KR20050048467A - 니들형 물질을 배향하기 위한 액체 토출 장치 및 방법 - Google Patents

니들형 물질을 배향하기 위한 액체 토출 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

니들형 물질이 분사된 분산액은 직경이 토출구를 향하여 감소되도록 테이퍼링된 노즐의 토출구로부터 토출된다. 노즐의 최대 직경은 니들형 물질의 길이보다 크고, 토출구의 직경은 니들형 물질의 직경보다 크며 니들형 물질의 길이보다 작다. 노즐을 통과함으로써, 니들형 물질은 배향된다.

Description

니들형 물질을 배향하기 위한 액체 토출 장치 및 방법 {LIQUID DISCHARGE APPARATUS AND METHOD FOR ALIGNING NEEDLE-LIKE SUBSTANCES}
본발명은, 분산된 니들형 물질을 함유하는 분산액을 기재 등에 토출함으로써 니들형 물질을 배향하는 액체 토출 장치 및 니들형 물질 배향 방법에 관한 것이다.
니들형 물질을 대표하면서 최근 주목받고 있는 탄소 나노튜브는, 면 내에 결합된 흑연 구조를 이루는 sp2탄소들이 나노미터(nanometer) 정도(order)로 원통으로 굴곡된 구조를 갖는다. 탄소 나노튜브는 많은 우수한 성질을 갖고 있으므로 여러 분야에서 사용되고 있다. 특히, 탄소 나노튜브는, 탄소 나노튜브가 양호한 도전성 또는 반도체 특성일 수 있는 전기적 특성 때문에 종종 전기 재료로 사용된다. 탄소 나노튜브의 일 사용 예는 MOS트랜지스터로 사용되는 것이다.
도8은 종래의 MOS트랜지스터의 개략도이다. MOS 트랜지스터를 제조하기 위해, 복수의 탄소 나노튜브(104)가 실리콘기재(10) 상의 SiO2막(11) 상에 동일한 방향으로 배향되며, 소스 전극(12), 드레인 전극(13) 및 게이트 전극(14)은 포토리소그래피로 형성된다. 그 후에, 소스 전극(12)과 드레인 전극(13) 사이에 고전압을 인가하여, 양호한 도전성의 탄소 나노튜브를 절단하고 반도체 특성의 탄소 나노튜브를 남긴다. 이로써, M0S 트랜지스터가 만들어진다.
탄소 나노튜브의 다른 응용예는 전계 방출 디스플레이(FED: field emission display)의 전자 소스로서 탄소 나노튜브를 사용하는 것이다. 탄소 나노튜브에 전압이 인가되면 탄소 나노튜브는 전자를 방출한다. 많은 탄소 나노튜브들이 동일 방향으로 다발로 되어 전자 방출기를 형성하며, 이러한 전자 방출기는 FED 전자 소스 내로 2차원 배열된다. 탄소 나노튜브는 많은 다른 응용예에서 사용되고 있으며, 대부분의 응용예에서 한 방향으로 배향되도록 요구되고 있다.
탄소 나노튜브를 배향하기 위한 몇 가지 방법이 일본 특허 출원 공개 제2000-208026호, 제2001-93404호, 제2001-195972호 및 제2003-197131호에 개시되어 있으며, 이들은 모두 FED 전자 소스에 관한 것이다. 일본 특허 출원 공개 제2000-208026호에서는, 탄소 나노튜브를 포함하는 재료가 원통 내에 캡슐화되고, 원통이 연장되어 탄소 나노튜브를 연장 방향으로 배향시킨다. 일본 특허 출원 공개 제2001-93404호에서는, 분산된 탄소 나노튜브를 함유하는 도전성 페이스트가 세라믹 시트 내에 형성된 많은 관통 구멍 내로 가압됨으로써, 탄소 나노튜브들이 기재에 수직인 방향으로 배향된다. 일본 특허 출원 공개 제2001-195972호에서는, 분산된 탄소 나노튜브를 함유하는 페이스트가 스크린 인쇄법(screen printing)이나 스핀 코팅법(spin coating)에 의해 기재의 표면에 제공된 톱니 모양의 형상 등과 같은 물리적 형상에 도포된다. 이로써, 탄소 나노튜브는 기재의 표면에 수직인 방향으로 배향된다. 일본 특허 출원 공개 제2003-197131호에서는, 탄소 나노튜브가 금속막의 표면에 수직인 방향으로 배향되도록 금속막의 표면 내에 형성된 많은 작은 리세스 내에 위치된다.
그러나,이들 방법은 다음과 같은 문제점을 갖는다. 일본 특허 출원 공개 제2000-208026호에 개시된 방법은 배향을 위해 복잡한 제조 공정을 필요로 한다. 또한, 배향된 탄소 나노튜브를 FED 전자 소스로 사용하기 위해서, 배향된 탄소 나노튜브를 매트릭스 내에 배열하는 추가 단계를 필요로 하므로, 제조 단계의 수를 증가시킨다. 일본 특허 출원 공개 제2001-93404호와 제2001-195972호의 방법은 탄소 나노튜브를 쉽게 배향하기 곤란하다. 또한, 일본 특허 출원 공개 제2003-197131호에 개시된 방법은, 임의의 방향을 향하는 탄소 나노튜브들이 이 방법에 따라 리세스 내에 단순히 위치되므로 배향의 정밀도에 문제점이 있다.
본 발명의 발명자들은 그루브 또는 리세스를 갖는 기재 상에 분산 매질 내에서 분산된 니들형 물질을 도포(apply)하고, 니들형 물질을 리세스 내로 쓸어내림(sweeping)하여 니들형 물질을 리세스의 내벽을 따라 배향함으로써, 니들형 물질을 쉽게 배향하는 방법을 개발하였다.
본발명은 전술한 배향 방법의 효율을 높이도록 의도된 것으로서, 본 발명의 목적은 니들형 물질을 배향하기 위한 액체 토출 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 액체 토출 장치는 니들형 물질을 함유하는 분산액이 관통하여 토출되는 테이퍼링된 노즐을 갖는다. 노즐의 최대 직경은 니들형 물질의 길이보다 크고, 토출구 직경은 니들형 물질의 직경보다 크고 니들형 물질의 길이보다 작다.
본 발명의 또다른 목적, 특징 및 장점은 (첨부된 도면을 참조하여) 양호한 실시예의 다음 기술로부터 명백할 것이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
제1 실시예
본 실시예는 니들형 물질의 대표하여 탄소 나노튜브를 사용한다.
도1은 본 실시예에 따른 액체 토출 장치로서 작용하는 탄소 나노튜브 공급 장치의 주요부인 탄소 나노튜브 공급 헤드의 측단면도이다.
탄소 나노튜브 공급 헤드(1)는 탄소 나노튜브가 분산된 분산액을 토출하여 탄소 나노튜브가 배향되는 기재(substrate)에 분산액을 도포(apply)한다.
탄소 나노튜브 공급 헤드(1)는 탄소 나노튜브(15)가 분산된 분산액(14)을 토출하기 위한 토출 에너지를 생성하도록 작용하는 발열체(2)를 포함한다. 발열체(2)는 전기 에너지를 열 에너지로 변환하여 열 에너지가 분산액(14) 상에 작용하도록 하는 전기 열 변환기이다. 발열체(2)는 상부판(3) 내에 배치된다. 상부판(3)은, 노즐(7)로 작용하는 구멍과 하류벽(13)을 갖는 기판(5)과 접합되고, 상부판(3)과 기판(5)은 유로(6)를 형성한다. 탄소 나노튜브(15)를 함유하는 분산액(14)은 토출구(4)로부터 토출된다.
유로(6)는 노즐(7)을 통해 토출구(4)와 연통하고, 도면에 도시되지 않은 분산액 공급실과도 또한 연통한다. 분산액 공급실은, 토출구(4)로부터 토출된 양과 대체로 같은 일정량의 분산액(14)을 복수의 유로(6)로 공급한다. 특히, 탄소 나노튜브(15)를 함유하는 분산액(14)은 분산액 공급실로부터 도면에 도시된 화살표에 의해 표시된 방향으로 유로(6) 내로 흐른다.
탄소 나노튜브 공급 헤드(1)는, 발열체(2)가 급속하게 가열되어 발열체(2)와 분산액(14) 사이의 인터페이스 부근에서 분산액(14) 내에 기포를 생성시키는 기포 발생 영역(12)을 갖는다.
상부판(3)과 대향하는 기판(5) 내에는, 직경이 토출구(4)를 향하여 감소되는 테이퍼 형상의 노즐(7)이 형성된다. 노즐(7)과 토출구(4)는 기포 발생 영역(12)에 대응하는 영역 내에 구비된다. 본 실시에에서 사용 가능한 탄소 나노튜브(15)는, 양호하게는 직경이 수 나노미터 내지 수십 나노미터 사이의 영역이고 길이가 수 마이크로미터 내지 수십 마이크로미터 사이의 영역인 치수를 갖는다. 탄소 나노튜브(15)를 배향하기 위해, 노즐(7)은, 직경이 탄소 나노튜브(15)의 직경보다 크고 탄소 나노튜브(15)의 길이보다 작은 토출구(4)를 갖는다. 토출구(4)의 직경은 탄소 나노튜브(15) 직경의 수 내지 수십 배 만큼 큰 것이 바람직하다. 노즐(7) 또는 테이퍼링된 개구의 최대 직경은 탄소 나노튜브(15)의 길이보다 크고, 참조부호(16)으로 표시된 테이퍼 각(θ)은 30도 이하인 것이 바람직하다. 테이퍼 각이 작아질수록, 배향 능력이 증가한다. 본 실시예는 20 nm의 직경과 20 μm의 길이를 갖는 탄소 나노튜브를 사용한다. 따라서, 토출구(4)의 직경은 수백 나노미터이고 노즐(7)의 최대 직경은 수십 마이크로미터인 것이 바람직하다. 본 실시예에서, 토출구(4)는 300 nm이고 노즐(7)의 최대 직경은 30 μm이다. 노즐(7)은 디포커스(defocus) 조건 하에서 포토리소그래피에 의해 이러한 치수를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
기판(5)은 기포 발생 영역(12)의 상류측에 후방 규제부(11)를 갖는다. 후방 규제부(11)는 유로(6)의 단면적을 부분적으로 작게하여 유동저항을 높이며, 이로써 분산액(14)의 기포 에너지가 탈출하는 것을 방지한다. 결과적으로, 분산액(14)이 효율적으로 토출될 수 있다. 기포 발생 영역(12)의 하류측은 하류벽(13)에 의해 폐쇄된다.
이하, 탄소 나노튜브 공급 헤드(1)의 토출 동작에 대하여 설명한다.
도2는 토출구(4)로부터 토출되려고 하는, 탄소 나노튜브(15)가 분산된 분산액의 개략도이다.
도면에 도시되지 않는 제어기로부터 발열체(2)에 전기에너지가 인가됨으로써, 발열체(2)가 가열되어 발열체(2)에 접촉하는 분산액(14) 내에 (도면에 도시되지 않은) 기포가 발생한다. 기포 발생 영역(12) 내의 기포 발생에 의해 생성된 압력에 의해, 유로(6) 내의 분산액(14)은 노즐(7), 하류측 및 상류측으로 강제 이동될 것이다. 이 경우, 분산액(14)의 하류 흐름은 하류벽(13)에 의해 저지되고, 분산액(14)의 상류 흐름은 후방 규제부(11)에 의해 유량이 적어지도록 제한될 것이다. 노즐(7)로 향하는 흐름인 경우에는, 노즐(7)의 직경이 토출구(4)를 향하여 감소되도록 노즐(7)이 테이퍼링되어 있으므로, 유량 저항이 증가된다. 그러나, 하류벽(13)과 후방 규제부(11)의 존재에 의해 분산액(14)은 노즐(7) 내로 흐르게 된다. 노즐(7)이 테이퍼링되어 있으므로, 토출구(4)로 흐르는 분산액(14) 내의 탄소 나노튜브(15)가 서서히 배향된다.
상술한 바와 같이, 토출구(4)의 직경은 탄소 나노튜브(15)의 직경보다 크고 탄소 나노튜브(15)의 길이보다 작으므로, 분산액(14) 내의 탄소 나노튜브(15)는, 토출구(4)를 통과할 때 화살표(A)로 표시된 토출 방향으로 배향된다.
토출구(4)와 기재 사이의 거리는, 가능한 한 짧은 것이 바람직하고, 구체적으로 토출구(4)로부터의 분산액(14)의 액적이 표면 장력에 의해 대략 구형으로 형성되기 전에 기재 상에 도달할 정도로 짧은 것이 바람직하다. 이 이유는 아래와 같다.
분산액(14) 내의 탄소 나노튜브(15)는, 유로(6) 내에서 배향되지 않지만, 노즐(7)의 테이퍼에 의해 서서히 배향되어 토출방향(A)에서 배향 상태로 토출된다. 토출 직후의 분산액(l4)은 토출 방향(A)으로 연장되어 있으며, 따라서 액체 내부의 탄소 나노튜브(15)는 토출방향(A)으로 배향된다. 또한, 분산액(14) 내에 배향된 탄소 나노튜브(15)에 의해 분산액(14)이 토출 방향(A)으로 연장 유지되는 반면, 분산액(14)은 표면 장력에 의해 구형이 되려는 경향이 있다. 결과적으로, 토출 방향(A)으로 배향된 탄소 나노튜브(15)는 바람직하지 않게 임의 방향으로 향할 수 있다. 탄소 나노튜브(15)가 배향된 상태로 기재 상에 분산액(14)을 도포하기 위해서, 기재와 탄소 나노튜브 공급 헤드(l) 사이의 거리를 가능한 한 짧게 하여 분산액(14)이 표면 장력의 영향에 의해 구형으로 형성되기 전에 기재 상에 도달하는 것이 바람직하다.
분산액(14) 내의 탄소 나노튜브(15)가 침강되는 것을 방지하기 위해, 제어부는 분산액(14)이 토출되는 시간 외에도 발열체(2)에 전기 에너지를 인가할 수 있다. 이는 침강된 탄소 나노튜브(15)가 노즐(7) 또는 토출구(4)를 막고 따라서 분산액(14)을 토출하는 능력을 저하시키기 때문이다. 이러한 막힘을 방지하기 위해, 제어부는 분산액(14)이 토출되지 않을 정도로 그렇지만 미세 기포가 발생 및 소멸의 시퀀스를 반복하는 정도로 예를 들어 단속적으로 발열체에 전기 에너지를 인가한다. 즉, 발열체(2)를 분산액(14)을 맥동시키기 위한 진동 수단으로 사용한다. 그러므로, 탄소 나노튜브(15)가 침강되지 않으면서, 분산액(14)을 토출하는 능력이 유지된다. 분산액(14)을 토출하면서 탄소 나노튜브(15)가 침강되는 것을 방지하기 위해 발열체(2)를 사용하는 대신에, 발열체(2)와 동일한 메카니즘을 갖는 전기 열 변환기가 탄소 나노튜브가 침강되지 않도록 유로(6) 내에 더 제공될 수 있다.
탄소 나노튜브 공급 장치는 분산액(14) 토출 능력을 회복하기 위한 회복 수단을 더 포함할 수 있다. 노즐(7)에 갇힌 분산액(14)이 증발함으로써 액체의 점성이 증가하여 토출 능력을 저하시킨다. 또한 토출의 반복에 의해 노즐(7)과 유로(6) 내에 잔류 기포가 발생하게 되어, 토출 능력이 저하된다. 그러므로, 회복 수단이 유로(6) 내의 분산액(14)에 정압 또는 부압을 인가하여 노즐(7)을 막고 있는 분산액(14)과 잔류 기포를 제거하는 것이 바람직하다. 회복 수단은 유로(6)의 상류에 배치되어, 유로(6) 내의 분산액(14)에 정압을 인가하여 토출구(4)를 막고 있는 분산액(14)을 배출시킬 수도 있고 또는 흡입에 의한 부압을 인가하여 막혀 있는 분산액(14) 또는 잔류 기포를 상류측으로 흡인할 수도 있다. 이러한 구성에서, 회복 수단은 분산액(14)에 정압 및 부압을 교대로 인가하여 토출 능력을 회복하면서 탄소 나노튜브(15)가 침강되지 않도록 이중의 기능을 가질 수 있다. 이와 달리, 회복 수단이 탄소 나노튜브 공급 헤드(1)의 외부에 제공될 수 있다. 이 경우, 회복 수단은 토출구(4)에 직접 놓이고(put) 흡입에 의해 분산액(14)과 잔류 기포를 흡인하여 제거한다.
발열체(2)를 회복 수단으로 사용할 수 있다. 즉, 진동수단으로서 작용하는발열체(2)가 분산액(14)을 맥동시켜 토출 능력을 회복시킬 수 있다.
본 실시예에서 기포 발생에 의해 분산액(14)이 토출되므로, 분산액(14)의 분산 매질은 솔벤트(solvent)와 같이 비교적 낮은 점성도를 갖는 재료이다. 도전성 페이스트 또는 절연성 수지 페이스트와 같은 높은 점성도 재료가 분산 매질로 사용되면, 탄소 나노튜브 공급 헤드는 후술하는 바와 같이 압전 소자를 포함하는 것이 바람직하다.
도3은 탄소 나노튜브가 배향되는 기재를 도시한다.
도3에서 기재(20)는 그 표면에 형성된 복수의 그루브(21) 또는 리세스를 갖는다. 기재(20)의 재료는 특별히 한정되지 않으며, 기재(20)는 세라믹 또는 수지와 같은 절연성 재료 또는 실리콘 웨이퍼 또는 금속과 같은 반도체 또는 도전성 재료로 만들 수 있다. 또한, 기재(20)는 SiO2막과 같이 산화층으로 피복된 실리콘을 포함할 수 있다. 기재(20)의 표면에 평면도가 확보되는 한 어떤 재료도 기재(20)로 사용될 수 있다.
그루브(21)는, 정점이 아래쪽을 향하는 V형 단면을 가지며, 기재(20)에 소정 간격으로 대체로 서로 평행하게 형성되어 있다. 그루브(21)는 탄소 나노튜브(15)를 배향하기 위한 용도이다. 탄소 나노튜브(15)는 후술하는 바와 같이 그루브(21)의 측벽(22)을 따라 그루브(21) 내에 위치됨으로써 배향된다. 따라서, 그루브(21)의 개구의 폭(w)은, 탄소 나노튜브(15)가 그루브(21) 내에 위치될 수 있도록 탄소 나노튜브(15)의 직경보다 크게 설정된다. 또한, 탄소 나노튜브(15)가 그루브(21)의 측벽(22)을 따라 배향되기 위해, 폭(w)은 탄소 나노튜브(15)의 길이보다 작게 설정된다.
도3은 V형 그루브를 일례로서 도시하고 있지만, 그루브(21)는 탄소 나노튜브(15)를 배향하게 하는 한 임의의 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 그루브(21)의 단면은 직사각형, 사다리꼴, 반원 또는 반타원일 수 있다. 본 실시예에서 그루브(21)의 단면이 V형이므로, 탄소 나노튜브(15)는 그루브(21)의 측벽(22)을 따라 배향된다. 그러나, 예를 들어 단면이 직사각형이면, 탄소 나노튜브(15)는 그루브(21)의 바닥을 따라 배향될 수 있다. 즉, 그루브(21)는, 탄소 나노튜브(15)가 그루브의 내벽을 따라 배향될 수 있는 한 임의의 형상을 갖는다.
본 실시예에서 사용 가능한 탄소 나노튜브(15)는 상술한 바와 같이 수 nm 내지 수십 nm 범위의 직경과 수 μm 내지 수십 μm 범위의 길이 치수를 갖는다. 본 실시예는 20 nm의 직경과 20 μm의 길이를 갖는 탄소 나노튜브를 사용한다. 따라서, 그루브(21) 의 폭(w)은 탄소 나노튜브의 길이 20 μm보다 작게 설정되는 것으로 충분할 수 있다. 그러나, 배향 능력을 개선하기 위해서, 폭(w)은 탄소 나노튜브(15)직경의 수십 배이고, 그루브(21)의 길이(L)는 탄소 나노튜브(15) 길이의 약 1.2배인 것이 바람직하다. 본 실시예에서 그루브(21)는 500 nm의 폭(w)과 25 μm의 길이(L)를 갖는다. 그루브(21)의 길이(L)는, 배향 이후의 용도에 따라 그루브(21)가 절단될 수 있기 때문에 더 길어질 수 있다. FED 전자 소스의 경우에, 그루브(21)는 약 500nm의 폭(w)과 1mm의 길이(L)를 갖는 것이 바람직하다. 본 실시예는 기재(20)의 길이 방향 길이보다 작은 길이(L)를 갖는 그루브(21)를 도시하지만, 길이(L)는 기재(20)의 길이 방향 길이와 같을 수 있다.
그루브(21)는 이온 빔(ion beam), 전자 빔 또는 가시 광선의 파장보다 짧은 파장을 갖는 광선 빔에 의해 형성될 수 있거나 또는 마찰(rubbing)에 의해 형성될 수 있다. 기재(20)가 실리콘 웨이퍼이면, 그루브(21)는 건식 에칭이나 이방성 에칭에 의해 형성될 수 있다.
본 실시예의 탄소 나노튜브 공급 장치로부터 전술한 바와 같이 기재(20) 내에 형성된 그루브(21) 내로 탄소 나노튜브(15)를 함유하는 분산액(14)이 토출된다. 노즐(7)을 그루브(21)의 길이 방향으로 움직이면서 토출이 수행될 수 있다. 그루브(21) 내로 토출된 분산액(14)은 고무롤러(25, squeegee)에 의해 균일하게 퍼지도록 쓸어내림(sweeping) 된다. 이 단계에서, 그루브(21)로부터 넘쳐 흐르는 분산액(14) 내의 탄소 나노튜브(15)는 고무롤러(25)에 의해 인접한 그루브(21) 내로 떨어지도록 쓸어내림 된다. 탄소 나노튜브 공급 장치가 그루브(21)와 다른 영역에 분산액(14)을 도포하면, 분산액(14)은 고무롤러(25)에 의해 쓸어내려짐으로써 그루브(21) 내로 떨어진다.
그루브(21) 바깥쪽의 분산액(14)은, 고무롤러(25)에 의해 기재(20)의 그루브(21)를 갖는 표면(20a)이 쓸어내려짐으로써 긁어모아져 다시 사용될 수 있다.
도3에 도시된 바와 같이, 그루브(21)의 길이를 따라 서로 평행하게 형성된 그루브(21) 내에 탄소 나노튜브(15)를 배향하기 위해, 탄소 나노튜브(15)는 기재(20)의 표면에 대하여 약 수십 도 방향으로 토출될 수 있지만, 토출 방향이 특별히 한정되지 않는다. 즉, 분산 방향은, 탄소 나노튜브(15)의 배향이 그루브(21)의 내벽에 의한 탄소 나노튜브(15)의 충돌에 의해 깨뜨려지지 않는 각으로, 즉 기재(20)의 표면에 대해 90도 이하의 각으로 설정된다.
본 발명의 장치와 방법을 채용하므로써, 이전에 배향된 탄소 나노튜브가 기재 내에 형성된 리세스 또는 그루브 내로 공급되고, 그루브와 다른 영역에 공급된 탄소 나노튜브는 버려지지 않고 재사용된다.
도4는, 기재(20)가 스테이지(26) 상에 위치되고 고무롤러(25)가 도3에 도시된 방향과는 다른 방향으로 움직이는 변형예를 도시한다.
그루브(21) 내로 탄소 나노튜브(15)를 떨어뜨리기 위해, 고무롤러(25)는 제한되지 않고 임의의 방향으로 움직일 수 있다. 그러나, 고무롤러(25)가 그루브(21)의 길이에 대체로 평행하게 왕복하는 도4에 도시된 방향은, 그루브(21)의 길이에 평행하게 배치된 고무롤러(25)가 그루브(21)의 길이에 대체로 수직으로 왕복하는 도3에 도시된 방향보다 효율적이다.
본 실시예에서 탄소 나노튜브(15)는 솔벤트와 같이 비교적 낮은 점성도를 갖는 분산 매질 내에서 분산되어, 기포 생성에 의해 분산액(14)이 쉽게 토출될 수 있으므로, 분산액(14)로부터 분산 매질을 제거하기 위한 가열 단계를 수행하는 것이 바람직하다. 즉, 탄소 나노튜브(15)를 함유하는 분산액(14)을 도포하는 단계와, 그루브(21)를 갖는 표면(20a)을 쓸어내리는 단계와, 분산액(14)을 가열하는 단계로 된 시퀀스를 반복함으로써, 탄소 나노튜브(15)가 그루브(21) 내에 조밀하게 위치될 수 있다. 예를 들어 기재(20)를 지지하는 스테이지(26) 내에 함유된 발열체 또는 외부 발열 장치를 사용하여 기재(20)에 대한 가열을 수행할 수 있다.
이로써 탄소 나노튜브(15)가 배향되는 배향 유닛이 준비된다. 배향 유닛은 포토리소그래피 또는 잉크 제트(ink jetting)에 의해 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극이 제공되어, MOS 트랜지스터가 생성된다.
도5는 탄소 나노튜브가 배향되는 또다른 기재를 도시한다.
도3 및 도4에 도시된 기재가 기재(20)의 표면(20a)에 평행하게 형성된 그루브(21)를 갖는 반면, 도5에 도시된 기재(30)는 각각 원뿔형 개구(31b)와 원뿔형 개구(31b)에 연통하는 원통형 홀더에 의해 형성되는 복수의 리세스(30)을 구비한다. 도5에 도시된 기재(30)의 리세스(31)는 도3 및 도4에 도시된 경우와 같이 탄소 나노튜브(15)를 배향하기 위한 용도이며, 탄소 나노튜브(15)는 리세스(30)를 위치 설정함으로써 배향된다. 그러나, 도5에 도시된 경우는, 도3 및 도4에 도시된 탄소 나노튜브(15)는 기재(20)의 표면(20a)에 대체로 평행하게 배향되는 반면, 탄소 나노튜브가 홀더(31c)의 내벽을 따라 기재(30)의 표면(30a)에 대체로 수직으로 배향되는 점에서 도3 및 도4에 도시된 것과 다르다.
개구(31b)와 홀더(31c)는 탄소 나노튜브(15)의 직경보다 큰 직경을 갖고, 홀더(31c)의 직경은 탄소 나노튜브(15)의 길이보다 작다.
도5에 도시된 리세스(31)는 원뿔 형상을 갖고, 탄소 나노튜브는 원뿔 형상의 보다 큰 직경 측으로부터 리세스(31) 내로 진입된다. 그러나, 리세스(31)는 그러한 형상에 특히 한정되지 않고, 단지 홀더(31c)에 의해서만 형성되는, 즉 단순한 원통 형상일 수 있다.
기재(30)의 표면(30a) 상에 잔류하는 탄소 나노튜브(15)를 재활용하는 데 있어서, 리세스(31)의 깊이보다 작은 길이를 갖는 탄소 나노튜브(15)는 고무롤러에 의한 쓸어내림으로 수집될 수 있다. 리세스(31)의 깊이보다 큰 길이를 갖는 탄소 나노튜브(15)인 경우에, 기재(30)의 표면(30a)에 순수한 물을 분출하여 탄소 나노튜브(15)를 세정하여 없애는 것이 바람직하다. 분출에 의해 버려지는 탄소 나노튜브(15)는 도면에 도시되지 않은 수집 수단에 의해 수집되어 재활용된다.
리세스(31) 내에 탄소 나노튜브(15)를 조밀하게 위치시키기 위해, 리세스(31) 내에 탄소 나노튜브(15)를 위치시키는 단계 이후에 분산 매질 또는 솔벤트를 증발시키고 제거하기 위한 가열 단계가 수행될 수 있다.
도6은 탄소 나노튜브(15)가 기재에 대체로 수직으로 더 조밀하게 위치될 수 있는 변형예를 도시한다.
도6에 도시된 리세스(31)는, 도6의 리세스(31)가 기재(30)의 바닥을 관통한다는 점을 제외하고 도5에 도시된 형상과 동일하다.
기재(30)를 지지하는 스테이지(36)에 흡입 수단(37)이 구비되고, 흡입 수단(37)은 기재(30)의 스테이지 측으로부터 탄소 나노튜브를 함유하는 분산액을 천천히 흡인하여 리세스(31) 내로 분산액을 반복하여 도포한다. 스테이지(36)는 다공질 세라믹으로 만들어지는 것이 바람직하다. 흡입 수단(37)은 예를 들어 진공 펌프이다. 흡입 압력은 탄소 나노튜브(15)의 직경 및 길이와 (직경을 포함하는) 리세스(31)의 형상에 따라 일반적으로 달라지므로, 흡입 압력은 조건을 변화시킴으로써 결정되며, 흡입은 소정 압력에서 수행된다.
본 실시예에서 분산액(14) 내에 함유된 탄소 나노튜브(15)는, 탄소 나노튜브(15)의 직경보다 크지만 탄소 나노튜브(15)의 길이보다 작은 직경을 갖는 탄소 나노튜브 공급 헤드(1)의 토출구(4)를 통해 토출됨으로써, 토출 방향(A)으로 배향된다.
그루브 또는 리세스를 갖는 기재를 사용함으로써, 탄소 나노튜브는 그루브 또는 리세스 내에 직접 공급될 수 있고, 결과적으로 탄소 나노튜브(15)의 낭비를 줄일 수 있다. 또한, 탄소 나노튜브(15)가 미리 배향된 상태로 분산액이 공급되므로, 탄소 나노튜브(15)의 배향이 더 개선될 수 있다.
제2 실시예
도7은 본 실시예에 따라 액체 분출 장치로서 작용하는 탄소 나노튜브 공급 장치의 주요부인 탄소 나노튜브 공급 헤드의 측단면도이다.
본 실시예의 탄소 나노 튜브 공급 헤드(101)는, 상부판(103)과, 토출구(104)를 갖는 노즐(107)을 구비한 기판(105)과, 노즐(107) 및 토출구(104)에 대응하는 위치에 압전 소자(102, piezoelectric element)를 구비하는 진동판(103a)을 포함한다.
제1 실시예의 탄소 나노튜브 공급 헤드(1)가 기포 생성에 의해 생성된 압력으로 분산액을 토출하는 반면, 본 실시예의 탄소 나노튜브 공급 헤드(101)는 전기 신호의 인가에 의한 압전 소자(103a)의 팽창에 의해 야기된 진동판(103a)의 변형으로 발생하는 압력에 의해 토출구(104)로부터 분산액을 토출한다.
탄소 나노튜브 공급 헤드(101)의 다른 부분은 제1 실시예와 동일하고, 헤드(101)가 동일한 방법으로 동일 기재 상에 분산액을 토출하므로, 설명을 반복하지 않는다.
예를 들어 솔벤트 내에 금속 입자를 분산시켜 준비한 도전성 페이스트를 분산액으로 사용하면, 분산액을 도포하는 단계 이후에 가열 단계를 수행하는 것이 바람직하다. 가열은 금속 입자를 소결하여 도전성을 개선할 수 있다.
본 실시예에서 분산액 내에 함유된 탄소 나노튜브는, 탄소 나노튜브의 직경보다 크지만 탄소 나노튜브의 길이보다 작은 직경을 갖는 토출구(104)를 통해 토출됨으로써, 제1 실시예에서와 같이 탄소 나노튜브의 토출 방향으로 배향된다.
그루브 또는 리세스를 갖는 기재를 사용함으로써, 탄소 나노튜브는 그루브 또는 리세스 내에 직접 공급될 수 있고, 결과적으로 탄소 나노튜브의 낭비를 줄일 수 있다. 또한, 탄소 나노튜브가 미리 배향된 상태로 분산액이 공급되므로, 탄소 나노튜브의 배향이 더 개선될 수 있다.
본 발명은 양호한 실시예로 현재 고려되는 것을 참조하여 설명되었지만, 본 발명이 개시된 실시예에 한정되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 이와는 달리, 본 발명은 첨부된 청구항의 사상과 범위 내에 포함된 다양한 변형 및 동일한 구성을 포함하도록 의도된다. 다음 청구항의 범위는 이러한 변형예 및 동일한 구조 및 기능을 포함하도록 가장 넓은 해석에 따른다.
본발명에 따르면, 탄소 나노튜브의 직경보다 크지만 탄소 나노튜브의 길이보다 작은 직경을 갖는 토출구를 통해 탄소 나노튜브가 분산된 분산액이 토출되므로,분산액 내의 탄소 나노튜브를 토출 방향으로 배향시킬 수 있다. 또한,그루브 또는 리세스가 형성된 기재 상에 분산액을 토출하면, 그루브 내에 탄소 나노튜브를 직접 공급할 수 있으므로, 탄소 나노튜브의 낭비를 줄일 수 있다. 또한 미리 탄소 나노튜브가 배향된 상태로 분산액이 공급되므로 탄소 나노튜브의 배향을 더 개선할 수 있다.
도1은 제1 실시예에 따른 액체 토출 장치로서 작용하는 탄소 나노튜브 공급 장치의 주요부인 탄소 나노튜브 공급 헤드의 측단면도이다.
도2는 도1에 도시된 탄소 나노튜브 공급 헤드의 토출구로부터 토출되려고 하는, 탄소 나노튜브가 분산된 분산액의 개략도이다.
도3은 탄소 나노튜브가 배향되는 기재의 사시도이다.
도4는 탄소 나노튜브가 배향되는 기재의 사시도이다.
도5는 탄소 나노튜브가 배향되는 기재의 사시도이다.
도6은 흡입 수단이 구비되고 탄소 나노튜브가 내부에 배향되는 기재의 사시도이다.
도7은 제2 실시예에 따른 액체 토출 장치로서 작용하는 탄소 나노튜브 공급 장치의 주요부인 탄소 나노튜브 공급 헤드의 측단면도이다.
도8은 종래의 MOS 트랜지스터의 개략도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 탄소 나노튜브 공급 헤드
2: 발열체
3, 103: 상부판
4, 104: 토출구
5, 105: 기판
6, 106: 유로
7, 107: 노즐
11: 후방 규제부
12: 기포 발생 영역
13: 하류벽
14: 분산액
15: 카본 나노튜브

Claims (16)

  1. 니들형 물질을 배향하기 위한 액체 토출 장치이며,
    니들형 물질을 함유하는 분산액이 토출되는 토출구를 구비하는 노즐을 포함하며, 상기 노즐은 노즐의 직경이 토출구를 향하여 감소되도록 테이퍼링되고, 상기 노즐의 최대 직경은 니들형 물질의 길이보다 크며, 상기 토출구의 직경은 니들형 물질의 직경보다 크고 니들형 물질의 길이보다 작은 액체 토출 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 니들형 물질은 탄소 나노튜브인 액체 토출 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 노즐의 테이퍼 각은 30도 이하인 액체 토출 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 토출구의 직경은 니들형 물질의 직경의 수 배 내지 수십 배 만큼 큰 액체 토출 장치.
  5. 제1항에 있어서, 전기에너지를 열에너지로 변환하는 전기 열 변환기를 더 포함하며, 열에너지에 의해 기포를 생성하여 분산액을 토출하는 액체 토출 장치.
  6. 제1항에 있어서, 분산액을 토출하도록 기능하는 압전 소자를 더 포함하는 액체 토출 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 분산액을 맥동시키는 진동 수단을 더 포함하는 액체 토출 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 진동 수단은 전기 열 변환기인 액체 토출 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 진동 수단은 압전 소자인 액체 토출 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 노즐 내의 분산액에 정압 또는 부압을 인가함으로써 분산액을 토출하는 능력을 회복시키는 회복 수단을 더 포함하는 액체 토출 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 토출구에 직접 놓여서 상기 토출구로부터 외부로의 흡입에 의해 분산액을 흡인함으로써 분산액을 토출하는 능력을 회복시키는 회복 수단을 더 포함하는 액체 토출 장치.
  12. 니들형 물질을 배향하는 방법이며,
    니들형 물질이 배향되는 기재를 준비하는 단계와,
    노즐의 직경이 토출구를 향하여 감소하도록 테이퍼링된 노즐의 토출구를 통해 니들형 물질을 함유하는 분산액을 토출함으로써, 기재 내에 니들형 물질을 배향하는 단계를 포함하며,
    상기 노즐의 최대 직경은 니들형 물질의 길이보다 크고, 토출구의 직경은 니들형 물질의 직경보다 크며 니들형 물질의 길이보다 작은 니들형 물질 배향 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 니들형 물질이 탄소 나노튜브인 니들형 물질 배향 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 노즐 내의 분산액을 맥동시키는 단계를 더 포함하는 니들형 물질 배향 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 기재는 니들형 물질이 배향되는 적어도 하나의 리세스를 갖고, 분산액은 리세스 내로 토출되는 니들형 물질 배향 방법.
  16. 제12항에 있어서, 상기 기재는, 분산액이 표면 장력에 의해 대략 구형으로 형성되기 전에 기재 상에 도달하도록 토출구로부터 일정 거리에 배치되는 니들형 물질 배향 방법.
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