KR20040065751A - 탄소 나노 튜브의 합성 방법 - Google Patents

탄소 나노 튜브의 합성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고품질의 탄소 나노 튜브를 저온에서 고속으로 성장시키는 탄소 나노 튜브의 합성 방법에 관한 것이다.
본 발명은 플라즈마 화학 기상 증착 장치 내부에 반응 가스인 캐리어 가스와 함께 산소(O2) 또는 아르곤(Ar) 가스를 첨가하여 플라즈마 상태로 만드는 단계; 및 상기 플라즈마 화학 기상 증착 장치 내부에 소스 가스인 탄화 수소 가스(CxHy)를 주입하여 상기 반응 가스와 화학 반응시켜 탄소 나노 튜브를 성장시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 합성 방법에 관한 것이다.
상기 탄소 나노 튜브를 합성시에 소스 가스인 탄화 수소 가스에 반응 가스인 수소가스와 함께 미량의 산소(O₂)와 아르곤(Ar)가스를 혼합하여 사용함으로써 고품질의 탄소 나노 튜브를 500℃ 이하의 저온에서 고속으로 성장시킬 수 있어 저온에서도 고품질의 탄소 나노 튜브를 고속으로 성장시킬 수 있어 다른 반도체 공정과의 정합성을 높일 수 있다는 장점이 있다.

Description

탄소 나노 튜브의 합성 방법{CNT synthetic method}
본 발명은 고품질의 탄소 나노 튜브를 저온에서 고속으로 성장시키는 탄소 나노 튜브의 합성 방법에 관한 것이다.
탄소 나노 튜브(CNT: carbon nano tube)는 1991년 새로운 물질을 연구하던 일본 전기 회사(NEC) 부설 연구소의 이이지마(Iijima)박사가 전기 방전법을 사용하여 흑연 음극상에 형성시킨 탄소 덩어리를 TEM으로 분석하는 과정에서 최초 발견한 이래로 새로운 첨단 재료로서 그 다양한 응용 가능성으로 인해 매우 활발히 연구되고 있다.
상기 탄소 나노 튜브는 탄소 원소만으로 구성되어 일반적으로 길이가 수십 nm에서 수천 nm에 이르며, 직경은 아크 방전법(arc discharge)으로 제조할 경우 일반적으로 2 내지 20 nm의 외경과 1 내지 3nm의 내경을 지닌 양끝이 막힌 실린더형을 지니고 있으며 섬유상의 섬유장과 외경의 비로 나타내는 종횡비(aspect ratio)가 100 내지 1000 정도이다.
또한, 탄소 나노 튜브는 하나의 탄소원자가 3개의 다른 탄소원자가 결합되어 육각형 벌집 무늬를 이루는 구조를 가지는 그래파이트(graphite)가 둥글게 말려서 실린더와 같은 모양으로 형성된 것이다.
상기 그래파이트 구조를 둥글게 말면 나노 튜브가 되는데 이 때 그래파이트를 어느 각도로 말 것인가에 따라서 탄소 나노 튜브는 금속과 같은 전기적도체(armchair 구조)가 되기도 하고 반도체(zigzag 구조)가 되기도 한다.
또한, 그 형태에 따라서 탄소 육각망면으로 형성된 흑연층면이 다층으로 겹쳐져 튜브상으로 형성된 분자를 다층 탄소 나노 튜브(multi-walled carbon nanotube : MWNT)라 부르고, 단막의 흑연층면으로 이루어진 것을 단층 탄소 나노 튜브(single-walled carbon nanotube)로 구분하기도 한다.
이러한 탄소 나노 튜브는 우수한 전기적, 열적, 기계적 성질을 가지고 있으므로 다방면에 응용될 수 있는데, 예를 들어 고집적 메모리, 평판형 디스플레이용 전자 방출기, 투명 또는 반투명의 고성능 도전 물질, 스캐닝 프로브 마이크로스코프의 탐침, 화학센서 등으로 응용 연구가 행해지고 있다.
또한, 부피에 비하여 표면적이 매우 크기 때문에 높은 표면 반응성과 함께 미량의 화학성분 검출과 수소저장과 같은 응용 분야에서도 유용하다.
상기 탄소 나노 튜브의 합성에는 다양한 방법이 사용되어지고 있으나, 아크 방전법(arc discharge), 레이져 증착법(laser vaporization), 열화학 기상 증착법(thermal chemical vapor desposition : thermal-CVD), 플라즈마 화학 기상 증착법(plasma enhanced chemical vapor desposition : PECVD) 등이 주로 사용되어지고 있다.
상기 탄소 나노 튜브 합성의 초창기에 주로 사용되었던 상기 아크 방전법이나 레이져 증착법은 비교적 고품질의 나노 튜브를 제조할 수 있지만 수율이 상당히 낮고 재연성을 얻기 어려운 단점을 가지고 있다.
상기와 같은 단점을 극복하기 위하여 많이 연구되고 있는 것이 화학 기상 증착법(chemical vapor desposition : CVD)이다.
이는 기상의 카본 전구체(탄화 수소 가스 : hydrocarbon gas)를 열 또는 플라즈마로 분해하여 금속성 촉매 위에 탄소 나노 튜브를 증착하는 방법으로 재연성있는 탄소 나노 튜브 박막을 얻을 수 있다.
특히, 상기 플라즈마 화학 기상 증착법은 촉매의 크기를 조절함으로써 탄소 나노 튜브의 직경을 쉽게 제어할 수 있으며 온도, 조성, 압력 등의 변수조절이 매우 용이하며 따라서, 상기 탄소 나노 튜브의 저온 합성, 배열(alignment) 등이 가능할 뿐만 아니라 다른 반도체 공정과의 정합성도 우수하다.
상기 수직으로 잘 정렬된 탄소 나노 튜브 합성 기술은 현재 상당히 개발된 상태이며 전계 방출 디스플레이용 에미터 팁 등으로 활발히 연구되고 있다.
상기 플라즈마 화학 기상 증착법을 통해서는 다층 탄소 나노 튜브가 기판에 대해 수직으로 성장하게 된다.
이 때, 양질의 탄소 나노 튜브를 얻기 위해서는 일반적으로 기판 온도가 약 700℃ 이상이 되어야 한다.
하지만 다른 기존 반도체 공정과의 우수한 정합성의 장점을 더욱 살리기 위해서는 합성온도가 보다 더 낮아질 필요가 있다.
예를 들어, 상기 탄소 나노 튜브를 전계 방출 소자의 에미터 팁으로 사용하기 위해서 탄소 나노 튜브를 공정상에서 기판위에 성장시켜 사용하고자 할 경우에, 상기 전계 방출 소자의 기판이 유리로 이루어져 있으므로 550℃ 이상에서는 녹게 된다는 문제점이 있다.
그러나, 만일 상기 탄소 나노 튜브를 낮은 합성 온도에서 성장 시키게 되면 상기 탄소 나노 튜브의 품질이 급속히 떨어지게 된다는 문제점이 발생한다.
본 발명은 플라즈마 화학 기상 증착법으로 탄소 나노 튜브를 합성하고자 할 때 탄화 수소 가스에 미량의 산소(O2)와 아르곤(Ar)가스를 혼합하여 사용함으로써 고품질의 탄소 나노 튜브를 500℃ 이하의 저온에서 고속으로 성장시킬 수 있는 탄소 나노 튜브의 합성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소 나노 튜브를 합성하기 위한 플라즈마 화학 기상 증착 장치의 일 실시예를 보여주는 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예로서, (a)는 전구체인 탄화 수소 가스와 반응 가스로 캐리어 가스인 수소만을 사용하였을 때의 합성된 탄소 나노 튜브의 단면 FESEM 이미지이고, (b)는 반응 가스에 산소(O2)를 소량 첨가하였을 때에 합성된 탄소 나노 튜브의 단면 FESEM 이미지이며, (c)는 반응 가스에 아르곤(Ar)을 첨가하였을 때 합성된 탄소 나노 튜브의 단면 FESEM 이미지.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예로서, (a)는 전구체인 탄화 수소 가스와 반응 가스로 캐리어 가스인 수소만을 사용하였을 때의 합성된 탄소 나노 튜브의 단면 FESEM 이미지이고, (b)는 반응 가스에 미량의 산소와 아르곤을 첨가하였을 때 합성되어진 탄소 나노 튜브의 단면 FESEM 이미지.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
100 : 플라즈마 화학 기상 증착 장치 110 : 고주파 발생 장치
120 : 가스 공급로 130 : 기판
140 : 가열 히터
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 탄소 나노 튜브 합성 방법은 플라즈마 화학 기상 증착 장치 내부에 반응 가스인 캐리어 가스와 함께 산소(O2) 또는 아르곤(Ar) 가스를 첨가하여 플라즈마 상태로 만드는 단계; 및 상기 플라즈마 화학 기상 증착 장치 내부에 소스 가스인 탄화 수소 가스(CxHy)를 주입하여 상기 반응 가스와 화학 반응시켜 탄소 나노 튜브를 성장시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 캐리어 가스가 수소(H2)인 것을 특징으로 한다.
상기 플라즈마 화학 기상 증착 장치는 반응 가스를 플라즈마 상태로 만드는 고주파 발생 장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소 나노 튜브를 합성하기 위한 플라즈마 화학 기상 증착 장치의 일 실시예를 단면도로 나타낸다.
상기 플라즈마 화학 기상 장치(100)는 반응로 내부에 기판(130)을 도입하고, 상기 반응로 내부의 기판(130)을 가열 히터(140)를 이용하여 일정한 온도로 유지시키고, 이어서 가스 공급로(120)를 통해서 탄화 수소 가스(Hydrocarbon gas; CxHy)를 공급한다.
다음으로, 고주파 발생 장치(110)를 사용해서 마이크로 웨이브(microwave)를 발생시켜 반응 가스(캐리어 가스, 첨가 가스)를 플라즈마 상태로 만든 후, 상기 반응 가스를 분해시키는 방법으로 탄소 나노 튜브를 합성한다.
상기에서, 본 발명에 따른 다층 탄소 나노 튜브를 합성하기 위하여 마이크로웨이브 플라즈마 화학 기상 증착법(MPECVD)을 사용하였으며, 전구체인 탄화 수소 가스로는 아세틸렌(C2H2)을, 캐리어 가스(carrier gas)로는 수소(H2)를 사용하고, 촉매로는 니켈 메탈(nickel metal)을 실리콘 웨이퍼(Si wafer) 위에 스퍼터링(sputtering)으로 50nm 이하로 증착한 후, 이를 열처리하여 사용한다.
이 때, 증착 온도는 500 ~ 700℃ 구간으로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예로서, (a)는 전구체인 탄화 수소 가스와 반응 가스로 캐리어 가스인 수소만을 사용하였을 때의 합성된 탄소 나노 튜브의 단면 FESEM 이미지이고, (b)는 상기 반응 가스에 산소(O2)를 소량 첨가하였을 때에 합성된 탄소 나노 튜브의 단면 FESEM 이미지이며, (c)는 상기 반응 가스에 아르곤(Ar)을 첨가하였을 때 합성된 탄소 나노 튜브의 단면 FESEM 이미지이다.
이 때, 상기 탄소 나노 튜브의 합성 온도는 700℃로 하고 마이크로웨이브의 파워는 800W로 한다.
(a)는 탄화 수소 가스 즉, 아세틸렌과 함께 반응 가스로 수소가스만을 사용하였을 때의 합성된 탄소 나노 튜브인데, 700℃의 고온에서도 탄소 나노 튜브의 품질이 떨어지는 것을 볼 수 있다.
한편, (b)는 상기 탄화 수소 가스 즉, 아세틸렌과 함께 반응 가스로 수소가스뿐 아니라 소량의 산소(5% O2)를 첨가하였을 때의 합성된 탄소 나노 튜브인데, (a)의 탄소 나노 튜브에 비해서 성장 속도는 조금 낮아지지만 탄소 나노 튜브의 직진성이 훨씬 개선되어진 상당히 고순도의 탄소 나노 튜브가 합성되어짐을 볼 수 있다.
상기 반응 가스로 소량의 산소가 첨가되었을 경우에, 일반적으로 플라즈마 내에서 산소가 분해되어 O 라디칼(radical)이나 플라즈마 내의 수소와 반응하여 OH 라디칼을 생성한다.
상기 O 라디칼 또는 OH 라디칼은 카본막(다이아몬드 또는 DLC 등)의 성장시에 비결정 탄소(amorphous carbons)나 디펙트(defects) 등을 우선적으로 에칭해내는 특성을 가지고 있다.
즉, 수직으로 직진성을 가지고 성장해야하는 탄소 나노 튜브에 대해서 불순물인 비결정 탄소가 생기거나 상기 탄소 나노 튜브의 성장중에 발생하는 디펙트와같은 결함으로 인해서 상기 탄소 나노 튜브가 곧게 자라지 못하고 휘게 된다거나 할 경우에 탄소 나노 튜브의 품질이 저하되게 되는데 반응 가스로 소량의 산소를 첨가하였을 때 상기 산소가 분해되어 생성되는 O 라디칼 또는 OH 라디칼은 이와 같은 비결정 탄소나 디펙트를 에칭함으로써 상기 탄소 나노 튜브의 품질을 개선하는 효과가 있다.
따라서, 탄소 나노 튜브의 합성시에 반응 가스에 산소를 소량 첨가하면 상기 탄소 나노 튜브의 직진성에 악영향을 미치는 비결정 탄소나 디펙트 등을 선택적으로 제거함으로써 막질 및 직진성을 향상시킬 수 있다.
이 때, 과량 첨가시에는 탄소 나노 튜브 자체의 탄소 원자도 에칭되어 성장 속도가 급격히 감소하게 되므로 10%를 넘지 않도록 한다.
도 2에서 (c)는 탄화 수소 가스 즉, 아세틸렌과 함께 반응 가스로 수소가스와 함께 촉매로 아르곤(10% Ar)을 첨가하여 사용하였을 때의 합성된 탄소 나노 튜브의 합성 단면도이다.
상기 반응 가스에 아르곤 가스를 소량 첨가하게 되면 상기 탄소 나노 튜브의 성장 속도가 매우 증가한다.
상기 아르곤 가스는 수소 플라즈마 내에서 아르곤 이온(Ar+) 또는 여기된 상태의 아르곤 원자(Ar*)가 되어 플라즈마 내에서 일어나는 여러 가지 화학 반응들을 촉진하고 여러 화학종들을 쉽게 활성화시키는 촉매 역할을 한다.
보다 상세하게는, 상기 수소 플라즈마 내에서의 아르곤 이온 또는 여기되어 준 안정화 상태의 아르곤 원자는 탄소 나노 튜브의 소스인 탄화수소의 분해를 촉진하여 다량의 C2라디칼을 생성하기 때문에 탄소 나노 튜브의 성장 속도가 크게 증가하게 된다.
그러나, 상기 아르곤 가스를 너무 많이 첨가하게 되면 상기 탄소 나노 튜브의 직진성 및 막질에 악영향을 주게 되며 심지어 촉매 금속 표면을 비활성화 시켜서 상기 탄소 나노 튜브가 자라지 않게 되므로 상기 아르곤 가스의 첨가는 20%를 초과하지 않도록 한다.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예로서, 마이크로웨이브 플라즈마 화학 기상 증착법으로 합성되어진 탄소 나노 튜브의 단면 FESEM 이미지이다.
이 때, 상기 탄소 나노 튜브 성장 시의 기판 온도는 500℃의 저온으로 하고 마이크로웨이브 파워는 1000W이다.
도 3의 (a) 및 (b)를 참조하면, (a)는 탄소 나노 튜브의 소스인 탄화 수소 가스로 아세틸렌(C2H2)을 주입하고, 반응 가스로 수소(H2)가스만을 사용한 경우이다.
이 때, 탄소 나노 튜브의 직진성 및 막질이 매우 나쁜 것을 알 수 있으며, 성장 속도 또한 아주 낮다.
도 3에서 (b)는 탄소 나노 튜브의 소스인 탄화 수소 가스로 아세틸렌을 주입하고, 반응 가스로 수소가스(캐리어 가스) 외에 소량의 산소(3% O2)와 아르곤(12% Ar)을 동시에 첨가한 경우이다.
이 때, 상기 탄소 나노 튜브의 합성 온도가 500℃의 저온임에도 불구하고 상기 탄소 나노 튜브의 직진성 및 막질이 매우 우수함을 알 수 있다.
앞서 도 2에서, 반응 가스로 수소 가스 외에 아무것도 첨가하지 않은 경우의 탄소 나노 튜브의 합성 단면을 보여주는 (a)와, 상기 수소 가스 외에 소량의 산소만을 첨가하였을 경우의 탄소 나노 튜브의 합성 단면을 보여주는 (b)와, 상기 수소 가스 외에 소량의 아르곤만을 첨가하였을 경우의 탄소 나노 튜브의 합성 단면을 보여주는 (c)를 보면, 도 3에서 (b)의 탄소 나노 튜브의 단면에서 볼 수 있듯이 반응 가스로 수소 가스 외에 산소와 아르곤을 동시에 소량 첨가하였을 경우에 고순도의 탄소 나노 튜브를 성장시킬 수 있음을 비교해 볼 수 있다.
즉, 반응 가스로 수소 가스 외에 아르곤과 산소를 동시에 첨가하였을 경우가 아무것도 첨가하지 않은 경우보다 양질의 탄소 나노 튜브를 빠르게 성장시킬 수 있다.
상기 반응 가스로 수소 가스 외에 산소와 아르곤을 동시에 첨가하게 되면 상기 아르곤이 탄소 나노 튜브의 소스인 C2의 양을 증가시킬 뿐 아니라 원자상 수소의 양을 증가시키는 촉매 역할을 함으로써 산소와 수소의 결합을 촉진시켜 OH 라디칼의 양을 늘려줌에 따라 비결정 탄소와 디펙트 등의 에칭이 좀 더 활발히 일어나도록 해 준다.
즉, 상기 아르곤 가스는 수소 플라즈마 내에서 산소와 함께 첨가될 경우에 여러 가지 화학 반응 종들의 양을 증가시키는 촉매역할을 함으로써 500℃의 저온의 합성 온도에서도 탄소 나노 튜브가 빠르게 성장할 수 있도록 해 주고 직진성 및 막질이 향상된 고품질의 탄소 나노 튜브를 성장시킬 수 있도록 한다.
도 3의 (b)에서 알 수 있듯이, 마이크로웨이브 플라즈마 화학 기상 증착법을 통해서 다층 탄소 나노 튜브를 합성할 때 아르곤과 산소를 동시에 첨가함으로써 탄소 나노 튜브의 성장 속도에 영향을 주는 C2라디칼의 양을 증가시키고 막질 및 직진성에 영향을 주는 OH 라디칼의 양을 증가시키므로 아르곤이 존재할 경우에는 소량의 산소만 첨가하여도 산소 첨가의 효과가 더 뚜렷이 나타나 양질의 탄소 나노 튜브를 얻는 효과가 있다.
본 발명에 따른 탄소 나노 튜브를 저온에서 고속으로 합성하는 방법은 다음과 같다.
먼저, 플라즈마 화학 기상 증착 장치의 반응로 내부에 기판을 도입하고, 상기 반응로 내부의 기판을 가열 히터를 이용하여 일정한 온도(대략 500℃)로 유지시키고, 이어서 가스 공급로를 통해서 탄화 수소 가스(Hydrocarbon gas; CxHy)를 공급한다.
이 때, 상기 기판에는 촉매 금속이 스퍼터링되어 증착된 후, 열처리되어 있다.
다음으로, 고주파 발생 장치를 사용해서 마이크로 웨이브(microwave)를 발생시켜 반응 가스(캐리어 가스, 첨가 가스)를 플라즈마 상태로 만든다.
상기 반응 가스에서 캐리어 가스로 수소(H2) 또는 질소(N2) 등을 사용할 수 있으며 첨가 가스로는 산소(O2) 또는 아르곤(Ar)을 사용한다.
이 때, 상기 탄화 수소 가스와 반응 가스의 화학 반응으로 고품질의 탄화 수소 가스가 기판 위에 성장하게 된다.
상기 캐리어 가스와 함께 산소를 미량 혼입하면 상기 탄소 나노 튜브의 품질이 크게 향상되며 500℃ 이하의 저온에서도 상기 탄소 나노 튜브를 합성시킬 수 있다.
또한, 상기 캐리어 가스와 함께 아르곤 가스를 혼입하면 상기 탄소 나노 튜브의 성장 속도가 매우 증가한다.
또한, 상기 캐리어 가스와 함께 미량의 산소와 아르곤 가스를 동시에 혼입하면 고품질의 탄소 나노 튜브를 저온에서 고속으로 성장시킬 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 탄소 나노 튜브 합성 방법은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명은 플라즈마 화학 기상 증착법을 사용하여 탄소 나노 튜브를 성장시킬 때 반응 가스로 캐리어 가스와 함께 미량의 산소 또는 아르곤을 혼입하여 플라즈마 상태로 만들고 반응로 내에서 탄화 수소 가스와 화학 반응 시키면 500℃ 이하의 저온에서도 고품질의 탄소 나노 튜브를 고속으로 성장시킬 수 있어 다른 반도체 공정과의 정합성이 높아지는 효과가 있다.
또한, 반응 가스로 미량의 산소 또는 아르곤을 혼입하여 탄소 나노 튜브의소스 가스인 탄화 수소와 반응 시킬 때에 플라즈마 내에서 일어나는 여러가지 화학 반응들이 촉진되고 여러 화학종들이 활성화되므로 상기 탄소 나노 튜브의 생산성이 좋아지는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 플라즈마 화학 기상 증착 장치 내부에 반응 가스인 캐리어 가스와 함께 산소(O2) 또는 아르곤(Ar) 가스를 첨가하여 플라즈마 상태로 만드는 단계; 및
    상기 플라즈마 화학 기상 증착 장치 내부에 소스 가스인 탄화 수소 가스(CxHy)를 주입하여 상기 반응 가스와 화학 반응시켜 탄소 나노 튜브를 성장시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 합성 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 캐리어 가스가 수소(H2)인 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 합성 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 플라즈마 화학 기상 증착 장치는 반응 가스를 플라즈마 상태로 만드는 고주파 발생 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 합성 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100707199B1 (ko) * 2005-07-12 2007-04-13 삼성전자주식회사 Ｈ２ｏ 플라즈마를 이용한 단일벽 탄소나노튜브의 저온성장방법
JP2009046378A (ja) * 2007-08-21 2009-03-05 Semes Co Ltd 炭素ナノチューブ合成方法、これを適用した炭素ナノチューブ合成装置及びシステム
KR101274492B1 (ko) * 2004-12-13 2013-06-14 도꾸리쯔교세이호진 상교기쥬쯔 소고겡뀨죠 단층 카본 나노튜브의 제조 방법

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