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KR101067085B1 - 무촉매 그래핀 성장 방법 - Google Patents

무촉매 그래핀 성장 방법 Download PDF

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KR101067085B1
KR101067085B1 KR1020090039332A KR20090039332A KR101067085B1 KR 101067085 B1 KR101067085 B1 KR 101067085B1 KR 1020090039332 A KR1020090039332 A KR 1020090039332A KR 20090039332 A KR20090039332 A KR 20090039332A KR 101067085 B1 KR101067085 B1 KR 101067085B1
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KR
South Korea
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graphene
substrate
catalyst
carbon
growth method
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KR1020090039332A
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최재우
Original Assignee
경희대학교 산학협력단
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Abstract

무촉매 그래핀 성장 방법이 제공된다.
본 발명의 실시예에 따른 무촉매 그래핀 성장 방법은, 탄소가 포함된 기체 속에 기판을 두는 단계; 촉매를 사용하지 않은 상태에서 상기 기판을 가열하는 단계; 및 상기 기판 위에 그래핀이 형성되는 단계를 포함한다.
그래핀(Graphene), FLG(Few Layer Graphene)

Description

무촉매 그래핀 성장 방법{Catalyst-free graphene growth method}
본 발명은 그래핀을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 탄소가 포함된 기체 속에서 촉매를 사용하지 않고서 기판을 고온으로 가열함으로써 그래핀이 형성될 수 있는, 무촉매 그래핀 성장 방법에 관한 것이다.
탄소나노튜브와는 달리 그래핀은 유일한 평면 구조를 가지며, 기존의 잘 알려진 식각 방법을 이용하여 패턴 공정도 할 수 있어서, 그래핀이 가지고 있는 독특한 물리적 특성을 충분히 활용하여 대형 소자를 만들 수 있으리라 기대된다. 하지만, 이러한 기대를 충족하기 위해서는 먼저 대면적의 양질의 그래핀 제조 기술이 선행되어야 한다.
초기에 그래핀의 독특한 물리적 성질들은 그래파이트에 스카치 테이프를 붙인 뒤 떼어내어 스카치 테이프에 달라붙어 있는 그래핀을 다른 기판에 옮겨 만들어진 그래핀 시료로부터 연구하여 왔다. 하지만, 최근들어 그래핀을 성장시키거나 합성해보려는 많은 시도가 진행 중이며 이미 여러 방법들이 개발되어 소개되었다.
첫번째 방법으로, 그래핀 연구의 초창기부터 활용되어 오고 있는 일명 스카치 테이프 기술을 살펴보기로 한다. 이 기술은 그래핀층 간에 작용하는 반데르 바 알스 상호작용인력은 화학 결합에 비해 상대적으로 매우 약하다는 성질을 이용하여, 접착성이 좋은 스카치 테이프를 그래파이트 윗면에 접착한 후 그래핀을 그래파이트로부터 떼어내는 기술이다. 이 방법의 장점으론 그래파이트의 결정 구조가 좋아 상대적으로 큰 domain의 그래핀을 얻을 수 있다는 것이다.
하지만, 스카치 테이프를 이용한 그래핀의 분리 및 증착 방법은 소자 개발에 적용하기에는 많은 한계를 가지고 있다. 즉, 이러한 방법으로 얻어진 그래핀의 크기는 일반적으로 수십 마이크로미터 이내이며, 스카치 테이프로부터 기판 위에 증착하는 과정에서 그래핀과 여러층의 그래파이트는 쉽게 부셔지면서 그래핀과 그래파이트 조각들이 기판위에 무질서 하게 섞여서 현미경과 라만 분광기와 같은 분석 장비를 이용하여 그래핀을 찾고 확인해야 하는 문제점을 가지고 있다. 이러한 방법으론 그래핀을 대형 소자 개발에 활용하기에는 부적합하다.
두번째 방법으로, 극성 구조를 가지고 있는 재료 즉 실리콘카바이드 (SiC)와 같은 극성면을 고온에서 열처리하여 표면의 실리콘을 차별적으로 증발 시키고 탄소성분은 표면에 남겨 결정화하여 실리콘카바이드 표면 위에 그래핀을 성장시키는 방법이다. 하지만, 이 방법은 무엇보다도 실리콘카바이드 웨이퍼 그 자체가 워낙 비싸며, 아직 큰 크기의 실리콘카바이드 웨이퍼가 만들어지고 있지 않다. 또한, 실리콘카바이드로부터 성장한 그래핀의 domain 크기가 매우 작아 대형 소자 목적으로 활용하기에는 더더욱 부적합하다는 문제점이 있다.
세번째 방법으로, 그래파이트의 층간에 이물질을 끼운 그래파이트나 그래파이트 산화물을 용액에 분산시킨 뒤 기판위에 스핀코팅하고 나서 그래파이트 산화물 을 환원시키거나 표면에 달라붙어 있는 불순물을 제거함으로써 그래핀을 얻는 방법이다. 이러한 공정방법은 나름대로의 장점을 가지고 있으나, 그래파이트나 그래파이트 산화물에 의존하고, 여러 가지 복잡한 화학 공정으로 인하여 그래핀이 크게 손상될 수 있다는 문제가 있다. 이와 더불어, 유기화학 합성방법을 이용하여 그래핀을 탄소 수화물로부터 직접 합성하였으나, 아직 큰 크기의 그래핀을 합성하지는 못하였다.
한편, 여러 연구그룹에서 금속 촉매 위에 그래핀을 직접 성장하는 방법 등을 연구해 오고 있는데, 특히 최근엔 증착된 니켈 촉매 표면 위에 그래핀을 성장한 뒤 그래핀을 니켈 금속 표면으로부터 떼어내는 방법이 한국의 연구진들에 의해서 개발되어 네이처 학술 잡지에 발표된 바 있다. 기존에 비해 진일보한 뛰어난 연구 업적이라 할 수 있다.
하지만, 촉매 금속도 전도체이므로 그래핀의 특성을 활용하는데 저해 요소로 작용하며, 그래핀을 투명 전극에 활용하는 경우에 있어서 촉매 금속으로 인해 빛이 통과할 수 없는 문제가 있다.
또한, 촉매 금속 표면 위에 그래핀을 성장시킨 뒤 그래핀을 촉매로부터 떼어내는 과정이 어렵다는 문제가 있다. 그래핀 밑에 붙어 있는 니켈 금속 층을 제거하기 위해서 수십 또는 수백 nm 밖에 되지 않는 니켈층을 단면적이 매우 작은 측면으로부터 점차적으로 화학적으로 에칭을 해야 하는데, 이는 에칭액이 확산해 가는데 장시간이 소요되어 대면적의 그래핀을 획득하는데는 효율적이지 못하다. 일 예로 니켈의 에칭을 대략적으로 평가 해보면, 시편의 폭이 2cm 이고 니켈층의 두께가 200 nm 인 경우라면 종횡비(aspect ratio)가 약 100,000 이나 되어 액체 에칭액을 이용하여 니켈을 에칭하는 데에는 상당한 시간이 소요 될 것으로 예상된다. 특히, 대형의 시료를 이러한 방법으로 만드는 것은 비현실적이라 할 수 있다. 비록 니켈층 밑에 있는 상대적으로 두꺼운 실리콘 산화막을 먼저 에칭하고 나중에 니켈을 에칭한다 할지라도 여전히 실리콘 산화막을 제거하는데 걸리는 시간은 앞의 경우와 비슷하여, 대면적의 그래핀을 제조하는데는 효율적인 방법이라 할 수 없다.
따라서, 상술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 소자 개발에 방해가 되는 촉매를 사용하지 않으면서 탄소의 단일층 또는 10층 이하의 구조를 가지는 그래핀을 제조할 수 있는, 무촉매 그래핀 성장 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 그래핀 성장시 사용되는 금속 촉매로 인한 작은 도메인의 그래핀의 형성 문제와 제조된 그래핀의 활용시 촉매 금속층을 제거해야 하는 문제가 발생하지 않도록 큰 도메인과 균일한 분포를 가진 양질의 그래핀을 대면적 단위로 제조할 수 있는, 무촉매 그래핀 성장 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 무촉매 그래핀 성장 방법은, 탄소가 포함된 기체 속에 기판을 두는 단계; 촉매를 사용하지 않은 상태에서 상기 기판을 가열하는 단계; 및 상기 기판 위에 그래핀이 형성되는 단계를 포함한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 그래핀은 무촉매 그래핀 성장 방법에 의해 제조되는 탄소의 단일층 또는 10층 이하의 그래핀을 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 무촉매 그래핀 성장 방법에 의하면, 다음과 같은 효과가 하나 이상 존재한다.
첫째, 소자 개발에 방해가 되는 촉매를 사용하지 않으면서 직접 그래핀을 대면적 단위로 제조할 수 있는 장점이 있다.
둘째, 그래핀 성장시 사용되는 금속 촉매로 인한 작은 도메인의 그래핀의 형성 문제와 제조된 그래핀의 활용시 촉매 금속층을 제거해야 하는 문제가 발생하지 않아 큰 도메인과 균일한 분포를 가진 양질의 그래핀을 대면적 단위로 제조할 수 있다는 장점이 있다.
셋째, 지극히 얇으면서도 높은 전기 전도도를 보이는 그래핀의 성질로 인해, 미래의 디스플레이, 전자소자 및 태양전지의 투명전극으로 사용할 수 있으며, 또한, 단일 원자층으로 구성된 그래핀은 접촉 면적이 월등히 커 화합물이나 바이오센서에 사용될 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises) (includes)" 및/또는 "포함하는(comprising) (including)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 실시예들을 첨부 도면을 참조하면서 보다 상세하게 설명하고자 한다.
먼저, 본 발명에 따른 실시예들을 설명하기에 앞서 촉매를 사용하지 않고 그래핀을 제조하는 기술의 원리에 대해 언급하기로 한다.
자연에 상존하는 탄소를 함유하는 기체가 일반적으로 고체 표면에 달라붙는다. 특히, 가끔 주사전자현미경으로 시료의 표면을 관찰할 때 시료 표면위에 탄소막이 형성되는 것을 경험할 수 있다. 이는 시료 위에 놓인 탄소를 함유한 기체가 전자빔에 노출됨으로써 탄소막이 형성되는 것이다. 이러한 현상에 착안하여, 단일층의 탄소 원자로 구성된 그래핀 또는 10층 이하의 소수층으로 구성된 그래핀을 합성할 수 있는 것이다. 그래핀을 고체 표면에 성장시키기 위해서 많은 양의 탄소가 필요하지도 않으며, 기판에 수직으로 성장하는 효율도 높을 필요가 없다. 단순히, 탄소가 포함된 기체 안에서 고체 기판을 촉매를 사용하지 아니하고 고온에서 가열하게 되면, 아주 얇고 작은 나노 그래핀 층으로 구성된 그래핀이 고체 기판 위에 형성됨을 확인하였다. 즉, 촉매를 사용하지 아니하고도 평면 구조를 가진 결정성이 좋은 그래핀을 성장할 수 있는 것이다.
여기에서 더 나아가, 다양한 용도로 그래핀을 활용하기 위해서는 그래핀의 도메인의 크기를 키울 필요가 있다. 이를 위해서는, 측면 성장 비율은 빠르면서 기판의 수직 방향으론 성장비가 매우 낮아야 한다. 일반적으로, 촉매를 사용할 경우에는 수직 성장과 수평 성장이 매우 빠르나, 본 발명의 실시예에서와 같이 촉매를 사용하지 않은 고체 기판에서는 탄소가 일정 온도에서 아주 적은 양이 용해되므로, 수직 성장 확률은 극히 적게 된다.
이제, 전술한 바와 같이 그래핀을 제조하는 기술의 원리에 기초하여 구체적으로 본 발명의 실시예에 따른 무촉매 그래핀 성장 방법을 설명하기로 한다.
후술하는 본 발명의 실시예에서 사용되는 그래핀(Graphene)이라는 용어는 탄소의 단일층 뿐만 아니라 10층 이하의 소수층까지 포함하는 의미로 사용되는 것이므로, 본 발명의 권리범위는 10층 이하의 소수층 그래핀(Few Layer Graphene)에도 미칠 수 있는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무촉매 그래핀 성장 방법의 전체 흐름도이다.
먼저, 탄소가 포함된 기체 속에 기판을 두게 된다(S100).
그리고, 촉매를 사용하지 않은 상태에서 기판을 가열한다(S200). 만약, 기판을 탄소가 포함된 기체가 아닌 일반 대기 중에 노출시킨 뒤에 그 기판을 반응로에서 가열하는 방안을 고려할 수 있으나, 대기 중에 노출된 기판을 단순히 가열해서는 그래핀 층이 형성되지 않는다. 이는 기판 표면 위에 달라붙어 있던 탄소를 포함한 기체가 온도가 상승됨에 따라 날라가 버리기 때문이다.
여기서, 탄소가 포함된 기체는 아세틸렌(C2H2)이나 에틸렌(C2H4)이 가장 바람직하지만 탄소를 포함하는 기체라면 본 발명의 실시예에 적용 가능할 것이다. 물론, 이러한 기체들 중 2 이상을 혼합하여 사용하는 것도 가능하며, 수송 가스를 함께 혼합할 수도 있다. 수송 가스로는 불활성 가스인 아르곤(Ar)이 바람직하며, 탄소가 포함된 기체의 캐리어(Carrier) 역할을 할 뿐만 아니라 탄소의 농도를 조절하거나 기판의 표면의 열을 빼앗는 기능을 하기도 한다.
또한, 여기서 사용되는 기판은 특별한 제한이 없어 거의 모든 기판을 사용하여 그래핀을 성장시킬 수 있으나, 여기서는 실리콘 기판, 실리콘 산화물 기판, 및 쿼츠 기판을 이용하여 실험적으로 구현해 보았다.
기판을 가열하는 조건은 0.1 내지 100 Torr의 압력 조건 하에서 700 내지 1100℃의 온도 조건이 바람직하다. 그리고, 탄소가 포함된 기체가 기판의 주위에서 유동하는 비율은 20 내지 30 SCCM(Standard Cubic Centimeter per Minute)이 바람직하다. 수송 가스인 불활성 가스의 유동 비율은 50 SCCM이 바람직하다.
전술한 조건 하에서 기판을 가열하게 되면, 기판 위에 그래핀이 형성된다(S300).
그래핀이 형성되는 과정은 크게 두 과정으로 나누어 지는 바, 첫째는 기판의 표면에서 그래핀이 고속으로 성장하는 고속 성장(Fast Growth) 과정이며, 둘째는 기판 속에 용해된 탄소의 확산(diffusion)에 의해 저속으로 성장하는 저속 성장(Slow Growth) 과정이다. 이러한 고속 성장과 저속 성장에 의한 그래핀의 형성 과정에 대해서는 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무촉매 그래핀 성장 방법에 의해 그래핀이 형성되는 과정의 흐름도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀의 성장 매카니즘을 도식적으로 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀이 고속 성장과 저속 성장에 의해 제조되는 과정을 도식적으로 나타내는 도면이다.
먼저, 도 3에 도시된 그래핀의 성장 매카니즘을 살펴보면, 왼쪽에 도시된 그림에서는 탄소가 포함된 기체 속에 놓여진 기판을 0.1 내지 100 Torr의 압력 조건과 700 내지 1100℃의 온도 조건 하에서 가열하기 시작하면서 기판 내부에 탄소 원자가 확산되어 존재하는 상태를 보여주고 있다. 도 3의 오른쪽에 도시된 그림에서는 고속 성장에 의한 그래핀의 형성과 동시에 기판 속에 용해된 탄소에 의해 저속 성장이 이미 개시되어 진행되고 있음을 보여주고 있는 것이다. 일반적으로, 기판 속의 탄소의 농도나 밀도는 기판의 깊이가 깊어질수록 낮아질 것이다.
이제, 구체적으로 무촉매 그래핀이 형성되는 과정을 도 2 및 도 4를 참조하여 시간 순으로 살펴보기로 한다.
먼저, 기판의 주위에 존재하는 탄소를 포함하는 기체가 기판의 가열에 의해 온도가 상승하면서 기판 표면 상에 그래핀이 성장되기 시작한다(S302). 이는 도 4의 (a) 그림에 해당할 수 있다. 이 상태에서 온도를 낮추면서 냉각시키면 하나 이상의 탄소층의 추가로 형성되면서 소수층의 그래핀을 획득할 수 있다. 이를 나타내는 것이 도 4의 (b) 그림에 해당된다. 여기서, 온도를 낮추는 냉각속도는 20℃/min 내지 100℃/min이 바람직하다.
한편, 도 4의 (a) 상태에서 성장된 그래핀을 산소(O2)나 수소(H2) 기체를 이용하여 고속 성장된 그래핀을 제거한 뒤 기판 내부에 녹아있는 탄소만으로도 그래핀을 획득할 수 있다(S304). 이 경우, 획득되는 그래핀은 단일층으로 이루어진 그래핀이며, 조건에 따라서는 2 이상 10 이하의 층으로 이루어진 소수의 그래핀층일 수도 있다.
이와 같은 고속 성장에 의해 형성된 그래핀을 1차로 획득한 이후에는 저속 성장에 의해 형성된 그래핀을 2차로 획득할 수 있다. 물론, 고속 성장이 완료되어야 저속 성장이 시작될 수 있는 것은 아니며, 고속 성장이 이루어지고 있는 도중에 저속 성장도 함께 이루어지는 것이며, 다만 고속 성장의 성장 속도가 저속 성장의 성장 속도보다 더 빠르기 때문에 고속 성장에 의한 그래핀이 먼저 형성될 수 있다는 것이다.
전술한 S304 과정을 수행한 이후에, 20℃/min 내지 100℃/min 범위 내의 일정한 냉각속도로 다시 온도를 하강시키면 기판 속에 용해되어 있는 탄소가 응집되면서 핵을 형성(Nucleation)한다(S306). 핵형성된 탄소가 기판의 표면과 표면 아래에서 확산(surface diffusion)되면서 탄소 원자들끼리 상호 작용(interaction)을 일으킨다(S308). 이는 도 4의 (c) 그림에 해당된다.
이 상태에서 다시 냉각을 시키면 확산과 상호 작용에 의해 탄소 원자끼리 응집되면서 그래핀이 성장하며(S310), 이와 같이 성장된 그래핀을 분리함으로써 그래핀을 2차로 획득할 수 있다(S312). 이는 도 4의 (d) 그림에 해당한다. 여기서의 냉 각 속도는 S306 과정에서의 냉각속도와 마찬가지로 20℃/min 내지 100℃/min로 설정할 수 있으나, 경우에 따라서는 좀 더 빠른 속도로 냉각할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따르는 그래핀의 저속 성장에서 탄소의 농도에 따라 그래핀의 도메인의 크기가 달라지는 과정을 도식적으로 나타내는 도면이다.
도 5의 (a)를 참조하면, 상대적으로 저온 상태에서 낮은 밀도의 탄소가 핵형성(Nucleation)되면 작은 도메인의 나노그래핀 패치가 형성되는 것을 알 수 있다. 이에 반해, 도 5의 (b)를 참조하면, 상대적으로 고온 상태에서 높은 밀도의 탄소가 핵형성(Nucleation)되면 상대적으로 큰 스케일의 도메인을 가지는 그래핀 패치가 형성되는 것을 알 수 있다.
도 6은 기존의 그래핀 제조 기술에 의해 생성된 그래핀과 본 발명의 실시예에 따른 무촉매 그래핀 성장 방법에 의해 생성된 그래핀을 비교한 도면이다.
도 6의 상부 그림에서는 기존의 그래핀 제조 기술을 나타내는 것으로서, 기판(100), 이산화 규소(110), 금속 촉매(120)의 순서로 형성된 구조 위에 그래핀(130)이 형성되어 있다. 반면에, 도 6의 하부 그림에서는 본 발명의 실시예에 따른 방법에 의해 기판(100)과 이산화 규소(110)의 순서로 형성된 구조 위에 금속 촉매가 없이 직접적으로 그래핀(130)이 형성되어 있음을 알 수 있다. 이는 촉매를 사용하지 않는 고체 기판의 경우에는 일정한 온도에서 아주 적은 양의 탄소를 고체 기판의 표면에 용해시킬 수 있어 촉매를 사용하지 않는 한 수직 성장 비율이 극히 낮아졌기 때문이다.
이상과 같이 본 발명을 도면에 도시한 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이 는 발명을 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 발명의 상세한 설명으로부터 다양한 변형 또는 균등한 실시예가 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 권리범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 결정되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무촉매 그래핀 성장 방법의 전체 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무촉매 그래핀 성장 방법에 의해 그래핀이 형성되는 과정의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀의 성장 매카니즘을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀이 고속 성장과 저속 성장에 의해 제조되는 과정을 도식적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따르는 그래핀의 저속 성장에서 탄소의 농도에 따라 그래핀의 도메인의 크기가 달라지는 과정을 도식적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 기존의 그래핀 제조 기술에 의해 생성된 그래핀과 본 발명의 실시예에 따른 무촉매 그래핀 성장 방법에 의해 생성된 그래핀을 비교한 도면이다.

Claims (10)

  1. 탄소가 포함된 기체 속에 기판을 두는 단계;
    촉매를 사용하지 않은 상태에서 상기 기판을 가열하는 단계; 및
    상기 기판 위에 그래핀이 형성되는 단계를 포함하고,
    상기 기판 위에 그래핀이 형성되는 단계는, 상기 기판의 표면에서 상기 그래핀이 고속으로 성장하는 단계와 상기 기판 속에 용해된 탄소의 확산(diffusion)에 의해 상기 그래핀이 저속으로 성장하는 단계를 포함하는, 무촉매 그래핀 성장 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소가 포함된 기체는,
    아세틸렌(C2H2), 에틸렌(C2H4), 및 메탄(CH4) 중 적어도 하나를 포함하는, 무촉매 그래핀 성장 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은,
    실리콘 기판, 실리콘 산화물 기판, 및 쿼츠 기판 중 하나인, 무촉매 그래핀 성장 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판을 가열하는 단계는,
    0.1 내지 100 Torr의 압력 조건 및 700 내지 1100℃의 온도 조건 하에서 가열하는, 무촉매 그래핀 성장 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소가 포함된 기체는,
    상기 기판의 주위에서 20 내지 30 SCCM(Standard Cubic Centimeter per Minute)의 비율로 유동하는, 무촉매 그래핀 성장 방법.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀이 고속으로 성장하는 단계는,
    상기 기판의 표면 위에 상기 그래핀이 하나 이상의 층을 이루면서 성장하는 단계;
    산소나 수소 기체를 이용하여 상기 성장된 그래핀을 분리함으로써 상기 그래핀을 1차로 획득하는 단계를 포함하는, 무촉매 그래핀 성장 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 그래핀이 저속으로 성장하는 단계는,
    일정한 냉각 속도로 온도가 하강됨에 따라 상기 기판 속에 용해된 탄소가 핵형성(Nucleation)을 하는 단계;
    상기 핵형성된 탄소가 상기 기판의 표면과 표면 아래에서 확산되면서 상호 작용을 일으키는 단계;
    상기 확산과 상호 작용에 의해 상기 탄소가 응집되면서 그래핀이 성장하는 단계;
    상기 성장된 그래핀을 분리함으로써 상기 그래핀을 2차로 획득하는 단계를 포함하는, 무촉매 그래핀 성장 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 냉각 속도는,
    1분에 20℃ 내지 100℃의 비율로 하강하는 속도인, 무촉매 그래핀 성장 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 5 항 및 제 7 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 따른 무촉매 그래핀 성장 방법에 의해 제조되는 탄소의 단일층 또는 10층 이하의 그래핀.
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