KR20110063501A - 나노탄소 재료 복합 기판 및 그의 제조 방법 - Google Patents

나노탄소 재료 복합 기판 및 그의 제조 방법 Download PDF

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요시히로 고다마
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도판 인사츠 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 기판과, 상기 기판에 형성된 3차원 구조 패턴과, 상기 기판 표면에 형성된 나노탄소 재료를 구비하며, 상기 나노탄소 재료는 적어도 상기 3차원 구조 패턴의 측면부에 존재하는 것을 특징으로 하는 나노탄소 재료 복합 기판에 관한 것이다.

Description

나노탄소 재료 복합 기판 및 그의 제조 방법{NANO-CARBON MATERIAL COMPOSITE SUBSTRATE AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}
본 발명은 강도 보강 재료, 전자 방출 소자 재료, 전지의 전극 재료, 전자파 흡수 재료, 촉매 재료, 광학 재료 등에의 응용이 기대되는 나노탄소 재료를 포함하는 복합 기판 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
나노탄소 재료는 탄소 원자의 sp2 혼성 궤도로 구성된, 나노미터(nm) 크기의 미세한 구조를 갖기 때문에, 종래의 재료를 능가하는 특성 또는 종래의 재료에는 없는 특성을 갖고 있고, 강도 보강 재료, 전자 방출 소자 재료, 전지의 전극 재료, 전자파 흡수 재료, 촉매 재료, 광학 재료 등의 차세대의 기능성 재료로서의 응용이 기대되고 있다.
카본 나노튜브 등의 나노탄소 재료의 합성 방법으로서는, 아크 방전법, 레이저 어블레이션(laser ablation)법, 플라즈마 화학 기상 성장법, 열 화학 기상 성장법 등이 알려져 있다. 이들 방법 중, 아크 방전법, 레이저 어블레이션법 및 플라즈마 화학 기상 성장법은 비평형 반응이기 때문에 비정질 성분을 생성하기 쉽고, 일반적으로 생성하는 카본 나노튜브의 수율이 낮고, 더구나 생성한 카본 나노튜브의 굵기나 종류(형태)가 일정하지 않은 것이 알려져 있다.
한편, 특허문헌 1 및 2에는, 촉매를 이용하여 탄화수소 가스를 열 분해함으로써 카본 나노튜브를 제조하는 열 화학 기상 성장법이 개시되어 있다. 열 화학 기상 성장법은 화학평형 반응을 이용하기 때문에 수율이 비교적 높은 것으로 알려져 있고, 이 방법에 따르면, 초미립의 철이나 니켈 등의 촉매 입자를 핵으로 하여 성장한 탄소 섬유가 얻어진다. 얻어진 탄소 섬유는 탄소망층이 동심상, 중공상으로 성장한 것이다.
그러나, 이 방법에서는, 촉매가 되는 금속의 입경이나 화학 상태를 제어하는 것이 곤란하고, 나노탄소 재료의 형상이나 굵기를 제어하여 합성할 수 없어, 실용화 시에 요구되는 원하는 구조의 재료를 구별하여 만들어 취할 수 없기 때문에, 결과적으로 수율이 저하하는 것은 피할 수 없었다.
또한, 종래의 나노탄소 재료에서는, 합성한 나노탄소 재료를 사용 형태로 가공할 때, 예를 들면 전지의 전극의 형상으로 가공할 때는, 흑연 입자나 부정형 탄소 등의 나노탄소 재료 이외의 탄소 불순물을 포함한 반응 생성물을 정제하여, 반응 생성물 중에서 나노탄소 재료를 취출해야만 한다. 더구나, 기판 상에 성장한 카본 나노튜브를 긁어 떨어뜨림으로써 필요한 양의 카본 나노튜브를 수집할 필요가 있다. 이 때문에, 저비용이며 대량으로, 원하는 구조를 갖는 나노탄소 재료를 이용하여 전극 등의 부재를 제조할 수는 없었다.
또한, 종래의 나노탄소 재료는 개개에는 결정성을 갖고, 섬유상의 형태를 갖는데, 예를 들면 그램 단위로 본 집합체는 무질서한 집합이고, 또한 밀도가 낮은 파우더상 또는 클러스터상의 고체이다. 이러한 나노탄소 재료를 실용적인 재료로서 적용하기 위해서, 페이스트화하거나, 수지 등의 다른 재료와 혼합하더라도, 무질서하고 저밀도의 집합체이기 때문에, 균일한 혼합이 용이하지 않았다.
한편, 특허문헌 3에는, 정제가 불필요한 고순도 카본 나노튜브를 높은 수율로 합성할 수 있는 합성 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 고체 기판과 유기 액체가 급격한 온도차를 갖고 접촉함으로써 생기는 특이적인 계면 분해 반응에 기초하고 있어, 유기 액체 중의 고액 계면 접촉 분해법이라고 불리고 있다. 이하, 이 방법에 대해서 개략적으로 설명한다.
도전성의 실리콘 기판 상에 Fe, Co, Ni 등의 전이 금속 박막을 적층하고, 이 기판을 수소 플라즈마에 노출시키거나 또는 전이 금속 박막을 열 산화함으로써, 기판 상에 고밀도로 분포하는 촉매 미립자를 담지시킨다. 이 기판을 메탄올 등의 유기 액체에 침지하고, 기판에 전류를 흘려 기판을 가열시킨다. 이에 의해, 기판과 유기 액체가 급격한 온도차를 갖고 접촉함으로써 특이적인 계면 분해 반응이 발생하여, 촉매 미립자 상에 카본 나노튜브가 합성된다. 이 방법에서는, 기판 표면에 고밀도, 고순도, 저비용의 나노탄소 재료를 형성할 수 있다.
나노탄소 재료의 용도에 따라서는, 나노탄소 재료를 더욱 고밀도로 형성하고, 보다 큰 표면적으로 하는 것이 바람직한 경우가 있다. 예를 들면, 전지 등의 전극 재료로서는 나노탄소 재료의 표면적이 클수록 축전 또는 발전 등의 효율이 향상된다. 또한, 전계 방사형의 전자 방출 소자에서는, 나노탄소 재료 또는 그것을 구비하는 기판의 종횡비가 클수록, 전계 집중 효율이 향상하여, 보다 저전압에서의 전자 방출이 가능해진다. 그러나, 기판의 종횡비가 큰 경우, 기판의 깊은 내부 부위까지 원료가 도달하는 것이 곤란하기 때문에 종횡비가 큰 구조체에 대하여 균일한 나노탄소 재료의 형성은 곤란하였다. 따라서, 이러한 용도에 적합한, 나노탄소 재료가 보다 고밀도로 형성되고, 보다 큰 표면적 및 종횡비를 이용할 수 있는 구조체는 발견되어 있지 않다.
이하, 전계 방사형의 전자 방출 소자에 있어서의 과제에 대해서 설명한다. 전자 디스플레이 디바이스로서, 고진공의 평판셀 중에 미소한 전자 방출 소자, 특히 전계 방사형의 전자 방출 소자를 어레이형으로 배치한 것이 유망시되고 있다. 전계 방사형의 전자 방출 소자는 물질에 인가하는 전계의 강도를 높이면 그 강도에 따라서 물질 표면의 에너지 장벽의 폭이 점차로 좁아지고, 전계 강도가 107 V/cm 이상으로 되면, 물질 중의 전자가 터널 효과에 의해 그 에너지 장벽을 돌파할 수 있게 되어, 물질로부터 전자가 방출된다는 현상을 이용하고 있다. 이 경우, 전계가 푸아송의 방정식에 따르기 때문에, 전자를 방출하는 부재, 즉 이미터에 전계가 집중하는 부분을 형성하면, 비교적 낮은 인출 전압으로 효율적으로 냉전자를 방출시킬 수 있다.
최근 들어, 이미터 재료로서 나노탄소 재료가 주목받고 있다. 나노탄소 재료 중에서 가장 대표적인 카본 나노튜브는 탄소 원자가 규칙적으로 배열된 그래핌(Grapheme) 시트를 둥글게 뭉친 중공의 원통으로서, 외경이 nm 오더, 길이가 통상 0.5 내지 수 10 ㎛인 종횡비가 매우 높은 미소한 물질이다. 그 때문에, 선단 부분에 전계가 집중하기 쉬워 높은 전자 방출능이 기대된다. 또한, 카본 나노튜브는 화학적, 물리적 안정성이 높다는 특징을 갖기 때문에, 동작 시에, 진공 중의 잔류 가스의 흡착이나 반응이 생기기 어렵고, 이온 충격이나 전자 방출에 따른 발열에 대하여 손상되기 어렵다는 특성을 갖고 있다.
카본 나노튜브를 이미터에 이용하는 경우, 페이스트화하고, 인쇄법에 의해 기판 상에 도포하여 이미터를 형성하는 방법이 알려져 있다. 예를 들면, 특허문헌 4에는, 스크린 인쇄에 의한 이미터 형성 방법이 개시되어 있다. 우선, 기판 상에 캐소드 전극을 소정 피치로 스트라이프형으로 형성하고, 스크린 인쇄에 의해서 캐소드 전극 상에 카본 나노튜브를 포함한 페이스트를 사각형이나 원형 등의 형상으로 고립한 형태로 캐소드 전극과 동일 피치로 형성한다. 이어서, 카본 나노튜브를 포함한 수지층의 사이에 절연층을 스크린 인쇄한 후, 대기 분위기 중에서 소성한다. 이에 따라, 카본 나노튜브를 포함하는 수지층의 수지 성분이 분해되어, 카본 나노튜브가 노출되어 전자 방출부가 형성된다. 마지막으로, 그리드 전극을 절연층 상에 형성하여 이미터를 제작한다.
상기한 바와 같은 이미터의 제작에 이용하는 페이스트는 일반적으로는 카본 나노튜브 분말에 용제, 분산제, 접착제로서의 유리 프릿, 충전제 등을 가하고, 이들의 분포 상태가 균일하게 되도록 혼합하여 분산시킨다. 혼합 후에 여과를 행하여, 용제와 수지로 이루어지는 비히클 중에 카본 나노튜브를 혼합시킨 형태로 페이스트화한다. 이 페이스트를 잘 혼합하여 분산 상태를 높인 후에 여과하여 카본 나노튜브 페이스트를 제조한다. 그리고 상기 공정에서 얻어진 카본 나노튜브 페이스트를 기판 상에 인쇄하고, 건조 및 소성에 의해 비히클을 산화 분해시켜 카본 나노튜브막을 얻는다. 이러한 방법에 의해, 캐소드 전극 상에 카본 나노튜브막을 형성할 수 있지만, 기판에 대하여 배향시키는 것은 곤란하다. 또한, 전계 방사형의 전자 방출 소자에서는, 나노탄소 재료를 기판에 대하여 보다 고배향으로 형성하여, 나노탄소 재료 또는 그것을 구비한 기판의 종횡비를 크게 하여 전계 집중 효율을 향상시켜서, 보다 저전압에서의 전자 방출을 가능하게 하는 것이 바람직하다.
일본 특허 공개 2002-255519호 공보 일본 특허 공개 2002-285334호 공보 일본 특허 공개 2003-12312호 공보 일본 특허 공개 2003-272517호 공보
본 발명의 목적은 나노탄소 재료가 보다 고밀도로 형성되고, 보다 큰 표면적 및 종횡비를 이용할 수 있는 나노탄소 재료 복합 기판을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 고순도이며 저비용으로, 원하는 구조로 제어하는 것이 용이한 나노탄소 재료 복합 기판의 제조 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 기판과, 상기 기판에 형성된 3차원 구조 패턴과, 상기 기판 표면에 형성된 나노탄소 재료를 구비하며, 상기 나노탄소 재료는 적어도 상기 3차원 구조 패턴의 측면부에 존재하는 것을 특징으로 하는 나노탄소 재료 복합 기판이 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 기판에 3차원 구조 패턴을 형성하는 공정과, 상기 기판의 표면에 촉매를 담지시키는 공정과, 상기 촉매를 담지시킨 상기 기판을 유기 액체 중에 침지하고 가열하여, 고액 계면 접촉 분해법에 의해, 상기 돌기부 또는 홈부의 표면에 나노탄소 재료를 성장시키는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 나노탄소 재료 복합 기판의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 나노탄소 재료 복합 기판은 나노탄소 재료가 적어도 3차원 구조 패턴의 측면부에 존재하기 때문에, 3차원 구조 패턴에 기인하는 큰 표면적 및 높은 종횡비를 이용할 수 있다.
본 발명의 나노탄소 재료 복합 기판의 제조 방법에 따르면, 3차원 구조 패턴의 측면부에 나노탄소 재료를, 균일하게 또한 형상을 제어하면서, 저비용으로 용이하게 형성할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 나노탄소 재료 복합 기판을 도시하는 단면도이다.
도 1b는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 나노탄소 재료 복합 기판을 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 나노탄소 재료 복합 기판의 돌기부 또는 홈부를 도시하는 사시도 또는 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 나노탄소 재료 복합 기판의 제조 방법을 도시하는 단면도이다.
도 3b는 본 발명의 나노탄소 재료 복합 기판의 제조 방법을 도시하는 단면도이다.
도 3c는 본 발명의 나노탄소 재료 복합 기판의 제조 방법을 도시하는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 나노탄소 재료 복합 기판의 제조 장치의 일례를 도시하는 구성도이다.
도 5a는 실시예에서 제조된 나노탄소 재료 복합 기판의 주사형 전자 현미경상을 도시한 도면이다.
도 5b는 실시예에서 제조된 나노탄소 재료 복합 기판의 주사형 전자 현미경상을 도시한 도면이다.
도 6a는 실시예에서 제조된 나노탄소 재료 복합 기판의 주사형 전자 현미경상을 도시한 도면이다.
도 6b는 실시예에서 제조된 나노탄소 재료 복합 기판의 주사형 전자 현미경상을 도시한 도면이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 형태를 설명한다.
본 발명의 일 양태에 따른 나노탄소 재료 복합 기판은 돌기부 또는 홈부가 형성된 기판과, 기판의 돌기부 또는 홈부의 표면에 형성된 나노탄소 재료를 포함한다.
도 1a 및 1b에 도시하는 단면도를 참조하여, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 나노탄소 재료 복합 기판에 대해서 설명한다. 도 1a에 도시하는 나노탄소 재료 복합 기판 (10)은 기판 (1)의 표면에 돌기부 (2)가 형성되고, 돌기부 (2)의 상면 및 측면을 포함하는 기판 (1)의 표면에 나노탄소 재료 (5)가 성장되어 있다. 도 1a에서는, 나노탄소 재료 (5)는 랜덤하게 배향하고 있다. 이에 비하여, 도 1b에 도시하는 나노탄소 재료 복합 기판 (10)에서는, 돌기부 (2)의 상면 및 측면을 포함하는 기판 (1)의 표면에 대하여 수직으로 배향하여 나노탄소 재료 (5)가 성장되어 있다.
나노탄소 재료 (5)는 돌기부 (2) 표면에 촉매를 담지시키고, 이것에 나노탄소 재료를 성장시키는 고액 계면 접촉 분해법에 의해 제조할 수 있다. 도 1a 및 도 1b에 도시하는 복합 기판은 고액 계면 접촉 분해법에 있어서, 합성 조건(예를 들면 촉매의 담지량이나 합성 온도)을 제어함으로써 형성할 수 있다. 예를 들면, 고액 계면 접촉 분해법에 있어서, 촉매의 담지량을, 도 1b에 도시한 바와 같이 수직으로 배향한 나노탄소 재료를 형성하는 경우보다 감소시키면, 도 1a에 도시한 바와 같이, 배향성이 없는 랜덤한 나노탄소 재료 (5)가 성장하는 경향이 있다.
도 1a 및 1b에 도시된 바와 같이, 돌기부 (2)의 상면 및 측면을 포함하는 기판 (1)의 표면에 고밀도로 나노탄소 재료가 형성되어 있기 때문에, 보다 큰 표면적 및 높은 종횡비를 이용할 수 있다. 돌기부 (2)는 용도에 따라서 적절한 형상으로 형성할 수 있어, 다양한 형상 효과를 얻을 수 있다. 본 발명의 나노탄소 재료 복합 기판 (10)을 이용하면, 예를 들면 전지의 전극 재료나 전자 방출 소자 등의 실용 디바이스의 특성을 향상시킬 수 있다.
기판 (1)로서는, 단결정 실리콘, 게르마늄, 갈륨비소, 갈륨비소인, 질화갈륨, 탄화규소 등의 반도체 기판이나, 유리, 세라믹, 석영 등을 사용할 수 있다. 기판 (1)의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 100 내지 1500 ㎛가 바람직하다.
돌기부 (2)의 높이는 1 ㎛ 이상, 나아가 10 ㎛ 이상인 것이 바람직하다. 돌기부 (2)의 종횡비가 높을수록, 표면적이 보다 커지고, 또한 형상 효과를 향상시킬 수 있다. 용도에 따라서, 돌기부 (2)의 종횡비를 적절히 설계하는 것이 바람직하다.
나노탄소 재료 (5)로서는, 나노 크기의 직경을 갖는 결정성의 카본 나노튜브, 카본 나노파이버, 카본 나노혼(nanohorn), 카본 나노필라멘트, 카본 나노월(nanowall) 또는 카본 나노코일을 들 수 있다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 나노탄소 재료 (5)가 돌기부 (2)의 상면 및 측면을 포함하는 기판 (1)의 표면에 대하여 수직으로 배향하고 있으면, 표면적의 향상이나 형상 효과를 효율적으로 이용할 수 있게 되어, 디바이스 특성의 향상을 가능하게 한다.
도 2의 (a) 내지 (g)에 도시된 바와 같이, 돌기부 (2) 또는 홈부 (3)은 다양한 형상으로 형성할 수 있다. 도 2의 (a) 내지 (f)에 도시하는 돌기부 (2)의 형상은 원기둥 (a), 원뿔대 (b), 사각기둥 (c), 다각뿔대 (d), 원뿔 (e), 다각뿔 (f)이다. 도 2의 (g)에 도시하는 홈부 (3)의 형상은 단면 V자상이다. 도시하지 않지만, 홈부 (3)의 형상은 단면 U자상 등 다른 형상일 수도 있다.
도 2의 (a) 내지 (d)에 도시된 바와 같이, 돌기부의 형상을 원기둥 또는 원뿔대 또는 다각기둥 또는 다각뿔대와 같은 정형(定形)으로 하면, 돌기부를 보다 효율적으로 형성할 수 있고, 또한 각종 디바이스 특성의 제어가 용이하게 된다.
도 2의 (e) 또는 (f)에 도시된 바와 같이, 돌기부의 형상을 예리한 정점을 갖는 원뿔 또는 다각뿔로 한 경우에도, 돌기부를 보다 효율적으로 형성할 수 있고, 또한 각종 디바이스 특성의 제어가 용이하게 된다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 나노탄소 재료 복합 기판은, 기판에 돌기부 또는 홈부가 형성되고, 기판의 돌기부 또는 홈부의 표면에 고밀도로 나노탄소 재료가 형성되어 있기 때문에, 보다 큰 표면적 및 높은 종횡비를 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 나노탄소 재료 복합체를 구조 재료, 전자 방출 재료, 전기 이중층 캐패시터, 전지, 연료 전지 또는 일반적인 이차 전지의 전극 재료로서 이용하면, 양호한 실용 특성을 얻을 수 있다. 예를 들면, 전계 방사형의 전자 방출 소자에 적용한 경우, 나노탄소 재료 복합체로 이루어지는 캐소드의 이미터(나노탄소 재료)에 용이하게 전계 집중이 발생하기 때문에, 전자 방출이 용이하게 이루어져, 저전압 구동이 가능해진다.
특히, 도 1a에 도시하는 구조에서는, 전계가 집중하는 부위는 가공 기판의 단부가 되어, 구조체의 엣지부에 전계가 집중하기 때문에, 전계 집중 효과가 얻어진다. 또한, 도 1b에 도시하는 구조에서는, 전계가 집중하는 부위는 가공 기판의 단부 부위에 배향하여 성장한 나노탄소 재료로서, 구조체의 엣지부에 전계가 집중함과 함께, 배향한 나노탄소 재료의 돌기 부위에 전계가 집중하게 되어, 보다 높은 전계 집중 효과가 얻어진다.
다음으로, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 나노탄소 재료 복합 기판의 제조 방법을 설명한다. 본 실시 형태에 따른 방법은 기판에 돌기부 또는 홈부를 형성하는 공정과, 상기 돌기부 또는 홈부의 표면에 촉매를 담지시키는 공정과, 상기 돌기부 또는 홈부에 촉매를 담지시킨 기판을 유기 액체 중에 침지하고 가열하여, 고액 계면 접촉 분해법에 의해, 상기 돌기부 또는 홈부의 표면에 나노탄소 재료를 성장시키는 것을 특징으로 한다.
도 3a 내지 3c를 참조하여, 본 실시 형태에 따른 방법의 일례를 설명한다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 기판 (1)을 세정한 후, 기판 (1)을 가공하여 기판 (1)에 돌기부 (2)를 형성한다. 돌기부 (2) 대신에 홈부를 형성할 수도 있다. 기판 (1)에 돌기부 (2) 또는 홈부를 형성하기 위해서는, 리소그래피 또는 드라이 또는 습식 에칭을 이용할 수도 있고, 절삭날을 이용한 기계 가공을 이용할 수도 있다.
광 또는 전자선 리소그래피를 이용하면 미세하고 또한 임의의 패턴 형상을 얻을 수 있고, 이 경우, 드라이 또는 습식 에칭에 의해 10 ㎛ 이상의 마이크로미터오더의 돌기부 (2) 또는 홈부를 가공할 수 있다. 또한, 반도체 레벨의 미세 가공이 가능하고, 트렌치 에칭 등의 수법을 적용함으로써, 극미세한 패턴 또는 피치로 종횡비가 높은 형상의 돌기부 (2) 또는 홈부를 가공할 수 있다.
절삭날을 이용한 기계 가공을 이용하면, 밀리미터 오더에 달하는 종횡비가 높은 돌기부 (2)나 예리한 정점을 갖는 돌기부 (2)를 가공할 수 있다.
다음으로, 도 3b에 도시된 바와 같이, 돌기부 (2)(또는 홈부)의 표면에 촉매 (4)를 퇴적하여 담지시킨다. 촉매 (4)로서는 코발트, 철, 니켈, 팔라듐 또는 이들의 화합물 등을 사용할 수 있다. 돌기부 (2) 표면에 대한 이들 촉매 (4)의 퇴적 방법으로서, 예를 들면 스퍼터링법을 사용할 수 있다. 또한, 소정량의 금속염 수용액을 도포하고, 과잉의 물을 증발시켜 건조한 후, 400 내지 500℃의 공기 기류 중에서 소성하여, 금속염의 분해와 산화를 일으켜 금속염을 산화물로 전환시킬 수도 있다. 퇴적시키는 촉매 (4)의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 1 내지 10 nm의 범위가 바람직하다.
이어서, 도 3c에 도시된 바와 같이, 돌기부 (2)(또는 홈부)에 촉매를 담지시킨 기판 (1)을 유기 액체 중에 침지하고 가열하여, 고액 계면 접촉 분해법에 의해, 돌기부 (2)(또는 홈부)의 표면에 나노탄소 재료 (5)를 성장시켜 나노탄소 재료 복합 기판 (10)을 제조한다. 이 때, 유기 액체는 형성된 3차원 구조 패턴의 깊은 내부 부위까지 침투하여, 상기 깊은 내부 부위의 고액 계면에서 반응이 진행되기 때문에, 높은 종횡비의 3차원 구조 패턴이어도 균일하게 나노탄소 재료를 형성할 수 있다. 따라서, 나노탄소 재료가 적어도 3차원 구조 패턴의 측면부에 형성된 나노탄소 재료 복합 기판을 바람직하게 제조할 수 있다.
도 4는 고액 계면 접촉 분해법을 실시하기 위한 제조 장치의 일례를 도시한다.
액체조 (11)에는 유기 액체 (12)가 수용된다. 액체조 (11)의 주위에는 수냉 수단(도시하지 않음)이 설치된다. 액체조 (11)의 상부는 덮개 (13)으로 밀폐된다. 덮개 (13)에는 유기 액체 (12) 중에 침지되도록 1쌍의 전극 (14)가 부착되어 있다. 1쌍의 전극 (14)의 하부에 기판 (1)을 유지하여 유기 액체 (12)에 침지시키고, 이 상태에서 기판 (1)에 전류를 흘려 가열한다. 덮개 (13)의 상부에는 액체조 (11)로부터 증발하는 유기 액체 증기를 냉각 응축하여 액체조 (11)에 복귀시키는, 수냉 파이프(15)를 구비한 응축기 (16)이 설치되어 있다. 응축기 (16)의 상부에는 필터(17)이 설치되어 있다. 또한, 덮개 (13)에는, 액체조 (11) 및 응축기 (16)의 공기를 제거하기 위해서 불활성 가스를 도입하는 밸브 (18)이 설치되어 있다.
이상과 같이 구성되는 장치를 이용하여, 고액 계면 접촉 분해법은 다음과 같이 실시된다.
우선, 돌기부 (2)를 형성하고 표면에 촉매 (4)를 담지시킨 기판 (1)을 1쌍의 전극 (13)의 하부에 부착하고, 액체조 (11) 내에 유기 액체 (12)를 넣는다. 유기 액체 (12)로서는, 메탄올, 에탄올, 옥탄올 등의 알코올류, 또는 벤젠 등의 탄화수소를 사용할 수 있다. 밸브 (18)을 통해 액체조 (11) 내에 불활성 가스를 도입하여 액체조 (11) 내의 잔류 공기와 치환시키는 것이 바람직하다. 이와 같이하면, 공기와 유기 가스의 혼합에 의한 폭발, 연소의 위험이 없다.
다음으로, 1쌍의 전극 (13)에 전류를 흘려 기판 (1)을 가열한다. 기판 (1)의 가열 온도는 550 내지 1000℃의 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 가열에 의해 기판 (1)의 표면에 유기 액체 (12)의 기포가 발생하고, 기포에 의해서 기판 (1)의 표면이 덮여진다. 이 때, 유기 액체 (12)의 온도를 비점 이하로 유지하기 위해서, 액체조 (11) 주위의 수냉 수단을 이용하여 유기 액체 (12)를 냉각한다. 또한, 기상이 된 유기 액체를 응축기 (16)에 의해 응축하여 액체조 (11)에 복귀시킨다. 이 때문에, 유기 액체를 낭비하는 일이 없다.
이와 같이 하여 기판 (1)의 온도와 가열 시간을 제어함으로써, 기판 (1)의 돌기부 (2)(또는 홈부)에 담지된 촉매 상에 원하는 형태를 갖는 나노탄소 섬유를 퇴적할 수 있다.
전술한 고액 계면 접촉 분해법을 이용하면, 원료가 유기 액체이기 때문에, 돌기부 (2)(또는 홈부)의 세부에 원료가 침투하여, 균일한 화학 합성 반응이 발생한다. 이 때문에, 돌기부 (2)(또는 홈부)를 갖는 기판 (1)의 표면에 고순도로 고결정성의 나노탄소 재료를 균일하게 형성할 수 있다.
기판 (1)의 재료로서 실리콘을, 촉매로서 코발트를 이용하면, 실리콘은 코발트와 안정적인 산화상태를 형성하기 때문에, 나노탄소 재료의 형태를 보다 안정적으로 제어할 수 있다. 촉매로서 코발트 또는 그의 산화물을 이용하고, 유기 액체로서 메탄올을 이용하면, 돌기부 (2)의 상면 및 측면을 포함하는 기판 (1)의 표면에 대하여 수직 배향한 나노탄소 재료를 용이하게 성장시킬 수 있다.
상기한 바와 같이, 고액 계면 접촉 분해법에서는 기판을 550 내지 1000℃로 가열하기 때문에, 당업자라면 표면에 미세한 요철을 갖는 기판을 적용하는 것은 피하고자 할 것이다. 이것은, 표면에 미세한 요철을 갖는 기판을 고온 가열한 경우, 기판에 균열이 발생할 것을 염려하기 때문이다. 그런데, 본 발명자들의 연구에 따르면, 표면에 미세한 요철을 갖는 기판을 고액 계면 접촉 분해법에 적용하더라도, 기판에 균열이 발생하지 않고, 돌기부 또는 홈부를 갖는 기판 상에, 고순도로 고결정성의 나노탄소 재료를, 균일하게 또한 형상을 제어하여 저비용으로 용이하게 형성할 수 있는 것을 발견하였다.
[실시예]
이하, 본 발명의 실시예를 설명한다.
저저항의 n형 단결정 실리콘(100) 기판의 표면에 기계적인 절삭 가공 또는 화학적인 이온 에칭을 실시하여 사각기둥 또는 다각뿔의 돌기부를 형성하였다.
다음으로, 기판 표면에 촉매로서 코발트를 6 nm의 두께로 스퍼터 성막을 행한 후, 공기 중에서 900℃, 10분의 열처리를 실시하였다.
이 기판을 메탄올 중에 침지하여 전극을 통해서 통전하고, 초기에 600℃, 3분, 계속해서 900℃, 6분의 조건으로 기판을 가열하고, 기판 근방에서 고액 계면 접촉 분해 반응을 일으켜, 기판 표면에 메탄올 중의 탄소 원자를 원료로 하여 카본 나노튜브를 생성시켰다. 이 결과, 돌기부 (2)의 상면 및 측면을 포함하는 기판 (1)의 표면에 카본 나노튜브가 수직 배향하여 성장하였다. 성장한 카본 나노튜브의 길이는 약 2 내지 3 ㎛였다.
도 5a 및 5b에, 기판의 돌기부의 표면에 성장한 카본 나노튜브를 포함하는 나노탄소 재료 복합 기판의 주사형 전자 현미경상을 나타낸다. 도 5a 및 도 6a는 돌기부가 사각기둥인 예, 도 5b 및 도 6b는 돌기부가 다각뿔인 예이고, 도 5a 및 도 5b는 돌기부의 선단 부위의 확대도, 도 6a 및 도 6b는 돌기부의 전체를 촬상한 전체도이다. 어느 예에서도, 돌기부의 표면에 수직으로 배향하여 카본 나노튜브가 고밀도로 성장되어 있어, 3차원 구조 패턴의 측면부에 나노탄소 재료가 존재하는 것이 확인되었다.
이상과 같이 하여 얻어진 나노탄소 재료 복합 기판을 전계 방사형의 전자 방출 소자의 캐소드로서 이용하고, 이것에 1 mm의 간극을 두어 애노드를 대향시키고, 진공 중에서 전계 전자 방출 특성을 측정한 결과, 1 V/㎛ 이하의 낮은 전계 강도로 전자 방출이 얻어지는 것이 확인되었다.
본 발명의 나노탄소 재료 복합 기판은 강도 보강 재료, 전지의 전극 재료, 전자파 흡수 재료, 촉매 재료, 광학 재료, 전자 방출 소자 재료, 등의 기판으로서의 응용이 기대된다.
특히, 강전계에 의해서 전자를 방출하는 전계 방사형의 전자 방출 소자로서의 이용이 기대되고, 구체적으로는 예를 들면 광 프린터, 전자현미경, 전자빔 노광 장치 등의 전자 발생원이나 전자총, 평면 디스플레이를 구성하는 어레이상의 필드이미터 어레이의 면전자원, 조명 램프 등의 용도로서의 전자 방출 소자로서 유용하다.
특히, 조명 램프의 전자 방출 소자로서 이용하는 경우, (1) 디스플레이 용도: 액정 백라이트, 프로젝터 광원, LED 디스플레이 광원, (2) 시그널 용도: 교통신호등, 산업/업무용 회전등·신호등, 비상등·유도등, (3) 센싱 용도: 적외선 센서 광원, 산업용 광센서 광원, 광통신용 광원, (4) 의료·화상 처리 용도: 의료용 광원(안저 카메라·슬릿 램프), 의료용 광원(내시경), 화상 처리용 광원, (5) 광화학 반응 용도: 경화·건조/접착용 광원, 세정/표면 개질용 광원, 물 살균/공기 살균용 광원, (6) 자동차용 광원: 헤드 램프, 리어 컴비네이션 램프, 내장 램프, (7) 일반 조명: 사무실 조명, 점포 조명, 시설 조명, 무대 조명·연출 조명, 옥외 조명, 주택 조명, 디스플레이 조명(파칭코기, 자동 판매기, 냉동·냉장 쇼케이스), 기기·집기 조립 조명 등의 조명 용도로 응용이 기대된다.
또한, 상기한 용도에 본 발명의 나노탄소 재료 복합 기판의 용도는 한정되는 것은 아니다.
1: 기판
2: 돌기부
3: 홈부
4: 촉매
5: 나노탄소 재료
10: 나노탄소 재료 복합 기판
11: 액체조
12: 유기 액체
13: 덮개
14: 전극
15: 수냉 파이프
16: 응축기
17: 필터
18: 밸브

Claims (10)

  1. 기판과,
    상기 기판에 형성된 3차원 구조 패턴과,
    상기 기판 표면에 형성된 나노탄소 재료를 구비하며,
    상기 나노탄소 재료는 적어도 상기 3차원 구조 패턴의 측면부에 존재하는
    것을 특징으로 하는 나노탄소 재료 복합 기판.
  2. 제1항에 있어서, 상기 3차원 구조 패턴은 복수의 돌기부가 흘립한 형상이고, 상기 돌기부의 높이가 10 ㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 나노탄소 재료 복합 기판.
  3. 제2항에 있어서, 상기 돌기부의 형상은, 원기둥, 원뿔대, 다각기둥, 다각뿔대, 원뿔, 다각뿔로 이루어지는 군에서 선택된 형상 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 나노탄소 재료 복합 기판.
  4. 제1항에 있어서, 상기 나노탄소 재료는 카본 나노튜브, 카본 나노파이버, 카본 나노혼(nanohorn), 카본 나노필라멘트, 카본 나노월(nanowall) 및 카본 나노코일로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 나노탄소 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노탄소 재료 복합 기판.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노탄소 재료는 기판 표면에 대하여 수직 배향하고 있고, 상기 3차원 구조 패턴의 측면부에 존재하는 상기 나노탄소 재료의 배향 방향은 상기 3차원 구조 패턴의 측면의 평면에 대하여 수직인 방향인 것을 특징으로 하는 나노탄소 재료 복합 기판.
  6. 기판에 3차원 구조 패턴을 형성하는 공정과,
    상기 기판의 표면에 촉매를 담지시키는 공정과,
    상기 촉매를 담지시킨 상기 기판을 유기 액체 중에 침지하고 가열하여, 고액 계면 접촉 분해법에 의해, 상기 돌기부 또는 홈부의 표면에 나노탄소 재료를 성장시키는 공정
    을 갖는 것을 특징으로 하는 나노탄소 재료 복합 기판의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 리소그래피 및 에칭에 의해 상기 기판에 상기 3차원 구조 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노탄소 재료 복합 기판의 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서, 절삭날을 이용한 기계 가공에 의해 상기 기판에 상기 3차원 구조 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노탄소 재료 복합 기판의 제조 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 유기 액체가 메탄올을 포함하며, 상기 촉매가 코발트 또는 그의 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노탄소 재료 복합 기판의 제조 방법.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판이 실리콘으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노탄소 재료 복합 기판의 제조 방법.
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