[논문]펨토초 레이저 펄스를 이용한 환원된 그래핀의 최소 선폭 패턴 구현에 관한 연구

정태인; 김승철

doi:10.15207/jkcs.2020.11.7.157

펨토초 레이저 펄스를 이용한 환원된 그래핀의 최소 선폭 패턴 구현에 관한 연구
The study of optimal reduced-graphene oxide line patterning by using femtosecond laser pulse 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.11 no.7, 2020년, pp.157 - 162

정태인 (부산대학교 인지메카트로닉스공학과) , 김승철 (부산대학교 광메카트로닉스공학과, 인지메카트로닉스공학과)

초록
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최근 레이저를 이용하여 환원된 친환경 그래핀 패턴 기술(Laser Induced Graphene, LIG)은 간단하고 효율적으로 원하는 형태로 다양한 기판 위에 패터닝하는 것이 가능하여 신축 유연 전자 소자, 박막 형태의 에너지 저장 소자 등과 같이 새로운 친환경 전자 소자 제작에 많이 활용되고 있다. 이러한 그래핀 패턴 구조를 이용한 전자 소자의 성능과 효용성을 높이기 위해서는 그래핀 고유의 2차원 특성을 유지하면서 가능한 최소한의 선폭을 구현할 수 있는 최적화된 레이저 패터닝 조건에 대한 연구가 필수적이다. 본 논문에서는 최근 레이저 그래핀 패턴 연구에서 많이 사용되는 Ti:sapphire 펨토초 레이저를 이용해서 그래핀 광-열 산화반응을 분석하여 최적화된 그래핀의 최소선폭을 구현하였다. 레이저 에너지의 확산 효과를 최소화하기 위하여 레이저 광강도와 레이저 스캔 속도를 조절하여 최적의 그래핀 특성을 나타내는 패턴을 연구하였으며 18 ㎛의 집속된 빔을 이용하여 최소 30 ㎛의 이차원 그래핀 선폭을 구현하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In recent years, laser induced graphene process have been intensively studied for eco-friendly electronic device such as flexible electronics or thin film based energy storage devices because of its simple and effective process. In order to increase the performance and efficiency of an electronic device using such a graphene patterned structure, it is essential to study an optimized laser patterning condition as small as possible linewidth while maintaining the graphene-specific 2-dimensional characteristics. In this study, we analyzed to find the optimal line pattern by using a Ti:sapphire femtosecond laser based photo-thermal reduction process. we tuned intensity and scanning speed of laser spot for generating effective graphene characteristic and minimum thermal effect. As a result, we demonstrated the reduced graphene pattern of 30㎛ in linewidth by using a focused laser beam of 18㎛ in diameter.

주제어

표/그림 (4)

그림 Fig. 1. Experiment setup
그림 Fig. 2. A) Change line width depending on light intensity at each constant speed, B) change line width depending on speed at each constant light intensity
그림 Fig. 3. Optical Microscopy rGO Image at 196.4 (kW/cm²) intensity condition A) magnification 10, scanning speed 500 mm/s, inset magnification 20, B) magnification 10, scanning speed 4000 mm/s, inset magnification 20, SEM Image C) scanning speed 500 mm/s, D) scanning speed 4000 mm/s, E) intensity 117.8 (kW/cm²), F) 196.4 (kW/cm²) raman data at each speed
그림 Fig. 4. A), B) pattern C) optimized condition raman data at 117.8(kW/cm²) intensity, scanning speed 2000mm/s condition

AI 본문요약
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문제 정의

기존 연구들의 경우, 다양한 파장과 특성을 갖는 레이저들을 이용해 최소 수백 nm의 선폭을 구현한 연구들이 보고되었지만, 라만 분광 분석에서 그래핀의 고유한 특성을 나타내어주는 2D peak이 관찰되지 않거나 패턴 형태가 균일하지 않는 등 여러 단점들이 보고되었다[13]. 따라서 본 연구에서는 가장 대표적으로 사용되고 있는 Ti : Sapphire 기반의 펨토초 펄스 레이저와 갈바노 스캐너를 이용하여 펨토초 펄스의 펄스당 에너지와 펄스개 수를 조절하여, 2D peak 특성이 관찰되는 최소선폭의 rGO 패턴을 구현하는 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 산화 그래핀 용액과 Ti:Sapphire 펨토초 레이저를 이용해 2D 특성이 구현된 최소선폭을 갖는 rGO 패턴 구현에 관한 연구를 진행하였다.

제안 방법

1과 같다. 85 MHz의 반복률, 820nm의 중심파장, 파장대역폭 400nm 및 10 fs의 펄스폭을 갖는 Ti: Sapphire pulse laser(Thorlabs, Octavius-85M-HP) 를 편광기와 반파장판을 이용하여 광 강도를 조절하였으며, 갈바노 스캐너(Sino-galvo, AF7106)를 이용해서 패턴의 광 조사 속도를 조절하였다. 갈바노 스캐너에 32.
Hummer’s method를 이용해서 제작된 4mg/mL 농도의 GO 용액(Sigma Aldrich, 777676-200ML)을 증류수와 혼합함으로써 2mg/mL의 GO 용액을 초음파 발생장치를 이용해서 30분 동안 균질화를 시켜주고 이를 실리콘 웨이퍼 위에 마이크로 피펫을 이용해 드랍 캐 스팅 방법을 통하여 증착하였다.
85 MHz의 반복률, 820nm의 중심파장, 파장대역폭 400nm 및 10 fs의 펄스폭을 갖는 Ti: Sapphire pulse laser(Thorlabs, Octavius-85M-HP) 를 편광기와 반파장판을 이용하여 광 강도를 조절하였으며, 갈바노 스캐너(Sino-galvo, AF7106)를 이용해서 패턴의 광 조사 속도를 조절하였다. 갈바노 스캐너에 32.2 mm의 유효 초점거리를 가지는 F-theta 렌즈(Sino- galvo, S4LFT4031/094)를 장착하여 GO가 코팅된 기판 위에 일정하게 레이저가 조사될 수 있도록 하였다.
갈바노 스캐너에 입사되는 빔의 크기와 f-theta 렌즈 의 유효 초점 거리를 고려하여 계산된 빔의 발산각과 펨토초 레이저의 중심 파장(820 nm)을 Rayleigh 공식 (1)에 대입함으로써, 이론적으로 가능한 포커싱된 빔의 크기 (18m)를 계산하였다. 얻어진 빔의 크기와 펄스 레이 저의 에너지를 이용하여 GO기판에 조사되는 빔의 광 강도를 계산하였다.
증착된 GO용액은 하루 동안 자연건조를 하였다. 갈바노 스캐너와 결합된 펨토초 레이저 시스템으로 제작된 rGO 패턴은 광학 현미경과 전자 현미경을 이용하여 형태와 크기를 측정하였고, 라만 분광 분석법(UniDRON, UniNanoTech)을 이용하여 구현된 그래핀의 화학적 및 구조적 특성 분석하였다.
본 실험에서 사용된 조건들을 이용해 계산된 빔의 크기 18μm에서 30μm의 최소선폭을 갖는 그래핀 패턴을 구현하였다. 레이저의 스캔 속도와 광 강도를 변화시 켜 가면서 패턴된 그래핀을 라만분광법을 이용해서 각 조건에서의 그래핀의 구조 불안정도를 나타내는 I_D/I_G 비율과, 그래핀의 결정화 사이즈를 비교함으로써 그래핀이 가지는 고유한 특성인 2D peak을 확인함으로서 2D 특성이 구현된 환원그래핀 최소선폭을 연구하였다.
본 실험에서 사용된 조건들을 이용해 계산된 빔의 크기 18μm에서 30μm의 최소선폭을 갖는 그래핀 패턴을 구현하였다.
갈바노 스캐너에 입사되는 빔의 크기와 f-theta 렌즈 의 유효 초점 거리를 고려하여 계산된 빔의 발산각과 펨토초 레이저의 중심 파장(820 nm)을 Rayleigh 공식 (1)에 대입함으로써, 이론적으로 가능한 포커싱된 빔의 크기 (18m)를 계산하였다. 얻어진 빔의 크기와 펄스 레이 저의 에너지를 이용하여 GO기판에 조사되는 빔의 광 강도를 계산하였다. 최소선폭을 가지는 그래핀을 얻기 위해서 광강도, 레이저 스캔 속도를 변화시키며 실험을 진행하였다.
Hummer’s method를 이용해서 제작된 4mg/mL 농도의 GO 용액(Sigma Aldrich, 777676-200ML)을 증류수와 혼합함으로써 2mg/mL의 GO 용액을 초음파 발생장치를 이용해서 30분 동안 균질화를 시켜주고 이를 실리콘 웨이퍼 위에 마이크로 피펫을 이용해 드랍 캐 스팅 방법을 통하여 증착하였다. 증착된 GO용액은 하루 동안 자연건조를 하였다. 갈바노 스캐너와 결합된 펨토초 레이저 시스템으로 제작된 rGO 패턴은 광학 현미경과 전자 현미경을 이용하여 형태와 크기를 측정하였고, 라만 분광 분석법(UniDRON, UniNanoTech)을 이용하여 구현된 그래핀의 화학적 및 구조적 특성 분석하였다.
얻어진 빔의 크기와 펄스 레이 저의 에너지를 이용하여 GO기판에 조사되는 빔의 광 강도를 계산하였다. 최소선폭을 가지는 그래핀을 얻기 위해서 광강도, 레이저 스캔 속도를 변화시키며 실험을 진행하였다. 동일한 광 강도(176.

이론/모형

B)를 통해서 알 수 있듯이 레이저의 광 강도 보다 단위시간당 조사되는 펄스의 개수, 즉 레이저 스캔속도를 높일수록 약 15-20m 수준의 이론적으로 계산된 레이저 빔의 크기와 근사한 크기의 패턴이 구현됨을 관찰하였다. 레이저를 이용하여 최소 크기로 패턴된 그래핀의 화학적 구조적 특성을 분석하기 위하여 라만분광법을 이용하였다[14]. Fig.

성능/효과

Fig. 2. A)와 같이 최소 광강도 78.5 kW/cm2에서 최대 광강도 인 196.4 kW/cm2까지 펄스당 에너지를 조절해 가면서 3가지의 각기 다른 스캔 속도로 그래핀 패턴을 구현하였을 때, 레이저 광 강도의 크기와 관계없이 스캔 속도에 따른 선폭의 증가 비율이 매우 유사한 것을 관찰하였다. 또한 Fig.
또한 Fig. 2. B)를 통해서 알 수 있듯이 레이저의 광 강도 보다 단위시간당 조사되는 펄스의 개수, 즉 레이저 스캔속도를 높일수록 약 15-20m 수준의 이론적으로 계산된 레이저 빔의 크기와 근사한 크기의 패턴이 구현됨을 관찰하였다. 레이저를 이용하여 최소 크기로 패턴된 그래핀의 화학적 구조적 특성을 분석하기 위하여 라만분광법을 이용하였다[14].
3. A)와 같이 일정한 광 강도에서 레이저의 스캔 속도를 조절해 가면서 그래핀의 품질을 평가할 수 있는 D band(1355 cm-1) 의 peak과 G band(1604 cm-1)의 peak의 비율을 비교하여 보았을때 스캔 속도가 증가할수록 Id/Ig 비율이 증가하는 경향을 확인할 수 있었다.
8 kW/cm²)에서 스캔 속도를 각각 500 mm/s와 4000 mm/s로 설정하였을 경우, Fig. 3. A-D)에서 보는 것과 같이 4000 mm/s의 스캔 속도의 경우에 비해서 500 mm/s의 스캔 속도 설정에서 나타나는 그래핀 패턴의 선폭이 약 2배 가까이 증가하는 것을 관찰하였다. 레이저 스캔 속도를 증가시킬 경우 단위시간당 단위면적에 가해지는 펄스의 수가 줄어들기 때문에 열확산 효과가 줄어든 것을 알 수 있다.
3. B)에서와 같이 더 강한 광강도에서도 스캔 속도가 증가할수록 Id/Ig 비율의 증가를 확인할 수 있었다.
4. A-C) 에서와 같이 본 연구를 통해 획득한 레이저 조건을 활용하면 다양한 형태의 패턴에서도 동일한 그래핀 특성을 얻을 수 있음을 실험적으로 관찰하였다.
그래핀 구조의 불안정 정도를 의미하는 ID/IG 비율을 결정화 크기 식2)에 대입함으로써 결정화 크기[15]를 구해 보았을 때 결정화 크기가 4000 mm/s 조건에서의 결정화 크기보다 약 1.15배 큰 것으로 확인하였다.
라만 분광 측정법으로 얻은 ID/IG 비율과 그래핀의 이차원 특성의 정도 를 보여주는 2D peak의 크기를 통해 117.8 kW/cm2의 광강도와 2000 mm/s의 레이저 스캔 속도에서 2D 특성이 가장 좋은 그래핀 패턴이 구현되었다.
8 kW/cm²의 광강도와 2000 mm/s의 레이저 스캔 속도에서 2D 특성이 가장 좋은 그래핀 패턴이 구현되었다. 이는 레이저의 광 강도를 줄이거나 스캔 속도를 높일 경우, 더 좁은 선 폭의 그래핀 패턴이 얻어질 수 있으나 주입된 레이저 에너지가 부족하여 양질의 그래핀 특성이 구현되지 않음을 확인하였다.
즉 최소 117.8 kW/cm² 의 광 강도를 갖는 펄스가 단위시간당 1275 개 이상 주입되었을 때 그래핀 고유의 성질을 나타내는 2D peak을 가지는 rGO를 안정적으로 얻을 수 있음을 확인하였다. 또한 Fig.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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