KR20090019533A - 플라즈마 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브 합성장치 - Google Patents

플라즈마 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브 합성장치 Download PDF

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Abstract

플라즈마 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브 합성장치가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브 합성장치 는 촉매가 도포된 기판을 수용하는 반응 챔버, 기판을 가열하는 기판 가열부, 반응 챔버 내부에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부를 포함하며 반응 챔버 내부에 반응 가스를 공급하여 기판에 도포된 촉매와 반응시켜 탄소나노튜브를 합성하는 장치에 있어서, 반응 챔버 내부에 기화 수증기(vaporized water) 또는 산소 기체 중 하나를 공급한다.
탄소나노튜브, 플라즈마 화학기상증착법, PECVD, 기화 수증기

Description

플라즈마 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브 합성장치{Apparatus for synthesizing carbon nano-tube using plasma enhanced chemical vapor deposition}
본 발명은 플라즈마 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브 합성장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마를 이용해서 낮은 온도에서 탄소나노튜브를 합성할 수 있는 플라즈마 화학기상증착법을 이용하여 반응 챔버 내에 기화 수증기 또는 산소 기체를 공급하여 탄소나토튜브의 합성 수율 및 순도를 향상시킨 탄소나노튜브 합성장치에 관한 것이다.
탄소나노튜브(CNT; Carbon Nano-tube)란 지구상에 다량으로 존재하는 탄소로 이루어진 탄소동소체로서, 하나의 탄소가 다른 탄소 원자와 육각형 벌집 무늬로 결합되어 튜브 형태를 이루어 있는 물질이며, 튜브의 직경이 수 나노미터 수준으로 극히 작은 영역의 물질이다. 탄소나노튜브는 우수한 기계적 특성, 전기적, 선택성, 뛰어난 전계 방출 특성, 고효율의 수소저장매체 특성을 지니며 미래에 촉망 받는 신소재로 알려져 있다.
이와 같은 산소나노튜브는 고도의 합성기술에 의해 제조될 수 있는데, 그 합 성 방법으로 전기 방전법(Arc-discharge), 레이저 증착법(Laser vaporization), 플라즈마 화학기상증착법(PECVD; Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 열화학기상 증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition), 전기분해 방법, Flame 합성방법 등이 알려져 있다.
이중 플라즈마 화학기상증착법은 기판을 가열하는 열 에너지와 전기 방전에 의한 가스 플라즈마의 화학적 활성화 반응을 이용해, 기판에 물질을 효과적으로 증착시키는 저온 증착 방법이다. 즉, 플라즈마를 이용하므로 열화학기상 증착법에 비해서 상대적으로 낮은 온도에서 탄소나노튜브를 합성할 수 있다는 특징이 있다.
도 1은 종래의 플라즈마 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브 합성장치를 도시한 도면이다.
종래의 플라즈마 화학기상증착법을 이용하여 탄소나노튜브를 합성할 때에는, 반응 챔버(10) 내부가 500도 이하의 저온의 상태에서, 샤워헤드(20)에 의해 반응 챔버(10) 내부로 분사되는 반응가스(hydro-carbon 가스)가 기판(30)에 도포된 촉매(40)와 반응하여 합성을 하게 되는데, 이때 촉매(40)에 남아있는 유기물 또는 비정질 탄소(amorphous carbon)와 같은 불순물이 합성 과정에서 많이 발생하여 탄소나노튜브가 길게 성장하지 못하고 수율 및 순도가 낮은 특성을 가지게 된다.
본 발명은 상기한 문제점을 개선하기 위해 고안된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 목적은 반응가스와 더불어 반응 챔버 내부에 기화 수증기(vaporized water) 또는 산소 기체 중 하나를 공급하여 비정질 탄소가 발생하는 것을 억제하여 합성되는 탄소나노튜브의 순도 및 합성 길이를 향상시키도록 하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브 합성장치는 촉매가 도포된 기판을 수용하는 반응 챔버; 상기 기판을 가열하는 기판 가열부; 상기 반응 챔버 내부에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부를 포함하며 상기 반응 챔버 내부에 반응 가스를 공급하여 상기 기판에 도포된 촉매와 반응시켜 탄소나노튜브를 합성하는 장치에 있어서, 상기 반응 챔버 내부에 기화 수증기(vaporized water) 또는 산소 기체 중 하나를 공급한다.
상기한 바와 같은 본 발명의 플라즈마 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브 합성장치에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
기화 수증기 또는 산소기체를 반응 챔버 내부에 공급하여 비정질 탄소가 발생하는 것을 억제하여 합성되는 탄소나토튜브의 순도 및 합성 길이를 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 플라즈마 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브 합성장치를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브 합성장치를 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브 합성장치는 반응 챔버(100), 기판 가열부(150), 플라즈마 발생부(160)를 포함하여 구성될 수 있다.
반응 챔버(100)는 내부에 기판(130)을 수용하여 내부에 플라즈마가 발생된 상태에서 탄소나노튜브 합성 반응이 일어나는 공간을 제공한다. 반응 가스는 반응 챔버(100) 외부의 반응 가스를 저장한 탱크(미도시)로부터 공급관을 통해 반응 챔버(100) 내부로 공급되고, 내부에 샤워 헤드(120)를 통해 반응 챔버 (100)내에서 반응 가스를 분사시킨다. 반응 가스로는 탄소와 수소로 이루어진 하이드로 카본(hydro-carbon) 가스를 사용한다.
반응 챔버(100) 하부에는 탄소나노튜브 합성 공정이 끝난 후 반응 챔버(100) 내부에 잔류 가스를 반응 챔버(100) 외부로 보내는 배기구가 형성되어 있다.
반응 챔버(100) 하부에는 기판(130)이 놓여지는데, 기판(130)은 기판(130) 아래에 형성되는 기판 가열부(150)에 의해 가열된다. 본 발명은 플라즈마 화학기상증착법을 이용한 것으로 플라즈마를 이용하기 때문에 열화학기상 증착법에 비해서 상대적으로 낮은 온도로 기판(130)을 가열한 상태에서 탄소나토튜브를 합성할 수 있다.
기판(130)에는 촉매(140)가 도포되어 반응 가스와 반응하여 탄소나노튜브를 합성한다. 기판(130) 위에는 Ni, Co, Fe 또는 이들의 합금 등으로 촉매 금속층을 형성할 수 있다. 기판(130)의 재질은 글래스 기판, 사파이어 기판, 플라스틱 기판 또는 실리콘 기판 등이 사용될 수 있는데, 이에 한정되지 않고 다양한 재질로 사용될 수 있다.
플라즈마 발생부(160)는 반응 챔버(100) 내부에서 플라즈마를 발생시킨다. 바람직하게는 반응 챔버(100)의 외부에서 플라즈마를 생성하여 생성된 플라즈마를 반응 챔버(100) 내부로 공급하는 리모트 플라즈마 발생기(160)를 사용할 수 있다. 또는, 반응 챔버(100) 내부에서 형성된 전극에 고주파 전원을 가하여 반응 챔버(100) 내부에서 플라즈마를 발생시킬 수도 있음은 물론이다.
본 발명에서는 반응 챔버(100) 내부로 반응 가스 외에 기화 수증기(vaporized water) 또는 산소 기체 중 하나를 공급할 수 있다. 기화 수증기 또는 산소 기체를 담은 탱크(170)로부터 배관 라인을 통하여 반응 챔버(100) 내부로 공급될 수 있다. 이때, 배관 라인 중간에 기화 수증기 또는 산소 기체가 냉각되어 기체의 성질이 바뀌는 것을 방지하기 위해 기체를 가열하는 기체 가열부(175)가 형성될 수 있다.
탄소나노튜브를 합성하는데 영향을 미치는 요소로 합성 온도, 반응 가스 종류, 촉매(140)의 종류를 들 수 있는데, 그 중 촉매(140)의 활성도에 따라 탄소나노튜브의 길이는 합성시간에 따라서 무한대로 늘어날 수 있다. 대부분의 촉매(140)의 경우에는 탄소합성반응이 일어남에 따라서 하이드라이드(hydride)되거나 비정질 탄소와 같은 불순물을 생성할 수 있다. 이러한 것들은 탄소나노튜브의 순도 및 합성 길이에 나쁜 영향을 미치게 된다. 본 발명에서는 기화 수증기 또는 산소 기체를 반응 챔버(100) 내부로 공급하여 탄소나노튜브의 성장 시에 약한 산화제로 작용하여 탄소나노튜브의 표면에 형성되는 탄소나노튜브의 합성을 방해하는 불순물을 제거할 수 있다. 따라서 탄소나노튜브의 순도 및 합성 길이가 향상된다.
본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브 합성장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.
리모트 플라즈마 발생장치(160)에 의해 발생된 플라즈마를 반응 챔버 (100)내에 공급하거나, 또는 반응 챔버(100) 내부의 전극에 고주파 전원을 가하여 반응 챔버(100) 내부에 플라즈마를 발생시킨다. 그리고, 반응 가스를 저장한 탱크(미도시)로부터 공급관을 통해 반응 챔버(100) 내부에 반응 가스를 공급하는데, 반응 챔버(100) 내부에 위치한 샤워 헤드(120)에 의해 분사될 수 있다. 이때, 반응 가스 뿐만 아니라 기화 수증기 또는 산소 기체 중 하나를 반응 챔버(100) 내부에 공급할 수 있다. 반응 챔버(100) 내부에는 촉매(140)가 도포된 기판(130)이 존재하는데, 기판(130)은 기판 가열부(150)에 의해 가열되고 플라즈마가 발생된 반응 챔버(100) 내부에서 상대적으로 낮은 온도에서 반응 가스와 촉매(140)가 반응하여 탄소나토튜브를 합성하게 된다. 이때, 공급된 기화 수증기 또는 산소 기체는 반응 가스와 촉매(140)가 반응하여 탄소나토튜브의 합성을 방해하는 비정질 탄소 등의 생성을 억제하여 탄소나토튜브의 순도 및 합성 길이를 향상시킬 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 종래의 플라즈마 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브 합성장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브 합성장치를 도시한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 반응 챔버
120: 샤워 헤드
130: 기판
140: 촉매
150: 기판 가열부
160: 플라즈마 발생부
175: 기체 가열부

Claims (4)

  1. 촉매가 도포된 기판을 수용하는 반응 챔버;
    상기 기판을 가열하는 기판 가열부;
    상기 반응 챔버 내부에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부를 포함하며, 상기 반응 챔버 내부에 반응 가스를 공급하여 상기 기판에 도포된 촉매와 반응시켜 탄소나노튜브를 합성하는 장치에 있어서,
    상기 반응 챔버 내부에 기화 수증기 또는 산소 기체를 공급하는 플라즈마 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브 합성장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응 챔버 내부에 기화 수증기 또는 산소 기체를 공급하는 배관 라인에는 상기 기화 수증기 또는 산소 기체가 냉각되는 것을 방지하기 위해 기체 가열부가 형성된 플라즈마 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브 합성장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매는 Ni, Co, Fe 또는 이들의 합금으로 형성되는 플라즈마 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브 합성장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생부는 상기 반응 챔버의 외부에서 생성시킨 플라즈마를 상기 반응 챔버 내부로 공급하는 리모트 플라즈마 발생기인 플라즈마 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브 합성장치.
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