KR101268477B1 - Fabrication method of graphene using filtered vacuum arc source, and the graphene thereby - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자장여과 아크 소스 장치를 이용한 그래핀의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 그래핀에 관한 것으로, 상세하게는 기판 상부에 촉매금속층을 형성시키는 단계(단계 1); 탄소소재 음극을 포함하는 자장여과 아크 소스(Filtered vacuum arc source) 장치의 탄소소재 음극을 플라즈마화 시켜 상기 단계 1에서 형성된 촉매금속층 상부로 10 내지 40 nm 두께로 비정질 탄소박막을 형성시키는 단계(단계 2); 상기 단계 2에서 형성된 비정질 탄소박막을 열처리하는 단계(단계 3); 및 상기 단계 3의 열처리가 수행된 박막을 냉각하여 그래핀층을 형성시킨 후, 기판을 분리하는 단계(단계 4)를 포함하는 그래핀 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 자장여과 아크 소스 장치를 이용한 그래핀의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 그래핀은 취급이 어려운 수소가스를 사용하지 않고 흑연을 원료로 하여 그래핀을 제조할 수 있고, 제조되는 그래핀의 두께를 제어할 수 있다. 또한, 우수한 기계적 특성 및 전기적 특성을 나타내는 그래핀을 높은 생산성으로 제조할 수 있으며, 결함이 적은 고품위의 그래핀이 제조되는 효과가 있다.The present invention relates to a graphene manufacturing method and a graphene produced according to the magnetic filtration arc source device, and in detail, forming a catalytic metal layer on the substrate (step 1); Plasma-forming the carbonaceous anode of the filtered vacuum arc source device including the carbonaceous cathode to form an amorphous carbon thin film having a thickness of 10 to 40 nm over the catalyst metal layer formed in the step 1 (step 2 ); Heat-treating the amorphous carbon thin film formed in step 2 (step 3); And cooling the thin film on which the heat treatment of Step 3 has been performed to form a graphene layer, and then separating the substrate (Step 4). Graphene manufacturing method using the magnetic filtration arc source apparatus according to the present invention and the graphene is produced according to the graphene can be produced by using the graphite as a raw material without using hydrogen gas difficult to handle, The thickness of can be controlled. In addition, the graphene exhibiting excellent mechanical and electrical properties can be manufactured with high productivity, and high quality graphene with fewer defects can be produced.
Description
본 발명은 자장여과 아크 소스 장치를 이용한 그래핀의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 그래핀에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing graphene using a magnetic filtration arc source device and to a graphene produced accordingly.
일반적으로 그래파이트(graphite)는 탄소 원자가 6각형 모양으로 연결된 판상의 2차원 그래핀(graphene)이 적층되어 있는 구조이다. 최근 그래파이트로부터 한층 또는 수층의 그래핀을 벗겨 내어, 특성을 조사한 결과 기존의 물질과 다른 매우 유용한 특성이 발견되었다. 가장 주목할 특징으로는 그래핀 상에 전자가 이동할 경우 마치 전자의 질량이 제로인 것처럼 흐른다는 것이며, 이는 전자가 진공 중의 빛이 이동하는 속도, 즉 광속으로 흐른다는 것을 의미한다. 또한, 상기 그래핀은 전자와 정공에 대하여 비정상적인 반정수 양자 홀 효과(half-integer quantum hall effect)를 갖는다.
In general, graphite (graphite) is a structure in which the two-dimensional graphene (plateene) of the plate connected to the hexagonal carbon atoms are stacked. Recently, one or more layers of graphene were peeled off from graphite and examined for their properties, which revealed very useful properties that differ from existing materials. The most notable feature is that when electrons move on the graphene, they flow as if the mass of the electrons is zero, which means that the electrons flow at the speed of light travel in vacuum, that is, at the speed of light. In addition, the graphene has an abnormal half-integer quantum hall effect with respect to electrons and holes.
현재까지 알려진 상기 그래핀의 이동도는 약 20,000 내지 50,000 cm2/Vs의 높은 값을 가진다고 알려져 있다. 무엇보다도 상기 그래핀과 비슷한 계열인 카본나노튜브의 경우, 합성 후 정제를 거치는 경우 수율이 매우 낮기 때문에 값싼 재료를 이용하여 합성을 하더라도 최종 제품의 가격은 비싼 반면, 그래파이트는 매우 싸다는 장점이 있으며, 단일벽 카본나노튜브의 경우 키랄성 및 직경에 따라 금속, 반도체 특성이 달라질 뿐만이 아니라, 동일한 반도체 특성을 가지더라도 밴드갭이 모두 다르다는 특징을 가지므로, 주어진 단일벽 카본나노튜브로부터 특정 반도체 성질 또는 금속성 성질을 이용하기 위해서는 각 단일벽 카본나노튜브를 모두 분리해야 될 필요가 있으며, 이는 매우 어렵다고 알려져 있다.
The mobility of graphene known to date is known to have a high value of about 20,000 to 50,000 cm 2 / Vs. Above all, in the case of carbon nanotubes similar to graphene, since the yield is very low after the synthesis, the final product is expensive even if synthesized using cheap materials, while graphite is very cheap. In the case of single-walled carbon nanotubes, not only the metal and semiconductor properties vary depending on the chirality and diameter, but also the band gaps are different even if they have the same semiconductor properties. In order to use the properties, it is necessary to separate each single-walled carbon nanotube, which is known to be very difficult.
반면 그래핀의 경우, 주어진 두께의 그래핀의 결정 방향성에 따라서 전기적 특성이 변화하므로 사용자가 선택 방향으로의 전기적 특성을 발현시킬 수 있으므로 소자를 쉽게 설계할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 그래핀의 특징은 향후 탄소계 전기 소자 또는 탄소계 전자기 소자 등에 매우 효과적으로 이용될 수 있다.
On the other hand, in the case of graphene, the electrical characteristics change according to the crystal orientation of the graphene of a given thickness, so that the user can express the electrical characteristics in the selection direction, so that the device can be easily designed. The characteristics of such graphene can be used very effectively in the future carbon-based electrical devices or carbon-based electromagnetic devices.
그러나, 이와 같은 그래핀은 매우 유용한 성질을 가지고 있음에도 불구하고 경제적이고 대면적으로 재현성있게 제조할 수 있는 방법은 현재까지 개발되지 않았다.
However, although such graphene has very useful properties, a method for producing economically and largely reproducibly has not been developed until now.
그래핀의 대표적인 제조방법으로는 기계적인 방법, 화학기상증착법(Chemical vapor deposition,CVD) 및 화학적 방법 등이 있다.Typical production methods of graphene include mechanical methods, chemical vapor deposition (CVD), and chemical methods.
기계적인 방법은 스카치 테이프를 이용해 흑연으로부터 그래핀을 떼어내는 것으로, 제조된 그래핀의 크기가 수십~수백 마이크로에 이를 정도로 크며, 그래핀 본연의 성질이 손상되지 않은 온전한 그래핀을 얻을 수 있다. 하지만, 대량생산에 적합하지 않고, 원료로 흑연만을 사용하여야 하는 문제가 있다.The mechanical method is to remove the graphene from the graphite using Scotch tape, and the size of the produced graphene is large enough to reach several tens to hundreds of micro, and it is possible to obtain an intact graphene in which the graphene's natural properties are not impaired. However, there is a problem in that it is not suitable for mass production and only graphite is used as a raw material.
화학적 기상 증착법은 기체상의 성분들이 화학적으로 반응하여 특정 금속이 증착된 기판표면으로 그래핀 박막을 형성시키는 방법이다. 화학기상증착법을 통해 비교적 결함이 적은 그래핀을 얻을 수 있지만, 생산 비용이 높을 뿐 아니라 과량의 수소가스를 사용하고, 제조된 그래핀의 두께와 분포를 제어하기 어려운 문제가 있다.Chemical vapor deposition is a method of chemically reacting gaseous components to form a graphene thin film on the surface of a substrate on which a specific metal is deposited. Through chemical vapor deposition, graphene can be obtained with relatively few defects, but there is a problem in that it is difficult to control the thickness and distribution of the manufactured graphene using excessive hydrogen gas as well as high production cost.
화학적 방법은 강한 산화제를 이용하여 흑연을 산화시켜 그래핀 옥사이드로 만든 후, 화학적 또는 열적 환원방법을 통해 그래핀 옥사이드에서 그래핀을 얻는 방법이다. 화학적 환원 방법은 하이드라진(N2H4) 또는 수산화칼륨 등을 첨가하여 환원 반응을 유도하며, 열적 환원 방법은 진공 혹은 수소 기체 등의 분위기에서 고온 열처리를 해 줌으로써 환원 반응을 유도한다. 상기와 같은 화학적 방법으로 수 마이크로 크기의 그래핀을 값싸게 대량 생산할 수 있으며, 그래핀을 얻는 과정 중 거치게 되는 그래핀 옥사이드의 기능기를 이용해 또 다른 기능기나, 금속 입자 등을 붙일 수 있어 그 활용이 보다 광범위하지만, 화학적 방법을 통해 만든 그래핀은 결함이 많이 존재하여, 전기적 성질이 비교적 떨어진다는 문제가 있다.
In the chemical method, graphite is oxidized using a strong oxidizing agent to form graphene oxide, and then graphene is obtained from graphene oxide through a chemical or thermal reduction method. The chemical reduction method induces a reduction reaction by adding hydrazine (N 2 H 4 ) or potassium hydroxide, and the thermal reduction method induces a reduction reaction by performing a high temperature heat treatment in an atmosphere such as vacuum or hydrogen gas. It is possible to mass-produce a few micro-sized graphene cheaply by the chemical method as described above, and to attach another functional group or metal particles by using a functional group of graphene oxide which is subjected to the process of obtaining graphene. Although more extensive, graphene made by chemical methods has a lot of defects, and the electrical properties are relatively poor.
한편, 대한민국 공개특허 제10-2009-0108231호 (출원일 2009년 11월 10일)에서는 촉매합금을 이용한 그래핀 제조방법이 개시된 바 있으며, 원료로 탄화수소 가스를 이용하고, 화학기상증착법을 통해 그래핀을 제조하고 있으며,On the other hand, Korean Patent Publication No. 10-2009-0108231 (application date November 10, 2009) has been disclosed a graphene manufacturing method using a catalyst alloy, using a hydrocarbon gas as a raw material, graphene through a chemical vapor deposition method Manufactures
대한민국 공개특허 제10-2009-0109283호 (출원일 2009년 11월 12일)에서는 대면적 그래핀의 제조방법 및 전사방법이 개시된 바 있으며, CH4, C2H2, C2H4, CO 와 같은 탄소를 포함하는 원료가스를 화학기상증착방법을 통해 그래핀으로 제조하고 있다.Republic of Korea Patent Publication No. 10-2009-0109283 (filed November 12, 2009) has been disclosed a method for producing a large area graphene and a transfer method, CH 4 , C 2 H 2 , C 2 H 4 , CO and Raw material gas containing the same carbon is manufactured into graphene through chemical vapor deposition.
또한, 대한민국 공개특허 제10-2009-0121009호 (출원일 2009년 12월 08일)에서는 그래핀 필름 및 그래핀 파우더의 제조 방법이 개시된 바 있으며, 흑연을 산화시켜 그래핀 옥사이드(graphene oxide)를 제조한 후, 이를 환원시켜 그래핀 필름을 제조하고 있다.In addition, the Republic of Korea Patent Publication No. 10-2009-0121009 (application date December 08, 2009) has been disclosed a method for producing a graphene film and graphene powder, to prepare a graphene oxide (graphene oxide) by oxidizing graphite After this, it is reduced to produce a graphene film.
그러나, 상기 종래의 제조방법들은 그래핀의 기계적 성질 및 전기적 성질을 완벽하게 재현하지 못하는 문제가 있다.
However, the conventional manufacturing methods have a problem in that the mechanical and electrical properties of graphene cannot be completely reproduced.
한편, 표면구조 제어에 있어서 RF 플라즈마, DC 플라즈마 및 아크 플라즈마와 같은 다양한 플라즈마 소스를 이용한 연구가 진행되고 있으며, 특히 고밀도 플라즈마를 통해 고속 처리가 가능한 아크 플라즈마에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 아크 방전은 저전압, 고전류의 방전 형태로 수십 V 이내의 전압에서 수백 A급의 전류를 발생시킨다. 아크 방전이 발생된 경우 음극의 국부적 용융에 의해 음극재료의 급격한 증발이 일어나며, 음극 증기 플라즈마의 강력한 제트가 형성되고, 이를 이용하여 미세구조물의 형상제어를 수행할 수 있다.
In the meantime, researches using various plasma sources, such as RF plasma, DC plasma, and arc plasma, have been conducted in surface structure control. In particular, research on arc plasma capable of high-speed processing through high density plasma has been actively conducted. Arc discharge is a low voltage, high current discharge form hundreds of class A current at a voltage of several tens of volts. When arc discharge is generated, rapid evaporation of the cathode material occurs due to the local melting of the cathode, and a powerful jet of the cathode vapor plasma is formed, and shape control of the microstructure may be performed using the same.
본 발명자들은, 전기 전도도 및 기계적 성질이 우수한 그래핀의 제조방법에 대해 연구하던 중, 상기 자장 여과 아크 소스(Filtered Vacuum Arc Source, FVAS) 장치를 이용하여 그래핀을 제조하는 방법을 개발하고 본 발명을 완성하였다.
The inventors of the present invention, while studying a method for producing graphene excellent in electrical conductivity and mechanical properties, developed a method for producing graphene using the filtered vacuum arc source (FVAS) device and the present invention Was completed.
본 발명의 목적은 자장여과 아크 소스 장치를 이용한 그래핀의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 그래핀을 제공하는 데 있다.
An object of the present invention is to provide a method for producing graphene using a magnetic filtration arc source device and a graphene prepared accordingly.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 In order to achieve the above object,
기판 상부에 촉매금속층을 형성시키는 단계(단계 1);Forming a catalyst metal layer on the substrate (step 1);
탄소소재 음극을 포함하는 자장여과 아크 소스(Filtered vacuum arc source) 장치의 탄소소재 음극을 플라즈마화 시켜 상기 단계 1에서 형성된 촉매금속층 상부로 10 내지 40 nm 두께로 비정질 탄소박막을 형성시키는 단계(단계 2); Plasma-forming the carbonaceous anode of the filtered vacuum arc source device including the carbonaceous cathode to form an amorphous carbon thin film having a thickness of 10 to 40 nm over the catalyst metal layer formed in the step 1 (step 2 );
상기 단계 2에서 형성된 비정질 탄소박막을 열처리하는 단계(단계 3); 및Heat-treating the amorphous carbon thin film formed in step 2 (step 3); And
상기 단계 3의 열처리가 수행된 박막을 냉각하여 그래핀층을 형성시킨 후, 기판을 분리하는 단계(단계 4)를 포함하는 그래핀 제조방법을 제공한다.
After cooling the thin film subjected to the heat treatment of step 3 to form a graphene layer, there is provided a graphene manufacturing method comprising the step (step 4) of separating the substrate.
본 발명에 따른 자장여과 아크 소스 장치를 이용한 그래핀의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 그래핀은 취급이 어려운 수소가스를 사용하지 않고 흑연을 원료로 하여 그래핀을 제조할 수 있고, 제조되는 그래핀의 두께를 제어할 수 있다. 또한, 우수한 기계적 특성 및 전기적 특성을 나타내는 그래핀을 높은 생산성으로 제조할 수 있으며, 결함이 적은 고품위의 그래핀이 제조되는 효과가 있다.
Graphene manufacturing method using the magnetic filtration arc source apparatus according to the present invention and the graphene is produced according to the graphene can be produced by using the graphite as a raw material without using hydrogen gas difficult to handle, The thickness of can be controlled. In addition, the graphene exhibiting excellent mechanical and electrical properties can be manufactured with high productivity, and high quality graphene with fewer defects can be produced.
도 1은 본 발명에 따른 제조방법에서 사용되는 자장여과 아크 소스(Filtered vacuum arc source)장치를 개략적으로 나타낸 모식도이고;
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 제조방법으로 그래핀이 형성되는 것을 나타낸 모식도이고;
도 4는 본 발명에 따른 제조방법에서 열처리가 수행되는 온도 및 시간을 나타낸 그래프이고;
도 5는 비정질탄소박막의 두께에 따른 라만 스펙트럼을 분석한 그래프이고;
도 6은 열처리온도에 따른 라만 스펙트럼을 분석한 그래프이고;
도 7은 비정질탄소박막의 두께에 따른 변화를 광학현미경으로 관찰한 사진이고;
도 8은 열처리온도에 따른 변화를 광학현미경으로 관찰한 사진이다.1 is a schematic diagram schematically showing a filtered vacuum arc source device used in the manufacturing method according to the present invention;
2 and 3 is a schematic diagram showing that the graphene is formed by the manufacturing method according to the present invention;
Figure 4 is a graph showing the temperature and time that the heat treatment is performed in the manufacturing method according to the present invention;
5 is a graph analyzing Raman spectrum according to the thickness of the amorphous carbon thin film;
6 is a graph analyzing Raman spectrum according to the heat treatment temperature;
7 is a photograph observing the change according to the thickness of the amorphous carbon thin film with an optical microscope;
8 is a photograph observing the change according to the heat treatment temperature with an optical microscope.
본 발명은 The present invention
기판 상부에 촉매금속층을 형성시키는 단계(단계 1);Forming a catalyst metal layer on the substrate (step 1);
탄소소재 음극을 포함하는 자장여과 아크 소스(Filtered vacuum arc source) 장치의 탄소소재 음극을 플라즈마화 시켜 상기 단계 1에서 형성된 촉매금속층 상부로 10 내지 40 nm 두께로 비정질 탄소박막을 형성시키는 단계(단계 2); Plasma-forming the carbonaceous anode of the filtered vacuum arc source device including the carbonaceous cathode to form an amorphous carbon thin film having a thickness of 10 to 40 nm over the catalyst metal layer formed in the step 1 (step 2 );
상기 단계 2에서 형성된 비정질 탄소박막을 열처리하는 단계(단계 3); 및Heat-treating the amorphous carbon thin film formed in step 2 (step 3); And
상기 단계 3의 열처리가 수행된 박막을 냉각하여 그래핀층을 형성시킨 후, 기판을 분리하는 단계(단계 4)를 포함하는 그래핀 제조방법을 제공한다.
After cooling the thin film subjected to the heat treatment of step 3 to form a graphene layer, there is provided a graphene manufacturing method comprising the step (step 4) of separating the substrate.
이하, 본 발명을 각 단계별로 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail for each step.
본 발명에 따른 그래핀 제조방법에 있어서, 단계 1은 기판 상부에 촉매금속층을 형성시키는 단계이다.In the graphene manufacturing method according to the present invention,
단계 1의 상기 기판은 SiO2/Si 기판, 실리카 기판, 글래스(glass) 기판 등을 사용할 수 있고, 상기 촉매금속으로는 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 백금(Pt), 구리(Cu), 루테늄(Ru) 등의 금속을 사용할 수 있다. 상기 촉매금속들은 탄소가 용해될 수 있는 금속들로써, 탄소가 용해되어 용액(solution)을 형성하되, 탄소와 반응하지 않는 물질이다. 즉, 상기 촉매금속층을 형성시킴으로써 탄소를 용해시키고, 용해된 탄소를 냉각하여 그래핀을 형성시킬 수 있으며, 상기 촉매금속으로 그래핀과의 격자상수 차이가 거의 없으며, 그래핀 성장을 위한 최적의 탄소 용해도를 나타내는 니켈을 사용하는 것이 가장 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.The substrate of
한편, 상기 단계 1의 촉매금속층의 두께는 100 내지 300nm인 것이 바람직하며, 상기 촉매금속층의 두께가 100nm 미만인 경우에는 촉매금속층이 박리되는 문제가 있고, 촉매금속층의 두께가 300nm를 초과하는 경우에는 촉매금속층에 용해된 탄소들이 촉매금속층 표면으로 석출(diffuse-out)되지 않는 문제가 있다.On the other hand, the thickness of the catalyst metal layer of the
또한, 상기 촉매금속층의 형성은 스퍼터링(sputtering)을 통해 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
In addition, the formation of the catalyst metal layer may be performed through sputtering, but is not limited thereto.
본 발명에 따른 그래핀 제조방법에 있어서, 단계 2는 탄소소재 음극을 포함하는 자장여과 아크 소스(Filtered vacuum arc source) 장치의 탄소소재 음극을 플라즈마화 시켜 상기 단계 1에서 형성된 촉매금속층 상부로 10 내지 40 nm 두께로 비정질 탄소박막을 형성시키는 단계이다.In the graphene manufacturing method according to the present invention, step 2 is 10 to 10 above the catalytic metal layer formed in
진공 아크는 높은 전류 및 낮은 전압에서의 전기 방전으로, 방전에 의해 기화되고 이온화된 전극 물질로 이루어진 플라즈마를 통하여 전류가 흐르게 된다. 이러한 진공 아크를 이용하여 증착을 수행하는 음극 아크 증착은 음극 표면의 임의의 아주 작은 점이 음극 점(Cathode Spot: 방전에 의해 전류가 흐르는 위치)으로 작용하여 전류가 흐르기 시작하고, 이로 인하여 전기 저항 열이 발생한다. 이때, 발생된 극소 부분의 열이 음극 물질을 녹이면서 플라즈마가 초음속으로 반대 극으로 발사되어 증착이 수행된다. 그러나, 음극이 녹으며 발생하는 대형 미립자(Macro Particle)는 증착 결과물의 품질을 저하시키는 문제가 있으며, 이를 해결하기 위하여 다양한 거대입자 제거방법들이 제안되고 있다. 특히, 자장필터를 이용하여 거대입자를 제거하는 자장여과 아크 소스(Filtered vacuum arc source)장치를 이용할 경우 거대입자를 효과적으로 제거하고 증착을 수행할 수 있다.Vacuum arcs are electrical discharges at high currents and low voltages through which current flows through a plasma of electrode material vaporized and ionized by the discharge. Cathodic arc deposition, in which deposition is performed using such a vacuum arc, causes a very small point on the surface of the cathode to act as a cathode spot (a position where the current flows by discharge), thereby causing a current to flow, thereby causing electrical resistance heat. This happens. At this time, while the generated heat of the melting portion melts the cathode material, the plasma is fired to the opposite pole at supersonic speed and deposition is performed. However, large particles (Macro Particles) generated by melting the cathode have a problem of degrading the quality of the deposition result, and various macroparticle removal methods have been proposed to solve this problem. In particular, in the case of using a filtered vacuum arc source device that removes large particles using a magnetic field filter, the large particles can be effectively removed and deposition can be performed.
이에 상기 단계 2에서는 탄소소재 음극을 포함하는 자장여과 아크 소스(Filtered vacuum arc source) 장치를 통해 탄소소재 음극을 플라즈마화 시킨 후, 상기 플라즈마를 이용하여 단계 1에서 형성된 촉매금속층 상부로 비정질 탄소박막을 형성시킨다. 이를 통해 고품질의 탄소박막을 형성할 수 있으며, 예를 들어 도 1에 개략적으로 나타낸 자장여과 아크 소스 장치를 이용하여 비정질 탄소박막을 형성할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 그래핀 제조방법에서 사용하는 자장여과 아크 소스 장치는 더욱 바람직하게는 대한민국 공개특허 제10-2009-14363호 (출원일 2009년 02월 20일)에 개시된 바 있는 이중굴곡 플라즈마 덕트를 구비한 자장여과 아크 소스 장치를 이용하여 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Accordingly, in step 2, the carbon material cathode is plasma-formed through a filtered vacuum arc source device including a carbon material cathode, and then an amorphous carbon thin film is formed on the catalyst metal layer formed in
자장여과 아크 소스 장치를 이용하여 탄소박막을 형성하기 위하여 자장여과 아크 소스 장치는 그래핀의 원료로 사용할 수 있는 탄소소재 음극을 포함하고, 상기 탄소소재는 흑연, C60 버키볼(buckyball), 탄소나노튜브 등일 수 있다. 이를 통하여 종래의 화학기상증착법에서 탄화수소를 원료로 사용함으로써 수소가 함유되었던 문제를 원천적으로 방지할 수 있다.
To form a carbon thin film using a magnetic filtration arc source device, the magnetic filtration arc source device includes a carbon material cathode which can be used as a raw material of graphene, and the carbon material includes graphite, C 60 buckyball, and carbon nano. Tube or the like. Through this, by using hydrocarbon as a raw material in the conventional chemical vapor deposition method, it is possible to fundamentally prevent the problem that the hydrogen was contained.
한편, 상기 단계 2의 자장여과 아크 소스 장치는 10 내지 30 V인 양전압; 10 내지 30 A인 아크전류; 1 내지 5 mTorr인 운전압력; 및 1 내지 5 nm/분인 증착속도로 설정된 공정조건으로 비정질 탄소박막을 형성시킬 수 있으며, 상기 조건으로 자장여과 아크 소스 장치를 가동하여 비정질 탄소박막을 형성함으로써, 그래핀 형성에 적합한 두께인 비정질 탄소박막을 안정적으로 형성시킬 수 있다.
On the other hand, the magnetic filtration arc source device of step 2 is a positive voltage of 10 to 30V; Arc current of 10 to 30 A; Operating pressure of 1 to 5 mTorr; And an amorphous carbon thin film under a process condition set at a deposition rate of 1 to 5 nm / min, and forming an amorphous carbon thin film by operating a magnetic filtration arc source device under the above conditions, thereby forming amorphous carbon having a thickness suitable for forming graphene. The thin film can be formed stably.
한편, 상기 단계 2에서 자장여과 아크 소스 장치를 이용하여 형성된 비정질 탄소박막의 두께는 10 내지 40 nm인 것이 바람직하다. 형성된 비정질 탄소박막의 두께가 10 nm 미만인 경우에는 탄소박막의 열처리 후에도 그래핀이 합성되지 않는 문제가 있고, 상기 비정질 탄소박막의 두께가 40 nm를 초과하는 경우에는 열처리 후 그래핀이 합성되는 대신 미정질 (microcrystalline) 흑연(그라파이트)이 형성되는 문제가 있다.
On the other hand, the thickness of the amorphous carbon thin film formed using the magnetic filtration arc source device in step 2 is preferably 10 to 40 nm. If the thickness of the formed amorphous carbon thin film is less than 10 nm, there is a problem that the graphene is not synthesized even after the heat treatment of the carbon thin film, and if the thickness of the amorphous carbon thin film exceeds 40 nm, the graphene is not synthesized after the heat treatment instead of the undefined There is a problem that microcrystalline graphite (graphite) is formed.
본 발명에 따른 그래핀 제조방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2에서 형성된 비정질 탄소박막을 열처리하는 단계로, 이때, 상기 단계 3의 열처리는 600 내지 1100 ℃의 온도에서 1 내지 10분 동안 수행되는 것이 바람직하다. 상기 열처리가 600 ℃ 미만의 온도에서 수행되는 경우 그래핀 대신 미정질 (microcrystalline) 흑연(그라파이트)이 형성되는 문제가 있고, 1100 ℃를 초과하는 온도에서 열처리가 수행되는 경우 과도하게 높은 열처리 온도로 인하여 공정에 소비되는 비용이 증가하는 문제가 있다.
In the graphene manufacturing method according to the invention, step 3 is a step of heat-treating the amorphous carbon thin film formed in step 2, wherein the heat treatment of step 3 is performed for 1 to 10 minutes at a temperature of 600 to 1100 ℃ It is preferable. When the heat treatment is carried out at a temperature of less than 600 ℃ there is a problem that microcrystalline graphite (graphite) is formed instead of graphene, when the heat treatment is performed at a temperature above 1100 ℃ due to excessively high heat treatment temperature There is a problem that the cost spent on the process increases.
본 발명에 따른 그래핀 제조방법에 있어서, 단계 4는 상기 단계 3의 열처리가 수행된 박막을 냉각하여 그래핀층을 형성시킨 후, 기판을 분리하는 단계이다. 상기 단계 2에서 자장여과 아크 소스 장치에 의해 비정질 탄소박막이 형성되고, 상기 단계 3에서 비정질 탄소박막을 열처리 함으로써 비정질 탄소박막의 탄소 원자는 촉매금속에 녹아들거나 흡착된다. 이때, 상기 단계 4에서 열처리가 수행된 탄소박막을 냉각함으로써, 촉매금속에 녹아들거나 흡착되었던 탄소원자가 촉매금속의 표면으로 석출되고 그래핀을 형성하게 된다. 본 발명에 따란 그래핀 제조방법에서 비정질 탄소박막이 형성되고, 이를 열처리 및 냉각하여 그래핀이 형성되는 과정을 개략적으로 나타낸 모식도를 도 2 및 도 3에 나타내었다.In the graphene manufacturing method according to the present invention, step 4 is a step of separating the substrate after cooling the thin film on which the heat treatment of step 3 is performed to form a graphene layer. In step 2, the amorphous carbon thin film is formed by the magnetic filtration arc source device, and in step 3, the carbon atoms of the amorphous carbon thin film are dissolved or adsorbed onto the catalyst metal by heat treating the amorphous carbon thin film. At this time, by cooling the carbon thin film subjected to the heat treatment in step 4, carbon atoms dissolved or adsorbed on the catalyst metal are precipitated onto the surface of the catalyst metal to form graphene. 2 and 3 show schematic views showing an amorphous carbon thin film formed in the graphene manufacturing method according to the present invention, heat treatment and cooling to form graphene.
한편, 상기 단계 4의 냉각은 20 내지 50 ℃/분의 속도로 수행되는 것이 바람직하다. 만약, 만약, 상기 냉각이 20 ℃/분보다 늦은 속도로 수행되는 경우에는 용해된 탄소들이 촉매금속층 표면으로 석출(diffuse-out)되지 않는 문제가 있고, 냉각이 50 ℃/분보다 빠른 속도로 수행되는 경우에는 두꺼운 흑연(그라파이트)층이 생성되는 문제가 있다.On the other hand, the cooling of step 4 is preferably carried out at a rate of 20 to 50 ℃ / min. If, when the cooling is performed at a rate later than 20 ℃ / min, there is a problem that dissolved carbon does not diffuse out to the surface of the catalyst metal layer (cooling is performed at a rate faster than 50 ℃ / minute) In this case, there is a problem that a thick graphite (graphite) layer is produced.
본 발명에 따른 그래핀 제조방법에서 열처리 및 냉각이 수행되는 것을 도 4의 그래프를 통해 개략적으로 나타내었다.
In the graphene manufacturing method according to the invention the heat treatment and cooling is shown schematically through the graph of FIG.
냉각이 끝난 후, 그래핀이 촉매금속층 상부로 형성되고, 형성된 그래핀을 분리하기 위하여 상기 단계 1의 기판을 분리한다. 상기 기판의 분리는 에칭용액을 이용하여 촉매금속층을 제거함으로써 수행될 수 있으며, 바람직하게는 기판에 물리적인 힘을 가하여 기판을 제거한 후, 노출되는 촉매금속층을 에칭용액을 사용하여 제거함으로써 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 기판을 물리적으로 제거한 후 촉매금속층을 제거하는 경우, 기판을 단시간 내에 분리할 수 있으며 에칭용액으로 인하여 그래핀에 손상이 생기는 것을 방지할 수 있다.
After cooling, the graphene is formed on the catalytic metal layer, and the substrate of
본 발명에 따른 그래핀 제조방법을 통해 그래핀을 제조하는 경우, 흑연(그라파이트)을 원료로 하여 그래핀을 제조함으로써, 종래의 화학기상증착법을 통해 그래핀을 제조함으로써 불순물인 수소가 포함되었던 문제를 방지할 수 있고, 자장여과 아크소스를 통해 비정질 탄소박막을 형성시킴으로써 형성되는 조밀입자로 인하여 형성된 탄소박막의 품질이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 그래핀 제조방법을 통해 제조되는 그래핀의 두께를 제어할 수 있으며, 결함이 적은 고품위의 그래핀을 제조할 수 있다.
In the case of producing graphene through the graphene manufacturing method according to the present invention, by producing graphene using graphite (graphite) as a raw material, by using a conventional chemical vapor deposition method to produce graphene by a problem that the hydrogen was included as a problem It can be prevented, and the quality of the formed carbon thin film can be prevented from being degraded due to the dense particles formed by forming the amorphous carbon thin film through the magnetic filtration arc source. In addition, it is possible to control the thickness of the graphene produced through the graphene manufacturing method according to the present invention, it is possible to manufacture a high-quality graphene with fewer defects.
한편, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조되는 그래핀을 제공한다.
On the other hand, the present invention provides a graphene produced by the manufacturing method.
본 발명에 따른 그래핀은 흑연(그라파이트)를 원료로 하여 자장여과 아크 소스 장치를 통해 비정질 탄소 박막을 형성한 후 그래핀을 제조함으로써, 종래의 제조방법으로 제조된 그래핀과 비교하여 결함이 적고 우수한 특성을 나타낼 수 있다. 또한, 높은 생산성으로 인하여 낮은 단가로 그래핀이 제조됨에 따라 종래의 그래핀보다 더욱 우수한 가격경쟁력을 나타내는 경제적 이점이 있다.
Graphene according to the present invention by forming a amorphous carbon thin film using a graphite (graphite) as a raw material through a magnetic filtration arc source device to produce a graphene, compared to the graphene manufactured by the conventional manufacturing method is less defects It can exhibit excellent properties. In addition, since graphene is manufactured at a low cost due to high productivity, there is an economic advantage that shows a superior price competitiveness than conventional graphene.
또한, 본 발명은 상기 그래핀을 포함하는 투명전극기판 및In addition, the present invention is a transparent electrode substrate comprising the graphene and
상기 투명전극기판을 포함하는 반도체소자를 제공한다.
It provides a semiconductor device comprising the transparent electrode substrate.
본 발명에 따른 그래핀은 우수한 전기전도도 및 투과도를 나타내어 투명전극기판에 적용될 수 있으며, 상기 투명전극기판은 반도체소자에 적용될 수 있다.Graphene according to the present invention can be applied to a transparent electrode substrate exhibiting excellent electrical conductivity and transmittance, the transparent electrode substrate may be applied to a semiconductor device.
본 발명에 따른 그래핀을 포함하는 투명전극기판은 우수한 전기전도도 및 높은 투과율을 나타내고, 유연한 특성을 나타낼 수 있어 유연 전자소자의 제조에 적용될 수 있으며,The transparent electrode substrate including the graphene according to the present invention exhibits excellent electrical conductivity and high transmittance, and can exhibit flexible characteristics, which can be applied to the manufacture of flexible electronic devices.
본 발명에 따른 투명전극기판을 포함하는 반도체소자는 우수한 전기적 특성 및 유연성을 나타내는 그래핀의 사용으로 인하여 종래의 공정으로 제조된 반도체소자들을 대체할 수 있을 것으로 전망된다.
The semiconductor device including the transparent electrode substrate according to the present invention is expected to be able to replace the semiconductor device manufactured by a conventional process due to the use of graphene showing excellent electrical properties and flexibility.
이하, 본 발명을 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 하기 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described more specifically by way of examples. However, the following examples are intended to illustrate the present invention, but the scope of the present invention is not limited by the following examples.
<실시예 1> 자장여과 아크 소스 장치를 이용한 그래핀의 제조 1Example 1 Preparation of Graphene Using a Magnetic Filtration
단계 1 : SiO2 기판 상부에 스퍼터링을 통해 촉매금속층인 니켈층을 300 nm의 두께로 형성시켰다.
Step 1: A nickel layer, which is a catalyst metal layer, was formed on the SiO 2 substrate by sputtering to a thickness of 300 nm.
단계 2 : 상기 단계 1에서 형성된 니켈층 상부로 자장여과 아크 소스 장치를 이용하여 비정질 탄소 박막을 15 nm의 두께로 형성하였다.Step 2: An amorphous carbon thin film was formed to a thickness of 15 nm by using a magnetic filtration arc source device on the nickel layer formed in
이때, 자장여과 아크 소스 장치는 도 1에 개략적으로 나타낸 자장여과 아크 소스 장치를 이용하여 수행하였으며, 아크 플라즈마 발생을 위해 반지름 55 mm의 흑연(그라파이트) 음극을 사용하였다. 흑연 음극에서 발생된 플라즈마는 거대입자의 필터 역할을 하는 플라즈마 덕트를 통하여 공정챔버로 이송되었고, 이때, 플라즈마 덕트는 내경 120 mm T형으로 5개의 전자석을 이용하여 자장을 형성하였다. 또한, 각 전자석 코일에 인가된 전류 값은 SM = 5 A, EM = 5 A, BM = 5 A, OM = 5 A, BBM = 2.5 A이었으며, 이는 플라즈마 덕트 내부와 수송되는 플라즈마 간의 충돌이 최소인 조건이다. 나아가, 플라즈마 덕트 내 이온 수송시 플라즈마 덕트 벽과 충돌되어 손실되는 이온을 줄이고 이온의 수송 효율을 증가시키기 위하여 플라즈마 덕트에 20 V의 DC 양전압을 인가하였고, 아크 전류는 20 A, 운전 압력은 약 1 mTorr, 방전 가스로 아르곤(Ar)이 사용하였다. 이때, 상기 단계 2에서 자장여과 아크 소스 장치의 비정질 탄소 박막 증착속도는 3 nm/min이었다.
At this time, the magnetic filtration arc source apparatus was performed using the magnetic filtration arc source apparatus schematically shown in FIG. 1, and a graphite (graphite) cathode having a radius of 55 mm was used for arc plasma generation. The plasma generated from the graphite cathode was transferred to the process chamber through a plasma duct serving as a filter for the macroparticles. At this time, the plasma duct formed a magnetic field using five electromagnets with an inner diameter of 120 mm T type. In addition, the current values applied to the electromagnet coils were SM = 5 A, EM = 5 A, BM = 5 A, OM = 5 A, and BBM = 2.5 A, which minimized the collision between the plasma duct and the transported plasma. Condition. Furthermore, in order to reduce the ions lost due to collision with the plasma duct wall and increase the transport efficiency of ions during ion transport in the plasma duct, a DC positive voltage of 20 V was applied to the plasma duct, the arc current was 20 A, and the operating pressure was about. 1 mTorr, argon (Ar) was used as a discharge gas. At this time, the amorphous carbon thin film deposition rate of the magnetic filtration arc source device in step 2 was 3 nm / min.
단계 3 : 상기 단계 2에서 형성된 비정질 탄소박막을 800 ℃의 온도에서 5분 간 열처리하였다.
Step 3: The amorphous carbon thin film formed in step 2 was heat-treated for 5 minutes at a temperature of 800 ℃.
단계 4 : 상기 단계 3에서 열처리가 수행된 박막을 40 ℃/분의 속도로 냉각하여 그래핀을 합성하였다. 이후, 에칭용액인 FeCl3 를 이용하여 촉매금속층인 니켈층을 제거함으로써 기판을 제거하여 그래핀만을 분리해내었다.
Step 4: The graphene was synthesized by cooling the thin film subjected to the heat treatment in step 3 at a rate of 40 ° C./min. Subsequently, only the graphene was separated by removing the substrate by removing the nickel layer, which is the catalyst metal layer, using FeCl 3 , which is an etching solution.
<실시예 2> 자장여과 아크 소스 장치를 이용한 그래핀의 제조 2Example 2 Preparation of Graphene Using a Magnetic Filtration Arc Source Apparatus 2
상기 실시예 1의 단계 3에서 900 ℃의 온도로 열처리를 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 그래핀을 제조하였다.
Graphene was prepared in the same manner as in Example 1, except that heat treatment was performed at a temperature of 900 ° C. in Step 3 of Example 1.
<실시예 3> 자장여과 아크 소스 장치를 이용한 그래핀의 제조 3Example 3 Preparation of Graphene Using a Magnetic Filtration Arc Source Apparatus 3
상기 실시예 1의 단계 3에서 1000 ℃의 온도로 열처리를 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 그래핀을 제조하였다.
Graphene was prepared in the same manner as in Example 1 except that heat treatment was performed at a temperature of 1000 ° C. in Step 3 of Example 1.
<실시예 4> 자장여과 아크 소스 장치를 이용한 그래핀의 제조 4Example 4 Preparation of Graphene Using a Magnetic Filtration Arc Source Apparatus 4
상기 실시예 1의 단계 2에서 비정질 탄소 박막을 20 nm의 두께로 형성시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 수행하여 그래핀을 제조하였다.
Graphene was prepared in the same manner as in Example 1 except that the amorphous carbon thin film was formed to a thickness of 20 nm in Step 2 of Example 1.
<실시예 5> 자장여과 아크 소스 장치를 이용한 그래핀의 제조 5Example 5 Preparation of Graphene Using a Magnetic Filtration Arc Source Apparatus 5
상기 실시예 1의 단계 2에서 비정질 탄소 박막을 30 nm의 두께로 형성시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 수행하여 그래핀을 제조하였다.
Graphene was prepared in the same manner as in Example 1 except that the amorphous carbon thin film was formed to a thickness of 30 nm in Step 2 of Example 1.
<실시예 6> 자장여과 아크 소스 장치를 이용한 그래핀의 제조 6Example 6 Preparation of Graphene Using a Magnetic Filtration Arc Source Apparatus 6
상기 실시예 1의 단계 2에서 비정질 탄소 박막을 40 nm의 두께로 형성시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 수행하여 그래핀을 제조하였다.
Graphene was prepared in the same manner as in Example 1 except that the amorphous carbon thin film was formed to a thickness of 40 nm in Step 2 of Example 1.
<비교예 1>≪ Comparative Example 1 &
상기 실시예 1의 단계 3에서 600 ℃의 온도로 열처리를 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
Example 1 was carried out in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment was performed at a temperature of 600 ℃ in step 3.
<비교예 2>Comparative Example 2
상기 실시예 1의 단계 2에서 비정질 탄소 박막을 1 nm의 두께로 형성시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
Except that the amorphous carbon thin film was formed in step 2 of Example 1 to a thickness of 1 nm was performed in the same manner as in Example 1.
<비교예 3>≪ Comparative Example 3 &
상기 실시예 1의 단계 2에서 비정질 탄소 박막을 5 nm의 두께로 형성시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
Except that the amorphous carbon thin film was formed to a thickness of 5 nm in step 2 of Example 1 was carried out in the same manner as in Example 1.
<비교예 4>≪ Comparative Example 4 &
상기 실시예 1의 단계 2에서 비정질 탄소 박막을 50 nm의 두께로 형성시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
Except that the amorphous carbon thin film was formed in step 2 of Example 1 to a thickness of 50 nm was performed in the same manner as in Example 1.
<실험예 1> 라만분광분석Experimental Example 1 Raman Spectroscopic Analysis
(1) 비정질 탄소 박막 두께변화에 따른 분석(1) Analysis on the thickness change of amorphous carbon thin film
본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 2 내지 4의 박막을 라만분광분석하였고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.Raman spectroscopic analysis of the thin films of Example 1 and Comparative Examples 2 to 4 according to the present invention, the results are shown in FIG.
도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1에서 비정질 탄소박막을 15 nm의 두께로 형성함으로써 열처리 및 냉각이 수행된 후 그래핀이 형성되는 것을 알 수 있다. 반면, 비교예 2 내지 4에서 비정질 탄소박막이 각각 1, 5, 50 nm의 두께로 형성되는 경우, 열처리 및 냉각이 수행된 후에도 비정질 탄소 또는 미정질 흑연(그라파이트)이 형성되는 것을 알 수 있다. 이를 통하여, 본 발명에 따른 그래핀 제조방법에서 비정질 탄소박막 두께를 적절히 조절하여 형성시킴으로써 그래핀을 제조할 수 있음을 확인하였다.
As shown in FIG. 5, it can be seen that in Example 1 according to the present invention, graphene is formed after heat treatment and cooling by forming an amorphous carbon thin film to a thickness of 15 nm. On the other hand, in Comparative Examples 2 to 4, when the amorphous carbon thin films are formed to have thicknesses of 1, 5, and 50 nm, respectively, it can be seen that amorphous carbon or amorphous graphite (graphite) is formed even after heat treatment and cooling are performed. Through this, it was confirmed that in the graphene manufacturing method according to the present invention it can be prepared by adjusting the amorphous carbon film thickness by appropriately formed.
(2) 열처리 온도 변화에 따른 분석(2) Analysis according to the change of heat treatment temperature
본 발명에 따른 실시예 1, 실시예 3 및 비교예 1의 박막을 라만분광분석하였고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.Raman spectroscopic analysis of the thin films of Example 1, Example 3 and Comparative Example 1 according to the present invention, the results are shown in FIG.
도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 및 실시예 3에서 각각 800 ℃, 1000 ℃의 온도로 열처리하고 냉각을 수행함으로써 그래핀이 형성되는 것을 알 수 있다. 반면, 비교예 1에서 600 ℃의 온도로 열처리하고 냉각을 수행하는 경우 미정질 흑연(그라파이트)이 형성되는 것을 알 수 있다. 이를 통하여, 본 발명에 따른 그래핀 제조방법에서 비정질 탄소박막의 열처리 온도를 적절히 조절함으로써 그래핀을 제조할 수 있음을 확인하였다.
As shown in FIG. 6, it can be seen that in Example 1 and Example 3 according to the present invention, graphene is formed by performing heat treatment and cooling at a temperature of 800 ° C. and 1000 ° C., respectively. On the other hand, in Comparative Example 1, when the heat treatment and cooling is performed at a temperature of 600 ℃ it can be seen that the microcrystalline graphite (graphite) is formed. Through this, it was confirmed that the graphene can be prepared by appropriately adjusting the heat treatment temperature of the amorphous carbon thin film in the graphene manufacturing method according to the present invention.
<실험예 2> 광학현미경 관찰Experimental Example 2 Observation of Optical Microscope
(1) 비정질 탄소 박막 두께변화에 따른 분석(1) Analysis on the thickness change of amorphous carbon thin film
본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 2 내지 4의 박막을 광학현미경을 이용하여 관찰하였고, 그 결과를 도 7에 나타내었다.The thin films of Example 1 and Comparative Examples 2 to 4 according to the present invention were observed using an optical microscope, and the results are shown in FIG. 7.
도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1에서 비정질 탄소박막의 두께가 15 nm인 경우 그래핀이 형성된 것을 알 수 있다. 반면 비교예 2 내지 4에서 비정질 탄소박막의 두께가 1 nm, 5 nm, 50 nm인 경우에는 미정질 흑연(그라파이트)이 형성되거나, 비정질 탄소가 형성되는 것을 알 수 있다. 이를 통하여, 본 발명에 따른 그래핀 제조방법에서 비정질 탄소박막 두께를 적절히 조절함으로써 그래핀을 제조할 수 있음을 확인하였다.
As shown in FIG. 7, it can be seen that in Example 1 according to the present invention, when the amorphous carbon thin film has a thickness of 15 nm, graphene is formed. On the other hand, in Comparative Examples 2 to 4, when the thickness of the amorphous carbon thin film is 1 nm, 5 nm, and 50 nm, it can be seen that amorphous graphite (graphite) is formed or amorphous carbon is formed. Through this, it was confirmed that the graphene can be prepared by appropriately adjusting the thickness of the amorphous carbon thin film in the graphene manufacturing method according to the present invention.
(2) 열처리 온도 변화에 따른 분석(2) Analysis according to the change of heat treatment temperature
본 발명에 따른 실시예 1, 실시예 3 및 비교예 1의 박막을 광학현미경을 이용하여 관찰하였고, 그 결과를 도 8에 나타내었다.The thin films of Example 1, Example 3 and Comparative Example 1 according to the present invention were observed using an optical microscope, and the results are shown in FIG. 8.
도 8에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 및 실시예 3에서 각각 800 ℃, 1000 ℃의 온도로 열처리하고 냉각을 수행함으로써 그래핀이 형성되는 것을 알 수 있다. 반면, 비교예 1에서 600 ℃의 온도로 열처리하고 냉각을 수행하는 경우에는 미정질 흑연(그라파이트)이 형성되는 것을 알 수 있다. 이를 통하여, 본 발명에 따른 그래핀 제조방법에서 비정질 탄소박막의 열처리 온도를 적절히 조절하여 그래핀을 제조할 수 있음을 확인하였다.
As shown in FIG. 8, it can be seen that in Example 1 and Example 3 according to the present invention, graphene is formed by performing heat treatment and cooling at a temperature of 800 ° C. and 1000 ° C., respectively. On the other hand, when the heat treatment and cooling is carried out at a temperature of 600 ℃ in Comparative Example 1 it can be seen that the microcrystalline graphite (graphite) is formed. Through this, in the graphene manufacturing method according to the invention it was confirmed that the graphene can be prepared by appropriately adjusting the heat treatment temperature of the amorphous carbon thin film.
Claims (12)
탄소소재 음극을 포함하는 자장여과 아크 소스(Filtered vacuum arc source) 장치의 탄소소재 음극을 플라즈마화 시켜 상기 단계 1에서 형성된 촉매금속층 상부로 10 내지 40 nm 두께로 비정질 탄소박막을 형성시키는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 형성된 비정질 탄소박막을 600 내지 1100 ℃의 온도로 1 내지 10 분 동안 열처리하는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3의 열처리가 수행된 박막을 냉각하여 그래핀층을 형성시킨 후, 기판을 분리하는 단계(단계 4)를 포함하는 그래핀 제조방법.
Forming a catalyst metal layer on the substrate (step 1);
Plasma-forming the carbonaceous anode of the filtered vacuum arc source device including the carbonaceous cathode to form an amorphous carbon thin film having a thickness of 10 to 40 nm over the catalyst metal layer formed in the step 1 (step 2 );
Heat treating the amorphous carbon thin film formed in step 2 at a temperature of 600 to 1100 ° C. for 1 to 10 minutes (step 3); And
Cooling the thin film subjected to the heat treatment of step 3 to form a graphene layer, and then separating the substrate (step 4) comprising a graphene manufacturing method.
According to claim 1, wherein the catalytic metal of step 1 is selected from the group consisting of nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), platinum (Pt), copper (Cu) and ruthenium (Ru). Graphene manufacturing method characterized in that the above metal.
The method of claim 1, wherein the thickness of the catalytic metal layer of step 1 is characterized in that the graphene 100 to 300 nm.
According to claim 1, wherein the carbon material of step 2 is a graphene manufacturing method, characterized in that the one selected from the group consisting of graphite, C 60 buckyball, carbon nanotubes.
The magnetic field filtering arc source device of claim 2, further comprising: a positive voltage of 10 to 30 V; Arc current of 10 to 30 A; Operating pressure of 1 to 5 mTorr; And forming an amorphous carbon thin film under process conditions set at a deposition rate of 1 to 5 nm / min.
The method of claim 1, wherein the cooling of step 4 is characterized in that the graphene manufacturing method is carried out at a rate of 20 to 50 ℃ / min.
The method of claim 1, wherein the separating of the substrate in step 4 is performed by physically removing the substrate and then removing the catalyst metal layer using an etching solution.
The method of claim 1, wherein the substrate separation of step 4 is performed by removing the catalyst metal layer using an etching solution.
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