KR100329379B1 - 카본 반도체섬유의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 카본섬유에 불순물이온을 인위적으로 도핑시켜 카본섬유의 내부에 전공을 함유케 한 카본 반도체섬유의 제조방법에 관한 것으로, 팬 계열의 카본섬유를 인 또는 보론 불순물 함유용액에 함침(含浸)하여 카본섬유에 불순물을 이온주입하는 과정과, 카본섬유에 주입된 상기 불순물의 채널링을 위해 불순물용액에 함침한 상태에서 카본섬유의 양단에 인가된 전원의 극성을 교번시킴과 동시에 전계와 자계가 직교하는 곳에서 주입된 이온이 수직방향으로 입사되도록 이온질량을 분리하기 위한 웨인-필터링을 하는 과정과, 상기 이온확산과정에서 카본섬유에 발생하는 기공을 메워 전도성을 향상시킬 수 있도록 불순물 이온주입된 카본섬유 표면에 전도금속을 도포하기 위해 전도금속 함유용액에 카본섬유를 함침하는 과정과, 카본섬유에 주입된 불순물이온의 전공을 따라 이동하는 전자의 움직임을 활성화시키기 위해 상기 카본섬유 표면에 도포된 전도금속을 노광하는 과정, 및 상기 기공에 자리잡은 전도금속을 고착시키기 위하여 열건조하는 과정을 구비하여 이루어진다.

Description

카본 반도체섬유의 제조방법{Methode for fabricating carbon semiconductor fiber}

본 발명은 카본섬유(carbon fiber)에 불순물 이온을 인위적으로 도핑(doping)시켜 카본섬유의 내부에 전공(charge carrier)을 함유케 한 카본 반도체섬유의 제조방법에 관한 것이다.

종래의 전원부 발열장치에는 주지하고 있는 바와 같이 전기저항선에서 발생하는 열을 이용하는 방식을 사용하여 왔으나, 이러한 방식의 발열장치를 인체와 직접 접촉하는 전기매트 등의 발열장치로 사용하기에는 전기저항선의 전류흐름으로 부터 발생하는 전자기장에 의한 유동자기파나 전자파 등으로 인해 인체에 해로운 영향을 주게 되는 문제가 있다.

따라서, 이러한 문제들을 해결하기 위한 다양한 연구가 당분야에서 진행되고 있으며, 이하에서 설명하는 본 발명에서도 기존에 사용하던 전기저항선의 저항열을 이용하는 방법과는 전혀 다른 방법으로 발열하면서, 인체에 유해한 전자파를 발생하지 않는 반도체 발열섬유의 제조방법을 제시하고자 하는 것으로, 간략하면, 카본섬유에 인(phosphorous)이나 보론(boron) 불순물을 확산법으로 도핑하여 인위적으로 카본에 전공(charge carrier)을 함유케 하는 방법인 것이다. 이렇게 제작된 카본 반도체섬유 양단에 전원을 인가하면 전자가 전공만을 따라 이동하게 되며, 전원으로 부터 공급된 전자가 카본섬유 밑에 자리잡은 금속원자 페르미(Fermi) 준위에 가전자대(valence band)를 교란하여 전도대(conduction band)와의 대역차(band gap) 만큼 열을 발생되는 원리를 기본으로 한다.

반도체(semicondutor)들은 대부분 공유결합 구조로 되어 있는 것이 통념화 되어 있지만, 카본을 이용한 반도체섬유(semiconductor fiber)는 이온확산(ion diffusion)을 기본으로 하는 반도체공정을 변형시킨 것으로 카본섬유에 이온주입(ion implantation)하는 것으로 이해하는 것이 좋다.

카본 반도체섬유의 제조과정에는 기본적으로 물리기상증착(PVD: Physical Vapor Deposition) 공정과 자기식 이온 직접입사 필터(Wein-Filter)의 변형적 활용이 이용된다.

본 발명은 종래의 발열 전기저항선으로 부터 야기되는 전자기장에 의해 인체에 해로운 유동자기파나 전자파 등이 발생하던 문제를 해결하기 위해 카본섬유에 불순물을 인위적으로 도핑시켜 카본섬유의 내부에 전공을 함유케 하는 카본반도체섬유의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 카본 반도체섬유 제조방법의 바람직한 일 실시예는, 팬 계열의 카본섬유를 인 또는 보론 불순물 함유용액에 함침(含浸)하여 카본섬유에 불순물을 이온주입하는 제1과정과, 카본섬유에 주입된 상기 불순물의 채널링을 위해 불순물용액에 함침한 상태에서 카본섬유의 양단에 인가된 전원의 극성을 교번시킴과 동시에 전계와 자계가 직교하는 곳에서 주입된 이온이 수직방향으로 입사되도록 이온질량을 분리하기 위한 웨인-필터링을 하는 제2과정과, 상기 이온확산과정에서 카본섬유에 발생하는 기공을 메워 전도성을 향상시킬 수 있도록 불순물 이온주입된 카본섬유 표면에 전도금속을 도포하기 위해 전도금속함유용액에 카본섬유를 함침하는 제3과정과, 카본섬유에 주입된 불순물이온의 전공을 따라 이동하는 전자의 움직임을 활성화시키기 위해 상기 카본섬유 표면에 도포된 전도금속을 노광하는 제4과정, 및 상기 기공에 자리잡은 전도금속을 고착시키기 위하여 열건조하는 제5과정을 구비하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 카본 반도체섬유 제조방법을 순차로 나타내고 있는 제조순서도이고,

도 2는 본 발명에 따른 카본 반도체섬유를 제조하기 위한 장치의 개략도이고,

도 3은 본 발명에 따른 카본 반도체섬유 제조를 위한 노광장치를 도시한 도면이고,

도 4는 종래의 노광장치를 도시한 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

20 : 수조 21 : 자석

22 : 불순물용액 23 : 카본섬유

31 : 할로겐램프 32,44 : 볼록렌즈

33,41 : 거울 42 : 수은 아크램프

43 : 필터 45 : 마스크

46 : 오목렌즈

이하, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 카본 반도체섬유 제조방법을 보다 상세히 설명하기로 한다.

첨부도면, 도 1은 본 발명에 따른 카본 반도체섬유의 제조방법을 순차로 나타내고 있는 제조순서도이고, 도 2는 본 발명에 따른 카본 반도체섬유를 제조하기 위한 장치의 개략도이고, 도 3은 본 발명에 따른 카본 반도체섬유를 제조하기 위한 노광장치를 도시한 도면이고, 도 4는 종래의 노광장치를 도시한 도면이다.

먼저, 도 1 및 도 2을 참조하여 본 발명에 따른 카본 반도체섬유 제조방법을 살펴보면, 팬(Pan) 계열의 카본섬유(23)를 준비하여(S1), 상기 카본섬유(23)를 수조(20)에 담겨진 인(phosphorous)이나 보론(boron) 불순물 함유용액(22)에 상기 카본섬유(23)를 함침하여 카본섬유에 불순물을 이온주입한 다음(S1), 카본섬유(23)에 주입된 상기 불순물의 채널링을 위해 불순물용액에 함침된 상태에서 카본섬유(23)의 양단에 인가된 전원의 극성을 빠르게 바꾸어 교대로 교번시킴과 동시에 전계와 자계가 직교하는 곳에서 주입된 이온이 수직방향으로 입사되도록 이온질량을 분리하기 위한 카본섬유(23)가 통과하는 통로 양측(또는, 상하측)에 위치한 자석(21)을 이용하여 웨인-필터링을 한 후(S3), 상기 이온확산 과정에서 카본섬유(23)에 발생하는 기공을 메우기 위해 불순물 이온주입된 카본섬유(23)에 크롬을 도포하기 위하여 크롬함유용액에 함침하고(S4), 상기 카본섬유(23)에 주입된 불순물이온의 전공을 따라 이동하는 전자의 움직임이 활성화시키기 위해 상기 카본섬유에 도포된 크롬에 노광한 다음(S5), 상기 기공에 자리잡은 크롬을 고착시키기 위하여 열건조(S6)하는 과정을 구비하여 본 발명의 카본 반도체섬유가 제작되어진다.

일반적으로 카본은 금속도체 중에서 저항계수가 가장 큰 원소로 알려져 있고, 전자회로적으로 높은 교류전압을 직접 인가하게 되더라도 전자의 움직임을 둔화시키기에 충분하여서 도핑시 그에 따라 생성되는 전공이 전자를 운반하기에 알맞은 조건이 된다. 또, 레이온(rayon)을 탄화시켜 만든 팬(pan) 계열의 카본은 거의 순수한 탄소로 이루어져 있으므로 별도의 웨이퍼링(wafering)이 없이도 불순물 주입이 용이한 것으로 알려져 있다.

인(phosphorous)은 반도체 도핑 불순물로 사용되는 물질 중에서 가장 확산성이 높고, 참고로 실리콘 내에서의 인의 확산계수를 수학식을 통해 살펴보면 다음과 같다.

D=Di^o+Di^-(n/ni)+Di^2-(n/ni)²

= 3.85e^-(3.66ev/kT)+4.44(n/ni)^e-(4.0ev/kT)

= 44.2(n/ni)²e^-(4.37ev/kT)

따라서, 상기한 수학식 1에 의하면, 안티몬(Sb), 비소(As), 붕소(B) 보다 높은 확산계수를 갖고 있음을 알 수 있다. 그러므로, 확산이 용이한 인을 카본에 도핑하는 것으로, 도핑하는 방법으로는 기존의 표면처리기술의 에칭시스템과 유사하면서도 PVD(Physical Vapor Deposition)의 스퍼터링 개념과 유사한 공정방법을 이용하며, 여기에 필요한 시스템 구조는 카본섬유를 인산용액이나, P,KH₂PO₄/H₂O 10%용액에 함침(含浸)하여 카본섬유의 양단에 약 24볼트 이상의 직류전압을 인가하면 카본섬유에 전자가 흐르게 되고, 용액에 함유되어진 인 불순물이 +이온화되어 카본에 침투되어 침투한 인이 그 확산력으로 인하여 카본섬유에 깊숙히 도핑되어 지는 것이다. 마찬가지로, 카본섬유에 도핑 불순물로 사용되는 물질로는 보론(boron)이 사용될 수 있다

상기 채널링 과정(S3)은 확산에 의한 이온의 침투를 돕는 작용을 하는 방식의 하나로, 이온이 한 방향의 입사각으로 주입되는 것보다는 또다른 입사각이 주어지도록 한다. 이온의 확산시 상당량의 이온이 격자모양의 원자구조의 표면에서 산란되고, 긴 거리에 걸쳐 카본의 격자구조로로 인해 주입되는 이온들이 카본원자들과 충돌하여 자리잡기 어려우므로, 여러 가지 입사각의 이온주입 방향을 주어 이온의 확산과정을 활성화시키는 것이다. 여러 가지의 채널링 방법 중에서 표면의 비정질화나 이온도즈의 증가 또는 공정온도의 증가(인은 400℃ 정도에서 확산계수가 가장크다) 보다는 채널의 회전(rotation)이 가장 용이하므로 이 방법을 사용한다. 채널링을 위한 채널의 회전은 단순히 카본섬유의 양단에 인가된 전극의 극성을 교대로 바꾸는 방식으로도 가능하며, 장치의 경제적인 비용을 고려할 때, 이 방법을 사용하는 것이 가장 적절하다.

웨인-필터(Wein-Filter)는 전계와 자계가 직교하는 곳에서 이온을 수직으로 입사시키기 위한 장치이다. 웨인-필터는 질량을 분리하는 장치로써 변형시켜 사용할 수 있으며, 이렇게 질량을 분리하여 이온을 입사시키는 웨인-필터링을 통해(S3) 불순물이온의 주입효율이 좋아지게 된다.

상기 전도금속은 황화구리, 산화구리, 철(Fe), 또는 크롬(Cr) 등의 전도성이 있는 금속이다. 상기한 바의 전도성이 있는 금속으로 된 일군의 전도금속 중에서 선택된 어느 하나를 함유하고 있는 전도금속 함유용액에 카본섬유를 함침하는 과정(S4)은 카본섬유가 이온 확산법에 의해 에칭(etching)되어 표면에 생기는 기공을 상기 전도금속 함유용액 속에 있는 전도금속으로 메워주기 위한 것이다. 이 과정은 카본섬유의 전도성과 충전도를 향상시키기 위하여 고안된 공정으로 상기 전도금속 함유용액은 반도체 제조과정에 사용되는 마스크와 같은 효용을 나타내게 된다. 이미 인(phosphorus) 불순물이 도핑된 카본섬유에 전압을 인가하면 이온의 전공을 따라 전자가 이동하게 되지만, 이때의 전자 움직임은 매우 둔화되어 있으므로, 이를 해결하기 하기 위하여 전도금속을 카본섬유에 주입시켜 전자의 움직임을 활성화하여 전도성을 높이게 된다. 상기 전도금속들은 단독으로 카본섬유에 주입할 수가 없으며, 예컨대, 전도금속중의 하나인 크롬을 주입시키기 위해서는 N/10 K₂Cr₂O₇용액에 불순물이 도핑된 카본섬유를 함침하고, 건조과정을 거쳐 카본섬유의 표면에 고착시키고, 전도금속이 고착된 카본섬유의 표면을 노광시키는 과정을 통해 이루어진다.

상기 노광공정(S5)은 상기한 전도금속을 카본섬유 속으로 깊숙히 자리잡게하기 위한 것으로, 투사인쇄법 중에서 굴절투사형(refractive projection)의 변형을 이용한다.

종래의 굴절투사형 노광법은 도 4와 같은 장치를 이용하나, 본 발명에서는 도 3에서 보는 바와 같이, 종래의 수은램프(42)와 거울(41)을 대신하여 나팔형 할로겐 램프(31)를 사용하였으며, 종래와 같이 필터(43)와 마스크(45)를 사용함이 없이 상기 나팔형 할로겐램프(31)의 하부 적정위치에 볼록렌즈(32)와 거울(33)을 순차로 위치시켜 사용함으로써 종래의 굴절투사형 노광장치와 동일한 노광효과를 거둘 수 있었다.

상기 열건조과정(S6)은 광자(photon)에 의해 카본섬유에 자리잡은 상기 전도금속을 고착시키기 위한 것으로, 전도금속 함유용액에 카본섬유를 함침,도포하는 과정에서 전도금속이 이온화되거나 카본과 공유결합된 상태가 아니고 혼합물 상태로 기공에 채워져 있는 것이므로, 열건조 장치에서 노광시킴으로서 혼합물 상태의 전도금속을 건조시켜 카본섬유 표면에 고착시키는 것이다.

위와 같은 과정으로 제작되어진 카본 반도체섬유는 섬유의 양단에 전압을 인가하면 인이온이 전공(charge carrier)을 공급하고, 전자가 전공을 따라 이동하게 되므로 P형 반동체특성을 지닌 섬유가 된다. 또한, 카본섬유는 전공이 전도금속의 분자를 통하여 전류를 인가하게 되므로, 콘덴서적인 특성을 지니게 되어 고유 저항성을 잃고 저항이 가변된다.

발열은 금속과 반도체를 연결하여 전류를 인가하게 되면 주울(joule) 열 이외의 열을 발생하거나 흡수하는 현상인 펠티어(Peltier) 효과를 기본원리로 하고있으며, 반도체의 전공을 따라 전자가 이동할 때, 다른 종류 금속의 전도대 위로 가전자를 끌어 올림으로 생기는 가전자대를, 금지대를 넘어 전도대의 윗쪽까지 끌어 올려 발생하는 갭(gap) 만큼 열로 환원되는 것이다. 펠티어효과에 의해 흡수 또는 발생하는 열에너지(Q)는 접촉점을 흐르는 전류(I)에 비례하며, 그 관계식은 Q = πI 로 표현되며, 여기서 π는 펠티어계수이고, 상기 펠티어계수 π는 씨벡(seebeck)계수(α)와의 관계로 부터, π=αT와 같이 켈빈(Kelvin)관계식으로 나타낼 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따른 카본 반도체섬유는 카본섬유에 인(phosphorous)이나 보론(boron) 불순물을 확산법으로 도핑하여 인위적으로 카본에 전공(charge carrier)을 함유케 한 것으로, 이렇게 제작된 카본 유사 일차 반도체섬유 양단에 전원을 인가하면 전자가 전공만을 따라 이동하게 되며, 전원으로 부터 공급된 전자가 카본섬유 밑에 자리잡은 금속원자 페르미 준위에 가전자대를 교란하여 전도대와의 대역차 만큼 열을 발생되는 원리를 이용한 것으로, 그것은 반도체의 전공을 따라 이동하는 전도 전자가 금속의 가전자대와 공유결합을 하려는 전자의 결합력으로 인하여 에너지준위를 끌어 올리므로 발열이 되고, 다시 금속에서 카본섬유로 전자가 이동할 때, 냉각이 되어 에너지준위가 환원되는 원리인 것이다.

따라서, 상술한 바의 본 발명에 따른 카본 반도체섬유의 제조방법에 의하면, 카본섬유에 불순물을 인위적으로 도핑시켜 카본섬유의 내부에 전공을 함유케하여 반도체섬유와 금속박판(도체)과의 접합부분에서 발열을 시킬 수 있게 하는 새로운형태의 반도체섬유를 제공함으로서, 종래의 발열체인 전기저항선을 대체함으로써 전기저항선으로 부터 발생하는 인체에 유해한 전자기장에 의한 유동자기파나 전자파 등이 발생하던 문제를 근본적으로 해소할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 팬 계열의 카본섬유를 인 또는 보론 불순물 함유용액에 함침(含浸)하여 카본섬유에 불순물을 이온주입하는 제1과정과, 카본섬유에 주입된 상기 불순물의 채널링을 위해 불순물용액에 함침한 상태에서 카본섬유의 양단에 인가된 전원의 극성을 교번시킴과 동시에 전계와 자계가 직교하는 곳에서 주입된 이온이 수직방향으로 입사되도록 이온질량을 분리하기 위한 웨인-필터링을 하는 제2과정과, 상기 이온확산과정에서 카본섬유에 발생하는 기공을 메워 전도성을 향상시킬 수 있도록 불순물 이온주입된 카본섬유 표면에 전도금속을 도포하기 위해 전도금속 함유용액에 카본섬유를 함침하는 제3과정과, 카본섬유에 주입된 불순물이온의 전공을 따라 이동하는 전자의 움직임을 활성화시키기 위해 상기 카본섬유 표면에 도포된 전도금속을 노광하는 제4과정, 및 상기 기공에 자리잡은 전도금속을 고착시키기 위하여 열건조하는 제5과정을 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는카본 반도체섬유의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 상기 전도금속은 황화구리, 산화구리, 철, 또는 크롬 등으로 된 전도성이 있는 금속군 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 카본 반도체섬유의 제조방법.