KR100698393B1 - 수용성 촉매를 이용한 단일층 탄소나노튜브의 선택적성장방법 및 이에 의해 형성된 단일층 탄소나노튜브를포함하는 전자소자 또는 광전소자 - Google Patents
수용성 촉매를 이용한 단일층 탄소나노튜브의 선택적성장방법 및 이에 의해 형성된 단일층 탄소나노튜브를포함하는 전자소자 또는 광전소자 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 수용성 촉매를 이용한 단일층 탄소나노튜브의 선택적 성장방법 및 이에 의해 형성된 단일층 탄소나노튜브를 포함하는 전자소자 또는 광전소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 탄화수소류의 유기용매를 필요로 하지 않는 수용성 촉매를 이용하기 때문에, 유기용매 사용시 손상되기 쉬운 포토레지스트 패턴을 사용하는 광식각법에 적용가능한 단일층 탄소나노튜브의 선택적 성장방법 및 이에 의해 형성된 단일층 탄소나노튜브를 포함하는 전자소자 또는 광전소자에 관한 것이다.
수용성, 촉매, 단일층, 탄소나노튜브, 선택적, 수평성장, 방법, 전자소자, 광전소자
Description
도 1은, 본 발명의 바람직한 일 구체예에 있어서, 탄소나노튜브를 성장시키는 촉매 조성물을 광식각법으로 기판 상의 선택된 위치에 패터닝하는 과정 및 그 이후 탄소나노튜브를 성장시키는 과정을 나타낸 개략도이다.
도 2a는, 본 발명에 따른 실시예에서 얻어진, 단일층 탄소나노튜브가 형성된 기판 전체(1cm x 1cm)를 확대한 광학 현미경 사진이다.
도 2b는, 도 2a 중앙의 점선 원 영역을 350배 확대한 전자현미경 사진이다.
도 2c는, 도 2b에 나타난 12쌍의 전극 중 하나를 20000배 확대한 전자현미경 사진이다.
도 2d는, 도 2c에 나타난 전극을 40000배 확대한 전자현미경 사진이다.
도 3a는, 본 발명에 따른 실시예에 의해 전극 패턴 상의 선택된 위치에서 성장한 단일층 탄소나노튜브에 대하여, 514nm의 에너지를 갖는 아르곤 레이저를 사용한 라만(Raman) 분석의 결과 스펙트럼이다.
도 3b는, 본 발명에 따른 실시예에 의해 전극 패턴 상의 선택된 위치에서 성장한 단일층 탄소나노튜브에 대하여, 633nm의 에너지를 갖는 헬륨-카드뮴 레이저를 사용한 라만(Raman) 분석의 결과 스펙트럼이다.
[도면에 나타난 부호의 설명]
Mo : 몰리브덴
PR : 포토레지스트
CNT : 탄소나노튜브
본 발명은 수용성 촉매를 이용한 단일층 탄소나노튜브의 선택적 성장방법 및 이에 의해 형성된 단일층 탄소나노튜브를 포함하는 전자소자 또는 광전소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 탄화수소류의 유기용매를 필요로 하지 않는 수용성 촉매를 이용하기 때문에, 유기용매 사용시 손상되기 쉬운 포토레지스트 패턴을 사용하는 광식각법에 적용가능한 단일층 탄소나노튜브의 선택적 성장방법 및 이에 의해 형성된 단일층 탄소나노튜브를 포함하는 전자소자 또는 광전소자에 관한 것이다.
탄소나노튜브(carbon nanotubes, 이하 CNT)는 그 구조에 따라서 다양한 특성을 가지는데, 탄소층이 말린 각도에 따라서 금속의 특성 또는 반도체 특성을 가지게 되며, 또한, 그 쌓인 층 수에 따라 단일층 탄소나노튜브 혹은 다중층 탄소나노튜브가 된다. 이러한 탄소나노튜브들은, 궁극적으로는 그 응용 목적에 따라서, 금 속성 탄소나노튜브 또는 반도체성 탄소나노튜브로 분류되어 활용되기도 한다. 예를 들어, 트랜지스터, 가스센서, 광 검출기와 같은 전자소자 및 광전소자로의 응용을 위해서는 반도체성을 지니는 단일층 탄소나노튜브가 필요하며, 또한, 디자인되어 있는 곳에 단일층 탄소나노튜브를 선택적으로 정열시키므로써 소자를 구현시키는 패터닝 과정이 필요하다.
이러한 단일층 탄소나노튜브의 선택적인 정열을 구현하기 위해서 현재 활용되고 있는 방법은 크게 두가지로 볼 수 있다. 그 첫번째 방법은, 예컨대, 전기 방전법, 레이저 증착법, 고압 기상법, 상압 열화학 기상법 등과 같은 방법을 사용하여 이미 합성되어진 단일층 탄소나노튜브를 정제 및 분산시켜 SiO2 기판위에 스핀 코팅(spin coating)한 다음, 전자선 식각법(electron-beam lithography)을 이용하여 전극을 패터닝하는 방법이고, 그 두번째 방법은, 예컨대, 전자선 식각법을 이용하여 전이금속 촉매를 먼저 선택적으로 패터닝한 후, 열화학 기상법을 이용하여 원하는 위치에서 단일층 탄소나노튜브를 선택적으로 성장시키는 방법이다.
상기한 종래의 두가지 방법은 모두 전자선 식각법을 사용해야만 한다는 단점을 갖는다. 구체적으로는, 상기 첫번째 방법은 단일층 탄소나노튜브를 개개로 분산시켜야 하는 문제점과, 전자선 식각법을 통한 전극 패터닝의 구현을 위해서는 원자힘 현미경(Atomic Force Microscope, AFM)을 사용하여 나노튜브의 좌표를 일일이 확인해야 하므로, 한개의 소자를 제작하기 위해서 많은 공정을 거쳐야만 하는 단점이 있다. 상기 두번째 방법 또한 첫번째와 마찬가지로 전자선 식각법을 사용해야 하기 때문에, 가격이 비싸고 한번의 공정에 여러 개의 소자를 제작하는데에 한계가 있다는 단점이 있다.
특히, 상기 두번째 방법에서 전자선 식각법을 사용하여야만 하는 이유 중 하나는 다음과 같다. 지금까지는 단일층 탄소나노튜브를 성장시키기 위해서 필요한 촉매의 제조시, 전이금속, 담지체 등과 같은 촉매 구성성분의 분산을 용이하게 하기 위하여 유기용매를 사용하여 왔다. 따라서, 그렇게 제조된 촉매를 패터닝에 활용하기 위해서는 탄화수소류의 유기용매의 사용이 필수적이다. 그러나 광식각법에 의한 패터닝에서 탄화수소류의 유기용매를 사용하면, 포토레지스트 패턴이 유지되지 않고 붕괴되어 버린다. 따라서, 이를 극복하기 위해서는, 탄화수소류의 유기용매와 반응하지 않기 때문에 패턴이 붕괴되지 않고 그대로 유지될 수 있는 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA)와 같은 고분자를 사용하는 전자선 식각법을 이용하여 패턴을 제작하여야만 하는 것이다.
그러나, 현재의 반도체 공정은 포토레지스트를 사용하는 광식각법을 채택하고 있기 때문에, 상기한 바와 같이 전자선 식각법을 이용하여 단일층 탄소나노튜브를 선택적으로 수평성장시키는 종래의 방법은 현재의 반도체 공정에 적용될 수 없다는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 한 것으로서, 본 발명의 목적은, 기존의 전자선 식각법을 이용하지 않고, 단지 광식각법만을 이용하기 때문에, 현재의 반도체 공정기술에 용이하게 적용될 수 있는, 단일층 탄소 나노튜브의 선택적 성장방법 및 이에 의해 형성된 단일층 탄소나노튜브를 포함하는 전자소자 또는 광전소자를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 물에 용해 내지 분산된, 수용성 촉매성분을 포함하는 단일층 탄소나노튜브 성장용 촉매 조성물을 원하는 위치에 도포하고, 여기에 탄소원자 공급원을 공급하는 것에 의해, 상기 원하는 위치로부터 단일층 탄소나노튜브를 성장시키는 것을 특징으로 하는 단일층 탄소나노튜브의 선택적 성장방법이 제공된다.
본 발명의 방법에 있어서, 상기 단일층 탄소나노튜브 성장용 촉매 조성물은, 수용성 촉매성분으로서 전이금속 및 촉매 활성 촉진제를 포함하여 이루어진다. 상기 전이금속에는 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co) 등이 단독으로 또는 혼합되어 포함될 수 있으며, 그 원료 물질로는 질산철 구수화물(iron nitrate nonahydrate), 질산니켈 구수화물(nickel nitrate nonahydrate), 질산코발트 구수화물(cobalt nitrate nonahydrate)과 같은 전이금속 질산염의 수화물이 사용될 수 있다. 또한, 상기 촉매 활성 촉진제는 촉매 활성을 높여 그 기능을 향상시키기 위하여 사용되는 물질로서, 몰리브덴(Mo), 아세틸아세토네이트 디옥소몰리브데늄(acetylacetonate dioxomolybdenum), 황 암모늄 헵타몰리브데이트 사수화물(sulphur ammonium heptamolybdate tetrahydrate), 황산니켈(nickel sulphate), 황산철(iron sulphate), 황 분말(sulphur powder)과 같은 물질들이 1종 이상 포함될 수 있다.
본 발명의 방법에 사용되는 상기 단일층 탄소나노튜브 성장용 촉매 조성물에 있어서, 상기 전이금속은 나노미터크기의 담지체 상에 담지되는 것이 바람직한데, 이는, 탄소나노튜브의 합성에 사용되는 촉매의 크기와 합성되는 탄소나노튜브의 직경과는 밀접한 관련이 있기 때문에, 단일층 탄소나노튜브의 합성을 위해서는 촉매의 크기를 수 나노미터 크기로 제어해야 하기 때문이다. 또한, 촉매는 탄소나노튜브의 합성조건인 약 800℃ 이상의 높은 온도에서도 그 크기가 변함없이 유지되어야 하므로, 상기 나노크기의 담지체는 알루미나(Al2O3), 산화마그네슘(MgO), 제올라이트, 실리카(silica) 등과 같이 내열성이 우수한 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 방법에 있어서, 상기 단일층 탄소나노튜브 성장용 촉매 조성물은, 촉매성분의 분산성을 향상시키기 위하여, 계면활성제를 더 포함하는 것이 바람직하며, 그러한 계면활성제로는 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP), 카르복시메틸셀룰로스(carboxymethycellulose, CMC), 폴리비닐알코올(polyvinyl alchol, PVA) 등이 단독으로 또는 혼합되어 적절하게 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 선택적 성장방법에 있어서, 상기 단일층 탄소나노튜브 성장용 촉매 조성물은, 탄소나노튜브 성장시 환원성을 더욱 향상시키기 위해서, 탄소수 4 이하의 저급알코올을 더 포함하는 것이 바람직하며, 그러한 저급알코올로는 이소프로필알코올(IPA), 부탄올, 에탄올, 메탄올 등이 단독으로 또는 혼합되어 적절하게 사용될 수 있다.
본 발명의 방법에 사용되는 상기 단일층 탄소나노튜브 성장용 촉매 조성물 은, 예컨대 다음과 같이 하여 제조될 수 있다.
촉매 조성물 제조용 매질로서 물, 바람직하게는 증류수 100ml에, 전이금속 원료물질로서 1~150밀리몰의 질산철 구수화물, 촉매 활성 촉진제로서 0.1~500밀리몰의 황 암모늄 헵타몰리브데이트 사수화물, 담지체로서 1~200nm 크기의 알루미나, 계면활성제로서 0.01~1중량%의 폴리비닐피롤리돈 및 환원성 향상용 저급 알코올로서 1~3ml의 이소프로필알코올을 각각 투입하여 수용성 성분들을 용해시킨 뒤, 이를 초음파 처리하면서 혼합한다. 이와 같은 방법에 의해, 나노크기의 알루미나 담지체에 지지된 나노크기의 철-몰리브덴 촉매가 형성되고, 촉매 입자 주위에 폴리비닐피롤리돈이 입혀지게 되어, 그 분산성을 향상시키게 된다.
본 발명의 방법에서는, 상기와 같이 하여 제조되어 물에 용해 내지 분산된 촉매 조성물을 원하는 위치에 도포하므로써, 원하는 위치에서 단일층 탄소나노튜브가 성장할 수 있도록 한다. 물에 용해 내지 분산된 촉매 조성물을 원하는 위치에 도포하기 위한 기법으로는 다양한 기법이 있을 수 있으나, 식각법(lithography), 특히 광식각법에 의하여, 예컨대 기판 상에 원하는 촉매의 패턴을 형성시키는 것이 바람직하다. 이는, 기존에 사용되어 온 탄화수소류의 유기용매에 용해 내지 분산되어 있는 촉매의 경우, 포토레지스트 패턴이 붕괴되는 문제로 인하여 광식각법에서는 사용할 수 없었지만, 본 발명에서는 물을 용매 내지 매질로 하여 용해 내지 분산된 수용성 촉매를 사용하기 때문에, 광식각 시행 이후에도 포토레지스트 패턴이 붕괴되지 않고 유지될 수 있기 때문이다.
본 발명의 방법에 있어서, 물에 용해 내지 분산된 촉매 조성물을 원하는 위 치에 도포하는 것은, 예컨대, 기판 상에 포토레지스트를 코팅하는 단계, 포토레지스트가 코팅된 기판 상의 원하는 위치에 원하는 모양의 패턴을 형성시키는 단계, 패턴 형성된 기판 상에, 물에 용해 내지 분산된 촉매 조성물을 도포하는 단계 및 포토레지스트를 제거하는 단계를 거쳐 수행될 수 있다.
본 발명의 방법에 있어서, 특히, 물에 용해 내지 분산된 촉매 조성물을 광식각법에 의해 원하는 위치에 도포하는 일 구체예를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 광식각법을 이용하여 SiO2 기판 위에 몰리브덴(Mo) 전극을 형성한다. 이때, 몰리브덴 전극을 사용하는 이유는, 열화학 기상법에 의한 단일층 탄소나노튜브 성장시 약 800℃ 이상의 고온에서 견딜 수 있는 금속이 몰리브덴이기 때문이다. 몰리브덴 전극이 형성되면, 마스크 얼라이너(mask aligner)를 이용하여 그 전극 끝단에 2 마이크로미터 크기의 원형 패턴을 형성시킨다. 원형 패턴이 형성되면, 앞서 설명한 바와 같은 물에 용해 내지 분산된 촉매 조성물을, 광식각법에 의해 패터닝된 기판에 떨어뜨려 스핀 캐스팅(spin casting)한다. 다음으로, 촉매와 몰리브덴 전극 사이의 접착력 향상과 수분 제거를 위해서, 스핀 캐스팅된 기판을 90~120℃에서 5~15분간 열처리한다. 짧은 시간동안만 열처리를 하는 이유는, 포토레지스트의 경화를 방지하기 위해서이다. 열처리가 끝나면, 남아있는 포토레지스트를 제거하기 위해서, 아세톤을 사용하여 리프트-오프(lift off)를 수행한다. 이와 같은 과정을 거쳐, 기판 상의 원하는 위치에 물에 용해 내지 분산된 촉매 조성물이 도포되게 된다.
본 발명의 방법에 있어서는, 상기와 같이 하여 촉매 조성물을 원하는 위치에 도포한 후, 탄소나노튜브의 성장조건을 유지시키므로써 원하는 위치에서 단일층 탄소나노튜브가 성장할 수 있도록 한다.
본 발명의 방법에서는, 열화학 기상법(thermal chemical vapor deposition, thermal CVD), 플라즈마 촉진 화학 기상법(plasma enhanced chemical vapor deposition, PE CVD), RF 플라즈마 화학 기상법(RF plasma CVD), 마이크로파 플라즈마 화학 기상법(microwave plasma CVD), 직류 플라즈마 화학 기상법(DC plasma CVD) 등과 같은 다양한 기법으로 단일층 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있으며, 특히 열화학 기상법에 의해 단일층 탄소나노튜브를 성장시키는 것이 바람직하다.
열화학 기상법에 의한 단일층 탄소나노튜브의 성장에 있어서는, 탄소 원자 공급원으로서 혼합기체의 종류 및 비율, 성장온도 등의 조건이 매우 중요한 변수이다. 예를 들어, 탄소나노튜브의 성장을 위한 탄소 원자 공급원 기체로는 메탄, 에틸렌, 아세틸렌 등 여러 종류가 사용될 수 있는데, 이들은 탄소 원자 함유량, 분해 온도, 분해 후 발생되는 화학기가 각각 다르기 때문에, 목적에 따른 적절한 탄소 원자 공급원 기체의 선택이 필요하다. 또한, 일반적으로 열화학기상법을 이용한 단일층 탄소나노튜브의 성장온도 조건은 대략 800℃ 이상이어야 하는데, 이는 산화된 촉매의 환원을 위한 온도와 밀접할 뿐만 아니라, 주로 사용되는 탄소 원자 공급원 기체인 메탄이 탄소 원자로 분해되는 온도와 밀접하기 때문이다.
본 발명의 방법에 있어서, 열화학 기상법에 의해 단일층 탄소나노튜브를 성장시키는 경우, 탄소 원자 공급원 기체로는 메탄을 사용하는 것이 바람직하다. 에 틸렌이나 아세틸렌은 메탄보다 낮은 온도에서도 분해가 가능하므로, 온도가 높아지면 높아질수록 탄소 원자로의 분해가 활성화되어서 한가닥 내지 두가닥정도의 단일층 탄소나노튜브를 성장시키기에는 적절하지 못하다. 따라서, 고온에서 소수의 탄소나노튜브를 성장시키고, 동시에 형성된 탄소나노튜브의 결정성을 향상시키기 위해서는 탄소 원자 공급원 기체로서 메탄을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 방법에 있어서, 열화학 기상법에 의해 단일층 탄소나노튜브를 성장시키는 경우, 고온에서의 전극의 산화를 막기 위해서, 바람직하게는 성장 시작시점부터 종료시점까지의 전 과정에 걸쳐서, 성장이 일어나는 반응기 내에 수소 기체를 투입하는 것이 바람직하다.
본 발명의 방법에 사용되는 상기 촉매 조성물에는 이소프로필알코올 등의 저급알코올이 포함되는 것이 바람직한 바, 이는 이 저급알코올이 열화학 기상법에 의한 탄소나노튜브 성장시 수소의 환원을 활성화시키므로써, 승온에 의한 촉매간의 응집을 감소시키고, 산화에 의한 촉매의 활성화 감소를 막아 주기 때문이다.
본 발명의 방법에 있어서, 특히, 열화학 기상법에 의해 단일층 탄소나노튜브를 성장시키는 일 구체예를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 앞서 예시적으로 설명한 바와 같이 하여 준비된 촉매 패턴 기판을 상압 열화학 기상 챔버 내에 위치시킨다. 이 챔버 내를 약 5~30분에 걸쳐 800~1000℃로 승온시키고, 약 1~10분에 걸쳐 수소와 메탄의 비율을 1:1.5~5로 유지하면서 투입하여 패터닝된 촉매로부터 탄소나노튜브를 성장시킨다. 성장이 완료되면, 챔버의 온도를 하강시키는데, 이 챔버 온도 하강시에도 역시 수소기체를 계속 흘려주는 것 이, 산소에 의한 몰리브덴 전극의 산화를 막는 데에 있어서 바람직하다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명의 방법에 따르면, 원하는 위치에 선택적으로 성장된 단일층 탄소나노튜브가 얻어지는 바, 이는 예컨대 트랜지스터, 가스센서, 광 검출기와 같은 전자소자 또는 광전소자에 유용하게 활용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 이상 설명한 바와 같은 본 발명의 방법에 의해 선택적으로 성장된 단일층 탄소나노튜브를 포함하는 전자소자 또는 광전소자가 제공된다.
이하, 첨부된 도면 및 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 하나, 본 발명의 범위가 이로 인해 제한되는 것은 아니다.
실시예
<촉매 조성물의 제조>
촉매 조성물 제조용 매질로서 증류수 100ml에, 전이금속 원료물질로서 20밀리몰의 질산철 구수화물, 촉매 활성 촉진제로서 10밀리몰의 황 암모늄 헵타몰리브데이트 사수화물, 담지체로서 평균 입자크기가 10nm인 알루미나, 계면활성제로서 0.1g의 폴리비닐피롤리돈 및 환원성 향상용 저급 알코올로서 2ml의 이소프로필알코올을 각각 투입하고 교반하여 수용성 성분들을 용해시킨 뒤, 이를 약 30분간 초음파 처리하면서 혼합하는 것에 의해, 단일층 탄소나노튜브를 선택적으로 성장시키는 데에 사용하기 위한 촉매 조성물을 제조하였다.
<촉매 조성물의 선택적 도포>
도 1의 개락도를 참고로 하여, 본 실시예에서, 상기 제조된 촉매 조성물을 광식각법으로 기판 상의 선택된 위치에 도포하였던 과정을 이하 설명한다.
촉매 패터닝을 위하여, 먼저 광식각법을 이용하여 1cm x 1cm 크기의 SiO2 기판 위에 몰리브덴(Mo) 전극을 형성하였다(1차 광식각). 다음으로, 마스크 얼라이너(mask aligner)를 이용하여 형성된 전극 끝단에 2 마이크로미터 크기의 원형 패턴을 형성시켰다(2차 광식각). 다음으로, 앞서 제조된 촉매 조성물을, 광식각법에 의해 전극 상에 원형으로 패터닝된 기판에 떨어뜨려 스핀 캐스팅(spin casting)하였고, 이어서, 스핀 캐스팅된 기판을 110℃에서 10분간 열처리하였다. 열처리가 끝난 다음, 아세톤으로 리프트-오프(lift off)를 수행하여, 남아있는 포토레지스트를 제거하므로써, 기판 상의 원하는 위치, 즉, 몰리브덴(Mo) 전극 상의 원형 부분에 촉매 조성물을 선택적으로 도포하였다.
<단일층 탄소나노튜브의 성장>
앞서 준비된, 촉매 조성물이 선택적 위치에 도포된 기판을, 상압 열화학 기상 챔버 내에 위치시키고, 이 챔버 내를 약 11분에 걸쳐 900℃로 승온시켰다. 다음으로, 약 5분에 걸쳐 수소와 메탄을, 그 비율을 1:2로 유지하면서 챔버 내에 투입하여 패터닝된 촉매 조성물로부터 탄소나노튜브를 성장시켰다. 성장이 완료된 후, 수소기체를 챔버 내에 계속 흘려주면서, 챔버의 온도를 실온으로 서서히 하강시키므로써, 선택적으로 성장된 단일층 탄소나노튜브를 얻었다.
이렇게 하여 얻어진, 단일층 탄소나노튜브가 형성된 기판을 광학현미경 및 전자현미경으로 촬영하여, 그 사진을 도 2a~2d에 나타내었다.
몰리브덴 전극 상에 단일층 탄소나노튜브가 형성된 기판(도 2a) 중앙의 점선 원 영역(도 2b)을 보면, 원형의 촉매 패턴이 전극 위에 형성되어 있음을 알 수 있으며, 도 2b에 나타난 12쌍의 전극 중 하나를 확대한 도 2c 및 도 2d를 살펴보면, 그 중앙에 매우 가느다란 실선 형태의 단일층 탄소나노튜브(CNT)가 전극과 전극 사이를 가로질러 성장되었음을 알 수 있다.
한편, 상기에서 얻어진 단일층 탄소나노튜브에 대하여, 514nm의 에너지를 갖는 아르곤 레이저 및 633nm의 에너지를 갖는 헬륨-카드뮴 레이저를 각각 사용하여 라만(Raman) 분석을 실시하여, 그 결과 스펙트럼을 도 3a 및 3b에 각각 나타내었으며, 그 분석 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
[표 1]
| 레이저 파장(nm) | RBM 피크위치(cm-1) | 환산 직경(nm) | 카타우라 플롯 대비 결과 |
| 633 | 120.4 | 2.06 | S44 |
| 140.6 | 1.76 | S33 | |
| 187.7 | 1.32 | M11 | |
| 514 | 158.2 | 1.57 | S44 |
상기 표 1에서, "RBM 피크위치(cm-1)"란, 라만 스펙트럼에서, 탄소나노튜브 반지름 방향의 진동을 나타내는 모드인 RBM(radial breathing mode)에서 나타나는 피크의 라만 쉬프트(Raman shift) 위치(cm-1)를 의미하는 것으로서, 탄소나노튜브가 단일층일 경우에는, 일반적으로 라만 쉬프트(Raman shift)가 500cm-1 이하인 영역에서 RBM 피크가 나타난다.
또한 상기 표 1에서, "환산 직경"이란, 라만 분석에서 사용된 레이저의 파장과 라만 스펙트럼 상에 나타난 피크의 라만 쉬프트 위치로부터 환산한 탄소나노튜 브의 직경을 의미한다.
또한 상기 표 1에서, "카타우라 플롯 대비 결과"란, 라만 스펙트럼 상에 나타난 RBM 피크위치와 해당 탄소나노튜브의 환산 직경을 이용하여 이론적으로 계산된 카타우라 플롯(Kataura plot)에 대하여 반 호베 단일성(van Hove singularity)의 전이 에너지 밴드구조를 대비한 결과를 의미한다. 이러한 대비는 에너지 준위에 따른 탄소나노튜브의 성질에 대한 여러가지 정보를 줄 수 있으며, 그 대비결과, 반도체 특성을 지닌 탄소나노튜브는 "S"로 표현되고, 금속 특성, 즉, 도체 특성을 지닌 탄소나노튜브는 "M"으로 표현된다.
상기 표 1을 살펴보면, RBM 피크위치는 모두 500cm-1 이하의 영역인 120.4~187.7cm-1에서 관찰되었고, 그 환산 직경이 1.32~2.06nm이었던 바, 이로부터 본 실시예에 의해 형성된 탄소튜브가 단일층이고, 또한 나노미터 크기의 직경을 갖는 단일층 탄소나노튜브임을 알 수 있다. 또한, 상기 표 1에서, 카타우라 플롯 대비 결과, S에 해당하는 탄소나노튜브가 M에 해당하는 것보다 더 많았던 바, 이로부터 본 실시예에 의해 형성된 단일층 탄소나노튜브의 경우, 반도체 특성을 지닌 단일층 탄소나노튜브가, 도체 특성의 탄소나노튜브보다 더 많이 분포되어 있었음을 알 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 특히 광식각법을 이용하여 단일층 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있고, 그 결과, 광식각법을 이용한 단일층 탄소나 노튜브 전자소자의 제작이 가능한 바, 이는, 현재 상용화되어 있는 반도체 공정의 주요 기술인 광식각법을 이용하여 단일층 탄소나노튜브 전자소자를 구현하는데 있어서 매우 유용하고 또한 획기적인 발명이라고 할 수 있다. 특히, 본 발명에 따라 성장된 단일층 탄소나노튜브는, 광식각법에 의해 패터닝된 위치에서 두가닥 이하의 성장분포를 보이며 두 전극 사이를 연결하는 것이 가능한 바, 이를 다양한 전자소자에 응용할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명에 따르면, 예컨대, 탄소나노튜브 전계효과 트랜지스터 (Carbon nanotube-Field Effect Transistor, CNT-FET), 탄소나노튜브를 이용한 가스센서, 광 센서 등에 활용가능한 나노전자소자를, 전자선 식각장치를 이용하지 않고, 현재 상용되고 있는 광식각법을 이용하여 대량으로 생산할 수 있게 된다.
Claims (15)
- 물에 용해 내지 분산된, 수용성 촉매성분을 포함하는 단일층 탄소나노튜브 성장용 촉매 조성물을 원하는 위치에 도포하고, 여기에 탄소원자 공급원을 공급하는 것에 의해, 상기 원하는 위치로부터 단일층 탄소나노튜브를 성장시키는 것을 특징으로 하는 단일층 탄소나노튜브의 선택적 성장방법.
- 제1항에 있어서, 상기 단일층 탄소나노튜브 성장용 촉매 조성물은, 수용성 촉매성분으로서 전이금속 및 촉매 활성 촉진제를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 촉매 활성 촉진제는 몰리브덴, 아세틸아세토네이트 디옥소몰리브데늄, 황 암모늄 헵타몰리브데이트 사수화물, 황산니켈, 황산철 또는 황 분말을 1종 이상 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 전이금속은 나노미터크기의 담지체 상에 담지되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 단일층 탄소나노튜브 성장용 촉매 조성물은 계면활성제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 계면활성제는 폴리비닐피롤리돈, 카르복시메틸셀룰로스 또는 폴리비닐알코올인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 단일층 탄소나노튜브 성장용 촉매 조성물은 탄소수 4 이하의 저급알코올을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 저급알코올은 이소프로필알코올, 부탄올, 에탄올 또는 메탄올인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 광식각법에 의하여 상기 단일층 탄소나노튜브 성장용 촉매 조성물을 원하는 위치에 도포하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 열화학 기상법에 의해 단일층 탄소나노튜브를 성장시키는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제10항에 있어서, 단일층 탄소나노튜브를 성장시키기 위한 탄소 원자 공급원 기체로서 메탄을 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제10항에 있어서, 단일층 탄소나노튜브의 성장이 일어나는 반응기 내에 수소 기체를 투입하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 수소 기체의 투입은 단일층 탄소나노튜브의 성장 시작시점부터 종료시점까지의 전 과정에 걸쳐서 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 선택적으로 성장된 단일층 탄소나노튜브를 포함하는 전자소자.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 선택적으로 성장된 단일층 탄소나노튜브를 포함하는 광전소자.
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|---|---|---|---|
| KR1020050024037A KR100698393B1 (ko) | 2005-03-23 | 2005-03-23 | 수용성 촉매를 이용한 단일층 탄소나노튜브의 선택적성장방법 및 이에 의해 형성된 단일층 탄소나노튜브를포함하는 전자소자 또는 광전소자 |
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|---|---|---|---|
| KR1020050024037A KR100698393B1 (ko) | 2005-03-23 | 2005-03-23 | 수용성 촉매를 이용한 단일층 탄소나노튜브의 선택적성장방법 및 이에 의해 형성된 단일층 탄소나노튜브를포함하는 전자소자 또는 광전소자 |
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|---|---|
| KR20060102124A KR20060102124A (ko) | 2006-09-27 |
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| KR1020050024037A KR100698393B1 (ko) | 2005-03-23 | 2005-03-23 | 수용성 촉매를 이용한 단일층 탄소나노튜브의 선택적성장방법 및 이에 의해 형성된 단일층 탄소나노튜브를포함하는 전자소자 또는 광전소자 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111099576A (zh) * | 2019-11-29 | 2020-05-05 | 厦门大学 | 一种图案化碳纳米管阵列柔性复合薄膜的制备方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6333016B1 (en) | 1999-06-02 | 2001-12-25 | The Board Of Regents Of The University Of Oklahoma | Method of producing carbon nanotubes |
| US6401526B1 (en) | 1999-12-10 | 2002-06-11 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Carbon nanotubes and methods of fabrication thereof using a liquid phase catalyst precursor |
| US6716409B2 (en) | 2000-09-18 | 2004-04-06 | President And Fellows Of The Harvard College | Fabrication of nanotube microscopy tips |
-
2005
- 2005-03-23 KR KR1020050024037A patent/KR100698393B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6333016B1 (en) | 1999-06-02 | 2001-12-25 | The Board Of Regents Of The University Of Oklahoma | Method of producing carbon nanotubes |
| US6401526B1 (en) | 1999-12-10 | 2002-06-11 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Carbon nanotubes and methods of fabrication thereof using a liquid phase catalyst precursor |
| US6716409B2 (en) | 2000-09-18 | 2004-04-06 | President And Fellows Of The Harvard College | Fabrication of nanotube microscopy tips |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111099576A (zh) * | 2019-11-29 | 2020-05-05 | 厦门大学 | 一种图案化碳纳米管阵列柔性复合薄膜的制备方法 |
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| Publication number | Publication date |
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