KR101562906B1 - Transfer-free fabrication method for manufacturing graphene using vapor phase metal catalyst - Google Patents

Transfer-free fabrication method for manufacturing graphene using vapor phase metal catalyst Download PDF

Info

Publication number
KR101562906B1
KR101562906B1 KR1020140021035A KR20140021035A KR101562906B1 KR 101562906 B1 KR101562906 B1 KR 101562906B1 KR 1020140021035 A KR1020140021035 A KR 1020140021035A KR 20140021035 A KR20140021035 A KR 20140021035A KR 101562906 B1 KR101562906 B1 KR 101562906B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
substrate
graphene
metal wire
metal
graphene layer
Prior art date
Application number
KR1020140021035A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20150099903A (en
Inventor
전석우
백진욱
이진섭
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020140021035A priority Critical patent/KR101562906B1/en
Publication of KR20150099903A publication Critical patent/KR20150099903A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101562906B1 publication Critical patent/KR101562906B1/en

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182—Graphene
    • C01B32/184—Preparation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182—Graphene
    • C01B32/184—Preparation
    • C01B32/186—Preparation by chemical vapour deposition [CVD]

Abstract

본 발명은 기체상 금속 촉매를 이용한 전사 공정이 생략된 그래핀의 제조 방법으로서, 기판상부 위치한 금속선을 가열하여 챔버 내에 기체상 금속 촉매를 형성하는 단계, 챔버 내에 탄소 소스 기체를 주입하는 단계, 가열된 금속선을 이용하여 기판상의 제1 부분을 가열함으로써 기판상의 제1 부분에 그래핀층을 형성하는 단계 및 가열된 금속선을 이동시켜 기판상의 제1 부분과는 상이한 기판상의 제2 부분을 가열함으로써 기판상의 제2 부분에 그래핀층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기체상 금속 촉매를 이용한 전사 공정이 생략된 그래핀의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 그래핀의 제조 방법은 전사 공정이 없어 그래핀 품질의 저하를 막을 수 있고, 금속선에 가하는 전류를 조절함으로써 금속선의 가열 온도에 따른 기체상 촉매의 증기압을 제어하여 고품질의 그래핀을 성장시킬 수 있으며, 금속선의 이동 속도를 조절하여 그래핀 성장을 제어하여 다양한 품질의 그래핀을 제조 가능한 장점이 있다.The present invention relates to a method of producing graphene by omitting a transfer process using a gaseous metal catalyst, comprising the steps of forming a gaseous metal catalyst in a chamber by heating a metal line located above the substrate, injecting a carbon source gas into the chamber, Heating the first portion on the substrate using a metal wire to form a graphene layer on the first portion of the substrate and moving the heated metal wire to heat the second portion on the substrate different than the first portion on the substrate, And forming a graphene layer on the first portion and the second portion of the graphene layer.
The graphene manufacturing method according to the present invention can prevent the deterioration of graphene quality due to the absence of a transferring process and can control the vapor pressure of the gas phase catalyst according to the heating temperature of the metal wire by controlling the current applied to the metal wire, And controlling graphene growth by controlling the moving speed of the metal wire to produce graphenes of various qualities.

Description

기체상의 금속 촉매를 이용한 전사 공정이 생략된 그래핀의 제조 방법{Transfer-free fabrication method for manufacturing graphene using vapor phase metal catalyst}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method of manufacturing graphene using a vapor phase metal catalyst,

본 발명은 그래핀의 제조 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 전사 공정이 없어 그래핀 품질의 저하를 막을 수 있고, 열원으로 사용되는 금속선으로부터 증발된 금속 촉매의 증기압과 기판 냉각 속도를 조절하여 그래핀 성장을 제어함으로써 다양한 품질의 그래핀을 제조 가능한 기체상의 금속 촉매를 이용한 전사 공정이 생략된 그래핀의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing graphene, and more particularly, to a method for manufacturing a graphene graphene which is capable of preventing deterioration of graphene quality due to no transfer process and controlling the vapor pressure of a metal catalyst evaporated from a metal wire used as a heat source, The present invention relates to a method for producing graphene, in which a transfer process using a gaseous metal catalyst capable of producing graphenes of various qualities is omitted by controlling growth.

그래핀은 탄소 원자로 만들어진 벌집 모양의 2차원 물질로, 단층의 그래핀은 3Å의 두께로 지구상에서 가장 얇은 물질로 알려져 있다. 또한 그래핀은 화학적, 구조적으로 매우 안정할 뿐 아니라, 매우 뛰어난 전도체로서 실리콘보다 100 배 빠르게 전자를 이동시키고 구리보다도 약 100 배가량 더 많은 전류를 흐르게 할 수 있다. 또한 다이아몬드보다 열전도성이 2 배 이상 높고, 강철보다 기계적 강도가 200 배 이상 강하며 투명성을 가진다. 게다가 탄소가 그물처럼 연결된 육각형 벌집 구조의 공간적 여유로 인해 신축성이 생겨 늘리거나 접어도 전기전도성을 잃지 않는다. Graphene is a honeycomb-shaped two-dimensional material made of carbon atoms, and the single-layer graphene is known as the thinnest material on earth with a thickness of 3 angstroms. In addition, graphene is chemically and structurally very stable and is a very good conductor that can transport electrons 100 times faster than silicon and about 100 times more current than copper. It has more than twice the thermal conductivity of diamond, 200 times more mechanical strength than steel, and transparency. Moreover, due to the spatial margin of the hexagonal honeycomb structure in which carbon is connected like a net, it is stretchable and does not lose its electrical conductivity even if stretched or folded.

현재 반도체 소재로 대표적으로 이용되는 실리콘과 투명전극 소재인 산화인듐주석(ITO)의 경우 1 %정도의 작은 변형률에도 쉽게 부서지는 단점이 있다. 미래의 전자 소자의 경우 대용량과 빠른 속도 등의 성능 중심에서 벗어나 가볍고 휴대가 간편한 신축성 있는 플렉시블 제품이 핵심적인 역할을 할 것으로 예상되는데, 원자 한 층의 두께로서 전기 전도도가 우수하고 투명한 그래핀은 향후 실리콘을 대체할 수 있는 반도체일 뿐만 아니라 ITO 투명전극 등 기초 전자 소재를 대체할 차세대 신소재로 각광받고 있다. Currently, indium tin oxide (ITO), a silicon and transparent electrode material used as a typical semiconductor material, is easily broken even at a small strain of about 1%. Future electronic devices are expected to play a key role in flexible and flexible products that are lightweight and easy to carry away from the center of performance such as high capacity and high speed. The thickness of one layer of atom, which is excellent in electric conductivity and transparent, It is not only a semiconductor that can replace silicon, but it is also attracting attention as a next-generation new material to replace basic electronic materials such as ITO transparent electrodes.

상기 그래핀을 제조하는 방법으로는 기계적 박리법, 흑연의 산화-환원 반응을 이용한 화학적 박리법, 고온의 분위기에서 실리콘 카바이드(SiC)를 열처리함으로서 탄소가 표면의 결정성과 일치하게 성장하는 에피택셜 성장법, 화학 기상 증착법 등 여러 가지 방법이 있으며, 그래핀의 고유 특성을 가장 잘 구현해 낼 수 있는 제조 방법은 스카치 테이프를 이용하여 약한 반데르발스 결합으로 이루어져 있는 흑연으로부터 그래핀을 떼어내는 기계적 박리법이다. 이 방법으로 제조되는 그래핀은 간단한 시료 준비 과정에 비해 고품질의 그래핀을 얻을 수 있는 장점으로 인해 그래핀의 연구를 빠르게 확산시키는데 매우 결정적인 역할을 했지만, 크기가 마이크로미터 수준으로 대면적 합성에 용이하지 않아 전자 소자로서 응용하기가 어려운 단점이 있다.The graphene can be produced by a mechanical stripping method, a chemical stripping method using graphite oxidation-reduction reaction, an epitaxial growth method in which carbon is grown in accordance with the crystallinity of the surface by heat-treating silicon carbide (SiC) There are various methods such as a chemical vapor deposition method and a manufacturing method that can best realize the intrinsic properties of graphene are a mechanical peeling method in which graphene is peeled off from graphite having a weak Van der Waals bond using a scotch tape to be. Although graphene produced by this method plays a crucial role in rapidly diffusing graphene research because of its ability to obtain high quality graphene compared to simple sample preparation, It is difficult to apply it as an electronic device.

한편, 기계적 박리법의 단점을 극복하고 그래핀을 대면적으로 제조하는 경우 일반적으로 화학 기상 증착법을 이용한다. 화학 기상 증착법은 고온에서 탄소를 잘 흡착하거나 카바이드 합금을 잘 형성하는 전이금속을 촉매층으로 이용하여 그래핀을 제조하는 방법으로 탄소 소스를 포함하는 반응 가스 및 열을 제공하여 반응시킴으로써 그래핀을 제조하게 된다. 상기 화학 기상 증착법을 통하여 그래핀을 제조하는 경우, 제조된 그래핀을 전자 소자로서 응용을 하기 위해서는 그래핀을 원하는 기판 위에 전사하는 공정이 반드시 필요하다. On the other hand, when the graphene is produced over a large area by overcoming the disadvantages of the mechanical peeling method, a chemical vapor deposition method is generally used. In the chemical vapor deposition method, graphene is produced by reacting a carbon source with a reaction gas containing a carbon source and heat by using a transition metal that adsorbs carbon well at a high temperature or forms a carbide alloy well as a catalyst layer do. In the case of producing graphene through the chemical vapor deposition method, in order to apply the produced graphene as an electronic device, a process of transferring graphene onto a desired substrate is indispensable.

그래핀의 전사 공정의 경우 그래핀의 제조에 이용된 금속 촉매층을 에칭하는 용액에 의한 원하지 않는 도핑, 기판과 그래핀 사이에 원하지 않는 원자나 분자가 갇히게 되는 현상, 기판에 옮기는 과정에서의 물리적인 구겨짐이나 크랙 발생, 전사 과정에서 많이 이용되는 고분자 물질이 완벽하게 제거되지 않는 등의 이유로 그래핀의 성질이 변하거나 특성의 발현이 제한되는 문제점이 발생하게 된다.In the transfer process of graphene, undesirable doping by a solution for etching the metal catalyst layer used in the manufacture of graphene, a phenomenon in which unwanted atoms or molecules are trapped between the substrate and graphene, physical phenomena There arises a problem that the properties of the graphene are changed or the properties of the graphene are limited due to the occurrence of wrinkles, cracks, and the polymer material which is widely used in the transferring process are not completely removed.

종래의 기술로서, 한국 등록특허공보 제10-1174670호(2012.08.10.)에서는 원하는 두께의 그래핀을 패터닝된 형태로 얻기 위해 단일 그래핀을 성장시키는 구리 기판 위에 금속 촉매층을 원하는 패터닝 모양으로 증착 후, 단층과 패터닝된 다층 그래핀을 동시에 합성하여 패턴된 그래핀의 제조방법에 관해 기재되어 있고, 한국 공개특허공보 제10-2012-0012271호(2012.02.09.)에서는 기재상에 탄소 소스를 포함하는 반응 가스 및 열을 제공하여 반응시킴으로써 상기 기재상에서 그래핀을 형성하는 그래핀의 제조방법 및 상기 제조방법에 의해 형성되는 그래핀 시트 및 이를 이용한 소자를 제공하고 있으나, 전사 공정을 포함하지 않으며 기체상 금속 촉매의 증기압 및 기판의 냉각 속도를 제어하여 다양한 품질의 그래핀을 제조하는 기술은 제시하지 못하고 있다.As a conventional technique, in Korean Patent Registration No. 10-1174670 (Aug. 10, 2012), in order to obtain graphene having a desired thickness in a patterned form, a metal catalyst layer is deposited on a copper substrate on which a single graphen is grown, Discloses a method for producing patterned graphene by simultaneously synthesizing a single layer and a patterned multi-layer graphene. In Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2012-0012271 (Feb. 22, 2012), a carbon source The present invention provides a method for producing graphene on the substrate by reacting and providing a reaction gas and heat containing the graphene sheet and a graphene sheet formed by the method and a device using the graphene sheet, There is no technology for producing graphene of various qualities by controlling the vapor pressure of the gaseous phase metal catalyst and the cooling rate of the substrate.

1. 한국 등록특허 제10-1174670호(2012.08.10.)1. Korean Patent No. 10-1174670 (Aug. 10, 2012) 2. 한국 공개특허 제10-2012-0012271호(2012.02.09.)2. Korean Patent Laid-Open No. 10-2012-0012271 (Feb.

본 발명은 상기와 같은 필요성에 따라 안출된 것으로서, 종래의 전사 공정이 포함된 그래핀 제조공정의 한계를 극복하고자 전사 공정이 생략된 고품질의 그래핀 제조 방법을 제공하고자 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned needs, and it is an object of the present invention to provide a high-quality graphene manufacturing method in which a transfer process is omitted in order to overcome the limitations of a graphene manufacturing process including a conventional transfer process.

또한, 열원으로 사용되는 금속선으로부터 증발된 금속 촉매의 증기압과 기판 냉각 속도를 조절하여 그래핀 성장을 제어하여 다양한 품질의 그래핀을 제조할 수 있는 기체상 금속 촉매를 이용한 전사 공정이 생략된 그래핀의 제조 방법을 제공하고자 한다. In addition, graphene, which does not have a transfer process using a gaseous phase metal catalyst capable of producing graphenes of various qualities by controlling graphene growth by controlling the vapor pressure of the metal catalyst evaporated from the metal wire used as a heat source and the substrate cooling rate, And a method for producing the same.

상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명에 따른 기체상 금속 촉매를 이용한 전사 공정이 생략된 그래핀의 제조 방법은 상기 기판상부 위치한 금속선을 가열하여 챔버 내에 기체상 금속 촉매를 형성하는 단계, 상기 챔버 내에 탄소 소스 기체를 주입하는 단계, 가열된 상기 금속선을 이용하여 기판상의 제1 부분을 가열함으로써 상기 기판상의 제1 부분에 그래핀층을 형성하는 단계 및 가열된 상기 금속선을 이동시켜 기판상의 제1 부분과는 상이한 기판상의 제2 부분을 가열함으로써 상기 기판상의 제2 부분에 그래핀층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a graphene, wherein a transfer process using a gaseous phase metal catalyst is omitted, comprising the steps of: forming a gaseous phase metal catalyst in a chamber by heating a metal wire positioned above the substrate; Heating the first portion on the substrate using the heated metal wire to form a graphene layer on the first portion of the substrate, and moving the heated metal wire to form a first portion on the substrate, And forming a graphene layer on the second portion on the substrate by heating a second portion on the substrate different from the graphene layer.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 기체상 금속 촉매를 형성하는 단계는 상기 금속선에 전류를 가하여 상기 금속선을 가열하는 단계를 더 포함하고, 상기 금속선에 가하는 전류는 1 내지 100 A의 범위인 것을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present invention, the step of forming the gas phase metal catalyst further comprises heating the metal wire by applying an electric current to the metal wire, wherein a current applied to the metal wire is in a range of 1 to 100 A .

본 발명의 일 실시예로서, 상기 기체상 금속 촉매를 형성하는 단계는 상기 금속선의 가열 온도를 조절하여 상기 챔버 내의 기체상 금속 촉매의 증기압을 제어하는 단계를 더 포함하고, 상기 금속선의 가열 온도는 200 내지 2000 ℃의 온도 범위인 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the present invention, the step of forming the gaseous phase metal catalyst further comprises controlling the heating temperature of the metal wire to control the vapor pressure of the gaseous metal catalyst in the chamber, And is in a temperature range of 200 to 2000 ° C.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 그래핀층을 형성하는 단계는 상기 금속선은 일방향으로 연장하는 형상을 갖되, 가열된 상기 금속선을 일정한 속도로 상기 기판에 대하여 수평 방향으로 상대적으로 이동하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present invention, the step of forming the graphene layer further includes a step of relatively moving the heated metal wire in a horizontal direction with respect to the substrate, the metal wire having a shape extending in one direction .

본 발명의 일 실시예로서, 상기 그래핀층을 형성하는 단계는 상기 금속선은 용수철 형상을 갖되, 가열된 상기 금속선을 일정한 속도로 상기 기판상에서 방사상 방향으로 상대적으로 이동하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present invention, the step of forming the graphene layer may further include moving the heated metal wire in a radial direction on the substrate at a constant speed, the metal wire having a spring shape. do.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 그래핀층을 형성하는 단계는 상기 열선에 대하여 상기 기판이 회전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the present invention, the step of forming the graphene layer includes the step of rotating the substrate with respect to the hot wire.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 그래핀층을 형성하는 단계는 가열된 상기 금속선의 이동 속도를 조절하여 상기 기판의 냉각에 따른 상기 그래핀의 성장을 제어하는 단계를 더 포함하고, 상기 금속선의 이동 속도는 10 ㎛/min 내지 40 mm/min의 범위인 것을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present invention, the step of forming the graphene layer may further include the step of controlling the growth of the graphene by cooling the substrate by controlling the moving speed of the heated metal wire, And the speed is in the range of 10 μm / min to 40 mm / min.

본 발명의 일 실시예로서, 추가의 가열수단을 이용하여 상기 기판을 균일하게 가열하는 단계를 더 포함하고, 상기 그래핀층을 형성하는 단계는 비활성 가스 분위기의 챔버 내에서 이루어지는 것을 특징으로 한다. In one embodiment of the present invention, the method further comprises the step of uniformly heating the substrate using an additional heating means, wherein the step of forming the graphene layer is performed in a chamber of an inert gas atmosphere.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 기판은 사파이어 기판, 유리 기판, 실리콘 기판 또는 실리콘 기판상에 이산화규소층이 형성된 기판 등의 절연체 기판인 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the present invention, the substrate is an insulator substrate such as a sapphire substrate, a glass substrate, a silicon substrate, or a substrate having a silicon dioxide layer formed on a silicon substrate.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 금속선은 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 백금(Pt), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 팔라듐(Pd), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 우라늄(U), 바나듐(V) 및 지르코늄(Zr) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 합금으로 이루어진 금속 와이어이고, 상기 금속선의 직경은 0.1 내지 100 mm의 범위인 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the present invention, the metal wire is made of at least one metal selected from the group consisting of copper (Cu), nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), platinum (Pt), gold (Au) Any one selected from palladium (Pd), magnesium (Mg), manganese (Mn), molybdenum (Mo), titanium (Ti), tungsten (W), uranium (U), vanadium (V) and zirconium Or an alloy thereof, and the diameter of the metal wire is in the range of 0.1 to 100 mm.

또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조되는 그래핀층을 포함하는 기판을 제공할 수 있고, 상기 기판은 반도체, 디스플레이 또는 태양전지에 이용될 수 있다.In addition, the present invention can provide a substrate including a graphene layer produced by the above-described manufacturing method, and the substrate can be used for a semiconductor, a display, or a solar cell.

본 발명은 종래의 그래핀 성장 방법에 수반되는 전사 공정이 필요 없어 그래핀 품질의 저하를 막을 수 있고, 필요한 기판에 직접 그래핀을 성장시켜 전자 소자 또는 투명 전극에 적용하기 용이하다.The present invention eliminates the need for a transfer process accompanied with a conventional graphene growth method, and it is easy to apply the graphene to an electronic device or a transparent electrode by directly growing a graphene on a necessary substrate without deteriorating graphene quality.

또한, 본 발명은 금속 촉매를 별도로 공급하지 아니하고 열원으로 사용되는 금속선으로부터 증발된 금속 촉매의 증기압과 기판 냉각 속도를 조절하기 위하여, 금속선에 가하는 전류를 조절함으로써 금속선의 가열 온도에 따른 기체상 촉매의 증기압을 제어하여 고품질의 그래핀을 성장시킬 수 있고, 금속선의 이동 속도를 조절하여 기판의 냉각에 따른 그래핀 성장을 제어하여 다양한 품질의 그래핀을 제조할 수 있다.In addition, the present invention provides a method for controlling a vapor pressure of a metal catalyst evaporated from a metal line used as a heat source and a substrate cooling rate without supplying a metal catalyst separately, By controlling the vapor pressure, it is possible to grow high-quality graphene, and by controlling the moving speed of the metal wire, graphene growth can be controlled by cooling the substrate to produce graphene of various qualities.

또한, 본 발명의 제조 방법에 따라 제조된 그래핀은 전기적, 물리적 특성이 우수하고 얇은 두께로 제작 가능하여 휨성을 이용한 다양한 분야에 적용 될 수 있으며, 공정에 필요한 설비가 저렴하고, 그래핀의 제조에 사용된 촉매를 재사용 가능하여 제조 원가를 절감할 수 있다.In addition, the graphene produced according to the production method of the present invention is excellent in electrical and physical properties and can be manufactured in a thin thickness, and can be applied to various fields using bending property. The equipment required for the process is cheap, It is possible to reuse the catalyst used in the process of the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 그래핀의 제조 방법을 이용한 그래핀 제조 장치를 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 용수철 형태의 금속선을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 회전하는 기판 지지부를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 그래핀의 제조 방법을 이용하여 제조된 그래핀의 라만 분광분석(Raman Spectroscopy) 결과 그래프.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 금속선이 정지한 경우, 기판온도에 따른 그래핀의 라만 분광분석 결과 그래프.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 그래핀의 기판온도 및 금속선의 이동 속도에 따른 라만 분광분석 결과 그래프.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 그래핀의 기판온도 및 금속선의 이동 속도에 따른 D/G 비율과 면저항을 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 그래핀의 가열된 금속선을 이용한 국부적 열처리 전, 후의 표면 TEM(투과전자현미경) 사진.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view showing a graphene production apparatus using the method for producing graphene according to the present invention. FIG.
Figure 2 shows a metal wire in the form of a spring in accordance with one embodiment of the present invention.
Figure 3 illustrates a rotating substrate support according to one embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing Raman spectroscopy results of graphene prepared using the method of manufacturing graphene according to the present invention. FIG.
FIG. 5 is a graph showing a Raman spectroscopic analysis result of graphene according to a substrate temperature when a metal line is stopped according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 6 is a graph showing Raman spectroscopic analysis results of graphene prepared according to an embodiment of the present invention, according to substrate temperature and moving speed of metal wire. FIG.
FIG. 7 is a graph showing D / G ratio and sheet resistance according to substrate temperature and moving speed of a metal line of graphene manufactured according to an embodiment of the present invention; FIG.
FIG. 8 is a photograph of a surface TEM (transmission electron microscope) of graphene prepared according to an embodiment of the present invention before and after a local heat treatment using a heated metal wire.

이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 도면을 참고하여 설명한다. 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것은 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니 된다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The drawings illustrate only the essential features of the invention in order to facilitate clarity of the invention, and the accompanying drawings are not intended to be construed in a limiting sense.

도 1은 본 발명에 따른 그래핀의 제조 방법을 이용한 그래핀 제조 장치를 나타낸 구성도로서, 본 발명에 따른 기체상 금속 촉매를 이용한 전사 공정이 생략된 그래핀의 제조 방법은 금속 촉매를 형성하는 단계, 탄소 소스 기체를 주입하는 단계 및 그래핀층을 형성하는 단계를 포함하다.FIG. 1 is a view illustrating a graphene production apparatus using the method of manufacturing graphene according to the present invention. In the method of manufacturing graphene in which a transfer process using a gas phase metal catalyst according to the present invention is omitted, Injecting a carbon source gas, and forming a graphene layer.

금속 촉매를 형성하는 단계는 기판(10) 상부 위치한 금속선(20)을 가열하여 챔버 내에 기체상 금속 촉매를 형성하는 단계이다. 본 발명에 의한 그래핀의 제조방법은 현재 일반적으로 고체상의 금속 촉매를 이용하여 그래핀을 형성시키는 방법과 달리, 가열된 금속선(20)을 국부적 가열원으로 이용하고, 고체상의 금속선(20) 촉매를 기체상으로 증발시켜 기체상 금속 촉매에 의해 그래핀을 제조하는 방법으로서, 전사 공정이 생략된 그래핀을 성장시킬 수 있다. 전사 공정이 생략됨으로써 본 발명에 의해 제조되는 그래핀층을 포함하는 기판(10)은 그래핀층이 기판(10) 위에서 주름지거나 찢어지는 현상 등의 공정결함이 현저히 줄어들어 그래핀의 품질을 개선할 수 있는 장점이 있다. 또한, 그래핀의 제조에 사용했던 촉매를 재사용할 수 있는 점으로 인하여 제조 원가를 절감할 수 있는 경제적인 이점을 제공한다. The step of forming the metal catalyst is a step of heating the metal line 20 located above the substrate 10 to form a gaseous metal catalyst in the chamber. The method of producing graphene according to the present invention differs from the method of forming graphene by using a solid metal catalyst at present. The method of producing graphene according to the present invention uses a heated metal wire 20 as a local heating source, As a method for producing graphene by a gaseous phase metal catalyst by evaporating the graphene grains in a gas phase. Since the transferring step is omitted, the substrate 10 including the graphene layer manufactured according to the present invention can improve the quality of the graphene by significantly reducing process defects such as wrinkling or tearing of the graphene layer on the substrate 10 There are advantages. In addition, since the catalyst used in the production of graphene can be reused, it provides an economical advantage of reducing the manufacturing cost.

추가의 가열수단(30)을 이용하여 상기 기판(10)을 균일하게 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다. 추가의 가열수단(30)은 국부적 가열원인 금속선(20)과 함께 기판(10)을 가열함으로써 그래핀 제조를 도와줄 수 있고, 이에 의해 그래핀 제조시간이 단축될 수 있다. 기판(10) 전체를 가열할 수 있는 추가의 가열수단(30)은 기판(10) 하부 또는 상부에 구비되는 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다. And further heating the substrate 10 uniformly using an additional heating means 30. The additional heating means 30 can aid in the production of graphene by heating the substrate 10 with the localized heating metal wire 20, thereby reducing the graphene manufacturing time. The additional heating means 30 capable of heating the entire substrate 10 is preferably provided below or above the substrate 10, but is not limited thereto.

상기 기판(10)은 사파이어 기판, 유리 기판, 실리콘 기판 또는 실리콘 기판상에 이산화규소층이 형성된 기판 등의 절연체 기판일 수 있다. 기판은 국부적 가열원인 금속선(20)을 포함한 챔버 내에 장입하여 가열원을 통하여 국부적으로 가열되므로, 기판(10)은 국부적으로 가열되는 약 2000 ℃이상까지의 가열에 견딜 수 있는 재질인 것이 바람직하며, 낮은 녹는점을 가지는 금속선(20)을 촉매로 이용할 경우 해당 온도까지의 가열에 견딜 수 있는 재질인 것이 바람직하다.The substrate 10 may be an insulator substrate such as a sapphire substrate, a glass substrate, a silicon substrate, or a substrate having a silicon dioxide layer formed on a silicon substrate. Since the substrate is charged into the chamber containing the metal line 20 that is the local heating source and is locally heated through the heating source, the substrate 10 is preferably made of a material that can withstand temperatures up to about 2000 ° C, which is locally heated, When the metal wire 20 having a low melting point is used as a catalyst, it is preferable that the material is resistant to heating up to the temperature.

또한, 제작된 그래핀을 전자 소자나 투명 전극 등의 분야에 적용할 경우 원하는 기판에 그래핀을 형성시키는 것이 중요한데, 본 발명으로 그래핀을 성장시킬 경우 성장 과정에서 직접 원하는 기판에 그래핀을 성장시킬 수 있는 장점이 있다. When graphene is applied to a field of electronic devices or transparent electrodes, it is important to form a graphene on a desired substrate. However, when graphene is grown by the present invention, There is an advantage that can be made.

상기 금속선(20)은 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 백금(Pt), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 팔라듐(Pd), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 우라늄(U), 바나듐(V) 및 지르코늄(Zr) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 합금으로 이루어진 금속 와이어이며, 상기 금속선(20)의 직경은 0.1 내지 100 mm의 범위일 수 있다. 기체상 촉매를 형성하기 위한 금속은 호일 형태일 경우보다 선 형태일 경우 더 높은 곡률로 인하여 같은 열을 가해주었을 경우 더 높은 증기압을 가지게 되기 때문에 챔버 내에 기체상 금속 촉매 분위기를 형성하는 데 더 유리하다. 금속선(20)은 가해주는 전류에 의해 기화되어 기체상 촉매 역할을 하는 특성으로 인해 그래핀이 형성되는데 중요한 역할을 한다.The metal wire 20 is made of at least one metal selected from the group consisting of copper (Cu), nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), platinum (Pt), gold (Au), aluminum (Al), chromium (Cr) (Mg), Mn (Mn), Mo, Ti, W, U, V and Zr, And the diameter of the metal wire 20 may be in the range of 0.1 to 100 mm. The metal for forming the gas phase catalyst is more advantageous for forming the gaseous metal catalyst atmosphere in the chamber because it has a higher vapor pressure when the same heat is applied due to higher curvature in the linear form than in the foil form . The metal wire 20 plays an important role in the formation of graphene due to the characteristic of being vaporized by the applied current and serving as a gas phase catalyst.

또한, 금속선(20)의 직경은 0.1 내지 100 mm의 범위일 수 있고, 금속선(20)의 길이는 30 내지 1000 mm를 사용할 수 있고 예시적으로 200 mm를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The diameter of the metal wire 20 may be in the range of 0.1 to 100 mm, the length of the metal wire 20 may be 30 to 1000 mm, and may be 200 mm, for example, but is not limited thereto.

상기 기체상 금속 촉매를 형성하는 단계는 상기 금속선(20)에 전류를 가하여 상기 금속선(20)을 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 금속선(20)에 가하는 전류는 1 내지 100 A의 범위일 수 있다.The step of forming the gaseous phase metal catalyst may further include heating the metal wire 20 by applying an electric current to the metal wire 20. The current applied to the metal line 20 may range from 1 to 100 A.

상기 기체상 금속 촉매를 형성하는 단계는 상기 금속선(20)의 가열 온도를 조절하여 상기 챔버 내의 기체상 금속 촉매의 증기압을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다. 금속선(20)에 가해주는 온도는 금속선(20)에 직접 가해주는 전류에 의하여 제어할 수 있다. 또한 기체상의 촉매의 챔버 내부의 증기압은 금속선(20) 온도에 영향을 받기 때문에, 금속선(20)에 가해주는 전류를 조절하여 기체상 촉매의 증기압을 조절할 수 있는 장점이 있다. 금속선(20)에 가하는 전류를 조절함으로써 금속선(20)의 가열 온도에 따른 기체상 촉매의 증기압을 제어하여 고품질의 그래핀을 성장시킬 수 있는 것이다.The step of forming the gaseous phase metal catalyst may further include adjusting the heating temperature of the metal line 20 to control the vapor pressure of the gaseous phase metal catalyst in the chamber. The temperature applied to the metal wire (20) can be controlled by the current applied directly to the metal wire (20). Also, since the vapor pressure inside the chamber of the catalyst on the gas phase is affected by the temperature of the metal line 20, there is an advantage that the vapor pressure of the gas phase catalyst can be controlled by adjusting the current applied to the metal line 20. By controlling the current applied to the metal wire 20, it is possible to control the vapor pressure of the gas phase catalyst according to the heating temperature of the metal wire 20 to grow high-quality graphene.

상기 금속선(20)의 가열 온도는 200 내지 2000 ℃의 온도 범위일 수 있다. 국부적인 가열원인 금속선(20)의 온도는 고체상의 금속선(20) 촉매가 기체상으로 변화하여 챔버 내의 금속 원자의 부분압을 결정하는 중요한 요소로 작용하게 된다. 국부적인 가열원인 금속선(20)은 200 내지 2000 ℃의 온도 범위일 수 있고, 바람직하게는 400 내지 1500 ℃의 온도 범위로 기판(10)을 가열시켜 기판(10)상에 그래핀을 형성할 수 있다. 이때 형성되는 그래핀 시트의 두께는 0.2 내지 100 nm일 수 있다.The heating temperature of the metal wire 20 may range from 200 to 2000 ° C. The temperature of the metal line 20 as a local heating source is an important factor for determining the partial pressure of the metal atoms in the chamber by changing the solid metal line 20 catalyst to the gas phase. The local heating source metal wire 20 may be in the temperature range of 200 to 2000 ° C and preferably the substrate 10 may be heated to a temperature in the range of 400 to 1500 ° C to form graphene on the substrate 10 have. The thickness of the formed graphene sheet may be 0.2 to 100 nm.

상기 탄소 소스 기체를 주입하는 단계는 상기 챔버 내에 탄소 소스 기체를 주입하는 단계이다. 그래핀으로 변환 가능한 탄소 소스 기체는 탄소 원자를 함유하는 유기화합물로 이루어진 기체로서, 금속선(20)의 국부적 가열에 의해 그래핀으로 변환 가능한 것이면 그 종류에 제한받지 않고 사용될 수 있다.The step of injecting the carbon source gas is a step of injecting a carbon source gas into the chamber. The carbon source gas which can be converted into graphene is a gas composed of an organic compound containing carbon atoms and can be used without limitation in the kind thereof as long as it can be converted into graphene by local heating of the metal wire 20. [

탄소 소스 기체는 탄화비활성 가스를 포함할 수 있다. 상기 탄화비활성 가스의 예로서는, 메탄, 에탄, 에틸렌, 아세틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 헥산 등을 들 수 있다. The carbon source gas may comprise a carbonized inert gas. Examples of the carbonization inert gas include methane, ethane, ethylene, acetylene, propane, propylene, butane, butadiene, pentane, hexane and the like.

상기 도 1b를 참조하면, 본 발명의 국부적 가열원을 포함하는 그래핀 제조장치는 기판지지부(104), 챔버(102), 게이트(108), 가스공급부(110, 112) 및 열처리 유닛(120)을 포함하여 이루어진다. 1B, a graphene manufacturing apparatus including a local heating source of the present invention includes a substrate supporting unit 104, a chamber 102, a gate 108, gas supply units 110 and 112, and a heat treatment unit 120, .

상기 기판 지지부(104)는 챔버(102) 내에 로딩된 기판(10)을 지지하기 위하여 챔버(102) 내에 배치될 수 있다. 또한, 상기 챔버(102)의 일측 벽에는 게이트(108)가 구비되고, 촉매층이 형성된 기판(10)은 게이트(108)를 통해 로딩되어 기판 지지부(104) 상에 지지될 수 있다.The substrate support 104 may be disposed within the chamber 102 to support the substrate 10 loaded into the chamber 102. A gate 108 is provided on one side wall of the chamber 102 and a substrate 10 on which a catalyst layer is formed may be loaded through the gate 108 and supported on the substrate support 104.

상기 가스 공급부(110, 112)는 챔버(102) 내에 탄소 소스 가스를 공급하는 탄소 소스 공급부(110), 비활성 가스를 공급하는 비활성 가스 공급부(112) 및 퍼지가스 공급부(미도시)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 챔버(102)의 상부에는 상기 가스를 챔버(102) 내로 균일하게 공급하기 위한 샤워 헤드(106)가 배치되며, 가스 공급부(110, 112)는 샤워 헤드(106)에 배관을 통해 연결될 수 있다. 상기 배관에는 각각의 게이트 밸브(111, 113)가 구비되어 챔버(102) 내로 공급되는 상기 가스의 유량을 제어할 수 있다. 본 실시예에 있어서, 챔버 내에 가스를 공급을 위하여 샤워 헤드가 이용되었지만, 이에 제한되는 것은 아니다.The gas supply units 110 and 112 may include a carbon source supply unit 110 for supplying a carbon source gas into the chamber 102, an inert gas supply unit 112 for supplying an inert gas, and a purge gas supply unit have. Specifically, a showerhead 106 for uniformly supplying the gas into the chamber 102 is disposed at an upper portion of the chamber 102, and the gas supply units 110 and 112 are connected to the showerhead 106 through a pipe . Each of the gate valves 111 and 113 is provided in the pipe to control the flow rate of the gas supplied into the chamber 102. In this embodiment, although a shower head is used for supplying gas into the chamber, it is not limited thereto.

상기 샤워 헤드(106)에는 상기 가스를 기판(10) 상으로 균일하게 공급하기 위한 다수개의 노즐들을 가질 수 있다. 상기 각각의 탄소가스, 비활성 가스 및 퍼지가스는 샤워 헤드(106) 내에서 서로 혼합되지 않으며, 개별적으로 샤워 헤드(106)를 통해 기판(10) 상으로 공급될 수 있다. 또한 상기 퍼지 가스는 챔버(102) 내부의 압력을 조절하기 위한 압력 조절용 가스로도 사용될 수 있다.The showerhead 106 may have a plurality of nozzles for uniformly supplying the gas onto the substrate 10. The respective carbon gases, inert gases and purge gases are not mixed with each other in the showerhead 106 and can be supplied individually onto the substrate 10 through the showerhead 106. The purge gas may also be used as a pressure regulating gas for regulating the pressure inside the chamber 102.

탄소 소스 공급부(110)는 기상 탄소 공급원으로서 다양한 소스 가스를 공급할 수 있다. 본 실시예에 있어서, 상기 탄소 가스, 비활성 가스 및 퍼지 가스 중에서 선택되는 하나 이상은 그래핀층을 형성하는 경우에 필요에 따라 선택적으로 적절한 양으로 공급될 수 있다. The carbon source supply unit 110 can supply various source gases as a gaseous carbon source. In the present embodiment, at least one selected from among the carbon gas, the inert gas and the purge gas may be selectively supplied in an appropriate amount if necessary in the case of forming a graphene layer.

즉, 본 발명에서의 국부적 가열원인 금속선(20)을 이용하여 기판상에 그래핀층을 형성하기 위해 기판을 가열하는 공정이 진행되는 동안, 챔버 내에서는 상기 비활성 가스 또는 퍼지가스로서 아르곤 가스 등의 기체가 일정한 비율로 유입될 수 있고, 상기 기체의 종류 및 이의 유입되는 비율에 따라 그래핀의 품질에 변화를 줄 수 있다.That is, during the process of heating the substrate to form the graphene layer on the substrate using the metal wire 20 as the local heating source in the present invention, a gas such as argon gas is used as the inert gas or purge gas in the chamber Can be introduced at a constant rate, and the quality of the graphene can be changed depending on the type of the gas and the flow rate of the gas.

상기 그래핀층을 형성하는 단계는 가열된 상기 금속선(20)을 이용하여 기판(10)상의 제1 부분을 가열함으로써, 상기 기판(10)상의 제1 부분에 그래핀층을 형성하는 단계 및 가열된 상기 금속선(20)을 이동시켜 기판상의 제1 부분과는 상이한 기판(10)상의 제2 부분을 가열함으로써, 상기 기판(10)상의 제2 부분에 그래핀층을 형성하는 단계를 포함한다. The step of forming the graphene layer comprises the steps of forming a graphene layer on a first portion of the substrate (10) by heating a first portion on the substrate (10) using the heated metal wire (20) And forming a graphene layer on the second portion on the substrate 10 by moving the metal line 20 to heat the second portion on the substrate 10 different from the first portion on the substrate.

가열된 금속선(20)과 기판(10) 온도에 의한 열에너지는 1차적으로 상기 챔버 내의 탄소 소스가 탄소와 수소로 분해되는 반응의 촉매 역할을 하고, 금속선(20)이 기화되어 상기 챔버 내에 기화된 금속 원자 분위기가 형성이 될 경우, 금속 원자가 탄소 소스에서 분해된 탄소와 충돌을 일으켜 상기 탄소 원자가 기판(10)에 흡착되는 반응을 촉진시키는 역할을 하게 되어 상기 기판(10)상에 그래핀층이 형성된다. The thermal energy due to the heated metal line 20 and the temperature of the substrate 10 serves primarily as a catalyst for the reaction of the carbon source in the chamber to carbon and hydrogen decomposition and the metal line 20 is vaporized and vaporized in the chamber When the metal atom atmosphere is formed, the metal atoms collide with the carbon atoms decomposed from the carbon source, thereby promoting the reaction of adsorbing the carbon atoms to the substrate 10, so that a graphene layer is formed on the substrate 10 do.

또한, 금속선(20)은 국부적 가열원으로 이용됨으로 기판(10)의 가열효율을 위해 최대한 기판(10)과 가깝게 위치하는 것이 바람직하다. 국부적 가열원으로서의 금속선(20)의 위치를 연속적으로 변화시키면서 기판(10)의 일측으로부터 순차적으로 가열 후 냉각되도록 하는 연속적인 열처리를 수행할 수 있다. 금속선(20)을 이용하여 상기 기판(10)상의 제1 부분을 가열한 후, 금속선(20)을 이동시켜 상기 기판(10)상의 상기 제1 부분을 냉각시킴과 동시에 기판(10)상의 제1부분과 상이한 위치의 제2 부분을 가열함으로써 기판(10)상에 연속적인 열처리를 수행함으로써 그래핀층을 제조할 수 있다. The metal wire 20 is preferably used as a local heating source so as to be positioned as close as possible to the substrate 10 for heating efficiency of the substrate 10. [ It is possible to perform a continuous heat treatment in which the substrate 10 is sequentially cooled from one side and cooled after the position of the metal wire 20 as the local heating source is continuously changed. Heating the first portion on the substrate 10 using the metal wire 20 and then moving the metal wire 20 to cool the first portion on the substrate 10 and cooling the first portion on the substrate 10, The graphene layer can be produced by performing a continuous heat treatment on the substrate 10 by heating the second portion at a different position from the portion.

상기 금속선은 일방향으로 연장하는 형상 또는 용수철 형상일 수 있다. The metal wire may have a shape extending in one direction or a spring shape.

상기 금속선이 일방향으로 연장하는 형상인 경우, 가열된 상기 금속선(20)을 일정한 속도로 상기 기판(10)에 대하여 수평 방향으로 상대적으로 이동하는 단계를 더 포함할 수 있다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 열처리 유닛(120)내 국부적 가열원으로 가열된 와이어 형태의 금속선(20)이 사용될 수 있다. 금속선(20)은 구동부(124)에 의해 고정 및 지지되고, 구동부(124)는 챔버(102) 내에서 구동 지지부(128) 상에 설치된 제1 및 제2 가이드부들(미도시)을 따라 이동함으로써 금속선(20)의 움직임에 따라 기판(10) 상에 연속적인 열처리를 수행할 수 있다.When the metal wire has a shape extending in one direction, And moving the heated metal wire 20 in a horizontal direction relative to the substrate 10 at a constant speed. As shown in FIG. 1B, a metal wire 20 in the form of a wire heated to a local heating source in the heat treatment unit 120 may be used. The metal wire 20 is fixed and supported by the driving part 124 and the driving part 124 moves along the first and second guide parts (not shown) installed on the driving support part 128 in the chamber 102 A continuous heat treatment can be performed on the substrate 10 in accordance with the movement of the metal wire 20. [

상기 금속선(20)은 구동부(124)에 의해 기판(10) 상에 수평 방향으로 상대적으로 이동시킬 수 있다. 즉, 기판(10)이 고정된 상태에서 국부적 가열원인 금속선(20)이 연속적으로 일방향으로 이동함으로써 기판(10)에 순차적으로 지속적인 열을 공급할 수 있다. 이와 다르게, 금속선(20)이 정지되고, 기판(10)이 금속선(20)에 대하여 상대적으로 이동될 수 있다. 즉, 국부적 가열원(20)이 일정한 위치에 고정된 상태에서 기판(10)을 수평 방향으로 이동시킬 수 있다. The metal wire 20 can be moved relatively horizontally on the substrate 10 by the driving unit 124. That is, in a state where the substrate 10 is fixed, the metal wire 20 which is a local heating source continuously moves in one direction, so that the substrate 10 can be continuously supplied with the heat continuously. Alternatively, the metal wire 20 may be stopped and the substrate 10 may be moved relative to the metal wire 20. [ That is, the substrate 10 can be moved in the horizontal direction while the local heating source 20 is fixed at a predetermined position.

상기 금속선이 용수철 형태의 형상인 경우, 가열된 상기 금속선을 일정한 속도로 상기 기판상에서 방사상 방향으로 상대적으로 이동하는 단계를 더 포함할 수 있다. 도 2(a) 도 2(c)는 용수철 형태의 금속선(20)이 방사상 방향으로 상대적으로 이동하는 것을 단계적으로 나타낸 도면으로서, 국부적 가열원인 금속선(20)은 용수철 모양일 수 있다. 이 경우에 있어서, 금속선(20)을 기판(10)의 중심에서부터 방사형으로 이동시킴으로써, 기판(10)에 대하여 방사상 방향으로 연속적인 열처리를 수행할 수 있다.And moving the heated metal wire in a radial direction on the substrate at a constant rate when the metal wire is in the form of a spring. Fig. 2 (a) and Fig. 2 (c) show a stepwise movement of the metal wire 20 in the form of a spring relative to the radial direction. The metal wire 20 as a local heating may be in the form of a spring. In this case, heat treatment in a radial direction with respect to the substrate 10 can be performed by moving the metal wire 20 radially from the center of the substrate 10.

또한, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 회전하는 기판 지지부(104)를 나타내는 도면으로서, 상기 열선에 대하여 상기 기판이 회전할 수 있다. 기판 지지부(104)가 회전함으로써 금속선(20)에 대하여 기판(10)을 회전시킬 수 있다. 이와 다르게, 금속선(20)의 구동부는 기판(10)에 대하여 금속선(20)을 수평 방향으로 이동시킬 수 있다.Figure 3 also shows a rotating substrate support 104, according to one embodiment of the present invention, in which the substrate can rotate relative to the hot wire. The substrate 10 can be rotated with respect to the metal wire 20 by rotating the substrate supporting portion 104. Alternatively, the driving portion of the metal wire 20 can move the metal wire 20 in the horizontal direction with respect to the substrate 10. [

가열된 상기 금속선(20)의 이동 속도를 조절하여 상기 기판(10)의 냉각에 따른 상기 그래핀의 성장을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다. 금속선(20)의 이동 속도는 기판(10)의 한 점의 위치에서 얼마나 빨리 열을 전달받고 얼마나 빨리 냉각될 수 있는지를 나타내는 척도가 될 수 있다. 특히 기판(10)이 얼마나 빨리 냉각될 수 있는지에 관한 것은 냉각 과정에서 그래핀층의 품질에 중요한 역할을 한다. 금속선(20)의 이동 속도를 조절하여 냉각 속도를 제어함으로써 고품질의 그래핀 뿐만 아니라 다양한 품질의 그래핀을 성장시킬 수 있는 방법을 제공할 수 있다. And controlling the growth of the graphene in accordance with the cooling of the substrate 10 by adjusting the moving speed of the heated metal wire 20. [ The speed of movement of the metal wire 20 can be a measure of how quickly the heat is transferred at a point on the substrate 10 and how quickly it can be cooled. In particular, how fast the substrate 10 can be cooled can play an important role in the quality of the graphene layer during the cooling process. It is possible to provide a method for growing graphene of various qualities as well as high quality graphene by controlling the moving speed of the metal wire 20 to control the cooling rate.

상기 금속선(20)의 이동 속도는 10 ㎛/min 내지 40 mm/min의 범위일 수 있다. 일반적으로 금속선(20)의 상대적 이동 속도에 의해 연속적으로 열처리가 가능하거나 또는 부분적으로 연속적인 열처리 공정이 가능할 수 있으며, 연속적인 열처리 공정의 가열 온도의 범위는 상기 금속선(20)의 종류에 따라 결정될 수 있다. 열원의 이동 속도(스캔 속도)를 분당 수십 나노미터(nm/min) 단위부터 분당 수 미터(m/min) 등으로 조정이 가능하며, 바람직하게는 금속선(20)의 이동속도는 10 ㎛/min 내지 40 mm/min 일 수 있고, 더욱 바람직하게는 10 ㎛/min 내지 5 mm/min 일 수 있다.The moving speed of the metal wire 20 may be in the range of 10 μm / min to 40 mm / min. In general, the heat treatment can be continuously performed by the relative movement speed of the metal wire 20, or a partially continuous heat treatment process can be performed. The range of the heating temperature in the continuous heat treatment process is determined depending on the type of the metal wire 20 . It is possible to adjust the moving speed (scanning speed) of the heat source from several tens nanometers (nm / min) per minute to several meters per minute (m / min), and preferably the moving speed of the metal wire 20 is 10 μm / min To 40 mm / min, and more preferably from 10 m / min to 5 mm / min.

상기 그래핀층을 형성하는 단계는 비활성 가스 분위기의 챔버 내에서 이루어질 수 있다. 이 경우에 비활성 가스 분위기는 퍼지가스에 의해 이루어질 수도 있고 또는 독립적인 비활성 가스 공급원에 의해 별도의 주입장치를 통해 구현될 수도 있다. The step of forming the graphene layer may be performed in a chamber of an inert gas atmosphere. In this case, the inert gas atmosphere may be provided by the purge gas or may be realized by a separate injection device by an independent inert gas source.

실험예Experimental Example

도 4는 본 발명에 따른 그래핀의 제조 방법을 이용하여 제조된 그래핀의 라만 분광분석(Raman Spectroscopy) 결과 그래프로서, 기판상에서 직접 성장한 그래핀의 결정성은 라만 분광법으로 측정할 수 있다. 라만 분광은 그래핀의 특성을 평가하는 데 사용되며, 층의 개수와 결함 정도에 따라 D와 G, 2D 피크로 대표되는 피크의 위치와 모양이 변화한다. D와 G 피크의 세기 비는 그래핀의 결함을 나타내는 척도로 사용되며 낮을수록 좋은 품질의 그래핀을 나타낸다. FIG. 4 is a graph showing Raman spectroscopy results of graphene produced by the method of manufacturing graphene according to the present invention. The crystallinity of graphene grown directly on a substrate can be measured by Raman spectroscopy. Raman spectroscopy is used to evaluate the properties of graphenes. Depending on the number of layers and the degree of defects, the position and shape of the peaks represented by D, G and 2D peaks change. The intensity ratio of D and G peaks is used as a measure of graphene defects and the lower the graphene the better the quality.

제조된 그래핀의 라만 분광분석 결과, 상기 도 4에서 나타나는 바와 같이 라만 쉬프트(Raman shift) 1600 cm-1부근에서 G 피크(peak) 및 라만 쉬프트 2700 cm-1부근에서 2D 피크를 확인할 수 있었다. 그래핀의 결함 부분에 대하여 나타나는 1350 cm-1부분의 D 피크는 상대적인 값에 해당하므로 이는 G 피크에 대한 상대적인 비율로서 정의할 수 있다. 즉, 그래핀을 라만 분광법으로 분석한 경우, G 피크의 강도에 대한 D 피크의 강도의 비율로서 그래핀의 결정성을 판단할 수 있으며, 도 4에서 나타내는 바와 같이 좋은 품질의 그래핀이 생성되었음을 알 수 있다.As a result of the Raman spectroscopic analysis of the produced graphene, as shown in FIG. 4, a 2D peak was observed at a G peak and a Raman shift of about 2700 cm -1 at a Raman shift of about 1600 cm -1 . The D peak at the 1350 cm -1 portion of the defect portion of graphene corresponds to a relative value, which can be defined as a ratio relative to the G peak. That is, when graphene is analyzed by Raman spectroscopy, it is possible to determine the crystallinity of graphene as a ratio of the intensity of the D peak to the intensity of the G peak, and as shown in FIG. 4, Able to know.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 금속선이 정지한 경우, 기판온도에 따른 그래핀의 라만 분광학 분석 결과 그래프로서, 금속선이 정지한 경우의 D와 G 피크의 세기 비는 1에 근접하는 수치로 품질이 낮음을 볼 수 있으며, 기판의 온도가 610 ℃인 경우는 2D 피크를 확인할 수 없어 그래핀이 형성되지 않음을 보여준다.FIG. 5 is a graph of Raman spectroscopic analysis of graphene according to the substrate temperature when the metal line is stopped according to an embodiment of the present invention. In FIG. 5, the intensity ratio of the D and G peaks when the metal line is stopped is close to 1 . When the substrate temperature is 610 ° C, 2D peaks can not be confirmed and graphene is not formed.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 그래핀의 기판온도 및 금속선의 이동 속도에 따른 라만 분광학 분석 결과 그래프이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 그래핀의 기판온도 및 금속선의 이동 속도에 따른 D/G 비율과 면저항을 나타낸 그래프이다.FIG. 6 is a graph of Raman spectroscopic analysis according to the substrate temperature and the moving speed of the metal line of the graphene fabricated according to an embodiment of the present invention. FIG. And the D / G ratio and sheet resistance according to the moving speed of the metal wire.

도 6과 같이, 금속선이 2.5 mm/min으로 이동 속도가 빨라지고, 기판의 온도가 820 ℃로 상승하는 경우, D와 G 피크의 세기 비(D/G ratio)가 낮아져 좋은 품질의 그래핀이 제조됨을 알 수 있다.As shown in FIG. 6, when the moving speed of the metal wire is increased to 2.5 mm / min and the temperature of the substrate rises to 820 ° C, the D / G ratio of the D and G peaks is lowered, .

특히, 도 7과 같이, 기판의 온도별로 D/G ratio 수치가 낮고, 면저항이 낮아 좋은 품질의 그래핀이 형성된 최적의 금속선 이동 속도가 상이함을 알 수 있다. 본 발명에 따른 그래핀 제조방법은 금속선에 가하는 전류를 조절함으로써 금속선의 가열 온도에 따른 기체상 촉매의 증기압을 제어하여 고품질의 그래핀을 성장시킬 수 있고, 금속선의 이동 속도를 조절하여 기판의 냉각에 따른 그래핀 성장을 제어하여 다양한 품질의 그래핀을 제조할 수 있음을 나타낸다.In particular, as shown in FIG. 7, the D / G ratio value is low and the sheet resistance is low for each temperature of the substrate. The graphene manufacturing method according to the present invention can control the vapor pressure of the gas phase catalyst according to the heating temperature of the metal wire by controlling the electric current applied to the metal wire to grow high quality graphene, It is possible to produce graphenes of various qualities by controlling the graphene growth according to the graphene.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 그래핀의 가열된 금속선을 이용한 국부적 열처리 전, 후의 표면 TEM(투과전자현미경) 사진으로서, 스케일 바는 각각 200 nm를 나타낸다. 가열된 금속선의 이동함으로써 기판에 국부적인 열처리를 통하여 형성된 그래핀을 볼 수 있다.FIG. 8 is a surface TEM (transmission electron microscope) photograph of graphene prepared according to an embodiment of the present invention before and after a local heat treatment using a heated metal wire, and each scale bar shows 200 nm. Graphene formed through local heat treatment on the substrate can be seen by moving the heated metal wire.

본 발명에 따른 그래핀 제조방법은 종래의 그래핀 성장 방법에 수반되는 전사 공정이 없어 그래핀 품질의 저하를 막을 수 있고, 필요한 기판에 직접 그래핀을 성장시켜 전자 소자 또는 투명 전극에 적용하기 용이하다. 또한, 공정에 필요한 설비가 간단하고 그래핀의 제조에 사용된 촉매를 재사용 가능하여 제조 원가를 절감할 수 있는 장점이 있다.The graphene manufacturing method according to the present invention can prevent degradation of graphene quality due to no transfer process accompanying the conventional graphene growth method and can be easily applied to electronic devices or transparent electrodes by growing graphene directly on a necessary substrate Do. In addition, the equipment required for the process is simple, and the catalyst used in the production of graphene can be reused, thereby reducing manufacturing costs.

본 발명의 제조 방법에 따라 제조된 그래핀은 전기적, 물리적 특성이 우수하고 얇은 두께로 제작 가능하여 휨성을 이용한 다양한 분야에 사용될 수 있어 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조되는 그래핀층을 포함하는 기판은 반도체, 디스플레이 또는 태양전지 등에 적용할 수 있다.The graphene produced according to the production method of the present invention is excellent in electrical and physical properties and can be manufactured in a thin thickness and can be used in various fields using bending property. The present invention relates to a graphene- Can be applied to a semiconductor, a display, a solar cell, or the like.

이상에서는 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. It will be possible.

10 : 기판 20 : 금속선
30 : 가열 수단 102 : 챔버
104 : 기판 지지부 106 : 샤워 헤드
108 : 게이트 110 : 탄소 소스 공급부
112 : 비활성 가스 공급부 120 : 열처리 유닛
124 : 구동부 128 : 구동 지지부
130 : 진공 장치 132 : 진공 펌프
134 : 진공 배관10: substrate 20: metal wire
30: heating means 102: chamber
104: substrate holder 106: shower head
108: gate 110: carbon source supply
112: inert gas supply unit 120: heat treatment unit
124: driving part 128:
130: Vacuum device 132: Vacuum pump
134: Vacuum piping

Claims (16)

기판상에 그래핀층을 형성하는 방법에 있어서,
상기 기판 상부에 위치한 금속선을 가열하여 챔버 내에 기체상 금속 촉매를 형성하는 단계;
상기 챔버 내에 탄소 소스 기체를 주입하는 단계;
가열된 상기 금속선을 이용하여 기판상의 제1 부분을 가열함으로써, 상기 기판상의 제1 부분에 그래핀층을 형성하는 단계; 및
가열된 상기 금속선을 이동시켜 기판상의 제1 부분과는 상이한 기판상의 제2 부분을 가열함으로써, 상기 기판상의 제2 부분에 그래핀층을 형성하는 단계를 포함되,
상기 금속선은 Ni 금속선으로서 1 ~ 100 A의 전류로 챔버내의 Ni 증기압을 제어하고,
상기 금속선의 이동속도는 10 ㎛/min 내지 40 mm/min의 범위로 이동시켜 그래핀의 성장을 제어하고,
추가의 가열수단을 이용하여 기판을 균일하게 가열하는 것을 특징으로 하는 기체상 금속 촉매를 이용한 전사 공정이 생략된 그래핀의 제조 방법.A method of forming a graphene layer on a substrate,
Heating a metal line located above the substrate to form a gaseous metal catalyst in the chamber;
Injecting a carbon source gas into the chamber;
Heating the first portion on the substrate using the heated metal wire to form a graphene layer on the first portion of the substrate; And
And moving the heated metal wire to form a graphene layer on a second portion of the substrate by heating a second portion on the substrate that is different than the first portion on the substrate,
The metal wire is a Ni metal wire and controls the Ni vapor pressure in the chamber by a current of 1 to 100 A,
The moving speed of the metal wire is moved in a range of 10 [mu] m / min to 40 mm / min to control the growth of graphene,
Wherein the substrate is uniformly heated by using an additional heating means, wherein the transfer process using the gaseous metal catalyst is omitted. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 그래핀층을 형성하는 단계는,
상기 금속선은 일방향으로 연장하는 형상을 갖되, 가열된 상기 금속선을 일정한 속도로 상기 기판에 대하여 수평 방향으로 상대적으로 이동하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기체상 금속 촉매를 이용한 전사 공정이 생략된 그래핀의 제조 방법.The method of claim 1, wherein forming the graphene layer comprises:
The metal wire has a shape extending in one direction, And moving the heated metal wire relatively in a horizontal direction with respect to the substrate at a constant speed. The method of manufacturing graphene according to claim 1, further comprising the step of: 제1항에 있어서, 상기 그래핀층을 형성하는 단계는,
상기 금속선은 용수철 형상을 갖되, 가열된 상기 금속선을 일정한 속도로 상기 기판상에서 방사상 방향으로 상대적으로 이동하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기체상 금속 촉매를 이용한 전사 공정이 생략된 그래핀의 제조 방법.The method of claim 1, wherein forming the graphene layer comprises:
Wherein the metal wire has a spring shape and moves the heated metal wire relatively in a radial direction on the substrate at a constant speed. The method according to claim 1, Way. 제1항에 있어서,
상기 그래핀층을 형성하는 단계는 상기 금속선에 대하여 상기 기판이 회전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기체상 금속 촉매를 이용한 전사 공정이 생략된 그래핀의 제조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the step of forming the graphene layer comprises rotating the substrate with respect to the metal line, wherein the step of transferring the graphene layer using the gas phase metal catalyst is omitted. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 그래핀층을 형성하는 단계는 비활성 가스 분위기의 챔버 내에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 기체상의 금속 촉매를 이용한 전사 공정이 생략된 그래핀의 제조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the step of forming the graphene layer is performed in a chamber of an inert gas atmosphere. 제1항에 있어서,
상기 기판은 사파이어 기판, 유리 기판, 실리콘 기판 또는 실리콘 기판상에 이산화규소층이 형성된 기판 등의 절연체 기판인 것을 특징으로 하는 기체상 금속 촉매를 이용한 전사 공정이 생략된 그래핀의 제조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the substrate is an insulator substrate such as a sapphire substrate, a glass substrate, a silicon substrate, or a substrate having a silicon dioxide layer formed on a silicon substrate, wherein the transfer process using the gaseous metal catalyst is omitted. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 금속선의 직경은 0.1 내지 100 mm의 범위인 것을 특징으로 하는 기체상 금속 촉매를 이용한 전사 공정이 생략된 그래핀의 제조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the diameter of the metal wire is in the range of 0.1 to 100 mm. 삭제delete
KR1020140021035A 2014-02-24 2014-02-24 Transfer-free fabrication method for manufacturing graphene using vapor phase metal catalyst KR101562906B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140021035A KR101562906B1 (en) 2014-02-24 2014-02-24 Transfer-free fabrication method for manufacturing graphene using vapor phase metal catalyst

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140021035A KR101562906B1 (en) 2014-02-24 2014-02-24 Transfer-free fabrication method for manufacturing graphene using vapor phase metal catalyst

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150099903A KR20150099903A (en) 2015-09-02
KR101562906B1 true KR101562906B1 (en) 2015-10-26

Family

ID=54241719

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140021035A KR101562906B1 (en) 2014-02-24 2014-02-24 Transfer-free fabrication method for manufacturing graphene using vapor phase metal catalyst

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101562906B1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016214950A1 (en) * 2016-08-11 2018-02-15 Robert Bosch Gmbh Method and apparatus for catalytic deposition of a layer on a growth substrate

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009091174A (en) 2007-10-04 2009-04-30 Univ Of Fukui Method for producing graphene sheet
KR101332796B1 (en) * 2011-05-03 2013-11-25 한국과학기술원 Method of manufacturing graphene and apparatus for manufacturing graphene

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009091174A (en) 2007-10-04 2009-04-30 Univ Of Fukui Method for producing graphene sheet
KR101332796B1 (en) * 2011-05-03 2013-11-25 한국과학기술원 Method of manufacturing graphene and apparatus for manufacturing graphene

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
H. Kim et al. ACS Nano. 2013, Vol. 7, pp. 6575-6582 (2013.07.19.)*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20150099903A (en) 2015-09-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11407637B2 (en) Direct graphene growing method
KR101332796B1 (en) Method of manufacturing graphene and apparatus for manufacturing graphene
EP2850032B1 (en) Methods of growing uniform, large-scale, multilayer graphene films
JP5705315B2 (en) Low temperature manufacturing method of graphene and direct transfer method of graphene using the same
KR100923304B1 (en) Graphene sheet and process for preparing the same
EP2327662B1 (en) Graphene sheet, graphene base including the same, and method of preparing the graphene sheet
KR101482655B1 (en) Fabrication Method for manufacturing High Quality Graphene using Heating of Carbon-based Self-assembly monolayer
US20150353362A1 (en) Graphene manufacturing apparatus and method
JP5885198B2 (en) Method for producing graphene thin film and graphene thin film
EP1885909B1 (en) Nanostructure production methods
US11124870B2 (en) Transfer-free method for producing graphene thin film
JP2009143799A (en) Single crystal graphene sheet and method for producing the same
US20160369394A1 (en) Method for synthesizing multilayer graphene
KR20140114199A (en) Heterogeneous layered structure, method for preparing the heterogeneous layered structure, and electric device including the heterogeneous layered structure
KR101760653B1 (en) Apparatus for manufacturing graphene and method of manufacturing graphene
JP2013067549A (en) Method for forming thin film
KR101562906B1 (en) Transfer-free fabrication method for manufacturing graphene using vapor phase metal catalyst
KR102083960B1 (en) Method for manufacturing graphene and the graphene manufactured by the same and the manufacturing apparatus
KR101716785B1 (en) Apparatus and method of manufacturing graphene
KR20150130256A (en) Heterogeneous layered structure, method for preparing the heterogeneous layered structure, and electric device including the heterogeneous layered structure
KR102018576B1 (en) Apparatus for growing graphene using Joule heating
WO2020101467A1 (en) Method for forming bernal-stacking graphene layers

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181002

Year of fee payment: 4