With its outstanding electrical, mechanical, and chemical properties, graphene has attracted great interest as a promising material. But realization of various applications requires fabricating large scale, uniform, and high quality graphene. Thus, several methods for fabricating large graphene have been developed. Chemical vapor deposition (CVD) has been demonstrated as an attractive method to synthesize large-area graphene for practical applications. However, transfer process induces many defects on the fabricated graphene sheet, causing severe damage on the quality. In this research, we succeeded in transfer-free growth of polymer-derived graphene on a dielectric substrate through mobile hot-wire CVD. Before mobile hotwire CVD was developed, when graphene was synthesized from the polymer through the conventional overall heated tube type CVD, most polymers were removed from the nickel surface during pyrolysis because they are thermally degradable. To solve this problem, we used mobile hot-wire CVD developed in our laboratory. It is divided into two heating sources consisting of substrate and wire. The substrate reduces evaporated polymer and increases the amount of carbon dissolved in the Ni layer because of the role of the bottom heater unlike the conventional CVD. The wire can control the cooling rate and growth time that can improve the coverage and uniformity. Also, we realized that high heat resistance polymer increases the amount of carbon dissolved in the Ni layer and improve the coverage of graphene. We succeeded in the transfer-free growth graphene that contains no defects, such as the wrinkle, PMMA residue, and nickel etchant.
그래핀은 흑연 한 층으로 이루어진 2차원 물질로, 2004년 Andre Geim과 Konstantin Novoselov 의해 반견되었다. 원자 단위의 매우 얇은 뚜께와 뛰어난 기계적, 전기적, 화학적 특성으로 여러 분야에 적용될 수 있는 가능성이 제기되어 많은 관심과 연구가 이루어졌다. 그래핀을 실제로 다양한 분야에 적용하기 위해서는 대면적의 균일한 고품질이 요구된다. 따라서 그래핀 합성 방법이 많이 연구되었는데, 기계적 박리법은 고품질의 그래핀을 합성 할 수 있지만, 대면적으로 만드는데 한계가 있다. SiC 이용한 에피턱셜 성장법도 고품질의 그래핀을 합성 할 수는 있지만, 재료값이 비싸고 고온에서 성장되기 때문에 응용적인 측면에서 한계가 있다. 화학적 박리법은 값이 저렴하지만, 중요한 품질 측면에서 좋지 않다는 단점 있다. 실제로 그래핀을 다양한 분야에 응용하기 위해서는, 대면적의 고품질 그래핀을 균일하게 성장 시킬 수 있는 화학기상증착법이 많이 널리 이용되고 있다. 하지만 화학기상증착법은 촉매로 사용되는 금속 기판 위에 그래핀이 성장되기 때문에, 이를 원하는 기판에 옮기기 위한 전사공정이 필요하게 된다. 전사 공정에서, 지지층으로 PMMA와 니켈을 제거하기 위한 부식액이 사용되기 때문에 그래핀 표면에 잔해물이 남게되어 결함으로 존재한다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 전사공정이 생략된 합성이 활발히 연구되고 있다. 화학기상증착법은 일반적으로 금속호일을 사용하지만 전사공정이 생략된 합성법은 실리콘 웨이퍼에 니켈층을 증착하고 그 위에 탄소 물질을 증착한다. 하지만 전사공정을 생략해서 그래핀을 합성하게 되면, 탄소 물질이 분해되어 니켈층에 고용될 때, 균일하게 분해되지 않기 때문에 대면적으로 성장되지 못한다는 한계점이 있다.
본 연구에서 이중 열원 시스템을 이용하여 전사공정 없이 고분자로 그래핀을 합성하는데 성공했다. 탄소 물질이 분해되어 니켈층에 고용될 때, 균일하게 분해되어 대면적으로 그래핀이 성장 할 수 있게 열에 쉽게 분해되는 고분자를 탄소 물질로 선택했다. 하지만 일반적으로 사용되는 튜브 형태의 퍼니스에서 그래핀을 성장시키게 되면 열에 약한 고분자는 챔버로 증발된다. 이를 해결하기위 연구실에서 직접 개발한 이중 열원 시스템을 사용했다. 이것은 전체적으로 열을 가해주는 튜브 형태의 일반 퍼니스와는 다르게, 부분적으로 열을 공급함으로서 증발되는 고분자를 줄여 줄 수 있는 기판형태의 1차 열원이 존재한다. 1차 열원으로 니켈층에 탄소를 고용시키고 2차 열원으로 와이어를 이용하여 그래핀을 성장시키게 된다. 직경이 1mm로 만들어진 텅스텐 와이어는 연속적인 열처리가 가능하기 때문에 냉각속도를 조절하여, 균일하고 대면적의 그래핀을 합성 할 수 있다. 또한, 열에 강한 고분자를 이용하여 기존의 그래핀보다 더 큰 면적의 그래핀을 합성하는데 성공했다. 앞에 업급했듯이, 폴리머는 열에 약하기 때문에 열원 시스템을 교체했더라도 열처리 동안 분해되어 니켈층에서 제거되는데, 열에 강한 폴리머를 사용하여 니켈층에 고용되는 탄소양을 증가 시킬 수 있었다. 무엇보다 본 실험은 전사공정에서 지지층으로 사용되는 PMMA와 니켈을 제거하기 위한 부식액 잔해물으로부터 유발되는 결함을 제거하기 위해서 진행되었고, 실제로 연구실에서 직접 개발한 이중 열원 시스템을 이용하여 결함이 존재하지 않는 그래핀을 합성했다.
