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KR101475182B1 - 수소 표면처리된 그래핀, 이의 형성방법 및 이를 포함하는 전자 소자 - Google Patents

수소 표면처리된 그래핀, 이의 형성방법 및 이를 포함하는 전자 소자 Download PDF

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KR101475182B1
KR101475182B1 KR20140081789A KR20140081789A KR101475182B1 KR 101475182 B1 KR101475182 B1 KR 101475182B1 KR 20140081789 A KR20140081789 A KR 20140081789A KR 20140081789 A KR20140081789 A KR 20140081789A KR 101475182 B1 KR101475182 B1 KR 101475182B1
Authority
KR
South Korea
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graphene
hydrogen
region
treated
pattern
Prior art date
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Active
Application number
KR20140081789A
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English (en)
Inventor
홍종일
손장엽
Original Assignee
연세대학교 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
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Priority to US14/516,746 priority patent/US9315389B2/en
Priority to CN201410556854.8A priority patent/CN104555998B/zh
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Abstract

본 발명은 수소 표면처리된 그래핀, 이의 형성방법 및 이를 포함하는 전자 소자에 관한 것으로, 본 발명에 따른 그래핀은 간접식 수소 플라즈마 처리를 통한 간단한 방법으로 밴드 갭을 가지는 수소 표면처리된 그래핀을 제조할 수 있다. 또한, 간접식 수소 플라즈마 처리를 통해 밴드 갭이 다른 두 영역을 형성할 수 있으며, 이는, 트랜지스터 및 터치 패널 등의 전자 소자에 직접적으로 적용 가능하여 공정 시간 및 공정 비용을 줄일 수 있다.

Description

수소 표면처리된 그래핀, 이의 형성방법 및 이를 포함하는 전자 소자{Hydrogen surface treated graphene, formation method thereof and electronic device comprising the same}
본 발명은 수소 표면처리된 그래핀 및 이의 형성방법 및 이를 포함하는 전자 소자에 관한 것이다.
그래핀(graphene)이란 탄소 원자들이 sp2 결합으로 이루어진 단일 평판 시트로 6각형 결정 격자가 집적된 형태에서 볼 수 있다. 따라서, 그래핀은 탄소로 이루어진 물질들인 흑연, 탄소나노튜브, 버키볼 형태의 플러렌(fullerene) 등을 구성하는 기본구조이다. 또한, 구조적인 차이 때문에 탄소 원자들이 관 모양으로 연결된 형태인 탄소나노튜브와는 전혀 성질이 다르게 나타난다. 그래핀은 탄소나노튜브의 기계적, 전기적 특성 등 장점을 두루 갖추면서도 2차원 물질에서만 보이는 특이한 물성을 가지기 때문에 최근 가장 주목받는 소재로 떠오르고 있다.
주로 공유결합을 통해서 이루어진 탄소 동소체들은 4개의 최외각 전자들의 파동함수의 선형결합 방식에 따라서 물리적 성질이 결정된다. 공유결합을 이루는 대부분의 고체들은 전자를 발견할 확률분포가 원자와 원자 사이에서 최대가 된다. 탄소 동소체 중 하나인 다이아몬드가 그 대표적인 예이다.
하지만, 그래핀에서는 세 개의 최외각 전자들의 선형 결합만이 탄소 간의 강한 공유결합에 참여하여 육각형 그물모양 평면을 만들고, 여분의 최외각 전자의 파동함수는 평면에 수직인 형태로 존재하게 된다. 평면에 평행하여 강한 공유결합에 참여하는 전자들의 상태를 σ-오비탈이라고 부르며, 평면에 수직한 전자의 상태를 π-오비탈이라고 한다. 그래핀의 물리적 성질을 결정하는 페르미 준위 근처의 전자의 파동함수들은 π-오비탈들의 선형결합으로 이루어져 있다.
최근 많은 연구그룹들이 그래핀이 갖는 육각형 그물모양 구조, 두 개의 상호침투하는 삼각 형태의 하위 격자 구조, 및 하나의 원자 크기에 해당하는 두께 등에 의하여 그래핀이 제로 밴드 갭의 특성을 보이는 점에 주목하였다. 그러나, 제로 밴드 갭으로 인해, 그래핀은 전자 소자로 사용하기에 금속 전도막 또는 배선 등으로 적용 분야가 제한적인 문제가 있었다.
현재 그래핀의 밴드 갭을 제어하기 위한 연구가 활발히 이루어 지고 있다. 그래핀을 나노 리본 또는 나노 패턴으로 만드는 방법과 기판에 전기장을 걸어주는 방법을 통하여 밴드 갭을 제어하는 연구들이 진행되고 있지만, 아직까지 그래핀의 밴드 갭을 정확하게 제어하는 연구 결과 및 방법에 대한 연구 결과는 발표되지 않고 있다.
한국공개특허 제2012-0084840호
본 발명은 수소 표면처리된 그래핀, 이의 형성방법 및 이를 포함하는 전자 소자에 관한 것으로, 상기 수소 표면처리된 그래핀은 부분적으로 수소 표면처리되어, 표면의 수소 흡착율이 5 내지 13%인 제1 영역 및 표면의 수소 흡착율이 15 내지 25%인 제2 영역을 포함하는 패턴화된 그래핀을 형성할 수 있다.
본 발명은 수소 표면처리된 그래핀, 이의 형성방법 및 이를 포함하는 전자 소자를 제공할 수 있다.
상기 수소 표면처리된 그래핀의 하나의 예로서,
밴드 갭이 0.1 내지 5.5 eV인 수소 표면처리된 그래핀을 제공할 수 있다.
예를 들어, 상기 수소 표면처리된 그래핀은 수소 표면처리되지 않은 제1 영역; 및 수소 표면처리된 제2 영역으로 형성된 패턴을 포함할 수 있다.
상기 수소 표면처리된 그래핀의 형성방법의 하나의 예로서,
간접식 플라즈마 처리하는 단계를 포함하는 그래핀의 표면처리 방법을 제공할 수 있다.
예를 들어, 상기 간접식 플라즈마 처리하는 단계에서, 간접식 플라즈마 장치를 이용하고, 상기 장치 내에서, 플라즈마를 생성하기 위해, 수소 가스를 주입하여 생성된 수소 플라즈마를 이용한 표면처리 방법일 수 있다.
또한, 상기 패턴을 포함하는 수소 표면처리된 그래핀의 형성방법을 제공할 수 있으며, 하나의 예로서,
그래핀 상에 리소그래피를 이용하여 패턴을 형성하는 단계; 및
패턴이 형성된 그래핀에 간접식 수소 플라즈마 처리하는 단계를 포함하는 패턴화된 그래핀 형성방법을 제공할 수 있다.
패턴을 포함하는 수소 표면처리된 그래핀의 형성방법의 또 하나의 예로서,
수소 표면처리된 그래핀에 레이저를 조사하여 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 패턴화된 그래핀 형성방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기 수소 표면처리된 그래핀을 포함하는 전자 소자를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 그래핀은 간접식 수소 플라즈마 처리를 통한 간단한 방법으로 밴드 갭을 가지는 수소 표면처리된 그래핀을 제조할 수 있다. 또한, 간접식 수소 플라즈마 처리를 통해 밴드 갭이 다른 두 영역을 형성할 수 있으며, 이는, 트랜지스터 및 터치 패널 등의 전자 소자에 직접적으로 적용 가능하여 공정 시간 및 공정 비용을 줄일 수 있다.
도 1은 일 실시예에서, 그래핀의 형성방법에 대한 모식도이다.
도 2는 일 실시예에서, 전자 기기의 외관을 나타낸 모식도이다.
도 3은 일 실시예에서, 터치 패널을 나타낸 모식도이다.
도 4는 일 실시예에서, 그래핀의 수소 플라즈마 표면처리 시간에 따른 밴드갭 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 일 실시예에서, 그래핀의 영역에 따른 라만 스펙트럼이다.
도 6은 일 실시예에서, 그래핀 표면의 수소 플라즈마 표면처리 시간에 따른 수소 커버율을 나타낸 그래프이다.
도 7은 일 실시예에서, 수소 플라즈마 표면처리 시간에 따른 (a) 라만 스펙트럼 및 (b) ID/ID' ratio를 나타낸 그래프이다.
도 8은 일 실시예에서, 수소 표면처리된 그래핀의 열처리 시간에 따른 밴드갭 변화를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 수소 표면처리된 그래핀 및 이의 형성방법 및 이를 포함하는 전자 소자를 제공할 수 있다.
상기 수소 표면처리된 그래핀의 하나의 예로서,
밴드 갭이 0.1 내지 5.5 eV인 수소 표면처리된 그래핀을 제공할 수 있다.
예를 들어, 상기 수소 표면처리는, 수소 플라즈마 처리를 함으로써 수행될 수 있으며, 이 때, 간접식 플라즈마 장치를 이용할 수 있다.
수소 처리되지 않은 그래핀은, 탄소 간의 강한 공유결합을 통해 2차원의 육각형 그물모양을 형성한다. 상기 그래핀은, 평면을 이루는 탄소 간의 강한 공유결합은 sp2 결합 구조로, σ-결합을 포함하고, 평면에 수직한 sp3 결합 구조로, 결합되지 않는 p-오비탈에 한 개의 전자가 남고, π-결합을 형성한다. 이 때, 그래핀의 평면에 수직으로 결합되지 않는 π-결합을 통해 높은 전도도 특성을 나타낼 수 있다. 그러나, 본 발명에서의 그래핀은 상기 그래핀의 평면에 수직으로 결합되지 않은 p-오비탈에 형성된 전자 자리에 수소를 흡착시킴으로써, π-결합을 차단하여 밴드 갭을 부여할 수 있다. 따라서, 본 발명은, 상기 수소 흡착 정도를 조절하여 그래핀의 전도도 특성을 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 밴드 갭은 0.1 내지 0.5 eV, 1.0 내지 5.5 eV 또는 1.5 내지 3.5 eV일 수 있다. 상기 범위 내의 밴드 갭을 통해, 여러 전자 소재로서 사용할 수 있다. 구체적으로, 기존의 그래핀은 높은 기계적 및 전기적 특성을 가지고 있으나, 제로 밴드 갭으로 인해 밴드 갭을 요구하는 전자 소재로서 사용하는데 제한이 있었다. 그러나, 본 발명에 따른 그래핀은 수소 표면처리를 통해 상기 문제점을 극복할 수 있다.
상기 수소 표면처리된 그래핀은 수소 표면처리되지 않은 제1 영역; 및
수소 표면처리된 제2 영역으로 형성된 패턴을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 설명한 바와 같이, 수소 처리를 통하여 각 영역의 밴드 갭이 상이한 패턴을 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 영역은 밴드 갭이 0.1 내지 0.5 eV이고,
제2 영역은 밴드 갭이 1.0 내지 5.5 eV일 수 있다.
구체적으로, 표면의 수소 흡착율이 낮은 그래핀의 제1 영역은, 상기 설명한 바와 같이 높은 전도도 특성을 나타낼 수 있다. 또한, 수소 표면처리된 그래핀의 제2 영역은, 표면의 수소 흡착율에 따라, 상기 그래핀의 평면에 수직으로 결합되지 않은 p-오비탈에 형성된 전자 자리에 수소를 흡착시킴으로써, π-결합을 차단하여 밴드 갭을 조절함으로써 그래핀의 전도도 특성을 제어할 수 있다.
상기 제1 영역의 밴드 갭은 예를 들어, 0.1 내지 0.5 eV, 0.1 내지 0.4 eV 또는 0.1 내지 0.3 eV일 수 있다. 상기 범위 내의 밴드 갭을 갖는 제1 영역은 반전도성 영역을 의미할 수 있다. 또한, 제2 영역의 밴드 갭은 예를 들어, 1.0 내지 5.0 eV, 2.5 내지 5.0 eV 또는 3.5 내지 5.0 eV일 수 있다. 상기 범위 내의 밴드 갭을 갖는 제2 영역은 반전도성 내지 비전도성 영역을 의미할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 영역의 면저항은 500 내지 1000 Ω/sq이고,
상기 제2 영역의 면저항은 1 내지 500 MΩ/sq일 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 영역의 면저항은 500 내지 900 Ω/sq, 500 내지 800 Ω/sq 또는 500 내지 600 Ω/sq일 수 있으며, 상기 제2 영역의 면저항은 1 내지 450 MΩ/sq, 10 내지 400 MΩ/sq 또는 100 내지 300 MΩ/sq일 수 있다. 상기 각 영역별 면저항을 상기 범위로 제어함으로써, 영역 별 다른 전도도 특성을 갖는 패턴화된 그래핀을 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 밴드 갭이 다른 두 영역을 갖는 그래핀은 단순한 간접식 수소 플라즈마 처리 또는 간접식 수소 플라즈마 처리된 그래핀에 레이저 조사를 통해 구현할 수 있다.
상기 그래핀은 하기 수학식 1을 만족할 수 있다.
[수학식 1]
ΔE* ≤ 1.5
상기 수학식 1에서,
ΔE*는 CIE(Commossion international de l'Eclairage) 색좌표를 이용하여 측정한 제1 영역 및 제2 영역의 색차를 의미한다.
구체적으로, 상기 ΔE* 값은 CIE(국제조명위원회, Commossion international del'Eclairage)에서 규정한 색상 값인 CIE Lab 색 공간에서 원용하였다. 상기 CIE Lab 색 공간은 우리 눈이 감지할 수 있는 색차와 색 공간에서 수치로 표현한 색차를 거의 일치시킬 수 있기 때문에, 세계적으로 표준화된 색 공간이다. CIE Lab 공간에서의 색의 차이란, 좌표에서의 위치 간의 거리라고 할 수 있다. 입체적으로 거리가 서로 멀면 색 차이가 많이 나는 것이고 거리가 가까우면 동일한 색으로 인지된다. 이러한 색 차이를 디지털 표시로 ΔE*로 표시하며 통상적으로 ΔE* 값이 0.5 이하면 색차를 거의 느끼지 못하며, 1.5이하면 극히 적은 색차를 느끼게 된다. 그러나, ΔE* 값이 1.5를 초과할 경우, 색차를 느낄 수 있으며, 2.0 이상이면 색차가 극치 크게 느껴지게 된다. 그러나, 이것은 일반적으로 통용될 뿐 공통적인 특별한 기준은 없으며, 예를 들어, 제품을 생산할 때, ΔE* 값을 0.8 내지 1.5로 유지할 경우, 제품에 대한 색차 관리가 되고 있다는 것을 의미할 수 있다.
상기 ΔE* 값은, 하기 수학식 3을 통해 산출할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112014062009387-pat00001
수학식 3에서 ΔL*는 두 색이 갖는 색좌표 E1과 E2의 구성 요소 L1*와 L2*의 차로 명도차를 의미한다. 또한, Δa*도 E1과 E2의 구성 요소 a1*과 a2*의 차로 레드-그린(Red-Green) 색의 차를 의미하고, Δb*도 E1과 E2의 구성 요소 b1*과 b2*의 차로 옐로우-블루(Yellow-Blue) 색의 차를 의미한다.
구체적으로, 상기 수학식 1에서, ΔE* 값은, 본 발명에 따른 그래핀의 제1 영역 및 제2 영역에 대한 색차를 관찰자가 감지하는 수준 이하로 제어할 수 있다. 이를 통해, 기존의 식각 및 에칭 등의 공정을 통해 제조된 전자 소자에서 발생하는 패턴이 관찰자에 의해 인식되는 문제점을 해결할 수 있다. 예를 들어, 상기 ΔE* 값은, 0.001 내지 1.5, 0.001 내지 1.2, 0.001 내지 1.0 또는 0.001 내지 0.8일 수 있다.
상기 제1 영역 표면의 수소 흡착율은 5 내지 13%이하이고,
제2 영역 표면의 수소 흡착율은 15 내지 25%일 수 있다.
상기 표면의 수소 흡착율이란, 그래핀 표면에서 수소가 부착 가능한 범위의 최대치를 100%로 설정하고, 실제로 그래핀 표면에 수소가 흡착된 비율을 나타낸 것이다.
구체적으로, 제1 영역은 간접식 수소 플라즈마 처리에 직접적으로 노출되지 않거나, 레이저를 통해 일부 환원된 영역으로, 표면의 수소 흡착율은 5 내지 13%로 나타날 수 있으며, 경우에 따라 5% 미만으로 나타나날 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 영역 표면의 수소 흡착율은 5 내지 12%, 5 내지 10% 또는 5 내지 8%일 수 있다. 제1 상기 제1 영역은, 상기 범위 내의 수소 흡착율을 가짐으로써, 낮은 밴드 갭 및 낮은 면저항을 나타내어, 반전도성 역역을 형성할 수 있다.
또한, 제2 영역은 수소 표면처리된 영역으로, 제1 영역에 비해 높은 표면의 수소 흡착율을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 영역 표면의 수소 흡착율은 17 내지 25%, 20 내지 25% 또는 22 내지 25%일 수 있다. 상기 제2 영역은, 상기 범위 내의 수소 흡착율을 가짐으로써, 2.0 내지 5.5 eV의 밴드 갭을 나타내고, 높은 면저항을 나타내어, 반전도성 영역 내지 비전도성 영역을 형성할 수 있다.
상기 제1 영역의 홀 이동도는 100 내지 500 cm2/V·s이고,
제2 영역의 홀 이동도는 1 내지 80 cm2/V·s일 수 있다.
예를 들어, 그래핀은 전기 전도도 및 캐리어 이동도 등의 높은 이동도 특성을 갖고 있다. 그러나, 그래핀에 수소 표면처리함으로써, 밴드 갭을 부여하여 상기 이동도를 낮출 수 있다. 예를 들어, 그래핀에 수소 표면처리를 약 5 초 동안 수행하였을 경우, 밴드 갭이 약 1 내지 2 eV로 나타나며, 이 때, 그래핀의 홀 이동도는 10 내지 80 cm2/V·s로 낮출 수 있다. 또한, 그래핀에 수소 표면처리를 약 10 초 이상 수행하였을 경우, 밴드 갭이 약 3 내지 5.5 eV로 나타나며, 이 때, 그래핀의 홀 이동도를 1 내지 5 cm2/V·s로 낮출 수 있다. 상기 범위 내의 홀 이동도는, 기존에 비해 높은 이동도 특성을 가지고 있어 반도체 등의 전자 소자로서 널리 사용되던 실리콘(Si)의 홀 이동도와 비교하여, 동등 내지 우수하며, 유연기판에 쓰이는 반도체의 전자 및 홀 이동도에 비하여 월등히 높은 것을 확인할 수 있다.
상기 수소 표면처리된 그래핀은 하기 수학식 2를 만족할 수 있다.
[수학식 2]
13 ≤ ID/ID' ≤ 20
상기 수학식 2에서,
ID는 라만 시프트 1350 cm-1 부근에서 나타내는 피크의 강도이고,
ID'는 라만 시프트 1620 cm-1 부근에서 나타내는 피크의 강도이다.
구체적으로, 이는, 본 발명에 따른 그래핀의 라만(raman) 스펙트럼 측정을 통해 확인할 수 있다. ID는 라만 시프트 1350 cm-1 부근에서 나타내는 D 피크의 강도로, 그래핀 상에 수소가 흡착된 것을 의미하는 피크일 수 있다. 예를 들어, 상기 1350 cm-1 부근은 1300 내지 1400 cm- 1를 의미할 수 있다. 또한, ID'는 라만 시프트 1620 cm-1 부근에서 나타내는 D' 피크로, 그래핀 상에 수소가 흡착하는 과정에서 나타낼 수 있는 결함을 의미하는 피크일 수 있다. 예를 들어, 상기 1620 cm-1 부근은 1600 내지 1650 cm- 1를 의미할 수 있다. 이 때, 상기 결함으로서, 원자 공동(atomic vacancy) 유형의 결함과, sp3 유형의 결함이 존재할 수 있다. 이 중 원자 공동 유형의 결함은 영구적인 손상을 주는 결함으로, 결함이 적은 수소 표면처리된 그래핀을 얻기 위해서는 가역적인 sp3 유형의 결함이 선호될 수 있다.
상기 ID/ID'를 통해 결함의 유형을 유추할 수 있다. 예를 들어, ID/ID'이 13 이상일 경우, sp3 유형의 결함을 의미할 수 있다.
또한, 상기 수소 표면처리된 그래핀은 하기 수학식 3을 만족할 수 있다.
3 ≤ ID/IG ≤ 5
상기 수학식 3에서,
ID는 라만 시프트 1350 cm-1 부근에서 나타내는 피크의 강도이고,
IG는 라만 시프트 1600 cm-1 부근에서 나타내는 피크의 강도이다.
구체적으로, 이는, 본 발명에 따른 그래핀의 라만(raman) 스펙트럼 측정을 통해 확인할 수 있다. 이때, ID는 상기 설명한 바와 같이 라만 시프트 1350 cm-1 부근에서 나타내는 D 피크의 강도로, 그래핀 상에 수소가 흡착된 것을 의미하는 피크일 수 있다. 또한, IG는 라만 시프트 1600 cm-1 부근에서 나타내는 G 피크의 강도로, 예를 들어, 상기 1600 cm-1 부근은 1580 내지 1610 cm- 1를 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 ID/IG는 3 내지 4.5, 3 내지 4 또는 4 내지 5일 수 있다. 상기 범위 내의 ID/IG를 통해, 그래핀 표면에 수소가 흡착되어 밴드 갭이 형성된 것을 확인할 수 있다.
상기 영구적인 손상을 주는 원자 공동 유형의 결함의 발생이 적음을 확인하는 방법 중 하나로서, 수소 표면처리된 영역의 그래핀에 열처리 과정 또는 레이저 조사 과정을 통해 수소 표면처리되지 않은 그래핀으로 환원하는 방법으로 확인할 수 있다. 구체적으로, 그래핀의 제2 영역 상에 간접식 수소 플라즈마 처리하여, 그래핀 표면을 수소화시킬 수 있다. 그런 다음, 150℃ 이상의 온도로 40 분 내지 300 분 동안 열처리함으로써, 플라즈마 처리하기 이전의 그래핀으로 환원시킬 수 있다. 기존에는, 그래핀 표면에 수소 표면처리하는 과정에서, 그래핀에 결함을 야기할 수 있으며, 이는, 영구적 손상을 주는 결함을 동반할 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 수소 표면처리된 그래핀은 열처리를 함으로써, 수소를 완전히 탈착하여 기존의 수소 표면처리되지 않은 그래핀으로 되돌릴 수 있다. 이는, 그래핀을 표면처리 하고, 표면처리 이전의 그래핀으로 환원하는 과정에서 결함이 발생하지 않은 것을 의미할 수 있다. 상기 그래핀의 환원 여부를 확인하는 방법으로, 밴드 갭 측정을 통해 확인할 수 있다. 예를 들어, 수소 표면처리를 통해 밴드 갭이 약 5 eV까지 열린 그래핀은 150℃ 이상의 온도에서 약 40 분 열처리 시, 밴드 갭이 0.1 eV 이하로 닫힐 수 있으며, 실질적으로 열처리된 그래핀의 밴드 갭은 0 eV로 결함 없이 본연의 그래핀으로 환원할 수 있다.
상기 그래핀은 2 내지 20층으로 적층된 구조일 수 있다.
하나의 예로서, 상기 적층된 그래핀의 n(n은 2 내지 20 사이의 임의의 정수) 번째 층은 수소 표면처리되지 않은 제1 영역 및 수소 표면처리된 제2 영역을 포함하는 패턴이 형성될 수 있다.
구체적으로, 그래핀은 필요에 따라, 2 내지 20층으로 형성할 수 있으며, 각각의 층 중 1 층 이상은 수소 표면처리되지 않은 제1 영역 및 수소 표면처리된 제2 영역을 포함하는 패턴이 형성될 수 있다. 이를 통해, 동일 표면 상에서 밴드 갭이 상이한 2 영역을 가지는 그래핀을 형성할 수 있다.
경우에 따라서, 상기 각 층은 수소 표면처리되지 않은 제1 영역과 수소 표면처리된 제2 영역을 포함하며,
적층된 그래핀의 n(n은 2 내지 20 사이의 임의의 정수) 번째 층과 n-1 번째 층은 수소 표면처리된 영역의 패턴이 서로 다르게 형성될 수 있다.
각각의 층의 패턴은 상기 리소그래피를 이용한 패턴이 형성된 그래핀에 수소 플라즈마 처리하는 방법 또는 수소 플라즈마 처리된 그래핀에 레이저 처리하는 방법을 통해 필요에 따라 다양하게 형성할 수 있다.
또한, 본 발명은 그래핀의 표면처리 방법을 제공할 수 있다. 하나의 예로서,
간접식 플라즈마(indirect plasma) 처리하는 단계를 포함하는 그래핀의 표면처리 방법을 제공할 수 있다. 구체적으로, 간접식 플라즈마 처리는 그래핀에 직접적으로 플라즈마 처리하는 방법과 달리, 플라즈마를 발생시켜 간접적으로 그래핀에 플라즈마를 노출시킴으로써, 플라즈마가 그래핀에 직접 접촉하지 않기 때문에 플라즈마 처리 과정에서 발생할 수 있는 그래핀의 표면 결함 없이 그래핀을 표면처리할 수 있다.
예를 들어, 상기 간접식 플라즈마 처리 단계는, 간접식 플라즈마 장치에 기체를 주입한 후, 발생한 플라즈마를 이용하여 처리할 수 있으며, 이 때, 플라즈마 생성에 있어서, 컨트롤러를 이용하여 정교하게 조절할 수 있다.
간접식 플라즈마 처리하는 단계에서,
플라즈마를 생성하기 위해, 수소 가스를 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 간접식 플라즈마 장치에 주입되는 기체는 수소 가스일 수 있으며, 이를 통해 생성된 수소 플라즈마를 이용하여 그래핀의 표면에 수소 표면처리할 수 있다. 기존에 플라즈마 생성 과정에서 수소와 아르곤 복합 가스를 사용해왔으나, 이는, 그래핀 표면처리 과정에서 잔여 아르곤으로 인하여, 그래핀 표면에 결함을 발생시킬 수 있는 단점이 있었다. 그러나, 본원에서는, 수소 가스를 이용하였으며, 이 때, 생성된 수소 플라즈마를 이용하여 그래핀의 표면처리를 할 경우, 수소 표면처리된 그래핀 표면의 결함을 방지할 수 있다.
상기 플라즈마 장치에 주입되는 수소 가스의 내부 분압은 15 mtorr 이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 수소 가스의 내부 분압은 1 내지 15 mtorr, 5 내지 15 mtorr 또는 10 내지 15 mtorr일 수 있다. 상기 범위 내로 수소 가스의 내부 분압을 조절함으로써, 수소 가스의 유량을 조절할 수 있으며, 이를 통해, 그래핀 표면처리 과정에서 결함을 발생시키지 않는 범위 내로, 수소 플라즈마의 양 및 에너지를 조절할 수 있다.
그래핀은 플라즈마 처리 방향에 대하여 0 내지 90°의 각도로 위치시켜 처리할 수 있다. 예를 들어, 간접식 플라즈마 장치에서 생성된 수소 플라즈마는 장치 내 유로를 통하여 흐르며, 상기 수소 플라즈마 흐름에 대하여 그래핀 시료를 0 내지 90°의 각도로 위치시켜 수소 표면처리된 그래핀을 제조할 수 있다. 예를 들어, 상기 그래핀의 위치 각도는 0 내지 5°, 5 내지 90° 또는 60 내지 90°의 각도로 위치시킬 수 있다. 이 때, 상기 0°는 수평으로 위치한 것을 의미할 수 있으며, 90°는 수직으로 위치한 것을 의미할 수 있다. 상기 범위 내의 각도로 조절함으로써, 그래핀의 수소 표면처리 정도를 조절할 수 있다.
상기 플라즈마 처리하는 단계는, 1 내지 1000 초 동안 수행할 수 있다. 예를 들어, 처리 시간에 따라, 그래핀 표면에 흡착되는 수소의 양을 조절할 수 있으며, 100 초 이상 플라즈마 처리할 경우, 그래핀의 수소 표면처리된 표면적은 약 25%일 수 있다.
상기 방법으로 제조된 수소 표면처리된 그래핀은 상기 설명한 바와 같이, 그래핀의 평면에 수직으로 결합되지 않은 p-오비탈에 형성된 전자 자리에 수소를 흡착시킴으로써, π-결합을 차단하여 밴드 갭을 부여할 수 있다. 이 때, 차단되는 π-결합은 영구적으로 손상되는 것이 아니라, 열처리를 통해, 플라즈마 처리하기 이전의 그래핀으로 환원시킬 수 있다. 열처리는 150℃ 이상의 온도로 수행될 수 있으며, 이를 통해, 수소를 탈착시킬 수 있다. 이를 통해, 본 발명에 따른 방법으로 그래핀을 수소 표면처리 할 경우, 영구적인 손상을 주는 결함을 동반하지 않는 것을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명은 패턴을 포함하는 그래핀의 형성방법을 제공할 수 있다. 하나의 예로서,
그래핀 상에 리소그래피를 이용하여 패턴을 형성하는 단계; 및
패턴이 형성된 그래핀에 수소 플라즈마 처리하는 단계를 포함하는 그래핀 형성방법을 제공할 수 있다.
예를 들어, 상기 그래핀은 기판 상에 형성될 수 있다. 상기 기판은, 전자 소자의 기판으로 사용되는 것이라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 금속판, 글라스(glass), 사파이어(sapphire), PC(Polycarbonate), PI(Polyimide), PET(Polyethylene terephthalate), PES(polyethersulfone) 및 PMMA(Polymethymethacrylate) 중 1 종 이상을 포함할 수 있다.
그런 다음, 상기 그래핀 상에 리소그래피를 이용하여 패턴을 형성할 수 있고, 상기 패턴의 형상은 특별히 한정되지 않으며, 적용되는 분야에 따라 다양하게 제조할 수 있다. 이렇게 형성된 패턴으로 인해 그래핀이 노출되는 영역 및 노출되지 않는 영역이 생길 수 있다. 이에 대해, 수소 플라즈마 처리를 할 경우, 노출된 부분은 수소 표면처리되어 일정 밴드 갭이 형성될 수 있다.
상기 패턴이 형성되어 수소 플라즈마에 노출되지 않은 영역의 밴드 갭은 0.1 내지 0.5 eV이고,
패턴이 형성되지 않아 수소 플라즈마에 노출된 영역의 밴드 갭은 1.0 내지 5.5 eV일 수 있다.
예를 들어, 리소그래피를 이용하여 형성된 패턴으로 인해 직접적으로 수소 표면처리되지 않은 부분은 0.1 내지 0.5 eV의 밴드 갭을 가질 수 있고, 수소 표면처리된 부분은 1.0 내지 5.5 eV의 밴드 갭을 가질 수 있다.
이와 같은 방법으로 밴드 갭이 다른 두 영역을 갖는 그래핀을 제조할 수 있으며, 이는, 기존의 여러 차례 식각 및 에칭을 통해 형성하던 트랜지스터와 같은 전자 소자와 비교하여, 단순한 공정으로, 공정 시간 및 비용에 관한 이점이 있다.
수소 플라즈마 처리는 상기 설명한 바와 같이 간접식 플라즈마(indirect plasma) 처리일 수 있다.
상기 플라즈마 처리하는 단계는, 1 내지 1000 초 동안 수행할 수 있다. 이를 통해, 패턴이 형성되어 직접적으로 표면처리되지 않은 제1 영역의 밴드 갭은 0.1 내지 0.5 eV로 나타날 수 있고, 패턴이 형성되지 않아 수소 플라즈마에 노출된 제2 영역의 밴드 갭은 1.0 내지 5.5 eV로 나타날 수 있다.
상기 패턴을 포함하는 그래핀의 형성방법의 또 하나의 예로서,
수소 표면처리된 그래핀에 레이저를 조사하여 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 패턴화된 그래핀 형성방법을 제공할 수 있다.
예를 들어, 간접식 플라즈마 처리를 통해 수소 표면처리된 그래핀은 상기 설명한 바와 동등한 수소 플라즈마 처리방법으로 그래핀 표면에 수소 플라즈마 처리함으로써 형성할 수 있다. 구체적으로, 수소 표면처리된 그래핀에 레이저를 조사하여 원하는 영역의 수소 표면처리된 그래핀을 환원하여 플라즈마 처리하기 이전의 그래핀 특유의 평면 육각 구조로 재정렬된 구조로 환원시킬 수 있다. 이때, 레이저 조사를 통해 플라즈마 처리하기 이전의 그래핀으로 환원된 영역이 제1 영역일 수 있고, 그 이외의 영역이 제2 영역일 수 있으며, 이를 통해, 패턴화된 그래핀을 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 레이저 조사는 순차 측면 결정화법(Sequential Lateral Solidi-fication, SLS), 엑시머 레이저 결정화법(Excimer Laser Annealing, ELA), 전기로를 이용한 열처리법(furnace annealing, FA) 또는 급속 열처리법(rapid thermal annealing, RTA)을 통해 열치리할 수 있다. 구체적으로, 레이저 조사는 엑시머 레이저 결정화법을 통해 수행할 수 있으며, 이는, 저온에서 열처리가 가능하여, 그래핀 표면의 결함을 최소화하면서 짧은 시간에 그래핀 표면을 환원시킬 수 있다.
상기 레이저를 조사하여 형성된 패턴 영역의 밴드 갭은 0.1 내지 0.5 eV이고,
레이저를 조사하지 않은 영역의 밴드 갭은 1.0 내지 5.5 eV일 수 있다.
구체적으로, 수소 표면처리된 그래핀에 레이저 조사를 이용한 열처리를 통해 환원시켜 형성된 패턴의 밴드 갭은 0.1 내지 0.5 eV이고, 레이저 조사를 하지 않은 수소 표면처리된 그래핀의 밴드 갭은 1.0 내지 5.5 eV일 수 있다.
상기 레이저가 조사된 그래핀 표면의 온도는 200℃ 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 레이저가 조사된 그래핀 표면의 온도는 200 내지 300℃, 220 내지 300℃ 또는 250 내지 280℃일 수 있다. 레이저가 조사된 그래핀 표면의 온도를 상기 범위 내로 조절함으로써, 그래핀 표면에 결함을 최소화하면서 짧은 시간 동안 열처리하여 그래핀 표면을 환원시킬 수 있다. 이를 통해, 수소화된 그래핀 상에 레이저를 이용하여 패턴화된 그래핀을 제조할 수 있다.
본 발명은 상기 수소 표면처리된 그래핀을 포함하는 전자 소자를 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 전자 소자는 트랜지스터 및 터치 패널을 포함할 수 있다.
상기 트랜지스터는 전자 소자, 메모리 소자, 저항을 포함하는 전자부품으로 적용할 수 있다.
예를 들어, 상기 트랜지스터를 제조하는 방법을 도 1에 나타내었다. 도 1을 보면, 그래핀(10)에 감광성 물질을 코팅한 후, 리소그래피를 이용하여 형성된 마스크를 이용한 노광 및 현상을 통해 마스크의 패턴과 유사한 패턴을 갖는 감광성 물질(20)의 패턴을 제조하였다. 그런 다음, 상기 감광성 물질(20)의 패턴이 구비된 그래핀에 수소 플라즈마 처리하고, 상기 감광성 물질(20) 패턴을 제거하면, 부분적으로 수소 플라즈마 처리되어 전기적 특성이 변화된 그래핀 영역(11)과 감광성 물질(20)의 패턴이 수소 플라즈마에 대한 보호막으로 작용하여 결함이 생성되지 않은 그래핀 영역(12)을 갖는 그래핀을 형성할 수 있다. 그런 다음, 감광성 물질의 패턴을 제거하고 그래핀 외부와의 전기적 접속 단자를 제공하는 금속 패드(미도시)를 형성하여 단일한 그래핀에 정밀한 배선을 형성시킬 수 있다. 이때, 상기 전기적 특성이 변화된 그래핀 영역은 본원에 따른 그래핀의 제2 영역에 해당하고, 결함이 생성되지 않은 그래핀 영역은 본원에 따른 그래핀의 제1 영역에 해당할 수 있다. 또한, 상기 패턴은 예를 든 것으로, 이에 한정되지 않으며, 그 용도에 따라 변경 가능하다. 상기 전기적 특성의 변화 정도는 그 용도에 따라 유동적으로 변경 가능하며, 이는, 플라즈마 세기 및 처리 각도 등을 달리하여 조절할 수 있다. 본 발명에 따르면, 상기 전기적 특성이 변화된 그래핀 영역(11)과 결함이 생성되지 않은 그래핀 영역(12)는 관찰자가 인식하지 못할 정도로 낮은 색차를 나타낼 수 있다.
또한, 터치 패드는 터치가 수행된 위치에 대응하는 터치 패드의 정전 용량이 변화하는 것을 감지하기 위한 장치로, 면저항이 다른 두 영역으로 패턴화된 구조로 형성될 수 있다. 이때, 상기 터치 패드 상에 터치(touch)가 수행될 경우, 터치가 수행된 위치에 대응하는 영역에 발생한 전기적 신호는 해당 영역 및 배선을 통해 제어부로 전송되어 터치가 수행된 위치에 대응하는 좌표를 인식할 수 있게 할 수 있다. 이 경우, 본 발명에서 제안하는 터치 패드는 터치 패널의 부품으로 적용될 수 있다.
또한, 상기 터치 패널은 접촉 감지 장치가 적용될 수 있는 전자 기기에 적용될 수 있다. 구체적으로, 음극선관(Cathode Ray Tube: CRT), 액정표시장치(Liquid Crystal Display: LCD), 전계 방출 표시장치(Field Emission Display: FED), 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel: PDP), 및 전계발광소자(Electro Luminescence Device: ELD) 등과 같은 화상표시장치의 표시면에 설치되어 사용자가 화상표시장치를 보면서 터치 패널을 가압하여(누르거나 터치하여) 컴퓨터에 미리 정해진 정보를 입력하는 컴퓨터 입력장치 중 한 종류이다. 하나의 예로서, 도 2를 보면, 휴대용 전화기(100)는 화면을 출력하기 위한 디스플레이 장치(110), 입력부(120), 음성 출력을 위한 오디오부(130) 등을 포함하며, 디스플레이 장치(110)와 일체화되어 접촉 감지 장치인 터치 패널을 구비할 수 있다.
이에 대해, 상기 터치 패널의 구조를 도 3에 나타내었다. 도 3을 보면, 터치 패널(200)은, 기판(210), 기판(210) 상에 마련되는 복수의 감지 전극(220, 230)을 포함한다. 복수의 감지 전극(220, 230)은 접촉 입력의 Y축 방향 위치를 감지하기 위한 제1 전극(220)과, 접촉 입력의 X축 방향 위치를 감지하기 위한 제2 전극(230)을 포함할 수 있다. 도 3에서는 제1 전극(220)과 제2 전극(230)이 각각 8개씩 구비되고, 제1 전극(220)과 제2 전극(230) 각각이 접촉 입력을 판단하는 컨트롤러 칩의 센싱 채널 X1~X8 과 Y1~Y8에 연결되어 있다. 또한, 도 3에서 편의상 제1 전극(220)과 제2 전극(230)은 기판(210)의 동일한 면에 형성되는 것으로 도시되었으나, 기판(210)의 상하면에 각각 분리되어 형성되거나, 또는 복수의 투명 기판(210)에 각각 형성될 수도 있다. 즉, 도 3에 도시된 평면도는 단순히 본 발명에 따른 터치 패널을 설명하기 위한 하나의 실시예에 해당할 뿐이다.
구체적으로, 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 터치 패널은 기판 상에 그래핀층을 형성하고, 상기 그래핀층에 감광성 물질을 코팅한 후, 리소그래피를 이용하여 형성된 마스크를 이용한 노광 및 현상을 통해 도 3과 같은 마름모 또는 다이아몬드형의 감광성 물질의 패턴을 제조하였다. 그런 다음, 상기 감광성 물질 패턴이 구비된 그래핀층에 수소 플라즈마 처리하고, 상기 감광성 물질 패턴을 제거하면, 상기 패턴에 따라 부분적으로 수소 플라즈마 처리되어 전기적 특성이 변화된 그래핀 영역(제2 영역)과 감광성 물질의 패턴이 수소 플라즈마에 대한 보호막으로 작용하여 결함이 생성되지 않은 그래핀 영역(제1 영역)을 갖는 그래핀을 형성할 수 있다. 예를 들어, 도 3의 구조에서 보면, 제1 전극은 본 발명에 따른 그래핀의 제1 영역, 제2 전극은 본 발명에 따른 그래핀의 제2 영역을 의미할 수 있다. 터치 패널 또한, 상기 전기적 특성이 변화된 그래핀 영역(11)과 결함이 생성되지 않은 그래핀 영역(12)는 관찰자가 인식하지 못할 정도로 낮은 색차를 나타낼 수 있다.
이하 본 발명에 따르는 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1: 수소 표면처리된 그래핀 제조
간접식 플라즈마 장치에 설치된 MFC(mass flow controller)를 이용하여 수소 가스의 주입량을 미세 제어한 뒤 장치 내로 주입하였다. 그런 다음, 진공 상태로 만들어진 장치 내의 가스 내부 분압을 15 mtorr 이하로 유지시키며, 전압을 공급하고, 수소 플라즈마를 생성하였다. 생성된 수소 플라즈마는 장치 내 유로를 따라 흐르며, 흐름 상에 그래핀 시료를 위치시켜, 1 내지 300 초 동안 그래핀을 수소 표면처리 하였다.
그런 다음, 제조된 수소 표면처리된 그래핀의 밴드 갭을 측정하였다. 그 결과는 도 4에 나타내었다. 도 4를 보면, 수소 처리 시간을 1 내지 200 초로 달리할 때, 조절되는 밴드 갭을 확인할 수 있다. 그 결과, 최대 약 4.7 eV의 밴드 갭이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
실시예 2: 패턴화된 그래핀 제조
기판 상에 그래핀을 도포한 후, 감광성 물질을 도포하고 패턴을 갖는 마스크를 형성하고, 노광 및 현상하였다. 상기 마스크, 감광성 물질, 노광 및 현상은 통상의 반도체 공정에 사용되는 리소그래피를 이용하여 수행하였으며, 상기 노광은 13nm(EUV) 내지 435nm(g-line)을 포함하는 광을 이용하였다.
그런 다음, 현상에 의해 감광성 물질이 제거된 그래핀 영역에 수소 플라즈마 처리하였다. 상기 플라즈마 처리는 간접식 플라즈마 장치에 설치된 MFC(mass flow controller)를 이용하여 수소 가스의 주입량을 미세 제어한 뒤 장치 내로 주입하여 수행하였다. 구체적으로, 진공 상태로 만들어진 장치 내의 가스 내부 분압을 15 mtorr 이하로 유지시키며, 전압을 공급하고, 수소 플라즈마를 생성하였다. 생성된 수소 플라즈마는 장치 내 유로를 따라 흐르며, 흐름 상에 상기 그래핀 시료를 위치시켜, 약 700 초 동안 그래핀을 수소 표면처리 하였다.
상기 제조된 부분적으로 수소 처리된 그래핀에 대하여 라만 스펙트럼을 측정하였다. 그 결과는 도 5에 나타내었다. 도 5의 a를 보면, 아르곤 이온 에칭한 그래핀 표면(Ar+ ion etching)과 수소 표면처리(hydrogenation)를 통해 제1 영역(PG) 및 제2 영역(HG)의 패턴이 형성된 그래핀 표면에 대한 결과를 나타내고 있다. 또한, b를 보면, 패턴을 갖는 마스크가 형성된 영역(제1 영역)과 패턴을 갖는 마스크가 형성되지 않은 영역(제2 영역)의 라만 스펙트럼을 나타내고 있다. 구체적으로, 제1 영역(PG)의 경우, 라만 시프트 2600 내지 2700 cm-1 부근에서 강한 피크를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 제2 영역의 경우, 라만 시프트 1300 내지 1400 cm-1 부근에서 강한 피크를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
실시예 3: 패턴화된 그래핀 제조
그래핀 표면을 수소 플라즈마 처리하였다. 상기 플라즈마 처리는 간접식 플라즈마 장치에 설치된 MFC(mass flow controller)를 이용하여 수소 가스의 주입량을 미세 제어한 뒤 장치 내로 주입하여 수행하였다. 구체적으로, 진공 상태로 만들어진 장치 내의 가스 내부 분압을 15 mtorr 이하로 유지시키며, 전압을 공급하고, 수소 플라즈마를 생성하였다. 생성된 수소 플라즈마는 장치 내 유로를 따라 흐르며, 흐름 상에 상기 그래핀 시료를 위치시켜, 약 700 초 동안 그래핀을 수소 표면처리 하였다.
그런 다음, 상기 수소 표면처리된 그래핀 상에 엑시머 레이저 결정화법(Excimer Laser Annealing, ELA)을 이용한 열처리를 통해 특정 영역을 환원시켜 그래핀 상에 패턴을 형성하였다. 이때, 레이저가 조사된 그래핀 표면의 온도는 200 내지 300℃로 조절하였다.
실험예 1
실시예 2에서, 수소 표면처리 시간을 1 내지 200 초로 달리하여 진행하였다. 그런 다음, 제1 영역 및 제2 영역에 대하여 그래핀 표면의 수소 커버율을 측정하였다. 이는, 도 5에 나타내었다. 도 6을 보면, 수소 커버율이 13% 이하로 나타나는 영역이 제1 영역 표면의 수소 커버율은 나타낼 수 있다. 반면, 수소 표면처리 시간이 증가함에 따라, 수소 커버율이 15 내지 25%로 나타나는 영역은 제2 영역 표면의 수소 커버율을 나타낼 수 있다. 구체적으로, 30 초 이상 수소 플라즈마 처리할 시, 20% 이상의 높은 수소 커버율을 확인할 수 있다.
또한, 상기 제2 영역에 대하여 밴드 갭을 측정하였으며, 플라즈마 처리시간이 증가함에 따라, 밴드 갭이 최대 5.5 eV 범위로 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
본 실험예 1을 통해, 그래핀의 수소 표면처리 시간이 증가할수록 그래핀의 수소 표면처리된 표면적이 증가하며, 이를 통해, 그래핀에 밴드 갭을 부여할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 또한, 상기 수소 표면처리를 통한 간단한 방법으로, 패턴화된 마스크를 사용할 경우, 그래핀 상에 다른 밴드 갭을 갖는 두 영역을 형성할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 2
상기 실시예 1에서, 수소의 주입 유량 및 수소 플라즈마 흐름에 대한 그래핀 시료의 위치 각도를 달리하여 밴드 갭 측정 실험을 하였다. 그 결과, 수소의 주입 유량이 동일할 경우, 그래핀 시료의 위치 각도 커질수록 밴드 갭이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 그래핀 시료의 위치 각도가 동일할 경우, 수소의 주입 유량이 증가할수록 밴드 갭이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 3
실험예 1에서, 처리 시간을 1 내지 200 초로 달리하여 제조된 수소 표면처리된 그래핀의 라만 스펙트럼을 측정하였다. 이는, 도 7의 a에 나타내었다. 또한, 상기 라만 스펙트럼에서, D' 피크 강도(1620 cm-1 부근에서 나타내는 피크의 강도, ID' ratio) 대비 D 피크 강도(1350 cm-1 부근에서 나타내는 피크의 강도, ID) 비(ID/ID' ratio)를 측정하여 도 7의 b에 나타내었다. 도 7의 b를 보면, ID/ID' 값이 13 이상인 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 본 발명에 따른 수소 표면처리된 그래핀은 영구적 손상을 주는 결함인 원자 공동(atomic vacancy) 유형의 결함이 아닌, 원래의 그래핀으로 환원 가능한 sp3 유형의 결함이 발생하는 것을 알 수 있었다.
실험예 4
실시예 2에 따른 방법으로 제조된 수소 표면처리된 그래핀의 처리 시간을 1 내지 200 초로 달리하며, 수소 표면처리된 제2 영역의 홀 이동도를 측정하였다. 그 결과, 플라즈마 처리시간이 증가함에 따라, 제2 영역의 면저항이 증가하며, 홀 이동도는 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 상기 제2 영역에 밴드 갭이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 그래핀 상에 약 5 초 동안 수소 플라즈마 처리하였을 경우, 기존의 전자 소재로서 널리 사용되던 실리콘(Si)의 홀 이동도인 160 cm2/ V·s 이상을 구현한다는 것을 확인할 수 있다.
실험예 5
실시예 1에 따른 방법으로 제조된 수소 표면처리된 그래핀에, 열을 가하여 수소 표면처리 전의 그래핀으로 환원시키는 실험을 하였다. 이 때, 열처리는 180℃에서 1 내지 120 분으로 조절하며 진행하였으며, 이는, 도 8에 나타내었다. 도 8을 보면, 4.7 eV의 밴드갭을 갖던 실시예 1의 수소 표면처리된 그래핀은, 열처리 시간이 증가할수록 밴드갭이 감소하며, 약 40 초 이상 열처리할 경우, 밴드갭이 0 eV로, 수소 표면처리 전의 그래핀으로 결함 없이 환원된 것을 확인할 수 있었다.
10: 그래핀
11: 전기적 특성이 변화된 그래핀 영역
12: 결함이 생성되지 않은 그래핀 영역
20: 감광성 물질
100: 휴대용 전화기
110: 디스플레이 장치
120: 입력부
130: 오디오부
200: 터치 패널
210: 기판
220: 제1 전극
230: 제2 전극

Claims (22)

  1. 밴드 갭이 0.1 내지 5.5 eV이며,
    수소 표면처리되지 않은 제1 영역; 및
    수소 표면처리된 제2 영역으로 형성된 패턴을 포함하는 수소 표면처리된 그래핀.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    제1 영역은 밴드 갭이 0.1 내지 0.5 eV이고,
    제2 영역은 밴드 갭이 1.0 내지 5.5 eV인 것을 특징으로 하는 수소 표면처리된 그래핀.
  4. 제 1 항에 있어서,
    제1 영역의 면저항은 500 내지 1000 Ω/sq이고,
    제2 영역의 면저항은 1 내지 500 MΩ/sq인 것을 특징으로 하는 수소 표면처리된 그래핀.
  5. 제 1 항에 있어서
    하기 수학식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 그래핀:
    [수학식 1]
    ΔE* ≤ 1.5
    상기 수학식 1에서,
    ΔE*는 CIE(Commossion international de l'Eclairage) 색좌표를 이용하여 측정한 제1 영역 및 제2 영역의 색차를 의미한다.
  6. 제 1 항에 있어서,
    제1 영역 표면의 수소 흡착율은 5 내지 13%이고,
    제2 영역 표면의 수소 흡착율은 15 내지 25%인 것을 특징으로 하는 수소 표면처리된 그래핀.
  7. 제 1 항에 있어서,
    제1 영역의 홀 이동도는 100 내지 500 cm2/V·s이고,
    제2 영역의 홀 이동도는 1 내지 80 cm2/V·s인 것을 특징으로 하는 수소 표면처리된 그래핀.
  8. 제 1 항에 있어서,
    하기 수학식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 수소 표면처리된 그래핀:
    [수학식 2]
    13 ≤ ID/ID' ≤ 20
    상기 수학식 2에서,
    ID는 라만 시프트 1350 cm-1 부근에서 나타내는 피크의 강도이고,
    ID'는 라만 시프트 1620 cm-1 부근에서 나타내는 피크의 강도이다.
  9. 제 1 항에 있어서,
    하기 수학식 3을 만족하는 것을 특징으로 하는 수소 표면처리된 그래핀:
    [수학식 3]
    3 ≤ ID/IG ≤ 5
    상기 수학식 3에서,
    ID는 라만 시프트 1350 cm-1 부근에서 나타내는 피크의 강도이고,
    IG는 라만 시프트 1600 cm-1 부근에서 나타내는 피크의 강도이다.
  10. 제 1 항에 있어서,
    수소 표면처리된 그래핀에, 150℃ 이상의 온도로 열처리 시, 수소 표면처리되지 않은 그래핀으로 환원되는 것을 특징으로 하는 수소 표면처리된 그래핀.
  11. 제 1 항에 있어서,
    그래핀은 2 내지 20 층으로 적층된 구조이며,
    적층된 그래핀의 n(n은 2 내지 20 사이의 임의의 정수) 번째 층은 수소 표면처리되지 않은 제1 영역 및 수소 표면처리된 제2 영역을 포함하는 패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 수소 표면처리된 그래핀.
  12. 제 1 항에 있어서,
    그래핀은 2 내지 20 층으로 적층된 구조이며,
    각 층은 수소 표면처리되지 않은 제1 영역과 수소 표면처리된 제2 영역을 포함하며,
    적층된 그래핀의 n(n은 2 내지 20 사이의 임의의 정수) 번째 층과 n-1 번째 층은 수소 표면처리된 영역의 패턴이 서로 다른 것을 특징으로 하는 수소 표면처리된 그래핀.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 그래핀 상에 리소그래피를 이용하여 패턴을 형성하는 단계; 및
    패턴이 형성된 그래핀에 수소 플라즈마 처리하는 단계를 포함하는 패턴화된 그래핀 형성방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    패턴이 형성되어 수소 플라즈마에 노출되지 않은 영역의 밴드 갭은 0.1 내지 0.5 eV이고,
    패턴이 형성되지 않아 수소 플라즈마에 노출된 영역의 밴드 갭은 1.0 내지 5.5 eV인 것을 특징으로 하는 패턴화된 그래핀 형성방법.
  18. 수소 표면처리된 그래핀에 레이저를 조사하여 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 패턴화된 그래핀 형성방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    레이저를 조사하여 형성된 패턴 영역의 밴드 갭은 0.1 내지 0.5 eV이고,
    레이저를 조사하지 않은 영역의 밴드 갭은 1.0 내지 5.5 eV인 것을 특징으로 하는 패턴화된 그래핀 형성방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    레이저가 조사된 그래핀 표면의 온도는 200℃ 이상인 것을 특징으로 하는 패턴화된 그래핀 형성방법.
  21. 제 1 항에 따른 수소 표면처리된 그래핀을 포함하는 전자 소자.
  22. 제 21 항에 있어서,
    트랜지스터 및 터치 패널을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 소자.
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