KR20170032796A - Method for preparing graphene using aromatic and aliphatic derivative compound and method for fabricating electronic device comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 방향족 유도체 화합물과 지방족 유도체 화합물을 이용한 그래핀의 제조방법 및 그를 포함하는 전자소자의 제조방법에 관한 것으로, 방향족 유도체 화합물 및 지방족 유도체 화합물을 포함하는 유기층을 이용하여 낮은 온도에서 그래핀 성장이 가능하며, 이로 인해 생산효율을 높이고, 생산비용을 절감시킬 수 있는 방향족 유도체 화합물과 지방족 유도체 화합물을 이용한 그래핀의 제조방법 및 그를 포함하는 전자소자의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing graphene using an aromatic derivative compound and an aliphatic derivative compound, and a method for producing an electronic device including the same. More particularly, the present invention relates to a method for producing graphene using an organic layer comprising an aromatic derivative compound and an aliphatic derivative compound, A method of producing graphene using aromatic derivative compounds and aliphatic derivative compounds capable of increasing production efficiency and reducing production costs, and a method of manufacturing an electronic device including the same.
흑연(graphite)은 대표적인 층상 구조를 갖는 물질로서, 탄소 원자가 6각형 모양으로 연결된 2차원 판상 구조의 그래핀(graphene)이 적층되어 있다. 그래핀은 탄소 원자 3개가 SP2 혼성 오비탈 결합으로 결합되어 이루어진 단일 평판 시트로, 6각형 벌집모양의 결정격자가 연결되어 있는 형태이다.Graphite is a material having a typical layered structure, and graphenes of a two-dimensional plate-like structure in which carbon atoms are connected in a hexagonal shape are laminated. Graphene is a single flat sheet composed of three carbon atoms bonded by SP 2 hybrid orbital bond, and has a hexagonal honeycomb-like crystal lattice.
흑연에 있어서, 각 층을 이루는 그래핀 내의 탄소 원자 간 결합은 공유 결합으로 매우 강하지만, 그래핀과 그래핀 간의 결합은 반데르발스 결합으로서 상기한 공유 결합에 비하여 매우 약하다.In graphite, the bond between the carbon atoms in the graphene constituting each layer is very strong as a covalent bond, but the bond between graphene and graphene is weaker than the covalent bond as a van der Waals bond.
그래핀은 흑연의 한 층, 즉 흑연의 (0001)면 단층을 말하는데, 흑연에 있어서 그래핀과 그래핀 간의 결합이 상기한 바와 같이 미약하므로 두께가 약 4Å으로 매우 얇은 이차원 구조를 가지는 그래핀이 존재할 수 있다.Graphene is a single layer of graphite, ie, a (0001) plane monolayer of graphite. Since grains and graphene bond in graphite is weak as described above, graphene having a very thin two-dimensional structure Can exist.
이러한 그래핀은 기존의 물질과 다른 매우 유용한 특성이 발견되었다. 가장 주목할 특징으로는 그래핀에서 전자가 이동할 경우 마치 전자의 질량이 제로인 것처럼 흐른다는 것이며, 이는 전자가 진공 중의 빛이 이동하는 속도, 즉 광속으로 흐른다는 것을 의미한다. 또한 이러한 그래핀은 전자와 정공에 대하여 비정상적인 반정수 양자 홀 효과(half-integer quantum hall effect)를 갖는 특징이 있다.These graphenes have found very useful properties that are different from conventional materials. The most notable feature is that when electrons move from graphene, the mass of electrons flows like zero, which means that electrons flow at the rate at which light travels in vacuum, that is, the flux. These graphenes also have an unusual half-integer quantum Hall effect on electrons and holes.
탄소원자들이 벌집 구조를 이루고 있는 그래핀은 강도가 강철보다 200배 이상 강하고 전기전도성은 구리보다 100배 이상 우수하고, 열전도도는 다이아몬드의 2배 이상 좋아, 디스플레이나 에너지, 환경, 반도체 분야에서 활용할 ‘꿈의 신소재’로 각광을 받고 있다.Graphene, a carbonaceous honeycomb structure, has a strength of more than 200 times stronger than steel, more than 100 times more conductive than copper, and more than twice the thermal conductivity of diamond, making it ideal for use in displays, energy, It is widely regarded as the 'new material of dream'.
무엇보다도 상기 그래핀과 비슷한 계열인 탄소나노튜브의 경우, 합성 후 정제를 거치는 경우 수율이 매우 낮기 때문에 값싼 재료를 이용하여 합성을 하더라도 최종 제품의 가격은 비싼 반면, 흑연은 매우 싸다는 장점이 있으며, 단일벽 탄소나노튜브의 경우 그 키랄성 및 직경에 따라 금속, 반도체 특성이 달라질 뿐만이 아니라, 동일한 반도체 특성을 가지더라도 밴드갭이 모두 다르다는 특징을 가지므로, 주어진 단일벽 탄소나노튜브로부터 특정 반도체 성질 또는 금속성 성질을 이용하기 위해서는 각 단일벽 탄소나노튜브를 모두 분리해야 될 필요가 있으며, 이는 매우 어렵다고 알려져 있다.In the case of carbon nanotubes similar to graphene, the yield of the carbon nanotubes is very low when they are purified after synthesis. Therefore, even when synthesized using cheap materials, the final product is expensive, while graphite is very cheap , Single-walled carbon nanotubes are characterized not only by their chirality and diameters but also by their bandgaps, even though they have the same semiconductor characteristics. Therefore, the single-walled carbon nanotubes are characterized by having a specific semiconductor property or In order to utilize the metallic properties, it is necessary to separate all the single-walled carbon nanotubes, which is known to be very difficult.
반면, 그래핀의 경우, 주어진 두께의 그래핀의 결정 방향성에 따라서 전기적 특성이 변화하므로 사용자가 선택방향으로의 전기적 특성을 발현시킬 수 있으므로 소자를 쉽게 디자인할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 그래핀의 특징은 향후 탄소계 전기 소자 또는 탄소계 전자기 소자 등에 매우 효과적으로 이용될 수 있다.On the other hand, in the case of graphene, since the electrical characteristics change according to the crystal orientation of the graphene of a given thickness, the user can express the electrical characteristics in the selection direction, and thus the device can be easily designed. The characteristics of such graphene can be very effectively used for carbon-based electric devices or carbon-based electromagnetic devices in the future.
이와 같은 그래핀의 우수한 특성으로 인하여 차세대 실리콘 및 ITO(INDIUM TIN OXIDE) 투명 전극 등을 대체할 물질로 주목을 받고 있다.Due to such excellent characteristics of graphene, it is attracting attention as a substitute material for next generation silicon and ITO (INDIUM TIN OXIDE) transparent electrode.
그래핀을 얻기 위한 방법으로는 기계적 박리법, 화학적 박리법, SiC 결정 열분해법, 박리-재삽입-팽창법, 화학 증기 증착법 및 에피텍시 합성법 등이 있다.Methods for obtaining graphene include mechanical peeling, chemical peeling, SiC crystal pyrolysis, peeling-re-insert-expansion, chemical vapor deposition, and epitaxy synthesis.
기계적 박리법은 스카치 테이프의 접착력을 이용한 것으로서, 흑연 시료에 셀로판 테이프를 붙인 다음 셀로판 테이프를 떼어내면 셀로판 테이프 표면에 흑연으로부터 떨어져 나온 그래핀이 붙어 있어 이를 수집하는 방식이다. 그러나, 이러한 기계적 박리법의 경우, 떨어져 나온 그래핀은 그 모양이 종이가 찢어진 형상으로 일정하지 않고, 그 크기가 마이크로 미터 수준에 불과하여 대면적의 그래핀을 얻는 것이 불가능하고, 최종 수율이 극히 낮아서 많은 시료가 필요한 연구에 적합하지 못하다는 문제가 있다.The mechanical stripping method is based on the adhesion of scotch tape. When a cellophane tape is attached to a graphite sample and then the cellophane tape is peeled off, graphene detached from the graphite is attached to the surface of the cellophane tape. However, in the case of such a mechanical stripping method, the graphene which has fallen off is not uniform in a shape in which the paper is torn, and its size is only a micrometer level, and it is impossible to obtain a large area graphene, And there is a problem in that it is not suitable for research requiring a lot of samples.
화학적 박리법은 흑연을 산화시키고 초음파 등을 통해 파쇄하여 수용액 상에 분산된 산화 그래핀을 만든 후 하이드라진 등의 환원제를 이용하여 다시 그래핀으로 환원시키는 방법이다. 하지만, 산화된 그래핀이 완전히 환원되지 못하고 약 70% 정도만 환원되기 때문에, 그래핀에 많은 결함이 남게 되어 그래핀 고유의 우수한 물리적 및 전기적 특성이 떨어지는 문제가 있다.The chemical peeling method is a method of oxidizing graphite and crushing it through ultrasonic waves to make graphene oxide dispersed in an aqueous solution, and then reducing the graphene grains again with a reducing agent such as hydrazine. However, since the oxidized graphene is not completely reduced and only about 70% of the oxidized graphene is reduced, many defects remain in the graphene, resulting in poor physical and electrical properties inherent to graphene.
SiC 결정 열분해법은 SiC 단결정을 가열하게 되면, 표면의 SiC가 분해되어 Si는 제거되고 남아 있는 카본(C)에 의해 그래핀이 생성되는 원리를 이용한 방법이다. 그러나, 이와 같은 열분해 방법의 경우, 출발 물질로 사용하는 SiC 단결정이 매우 고가이며, 그래핀을 대면적으로 얻기가 매우 어렵다는 문제가 있다.The SiC crystal pyrolysis method is based on the principle that SiC is decomposed on the surface when SiC single crystal is heated, and Si is removed and graphene is formed by the remaining carbon (C). However, in the case of such a pyrolysis method, the SiC single crystal used as a starting material is very expensive, and it is very difficult to obtain graphene in a large area.
박리-재삽입-팽창법은 흑연에 발연 황산을 삽입시킨 후 매우 높은 온도의 로(furnace)에 넣으면, 황산이 팽창하면서 그 가스에 의해 흑연이 팽창되고 이를 TBA와 같은 계면활성제에 분산시켜 그래핀을 제조하는 방법이다. 이러한 박리-재삽입-팽창법도 실제 그래핀 수율이 매우 낮으며 사용된 계면활성제로 인해 층간 접촉 저항이 커서 만족할 만한 전기적 특성을 내지 못하고 있다.In the stripping-reinsertion-expansion method, when fuming sulfuric acid is inserted into graphite and then placed in a furnace at a very high temperature, graphite is expanded by the gas as the sulfuric acid is expanded, and the graphite is dispersed in a surfactant such as TBA, . In this peeling-re-insertion-expansion method, the actual graphene yield is very low and the interlayer contact resistance is large due to the surfactant used, so that satisfactory electrical characteristics are not obtained.
에피텍시 합성법은 고온에서 결정에 흡착되어 있거나 포함되어 있던 탄소가 기판 표면의 결을 따라 그래핀으로 성장되는 원리를 이용한 방법이다. 이 방법으로 제조된 그래핀은 기계적 박리법과 화학 증기 증착법에 의하여 성장한 그래핀 보다 상대적으로 전기 특성이 좋지 못할 뿐 아니라 기판이 매우 비싸고 소자를 제작하기 매우 어렵다는 단점이 있다.The epitaxy method is based on the principle that the carbon contained in a crystal is adsorbed to a crystal at a high temperature or that the carbon contained therein is grown as graphene along the surface of the substrate. The graphene produced by this method has a disadvantage that it is relatively inferior to the graphene grown by the mechanical peeling method and the chemical vapor deposition method, and the substrate is very expensive and it is very difficult to manufacture the device.
화학 증기 증착법은 고온에서 탄소와 카바이드 합금을 잘 형성하거나 탄소를 잘 흡착하는 전이 금속을 촉매층으로 이용하여 그래핀을 합성하는 방법이다. 이 방법은 공정이 까다롭고 중금속 촉매를 사용하고 있으며 대량 생산에는 많은 제한이 따르고 있다. The chemical vapor deposition method is a method of synthesizing graphene by using a transition metal which forms carbon or carbide alloy well at high temperature or adsorbs carbon well as a catalyst layer. This process is difficult and heavy metal catalysts are used, and there are many limitations in mass production.
미국 공개특허 제2010-0047154호에는 그래핀 리본을 대량으로 제조하는 방법으로서, 흑연을 잘게 자른 후, 잘게 잘려진 흑연에 물을 침투시키고, 물이 침투된 흑연을 얼려서 팽창시킨 후 그래핀을 제조하는 방법이 개시되어 있으나 제조시 초음파 처리 공정과 친수성 처리 공정이 필요하고, 그래핀 시트가 아니라, 리본 형태의 그래핀 조각을 얻을 수 있다는 한계가 있다.U.S. Patent Publication No. 2010-0047154 discloses a method for mass-producing graphene ribbons, which comprises finely cutting graphite, infiltrating water into graphite chips that are chopped, freezing graphite impregnated with water, However, ultrasonic treatment and hydrophilic treatment are required at the time of manufacturing, and there is a limitation in that a ribbon-shaped graphene piece can be obtained instead of a graphene sheet.
또한, 공정비용을 절감하고 공정과정을 간소화하기 위하여 방향족 유도체 화합물을 포함하는 유기층을 촉매층 상에 형성하고 저온에서 열처리하여 그래핀을 제조하는 방법이 개발되었다. 그러나, 이와 같은 그래핀의 제조방법은 제조된 그래핀에 결함이 발생하여, 이를 전계효과 트랜지스터 등의 전자소자에 적용하는 경우 소자의 특성이 저하되는 문제점이 있었다. In order to reduce the process cost and simplify the process, a method has been developed in which an organic layer containing an aromatic derivative compound is formed on a catalyst layer and heat treated at a low temperature to produce graphene. However, such a method of manufacturing graphene has a problem that defects are generated in the produced graphene and the characteristics of the device are deteriorated when the graphene is applied to an electronic device such as a field effect transistor.
본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로 방향족 유도체 화합물 및 지방족 유도체 화합물을 포함하는 유기층을 이용하여 낮은 온도에서 그래핀 성장이 가능하며, 이로 인해 생산효율을 높이고, 생산비용을 절감시킬 수 있으며, 결함이 현저히 감소한 그래핀의 제조방법을 제공하는 데 있다.DISCLOSURE OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the problems described above, and it is possible to grow graphene at a low temperature using an organic layer containing an aromatic derivative compound and an aliphatic derivative compound, thereby increasing production efficiency and reducing production cost , And a method for producing graphene in which defects are remarkably reduced.
또한, 이와 같은 그래핀을 적용하여 소자특성이 매우 향상된 전계효과 트랜지스터 등의 전자소자를 제공하는 데 있다.It is also an object of the present invention to provide an electronic device such as a field effect transistor in which device characteristics are greatly improved by applying such graphene.
본 발명의 일 측면에 따르면, According to an aspect of the present invention,
(a) 금속 촉매 상에 유기층을 형성하는 단계; 및 (b) 상기 유기층이 형성된 금속 촉매를 열처리하여 상기 금속 촉매 상에 그래핀을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 유기층은 방향족 유도체 화합물 및 지방족 유도체 화합물을 포함하는 그래핀의 제조방법이 제공된다.(a) forming an organic layer on a metal catalyst; And (b) heat treating the metal catalyst having the organic layer formed thereon to form graphene on the metal catalyst, wherein the organic layer comprises an aromatic derivative compound and an aliphatic derivative compound .
상기 지방족 유도체 화합물이 치환 또는 비치환된 C4 내지 C200 지방족 화합물이고, 상기 치환에 해당하는 치환기는 인산기, 할로겐기, 설폰기, 아민기, 카르복시기, 수산기 및 실릴기 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. The aliphatic derivative compound is a substituted or unsubstituted C4 to C200 aliphatic compound. The substituent corresponding to the substitution may be at least one selected from the group consisting of a phosphoric acid group, a halogen group, a sulfone group, an amine group, a carboxyl group, a hydroxyl group and a silyl group.
상기 방향족 유도체 화합물이 치환 또는 비치환된 C6 내지 C200 방향족 화합물이고, 상기 치환에 해당하는 치환기는 C6 내지 C200 아릴기, 또는 C1 내지 C200 알킬기일 수 있다. The aromatic derivative compound is a substituted or unsubstituted C6 to C200 aromatic compound, and the substituent corresponding to the substitution may be a C6 to C200 aryl group or a C1 to C200 alkyl group.
상기 지방족 유도체 화합물이 1-옥틸포스포닉산(1-octylphosphonic acid), 헥실포스포닉산(hexylphosphonic acid), 옥타데실포스포닉산(octadecylphosphonic acid), 헥사데실아민(hexadecylamine), 옥틸아민(octylamine), 헥실아민(hexylamine), 옥탄설폰산(octansulfonic acid), 헥산설폰산(hexanesulfonic acid), 1-부틸포스포닉산, 1-테트라부틸포스포닉산 및 트리에틸실릴아세틸렌 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. Wherein the aliphatic derivative is selected from the group consisting of 1-octylphosphonic acid, hexylphosphonic acid, octadecylphosphonic acid, hexadecylamine, octylamine, May include at least one member selected from the group consisting of hexylamine, octanesulfonic acid, hexanesulfonic acid, 1-butylphosphonic acid, 1-tetrabutylphosphonic acid and triethylsilyl acetylene. have.
상기 방향족 유도체 화합물이 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌(1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene), 안트라센(anthracene), 페난트렌(phenanthrene), 2,3-벤조안트라센(2,3-benzoanthracene), 크리센(chrysene), 피렌(pyrene), 벤조피렌(benzopyrene), 코로넨(coronene), 코라눌렌(corannulene), 나프타센(naphthacene), 나프탈렌 및 펜타센 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. Wherein the aromatic derivative compound is 1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene, anthracene, phenanthrene, 2,3-benzanthracene, 2,3- may include at least one selected from benzoanthracene, chrysene, pyrene, benzopyrene, coronene, corannulene, naphthacene, naphthalene and pentacene. have.
상기 지방족 유도체 화합물의 함량이 상기 유기층 전체 중량의 1 내지 30 wt%일 수 있다. The content of the aliphatic derivative compound may be 1 to 30 wt% of the total weight of the organic layer.
상기 지방족 유도체 화합물 및 상기 방향족 유도체 화합물이 30℃ 이하에서 고체일 수 있다. The aliphatic derivative compound and the aromatic derivative compound may be solid at 30 DEG C or less.
상기 유기층이 상기 금속 촉매 상에 상기 방향족 유도체 화합물 및 상기 지방족 유도체 화합물을 포함하는 용액을 코팅하여 형성될 수 있다. The organic layer may be formed by coating a solution containing the aromatic derivative compound and the aliphatic derivative compound on the metal catalyst.
상기 용액의 용매가 상기 방향족 유도체 화합물 및 상기 지방족 유도체 화합물을 동시에 용해시킬 수 있는 공용매(cosolvent)일 수 있다. The solvent of the solution may be a cosolvent capable of simultaneously dissolving the aromatic derivative compound and the aliphatic derivative compound.
상기 공용매가 클로로포름, 아세토니트릴, 사염화탄소, 메틸렌클로라이드, 테트라하이드로푸란, 디에톡시에탄올, 에틸아세테이트, 메틸에틸케톤, 벤젠, 톨루엔, 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 디클로로메탄 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. The co-solvent may include at least one selected from chloroform, acetonitrile, carbon tetrachloride, methylene chloride, tetrahydrofuran, diethoxyethanol, ethyl acetate, methyl ethyl ketone, benzene, toluene, methanol, ethanol, propanol and dichloromethane .
상기 코팅이 스핀 코팅(spin coating), 잉크젯 프린팅(inkjet coating), 딥 코팅(dip coating), 드롭 캐스팅(drop casting) 및 바 코팅(bar coating) 중에서 선택된 1종 이상으로 수행될 수 있다. The coating may be performed with at least one selected from spin coating, inkjet coating, dip coating, drop casting and bar coating.
상기 금속 촉매가 니켈, 철, 구리, 백금, 팔라듐, 루테늄 및 코발트 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. The metal catalyst may include at least one selected from the group consisting of nickel, iron, copper, platinum, palladium, ruthenium and cobalt.
단계 (b)의 열처리가 300 내지 800℃에서 수행될 수 있다. The heat treatment of step (b) may be performed at 300 to 800 < 0 > C.
상기 열처리가 1×10-3 내지 1 Torr의 기압 조건에서 수행될 수 있다. The heat treatment may be performed under an atmospheric pressure of 1 x 10 < -3 > to 1 Torr.
상기 열처리가 30분 내지 3시간 동안 수행될 수 있다. The heat treatment may be performed for 30 minutes to 3 hours.
본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면,According to another aspect of the present invention,
상기 그래핀의 제조방법을 포함하는 전자소자의 제조방법이 제공된다. A method of manufacturing an electronic device including the method of manufacturing the graphene is provided.
상기 전자소자는 전계효과 트랜지스터, 전극, 터치패널, 전기 발광 디스플레이, 백라이트, 전파 식별(RFID) 태그, 태양전지모듈, 전자 종이, 평면 디스플레이용 TFT 및 TFT 어레이 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다. The electronic device may be any one selected from a field effect transistor, an electrode, a touch panel, an electroluminescent display, a backlight, a radio frequency identification tag, a solar cell module, an electronic paper, a TFT for a flat display, and a TFT array.
상기 전자소자는 전계효과 트랜지스터일 수 있다. The electronic device may be a field effect transistor.
본 발명의 그래핀의 제조방법은 방향족 유도에 화합물 및 지방족 유도체 화합물을 포함하는 유기층을 형성하여 낮은 온도에서 그래핀 성장이 가능하며, 이로 인해 생산효율을 높이고, 생산비용을 절감시킬 수 있는 효과가 있다. The method of producing graphene of the present invention is capable of growing graphene at a low temperature by forming an organic layer containing a compound and an aliphatic derivative compound in aromatic derivation, thereby increasing the production efficiency and reducing the production cost have.
또한, 그래핀의 결함을 현저히 감소시켜 전계 효과 이동도가 뛰어난 우수한 품질의 그래핀을 제조할 수 있는 효과가 있다.In addition, it is possible to produce graphene with excellent quality with excellent field effect mobility by significantly reducing defects of graphene.
또한, 전계효과 트랜지스터, 전극, 터치패널, 전기 발광 디스플레이, 백라이트, 전파 식별(RFID) 태그, 태양전지모듈, 전자 종이, 평면 디스플레이용 TFT 및 TFT 어레이 등 다양한 전자소자에 응용하여 소자 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, it can be applied to various electronic devices such as field effect transistors, electrodes, touch panels, electroluminescent displays, backlights, RFID tags, solar cell modules, There is an effect that can be.
도 1은 본 발명의 그래핀 제조방법의 흐름도이다.
도 2는 고체 유기층을 이용하여 형성된 그래핀의 예들이다.
도 3은 본 발명의 제조방법으로 제조한 그래핀과 종래의 제조방법으로 제조한 그래핀의 라만 스펙트럼 측정 결과와 결함 빈도를 계산한 결과이다.
도 4는 실시예 5, 비교예 1 및 비교예 3에 따라 제조된 그래핀의 HRTEM 사진이다.
도 5는 실시예 5, 실시예 6, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 그래핀의 p-GCMS 측정 결과이다.
도 6은 실시예 11 및 비교예 4에 따라 제조된 전계효과 트랜지스터의 캐리어 이동도를 측정한 결과이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG.
Figure 2 is an example of graphene formed using a solid organic layer.
FIG. 3 is a graph showing the Raman spectrum of graphene produced by the manufacturing method of the present invention and the graphene produced by the conventional manufacturing method, and the result of calculating the defect frequency.
4 is a HRTEM photograph of graphene prepared according to Example 5, Comparative Example 1 and Comparative Example 3. Fig.
5 shows p-GCMS measurement results of graphene prepared according to Example 5, Example 6, Comparative Example 1 and Comparative Example 2. Fig.
6 shows the results of measurement of carrier mobility of the field-effect transistor manufactured according to Example 11 and Comparative Example 4. Fig.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.
그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.However, the following description does not limit the present invention to specific embodiments. In the following description of the present invention, detailed description of related arts will be omitted if it is determined that the gist of the present invention may be blurred .
본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises ", or" having ", and the like, specify that the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, or combinations thereof.
상기 "치환된"이란 적어도 하나의 수소원자가 중수소, C1 내지 C30 알킬기, C3 내지 C30 시클로알킬기, C2 내지 C30 헤테로시클로알킬기, C1 내지 C30 할로겐화알킬기, C6 내지 C30 아릴기, C1 내지 C30 헤테로아릴기, C1 내지 C30 알콕시기, C2 내지 C30 알케닐기, C2 내지 C30 알키닐기, C6 내지 C30 아릴옥시기, 실릴옥시기(-OSiH3), -OSiR1H2(R1은 C1 내지 C30 알킬기 또는 C6 내지 C30 아릴기), -OSiR1R2H(R1 및 R2는 각각 독립적으로 C1 내지 C30 알킬기 또는 C6 내지 C30 아릴기), -OSiR1R2R3, (R1, R2, 및 R3는 각각 독립적으로 C1 내지 C30 알킬기 또는 C6 내지 C30 아릴기), C1 내지 C30 아실기, C2 내지 C30 아실옥시기, C2 내지 C30 헤테로아릴옥시기, C1 내지 C30 술포닐기, C1 내지 C30 알킬티올기, C6 내지 C30 아릴티올기, C1 내지 C30 헤테로시클로티올기, C1 내지 C30 인산아마이드기, 실릴기(-SiH3, -SiR1H2, -SiR1R2H, 및 -SiR1R2R3 중 어느 하나, 여기서 R1, R2, 및 R3는 각각 독립적으로 C1 내지 C30 알킬기 또는 C6 내지 C30 아릴기), 아민기(-NRR', 여기에서 R 및 R'은 각각 독립적으로, 수소 원자, C1 내지 C30 알킬기, 및 C6 내지 C30 아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 치환기임), 카르복실기, 할로겐기, 시아노기, 니트로기, 아조기, 및 하이드록시기로 이루어진 군에서 선택되는 치환기로 치환된 것을 의미한다.The term "substituted" as used herein means that at least one hydrogen atom is replaced by a substituent selected from the group consisting of deuterium, C1 to C30 alkyl groups, C3 to C30 cycloalkyl groups, C2 to C30 heterocycloalkyl groups, C1 to C30 halogenated alkyl groups, C6 to C30 aryl groups, C1 to C30 heteroaryl groups, C1 to C30 alkoxy groups, C2 to C30 alkenyl groups, C2 to C30 alkynyl group, C6 to C30 aryloxy group, a silyloxy (-OSiH 3), -OSiR 1 H 2 (R 1 is a C1 to C30 alkyl groups or C6 to C30 aryl group), -OSiR 1 R 2 H ( R 1 and R 2 are each independently a C1 to C30 alkyl or C6 to C30 aryl group), -OSiR 1 R 2 R 3 , (R 1, R 2, and R 3 each independently represent a C1 to C30 alkyl group or a C6 to C30 aryl group), a C1 to C30 acyl group, a C2 to C30 acyloxy group, a C2 to C30 heteroaryloxy group, a C1 to C30 sulfonyl group, a C1 to C30 alkylthiol group , A C6 to C30 arylthiol group, a C1 to C30 heterocyclothiol group, a C1 to C30 phosphoric acid amide group, a silyl group (- SiH 3 , -SiR 1 H 2 , -SiR 1 R 2 H, and -SiR 1 R 2 R 3 , wherein R 1 , R 2 , and R 3 are each independently a C 1 to C 30 alkyl group or a C 6 to C 30 An aryl group), an amine group (-NRR ', where R and R' are each independently a substituent selected from the group consisting of a hydrogen atom, a C1 to C30 alkyl group, and a C6 to C30 aryl group), a carboxyl group, A cyano group, a nitro group, an azo group, and a hydroxy group.
또한, 상기 "치환 또는 비치환된 C1 내지 C200 알킬기" 또는 "치환 또는 비치환된 C6 내지 C200 아릴기" 등에서의 상기 알킬기 또는 아릴기의 탄소수 범위는 상기 치환기가 치환된 부분을 고려하지 않고 비치환된 것으로 보았을 때의 알킬 부분 또는 아릴 부분을 구성하는 전체 탄소수를 의미하는 것이다. 예컨대, 파라 위치에 부틸기가 치환된 페닐기는 탄소수 4의 부틸기로 치환된 탄소수 6의 아릴기에 해당하는 것을 의미한다.The carbon number range of the alkyl group or aryl group in the above "substituted or unsubstituted C1 to C200 alkyl group" or "substituted or unsubstituted C6 to C200 aryl group" Quot; means the total number of carbon atoms constituting the alkyl moiety or the aryl moiety when it is considered to be " substituted ". For example, a phenyl group substituted with a butyl group at the para position means an aryl group having 6 carbon atoms substituted with a butyl group having 4 carbon atoms.
본 명세서에서 "이들의 조합"이란 별도의 정의가 없는 한, 둘 이상의 치환기가 연결기로 결합되어 있거나, 둘 이상의 치환기가 축합하여 결합되어 있는 것을 의미한다.In the present specification, the term "combination thereof" means that two or more substituents are bonded to each other via a linking group or two or more substituents are condensed and bonded.
본 명세서에서 "수소"란 별도의 정의가 없는 한, 일중수소, 이중수소, 또는 삼중수소를 의미한다. As used herein, "hydrogen" means monohydrogen, double hydrogen, or tritium, unless otherwise defined.
본 명세서에서 "알킬(alkyl)기"란 별도의 정의가 없는 한, 지방족 탄화수소기를 의미한다. As used herein, unless otherwise defined, the term "alkyl group" means an aliphatic hydrocarbon group.
알킬기는 어떠한 이중결합이나 삼중결합을 포함하고 있지 않은 "포화 알킬(saturated alkyl)기" 일 수 있다. The alkyl group may be a "saturated alkyl group" which does not contain any double or triple bonds.
알킬기는 적어도 하나의 이중결합 또는 삼중결합을 포함하고 있는 "불포화 알킬(unsaturated alkyl)기"일 수도 있다. The alkyl group may be an "unsaturated alkyl group" comprising at least one double bond or triple bond.
"알케닐렌(alkenylene)기"는 적어도 두 개의 탄소원자가 적어도 하나의 탄소-탄소 이중 결합으로 이루어진 작용기를 의미하며, "알키닐렌(alkynylene)기" 는 적어도 두 개의 탄소원자가 적어도 하나의 탄소-탄소 삼중 결합으로 이루어진 작용기를 의미한다. 포화이든 불포화이든 간에 알킬기는 분지형, 직쇄형 또는 환형일 수 있다. "Alkynylene group" means a functional group in which at least two carbon atoms are composed of at least one carbon-carbon double bond, and "alkynylene group" means that at least two carbon atoms have at least one carbon- Quot; means a functional group formed by bonding. The alkyl group, whether saturated or unsaturated, can be branched, straight chain or cyclic.
알킬기는 C1 내지 C200 알킬기일 수 있다. 보다 구체적으로 알킬기는 C1 내지 C200 알킬기, C1 내지 C100 알킬기, C1 내지 C50 알킬기, C1 내지 C30 알킬기, C1 내지 C20 알킬기, C1 내지 C10 알킬기 또는 C1 내지 C6 알킬기일 수도 있다.The alkyl group may be a C1 to C200 alkyl group. More specifically, the alkyl group may be a C1 to C200 alkyl group, a C1 to C100 alkyl group, a C1 to C50 alkyl group, a C1 to C30 alkyl group, a C1 to C20 alkyl group, a C1 to C10 alkyl group or a C1 to C6 alkyl group.
예를 들어, C1 내지 C4 알킬기는 알킬쇄에 1 내지 4 개의 탄소원자, 즉, 알킬쇄는 메틸, 에틸, 프로필, 이소-프로필, n-부틸, 이소-부틸, sec-부틸 및 t-부틸로 이루어진 군에서 선택됨을 나타낸다.For example, the C1 to C4 alkyl groups may have 1 to 4 carbon atoms in the alkyl chain, i.e., the alkyl chain may be optionally substituted with one or more substituents selected from the group consisting of methyl, ethyl, propyl, iso-propyl, n-butyl, Indicating that they are selected from the group.
구체적인 예를 들어 상기 알킬기는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, 부틸기, 이소부틸기, t-부틸기, 펜틸기, 헥실기, 에테닐기, 프로페닐기, 부테닐기, 시클로프로필기, 시클로부틸기, 시클로펜틸기, 시클로헥실기 등을 의미한다.Specific examples of the alkyl group include a methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, isobutyl group, t-butyl group, pentyl group, hexyl group, ethenyl group, Butyl group, cyclopentyl group, cyclohexyl group, and the like.
"아민기"는 아미노기, 아릴아민기, 알킬아민기, 아릴알킬아민기, 또는 알킬아릴아민기를 포함하고, -NRR'로 표현될 수 있고, 여기에서 R 및 R'은 각각 독립적으로, 수소 원자, C1 내지 C30 알킬기, 및 C6 내지 C30 아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 치환기이다.An "amine group" includes an amino group, an arylamine group, an alkylamine group, an arylalkylamine group, or an alkylarylamine group, and may be represented by -NRR ', wherein R and R' , A C1 to C30 alkyl group, and a C6 to C30 aryl group.
"시클로알킬(cycloalkyl)기"는 모노시클릭 또는 융합고리 폴리시클릭(즉, 탄소원자들의 인접한 쌍들을 나눠 가지는 고리) 작용기를 포함한다."Cycloalkyl group" includes monocyclic or fused-ring polycyclic (i. E., Rings that divide adjacent pairs of carbon atoms) functional groups.
"헤테로시클로알킬(heterocycloalkyl)기"는 시클로알킬기 내에 N, O, S 및 P로 이루어진 군에서 선택되는 헤테로원자를 1 내지 4개 함유하고, 나머지는 탄소인 것을 의미한다. 상기 헤테로시클로알킬기가 융합된 고리(fused ring)인 경우, 융합된 고리 중 적어도 하나의 고리가 상기 헤테로 원자를 1 내지 4개 포함할 수 있다."Heterocycloalkyl group" means that the cycloalkyl group contains 1 to 4 hetero atoms selected from the group consisting of N, O, S and P in the cycloalkyl group, and the remainder is carbon. When the heterocycloalkyl group is a fused ring, at least one ring of the fused rings may contain from 1 to 4 heteroatoms.
"방향족(aromatic)기"는 고리 형태인 작용기의 모든 원소가 p-오비탈을 가지고 있으며, 이들 p-오비탈이 공액(conjugation)을 형성하고 있는 작용기를 의미한다. 구체적인 예로 아릴기와 헤테로아릴기가 있다. "An aromatic group" means a functional group in which all elements of a functional group in the form of a ring have a p-orbital, and these p-orbital forms a conjugation. Specific examples thereof include an aryl group and a heteroaryl group.
"아릴(aryl)기"는 모노시클릭 또는 융합 고리 폴리시클릭(즉, 탄소원자들의 인접한 쌍들을 나눠 가지는 고리) 작용기를 포함한다. An "aryl group" includes a monocyclic or fused ring polycyclic (i. E., A ring that divides adjacent pairs of carbon atoms) functional groups.
"헤테로아릴(heteroaryl)기"는 아릴기 내에 N, O, S 및 P로 이루어진 군에서 선택되는 헤테로원자를 1 내지 4개 함유하고, 나머지는 탄소인 것을 의미한다. 상기 헤테로아릴기가 융합된 고리(fused ring)인 경우, 융합된 고리 중 적어도 하나의 고리가 상기 헤테로 원자를 1 내지 4개 포함할 수 있다. "Heteroaryl group" means that the aryl group contains 1 to 4 hetero atoms selected from the group consisting of N, O, S and P, and the remainder is carbon. When the heteroaryl group is a fused ring, at least one ring of the fused rings may contain from 1 to 4 heteroatoms.
아릴기 및 헤테로아릴기에서 고리의 원자수는 탄소수 및 비탄소원자수의 합이다.In the aryl group and the heteroaryl group, the number of atoms in the ring is the sum of carbon number and non-carbon atom number.
"알킬아릴기" 또는 "아릴알킬기"와 같이 조합하여 사용할 때, 상기에 든 각각의 알킬 및 아릴의 용어는 상기 나타낸 의미와 내용을 가진다.When used in combination, such as "alkylaryl" or "arylalkyl group ", the terms alkyl and aryl of each of the above have the meanings and contents indicated above.
"아릴알킬기"이란 용어는 벤질과 같은 아릴 치환된 알킬 라디칼을 의미하며 알킬기에 포함된다.The term "arylalkyl group " means an aryl substituted alkyl radical, such as benzyl, and is included in the alkyl group.
"알킬아릴기"이란 용어는 알킬 치환된 아릴 라디칼을 의미하며 아릴기에 포함된다.The term "alkylaryl group " means an alkyl substituted aryl radical and is included in the aryl group.
도 1은 본 발명의 그래핀 제조방법의 흐름도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 그래핀의 제조방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, a method for producing graphene of the present invention will be described in detail with reference to FIG. However, it should be understood that the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the scope of the following claims.
먼저, 금속 촉매 상에 유기층을 형성한다(단계 a).First, an organic layer is formed on the metal catalyst (step a).
상기 금속 촉매는 그래핀층을 성장시키는 역할을 수행하며, 니켈, 철, 구리, 백금, 팔라듐, 루테늄, 코발트 등을 적용할 수 있다. 이외에도 그래핀의 성장을 유도할 수 있는 금속은 모두 적용할 수 있다. The metal catalyst plays a role of growing a graphene layer, and nickel, iron, copper, platinum, palladium, ruthenium, cobalt and the like can be applied. In addition, any metal that can induce growth of graphene can be applied.
상기 금속 촉매는 스퍼터링, 열증착, 전자선 증착 등을 이용하여 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The metal catalyst may be formed by sputtering, thermal evaporation, electron beam evaporation, or the like, but is not limited thereto.
상기 금속 촉매는 10 내지 1000nm 두께로 형성될 수 있고, 바람직하게는 100 내지 600nm, 더욱 바람직하게는 300 내지 500nm 두께로 형성될 수 있다The metal catalyst may be formed to a thickness of 10 to 1000 nm, preferably 100 to 600 nm, more preferably 300 to 500 nm
상기 유기층은 방향족 유도체 화합물 및 지방족 유도체 화합물을 포함한다.The organic layer includes an aromatic derivative compound and an aliphatic derivative compound.
상기 지방족 유도체 화합물은 치환 또는 비치환된 C4 내지 C200 지방족 화합물일 수 있고, 상기 치환에 해당하는 치환기는 인산기, 할로겐기, 설폰기, 아민기, 수산기, 실릴기 등이 가능하다. The aliphatic derivative compound may be a substituted or unsubstituted C4 to C200 aliphatic compound, and the substituent corresponding to the substitution may be a phosphoric acid group, a halogen group, a sulfonic group, an amine group, a hydroxyl group, a silyl group, or the like.
상기 지방족 유도체 화합물의 탄소수 범위는 비치환된 경우, 바람직하게는 C100 내지 C200, 더욱 바람직하게는 C150 내지 C200일 수 있다.When the carbon number of the aliphatic derivative compound is unsubstituted, it is preferably C100 to C200, more preferably C150 to C200.
치환된 경우에는, 상기 지방족 유도체 화합물의 탄소수 범위는 바람직하게는 C4 내지 C100, 더욱 바람직하게는 C4 내지 C50, 더욱 더 바람직하게는 C4 내지 C20일 수 있다.When substituted, the carbon number range of the aliphatic derivative compound is preferably C4 to C100, more preferably C4 to C50, and still more preferably C4 to C20.
상기 지방족 유도체 화합물은 고체상인 것이 저온 그래핀 성장에 유리하므로, 치환기를 갖는 것이 바람직할 수 있다. Since the aliphatic derivative compound is in a solid phase because it is advantageous for low-temperature graphene growth, it may be preferable to have a substituent.
상기 지방족 유도체 화합물은 바람직하게는 1-옥틸포스포닉산, 헥실포스포닉산, 옥타데실포스포닉산, 헥사데실아민, 옥틸아민, 헥실아민, 옥탄설폰산, 헥산설폰산, 1-부틸포스포닉산, 1-테트라부틸포스포닉산, 트리에틸실릴아세틸렌 등이 가능하고, 더욱 바람직하게는 1-옥틸포스포닉산일 수 있다. The aliphatic derivative compound is preferably selected from 1-octylphosphonic acid, hexylphosphonic acid, octadecylphosphonic acid, hexadecylamine, octylamine, hexylamine, octanesulfonic acid, hexanesulfonic acid, 1-butylphosphonic acid , 1-tetrabutylphosphonic acid, triethylsilyl acetylene, and the like, and more preferably 1-octylphosphonic acid.
상기 방향족 유도체 화합물은 치환 또는 비치환된 C6 내지 C200 방향족 화합물일 수 있고, 상기 치환에 해당하는 치환기는 C6 내지 C200 아릴기 또는 C1 내지 C200 알킬기일 수 있다.The aromatic derivative compound may be a substituted or unsubstituted C6 to C200 aromatic compound, and the substituent corresponding to the substitution may be a C6 to C200 aryl group or a C1 to C200 alkyl group.
상기 방향족 유도체 화합물의 탄소수 범위는 비치환된 경우, 바람직하게는 C100 내지 C200, 더욱 바람직하게는 C150 내지 C200일 수 있다.When the carbon number of the aromatic derivative compound is unsubstituted, it is preferably C100 to C200, more preferably C150 to C200.
치환된 경우에는, 상기 방향족 유도체 화합물의 탄소수 범위는 바람직하게는 C6 내지 C100, 더욱 바람직하게는 C6 내지 C50, 더욱 더 바람직하게는 C6 내지 C30일 수 있다.When substituted, the carbon number range of the aromatic derivative compound may preferably be C6 to C100, more preferably C6 to C50, and still more preferably C6 to C30.
상기 방향족 유도체 화합물의 치환기는 바람직하게는 C6 내지 C100 아릴기 또는 C1 내지 C100 알킬기, 더욱 바람직하게는 C6 내지 C50 아릴기 또는 C1 내지 C50 알킬기, 더욱 더 바람직하게는 C6 내지 C30 아릴기 또는 C1 내지 C30 알킬기 일 수 있다.The substituent of the aromatic derivative compound is preferably a C6 to C100 aryl group or a C1 to C100 alkyl group, more preferably a C6 to C50 aryl group or a C1 to C50 alkyl group, still more preferably a C6 to C30 aryl group or a C1 to C30 aryl group, Alkyl group.
상기 방향족 유도체 화합물 또한 고체상인 것이 바람직하다. The aromatic derivative compound is also preferably in a solid form.
상기 방향족 유도체 화합물은 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌(1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene), 안트라센, 페난트렌, 2,3-벤조안트라센, 크리센, 피렌, 벤조피렌, 코로넨, 코라눌렌, 나프타센, 나프탈렌, 펜타센 등이 가능하고, 바람직하게는 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌일 수 있다. The aromatic derivative compound may be 1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene, anthracene, phenanthrene, 2,3-benzoanthracene, chrysene, pyrene, benzopyrene, Naphthalene, pentacene, and the like, preferably 1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene.
상기 지방족 유도체 화합물의 함량은 상기 유기층 전체 중량의 1 내지 30 wt%일 수 있고, 바람직하게는 1 내지 28 wt%, 더욱 바람직하게는 1 내지 25 wt%일 수 있다. The content of the aliphatic derivative compound may be 1 to 30 wt%, preferably 1 to 28 wt%, more preferably 1 to 25 wt% of the total weight of the organic layer.
상기 지방족 유도체 화합물 및 방향족 유도체 화합물은 30℃ 이하 에서 고체인 것이 바람직하며, 저온 그래핀 성장에 유리할 수 있다.The aliphatic derivative compound and the aromatic derivative compound are preferably solid at 30 DEG C or lower and may be advantageous for low-temperature graphene growth.
상기 유기층은 상기 금속 촉매 상에 상기 방향족 유도체 화합물 및 상기 지방족 유도체 화합물을 포함하는 용액을 코팅하여 형성될 수 있다. The organic layer may be formed by coating a solution containing the aromatic derivative compound and the aliphatic derivative compound on the metal catalyst.
상기 용액의 용매는 상기 방향족 유도체 화합물 및 상기 지방족 유도체 화합물을 동시에 용해시킬 수 있는 공용매이며, 클로로포름, 아세토니트릴, 사염화탄소, 메틸렌클로라이드, 테트라하이드로푸란, 디에톡시에탄올, 에틸아세테이트, 메틸에틸케톤, 벤젠, 톨루엔, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 디클로로메탄 등이 가능하고, 바람직하게는 클로로포름일 수 있다. The solvent of the solution is a co-solvent capable of solubilizing the aromatic derivative compound and the aliphatic derivative compound at the same time. The solvent of the solution is a co-solvent which can simultaneously dissolve the aromatic derivative compound and the aliphatic derivative compound, , Toluene, methanol, ethanol, propanol, dichloromethane and the like, preferably chloroform.
상기 코팅은 스핀 코팅(spin coating), 잉크젯 프린팅(inkjet coating), 딥 코팅(dip coating), 드롭 캐스팅(drop casting), 바 코팅(bar coating) 등으로 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The coating may be performed by spin coating, inkjet coating, dip coating, drop casting, bar coating or the like, but is not limited thereto.
마지막으로, 상기 유기층이 형성된 금속 촉매를 열처리하여 상기 금속 촉매 상에 그래핀을 형성한다(단계 b).Finally, the metal catalyst having the organic layer formed thereon is heat-treated to form graphene on the metal catalyst (step b).
단계 b의 열처리는 300 내지 800℃에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 350내지 650℃, 더욱 바람직하게는 380 내지 620℃에서 수행될 수 있다. The heat treatment in step b may be performed at 300 to 800 ° C, preferably at 350 to 650 ° C, more preferably at 380 to 620 ° C.
또한, 상기 열처리는 1×10-3 내지 1 Torr의 기압 조건에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 0.5×10-1 내지 0.5 Torr, 더욱 바람직하게는 0.8×10-1 내지 0.3 Torr의 기압 조건에서 수행될 수 있다. 그러나 상기 열처리의 기압 조건에서 이 이에 한정되는 것은 아니다. The heat treatment may be performed under an atmospheric pressure of 1 × 10 -3 to 1 Torr, preferably at a pressure of 0.5 × 10 -1 to 0.5 Torr, more preferably 0.8 × 10 -1 to 0.3 Torr . However, the present invention is not limited thereto under the atmospheric pressure condition of the heat treatment.
상기 열처리는 30분 내지 3시간 동안 수행될 수 있고, 바람직하게는 45분 내지 2시간 30분, 더욱 바람직하게는 1시간 내지 2시간 동안 수행될 수 있다. 그러나, 본 발명의 열처리 시간이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 열처리 시간은 상기 열처리 온도 또는 열처리의 기압 조건에 따라 달라질 수 있다. The heat treatment may be performed for 30 minutes to 3 hours, preferably 45 minutes to 2
상술한 바와 같이, 상기 방향족 유도체 화합물 및 지방족 유도체 화합물을 포함하는 유기층을 금속 촉매 상에 형성하여 그래핀을 제조하면 결함(defect)이 거의 없는 우수한 품질의 그래핀을 제조할 수 있다. As described above, when an organic layer comprising the aromatic derivative compound and the aliphatic derivative compound is formed on the metal catalyst to produce graphene, it is possible to produce graphene of excellent quality with little defect.
경우에 따라, 단계 b 후에 상기 그래핀 상에 고분자 지지층을 형성할 수 있다(단계 c). Optionally, after step b, a polymeric support layer may be formed on said graphene (step c).
또한, 단계 b 후에 단계 c를 거치지 않고, 단계 b의 결과물에서 금속 촉매를 제거하여 그래핀을 수득할 수 있다(단계 d).Also, graphene can be obtained by removing the metal catalyst from the product of step b without passing through step c after step b (step d).
단계 c를 거쳐 고분자 지지층을 형성한 경우에는 단계 c의 결과물에서 금속 촉매를 제거하여 고분자 지지층이 형성된 그래핀을 수득할 수도 있다(단계 e).If the polymer support layer is formed through step c, the metal catalyst may be removed from the product of step c to obtain graphene having the polymer support layer (step e).
상기 단계들에 따라 제조된 그래핀은 다양한 전자소자에 적용할 수 있으며, 목적하는 기재에 그래핀층을 전사시킴으로써 필요한 전자소자에 적용할 수 있다.The graphene produced according to the above steps can be applied to various electronic devices and can be applied to necessary electronic devices by transferring a graphene layer to a desired substrate.
상세하게는, 상기 단계 a 내지 단계 e에 따라 금속 촉매/그래핀/고분자 지지층의 적층 구조체를 형성한 후, 상기 금속 촉매를 제거하여 그래핀/고분자 지지층만을 남길 수 있다. In detail, after forming the laminated structure of the metal catalyst / graphene / polymer support layer according to steps a to e, the metal catalyst may be removed to leave only the graphene / polymer support layer.
이때, 상기 고분자 지지체는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)를 포함한 아크릴레이트 계열의 고분자 물질과 다양한 상용 고분자 물질과 실리콘 고분자 등을 적용할 수 있다. 상기 그래핀/고분자 지지층을 이용하여 그래핀을 목적하는 기재에 전사시킨 후에는 상기 고분자 지지층을 제거할 수 있으며, 여기서, 상기 고분자 지지층의 제거에 사용하는 용매는 클로로포름, 톨루엔, 아세톤 등의 유기 용매 또는 가능한 무기 용매를 사용할 수 있다. At this time, the polymer scaffold may include an acrylate-based polymer material including polymethylmethacrylate (PMMA), a variety of commercial polymer materials, and a silicone polymer. After transferring the graphene to the desired substrate using the graphene / polymer support layer, the polymer support layer may be removed. The solvent used for removing the polymer support layer may be an organic solvent such as chloroform, toluene, Or a possible inorganic solvent can be used.
상술한 바와 같이 목적하는 기재에 전사된 그래핀 시트는 연성(flexible) 전자 소자, 투명한 전자 소자 등에 적용할 수 있으며, 상세하게는 전계효과 트랜지스터, 터치패널, 전기 발광 디스플레이, 백라이트, 전파 식별(RFID) 태그, 태양전지모듈, 전자 종이, 평면 디스플레이용 TFT, TFT 어레이 등에 널리 응용될 수 있다.As described above, the graphene sheet transferred to a target substrate can be applied to a flexible electronic device, a transparent electronic device, and the like, and more particularly to a field effect transistor, a touch panel, an electroluminescent display, a backlight, ) Tags, solar cell modules, electronic paper, TFTs for flat panel displays, TFT arrays, and the like.
도 2는 지방족 유도체 화합물 및 방향족 유도체 화합물을 포함하는 유기층을 금속 촉매 상에 형성하여 제조된 그래핀의 개략도이다. 2 is a schematic view of graphene prepared by forming an organic layer containing an aliphatic derivative compound and an aromatic derivative compound on a metal catalyst.
이하, 도 2를 참조하여 그래핀의 제조시 결함이 생기는 이유에 대해 설명하도록 한다. Hereinafter, with reference to FIG. 2, a description will be given of the reason why defects are caused in manufacturing graphene.
도 2의 (a) 및 (b)는 방향족 유도체 화합물만을 이용하여 제조된 그래핀이다. 방향족 유도체 화합물만 이용하여 그래핀을 제조하게 되는 경우, 방향족 유도체 화합물의 배열 방향이 일정하지 않아 결함이 생길 수 있다(도 2의 a). 또한 방향족 유도체 화합물 고유의 분자 구조에 의해서도 결함이 생길 수 있다(도 2의 b). Figures 2 (a) and 2 (b) are graphenes prepared using only aromatic derivative compounds. When graphene is produced using only the aromatic derivative compound, the orientation direction of the aromatic derivative compound is not constant, so that defects may occur (Fig. 2 (a)). In addition, defects may also be caused by the molecular structure inherent in aromatic derivative compounds (Fig. 2B).
이에 반하여, 지방족 유도체 화합물을 방향족 유도체 화합물과 함께 이용하여 제조하는 경우(도 2의 c), 결함 위치에 작은 탄소 조각(fragment)이 위치하게 된다. 따라서, 지방족 유도체 화합물과 방향족 유도체 화합물을 함께 포함하는 유기층을 형성하여 그래핀을 제조하는 경우 결함이 거의 없는 우수한 품질의 단층 그래핀을 제조할 수 있다. On the other hand, when an aliphatic derivative compound is prepared using an aromatic derivative compound (Fig. 2 (c)), a small carbon fragment is located at the defect position. Accordingly, when graphene is formed by forming an organic layer containing an aliphatic derivative compound and an aromatic derivative compound together, it is possible to produce a single-layer graphene of excellent quality with few defects.
[실시예][Example]
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. However, this is for illustrative purposes only, and thus the scope of the present invention is not limited thereto.
실시예Example 1: One: 그래핀의Grapina 제조 Produce
1-옥틸포스포닉산(OPA) 2.04 mg 및 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌(TPN) 100 mg을 용매인 클로로포름 10 ml에 용해시켜 1-옥틸포스포닉산과 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌의 중량비가 2:98(OPA 2wt%)인 혼합용액을 제조하였다. 상기 혼합용액을 구리 기판 상에 2,000 rpm으로 스핀코팅 하여 유기층이 형성된 구리 기판을 제조하였다. 상기 유기층이 형성된 구리 기판을 1.5×10-1 Torr 조건인 석영관(quartz tube)에 넣었다. 상기 유기층이 형성된 구리 기판의 표면을 1시간 30분 동안 400℃로 열처리하여 그래핀을 제조하였다. 2.04 mg of 1-octylphosphonic acid (OPA) and 100 mg of 1,2,3,4-tetraphenyl naphthalene (TPN) were dissolved in 10 ml of chloroform as a solvent to obtain 1-octylphosphonic acid and 1,2,3,4- -Tetraphenyl naphthalene in a weight ratio of 2:98 (OPA 2 wt%). The mixed solution was spin-coated on a copper substrate at 2,000 rpm to prepare a copper substrate having an organic layer formed thereon. The copper substrate on which the organic layer was formed was placed in a quartz tube under a condition of 1.5 × 10 -1 Torr. The surface of the copper substrate on which the organic layer was formed was heat-treated at 400 캜 for 1 hour and 30 minutes to prepare graphene.
실시예 2: 그래핀의 제조Example 2: Preparation of graphene
유기층이 형성된 구리 기판의 표면을 400℃에서 열처리하는 대신에 600℃에서 열처리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 그래핀을 제조하였다.Graphene was prepared in the same manner as in Example 1, except that the surface of the copper substrate on which the organic layer was formed was heat-treated at 600 ° C instead of heat-treating at 400 ° C.
실시예 3: 그래핀의 제조Example 3: Preparation of graphene
1-옥틸포스포닉산과 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌의 중량비가 2:98(OPA 2wt%)인 혼합용액 대신에 1-옥틸포스포닉산과 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌의 중량비가 4.8:95.2(OPA 4.8wt%)인 혼합용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 그래핀을 제조하였다.Octylphosphonic acid and 1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene in a weight ratio of 2:98 (OPA 2 wt%) was replaced by 1-octylphosphonic acid and 1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene Was used as a mixed solution having a weight ratio of 4.8: 95.2 (OPA: 4.8 wt%).
실시예 4: 그래핀의 제조Example 4: Preparation of graphene
1-옥틸포스포닉산과 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌의 중량비가 2:98(OPA 2wt%)인 혼합용액 대신에 1-옥틸포스포닉산과 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌의 중량비가 4.8:95.2(OPA 4.8wt%)인 혼합용액을 사용하고, 유기층이 형성된 구리 기판의 표면을 400℃에서 열처리하는 대신에 600℃에서 열처리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 그래핀을 제조하였다.Octylphosphonic acid and 1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene in a weight ratio of 2:98 (OPA 2 wt%) was replaced by 1-octylphosphonic acid and 1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene Except that the surface of the copper substrate on which the organic layer was formed was subjected to heat treatment at 600 ° C instead of heat treatment at 400 ° C, Graphene.
실시예 5: 그래핀의 제조Example 5: Preparation of graphene
1-옥틸포스포닉산과 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌의 중량비가 2:98(OPA 2wt%)인 혼합용액 대신에 1-옥틸포스포닉산과 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌의 중량비가 9.1:90.9(OPA 9.1wt%)인 혼합용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 그래핀을 제조하였다.Octylphosphonic acid and 1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene in a weight ratio of 2:98 (OPA 2 wt%) was replaced by 1-octylphosphonic acid and 1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene Was 9.1: 90.9 (OPA: 9.1 wt%). The graphene was prepared in the same manner as in Example 1,
실시예 6: 그래핀의 제조Example 6: Preparation of graphene
1-옥틸포스포닉산과 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌의 중량비가 2:98(OPA 2wt%)인 혼합용액 대신에 1-옥틸포스포닉산과 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌의 중량비가 9.1:90.9(OPA 9.1wt%)인 혼합용액을 사용하고, 유기층이 형성된 구리 기판의 표면을 400℃에서 열처리하는 대신에 600℃에서 열처리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 그래핀을 제조하였다.Octylphosphonic acid and 1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene in a weight ratio of 2:98 (OPA 2 wt%) was replaced by 1-octylphosphonic acid and 1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene Except that the surface of the copper substrate on which the organic layer was formed was heat-treated at 600 ° C instead of heat-treating at 400 ° C, the same procedure as in Example 1 was repeated, except that the mixed solution was 9.1: 90.9 (OPA: 9.1 wt% Graphene.
실시예 7: 그래핀의 제조Example 7: Preparation of graphene
1-옥틸포스포닉산과 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌의 중량비가 2:98(OPA 2wt%)인 혼합용액 대신에 1-옥틸포스포닉산과 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌의 중량비가 16.6:83.4(OPA 16.6wt%)인 혼합용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 그래핀을 제조하였다.Octylphosphonic acid and 1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene in a weight ratio of 2:98 (OPA 2 wt%) was replaced by 1-octylphosphonic acid and 1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene Was used as a mixed solution having a weight ratio of 16.6: 83.4 (OPA: 16.6 wt%).
실시예 8: 그래핀의 제조Example 8: Preparation of graphene
1-옥틸포스포닉산과 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌의 중량비가 2:98(OPA 2wt%)인 혼합용액 대신에 1-옥틸포스포닉산과 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌의 중량비가 16.6:83.4(OPA 16.6wt%)인 혼합용액을 사용하고, 유기층이 형성된 구리 기판의 표면을 400℃에서 열처리하는 대신에 600℃에서 열처리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 그래핀을 제조하였다.Octylphosphonic acid and 1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene in a weight ratio of 2:98 (OPA 2 wt%) was replaced by 1-octylphosphonic acid and 1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene Except that the surface of the copper substrate on which the organic layer was formed was heat-treated at 600 ° C instead of heat-treating at 400 ° C. Graphene.
실시예 9: 그래핀의 제조Example 9: Preparation of graphene
1-옥틸포스포닉산과 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌의 중량비가 2:98(OPA 2wt%)인 혼합용액 대신에 1-옥틸포스포닉산과 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌의 중량비가 23:77(OPA 23wt%)인 혼합용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 그래핀을 제조하였다.Octylphosphonic acid and 1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene in a weight ratio of 2:98 (OPA 2 wt%) was replaced by 1-octylphosphonic acid and 1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene (OPA 23 wt%) was used instead of the mixed solution of graphite powder and graphite powder.
실시예 10: 그래핀의 제조Example 10: Preparation of graphene
1-옥틸포스포닉산과 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌의 중량비가 2:98(OPA 2wt%)인 혼합용액 대신에 1-옥틸포스포닉산과 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌의 중량비가 23:77(OPA 23wt%)인 혼합용액을 사용하고, 유기층이 형성된 구리 기판의 표면을 400℃에서 열처리하는 대신에 600℃에서 열처리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 그래핀을 제조하였다.Octylphosphonic acid and 1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene in a weight ratio of 2:98 (OPA 2 wt%) was replaced by 1-octylphosphonic acid and 1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene (OPA 23 wt%), and the surface of the copper substrate on which the organic layer was formed was subjected to heat treatment at 600 ° C instead of heat treatment at 400 ° C. Pin.
비교예 1: 그래핀의 제조Comparative Example 1: Preparation of graphene
혼합용액 대신에 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌 100 mg이 클로로포름 10 ml에 용해된 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌 용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 그래핀을 제조하였다. The procedure of Example 1 was repeated, except that 100 mg of 1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene was replaced with 1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene solution in 10 ml of chloroform in place of the mixed solution. Pin.
비교예 2: 그래핀의 제조Comparative Example 2: Preparation of graphene
혼합용액 대신에 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌 100 mg이 클로로포름 10 ml에 용해된 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌 용액을 사용하고, 유기층이 형성된 구리 기판의 표면을 400℃에서 열처리하는 대신에 600℃에서 열처리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 그래핀을 제조하였다.Instead of the mixed solution, 1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene solution in which 100 mg of 1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene was dissolved in 10 ml of chloroform was used and the surface of the copper substrate on which the organic layer was formed was heated to 400 ° C Graphene was prepared in the same manner as in Example 1, except that the heat treatment was performed at 600 占 폚 in place of the heat treatment in Example 1.
비교예 3: 그래핀의 제조Comparative Example 3: Preparation of graphene
혼합용액 대신에 1-옥틸포스포닉산 100 mg이 클로로포름 10 ml에 용해된 1-옥틸포스포닉산 용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 그래핀을 제조하였다. Grafting was carried out in the same manner as in Example 1, except that 1-octylphosphonic acid (100 mg) was used instead of the mixed solution, and 1-octylphosphonic acid solution in which 10 mL of chloroform was used.
실시예 1 내지 10, 및 비교예 1 내지 3에 따라 제조된 그래핀의 제조조건을 하기 표 1에 정리하였다. 1-옥틸포스포닉산 또는 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌의 함량은 유기층(1-옥틸포스포닉산 및 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌) 전체 중량 기준으로, 혼합용액 중 함량과는 관련이 없다.The production conditions of the graphene produced according to Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 3 are summarized in Table 1 below. The content of 1-octylphosphonic acid or 1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene is preferably in the range of 1 to 20% by weight based on the total weight of the organic layers (1-octylphosphonic acid and 1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene) It has nothing to do with the content.
소자 실시예: 전계효과 트랜지스터의 제조Device embodiment: Fabrication of field effect transistor
실시예 5에 따라 제조된 그래핀 상에 고분자층을 지지층으로 코팅하고, 과황산암모늄(Ammonium Persulfate) 수용액에 띄워 구리를 녹여 고분자층/그래핀 적층체를 제조하였다. 다음으로, SiO2가 300nm 두께로 열적으로 성장되어 있는 고농도로 도핑된 Si 기판 상에 상기 고분자층/그래핀 적층체를 전사하고, 상기 고분자층은 250℃에서 열처리하여 제거하였다. 상기 그래핀/Si 기판 상에 Au 전극을 패턴된 마스크를 통해 열적인 증착 방법으로 그래핀 상에 형성하여 전계효과 트랜지스터 소자를 제조하였다.A polymer layer was coated on the graphene layer prepared in Example 5 with a support layer, and then copper was dissolved in an aqueous solution of ammonium persulfate to prepare a polymer layer / graphene laminate. Next, the polymer layer / graphene laminate was transferred onto a heavily doped Si substrate in which SiO 2 was thermally grown to a thickness of 300 nm, and the polymer layer was removed by heat treatment at 250 ° C. Au electrodes were formed on the graphene / Si substrate on a graphene layer by a thermal deposition method through a patterned mask to produce a field effect transistor device.
소자 device 비교예Comparative Example : 전계효과 트랜지스터의 제조: Fabrication of Field Effect Transistor
실시예 5에 따라 제조된 그래핀 대신에 비교예 1에 따라 제조된 그래핀을 사용한 것을 제외하고는 소자 실시예와 동일한 방법으로 전계효과 트랜지스터를 제조하였다.A field effect transistor was fabricated in the same manner as in the device example except that graphene prepared according to Comparative Example 1 was used instead of graphene prepared according to Example 5.
[시험예][Test Example]
시험예Test Example 1: 지방족 유도체 화합물이 1: an aliphatic derivative compound 그래핀의Grapina 품질에 미치는 영향 Impact on Quality
도 3은 본 발명의 제조방법으로 제조한 그래핀과 종래의 제조방법으로 제조한 그래핀의 라만 스펙트럼 측정 결과와 결함 빈도(defect density)를 계산한 결과이다. 도 3의 (a)는 비교예 2에 따라 제조된 그래핀의 라만 스펙트럼 측정 결과이고, 도 3의 (b)는 실시예 6에 따라 제조된 그래핀의 라만 스펙트럼 측정 결과이다. 도 3의 (c)는 실시예 1, 실시예 3, 실시예 5, 실시예 7, 실시예 9 및 비교예 1에 따라 제조된 그래핀을 라만 매핑(mapping)한 결과를 토대로, 사용한 혼합용액의 함량 별로 각각 400℃에서 열처리하여 제조된 그래핀의 강도(intensity)의 평균을 나타낸 것이다. 도 3의 (d)는 실시예 1, 실시예 3, 실시예 5, 실시예 7, 실시예 9 및 비교예 1에 따라 제조된 그래핀을 라만 매핑(mapping)한 결과를 토대로 결함 빈도를 계산한 것이다. 상기 결함 빈도는 하기 식 1에 따라 계산될 수 있다. FIG. 3 shows the results of Raman spectrum measurement and defect density calculation of graphene produced by the manufacturing method of the present invention and graphene produced by a conventional manufacturing method. FIG. 3 (a) shows the Raman spectrum of the graphene produced according to Comparative Example 2, and FIG. 3 (b) shows the Raman spectrum of the graphene prepared according to Example 6. FIG. FIG. 3 (c) is a graph showing the results of mapping of graphene produced according to Examples 1, 3, 5, 7, and 9 and Comparative Example 1 by Raman mapping, The average intensity of graphene produced by heat treatment at 400 < 0 > C, respectively. FIG. 3 (d) shows the calculation of the defect frequency based on the results of Raman mapping of the graphene produced according to Examples 1, 3, 5, 7, 9 and Comparative Example 1 It is. The defect frequency can be calculated according to the following equation (1).
[식 1][Formula 1]
nD는 결함 빈도이고, λL은 라만 매핑에 사용된 레이저의 파장(488nm)이고, I(D)는 라만 매핑한 결과 D 피크의 강도이고, I(G)는 G 피크의 강도이다. n D has a defect density, λ L is the wavelength (488nm) of the laser used in the Raman map, I (D) is the intensity of the result of a Raman mapping D peak, I (G) is the intensity of the G peak.
도 3의 (a) 및 (b)를 참조하면, 비교예 1에 따라 제조된 그래핀은 400℃의 낮은 온도에서 합성되었음에도 G 피크(1580 cm- 1)와 2D 피크(2700 cm- 1)가 관찰되어 그래핀이 형성된 것을 알 수 있었다. 그러나, 그래핀의 결함과 직접적으로 관련 있는 D 피크(1350 cm-1) 및 D'피크(1617 cm-1) 또한 관찰되었다. 이에 따른 I(D')/I(D)의 값은 4 이상으로, 비교예 1에 따라 제조된 그래핀은, 그래핀은 형성되나 공공형 결함(vacancy-type defect) 또한 생기는 것을 알 수 있었다. 이에 반하여, 실시예 6에 따라 제조된 그래핀은 G 피크와 2D 피크는 나타나나, D 피크가 나타나지 않아 결함이 거의 없는 우수한 품질의 그래핀인 것을 알 수 있었다.Referring to (a) and (b) of Figure 3, the comparative example according to one of graphene manufacturing composite though at a lower temperature G peak of 400 ℃ is - - (1 2700 cm) ( 1580 cm 1) and 2D peak It was observed that graphene was formed. However, a D peak (1350 cm -1 ) and a D 'peak (1617 cm -1 ), which are directly related to the defect of graphene, were also observed. The value of I (D ') / I (D) was 4 or more, indicating that graphene produced according to Comparative Example 1 had graphene but also vacancy-type defects . On the contrary, the graphene produced according to Example 6 showed a G peak and a 2D peak but did not show a D peak, indicating that the graphene was excellent in quality with little defects.
도 3의 (c)를 참조하면, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 그래핀(0wt%)의 D 피크의 평균 강도는 가장 높게 나타났고, 실시예 1 및 실시예 2에 따라 제조된 그래핀(2.0wt%)에서 실시예 5 및 실시예 6에 따라 제조된 그래핀(9.1wt%)으로 갈수록 1-옥틸포스포닉산의 함량이 높아져, D 피크의 평균 강도가 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 그러나, 실시예 7 및 실시예 8에 따라 제조된 그래핀(16.6wt%) 또는 실시예 9 및 실시예 10에 따라 제조된 그래핀(23.0wt%)은 실시예 5 및 실시예 6에 따라 제조된 그래핀(9.1wt%)보다 1-옥틸포스포닉산의 함량은 높지만 D 피크의 평균 강도가 강해져 결함이 많은 것을 알 수 있었다. Referring to FIG. 3 (c), the average intensity of D peaks of graphene (0 wt%) prepared according to Comparative Example 1 and Comparative Example 2 was the highest, It was confirmed that the content of 1-octylphosphonic acid was increased in graphene (2.0 wt%) to graphene (9.1 wt%) prepared according to Example 5 and Example 6, and the average intensity of D peak was lowered there was. However, graphene (16.6 wt%) prepared according to Examples 7 and 8 or graphene (23.0 wt%) prepared according to Examples 9 and 10 were prepared according to Examples 5 and 6 The content of 1-octylphosphonic acid was higher than that of graphene (9.1 wt%), but the average intensity of the D peak was stronger, indicating that the defects were large.
따라서, 실시예 5 및 실시예 6에 따라 제조된 그래핀(9.1wt%)이 결함이 가장 적고 품질이 우수한 그래핀인 것을 알 수 있었다. Therefore, graphene (9.1 wt%) prepared according to Example 5 and Example 6 was found to be the least defective and high quality graphene.
도 3의 (d)를 참조하면, 400℃에서 1-옥틸포스포닉산의 함량이 0wt%에서 9.1wt%로 높아질수록, 결함 빈도가 6.03ⅹ1011 cm-2에서 9.52ⅹ1010 cm-2로 점차 감소하였다. 600℃에서도 마찬가지로 1-옥틸포스포닉산의 함량이 0wt%에서 9.1wt%로 높아질수록, 결함 빈도가 2.54ⅹ1011 cm-2에서 3.81ⅹ1010 cm-2로 점차 감소하였다. Referring to FIG. 3 (d), as the content of 1-octylphosphonic acid increases from 0 wt% to 9.1 wt% at 400 ° C., the defect frequency gradually increases from 6.03 × 10 11 cm -2 to 9.52 × 10 10 cm -2 Respectively. As the content of 1-octylphosphonic acid increased from 0 wt% to 9.1 wt% at 600 ° C, the defect frequency gradually decreased from 2.54 × 10 11 cm -2 to 3.81 × 10 10 cm -2 .
이는 도 3의 (c)의 결과와 일치하는 것으로, 1-옥틸포스포닉산의 함량이 9.1wt%일 때 결함이 가장 적고 그래핀의 품질이 우수한 것을 것을 알 수 있었다. This is in agreement with the results shown in FIG. 3 (c). It was found that when the content of 1-octylphosphonic acid was 9.1 wt%, the defects were the smallest and the quality of graphene was excellent.
시험예 2: 그래핀의 TEM 사진Test Example 2: TEM photograph of graphene
도 4은 실시예 5, 비교예 1 및 비교예 3에 따라 제조된 그래핀의 HRTEM(high resolution transmission electron microscopy) 사진이다. 도 4의 (a)는 비교예 1에 따라 제조된 그래핀, 도 4의 (b)는 비교예 3에 따라 제조된 그래핀, 도 4의 (c)는 실시예 5에 따라 제조된 그래핀의 HRTEM 사진이다.4 is a high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) image of graphene prepared according to Example 5, Comparative Example 1, and Comparative Example 3. FIG. 4 (a) shows graphene produced according to Comparative Example 1, FIG. 4 (b) shows graphene produced according to Comparative Example 3, and FIG. 4 (c) Of HRTEM.
도 4의 (a)를 참조하면, 비교예 1에 따라 제조된 그래핀은 탄소 원자들의 육각 구조와 고속 푸리에 변환(FFT, Fast Fourier Transformation) 패턴이 나타나므로 단층의 그래핀이 형성된 것을 알 수 있었다. 그러나, 공공형 결함(vacancy-type defect) 또한 여러 곳에서 관찰되었다. Referring to FIG. 4A, it can be seen that the graphene produced according to Comparative Example 1 has a hexagonal structure of carbon atoms and a fast Fourier transform (FFT) pattern, so that a single layer of graphene is formed . However, vacancy-type defects were also observed in several places.
도 4의 (b)를 참조하면, 비교예 3에 따라 제조된 그래핀은 비정질(amporphous) 탄소 조각만이 관찰되었다. 따라서, 지방족 유도체 화합물인 1-옥틸포스포닉산만을 탄소 소스로 사용하여 단층의 그래핀을 형성할 수 없다고 판단된다.Referring to FIG. 4 (b), graphene produced according to Comparative Example 3 was observed only in amorphous carbon pieces. Therefore, it is judged that only a 1-octylphosphonic acid which is an aliphatic derivative compound can be used as a carbon source to form a single layer of graphene.
도 4의 (c)를 참조하면, 실시예 5에 따라 제조된 그래핀은 비교예 1에 따라 제조된 그래핀에 비해 공공형 결함이 거의 없는 것을 알 수 있었다. Referring to FIG. 4 (c), it can be seen that the graphene produced according to Example 5 has fewer porosity defects than the graphene produced according to Comparative Example 1.
따라서, 방향족 유도체 화합물인 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌과 지방족 유도체 화합물인 1-옥틸포스포닉산을 함께 유기층으로 사용하는 것이 가장 바람직함을 알 수 있었다. Therefore, it was found that 1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene, which is an aromatic derivative, and 1-octylphosphonic acid, which is an aliphatic derivative, are used together as an organic layer.
시험예 3: 그래핀의 성장 온도가 그래핀의 품질에 미치는 영향Test Example 3: Effect of growth temperature of graphene on the quality of graphene
도 5는 실시예 5, 실시예 6, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 그래핀의 p-GCMS(pyrolysis gas chromatography mass spectroscopy) 측정 결과이다. Cn은 n개의 탄소 원자를 갖는 탄소 조각을 나타낸다. FIG. 5 shows p-GCMS (pyrolysis gas chromatography mass spectroscopy) measurement results of graphene prepared according to Example 5, Example 6, Comparative Example 1 and Comparative Example 2. FIG. Cn represents a carbon fragment having n carbon atoms.
도 5의 (a)를 참조하면, 비교예 1에 따라 제조된 그래핀은 35 min에서 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌과 일치하는 하나의 뾰족한 피크가 나타났다. 다른 피크는 나타나지 않는 것으로 보아 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌은 열적으로 안정하고, 400℃의 구리 표면에서 그래핀 합성시 모노머처럼 행동하는 것을 알 수 있었다. Referring to FIG. 5 (a), the graphene produced according to Comparative Example 1 showed a sharp peak at 35 min corresponding to 1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene. Other peaks were not observed, indicating that 1,2,3,4-tetraphenyl naphthalene is thermally stable and behaves like a monomer during graphene synthesis at a copper surface at 400 ° C.
이에 반하여 도 5의 (b)를 참조하면, 실시예 5에 따라 제조된 그래핀은 35 min에서의 피크 말고도 C4 내지 C8의 다른 피크가 나타났다. 이는 1-옥틸포스포닉산이 쉽게 깨질 수 있고, 400℃에서 그래핀을 성장시킬 때 작은 탄소 조각을 제공할 수 있는 것을 의미한다. 구리 표면에서 C8 이하의 작은 탄소 조각의 농도는 0.051%로 나타났다.On the other hand, referring to FIG. 5 (b), graphene produced according to Example 5 exhibited other peaks of C4 to C8 as well as peaks at 35 min. This means that 1-octylphosphonic acid can easily break and provide a small carbon fraction when growing graphene at 400 < 0 > C. The concentration of small carbon fragments below C8 on the copper surface was 0.051%.
도 5의 (C)를 참조하면, 비교예 2에 따라 제조된 그래핀은 400℃에서 성장시킨 그래핀(비교예 1)과 달리 벤젠과 같은 작은 탄소 조각이 나타나는 것을 알 수 있었다. 작은 탄소 조각의 농도는 0.0096%로 나타났다.Referring to FIG. 5 (C), it can be seen that the graphene produced according to Comparative Example 2 exhibits small carbon fragments like benzene unlike graphene grown at 400 ° C. (Comparative Example 1). The concentration of small carbon pieces was 0.0096%.
도 5의 (d)를 참조하면, 실시예 6에 따라 제조된 그래핀은 작은 탄소 조각의 농도가 급격히 커져 0.582%로 400℃에서 성장시킨 그래핀(실시예 5)의 약 10배 이상으로 나타났다. Referring to FIG. 5 (d), the graphene produced according to Example 6 was found to have a concentration of small carbon fragments which increased to about 10 times that of graphene grown at 400 ° C at 0.582% (Example 5) .
따라서, 작은 탄소 조각의 농도가 600℃에서 매우 커져 결함을 급격히 감소시키므로, 600℃에서 열처리하는 것이 우수한 품질의 그래핀을 형성하는데 유리한 것을 알 수 있었다.Therefore, it was found that the heat treatment at 600 占 폚 is advantageous for forming graphene of excellent quality, since the concentration of the small carbon pieces becomes very large at 600 占 폚 and the defects are rapidly reduced.
시험예 4: 전계효과 트랜지스터의 특성 확인Test Example 4: Characterization of a field effect transistor
도 6는 소자 실시예 및 소자 비교예에 따라 제조된 전계효과 트랜지스터의 캐리어 이동도(carrier mobility)를 측정한 결과이다. FIG. 6 is a result of measurement of carrier mobility of the field effect transistor manufactured according to the device embodiment and the device comparison example.
도 6를 참조하면, 그래핀의 이동도는 전계효과 트랜지스터의 게이트 전압(VG)에서의 저항(R)을 측정하여 얻어진 R-VG 곡선을 콘스탄트 모빌리티 모델(constant mobility model)에 적합(fitting)하여 추출하였다. 소자 비교예에 따라 제조된 전계효과 트랜지스터는 정공 이동도가 200 cm2/V·s, 전자 이동도가 100 cm2/V·s로 나타났다. 이에 비하여, 소자 실시예에 따라 제조된 전계효과 트랜지스터는 정공 이동도가 1,000 cm2/V·s, 전자 이동도가 800 cm2/V·s로 그래핀의 이동도가 약 5배 이상 증가하는 것을 알 수 있었다. 이는 종래에 보고된 약 600℃ 이하의 저온에서 고체 유기층을 이용하여 제조된 그래핀 중 가장 우수한 이동도인 것으로 판단된다.Referring to FIG. 6, the mobility of graphene is determined by fitting the R-VG curve obtained by measuring the resistance R at the gate voltage V G of the field effect transistor to a constant mobility model. Respectively. The field effect transistor manufactured according to the comparative example showed a hole mobility of 200 cm 2 / V · s and an electron mobility of 100 cm 2 / V · s. In contrast, the field-effect transistor manufactured according to the embodiment of the present invention has a hole mobility of 1,000 cm 2 / V · s and an electron mobility of 800 cm 2 / V · s, and the mobility of graphene is increased about 5 times . This is considered to be the most excellent mobility among graphenes produced using a solid organic layer at a low temperature of about 600 ° C or lower as reported in the prior art.
따라서, 방향족 유도체 화합물과 지방족 유도체 화합물을 함께 고체 유기층으로 활용하는 것이 그래핀의 전기적 특성을 매우 향상시키는 것을 알 수 있었다. Therefore, it has been found that the use of an aromatic derivative compound and an aliphatic derivative compound together as a solid organic layer greatly improves the electrical properties of graphene.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are to be construed as being included within the scope of the present invention do.
Claims (18)
(b) 상기 유기층이 형성된 금속 촉매를 열처리하여 상기 금속 촉매 상에 그래핀을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 유기층은 방향족 유도체 화합물 및 지방족 유도체 화합물을 포함하는 그래핀의 제조방법.(a) forming an organic layer on a metal catalyst; And
(b) heat treating the metal catalyst having the organic layer formed thereon to form graphene on the metal catalyst,
Wherein the organic layer comprises an aromatic derivative compound and an aliphatic derivative compound.
상기 지방족 유도체 화합물이 치환 또는 비치환된 C4 내지 C200 지방족 화합물이고, 상기 치환에 해당하는 치환기는 인산기, 할로겐기, 설폰기, 아민기, 카르복시기, 수산기 및 실릴기 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 그래핀의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the aliphatic derivative compound is a substituted or unsubstituted C4 to C200 aliphatic compound and the substituent corresponding to the substitution is at least one selected from the group consisting of a phosphate group, a halogen group, a sulfone group, an amine group, a carboxyl group, a hydroxyl group and a silyl group Method of manufacturing graphene.
상기 방향족 유도체 화합물이 치환 또는 비치환된 C6 내지 C200 방향족 화합물이고, 상기 치환에 해당하는 치환기는 C6 내지 C200 아릴기, 또는 C1 내지 C200 알킬기인 것을 특징으로 하는 그래핀의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the aromatic derivative compound is a substituted or unsubstituted C6 to C200 aromatic compound, and the substituent corresponding to the substitution is a C6 to C200 aryl group or a C1 to C200 alkyl group.
상기 지방족 유도체 화합물이 1-옥틸포스포닉산(1-octylphosphonic acid), 헥실포스포닉산(hexylphosphonic acid), 옥타데실포스포닉산(octadecylphosphonic acid), 헥사데실아민(hexadecylamine), 옥틸아민(octylamine), 헥실아민(hexylamine), 옥탄설폰산(octansulfonic acid), 헥산설폰산(hexanesulfonic acid), 1-부틸포스포닉산, 1-테트라부틸포스포닉산 및 트리에틸실릴아세틸렌 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀의 제조방법.3. The method of claim 2,
Wherein the aliphatic derivative is selected from the group consisting of 1-octylphosphonic acid, hexylphosphonic acid, octadecylphosphonic acid, hexadecylamine, octylamine, And at least one member selected from the group consisting of hexylamine, octanesulfonic acid, hexanesulfonic acid, 1-butylphosphonic acid, 1-tetrabutylphosphonic acid and triethylsilyl acetylene ≪ / RTI >
상기 방향족 유도체 화합물이 1,2,3,4-테트라페닐나프탈렌(1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene), 안트라센(anthracene), 페난트렌(phenanthrene), 2,3-벤조안트라센(2,3-benzoanthracene), 크리센(chrysene), 피렌(pyrene), 벤조피렌(benzopyrene), 코로넨(coronene), 코라눌렌(corannulene), 나프타센(naphthacene), 나프탈렌 및 펜타센 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀의 제조방법.The method of claim 3,
Wherein the aromatic derivative compound is 1,2,3,4-tetraphenylnaphthalene, anthracene, phenanthrene, 2,3-benzanthracene, 2,3- and at least one selected from the group consisting of benzoanthracene, chrysene, pyrene, benzopyrene, coronene, corannulene, naphthacene, naphthalene and pentacene ≪ / RTI >
상기 지방족 유도체 화합물의 함량이 상기 유기층 전체 중량의 1 내지 30 wt%인 것을 특징으로 하는 그래핀의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the content of the aliphatic derivative compound is 1 to 30 wt% of the total weight of the organic layer.
상기 지방족 유도체 화합물 및 상기 방향족 유도체 화합물이 30℃ 이하에서 고체인 것을 특징으로 하는 그래핀의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the aliphatic derivative compound and the aromatic derivative compound are solid at 30 DEG C or less.
상기 유기층이 상기 금속 촉매 상에 상기 방향족 유도체 화합물 및 상기 지방족 유도체 화합물을 포함하는 용액을 코팅하여 형성되는 것을 특징으로 하는 그래핀의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the organic layer is formed by coating a solution containing the aromatic derivative compound and the aliphatic derivative compound on the metal catalyst.
상기 용액의 용매가 상기 방향족 유도체 화합물 및 상기 지방족 유도체 화합물을 동시에 용해시킬 수 있는 공용매(cosolvent)인 것을 특징으로 하는 그래핀의 제조방법.9. The method of claim 8,
Wherein the solvent of the solution is a cosolvent capable of simultaneously dissolving the aromatic derivative compound and the aliphatic derivative compound.
상기 공용매가 클로로포름, 아세토니트릴, 사염화탄소, 메틸렌클로라이드, 테트라하이드로푸란, 디에톡시에탄올, 에틸아세테이트, 메틸에틸케톤, 벤젠, 톨루엔, 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 디클로로메탄 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀의 제조방법.10. The method of claim 9,
The co-solvent is at least one selected from the group consisting of chloroform, acetonitrile, carbon tetrachloride, methylene chloride, tetrahydrofuran, diethoxy ethanol, ethyl acetate, methyl ethyl ketone, benzene, toluene, methanol, ethanol, propanol and dichloromethane By weight.
상기 코팅이 스핀 코팅(spin coating), 잉크젯 프린팅(inkjet coating), 딥 코팅(dip coating), 드롭 캐스팅(drop casting) 및 바 코팅(bar coating) 중에서 선택된 1종 이상으로 수행되는 것을 것을 특징으로 하는 그래핀의 제조방법.9. The method of claim 8,
Characterized in that the coating is carried out with at least one selected from spin coating, inkjet coating, dip coating, drop casting and bar coating. Method of manufacturing graphene.
상기 금속 촉매가 니켈, 철, 구리, 백금, 팔라듐, 루테늄 및 코발트 중에서선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the metal catalyst comprises at least one selected from the group consisting of nickel, iron, copper, platinum, palladium, ruthenium and cobalt.
단계 (b)의 열처리가 300 내지 800℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 그래핀의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the heat treatment of step (b) is carried out at 300 to 800 占 폚.
상기 열처리가 1×10-3 내지 1 Torr의 기압 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 그래핀의 제조방법.14. The method of claim 13,
Wherein the heat treatment is performed at a pressure of 1 x 10 < -3 > to 1 Torr.
상기 열처리가 30분 내지 3시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 그래핀의 제조방법.14. The method of claim 13,
Wherein the heat treatment is performed for 30 minutes to 3 hours.
상기 전자소자가 전계효과 트랜지스터, 전극, 터치패널, 전기 발광 디스플레이, 백라이트, 전파 식별(RFID) 태그, 태양전지모듈, 전자 종이, 평면 디스플레이용 TFT 및 TFT 어레이 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전자소자의 제조방법.17. The method of claim 16,
Wherein the electronic device is any one selected from the group consisting of a field effect transistor, an electrode, a touch panel, an electroluminescent display, a backlight, a radio frequency identification tag, a solar cell module, / RTI >
상기 전자소자가 전계효과 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 전자소자의 제조방법.18. The method of claim 17,
Wherein the electronic device is a field effect transistor.
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