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직접전사방식을 이용한 그래핀 기반의 나노채널 제작 및 특성 평가에 관한 연구 = A study on fabrication and characterization of directly transferred graphene-based nano channels
서명 / 저자 직접전사방식을 이용한 그래핀 기반의 나노채널 제작 및 특성 평가에 관한 연구 = A study on fabrication and characterization of directly transferred graphene-based nano channels / 정원석.
저자명 정원석 ; Jung, Won-Suk
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2014].
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Nano fluid in nano channels under 10 nm sizes has several unique properties such as selective ion ex-clusion and nano filtration based on the small size and electrical double layer at the channel surfaces. Espe-cially, if the nano channels are constructed by carbon nanotubes or graphene, there is very fast water transport in the nano channels. The origin of these novel phenomena is based on the atomically smooth and hydrophobic surface of graphene and carbon nanotubes. Also, the graphene has stronger points than carbon nanotubes as the channel walls, which is a 2 dimensional planar sheet and it can be fabricated having designed height, width, and shapes. However, the graphene-based nano channels have not been developed, because there are several difficult problems to achieve the fabrication. Therefore, I suggested several new methods to fabricate graphene-based nano channels and verify the ultra-fast water transport through these channels. In this paper, I applied anodic bonding technique to graphene-based nano channel fabrications. The conventional fabrication approaches such as Atomic layer deposition, chemical vapor deposition, patterning of graphene, have many serious problems for examples, PR hardening, surface residue, folding and wrinkles on graphene. Therefore, first, the graphene is transferred to $SiO_2$ and glass substrate, which were fabricated such as nano channels and reservoirs by ICP-RIE and Deep RIE. Then, the graphene, which has very flexible property, is liquid like adsorbed substrate following the roughness. After that, upper side glass and lower side $SiO_2$ substrates are bonded by the anodic bonding of large scale graphene without any additional process. In these processes, we need new graphene transfer method because the conventional wet transfer method has a lot of problems such as PMMA residue, surface delamination of graphene, folding and wrinkles, which can decrease the mechanical/electrical properties of graphene and can be barriers at the nano channel areas. Hence, I suggested the new direct graphene transfer method from Cu foil to various substrates using mechano-electro-thermal forces. Unlike conventional wet transfer method, this MET method doesn’t use the intermediate materials like PMMA, and showed very clean residue-free surface and no-folding and wrinkles. If the transferred graphene could be used for the channel walls in these fluidic applications, the adhe-sion energy between graphene and substrate should be increased because many water molecules permeated to the gaps between graphene and the substrate after some time of exposure in room temperature and relative humidity conditions by low adhesion energy to the substrate. These phenomena make the graphene p-doping, increase of carrier concentration by the charge transfer from water molecules to the graphene. Therefore, to prevent water permeation, I developed thermal-electrostatic bonding process, which induces more conformal contact of graphene to the surface of substrate and increases the adhesion energy and mechanical/electrical stabilities of graphene. This method was verified by several experiments such as double cantilever beam fracture mechanics test, Atomic Force Microscope, Raman spectra and 8585 test (85deg, 85% relative humidity). After that, using bonded graphene on $SiO_2$ substrate, as above mentioned, the upper side glass and lower side $SiO_2$ substrates are bonded by anodic bonding method. In this process, the graphene layer is a role of ultra-thin nano adhesive between glass and $SiO_2$ substrates. Since this method is newly suggested method, I suggested a hypothesis that there are C-O covalent bonds at the bonding interface not the nano channel areas between graphene and each substrate of $SiO_2$ and glass, which makes high adhesion energy. I verified this hypothesis using several experiments such as Raman spectra, XPS, and water contact angles. Additionally, I checked that graphene properties of hydrophobic, defect free in the nano channel area remained like before the anodic bonding. Moreover, I analyzed the $SiO_2$ capacitor layer at the anodic bonding process which can prevent the collapse of very thin nano channels. Using this graphene-based nano channel chip, I analyzed the properties of electro-osmotic flow using patch clamp. I observed the very fast flow rate about 115 times in these channels. The origin of these phe-nomena is based on the properties of graphene such as hydrophobic and atomically smooth surface which makes very large slip length. The slip length of the graphene was computed using Hagen-Poiseuille flow modeling and enhancement flow rate ratio between graphene-based nano channels and $glas_s/SiO_2$ nano channels. The computed slip length is 51.5 nm which is very similar to reported simulation values.

10nm 미만 크기의 나노채널하에서는 채널 크기와 채널 벽면의 전기이중층 겹침현상에 기반한 독특한 현상이 다음과 같이 발생한다. 나노 필터레이션과 이온 선택성 특성이다. 특히, 채널을 그래핀과 카본나노튜브와 같은 것으로 만들게 될 경우, 나노채널 내부로 매우 빠른 유동이 발생한다. 이와 같은 고유 특성은 그래핀의 표면이 원자수준의 매우 매끄러운 표면과 소수성에 기반하고 있다. 또한 그래핀의 경우 2차원적인 모양을 갖고 있기 때문에 우리가 원하는 채널의 높이와 모양, 폭 등에 적용 가능하다는 장점을 갖는다. 이와 같이 제작된 그래핀 기반의 나노채널의 경우, 현재까지 제작된바 있는 Glass/SiO_$2$ 및 탄소나노튜브 기반의 나노채널에서는 해결하지 못했던 다음과 같은 문제를 해결하는 핵심적인 플랫폼으로 사용될 수 있다. 첫째, 1 Dimensional한 탄소나노튜브 채널에서는 구현하지 못했던 다양한 크기 및 채널의 설계를 이용하여 나노 물질을 Separation하는 플랫폼이 될 수 있다. 둘째, 기존의 채널과는 달리 고속유동이 가능하기에 이와 나노사이즈의 filtration 효과를 겸용한 고속의 해수 담수화에 효과적인 플랫폼으로 사용될 수 있다. 셋째, 그래핀 채널 내부로의 고속 유동 특성을 이용하여 친환경 Energy generation 플랫폼으로 사용 가능한 기술이다. 넷째, 본 논문에서 새롭게 제시한 나노채널 제작 방법을 이용하여, 나노채널 및 포어 구조를 결합하여, 효과적인 DNA Sequencing 플랫폼으로 사용될 수 있다. 하지만 아직까지 그래핀 기반의 나노채널은 개발된 바 없다. 따라서 본 논문에서는 새로운 방법을 적용하여 그래핀 기반의 나노채널을 제작하고, 고속 유동 특성이 가능함을 밝히고자 한다. 본 논문에서는 어노딕 본딩 기술을 응용하여 그래핀 기반의 나노채널을 제작하였다. 실로콘옥사이드와 글래스 기판에 ICP-RIE와 DEEP RIE를 이용하여 나노채널을 식각한 후, 그래핀의 유연성을 응용하여 대면적의 그래핀을 전사 후, 어노딕 본딩을 이용하여 접합하였다. 이와 같은 공정 중, 전통적인 그래핀의 전사 방법인 WET 전사의 경우, 그래핀 표면에 많은 이물질이 남게 되며, 그래핀 표면에 주름이나 찢어짐이 발생할 수 있기 때문에 새롭게 개발한 메카노-일렉트로-써멀 포스를 이용한 직접전사 방식을 적용하여 그래핀을 전사하였다. 전사된 그래핀을 실제 디바이스로 사용하기 위하여, 열적, 기계적 안정성을 향상시키기 위하여 추가적인 본딩 공정을 거쳤으며 기판과 그래핀의 흡착을 통해 접합에너지를 향상시키는 공정을 추가하였다. 최종적으로 제작된 그래핀 기반의 나노채널 칩을 이용하여, 일렉트로 오스모시스 플로우 현상을 패치 클램프를 이용하여 측정하고, 고속유동 현상을 분석하는 작업을 진행하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DME 14033
형태사항 xi, 142 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Won-Suk Jung
지도교수의 한글표기 : 김수현
지도교수의 영문표기 : Soo-Hyun Kim
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 참고문헌 : p. 129-134
주제 나노채널
그래핀
어노딕 본딩
직접전사
접합에너지
고속유동
슬립렝스
nano channel
graphene
anodic bonding
direct transfer
adhesion energy
fast flow rate
slip length
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