되는 그래핀의 품질을 조절하는 데 가장 중요한 요소이다. 본 발명에서는 비활성 가스를 흘려주거나 자연 냉각을 이용하지 않고 열저항가열방식에 있어서 흘려주는 전류의 양을 조절하여 냉각한다. 열저항은 전류량의 의해 정확히 제어가 가능하므로 이에 따른 발열량을 정확히 제어할 수 있어 정확히 원하는 냉각 속도로 조절하는 것이 용이하다.

또한, 본 발명은 상압에서 진행할 수 있으므로 공정이 간단하고 대량 생산이 가능하며, 저항 히터나 램프의 복사열에 의해 간접적으로 기판을 가열하는 방법이 아니라 열저항가열방식에 의하여 직접 가열하는 방식이므로 히터 디자인 변경 등이 필요하지 않아 저비용으로 대면적화에 유리하다.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

도 1은 본 발명의 순서도이고, 도 2 내지 4는 그에 따른 개략적인 실시 도면들이다.

먼저 도 2와 같이 기판(10) 위에 그래파이트화 금속막(20)이 형성된 것을 준비하여, 도 3과 같이 챔버(30) 내에 장입한다(도 1의 단계 S1).

여기서의 챔버(30)는 기본적으로 CVD를 행할 수 있도록 기판(10) 측에 각종 가스를 공급할 수 있는 가스 공급 기구(35)가 설치되어 있다. 가스 공급 기구(35)는, 예를 들면 통상 이러한 종류의 장치의 가스 공급 기구로서 이용되는 샤워헤드로 구성할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 그래파이트화 금속막(20)이 형성된 기판(10)을 챔버(30) 내에 장입한 후에는 미도시의 펌프 등을 이용해 챔 버(30) 내의 공기를 제거한다. 그 후 챔버(30) 내의 진공을 유지하면서 가스 공급 기구(35)를 통해 적절한 분위기 가스, 예컨대 수소와 아르곤 가스를 1:1 내지 1:6 사이의 비율로 흘려주어 상압을 유지시킨다.

기판(10)은 그래핀막을 형성하기 위한 보조적인 수단으로서 기판(10) 재질은 크게 상관이 없으나, 후속 공정에서 1000℃ 근방으로 가열되는 것에는 견딜 수 있어야 하며 기판(10)과 분리된 시트 형상의 그래핀막을 얻기 위해서는 산처리 등에 의해 쉽게 제거될 수 있는 재질로 선택함이 바람직하다. 이러한 성질을 만족하면서 비싸지 않고 쉽게 입수할 수 있는 기판(10) 재질로서 본 실시예에서는 도핑되거나 도핑되지 않은 실리콘 기판을 채택하고, 그 위에 실리콘 산화막(15)을 형성한 후에 그래파이트화 금속막(20)을 형성한다.

그래파이트화 금속막(20)은 그래파이트화 금속 촉매를 포함하는 막으로서, 그래파이트화 금속 촉매는 탄소 성분들이 서로 결합하여 6각형의 판상 구조를 형성하도록 도와주는 역할을 수행하며, 그 예로서는 그래파이트를 합성하거나, 탄화 반응을 유도하거나, 또는 탄소나노튜브를 제조하는 데 사용되는 촉매를 사용할 수 있다. 보다 구체적으로는, Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 또는 합금을 사용할 수 있다.

그래파이트화 금속막(20)은 이러한 금속의 착체 또는 금속의 알콕사이드를 알코올 등의 용매에 용해시킨 후 기판(10) 위에 도포하여 건조시켜 형성할 수 있다. 아니면 열증착 등의 금속 증착 방법으로 기판(10) 위에 증착시켜 형성할 수도 있다.

특히 본 발명의 실시에 이용되는 챔버(30) 내부에는 기판(10) 양단 근방에 전극(40)을 설치하는 점이 특별한데, 이 전극(40)에는 챔버 외부의 전원(50, 직류 또는 교류 전원)이 접속되어 있어, 도 3에 도시한 바와 같이 전극(40)을 그래파이트화 금속막(20)이 형성된 기판(10)에 접촉시키면, 기판(10)이 도핑되지 않은 실리콘 기판처럼 절연성인 경우에는 그래파이트화 금속막(20)을 통해 전류를 흘려줄 수 있고, 기판(10)이 도핑된 실리콘 기판과 같은 도전성 기판이면 그래파이트화 금속막(20)이나 기판(10) 중 적어도 어느 한쪽을 통해 전류를 흘려줄 수 있다. 도 3에 도시한 전극(40)은 기판(10)의 상/하 양단에 기판(10)의 마주보는 두 변을 따라 신장되어 있는 형태의 두 쌍의 전극이지만, 전극(40)의 형태는 도시한 바에 한정되지 않고 그래파이트화 금속막(20) 및/또는 기판(10)을 고르게 통전시킬 수 있는 구조이면 어떠한 것이라도 가능하다.

다음, 상압을 유지한 상태로 챔버(30) 내에서 그래파이트화 금속막(20) 및 기판(10) 중 적어도 어느 하나에 전류를 흘려 그 때의 전열 효과에 의해 그래파이트화 금속막(20)을 가열한다(도 1의 단계 S2). 즉, 열저항가열방식을 이용해 그래파이트화 금속막(20)의 온도를 올리는 것이다. 바람직하게는 그 온도를 600 ~ 1000℃로 올려준다. 이 때의 가열 효과로 인해 그래파이트화 금속막(20)의 입자 사이즈가 커지면서 그래파이트화 금속막(20) 표면이 평평해진다.

앞에서 언급한 바와 같이, 챔버(30) 내부의 전극(40)을 기판(10)에 접촉시킴으로써 그래파이트화 금속막(20) 및/또는 기판(10)에 급전 가능해지고 이 때의 전 열 효과에 의해 그래파이트화 금속막(20)이 가열된다. 기판(10)이 절연성인 경우에는 그래파이트화 금속막(20)이 통전되면서 그래파이트화 금속막(20)의 직접 발열에 의해 온도가 올라간다. 금속 촉매가 막 형태로 형성되어 있고 전극(40)이 기판(10) 양단에 접촉되어 있기 때문에 그래파이트화 금속막(20)의 전면에 거의 균일하게 전류를 흘릴 수 있다. 이와 같이, 그래파이트화 금속막(20)에 전류를 흘리는 것만으로, 복잡한 제어를 행하는 일이 없이 전열 효과에 의해 그래파이트화 금속막(20)의 전체가 거의 균일하게 가열되어 승온된다. 기판(10)이 도전성인 경우에 기판(10)을 통전시키면 기판(10)이 발열되고 그 위에 형성되어 있는 그래파이트화 금속막(20)은 쉽게 가열된다.

본 발명에 특유한 이 단계에서 그래파이트화 금속막(20)은 가열 효과 뿐만 아니라 흘려주는 전류에 의해 형성된 전기장에 의한 추가적인 효과로 인해 그래파이트화 금속막(20)을 구성하고 있는 금속 입자 사이즈가 커지게 되고 이에 따라 그래파이트화 금속막(20) 표면은 매우 평평해진다. 후속 공정에서 그래핀은 이렇게 평평해진 그래파이트화 금속막(20) 위에 형성되므로 그 품질이 우수해진다.

다음, 그래파이트화 금속막(20)이 가열되는 상태에서 가스 공급 기구(35)를 통해 챔버(30) 내에 기상 탄소 공급원을 공급하여 그래파이트화 금속막(20) 안에 탄소 성분을 고용시킨다(도 1의 단계 S3).

기상 탄소 공급원은 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 헥산과 같은 탄화수소 가스 계열을 이용할 수 있는데, 특히 CH₄ 가스를 포함할 수 있으며, 기상 탄소 공급원과 함께 수소를 더 공급할 수 있다. 다시 말해, 챔버(30) 내의 상압을 유지하기 위한 수소-아르곤 가스의 혼합 가스를 계속 공급하면서 기상 탄소 공급원인 CH₄ 가스를 이 단계에서 공급할 수 있다. 이 단계에서의 가열 온도, 시간, 기상 탄소 공급원의 공급량 등을 조절하는 것에 의해 그래파이트화 금속막(20) 안에 고용되는 탄소 성분의 양을 조절하는 것이 가능하다. 시간과 공급량을 크게 해 고용되는 탄소 성분의 양을 많게 할 경우 결과적으로 그래핀막의 두께를 크게 할 수 있으며, 반대로 시간과 공급량을 작게 해 고용되는 탄소 성분의 양을 적게 하면 그래핀막의 두께를 작게 할 수 있다. 공급량이 작은 경우 시간을 길게 하면 원하는 정도의 탄소 성분의 양을 고용시킬 수 있다.

보통 가열을 필요로 하는 기판의 처리에 있어서는 저항 히터나 램프의 복사열에 의해 간접적으로 기판을 가열하는 방법이 주로 이용되고 있다. 최근, 박막 디스플레이의 대형화나 저렴한 태양 전지 패널의 수요 증대 등으로 인해, 투명 전극용의 그래핀막도 대형화될 것이 요구되고 있다. 이와 같은 대형의 그래핀막을 얻기 위해서는 그래핀막이 형성되는 기재로서의 기판(10)을 대형으로 해야 하는데 기존의 저항 히터나 램프 등을 이용하여 복사에 의해 간접적으로 가열하는 방법에서는 히터 등의 사이즈도 대형화할 필요가 생기기 때문에 제조비용의 증가가 우려된다.

그러나 본 발명에서는 열저항가열방식을 이용해 기판(10) 및/또는 그래파이트화 금속막(20)을 직접 통전 가열하므로, 간단한 구성에 의해 효율 좋게 가열할 수 있고 제조비용의 증가가 없으며, 기판(10)이 절연성인 경우뿐만 아니라 도전성 인 경우에도 그래파이트화 금속막(20)을 가열하는 것이 가능하다.

다음, 기상 탄소 공급원의 공급을 중단하고 열저항가열방식에서의 흘려주는 전류의 양을 줄여 그래파이트화 금속막(20)을 제어된 속도로 냉각(도 1의 단계 S4)시킴으로써, 그래파이트화 금속막(20) 안에 고용시킨 탄소 성분으로부터 그래파이트화 금속막(20) 표면에 도 4와 같이 그래핀을 석출시켜 그레핀막(60)을 형성한다.

이 냉각 공정은 그래핀을 균일하게 석출시켜 고품질을 얻기 위한 중요한 단계로서, 급격한 냉각은 원하는 두께에 못 미치는 그래핀을 얻거나 생성되는 그래핀막에 균열 등을 야기할 수 있으며 느린 냉각은 그래핀의 두께가 너무 두껍거나 생산성을 저해하므로 가급적 제어된 일정 속도로 냉각시키는 것이 바람직하다. 이상적인 냉각 속도는 초당 1 ~ 50℃의 속도로 냉각시키는 것이고 가장 이상적인 경우는 초당 10℃씩 냉각시키는 것이다.

보통의 막 형성 후 냉각은 주로 비활성 가스를 흘려주거나 자연 냉각 등의 방법을 사용하고 있다. 그러나 본 발명에서와 같은 그래핀의 생성 후 비활성 가스를 사용하여 냉각을 한다면 비활성 가스에 의해 간접적으로 온도를 조절하기 때문에 정확한 온도 제어가 어렵다. 자연 냉각의 경우는 온도 제어를 전혀 하지 않는 방법이기 때문에 본 발명에서와 같은 그래핀의 생성 후 자연 냉각을 시킨다면 공정은 간단해지지만 그래핀의 품질이 크게 나빠질 수 있다.

본 발명에서는 전류량 조절로 발열량을 제어할 수 있기 때문에 전류의 양을 변화시킴으로써 그래파이트화 금속막(20)의 냉각 속도를 정확하게 제어하는 것이 매우 용이하다. 따라서, 본 발명에서와 같은 냉각 방식을 이용하면 고품질의 그래 핀을 성장시킬 수 있다. 그래핀막(60)의 두께는 1 내지 1000nm일 수 있으며, 이보다 두꺼운 것도 물론 가능하다. 즉, 그래핀막(60)은 박막 또는 후막으로 형성할 수 있다.

다음에 산처리에 의해 그래파이트화 금속막(20)을 제거함으로써, 그래핀막(60)을 기판(10)으로부터 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 실시예에서 그래핀막(60)이 형성된 기판(10)을 HF 및 TFG 용액에 순차적으로 담그면 실리콘 산화막(15)과 그래파이트화 금속막(20)이 차례대로 제거되어 시트 형상의 그래핀막(60)을 기판(10)으로부터 완전 분리하여 추출할 수 있게 된다.

이와 같이, 본 발명에 의하면 열저항가열방식을 이용해 그래파이트화 금속막의 온도를 쉽게 올리며 그래파이트화 금속막의 표면을 평평하게 할 수 있고 냉각시의 온도를 제어함에 따라 고품질의 그래핀막을 형성할 수 있게 된다. 또한 본 발명은 상압에서 진행할 수 있으므로 공정이 간단하여 대량 생산이 가능할 뿐만 아니라, 챔버의 히터 디자인 변경 등이 필요 없어 대면적화에 유리하다.

(실험예)

SiO₂가 형성된 p형 실리콘 기판을 아세톤과 에탄올로 초음파 처리한 후 탈이온수(DI-water)를 이용하여 세척하였다. 세척한 기판을 N₂ 가스로 건조시키고 기판 위에 그래파이트화 금속막으로서 Ni막을 200 nm 이상 열증착하였다.

본 발명에 따른 방법을 수행하기 위해 Ni막이 증착된 기판을 CVD룰 위한 챔버 안에 넣고 공기를 빼 진공 상태를 만든 후, 수소와 아르곤이 1:4로 혼합된 가스 로 상압을 채워주었다. 상압을 유지한 상태로 기판 및 Ni막에 전류를 흘려주어 Ni막의 온도를 800℃까지 높여 Ni막 표면을 평평하게 만들었다.

열저항가열방식을 이용하여 가열을 할 때에는 시편의 크기 및 실리콘 기판의 도핑 농도에 따라 전류 및 전압 조건에 차이가 있다. 보통 쉽게 입수할 수 있는 p형 실리콘 기판을 사용해 시편 크기가 1cm x 6cm일 때에는 전압 5~10V, 전류 10~20A를 흘려주면 800~900℃로 가열할 수 있다. 시편의 크기가 2.5cm x 6cm일 때에는 전압 10~15V, 전류 20~30A를 흘려주면 800~900℃로 가열할 수 있다.

Ni막 표면을 800℃로 유지하면서 CH₄ 가스 및 수소-아르곤 혼합 가스를 각각 50 sccm, 200 ~ 300 sccm의 비율로 30초 동안 흘려준 후 전류의 양을 줄여 초당 10℃씩 상온까지 냉각시켰다.

도 5의 (a)는 그래파이트화 금속막으로서 Ni막을 열증착한 상태(as-depo)의 SEM 사진이다. 열증착한 상태의 Ni막은 도 5의 (a)에서 보는 바와 같이 매우 작은 사이즈의 입자들로 이루어진 다결정막이며 입자들 사이의 계면이 많은 부분을 차지하여 표면 거칠기가 나쁘다.

도 5의 (b)는 본 발명과의 비교를 위해 Ni막을 단순히 퍼니스에서 900℃, 15분 조건으로 열처리한 경우의 SEM 사진이고, 도 5의 (c)는 본 발명에 따라 Ni막과 기판에 전류를 흘려주어 Ni막을 열처리한 경우의 SEM 사진이다. 이 때 시편의 크기는 1cm x 5cm이었고 전압 10V, 전류 15A를 흘려주었다.

도 5의 (b)와 (c)를 보면 열처리하지 않은 경우인 도 5의 (a)에 비해 Ni의 입자 사이즈가 증가하였으며 표면 거칠기 또한 개선된 것을 볼 수 있는데, 특히 본 발명에서와 같이 전류를 인가하여 그 때의 전열 효과로 열처리하는 경우인 (c)가 전류를 이용하지 않은 (b) 경우에 비하여 같은 시간, 같은 온도의 열처리일지라도 더욱 입자 사이즈가 커지고 표면이 평평해진 것을 확인할 수 있다. 본 발명에 따르면 이러한 (c) 상태의 평평한 표면을 갖는 Ni막 위에 기상 탄소 공급원을 공급하여 그래핀을 생성시키게 되므로 그래핀이 고품질로 형성된다.

도 6은 본 발명 실험예에 따라 열저항가열방식으로 Ni막 위에 그래핀이 성장한 것을 보여주는 SEM 사진이다. 평평한 표면을 갖는 Ni막 위에 CH₄ 가스를 공급원을 공급하여 그래핀을 생성시킨 것이며 냉각 속도를 일정하게 제어하였으므로 생성된 그래핀막은 Ni막의 평평한 표면 상태를 그대로 따라 형성되어 평평하며 표면 품질이 매우 우수한 것을 확인할 수 있다.

그래핀이 성장된 기판을 HF 용액에 넣어 SiO₂를 식각한 후, TFG 용액에 넣어 Ni막을 식각시켜 최종적으로 시트 형상의 그래핀막만 추출하였다. 이러한 그래핀막은 태양 전지 또는 광검출기와 같은 소자의 투명 전극으로 이용할 수 있을 정도로 기계적 및 전기적 물성이 우수한 것으로 평가되었다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경 은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 본 발명의 순서도이다.

도 2 내지 4는 본 발명에 따른 개략적인 실시 도면들이다.

도 5는 열증착된 상태의 Ni막, 본 발명과의 비교를 위해 퍼니스 열처리된 Ni막 및 본 발명에 따라 열저항가열방식으로 열처리된 Ni막의 표면 SEM 사진들이다.

도 6은 본 발명 실험예에 따라 Ni막 위에 그래핀이 성장한 것을 보여주는 SEM 사진이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10...기판 15...실리콘 산화막

20...그래파이트화 금속막 30...챔버

35...가스 공급 기구 40...전극

50...전원 60...그래핀

Claims (8)

1. 그래파이트화 금속막이 형성된 기판을 챔버 내에 장입하는 단계;

   상기 챔버 내에서 상기 그래파이트화 금속막 및 기판 중 적어도 어느 하나에 직접 전류를 흘려 열저항가열방식(joule heating)으로 상기 그래파이트화 금속막을 가열하는 단계;

   상기 그래파이트화 금속막이 가열되는 상태에서 상기 챔버 내에 기상 탄소 공급원을 공급하여 상기 그래파이트화 금속막 안에 탄소 성분을 고용시키는 단계; 및

   상기 전류의 양을 조절하여 상기 그래파이트화 금속막을 제어된 속도로 냉각시킴으로써 상기 고용시킨 탄소 성분으로부터 상기 그래파이트화 금속막 표면에 그래핀을 석출시키는 단계를 포함하는 그래핀막 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 기상 탄소 공급원은 CH₄ 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀막 제조 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 기상 탄소 공급원과 함께 수소를 더 공급하는 것을 특징으로 하는 그래핀막 제조 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 기상 탄소 공급원이 공급되는 동안 상기 그래파이트화 금속막의 가열 온도는 600 내지 1000℃인 것을 특징으로 하는 그래핀막 제조 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 그래핀을 석출시키는 동안 상기 그래파이트화 금속막의 냉각 속도는 초당 1 ~ 50℃인 것을 특징으로 하는 그래핀막 제조 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 석출된 그래핀의 두께가 1 내지 1000nm인 것을 특징으로 하는 그래핀막 제조 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 그래파이트화 금속막이 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 그래핀막 제조 방법.
8. 제1항에 있어서, 산처리에 의해 상기 그래파이트화 금속막을 제거함으로써, 석출된 그래핀을 상기 기판으로부터 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀막 제조 방법.

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