KR101260606B1 - Manufacturing apparatus and method for graphene using flash ramp, and grapheme semiconductor manufactured by the same - Google Patents

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Abstract

플래쉬 램프를 이용한 그래핀 제조방법, 제조장치 및 이를 이용하여 제조된 그래핀이 제공된다.
본 발명에 따른 그래핀 그래핀이 성장되어야 하는 기판이 내부에 구비되는 챔버;
상기 기판의 일 측면으로 반응가스가 유입되는 유입부; 상기 챔버에 진공을 인가하는 위한 진공부; 및 상기 챔버 상단에 구비되어, 상기 기판에 빛을 조사하기 위한 플래쉬 램프를 포함하며 여기에서 상기 기판은 롤투롤(roll to roll) 이송수단에 의하여 이동되는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 그래핀 제조방법 및 장치는 대면적으로 조사되는 플래쉬 램프의 열을 이용, 그래핀 성장가스를 반응시켜 기판 상에 그래핀을 성장시킨다. 또한 롤투롤 방식으로 플렉서블 기판을 이송시켜, 그래핀을 성장시키고, 또한 반응가스만을 달리 구성하여, 그래핀의 변형없이도 그래핀 반도체 소자를 대량으로 제조할 수 있다.Provided are a graphene manufacturing method using a flash lamp, a manufacturing apparatus, and graphene manufactured using the same.
Graphene graphene according to the present invention is a chamber in which a substrate to be grown is provided therein;
An inlet part through which a reaction gas flows into one side of the substrate; A vacuum unit for applying a vacuum to the chamber; And a flash lamp provided at an upper end of the chamber for irradiating light to the substrate, wherein the substrate is moved by a roll to roll transfer means, and graphene according to the present invention is provided. In the manufacturing method and apparatus, graphene growth gas is reacted to grow graphene on a substrate by using heat of a flash lamp irradiated with a large area. In addition, by transporting the flexible substrate in a roll-to-roll manner to grow the graphene, and also by configuring only the reaction gas, it is possible to manufacture a large amount of graphene semiconductor device without deformation of the graphene.

Description

플래쉬 램프를 이용한 그래핀 제조장치, 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 그래핀 반도체 소자{Manufacturing apparatus and method for graphene using flash ramp, and grapheme semiconductor manufactured by the same}Manufacturing apparatus and method for graphene using a flash lamp, and a graphene semiconductor device manufactured using the same {Manufacturing apparatus and method for graphene using flash ramp, and grapheme semiconductor manufactured by the same}

본 발명은 플래쉬 램프를 이용한 그래핀 제조장치, 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 그래핀 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 그래핀을 플래쉬 램프를 이용하여 대면적의 그래핀을 경제적으로 제조할 수 있는, 플래쉬 램프를 이용한 그래핀 제조장치, 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 그래핀 반도체 소자 에 관한 것이다.
The present invention relates to a graphene manufacturing apparatus, a manufacturing method using a flash lamp, and a graphene semiconductor device manufactured using the same, and more particularly to graphene of a large area using a flash lamp economically. The present invention relates to a graphene manufacturing apparatus using a flash lamp, a manufacturing method, and a graphene semiconductor device manufactured using the same.

그래핀(graphene)은 탄소원자가 2차원(2D) 격자 내로 채워진 평면 단일층 구조를 의미하며, 이것은 모든 다른 차원구조의 흑연(graphite) 물질의 기본 구조를 이룬다. 즉, 상기 그래핀은 0차원 구조인 풀러린(fullerene), 1차원 구조인 나노튜브 또는 3차원 구조로 적층된 흑연의 기본 구조가 될 수 있다. 2004년 Novoselev 등은 SiO2/Si 기판의 상부 상에서 프리-스탠딩 그래핀 단일층을 수득하였다고 보고하였으며, 이것은 기계적인 미세 분할법에 의하여 실험적으로 발견되었다. Graphene refers to a planar monolayer structure in which carbon atoms are filled into a two-dimensional (2D) lattice, which forms the basis for all other dimensional graphite materials. That is, the graphene may be a basic structure of graphite stacked in a fullerene, a one-dimensional nanotube, or a three-dimensional structure. In 2004, Novoselev et al reported that a free-standing graphene monolayer was obtained on top of a SiO 2 / Si substrate, which was found experimentally by mechanical microfractionation.

최근 많은 연구그룹들이 그래핀이 갖는 허니콤(벌집) 형태의 결정 구조, 두 개의 상호침투하는 삼각 형태의 하위 격자 구조, 및 하나의 원자 크기에 해당하는 두께 등에 의하여 그래핀이 특이한 물리적 특성(예를 들면 제로 밴드갭)을 보이는 점에 주목한다. 또한 그래핀은 특이한 전하 운송 특성을 갖는데, 이로 인하여 그래핀은 종래에는 관찰되지 않았던 독특한 현상을 보여준다. 예를 들면, 반정수 양자 홀 효과 및 바이폴라 초전류 트랜지스터 효과 등이 그 예이며, 이 또한 상기 설명한 그래핀의 특유한 구조에 기인하는 것으로 여겨진다. In recent years, many research groups have identified graphene's unique physical properties due to its honeycomb crystal structure, two interpenetrating triangular sub lattice structures, and the thickness of one atomic size. Note that for example a zero bandgap is shown. In addition, graphene has unique charge transport characteristics, which causes graphene to exhibit a unique phenomenon that has not been observed in the past. For example, the semi-integer quantum Hall effect, the bipolar supercurrent transistor effect, and the like are examples, and this is also considered to be due to the unique structure of the graphene described above.

이러한 그래핀의 공정 처리와 응용에 있어서 그래핀의 응집 방지가 매우 중요하다. 즉, 하나의 원자 크기의 두께를 갖는 박편(시트)형태의 그래핀은 상호간의 표면 에너지에 기인하여 응집하려는 특성을 보이며, 이는 그래핀의 직접 제조, 특히 친수성 용매에서의 제조를 매우 어렵게 한다. 따라서, 현재 대부분의 연구그룹들은 변형된 Hummer법에 의하여 그래핀 산화물(graphine oxide, GO)을 먼저 제조한 후, 이를 다시 환원시키는, 비교적 복잡한 공정에 의하여 그래핀을 제조하고 있다(종래기술 1). 산화 공정에 의하여 제조된 그래핀 산화물 이외에, 또 다른 종래기술로서 N-메틸-피롤리돈, γ-부티로락톤 등과 같은 유기 용매에서의 흑연을 박리시키고, 이에 따라 얻어진 그래핀을 분산시키는 유기용매-기반 그래핀 제조방법이 개시되고 있다 (종래기술 2). 즉, 상기 유기용매법은 그래핀-그래핀 시트간의 상호 에너지와 유사한 수준의 그래핀-유기용매간의 상호 에너지를 이용하여, 그래핀간의 응집을 방지하는 기술이다. 하지만 종래 기술 1, 2에서 얻어지는 그래핀 크기는 나노미터에서 마이크로미터 수준에 불과하다. 따라서, 종래 기술 1, 2는 대면적의 그래핀을 제조하기에는 부적합하다는 문제가 있다. In the processing and application of graphene, it is very important to prevent the aggregation of graphene. In other words, graphene in the form of flakes (sheets) having a thickness of one atomic size exhibits a property to agglomerate due to mutual surface energy, which makes direct manufacture of graphene, especially in a hydrophilic solvent, very difficult. Therefore, most research groups are currently producing graphene by a relatively complicated process of preparing graphene oxide (GO) by a modified Hummer method and then reducing it again (Prior Art 1). . In addition to the graphene oxide prepared by the oxidation process, as another conventional technique, an organic solvent for exfoliating graphite in an organic solvent such as N-methyl-pyrrolidone, γ-butyrolactone, and the like, and dispersing the obtained graphene A method for preparing graphene-based graphene is disclosed (prior art 2). That is, the organic solvent method is a technique for preventing aggregation between graphenes by using mutual energy between graphene-organic solvents at a level similar to mutual energy between graphene-graphene sheets. However, the graphene sizes obtained in the prior arts 1 and 2 are only in the nanometer to micrometer level. Therefore, the prior arts 1 and 2 have a problem that they are not suitable for producing a large area of graphene.

또 다른 방식의 그래핀 제조방법은 테이프 등에 의하여 흑연으로부터 그래핀 시트를 물리적으로 박리시키고, 이를 다시 실리콘 기판상에서 반복, 적층시키는 기계적 미세분할법이다(종래기술 3). 하지만, 상기 종래기술 3에서 얻어지는 그래핀의 크기는 수십에서 수백 마이크론 단위에 불과하므로, 이 역시 대면적의 그래핀 필름을 제조하기에는 부적합하다는 문제가 있다. 최근에 보고된 화학기상증착(chemical vapor deposition)에 의한 대면적 그래핀 제조 방법은 복잡한 공정 및 고가의 장치가 필요하다는 단점을 가지고 있다. 결국, 현재 개시된 종래 기술은 상당한 시간을 요하거나 경제적으로 대면적 그래핀 필름을 제조하기에는 부적합하다는 한계를 가지고 있다. Another method for producing graphene is a mechanical microfractionation method of physically peeling a graphene sheet from graphite by a tape or the like, and repeating and laminating it on a silicon substrate (prior art 3). However, since the size of the graphene obtained in the prior art 3 is only a few tens to hundreds of micron units, this also has a problem that is not suitable for producing a large-area graphene film. Recently reported methods for producing large-area graphene by chemical vapor deposition have the disadvantage of requiring complicated processes and expensive devices. As a result, the presently disclosed prior art has the limitation that it takes considerable time or is not economically suitable for producing large-area graphene film.

따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는 종래 기술에 비하여 보다 경제적인 방식으로 대면적 그래핀 제조가 가능한 그래핀 제조장치 및 방법을 제공하는 것이다. Accordingly, the problem to be solved by the present invention is to provide a graphene manufacturing apparatus and method capable of producing large-area graphene in a more economical manner than the prior art.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 상술한 방법 및 장치에 의하여 제조된 그래핀 반도체 소자를 제공하는 것이다.
Another object of the present invention is to provide a graphene semiconductor device manufactured by the above-described method and apparatus.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 플래쉬 램프를 이용한 그래핀 제조장치로서, 그래핀이 성장되어야 하는 기판이 내부에 구비되는 챔버; 상기 기판의 일 측면으로 반응가스가 유입되는 유입부; 상기 챔버에 진공을 인가하는 위한 진공부; 및 상기 챔버 상단에 구비되어, 상기 기판에 빛을 조사하기 위한 플래쉬 램프를 포함하며 여기에서 상기 기판은 롤투롤(roll to roll) 이송수단에 의하여 이동되는 것을 특징으로 하는 플래쉬 램프를 이용한 그래핀 제조장치를 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention provides a graphene manufacturing apparatus using a flash lamp, the chamber is provided with a substrate on which graphene is to be grown; An inlet part through which a reaction gas flows into one side of the substrate; A vacuum unit for applying a vacuum to the chamber; And a flash lamp provided at the top of the chamber to irradiate light onto the substrate, wherein the substrate is manufactured by using a flash lamp, wherein the substrate is moved by a roll to roll transfer means. Provide the device.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 그래핀 제조장치는 플래쉬 램프 상단에 구비되며, 상기 플래쉬 램프로부터 조사된 빛을 전면으로 반사시키기 위한 반사 수단이 더 구비된다. According to one embodiment of the present invention, the graphene manufacturing apparatus is provided on the top of the flash lamp, the reflection means for reflecting the light irradiated from the flash lamp to the front side is further provided.

본 발명은 또한 그래핀 제조방법으로 플렉서블 기판 표면 상에 반응가스를 접촉시키는 단계; 반응가스가 접촉된 기판의 일 영역 상에 플래쉬 램프로 빛을 조사하여, 가열하는 단계; 및 상기 플렉서블 기판을 이송시켜, 상기 기판의 또 다른 영역 상에 플래쉬 램프로 빛을 조사하여, 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법을 제공하며, 본 발명의 일 실시예에서 상기 반응가스는 메탄 및 수소를 포함한다. The present invention also comprises the steps of contacting the reaction gas on the surface of the flexible substrate by a graphene manufacturing method; Irradiating light with a flash lamp on a region of the substrate to which the reaction gas is contacted, and heating the light; And transferring the flexible substrate, irradiating light with a flash lamp on another region of the substrate, and heating the flexible substrate, wherein the flexible substrate is manufactured. The reaction gas contains methane and hydrogen.

본 발명의 일 실시예에서 상기 그래핀층을 성장시키기 전, 붕소 및 질소 함유 가스 분위기에서 플렉서블 기판에 플래쉬 램프로 빛을 조사하여, 붕소질화막을 상기 플렉서블 기판 상에 형성시키며, 그래핀층은 상기 형성된 붕소질화막상에서 성장한다. In one embodiment of the present invention, before growing the graphene layer, a boron and nitrogen-containing gas atmosphere by irradiating light to the flexible substrate with a flash lamp to form a boron nitride film on the flexible substrate, the graphene layer is the boron formed Grows on nitride film.

본 발명은 또한 상술한 방법에 의하여 제조된 그래핀을 제공한다. The present invention also provides graphene produced by the method described above.

본 발명은 그래핀 제조방법으로, 상기 방법은 탄소함유 가스 및 수소의 혼합가스 분위기에서, 플렉서블 기판에 플래쉬 램프로 빛을 조사하여, 그래핀을 상기 플렉서블 기판 상에 성장시키는 단계를 포함하며, 여기에서 상기 플렉서블 기판상에서는 별도의 금속촉매가 적층되지 않은 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법을 제공한다. The present invention is a graphene manufacturing method, the method comprises the step of irradiating light to the flexible substrate with a flash lamp in a mixed gas atmosphere of carbon-containing gas and hydrogen, the graphene is grown on the flexible substrate, In the flexible substrate provides a graphene manufacturing method, characterized in that a separate metal catalyst is not laminated.

본 발명은 그래핀 반도체 소자 제조방법으로, 상기 방법은 플렉서블 기판에 플래쉬 램프로 빛을 제 1 조사하여, 그래핀 층을 형성시키는 단계; 및 상기 그래핀층에 플래쉬 램프로 빛을 제 2 조사하여 상기 그래핀층을 패터닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 반도체 소자 제조방법을 제공하며, 상기 그래핀층 형성은 탄소함유 가스 및 수소의 혼합가스 분위기에서 진행되고, 상기 그래핀층 패터닝은 산소 분위기에서 진행되며, 상기 패턴된 그래핀층은 나노리본 형태이다. The present invention provides a method for manufacturing a graphene semiconductor device, the method comprising: forming a graphene layer by first irradiating light with a flash lamp on a flexible substrate; And patterning the graphene layer by irradiating the graphene layer with a flash lamp with a second light. The graphene layer is formed by mixing a carbon-containing gas and hydrogen. In the gas atmosphere, the graphene layer patterning is performed in an oxygen atmosphere, and the patterned graphene layer is in the form of nanoribbons.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 방법은 그래핀층 패터닝 후, 도핑 가스를 이용하여 나노리본 형태의 그래핀층에 질소와 붕소를 도핑하는 단계; 상기 도핑된 그래핀층 위에 절연층을 형성하는 단계; 및 상기 도핑된 그래핀층에 소스, 드레인, 게이트 전극을 증착하여 트랜지스터 소자를 제조하는 단계를 더 포함하면, 본 발명은 상술한 방법에 의하여 제조된 그래핀 트랜지스터를 제공한다.
According to an embodiment of the present invention, the method comprises: doping nitrogen and boron to the nano-ribbon-type graphene layer using a doping gas after the graphene layer patterning; Forming an insulating layer on the doped graphene layer; And manufacturing a transistor device by depositing a source, a drain, and a gate electrode on the doped graphene layer, the present invention provides a graphene transistor manufactured by the method described above.

본 발명에 따른 그래핀 제조방법 및 장치는 대면적으로 조사되는 플래쉬 램프의 열을 이용, 그래핀 성장가스를 반응시켜 기판 상에서 메탈촉매 없이 그래핀을 성장시킨다. 또한 롤투롤 방식으로 플렉서블 기판을 이송시켜, 그래핀을 성장시키고, 또한 반응가스만을 달리 구성하여, 그래핀의 기계적 변형없이도 그래핀 반도체 소자를 대량으로 제조할 수 있다.
In the graphene manufacturing method and apparatus according to the present invention, graphene growth gas is reacted using heat of a flash lamp irradiated with a large area to grow graphene without a metal catalyst on a substrate. In addition, the flexible substrate is transferred in a roll-to-roll manner, graphene is grown, and only the reaction gas is configured differently, so that graphene semiconductor devices can be manufactured in large quantities without mechanical deformation of graphene.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플래쉬 램프 및 롤투롤 방식으로 이용한 그래핀 성장(제조) 장치의 모식도이다.
도 2 내지 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조방법의 단계별 단면도 및 정면도이다.
도 5 내지 9는 붕소질화막과 그래핀을 도 1에 도시된 장치 내에서 연속적으로 성장시키는 방법을 설명하는 단계별 도면이다.
도 10 내지 14는 도 1에 도시된 장치의 플래쉬 램프를 이용하여, 나노리본 형태의 그래핀 반도체 소자를 제조하는 방식을 설명하는 도면이다.
도 15 내지 21은 본 발명의 일 실시예에 따라 그래핀 트랜지스터를 제조하는 방법을 설명하는 도면이다.1 is a schematic diagram of a graphene growth (manufacturing) apparatus using a flash lamp and a roll-to-roll method according to an embodiment of the present invention.
2 to 4 is a step-by-step cross-sectional view and a front view of a graphene manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
5 to 9 are step-by-step views illustrating a method of continuously growing a boron nitride film and graphene in the apparatus shown in FIG. 1.
10 to 14 illustrate a method of manufacturing a nanoribbon-type graphene semiconductor device using a flash lamp of the apparatus shown in FIG. 1.
15 to 21 are views illustrating a method of manufacturing a graphene transistor according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 본 명세서 전반에 걸쳐 표시되는 약어는 본 명세서 내에서 별도의 다른 지칭이 없다면 당업계에서 통용되어, 이해되는 수준으로 해석되어야 한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The following embodiments are provided by way of example so that those skilled in the art can fully understand the spirit of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the embodiments described below, but may be embodied in other forms. In the drawings, the width, length, thickness, etc. of the components may be exaggerated for convenience. Like numbers refer to like elements throughout. In addition, abbreviations displayed throughout this specification should be interpreted to the extent that they are known and used in the art unless otherwise indicated herein.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 그래핀 제조방법 및 제조장치는 인가되는 전기에너지에 따라 빛 에너지를 발생시키는 플래쉬 램프를 이용하여 그래핀을 제조한다. 즉, 나노초 수준으로 빛을 조사하는 레이저에 의한 국소 에너지(보다 정확하게는 국소 열 에너지) 집중 방식 대신, 레이저 등에 비하여 장시간인 마이크로초에서 밀리초 단위로 열 에너지 공급이 가능한 플래쉬 램프를 사용하여 그래핀을 제조한다. 따라서, 플래쉬 램프의 장점, 즉, 넓은 조사면적, 밀리초 수준의 조사 시간, 저렴한 제조비용을 활용하여, 대면적 그래핀 제조가 가능하다. 더 나아가, 본 발명에 따른 그래핀 성장 방법은 롤투롤 방식으로 그래핀을 성장시키며, 이로써 그래핀 제조(성장) 속도가 확기적으로 증가된다. As described above, the graphene manufacturing method and apparatus according to the present invention manufacture graphene using a flash lamp that generates light energy according to an applied electrical energy. In other words, instead of focusing local energy (more precisely local thermal energy) by a laser that irradiates light at the nanosecond level, graphene is used by using a flash lamp that can supply heat energy in microseconds to milliseconds longer than lasers. To prepare. Therefore, utilizing the advantages of the flash lamp, that is, a large irradiation area, millisecond level of irradiation time, low production cost, it is possible to produce large area graphene. Furthermore, the graphene growth method according to the present invention grows the graphene in a roll-to-roll manner, thereby significantly increasing the graphene production (growth) rate.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플래쉬 램프 및 롤투롤 방식으로 이용한 그래핀 성장(제조) 장치의 모식도이다.1 is a schematic diagram of a graphene growth (manufacturing) apparatus using a flash lamp and a roll-to-roll method according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 그래핀 제조장치는 챔버 형태로서, 상기 챔버 내에는 그래핀이 성장되어야 하는 기판이 구비된다. 또한, 본 발명에 따른 그래핀 제조장치는 상기 챔버 상단에 구비되며, 빛에 의하여 열 에너지를 공급할 수 있는 복수 개의 플래쉬 램프를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 복수 개의 플래쉬 램프는 소정 간격으로 이격되어 전면에 구비된 기판의 모든 영역에 빛을 조사하는 것이 바람직하다.Referring to Figure 1, the graphene manufacturing apparatus according to the present invention is a chamber form, the substrate is provided with a graphene to be grown in the chamber. In addition, the graphene manufacturing apparatus according to the present invention is provided on the top of the chamber, and includes a plurality of flash lamps that can supply heat energy by light. In one embodiment of the present invention, the plurality of flash lamps are preferably spaced at predetermined intervals to irradiate light to all areas of the substrate provided on the front surface.

도 1을 참조하면, 상기 제조장치는 그래핀이 성장하여, 증착되는 기판(10) 및 상기 기판의 양 측면에 각각 구비되어, 그래핀 성장을 위한 반응가스가 유입되는 유입부(20) 및 진공이 인가되는 진공부(30)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 반응가스는 메탄과 수소 등의 다양한 성분을 포함하며, 플래쉬 램프에 의하여 인가되는 열 에너지에 의하여 상기 반응가스는 기판(10) 상에서 분해되어, 그래핀으로 성장된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 기판(10)은 비교적 낮은 온도에서도 안정한 플라스틱 기판이며, 특히 본 발명에서 상기 플라스틱 기판(10)은 아래에 구비된 롤(60)의 회전에 따라 연속적으로 이동할 수 있다. 따라서, 고정된 플래쉬 램프(40)으로부터의 빛 조사영역을 상기 기판(10)이 이동할 수 있으며, 이로써 대면적 기판에서도 매우 빠른 속도로 그래핀을 성장시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에서 상기 기판(10)은 회전이송수단인 롤과 롤 사이에 형성된 스테이지(미도시)상에 적층되며, 상기 스테이지의 이동에 따라 기판(10)이 이동된다. Referring to FIG. 1, the manufacturing apparatus is provided on both sides of the substrate 10 and the substrate on which graphene is grown, and an inlet 20 and a vacuum into which a reaction gas for graphene growth is introduced. It includes a vacuum unit 30 is applied. In an embodiment of the present invention, the reaction gas includes various components such as methane and hydrogen, and the reaction gas is decomposed on the substrate 10 by thermal energy applied by a flash lamp, and is grown into graphene. In one embodiment of the invention the substrate 10 is a stable plastic substrate even at a relatively low temperature, in particular in the present invention the plastic substrate 10 can be continuously moved in accordance with the rotation of the roll 60 provided below . Accordingly, the substrate 10 may move the light irradiation area from the fixed flash lamp 40, thereby growing the graphene at a very high speed even on a large area substrate. Therefore, in the present invention, the substrate 10 is laminated on a stage (not shown) formed between the roll and the roll which is the rotational transfer means, and the substrate 10 is moved according to the movement of the stage.

본 발명에 일 실시에에 따른 그래핀 제조 장치는 기판(10)으로부터 이격되어 인가되는 전기에너지에 따라 빛 에너지를 발생시키는 복수 개의 플래쉬 램프(플래쉬 램프 벌브, 40)를 더 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 플래쉬 램프는 제논(Xe) 램프를 사용하였으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다. Graphene manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention further comprises a plurality of flash lamps (flash lamp bulb, 40) for generating light energy in accordance with the applied electrical energy spaced apart from the substrate 10. In one embodiment of the present invention, the flash lamp uses a xenon (Xe) lamp, but the scope of the present invention is not limited thereto.

본 발명에 따른 그래핀 제조장치는 또한 플래쉬 램프 후단에 구비되어 후면으로 조사되는 빛을 전면으로 반사시키기 위한 반사 수단(50)이 더 구비될 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서 상기 반사 수단(50)은 소정의 곡률 반경을 갖는 곡면 거울일 수 있으나, 본 발명의 범위는 이제 제한되지 않는다. The graphene manufacturing apparatus according to the present invention may further include a reflecting means 50 provided at the rear end of the flash lamp to reflect the light irradiated to the front side to the front side, and in one embodiment of the present invention, the reflecting means ( 50 may be a curved mirror having a predetermined radius of curvature, but the scope of the present invention is now not limited.

도 2 내지 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 제조방법의 단계별 단면도 및 정면도이다. 2 to 4 is a step-by-step cross-sectional view and a front view of a graphene manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 그래핀이 성장, 제조되는 플렉서블 기판(101)이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 플렉서블 기판(101)은 플라스틱 기판으로서, 종래의 그래핀 성장온도를 견딜 수 없는 기판이다. 2, a flexible substrate 101 on which graphene is grown and manufactured is provided. In one embodiment of the present invention, the flexible substrate 101 is a plastic substrate and is a substrate that cannot withstand the conventional graphene growth temperature.

도 3을 참조하면, 별도의 촉매금속층 등을 기판상에 적층하지 않은 상태에서, 도 1에서 도시된 장치 내에 수소 및 메탄 가스를 가스유입부(20)를 통하여 주입시키고, 플래쉬 램프로 빛을 조사한다. 이로써, 유입된 반응가스는 플래쉬 램프로부터 조사되는 열에 의하여 분해되어, 그래핀으로 성장한다(도 3 참조). 즉, 탄소공급원(메탄가스, CH4)을 포함하는 반응가스를 장치 내에 주입하고, 플래쉬 램프를 이용, 빛을 기판(101)에 조사함에 따라, 빛에 의한 열 에너지가 상기 기판(101)에 인가되고, 이에 의하여 기판(101)과 접촉하는 반응가스, 특히 탄소를 함유하는 기체종인 메탄은 분해되어, 탄소가 기판(101) 표면에 적층된다. 이후, 적층된 탄소는 공정 진행에 따라 점차 성장하여, 기판 전체에 걸쳐 균일하게 성장한 그래핀으로 전환된다. 이후, 상기 기판(101)을 롤투롤 방식으로 연속적으로 이동시켜, 기판 전면에서 그래핀을 성장시킬 수 있다(도 4 참조). Referring to FIG. 3, hydrogen and methane gas are injected into the apparatus shown in FIG. 1 through a gas inlet 20 without irradiating a separate catalyst metal layer on a substrate, and irradiating light with a flash lamp. do. As a result, the introduced reaction gas is decomposed by heat irradiated from the flash lamp to grow into graphene (see FIG. 3). That is, as a reaction gas containing a carbon source (methane gas, CH 4 ) is injected into the apparatus, and light is irradiated to the substrate 101 using a flash lamp, thermal energy by light is transmitted to the substrate 101. Methane, which is a gas species containing reactant gas, in particular carbon, which is in contact with the substrate 101, is decomposed and carbon is deposited on the surface of the substrate 101. Thereafter, the stacked carbon gradually grows as the process progresses, and is converted into graphene grown uniformly over the entire substrate. Thereafter, the substrate 101 may be continuously moved in a roll-to-roll manner to grow graphene on the entire surface of the substrate (see FIG. 4).

본 발명의 또 다른 실시태양은 도 1에 도시된 장치를 이용하여, 그래핀 반도체 소자를 제조하는 것으로, 이하 이를 상세히 설명한다. Another embodiment of the present invention is to manufacture a graphene semiconductor device by using the device shown in Figure 1, which will be described in detail below.

도 5 내지 9는 붕소질화(BN)막과 그래핀을 도 1에 도시된 장치 내에서 연속적으로 성장시키는 방법을 설명하는 단계별 도면이다.5 to 9 are step-by-step views illustrating a method of continuously growing a boron nitride (BN) film and graphene in the apparatus shown in FIG.

도 5 내지 7을 참조하면, 롤투롤(roll-to-roll) 방식으로 이동가능한 플렉서블 기판(201)이 적치된 도 1의 장치 내에 NH3, B2H6 가스를 주입한다. 이후, 붕소-질소(BN, 202)층을 상기 기판 상에 만들기 위해서, 도 1에 도시된 플래쉬 램프를 조사한다. 본 발명의 일 실시예에서 질소공급원으로 NH3 가스를 흘려 주고, 동시에 붕소공급원으로 B2H6 가스를 흘려준다. 또한 B2H6 이외에도 BCl3, BF3 등Boron 이 포함된 모든 가스가 이용이 가능하고, NH3 가스 이외에도 N 이 포함된 모든 가스가 이용될 수 있다.5 to 7, NH 3 and B 2 H 6 gases are injected into the apparatus of FIG. 1 in which the flexible substrate 201 movable in a roll-to-roll manner is stacked. The flash lamp shown in FIG. 1 is then irradiated to make a boron-nitrogen (BN, 202) layer on the substrate. In an embodiment of the present invention, NH3 gas is flowed to the nitrogen supply, and B2H6 gas is flowed to the boron supply. In addition to B2H6, all gases containing boron, such as BCl3 and BF3, can be used, and all gases containing N can be used in addition to NH3 gas.

도 8을 참조하면, BN층(202)이 형성된 기판에 메탄과 수소를 흘리면서 플래쉬 램프로부터 빛을 제 1 조사한다. 이후, 롤투롤(roll to roll) 방식으로 기판만을 이동시켜, 그래핀층(203)을 BN층(202) 상에 기판 전면으로 성장시키며, 이는 플래쉬 램프에 의한 빛의 제 2 조사에 의하여 진행된다(도 9 참조). Referring to FIG. 8, light is first irradiated from the flash lamp while flowing methane and hydrogen to the substrate on which the BN layer 202 is formed. Thereafter, only the substrate is moved in a roll to roll manner, and the graphene layer 203 is grown on the BN layer 202 to the entire surface of the substrate, which proceeds by a second irradiation of light by a flash lamp ( 9).

본 발명은 또한 나노리본 형태의 그래핀층을 플래쉬 램프로 제조하여, 그래핀의 밴드 갭을 형성시키는 기술을 개시한다. 즉, 나노리본 형태의 그래핀 시트를 통하여 소스, 게이트, 드레인 전극을 연결하고, 게이트 전극에 전압을 인가에 함에 따라 나노리본 형태의 그래핀으로 전자가 흐르는 방식의 트랜지스터 소자가 가능하다. 하지만, 문제는 나노 사이즈의 리본 형태 그래핀을 기판 위에서 정밀히 제조되어야 하는 점에서, 기술적 한계가 있으나, 본 발명은 플래쉬 램프를 이용, 종래 기술에 따른 문제를 효과적으로 해결하였다. The present invention also discloses a technique for preparing a graphene layer in the form of nanoribbons with a flash lamp to form a band gap of graphene. That is, as the source, gate, and drain electrodes are connected through the nanoribbon-type graphene sheet, and a voltage is applied to the gate electrode, a transistor device having electrons flowing to the nanoribbon-type graphene is possible. However, the problem is that there is a technical limitation in that the nano-sized ribbon-shaped graphene must be precisely manufactured on the substrate, but the present invention effectively solves the problem according to the prior art by using a flash lamp.

도 10 내지 14는 도 1에 도시된 장치의 플래쉬 램프를 이용하여, 나노리본 형태의 그래핀 반도체 소자를 제조하는 방식을 설명하는 도면이다.10 to 14 illustrate a method of manufacturing a nanoribbon-type graphene semiconductor device using a flash lamp of the apparatus shown in FIG. 1.

도 10을 참조하면, 플렉서블 기판(301) 상에 플래쉬 램프로 그래핀층(302)을 성장시키며, 이는 도 1에 도시된 장치에서 이루어진다.Referring to FIG. 10, a graphene layer 302 is grown on a flexible substrate 301 with a flash lamp, which is done in the device shown in FIG. 1.

도 11을 참조하면, 제 1 마스크(M1)를 상기 그래핀층(302)의 소정 영역에 적층한 후, 그래핀층(302)을 패터닝하기 위하여 산소를 장치 내에 주입하고, 플래쉬 램프로 빛을 조사한다. 이로써, 플래쉬 램프로부터 빛이 조사된 그래핀층(302)의 탄소는 활성화되어, 산소와 반응, 제거된다. 이후, 제 1 마스크의 제거를 통하여, 도 12에서 도시된 바와 같이 제 1 마스크층(M)이 형성 영역에 대응하는 그래핀층(302)만이 플렉서블 기판(301)위에 남게 된다.Referring to FIG. 11, after the first mask M1 is stacked on a predetermined region of the graphene layer 302, oxygen is injected into the device to pattern the graphene layer 302, and light is irradiated with a flash lamp. . As a result, the carbon of the graphene layer 302 irradiated with light from the flash lamp is activated to react with and remove oxygen. Thereafter, as shown in FIG. 12, only the graphene layer 302 corresponding to the formation region of the first mask layer M remains on the flexible substrate 301 through the removal of the first mask.

그래핀 반도체 소자를 형성하기 위해서는 그래핀의 간격(10nm 이하)이 좁아야 하는데, 본 발명의 일 실시예는 반도체 그래핀의 이러한 형상을 마스크와 플래쉬 램프를 이용하여 달성하였다. In order to form a graphene semiconductor device, the interval of graphene (10 nm or less) must be narrow. An embodiment of the present invention achieves this shape of semiconductor graphene using a mask and a flash lamp.

도 13을 참조하면, 다시 리본 형태(넓은 단부, 좁은 중간부)로 그래핀을 패터닝하기 위한 리본 형태의 제 2 마스크(M2)를 도 12에 도시된 그래핀층(320) 영역상에 적층시킨다. 이때 상기 리본의 너비는 10nm 이하인 것이 바람직하며, 이로써 그래핀은 반도체로서의 특성을 갖는다. 또한, 상기 제 2 마스크는 제 1 마스크와 동일하게 조사되는 플래쉬 램프로부터의 빛을 차단하기 위한 광차단용 마스크이다.Referring to FIG. 13, a ribbon-shaped second mask M2 for patterning graphene in a ribbon shape (a wide end and a narrow middle part) is stacked on the graphene layer 320 region shown in FIG. 12. At this time, the width of the ribbon is preferably 10nm or less, whereby the graphene has the characteristics as a semiconductor. In addition, the second mask is a light blocking mask for blocking light from the flash lamp irradiated in the same manner as the first mask.

도 14를 참조하면, 산소 분위기에서 플래쉬 램프로 빛을 조사하여, 제 2 마스크가 형성되지 않은 영역의 그래핀층(302)은 제거되며, 이로써 리본 형태의 그래핀층(303)이 형성된다. 상술한 바와 같이 리본 형태 중 좁은 너비의 그래핀층(303)은 반도체 특성을 갖게 된다. Referring to FIG. 14, by irradiating light with a flash lamp in an oxygen atmosphere, the graphene layer 302 of the region where the second mask is not formed is removed, thereby forming a ribbon-type graphene layer 303. As described above, the graphene layer 303 having a narrow width in the ribbon form has semiconductor characteristics.

본 발명은 더 나아가, B2H6 또는 NH3와 같은 불순물 도핑가스를 흘려서 붕소와 질소를 도핑시키는 기술을 제공한다. 특히 고온에서 진행되는 도핑인 경우, 그래핀의 고유 구조가 깨어지며, 이로써 그래핀의 물성 저하가 발생하는 문제가 있으나, 플래쉬 램프를 이용하는 본 발명의 경우 이러한 종래 기술에 따른 문제를 효과적으로 해결할 수 있는데, 이하 이를 상세히 설명한다. The present invention further provides a technique of doping boron and nitrogen by flowing an impurity doping gas such as B2H6 or NH3. In particular, when the doping proceeds at a high temperature, the inherent structure of the graphene is broken, thereby causing a problem that the physical properties of the graphene, but in the case of the present invention using a flash lamp can effectively solve the problems according to the prior art This will be described in detail below.

도 15 내지 21은 본 발명의 일 실시예에 따라 플렉서블 기판 상에 그래핀 트랜지스터를 제조하는 방법을 설명하는도면이다.15 to 21 are views illustrating a method of manufacturing a graphene transistor on a flexible substrate according to an embodiment of the present invention.

도 15를 참조하면, 이후 P 타입 반도체 그래핀을 형성하기 위하여, 상기 형성된 반도체 그래핀층(303) 중 P 타입 반도체 그래핀 제조를 원하는 반도체 그래핀층(303)을 외부로 노출시키고, 나머지 그래핀층(303)에는 모두 제 3 마스크를 적층한다. 이후, P 타입 반도체 형성을 위한 도판트인 붕소를 함유하는 가스(B2H6)를 수소와 함께 장치 내에 주입하고, 플래쉬 램프로 빛을 조사한다. 이로써 제 3 마스크층(M3)에 의하여 커버되지 않은 반도체 그래핀층(303)에는 붕소가 도핑되어, 붕소 도핑 P타입 그래핀층(304)가 플렉서블 기판(301) 상에 형성된다. 동일한 방식으로 기판에 형성된 복수 개의 단위 그래핀 소자에 대한 질소 도핑을 진행하는데, 이를 위하여 NH3 및 메탄을 포함하는 또 다른 도핑가스를 기판에 흘리면서, 도핑되어야 하는 소자 영역을 플래쉬 램프로 빛 처리한다(도 16 내지 18). 이로써 4개의 나노리본 형태의 그래핀 단위 소자에서, 좌측 두 개는 양 끝 영역에 붕소가 도핑되며(304), 우측 두 개는 양 끝 영역에 질소가 도핑된다(305). 상기 도핑 영역(즉, 리본의 중심영역)은 단위 트랜지스터의 채널 영역이 되고, 채널 위에 게이트 절연막과 전극을 형성시킨다.Referring to FIG. 15, in order to form the P-type semiconductor graphene, the semiconductor graphene layer 303 desired for manufacturing the P-type semiconductor graphene among the formed semiconductor graphene layers 303 is exposed to the outside, and the remaining graphene layer ( In 303), a third mask is laminated. Thereafter, a gas (B2H6) containing boron, which is a dopant for forming a P-type semiconductor, is injected into the apparatus together with hydrogen, and light is irradiated with a flash lamp. As a result, boron is doped into the semiconductor graphene layer 303 which is not covered by the third mask layer M3, so that the boron-doped P-type graphene layer 304 is formed on the flexible substrate 301. Nitrogen doping of the plurality of unit graphene devices formed on the substrate is performed in the same manner. For this purpose, another doping gas containing NH 3 and methane is flowed to the substrate, and the device region to be doped is light-treated with a flash lamp ( 16-18). As a result, in the graphene unit device having four nanoribbons, boron is doped at both ends of the two left ends (304), and nitrogen is doped at both end areas (305). The doped region (ie, the center region of the ribbon) becomes a channel region of a unit transistor, and forms a gate insulating layer and an electrode on the channel.

도 19및 20을 참조하면, 마스크층 제거 후 상기 도핑 반도체 그래핀 소자 영역 상에 게이트 절연막인 절연층(306)을 형성시키고, 단위 그래핀 트랜지스터의 소스, 게이트 및 드레인 전극을 형성시킨다(307). 즉, 상기 절연층(306)상에는 게이트 전극을, 나노 리본 형태의 그래핀층 양 단부에는 소스, 드레인 전극을 형성시켜, 그래핀 트랜지스터 구조를 형성시킨다. 19 and 20, after removing the mask layer, an insulating layer 306, which is a gate insulating layer, is formed on the doped semiconductor graphene device region, and source, gate, and drain electrodes of a unit graphene transistor are formed (307). . That is, the graphene transistor structure is formed by forming a gate electrode on the insulating layer 306 and source and drain electrodes on both ends of the graphene layer having a nano ribbon shape.

이로써 그래핀층에 도핑된 불순물의 종류에 따라 P타입 그래핀 트랜지스터(308)과 N 타입 그래핀 트랜지스터(309)가 플렉서블 기판상에 선택적으로 제조될 수 있다. As a result, the P-type graphene transistor 308 and the N-type graphene transistor 309 may be selectively manufactured on the flexible substrate according to the type of impurities doped in the graphene layer.

이상 살핀 바와 같이 램프 등과 같은 광학 수단과, 롤투롤(roll to roll) 방식을 이용한 본 발명은 플렉서블 기판에서의 그래핀 성장을 매우 빠르게 진행할 수 있다. 이상 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, the present invention using an optical means such as a lamp and a roll-to-roll method can rapidly grow graphene on a flexible substrate. Although the above has been described with reference to the preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. You will understand.

Claims (12)

플래쉬 램프를 이용한 그래핀 제조장치로서,
그래핀이 성장되어야 하는 기판이 내부에 구비되는 챔버;
상기 기판의 일 측면으로 반응가스가 유입되는 유입부;
상기 챔버에 진공을 인가하는 위한 진공부; 및
상기 챔버 상단에 구비되어, 상기 기판에 빛을 조사하기 위한 플래쉬 램프를 포함하며 여기에서 상기 기판은 롤투롤(roll to roll) 이송수단에 의하여 이동되는 것을 특징으로 하는 플래쉬 램프를 이용한 그래핀 제조장치.
Graphene manufacturing apparatus using a flash lamp,
A chamber having a substrate on which graphene is to be grown;
An inlet part through which a reaction gas flows into one side of the substrate;
A vacuum unit for applying a vacuum to the chamber; And
Is provided on the top of the chamber, including a flash lamp for irradiating light to the substrate, wherein the substrate is graphene manufacturing apparatus using a flash lamp, characterized in that moved by a roll to roll (roll to roll) transfer means .
제 1항에 있어서, 상기 그래핀 제조장치는
플래쉬 램프 상단에 구비되며, 상기 플래쉬 램프로부터 조사된 빛을 전면으로 반사시키기 위한 반사 수단이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조장치.
According to claim 1, The graphene manufacturing apparatus is
It is provided on the top of the flash lamp, the graphene manufacturing apparatus characterized in that it is further provided with a reflecting means for reflecting the light emitted from the flash lamp to the front.
그래핀 제조방법으로
플렉서블 기판 표면 상에 반응가스를 접촉시키는 단계; 및
반응가스가 접촉된 기판의 일 영역 상에 플래쉬 램프로 빛을 조사하여, 가열하는 단계; 및
상기 플렉서블 기판을 이송시켜, 상기 기판의 또 다른 영역 상에 플래쉬 램프로 빛을 조사하여, 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
Graphene manufacturing method
Contacting a reaction gas on the surface of the flexible substrate; And
Irradiating light with a flash lamp on a region of the substrate to which the reaction gas is contacted, and heating the light; And
Transferring the flexible substrate, irradiating light with a flash lamp on another region of the substrate, and heating the flexible substrate.
제 3항에 있어서,
상기 반응가스는 메탄 및 수소를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
The method of claim 3,
The reaction gas is graphene manufacturing method characterized in that it comprises methane and hydrogen.
제 3항에 있어서,
상기 그래핀층을 성장시키기 전, 붕소 및 질소 함유 가스 분위기에서 플렉서블 기판에 플래쉬 램프로 빛을 조사하여, 붕소질화막을 상기 플렉서블 기판 상에 형성시키며, 그래핀층은 상기 형성된 붕소질화막상에서 성장하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
The method of claim 3,
Before growing the graphene layer, a flexible lamp is irradiated to the flexible substrate in a boron and nitrogen-containing gas atmosphere to form a boron nitride film on the flexible substrate, and the graphene layer is grown on the formed boron nitride film. Graphene manufacturing method.
삭제delete 그래핀 제조방법으로, 상기 방법은
탄소함유 가스 및 수소의 혼합가스 분위기에서, 플렉서블 기판에 플래쉬 램프로 빛을 조사하여, 그래핀을 상기 플렉서블 기판 상에 성장시키는 단계를 포함하며, 여기에서 상기 플렉서블 기판상에서는 별도의 금속촉매가 적층되지 않은 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
Graphene manufacturing method, the method
Irradiating light to the flexible substrate with a flash lamp in a mixed gas atmosphere of a carbon-containing gas and hydrogen, thereby growing graphene on the flexible substrate, wherein a separate metal catalyst is not deposited on the flexible substrate. Graphene manufacturing method characterized in that.
그래핀 반도체 소자 제조방법으로, 상기 방법은
플렉서블 기판에 플래쉬 램프로 빛을 제 1 조사하여, 그래핀 층을 형성시키는 단계; 및
상기 그래핀층에 플래쉬 램프로 빛을 제 2 조사하여 상기 그래핀층을 패터닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 반도체 소자 제조방법.
Graphene semiconductor device manufacturing method, the method
First irradiating light on the flexible substrate with a flash lamp to form a graphene layer; And
And patterning the graphene layer by secondly irradiating light onto the graphene layer with a flash lamp.
제 8항에 있어서,
상기 그래핀층 형성은 탄소함유 가스 및 수소의 혼합가스 분위기에서 진행되는 것을 특징으로 하는 그래핀 반도체 소자 제조방법.
The method of claim 8,
Forming the graphene layer is a graphene semiconductor device manufacturing method, characterized in that proceed in a mixed gas atmosphere of carbon-containing gas and hydrogen.
제 8항에 있어서,
상기 그래핀층 패터닝은 산소 분위기에서 진행되며, 상기 패턴된 그래핀층은 나노리본 형태인 것을 특징으로 하는 그래핀 반도체 소자 제조방법.
The method of claim 8,
The graphene layer patterning is performed in an oxygen atmosphere, the patterned graphene layer is a graphene semiconductor device manufacturing method, characterized in that the nanoribbon form.
제 10항에 있어서, 상기 방법은
상기 그래핀층 패터닝 후, 도핑 가스를 이용하여 나노리본 형태의 그래핀층에 질소와 붕소를 도핑하는 단계; 및
상기 도핑된 그래핀층 위에 절연층을 형성하는 단계; 및
상기 도핑된 그래핀층에 소스, 드레인, 게이트 전극을 증착하여 트랜지스터 소자를 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 반도체 소자 제조방법.11. The method of claim 10,
After the graphene layer patterning, doping nitrogen and boron to the nanoribbon-type graphene layer using a doping gas; And
Forming an insulating layer on the doped graphene layer; And
And depositing a source, a drain, and a gate electrode on the doped graphene layer to manufacture a transistor device. 삭제delete
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