KR20020003782A - 탄소나노튜브의 제작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 수평배향된 탄소나노튜브의 제작 방법에서는 기판 위에 전이 금속 패턴을 형성하고 그 상부에 실리콘 산화막이나 실리콘 질화막으로 이루어진 절연막 패턴을 형성한다. 이어, 탄소를 함유하는 가스를 이용하여 탄소나노튜브를 성장시키면 탄소나노튜브는 금속 패턴의 측면으로부터 기판에 평행한 방향으로 성장된다. 이와 같이 수평으로 성장된 탄소나노튜브를 이용하여 별도의 재배열 공정없이 다이오드나 트랜지스터, 또는 센서와 같은 소자를 제작할 수 있다.

Description

탄소나노튜브의 제작 방법{fabrication method of carbon nanotubes}

본 발명은 탄소나노튜브의 제작(성장) 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소나노튜브를 수평 방향으로 제작(성장)하는 방법에 관한 것이다.

최근 신소재 소자로서 각광받고 있는 탄소나노튜브(carbon nanotube)는 육각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 튜브 모양을 이루는 수 내지 수십 ㎚ 직경의 미세한 구조로서 흑연 판상(sp2)을 둥글게 말아 형성된 것과 같은 모양을 가진다.

탄소나노튜브는 강도가 강하면서도 끊어지지 않고 휠 수 있으며, 다시 본래의 모양으로 돌아오기도 하는 특성을 가지는데, 계속적인 반복 사용에도 손상되거나 마모되지 않는다.

한편, 탄소나노튜브는 직경에 비하여 길이가 매우 크기 때문에 구조의 비등방성이 크며, 말린 형태와 구조 및 직경에 따라 전기적 특성이 달라진다. 즉, 말려진 상태나 튜브의 직경에 따라 금속과 같은 전기적 도체가 되기도 하고 또는 전기를 잘 통하지 않는 반도체가 되기도 한다. 또한, 탄소나노튜브가 다발을 이룰 경우에는 나노튜브의 상호작용에 의해 도핑한 반도체의 성질을 띤다는 것이 알려져 있다.

이밖에도 탄소나노튜브는 열전도도가 크고 전자 방출 특성과 화학적 반응성 등이 매우 우수하기 때문에 다양한 산업분야에서 많이 활용될 수 있으며, 부피에 비하여 표면적이 매우 크기 때문에 높은 표면 반응성과 함께 미량의 화학성분 검출과 수소저장과 같은 응용분야에서도 유용하다.

이러한 탄소나노튜브를 제작하는 방법으로는 아크방전법이나 레이저 증착법, 열 화학기상증착법(thermal chemical vapor deposition) 및 핫필라멘트(hot filament) 플라즈마 화학기상증착법 등이 있다.

이중, 아크 방전법을 이용한 탄소나노튜브의 제작 방법은 그 수율이 낮으며, 레이저 증착법을 이용한 경우와 마찬가지로 탄소나노튜브를 소자에 응용하기 위해서 미세기구를 통한 조작에 의해 탄소나노튜브를 재배열하는 공정이 필요하다.

한편, 열 화학기상증착법이나 핫필라메트 플라즈마 화학기상증착법을 이용한 경우에는 탄소나노튜브가 기판 위에 수직 방향으로 성장되므로 전계 방출 표시장치(FED : field emission display)와 같은 소자에는 이용하기 쉽지만 탄소나노튜브를 기판에 수평 방향으로 배열하게 되는 트랜지스터나 다이오드, 센서 등에는 이용하기 어려운 문제가 있다.

본 발명의 과제는 탄소나노튜브를 수평 방향으로 성장시키는 방법을 제시하는 것이다.

본 발명의 다른 과제는 수평 방향으로 성장된 탄소나노튜브를 이용한 소자의 제작 방법을 제시하는 것이다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브의 제작 과정을 도시한 도면.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따라 제작한 소자를 도시한 도면.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 제2 실시예에 따른 탄소나노튜브의 제작 과정을 도시한 도면.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따라 제작한 소자를 도시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 기판 110 : 금속 패턴

120 : 절연막 패턴 130 : 탄소나노튜브

140 : 금속 전극 150 : 도금층

이러한 과제를 해결하기 위해 본 발명에서는 촉매로 작용하는 천이 금속 상부에 절연막 패턴을 형성한다.

본 발명에 따른 탄소나노튜브의 제작 방법에서는 기판을 구비하고, 기판 위에 천이 금속으로 이루어진 금속 패턴을 형성한다. 이어, 금속 패턴 상부에 절연막패턴을 형성한 후, 탄소나노튜브를 형성한다.

여기서, 금속 패턴은 Ni이나 Fe 또는 Co 중의 어느 하나로 이루어질 수 있으며, 금속 패턴의 두께는 1,000 Å 이하일 수 있다.

또한, 절연막 패턴은 금속 패턴 상부 및 금속 패턴의 어느 한쪽을 덮고 있을 수도 있다. 이때, 절연막 패턴은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막 중의 어느 하나로 이루어질 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 또 다른 탄소나노튜브의 제작 방법에서는 기판 위에 금속 패턴을 형성하고, 금속 패턴 상부에 절연막 패턴을 형성한다. 이어, 금속 패턴의 일측에 천이 금속으로 이루어진 도금층을 형성한 다음, 도금층과 이어진 탄소나노튜브를 형성한다.

여기서, 도금층의 형성은 전기 도금 방법을 이용할 수 있으며, 또는 화학기상증착법을 이용할 수도 있다.

본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 소자의 제작 방법에서는 기판 위에 천이 금속으로 이루어진 금속 패턴을 형성한 다음, 그 위에 절연막 패턴을 형성한다. 이어, 탄소나노튜브를 형성하고 절연막 패턴 및 금속 패턴을 덮는 금속층을 형성한다.

이와 같이 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 제작 방법에서는 탄소나노튜브를 수평 방향으로 성장시킬 수 있으며, 성장된 탄소나노튜브의 양끝에 금속 물질로 이루어진 전극을 형성하여 소자에 응용할 수 있으므로 공정이 단순해진다.

그러면, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브의제작 방법에 대하여 상세히 설명한다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브의 제작 과정을 도시한 도면이다.

먼저, 도 1a에 도시한 바와 같이 유리나 실리콘과 같은 기판(100) 위에 금속 패턴(110)을 형성한다. 여기서, 금속 패턴(110)의 수는 그 용도에 따라 달라질 수 있으며, 하나만 형성할 수도 있다. 금속 패턴(110)은 금속막을 증착한 후 감광막(photo resister)을 이용한 사진 식각 공정으로 형성할 수 있으며, 또는 패턴(110)이 형성될 부분 이외의 부분에 감광막을 형성한 다음 금속막을 증착하고 감광막과 그 상부의 금속막을 함께 제거하는 리프트 오프(lift-off) 방법을 이용하여 형성할 수도 있다.

이때, 금속 패턴(110)은 탄소나노튜브를 성장시키기 위한 금속 촉매로서, 니켈(Ni)이나 철(Fe), 코발트(Co) 또는 이들의 합금과 같은 천이 금속(transition metal)으로 형성한다.

금속 패턴(110)의 두께는 이후 형성되는 탄소나노튜브의 직경과 관계가 있는데, 탄소나노튜브는 직경이 작은 경우 반도체의 특성을 나타내며, 직경이 큰 경우에는 금속의 성질을 가진다. 탄소나노튜브를 소자에 응용하기 위해서는 탄소나노튜브가 반도체의 성질을 갖는 것이 바람직하므로 탄소나노튜브의 직경이 작게 되도록 금속 패턴(110)의 두께를 얇게 하는 것이 좋다. 이때, 금속 패턴(110)의 두께는 1,000 Å 이하로 형성하는 것이 좋다.

다음, 도 1b에 도시한 바와 같이 금속 패턴(110) 상부에 절연막 패턴(120)을형성한다. 여기서, 절연막 패턴(120)은 탄소나노튜브가 수직 방향으로 성장되는 것을 방지하는 것으로, 금속 패턴(110) 상부에만 형성할 수도 있고 도시한 바와 같이 금속 패턴(110)의 어느 한쪽, 바람직하게는 탄소나노튜브가 형성되지 않는 쪽의 측면까지 덮도록 형성할 수도 있다. 이때, 절연막 패턴(120)의 두께는 하부의 금속 패턴(110)이 탄소나노튜브의 성장 시 탄소를 포함하는 반응가스에 노출되지 않도록 100 Å 이상으로 형성한다.

절연막 패턴(120)은 실리콘 산화막이나 실리콘 질화막 중의 어느 하나로 형성할 수 있으며, 또는 다른 절연 특성을 가지는 물질을 이용할 수도 있다. 절연막 패턴(120)을 실리콘 산화막이나 실리콘 질화막으로 형성할 경우에는 화학기상증착법 등의 방법으로 증착한 후 패터닝하여 형성한다.

이어, 도 1b의 기판(100)을 탄소나노튜브 성장 장치에 장입하여 bias전압의 방향과 크기 성장조건의 조절을 통하여 탄소나노튜브(130)를 성장시키면 도 1c에 도시한 바와 같이 탄소나노튜브(130)는 금속 패턴(110)의 측면으로부터 수평 방향으로 성장된다. 이때, 탄소나노튜브(130)를 성장시키는 방법으로는 플라즈마 화학기상증착법이나 핫 필라멘트 화학기상증착법 또는 열 화학기상증착법 등을 이용할 수 있다.

한편, 도 2에 도시한 바와 같이 도 1c의 절연막 패턴(120) 상부에 절연막 패턴(120) 및 금속 패턴(110)을 덮으며 탄소나노튜브(130)와 연결되도록 금속 전극(140)을 형성함으로써 수평 방향으로 성장된 탄소나노튜브(130)를 이용하여 다이오드나 트랜지스터, 센서 등과 같은 소자에 응용할 수도 있다. 이와 같은 방법으로 소자를 형성하면 탄소나노튜브(130)를 재배치하는 과정이 필요하지 않으므로 공정이 단순해진다.

이와 같이 본 발명의 제1 실시예에서는 탄소나노튜브(130)를 수평 방향으로 성장시킬 수 있는데, 이 경우 탄소나노튜브(130)의 성장에 관여하는 금속 촉매 즉, 금속 패턴(110)의 성장 방향은 기판(100)에 수직인 방향으로 탄소나노튜브(130)의 성장 방향과는 수직이 된다. 따라서 도금이나 화학기상증착법을 이용하여 금속 촉매의 성장 방향을 탄소나노튜브(130)의 성장 방향 즉, 기판(100)에 수평한 방향으로 성장시킬 경우 탄소나노튜브(130)의 성장을 촉진시킬 수도 있다.

이러한 본 발명의 제2 실시예에 따른 탄소나노튜브의 성장 방법에 대하여 도 3a 내지 도 3c에 도시하였다.

먼저, 도 3a에 도시한 바와 같이 앞선 제1 실시예에서와 마찬가지로 기판(100) 위에 금속 패턴(110)을 형성하고 그 위에 절연막 패턴(120)을 형성한다. 이때, 금속 패턴(110)은 제1 실시예에서와 같이 반드시 천이 금속일 필요는 없으며 전기장을 가해 줄 수 있는 금속이면 가능하다.

이어, 도 3b에 도시한 바와 같이 금속 패턴(110) 측면에 천이 금속으로 이루어진 도금층(150)을 형성한다. 여기서, 도금층(150)은 수용액 중에 이온 형태로 존재하는 금속을 전기에너지를 이용하여 석출하는 전기 도금 방법으로 형성하거나 화학기상증착법을 이용하여 형성할 수도 있다. 이때 도금층(150)은 기판(100)에 대해 수평 방향으로 성장되므로 이후 탄소나노튜브(130)가 수평 방향으로 성장하는 것을 촉진시킬 수 있다.

다음, 도 3c에 도시한 바와 같이 탄소나노튜브(130)를 성장시킨다. 여기서도 제1 실시예와 마찬가지로 플라즈마 화학기상증착법이나 핫 필라멘트 화학기상증착법 또는 열 화학기상증착법을 이용할 수 있다.

한편, 도 4에 도시한 바와 같이 제2 실시예에서도 절연막 패턴(120) 상부에 금속 전극(140)을 형성하여 탄소나노튜브(130)를 재배치하지 않고 소자에 응용할 수 있다.

본 발명에서는 탄소나노튜브를 수평 방향으로 성장시킬 수 있으며, 이를 이용하여 별도의 재배치 공정없이 트랜지스터나 다이오드 또는 센서 등과 같은 소자에 응용할 수 있으므로 공정이 단순해진다.

또한, 탄소나노튜브를 이용한 소자에서 탄소나노튜브를 형성한 다음 금속 전극을 형성하므로 전극과 탄소나노튜브의 접촉 특성을 향상시킬 수 있다.

Claims (9)

1. 기판을 구비하는 단계,

   상기 기판 위에 천이 금속으로 이루어진 금속 패턴을 형성하는 단계,

   상기 금속 패턴 상부에 절연막 패턴을 형성하는 단계,

   탄소나노튜브를 형성하는 단계

   를 포함하는 탄소나노튜브의 제작 방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 금속 패턴은 Ni이나 Fe 또는 Co 중의 어느 하나로 이루어진 탄소나노튜브의 제작 방법.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 금속 패턴의 두께는 1,000 Å 이하인 탄소나노튜브의 제작 방법.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 절연막 패턴은 상기 금속 패턴 상부 및 상기 금속 패턴의 어느 한쪽을덮고 있는 탄소나노튜브의 제작 방법.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 절연막 패턴은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막 중의 어느 하나로 이루어진 탄소나노튜브의 제작 방법.
6. 기판을 구비하는 단계,

   상기 기판 위에 금속 패턴을 형성하는 단계,

   상기 금속 패턴 상부에 절연막 패턴을 형성하는 단계,

   상기 금속 패턴의 일측에 천이 금속으로 이루어진 도금층을 형성하는 단계,

   상기 도금층과 이어진 탄소나노튜브를 형성하는 단계

   를 포함하는 탄소나노튜브의 제작 방법.
7. 청구항 6에 있어서,

   상기 도금층의 형성은 전기 도금 방법을 이용하는 탄소나노튜브의 제작 방법.
8. 청구항 6에 있어서,

   상기 도금층의 형성은 화학기상증착법을 이용하는 탄소나노튜브의 제작 방법.
9. 기판을 구비하는 단계,

   상기 기판 위에 천이 금속으로 이루어진 금속 패턴을 형성하는 단계,

   상기 금속 패턴 상부에 절연막 패턴을 형성하는 단계,

   탄소나노튜브를 형성하는 단계,

   상기 절연막 패턴 및 금속 패턴을 덮는 금속층을 형성하는 단계

   를 포함하는 탄소나노튜브를 이용한 소자의 제작 방법.