KR100374972B1 - 탄소나노튜브의 팁 오픈 방법 및 정제 방법 - Google Patents

Abstract

물리적 에너지를 이용한 탄소나노튜브의 팁(tip) 오픈 방법 및 정제 방법에 관하여 개시한다. 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 팁 오픈 방법 및 정제 방법에서는 기판상에 미정제(未精製) 탄소나노튜브를 수직으로 세워 정렬한다. 그 후, 상기 정렬되어 있는 미정제 탄소나노튜브의 소정의 높이 레벨에서, 상기 기판의 주면(主面)에 대하여 평행한 방향으로 상기 미정제 탄소나노튜브에 물리적 에너지를 인가하여, 상기 미정제 탄소나노튜브의 팁 부분을 제거하고, 상기 미정제 탄소나노튜브의 팁 부분 및 외벽에 존재하는 불필요한 물질을 제거한다.

Description

탄소나노튜브의 팁 오픈 방법 및 정제 방법{Method for opening tip of carbon nanotubes and purifying the same}

본 발명은 탄소나노튜브(carbon nanotubes)의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 탄소나노튜브의 팁(tip) 오픈 방법 및 정제 방법에 관한 것이다.

탄소나노튜브는 그 직경이 보통 수 nm 정도로 극히 작고, 아스펙트비(aspect ratio)가 10 ∼ 1000 정도인 극히 미세한 원통형의 재료이다. 탄소나노튜브에서 하나의 탄소 원자는 3개의 다른 탄소 원자와 결합되어 있고 육각형 벌집 무늬를 이룬다. 탄소나노튜브는 그 구조에 따라서 금속적인 도전성 또는 반도체적인 도전성을 나타낼 수 있는 재료로서, 여러가지 기술 분야에 폭넓게 응용될 수 있을 것으로 기대되는 물질이다.

탄소나노튜브는 매우 큰 강도를 가지며, 우수한 전자 방출 능력을 갖는 것으로 알려져 있다. 탄소나노튜브의 이와 같은 성질들로 인하여 평판 디스플레이 등 다양한 소자를 제조하는 데 응용될 수 있는 가장 이상적인 재료로 평가되고 있다.

전자(electron)들은 탄소나노튜브의 측면이 아닌 끝부분에서 주로 방출된다. 따라서, 탄소나노튜브가 전자 소자들에 응용되기 위하여는 탄소나노튜브에서의 전자 방출 특성을 좋게 하기 위하여 탄소나노튜브들은 그들이 성장되는 기판상에 수직으로 정렬되어야 한다.

근래, 탄소나노튜브를 수직으로 정렬시켜 성장시키기 위한 대량 합성 방법들이 다양하게 제안되었다. 그 중, 촉매를 이용하는 CVD(Chemical Vapor Deposition) 기술에 의하여 성장되는 탄소나노튜브는 팁 부분에서 배향 각도와 길이가 다양하여 이를 조절할 필요가 있다. 또한, 탄소나노튜브의 팁 부분에서는 탄소나노튜브 내부의 공간에 촉매 금속 입자가 들어가게 되면 합성 후 그대로 남아 있어서 이를 제거할 필요가 있다.

또한, 탄소나노튜브의 외벽중 측벽은 헥사곤(hexagons)으로만 이루어지는 그래파이트(graphite)로만 구성되어 있으나, 탄소나노튜브의 외벽중 팁 부분은 단순한 원통형으로부터 원뿔형 또는 다면체에 이르기까지 다양하게 변형된 폐관(closed tube) 형태로 이루어진다. 그 결과, 탄소나노튜브의 팁 부분에서는 원자 레벨에서의 토폴로지 결함(topological defects)이 발생되어 왜곡이 생긴다.

또한, 지금까지 개발된 탄소나노튜브의 합성 방법들에서는 탄소나노튜브의 성장과 함께 탄소 나노입자 또는 비정질 탄소입자와 같는 탄소질 재료들이 부산물로서 항상 생성되며, 이들 부산물들은 탄소나노튜브의 외벽에 많이 존재한다.

따라서, 탄소나노튜브의 전자방출 특성을 이용하여 탄소나노튜브를 전자소자에 적용하기 위하여는 탄소나노튜브의 합성 후에 탄소나노튜브의 길이 조절 및 팁 형태 조절은 물론 조생성물(粗生成物)의 정제 과정을 반드시 거쳐야 한다.

종래 기술에서는 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 대기 또는 산소 분위기 또는 암모니아 분위기 하에서 열처리를 하거나 플라즈마 분위기에서 표면 처리를 하는 방법을 이용하였다. 이들 방법은 탄소나노튜브의 표면에 붙어 있는 탄소 입자들을 제거하는 데는 비교적 효과적이나, 탄소나노튜브의 길이는 조절할 수 없고, 또한 탄소나노튜브의 팁 부분에 있는 촉매 금속 입자를 제거하는 데에는 별로 효과가 없다.

본 발명의 목적은 단순한 공정에 의하여 탄소나노튜브의 길이 조절 및 팁 형태 조절이 가능한 탄소나노튜브의 팁 오픈 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 단순한 공정에 의하여 탄소나노튜브의 팁 부분에 있는 촉매 금속 입자 및 탄소나노튜브의 외벽에 존재하는 탄소 입자와 같은 부산물들을 효과적으로 제거할 수 있는 정제 방법을 제공하는 것이다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소나노튜브의 팁 오픈 방법 및 정제 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.

도 2는 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 팁 오픈 방법 및 정제 방법에서 물리적 에너지 인가 수단으로서 전류가 흐르는 열선을 사용하는 경우를 도시한 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 팁 오픈 방법 및 정제 방법에서 물리적 에너지 인가 수단으로서 레이저 빔을 사용하는 경우를 도시한 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 기판, 12: 미정제 탄소나노튜브, 12a: 탄소나노튜브, 20: 물리적 에너지, 30: 열선, 32: 전극, 34: 전극 높이 조절 장치, 36: 전류계, 38: 전압계, 40: 레이저 빔, 42: 레이저 총, 44: 레이저 발진기, 46: 지지대.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 팁 오픈 방법에서는 기판상에 미정제(未精製) 탄소나노튜브를 수직으로 세워 정렬한다. 그 후, 상기 정렬되어 있는 미정제 탄소나노튜브의 소정의 높이 레벨에서, 상기 기판의 주면(主面)에 대하여 평행한 방향으로 상기 미정제 탄소나노튜브에 물리적 에너지를 인가하여, 상기 미정제 탄소나노튜브의 팁 부분을 제거한다.

바람직하게는, 상기 물리적 에너지 인가 단계에서는 전류가 흐르는 열선을 사용할 수 있다. 이를 위하여, 먼저 상기 열선의 높이를 미세 조정함으로써 상기 열선의 높이를 상기 소정의 높이 레벨로 맞춘 후, 상기 소정의 높이 레벨에서 상기 미정제 탄소나노튜브와 상기 열선을 접촉시킨다.

상기 미정제 탄소나노튜브와 상기 열선을 접촉시키기 위하여, 상기 물리적 에너지 인가 단계에서는 상기 열선을 상기 기판의 주면에 대하여 평행하게 이동시키거나, 또는 상기 기판을 이동시킨다.

상기 열선은 크롬, 텅스텐, 또는 내열 합금으로 이루어진다.

또한 바람직하게는, 상기 물리적 에너지 인가 단계에서는 레이저 빔을 사용할 수 있다. 이를 위하여, 먼저 상기 레이저 빔이 조사될 높이를 미세 조정하여 상기 소정의 높이 레벨로 맞춘 후, 상기 소정의 높이 레벨에서 상기 레이저 빔을 상기 미정제 탄소나노튜브에 조사한다.

상기 레이저 빔의 광원으로서 예를 들면 KrF 레이저, ArF 레이저, 루비 레이저, 아르곤 레이저, He-Ne 레이저 또는 CO₂레이저를 사용할 수 있다.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 정제 방법에서는 기판상에 미정제(未精製) 탄소나노튜브를 수직으로 세워 정렬한다. 그 후, 상기 정렬되어 있는 미정제 탄소나노튜브의 소정 높이 레벨에서, 상기 기판의 주면(主面)에 대하여 평행한 방향으로 상기 미정제 탄소나노튜브에 물리적 에너지를 인가하여, 상기 미정제 탄소나노튜브의 팁 부분 및 외벽에 존재하는 불필요한 물질을 제거한다.

상기 물리적 에너지 인가 단계에서는 전류가 흐르는 열선을 상기 미정제 탄소나노튜브에 접촉시키거나, 레이저 빔을 상기 미정제 탄소나노튜브에 조사한다.

본 발명에 따른 탄소나노튜브의 팁 오픈 방법 및 정제 방법에서는 비교적 간단하고 단순한 방법에 의하여 탄소나노튜브의 팁 형태 및 길이를 정밀하고 효율적으로 조절할 수 있고, 미정제 탄소나노튜브의 팁 부분에 남아 있던 촉매 금속 입자와 그 외벽에 붙어 있던 탄소 나노입자 또는 비정질 탄소와 같은 부산물들이 효율적으로 제거된다.

다음에, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예들은 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예들에 한정되는 것은아니다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소 난노튜브의 팁 오픈 방법 및 정제 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.

먼저, 도 1a에 도시한 바와 같이, 수평 방향으로 연장되어 있는 대면적 기판(10)상에 미정제(未精製) 탄소나노튜브(12)를 수직으로 세워 정렬시킨다.

상기 기판(10)상에 수직으로 정렬된 상기 미정제 탄소나노튜브(12)는 통상의 탄소나노튜브 합성 방법을 이용하여 상기 기판(10)상에 탄소나노튜브를 직접 성장시키는 방법으로 얻어질 수 있다. 또 다른 방법으로서, 전도성 고분자 또는 미세 구멍을 이용하는 통상의 방법 등을 이용하여, 이미 합성된 탄소나노튜브를 상기 기판(10) 위에 수직으로 세우는 방법으로 상기 미정제 탄소나노튜브(12)를 정렬시킬 수도 있다.

도 1b를 참조하면, 상기 정렬되어 있는 미정제 탄소나노튜브(12)의 소정 높이 레벨에서, 상기 미정제 탄소나노튜브(12)의 길이 방향에 수직으로, 즉 상기 기판(10)의 주면(主面)에 대하여 평행한 방향으로 물리적 에너지(20)를 인가하여, 상기 미정제 탄소나노튜브(12)에서 상기 물리적 에너지(20)가 인가된 부분을 태워버린다.

그 결과, 도 1c에 도시한 바와 같이, 상기 미정제 탄소나노튜브(12)의 팁 부분이 제거되고 각 탄소나노튜브(12)의 길이가 일정하게 됨으로서, 원하는 길이를가지는 탄소나노튜브(12a)가 얻어진다. 또한, 상기 물리적 에너지(20)의 인가에 의하여, 상기 미정제 탄소나노튜브(12)의 팁 부분에 남아 있던 촉매 금속 입자들도 제거되고, 그 외벽에 붙어 있던 탄소 나노입자 또는 비정질 탄소와 같은 부산물들도 함께 제거된다. 따라서, 상기 물리적 에너지(20)의 인가 후에는 팁 부분이 잘 정제된 탄소나노튜브(12a)를 얻을 수 있다.

도 2 및 도 3은 각각 미정제 탄소나노튜브(12)에 상기 물리적 에너지(20)를 인가하는 방법을 예시한 것이다. 이들에 대하여 다음에 보다 구체적으로 설명한다.

도 2에 도시한 예는 상기 물리적 에너지(20) 인가 수단으로서 전류가 흐르는 열선(30)을 사용하는 경우이다.

양단부가 전극(32)에 연결되어 있는 상기 열선(30)이 상기 기판(10)의 주면에 대하여 평행하게 연장된 상태 즉 수평을 유지한 상태로, 전극 높이 조절 장치(34)를 이용한 미세 조정에 의하여 상기 열선(30)을 상하 방향으로 미세하게 이동시켜, 상기 열선(30)의 높이를 상기 미정제 탄소나노튜브(12)의 원하는 높이에 맞춘다. 그 후, 상기 열선(30)에 전류가 흐르는 상태에서, 상기 열선(30)이 상기 원하는 높이에서 상기 정렬되어 있는 미정제 탄소나노튜브(12)와 접촉되도록 상기 열선(30)을 상기 기판(10)의 주면에 대하여 평행하게 이동시킴으로써, 상기 미정제 탄소나노튜브(12)에서 상기 열선(30)에 접촉되는 부분을 태워버린다.

상기 설명에서는 상기 열선(30)을 이동시켜서 상기 열선(30)과 미정제 탄소나노튜브(12)를 접촉시키는 것으로 설명하였으나, 반대로 상기 열선(30)의 위치는 고정시킨 상태에서 상면에 미정제 탄소나노튜브(12)가 정렬되어 있는 상기기판(10)을 이동시킴으로써, 상기 열선(30)과 미정제 탄소나노튜브(12)를 접촉시키는 것도 가능하다.

상기 열선(30)은 미세한 직경을 갖는 금속, 예를 들면 크롬, 텅스텐, 또는 내열 합금으로 이루어질 수 있다. 상기 열선(30)에는 필요에 따라 다양하게 조절된 전류량을 인가할 수 있다. 도 2에서 참조 부호 "36"은 전류계, "38"은 전압계를 각각 나타낸다.

도 3에 도시한 예는 상기 물리적 에너지(20) 인가 수단으로서 고에너지를 갖는 레이저 빔(40)을 사용하는 경우이다. 지지대(46)에 고정되어 있는 레이저 발진기(44)에 연결된 레이저 총(42)으로부터 레이저 빔(40)을 상기 기판(10)의 주면에대하여 평행한 경로 즉 수평 방향의 경로에 따라 조사한다. 이 때, 예를 들면 미세 조정이 가능한 레버와 같은 높이 조절 장치(도시 생략)를 미세하게 조정함으로써, 상기 지지대(46)상의 레이저 발진기(44)를 상하 방향으로 미세하게 이동시켜, 상기 레이저 빔(40)이 상기 미정제 탄소나노튜브(12)의 원하는 높이에 조사될 수 있도록 한다. 상기 레이저 빔(40)이 상기 미정제 탄소나노튜브(12)를 관통하여 조사됨에 따라 상기 미정제 탄소나노튜브(12)의 팁 부분이 상기 레이저 빔(40)에 의하여 타서 제거된다.

상기 레이저 빔(40)을 조사하는 데 사용되는 레이저 광원으로서 예를 들면 KrF(248nm) 레이저, ArF(193nm) 레이저, 루비 레이저, 아르곤 레이저, He-Ne 레이저 또는 CO₂레이저를 사용할 수 있다.

본 명세서 및 첨부 도면에는 최적의 실시예들을 개시하였다. 여기에는 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것으로, 의미를 한정하거나 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 탄소나노튜브의 팁 오픈 방법 및 정제 방법에서는 대면적 기판상에 수직 방향으로 세워 정렬한 미정제 탄소나노튜브에 대하여 원하는 높이 부분에 물리적 에너지를 상기 미정제 탄소나노튜브가 정렬된 기판과 평행한 방향으로 인가하여 상기 미정제 탄소나노튜브의 팁 부분을 태워서 오픈시키는 동시에 그 길이를 조절한다.

본 발명에 따른 탄소나노튜브의 팁 오픈 방법 및 정제 방법에 따르면, 비교적 간단하고 단순한 방법에 의하여 탄소나노튜브의 팁 형태 및 길이를 정밀하고 효율적으로 조절할 수 있으며, 동시에 미정제 탄소나노튜브의 팁 부분에 남아 있던 촉매 금속 입자와 그 외벽에 붙어 있던 탄소 나노입자 또는 비정질 탄소와 같은 부산물들도 함께 제거되어 효율적인 정제 효과를 얻을 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형이 가능하다.

Claims (16)

1. 기판상에 미정제(未精製) 탄소나노튜브를 수직으로 세워 정렬하는 단계와,

   상기 정렬되어 있는 미정제 탄소나노튜브의 소정의 높이 레벨에서, 상기 기판의 주면(主面)에 대하여 평행한 방향으로 상기 미정제 탄소나노튜브에 물리적 에너지를 인가하여, 상기 미정제 탄소나노튜브의 팁 부분을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 팁 오픈 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 물리적 에너지 인가 단계에서는 전류가 흐르는 열선을 사용하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 팁 오픈 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 물리적 에너지를 인가하기 전에 상기 열선의 높이를 미세 조정함으로써 상기 열선의 높이를 상기 소정의 높이 레벨로 맞추는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 팁 오픈 방법.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 물리적 에너지 인가 단계에서는 상기 소정의 높이 레벨에서 상기 미정제 탄소나노튜브와 상기 열선을 접촉시키는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 팁 오픈 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 물리적 에너지 인가 단계에서는 상기 열선을 상기 기판의 주면에 대하여 평행하게 이동시킴으로써 상기 미정제 탄소나노튜브와 상기 열선을 접촉시키는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 팁 오픈 방법.
6. 제4항에 있어서, 상기 물리적 에너지 인가 단계에서는 상기 기판을 이동시킴으로써 상기 미정제 탄소나노튜브와 상기 열선을 접촉시키는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 팁 오픈 방법.
7. 제2항에 있어서, 상기 열선은 크롬, 텅스텐, 또는 내열 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 팁 오픈 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 물리적 에너지 인가 단계에서는 레이저 빔을 사용하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 팁 오픈 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 물리적 에너지를 인가하기 전에 상기 레이저 빔이 조사될 높이를 미세 조정하여 상기 소정의 높이 레벨로 맞추는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 팁 오픈 방법.
10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 물리적 에너지 인가 단계에서는 상기 소정의 높이 레벨에서 상기 레이저 빔을 상기 미정제 탄소나노튜브에 조사하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 팁 오픈 방법.
11. 제8항에 있어서, 상기 레이저 빔의 광원으로서 KrF 레이저, ArF 레이저, 루비 레이저, 아르곤 레이저, He-Ne 레이저 또는 CO₂레이저를 사용하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브의 팁 오픈 방법.
12. 기판상에 미정제(未精製) 탄소나노튜브를 수직으로 세워 정렬하는 단계와,

    상기 정렬되어 있는 미정제 탄소나노튜브의 소정 높이 레벨에서, 상기 기판의 주면(主面)에 대하여 평행한 방향으로 상기 미정제 탄소나노튜브에 물리적 에너지를 인가하여, 상기 미정제 탄소나노튜브의 팁 부분 및 외벽에 존재하는 불필요한 물질을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 정제 방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 물리적 에너지 인가 단계에서는 전류가 흐르는 열선을 상기 미정제 탄소나노튜브에 접촉시키는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 정제 방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 열선은 크롬, 텅스텐, 또는 내열 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 정제 방법.
15. 제12항에 있어서, 상기 물리적 에너지 인가 단계에서는 레이저 빔을 상기 미정제 탄소나노튜브에 조사하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 정제 방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 레이저 빔의 광원으로서 KrF 레이저, ArF 레이저, 루비 레이저, 아르곤 레이저, He-Ne 레이저 또는 CO₂레이저를 사용하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브의 정제 방법.