KR102497077B1 - 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법 - Google Patents
결정질 층상흑연의 저온 성장 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 결정질 층상흑연을 저온에서 원하는 두께로 성장시킬 수 있는 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법에 관한 것이다. 본 발명은 기판 위에 비정질 탄소와 금속 유도 층간 교환(metal induced layer exchange; MILE)이 가능한 금속으로 금속층을 형성한다. 금속층 위에 비정질 탄소층을 형성한다. 720 내지 900 K에서의 저온 열처리를 통해서 상기 금속층과 상기 비정질 탄소층 간의 금속 유도 층간 교환에 의해 상기 기판 위에 결정질의 층상흑연을 형성한다. 그리고 비정질 탄소층을 형성하는 단계와 금속 유도 층간 교환 단계를 복수회 반복하여 기판 위에 금속 유도 층간 교환 횟수에 대응되는 층수의 층상흑연 적층체를 형성한다.
Description
본 발명은 결정질 층상흑연의 성장 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 결정질 층상흑연을 저온에서 원하는 두께로 성장시킬 수 있는 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법에 관한 것이다.
흑연은 탄소로 이루어진 동소체 중 가장 안정한 물질로 높은 내부식성, 열전도도, 전기전도도를 지니고 층상구조로 이루어져 있어 다양한 응용분야에서 활용되고 있다. 특히 흑연의 결정 내부에 존재하는 sp2 혼성 오비탈 결합구조는 그래핀과 탄소나노튜브 등에서 실험을 통해 확인된 바와 같이, 높은 기계적 특성과 전기적 특성을 갖추게 하는 중요한 특징이다.
하지만 자연에서 발견되는 흑연은 다결정구조로, 수십 ㎛ 이하의 결정립을 갖는 층상구조의 흑연 결정립이 제각각의 방향으로 결합되어 있기 때문에, 높은 결정립계 밀도 및 방향이탈각도(misorientation angle)를 갖는다. 이로 인해 결정 내부에 sp2 혼성 오비탈 결합구조를 갖고 있지만, 자연에서 발견되는 흑연의 높은 결정립계 밀도 및 방향이탈각도는 기계적 특성과 전기적 특성을 저하시키는 주요 원인이다.
이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 방법으로 층상흑연(lamellar graphite)을 합성하는 방법이 연구되어왔다. 층상흑연이란 흑연박막, 후막 또는 벌크 흑연을 구성하는 각 층이 평행하게 배열되어있는 구조를 지니고 있다.
이러한 층상흑연 중 대표적으로 높은 결정성을 지니는 고배향성 열분해흑연(highly oriented pyrolytic graphite; HOPG)은 2273 K 이상의 고온 및 고압 환경에서 탄소 전구체를 열분해시켜 합성할 수 있다. 하지만 고배향성 열분해흑연은 고온 및 고압이라는 합성조건으로 인해서, 대면적 합성 및 대량 합성이 어렵고 합성하는데 많은 에너지를 요구하는 단점이 있다.
층상흑연을 합성하는 다른 방법으로는 니켈, 철, 코발트 등 탄소용해도가 높은 금속촉매에 1000 K 내지 1500 K, 또는 그 이상의 온도 범위에서 기상 또는 고상 전구체를 반응시켜 탄소를 고용시키거나 금속 카바이드를 형성한 후 석출 또는 분해시켜 금속촉매 표면에 층상흑연을 형성하는 방법이 있다. 이 방법은 고배향성 열분해흑연에 비해 비교적 낮은 온도에서도 층상흑연의 합성이 가능하다. 하지만 금속촉매에 대한 탄소 고용량이 한정되어 있어 한 번의 석출공정을 통해 한정된 두께의 층상흑연밖에 성장시킬 수 없기 때문에, 일정 이상의 두께를 얻기 위해서는 금속촉매의 두께가 매우 두꺼워야 하는 단점이 있다. 예를 들어 니켈의 경우 대체로 금속촉매 두께의 1 % 미만의 두께를 갖는 층상흑연 밖에 얻을 수 없다. 또한 형성된 층상흑연과 금속촉매를 분리하기 위해 습식 식각 등을 이용하는 경우 많은 양의 금속촉매가 식각 용액에 의해 소실되는 단점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 결정질 층상흑연을 저온에서 원하는 두께로 성장시킬 수 있는 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 대면적의 층상흑연을 두껍게 형성할 수 있는 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판 위에 비정질 탄소와 금속 유도 층간 교환(metal induced layer exchange; MILE)이 가능한 금속으로 금속층을 형성하는 단계; 상기 금속층 위에 비정질 탄소층을 형성하는 단계; 720 내지 900 K에서의 저온 열처리를 통해서 상기 금속층과 상기 비정질 탄소층 간의 금속 유도 층간 교환에 의해 상기 기판 위에 결정질의 층상흑연을 형성하는 단계; 및 상기 비정질 탄소층을 형성하는 단계와 상기 층상흑연을 형성하는 단계를 복수회 반복하여 상기 기판 위에 상기 금속 유도 층간 교환 횟수에 대응되는 층수의 층상흑연 적층체를 형성하는 단계;를 포함하는 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법을 제공한다.
상기 층상흑연을 형성하는 단계에서, 상기 비정질 탄소층의 비정질 탄소는 상기 금속층으로 확산된 후 상기 금속층과 상기 기판 사이로 이동 및 결정화되어 층상흑연을 형성할 수 있다.
상기 기판의 소재는 금속, 금속산화물, 금속질화물, 비금속산화물 또는 비금속질화물을 포함할 수 있다.
상기 기판의 소재는 구리, 은, 금, 알루미늄, 텅스텐, 루테늄, 탄탈륨, 산화규소, 질화규소, 산화알루미늄, 질화티타늄, 질화탄탈륨, 규소 또는 흑연을 포함할 수 있다.
상기 금속층을 형성하는 단계에서, 상기 금속층의 소재는 니켈, 철, 코발트, 알루미늄, 금, 은, 구리, 백금, 이리듐, 몰리브데넘, 지르코늄, 네오디뮴 또는 루테늄을 포함할 수 있다.
상기 금속층을 형성하는 단계는, 상기 기판 위에 비정질 탄소, 비정질 붕소, BN, BCN, B4C 및 Me-X(Me는 Si, Ti, Mo 및 Zr 중에 적어도 하나, X는 B, C 및 N 중에 적어도 하나) 중에 적어도 하나의 소재로 씨드층을 형성하는 단계; 및 상기 씨드층 위에 상기 금속층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 비정질 탄소층을 형성하는 단계에서, 상기 비정질 탄소층은 스퍼터링, 화학기상증착 또는 탄소수소 및 폴리머의 탄화반응으로 형성할 수 있다.
상기 층상흑연을 형성하는 단계에서, 상기 저온 열처리 시간은 5 초 내지 180 분일 수 있다.
상기 층상흑연을 형성하는 단계에서, 상기 저온 열처리는 진공, 비활성기체, 저활성기체 또는 환원성기체 분위기에서 수행될 수 있다.
상기 층상흑연 적층체를 형성하는 단계에서, 이전의 금속 유도 층간 교환에 의해 형성된 이전 층상흑연과 금속층 사이에 이후의 금속 유도 층간 교환에 의한 다음 층상흑연이 형성될 수 있다.
상기 비정질 탄소층 두께(ta-c)와 상기 금속층 두께(tm)의 비(ta-c/tm)는 0.9 이상이다.
상기 금속층의 두께는 1 nm 내지 10000 nm 일 수 있다.
상기 비정질 탄소층을 형성하는 단계에서, 상기 비정질 탄소층의 두께는 1 nm 내지 10000 nm 일 수 있다.
상기 층상흑연을 형성하는 단계에서, 상기 층상흑연의 두께는 1nm 내지 10000 nm 일 수 있다.
상기 층상흑연을 형성하는 단계에서, 상기 층상흑연은 상기 금속층의 두께에 대응되는 두께로 형성될 수 있다.
본 발명은 또한, 기판 위에 비정질 탄소와 금속 유도 층간 교환(metal induced layer exchange; MILE)이 가능한 금속으로 금속층을 형성하는 단계; 상기 금속층 위에 제1 비정질 탄소층을 형성하는 단계; 720 내지 900 K에서의 저온 열처리를 통해서 상기 금속층과 상기 제1 비정질 탄소층 간의 금속 유도 층간 교환에 의해 상기 기판 위에 결정질의 제1 층상흑연을 형성하는 단계; 상기 금속층 위에 제2 비정질 탄소층을 형성하는 단계; 및 720 내지 900 K에서의 저온 열처리를 통해서 상기 금속층과 상기 제2 비정질 탄소층 간의 금속 유도 층간 교환에 의해 상기 제1 층상흑연 위에 결정질의 제2 층상흑연을 형성하는 단계;를 포함하는 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법을 제공한다.
상기 금속층을 형성하는 단계는, 상기 기판 위에 비정질 탄소, 비정질 붕소, BN, BCN, B4C 및 Me-X(Me는 Si, Ti, Mo 및 Zr 중에 적어도 하나, X는 B, C 및 N 중에 적어도 하나) 중에 적어도 하나의 소재로 씨드층을 형성하는 단계; 및 상기 씨드층 위에 상기 금속층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제1 층상흑연을 형성하는 단계 및 상기 제2 층상흑연을 형성하는 단계는 각각, 상기 제1 및 제2 비정질 탄소층의 비정질 탄소는 상기 금속층으로 확산된 후, 상기 금속과층과 상기 금속층 아래의 층 사이로 이동 및 결정화되어 층상흑연을 형성할 수 있다.
상기 비정질 탄소층 두께(ta-c)와 상기 금속층 두께(tm)의 비(ta-c/tm)는 0.9 이상인 것을 특징으로 하는 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법.
그리고 상기 제1 층상흑연을 형성하는 단계 및 상기 제2 층상흑연을 형성하는 단계에서, 상기 층상흑연은 상기 금속층의 두께에 대응되는 두께로 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 금속 유도 층간 교환(metal induced layer exchange; MILE)을 이용하여 기판 위에 결정질 층상흑연을 저온에서 원하는 두께로 성장시킬 수 있다. 즉 기존에서 결정질 층상흑연을 성장시킬 수 있는 두께에 한계가 있었지만, 본 발명은 금속층과 비정질 탄소층 간의 금속 유도 층간 교환을 반복적으로 수행함으로써, 금속 유도 층간 교환의 횟수에 비례하는 두께를 갖는 결정질 층상흑연을 기판 위에 성장시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명은 금속 유도 층간 교환을 이용하여 기판 위에 연속적으로 결정질 층상흑연을 수직 방향으로 적층하여 형성할 수 있기 때문에, 결정질 층상흑연의 두께에 대한 한계를 극복할 수 있다. 이로 인해 기존에 결정질 층상흑연의 두께 한계로 적용하기 어려웠던 응용분야, 예컨대 대형 방열판, 전자파 차폐코팅, 대형 배터리 분야 등에도 본 발명에 따라 성장된 결정질 층상흑연을 이용하여 적용할 수 있다.
그리고 본 발명은 금속 유도 층간 교환을 이용하여 기판 위에 대면적의 결정질 층상흑연을 원하는 두께로 두껍게 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법에 따른 흐름도이다.
도 2 내지 도 7은 도 1의 성장 방법에 따른 각 단계를 보여주는 도면들이다.
도 8 내지 도 10은 도 1의 성장 방법에 따른 각 단계를 보여주는 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope; TEM) 이미지로서,
도 8은 금속 유도 층간 교환 전에 기판 위에 금속층 및 제1 비정질 탄소층이 적층된 상태를 보여주는 TEM 이미지이고,
도 9는 1회 금속 유도 층간 교환 후에 기판 위에 제1 층상흑연이 성장된 상태를 보여주는 TEM 이미지이고,
도 10은 2회 금속 유도 층간 교환 후에 제1 층상흑연 위에 제2 층상흑연이 형성된 상태를 보여주는 TEM 이미지이다.
도 2 내지 도 7은 도 1의 성장 방법에 따른 각 단계를 보여주는 도면들이다.
도 8 내지 도 10은 도 1의 성장 방법에 따른 각 단계를 보여주는 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope; TEM) 이미지로서,
도 8은 금속 유도 층간 교환 전에 기판 위에 금속층 및 제1 비정질 탄소층이 적층된 상태를 보여주는 TEM 이미지이고,
도 9는 1회 금속 유도 층간 교환 후에 기판 위에 제1 층상흑연이 성장된 상태를 보여주는 TEM 이미지이고,
도 10은 2회 금속 유도 층간 교환 후에 제1 층상흑연 위에 제2 층상흑연이 형성된 상태를 보여주는 TEM 이미지이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법에 따른 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 층상흑연의 저온 성장 방법은 기판 위에 금속층을 형성하는 단계(S10), 금속층 위에 비정질 탄소층을 형성하는 단계(S20), 저온 열처리에 의한 금속 유도 층간 교환(metal induced layer exchange; MILE)으로 기판 위에 결정질 층상흑연을 성장하는 단계(S30), 및 비정질 탄소층을 형성하는 단계(S20)와 층상흑연을 형성하는 단계(S30)를 복수회 반복하여 기판 위에 금속 유도 층간 교환 횟수에 대응되는 층수의 층상흑연 적층체를 형성하는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 따른 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법에 따르면, 금속 유도 층간 교환 횟수를 통하여 기판 위에 원하는 두께의 층상흑연 적층체를 서장하여 형성할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법에 대해서 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 2 내지 도 7은 도 1의 성장 방법에 따른 각 단계를 보여주는 도면들이다.
먼저 S10단계에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 기판(10) 위에 금속층(20)을 형성한다.
여기서 기판(10)의 소재로는 S30단계에서 진행되는 저온 열처리 공정에서 금속이나 탄소가 침투하기 어려운 소재이면 어떤 소재이든 가능하다. 즉 기판(10)의 소재는 금속, 금속산화물, 금속질화물, 비금속산화물 또는 비금속질화물을 포함할 수 있다. 예컨대 기판(10)의 소재로는 산화규소(SiO2), 질화규소(SiNx), 산화알루미늄(Al2O3), 질화티타늄(TiN), 질화탄탈륨(TaN), 규소 또는 흑연이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 금속은 녹는점이 1300 K 부근 또는 1300 K 이상인 금속으로, 예컨대 구리, 은, 금, 알루미늄, 텅스텐, 티타늄, 루테늄, 탄탈륨 등을 포함할 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
예컨대 기판(10)은 실리콘 기판 위에 식각 정지층(etch stopper)이 형성된 구조를 가질 수 있다. 여기서 식각 정지층은 KOH에 저항성을 갖는 소재로 형성되며, 금속층의 소재가 실리콘 기판으로 확산되는 것을 방지하는 기능도 담당한다. 식각 정지층의 소재는 SiNx, SiO2, SiC, 및 Mo2C 중에 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서 SiNx는 Si3N4로 포함할 수 있다. 식각 정지층은 CVD(chemical vapor deposition) 공정으로 형성할 수 있지만, ALD(atomic layer deposition) 또는 IBSD(ion beam sputtering deposition) 공정으로 형성하여, 두께, 물성 및 화학 조성의 변경을 자유롭게 조절하여 최상의 투과율을 가지면서 결점을 최소화할 수 있도록 형성한다. 식각 정지층은 실리콘 기판 위에 1nm 내지 10nm의 두께로 형성될 수 있다.
금속층(20)은 스퍼터링 또는 전자빔 증착법(e-beam evaporation method)으로 기판(10) 위에 형성할 수 있다. 금속층(20)은 기판(10) 위에 1 nm 내지 10,000 nm의 두께로 형성될 수 있다.
이러한 금속층(20)은 비정질 탄소와 금속 유도 층간 교환이 가능한 금속으로 형성된다. 예컨대 금속층(20)의 소재는 니켈, 철, 코발트, 알루미늄, 금, 은, 구리, 백금, 이리듐, 몰리브데넘, 지르코늄, 네오디뮴 또는 루테늄을 포함할 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
금속 유도 층간 교환을 통하여 기판(10) 위에 층상흑연이 안정적으로 성장하면서 기판(10) 위에 안정적인 결합력을 확보할 수 있도록, 기판(10)과 금속층(20) 사이에 씨드층을 추가적으로 형성할 수 있다.
씨드층은 금속층(20)의 소재와 반응하는 않는 소재로 형성되며, 금속 유도 층간 교환의 씨드로써 열처리 온도를 낮추고, 층상흑연과 기판(10) 간의 결합력을 높인다.
이러한 씨드층의 소재로는 비정질 탄소, 비정질 붕소, BN, BCN, B4C 및 Me-X(Me는 Si, Ti, Mo 및 Zr 중에 적어도 하나, X는 B, C 및 N 중에 적어도 하나) 중에 적어도 하나를 포함한다. 씨드층은 5nm 이하의 두께로 기판(10) 위에 증착하여 형성할 수 있다. 씨드층은 스퍼터링, CVD, ALD 등 다양한 증착 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
다음으로 도 3에 도시된 바와 같이, S20단계에서 금속층(20) 위에 비정질 탄소층(31)을 형성한다. 여기서 비정질 탄소층(31)은 스퍼터링, 화학기상증착 또는 탄소수소 및 폴리머의 탄화반응으로 형성할 수 있다. 비정질 탄소층(31)은 금속층(20) 위에 1 nm 내지 10,000 nm의 두께로 형성될 수 있다.
다음으로 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, S30단계에서 저온 열처리에 의한 금속 유도 층간 교환으로 기판(10) 위에 결정질 층상흑연(30)을 성장한다. 즉 720 내지 900 K에서의 저온 열처리를 통해서 금속층(20)과 비정질 탄소층(31) 간의 금속 유도 층간 교환에 의해 기판(10) 위에 결정질의 층상흑연(30)을 형성한다. 비정질 탄소층(31)의 비정질 탄소는 금속층(20)으로 확산된 후 금속층(20)과 기판(10) 사이로 이동 및 결정화되어 층상흑연(30)을 형성한다. 기판(10)과 금속층(20) 간에 성장되는 층상흑연(30)은 1 nm 내지 10,000 nm의 두께로 형성될 수 있다.
여기서 금속 유도 층간 교환 공정은 금속유도 결정화법(MIC, metal-induced crystallization)과 층간 교환 현상(layer exchange phenomenon)을 동시에 응용하여 결정화된 층상흑연(30)을 형성하는 기술이다. 금속유도 결정화법은 4족(Group IV) 원소인 Si, Ge 또는 그 합금인 SiGe를 저온에서 결정화하기 위해 반도체 산업에서 사용되는 기술로서, 니켈, 코발트, 철, 알루미늄, 금, 팔라듐 등의 금속원소와 맞닿은 4족 원소의 결정화 온도가 급격히 하강하는 현상을 이용하여 4족 원소를 결정화시키는 방법이다. 층간 교환 현상은 순차적으로 적층된 두 층 이상의 박막이 특정 반응 조건에서 적층 순서가 뒤바뀌는 현상이다.
본 발명에 따른 저온 성장 방법에서는, 금속 유도 층간 교환 공정의 장점 중 결정화 온도를 하강시키는 특징을 이용하여 773 K(500 ℃) 부근의 저온에서 층상흑연(30)을 합성하는 동시에 층간 교환 현상을 이용하여 연속으로 층상흑연(30)을 합성할 수 있는 방법을 제공한다. 그리고 금속 유도 층간 교환 공정의 조건 및 횟수를 조절함으로써, 합성되는 층상흑연(30) 및 층상흑연 적층체(도 7의 100)의 두께를 조절할 수 있다.
여기서 저온 열처리는 진공, 비활성기체, 저활성기체 또는 환원성기체 분위기에서 5 초 내지 180 분 수행될 수 있다. 저온 열처리에는 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 질소, 이산화탄소, 메탄, 수소 또는 암모니아 가스가 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 저온 열처리 시간은 저온 열처리 온도 및 성장할 층상흑연(30)의 두께에 따라서 720 내지 900 K의 온도 범위에서 적절히 선택될 수 있다. 예컨대 저온 열처리 온도는 720 K 내지 800 K, 800 K 내지 900 K 일 수 있다. 저온 열처리 시간은 저온 열처리 온도에 의존하여, 5초 내지 1분, 1분, 내지 10분, 10분 내지 60분, 60분 내지 180분일 수 있다.
저온 열처리를 통한 금속 유도 층간 교환으로 층상흑연(30)을 안정적으로 성장시키기 위해서, 비정질 탄소층 두께(ta-c)와 금속층 두께(tm)의 비(ta-c/tm)는 0.9 이상이 바람직하다. 즉 두께비(ta-c/tm)가 0.9 미만이면, 금속 유도 층간 교환이 불균일하게 발생하거나 금속 유도 층간 교환이 발생하지 않는 문제가 발생하기 때문이다.
두께비(ta-c/tm)가 0.9 이상인 경우, S30단계에서 저온 열처리에 의한 금속 유도 층간 교환으로 기판(10) 위에 형성되는 결정질 층상흑연(30)은 금속층(20)의 두께에 대응되는 두께로 형성된다.
예컨대 금속층(20)의 두께가 1 nm 내지 3 nm, 4 nm 내지 50 nm, 50 nm 내지 200 nm, 200 nm 내지 1000 nm, 또는 1000 nm 내지 10000 nm 이고, 비정질 탄소층(31)의 두께가 1 nm 내지 3 nm, 4 nm 내지 50 nm, 50 nm 내지 200 nm, 200 nm 내지 1000 nm, 또는 1000 nm 내지 10000 nm 인 경우, 층상흑연(30)의 두께는 1 nm 내지 3 nm, 4 nm 내지 50 nm, 50 nm 내지 200 nm, 200 nm 내지 1000 nm, 또는 1000 nm 내지 10000 nm 일 수 있다.
S30단계에서 저온 열처리에 의한 금속 유도 층간 교환으로 기판(10) 위에 결정질 층상흑연(30)이 형성되며, 결정질 층상흑연(30) 위에 금속층(20)이 위치한다.
한편 S30단계에 저온 열처리는 가압 조건에서 수행될 수 있다. 예컨대 기판(10), 금속층(20) 및 비정질 탄소층(31)이 형성된 적층 구조체에 가압 지그 등을 이용하여 압력을 인가하는 조건 하에서 저온 열처리를 수행하는 것을 의미한다. 가압 조건에서 저온 열처리를 수행할 경우, 압력을 인가하지 않는 저온 열처리를 수행하는 것 보다, 금속 유도 층간 교환을 빠르게 진행하면서 기판(10) 전체의 균일한 두께로 층상흑연(30)을 성장시킬 수 있다.
그리고 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, S40단계에서 금속 유도 층간 교환을 n회(n은 2 이상의 자연수) 수행하여 기판(10) 위에 층상흑연 적층체(100)를 형성한다.
즉 S40단계에서 금속 유도 층간 교환이 n회 수행되었는 지의 여부를 판단한다. S40단계의 판단 결과 n회 수행하지 않은 경우, 금속 유도 층간 교환을 n회 수행할 때까지 S20단계 및 S30단계를 반복하여 n개층의 층상흑연(30,40,50)을 구비하는 층상흑연 적층체(100)를 기판(10) 위에 형성한다. 즉 S20단계에 따른 비정질 탄소층(31,41)을 형성하는 단계와 S30단계에 따른 층상흑연(30,40,50)을 형성하는 단계를 복수회 반복하여 기판(10) 위에 금속 유도 층간 교환 횟수에 대응되는 층수의 층상흑연 적층체(100)를 형성한다. 층상흑연 적층체(100)는 n개의 층상흑연(30,40,50)이 연속적으로 적층된 구조를 갖는다.
n회 수행되는 금속 유도 층간 교환에 대해서 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저 도 3와 같이 금속층(20) 위에 처음 형성된 비정질 탄소층(31)을 제1 비정질 탄소층(31)이라고 하고, 도 4와 같이 제1 비정질 탄소층(31)과 금속층(20) 간의 금속 유도 층간 교환으로 성장되는 층상흑연(30)을 제1 층상흑연(30)이라고 한다.
다음으로 1회 금속 유도 층간 교환 이후에 2회 금속 유도 층간 교환은 아래와 같이 수행된다.
먼저 도 5에 도시된 바와 같이, 금속층(20) 위에 제2 비정질 탄소층(41)을 형성한다.
다음으로 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 저온 열처리에 의한 금속층(20)과 제2 비정질 탄소층(41) 사이의 금속 유도 층간 교환으로 제1 층상흑연(30) 위에 결정질의 제2 층상흑연(40)을 성장한다. 제2 층상흑연(40) 또한 제1 층상흑연(30)과 동일한 메카니즘으로 제2 비정질 탄소층(41)의 비정질 탄소는 금속층(20)으로 확산된 후 금속층(20)과 제1 층상흑연(30) 사이로 이동 및 결정화되어 제2 층상흑연(40)을 제1 층상흑연(30) 위에 성장하여 형성한다.
그리고 동일한 방식으로 (n-1)회 금속 유도 층간 교환 이후에 n회 금속 유도 층간 교환을 수행하여 금속층(20)과 제n-1 층상흑연 사이에 제n 층상흑연을 함으로써, 제1 내지 제n 층상흑연(30,40,50)이 수직 방향으로 연속적으로 적층되어 있는 층상흑연 적층체(100)를 얻을 수 있다. 여기서 도면부호 50은 제n 층상흑연을 나타낸다.
이때 제1 내지 제n 층상흑연(30,40,50)의 두께는 금속층(20)의 두께에 의해 결정되기 때문에, 금속층(20)의 두께 조절을 통해서 제1 내지 제n 층상흑연(30,40,50)의 두께를 조절할 수 있다.
금속 유도 층간 교환 횟수가 증가할수록 층상흑연 적층체(100)의 두께는 증가하기 때문에, 금속 유도 층간 교환의 횟수 조절을 통하여 층상흑연 적층체(100)의 두께를 조절할 수 있다.
S10단계, S20단계 및 S30단계는 하나의 챔버에서 수행될 수 있다. 또는 S10단계, S20단계 및 S30단계 중 적어도 하나의 단계는 별도의 챔버에서 수행될 수 있다.
그리고 S40단계에서의 판단 결과, 금속 유도 층간 교환이 n회 수행된 경우 결정질 층상흑연(30,40,50)의 저온 성장 방법을 종료한다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 금속 유도 층간 교환을 이용하여 기판(10) 위에 결정질 층상흑연(30,40,50)을 저온에서 원하는 두께로 성장시킬 수 있다. 즉 기존에서 결정질 층상흑연을 성장시킬 수 있는 두께에 한계가 있었지만, 본 발명은 금속층(20)과 비정질 탄소층(31,41) 간의 금속 유도 층간 교환을 반복적으로 수행함으로써, 금속 유도 층간 교환의 횟수에 비례하는 두께를 갖는 결정질 층상흑연(30,40,50)을 기판(10) 위에 수직으로 적층하여 성장시킬 수 있다.
본 발명은 금속 유도 층간 교환을 이용하여 기판(10) 위에 연속적으로 결정질 층상흑연(30,40,50)을 수직 방향으로 적층하여 형성할 수 있기 때문에, 결정질 층상흑연(30,40,50)의 두께에 대한 한계를 극복할 수 있다. 이로 인해 기존에 결정질 층상흑연(30,40,50)의 두께 한계로 적용하기 어려웠던 응용분야, 예컨대 대형 방열판, 전자파 차폐코팅, 대형 배터리 분야 등에도 본 발명에 따라 성장된 결정질 층상흑연(30,40,50)을 이용하여 적용할 수 있다.
그리고 본 발명은 금속 유도 층간 교환을 이용하여 기판(10) 위에 대면적의 결정질 층상흑연(30,40,50)을 원하는 두께로 두껍게 형성할 수 있다.
[실험예]
이와 같은 본 발명에 따른 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법에 대해서 실험예를 통하여 복수의 층상흑연이 적층되는 층상흑연 적층체를 제조하였다. 실험예의 저온 성장 방법에 따른 단계별 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope; TEM) 이미지는 도 8 내지 도 10과 같다. 도 8 내지 도 10에서는 2회의 금속 유도 층간 교환을 통하여 기판(10) 위에 제1 및 제2 층상흑연(30,40)이 순차적으로 적층하여 형성하였다.
먼저 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 1회 금속 유도 층간 교환을 통하여 기판(10) 위에 제1 층상흑연(30)을 성장시켜 형성한다. 여기서 도 8은 금속 유도 층간 교환 전에 기판(10) 위에 금속층(20) 및 제1 비정질 탄소층(31)이 적층된 상태를 보여주는 TEM 이미지이다. 그리고 도 9는 1회 금속 유도 층간 교환 후에 기판(10) 위에 제1 층상흑연(30)이 성장된 상태를 보여주는 TEM 이미지이다.
도 8을 참조하면, 산화규소 소재의 기판(10) 위에 금속층(20)을 30nm 두께로 형성한 후, 금속층(20) 위에 비정질 탄소층(31)을 40nm 두께로 형성하였다. 여기서 기판(10)은 실리콘 기판 위에 산화규소층이 형성된 구조를 갖는다. 산화규소층 위에 Ni 소재의 금속층(20)을 형성하였다. 산화규소층 위에 층상흑연이 안정적으로 성장되면서 안정적인 부착력을 가질 수 있도록, 금속층(20)을 형성하기 전에 산화규소층 위에 1nm 두께의 씨드층(60)을 형성하였다. 씨드층(60)으로는 비정질 탄소를 사용하였다.
도 8과 같이 기판(10) 위에 제1 비정질 탄소층(31)과 금속층(20)이 형성된 상태에서, 도 9에 도시된 바와 같이 773 K에서 1 시간 열처리를 수행하는 1회 금속 유도 층간 교환을 통하여 제1 층상흑연(30)을 성장시켰다. 1회 금속 유도 층간 교환을 위한 열처리는 아르곤가스 분위기에서 진행하였다.
두께비(ta-c/tm)가 1.33인 경우, 금속층(20)과 제1 비정질 탄소층(31) 간의 금속 유도 층간 교환이 원활하게 수행된 것을 확인할 수 있다. 즉 제1 비정질 탄소층(31)의 비정질 탄소는 금속층(20)으로 확산된 후 금속층(20)과 기판(10) 사이로 이동 및 결정화되어 제1 층상흑연(30)을 형성한다. 이로 인해 기판(10) 위에 제1 층상흑연(30)이 균일한 두께로 성장하고, 성장한 제1 층상흑연(30) 위에 금속층(20)이 존재하는 것을 확인할 수 있다. 씨드층(60)의 비정질 탄소는 금속 유도 층간 교환에 의해 제1 비정질 탄소층(31)에서 금속층(20)을 통과하여 이동한 비정질 탄소와 함께 제1 층상흑연(40)을 형성한다.
이와 같이 제1 층상흑연(30)을 형성하는 방법으로, 도 10에 도시된 바와 같이, 제1 층상흑연(30) 위에 제2 측상흑연(40)을 형성하였다. 여기서 도 10은 2회 금속 유도 층간 교환 후에 제1 층상흑연(30) 위에 제2 층상흑연(40)이 성장된 상태를 보여주는 TEM 이미지이다.
아래에 제1 층상흑연(30)이 형성된 금속층(20) 위에 제2 비정질 탄소층을 제1 비정질 탄소층과 동일한 두께로 형성하였다.
그리고 도 10을 참조하면, 1회 금속 유도 층간 교환과 동일한 조건으로, 즉 773 K에서 1 시간 열처리를 수행하는 2회 금속 유도 층간 교환을 통하여 제2 층상흑연(40)을 성장시켰다. 2회 금속 유도 층간 교환을 위한 열처리는 아르곤가스 분위기에서 수행하였다.
두께비(ta-c/tm)가 1.33인 경우, 금속층(20)과 제2 비정질 탄소층 간의 금속 유도 층간 교환이 원활하게 수행된 것을 확인할 수 있다. 즉 제2 비정질 탄소층의 비정질 탄소는 금속층(20)으로 확산된 후 금속층(20)과 제1 층상흑연(30) 사이로 이동 및 결정화되어 제2 층상흑연(40)을 형성한다. 이로 인해 제1 층상흑연(30) 위에 제2 층상흑연(40)이 균일한 두께로 성장하고, 성장한 제2 층상흑연(40) 위에 금속층(20)이 존재하는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 제1 및 제2 층상흑연(30,40)을 적층하여 형성하는 방식과 동일하게, 기판(10) 위에 제1 내지 제n 층상흑연을 적층하여 형성할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10 : 기판
20 : 금속층
30 : 제1 층상흑연
31 : 제1 비정질 탄소층
40 : 제2 층상흑연
41 : 제2 비정질 탄소층
50 : 제n 층상흑연
60 : 씨드층
100 : 층상흑연 적층체
20 : 금속층
30 : 제1 층상흑연
31 : 제1 비정질 탄소층
40 : 제2 층상흑연
41 : 제2 비정질 탄소층
50 : 제n 층상흑연
60 : 씨드층
100 : 층상흑연 적층체
Claims (20)
- 기판 위에 비정질 탄소와 금속 유도 층간 교환(metal induced layer exchange; MILE)이 가능한 금속으로 금속층을 형성하는 단계;
상기 금속층 위에 비정질 탄소층을 형성하는 단계;
720 내지 900 K에서의 저온 열처리를 통해서 상기 금속층과 상기 비정질 탄소층 간의 금속 유도 층간 교환에 의해 상기 기판 위에 결정질의 층상흑연을 형성하는 단계; 및
상기 비정질 탄소층을 형성하는 단계와 상기 층상흑연을 형성하는 단계를 복수회 반복하여 상기 기판 위에 상기 금속 유도 층간 교환 횟수에 대응되는 층수의 층상흑연 적층체를 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 금속층을 형성하는 단계는,
상기 기판 위에 비정질 탄소, 비정질 붕소, BN, BCN, B4C 및 Me-X(Me는 Si, Ti, Mo 및 Zr 중에 적어도 하나, X는 B, C 및 N 중에 적어도 하나) 중에 적어도 하나의 소재로 씨드층을 형성하는 단계; 및
상기 씨드층 위에 상기 금속층을 형성하는 단계;
를 포함하는 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법. - 제1항에 있어서, 상기 층상흑연을 형성하는 단계에서,
상기 비정질 탄소층의 비정질 탄소는 상기 금속층으로 확산된 후 상기 금속층과 상기 기판 사이로 이동 및 결정화되어 층상흑연을 형성하는 것을 특징으로 하는 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법. - 제1항에 있어서,
상기 기판의 소재는 금속, 금속산화물, 금속질화물, 비금속산화물 또는 비금속질화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법. - 제1항에 있어서,
상기 기판의 소재는 구리, 은, 금, 알루미늄, 텅스텐, 루테늄, 탄탈륨, 산화규소, 질화규소, 산화알루미늄, 질화티타늄, 질화탄탈륨, 규소 또는 흑연을 포함하는 것을 특징으로 하는 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법. - 제1항에 있어서, 상기 금속층을 형성하는 단계에서,
상기 금속층의 소재는 니켈, 철, 코발트, 알루미늄, 금, 은, 구리, 백금, 이리듐, 몰리브데넘, 지르코늄, 네오디뮴 또는 루테늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법. - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 비정질 탄소층을 형성하는 단계에서,
상기 비정질 탄소층은 스퍼터링, 화학기상증착 또는 탄소수소 및 폴리머의 탄화반응으로 형성하는 것을 특징으로 하는 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법. - 제1항에 있어서, 상기 층상흑연을 형성하는 단계에서,
상기 저온 열처리 시간은 5 초 내지 180 분인 것을 특징으로 하는 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법. - 제1항에 있어서, 상기 층상흑연을 형성하는 단계에서,
상기 저온 열처리는 진공, 비활성기체, 저활성기체 또는 환원성기체 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법. - 제1항에 있어서, 상기 층상흑연 적층체를 형성하는 단계에서,
이전의 금속 유도 층간 교환에 의해 형성된 이전 층상흑연과 금속층 사이에 이후의 금속 유도 층간 교환에 의한 다음 층상흑연이 형성되는 것을 특징으로 하는 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법. - 제1항에 있어서,
상기 비정질 탄소층 두께(ta-c)와 상기 금속층 두께(tm)의 비(ta-c/tm)는 0.9 이상인 것을 특징으로 하는 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법. - 제11항에 있어서,
상기 금속층의 두께는 1 nm 내지 10000 nm 인 것을 특징으로 하는 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법. - 제11항에 있어서, 상기 비정질 탄소층을 형성하는 단계에서,
상기 비정질 탄소층의 두께는 1 nm 내지 10000 nm 인 것을 특징으로 하는 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법. - 제11항에 있어서, 상기 층상흑연을 형성하는 단계에서,
상기 층상흑연의 두께는 1nm 내지 10000 nm 인 것을 특징으로 하는 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법. - 제11항에 있어서, 상기 층상흑연을 형성하는 단계에서,
상기 층상흑연은 상기 금속층의 두께에 대응되는 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법. - 기판 위에 비정질 탄소와 금속 유도 층간 교환(metal induced layer exchange; MILE)이 가능한 금속으로 금속층을 형성하는 단계;
상기 금속층 위에 제1 비정질 탄소층을 형성하는 단계;
720 내지 900 K에서의 저온 열처리를 통해서 상기 금속층과 상기 제1 비정질 탄소층 간의 금속 유도 층간 교환에 의해 상기 기판 위에 결정질의 제1 층상흑연을 형성하는 단계;
상기 금속층 위에 제2 비정질 탄소층을 형성하는 단계; 및
720 내지 900 K에서의 저온 열처리를 통해서 상기 금속층과 상기 제2 비정질 탄소층 간의 금속 유도 층간 교환에 의해 상기 제1 층상흑연 위에 결정질의 제2 층상흑연을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 금속층을 형성하는 단계는,
상기 기판 위에 비정질 탄소, 비정질 붕소, BN, BCN, B4C 및 Me-X(Me는 Si, Ti, Mo 및 Zr 중에 적어도 하나, X는 B, C 및 N 중에 적어도 하나) 중에 적어도 하나의 소재로 씨드층을 형성하는 단계; 및
상기 씨드층 위에 상기 금속층을 형성하는 단계;
를 포함하는 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법. - 삭제
- 제16항에 있어서,
상기 제1 층상흑연을 형성하는 단계 및 상기 제2 층상흑연을 형성하는 단계는 각각,
상기 제1 및 제2 비정질 탄소층의 비정질 탄소는 상기 금속층으로 확산된 후, 상기 금속과층과 상기 금속층 아래의 층 사이로 이동 및 결정화되어 층상흑연을 형성하는 것을 특징으로 하는 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법. - 제16항에 있어서,
상기 비정질 탄소층 두께(ta-c)와 상기 금속층 두께(tm)의 비(ta-c/tm)는 0.9 이상인 것을 특징으로 하는 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법. - 제19항에 있어서, 상기 제1 층상흑연을 형성하는 단계 및 상기 제2 층상흑연을 형성하는 단계에서,
상기 층상흑연은 상기 금속층의 두께에 대응되는 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 결정질 층상흑연의 저온 성장 방법.
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Non-Patent Citations (2)
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|---|
| Daniel Janke 외 8인, Carbon 159권(2020), 656-667쪽 |
| H. Murata 외 4인, APPLIED PHYSICS LETTERS 110권(2017), 033108쪽 |
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