KR20100023513A

KR20100023513A - 수분 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브의 배열 및 벽 수의 제어방법

Info

Publication number: KR20100023513A
Application number: KR1020080082326A
Authority: KR
Inventors: 샤시칸트 패톨; 유지범
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2008-08-22
Publication date: 2010-03-04

Abstract

본 발명은 수분 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브의 배열 및 벽 수의 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판 상에 증착시키는 촉매층의 두께를 제어하고 수분 화학기상증착법을 이용하여 탄소나노튜브를 합성함으로써 탄소나노튜브의 벽 수, 종횡비, 또는 배열을 제어할 수 있는 수분 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브의 배열 및 벽 수의 제어방법에 관한 것이다.

촉매층, 수분 화학기상증착법, 탄소나노튜브, 다중벽

Description

수분 화학기상증착법을 이용한 탄소나노튜브의 배열 및 벽 수의 제어방법{Method for controlling alignment and number of wall of ultra long carbon nanotubes in water assisted chemical vapor deposition}

탄소나노튜브(Carbon nanotubes, CNTs)는 정돈된 일 차원 양자 시스템(1-D)을 연구하고 통합하기 위한 기회를 제공해왔다. 다중벽 탄소나노튜브는 몇 개의 그리핀(graphene) 시트가 말려져 있는, 흑연과 같은 전기적 특징들을 나타내는 동심원형 실린더(concentric cylinders)로 이루어져 있다. 단일벽 탄소나노튜브와 비교하여, 벽 두께가 더 클수록 외경, 내경의 직경이 더 커지고, 강도가 커지고, 전기 전도도는 크게 개선된다. 이들 특징들은 냉음극(cold-cathode) 전자기장 방출, 나노 기공을 갖는 멤브레인, 마찰이 적은 나노베어링, 슈퍼캐퍼시터 전극, 초감도 전위계(ultrasensitive electrometers) 및 기타 다른 용도를 위한 나노 구조를 생성하기에 이상적이다(Ajayan P M 1999 Chem . Rev . 99 1787; Dai H J 2002 Acc Chem . Res. 35 1035; De Heer W A et al. 1995 Science 270 1179; Shiflett M B and Foley H C 1999 Science 285 1902; Cummings J and Zettl A 2000 Science 289 602; Frackowiak E et al . 2000 Appl . Phys . Lett . 77, 2421; Roschier L et al. 2001 Appl. Phys . Lett . 78 3295).

초대형 탄소나노튜브의 합성은 경량의 고 강도 재료 적용 시 파이버 및 시트와의 결합 때문에 기술적으로 중요하다(Li W Z et al . 1996 Science 274, 1701). 전기적 배선공정(interconnection) 용도와 같은 다양한 장치들과의 결합 시 배열 및 벽 수의 제어가 요구된다(Srivastava N and Banerjee K, JOM 56 30; Li J et al. 2003 Appl . Phys . Lett . 82 2491; Kreupl F et al. 2002 Microelectron . Eng . 64 399).

탄소나노튜브 합성방법 중, 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD)은 선택적 공간 성장(selective spatial growth) 및 정렬된 탄소나노튜브의 성장 능으로 인해 탄소나노튜브의 부피 생장 및 장치와의 결합에 효과적이다. CVD의 성장 환경에 제어된 수분 기상 함량을 첨가함으로써 촉매의 활성 및 수명을 극적으로 증가시키면 밀리미터 크기의 탄소나노튜브 성장에 매우 효과적인 결과를 낳는다고 보고되어 있다(Hata K et al. 2004 Science 306 1362). 흥미롭게도, 밀리미터 규모의 탄소나노튜브 숲의 합성에 대한 대부분의 논문들은 스퍼터링 또는 전자-빔 증착(electron-beam evaporation, e-beam)에 따라 제조된 철-금속 박막 필름을 이용하였다(Hata K et al . 2004 Science 306 1362; Yun Y et al. 2006 J Phys . Chem . B 110 23920; Chakrabarti S et al . 2006 Jpn . J. Appl . Phys. 45 L720; Li Q et al. 2006 Adv . Mater . 18 3160; Eres G et al. 2004 Appl . Phys . Lett . 84 1759; Zhong G F et al. 2007 Phys . Chem . B 111 1907; Xu Y Q et al. 2006 Appl . Phys . Lett . 89 123116). 촉매 증착을 위한 e-beam 증착의 이점은 선택적 영역 증착, 증착 공정의 미세한 제어, 및 탄소나노튜브의 무촉매 성장이 있다. 탄소나노튜브의 직경은 메탄 및 아세틸렌과 같은 탄소원을 공급하기 전 즉시 열 처리된 기판 상에 있는 금속 촉매 섬 또는 입자들의 크기에 달려있다고 여겨왔다. 따라서, 기판 상에 있는 촉매 나노입자들의 크기와 밀도 제어가 필요하다.

탄소나노튜브의 길이, 벽 수, 키랄성(chirality) 등을 제어하기 위한 많은 연구들이 있어왔으나(Ren Z F et al. 1998 Science 282 1105; Wang Y et al. 2005 Nano. Lett. 5 997; Huang S et al . 2004 Nano . Lett . 4 1025; Terrones M et al . 1997 Nature 388 52; Yuan L et al. 2001 Chem . Phys . Lett. 346 23; Geohegan B D et al . 2003 Appl . Phys . Lett . 83 1851; Christen M H et al. 2004 Nano. Lett. 4 1939; Willems I et al. 2000 Chem . Phys . Lett . 317 71; Kataura H et al . 2000 Carbon 38 1691; Huang L et al. 2003 Nano . Lett . 3 299; Huh Y et al. 2003 J. Mater. Chem . 13 2297　; Wang Y et al. 2004 Appl . Phys . Lett . 85 4741), 탄소나노튜브의 벽 수에 대한 효과적인 제어는 얻지 못하였다.

본 발명의 목적은 기판 상에 증착시키는 촉매층의 두께를 제어하고 수분 화학기상증착법(water-assisted CVD, WA-CVD)을 이용하여 탄소나노튜브를 합성하는 탄소나노튜브의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 기판 상에 증착시키는 촉매층의 두께를 제어함으로써 탄소나노튜브의 벽 수, 높이 및 직경, 배열을 제어하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

촉매층이 형성된 기판을 이용하여 탄소나노튜브를 제조하는 방법에 있어서,

상기 촉매층의 두께를 제어하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 또한

기판 상에 버퍼 금속층을 증착시키는 단계;

상기 버퍼 금속층 상에 촉매층을 증착시키는 단계; 및

상기 기판을 이용하여 탄소나노튜브를 합성하는 단계를 포함하되,

상기 촉매층의 두께를 제어하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 벽 수의 제어방법을 제공한다.

본 발명은 또한

기판 상에 버퍼 금속층을 증착시키는 단계;

상기 버퍼 금속층 상에 촉매층을 증착시키는 단계; 및

상기 촉매층의 두께를 제어하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 높이 및 직경을 제어하는 방법을 제공한다.

본 발명은 또한

기판 상에 버퍼 금속층을 증착시키는 단계;

상기 버퍼 금속층 상에 촉매층을 증착시키는 단계; 및

상기 촉매층의 두께를 제어하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 배열을 제어하는 방법을 제공한다.

본 발명은 기판 상에 증착시키는 촉매층의 두께를 제어함으로써 탄소나노튜브의 벽 수뿐만 아니라 높이 및 직경, 배열을 제어하는데 효과가 있다.

이하, 본 발명의 구성을 구체적으로 설명한다.

본 발명은 촉매층이 형성된 기판을 이용하여 탄소나노튜브를 제조하는 방법에 있어서,

상기 촉매층의 두께를 제어하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 탄소나노튜브의 제조방법은 하기의 단계를 포함하는 것이 바람직하다:

기판 상에 버퍼 금속층을 증착시키는 단계;

상기 버퍼 금속층 상에 두께를 제어하여 촉매층을 증착시키는 단계; 및

상기 기판을 이용하여 탄소나노튜브를 합성하는 단계.

제1단계 및 제2단계는 기판 상에 버퍼 금속층을 증착시키고, 상기 금속층 상에 촉매층을 증착시키되, 촉매층의 두께를 제어하여 증착시키는 단계이다.

상기 기판은 특별히 제한하지는 않으나, 실리콘 기판인 것이 바람직하다.

상기 기판 상에 증착되는 버퍼 금속층 또는 촉매층은 전자-빔 증착법(electron-beam evaporation)을 통해 증착시키는 것이 바람직하나, 이에 특별히 제한하는 것은 아니다.

상기 버퍼 금속층 또는 촉매층의 증착 속도는 0.01 내지 0.5 Å/s이고, 증착 압력은 10^-5 torr 이하인 것이 바람직하다.

상기 버퍼 금속층의 두께는 10 내지 30 nm인 것이 바람직하며, 금속층을 형 성하는 버퍼 금속은 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 탄탈늄(Ta), 또는 티타늄(Ti) 등을 단독 또는 2종 이상 사용할 수 있다.

상기 촉매층의 두께는 0.1 내지 5 nm인 것이 바람직한데, 상기 촉매층의 두께를 제어함으로써 탄소나노튜브의 다중벽의 수가 제어될 수 있다. 본 발명의 구체예에 따르면, 촉매층의 두께가 0.1 내지 0.5 nm인 경우, 탄소나노튜브의 벽 수는 2 내지 4개, 촉매층의 두께가 0.6 내지 1 nm인 경우, 벽 수는 4 내지 10개, 촉매층의 두께가 1 nm 이상인 경우, 벽 수는 8 내지 16개를 가질 수 있다.

상기 촉매층을 이루는 촉매로는 특별히 제한하지는 않으나, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 또는 구리 등을 단독 또는 2종 이상 사용할 수 있다. 보다 바람직하게는 철을 사용하는 것이 좋다.

제3단계는 상기 단계로부터 버퍼 금속층과 촉매층이 증착된 기판을 이용하여 탄소나노튜브를 합성하는 단계로, 고정상의 촉매 표면에서 아세틸렌 등의 원료가스(탄화수소)를 분해시켜 카본 필라멘트를 성장시키는 수분 화학기상증착법(water-assisted chemical vapor deposition)을 통해 수행된다.

상기 원료가스 중 탄화수소는 수소와 탄소로 구성된 불포화 및/또는 포화 탄화수소로서, 탄소수가 1 내지 4인 아세틸렌(C₂H₂), 메탄(CH₄), 에틸렌(C₂H₄), 에 탄(C₂H₆), 프로필렌(C₃H₆), 프로판(C₃H₈), 부탄(C₄H₁₀), 부틸렌(C₄H₈), 부타디엔(C₄H₆)과 그의 이성질체로 구성된 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상이 사용될 수 있다. 이러한 탄화수소는 단일의 형태로 사용되거나 Ar, He 등과 같은 불활성 가스와의 혼합 형태로 사용될 수도 있다.

원료가스와 수분 운반 가스(아르곤)의 혼합비율은 체적당 원료가스의 비율이 바람직하게는 20 내지 80%이다. 원료가스의 비율이 20% 미만이면 생성되는 탄소나노튜브의 양이 작아 경제적이지 못하고, 80% 초과하면 반응이 일찍 종료되어 역시 경제적이지 못하다.

상기 탄소나노튜브의 합성 온도는 바람직하게는 700 내지 900℃이다. 기상분해 온도가 700℃ 미만이면 결정성이 떨어지고, 900℃ 초과하면 결정성이 떨어지는 다른 미세구조의 탄소재료가 만들어질 수 있다.

상기 탄소나노튜브의 합성 시간은 기상분해 온도와 같은 여러 조건에 의해 변화될 수 있는바, 대략 1분 내지 10시간 정도가 소요된다.

상기 탄소나노튜브의 합성 압력은 3 Torr 이하인 것이 바람직하다.

이와 같이, 촉매로부터 성장한 탄소나노튜브는 실온에서 원료가스 하에서 치환된다. 상기 합성은 810℃에서 수행되는 것이 바람직하다. 합성 후 불활성 아르곤 가스 하에서 실온으로 냉각한 다음 최종적으로 다중벽을 갖는 탄소나노튜브를 회수하게 된다.

본 발명은 또한

기판 상에 버퍼 금속층을 증착시키는 단계;

상기 버퍼 금속층 상에 촉매층을 증착시키는 단계; 및

상기 촉매층의 두께를 제어하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 벽 수의 제어방법에 관한 것이다.

상기 촉매층의 두께를 0.1 내지 5 nm의 범위로 제어함으로써 얻을 수 있는 탄소나노튜브의 벽 수는 2 내지 16개인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 또한

기판 상에 버퍼 금속층을 증착시키는 단계;

상기 버퍼 금속층 상에 촉매층을 증착시키는 단계; 및

상기 촉매층의 두께를 제어하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 높이 및 직경을 제어하는 방법에 관한 것이다.

상기 촉매층의 두께가 0.5 nm 이하인 경우 두께 의존적으로 탄소나노튜브의 높이가 증가하는 경향을 나타내지만, 촉매층의 두께가 0.5 nm를 초과하면 탄소나노튜브의 높이는 두께 의존적으로 감소하는 경향을 나타내는 특징을 갖는다.

따라서, 상기 촉매층의 두께를 0.1 내지 5 nm의 범위로 제어함으로써 얻을 수 있는 탄소나노튜브의 높이 대 직경비는 10³ 내지 10⁷인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 또한

기판 상에 버퍼 금속층을 증착시키는 단계;

상기 버퍼 금속층 상에 촉매층을 증착시키는 단계; 및

상기 촉매층의 두께를 제어하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 배열을 제어하는 방법에 관한 것이다.

상기 촉매층의 두께가 증가함에 따라 직선 배열에서 교차형태를 갖는 특징이 있다. 본 발명의 구체예에 따르면, 촉매층의 두께가 1 nm 미만인 경우 직선의 정돈된 배열을 나타내지만, 1 nm를 초과하는 경우 교차형태를 띠게 되는데, 상기의 정돈된 배열은 이웃하는 나노튜브들 간의 반데르 바알스 상호작용으로 인한 것으로 보인다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1> Fe/Al/Si 기판의 제조 및 이를 이용한 탄소나노튜브의 합성

(기판의 제조)

e-beam 증착을 이용하여 실리콘 웨이퍼 상에 17 nm 두께의 알루미늄층을 증착하였다. E-beam 증착 챔버는 기저압력이 3×10^-6Torr 이하가 되도록 공기를 제거하고, 알루미늄 증착은 0.1 Å/s 이하의 비율로 실시하여 17 nm 이하의 두께를 갖는 알루미늄층을 얻었다. 실리콘 웨이퍼를 몇 조각으로 절단한 후 철(철-촉매)을 증착시켰다. 알루미늄과 같은 방식으로 두께별로 증착시켰다. 증착율은 0.1 Å/s로 고정되며, 0.1 내지 3 nm 두께의 촉매층을 증착하였다. 증착된 촉매층의 두께는 챔버 내부에 고정된 크리스탈 센서를 이용하여 측정하였다. 10^-6 Torr 이하로 유지되는 고 진공 챔버에서 건조 조건 하에서 웨이퍼를 유지하여 표면 산화 및 오염을 방지하였다.

(탄소나노튜브의 합성)

WA-CVD 셋업은 표준 CVD 전기로에 장착된 수조로 이루어져 있다. 수조는 60℃ 이하로 유지되며, 아르곤 가스 노즐에 연결되어 있다. 셋업은 다양한 가스 선과 표준 질량 유량계(mass flow controllers)를 구비한 급속 열처리 시스템(rapid thermal heating system)에 부착된 쿼츠 튜브(직경: 5cm 이하, 길이: 70 cm 이하)가 수평으로 설치되어 있다. 구성 가스(compositional gases, CG)의 질량 유량, 즉 공급가스(feed stock(아세틸렌)), 다일레이턴트(dilutant: 아르곤) 및 수분 운반 가스(water carrier gases, 아르곤)는 전자적으로 제어하였다.

Fe/Al/Si 웨이퍼(이하, 기판이라 함)를 5×5 mm 크기로 절단하여 탄소나노튜브를 합성하는데 이용하였다. 3개의 샘플을 한 번에 쿼츠 플레이트 상에 설치하고, 반응기로 수송하였다. 반응기의 압력이 0.1 Torr 미만이 되도록 공기를 제거하고, CG 주입은 실온에서 실시하였다.

탄소나노튜브를 합성하기 위해, 반응기 온도는 1분 당 810℃로 끌어올렸다. 12분 후, CG 공급을 완전히 중단하고, 불활성 아르곤 가스 하에서 시스템을 실온까지 냉각시켰다. 다수의 시료를 공급하기 위해서 급속-열처리 공정을 이용하였다. 공급가스, 다일레이턴트 및 수분 운반 가스를 위해 기체유량계를 조정하였다. 합성실험은 아르곤 및 아세틸렌 유속이 각각 500 sccm (sccm/cm³ STP per minute), 200 sccm인 상태에서 실시하였다. 모든 실험 동안, 수분 운반 가스(아르곤)의 질량유량(mass flow rate)은 185 sccm에서 일정하게 유지하였다.

(탄소나노튜브의 높이, 형태, 벽 수의 측정)

반응기에서 샘플을 꺼낸 후, 높이 및 형태를 정확하게 측정하기 위해 주사전자현미경(SEM; JSM6700F, JEOL) 하에서 샘플을 분석하였다. 다양한 위치에서 높이를 측정하고, 평균 높이를 평가하였다.

성장 전 후의 기판의 표면 형태는 원자간력현미경(AFM; SPA-300HV, SII Nanotechnology Inc.) 하에서 시험하였다.

탄소나노튜브의 구조적 특징은 기판에서 탄소나노튜브를 떼어내 이를 메탄올 에서 분산시키고, 구리 그리드 상에 그들을 드랍 코팅(drop coating)하고, 고해상도 투과전자현미경(HRTEM; JEOL 300 kV)을 이용하여 상기 그리드를 관찰하여 시험하였다.

실험 결과는 도 1 내지 6에 나타내었으며, 도 1은 철 촉매의 두께에 따른 탄소나노튜브 숲의 높이 변화(a) 및 철 클러스터의 평균 직경을 나타낸 것이다. 점선은 데이터 점에 대한 직선 핏을 나타낸 것이고, 그래프 내에 있는 것은 2.2 mm 탄소나노튜브 숲을 나타낸 것이다. 도 2는 투과전자현미경 그리드 상에 증착된 0.3 nm(a), 0.5 nm(b), 1 nm(c), 3 nm(d) 두께의 철 촉매층에 대한 전자현미경 사진도 및 막대그래프를 나타낸 것이다. 내부의 회절 패턴은 다결정질의 철 촉매층을 나타낸 것이다. 도 3은 0.3 nm(a), 0.5 nm(b), 1 nm(c), 3 nm(d) 두께의 철 촉매층에 대한 탄소나노튜브 숲 중의 탄소나노튜브의 배열을 나타내는 주사전자현미경 사진도이다. 도 4는 기판 증착 시(a) 및 열 처리 후(b) 기판의 RMS(root mean square) 값으로 본 철 촉매층 두께에 따른 기판 표면 형태의 영향을 나타낸 것이다. 도 5는 0.3 nm(a), 0.5 nm(b), 1 nm(c), 3 nm(d) 두께의 철 촉매층 기판에 대한 표면 형태를 나타낸 원자간력현미경(AFM) 사진도이다. 도 6은 탄소나노튜브의 벽 수를 나타내는 고해상도 투과전자현미경(HRTEM)의 사진도로, (a)는 철 촉매층의 두께가 0.3 nm일 때 벽 수가 2개인 것, (b)는 철 촉매층의 두께가 0.5 nm일 때 벽 수가 3개인 것, (c)는 철 촉매층의 두께가 1 nm일 때 벽 수가 8개인 것, (d)는 철 촉매층의 두께가 3 nm일 때 벽 수가 15개인 것, (e)는 철 촉매층의 두께에 따라 다양한 벽 수를 갖는 탄소나노튜브의 함량을 통계적 분포를 나타낸 것이다.

도 1에 나타난 바와 같이, 철 촉매층의 두께가 0.5 nm 인 경우, 탄소나노튜브는 최대 높이 2.2 mm 를 나타내었다. 철 촉매층의 두께가 더 낮거나 더 높을 때는 탄소나노튜브의 높이는 감소하였다.

투과전자현미경 하에서, 철 입자들은 덩어리를 형성하고, 보다 높은 농도의 철 증착 시 보다 큰 클러스터를 형성함을 나타내었다(도 2).

도 3에 나타난 바와 같이, 주사전자현미경 하에서, 탄소나노튜브 숲 내 탄소나노튜브의 배열은 철 촉매층의 두께가 증가함에 따라 보다 교차된 형태를 포함하고 있음을 나타내었다. 탄소나노튜브의 정렬된 성장은 이웃하는 나노튜브들 간의 반데르 바알스 상호작용으로 인한 것으로 사료된다.

도 4 및 5에 나타난 바와 같이, 원자간력현미경 하에서 기판의 표면 거칠기를 조사한 결과, 철 증착으로 RMS 값이 증가하는 경향을 나타내었다. 열 처리 후, 증착된 기판과 비교하여 RMS(root mean square) 값이 1.3 nm 두께의 철 촉매층까지는 감소하였고, 그 이후 3 nm 두께의 철 촉매층까지는 증가하였다. 이러한 특이한 경향은 철 클러스터의 증착때문이다.

도 6에서, HRTEM 에서 개별적인 탄소나노튜브를 관찰한 결과, 벽 수는 철 두께에 크게 달려있었다. 철 촉매층의 두께가 0.1 내지 0.5 nm인 경우, 벽 수는 2 내지 4개이고, 철 촉매층의 두께가 0.6 내지 1 nm인 경우, 벽 수는 4 내지 10개이고, 철 촉매층의 두께가 1 nm 이상인 경우, 벽 수는 8 내지 16개였다.

상기 결과로부터, 탄소나노튜브의 숲에서 탄소나노튜브의 벽 수 및 배열은 철 증착을 제어함으로써 조정될 수 있음을 알 수 있었다.

도 1은 철 촉매의 두께에 따른 탄소나노튜브 숲의 높이 변화(a) 및 철 클러스터의 평균 직경을 나타낸 것이다.

도 2는 투과전자현미경 그리드 상에 증착된 0.3 nm(a), 0.5 nm(b), 1 nm(c), 3 nm(d) 두께의 철 촉매층에 대한 전자현미경 사진도 및 막대그래프, 내부의 회절 패턴은 다결정질의 철 촉매층을 나타낸 것이다.

도 3은 0.3 nm(a), 0.5 nm(b), 1 nm(c), 3 nm(d) 두께의 철 촉매층에 대한 탄소나노튜브 숲 중의 탄소나노튜브의 배열을 나타내는 주사전자현미경 사진도이다.

도 4는 기판 증착 시(a) 및 열 처리 후(b) 기판의 RMS 값으로 본 철 촉매층 두께에 따른 기판 표면 형태의 영향을 나타낸 것이다.

도 5는 0.3 nm(a), 0.5 nm(b), 1 nm(c), 3 nm(d) 두께의 철 촉매층 기판에 대한 표면 형태를 나타낸 원자간력현미경(AFM) 사진도이다.

도 6은 탄소나노튜브의 벽 수를 나타내는 고해상도 투과전자현미경(HRTEM)의 사진도로, (a)는 철 촉매층의 두께가 0.3 nm일 때 벽 수가 2개인 것, (b)는 철 촉매층의 두께가 0.5 nm일 때 벽 수가 3개인 것, (c)는 철 촉매층의 두께가 1 nm일 때 벽 수가 8개인 것, (d)는 철 촉매층의 두께가 3 nm일 때 벽 수가 15개인 것, (e)는 철 촉매층의 두께에 따라 다양한 벽 수를 갖는 탄소나노튜브의 함량을 통계적 분포를 나타낸 것이다.

Claims

촉매층이 형성된 기판을 이용하여 탄소나노튜브를 제조하는 방법에 있어서,

상기 촉매층의 두께를 제어하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 제조방법.
제1항에 있어서,

기판 상에 버퍼 금속층을 증착시키는 단계;

상기 버퍼 금속층 상에 두께를 제어하여 촉매층을 증착시키는 단계; 및

상기 기판을 이용하여 탄소나노튜브를 합성하는 단계를 포함하는 탄소나노튜브의 제조방법.
제2항에 있어서,

기판은 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 다중벽 수의 제어방법.
제2항에 있어서,

버퍼 금속층 또는 촉매층은 전자-빔 증착법(electron-beam evaporation)을 통해 기판에 증착되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 제조방법.
제2항에 있어서,

버퍼 금속층 또는 촉매층의 증착 속도는 0.01 내지 0.5 Å/s인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 제조방법.
제2항에 있어서,

버퍼 금속층 또는 촉매층의 증착 압력은 10^-5 torr 이하인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 제조방법.
제2항에 있어서,

버퍼 금속층의 두께는 10 내지 30 nm인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 제조방법.
제2항에 있어서,

버퍼 금속은 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 탄탈늄(Ta) 및 티타늄(Ti)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 제조방법.
제1항에 있어서,

촉매층의 두께는 0.1 내지 5 nm인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 제조방법.
제1항에 있어서,

촉매는 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈 및 구리로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 제조방법.
제2항에 있어서,

탄소나노튜브를 합성하는 단계는 수분 화학기상증착법 (water-assisted chemical vapor deposition)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 제조방법.
제11항에 있어서,

탄소나노튜브의 합성 온도는 700 내지 900℃인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 제조방법.
제11항에 있어서,

탄소나노튜브의 합성 압력은 3 Torr 이하인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 제조방법.
기판 상에 버퍼 금속층을 증착시키는 단계;

상기 버퍼 금속층 상에 촉매층을 증착시키는 단계; 및

상기 기판을 이용하여 탄소나노튜브를 합성하는 단계를 포함하되,

상기 촉매층의 두께를 제어하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 벽 수의 제어방법.
제14항에 있어서,

탄소나노튜브의 벽 수는 2 내지 16개인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 벽 수를 제어하는 방법.
기판 상에 버퍼 금속층을 증착시키는 단계;

상기 버퍼 금속층 상에 촉매층을 증착시키는 단계; 및

상기 기판을 이용하여 탄소나노튜브를 합성하는 단계를 포함하되,

상기 촉매층의 두께를 제어하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 높이 및 직경을 제어하는 방법.
제16항에 있어서,

탄소나노튜브의 높이 대 직경비는 10³ 내지 10⁷인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 높이 및 직경을 제어하는 방법.
기판 상에 버퍼 금속층을 증착시키는 단계;

상기 버퍼 금속층 상에 촉매층을 증착시키는 단계; 및

상기 기판을 이용하여 탄소나노튜브를 합성하는 단계를 포함하되,

상기 촉매층의 두께를 제어하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 배열을 제어하는 방법.