KR101125075B1 - 이형방지 조성물, 상기 이형방지 조성물을 포함하는 그래핀 적층체 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 그래핀에 대한 부착력이 우수한 이형방지 조성물, 상기 조성물을 포함하는 그래핀 적층체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 제조된 그래핀 적층체는 면저항이 낮고, 내구성이 우수하여 다양한 형태의 소자로 활용 가능하다.

Description

이형방지 조성물, 상기 이형방지 조성물을 포함하는 그래핀 적층체 및 그 제조방법{Anti-releasing composition, graphene laminate comprising the composition and preparation method of the same}
본 발명은 그래핀에 대한 부착력이 우수한 이형방지 조성물, 상기 조성물을 포함하는 그래핀 적층체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
그래핀(graphene)이란 흑연을 의미하는 그라파이트(graphite)와 탄소(carbon)의 이중결합을 가진 분자를 뜻하는 접미사 -ene을 결합해서 만든 용어로서 육각형의 격자를 가진 탄소의 2차원적인 동소체를 의미한다. 그래핀의 무한한 평면은 원자가띠와 전도띠가 만나는 지점에 전자가 공백인 에너지 영역을 보인다. 그래핀의 성질을 보다 구체적으로 살펴보면 아래와 같다.
그래핀층의 두께는 탄소원자 1개에 해당하는 약 0.34nm로 기존의 물질과 다른 매우 유용한 특성을 가지고 있다. 특히, 단층 그래핀 내에 캐리어 이동도는 실온에서 실리콘에 비하여 100배나 높은 최대 20만cm2/Vs이 되어 종래 최대로 알려진 인듐 안티몬(InSb)의 7.7만cm2/Vs를 훨씬 넘어선다. 또한, 실온에서의 전기 저항치도 구리의 2/3로 작으며 1억~2억A/cm2의 전류밀도를 가져 구리에 흐르는 양의 약 100배의 전류밀도에 견딜 수 있다. 이러한 우수한 물성으로 인해, 그래핀층은 전자 소자용 재료로서 매우 높은 응용 가능성을 가지고 있으며, 트랜지스터, 레이저, 터치패널, 유기발광소자, 태양전지 또는 이차전지의 전극 등으로 응용이 가능하다.
그래핀을 실제로 응용하기 위하여 대면적 또는 미세 패턴을 가지는 균일한 그래핀층을 제조하여야 한다. 이를 위해서, 다양한 연구가 진행된 바 있다. 예를 들어, 기계적 박리법, 화학기상증착(CVD)법, SiC 기판의 열분해법 및 산화 그래핀 제조법 등이 있다.
이 중에서 화학기상증착법은 구리 등과 같은 금속 촉매 코팅막 또는 금속 촉매 호일 등을 진공로 안에 넣고 메탄 등의 탄소 공급원을 기상으로 투입하면서 1000℃ 정도에서 열처리한 후 냉각하여 제조하는 방법이다. 이러한 화학기상증착법은 단층에서 수개층의 균일한 그래핀 박막 제조가 가능하고, 증착시간에 따라 수 나노미터에서 수백 나노미터 두께의 박막과 수백 나노미터에서 수 마이크로 두께의 후막 그래핀층을 제조할 수 있다.
일반적으로 금속 촉매상에 형성된 그래핀층은 불투명하여 그 자체로는 응용성이 떨어진다. 이를 실제로 응용하기 위해서는 금속 촉매가 제거된 그래핀층만을 목적 기판으로 옮기는 별도의 전사기술이 요구된다.
금속 촉매상에 형성된 그래핀층을 원하는 목적 기판에 전사하기 위하여 기존에 사용되는 방법으로, 금속 촉매층에 형성된 그래핀층에 고분자를 코팅, 에칭하여 그래핀층을 고분자 지지체에 전사하고 이를 다시 원하는 목적 기판에 올린 후 상기 고분자 지지체를 녹여 내어 전사하는 방법이 알려져 있다. 그러나, 전사 과정에서 사용되는 유기용제 또는 건조공정 중 발생하는 고분자의 수축에 의해 그래핀층의 찌그러짐, 겹침, 뜯어짐 등과 같은 여러 가지 문제점들이 발생된다. 또한, 에칭 공정에서도 에칭액에 의해 그래핀층의 이형, 찌그러짐, 겹침, 뜯어짐과 같은 결함을 유발 시킬 수 있다. 게다가, 최종 기판에 전사한 후에도 고분자 지지체를 완벽하게 제거하기 어렵다는 문제가 있다.
이러한 용액 공정에서 발생하는 문제점을 개선하기 위한 방법으로 유기용제를 사용하지 않고 금속 촉매상에 형성된 그래핀층과 접착 및 탈착이 가능한 열박리 테이프(thermal release tape)를 사용한 예가 보고 되었다. 하지만, 이 경우 다양한 표면 물성을 가진 목적 기판과 소수성을 갖는 그래핀층의 표면 물성의 차이에 의해 전사효율이 떨어질 수 있다. 또한, 목적 기판과 전사된 그래핀층 사이의 부착력이 저하되어 그래핀층이 쉽게 이형되는 단점이 있다. 즉, 기판상에 전사된 그래핀층이 외부의 물리적, 화학적 환경에 쉽게 영향을 받아 그래핀층의 전극 응용에 중요한 물성인 전기전도도가 변하는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명은 그래핀층에 대한 부착력이 우수한 이형방지 조성물, 상기 조성물을 포함하는 그래핀 적층체 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 그래핀 적층체는 기판, 상기 기판 상에 형성되는 이형방지층 및 그래핀층을 포함한다. 또한, 그래핀층에 대한 부착력이 우수한 이형방지 조성물을 제공하며, 상기 조성물을 이용하여 그래핀 적층체를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명은 그래핀층에 대한 부착력이 우수한 이형방지 조성물을 제공하며, 상기 조성물을 포함하는 그래핀 적층체는 면저항이 낮고, 내구성이 우수하여 다양한 형태의 전자 소자로 활용 가능하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 적층체에 대한 적층구조를 나타낸 모식도이다;
도 2 및 3은 각각 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 적층체의 제조과정을 나타낸 모식도이다;
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀층을 포함하는 적층구조를 나타낸 단면도이다;
도 5는 본 발명의 그래핀 적층체에 대한 면저항을 비교 측정한 결과를 나타낸 그래프이다;
도 6은 본 발명의 이형방지층에 대한 물방울 접촉각을 측정하여 소수성 정도를 비교한 그래프이다;
도 7은 본 발명의 그래핀 적층체에 대한 광투과도를 측정하여 비교한 그래프이다;
도 8은 본 발명의 그래핀 적층체에 대한 굽힘 테스트에 따른 면저항 변화를 측정하여 이형방지층의 부착 안정성을 테스트한 결과이다;
도 9는 본 발명의 그래핀 적층체에 대한 라만 스펙트럼을 측정한 결과이다;
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 이형방지 조성물을 이용하여 기판상에 그래핀층을 전사한 결과를 광학 현미경으로 관찰한 사진이다.
본 발명의 그래핀 적층체는, 기판, 상기 기판상에 형성되는 이형방지층 및 그래핀층을 포함한다.
본 발명의 이형방지층은 소수성 고분자 물질을 포함할 수 있다. 소수성 고분자 물질을 포함하는 이형방지층은 소수성이 강한 그래핀과의 접착력이 우수하다는 장점이 있다. 일실시예에서, 상기 이형방지층은 물방울 접촉각이 60° 이상일 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 이형방지층은 물방울 접촉각이 60° 내지 110° 범위일 수 있다. 본 발명에서 물방울 접촉각이란, 물방울이 이형방지층 위에서 열역학적 평형을 이를 때 형성되는 각을 의미하며, 높은 접촉각은 낮은 젖음성, 즉 소수성을 나타낸다. 본 발명에 따른 이형방지층에 대한 물방울 접촉각은 60° 이상으로 높은 접촉각을 나타내고, 이는 본 발명에 따른 이형방지층이 소수성이 강한 그래핀과의 부착력이 우수하다는 것을 의미한다.
일실시예에서, 상기 소수성 고분자 물질은 탄화수소 유도체일 수 있으며, 소수성 부분과 극성 부분을 동시에 포함하는 구조일 수 있다. 구체적으로, 소수성 부분은 C1 내지 C50 알킬기, C4 내지 C60 사이클로 알킬기 및 C6 내지 C60 방향족 탄화수소기 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 상기 극성 부분은 알코올기(-OH), 카르복실산기(-COOH), 술폰산기(-SO3H), 아민기(-NH2 또는 -NH-), 카보닐기(-CO-), 시아노기(-CN) 및 할로겐기 중 하나 이상을 포함하는 탄화수소 유도체일 수 있다.
본 발명에 따른 소수성 고분자 물질은 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 아크릴계, 에폭시계, 실리콘계, 에틸렌비닐아세테이트계, 폴리비닐클로라이드계, 폴리우레탄계, 페놀계, 폴리에스테르계, 폴리에테르계, 폴리술피드계, 폴리이미드계 및 폴리아미드계 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 이형방지층은 그래핀층 및 기판과 우수한 접착 특성을 갖는다. 예를 들어, 상기 이형방지층은 상온 또는 가열에 의해 접착성능을 나타내는 아크릴계 공중합체일 수 있다. 상기 이형방지층은 그래핀층과의 우수한 접착력으로 인해 구리 호일과 같은 금속 촉매층에 형성된 그래핀층과 이형방지층이 형성된 기판을 마주하도록 하여 상온 또는 가열과 동시에 압력을 가하면 그래핀층과 이형방지층을 효과적으로 접착시킬 수 있다. 이러한 우수한 접착 특성은 그래핀의 전사 효율을 높일 수 있으며, 외부 환경 요인에 대해 그래핀층의 안정성을 향상 시킬 수 있다.
이형방지층이, 그래핀층과 우수한 접착력을 가지기 위해서는, 접착 (adhesion) 특성과 더불어 응착 (cohesion) 특성이 요구된다. 본 발명에서, 접착은 그래핀과 이형방지층의 계면에서 서로 다른 물질들의 분자간 인력에 의해 긴밀한 접촉관계를 유지하는 것을 의미하고, 응착은 이형방지층 내에서 원자, 분자 또는 이온 사이에 작용하는 인력을 의미한다. 따라서, 상기 이형방지층이 우수한 접착 특성을 가지기 위해서는 이형방지층을 구성하는 물질의 분자간 우수한 응착특성과 더불어 기판과 그래핀층 사이에 우수한 접착 특성을 동시에 가져야 한다. 특히 본 발명에서 이루고자 하는 그래핀층의 전사 효율 향상과 전사된 그래핀층의 물리적 또는 화학적 안정성을 위해서는 그래핀층과 기판사이의 우수한 접착특성이 요구된다.
본 발명에 따른 이형방지층은 다량의 소수성기가 아크릴계 고분자의 가지사슬에 도입된 구조일 수 있다. 이는 일반적으로 소수특성을 보이는 그래핀층과 우수한 접착특성을 가지도록 하기 위한 것이다. 상기 소수성기로는, 예를 들어, 알킬기, 사이클로 알킬기와 같은 단일 결합으로 이루어진 탄화수소 유도체를 포함할 수 있다. 또한, 상기 소수성기로는 다량의 파이전자를 갖는 페닐기 또는 아릴기를 포함하는 방향족 탄화수소 유도체를 포함할 수 있다. 상기 방향족 탄화수소 유도체의 경우 다량의 파이전자를 보유하고 있는 그래핀과의 접착성을 향상 시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 이형방지층은 하기 화학식 1 및 2 중 하나 이상의 반복 구조를 포함할 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112011049826735-pat00001
[화학식 2]
Figure 112011049826735-pat00002
상기 화학식 1 또는 2에서,
R1은 C5 내지 C30 알킬기이고,
R2는 C5 내지 C20 알킬기; 또는 C1 내지 C20 알킬기가 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기이고,
X1 및 X2는 각각 독립적으로 수소 또는 C1 내지 C5 알킬기이고,
n은 0 내지 10의 정수이다.
일실시예에서, 본 발명에 따른 이형방지층은 응착력을 향상시키기 위하여 아크릴계 고분자의 가지 부분에 극성기가 도입된 구조일 수 있다. 예를 들어, 상기 이형방지층은 하기 화학식 3의 반복 구조를 더 포함할 수 있다.
[화학식 3]
Figure 112011049826735-pat00003
상기 식에서,
R3는 알코올기; 할로겐기; 또는 말단에 알코올기, 카르복실기, 술폰산기, 아민기, 카보닐기, 시아노기 및 할로겐기 중 하나 이상을 포함하는 C1 내지 C10의 알킬기이고,
X3는 수소 또는 C1 내지 C5의 알킬기이다.
또한, 본 발명에 따른 이형방지층은 점착특성을 부여하는 중요한 요소인 유리전이 온도를 제어함으로써, 이형방지물질의 온도에 따른 점착 특성을 조절할 수 있다. 이형방지물질의 온도에 따른 점착특성을 조절하기 위해서, 아크릴계 고분자의 가지사슬에 부틸기 또는 에틸헥실기와 같은 유연성을 부여하하는 기능기; 또는 메틸기와 같이 강직성을 부여하는 기능기를 적절히 도입할 수 있다.
예를 들어, 상기 이형방지층은 하기 화학식 4의 반복 구조를 포함할 수 있다.
[화학식 4]
Figure 112011049826735-pat00004
상기 식에서,
R4는 C1 내지 C10 직쇄(linear chain) 또는 측쇄(branched chain)를 포함하는 알킬기이고,
X4는 수소 또는 C1 내지 C5 알킬기이다.
위 화학식 1 내지 4에 나타낸 구조의 반복 횟수는 특별히 제한되지 않는다. 이는 화학식 1 내지 4의 반복 구조들이 매트릭스 구조를 형성하면서 하나의 층을 형성하기 때문이다. 예를 들어, 상기 화학식 1 내지 4의 구조의 반복 횟수는 각각 독립적으로 1 내지 1,000,000 범위일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
강직성 또는 유연성기를 가진 기능기의 정량적 조절을 통하여, 제조된 이형방지층은 영하 10℃ 내지 영상 80℃ 범위에서 유리전이 온도를 가질 수 있다.
일실시예에서, 상기 이형방지층의 조성은 그래핀과의 접착 향상을 위한 기능기를 가진 화학식 1 및/또는 2의 반복구조 분율 60 내지 95몰%, 접착물의 응착력 향상 기능기를 가진 화학식 3의 반복구조 분율 2 내지 20몰%, 및 유연성 또는 강직성 부여 기능기를 가진 화학식 4의 반복구조 분율 3 내지 20몰%를 포함할 수 있다.
또 다른 일실시예에서, 상기 그래핀층의 면저항은 5kΩ/sq 이하일 수 있다. 바람직하게는 그래핀층의 면저항은 10Ω/sq 내지 2.8kΩ/sq 범위일 수 있다. 일반적으로 그래핀층의 면저항이 10Ω/sq 이하일 경우 광투과도가 급격히 떨어지며, 2.8kΩ/sq 이상일 경우에는 전극으로 응용이 어렵다. 본 발명에 따른 이형방지층은 면저항값이 매우 낮다는 특징이 있다. 이러한 우수한 전기적 특성으로 인해 본 발명의 그래핀 적층체는 다양한 전자소자의 전극으로 응용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀이 코팅된 기판의 적층구조를 나타낸 모식도이다. 도 1을 참조하면, 기판(10)과 기판(10) 상의 이형방지층(20)과 그래핀층(30)이 순차적으로 적층되는 구조임을 알 수 있다.
또한, 본 발명은 하기 화학식 1 및 2 중 하나 이상의 반복 구조를 포함하는 이형방지 조성물을 제공한다.
[화학식 1]
Figure 112011049826735-pat00005
[화학식 2]
Figure 112011049826735-pat00006
상기 화학식 1 또는 2에서,
R1은 C5 내지 C30의 알킬기이고,
R2는 C5 내지 C20의 알킬기; 또는 C1 내지 C20의 알킬기가 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 아릴기이고,
X1 및 X2는 각각 독립적으로 수소 또는 C1 내지 C5의 알킬기이고,
n은 0 내지 10의 정수이다.
상기 이형방지 조성물은 하기 화학식 3의 구조를 더 포함할 수 있다.
[화학식 3]
Figure 112011049826735-pat00007
상기 식에서,
R3는 알코올기; 할로겐기; 또는 말단에 알코올기, 카르복실기, 술폰산기, 아민기, 카보닐기, 시아노기 및 할로겐기 중 하나 이상을 포함하는 C1 내지 C10 알킬기이고,
X3는 수소 또는 C1 내지 C5 알킬기이다.
또한, 상기 이형방지 조성물은 하기 화학식 4의 구조를 더 포함할 수 있다.
[화학식 4]
Figure 112011049826735-pat00008
상기 식에서,
R4는 C1 내지 C10 직쇄(linear chain) 또는 측쇄(branched chain)를 포함하는 알킬기이고,
X4는 수소 또는 C1 내지 C5 알킬기이다.
일실시예에서, 본 발명에 따른 이형방지 조성물은 하기 화학식 5 내지 8의 반복 구조를 포함할 수 있다.
[화학식 5]
Figure 112011049826735-pat00009
[화학식 6]
Figure 112011049826735-pat00010
[화학식 7]
Figure 112011049826735-pat00011
[화학식 8]
Figure 112011049826735-pat00012
상기 화학식 5 내지 8에서,
x, y 및 z는 각각 독립적으로 0 또는 1 이상의 정수이며, 위의 반복 구조들은 조성물 내에서 매트릭스 구조를 형성하기 때문에, 그 범위는 특별히 제한되지 않는다.
예를 들어, x는 각각 독립적으로 1 내지 1,000,000의 정수이고,
y 및 z는 각각 독립적으로 0 내지 100,000의 정수일 수 있다.
또한, 상기 화학식 5 내지 8에서, x, y 및 z는 각 화학식의 몰비를 의미한다. 예를 들어, x, y 및 z는 60~95:2~20:3~20의 비율일 수 있다.
본 발명에 따른 이형방지 조성물은 유리전이 온도가 영하 10℃ 내지 영상 80℃ 범위일 수 있다. 유리전이 온도가 영하 10℃ 미만일 경우에는 이형방지층의 기계적 물성이 떨어져 이형방지층에 전사된 그래핀층이 쉽게 손상을 입을 수 있으며, 또한 유리전이 온도가 영상 80℃를 초과할 경우에는 이형방지층과 그래핀 사이의 계면 접촉이 어려워 접착력이 떨어질 수 있다.
상기 유리전이 온도 범위를 갖는 이형방층은 그래핀 전사 공정 후 추가적인 경화과정을 거칠 경우 열적, 기계적 안정성을 향상 시킬 수 있다.
본 발명에 따른 이형방지 조성물은, 앞서 설명한 화학식 1 내지 4의 반복 구조 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 각 반복구조의 조성비는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 이형방지 조성물은,
화학식 1 및 2 중 하나 이상을 60 내지 95몰%;
화학식 3을 2 내지 20몰%; 및
화학식 4를 3 내지 20몰%를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 이형방지 조성물은, 그래핀층과 기판 사이에서 우수한 접착력을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 상기 조성물은 그래핀 합지용 이형방지 조성물이다.
또한, 본 발명은 상기 이형방지 조성물을 이용하여 그래핀층을 전사하는 제조방법을 제공한다. 이러한 제조방법을 통해 그래핀 적층체를 제조할 수 있다.
예를 들어, 상기 제조방법은,
(a) 기판상에 소수성 고분자 물질을 포함하는 이형방지 조성물을 도포하는 단계;
(b) 금속 촉매층 상에 형성된 그래핀층과 이형방지 조성물이 도포된 기판을 합지하는 단계; 및
(c) 금속 촉매층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
구체적으로 (a) 단계에서 사용되는 이형방지 조성물에 사용되는 고분자는 특별히 제한되지 않으며, 경화형 고분자나 비경화형 고분자를 모두 사용할 수 있다..
구체적으로 (b)의 합지 단계에서, 이형방지 조성물이 경화형 고분자로 이루어진 경우 별도의 경화 과정을 거칠 수 있다. 이 경우 금속 촉매층상에 형성된 그래핀층과 이형방지 조성물이 도포된 기판을 부착하고 열 또는 UV를 조사하는 과정을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 그래핀 적층체의 제조방법은, 금속 촉매층을 제거하는 방식에 따라 건식 또는 습식 전사방법을 사용할 수 있다. 건식 전사방법으로는 예를 들어, 롤투롤 방식이 사용될 수 있다. 건식 전사방법은, 용제나 물을 사용하는 용액공정을 포함하지 않고 금속 촉매층에 형성된 그래핀을 목적 기판상에 직접 전사할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 본 발명은 습식 공정을 제외하는 것은 아니다. 예를 들어, 에칭액을 이용하여 금속 촉매층을 제거할 수 있다.
건식 전사방법을 사용하는 경우에는, 예를 들어 롤투롤 방식을 사용할 수 있다. 구체적으로는, 상기 (c) 단계는, 금속 촉매층 상에 형성된 그래핀층과 기판 상에 도포된 이형방지 조성물이 상호 접촉하도록 합지한 후, 롤투롤 방식에 의해 금속 촉매층과 그래핀층을 분리하게 된다.
습식 전사방법을 사용하는 경우에는, 예를 들어 에칭액을 이용하여 금속 촉매층을 제거할 수 있다. 구체적으로는, 상기 (c) 단계는, 금속 촉매층 상에 형성된 그래핀층과 기판 상에 도포된 이형방지 조성물이 상호 접촉하도록 합지한 후, 에칭액을 이용하여 금속 촉매층을 제거할 수 있다. 상기 금속 촉매층은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 구리 또는 니켈 박막 등이 사용될 수 있다. 상기 에칭액은 금속 촉매층을 제거할 수 있는 경우라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 산, 불산(HF), BOE(buffered oxide etch), 염화제2철(FeCl3) 용액, 질산제2철(Fe(NO3)3) 용액 중 하나 이상을 이용하여 수행될 수 있다.
또한, 본 발명에서의 그래핀층은 금속 촉매층의 양면에 형성된 구조일 수 있으며, 금속 촉매층의 양면에 형성된 그래핀층의 외면에 각각 이형방지 조성물이 도포된 기판을 부착한 후, 금속 촉매층을 제거하는 과정을 포함할 수 있다. 이는 1회의 제조공정을 통해 2개의 그래핀 적층체를 형성할 수 있다는 점에서, 제조 효율을 현저히 높인다는 장점이 있다. 이 경우에도, 사용되는 고분자의 종류에 따라서 별도의 경화 과정을 거칠 수 있다. 예를 들어, 금속 촉매층의 양면에 형성된 그래핀층의 외면에 각각 이형방지 조성물이 도포된 기판을 합지한 후, 열 또는 UV를 조사하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 소수성 고분자 물질을 포함하는 이형방지 조성물은 앞서 설명한 화학식 1 내지 4 중 어느 하나 이상의 반복 구조를 포함할 수 있다.
상기 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르설폰(PES), 폴리사이클릭올레핀(PCO), 폴리아크릴레이트(PA), 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 및 폴리이미드(PI) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 2 및 3은 각각 본 발명의 일실시예에 따른 그래핀 적층체의 제조방법을 모식적으로 나타내었다.
도 2를 참조하면, PET 기판(10)의 일면에 이형방지 조성물을 도포하여 이형방지층(20)을 형성한다. 그런 다음, 그래핀층(30)이 형성된 금속 촉매층(40)을 합지한다. 이 때에는, 이형방지층(20)과 그래핀층(30)이 직접 접촉하도록 하며, 부착력을 높이기 위해 롤러 등을 이용하여 밀착시킬 수 있다. 이형방지층을 구성하는 조성물의 성분에 따라 달라질 수 있으나, 이형방지 조성물이 광경화성인 경우에는 UV 조사를 통해 경화시키는 과정을 포함할 수 있다. 그런 다음, 금속 촉매층(40)을 제거하게 된다. 금속 촉매층(40) 제거는 롤투롤 공정을 통해 수행될 수 있다. 이때 이형방지층(20)의 접착력에 의해 금속 촉매층을 분리시키더라도 그래핀층(30)은 PET 기판(10)에 남게 된다. 혹은, 에칭액을 사용하여 금속 촉매층(40)을 제거할 수 있다. 사용 가능한 에칭액의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 금속 촉매층(40)이 제거된 후에는, PET 기판(10), 이형방지층(20) 및 그래핀(30)으로 이루어진 적층 구조가 남게 된다.
도 3에는 또 다른 하나의 실시예에 따른 그래핀 전사방법의 공정도를 나타내었다. 도 3은 금속 촉매층(40)의 양면에 형성된 그래핀층(31, 32)을 모두 활용할 수 있는 방법을 개시한 것이다. 이형방지층(21, 22)이 형성된 두 개의 PET 기판(11, 12)을 금속 촉매층(40)의 상하부 그래핀층(31, 32)에 각각 합지하게 된다. 필요에 따라서는, 열 또는 UV를 조사하는 과정을 더 거칠 수 있다. 그런 다음, 롤투롤 또는 에칭액을 이용하여 금속 촉매층을 제거하면, PET 기판(10), 이형방지층(21, 22) 및 그래핀층(31, 32)으로 이루어진 적층구조가 2개 얻어진다. 이러한 방법은, 기존의 그래핀 전사방법과 비교하여 공정 효율을 2배 향상시킬 수 있으며, 전사과정에서 소실되는 그래핀의 양을 최소화할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전사과정에서 형성되는 그래핀 적층체의 중간 구조를 제공한다. 상기 중간구조는 금속 촉매층이 제거되기 전의 모습이다. 예를 들어, 그래핀 적층체는 기판, 이형방지층, 그래핀층, 금속 촉매층, 그래핀층, 이형방지층 및 기판이 순차적으로 적층된 구조를 포함할 수 있다. 도 4에는 그래핀 적층체의 일례를 도시하였다. 상기 적층체는 금속 촉매층인 구리 호일(40)을 기준으로 대칭 구조를 형성하고 있다. PET 기판(11), 이형방지층(21) 및 그래핀층(31)이 순차 적층되고, 그래핀층(31) 위에 금속 촉매층(40)이 형성된 구조이다. 또한, 금속 촉매층(40) 상에는 그래핀층(32), 이형방지층(22) 및 PET 기판(10)이 순차적으로 형성된 구조이다.
본 발명은 앞서 설명한 그래핀 적층체를 포함하는 그래핀 소자를 제공한다. 상기 그래핀 소자는 특별한 제한 없이 다양한 형태로 활용 가능하며, 예를 들어, 투명전극 또는 전도성 박막 등의 형태로 전자소자에 활용될 수 있다. 또한, 상기 그래핀 소자는 전계효과 트랜지스터, 레이져 소자, 투명 전도막을 이용한 터치패널, 유기발광소자 또는 태양전지의 투명전극, 리튬이온 2차 전지의 전극재료 등으로 응용 가능하다.
이하 실시예를 들어 본 발명을 더 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예는 발명의 상세한 설명을 위한 것일 뿐, 이에 의해 권리범위를 제한하려는 것은 아니다.
[실시예]
본 실시예에서는 로릴아크릴레이트(lauryl acrylate, LA)(실시예 1 내지 3), 스테아릴아크릴레이트(stearyl acrylate, SA) (실시예 4 내지 6), 나프틸아크릴레이트 (naphthyl acrylate, NA) (실시예 7 내지 9), 에톡실레이트노닐페놀 아크릴레이트 (ethoxylated nonyl-phenol acrylate, ENPA) (실시예 10), 아크릴산(acrylic acid, AA) 및 n-부틸아크릴레이트(n-butylacrylate, BA)를 모노머로 사용하였다.
이형방지 조성물을 합성하기 위해 질소 가스가 환류되고 온도조절이 용이하도록 냉각장치를 설치한 500ml 4구 플라스크를 준비하였다. 준비된 플라스크에 [표 1]의 배합비로 상기 아크릴레이트 모노머를 투입한 후 동일한 양의 에틸아세테이트를 첨가하였다. 그런 다음, 산소를 제거하기 위하여 질소가스로 20분간 퍼징하고 에틸아세테이트에 50%의 농도로 희석한 아조비스이소부틸로니트릴(AIBN)를 투입한 후 50℃에서 8시간 동안 반응시켜 아크릴레이트 공중합체를 제조하였다. 이형방지 조성물의 배합비는 [표 1]과 같고, 각 성분들의 함량은 wt%를 기준으로 나타내었다.
구분 LA SA NA ENPA PEOA AA BA AIBN
실시예 1 90 5 5 0.03
실시예 2 70 5 25 0.03
실시예 3 50 5 45 0.03
실시예 4 90 5 5 0.03
실시예 5 70 5 25 0.03
실시예 6 50 5 45 0.03
실시예 7 90 5 5 0.03
실시예 8 70 5 25 0.03
실시예 9 50 5 45 0.03
실시예 10 70 5 25 0.03
비교예 50 5 45 0.03
위 표 1에 따른 조성으로 용액을 제조하였다. 제조된 용액을 PET 필름(두께 75μm)에 스핀 코팅 방법으로 코팅하였다. 용액이 코팅된 PET 기판을 70℃에서 1시간 건조시켜 약 1μm 두께의 이형방지층이 코팅된 PET 필름을 제조하였다.
그래핀 제작을 위하여 5cm x 5cm 크기를 갖는 금속 촉매인 구리 호일 (두께 25μm, 순도 99.8%)을 석영 튜브에 장입하였다. 먼저 산화막 제거를 위하여 1000℃에서 H2/Ar = 10/50sccm으로 20분간 흘려주었다. 그런 다음, 온도를 동일하게 유지하면서 CH4/H2/Ar = 20/10/50sccm을 10분간 흘려주어 구리 호일 표면상에 그래핀층을 형성한 후, Ar = 50sccm 흘려주면서 20℃/sec 속도로 냉각하여 그래핀층이 형성된 구리 호일을 제조하였다.
구리 호일에 형성된 그래핀층을 이형방지 조성물이 도포된 PET 기판상에 전사하였다. 구체적으로는, 구리 호일에 그래핀층이 형성된 면과 PET 기판에 이형방지 조성물이 도포된 면을 마주보도록 하고, 적절한 열과 압력을 가하여 PET 기판과 구리 호일을 합지 하였다. 그런 다음, 1M의 FeCl3 수용액으로 구리 호일을 제거하여 그래핀층이 형성된 PET 기판을 제조하였다.
[비교예]
비교예로 친수성을 보이는 이형방지 조성물을 제조하였다. 구체적으로는, 폴리에틸렌옥사이드아크릴레이트(Polyethylene oxide acrylate, PEOA), 아크릴산(acrylic acid, AA) 및 n-부틸아크릴레이트(n-butylacrylate, BA)를 모노머로 [표 1]과 같은 배합비로 사용하였다. 나머지 제조공정은 실시예와 동일한 조건하에서 진행하였다.
[실험예 1] 면저항 측정
실시예 및 비교예에서 제조된 그래핀 적층체에 대하여 면저항을 4-탐침 면저항 측정기(4-point probe)로 측정하였다. 구체적으로는, 그래핀 적층체의 임의 구간 9점을 각각 측정하였다. 측정결과는 도 5에 나타내었다.
도 5를 참조하면, 실시예의 소수성 또는 파이전자 기능기를 가진 이형방지층이 도포된 그래핀 적층체의 경우 친수성 이형방지층이 도포된 그래핀 적층체에 비하여 매우 낮은 면저항을 보임을 확인 할 수 있다. 이를 통해, 구리 호일상에 형성된 그래핀층이 친수성 이형방지층이 도포된 기판에 전사될 때에는 소수성이나 파이전자 기능기를 가진 이형방지층이 도포된 기판에 전사될 때에 비하여 전사된 그래핀 적층체의 전기적 특성이 떨어짐을 확인할 수 있다.
[실험예 2] 물방울 접촉각 측정
실시예 및 비교예에서 제조된 이형방지 조성물에 대하여 물방울 접촉각을 측정하였다. 본 실험에서는 세실 드롭 방법(sessil drop method)을 이용하여, 이형방지 조성물과 물방울이 이루는 접촉각을 측정하였다. 물방울 접촉각이 클수록 소수성이 강한 것을 의미한다. 측정결과는 도 6에 나타내었다.
도 6을 참조하면, 실시예 1 내지 10에 따른 이형방지 조성물은 물방울 접촉각이 60° 이상인 것으로 나타났지만, 비교예에서는 약 30° 정도인 것으로 측정되었다. 이를 통해, 본 발명에 따른 이형방지 조성물은 상대적으로 소수성 경향이 강한 것을 알 수 있다.
[실험예 3] 광투과도 측정
실시예 및 비교예에서 제조된 그래핀 적층체에 대하여 550nm 파장의 광에 대한 투과도를 측정하였다. 측정결과는 도 7에 나타내었다.
도 7을 참조하면, PET 기판에 도포된 이형방지 조성물의 종류에 상관없이 가시광선 영역에서 우수한 광투과 특성을 보임을 알 수 있다. 이는 상기 그래핀층이 얇은 박막으로 형성되어 있으며, 그래핀층이 전사된 PET 기판이 투명전극으로 응용이 가능함을 보여주고 있다.
[실험예 4] 굽힘 테스트에 따른 면저항 측정
실시예 및 비교예에서 제조된 그래핀 적층체에 대하여 굽힘 테스트에 따른 면저항 변화를 측정하였다. 면저항의 증가폭이 클수록 전사된 그래핀층의 전기적 안정성이 낮은 것을 의미한다. 측정결과는 도 8에 나타내었다.
도 8을 참조하면, 친수성 이형방지층이 도포된 그래핀 적층체의 경우에는 반복 굽힘 테스트 결과 초기 면저항치인 6.4kΩ/sq에서 13.8kΩ/sq로 면저항치가 급격히 증가하는 것으로 나타났다. 반면, 소수성 이형방지층 또는 파이전자를 다수 함유하는 이형방지층이 도포된 그래핀 적층체는 면저항 변화가 거의 없는 것으로 나타났다. 이를 통해, 본 발명의 실시예에 따른 이형방지층의 도입으로 그래핀 적층체의 전기적 안정성이 크게 향상된 것을 알 수 있다.
[실험예 5] 라만 스펙트럼 측정
실시예 3에 의해 제조된 그래핀 적층체에 대한 라만 스펙트럼을 측정하였다. 측정결과는 도 9에 나타내었다. 도 9를 참조하면, 실시예 3에 의해 제조된 그래핀 적층체의 경우 그래핀이 PET 기판상에 전사된 후에도 그래핀 고유의 분자구조를 이루고 있음을 확인할 수 있다.
[실험예 6] 광학 현미경 관찰
실시예 3에 의해 PET 기판상에 전사된 그래핀층을 광학현미경으로 관찰하였다. 관찰결과는 도 10에 나타내었다. 도 10을 참조하면, 사진에서 약간 어둡게 나타난 부분은 PET 기판상에 그래핀층이 전사된 부분을 나타내고 있으며 밝은 부분은 그래핀층이 전사되지 않은 PET 기판 보여 주고 있다. 사진을 통하여 그래핀층이 PET 기판상에 효율적으로 전사되었음을 확인할 수 있다.
10, 11, 12 : 기판 20, 21, 22 : 이형방지층
30, 31, 32 : 그래핀층 40 : 금속 촉매층

Claims (32)

  1. 기판, 상기 기판 상에 형성되는 이형방지층 및 그래핀층을 포함하며,
    상기 이형방지층은 소수성 부분과 극성 부분을 동시에 갖는 탄화수소 유도체를 포함하는 그래핀 적층체.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    이형방지층은 물방울 접촉각이 60° 이상인 그래핀 적층체.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    소수성 부분은 C1 내지 C50 알킬기, C4 내지 C60 사이클로 알킬기 및 C6 내지 C60 방향족 탄화수소기 중 하나 이상을 포함하는 그래핀 적층체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    극성 부분은 알코올기, 카르복실산기, 술폰산기, 아민기, 카보닐기, 시아노기 및 할로겐기 중 하나 이상을 포함하는 탄화수소 유도체인 그래핀 적층체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    이형방지층은 아크릴계, 에폭시계, 실리콘계, 에틸렌비닐아세테이트계, 폴리비닐클로라이드계, 폴리우레탄계, 페놀계, 폴리에스테르계, 폴리에테르계, 폴리술피드계, 폴리이미드계 및 폴리아미드계 중 하나 이상을 포함하는 그래핀 적층체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    이형방지층은 하기 화학식 1 및 2 중 하나 이상을 포함하는 그래핀 적층체:
    [화학식 1]
    Figure 112011049826735-pat00013

    [화학식 2]
    Figure 112011049826735-pat00014

    상기 화학식 1 또는 2에서,
    R1은 C5 내지 C30 알킬기이고,
    R2는 C5 내지 C20 알킬기; 또는 C1 내지 C20 알킬기가 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기이고,
    X1 및 X2는 각각 독립적으로 수소 또는 C1 내지 C5 알킬기이고,
    n은 0 내지 10의 정수이다.
  9. 제 8 항에 있어서,
    이형방지층은 하기 화학식 3을 더 포함하는 그래핀 적층체:
    [화학식 3]
    Figure 112011049826735-pat00015

    상기 식에서,
    R3는 알코올기; 할로겐기; 또는 말단에 알코올기, 카르복실기, 술폰산기, 아민기, 카보닐기, 시아노기 및 할로겐기 중 하나 이상을 포함하는 C1 내지 C10 알킬기이고,
    X3는 수소 또는 C1 내지 C5 알킬기이다.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    이형방지층은 하기 화학식 4를 더 포함하는 그래핀 적층체:
    [화학식 4]
    Figure 112011049826735-pat00016

    상기 식에서,
    R4는 C1 내지 C10 직쇄(linear chain) 또는 측쇄(branched chain)를 포함하는 알킬기이고,
    X4는 수소 또는 C1 내지 C5의 알킬기이다.
  11. 제 1 항에 있어서,
    기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리에테르설폰, 폴리사이클릭올레핀, 폴리아크릴레이트, 폴리에테르에테르케톤 및 폴리이미드 중 하나 이상을 포함하는 그래핀 적층체.
  12. 제 1 항에 있어서,
    면저항이 5kΩ/sq 이하인 그래핀 적층체.
  13. 제 12 항에 있어서,
    면저항이 10Ω/sq 내지 2.8kΩ/sq인 그래핀 적층체.
  14. 하기 화학식 1 및 2 중 하나 이상을 포함하는 이형방지 조성물:
    [화학식 1]
    Figure 112011049826735-pat00017

    [화학식 2]
    Figure 112011049826735-pat00018

    상기 화학식 1 또는 2에서,
    R1은 C5 내지 C30 알킬기이고,
    R2는 C5 내지 C20 알킬기; 또는 C1 내지 C20 알킬기가 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기이고,
    X1 및 X2는 각각 독립적으로 수소 또는 C1 내지 C5 알킬기이고,
    n은 0 내지 10의 정수이다.
  15. 제 14 항에 있어서,
    하기 화학식 3을 더 포함하는 이형방지 조성물:
    [화학식 3]
    Figure 112011049826735-pat00019

    상기 식에서,
    R3는 알코올기; 할로겐기; 또는 말단에 알코올기, 카르복실기, 술폰산기, 아민기, 카보닐기, 시아노기 및 할로겐기 중 하나 이상을 포함하는 C1 내지 C10 알킬기이고,
    X3는 수소 또는 C1 내지 C5 알킬기이다.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    하기 화학식 4를 더 포함하는 이형방지 조성물:
    [화학식 4]
    Figure 112011049826735-pat00020

    상기 식에서,
    R4는 C1 내지 C10 직쇄(linear chain) 또는 측쇄(branched chain)를 포함하는 알킬기이고,
    X4는 수소 또는 C1 내지 C5 알킬기이다.
  17. 제 16 항에 있어서,
    유리전이온도가 영하 10℃ 내지 영상 80℃ 범위인 이형방지 조성물.
  18. 제 16 항에 있어서,
    화학식 1 및 2 중 하나 이상을 60 내지 95몰%;
    화학식 3을 2 내지 20몰%; 및
    화학식 4를 3 내지 20몰%를 포함하는 이형방지 조성물.
  19. 제 14 항에 있어서,
    그래핀 합지용 이형방지 조성물.
  20. (a) 기판상에 소수성 부분과 극성 부분을 동시에 갖는 탄화수소 유도체를 포함하는 이형방지 조성물을 도포하는 단계;
    (b) 금속 촉매층 상에 형성된 그래핀층과 이형방지 조성물이 도포된 기판을 합지하는 단계; 및
    (c) 금속 촉매층을 제거하는 단계를 포함하는 그래핀 적층체의 제조방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    (c) 단계는 건식 전사방법에 의해 금속 촉매층을 제거하는 그래핀 적층체의 제조방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    (c) 단계는, 롤투롤 방식에 의해 금속 촉매층과 그래핀층을 분리하는 그래핀 적층체의 제조방법.
  23. 제 20 항에 있어서,
    (c) 단계는 습식 전사방법에 의해 금속 촉매층을 제거하는 그래핀 적층체의 제조방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    (c) 단계는, 에칭액을 이용하여 금속 촉매층을 제거하는 그래핀 적층체의 제조방법.
  25. 제 20 항에 있어서,
    (b) 단계에서, 금속 촉매층상에 형성된 그래핀층과 이형방지 조성물이 도포된 기판을 합지하고 열 또는 UV 경화 과정을 포함하는 그래핀 적층체의 제조방법.
  26. 제 20 항에 있어서,
    그래핀층이 형성된 금속 촉매층은 금속 촉매층 양면에 그래핀층이 형성된 구조이며,
    금속 촉매층 양면에 형성된 그래핀층 각각의 외면에 이형방지 조성물이 도포된 기판을 합지한 후, 금속 촉매층을 제거하는 그래핀 적층체의 제조방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    금속 촉매층 양면에 형성된 그래핀층 각각의 외면에 이형방지 조성물이 도포된 기판을 합지한 후, 열 또는 UV 경화 과정을 포함하는 그래핀 적층체의 제조방법.
  28. 제 20 항에 있어서,
    이형방지 조성물은 하기 화학식 1 내지 4 중 하나 이상의 반복 구조를 포함하는 그래핀 적층체의 제조방법:
    [화학식 1]
    Figure 112011092385867-pat00021

    [화학식 2]
    Figure 112011092385867-pat00022

    [화학식 3]
    Figure 112011092385867-pat00023

    [화학식 4]
    Figure 112011092385867-pat00024

    상기 화학식 1 내지 4에서,
    R1은 C5 내지 C30 알킬기이고,
    R2는 C5 내지 C20 알킬기; 또는 C1 내지 C20 알킬기가 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기이고,
    R3는 알코올기; 할로겐기; 또는 말단에 알코올기, 카르복실기, 술폰산기, 아민기, 카보닐기, 시아노기 및 할로겐기 중 하나 이상을 포함하는 C1 내지 C10 알킬기이고,
    R4는 C1 내지 C10 직쇄(linear chain) 또는 측쇄(branched chain)를 포함하는 알킬기이고,
    X1 내지 X4는 각각 독립적으로 수소 또는 C1 내지 C5 알킬기이고,
    n은 0 내지 10의 정수이다.
  29. 기판, 이형방지층, 그래핀층, 금속 촉매층, 그래핀층, 이형방지층 및 기판이 순차적으로 적층된 구조의 그래핀 적층체.
  30. 제 1 항의 그래핀 적층체를 포함하는 전극 또는 전도성 박막.
  31. 제 30 항의 전극 또는 전도성 박막을 포함하는 전자 소자.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 전자 소자는 트랜지스터, 레이저, 터치패널, 유기발광소자, 태양전지 또는 이차전지인 전자 소자.
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