KR100563253B1 - 미소간극 내 자기장을 이용한 탄소나노튜브 정렬방법과이를 이용한 탄소나노튜브 팁 제작방법 - Google Patents

미소간극 내 자기장을 이용한 탄소나노튜브 정렬방법과이를 이용한 탄소나노튜브 팁 제작방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미소간극 내 자기장을 이용한 탄소나노튜브 정렬방법과 이를 이용한 탄소나노튜브 팁 제작방법에 관한 것으로, 여자부가 대칭 배치된 규소기판을 준비하는 단계와, 상기 각 여자부의 사이로 미소간극을 갖도록 상기 규소기판 위에 금속재질의 마이크로 구조물을 대칭 증착하는 단계와, 상기 각 여자부 사이에 일방향으로 자기장을 형성하여 상기 마이크로 구조물을 자화시키는 단계와, 에탄올 내에서 초음파 분해된 탄소나노튜브를 상기 미소간극에 투여하여 상기 자기장의 형성방향을 따라 자화 배향시키는 단계 및 상기 에탄올이 증발될 때까지 건조하는 단계를 포함하고, 탄소나노튜브의 팁의 제작을 위해 정렬된 탄소나노튜브를 초미세탐침의 첨단에 부착시키는 단계와, 직류전압을 가해 고착화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
탄소나노튜브, 미소간극, 자기장, 규소기판, 초미세탐침, 정렬방법

Description

미소간극 내 자기장을 이용한 탄소나노튜브 정렬방법과 이를 이용한 탄소나노튜브 팁 제작방법{A carbon nanometer tube aligning method using magnetic field in an microgap and a carbon nanometer tube tip manufacturing method using thereof}
도 1 내지 도 5는 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 정렬방법을 순차적으로 도시한 단면구성도,
도 6 내지 도 11은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 팁의 제작방법을 순차적으로 도시한 단면구성도,
도 12는 본 발명에 따라 제작된 탄소나노튜브 팁의 구성도이다.
< 도면의 주요부분에 관한 부호의 설명 >
100: 규소기판 200: 여자부
300: 마이크로 구조물 400: 탄소나노튜브
500: 에탄올 700: 초미세탐침
1000: 탄소나노튜브 팁
본 발명은 탄소나노튜브(Carbon Nanometer Tube)의 정렬방법과 이를 이용한 탄소나노튜브의 팁의 제작방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 규소기판 위에 미소간극으로 마이크로 구조물을 증착하고, 미소간극 내 자기장을 형성하여 투여된 탄소나노튜브를 자화 정렬하는 것과, 정렬된 탄소나노튜브 중 하나를 선택하여 초미세탐침의 첨단에 부착하고 직류전압을 인가하여 고착화함으로써 탄소나노튜브 팁을 제작하는 미소간극 내 자기장을 이용한 탄소나노튜브 정렬방법과 이를 이용한 탄소나노튜브 팁 제작방법에 관한 것이다.
탄소나노튜브는 강성, 전기전도도 및 열전도율의 우수성을 지니면서 동시에 나노미터 수준의 크기가 갖는 구조적 특성을 가지고 있다. 이에 따라 반도체, 평판 디스플레이, 센서 등과 같이 다양한 분야에 적용되고 있다.
특히 나노미터 정도의 크기를 갖는 물체에 대해 이미지 처리를 하거나 조작하기 위해서는 나노미터 크기의 직경을 갖는 나노 프로브(nano probe)의 개발이 필수적이다. 이에 따라 탄소나노튜브를 이용하여 나노 프로브의 개발이 진행되고 있다.
이러한 나노 프로브의 개발 공정의 일환으로, 우선 요구되고 있는 것이 탄소나노튜브의 정렬방법이다.
종래 탄소나노튜브의 정렬방법은, 크게 초기부터 정렬된 탄소나노튜브를 성장시키는 방법과, 혼재된 탄소나노튜브에 물리적인 힘의 장(field)을 인가함으로써 정렬시키는 방법으로 구분된다.
탄소나노튜브의 성장방법은, 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition : CVD)을 이용한다. CVD를 이용한 방법은, 탄소나노튜브를 수직 배향하여 정렬시킬 수 있는 것으로, 열 CVD법, DC 플라즈마 CVD법, RF 플라즈마 CVD법, 마이크로파 플라즈마 CVD법 등으로 구분될 수 있다.
이러한 CVD 방법은 기존의 전기방전법이나 레이저증착법에서는 불가능한 탄소나노튜브의 수직배향이 가능하고, 탄소나노튜브의 구조제어가 용이한 장점을 가지고 있다. CVD 방법의 적용분야는 주로 평판 디스플레이 분야이며 특히 FED(Field Emission Display) 소자를 개발하는데 이용된다.
그리고 탄소나노튜브에 대해 외부의 물리적인 힘을 가하여 정렬하는 방법은, 전기장 또는 자기장을 인가하는 방식으로 대별될 수 있다. 그런데 전기장을 가해주는 방법은 공정진행중 인가되는 전기장량에 대한 제어가 정밀하지 못한 경우 미소한 탄소나노튜브를 태워버릴 수 있는 문제점이 있다.
또한 상기 자기장을 인가하는 정렬방법은, 초전도체를 이용하여 탄소나노튜브에 매우 강한 자기장을 가할 경우 탄소나노튜브가 정렬되는 방식이다. 그러나 종래 자기장을 이용하는 방법은, 초전도체를 이용하는 구조임으로 고가의 장비가 요구되고 이에 따라 산업전반에 걸쳐 널리 활용되기 어려운 문제점을 안고 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1목적은, 미소간극 내에 자기장을 형성시키는 방법으로 작은 세기의 자기장을 이용하여 보다 강한 세기의 자기장 형성영역이 구축될 수 있음으로, 탄소나노튜브의 신속한 정렬을 구현할 수 있는 미소간극내 자기장을 이용한 탄소나노튜브 정렬방법과 이를 이용한 탄소나노튜브 팁 제작방법에 관한 것이다.
그리고 본 발명의 제 2목적은, 정렬된 탄소나노튜브에 초미세탐침의 첨단을 반데르발스력 또는 카본테이프의 접착성분으로 부착하고, 직류전압의 인가로 고착화시킴으로써, 탄소나노튜브 팁을 제작할 수 있는 미소간극 내 자기장을 이용한 탄소나노튜브 정렬방법과 이를 이용한 탄소나노튜브 팁 제작방법에 관한 것이다.
이와 같은 본 발명의 목적들은, 여자부가 대칭 배치된 규소기판을 준비하는 단계;
상기 각 여자부의 사이로 미소간극을 갖도록 규소기판 위에 금속재질의 마이크로 구조물을 대칭 증착하는 단계;
상기 각 여자부 사이에 일방향으로 자기장을 형성하여 마이크로 구조물을 자화시키는 단계;
에탄올 내에서 초음파 분해된 탄소나노튜브를 미소간극에 투여하여 자기장의 형성방향을 따라 자화 배향시키는 단계; 및
상기 자기장이 형성된 상태에서 상기 에탄올이 증발될 때까지 건조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미소간극 내 자기장을 이용한 탄소나노튜브 정렬방법에 의하여 달성된다.
여기서 규소기판의 준비단계에서, 여자부가 박막의 페라이트 코어 구조인 것으로 준비하는 것이 바람직하다.
그리고 마이크로 구조물의 증착단계에서는, 마이크로 구조물의 각 대향부위가 각 여자부에 밀착되도록 증착하는 것이 바람직하다.
또한 마이크로 구조물의 증착단계에서는, 마이크로 구조물이 와이어 구조인 것으로 병렬 증착하는 것이 바람직하다.
아울러 상기와 같은 본 발명의 목적들은, 여자부가 대칭 배치된 규소기판을 준비하는 단계;
상기 각 여자부의 사이로 미소간극을 갖도록 규소기판 위에 금속재질의 마이크로 구조물을 대칭 증착하는 단계;
상기 각 여자부 사이에 일방향으로 자기장을 형성하여 마이크로 구조물을 자화시키는 단계;
에탄올 내에서 초음파 분해된 탄소나노튜브를 미소간극에 투여하여 자기장의 형성방향을 따라 자화 배향시키는 단계;
상기 자기장이 형성된 상태에서 상기 에탄올이 증발될 때까지 건조하는 단계;
상기 각 탄소나노튜브 중 하나를 선택하고, 초미세탐침의 첨단에 부착하는 단계; 및
초미세탐침에 직류전압을 인가하여 부착된 탄소나노튜브를 고착화하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 미소간극 내 자기장을 이용한 탄소나노튜브 팁 제작방법에 의하여 달성된다.
여기서 규소기판의 준비단계에서, 여자부가 박막의 페라이트 코어 구조인 것으로 준비하는 것이 바람직하다.
그리고 마이크로 구조물의 증착단계에서는, 마이크로 구조물의 각 대향부위 가 각 여자부에 밀착되도록 증착하는 것이 바람직하다.
또한 마이크로 구조물의 증착단계에서는, 마이크로 구조물이 와이어 구조인 것으로 병렬 증착하는 것이 바람직하다.
그리고 탄소나노튜브의 부착단계에서는, 초미세탐침을 선택된 탄소나노튜브에 반데르발스력의 표출범위까지 근접시켜 부착하는 것이 바람직하다.
또는 탄소나노튜브의 부착단계에서는, 초미세탐침의 첨단에 카본테이프를 이용하여 코팅된 접착성분으로 선택된 탄소나노튜브를 부착하는 것이 바람직하다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
다음으로는 본 발명에 따른 미소간극 내 자기장을 이용한 탄소나노튜브 정렬방법과 이를 이용한 탄소나노튜브 팁 제작방법에 관하여 첨부되어진 도면과 더불어 상세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 5는 본 발명에 따른 탄소나노튜브(400) 정렬방법을 순차적으로 도시한 단면구성도이다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브(400) 정렬방법은, 자기장이 일방향으로 형성된 미소간극에 탄소나노튜브(400)를 투여함으로써 배향하는 방법이다. 미소간극내 자기장의 형성 구조를 마련하기 위하여 여자부(200) 사이에서 미소간극을 갖도록 한쌍의 마이크로 구조물(300)이 증착되는 공정을 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 자기장의 형성 구조로서, 한쌍의 여자부(200)가 대칭 배치되는 규소기판(100)을 준비한다. 각 여자부(200)에 전원이 공급되면, 일방향으로 자기장이 형성될 수 있다. 신속한 자기장 형성을 위해 여자부(200)로서 박막의 페라이트 코어 구조를 사용한다.
그리고 도 2에 도시된 바와 같이, 반도체 공정을 이용하여 상기 규소기판(100) 위에 한 쌍의 마이크로 구조물(300)을 수십 내지 수백 나노미터 정도의 미소간극을 갖도록 병렬 증착시킨다. 이 때 각 마이크로 구조물(300)의 대향부위가 각 여자부(200)에 밀착되게 증착시킨다. 이에 따라 여자부(200)와 마이크로 구조물(300)은 자기적으로 연결되며, 자기장 형성시 마이크로 구조물(300)의 신속한 자화가 가능하다.
이 때 마이크로 구조물(300)로서, 자화되기 쉽도록 수십 내지 수백 나노미터(nm) 두께의 금속 와이어가 사용된다.
마이크로 구조물(300)의 증착공정 이후 도 3에 도시된 바와 같이, 여자부(200)에 전원을 공급하여 각 여자부(200) 사이에 일방향을 따라 자기장을 형성시킨다(점선으로 표시됨). 그러면 마이크로 구조물(300)이 자화되고, 각 마이크로 구조물(300) 사이에도 자기장이 형성된다.
그리고 각 마이크로 구조물(300) 사이에 투여될 시료를 준비한다. 시료의 준비공정은, 초음파 분해방식을 이용한다. 뒤엉킨 분말의 탄소나노튜브(400)를 에탄올(500)이 담긴 비이커(미도시) 속에 넣고 초음파 세척기(미도시)를 이용하여 초음파 분해한다. 그러면 탄소나노튜브(400)의 엉킴이 풀리면서 에탄올(500)에 고르게 퍼진 시료가 마련된다.
이후 마이크로 피펫(미도시)으로 상기 시료를 상기 미소간극에 미량 투여한다. 그러면 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 미소간극에는 에탄올(500)과 탄소나노튜브(400)가 혼재되어 있다가 마이크로 구조물(300) 사이에 형성된 자기장에 의해 자화되어 일방향으로 배향된다.
그리고 상기 자기장이 형성된 상태에서 에탄올(500)이 증발될 때까지 자연 건조하면, 도 5에 도시된 바와 같이, 미소간극 내에는 상기 자기장의 방향을 따라 정렬된 탄소나노튜브(400)만이 남게 된다.
도 6 내지 도 11은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 팁(1000)의 제작방법을 순차적으로 도시한 단면구성도이다.
우선 도 6에 도시된 바와 같이, 박막의 페라이트 코어구조를 갖는 한 쌍의 여자부(200)가 규소기판(100) 위에 대칭 배치된 자기자 형성 구조를 준비한다.
그리고 도 7에 도시된 바와 같이, 반도체 공정으로 규소기판(100) 위에 한 쌍의 마이크로 구조물(300)을 수십 내지 수백 나노미터 정도의 미소간극을 갖도록 병렬 증착시킨다. 각 마이크로 구조물(300)의 대향부위가 각 여자부(200)에 밀착되게 증착시키며, 마이크로 구조물(300)로서 수십 내지 수백 나노미터 정도의 두께를 갖는 금속 와이어를 사용한다.
이후 도 8에 도시된 바와 같이, 각 여자부(200) 사이에 일방향을 따라 자기장을 형성시킨다(점선으로 표시됨). 그러면 마이크로 구조물(300)이 자화되고, 각 마이크로 구조물(300) 사이에도 상기 일방향을 따라 자기장이 형성된다.
그리고 뒤엉킨 분말의 탄소나노튜브(400)를 에탄올(500)이 담긴 비이커(미도시) 속에 넣고 초음파 세척기(미도시)를 이용하여 초음파 분해한다. 그러면 탄소나노튜브(400)의 엉킴이 풀리면서 에탄올(500)에 고르게 퍼진 시료가 마련된다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 시료를 마이크로 피펫(미도시)으로 상기 미소간극에 미량 투여한다. 그러면 각 탄소나노튜브(400)는 마이크로 구조물(300) 사이의 자기장에 의해 자화되어 자기장의 형성방향을 따라 배향된다.
그리고 상기 자기장이 형성된 상태에서 에탄올(500)이 증발될 때까지 자연 건조한다. 그러면 도 10에서와 같이, 상기 미소간극 내에는 자기장의 방향을 따라 정렬된 탄소나노튜브(400)만이 남게 된다.
그리고 첨단을 갖는 초미세탐침(700)을 준비한다. 초미세탐침(700)은 텅스텐 재질의 봉을 첨단의 직경이 상기 미소간극 내로 진입이 가능할 정도의 직경까지 가공하여 얻는다.
초미세탐침(700)이 준비되면, 도 11에 도시된 바와 같이, 미소간극 내 정렬된 탄소나노튜브(400)에 근접시킨다. 그리고 다수의 탄소나노튜브(400) 중 하나를 선택하고, 선택된 탄소나노튜브(400)의 단부에 반데르발스력의 표출영역까지 초미세탐침(700)의 첨단을 근접시키고, 선택된 탄소나노튜브(400)와 상기 첨단 사이의 인력을 이용하여 서로 부착시킨다. 이외에 상기 첨단에 카본테이프를 이용하여 카본 테이프의 접착성분을 코팅한 뒤, 선택된 탄소나노튜브(400)를 접착시킨다.
이러한 공정으로 탄소나노튜브(400)가 부착된 초미세탐침(700)을 획득하면, 초미세탐침(700)을 상기 미소간극으로부터 이탈시킨 뒤, 초미세탐침(700)에 직류전 압을 인가한다. 그러면 초미세탐침(700)의 첨단에 탄소나노튜브(400)가 고착화됨으로서, 탄소나노튜브 팁(1000)을 완성할 수 있다.
도 12는 본 발명에 따라 제작된 탄소나노튜브 팁(1000)의 구성도이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 탄소나노튜브(400)가 초미세탐침(700)의 첨단에 부착된 이후 초미세탐침(700)에 직류전압을 인가하면, 탄소나노튜브 팁(1000)이 완성된다.
상기와 같이 직류전압이 인가되면 탄소나노튜브(400)는 초미세탐침(700)의 첨단에 동일 축선방향을 따라 배치되고, 상기 첨단과 탄소나노튜브(400)의 결합부위가 더욱 고착화됨으로써, 탄소나노튜브(400)가 일체화된 팁(1000)을 얻을 수 있다.
이상에서와 같은 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 정렬방법과 이를 이용한 탄소나노튜브 팁의 제작방법에서, 마이크로 구조물(300)은 금속와이어 구조이며 규소기판(100) 위에 미소간극을 두고 병렬 증착되는 공정이 설명되어 있다. 그리고 초미세탐침(700)이 상기 미소간극 내로 진입되는 것은, 자동화된 정밀이동장치에 의해 가능할 것임은 자명하다.
그런데 규소기판(100) 위에 길게 증착된 마이크로 구조물(300)은, 그 사이로 존재하는 미소간극이 마이크로 구조물(300)의 길이방향을 따라 연속되어 있음이 당연함으로, 다수의 초미세탐침(700)을 상기 마이크로 구조물(300)의 길이방향을 따라 병렬 배치하고 정밀 이동장치에 의해 미소간극 내로 동시 진입시키는 등의 탄소나노튜브 팁(1000)의 대량제작방법도 응당 본 발명에 포함됨은 자명할 것이다.
이상에서와 같은 본 발명에 따른 미소간극 내 자기장을 이용한 탄소나노튜브 정렬방법과 이를 이용한 탄소나노튜브 팁 제작방법에 따르면, 기존 초전도체를 이용하여 자기장의 형성하던 방법에 비해 상대적으로 작은 세기의 자기장을 이용하여 탄소나노튜브의 정렬 및 팁의 제작이 가능하기 때문에, 고가의 장비구매가 필요하지 않음으로 산업전반에 걸쳐 경제적으로 활용할 수 있는 효과가 있다.
그리고 미소간극에 대한 자화를 구현하여 작은 세기의 자기장을 이용하여 보다 강한 세기의 자기장 형성영역을 구축함으로써, 보다 신속하고 신뢰성 있는 탄소나노튜브의 정렬상태를 획득할 수 있으며, 이에 따라 나노 프로브로서 사용될 수 있는 정밀한 탄소나노튜브 팁의 제작이 가능한 효과가 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims (10)

  1. 여자부(200)가 대칭 배치된 규소기판(100)을 준비하는 단계; 상기 각 여자부(200)의 사이로 미소간극을 갖도록 상기 규소기판(100) 위에 금속재질의 마이크로 구조물(300)을 대칭 증착하는 단계; 상기 각 여자부(200) 사이에 일방향으로 자기장을 형성하여 상기 마이크로 구조물(300)을 자화시키는 단계; 에탄올(500) 내에서 초음파 분해된 탄소나노튜브(400)를 상기 미소간극에 투여하여 상기 자기장의 형성방향을 따라 자화 배향시키는 단계; 및 상기 자기장이 형성된 상태에서 상기 에탄올(500)이 증발될 때까지 건조하는 단계;를 포함하는 미소간극 내 자기장을 이용한 탄소나노튜브 정렬방법에 있어서,
    상기 규소기판(100)의 준비단계에서는, 상기 여자부(200)가 박막의 페라이트 코어 구조인 것으로 준비하는 것을 특징으로 하는 미소간극 내 자기장을 이용한 탄소나노튜브 정렬방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 마이크로 구조물(300)의 증착단계에서는, 상기 마이크로 구조물(300)의 각 대향부위가 상기 각 여자부(200)에 밀착되도록 증착하는 것을 특징으로 하는 미소간극 내 자기장을 이용한 탄소나노튜브 정렬방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 마이크로 구조물(300)의 증착단계에서는, 상기 마이크로 구조물(300)이 와이어 구조인 것으로 병렬 증착하는 것을 특징으로 하는 미소간극 내 자기장을 이용한 탄소나노튜브 정렬방법.
  5. 여자부(200)가 대칭 배치된 규소기판(100)을 준비하는 단계; 상기 각 여자부(200)의 사이로 미소간극을 갖도록 상기 규소기판(100) 위에 금속재질의 마이크로 구조물(300)을 대칭 증착하는 단계; 상기 각 여자부(200) 사이에 일방향으로 자기장을 형성하여 상기 마이크로 구조물(300)을 자화시키는 단계; 에탄올(500) 내에서 초음파 분해된 탄소나노튜브(400)를 상기 미소간극에 투여하여 상기 자기장의 형성방향을 따라 자화 배향시키는 단계; 상기 자기장이 형성된 상태에서 상기 에탄올(500)이 증발될 때까지 건조하는 단계; 상기 각 탄소나노튜브(400) 중 하나를 선택하고, 초미세탐침(700)의 첨단에 부착하는 단계; 및 상기 초미세탐침(700)에 직류전압을 인가하여 부착된 탄소나노튜브(400)를 고착시키는 단계;를 포함하는 미소간극 내 자기장을 이용한 탄소나노튜브 팁 제작방법에 있어서,
    상기 규소기판(100)의 준비단계에서는, 상기 여자부(200)가 박막의 페라이트 코어 구조인 것으로 준비하는 것을 특징으로 하는 미소간극 내 자기장을 이용한 탄소나노튜브 팁 제작방법.
  6. 삭제
  7. 제 5항에 있어서, 상기 마이크로 구조물(300)의 증착단계에서는, 상기 마이크로 구조물(300)의 각 대향부위가 상기 각 여자부(200)에 밀착되도록 증착하는 것을 특징으로 하는 미소간극 내 자기장을 이용한 탄소나노튜브 팁 제작방법.
  8. 제 5항에 있어서, 상기 마이크로 구조물(300)의 증착단계에서는, 상기 마이크로 구조물(300)이 와이어 구조인 것으로 병렬 증착하는 것을 특징으로 하는 미소간극 내 자기장을 이용한 탄소나노튜브 팁 제작방법.
  9. 제 5항에 있어서, 상기 탄소나노튜브(400)의 부착단계에서는, 상기 초미세탐침(700)을 선택된 상기 탄소나노튜브(400)에 반데르발스력의 표출범위까지 근접시켜 부착하는 것을 특징으로 하는 미소간극 내 자기장을 이용한 탄소나노튜브 팁 제작방법.
  10. 제 5항에 있어서, 상기 탄소나노튜브(400)의 부착단계에서는, 상기 초미세탐침(700)의 첨단에 카본테이프를 이용하여 코팅된 접착성분으로 선택된 상기 탄소나노튜브(400)를 부착하는 것을 특징으로 하는 미소간극 내 자기장을 이용한 탄소나 노튜브 팁 제작방법.
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