KR101753590B1 - Method for doping graphene using substrate of improved surface and graphine structure having the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 그래핀에 관한 것으로 특히, 기판 표면 개질을 이용한 그래핀의 도핑 방법 및 이를 포함하는 그래핀 구조체에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 기판 표면 개질을 이용한 그래핀의 도핑 방법에 있어서, 기판 상에 도핑을 위한 전구체 폴리머 층을 형성하는 단계; 및 상기 전구체 폴리머 층이 형성된 기판 상에 그래핀을 위치시키는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.The present invention relates to graphene, and more particularly, to a graphene doping method using substrate surface modification and a graphene structure including the same. The present invention provides a doping method of graphene using substrate surface modification, comprising: forming a precursor polymer layer for doping on a substrate; And positioning the graphene on the substrate having the precursor polymer layer formed thereon.
Description
본 발명은 그래핀에 관한 것으로 특히, 기판 표면 개질을 이용한 그래핀의 도핑 방법 및 이를 포함하는 그래핀 구조체에 관한 것이다.The present invention relates to graphene, and more particularly, to a graphene doping method using substrate surface modification and a graphene structure including the same.
탄소 원자들로 구성된 물질로는 풀러렌(fullerene), 탄소나노튜브(Carbon Nanotube), 그래핀(graphene), 흑연(Graphite) 등이 존재한다. 이 중에서 그래핀은 탄소 원자들이 2 차원 평면상으로 원자 한 층으로 이루어지는 구조이다.As materials composed of carbon atoms, fullerene, carbon nanotube, graphene, graphite and the like exist. Among them, graphene is a structure in which carbon atoms are composed of one layer on a two-dimensional plane.
특히, 그래핀은 전기적, 기계적, 화학적인 특성이 매우 안정적이고 뛰어날 뿐 아니라 우수한 전도성 물질로서 실리콘보다 매우 빠르게 전자를 이동시키며 구리보다도 매우 큰 전류를 흐르게 할 수 있는데, 이는 2004년 흑연으로부터 그래핀을 분리하는 방법이 발견되면서 실험을 통하여 증명되었으며 현재까지 많은 연구가 진행이 되고 있다.In particular, graphene is not only very stable and excellent in electrical, mechanical and chemical properties, but it is also a good conductive material that can move electrons much faster than silicon and can carry much larger currents than copper, It has been proved through experiments that a method of separation has been discovered.
이러한 그래핀은 대면적으로 형성할 수 있으며, 전기적, 기계적, 화학적인 안정성을 가지고 있을 뿐만 아니라 뛰어난 도전성의 성질을 가지므로, 전자 회로의 기초 소재로 관심을 받고 있다.Such graphene can be formed in a large area and has electrical, mechanical and chemical stability as well as excellent conductivity, and thus is attracting attention as a basic material for electronic circuits.
또한, 그래핀은 일반적으로 주어진 두께의 그래핀의 결정 방향성에 따라 전기적 특성이 변화할 수 있으므로 사용자가 선택 방향으로의 전기적 특성을 발현시킬 수 있고 이에 따라 쉽게 소자를 디자인할 수 있다. 따라서 그래핀은 탄소계 전기 또는 전자기 소자 등에 효과적으로 이용될 수 있다.In addition, since graphenes generally have electrical characteristics that vary depending on the crystal orientation of graphene of a given thickness, the user can express the electrical characteristics in the selected direction and thus design the device easily. Therefore, graphene can be effectively used for carbon-based electric or electromagnetic devices.
최근 그래핀의 소자 특성 분석에 실리콘 산화물 유전체로 적용하는 형태를 사용하고 있다. 종래의 경우 기판의 도핑효과에 의해 p-형 도핑을 나타내어 추가적으로 열처리 혹은 자가조립 단분자막 코팅을 통해 도핑이 되지 않은 상태로 만들어 사용한다. Recently, we have used a form that is applied as a silicon oxide dielectric to analyze the device characteristics of graphene. In the conventional case, p-type doping is exhibited due to the doping effect of the substrate, and further doping is performed through heat treatment or self-assembled monolayer coating.
한편, 실리콘 산화물이 아닌 다른 기판에서는 열처리를 할 수 없거나 자가조립 단분자막이 형성되지 않는 경우가 발생하여 범용적으로 표면 개질 방법을 구현할 수 없었다. 따라서, 그래핀의 도핑의 효과에 한계가 있었다.On the other hand, in a substrate other than the silicon oxide, heat treatment can not be performed or a self-assembled monolayer film is not formed, so that a general surface modification method can not be realized. Therefore, the effect of doping of graphene was limited.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 기판 표면 개질을 이용한 그래핀의 도핑 방법 및 이를 포함하는 그래핀 구조체를 제공하고자 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a graphene doping method using surface modification of a substrate and a graphene structure including the graphene doping method.
또한, 그래핀 도핑 효과를 극대화할 수 있는 기판 표면 개질을 이용한 그래핀의 도핑 방법 및 이를 포함하는 그래핀 구조체를 제공하고자 한다.Also, a graphene doping method using a substrate surface modification capable of maximizing a graphene doping effect and a graphen structure including the graphene doping method are provided.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 기판 표면 개질을 이용한 그래핀의 도핑 방법에 있어서, 기판 상에 도핑을 위한 전구체 폴리머 층을 형성하는 단계; 및 상기 전구체 폴리머 층이 형성된 기판 상에 그래핀을 위치시키는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.According to a first aspect of the present invention, there is provided a doping method of graphene using a substrate surface modification, comprising: forming a precursor polymer layer for doping on a substrate; And positioning the graphene on the substrate having the precursor polymer layer formed thereon.
여기서, 상기 전구체 폴리머 층은, 메틸기를 가지는 전구체를 포함할 수 있다.Here, the precursor polymer layer may include a precursor having a methyl group.
이때, 상기 전구체 폴리머 층은, 상기 메틸기를 말단기로 가지는 전구체를 포함할 수 있다.At this time, the precursor polymer layer may include a precursor having the methyl group as a terminal group.
또한, 상기 메틸기를 가지는 전구체는, 시클로헥산(Cyclohexane) 계열의 전구체일 수 있다.The precursor having a methyl group may be a precursor of a cyclohexane series.
이때, 상기 시클로헥산(Cyclohexane) 계열의 전구체는, 시클로헥산(Cyclohexane), 메틸시클로헥산(Methylcyclohexane) 및 에틸시클로헥산(Ethylcyclohexane) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.The precursor of the cyclohexane series may be at least one of cyclohexane, methylcyclohexane, and ethylcyclohexane. The precursor of the cyclohexane series may be at least one of cyclohexane, methylcyclohexane, and ethylcyclohexane.
여기서, 상기 기판은 폴리머 기판일 수 있다.Here, the substrate may be a polymer substrate.
이때, 상기 폴리머 기판은, PET(polyethylen terephthalate), TAC(triacetyl cellulose), 및 PC(poly carbonate) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.At this time, the polymer substrate may include at least one of polyethyleneterephthalate (PET), triacetyl cellulose (TAC), and polycarbonate (PC).
여기서, 상기 전구체를 형성하는 단계는, 플라즈마 강화 화학기상증착법을 이용하여 수행될 수 있다.Here, the step of forming the precursor may be performed using a plasma enhanced chemical vapor deposition method.
여기서, 상기 그래핀을 추가적으로 도핑하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include doping the graphene further.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 기판; 상기 기판 상에 위치하는 메틸기를 가지는 전구체 층; 및 상기 전구체 층 상에 위치하는 그래핀을 포함할 수 있다.According to a second aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a substrate; A precursor layer having a methyl group positioned on the substrate; And graphenes located on the precursor layer.
여기서, 상기 메틸기를 가지는 전구체는, 시클로헥산(Cyclohexane), 메틸시클로헥산(Methylcyclohexane) 및 에틸시클로헥산(Ethylcyclohexane) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.Here, the precursor having the methyl group may be at least one of cyclohexane, methylcyclohexane, and ethylcyclohexane.
여기서, 상기 기판은, PET(polyethylen terephthalate), TAC(triacetyl cellulose), 및 PC(poly carbonate) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 폴리머 기판일 수 있다.Here, the substrate may be a polymer substrate including at least one of polyethyleneterephthalate (PET), triacetyl cellulose (TAC), and polycarbonate (PC).
본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.The present invention has the following effects.
표면 개질이 이루어진 기판 상에 위치하는 그래핀은 전기적 특성이 향상될 수 있다. 또한, 그래핀은 n-형 도핑 또는 p-형 도핑의 특성을 나타낼 수 있다.The graphenes positioned on the surface-modified substrate can have improved electrical characteristics. Further, graphene may exhibit the characteristics of n-type doping or p-type doping.
이러한 도핑 과정은 촉매 금속 상에 형성되는 그래핀의 결정 결함(금속의 결정면 사이의 경계(grane boundary) 등에 의한 결함)에 의한 전도성 감소 현상을 보완할 수 있다.Such a doping process can compensate for the reduction in conductivity due to graphene crystal defects (defects due to a grane boundary or the like between the crystal faces of the metal) formed on the catalyst metal.
또한, 폴리머 층을 통한 기판 표면의 개질에 의하여, 추가적인 도핑을 실시하는 경우에, 이 도핑의 효과를 극대화시킬 수 있는 상태를 제공할 수 있는 것이다.Further, by modifying the surface of the substrate through the polymer layer, it is possible to provide a state in which the effect of this doping can be maximized when additional doping is performed.
결과적으로, 유기 전구체를 포함하는 폴리머 층을 이용하여 빠르고 저비용으로 다양한 종류의 기판의 표면을 개질시킬 수 있다.As a result, the surface of various types of substrates can be modified quickly and inexpensively using a polymer layer comprising an organic precursor.
이러한 그래핀은 유연한 소자에 적용이 불가한 기존에 사용되는 실리콘 옥사이드를 대체하는 유연한 절연체 물질 증착될 수 있어, 유연한 소자에 응용될 수 있는 장점을 가진다.Such graphenes are advantageous in that they can be applied to flexible devices because they can be deposited as flexible insulator materials that replace conventional silicon oxides that can not be applied to flexible devices.
또한, 투과도가 높은 그래핀 구조체를 제작할 수 있어, 광학 소자 및 디스플레이 등에 응용될 수 있다.Further, a graphene structure having high transmittance can be manufactured, and can be applied to an optical element, a display, and the like.
도 1은 기판 표면 개질을 이용한 그래핀의 도핑 방법의 일례를 나타내는 순서도이다.
도 2는 메틸기를 말단기로 가지는 전구체를 나타내는 개략도이다.
도 3 및 도 4는 기판 표면 개질을 이용한 그래핀의 도핑 방법의 예를 나타내는 단면 개략도이다.
도 5 내지 도 7은 기판 표면 개질을 이용한 그래핀 구조체의 예들을 나타내는 개략 단면도이다.
도 8은 도핑 특성과 관련 있는 그래핀의 전류 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9는 기판 표면 개질의 과정이 이루어지는 PECVD의 모식도이다.
도 10 및 도 11은 플라즈마를 이용한 고분자화 원리를 설명하기 위한 개략도이다.1 is a flowchart showing an example of a doping method of graphene using a substrate surface modification.
2 is a schematic diagram showing a precursor having a methyl group as a terminal group.
FIGS. 3 and 4 are schematic cross-sectional views showing examples of a doping method of graphene using substrate surface modification.
5 to 7 are schematic cross-sectional views showing examples of a graphene structure using substrate surface modification.
8 is a graph showing the current characteristics of graphene in relation to doping characteristics.
9 is a schematic diagram of PECVD in which a process of substrate surface modification is performed.
FIGS. 10 and 11 are schematic views for explaining the principle of polymerization using plasma.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다. While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. Rather, the intention is not to limit the invention to the particular forms disclosed, but rather, the invention includes all modifications, equivalents and substitutions that are consistent with the spirit of the invention as defined by the claims.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. It will be appreciated that when an element such as a layer, region or substrate is referred to as being present on another element "on," it may be directly on the other element or there may be an intermediate element in between .
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
Although the terms first, second, etc. may be used to describe various elements, components, regions, layers and / or regions, such elements, components, regions, layers and / And should not be limited by these terms.
도 1은 기판 표면 개질을 이용한 그래핀의 도핑 방법의 일례를 나타내는 순서도이다. 1 is a flowchart showing an example of a doping method of graphene using a substrate surface modification.
도 1에서 도시하는 바와 같이, 기판 상에 도핑을 위한 전구체 폴리머 층을 형성하는 단계(S10) 및 이러한 전구체 폴리머 층이 형성된 기판 상에 그래핀을 위치시키는 단계(S20)를 포함하여 구성될 수 있다.As shown in FIG. 1, a step (S10) of forming a precursor polymer layer for doping on a substrate and a step (S20) of placing graphene on the substrate on which such precursor polymer layer is formed .
여기서, 전구체 폴리머 층은, 메틸기(CH3)를 가지는 전구체를 포함할 수 있다. Here, the precursor polymer layer may include a precursor having a methyl group (CH 3 ).
이때, 전구체 폴리머 층은, 메틸기를 말단기로 가지는 전구체를 포함할 수 있다. 이러한 메틸기를 말단기로 가지는 전구체는, 이 메틸기가 그래핀과 상호작용하여 그 자체로 그래핀의 전도성을 향상시키거나 그래핀이 최적의 상태로 도핑될 수 있도록 하는 조건을 제공할 수 있다. 이에 대하여는 자세히 후술한다.At this time, the precursor polymer layer may include a precursor having a methyl group as a terminal group. The precursor having such a methyl group as an end group can provide a condition for allowing the methyl group to interact with the graphene itself to improve the conductivity of the graphene or to allow the graphene to be doped in an optimal state. This will be described in detail later.
이러한 메틸기를 가지는 전구체는, 시클로헥산(Cyclohexane) 계열의 전구체일 수 있다. 즉, 메틸기를 가지는 전구체는 시클로헥산(Cyclohexane), 메틸시클로헥산(Methylcyclohexane) 및 에틸시클로헥산(Ethylcyclohexane) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.The precursor having such a methyl group may be a precursor of the cyclohexane series. That is, the precursor having a methyl group may be at least one of cyclohexane, methylcyclohexane, and ethylcyclohexane.
하기의 표 1에서는 이러한 시클로헥산 계열의 전구체의 구조를 나타내고 있다.Table 1 below shows the structures of these cyclohexane-based precursors.
여기서, 기판은 폴리머 기판일 수 있다.Here, the substrate may be a polymer substrate.
이러한 폴리머 기판은, PET(polyethylen terephthalate), TAC(triacetyl cellulose), 및 PC(poly carbonate) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.Such a polymer substrate may include at least one of PET (polyethyleneterephthalate), TAC (triacetyl cellulose), and PC (poly carbonate).
이하, 각 제조 단계를 도 1과 해당 도면을 함께 참조하여 설명한다.Hereinafter, each manufacturing step will be described with reference to FIG. 1 and the drawings.
도 2는 메틸기를 말단기로 가지는 전구체를 나타내는 개략도이고, 도 3 및 도 4는 기판 표면 개질을 이용한 그래핀의 도핑 방법의 예를 나타내는 단면 개략도이다.FIG. 2 is a schematic view showing a precursor having a methyl group as a terminal group, and FIGS. 3 and 4 are schematic cross-sectional views showing an example of doping method of graphene using substrate surface modification.
도 2와 같은 메틸기(CH3)를 가지는 전구체를 이용하여, 도 3에서 도시하는 바와 같은 기판(10) 상에 전구체 폴리머 층(20)을 형성할 수 있다.The
여기서, 폴리머 층(20)은, 플라즈마 강화 화학기상증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition; PECVD)을 이용하여 형성될 수 있다.Here, the
시클로헥산(Cyclohexane)과 같은 폴리머는 링 형태를 가지나, 플라즈마 강화 화학기상증착법과 같은 플라즈마 처리에 의하여 고리가 열려 라디칼 분자가 형성될 수 있다. 따라서, 메틸기가 말단에 드러날 수 있다.Polymers such as cyclohexane have a ring shape, but they can be opened by plasma treatment, such as plasma enhanced chemical vapor deposition, to form radical molecules. Thus, the methyl group may be exposed at the terminal.
이와 같이, 메틸기가 말단으로 드러난 폴리머 층(20)으로 인하여 기판(10)의 표면 개선(개질)이 이루어질 수 있다.As described above, the surface of the
이러한 그래핀(30)은 촉매 금속(미도시) 상에서 형성되어 폴리머 층(20)이 형성된 기판(10) 상에 전사될 수 있다.This
촉매 금속은 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr 등의 금속이 이용될 수 있으며, 이들 중 어느 하나의 단일층 또는 이들 중 적어도 둘 이상의 합금으로 이용될 수 있다.Metals such as Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, Or at least two of these alloys.
그래핀(30)을 형성시키는 방법에는 고온 화학 기상 증착법(Thermal-chemical vapor deposition; CVD), 유도 결합 플라즈마 화학 기상 증착법(ICP-CVD), 플라즈마 화학 기상 증착법(PE-CVD), Microwave CVD 등의 화학 기상 증착법이 이용될 수 있으며, 그 외에도 RTA(rapid thermal annealing), ALD(atomic layer deposition), PVD(physical vapor deposition) 등의 다양한 방법이 이용될 수 있다.The
그 일례로서, 화학 기상 증착법은, 챔버(도시되지 않음) 내에 촉매 금속을 위치시키고, 탄소 공급원(carbon source)을 투입하며, 적당한 성장 조건을 제공함으로써 그래핀(30)을 성장시키는 방법이다.As an example, the chemical vapor deposition method is a method of growing
탄소 공급원의 예로는 메탄(CH4), 아세틸렌(C2H2) 등의 가스 형태로 공급이 가능하고, 파우더, 폴리머 등의 고체 형태 및 버블링 알콜(bubbling alcohol) 등의 액체 형태로 공급이 가능하다.Examples of the carbon source include a gas such as methane (CH 4 ), acetylene (C 2 H 2 ), etc., and a solid form such as powder or polymer and a liquid such as bubbling alcohol It is possible.
그 외에도, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로 펜타디엔, 헥산, 사이클로 헥산, 벤젠, 톨루엔 등과 같은 다양한 탄소 공급원이 이용될 수 있다.In addition, various carbon sources such as ethane, ethylene, ethanol, acetylene, propane, butane, butadiene, pentane, pentene, cyclopentadiene, hexane, cyclohexane, benzene, toluene,
기판(10)이 폴리머 기판이 아닌 고온에서도 변형되지 않는 재질을 이용한다면, 기판(10) 상에 그래핀(30)을 전사시키는 대신에, 이러한 기판(10) 상에 그래핀(30)을 직접 형성할 수도 있다.Instead of transferring the
위에서 언급한 바와 같이, 기판(10)은, PET(polyethylen terephthalate), TAC(triacetyl cellulose), 및 PC(poly carbonate) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 폴리머를 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(10)은 PEC, TAC 및 PC 중 어느 하나로 형성될 수 있다.As mentioned above, the
이렇게 폴리머 층(20)이 형성된 기판(10) 상에, 도 4에서 도시하는 바와 같이, 그래핀(30)이 위치할 수 있다.The
즉, 이러한 기판(10)은 유연한 기판을 이용할 수 있고, 이러한 유연한 기판 상에 위치하는 그래핀(30)은 유연 소자(flexible device)의 전극으로 이용될 수 있다.That is, the
이와 같이, 표면 개질이 이루어진 기판(10) 상에 그래핀(30)이 위치하면 그래핀(30)은 메틸기에 의하여 도핑되어 전기적 특성이 개선될 수 있다.When the
또한, 이러한 도핑 효과는 n-형 도핑 또는 p-형 도핑의 특성을 나타낼 수 있다.In addition, this doping effect can exhibit the characteristics of n-type doping or p-type doping.
도 5 내지 도 7은 기판 표면 개질을 이용한 그래핀 구조체의 예들을 나타내는 개략 단면도이다.5 to 7 are schematic cross-sectional views showing examples of a graphene structure using substrate surface modification.
즉, 도 5에서와 같이, 메틸기가 말단으로 드러난 폴리머 층(20)을 통하여 표면 개질이 이루어진 기판(10) 상에 그래핀(30)이 위치하여, 전기적 특성이 향상된, 즉, 도핑 효과를 가지는 그래핀 구조체가 제작될 수 있다.That is, as shown in FIG. 5, the
또한, 도 6에서 도시하는 바와 같이, 도 5에서 도시하는 구조를 가지는 그래핀 구조체 상에는 별도의 도핑 층(40)을 더 포함할 수 있다.Further, as shown in FIG. 6, a
즉, 표면 개질이 이루어진 기판(10) 상에 위치하는 그래핀(30)은 추가적인 도핑 과정을 통하여 전기적 특성이 향상될 수 있다. 또한, 위에서 언급한 바와 같이, 그래핀(30)은 n-형 도핑 또는 p-형 도핑의 특성을 나타낼 수 있다.That is, the
이러한 도핑 과정은 촉매 금속 상에 형성되는 그래핀의 결정 결함(금속의 결정면 사이의 경계(grane boundary) 등에 의한 결함)에 의한 전도성 감소 현상을 보완할 수 있도록 할 수 있다.Such a doping process can compensate for a decrease in conductivity due to graphene crystal defects (defects due to a boundary between the crystal grains and the like) formed on the catalyst metal.
즉, 도핑 층(40)에 포함된 도펀트 물질과 그래핀(30)의 물질이 치환되면서 전하(carrier)가 발생할 수 있으며, 따라서 전하 밀도(carrier density)가 증가할 수 있는 것이다.That is, a carrier may be generated by substituting the dopant material included in the
이러한 도핑을 위한 도펀트는, 유기계 도펀트, 무기계 도펀트, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 그 일례로서, 질산 및 질산이 포함된 물질의 증기 또는 용액을 이용할 수 있다. 특히, 증기를 이용한 기상 도핑을 수행하는 것이 보다 유리할 수 있다.The dopant for such doping may include an organic dopant, an inorganic dopant, or a combination thereof. As an example, a vapor or a solution of a substance containing nitric acid and nitric acid can be used. In particular, it may be more advantageous to perform vapor doping using steam.
또한, 이러한 도펀트는, 그 구체적인 예로서, NO2BF4, NOBF4, NO2SbF6, HCl, H2PO4, CH3COOH, H2SO4, HNO3, PVDF, 나피온(Nafion), AuCl3, SOCl2, Br2, CH3NO2, 디클로로디시아노퀴논, 옥손, 디미리스토일포스파티딜이노시톨 및 트리플루오로메탄술폰이미드 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.The dopant may be selected from the group consisting of NO 2 BF 4 , NOBF 4 , NO 2 SbF 6 , HCl, H 2 PO 4 , CH 3 COOH, H 2 SO 4 , HNO 3 , PVDF, Nafion, , AuCl 3 , SOCl 2 , Br 2 , CH 3 NO 2 , dichlorodicyanoquinone, oxone, di-myristoyl phosphatidyl inositol, and trifluoromethanesulfonimide.
한편, 도 7에서 도시하는 바와 같이, 기판(10)의 표면 개질은 기판(10)의 양측면에서 이루어질 수 있다. 즉, 기판(10)의 양면에 전구체 폴리머 층(20)을 형성하고, 이러한 폴리머 층(20) 상에 그래핀(30)을 위치시킬 수 있다.On the other hand, as shown in Fig. 7, the surface modification of the
이와 같이, 폴리머 층(20)에 의하여 표면 특성이 개선된 기판(10) 상에 위치하는 그래핀(30)은 위에서 설명한 바와 같이, 전기적 특성이 크게 향상될 수 있다.As described above, the electrical characteristics of the graphen 30 positioned on the
도 8은 도핑 특성과 관련 있는 그래핀의 전류 특성을 나타내는 그래프이다. 또한, 도 9는 기판 표면 개질의 과정이 이루어지는 PECVD의 모식도이고, 도 10 및 도 11은 PECVD에 의한 플라즈마를 이용한 고분자화 원리를 설명하기 위한 개략도이다.8 is a graph showing the current characteristics of graphene in relation to doping characteristics. 9 is a schematic diagram of PECVD in which a substrate surface modification process is performed, and FIGS. 10 and 11 are schematic views for explaining the principle of polymerization using plasma by PECVD.
이하, 도 8 내지 도 11을 참조하여 기판 표면 개질이 이루어지는 과정을 설명한다.Hereinafter, the process of modifying the substrate surface will be described with reference to FIGS. 8 to 11. FIG.
위에서 설명한 바와 같이, 기판(10)의 표면 개질의 과정은 PECVD를 통하여 이루어질 수 있다.As described above, the surface modification process of the
PECVD는 도 9에서 도시하는 바와 같이, 챔버(100)와, 이 챔버(100) 내에 플라즈마를 일으키기 위한 자기 코일(120) 및 RF 전원(130)을 포함하며, 기판(10)이 놓여지는 척(110) 상에서 플라즈마(Plasma)가 형성될 수 있다.PECVD includes a
이러한 챔버(100)의 하측에는 냉각 헬륨(Backside cooling helium)이 공급되어 기판의 온도를 낮출 수 있다.A backside cooling helium is supplied to the lower side of the
도 9의 상측을 통하여 반응 기체(Process gases)가 공급되고, 하측을 통하여 반응 후의 기체(By-products)가 펌프(도시되지 않음)를 통하여 배기될 수 있다.Process gases are supplied through the upper side of Fig. 9, and by-products after the reaction can be exhausted through the lower side through a pump (not shown).
이러한 PECVD 방법에 의하면, 냉각 헬륨(Backside cooling helium)에 의해 온도가 낮아진 기판(10)의 표면에 반응 기체가 흡착이 되고, 플라즈마(Plasma)에 의해 활성화된 반응 기체(Process gases)들과 비활성화된 반응기체들 간의 반응에 의해 폴리머 층이 형성될 수 있다.According to this PECVD method, the reaction gas is adsorbed on the surface of the
여기서, 기판(10)에 증착(deposition)이 될 수 있는 원리는 플라즈마(Plasma)의 방향성 및 기판(10) 표면의 낮은 온도에 의한 반응기체(Process gases)의 흡착이라 볼 수 있다Here, the principle that can be deposited on the
이하, 이러한 폴리머 층이 형성되는 반응 원리에 대하여 설명한다.Hereinafter, the principle of reaction in which such a polymer layer is formed will be described.
도 10에서, Mi는 M 분자(molecule)가 i개 만큼 모여 만들어진 폴리머를 뜻한다. 그러므로 밑 첨자는 폴리머가 임의의 분자 개수(예를 들어, k, j)를 가졌음을 표시한다.In Fig. 10, M i denotes a polymer formed by collecting M molecules. The bases therefore indicate that the polymer has an arbitrary number of molecules (e.g., k, j).
또한, 도트의 의미는 라디칼(radical) 형태를 가지게 되었음을 뜻한다.Also, the meaning of a dot means that it has a radical form.
도트가 하나가 생겼음은 라디칼이 한 개가 있음을 뜻하고, 두 개의 도트를 가진 경우, 라디칼이 두 개 있음을 뜻한다.One dot means one radical, and two dots means there are two radicals.
라디칼은 반응성이 높으므로 다른 분자나 라디칼 분자와 반응하여 결합을 형성할 수 있다.Radicals are highly reactive and can react with other molecules or radical molecules to form bonds.
여기서, "+" 의 의미는 두 물질 간에 반응을 할 것을 의미한다. 두 물질 간의 반응을 통해 나온 생성물이 화살표의 머리 방향에 위치하고 반응을 하면 결합이 일어났음을 보이고 있다.Here, the meaning of "+" means to react between two substances. The product from the reaction between the two substances is located in the head direction of the arrow, and when they react, it shows that the bonding occurs.
또한, "-" 의 의미는 분자간 결합이 형성되었음을 뜻한다.Also, the meaning of "-" means that an intermolecular bond has been formed.
이와 같은 과정에 의하여, 플라즈마에 의한 폴리머 층(20)이 형성될 수 있다.By such a process, the
도 11을 참조하면, 링 형태의 시클로헥산(cyclohexane)의 경우에, 수소 분위기에서의 플라즈마 처리에 의해 위의 도 10에서 설명한 원리와 유사한 방식으로 고리가 열려 라디칼 분자가 형성될 수 있다. Referring to Fig. 11, in the case of ring-shaped cyclohexane, the radicals can be opened to form radical molecules in a manner similar to the principle described above in Fig. 10 by plasma treatment in a hydrogen atmosphere.
이렇게 생긴 여러 형태의 라디칼 분자들은 도 10을 참조하여 설명한 방식과 같이 반응이 일어나면서 분자량이 커지게 된다.The various types of radical molecules thus formed are increased in molecular weight as the reaction proceeds as described with reference to FIG.
이와 같은 과정에 의하여, 기판(10) 상에 메틸기를 말단기로 가지는 전구체 폴리머 층(20)이 균일하게 형성되고, 이와 같은 폴리머 층(20)에 의하여 기판(10)의 특성이 크게 개선될 수 있다.By this process, the
도 8은 메틸기와 같은 사슬 형태의 전구체를 가지는 폴리머 층(20)을 이용한 경우에 그래핀의 특성을 나타내며, 전류 곡선의 최저점이 0 V 근처에 위치하는 경우에 도핑의 효과가 극대화되는 것으로 알려져 있다. FIG. 8 shows the characteristics of graphene when a
도 8에서 도시하는 바와 같이, 전류 곡선의 최저점은 0 V 근처에 위치하는 것을 알 수 있다. 이와 같은 폴리머 층(20) 상에 그래핀(30)이 위치하는 경우, 폴리머 층(20)과의 결합에 의하여 그래핀(30)의 전기적 특성이 향상될 수 있다.As shown in Fig. 8, it can be seen that the lowest point of the current curve is located near 0V. When the
또한, 이러한 폴리머 층(20)을 통한 기판(10) 표면의 개질에 의하여, 추가적인 도핑을 실시하는 경우에, 이 도핑의 효과를 극대화시킬 수 있는 상태를 제공할 수 있는 것이다.Further, by modifying the surface of the
본 실시예에서는 전도성을 향상시키는 특성을 포함하는 도핑의 특성에 관한 폴리머 층(20)의 이용 예를 설명하였으나, 폴리머의 종류에 따라 다양한 특성을 향상시킬 수도 있다.In this embodiment, the use of the
예를 들어, 작용기는 목적에 따라 달라질 수 있고, 이러한 사용되는 작용기에 따라, 그래핀의 다른 특성들이 개선될 수도 있다.For example, the functional groups may vary depending on the purpose, and depending on the functional groups used, other properties of the graphene may be improved.
결과적으로, 유기 전구체를 포함하는 폴리머 층을 이용하여 빠르고 저비용으로 다양한 종류의 기판의 표면을 개질시킬 수 있다.As a result, the surface of various types of substrates can be modified quickly and inexpensively using a polymer layer comprising an organic precursor.
이러한 그래핀은 유연한 소자에 적용이 불가한 기존에 사용되는 실리콘 옥사이드를 대체하는 유연한 절연체 물질 증착될 수 있어, 유연한 소자에 응용될 수 있는 장점을 가진다.Such graphenes are advantageous in that they can be applied to flexible devices because they can be deposited as flexible insulator materials that replace conventional silicon oxides that can not be applied to flexible devices.
또한, 투과도가 높은 그래핀 구조체를 제작할 수 있어, 광학 소자 및 디스플레이 등에 응용될 수 있다.
Further, a graphene structure having high transmittance can be manufactured, and can be applied to an optical element, a display, and the like.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.It should be noted that the embodiments of the present invention disclosed in the present specification and drawings are only illustrative of specific examples for the purpose of understanding and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention are possible in addition to the embodiments disclosed herein.
10: 기판 20: 폴리머 층
30: 그래핀 40: 도핑 층10: substrate 20: polymer layer
30: graphene 40: doped layer
Claims (12)
기판 상에 도핑을 위한 메틸기를 가지는 전구체를 포함하는 전구체 폴리머 층을 형성하는 단계; 및
상기 전구체 폴리머 층이 형성된 기판 상에 그래핀을 위치시키는 단계를 포함하여 구성되고,
상기 메틸기를 가지는 전구체는, 시클로헥산(Cyclohexane) 계열의 전구체인 것을 특징으로 하는 기판 표면 개질을 이용한 그래핀의 도핑 방법.In a graphene doping method using a substrate surface modification,
Forming a precursor polymer layer on the substrate, the precursor polymer layer comprising a precursor having a methyl group for doping; And
Positioning the graphene on a substrate having the precursor polymer layer formed thereon,
Wherein the precursor having a methyl group is a precursor of a cyclohexane series.
상기 기판 상에 위치하며 메틸기를 가지는 전구체를 포함하는 전구체 폴리머 층; 및
상기 전구체 폴리머 층 상에 위치하는 그래핀을 포함하고,
상기 메틸기를 가지는 전구체는, 플라즈마 처리된 시클로헥산(Cyclohexane), 메틸시클로헥산(Methylcyclohexane) 및 에틸시클로헥산(Ethylcyclohexane) 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 그래핀 구조체.Board;
A precursor polymer layer located on the substrate and comprising a precursor having a methyl group; And
And graphenes located on the precursor polymer layer,
Wherein the precursor having the methyl group is at least one of plasma-treated cyclohexane, methylcyclohexane, and ethylcyclohexane.
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