KR101291604B1

KR101291604B1 - 탄소나노튜브를 이용한 전선 제조방법

Info

Publication number: KR101291604B1
Application number: KR1020120028678A
Authority: KR
Inventors: 양민양; 윤진호
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2013-08-01

Abstract

전선 제조방법에서, 베이스 기판 상에 금속 촉매(metal catalyst)를 선택적으로 증착한다. 상기 금속 촉매가 증착된 베이스 기판 상에 탄소가스를 주입하여 다발의 탄소나노튜브를 성장시킨다. 상기 베이스 기판 상에 잔류한 촉매를 제거한다. 상기 다발의 탄소나노튜브에 나노입자(nanoparticle)를 침입시키며 방사(spinning)하여 상기 다발의 탄소나노튜브를 장방향으로 연결시킨다. 상기 장방향으로 연결된 다발의 탄소나노튜브를 연사(twisting)하여 탄소나노튜브 케이블(cable)을 형성한다.

Description

탄소나노튜브를 이용한 전선 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING AN ELECTRIC WIRE USING CARBON NANOTUBES}

본 발명은 전선 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소나노튜브를 이용한 전선 제조방법에 관한 것이다.

탄소나노튜브(carbon nanotube: CNT)는 6각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 대롱 모양을 이루는 신소재로서 기계적, 전기적, 물리적 특성이 기존보다 우수하며, 내부 연결구조에 따라 도체, 반도체 또는 절연체로 활용될 수 있어 다양한 산업 분야에 활용이 증가되고 있다.

그러나, 종래의 탄소나노튜브는 연장방향으로는 전기적 성질이 상대적으로 우수하지만, 연장방향에 수직인 방향으로는 전기적 성질이 우수하지 못하였다. 또한, 탄소나노튜브 사이의 접합부분에서 전도성이 급격히 저하되어, 전체적인 방향성 및 탄소나노튜브 사이의 전자 이동에 따른 전도성 저하로 전기적인 특성에 문제점이 있어왔다.

이러한 문제를 해결하고자, 베이스 기판 상에 화학기상증착(chemical vapor deposition: CVD) 방법을 통해 탄소나노튜브를 성장시켜 탄소나노튜브 케이블(cable)을 형성하는 연구가 진행되고 있다. 그러나, 상기 화학기상증착 공정으로 형성된 탄소나노튜브 케이블은, 탄소나노튜브가 반데발스 결합(van der waals' bond)을 통해 서로 연결되므로, 전기적 특성이 저하된다. 그리하여, 전선(electric wire)으로서 사용되기 어려우며, 주로 섬유나, 케이블의 형태로 기계적, 물리적 특성을 위주로 사용되는 한계를 갖고 있다.

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 탄소나노튜브를 이용하여 전기적 특성을 향상시킨 전선 제조방법에 관한 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 전선 제조방법에서 베이스 기판 상에 금속 촉매(metal catalyst)를 선택적으로 증착한다. 상기 금속 촉매가 증착된 베이스 기판 상에 탄소가스를 주입하여 다발의 탄소나노튜브를 성장시킨다. 상기 베이스 기판 상에 잔류한 촉매를 처리한다. 상기 다발의 탄소나노튜브에 나노입자(nanoparticle)를 침입시키며 방사(spinning)하여 상기 다발의 탄소나노튜브를 장방향으로 연결시킨다. 상기 장방향으로 연결된 다발의 탄소나노튜브를 연사(twisting)하여 탄소나노튜브 케이블(cable)을 형성한다.

일 실시예에서, 상기 주입되는 탄소가스는 지방족 탄화수소(aliphatic hydrocarbon, CxHy)일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 다발의 탄소나노튜브를 성장시키는 단계는, 상기 베이스 기판과 접촉하는 부분과 반대인 상기 탄소나노튜브의 끝단이 성장하는 팁(tip) 성장 방식일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 성장되는 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotube: SWNT) 및 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube: MWNT)를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 성장되는 탄소나노튜브의 길이는 1nm 내지 수mm일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 베이스 기판 상에 잔류한 촉매를 처리하는 단계에서 상기 촉매를 제거할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 베이스 기판 상에 잔류한 촉매를 처리하는 단계에서 상기 촉매를 제거하지 않고 잔류시켜 상기 나노입자로 사용할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 나노입자는 금속성 나노입자(metallic nanoparticle), 전도성 고분자(conducting polymer) 중 어느 하나일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 탄소나노튜브 케이블을 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 열처리하는 단계에서, 상기 탄소나노튜브 케이블 사이의 용매(solvent)를 제거하고, 상기 탄소나노튜브 케이블의 밀도를 증가시킬 수 있다.

본 발명에 의하면, 탄소나노튜브를 방사하는 공정에서 전도성 나노입자를 침입시키므로, 최종적으로 형성된 탄소나노튜브 케이블이 향상된 전기적 특성을 가질 수 있어, 전선으로 사용될 수 있다.

특히, 탄소나노튜브 케이블을 열처리하여 밀도를 증가시킴으로써 상기 전도성 나노입자에 의한 전기적 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 생성된 탄소나노튜브 케이블은 전기적 성질 외에도 기계적, 물리적 성질도 우수하므로, 전도성을 갖는 전선의 강도 및 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.

도 1, 도 3, 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 전선 제조방법을 나타낸 공정도들이다.
도 2는 도 1의 'A' 부분을 확대하여 도시한 것으로, 화학기상증착방법을 통해 탄소나노튜브를 성장시키는 방법을 나타낸 개략도이다.
도 6a는 도 5의 'B' 부분을 확대하여 도시한 확대도이다.
도 6b는 도 5의 'B' 부분을 확대한 것으로, 후처리 공정으로 밀도가 증가되는 전선을 나타낸 개략도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 1, 도 3, 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 전선 제조방법을 나타낸 공정도들이다. 도 2는 도 1의 'A' 부분을 확대하여 도시한 것으로, 화학기상증착방법을 통해 탄소나노튜브를 성장시키는 방법을 나타낸 개략도이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 전선 제조방법에서는, 우선 베이스 기판(10) 상에 금속 촉매(metal catalyst, 20)를 선택적으로 증착(deposition)한다. 상기 금속촉매(20)는 후술할 탄소나노튜브로 성장할 매개체로서 상기 베이스 기판(10)의 전면에 균일하게 증착되지 않고 선택적으로 증착됨으로써, 상기 탄소나노튜브가 선(線)상체로 성장할 수 있게 된다.

한편, 상기 금속 촉매(20)는 액상(liquid state)으로 상기 베이스 기판(10) 상에 선택적으로 증착되는 것이 바람직하며, 그리하여 후술할 탄소나노튜브가 성장할 수 있게 된다.

다만, 도시하지는 않았으나, 상기 베이스 기판(10) 상에 금속 촉매를 선택적으로 증착하기 전에 상기 베이스 기판을 별도의 세정 유닛(미도시)을 통해 세정할 수 있다.

도 2를 참조하면, 상기 금속 촉매(20)가 증착된 상기 베이스 기판(10)에 탄소가스를 주입한다. 이 경우, 주입되는 탄소가스는 탄소의 함유량이 매우 풍부한 예를 들어, 지방족 탄화수소(CxHy)일 수 있다. 상기 지방족 탄화수소가 주입되면, 상기 지방족 탄화수소 내의 탄소와 수소는 분리되면서, 탄소만 상기 금속 촉매(20)에 녹아들어간다. 이 후, 상기 금속 촉매(20)에 녹아들어간 탄소의 양이 증가하여 상기 금속 촉매(20)에 녹은 탄소의 양이 포화상태에 도달하면, 상기 금속 촉매(20)의 표면에 튜브형태로 석출이 발생하면서 탄소나노튜브(21)로 성장된다. 따라서, 지속적으로 탄소가스를 주입하면, 상기 금속 촉매(20)의 표면에 석출되는 양이 증가하면서 상기 탄소나노튜브(21)가 길이방향으로 성장하게 된다.

한편, 상기 탄소나노튜브(21)는 상기 베이스 기판(10)과 접하는 끝단에서 성장되는 베이스(base) 성장 방식과 상기 베이스 기판(10)과 접하는 반대쪽 끝단에서 성장되는 팁(tip) 성장 방식으로 구별될 수 있는데, 본 실시예에서는 도 2에 도시된 바와 같이 팁(tip) 성장 방식으로 성장된다. 상기 팁(tip) 성장의 경우, 탄소가 상기 금속 촉매(20)로 녹아들어가는 데 걸리는 시간이 빠르고, 시간이 경과함에 따라 탄소가 상기 금속 촉매(20)로 녹아들어가는 양이 감소하지 않으므로, 상기 베이스(base) 성장과 비교하여, 상대적으로 장방향(longitudinal direction)으로 긴 탄소나노튜브(21)를 형성할 수 있기 때문이다.

상기와 같이 탄소나노튜브(21)를 성장시킨 이후에는, 도시하지는 않았으나, 세정 공정을 통해 상기 베이스 기판(10) 상에 또는 상기 탄소나노튜브(21) 사이에 잔류한 촉매를 처리한다. 이 경우, 상기 잔류한 촉매를 처리하는 예로, 상기 잔류한 촉매를 제거하거나, 상기 잔류한 촉매가 후술할 나노입자(nanoparticle)로 사용될 수 있도록 제거하지 않고 잔류 시킬 수 있다.

상기 잔류한 촉매는 금속 촉매(20)로서, 예를 들어, 철(Fe), 코발트(Co) 등의 전도성이 우수한 금속 계열이므로, 잔류하여 후술할 나노입자로 사용되어 상기 탄소나노튜브 케이블의 전도성을 우수하게 유지할 수 있다.

이와 같이, 상기 베이스 기판(10) 상에 선택적으로 증착된 상기 금속 촉매(20)로부터 각각 탄소나노튜브(21)가 성장하여 도 3에 도시된 바와 같이 상기 베이스 기판(10) 상에 탄소나노튜브 다발(22)을 형성하게 된다. 이와 같이 형성된 탄소나노튜브(CNT) 다발(22)을 CNTs Forest라고도 일컫는다.

한편, 도 2 및 도 3의 탄소나노튜브(21) 성장에서 성장되는 탄소나노튜브(21)는 단일벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotube: SWNT) 및 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube: MWNT)를 모두 포함할 수 있다. 또한, 최종적으로 성장된 상기 탄소나노튜브(21)의 길이도 1nm 내지 수mm 범위로 다양하게 형성될 수 있다.

도 4를 참조하면, 상기 베이스 기판(10) 상에 형성된 다발의 탄소나노튜브(22)를 방사(spinning)한다. 구체적으로, 일 끝단이 상기 베이스 기판(10)에 연결된 다발의 탄소나노튜브(22)의 다른 끝단을 제1 대향기판(30)에 고정한 후, 상기 제1 대향기판(30)을 상기 베이스 기판(10)으로부터 멀어지는 방향으로 이동시켜, 상기 탄소나노튜브 다발(22)을 인장시킨다. 이와 같이, 상기 탄소나노튜브 다발(22)을 기계적으로 인장시키면, 상기 탄소나노튜브들 사이에서 분자간의 힘에 의한 반데발스 결합(van der waals' bond)이 발생하여 상기 탄소나노튜브 다발(22)들이 장방향으로 서로 결합되어, 장방향으로 연속적으로 연장되는 탄소나노튜브 다발(22)이 형성된다.

이와 동시에, 즉, 상기 방사(spinning) 공정 중에, 상기 탄소나노튜브 다발(22) 사이에 나노입자(nanoparticle)들을 침입(infiltration)시킨다. 이 때, 침입되는 나노입자들은 금속성 나노입자(metallic nanoparticle), 전도성 고분자(conducting polymer) 등과 같이 전도성이 우수한 입자들일 수 있다. 또한, 상기 금속성 나노입자로는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 등의 금속이 사용될 수 있고, 상기 전도성 고분자로 Poly(3,4-Ethylenedioxythiophene)(PEDOT:PSS)가 사용될 수 있다.

한편, 상기 나노입자들은 상기 탄소나노튜브 다발(22) 사이에 균일하게 침입되는 것이 후술할 탄소나노튜브 케이블의 전도성을 균일하게 유지할 수 있다는 측면에서 바람직하다.

도 5를 참조하면, 상기 베이스 기판(10) 상에서 장방향으로 연속적으로 연장된 탄소나노튜브 다발(22)을 연사(twisting)한다. 구체적으로, 일 끝단이 상기 베이스 기판(10)에 연결되어 장방향으로 연속적으로 연장된 탄소나노튜브 다발(22)의 다른 끝단을 제2 대향기판(31)에 고정한 후, 상기 베이스 기판(10)은 고정하고 상기 제2 대향기판(31)을 회전시켜 상기 탄소나노튜브 다발(22)을 연사한다.

이와 같이, 상기 탄소나노튜브 다발(22)을 연사하면, 상기 탄소나노튜브 다발(22)의 중앙부부터 꼬이면서 탄소나노튜브 케이블(cable)(23)을 형성하게 된다. 이 후, 상기 제2 대향기판(31)을 계속해서 회전시키면, 상기 탄소나노튜브 다발(22)은 양 끝단, 즉 상기 베이스 기판(10) 및 상기 제2 대향기판(31)에 인접한 부분까지 꼬이면서 탄소나노튜브 케이블(cable)(23)이 완성된다.

도 6a는 도 5의 'B' 부분을 확대하여 도시한 확대도이다.

도 6a를 참조하면, 상기 공정을 통해 완성된 상기 탄소나노튜브 케이블(23)에는 전도성 나노입자들(25)이 균일하게 침입하여 존재하게 된다. 상기 나노입자들(25)은 상기 탄소나노튜브 케이블(23) 내부에 임의의 위치에 침입하여 존재하게 되며, 특히, 상기 나노입자들(25)은 상기 탄소나노튜브가 장방향으로 연장되어 서로 반데발스 결합하는 부분(장방향으로 서로 이격되도록 도시된 부분)에도 위치하게 된다. 이와 같이, 상기 전도성 나노입자들(25)이 상기 탄소나노튜브 케이블(23) 내부에서 반데발스 결합하는 부분에 위치하므로, 반데발스 결합하는 부분에서의 전도성 저하를 방지하여 상기 탄소나노튜브 케이블(23)의 전기 전도성을 향상시킬 수 있게 된다.

도 6b는 도 5의 'B' 부분을 확대한 것으로, 후처리 공정으로 밀도가 증가되는 전선을 나타낸 개략도이다.

도 6b를 참조하면, 상기 탄소나노튜브 케이블(23)을 추가로 열처리한다. 구체적으로, 상기 방사(spinning) 및 연사(twisting) 공정으로 완성된 상기 탄소나노튜브 케이블(23)에 열을 가하여, 상기 탄소나노튜브 케이블(23) 사이 또는 상기 나노입자들(25) 사이에 존재하는 용매(solvent)를 제거하고, 상기 탄소나노튜브 케이블(23) 내부의 물질 사이의 접합성을 향상시킨다.

특히, 상기 탄소나노튜브 케이블(23) 내부에 침입하여 위치한 전도성 나노입자들(25)은 상기 열처리 공정을 통해 녹는점 이상의 열이 가해지는 경우, 상기 탄소나노튜브 사이로 녹아 상기 탄소나노튜브들 사이의 전기 전도성을 향상시키게 된다.

한편, 상기 탄소나노튜브 케이블(23)을 열처리하는 방법은 다양하게 적용될 수 있으며, 예를 들어, 열원(heat source)을 인접한 곳에 배치시켜 열을 제공하거나, 상기 탄소나노튜브 케이블(23)을 히팅 오븐(heating oven), 마이크로웨이브 오븐(microwave oven) 등의 열처리 챔버 내부에 배치시켜 열을 가하거나, 상기 탄소나노튜브 케이블(23)의 인접한 곳에서 광원(light lamp)을 비추어 열을 가하는 등의 방법이 가능할 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 탄소나노튜브를 방사하는 공정에서 전도성 나노입자를 침입시키므로, 최종적으로 형성된 탄소나노튜브 케이블이 향상된 전기적 특성을 가질 수 있어, 전선으로 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 전선 제조방법은 전기적 성질을 요구하는 장치 및 소자 분야에 활용될 수 있는 산업상 이용가능성을 갖는다.

10 : 베이스 기판 20 : 금속 촉매
21 : 탄소나노튜브 22 : 탄소나노튜브 다발
25 : 나노입자 23 : 탄소나노튜브 케이블
30, 31 : 대향기판

Claims

베이스 기판 상에 금속 촉매(metal catalyst)를 선택적으로 증착하는 단계;
상기 금속 촉매가 증착된 베이스 기판 상에 탄소가스를 주입하여 다발의 탄소나노튜브를 성장시키는 단계;
상기 베이스 기판 상에 잔류한 촉매를 처리하는 단계;
상기 다발의 탄소나노튜브에 사이에 나노입자(nanoparticle)를 침입시키며 상기 다발의 탄소나노튜브를 방사(spinning)하여 상기 다발의 탄소나노튜브를 장방향으로 연결시키는 단계; 및
상기 장방향으로 연결된 다발의 탄소나노튜브를 연사(twisting)하여 탄소나노튜브 케이블(cable)을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 방사(spinning) 단계에서, 상기 다발의 탄소나노튜브는 상기 탄소나노튜브가 성장한 방향과 평행한 방향으로 기계적으로 인장되는 것을 특징으로 하는 전선 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 주입되는 탄소가스는 지방족 탄화수소(aliphatic hydrocarbon, CxHy)인 것을 특징으로 하는 전선 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 다발의 탄소나노튜브를 성장시키는 단계는, 상기 베이스 기판과 접촉하는 부분과 반대인 상기 탄소나노튜브의 끝단이 성장하는 팁(tip) 성장 방식인 것을 특징으로 하는 전선 제조방법.
제3항에 있어서, 상기 성장되는 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotube: SWNT) 및 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube: MWNT)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전선 제조방법.
제4항에 있어서, 상기 성장되는 탄소나노튜브의 길이는 1nm 내지 수mm인 것을 특징으로 하는 전선 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 베이스 기판 상에 잔류한 촉매를 처리하는 단계는, 상기 촉매를 제거하는 것을 특징으로 하는 전선 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 베이스 기판 상에 잔류한 촉매를 처리하는 단계는, 상기 촉매를 제거하지 않고 잔류시켜 상기 나노입자로 사용하는 것을 특징으로 하는 전선 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 나노입자는 금속성 나노입자(metallic nanoparticle), 전도성 고분자(conducting polymer) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전선 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 케이블을 열처리하는 단계를 더 포함하는 전선 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 열처리하는 단계에서, 상기 탄소나노튜브 케이블 사이의 용매(solvent)를 제거하고, 상기 탄소나노튜브 케이블의 밀도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 전선 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 방사(spinning) 단계에서, 일 끝단이 상기 베이스 기판 상에 고정된 상기 다발의 탄소나노튜브의 다른 끝단은 대향기판에 고정되어, 상기 대향기판이 상기 베이스 기판으로부터 멀어지는 방향으로 이동되는 것을 특징으로 하는 전선 제조방법.