KR101664979B1 - 환원된 그래핀 옥사이드 필름의 제조방법, 상기 방법에 의해 제조되는 환원된 그래핀 옥사이드 필름, 및 상기 환원된 그래핀 옥사이드 필름을 포함하는 그래핀 전극 - Google Patents
환원된 그래핀 옥사이드 필름의 제조방법, 상기 방법에 의해 제조되는 환원된 그래핀 옥사이드 필름, 및 상기 환원된 그래핀 옥사이드 필름을 포함하는 그래핀 전극 Download PDFInfo
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- YVTHLONGBIQYBO-UHFFFAOYSA-N zinc indium(3+) oxygen(2-) Chemical compound [O--].[Zn++].[In+3] YVTHLONGBIQYBO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
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- H01L51/102—
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- H—ELECTRICITY
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- H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
- H01B5/00—Non-insulated conductors or conductive bodies characterised by their form
- H01B5/14—Non-insulated conductors or conductive bodies characterised by their form comprising conductive layers or films on insulating-supports
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Abstract
본원은, 환원된 그래핀 옥사이드 필름의 제조방법, 상기 방법에 의해 제조되는 환원된 그래핀 옥사이드 필름, 상기 환원된 그래핀 옥사이드 필름을 포함하는 그래핀 전극, 상기 그래핀 전극을 포함하는 유기 박막 트랜지스터, 및 상기 환원된 그래핀 옥사이드 필름을 포함하는 대전방지용 필름에 관한 것이다.
Description
본원은, 환원된 그래핀 옥사이드 필름의 제조방법, 상기 방법에 의해 제조되는 환원된 그래핀 옥사이드 필름, 상기 환원된 그래핀 옥사이드 필름을 포함하는 그래핀 전극, 상기 그래핀 전극을 포함하는 유기 박막 트랜지스터, 및 상기 환원된 그래핀 옥사이드 필름을 포함하는 대전방지용 필름에 관한 것이다.
흑연으로부터 화학적으로 박리되어 형성되는 그래핀 옥사이드(Graphene Oxide : GO)의 용액-기반 합성은 낮은 제조 단가, 대량화, 용액공정이 가능하다는 점에서 다른 제조방법에 비하여 상당한 주목을 받고 있으며, GO에 기반한 투명하고 유연한 전도성 필름은 박막 트랜지스터, 센서, 또는 유기 광전지 디바이스와 같은 잠재적 응용을 위한 투명전극으로서 많이 연구되어 왔다. 일반적으로, GO는 그래핀의 고전도성을 회복하기 위해 '환원된 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide : rGO)'로 변환되어야 한다. 지금까지 많은 연구 발표가 다양한 환원 공정을 보여주고 있다. Geng 등은 박리된 GO의 조절된 화학적 환원을 이용하여 투명한 전도성 그래핀 필름을 제조하기 위한 간단한 방법을 보고한 바 있다. Bao 등은 고온(＞800℃)에서의 후-어닐링 공정이 우수한 전기적 특성을 갖는 rGO를 수득하기 위해 필요하다고 보고하였다. 종래의 열 환원 공정이 화학적 환원 공정보다 더 효과적이라고 보고됨에도 불구하고, 대부분의 종래 방법들은 오랜 반응시간 동안 고온에서 수행되어, 이러한 방법들을 플라스틱과 같은 유연성 기재에 적용하는 것을 어렵게 만든다. 게다가, 이러한 rGO는 표면의 높은 저항과 낮은 균일성과 같은 한계점을 가져, 저급의 전기적 특성의 결과를 낳는다. 따라서, 유연성 플라스틱 기재에도 적용 가능하며 빠르고 효율적이며, 비용 효율이 높고 저온 공정의 이점을 갖는 대체적 GO 환원 기술은 rGO 기반의 박막 응용을 위하여 여전히 많이 요구된다. 한편, 대한민국 특허출원 제 2012-0008902 호에는 부분적으로 열 환원된 그라핀막 제조방법 및 염료감응형 태양전지의 상대전극 제조방법에 대하여 개시하고 있으나, 여전히 상기 단점을 지니고 있다.
이에 본원은, 환원된 그래핀 옥사이드 필름의 제조방법, 상기 방법에 의해 제조되는 환원된 그래핀 옥사이드 필름, 상기 환원된 그래핀 옥사이드 필름을 포함하는 그래핀 전극, 상기 그래핀 전극을 포함하는 유기 박막 트랜지스터, 및 상기 환원된 그래핀 옥사이드 필름을 포함하는 대전방지용 필름을 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 기재 상에 그래핀 옥사이드 분산 용액을 코팅하여 그래핀 옥사이드 박막을 형성하고, 상기 그래핀 옥사이드 박막을 화학적 환원법 및 압력-보조식 열 환원법을 각각 이용하여 순차적으로 환원시켜 환원된 그래핀 옥사이드(rGO) 필름을 형성하는 단계를 포함하는, 환원된 그래핀 옥사이드 필름의 제조방법을 제공한다.
본원의 제 2 측면은, 상기 본원의 제 1 측면에 따른 방법에 의해 제조되는, 환원된 그래핀 옥사이드 필름을 제공한다.
본원의 제 3 측면은, 상기 본원의 제 2 측면에 따른 환원된 그래핀 옥사이드 필름을 포함하는, 그래핀 전극을 제공한다.
본원의 제 4 측면은, 상기 본원의 제 3 측면에 따른 그래핀 전극을 포함하는, 유기 박막 트랜지스터를 제공한다.
본원의 제 5 측면은, 상기 본원의 제 2 측면에 따른 환원된 그래핀 옥사이드 필름을 포함하는, 대전방지용 필름을 제공한다.
본원에 의하면, 압력-보조식 열 환원법을 이용하여 환원된 그래핀 옥사이드 필름을 제조함으로써, 상대적으로 낮은 온도에서 매우 짧은 공정 시간 동안 전기적으로 우수한 rGO 필름을 얻을 수 있다. 또한, 압력-보조식 열 환원법을 이용하여 제조된 환원된 그래핀 옥사이드 필름은 낮은 온도에서 제조가 가능하므로 유연성 플라스틱 기재를 사용할 수 있는 장점이 있다. 특히, 본원의 환원된 그래핀 옥사이드 필름은 낮은 표면 저항과 낮은 표면 거칠기, 및 rGO의 높은 탄소/산소 구성비 및 조밀한 층간 구조는 우수한 전기적 물성을 나타냄으로써 다양한 분야에 응용될 수 있다. 아울러, 상기 압력-보조식 열 환원법을 이용하여 제조된 본원에 따른 환원된 그래핀 옥사이드 필름을 포함하는 그래핀 전극은 낮은 표면 거칠기를 가지면서 유연하고 투명한 고전도성의 특성을 가질 수 있으며, 이러한 그래핀 전극을 유기 전자 소자의 게이트 전극에 적용하여 고가의 종래 금속 전극을 대체할 수 있는 장점이 있다. 그 외 다양한 용도로 사용가능하며, 예를 들어, 우수한 대전방지성을 유지할 수 있어 대전방지용 필름으로도 사용될 수 있다.
도 1은, 본원의 일 구현예에 따른 CRGO, TRGO 및 PRGO 필름의 제조방법을 나타내는 모식도이다.
도 2a 는, 본원의 일 실시예에 따른 CRGO 필름의 SEM 이미지이다.
도 2b는, 본원의 일 실시예에 따른 TRGO 필름의 SEM 이미지이다.
도 2c는, 본원의 일 실시예에 따른 PRGO 필름의 SEM 이미지이다.
도 2d는, 본원의 일 실시예에 따른 CRGO 필름의 AFM 이미지이다.
도 2e는, 본원의 일 실시예에 따른 TRGO 필름의 AFM 이미지이다.
도 2f는, 본원의 일 실시예에 따른 PRGO 필름의 AFM 이미지이다.
도 3은, 본원의 일 구현예에 따른 TRGO 및 PRGO 필름의 제조공정의 열 흐름을 비교하는 모식도이다.
도 4a는, 본원의 일 실시예에 따른 CRGO 필름의 XPS 스펙트럼을 나타낸다.
도 4b는, 본원의 일 실시예에 따른 CRGO 필름의 XPS C1 스펙트럼을 나타낸다.
도 4c는, 본원의 일 실시예에 따른 TRGO 필름의 XPS 스펙트럼을 나타낸다.
도 4d는, 본원의 일 실시예에 따른 TRGO 필름의 XPS C1 스펙트럼을 나타낸다.
도 4e는, 본원의 일 실시예에 따른 PRGO 필름의 XPS 스펙트럼을 나타낸다.
도 4f는, 본원의 일 실시예에 따른 PRGO 필름의 XPS C1 스펙트럼을 나타낸다.
도 5는, 본원의 일 실시예에 따른 CRGO, TRGO 및 PRGO 필름의 XRD분석 스펙트럼이다.
도 6은, 본원의 일 실시예에 따른 CRGO, TRGO 및 PRGO 필름의 투과도를 나타내는 그래프이다.
도 7은, 본원의 일 실시예에 따른 a) CRGO, TRGO 및 PRGO 필름의 압력에 따른 시트 저항, 및 b) PRGO의 벤딩 수에 따른 시트저항 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8a는, 본원의 일 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터의 사진이다.
도 8b는, 본원의 일 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터의 드레인 전류-드레인 전압을 나타내는 그래프이다.
도 8c는, 본원의 일 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터의 드레인 전류-게이트 전압을 나타내는 그래프이다.
도 2a 는, 본원의 일 실시예에 따른 CRGO 필름의 SEM 이미지이다.
도 2b는, 본원의 일 실시예에 따른 TRGO 필름의 SEM 이미지이다.
도 2c는, 본원의 일 실시예에 따른 PRGO 필름의 SEM 이미지이다.
도 2d는, 본원의 일 실시예에 따른 CRGO 필름의 AFM 이미지이다.
도 2e는, 본원의 일 실시예에 따른 TRGO 필름의 AFM 이미지이다.
도 2f는, 본원의 일 실시예에 따른 PRGO 필름의 AFM 이미지이다.
도 3은, 본원의 일 구현예에 따른 TRGO 및 PRGO 필름의 제조공정의 열 흐름을 비교하는 모식도이다.
도 4a는, 본원의 일 실시예에 따른 CRGO 필름의 XPS 스펙트럼을 나타낸다.
도 4b는, 본원의 일 실시예에 따른 CRGO 필름의 XPS C1 스펙트럼을 나타낸다.
도 4c는, 본원의 일 실시예에 따른 TRGO 필름의 XPS 스펙트럼을 나타낸다.
도 4d는, 본원의 일 실시예에 따른 TRGO 필름의 XPS C1 스펙트럼을 나타낸다.
도 4e는, 본원의 일 실시예에 따른 PRGO 필름의 XPS 스펙트럼을 나타낸다.
도 4f는, 본원의 일 실시예에 따른 PRGO 필름의 XPS C1 스펙트럼을 나타낸다.
도 5는, 본원의 일 실시예에 따른 CRGO, TRGO 및 PRGO 필름의 XRD분석 스펙트럼이다.
도 6은, 본원의 일 실시예에 따른 CRGO, TRGO 및 PRGO 필름의 투과도를 나타내는 그래프이다.
도 7은, 본원의 일 실시예에 따른 a) CRGO, TRGO 및 PRGO 필름의 압력에 따른 시트 저항, 및 b) PRGO의 벤딩 수에 따른 시트저항 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8a는, 본원의 일 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터의 사진이다.
도 8b는, 본원의 일 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터의 드레인 전류-드레인 전압을 나타내는 그래프이다.
도 8c는, 본원의 일 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터의 드레인 전류-게이트 전압을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "그래핀"이라는 용어는 복수개의 탄소 원자들이 서로 공유 결합으로 연결되어 폴리시클릭 방향족 분자를 형성한 것을 의미하는 것으로서, 상기 공유 결합으로 연결된 탄소 원자들은 기본 반복 단위로서 6 원환을 형성하나, 5 원환 및/또는 7 원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 따라서, 상기 그래핀이 형성하는 시트는 서로 공유 결합된 탄소 원자들의 단일층으로서 보일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 그래핀이 형성하는 시트는 다양한 구조를 가질 수 있으며, 이와 같은 구조는 그래핀 내에 포함될 수 있는 5 원환 및/또는 7 원환의 함량에 따라 달라질 수 있다. 또한, 상기 그래핀이 형성하는 시트가 단일층으로 이루어진 경우, 이들이 서로 적층되어 복수층을 형성할 수 있으며, 상기 그래핀 시트의 측면 말단부는 수소 원자로 포화될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원 명세서 전체에서, "그래핀 옥사이드(graphene oxide)"이라는 용어는 그래핀 산화물이라고도 불리우고, "GO"로 약칭될 수 있다. 단일층 그래핀 상에 카르복실기, 히드록시기, 또는 에폭시기 등의 산소를 함유하는 작용기가 결합된 구조를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원 명세서 전체에서, "환원된 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide) "라는 용어는 그래핀 산화물이 환원 과정을 거쳐 산소-함유 비율이 줄어든 것으로서, "rGO"로 약칭될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 그래핀 옥사이드를 환원시키는 방법에 따라 "환원된 그래핀 옥사이드"는 몇 가지로 분류 및 기재될 수 있으나, 이제 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 화학적(chemically) 방법에 의해 GO가 환원된 경우, "CRGO"로 약칭될 수 있으며, 열적(thermally) 방법에 의해 GO가 환원된 경우, "TRGO"로 약칭될 수 있으며, 압력-보조식(pressure-assisted) 열환법에 의해 GO가 환원된 경우, "PRGO"로 약칭될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
이하, 본원의 구현예들을 상세히 설명하였으나, 본원은 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 1 측면은, 기재 상에 그래핀 옥사이드 분산 용액을 코팅하여 그래핀 옥사이드 박막을 형성하고; 상기 그래핀 옥사이드 박막을 화학적 환원법 및 압력-보조식 열 환원법을 각각 이용하여 순차적으로 환원시켜 환원된 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide) 필름을 형성하는 단계를 포함하는, 환원된 그래핀 옥사이드 필름의 제조방법을 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 기재는 유연성 플라스틱 기재를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 플라스틱 기재는 폴리에테르설폰, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 및 폴리에틸렌테레프탈레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 기재는 산소 또는 질소 플라즈마 처리에 의하여 개질되는 것을 포함하는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원에 따른 상기 기재가 플라스틱 기재인 경우, 기재 표면의 소수성(hydrophobicity)과 그래핀 옥사이드 분산 용액의 친수성(hydrophilicity)의 차이로 생기는 표면 에너지가, 형성되는 패턴의 선형 정밀도를 결정하는 주요한 요인이 된다. 이를 제어할 목적으로 플라스틱 기재 표면을 개질(surface modification)하게 되는데, 이 때 산소 또는 질소를 이용한 플라즈마 표면 처리법이 사용될 수 있다. 일반적으로 플라즈마 처리 이외의 다른 표면 개질화 방법으로는, 아미노 실란과 같은 실란 커플링제를 이용한 화학적 처리 및 고분자나 유기 화합물을 이용한 표면 코팅 등의 방법이 있다. 하지만, 상기 화학적 처리 및 표면 코팅 방법들은 공정 처리 과정이 복잡하고 비용이 많이 소요되며, 시간이 오래 걸리고, 플라스틱 기재 위에 균일한 코팅이 어렵기 때문에 효과적인 표면 처리가 어렵다는 단점을 지니고 있다. 또한, 플라즈마 처리의 경우, 헬륨이나 네온과 같은 불활성 가스를 사용하게 되면, 플라스틱 기판 표면의 소수성이 더욱 개질화되기 때문에 이와 같은 가스를 사용할 수 없다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 옥사이드 분산 용액은 산화 흑연을 물에 분산시켜 제조되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원에 따른 상기 분산은 초음파 발생기를 이용하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원에 따른 상기 그래핀 옥사이드 분산 용액은 물 100 중량부에 대하여 산화 흑연 약 0.05 중량부 내지 약 1 중량부가 포함되도록 제조되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 그래핀 옥사이드 분산 용액은 물 100 중량부에 대하여 산화 흑연 약 0.05 중량부 내지 약 1 중량부, 약 0.2 중량부 내지 약 1 중량부, 약 0.4 중량부 내지 약 1 중량부, 약 0.6 중량부 내지 약 1 중량부, 약 0.8 중량부 내지 약 1 중량부, 약 0.05 중량부 내지 약 0.8 중량부, 약 0.2 중량부 내지 약 0.8 중량부, 약 0.4 중량부 내지 약 0.8 중량부, 약 0.6 중량부 내지 약 0.8 중량부, 약 0.05 중량부 내지 약 0.6 중량부, 약 0.2 중량부 내지 약 0.6 중량부, 약 0.4 중량부 내지 약 0.6 중량부, 약 0.05 중량부 내지 약 0.4 중량부, 약 0.2 중량부 내지 약 0.4 중량부, 또는 약 0.05 중량부 내지 약 0.2 중량부가 포함되도록 제조되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 옥사이드 분산 용액은 상기 물의 부피에 대하여 약 100 부피% 이하의 알콜을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 그래핀 옥사이드 분산 용액은 상기 물의 부피에 대하여 약 1 부피% 내지 약 100 부피%, 약 20 부피% 내지 약 100 부피%, 약 40 부피% 내지 약 100 부피%, 약 60 부피% 내지 약 100 부피%, 약 80 부피% 내지 약 100 부피%, 약 1 부피% 내지 약 80 부피%, 약 20 부피% 내지 약 80 부피%, 약 40 부피% 내지 약 80 부피%, 약 60 부피% 내지 약 80 부피%, 약 1 부피% 내지 약 60 부피%, 약 20 부피% 내지 약 60 부피%, 약 40 부피% 내지 약 60 부피%, 약 1 부피% 내지 약 40 부피%, 약 20 부피% 내지 약 40 부피%, 또는 약 1 부피% 내지 약 20 부피% 이하의 알콜을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학적 환원법은 당업계에 공지된 방법을 이용할 수 있으며, 예를 들어, 히드라진, 소듐보로하이드레이트, 및 황산과 같은 산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 환원제를 이용하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원에 따른 상기 환원제는 H2, SO2, CH4, NH3, H2S, HI, HBr, HCl, 아세트산, 벤조산, 포름산, 탄산 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학적 환원법은 약 70℃ 내지 약 200℃의 온도 범위에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 화학적 환원법은 약 70℃ 내지 약 200℃, 약 80℃ 내지 약 200℃, 약 90℃ 내지 약 200℃, 약 100℃ 내지 약 200℃, 약 110℃ 내지 약 200℃, 약 120℃ 내지 약 200℃, 약 130℃ 내지 약 200℃, 약 140℃ 내지 약 200℃, 약 150℃ 내지 약 200℃, 약 160℃ 내지 약 200℃, 약 170℃ 내지 약 200℃, 약 180℃ 내지 약 200℃, 약 190℃ 내지 약 200℃, 약 70℃ 내지 약 190℃, 약 80℃ 내지 약 190℃, 약 90℃ 내지 약 190℃, 약 100℃ 내지 약 190℃, 약 110℃ 내지 약 190℃, 약 120℃ 내지 약 190℃, 약 130℃ 내지 약 190℃, 약 140℃ 내지 약 190℃, 약 150℃ 내지 약 190℃, 약 160℃ 내지 약 190℃, 약 170℃ 내지 약 190℃, 약 180℃ 내지 약 190℃, 약 70℃ 내지 약 180℃, 약 80℃ 내지 약 180℃, 약 90℃ 내지 약 180℃, 약 100℃ 내지 약 180℃, 약 110℃ 내지 약 180℃, 약 120℃ 내지 약 180℃, 약 130℃ 내지 약 180℃, 약 140℃ 내지 약 180℃, 약 150℃ 내지 약 180℃, 약 160℃ 내지 약 180℃, 약 170℃ 내지 약 180℃, 약 70℃ 내지 약 170℃, 약 80℃ 내지 약 170℃, 약 90℃ 내지 약 170℃, 약 100℃ 내지 약 170℃, 약 110℃ 내지 약 170℃, 약 120℃ 내지 약 170℃, 약 130℃ 내지 약 170℃, 약 140℃ 내지 약 170℃, 약 150℃ 내지 약 170℃, 약 160℃ 내지 약 170℃, 약 70℃ 내지 약 160℃, 약 80℃ 내지 약 160℃, 약 90℃ 내지 약 160℃, 약 100℃ 내지 약 160℃, 약 110℃ 내지 약 160℃, 약 120℃ 내지 약 160℃, 약 130℃ 내지 약 160℃, 약 140℃ 내지 약 160℃, 약 150℃ 내지 약 160℃, 약 70℃ 내지 약 150℃, 약 80℃ 내지 약 150℃, 약 90℃ 내지 약 150℃, 약 100℃ 내지 약 150℃, 약 110℃ 내지 약 150℃, 약 120℃ 내지 약 150℃, 약 130℃ 내지 약 150℃, 약 140℃ 내지 약 150℃, 약 70℃ 내지 약 140℃, 약 80℃ 내지 약 140℃, 약 90℃ 내지 약 140℃, 약 100℃ 내지 약 140℃, 약 110℃ 내지 약 140℃, 약 120℃ 내지 약 140℃, 약 130℃ 내지 약 140℃, 약 70℃ 내지 약 130℃, 약 80℃ 내지 약 130℃, 약 90℃ 내지 약 130℃, 약 100℃ 내지 약 130℃, 약 110℃ 내지 약 130℃, 약 120℃ 내지 약 130℃, 약 70℃ 내지 약 120℃, 약 80℃ 내지 약 120℃, 약 90℃ 내지 약 120℃, 약 100℃ 내지 약 120℃, 약 110℃ 내지 약 120℃, 약 70℃ 내지 약 110℃, 약 80℃ 내지 약 110℃, 약 90℃ 내지 약 110℃, 약 100℃ 내지 약 110℃, 약 70℃ 내지 약 100℃, 약 80℃ 내지 약 100℃, 약 90℃ 내지 약 100℃, 약 70℃ 내지 약 90℃, 약 80℃ 내지 약 90℃, 또는 약 70℃ 내지 약 80℃의 온도 범위에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 압력-보조식 열 환원법에 의하여 상기 그래핀 옥사이드 박막이 형성된 기재의 상부면 및 하부면에 압력 및 열을 가하여 상기 그래핀 옥사이드 박막이 환원되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 압력은 약 2,000 kgf/cm2 범위 이하인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 압력은 약 1 kgf/cm2 내지 약 2,000 kgf/cm2, 약 200 kgf/cm2 내지 약 2,000 kgf/cm2, 약 400 kgf/cm2 내지 약 2,000 kgf/cm2, 약 600 kgf/cm2 내지 약 2,000 kgf/cm2, 약 800 kgf/cm2 내지 약 2,000 kgf/cm2, 약 1,000 kgf/cm2 내지 약 2,000 kgf/cm2, 약 1,200 kgf/cm2 내지 약 2,000 kgf/cm2, 약 1,400 kgf/cm2 내지 약 2,000 kgf/cm2, 약 1,600 kgf/cm2 내지 약 2,000 kgf/cm2, 약 1,800 kgf/cm2 내지 약 2,000 kgf/cm2, 약 1 kgf/cm2 내지 약 1,800 kgf/cm2, 약 200 kgf/cm2 내지 약 1,800 kgf/cm2, 약 400 kgf/cm2 내지 약 1,800 kgf/cm2, 약 600 kgf/cm2 내지 약 1,800 kgf/cm2, 약 800 kgf/cm2 내지 약 1,800 kgf/cm2, 약 1,000 kgf/cm2 내지 약 1,800 kgf/cm2, 약 1,200 kgf/cm2 내지 약 1,800 kgf/cm2, 약 1,400 kgf/cm2 내지 약 1,800 kgf/cm2, 약 1,600 kgf/cm2 내지 약 1,800 kgf/cm2, 1 kgf/cm2 내지 약 1,600 kgf/cm2, 약 200 kgf/cm2 내지 약 1,600 kgf/cm2, 약 400 kgf/cm2 내지 약 1,600 kgf/cm2, 약 600 kgf/cm2 내지 약 1,600 kgf/cm2, 약 800 kgf/cm2 내지 약 1,600 kgf/cm2, 약 1,000 kgf/cm2 내지 약 1,600 kgf/cm2, 약 1,200 kgf/cm2 내지 약 1,600 kgf/cm2, 약 1,400 kgf/cm2 내지 약 1,600 kgf/cm2, 1 kgf/cm2 내지 약 1,400 kgf/cm2, 약 200 kgf/cm2 내지 약 1,400 kgf/cm2, 약 400 kgf/cm2 내지 약 1,400 kgf/cm2, 약 600 kgf/cm2 내지 약 1,400 kgf/cm2, 약 800 kgf/cm2 내지 약 1,400 kgf/cm2, 약 1,000 kgf/cm2 내지 약 1,400 kgf/cm2, 약 1,200 kgf/cm2 내지 약 1,400 kgf/cm2, 1 kgf/cm2 내지 약 1,200 kgf/cm2, 약 200 kgf/cm2 내지 약 1,200 kgf/cm2, 약 400 kgf/cm2 내지 약 1,200 kgf/cm2, 약 600 kgf/cm2 내지 약 1,200 kgf/cm2, 약 800 kgf/cm2 내지 약 1,200 kgf/cm2, 약 1,000 kgf/cm2 내지 약 1,200 kgf/cm2, 1 kgf/cm2 내지 약 1,000 kgf/cm2, 약 200 kgf/cm2 내지 약 1,000 kgf/cm2, 약 400 kgf/cm2 내지 약 1,000 kgf/cm2, 약 600 kgf/cm2 내지 약 1,000 kgf/cm2, 약 800 kgf/cm2 내지 약 1,000 kgf/cm2, 1 kgf/cm2 내지 약 800 kgf/cm2, 약 200 kgf/cm2 내지 약 800 kgf/cm2, 약 400 kgf/cm2 내지 약 800 kgf/cm2, 약 600 kgf/cm2 내지 약 800 kgf/cm2, 1 kgf/cm2 내지 약 600 kgf/cm2, 약 200 kgf/cm2 내지 약 600 kgf/cm2, 약 400 kgf/cm2 내지 약 600 kgf/cm2, 1 kgf/cm2 내지 약 400 kgf/cm2, 약 200 kgf/cm2 내지 약 400 kgf/cm2, 또는 1 kgf/cm2 내지 약 200 kgf/cm2 범위인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 열은 약 70℃ 내지 약 200℃의 온도 범위에서 가해지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 열은 약 70℃ 내지 약 200℃, 약 80℃ 내지 약 200℃, 약 90℃ 내지 약 200℃, 약 100℃ 내지 약 200℃, 약 110℃ 내지 약 200℃, 약 120℃ 내지 약 200℃, 약 130℃ 내지 약 200℃, 약 140℃ 내지 약 200℃, 약 150℃ 내지 약 200℃, 약 160℃ 내지 약 200℃, 약 170℃ 내지 약 200℃, 약 180℃ 내지 약 200℃, 약 190℃ 내지 약 200℃, 약 70℃ 내지 약 190℃, 약 80℃ 내지 약 190℃, 약 90℃ 내지 약 190℃, 약 100℃ 내지 약 190℃, 약 110℃ 내지 약 190℃, 약 120℃ 내지 약 190℃, 약 130℃ 내지 약 190℃, 약 140℃ 내지 약 190℃, 약 150℃ 내지 약 190℃, 약 160℃ 내지 약 190℃, 약 170℃ 내지 약 190℃, 약 180℃ 내지 약 190℃, 약 70℃ 내지 약 180℃, 약 80℃ 내지 약 180℃, 약 90℃ 내지 약 180℃, 약 100℃ 내지 약 180℃, 약 110℃ 내지 약 180℃, 약 120℃ 내지 약 180℃, 약 130℃ 내지 약 180℃, 약 140℃ 내지 약 180℃, 약 150℃ 내지 약 180℃, 약 160℃ 내지 약 180℃, 약 170℃ 내지 약 180℃, 약 70℃ 내지 약 170℃, 약 80℃ 내지 약 170℃, 약 90℃ 내지 약 170℃, 약 100℃ 내지 약 170℃, 약 110℃ 내지 약 170℃, 약 120℃ 내지 약 170℃, 약 130℃ 내지 약 170℃, 약 140℃ 내지 약 170℃, 약 150℃ 내지 약 170℃, 약 160℃ 내지 약 170℃, 약 70℃ 내지 약 160℃, 약 80℃ 내지 약 160℃, 약 90℃ 내지 약 160℃, 약 100℃ 내지 약 160℃, 약 110℃ 내지 약 160℃, 약 120℃ 내지 약 160℃, 약 130℃ 내지 약 160℃, 약 140℃ 내지 약 160℃, 약 150℃ 내지 약 160℃, 약 70℃ 내지 약 150℃, 약 80℃ 내지 약 150℃, 약 90℃ 내지 약 150℃, 약 100℃ 내지 약 150℃, 약 110℃ 내지 약 150℃, 약 120℃ 내지 약 150℃, 약 130℃ 내지 약 150℃, 약 140℃ 내지 약 150℃, 약 70℃ 내지 약 140℃, 약 80℃ 내지 약 140℃, 약 90℃ 내지 약 140℃, 약 100℃ 내지 약 140℃, 약 110℃ 내지 약 140℃, 약 120℃ 내지 약 140℃, 약 130℃ 내지 약 140℃, 약 70℃ 내지 약 130℃, 약 80℃ 내지 약 130℃, 약 90℃ 내지 약 130℃, 약 100℃ 내지 약 130℃, 약 110℃ 내지 약 130℃, 약 120℃ 내지 약 130℃, 약 70℃ 내지 약 120℃, 약 80℃ 내지 약 120℃, 약 90℃ 내지 약 120℃, 약 100℃ 내지 약 120℃, 약 110℃ 내지 약 120℃, 약 70℃ 내지 약 110℃, 약 80℃ 내지 약 110℃, 약 90℃ 내지 약 110℃, 약 100℃ 내지 약 110℃, 약 70℃ 내지 약 100℃, 약 80℃ 내지 약 100℃, 약 90℃ 내지 약 100℃, 약 70℃ 내지 약 90℃, 약 80℃ 내지 약 90℃, 또는 약 70℃ 내지 약 80℃의 온도 범위에서 가해지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 압력 및 열을 가하여 환원시키는 것은, 압력과 열을 동시에 인가할 수 있는 장치라면 특별히 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 압력 및 열을 가하여 환원시키는 것은, 핫프레스 또는 핫플레이트를 이용하는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
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본원의 제 2 측면은, 상기 본원의 제 1 측면에 따른 방법에 의해 제조되는 환원된 그래핀 옥사이드 필름을 제공한다. 본 측면에 따른, 상기 환원된 그래핀 옥사이드 필름에 대하여 본원의 제 1 측면에 대하여 기재된 내용이 모두 적용될 수 있다. 본원에 따른 환원된 그래핀 옥사이드 필름은 압력-보조식 열 환원법을 이용하여 제조된 것으로서 PRGO 필름으로서 명명될 수 있으며, 낮은 저항과 낮은 표면 거칠기를 가지며, 높은 탄소/산소 구성비 및 조밀한 층간 구조에 의한 우수한 전기적 물성을 나타냄으로써, 이러한 특성을 이용하여 다양한 분야에 적용될 수 있다.
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본원의 제 3 측면은, 상기 본원의 제 2 측면에 따른 환원된 그래핀 옥사이드 필름을 포함하는, 그래핀 전극을 제공한다. 본원에 따른 상기 그래핀 전극에 대하여, 본원의 제 1 측면 및 제 2 측면에 대하여 기술된 내용을 모두 적용할 수 있다. 본원에 따른 상기 그래핀 전극은, 종래 그래핀 전극과는 달리 상대적으로 매우 낮은 온도에서 짧은 환원 시간 조건 하에서 제조되었으며, 우수한 전기적 물성과 낮은 표면 거칠기(surface roughness)값을 가짐으로써 적층형 유기 전자 소자(organic electronic device)의 전극으로 적용될 수 있다는 장점이 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 전극은 유연성을 가지며 투명한 것이다.
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본원의 제 4 측면은, 상기 본원의 제 3 측면에 따른 그래핀 전극을 포함하는, 유기 박막 트랜지스터를 제공한다. 본원에 따른 상기 유기 박막 트랜지스터에 대하여, 본원의 제 1 측면, 제 2 측면, 및 제 3 측면에 대하여 기술된 내용을 모두 적용할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유기 박막 트랜지스터는 유연성을 가지며 투명한 그래핀 전극을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
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본원에 따른 유기 박막 트랜지스터는, 상기 그래핀 전극을 게이트 전극으로서 포함하며, 상기 그래핀 전극 상에 유기 절연막(insulating layer) 층, 유기 반도체(semiconductor) 층, 및 소스-드레인(source-drain) 전극을 각각 차례로 적층하여 유기 박막 트랜지스터를 제조할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
상기 유기 절연막 층은, 당업계에서 통상적으로 사용되는 것을 특별히 제한없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 유기 절연막 층은 유전율(dielectric constant)이 높고, 모노클로로벤젠(monochlorobenzene)과 같은 유기 용매에 용해되어 박막을 형성하기 용이한 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA); 암모늄다이클로로메이트(Amoniumdicholoromate) 용매에 녹는 폴리비닐피롤(PVP), 폴리비닐알코올(PVA) 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 유기 절연막 층을 형성하는 방법은 당업계에서 통상적으로 사용하는 것을 특별히 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 용매에 녹아 있는 유기 절연 물질을 스핀코팅, 롤투롤(Roll to Roll), 프린팅, 그라이바(gravure) 프린팅, 오프셋(off-set) 프린팅, 플렉소 (Flexo) 프린팅, 스크린 (Screen) 프린팅 또는 잉크젯(inkjet) 프린팅 등의 방법을 이용하여 코팅하는 방법이 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 유기 절연막 층의 두께가 약 10 nm 에서 약 1,000 nm 사이일 때, 제조된 유기 박막 트랜지스터의 성능이 우수하나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
상기 유기 반도체 층은, 당업계에 통상적으로 사용되는 재료를 제한 없이 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 유기 반도체 층을 형성하는 방법은, 펜타센과 같은 저분자 유기 반도체 물질을 열증착시키거나, 폴리(2,5-비스(3-핵사데실티오펜-2-일) 티에노[3,4-b]-티오펜[(Poly(2,5-bis(3-hexadecyl-thiophen-2-yl)thieno[3,4-b]thiophene) : PBTTT], 6,13 -비스(트리이소프로필실릴에티닐)펜타센 [6,13-bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene : tips pentacene]이나, 폴리(3-헥시티오펜)[poly(3-hexithiophene)]과 같은 고분자 물질을, 1,2,4-트리클로로벤젠(1,2,4-trichlorobenzene), 시클로헥사놀 (cyclohexanol) 또는 다이클로로벤젠(dicholrobenzne)과 같은 용매에 녹인 후, 스핀코팅, 잉크젯 프린팅, 그라이바(gravure) 프린팅, 오프셋(off-set) 프린팅, 플렉소(Flexo) 프린팅, 스크린(Screen) 프린팅, 또는 잉크젯 (inkjet) 프린팅 등의 방법을 이용하여 형성시킬 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
상기 소스-드레인 전극은, 당업계에서 통상적으로 사용되는 재료를 제한 없이 사용할 수 있다. 구체적으로, 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 또는 크롬(Cr)을 포함하는 금속이나 이들의 합금(예 : 몰리브덴/텅스텐(Mo/W) 합금); 인듐틴산화물(ITO) 또는 인듐아연산화물(IZO)을 포함하는 금속산화물; 폴리티오펜(polythiophene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리피롤(polypyrole), 폴리페닐렌비닐렌 (polyphenylene vinylene), 또는 PEDOT(polyethylene dioxythiophene)/PSS(polystyrene sulfonate) 등과 같은 전도성 고분자를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 5 측면은, 상기 본원의 제 2 측면에 따른 환원된 그래핀 옥사이드 필름을 포함하는, 대전방지용 필름을 제공한다. 본원에 따른 상기 대전방지용 필름에 대하여 본원의 제 1 측면 및 제 2 측면에 대하여 기술된 내용을 모두 적용할 수 있다. 본원에 따른 PRGO 필름은, 매우 낮은 시트 저항을 가짐으로써 장시간 경과 후에도 우수한 대전방지성을 유지할 수 있어 대전방지용 필름으로 사용될 수 있다.
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이하, 본원에 대하여 실시예를 이용하여 좀더 구체적으로 설명하지만, 하기 실시예는 본원의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본원의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[
실시예
]
실시예
1 :
PRGO
필름 및 이를 이용한 유기 박막 트랜지스터의 제조
(1)
PRGO
필름 제조
수용성 그래핀 옥사이드(GO) 분말이 변형된 Hummer의 방법에 의해 준비되었다. 그래파이트(1 g), K2S2O8(0.5 g), 및 P2O5(0.5 g)의 혼합물을 80℃에서 6 시간 동안 H2SO4 용액(95 내지 98% 농도) 1.5 mL에 넣었다(모든 화학물질은 Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA 로부터 구매되었다). 그 후, 상기 혼합 용액은 희석되고 여과되어 탈이온수로 필터 상에서 순차적으로 세척되었다. 상기 세척된 혼합물은 밤새 진공 오븐에서 건조되었다. 다음으로, 과산화된 그래파이트(1 g) 및 NaNO3(0.5 g)를 H2SO4 용액(95 내지 98% 농도) 23 mL에 첨가하고 0℃에서 30 분 동안 방치하였다. 그 후, KMnO4(3 g)이 상기 혼합 용액에 주입되어 밤새 주의하면서 교반되었다. 탈이온수가 상기 혼합 용액에 2 시간 동안 첨가되었고 그 온도가 천천히 98℃로 증가되었다. 이어서, 30 중량% H2O2 수용액이 상기 혼합물에 첨가되었고 3 시간 동안 교반되어, 갈색 슬러리가 생성되었다. 상기 슬러리는 10 중량% HCl을 이용하여 세척되었다. 상기 용액을 중화시키기 위하여 탈이온수로 추가 세척이 수행되었다. 최종적으로, 건조 후에 GO 분말이 수득되었으며, 상기 GO 분말을 탈이온수에 분산시킴으로써 GO 분산액이 제조되었다. 상기 제조된 GO 분산액은 외부 자극 없이 수 개월 동안 안정적이었다.
상기 GO 분산액을 물에 대하여 50% 부피비인 에탄올과 혼합함으로써 GO 용액의 최종 농도(2 mg/mL)를 수득하였다. 스핀-코팅 공정 전에, PES 기재는 표면의 젖음성을 개질시키기 위하여 플라즈마 처리(200 W, 8 SCCM O2)되었다. 상기 기재는 충분한 양의 상기 GO 분산액으로 도포되었다.
상기 GO 분산액으로 도포된 기재의 열 환원 전에 히드라진 기상 환원(화학적 환원)이 수행되었다. 상기 스핀-코팅된 GO 박막을 1 mL의 히드라진(30%, Sigma Aldrich)을 포함하는 깨끗한 유리 챔버에 넣었다. 상기 챔버는 밀폐되어 1 시간 동안 100℃의 오븐에 넣어졌다. 상기 GO 박막의 색깔이 화학적 환원에 의해 갈색에서 금속의 회색으로 변하였다(CRGO 필름 제조). 이후, 압력-보조식 환원이 글러브박스 안에서 수행되었다. 상기 CRGO 필름 샘플이 핫프레스의 스테인레스-스틸의 플레이트들 사이에 놓여져 180℃에서 30 분 동안 유지되었다(PRGO 필름 제조)(도 1 참조).
(2)
PRGO
필름을 이용한 유기 박막 트랜지스터의 제조
유기 박막 트랜지스터는 하부-게이트 및 상부-접촉 배열로 제조되었다. 상기 PES 기재 상에 준비된 PRGO 필름은 게이트 전극으로서 사용되었다. 중합된 절연 물질인 폴리비닐피롤리돈(PVP)과 가교제인 폴리(멜라민-코-포름알데히드)가 2 : 1의 몰비로 프로필렌글리콜 모노메틸에테르아세테이트(PGMEA, 10 mL)에 용해되었다. 상기 PVP 용액은 4,000 rpm 에서 30 초 동안 상기 게이트 전극 상에 스핀-코팅되었고 이어서 130℃에서 15 분 및 200℃에서 5 분 동안 질소 분위기에서 가교되어, 약 300 nm의 PVP 게이트 절연체를 형성하였다. 상기 가교된 PVP 절연층의 상부에, 펜타센 필름이 5×10-6 Torr의 압력 하의 상온인 진공 챔버에서 쉐도우 마스크에 의해 0.4 Ås-1의 증착 속도로 열적으로 증발되어 증착되었다. 상기 펜타센 반도체는 두께가 약 60 nm 였다. 금(gold) S/D 전극(50 nm)은 0.1 Ås-1의 증착 속도로 PES 기재 상에 열적으로 증착되었다.
비교예
1 :
TRGO
필름 제조
상기 실시예 1의 PRGO를 제조하기 직전 과정까지 동일하게 수행하여 CRGO 필름을 제조하였다. 히드라진 기상 환원으로 CRGO필름을 형성한 이후에 열 환원을 수행하여 TRGO필름을 제조하였다. 상기 열 환원은 아르곤 분위기의 튜브모양 탄화로에서 5℃ min-1인 가열 속도로 180℃까지 가열되었으며, 상기 온도에서 30 분 동안 유지되었다.
실험예
1 :
주사전자현미경(
FE
-
SEM
) 분석
실시예 1 및 비교예 1을 통하여 제조된 CRGO, TRGO, 및 PRGO 필름의 FE-SEM 이미지를 관찰하였으며, 그 결과를 도 2a, 도 2b, 및 도 2c에 나타내었다. 상기 FE-SEM 이미지는 JSM-6700F microscope (JEOL, Tokyo, Japan)을 이용하여 10 keV의 가속 전압에서 수득되었다. FE-SEM 이미지 측정을 통하여 CRGO, TRGO, 및 PRGO 필름의 주름을 확인할 수 있었다. 도 2a에 나타난 주름들은 문헌에 공개된 이미지에 대응되는 CRGO의 특징이며, 대조적으로, TRGO 및 PRGO 필름은, 도 2b 및 도 2c 에 나타난 바와 같이, CRGO 필름과 비교하여 더 적은 주름을 갖는 것으로 관찰되었다. 일반적으로, 그래핀은 음의 열적 팽창 계수를 가져, 그 특이한 성질은 주름 형성의 원인이 된다. 이러한 고유 특성은 그래핀 시트가 마이카(mica)와 같은 기재에 결합되었을 때 상당히 억제될 수 있다. 본 실시예에서는, PRGO 필름의 열 팽창 계수가 양의 방향으로 이동하였기 때문에, PRGO 박막에 형성된 주름이 거의 없다. 특히, 플라스틱 기재로서 PES가 PRGO 시트와의 충분한 상호작용을 가져, 주름의 수를 감소시킨다. PRGO 박막에 적용된 압력도 상기 박막과 기재간의 상호작용을 향상시킨다. 주름들은 더 높은 시트 저항을 갖게 하는 결함으로서 표면 거칠기를 야기한다. 디바이스 바닥층의 거칠기는 종종 계면 및 상부층의 형태를 통제하기 때문에, CRGO 필름의 높은 시트 저항뿐만 아니라, 그것의 거친 표면은 CRGO 필름의 유기 전자 장치로의 통합을 잠재적으로 제한할 수 있으며, 이는 높은 굴곡의 전류 흐름의 결과를 낳는다.
실험예
2 :
원자력간현미경
(
AFM
) 분석
실시예 1 및 비교예 1을 통하여 제조된 CRGO, TRGO, 및 PRGO의 AFM 이미지를 태핑(tapping) 모드의 원자력간현미경(AFM, XE-70 : Park System, Suwon, Korea)을 이용하여 관찰하였으며, 그 결과를 도 2d, 도 2e, 및 도 2f에 나타내었다. AMF 측정을 통하여 CRGO, TRGO, 및 PRGO 박막의 RMS 거칠기 지수가 각각 10.1 nm, 4.78 nm, 및 1.61 nm 인 것을 확인할 수 있었다. 표면 거칠기의 감소는 압력-보조식 환원 공정이 종래 화학적 및/또는 열적 환원 공정보다 훨씬 부드러운 박막을 제공한다는 것을 나타낸다.
실험예
3 : X-선 광전자 분광(
XPS
) 분석
서로 다른 환원 방법에 의해 제조된 rGO 필름의 탄소, 산소, 및 질소의 함량 및 배열을 결정하기 위해 X-선 광전자 분광(XPS) 분석을 수행하였다. 본 실험의 X-선 광전자 분광 측정(XPS)은 VG Scientific 사의 ASCALab220i-XL electron spectrometer를 이용하여 300 W에서 Al Kα방사선으로 3×10-9 mbar 압력 하에서 수행되었다. 도 4a, 도 4c, 및 도 4e는 각각 CRGO, TRGO, 및 PRGO 필름의 XPS 측정 스펙트럼이며, 도 4b, 도 4d, 및 도 4f는 각각 CRGO, TRGO, 및 PRGO 필름의 XPS C1 측정 스펙트럼이다. 종래의 CRGO는 284.5 eV 에서 특징적인 C-C 피크뿐만 아니라, 285.5 eV 에서의 C-N 피크, 285.5 eV 에서의 C-O 피크, 287.5 eV 에서의 C=O 피크, 289.4 eV 에서의 O-C=O 피크와 같은 기능기들의 존재를 나타내는 4 개의 추가적인 피크도 보여주었다. 도 4a, 도 4c, 및 도 4e에 나타난 바와 같이, PRGO 필름에서는 CRGO 및 TRGO 필름에 비하여 더 적은 산소와 질소가 관찰되었다.
한편, 본 실험에서는 GO의 환원 정도를 평가하기 위하여 C/O 원자 비율이 분석되었다. 하기 표 1에 나타난 바와 같이, GO, CRGO, TRGO, 및 PRGO의 C/O 원자 비율은 각각 3.0, 6.9, 8.6, 및 10 이었다. PRGO의 높은 C/O 비율은 높은 환원도에 의한 결과이며, 이는 CRGO 및 TRGO에 비하여 더 높은 전기 전도성을 제공하였다. 이러한 결과들은 PRGO의 낮은 시트 저항과 대응된다.
[표 1]
실험예
4 : X-선
회절
패턴 측정
CRGO, TRGO, 및 PRGO 필름의 X-선 회절(XRD) 분석이 40 kV 및 300 mA(12 kW)에서 Cu Kα방사선 소스(k = 1.5406 A)가 장착된 M18XHF-SRA(Mac Science, Yokohama, Japan) 회절계를 이용하여 수행되었으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
X-선 회절(XRD) 분석은 그래핀 다수 층들 간의 층간 간격(interlayer spacing)을 측정하기 위하여 사용되었으며, 이는 rGO의 환원도에 대응된다. 도 5에서, 서로 다른 환원 방법을 사용하여 준비된 rGO의 XRD 패턴들은 24°근처에서 피크를 나타내며, 이는 rGO의 전형적인 특성이다. PRGO필름에서는 CRGO나 TRGO 필름에서보다 rGO피크가 더 높은 각도에서 나타났다. Bragg의 법칙을 사용하여 2θ위치에 기반하여 계산된 CRGO, TRGO, 및 PRGO 필름의 층간 간격들은 각각 0.430 nm, 0.382 nm, 및 0.364 nm 였다. 상대적으로 작은 PRGO의 층간 간격은 CRGO 또는 TRGO에 비해 밀도있는 다수 층들의 쌓임을 암시한다. 이 결과들은 그래파이트의 고유한 층간 간격과 비슷하며, 압력-보조식 공정에 의한 GO의 우수한 환원을 나타낸다. 따라서, 작은 층간 간격은 GO와 sp2 탄소 네트워크의 연속적인 회복으로부터 산소- 및 질소-함유 기능기들의 제거를 나타낸다. 결론적으로, X-선 회절(XRD) 분석은 PRGO 박막이 다른 필름들보다 더 적은 층간 간격 값을 가지는 것을 나타내었다. 따라서, 상기 압력-보조식 환원 공정은 상대적으로 낮은 온도에서 기능기들과 불순물들을 제거하기 위한 대안적 방법이다. 본 실시예에 사용된 압력-보조식 환원 공정은 공액된(conjugated) π-오비탈 시스템의 높은 회복과 CRGO 및 TRGO에 비하여 더 적은 층간 간격 값으로 인한 낮은 시트 저항과 낮은 표면 거칠기를 갖는 PRGO 박막이라는 결과를 제공하였다. 이러한 관점에서, 압력-보조식 환원 공정에 의한 매카니즘이 GO를 환원시키는 것의 이해는 중요하다. 도 3은, TRGO와 PRGO 공정의 열 흐름을 비교하는 모식도로서, 구체적으로 도 3의 (a)는 직접 접촉에 의하여 열원으로부터 CRGO 필름으로 열이 전달되는 부분이고, (b)는 열원과 필름 사이에 간격이 형성되어 전자기장 및/또는 열 확산에 의하여 열이 전달되는 부분이며, (c)는 대류 및 복사에 의하여 열이 전달되는 부분을 나타낸다. 서로 다른 환원 공정을 통한 열 흐름은 열원과 PES 기재 사이의 계면에서의 접촉 면적에 기반한 환원 효율과 연관되어 있다. TRGO 필름을 위한 열 환원의 경우, 상부 열원과 PET 기재로 이루어진 바닥면으로 구성된 두 몸체의 표면이 균일하지 않았으며, 이는 빈 공간을 형성시켰다. 열 환원 공정에 의한 열 전달은 빈 공간에서뿐만 아니라 열 확산과 직접 접촉을 통해 두 고체 몸체 사이에서도 발생될 수 있다. 그러나, PRGO필름을 위한 압력-보조식 환원의 경우, 압력이 CRGO필름과 상기 기재 사이의 두 몸체를 꽉 누를 수 있으며, 이는 빈 공간을 최소화하고 직접 접촉 면적을 최대화한다. 핫프레스에서 상기 직접 접촉에 의한 열 흐름은 동일한 환원 온도의 탄화로에서 간접적인 대류 열 전달에 의한 열 흐름의 약 100 배이다.
또한, 핫프레스의 상부 몸체는 열원에서부터 GO로의 열 전달을 향상시키면서 열 에너지를 GO층으로 국한시킨다. 그 결과, 압력-보조식 환원은 GO 박막의 기능기를 분리하기 위한 충분한 에너지를 전달하며, 이는 환원 효율과 C/O 비율을 증가시킨다.
실험예
5 : 투과도 측정
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 필름들의 투과도를 UV-Vis 분광기(Lamda-20 : Perkin-Elmer, Waltham, MA, USA)를 이용하여 1 nm 해상도 조건에서 측정하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 550 nm에서 CRGO, TRGO 및 PRGO 필름의 투과도는 각각 83.0%, 80.6%, 및 78.8% 인 것을 확인할 수 있었다.
실험예
6 : 시트 저항 측정
상기 실시예 1에서 제조된 필름들의 시트 저항을, 2400 소스미터(Keithley, Cleveland, OH, USA)를 이용하여 25℃에서 4-탐침법에 의해 측정하였으며, 그 결과는 도 7의 a)에 나타내었다. CRGO, TRGO, 및 PRGO 필름의 가장 낮은 시트 저항은 각각 190, 8.0, 및 1.1 kΩ sq- 1 로 나타났다. 상기 시트 저항은 환원도, 잔류 산소 및 질소 원자들의 존재, 및 결함에 높게 의존한다. 상기 PRGO 필름의 경우 압력을 다양하게 하여 시트 표면 저항을 측정하였는데, PRGO 필름 제조 시 2 kgf/cm2의 압력을 가하였을 때, 시트의 표면 저항이 1.1~2.3 kΩ sq- 1 인 결과를 얻었고, 4 kgf/cm2의 압력을 가하였을 때는 시트의 표면 저항이 0.3~1.7 kΩ sq-1, 6 kgf/cm2의 압력을 가하였을 때, 시트의 표면 저항이 0.7~1.9 kΩ sq- 1 인 결과를 얻었다. 이에 더하여, PRGO 필름의 유연성 유기 전극으로의 실행 가능성을 확인하기 위하여 기계적 피로도가 벤딩 시험 기기를 이용하여 조사되었으며, 그 결과를 도 7의 b)에 나타내었다. 상기 PRGO 필름의 시트 저항은 3,000 벤딩 수까지 변화하였으나 언벤딩(unbending) 이후 완벽하게 회복되어, PRGO 필름을 유연하고 투명하며 전도성을 가지는 전극을 위하여 잠재적으로 유용하게 하였다.
실험예
7 : 전류-전압 성질 측정
상기 실시예 1에서 제조된 유기 박막 트랜지스터(도 8a)의 드레인 전류-드레인 전압(ID-VD) 및 드레인 전류-게이트 전압(ID-VG) 성질을 Agilent HP4155C semiconductor parameter analyzer (Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA)를 이용하여 측정하였으며, 그 결과를 도 8b 및 도 8c에 나타내었다. 본 실험에서, 0.18±0.04 cm2V-1s-1의 전계 효과 유동성(전하이동도), -18.18 V의 문턱 전압, 및 6.94 × 104의 온/오프 전류비(전류점멸비)가 수득되었다. 유기 박막 트랜지스터에서 PRGO 전극은 그래핀 전극의 부드러운 표면의 결과인 환원된 접촉 저항에 의해 우수한 전기적 성능을 나타내었다.
상기 실험예의 결과를 종합하면, 본 실시예에 따라 제조된 PRGO 필름은, 우수한 광전자적 성질과 기계적인 유연성을 나타내었다. SEM과 AFM 분석은 PRGO 필름 표면에 주름이 거의 없음을 보여주었으며, 이는 우수한 전기적 성질로 이어진다. 또한, XPS 스펙트럼 분석을 통하여, 산소와 질소를 함유하는 기능기들의 제거를 확인하였고, 이는 PRGO 필름의 작은 층간 간격에 대응된다. 이러한 특성의 근원은 열원과 플라스틱 기재 간의 훨씬 큰 접촉에 의한 열 흐름이 증가한 것의 결과로 보였다. 이에 따라, PRGO 필름은 유기 박막 트랜지스터의 게이트 전극에 적용되었으며, 종래의 금 전극에 비하여 뛰어난 성능을 나타내었다. 그래핀 옥사이드를 환원시키기 위한 이러한 접근은 용도가 다양하고, 적용범위를 조절할 수 있으며, 다양한 응용에 적용될 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (9)
- 투명하고 유연한 플라스틱 기재 상에 그래핀 옥사이드 분산 용액을 코팅하여 그래핀 옥사이드 박막을 형성하고;
상기 그래핀 옥사이드 박막을 화학적 환원법 및 압력-보조식 열 환원법을 각각 이용하여 순차적으로 환원시켜 투명하고 유연한 환원된 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide : rGO) 필름을 형성하는 단계
를 포함하며,
상기 화학적 환원법은 70℃ 내지 200℃의 온도 범위에서 수행되는 것이며,
상기 압력-보조식 열 환원법은 상기 그래핀 옥사이드 박막이 형성된 투명하고 유연한 플라스틱 기재의 상부면 및 하부면에 1 kgf/cm2 내지 2,000 kgf/cm2 범위의 압력 및 70℃ 내지 200℃의 온도 범위의 열을 가하여 상기 그래핀 옥사이드 박막을 환원시키는 것인,
플라스틱 기재 상에 형성된 투명하고 유연한 환원된 그래핀 옥사이드 필름의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 투명하고 유연한 플라스틱 기재는 폴리에테르설폰, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 및 폴리에틸렌테레프탈레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 플라스틱 기재 상에 형성된 투명하고 유연한 환원된 그래핀 옥사이드 필름의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 투명하고 유연한 플라스틱 기재는 산소 또는 질소 플라즈마 처리에 의하여 개질되는 것을 포함하는 것인, 플라스틱 기재 상에 형성된 투명하고 유연한 환원된 그래핀 옥사이드 필름의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 화학적 환원법은 히드라진, 소듐보로하이드레이트, 및 황산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 환원제를 이용하는 것인, 플라스틱 기재 상에 형성된 투명하고 유연한 환원된 그래핀 옥사이드 필름의 제조방법.
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