KR101315763B1 - 탄소나노튜브 어레이의 수직 정렬 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 어레이의 수직 정렬 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소나노튜브를 기판 위에 성장시킬 때 탄소나노튜브 어레이의 하부 수직 정렬도를 향상시키는 방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 반응기에 투입한 기판 위에 탄소나노튜브를 성장시킨 후, 탄소 소스 가스의 공급을 차단하기 직전 상기 반응기의 내부 압력을 감소시켜서 반응기에 남아있는 탄소 소스 가스를 순식간에 제거할 수 있게 하여 탄소나노튜브 어레이의 하부 수직 정렬도를 향상시키도록 한 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 어레이의 수직 정렬 방법을 제공한다.

Description

탄소나노튜브 어레이의 수직 정렬 방법 {Vertical alignment method of carbon nanotube array}

본 발명은 탄소나노튜브 어레이의 수직 정렬 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소나노튜브를 기판 위에 성장시킬 때 탄소나노튜브 어레이의 하부 수직 정렬도를 향상시키는 방법에 관한 것이다.

최근 탄소나노튜브는 우수한 전기적, 기계적, 열적 특성으로 인해 폭넓은 응용 분야에 적용되고 있는데, 그 굵기나 길이를 임의로 정밀하게 조절하는 것은 매우 어렵다. 크기나 길이가 정밀하게 제어된 탄소나노튜브는 필드 이미터 팁(field emitter tip), 나노트위저(nanotweezer), 원자현미경 팁(AFM tip) 등 나노소자에 응용할 수 있다.

이러한 이유로 탄소나노튜브의 배열에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 예컨대, 일부 미국특허(US 2008/0290326, US 2009/0297428)에서는 촉매를 이용하여 탄소나노튜브를 배열하는 성장 방법에 관한 내용을 기술하고 있으며, US 2008/0075954 에서는 균일한 길이를 갖는 탄소나노튜브의 성장에 관한 내용을 기술하고 있다.

탄소나노튜브의 산업적 이용도를 높이기 위한 최근의 연구는 탄소나노튜브 얀섬유를 제조하는 것이다. 탄소나노튜브 얀이란, 탄소나노튜브 분자들을 꼬아서 장섬유를 만든 것으로, 나노 크기의 탄소나노튜브의 성질을 거시세계에서 이용할 수 있게 되기 때문에 최근 많은 관심을 받고 있으며, 이 경우 탄소나노튜브는 기판 위에 수직으로 정렬되어 있는 것이 요구되다. 기판 위에 수직으로 정렬되어 성장한 탄소나노튜브를 탄소나노튜브 어레이 또는 탄소나노튜브 포레스트라고 부르며, 화학기상증착법을 이용해서 합성하는 것이 일반적이다.

이러한 탄소나노튜브 얀은 탄소나노튜브 어레이로부터 직접 당겨서 방사할 수 있는데, 이때 고도로 수직 정렬된 탄소나노튜브 어레이로부터만 얀을 방사할 수 있다.

따라서, 탄소나노튜브 얀(CNT yarn)의 제조에서는 탄소나노튜브 어레이의 수직 정렬도를 향상시키는 것이 매우 중요하다.

다시 말해, 탄소나노튜브 얀을 방사하기 위해서는 탄소나노튜브 어레이의 합성 시 수직 정렬도를 향상시키는 것이 중요하며, 특히 탄소나노튜브 어레이의 하부 정렬도가 중요하다.

기존 방법에 의하면, 화학기상증착법을 이용하여 기판 위에 고도로 수직 정렬된 탄소나노튜브 어레이를 성장시킬 때 실험변수를 조절하여 탄소나노튜브 어레이의 전체적인 수직 정렬도를 향상시킬 수 있으나, 탄소나노튜브 어레이의 하부 수직 정렬도는 대부분 좋지 않은 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 탄소나노튜브 얀의 제조를 위해, 화학기상증착법을 이용하여 기판 위에 고도로 수직 정렬된 탄소나노튜브 어레이를 합성함에 있어, 탄소나노튜브 어레이의 합성 종료시 반응기의 탄소 소스 가스를 순식간에 제거할 수 있게 하여 탄소나노튜브 어레이의 하부 수직 정렬도를 향상시킬 수 있는 탄소나노튜브 어레이의 수직 정렬 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 반응기에 투입한 기판 위에 탄소나노튜브를 성장시킨 후, 탄소 소스 가스의 공급을 차단하기 직전 상기 반응기의 내부 압력을 감소시켜서 반응기에 남아있는 탄소 소스 가스를 순식간에 제거할 수 있게 하여 탄소나노튜브 어레이의 하부 수직 정렬도를 향상시키도록 한 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 어레이의 수직 정렬 방법을 제공한다.

그리고, 상기 탄소 소스 가스의 공급 차단 후, 비활성 가스와 수소 가스를 반응기 내부에 과량으로 흘려준다.

바람직하게, 상기 반응기의 내부 압력을 진공 상태로 감소시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반응기의 내부 압력은 탄소 소스 가스의 공급을 차단한 직후 감소시키는 것도 가능하다.

본 발명에 의하면 탄소나노튜브 어레이의 합성 완료 후 성장 반응을 순식간에 종료시켜서 탄소나노튜브 어레이의 하부 수직 정렬도 저하를 방지하고, 결과적으로 탄소나노튜브 어레이의 하부 수직 정렬도를 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

그리고, 이러한 탄소나노튜브 어레이를 이용하여 산업적 이용도가 높은 탄소나노튜브 얀을 방사할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 어레이의 수직 정렬 방법을 나타낸 순서도
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 합성된 탄소나노튜브 어레이의 하부의 주사전자현미경 사진을 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 비교예 1에서 합성된 탄소나노튜브 어레이의 하부의 주사전자현미경 사진을 나타낸 도면

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명을 상세하게 설명하도록 한다.

본 발명은 탄소나노튜브 어레이의 수직 정렬 방법에 관한 것으로, 탄소나노튜브 어레이를 합성함에 있어 탄소나노튜브의 성장 완료 시 탄소나노튜브의 성장 반응을 순식간에 종료하여 하부 수직 정렬도가 저하된 탄소나노튜브의 성장을 방지하고, 결과적으로 탄소나노튜브 어레이의 하부 수직 정렬도를 향상시킬 수 있도록 한다.

본 발명은 화학기상증착법으로 탄소나노튜브 어레이를 합성함에 있어, 탄소 소스 가스의 공급 차단 시 반응기(탄소나노튜브의 성장 반응을 위한 반응기) 내부에 남아있는 탄소 소스 가스를 순식간에 제거하기 위하여, 탄소 소스 가스의 차단 직전에 반응기 내부 압력을 감소시킨다.

구체적으로 설명하면, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 어레이의 수직 정렬 방법은 탄소 소스 가스의 차단 직전 반응기 내부 압력을 감소시키는 단계와, 상기 반응기 내부에 탄소 소스 가스의 공급을 차단하는 단계, 그리고 상기 반응기 내부에 비활성 가스 및 수소 가스를 과량으로 흘려주는 단계를 포함하는 공정으로 설명할 수 있다.

탄소나노튜브 어레이를 합성하기 위해, 먼저 탄소나노튜브를 성장시키기 위한 기판을 준비하고, 상기 기판을 반응기에 투입한다.

상기 기판 위에 원하는 시간 동안 탄소나노튜브를 성장시킨 다음, 성장 반응의 종료를 위해 탄소 소스 가스의 공급을 차단하여 탄소나노튜브의 성장 반응을 중단시키게 되는데, 반응기 내부에 남아있는 탄소 소스 가스를 순식간에 제거하기 위해 탄소 소스 가스의 공급을 차단하기 직전 반응기 내부 압력을 감소시킨다.

탄소 소스 가스의 공급 차단 후, 상기 반응기 내부에 비활성 가스와 수소 가스를 과량으로 공급하여 순식간에 반응기 내부에 남아있는 탄소 소스 가스를 밀어내어 제거하고, 반응기에 제공되던 열 공급을 중단하여 반응기를 냉각시킨다.

이에 따라 탄소나노튜브 어레이의 합성이 곧바로 중단되고, 반응기에서 꺼낸 기판 위에 하부 수직 정렬도가 향상된 탄소나노튜브 어레이를 얻을 수 있게 된다.

상기 반응기 내부 압력은 탄소 소스 가스의 보다 신속한 제거를 위해 진공 상태로 감소시킴이 바람직하다.

한편, 상기 반응기 내부 압력은 탄소 소스 가스를 차단한 직후에 감소시키는 것도 가능하다.

즉, 반응기에 공급되는 탄소 소스 가스를 차단한 직후 곧바로 상기 반응기의 내부 압력을 감소시키고, 반응기 내부에 비활성 가스 및 수소 가스를 과량으로 공급하여 반응기 내부에 남아있는 탄소 소스 가스를 순식간에 제거할 수 있다.

또한, 상기 탄소 소스로는 아세틸렌, 에틸렌, 메탄 등 탄소나노튜브의 합성에 일반적으로 사용되는 모든 가스를 사용할 수 있고, 상기 비활성 가스로는 아르곤, 헬륨, 질소 등 일반적으로 사용되는 모든 18족 원소를 이용할 수 있으며, 상기 기판은 반도체, 부도체, 금속 재질의 기판 등을 모두 사용할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 탄소나노튜브의 성장을 위한 탄소 소스 가스를 순식간에 제거하여 탄소나노튜브 어레이의 합성 완료 후 탄소나노튜브의 성장을 곧바로 중단시킴으로써, 하부 수직 정렬도가 저하된 탄소나노튜브의 성장을 방지하여 전체적으로 고르고 우수한 수직 정렬도를 갖는 탄소나노튜브 어레이를 얻을 수 있다.

즉, 본 발명은 탄소 소스 가스의 차단 직전 반응기의 내부 압력을 감소시킴으로써 탄소나노튜브 어레이의 합성 중단시 반응기에 남아있는 탄소 소스 가스를 순식간에 제거하여 탄소나노튜브 어레이의 하부 수직 정렬도를 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예와 이에 대한 비교예를 통해 본 발명을 살펴보도록 한다.

실시예 1

원자층증착법(ALD; Atomic Layer Deposition)을 이용하여 실리콘 웨이퍼(<100> 방향 성장 웨이퍼)에 10 nm의 알루미나(산화 알루미늄) 박막을 증착시킨 후, 알루미나 박막 상부에 전자선 진공증발법(e-beam evaporation)를 이용하여 1 nm의 Fe 박막을 증착시켰다.

이렇게 제조한 기판을 1 cm x 1 cm의 크기로 자른 다음, 플라즈마 화학기상증착(PECVD; Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) 장치에 넣었다.

상기 장치 내부에 아르곤 가스 500 sccm을 흘려주며 3분만에 섭씨 730도까지 가열시킨 후, 다시 아르곤 가스 2800 sccm, 수소 가스 600 sccm 을 장치 내부에 흘려주고(공급하고) RF Power 800 W, 바이어스(Bias) 300 W 를 걸어서 플라즈마를 발생시켰다. 이러한 조건을 10초 간 유지시킨 후 장치 내부에 아세틸렌 가스를 50 sccm으로 흘려주며 20 Torr에서 탄소나노튜브의 성장 반응을 진행하였다.

15분 동안 탄소나노튜브의 성장 반응을 진행한 후에 장치 내부 압력을 감소시키면서 곧바로 아세틸렌 가스의 공급을 차단하였다. 그리고 장치 내부에 수소 가스를 3000 sccm, 아르곤 가스를 3000 sccm으로 공급하였다.

10초 후 히터를 꺼서 열 공급을 중단하여 장치를 냉각시켰으며, 2분 뒤 장치의 플라즈마를 제거하였다. 섭씨 200도 아래로 장치 온도가 떨어졌을 때 장치(반응기)의 내부 압력을 대기압으로 맞춘 뒤 탄소나노튜브가 성장된 기판을 꺼내었다.

비교예 1

실시예 1과 동일한 방법으로 탄소나노튜브의 성장 반응을 진행하였다.

단, 15분 동안 탄소나노튜브의 성장 반응을 진행한 후에 아세틸렌 가스와 수소 가스의 공급을 차단하고, 아르곤 가스를 500 sccm씩 흘려주었다.

곧바로 히터를 끄고 장치의 플라즈마를 제거하였다. 장치 온도가 섭씨 200도 아래로 떨어졌을 때 반응기의 내부 압력을 대기압으로 맞추고 탄소나노튜브가 성장된 기판을 꺼내었다.

도 2 및 도 3은 각각 실시예 1과 비교예 1에서 합성된 탄소나노튜브 어레이의 아랫부분의 주사전자현미경(SEM; scanning Electron Microscopy) 사진이다.

실시예 1은 도 2와 같이 하부 수직 정렬도가 높은 탄소나노튜브 어레이를 얻을 수 있었던 반면, 장치(반응기) 내부 압력을 감소시키지 않고 탄소나노튜브의 성장 반응을 종료시킨 비교예 1에서는 도 3과 같이 탄소나노튜브 어레이의 하부 수직 정렬도가 크게 저하된 것을 확인할 수 있었다.

Claims (4)

1. 반응기에 투입한 기판 위에 탄소나노튜브를 성장시킨 후, 탄소 소스 가스의 공급을 차단하기 직전 상기 반응기의 내부 압력을 감소시켜서 반응기에 남아있는 탄소 소스 가스를 순식간에 제거할 수 있게 하여 탄소나노튜브 어레이의 하부 수직 정렬도를 향상시키되,
   상기 탄소 소스 가스의 공급 차단 후, 비활성 가스와 수소 가스를 반응기 내부에 과량으로 흘려주는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 어레이의 수직 정렬 방법.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 반응기의 내부 압력을 진공 상태로 감소시키는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 어레이의 수직 정렬 방법.
   
4. 반응기에 투입한 기판 위에 탄소나노튜브를 성장시킨 후, 탄소 소스 가스의 공급을 차단한 직후 상기 반응기의 내부 압력을 감소시켜서 반응기에 남아있는 탄소 소스 가스를 순식간에 제거할 수 있게 하여 탄소나노튜브 어레이의 하부 수직 정렬도를 향상시키되,
   상기 탄소 소스 가스의 공급 차단 후, 비활성 가스와 수소 가스를 반응기 내부에 과량으로 흘려주는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 어레이의 수직 정렬 방법.
   

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