KR101938425B1

KR101938425B1 - 네트워크, 직물, 및 필름 내에서의 나노규모 요소의 배열 방법

Info

Publication number: KR101938425B1
Application number: KR1020127027723A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 에이 로버츠; 하오-유 린; 토마스 알 벵트손; 토마스 루케스; 칼 로빈슨; 에이치 몽고메이 맨닝; 라훌 센; 마이클 몬테이로
Original assignee: 난테로 인크.
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2019-01-14
Also published as: CN102917977A; JP2013527806A; EP2552826A1; US20170072431A1; US9422651B2; WO2011123560A1; US20110291315A1; KR20130079358A; JP6130787B2; US10124367B2; EP2552826A4; KR20170026652A

Abstract

나노튜브 직물 층 및 필름 내에서 나노튜브 요소를 배열하는 방법이 개시된다. 지향력을 나노튜브 직물 층 위에 적용하여 상기 직물 층이 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 되게 한다. 즉, 나노튜브 요소의 네트워크는 그 측벽을 따라 모이며 실질적으로 균일한 방향으로 배향된다. 일부 실시양태에서, 이 지향력은 원통형 요소를 직물 층 위에서 롤링시킴으로써 적용된다. 다른 실시양태에서, 이 지향력은 러빙 재료를 나노튜브 직물 층의 표면 위에서 통과시킴으로써 적용된다. 다른 실시양태에서, 이 지향력은 폴리싱 재료를 소정 시간 동안 나노튜브 직물 층 위에서 진행시킴으로써 적용된다. 예시적인 롤링, 러빙 및 폴리싱 장치가 또한 개시된다.

Description

네트워크, 직물, 및 필름 내에서의 나노규모 요소의 배열 방법{METHODS FOR ARRANGING NANOSCOPIC ELEMENTS WITHIN NETWORKS, FABRICS, AND FILMS}

관련 기술의 논의

본 명세서 전체에 걸친 관련 기술의 임의의 논의는 결코 그러한 기술이 널리 공지되어 있거나 당해 분야에서 흔한 일반적인 지식의 일부를 형성함을 인정하는 것으로 간주되어서는 안된다.

나노튜브 직물 층 및 필름은 복수의 전자 구조체 및 소자에서 사용된다. 예를 들어, 그 전체가 본원에 참고로 포함된 베르틴(Bertin) 등의 미국 특허 출원 제11/835,856호에는 블록 스위치(block switch), 프로그래밍이 가능한 저항 요소, 및 프로그래밍이 가능한 로직 소자(logic device)와 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌 비휘발성 소자를 실현하기 위하여 나노튜브 직물 층을 사용하는 방법이 교시되어 있다. 본원에 참고로 포함된 베르틴 등의 미국 특허 제7,365,632호에는 박막 나노튜브 기반의 레지스터(resistor)의 제작 내에서의 그러한 직물 층 및 필름의 사용이 교시되어 있다. 그 전체가 본원에 참고로 포함된 워드(Ward) 등의 미국 특허 출원 제12/066,063호에는 전자 소자 및 시스템 내에서 열전달 요소를 형성하기 위하여 그러한 나노튜브 직물 및 필름을 사용하는 것이 교시되어 있다.

다양한 이전에 공지된 기술(포함된 참고문헌 내에 더욱 상세하게 기술됨)을 통하여, 나노튜브 요소는 나노튜브 직물 층 또는 필름의 형성 전 또는 그 후 전도성, 비전도성 또는 반전도성으로 될 수 있으며, 이는 그러한 나노튜브 직물 층 및 필름이 전자 소자 또는 시스템 내에서 복수의 기능을 하게 한다. 또한, 일부의 경우, 나노튜브 직물 층 또는 필름의 전기 전도도는 본원에 그 전체가 참고로 포함된 베르틴 등의 미국 특허 출원 제11/280,786호에 교시된 바와 같이 2가지 이상의 비휘발성 상태 사이에서 조정될 수 있으며, 이는 그러한 나노튜브 직물 층 및 필름이 전자 시스템 내에서 기억 또는 로직 요소로서 사용되게 한다.

본원에 그 전체가 참고로 포함된 워드 등의 미국 특허 제7,334,395호에는 사전 형성된 나노튜브를 사용하여 기재 요소 상에 나노튜브 직물 층 및 필름을 형성하는 복수의 방법이 교시되어 있다. 상기 방법은 스핀 코팅(여기서, 나노튜브 용액을 기재 상에 침적시키고 그 후 이를 스핀하여 상기 용액을 상기 기재의 표면을 가로질러 고르게 분배함), 스프레이 코팅(여기서, 복수의 나노튜브를 에어로졸 용액 내에 현탁시키며, 그 후 이를 기재 위에서 분산시킴), 및 딥 코팅(dip coating)(여기서, 복수의 나노튜브를 용액에 현탁시키고, 기재 요소를 그 용액 내로 낮추고, 그 후 꺼냄)을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본원에 그 전체가 참고로 포함된 센(Sen) 등의 미국 특허 제7,375,369호, 및 본원에 그 전체가 참고로 포함된 겐시우(Ghenciu) 등의 미국 특허 출원 제11/304,315호에는 스핀 코팅 공정을 통하여 기재 요소 위에 나노튜브 직물 층을 형성하는 데 매우 적합한 나노튜브 용액이 교시되어 있다.

개개의 나노튜브 요소 - 원자간력 현미경법용 프로브, 그의 사용은 실험실 실험 등에서 단일 나노튜브 요소의 위치 조정용으로 당업계의 숙련자에게 공지됨 - 의 이동 및 배향을 위한 다수의 이전에 공지된 기술이 존재하지만, 더욱 큰 규모의 상업적 응용을 위하여 비교적 큰 규모의 나노튜브 요소의 필름 및 직물을 배열하는 것이 현재 상태의 기술 내에서 점점 더 필요해지고 있다. 예를 들어, 나노튜브 직물 기반의 전자 소자의 물리적 치수가 20 nm 미만으로 정해질 때, 더욱 조밀한 나노튜브 직물을 개발하는 것이 점점 더 필요해진다. 즉, 개개의 나노튜브 요소들 사이의 갭 및 공극의 크기를 제한하는 - 또는 일부의 경우 실질적으로 없애는 - 그러한 방식으로 나노튜브 직물을 형성하는 것이 점점 더 필요해진다. 또 다른 예에서, - 나노튜브 직물 기반의 전계 효과 소자, 나노튜브 직물 기반의 광기전 소자, 및 나노튜브 직물 기반의 센서와 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌 - 특정한 응용 내에서 비교적 균일한 물리적 및 전기적 특성을 나타내는 나노튜브 직물 층이 필요하다. 그러한 응용 내에서, 필름 내에서 서로에 대한 나노튜브 요소들의 배향은 (전하 이동성, 시트 저항 및 정전 용량과 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌) 필름의 전체 전기 파라미터에 유의하게 영향을 줄 수 있다.

전형적으로 (원자력간력 현미경법과 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌) 소규모 나노튜브 배열 기술은 매우 적은 수의 나노튜브의 위치를 한번에 그리고 그 후 전형적으로 단지 마이크로미터 범위로 조정하는 것에 한정된다. 또한, 그러한 실험실 기반의 방법은 임의의 대규모의 상업적 응용으로 규모 증대 가능하지 않거나 용이하게 수정되지 않는다. 그와 같이, 그러한 방법은 대규모 필름 및 직물에서 나노튜브 요소의 배열에 실용적이지 않다.

비교적 대규모의 필름 내에서 나노튜브 요소를 배향하는 다수의 이전에 공지된 기술은 나노튜브 요소의 분산물이 기재 층 위에 침적될 때 상기 분산물이 전기장 또는 기계장에 처해지는 것을 포함한다. 예를 들어, 문헌[Ma et al., "Alignment and Dispersion of Functionalized Carbon Nanotubes in Polymer Composites Induced by an Electric Field," Carbon 46(4):706-710 (2008)]에는 중합체성 복합체에 현탁된 소정량의 작용화된 다중벽 카본 나노튜브에 전기장을 적용하는 것을 포함하는 나노튜브 요소의 정렬 공정이 교시되어 있다. 전기장의 영향 하에서, 작용화된 나노튜브는 중합체성 복합체 내에서 그 자신을 실질적으로 균일한 배향으로 배향시킬 것이다. 또 다른 예에서, 문헌[Merkulov et al., "Alignment Mechanism of Carbon Nanofibers Produced by Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition," Applied Physics Letters 79:2970 (2001)]에는 CVD 성장 공정 동안 전기장을 적용함으로써 카본 나노섬유의 성장을 인도하는 방법이 교시되어 있다. 이러한 방식으로, 나노튜브 성장은 전기장 선을 따르는 경향이 있다.

필름 내에서 나노튜브 요소를 배향시키는 일부의 다른 이전에 공지된 기술은 수직 성장(하부의 기재의 평면과 관련하여 그 내부에서) 나노튜브 요소를 실질적으로 평행한 나노튜브들의 필름으로 압축시키는 기계력을 적용하는 것을 포함한다. 예를 들어, 문헌[de Heer, et al., Aligned Carbon Nanotube Films: Production and Optical and Electronic Properties" Science 268(5212):845-847 (1995)]에는 나노튜브 요소의 수직 배향 분포체를 본질적으로 정렬된 나노튜브 요소들의 필름으로 압축시키기 위하여 테플론(Teflon) 또는 알루미늄 패드를 사용하는 방법이 교시되어 있다. 이와 유사하게, 문헌[Tawfick et al. "Flexible High-Conductivity Carbon-Nanotube Interconnects Made by Rolling and Printing" Small (Weinheiman der Bergstrasse, Germany) (2009)]에는 수직 성장 나노튜브 요소들의 분포체를 실질적 정렬 수평 필름으로 팩다운(pack down)하기 위하여 롤러 요소를 사용하는 방법이 교시되어 있다.

이들 관련 기술은 가동화 유체 비히클(mobilizing fluid vehicle)(마(Ma) 및 메르쿨로브(Merkulov)에 의해 교시된 방법에서와 같음)을 필요로 하지 않지만, 상기 기술은 수직 성장 나노튜브의 분포체를 필요로 한다. 원위치에서(in situ) 성장시킨 그러한 수직 필름의 제작 및 사용은 특정 응용 내에서 제한적일 수 있다. 예를 들어, 수직 나노튜브 필름의 성장은 전형적으로 (고온, 특정한 시약, 및 높은 가스 압력과 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌) 특수 작업 조건을 필요로 하며, 이는 특정한 반도체 제조 작업 내에서 바람직하지 못하거나 또는 다르게는 불편할 수 있다. 그러한 조건은 예를 들어 특정한 기재 재료와 양립가능하지 않을 수 있다. 또한, 나노튜브 성장에 사용되는 촉매는 전형적으로 고순도 응용 내에서 제거가 어려울 수 있는 물질인 금속 또는 반금속이다. 또한, 필름의 원위치 성장은 나노튜브 제형들의 블렌드 - 예를 들어, 버키볼(buckyball), 실리카, 또는 기타 물질 입자와 같은 다른 물질과 혼합된 나노튜브, 단일벽 및 다중벽 나노튜브, 또는 반전도성 및 금속성 나노튜브의 조합물을 형성하는 능력을 제한한다. 또한, 수직 성장 필름의 조도(roughness)는 튜브 회합을 향상시키기 위한 추가의 액체 프로세싱 없이 성장시킨 수직 튜브의 밀도 및 균일성에 의해 좌우된다. 수직 나노튜브 필름의 성장 내에서의 그러한 제한은 상기 필름의 유효성을 감소시키며 그의 대규모의 상업적 응용에서의 적용성을 제한한다.

이들 및 다른 유사한 이전에 공지된 방법이 나노튜브 요소들을 정렬하거나 또는 다르게는 배향시키는 일부 수단을 제공하지만, 상기 방법들은 이들이 수직 배향으로 성장시킨 나노튜브 요소 또는 나노튜브 요소의 습윤 현탁물을 필요로 한다는 점에서 제한된다. 많은 응용 내에서, 이들 제한은 상업적 응용에 있어서 이들 기술의 유효성을 실질적으로 한정한다. 또한, 이전에 공지된 이들 기술은 단일 방향을 따라 정렬 나노튜브 요소를 배향시키는 것을 한정하는 경향이 있다. 그와 같이, 건조 나노튜브 직물(예를 들어, 기재 위에서의 나노튜브 적용 용액의 스핀 코팅에 의해 형성된 나노튜브 직물) 내에서 나노튜브 요소를 배열하는 효율적인 그리고 비교적 복잡하지 않은 방법이 필요하다. 또한, (다수의 방향을 따라서 나노튜브를 배열하는 것을 포함할 수 있는) 사전 선택된 배향에 따른 나노튜브 직물 내에서의 나노튜브 요소의 배열 방법이 필요하다.

본 발명은 지향력의 적용을 통한 나노튜브 직물 층 및 필름 내에서의 나노튜브 요소의 배열 방법에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 네트워크 내에서의 나노규모 요소의 배열 방법을 제공한다. 본 방법은 먼저 재료 층 위에 배치된 나노규모 요소의 네트워크를 제공하는 단계를 포함한다. 본 방법은 지향력을 나노규모 요소의 네트워크의 적어도 일부분에 적용하여 나노규모 요소의 적어도 일부분을 질서화된(ordered) 네트워크로 배열하는 단계를 추가로 포함한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 나노규모 요소의 네트워크는 나노튜브 직물을 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 나노규모 요소들은 카본 나노튜브, 나노와이어 및 이들의 혼합물을 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 윤활 매질은 지향력의 적용 이전에 나노규모 요소의 네트워크 위에 침적된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 나노튜브 직물 층의 형성 방법은 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층을 재료 표면 위에 형성하는 단계 및 상기 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층 위에 지향력을 적용하여 상기 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층의 적어도 일부분이 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크가 되게 하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 내천공 재료는 지지 구조체 및 질서화된 나노튜브 직물 요소를 포함하며, 상기 질서화된 나노튜브 직물 요소는 하나 이상의 질서화된 나노튜브 직물 층을 포함하고, 여기서, 상기 질서화된 나노튜브 직물 요소는 상기 질서화된 나노튜브 직물 요소가 상기 지지 구조체 재료의 적어도 일부분을 덮도록 상기 지지 구조체에 부착된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 질서화된 나노튜브 직물 층은 나노튜브 요소의 네트워크를 포함하며, 여기서, 상기 나노튜브 요소들의 그룹(grouping)은 인접한 나노튜브 요소들에 본질적으로 평행하게 위치화되도록 실질적으로 균일한 방식으로 배열된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 질서화된 나노튜브 직물 층은 함께 조밀하게 패킹되어 상기 질서화된 나노튜브 직물 층 내에서의 갭이 실질적으로 최소화된 나노튜브 요소의 네트워크를 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 질서화된 나노튜브 직물 층은 개개의 나노튜브 요소가 대략 1-2 nm의 갭에 의해 인접 나노튜브 요소로부터 분리된 나노튜브 요소의 네트워크를 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 질서화된 나노튜브 직물 층은 개개의 나노튜브 요소가 대략 10 nm의 갭에 의해 인접 나노튜브 요소로부터 분리된 나노튜브 요소의 네트워크를 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 질서화된 나노튜브 직물 층은 개개의 나노튜브 요소가 대략 50 nm의 갭에 의해 인접 나노튜브 요소로부터 분리된 나노튜브 요소의 네트워크를 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 질서화된 나노튜브 직물 층은 개개의 나노튜브 요소의 측벽을 인접 나노튜브 요소의 측벽으로부터 전기적으로 절연시킬 정도로 모이어티(moiety)로 코팅된 작용화 나노튜브 요소의 네트워크를 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 나노튜브 직물 층은 실질적으로 모든 나노튜브 요소가 나노튜브 요소의 장축을 따라 복수의 다른 나노튜브 요소에 평행하며 그와 접촉 상태로 있는 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크를 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 나노튜브 직물 층은 나노튜브 직물이 마이크로미터 크기의 입자에 대하여 불투과성인 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크를 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 나노튜브 직물 층은 나노튜브 직물이 나노 크기 입자에 대하여 불투과성인 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크를 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층은 하나 이상의 스핀 코팅 작업을 통하여 형성된다.

본 발명의 또 다른 측면 하에서, 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층은 하나 이상의 스프레이 코팅 작업을 통하여 형성된다.

본 발명의 또 다른 측면 하에서, 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층은 하나 이상의 딥 코팅 작업을 통하여 형성된다.

본 발명의 또 다른 측면 하에서, 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층은 실크 스크린 인쇄 공정을 통하여 형성된다.

본 발명의 또 다른 측면 하에서, 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층은 그라비어(gravure) 또는 다른 큰 포맷의 필름 인쇄 공정을 통하여 형성된다.

본 발명의 또 다른 측면 하에서, 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층 위에 원통형 요소를 롤링시킴으로써 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층에 롤링력(rolling force)이 적용된다.

본 발명의 또 다른 측면 하에서, 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층을 재료 표면 위에 슬라이딩시킴으로써 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층에 러빙력(rubbing force)이 적용된다.

본 발명의 또 다른 측면 하에서, 유연성 필름을 CNT 표면 상에 위치시키고, 그 후 가압 가스, 냉동 가스 젯(jet), 또는 다른 입자 또는 액체 젯을 개재 유연성 층의 표면 위에 충돌시킴으로써 지향력이 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층에 적용된다.

본 발명의 또 다른 측면 하에서, 폴리싱 재료를 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층의 표면 위에서 통과시킴으로써 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층에 폴리싱력(polishing force)이 적용된다.

본 발명의 또 다른 측면 하에서, 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층의 표면에 회전 폴리싱 재료를 적용함으로써 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층에 폴리싱력이 적용된다.

본 발명의 다른 특징 및 이점은 첨부된 도면과 관련하여 하기에 제공된 하기 본 발명의 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1은 나노튜브 직물 위에서의 지향력의 병진을 도시하는 힘 다이아그램이며;
도 2a는 나노튜브 요소들의 실질적으로 질서화되지 않은 네트워크로 이루어진 예시적인 나노튜브 직물 층을 도시한 것이며;
도 2b는 나노튜브 요소들의 실질적으로 질서화되지 않은 네트워크로 이루어진 예시적인 나노튜브 직물 층의 SEM 이미지이며;
도 2c는 나노튜브 요소들의 고도로 질서화된 네트워크로 이루어진 예시적인 나노튜브 직물 층을 도시한 것이며;
도 2d는 나노튜브 요소들의 고도로 질서화된 네트워크로 이루어진 예시적인 나노튜브 직물 층의 SEM 이미지이며;
도 3a - 3f는 실질적으로 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층을 지향력을 통하여 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 되게 하는 본 발명의 방법에 따른 예시적인 공정을 도시하는 투시도이며,
도 4는 실질적으로 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층을 선형 지향력의 적용을 통하여 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 되게 하는 방법을 도시하는 공정 다이아그램이며;
도 5는 실질적으로 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층을, 각각이 별도로 그리고 상이한 방향으로 적용되는 두 선형 지향력의 적용을 통하여 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 되게 하는 방법을 도시하는 공정 다이아그램이며;
도 6은 실질적으로 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층을 회전 지향력의 적용을 통하여 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 되게 하는 방법을 도시하는 공정 다이아그램이며;
도 7a는 본 발명의 방법에 따라 나노튜브 직물 층 위에 지향력을 적용하기에 적합한 예시적인 롤링 장치를 도시하는 투시도이며;
도 7b는 도 7a에 도시된 예시적인 롤링 장치의 작동을 예시하는 다이아그램이며;
도 8a는 본 발명의 방법에 따라 나노튜브 직물 층 위에 지향력을 적용하기에 적합한 예시적인 러빙 장치를 도시하는 투시도이며;
도 8b는 도 8a에 도시된 예시적인 러빙 장치의 작동을 도시하는 다이아그램이며;
도 9a는 본 발명의 방법에 따라 나노튜브 직물층 위에 아크 형태로 지향력을 적용하기에 적합한 예시적인 러빙 장치를 도시하는 투시도이며;
도 9b는 도 9a도시된 예시적인 러빙 장치의 작동을 도시하는 다이아그램이며;
도 10a는 본 발명의 방법에 따라 나노튜브 직물 층 위에 선형 지향력을 적용하기에 적합한 예시적인 폴리싱 장치를 도시하는 투시도이며;
도 10b는 도 10a에 도시된 예시적인 폴리싱 장치의 작동을 도시하는 다이아그램이며;
도 11a는 본 발명의 방법에 따라 나노튜브 직물 층 위에 회전 지향력을 적용하기에 적합한 예시적인 폴리싱 장치를 도시하는 투시도이며;
도 11b는 도 11a에 도시된 예시적인 폴리싱 장치의 작동을 도시하는 다이아그램이며;
도 12a는 본 발명의 방법에 따라 나노튜브 직물 층 위에 지향력을 적용하기에 적합한 예시적인 저온 동적(cryokinetic) 충돌 장치를 도시하는 투시도이며;
도 12b는 도 12a에 도시된 예시적인 저온 동적 충돌 장치의 작동을 도시하는 다이아그램이며;
도 13a는 본 발명의 방법에 따라 나노튜브 직물 층 위에 선형 지향력을 적용하기에 적합한 예시적인 롤투롤(roll-to-roll) 폴리싱 장치를 도시하는 투시도이며;
도 13b는 도 13a에 도시된 예시적인 롤투롤 폴리싱 장치의 작동을 도시하는 다이아그램이며;
도 14a - 도 14b는 실질적으로 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층을 포함하는 3층 구조체의 단면 이미지이며;
도 15a - 도 15b는 질서화된 나노튜브 직물 층을 포함하는 3층 구조체의 단면 이미지이며;
도 16은 부분적으로 질서화된 나노튜브 직물 층 위에서 관찰된 마찰력을 측정하기 위하여 사용되는 장치를 도시하는 다이아그램이며;
도 17은 부분적으로 질서화된 나노튜브 직물 층 위에서 도 16의 장치를 이용하여 관찰된 마찰력의 플롯(plot)이며;
도 18은 질서화된 나노튜브 요소의 다수의 층으로 이루어진 다중층 나노튜브 직물 요소를 도시하는 예시적인 도면으로서, 여기서, 각각의 층은 인접 층들에서의 방향과 상이한 방향으로 배향된 나노튜브 요소를 포함하며;
도 19a - 도 19c는 지향 롤링력의 적용을 통하여 질서화 배열체로 된 나노튜브 요소의 네트워크를 포함하는 예시적인 나노튜브 직물 층의 SEM 이미지(상이한 배율)이며;
도 20a - 도 20c는 테플론 또는 폴리테트라플루오로에틸렌 필름 위에서 15회 러빙 통과 후 부분 질서화 배열체로 된 나노튜브 요소의 영역을 포함하는 예시적인 나노튜브 직물 층의 SEM 이미지(상이한 배율)이며;
도 21a - 21c는 테플론 또는 폴리테트라플루오로에틸렌 필름 위에서 25회 러빙 통과 후 질서화 배열체로 된 나노튜브 요소의 네트워크를 포함하는 예시적인 나노튜브 직물 층의 SEM 이미지(상이한 배율)이며;
도 22a - 22c는 규소 웨이퍼 위에서 250회 러빙 통과 후 질서화 배열체로 된 나노튜브 요소의 네트워크를 포함하는 예시적인 나노튜브 직물 층의 SEM 이미지(상이한 배율)이며;
도 23a - 23c는 아크 생성 동작(arcing motion)으로 나노튜브 직물 층을 가로질러 스위핑된(swept) 울 러빙 패드의 100회 통과 후 질서화 배열체로 된 나노튜브 요소의 네트워크를 포함하는 예시적인 나노튜브 직물 층의 SEM 이미지(상이한 배율)이며;
도 24a - 24c는 선형 동작으로 나노튜브 직물 층을 가로질러 스위핑된 벨루어(velour) 폴리싱 롤러의 50회 통과 후 질서화 배열체로 된 나노튜브 요소의 네트워크를 포함하는 예시적인 나노튜브 직물 층의 SEM 이미지(상이한 배율)이며;
도 25a - 25c는 90초 동안 60 rpm으로 회전시킨 회전 울 폴리싱 패드를 통하여 나노튜브 직물층 위에 회전 지향력을 적용한 후 질서화 배열체로 된 나노튜브 요소의 네트워크를 포함하는 예시적인 나노튜브 직물 층의 SEM 이미지(상이한 배율)이며;
도 26a - 26c는 질서화되지 않은 나노튜브 요소의 네트워크를 포함하는 예시적인 나노튜브 직물 층의 SEM 이미지(상이한 배율)이며;
도 27a - 27c는 가중 CMP 패드를 나노튜브 직물 층의 길이를 따라 20회 슬라이딩시킴으로써 나노튜브 요소의 네트워크로 된 후 도 26a - 26c의 예시적인 나노튜브 직물 층의 SEM 이미지(상이한 배율)이며;
도 28a - 28d는 저온 동적 충돌 작업을 통하여 예시적인 나노튜브 직물 층을 질서화된 상태로 되게 하는 것을 상술하는 SEM 이미지(상이한 배율)이며;
도 29a - 29c는 1018 저탄소강 기재 위에 침적된 예시적인 나노튜브 직물 층이 러빙 작업을 통하여 질서화 상태로 되는 것을 상술하는 SEM 이미지이며;
도 30a - 30d는 예시적인 나노튜브 직물 층이 압전 러빙 작업을 통하여 질서화 상태로 되는 것을 상술하는 SEM 이미지(상이한 배율)이며;
도 31a - 31c는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기재 위에 침적된 예시적인 나노튜브 직물 층이 러빙 작업을 통하여 질서화 상태로 되는 것을 상술하는 SEM 이미지(상이한 배율)이며;
도 32a - 32d는 예시적인 나노튜브 직물 층이 고압 공기 유동 폴리싱 작업을 통하여 질서화 상태로 되는 것을 상술하는 SEM 이미지(상이한 배율)이며;
도 33a - 33b는 2024 알루미늄 합금 기재 위에 침적된 예시적인 나노튜브 직물 층이 러빙 작업을 통하여 질서화 상태로 되는 것을 상술하는 SEM 이미지이며;
도 34a - 34c는 질화티타늄(TiN) 기재 위에 침적된 예시적인 나노튜브 직물 층이 화학적 기계적 폴리싱(chemical mechanical polishing; CMP) 기계를 사용하여 수행되는 러빙 작업을 통하여 질서화 상태로 되는 것을 상술하는 SEM 이미지이며;
도 35는 예시적인 나노튜브 직물 층이 1 mm의 스트로크(stroke) 길이에 의한 러빙력의 제공을 위한 전자 제어식 선형 작동장치의 사용을 통하여 질서화 상태로 되는 것을 상술하는 AFM 이미지이며;
도 36은 예시적인 나노튜브 직물 층이 0.1 mm의 스트로크 길이에 의한 러빙력의 제공을 위한 전자 제어식 선형 작동장치의 사용을 통하여 질서화 상태로 되는 것을 상술하는 AFM 이미지이며;
도 37은 예시적인 나노튜브 직물 층이 0.05 mm의 스트로크 길이에 의한 러빙력의 제공을 위한 전자 제어식 선형 작동장치의 사용을 통하여 질서화 상태로 되는 것을 상술하는 AFM 이미지이며;
도 38은 예시적인 나노튜브 직물 층이 0.01 mm의 스트로크 길이에 의한 러빙력의 제공을 위한 전자 제어식 선형 작동장치의 사용을 통하여 질서화 상태로 되는 것을 상술하는 AFM 이미지이며;
도 39a - 39d는 규소 나노와이어의 층으로 코팅된 예시적인 나노튜브 직물 층이 레이온 러빙 패드의 사용을 통하여 질서화 상태로 되는 것을 상술하는 SEM 이미지이다.

본 발명은 나노튜브 직물 층 및 필름 위에 적용되는 지향력의 적용을 통하여 그러한 층 및 필름 내에서 나노튜브 요소를 배열하는 방법을 교시한다. 이들 접근법은 침적된 나노튜브 직물 층 내의 영역들이 실질적으로 질서화된 나노튜브 요소의 하나 이상의 네트워크 - 즉, 나노튜브 요소들이 실질적으로 균일한 배열로 배향되어서 상기 요소들이 그의 측벽을 따라 함께 그룹화된 영역으로 되게 하는 데 이용될 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어 고도로 조밀한 나노튜브 직물이 생성될 수 있다. 특정한 응용에서, 그러한 질서화된 나노튜브 직물 층은 나노튜브 요소들 사이의 갭 및 공극이 본질적으로 없다. 또는, 또 다른 예에서, 특정한 치수보다 큰 갭 및 공극이 본질적으로 없는 질서화된 나노튜브 직물이 생성될 수 있다. 또한, 또 다른 예에서, 그러한 방법을 이용하여 직물 내의 갭 및 공극의 수가 유의하게 감소된 나노튜브 직물을 실현할 수 있다. 또 다른 예에서, 본 발명의 방법에 따라 배열된, 질서화된 나노튜브 직물 층은 실질적으로 동일한 방향으로 배향된 복수의 나노튜브 요소를 포함한다.

본 발명의 개시내용 내에서 "네트워크"라는 용어는 기재의 표면 위에 분산된 나노튜브 요소들의 배열체를 기술하기 위하여 사용됨을 주목해야 한다. 특정 응용에서, 나노튜브 요소의 네트워크는 비교적 조밀하며, 이때 나노튜브 요소들은 함께 단단히 패킹되고, 일부의 경우, 인접한 나노튜브 요소들과 얽혀 있다. 다른 응용에서, 나노튜브 요소의 네트워크는 비교적 성긴 네트워크로서, 개개의 나노튜브 요소들 사이에 갭 및 공간을 갖는다. 특정한 응용 내에서, 성긴 네트워크를 갖는 개개의 나노튜브 요소는 대략 1-2 nm의 갭에 의해 분리될 수 있다. 다른 응용 내에서, 그러한 갭은 대략 10 nm일 수 있다. 또 다른 응용 내에서, 그러한 갭은 대략 50 nm일 수 있다.

본 발명에 있어서 본원에서 언급되는 나노튜브의 직물은 다수의 상호 연결 카본 나노튜브의 층을 포함한다. 본 발명에서 나노튜브의 직물(또는 나노패브릭(nanofabric)), 예를 들어 부직 카본 나노튜브(carbon nanotube; CNT) 직물은 예를 들어 서로에 대하여 불규칙적으로 배열된 다수의 인탱글링된(entangled) 나노튜브의 구조체를 가질 수 있다. 대안적으로, 또는 그에 더하여, 예를 들어 본 발명에 있어서의 나노튜브의 직물은 나노튜브의 약간 정도의 위치 규칙성, 예를 들어 그의 장축을 따라 약간 정도의 평행성을 보유할 수 있다. 그러한 위치 규칙성은 예를 들어 비교적 소규모로 발견될 수 있으며, 여기서, 나노튜브의 편평 어레이(array)는 대략 1개 나노튜브의 길이 및 10 내지 20개 나노튜브의 폭의 래프트(raft) 형태로 그의 장축을 따라 함께 배열된다. 다른 예에서, 그러한 위치 규칙성은 일부의 경우, 실질적으로 전체 직물 층 위에 연장된 질서화 나노튜브의 영역에서 더욱 큰 규모로 발견될 수 있다. 그러한 더욱 큰 규모의 위치 규칙성이 본 발명에 특히 관심사가 된다.

나노튜브의 직물은 그를 형성하는 나노튜브의 바람직한 물리적 특성을 유지한다. 예를 들어, 일부의 전기적 응용에 있어서, 당해 직물은 바람직하게는 접촉 상태의 충분한 양의 나노튜브를 가져서, 적어도 1 저항(ohmic)(금속성) 또는 반전도성 경로가 직물 내의 주어진 지점으로부터 직물 내의 또 다른 지점까지 존재하게 된다. 단일벽 나노튜브의 직경은 전형적으로 약 1-3 nm일 수 있으며, 다중벽 나노튜브의 직경은 전형적으로 약 3-30 nm일 수 있다. 나노튜브의 길이는 예를 들어 약 0.2 마이크로미터 내지 약 200 마이크로미터의 범위일 수 있다. 나노튜브는 곡선을 이룰 수 있으며, 가끔 서로를 가로지를 수 있다. 횡방향으로 또는 수직으로 직물 내의 갭, 즉, 나노튜브들 사이의 갭이 존재할 수 있다. 그러한 직물은 단일벽 나노튜브, 다중벽 나노튜브, 또는 이들 둘 모두를 포함할 수 있다. 직물은 튜브가 존재하지 않는 작은 면적의 불연속부를 가질 수 있다. 직물은 일 층으로서 또는 하나가 또 다른 것 위에 형성된 다수의 직물 층으로서 제조될 수 있다. 직물의 두께는 실질적으로 단층의 나노튜브만큼 얇은 것으로 선택될 수 있거나, 또는 훨씬 더 두꺼운, 예를 들어 수십 나노미터 내지 수백 마이크로미터의 두께가 선택될 수 있다. 직물의 다공도는 다공도가 높은 저밀도 직물로부터 다공도가 낮은 고밀도 직물까지 다양할 수 있다. 그러한 직물은 예를 들어 다양한 촉매와 함께 화학 증착(chemical vapor deposition; CVD) 공정을 이용하여 나노튜브를 성장시킴으로써 제조될 수 있다. 그러한 직물의 다른 생성 방법은 적합한 용매에 현탁된 사전 형성된 나노튜브를 이용한 스핀 코팅 기술 및 스프레이 코팅 기술, 실크 스크린 인쇄, 그라비어 인쇄 및 정전 스프레이 코팅의 사용을 포함할 수 있다. 다른 재료의 나노입자는 그러한 용매 중 나노튜브의 현탁물과 혼합되고 스핀 코팅 및 스프레이 코팅에 의해 침적되어 나노튜브들 사이에 분산된 나노입자를 포함하는 직물을 형성할 수 있다. 그러한 예시적인 방법은 본 발명의 배경기술 섹션에 인용된 관련 기술에서 더욱 상세하게 기술된다.

본 발명의 개시내용 중 많은 것은 나노튜브 직물 내에서의 나노튜브 요소들의 배열 방법을 논의하지만, 본 발명의 방법은 이와 관련하여 한정되지 않음을 주목해야 한다. 실제, 본 발명의 방법은 복수의 직물 또는 네트워크 내에서 높은 종횡비의 나노규모 요소들(즉, 길이 대 폭의 비가 대략 4:1인 나노규모 "튜브 유사" 구조체, 여기서, 치수들 - 길이 또는 폭 - 중 적어도 하나는 100 nm 미만임)을 배열하는 데 사용될 수 있다. 그러한 나노규모 요소들은 단일벽 나노튜브, 다중벽 나노튜브, 나노와이어 및 이들의 혼합물을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 본원에서 언급된 나노와이어는 단일 나노와이어, 부직 나노와이어의 응집체, 나노클러스터(nanocluster), 나노직물을 포함하는 나노튜브와 인탱글링된 나노와이어, 나노와이어의 매트 등을 의미하고자 한다. 나노와이어(나노로드(nanorod)) 재료의 예로는 알루미나, 비스무트, 카드뮴, 셀렌화물, 질화갈륨, 금, 인화갈륨, 게르마늄, 규소, 인듐 인화물, 산화마그네슘, 산화망간, 니켈, 팔라듐, 규소 탄화물, 티타늄, 아연 산화물, 및 추가의 혼합 나노와이어, 예컨대 규소 게르마늄 또는 코팅되는 다른 유형이 있다. 또한, 본 발명 내에서, 나노규모 요소의 네트워크는 실질적으로 더 평탄한 구성의 그러한 자유롭게 형성된 그리고 침적된 나노규모 요소들의 배열체로 기술된다. 나노규모 요소들의 예시적인 네트워크는 본 발명의 개시내용 내에 기술된 나노튜브 직물 층 및 재료 표면 위에 분산된 나노와이어의 배열체를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

둘 모두 그 전체가 본원에 참고로 포함된 센 등의 미국 특허 제7,375,369호 및 겐시우 등의 미국 특허 출원 제11/304,315호 내에 기술된 바와 같이, 나노튜브 직물 및 필름은 기재 요소 위에 나노튜브 적용 용액(예를 들어 수성 용액 내에 현탁된 복수의 나노튜브 요소, 그러나 이에 한정되는 것은 아님)을 적용함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 스핀 코팅 공정을 이용하여 기재 요소 위에 나노튜브 요소를 고르게 분배하여 나노튜브 요소의 실질적으로 균일한 층을 생성할 수 있다. 다른 경우에, (스프레이 코팅 공정, 딥 코팅 공정, 실크 스크린 인쇄 공정 및 그라비어 인쇄 공정과 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌) 다른 공정을 이용하여 나노튜브 요소들을 기재 요소 위에 적용하여 분배할 수 있다. 다른 경우에, 재료 표면 상에서의 나노튜브의 CVD 성장을 이용하여 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층을 실현할 수 있다. 또한, 본원에 그 전체가 참고로 포함된 센 등의 미국 특허 출원 제61/304,045호에는 나노튜브 적용 용액으로 형성된 나노튜브 직물 층 내에서 래프팅(rafting) - 즉, 나노튜브 요소들이 그의 측벽을 따라 함께 그룹화되어 조밀한 래프트 유사 구조체를 형성하는 경향 - 을 촉진하거나 또는 좌절시키기 위하여 나노튜브 적용 용액 내에서 특정한 파라미터들(예를 들어, 나노튜브 밀도 또는 특정 이온종의 농도)을 조정하는 방법이 교시되어 있다. 나노튜브 직물 층 내에서의 래프팅의 발생을 증가시킴으로써, 그러한 직물 층의 밀도가 증가되어 그러한 직물 층 내에서의 공극 및 갭의 수 및 크기 둘 모두가 감소될 수 있다.

본 발명의 실시양태 내에서 사용되고 언급되는 나노튜브 요소는 단일벽 나노튜브, 다중벽 나노튜브 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 다양한 길이의 것일 수 있음이 주목되어야 한다. 또한, 나노튜브는 전도성, 반전도성 또는 이들의 조합일 수 있다. 또한, 나노튜브는 작용화될 수 있거나(예를 들어, 질산에 의해 산화되어 알코올, 알데하이드, 케톤, 또는 카르복실 모이어티가 나노튜브에 부착된 것을 생성함) 또는 나노튜브는 비작용화될 수 있다.

본 발명의 방법은 나노튜브 직물 층 내에서 작용화 나노튜브 요소들을 배열하는 데 매우 적합함을 주목해야 한다. 나노튜브 요소들은 복수의 이유로 작용화될 수 있다. 예를 들어, 특정한 모이어티를 나노튜브 요소의 측벽 상에 형성하여 적용 용액 내의 그 요소들의 분산물에 첨가할 수 있다. 또 다른 예에서, 나노튜브 요소의 측벽 상에 형성된 특정한 모이어티는 나노튜브 직물의 효율적인 형성을 도울 수 있다. 추가의 예에서, 나노튜브 요소는 나노튜브 요소의 측벽을 전기적으로 절연시킬 정도로 특정한 모이어티에 의해 작용화될 수 있다. 나노튜브 요소는 유기, 실리카 또는 금속 모이어티(또는 이들의 일부 조합)를 나노튜브 요소의 측벽에 부착시킴으로써 작용화될 수 있다. 그러한 모이어티는 나노튜브 요소와 공유 결합에 의해 상호작용하거나 또는 π-π 결합을 통하여 부착된 채 남아있을 수 있다.

나노튜브 직물 층 내의 갭 및 공극의 감소 또는 실질적 제거는 나노튜브의 균일한 분산이 요망되는 극도로 작은 회로 크기를 갖는 소자에 특히 유용하다. 예를 들어, 매우 적은 - 또는 단지 매우 작은 - 갭 및 공극을 갖는 직물이 패턴화되고 에칭될 때, 나머지 나노튜브 물품은 직물 내의 큰 공극의 결과로서 나노튜브가 결여된 것과 반대로 나노튜브를 함유한다는 것이 효과적으로 보증된다. 특징부 크기가 현재 실행되는 리소그래피(lithography) 기술과 함께 감소될 때 나노튜브 직물 층 내의 갭 및 공극의 최소화는 직물이 에칭될 때 기능성 회로 요소의 더욱 높은 수율을 보장하는 데 더욱 중요해지게 된다.

예를 들어, 일부 응용 내에서, 진보 중인 리소그래피 기술은 최소 특징부 크기(예를 들어, 20 nm)를 결정할 수 있다. 그러한 특징부 크기(예를 들어, 약 10 nm 초과)의 일부보다 더 큰 나노튜브 직물 층 내의 공극 및 갭은 비기능성이거나 또는 효과적이지 못한 회로 요소를 생성할 수 있다. 나노튜브 직물 층 내의 갭 및 공극을 감소시킴으로써 - 또는 다르게는 실질적으로 제거함으로써 - 그러한 비기능성이거나 또는 효과적이지 못한 회로 요소의 발생은 유의하게 감소될 수 있다.

일부 응용에서, 나노튜브 직물 층 내의 갭 및 공극을 최소화하거나 또는 실질적으로 제거함으로써, 그 층으로부터 제작된 나노튜브 스위칭 소자의 어레이의 밀도가 증가될 수 있다. 본원에 그 전체가 참고로 포함된 베르틴 등의 미국 특허 출원 제11/280,786호에는 전기적으로 절연된 두 전극 요소들 사이에 침적된 나노튜브 직물 물품을 갖는(적어도 일 실시양태에서) 비휘발성의 2 단자 나노튜브 스위치 구조체가 교시되어 있다. 베르틴이 교시한 바와 같이, 상기 전극 요소들을 가로질러 상이한 전압을 둠으로써, 나노튜브 직물 물품의 저항 상태는 복수의 비휘발성 상태들 사이에서 스위칭될 수 있다. 즉, 일부 실시양태에서, 나노튜브 직물 물품은 비교적 높은 저항 상태(본질적으로, 두 전극 요소들 사이에서 개방 회로를 생성함)와 비교적 낮은 저항 상태(본질적으로 두 전극 요소들 사이에서 단락을 생성함) 사이에서 반복적으로 스위칭될 수 있다.

다른 응용에서, 비교적 낮은 밀도의 질서화된 나노튜브 직물 - 일부 경우, 대략 단일 나노튜브 두께 - 이 고도로 유익할 수 있다. 특정한 로직 응용은 예를 들어 비교적 얇은 나노튜브 직물 층을 전하 전도면으로 이용한다. 그러한 응용은 나노튜브 직물 층을 관통하는 전도 경로가 실질적으로 균일한 것을 필요로 한다. 그러한 응용 내에서, 얇은 및/또는 저밀도의 나노튜브 직물 층은 균일한 방향으로 배향되는 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 배열될 수 있으며, 여기서, 개개의 나노튜브 요소는 인접한 나노튜브 요소와 중첩되지 않는 또는 접촉하지 않는 경향이 있다.

그러한 나노튜브 스위칭 소자의 어레이의 제작은 복수의 이들 나노튜브 직물 물품을 실현하기 위하여 나노튜브 직물 층을 패턴화하는 것을 포함할 수 있다. 나노튜브 직물 층 내의 갭 및 공극의 수 및 크기는 그러한 어레이 내의 이들 나노튜브 직물 물품이 패턴화될 수 있는 특징부 크기를 제한할 수 있다. 예를 들어, 개개의 나노튜브 스위칭 소자가 대략 20 nm의 정사각형(즉, 각각의 소자 내의 나노튜브 직물 물품은 본질적으로 20 nm x 20 nm임)인 나노튜브 스위칭 소자 어레이 내에서, 약 10 nm 초과의 나노튜브 직물 층 내의 갭은 예를 들어 비기능성이거나 또는 효과적이지 못한 나노튜브 스위칭 소자를 생성할 수 있다. 예를 들어, 전형적인 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층은 그의 표면의 대략적으로 25% 위에서 갭을 나타낼 수 있으며, 전형적인 질서화된 나노튜브 직물 층은 그의 표면의 대략적으로 2% 위에서 갭을 나타낼 수 있다. 나노튜브 스위칭 요소의 어레이의 형성 이전에 직물 층 내의 갭의 수의 최소화에 의해 - 또는 이들 갭의 크기를 제한함으로써 - 이들 비기능성이거나 또는 효과적이지 못한 나노튜브 스위칭 소자의 발생이 유의하게 감소될 수 있거나 또는 - 일부 응용에서 - 본질적으로 제거될 수 있다.

본 발명의 방법 내에서, 전형적으로 나노튜브 직물은 다른 재료 층 위에서 (예를 들어, 하나 이상의 스핀 코팅 작업을 통하여) 형성된다. 일부 응용에서, 이 재료 층은 규소 웨이퍼일 수 있다. 다른 응용에서, 이러한 재료 층은 텅스텐, 알루미늄, 구리, 니켈, 팔라듐, 티타늄 질화물 및 텅스텐 질화물과 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌 전도성 재료일 수 있다. 또 다른 응용에서, 이 재료 층은 규소 및 갈륨 비화물과 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌 반전도성 재료일 수 있다. 다른 응용에서, 이 재료 층은 산화규소 및 산화알루미늄과 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌 유전 재료일 수 있다. 또 다른 응용에서, 이 재료 층은 폴리플루오렌 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리(p-페닐렌 술피드), 및 폴리(p-페닐렌 비닐렌)과 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌 유기 반전도성 재료일 수 있다.

일부 응용에서, 이 재료 층은 금속(예를 들어, 강 또는 알루미늄), 세라믹 또는 유리와 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌 강성 재료로 형성될 수 있다. 다른 응용에서, 이것은 가요성 재료, 예컨대 플라스틱 필름 또는 시트 - 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아미드, 폴리술폰, 및 다환식 올레핀으로 형성될 수 있다. 다른 응용에서, (산화규소와 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌) 요망되는 인터페이스(interface) 재료를 (강과 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌) 강성 재료 위에 형성하여 강성의 구조용 복합체를 형성할 수 있으며, 상기 복합체는 제1 재료의 요망되는 인터페이스 특성을 제2 재료의 구조적 특성과 함께 갖는 기재를 제공한다.

응용의 필요에 따라, 그러한 재료 층은 원소 규소, 산화규소, 질화규소, 탄화규소, PTFE, 유기 중합체(폴리에스테르, pvc, 스티렌, 폴리비닐 알코올 및 폴리비닐 아세테이트를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아님), 탄화수소 중합체(폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리셀로직(polycellosic)을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아님), 무기 골격 중합체(실록산, 폴리포파젠을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아님), 질화붕소, 비화갈륨, 제III족/제V족 화합물, 제II족/제VI족 화합물, 목재, 금속 - 금속 합금 및 금속 산화물(강, 알루미늄, 니켈, 철, 망간, 티타늄, 구리, 아연 및 주석을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아님)을 포함함 - , 세라믹(산화알루미늄, 산화세륨, 산화마그네슘, 산화티타늄, 산화주석, 산화아연을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아님), 및 유리(규산염 유리, 규산붕소 유리, 및 규산나트륨 유리를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아님)와 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌 재료로부터 형성될 수 있다.

본 발명의 특정 실시양태에서, 나노튜브 직물 층(본 발명의 방법에 의해 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 됨)은 독립형 나노튜브 직물 층을 실현하기 위하여 재료 층으로부터 분리될 수 있다.

다른 응용에서, 질서화된 나노튜브 직물 층 - 여기서, 예를 들어 대다수의 나노튜브 요소는 실질적으로 동일한 방향으로 배향됨 - 은 (시트 저항, 전하 캐리어의 균일성 및 열전달과 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌) 비교적 균일한 전기적 또는 물리적 특성을 나타내는 나노튜브 직물을 제공하는 데 사용될 수 있다. 그러한 질서화된 나노튜브 직물은 비휘발성 스위칭 요소, 나노튜브 직물 기반의 로직 소자, 및 열전달 구조체와 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌 전자 소자 및 부품의 제작에 유용할 수 있다.

다른 응용에서, 갭 및 공극이 실질적으로 없는 질서화된 나노튜브 직물 층을 이용하여 인접 재료 층 위에 또는 그 주위에 보호 장벽 층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 이루어진 얇은 나노튜브 직물 층이 더 두꺼운 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층 위에 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 얇은 질서화된 나노튜브 직물 층 - 갭 및 공극이 본질적으로 없음 - 은 후속적인 공정 단계에서 두 나노튜브 직물 층 위에 침적되는 임의의 재료 층(예를 들어, 전도성 접촉 층, 예컨대 텅스텐)과 더 두꺼운 질서화되지 않은 나노튜브 층 사이에 장벽 층을 제공한다. 또 다른 예에서, 질서화된 나노튜브 직물 층 - 최소 갭 및 공극을 가짐 - 은 외부 오염물(예를 들어, 물, 촉매성 금속 및 무정형 카본)로부터 하부 재료를 보호하기 위하여 사용될 수 있다. 그러한 질서화된 나노튜브 직물 층은 예를 들어 OLED(유기 발광 다이오드; organic light emitting diode) 디스플레이 또는 광기전 전지를 위한 실질적으로 소수성인 보호 층을 형성하기 위하여 사용될 수 있다. 또 다른 예에서, 그러한 질서화된 나노튜브 직물 층을 이용하여 선적재를 위한 보호 패키징을 실현할 수 있다. 또 다른 예에서, 그러한 질서화된 나노튜브 직물 층을 이용하여 차량의 차체 패널 위에 부식 방지 층을 형성할 수 있다.

다른 응용에서, 질서화된 나노튜브 직물 층을 이용하여 적은 또는 다르게는 감소된 마찰 코팅을 재료 층 위에 제공할 수 있다. 특정한 응용에서, 질서화된 나노튜브 직물 층(여기서, 나노튜브 요소는 본 발명의 방법을 통하여 실질적으로 균일한 방향으로 배향됨)은 낮은 마찰 계수를 나타낸다. 그러한 질서화된 나노튜브 직물 층을 이용하여 (엔진 실린더, 피스톤, 및 MEMS 기구 내의 이동 요소와 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌) 기계 시스템 내에서 이동 피스(piece)들 사이의 마찰을 감소시킬 수 있다. 그러한 질서화된 나노튜브 직물 층은 (취사도구 및 스키와 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌) 특정한 물체 위에 낮은 마찰력의 코팅을 제공하기 위하여 또한 사용될 수 있다.

도 1은 나노튜브 직물(120) 위에서의 예시적인 지향력의 병진을 도시하는 힘 다이아그램이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 적용력(130)은 각 θ로 나노튜브 직물(120)의 표면에 전달된다(이 예 내에서, 나노튜브 직물(120)은 재료 층(110) 위에 형성되었음). 이 적용력(130)의 수직 성분(130b) 및 수평 성분(130a)은 적용력(130)이 방향(150)을 따라 나노튜브 직물 층(120)을 가로질러 이동할 때 나노튜브 직물 층(120)에 작용한다. 적용력(130)의 수평 성분(130a)은 나노튜브 직물(120)의 평면 내에서 나노튜브 직물(120)을 가로질러 작용하여 나노튜브 직물 층을 가로질러 지향력을 생성한다. 본 발명의 일부 실시양태 - 적용력(130)의 수평 성분(130a)이 본질적으로 마찰력인 실시양태 - 적용력(130)의 크기 수직 성분(130b)이 본질적으로 마찰력인 실시양태 - 에서, 적용력(130)의 크기 수직 성분(130b)을 이용하여 크기 수평 성분을 조정할 수 있고, 따라서 지향력의 크기를 조정할 수 있다. 본 발명 내에서 예시되는 바와 같이, 나노튜브 직물을 가로지르는 그러한 지향력의 병진은 실질적으로 지향력의 경로를 따라 배향되는 질서화된 네트워크로 나노튜브 직물 내의 나노튜브 요소를 배열하는 경향이 있다. 나노튜브 직물을 가로지르는 지향력의 병진에 의해 행해지는 일은 에너지를 나노튜브 직물 내에 부여하며, 이는 개개의 나노튜브 요소의 배열에 사용된다. 본 발명의 특정한 실시양태에서, 지향력의 다수의 반복(즉, 나노튜브 직물을 가로지르는 지향력의 다수의 통과)은 더욱 더 많은 나노튜브 요소가 각각의 성공적인 통과에 의해 질서화 배열체로 되게 하기 위하여 그러한 에너지를 부여한다.

본 발명에서는 하나 이상의 방향으로의 나노튜브 직물 위에서의 지향력의 병진을 위한 다수의 장치가 교시되어 있다. 일부 실시양태에서, 지향력은 나노튜브 직물 위에 1회 적용된다. 다른 실시양태에서, 지향력은 나노튜브 직물을 가로질러 실질적으로 동일 경로를 따라 (이 경로 위에서 전후로 이동시키거나 또는 각각의 반복을 위하여 출발 위치로 되돌려서 지향력이 단지 단일 방향으로 적용되게 함) 적용 지향력의 각각의 반복에 의해 다회 적용된다. 일부 실시양태에서, 실질적으로 균일한 지향력(크기 및 방향의 견지에서)은 단일 방향을 따라 직물 내에서 나노튜브 요소를 배향시키기 위하여 전 나노튜브 직물 위에 적용된다. 다른 실시양태에서, 지향력의 크기 및 방향은 사전 선택된 패턴으로 직물 내에서 나노튜브 요소를 배향하는 정도로 나노튜브의 직물의 상이한 영역에 대하여 선택된다. 본 발명의 바람직한 실시양태에서, 적용력(도 1에서 130)은 수직각외(non-perpendicular angle) 각(즉, θ는 90도가 아님)으로 적용되며 다수의 반복용으로 적용됨을 주목해야 한다. 또한, 더욱 적은 것보다 더 많은 반복을 이용하는 것이 바람직하다.

나노튜브 요소의 본질적으로 질서화되지 않은 네트워크 위에 지향력을 적용함으로써, 나노튜브 요소는 본질적으로 질서화된 네트워크로 되어서 나노튜브 요소들 사이의 갭 및 공극의 수를 제한하고 - 또는, 일부 응용에서, 실질적으로 없애고 - 나노튜브 요소를 하나 이상의 실질적으로 균일한 방향으로 배향시킬 수 있다. 도 1의 다이아그램은 나노튜브 직물에 직접적으로 적용된 선형 지향력의 적용을 도시하는 반면, 본 발명의 방법은 이와 관련하여 한정되지 않음이 주목되어야 한다. 본 발명의 방법에 따르면, 이 지향력은 직접적으로 적용되거나(여기서, 예를 들어, 장치는 직물 층 내의 나노튜브 요소에 직접적으로 지향력을 적용함) 또는 전달될 수 있다(여기서, 예를 들어, 지향력은 또 다른 재료를 통하여 적용됨). 또한, 특정 응용에서, 나노튜브 직물 층 내의 하나 이상의 나노튜브 요소에 직접적으로 적용되는 지향력은 직물 층 내의 다른 나노튜브 요소에 상기 요소를 통하여 전달될 수 있다. 예시적인 지향력은 롤링, 러빙, 폴리싱 및 저온 동적 충돌을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 그러한 힘은 선형으로(즉, 직선을 따라서 직물 층의 표면을 가로질러), 아크 형태로 또는 회전식으로 적용될 수 있다.

이전에 논의된 바와 같이, 상기에 기술된 지향력은 자유롭게 형성된, 고정된 나노튜브 직물 위에 적용될 수 있음이 주목되어야 한다. 즉, 실질적으로 건조한, 완전히 형성된 나노튜브 직물(즉, 일련의 동작을 나노튜브에 허용하는 임의의 현탁 매질이 실질적으로 없는 나노튜브 직물) 위에 그러하며, 복수의 자유 나노튜브 요소로부터 형성된다. 즉, 특정 응용의 필요에 의해 요망되는 바와 같이 나노튜브 요소가 정제되고, 분류되고, 선택될 수 있도록 독립적인 작업으로 나노튜브 요소가 생성되고 수확된다. 특정 응용에서, 이는 나노튜브 직물 내에서 나노튜브 요소를 배열하는 방법이 나노튜브 직물을 형성하는 방법으로부터 본질적으로 분리되게 한다. 이러한 방식으로, 본 발명의 방법은 요망되는 또는 사전 선택된 밀도, 기하학적 특성 및 구성으로 복수의 침적 및 형성 기술(스핀 코팅, 스프레이 코팅, 딥 코팅, 실크 스크린 인쇄 및 그라비어 인쇄와 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌)을 통하여 형성되는 나노튜브 직물 층의 배열에 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 방법은 수직 성장 필름을 필요로 하지 않는다. 이전에 논의된 바와 같이, 그러한 수직 성장 필름(이외에도, 상기 필름을 실질적으로 정렬된 배열체로 평탄화하는 이전에 공지된 방법)은 많은 응용에서 제한하는 것일 수 있다. 예를 들어, 수직 필름의 이전에 공지된 평탄화 방법은 상기 방법이 나노튜브 요소가 일단 평탄화되면 나노튜브 요소를 재배열할 수 없다는 점에서 제한된다. 예시되는 바와 같이, 특정 실시양태에서, 본 발명의 방법은 자유롭게 형성된 고정된 나노튜브 직물을 다회 그리고 다수의 방향으로 배열하는 데 사용될 수 있다. 수직 성장 필름은 또한 나노튜브 필름이 비평탄 재료 층 위에 형성되는 응용에서 제한될 수 있다. 침적된 촉매 층으로부터 성장되면, 그러한 응용에서 수직 성장 나노튜브는 하부 재료 층의 토포그래피(topography)를 따르는 경향이 있다. 그러나, 그러한 응용에서, 자유롭게 형성된, 고정된 나노튜브 직물은 실질적으로 평평한 상부 표면을 제공할 정도로 비교적 두꺼운 층으로 침적될 수 있다(예를 들어, 스핀 코팅 작업을 통하여). 그 후 본 발명의 방법을 이용하여 이러한 자유롭게 형성된, 고정된 나노튜브 직물의 일부분 또는 그 전부를 나노튜브 요소의 조밀한, 질서화된 네트워크로 배열할 수 있다.

수직 성장 나노튜브 필름은 성장된 나노튜브 요소의 유형 및 품질 면에서 제한되지만, 자유롭게 형성된, 고정된 나노튜브 직물 층은 독립적으로 선택된(그리고, 일부의 경우, 정제되고/되거나 작용화된) 나노튜브 요소로 이루어질 수 있음이 또한 주목되어야 한다. 그와 같이, 본 발명의 방법을 이용하여, 사전 선택 구성으로 형성된 나노튜브 직물 내에서 나노튜브 요소를 배열할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 방법은 금속성 나노튜브, 반전도성 나노튜브 또는 이들의 일부 조합으로 구성된 나노튜브 직물 내에서 나노튜브 요소를 배열하기 위하여 사용될 수 있다. 이와 유사하게, 본 발명의 방법은 단일벽 나노튜브, 다중벽 나노튜브 또는 이들의 일부 조합으로 구성된 나노튜브 직물 내에서 나노튜브 요소를 배열하기 위하여 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 방법은 나노튜브와 (버키볼, 실리카 입자, 무정형 카본, 은 나노튜브, 양자점, 콜로이드성 은, 및 단분산 폴리스티렌 비드와 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌) 다른 재료의 복합체인 나노튜브 직물 내에서 나노튜브 요소를 배열하기 위하여 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 방법은 특정한 전기적 특성을 갖도록 또는 요망되는 방식으로 특정한 물리적 또는 화학적 조건과 반응하도록 작용화된 나노튜브 요소로 구성된 나노튜브 직물 내에서 나노튜브 요소를 배열하기 위하여 사용될 수 있다.

본 발명의 일부 실시양태에서, 지향력은 나노튜브 직물을 가로질러 재료 표면을 이동시킴으로써 나노튜브 직물 위에 적용된다. 다른 실시양태에서, 지향력은 고정된 재료 표면을 가로질러 나노튜브 직물(예를 들어, 일부 기재 요소에 부착됨)을 이동시킴으로써 적용된다. 또한, 본 발명의 방법은 나노튜브 요소와 다른 재료의 혼합물을 포함하는 나노튜브 직물을 배열하기 위하여 사용될 수 있다. 그러한 재료는 버키볼, 무정형 카본, 은 나노튜브, 양자점(대략 2-10 nm), 콜로이드성 은(대략 20 nm), 단분산 폴리스티렌 비드(대략 200 nm), 및 실리카 입자(600 nm 이하)를 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 방법은 단일벽 나노튜브 또는 다중벽 나노튜브(또는 이들의 일부 조합)로 이루어진 나노튜브 직물 내에서 나노튜브 요소를 배열하기 위하여 사용될 수 있다. 본 발명의 방법은 또한 금속성 나노튜브 또는 반전도성 나노튜브(또는 이들의 일부 조합)로 이루어진 나노튜브 직물 내에서 나노튜브 요소를 배열하기 위하여 사용될 수 있다.

특정 응용에서, 나노튜브 직물의 단지 일부분을 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 배열하는 것이 바람직할 수 있다. 그러한 응용은 직물이 질서화된 특정 영역 및 질서화되지 않은 다른 영역을 갖는 것을 필요로 할 수 있거나 또는 나노튜브 직물의 전체 다공도가 나노튜브 직물을 단지 부분적으로 질서화함으로써 달성되는 것과 같은 사전 선택된 값에 의해 감소되는 것을 필요로 할 수 있다. 본 발명의 방법은 나노튜브 직물이 질서화되는 정도가 지향력의 크기 및 지향력이 나노튜브 직물을 가로질러 병진하는 시점의 수(즉, 반복 횟수)의 조절에 의해 용이하게 제어될 때 (나노튜브 필름 내의 나노튜브 요소의 위치를 조정하는 이전에 공지된 방법과 비교하여) 그러한 응용에 매우 적합하다. 본 발명 내에서 그러한 파라미터를 사용하여 나노튜브 직물 층을 부분적으로 질서화하는 것(또는 나노튜브 직물의 사전 선택된 영역 내에서 단지 나노튜브를 배열하는 것)은 후속하는 도면의 논의에서 상세하게 예시되고 기술된다.

도 2a에는 서로에 대하여 복수의 배향으로 침적된 복수의 나노튜브 요소(210)을 포함하는 실질적으로 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층(201)이 도시되어 있다. 그러한 나노튜브 직물 층(201) 내에서, 나노튜브 요소(210)들 사이의 갭 및 공극은 직물 층(201) 전체에 걸쳐 명백하다. 또 다른 방식으로 취해지면, 도 2a에 도시된 나노튜브 직물 층(201)은 저밀도의 나노튜브 요소(210)를 갖는 것으로 간주될 수 있으며, 이때 단면적 단위당 나노튜브 요소(210)의 수는 비교적 적다. 도 2b는 도 2a에 도시된 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층(201)과 유사한 나노튜브 직물 층(202)을 도시하는 SEM 이미지이다.

도 2c에는 실질적으로 질서화된 나노튜브 요소(210)의 네트워크를 포함하는 나노튜브 직물 층(203)이 도시되어 있다. 즉, 나노튜브 직물 층(203) 내의 나노튜브 요소(210)는 실질적으로 균일한 배열체로 배열되어서 인접 나노튜브 요소(203)는 그의 측벽을 따라 함께 그룹화되어, 나노튜브 요소들 사이의 갭이 실질적으로 제거되게 된다. 또 다른 방식으로 취해지면, 도 2c에 도시된 질서화된 나노튜브 직물 층(203)은 고밀도의 나노튜브 요소(210)를 갖는 것으로 간주될 수 있으며, 이때 단면적 단위당 나노튜브 요소(210)의 수는 비교적 많다. 도 2d는 도 2c에 도시된 질서화된 나노튜브 직물 층(203)과 유사한 나노튜브 직물 층(204)을 도시하는 SEM 이미지이다.

도 2a 및 2c 내의 도시는 본 발명의 방법을 단순히 예시하기 위하여 제공되었으며, 이들 방법의 설명을 도울 만큼의 그러한 방식으로 되었음이 주목되어야 한다. 특히, 도 2a 및 2c 내에 도시된 나노튜브 요소(210)의 상대적인 크기, 위치 및 밀도는 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층(도 2a)과 질서화된 나노튜브 직물 층(도 2c) 사이의 상대적인 배향 변화를 논리적으로 예시하는 정도로 설계되었으며, 균일한 축척으로 도시되지 않았다. 실제, 당업계의 숙련자에게 명백한 바와 같이, 둘 모두 예시적인 나노튜브 직물 층들(201, 203) 내에서, 나노튜브 요소(210)는 인접 나노튜브 요소(210)들 사이에서 실질적으로 중첩되고 접촉하면서 함께 훨씬 더 가깝게 패킹된다. 또한, 개개의 나노튜브 요소(210) 사이의 갭 크기는 나노튜브 요소(210)의 크기에 비하여 훨씬 더 작다. 도 2b 및 2d(각각 질서화되지 않은 그리고 질서화된 나노튜브 직물의 실제 SEM 이미지)는 도 2a 및 2c에 도시된 본질적으로 개략적인 도면을 보완하기 위하여 그러한 직물의 현실적인 이미지를 제공하기 위하여 포함되었다.

도 3a - 3f에는 실질적으로 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층(예컨대 도 2a 및 2b에 도시된 나노튜브 직물 층(201 및 202)을 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크(예컨대 도 2c 및 2b에 도시된 나노튜브 직물 층(203 및 204)에서와 같이)로 되게 하는 예시적인 공정이 예시되어 있다. 도 3a - 3f에 상술된 예시적인 공정은 (비교적 높은 수준의) 본 발명의 방법, 구체적으로는 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층을 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 되게 하기 위한 지향력의 용도에 대한 논의를 도입하고 상기 논의를 용이하게 하기 위하고자 의도되었다. 그와 같이, 도 3a - 3f에 상술된 예시적인 공정에는 이 개관의 목적상 지향력을 적용하기 위한 롤링 공정의 사용이 처음에 도입되지만, 그러한 공정은 도 7a - 7c의 논의 내에 더욱 상세하게 논의된다. 또한, 본 발명은 롤링, 러빙, 폴리싱 및 저온 동적 충돌을 포함하는, 나노튜브 직물 층에 그러한 지향력을 적용하는 복수의 다른 공정을 (후속 도면에서) 또한 상술한다.

도 3a - 3f에 예시된 예시적인 공정 내에서, 실질적으로 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층이 세 침적 작업을 통하여 먼저 형성된다. 즉, 세 침적 작업 - 예를 들어, 3회 스핀 코팅 작업 - 은 각각의 후속 층이 이전에 형성된 층 위에 형성되는 나노튜브 요소들의 별도로 침적되는 세 층을 통하여 형성되는 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층을 실현하도록 수행된다. 이전에 논의된 바와 같이, 그러한 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층은 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 딥 코팅, 실크 스크린 인쇄 및 그라비어 인쇄와 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌 복수의 침적법을 통하여 실현될 수 있다. 또한, 일부 응용 내에서 재료 표면 상에의 나노튜브의 CVD 성장을 이용하여 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층을 실현할 수 있다. 개별적으로 침적된 층들의 두께는 나노튜브 적용 용액의 농도 또는 스핀 코팅 작업에서 사용되는 기재의 회전 속도를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌 복수의 인자를 통하여 선택될 수 있다. 또한, 도 3a - 3f에 예시된 예시적인 공정은 구체적으로 세 침적 작업을 도시하지만, 나노튜브 직물 층의 형성은 이러한 방식으로 한정되지 않는다. 실제, 특정 응용의 필요에 따라, 그러한 나노튜브 직물 층은 단일 침적 작업 내에 또는 몇몇 침적 작업 내에 형성될 수 있다.

하기 도 3a - 3f의 논의에 상술되는 바와 같이, 롤러 장치를 이용하여 지향력을 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층 위에 적용한다. 이러한 예시적인 공정 내에서, 이 지향력은 선형 경로를 따라 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층을 가로질러 병진하며, 이는 하부 나노튜브 요소를 이 선형 경로에 평행한 실질적으로 균일한 배향으로 조정한다. 일부 응용 내에서, 개별적으로 침적된 층은 또한 적용된 지향력 하에서 서로로 압축되어 그 결과 전체 층의 두께를 감소시킨다. 이러한 방식으로, 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층의 영역은 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 된다.

도 3a - 3f에 도시된 예시적인 공정 내에서, 나노튜브 직물 층의 평면에 수직인 힘을 이용하여 나노튜브 직물 층에 대하여 롤러 장치를 적용하며, 이는 롤러 장치가 가로질러 병진할 때 나노튜브 직물 층 위에 하향 압력을 생성한다. 일부 실시양태에서, 이 압력은 비교적 작다(예를 들어, 롤러 요소가 나노튜브 직물 층을 가로질러 병진할 때 실질적으로 단지 롤러 요소 그 자신의 중량 - 예를 들어, 대략적으로 10 파스칼 - 의 결과). 다른 실시양태에서, 이 힘은 더욱 크다(예를 들어, 대략적으로 200 파스칼). 롤러 장치와 나노튜브 직물 층 사이의 이러한 증가된 압력(적용된 수직력에 의해 제공됨)은 나노튜브 직물 층을 가로질러 병진하는 지향력을 증가시킨다. 상기에 언급된 바와 같이, 그러한 롤링 작업(이외에도 롤러 장치와 나노튜브 직물 층 사이의 증가된 압력을 적용하기 위한 수직력의 사용)은 도 7a - 7c의 논의에서 더욱 상세하게 논의된다.

이제 도 3a를 참조하면, 제1 공정 단계(301)에서 기재 요소(310)가 제공된다. 이 기재 요소(310)는 특정 응용의 요구에 최상으로 맞는 복수의 재료로부터 형성될 수 있다. 예를 들어, 일부 응용에서, 기재 요소(310)는 규소 웨이퍼일 수 있다. 다른 응용에서, 기재 요소(310)는 텅스텐, 알루미늄, 구리, 니켈, 팔라듐, 티타늄 질화물, 및 텅스텐 질화물과 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌 전도성 재료의 층일 수 있다. 또 다른 응용에서, 기재 요소(310)는 규소 및 갈륨 비화물과 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌 반전도성 재료의 층일 수 있다. 다른 응용에서, 기재 요소(310)는 산화규소 및 산화알루미늄과 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌 유전 재료의 층일 수 있다. 다른 응용에서, 기재 요소(310)는 폴리플루오렌 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리(p-페닐렌 술피드), 및 폴리(p-페닐렌 비닐렌)과 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌 유기 반전도성 재료의 층일 수 있다. 일부 응용에서, 기재 요소(310)는 금속(예를 들어, 강 또는 알루미늄), 세라믹 또는 유리와 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌 강성 재료로 형성될 수 있다. 다른 응용에서, 이것은 가요성 재료, 예컨대 플라스틱 필름 또는 시트 - 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET), 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아미드, 폴리술폰, 및 다환식 올레핀으로 형성될 수 있다.

이제 도 3b를 참조하면, 다음 공정 단계(302)에서, 질서화되지 않은 나노튜브 요소(320)의 제1 층은 기재 요소(310) 위에 형성된다. 이러한 제1 층은 이전에 논의된 바와 같이 예를 들어 스핀 코팅 작업, 스프레이 코팅 작업, 딥 코팅 작업, 실크 스크린 인쇄 작업 및 그라비어 인쇄 작업을 통하여 형성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 그러한 층은 재료 표면 상에서의 나노튜브의 CVD 성장을 통하여 또한 형성될 수 있다. 이제 도 3c를 참조하면, 다음 공정 단계(303)에서, 질서화되지 않은 나노튜브 요소(320)의 제2 층은 제1 층 위에 형성된다. 이제 도 3d를 참조하면, 다음 공정 단계(304)에서, 질서화되지 않은 나노튜브 요소(320)의 제3 층은 제2 층 위에 형성된다. 이러한 방식으로, 실질적으로 질서화되지 않은 나노튜브 네트워크의 본질적으로 3개의 개별적으로 침적된 층을 포함하는 나노튜브 직물 층이 기재 요소(310) 위에 형성된다.

이제 도 3e를 참조하면, 다음 공정 단계(305)에서 롤링 장치(330)를 사용하여 지향력을 침적된 나노튜브 직물 층 위에 적용한다. 이러한 적용된 지향력은 직선 방향(390)을 따라 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층의 표면 위에서 병진한다. 롤링 장치(330)는 롤링 요소(330a)를 포함하며, 롤링 방향(390)에 평행하게 실질적으로 균일한 배향으로 하부 나노튜브 요소를 조정하기 위하여 침적 나노튜브 직물 층 위에서 통과된다. 일부 응용에서 롤링 장치(330)는 침적된 나노튜브 직물 층 위에서 1회 통과된다. 다른 응용에서, 롤링 장치(330)는 각각의 경로에서 실질적으로 동일한 선형 경로를 따라 침적 나노튜브 직물 층 위에서 다회 통과된다(예를 들어, 대략적으로 50회, 또는 또 다른 예에서, 대략적으로 250회). 도 3e에 예시되어 있지는 않지만, 일부 실시양태에서 (PET의 층과 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌) 유연성 재료의 중간 장벽 층은 롤링 장치(330)의 적용 이전에 침적 나노튜브 직물 층 위에 위치시킨다. 롤링 요소(330a)는 (철, 코발트, 니켈, 아연, 텅스텐, 크롬, 망간, 마그네슘, 티타늄, 알루미늄, 및 강 패밀리를 포함하는 그 합금과 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌) 금속, 고무를 포함하는 중합체, 플라스틱(폴리스티렌을 포함함), 멜라민, 실리콘, 폴리카르보네이트, 폴리에틸렌, 자기, 유리(산화규소 및 다른 결정질 고형물을 포함함), 알루미나, 탄화규소, 및 목재를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌 복수의 재료로부터 형성될 수 있다.

이제 도 3f를 참조하면, 침적된 나노튜브 직물 층의 롤링된 영역(350)은 나노튜브 요소(320)의 질서화된 네트워크(구조체(306)에서 도시된 바와 같음)로 되었다. 도 3f에 도시된 바와 같이, 이러한 롤링된 영역(350)은 나노튜브 요소(320) 사이의 갭 또는 공극을 본질적으로 나타내지 않는다. 일부 실시양태에서, 추가 공정 단계를 사용하여 고온 어닐 공정을 나노튜브 요소(320)의 질서화된 네트워크에 제공할 수 있다 - 예를 들어, 기재 요소(310) 및 나노튜브 직물 층을 400℃ 내지 625℃의 범위(특정 응용의 요구에 의존적임) 내에서 주어진 시간(예를 들어, 대략 30분) 동안 베이킹. 일부 실시양태에서, 이러한 고온 어닐 공정은 직물의 추가의 프로세싱 동안 화학적 및 물리적 조건에의 후속 노출이 일단 질서화된 나노튜브 직물 층이 배향되었으면 질서화된 나노튜브 직물 층을 방해하지 못하도록 하는 데 도움을 준다. 예를 들어, 특정 실시양태에서, 그러한 고온 어닐 공정은 질서화된 나노튜브 직물이 실질적으로 소수성인 상태로 되게 할 수 있으며, 이는 배열된 나노튜브가 물에 노출될 때 반응하지 않도록 한다. 그러나, 일부 실시양태에서, 특정한 화학적 또는 물리적 조건에의 민감성이 특정 응용에 유익할 수 있음이 주목되어야 한다. 예를 들어, 특정한 화학적 또는 물리적 조건에 노출될 때 직물 내에서 국소화된 변화를 나타내는 질서화된 나노튜브 직물은 센서 응용에서 또는 정보를 저장 및/또는 기록하는 응용 내에서 유용하다.

도 3a -3f 내의 예시는 본 발명의 방법을 단순히 예시하기 위하여 제공되었으며, 이들 방법의 설명을 돕도록 하는 그러한 방식으로 되었음을 주목해야 한다. 특히, 도 3a -3f 내의 상이한 구조적 요소들의 상대적인 크기는 균일한 축척으로 도시되지 않았다. 실제, 당업계의 숙련자에게 명백한 바와 같이, 나노튜브 요소(320)는 그러한 요소(320) 사이의 실제 갭 크기가 그러하듯이 롤링 장치(330)보다 훨씬 더 작다.

도 3a -3f에 도시된 예시적인 공정에서는 나노튜브 직물 층을 질서화된 상태로 되게 하기 위하여 단일 선형 경로를 따라 지향력이 적용되지만, 본 발명의 방식은 이와 관련하여 한정되지 않는다. 실제, 일부 응용에서 다수의 지향력을 상이한 방향으로 순차적으로 적용하여, 인접 질서화 영역 내의 나노튜브 요소가 상이한 방향으로 배향된 나노튜브 직물 층 내의 복수의 영역을 실현할 수 있다. 다른 응용에서, 회전 지향력을 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층 위에 적용하여 나노튜브 직물 층 내의 질서화 나노튜브 요소의 영역을 형성할 수 있다. 도 4 - 6에는 본 발명의 방법에 따라 나노튜브 직물이 질서화 나노튜브 요소의 네트워크로 되게 하기 위하여 상이한 지향력을 적용하는 것이 예시되어 있다.

이제 도 4를 참조하면, 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층이, 직선력 적용의 사용을 통하여 실질적으로 단일 방향을 따라 배향된 질서화 나노튜브 요소의 네트워크로 되게 하는 예시적인 공정이 도시되어 있다. 예시적인 공정의 시작시에, 복수의 나노튜브 요소(410)를 포함하는 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층(401)이 제공된다. 그 후 선형 지향력을 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층(401) 위에 적용하여(예를 들어, 도 4에 나타낸 방향으로 롤링력을 50회 적용함) 부분적으로 질서화된 나노튜브 직물 층(402)을 실현한다. 부분적으로 질서화된 나노튜브 직물 층(402)은 나노튜브 요소가 적용된 힘의 방향으로 배향된 질서화된 나노튜브 요소의 영역(420)을 나타낸다. 이들 영역(420) 내의 나노튜브 요소는 그의 측벽을 따라 함께 그룹화되어, 그 영역(420) 내에 갭 또는 공극을 본질적으로 생성하지 않는다. 그 후 선형 지향력을 동일한 방향을 따라 다시 적용하여(예를 들어, 동일한 롤링력을 추가로 50회 적용함) 질서화된 나노튜브 직물 층(403)을 실현한다. 질서화된 나노튜브 직물 층(403) 내에서, 본질적으로 모든 나노튜브 요소(410)는 적용된 힘의 방향을 따라 실질적으로 균일한 배향으로 되었다. 도 4에 도시된 바와 같이, 질서화된 나노튜브 직물 층(403)에는 실질적으로 갭 및 공극이 없다.

이제 도 5를 참조하면, 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층을 다수의 방향을 따라 적용되는 직선력의 사용을 통하여 다수의 방향으로 실질적으로 배향된 질서화 나노튜브 요소의 네트워크로 되게 하는 예시적인 공정이 도시되어 있다. 예시적인 공정의 시작시에, 복수의 나노튜브 요소(510)를 포함하는 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층(501)이 제공된다. 그 후 제1 선형 지향력을 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층(501) 위에 제1 방향으로 적용하여(도 5에 나타낸 바와 같음) 제1 부분 질서화 나노튜브 직물 층(502)을 실현한다. 이러한 제1 직선력은 예를 들어 20회 적용되는 러빙력일 수 있다. 제1 부분 질서화 나노튜브 직물 층(502)은 나노튜브 요소가 제1 적용력의 방향으로 배향된 질서화 나노튜브 요소의 영역(520)을 나타낸다. 이들 영역(520) 내의 나노튜브 요소는 그 측벽을 따라 함께 그룹화되어 그 영역(520) 내에 갭 또는 공극을 본질적으로 생성하지 않는다. 그 후 제2 선형 지향력을 제2 방향을 따라 적용하여(도 5에 나타낸 바와 같음) 제2 부분 질서화 나노튜브 직물 층(503)을 실현한다. 이러한 제2 직선력은 예를 들어 제2 방향으로 20회 적용된 또 다른 러빙력일 수 있다. 제2 부분 질서화 나노튜브 직물 층(503)은 나노튜브 요소가 제2 적용력의 방향으로 배향된 복수의 영역(530)을 나타낸다.

질서화 영역(520) 내의 나노튜브 요소(510)(즉, 제1 직선력의 적용에 의해 배향된 나노튜브 요소)는 일반적으로 제2 선형 지향력의 적용에 의해 실질적으로 영향을 받지 않음이 주목되어야 한다. 즉, 일단 나노튜브 요소(510)의 영역이 실질적으로 제1 방향을 따라 배향된 질서화된 네트워크로 충분히 되었다면, 그 영역 내의 나노튜브 요소는 그 질서화 상태로 남아있으려는 경향이 있어서 심지어 제2 방향으로 적용되는 힘에 처해질 때에도 질서화되지 않은 나노튜브 요소보다 더 더 많이 배향의 변화에 저항하게 된다. 그러나, 일부 실시양태에서, 제2 선형 지향력의 지속적인 적용은 나노튜브의 질서화된 네트워크를 제2 지향력의 방향을 따라 재질서화함이 주목되어야 한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 제2 부분 질서화 나노튜브 직물 층(503)은 제1 방향을 따라 질서화된 영역(520) 및 제2 방향을 따라 질서화된 영역(530)을 포함한다. 둘 모두의 영역(520, 530) 세트 내에서, 나노튜브 요소(510)는 그 측벽을 따라 함께 그룹화되어 갭 및 공극이 본질적으로 없는 영역(520, 530)을 생성한다. 제2 부분 질서화 나노튜브 직물 층(503) 내의 질서화되지 않은 나노튜브 요소(510)의 나머지 영역은 추가의 지향력의 적용을 통하여 질서화 상태로 될 수 있다.

이제 도 6을 참조하면, 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층을 회전 지향력의 사용을 통하여 질서화 나노튜브 요소의 네트워크(실질적으로 다수의 방향으로 배향된 직물 층의 상이한 영역들을 포함함)로 되게 하는 예시적인 공정이 도시되어 있다. 예시적인 공정의 시작시에, 복수의 나노튜브 요소(610)를 포함하는 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층(601)이 제공된다. 그 후 회전 지향력을 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층(601) 위에 적용하여 부분 질서화 나노튜브 직물 층(602)을 제공한다. 그러한 회전 지향력은 예를 들어 대략 90초 동안 분당 대략 60회의 회전으로 울 폴리싱 패드를 회전시킴으로써 적용될 수 있다. 부분 질서화 나노튜브 직물 층(602)은 나노튜브 요소가 그 측벽을 따라 함께 그룹화되어 영역(620) 내에서 갭 또는 공극을 본질적으로 생성하지 않는 질서화 나노튜브 요소의 몇몇 영역(620)을 나타낸다. 회전 지향력으로 인하여, 이들 질서화된 영역(620)은 상이한 방향으로 배향된다. 부분 질서화 나노튜브 직물 층(602) 내의 질서화되지 않은 나노튜브 요소(610)의 나머지 영역은 추가의 지향력의 적용을 통하여 질서화 상태로 될 수 있다.

이전의 예시 내의 부분 질서화 나노튜브 직물 층(즉, 각각 도 4, 5 및 6에서 나노튜브 직물 층(402, 502, 602)은 처음에 그 자신을 적용된 지향력에 응답성인 비교적 좁은 밴드로 질서화하기 시작하는 나노튜브 직물 층을 묘사함을 주목해야 한다. 이와 관련하여, 이들 예시는 도 20a 및 25b의 예시적인 SEM 이미지 내에 묘사된 부분 질서화 나노튜브 직물과 일치함을 추가로 주목해야 한다. 이론에 의해 구애되고자 함이 없이, 특정 실시양태 내에서, 질서화되지 않은 나노튜브 직물 내의 특정한 수의 나노튜브 요소는 적용된 지향력의 방향으로 원래 배향된다고 여겨진다. 적용된 지향력에 응답하여, 이들 특정 나노튜브 요소에 인접한 - 그러나 약간 상이한 배향으로 위치화된 - 나노튜브 요소는 이미 요망되는 방향으로 배향된 나노튜브 요소의 것과 배치되도록 그 배향을 조정하는 경향이 있다. 이들 실시양태 내에서, 지향력의 증가된 적용(반복)는, 최종적으로 전체 나노튜브 직물 층이 실질적으로 균일한 배향으로 조정될 때까지 이들 원래 나노튜브 요소와 일치하는 배향으로 더욱 더 많은 질서화되지 않은 나노튜브 요소를 조정하는 경향이 있다고 여겨진다.

비교적 높은 수준으로 본 발명의 방법을 소개하였기 때문에 - 구체적으로, 실질적으로 질서화되지 않은(또는 일부 응용에서 부분 질서화된) 나노튜브 직물 층을 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 배열하기 위하여 하나 이상의 방향으로 지향력을 사용함 - 이제 본 발명은 그러한 지향력을 적용하는 복수의 방법을 상세하게 논의할 것이다. 구체적으로, 도 7a - 7b는 지향력을 적용하기 위한 롤링 장치의 사용을 상술한다. 도 8a - 8b는 선형 동작으로 지향력을 적용하기 위한 러빙 장치의 사용을 상술한다. 도 9a -9b는 아크 생성 동작으로 지향력을 적용하기 위한 러빙 장치의 사용을 상술한다. 도 10a - 10b는 직선 방향으로 지향력을 적용하기 위한 폴리싱 장치의 사용을 상술한다. 도 11a - 11b는 회전 지향력을 적용하기 위한 폴리싱 장치의 사용을 상술한다. 도 12a - 12b는 지향력을 적용하기 위한 저온 동적 충돌 장치의 사용을 상술한다. 그리고, 도 13a - 13b는 대규모로 회전 지향력을 적용하기 위한 롤투롤 폴리싱 장치의 사용을 상술한다.

이제 도 7a - 7b를 참조하면, 나노튜브 직물 층을 가로질러 선형 지향력을 적용하는 데 적합한 롤링 장치가 도시되어 있다. 도 3a - 3f에 도시된 예시적인 공정에서 간략하게 설명된 바와 같이, 일부 응용에서 지향 롤링력은 형성된 나노튜브 층 위에서 원통형 요소를 1회 이상 롤링시킴으로써 적용될 수 있다. 이러한 원통형 요소는 (철, 코발트, 니켈, 아연, 텅스텐, 크롬, 망간, 마그네슘, 티타늄, 알루미늄, 및 강 패밀리를 포함하는 그 합금과 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌) 금속, 고무를 포함하는 중합체, 플라스틱(폴리스티렌을 포함함), 멜라민, 실리콘, 폴리카르보네이트, 폴리에틸렌, 자기, 유리(산화규소 및 다른 결정질 고형물을 포함함), 알루미나, 탄화규소 및 목재를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌 복수의 재료로부터 형성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 이러한 원통형 요소는 나노튜브 직물 층에 직접적으로 적용된다. 다른 실시양태에서, - 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름의 층과 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌 - 중간 층이 나노튜브 직물 층과 원통형 요소 표면 사이에 배치된다. 일부 실시양태에서, 원통형 요소는 형성된 나노튜브 층 위에서 1회 롤링된다. 다른 실시양태에서, 원통형 요소는 형성된 나노튜브 층 위에서 대략 50회 롤링된다. 또 다른 실시양태에서, 원통형 요소는 형성된 나노튜브 층 위에서 대략 250회 롤링된다. 일부 실시양태에서 원통형 요소가 나노튜브 직물 층 위에서 통과될 때 추가의 하향력이 원통형 요소에 적용되지 않는다 - 즉, 실질적으로 단지 원통형 요소의 중량이 적용 하향력에 책임이 있다(이는 롤러 장치가 가로질러 병진할 때 예를 들어 대략 500 파스칼의 압력을 나노튜브 직물 층 위에 제공함). 다른 실시양태에서, 추가의 하향력(예를 들어, 대략 50 뉴턴, 또는 또 다른 예에서 대략 500 뉴턴)이 - 예를 들어, 프레스 메카니즘의 사용을 통하여 또는 고정된 거리로 떨어져서 유지되는 한 쌍의 원통형 롤러를 통하여 나노튜브 직물 코팅 기재 요소를 통과하는 롤링 장치의 사용을 통하여 - 원통형 요소에 적용된다. 그러한 실시양태에서, 이러한 추가의 하향력은 롤러 장치가 가로질러 병진할 때 나노튜브 직물 층 위에 유의하게 더 많은 압력(예를 들어, 대략 20,000 파스칼)을 제공한다.

도 7a 및 7b는 본 발명의 방법에 따라 침적 나노튜브 직물 층 위에 롤링력을 적용하기에 적합한 예시적인 롤링 장치(700)를 도시하는, 각각 투시도 및 적용 다이아그램이다. 나노튜브 직물 층으로 코팅된 기재 요소(710)는 상부 롤러 요소(720)와 하부 롤러 요소(730) 사이에서 방향(790)을 따라 통과된다. 상부 롤러 요소(720)는 요망되는 롤링력이 방향(795)을 따라서 기재 요소(710)에 적용될 수 있도록 조정 메카니즘(740)을 통하여 프레임(750) 내에서 조정가능하며, 이는 상기 요소가 상부 롤러 요소와 하부 롤러 요소(각각 720, 730) 사이에서 통과될 때 방향(790)을 따라 기재 요소(710) 상에 침적된 나노튜브 직물 층을 가로질러 병진한다. 이러한 방식으로, 롤링력은 나노튜브 직물 층을 가로질러 1회 이상 적용될 수 있으며, 이는 나노튜브 층이 질서화된 나노튜브 요소의 네트워크로 되게 한다. 도 19a - 19c(하기에 상세하게 논의됨)는 그러한 지향 롤링력의 적용 후의 예시적인 나노튜브 직물 층을 도시하는 SEM 이미지이다.

이제 도 8a -8b를 참조하면, 나노튜브 직물 층을 가로질러 선형 지향력을 적용하기에 적합한 러빙 장치가 도시되어 있다. 일부 응용에서, 지향 러빙력은 먼저 나노튜브 직물 층을 기재 층 위에 형성하고, 후속적으로 상기 나노튜브 직물 층을 러빙 표면(러빙 표면과 직접적 접촉 상태로 있는 나노튜브 직물 층)을 가로질러 1회 이상 슬라이딩시킴으로써 나노튜브 직물 층에 적용될 수 있다(이는 도 8a - 8b의 예시적인 장치에서 도시된 바와 같음). 다른 응용에서, 러빙 표면은 형성된 나노튜브 직물 층 위에서 이동될 수 있다(즉, 나노튜브 직물 층은 적소에 고정되는 반면, 러빙 요소는 - 도 21에 예시된 예시적인 장치와 같이 - 가로질러 이동된다. 본 발명의 방법 내에서, 러빙 요소는 나노튜브 직물의 마손 또는 스크래치를 최소화하기 위하여 나노튜브 직물에 매끄러운 인터페이스를 제공할 수 있는 평평한 재료의 시트를 포함한다. 그러한 러빙 표면 또는 러빙 요소는 원소 규소 웨이퍼의 매끄러운 표면, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스(예를 들어, 레이온), 폴리에스테르(예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리부티레이트), 폴리아미드(예를 들어, 상업적으로 입수가능한 나일론), 전술한 중합체 물질 유형 또는 천연 물질(예를 들어, 가죽, 섬유 또는 시트로서의 셀룰로오스계 물질)의 블렌드를 포함하는 중합체 물질(섬유, 폼, 직물, 또는 필름 형태), 및 (전분과 물의 반경질 슬러리와 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌) 반경질 슬러리를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌 복수의 재료로부터 형성될 수 있다.

일부 실시양태에서, 나노튜브 직물 층은 러빙 표면 위에서 1회 통과된다. 다른 실시양태에서, 나노튜브 직물 층은 러빙 표면 위에서 대략 20회 통과된다. 또 다른 실시양태에서, 나노튜브 직물 층은 러빙 표면 위에서 대략 200회 통과된다. 일부 실시양태에서, 나노튜브 직물 층은 러빙 표면 위에서 1방향 이동으로 통과된다(즉, 단지 처음 위치로부터 설정된 거리를 러빙 표면에 대하여 앞쪽으로 추진되고, 그 후 러빙 표면으로부터 들어올려지고, 후속 러빙 통과를 위하여 이 처음 위치로 되돌려짐). 다른 실시양태에서, 나노튜브 직물 층은 러빙 표면 위에서 2방향 이동으로 통과된다(즉, 처음 위치로부터 설정된 거리를 러빙 표면에 대하여 앞쪽으로 추진되고, 그 후 러빙 표면에 대하여 처음 위치까지 다시 뒤로 끌어옴).

일부 실시양태에서, 수직력(지향력에 대하여 직각으로 적용됨)은 두 재료들 사이의 압력을 조정하고 그에 따라 지향력이 나노튜브 직물 층을 가로질러 병진할 때 지향력의 크기를 조정할 정도로 기재 요소에 또는 러빙 표면에(또는 이들 둘 모두에) 적용된다. 일부 실시양태에서, 이러한 추가의 하향력에 의해 제공되는 압력은 대략 300 내지 800 파스칼이다. 다른 실시양태에서, 이러한 추가의 하향력에 의해 제공되는 압력은 1000 파스칼 초과일 수 있다. 특정 실시양태에서, 그러한 압력은 그러한 압력이 직물 층을 손상시키지 않거나 또는 다르게는 제거하지 않는 한 하부 나노튜브 직물 층 내에서의 질서화의 속도 또는 품질을 증가시킬 수 있다.

도 8a 및 8b는 각각 본 발명의 방법에 따라 나노튜브 직물 층 위에 지향 러빙력을 적용하는 데 매우 적합한 예시적인 러빙 장치(800)를 도시하는 투시도 및 적용 다이아그램이다. 이 예 내에서, 나노튜브 직물은 기재 요소(810) 상에 형성되며, 그 후 기재 요소(810)는 고정된 러빙 표면(820)을 가로질러 이동된다. 기재 요소(810)(나노튜브 직물 층으로 코팅됨)는 진공 플레이트(840)(진공 펌프(870)를 사용)에 대하여 고정되며, 러빙 표면(820)에 대하여 두어져서 나노튜브 직물 층은 러빙 표면(820)에 대한 것이게 된다. 캐리어 메카니즘(850)은 진공 플레이트(850) 주변에서 고정되며, 기재 요소(810)를 러빙 표면(820)을 가로질러 방향(890)을 따라서 추진시키기 위하여 사용된다. 가중 요소(860)는 나노튜브 직물 층과 러빙 표면(820) 사이에서 적용되는 압력을 증가시킬 정도로 진공 플레이트(840)의 정상에 위치된다. 방향(895)으로 가중 요소(860)에 의해 제공되는 추가의 힘은 기재 요소(810)가 러빙 표면(820)을 가로질러 추진될 때 방향(890)으로 나노튜브 직물 층을 가로질러 병진한다. 이러한 방식으로, 러빙력은 나노튜브 직물 층을 가로질러 1회 이상 적용될 수 있으며, 이는 나노튜브 층이 질서화된 나노튜브 요소의 네트워크로 되게 한다. 도 20a - 20c, 21a - 21c, 및 22a - 22c(하기에 상세하게 논의됨)는 그러한 지향 러빙력의 적용 후의 나노튜브 직물 층을 도시하는 SEM 이미지이다.

이제 도 9a - 9b를 참조하면, 나노튜브 직물 층을 가로질러 아크 생성 동작으로 지향력을 적용하기에 적합한 러빙 장치가 도시되어 있다. 일부 응용에서, 지향 러빙력은 형성된 나노튜브 직물 층의 표면 위에서 러빙 요소를 아크 생성 동작으로 통과시킴으로써 나노튜브 직물 층에 적용될 수 있다. 예를 들어, 화학적 기계적 폴리싱(CMP) 기계를 이용하여 러빙 패드를 기재 요소(CMP 기계 내에서 진공 플레이트 상에 고정된 위치로 유지된 기재) 위에 침적된 나노튜브 직물 층 위에서 얕은 아크 형태로 전후로 통과시킬 수 있다. 그러한 러빙 패드는 전형적으로 폴리우레탄 재료로 형성될 수 있지만, 폴리에스테르 및 폴리아미드 미세섬유, 다른 형태의 폴리에스테르(예를 들어, 섬유, 폼, 직물, 및 필름 형태의 폴리에스테르), 폴리아미드 및 다른 중합체, 스티렌, 폴리비닐알코올 폼, 면, 울, 셀룰로오스 및 레이온을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌 다른 물질로 이루어질 수도 있다.

도 9a 및 9b는 각각 본 발명의 방법에 따라 아크 생성 동작으로 침적 나노튜브 직물 층 위에 지향력을 적용하기에 적합한 예시적인 제1 러빙 장치(900)를 도시하는 투시도 및 적용 다이아그램이다. 나노튜브 직물 층으로 코팅된 기재 요소(910)는 캐리어 조립체(940) 내에 두어진다. 캐리어 조립체(940)는 러빙 표면(920)(소자 표면(970) 내에 적소에 고정됨)을 가로질러 아크 형태로 피봇(pivot) 메카니즘(960) 상에서 회전하는 조정가능한 아암(arm)(950)에 의해 움직여져서 기재 요소(910)의 표면 상에 침적된 나노튜브 직물 층은 러빙 표면(920) 위에서 방향(990)으로 통과된다. 이러한 방식으로, 러빙 지향력은 나노튜브 직물 층을 가로질러 1회 이상 적용될 수 있으며, 이는 나노튜브 층이 질서화된 나노튜브 요소의 네트워크로 되게 한다. 도 23a - 23c(하기에 상세하게 논의됨)는 그러한 지향 러빙력의 적용 후의 나노튜브 직물 층을 도시하는 SEM 이미지이다. 도 23a - 23c에 도시된 바와 같이, 넓은 아크 생성 동작으로 적용되는 러빙 지향력을 통하여 질서화된 나노튜브 직물은 실질적으로 직선 방향으로 질서화되는 경향이 있음을 주목해야 한다.

이제 도 10a - 10b를 참조하면, 나노튜브 직물 층을 가로질러 선형 동작으로 지향력을 적용하는 데 적합한 폴리싱 장치가 도시되어 있다. 원통형 폴리싱 요소 - 예를 들어, (울 및 벨루어와 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌) 연성 폴리싱 재료로 코팅된 그리고 그의 장축 주위로 회전되는 강성 실린더 - 는 이것이 나노튜브 직물 층(이때 회전 실린더는 나노튜브 직물 층과 접촉 상태임)의 영역 위에서 반복적으로 수분 동안 선형으로 병진할 때 대략 15 내지 20 분당 회전수(rotations per minute; RPM)로 회전할 수 있다. 적합한 폴리싱 재료는 폴리에스테르 및 폴리아미드 미세섬유, 다른 형태의 폴리에스테르(예를 들어, 섬유, 폼, 직물, 및 필름 형태의 폴리에스테르), 폴리아미드 및 다른 중합체, 스티렌, 폴리비닐알코올 폼, 면, 울, 셀룰로오스 및 레이온을 포함할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 나노튜브 직물 층을 가로질러 병진할 때 폴리싱 재료에 적용되는 힘은 두 재료 사이의 압력을 증가시키도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 적용된 힘은 대략 50%만큼 나노튜브 직물 층에 대하여 폴리싱 재료의 냅(nap)을 압축할 정도로 선택된다. 일부 실시양태에서, 이 힘이 폴리싱 재료의 냅을 완전히 압축하여 폴리싱 재료의 배킹(backing)이 나노튜브 직물 층과 물리적으로 접촉하게 하지 못하도록 하는 것이 중요할 수 있다. 그러한 실시양태 내에서, 그러한 접촉은 배킹 층 스크래치 또는 다르게는 나노튜브 직물 층 손상으로 이어질 수 있다. 폴리싱 재료가 나노튜브 직물 층을 가로질러 통과될 때, 이러한 추가의 힘은 나노튜브 직물 층을 가로질러 병진하며, 이는 직물 위에 지향력을 부여하게 된다. 일부 실시양태에서, 이러한 적용된 힘은 나노튜브 직물 층을 가로질러 대략 5 내지 100 파스칼의 압력을 생성할 수 있다. 다른 실시양태에서, 이러한 적용된 힘은 대략 500 파스칼의 압력을 생성할 수 있다.

도 10a 및 10b는 각각 본 발명의 방법에 따라 침적 나노튜브 직물 층 위에 지향력을 적용하는 데 적합한 예시적인 제2 폴리싱 장치(1000)를 도시하는 투시도 및 적용 다이아그램이다. 나노튜브 직물 층으로 코팅된 기재 요소(1010)는 진공 테이블(1070) 상에 적소에 고정되어 있다. 원통형 폴리싱 요소(1020)는 트랙 요소(1050) 내에 위치되어서, 원통형 폴리싱 요소(1020)의 표면을 덮고 있는 폴리싱 재료가 기재 요소(1010) 위에 침적된 나노튜브 직물 층에 대하여 두어지게 한다. 원통형 롤러(1020)는 방향(1090)으로 회전되며(예를 들어, 60 rpm으로), 그 후 트랙 요소(1050) 내에서 움직여서 원통형 폴리싱 요소(1020)에 의해 적용되는 힘은 기재 요소(1010) 상에 침적된 나노튜브 직물 층을 가로질러 병진하게 된다. 이러한 방식으로, 폴리싱력은 나노튜브 직물 층을 가로질러 1회 이상 적용될 수 있으며, 이는 나노튜브 층이 질서화된 나노튜브 요소의 네트워크로 되게 한다. 도 24a - 24c(하기에 상세하게 논의됨)는 그러한 폴리싱 지향력의 적용 후의 나노튜브 직물 층을 도시하는 SEM 이미지이다.

이제 도 11a - 11b를 참조하면, 나노튜브 직물 층 위에 회전 지향력을 적용하는 데 적합한 폴리싱 장치가 도시되어 있다. 회전 지향력은 형성된 나노튜브 직물 층의 표면 위에서 폴리싱 요소를 회전시킴으로써 나노튜브 직물 층에 적용될 수 있다. 예를 들어, 폴리싱 패드는 나노튜브 직물 층 위에 두어져서 설정된 시간 동안(예를 들어, 대략 90초) 회전될 수 있다. 폴리싱 요소에 적합한 재료는 폴리에스테르 및 폴리아미드 미세섬유, 다른 형태의 폴리에스테르(예를 들어, 섬유, 폼, 직물, 및 필름 형태의 폴리에스테르), 폴리아미드 및 다른 중합체, 스티렌, 폴리비닐알코올 폼, 면, 울, 셀룰로오스 및 레이온을 포함할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시양태에서, 폴리싱 재료는 특정한 데니어 규격(데니어는 9000 미터의 섬유의 그램 단위의 중량을 나타내는 텍스타일의 속성임)에 따라 선택될 수 있다. 일부 실시양태에서, 폴리싱 요소가 두 재료들 사이의 압력을 증가시킬 정도로 나노튜브 직물 층 위에서 회전할 때 추가의 힘이 폴리싱 요소에 적용된다. 폴리싱 요소가 회전할 때, 이러한 추가의 힘은 나노튜브 직물 층을 가로질러 병진한다. 일부 실시양태에서, 이러한 적용된 힘은 나노튜브 직물 층을 가로질러 대략 2 내지 5 파스칼의 압력을 생성할 수 있다. 다른 실시양태에서, 이러한 적용된 힘은 대략 100 파스칼의 압력을 생성할 수 있다.

도 11a 및 11b는 각각 본 발명의 방법에 따라 침적 나노튜브 직물 층 위에 회전 폴리싱력을 적용하는 데 적합한 예시적인 장치(1100)를 도시하는 투시도 및 적용 다이아그램이다. 나노튜브 직물 층으로 코팅된 기재 요소(1110)는 진공 테이블(1170) 상에 적소에 고정되어 있다. 폴리싱 요소(1120)는 회전 조립체(1140) 내에 고정되고 조정 아암(1150)에 의해 위치화되어서 폴리싱 요소(1120)는 기재 요소(1110) 위에 침적된 나노튜브 직물 층에 대하여 두어지게 된다. 그 후 폴리싱 요소(1120)는 방향(1190)으로 적소에서 회전된다(예를 들어, 60초 동안 60 rpm). 이러한 방식으로, 회전 폴리싱력은 나노튜브 직물 층을 가로질러 적용될 수 있으며, 이는 나노튜브 층이 질서화된 나노튜브 요소의 네트워크로 되게 한다. 도 25a - 25c(하기에 상세하게 논의됨)는 그러한 회전 폴리싱력의 적용 후의 나노튜브 직물 층을 도시하는 SEM 이미지이다.

이제 도 12a - 12b를 참조하면, 나노튜브 직물 층 위에 지향력을 적용하기에 적합한 저온 동적 충돌 장치가 도시되어 있다. 지향 폴리싱력은 저온 동적 공정의 이용을 통하여 나노튜브 직물 층에 적용될 수 있다. 도 12a - 12b는 본 발명의 방법에서 사용하기에 매우 적합한 예시적인 저온 동적 충돌 기구를 에시한다. 그러한 기구 내에서, 적용 완드(wand)(1250)는 비교적 큰 속력으로(예를 들어, 대략 60 PSIG의 압력으로 추진됨) 나노튜브 직물 층(1210) 위에서 완만한 각도로(예를 들어, 나노튜브 직물 층의 평면에 대하여 15도) 냉동 입자(1220)의 스프레이를 인도하기 위하여 사용된다. 이들 냉동 입자(1220)의 충격은, 적용 완드(1250)가 방향(1290)을 따라 이동될 때 나노튜브 직물 층(1210)을 가로질러 병진하는 지향력을 제공한다. 그러한 시스템 내에서, 냉동 입자(1220)는 이산화탄소(CO₂) 또는 아르곤과 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌 냉동 가스의 쌀알 크기 입자(예를 들어, 대략 0.3175 cm(대략 0.125 인치)의 직경)일 수 있다.

각각 저온 동적 충돌 시스템의 투시도 및 적용 다이아그램인 도 12a 및 12b가 도시되어 있다. 나노튜브 직물 코팅된 웨이퍼(1210)는 폴리싱 작업 동안 그를 적소에 유지할 정도로 진공 플레이트(1230)에 고정된다. 적용 완드(1250)는 나노튜브 직물 코팅 웨이퍼(1210)를 가로질러 냉동 펠렛(1220)의 스프레이를 인도할 정도로 공기 호스(1270) 및 펠렛 공급 호스(1260)에 의해 공급된다. 펠렛화 유닛(pelletizer unit) 상의 대조구(1280)는 스트림(1220)의 양 및 속력의 대조구를 허용한다. 예시적인 폴리싱 작업 내에서, 적용 완드(1250)는 완만한 각도로 위치화되며 방향(1290)을 따라 나노튜브 직물로 덮인 웨이퍼(1210)를 가로질러 이동된다.

도 12a 및 12b에 예시되어 있지는 않지만, 일부 실시양태에서, - PET의 층, 플라스틱 막(예를 들어, 폴리비닐리덴 클로라이드를 기재로 하는 사란 랩), 또는 얇은 포일 필름과 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌 - 유연성 재료의 중간 장벽 층이 저온 동적 스프레이(1220)의 적용 이전에 침적 나노튜브 직물 층 위에 배치된다. 그러한 실시양태에서, 이러한 유연성 재료 층을 이용하여 하부 나노튜브 직물 층(1210)을 보호하고 고속 스프레이(1220) 하에서의 개개의 나노튜브 요소의 제거에 대하여 지킬 수 있다. 일부 실시양태에서, 이러한 유연성 재료 층은 또한 나노튜브 직물로의 상기 힘 저온 동적 스프레이의 효율적 전달에 유용할 수 있다. 이러한 방식으로, 폴리싱력은 나노튜브 직물 층을 가로질러 1회 이상 적용될 수 있으며, 이는 나노튜브 층이 질서화된 나노튜브 요소의 네트워크로 되게 한다. 도 28a - 28d(하기에 상세하게 논의됨)는 그러한 저온 동적 충돌력의 적용 후의 나노튜브 직물 층을 도시하는 SEM 이미지이다.

다른 응용에서, (상기에 기술한 저온 동적 충돌 작업에 대하여) 유사한 질서화 작업은 고압 가스 또는 액체 젯(예를 들어, 에어 건)의 사용을 통하여 실현될 수 있다. 그러한 고압 유동 폴리싱 작업 내에서, 에어 건을 사용하여 (질소와 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌) 가스를 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층 위에 유동시켜서 그 직물 층이 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 되게 할 수 있다. 저온 동적 충돌 작업과 같이, 일부 실시양태에서 고압 유동 작업은 공기 유동 작업 동안 나노튜브 직물 층 위에서 - PET 층, 플라스틱 막(예를 들어, 폴리비닐리덴 클로라이드를 기재로 하는 사란 랩) 또는 얇은 포일 필름과 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌 - 유연성 보호 층을 이용할 수 은 도 32a - 32d에 도시하며 하기에 상술한다.

이제 도 13a - 13b를 참조하면, 나노튜브 직물 층 위에 지향력을 적용하기에 적합한 롤투롤 폴리싱 장치가 도시되어 있다. 실질적으로 질서화되지 않은 나노튜브 직물(1310a)로 코팅된, (종이, 플라스틱, 또는 금속 포일과 같은 그러나 이에 한정되는 것은 아닌) 가요성 재료(1310)는 방향(1395)을 따라 제1 롤러(1350)와 제2 롤러(1360) 사이에서 전달된다. 도 13a 및 13b에 도시된 예시적인 롤투롤 폴리싱 장치 내에서, 원통형 폴리싱 요소(1320)는, 이것이 제1 롤러와 제2 롤러(각각 1350, 1360) 사이에서 그 아래에서 선형으로 병진할 때 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층에 대하여 방향(1320)을 따라 회전된다. 그러한 원통형 폴리싱 요소(1320)의 구성 및 용도가 도시되어 있으며, 이는 상기 도 10a 및 10b의 논의 내에 상세하게 기술되어 있다. 원통형 폴리싱 요소(1320)에 의해 적용되는 지향력은 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층(1310a)(어플리케이터(1340)에 의해 침적됨) 내의 나노튜브 요소를 질서화된 나노튜브의 네트워크(1310b)로 배열한다. 이러한 방식으로, 대규모 나노튜브 직물은 질서화된 나노튜브 직물 층으로 배열될 수 있다.

원통형 폴리싱 요소(1320)가 도 13a 및 13b에 도시되어 있지만, 본 발명의 이러한 측면의 방법은 이와 관련하여 한정되지 않는다. 실제, 본 발명 내에 기술된 임의의 롤링, 러빙 및 폴리싱 방법은 도 13a 및 13b에 도시된 바와 같이 롤투롤 시스템에서 사용될 수 있다. 또한, 특정 응용에서 도 13a 및 13b에 도시된 바와 같은 롤투롤 폴리싱 장치는 제1 롤러(1350)와 제2 롤러(1360) 사이에서 이행될 때 가요성 재료(1310) 위에서 나노튜브 직물을 침적시키고 건조시키는 데 사용될 수 있는 건조 메카니즘 및 어플리케이터 메카니즘을 추가로 포함할 수 있다.

다른 응용에서, 압전 재료의 층은 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층 위에 두어지고 지향력을 직물 층에 적용하는 데 사용될 수 있다. 그러한 응용 내에서, 압전 재료는 특정한 전기 자극에 응답하여 진동하며, 이는 나노튜브 직물 층 위에서 병진하는 러빙력을 효과적으로 생성하게 된다. 일부 실시양태에서, 압전 재료의 층은 그러한 지향력을 단지 나노튜브 직물 층 내의 하나 이상의 사전 선택된 영역에 적용할 정도로 성형될 수 있다. 그러한 실시양태 내에서, 상기 사전 선택된 영역은 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 될 수 있으며, 이는 실질적으로 질서화되지 않은 나머지 영역을 남기게 된다. 그러한 선택적으로 질서화된 나노튜브 직물 층은 예를 들어 포토리소그래피 작업 내에서 마스킹 또는 각인 기구로서 유용하다. 예시적인 압전 러빙 작업이 도 30a - 30d에 도시되어 있으며, 하기에 상세하게 기술되어 있다.

이전에 논의된 바와 같이, CMP 기계 - 반도체 제작 시설에서 전형적으로 쉽게 입수가능한 폴리싱/평탄화 장치 - 는 나노튜브 직물 위에 지향력을 적용하기에 매우 적합한(특정 응용 내에서) 기구이다. 예를 들어, CMP 기계를 사용하여 폴리싱 요소 또는 러빙 요소를 (도 9a 및 9b에 도시된 예시적인 장치의 것과 유사한 작업으로) 아크 생성 또는 선형 경로로 규소 웨이퍼 위에 침적된 나노튜브 직물 층 위에 통과시킬 수 있다. 또 다른 예에서, CMP 기계를 사용하여 폴리싱 요소 또는 러빙 요소를 (도 11a 및 11b에 도시된 예시적인 장치의 것과 유사한 작업으로) 규소 웨이퍼 위에 침적된 나노튜브 직물 위에서 회전시킬 수 있다.

특정 응용 내에서, 폴리싱 요소 또는 러빙 요소는 윤활 매질을 이용하여 나노튜브 직물 층에 적용될 수 있다. 그러한 윤활 매질은 물, 할로카본(할로겐 함유 알코올, 알킬 니트라이트, 알칸올, 유기 아민, 플루오르화 화합물 및 퍼플루오로카본, 퍼플루오로헥산, 퍼플루오로헵탄 클로로카본, 퍼플루오르화 폴리에테르, 및 퍼플루오로(2-부틸-테트라히드로푸란, 퍼플루오로헥산을 포함하는 퍼플루오르화 또는 실질적 플루오르화 유기 화합물을 포함하는 액체류를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아님), 액화 가스(액체 이산화탄소(CO₂) 및 액체 제논을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아님), 탄화수소 액체(C₃-C₁₂ 알칸, C₈-C₁₆ 아릴알칸, C₁₀-C₂₅ 아릴시클로알칸, C₆-C₁₂ 방향족, 톨류엔 및 자일렌을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아님), 작용화 유기 액체(케톤, 알데히드, 에스테르, 에테르, 아미드, 알코올, C₂-C₁₂ 에테르, DME, 글라임(glyme), 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 아세톤 및 테트라히드로푸란을 함유하는 것들을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아님), 유기 실록산 기재의 시클릭 및 선형 액체(폴리디메틸실록산 시클릭 및 선형 액체와 폴리페닐실록산 시클릭 및 선형 액체의 군을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아님) 및 고형물(이황화몰리브덴, 질화붕소, 흑연 및 스티렌 비드를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아님)을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

그러한 응용 내에서, 윤활 매질은 폴리싱(또는 러빙) 요소와 나노튜브 직물 표면 사이의 드래그를 한정함으로써 지향력의 적용을 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 러빙 요소가 비교적 고압에 의해 적용되는 질서화 작업 내에서, 윤활 매질은 생성된 지향력이 나노튜브 직물의 전체 표면 위에 고르게 적용되는 것을 보장하기 위하여 사용될 수 있다.

일부 응용에서, 윤활 매질은 질서화 작업 이전에 폴리싱/러빙 패드에 적용될 수 있다(예를 들어, 폴리싱/러빙 패드는 물로 축축하게 됨). 다른 응용에서, 윤활 매질은 폴리싱/러빙 패드의 적용 이전에 나노튜브 직물 위에 침적될 수 있다. 그러한 응용 내에서, 윤활 매질은 나노튜브 직물 내에서의 나노튜브 요소가 적용된 윤활 매질 내로 임의로 상당히 재현탁되지 않도록 하는 그러한 방식으로 선택되고/되거나 적용된다.

(상기에 기술한 바와 같이) 윤활 매질의 사용은 특정 응용에서 유익한 반면, 이것은 질서화 작업 내에서 문제시될 수 있음을 주목해야 한다. 특정 응용에서, 예를 들어 윤활 매질의 적용은 나노튜브 요소를 기재 표면으로부터 완전히 퇴각시킬 수 있다. 또 다른 예에서, 윤활 매질(특정 응용 내에서)은 (물리적으로 또는 화학적으로) 나노튜브 요소와 반응할 수 있으며, 이는 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층을 손상시키거나 또는 그에 악영향을 주게 된다.

본 발명의 방법을 통한 나노튜브 직물 층 내에서의 나노튜브 요소의 배열은 또한 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층과 비교할 때 고도로 매끄러운 나노튜브 직물을 제공함을 또한 주목해야 한다. 일부 응용 내에서, 이러한 더욱 매끄러운 직물 층은 후속 재료 층의 침적용으로 최적화된 표면을 제공한다. 예를 들어, 그러한 질서화된 나노튜브 직물 층은 전체 층을 가로질러 실질적으로 균일한 두께를 가질 것으로 기대될 수 있으며, 이는 일부 응용에서 후속 침적 층이 나노튜브 직물 층을 관통하게 할 수 있는 직물 내의 얇은 영역의 가능성을 감소시킨다.

이를 위하여, 도 14a 및 14b는 기재 층(1410) 위에 침적된 실질적으로 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층(1420)의 단면도를 도시하고 있다. 재료의 상부 층(1430)은 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층(1420) 위에 추가로 침적되어 3층 구조체를 생성하였다. 도 14a는 이러한 3층 구조체의 SEM 이미지(1401)인 반면, 도 14b는 동일 구조체를 선으로 그린 도면이다. 두 이미지(1401, 1402)에서 관찰될 수 있는 바와 같이, 실질적으로 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층(1420)은 균일하지 않은 두께를 나타내며, 이는 기재 층(1410)과 상부 재료 층(1430) 사이에 다수의 "얇은 스폿"을 제공하게 된다.

역으로, 도 15a 및 15b에는 기재 층(1510) 위에 침적된 질서화된 나노튜브 직물 층(1520)의 단면도가 도시되어 있다. 도 14a 및 14b의 이전의 구조체와 같이, 재료의 상부 층(1530)은 질서화된 직물 층(1520) 위에 추가로 침적되어서 3층 구조체를 생성하였다. 도 15a는 이러한 3층 구조체의 SEM 이미지(1501)인 반면, 도 15b는 동일 구조체를 선으로 그린 도면이다. 두 이미지(1501, 1502)에서 관찰될 수 있는 바와 같이, 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층(1520)은 유의하게 개선된 두께 균일성을 나타내며(도 14a 및 14b에서 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층(1420)과 비교할 때), 이는 기재 층(1510)과 상부 재료 층(1530) 사이에 더욱 균일한 분리 거리를 제공한다.

특정 실시양태 내에서, 질서화된 나노튜브 직물 층은 감소된 마찰 계수를 보유하며(질서화되지 않은 나노튜브 직물 층과 비교할 때) 저 마찰력 코팅의 제작에서 유용함을 또한 주목해야 한다. 예를 들어, 나노튜브 직물 층은 내연 기관 내에서 실린더의 내부 표면 위에 형성되고, 그 후 질서화된 상태로 될 수 있다. 그러한 질서화된 직물은 그 후 실린더 내에서 움직이는 피스톤의 마찰 계수를 감소시키기 위하여 사용될 수 있다. 또 다른 예에서, 질서화된 나노튜브 직물 층은 기어, 베어링, 샤프트, 및 기계화 시스템 내의 다른 기계적 구성요소의 메이팅(mating) 표면 위에 형성될 수 있다. 그러한 코팅은 이들 구성요소의 메이팅 표면들 사이의 마찰을 감소시키며, 이는 마모를 감소시키게 되며 개개의 구성요소의 수명, 그리고 더 나아가 당해 시스템 그 자신의 수명을 연장시키게 된다. 또 다른 예에서, 그러한 질서화된 나노튜브 직물 층은 미세전기기계 시스템(microelectromechanical system; MEMS) 내에서 나노규모 저 마찰력 표면 및 코팅을 제공하기 위하여 사용될 수 있다.

도 16 및 17은 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층과 비교할 때 질서화된 나노튜브 직물 층의 감소된 마찰 게수를 보여주기 위하여 부분 질서화 나노튜브 직물 층에서 수행한 실험을 예시한다. 나노튜브 직물 층(1610)을 규소 기재(1670) 위에 형성시키고, 대략 4 cm 폭 및 20 cm 길이의 스트립으로 절단하였다. 그 후 선택적으로 나노튜브 직물 층(1610)을 질서화된 상태로 되게 하여, 도 17에 도시된 바와 같이, 스트립의 길이를 따라 5개의 영역(1710a - 1710e)을 실현하였다. 그 후 폴리싱 패드(1650)를 분할된 SiO₂ 웨이퍼(1640)(대략 4 cm x 4 cm 치수) 위로 감싸고 그에 고정하여, 강성 러빙 요소를 형성하고 선택적으로 질서화된 나노튜브 직물 층(1610) 위에 두었다. 러빙 요소가 나노튜브 직물 층(1610)의 길이를 따라 당겨질 때 하향력을 제공하도록 가중 요소(1660)(대략 75g)를 (폴리싱 재료(1650) 및 웨이퍼 조각(1640)에 의해 형성된) 이러한 강성 러빙 요소 위에 두었다. 그 후 힘 측정기(force gage; 1630)를 도르래 요소(1680)와 함께 사용하여 나노튜브 직물 층(1610)의 길이를 가로질러 방향(1690)을 따라 폴리싱 재료(1650)를 슬라이딩시켰다.

구체적으로 이제 도 17을 참조하면, 힘 측정기(도 16에서 1630)를 사용하여 관찰되는 마찰력을, 도 16에서의 방향(1690)에 상응하는 방향(1790)을 따라 나노튜브 직물 층을 가로질러 당겨질 때 강성 러빙 요소의 물리적 위치에 대해 플롯 및 맵핑하였다. 상기에 논의된 바와 같이, 나노튜브 직물 층 스트립(도 16에서 1610)은 5개의 영역으로 되었다. 영역(1710a, 1710c, 1710e)은 실질적으로 질서화되지 않은 채로 남겨두어, 실험을 위한 대조 영역으로 작용하였다. 영역(1710b)은 방향(1790)에 수직인 (즉, 러빙 요소의 경로에 수직인) 방향으로 배향된 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 되었다. 영역(1710d)은 방향(1790)에 평행한 (즉, 러빙 요소의 경로에 평행한) 방향으로 배향된 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 되었다.

도 17의 플롯에서 명백한 바와 같이, 강성 러빙 요소가 영역(1710c)의 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층 위에서 통과할 때, 관찰된 마찰력은 대략 0.310 N이었다. 강성 러빙 요소가 영역(1710b)의 (마찰력 방향에 대해) 수직으로 배향된 나노튜브 직물 층 위에서 통과될 때, 관찰된 마찰력은 대략 0.245 N이었으며, 대조 영역들(1710a, 1710c, 1710e)에 비해 마찰이 대략 21% 감소하였다. 강성 러빙 요소가 영역(1710d)의 (마찰력 방향에 대해) 평행하게 배향된 나노튜브 직물 층 위에서 통과될 때, 관찰된 마찰력은 대략 0.235 N이었으며, 대조 영역들(1710a, 1710c, 1710d)에 비해 마찰이 대략 24% 감소하였다.

본 발명의 대부분은 실질적으로 질서화되지 않은 나노튜브 직물로부터 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크가 되게 하는 방법을 설명하고 있으나, 본 발명의 방법은 이와 관련하여 제한되지 않음을 또한 주목해야 한다. 실제로, 본 발명의 방법은 부분적으로 질서화된 나노튜브 직물 층이 더욱 고도로 질서화된 나노튜브 직물 층으로 되게 하는 데 또한 이용될 수 있다. 예를 들어, 래프팅된 나노튜브 직물 층(예를 들어, 센 등의 미국 특허 출원 제61/304,045호에 교시된 방법을 통해 형성됨)은 본 발명의 다양한 실시양태에서 이전에 기술된 바와 같이 지향력의 적용을 통해 완전히 질서화된 나노튜브 직물 층으로 될 수 있다.

특정 응용에서, 지향력은 비교적 두꺼운 나노튜브 직물 층 위에 적용될 수 있다. 그러한 응용에서는, 지향력을 반복하여 적용하여도 단지 두꺼운 나노튜브 직물 층의 표면 근처의 그러한 나노튜브들만이 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 될 수 있다. 즉, 생성된 구조체는 더 두꺼운 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층에 인접하여 형성된 얇은 질서화된 나노튜브 직물 층으로서 설명될 수 있다. 그러한 구조는 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층을 포함하는 기재 요소 위에 형성되는 질서화된 나노튜브 직물 층을 실현하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 그러한 구조체 - 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층 위에 형성된 질서화된 나노튜브 직물 층 - 는 질서화되지 않은 나노튜브 층의 반대쪽 표면에 지향력을 적용하여 반대쪽 표면이 질서화된 나노튜브 요소의 네트워크가 되게 함으로써 추가로 조정될 수 있다. 그러한 실시양태의 특정 응용 내에서, 원래 배치된 두꺼운 나노튜브 직물 층을, 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층의 반대쪽 표면에 대한 그러한 힘의 적용을 허용하도록 제거되거나 또는 다르게는 휘발되는 희생 기재 요소 위에 침적시킨다. 그러한 실시양태의 일부 측면에서, 생성된 구조체는 2개의 얇은 질서화된 나노튜브 직물 층이 그 사이에 배치된 질서화되지 않은 나노튜브 요소의 더 두꺼운 층에 의해 형성된 것으로서 설명될 수 있다.

본 발명 내의 다수의 도면 및 실시예가 특히 반도체 제조와 관련된 방법을 도시 및 설명하나, 본 발명의 방법은 그와 관련하여 제한되지 않음을 주목해야 한다. 실제로, 질서화된 나노튜브 직물 층으로 이루어진 나노튜브 직물은 다수의 시스템 및 소자 내에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 특정 실시양태 내에서, 그러한 나노튜브 직물은 실질적으로 가스 불투과성일 것이며 (산소 탱크 및 부유 기구와 같은, 그러나 이에 한정되지는 않는) 가스용 용기의 제작에 유용하다. 다른 실시양태에서, 그러한 나노튜브 직물 층은 실질적으로 소수성일 것이며 (예를 들어, 측면 패널 상의) 내습성 코팅으로서 또는 내부식성 코팅으로서 유용할 것이다. 다른 실시양태에서, 그러한 나노튜브 직물 층은 소정 미립자 오염물에 대해 실질적으로 불투과성일 것이며 보호 장벽 층의 제작에 유용할 것이다. 다른 실시양태에, 그러한 나노튜브 직물 층은 특정 생물재해성 물질(예를 들어, 세균)에 실질적으로 불투과성일 것이며 바이오필터 등의 제작에 유용할 것이다. 다른 실시양태에서, 그러한 나노튜브 직물은 다른 재료 위에 (예를 들어, 페인트 스크래치를 방지하기 위해 차량 섀시 위에) 적용될 수 있는 투명하거나 반투명한 보호 코팅으로서 또는 안전 유리 내의 결합제로서 유용할 수 있다. 다른 실시양태에서, 그러한 나노튜브 직물은 고도로 내응력성이며 내마모성일 것이고 (여전히 비교적 얇게 유지됨), 고도로 응력을 받는 기계 부품 (예를 들어, 내연 기관 내의 피스톤 실린더)의 제작에 유용할 것이다.

다른 실시양태 내에서, 그러한 나노튜브 직물은 고도로 내관통성일 것이며 방침성(puncture resistant) 재료의 제작에 유용할 것이고, 예를 들어, 차량 또는 개인 보호 장비를 위해 유용한 방호 도금일 것이다. 예를 들어, 비교적 얇은 질서화된 나노튜브 직물 층은 패딩 재료와 함께 사용되어 경량 방탄 조끼를 실현할 수 있다. 또 다른 예에서, 나노튜브 직물은 재료 표면 위에 형성된 다음 본 발명의 방법을 통해 질서화된 네트워크로 되어, 탱크 또는 자동차를 방호 도금하는 데 사용될 수 있는 비교적 경량의 실질적 방탄 패널을 실현할 수 있다.

이를 위해, 도 18은 4개의 개별적인 질서화된 나노튜브 직물 층(1820, 1830, 1840, 1850) 및 3개의 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층(1825, 1835, 1845)을 포함하는 다층 나노튜브 직물 요소(1800)의 투시도이다. 각각의 4개의 질서화된 나노튜브 직물 층(1820, 1830, 1840, 1850)은 개별적으로 침적되며, 후속 나노튜브 직물 천이 침적되기 전에 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 되었다. 추가로, 각각의 질서화된 나노튜브 직물 층(1820, 1830, 1840, 1850)은 인접한 층들과 비교하여 상이한 배향을 따라 질서화된 상태로 되었다. 즉, 제1의 질서화된 나노튜브 직물 층(1820)은 제1 방향으로 적용된 직선력의 사용을 통해 질서화된 상태로 되고, 제2의 질서화된 나노튜브 직물 층(1830)은 제2 방향으로 적용되는 직선력의 사용을 통해 질서화된 상태로 되는 것 등이었다. 이전에 논의된 바와 같이, 본 발명의 특정 실시양태 내에서, 비교적 두꺼운 나노튜브 직물 층 위에 적용되는 지향력은 단지 그러한 층의 표면 근처의 그러한 나노튜브만이 질서화된 네트워트가 되게 하는 경향이 있을 것이다. 그와 같이, 나노튜브 직물 요소(1800)는 사용된 질서화 방법으로부터 남아있는 질서화되지 않은 나노튜브 요소의 층(1825, 1835, 1845)을 포함한다. 이러한 방식으로, 복수의 독립적으로 질서화된 나노튜브 직물 층(1820, 1830, 1840, 1850)을 포함하는 다층 나노튜브 직물 요소(1800)가 형성된다.

(도 18에 도시된 바와 같이) 다층 나노튜브 직물 요소(1800)는 질서화된 나노튜브 직물 층(1820, 1830, 1840, 1850) 사이에 질서화되지 않은 나노튜브 요소들의 층(1825, 1835, 1845)을 포함하지만, 본 발명의 방법은 이와 관련하여 제한되지 않음을 주목해야 한다. 실제로, 본 발명의 방법 내에서, 각각 개별적으로 형성된 층이 후속 층의 형성 전에 (층의 단지 표면만 질서화되는 것과는 대조적으로) 두꺼운 질서화된 나노튜브 직물 층으로 될 수 있어, 질서화되지 않은 층(1825, 1835, 1845)이 본질적으로 제거된다. 즉, 직물 층이 그의 전체 두께에 걸쳐 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 이루어진다. 본 발명의 일부 실시양태에서, 각각의 개별적으로 형성된 층은, 후속 층의 형성 전에 지향력의 적용 동안 나노튜브 직물 층이 상부로부터 기저부까지 질서화되는 것을 보장하도록 충분히 얇게 유지될 수 있다. 다른 실시양태에서, 각각의 개별적으로 형성된 층은, 후속 층의 형성 전에 나노튜브 직물 층이 상부으로부터 기저부까지 질서화되는 것을 보장하도록 지향력의 충분한 반복에 처할 수 있다.

하기 실시예는 몇몇 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층이 본 발명의 방법에 따라 개별적인 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크들로 되게 하는 것을 설명한다.

각각의 실시예에서, 정제된 나노튜브 적용 용액을 하기 방법을 통해 먼저 실현하였다. 50 그램의 미가공 (즉, 작용화되지 않은) 카본 나노튜브(CNT)를 마이크로일렉트로닉스 등급 질산 중에서 환류시켰다. (하기 실시예에 사용되는 것과 같은) 미가공 나노튜브의 공급물은 다수의 판매자(예를 들어, 토마스 스완(Thomas Swan))으로부터 상업적으로 구매할 수 있다. 질산의 농도, 환류 시간, 및 온도는 출발 CNT 재료에 기초하여 최적화하였다. 예를 들어, CNT를 24 내지 30 시간 동안 120℃에서 진한 질산(70%) 중에서 환류시켰다. 질산 환류 단계 후에, 산 중 CNT 현탁물을 0.35 내지 3% 질산 용액(8 내지 16 L)으로 희석하고 수회에 걸쳐 직교류 여과(cross-flow filtration; CFF)하였다. 처음의 수회의 CFF(이하 CFF1이라 칭함)는 현탁물 중의 산 및 용해성 금속 염을 제거할 수 있다. 각 단계 후에 0.35 내지 3% 질산 중의 물질을 회수함으로써, CFF1 단계 동안 현탁물의 pH를 1 +/- 0.3으로 유지하였다. 전형적으로 5 내지 11회의 CFF1 단계를 수행하였다. CFF1 단계 후에, 잔류물(retentate)을 탈이온수 중에 수집하고 수산화암모늄(농도 29%)을 사용하여 나노튜브:탈이온수 현탁물의 pH를 8 +/- 0.2로 증가시키고 초음파 처리하였다. 이러한 액체를 다른 세트의 CFF에 통과시켰다(이하 CFF2로 지칭함). CFF2는 용액 중 무정형 카본 불순물을 제거할 수 있다. CFF2 공정 후에, 잔류물을 탈이온수 중에 수집하고 나노튜브:탈이온수 액체의 pH를 8 +/- 0.2로 조절하고 냉각 초음파 처리조 (4 내지 5℃)에서 용액을 120분 동안 초음파 처리하였다.

공정의 이러한 단계에서, CNT 제형의 원하는 농도 또는 광학 밀도는 CFF2 막으로부터 잔류물을 회수하는 데 사용되는 탈이온수의 부피를 조절하여 성취될 수 있다. 예를 들어, 마지막 CFF2 단계 전의 CNT 제형의 광학 밀도가 2이고 부피가 2 L인 경우, 이러한 지점에서 침투에 의한 광학 밀도의 무시할 수 있는 손실이 있다고 가정하면, 1 L의 회수 부피는 4에 가까운 광학 밀도를 야기할 수 있다. 이와 유사하게, 마지막 CFF2 단계 전의 CNT 제형의 광학 밀도가 2이고 부피가 16 L인 경우, 1 L의 회수 부피는 광학 밀도 32의 CNT 제형을 야기할 수 있다. 현실적으로 성취될 수 있는 CNT 제형의 농도(광학 밀도)는 반응에 사용된 출발 CNT 충전량, 반응 조건, CFF 단계의 횟수, CFF 막 기공 크기, CFF 막 표면적, 및 pH에 따라 좌우되나 이에 한정되지 않는다.

마지막으로, 용액을 약 70000 내지 100000 g에서 각각 약 20 내지 30분 동안 2 또는 3회 원심분리하였다. 특정한 경우에, 침강에 의해 액체 내의 잔류 금속 또는 탄소 나노입자를 제거할 수 있는 원심분리 진행 사이에 용액의 pH를 8 +/ - 0.2로 조정하였다. 원심 분리 단계 후에, 상청액을 수집하였고 최종 정제된 나노튜브 적용 용액으로서 사용하였다. 최종 나노튜브 적용 용액의 농도는 사용된 원심분리 조건에 따라 좌우된다. 전형적으로, 스핀 코트 적용의 경우, 광학 밀도가 대략 20 +/- 5인 것으로 예상되고 pH가 7 +/- 0.5인 CNT 용액을 사용하였다.

추가로, 각각의 하기 실시예 내에서, 이러한 정제된 나노튜브 적용 용액을 기재 층 위에 스핀 코팅하여 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층을 형성하였다. 구체적으로, 3회의 스핀 코팅 작업을 수행하여 실시예 1, 2, 3, 5, 7, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 16, 17, 18, 19 및 20의 나노튜브 직물 층을 형성하였고, 4회의 스핀 코팅 작업을 수행하여 실시예 4 및 8의 나노튜브 직물 층을 형성하였고, 1회의 스핀 코팅 작업을 수행하여 실시예 6의 나노튜브 직물 층을 형성하였고, 5회의 스핀 코팅 작업을 수행하여 실시예 15의 나노튜브 직물 층을 형성하였다. 실시예 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 11, 13, 16, 17, 17, 19 및 20의 나노튜브 직물 층은 이산화규소 기재 위에 형성하였다. 실시예 10의 나노튜브 직물 층은 1018 저탄소강 기재 위에 형성하였다. 실시예 12의 나노튜브 직물 층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기재 위에 형성하였다. 실시예 14의 나노튜브 직물 층은 2024 알루미늄 합금 기재 위에 형성하였다. 실시예 15의 나노튜브 직물 층은 질화티타늄(TiN) 기재 위에 형성하였다.

모든 실시예에 있어서, 스핀 코팅 작업은 다음과 같았다. 미가공 웨이퍼를 300℃ 핫 플레이트 상에서 5분 동안 사전 베이킹하였다. 웨이퍼를 60 rpm으로 회전시키면서 대략 3 ml의 조정된 용액을 플라스틱 피펫을 통해 웨이퍼 상에 분배하였다. 30초 후에, 스핀 속도를 2초 동안 500 rpm으로 증가시킨 다음, 후속하여 180초 동안 50 rpm으로 감소시키고, 최종적으로 20초 동안 2000 rpm으로 증가시켰다. 실시예 1 내지 14의 경우, 각각의 스핀 코팅 작업 사이에 웨이퍼를 300℃ 핫 플레이트 상에 2분 동안 두었다. 실시예 15의 경우, 각각의 스핀 코팅 작업 사이에 웨이퍼를 500℃ 환경에 5분 동안 두었다. 냉각 시클 후에, 전체 공정을 다시 2회 반복하여, 적용 용액의 원하는 수의 코트를 웨이퍼 위에 적용하였다.

일단 질서화되지 않은 나노튜브 직물 층이 웨이퍼의 표면 위에 형성되면, 나노튜브 직물 층의 적어도 일부분이 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크가 되게 하기 위해 (각각의 하기 실시예에 상술된 바와 같이) 직물 층의 표면 위에 지향력을 적용하였다. 실시예 20에서는, 지향력의 적용 전에 규소 나노와이어의 추가 층을 (하기에 기재된 바와 같이, 스핀 코팅 작업을 통해) 나노튜브 직물 층의 표면 위에 적용하였다. 마지막으로 어닐 공정 (625℃에서 30분)을 수행하였다.

실시예 1:

도 19a - 도 19c는 먼저 (상기에 기술한 바와 같이) 정제된 나노튜브 적용 용액의 3회 스핀 코팅 작업을 통하여 형성한, 그리고 그 후 각각의 SEM 이미지 내에 나타낸 방향을 따라 롤링 지향력의 적용을 통하여 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 된 상이한 배율의 예시적인 나노튜브 직물 층(각각 1901, 1902, 1903)의 SEM 이미지이다. 롤링력을 강 핸드 롤러를 통하여 적용하는데, 상기 롤러는 가벼운 압력(대략 2 뉴턴)으로 50회 나노튜브 직물 층에 대하여 직접적으로 롤링하였다. 도 19a(10,000x 배율의 이미지)에서 명백한 바와 같이, 생성된 나노튜브 직물 층을 적용된 롤링력의 방향을 따라 배향된 질서화된 상태로 되게 하였다.

실시예 2:

도 20a - 도 20c는 먼저 (상기에 기술한 바와 같이) 정제된 나노튜브 적용 용액의 3회 스핀 코팅 작업을 통하여 형성한, 그리고 그 후 각각의 SEM 이미지 내에 나타낸 방향을 따라 러빙 지향력의 적용을 통하여 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 된 상이한 배율의 예시적인 나노튜브 직물 층(각각 2001, 2002, 2003)의 SEM 이미지이다. 러빙력은 (나노튜브 직물 층이 테플론 또는 폴리테트라플루오로에틸렌 시트와 직접적 접촉 상태로 있도록) 웨이퍼를 테플론 또는 폴리테트라플루오로에틸렌 시트 상에 겉을 아래로 하여 두고, 웨이퍼의 이면(즉, 비코팅된 면) 상에 150 g 추를 두고, 웨이퍼는 테플론 또는 폴리테트라플루오로에틸렌 시트를 따라 대략 12.7 cm(대략 5 인치)의 거리를 15회 슬라이딩시킴으로써 적용하였다. 도 20a(5,000x 배율의 이미지)에서 명백한 바와 같이, 나노튜브 직물 층은 적용된 러빙력에서 생긴 질서화된 나노튜브의 얇은 밴드(대략 2 ㎛의 폭)를 나타냈다.

실시예 3:

도 21a - 도 21c는 먼저 (상기에 기술한 바와 같이) 정제된 나노튜브 적용 용액의 3회 스핀 코팅 작업을 통하여 형성한, 그리고 그 후 각각의 SEM 이미지 내에 나타낸 방향을 따라 러빙 지향력의 적용을 통하여 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 된 상이한 배율의 예시적인 나노튜브 직물 층(각각 2101, 2102, 2103)의 SEM 이미지이다. 러빙력은 (나노튜브 직물 층이 테플론 또는 폴리테트라플루오로에틸렌 시트와 직접적 접촉 상태로 있도록) 웨이퍼를 테플론 또는 폴리테트라플루오로에틸렌 시트 상에 겉을 아래로 하여 두고, 웨이퍼의 이면(즉, 비코팅된 면) 상에 150 g 추를 두고, 웨이퍼는 테플론 또는 폴리테트라플루오로에틸렌 시트를 따라 대략 12.7 cm(대략 5 인치)의 거리를 25회 슬라이딩시킴으로써 적용하였다. 도 21a(5,000x 배율의 이미지)에서 명백한 바와 같이, 생성된 나노튜브 직물 층을 적용된 러빙력의 방향을 따라 배향된 질서화된 상태로 되게 하였다.

실시예 4:

도 22a - 도 22c는 먼저 (상기에 기술한 바와 같이) 정제된 나노튜브 적용 용액의 4회 스핀 코팅 작업을 통하여 형성한, 그리고 그 후 각각의 SEM 이미지 내에 나타낸 방향을 따라 러빙 지향력의 적용을 통하여 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 된 상이한 배율의 예시적인 나노튜브 직물 층(각각 2201, 2202, 2203)의 SEM 이미지이다. 러빙력은 (나노튜브 직물 층이 이산화규소 웨이퍼 표면과 직접적 접촉 상태로 있도록) 웨이퍼를 300 mm 이산화규소 웨이퍼 상에 겉을 아래로 하여 두고, 그 이면(즉, 웨이퍼의 비코팅된 면) 상에 150 g 추를 두고, 웨이퍼는 이산화규소 웨이퍼를 따라 대략 10.16 cm(대략 4 인치)의 거리를 250회 슬라이딩시킴으로써 적용하였다. 도 22a(5,000x 배율의 이미지)에서 명백한 바와 같이, 생성된 나노튜브 직물 층을 적용된 러빙력의 방향을 따라 배향된 질서화된 상태로 되게 하였다.

실시예 5:

도 23a - 도 23c는 먼저 (상기에 기술한 바와 같이) 정제된 나노튜브 적용 용액의 3회 스핀 코팅 작업을 통하여 형성한, 그리고 그 후 각각의 SEM 이미지 내에 나타낸 방향을 따라 아크 생성 러빙력의 적용을 통하여 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 된 상이한 배율의 예시적인 나노튜브 직물 층(각각 2301, 2302, 2303)의 SEM 이미지이다. 러빙력은 아크 생성 동작으로 웨이퍼 위에 울 러빙 패드를 100회 통과시킴으로써 적용하였다. 울 러빙 패드는 웨이퍼 위에서 이것을 통과시킬 때 회전시키지 않았다. 도 23a(10,000x 배율의 이미지)에서 명백한 바와 같이, 생성된 나노튜브 직물 층을 적용된 아크 생성력의 초기 각도에 대하여 실질적으로 탄젠트인 실질적 직선 방향으로 배향된 질서화된 상태로 되게 하였다. 도 23b(25,000x 배율의 이미지)에서 명백한 바와 같이, 적용된 러빙력의 아크 생성 방향에도 불구하고, 나노튜브 요소는 일반적으로 선형 배향으로 질서화되었다.

실시예 6:

도 24a - 도 24c는 먼저 (상기에 기술한 바와 같이) 정제된 나노튜브 적용 용액의 1회 스핀 코팅 작업을 통하여 형성한, 그리고 그 후 각각의 SEM 이미지 내에 나타낸 방향을 따라 선형으로 적용하는 폴리싱력의 적용을 통하여 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 된 상이한 배율의 예시적인 나노튜브 직물 층(각각 2401, 2402, 2403)의 SEM 이미지이다. 폴리싱력은 선형 동작으로 웨이퍼 위에서 원통형 벨루어 롤러를 50회 통과시킴으로써 적용하였다. 원통형 벨루어 롤러를 60 rpm의 속도로 회전시키고, 각각의 통과에 있어서 초당 대략 1.016 cm(대략 0.4 인치)의 일정한 속도로 웨이퍼 위에서 통과시켰다. 도 24c(75,000x 배율의 이미지)에서 명백한 바와 같이, 생성된 나노튜브 직물 층을 적용된 폴리싱력의 방향을 따라 배향된 질서화된 상태로 되게 하였다.

실시예 7:

도 25a - 도 25c는 먼저 (상기에 기술한 바와 같이) 정제된 나노튜브 적용 용액의 3회 스핀 코팅 작업을 통하여 형성한, 그리고 그 후 각각의 SEM 이미지 내에 나타낸 방향을 따라 회전 폴리싱력의 적용을 통하여 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 된 상이한 배율의 예시적인 나노튜브 직물 층(각각 2501, 2502, 2503)의 SEM 이미지이다. 폴리싱력은 둥근 울 폴리싱 패드를 웨이퍼 위에 위치시키고, 폴리싱 패드를 90초 동안 분당 60회 회전의 속도로 회전시킴으로써 적용하였다. 도 25b(25,000x 배율의 이미지)에서 명백한 바와 같이, 생성된 나노튜브 직물 층을 몇몇 방향을 따라 배향된 질서화된 나노튜브 요소의 몇몇 영역으로 되게 하였다.

실시예 8:

도 26a - 도 26c는 본 발명의 방법에 의해 질서화 상태로 되게 하기 이전의, 상이한 배율의 예시적인 나노튜브 직물 층(각각 2601, 2602, 2603)의 SEM 이미지이다. 도 26a - 26c에 도시된 나노튜브 직물 층을 (상기에 기술한 바와 같이) 정제된 나노튜브 적용 용액의 Si 웨이퍼 위에서의 4회 스핀 코팅 작업을 통하여 형성하였다. 그 후, 침적된 나노튜브 직물 층을 선형 러빙력의 적용을 통하여 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 되게 하였다. 가중 CMP 패드(대략 75 g)를 나노튜브 직물 층의 길이를 따라 20회 슬라이딩시킴으로써 선형 러빙력을 적용하였다. 도 27a - 27b는 이러한 선형 러빙력을 도 27a - 27c에 나타낸 방향을 따라 적용한 후의 도 26a - 26c에 도시된 것과 동일한 나노튜브 직물 층의 SEM 이미지이다. 도 27c(75,000x 배율의 이미지)에서 명백한 바와 같이, 생성된 나노튜브 직물 층을 적용된 힘의 방향으로 배향된 질서화된 상태로 되게 하였다.

실시예 9:

도 28a - 도 28c는 먼저 (상기에 기술한 바와 같이) 정제된 나노튜브 적용 용액의 3회 스핀 코팅 작업을 통하여 형성한, 그리고 그 후 각각의 SEM 이미지 내에 나타낸 방향을 따라 저온 동적 충돌 작업의 적용을 통하여 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 된 상이한 배율의 예시적인 나노튜브 직물 층(각각 2801, 2802, 2803)의 SEM 이미지이다. 도 28d는 폴리싱력의 적용 이전의 나노튜브 직물 층의 실질적으로 질서화되지 않은 상태를 예시하는, 저온 동적 충돌 작업의 적용 이전의 형성 나노튜브 직물 층의 SEM 이미지(2804)이다. 일단 나노튜브 직물 층을 규소 기재 상에 형성시켰으면, 보호 플라스틱 층(폴리비닐리덴 클로라이드를 기재로 하는 사란 랩(Saran wrap))을 직물 층 위에 위치시켰다. 그 후, 저온 동적 충돌 건(gun)(바-트란 시스템, 인크.(Va-Tran System, Inc.)로부터 입수가능한 상업적 드라이아이스 세정 시스템)을 사용하여 이산화탄소의 냉동된 펠렛을 10회 통과 동안 스프레이하였다. 각각의 통과는 10초 동안 웨이퍼 표면(플라스틱 층으로 보호됨)을 가로질러 스프레이를 스위핑(sweeping)하는 것을 포함하였다. 각각의 통과 사이에, 보호 플라스틱 층에 시간을 주어 해동시켰다(대략 30초). 도 28c(75,000x 배율의 이미지)에서 명백한 바와 같이, 생성된 나노튜브 직물 층을 적용된 저온 동적 충돌력의 방향을 따라 배향된 질서화된 상태로 되게 하였다.

실시예 10:

도 29a - 도 29c는 1018 저탄소강 기재 위에 형성한 예시적인 나노튜브 직물 층의 형성 및 후속 질서화를 도시하는 SEM 이미지이다. 도 29a는 나노튜브 직물 층의 침적 이전의 상기 강 기재의 SEM 이미지(2901)이다. 도 29b는 (상기에 기술한 바와 같이) 정제된 나노튜브 적용 용액의 3회 스핀 코팅 작업을 통하여 형성한 예시적인 나노튜브 직물 층(실질적으로 질서화되지 않은 상태)의 SEM 이미지(2902)이다. 도 29c는 SEM 이미지(2903) 내에 나타낸 방향을 따라 러빙 지향력을 적용하는 것을 통하여 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 되게 한 후의 예시적인 나노튜브 직물 층의 SEM 이미지(2903)이다. 상기 강 기재의 표면을 따라 있는 기계 가공 홈이 모든 3개의 SEM 이미지(2901, 2902, 2903)에서 보이며, 이는 적용된 러빙력(SEM 이미지(2903)에 예시함)의 나타낸 방향에 직교하여 진행한다. 러빙력은 웨이퍼를 레이온 폴리싱 패드 상에 겉을 아래로 하여 두고(즉, 나노튜브 직물 층이 레이온 폴리싱 패드와 직접적 물리적 접촉 상태로 위치하도록 웨이퍼를 둠), 웨이퍼를 패드 표면을 따라 대략 15.24 내지 20.32 cm(대략 6 내지 8 인치) 50회 슬라이딩시킴으로써 적용하였다. 이 실시예 내에서 사용한 레이온 폴리싱 패드는 사우쓰 베이 테크놀로지, 인크.(South Bay Technology, Inc.) p/PRF12A-10 "레이온-정밀 연마포"였다. 도 29c에서 명백한 바와 같이, 생성된 나노튜브 직물 층은 적용된 러빙력의 방향을 따라 배향된 질서화된 상태로 되었다.

실시예 11:

도 30a - 도 30c는 먼저 (상기에 기술한 바와 같이) 정제된 나노튜브 적용 용액의 3회 스핀 코팅 작업을 통하여 형성한, 그리고 그 후 각각의 SEM 이미지 내에 나타낸 방향을 따라 압전 생성 러빙력을 적용하는 것을 통하여 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 된 상이한 배율의 예시적인 나노튜브 직물 층(각각 3001, 3002, 및 3003)의 SEM 이미지이다. 도 30d는 러빙력의 적용 이전의 나노튜브 직물 층의 실질적으로 질서화되지 않은 상태를 예시하는, 압전 생성 러빙력의 적용 이전의 형성 나노튜브 직물 층의 SEM 이미지(3004)이다. 일단 나노튜브 직물 층을 규소 기재 상에 형성시켰으면, 보호 플라스틱 층(폴리비닐리덴 클로라이드를 기재로 하는 사란 랩)을 직물 층 위에 위치시켰다. 그 후, y-폴(poled) 압전 결정 요소를 플라스틱 층 위에 두어서 상기 요소가 실질적으로 전체 나노튜브 직물 층을 덮게 하였다. 그 후, 압전 결정 요소와 나노튜브 직물 층 사이에 충분한 압력을 유지할 정도로 99 g(1.25 파운드) 추를 압전 결정 요소(추와 압전 결정 사이에 전기적 절연을 제공하기 위하여 PTFE 필름의 층을 사용함) 위에 두었다. 그 후, 압전 결정 요소를 11 kHz, 10 V (피크에서 피크까지)에서 2.5시간 동안 압전 증폭기에 의해 구동시켰다. SEM 이미지(2901, 2902, 2903)에 나타낸 방향은 압전 결정 요소의 진동 축을 나타낸다. 도 20c(75,000x 배율의 이미지)에서 명백한 바와 같이, 생성된 나노튜브 직물 층을 진동 방향을 따라 배향된 질서화된 상태로 되게 하였다.

실시예 12:

도 31a - 도 31c는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기재 위에 형성한, 그리고 각각의 SEM 이미지 내에 나타낸 방향을 따라 지향 러빙력을 적용하는 것을 통하여 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 된 상이한 배율의 예시적인 나노튜브 직물 층(각각 2801, 2802, 및 2803)의 SEM 이미지이다. 러빙력은 웨이퍼를 레이온 폴리싱 패드 상에 겉을 아래로 하여 두고(즉, 나노튜브 직물 층이 레이온 폴리싱 패드와 직접적 물리적 접촉 상태로 위치하도록 웨이퍼를 둠), 웨이퍼를 패드 표면을 따라 대략 15.24 내지 20.32 cm(대략 6 내지 8 인치) 50회 슬라이딩시킴으로써 적용하였다. 이 실시예 내에서 사용한 레이온 폴리싱 패드는 사우쓰 베이 테크놀로지, 인크. p/PRF12A-10 "레이온-정밀 연마포"였다. 도 31c(75,000x 배율의 이미지)에서 명백한 바와 같이, 생성된 나노튜브 직물 층은 적용된 러빙력의 방향을 따라 배향된 질서화된 상태로 되었다.

실시예 13:

도 32a - 도 32c는 먼저 (상기에 기술한 바와 같이) 정제된 나노튜브 적용 용액의 3회 스핀 코팅 작업을 통하여 형성한, 그리고 그 후 각각의 SEM 이미지 내에 나타낸 방향을 따라 고압 공기 유동 폴리싱 작업을 적용하는 것을 통하여 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 된 상이한 배율의 예시적인 나노튜브 직물 층(각각 3201, 3202, 3203)의 SEM 이미지이다. 도 32d는 폴리싱력의 적용 이전의 나노튜브 직물 층의 실질적으로 질서화되지 않은 상태를 예시하는, 고압 공기 유동 폴리싱 작업의 적용 이전의 형성 나노튜브 직물 층의 SEM 이미지(3204)이다. 일단 나노튜브 직물 층을 규소 기재 상에 형성시켰으면, 보호 플라스틱 층(폴리비닐리덴 클로라이드를 기재로 하는 사란 랩)을 직물 층 위에 위치시켰다. 그 후, 에어 건(air gun)("나노 서퍼 에어(nano supper air)" 노즐, 모델 번호 1110SS를 갖춘, 엑스에어(Exair)로부터 입수가능한 상업적 정밀 안전 에어 건, 모델 번호 1410SS)을 사용하여 나노튜브 직물 층 위에 100 psi로 12 스위프(sweep) 동안 질소 가스(N2)를 유동시켰다. 각각의 스위프는 대략 10초 동안 "지그재그(zig zag)" 패턴으로 웨이퍼 표면(플라스틱 층에 의해 보호됨)을 가로질러 에어 건을 이동시키는 것을 포함하였다. 도 32c(75,000x 배율의 이미지)에서 명백한 바와 같이, 생성된 나노튜브 직물 층을 공기 유동 방향을 따라 배향된 질서화된 상태로 되게 하였다.

실시예 14:

도 33a - 도 33b는 2024 알루미늄 합금 기재 위에 형성한 예시적인 나노튜브 직물 층의 질서화를 도시하는 SEM 이미지이다. 도 33a는 (상기에 기술한 바와 같이) 정제된 나노튜브 적용 용액의 3회 스핀 코팅 작업을 통하여 형성한 예시적인 나노튜브 직물 층(실질적으로 질서화되지 않은 상태)의 SEM 이미지(3301)이다. 도 33b는 SEM 이미지(3302)내에 나타낸 방향을 따라 지향 러빙력을 적용하는 것을 통하여 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 되게 한 후의 예시적인 나노튜브 직물 층의 SEM 이미지(3302)이다. 러빙력은 웨이퍼를 레이온 폴리싱 패드 상에 겉을 아래로 하여 두고(즉, 나노튜브 직물 층이 레이온 폴리싱 패드와 직접적 물리적 접촉 상태로 위치하도록 웨이퍼를 둠), 웨이퍼를 패드 표면을 따라 대략 15.24 내지 20.32 cm(대략 6 내지 8 인치) 50회 슬라이딩시킴으로써 적용하였다. 이 실시예 내에서 사용한 레이온 폴리싱 패드는 사우쓰 베이 테크놀로지, 인크. p/PRF12A-10 "레이온-정밀 연마포"였다. 도 33b에서 명백한 바와 같이, 생성된 나노튜브 직물 층은 적용된 러빙력의 방향을 따라 배향된 질서화된 상태로 되었다.

2024 알루미늄 합금 기재의 표면은 산화알루미늄 표면 코팅 내에 큰 기공을 나타내며, 여기서, 나노튜브 직물 층 내의 나노튜브 요소는 상기 표면으로부터 함입됨을 주목해야 한다. 이들 기공 영역 내의 나노튜브 요소는 정렬의 증거를 거의 나타내지 않으며, 반면, 더욱 조밀한 산화알루미늄 표면의 표면 상의 나노튜브 요소(즉, 기공 내의 것이 아닌 나노튜브 요소)는 매우 큰 정도의 정렬을 보여준다. 이는 직물과의 접촉이 이 샘플의 정렬에 중요한 측면이었음을 시사한다.

실시예 15:

도 34a - 도 34c는 먼저 (상기에 기술한 바와 같이) 정제된 나노튜브 적용 용액의 5회 스핀 코팅 작업을 통하여 형성한, 그리고 그 후 각각의 SEM 이미지 내에 나타낸 방향을 따라 지향 러빙력을 적용하는 것을 통하여 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 된 상이한 배율의 예시적인 나노튜브 직물 층(각각 3401, 3402, 3403)의 SEM 이미지이다. 러빙력은 (나노튜브 직물 층이 cmp 패드 표면과 직접적 접촉 상태로 있도록) 20" 롬 하스(ROHM HAAS) SPM3100 CMP 패드 상에 웨이퍼를 겉을 아래로 하여 둠으로써 적용하였다. 러빙 작업 시작 이전에, 웨이퍼 - CMP기의 헤드 내에 로딩함 - 에 탈이온수를 스프레이하여, 웨이퍼 표면 상의 나노튜브 직물 층과 CMP 패드 사이의 인터페이스에 윤활 매질을 제공하였다. CMP 헤드는 5분 동안 10 스트로크/분의 속도로 4.064 cm(1.6 인치)의 최대 스트로크 길이로 CMP 패드 위에서 웨이퍼를 전후로 통과시켰다. CMP 패드는 웨이퍼를 그 표면을 가로질러 러빙할 때 회전시키지 않았다. 도 34c(75,000x 배율의 이미지)에서 명백한 바와 같이, 나노튜브 직물 층은 적용된 러빙력의 방향을 따라 배향된 질서화된 상태로 되었다.

실시예 16:

도 35는 먼저 (상기에 기술한 바와 같이) 정제된 나노튜브 적용 용액의 3회 스핀 코팅 작업을 통하여 형성한, 그리고 그 후 전자 제어식 선형 작동장치를 통한 러빙력의 적용을 통하여 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 된 예시적인 나노튜브 직물 층의 AFM 이미지(3501)이다. 본 발명의 실시예 내에서, 뉴턴 선형 작동장치(모델 번호 CMA 12CCCL)를 뉴포트(Newport) 범용 동작 제어장치 드라이버(모델 번호 ESP 300)로 구동시켜 예시적인 나노튜브 직물 층의 표면 위에서 규소 웨이퍼를 전후로 병진시켰다. 상기 작동장치 및 동작 제어장치 드라이버 둘 모두는 미국 캘리포니아주 어바인의 뉴포트 코포레이션(Newport Corporation)으로부터 입수가능하며, 그러한 장비의 사용은 당업계의 숙련자에게 공지되어 있다. 규소 웨이퍼를 총 100회의 반복에 있어서 각각의 스트로크에서 1 mm의 거리로 병진시켰다. 조립체는 또한 38 g의 하향력(즉, 나노튜브 직물 층에 대하여 규소 러빙 표면을 누르는 힘)을 제공하였다. 도 35에서 명백한 바와 같이, 나노튜브 직물 층은 적용된 러빙력의 방향을 따라 배향된 질서화된 상태로 되었다.

실시예 17:

도 36은 먼저 (상기에 기술한 바와 같이) 정제된 나노튜브 적용 용액의 3회 스핀 코팅 작업을 통하여 형성한, 그리고 그 후 전자 제어식 선형 작동장치를 통한 러빙력의 적용을 통하여 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 된 예시적인 나노튜브 직물 층의 AFM 이미지(3601)이다. 본 발명의 실시예 내에서, 뉴턴 선형 작동장치(모델 번호 CMA 12CCCL)를 뉴포트 범용 동작 제어장치 드라이버(모델 번호 ESP 300)로 구동시켜 예시적인 나노튜브 직물 층의 표면 위에서 규소 웨이퍼를 전후로 병진시켰다. 상기 작동장치 및 동작 제어장치 드라이버 둘 모두는 미국 캘리포니아주 어바인의 뉴포트 코포레이션으로부터 입수가능하며, 그러한 장비의 사용은 당업계의 숙련자에게 공지되어 있다. 규소 웨이퍼를 총 1000회의 반복에 있어서 각각의 스트로크에서 0.1 mm의 거리로 병진시켰다. 조립체는 또한 42 g의 하향력(즉, 나노튜브 직물 층에 대하여 규소 러빙 표면을 누르는 힘)을 제공하였다. 도 36에서 명백한 바와 같이, 나노튜브 직물 층은 적용된 러빙력의 방향을 따라 배향된 질서화된 상태로 되었다.

실시예 18:

도 37은 먼저 (상기에 기술한 바와 같이) 정제된 나노튜브 적용 용액의 3회 스핀 코팅 작업을 통하여 형성한, 그리고 그 후 전자 제어식 선형 작동장치를 통한 러빙력의 적용을 통하여 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 된 예시적인 나노튜브 직물 층의 AFM 이미지(3701)이다. 본 발명의 실시예 내에서, 뉴턴 선형 작동장치(모델 번호 CMA 12CCCL)를 뉴포트 범용 동작 제어장치 드라이버(모델 번호 ESP 300)로 구동시켜 예시적인 나노튜브 직물 층의 표면 위에서 규소 웨이퍼를 전후로 병진시켰다. 상기 작동장치 및 동작 제어장치 드라이버 둘 모두는 미국 캘리포니아주 어바인의 뉴포트 코포레이션으로부터 입수가능하며, 그러한 장비의 사용은 당업계의 숙련자에게 공지되어 있다. 규소 웨이퍼를 총 1000회의 반복에 있어서 각각의 스트로크에서 0.05 mm의 거리로 병진시켰다. 조립체는 또한 80 g의 하향력(즉, 나노튜브 직물 층에 대하여 규소 러빙 표면을 누르는 힘)을 제공하였다. 도 37에서 명백한 바와 같이, 나노튜브 직물 층은 적용된 러빙력의 방향을 따라 배향된 질서화된 상태로 되었다.

실시예 19:

도 38은 먼저 (상기에 기술한 바와 같이) 정제된 나노튜브 적용 용액의 3회 스핀 코팅 작업을 통하여 형성한, 그리고 그 후 전자 제어식 선형 작동장치를 통한 러빙력의 적용을 통하여 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 된 예시적인 나노튜브 직물 층의 AFM 이미지(3801)이다. 본 발명의 실시예 내에서, 뉴턴 선형 작동장치(모델 번호 CMA 12CCCL)를 뉴포트 범용 동작 제어장치 드라이버(모델 번호 ESP 300)로 구동시켜 예시적인 나노튜브 직물 층의 표면 위에서 규소 웨이퍼를 전후로 병진시켰다. 상기 작동장치 및 동작 제어장치 드라이버 둘 모두는 미국 캘리포니아주 어바인의 뉴포트 코포레이션으로부터 입수가능하며, 그러한 장비의 사용은 당업계의 숙련자에게 공지되어 있다. 규소 웨이퍼를 총 1000회의 반복에 있어서 각각의 스트로크에서 0.01 mm의 거리로 병진시켰다. 조립체는 또한 28 g의 하향력(즉, 나노튜브 직물 층에 대하여 규소 러빙 표면을 누르는 힘)을 제공하였다. 도 38에서 명백한 바와 같이, 나노튜브 직물 층은 적용된 러빙력의 방향을 따라 배향된 질서화된 상태로 되었다.

실시예 20:

도 39a - 39d는 예시적인 규소 나노와이어 층과 함께 예시적인 나노튜브 직물 층의 형성 및 후속 질서화를 도시하는 SEM 이미지이다. 도 39a는 먼저 (상기에 기술한 바와 같이) 규소 웨이퍼 위에서 정제된 나노튜브 적용 용액의 3회 스핀 코팅 작업을 통하여 형성한, 그리고 그 후 규소 나노와이어 층으로 코팅한 예시적인 나노튜브 직물 층의 SEM 이미지(3901)이다. 구체적으로, 단분산 규소 나노와이어(미국 미주리주 세인트 루이스 소재의 시그마-알드리치, 인크(Sigma-Aldrich, Inc.), 모델 번호 730866)를 형성된 나노튜브 직물 층에 점적식으로 적용하였다. 30 드롭을 적용하였으며, 이때 각각의 드롭을 공기 건조시킨 후 후속 드롭을 적용하였다. 모든 30 드롭을 적용한 후, 규소 웨이퍼(이제 나노튜브 직물 층 및 규소 나노와이어 층으로 코팅됨)를 300℃에서 2분 동안 베이킹하였다. 도 39b - 도 39d는 지향 러빙력의 적용을 통하여 나노튜브 요소의 질서화된 네트워크로 되게 한 후의 상이한 배율의 예시적인 나노튜브 직물 및 규소 나노와이어 층(각각 3902, 3904, 3904)의 SEM 이미지이다. 러빙력은 웨이퍼를 레이온 폴리싱 패드 상에 겉을 아래로 하여 두고(즉, 나노튜브 직물 및 규소 나노와이어 층이 레이온 폴리싱 패드와 직접적 물리적 접촉 상태로 위치하도록 웨이퍼를 둠), 웨이퍼를 패드 표면을 따라 대략 10.16 cm(대략 4 인치) 30회 슬라이딩시킴으로써 적용하였다. 이 실시예 내에서 사용한 레이온 폴리싱 패드는 사우쓰 베이 테크놀로지, 인크. p/PRF12A-10 "레이온-정밀 연마포"였다. 도 39c(10,000x 배율의 이미지)에서 명백한 바와 같이, 나노튜브 직물 층 및 규소 나노와이어 둘 모두는 적용된 적용된 러빙력의 방향을 따라 배향된 질서화된 상태로 되었다. 본 실시예는 높은 종횡비의 나노규모 구조체(나노튜브 및 나노와이어를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아님)의 질서화에서 사용하기 위한 본 발명의 방법의 보편성을 입증한다.

본 출원인은 나노튜브 직물 내의 갭 및 공극을 최소화하거나 또는 실질적으로 제거하는 다수의 기술을 설명하였다. 이 기술은 또한 직물 내의 나노튜브의 위치화를 제어하고, 나노튜브 직물 내의 갭의 위치를 제어하고, 직물 내의 나노튜브의 농도를 제어한다고 할 수 있다. 예를 들어, 이들 기술은 낮은 다공도, 높은 밀도의 직물을 제공할 수 있다. 또한, 상기 기술은 나노튜브 직물 내에서의 나노튜브의 갭의 제어로서 기술될 수 있다. 따라서, 본 출원인은 현재의 리소그래피 한계치 이하(예를 들어, 20 nm 이하)의 크기의 소자를 생성하는 기술을 개시하였다. 낮은 다공도, 높은 밀도의 직물은 또한 예를 들어 나노튜브 필름 내의 갭을 추가의 나노튜브 요소로 채움으로써 생성될 수 있다.

또한, 본 출원인은 나노튜브 직물 층 위에서의 지향력의 병진을 위한 복수의 방법 및 장치를 기술하였다. 질서화 작업에 있어서 이들 방법 중 하나 이상의 선택 및 사용은 본 발명의 방법의 대부분의 적용에서 작업하는 나노튜브 직물 층 내의 나노튜브를 손상시키지 않거나 또는 다르게는 제거하지 않는 그러한 방법 및 장치에만 한정되어야 한다.

또한, 본원에 개시된 방법에 의해 제조된 질서화된 나노튜브 직물은 얇고, 강한 내구성 필름이 특정 기능에 필요할 경우 임의의 소자, 물품 또는 공정에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 방법은 직물 내의 나노튜브 요소의 농도 또는 직물 내의 갭의 수 또는 크기가 사전 선택된 내성 내에 맞는 것이 필요한 나노튜브 직물을 사용하는 임의의 응용에 유용하다.

본 발명을 이의 특정 실시양태와 관련하여 기술하였지만, 많은 다른 변화 및 변경과 다른 용도가 당업계의 숙련자에게 자명해질 것이다. 따라서, 본 발명은 본원의 특정 개시내용에 의해 한정되지 않고, 오히려 첨부된 특허청구범위에 의해 규정되며; 이러한 특허청구범위는 기술된 것의 변경 및 그에 대한 개선을 포함하는 것이 바람직하다.

Claims

네트워크 내에서의 나노규모 요소(nanoscopic element)의 배열 방법으로서,
재료 층 위에 배치된, 어떠한 현탁 매질도 없는 나노규모 요소의 네트워크를 제공하는 제1 단계; 및
상기 나노규모 요소의 네트워크 부분에 지향력(directional force)을 적용하여 상기 나노규모 요소의 적어도 일부를 질서화된(ordered) 네트워크로 배열시키는 제2 단계를 포함하고,
제1 단계는 제2 단계 이전에 수행되는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 지향력이 적어도 1회 상기 나노규모 요소의 상기 네트워크 부분 위에 적용되는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 지향력이 단일 방향을 따라 적용되는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 지향력이 복수의 방향을 따라 적용되는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 지향력이 아크 생성 방향을 따라 적용되는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 지향력을 상기 나노규모 요소의 상기 네트워크 부분에 반복적으로 적용하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제6항에 있어서, 상기 지향력의 상기 반복된 적용은 상기 나노규모 요소의 네트워크에 걸쳐 고정된 경로를 따르는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 재료 층은 강성인 방법.
제8항에 있어서, 상기 재료 층은 원소 규소, 산화규소, 질화규소, 탄화규소, PTFE, 유기 중합체, pvc, 스티렌, 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 아세테이트, 탄화수소 중합체, 무기 골격, 질화붕소, 비화갈륨, 제III족/제V족 화합물, 제II족/제VI족 화합물, 목재, 금속, 금속 합금, 금속 산화물, 세라믹 및 유리로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 재료 층은 강성 구조 복합체인 방법.
제1항에 있어서, 상기 재료 층은 가요성인 방법.
제11항에 있어서, 상기 재료는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아미드, 폴리술폰 및 다환형 올레핀으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 지향력의 적용 단계는 상기 나노규모 요소의 적어도 일부를 상기 나노규모 요소의 네트워크의 하나 이상의 사전 선택된 영역 내에 사전 선택된 배향으로 배열시키는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 지향력의 상기 적용 이전에 상기 나노규모 요소의 네트워크의 일부 위에 윤활 매질을 침적시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제14항에 있어서, 상기 윤활 매질은 물, 할로카본 액체, 액화 가스, 탄화수소 액체, 작용화된 유기 액체, 유기실록산 기재의 환형, 선형 액체, 이황화몰리브덴, 질화붕소, 흑연 및 스티렌 비드로 이루어진 목록으로부터 선택된 하나 이상의 재료를 포함하는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 나노규모 요소의 네트워크는 스핀 코팅 작업, 스프레이 코팅 작업, 딥(dip) 코팅 작업, 실크 스크린 인쇄 작업 또는 그라비어(gravure) 인쇄 작업 중 하나를 통하여 형성되는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 나노규모 요소는 나노튜브인 방법.
제17항에 있어서, 상기 나노튜브는 카본 나노튜브인 방법.
제1항에 있어서, 상기 나노규모 요소의 네트워크는 카본 나노튜브와 다른 재료의 복합 혼합물인 방법.
제19항에 있어서, 상기 다른 재료는 버키볼(buckyball), 무정형 카본, 은 나노튜브, 양자점, 콜로이드성 은, 단분산 폴리스티렌 비드 및 실리카 입자로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 나노규모 요소는 작용화된 카본 나노튜브인 방법.
제21항에 있어서, 상기 작용화된 카본 나노튜브는 상기 카본 나노튜브의 측벽 위에 전기적 절연 장벽을 제공하는 모이어티(moiety)가 부착된 카본 나노튜브인 방법.
제22항에 있어서, 상기 모이어티는 유기 작용기인 방법.
제22항에 있어서, 상기 모이어티는 규소 작용기인 방법.
제22항에 있어서, 상기 모이어티는 유기실리케이트, 산화규소, 유기 산화규소, 메틸실세스퀴옥산, 수소 실세스퀴옥산, 유기실록산, 디메틸실록산/폴리오르가노 에테르, 유기중합체, DNA 및 폴리아미드 중 하나 이상을 포함하는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 나노규모 요소는 나노와이어인 방법.
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제1항에 있어서, 상기 지향력은 러빙(rubbing) 요소를 통하여 적용되는 것인 방법.
제28항에 있어서, 상기 러빙 요소는 원소 규소, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스, 폴리에스테르, 폴리아미드, 중합체 재료 및 전분과 물의 반경질(semi-rigid) 슬러리로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 재료를 포함하는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 지향력은 폴리싱(polishing) 요소를 통하여 적용되는 것인 방법.
제30항에 있어서, 상기 폴리싱 요소는 상기 나노규모 요소의 네트워크에 평행인 평면 내에서 회전하는 것인 방법.
제30항에 있어서, 상기 폴리싱 요소는 폴리에스테르 미세섬유, 폴리아미드 미세섬유, 폴리에스테르, 폴리아미드, 스티렌, 폴리비닐 알코올 폼(foam), 면, 울(wool), 셀룰로오스 및 레이온 중 하나 이상을 포함하는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 지향력은 상기 나노규모 요소의 네트워크 위에서 원통형 요소를 롤링시킴으로써 적용되는 것인 방법.
제33항에 있어서, 상기 원통형 요소는 철, 코발트, 니켈, 아연, 텅스텐, 크롬, 망간, 마그네슘, 티타늄, 알루미늄, 강, 고무, 플라스틱, 폴리스티렌, 멜라민, 실리콘, 폴리카르보네이트, 폴리에틸렌, 자기, 산화규소, 알루미나, 탄화규소 및 목재로 이루어진 군으로부터 선택된 재료를 포함하는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 지향력은 저온 동적(cryokinetic) 스프레이를 통하여 적용되는 것인 방법.
제35항에 있어서, 상기 저온 동적 스프레이는 이산화탄소(CO₂) 및 아르곤(Ar) 중 하나를 포함하는 것인 방법.
제35항에 있어서, 상기 저온 동적 스프레이는 직선 방향으로 상기 나노규모 요소의 네트워크에 걸쳐 병진시키는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 지향력은 롤투롤(roll-to-roll) 공정 내에 적용되는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 지향력은 상기 나노규모 요소의 네트워크에 직접적으로 적용되는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 지향력은 개재 재료를 통하여 상기 나노규모 요소의 네트워크에 적용되는 것인 방법.