투명 전도성 전극에 사용되는 그래핀 박막의 제조 방법 연구

조회 : 2313, 등록일 : 2012/02/23 21:10

휴스턴대학(University of Houston)과 텍사스 주립대학(Texas State University)의 연구진은 주변 대기압 CVD을 이용해서 Cu 호일 위에 그래핀 박막을 성장시키는데 성공했다. 또한 연구진은 서로 다른 농도를 가진 탄소 선구물질로 그래핀 핵성장과 성장 프로세스에 대한 새로운 연구결과를 내놓았다.

벌집 모양의 탄소 격자로 이루어진 그래핀은 특이한 양자 홀 효과, 뛰어난 열 이동도, 높은 탄성, 광학적 투과성 등과 같은 놀라운 성질 때문에 많은 관심을 끌고 있다. 이러한 독특한 성질들은 그래핀이 다양한 분야 즉, 트랜지스터, 투명 전극, 화학/바이오 센서에 유망하게 적용될 수 있도록 한다. 이런 분야에 적용하기 위해서, 대면적, 고품질 그래핀 박막을 합성하는 것은 매우 중요하다. 최근 연구결과에서 상대적으로 저렴한 다결정 Ni와 Cu 기판 위의 탄화수소의 화학기상증착은 대면적 위에 고품질 그래핀을 생성시키기 위한 매우 유망한 방법이라는 것이 증명되었다.

Cu 기판 위에 그래핀의 CVD 성장은 Cu에서의 지극히 낮은 탄소 용해도 때문에 표면을 매개로 이루어지는 것으로 알려졌는데, 이것은 주기적인 단일층 박막의 성장을 이끈다. 최근에, 이런 자기 제한적(self-limiting) 성장은 특정 CVD 조건(즉, 높은 성장 압력, 대량의 탄소 선구물질) 하에서 극복될 수 있다는 것이 증명되었다. Cu 위에서 성장된 CVD 그래핀 박막의 균일성과 두께에 대한 더 나은 제어를 위해서, 다중층이 형성되는 과정에 대한 상세한 이해가 매우 요구된다. 지금까지 생성된 CVD 그래핀 박막은 다결정이었는데, 이것은 수많은 결정립으로 구성되어 있다. 그러나 균일한 그래핀 박막을 형성하기 위해서는 큰 결정 크기를 가질 필요가 있다.

이번 연구진은 1050℃에서 주변 대기압 CVD로 Cu 호일 위에 그래핀 박막을 성장했다. 높은 성장 온도는 낮은 그래핀 핵생성 밀도를 달성하기 위해서 선택되었다. 또한 탄소 선구물질(CH₄)의 서로 다른 농도에서 그래핀 핵생성과 성장 과정을 조사했다. 이 연구결과를 기반으로 해서, 연구진은 큰 입자 크기를 가진 연속된 단일층 그래핀 박막을 합성할 수 있도록 2 단계 주변 대기압 CVD 기술을 개발했다. 박막 두께와 균일성은 주사전자현미경과 라만 분광기로 확인하였다. 연구진은 광학적 투과도와 시트 저항의 측정을 위해서 커버 글라스(cover glass) 위에 그래핀 박막을 이전했다. 이번 연구진은 Cu 위의 CVD 그래핀의 성장 메커니즘을 수립했고, 상세한 모델을 제안했다.

그래핀은 주변 대기압에서 석영 튜브 노 속의 Cu 호일 위에 CH4를 흘러보내는 CVD 방법을 사용해서 합성되었다. CVD 전에, Cu 호일은 아세톤, 메탄올, 증류수로 세척되었다. CVD 동안, Cu 호일은 환원되었고, Cu 표면을 깨끗이 하고 Cu 입자 크기를 증가시키기 위해서 30분 동안 1050℃에서 Ar과 H₂ 가스의 혼합물로 어닐링되었다. 그 후에 그래핀 성장은 서로 다른 농도(5, 10, 20, 30, 55, 550 ppm)의 CH₄를 주입함으로써 수행되었다. 성장 시간은 5분에서 60분까지 변화되었다. 성장 후에, 샘플은 Ar과 H₂ 가스의 보호 하에서 상온으로 빠르게 냉각되었다.

평균 입자 면적은 287 m²이었다. SEM과 라만 분광법으로 박막 두께와 균일성을 확인하였고, 그래핀 박막 위에서 수행된 광학 투과도와 시트 저항 측정으로 이 박막이 투명 전도성 전극으로서 높은 잠재력을 가진다는 것을 알 수 있었다. 이 연구결과는 Cu 위의 그래핀의 CVD 성장 메커니즘을 수립하는데 중요한 역할을 할 것이고 고품질 그래핀 박막의 합성법의 개발과 적용을 촉진시킬 것이다. 이 연구결과는 저널 Nanotechnology에 "Control of thickness uniformity and grain size in graphene films for transparent conductive electrodes" 으로 게재되었다.

그림 1. Cu 위의 CVD 그래핀의 SEM 사진. (a) 60 분 동안 5 ppm CH₄, (b) 60 분 동안 10 ppm CH₄, (c) 30 분 동안 20 ppm CH₄, (d) 20 분 동안 30 ppm CH₄.
그림 2. CH₄ 농도를 증가시킨 전(a)과 후(b)에 Cu 위에 성장된 그래핀 입자의 SEM 사진.
그림 3. (a) Cu 위의 그래핀 박막의 SEM 사진. (b) SiO₂/Si 기판 위의 그래핀 박막의 라만 스펙트럼. 레이저 여기 파장은 532 nm이다.