• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2016.02a
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• pp.368-368
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• 2016

그래핀(Graphene)은 탄소 원자가 6각 구조로 이루진 2차원 알려진 물질 중 가장 얇은(0.34 nm) 두께의 물질이며 그 밴드구로조 인해 우수한 전자 이동도($200000cmV^{-1}s^{-1}$)를 가지고 있며, 이외에도 기계적, 화학적으로 뛰어난 특성을 가진다. 대면적화 된 그래핀을 성장시키기 위한 방법으로는 화학적 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition)이 있다. 하지만 실제 여러 전이금속에서 합성되는 그래핀은 다결정으로, 서로 다른 면 방향을 가진 계면에서 전자의 산란이 일어나며, 고유의 우수한 특성이 저하되게 된다. 따라서 전자소재로 사용되기 위해서는 단결정의 대면적화 된 그래핀에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. 앞서의 두 문제점 중, 단결정의 그래핀 합성에 크게 영향을 미치는 요인으로는 크게 합성 온도, 촉매 기판의 탄소 용해도, 촉매 표면에서의 탄소 원자의 확산성이 있다. 본 연구에서는 구리, 니켈, 실리콘에 비해 탄소 용해도가 낮으며, 탄소 원자의 높은 확산성으로 인해 단결정의 단층 그래핀을 합성에 적합하다고 보고된 저마늄(Germanium) 기판을 사용하여 그래핀을 합성하였다. 단결정의 그래핀을 성장시키기 위해 메탄(Methane; $CH_4$)가스의 주입량과 수소 가스의 주입량을 제어하여 성장 속도를 조절 하였으며, 성장하는 그래핀의 면방향을 제어하고자 하였다. 표면의 산화층(Oxidized layer)을 제거하기 위하여 불산(Hydrofluoric acid)를 사용하였다. 불산 처리 후 표면의 변화는 원자간력현미경(Atomic force microscopipe)을 통하여 분석하였다. 합성된 그래핀의 특성을 저 에너지 전자현미경(Low energy electron microscopy), 광전자 현미경(Photo emission electron microscopy), 라만 분광법(Raman spectroscopy), 원자간력현미경(Atomic force microscopy)와 투과전자현미경 (transmission electron microscopy)을 이용하여 기판 표면의 구조와 결정성을 분석하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.202-202
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• 2012

유연성 투명 전도막은 현대 전자산업의 발전에 있어 필수적인 부품소재로서, 가시광선의 투과율이 80% 이상이고 면저항이 $100{\Omega}/sq.$ 전후이며 휘거나 접히고 나아가 두루마리의 형태로도 응용이 가능한 소재를 일컫는다. 이러한 유연성 투명 전도막은 차세대 정보디스플레이 산업 및 유비쿼터스 사회의 중심이 되는 유연성 디스플레이, 터치패널, 발광다이오드, 태양전지 등 매우 다양한 분야에 응용이 기대된다. 이러한 이유로 고 신뢰성 유연성 투명 전도막 개발기술은 차세대 산업에 있어서의 핵심기술로 인식되고 있다. 현재로서는 인듐 주석 산화물(indium tin oxide; ITO) 및 전도성 유기고분자를 사용하여 투명 전도막을 제조하고 있으나, ITO 박막의 경우 인듐 자원의 고갈로 인한 가격상승 및 기판과의 낮은 접착력, 열팽창계수의 차이로 인한 공정상의 문제, 산화물 특유의 취성으로 인한 유연소자로서의 내구성 저하 등의 문제가 제기되고 있다. 전도성 유기고분자의 경우는 낮은 전기전도도와 기계적강도, 유기용매 처리 등의 문제점이 지적되고 있다. 따라서 높은 전기전도도와 투광도 뿐만 아니라 유연성을 지니는 재료의 개발이 요구되고 있는 실정이다. 최근 이러한 재료로서 그래핀(graphene)과 탄소나노튜브(carbon nanotube; CNT)를 중심으로 하는 탄소나노재료가 주목받고 있으며 많은 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 열화학기상증착법(thermal vapor deposition; TCVD)으로 합성된 그래핀 및 CNT를 이용하여 탄소나노재료 복합체 기반의 유연성 투명 전도막을 제작하고 그 특성을 평가하였다. 그래핀과 CNT합성을 위한 기판으로는 각각 300 nm 두께의 니켈과 1 nm 철이 증착된 실리콘 웨이퍼를 이용하였으며, 원료가스로는 메탄(CH4)과 아세틸렌(C2H2)등의 탄화수소가스를 이용하였다. 그래핀의 경우 원료가스의 유량, 합성온도, 냉각속도를 변경하여 대면적으로 두께균일도가 높은 그래핀을 합성하였으며, CNT의 경우 합성시간을 변수로 길이 제어합성을 도모하였다. 합성된 그래핀은 식각공정을, CNT는 스프레이 증착공정을 통해 고분자 기판(polyethylene terephthalate; PET) 위에 순차적으로 전사 및 증착하여 탄소나노재료 복합체 기반의 유연성 투명 전도막을 제작하였다. 제작된 탄소나노재료 복합체 기반의 유연성 투명 전도막은 물리적 과부하를 받았을 때 발생할 수 있는 유연성 투명 전도막의 구조적결함에 기인하는 전도성 저하를 보상하는 특징이 있어, 그래핀과 탄소나노튜브 각각으로 제조된 유연성 투명 전도막보다 물리적인 하중이 반복적으로 인가되었을 때 내구성이 향상되는 효과가 있다. 40% 스트레인을 반복적으로 인가하였을 때 그래핀 투명 전도막은 20 사이클 이후에 면저항이 $1-2{\Omega}/sq.$에서 $15{\Omega}/sq.$ 이상으로 급증한 반면 그래핀-CNT 복합체 투명 전도막은 30사이클까지 $1-2{\Omega}/sq.$ 정도의 면저항을 유지하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2016.02a
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• pp.211.2-211.2
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• 2016

그래핀은 본연의 우수한 물성으로 인하여 전자소자, 에너지 저장매체, 유연성 전도막 등 다양한 분야로의 응용가능성이 제기되었으나, 실제적인 응용을 위해서는 구조적인 결함을 최소화하며, 특성을 자유로이 제어하거나 향상시키는 공정의 개발이 요구된다. 특히 그래핀을 전자소자로 응용하기 위해서는 전기적 특성을 제어하는 것이 요구된다. 일반적으로 화학적 도핑은 그래핀의 전기적 특성을 제어하는 효율적인 방법으로 알려져 있다. 화학적 도핑은 그래핀을 구성하는 탄소원자를 이종원자로 치환하거나 표면에 흡착시켜 기능화 된 그래핀을 얻는 방법으로, 특정 가스 분위기에서 고온 열처리하거나 활성종들이 존재하는 플라즈마에 노출시키는 방법이 제시되었다. 특히 플라즈마를 이용한 도핑방법은 저온에서 단시간의 처리로 도핑이 가능하고, 플라즈마 변수를 변경하여 도핑정도를 수월하게 제어할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그러나 플라즈마내의 극성을 띄는 다양한 활성종들의 충돌효과로 인하여 구조적인 손상이 발생하여 오히려 특성이 저하될 수 있어 이를 고려한 플라즈마 공정조건의 설정이 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 플라즈마에 노출된 그래핀의 Raman 특성을 고찰함으로써 화학적 도핑과 구조적인 결함의 경계를 확립하고 구조결함의 형성을 최소화한 효율적인 도핑조건을 도출하였다. 그래핀은 물리적 박리법을 이용하여 300 nm 두께의 실리콘 산화막이 존재하는 실리콘 웨이퍼 위에 제작하였으며, 평행 평판형 직류 플라즈마 장치를 이용하여 전극의 위치, 인가전력, 처리시간을 변수로 암모니아($NH_3$) 플라즈마를 방전하여 그래핀의 Raman 특성변화를 관찰하였다. 그래핀의 구조적 결함 및 도핑 효과는 라만 스펙트럼의 D, D', 2D밴드의 강도와 G밴드의 위치와 반치폭(Full width at half maximum; FWHM)의 변화를 통해 확인하였다. 그 결과, 인가전력과 처리시간에 따라 결함형성과 질소도핑 영역이 구분 가능함을 확인하였으며, 이를 바탕으로 결함형성을 최소화한 효율적인 도핑조건이 접지전위, 0.45 W의 인가전력, 처리시간 10초이며, 최적조건에서 계산된 도핑레벨은 $1.8{\times}10^{12}cm^{-2}$임을 확인하였다.

• Journal of the Korean Chemical Society
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• v.60 no.1
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• pp.93-98
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• 2016

• Polymer(Korea)
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• v.39 no.3
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• pp.468-474
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• 2015

Electrically conductive polymer nanocomposites were prepared by the inclusion of graphene-based nanofillers. Graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide wrapped by poly(styrene sulfonate) (PSS-RGO) were used as nanofillers to make good dispersion with the aqueous dispersion of polystyrene (PS) particles. GO sheets were synthesized by the modified Hummers' method from graphite, and PSS-RGO sheets were prepared by the reduction of GO-dispersed PSS solution with hydrazine monohydrate. Morphology and properties of PS/GO and PS/PSS-RGO nanocomposites via latex technology were investigated. Both nanofillers showed well dispersed morphology in PS matrix. Rheological and electrical percolation thresholds were 0.28 and 0.51 wt% for GO, and 0.50 and 1.01 wt% for PSS-RGO respectively. It is speculated that PS/GO nanocomposites showed better conductivity than PS/PSS-RGO counterparts due to the partial recovery of GO by thermal reduction during molding.

• Composites Research
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• v.27 no.5
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• pp.183-189
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• 2014

Experimental considerations have been performed to obtain the clear optical microscopic images of graphene oxide which are useful to probe its quality and morphological information such as a shape, a size, and a thickness. In this study, we investigated the contrast enhancement of the optical images of graphene oxide after hydrazine vapor reduction on a Si substrate coated with a 300 nm-thick $SiO_2$ dielectric layer. Also, a green-filtered light source gave higher contrast images comparing to optical images under standard white light. Furthermore, it was found that a image channel separation technique can be an alternative to simply identify the morphological information of graphene oxide, where red, green, and blue color values are separated at each pixels of the optical image. The approaches performed in this study can be helpful to set up a simple and easy protocol for the morphological identification of graphene oxide using a conventional optical microscope instead of a scanning electron microscopy or an atomic force microscopy.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2016.02a
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• pp.155-155
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• 2016

최근 증가하고 있는 플렉서블 기기제작을 위한 플렉서블 전극으로 금속메쉬, 그래핀, 은나노선을 사용한 전극이 제안되었으나 복잡한 공정 및 안정성 문제로 인해 다양한 나노복합구조를 적용하여 단점을 개선하기 위한 연구가 진행되고 있다. 은나노선 전극은 특히 공정이 단순하고 투과도 및 전도도가 비교적 우수하며 기판의 휘어짐에도 특성변화가 가장 작아 플렉서블 전극의 가장 강력한 후보재료로 알려져 있다. 그러나 은나노선 전극은 구조적으로 전극표면에 고르게 분포하지 못하기 때문에 전극의 표면거칠기가 매우 커지고 투과되는 빛과 간섭하여 헤이즈가 발생되는 문제를 가지고 있다. 특히 플렉서블 OLED용 전극으로 응용시 화면의 선명도가 떨어지며 은나노선 네트워크의 접촉저항이 증가하고 큰 표면거칠기로 인해 수명이 감소하는 문제를 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 은나노선 전극에 산화그래핀 처리를 통해 나노복합구조를 형성하고 플렉서블 기판에 전사하는 방법을 통해 투명 전극을 형성하였다. 주사전자현미경 측정을 통해 산화그래핀 플레이크와 은나노선 전극의 구조적 특성을 조사하였고 면저항측정을 통해 산화그래핀 처리공정 조건에 따라 전기적 특성이 개선되는 결과를 확인하였다. 은나노선 전극의 전도도 개선의 원인을 조사하기 위해 라만, XPS, 투과도 측정결과를 분석하였다. XPS 분석결과 은나노선과 그래핀의 나노복합구조 형성을 통해 산화그래핀에 포함된 pyridinic 질소가 감소하고 quaternary 질소가 증가하였다. 이는 산화그래핀의 내부 defect sites에 질소결합이 증가되었음을 의미하고 이로인해 산화그래핀에 부분적인 전도경로가 형성되어 은나노선의 전도특성을 개선되었다. 투과도 측정을 통해 은나노선의 가로방향 플라즈몬 공명 흡수가 산화그래핀 처리에 의해 감소하였고 이로 인해 은나노선 전극의 투과도가 산화그래핀 처리에 의해 개선되는 결과를 확인하였다. 은나노선 전극에 대해 산화그래핀 처리를 통해 나노복합구조 형성에 대한 연구는 은나노선 플렉서블 전극 개발을 가속화하고 잠재적인 응용분야를 확대하기 위한 원천지식을 제공할 것이다.

• Composites Research
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• v.34 no.2
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• pp.108-114
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• 2021

Graphene flakes are generally mass-produced by converting graphene oxide into reduced graphene oxide using chemical or thermal reduction. These graphene flakes can be stacked to form a free-standing graphene paper, which can be used for various applications. However, a graphene paper lacks stretchability, which hinders its application in stretchable devices. In this work, we introduced wrinkles in a graphene paper to make it stretchable. A graphene paper fabricated by vacuum-filtering a graphene dispersion was placed on a pre-stretched adhesive film. When the pre-stretched adhesive film returned to the original state, the graphene paper was wrinkled. The effect of the pre-stretching and wet condition of the graphene papers was experimentally investigated by using scanning electron microscopy. In addition, we observed the change of the period of the wrinkles in the graphene paper depending on the pre-stretching.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2014.02a
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• pp.197.2-197.2
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• 2014

그래핀(graphene)의 라만 스펙트럼은 전하밀도(charge density)와 기계적 변형(strain)에 민감하여 연구에 널리 활용되고 있다. 본 연구에서는 기계적 박리법으로 만든 그래핀에 황산 수용액으로 p-형 화학도핑(chemical doping)을 유발시키고 전하밀도의 변이에 따른 라만 스펙트럼의 변화를 조사하였다. 이러한 변화를 통해 황산과 물 분자의 계면 확산을 이해하고, $SiO_2/Si$ 기판의 화학적 특성이 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 분자의 효율적인 계면 확산을 위해 고온 산화반응을 이용하여 그래핀의 기저면에 나노공(nanopore)을 만든 후, 액상에서 라만 스펙트럼을 측정하였다. 증류수 속에 담궜을 때 물 분자가 그래핀-기판 계면 사이로 확산되면서 열처리에 의해 유발된 정공이 사라짐을 확인하고, D-봉우리의 가역적인 변화로부터 그래핀의 구조적 변화를 유추하였다. 황산 농도를 증가시켰을 때 G와 2D-봉우리의 진동수가 상호간에 일정한 비율로 증가하여 정공의 밀도가 증가함 알 수 있었다. 동일한 시료에 대해 황산의 농도를 감소시킴으로써 p-형 도핑을 제거하고 동일한 반응을 가역적으로 반복할 수 있었다. 상기한 분자의 2차원 확산 현상은 나노공의 유무와 기판의 전처리 조건에 따라 크게 달라진다는 사실을 확인 할 수 있었다. 또한 여러 파장에서 측정된 전하밀도와 기계적 변형에 의한 G와 2D-봉우리의 진동수 변화로부터 다른 연구자들이 활용할 수 있는 검정곡선을 제시하였다.

• Composites Research
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• v.36 no.5
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• pp.377-382
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• 2023

To enhance the performance of graphene-based devices, it is of great importance to better understand the interfacial interaction of graphene with its underlying substrates. In this study, the adhesion energy of monolayer graphene placed on dielectric substrates was characterized using mode I fracture tests. Large-area monolayer graphene was synthesized on copper foil using chemical vapor deposition (CVD) with methane and hydrogen. The synthesized graphene was placed on target dielectric substrates using polymer-assisted wet transfer technique. The monolayer graphene placed on a substrate was mechanically delaminated from the dielectric substrate by mode I fracture tests using double cantilever beam configuration. The obtained force-displacement curves were analyzed to estimate the adhesion energies, showing 1.13 ± 0.12 J/m² for silicon dioxide and 2.90 ± 0.08 J/m² for silicon nitride. This work provides the quantitative measurement of the interfacial interactions of CVD-grown graphene with dielectric substrates.