KR20010066817A - 고순도의 탄소나노튜브를 합성하는 방법 - Google Patents

Abstract

고순도의 탄소나노튜브(carbon nanotubes)를 합성하는 방법을 개시한다. 본 발명의 일 관점은, 반응로 내에 탄화 가스의 반응 가스를 공급하여 탄화 가스의 반응에 의해서 탄소나노튜브를 합성하고, 탄소나노튜브를 합성 직후에 반응로 내에 아르곤 가스 또는 질소 가스를 공급하여 반응로 외부로 반응 후 잔류하는 반응 가스를 제거한다.

Description

고순도의 탄소나노튜브를 합성하는 방법{Method of synthesizing highly purified carbon nanotubes}

본 발명은 탄소나노튜브 합성 방법에 관한 것으로, 특히, 합성시 반응로 내에 잔류하는 반응 가스 양을 제어하여 고순도 탄소나노튜브를 합성하는 방법에 관한 것이다.

탄소나노튜브는, 미시적으로 하나의 탄소 원소에 이웃하는 세 개의 탄소 원자가 결합되어 있으며, 이러한 탄소 원자간의 결합에 의해서 육각 환형이 이루어지고, 이러한 육각 환형이 벌집 형태로 반복된 평면이 말려 원통형을 이룬 형태를 가진다. 상기한 원통형 구조는 그 직경이 일반적으로 수 ㎚이며, 그 길이는 직경에수십 배 내지 수천 배 이상으로 긴 특성을 가진다고 알려져 있다.

근래, 이러한 탄소나노튜브를 합성하기 위해서 여러 가지 방법들이 시도되고 있으나, 지금까지 개발된 탄소나노튜브의 합성 방법들은 부산물 생성을 수반하며 탄소나노튜브를 생성하는 데 그치고 있다. 이러한 부산물은 탄소나노튜브의 표면에 흡착되는 탄소 파티클(carbon particle) 또는 탄소 덩어리들이 대표적이다.

따라서, 합성한 탄소나노튜브를 이용하기 위해서는, 상기한 탄소나노튜브를 정제하는 것이 필수적이다. 그러나, 탄소나노튜브와 상기한 부산물은 기본적으로 동일한 원소인 탄소로 이루어져 있어, 탄소나노튜브만을 정제해 내기는 매우 어렵고 그 수율 또한 매우 낮은 것으로 알려져 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 탄소나노튜브가 생성될 때 탄소 부산물의 발생을 방지할 수 있는 탄소나노튜브 합성 방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 합성 방법에 수행되는 장치를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도이다.

<도면의 주요 부호에 대한 간략한 설명>

100; 석영 튜브, 200; 저항 코일,

300; 대면적 기판, 400; 석영 보트.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 관점은, 반응로 내에 탄화 가스의 반응 가스를 공급하여 상기 탄화 가스의 반응에 의해서 탄소나노튜브를 합성하는 단계 및 상기 탄소나노튜브를 합성하는 단계 직후에 상기 반응로 내에 아르곤 가스 또는 질소 가스를 공급하여 상기 반응로 외부로 상기 반응 후 잔류하는 반응 가스를 제거하는 단계를 포함하는 탄소나노튜브 합성 방법을 제공한다.

상기 탄소나노튜브를 합성하는 단계는 상기 반응로 내에 표면에 촉매 금속층이 형성된 기판을 장착하는 단계와, 상기 반응로 내에 암모니아 가스를 상기 반응로 내에 공급하여 상기 촉매 금속층을 식각하여 촉매 금속의 미세한 그레인을 형성하는 단계, 및 상기 공급되는 탄화 가스의 반응에 의해서 상기 미세한 그레인 상에 성장되는 탄소나노튜브를 합성하는 단계를 포함한다. 이때, 상기 미세한 그레인을 형성하는 단계는 상기 반응로 내의 온도를 대략 700℃ 내지 1000℃ 정도로 제어하며 수행될 수 있다.

상기 반응로는 상기 탄소나노튜브를 합성하는 단계에서 대략 600℃ 내지 1000℃ 정도의 온도로 제어되고, 상기 잔류 반응 가스를 제거하는 단계에서 대략 600℃ 내지 1000℃ 정도의 온도로 제어될 수 있다. 상기 반응로는 상기 탄소나노튜브를 합성하는 단계 및 상기 잔류 반응 가스 제거 단계에서 동일한 온도로 유지될 수 있다.

더하여, 상기 잔류 반응 가스 제거 단계 이후에, 상기 아르곤 가스 또는 상기 질소 가스를 계속 공급하며 상기 반응로의 온도를 하강시킬 수 있다.

상기 탄소나노튜브 합성 방법은 열화학 기상 증착법, 플라즈마 화학 기상증착법 또는 열분해법을 이용하여 수행될 수 있다.

본 발명에 따르면, 고순도의 탄소나노튜브를 대량으로 합성할 수 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면 상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.

본 발명은, 탄화 가스가 반응하여 탄소나노튜브를 합성한 직후에, 상기 합성 반응이 수행된 반응로 내에 잔류하는 반응 가스를 아르곤 가스를 반응로에 공급하여 잔류 반응 가스를 제거하는 단계를 포함하는 탄소나노튜브 합성 방법을 제공한다. 상기한 바와 같은 잔류 반응 가스를 제거함으로써, 생성된 탄소나노튜브에 탄소 덩어리 또는 탄소 파티클이 흡착되는 것을 근원적으로 방지할 수 있다. 보다 상세하게는 도면을 참조하는 구체적인 실시예를 통해서 설명된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 합성 방법에 수행되는 장치를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도이다.

구체적으로, 도 1은 횡형 로(furnace)로 구성되는 장치를 도시한 것으로, 열화학 기상 증착(thermal chemical vapor deposition)을 수행하기 위하여 상기한 로 장치가 이용된다. 이하, 본 발명의 실시예를 상기한 열화학기상증착법을 통해서 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 플라즈마{plasma)를 이용한 화학기상증착법 또는 열분해법 등과 같이 반응 가스를 이용하여 탄소나노튜브를 합성하는 방법에는 적용될 수 있다.

상기한 로 장치는 반응로로 이용되는 석영 튜브(100)와 상기 석영 튜브(100)를 가열하여 반응 온도를 제공하는 저항 코일(200)로 이루어지는 가열 수단으로 이루어진다. 석영 튜브(100)의 어느 일 단부로는 가스가 공급되고 다른 일단으로는 사용된 가스가 배기된다. 탄소나노튜브가 성장된 기판(300)은 석영으로 이루어지는보트(boat;400)에 실려 상기한 석영 튜브(100) 내에 인입된다.

기판(300)은 탄소나노튜브의 대량 생산에 적합하게 대면적을 가지는 것이 바람직하다. 이때, 기판(300)의 탄소나노튜브가 형성될 면(350)이 공급되는 가스 흐름에 반대되는 방향으로 대향하도록 기판(300)을 보트(400)에 장착하는 것이 바람직하다. 이는 탄소나노튜브 합성시 기판(300)에 공급되는 가스의 균일도를 향상시키기 위해서이다.

구체적으로, 탄소나노튜브의 대량 생산을 위해서 대면적의 기판(300)을 준비한다. 기판(300)의 표면 상에는 절연 물질, 예컨대, 실리콘 산화물 또는 알루미나로 이루어지는 절연층(도시되지 않음)을 더 형성할 수 있다. 절연층 상에 촉매 금속층은 통상의 열증착법 또는 전자선 증착법, 스퍼터링법(sputtering) 등으로 형성할 수 있다. 이러한 촉매 금속층은 탄소나노튜브 생성시 촉매 작용을 할 수 있는 코발트(Co), 니켈(Ni), 철(Fe) 또는 코발트-니켈(Co-Ni) 합금과 같은 이들 금속의 합금으로 이루어질 수 있다. 이러한 촉매 금속층은 대략 20 ㎚ 내지 200㎚의 두께로 형성된다.

상기한 바와 같이 탄소나노튜브가 형성될 면(350), 즉, 상기한 바와 같이 하부에 절연층으로 기판(300)과 절연된 촉매 금속층이 노출되는 면(350)을 가지는 대면적 기판(300)을 보트(400)에 장착한 후, 로 장치의 석영 튜브(100) 내에 인입시킨다. 이때, 상기한 탄소나노튜브가 형성될 면(350)이 가스가 공급되는 방향에 반대 방향으로 향하고 아래쪽을 향하도록 기판(300)을 배열시키는 것이 바람직하다.

이후에, 석영 튜브(100) 내부의 온도를 대략 700℃ 내지 1000℃의 범위로 조절한 후, 상기 석영 튜브(100) 내로, 즉, 반응로 내로 암모니아(NH₃) 가스를 80sccm(Standard Cubic Centimeter per Minute) 내지 400sccm의 흐름량으로 대략 10분 내지 30분 정도 공급한다. 이에 따라, 공급되는 암모니아 가스는 촉매 금속층의 표면을 식각하여 절연층 상에 촉매 금속으로 이루어지는 미세한 그레인(grain)을 형성시킨다.

이후에, 상기한 암모니아 가스의 공급을 중단한 후, 석영 튜브(100), 즉, 반응로의 온도를 대략 600℃ 내지 1000℃의 범위로 제어한 후, 상기 석영 튜브(100) 내로 탄화 가스를 공급한다. 탄화 가스로는 아세틸렌 가스, 메탄 가스, 프로판 가스 또는 에틸렌 가스 등을 이용할 수 있다. 이러한 탄화 가스는 대략 20sccm 내지 200sccm의 흐름량으로 대략 10분 내지 40분 정도 상기 반응로 내부로 흘러든다.

상기한 조건으로 공급된 탄화 가스는 상기 촉매 금속의 미세한 그레인 위에 탄소나노튜브를 합성시킨다.

이와 같이 탄소나노튜브를 합성한 직후에 상기 석영 튜브(100) 내로 아르곤 가스(Ar)를 공급하여 상기 탄소나노튜브 합성 반응에서 잔류하는 반응 가스를 석영 튜브(100) 외부로 배출시킨다. 즉, 상기 석영 튜브(100) 내로의 탄화 가스 공급을 중단함과 동시에 석영 튜브(100), 즉, 반응로의 온도를 계속 상기한 600℃ 내지 1000℃로 유지하며, 상기 석영 튜브(100) 내로 아르곤 가스를 공급한다. 이때, 상기 아르곤 가스를 대신하여 불활성 가스인 질소 가스를 상기 반응로에 공급할 수 있다.

상기한 아르곤 가스는 상기 잔류 반응 가스를 완전히 배출하도록 대략 400sccm 내지 1000sccm의 흐름량으로 대략 10분 내지 20분 정도 공급한다. 이와 같이 탄소나노튜브가 합성되는 온도 범위 내에서 상기한 바와 같이 아르곤 가스를 반응로 내에 흘려주어 잔류 반응 가스를 제거하면, 합성된 탄소나노튜브의 표면 또는 측면에 상기한 잔류 반응 가스로부터 생성되는 탄소 덩어리 또는 탄소 파티클이 흡착되는 것을 방지할 수 있다.

잔류하는 반응 가스는 불완전한 반응을 일으켜 탄소나노튜브의 표면에 탄소 파티클 또는 탄소 덩어리를 높은 밀도로 존재시키는 요인으로 작용하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 상기한 바와 같이 아르곤 가스를 공급하여 잔류 반응 가스를 제거하면, 상기한 잔류 반응 가스의 불완전 반응을 근원적으로 제거하는 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 탄소나노튜브의 표면 또는 측면에 상기한 탄소 덩어리 또는 탄소 파티클이 흡착되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 탄소나노튜브를 합성한 후 정제하는 과정이 불필요할 뿐만 아니라 고순도의 탄소나노튜브를 대량으로 합성하는 것이 가능하다.

이와 같이 탄소나노튜브가 합성되는 온도 범위 내에서, 상기한 바와 같이 아르곤 가스 또는 질소 가스를 반응로 내에 흘려주어 잔류 반응 가스를 제거한 후, 아르곤 가스 또는 질소 가스를 계속 공급하며 반응로, 즉, 석영 튜브(100) 내 온도를 서서히 내린다. 이때, 상기 아르곤 가스 또는 질소 가스는 석영 튜브(100) 내의 온도를 내리는 동안 계속 공급되며, 대략 200sccm 내지 400sccm 정도로 공급한다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

상술한 본 발명에 따르면, 합성된 탄소나노튜브의 표면 또는 측면에 잔류 반응 가스에 의한 탄소 덩어리 또는 탄소 파티클이 흡착되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 고순도의 탄소나노튜브 합성이 가능하다. 또한, 탄소나노튜브의 합성 직후 잔류 반응 가스를 제거하므로, 고순도의 탄소나노튜브의 대량 합성이 가능하다.

Claims (7)

1. 반응로 내에 탄화 가스의 반응 가스를 공급하여 상기 탄화 가스의 반응에 의해서 탄소나노튜브를 합성하는 단계; 및

   상기 탄소나노튜브를 합성하는 단계 직후에 상기 반응로 내에 아르곤 가스 또는 질소 가스를 공급하여 상기 반응로 외부로 상기 반응 후 잔류하는 반응 가스를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 합성 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브를 합성하는 단계는

   상기 반응로 내에 표면에 촉매 금속층이 형성된 기판을 장착하는 단계;

   상기 반응로 내에 암모니아 가스를 상기 반응로 내에 공급하여 상기 촉매 금속층을 식각하여 촉매 금속의 미세한 그레인을 형성하는 단계; 및

   상기 공급되는 탄화 가스의 반응에 의해서 상기 미세한 그레인 상에 성장되는 탄소나노튜브를 합성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 합성 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 미세한 그레인을 형성하는 단계는

   상기 반응로 내의 온도를 대략 700℃ 내지 1000℃ 정도로 제어하며 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 합성 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 반응로는

   상기 탄소나노튜브를 합성하는 단계에서 대략 600℃ 내지 1000℃ 정도의 온도로 제어되고,

   상기 잔류 반응 가스를 제거하는 단계에서 대략 600℃ 내지 1000℃ 정도의 온도로 제어되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 합성 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 반응로는

   상기 탄소나노튜브를 합성하는 단계 및 상기 잔류 반응 가스 제거 단계에서 동일한 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 합성 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 잔류 반응 가스 제거 단계 이후에,

   상기 아르곤 가스 또는 상기 질소 가스를 계속 공급하며 상기 반응로의 온도를 하강시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 합성 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 합성 방법은 열화학기상증착법, 플라즈마 화학 기상증착법 또는 열분해법을 이용하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 합성 방법.