KR100583769B1 - 탄소나노튜브 카트리지 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 카트리지 제조장치에 있어서, 특히 탄소나노튜브 현탁액과 나이프 에지를 전기적 접촉을 가하여 탄소나노튜브를 탐침의 끝단에 부착하는 탄소나노튜브 팁의 제작에 유용한 탄소나노튜브 카트리지 제조장치에 관한 것으로,

중앙에 일정깊이로 사각형태의 홈을 형성한 Si 기판과; 상기 Si 기판의 상부 및 홈을 따라 일정두께의 절연재료로 도포되는 절연층과; 상기 절연층 상부에 일정두께로 증착되어 유(U)자 형태의 마이크로 채널을 형성하는 도전성 금속전극층과; 상기 도전성 금속 전극층의 상부에 형성되는 마이크로 채널에 채워지며, 내부에 다수개의 탄소나노튜브들이 섞인 탄소나노튜브 현탁액과; 상기 탄소나노튜브 현탁액과 접촉되어 탄소나노튜브를 끝단에 부착하는 나이프와; 상기 도전성 금속 전극층과 나이프를 전기적으로 접속하여 나이프에 탄소나노튜브가 부착되도록 하는 전원공급장치를 포함하는 것이 특징이다.

탄소나노튜브, 카트리지, 금속전극층, 마이크로 채널, 나이프 에지

Description

탄소나노튜브 카트리지 제조장치{Carbon Nanotube Cartridge Manufacturing Unit}

도 1은 본 발명의 개념도.

도 2는 본 발명이 구성도.

도 3a는 본 발명의 탄소나노튜브 카트리지 제조작업 전 상태도.

도 3b는 본 발명의 탄소나노튜브 카트리지 제조작업 중 상태도.

도 3b는 본 발명의 탄소나노튜브 카트리지 제조작업 후 상태도.

도 4는 본 발명을 통해 제작이 완료된 탄소나노튜브 카트리지 상태도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1a, 1b: 금속 전극 2: 전기장

3; 극성입자 4: 나이프 에지

4a: 나이프에지 끝단 5: 하부전극부

5a: Si 기판 5b: 절연층

5c: 금속전극층 5d: 마이크로 채널

6: 교류전원장치 7: 스위치

8: 광학 현미경 9: 탄소나노튜브 현탁액

9a: 탄소나노튜브 9b: 비극성 용액

9c: 메니스커스

본 발명은 탄소나노튜브 카트리지 제조장치에 관한 것으로, 특히 탄소나노튜브 현탁액과 나이프 에지를 전기적 접촉을 가하여 탄소나노튜브를 탐침의 끝단에 부착하는 탄소나노튜브 팁의 제작에 유용한 탄소나노튜브 카트리지 제조장치에 관한 것이다.

일반적으로 나노수준의 크기를 갖는 물체를 이미지(imging)하거나 조작(manipulation)하기 위해서는, 나노미터 수준의 끝단 직경을 갖는 나노프로브(nano-probe)의 개발이 필수적이다.

특히 탐침의 끝단에 탄소나노튜브를 부착한 탄소나노튜브 팁은 유용한 나노프로브로서 각광을 받고 있다.

그러나, 이러한 탄소나뉴튜브 팁의 제작에 있어서, 탄소나노튜브를 탐침의 끝단에 부착하는 것은 기술적으로 어려운 작업이며 시간을 많이 소비하는 작업이다. 따라서, 탐침의 끝단에 부착하기 쉬운 형태로 탄소나노튜브의 샘플을 만드는 기술이 필요하다.

본 발명에서는 특별히 고안된 전극들을 사용한 이중전기 영동법을 이용하여 탄소나노튜브 현탁액에서 탄소나노튜브를 추출하고, 최종적으로 탄소나노튜브 팁 제작에 유용한 카트리지 형태의 탄소나노튜브 샘플을 만든다. 이렇게 제작된 탄소나노튜브 샘플을 '탄소나노튜브 카트리지'라고 부른다.

먼저, 종래의 기술을 살펴보면 다음과 같다.

종래의 기술(특허번호 WO 0033052)의 경우, 탄소나노튜브 팁 제작에 필요한 탄소나노튜브 샘플의 제작을 위해 교류전기 영동(AC electrophoresis)법을 활용한다.

이를 위해 면도날과 같은 금속소재의 나이프에지(knife edge) 한 쌍을 전극으로 사용하며, 두 개의 나이프 에지는 날카로운 날부분이 마주 보게 대칭적으로 놓고, 나이프 에지 사이에 수백 마이크로 미터의 간극(gap)을 갖도록 한다.

이 나이프 에지들을 전극 삼아, RF-amp로 증폭된 교류전압을 걸어주고, 또한 간극은 IPA 용액에 탄소나노튜브를 섞어 만든 탄소나노튜브 현탁액으로 채운다.

상기 두 나이프 에지 사이에 존재하는 탄소나노튜브들은 교류전기 영동 효과에 의해 나이프 에지의 날카로운 끝단부로 이동하여 붙게 되며, 시간이 지나 IPA 용액이 마르면 전원으로부터 나이프에지를 분리하여, 탄소나노튜브 팁 제작을 위한 탄소나노튜브 샘플로 사용한다.

그러나, 이러한 방법은 우선 교류전기 영동을 위해 수십V, 수십 MHz의 교류전압이 필요하므로, 전압을 증폭하기 위해 RF-amp 를 사용해야만 하고, 전극으로 사용하는 한 쌍의 나이프에지들의 정렬이 어렵다는 문제점을 가지고 있다.

그리고 간극 사이에 채워지는 탄소나노튜브 현탁액의 취급이 불안정하여, 현탁액이 나이프 밖으로 쉽게 새어 나오거나 나이프 끝단에 닿지 않는 문제가 발생하 기가 쉽다. 이러한 문제점들로 탄소나노튜브 샘플을 제작하기가 어렵고 시간 소모적이다.

또 다른 기존 연구의 경우, 탄소나노튜브가 섞은 증류수로부터 탄소나노튜브를 추출하기 위해서, 이중전기영동(dielectrophoresis)법을 활용한다.

이를 위해 금속 링과 매우 뾰족한 텅스텐 팁을 전극으로 사용하며, 증류수에 탄소나노튜브를 섞은 탄소나노튜브 현탁액을 금속링 내부에 떨어뜨려 채우고, 그 탄소나노튜브 현탁액의 표면에 텅스텐 팁의 뾰족한 끝단을 접촉시킨다.

이때 금속 링과 텅스텐 팁 사이에 교류전압을 걸어주면 이중전기 영동 효과가 발생하여, 텅스텐 팁의 뾰족한 끝단에 탄소나노튜브들이 붙게 된다. 특정한 속도로 탄소나노튜브 현탁액으로부터 텅스텐 팁을 끌어올리면 텅스텐 팁의 끝단에 탄소나노튜브들이 섬유가닥 형태로 붙어져서 나온다.

이 방법을 이용하면 텅스텐 팁 끝단에 탄소나노튜브 섬유(carbon nanotube fiber) 형태로 탄소나노튜브를 추출할 수 있다.

그러나, 전극으로 사용하는 금속 링의 밑으로 탄소나노튜브 현탁액이 새어 나갈 수 있으며, 텅스텐 팁에 붙는 탄소나노튜브가 섬유 가닥 형태이므로, 이 방법은 탄소나노튜브 카트리지의 제작에 적용하기에는 한계가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결코자 하는 것으로, 이중전기 영동의 원리를 활용하며, 전원 공급원으로 일반적인 함수생성기를 사용하고, 금속 전극층이 증 착된 마이크로 채널과 금속 소재의 나이프에지를 전극으로 사용하여 탄소나노튜브 카트리지를 제작하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 수단으로,

본 발명은 중앙에 일정깊이로 사각형태의 홈을 형성한 Si 기판과; 상기 Si 기판의 상부 및 홈을 따라 일정두께의 절연재료로 도포되는 절연층과; 상기 절연층 상부에 일정두께로 증착되어 유(U)자 형태의 마이크로 채널을 형성하는 도전성 금속전극층과; 상기 도전성 금속 전극층의 상부에 형성되는 마이크로 채널에 채워지며, 내부에 다수개의 탄소나노튜브들이 섞인 탄소나노튜브 현탁액과; 상기 탄소나노튜브 현탁액과 접촉되어 탄소나노튜브를 끝단에 부착하는 나이프와; 상기 도전성 금속 전극층과 나이프를 전기적으로 접속하여 나이프에 탄소나노튜브가 부착되도록 하는 전원공급장치를 포함하는 것이 특징이다.

또한, 상기 마이크로 채널은 직사각 형태이며 길이방향의 길이가 나이프 에지의 길이보다 더 길게 형성한 것이 특징이다.

또한, 상기 나이프와 탄소나노튜브 현탁액 접촉 지점에는 탄소나노튜브의 접촉과정을 모니터링 하기 위한 광학 현미경을 더 설치한 것이 특징이다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 개념을 나타낸 것으로, 서로 다른 형상을 가지는 두개의 전극(1a, 1b)으로 불균일 전기장(2)을 형성하고, 극성화 되기 어려운 용매와 상대적으로 극성화 되기 쉬운 입자(3)를 섞어 만든 현탁액을 두 전극 사이에 채우면, 현탁액 속의 입자들은 보다 더 강한 전기장을 띄는 전극(1b) 쪽으로 이동하여 붙게 된다. 여기서 불균일한 전기장의 형성은 전극 형상에 직접적인 영향을 받는다.

본 발명에서는 이러한 이중 전기 영동의 효과를 이용하기 위해, 도 2에서 처럼 금속 전극층이 증착된 마이크로 채널(5d)과 얇고 날카로운 금속 소재의 나이프에지(4)를 전극으로 사용한다.

마이크로 채널(5d)은 탄소나노튜브 현탁액(9)을 담는 용기의 역할뿐 아니라, 금속전극층(5c)을 증착하였기 때문에 전극의 역할도 하게 된다.

즉, 상기 금속 전극층(5c)을 통해 전기가 공급되면 마이크로 채널(5d)에 채워진 탄소나노튜브 현탁액(9)으로 전기를 가하게 되어 도통하는 것이다.

이러한 방법은 한 쌍의 나이프에지를 전극으로 사용한 종래의 기술에서 발생하는 문제점들 즉, 첫째 탄소나노튜브 현탁액의 불안정한 취급과, 둘째 이중전기 영동에 필요한 교류전원을 위해 RF-amp를 사용해야 한다는 문제점들을 해결할 수 있게 된다.

즉, 본 발명을 이용하게 되면, 마이크로 채널을 사용하기 때문에 탄소나노튜브 현탁액의 안정한 취급이 가능하고, 또한 마이크로 채널과 나이프에지로 인해 이중전기 영동에 필요한 불균일한 전기장을 쉽게 발생시킬 수 있으므로, 나이프에지의 날카로운 끝단(4a)에 더 강한 전기장을 밀집시킬 수 있는 것이다.

이로서 일반적인 함수발생기를 전원(6)으로 사용해도 마이크로 채널에 담긴 현탁액 속의 탄소나노튜브(9a)들에 대해 충분한 이중전기 영동 효과를 얻게 된다.

본 발명에서 제안하는 탄소나노튜브 카트리지의 제작을 위한 시스템의 대략적인 구성은 도 2에서처럼 크게 나이프 에지(4)와, 하부 전극부(5)와, 교류전원공급장치(6) 및 스위치(7)와, 탄소나노튜브 현탁액(9)과, 광학현미경(8)으로 이루어져 있다.

상기에서 하부 전극부(5)는 Si 기판(5a)과, 절연층(5b)과, 금속 전극층(5c)과, 마이크로 채널(5d)로 이루어진다.

즉, Si 기판(5a) 상부에 절연층(5b)이 형성되고, 상기 절연층 상부에 금속 전극층(5c)이 형성되며, 상기 금속 전극층(5c) 상부에 마이크로 채널(5d)이 형성된다.

그리고 탄소나노튜브 현탁액(9)은 다수개의 탄소나노튜브(9a)와 비극성 용액(9b)으로 이루어지며, 상기 탄소나노튜브(9a)가 비극성 용액(9b)속에 분포된 형태이다.

한편, 실제 탄소나노튜브 카트리지의 제작을 위한 시스템을 구축하기 위해선, 나이프 에지(4)를 고정하는 지그와 이 지그를 Z방향으로 움직이는 이송장치가 필요하고, 나이프 에지(4)와 마이크로 채널(5d)사이의 정렬을 위해 하부 전극부(5)를 움직이는 이송장치도 필요하다.

전자의 경우 스텝모터와 제어용 PC를 통해 용이하게 제작되며, 후자의 경우 광학용 마이크로 스테이지로 간단하게 제작되며, 이러한 이송장치는 제작 상황에 따라 사용자가 임의로 선택할 수 있고, 또한 나이프 에지를 이송하는 기술사상은 이미 공지의 기술이기 때문에 더이상의 설명은 생략토록 한다.

이하에서 하부 전극부(5)의 공정과정을 살펴보면 다음과 같다.

하부 전극부(5)는 반도체 공정으로 제작되는데, 우선 Si 기판(5a)에 마이크로 채널(5d)을 에칭 가공한 후, 산화 공정으로 Si기판(5a) 전체에 절연층(5b)을 만들고, 다시 그 위로 마이크로 채널(5d)의 내벽과 주변부에 금속전극층(5c)을 증착하여 제작한다.

이때 마이크로 채널은 수백 마이크로 미터 수준의 폭과 깊이의 직사각형 단면에, 나이프에지(4)보다 긴 길이를 갖도록 가공된다.

나이프에지(4)는 마이크로 채널(5d) 위에 수직으로 세워, 나이프 에지(4)를 위아래로 움직일 경우 마이크로 채널(5d) 사이에 전기장을 형성하기 위해서, 나이프 에지(4)와 금속 전극층(5c) 사이에 교류전원장치(6)와 스위치(7)를 연결시킨다.

또한 탄소나노튜브 현탁액(9) 표면에 나이프 에지를 접촉시키는 과정을 모니터링 하기 위해 광학 현미경(8)을 설치한다.

위에서 제안된 장치를 이용하여 탄소나노튜브 카트리지를 제작하는 과정은 도 3과 같다.

우선 도 3a와 같이 마이크로 채널 위 중심에 나이프 에지(4)를 위치시키고, 비극성용액(9b)와 탄소나노튜브(9a)를 섞어 만든 탄소나노튜브 현탁액(9)을 마이크로 피펫을 이용하여 마이크로 채널(5d) 내에 채운다.

스위치(7)를 켜서 교류전원장치(6)로부터 나이프 에지(4)와 마이크로 채널(5d)에 전원을 공급하여 마이크로 채널(5d) 내에 전기장을 걸어준다.

이때, 교류전원장치(6)로서 일반적인 함수 발생기를 사용할 수 있다.

이후, 도 3b와 같이 나이프에지를 -Z 방향으로 이동시켜 탄소나노튜브 현탁액의 표면에 접촉시키면, 접촉된 현탁액의 표면과 나이프에지 사이에는 표면장력에 의해 메니스커스(9c)가 생긴다.

이러한 접촉과정은 광학 현미경(8)에 의해 실시간으로 관찰되며 행해진다.

인가된 교류전압에 의해 나이프 에지(4)와 마이크로 채널 사이에 교류 전기장이 형성되며, 특히 나이프 에지(4)의 끝단(4a)에 전기장이 강하게 집중된다.

시간이 흐를 수록 나이프 에지(4)의 끝단에 탄소나노튜브(9a)들이 달라붙게 된다.

이때, 인가된 교류전압의 세기와 주파수 크기, 사용된 탄소나노튜브 현탁액(9)의 농도에 따라 탄소나노튜브(9a)의 붙는 정도가 틀려지므로, 반복된 실험을 사용자가 원하는 탄소나노튜브(9a)의 추출 정도에 필요한 교류전원 인가시간을 통해 얻어낸다.

알맞은 전원인가 시간이 지나면, 도 3c에서 처럼 전원공급을 중단하고 나이프 에지를 +Z 방향으로 이송시킨다.

나이프 에지(4)를 전원으로 분리하면 도 4와 같이 나이프에지(4)의 끝단(4a)에 탄소나노튜브(9a)들이 붙어 있는 형태의 탄소나노튜브 샘플을 얻을 수 있는데, 이것을 탄소나노튜브 카트리지로서 사용한다.

이후, 상기 탄소나노튜브 카트리지를 이용하여 탄소나노튜브 팁을 제작하기 위해, 탄소나노튜브 팁을 제작하는 기존 특허들과 동일한 과정을 거치게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명은 기존의 방법보다 탄소나노튜브의 샘플을 카트리지의 형태로 쉽게 제작할 수 있으며, 본 발명을 통해 제작된 탄소나노튜브 카트리지는 단일 탄소나노튜브의 샘플이 필요한 경우 그 자체로서 유용한 샘플 역할을 한다.

또한, 나노미터 사이즈의 물체의 이미징이나 조작에 필요한 탄소나노튜브 팁의 제작을 쉽게 하므로, 그 공정속도를 높여준다.

또한, 비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 설명과 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위 내에 속하는 그러한 수정 및 변형은 포함한 것으로 판단할 수 있다.

Claims (3)

1. 중앙에 일정깊이로 사각형태의 홈을 형성한 Si 기판과; 상기 Si 기판의 상부 및 홈을 따라 일정두께의 절연재료로 도포되는 절연층과; 상기 절연층 상부에 일정두께로 증착되어 유(U)자 형태의 마이크로 채널을 형성하는 도전성 금속전극층과; 상기 도전성 금속 전극층의 상부에 형성되는 마이크로 채널에 채워지며, 내부에 다수개의 탄소나노튜브들이 섞인 탄소나노튜브 현탁액과; 상기 탄소나노튜브 현탁액과 접촉되어 탄소나노튜브를 끝단에 부착하는 나이프와; 상기 도전성 금속 전극층과 나이프를 전기적으로 접속하여 나이프에 탄소나노튜브가 부착되도록 하는 전원공급장치를 포함하는 탄소나노튜브 카트리지 제조장치에 있어서,

   상기 나이프와 탄소나노튜브 현탁액 접촉 지점에는 탄소나노튜브의 접촉과정을 모니터링 하기 위한 광학 현미경을 더 설치한 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 카트리지 제조장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 마이크로 채널은 직사각 형태이며 길이방향의 길이가 나이프 에지의 길이보다 더 길게 형성한 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 카트리지 제조장치.
3. 삭제

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