KR100823525B1 - 배향 유닛 및 그 복합체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 홈 내에 기재를 놓아서 기재에 형성된 홈의 종방향으로 바늘형 물체를 용이하게 배향하기 위한 방법과, 배향된 바늘형 물체를 포함하는 배향 유닛을 제공한다.

홈, 기재, 배향, 배향 유닛, 바늘형 물체

Description

배향 유닛 및 그 복합체 {ALIGNMENT UNIT, AND COMPOSITE THEREOF}

도1a 내지 도1d는 제1 실시예를 따라 기재 상에 카본 나노튜브를 배향하기 위한 방법의 단계를 도시하는 개략도.

도2a 내지 도2d는 제1 실시예를 따른 배향 방법으로 준비된 배향 유닛으로부터 매트릭스 전극를 형성하기 위한 공정의 단계를 도시하는 개략도.

도3은 제2 실시예를 따라 기재 상에 카본 나노튜브를 배향하기 위한 방법의 단계를 도시하는 개략도.

도4a 내지 도4d는 제2 실시예를 따른 배향 방법으로 준비된 배향 유닛으로부터 라인 전극을 형성하기 위한 공정의 단계를 도시하는 개략도.

도5는 라인 전극의 부분 확대도.

도6은 종래의 MOS 트랜지스터의 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 기재

2 : 홈

2a : 측벽

3 : 페이스트

4 : 카본 나노튜브

5 : 스퀴지

6 : 배향 유닛

본 발명은 바늘형 물체를 배향하는 방법과 배향 유닛에 관한 것이다.

최근 관심이 되고 있으며 바늘형 물체를 대표하는 카본 나노튜브(carbon nanotube)는 평면 형상으로 결합된 흑연 구조를 구성하는 sp² 탄소가 나노미터 정도의 원통형상으로 말려있는 구조이다. 카본 나노튜브는 많은 우수한 특성을 가지며, 따라서 다양한 분야에서 사용되고 있다. 특히, 카본 나노튜브는 도전성 또는 반도전성일 수 있는 전기적 특성 때문에 전기 재료로 종종 사용된다. 카본 나노튜브의 한가지 적용 분야는 MOS 트랜지스터에 사용하는 것이다.

도6은 종래의 MOS 트랜지스터의 개략적인 도면이다. MOS 트랜지스터를 제조하는데 있어서, 복수개의 카본 나노튜브(104)가 규소 기재(10) 위의 SiO₂ 필름(11) 상에 동일한 방향으로 배향되며, 소스 전극(12), 드레인 전극(13) 및 게이트 전극(14)은 포토리소그래피에 의해 형성된다. 그런 다음, 소스 전극(12)과 드레인 전극(13) 사이에 고전압이 인가되어, 양호한 도전성 카본 나노튜브를 절단하고 반도전성 카본 나노튜브가 남게 된다. 이렇게 하여, MOS 트랜지스터가 만들어진다.

카본 나노튜브의 또 다른 응용례는 전계 방출 디스플레이(Field Emission Display)의 전자원으로 사용하는 것이다. 카본 나노튜브는 전압이 인가될 때 전자를 방출한다. 다수의 카본 나노튜브가 동일한 방향으로 다발로 묶여서 전자 방출 소자를 형성하며, 이러한 전자 방출 소자는 FED 전자원으로 2차원적으로 배열된다. 카본 나노튜브는 다른 다양한 분야에서 사용되지만, 대부분의 경우 한 방향으로 배향되어야 한다.

카본 나노튜브의 배향에 대해서, 일본 특허 공개 제2000-208026호, 제2001-93404호, 제2001-195972호, 제2003-197131호 공보에 몇가지 방법이 개시되어 있으며, 모두 FED 전자원과 관련된다. 일본 특허 공개 제2000-208026호 공보에서는, 카본 나노튜브를 포함하는 물질을 원통 용기에 밀폐하고, 원통 용기를 연신함으로써 카본 나노튜브가 연신 방향으로 배향된다. 일본 특허 공개 제2001-93404호 공보에서는, 카본 나노튜브를 분산시킨 도전성 페이스트를 세라믹 시트에 형성된 다수의 관통 구멍 내로 가압시킴으로써 카본 나노튜브가 기재에 대해서 직각 방향으로 배향된다. 일본 특허 공개 제2001-195972호 공보에서는, 카본 나노튜브를 분산시킨 페이스트를 들쭉날쭐한 형상 등의 물리적인 형상을 갖는 기재의 표면에 스크린 인쇄 또는 스핀 코팅(spin coating)에 의해 도포한다. 이렇게 하여, 카본 나노튜브는 기재의 표면에 대해서 직각인 방향으로 배향된다. 일본 특허 공개 제2003-197131호 공보에서는, 카본 나노튜브는 금속 필름의 표면에 형성된 다수의 작은 리세스에 놓여서 금속 필름의 표면에 직각인 방향으로 배향된다.

그러나 이러한 방법들은 다음과 같은 단점이 있다. 일본 특허 공개 제2000- 208026호 공보에 개시된 방법은 배향하는데 있어서 복잡한 제조 단계가 요구된다. 또한, 이 방법은 FED 전자원을 위해 배향된 카본 나노튜브를 이용하기 위해서는, 매트릭스로 배향된 카본 나노튜브를 배열하기 위한 추가의 단계를 필요로 하므로 제조 단계의 수가 증가한다.

일본 특허 공개 제2001-93404호, 제2001-195972호 및 제2003-197131호 공보의 방법에서는 전자 방출 소자의 소형화에 한계가 있는데, 그 이유는 이 방법에 있어서 카본 나노튜브가 매트릭스로 배열되도록 기재에 직각 방향으로 배향되기 때문이다.

따라서 본 발명의 일 목적은 바늘형 물체를 용이하게 배향하는 방법을 제공하는 것과, 바늘형 물체가 배향된 배향 유닛을 제공하는 것이다. 이러한 방법에서는, 바늘형 물체를 기재에 형성된 홈 내에 위치시킴으로써 기재에 형성된 홈의 종방향으로 바늘형 물체가 배향된다.

본 발명의 또 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부된 도면을 참고로 양호한 실시예의 설명으로부터 더욱 명확해질 것이다.

본 발명의 실시예가 도면을 참고로 설명될 것이다.

제1 실시예

본 발명은 대표적인 바늘형 물체로서 카본 나노튜브를 이용한다. 카본 나노튜브를 배향하는 방법이 먼저 설명된 다음, 배향된 카본 나노튜브를 매트릭스로 배 열하기 위한 공정이 설명될 것이다.

1. 카본 나노튜브를 배향하는 방법

기재 상에 카본 나노튜브를 배향하는 방법은 도1a 내지 도1d를 참고로 설명될 것이다.

도1a에 도시된 기재(1)는 그 표면에 형성된 복수개의 홈(2)을 가진다. 기재(1)의 재료는 특별히 제한되지 않으며 세라믹이나 수지 같은 절연재, 또는 규소 웨이퍼나 금속 같은 반도성 재료나 도전성 재료로 만들어질 수 있다. 또한, 기재(1)는 SiO₂ 필름 등의 산화층으로 덮힌 규소를 포함할 수 있다. 기재(1)의 표면에서 편평도가 보장된다면 어떠한 재료로도 기재(1)를 구성할 수 있다.

홈(2)은 그 단면 형상이 정점을 하방으로 한 V자형이며, 기재(1)에 소정의 간격으로 서로에 대해서 대략 평행하게 형성되어 있다. 홈(2)은 카본 나노튜브(4)를 배향시키는데 사용하도록 되어 있다. 카본 나노튜브(4)는 후술된 바와 같이 홈(2)의 측벽(2a)을 따라 홈(2) 내에 위치하여 배향된다. 그러므로, 홈(2)의 개구의 폭(w)은 카본 나노튜브(4)의 직경보다 크게 설정되어 카본 나노튜브(4)가 홈(2) 내에 놓일 수 있다. 또한, 카본 나노튜브(4)가 홈(2)의 측벽(2a)을 따라 놓이기 위해서 폭(w)은 카본 나노튜브(4)의 길이보다 작게 설정된다.

도1a 내지 도1d는 일례로 V자형 홈을 도시하지만, 홈(2)은 카본 나노튜브(4)가 배향될 수 있다면 어떠한 형상이라도 가능하다. 예를 들어, 홈(2)의 단면은 직사각형, 사다리꼴, 반원 또는 반타원형이 될 수 있다. 홈(2)의 단면이 본 실시예 에서 V자형이기 대문에, 카본 나노튜브(4)는 홈(2)의 측벽(2a)을 따라 배향된다. 만약 단면이 직사각형 등이라면 카본 나노튜브(4)는 홈(2)의 하부를 따라 배향될 수 있다. 다시 말해, 홈(2)은 카본 나노튜브(4)가 그 내측 벽을 따라 정렬될 수 있다면 어떠한 형상이라도 좋다.

본 실시예에서의 카본 나노튜브(4)의 직경은, 바람직하게는 수 나노미터에서 수십 나노미터 범위이며, 길이는 바람직하게는 수 마이크로미터에서 수십 마이크로미터 범위이다. 본 발명은 직경이 20nm, 길이가 20㎛인 카본 나노튜브를 이용한다. 따라서, 홈(2)의 폭(w)은 20㎛인 카본 나노미터의 길이보다 작게 설정되면 충분하다. 그러나, 배향 능력을 향상시킨다는 관점에서 보면 폭(w)은 카본 나노튜브(4) 직경의 수십배가 되고, 홈(2)의 길이(L)는 카본 나노튜브(4) 길이의 약 1.2배가 되는 것이 양호하다. 본 실시예에서, 홈(2)은 폭(w)이 500nm이고, 길이(L)는 25㎛이다. 홈(2)의 길이(L)는 배향 후에 경우에 따라 절단될 수도 있기 때문에 더 길 수도 있다. FED 전자원에 있어서, 홈(2)은 양호하게 폭(w)이 약 500nm이고 길이(L)가 약 1mm이다. 본 실시예는 길이(L)가 기재(1)의 종방향 길이보다 짧은 홈(2)을 설명하지만, 길이(L)는 기재(1)의 종방향 길이와 동일할 수 있다.

홈(2)은 가시광선보다 짧거나 같은 파장을 가지는 광선, 전자선 또는 이온빔에 의해 형성되거나 연마(rubbing)에 의해서 형성될 수 있다. 만약 기재(1)가 규소 웨이퍼일 경우, 홈(2)은 건식 에칭 또는 비등방성 에칭에 의해 형성될 수 있다. 기재(1)는 스테이지(8)에 놓여진다.

도1b는 스퀴지(squeegee)(5)로 홈(2) 내에 카본 나노튜브(4)가 분산되어 있 는 페이스트(3)를 놓는 단계를 도시한다.

분산 매체 역할을 하는 페이스트(3)는 본 실시예에서 도전성을 가진다. 예를 들어, 본 실시예의 MOS 트랜지스터에의 적용시 도전성 페이스트가 양호하게 분산 매체로 사용된다. 그러나, 페이스트(3)는 도전성으로 한정되지 않으며 절연성일 수 있다. 절연성 분산 매체는 수지 페이스트와 용제 등의 비교적 점성이 낮은 재료를 포함한다.

스퀴지(5)가 페이스트(3)를 쓸어내려 홈(2) 내에 카본 나노튜브(4)를 놓는 방향은 특별히 제한되지 않지만, 도1b에 도시된 양방향 화살표(A)로 지정된 방향으로 왕복 운동하는 것이 가장 효과적이다. 이러한 방향으로 인해서 홈(2) 내에 배향되지 않고 기재(1)의 표면(1a) 상에 남은 카본 나노튜브(4)의 개수가 줄어든다.

도1c는 스퀴지(5)로 기재(1)의 표면(1a)에 남겨진 카본 나노튜브(4)를 긁어내는 단계를 도시한다. 이 단계에서 긁어낸 카본 나노튜브(4)는 도1b에 도시된 단계에서 재사용된다.

도1d는 홈(2)의 종방향으로 배향시키기 위해 홈(2)의 측벽(2a)을 따라 홈(2) 내에 카본 나노튜브(4)를 놓아서 준비된 최종 배향 유닛(6)을 도시하는 사시도이다. 여기서 페이스트(3)는 용제를 제거하기 위해 양호하게 가열된다. 좀더 양호하게는, 카본 나노튜브(4)를 포함한 페이스트를 도포하고(도1b), 카본 나노튜브(4)를 긁어내고(도1c), 페이스트(3)를 가열하는 단계의 순서가 반복되어, 카본 나노튜브(4)가 홈(2) 내에 빽빽이 놓일 수 있다. 예컨대, 외부 가열 장치 또는 기재(1)를 지지하는 스테이지(8)에 포함된 히터로 기재(1)를 가열할 수 있다.

본 발명의 방법에서 요구되는 것은 카본 나노튜브를 기재에 형성된 홈에 놓는 것 뿐이다. 그러므로, 카본 나노튜브는 상기 방법으로 용이하게 배향될 수 있다. 또한, 본 발명의 방법으로 기재 상에 남아 있는 카본 나노튜브가 재활용될 수 있으므로 카본 나노튜브의 낭비가 방지되지만, 종래의 기술에서는 남아 있거나 비배향된 카본 나노튜브를 재활용하기가 어려웠다.

FED 전자원을 만들기 위해서, 복수개의 배향 유닛(6)을 상하로 적층함으로써 카본 나노튜브는 매트릭스로 배열된다. FED 전자원을 만들기 위한 이러한 공정이 후술될 것이다.

본 발명의 방법에 의해 카본 나노튜브를 이용한 MOS 트랜지스터를 만드는 공정에서 기재(1)는 SiO₂ 필름으로 덮힌 규소를 포함한다. 이 경우, 어느 정도 균일한 길이를 가지는 카본 나노튜브(4)가 서로 평행하게 배향되며, 카본 나노튜브의 종방향으로 단부들이 배향된다. 이러한 경우, 홈(2)의 길이는 양호하게 카본 나노튜브(4)의 길이보다 어느 정도까지 더 크다(예컨대, 1.2 배 더 큼). 그 결과로서 홈(2)에 놓인 카본 나노튜브(4)는 홈(2)의 측벽(2a) 뿐만 아니라 홈(2)의 단부(2b)(도1a)에서도 배향된다.

홈(2)은 건식 에칭에 의해 SiO₂ 필름의 표면에 형성될 수 있다. 전술된 바와 동일한 방법으로 홈(2)에 카본 나노튜브(4)를 놓아서 배향 유닛(6)을 준비한 후에, 배향 유닛(6)은 포토리소그래피나 잉크 분사에 의해 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극을 구비한다. 그러므로, 카본 나노튜브(4)를 이용한 MOS 트랜지스 터가 완성된다.

2. 매트릭스 전극을 만들기 위한 공정

도2a 내지 도2d에 있어서, FED 전자원으로 사용되기 위해서 전술된 배향 방법으로 준비된 배향 유닛(6) 또는 카본 나노튜브 배향 유닛으로부터 매트릭스 전극을 만들기 위한 공정이 설명될 것이다.

도2a는 네 개의 홈(2)에 배향된 카본 나노튜브(4)를 포함하는 배향 유닛(6)이 동일한 구조의 배향 유닛(6)과 서로 겹쳐지는 것을 도시한다. 복수개의 배향 유닛(6)은 상하로 적층되어 홈(2)은 동일한 방향으로 연장된다. 배향 유닛(6)은 기재(1)의 재료에 따라 적절하게 선택된 적합한 기술에 의해 서로 접합된다. 본 실시예에서와 같이 세라믹 또는 규소로 만들어진 기재에 있어서는, 에폭시 접착제나 표면 활성화 접합을 이용하여 실온에서 배향 유닛(6)이 접착될 수 있다. 규소 기재에 있어서, 배향 유닛(6)은 고온으로 규소 접합에 의해 접합될 수 있다. 배향 유닛(6)을 정밀하게 접합시키기 위해서 접착제를 사용하는 것은 적절하지 않지만, 활성화 접합(activation bonding)과 규소 접합은 적절하다.

소정 개수의 배향 유닛(6)이 전술된 바와 같이 겹쳐진 후에, 홈이 없는 기재(1)가 도2b에 도시된 바와 같이 배향 유닛(6)의 상부에 배치되어 접합된다. 그러므로, 배향 유닛(6)의 복합체(6a)가 준비된다. 도2b는 홈이 없는 기재가 네 개의 배향 유닛(6)의 상부에 배치된 복합체(6a)를 도시한다.

복합체(6a)는 도2c에 도시된 절단선(15)을 따라 몇몇 조각으로 절단된다. 절단선(15)은 소정 치수의 매트릭스 전극(7)을 형성할 수 있는 간격으로 홈(2)을 교차하도록 설정된다. 이 경우에서, 절단선(15) 간의 간격은 홈 길이(L) 내에 설정되어 홈(2)은 최종 매트릭스 전극(7)의 단부 표면(7a)에서 노출된다.

그러므로, 전자 방출 소자(전극) 역할을 하는 배향된 카본 나노튜브(4)를 포함하는 홈(2)이 4 x 4 매트릭스로 단부 표면(7a)에 배열된 매트릭스 전극(7)은 각각 네 개의 홈(2)을 가지는 네 개의 배향 유닛(6)으로 구성된 복합체(6a)를 준비하는 단계와, 절단선(15)을 따라 몇개의 조각으로 복합체(6a)을 절단하기 위한 단계를 통해 완성된다.

복합체(6a)의 절단은 레이저로 수행될 수 있다. 배향 유닛(6)이 서로 단단히 접합되기 때문에, 공통의 다이서(dicer)도 사용 가능하다.

본 실시예에서, 홈(2)은 복합체(6a)와 동일한 방향으로 연장되도록 배열된다. 그러나, 홈(2)의 배열은 여기에 제한되지 않으며, 배향 유닛(6)은 홈(2)의 방향이 상이한 방식으로 겹쳐질 수 있다.

본 실시예에서, 기재(1)의 두께와 홈(2) 사이의 간격을 선택함으로써 매트릭스 전극(7)의 전극 선들 사이의 간격을 임의대로 변경시키고, 작고 정밀하게 설정할 수 있다.

제2 실시예

본 실시예는 배향된 카본 나노튜브로부터 라인 전극(line electrode)을 형성하기 위한 방법을 설명할 것이다.

도3은 스퀴지(34)로 기재(31)에 형성된 홈(32) 내에 카본 나노튜브가 분산된 도전성 페이스트(33)를 놓기 위한 단계를 도시한다. 본 실시예에서 기재(31)는 간 격없이 연속적으로 이웃한 홈들을 가진다. 홈(32)은 제1 실시예에서와 동일한 방식으로 형성되며 설명은 생략된다.

도4a 내지 도4d에 있어서, 도3에 도시된 바와 같이 준비된 배향 유닛(36)으로부터 라인 전극을 만들기 위한 방법이 설명된다.

도4a는 서로 대향된 홈을 가지는 표면(36b, 36b')을 구비한 두 개의 배향 유닛(36, 36')을 도시한다. 이러한 배향 유닛(36, 36')은 도4b에 도시된 바와 같이 복합체(36a)를 형성하도록 겹쳐진다. 이 경우, 배향 유닛(36)의 홈(32)은 홈의 선들이 배열된 방향으로 1/2 피치만큼 배향 유닛(36')의 홈(32')으로부터 이동되도록 배치된다. 만약 도전성 페이스트가 용제 내에 금속 입자들을 분산시켜 준비된다면, 도4b에 도시된 단계 후에 복합체(36a)는 양호하게 열처리된다. 열처리는 금속 입자들을 소결시켜 도전성을 향상시킨다.

홈(32, 32')이 1/2 피치로 엇갈리게 배치되도록 홈 보유 표면(36b, 36b')이 서로 대향된 복합체(36a)는 도4c에 도시된 절단선(45)을 따라 몇 개의 조각으로 절단되어 도4d에 도시된 라인 전극(39)을 준비한다. 특히 홈(32, 32')을 1/2 피치로 엇갈리게 배치하여, 홈(32, 32')에 배향된 카본 나노튜브(34)는 도5에 도시된 바와 같이 삼각형 파장 형태로 연결된다. 이렇게, 라인 전극(39)이 완성되며, 각각은 홈(32, 32')의 선 배열 방향으로 삼각형 파장 형태로 연속되는 배향된 카본 나노튜브(34)로 구성된다. 라인 전극(39)의 섹션은 이러한 삼각형 파장 형태로 제한되지 않으며, 홈(32, 32')의 형태에 따라 직사각형, 사다리꼴, 반원 또는 반타원형일 수 있다.

본 발명이 현재 양호한 실시예로 고려되는 것들을 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 전술된 실시예에 제한되지 않는다. 반면에, 본 발명은 첨부된 청구항의 정신과 범위 내에 포함된 다양한 변형과 균등 구성을 포함하도록 되어있다. 하기 청구항의 범위는 이러한 변형과 균등 구조 및 기능을 모두 포함하도록 가장 넓은 해석으로 허용된다.

바늘형 물체를 용이하게 배향하는 방법을 제공하며, 바늘형 물체가 배향된 배향 유닛을 제공한다.

Claims (16)

1. 긴 구멍형의 개구부를 갖는 적어도 하나의 홈이 마련된 기재와, 상기 홈의 길이 방향을 따라서 상기 홈 내에 배향하여 배치된 카본 나노튜브를 갖고,

   상기 홈의 길이 방향의 길이는 상기 카본 나노튜브의 길이보다 길고, 상기 홈의 개구폭은 상기 카본 나노튜브의 직경보다 크며 상기 카본 나노튜브의 길이보다도 짧은 배향 유닛.
2. 제1항에 있어서, 상기 홈의 폭은 카본 나노튜브의 직경의 수십 배이고, 상기 홈의 길이 방향의 길이는 카본 나노튜브의 길이의 1.2배 이상인 배향 유닛.
3. 제1항에 있어서, 상기 홈의 단면 형상이 정점을 하방으로 한 V자형인 배향 유닛.
4. 긴 구멍형의 개구부를 갖는 복수의 홈이 대략 평행하게 마련된 기재와, 상기 홈의 길이 방향을 따라서 상기 홈 내에 배향하여 배치된 카본 나노튜브를 갖는 배향 유닛을 복수 적층함으로써 형성된 배향 유닛의 복합체.
5. 제4항에 있어서, 상기 복수의 홈의 길이 방향이 정렬되어 적층되어 있는 배향 유닛의 복합체.
6. 제5항에 있어서, 상기 복수의 홈의 단부면이 상기 적층된 복수의 배향 유닛의 단부면에 노출되어 있는 배향 유닛의 복합체.
7. 제5항에 있어서, 상기 복수의 홈이 연속해서 마련되어 있는 배향 유닛의 복합체.
8. 제7항에 있어서, 상기 홈이 형성된 면이 서로 대향하여 적층되어 있는 배향 유닛의 복합체.
9. 제8항에 있어서, 상기 서로 대향한 홈이 각각 1/2 피치만큼 엇갈리게 배치되는 배향 유닛의 복합체.
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