KR20060092772A - 탄소나노튜브의 합성을 위한 촉매층 형성방법 및 이를 이용한 탄소나노튜브 합성방법 - Google Patents

탄소나노튜브의 합성을 위한 촉매층 형성방법 및 이를 이용한 탄소나노튜브 합성방법 Download PDF

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Abstract

탄소나노튜브 합성을 위한 촉매층 형성방법이 개시된다. 개시된 촉매층 형성방법은 기판 위에 공중합체로 이루어진 박막을 도포하는 단계, 기판 위에 도포된 박막을 열처리하여 규칙적인 구조로 형성하는 단계, 공중합체를 이루는 블록공중합체의 일부를 제거하는 단계, 블록공중합체의 일부가 제거된 박막 위에 촉매베이스를 증착하는 단계, 박막을 제거하여 복수의 금속촉매도트로 이루어진 촉매층을 형성하는 단계를 구비한다.

Description

탄소나노튜브의 합성을 위한 촉매층 형성방법 및 이를 이용한 탄소나노튜브 합성방법{Method of preparing catalyst layer for synthesis of carbon nanotubes and method of synthesizing carbon nanotubes using the same}
도 1a 내지 도 1d는 본 발명에 따른 탄소나노튜브 합성을 위한 촉매층을 형성하기 위하여 나노크기의 홀을 형성하는 방법을 설명하는 도면들,
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 합성을 위한 촉매층을 형성하기 위한 방법을 설명하는 도면들,
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 합성을 위한 촉매층을 형성하는 방법을 설명하는 도면들,
도 4는은 본 발명의 일실시예에 따른 촉매층에 탄소나노튜브들을 성장시킨 모습을 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉매층에 탄소나노튜브들을 성장시킨 모습을 도시한 도면,
도 6은 본 발명에 따라 금속촉매도트들이 형성된 모습을 찍은 사진,
도 7은 본 발명에 따라 촉매층에 탄소나노튜브들을 성장시킨 모습을 찍은 사진.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100...기판 110...박막
111'...홀 130...버퍼
140...촉매금속전구체 150...금속촉매도트
151...알루미늄도트 152...니켈도트
160...블로킹층 170...탄소나노튜브
본 발명은 탄소나노튜브의 합성을 위한 촉매층 형성방법 및 이를 이용한 탄소나노튜브 합성방법에 관한 것이다.
일반적으로, 탄소나노튜브(CNT; Carbon Nanotubes)는 보통 수 nm 정도의 매우 미세한 직경과 약 10 내지 약 1,000 정도의 매우 큰 종횡비를 갖는 원통형 재료이다.
이러한 탄소나노튜브에 있어서, 탄소원자들은 육각형 벌집구조로 배열되어 있으며 각각의 탄소원자는 인접하는 3개의 탄소원자와 결합하고 있다. 탄소나노튜브는 그 구조에 따라서, 도체의 성질 또는 반도체의 성질을 가질 수 있다. 도체의 성질을 띠는 탄소나노튜브의 전기전도도는 매우 우수한 것으로 알려져 있다.
또한, 탄소나노튜브는 매우 강한 기계적 강도, 테라 단위의 영률(Young's modulus) 및 우수한 열전도도 등의 특성을 갖는다. 이러한 우수한 특성을 갖는 탄소나노튜브는 전계방출소자(FED; Field Emission Device), 액정 표시소자(LCD; Liquid Crystal Display)용 백라이트(back-light), 나노전자 소자(nanoelectronic device), 액츄에이터(actuator) 및 배터리(battery) 등 수많은 소자와 트랜지스터, 연료전지의 촉매담체, 슈퍼캐퍼시터 등과 같은 다양한 기술분야에 사용되고 있다.
탄소나노튜브를 형성하는 방법으로는, 기상합성법, 전기방전법, 레이저증착법, 플라즈마 화학기상증착법, 화학기상증착법 등이 알려져 있다.
기상합성법은 기판을 사용하지 않고 반응로 안에 반응가스와 촉매금속을 직접 공급하여 기상에서 합성하는 방법으로서 탄소나노튜브를 벌크(bulk) 형태로 합성하기에 적합한 방법이다.
전기방전법과 레이저증착법은 탄소나노튜브의 합성수율이 비교적 낮으며, 탄소나노튜브의 직경과 길이를 조절하는 것이 용이하지 않다. 또한 전기방전법과 레 이저증착법을 사용하면, 탄소나노튜브 뿐만 아니라 비정질 탄소 덩어리가 다량으로 생성되기 때문에 반드시 복잡한 정제과정이 수반되어야 한다.
기판 위에 탄소나노튜브를 형성시키기 위해서는 플라즈마 화학기상증착법, 열화학기상증착법 및 저압 화학기상증착법과 같은 화학기상증착법이 이용된다.
플라즈마 화학기상증착법는 탄소나노튜브를 기판에 수직한 방향으로 성장시킬 수 있고, 열 화학기상증착법보다 상대적으로 낮은 온도에서 합성이 가능하고, 탄소나노튜브의 수직 성장은 플라즈마 화학기상증착 시스템에서의 양극와 음극사이에 인가되는 전계(electric field)의 방향에 의존하므로, 전계의 방향에 따라 탄소나노튜브의 성장방향의 조절이 가능하다. 또한, 탄소나노튜브의 성장 방향이 일정하므로 직경, 길이 및 밀도조절이 용이하며 전계에 의한 전자 방출이 용이한 장점을 가진다. 하지만, 균일한 탄소나노튜브의 성장이 어려운 단점이 있으며, 저온에서 성장한 탄소나노튜브는 직경이 비교적 크기 때문에 전계방출 특성이 좋지 않은 단점이 있다.
열 화학기상증착법은 탄소나노튜브의 성장 균일도가 매우 우수하고, 플라즈마 화학기상증착법에 비해 작은 직경을 가지는 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있으므로 전자방출 개시전압(turn on voltage)이 낮은 탄소나노튜브를 형성할 수 있는 장점이 있다. 하지만, 플라즈마 화학기상증착법과는 달리 열 화학기상증착법은 탄소나노튜브의 성장 시 기판에 전계가 걸리지 않기 때문에 탄소나노튜브의 성장 방향이 일정하지 않고 가스분해가 열에너지에 의해 이루어져 성장온도가 높다는 단점이 있다.
화학기상증착법은 기판 위에 형성되는 탄소나노튜브의 밀도를 균일하게 하기 위하여, 기판 위에 미리 탄소나노튜브 성장의 기초가 되는 촉매베이스 (catalyst base) 또는 촉매층(catalyst layer)을 형성시킨다. 여기서, 촉매베이스는 탄소나노튜브 성장의 기초(base)가 되는 촉매(catalyst) 그 자체 또는 그러한 촉매를 함유하는 임의의 재료를 의미한다.
촉매베이스를 기초로하여 탄소나노튜브를 성장시키는 경우에, 탄소나노튜브의 생성밀도 조절이 어려우며, 그에 따라 생성된 탄소나노튜브의 균일도가 저하되는 것으로 알려져 있다. 더군다나, 촉매베이스를 형성하기 위해서는 고가의 진공장비(vacuum equipment)를 사용하여야 한다.
기판 상에 패터닝(patterning)된 촉매층을 형성하기 위해서 종래에는 기판 상에 소정의 촉매금속을 박막 형태로 증착하고, 이를 패터닝하는 방법이 사용되었다. 그러나, 위와 같은 방법은 촉매금속의 박막 형성을 위한 증착 비용이 소요되고, 복잡한 패터닝공정, 즉 노광(exposure), 현상(development), 에칭(etching) 및 스트립(strip) 공정을 거쳐야 하므로 이에 따른 비용도 상승하게 된다.
그러므로, 균일하면서 밀도조절이 가능한 탄소나노튜브의 성장을 효과적으로 유도할 수 있는 새로운 촉매층을 형성할 수 있는 방법이 요구되고 있다.
본 발명은 상기 문제점을 감안한 것으로, 크기, 두께 및 밀도를 조절하여 나노크기의 촉매층을 형성할 수 있는 방법과 이를 이용하여 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있는 탄소나노튜브의 합성을 위한 촉매층 형성방법 및 이를 이용한 탄소나노튜브 합성방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명인 탄소나노튜브 합성을 위한 촉매층형성방법은 (a) 기판 위에 공중합체로 이루어진 박막을 도포하는 단계;
(b) 상기 기판 위에 도포된 상기 박막을 열처리하여 규칙적인 구조로 형성하는 단계;
(c) 상기 공중합체를 이루는 블록공중합체의 일부를 제거하는 단계;
(d) 상기 블록공중합체의 일부가 제거된 상기 박막 위에 촉매베이스를 증착하는 단계; 및
(e) 상기 박막을 제거하여 복수의 금속촉매도트로 이루어진 촉매층을 형성하는 단계;를 구비한다.
본 발명에 따르면, 상기 (e)단계 후에,
상기 금속촉매도트들 사이에 상기 금속촉매도트들이 뭉쳐지지 않도록 블로킹층을 형성하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 블로킹층을 형성하는 단계는
상기 금속도트들이 남겨진 상기 기판 위에 SOG(silicone on glass)용액을 코팅하는 단계;와 상기 SOG 용액을 열처리하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 SOG 용액을 열처리하는 단계는 1차로 70도(℃) 온도로 60초간, 2차로 150도(℃) 온도로 40초간, 3차로 250도(℃) 온도로 40초간 및 4 차로 430도(℃) 온도로 1시간동안을 차례대로 열처리한다.
본 발명에 따르면, 상기 (a)단계에서, 상기 공중합체는 폴리스티렌과 폴리메틸메타아크릴레이트의 블록공중합체들이 결합되어 이루어진다.
본 발명에 따르면, 상기 (a)단계에서, 상기 공중합체는 상기 기판 위에 스핀코팅(spin coating)방법에 의하여 도포된다.
본 발명에 따르면, 상기 (b)단계에서, 상기 박막을 액정 상전이온도 이상으로 열처리한다.
본 발명에 따르면, 상기 (c)단계는 상기 박막에 245nm의 파장을 가지는 자외선(UV)을 조사하는 단계와, 상기 자외선이 조사된 박막을 활성이온식각(RIE)을 수행하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 제거되는 상기 블록공중합체는 폴리메틸메타아크릴레이트이다.
본 발명에 따르면, 상기 (d)단계에서, 상기 촉매베이스는 니켈(Ni)로 이루어진다.
본 발명에 따르면, 상기 촉매베이스와 상기 박막사이에 알루미늄(Al)으로 이루어진 버퍼층(buffer layer)을 형성한다.
본 발명에 따르면, 상기 (e)단계에서, 상기 박막을 엔 메틸피로리돈(N-methyl pyrrolidone)의 유기용제에 담궈 제거한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, (a) 기판 위에 공중합체로 이루어진 박막을 도포하는 단계;
(b) 상기 기판 위에 도포된 상기 박막을 열처리하여 규칙적인 구조로 형성하는 단계;
(c) 상기 공중합체를 이루는 블록공중합체의 일부를 제거하는 단계;
(d) 상기 블록공중합체의 일부가 제거된 상기 박막 위에 촉매베이스를 증착하는 단계; 및
(e) 상기 박막을 제거하여 복수의 금속촉매도트로 이루어진 촉매층을 형성하는 단계;를 포함하는 촉매층 형성단계와;
상기 촉매층이 형성된 기판 상에 탄소나노튜브를 성장시키는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 탄소나노튜브는 열화학기상증착법에 의하여 성장된다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 작용을 하는 동일요소를 나타낸다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명에 따른 탄소나노튜브 합성을 위한 촉매층을 형성하기 위하여 나노크기의 홀을 형성하는 방법을 설명하는 도면들, 도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 합성을 위한 촉매층을 형성하기 위한 방법을 설명하는 도면들, 도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 합성을 위한 촉매층을 형성하는 방법을 설명하는 도면들, 도 4는은 본 발명의 일실시예에 따른 촉매층에 탄소나노튜브들을 성장시킨 모습을 도시한 도면, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉매층에 탄소나노튜브들을 성장시킨 모습을 도시한 도면, 도 6은 본 발명에 따라 금속촉매도트들이 형성된 모습을 찍은 사진, 도 7은 본 발명에 따라 촉매층에 탄소나노튜브들을 성장시킨 모습을 찍은 사진이다.
도 1a를 참조하면, 기판(100)위에 공중합체(copolymer)를 코팅하여 박막(110)을 형성한다.
공중합체는 두 개 이상의 화학적으로 다른 블록들이 공유결합에 의해 서로 붙어 있어서 좀더 크거나 복잡한 구조를 가지는 거대분자로서, 블록의 화학적 성질과 블록의 길이(혹은 분자량) 그리고 부피조성에 따라서 그 상 분리구조와 크기가 다르게 나타나며 일반적으로 약 십에서 백 나노미터 사이의 패턴의 크기를 가지는 복수의 블록공중합체가 결합되어 이루어진다.
이러한 공중합체는 조성비에 따라 다양한 구조를 가진다. 예를 들어, 이공중합체(diblock copolymer)는 판상(lamellar), 나선형(gyroid), 원통형(cylinder) 및 구형(spherical)등의 구조를 가지며, 삼공중합체 또는 그 이상의 복잡한 공중합체는 더 많은 다양한 구조들을 형성할 수 있다.
본 발명에 사용되기 적합한 공중합체는 다음과 같은 성질을 가지는 것이 바람직하다.
첫째로, 공중합체를 이루는 블록공중합체는 화학적으로 다른 구조를 가져서 상분리가 자발적으로 일어나는 것이어야 하며, 판상형, 원통형 및 구형 중에서 금속촉매도를 만들기 위해서는 구형의 구조를 가지는 것이어야 한다.
둘째로, 서로 다른 블록공중합체들 간의 에칭선택도가 상이해서 한쪽을 선택적으로 쉽게 제거할 수 있어야 한다. 이러한 공중합체의 예로는 폴리스티렌(polystylen)-폴리메타메틸아크릴레이트(polymetamethylacrylrate)와 같이 한쪽 블록이 아크릴레이트류인 고분자와 폴리스티렌(polystylen)-폴리부타디엔(polybutadiene)과 같이 한쪽 블록이 주쇄에 이중결합을 가지는 고분자이다. 본 발명에서는 공중합체로 폴리스티렌-폴리메타메틸아크릴레이트(PS-PMMA)를 사용하는 것이 바람직하다.
셋째로, 공중합체는 자기조립(self assembly)을 유발하는 것이어도 된다.
넷째로, 한쪽블록이 금속이나 세라믹을 포함한 무기물고분자이고 다른 쪽이 유기고분자인 경우도 열이나 플라즈마에 대한 저항성 차이를 이용해서 한쪽을 쉽게 제거할 수 있다.
본 발명에서 폴리스티렌-폴리메틸메타아크릴레이트(PS-PMMA)을 3000rpm의 속도로 60초 동안 스핀코팅(spin coating)방법으로 상기 기판(100)위에 상기 박막(110)을 형성한다.
도 1b를 참조하면, 상기 박막(110)을 액정 상전이온도(약 160℃) 이상으로 열처리하여 상기 폴리스티렌-폴리메틸메타아크릴레이트(PS-PMMA)의 규칙적인 구조를 형성한다. 즉, 상기 박막(110)을 열처리하면 상기 폴리스티렌(112)에 상기 폴리메틸메타아크릴레이트(111)가 도 1b에 도시된 바와 같이 규칙적으로 배열된 구조를 가진다.
상기 폴리메틸메타아크릴레이트(111)를 액정 상전이온도 이상으로 온도를 올 린 후에 서서히 냉각시키는 열처리(annealing)를 하여 자기조립(self assembly)을 유도하여 규칙적인 구조를 형성시킨다.
도 1c를 참조하면, 상기 폴리메틸메타아크릴레이트(111)가 상기 폴리스티렌(112)에 규칙적으로 배열된 상기 박막(110)에 245nm의 파장을 가지는 자외선(UV)을 조사하여 상기 폴리메틸메타아크릴레이트(111)만 균열이 발생하도록 한다. 이는 폴리스티렌과 폴리메타아크릴레이트가 자외선에 대하여 선택도가 달라 폴리메타아클릴레이트만이 자외선에 의하여 균열이 발생되는 것이다.
도 1d를 참조하면, 자외선에 의하여 균열이 발생된 폴리메타아크릴레이트가 형성되어 있는 상기 박막(100)을 활성이온식각(reactive ion etching)을 이용하여 상기 폴리메타아크릴레이트(111)만을 제거한다. 상기 폴리메타아크릴레이트(111)가 제거된 상기 박막(110)의 자리에는 나노사이즈의 다공성의 홀(111')이 형성된다. 상기 박막(110)은 상기 폴리스티렌(112)만으로 이루어져 있다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 합성을 위한 촉매층을 형성하기 위한 방법을 설명하는 도면들이다.
먼저, 도 2a를 참조하면, 상기 폴리메타아크릴레이트(111)가 제거되고 그 자리에 상기 홀(111')이 형성되어 있는 상기 박막(110)위에 알루미늄(Al)을 1nm 내지 10nm 두께로 증착하여 버퍼(buffer,130)을 형성하고, 상기 버퍼(130)위에 촉매금속전구체인 니켈(Ni,140)을 1nm 내지 10nm 두께로 증착한다. 여기서, 촉매금속전구체는 탄소나노튜브 성장의 기초가 될 수 있는 미립자의 금속 형태로 전환될 수 있는 임의의 재료 중에서 선택된다.
이때, 상기 버퍼(130)인 알루미늄과 촉매금속전구체(140)인 니켈은 상기 홀(111')내측으로 차례로 삽입되어 상기 홀(111')내측을 채운다.
도 2b를 참조하면, 알루미늄으로 이루어진 상기 버퍼(130)와 니켈로 이루어진 촉매금속전구체(140)를 증착한 상기 박막(110)이 형성되어 있는 상기 기판(100)을 엔 메틸리포리돈(N-methyl pyrrolidone)등의 유기용매에 담궈 상기 폴리스티렌(112, 도 1e참조)을 용해시키고 상기 기판(100)위에 복수의 금속촉매도트(150)만 남기고 잔여물들을 제거한다. 상기 금속촉매도트(150)는 버퍼인 알루미늄도트(151)와 촉매금속전구체인 니켈도트(152)로 이루어져 있다.
상기 금속촉매도트(150)는 상기 알루미늄도트(151)위에 도 2b에 도시된 바와 같이 상기 니켈도트(152)가 하나 형성될 수 도 있고, 도 2c에 도시된 바와 같이 상기 니켈도트(152)가 크기가 작은 여러 개가 형성될 수 도 있다.
도 2d를 참조하면, 상기 금속촉매도트들(150)이 남겨진 상기 기판(100)에 SOG(Silicone on glass)용액을 코팅하고 열처리하여 상기 금속촉매도트들(150)사이에 SiO2절연막으로 된 블로킹층(160)을 형성시킨다.
상기 SOG 용액은 스핀코팅(Spin coating)법을 이용하여 3000rpm으로 코팅한다. 열처리는 1차로 70℃온도로 60초(S) 동안 열을 가하고, 2차로 150℃온도로 40초(S) 동안 열을 가하고, 3차로 250℃온도로 40초(S) 동안 열을 가하고, 4차로 430℃온도로 1시간(H)동안 열을 가한다.
상기 금속촉매도트들(150)사이에 SOG(Silicone on glass)용액을 코팅하고 열 처리하여 SiO2절연막으로 된 블로킹층(160)을 형성시키는 것은, 500℃이상의 고온에서 상기 금속도트들(150)이 서로 결합되면서 뭉쳐지는 것을 방지하기 위해서 이다.
이때, 도 2d에 도시된 바와 같이 상기 니켈도트(150)가 상기 SiO2절연막으로 된 블로킹층(160)위에 돌출된다. 만약에, 상기 니켈도트(150)가 상기 SiO2절연막으로된 블로킹층(160)위에 돌출되어 있지 않으면 상기 기판(100)을 불산(HF)용액에 30초(S) 내지 50초(S) 정도 담궈 상기 SiO2절연막으로된 블로킹층(160) 표면을 약간 에칭하여 상기 니켈도트(150)가 SiO2절연막으로된 블로킹층(160)위에 돌출되도록 한다.
한편, 도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 합성을 위한 촉매층을 형성하는 방법을 설명하는 도면들이다.
탄소나노튜브 합성을 위한 촉매층을 형성하기 위한 나노크기의 홀을 형성하는 방법은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1a 내지 도 1d에 도시된 과정은 동일하고, 도 2a 내지 도 2d에 도시된 과정 대신에 도 3a 내지 도 3c가 적용된다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성을 나타낸다.
먼저, 도 3a를 참조하면, 상기 폴리메타아크릴레이트(111)가 제거되고 그 자리에 상기 홀(111')이 형성되어 있는 상기 박막(110)위에 촉매금속전구체인 니켈(Ni,140)을 1nm 내지 10nm 두께로 증착한다. 이때, 상기 촉매금속전구체(140)인 니켈(Ni)은 상기 홀(111')내측으로 차례로 삽입되어 상기 홀(111')내측을 채운다.
도 3b를 참조하면, 니켈로 이루어진 상기 촉매금속전구체(140)를 증착한 상기 박막(110)이 형성되어 있는 상기 기판(100)을 엔 메틸리포리돈(N-methyl pyrrolidone)등의 유기용매에 담궈 상기 폴리스티렌(112, 도 2a참조)을 용해시키고 상기 기판(100)위에 복수의 금속촉매도트(250)만 남기고 잔여물들을 제거한다. 상기 금속촉매도트(250)는 촉매금속전구체인 니켈(Ni)만으로 이루어져 있다.
도 6을 참조하면, 도 3b의 과정을 거치면서 상기 기판(100)위에 상기 금속촉매도트들(250)이 형성되어 있는 모습이 도시되어 있다.
도 3c를 참조하면, 상기 금속촉매도트들(250)이 남겨진 상기 기판(100)에 SOG(Silicone on glass)용액을 코팅하고 열처리하여 상기 금속촉매도트들(250)사이에 SiO2절연막으로 된 블로킹층(160)을 형성시킨다.
상기 SOG 용액은 스핀코팅(Spin coating)법을 이용하여 3000rpm으로 코팅한다. 열처리는 1차로 70℃온도로 60초(S) 동안 열을 가하고, 2차로 150℃온도로 40초(S) 동안 열을 가하고, 3차로 250℃온도로 40초(S) 동안 열을 가하고, 4차로 430℃온도로 1시간(H)동안 열을 가한다.
상기 금속촉매도트들(250)사이에 SOG(Silicone on glass)용액을 코팅하고 열처리하여 SiO2절연막으로 된 블로킹층(160)을 형성시키는 것은, 500℃이상의 고온에서 상기 금속도트들(250)이 서로 결합되면서 뭉쳐지는 것을 방지하기 위해서 이다.
이때, 도 3c에 도시된 바와 같이 상기 금속촉매도트(250)가 상기 SiO2절연막으로 된 블로킹층(160)위에 돌출된다. 만약에, 상기 금속촉매도트(250)가 상기 SiO2절연막으로된 블로킹층(160)위에 돌출되어 있지 않으면 상기 기판(100)을 불산(HF)용액에 30초(S) 내지 50초(S) 정도 담궈 상기 SiO2절연막으로된 블로킹층(160) 표면을 약간 에칭하여 상기 금속촉매도트(250)가 SiO2절연막으로된 블로킹층(160)위에 돌출되도록 한다.
상기와 같은 과정을 거치면서 탄소나노튜브 합성을 위한 촉매층을 형성한다.
촉매층에 탄소나노튜브를 성장은 다양한 방법이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 반응챔버 내에 탄소나노튜브 성장의 기초가 되는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 촉매층 형성되어 있는 기판(100)을 위치시키고, 반응챔버 내에 탄소전구체가스를 공급한 후, 반응챔버 내에서 탄소전구체가스를 분해하여 촉매층에 탄소를 공급함으로써 상기 촉매층에서 탄소나노튜브(170)를 성장시킨다.
구체적으로는, 저압 화학기상증착법, 열화학기상증착법 및 플라즈마 화학기상증착법에 의하여 수행될 수 있으며 또는 이들 방법을 조합한 방법에 의해서도 수행될 수 있다. 본 발명에서는 열화학기상증착법에 의하여 탄소나노튜브(170)를 성장시키는 것이 바람직하다. 도 7을 참조하면, 성장된 탄소나노튜브를 찍은 사진이 도시되어 있다.
탄소전구체가스로서는, 예를 들면, 아세틸렌, 메탄, 프로판, 에틸렌, 일산화 탄소, 이산화탄소, 알코올, 벤젠 등과 같은 탄소함유화합물이 사용될 수 있다.
반응챔버 내의 온도가 너무 낮으면 생성되는 탄소나노튜브의 결정성이 저하될 수 있고, 너무 높으면 탄소나노튜브가 잘 형성되지 않을 수 있다. 이러한 점들 을 고려하여, 반응챔버 내의 온도는 전형적으로 약 450℃ 내지 약 1100 ℃에서 반응시키는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 합성을 위한 촉매층 형성방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 광식각 공정으로는 구현하기 힘든 수십 나노미터 이하의 패턴이 가능하고, 복잡한 공정장비가 필요하지 않으며 공정이 비교적 단순하기 때문에 공정비용이 저렴하며,
둘째, 촉매층은 공중합체를 열처리하는 온도조절과 에칭정도를 통해 크기를 조절할 수 있으며, 공중합체의 분자량조절을 통해 두께를 조절할 수 있으며 이에 따라 촉매금속도트들의 크기도 수 내지 수십 나노미터까지 조절이 가능하며,
셋째, 촉매금속도트사이에 블로킹층을 형성시켜 이들이 서로 결합되는 것을 방지하여 탄소나노튜브의 직경을 조절할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (25)

  1. (a) 기판 위에 공중합체로 이루어진 박막을 도포하는 단계;
    (b) 상기 기판 위에 도포된 상기 박막을 열처리하여 규칙적인 구조로 형성하는 단계;
    (c) 상기 공중합체를 이루는 블록공중합체의 일부를 제거하는 단계;
    (d) 상기 블록공중합체의 일부가 제거된 상기 박막 위에 촉매베이스를 증착하는 단계; 및
    (e) 상기 박막을 제거하여 복수의 금속촉매도트로 이루어진 촉매층을 형성하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브합성을 위한 촉매층 형성방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 (e)단계 후에,
    상기 금속촉매도트들 사이에 상기 금속촉매도트들이 뭉쳐지지 않도록 블로킹층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브합성을 위한 촉매층 형성방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 블로킹층을 형성하는 단계는
    상기 금속도트들이 남겨진 상기 기판 위에 SOG(silicone on glass)용액을 코팅하는 단계;와
    상기 SOG 용액을 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브합성을 위한 촉매층형성방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 SOG 용액을 열처리하는 단계는
    1차로 70도(℃) 온도로 60초간, 2차로 150도(℃) 온도로 40초간, 3차로 250도(℃) 온도로 40초간 및 4차로 430도(℃) 온도로 1시간동안을 차례대로 열처리하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브합성을 위한 촉매층형성방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 (a)단계에서,
    상기 공중합체는 폴리스티렌과 폴리메틸메타아크릴레이트의 블록공중합체들이 결합되어 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브합성을 위한 촉매층형성방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 (a)단계에서,
    상기 공중합체는 상기 기판 위에 스핀코팅(spin coating)방법에 의하여 도포되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브합성을 위한 촉매층형성방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 (b)단계에서,
    상기 박막을 액정 상전이온도 이상으로 열처리하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브합성을 위한 촉매층형성방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 (c)단계는
    상기 박막에 245nm의 파장을 가지는 자외선(UV)을 조사하는 단계와
    상기 자외선이 조사된 박막을 활성이온식각(RIE)을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브합성을 위한 촉매층형성방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    제거되는 상기 블록공중합체는 폴리메틸메타아크릴레이트인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브합성을 위한 촉매층형성방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 (d)단계에서,
    상기 촉매베이스는 니켈(Ni)로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브합성을 위한 촉매층형성방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 촉매베이스와 상기 박막사이에 알루미늄(Al)으로 이루어진 버퍼층(buffer layer)을 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브합성을 위한 촉매층형성방법.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 (e)단계에서,
    상기 박막을 엔 메틸피로리돈(N-methyl pyrrolidone)의 유기용제에 담궈 제거하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브합성을 위한 촉매층형성방법.
  13. (a) 기판 위에 공중합체로 이루어진 박막을 도포하는 단계;
    (b) 상기 기판 위에 도포된 상기 박막을 열처리하여 규칙적인 구조로 형성하는 단계;
    (c) 상기 공중합체를 이루는 블록공중합체의 일부를 제거하는 단계;
    (d) 상기 블록공중합체의 일부가 제거된 상기 박막 위에 촉매베이스를 증착하는 단계; 및
    (e) 상기 박막을 제거하여 복수의 금속촉매도트로 이루어진 촉매층을 형성하는 단계;를 포함하는 촉매층 형성단계와;
    상기 촉매층이 형성된 기판 상에 탄소나노튜브를 성장시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 성장법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 열화학기상증착법에 의하여 성장되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 성장법.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 (e)단계 후에,
    상기 금속촉매도트들 사이에 상기 금속촉매도트들이 뭉쳐지지 않도록 블로킹층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브합성을 위한 촉매층 형성방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 블로킹층을 형성하는 단계는
    상기 금속촉매도트들이 남겨진 상기 기판 위에 SOG(silicone on glass)용액을 코팅하는 단계;와
    상기 SOG 용액을 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브합성을 위한 촉매층형성방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 SOG 용액을 열처리하는 단계는
    1차로 70도(℃) 온도로 60초간, 2차로 150도(℃) 온도로 40초간, 3차로 250도(℃) 온도로 40초간 및 4차로 430도(℃) 온도로 1시간동안을 차례대로 열처리하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브합성을 위한 촉매층형성방법.
  18. 제 13항에 있어서,
    상기 (a)단계에서,
    상기 공중합체는 폴리스티렌과 폴리메틸메타아크릴레이트의 블록공중합체들이 결합되어 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브합성을 위한 촉매층형성방법.
  19. 제 13항에 있어서,
    상기 (a)단계에서,
    상기 공중합체는 상기 기판 위에 스핀코팅(spin coating)방법에 의하여 도포되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브합성을 위한 촉매층형성방법.
  20. 제 13항에 있어서,
    상기 (b)단계에서,
    상기 박막을 액정 상전이온도 이상으로 열처리하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브합성을 위한 촉매층형성방법.
  21. 제 13항에 있어서,
    상기 (c)단계는
    상기 박막에 245nm의 파장을 가지는 자외선(UV)을 조사하는 단계와
    상기 자외선이 조사된 박막을 활성이온식각(RIE)을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브합성을 위한 촉매층형성방법.
  22. 제 21항에 있어서,
    제거되는 상기 블록공중합체는 폴리메틸메타아크릴레이트인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브합성을 위한 촉매층형성방법.
  23. 제 13항에 있어서,
    상기 (d)단계에서,
    상기 촉매베이스는 니켈(Ni)로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브합성을 위한 촉매층형성방법.
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 촉매베이스와 상기 박막사이에 알루미늄(Al)으로 이루어진 버퍼층(buffer layer)을 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브합성을 위한 촉매층형성방법.
  25. 제 13항에 있어서,
    상기 (e)단계에서,
    상기 박막을 엔 메틸피로리돈(N-methyl pyrrolidone)의 유기용제에 담궈 제거하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브합성을 위한 촉매층형성방법.
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