KR101513574B1 - 디포지트와 이를 포함한 전자 디바이스 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 재료의 디포지트는 탄소 나노버드 분자를 포함한다. 탄소 나노버드 분자는 적어도 하나의 플러렌 그룹(2)을 통해 서로 결합된다. 본 발명에 따른 전자 디바이스는 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트를 구비한다. 본 발명에 따른 전자 디바이스는, 예컨대, 트랜지스터(18), 전계 이미터(17,19), 투명 전극(15,24,28,30), 커패시터(31), 태양전지(32), 광원, 디스플레이 소자 또는 센서(33)일 수 있다.

Description

디포지트와 이를 포함한 전자 디바이스{A Deposit and Electrical Devices Comprising the Same}
본 발명은 전자공학, 마이크로전자공학 및 전자재료에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 다른 종류의 전자 디바이스에 사용되는 재료의 디포지트(deposit)에 관한 것이다.
더 빨리, 더 효율적으로 그리고 비용이 더 절감되는 전자 구성부품을 생산하기 위해 신물질이 연이어 요구된다. 예컨대, 마이크로 전자공학 구성부품에서 특정 치수는 나노 크기로 계속 줄어들고 있기 때문에, 특히 이 원자 크기에서 발생하는 양자역학적 효과를 고려해 신물질이 요구된다.
전자공학 및 마이크로 전자공학 산업에서 처리 기술의 2차원적 특성으로 인해, 층구조, 필름 또는 다른 디포지트 형태의 신물질의 사용이 특히 중요하다. 종래 물질들은 종종 전기적, 열적 및 기계적 안정성에 한계가 있다. 더욱이, 현재 공지된 증착 방법으로는 10㎚ 미만의 두께를 갖는 전기 도전적인 연속 금속층, 필름 또는 디포지트의 신뢰가능한 제조가 어렵다. 이들 매우 얇은 디포지트는 특히 열손상과 디포지트에서 높은 전류 밀도에 의해 야기된 전자거동(electromigration)에 민감하다. 종래 필름 및 다른 디포지트의 안정성 결핍도 또한 디바이스의 인접한 영역에 필름 재료의 확산을 야기하여 장치 성능의 열화 및 심지어 고장을 일으킨다. 마이크로 전자공학 디바이스의 치수는 나노 크기로 줄어들기 때문에, 재료 확산 문제가 심지어 더욱 드러나게 되었다.
양호한 전기적, 열적 및 기계적 안정성의 일반적인 유익한 특성들 이외에, 디포지트가 사용되는 특정 적용에 따른 디포지트를 위한 여러 가지 중요한 재료의 요건들이 있다. 예컨대, 전계효과 트랜지스터(FETs)에서, 채널을 형성하는 재료는 최신 기술의 데이터 프로세서에서 요구되는 고속 스위칭속도에 따르도록 높은 온-오프 속도와 높은 전자 이동도를 가져야 한다. 예컨대 전계방출 디스플레이(FEDs)에서 전계 이미터로 사용되는 디포지트를 위해 낮은 일함수가 요구된다. 명백한 광학적 요건들 이외에, 투명 전극으로 사용되는 디포지트는 시트 저항이 낮은 높은 전도도 요건을 갖는다. 투명 도전성 디포지트 또는 전극은 예컨대 (FEDs, LCDs, 플라즈마 디스플레이 및 음극선관과 같은)디스플레이, 고체상태 광원, 태양전지, 터치 스크린 및 전하 분산면에, 그리고, 예컨대 전자기 차폐에 사용된다. 초고용량 커패시터(supercapacitor)에서, 전기 재료용의 전기적으로 안정적이며 다공성의 높은 도전성 디포지트가 요구되고 있다. 태양전지에서 전극은 태양 복사에 대해 양호한 투명도를 갖는 전도도가 큰 재료를 필요로 한다. 더욱이, 다양한 센서들은 환경조건에 따라 변하도록 예컨대 전도도를 필요로 한다. 상술한 모든 디바이스에서, 디포지트의 기계적 유연함은 이런 디바이스의 설계에 더 유연함을 가져줄 것이다. 더욱이, 기계적으로 유연한 디포지트는 가요성 태양전지, 가요성 디스플레이와 같은 디바이스의 제조를 가능하게 할 것이다.
PCT/FI2006/000206 공보에서, 새로운 형태의 탄소계 분자와 그 합성 방법이 소개되어 있다. 이들 분자(이하 탄소 나노버드(nanobud) 또는 탄소 나노버드 분자라고 함)는 튜브형 탄소분자(도 1)의 측면에 공유결합되는 플러렌(fullerene) 또는 플러렌형 분자를 갖는다. 분자 레벨에서 탄소 나노버드가 흥미있는 전자적 성질을 갖는 것이 공보에 개시되어 있다.
전자 디바이스에서 개개의 탄소 나노버드 분자들을 이용하기가 어려운데, 이는 충분한 정확도로 소정 위치에 분자의 배향을 제어하기가 어렵기 때문이다. 더욱이, 디바이스내 소정 위치에 단일 분자를 이용하는 것은 분자가 제어하기 또한 매우 어려운 기설정된 길이와 결정구조를 갖는 것을 필요로 한다. 몇몇 디바이스에서, 예컨대, 태양전지와 초고용량 커패시터에서, 재료의 부피와 양은 충분히 커야 해서 단일 분자의 이용이 쉽지 않다.
상술한 바와 같이, 해당기술분야에서 예컨대 담체 수송과 담체 저장을 위한 전자 구성부품에 사용되는 다른 디바이스 특이적 속성들을 갖는 새로운 타입의 더 안정적인 디포지트에 대한 요구가 강해지고 있다. 전자구성부품의 특정 치수들이 크기가 줄어들고 속도와 효율이 향상됨에 따라 이러한 요구가 커질 것으로 예상된다.
본 발명의 목적은 새로운 타입의 디포지트과 새로운 타입의 디포지트를 이용한 향상된 전자 디바이스 구조를 제공함으로써 종래 기술의 상술한 기술적 문제를 줄이는 것이다.
본 발명은 독립항 제 1 항 및 제 7 항에 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 재료의 디포지트는 탄소 나노버드 분자를 포함한다. 탄소 나노버드 분자는 적어도 하나의 플러렌 그룹을 통해 서로 결합된다.
본 발명에 따른 전자 디바이스는 탄소 나노버드 분자를 포함하는 디포지트를 구비한다.
개개의 탄소 나노버드 분자는 주로 탄소 원자를 포함하나 상기 분자들은 다른 요소들을 함유하는 그룹들과 함께 기능할 수 있다. 따라서, 탄소 나노버드 분자를 함유한 디포지트는 대부분 탄소 원자를 함유하나 다른 요소들도 기능화 동안 디포지트에 그리고 불순물로서 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 디포지트 및 전자 다비이스에서 탄소 나노버드 분자들은 분자들이 랜덤하게 분포되거나 완전히 또는 부분적으로 정렬될 수 있는 네트워크 형태를 취한다. 본 발명의 일실시예에서, 탄소 나노버드 분자는 본 발명에 따른 재료의 디포지트에 있어 전기 도전성 경로의 네트워크를 형성한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 탄소 나노버드 분자는 기본적으로 본 발명에 따른 재료의 디포지트에 있어 전기 도전성 경로의 병렬 어레이를 이룬다. 이들 기본적인 병렬 도전성 경로는 예컨대 한 디바이스의 동작으로부터 회로의 의존도를 줄이는데 사용될 수 있는 복수의 단일 분자의 전자 디바이스들을 나란히 제조하는 방법을 제공한다.
필름 또는 다른 디포지트에서 탄소 나노버드 분자들의 병렬 어레이 또는 랜덤 분포는 이들 분자의 디포지트가 전류 흐름을 위해 많은 가능한 경로들을 포함하는 것을 보장한다. 디포지트는 또한 개개의 분자들의 특성에서 변화 영향이 억제되도록 통계적으로 매우 많은 분자들을 제공한다. 따라서, 본 발명에 따른 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트는 개개의 분자의 기능을 따르지 않는다. 이는 개개의 도전성 분자에 따르는 디바이스에 반대되는 것으로 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트를 이용한 디바이스의 신뢰도를 향상시킨다.
본 발명의 일실시예에 따른 전자 디바이스에서, 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트는 담체 수송과 담체 저장 기능을 제공한다.
본 발명에 따른 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트는 기상 또는 액상으로부터 여과, 역장(力場)내에서의 디포지트 및 스프레이 코팅 또는 스핀 드라잉(spin drying)을 이용해 용액으로부터의 증착과 같은 통상적으로 공지된 방법을 이용해 디포지트될 수 있다. 탄소 나노버드 분자는 또한 예컨대 필름을 형성하기 위해 용액에 현탁되거나 스프레이 되거나 또는 예컨대 실리콘 웨이퍼에 스핀코팅 될 수 있다. 탄소 나노버드 분자는 또한 표면에 성장될 수 있다. 상기 디포지트는 특별한 형태를 이루도록 또한 패턴화될 수 있다. 본 발명의 일실시예에서, 본 발명에 따른 재료의 디포지트는 재료의 부피, 필름 또는 와이어이다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 본 발며에 따른 재료의 디포지트는 1 나노미터 내지 10 센티미터, 바람직하게는 1 나노미터 내지 100 마이크로미터의 두께를 갖는다.
도전성 또는 반도전성 재료의 종래 디포지트에 비해, 본 발명에 따른 탄소 나노버드를 포함한 디포지트는 우수한 전기적, 열적 및 기계적 안정성을 갖는다. 이들 특성들은 전자 디바이스에서 담체 수송에 사용되는 디포지트에서 특히 중요하다. 작은 물리적 크기를 갖는 전기 디바이스에서 또는 가요성 디바이스에서 극심한 환경에서 동작하는 전자 디바이스에서 안정성 요건이 심지어 더 드러난다.
본 발명의 일실시예에서, 탄소 나노버드 분자는 본 발명에 따른 재료의 디포지트에 있어 적어도 하나의 플러렌 그룹을 통해 서로 결합되어 있다.
본 발명에 따른 디포지트의 안정성에 대한 이유는 튜브부의 측면에 또는 다른 탄소 나노버드 분자의 플러렌 그룹에 직접 또는 브릿지 분자를 통해 결합하도록 하는 플러렌 그룹의 능력이다. 상기 플러렌 그룹에 의해 가능해진 강한 분자간 결합은 서로에 대한 개개의 분자들의 슬리핑(slipping)이 효율적으로 방지된다. 본 발명에 따른 디포지트의 안전성은 탄소 나노버드 분자의 강한 분자간 공유결합에 의해 더욱 강화된다. 결합은 또한 네트워크의 전체 저항을 저하시키는 분자간의 낮은 저항 결합으로서 역할을 할 수 있다.
탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트의 안정성 이외에, 디포지트는 본 발명에 따른 디포지트의 고유 결합구조로 인해 발생한 다른 많은 디바이스 특이적인 유익한 특성들을 갖는다. 예컨대, 낮은 일함수, 기계적 유연성, 나노 크기의 다공성 구조, 높은 전도도, 제어가능한 전도도 및 반전도도와 높은 담체 이동도(carrier mobility)를 포함한 이들 특성들은 본 발명에 따른 전자 디바이스에 사용될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 탄소 나노버드 분자들은 본 발명에 따른 재료의 디포지트에 있어 적어도 하나의 플러렌 그룹을 통해 기능화된다. 이 기능화는 전자기 복사에 의한 전자의 여기 수단이나 도전성 또는 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트의 밴드갭을 바꾸기 위한 예컨대 다이(dye)나 그 밖의 다른 광활성 기능 그룹일 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 본 발명에 따른 재료의 디포지트는 마이크로미터당 10볼트 미만, 바람직하게는 마이크로미터당 2볼트 미만, 가장 바람직하게는 마이크로미터당 1볼트 미만의 임계치 전기장을 갖는 전자를 방출하는 낮은 일함수를 갖는다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 본 발명에 따른 재료의 디포지트는 1 이상, 바람직하게는 1×102 이상, 및 가장 바람직하게는 1×104 이상의 온-오프 속도를 갖는다. 온-오프 속도는 여기서 외부 자극(온-상태)동안 반도전성 재료의 전도도와 외부 자극이 없이(오프-상태) 반도전성 재료의 전도도의 비로서 정의된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 본 발명에 따른 재료의 디포지트는 1×10-5-1×108 S/m, 바람직하게는 0.1-1×107 S/m, 가장 바람직하게는 1×103-1×106 S/m 범위의 전도도를 갖는다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 본 발명에 따른 재료의 디포지트는 1×10-6-1×104 Ω/제곱, 바람직하게는 1×10-5-1×103 Ω/제곱, 가장 바람직하게는 1×10-4-1×102 Ω/제곱 범위의 시트 저항을 갖는다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 본 발명에 따른 재료의 디포지트는 10-5 ㎠/(Vs), 바람직하게는 10-3 ㎠/(Vs), 가장 바람직하게는 10-1 ㎠/(Vs)의 캐리어 이동도를 갖는다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 본 발명에 따른 재료의 디포지트는 0.001에서 10 전자 볼트, 바람직하게는 0.01에서 5 전자 볼트, 가장 바람직하게는 0.1에서 1.0 전자 볼트 범위의 밴드갭을 갖는 반도전성이다.
많은 전자 디바이스에서, 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트의 사용은 또한 제조 비용을 낮춘다. 예컨대, 더 큰 면적을 갖는 FEDs의 제조시, 종래 마이크로팁 기술은 공정 설비를 위해 고가의 반도체의 사용을 필요로 한다. 또한, 종래 ITO로부터 투명전극을 제조하는 것은 단락과 높은 비용으로 인해 그리고 종종 ITO 전극을 제조하는데 필요한 고온 진공공정으로 인해 부분적으로 비싸진다. 마이크로팁 기술 및 투명 ITO 전극은 후술되는 바와 같이 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트를 이용함으로써 대체될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 본 발명에 따른 전자 디바이스는 트랜지스터 또는 전계효과 트랜지스터이다. 이들 장치에서, 예컨대, 디포지트가 있는 디바이스 구조의 부분에 따라 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트로부터 높은 온-오프 속도의 높은 전도도와 조절가능한 반도전성(semiconductivity)이 요구될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 본 발명에 따른 전자 디바이스는 투명 전극이다. 이 적용에서, 예컨대, 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트로부터 높은 측면 전도도가 요구된다. 탄소 나노버드 분자를 포함한 투명 전극은 예컨대, 디스플레이, 광원 또는 태양전지에 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 본 발명에 따른 전자 디바이스는 전계 이미터이다. 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트의 중요 특성은 심지어 약한 전기장으로도 디포지트로부터 전자의 방출을 가능하게 하는 낮은 일함수이다. 이는 전계 이미터 구조의 효율을 향상시킨다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 본 발명에 따른 전자 디바이스는 광원, 디스플레이 소자, 커패시터, 태양전지 또는 센서이다. 이들 디바이스는 많은 방식으로 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트의 이점을 가질 수 있다. 상기 디바이스는 예컨대 투명 전극과 전계 이미터를 포함할 수 있다. 커패시터 또는 초고용량 커패시터는 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트의 나노 크기의 다공성 구조의 이점을 취할 수 있고 태양전지와 센서는 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트의 전도도 및 조절가능한 반전도도를 이용할 수 있다. 특히 센서나 또한 상술한 다른 전자 디바이스는 외부 자극으로 인한 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트의 가변 전도도(variable conductivity)를 이용할 수 있다. 보다 상세하게, 디포지트의 전도도는 예컨대 디포지트내 플러렌부에 부착되는 다른 분자 결합 또는 흡수에 의해 영향받을 수 있다. 또한 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트와 상호작용하는 온도 또는 복사에서의 변화도 디포지트의 전도도에 영향을 끼칠 수 있다.
본 발명의 내용에 포함됨.
아래에서, 본 발명은 첨부 도면을 참조로 보다 상세히 설명한다:
도 1(종래 기술)은 플러렌 또는 플러렌형 분자가 튜브형 탄소 분자에 공유결합되는 탄소 나노버드 분자에 대한 5개의 다른 분자모델을 나타낸 것이다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 디포지트에 있어 탄소 나노버드 분자의 배열을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소 나노버드 분자의 랜덤 배향을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2c는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소 나노버드 분자의 기본적인 병렬 배향을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전계효과 트랜지스터 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 측면 전계 이미터 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 수직 전계 이미터 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 커패시터 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 센서 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 일실시예에 따른 전계방출 광원 구조의 제조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지의 제조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일실시예에 따른 커패시터의 제조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 12a 및 도 12c는 본 발명의 일실시예에 따른 커패시터의 제조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 탄소 나노버드 분자는 분자의 플러렌 또는 플러렌형부(2)를 통한 탄소 나노버드를 포함한 디포지트에 있어 다음 탄소 나노버드 분자에 결합될 수 있다. 탄소 나노버드 분자의 플러렌 또는 플러렌형부(2)는 동일 분자의 튜브부(1)의 외부면에 공유결합된다. 분자의 결합 또는 결합부(3)는 도 1에 도시된 바와 같은 다수의 원자들을 구비할 수 있다. 도 2a의 결합 구성은 2차원적으로 도시되어 있으나, 개개의 탄소 나노버드 분자의 배향은 도 2b 및 도 2c에 각각 도시된 바와 같이 랜덤이거나 정렬될 수 있다.
개개의 탄소 나노버드 분자의 전도도는 분자의 튜브부(1)의 키랄성(chirality)과 플러렌 또는 플러렌형 분자의 농도에 의해 조절된다. 플러렌 농도를 증가시킴으로써 반도체 튜브 비율이 증가된다. 이는 예컨대 반도체 또는 도체 (금속) 탄소 나노버드 분자를 제조할 기능성을 열어 놓는다. 본 발명에 따른 디포지트에 있어 밀도, (전도성 경로의 방향으로) 길이, 폭 및 디포지트 두께와 도전성 및 반도전성 분자의 상대적인 양을 이에 따라 조절함으로써, 도전성 또는 반도전성 디포지트를 만들 수 있다. 디포지트의 반도전성(semiconductivity)도 또한 같은 식으로 조절될 수 있다.
필름 또는 다른 디포지트내에 복수의 탄소 나노버드 분자들의 랜덤 분포(도 2b) 또는 정렬된 배향(도 2c)은 디포지트내 전류에 대한 많은 가능한 경로를 포함한다. 따라서, 본 발명에 따른 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트는 개개의 분자의 기능에 따르지 않는다. 이는 전류의 흐름이 개개의 도전성 분자에 따르는 디바이스에 반대되는 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트를 이용한 디바이스의 신뢰도를 향상시킨다. 본 발명의 실시예에 따르면, 네트워크를 부분적으로 정렬함으로써 특정 방향으로 도전성 경로의 개수를 증감시키는데 사용될 수 있다. 더욱이, 본 발명의 일실시예에 따르면, 본 발명에 따른 디포지트에 있어 탄소 나노버드 분자의 기본적인 병렬 배열은 나란하게 복수의 단일분자 전자 디바이스를 제조하는 방법을 제공한다.
나노버드 분자는 다음의 기술에 따라 정렬될 수 있다. 나노버드를 포함한 에어로졸이 예컨대 판내의 좁은 슬릿으로 도입된다. 갭 높이는 바람직하게는 나노버드 또는 나노튜브 번들 길이의 평균 길이보다 100배 미만이고, 더 바람직하게는 나노버드 또는 나노튜브 번들 길이의 평균 길이보다 50배 미만이며, 가장 바람직하게는 나노버드 또는 나노튜브 번들 길이의 평균 길이보다 20배 미만이다. 갭 길이는 바람직하게는 갭 높이 보다 5배 더 크며, 더 바람직하게는 갭 높이 보다 10배 더 크고, 가장 바람직하게는 갭 높이 보다 20배 더 크다. 기판은 2차 기판상에 디포지트 수잔을 제공하기 위해 갭에 첨부될 수 있다. 더욱이, 기판은 열-영동(thermo- phoresis) 또는 전기영동에 의한 디포지트를 강화하기 위해 냉각되거나 하전될 수 있다.
나노버드 분자의 정렬된 디포지트를 위해 나노버드 증착 유닛은 담체 가스내 나노버드의 에어로졸 기류가 판내 슬릿을 지나가게 하도록 직경 1㎝인 튜브의 축에 수직한 두께 5㎜의 평판 금속판(5)을 부착시킴으로써 구성된다. 금속판은 판의 면에 수직한 레이저 절삭된 5개의 평행한 슬릿들을 갖는다. 슬릿은 높이가 0.25㎜이고 폭이 7.0㎜이며 1㎜씩 이격되어 있다. 직경이 1 마이크로미터인 나노버드 번들을 포함한 에어로졸이 튜브에 도입되고 슬릿을 통해 흐르며, 그 결과 대략 상기 흐름에 대해 정렬된 튜브의 부분이 슬릿의 측벽에 디포지트된다. 개개의 탄소 나노버드 분자(도 1 참조)의 분자 구조와 함께 탄소 나노버드 디포지트의 도 2a의 독특한 결합구성은 본 발명에 따른 디포지트를 위한 특성들의 매우 유용한 세트이다. 또 다른 탄소 나노버드 분자에 결합하기 위한 플러렌 그룹의 능력은 이들 분자를 포함한 디포지트의 아주 뛰어난 전기적, 열적 및 기계적 안정성이고, 나노버드 분자의 튜브부의 이격을 늘려 나노-다공률(nano-porosity)과 특이 표면적을 늘린다. 강한 분자간 결합은 서로에 대해 개개의 분자의 슬리핑을 효율적으로 방지하고 개개의 분자간 전하 전달을 늘린다. 본 발명에 따른 디포지트의 안정성은 탄소 나노버드 분자의 강한 분자간 공유결합에 의해 더 강화된다.
탄소 나노버드 분자를 쉽게 기능화하는 능력은, 예컨대, 다이(dye)나 그 밖의 경우로 광활성 기능 그룹이 분자에 결합되게 하여 전자기 복사에 의해 전자를 여기시키는 수단을 제공하거나, 그렇지 않으면 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트에 분자의 기능을 변형시킨다.
본 발명에 따른 디포지트의 특성들은 예컨대 약 0.65V/㎛의 전계 임계치를 갖는 낮은 일함수, 예컨대 약 1010A/㎠의 전류용량을 갖는 매우 큰 전도도, 및 예컨대 심지어 100000 ㎠/ (Vs) 까지 매우 높은 전자 이동도를 포함할 수 있다. 추가로 탄소 나노버드 분자를 포함한 탄소계 디포지트는 고전력의 전기장치로부터 열 추출과 관련한 문제를 완화시키는 높은 열전도도를 갖는다. 이들 모든 특성들은 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트의 원자 구조의 결과이다. 탄소 나노버드 디포지트는 탄소 나노버드 분자의 유용한 특성과 상술한 전자 디바이스에서 단일 분자 대신 탄소 나노버드 디포지트를 이용한 이점과 결합해 향상시킨다.
탄소 나노버드 디포지트에서 인접한 분자들 간의 결합은 공유일 수 있지만 이온 특성을 가질 수 있거나 반 델 발스(Van der Waals) 타입이다. 그럼에도 불구하고 분자의 플러렌 또는 플러렌형부(2)는 다른 기능화될 수 있는 활성그룹으로서 사용되고 개개의 탄소 나노버드 분자를들 간에 강한 결합을 형성할 수 있다. 이들 분자의 특성들은 탄소 나노버드 분자들로부터 안정적인 디포지트의 제조를 상당히 간단히 한다. 탄소 나노버드 분자의 플러렌부(2)도 또한 본 발명에 따른 디포지트물의 침착 동안 특정 방향으로 분자를 정렬하는데 도움을 줄 수 있는 분자 구조에 비대칭성을 가져온다. 분자 정렬은 예컨대 특정 적용을 위한 디포지트의 전기적 성질을 맞춤화하는데 사용될 수 있다. 이러한 타입의 디포지트 조작도 또한 디포지트의 전도도를 국소적으로 제어하는데 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트는 통상적으로 알려진 방법들, 예컨대, 기상 또는 액상으로부터의 여과, 역장(力場)에서의 증착 및 스프레이 코팅 또는 스핀 드라잉을 이용한 용액으로부터의 침착을 이용해 디포지트될 수 있다. 탄소 나노버드 분자는 또한 용액속에 현탁되거나 예컨대 필름을 형성하기 위해 가령 실리콘 웨이퍼상에 스프레이되거나 스핀코팅될 수 있다. 탄소 나노버드 분자는 또한 표면에 성장될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 도 3의 FET 구조(18)는 도전성 게이트층(4)과 상기 도전성 게이트층(4) 위에 절연층(5)을 구비한다. 디바이스는 소스 전극(6), 드레인 전극(8), 및 절연층(5) 위에서 소스 전극(6)과 드레인 전극(8) 사이에 채널층(7)을 더 구비한다. 채널층(7)은 소스 전극(6)과 드레인 전극(8)과 전기 접촉해 있다. 디바이스에서 채널층(7)은 탄소 나노버드 분자를 포함한 반도전성 디포지트이다. 더욱이 도전성 게이트층(4), 도전성 소스 전극(6) 및 도전성 드레인 전극(8)도 또한 탄소 나노버드 분자를 포함해 이들 층들의 기계적, 전기적 및 열적 특성들을 향상시키거나 제조를 간단히 할 수 있다. 도전성 게이트층(4), 도전성 소스 전극(6) 및 도전성 드레인 전극(8)의 전도도는 디포지트내에 탄소 나노버드 분자의 양을 늘림으로써 증가될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 도 3의 예시적인 디바이스는 종래 FET와 같이 동작하나, 도전성 게이트층(4)이 소스 전극(4)과 드레인 전극(8) 아래에 있는 점에서 종래 FET 구조에 비해 디바이스 구조(18)가 역전되어 있다. 탄소 나노버드 분자를 포함한 반도전성 디포지트인 채널층(7)은 디바이스에 트랜지스터의 온상태에서 높은 전도도와 높은 전자 이동도의 채널을 제공한다. 이는 온-오프 속도와 함께 예컨대 단결정 실리콘으로 채널이 제조되는 종래 FET 디바이스에 비해 도 3의 예시적인 디바이스(18)에 대한 고속 스위칭 속도를 포함한 성능을 우수하게 하고 소비전력을 감소하게 한다. 더욱이, 채널층(7)의 높은 열전도도는 고전력에서 동작되는 디바이스로부터 더 효율적인 열 추출을 가능하게 한다. 이는 FET 구조의 설계에 유연함을 가져온다. 더욱이 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트의 안정성은 신뢰도를 향상시키고 디바이스의 수명을 늘린다.
도 3의 실시예는 또한 예컨대 p-도핑된 실리콘의 형태로 도전성 게이트층(4)을 가질 수 있고, 절연층(5)은 예컨대 실리콘 다이옥사이드(SiO2) 또는 가령 더 큰 유전상수(κ)를 갖는 다른 절연재료일 수 있다. 소스 전극(6)과 드레인 전극(8)도 또한 도전성 재료, 예컨대, 금속으로 될 수 있으나, 예를 들면 도핑된 폴리실리콘이 사용될 수 있다. 도전성 게이트층(4), 소스 전극(6) 및 게이트 전극(8)은 또한 이들 층의 기계적, 전기적 및 열적 특성들을 향상시키기 위해 탄소 나노버드 분자를 포함할 수 있다. 궁극적으로 도 3의 실시예의 구조(18)를 구현하기 위한 재료들의 선택은 명백히 트랜지스터 동작이 담체의 에너지 레벨에 대해 취하는 요건들에 의해 지배된다.
탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트는 전자의 냉방출(cold emission)에 필요한 낮은 일함수를 갖는다. 이 성질은 예컨대 도 4의 구조와 같은 측면 전계 이미터 구조(17)에 이용될 수 있다. 상기 구조(17)는 절연기판(9)과, 추출전극(10), 음극(13) 및 전자 이미터(12)를 구비한다. 상기 구조는 음극(13)과 양극(15) 사이에 진공갭(16)과 상기 양극(15) 위에 발광층(14)을 더 구비한다. 전자 이미터(12)는 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트일 수 있다. 전자 이미터(12)와 음극(13)은 서로 전기적으로 접촉해 있다. 더욱이, 추출 전극(10)과 음극(13)도 또한 탄소 나노버드 분자를 포함하는 디포지트일 수 있다.
전압(Vf)이 추출 전극(10)과 음극(13) 사이에 인가되면, 전자 이미터(12)는 음극(13)과 양극(15) 사이의 진공갭(16)으로 전자를 방출한다. 전자방출은 전압(Vf)이 전자 이미터(12)의 일함수에 의해 지시된 임계치를 초과할 때 추출 전극(10)에서 발생된다. 도 4의 예시적인 구조(17)에서, 음극(13)과 양극(15) 사이에 인가된 전압(Va)이 또한 있다. 전자 이미터(12)로부터 추출 후, 추출된 전자의 속도 벡터는 Va에 의해 발생된 전기장의 결과로서 양극(15)을 향해 돌려지기 시작한다. 진공갭(16)에서의 전기장으로 전자는 곡선 궤적을 따라 도 4에 도시된 바와 같이 발광층(14)에 결국 부딪히게 된다. 전자 궤적의 곡률은 인가된 전압(Vf 및 Va)의 비(比)에 따른다. 충돌하는 전자들은 예컨대 인광물질일 수 있는 발광층(14)을 여기시킨다. 측면 전계 이미터 구조(17)는 전계방출 디스플레이(FEDs) 또는 고체 조명(solid-state lighting)에서 발광 구성부품으로서 사용될 수 있다.
도 5는 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트를 구비한 본 발명에 따른 또 다른 전계 이미터 구조를 나타낸 것이다. 상기 디바이스는 음극(20), 전자 이미터(21), 진공갭(22), 발광층(23) 및 양극(24)을 구비한 수직 전계 이미터 구조(19)이다. 전자 이미터(21)는 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트일 수 있다. 음극(20)과 전자 이미터(21)는 서로 전기적으로 접촉해 있다. 상기 전자 이미터(21)의 일함수에 의해 지시된 임계치 이상의 전압(Va)이 양극(24)과 음극(20) 사이에 인가되면, 전자 이미터(21)는 진공갭(22)을 지나 발광층(23)으로 전자를 방출한다. 방출된 전자의 궤적은 이 전계 이미터 구성(19)에서 기본적으로 직선이다. 방출된 전자들이 예컨대 인광물질인 발광층(23)에 부딪히면, 발광층(23)이 광을 방출한다. 수직 전계 이미터 구조(19)는 전계 발광 디스플레이(FEDs) 또는 고체조명에서 발광 구성부품으로 이용될 수 있다.
탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트인 이미터(21)가 전계 이미터 구조(17,19)의 효율을 크게 향상시킨다. 금속 또는 종래 반도체로 제조된 마이크로 팁을 이용한 최신 기술에 비해, 낮은 전압으로도 전자 이미터(12,21)로부터 전자를 추출하기에 충분하다. 이는 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트의 낮은 일함수에 기인한다. 따라서, 측면 전계 이미터 구조(17)에서 낮은 전압(Va)으로도 또한 전자에 대한 필요한 곡선 궤적을 충분히 만든다. 낮은 동작전압(Va 및 Vf)은 예컨대 FED 또는 고체 조명원에서 해당하는 발광 구성부품의 소비전력을 줄인다. 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트의 높은 전도도도 또한 전계 이미터 구조(17,19)에서 저항손실을 줄여 효율성을 더 향상시킨다. 더욱이, 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트의 안정성은 신뢰도를 향상시키고 상기 구조(17,19)의 수명을 늘린다. 게다가, 디포지트가 전기장에 대해 정렬될 필요가 없다는 사실은 제조를 간단히 하고 제조비용을 줄인다.
탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트가 적용될 수 있는 또 다른 예는 투명 전극이다. 부수적으로, 도 4 및 도 5의 예시적인 실시예는 이런 디바이스를 구비한다. 양극(15,24)은 발광층(14,23)에 의해 방출된 광이 예컨대, FED 또는 광원의 뷰어로 거의 손실 없이 투명전극(15,24)을 통해 투과될 수 있도록 투명할 수 있다.
탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트는 상기 디포지트의 높은 전도도로 인해 심지어 매우 얇은 디포지트로 낮은 시트 저항이 얻어지기 때문에 투명 전극으로 사용될 수 있다. 전도성 디포지트는 매우 얇아서 광에 대한 투명을 얻을 수 있다. 더욱이, 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트의 안정성은 투명 전극의 신뢰도를 높이고 투명전극의 수명을 늘린다.
도 6의 예시적인 커패시터(예컨대, 초고용량 커패시터)는 제 1 전극(25), 제 2 전극(27) 및 상기 제 1 전극(25)과 상기 제 2 전극(27) 사이의 전극층(26)을 구비한다. 이 구조(31)에서, 제 1 전극(25)이나 제 2 전극(27) 중 어느 하나 또는 상기 제 1 전극(25)과 상기 제 2 전극(27) 모두가 탄소 나노버드 분자의 전기 도전성 네트워크를 포함한 디포지트일 수 있다. 도 6에서, 전극(25,27)은 커패시터(31)를 하전시키는데 사용될 수 있는 전원에 연결되어 있다. 전해질(26)은 상기 전해질(26) 측면으로부터 전극-전해질 인터페이스에 전하를 제공하는 고체 또는 압축가능한 이온성 도체일 수 있다. 개개의 나노튜브 분자의 튜브형 구조로 구멍내부에 전하 축적을 가능하게 하는 전극(25,27)들에 대한 다공성 구조는 나노크기이다. 더욱이, 탄소 나노버드 분자의 플러렌 또는 플러렌부(2)는 도 2a에 도시된 바와 같이 디포지트내 개개의 나노버드 분자들 간에 격리부로서 역할을 할 수 있다. 이는 디포지트에서 서로 가까이 있는 개개의 분자들의 가능한 패킹(packing)을 줄이며, 이는 디포지트의 표면적을 더 증가시킨다. 그 결과, 탄소 나노버드 분자의 전기 도전성 네트워크를 포함한 디포지트인 전극(25,27)은 전극-전해질 인터페이스에서 전하 누적을 위한 거대한 표면적을 갖는 구조를 가지며, 이는 디바이스(31)의 정전용량을 증가시킨다. 이 표면적의 이점을 효율적으로 취하기 위해, 전해질(26)은 바람직하게는 전극(25,27)의 탄소 나노버드 디포지트의 구멍으로 침투할 수 있다. 탄소 나노버드 분자의 네트워크를 포함한 전극(25,27)의 높은 전기 전도도와 양호한 안정성 특성은 커패시터 또는 초고용량 커패시터의 신뢰도와 효율을 향상시킨다. 본 발명의 일실시예에 따른 탄소 나노버드 분자의 디포지트에 대해, 6M KOH 용액에서 ~750F/g의 방전 정전용량이 측정되었다.
도 7에 개략적으로 도시된 태양전지 구조(32)는 2개의 전기 도전성 전극(28,30)들 사이에 끼워져 있는 반도체층(28,29)을 구비한다. 모든 층(28,29,30)들은 탄소 나노버드 분자의 네트워크를 구비할 수 있다. 전극(28,30)에서, 탄소 나노버드 분자의 전기 도전성 네트워크는 전자기 복사가 거의 흡수없이 통과되도록 허용되는 투명 도전층을 형성하는데 사용될 수 있다. 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트에 의해 가용해진 이들 전극(28,30)은 효율적인 낮은 손실의 태양전지 동작에 필요한 높은 측면 전도도를 갖는다.
도 7에서 반도체층(29)은 전기 전도도가 상술한 바와 같이 나노버드 분자의 키랄성에 의해 제어될 수 있는 나노버드 분자의 반도전성 네트워크를 구비한다. 탄소 나노버드 분자의 네트워크에서, 플러렌 그룹을 통한 강한 분자간 결합은 네트워크를 지나는 담체들에 대한 높은 도전성 경로를 제공하며 개개의 나노버드 분자들 간에 전하 전달을 증가시킨다. 탄소 나노버드 분자의 플러렌부는 전자기 복사의 흡수를 높이도록 분자의 기능화를 가능하게 해 예컨대 반도체층(29)에서 원자가 전자대로부터 전도대로 전자를 여기시킨다. 전극(28,30)의 높은 전기 전도도와 탄소 나노버드 분자의 네트워크를 포함한 모든 층들(28,29,30)의 양호한 안정적인 특성들은 태양전지 구조(32)의 신뢰도와 효율을 더 향상킨다.
도 8에 개략적으로 도시된 센서 구조(33)는 기판(34), 도체층 또는 반도체층(35) 및 필요하다면 보호코팅(36)을 구비한다. 도 8에서 상기 층(35)은 나노버드 분자의 네트워크를 포함하며, 이는 예컨대 전자기 복사 또는 다른 외부 자극에 대한 층의 감응도(responsivity)와 센서의 감응도를 강화시키기 위한 플러렌부를 통해 기능화될 수 있다. 추가로, 탄소 나노버드 분자를 포함한 층(35)의 전도도 또는 반전도도(semiconductivity)는 상술한 바와 같이 조절될 수 있기 때문에, 센서 구조(33)는 다양한 종류의 환경에서 다양한 종류의 자극에 대해 감지되도록 맞춰질 수 있다. 더욱이, 탄소 나노버드 분자의 네트워크에서, 플러렌 그룹을 통한 강한 분자간 결합은 네트워크를 지나는 담체들에 큰 도전성 경로를 제공하는 개개의 나노버드 분자들 간에 전하 전달을 증가시킨다. 반도체층(35)에서 증가된 전하 전달은 디바이스(33)에서의 저항손실을 줄인다. 탄소 나노버드 분자를 포함한 나노버드 층(35)의 양호한 안정성 특성들은 센서 구조(33)의 신뢰도와 효율을 더 향상시킨다.
예시적인 센서구조(33)는 저항으로 동작한다. 전압이 디포지트(35)를 통해 연결되면서, 외부 자극, 예컨대, 전자기 복사가 나노버드 층(35)의 전도도를 변경한다. 전도도의 변화는 도 8에 도시된 바와 같이 예컨대 측면으로 지나는 나노버드 층(35)을 흐르는 전류를 측정함으로써 관찰될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 나노버드 층(35)은 기판의 다른 층들을 지지하기 위해 어떠한 기판(34)도 필요하지 않는 점에서 센서 구조에서 단독으로 있을 수 있다. 더욱이, 본 발명에 따른 센서 구조에 대한 외부 자극은 장(場), 예컨대 전기장, 온도, 복사, 예컨대, 전자기 복사, 또는 흡수되거나 결합되는 분자의 형태로 될 수 있어 디바이스는 전기장, 복사, 온도 또는 가스나 액체 센서로서 사용될 수 있다. 더욱이, 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트의 밀도는 외력 또는 압력의 인가에 의해 변형될 수 있고 나노버드 분자들 간의 상호연결의 개수와 품질을 변화시킬 수 있기 때문에, 이런 디포지트는 예컨대 압력 센서 또는 가속계로서 사용될 수 있다.
상기 예에서 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트의 두께는 예컨대 1㎚에서 10㎝의 범위일 수 있다. 이 범위에서, 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트는 제조하기가 쉽고 연속적이어서 디포지트의 특성들은 상기 디포지트에서 불연속적이지 않는다.
제조예
하기에서 탄소 나노버드 분자를 포함한 전기 디바이스의 제조가 상세히 기술되어 있다. 하기의 방법들은 본 발명의 몇몇 실시예의 예로서 나타나 있다. 상기 예에서 사용된 나노버드 분자들은 Canatu Oy 사로부터 상업적으로 구매가능하며, 특허출원공보 WO/2007/057501에 개시된 방법을 이용해 합성될 수 있다. ㎚당 플러렌의 플러렌 농도에 따라 탄소 나노버드 분자를 합성하기 위해, WO/2007/057501에 개시된 방법에서 합성 반응기내 H2O와 CO2 농도는 각각 135ppm과 4000ppm이다. 10㎚당 1 플러렌의 플러렌 농도에 따른 탄소 나노버드 분자를 합성하기 위한 해당 H2O와 CO2 농도는 각각 100ppm과 500ppm이다.
투명 전극
본 발명의 일실시예에 따른 투명 전극은 하기의 절차에 따라 제조된다. 나노버드 합성 반응기가 1000℃의 노(爐) 설정온도에서 동작된다. 니트로셀룰로오스 필터(nitrocellulose filter)상에 나노버드 제품이 수집되고, 반응기는 상기 나노버드 제품이 10㎚당 약 1 플러렌의 농도를 갖는 상태에서 동작된다. 발생한 필름은 합성 반응기 외부의 투명 PE 기판에 대하여 가압되고, 실온에서 상기 니트로셀룰로오스 필터로부터 상기 PE 기판으로 디포지트가 전달된다. 최종 발생한 층은 먼저 에탄올에 침지되고 그런 후 질산에 침지된다. 질산 처리는 약 10배 만큼 나노버드층의 전도도를 높이고 에탄올 처리는 추가로 5배 만큼 나노버드 층의 전도도를 높인다. 이들 처리는 나노버드 층의 투명도에 영향을 끼치지 않는다. 예로서, 결과적으로 발생한 나노버드 필름의 시트 저항은 90%, 50%, 및 40%의 투명도에 대해 각각 약 500 Ω/제곱, 100 Ω/제곱, 30 Ω/제곱인 것으로 측정되었다. 개시된 방법으로 제조된 탄소 나노버드 분자를 포함한 투명전극은 예컨대 디스플레이, 광원 또는 태양전지에 사용될 수 있다.
전계효과 트랜지스터
본 발명의 일실시예에 따른 하단 게이트 전계효과 트랜지스터가 하기의 절차에 따라 제조된다. 하단 게이트 전계효과 트랜지스터는 게이트 유전체로서 작동하는 열적으로 성장된 SiO2(100㎚)로 코팅된 큰 B-도핑된 Si 기판에 나노미터당 약 1 플러렌의 농도를 갖는 나노버드 네트워크를 증착시킴으로써 제조된다. 300㎚의 Pt층이 양호한 전도도를 위해 뒷면에 스퍼터링된다. 나노버드 증착 이전에, 개방 윈도우로 AZ 폴리머 증착의 포토리소그래피 단계가 수행된다. 아세톤에서 리프트 오프(lift-off)한 후 나노버드 네트워크가 기판에 패턴화된다. 연이어 제 2 포로리소그래피 단계가 연이은 금속 전극 증착을 위해 개방 윈도우로 PMMA를 증착시킨다. 소스 전극과 드레인 전극(30㎚ Ti 및 200㎚ Au)은 전자빔 증발기를 이용해 증착된다. 그런 후 AZ 폴리머와 불필요한 금속을 제거하기 위해 리프트-오프 공정이 수행된다.
센서
본 발명의 일실시예에 따른 센서가 FET 제조공정와 유사한 절차에 따라 제조된다. 센서는 게이트 유전체로서 작동하는 열적으로 성장된 SiO2(100㎚)로 코팅된 큰 B-도핑된 Si 기판에 나노버드 네트워크를 증착시킴으로써 제조된다. 나노버드 증착 이전에, 나노버드 네트워크 채널과 더 접촉하기 위한 소스 전극과 드레인 전극(30㎚ Ti 및 200㎚ Au)이 전자빔 증발기를 이용해 증착된다. 다른 센서 장치들 간에 전기접촉을 방지하기 위해, 과도한 CNTs는 레이저에 의해 에칭된다. 300㎚의 Pt층이 양호한 전도도를 위해 뒷면에 스퍼터링되고, 상기 Pt층은 게이트 전극을 바이어스하는데 사용될 수 있다. 센서는 가스 분자 및 액체 분자를 감지하기 위한 기상 또는 액상 중 어느 하나에서 동작될 수 있다.
전계 발광원
본 발명의 일실시예에 따른 전계 발광원이 하기의 절차에 따라 제조된다. 상기 절차는 도 9a 내지 도 9c의 연속으로 개략적으로 나타나 있으며, 도 9a는 공정의 시작시 디바이스의 횡단면 구조를 나타낸 것이고, 도 9c는 공정의 마지막에서 디바이스의 횡단면 구조를 나타낸 것이다. 디바이스는 "자립형" 디바이스이거나 디스플레이 디바이스에서 픽셀의 전부 또는 일부분일 수 있다. 나노버드 합성 반응기는 1000℃의 노(爐) 설정온도에서 동작된다. 2개의 니트로셀룰로오스 필터상에 상기 제품이 수집되고, 반응기는 상기 나노버드 제품이 ㎚당 약 1 플러렌의 농도를 갖는 상태에서 동작된다. 최종 발생한 필름들(41) 중 하나가 100℃의 온도에서 금 기판(39)에 대하여 가압되고, 상기 필터로부터 상기 금 기판으로 디포지트가 전달된다. 글래스 기판(37)(예컨대, 1㎠ 넓이 및 0.5㎜ 두께)이 나노버드 코팅된 금 기판(39)에 에폭시되고 상기 글래스 기판(37)과 금 층(39) 사이에 에폭시층(40)이 남겨진다. 제 2 나노버드 필름(41)이 글래스 기판(37)에 대하여 가압되고 실온으로 상기 필터로부터 인(phosphor) 코팅 글래스 기판(37)으로 나노버드 디포지트(41)가 전달된다. 금 전극(도면에 미도시됨)이 나노버드와 인 코팅 글래스(37)의 2개의 마주보는 가장자리에서 스퍼터링된다. 인(38)과 나노버드(41)를 갖는 최종적으로 발생한 층 기판이 먼저 에탄올에 침지되고 그런 후 질산에 침지된다. 제 1 및 제 2 기판이 고 진공으로 안쪽으로 향한 나노버드 코팅면(41)과 함께 접착되어, 스페이서 요소(42)를 이용해 이들 사이에 진공 갭(43)을 형성한다. 진공 갭(43)의 각 면상에 2개의 코팅된 기판들 사이에 전류가 가해지면, 디바이스는 광원으로서 동작한다.
태양전지
본 발명의 일실시예에 따른 태양전지가 하기의 절차에 따라 제조된다. 절차는 도 10a 및 도 10b의 연속으로 개략적으로 나타나 있고, 도 10a는 공정 시작시 디바이스의 횡단면 구조를 나타낸 것이며, 도 10b는 공정 마지막에 디바이스의 횡단면 구조를 나타낸 것이다. 나노버드 합성 반응기는 1000℃의 노(爐) 설정온도에서 동작되고, 반응기는 상기 나노버드 제품이 10㎚당 약 1 플러렌의 농도를 갖는 상태에서 동작된다. 니트로셀룰로오스 필터상에 상기 제품이 수집된다. 최종 발생한 나노버드 필름(45)은 투명 PE 기판에 대하여 가압되고, 실온에서 상기 필터로부터 상기 PE 기판(44)으로 디포지트(45)가 전달된다. 최종 발생한 제 1 나노버드 층(44)은 먼저 에탄올에 그런 후 질산에 침지되어 투명 전극을 만든다. 1000℃의 노(爐) 설정온도와 상기 나노버드 제품이 ㎚당 약 1 플러렌의 농도를 갖는 상태에서 동작되는 상기 나노버드 합성 반응기로부터 수집된 제 2 나노버드의 층(46)은 글래스 필터상에서 준비된다. 샘플을 메탄올내 폴리에틸렌 이민(PEI)의 20중량% 용액에 하룻밤동안 넣은 후, 메탄올로 완전히 헹구어낸다. 그런 후 샘플을 광감성 루테늄-폴리피리딘 다이 및 에탄올에 침지시킨다. 다이 용액에 상기 필름을 담그고 나서 건조시킨 후, 얇은 다이층이 나노버드의 표면에 공유결합된 채 남아 있다. 그런 후 2개의 나노버드 층을 함께 가압함으로써 나노버드-다이-층(46)이 투명 전극으로 그리고 제 1 나노버드층(45) 상에 전달된다. 도전성 백금시트(48) 위에 확산된 얇은 요오드 전해질 층(47)과 함께 별도의 소성이 행해진다. 나노버드 층(45,46)을 갖는 전면부와 백금 시트(48)상에 요오드 전해질(47)을 갖는 후면부가 결합되고 함께 밀봉되어 전해질(47)이 새는 것을 방지한다. 이 구조는 태양전지로서 사용된다.
태양전지
본 발명의 일실시예에 따른 태양전지가 하기의 절차를 따라 제조된다. 절차는 도 12a 및 도 12c의 연속으로 개략적으로 나타나 있고, 도 12a는 공정의 초기에 디바이스의 횡단면 구조를 나타낸 것이고, 도 12c는 공정 마지막에 디바이스의 횡단면 구조를 나타낸 것이다. 나노버드 합성 반응기는 1000℃의 노(爐) 설정온도에서 동작되고, 2개의 합성 공정에서 2개의 니트로셀룰로오스 필터상에 나노버드 제품이 수집된다. 반응기는 하나의 니트로셀룰로오스 필터상에 상기 나노버드 제품이 ㎚당 약 1 플러렌의 농도를 갖는 상태와, 다른 니트로셀룰로오스 필터 상에서 나노버드 제품은 10㎚당 약 1 플러렌의 농도를 갖는 상태에서 동작된다. 10㎚당 약 1 플러렌의 농도를 갖는 최종 발생한 나노버드 필름(53)이 투명 PE 기판에 대하여 가압되고, ㎚당 약 1 플러렌의 농도를 갖는 다른 나노버드 필름(53)이 백금 기판(57)에 대하여 가압된다. 그런 후, 나노버드 필름(53)이 실온에서 니트로셀룰로오스 필터로부터 PE 기판(52)과 백금 기판(57)으로 전달된다. 상기 나노버드 필름(53) 모두가 먼저 에탄올에 그런 후 질산에 침지되어 PE 기판(52)을 포함한 투명 전극과 백금 기판(57)을 포함한 불투명 전극을 만든다. PEDOT:PSS의 얇은 버퍼층(54)이 상기 투명 기판상에 스핀 코팅되고 100℃ 분위기에서 건조된다. P3HT와 톨루엔 용액이 질산 분위기에서 PEDOT:PSS층(54)상에 스핀 코팅되어 약 0.1 마이크론 두께의 디포지트(55)를 만든다. 1000℃의 노(爐) 설정온도와 상기 나노버드 제품이 ㎚당 약 1 플러렌의 농도를 갖는 상태에서 동작되는 상기 나노버드 합성 반응기로부터 제 3 나노버드층(56)이 글래스 필터상에서 준비된다. 상기 제 3 층(56)은 130℃에서 P3HT층(55)에 대하여 가압되고 상기 P3HT층(55)에 상기 제 3 나노버드 층(56)을 끼워넣는다. 그런 후 백금 기판(57)상에 나노버드 층(53)이 P3HT층/나노버드 복합물층(58)에 대하여 가압되고 이 최종 구조는 태양전지로서 사용된다.
커패시터(초고용량 커패시터)
본 발명의 일실시예에 따른 초고용량 커패시터는 다수의 나노버드 층들을 증착함으로써 제조된다. 절차는 도 11a 및 도 11b에 연속으로 나타나 있고, 도 11a는 공정의 시작시 디바이스의 횡단면 구조를 나타낸 것이며, 도 11b는 공정의 마지막에 디바이스의 횡단면 구조를 나타낸 것이다. 하나의 나노버드 도전층(50)은 니트로셀룰로스 필터상에 부유 촉매 에어로졸 반응기(floating catalyst aerosols reactor)로부터 에어로졸 제품을 수집함으로써 기판에 증착된다. 하기의 예에서, 나노버드는 비도전성 기판(PE)(49) 또는 도전성 기판(49)(예컨대, 나노튜브, 나노버드, 금 또는 알루미늄) 중 어느 하나에 전달 증착된다. 비도전성 기판(49)상에 전달 증착되면, 나노버드층(50)은 수집기와 다공성 전극 모두로서 작용한다. 별개의 도전성 수집기의 경우, 제 1 및 제 2 도전성 수집기는 임의의 큰 도전성 또는 초고도전성 재료일 수 있다. 예로 도전성 금속(예컨대, 구리, 알루미늄, 니켈 또는 스테인레스 스틸), 초고도전성 세라믹 등을 포함한다. 초고용량 커패시터는 적층된 나선형으로 감긴 형태를 포함하여 제한 없이 다른 디자인으로 될 수 있다. 나노버드는 양극 및 음극 층을 형성하기 위해 다른 공지 기술에 의해 도전성 또는 비도전성 기판(49) 중 어느 하나에 증착될 수 있다. 효율적인 전하 저장을 위해, 이상적으로, 각 전극은 전극에서 전하 저장을 맡고 있는 해당 이온 직경의 약 3배에 해당하는 직경을 갖는 나노버드를 포함해야 한다. 나노버드 분자의 직경은 분자의 튜브부의 직경으로 이해되어야 한다.
전해질층(51)을 형성하기 위해, 해당기술분야에서 많은 방법들 중 어느 하나가 본 발명에 따라 가능해진다. 하기의 예에서, 이온 액체는 일반적으로 완전하지는 않지만 거의 완전히 이온들로 구성된 액체인 것으로 이해된다. 이온 액체는 통상적으로 염 또는 용매 모두로서 작동하거나 100% 염 및 100% 용매라고 한다.
전해질층(51)을 형성하기 위한 한가지 방법(방법 1)으로, 폴리머 호스트가 용매(바람직하게는 폴리머 호스트용 용매)에 용해된다. 이 예에서, 용매는 1-메틸-2-피롤리디논(l-methyl-2-pyrrolidinone)(NMP) 이다. 다른 용매도 가능하다. 다양한 폴리머 호스트가 가능하다. 이 경우, PVdF-HFP/[EMIM] [Tf2N]이다. PVdF-HFP가 사용된다. 0.34g의 PVdF-HFP 분말이 1.7㎖의 NMP에서 3시간 동안 자기 교반하에서 용해된다. 폴리머 호스트가 용매속에 완전히 용해되면, 용액은 적절한 양의 이온액체와 섞여 상기 이온 액체와 폴리머의 겔화(gellation)를 가능하게 한다. 다양한 이온 액체가 가능하다(이 경우, [EMIM] [Tf2N]이 사용된다). 최종 발생한 폴리머 용액은 0.8㎖의 [EMIM] [Tf2N]와 섞여 2시간 동안 자기 교반하에서 상기 이온액체와 함께 폴리머의 겔화를 완성한다. 그런 후, 0.4㎖의 얻어진 균일한 폴리머-용매-이온액체 혼합물은 기판, 이 경우, (표면적이 약 6.25㎠인)한 조각의 글래스 슬라이드에 부어진다. 이 용액을 함유한 글래스 슬라이드를 진공(22 InHg)하에서 15시간동안 110℃로 가열함으로써 용매 NMP를 완전히 증발시켜 균일하고 투명한 PVdF-HFP/[EMIM] [Tf2N] 필름을 형성한다. 프리스탠딩(freestanding)이며 자기지지형인 전해질 필름(51)이 초고용량 커패시터의 추후 어셈블리를 위해 기판으로부터 쉽게 분리된다.
전해질층(51)을 만드는 또 다른 방법(방법 2)이 본 명세서에 기술되어 있다. 이 방법에서, 무기질 미립자 충진제(inorganic particulate fillers)가 방법 1에서 이전에 기술된 전해질에 도입되어 기계적 강도를 높이고 폴리머 결정화도(crystallinity)를 낮춘다. 방법 1과 유사하게, 폴리머 호스트를 이 경우 용매 속에 0.34g의 PVdF-HFP(다른 폴리머들 및 다른 양이 가능함)가 1.7㎖의 NMP(다른 폴리머들 및 다른 양이 가능함)에서 3시간 동안(더 길거나 짧은 시간도 가능함) 교반하여 용해함으로써 폴리머 용액이 제조된다. 최종 발생한 용액은 이온 액체, 이 경우 0.8㎖의 [EMIM] [Tf2N](다른 이온 액체들 및 다른 양이 가능함)과 적절한 양의 무기질 미립자(이 경우, 0.02g의 제올라이트가 무기질 미립자 충진제이나 다른 충진제들 및 다른 양도 가능함)가 2시간 동안 섞여 용액 속에 충진제 분말의 완전한 확산과 이온 액체와 폴리머의 갤화를 보장한다. 최종 발생한 혼합물은 비접착성 기판상에 용액 캐스팅에 의해 공정된다. 이 경우 글래스 슬라이드는 표면적이 6.25㎠이다(다른 기판들도 가능함). 용매-캐스트 필름은 이 경우 무기질 충진제로 구현된 전해질 필름을 형성하기 위해 기본적으로 모든 용매를 증발시키도록 진공(대기압 및 과압도 가능함)하에서 110℃로 가열된다. 얻어진 전해질층(51)은 초고용량 커패시터의 추후 어셈블리를 위해 기판으로부터 쉽게 박피될 수 있다.
전해질층(51)을 만드는 또 다른 방법(방법 3)으로, 이미 만들어진 마이크로 다공성의 침투성 폴리머 격리부, 이 경우(PTFE). L. Gore & Associates 사로부터 얻은 멤브레인(두께:23㎛, 구멍 크기:0.05-15㎛, 공극률:50-70%)(다른 침투성 멤브레인들도 가능함)에는 선택된 이온 액체(이 경우, 0.5㎖의 [EMIM](Tf2N), 다른 이온 액체 및 다른 양도 가능함)가 스며들어 있다. 사전형성된 마이크로 다공성의 침투성 폴리머 멤브레인은 이온 액체의 수조에 상기 멤브레인을 둠으로써 이온 액체와 접촉된다. 이 경우, 이는 [EMIM](Tf2N)을 함유한 팬(pan)에 한 조각의 PTFE 멤브레인을 흡수함으로써 행해진다. 이온 액체 또는 이온 액체/용매 혼합물과 접촉하는 동안 폴리머 멤브레인은 이 경우 전해질층(51)을 형성하기 위해 110℃에서 15시간동안 진공(22 InHg)(다른 온도, 시간및 압력조건도 가능함) 하에서 직접 폴리머 호스트를 증대/겔화시키도록 가열된다. 최종 발생한 전해질 멤브레인은 이온 액체로부터 제거되고 이 경우 몇 분간 멤브레인을 매달아 둠으로써 상기 멤브레인 상에 있는 과도한 이온 액체가 제거된다(과도한 액체를 제거하는 다른 방법도 가능함).
초고용량 커패시터는 양과 음의 나노버드 전극(50)과 전류 수집기 또는 비도전성 기판(예컨대, PE)일 수 있는 2개의 지지 기판(49) 사이의 전해질층(51) 간에 끼워져 어셈블리된다. 커패시터의 가장자리는 에폭시(도면에 미도시됨)로 밀봉된다. 한 조각의 전해질층(51)(두께:약 100㎛)은 커패시터 제조를 위한 격리부로서 바로 사용될 수 있다.
초고용량 커패시터를 제조하는 또 다른 수단은 전극에 플라즈마-에칭된 나노버드를 이용하는 것을 포함한다. 초고용량 커패시터는 상술한 바와 같은 방법 1, 2 및 3처럼 제조되나, 나노버드 분자의 엔드-캡들과 몇몇의 플러렌부들의 개구에 이르는 그래파이트 나노버드 구조의 조절가능한 분해를 야기하기 위해 물 또는 산소 플라즈마를 이용한 추가적인 에칭단계가 적용된다.
상술한 예시적인 방법들에 따라 제조된 초고용량 커패시터들은 매우 매력적인 특성들을 가질 수 있다. 예로써, 초고용량 커패시터의 분말 밀도는 적어도 약 10 Wh/kg의 에너지 밀도와 함께 적어도 약 10 kW/kg일 수 있다.
당업자에게 명백한 바와 같이, 본 발명은 상술한 예들에 국한되는 것이 아니라 상기 실시예들은 특허청구범위내에서 자유롭게 변할 수 있다.

Claims (16)

  1. 탄소 나노버드 분자를 포함하는 재료의 디포지트로서,
    탄소 나노버드 분자의 플러렌(fullerene) 그룹(2)이 또 다른 탄소 나노버드 분자의 플러렌 그룹(2)에 결합되도록 상기 탄소 나노버드 분자들이 적어도 하나의 플러렌 그룹(2)을 통해 서로 결합되는 것을 특징으로 하는 탄소 나노버드 분자를 포함하는 재료의 디포지트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    탄소 나노버드 분자는 전기 도전성 경로의 네트워크를 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노버드 분자를 포함하는 재료의 디포지트.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    탄소 나노버드 분자는 전기 도전성 경로의 기본적인 병렬 어레이를 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노버드 분자를 포함하는 재료의 디포지트.
  4. 제 1 항에 있어서,
    탄소 나노버드 분자는 전자기 복사에 의해 전자를 여기시키는 수단을 제공하도록 적어도 하나의 플러렌 그룹을 통해 기능화되는 것을 특징으로 하는 탄소 나노버드 분자를 포함하는 재료의 디포지트.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 디포지트는 1 이상의 온-오프 속도를 갖는 것을 특징으로 하는 탄소 나노버드 분자를 포함하는 재료의 디포지트.
  6. 제 1 항에 있어서,
    디포지트의 반도전성(semi-conductivity)은 디포지트의 밀도, 도전성 경로 방향으로 디포지트의 길이, 도전성 경로에 수직 방향으로 디포지트의 폭, 및 디포지트의 두께에 의해, 플러렌 또는 플러렌형 첨가물의 농도에 의해 및/또는 디포지트에서 도전성 및 반도전성 분자의 상대적인 양에 의해 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 탄소 나노버드 분자를 포함하는 재료의 디포지트.
  7. 탄소 나노버드 분자를 포함한 디포지트를 구비하고,
    탄소 나노버드 분자의 플러렌 그룹(2)이 또 다른 탄소 나노버드 분자의 플러렌 그룹(2)에 결합되는 것을 특징으로 하는 전자 디바이스.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 디포지트는 담체 수송 또는 담체 저장의 기능을 제공하는 것을 특징으로 하는 전자 디바이스.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 디바이스는 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 전자 디바이스.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 트랜지스터는 전계효과 트랜지스터(18)인 것을 특징으로 하는 전자 디바이스.
  11. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 디바이스는 전극 또는 투명 전극(15,24,28,30)인 것을 특징으로 하는 전자 디바이스.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 전극 또는 투명 전극은 디스플레이, 광원 또는 태양전지(32)에서 투명전극인 것을 특징으로 하는 전자 디바이스.
  13. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 디바이스는 전계 이미터(17,19)인 것을 특징으로 하는 전자 디바이스.
  14. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 디바이스는 광원, 디스플레이 소자, 커패시터(31), 태양전지(32) 또는 센서(33)인 것을 특징으로 하는 전자 디바이스.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 디포지트는 1×102 이상의 온-오프 속도를 갖는 것을 특징으로 하는 탄소 나노버드 분자를 포함하는 재료의 디포지트.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 디포지트는 1×104 이상의 온-오프 속도를 갖는 것을 특징으로 하는 탄소 나노버드 분자를 포함하는 재료의 디포지트.
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