KR102039748B1 - Carbon Based Electronic Device and Its Manufacturing Methods with Locally Reduced Graphene Oxide - Google Patents
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Abstract
본 발명은 그래핀계 탄소기반 전자소자 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 그래핀계 탄소기반 전자소자는 기판; 상기 기판 상에 형성된 그래핀 산화물 박막층; 상기 그래핀 산화물 박막층 상에 형성된 게이트 절연층; 및 상기 절연층 상에 형성된 게이트 전극;을 포함하되, 상기 그래핀 산화물 박막층은 일면 상에 레이저를 조사하여 그래핀 산화물이 국소환원된 것일 수 있다. 본 발명에 따르면, 그래핀 산화물의 환원에 의해 저항 감소 및 투명도가 향상되는 효과가 있다. The present invention provides a graphene-based carbon-based electronic device and a method of manufacturing the same.
Graphene-based electronic device of the present invention is a substrate; A graphene oxide thin film layer formed on the substrate; A gate insulating layer formed on the graphene oxide thin film layer; And a gate electrode formed on the insulating layer. The graphene oxide thin film layer may be one in which graphene oxide is locally reduced by irradiating a laser onto one surface thereof. According to the present invention, the reduction of the graphene oxide has the effect of reducing resistance and improving transparency.
Description
본 발명은 그래핀 산화물 박막층의 국소환원을 이용한 탄소기반 전자소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 그래핀 산화물 박막층의 일면에 레이저를 조사하여 그래핀 산화물을 국소환원시켜 구현되는 그래핀계 탄소기반 전자소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon-based electronic device using a local reduction of the graphene oxide thin film layer and a method of manufacturing the same. More particularly, the graphene oxide thin film layer is implemented by local reduction of graphene oxide by irradiating a laser to one surface of the graphene oxide thin film layer. It relates to a fin-based carbon-based electronic device and a method of manufacturing the same.
그래핀은 탄소원자들이 2차원 판상 구조에 육각형의 기본 형태로 배열되어 있는 원자 한 층의 나노재료로서, 우수한 역학적 강도와 화학적, 열적 안정성 및 뛰어난 전기 전자적 성질로 인하여 CNT를 대체할 물질로 다양한 분야에서 주목을 받고 있다.Graphene is a single layer of nanomaterials in which carbon atoms are arranged in a hexagonal form in a two-dimensional plate structure.It is a material that can replace CNTs because of its excellent mechanical strength, chemical and thermal stability, and excellent electrical and electronic properties. Is attracting attention.
그래핀은 물리적 강도가 우수하며, 구체적으로는 강철의 200배 이상인 1,100 GPa로 알려져 있다. 우수한 물리적 강도는 단단한 탄소결합이 있고 단층에 결합이 존재할 수 없기 때문이다.Graphene has excellent physical strength, specifically known as 1,100 GPa, which is more than 200 times that of steel. Good physical strength is due to the presence of hard carbon bonds and the absence of bonds in monolayers.
또한, 그래핀은 실온에서 약 500 W/mK의 우수한 열 전도성이 있는 것으로 알려져 있다. 그래핀의 열 전도성은 CNT 보다 50% 이상 높으며, 구리나 알루미늄 같은 금속보다 10배 정도의 큰 수치를 나타낸다. 이러한 그래핀의 우수한 열 전도성은 원자진동을 쉽게 전달할 수 있기 때문이며, 전자의 긴 평균자유행로에도 영향을 주게된다.Graphene is also known to have good thermal conductivity of about 500 W / mK at room temperature. Graphene's thermal conductivity is more than 50% higher than CNTs and is about 10 times greater than metals such as copper and aluminum. The excellent thermal conductivity of graphene is because it can easily transfer atomic vibrations, and affects the long average free path of electrons.
그래핀은 빠른 전자이동도와 전자의 긴 평균자유행로를 갖는다. 예를 들어, 상온에서 그래핀의 최대 전자이동도는 2000,000 cm2/Vs이다. 이러한 그래핀의 전자이동도는 전자가 움직음을 저해하는 산란의 정도가 매우 작기 때문이며, 이로 인해 긴 평균자유행로를 갖는다. 따라서, 저항이 낮은 것으로 알려진 구리와 비교하여, 35% 이상 낮은 저항값을 갖는다.Graphene has fast electron mobility and long average free path of electrons. For example, the maximum electron mobility of graphene at room temperature is 2000,000 cm 2 / Vs. The electron mobility of graphene is because the scattering degree that inhibits the movement of electrons is very small, and thus has a long average free path. Thus, it has a resistance value of at least 35% as compared with copper, which is known to have a low resistance.
한편, 그래핀의 산업적 응용을 위해서는 대면적의 그래핀을 합성하는 것이 중요한 과제이며, 합성방법은 크게 흑연으로부터 기계적으로 박리하는 방법과 탄소원으로부터 화학적으로 합성하는 방법으로 구분된다.On the other hand, for the industrial application of graphene it is important to synthesize a large area of graphene, the synthesis method is largely divided into a method of mechanically peeled from graphite and chemically synthesized from a carbon source.
흑연으로부터 기계적으로 박리하는 방법으로는 Geim 연구진에 의해 최초로 개발된 접착 테이프의 접착력을 이용하여 단층 그래핀을 분리하는 방법, 용액상에서 계면활성제 등으로 분산시켜 화학적으로 박리하는 방법, 산화된 그래핀 산화물을 만든 위 용액상을 분산시킨 후 물리적/화학적 환원시키는 방법(GO/rGO) 등이 있다. 탄소원으로부터 화학적으로 합성하는 방법에는 열화학증기증착법, 플라즈마 CVD, 화학적 합성법, SiC(Silicon carbide)의 열분해 등과 같은 방법이 널리 이용되고 있다.The mechanical peeling method from graphite is a method of separating single layer graphene using the adhesive force of the adhesive tape first developed by Geim researchers, the method of chemical peeling by dispersing with a surfactant, etc. in solution, and oxidized graphene oxide. After dispersing the solution phase to make a physical / chemical reduction method (GO / rGO) and the like. As a method of chemically synthesizing from a carbon source, methods such as thermochemical vapor deposition, plasma CVD, chemical synthesis, and pyrolysis of silicon carbide (SiC) are widely used.
기계적 박리의 경우에 고결정성의 그래핀을 얻을 수 있지만, 형상의 제어가 어렵다는 단점이 있다. 화학적 박리법 및 산화흑연의 환원법 등은 대량의 그래핀을 얻을 수는 있으나, 처리 도중에서 생기는 구조적 결함 등으로 인해 결정성이 떨어지는 문제점이 있다.High crystalline graphene can be obtained in the case of mechanical peeling, but there is a disadvantage in that the control of the shape is difficult. The chemical exfoliation method and the reduction method of graphite oxide can obtain a large amount of graphene, but there is a problem that crystallinity is inferior due to structural defects generated during the treatment.
또한, 화학기상증착법(CVD: Chemical Vapor Deposition)의 경우, 구리 또는 백금 등의 촉매금속으로 이루어진 금속박판을 그래핀 합성 챔버의 내부공간에 배치시키고, 메탄 또는 에탄 등의 탄화수소를 그래핀 합성 챔버의 내부공간에 주입한 후, 그래핀 합성 챔버의 내부공간을 고온으로 가열함으로써 금속박판의 표면에 그래핀을 합성시키는 방법(한국특허공개공보: 2011-0064164)으로써, 다른 그래핀에 비해 순도가 높고 원하는 크기의 그래핀을 만들 수 있지만, 제조되는 그래핀의 양이 매우 적어 양산성이 떨어지는 문제점이 지적되고 있다.In addition, in the case of chemical vapor deposition (CVD), a metal thin plate made of a catalyst metal such as copper or platinum is disposed in an interior space of a graphene synthesis chamber, and hydrocarbons such as methane or ethane are disposed in the graphene synthesis chamber. After the injection into the inner space, by heating the inner space of the graphene synthesis chamber to a high temperature to synthesize the graphene on the surface of the metal sheet (Korea Patent Publication: 2011-0064164), the purity is higher than other graphene Graphene can be made in the desired size, but the amount of graphene produced is very small, the problem of poor productivity is pointed out.
한편, 가장 대표적인 합성법인 SiC의 열분해를 이용한 에피텍시 합성법(한국특허공개공보: 2009-0124330)은 SiC를 열분해 하여 Si를 기화시키고 C의 재결합을 통해 SiC 표면에 그래핀을 형성시키는 방법으로, 탄소원이 SiC 자체에 포함된 탄소이므로 실험 방법이 간단하며 웨이퍼 수준의 그래핀 결정으로 성장할 수 있어 대면적화가 가능하며, 그래핀/SiC 구조가 반도체 공정 적용이 용이하고 전자소재 응용이 쉽기 때문에 그래핀 합성의 대안으로 떠오르고 있다. 그러나, SiC의 열분해는 SiC의 표면 평탄도와 기공의 형성에 의해 그래핀의 크기가 30 ~ 200 nm로 작은 것과 1500℃ 이상의 고온, 1 ×10-8 Pa의 초저압이 요구되며 기계적으로 박리하는 박리법을 통해 얻은 그래핀보다 전기적인 특성이 떨어진다는 문제점을 가지고 있다. Meanwhile, the epitaxial synthesis method using Pyrolysis of SiC, which is the most representative synthesis method (Korean Patent Publication: 2009-0124330), is a method of pyrolyzing SiC to vaporize Si and forming graphene on the surface of SiC through recombination of C. Since the carbon source is carbon contained in the SiC itself, the experimental method is simple, and it can grow to wafer-level graphene crystals, thereby allowing a large area, and graphene because the graphene / SiC structure is easy to apply to semiconductor processes and easy to apply electronic materials. It is emerging as an alternative to synthesis. However, the thermal decomposition of SiC requires a small graphene size of 30 to 200 nm due to the surface flatness of SiC and the formation of pores, high temperature of 1500 ℃ or higher, ultra low pressure of 1 × 10 -8 Pa, and mechanical peeling. There is a problem that the electrical properties are lower than the graphene obtained through the law.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 그래핀 산화물 박막 층에 레이저를 조사함으로써, 그래핀 산화물 박막층의 국소환원을 유도하여 후속 패턴화 공정 없이 투명도가 향상된 그래핀계 탄소기반 전자소자를 단일 기판에 동시에 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention was derived to solve the above problems, by irradiating a laser to the graphene oxide thin film layer, induces local reduction of the graphene oxide thin film layer to improve the transparency of the graphene-based carbon-based electronic device without a subsequent patterning process It is an object of the present invention to provide a method for simultaneously producing a single substrate.
또한, 본 발명의 두 번째 목적은 그래핀 산화물 박막층의 국소환원이 가능한 그래핀계 탄소기반 전자소자를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.In addition, a second object of the present invention is to provide a method for producing a graphene-based carbon-based electronic device capable of local reduction of the graphene oxide thin film layer.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 그래핀계 탄소기반 전자소자는,Graphene-based carbon-based electronic device according to the present invention for achieving this object,
기판; 상기 기판 상에 형성된 그래핀 산화물 박막층; 상기 그래핀 산화물 박막층 상에 형성된 게이트 절연층; 및 상기 절연층 상에 형성된 게이트 전극;을 포함하되, 상기 그래핀 산화물 박막층은 일면 상에 레이저를 조사하여 그래핀 산화물이 국소환원될 수 있다.Board; A graphene oxide thin film layer formed on the substrate; A gate insulating layer formed on the graphene oxide thin film layer; And a gate electrode formed on the insulating layer. The graphene oxide thin film layer may be locally reduced by irradiating a laser onto one surface of the graphene oxide thin film layer.
이때, 상기 레이저는 엑시머 레이저일 수 있다.In this case, the laser may be an excimer laser.
상기 그래핀 산화물 박막층은 상기 기판 상에 드레인 전극, 소스 전극 및 채널층이 동일면에 일체로 형성될 수 있다.In the graphene oxide thin film layer, a drain electrode, a source electrode, and a channel layer may be integrally formed on the same surface on the substrate.
상기 채널층 상에 게이트 절연층이 형성될 수 있으며, 상기 채널층은 드레인 전극과 소스 전극 사이에 형성될 수 있다.A gate insulating layer may be formed on the channel layer, and the channel layer may be formed between the drain electrode and the source electrode.
또한, 상기 드레인 전극 및 소스 전극은 상기 그래핀 산화물 박막층이 국소환원되어 형성될 수 있다.In addition, the drain electrode and the source electrode may be formed by the local reduction of the graphene oxide thin film layer.
상기 게이트 전극은 상기 그래핀 산화물 박막층 상에 금속을 증착하여 형성될 수 있다.The gate electrode may be formed by depositing a metal on the graphene oxide thin film layer.
본 발명의 두 번째 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 그래핀계 탄소기반 전자소자를 제조하는 방법은, Method for manufacturing a graphene-based carbon-based electronic device according to the present invention for achieving the second object of the present invention,
기판 상에 그래핀 산화물 박막층을 형성하는 단계; 상기 그래핀 산화물 박막층 상에 마스크를 제공하고, 레이저를 조사하여 패터닝하는 단계; 및 상기 마스크를 제거하는 단계;를 포함하되, 상기 그래핀 산화물 박막층은 레이저를 조사하여 그래핀 산화물이 국소환원된 것일 수 있다.Forming a graphene oxide thin film layer on the substrate; Providing a mask on the graphene oxide thin film layer, and irradiating and patterning a laser; And removing the mask, wherein the graphene oxide thin film layer may be one in which graphene oxide is locally reduced by irradiating a laser.
하나의 바람직한 예로서, 상기 레이저는 엑시머 레이저일 수 있다.As one preferred example, the laser may be an excimer laser.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 그래핀계 탄소기반 전자소자는 그래핀 산화물 박막층의 일면에 레이저를 조사함으로써 그래핀 산화물 박막층의 국소환원을 유도하여 패턴화 공정이 필요하지 않아 공정 단가를 최소화할 수 있는 장점이 있다.As described above, the graphene-based carbon-based electronic device according to the present invention induces local reduction of the graphene oxide thin film layer by irradiating a laser to one surface of the graphene oxide thin film layer, thereby minimizing the process cost since no patterning process is required. There is an advantage.
또한, 본 발명에 따른 그래핀 산화물 박막층이 국소환원됨에 따라 종래에 비해 저항은 감소하고 투명도가 향상되며, 그래핀계 탄소기반 전자소자를 단일 기판에 동시에 제조하여 구현할 수 있는 효과가 있다.In addition, as the graphene oxide thin film layer according to the present invention is locally reduced, the resistance is reduced and the transparency is improved as compared with the conventional art.
더욱이, 본 발명에 의하면, 상온공정으로 유연성 기판에 롤투롤 공정으로 적용하여 집적회로가 구현이 가능하여 양산이 가능한 잇점이 있다.In addition, according to the present invention, the integrated circuit can be implemented in a roll-to-roll process to a flexible substrate in a room temperature process has the advantage that it can be mass-produced.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 다른 그래핀계 탄소기반 전자소자의 하나인 트랜지스터를 구현한 단면도이다;
도 2은 본 발명의 일실시예에 따른 엑시머 레이저를 이용하여 그래핀 산화물을 그래핀으로 환원시킨 모식도이다;
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 그래핀계 탄소기반 전자소자의 제조방법을 나타낸 순서도이다;
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 롤투롤 공정을 이용한 탄소기반 소자의 공정을 설명하는 모식도이다;
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 그래핀계 bottom gate FET(전계효과 트랜지스터)의 제작 개념도를 나타내는 모식도이다;
도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 대면적의 탄소층 기반 집적소자의 예시를 나타낸 단면도이다;
도 7은 본 발명에 따른 실험예 1의 면저항을 나타낸 그래프이다;
도 8은 본 발명에 따른 실험예 1의 투명도를 나타낸 그래프이다.1 is a cross-sectional view of a transistor which is one of graphene-based carbon-based electronic devices according to a preferred embodiment of the present invention;
2 is a schematic diagram of reducing graphene oxide to graphene using an excimer laser according to an embodiment of the present invention;
3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a graphene carbon-based electronic device according to an embodiment of the present invention;
4 is a schematic diagram illustrating a process of a carbon-based device using a roll-to-roll process according to an embodiment of the present invention;
5 is a schematic diagram showing a manufacturing diagram of a graphene-based bottom gate FET (field effect transistor) according to an embodiment of the present invention;
6 is a cross-sectional view illustrating an example of a large-area carbon layer based integrated device according to one preferred embodiment of the present invention;
7 is a graph showing the sheet resistance of Experimental Example 1 according to the present invention;
8 is a graph showing the transparency of Experimental Example 1 according to the present invention.
이하에서는 실시예 등을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and the like, but the following Examples are provided to illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.
본 발명은 그래핀계 탄소기반 전자소자를 제공한다.The present invention provides a graphene-based carbon-based electronic device.
하나의 바람직한 예로서, 기판; 상기 기판 상에 형성된 그래핀 산화물 박막층; 상기 그래핀 산화물 박막층 상에 형성된 게이트 절연층; 및 상기 절연층 상에 형성된 게이트 전극;을 포함하되, 상기 그래핀 산화물 박막층은 일면 상에 레이저를 조사하여 그래핀 산화물이 국소환원될 수 있다.As one preferred example, a substrate; A graphene oxide thin film layer formed on the substrate; A gate insulating layer formed on the graphene oxide thin film layer; And a gate electrode formed on the insulating layer. The graphene oxide thin film layer may be locally reduced by irradiating a laser onto one surface of the graphene oxide thin film layer.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 그래핀계 탄소기반 전자소자를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a graphene-based carbon-based electronic device according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 그래핀계 탄소기반 전자소자는, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(10), 상기 기판(10) 상에 각각 형성된 드레인 전극(21) 및 소스 전극(22), 상기 드레인 전극(21)과 소스 전극(22) 사이에 형성된 채널층(30), 상기 채널층(30) 위에 형성된 게이트 절연층(40), 상기 게이트 절연층(40) 위에 형성된 게이트 전극(50)을 포함하여 구성될 수 있다. As illustrated in FIG. 1, the graphene-based carbon-based electronic device of the present invention includes a
이와 같이, 본 발명에 따른 그래핀 산화물 박막층(20)을 포함하는 그래핀계 탄소기반 전자소자는 그래핀 산화물 박막층(20) 일면에 레이저를 조사하여 국소환원을 유도함으로써, 후속 패턴화 공정을 생략할 수 있다.As such, the graphene-based carbon-based electronic device including the graphene oxide
또한, 본 발명에 따른 그래핀계 탄소기반 전자소자는 낮은 면저항과 우수한 투명도 특성을 가지며, 캐패시터, 소스/드레인 전극 등을 단일 기판에 동시에 제조할 수 있으므로, 공정 효율이 우수하다.
In addition, the graphene-based carbon-based electronic device according to the present invention has a low sheet resistance and excellent transparency characteristics, and because the capacitor, the source / drain electrode and the like can be simultaneously manufactured on a single substrate, the process efficiency is excellent.
참고로, 본 발명에 있어서 전자소자란, 메모리소자, 검출소자, 다이오드, 트랜지스터, 발광소자, 집적회로 등을 포함하는 각종의 디바이스, 또는 이들 디바이스의 일부 부분을 칭하는 개념으로 이해되어야 한다.
For reference, in the present invention, an electronic device should be understood as a concept of referring to various devices including a memory device, a detection device, a diode, a transistor, a light emitting device, an integrated circuit, or a part of these devices.
상기 기판(10)은 금속, 유리, 수지 등을 사용할 수 있는 바, 기판(10)의 재료로서 실리콘, 실리콘카바이드, 비소화갈륨, 스피넬, 인화인듐, 인화갈륨, 인화알루미늄, 질화갈륨, 질화인듐, 질화알루미늄, 산화아연, 산화마그네슘, 산화알루미늄, 산화티타늄, 사파이어, 쿼츠, 파이렉스를 사용할 수 있으며, 이러한 재료로 한정되는 것은 아니다.The
상기 기판(10) 상에 그래핀 산화물 박막층(20)을 형성하되, 그래핀 산화물 박막층(20)은 그래핀 산화물 용액을 상기 기판(10) 상에 분무 및 코팅하고 건조시킨 후 열처리하여 형성될 수 있다. 그래핀 산화물 용액은, 바람직하게는, 흑연 파우더를 황산과 같은 산을 첨가하여 산화시킨 후 열처리 과정을 통해 형성할 수 있고, 이어 UV, O2 플라즈마 처리를 수행할 수 있으며, 이에 특별히 제한되는 것은 아니다.Forming a graphene oxide
상기 코팅은 스핀코팅, 전기 분사 코팅, 스크린 코팅, 옵셋 인쇄, 잉크젯 프린팅, 스프레이법, 패드프린팅, 나이프코팅, 키스코팅, 그라비아코팅, 붓질, 초음파 미쇄분무코팅, 스프레이-미스트 분무코팅 중 어느 하나를 선택할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.The coating may be any one of spin coating, electrospray coating, screen coating, offset printing, inkjet printing, spray method, pad printing, knife coating, key coating, gravure coating, brushing, ultrasonic fine spray coating, and spray-mist spray coating. It may be selected, but is not limited thereto.
상기 그래핀 산화물 용액의 용매는 물, 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸알콜, 에틸알콜, 이소프로필알콜, 부틸알콜, 에틸렌글라이콜, 에틸렌 글리콜, 폴리 에틸렌글라이콜, 테트라하이드로푸란, 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아마이드, N-메틸-2-피롤리돈, 헥산, 사이클로헥사논, 톨루엔, 클로로포름, 증류수, 디클로벤젠, 디메틸벤젠, 트리메틸벤젠, 피리딘, 메틸나프탈렌, 니트로메탄, 아크릴로니트릴 중 어느 하나일 수 있다.The solvent of the graphene oxide solution is water, acetone, methyl ethyl ketone, methyl alcohol, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, butyl alcohol, ethylene glycol, ethylene glycol, polyethylene glycol, tetrahydrofuran, dimethylformamide , Dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, hexane, cyclohexanone, toluene, chloroform, distilled water, dichlorobenzene, dimethylbenzene, trimethylbenzene, pyridine, methylnaphthalene, nitromethane, acrylonitrile It can be one.
또한, 본 발명의 그래핀 산화물 용액의 균일한 분산을 위해 비극성 용매를 첨가할 수 있는 바, 예를 들어, 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸알콜, 에틸알콜, 이소프로필알콜, 부틸알콜, 에틸렌글라이콜, 에틸렌 글리콜, 폴리 에틸렌글라이콜, 테트라하이드로퓨란, 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아마이드, N-메틸-2-피롤리돈, 헥산, 사이클로헥사논, 톨루엔, 클로로포롬, 증류수, 디클로벤젠, 디메틸벤진, 트리메틸벤젠, 피리딘, 메틸나프탈렌, 니트로메탄, 아크릴로니트릴, 옥타데실아민, 아닐린, 디메틸설폭사이드, 메틸렌클로라이드, 디에틸렌 글리콜 메틸 에틸 에테르, 에틸아세테이트 중 어느 하나인 것이 바람직하다. 이와 같은 비극성 용매는 그래핀 산화물의 분산을 균일하게 할 뿐만 아니라, 표면 거칠기를 감소시키는 효과가 있다.
In addition, a non-polar solvent may be added for uniform dispersion of the graphene oxide solution of the present invention, for example, acetone, methyl ethyl ketone, methyl alcohol, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, butyl alcohol, ethylene glycol Chol, ethylene glycol, polyethylene glycol, tetrahydrofuran, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, hexane, cyclohexanone, toluene, chloroform, distilled water, dichlorobenzene, Preference is given to dimethylbenzine, trimethylbenzene, pyridine, methylnaphthalene, nitromethane, acrylonitrile, octadecylamine, aniline, dimethylsulfoxide, methylene chloride, diethylene glycol methyl ethyl ether, ethyl acetate. Such a nonpolar solvent not only makes the dispersion of graphene oxide uniform, but also has an effect of reducing surface roughness.
본 발명의 그래핀 산화물 박막층을(20) 국소환원시키기 위해서는 엑시머 레이저를 사용하여 조사할 수 있다. In order to locally reduce the graphene oxide
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 엑시머 레이저를 이용하여 그래핀 산화물을 그래핀으로 환원시킨 모식도이다.2 is a schematic diagram of reducing graphene oxide to graphene using an excimer laser according to an embodiment of the present invention.
구체적으로, 도 2를 참조하면, 엑시머 레이저를 이용하여 그래핀 산화물에 펄스 형태로 조사함으로써, 레이저가 조사된 영역만 -O-, -OH 또는 -COOH 작용기가 제거되면서 그래핀으로 환원된다. 앞서 설명한 바와 같이, 엑시머 레이저가 조사된 영역만 그래핀으로 국소환원되기 때문에 그래핀 국소환원 및 패턴화의 공정을 동시에 수행할 수 있다.Specifically, referring to Figure 2, by irradiating the graphene oxide in the form of a pulse using an excimer laser, only the region irradiated with the laser is reduced to graphene while removing the -O-, -OH or -COOH functional group. As described above, since only the region irradiated with the excimer laser is locally reduced to graphene, the graphene local reduction and patterning may be simultaneously performed.
이 때, S/D 마스크 또는 Channel 마스크를 이용하여 엑시머 레이저를 조사할 수 있으며, S/D 마스크 또는 Channel 마스크를 이용하여 직접 패터닝함으로써 후속 패턴화 공정을 수행하지 않을 수 있다.In this case, the excimer laser may be irradiated using the S / D mask or the channel mask, and the subsequent patterning process may not be performed by directly patterning the S / D mask or the channel mask.
경우에 따라서, 엑시머 레이저를 조사할 때 대물렌즈 등을 이용하여 집속해서 조사할 수 있고, 상온에서 조사될 수 있으며, 소자 특성을 고려하여 200℃ 이하의 온도로 기판을 가열하면서 조사할 수 있다.In some cases, when irradiating an excimer laser, it can be focused by using an objective lens or the like, can be irradiated at room temperature, and can be irradiated while heating the substrate at a temperature of 200 ° C. or less in consideration of device characteristics.
하나의 바람직한 예에서, 엑시머 레이저의 펄스 폭은 10 이상 50 nS이하일 수 있는 바, 펄스 폭 50 nS를 초과하는 경우 열에너지가 과도하게 공급되어 표면에 손상이 가해질 수 있으며, 반대로 10 nS미만일 경우 충분한 환원이 이루어질 수 없으므로, 바람직하지 않다.In one preferred example, the pulse width of the excimer laser may be greater than 10 and less than 50 nS. If the pulse width is greater than 50 nS, the thermal energy may be excessively supplied and the surface may be damaged. Since this cannot be done, it is not desirable.
또다른 바람직한 예에서, 엑시머 레이저의 조사되는 에너지는 100 내지 1000 mJ 이하일 수 있다. 레이저의 에너지가 100 mJ 미만일 경우에는 반응 온도가 낮아져 충분한 환원이 일어나지 못하게 되며, 반대로 1000 mJ를 초과한 경우에는 그래핀 산화물 박막층의 표면이 손상될 수 있으므로, 본 발명이 소망하는 효과를 기대할 수 없다.
In another preferred example, the irradiated energy of the excimer laser may be between 100 and 1000 mJ or less. When the energy of the laser is less than 100 mJ, the reaction temperature is lowered to prevent sufficient reduction. On the contrary, when the energy is exceeded 1000 mJ, the surface of the graphene oxide thin film layer may be damaged, and thus the desired effect of the present invention cannot be expected. .
상기 기판(10) 상에 형성된 그래핀 산화물 박막층(20)은 기판(10) 상에 드레인 전극(21), 소스 전극(22) 및 채널층(30)이 동일면에 일체로 형성되는 구조(도 1 참조)일 수 있으며, 상기 드레인 전극(21) 및 소스 전극(22)은 상기 엑시머 레이저를 조사하여 국소환원된 그래핀(Graphene)으로 형성될 수 있다.The graphene oxide
상기 채널층(30)은 상기 드레인 전극(21) 및 소스 전극(22) 사이의 그래핀 옥사이드 박막층(20)이 일부환원(Lower reduction)되어 형성될 수 있으며, 상기 게이트 전극(50)은 상기 그래핀 산화물 박막층(20) 위에 금속(Metal)(13)을 증착(deposition)하여 형성될 수 있다.The
또한, 상기 절연층(40)은 레이저를 조사하지 않은 영역으로, 상기 그래핀 산화물 박막층(20) 상에 금속(13)을 증착하면서 화학적 결합에 의하여 상기 금속(13)의 하부가 산화되거나 또는 후속 열공정에 의하여 산화되어 형성될 수 있다.In addition, the insulating
본 발명의 바람직한 일실시예에서 상기 그래핀계 탄소기반 전자소자는 박막 필름 트랜지스터, 가스센서, 메모리, 캐패시터 등의 집적소자에 적용하여 사용될 수 있다.
In a preferred embodiment of the present invention, the graphene-based carbon-based electronic device may be applied to integrated devices such as thin film transistors, gas sensors, memories, capacitors, and the like.
또한, 본 발명은 그래핀계 탄소기반 전자소자를 제조하는 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for manufacturing a graphene-based carbon-based electronic device.
하나의 바람직한 예에서, 기판 상에 그래핀 산화물 박막층을 형성하는 단계; 상기 그래핀 산화물 박막층 상에 마스크를 제공하고, 레이저를 조사하여 패터닝하는 단계; 및 상기 마스크를 제거하는 단계;를 포함하되, 상기 그래핀 산화물 박막층은 레이저를 조사하여 그래핀 산화물이 국소환원된 것일 수 있다. 바람직하게는, 엑시머 레이저를 사용하여 조사할 수 있다.In one preferred example, forming a graphene oxide thin film layer on a substrate; Providing a mask on the graphene oxide thin film layer, and irradiating and patterning a laser; And removing the mask, wherein the graphene oxide thin film layer may be one in which graphene oxide is locally reduced by irradiating a laser. Preferably, it can be irradiated using an excimer laser.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 그래핀계 탄소기반 전자소자의 제조방법을 나타낸 순서도이다.3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a graphene-based carbon-based electronic device according to an embodiment of the present invention.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 그래핀계 탄소기반 전자소자의 제조방법은 기판 상에 그래핀 산화물 박막층을 형성하는 단계(S310); 그래핀 산화물 박막층 상에 마스크를 제공하고, 레이저를 조사하여 패터닝하는 단계(S320); 및 상기 마스크를 제거하는 단계(S330);를 포함하여 그래핀계 탄소기반 전자소자(S340)을 형성할 수 있다.As shown in FIG. 3, the method for manufacturing a graphene-based carbon-based electronic device of the present invention includes forming a graphene oxide thin film layer on a substrate (S310); Providing a mask on the graphene oxide thin film layer, and patterning by irradiating a laser (S320); And removing the mask (S330); to form a graphene-based carbon-based electronic device S340.
상기 일련의 공정은 그래핀계 탄소기반 집적소자 구현을 위해 롤투롤 형태의 공정에 적용될 수 있다.The series of processes may be applied to a roll-to-roll type process for implementing graphene-based carbon-based integrated devices.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 롤투롤 공정을 이용한 탄소기반 소자의 공정을 설명하는 모식도이다.Figure 4 is a schematic diagram illustrating a process of a carbon-based device using a roll-to-roll process according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 기판을 연속적으로 공급하는 공급부(410); 상기 공급된 기판의 표면에 그래핀 산화물 용액을 분사 및 코팅하기 위한 그래핀 합성부(420); 상기 그래핀 합성부를 통과한 그래핀 산화물 박막의 일면 상에 레이저를 조사하는 레이저 조사부(430); 상기 조사된 그래핀 산화물 박막을 회수하는 회수부(440)를 포함하는 구조일 수 있다. Referring to FIG. 4, a
상기 그래핀 합성부(420)은 그래핀 산화물 용액을 기판에 분사 및 코팅하여 그래핀 산화물 박막층을 생성한 뒤, 건조 후 열처리하여 표면처리 할 수 있다. 또한, 상기 레이저 조사부(430)는 S/D 마스크, Channel 마스크 등을 이용하여 직접 패터닝하는 공정을 포함할 수 있다.
The
더욱이, S/D 마스크와 Channel 마스크 등을 이용하고 연속적으로 레이저를 조사하여 본 발명의 집적소자의 FET를 구현할 수 있는 바, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 유기 FET의 제작 개념도를 나타낸 모식도이다.Furthermore, the FET of the integrated device of the present invention can be implemented by using a S / D mask and a channel mask and continuously irradiating a laser. FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating the fabrication of an organic FET according to an embodiment of the present invention. It is a schematic diagram.
도 5를 참조하면, SiO2/Si 기판(510) 상에 그래핀 산화물 박막층(520)이 형성되며, 그래핀 산화물 박막층(520) 상에 S/D 마스크(531)를 이용하여 엑시머 레이저(540)를 조사한다. 레이저 펄스 수를 10회 이상 조사하면 완전환원(Higher reduction Graphene Oxide: HrGO)된 영역(551)을 형성되고, S/D 마스크를 제거한다. 이어, Channel 마스크(532)를 이용하여 레이저 펄스 수를 5회 미만으로 조사하여 부분환원(Lower reduction Graphene Oxide: LrGO)된 영역(552)을 형성할 수 있다. 즉, S/D 마스크(531)와 Channel 마스크(532)를 이용하여 연속적으로 레이저를 조사하여 집적소자 FET를 구현할 수 있다.Referring to FIG. 5, a graphene oxide
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 그래핀계 탄소기반 전자소자는, 상온에서 기판에 롤투롤 방법을 이용하여 단일 기판에 직접 그래핀계 탄소기반 전자소자를, 예를 들어, 게이트 전극, 소스/드레인 전극 등을 동시에 구현할 수 있는 잇점이 있다. 이를 도 6에 나타내었다.As described above, the graphene-based carbon-based electronic device according to the present invention, by using a roll-to-roll method on the substrate at room temperature, a graphene-based carbon-based electronic device directly on a single substrate, for example, gate electrode, source / drain electrode And the like can be implemented simultaneously. This is shown in FIG. 6.
도 6은 대면적의 탄소층 기반 집적소자의 예시를 나타낸 단면도이다.6 is a cross-sectional view illustrating an example of a large area carbon-based integrated device.
도 6을 참조하면, 그래핀 산화물 박막층 상에 S/D 마스크, Channel 마스크 등을 이용하고 엑시머 레이저를 조사하면, 레이저 펄스 조사 횟수에 따라 도체성 영역(610, 640, 650, 670)(ρ < 1 Ω/cm)과 반도체성 영역(620, 660)(1 < ρ < 103 Ω/cm)을 동시에 구현할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 레이저가 조사되지 않은 영역을 절연성 영역(630)(ρ> 103 Ω/cm) 역시 구현할 수 있다. 상기 도체성 영역(610, 640, 650, 670)은 집적소자의 전극(640, 650, 670)으로 활용이 가능하며, 반도체성 영역은 FET(field effect transistor)의 채널 메모리의 활성층, 캐패시터의 절연층(660) 등으로 활용할 수 있다.Referring to FIG. 6, when an excimer laser is irradiated using an S / D mask, a channel mask, or the like on a graphene oxide thin film layer, the
또한, 본 발명에 따른 그래핀계 탄소기반 집적소자를 구현시, PR(photo-resistor)의 패터닝과 이의 제거 및 소망하지 않는 그래핀 산화물 박막층 제거를 위한 O2 플라즈마 에칭 공정을 수행하지 않아도 되는 잇점이 있다.
In addition, when implementing a graphene-based carbon-based integrated device according to the present invention, the advantage of not having to perform an O 2 plasma etching process for the patterning and removal of the photo-resistor (PR) and the removal of the undesired graphene oxide thin film layer have.
{실시예}
{Example}
[실시예 1]Example 1
그래핀 산화물 용액을 제조하여 5 mg/ml를 스핀 코팅 방법을 이용하여 투명기판에 분사 및 코팅하여 30 nm의 그래핀 산화물 박막층을 형성하였다.A graphene oxide solution was prepared and 5 mg / ml was sprayed and coated on a transparent substrate using a spin coating method to form a 30 nm graphene oxide thin film layer.
상기 제조된 그래핀 산화물 박막층에 레이저를 조사하여 원하는 영역만을 그래핀으로 환원시켰다. 이때, 펄스 폭 20 nS, 펄스 당 에너지 300 mJ, 빔 폭 5 ×15 mm2, 파장 248 nm, 레이저 펄스 수를 1로 하여 조사하였다.
The desired graphene oxide thin film layer was irradiated with a laser to reduce only desired regions to graphene. At this time, irradiation was performed with a pulse width of 20 nS, an energy of 300 mJ per pulse, a beam width of 5 x 15 mm 2 , a wavelength of 248 nm, and the number of laser pulses.
[실시예 2]Example 2
상기 실시예 1에서, 레이저 펄스 수를 3으로 하여 조사한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 조사하였다.
In the said Example 1, it irradiated similarly to Example 1 except having irradiated with the
[실시예 3]Example 3
상기 실시예 1에서, 레이저 펄스 수를 5로 하여 조사한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 조사하였다.
In Example 1, irradiation was performed in the same manner as in Example 1 except that the number of laser pulses was set at five.
[실시예 4]Example 4
상기 실시예 1에서, 레이저 펄스 수를 10으로 하여 조사한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 조사하였다.
In Example 1, irradiation was performed in the same manner as in Example 1 except that the number of laser pulses was 10.
[비교예 1]Comparative Example 1
상기 실시예 1에서, 그래핀 산화물 박막층에 레이저를 조사하지 않은 것(pritine GO))을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 이용하였다.
In Example 1, the same method as in Example 1 was used except that the graphene oxide thin film layer was not irradiated with laser (pritine GO).
[실험예 1: 레이저 조사에 따른 면저항(Rs) 및 투명도를 측정]Experimental Example 1: Measurement of sheet resistance (Rs) and transparency due to laser irradiation]
실시예 1 내지 실시예 4 및 비교예 1에 따라, 레이저 펄스 수에 따른 면저항 및 투명도를 측정하였으며, 그 결과를 도 7 및 도 8에 나타내었다.According to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1, sheet resistance and transparency according to the number of laser pulses were measured, and the results are shown in FIGS. 7 and 8.
도 7은 실험예 1의 면저항을 나타낸 그래프이며, 도 8은 실험예 1의 투명도를 나타낸 그래프이다.7 is a graph showing the sheet resistance of Experimental Example 1, Figure 8 is a graph showing the transparency of Experimental Example 1.
도 7을 참조하면, 레이저 펄스 수가 증가할수록(실시예 1에서 실시예 4) 면저항은 감소함을 확인하였다. 또한, 실시예 1의 면저항값은 실시예 4의 면저항값과 비교하여 다소 높지만, 실시예 1 역시 부분환원(Lower reduction) 되었음을, 실시예 4는 완전환원(Higher reduction)되었음을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 7, it was confirmed that the sheet resistance decreased as the number of laser pulses increased (Example 1 to Example 4). In addition, the sheet resistance value of Example 1 was slightly higher than the sheet resistance value of Example 4, but Example 1 was also reduced (Lower reduction), Example 4 was confirmed to be a complete reduction (Higher reduction).
또한, 면저항은 박막의 단위 두께당 비저항으로 표시하므로 비교예 1의 비저항은 3.0×103 Ω/cm, 실시예 4의 비저항은 9.09×10-1 Ω/cm으로, 실시예 4의 면저항값은 비교예 1의 면저항값과 비교하여 약 ~ 105감소하였음을 확인할 수 있었다. 이는, 면저항 특성이 향상되었다고 할 수 있다.In addition, the sheet resistance is expressed as a specific resistance per unit thickness of the thin film, so that the resistivity of Comparative Example 1 is 3.0 × 10 3 Ω / cm, the resistivity of Example 4 is 9.09 × 10 −1 Ω / cm, and the sheet resistance of Example 4 is As compared with the sheet resistance value of Comparative Example 1, it was confirmed that the decrease of about ~ 10 5 . This can be said to improve the sheet resistance characteristics.
한편, 면저항과 투명도는 상관관계가 존재하는 바, 도 8을 참조하면, 투명도 역시 개선됨을 알 수 있었다. 구체적으로, 파장 550 nm에서 비교예 1의 투명도는 73, 실시예 2의 투명도는 80, 실시예 4의 투명도는 92로 증가함을 알 수 있다. On the other hand, there is a correlation between the sheet resistance and transparency, referring to Figure 8, it can be seen that the transparency is also improved. Specifically, it can be seen that the transparency of Comparative Example 1 is 73, the transparency of Example 2 is 80, and the transparency of Example 4 is increased to 92 at a wavelength of 550 nm.
즉, 본 발명에 따라 제조된 국소환원이 가능한 그래핀 산화물 박막층은 레이저 펄스 수가 증가할수록 면저항은 감소하고 투명도가 증가하여 플렉서블 디스플레이, 집적회로 등에 적용될 수 있다.
That is, the locally reduced graphene oxide thin film layer prepared according to the present invention may be applied to a flexible display, an integrated circuit, etc. as the sheet resistance decreases and the transparency increases as the number of laser pulses increases.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
The embodiments of the present invention described above and illustrated in the drawings should not be construed as limiting the technical spirit of the present invention. The scope of protection of the present invention is limited only by the matters described in the claims, and those skilled in the art can change and change the technical idea of the present invention in various forms. Therefore, such improvements and modifications will fall within the protection scope of the present invention, as will be apparent to those skilled in the art.
10 : 기판
12 : 마스크
13 : 금속
20 : 그래핀 산화물 박막층
21 : 드레인 전극
22 : 소스 전극
30 : 채널층
40 : 절연층
50 : 게이트 전극10: substrate
12: mask
13: metal
20: graphene oxide thin film layer
21: drain electrode
22: source electrode
30: channel layer
40: insulation layer
50: gate electrode
Claims (9)
상기 기판 상에 형성된 그래핀 산화물 박막층;
상기 그래핀 산화물 박막층 상에, 후속 열공정에 의해서 산화되어 자체 생성된 게이트 절연층; 및
상기 절연층 상에 형성된 게이트 전극;을 포함하되,
상기 그래핀 산화물 박막층은 일면 상에 엑시머 레이저를 조사하여 고열을 가함으로써 그래핀 산화물이 국소환원된 것이며;
상기 그래핀 산화물 박막층은 상기 기판 상에 드레인 전극, 소스 전극 및 채널층이 동일면에 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 그래핀계 탄소기반 전자소자. Board;
A graphene oxide thin film layer formed on the substrate;
A gate insulating layer formed on the graphene oxide thin film layer by oxidation by a subsequent thermal process; And
Including; a gate electrode formed on the insulating layer,
The graphene oxide thin film layer is a graphene oxide is locally reduced by applying a high temperature by irradiating an excimer laser on one surface;
The graphene oxide thin film layer is a graphene carbon-based electronic device, characterized in that the drain electrode, the source electrode and the channel layer is integrally formed on the same surface on the substrate.
상기 엑시머 레이저의 펄스 폭이 10nS 이상 50nS 이하인 것인 것을 특징으로 하는 그래핀계 탄소기반 전자소자.The method of claim 1,
Graphene-based carbon-based electronic device, characterized in that the pulse width of the excimer laser is more than 10nS 50nS.
상기 채널층 상에, 후속 열공정에 의해서 산화되어 자체 생성된 게이트 절연층이 형성된 것을 특징으로 하는 그래핀계 탄소기반 전자소자. The method of claim 1,
The graphene-based carbon-based electronic device, characterized in that the gate insulating layer formed on the channel layer by the subsequent thermal process is formed by itself.
상기 채널층은 드레인 전극과 소스 전극 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 그래핀계 탄소기반 전자소자.The method of claim 1,
The channel layer is a graphene-based carbon-based electronic device, characterized in that formed between the drain electrode and the source electrode.
상기 드레인 전극 및 소스 전극은 상기 그래핀 산화물 박막층이 국소환원되어 형성된 것을 특징으로 하는 그래핀계 탄소기반 전자소자.The method of claim 1,
The drain electrode and the source electrode is a graphene carbon-based electronic device, characterized in that the graphene oxide thin film layer is formed by local reduction.
상기 게이트 전극은 상기 그래핀 산화물 박막층 상에 금속을 증착하여 형성된 것을 특징으로 하는 그래핀계 탄소기반 전자소자.The method of claim 1,
The gate electrode is a graphene carbon-based electronic device, characterized in that formed by depositing a metal on the graphene oxide thin film layer.
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