KR20040107536A

KR20040107536A - 탄소 나노복합체 박막 및 금속 나노도트를 이용하는 이의제조방법

Info

Publication number: KR20040107536A
Application number: KR1020030038361A
Authority: KR
Inventors: 이광렬; 이승철; 이철승; 김태영
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2003-06-13
Filing date: 2003-06-13
Publication date: 2004-12-21
Also published as: KR100514347B1

Abstract

본 발명은 우선 기판 표면에 Ni, Cu, Pd, Au, Ag, Fe, Co, Mn, Cr, V, Mo, Nb, Ru, 및 Rh 등과 같은 금속을 포함하는 군 중에서 선택된 반응성 물질의 나노 도트(nano-dots)를 형성시킨 후, 탄소를 증착하여, 다이아몬드상 비정질 탄소 박막 내에 나노규모의 흑연상 물질을 포함하는 경질 탄소 나노복합체 박막을 제조하는 방법 및 다이아몬드상 비정질 탄소 박막 내에 나노규모의 흑연상 물질을 포함하는 경질 탄소 나노복합체 박막에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 금속 도트의 크기를 조절함으로써, 흑연화된 부분의 크기를 제어할 수 있는 방법에 관한 것이다.

Description

탄소 나노복합체 박막 및 금속 나노도트를 이용하는 이의 제조방법{CARBON NANOCOMPOSITE THIN FILM AND FABRICATION METHOD THEREOF BY NANOSIZED METAL DOTS}

본 발명은 기판 표면에 나노크기의 금속 도트를 형성하여 나노미터 규모의 표면 변조(modulation)를 수행한 후, 탄소를 증착하여, 다이아몬드상 비정질 탄소 박막과 나노크기의 흑연화된 부분을 포함하는 탄소 나노복합체 박막의 합성에 관한 것이다.

다이아몬드상 탄소 박막(Diamond-like carbon film)은 높은 경도와 윤활성 및 내마모성을 가지고 있으며, 표면이 매우 평활하고 저온에서 합성할 수 있다는 이점 때문에 매우 다양한 분야에서 활용되고 있는 코팅 재료이다. 특히, 다이아몬드상 탄소 박막의 종류 중에서, 진공 여과 아크(Filtered Vacuum Arc, FVA) 증착법, 레이저 삭마(laser ablation), MSIB (Mass Selected Ion Beam) 증착법으로 만들어지는 경질 탄소 박막 (수소를 함유하지 않고 sp3 분율이 60 - 80 %에 달하는 다이아몬드상 탄소 박막, 사면체 비정질 탄소(tetrahedral amorphous carbon), ta-C)은 다이아몬드상 탄소 박막의 장점을 갖는 동시에 다이아몬드에 필적하는 기계적 물성을 보이기 때문에 각광받고 있는 코팅 재료이다.

이와 같은 다이아몬드상 탄소 박막의 기계적 응용을 위하여 다양한 기법이 제안되어 왔지만, 다이아몬드상 탄소 박막의 구조를 변화시킴으로써 이를 광학 소자(optical device) 또는 전자 소자(electronic device) 등에 응용하는 방법은 현재까지 제안된 바가 없다. 다이아몬드상 탄소 박막의 구조를 변화시켜 다이아몬드상 탄소와 흑연의 나노복합체를 형성하면, 동일한 재료로 이루어져 있으면서 상이한 전자적 특성을 갖는 나노복합체를 형성할 수 있으므로, 기존에 사용되는 다른 화학 원소를 사용하는 광학 소자 또는 전자 소자의 단점을 극복할 수 있다.

예컨대, 광학적(optical) 소자 또는 전자(electronic) 소자로의 응용을 위하여, 현재 양자점(quantum dot)이 제안되고 있으며 그의 개발이 활발하게 진행되고 있다. 이 때, 사용되는 재료는 주로 III - V 족 또는 II - VI 족 원소이다. 양자점 제조공정은 기판 물질과 박막 물질의 변형률 차이를 이용하여 기판 위에 섬(island) 형상을 가지는 양자점을 형성시킨 후, 기판과 동일하거나 다른 물질을 양자점 위에 덮음으로써 양자점을 안정화시켜 광학 소자 또는 전자 소자를 제조하는 과정을 포함한다. 그러나, 이와 같은 방법은 형성된 양자점 물질과 그것을 덮어주는 물질이 다르기 때문에, 양자점이 다른 물질로 덮이는 경우와 덮이지 않는 경우 그 형상에 있어서 많은 변화를 보이게 되므로, 실제의 소자를 제조하는데 상당한 문제점이 있을 수 있다. 만약, 탄소만으로 이루어진 양자점 형태의 박막을 형성할 수 있다면 다른 물질간의 상호 작용으로 인한 소자의 성능 저하를 없앨 수 있다는 장점이 있다.

본 발명은 Ni, Cu, Pd, Au, Ag, Fe, Co, Mn, Cr, V, Mo, Nb, Ru, 및 Rh 등과 같은 금속을 포함하는 군 중에서 선택된 반응성 물질의 나노도트(nano-dot)를 먼저 형성시킨 후, 탄소를 증착하여 탄소 박막층 내에 나노규모의 흑연상 물질과 다이아몬드상 비정질 탄소박막의 나노복합체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 금속 도트의 크기를 조절하여 흑연화된 부분의 크기를 제어할 수 있는 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 사용되는 증착 장치의 모식도이다.

도 2 및 도 3은 본 발명에 실시예에 의하여 합성된 탄소 나노복합체 박막의 투과전자현미경(TEM) 단면사진으로, 각각 니켈을 30초 및 60초 동안 증착하여 니켈 나노도트를 형성시킨 경우를 나타낸다.

도 4은 순수한 경질 탄소 박막과 본 발명에 의하여 합성된 탄소 나노복합체 박막의 라만 구조 분석 결과를 비교한 것이다.

도 5는 순수한 경질 탄소 박막과 본 발명에 의한 경질 탄소 나노복합체 박막의 전기 저항도를 측정하여 나타낸 것이다.

도 6은 순수한 경질 탄소 박막과 본 발명에 의하여 합성된 경질 탄소 나노복합체 박막의 잔류응력 및 경도의 변화를 나타낸 것이다.

*** 도면 주요부의 설명 ***

11 : 아크 이온 소스부 12 : 마그네트론 여과 장치 및 래스터 장치

13 : 기판부 14 : 기판

15 : 마그네트론 스퍼터 건 16 : 불활성 기체 공급부

17 : 진공 펌프

본 발명은 기판 표면에 나노크기의 금속 도트를 형성하여 나노미터 규모의 표면 변조(modulation)를 수행한 후, 탄소를 증착하여, 다이아몬드상 비정질 탄소 박막과 나노크기의 흑연화된 부분을 포함하는 경질 탄소 나노복합체 박막을 제조하는 방법 및 다이아몬드상 비정질 탄소 박막과 나노크기의 흑연화된 부분을 포함하는 경질 탄소 나노복합체 박막에 관한 것이다.

본 발명의 탄소 나노복합체 박막을 제조방법은 다음의 단계를 포함한다:

- 기판 표면에 금속을 스퍼터링하여 금속박막을 형성시킨 후 상기 금속 박막을 열처리하여 기판 표면에 나노크기의 금속 도트를 형성시키는 단계; 및

- 상기 금속 나노도트가 형성된 기판 위에 탄소원을 증착시켜, 다이아몬드상 탄소 박막을 증착시키고 금속 나노도트 주위에 흑연상 물질을 형성시킴으로써, 다이아몬드상 비정질 탄소 박막 내에 흑연상 물질을 나노크기로 포함하는 탄소 나노복합체 박막을 합성하는 단계.

상기 제조방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선, 본 발명에서는 탄소 박막 합성 전에 먼저 금속을 스퍼터링하여 기판 표면에 나노크기의 금속 도트를 형성한다. 이와 같은 금속 나노도트는 Ni, Cu, Pd, Au, Ag, Fe, Co, Mn, Cr, V, Mo, Nb, Ru, 및 Rh를 스퍼터링하여 형성할 수 있다.금속 입자가 기판 표면에 증착되어 형성된 박막을 열처리하여 고온에 노출시키면 표면 에너지를 낮추기 위하여 스스로 도트를 형성(자기 조립, self-assembly)하게 된다. 이 때, 형성되는 금속 도트의 크기는 균일하며, 그 크기는 초기 금속 박막의 두께에 따라 달라진다. 즉, 기판에 금속 박막을 나노단위의 두께로 충분히 얇게 형성시키고 열처리하면 기판 표면에 나노크기의 금속도트를 형성할 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기와 같이 금속 나노도트를 형성하기 위하여, 500 - 900 ℃로 열처리 하는 것이 바람직하며, 700 - 900 ℃가 보다 바람직하다. 선택되는 금속마다 약간의 차이는 있지만, 상기 온도 범위 외에서는 도트의 형성 자체가 어렵고, 균일한 분포를 보이지 않는다.

본 발명에 있어서, 금속 나노 도트를 형성하기 위하여 다음과 같은 두 가지 방법을 사용할 수 있다:

첫 번째 방법은, 반응 챔버 내에서 마그네트론 스퍼터링 방법을 사용하여 기판 표면에 금속 박막을 나노단위의 두께로 증착시킨 후, 500 - 900 ℃, 바람직하게는, 700 ℃ - 900 ℃로 열처리하여 나노도트 형태로 만드는 방법이고; 두 번째 방법은, 반응 챔버 내가 아닌 외부의 다른 스퍼터 장치를 사용하여 금속을 나노단위의 두께로 증착시키고, 외부의 열처리 장치 등을 이용하여 나노 도트를 형성한 후, 이를 반응 챔버 내로 유입시키는 방법이다. 이 중에서, 첫 번째 방법은 기존의 장치를 새롭게 개조하여야 한다는 번거로움이 있지만 불순물의 유입 없이 기판 표면에 금속 나노 도트 형성할 수 있다는 이점이 있으며, 두 번째 방법은 불순물의 유입 등의 문제점이 있지만 새롭게 장치를 개조할 필요가 없기 때문에 경제적인 면에서 이점이 있다.

이 때, 최종적인 경질 탄소 나노복합체 박막의 기계적 특성, 합성 과정의 경제성, 사용처 등을 고려하여 상기 금속 나노도트의 크기를 조절하는 것이 바람직하다. 금속 나노도트의 크기는 최초 스퍼터 건으로 금속을 증착시켜 금속 박막을 형성할 때, 그 두께를 조절함으로써 조절 가능하다. 예컨대, 금속의 증착시간이 길어질수록 금속박막의 두께가 증가하고, 박막 두께와 비례하여 형성되는 나노도트의 크기도 증가하게 된다 (도 2 및 도 3 비교).

이와 같이 기판 표면에 금속 나노도트를 형성시킨 후, 탄소원에 전압을 인가하고 FVA (Filtered Vacuum Arc), MSIB 증착 (Mass selected ion beam deposition) 또는 레이저 삭마 (laser ablation) 등과 같은 통상적인 방법을 사용하여 그 위에 탄소 이온을 증착시킨다. 이 과정에서 기판 위에 다이아몬드상 비정질 탄소 박막이 형성되면서 상기 다이아몬드상 비정질 탄소박막 내의 금속 나노도트 주변에 흑연상 물질이 기둥 형태로 형성되어, 나노미터 규모의 조성 변조(modulation)가 일어난다. 즉, 다이아몬드상 비정질 탄소 박막이 그 내부에 나노미터 규모로 형성된 흑연상 물질을 포함하는 형태의 신규한 경질 탄소 나노복합체 박막을 합성할 수 있다.

금속 중에서는 고온 조건하에서 탄소와 반응하여 탄소를 흑연화시키는 촉매 활성을 갖는 것들이 있다. 이러한 촉매 활성을 갖는 금속에는 Ni, Cu, Pd, Au, Ag, Fe, Co, Mn, Cr, V, Mo, Nb, Ru, Rh 등이 있다. 본 발명은 이러한 금속의 특성을 이용하여 금속 나노도트 주위에 흑연상 물질을 형성시킨다. 이 때, 본 발명은 고온의 조건을 만들어 주는 대신에, FVA (Filtered Vacuum Arc), MSIB 증착 (Massselected ion beam deposition) 또는 레이저 삭마 (laser ablation) 등과 같은 방법을 이용하여 탄소를 약 20 - 100 eV 정도의 높은 에너지로 증착시킴으로써, 원자 단위로 국부적으로 가열시켜 금속의 촉매 활성을 촉진시킨다. 이 때, 상기 흑연상 물질은 금속 나노도트 주변에 기둥 모양으로 형성되는 것이 일반적이며, 형성되는 흑연상 물질의 크기는 금속 나노도트의 크기에 비례한다 (도 2 및 도 3 참조). 따라서, 금속 나노도트의 크기를 조절함으로써 그 주위에 형성되는 흑연상 물질의 크기를 조절할 수 있다.

이 때, 상기 금속 나노도트의 형성을 위한 초기 금속 박막의 두께는 5 nm 내지 70 nm의 범위로 형성하는 것이 바람직하며, 금속 박막의 두께가 상기 범위 이상이거나 이하이면 나노 크기의 도트가 형성되지 않기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 다이아몬드상 비정질 탄소 박막의 두께는 10 nm 내지 수 ㎛의 범위로 형성할 수 있으며, 이는 박막의 응용 목적에 따라서 다양하게 조절될 수 있는 것으로, 상기 범위에 한정되는 것은 아니다. 다이아몬드상 비정질 탄소 박막 내에 나노크기의 흑연상 물질을 포함하는 최종적인 경질 탄소 나노복합체 박막의 전체 두께는 합성시의 인가 전압의 크기, 증착 시간, 탄소원의 크기 등에 따라 변화시킬 수 있으며, 사용되는 장치 또는 탄소원의 크기에 따라 수 십 ㎛까지, 예컨대, 20 ㎛로 형성할 수 있다.

또한, 본 발명은 기판과 다이아몬드상 비정질 탄소 박막의 경계면에 형성된 금속 나노도트들 주위에 형성된 흑연상 물질을 포함하는 나노미터 규모의 조성 변조를 갖는 경질 탄소 나노복합체 박막을 제공한다. 본 발명의 경질 탄소 나노복합체 박막은 그 구조에 있어서, 전체적으로 기계적인 물성이 매우 높고 전기저항이 높아 전기적으로 부도체인 다이아몬드상 비정질 탄소 박막, 및 그 내부에 국부적으로, 기계적인 물성이 낮으면서 전기저항이 낮아 전기 전도도가 높은 흑연상 물질을 함께 포함한다.

이와 같이 본 발명의 경질 탄소 나노복합체 박막은 전기 전도도가 다른 동일한 원소로 되어 있기 때문에, 전기 전도도가 상이한 물질 간의 상호작용으로 인한 성능 저하의 문제점이 없이 소자로의 적용이 가능하다. 부도체로서 다이아몬드상 비정질 탄소 박막에 포함되는 흑연상 물질의 크기는 금속 나노도트의 크기를 제어함으로써 제어 가능하다.

이 때, 경질 탄소 나노복합체 박막 내의 흑연상 물질의 함유량이 많아지면 박막의 전기저항도가 감소하여 전기적 특성이 우수해지는 반면, 박막의 잔류응력 및 경도도 감소하여 기계적 특성은 낮아지게 된다. 따라서, 경질 탄소 나노복합체 박막 내의 흑연상 물질의 함유량을 조절하여 사용 목적에 적합한 전기적, 기계적 물성을 갖는 경질 탄소 박막을 제조할 수 있다. 상기한 바와 같이, 경질 탄소 나노복합체 박막 내에 형성되는 흑연상 물질의 크기는 금속 나노도트의 크기에 의하여 조절할 수 있고, 상기 금속 나노도트의 크기는 초기 금속 박막의 두께에 의하여 조절할 수 있으므로, 초기 금속 박막의 증착 두께를 조절하여 경질 탄소 나노복합체 박막 내의 흑연상 물질의 함유량을 조절함으로써, 경질 탄소 박막의 전기적 및 기계적 물성을 그 사용 목적에 따라 적절하게 조절할 수 있다 (도 5 및 6 참조).

도 1은 본 발명의 구체예에서 사용가능한 경질 탄소 나노복합체 박막의 합성장치를 나타낸 것이다. 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 장치는 진공 여과 아크부, 마그네트론 스퍼터링부, 열처리부 및 반응 챔버부로 구성되어 있다.

진공 여과 아크부는 크게 3 부분으로 구성되어 있다. 즉, 아크 촉발을 위하여 고체상의 탄소원이 장착된 음극부와 양극부로 이루어진 아크 이온 소스부(11), 아크젯 플라즈마의 행로를 제어하여 효과적인 여과를 가능하게 하는 마그네틱 여과부(12) 및 대면적으로 균일한 증착을 가능하게 하는 래스터(raster, 12) 장치로 구성되어 있다. 음극부와 양극부에는 아킹(arcing)을 유도하기 위하여 촉발장치가 부착되어 있으며, 음극부에는 아크 안정성을 향상시키기 위하여 솔레노이드형(solenoidal)의 자기장치가 부착되어 있다. 마그네틱 여과부의 내부에는 거대 입자의 되튀김을 방지하기 위한 수 십 개의 배플(baffle)이 설치되어 있다.

이와 같은 구조의 마그네틱 여과부는 자기장을 이용하여 아크 이온 소스(11)로부터 기판(14)으로 나오는 아크 플라즈마 제트의 행로를 꺾어줌으로써, 아크 방전시 생성될 수 있는 불필요한 거대 입자가 그들의 관성으로 인하여 행로를 이탈하여 기판에 도달하지 못하도록 하여 효과적으로 거대 입자를 제거하는 역할을 한다. 또한, 상기 래스터 장치는 아크 플라즈마 제트를 균일하게 흔들어줌으로써, 기판상에서의 탄소박막의 균일한 증착을 가능하게 한다.

마그네트론 스퍼터링부의 스퍼터 건(15)은 통상의 마그네트론 스퍼터 건으로서, 기판과 일정한 각도를 유지하면서 대면하는 위치에 설치되어 있으며, 스퍼터 전원 공급계로부터 전원을 인가 받는다. 스퍼터 건 내에는 99.99 %의 고체 금속 타겟이 설치되어 있으며, 그 주변에 스퍼터링을 위한 불활성 기체 공급부가 위치하고 있다. 이 때, 증착되는 금속의 양은 스퍼터 건에 유입되는 불활성 기체의 유량으로 조절 가능하며, 상기 불활성 기체로서 아르곤(Ar), 헬륨(He), 네온(Ne), 크립톤(Kr) 등을 사용할 수 있다.

열처리부(16)는 통상의 할로겐 램프 등으로 구성되어 있고, 이를 이용하여 기판을 200 - 900 ℃로 열처리하는 것이 가능하다. 이 때, 열처리하는 방법으로는 기판 자체를 가열하는 방법을 이용하여도 무방하다. 열처리의 효과를 높이기 위해서는 박막에 산화막이 형성되는 것을 방지할 수 있도록 수소 분위기를 만들어 주는 것이 바람직하다.

반응 챔버부는 로터리 펌프와 터보 펌프 등의 진공 펌프(17)로 10^-6torr까지 진공을 유지시키도록 되어 있다. 또한, 기판은 HF 또는 DC 바이어스를 인가할 수 있도록 챔버와 절연되어 있고, 증착시 시편의 급격한 온도 상승을 막기 위하여 냉각수가 순환되도록 되어 있다.

본 발명의 한 구체예에 있어서, 상기의 도 1의 장치를 이용하여 경질 탄소 나노복합체 박막을 제조하는 방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선, 증착하고자 하는 기판을 유기 용매로 세척하여, 진공 반응 챔버 내의 기판부에 장착한다. 이어서, 진공 펌프를 이용하여, 반응 챔버 내부를 진공 상태로 만든 후, 마그네틱 스퍼터링부에 전원을 인가하여 스퍼터건의 금속을 스퍼터링하여 기판에 금속 나노박막을 증착시킨다. 이 때, 안정적인 금속의 스퍼터링을 위하여마그네틱 스퍼터링부의 스퍼터 전원은 DC를 사용하는 것이 효과적이지만, HF를 사용해도 무방하다. 전원을 달리하여 여러 번 시험한 결과에 따르면, DC 전원을 사용할 경우의 전압 및 전류 범위는 400 내지 700 V 및 0.1 내지 0.5 A가 바람직하고, HF 전원을 사용하는 경우에는 800 내지 900 V 및 0.5 내지 1.0 A가 바람직한 것으로 나타났다.

이와 같이 기판 표면에 금속 박막을 증착시킨 후, 열처리부에 전원을 인가하여 상기의 증착된 금속 박막을 500 - 900 ℃로 열처리하면, 자기 조립(self-assembly)에 의하여 금속 나노도트가 형성된다. 이 때, 형성되는 금속 나노도트의 사이즈는 거의 균일하며, 평균크기는 초기 금속 박막의 두께에 의하여 좌우된다. 즉, 금속 나노도트의 크기는 금속 박막의 두께에 비레하여 증가한다. 예컨대, 금속 박막의 두께가 각각 3.4 nm, 6.8 nm 및 13.1 nm일때 생성되는 나노도트의 크기의 분포는 각각 대략 4 - 8 nm, 30 - 60 nm 및 50 - 80 nm이다.

그리고 나서, 다시 반응 챔버 내부를 10^-6torr 정도까지 진공 상태로 만든 후, 진공 여과 아크 장치의 음극부에 고체상 탄소원을 장착하고 음극과 양극에 전원을 인가한다. 일정 범위 이상의 전압이 인가되면 두 전극 사이의 절연 공간에 순간적으로 절연 파괴가 일어나서 높은 전류가 흐르는 아크 방전이 발생하며, 이러한 아크 방전에 의한 아크 방전 부분에서의 가열로 인하여 음극부에 위치한 고체 탄소원의 급격한 증발(이온화)이 일어나 플라즈마의 강력한 제트가 형성된다. 이 때, 많은 전류가 흐르면서 가열, 이온화 및 팽창 과정을 계속적으로 발생시켜 아킹을유도하여 아크젯 플라즈마를 발생시킨다. 아크가 발생되면 급격한 전하의 흐름이 생기므로 한 쪽 전극에서 반대 전극으로 이온과 전자가 방출되며, 고속으로 분출되는 이온들의 기판에 증착되어 막을 형성하게 된다. 이 때, 22 - 30 V 및 55 - 90 A의 전원을 인가하는 것이 바람직하다.

상기의 장치 및 FVA 증착법, MSIB 증착법 또는 레이저 삭마 방법을 사용하는 본 발명에 있어서, 탄소 증착시에 방출되는 탄소이온은 약 20 - 100 eV 정도의 높은 이온화 에너지를 가지며, 이러한 높은 이온화 에너지로 인하여 기판 상에 나노도트로 형성되어 있는 금속의 촉매 작용이 활성화되어, 나노도트 주위에서 탄소의 흑연화가 촉진된다.

상기 증착 과정은 기판을 건식 세척하는 과정을 포함할 수 있다. 초기에 진공 여과 아크 장치를 작동시켜 고체 탄소원의 아크젯 플라즈마를 형성시키고, 불활성 기체를 공급하면서 기판부에 전원을 공급한 상태에서 기판을 건식 세척한다. 이 때, 기판부의 전원은 HF 또는 DC를 사용할 수 있고, 기판 바이어스는 -800 내지 -1000 V 범위가 바람직하며, 세척시간은 10 분 내지 20 분이 바람직하다. 상기 건식 세척이 끝난 다음에, 연속적으로 바이어스를 걸지 않고 탄소 이온을 증착시킨다.

이하, 본 발명의 특징을 다음의 실시예를 통하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

실시예

아래의 실시예에서는 금속 나노도트의 형성을 위한 금속원으로서 니켈(Ni)을 사용하였고, 금속 나노도트의 형성 방법으로서 마그네트론 스퍼터링법을 사용하였으며, 다이아몬드상 비정질 탄소 박막의 합성방법으로서 FVA 방법을 사용하였다. 그러나, 본 발명이 상기한 물질과 방법에만 국한되는 것은 아니다. 어떠한 방법으로든지 실리콘이 첨가되는 조성과 막 형성 구조를 제어할 수 있다면 동일한 발명의 효과를 얻을 수 있을 것이다.

또한, 아래의 실시예에서 코팅 모재로는 실리콘을사용하고 있으나, 본 발명이 실리콘 코팅 모재에만 국한되는 것이 아니며, 모든 철계 및 비철계의 금속 모재에도 적용될 수 있다.

실시예 1

경질 탄소 나노복합체 박막의 합성

기판으로서 실리콘 기판을 사용하고, 기판 상에 금속 나노도트의 형성을 위하여, 스퍼터 건에 99.99 %의 니켈 타겟을 설치하였으며, 스퍼터에는 250 kHz의 고주파 전원을 사용하였다. 니켈 스퍼터링시의 인가 전원은 800 V, 500 mA으로 하였다. 또한, 금속 나노도트가 형성된 기판 상에 다이아몬드상 비정질 탄소 박막을 코팅하기 위한 아크 전원으로는 DC 22 V, 55 A를 사용하였다.

우선, 유기 용매를 이용하여 세척된 실리콘 기판을 기판 지지대에 장착하고, 아르곤 20 sccm을 유입시키면서 스퍼터 건에 상기와 같은 전원을 인가하여 Ni 박막을 증착하였다. 이 때, 증착 시간을 조절함으로써 박막의 두께를 조절할 수 있는데, 본 실시예에서는 15, 30 및 60 sec 동안 각각 증착하였다. 이 때 형성된 Ni 박막의 두께는 각각 3.4 nm, 6.8 nm, 13.1 nm 이였다. 그리고 나서, 증착된 Ni 박막을 800 ℃로 열처리하여 나노크기의 Ni 도트를 형성시켰다.

다음으로 아크 건을 작동시킨 상태에서, 아크 건으로 아르곤을 8 sccm 공급하면서 압력을 0.1 mTorr로 유지하고, 250 kHz 고주파 전원으로 기판에 바이어스 전압 -800 V를 인가하여, 10 분 동안 기판을 건식 세척하였다. 그리고 나서, 아크 건을 통한 아르곤 공급을 중단하고, 아크 이온 소스부의 음극에 고체 탄소원으로서 소성 가공된 흑연(graphite)을 장착하고, 이로부터 발생하는 탄소이온을 상기 니켈 나노도트가 형성된 기판 상에 증착시켰다.

도 2 및 3은 상기와 방법으로 합성된 경질 탄소 나노복합체 박막의 투과전자현미경 (TEM) 사진이다. 도 2는 Ni을 30 초 동안 증착 (즉 초기 Ni 박막의 두께가 6.8 nm인 경우)하여 Ni 도트를 만든 경우에 형성된 탄소 나노복합체 박막이고, 도 3은 Ni을 60 초 동안 증착 (즉 초기 Ni 박막의 두께가 13.1 nm인 경우)하여 Ni 도트를 만든 경우에 형성된 탄소 나노복합체 박막을 나타낸 것이다. 각 도의 왼쪽 하단부에 첨부된 자료는 AFM (표면 조도 측정장치)으로 측정한 표면 상태에 대한 3 차원적 결과이다. 또한, 각 도의 맨 위층은 TEM용 샘플에 필요한 에폭시(epoxy) 층이며, 맨 밑은 기판인 Si 층이고, 가운데층이 본 발명에 의한 경질 탄소 나노복합체 박막에 해당한다.

본 발명에 따른 다층막의 구조가 비정질이기 때문에 각 층의 경계는 명확하지 않지만, 콘트라스트(contrast)의 변화로부터 Ni 도트 주위의 구조가 그 외 부분과 다르게 보이는 것을 알 수 있다. 도 2와 3을 비교해보면, Ni 도트의 크기가 증가하고 있고, 또한, Ni 주위에 형성되는 제 2의 상의 크기가 Ni 도트의 크기에 비례해서 증가하는 것을 알 수 있다.

실시예 2

형성된 경질 탄소 나노복합체 박막의 구조 및 물성의 분석

투과전자현미경 결과로부터 Ni 주위에 제 2의 상이 기둥 모양으로 형성되어 있음을 알 수 있었다. 이 부분이 어떠한 구조를 갖는지를 확인하기 위하여 라만구조분석 및 기타 물성을 측정하였다. 필름의 경도는 나노인덴테이션 방법을 사용하여 측정하였으며, 잔류응력은 기판/필름의 곡률변화로부터 계산하였다.

도 4는 라만구조분석 결과이다. 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 전형적으로 순수한 경질 탄소 박막의 라만 구조 분석 결과는 그림(Pure)과 같이 나타나게 되는데, 여기서, 라만피크의 강도가 낮게 나타나는 이유는 그 만큼 탄소 박막 내에 흑연상이 거의 포함되어 있지 않다는 것을 의미한다. Ni 도트의 크기가 가장 작은 경우 (Ni 15초 동안 증착하여 Ni 박막의 두께가 3.4nm인 경우)에는 라만 모양의 변화가 거의 없다가, Ni 도트의 크기가 커질수록, 즉 Ni의 증착시간이 길어질수록, 점차 그 피크의 강도가 증가함을 알 수 있다. 이는 박막 내에 흑연상이 점차 증가하고 있음을 의미하며, Ni 도트의 크기가 커질수록 그 효과가 크다는 것을 보여준다. 이와 같은 결과로부터, 상기의 도 2 및 3에서 보여진 다이아몬드상 비정질 탄소 박막 내에 포함되어 있던 제 2상이 흑연상이라는 것을 간접적으로 알 수 있다.

도 5는 순수한 경질 탄소 박막과 본 발명에 의한 탄소 나노복합체 박막의 전기 저항도를 비교 측정한 결과이다. 순수한 경질 탄소 박막의 경우(즉 Ni 박막의 두께가 0인 경우), 그 저항이 매우 커서 거의 부도체에 가까운 반면, 본 발명의 탄소 나노복합체 박막의 경우, Ni 도트의 크기가 커질수록 점차 저항이 낮아지는 것을 볼 수 있다. 이는 박막 내에 도체인 흑연상이 존재하기 때문이다. 또한, Ni 도트의 크기가 커질수록 점차 저항이 낮아지는 것은 그에 따른 박막 내의 흑연상이 증가하기 때문인 것으로 생각된다. 결과적으로, 전기 저항에 영향을 미치는 가장 큰 인자는 Ni 도트에 의하여 만들어진 흑연상이라 할 수 있다. 이와 같이 형성된 흑연상은 전기 저항이 매우 낮은 도체인 반면 경질 탄소 박막은 저기 저항이 높은 부도체이기 때문에 동일한 원소로 이루어진 전기 전도도가 완전히 다른 나노규모의 복합체를 형성할 수 있는 가능성을 제시할 수 있다.

도 6은 순수한 경질 탄소 박막과 본 발명에 의한 탄소 나노복합체 박막의 기계적 특성 평가 결과이다. 순수한 경질 탄소 박막에 비하여 (즉, Ni 박막의 두께가 0인 경우), 잔류응력 및 경도가 감소하는 것을 볼 수 있다. 이는 기계적인 물성이 낮은 흑연상의 함유량이 많아지는 것에 기인한다. 이 때, 복합 박막의 기계적인 물성이 감소하는 것은 박막 전체에 걸친 물성이 저하된다는 것을 의미하는 것은 아니다. 즉, Ni 도트 주위의 흑연상 이외의 부분은 순수한 경질 탄소 박막의 기계적인 물성을 그대로 확보하고 있으며, 도 6에 나타나는 측정 결과는 그 두 부분의 평균값을 나타낸 것이다. 또한, 이러한 결과를 이용한다면, Ni 도트 크기를 조절하여 형성되는 흑연상의 크기를 제어함으로써, 탄소 박막의 잔류 응력 및 경도를 원하는 정도로 조절하는 것이 가능할 것이다.

금속 나노도트 형성에 의하여 막 내에 나노크기로 형성된 흑연상을 포함하는 본 발명의 경질 탄소 나노복합체 박막은 그 구조에 있어서 전체적으로 기계적인 물성이 매우 높고 전기적으로 부도체인 다이아몬드상 탄소 박막 내부에 국부적으로 기계적인 물성이 낮으면서 전기 전도도가 높은 흑연상을 동시에 갖기 때문에, 전계방출소자 (Field Emitter), 마찰재료 (Tribology), 필터, 선택적 증착 (Selective deposition), 광방출 다이오드 (Light emitting diode), 전기 차폐재 (Electric shield) 및 나노-전극 (nano-electrode) 등의 매우 다양한 분야에 활용될 수 있다.

Claims

높은 전기저항과 낮은 전기전도도를 갖는 다이아몬드상 비정질 탄소 박막 및 상기 다이아몬드상 비정질 탄소 박막 내부에 나노크기로 형성된 낮은 전기저항과 높은 전기전도도를 갖는 흑연상 부분을 포함하는 경질 탄소 박막으로서,

동일한 원소로 구성되며 부분적으로 전기전도도가 상이한 것을 특징으로 하는 경질 탄소 나노복합체 박막.
기판 표면에 금속을 스퍼터링하여 금속박막을 형성한 후, 상기 금속 박막을 열처리하여 기판 표면에 나노크기의 금속 도트를 형성시키고,

상기 금속 나노도트가 형성된 기판 위에 탄소를 증착시켜, 다이아몬드상 탄소 박막을 형성시키고 상기 다이아몬드상 비정질 탄소 박막 내의 금속 나노도트 주위에 나노크기의 흑연상을 형성시킴으로써, 다이아몬드상 비정질 탄소 박막 내에 부분적으로 나노크기의 흑연상 물질을 포함시키는 단계를 포함하는 경질 탄소 나노복합체 박막의 제조방법.
제 2 항에 있어서, 상기 금속을 Ni, Cu, Pd, Au, Ag, Fe, Co, Mn, Cr, V, Mo, Nb, Ru, 및 Rh 을 포함하는 군 중에서 선택하여 사용하는 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 금속 박막을 5 nm 내지 70 nm 두께로 형성시킴으로써 수행되는 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 금속 박막의 두께를 조절하여 기판 상에 형성되는 금속 나노도트의 크기를 조절함으로써 그 주위에 형성되는 흑연상의 크기를 조절하여 수행되는 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 탄소 증착시에 진공여과아크 (Filtered Vacuum Arc, FVA) 증착법, 레이저 삭마(laser ablation) 또는 MSIB (Mass Selected Ion Beam) 증착법을 이용하고, 방출되는 탄소 이온이 20 - 100 eV의 높은 이온화 에너지를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 챔버 내에서 마그네트론 스퍼터링 방법을 사용하여 기판 표면에 금속 박막을 증착시킴으로써 수행되는 방법.
제 7 항에 있어서, 고체상의 탄소원이 장착된 음극부와 양극부로 이루어진 아크 이온 소스부, 마그네틱 여과부 및 래스터를 포함하는 진공 여과 아크부, 금속 박막의 증착을 위한 마그네트론 스퍼터링부, 금속 나노도트의 형성을 위한 열처리부 및 반응 챔버부로 구성된 장치를 사용하여 수행하는 방법.
제 8 항에 있어서,

마그네틱 스퍼터링부의 스퍼터 전원으로서 400 - 700 V 및 0.1 내지 0.5 A의 DC 전원 또는 800 - 900 V 및 0.5 내지 1.0 A의 HF 전원을 사용하여 기판 표면에 금속 박막을 형성시키고,

열처리부에 전원을 인가하여 기판 표면에 형성된 금속박막을 500 ℃ - 900 ℃로 열처리하여 나노도트 형태로 만듦으로써 기판 표면에 금속 나노도트를 형성시키고,

진공 여과 아크 장치의 음극부에 고체상 탄소원을 장착하고 음극과 양극에 22 - 30 V, 55 - 90 A의 전원을 인가하여 음극부에 위치한 고체 탄소원의 급격한 이온화 및 고속 분출을 유발하여 탄소 이온을 상기 금속 나노도트가 형성된 기판에 증착시킴으로써, 기판 상에 다이아몬드상 비정질 탄소 박막을 형성시키고 금속 나노도트 주위에 나노크기의 흑연상 물질을 형성시켜서,

다이아몬드상 비정질 탄소 박막 및 상기 다이아몬드상 비정질 탄소 박막 내부에 나노규모로 형성된 흑연상 부분을 포함하는 경질 탄소 나노복합체 박막을 제조하는 단계를 포함하는 방법.
제 8 항에 있어서,

마그네틱 스퍼터링부의 스퍼터 전원으로서 400 - 700 V 및 0.1 내지 0.5 A의 DC 전원 또는 800 - 900 V 및 0.5 내지 1.0 A의 HF 전원을 사용하여 기판 표면에 금속 박막을 형성시키고,

열처리부에 전원을 인가하여 기판 표면에 형성된 금속박막을 500 ℃ - 900 ℃로 열처리하여 나노도트 형태로 만듦으로써 기판 표면에 금속 나노도트를 형성시키고,

진공 여과 아크 장치를 작동시켜 고체 탄소원을 이온화시키고 기판부에 -800 내지 -1000 V 범위의 전원을 공급한 상태에서 불활성 기체를 공급하면서 10 분 내지 20 분 동안 기판을 건식 세척한 후, 불활성기체의 공급을 중단하고, 연속적으로, 별도의 바이어스를 인가하지 않고 탄소 이온을 증착시킴으로써 수행되는 방법.
제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 외부의 별도의 스퍼터 장치를 사용하여 기판 상에 금속 박막을 형성시키고, 외부의 열처리 장치를 이용하여 상기 금속 박막을 열처리하여 금속 나노도트를 형성시킨 후, 이를 반응 챔버 내로 유입시킴으로써 수행되는 방법.