KR20040050355A - 열화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브의 제조방법 - Google Patents

Abstract

개신된 탄소나토튜브의 제조방법은: 기판에 흑화 가능한 금속막을 형성하는 단계; 상기 금속막에 촉매층을 형성하는 단계; 상기 금속막을 흑화시키는 단계; 상기 촉매층 상에 소정 공정온도에서의 열적화학기상증착법에 의해 카본나노튜브를 성장시키는 단계;를 포함한다. 이러한 본 발명은 저온에서 고품위의 탄소나노튜브 성장 가능하며, 특히 전계방출에 좋지 않은 성장초기의 비정질 탄소의 증착을 방지할 수 있다. 또한, 정밀 탄소나노튜브의 성장 제어 가능하며, 특히 균일한 직경의 탄소나노튜브를 형성할 수 있다.

Description

열화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브의 제조방법{Manufacturing method of carbon nanotube by thermal chemical vapor deposition}

본 발명은 열화학기상증착법에 의한 탄소나노튜브의 제조방법에 관한 것으로서, 효과적인 탄소나노튜브 성장제어 및 전자방출특성 향상이 가능한 열화학기상증착법에 의한 탄소나노튜브의 저온제조방법에 관한 것이다.

1991년 일본의 이지마 박사에 의해 발견된 탄소나노튜브는 독특한 구조적 특성과 우수한 물리적 화학적 특성으로 매우 폭넓은 응용분야를 갖는 새로운 나노물질이다. 탄소나노튜브는 한 개의 탄소원자가 3개의 다른 탄소원자와 결합하여 만든 육각형 벌집 구조의 탄소면을 둥글게 만 형태로 속이 빈 튜브형태를 갖고있다. 그 튜브의 직경은 수 나노미터부터 수십 나노미터(10억분의 1미터)정도로 매우 작고 길이는 수 마이크론부터 수십 마이크론으로 길이/직경비가 매우 큰 형태를 지닌다. 이러한 높은 길이/직경 비는 탄소나노튜브의 전계강화율(field enhancement factor)을 높게 만들어 낮은 전계에서도 전자방출을 용이하게 할 뿐 아니라 단위면적당 표면적이 매우 크게 만들어 주며 물리적으로는 강철의 약 100배에 달하는 강도를 지니면서 화학적으로도 안정한 특성을 지닌다. 또 탄소면이 말린 각도에 따라 금속과 같은 전기적 도체(Armchair 구조)가 되기도 하고 반도체(Zigzag 구조)가 되기도 한다. 이러한 탄소나노튜브는 전계방출소자(FED)의 전자방출원, 2차전지 전극, 수소저장 연료전지, AFM/STM(atomic force microscopy)의 팁이나 센서, 고기능 복합제 등 다양한 분야에 응용연구가 활발히 진행되고 있으며 그 중 탄소나노튜브를 전계방출소자의 전자방출원으로 사용하려는 연구가 매우 활발하며 현실화 단계에 있다.

탄소나노튜브는 전계방출소자의 전자방출원 등으로 매우 각광받는 신물질로서 이의 성장방법에는 열화학기상증착법, 아크방전법, 레이저 연동법, 플라즈마 화학기상증착법 등이 있다. 이 중 열화학기상증착법은 열에너지를 이용하여 가스를 분해하고 이를 통해 얻어진 탄소를 나노튜브로 합성하는 방법으로 저항가열과 적외선가열방식이 있다. 이 중 적외선 가열방식은 적외선을 시료 표면에 조사하여 기판 표면에서의 반응을 활성화하는 방식으로 시편 전체를 전기로 속에서 가열하는 저항가열방식보다 효율이 좋으며 균일도 조절이 용이한 장점을 가지고 있어 일반적으로 사용되고 있다. 이러한 열화학기상증착법을 통한 탄소나노튜브 성장방식은 가장 안정되고 대량합성이 가능하며 이를 위한 장치가 간단하면서도 대면적 기판에서 균일한 성장이 가능하여 차세대 디스플레이소자인 전계방출소자의 응용이 매우 유력시되고 있다. 그러나, 대면적의 전계방출소자의 전자방출원으로 응용하기 위해서는 탄소나노튜브의 성장이 기판인 유리의 변형온도인 550℃보다 낮은 온도에서 가능하여야 한다. 일반적으로 열화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브의 성장온도는 600℃ 이상에서 이루어지며 그 이하의 온도에서는 탄소의 분해를 위한 열에너지가 부족하여 비정질탄소의 증착이 함께 이루어지거나 탄소나노튜브의 성장이 이루어지지 않는다.

도 1a 및 도 1b는 550℃의 온도에서 적외선가열 방식의 열화학기상증착법을 통해 탄소나노튜브를 성장시켰을 때의 일반적인 탄소나노튜브 돗트(dot)의 단면 사진이다. 600℃이하의 온도에서 적외선가열 방식의 열화학기상증착법을 통해 탄소나노튜브를 성장시킬 경우 성장 초기 기판에서 탄소분자의 분해와 결정화에 필요한 에너지를 충분히 갖지 못해 비정질 탄소의 형태로 증착이 이루어지기 시작하며 이렇게 증착된 비정질탄소는 검은 색을 나타내어 적외선의 흡수를 증대시키며 탄소나노튜브 성장이 일어날 수 있는 고에너지 상태로 만들게 되고 이 때부터 탄소나노튜브의 성장이 이루어지기 시작한다.

또한 탄소나노튜브가 전계방출소자의 전자방출원으로 사용되기 위해서는 실질적인 전자방출원의 길이인 1~2㎛의 길이에서 서브 마이크론 이하의 길이로 조절되어야만 한다. 그러나 저온의 열화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브의 성장에서는 성장 초반의 비정질 탄소의 증착을 피하기 힘들기 때문에 성장변수조절을 통한 탄소나노튜브의 길이조절은 매우 제어하기 힘든 기술로 인식되어지고 있다. 이러한 문제들은 열화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브의 성장방식이 대면적 전계방출소자의 전자방출원으로 적용하는데 현실적 제약으로 남아있다.

본 발명은 전계방출소자의 전자방출원으로 사용되는 탄소나노튜브를 열화학기상증착법을 이용한 저온에서 성장할 수 있는 카본 나노튜브의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 효과적인 탄소나노튜브 성장제어 및 전자방출특성 향상이 가능한 카본나노튜브의 제조방법을 제공함에 그 다른 목적이 있다.

도 1a, 1b는 종래방법에 의해 성장된 카본나노튜브의 SEM 사진이다.

도 2는 본 발명의 카본나노튜브의 제조방법이 적용하는 열화학기상증착장치의 개략적 구성도이다.

도 3a 및 도 3b는 카본나노튜브가 성장되는 종래 기판인 제1시편과 본 발명에 의해 카본나노튜브가 성장되는 제2시편의 개략적 단면도이다.

도 4a 및 도 4b는 실제 제작된 제1시편 및 제 2 시편의 평면사진이다.

도 5a 및 도 6a는 각각 제1시편 및 제2시편에 탄소나노튜브를 성장시킨 후 각 시편에 성장된 카본나노튜브를 촬영한 SEM 사진이며, 도 5b 및 도 6b는 각각 배율을 보다 증대시킨 제1, 제2시편의 SEM 사진이다.

도 7a 및 도 7b는 제 1 시편 및 제 2 시편에 성장된 카본나노튜브를 보이는 SEM 사진이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면,

기판에 흑화 가능한 금속막을 형성하는 단계;

상기 금속막에 촉매층을 형성하는 단계;

상기 금속막을 흑화시키는 단계;

상기 촉매층 상에 소정 공정온도에서의 열적화학기상증착법에 의해 카본나노튜브를 성장시키는 단계;를 포함하는 열화학기상증착법에 의한 탄소나노튜브의 제조방법이 제공된다.

상기 본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 금속막은 Mo 및 Cr 중의 어느 하나 이며, 상기 촉매층은 인바로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 금속막을 흑화시키는 단계에서, 상기 금속막을 산화에 의해 흑화시키며, 특히 상기 금속막을 산성 에칭액에 의해 에칭시키면서 산화시키는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 제조방법에서, 상기 공정온도는 550도 이하이며, 상기 촉매층 형성단계는 상기 촉매층을 상기 금속막 상에 소정 패턴으로 형성하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 탄소나노튜브의 제조방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명하다.

대면적 전계방출소자의 전자방출원으로 탄소나노튜브를 이용하기 위해서는 대면적화가 용이하고 그 장치가 간단하면서도 고품위의 탄소나노튜브 성장이 가능한 열화학기상증착법이 유력하다. 그러나 이러한 열화학기상증착법을 이용하기 위해서는 저온 공정에서 발생되는 비정질탄소의 증착을 피해야 하며, 이와 동시에 정밀한 성장제어가 가능한 고품위의 탄소나노튜브 성장이 필수적이다. 본 발명은 열의 흡수 및 축적이 가능한 흑화금속막 특히 산화금속 박막을 이용하여 이러한 문제들을 해결하였으며 그 결과 저온에서 비정질탄소의 증착이 없는 고품위의 탄소나노튜브의 성장기술을 확보하였다.

본 발명에서는 적외선 가열방식의 열화학기상증착법을 사용하였으며 도 2에 개략적 구성을 개시하였다. 본 실시예에서 적용한 열화학기상증착 장비는 Ulvac사의 GN-CVD300을 사용하였으며 297 x 210mm²크기의 SiC 서셉터(susceptor) 위에 시편(sample)을 올려 놓은 후 채임버 내부에 일산화탄소(Co)와 수소(H₂)의 혼합기체(Co + H₂)로 채운 다음 상부의 적외선 가열기로 가열하여 탄소나노튜브를 성장시켰다.

도 3a, 3b와 함께 설명된 제1, 제2시편의 개략적 단면도이다. 도 3a에 도시된 제1시편은 유리 기판(glass) 위에 금속박막(Mo)을 증착한 다음 인바 426 합금으로 된 촉매층(Invar 426 alloy;42% Ni, 52% Fe, 6% Co)이 돗트 형태로 패턴된 것이며, 도 3b에 도시된 제2시편은 유리기판(glass)에 증착된 금속박막(Mo or Cr)을 산화시켜 검게 만든 후에 인바 촉매층(Invar)을 토트 형태로 패터닝된 것이다.

제2시편의 산화 금속박막은 Mo_xO_y또는 Cr_xO_y등 표면의 색깔이 검은 색을 띄는 것으로 본 발명에서는 증착된 Mo 또는 Cr 금속박막을 산 용액에 산화시켜 흑화시켰다.

열화학기상증착법을 통한 탄소나노튜브 성장법은 탄소분자가 충분한 열에너지를 흡수한 기판 위 촉매표면에서 분해되어 나노튜브형태로 성장하는 방법이다.

본 발명은 이러한 열화학기상증착법의 탄소나노튜브 성장원리에 착안하여 카본나노튜브가 성장되는 촉매층 주변에 열흡수를 위한 검은 산화금속박막을 형성한다. 이 검은 산화금속막은 탄소분자의 분해와 결정화에 필요한 열에너지를 흡수축적하여 보다 낮은 공정 온도에서도 탄소나노튜브의 성장을 가능하게 한다. 또한 검은 산화금속막은 탄소나노튜브 성장 초기 비정질 탄소의 형성을 억제하여 탄소나노튜브의 정밀한 성장제어를 가능하게 할 수 있다.

도 4a, 4b는 상기 도 3a, 도 3b와 함께 설명된 실제 제1, 제2시편의 표면사진이다.

도 4a에 도시된 제 1 시편은 유리기판 위에 Mo 박막을 3000Å의 두께로 이온 빔 승화기를 이용하여 증착 후 인바(Invar) 촉매금속을 100Å의 두께로 이온 빔 승화기를 이용해 증착 후 10㎛ 직경의 dot 형태로 패터닝한 것이다.

도 4b에 도시된 제 2 시편은 상기 제 1 시편에 대한 후속공정으로서 상기 제 1 시편을 CR-7SK 용액에 약 45초간 침잠시켜 Mo 박막을 약 1000Å 정도 식각하여 Mo 표면을 흑화시킨 것이다.

도 4a 및 도 4b에 도시된 두 시편을 열화학기상증착 장비에 함께 넣어 같은 조건으로 각 시편의 촉매층상에 탄소나노튜브 성장시켰다. 도 5a 및 도 6a는 각각 제1시편 및 제2시편에 탄소나노튜브를 성장시킨 후 각 시편에 성장된 카본나노튜브를 촬영한 SEM 사진이며, 각 도 5b 및 도 6b는 각각 배율을 보다 증대시킨 제1,제2시편의 SEM 사진이다.

탄소나노튜브의 성장온도는 550℃ 이었고 Co/H₂가스 조성비는 0.35sccm/1.0sccm 이었으며 대기압에서 30분간 성장시켰다.

제 1 시편에 대한 SEM 사진인 도 5a 및 배율을 확대한 도 5b를 참조하면, 시편 I 에서 자란 탄소나노튜브는 성장초기 비정질 탄소의 증착이 1㎛이상 두껍게 이루어진 다음 탄소나노튜브가 성장한 것을 알 수 있다.

제 2 시편에 성장된 탄소나노튜브는 도 6a 및 도 6b에 보여지는 바와 같이 성장초기 비정질 탄소의 증착이 거의 이루어지지 않고 탄소나노튜브의 성장이 이루어진 것을 알 수 있다.

도 7a 및 도 7b는 제 1 시편 및 제 2 시편에 성장된 카본나노튜브를 보이는 SEM 사진이다. 도 7a 에 도시된 바와 같이, 제 1 시편에서 자란 탄소나노튜브의 직경은 15nm부터 70nm로 편차가 매우 크지만 제 2 시편에서 자란 탄소나노튜브의 직경은 20nm 정도로 매우 고른 분포를 보였다.

상기와 같은 본 발명은 공정온도를 550도 정도의 저온으로 유지하면서도 촉매층 하부에 마련된 흑화 금속층, 즉 열을 흡수하여 축적함으로써 국부적으로 카본나노튜브가 성장되는 촉매층에 카본나노튜브의 성장에 필요한 열에너지가 공급되기 때문에 마치 고온공정에서 얻어지는 것과 같은 카본 나노튜브를 얻을 수 있는 것이다.

상기와 같은 본 발명은 저온에서 고품위의 탄소나노튜브 성장 가능하며, 특히 전계방출에 좋지 않은 성장초기의 비정질 탄소의 증착을 방지할 수 있다. 또한, 앞에서 실제 제작된 결과물의 사진에 나타난 바와 같이 정밀 탄소나노튜브의 성장 제어 가능하며, 특히 균일한 직경의 탄소나노튜브를 형성할 수 있다.

이러한 본원 발명은 전계방출소자 응용 시 전자방출원으로써 탄소나노튜브의 적용과 조절이 쉬워지며 이를 통해 보다 균일하고 효율적인 전자 방출을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.

Claims (9)

1. 기판에 흑화 가능한 금속막을 형성하는 단계;

   상기 금속막에 촉매층을 형성하는 단계;

   상기 금속막을 흑화시키는 단계;

   상기 촉매층 상에 소정 공정온도에서의 열적화학기상증착법에 의해 카본나노튜브를 성장시키는 단계;를 포함하는 열화학기상증착법에 의한 탄소나노튜브의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 금속막은 Mo 및 Cr 중의 어느 하나 인 것을 특징으로 하는 열화학기상증착법에 의한 탄소나노튜브의 제조방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 촉매층은 인바로 형성되는 것을 특징으로 하는 열화학기상증착법에 의한 탄소나노튜브의 제조방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 금속막을 흑화시키는 단계에서, 상기 금속막을 산화시키는 것을 특징으로 하는 열화학기상증착법에 의한 탄소나노튜브의 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 금속막을 산성 에칭액에 의해 에칭시키면서 산화시키는 것을 특징으로 하는 열화학기상증착법에 의한 탄소나노튜브의 제조방법.
6. 제 3 항에 있어서,

   상기 금속막을 흑화시키는 단계에서, 상기 금속막을 산화시키는 것을 특징으로 하는 열화학기상증착법에 의한 탄소나노튜브의 제조방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 금속막을 산성 에칭액에 의해 에칭시키면서 산화시키는 것을 특징으로 하는 열화학기상증착법에 의한 탄소나노튜브의 제조방법.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 공정온도는 550도 이하인 것을 특징으로 하는 열화학기상증착법에 의한 탄소나노튜브의 제조방법.
9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 촉매층 형성단계는 상기 촉매층을 상기 금속막 상에 소정 패턴으로 형성하는 것을 특징으로 하는 열화학기상증착법에 의한 탄소나노튜브의 제조방법.