Carbon based materials are being recognized as the future of composite materials, especially as metal-carbon composites that demonstrate enhanced mechanical properties compared to metals. The conventional method for synthesizing such metal-carbon composites is to create a simple, random mixture. However, as the volumetric content of carbon materials is increased beyond a critical point, the random rule of mixture does not guarantee a homogenous dispersion, which sets limit on the strengthening potential. On the contrary, nano-layered multilayer structures are much more efficient in suppressing the dislocation movement across their interfaces and thus have larger potential for strength enhancement. In addition, it is shown that as the layer dimension decreases in such multilayer structure, higher strength is expected. Metal thin films are much stronger than bulk metals and when they are stacked together to form multilayer, ultrahigh strength can be observed. Previous reports developed Cu- or Ni- graphene multilayered composite designs to achieve ultrahigh strengths. The previous methods for fabricating metal-graphene multilayer included polymer based graphene transfer and vacuum based metal deposition processes, both of which would inevitably inflict limits for continuous larger scale production. In chapter 2 and 3, a new method of graphene transfer applicable to larger scale roll based dry graphene transfer and electroplating of metal layers for faster and efficient deposition is introduced. Prepared metal-graphene composite structure is tested by nano-pillar indentation method to measure the enhanced mechanical properties. In chapter 4, patterning process of Cu-graphene multilayer structure for possible application on flexible electrode material is introduced. Conventional lithography patterning process in semi-conductor manufacture includes photoresist masking and light-exposure or heat treatment process. This process contains several limiting factors for continues and larger area patterning. Thus, in this chapter, stamp patterning process is introduced and possible obstacles for applying it to real production are discussed.
나노기술이 발전하고 신소재가 개발되면서 나노 물질을 이용하여 기계적 물성을 증대시키려는 노력이 이어져 왔다. 탄소소재 중에서도 1차원 구조 물질인 탄소나노튜브와 2차원 구조 물질인 그래핀은 한 꼭지점에 세 개의 결합이 붙는 원자 구조 결합을 갖는 탄소 동소체로써 기존 물질 대비 독특한 전기적, 기계적 그리고 열 적 특성을 보유하여 미래의 핵심 소재로 주목받고 있다. 특히 금속 소재에 탄소 재료를 이용하여 기존의 금속 소재에 비하여 높은 기계적 물성을 얻는 연구들이 진행되어 왔다. 하지만 기존의 복합체 제조 방법의 경우 기계적 강도를 높여주는 주요 물질인 탄소 소재의 함량의 증가에 한계가 있다. 탄소 소재를 이용한 복합체의 경우 높은 부피 함량에서는 강화재로 사용되는 탄소 소재의 불 균일한 분산에 의하여 부피 함량에 따른 강도 증가에 한계가 있다. 그러나 강화제인 탄소 소재를 레이어 구조로 형성하게 되면 강화재의 함량에 따라 원하는 강도를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 계면에 의한 강도 강화 효과를 얻을 수 있다. 멀티레이어 구조에서는 랜덤으로 분포된 복합체에 비하여 레이어 구조로 이루어진 계면에서 효율적인 전위 이동을 억제하여 강도향상을 기대할 수 있다. 뿐만 아니라 멀티레이어 구조에서는 재료의 두께가 얇아질수록 기계적 강도가 벌크 소재와 비교하여 매우 다른 기계적 물성을 보여준다. 예를 들어 매우 얇은 필름은 벌크 소재에 비하여 높은 강도를 보여주고 있으며 이를 멀티레이어로 제작 시 초고 강도의 물성 값을 얻을 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 이전 연구에서 그래핀과 메탈을 이용하여 멀티레이어를 제작, 구리- 니켈에서 소재에서 매우 높은 기계적 물성을 같는 것으로 보고하였다. 그러나 그래핀-메탈 소재에 제작에서 폴리머를 이용한 습식 그래핀 전사 방법과 진공 기반의 메탈 증착을 통하여 제작하였다. 기존 제작법에서는 습식 그래핀 전사 방법과 진공 기반의 메탈 증착 공정은 면적대비 많은 시간이 소요되며 대면적 연속 생산에 한계가 있다. 기존의 방법에 비하여 효율적이며 대면적 연속 생산을 하기 위하여 제1장에서는 습식 그래핀 전사방법에서 건식 그래핀 전사 방법을 도입하여 구리-그래핀 멀티레이어를 제작하고, 제2장에서는 건식 그래핀 전사 방법뿐만 아니라 저비용 대면적 연속 공정에 도입하기 위한 방법으로 도금 방법을 도입하여 멀티레이어를 제작하는 방법 및 그래핀 표면에서의 계면 제어를 통해 일정한 두께를 가지는 구리 도금 법에 대하여 기술하였다. 제2장과 제3장에서 기존 방법 대비 효율적으로 제작된 구리-그래핀 멀티레이어를 나노 필라 압축 실험을 통하여 강도 강화 효과가 보이는 것을 보고하고 대면적 연속 생산에 적용하기 위한 건식 그래핀 전사 방법 및 도금 방법을 도입 시에 발생할 수 있는 문제점과 주의점 등을 거론한다. 제4장에서는 구리-그래핀 멀티레이어 소재를 유연 소자의 전극 분야에 적용하기 위한 패턴 방법에 대하여 소개한다. 대중화된 반도체 리소그래피 공정은 포토레지스트를 이용하여 마스크를 통하여 노광 및 열처리 과정을 거쳐 필요한 패턴을 제작할 수 있다. 그러나 반도체 공정을 통한 패턴 방법은 복잡한 단계를 거치고 연속 및 대면적 패턴 형성에 많은 제한이 있다. 제4장에서는 스탬프를 활용한 패턴 방법에 대하여 소개하고 패턴 형성에 발생할 수 있는 문제점 및 패턴 형성이 가능한 원리에 대하여 논의한다.
