KR101133181B1 - Graphene layer where patterns are formed - Google Patents

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PURPOSE: A graphene thin film in which a pattern is formed is provided to improve adhesive force with a high position film by including dangling bond and a chemical functional group in the unevenness part of a graphene layer. CONSTITUTION: A graphene thin film comprises a graphene layer(210) and a chemical functional group(220). Concavo-convex is formed on the surface of the graphene layer. The density of edge part is increased when the concavo-convex is formed on the surface of the graphene layer. The chemical functional group is formed on the surface of the graphene layer. The chemical functional group is more than one among phenol, carbonyl, carboxyl, quinine, and lactone.

Description

패턴이 형성된 그래핀 박막{Graphene layer where patterns are formed}Graphene film where patterns are formed

본 발명은 그래핀 박막에 관한 것으로, 보다 상세하게는 접착력(adhesion)과 전자 이동성이 우수한 그래핀 박막에 관한 것이다.The present invention relates to a graphene thin film, and more particularly, to a graphene thin film having excellent adhesion and electron mobility.

그래핀(graphene)은 탄소 원자들이 그라파이트(graphite)와 같이 2차원으로 결합되어 구성된 물질이며, 그라파이트와는 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. Graphene (graphene) is a material composed of carbon atoms bonded in two dimensions, such as graphite (graphite), unlike graphite is formed very thin in a single layer or two to three layers. Since graphene is flexible, very high in electrical conductivity, and transparent, studies are being conducted to use it as a transparent and curved electrode or to use it as an electron transport material such as an electron transport layer in an electronic device.

그래핀은 특히 태양 전지 또는 광검출기와 같이 빛을 받아 이를 전기로 전환하는 광기전력(photovoltaic) 원리를 이용하는 전자 소자의 전자 수송층 및 투명 전극으로서 크게 주목받고 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 소자에 적용하기 곤란한 점이 있다. Graphene is particularly drawing attention as an electron transport layer and a transparent electrode of an electronic device using a photovoltaic principle of receiving light and converting it into electricity, such as a solar cell or a photodetector. Indium Tin Oxide (ITO) is the most widely used transparent electrode for electronic devices, but the manufacturing cost is increasing due to the possibility of the price increase and exhaustion of indium (In), a main material. have.

기존에 그래핀을 얻는 방법에는 미세 기계적(micromechanical) 방법과 SiC 결정 열분해 방법이 있다. 미세 기계적 방법은 그라파이트 시료에 스카치테이프를 붙인 다음 이를 떼어내어, 스카치테이프 표면에 그라파이트로부터 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. 이에 최근에는 니켈(Ni)과 같은 그라파이트화 촉매 상에 기상 탄소 공급원을 공급하며 열처리하여 그라파이트화 촉매 상에 그래핀을 형성하는 방법이 연구되고 있다. 이와 같은 방법으로 형성된 그래핀 박막은 평면 형태이다. Conventional methods of obtaining graphene include a micromechanical method and a SiC crystal pyrolysis method. The micromechanical method is to attach a scotch tape to a graphite sample and then peel it off to obtain graphene in the form of sheets separated from graphite on the scotch tape surface. In this case, the peeled off graphene sheet has a constant number of layers, and its shape is not constant due to the tearing of paper. Moreover, there is a disadvantage in that it is extremely difficult to obtain a graphene sheet in a large area. In the SiC crystal pyrolysis method, when SiC single crystal is heated, SiC on the surface is decomposed to remove Si and graphene is generated by the remaining carbon (C). In this method, SiC single crystals used as starting materials are very expensive, and graphene is very difficult to obtain in large areas. Recently, a method of forming graphene on a graphitization catalyst by researching a heat treatment while supplying a gaseous carbon source on a graphitization catalyst such as nickel (Ni) has been studied. The graphene thin film formed in this way is planar.

그러나 이러한 평면 형태의 그래핀 박막은 도 1에 나타낸 바와 같이, 수평 방향의 전자 이동성은 아주 우수하나, 수직 방향의 전자 이동성은 매우 낮은 단점이 있다. 또한, 평면 형태의 그래핀 박막은 상위막과의 접착력(adhesion)이 문제가 되고 있다.However, as shown in FIG. 1, the planar graphene thin film has excellent electron mobility in the horizontal direction, but very low electron mobility in the vertical direction. In addition, the planar graphene thin film has a problem of adhesion with the upper layer (adhesion).

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 전자 이동성이 우수하고, 상위막과 접착력이 우수한 그래핀 박막을 제공하는 데에 있다.The technical problem to be solved by the present invention is to provide a graphene thin film excellent in electron mobility and excellent adhesion to the upper layer.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 그래핀 박막은 표면에 요철(凹凸)이 형성되어 있는 그래핀(graphene)층; 및 상기 그래핀층 표면에 형성되어 있는 화학 작용기;를 구비한다.In order to solve the above technical problem, the graphene thin film according to the present invention is a graphene (graphene) layer is formed with irregularities (요) on the surface; And a chemical functional group formed on the surface of the graphene layer.

상기 화학 작용기는 페놀(phenol), 카보닐(carbonyl), 카복실(carboxyl), 퀴논(quinone) 및 락톤(lactone)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.The chemical functional group may be at least one selected from the group consisting of phenol, carbonyl, carboxyl, quinone, and lactone.

본 발명에 따른 그래핀 박막은 그래핀층의 표면에 요철을 형성하고, 화학 작용기를 도입함으로써, 종래의 평면 형태의 그래핀 박막에 비해 수직 방향의 전자 이동성이 현저히 우수하다. 따라서 본 발명에 따른 그래핀 박막은 종래의 평면 형태의 그래핀 박막에 비해 상위막과의 계면 저항이 매우 낮다. 또한, 본 발명에 따른 그래핀 박막은 그래핀층의 요철 부분에 미결합(dangling bond) 또는 화학 작용기가 존재하므로, 상위막과의 접착력(adhesion)이 매우 우수하다.In the graphene thin film according to the present invention, by forming irregularities on the surface of the graphene layer and introducing a chemical functional group, electron mobility in the vertical direction is remarkably excellent as compared with a conventional graphene thin film. Therefore, the graphene thin film according to the present invention has a very low interfacial resistance with the upper layer compared to the graphene thin film of the conventional planar shape. In addition, since the graphene thin film according to the present invention has a dangling bond or a chemical functional group in the uneven portion of the graphene layer, the adhesion with the upper layer is very excellent.

도 1은 종래의 평면 형태의 그래핀 박막을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 그래핀 박막에 대한 바람직한 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 그래핀 박막을 제조하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a view showing a graphene thin film of a conventional planar form.
2 is a view showing a preferred embodiment for the graphene thin film according to the present invention.
3 is a view schematically showing a method of manufacturing a graphene thin film according to the present invention.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 패턴이 형성된 그래핀 박막의 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. Hereinafter, a preferred embodiment of a graphene thin film having a pattern according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various forms, and only the present embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention and to those skilled in the art to fully understand the scope of the invention. It is provided to inform you.

도 2는 본 발명에 따른 그래핀 박막에 대한 바람직한 일 실시예를 나타낸 도면이다.2 is a view showing a preferred embodiment for the graphene thin film according to the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 그래핀 박막(200)은 그래핀층(210)과 화학 작용기(220)를 구비한다.Referring to FIG. 2, the graphene thin film 200 according to the present invention includes a graphene layer 210 and a chemical functional group 220.

그래핀층(210)은 그래핀(graphene)으로 이루어지며, 도 2에 도시된 바와 같이 표면에 요철(凹凸)(215)이 형성되어 있다. 그래핀층(210)의 표면에 요철(215)을 형성하게 되면, 모서리 부분(211)의 밀도가 증가하게 된다. 요철(215)은 수십 nm 에서 수백 μm의 크기일 수 있으며, 라인 형태, 격자 형태 등 다양한 형태일 수 있다. 이러한 요철(215)은 원자외선 UV(deep UV) 또는 전자빔 리쏘그라피(lithography) 공정과 식각(etching) 공정을 이용하여 형성할 수 있다. 그래핀층(210)의 그래핀의 층수는 한 개에서 수십 개 정도일 수 있다.The graphene layer 210 is made of graphene (graphene), as shown in Figure 2 is a concave-convex (凹凸) (215) is formed on the surface. When the irregularities 215 are formed on the surface of the graphene layer 210, the density of the edge portion 211 is increased. The unevenness 215 may have a size of several tens of nm to several hundred μm, and may have various shapes such as a line shape and a lattice shape. The unevenness 215 may be formed by using deep UV or electron beam lithography and etching. The number of graphene layers of the graphene layer 210 may be about one to several tens.

화학 작용기(220)는 그래핀층(210)의 표면에 형성된 것이다. 화학 작용기(220)는 페놀(phenol), 카보닐(carbonyl), 카복실(carboxyl), 퀴논(quinone) 및 락톤(lactone)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있으며, 특히 그래핀층(210)의 모서리 부분(211)에 도입될 수 있다. 화학 작용기(220)는 다양한 산화제(O2, N2O, CO2, H2O)를 사용하여 기체상태 산화반응을 통하여 도입하거나 액체 상태 산화제(KMnO4, HNO3, KClO3)를 사용하여 도입할 수 있다.The chemical functional group 220 is formed on the surface of the graphene layer 210. The chemical functional group 220 may be at least one selected from the group consisting of phenol, carbonyl, carboxyl, quinone, and lactone, and in particular, an edge portion of the graphene layer 210. May be introduced at 211. The chemical functional group 220 may be introduced through gaseous oxidation using various oxidants (O 2 , N 2 O, CO 2 , H 2 O) or by using liquid oxidants (KMnO 4 , HNO 3 , KClO 3 ). Can be introduced.

이와 같이, 그래핀층(210)의 표면에 요철이 형성되어 있고, 그래핀층(210)의 표면에 화학 작용기(220)가 형성되어 있게 되면, 수직 방향의 전자 이동성이 매우 향상된다. 그래핀은 요철과 같은 모서리 부분에서의 수직 방향 전자 이동성이 평평한 부분에서의 수직 방향 전자 이동성에 비해 현저히 증가하는데, 본 발명과 같이, 그래핀층(210)의 표면에 요철을 형성하게 되면, 모서리(211)의 밀도가 크게 증가하므로, 전체적인 그래핀 박막(200)의 수직 방향 전자 이동성이 매우 향상되게 된다. 따라서 본 발명에 따른 그래핀 박막(200)은 종래의 평면 형태의 그래핀 박막(도 1)에 비해 상위막과의 계면 저항이 매우 낮아지게 된다. 이러한 효과는 본 발명과 같이 그래핀층(210)의 표면에 화학 작용기(220)를 도입함으로써, 더욱 증가하게 된다.As such, when the unevenness is formed on the surface of the graphene layer 210, and the chemical functional group 220 is formed on the surface of the graphene layer 210, electron mobility in the vertical direction is greatly improved. Graphene is significantly increased in the vertical electron mobility in the corner portion, such as irregularities compared to the vertical electron mobility in the flat portion, as in the present invention, when the irregularities are formed on the surface of the graphene layer 210, the edge ( Since the density of 211 is greatly increased, the vertical electron mobility of the entire graphene thin film 200 is greatly improved. Therefore, the graphene thin film 200 according to the present invention has a very low interface resistance with the upper layer as compared to the graphene thin film of FIG. This effect is further increased by introducing a chemical functional group 220 on the surface of the graphene layer 210 as in the present invention.

그리고 그래핀의 모서리 부분에는 미결합(dangling bond)이 평평한 부분에 비해 많이 존재하므로, 본 발명과 같이 그래핀층(210)의 표면에 요철을 형성하게 되면 모서리 부분(210)이 많아지게 되어 상위막과의 접착력(adhesion)이 우수해진다. 이러한 효과 역시, 본 발명과 같이 그래핀층(210)의 표면에 화학 작용기(220)를 도입함으로써, 더욱 증가하게 된다.And since the edge portion of the graphene has a lot of non-bonding (dangling bond) compared to the flat portion, when the irregularities are formed on the surface of the graphene layer 210 as in the present invention, the edge portion 210 is a lot of the upper film The adhesion with the (adhesion) is excellent. This effect is further increased by introducing a chemical functional group 220 on the surface of the graphene layer 210 as in the present invention.

이와 같은 그래핀 박막(200)은 광투과도와 수평 및 수직 방향의 전자 이동성이 우수하므로, 투명 전극으로 이용될 수 있다.Since the graphene thin film 200 is excellent in light transmittance and electron mobility in the horizontal and vertical directions, it may be used as a transparent electrode.

이하에서는, 본 발명에 따른 그래핀 박막을 제조하는 방법에 대해 살펴본다.Hereinafter, look at the method for producing a graphene thin film according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 그래핀 박막을 제조하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.3 is a view schematically showing a method of manufacturing a graphene thin film according to the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 그래핀 박막을 제조하기 위해, 우선 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 그래핀층(320)이 형성되어 있는 기판(310)을 준비한다. 기판(310) 상에 그래핀층(320)을 형성하는 방법은 여러 가지가 있을 수 있으며, 예컨대, 니켈(Ni)과 같은 그라파이트화 촉매 상에 기상 탄소 공급원을 공급하며 열처리하여 형성할 수 있다.Referring to FIG. 3, in order to manufacture the graphene thin film according to the present invention, first, as shown in FIG. 3 (a), the substrate 310 on which the graphene layer 320 is formed is prepared. The graphene layer 320 may be formed on the substrate 310 in various ways. For example, the graphene layer 320 may be formed by supplying a gaseous carbon source on a graphite catalyst such as nickel (Ni) and heat treatment.

다음으로, 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 그래핀층(320) 상에 UV 레지스트 또는 전자빔 레지스트(330)를 형성한다. 이러한 레지스트(330)는 스핀 코팅법 등을 이용하여 그래핀층(320) 상에 형성할 수 있다. 그리고 레지스트(330)에 원자외선 UV 또는 전자빔을 조사한 후, 현상하여, 도 3(c)에 도시된 바와 같이 레지스트 패턴(335)을 형성한다. 그리고 레지스트 패턴(335)을 마스크로 이용하여 그래핀층(320)을 식각하여 도 3(d)에 도시된 바와 같이, 표면에 요철이 형성되어 있는 그래핀층(325)을 형성한다. 그래핀층(320)은 산소 플라즈마를 이용하여 식각할 수 있다. 본 실시예에서는 그래핀층(320)의 표면만을 식각하는 경우에 대해 나타내었으나, 기판(310) 표면이 노출되도록 식각할 수도 있다. 그리고 도 3(e)에 도시된 바와 같이, 그래핀층(325) 상에 형성되어 있는 레지스트(335)를 제거한다.Next, as shown in FIG. 3B, a UV resist or an electron beam resist 330 is formed on the graphene layer 320. The resist 330 may be formed on the graphene layer 320 using a spin coating method or the like. After irradiating ultraviolet rays or electron beams to the resist 330, the resist pattern 330 is developed to form a resist pattern 335 as shown in FIG. 3C. Then, the graphene layer 320 is etched using the resist pattern 335 as a mask to form the graphene layer 325 having irregularities on the surface, as shown in FIG. The graphene layer 320 may be etched using oxygen plasma. In the present exemplary embodiment, only the surface of the graphene layer 320 is etched. However, the surface of the substrate 310 may be etched. As shown in FIG. 3E, the resist 335 formed on the graphene layer 325 is removed.

다음으로, 도 3(f)에 도시된 바와 같이, 그래핀층(325) 상에 화학 작용기(330)를 도입한다. 화학 작용기는 탄소-산소 결합으로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 페놀(phenol), 카보닐(carbonyl), 카복실(carboxyl), 퀴논(quinone) 및 락톤(lactone)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상으로 이루어진다. 이러한 화학 작용기는 다양한 산화제(O2, N2O, CO2, H2O)를 사용하여 기체상태 산화반응을 통하여 도입하거나 액체 상태 산화제(KMnO4, HNO3, KClO3)를 사용하여 도입할 수 있다.Next, as shown in FIG. 3 (f), the chemical functional group 330 is introduced on the graphene layer 325. The chemical functional group may consist of a carbon-oxygen bond, and preferably consists of one or more selected from the group consisting of phenol, carbonyl, carboxyl, quinone and lactone. These chemical functional groups can be introduced through gaseous oxidation using various oxidants (O 2 , N 2 O, CO 2 , H 2 O) or by using liquid oxidants (KMnO 4 , HNO 3 , KClO 3 ). Can be.

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 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.Although the preferred embodiments of the present invention have been shown and described above, the present invention is not limited to the specific preferred embodiments described above, and the present invention belongs to the present invention without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Various modifications can be made by those skilled in the art, and such changes are within the scope of the claims.

200...그래핀 박막 210, 320, 325...그래핀층
220, 330...화학 작용기 211...모서리 부분
310...기판 330...레지스트
335...레지스트 패턴200 ... graphene thin film 210, 320, 325 ... graphene layer
220, 330 ... Chemical functionality 211 ... Corner part
310 substrate 330 resist
335 resist pattern

Claims (2)

표면에 수십 nm 에서 수백 μm의 크기의 요철(凹凸)이 형성되어 있는 그래핀(graphene)층; 및
상기 그래핀층 표면에 형성되어 있는 화학 작용기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 박막.A graphene layer having irregularities having a size of several tens of nm to several hundred μm on a surface thereof; And
And a chemical functional group formed on the surface of the graphene layer. 제1항에 있어서, 상기 화학 작용기는 페놀(phenol), 카보닐(carbonyl), 카복실(carboxyl), 퀴논(quinone) 및 락톤(lactone)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 그래핀 박막.The graphene thin film of claim 1, wherein the chemical functional group is at least one selected from the group consisting of phenol, carbonyl, carboxyl, quinone, and lactone.
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KR20090129298A (en) * 2008-06-12 2009-12-16 포항공과대학교 산학협력단 Spin-valve devices based on graphene nanoribbons

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