KR20020093270A - 탄소나노튜브 길이별 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 길이별 제조방법을 제공하기 위한 것으로서, 기판 상에 촉매물질을 증착하는 단계; 상기 촉매물질을 패터닝하여 서로 나란하고 소정 간격을 갖는 촉매패턴쌍을 형성하는 단계; 상기 서로 나란한 촉매패턴쌍의 대향면의 각각의 배면에 성장방지막을 증착하는 단계; 상기 서로 나란한 촉매패턴쌍의 대향면에 상기 촉매패턴쌍을 연결하는 탄소나노튜브를 형성하는 단계를 포함하여 구성되며, 사진식각공정을 이용하여 미리 원하는 길이의 간격을 갖는 촉매패턴쌍을 배치하고, 그 촉매패턴쌍의 대향면 사이에서 수평방향으로 같은 길이의 탄소나노튜브를 합성함으로써 정확히 원하는 길이의 탄소나노튜브를 다량으로 얻을 수 있고, 이와 같은 탄소나노튜브를 준비하여 나노 구조물의 재료로도 사용할 수 있다.

Description

탄소나노튜브 길이별 제조방법{Fabrication Method for Carbon Nanotube}

본 발명은 탄소나노튜브 길이별 제조방법에 관한 것으로, 특히 나노구조 재료로 이용되는 나노미터크기의 나노선을 갖는 탄소나노튜브를 수평성장을 이용하여 길이별로 합성함으로써 우수한 기계적, 화학적, 전기적, 광학적 성질을 갖춘 탄소나노튜브 길이별 제조방법에 관한 것이다.

지난 수십 년간에 걸쳐서 나노미터 크기의 구조를 합성하고 이들을 조립하는데 있어서 많은 발전이 있었다.

기존의 기술과 결합된 혁신적인 발견은 수많은 영역에 걸쳐서 나타났다. 예로, 1991년 이이지마(Iijima)에 의해 탄소나노튜브가 발견되었고, 탄소나노튜브를 근접탐침기술(proximal probe)과 미세 전자선묘화(electron-beam lithography)등의 방법을 이용하여 나노크기의 개별전자소자들을 제작할 수 있었다. 최근에는 탄소나노튜브의 개별분자들을 통한 전기적 접촉이 가능해졌고, 개별분자들의 전기전도도의 측정이 가능해졌다.

최근에 광통신의 광스위치나 바이오 영역에서 미세크기의 구조체를 이용한 MEMS(Micro Electro-Meghanical System) 구조물에 대한 연구가 진행중이다.

나노미터 크기의 전자소자에 있어서 나노배선에 대한 수요나 MEMS구조체의 나노선 재료로써 나노튜브가 각광을 받고 있다.

Si(001) 웨이퍼에 격자크기가 다른 것을 이용하여 ErSi₂(erbium disilicide) 등의 물질로 나노선을 만들거나, 탄소나노튜브 등을 이용하여 기판 위가 아닌 독립적으로 존재하는 나노선을 제작하기도 한다.

탄소나노튜브는 기계적으로 매우 강하고 아주 좋은 도체로 사용할 수 있다. 또한 반경이 수 나노미터에서 수십 나노미터로 매우 다양하고, 길이도 수 마이크로미터까지 매우 길게 합성할 수도 있어서 나노선으로 가장 각광받고 있는 재료이다.

전자소자의 경우 약 50nm이하의 선폭을 가지면 이때 전기 배선이 차지하는 비용이 전체 소자비용의 약 80%를 차지할 것으로 예상된다. 따라서 탄소나노튜브의개별분자들을 스위치로 사용하고, 탄소나노튜브를 회로의 도선으로 사용하면 현재의 DRAM보다 백만배 집적된 비휘발성 소자를 만들 수 있고 상용화되는 CMOS 회로들보다 십억배나 전력효율이 좋은 소자를 제작할 수 있다고 예견되고 있다.

이러한 탄소나노튜브는 아크방전법이나 레이저증발법으로 만들 수도 있고, 촉매를 이용하여 열기상증착법(CVD : chemical vapor deposition)으로 합성할 수 있다.

일반적으로 아크방전법이나 레이저증발법이 CVD보다 더 좋은 탄소나노튜브를 합성할 수 있다.

그러나 아크방전법이나 레이저증발법으로 탄소나노튜브를 합성하였을 경우, 그 탄소나노튜브의 길이나 반경 등에 편차가 있게 된다.

나노튜브의 겹수에 따라 단일벽 나노튜브(SWMT : single wall nanotube), 다중벽 나노튜브(MWMT : multiwall nanotube) 등으로 구분되고, MWMT는 SWMT가 다중으로 합성된 나노튜브이다.

탄소나노튜브는 겹수, 반경에 따라 SWMT의 경우 탄소 화합물의 비대칭성(chirality)에 따라 전도성에 있어서 반도체성과 금속성이 나뉘어진다.

그리고, 탄소나노튜브의 길이별 분류는 현재 SEC(Size Exclusion Chromatography)나 FFF 등의 방법으로 가능하다.

그러나 소량으로 밖에 분류가 되지 않으며, 분류를 해도 여러 가지의 길이가 섞여있는 경우가 많고 길이의 편차가 크다.

또한 탄소나노튜브의 가장 큰 장점이라고 일컬어지는 우수한 기계적, 화학적성질을 이용하여 구조체를 만들려는 시도가 이루어지고 있다.

하지만 SEC등의 방법을 이용한 길이별 분류에서는 그 기술이나 방법상 재현이 힘들고 길이의 편차가 크기 때문에 일정한 길이의 탄소나노튜브 재료를 준비하는 것은 사실상 불가능한 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 미리 합성할 탄소나노튜브의 길이만큼 떨어지도록 서로 나란한 촉매패턴쌍을 형성하여 상기 촉매패턴쌍의 대향면 사이에 탄소나노튜브를 형성하여 원하는 길이별로 합성되는 탄소나노튜브를 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 평면도.

도2a 내지 도2e는 도1의 I-I'방향의 단면으로 본 본발명에 따른 탄소나노튜브의 제조방법을 도시한 도면.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 기판 2 : 촉매물질

3 : 감광막(PR) 2a : 촉매패턴

2b : 촉매패턴쌍 4 : 마스크

5 : 성장방지막 6 : 탄소나노튜브

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소나노튜브 길이별 제조방법의 특징은 기판 상에 촉매물질을 증착하는 단계; 상기 촉매물질을 패터닝하여 서로 나란하고 소정 간격을 갖는 촉매패턴쌍을 형성하는 단계; 상기 서로 나란한 촉매패턴쌍의 대향면의 각각의 배면에 성장방지막을 증착하는 단계; 상기 서로 나란한 촉매패턴쌍의 대향면에 상기 촉매패턴쌍을 연결하는 탄소나노튜브를 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.

상기 촉매패턴쌍의 형성은 사진식각공정에 의해 형성되고, 탄소나노튜브를 형성하는 단계는 탄소 조성을 갖는 가스와 암모니아 가스를 소정 비율로 주입하는 단계; 운반가스를 주입하여 탄소를 운반하여 상기 서로 나란한 촉매패턴쌍의 대향면에 상기 운반되는 탄소의 합성을 통해 탄소나노튜브를 형성하는 단계를 포함하여이루어진다.

본 발명의 특징에 따른 작용은 사진식각공정에 의해 미리 원하는 길이로 합성할 탄소나노튜브의 길이만큼 떨어져 형성된 서로 나란한 촉매패턴쌍의 대향면에 상기 촉매패턴쌍을 연결하는 탄소나노튜브를 수평방향으로 형성하여 나노구조재료로써의 탄소나노튜브의 길이별 합성할 수 있어 탄소나노튜브를 길이별로 분류해야 하는 번거로움을 줄일 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 탄소나노튜브 길이별 제조방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 평면도이고, 도2a 내지 도2e는 도1의 I-I'방향의 단면으로 본 본발명에 따른 탄소나노튜브의 제조방법을 도시한 것이다.

먼저, 도2a에 도시한 바와 같이 기판(1) 상에 촉매물질(2)을 증착한다.

상기 기판(1)은 Si 등의 웨이퍼 등이 이용된다.

그리고 상기 촉매물질이 액상인 경우, 스핀코팅에 의해 증착되고, 상기 촉매가 니켈이나 철등의 금속인 경우 스퍼터링 등의 방법을 이용하여 촉매를 증착한다.

또한 상기 액상의 촉매물질을 스핀코팅에 의해 형성하여 어닐링(annealing) 공정을 통해 다공성 물질로 만들어 다공성 촉매를 이용하기도 한다.

상기와 같이 촉매물질(2)을 기판(1)에 형성하고, 촉매물질(2)이 형성된 기판(1)에 감광막(PR:photo resist, 3)을 도포한다.

이어 도2b에 도시한 바와 같이 소정 패턴을 갖는 마스크(3)를 이용하여 상기 도포된 PR(3)을 선택적으로 노광한다.

그리고 도2c에 도시한 바와 같이 노광된 부분을 현상공정을 통해 제거하여 PR 패턴(3a)을 형성하고, 노출부분의 상기 촉매물질(2)을 식각공정을 통해 제거하면 도2d와 같은 촉매패턴(2a)이 형성된다.

즉, 도2a 내지 도2d의 사진식각공정(도포-노광-현상)을 이용하여 미리 얻고자 하는 탄소나노튜브의 길이 간격, 예를 들어 도2d에 도시한 바와 같이 a, b, c을 갖도록 패터닝함으로써, 적어도 한쌍 이상의 서로 나란한 촉매패턴쌍(2b)을 형성한다.

이어, 도2e에 도시한 바와 같이 상기 서로 나란한 촉매패턴쌍(2b)의 대향면의 각각의 배면에 성장방지막(5)을 증착한다.

일반적으로 촉매면위에서 방향에 무관하게 자라기 때문에 원하는 촉매패턴쌍(2b)의 대향면 사이만을 자라게 하기 위하여 성장방지막(5)을 대향면의 각각의 배면에 증착한다.

상기 성장방지막(5)으로는 실리콘 산화막(SiO₂)이나 실리콘 산화막(SiN)의 절연체 또는 몰리브데늄(Molybdenum, Mo), 니오비움(Niobium, Nb), 팔라디움(Palladium, Pd) 등을 사용한다.

이어, 상기 서로 나란한 촉매패턴쌍(2b)의 대향면에 상기 촉매패턴쌍(2b)을 연결하는 탄소나노튜브(6)를 열기상법(CVD:chemical vapor diiposition)으로 수평성장하여 형성한다.

일정한 길이의 탄소나노튜브(6)를 얻기 위해서는 상기 촉매패턴쌍(2b)의 면에 수직하면서 곧게 뻗은 탄소나노튜브(6)를 성장시켜야 하며, 이를 위해서는 반응기체를 조절할 필요가 있다.

즉, 탄소나노튜브(6)의 합성시 직진성이 좋은 탄소나노튜브를 합성하기 위하여 반응성이 좋은 탄소 조성을 갖는 탄소제공가스(예를 들어 CH₄)가 필요하다.

상기 탄소제공가스와 유독성이지만 반응성이 좋은 암모니아가스(NH₃)를 소정 비율로 주입하여 탄소나노튜브(6)를 합성하기 위한 재료인 탄소를 분리해낸다.

분리된 탄소를 운반하기 위해 운반가스를 주입하고, 상기 서로 나란한 촉매패턴쌍(2b)의 대향면에 상기 운반가스에 의해 운반되는 탄소의 합성을 통해 탄소나노튜브(6)가 형성된다.

상기 운반 가스로는 질소나 수소 등을 사용하게 되는데 수소를 소량 포함하는 것이 직진성이 좋게 나온다.

이와 함께 탄소를 합성하여 탄소나노튜브(6)를 형성하기 전에 촉매패턴쌍(2b)의 표면 처리하는 공정이 더 추가함으로써, 나노크기의 점이나 구멍이 많은 구조를 갖는 촉매패턴쌍(2b)을 형성하여 상기 촉매패턴쌍(2b)에 탄소나노튜브(6)의 수평성장이 잘 일어나도록 한다. 상기 표면 처리는 수소 가스등으로 전처리를 하는 방법이 많이 쓰인다.

그리고 상기 표면 처리는 촉매패턴쌍(2b)이 나노크기의 점이나 구멍이 많은구조를 갖도록 하기 위해서, RTP(rapid thermal process)등의 장비를 이용하여 열처리 등을 하거나 액상촉매를 어릴닝 공정을 하여 다공성(nanoporous)을 갖는 구조를 만들기도 한다.

특히 액상촉매를 이용하여 나노크기의 구멍이 있는 경우 직진성이 놓은 홀겹 탄소나노튜브(SWNT, single wall carbon nanotube)가 잘 성장하게 된다.

상기와 같이 일정한 길이를 갖는 탄소나노튜브(6)를 합성한 후 산등의 처리를 통해 촉매패턴(2a)을 제거하면 일정한 길이의 탄소나노튜브(6)만을 얻게 된다.

이렇게 길이별로 준비된 탄소나노튜브(6)를 나노트위저(nano-tweezer) 등을 이용하여 선택적 조작을 통한 구조물을 제작할 수 있다.

본 발명의 제조방법에 의해 제조된 탄소나노튜브(6)는 촉매패턴쌍(2b)의 대향면 사이에서 수평방향으로 같은 길이로 합성되기 때문에 정확히 원하는 길이의 탄소나노튜브(6)를 다량으로 얻을 수 있고, 이와 같은 탄소나노튜브(6)를 준비하여 나노 구조물의 재료로도 사용할 수 있다.

또한 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 탄소나노튜브(6)는 기판(1) 위에 합성되어 부착되어 있으므로 보관과 이동이 쉽고, 원하는 길이의 탄소나노튜브(6)가 정해진 특정위치에 존재하도록 촉매패턴쌍(2b)을 형성하여 탄소나노튜브(6)를 합성하기 때문에 원하는 위치를 찾아서 원하는 길이의 탄소나노튜브(6)를 사용하면 되므로 자동화된 조작시 유리하다.

이러한 선택적 수평성장법을 이용하여 합성된 탄소나노튜브(6)는 집적 메모리 소자와, 또한 액상촉매를 이용한 SWMT 탄소나노튜브를 전계효과를 이용한FET(field effect transistor)에 적용될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 길이별 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.

사진식각공정을 이용하여 미리 원하는 길이의 간격을 촉매패턴쌍을 배치하고, 그 촉매패턴쌍의 대향면 사이에서 수평방향으로 같은 길이의 탄소나노튜브를 합성함으로써 정확히 원하는 길이의 탄소나노튜브를 다량으로 얻을 수 있고, 이와 같은 탄소나노튜브를 준비하여 나노 구조물의 재료로도 사용할 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (6)

1. 기판 상에 촉매물질을 증착하는 단계;

   상기 촉매물질을 패터닝하여 서로 나란하고 소정 간격을 갖는 촉매패턴쌍을 형성하는 단계;

   상기 서로 나란한 촉매패턴쌍의 대향면의 각각의 배면에 성장방지막을 증착하는 단계;

   상기 서로 나란한 촉매패턴쌍의 대향면에 상기 촉매패턴쌍을 연결하는 탄소나노튜브를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 길이별 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 촉매패턴쌍을 형성하는 단계는

   상기 촉매물질이 형성된 상기 기판에 감광막을 도포하는 단계;

   소정 패턴을 갖는 마스크를 이용하여 상기 도포된 감광막을 선택적으로 노광하는 단계;

   상기 감광막을 선택적으로 제거하여 감광막 패턴을 형성하는 단계;

   상기 감광막의 선택적 제거에 의해 노출되는 부분에 형성된 촉매물질을 제거하여 일정 거리를 갖고 나란한 촉매패턴쌍을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 길이별 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 탄소나노튜브를 형성하는 단계는

   탄소 조성을 갖는 가스와 암모니아 가스를 소정 비율로 주입하는 단계;

   운반가스를 주입하여 탄소를 운반하여 상기 서로 나란한 촉매패턴쌍의 대향면에 상기 운반되는 탄소의 합성을 통해 탄소나노튜브를 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 길이별 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브를 형성하는 단계는 미리 서로 나란한 촉매패턴쌍의 대향면을 수소로 표면처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 길이별 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 서로 나란한 촉매패턴쌍은 적어도 하나 이상 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 길이별 제조방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 촉매는 다공성(nanoporous) 촉매, 액상촉매, 금속촉매중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 길이별 제조방법.