KR100975850B1 - 탄소나노튜브 제조용 샤워헤드장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 화학 기상증착법(PECVD:plasma enhanced chemical vapor deposition)을 이용하여 탄소나노튜브(CNT:carbon nano tube)를 기판상에 연속 성장시키기 위한 탄소나노튜브 제조용 샤워헤드장치에 관한 것으로서, 챔버 내에 원료가스와 반응가스가 분리 공급되도록 반응가스공급부와 원료가스공급부로 구성하되, 상기 반응가스공급부는 단부에 구비된 제1분사노즐체의 분사구를 통해 반응가스가 상기 챔버 내에 분사되도록 하고, 상기 원료가스공급부는 원료가스가 상기 분사구와 동심원을 형성하는 분사관을 통해 챔버 내에 분리 공급되도록 함으로써, 반응가스(플라즈마)와 원료가스의 반응면적 및 반응시간이 최대화될 수 있게 하고, 또한 원료가스가 플라즈마 내에 신속하게 진입되어 균일하게 분포되게 함으로써 탄소나노튜브의 합성효율 및 품질을 현저히 증대시킬 수 있는 탄소나노튜브 제조용 샤워헤드장치에 관한 것이다.

챔버, 탄소나노튜브, 분사관, 플라즈마

Description

탄소나노튜브 제조용 샤워헤드장치 {A shower head device for manufacturing carbon nano tube}

본 발명은 플라즈마 화학 기상증착법(PECVD:plasma enhanced chemical vapor deposition)을 이용하여 탄소나노튜브(CNT:carbon nano tube)를 기판상에 연속 성장시키기 위한 탄소나노튜브 제조용 샤워헤드장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 반응가스와 원료가스가 챔버 내에 분리 공급될 수 있도록 반응가스공급부와 원료가스공급부로 구성하되, 반응가스와 원료가스가 동심원을 형성하는 분사구와 분사관을 통해 각각 챔버 내에 동시에 공급되도록 함으로써, 반응가스(플라즈마)와 원료가스의 반응면적 및 반응시간이 최대화되게 할 뿐 아니라, 원료가스가 반응가스의 플라즈마 내에 신속하고 균일하게 분포되게 하여 탄소나노튜브의 합성효율 및 품질을 현저히 증대시킬 수 있는 탄소나노튜브 제조용 샤워헤드장치에 관한 것이다.

탄소나노튜브는 전기방전법을 이용하여 흑연 음극상에 형성시킨 탄소생성물을 분석하는 과정에서 최초로 발견된 것으로서, 하나의 탄소원자가 3개의 다른 탄소원자와 육각형 벌집무늬로 결합되어 속이 비어 있는 튜브형태를 이루고 있는 물 질이다.

이러한 탄소나노튜브는 튜브의 직경이 보통 1나노미터 수준으로 자연계에서 가장 작은 튜브를 형성하며, 튜브의 직경이나 배향각에 따라 전기적 성질이 상이하게 나타나기 때문에 도체 특성 또는 반도체 특성을 선택적으로 가질 수도 있으며, 기계적, 전기적, 화학적 성질이 우수하여 차세대 평면 디스플레이인 전계방출 소자(FED:Field Emission Display), 2차전지 전극 또는 자동차, 항공, 복합재료 등으로 다양하게 응용될 수 있다.

탄소나노튜브를 성장시켜 제조하는 방법은 전기 방전법(Arc-Discharge), 레이저 증착법(Laser Vaporization), 열화학 기상증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 화학 기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 등의 다양한 방법이 있다.

상기와 같은 탄소나노튜브 합성방법 중 플라즈마 화학 기상증착법은 양 전극에 인가되는 고주파(RF:Radio Frquency) 전원에 의하여 챔버 또는 반응로 내에 글로우 방전에 의한 플라즈마 상태를 발생시켜 플라즈마의 에너지에 의해 원료가스의 탄소 원자가 기판상에 합성될 수 있게 하는 것으로서, 불순물이 거의 발생하지 않고, 상대적으로 저온 상태에서 탄소나노튜브를 합성할 수 있어 많이 사용되고 있다.

이때, 반응가스와 원료가스를 챔버 또는 반응로 내에 공급시킬 수 있게 샤워헤드장치가 챔버 또는 반응로 내에 설치되게 되며, 샤워헤드장치는 반응가스와 원료가스를 공급함과 동시에 반응가스에 의한 플라즈마 상태를 형성시켜 기판상에 탄 소나노튜브가 합성될 수 있게 하는 것이다.

이하 종래의 샤워헤드장치를 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 종래의 탄소나노튜브 제조용 샤워헤드장치의 배면도를 나타낸 것으로서, 도시된 바와 같이, 샤워헤드장치의 배면에는 반응가스가 분사되는 반응가스분사구(110)와 원료가스가 분사되는 원료가스분사구(120)가 일정 거리를 두고 규칙적으로 배열 형성되어 있다.

따라서 샤워헤드장치는 반응가스가 반응가스분사구(110)를 통해 챔버(도시하지 않음) 내로 분사됨과 동시에 원료가스가 원료가스분사구(120)를 통해 챔버 내로 분사되게 함으로써, 기판상에 탄소나노튜브를 합성시키게 되는 것이다.

이때 반응가스는 고주판 전원(RF 전원)에 연결되는 샤워헤드장치 내의 전극판에 의해 플라즈마 상태로 분사되게 된다.

그러나 상기와 같은 탄소나노튜브 제조용 샤워헤드장치는 다음과 같은 문제점들이 있었다.

첫째, 반응가스와 원료가스가 서로 이격된 별개의 분사구를 통해 챔버 내로 각각 공급됨으로써, 반응가스에 의한 플라즈마가 국부적으로 형성된 후 원료가스가 분사되는 영역으로 확산되는 구조이기 때문에 반응가스의 플라즈마 상태가 균일하게 분포될 수 없어 원료가스와 플라즈마가 효과적으로 혼합될 수 없을 뿐 아니라, 반응가스와 원료가스의 반응면적 및 반응시간이 제한되어 탄소나노튜브의 합성효율이 현저히 저하되는 문제점이 있었고, 둘째, 반응가스의 플라즈마 분사 영역과 원료가스의 분사 영역이 서로 이격되어 형성된 후 혼합되기 때문에 원료가스가 플라 즈마 내로 신속하고 균일하게 분포될 수 없어 탄소나노튜브의 합성 품질이 현저히 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 반응가스공급부 내측 중앙부에 원료가스공급부를 격리 설치하고, 반응가스의 플라즈마와 원료가스가 동심원을 형성하는 분사구와 분사관을 통해 분리된 상태에서 각각 챔버 내에 동시에 공급되도록 함으로써, 반응가스와 원료가스가 샤워헤드장치 내에서 혼합되는 것을 방지함과 동시에 반응가스(플라즈마)와 원료가스의 반응면적 및 반응시간이 최대화될 수 있게 하여 탄소나노튜브의 합성효율을 증대시키는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 반응가스의 플라즈마가 원료가스를 감싸면서 분사될 수 있게 하여 원료가스가 플라즈마의 중앙부로 신속하게 분사되게 함으로써, 원료가스가 플라즈마 내에서 신속하고 균일하게 분포될 수 있게 하여 기판상의 탄소나노튜브의 합성 품질을 현저히 증대시킬 수 있는 탄소나노튜브 제조용 샤워헤드장치를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 기판상에 탄소나노튜브를 합성시킬 수 있도록 챔버 내에 원료가스와 반응가스를 각각 공급하는 원료가스공급부와 반응가스공급부로 구성된 탄소나노튜브 제조용 샤워헤드장치에 있어서,

상기 원료가스공급부는 원료가스와 반응가스가 챔버 내에 분리 공급될 수 있도록 상기 반응가스공급부 내측에 격리될 수 있게 설치하되, 상기 반응가스공급부 와 원료가스공급부는 반응가스와 원료가스가 동심원을 형성하며 챔버 내에 다공 분사될 수 있도록 제1분사노즐체와 제2분사노즐체가 각각 구비된다.

또한 본 발명의 상기 반응가스공급부의 제1분사노즐체는 반응가스공급관이 일측에 연결되는 제1버퍼부 하단부에 설치되고, 상기 원료가스공급부의 제2분사노즐체는 원료가스공급관이 일측에 연결되고 상기 반응가스공급부의 내측 중앙부에 설치되는 제2버퍼부 하단부에 설치된다.

또 본 발명의 상기 제1분사노즐체는 챔버 내에 반응가스를 분사시키는 다수의 분사구가 일정 간격으로 관통 형성된 제1다공판으로 구성되고, 상기 제2분사노즐체는 상기 분사구에 대응되게 다수의 배출공이 형성되며 상기 제1다공판과 이격되게 설치되는 제2다공판과 상기 배출공에 일단부가 결합되며 타단부는 상기 제1분사노즐체의 분사구와 동심원을 형성하도록 분사구의 중앙부를 관통하여 설치될 수 있다.

한편 본 발명의 상기 분사관은 상기 제1다공판의 배출공에 일단이 삽입 설치되되, 내경이 상기 배출공의 직경과 동일하게 형성되게 하여 원료가스의 흐름이 원할하게 이루어질 수 있게 할 수 있다

또한 본 발명의 상기 분사관은 세라믹(절연체) 소재로 형성될 수 있다.

또 상기 제1분사노즐체의 제1다공판과 상기 제2분사노즐체의 제2다공판은 반응가스가 플라즈마 상태가 될 수 있도록 고주파 전원의 하부전극과 상부전극으로 각각 형성됨으로써, 반응가스가 제1다공판과 제2다공판 사이에서 플라즈마 상태가 된 후 챔버 내에 분사되게 할 수 있다.

또 본 발명의 상기 반응가스공급부와 원료가스공급부는 원통형 또는 사각통 형상으로 이루어질 수 있다.

또한 본 발명의 상기 반응가스공급부와 원료가스공급부는 대기압 상태에서 탄소나노튜브가 합성되도록 대기압 상태에 노출되어 설치되게 할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 첫째, 원료가스가 분사관을 통해 챔버 내로 분사됨과 동시에 반응가스에 의한 플라즈마가 원료가스 주변으로 분사되게 함으로써, 반응가스와 원료가스의 반응면적 및 반응시간이 최대화될 수 있고, 또한 원료가스가 플라즈마와 효과적으로 혼합될 수 있어 반응가스와 원료가스의 반응이 효율적으로 이루어지게 되어 탄소나노튜브의 합성효율 증대로 인해 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

둘째, 원료가스가 반응가스에 의한 플라즈마의 중앙부로 직접 분사되게 함으로써, 원료가스가 플라즈마 내에서 신속하고 균일하게 분포될 수 있어 탄소나노튜브의 합성품질이 현저히 증대될 수 있는 효과가 있다.

이하 본 발명을 도면을 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 탄소나노튜브 제조용 샤워헤드장치의 단면도를 나타낸 것이고, 도 3은 도 2의 샤워헤드장치의 배면도를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 샤워헤드장치는 반응가스를 공급하는 반응가스공급부(60)와 원료가스를 공급하는 원료가스공급부(30)로 구성되는 것으로서 기존 탄소나노튜브 합성장치와 대비할 때 별도의 진공 챔버(도시하지 않음)나 반응로(도시하지 않음)를 구비하지 않더라도 대기압 상태에서 기판(90)상에 반응가스와 원료가스를 공급하여 탄소나노튜브를 합성시킬 수 있다.

또한 별도의 챔버 또는 반응로 내측에 설치할 수도 있으나, 이 때에도 상기 챔버 또는 반응로 내부는 대기압 상태를 유지한다.

반응가스는 플라스마 상태를 발생시키는 것으로서 일반적으로 불활성 기체인 N₂, Ar, 또는 He 등이 사용될 수 있고, 원료가스는 반응가스의 플라즈마와 반응하여 분리되는 탄소입자가 기판상에 부착되게 함으로써 탄소나노튜브를 합성시키게 되는 가스로서 일반적으로 CH₄, C₂H₂, C₂H₄ 등의 탄화수소 가스가 사용될 수 있다.

한편 반응가스공급부(60)는 일정 공간을 형성하는 제1버퍼부(55)와 제1분사노즐체(40)로 구성된다.

제1버퍼부(55)는 반응가스가 유입될 수 있게 상부 일측에 외부의 반응가스 공급원(도시하지 않음)과 연결된 반응가스공급관(75)이 연결된다.

이때 제1버퍼부(55)는 원통형으로 형성되며, 내측으로 유입된 반응가스가 균일하게 챔버 내로 분사될 수 있도록 반응가스가 확산될 수 있는 영역을 형성하게 되는 것이다.

한편 제1분사노즐체(40)는 제1버퍼부(55)의 하단부에 결합되어 기판(90)상에 반응가스를 분사시키는 역할을 하는 것으로서, 다수의 분사구(43)가 일정 간격으로 수직 관통 형성된 제1다공판(42)으로 구성된다.

따라서 제1버퍼부(55)에 유입된 반응가스는 분사구(43)를 통해서 기판(90)상에 분사되게 된다.

한편 원료가스공급부(30)는 원료가스가 반응가스와 분리된 상태에서 기판(90)상에 분사될 수 있게 설치되는 것으로서, 반응가스공급부(60) 내측 중앙부에 설치하되, 반응가스공급부(60)와 격리된 상태로 설치된다.

원료가스공급부(30)는 제2버퍼부(35)와 제2분사노즐체(20)로 구성된다.

제2버퍼부(35)는 반응가스공급부(60)의 제1버퍼부(55) 내측 중앙부에 격리 설치되는 것으로서, 외주면은 제1버퍼부(55)의 내주면과 일정거리 이격되도록 제1버퍼부(55)보다 직경이 작은 원통형으로 형성된다.

또한 제2버퍼부(35)의 상부에는 원료가스가 내측에 유입될 수 있도록 원료가스공급원(도시하지 않음)과 연결된 원료가스공급관(70)이 연결 설치되어 있다.

제2버퍼부(35)는 원료가스가 기판(90)상에 균일하게 분사될 수 있도록 원료가스가 확산될 수 있는 영역을 형성하게 된다.

한편 제2분사노즐체(20)는 제2버퍼부(35)의 하단부에 결합되어 제2버퍼부(35)에 유입된 원료가스가 기판(90)상에 분사되도록 하는 것으로서, 제2다공판(22)과 분사관(26)으로 구성된다.

제2다공판(22)은 제2버퍼부(35)의 하단부에 결합되며 원료가스가 배출되는 다수의 배출공(23)이 수직 방향으로 관통 형성된다.

이때 제2다공판(22)은 제1다공판(42)과 일정거리 이격되게 설치되며, 배출공(23)은 제1다공판(42)에 형성된 분사구(43)와 동일 선상에 위치하도록 대응되게 형성된다.

한편 제1다공판(42)은 접지되어 하부전극을 형성하고, 제2다공판(22)은 고주파전원(80)에 연결되어 상부전극을 형성하게 된다.

분사관(26)은 내부가 비어 있고 양단이 개방된 일정 길이의 관체 형상으로서, 일단은 제2다공판(22)의 배출공(23)에 삽입 결합되고, 타단은 제1다공판(42)의 분사구(43)에 관통되게 설치된다.

이때 제2다공판(22)의 배출공(23)의 하측부는 분사관(26)의 단부가 삽입 결합될 수 있도록 직경이 상부보다 크게 형성되며, 배출공(23)의 상부의 내경은 분사관(26)의 내경과 동일한 크기로 형성되거나 또는 작은 크기로 형성되는 것이 바람직하다.

한편 분사관(26)은 제1다공판(42)의 분사구(43)와 동심원을 형성하도록 분사구(43)의 중앙부를 관통하여 설치되며, 분사관(26)은 외주면이 분사구(43)의 내주면과 일정거리 이격되도록 분사구(43)의 직경보다 작은 외경을 갖도록 형성된다.

분사관(26)은 세라믹(절연체) 소재로 형성되는 것이 바람직하다.

한편 탄소나노튜브가 합성되는 기판(90)은 제1분사노즐체(40)의 제1다공판(42)으로부터 적정거리 이격되도록 하측부에 설치되게 된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 반응가스공급부(60)와 원료가스공급부(30)는 배면이 원형으로 형성되며, 중앙부에는 동심원을 형성하는 분사구(43)와 분사관(26)이 다수 설치되게 되는 것이다.

도 4는 본 발명의 샤워헤드장치의 다른 실시예의 배면도를 나타낸 것으로서, 도시된 바와 같이, 제1버퍼부(55)(도2에 도시함)와 제2버퍼부(35)(도2에 도시함)는 단면이 사각형으로 형성되고, 이에 대응되도록 제1다공판(42')과 제2다공판(22')도 각각 사각형으로 형성된다.

반응가스공급부(60)과 원료가스공급부(30)는 상기 실시예와 같은 원통형 또는 사각통 형상이외에 다각형 등으로 다양하게 형성될 수 있을 것이다.

이하 본 발명의 작동과정을 설명한다.

먼저 반응가스는 반응가스공급관(75)을 경유하여 제1버퍼부(55) 내측으로 유입된 후, 제1분사노즐체(40)의 제2다공판(42)의 분사구(43)를 통해 분사되게 된다.

반응가스는 제1다공판(42)의 분사구(43) 중앙부에 제2분사노즐체(20)의 분사관(26)이 관통 설치되어 있기 때문에 도 2에 도시된 바와 같이, 분사관(26)의 외주면과 분사구(43) 내주면 사이를 통과해서 화살표(96)와 같이 기판(90)상에 분사되게 된다.

이때 제2다공판(22)은 고주파전원(80)에 연결되어 상부전극을 형성하고, 제1다공판(42)은 접지되어 하부전극을 형성하기 때문에 반응가스는 고주판전원(80)에 의해 제1다공판(42)과 제2다공판(22) 사이에서 글로우 방전이 발생되어 플라즈마를 형성하게 된다.

따라서 반응가스는 제1,2다공판(42,22) 사이에서 플라즈마 상태가 되며, 연속으로 유입되는 반응가스에 의해 제1다공판(42)의 분사구(43)를 통해 플라즈마 상태로 기판(90)상에 분사되게 되는 것이다.

한편 원료가스는 원료가스공급관(70)을 통해 제2버퍼부(35) 내측으로 유입된 후 화살표(95)와 같이 배출공(23)과 분사관(26)을 통해 기판(90)상에 분사되게 된다.

따라서 플라즈마 상태의 반응가스는 원료가스를 감싸면서 원료가스와 동시에 기판(90)상에 분사되게 되는 것이다.

기판(90)상에는 반응가스에 의해 발생된 플라즈마가 분사구(43)를 통해 분사됨과 동시에 원료가스가 반응가스의 플라즈마 내부로 직접 분사됨으로써, 플라즈마의 에너지에 의해 원료가스로부터 분리된 탄소입자가 부착되어 탄소나노튜브가 연속적으로 합성되게 되는 것이다.

따라서 본 발명은 반응가스가 제1,2다공판(42,22) 사이에서 플라즈마 상태가 된 후, 원료가스를 감싸면서 기판(90)상에 원료가스와 동시에 분사됨으로써, 플라즈마와 원료가스가 효과적으로 신속하게 혼합되어 반응면적 및 반응시간이 최대화될 수 있을 뿐 아니라, 반응가스의 글로우 방전에 의해 기판(90)이 손상되는 것을 방지할 수 있고, 또한 원료가스가 신속하게 플라즈마 내측으로 진입되어 균일하게 분포될 수 있어 고품질의 탄소나노튜브를 신속하게 합성시킬 수 있게 되는 것이다.

이상, 상기의 실시 예는 단지 설명의 편의를 위해 예시로서 설명한 것에 불과하므로 특허청구범위를 한정하는 것은 아니다.

도 1은 종래의 탄소나노튜브 제조용 샤워헤드장치의 배면도,

도 2는 본 발명의 탄소나노튜브 제조용 샤워헤드장치의 단면도,

도 3은 도 2의 탄소나노튜브 제조용 샤워헤드장치의 배면도,

도 4는 본 발명의 탄소나노튜브 제조용 샤워헤드장치의 다른 실시예의 배면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

20 : 제2분사노즐체 22 : 제2다공판

26 : 분사관 30 : 원료가스공급부

35 : 제2버퍼부 40 : 제1분사노즐체

42 : 제2다공판 43 : 분사구

55 : 제1버퍼부 60 : 반응가스공급부

70 : 원료가스공급관 75 : 반응가스공급관

80 : 고주파전원 95,96 : 화살표

110 : 반응가스분사구 120 : 원료가스분사구

Claims (9)

1. 기판상에 탄소나노튜브를 합성시킬 수 있도록 챔버 내에 원료가스와 반응가스를 각각 공급하는 원료가스공급부와 반응가스공급부로 구성된 탄소나노튜브 제조용 샤워헤드장치에 있어서,

   상기 원료가스공급부는 원료가스와 반응가스가 챔버 내에 분리 공급될 수 있도록 상기 반응가스공급부 내측에 격리될 수 있게 설치하되, 상기 반응가스공급부와 원료가스공급부는 반응가스와 원료가스가 동심원을 형성하며 다공 분사될 수 있도록 제1분사노즐체와 제2분사노즐체가 각각 구비되고,

   상기 제1분사노즐체는 상기 반응가스공급관이 일측에 연결되는 제1버퍼부 하단부에 설치하되, 반응가스를 분사시키는 다수의 분사구가 일정 간격으로 관통 형성된 제1다공판으로 구성되고,

   상기 원료가스공급부의 제2분사노즐체는 원료가스공급관이 일측에 연결되고 상기 반응가스공급부의 내측 중앙부에 설치되는 제2버퍼부 하단부에 설치하되, 상기 분사구에 대응되게 다수의 배출공이 형성되며 상기 제1다공판과 이격되게 설치되는 제2다공판과, 상기 배출공에 일단부가 결합되며 타단부는 상기 제1분사노즐체의 분사구와 동심원을 형성하도록 분사구의 중앙부를 관통하여 설치되는 분사관으로 구성되며,

   상기 제1분사노즐체의 제1다공판과 상기 제2분사노즐체의 제2다공판은 반응가스가 플라즈마 상태가 될 수 있도록 고주파 전원의 하부전극과 상부전극으로 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조용 샤워헤드장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,

   상기 분사관은 상기 제2다공판의 배출공에 일단이 삽입 설치되되, 내경이 상기 배출공의 직경과 동일하거나 또는 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조용 샤워헤드장치.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 분사관은 세라믹 소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조용 샤워헤드장치.
6. 삭제
7. 제 1항, 제 4항, 및 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 반응가스공급부와 원료가스공급부는 원통형 또는 사각통 형상인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조용 샤워헤드장치.
8. 삭제
9. 제 1항에 있어서,

   상기 분사관은,

   탄소나노튜브가 기판에서만 성장될 수 있도록 하단부가 상기 분사구의 하단부보다 더 하측으로 연장되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 제조용 샤워헤드장치.

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