KR20060013510A - Ⅴ족 천이금속 다이켈코게나이드 결정으로 이루어지는 나노파이버 또는 나노 튜브 및 그 제조방법 - Google Patents

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타쿠 츄네타
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도꾸리쯔교세이호징 가가꾸 기쥬쯔 신꼬 기꼬
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Abstract

NbSe2등의 V족 천이금속 다이켈코게나이드의 나노구조 및 그 합성방법에 있어서, NbSe2, TaS2등의 천이금속 다이켈코게나이드 결정으로 이루어지는 나노 파이버 및 나노 튜브는 벌크 형 단결정과 동일한 전기적 성질을 유지한다.
제조방법은 화학량론적 비율의 고순도 Nb, Se를 초기물질로서 화학수송법에 의해 진공하에서 800℃이하, 1K/㎝의 온도구배로 합성한다.
NbSe2를 출발원료로서 요오드를 매체로 하는 화학수송법에 의해 합성하는 방법에 있어서, C60을 프로모터로서 가하면 나노 파이버, 나노 튜브의 핵으로서 효율적으로 합성할 수 있다. 초기의 나노입자가 C60을 둘러싸면 나노 링이 형성되어 나노 튜브로 성장하고, 둘러싸지 않고 성장하면 나노 파이버로 된다. 이와 같이하여 형성된 선형의 나노 파이버의 직경은 150㎚, 길이 10㎛이다.
나노 파이버, 나노 튜브, 천이금속, 다이켈코게나이드

Description

Ⅴ족 천이금속 다이켈코게나이드 결정으로 이루어지는 나노 파이버 또는 나노 튜브 및 그 제조방법{NANO-FIBER OR NANO-TUBE COMPRISING V GROUP TRANSITION METAL DICHALCOGENIDE CRYSTALS, AND METHOD FOR PREPARATION THEREOF}
본 발명은 천이금속 켈코게나이드, 특히 다이켈코게나이드(dichalcogenide) 결정체로 이루어진 미소구조 및 그 제조방법에 관한 것으로, 그 특이한 물성을 전자기적인 계측기기를 시작으로 하는 각종의 용도로 응용 가능하게 하는 것에 관한 것이다.
천이금속 켈코게나이드는 어느 것이나 모두 공통된 결정구조로 이루어짐과 동시에 전기적, 자기적 및 광학적으로 큰 이방성을 갖고, 각종의 특이한 물성을 나타내는 것으로, 종래부터 그 물성의 해명과 응용을 향해 큰 관심을 갖고 있다. 이러한 물성 중에서도 NbSe2나 TaS2등의 Ⅴ족 천이금속 다이켈코게나이드가 나타내는 초전도나 저차원 이방성등의 성질의 해명과 그 응용 등이 여러 가지 연구되고 있다.
특히, 그 물성의 해명과 함께 그 성과를 활용하여 여러 가지의 응용의 길을 개척하는데에는 그 물성이 발휘하는 바와 같은 결정구조를 구비한 구조로의 가공, 성형이 가능하지 않으면 안 된다.
예를 들면, 천이금속 켈코게나이드의 초전도 특성을 응용하여 초전도 양자 간섭소자(SQUID : Superconducting Quantum Interference Device)등으로 응용하기 위해서는 그 결정구조를 토포로지칼(topological)에 반영한 구조로 하여 실현하지 않으면 안 된다.
이와 같은 구조를 실현하는 수법으로서, 본 발명자들은 먼저 하기 특허문헌 1 및 비 특허문헌 1 및 2에 있어서, 천이금속 켈코게나이드에 그 결정구조를 반영한 미세구조체를 형성하는 방법을 제안하였다.
선행기술문헌
특허문헌 1 : 특개 2002-255699호 공보
비 특허문헌 1 :「Nature」Vol.417, No.6887, 2002년 5월 23일, Nature Japan K.K. 발행, 제397면∼제398면,「단결정의 뫼비우스의 띠」탄다 사토시(TANDA SATOSHI), 토키다 미가쿠(TOKIDA MIGAKU), 오카지마 요시토시(OKAJIMA YOSHITOSHI), 이나가키 카츠히코(INAGAKI KATSUHIKO), 야마타니 카즈히코(YAMATANI KAZUHIKO), 하타나카 노리유키(HATANAKA NORIYUKI)
비 특허문헌 2 :「고체물리」Vol.37 No.8 2002, 2002년 8월 15일 발행, 제17면~26면,「토포로지칼 물질」탄다 사토시(TANDA SATOSHI), 토키다 미가쿠(TOKIDA MIGAKU)
또한, 이들 천이금속 켈코게나이드의 막(膜) 형 구조를 형성하는 방법으로서, 태양전지나 고체윤활제로서의 응용이 기대되는 다 결정 박막을 형성하는 방법 이 하기 특허문헌 2에 제안되어 있다.
특허문헌 2 : 특개평 7-69782호 공보
(발명의 개시)
이들 천이금속 켈코게나이드, NbSe2등의 Ⅴ족 천이금속 다이켈코게나이드에 있어서는, 또한 그 응용을 도모하기 위해서는 나노 결정구조를 유지한 각종 형상의 나노구조를 실현하는 것이 필요하고, 또한 그 구조를 안정하면서 효율적으로 합성가능하지 않으면 안 된다.
본 발명은 Ⅴ족 천이금속 다이켈코게나이드 결정으로 이루어지는 나노 파이버 또는 나노 튜브이고, 특히 Ⅴ족 천이금속으로서 Nb 또는 Ta이고, 칼코겐 원소로서 Se 또는 S인 다이켈코게나이드 결정 나노 파이버 또는 나노 튜브이다.
또한, 그 형성방법으로서, MX2의 비율로 Ⅴ족 천이금속 및 Se 또는 S를 진공하에서 가열승온하여 화학수송반응법에 의하여 반응시켜 다이켈코게나이드 결정을 형성하는 방법에 있어서, 최고온도 800℃, 온도구배(溫度勾配, a temperature gradient) 1∼3 deg./cm, 온도구배에 의한 온도차 60∼100deg.의 비평형인 반응조건하에서 소정시간 반응시키는 Ⅴ족 천이금속 다이켈코게나이드 결정으로 이루어지는 나노 파이버 또는 나노 튜브의 제조방법이고, 특히 상기 Ⅴ족 천이금속이 Nb 또는 Ta이고, 칼코겐 원소가 Se 또는 S인 Ⅴ족 천이금속 다이켈코게나이드 결정으로 이루어지는 나노 파이버 또는 나노 튜브의 제조방법이다.
또한, Ⅴ족 천이금속 다이켈코게나이드 분말을 출발물질로 하고, 요오드(iodine)를 매체로 하는 화학기상수송법(chemical vapor transport method)에 의해서 다이켈코게나이드 결정을 형성할 때, C60을 프로모터(promoter)로서 첨가하는 것에 의해 다이켈코게나이드 결정 나노 파이버 또는 나노 튜브를 제조한다. 특히, 상기 Ⅴ족 천이금속이 Nb 또는 Ta이고, 칼코겐 원소가 Se 또는 S인 Ⅴ족 천이금속 다이켈코게나이드로 이루어지는 나노 파이버 또는 나노 튜브를 형성한다.
천이금속 트리켈코게나이드(trichalcogenide) 물질 MX3는 그 결정구조에서 1차원성(性)이 강한 물질이고, 화학기상수송법으로 이들 성분원소를 반응시키면 상당히 가늘고 긴 미세한 리본형, 휘스커형(Whisker-like)의 결정을 얻을 수 있는 것이 알려져 있다.
본 발명자들은 상기의 비 특허문헌 1 및 2에서 Nb와 Se의 기상반응에 의해 NbSe3 휘스커를 형성하는 과정에서 반응용기 중의 분위기(雰圍氣) 제어하에서 비등점이 낮은 Se가 증발ㆍ응집되면서 순환하여 반응에 의해 생긴 NbSe3분자를 한 곳에 모아 결정화시켜 미소한 NbSe3 휘스커를 형성할 때에, 분위기 중에서 형성된 Se 액적(液滴,liquid drops)에 접촉되어 흡착되고, 그 표면이 이를테면 템플릿(template)으로 액적(液滴)에 감겨붙는 루프를 형성하여 링(ring),뫼비우스(Mebius) 또는 8자형의 토포로지칼(topological) 결정을 형성하는 것을 발견하여 보고하였다(특원2002-340094호).
한편, 천이금속 다이켈코게나이드 물질 MX2의 결정구조는 MX3와 동일한 삼각주(三角柱)를 기본단위로 하지만 그들이 횡으로 연결되고 그래파이트(graphite)와 동일한 2차원적 배열로 된다. 이와 같은 구조로부터 저차원 이방성(異方性) 등의 특성에 관심을 기울이게 되어 있지만 종래의 화학수송법에 의한 제법에 있어서는 MX2의 비율로 기상반응에 의하여 미결정 분말이 얻어지기는 했으나 그 결정구조로부터 육각 평면형의 결정체로 되었다.
본 발명자들은 먼저 발표한 상기의 MX3 토포로지칼 물질형성과정에 있어서, MX3 휘스커가 형성되는 것으로부터 MX2 형성에 있어서 반응조건을 제어하는 것에 의하여 분위기 중에서 일부에 형성되는 MX3 나노 파이버를 템플릿으로 하여 MX2 나노 파이버 및 MX2 나노 튜브를 얻는 것을 착상하였다.
즉, 본 발명의 특징은 MX3로부터 MX2로 변환되는 물리(物理)를 발견한 것에서 유래한다.
MX2의 비율로 초기물질을 화학수송법에 의해 반응시키면 NbSe3의 생성반응온도는 740℃이고, NbSe2의 반응온도 800℃ 보다도 낮기 때문에 반응 분위기 중의 온도구배에 의하여 NbSe3가 선행하여 형성되고, 뒤이어 NbSe2로 변화하는 천이과정으로 이루어진다.
그때의 탈 셀렌화에 있어서, NbSe3로부터 NbSe2로 변화할 때에 그 나노레벨의 파이버 구조를 템플릿으로서 NbSe2의 나노 파이버 및 나노 튜브가 형성된다.
또한, 초기물질로서 MX2와 요오드와 C60가 봉입된 석영관내에 있어서, 진공으로 이끌어 반응시키면, 승온중 700∼720℃에서 MX2는 일부 증발하기 쉬운 MX3로 변화하여 우선 MX3의 나노 파이버가 형성된다.
이때 그 성장의 핵이 되는 것은 석영관의 관벽과 C60이고, C60은 나노 파이버 생성의 프로모터적인 작용을 한다. 이때의 C60은 특개 2002-255699호 공보에 나타낸 것처럼 MX3의 필라멘트 또는 나노 파이버의 핵이 된다. 더욱 승온을 계속하면 최고온도가 780∼820℃에서 MX3로부터 MX2로의 변환이 생긴다. 이때, 마치 MX3의 나노 파이버를 템플릿으로서 자기조직적(自己組織的)으로 MX2의 나노 파이버 또는 나노 튜브를 생성한다.
NbSe2는 C60의 구형(球形)에 착 달라붙도록 하여 형성되어 초기의 나노입자가 C60을 둘러싸면 나노 링이 형성되어 나노 튜브로 성장하고, 둘러싸지 않고 성장하면 나노 파이버로 된다.
즉, 최초에는 트리켈코게나이드(trichalcogenide)ㆍ나노 파이버일 수 있고, 차후에는 다이켈코게나이드(trichalcogenide)ㆍ나노 파이버나 나노 튜브가 생성된다.
또한, 이 탈(脫) 셀렌화에 있어서, 층 구조의 NbSe2에 곡률을 부여하여 그래파이트(graphite)와 동일한 평면구조에 대해 원통화(圓筒化)를 진행하여 카본 나노 튜브와 마찬가지로 NbSe2 나노 튜브가 형성된다.
도 1은 NbSe2 나노 파이버의 SIM 화상(畵像,image)이다.
도 2a는 벌크(bulk) NbSe2로부터 생성한 속(束,bundle)형의 NbSe2 나노튜브 TEM 화상이고, 도 2b는 만곡한 NbSe2 나노튜브의 전자회절 패턴을 나타낸다.
도 3a는 NbSe2 나노 파이버의 TEM 화상이고, 도 3b는 단일의 6각형(角形) (hko) 면이 나타난 다른 나노 파이버의 TED 패턴을 나타낸다.
도 4는 NbSe2 나노 파이버의 TEM 화상이고,
도 5는 소용돌이 형상 NbSe2 나노구조의 SEM 화상을 나타낸다.
(발명을 실시하기 위한 최선의 형태)
Ⅴ족 천이금속 다이켈코게나이드 결정으로 이루어지는 나노 파이버 또는 나노 튜브는 이어서 서술하는 화학수송법에 의해, 나노 물질로 형성한 것이고, 전형적인 나노 파이버는 지름 5∼500㎚, 길이 1㎛∼10㎛, 또한 전형적인 나노 튜브는 다층 구조에 의해 다르지만 거의 같은 나노 사이즈의 것을 얻을 수 있다.
이들은 후술하는 바와 같이, 모두 다이켈코게나이드의 벌크형(bulk form) 단결정이 나타내는 물성을 유지하고 있고, 그 나노 구조에 의하여 그 물성을 발휘하 는 응용이 기대된다.
(1) 초기물질로서 천이금속 및 칼코겐 원소를 이용하여 직접 화학수송법에 의해 천이금속 다이켈코게나이드 나노 파이버, 나노 튜브를 형성하는 방법
고순도(99.99%)의 니오브 및 셀렌을 초기물질로서, MX2의 비율로 칭량(稱量)한 샘플을 석영 앰플 중(中)(길이 20∼25㎝)에 있어서, 10-6 Torr의 진공하의 로내(爐內)에서 가열ㆍ승온하고, 최고온도 820℃, 온도구배 1∼3deg./㎝의 조건으로 72시간까지 반응시킨 후, 실온까지 냉각하여 나노 물질을 얻었다.
반응시간은 단시간,예를 들면 1시간 이내에서도 나노 파이버나 나노 튜브는 생성된다. 나노 튜브의 경우, 반응시간에 의해 적층화의 층수가 다르지만, 여기에서는 최대 3일간의 연속 운전을 행하여 나노 튜브의 수율을 올리는 것을 목적으로 하였다. 이 경우, 다층에 적층되어 굵은 나노 튜브가 생성되었다.
(2) 초기물질로서 천이금속 다이켈코게나이드 결정분말을 이용하여 C60을 프로모터로 하는 천이금속 다이켈코게나이드 결정 나노 파이버, 나노 튜브의 제조방법.
석영관 속에 원료로 되는 99.99%의 NbSe2 분말과 C60과 요오드를 봉입하여 관내를 진공으로 한 후, 가열 승온한다.
주지와 같이,반응관(反應菅) 속에서
MX2+I2 ↔ MI2 + 2X
의 화학평형이 성립하지만, 승온 중의 700∼720℃에 있어서, NbSe2의 일부가 증발하기 쉬운 NbSe3로 변화하여 340℃로 C60 분자를 성장 프로모터로 하여 결정이 성장한다. 먼저, NbSe3의 나노구조가 C60을 핵으로 하여 성장하고, 최고온도의 820℃부근에서 NbSe2로 변화한다.
이러한 반응조건은 상기의 초기물질로부터 화학수송법에 의해 직접 다이켈코게나이드를 합성하여 형성하는 경우와 마찬가지이다.
반응관(反應菅) 중(中)에서 MI2는 MX2보다 휘발성이기 때문에 상기의 온도구배하에서 MX2 즉, NbSe2 나노 물질이 석영 앰플 중(中)의 저온부에서 결정화하여 얻어진다.
얻어진 분말형 NbSe2 나노 물질은 디클로로에탄 또는 이소프로필 알코올 중(中)에 현탁시켜 나노 입자를 침전하여 분리하였다.
이 방법에 의하면, 상기의 직접 반응에 의한 경우에 비교하여 보다 매우 적합하게 나노 물질을 합성할 수 있다.
이러한 방법에 의해 얻어진 나노 물질에 관하여, 주사형 전자현미경(SEM : Scanning Electron Microscope), 전계 방출형 전자현미경(FE-TEM : Field Emission-Transmission Electron Microscope), 주사형 이온 현미경(SIM : Scanning Ion Microscope)을 이용하여 이하와 같이 그 구조를 확인하였다.
나노 스케일의 천이금속 다이켈코게나이드 결정의 파이버는 표준적인 6각 평면상(平面狀)의 NbSe2 결정에 따라 형성된다. 이와 같은 예의 SIM 화상(畵像,image)을 도 1에 나타낸다.
화상 중앙의 선형(linear) 물질이 폭 15㎚, 길이 1㎛의 전형적인 NbSe2 나노 파이버이고, 오른쪽 위의 큰 다각형의 평판 및 나노 튜브에 부착한 미립자는 표준적인 NbSe2의 결정이다.
도 2a에 NbSe2의 다중 층벽 나노 튜브(multi-wall)의 SIM 화상을 나타낸다. NbSe2의 나노 튜브는 속(束,bundle)형으로 형성되고, 이들의 직경은 20∼40㎚이다. 후술의 결정간격을 참조하면, 이 직경차로 약 30층의 결정층이 있다. 직경의 차이는 반응시간에 의하여 지배되어 있다고 생각되고, 가는 나노 튜브를 필요로 하는 경우에는 단시간의 처리가 필요해진다. 단, 나노 튜브의 수율은 그만큼 저하된다.
이러한 다발(bundle)중(中)의 직경 약 50㎚가 만곡한 나노튜브의 TEM 화상을 도 2b에 나타낸다.회절 패턴중(中)의 3쌍의 회절스폿의 존재로부터 원통구조가 있는 것을 알 수 있다.
도 3a는, NbSe2의 나노 파이버의 TEM 화상에 나타나는 바와 같이 단일의 6각(hko) 격자를 나타낸다. 이와 같은 타입의 나노 파이버의 예를 도 4에 나타낸다.
여기에서는 (001)의 결정면이 보인다. 결정면 간격은 6.37Å이고, 벌크의 2H-NbSe2의6.25Å으로 거의 일치한다. 도면 중에 보이는 선이 NbSe2의 (001) 결정면 이다. 또한, 이 샘플은 결정성장 프로모터로서 C60을 가한 것이다.
나노 파이버/나노튜브 형성의 프로모터로서 C60을 이용하는 합성법에 있어서는 미리 형성한 NbSe2를 이용하여 요오드를 이용한 화학수송법에 의하여 결정을 형성한 반응과정에서 C60이 존재하면, 나노 파이버 또는 나노 튜브를 핵 형성의 중심으로 해 C60이 작용하고, 성장 프로모터로서 나노 파이버 또는 나노 튜브의 형성을 촉진한다.
핵이 형성된 나노입자가 C60을 둘러싸면 나노 링을 형성하고, 또한 나노 튜브로 성장한다. 또한 이 둘러쌈(Wrapping)이 생기지 않는 경우 나노 파이버가 성장한다.
C60의 존재하에 있어서 핵 형성은 석영 앰플의 벽면만이 아니고 C60이 340 ℃이상으로 승화하기 때문에 앰플 내 전체에서 발생한다. NbSe2의 반응은 많은 핵이 존재하는 조건하에서 개별적으로 진행하기 때문에 이 경합의 결과로서 형성된 NbSe2의 나노 구조는 작은 것으로 되고, 또한 기상 반응에 있어서 변동은 합성된 결정을 소용돌이 형상의 구조에 형성한다. C60을 이용하여 형성한 나노 파이버의 SEM 화상을 도 5에 나타낸다. 도면에 있어서, 와류 형으로 보이는 나노 파이버의 치수는 폭 약 6㎚, 길이 약 1㎛이다.
이상으로부터 C60은 NbSe2 나노 구조의 성장에 기본적인 역할을 다하고 있고, 그 합성효율ㆍ수확량은 C60을 이용하는 것에 의해 향상하는 것이 확인되었다.
다음에, 이러한 방법에 의하여 형성된 나노 물질의 물성에 관하여 확인하였다.
포커스ㆍ이온ㆍ빔ㆍ데포(FIB) 법에 의해 NbSe2 나노 파이버를 전극에 설치하여 그 전기적 특성을 측정하였다. 그 결정평면 내의 전기저항은 7×10-5Ωㆍ㎝ 였다.
또한, 원자 간력(間力) 현미경(AFM:Atomic Force Microscope)의 선단을 샘플 위에 직접 두는 전극으로서 이용하여 측정하였다. 도전성의 단침(短針)은 백금 피복한 실리콘 단결정으로부터 형성된 것을 이용하였다.
NbSe2 파이버는 이소프로필 알코올 욕중(浴中)에서 초음파 교반하여 200㎚ 두께의 인듐막 위에 퇴적하였다.
이 시스템의 효율은 다층 구조의 카본 나노튜브에 의하여 테스트되어 그 전기저항은 일반적인 학술논문의 값과 일치하는 것을 확인하고 있다.
표면의 절연층을 관통하기 위해 AFM의 칩 끝에 200nN의 가중을 가하는 것에 의해 1×10-3V의 바이어스로 5×10-9A의 전류가 흘렀다. 즉, 저항은 200K 옴에 상당하고, 대충 저항값은 10-3∼10-2Ωㆍm의 범위로 견적되어 진다. 이 값은 c축에 수직한 저항값 4×10-5Ωㆍm에 근사한 값이다.
즉, 이러한 나노 물질의 전기적 특성은 대략 벌크 형 결정으로 변하지 않고, 대략 그 물성이 유지되어 있는 것을 알 수 있다. NbSe2에 있어서는, 초전도는 5K, CDW(전하밀도파)는 30K에서 생긴다. 또한, TaSe2는 실온(300K)에서 CDW가 생긴다.
이상의 결과는, V족 천이금속으로서 Nb를, 칼코겐 원소로서 Se를 이용했지만, V족 천이금속 및 칼코겐 원소는 이러한 예에 한하지 않고 이들에 공통하는 특성으로부터 동일한 방법에 의해 동일하게 나노 파이버, 나노튜브를 형성하는 것이 원리적으로 가능하다. 특히, 이러한 V족 천이금속 및 칼코겐 원소로서, V족 천이금속 Ta, 칼코겐 원소 S로 이루어지는 TaS2는 거의 동일한 조건에서 동일한 나노 물질을 형성할 수 있다.
본 발명은 V족 천이금속 다이켈코게나이드, 특히 Nb, Ta의 다이켈코게나이드의 나노 파이버 및 나노튜브를 제공하고, 또한 그 효율적인 제법을 제공하는 것에 의하여, 이러한 특이한 특성을 갖는 일군(一群)의 물질에 관하여,그 새로운 물성의 해명과 응용을 가능하게 한다.
본 발명에 의해 제공되는 이름의 물질은 그 특성을 발휘하는 토포로지칼 구조를 유지하기 때문에 그 물성을 응용하는 기술의 발전에 불가결하고, 그 때문에 산업발전에 기여하는 것이다.

Claims (6)

  1. Ⅴ족 천이금속 다이켈코게나이드 결정으로 이루어지는 나노 파이버 또는 나노 튜브.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 Ⅴ족 천이금속으로서 Nb 또는 Ta이고, 칼코겐 원소가 Se 또는 S인 것을 특징으로 하는 나노 파이버 또는 나노 튜브.
  3. MX2의 비율로 Ⅴ족 천이금속 및 칼코겐 원소를 진공하에서 가열 승온하여 화학수송반응법에 의해 반응시켜 다이켈코게나이드 결정을 형성하는 방법에 있어서,
    최고온도 800℃, 온도구배 1∼3 deg./cm, 온도구배에 의한 온도차 60∼100deg.의 비평형인 반응조건하에서 소정시간 반응시키는 것을 특징으로 하는 Ⅴ족 천이금속 다이켈코게나이드 결정으로 이루어지는 나노 파이버 또는 나노 튜브의 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 Ⅴ족 천이금속이 Nb 또는 Ta이고, 칼코겐 원소가 Se 또는 S인 것을 특징으로 하는 나노 파이버 또는 나노 튜브의 제조방법.
  5. Ⅴ족 천이금속 다이켈코게나이드 분말을 출발물질로 하고, 요오드를 매체로 하는 화학수송법에 의해서 다이켈코게나이드 결정을 형성하는 방법에 있어서,
    C60을 프로모터로서 첨가하는 것을 특징으로 하는 Ⅴ족 천이금속 다이켈코게나이드 결정으로 이루어지는 나노 파이버 또는 나노 튜브의 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 Ⅴ족 천이금속이 Nb 또는 Ta이고, 칼코겐 원소가 Se 또는 S인 것을 특징으로 하는 나노 파이버 또는 나노 튜브의 제조방법.
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