KR101648895B1 - Residue free transfer method of graphene/metal samples pasted by limited polymer line - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속박편 또는 금속박막에 성장된 그래핀을 기판에 전사하는 그래핀 가두리 전사방법에 관한 것으로서, 화학기상증착 방법으로 금속박편 또는 금속박막에 성장된 그래핀의 가장자리에 고분자가두리를 형성하여 전사되는 그래핀영역에 직접적인 고분자 도포제 없이 전사하는 방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a graphene cage transfer method for transferring graphene grown on a metal foil or a metal foil to a substrate and a polymer cage is formed on the edge of graphene grown on a metal foil or a metal foil by chemical vapor deposition And transferring the transferred graphene region without a direct polymer coating agent to the transferred graphene region.
Description
본 발명은 금속박편 또는 금속박막에 성장된 그래핀을 기판에 고분자 레지듀(residue)없이 전사하는 그래핀 가두리 전사방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 금속박편 또는 금속박막에 성장된 그래핀의 가장자리에 고분자가두리를 형성하여, 전 영역 성장된 그래핀 또는 조각으로 군집되어 성장한 그래핀을 기판에 고분자 레지듀 없이 전사하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of transferring graphene grains grown on a metal foil or a metal foil without a polymer residue on a substrate, and more particularly, And a method for transferring graphene grown by aggregating the grains grown in the entire region into grains or edges and transferring the grown graphenes to a substrate without a polymeric residue.
그래핀은 탄소로 구성된 단일 원자층을 가진 물질이다. 그래핀은 좁은 의미에서 CNT를 펼친 것과 같다. 그러나 CNT는 일차원적인 전자계를 나타내는데 반해 그래핀은 이차원계 전자계를 나타낸다. 현대 나노기술은 같은 원자배열이라도 차원과 크기가 작아짐으로써 물질의 전자구조와 이에 따른 구조적, 전자적 특성이 달라진다는 것에 기초한다. 그래핀 기술시초는 아주 잘 정렬된 겹층구조를 가진 HOPG (highly ordered pyrolytic graphite)에서 스카치 테이프로 한 두 개의 탄소 원자층을 떼어내는 데 성공하여 이들에 대한 전계효과 전기 전도도 측정한 것이다. 그 후로 원자 한 층으로 이루어진 이차원계에서 다양한 실험과 이론적 연구에서, 디락 콘(Dirac cone)이라는 전자 구조는 전자들이 다른 이차원계와 다른 물리적 현상을 보이는 중요한 특징 중 하나이다. 또한 그래핀의 전자 이동 속도는 실리콘보다 빠르고, 강도는 다이아몬드에 근접한다. 최근 연구기술은 응용성에 중점을 둔 대면적 그래핀의 성장, 전자소자의 대량생산, 고주파 소자로의 응용 등의 연구개발들이 꾸준히 행하여지고 있다. 그래핀의 생성방법은 기계적 박리법, 화학적 박리법, 화학기상증착법(chemical vapor deposition: CVD) 또는 분자선에피탁시(MBE) 등이 있다. Graphene is a material with a single atomic layer composed of carbon. Graffin is like CNT in a narrow sense. However, CNTs represent one-dimensional electromagnetic fields whereas graphenes represent two-dimensional electromagnetic fields. Modern nanotechnology is based on the fact that even in the same atomic arrangement, the dimensions and size of a material are reduced, thereby changing the electronic structure of the material and thus its structural and electronic properties. The graphene technique originated from the highly ordered pyrolytic graphite (HOPG) with a very well-ordered layered structure and succeeded in peeling off one or two layers of carbon atoms with Scotch tape and measuring the field-effect electrical conductivity for them. Since then, in various experimental and theoretical studies on a two-dimensional system consisting of a single atom, the electronic structure called Dirac cone is one of the important features in which electrons exhibit different physical phenomena from other two-dimensional systems. Also, the electron transfer rate of graphene is faster than that of silicon, and the strength is close to that of diamond. Recently, research and development such as large-area graphene growth focused on application, mass production of electronic devices, and application to high-frequency devices have been carried out steadily. Methods for producing graphene include mechanical peeling, chemical peeling, chemical vapor deposition (CVD), or molecular beam epitaxy (MBE).
기계적 박리법은 반데르발스 결합의 약한 결합으로 이루어져 있는 흑연 결정에서 기계적인 힘으로 떼어내는 것이다. 이 방법은 그래핀의 파이 궤도함수의 전자가 표면상에 넓게 펴져 분포하면서 매끈한 표면을 가지기 때문에 가능하다. 초창기 박리에 사용한 방법은 원자간력현미경의 주사탐침에 마이크로미터 크기의 흑연 결정을 붙인 후에 기판 위에서 미끄러뜨리면서 단층 그래핀을 만들고자 했다. 그 후에 개발된 그래핀 박리법은 스카치테이프의 접착력을 이용하여 단층 그래핀을 분리하는 방법으로 현재 연구방법의 하나로 널리 이용되고 있다. 기계적 박리법은 시료준비가 간단하기 때문에 그래핀 연구를 빠르게 확산시키는데 매우 결정적인 역할을 하였지만 그 크기가 수 마이크로미터 수준에 불과하기 때문에 실제 응용적인 측면에서는 많은 제약이 있다.Mechanical stripping is a mechanical force that removes graphite crystals, which are composed of weak bonds of van der Waals bonds. This method is possible because the electrons of the graphene's pie orbitals are spread out over the surface and have a smooth surface. The initial method of stripping was to attach a micrometer-sized graphite crystal to the scanning probe of the atomic force microscope and then slip on the substrate to make a single-layer graphene. The graphene stripping method developed thereafter is widely used as one of the current research methods as a method of separating the single-layer graphene using the adhesive force of the scotch tape. The mechanical exfoliation method plays a crucial role in rapidly diffusing the graphene research because of the simplicity of sample preparation, but its size is only a few micrometers, so there are many limitations in practical applications.
화학적 박리법은 흑연결정으로부터 박리된 그래핀 조각들을 화학적 방법을 통해 용액에 분산시키는 것을 의미한다. 박리과정은 흑연을 산화시킨 후 초음파 등을 통해 파쇄하면 수용액에 분산된 산화 그래핀을 만들 수 있으며 이를 하이드라진(hydrazine) 등의 환원제를 이용하여 다시 그래핀으로 되돌리는 것이다. 이렇게 분산된 그래핀 용액은 자기조립 과정을 통해 넓은 면적의 필름을 형성할 수 있다. 그러나 산화 그래핀이 완전히 환원되지 못하고 결함을 많이 남기기 때문에 전기적 성질이 떨어진다는 단점이 있다. 이에 비해 산화과정을 거치지 않고 계면활성제 등을 이용하여 바로 분산시키는 방법을 통해 제조된 그래핀 필름은 개선된 전기적 특성을 보여준다. 그러나 이 경우에도 마이크로미터 크기의 작은 그래핀 조각들 사이의 층간 저항으로 인해 실용적인 수준의 면 저항 특성을 보여주지 못한다.The chemical exfoliation method means that the graphene pieces separated from the graphite crystal are dispersed in the solution by a chemical method. When the graphite is oxidized and then crushed through ultrasound or the like, the grafted oxide graphene may be dispersed in an aqueous solution, and the graphene grains may be returned to graphene using a reducing agent such as hydrazine. The graphene solution thus dispersed can form a large area film through self-assembly process. However, since the graphene oxide is not completely reduced and many defects are left, the electrical properties are deteriorated. On the other hand, the graphene film produced by the method of directly dispersing by using a surfactant or the like without oxidation process shows improved electrical characteristics. However, this also does not show a practical level of surface resistance due to the interlaminar resistance between micrometer-sized small graphene pieces.
기계적 박리법과 화학적 박리법은 전사가 필요 없는 과정이며, 전자잉크 또는 첨가제 등으로 기술개발이 이루어지고 있지만 대면적 및 고품질을 동시에 만족시키는 그래핀을 얻는데 문제점이 있다. The mechanical peeling method and the chemical peeling method are processes that do not require transferring, and although the technology is being developed with electronic ink or additives, there is a problem in obtaining graphene that simultaneously satisfies the large area and high quality.
화학기상증착법은 고온에서 탄소를 잘 흡착하는 전이금속을 촉매층으로 이용하여 그래핀을 합성하는 방법이다. 일반적 성장방법은 촉매층으로 활용할 니켈/구리 등을 챔버에 넣고 약 700-1000℃의 고온에서 메탄, 수소 혼합가스와 반응시켜 흡착되도록 하는 방법이다. 이렇게 합성된 그래핀은 촉매층인 금속을 제거함으로써 기판으로부터 분리시킨 후 원하는 용도에 맞게 사용할 수 있다. 그래핀의 층수는 촉매의 종류, 성장시간, 냉각속도 및 가스의 농도 등을 조절함으로써 선택적 성장이 가능하다. 화학기상증착법을 사용하여 성장한 그래핀은 수백 제곱미터 크기까지 그래핀을 성장시킬 수 있고, 성장 조건을 조절하여 수 마이크로미터의 크기를 가진 조각들로 구성되게 성장할 수도 있다. 그러나 금속박편 또는 금속박막에 성장한 그래핀은 품질검사 및 응용을 위해서는 다른 기판에 전사해야 되기 때문에 그 응용에 제한이 있어 전사기술 개발이 요구된다. The chemical vapor deposition method is a method of synthesizing graphene using a transition metal that adsorbs carbon well at high temperature as a catalyst layer. The general growth method is a method in which a nickel / copper or the like to be used as a catalyst layer is put into a chamber and is adsorbed by reacting with a methane / hydrogen mixed gas at a high temperature of about 700-1000 ° C. The graphene thus synthesized can be separated from the substrate by removing metal as a catalyst layer and then used for a desired application. The number of layers of graphene can be selectively grown by controlling the type of catalyst, growth time, cooling rate and gas concentration. Graphenes grown using chemical vapor deposition can grow graphenes up to hundreds of square meters and grow to consist of fragments with a size of a few micrometers by adjusting growth conditions. However, since graphenes grown on metal foil or metal foil have to be transferred to other substrates for quality inspection and application, there are restrictions on their application and development of transfer technology is required.
금속박편에 성장된 그래핀의 전사방법은 작은 시편을 금속 에칭용액에 에칭한 후 증류수에 린스 후 임의의 기판에 전사하는 방법부터 그래핀이 증착된 금속박편을 롤에 감아 에칭하고 에칭된 그래핀을 롤에 수집하는 롤-투-롤 방법까지 다양하게 개발되었다. 그러나 금속박편 또는 금속박막에 전 영역에 성장된 그래핀 또는 20μm 이하의 크기로 군집되어 성장한 그래핀을 고분자 레지듀 없이 전사하는 방법이 개발되지 않아 많은 응용분야가 있음에도 불구하고 그래핀의 응용에 어려움이 있다.The method of transferring graphene grown on a metal foil is a method of transferring graphene deposited on a metal foil from a method of etching a small specimen to a metal etching solution, rinsing it with distilled water and transferring the graphene to an arbitrary substrate, To roll-to-roll methods for collecting in a roll. However, graphene grown in the entire region of the metal foil or metal thin film or grains having a size of 20 μm or less are not developed to transfer the graphene without a polymer residue, so that it is difficult to apply graphene in spite of many applications. .
특히, 전자현미경(SEM), 터널전자현미경(TEM) 또는 원자간력현미경 등에 쓰이는 분석용 샘플 그래핀은 전사할 때 샘플 표면에 제거되지 않는 마이크로미터 이하의 아주 작은 고분자들이 존재하고, 이들 고분자에 전자빔이 피폭하면 샘플 전체가 오염되어 관측과 분석에 어려움이 존재한다. 또한 그래핀 소자는 단일층 채널로 이루어진 소자이기 때문에 제거되지 않은 수백 나노미터 이하의 고분자들도 전자이동도에 큰 영향을 준다.In particular, analytical sample graphenes used in electron microscopy (SEM), tunnel electron microscopy (TEM) or atomic force microscopy have very small polymers below micrometers that can not be removed on the sample surface when transferred, When the electron beam is exposed, the entire sample is contaminated, which makes it difficult to observe and analyze. Since the graphene device is composed of a single layer channel, the polymer molecules of several hundreds of nanometers or less which are not removed greatly affect electron mobility.
특허문헌 1은 금속박막에 성장된 그래핀을 투명기판에 전사하는 방법에 관한 것으로 고분자 접착제 지지막을 그래핀 상부에 덧붙여 금속을 에칭한 후 하부에 다시 PET와 같은 필름을 부착하고 고분자 접착제 지지막에 열을 가하여 떼어내는 것이다. 열을 가했을 때 접착력을 잃는 고분자 접착제를 이용하는 것이며, 대면적 전사에 유리하고 그래핀에서 거대 핀홀(pinhole) 없이 전사할 수 있으나 수 마이크로미터의 핀홀과 접착제에서 나오는 고분자 알갱이 없이 전사하기가 어려운 단점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하고자 금속박편 또는 금속박막에 성장한 그래핀의 가장자리에 고분자가두리를 형성하여 임의의 기판에 고분자 레지듀없이 그래핀을 전사하는 그래핀 가두리 전사방법을 제공하고자 한다.In order to solve the above problems, it is an object of the present invention to provide a graphene cage transferring method in which a polymer cage is formed on the edge of a graft grown on a metal foil or a metal thin film to transfer graphene without any polymer residue to an arbitrary substrate.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 금속박편 또는 금속박막에 성장된 그래핀을 기판에 고분자 레지듀 없이 전사하는 그래핀 가두리 전사방법은, 그래핀이 성장된 금속박편 또는 금속박막에 고분자 도포제를 기판 크기에 맞게 가장자리만 도포하여 고분자가두리를 형성하는 단계, 고분자가두리가 도포된 금속박편을 대기분위기 또는 진공분위기에서 경화하는 단계, 고분자가두리가 형성된 금속박편 또는 금속박막을 금속 에칭용액에 에칭하는 단계, 에칭 후 금속 에칭용액을 증류수로 치환하여 린스하는 단계, 린스 후 기판을 그래핀 하부에 넣어 증류수 상부에 떠있는 고분자가두리와 그 내부에 있는 그래핀을 함께 기판에 전사하는 단계 및 전사된 기판을 대기분위기 또는 진공분위기에서 건조하고 고분자가두리를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of transferring graphene to a metal foil or a metal thin film, Forming a polymer cage by applying only the edge to the substrate size; curing the metal foil coated with the polymer cage in an atmospheric or vacuum atmosphere; etching the metal foil or metal thin film formed with the polymer cage into a metal etching solution , Rinsing the metal etching solution after etching with distilled water, rinsing the substrate, placing the substrate in the bottom of the graphene, transferring the polymer cage floating on the distilled water to the substrate together with the graphene therein, and transferring the transferred substrate Drying in an atmospheric or vacuum atmosphere and removing the polymer cage .
상기 성장된 그래핀은 화학기상증착(CVD) 또는 분자선에피탁시(MBE) 방법에 의해 금속박편 또는 금속박막의 표면에 소스가스 및 캐리어가스를 조절하여, 금속표면에 전체가 연결된 그래핀으로 또는 연결되지 않게 20 μm 이하 조각 크기로 군집되게 성장하는 것을 특징으로 한다. The grown graphene can be formed by graphene, which is entirely connected to the metal surface by controlling the source gas and the carrier gas on the surface of the metal foil or the metal thin film by chemical vapor deposition (CVD) or molecular beam epitaxy (MBE) And are clustered in a piece size of not more than 20 mu m so as not to be connected.
상기 고분자 도포제는 광 또는 전자빔 리소그래피에 사용되는 고분자 도포제인 것을 특징으로 한다.The polymer coating agent is a polymer coating agent used for optical or electron beam lithography.
상기 금속박막은 실리콘 산화막이 형성된 기판에 금속이 1000nm 이하로 증착되어 그래핀이 성장되며, 금속박막의 에칭은 산화막을 불화수소에 에칭한 후 금속을 금속 에칭용액에 에칭하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.The metal thin film is formed by depositing a metal with a thickness of 1000 nm or less on a substrate having a silicon oxide film formed thereon and growing graphene. The etching of the metal thin film includes etching the oxide film with hydrogen fluoride and etching the metal into a metal etching solution do.
상기 기판은 친수성 기판인 것을 특징으로 한다.And the substrate is a hydrophilic substrate.
상기 시판은 실리콘 산화막이 형성된 기판, 고분자 투명필름 또는 터널전자현미경 그리드인 것을 특징으로 한다.The commercially available plate is a substrate on which a silicon oxide film is formed, a polymer transparent film, or a tunnel electron microscope grid.
상기 고분자가두리는 그래핀샘플 크기에 따라 복수 개의 영역으로 나누어 형성하는 것을 특징으로 한다.The polymer cage is divided into a plurality of regions according to the graphene sample size.
본 발명은 금속박편 또는 금속박막에 성장된 그래핀을 기판에 고분자 레지듀 없이 전사하는 방법을 제공하여 고품질의 전자현미경 및 전자투과현미경의 시편제작 방법을 제공하여 시편제작 공정을 단축하는 효과가 있다.The present invention provides a method of transferring graphene grown on a metal foil or a metal thin film without a polymer residue to a substrate, thereby providing a method of producing a specimen of a high-quality electron microscope and an electron transmission microscope, .
HOPG로 제조되는 원자간력 현미경용 원자분해능 시편은 약 100만원에 제조되나 본 발명을 적용하면 약 30%의 제조비용으로 제조가능하다.The atomic resolution specimen for atomic force microscope manufactured by HOPG is manufactured at about 1 million Yuan, but the present invention can be manufactured at a manufacturing cost of about 30%.
본 발명은 금속박편 또는 금속박막에 수 마이크로미터에서 수십 마이크미터 크기로 서로 연결되어 있지 않게 군집되어 성장한 그래핀을 고분자 알갱이 없이 기판에 전사할 수 있다. The present invention can transfer graphene grains grown on a metal foil or a metal thin film without being connected to each other at a size of several micrometers to several tens of micrometers, without grains of polymer particles.
본 발명은 고가의 리소그래피장비 사용 없이 그래핀 생체감응 소자 등과 같은 소자의 대량생산이 가능하여 중소기업에 적합한 기술이다.INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is capable of mass production of devices such as graphene biosensors without using expensive lithography equipment, and is suitable for small and medium enterprises.
본 발명은 포토 또는 전자빔 리소그래피방법을 채용하며 고분자가두리를 형성하여 기판에 대량으로 전사할 수 있으며 그래핀 소자제조 공정을 단축하는 효과가 있다. The present invention employs a photo or electron beam lithography method, and can form a polymer cage and can be transferred to a substrate in a large amount, and the manufacturing process of the graphene device is shortened.
도 1은 금속박편에 성장한 그래핀을 전사하는 단계를 나타내는 과정도.
도 2는 전사단계의 플로차트.
도 3은 금속박막에 성장한 그래핀을 에칭하는 단계를 나타내는 과정도.1 is a process diagram showing a step of transferring graphenes grown on a metal foil.
2 is a flow chart of the transferring step.
3 is a process diagram showing a step of etching a graphen grown on a metal thin film.
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 아니된다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The drawings illustrate only the essential features for the sake of clarity of the invention and are not to be construed as limiting the drawings.
그래핀은 탄소로 구성된 단일 원자층의 물질로 여러 가지 생산방법이 존재한다. 기계적 박리법은 고품질로 생산 가능하나 대면적 및 대용량 생산이 어렵고 화학적 박리법은 대량생산이 가능하나 고품질을 얻기 어려운 측면이 있다. 따라서 상업적 목적 그래핀의 생산은 대면적 및 대용량 생산에 적합한 화학기상증착법이 일반적으로 사용된다. 사용가능한 금속은 Cu, Ni, Co, Cr, Ag, Au 등이며 고품질의 그래핀은 주로 Cu, Ni 등의 박편에서 얻어진다. 이 방법은 구리와 같은 금속박편만 존재하면 금속박편 표면과 같은 크기로 그래핀을 성장할 수 있는 장점이 있다. 본 발명에서 그래핀 전사방법은 화학기상증착법으로 성장한 샘플을 사용하여 설명한다. 그러나 그래핀 샘플은 다른 성장방법의 샘플도 무방하다. 금속박편은 다양한 금속을 사용할 수 있으나 본 발명에서는 구리박편을 가지고 설명한다. Graphene is a material of a single atomic layer composed of carbon, and various production methods exist. The mechanical stripping method can be produced with high quality, but it is difficult to produce a large area and large capacity, and the chemical stripping method is capable of mass production, but it is difficult to obtain high quality. Thus, commercial production of graphene is generally used for chemical vapor deposition processes suitable for large area and large volume production. The usable metals are Cu, Ni, Co, Cr, Ag, and Au, and high-quality graphene is obtained mainly from flakes of Cu, Ni and the like. This method has the advantage that graphene can be grown to the same size as the surface of a metal foil if only a metal foil such as copper is present. In the present invention, the graphene transfer method will be described using a sample grown by a chemical vapor deposition method. However, graphene samples can be sampled for other growth methods. The metal flakes can be made of various metals, but the copper flakes are used in the present invention.
화학기상증착법은 카본나노튜브 성장법과 극소량의 수소 및 메탄을 흘려주는 것 외에는 기본적으로 동일하다. 화학기상증착 장비는 고온용 석영튜브 일단에 수소, 메탄, 질소 등 인입구가 설치되어 있고 반대편에는 진공펌프가 달려있는 구조이고, 석영튜브 중앙에 온도를 1100℃ 까지 올릴 수 있는 커버가 달린 히터가 위치하고 있다. 히터는 석영튜브의 크기에 따라 한 개의 히팅존, 또는 복수의 히팅존으로 설치하여 운용된다. 온도의 상승 및 유지는 온도 컨트롤러에 의해 제어되고 냉각은 보통 커버를 열거나 냉각질소를 흘려주어 냉각한다. 극소량의 가스는 가스 컨트롤러에 의해 제어된다. The chemical vapor deposition method is basically the same except that carbon nanotube growth method and a very small amount of hydrogen and methane are flowed. In the chemical vapor deposition equipment, a high-temperature quartz tube is provided with an inlet such as hydrogen, methane and nitrogen, and a vacuum pump is provided on the opposite side. A heater with a cover capable of raising the temperature to 1100 ° C. is located at the center of the quartz tube have. The heater is installed in one heating zone or a plurality of heating zones depending on the size of the quartz tube. The rise and maintenance of the temperature is controlled by the temperature controller, and cooling is usually done by opening the cover or by flowing cooling nitrogen. A very small amount of gas is controlled by the gas controller.
그래핀 샘플의 성장은 구리박편을 석영튜브에 넣고 600-1100℃의 고온에서 메탄, 수소 혼합가스와 반응시켜 흡착되도록 한다. 보다 상세하게 설명하면 구리박편은 석영튜브에 설치되며 진공펌프를 가동한 후 소량의 수소를 흘려주면서 히터를 가열한다. 온도상승 구간에서 시간은 성장온도까지 약 30-40분정도 소요되고, 진공도는 30-50 mTorr를 유지한다. 성장온도에 도달하기 전 약 900℃ 에서 약 50분 간 온도를 유지하여 구리박편 표면에 존재하는 산화막을 제거한다. 다음 절차는 성장온도까지 올리고 온도를 안정화한 후 극소량의 메탄을 흘려주는 단계이다. 성장시간은 보통 5 ~ 6분이고 성장한 후에는 메탄 공급을 중지하고 급속히 냉각을 해 주어야 한다. 이때 수소는 전 공정에서 흘려주어야 하며 질소, 아르곤 가스로 대체하여 사용할 수 있다. 본 발명에서 인용된 성장파라미터는 사용 성장장치에 따라 다를 수 있으며 절대적인 것은 아니다. 메탄은 아세틸렌, 에틸렌 등으로 대치하여 사용할 수 있다.The growth of the graphene sample is carried out by placing the copper flakes in a quartz tube and reacting with methane and hydrogen mixed gas at a high temperature of 600-1100 ° C for adsorption. More specifically, the copper foil is installed in a quartz tube, and a vacuum pump is operated to heat the heater while flowing a small amount of hydrogen. In the rising temperature range, it takes about 30-40 minutes to reach the growth temperature, and the vacuum level is maintained at 30-50 mTorr. The temperature is maintained at about 900 ° C for about 50 minutes before the growth temperature is reached to remove the oxide film present on the surface of the copper foil. The next step is to raise the temperature to the growth temperature, to stabilize the temperature, and then to flow a small amount of methane. Growth time is usually 5 to 6 minutes. After growth, the supply of methane should be stopped and rapidly cooled. In this case, hydrogen should be flowed in the whole process and can be replaced by nitrogen or argon gas. The growth parameters cited in the present invention may vary depending on the growth apparatus used and are not absolute. Methane can be used by replacing with acetylene, ethylene or the like.
구리박편 표면위에 그래핀성장은 수소 및 메탄가스와 성장온도의 적절한 조절을 통하여 그래핀 조각이 군집되게 성장할 수 있는데, 성장온도를 약 970℃으로 유지하고 수소/메탄 비율을 극도로 낮추고 시간은 약 10초 내로 성장하여 얻어진다. 그래핀 조각의 크기는 1 ~ 30 마이크로미터로 조절 가능하고 서로 근접하게 성장할 수 있다.Graphene growth on the copper flake surface can grow grapevine clusters by appropriately adjusting the hydrogen and methane gas and growth temperature, keeping the growth temperature at about 970 ° C, extremely lowering the hydrogen / methane ratio, 10 sec. ≪ / RTI > The size of graphene pieces can be adjusted from 1 to 30 micrometers and can grow close to each other.
구리박막에 그래핀을 성장하는 방법은 구리박편과는 약간 다른 절차가 필요하다. 구리박막은 고온에서 구리층을 그레인이 큰 단결정으로 만든 후 그래핀을 성장하는 방법이다. 구리박막은 두께가 1 마이크로미터를 기점으로 이상에서는 (111) (100) 등의 결정면을 포함하는 다결정으로 성장하고 이하에서는 (111) 결정면만 성장한다. 단결정 크기는 온도와 시간에 따라 차이가 나며 보통은 직경이 30-100 마이크로미터로 다양하다. 보통 최적화된 그래핀 성장용 구리박막은 산화막/실리콘 웨이퍼에 구리를 약 600 nm 증착하여 이용한다. 이때 구리 증착방법은 전자빔 증착방법이나 스퍼터링 증착방법을 이용하는데 스퍼터링 증착방법이 구리 단결정을 성장하기에 유리하다. The method of growing graphene on a copper foil requires a slightly different procedure than copper foil. The copper thin film is a method of growing a copper layer at a high temperature into a single crystal having a large grain size, and then growing the graphene. The copper thin film grows as a polycrystal including a crystal plane of (111) (100) or the like starting from 1 micrometer in thickness, and only the (111) crystal plane grows in the following. The size of the single crystals varies with temperature and time, and usually ranges from 30 to 100 micrometers in diameter. Normally optimized copper thin films for graphene growth utilize copper 600 nm deposited on oxide / silicon wafers. At this time, the copper deposition method uses an electron beam deposition method or a sputtering deposition method, and the sputtering deposition method is advantageous for growing a copper single crystal.
구리박막 표면에 그래핀을 성장하는 방법은 몇 가지 주의가 요구된다. 첫째로 상대적으로 구리박편보다 얇기 때문에 산화막 제거 온도를 약 600℃로 낮춰야 구리막이 증발되지 않는다. 대신 시간을 구리박편의 산화막 제거 시간보다 2 ~ 3배 길게 하여 산화막을 제거한다. 둘째는 산화막 제거온도에서 성장온도까지 가열속도를 빠르게 하여 구리의 증발을 최소화한다. 셋째는 성장온도에서 구리박편을 이용한 그래핀 성장 조건보다 메탄의 양을 늘리고 성장시간을 짧게 한다. 구리의 증발을 억제하기 위해 비활성가스를 넣어 압력이 높은 상태에서 구리의 증발을 최소화하여 그래핀을 성장할 수 있다. Some precautions are needed to grow graphene on the surface of copper foil. First, since it is relatively thinner than copper foil, the oxide film removal temperature should be lowered to about 600 ° C to prevent the copper film from evaporating. Instead, the time is made 2 to 3 times longer than the oxide film removal time of the copper flakes to remove the oxide film. Second, it accelerates the heating rate from the oxide removal temperature to the growth temperature to minimize evaporation of copper. Third, the amount of methane is increased and the growth time is shorter than that of graphene growth using copper flakes at the growth temperature. In order to suppress the evaporation of copper, an inert gas may be introduced to minimize gravitational evaporation of copper under high pressure, thereby growing graphene.
구리박편 또는 구리박막에 성장된 그래핀은 그래핀의 품질검사 또는 전자소자, 생체감응소자 등을 제작하기 위해 산화막이 있는 실리콘 기판, 연성기판 등으로 전사된다. 실리콘 산화막에 전사하는 방법은 일반적으로 광 또는 전자빔 리소그래피용 고분자 도포제를 스핀 코팅한 후 구리박편을 에칭하고 고분자/그래핀 시트를 기판에 올려놓고 고분자를 아세톤으로 녹여내는 전사방법이다. 열 릴리스(thermal release) 테이프를 부착하여 전사하는 방법, 롤-투-롤 방법 등도 기본적으로 고분자 접착제를 이용하는 방법이다. 경화된 고분자가 안정적인 전사에 유용하나 고분자 레지듀 없는 그래핀을 얻기 어렵고 전사 후 공정으로도 고분자를 제거하기가 어렵다. The graphenes grown on the copper foil or the copper foil are transferred to a silicon substrate or a flexible substrate having an oxide film for quality inspection of graphene or for manufacturing electronic devices and biosensors. The method of transferring to the silicon oxide film is generally a transfer method in which a thin film of copper is etched by spin coating a polymer coating agent for optical or electron beam lithography, a polymer / graphene sheet is placed on a substrate, and the polymer is dissolved in acetone. A method in which a thermal release tape is attached and transferred, or a roll-to-roll method is basically a method using a polymer adhesive. The cured polymer is useful for stable transfer, but it is difficult to obtain graphene without polymer residue and it is difficult to remove the polymer even after the transfer process.
도 1은 본 발명의 전사방법을 단계별로 나타낸 것이고, 도 2는 이 방법의 플로차트를 나타낸다. 이 전사방법은 그래핀이 성장된 구리박편의 크기가 10 mm x 10 mm 라 했을 때 가장자리에 폭이 약 1 ~ 2mm인 고분자 도포제를 미세한 브러시를 사용하여 코팅하여 고분자가두리(2)를 만들고, 실제 이용되는 그래핀의 영역은 고분자 도포제가 없이 전사하는 것이다. 이 방법은 그래핀영역(1)을 고분자 오염으로 보호할 수 있을 뿐 아니라 전자현미경 또는 터널현미경의 원자 레벨 고분해능 관측을 위한 시편제작에 유리하다.Fig. 1 shows the transfer method of the present invention step by step, and Fig. 2 shows a flow chart of this method. In this transfer method, when the size of the grafted copper foil is 10 mm × 10 mm, a polymer coating agent having a width of about 1 to 2 mm is coated with a fine brush to make a polymer cage (2) The area of graphene used is transferred without a polymeric coating agent. This method not only protects the graphene region (1) with polymer contamination, but also is advantageous for preparing specimens for high-resolution atomic level observation of electron microscopes or tunnel microscopes.
도 3은 구리박막에 성장한 그래핀 샘플을 불화수소로 에칭하여 그래핀/구리층을 떼어내는 과정을 나타낸다. 구리박막에 성장된 그래핀의 전사는 구리박편에 비해 몇 가지 절차가 더 필요하다. 성장된 샘플은 그래핀/구리/SiO₂/Si 구조를 갖기 때문에 가장자리에 고분자 도포체로 가두리를 만들고 경화한 다음 불화수소 에칭용액으로 SiO₂층을 에칭하여 그래핀/구리 층을 떼어낸다. 그 외 전사절차는 구리박편의 전사방법과 동일하다. 불화수소는 일반적으로 6:1로 증류수에 희석된 용액을 사용하였으나 산화막의 두께와 에칭시간을 고려하여 최적화하여 사용한다. FIG. 3 shows a process of removing a graphene / copper layer by etching a graphene sample grown on a copper thin film with hydrogen fluoride. Transcription of graphene grown on copper foil requires several more steps than copper foil. Since the grown sample has a graphene / copper / SiO2 / Si structure, the cage is formed with a polymer coating on the edge and cured, and then the SiO2 layer is etched with a hydrogen fluoride etching solution to remove the graphene / copper layer. The other transfer procedure is the same as the transfer method of copper flakes. Hydrogen fluoride is generally diluted with distilled water at a ratio of 6: 1, but it is optimized in consideration of the thickness of the oxide film and the etching time.
고분자가두리는 폴리메칠메타크릴레이트(polymethyl methacrylate: PMMA), Su8, 포토리지스트(PR), ) 등을 사용하여 형성한다.The polymer cage is formed using polymethyl methacrylate (PMMA), Su8, photoresist (PR), etc.).
가두리를 도포하는 브러시는 강한 것이 유리하고 한 가닥 또는 두 가닥으로 구성된 것을 사용하고, 고분자 도포제를 여러 번 도포한 후 건조한다.The brush for applying the cage is advantageous in strength and is formed of one strand or two strands, and the polymeric coating agent is applied several times and then dried.
경화조건은 고분자 도포제에 따라 다르나, PMMA는 180℃에서 2분, PR은 150℃에서 2분간 경화시킨다. 고품질의 그래핀은 그래핀 산화를 방지하기 위하여 진공분위기에서 경화시키는 방법을 사용한다.Curing conditions vary depending on the polymer coating agent, but PMMA is cured at 180 ° C for 2 minutes and PR is cured at 150 ° C for 2 minutes. A high-quality graphene is cured in a vacuum atmosphere to prevent graphene oxidation.
경화된 고분자가두리는 구리 에칭용액과 불화수소 에칭용액에 영향을 받지 않고 증류수 린스과정에서는 그래핀을 보호하는 역할을 한다.The cured polymer cage is not affected by the copper etching solution and the hydrogen fluoride etching solution, and serves to protect the graphene in the distilled water rinsing process.
린스는 에칭이 완료되면 에칭용액을 증류수로 치환하는 과정이다. 린스는 용액치환용 미세관을 이용해 실행한다. 미세관의 크기는 용액의 양에 의해 결정되며 일반적으로 유리튜브를 이용한다. 린스는 미세관이 두 개, 증류수가 든 용기 및 빈 용기가 필요하고 중앙에 그래핀을 에칭한 용액용기를 두고 상하부에 단차를 두고, 상부에 증류수가 든 용기를 하부에 빈 용기를 위치시킨다. 두 개의 미세관은 삼각대위에 고정하고 짧은 쪽이 위쪽에 위치하도록 배치하여 두 개를 차례로 위치시켜 린스를 시작한다. 린스는 3 ~ 4번 하여 에칭용액을 완전히 배출한다. 구리를 에칭한 용액은 적색을 띠고 완전히 치환된 용액은 무색을 나타낸다. 그래핀이 90% 이상의 투명도를 가지고 있기 때문에 고분자가두리 없이 에칭이 완료되어 증류수에 떠있는 그래핀은 육안으로 구분하기 어려우나 고분자가두리는 육안으로 구분이 용이하다.Rinse is the process of replacing the etching solution with distilled water when the etching is completed. The rinse is carried out using a solution replacement microtubule. The size of the microtubule is determined by the amount of the solution, and generally a glass tube is used. The rinse requires two tubes, a container with distilled water and an empty container, a solution container with etching graphene at the center, a step at the top and bottom, and a container with distilled water at the top and an empty container at the bottom. The two microtubules are placed on a tripod and positioned so that the short side is on the top and the two are placed in order to start the rinse. The rinse is run 3 to 4 times to completely discharge the etching solution. The copper etching solution is red, and the completely substituted solution is colorless. Since graphene has a transparency of more than 90%, it is difficult to distinguish graphene floating in distilled water because the etching is completed without polymer cage, but the polymer cage is easily distinguished by the naked eye.
린스가 끝난 그래핀은 고분자가두리의 내부에 고분자에 오염되지 않은 그래핀이 연결되어 증류수에 떠있는 상태이다. 전사는 임의의 기판을 고분자가두리 하부에 넣어 떠내면 된다. 친수성이 있는 기판이 전사에 유리하나 고분자가두리가 있기 때문에 친수성이 없는 기판도 무방하다. 조각으로 군집되어 성장된 그래핀은 고분자가두리에 둘러싸여 있어 안전하고 쉽게 그래핀을 기판에 전사할 수 있다.Graphene, which has been rinsed, is connected to a polymer-free graphene inside the polymer cage and floated in distilled water. The transfer can be carried out by placing an arbitrary substrate under the polymer cage. A substrate having hydrophilic properties is advantageous for transfer, but a substrate having no hydrophilic property is also usable because there is a polymer cage. Graphene grains clustered into pieces are surrounded by a polymer cage, so graphenes can be safely and easily transferred to the substrate.
그래핀이 전사된 기판은 대기 또는 진공분위기에서 건조하고 건조가 끝나면 고분자가두리를 제거하여 전사를 완료한다. 고품질의 그래핀은 저온에서 시간을 길게 가져가는 것이 유리하며 건조온도를 50℃ 이상으로 올리면 그래핀 결함들에서 산소와 결합하여 산화될 가능성에 노출된다.The graphene transferred substrate is dried in an atmospheric or vacuum atmosphere, and when the drying is completed, the polymer cage is removed to complete the transfer. High-quality graphene is advantageous in that it takes a long time at low temperatures and is exposed to the possibility of oxidation and bonding with oxygen in graphene defects if the drying temperature is raised above 50 ° C.
전사된 그래핀은 그 크기에 따라 하드마스크를 이용하여 전극을 부착하여 생체감응소자나 그래핀 소자의 특성을 분석하는 데 이용된다. The transferred graphene is used to analyze the characteristics of the biosensor or graphene device by attaching electrodes using a hard mask according to their sizes.
본 발명은 1 ~ 2 마이크로미터 크기의 고분자 찌꺼기가 없는 청정 그래핀을 전사하는 그래핀 가두리 전사방법이지만 이에 제한된 것은 아니다. 예를 들면 1 ~ 2 마이크로미터의 조각으로 군집되어 성장된 샘플을 광 또는 전자빔 리소그래피를 써서 동시에 복수 개의 영역으로 전사할 수 있다. 한 기판에 복수 개의 영역으로 동시에 1 ~ 2 마이크로미터의 조각으로 군집된 그래핀을 전사하는 그래핀 가두리 전사방법은 그래핀이 성장된 금속박편 샘플에 광 또는 전자빔 리소그래피용 고분자 도포제를 스핀코팅하고 경화한 후, 광 또는 전자빔 리소그래피를 사용해 복수 개의 영역으로 나누어 고분자가두리를 형성하고 현상한다. 현상된 금속박편을 금속 에칭용액에서 일정시간 에칭한 후, 에칭이 끝나면 에칭용액을 증류수로 용액치환기를 이용해 린스를 하고, 린스가 끝나면 증류수 상부에 떠서 고분자가두리 및 내부에 있는 그래핀을 기판에 전사한다. 전사가 끝나면 그래핀이 있는 기판을 대기분위기 또는 진공분위기에서 건조하고 고분자가두리를 핀셋으로 제거한다. 이 방법은 전사 후 하드마스크를 이용해 전극을 부착하여 갭 소자를 대량으로 제조할 수 있다. 갭 소자는 두 개의 전극이 근접하여 위치하고 갭을 형성하고 갭에 탐지샘플이 위치하였을 때 저항을 탐지하는 원리로 생체분자 탐지 소자 등에 널리 이용되는 방법이다. 그래핀은 공유결합을 하고 있고 그래핀의 가장자리에 위치한 원자들은 결합이 불완전한 상태라 다른 분자들과 활발하게 결합에 관여할 수 있어 생체분자 갭 소자에 적합하다.The present invention is a graphene cage transfer method for transferring clean grains having no polymer residue of 1 to 2 micrometers in size, but the present invention is not limited thereto. For example, a clustered sample of 1 to 2 micrometers can be transferred to a plurality of regions simultaneously using optical or electron beam lithography. A graphene cage transfer method for transferring graphenes clustered into a plurality of areas simultaneously on a substrate in a piece of 1 to 2 micrometers is carried out by spin coating a polymeric coating material for photolithographic or electron beam lithography on a sample of a metal foil having graphened growth, , And then divided into a plurality of regions using optical or electron beam lithography to form a polymer cage and develop. The developed metal foil is etched for a predetermined time in a metal etching solution. After the etching is finished, the etching solution is rinsed with distilled water using a solution substitution machine. When the rinse is finished, the polymer foil is transferred to the upper part of the distilled water, do. Once the transfer is complete, dry the substrate with graphene in an atmospheric or vacuum environment and remove the polymer cage with tweezers. In this method, after the transfer, electrodes can be attached using a hard mask to produce a large number of gap elements. The gap element is a method widely used for a biomolecule detection device or the like as a principle that two electrodes are located close to each other to form a gap and a resistance sample is detected in a gap. Graphene has a covalent bond and the atoms at the edge of graphene are inadequate to bond and can actively bind with other molecules, making them suitable for biomolecule gap devices.
고분자가두리의 폭은 기판의 크기에 따라 정해지며 고정적인 것은 아니다. 예를 들면 기판이 10 cm x 10 cm 이면 고분자가두리의 폭은 약 1 cm 가 되고 10 mm x 10 mm이면 폭을 1 mm로 정하여 형성한다. 또한 고분자가두리의 높이도 고정적인 것이 아니고 금속박편 또는 금속박막의 두께를 고려하여 결정한다.The width of the polymer cage is determined by the size of the substrate and is not fixed. For example, if the substrate is 10 cm x 10 cm, the width of the polymer cage is about 1 cm, and if the substrate is 10 mm x 10 mm, the width is 1 mm. Also, the height of the polymer cage is not fixed, but is determined in consideration of the thickness of the metal foil or the metal thin film.
고분자가두리는 고분자에 색상을 첨가하여 사용할 수 있으며, 색상 첨가는 고분자가두리의 구별이 용이하게 하여 그래핀 전사속도 및 정확성을 높일 수 있다. 다만 색상첨가제는 증류수 및 에칭액에 불용성이어야 한다. The polymer cage can be used by adding color to the polymer, and color addition facilitates the discrimination of the polymer cage, thereby increasing the graphene transfer rate and accuracy. However, color additives should be insoluble in distilled water and etchant.
1: 그래핀 2: 고분자가두리
3: 에칭용기 4: 에칭액
5: 기판 1: Graphene 2: Polymer cage
3: Etching vessel 4: Etching solution
5: substrate
Claims (7)
그래핀이 성장된 금속박편 또는 금속박막에 고분자 도포제를 기판 크기에 맞게 가장자리만 도포하여 고분자가두리를 형성하는 단계;
고분자가두리가 도포된 금속박편을 대기분위기 또는 진공분위기에서 경화하는 단계;
고분자가두리가 형성된 금속박편 또는 금속박막을 금속 에칭용액에 에칭하는 단계;
에칭 후 금속 에칭용액을 증류수로 치환하여 린스하는 단계;
린스 후 기판을 그래핀 하부에 넣어 증류수 상부에 떠있는 고분자가두리와 그 내부에 있는 그래핀을 함께 기판에 전사하는 단계; 및
전사된 기판을 대기분위기 또는 진공분위기에서 건조하고 고분자가두리를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 가두리 전사방법. A graft cage transfer method for transferring onto a substrate without residue of a polymer,
Applying a polymeric coating agent to a metal foil or a metal thin film on which graphene is grown to form a polymer cage by applying an edge only to the substrate size;
Curing the metal flakes coated with the polymer cage in an air atmosphere or a vacuum atmosphere;
Etching a metal foil or a metal thin film on which the polymer cage is formed into a metal etching solution;
Rinsing the metal etching solution after the etching with distilled water;
After the rinsing, the substrate is placed under the graphene, and the polymer cage floating on the distilled water and the grains therein are transferred together to the substrate. And
And drying the transferred substrate in an atmospheric or vacuum atmosphere to remove the polymer cage.
성장된 상기 그래핀은,
화학기상증착(CVD) 또는 분자선에피탁시(MBE) 방법에 의해 금속박편 또는 금속박막의 표면에 소스가스 및 캐리어가스를 조절하여,
금속표면에 전체가 연결된 그래핀으로 또는 20 μm 이하 조각 크기로 연결되지 않고 군집되게 성장한 것을 특징으로 하는 그래핀 가두리 전사방법. The method according to claim 1,
The grown graphene,
The source gas and the carrier gas are controlled on the surface of the metal foil or the metal thin film by chemical vapor deposition (CVD) or molecular beam epitaxy (MBE)
Characterized in that the graphene cladding method is characterized in that the graphene cladding layer is grown in a graphene structure connected to the metal surface as a whole or in a cluster size of not more than 20 μm.
상기 고분자 도포제는 광 또는 전자빔 리소그래피에 사용되는 고분자 도포제인 것을 특징으로 하는 그래핀 가두리 전사방법.The method according to claim 1,
Wherein the polymeric coating agent is a polymeric coating agent used for optical or electron beam lithography.
상기 금속박막의 에칭은 실리콘 산화막을 불화수소에 에칭한 후 금속박막을 금속 에칭용액에 에칭하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 가두리 전사방법The method according to claim 1,
Wherein the etching of the metal thin film comprises etching the silicon oxide film with hydrogen fluoride and etching the metal thin film into a metal etching solution.
상기 기판은 친수성 기판인 것을 특징으로 하는 그래핀 가두리 전사방법. The method according to claim 1,
Wherein the substrate is a hydrophilic substrate.
상기 기판은 실리콘 산화막이 형성된 기판, 고분자 투명필름 또는 터널전자현미경 그리드인 것을 특징으로 하는 그래핀 가두리 전사방법. The method according to claim 1,
Wherein the substrate is a substrate on which a silicon oxide film is formed, a polymer transparent film, or a tunnel electron microscope grid.
고분자가두리는 그래핀샘플 크기에 따라 복수 개의 영역으로 나누어 형성하는 것을 특징으로 하는 그래핀 가두리 전사방법.The method according to claim 1,
Wherein the polymer cage is divided into a plurality of regions according to a graphene sample size.
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