KR102049323B1 - 나노패치 그래핀 복합체 및 그의 제조방법 - Google Patents

나노패치 그래핀 복합체 및 그의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102049323B1
KR102049323B1 KR1020170085343A KR20170085343A KR102049323B1 KR 102049323 B1 KR102049323 B1 KR 102049323B1 KR 1020170085343 A KR1020170085343 A KR 1020170085343A KR 20170085343 A KR20170085343 A KR 20170085343A KR 102049323 B1 KR102049323 B1 KR 102049323B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
graphene
nanopatch
graphene composite
self
defect
Prior art date
Application number
KR1020170085343A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190004940A (ko
Inventor
조길원
강보석
이성규
Original Assignee
재단법인 나노기반소프트일렉트로닉스연구단
포항공과대학교 산학협력단
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 재단법인 나노기반소프트일렉트로닉스연구단, 포항공과대학교 산학협력단 filed Critical 재단법인 나노기반소프트일렉트로닉스연구단
Priority to KR1020170085343A priority Critical patent/KR102049323B1/ko
Priority to US15/833,090 priority patent/US10600977B2/en
Priority to EP17205785.3A priority patent/EP3425686B1/en
Priority to CN201810058614.3A priority patent/CN109205605A/zh
Publication of KR20190004940A publication Critical patent/KR20190004940A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102049323B1 publication Critical patent/KR102049323B1/ko

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
    • C01B32/194—After-treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07F—ACYCLIC, CARBOCYCLIC OR HETEROCYCLIC COMPOUNDS CONTAINING ELEMENTS OTHER THAN CARBON, HYDROGEN, HALOGEN, OXYGEN, NITROGEN, SULFUR, SELENIUM OR TELLURIUM
    • C07F7/00—Compounds containing elements of Groups 4 or 14 of the Periodic System
    • C07F7/02—Silicon compounds
    • C07F7/08—Compounds having one or more C—Si linkages
    • C07F7/18—Compounds having one or more C—Si linkages as well as one or more C—O—Si linkages
    • C07F7/1804—Compounds having Si-O-C linkages
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G01B7/18—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in resistance
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/16—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic System
    • H01L29/1606—Graphene
    • H01L51/0097—
    • H01L51/0508—
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having a potential-jump barrier or a surface barrier
    • H10K10/40—Organic transistors
    • H10K10/46—Field-effect transistors, e.g. organic thin-film transistors [OTFT]
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K71/00—Manufacture or treatment specially adapted for the organic devices covered by this subclass
    • H10K71/60—Forming conductive regions or layers, e.g. electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K77/00—Constructional details of devices covered by this subclass and not covered by groups H10K10/80, H10K30/80, H10K50/80 or H10K59/80
    • H10K77/10—Substrates, e.g. flexible substrates
    • H10K77/111—Flexible substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/20—Carbon compounds, e.g. carbon nanotubes or fullerenes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/80—Crystal-structural characteristics defined by measured data other than those specified in group C01P2002/70
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/80—Crystal-structural characteristics defined by measured data other than those specified in group C01P2002/70
    • C01P2002/84—Crystal-structural characteristics defined by measured data other than those specified in group C01P2002/70 by UV- or VIS- data
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/01—Particle morphology depicted by an image
    • C01P2004/04—Particle morphology depicted by an image obtained by TEM, STEM, STM or AFM
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having a potential-jump barrier or a surface barrier
    • H10K10/40—Organic transistors
    • H10K10/46—Field-effect transistors, e.g. organic thin-film transistors [OTFT]
    • H10K10/462—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs]
    • H10K10/481—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs] characterised by the gate conductors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having a potential-jump barrier or a surface barrier
    • H10K10/40—Organic transistors
    • H10K10/46—Field-effect transistors, e.g. organic thin-film transistors [OTFT]
    • H10K10/462—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs]
    • H10K10/484—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs] characterised by the channel regions
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having a potential-jump barrier or a surface barrier
    • H10K10/80—Constructional details
    • H10K10/82—Electrodes
    • H10K10/84—Ohmic electrodes, e.g. source or drain electrodes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

본 발명은 결함을 포함하는 그래핀; 및 상기 결함 상에 위치하는 나노패치;를 포함하는 나노패치 그래핀 복합체에 관한 것이다.
본 발명은, 그래핀의 표면에 나노패치를 자기조립 방식으로 형성시켜 그래핀복합체의 기계적 물성과 내구성을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 나노패치 그래핀 복합체를 포함하는 유연 유기트랜지스터는 투명하면서도 기계적 내구성이 높아 소자의 안정성을 부여할 뿐만 아니라, 상기 나노패치 그래핀 복합체 위에 성장하는 유기반도체 층의 분자배향을 전하 주입에 유리하게끔 유도하여 소자의 성능을 향상시키는 효과가 있다.

Description

나노패치 그래핀 복합체 및 그의 제조방법 {NANOPATCH GRAPHENE COMPOSITE AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}
본 발명은 나노패치 그래핀 복합체 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 그래핀의 표면에 나노패치를 자기조립 방식으로 형성시켜 그래핀 복합체의 기계적 물성과 내구성을 향상시키고, 이를 기반으로 차세대 유연 전자 소자의 기계적 안정성을 향상시키는 나노패치 그래핀 복합체 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
그래핀은 sp2 결합을 이루는 탄소 원소 한 층으로 이루어진 2차원 물질로 우수한 광학적, 열적, 기계적 그리고 전기적 특성을 가지고 있어 소프트 전자소자의 차세대 재료로 각광받고 있다. 그래핀을 상용화 하기 위해서는 1) 대면적, 고품질의 그래핀 합성 및 전사, 2) 기초적인 그래핀 특성에 대한 심도 있는 분석, 3) 그래핀 기반 소자를 제작하기 위한 제조 공정의 개발 그리고 4) 고성능 소자를 위한 그래핀 특성의 최적화 등의 문제를 해결해야 한다. 이러한 문제들 중에서, 우선적으로 대면적, 고품질의 그래핀을 원하는 기판에 생산하는 것이 가장 중요하다. 화학기상증착법은 대면적, 고품질의 그래핀을 촉매 금속 위에 합성할 수 있어 그래핀의 상용화에 가장 적합한 적합한 방법으로 기대된다. 하지만, 그래핀이 촉매 금속 위에서 성장되기 때문에 반드시 원하는 기판으로 전사과정이 필요하다. 그래핀 전사 과정에서 그래핀의 특성이 크게 저하될 수 있기 때문에 그래핀의 합성만큼 전사 과정 또한 중요한 단계이다. 현재까지 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)를 전사 지지층으로 활용한 여러가지 전사 방법을 통해 대면적, 고품질의 그래핀을 전사하고자 했지만 마이크로미터 수준의 그래핀 결함이 발생한다. 이로 인해 그래핀의 고유한 물성보다 낮은 물성치를 갖게 되며, 특히 기계적 내구성이 크게 저하된다. 결함이 있는 그래핀을 재료로 유연전자소자를 만들게 되면 소자의 안정성과 신뢰성 또한 낮아진다. 이를 해결하기 위해 지지층의 도입이나 기판과의 결합력을 높이는 공정을 생각해 볼 수 있지만 복잡한 추가공정을 피할 수 없으며, 기판의 선택에 제한이 발생하는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그래핀의 표면에 나노패치를 자기조립 방식으로 형성시켜 그래핀 복합체의 기계적 물성과 내구성을 향상시키고, 이를 기반으로 기계적 안정성이 향상된 차세대 유연 전자 소자를 제공하는데 있다.
본 발명의 하나의 측면에 따르면, 결함을 포함하는 그래핀; 및 상기 결함 상에 위치하는 나노패치;를 포함하는 나노패치 그래핀 복합체를 제공한다.
상기 결함이 결정립계(grain boundary), 점 결함, 선 결함, 크랙, 접힘 및 주름으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 나노패치가 자기조립 단분자층(SAM, Self-assembled monolayer)을 포함할 수 있다.
상기 자기조립 단분자층이 아래 화학식 1로 표시되는 화합물이 상기 결함 상에서 자기조립되어 형성된 단분자층일 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112017064362373-pat00001
화학식 1에서,
R1이 C3 내지 C30 알킬기이고,
R2 및 R3이 서로 같거나 다르고, 각각 독립적으로 수소원자, 또는 C1 내지 C6 알킬기이고,
R4가 C1 내지 C6 알킬기이다.
상기 화학식 1로 표시되는 화합물이 옥타데실트리메톡시실란(octadecyltrimethoxysilane, OTS)일 수 있다.
상기 나노패치는 상기 그래핀의 변형 시 상기 결함에서 성장하는 상기 그래핀의 파괴를 억제하거나 지연시킬 수 있다.
상기 그래핀이 단일층 그래핀, 2중층 그래핀 및 다층 그래핀으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 측면에 따르면, 유연기판; 상기 기판 상에 반도체층; 및 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극; 을 포함하고, 상기 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상은 상기 나노패치 그래핀 복합체를 포함하는 것인 유기트랜지스터를 제공한다.
상기 유연기판이 폴리디메틸실록세인, 폴리이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리아미드 및 유리섬유강화플라스틱 (fiber glass reinforced plastic)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 측면에 따르면, 유연기판; 상기 유연기판 상에 형성되고, 상기 나노패치 그래핀 복합체를 포함하는 활성층; 및 상기 활성층과 전기적으로 연결된 전극;을 포함하는 유연 스트레인센서를 제공한다.
본 발명의 또 다른 하나의 측면에 따르면, (a) 결함을 포함하는 그래핀을 제공하는 단계; (b) 상기 그래핀을 산화시켜 산소원자를 갖는 기능기를 상기 결함 상에 결합시켜 표면 개질 그래핀을 제조하는 단계; (c) 상기 기능기에 자기조립 단분자층을 결합시켜 나노패치 그래핀 복합체를 제조하는 단계; 를 포함하는 나노패치 그래핀 복합체의 제조방법을 제공한다.
상기 단계 (c)에서 상기 자기조립 단분자층이 아래 화학식 1로 표시되는 화합물을 자가조립시켜 형성된 것일 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112017064362373-pat00002
화학식 1에서,
R1이 C3 내지 C30 알킬기이고,
R2 및 R3이 서로 같거나 다르고, 각각 독립적으로 수소원자, 또는 C1 내지 C6 알킬기이고,
R4가 C1 내지 C6 알킬기이다.
상기 산화가 상기 그래핀의 결함에서 선택적으로 발생하는 것일 수 있다.
상기 산화는 UV/Ozone을 사용하여 수행하는 것일 수 있다.
본 발명은, 그래핀의 표면에 나노패치를 자기조립 방식으로 형성시켜 그래핀복합체의 기계적 물성과 내구성을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 나노패치 그래핀 복합체를 포함하는 유연 유기트랜지스터는 투명하면서도 기계적 내구성이 높아 소자의 안정성을 부여할 뿐만 아니라, 상기 나노패치 그래핀 복합체 위에 성장하는 유기반도체 층의 분자배향을 전하 주입에 유리하게끔 유도하여 소자의 성능을 향상시키는 효과가 있다.
도 1의 (a)는 본 발명의 나노패치 그래핀 복합체의 구조이고, (b)는 상기 나노패치 그래핀 복합체를 포함하는 유연 스트레인센서의 구조 및 (c)는 상기 나노패치 그래핀 복합체를 포함하는 유연 유기트랜지스터의 구조이다.
도 2는 본 발명의 나노패치 그래핀 복합체의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 실시예 1-1 및 비교예 1의 AFM 이미지이다.
도 4는 실시예 1-1에 따른 나노패치 그래핀 복합체의 (a) 에너지 분산 분광기 (EDS)를 이용한 STEM 이미지, (b) selected area electron diffraction (SAED) 패턴, (c) Grazing incidence X-ray diffraction (GIXD) 측정결과, (d) 그래핀에서의 자기조립 나노패치층의 에피택셜 구조에 관한 이미지이다.
도 5는 실시예 1-1 및 비교예 1의 UV-vis spectra 분석결과를 나타낸 것이다.
도 6의 (a)는 그래핀 전계 효과 트랜지스터의 개략도를 나타내었고, (b)는 소자실시예 1 및 소자비교예 1의 전계효과 트랜지스터의 성능결과를 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 1-1, 비교예 1, 비교예 2에 따른 (a) 나노인덴테이션(nanoindentation) 실험결과, (b) 파단 하중의 히스토그램으로 기계적 특성을 비교한 그래프이다.
도 8은 (a) 소자실시예 2 및 소자비교예 2, (b) 소자실시예 3 및 소자비교예 3, (c) 소자실시예 4 및 소자비교예 4에 따라 제조된 유기 트랜지스터의 성능 차이를 보여주는 트랜스퍼 커브를 나타낸 것이다.
도 9는 소자실시예 2 내지 3 및 소자비교예 2 내지 3의 two-dimensional grazing incidence x-ray diffraction 패턴을 나타낸 것이다.
도 10은 실시예 1-1 및 실시예 1-2에 따라 제조된 나노패치 그래핀 복합체의 저항을 측정하기 위한 개략도를 나타낸 것이다.
도 11은 실시예 1-3 및 비교예 1에 따른 (a) 벤딩 반경 5mm의 벤딩 시험 시스템, (b) 5mm의 bending strain 하에서 전도도가 얼마나 유지되는지 비교하는 그래프이다.
도 12는 실시예 1-4 및 비교예 1에 따른 (a) PDMS 기판을 이용한 신장 시험시스템(Scale bar, 2 cm), (b) tensile strain 하에서 전도도가 얼마나 유지되는지 비교하는 그래프이다.
도 13은 (a) 손가락, (b) 손등에 각각 소자실시예 5를 부착하여 움직임에 따른 저항의 변화를 측정한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 이하에서 사용될 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
또한, 어떤 구성요소가 "다른 구성요소 상에", " 다른 구성요소 상에 형성되어" 또는 " 다른 구성요소 상에 적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어 있거나 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1의 (a)는 본 발명의 나노패치 그래핀 복합체의 구조이고, (b)는 상기 나노패치 그래핀 복합체를 포함하는 유연 스트레인센서의 구조 및 (c)는 상기 나노패치 그래핀 복합체를 포함하는 유연 유기트랜지스터의 구조이다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 나노패치 그래핀 복합체에 대해 설명하도록 한다.
본 발명은 결함을 포함하는 그래핀; 및 상기 결함 상에 위치하는 나노패치; 를 포함하는 나노패치 그래핀 복합체를 제공한다.
상기 결함이 결정립계(grain boundary), 점 결함, 선 결함, 크랙, 접힘 및 주름으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 나노패치가 자기조립 단분자층(SAM, Self-assembled monolayer)을 포함할 수 있다.
상기 자기조립 단분자층이 아래 화학식 1로 표시되는 화합물이 상기 결함 상에서 자기조립되어 형성된 단분자층일 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112017064362373-pat00003
화학식 1에서,
R1이 C3 내지 C30 알킬기이고,
R2 및 R3이 서로 같거나 다르고, 각각 독립적으로 수소원자, 또는 C1 내지 C6 알킬기이고,
R4가 C1 내지 C6 알킬기이다.
상기 화학식 1로 표시되는 화합물이 옥타데실트리메톡시실란(octadecyltrimethoxysilane, OTS)일 수 있다.
상기 나노패치는 상기 그래핀의 변형 시 상기 결함에서 성장하는 상기 그래핀의 파괴를 억제하거나 지연시킬 수 있다.
상기 그래핀이 단일층 그래핀, 2중층 그래핀 및 다층 그래핀으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명은 유연기판; 상기 기판 상에 반도체층; 및 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극; 을 포함하고, 상기 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상은 상기 나노패치 그래핀 복합체를 포함하는 것인 유기트랜지스터를 제공한다.
상기 유연기판이 폴리디메틸실록세인, 폴리이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리아미드 및 유리섬유강화플라스틱 (fiber glass reinforced plastic)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명은 유연기판; 상기 유연기판 상에 형성되고, 상기 나노패치 그래핀 복합체를 포함하는 활성층; 및 상기 활성층과 전기적으로 연결된 전극;을 포함하는 유연 스트레인센서를 제공한다.
도 2는 본 발명의 나노패치 그래핀 복합체의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 도 2를 참고하여, 본 발명의 나노패치 그래핀 복합체의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 결함을 포함하는 그래핀을 제공한다 (단계 a).
다음으로, 상기 그래핀을 산화시켜 산소원자를 갖는 기능기를 상기 결함 상에 결합시켜 표면 개질 그래핀을 제조한다 (단계 b).
상기 산화가 상기 그래핀의 결함에서 선택적으로 발생할 수 있다.
상기 산화는 UV/Ozone을 사용하여 수행하는 것일 수 있다.
다음으로, 상기 기능기에 자기조립 단분자층을 결합시켜 나노패치 그래핀 복합체를 제조한다. (단계 c).
단계 (c)에서 상기 자기조립 단분자층이 아래 화학식 1로 표시되는 화합물을 자가조립시켜 형성된 것일 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112017064362373-pat00004
화학식 1에서,
R1이 C3 내지 C30 알킬기이고,
R2 및 R3이 서로 같거나 다르고, 각각 독립적으로 수소원자, 또는 C1 내지 C6 알킬기이고,
R4가 C1 내지 C6 알킬기이다.
[실시예]
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것이 아니다.
실시예 1-1: 자기조립 단분자층이 형성된 나노패치 그래핀 복합체 제조 후 SiO 2 /Si 웨이퍼에 전사한 나노패치 그래핀 복합체 제조
구리 포일 (Alfa Aesar, product number: 13382)을 석영 챔버에 두고, 50mTorr 압력에서 1시간 동안 10sccm (standard cubic centimeters per minute)의 수소 가스 하에서 1000로 가열하여 표면을 환원하였다. 다음은 45sccm의 메탄 가스를 300mTorr 압력에서 30분동안 흘려주었다. 이어서, 석영 챔버를 급속히 냉각시켜 구리 포일 위에 단층 그래핀 박막을 제조하였다.
제조한 단층 그래핀 박막을 포토리소그래피 법으로 그래핀을 패터닝 한 후, 그래핀 표면을 3분동안 UV/Ozone 처리를 하였다. 트리클로로에틸렌 (1,1,2-Trichloroethylene, Sigma-Aldrich)용액 10ml에 옥타데실트리메톡시실란 (Octadecyltrimethoxysilane, Gelest,Inc)용액 12μl을 교반하여 제조한 3mM의 OTS solution을 그래핀 기판 위에 스핀코팅 방법으로 도포하고, 챔버를 암모니아수 분위기로 만들어 10시간 정도 샘플을 보관하여 OTS 분자와 그래핀의 표면과 공유결합을 유도하였다. 이후, 샘플을 꺼내어 그래핀 표면에 반응하지 않는 OTS 분자들을 아세톤(acetone) 용액으로 씻어내고 건조시켰다. 마지막으로 구리 포일 위의 그래핀 박막을 SiO2/Si 웨이퍼 상에 전사하여 나노패치 그래핀 복합체(OTS-Graphene, OTS-G)를 제조하였다.
실시예 1-2: 그래핀을 SiO 2 / Si 웨이퍼에 전사 후 자기조립 단분자층 형성한 나노패치 그래핀 복합체 제조
구리 포일 (Alfa Aesar, product number: 13382)을 석영 챔버에 두고, 50mTorr 압력에서 1시간 동안 10sccm (standard cubic centimeters per minute)의 수소 가스 하에서 1000로 가열하여 표면을 환원하였다. 다음은 45sccm의 메탄 가스를 300mTorr 압력에서 30분동안 흘려주었다. 이어서, 석영 챔버를 급속히 냉각시켜 구리 포일 위에 단층 그래핀 박막을 제조하였다.
상기 구리포일 위에 형성된 단층 그래핀 박막 상에 폴리메틸메타크릴레이트(poly (methyl methacrylate)) 필름 (Aldrich, PMMA 제품 번호: 162265, Mw = 996kg mol- 1)을 스핀 코팅하고, 코팅면의 반대편에 존재하는 그래핀은 산소 플라즈마를 통해 제거하였다. PMMA/그래핀/구리포일을 0.1M의 황산 암모늄((NH4)2S2O8)을 포함하는 수용액의 표면에 띄워 구리 포일을 제거하고, PMMA/그래핀 필름을 탈 이온수로 옮겼다. 다음으로 PMMA/그래핀 필름을 300nm 두께의 SiO2/Si 웨이퍼로 전사시킨 후, 120에서 열처리하고(baked) PMMA를 아세톤으로 제거하였다. 이어서 포토리소그래피 법으로 패터닝하였다.
이후 그래핀 표면을 기능화하기 위해 3분 동안 UV/Ozone 처리(AH1700, Ahtech LTS)를 하였다. 트리클로로에틸렌 (1,1,2-Trichloroethylene, Sigma-Aldrich)용액 10ml에 옥타데실트리메톡시실란 (Octadecyltrimethoxysilane, Gelest,Inc)용액 12μl을 교반하여 제조한 3mM의 OTS solution을 그래핀 기판 위에 스핀코팅 방법으로 도포하고, 챔버를 암모니아수 분위기로 만들어 10시간 샘플을 보관하여 OTS 분자와 그래핀의 표면과 공유결합을 유도하였다. 이후, 샘플을 꺼내어 그래핀 표면에 반응하지 않은 OTS 분자들을 탈이온수(DI WATER), 이소프로필알콜(IPA) 및 아세톤(acetone) 용액으로 씻어내고 건조시켜 SiO2/Si 웨이퍼 상에 형성된 나노패치 그래핀 복합체 (OTS-Graphene, OTS-G)를 제조하였다.
실시예 1-3: 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)상에 형성된 나노패치 그래핀 복합체
구리 포일 위의 그래핀 박막을 SiO2/Si 웨이퍼 상에 전사시키는 대신에 구리 포일 위의 그래핀 박막을 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)로 전사시키는 것을 제외하고 실시예 1-1과 동일한 방법으로 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 상에 형성된 나노패치 그래핀 복합체 (OTS-Graphene, OTS-G)를 제조하였다.
실시예 1-4: 폴리다이메틸실록세인(PDMS)상에 형성된 나노패치 그래핀 복합체
구리 포일 위의 그래핀 박막을 SiO2/Si 웨이퍼 상에 전사시키는 대신에 구리 포일 위의 그래핀 박막을 폴리다이메틸실록세인(PDMS)으로 전사시키는 것을 제외하고 실시예 1-1과 동일한 방법으로 폴리다이메틸실록세인(PDMS) 상에 형성된 나노패치 그래핀 복합체 (OTS-Graphene, OTS-G) 를 제조하였다.
비교예 1: 무처리 그래핀 박막(Pristine graphene)
구리 포일 (Alfa Aesar, product number: 13382)을 석영 챔버에 두고, 50mTorr 압력에서 1시간 동안 10sccm (standard cubic centimeters per minute)의 수소 가스 하에서 1000로 가열하여 표면을 환원하였다. 다음은 45sccm의 메탄 가스를 300mTorr 압력에서 30분동안 흘려주었다. 이어서, 석영 챔버를 급속히 냉각시켜 구리 포일 위에 무처리 그래핀 박막(Pristine grapheme)을 제조하였다. 성장한 단층 그래핀 박막을 PMMA 지지층을 사용하여 실리콘 웨이퍼 (혹은 고분자 기판) 위에 전사하였다.
비교예 2: 박리된 그래핀(exfoliated graphene)
스카치 테이프의 접착력을 이용해 흑연(Kish graphite, Covalent Materials Inc.)으로부터 그래핀을 박리시켜 박리된 그래핀(exfoliated graphene)을 제조하였다.
소자실시예 1: 나노패치 그래핀 복합체를 포함하는 전계트랜지스터의 제조
실시예 1-1에 따라 제조된 나노패치 그래핀 복합체에 소스 전극 및 드레인 전극으로서 두께 60nm의 Au 전극을 열 증착하여 (L = 150μm, W = 300μm) 나노패치 그래핀 복합체를 포함하는 전계트랜지스터를 제조하였다.
유연 유기트랜지스터의 제조
소자실시예 2: 나노패치 그래핀 복합체를 포함하는 유연 유기트랜지스터의 제조
2.5um 두께의 페릴렌(perylene) 박막을 실리콘 웨이퍼 위에 진공열 증착하였다. 그리고 페릴렌/실리콘 웨이퍼 기판위에 2um 두께의 폴리이미드(Polyimide)층을 스핀코팅 방법으로 도포하였다. 상기 폴리이미드 /페릴렌/실리콘웨이퍼 기판에 실시예 1-1에 따라 게이트(gate) 전극 모양이 패터닝된 나노패치 그래핀 복합체(OTS-G)를 도입하였다. 게이트(gate) 전극 모양이 패터닝된 나노패치 그래핀 복합체/폴리이미드/페릴렌/실리콘웨이퍼 기판에 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD)방법을 통해 알루미늄 옥사이드 절연층을 30-100nm 증착하였다. AlOx/게이트(gate) 전극 모양이 패터닝된 나노패치 그래핀 복합체/폴리이미드/페릴렌/실리콘웨이퍼 기판 위에 실시예 1-1에 따라 소스(source)/드레인(drain) 전극 모양이 패터닝된 나노패치 그래핀 복합체를 도입하였다. 마지막으로 상기 기판에 유기반도체 펜타센(pentacene, Sigma-Aldrich)을 0.2Ås-1의 속도로 50nm 증착하여 나노패치 그래핀 복합체를 포함하는 유연 유기트랜지스터를 제조하였다.
소자실시예 3: 나노패치 그래핀 복합체를 포함하는 유연 유기트랜지스터의 제조
기판에 유기반도체 펜타센(pentacene)을 증착하는 대신에 유기반도체 DNTT(dinaphtho[2,3-b:2',3'-f]thieno[3,2-b]thiophene, Sigma-Aldrich)를 증착하는 것을 제외하고 소자실시예 3과 동일한 방법으로 나노패치 그래핀 복합체를 포함하는 유연 유기트랜지스터를 제조하였다.
소자실시예 4: 나노패치 그래핀 복합체를 포함하는 유연 유기트랜지스터의 제조
기판에 펜타센(pentacene)을 증착하는 대신에 유기반도체 C8-BTBT(2,7-dioctyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene, Sigma-Aldrich)를 증착하는 것을 제외하고 소자실시예 3과 동일한 방법으로 나노패치 그래핀 복합체를 포함하는 유연 유기트랜지스터를 제조하였다.
유연스트레인센서의 제조
소자실시예 5: 폴리다이메틸실록세인(PDMS)상에 형성된 나노패치 그래핀 복합체를 포함하는 유연 스트레인 센서의 제조
실시예 1-4의 나노패치 그래핀 복합체 위에 액체 금속(gallium-indium eutectic, product number 495425)을 양쪽 전극으로 증착하여 유연 스트레인센서를 제조하였다.
소자비교예 1: 무처리 그래핀 박막(Pristine graphene )을 포함하는 전계트랜지스터의 제조
실시예 1-1에 따라 제조된 나노패치 그래핀 복합체에 두께 60nm의 Au 전극을 열 증착하는 대신에 비교예 1에 따라 제조된 무처리 그래핀 박막(Pristine graphene)에 두께 60nm의 Au 전극을 열 증착하는 것을 제외하고 소자실시예 1과 동일한 방법으로 무처리 그래핀 박막(Pristine graphene)을 포함하는 전계트랜지스터를 제조하였다.
소자비교예 2: 무처리 그래핀 박막(Pristine graphene )을 포함하는 유연 유기트랜지스터의 제조
게이트(gate) 전극 모양이 패터닝된 나노패치 그래핀 복합체(OTS-G), 소스(source)/드레인(drain) 전극 모양이 패터닝된 나노패치 그래핀 복합체를 도입하는 대신에 비교예 1에 따라 제조된 무처리 그래핀 박막(Pristine grapheme)을 도입하는 것을 제외하고 소자실시예 2와 동일한 방법으로 무처리 그래핀 박막(Pristine graphene)을 포함하는 유연 유기트랜지스터를 제조하였다.
소자비교예 3: 무처리 그래핀 박막(Pristine graphene )을 포함하는 유연 유기트랜지스터의 제조
게이트(gate) 전극 모양이 패터닝된 나노패치 그래핀 복합체(OTS-G), 소스(source)/드레인(drain) 전극 모양이 패터닝된 나노패치 그래핀 복합체를 도입하는 대신에 비교예 1에 따라 제조된 무처리 그래핀 박막(Pristine grapheme)을 도입하는 것을 제외하고 소자실시예 3과 동일한 방법으로 무처리 그래핀 박막(Pristine graphene)을 포함하는 유연 유기트랜지스터를 제조하였다.
소자비교예 4: 무처리 그래핀 박막(Pristine graphene )을 포함하는 유연 유기트랜지스터의 제조
게이트(gate) 전극 모양이 패터닝된 나노패치 그래핀 복합체(OTS-G), 소스(source)/드레인(drain) 전극 모양이 패터닝된 나노패치 그래핀 복합체를 도입하는 대신에 비교예 1에 따라 제조된 무처리 그래핀 박막(Pristine grapheme)을 도입하는 것을 제외하고 소자실시예 4와 동일한 방법으로 무처리 그래핀 박막(Pristine graphene)을 포함하는 유연 유기트랜지스터를 제조하였다.
[시험예]
시험예 1: AFM 모폴로지 분석
도 3은 실시예 1-1 및 비교예 1의 AFM 이미지를 나타낸 것이며, 원자간력현미경(Atomic Force Microscope, AFM) 분석은 Veeco NanoScope 8을 이용하여 분석하였다.
도 3을 참조하면, 비교예 1의 그래핀 박막의 표면과는 달리 실시예 1-1의 나노패치 그래핀 복합체의 표면은 2 나노미터에서 25 나노미터 범위의 크기의 수많은 작은 패치를 나타냄을 확인할 수 있었다.
시험예 2: 나노패치 그래핀 복합체 상의 나노패치의 구조 분석
도 4의 실시예 1-1에 따른 (a) 에너지 분산 분광기 (EDS)를 이용한 STEM 이미지, (b) selected area electron diffraction (SAED) 패턴, (c) Grazing incidence X-ray diffraction (GIXD) 측정결과, (d) 그래핀에서의 자기조립 나노패치층의 에피택셜 구조를 나타낸 것이다.
도 4의 (a)에 따르면, 실시예 1-1의 자기조립 나노패치의 위치에서 실리콘 원자의 존재를 확인할 수 있었고, 자기조립 나노패치가 OTS 분자로 구성되어 있음을 알 수 있었다.
도 4의 (b)와 (d)에 따르면, 실시예 1-1의 자기조립 나노패치의 결정 구조는 육각형 모양의 구조를 형성하고, 그래핀 표면에 약한 에피택시(epitaxy)를 보였으며, 자기조립 나노패치 결정의 전자 회절 패턴은 그래핀의 육각형 패턴에서 약 14도 뒤틀려 있었다. 도 4의 (c)에 따르면, 그래핀 표면의 OTS 구조가 SiO 표면의 OTS 구조와 매우 유사한 것으로 나타났다.
따라서, 자기조립 나노패치는 그래핀 격자에 육각 OTS 상부구조로 이루어졌음을 알 수 있었다.
시험예 3: UV-vis spectra 분석
도 5는 실시예 1-1 및 비교예 1의 UV-vis spectra 분석결과를 나타낸 것이며, UV-vis spectra분석은 CARY-5000, Varian 을 이용하여 분석하였다.
도 5를 참고하면, 실시예 1-1의 나노패치 그래핀 복합체와 비교예 1의 무처리 그래핀 박막의 투과율이 거의 동일한 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 실시예 1-1의 나노패치 그래핀 복합체는 우수한 투과율을 그대로 유지하고 있음을 확인할 수 있었다.
시험예 4: 그래핀 전계 효과 트랜지스터의 전류-전압 변화 측정
도 6의 (a)는 그래핀 전계 효과 트랜지스터의 개략도를 나타내었고, (b)는 소자실시예 1 및 소자비교예 1의 전계 효과 트랜지스터 (VDS = 1 mV)에서의 전류 - 전압 변화를 나타낸 것이다.
도 6을 참고하면, 전계 효과 트랜지스터 (FET)의 전류-전압 변화를 통해 평균 홀 이동도가 소자비교예 1과 소자실시예 1이 각각 8,490 및 9,240cm2V-1s-1로 측정된 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 자기조립 나노패치가 표면에 형성되어도 그래핀의 전기적 특성을 유지하고 있음을 확인할 수 있었다.
시험예 5: 그래핀의 기계적 특성 비교
도 7의 실시예 1-1, 비교예 1, 비교예 2에 따른 (a)는 나노인덴테이션(nanoindentation) 실험결과이고, (b)는 파단하중의 히스토그램을 나타낸 것이다.
도 7의 (a)에 따르면, 비교예 2, 비교예 1 및 실시예 1-1의 2차원 영률 (E2D) 값은 각각 346,312 및 356Nm-1로 측정되었고, 비교예 1 또는 2의 그래핀을 파괴하는 것보다 실시예 1-1의 나노패치 그래핀 복합체를 파괴하는데 더 높은 부하가 걸리는 것을 알 수 있었다.
도 7의 (b)에 따르면, 실시예 1-1의 나노패치 그래핀 복합체의 파괴하중이 비교예 1의 그래핀의 파괴 하중보다 60% 높은 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 계산한 비교예 2, 비교예 1 및 실시예 1-1의 2차원 파괴강도는 (σ2D) 값은 각각 43.5, 39.1 및 52.7Nm- 1 였으며, 이는 실시예 1-1의 나노패치 그래핀 복합체가 비교예 1의 나노패치 그래핀 복합체보다 파괴강도가 35% 증가했음을 의미한다.
따라서, 본 발명에 따른 나노패치 그래핀 복합체는 탄성계수(영률)는 유지하면서 2차원 파괴강도가 종래의 그래핀보다 높게 측정되어 기계적 특성이 크게 향상된 것을 확인할 수 있었다.
시험예 6: 나노패치 그래핀 복합체의 도입에 따른 유기트랜지스터의 성능 차이
도 8의 (a)는 소자실시예 2 및 소자비교예 2, (b)는 소자실시예 3 및 소자비교예 3, (c)는 소자실시예 4 및 소자비교예 4의 유기트랜지스터의 트랜스퍼 특성을 비교한 그래프를 나타낸 것이다. (빨간색: 소자실시예 2 내지 4, 검은색: 소자비교예 2 내지 4)
도 8의 (a), (b), (c)를 참고하면, 소자실시예 2 내지 4가 소자비교예 2 내지 4보다 더 높은 드레인 전류값과 전류점멸비를 나타낸다.
소자실시예 2 내지 4 및 소자비교예 2 내지 4에 따른 유기트랜지스터의 성능지표들을 표 1로 정리하였다.
표 1을 참고하면, 소자실시예 2 내지 4의 유기트랜지스터가 소자비교예 2 내지 4의 유기트랜지스터보다 높은 전하이동도와 낮은 전극컨택저항을 보여줌을 알 수 있었다.
유기반도체 소자 평균정공이동도
(cm 2 /Vs) 		문턱전압
(V) 		온/ 오프 전류비 폭정규화접촉저항
( MOhm ·cm)
Pentacene 소자비교예 2 0.039
(±0.04)		 -11.4
(±4.3)		 104 2.1
소자실시예 2 0.14
(±0.03)		 -9.8
(±3.7)		 106 0.79
DNTT 소자비교예 3 0.16
(±0.11)		 -8.3
(±4.3)		 106 1.7
소자실시예 3 0.79
(±0.17)		 -8.3
(±4.2)		 107 0.25
C8-BTBT 소자비교예 4 0.035
(±0.03)		 -1.2
(±3.6)		 106 5.1
소자실시예 4 0.12
(±0.04)		 -2.6
(±2.7)		 107 1.4
따라서, 소자실시예 2 내지 4의 유기트랜지스터가 소자비교예 2 내지 4의 유기트랜지스터보다 더 좋은 성능을 갖는 것으로 판단된다.
시험예 7: 유기반도체의 분자배향 변화
도 9는 소자실시예 2 내지 3 및 소자비교예 2 내지 3의 two-dimensional grazing incidence x-ray diffraction 패턴 분석의 결과를 나타낸 것이다.
도 9를 참고하면, 소자실시예 2 내지 3의 경우 유기반도체가 기판에 대해 수직배향을 하지만 소자비교예 2 내지 3의 경우 수평배향을 하는 것을 알 수 있었다. 수직배향을 하면 전극과 채널 사이의 계면에서 횡 방향의 전하 수송에 유리하고, 수평방향의 경우, 전극 부근의 전하 수송에 악영향을 주는 것으로 판단된다.
따라서, 소자실시예 2 내지 3의 나노패치 그래핀 복합체 위에 성장하는 유기반도체층의 분자배향을 전하 주입에 유리하게 유도하여 유기트랜지스터 소자의 성능을 향상시킨다는 사실을 확인할 수 있었다.
시험예 8: 그래핀 전사 후 나노패치 제조 및 나노패치 제조 후 그래핀 전사에 따른 나노패치 그래핀 복합체의 전기적 특성 비교
도 10은 실시예 1-1 및 실시예 1-2에 따라 제조된 나노패치 그래핀 복합체의 저항을 측정하기 위한 개략도를 나타낸 것이다.
도 10과 같은 구조로 실시예 1-1 및 1-2에 따라 제조된 나노패치 그래핀 복합체를 SiO2/Si 웨이퍼 상에 전사하는 대신에 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름 위에 전사한 뒤, 금 전극을 패터닝하여 저항을 측정하였다. 측정한 저항 평균치는 각각 0.301ohm과 0.372ohm으로 유사한 것으로 나타났다.
따라서, 실시예 1-1 및 실시예 1-2에 따라 제조된 나노패치 그래핀 복합체의 전기적 특성이 유사함을 알 수 있었다.
시험예 9: 그래핀의 굽힘성, 신축성 및 인장변형 평가
도 11은 실시예 1-3 및 비교예 1에 따른 (a) 벤딩 반경 5mm의 벤딩 시험 시스템, (b) 반복된 5mm의 bending strain 하에서 전기저항측정, 도 12는 실시예 1-4 및 비교예 1에 따른 (a) PDMS 기판을 이용한 신장 시험 시스템(Scale bar, 2 cm), (b) tensile strain 하에서 저항값을 측정한 그래프이다.
도 11을 참고하면, 비교예 1로 제조된 무처리 그래핀 박막의 경우 반복적인 벤딩에 대하여 10회 이후 급격하게 전기저항이 증가 (30~50%)하는데 비해, 실시예 1-3에 따라 제조된 나노패치 그래핀 복합체는 약 1000회의 벤딩에 대하여 10%의 저항증가만을 보여주었다.
또한, 도 12를 참고하면, 직접적인 tensile strain에 대하여 비교예 1로 제조된 무처리 그래핀 박막은 3%의 신장에서부터 급격한 저항증가를 보여주었으나, 같은 신장도에서 실시예 1-4에 따라 제조된 나노패치 그래핀 복합체는 1000배 이상 향상된 저항안정성을 보여주었다.
따라서, 벤딩과 신장에 대하여 실시예 1-3 및 1-4에 따라 제조된 나노패치 그래핀 복합체가 비교예 1에 따라 제조된 무처리 그래핀 박막에 비해 기계-전기적 안정성 (mechano-electric stability)이 훨씬 더 뛰어난 것을 알 수 있었다.
시험예 10: 폴리다이메틸실록세인 ( PDMS ) 상에 형성된 나노패치 그래핀 복합체 를 포함하는 유연 스트레인센서의 저항 변화
도 13의 (a)는 손가락, (b)는 손등에 각각 소자실시예 5를 부착하여 움직임에 따라 저항의 변화를 측정한 그래프이다.
도 13을 참고하면, 소자실시예 5에 따라 제조된 유연스트레인센서가 손가락과 손등의 움직임에 따른 스트레인 변화를 전기적인 신호로 유의미한 시간범위 내에서 알맞게 변환해 주는 것을 알 수 있다.
따라서, 소자실시예 5에 따라 제조된 유연스트레인센서의 성능은 나노패치 그래핀 복합체의 센서응용으로서의 우수성을 입증해 주는 것으로 판단된다
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (14)

  1. 결함을 포함하는 그래핀; 및
    상기 결함 상에 위치하는 나노패치;를 포함하고,
    상기 나노패치는 자기조립 단분자층(SAM, Self-assembled monolayer)를 포함하고,
    상기 자기조립 단분자층은 결정성이고,
    상기 자기조립 단분자층은 아래 화학식 1로 표시되는 화합물이 상기 결함 상에서 자기조립되어 형성된 단분자층인 것인, 나노패치 그래핀 복합체:
    [화학식 1]
    Figure 112019109879570-pat00020

    화학식 1에서,
    R1이 C3 내지 C30 알킬기이고,
    R2 및 R3이 서로 같거나 다르고, 각각 독립적으로 수소원자, 또는 C1 내지 C6 알킬기이고,
    R4가 C1 내지 C6 알킬기이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 결함이 결정립계(grain boundary), 점 결함, 선 결함, 크랙, 접힘 및 주름으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 나노패치 그래핀 복합체.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 화합물이 옥타데실트리메톡시실란(octadecyltrimethoxysilane, OTS)인 것을 특징으로 하는 나노패치 그래핀 복합체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 나노패치는 상기 그래핀의 변형 시 상기 결함에서 성장하는 상기 그래핀의 파괴를 억제하거나 지연시키는 것을 특징으로 하는 나노패치 그래핀 복합체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀이 단일층 그래핀, 2중층 그래핀 및 다층 그래핀으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 나노패치 그래핀 복합체.
  8. 유연기판;
    상기 기판 상에 반도체층; 및
    게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극;을 포함하고,
    상기 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상은 제1항의 나노패치 그래핀 복합체를 포함하는 것인 유기트랜지스터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 유연기판이 폴리이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리아미드 및 유리섬유강화플라스틱(fiber glass reinforced plastic)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유기트랜지스터.
  10. 유연기판;
    상기 유연기판 상에 형성되고, 제1항의 나노패치 그래핀 복합체를 포함하는 활성층; 및
    상기 활성층과 전기적으로 연결된 전극;을
    포함하는 유연 스트레인센서.
  11. (a) 결함을 포함하는 그래핀을 제공하는 단계;
    (b) 상기 그래핀을 산화시켜 산소원자를 갖는 기능기를 상기 결함 상에 형성하여 표면 개질 그래핀을 제조하는 단계; 및
    (c) 상기 기능기에 자기조립 단분자층을 결합시켜 나노패치 그래핀 복합체를 제조하는 단계;를 포함하고,
    단계 (c)에서 상기 자기조립 단분자층은 결정성이고,
    상기 산화는 상기 그래핀의 결함에서 선택적으로 발생하고,
    단계 (c)에서 상기 자기조립 단분자층이 아래 화학식 1로 표시되는 화합물을 자가조립시켜 형성된 것인, 나노패치 그래핀 복합체의 제조방법:
    [화학식 1]
    Figure 112019109879570-pat00021

    화학식 1에서,
    R1이 C3 내지 C30 알킬기이고,
    R2 및 R3이 서로 같거나 다르고, 각각 독립적으로 수소원자, 또는 C1 내지 C6 알킬기이고,
    R4가 C1 내지 C6 알킬기이다.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제11항에 있어서,
    상기 산화는 UV/Ozone을 사용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 나노패치 그래핀 복합체의 제조방법.
KR1020170085343A 2017-07-05 2017-07-05 나노패치 그래핀 복합체 및 그의 제조방법 KR102049323B1 (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170085343A KR102049323B1 (ko) 2017-07-05 2017-07-05 나노패치 그래핀 복합체 및 그의 제조방법
US15/833,090 US10600977B2 (en) 2017-07-05 2017-12-06 Nanopatch graphene composite
EP17205785.3A EP3425686B1 (en) 2017-07-05 2017-12-07 Graphene composite and method of manufacturing the same
CN201810058614.3A CN109205605A (zh) 2017-07-05 2018-01-22 纳米贴片石墨烯组合物及其制造方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170085343A KR102049323B1 (ko) 2017-07-05 2017-07-05 나노패치 그래핀 복합체 및 그의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190004940A KR20190004940A (ko) 2019-01-15
KR102049323B1 true KR102049323B1 (ko) 2019-11-27

Family

ID=60935628

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170085343A KR102049323B1 (ko) 2017-07-05 2017-07-05 나노패치 그래핀 복합체 및 그의 제조방법

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10600977B2 (ko)
EP (1) EP3425686B1 (ko)
KR (1) KR102049323B1 (ko)
CN (1) CN109205605A (ko)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110707216B (zh) * 2019-10-24 2023-06-13 宁波石墨烯创新中心有限公司 石墨烯薄膜晶体管、其制备方法及显示装置
CN110823085B (zh) * 2019-11-19 2021-08-17 合肥工业大学 一种具有规则裂纹结构的柔性应变传感器及其制作方法
CN112599672B (zh) * 2020-12-15 2022-08-02 惠州学院 一种石墨烯增强薄膜晶体管及其制备方法
KR102622829B1 (ko) * 2021-12-31 2024-01-08 서울시립대학교 산학협력단 플루오로바이페닐 기반 티올의 자기조립단층에 의한 금속 표면 개질을 통한 구리 전극 유기 평면 다이오드

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170047558A1 (en) 2015-08-13 2017-02-16 Electronics And Telecommunications Research Institute Organic light-emitting device and method of manufacturing the same

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8932671B2 (en) * 2010-12-01 2015-01-13 The University Of Houston System Polymer nanocomposite precursors with carbon nanotubes and/or graphene and related thin films and patterning
JP5630364B2 (ja) * 2011-04-11 2014-11-26 大日本印刷株式会社 有機半導体素子の製造方法および有機半導体素子
KR101262310B1 (ko) * 2011-09-07 2013-05-08 그래핀스퀘어 주식회사 그래핀의 개질 방법, 및 상기를 이용한 소자
US9040397B2 (en) * 2011-10-21 2015-05-26 LGS Innovations LLC Method of making graphene layers, and articles made thereby
CN102506693A (zh) * 2011-11-04 2012-06-20 南京航空航天大学 一种石墨烯应变测量和运动传感装置及其制法
CN102677052A (zh) * 2012-06-05 2012-09-19 南昌航空大学 石墨烯基自组装多层纳米润滑薄膜的制备方法
US8637346B1 (en) * 2012-12-04 2014-01-28 Gwangju Institute Of Science And Technology Method for manufacturing graphene nano array and field-effect transistor including the same
KR20140118285A (ko) * 2013-03-28 2014-10-08 인텔렉추얼디스커버리 주식회사 환원된 그래핀 산화물을 이용한 변형 감지 소자 및 그 제조 방법
NL2010776C2 (en) * 2013-05-08 2014-11-13 Univ Delft Tech Coating of graphene.
KR101482655B1 (ko) * 2013-07-10 2015-01-16 한국과학기술원 탄소기반 자기조립층의 열처리를 통한 고품질 그래핀의 제조 방법
KR102308654B1 (ko) * 2014-11-10 2021-10-05 엘지디스플레이 주식회사 다기능막, 다기능막을 포함하는 유기발광표시장치 및 그 제조방법
KR101664979B1 (ko) * 2015-06-19 2016-10-11 서울대학교산학협력단 환원된 그래핀 옥사이드 필름의 제조방법, 상기 방법에 의해 제조되는 환원된 그래핀 옥사이드 필름, 및 상기 환원된 그래핀 옥사이드 필름을 포함하는 그래핀 전극
KR101720168B1 (ko) * 2015-06-30 2017-04-03 연세대학교 산학협력단 도전층의 결함 치유 방법, 금속-탄소 복합층 형성 방법, 이차원 나노소재, 투명전극 및 이의 제조 방법
KR101857004B1 (ko) * 2015-09-08 2018-06-25 광주과학기술원 그래핀 기반의 막 및 이의 제조방법
CN105731432B (zh) * 2016-01-18 2018-08-07 杭州师范大学 一种硅烷功能化石墨烯气凝胶材料的制备方法
JP6985596B2 (ja) * 2017-11-30 2021-12-22 富士通株式会社 電子デバイス、電子デバイスの製造方法及び電子機器

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170047558A1 (en) 2015-08-13 2017-02-16 Electronics And Telecommunications Research Institute Organic light-emitting device and method of manufacturing the same

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Nano Lett. 2010, Vol. 10, pp. 2427~2432 (2010.05.26.)*
Yukata Ito et al. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, August 2009*

Also Published As

Publication number Publication date
EP3425686B1 (en) 2023-08-09
US20190013488A1 (en) 2019-01-10
US10600977B2 (en) 2020-03-24
CN109205605A (zh) 2019-01-15
KR20190004940A (ko) 2019-01-15
EP3425686A1 (en) 2019-01-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102049323B1 (ko) 나노패치 그래핀 복합체 및 그의 제조방법
Kim et al. Synthesis of hexagonal boron nitride heterostructures for 2D van der Waals electronics
Kang et al. Inking elastomeric stamps with micro‐patterned, single layer graphene to create high‐performance OFETs
US10319589B2 (en) High performance thin films from solution processible two-dimensional nanoplates
Chen et al. Towards flexible all-carbon electronics: Flexible organic field-effect transistors and inverter circuits using solution-processed all-graphene source/drain/gate electrodes
KR101911745B1 (ko) 그래핀 적층체 및 그의 제조방법
Shin et al. Direct CVD growth of graphene on three-dimensionally-shaped dielectric substrates
Kwon et al. Facile photo-cross-linking system for polymeric gate dielectric materials toward solution-processed organic field-effect transistors: role of a cross-linker in various polymer types
KR101712003B1 (ko) 2d 적층형 복합구조 쌍안정성 비휘발성 메모리 소자 및 그 제작 방법
US20150129280A1 (en) Structure including molecular monolayer and graphene electrode, flexible electronic device, and method of producing the same
JP2017519351A (ja) 極薄有機結晶層を表面にエピタキシャル成長させる方法、及びその応用
Kim et al. All-parylene flexible wafer-scale graphene thin film transistor
Wu et al. Highly stretchable and high-mobility simiconducting nanofibrous blend films for fully stretchable organic transistors
KR101568159B1 (ko) 원자층 증착법을 이용한 결함 치유 방법
Su et al. Low-voltage flexible pentacene thin film transistors with a solution-processed dielectric and modified copper source–drain electrodes
WO2010137664A1 (ja) アルキルシラン積層体及びその製造方法、並びに薄膜トランジスタ
Yi et al. A two-dimensional cross-linked polythiophene network
KR102023106B1 (ko) 용액 공정 기반 고품질 질화 붕소 박막 제조 및 소자 적용 방법
Park et al. Catalyst-free growth of readily detachable nanographene on alumina
Feng et al. Engineering the metal–organic interface by transferring a high-quality single layer graphene on top of organic materials
Lee et al. Influence of N2O plasma treatment on PET-based flexible bending sensors with ZnO nanorod array cross-linked with interdigitated electrode structures
JP5469358B2 (ja) 有機トランジスタ
US10158093B2 (en) Method for manufacturing an electronic device, particularly a device made of carbon nanotubes
TWI394305B (zh) 有機薄膜電晶體之製備方法以及有機薄膜電晶體之閘極介電層表面處理方法
KR20160096273A (ko) 알콕시실란기 함유 공중합체를 이용한 유기 전자 소자 응용

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
N231 Notification of change of applicant
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant