KR20140108829A - 롤투롤 방식을 이용한 그래핀 필름의 분리, 전사 방법 - Google Patents

롤투롤 방식을 이용한 그래핀 필름의 분리, 전사 방법 Download PDF

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KR20140108829A
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최현광
전민현
박윤재
임영진
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인제대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 롤투롤 방식을 이용한 그래핀 필름의 분리, 전사 방법에 관한 것으로서, 종래와 달리 화학적 에칭 과정없이 그래핀 필름을 분리 전사할 수 있는 롤투롤 방식을 이용한 그래핀 필름의 분리, 전사 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 롤투롤 방식을 이용한 그래핀 필름의 분리, 전사 방법은 화학적 에칭 과정없이, 접착 필름을 사용하지 않고도 롤투롤 방식에서 인가되는 압력 및 온도를 조절함으로써 그래핀 필름을 촉매 금속 필름으로부터 분리하여 기판용 필름으로 전사할 수 있다.

Description

롤투롤 방식을 이용한 그래핀 필름의 분리, 전사 방법{METHOD FOR SEPARATING GRAPHENE THIN FILM BY ROLL TO ROLL}
본 발명은 롤투롤 방식을 이용한 그래핀 필름의 분리, 전사 방법에 관한 것으로서, 종래 기술과 달리 화학적 에칭 과정없이 그래핀 필름을 분리 전사할 수 있는 롤투롤 방식을 이용한 그래핀 필름의 분리, 전사 방법에 관한 것이다.
탄소 원자들로 구성된 저차원 나노물질로는 풀러렌(fullerene), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그래핀(graphene), 흑연(graphite) 등이 존재한다. 즉, 탄소 원자들이 6각형 모양의 배열을 이루면서 공 모양이 되면 0 차원 구조인 풀러렌, 1 차원적으로 말리면 탄소나노튜브, 2 차원 상으로 원자 한 층으로 이루어지면 그래핀, 3 차원으로 쌓이면 흑연으로 구분을 할 수 있다.
이 중, 그래핀은 전기적, 기계적, 화학적인 특성이 매우 안정적이고 뛰어날 뿐 아니라 우수한 전도성 물질로서 실리콘보다 100 배 빠르게 전자를 이동시키며 구리보다도 약 100 배 가량 더 많은 전류를 흐르게 할 수 있다.
그래핀(Graphene)은 탄소가 육각형의 형태로 서로 연결되어 벌집 모양의 2차원 평면 구조를 이루는 물질로서, 그 두께가 매우 얇고 투명하며 전기 전도성이 매우 큰 특성을 가진다. 그래핀의 이러한 특성을 이용하여 그래핀을 투명 디스플레이 또는 휘어질 수 있는 디스플레이에 적용하려는 시도가 많이 이루어지고 있으며, 최근에는 그래핀을 대형으로 합성하려는 시도가 활발히 이루어지고 있다.
이러한 그래핀은 일반적으로 촉매금속을 이용한 화학기상증착법(Chemical vapor deposition)을 이용하여 합성된다. 그래핀은 웨이퍼 또는 금속 기판 상에서 대면적으로 합성이 이뤄지므로, 전자기기에 그래핀을 이용하기 위해서는 전자기기의 전극 기판 등에 합성된 그래핀을 전사시키는 공정이 필수적이다. 2004년 흑연으로부터 그래핀을 분리하는 방법이 발견되면서 실험을 통하여 증명되었으며 현재까지 많은 연구가 진행이 되고 있다.
그래핀을 기판 상에 전사하기 위하여 종래에는 건식 공정, 습식 공정 등이 사용되었다. 그 하나의 예로써 화학기상증착법으로 촉매금속의 표면에 합성된 그래핀을 임의의 기판에 전사하기 위한 방법으로는 열박리 테이프를 그래핀에 부착하고, 에칭(etching)으로 촉매 금속을 제거한 다음, 열박리 테이프의 그래핀을 임의의 기판으로 전사하는 방법이 사용되었다.
그러나, 이러한 종래 에칭 방법은 촉매 금속을 화학적으로 제거하기 때문에 촉매 금속을 그래핀 전사시마다 새로 사용해야 하는 문제점이 있으며, 대량의 그래핀을 전사하기에는 시간-비효율성, 고비용 문제로 인해 실제 생산 공정에 적용하기 어려운 문제가 있었다.
따라서 그래핀을 산업적으로 이용하기 위해서는 그래핀을 단시간 내 저비용으로 전사할 수 있는, 대면적 그래핀의 전사 방법이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 에칭 과정이나 열박리 필름을 사용하지 않고도 그래핀을 분리 전사할 수 있는 새로운 방법 및 이에 의하여 제조된 그래핀 롤을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여
촉매금속필름의 일면에, 적어도 하나의 층의 그래핀을 형성하는 그래핀 합성단계;
기판용 필름을 준비하고, 상기 기판용 필름의 상하부에 상기 그래핀이 형성된 촉매금속필름을, 상기 촉매금속필름의 일면에 형성된 그래핀이 상기 기판용 필름의 양면에 접촉되게 적층하는 단계;
적층된 상기기판용 필름 및 상기 그래핀이 형성된 촉매금속필름을 제1 히팅롤러와 제2 히팅롤러의 사이로 투입하는 단계; 및
상기 적층된 상기 기판용 필름 및 상기 그래핀이 형성된 촉매금속필름에 가하는 제1 히팅롤러와 상기 제2 히팅롤러의 압력, 상기 제1 히팅롤러와 상기 제2 히팅롤러의 온도, 제1 히팅롤러와 상기 제2 히팅롤러의 간격, 제1 히팅롤러와 상기 제2 히팅롤러의 회전속도(rpm)를 조절하여 상기 촉매금속필름의 일면에 형성된 그래핀이 상기 촉매금속필름으로부터 분리되어 상기 기판용 필름으로 전사되는 단계;를 포함하는 롤투롤 방식을 이용한 그래핀 필름의 분리, 전사 방법을 제공한다.
본 발명의 롤투롤 방식을 이용한 그래핀 필름의 분리, 전사 방법에 있어서, 상기 촉매금속필름은, 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 백금(Pt), 이리듐(Ir), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 구리Cu), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 규소(Si), 티타늄(Ti) 또는 루비듐(Ru) 등 적어도 일부를 포함한 소재로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 롤투롤 방식을 이용한 그래핀 필름의 분리, 전사 방법에 있어서, 상기 기판용 필름은 열가소성탄성중합체(thermoplastic elastomer), 스티렌계물질(styrenic materials),올레핀계물질(olefenic materials), 폴리올레핀(polyolefin), 폴리우레탄열가소성탄성중합체(polyurethane thermoplastic elastomers), 폴리아미드(polyamides), 합성고무(synthetic rubbers), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리부타디엔(polybutadiene), 폴리이소부티렌(polyisobutylene), 폴리(스티렌-부타디엔-스티렌)(poly(styrene-butadiene-styrene)), 폴리우레탄(polyurethanes), 폴리클로로프렌(polychloroprene), 실리콘및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 롤투롤 방식을 이용한 그래핀 필름의 분리, 전사 방법에 있어서, 상기 기판용 필름은 퍼플루오로술폰산 고분자 전해질 필름인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한, 본 발명의 방법에 의하여 제조되는 그래핀 롤을 제공한다.
본 발명에 의한 그래핀 롤은 상기 그래핀 층 상에 형성되는 보호층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 롤투롤 방식을 이용한 그래핀 필름의 분리, 전사 방법은 화학적 에칭 과정없이, 접착 필름을 사용하지 않고도 롤투롤 방식에서 인가되는 압력 및 온도를 조절함으로써 그래핀 필름을 촉매 금속 필름으로부터 분리하여 기판용 필름으로 전사할 수 있다.
도 1 및 도 2 는 본 발명에 의한 롤투롤 방식을 이용한 그래핀 필름의 분리, 전사 방법을 나타내는 모식도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명의 롤투롤 방식을 이용한 그래핀 필름의 분리, 전사 방법은
촉매금속필름의 일면에, 적어도 하나의 층의 그래핀을 형성하는 그래핀 합성단계;
기판용 필름을 준비하고, 상기 기판용 필름의 상하부에 상기 그래핀이 형성된 촉매금속필름을, 상기 촉매금속필름의 일면에 형성된 그래핀이 상기 기판용 필름의 양면에 접촉되게 적층하는 단계;
적층된 상기기판용 필름 및 상기 그래핀이 형성된 촉매금속필름을 제1 히팅롤러와 제2 히팅롤러의 사이로 투입하는 단계; 및
상기 적층된 상기 기판용 필름 및 상기 그래핀이 형성된 촉매금속필름에 가하는 제1 히팅롤러와 상기 제2 히팅롤러의 압력, 상기 제1 히팅롤러와 상기 제2 히팅롤러의 온도, 제1 히팅롤러와 상기 제2 히팅롤러의 간격, 제1 히팅롤러와 상기 제2 히팅롤러의 회전속도(rpm)를 조절하여 상기 촉매금속필름의 일면에 형성된 그래핀이 상기 촉매금속필름으로부터 분리되어 상기 기판용 필름으로 전사되는 단계;를 포함한다.
도 1 에 본 발명의 롤투롤 방식을 이용한 그래핀 필름의 분리, 전사 방법을 실시하는 일 예를 나타내었다.
먼저, 촉매금속필름(10)의 일면에 적어도 하나의 층의 그래핀(20)을 형성한다. 이후, 기판용 필름(30)을 준비하고, 도 1에서 보는 바와 같이 상기 기판용 필름(30)의 상부와 하부에 상기 그래핀이 형성된 촉매금속필름(10)을, 상기 촉매금속필름의 일면에 형성된 그래핀이 상기 기판용 필름의 양면에 접촉되게 적층한다. 적층된 상기기판용 필름 및 상기 그래핀이 형성된 촉매금속필름(10)을 제1 히팅롤러(50)와 제2 히팅롤러(60)의 사이로 투입하고, 상기 적층된 상기기판용 필름(30) 및 상기 그래핀이 형성된 촉매금속필름(10)에 가하는 제1 히팅롤러(50)와 제2 히팅롤러(60)의 압력, 및 제1 히팅롤러(50)와 제2 히팅롤러(60)의 온도를 조절하여 상기 촉매금속필름의 일면에 형성된 그래핀이 상기 촉매금속필름으로부터 분리되어 상기 기판용 필름으로 전사되도록 한다.
도 2에 상기 제1 히팅롤러(50)와 제2 히팅롤러(60)의 압력과 열에 의하여 촉매금속필름에 형성된 그래핀이 기판용 필름으로 전사되는 과정을 도시하였다.
< 실시예 > 기판 분리 실험
제1 히팅롤러(50)와 제2 히팅롤러(60)의 온도를 80℃, 100℃, 120℃ 로 변화시키고, 각각의 온도에서 제1 히팅롤러(50)와 제2 히팅롤러(60) 사이의 간격을 100 ㎛ 와 150 ㎛ 로 한 경우 그래핀 분리시 저항을 측정하고 그 결과를 아래 표 1 및 도 3에 나타내었다.
80℃ 100℃ 120℃
100 ㎛ 2.1~2.6 kΩ/□ x 9.07~14 kΩ/□
150 ㎛ x 16~38 kΩ/□ x

Claims (6)

  1. 촉매금속필름의 일면에, 적어도 하나의 층의 그래핀을 형성하는 그래핀 합성단계;
    기판용 필름을 준비하고, 상기 기판용 필름의 상하부에 상기 그래핀이 형성된 촉매금속필름을, 상기 촉매금속필름의 일면에 형성된 그래핀이 상기 기판용 필름의 양면에 접촉되게 적층하는 단계;
    적층된 상기기판용 필름 및 상기 그래핀이 형성된 촉매금속필름을 제1 히팅롤러와 제2 히팅롤러의 사이로 투입하는 단계; 및
    상기 적층된 상기 기판용 필름 및 상기 그래핀이 형성된 촉매금속필름에 가하는 제1 히팅롤러와 상기 제2 히팅롤러의 압력, 상기 제1 히팅롤러와 상기 제2 히팅롤러의 온도, 제1 히팅롤러와 상기 제2 히팅롤러의 간격, 제1 히팅롤러와 상기 제2 히팅롤러의 회전속도(rpm)를 조절하여 상기 촉매금속필름의 일면에 형성된 그래핀이 상기 촉매금속필름으로부터 분리되어 상기 기판용 필름으로 전사되는 단계;를 포함하는 롤투롤 방식을 이용한 그래핀 필름의 분리, 전사 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매금속필름은,
    철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 백금(Pt), 이리듐(Ir), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 구리Cu), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 규소(Si), 티타늄(Ti) 또는 루비듐(Ru) 등 적어도 일부를 포함한 소재로 이루어지는 롤투롤 방식을 이용한 그래핀 필름의 분리, 전사 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판용 필름은 열가소성탄성중합체(thermoplastic elastomer), 스티렌계물질(styrenic materials),올레핀계물질(olefenic materials), 폴리올레핀(polyolefin), 폴리우레탄열가소성탄성중합체(polyurethane thermoplastic elastomers), 폴리아미드(polyamides), 합성고무(synthetic rubbers), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리부타디엔(polybutadiene), 폴리이소부티렌(polyisobutylene), 폴리(스티렌-부타디엔-스티렌)(poly(styrene-butadiene-styrene)), 폴리우레탄(polyurethanes), 폴리클로로프렌(polychloroprene), 실리콘및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것인 롤투롤 방식을 이용한 그래핀 필름의 분리, 전사 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판용 필름은 퍼플루오로술폰산 고분자 전해질 필름인 것을 특징으로 하는 롤투롤 방식을 이용한 그래핀 필름의 분리, 전사 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 방법에 의하여 제조되는 그래핀 롤.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 그래핀 층 상에 형성되는 보호층을 더 포함하는 것인 그래핀 롤.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20160100710A (ko) * 2015-02-16 2016-08-24 연세대학교 산학협력단 원심력을 이용한 그래핀 직접 전사장치 및 전사방법
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