KR100366809B1 - 벨트 장착 저온 열화학기상증착장치 및 이를 이용한탄소나노튜브의 합성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따라, 연속적으로 회전하는 벨트, 대면적 기판을 상부 벨트 대면적 플레이트에 공급하기 위한 대면적 기판 적재 수단, 상부 벨트의 대면적 플레이트에 대향되게 도입되어 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급 수단, 반응 가스 공급 수단의 주위에 도입되어 반응 가스 공급 수단을 통과하는 반응 가스를 분해시키기 위해 가열하는 고온 가열 히터, 분해된 상기 반응 가스의 반응종의 반응을 위해 대면적 기판을 가열하는 저온 가열 히터, 반응된 상기 반응 가스를 외부로 배출하는 반응 가스 배기 수단, 대면적 기판을 상기 벨트로부터 수거하는 기판 수거 수단, 및 벨트와 기판 적재 수단, 기판 수거 수단 사이에서 기판을 공급/수거하는 역할을 하는 로봇 팔을 포함하는 벨트 장착 저온 열화학기상증착 장치 및 이 장치를 이용하여 대량으로 탄소나노튜브를 합성하는 방법이 제공된다.

Description

벨트 장착 저온 열화학기상증착장치 및 이를 이용한 탄소나노튜브의 합성 방법 {Belt attached low temperature CVD system and method for systhesizing carbon nanotubes using the system}

본 발명은 벨트가 장착된 저온 열화학기상증착장치 및 이를 이용한 탄소나노튜브의 합성 방법에 관한 것으로, 특히 탄소나노튜브의 대량합성을 위하여 벨트를 장착시킨 저온 열화학기상증착장치 및 이 장치를 이용하여 탄소나노튜브를 합성하는 방법에 관한 것이다.

저온 열화학기상증착장치란 열에너지를 이용하여 낮은 온도, 즉, 400 - 600℃에서 가스를 분해 및 화학반응시키는 장치를 의미한다.

탄소나노튜브란 하나의 탄소원자에 3개의 다른 탄소원자가 결합되어 육각형 벌집 무늬를 이루는 구조를 가진 그래파이트을 둥글게 말아서 실린더와 같은 모양으로 형성된 것이다. 즉, 나노튜브 하나는 속이 빈 튜브 또는 실린더와 같은 모양을 갖고 있는데, 이것을 나노튜브라고 부르는 이유는 그 튜브의 직경이 보통 수 - 수백나노미터 (1나노미터는 10억분의 1미터) 정도로 극히 작기 때문이다. 그래파이트 구조를 둥글게 말면 나노튜브가 되는데 이 때 그래파이트를 어느 각도로 말 것인가에 따라서 탄소나노튜브는 금속과 같은 전기적 도체(Armchair 구조)가 되기도 하고 반도체(Zigzag 구조)가 되기도 한다. 또한 말린 형태에 따라서 단일벽 나노튜브(Single-wall Nanotube), 다중벽 나노튜브(Multi-wall Nanotube), 다발형 나노튜브(Rope Nanotube)로 구분하기도 한다. 이러한 탄소나노튜브는 전기적특성이 우수하고 기계적 강도가 크고 화학적으로 안정된 물질이므로 전자정보산업분야에서 그 응용이 크게 기대되고 있다.

근래에 이러한 탄소나노튜브 합성에 관한 여러 가지 방법이 제안되었으며 이러한 방법을 실현시키기 위한 여러 가지 장치가 사용되고 있다. 현재 사용되고 있는 장치로는 전기방전장치, 레이저증착장치, 플라즈마 화학기상증착장치, 열화학기상증착장치 등이 있다.

이 중 열화학기상증착장치를 이용하는 방법은 주로 석영튜브내에 기판을 넣은 후, 고온에서 반응가스를 분해시켜 탄소나노튜브를 합성하는 것이다. 이러한 방법을 사용하면 통상적으로 석영튜브의 온도를 고온으로 올리는 데 많은 시간이 소요되고 또한 반응이 끝난 다음, 고온으로 올라간 온도를 다시 낮은 온도로 내린 후에 시료를 석영튜브에서 꺼내야 하는데, 이 때 석영튜브가 식기까지 소요되는 시간이 아주 길기 때문에, 반응에 사용되는 장치는 비교적 간단하지만 단위시간당 생산성이 낮아지는 단점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상술한 종래의 열화학기상증착장치 등 탄소나노튜브의 합성장치의 단점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 다수의 대면적 기판 상에 연속적으로 탄소나노튜브를 합성하기 위한 벨트가 장착된 저온 열화학기상증착장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 상기한 본 발명의 장치를 이용하여 대면적 기판 상에 저온에서 연속적으로 탄소나노튜브를 합성하기 위한 탄소나노튜브의 대량 합성방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 합성하기 위한 벨트가 장착된 저온 열화학기상증착장치의 구성도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 대면적 플레이트 2 : 기판적재수단

3, 3' : 가스공급수단 4 : 고온가열히터

5 : 저온가열히터 6 : 반응가스 배기수단

7 : 기판수거수단 8 : 회전구동수단

9, 9' : 로봇 팔 10 : 벨트

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 연속적으로 회전하는 벨트, 대면적 기판을 상부 벨트 대면적 플레이트에 공급하기 위한 대면적 기판 적재 수단, 상기 상부 벨트의 대면적 플레이트에 대향되게 도입되어 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급 수단, 상기 반응 가스 공급 수단의 주위에 도입되어 상기 반응 가스 공급 수단을 통과하는 반응 가스를 분해시키기 위해 가열하는 고온 가열 히터, 상기 분해된 상기 반응 가스의 반응종의 반응을 위해 상기 대면적 기판을 가열하는 저온 가열 히터, 반응된 상기 반응 가스를 외부로 배출하는 반응 가스 배기 수단, 상기 대면적 기판을 상기 벨트로부터 수거하는 기판 수거 수단, 및 상기 벨트와 상기 기판 적재 수단, 상기 기판 수거 수단 사이에서 상기 기판을 공급/수거하는 역할을 하는 로봇 팔을 포함하는 벨트 장착 저온 열화학기상증착 장치를 제공한다..

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 합성하기 위한 벨트가 장착된 저온 열화학기상증착장치에 대해 설명한다. 즉, 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 대량합성을 위한 벨트(10)가 장착된 저온 열화학기상증착장치는, 도 1에 도시한 바와 같이, 벨트상에 일정한 간격으로 설치된 대면적 플레이트(1), 대면적 플레이트가 장치된 벨트를 회전시키는 회전구동수단(8), 반응가스를 두 단계로 공급하는 가스 공급수단(3, 3'), 반응가스 공급단의 아랫부분에 위치한 반응가스를 고온에서 분해시키기 위한 고온 가열히터(4), 벨트의 하부에 위치한 대면적 플레이트(1)에 놓여진 대면적 기판을 가열하기 위한 저온가열히터(5), 반응가스를 배출하기 위한 배기수단(6), 대면적 기판을 대면적 플레이트(1)상에 올려놓고 내려놓는 기판적재수단(2) 및 기판수거수단(7)으로 구성된다.

벨트의 회전구동수단(8)에는 모터가 설치되어 다수의 대면적 플레이트(1)가 연속적으로 연결된 벨트를 소정의 속도로 회전시킨다. 벨트상의 대면적 플레이트(1) 위로 가스를 공급하는 가스공급영역은 벨트의 상부를 따라 두 개의 영역으로 구분된다. 이중 제1단계 영역에서는 제1가스공급수단(3)이 대면적 플레이트(1)상에 적재된 대면적 기판에 암모니아 가스 등을 공급함으로써 기판상에 증착된 전이금속막을 식각하여 미세한 그레인을 형성하게 된다. 이어, 제2단계 영역에서는 제2가스공급수단(3')이 대면적 플레이트(1)상에 적재된 대면적 기판에 아세틸렌 등의 탄화가스를 공급하여 미세한 전이금속 그레인 상에 탄소나노튜브를 합성하게 된다. 가스공급영역의 아랫부분에는 반응가스를 고온에서 1차로 분해시키기 위한 고온가열히터(4)가 설치되어 있다.

한편, 회전하고 있는 벨트상의 대면적 플레이트(1) 아래에는 반응가스를 분해하고 탄소나노튜브를 합성하는데 필요한 에너지를 공급하기 위한 저온가열히터(5)가 설치되어 있고, 장치의 내측 하단부에는 반응에 사용되고 남은 잔류 반응가스를 배출하기 위한 배기용 환풍기와 함께 가스 배출구 등이 구비된 반응가스 배기수단(6)이 연결되어 있다.

또한, 대면적 플레이트(1)를 구비한 벨트의 1단계 영역에 인접하여 미가공의 대면적 기판을 벨트의 대면적 플레이트(1)상에 올려놓기 위한 기판적재수단(2)이 설치되며, 제2단계 영역의 종단부에는 합성이 종료된 대면적 플레이트(1)상의 대면적 기판을 옮겨 이를 수거하기 위한 기판수거수단(7)이 설치되어 있다. 대면적 기판을 적재하고 수거하기 위한 기판적재수단(6)과 기판수거수단(7)에는 로봇 팔(9, 9')이 장착되어, 이 로봇 팔이 연속적으로 회전하는 대면적 플레이트(1) 상에 일정한 간격으로 순차적으로 대면적 기판을 적재하고 수거하도록 구성되어 있다.

이상과 같이 구성된 본 발명에 따른 벨트가 장착된 저온 열화학기상증착장치에서는 전이금속막이 증착된 다수의 대면적 기판을 연속적으로 회전하고 있는 벨트가 장착된 대면적 플레이트(1) 상에 순차적으로 올려놓고, 대면적 기판이 상부 벨트 상에 배치된 두 단계의 영역을 통과하는 동안 상이한 반응가스를 흘려줌으로써, 다수의 대면적 기판 상에 수직배향된 탄소나노튜브를 연속적으로 합성시킬 수 있다.

상기한 바와 같은 장치를 사용하여 탄소나노튜브를 합성하는 방법은 다음과 같은 단계로 이루어진다. 즉, 대면적 기판을 대면적 플레이트 상에 순차적으로 올려놓는 단계; 상부벨트의 제1단계 영역에서 반응가스를 공급하여 고온의 온도범위에서, 1차로 고온가열히터에 의해 반응가스를 분해시킨 후 분해된 반응종을 상부 벨트위의 대면적 기판위에 도달시켜 저온가열히터로 유지시킨 낮은 온도에서 상기 전이금속막의 표면을 식각하여 표면에 미세한 그레인을 형성시키는 단계; 그리고 상부 벨트의 제2단계 영역에서 탄화가스를 공급하여 고온의 온도범위에서, 1차로 고온가열히터에서 반응가스를 분해시킨 후 분해된 반응종을 상부 벨트위의 상기 대면적 기판위에 도달시켜 저온가열히터로 유지시킨 낮은 온도에서 상기 전이금속막 표면의 미세한 그레인 상에 탄소나노튜브를 합성시키는 단계를 포함한다.

상기와 같은 공정에 사용되는 기판은, 통상적으로 글라스, 알루미나 또는 실리콘 등으로 형성된 대면적 기판상에 전이금속막을 열증착법이나 스퍼터링법 등의 방법으로 10 - 200nm, 바람직하게는 20 - 50nm정도의 두께로 증착된 기판을 사용한다.

본 발명에 따른 장치에서 고온의 온도범위와 저온의 온도범위로 나누어서 사용하는 이유는 다음과 같다. 즉, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 바와 같이, FED 또는 VFD 등의 디스플레이는 유리기판을 사용하여 진공실장을 함으로써 소자제작이 가능하다. 그런데, 유리기판은, 특히, 디스플레이에 주로 사용되고 있는 소더라임 글라스 기판은 녹는점이 550℃여서 탄소나노튜브 합성온도가 높아질 경우 유리기판이 녹아 내리는 문제점이 발생한다. 그렇지만, 탄소나노튜브의 합성에 사용되는 암모니아 또는 아세틸렌가스를 열분해시켜 반응종을 만들기 위해서는 700℃ 이상의 온도가 필요하다. 따라서 암모니아 또는 아세틸렌 가스의 열분해는 700℃ 이상의 고온의 온도 범위에서 실시하고, 상기의 반응가스 반응종이 550℃ 이하의 저온의 온도범위에서 전이금속이 증착된 유리기판위에서 반응함으로써 탄소나노튜브 합성을 실시하기 위한 것이다.

상부 벨트의 제1단계 영역에 사용되는 기체는 암모니아 또는 수소 기체를 사용하며 공급속도는 80 - 1000 sccm이 적당하다. 반응가스를 분해시키기 위한 고온의 온도범위는 통상 700 - 1100℃, 바람직하게는 800 - 850℃ 정도가 적당하며, 전이금속막 표면의 미세한 그레인 위에 탄소나노튜브를 합성하기 위한 저온 온도범위는 400 -600℃, 바람직하게는, 500 - 550℃의 온도범위이다. 상부 벨트의 제2단계 영역에서 사용되는 기체로는 아세틸렌가스, 에틸렌가스, 프로판가스, 또는 메탄가스 등의 탄화가스를 예로 들 수 있으며, 이들을 20 - 1000 sccm의 속도로 공급한다.

대면적 기판 상에 증착되는 전이금속막으로는 코발트, 니켈, 철, 이트륨, 코발트-니켈 합금, 코발트-니켈-철 합금, 코발트-철 합금, 니켈-철 합금, 코발트-니켈-이트륨 합금, 코발트-이트륨 합금 등을 사용할 수 있다. 특히, 적합한 전이금속은 철 또는 니켈이다.

이상에서, 첨부 도면을 참조한 본 발명의 장치에 대한 설명 및 이하에서 설명하는 본 발명의 방법에 대한 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이지 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며, 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위 내에서 다양한 변경이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

실시예

본 발명에 따른 벨트 장착 저온 열화학기상증착장치를 사용하여 탄소나노튜브를 합성하기 위해서는, 소더라임 글라스로 구성된 대면적 기판 상에 철을 스퍼터링법을 사용하여 20 nm 두께로 증착시켜 전이금속막이 증착된 대면적 기판을 준비한다. 이어서, 대면적 기판들을 연속적으로 회전하고 있는 벨트 형태의 대면적 플레이트(1) 상에 순차적으로 올려놓은 후, 제1단계 영역에서는 암모니아가스를 1000 sccm(standard cubic centi meter)로 공급한 후 고온가열히터를 사용하여 900℃의 온도에서 상기 반응가스를 1차로 분해시킨 후, 이 분해된 반응가스가 상기 대면적 플레이트상에 놓여있는 상기 대면적 기판위에 도달하게 하여 저온가열히터에 의하여 550℃의 온도에서 상기 전이금속막의 표면을 식각시켜 표면에 미세한 그레인을 형성한다. 이어서, 제2단계 영역에서는 에틸렌가스를 400 sccm으로 공급한 후 고온 가열히터를 사용하여 900℃의 온도에서 상기 반응가스를 1차로 분해시킨 후, 상기 분해된 반응가스가 상기 대면적 플레이트상에 놓여 있는 대면적 기판위에 도달하게 하여 저온 가열히터에 의하여 550℃의 온도에서 전이금속막 표면의 미세한 그레인 상에 탄소나노튜브를 합성시킨다. 이렇게 공정이 완료된 기판을 수거한다.

본 발명에 따른 벨트 장착 저온 열화학기상증착장치는 연속적으로 회전하는 벨트 형태의 대면적 플레이트 상에 대면적 기판을 순차적으로 올려놓고, 대면적 기판이 벨트의 회전에 따라 가스공급수단 하부의 두단계의 영역을 이동하는 동안 대면적 기판 상에 탄소나노튜브의 합성이 이루어지며, 이어 합성이 종료된 대면적 기판을 수거하는 것으로 대면적 기판 상에 탄소나노튜브의 합성작업이 완료되므로, 연속적으로 여러개의 대면적 기판 상에 탄소나노튜브를 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 벨트가 장착된 저온 열화학기상증착 장치 및 탄소나노튜브의 합성방법을 사용함으로써 짧은시간에 글라스 등의 대면적 기판에 저온에서 수직방향으로 정렬된 탄소나노튜브를 대량으로 합성할 수 있다.

이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가지는 자는 별다른 노고를 기울이지 않고 이상에서 설명한 본 발명의 장치와 방법에 다양한 변경을 가할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 이하의 특허청구의 범위는 이러한 수정과 변경을 모두 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (5)

1. 연속적으로 회전하는 벨트;

   대면적 기판을 상기 벨트의 상부 벨트 대면적 플레이트에 공급하기 위한 대면적 기판 적재 수단;

   상기 상부 벨트의 대면적 플레이트에 대향되게 도입되어 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급 수단;

   상기 반응 가스 공급 수단의 주위에 도입되어 상기 반응 가스 공급 수단을 통과하는 반응 가스를 분해시키기 위해 가열하는 고온 가열 히터;

   상기 분해된 상기 반응 가스의 반응종의 반응을 위해 상기 대면적 기판을 가열하는 저온 가열 히터;

   반응된 상기 반응 가스를 외부로 배출하는 반응 가스 배기 수단;

   상기 대면적 기판을 상기 벨트로부터 수거하는 기판 수거 수단; 및

   상기 벨트와 상기 기판 적재 수단, 상기 기판 수거 수단 사이에서 상기 기판을 공급/수거하는 역할을 하는 로봇 팔을 포함하는 것을 특징으로 하는 벨트 장착 저온 열화학기상증착 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 다수의 대면적 플레이트로 구성되는 상부 벨트가 제1단계 영역과 제2단계 영역으로 구분되며, 각각의 영역에 제1가스 공급수단과 제2가스공급수단이 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 벨트형 저온 열화학기상증착장치.
3. 대면적 기판 적재 수단에 의해서 전이 금속막이 표면에 형성된 대면적 기판을 회전하는 벨트 상의 대면적 플레이트 상에 순차적으로 올려놓는 단계;

   상기 벨트에 저온 가열 히터를 도입하여 올려진 상기 대면적 기판을 가열하는 단계;

   상기 벨트의 제1단계 영역에서 반응 가스를 공급을 위한 반응 가스 공급 수단과 상기 반응 가스를 분해하기 위해 상기 반응 가스를 가열하는 고온 가열 히터를 도입하고 상기 고온 가열 히터에 의해 반응 가스를 분해시킨 후 분해된 반응종을 상기 벨트 상의 상기 대면적 기판 상에 도달시켜, 상기 저온 가열 히터로 유지시킨 상대적으로 낮은 온도에서 상기 전이 금속막의 표면을 상기 반응종의 반응으로 식각하여 표면에 미세한 그레인을 형성시키는 단계; 및

   상기 벨트의 제2단계 영역에서 탄화 가스를 공급하기 위한 다른 반응 가스 공급 수단과 상기 탄화 가스를 분해하기 위해 상기 탄화 가스를 가열하는 다른 고온 가열 히터를 도입하고 상기 다른 고온 가열 히터에 의해 상기 탄화 가스를 분해시킨 후 분해된 반응종을 상기 벨트 상의 상기 대면적 기판에 도달시켜, 상기 저온 가열 히터로 유지시킨 낮은 온도에서 상기 전이 금속막의 미세한 그레인 상에 탄소 나노튜브를 합성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제1항 또는 제2항의 장치를 사용하여 탄소 나노튜브를 합성하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 전이금속막은 코발트, 니켈, 철, 이트륨, 코발트-니켈 합금, 코발트-철 합금, 니켈-철 합금, 코발트-니켈-철 합금, 코발트-니켈-이트륨 합금, 코발트-이트륨 합금 중에서 선택된 어느 하나의 금속막인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 합성방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 전이금속막이 철 또는 니켈임을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 합성방법.