KR101154347B1 - 그래핀 박막과 나노 입자를 이용한 광검출기 및 그 제조 방법 - Google Patents
그래핀 박막과 나노 입자를 이용한 광검출기 및 그 제조 방법 Download PDFInfo
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- H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
- H10K30/60—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation in which radiation controls flow of current through the devices, e.g. photoresistors
- H10K30/65—Light-sensitive field-effect devices, e.g. phototransistors
Abstract
그래핀 박막과 나노 입자를 이용한 광검출기 및 그 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 광검출기는, 기상 탄소 공급원을 이용한 그래핀 증착을 통해 제작한 시트 형상의 그래핀 박막; 및 상기 그래핀 박막 위에 형성되며 상기 그래핀 박막의 전극 영역을 정의하도록 패터닝되어 있고 매트릭스 물질 없이 나노 입자로 이루어진 나노 입자층을 포함한다. 이러한 광검출기는 그래핀 박막을 채널 및 전극으로 사용하고 나노 입자를 광기전력 물질(자외선에 의한 광기전력으로 전자-정공쌍을 형성)로 사용하는 수평형 구조이며 매우 간단한 구조이므로 저비용으로 제조할 수 있어 생산성이 높을 뿐만 아니라, 그래핀 박막을 포함함에 따라 저전력화할 수 있다.
Description
본 발명은 광검출기 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노 입자를 이용하며 수평형(planar) 구조를 갖는 광검출기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
광검출기는 광신호를 검출하여 전기적인 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 소자로서, 특히 자외선 광검출기는 의료, 산업 및 군사 분야에서 다양한 용도로 널리 사용되고 있다. 이러한 자외선 광검출기는 일반적으로 Si으로 제조되는데, Si의 에너지 밴드갭(energy bandgap)의 크기가 작기 때문에 자외선 이외에 입사된 가시광선의 에너지에 의해 소자 수명이 단축되는 문제점이 있다. 그리고 Si로 제조된 광검출기는 가시광선과 적외선을 걸러내기 위한 필터가 별도로 필요하다.
이러한 문제를 해결하기 위해 GaN, ZnO와 같이 큰 에너지 밴드갭을 가지는 물질을 활용하여 광검출기를 제조하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 ZnO의 경우 에너지 밴드갭이 3.35 eV로 매우 크기 때문에 별도의 가시광선 필터가 필요 없으며, Zn와 같은 인체에 독성이 적은 물질을 사용하기 때문에 환경 친화적인 소 자를 제조할 수 있다. ZnO를 활용한 자외선 광검출기는 다양한 구조가 연구되고 있으며, 가장 일반적으로 기존의 광검출기와 비슷하게 ZnO 박막을 사용한 구조가 사용되고 있다. 그러나 ZnO 박막을 사용하여 광검출기를 제조할 경우 전류 누설을 막기 위한 고품질의 박막을 성장하는 것과 ZnO 박막과의 격자 상수가 일치하는 저가의 기판을 얻는 것이 어렵다는 문제를 가지고 있다.
이러한 ZnO 박막의 문제로 인해 ZnO 나노 입자 및 ZnO 나노 와이어와 같은 ZnO 나노 구조를 활용하여 자외선 광검출기를 제조하려는 연구가 시도되고 있다. ZnO 나노 와이어를 사용하는 경우는 두 전극 사이를 가로질러 ZnO 나노 와이어가 있는 구조로서, 빛이 입사되면 ZnO 나노 와이어에서 형성된 전자-정공쌍에 의해 ZnO 나노 와이어에 존재하는 공핍층이 줄어들어 ZnO 나노 와이어의 전기 전도도가 증가하는 원리를 이용한다. ZnO 나노 입자를 사용하는 경우는 ZnO 나노 입자를 전자 전송 물질로 사용하는 것과 빛이 입사되면 ZnO 나노 입자에서 형성된 전자-정공쌍에 의해 ZnO 나노 입자 내부의 공핍층이 줄어들어 전기 전도도가 증가하는 것을 이용하는 것이 있다.
ZnO 나노 와이어를 사용하여 광검출기를 제조하는 방법은 나노 와이어가 나노 입자보다 높은 전기 전도도를 갖기 때문에 전하 전송 효율이 높다는 장점이 있으나, 나노 입자에 비해 빛을 받는 유효 면적이 감소하기 때문에 동작 효율이 낮은 단점이 있다. 또한 나노 와이어를 특정 전극 사이에 정렬시키는 것이 매우 어렵기 때문에 상업적으로 광검출기를 생산한다는 것은 불가능하다. 이러한 문제를 해결하기 위해 ZnO 나노 입자를 ZnO 나노 와이어 표면에 부착하는 방법도 있으나, ZnO 나 노 입자를 ZnO 나노 와이어에 부착하는 공정이 복잡하고, 전극을 나노 와이어에 형성하거나 나노 와이어를 특정 전극 사이에 형성하는 것은 여전히 어려운 문제이다.
ZnO 나노 입자만을 이용하는 소자의 제조에 있어서, 나노 입자는 구조적으로 나노 입자를 고정시키는 물질이 필요하므로 나노 입자가 단독으로 사용되는 경우는 거의 없고 ZnO 나노 입자를 고분자 안에 포함시킨 구조를 사용하는 경우가 대부분이다. 이 방법은 일반적으로 스핀 코팅과 같은 용매를 사용한 공정을 사용할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 나노 입자가 포함된 고분자를 사용하는 방법은 소자 구조가 적층 구조로서 투명 전극 또는 투명 기판이 필요하며, 나노 입자를 고정시키기 위한 고분자층 외에 별도의 정공 및 전자 수송층이 필요하다는 단점을 가지고 있다.
고분자와 같은 추가적인 매트릭스(matrix) 물질이 없이 ZnO 나노 입자를 단독으로 사용하여 소자를 제조하는 방법으로는 ZnO 나노 입자를 고정시키기 위해 열처리(annealing) 과정을 거쳐 나노 입자를 소결시키는 것을 생각해 볼 수 있다. 그러나 소결 과정에서 나노 입자들이 서로 엉겨 붙기 때문에 소자 자체가 유연성을 가질 수 없으며, 고온의 열처리 과정이 필요하기 때문에 열에 약한 고분자 기판은 사용할 수 없다. 또한 나노 입자와 나노 입자 사이의 전기 전도도가 낮아 수십 V 이상의 고전압을 인가해야 하므로 휴대용으로 사용하기 불가능하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 간단한 구조의 광검출기를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 광검출기를 보다 간단하고 저렴하게 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 광검출기는, 기상 탄소 공급원을 이용한 그래핀 증착을 통해 제작한 시트 형상의 그래핀 박막; 및 상기 그래핀 박막 위에 형성되며 상기 그래핀 박막의 전극 영역을 정의하도록 패터닝되어 있고 매트릭스 물질 없이 나노 입자로 이루어진 나노 입자층을 포함한다.
상기 나노 입자는 ZnO, CuO, BaCO3, Bi2O3, B2O3, CaCO3, CeO2, Cr2O3, Fe2O3, Ga2O3, In2O3, Li2CO3, LiCoO2, MgO, MnCO3, MnO2, Mn3O4, Nb2O5, PbO, Sb2O3, SnO2, SrCO3, Ta2O5, TiO2, BaTiO3, V2O5, WO3, ZrO2, GaN, AlxGa1-xN, SiC 및 ZnS 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 광검출기 제조 방법에서는, 기상 탄소 공급원을 이용한 그래핀 증착을 통해 시트 형상의 그래핀 박막을 제작한 다음, 상기 그래핀 박막 위에 상기 그래핀 박막의 전극 영역을 정의하도록 패터닝되어 있고 매트릭스 물질 없이 나노 입자로 이루어진 나노 입자층을 형성한다.
여기서, 상기 나노 입자층을 형성하는 단계는, 나노 입자가 분산되어 있는 용액을 준비하는 단계; 상기 그래핀 박막 위에 상기 나노 입자가 분산되어 있는 용액을 스핀 코팅한 후 건조시켜 나노 입자층을 형성하는 단계; 및 상기 그래핀 박막 의 전극 영역을 정의하도록 상기 나노 입자층을 패터닝하는 단계를 포함하거나, 나노 입자가 분산되어 있는 용액을 준비하는 단계; 상기 그래핀 박막 위에 상기 그래핀 박막의 전극 영역을 가리는 마스크를 형성하는 단계; 상기 마스크가 형성된 그래핀 박막 위에 상기 나노 입자가 분산되어 있는 용액을 스핀 코팅한 후 건조시켜 나노 입자층을 형성하는 단계; 및 상기 마스크를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
특히 상기 나노 입자가 분산되어 있는 용액을 준비하는 단계는, DMF(N,N-Dimethylformamide)에 금속 아세테이트 디하이드레이트(acetate dihydrate)를 용해시켜 혼합 용액을 형성하는 단계; 및 상기 혼합 용액을 가열한 후, 가열 온도를 단계적으로 낮추어 나노 입자를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 그래핀 박막을 제작하는 단계는, 그래파이트화 금속막이 형성된 기판을 챔버 내에 장입하는 단계; 상기 챔버 내에서 상기 그래파이트화 금속막 및 기판 중 적어도 어느 하나에 전류를 흘려 그 때의 전열 효과에 의해 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; 상기 전류의 양을 조절하여 상기 그래파이트화 금속막을 제어된 속도로 냉각시킴으로써 상기 고용시킨 탄소 성분으로부터 상기 그래파이트화 금속막 표면에 그래핀을 석출시키는 단계; 및 산처리에 의해 상기 그래파이트화 금속막을 제거함으로써, 석출된 그래핀을 상기 기판으로부터 분리하는 단계를 포함함이 바람직하다.
본 발명에서 제시하는 광검출기는 그래핀 박막을 채널 및 전극으로 사용하고 나노 입자를 광기전력 물질로 사용하는 수평형 구조이다. 자외선이 광검출기 상단에서 입사되므로 불투명한 소자용 기판을 이용해도 소자 제작이 가능하다.
본 발명에 의해 제조된 광검출기는 전기 전도도가 우수한 그래핀 박막이 전극과 채널의 역할을 동시에 수행하기 때문에 별도의 전하 수송층과 전극을 형성할 필요가 없으며, 그래핀의 강력한 반데르발스 힘에 의해 그래핀 박막을 소자용 기판 위에 부착할 때에 별도의 공정 및 접착 물질이 필요 없고, 나노 입자를 그래핀 박막 위에 부착할 때에도 매트릭스 물질로 사용되는 별도의 고분자 박막이나 열처리와 같은 공정 없이 나노 입자를 고정할 수 있다. 따라서, 이러한 광검출기의 구조가 아주 단순하기 때문에 저비용으로 소자를 제조할 수 있고 생산성이 높다.
광검출기가 그래핀 박막을 포함하게 됨에 따라 우수한 전기적 성능을 기대할 수 있다. 전기 전도도가 높은 그래핀 박막을 채널로 사용하므로 3 V 이하의 저전압에서도 자외선 유무를 판별하기 위한 충분한 전류량을 얻을 수 있다. 그래핀 박막은 높은 부착력을 가지므로 이를 포함하는 광검출기는 기계적으로 높은 강도를 가지게 되고, 접착성이 우수한 그래핀 박막이 소자용 기판 위에 가장 먼저 부착되므로 다양한 물질로 된 소자용 기판이 사용 가능하며, 소자용 기판의 종류에 따른 소자의 특성 변화가 적다. 유연한 그래핀 박막 위에 나노 입자층을 형성하게 되므로 플라스틱과 같은 유연한 소자용 기판을 사용하면 가볍고 유연한 광검출기를 제조할 수 있다.
특히 그래핀 박막은 그래파이트화 금속막 및 기판 중 적어도 어느 하나에 전 류를 흘려 그 때의 전열 효과에 의해 그래파이트화 금속막을 가열하는, 열저항가열방식(joule heating)을 이용하여 형성할 수 있다. 흘려주는 전류에 의해 형성되는 전기장은 그래파이트화 금속막의 입자 사이즈를 크게 하여 그 표면을 매우 평탄하게 만들므로 보다 고품질의 그래핀 박막을 얻을 수 있게 한다.
열저항가열방식을 이용하면 그래핀 공정 과정의 가장 마지막인 냉각 단계에서 전류량 제어에 따른 발열량을 정확히 제어할 수 있어 정확히 원하는 냉각 속도로 냉각을 할 수 있게 된다. 이것은 형성되는 그래핀의 품질을 조절하는 데 가장 중요한 요소이다. 또한, 저항 히터나 램프의 복사열에 의해 간접적으로 기판을 가열하는 방법이 아니라 열저항가열방식에 의하여 직접 가열하는 방식이므로 히터 디자인 변경 등이 필요하지 않아 저비용으로 대면적화에 유리하다.
특히 본 발명 제조 방법에 따르면, 금속 아세테이트 디하이드레이트와 DMF를 혼합하고 열처리하는 공정만으로 100℃ 이하에서 화학적인 방법을 통해 간단하게 나노 입자의 형성이 가능하므로 나노 입자 형성을 위한 고가의 장비가 필요없게 되고 공정이 간단하게 된다. 형성된 나노 입자는 그 크기가 균일하고 밀도가 매우 높다. 또한, 금속 아세테이트 디하이드레이트 형태로 존재하는 금속의 나노 입자를 형성할 수 있으므로 나노 입자의 종류가 다양하여 응용 분야가 넓다. 이렇게 형성된 나노 입자를 그래핀 박막 위에 스핀코팅하면 본 발명에 따른 간단한 구조의 광검출기를 보다 간단하고 저렴하게 제조할 수 있다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 상 세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
본 발명에서 제시하는 소자는 그래핀 박막을 전극과 채널로 사용하고 별도의 매트릭스 물질없이 광기전력 물질로서의 나노 입자를 그래핀 박막 위에 부착한 새로운 수평형 구조의 광검출기이다. 도 1은 그러한 광검출기의 개략적인 사시도이고, 도 2는 상면도, 도 3은 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 광검출기(100)는 소자용 기판(10) 상에 그래핀 박막(20)과 나노 입자층(60)만으로 구성되어 있다. 그래핀 박막(20)은 기상 탄소 공급원을 이용한 그래핀 증착을 통해 얻어진 시트 형상의 그래핀 박막을 소자용 기판(10) 상에 부착시켜 형성한 것임에 특징이 있고, 나노 입자층(60)은 이 그래핀 박막(20)의 전극 영역(30)을 정의하도록 패터닝되어 있으면서 고정을 위한 별도의 매트릭스 물질 없이 나노 입자(40)로만 이루어져 있음이 특징이다. 전극 영역(30)에는 도 1에 도시한 바와 같이 외부 회로(전원과 저항)가 연결된다.
본 발명의 광검출기(100)에서 그래핀 박막(20)은 채널 및 전극으로 사용되고 나노 입자층(60)은 광기전력 물질(자외선에 의한 광기전력으로 전자-정공쌍을 형성)로 사용된다. 광검출기(100)에서 전류의 흐름은 그래핀 박막(20)을 따르는 수평면이므로 광검출기(100)는 적층형 수직 구조가 아닌 평면형 구조이며, 자외선이 광 검출기(100) 상단에서 입사되므로 소자용 기판(10)으로 불투명한 기판을 사용하여도 광검출기로서의 제조가 가능하다.
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 투명하다. 본 발명의 광검출기(100)는 전기 전도도가 높은 그래핀 박막(20)을 채널 및 전극으로 이용하게 됨에 따라 별도의 전하 수송층과 전극을 형성할 필요가 없으며, 3 V 이하의 저전압에서도 자외선 유무를 판별하기 위한 충분한 전류량을 얻을 수 있다.
그래핀 박막(20)은 또한 강력한 반데르발스 힘에 의해 소자용 기판(10) 위에 별도의 공정 및 접착 물질이 필요 없이 잘 부착이 되고, 마찬가지로 나노 입자층(60)도 그래핀 박막(20) 위에 매트릭스 물질로 사용되는 별도의 고분자 박막이나 열처리와 같은 공정 없이 잘 고정된다. 즉, 소자용 기판(10)과 그래핀 박막(20) 사이, 그래핀 박막(20)과 나노 입자층(60) 사이에는 전하의 운송을 돕는 층, 물질 고정을 돕는 층과 같은 기타 다른 물질이 개재될 필요가 없다. 그래핀 박막(20)과 나노 입자층(60)의 구성이 소정의 두께 및 기계적 강도를 충족하는 경우에는 소자용 기판(10) 자체의 생략도 가능하므로, 이러한 광검출기(100)는 그래핀 박막(20)과 나노입자층(60)만으로 이루어질 수 있어 그 구조가 아주 단순하기 때문에 저비용으로 소자를 제조할 수 있고 생산성이 높다.
그래핀 박막(20)은 인접하는 셀과의 전기적인 격리를 위해 절연되어 있을 수 있지만 하나의 셀 안에서는 도시한 바와 같이 패터닝되어 있지 않고, 그 위에 형성 된 나노 입자층(60)만이 패터닝되어 있다. 기존의 나노 구조를 이용한 소자에서는 두 전극 사이에 나노 구조를 정렬시키는 것이 매우 어려웠는데 본 발명 광검출기 구조에서는 그러한 문제가 없다.
소자용 기판(10)은 유리(glass), 석영(quartz), Al2O3 , SiC 등의 투명한 무기물 기판, PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트), PS(폴리스티렌), PI(폴리이미드), PVC(폴리염화비닐), PVP(poly vinyl pyrrolidone), PE(폴리에틸렌) 등의 투명한 유기물 기판 또는 Si, GaAs, InP, InSb, AlAs, AlSb, CdTe, ZnTe, ZnS, CdSe, CdSb, GaP 등의 기판을 사용할 수 있다. 뿐만 아니라, 후술하는 바와 같이 제조 방법상 고온 공정을 요구하지 않기 때문에 소자용 기판(10)은 종이, 비닐과 같이 열에 약한 재질일 수도 있다. 뿐만 아니라, 소자용 기판(10)으로 투명 기판을 사용할 경우 입사광이 광검출기(100)의 상단 및 하단 양쪽에서 모두 입사할 수 있으므로 입사량이 증가하여 광기전력 효율이 증가한다. PET와 같은 플라스틱 기판을 사용하면 광검출기(100)를 유연성 있는 소자로 제조할 수 있다.
나노 입자(40)는 ZnO, CuO, BaCO3, Bi2O3, B2O3, CaCO3, CeO2, Cr2O3, Fe2O3, Ga2O3, In2O3, Li2CO3, LiCoO2, MgO, MnCO3, MnO2, Mn3O4, Nb2O5, PbO, Sb2O3, SnO2, SrCO3, Ta2O5, TiO2, BaTiO3, V2O5, WO3, ZrO2, GaN, AlxGa1-xN, SiC 및 ZnS 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 선택된 물질의 에너지 밴드갭에 따라 소망하는 파장의 광검출기로 사용할 수 있는데 예컨대 나노 입자(40)를 ZnO로 하는 경우에는 자외선 광검출기로 사용할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 광검출기 제조 방법에 대한 바람직한 일 실시예의 수행과정을 나타낸 흐름도이고, 도 5는 그에 따른 공정 단면도이다. 도 4 및 도 5를 참조하여 도 1에 도시한 광검출기(100)의 제조 방법에 대해 상세히 설명한다.
우선 투명 전극으로 사용할 시트 형상의 그래핀 박막을 제작한다(도 4의 단계 S11).
먼저 SiO2 기판 위에 그래핀을 부착한다(단계 S110). 이를 위해 Ni이 증착된 SiO2 기판을 화학기상증착(CVD) 챔버 안에 넣고 수소와 아르곤 가스를 적절한 비율, 예컨대 1:4의 비율로 채워 넣는다. 일정한 기압을 유지하면서 고온에서 기상 탄소 공급원인 CH4 가스와 수소-아르곤 혼합 가스를 일정 시간, 예컨대 30초 동안 흘려준 후, 상온까지 천천히 냉각시킨다. 이 과정에서 그래핀이 Ni 위에 성장한다.
다음에, 성장된 그래핀을 SiO2 기판으로부터 분리한다(단계 S111). 이를 위해 SiO2 기판을 각각 HF 용액 및 Ni 식각액에 순차적으로 넣어 SiO2 및 Ni을 식각하여 그래핀을 박막 형태로 추출하여 완전히 분리해낸다. Ni 식각액으로는 TFB 또는 TFG 용액을 사용할 수 있다.
기존에 투명 전극용 그래핀 박막을 제작하는 방법은 촉매를 이용해 그래파이트를 정제하여 박막으로 제작하는 방법과 산화 그래핀을 이용한 습식 방법으로 나뉜다. 그래파이트를 정제하여 그래핀 박막을 제작하는 방법은 기판 위에 부착된 그래파이트 위에 촉매를 입힌 후 고분자를 그 위에 덮고 열처리하여 그래파이트로부 터 그래핀을 얻은 다음 기판을 제거하여 그래핀 박막을 얻는 것이다. 산화 그래핀을 이용한 습식 방법은 그래핀을 산화시킨 후 용액 속에 섞어 분산시킨 뒤 이를 스핀 코팅을 통해 전극 또는 전자 수송층으로 직접 형성하는 것이다.
그래파이트와 촉매를 사용하는 방법은 고품질의 그래핀 박막을 얻을 수 있으나 공정 과정이 다소 복잡하다. 산화시킨 그래핀을 사용하는 방법은 그래파이트를 정제하는 방법에 비해 간단하다는 장점을 가지고 있다. 그러나 산화된 그래핀을 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.
그러나 본 발명 제조 방법에 따르면 기상 탄소 공급원을 이용한 그래핀 증착을 통해 시트 형상의 그래핀 박막을 제작하는데, CVD와 같은 간단한 기상 증착 과정을 통해 그래핀을 얻을 수 있으므로 공정이 간단하며 제작된 그래핀 박막의 품질도 우수하다.
다음으로 나노 입자가 분산되어 있는 용액을 준비한다(단계 S12).
우선, DMF(N,N-Dimethylformamide)에 금속 아세테이트 디하이드레이트(acetate dihydrate)를 용해시켜 혼합 용액을 형성한다(단계 S210).
금속 아세테이트 디하이드레이트는 M(CH3COO)2?2H2O(여기서, M은 금속)로 표현되는 화합물이다. 금속은 Zn, Al, Ba, Bi, Ca, Ce, Cr, Fe, Ga, In, Li, Co, Mg, Mn, Nb, Pb, Sb, Sn, Sr, Ta, Ti, V, W 및 Zr 중에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
다음으로, 혼합 용액을 일정시간 가열한 후, 가열 온도를 단계적으로 낮추어 혼합 용액 내에서 나노 입자를 형성한다(단계 S211). 가열 온도는 100℃ 정도의 상대적으로 높지 않은 온도를 이용하여 나노 입자를 형성할 수 있다. 그리고 가열한 후, 급속하게 냉각시키지 않고 가열 온도를 단계적으로 낮추는 것이 필요하다. 이 때 형성되는 나노 입자는 금속 산화물로 이루어질 수 있다. 금속 산화물은 ZnO, CuO, BaCO3, Bi2O3, B2O3, CaCO3, CeO2, Cr2O3, Fe2O3, Ga2O3, In2O3, Li2CO3, LiCoO2, MgO, MnCO3, MnO2, Mn3O4, Nb2O5, PbO, Sb2O3, SnO2, SrCO3, Ta2O5, TiO2, BaTiO3, V2O5, WO3 및 ZrO2 중 어느 하나일 수 있다. 그리고 DMF와 금속 아세테이트 디하이드레이트의 비율, 가열 온도 및 가열시간을 조절하여 형성되는 나노 입자의 밀도 및 크기를 변화시킬 수 있다.
이와 같은 단계 S210 및 S211에 의해 나노 입자가 분산되어 있는 용액을 쉽게 제조할 수 있으며 금속 아세테이트 디하이드레이트로 존재하는 금속이라면 모두 위의 방법을 이용해 나노 입자로 제조할 수 있으므로 이를 통해 다양한 광검출기로 제조할 수 있게 된다. 금속 산화물 나노 입자 이외에 GaN, AlxGa1-xN, SiC 및 ZnS와 같은 나노 입자를 이용하고자 하는 경우라면 이러한 나노 입자를 먼저 입수한 후 적절한 용매에 분산시켜 나노 입자가 분산되어 있는 용액을 준비하도록 한다.
뒤이어 도 1 구조의 광검출기(100)를 제조하기 위해 소자용 기판(10) 위에 선행 단계 S11에서 제작한 그래핀 박막(20)을 부착한다(단계 S13, 도 5의 (a)). 그 래핀 박막(20)은 소자용 기판(10) 위에 반데르발스 힘에 의해 쉽게 부착이 되며 부착을 위해 별도의 접착 물질이나 공정을 필요로 하지 않는다.
그런 다음, 그래핀 박막(20) 위에 단계 S12에서 준비한 나노 입자가 분산되어 있는 용액을 스핀 코팅한다. 스핀 코팅된 용액에 열을 가해 용매를 제거하는 것과 같이 건조를 시키면, 매트릭스 물질 없이 나노 입자(40)로 이루어진 나노 입자층(60')을 형성할 수 있다(단계 S14, 도 5의 (b)). 그래핀 박막(20)과 나노 입자(40)간의 반데르발스 힘에 의해 별도의 접착 물질이나 공정이 없어도 그래핀 박막(20) 위에 나노 입자(40)가 잘 부착이 된다. 그래핀 박막(20)의 면적이 작은 경우에는 스핀 코팅에 의하지 않고 단순히 침적하는 것에 의해서도 나노 입자층(60')을 형성할 수 있다. 나노 입자(40)들은 반데르발스 힘에 의해 그래핀 박막(20)에 부착되어 나노 입자층(60')을 형성하게 되므로 도시한 바와 같이 1층(mono layer) 혹은 2 ~ 3층 정도의 작은 두께로 형성될 수 있다.
그런 다음, 그래핀 박막(60)의 전극 영역(30)을 정의하도록 나노 입자층(60')을 패터닝하여 나노 입자층(60)을 완성하고(단계 S15, 도 5의 (c)), 도 1에서와 같이 외부 회로를 연결하여 광검출기(100) 제조를 완료한다. 그래핀 박막(60)의 전극 영역(30)에는 외부 회로가 연결된다. 그 연결을 위한 접촉단자를 형성하기 위해 나노 입자층(60')을 구성하는 나노 입자(40)의 일부를 식각하여 패터닝하는 것이다.
한편, 본 실시예에서는 그래핀 박막(20) 위에 전면적으로 나노 입자층(60')을 형성한 후에 전극 영역(30) 위의 나노 입자(40)를 선택 제거하는 방법에 의해 패터닝된 나노 입자층(60)을 얻는 방법을 예로 들어 설명하였는데, 금속 전극 형성 등의 방법에 흔히 쓰이는 이른바 리프트 오프(lift off)와 같은 방식을 이용해 나노 입자층(60)을 형성할 수도 있다. 즉, 그래핀 박막(20) 위에 전극 영역(30)을 가리는 마스크(미도시)를 포토레지스트와 같은 물질을 이용해 먼저 형성한 다음에 그 위로 나노 입자가 분산되어 있는 용액을 스핀 코팅한 후 건조시키고 이후 마스크를 제거하면, 마스크 위로 형성된 나노 입자가 마스크와 함께 제거되면서 전극 영역(30)에는 나노 입자가 없도록 패터닝된 상태의 나노 입자층(60)을 얻을 수 있다.
본 발명 제조방법에 따르면, 접착성이 우수한 그래핀 박막(20)이 소자용 기판(10) 위에 가장 먼저 부착되므로 다양한 물질로 된 기판이 사용가능하며, 기판의 종류에 따른 소자의 특성 변화가 적다. 유연한 그래핀 박막(20) 위에 나노 입자(40)가 형성되어 있으므로 플라스틱과 같은 유연한 기판을 사용할 때 가볍고 유연한 광검출기를 제조할 수 있다.
특히 본 발명 제조 방법에 따르면, 금속 아세테이트 디하이드레이트와 DMF를 혼합하고 열처리하는 공정만으로 100℃ 이하에서 화학적인 방법을 통해 간단하게 나노 입자의 형성이 가능하므로 고가의 장비가 필요없게 되고 공정이 간단하게 된다. 형성된 나노 입자는 그 크기가 균일하고 밀도가 매우 높다. 또한, 금속 아세테이트 디하이드레이트 형태로 존재하는 금속의 나노 입자를 형성할 수 있으므로 나노 입자의 종류가 다양하여 응용 분야가 넓다. 이렇게 형성된 나노 입자를 그래핀 박막 위에 단순히 스핀 코팅한 후 건조시키면 본 발명에 따른 간단한 구조의 광검출기를 제조할 수 있다.
본 실시예에서는 Ni이 증착된 SiO2 기판에 그래핀을 성장시켜 그래핀 박막을 형성하는 것을 설명하였는데, 그래핀 박막을 형성하기 위한 기재 수단인 기판은 반드시 SiO2 기판에 한정되는 것은 아니다. 그리고 그래핀의 성장은 일반적인 CVD에 의하여도 되나, 다음에 설명하는 방법에 의할 경우에는 보다 고품질의 그래핀 박막을 얻을 수 있어 이를 전극으로 채용하는 광검출기의 품질을 향상시킬 수 있으므로 이하에서 상세히 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명 광검출기 제조에 이용할 그래핀 박막을 얻기 위한 바람직한 실시예의 순서도이고, 도 7 내지 9는 그에 따른 개략적인 실시 도면들이다.
먼저 도 7과 같이 기판(210) 위에 그래파이트화 금속막(220)이 형성된 것을 준비하여, 도 8과 같이 챔버(230) 내에 장입한다(도 6의 단계 S1).
여기서의 챔버(230)는 기본적으로 CVD를 행할 수 있도록 기판(210) 측에 각종 가스를 공급할 수 있는 가스 공급 기구(235)가 설치되어 있다. 가스 공급 기구(235)는, 예를 들면 통상 이러한 종류의 장치의 가스 공급 기구로서 이용되는 샤워헤드로 구성할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 그래파이트화 금속막(220)이 형성된 기판(210)을 챔버(230) 내에 장입한 후에는 미도시의 펌프 등을 이용해 챔버(230) 내의 공기를 제거한다. 그 후 챔버(230) 내의 진공을 유지하면서 가스 공급 기구(235)를 통해 적절한 분위기 가스, 예컨대 수소와 아르곤 가스를 1:1 내지 1:6 사이의 비율로 흘려주어 상압을 유지시킨다.
기판(210)은 그래핀 박막을 형성하기 위한 보조적인 수단으로서 기판(210) 재질은 크게 상관이 없으나, 후속 공정에서 1000℃ 근방으로 가열되는 것에는 견딜 수 있어야 하며 기판(210)과 분리된 시트 형상의 그래핀 박막을 얻기 위해서는 산처리 등에 의해 쉽게 제거될 수 있는 재질로 선택함이 바람직하다. 이러한 성질을 만족하면서 비싸지 않고 쉽게 입수할 수 있는 기판(210) 재질로서 본 실시예에서는 도핑되거나 도핑되지 않은 실리콘 기판을 채택하고, 그 위에 실리콘 산화막(215)을 형성한 후에 그래파이트화 금속막(220)을 형성한다.
그래파이트화 금속막(220)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(220)은 이러한 금속의 착체 또는 금속의 알콕사이드를 알코올 등의 용매에 용해시킨 후 기판(210) 위에 도포하여 건조시켜 형성할 수 있다. 아니면 열증착 등의 금속 증착 방법으로 기판(210) 위에 증착시켜 형성할 수도 있다.
특히 본 실시예에 이용되는 챔버(230) 내부에는 기판(210) 양단 근방에 전극(240)을 설치하는 점이 특별한데, 이 전극(240)에는 챔버 외부의 전원(250, 직류 또는 교류 전원)이 접속되어 있어, 도 7에 도시한 바와 같이 전극(240)을 그래파이 트화 금속막(220)이 형성된 기판(210)에 접촉시키면, 기판(210)이 도핑되지 않은 실리콘 기판처럼 절연성인 경우에는 그래파이트화 금속막(220)을 통해 전류를 흘려줄 수 있고, 기판(210)이 도핑된 실리콘 기판과 같은 도전성 기판이면 그래파이트화 금속막(220)이나 기판(210) 중 적어도 어느 한쪽을 통해 전류를 흘려줄 수 있다. 도 7에 도시한 전극(240)은 기판(210)의 상/하 양단에 기판(210)의 마주보는 두 변을 따라 신장되어 있는 형태의 두 쌍의 전극이지만, 전극(240)의 형태는 도시한 바에 한정되지 않고 그래파이트화 금속막(220) 및/또는 기판(210)을 고르게 통전시킬 수 있는 구조이면 어떠한 것이라도 가능하다.
다음, 상압을 유지한 상태로 챔버(230) 내에서 그래파이트화 금속막(220) 및 기판(210) 중 적어도 어느 하나에 전류를 흘려 그 때의 전열 효과에 의해 그래파이트화 금속막(220)을 가열한다(도 6의 단계 S2). 즉, 열저항가열방식을 이용해 그래파이트화 금속막(220)의 온도를 올리는 것이다. 바람직하게는 그 온도를 600 ~ 1000℃로 올려준다. 이 때의 가열 효과로 인해 그래파이트화 금속막(220)의 입자 사이즈가 커지면서 그래파이트화 금속막(220) 표면이 평평해진다.
앞에서 언급한 바와 같이, 챔버(230) 내부의 전극(240)을 기판(210)에 접촉시킴으로써 그래파이트화 금속막(220) 및/또는 기판(210)에 급전[이] 가능해지고 이 때의 전열 효과에 의해 그래파이트화 금속막(220)이 가열된다. 기판(210)이 절연성인 경우에는 그래파이트화 금속막(220)이 통전되면서 그래파이트화 금속막(220)의 직접 발열에 의해 온도가 올라간다. 금속 촉매가 막 형태로 형성되어 있고 전극(240)이 기판(210) 양단에 접촉되어 있기 때문에 그래파이트화 금속막(220) 의 전면에 거의 균일하게 전류를 흘릴 수 있다. 이와 같이, 그래파이트화 금속막(220)에 전류를 흘리는 것만으로, 복잡한 제어를 행하는 일이 없이 전열 효과에 의해 그래파이트화 금속막(220)의 전체가 거의 균일하게 가열되어 승온된다. 기판(210)이 도전성인 경우에 기판(210)을 통전시키면 기판(210)이 발열되고 그 위에 형성되어 있는 그래파이트화 금속막(220)은 쉽게 가열된다.
이 단계에서 그래파이트화 금속막(220)은 가열 효과 뿐만 아니라 흘려주는 전류에 의해 형성된 전기장에 의한 추가적인 효과로 인해 그래파이트화 금속막(220)을 구성하고 있는 금속 입자 사이즈가 커지게 되고 이에 따라 그래파이트화 금속막(220) 표면은 매우 평평해진다. 후속 공정에서 그래핀은 이렇게 평평해진 그래파이트화 금속막(220) 위에 형성되므로 그 품질이 우수해진다.
다음, 그래파이트화 금속막(220)이 가열되는 상태에서 가스 공급 기구(235)를 통해 챔버(230) 내에 기상 탄소 공급원을 공급하여 그래파이트화 금속막(220) 안에 탄소 성분을 고용시킨다(도 6의 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(230) 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(220) 안에 고용되는 탄소 성분의 양을 조절하는 것이 가능하다. 시간과 공급량을 크게 해 고용되는 탄소 성분의 양을 많게 할 경우 결과적으로 그래핀 박막의 두께를 크게 할 수 있으며, 반대로 시간과 공급량을 작게 해 고용되는 탄소 성분의 양을 적게 하면 그래핀 박막의 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 그래핀 박막도 대형화될 것이 요구되고 있다. 이와 같은 대형의 그래핀 박막을 얻기 위해서는 그래핀 박막이 형성되는 기재로서의 기판(210)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 여기서는 열저항가열방식을 이용해 기판(210) 및/또는 그래파이트화 금속막(220)을 직접 통전 가열하므로, 간단한 구성에 의해 효율 좋게 가열할 수 있고 제조비용의 증가가 없으며, 기판(210)이 절연성인 경우뿐만 아니라 도전성인 경우에도 그래파이트화 금속막(220)을 가열하는 것이 가능하다.
다음, 기상 탄소 공급원의 공급을 중단하고 열저항가열방식에서의 흘려주는 전류의 양을 줄여 그래파이트화 금속막(220)을 제어된 속도로 냉각(도 6의 단계 S4)시킴으로써, 그래파이트화 금속막(220) 안에 고용시킨 탄소 성분으로부터 그래 파이트화 금속막(220) 표면에 도 9와 같이 그래핀을 석출시켜 그래핀 박막(260)을 형성한다.
이 냉각 공정은 그래핀을 균일하게 석출시켜 고품질을 얻기 위한 중요한 단계로서, 급격한 냉각은 원하는 두께에 못 미치는 그래핀을 얻거나 생성되는 그래핀 박막에 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 실시예에서는 전류량 조절로 발열량을 제어할 수 있기 때문에 전류의 양을 변화시킴으로써 그래파이트화 금속막(220)의 냉각 속도를 정확하게 제어하여 고품질의 그래핀을 성장시킬 수 있다.
다음에 산처리에 의해 그래파이트화 금속막(220)을 제거함으로써, 그래핀 박막(260)을 기판(210)으로부터 분리한다. 실시예에서 그래핀 박막(260)이 형성된 기판(210)을 HF 및 TFG 용액에 순차적으로 담그면 실리콘 산화막(215)과 그래파이트화 금속막(220)이 차례대로 제거되어 시트 형상의 그래핀 박막(260)을 기판(210)으로부터 완전 분리하여 추출할 수 있게 된다. 기판(210)으로부터 분리된 그래핀 박막(260)은 도 1에 도시한 광검출기(100)에서의 그래핀 박막(20)으로 이용이 된다.
광검출기 및 제조 방법 실시예
가. 그래핀 박막 제작 방법
1) SiO2 기판을 아세톤과 에탄올로 초음파 처리한 후 탈이온수(DI-water)를 이용하여 세척하였다. 세척한 기판을 N2 가스로 건조시키고 기판 위에 Ni 박막을 200 nm 이상 증착하였다.
2) Ni이 증착된 SiO2 기판을 CVD를 위해 챔버 안에 넣고 공기를 빼 진공 상태를 만든 후, 수소와 아르곤이 1:4로 혼합된 가스로 상압을 채워주었다. 상압을 유지한 상태로 기판에 전류를 공급하여 800℃까지 기판 온도를 높인 후 CH4 가스 및 수소-아르곤 혼합 가스를 각각 50 sccm, 200 sccm씩 30초 동안 흘려주고 초당 10℃씩 상온까지 냉각하였다.
3) 과정 2)를 통해 Ni 위에 그래핀이 성장하였다. 그래핀이 성장된 기판을 HF 용액에 넣어 SiO2를 식각한 후, 다시 TFG 용액에 넣어 Ni을 식각시켜 최종적으로 그래핀 박막만 추출하였다. 추출된 그래핀 박막은 시트 형상이었다. 이것을 탈이온수에 넣어 보관한 후, 광검출기 제조에 사용하였다.
나. ZnO 나노 입자 제조 방법
1) ZnO의 전구체인 징크 아세테이트 디하이드레이트[(Zn(CH3COO)2H2O)]를 용해시키기 위해서 DMF 용액을 이용하여 1 g : 100 mL의 비율로 섞었다. 이 때 용매에 완전히 녹이기 위해서 초음파 교반기를 사용하여 보다 고르게 섞이게 하였다. 구체적으로, 초음파 교반기를 사용하여 혼합 용액을 10분 동안 고르게 혼합하였다.
2) 과정 1)의 DMF 용액을 105℃로 가열하였다. 그 후 80℃, 60℃, 40℃의 순 으로 서서히 온도를 낮추었다. 구체적으로, 혼합 용액을 105℃에서 5시간 동안 가열한 후, 80℃, 60℃, 40℃로 한 시간씩 유지하며, 단계적으로 가열 온도를 낮추었다.
3) 이러한 과정을 거쳤더니, 혼합 용액 내에 산화아연(ZnO) 나노 입자가 형성되었다. 결정성이 좋은 ZnO 나노 입자를 얻기 위해서는 과정 2)의 온도의 정확한 제어가 필요하다.
다. 광검출기의 제조 방법
1) 광검출기는 도 1에 제시한 구조를 갖도록 제조하였다. 먼저 유리 기판의 표면을 화학적으로 처리한 후, 공정 가.에서 제작된 그래핀 박막을 올렸다. 그래핀 박막은 반데르발스 힘에 의해 유리 기판 위에 쉽게 부착되었으며 유리 기판과 접착력이 강한 것을 확인할 수 있었다.
2) 공정 나.에서 제조된 ZnO 나노 입자가 분사되어 있는 DMF 용액을 그래핀 박막위에 1000 ~ 2000 rpm의 속도로 10 ~ 20초 동안 스핀 코팅하여 올린 후, 오븐 또는 핫플레이트(hotplate)에서 30분 동안 열을 가해 DMF를 증발시켰다. DMF가 증발한 후, ZnO 나노 입자만 남아 반데르발스 힘에 의해 그래핀 박막 위에 단단히 고정된다.
3) 전극 영역이 될 부분의 ZnO 나노 입자를 식각하여 제거하였다. ZnO 나노 입자가 제거된 부분은 도 2와 3과 같이 그래핀 박막만 남게 되며 외부 회로와의 연결을 위한 전극으로 작용한다.
4) 도 1과 같이 외부 회로를 연결하여 자외선 광검출기를 완성하였다.
라. 본 발명 실시예에 따라 제조한 광검출기의 전류-전압 특성
도 10은 무기물인 유리 기판을 이용해 본 발명에 따라 ZnO 나노 입자를 이용한 자외선 광검출기를 제조하여 자외선이 입사하지 않을 경우(-□-)와 자외선이 입사할 경우(-○-)에 측정한 전류-전압 특성 곡선이다. 도 10에서 자외선을 인가하지 않을 경우에 흐르는 전류(dark current)는 수 μA정도로 매우 작다. 따라서 자외선이 없을 경우의 소자의 저항이 매우 큼을 알 수 있다.
도 10의 광검출기에 자외선이 입사할 경우, 소자에 흐르는 전류는 3 V에서 10 mA 이상으로 매우 커진다. 이 값은 자외선이 인가되지 않는 경우보다 104 이상 큰 것으로 본 소자가 자외선 괌검출기로 사용될 수 있음을 보이고 있다. 3 V에서의 10 mA의 전류값은 기존의 ZnO 나노 입자를 단독으로 사용한 소자에 비해 매우 큰 값으로서 본 발명에서 제시한 자외선 광검출기가 저전압에서 작동할 수 있음을 알 수 있다.
도 11은 유기물인 PET를 이용해 본 발명에 따라 ZnO 나노 입자를 이용한 자외선 광검출기를 제조하여 측정한 전류-전압 특성 곡선이다. 자외선을 인가하지 않을 경우(-□-)는 도 10과 동일하게 흐르는 전류가 매우 작음을 알 수 있다.
도 11의 광검출기에 자외선이 입사할 경우(-△-), 소자에 흐르는 전류는 수 mA 이상으로 커진다. 이 값은 도 10의 소자에 비해서 조금 작으며, 그 이유는 유리 기판을 사용한 도 10의 소자의 투명도가 PET 기판을 사용한 도 11의 소자보다 크기 때문이다. 그러나 PET를 소자 제조에 사용하면 유리 기판을 사용할 경우에는 불가 능한 소자의 휨이 가능하여 유연성 있는 광검출기를 제조하는 것이 가능하다.
마. 도 1에서 제시한 그래핀 박막을 이용한 광검출기의 동작 원리
1) 도 1에 도시한 광검출기(100)에서 전극 영역(30)에 외부 전원과 부하 저항을 연결한다.
2) 일반적으로 ZnO 나노 입자(40) 표면에는 산소 이온 (O2 -)이 존재하며, 이 산소 이온에 의한 전기장이 ZnO 나노 입자(40) 표면에 형성되어 있다.
3) 도 12와 같이 자외선이 입사되지 않을 경우 그래핀 박막(20) 위에 부착된 나노 입자층(60)의 ZnO 나노 입자(40) 표면에는 산소 이온에 의한 전기장이 존재하며, 이 전기장은 그래핀 박막(20)에 도 12와 같이 공핍층(25)을 형성한다. 그래핀 박막(20)은 탄소 원자들이 단층 혹은 2 ~ 3층으로 적층되어 있어 그 두께가 매우 얇기 때문에 그래핀 박막(20)의 채널(35)은 공핍층(25)에 의해 모두 점유된다. 따라서 도 12와 같이 외부 전원으로부터 공급된 전자는 공핍층(25)에 가로 막혀 채널(35)을 통과하지 못하게 되어 소자에는 전류가 거의 흐르지 못하게 된다.
4) 도 13과 같이 자외선이 소자에 입사하면, 자외선은 ZnO 나노 입자(40)에 흡수된다. 흡수된 자외선은 ZnO 나노 입자(40)에서 전자-정공쌍을 형성하게 된다. 그 중 정공은 산소 이온과 결합해 산소 이온을 산소 분자로 변화시킨다. (h+ + O2 - → O2) 산소 이온이 중성화되었기 때문에 산소 이온에 의한 채널(도 12의 35 참조)에 공핍층(도 12의 25 참조)이 도 13과 같이 크게 감소하게 되고 전자는 채널(35) 을 통해 이동이 가능해진다. 따라서 소자에는 높은 전류가 흐르게 되고, 이 전류를 부하 저항이 감지하여 자외선의 유무를 판별하여 광검출기로 동작한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예들에 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.
도 1은 본 발명에 따른 광검출기의 개략적인 사시도이고, 도 2는 상면도, 도 3은 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 광검출기 제조 방법에 대한 바람직한 일 실시예의 수행과정을 나타낸 흐름도이고, 도 5는 그에 따른 공정 단면도이다.
도 6은 본 발명 광검출기 제조에 이용할 그래핀 박막을 얻기 위한 바람직한 실시예의 순서도이고, 도 7 내지 9는 그에 따른 개략적인 실시 도면들이다.
도 10과 도 11은 본 발명에 따라 제조한 광검출기의 전류-전압 특성 곡선들이다.
도 12 및 도 13은 본 발명에 따라 제조한 광검출기의 동작 원리를 설명하기 위한 도면들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10...소자용 기판 20...그래핀 박막
25...공핍층 30...전극 영역
35...채널 40...나노 입자
60...나노 입자층 100...광검출기
210...기판 215...실리콘 산화막
220...그래파이트화 금속막 230...챔버
235...가스 공급 기구 240...전극
250...전원 260...그래핀 박막
Claims (10)
- 기상 탄소 공급원을 이용한 그래핀 증착을 통해 제작한 시트 형상의 그래핀 박막; 및상기 그래핀 박막 위에 형성되며 상기 그래핀 박막의 전극 영역을 정의하도록 패터닝되어 있고 매트릭스 물질 없이 나노 입자로 이루어진 나노 입자층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광검출기.
- 제1항에 있어서, 상기 나노 입자는 ZnO, CuO, BaCO3, Bi2O3, B2O3, CaCO3, CeO2, Cr2O3, Fe2O3, Ga2O3, In2O3, Li2CO3, LiCoO2, MgO, MnCO3, MnO2, Mn3O4, Nb2O5, PbO, Sb2O3, SnO2, SrCO3, Ta2O5, TiO2, BaTiO3, V2O5, WO3, ZrO2, GaN, AlxGa1-xN, SiC 및 ZnS 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광검출기.
- 기상 탄소 공급원을 이용한 그래핀 증착을 통해 시트 형상의 그래핀 박막을 제작하는 단계; 및상기 그래핀 박막 위에 상기 그래핀 박막의 전극 영역을 정의하도록 패터닝되어 있고 매트릭스 물질 없이 나노 입자로 이루어진 나노 입자층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광검출기 제조 방법.
- 제3항에 있어서, 상기 나노 입자층을 형성하는 단계는,나노 입자가 분산되어 있는 용액을 준비하는 단계;상기 그래핀 박막 위에 상기 나노 입자가 분산되어 있는 용액을 스핀 코팅한 후 건조시켜 매트릭스 물질 없이 나노 입자로 이루어진 나노 입자층을 형성하는 단계; 및상기 그래핀 박막의 전극 영역을 정의하도록 상기 나노 입자층을 패터닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광검출기 제조 방법.
- 제3항에 있어서, 상기 나노 입자층을 형성하는 단계는,나노 입자가 분산되어 있는 용액을 준비하는 단계;상기 그래핀 박막 위에 상기 그래핀 박막의 전극 영역을 가리는 마스크를 형성하는 단계;상기 마스크가 형성된 그래핀 박막 위에 상기 나노 입자가 분산되어 있는 용액을 스핀 코팅한 후 건조시켜 매트릭스 물질 없이 나노 입자로 이루어진 나노 입자층을 형성하는 단계; 및상기 마스크를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광검출기 제조 방법.
- 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 나노 입자가 분산되어 있는 용액을 준비하는 단계는,DMF(N,N-Dimethylformamide)에 금속 아세테이트 디하이드레이트(acetate dihydrate)를 용해시켜 혼합 용액을 형성하는 단계; 및상기 혼합 용액을 가열한 후, 가열 온도를 단계적으로 낮추어 나노 입자를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광검출기 제조 방법.
- 제6항에 있어서,상기 나노 입자는 ZnO, CuO, BaCO3, Bi2O3, B2O3, CaCO3, CeO2, Cr2O3, Fe2O3, Ga2O3, In2O3, Li2CO3, LiCoO2, MgO, MnCO3, MnO2, Mn3O4, Nb2O5, PbO, Sb2O3, SnO2, SrCO3, Ta2O5, TiO2, BaTiO3, V2O5, WO3 및 ZrO2 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광검출기 제조 방법.
- 제3항에 있어서, 상기 그래핀 박막을 제작하는 단계는,그래파이트화 금속막이 형성된 기판을 챔버 내에 장입하는 단계;상기 챔버 내에서 상기 그래파이트화 금속막 및 기판 중 적어도 어느 하나에 전류를 흘려 그 때의 전열 효과에 의해 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;상기 전류의 양을 조절하여 상기 그래파이트화 금속막을 제어된 속도로 냉각시킴으로써 상기 그래파이트화 금속막 안에 고용시킨 탄소 성분으로부터 상기 그래파이트화 금속막 표면에 그래핀을 석출시키는 단계; 및산처리에 의해 상기 그래파이트화 금속막을 제거함으로써, 석출된 그래핀을 상기 기판으로부터 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광검출기제조 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 기상 탄소 공급원은 CH4 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 광검출기 제조 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 그래핀을 석출시키는 동안 상기 그래파이트화 금속막의 냉각 속도는 초당 1 ~ 50℃인 것을 특징으로 하는 광검출기 제조 방법.
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