KR20010049547A - 촉매금속 미세 패턴들을 이용하여 탄소나노튜브의 직경을조절하는 합성법 - Google Patents

Abstract

촉매금속 미세 패턴들을 이용하여 탄소나노튜브의 직경을 조절하는 합성 방법을 제공한다. 먼저, 사진 식각 공정을 사용하여 기판상에 촉매금속 미세 패턴들을 형성한 후, 촉매금속 미세 패턴들 각각에 탄소나노튜브를 성장시킨다. 본 발명에 따르면 탄소나노튜브의 직경을 촉매금속 미세 패턴들의 크기에 따라 조절할 수 있다.

Description

촉매금속 미세 패턴들을 이용하여 탄소나노튜브의 직경을 조절하는 합성법{Synthesis method for controlling diameter of carbonnanotubes using catalytic metal fine patterns}

본 발명은 탄소나노튜브의 합성 방법에 관한 것으로, 특히 촉매금속 미세 패턴들을 이용하여 탄소나노튜브의 직경을 조절하는 합성 방법에 관한 것이다.

안락 의자(arm-chair) 구조일 때는 도전성을 지그 재그(zig-zag) 구조일 때는 반도체성을 나타내는 특성을 지니는 탄소나노튜브를 FED(field emission display), 백색광원, 리튬 2차전지, 수소 저장 연료 전지, 트랜지스터. 나노와이어(nanowire) 또는 CRT(cathode- ray tube)의 전자방출원등에 산업적으로 적용하기 위해서는 고순도의 탄소나노튜브를 대면적 기판위에 수직으로 정렬하여 합성하는 것이 유리하다. 또 탄소나노튜브의 합성시 탄소나노튜브의 직경, 길이, 기판상의 밀도 및 균일도등을 용이하게 조절할 수 있어야 한다.

현재까지 알려진 탄소나노튜브를 합성하는 방법인 전기방전법, 레이저증착법, 기상합성법, 열화학기상증착법 또는 플라즈마 화학기상증착법 등에 따르면 탄소나노튜브를 합성할 때 원하는 크기로 탄소나노튜브의 직경을 조절하는 것이 매우 어렵다.

탄소나노튜브의 직경은 탄소나노튜브의 전기적 특성과 물리적 특성에 큰 영향을 미치는 요인으로써, 이것을 정확하게 조절하는 것은 탄소나노튜브의 각종 특성을 제어하기 위하여 필수적일 뿐만 아니라 탄소나노튜브를 여러 분야에 응용하고자 할 경우 매우 중요하게 대두되는 요소이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 탄소나노튜브의 직경을 용이하게 조절하면서 탄소나노튜브를 합성할 수 있는 합성 방법을 제공하고자 하는 것이다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소나노튜브의 직경을 조절하는 합성법을 설명하기 위한 단면도들이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1: 기판, 2: 촉매금속막, 2p: 촉매금속 미세 패턴,

3: 탄소나노튜브, 4: 탄화 수소 가스

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 합성에 따르면, 기판상에 촉매금속 미세 패턴들을 형성한 후, 촉매금속 미세 패턴들 각각에 탄소나노튜브를 성장시킨다.

촉매금속 미세 패턴들을 형성하는 단계는 기판상에 촉매금속막을 형성하고, 촉매금속막상에 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 포토레지스트 패턴을 식각마스크로하여 촉매금속막을 식각하여 촉매금속 미세 패턴들을 형성한다.

촉매금속 미세 패턴들 각각에 탄소나노튜브를 성장시키는 단계는 촉매금속 미세 패턴들에 400 내지 1000℃ 에서 열분해 또는 플라즈마화된 탄화 수소 가스를 공급하여 상기 탄소나노튜브를 성장시키는 단계이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록하며, 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

먼저, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 기판(1), 예컨대 실리콘 기판, 알루미나 기판 또는 유리 기판상에 촉매금속막(2)을 형성한다. 촉매금속막(2)은 코발트, 니켈, 철, 또는 이들의 합금을 사용하여 50 내지 100nm 두께로 형성한다.

이어서, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 촉매금속막(2)상에 사진식각 공정을 이용하여 포토레지스트 패턴(PR)을 형성한다. 촉매금속막(2)상에 포토레지스트를 코팅시킨 후, 노광 및 현상 공정을 통해 수 nm 내지 수백 nm 크기의 포토레지스트 패턴(PR)을 형성한다.

계속해서 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 포토레지스트 패턴(PR)을 식각마스크로하여 촉매금속막(2)을 식각하여 수 nm 내지 수백 nm 크기로 패턴된 촉매금속 미세 패턴(2p)들을 형성한다.

마지막으로 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 400℃ 내지 1000℃의 온도에서 열분해 또는 플라즈마화된 탄화수소(hydrocarbon) 가스, 예컨대 아세틸렌, 에틸렌, 에탄, 프로필렌, 프로판 또는 메탄가스등을 촉매금속 미세 패턴(2p)들에 공급하여 촉매금속 미세 패턴들(2p)상에서 탄소나노튜브(3)들이 기판(1)에 수직으로 정렬되어 성장하도록 한다.

구체적으로 열분해 방식의 경우에는 촉매금속 미세 패턴(2p)들이 형성된 기판(1)을 열화학기상증착장치의 반응로내에 로딩한 후, 반응로의 압력을 수 백 mTorr ∼ 수 Torr 정도로 유지하고, 온도를 400 내지 1000℃로 승온시킨 후, 탄화 수소 가스를 반응로내로 주입하여 열분해시켜 촉매금속 미세 패턴(2p)들 각각에서 탄소나노튜브들이 성장하도록 한다.

플라즈마 방식의 경우에는 촉매금속 미세 패턴(2p)들이 형성된 기판(1)을 주파수 13.6MHz 및 전력이 50W 내지 250W인 플라즈마 장치내로 로딩한 후, 가스의 압력을 0.1 Torr 내지 20Torr로 하고 기판 온도를 400℃ 내지 700℃로 유지한 후, 탄화 수소 가스를 플라즈마 장치내로 주입하여 플라즈마를 형성하여 촉매금속 미세 패턴(2p)들 각각에서 탄소나노튜브들이 성장하도록 한다.

본 발명에 따라 탄소나노튜브들을 형성할 경우 탄소나노튜브의 직경을 자유롭게 조절할 수 있으므로, 본 발명에 따라 형성된 탄소나노튜브들은 전자 방출원 또는 전자 방출 소자의 제작에 용이하게 적용될 수 있다.

본 발명에 따르면, 사진 식각 공정으로 촉매금속 미세 패턴을 형성한다. 촉매금속 입자상에서 성장하는 탄소나노튜브의 직경은 촉매금속 미세 패턴의 크기에 비례한다. 따라서, 사진 식각 공정시 포토레지스트 패턴의 크기를 조절함으로서 촉매금속 미세 패턴의 크기를 간단하게 조절할 수 있다. 그 결과 탄소나노튜브의 직경을 자유롭게 조절할 수 있는 장점이 있다. 또, 포토레지스트 패턴들의 밀도를 조절함으로써 기판상에 형성되는 탄소나노튜브들의 밀도 또한 용이하게 조절할 수 있다.

Claims (4)

1. 사진식각공정으로 기판상에 촉매금속 미세 패턴들을 형성하는 단계; 및

   상기 촉매금속 미세 패턴들 각각에 탄소나노튜브를 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 직경을 조절하는 합성 방법
2. 제1 항에 있어서, 상기 촉매금속 미세 패턴들은 코발트, 니켈, 철 또는 이들의 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 직경을 조절하는 합성 방법.
3. 제1 항에 있어서, 상기 촉매금속 미세 패턴들 각각에 탄소나노튜브를 성장시키는 단계는 상기 촉매금속 미세 패턴들에 400 내지 1000℃ 에서 열분해된 또는 플라즈마화된 탄화 수소 가스를 공급하여 상기 탄소나노튜를 성장시키는 단계인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 직경을 조절하는 합성 방법.
4. 제1 항에 있어서, 상기 탄소나노튜브를 성장시키는 단계는 전자방출원 또는 전자방출 소자의 제조에 필요한 직경을 지니는 탄소나노튜브를 성장시키는 단계인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 직경을 조절하는 합성 방법.