KR20140147393A - 탄소나노튜브 미세배선 형성방법, 이에 의하여 형성된 미세배선기판 및 이 미세배선 제조용 탄소나노튜브 분산용액 - Google Patents
탄소나노튜브 미세배선 형성방법, 이에 의하여 형성된 미세배선기판 및 이 미세배선 제조용 탄소나노튜브 분산용액 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 탄소나노튜브 미세배선 형성방법 및 이에 의하여 형성된 미세배선기판에 관한 것으로, 상기 탄소나노튜브 미세배선의 형성방법은, 용매에 분산된 탄소나노튜브들을 포함하는 분산용액을 준비하는 제1단계, 상기 분산용액을 이용하여 기재 상에 액적(droplet)을 형성하는 제2단계, 두 개의 전극을 이용하여 상기 액적에 전기장을 인가하고 탄소나노튜브들을 다발의 형태(rope-type)로 배열시키는 제3단계 및 상기 액적에 포함되어 있는 분산용액의 용매를 증발시켜 선형의 탄소나노튜브 미세배선을 형성하는 제4단계를 포함한다. 또한, 상기 미세배선기판은 기재 및 상기 기재 상에 위치하며, 전기장에 의하여 배열된 다발 형태의 탄소나노튜브들을 포함하는 탄소나노튜브 미세배선을 포함한다. 즉, 본 발명의 탄소나노튜브 미세배선 형성방법에 의하여 배선을 배열시킬 경우, 긴 배선이 형성됨과 동시에 전기전도도가 뛰어난 배선을 형성시킬 수 있고, 배선을 형성하는 데에 소요시간을 단축시킬 수 있게 된다.
Description
본 발명은 탄소나노튜브 미세 배선을 형성하는 방법, 이에 의하여 형성된 미세배선기판 및 이 기판을 제조하는 용도로 쓰이는 탄소나노튜브 분산용액에 관한 것으로, 탄소나노튜브의 배선이 길게 형성되고, 연결성이 뛰어나며, 미세한 선폭을 구현함과 동시에 상기 배선을 형성하는 시간이 단축된 탄소나노튜브 미세 배선 형성방법에 관한 것이다.
21세기를 이끌어갈 나노물질의 하나로 인식되고 있는 탄소나노튜브는 산업적 응용 가능성이 높은 물질로 크게 각광받고 있다. 이러한 탄소나노튜브(carbon nanotube: CNT)는 구조적으로 비등방성이 크고, 단일벽(singlewall, SW), 다중벽(multiwall, MW) 등의 구조를 가질 수 있으며, 가닥 형태 또는 다발(rope)형태 등 여러 가지 형태를 가질 수 있다. 또한, 구조적인 형태에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 가질 수 있고, 직경에 따라 에너지 갭이 달라질 수 있으며, 얇고 긴 튜브 형태의 준일차원적 구조를 가지고 있어서 특이한 양자효과를 나타내는 물질이다.
이렇게 특이한 물성을 나타내는 탄소나노튜브는 정보통신기기의 평면표시소자, 고집적 메모리소자 등의 재료로 응용될 수 있으며, 기존의 소자가 갖는 기능적인 한계를 넘어설 수 있는 특성을 갖고 있다. 이에, 그 동안 학계에서는 반도체의 집적도를 높이기 위한 물질로 탄소나노튜브를 주목을 해왔다.
탄소나노튜브를 소자에 응용하기 위해서는 탄소나노튜브를 이용하여 가늘고 긴 배선을 형성하는 기술이 필요한데, 그 동안 충분히 가늘고 긴 탄소나노튜브 배선을 형성하는데 기술적인 한계가 있었다.
공개특허 10-2010-0123144에서는 탄소나노튜브를 기판 위에서 배열하고, 그 후 결정을 성장시키는 방식을 채용하고 있는데, 탄소나노튜브를 성장시킬 때 반도체 탄소나노튜브만을 선택적으로 성장시키기는 어렵고, 기판 위에 이미 성장된 탄소나노튜브들로부터 반도체 탄소나노튜브만을 정제해내기도 아주 어렵다는 문제점이 있었다. 문헌 [B. Peng, S. Jiang, Y. Zhang, J. Zhang, Carbon, 2011, 49, 2555 - 2560] 및 미국 공개특허 US 2005/0230270에서 탄소나노튜브를 플라즈마 상태에서 성장시키는 방법으로 기판에 수직인 탄소나노튜브를 배열시킬 수 있다고 개시하고 있으나, 대면적에서 균일한 전계방출 특성을 얻을 수 없으며, 성장 조건(약 500℃)이 가혹하다는 단점이 있다. 또한, 이처럼 탄소나노튜브를 성장하는 방식을 통해서는 배선을 형성할 경우에는, 배선 형성에 소요되는 시간이 상당하며, 배선의 길이가 탄소나노튜브 한 가닥의 길이 내에서 이루어진다는 한계가 있다.
한국공개특허 10-2007-0104809에서는 전기영동을 이용하여 탄소나노튜브를 정렬하는 방식을 채용하고 있는데, 이 역시도 배선의 길이가 탄소나노튜브 한가닥의 길이를 벗어나지 못한다는 한계를 안고 있다.
한편, 유연(flexible)기판 상에 배선 형성에 유용한 잉크젯 기술의 응용도 시도되고 있는데, 미세 배선 형성시 선폭을 미세하게 구현하는 것이 어려우며, 도선의 선폭에 비해 높이가 낮아 전기저항이 크고, 용매의 증발로 인해 도선 단면의 중심부분이 충분한 두께로 형성되지 않는 문제점이 있다. 이 외에 기판 위에 도선을 배열하는 방법으로는, 노광, 식각 및 코팅 등을 반복적으로 수행하는 과정을 거쳐 배선을 형성시키는 방법, 롤투롤 인쇄기법 및 잉크젯 방법 등이 있으나, 충분한 전기전도도를 가지면서 미세한 배선을 형성시키는 데에는 어려움이 있다.
본 발명의 목적은 짧은 시간 내에 배선의 길이가 길고, 탄소나노튜브들 사이의 연결성이 뛰어나며, 선폭이 미세한 탄소나노튜브 배선을 형성하는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은, 긴 배선과 미세한 선폭을 가지면서도 충분한 전기전도도를 가지는 탄소나노튜브가 배열된 기재를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 미세배선의 형성방법은, 용매에 분산된 탄소나노튜브들을 포함하는 분산용액을 준비하는 제1단계, 상기 분산용액을 이용하여 기재 상에 액적(droplet)을 형성하는 제2단계, 두 개의 전극을 이용하여 상기 액적에 전기장을 인가하고 탄소나노튜브들을 다발의 형태(rope-type)로 배열시키는 제3단계, 그리고 상기 액적에 포함되어 있는 분산용액의 용매를 증발시켜 선형의 탄소나노튜브 미세배선을 형성하는 제4단계를 포함한다.
상기 제3단계에서 전기장은 0.1 내지 5000 V/mm로 인가되는 것일 수 있다.
상기 탄소나노튜브들은 다중벽 탄소나노튜브, 단일벽 탄소나토튜브, 코팅된 다중벽 탄소나노튜브, 코팅된 단일벽 탄소나노튜브 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것일 수 있다.
상기 코팅된 다중벽 탄소나노튜브 또는 코팅된 단일벽 탄소나노튜브는 전도성 고분자 재료, 전도성 금속 재료 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 전도성 재료로 다중벽 탄소나노튜브 또는 단일벽 탄소나노튜브가 코팅된 것일 수 있다.
상기 전도성 고분자 재료는 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리아세틸렌(polyacethylene), 폴리설퍼니트라이드(poly sulfur nitride) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것일 수 있고, 상기 전도성 금속 재료는 금, 은, 구리, 철, 알루미늄, 텅스텐 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것일 수 있다.
상기 용매는, 탈이온수, 에탄올, 메탄올, 실리콘오일, 벤젠, 벤젠화합물에 기능기가 결합된 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있고, 상기 기능기는 할로겐기, 아민기, 에테르기, 알코올기, 알데하이드기, 카르복실기, 알킬기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것일 수 있다.
상기 분산용액은 상기 탄소나노튜브들을 0.001 내지 80 중량%로 포함할 수 있다.
상기 기재는 유리, 실리콘웨이퍼, 폴리이미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에테르설폰, 폴리노보넨, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 아릴라이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 재료로 이루어진 표면을 포함하는 것일 수 있다.
상기 두 개의 전극은 막대형 전극, 바늘형 전극 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것일 수 있다.
상기 제4단계에서 용매의 증발은, 자연증발, 열을 이용한 증발, 진공 증발 및 이들의 조합에 의하여 이루어지는 것일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 미세배선은 상기 기재와 실질적으로 수평으로 형성되는 것일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 미세배선은 선폭이 100 ㎛ 이하인 것일 수 있다.
상기 제3단계의 전기장의 인가 및 탄소나노튜브들의 다발 형태로의 배열은 5초 이내에 이루어지는 것일 수 있다.
상기 기재는 유연기판(flexible substrate)인 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 미세배선기판은, 기재 및 상기 기재 상에 위치하며, 전기장에 의하여 배열된 다발 형태의 탄소나노튜브들을 포함하는 탄소나노튜브 미세배선을 포함한다.
상기 탄소나노튜브 미세배선은 선폭이 100 ㎛ 이하일 수 있고, 길이 방향이 기재와 실질적으로 수평인 것일 수 있다.
상기 탄소나노튜브는, 다중벽 탄소나노튜브, 단일벽 탄소나토튜브, 코팅된 다중벽 탄소나노튜브, 코팅된 단일벽 탄소나노튜브 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것일 수 있고, 상기 코팅된 다중벽 탄소나노튜브 또는 코팅된 단일벽 탄소나노튜브는 전도성 고분자 재료, 전도성 금속 재료 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 전도성 재료로 다중벽 탄소나노튜브 또는 단일벽 탄소나노튜브가 코팅된 것일 수 있다.
상기 기재는 유연기판인 것일 수 있다.
상기 기재는 유리, 실리콘웨이퍼, 폴리이미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에테르설폰, 폴리노보넨, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 아릴라이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 재료로 이루어진 표면을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 미세배선 제조용 탄소나노튜브 분산용액은, 용매 및 탄소나노튜브를 포함한다. 상기 용매는 탈이온수, 에탄올, 메탄올, 실리콘오일, 벤젠, 벤젠화합물에 기능기가 결합된 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있고, 상기 기능기는 할로겐기, 아민기, 에테르기, 알코올기, 알데하이드기, 카르복실기, 알킬기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것일 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브, 단일벽 탄소나토튜브, 코팅된 다중벽 탄소나노튜브, 코팅된 단일벽 탄소나노튜브 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 탄소나노튜브를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 미세배선의 형성방법은, 용매에 분산된 탄소나노튜브들을 포함하는 분산용액을 준비하는 제1단계, 상기 분산용액을 이용하여 기재 상에 액적을 형성하는 제2단계, 두 개의 전극을 이용하여 상기 액적에 전기장을 인가하고 탄소나노튜브들을 다발의 형태로 배열시키는 제3단계 및 상기 액적에 포함되어 있는 분산용액의 용매를 증발시켜 선형의 탄소나노튜브 미세배선을 형성하는 제4단계를 포함한다.
상기 제1단계의 분산용액에 있어서, 상기 탄소나노튜브들은 다중벽 탄소나노튜브, 단일벽 탄소나토튜브, 코팅된 다중벽 탄소나노튜브, 코팅된 단일벽 탄소나노튜브 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나, 즉 분산용액에 포함되는 탄소나노튜브는 코팅된 것만으로 이루어질 수도 있고, 코팅되지 않은 것만으로도 이루어질 수도 있으며, 코팅된 것과 코팅되지 않은 것의 조합일 수도 있다.
상기 코팅된 다중벽 또는 단일벽 탄소나노튜브의 코팅 재료는, 전도성 고분자 재료, 전도성 금속 재료 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 전도성 재료일 수 있다. 상기 전도성 고분자 재료는, 예컨대 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리설퍼니트라이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있고, 상기 전도성 금속 재료는, 예컨대 금, 은, 구리, 철, 알루미늄, 텅스텐 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 재료들로 탄소나노튜브를 코팅함으로써 형성된 탄소나노튜브 미세배선은, 기재 위에 형성되는 탄소나노튜브들을 포함하는 미세배선의 전기전도도를 향상시키고, 탄소나노튜브들간의 연결 부위에서도 원활한 전기의 전도를 이루어낼 수 있는 효과를 제공하는 장점이 있다.
또한, 상기 분산용액의 용매로는, 탄소나노튜브나 코팅된 탄소나노튜브를 우수하게 분산시킬 수 있는 용매를 사용하는 것이 바람직하고, 구체적으로 예를 들면, 탈이온수, 에탄올, 메탄올, 실리콘오일, 벤젠, 벤젠화합물에 기능기가 결합된 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이며, 상기 기능기는 할로겐기, 아민기, 에테르기, 알코올기, 알데하이드기, 카르복실기, 알킬기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것일 수 있다. 상기 분산용액은 상기 탄소나노튜브들을 0.001 내지 80 중량%로 포함하는 것이며, 바람직하게는 0.005 내지 40 중량%, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 2 중량%로 포함할 수 있다.
상기 제2단계에 있어서, 상기 기재로는 그 표면에 배선을 형성시키는 것이고 전기장을 이용하여 탄소나노튜브의 다발을 포함하는 미세배선을 형성할 수 있는 기재라면 적용할 수 있다. 예컨대 유리, 실리콘웨이퍼, 폴리이미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에테르설폰, 폴리노보넨, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 아릴라이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 재료로 이루어진 표면을 포함하는 것일 수 있다.
이 경우에 있어서, 기재 위에 형성시키는 액적의 양 또는 크기에 대한 제한은 특별히 존재하지 않으며, 상기 액적은 잉크젯 프린팅, 잉크 프롯터(plotter), 주사기, 모세관 등의 방법들을 이용하여 형성시킬 수 있다.
상기 제3단계에서는, 전기장을 0.1 내지 5000 V/mm로 인가할 수 있고, 바람직하게는 500 내지 5000 V/mm로 인가할 수 있으며, 전기장의 세기는 분산용액상의 탄소나노튜브의 농도, 탄소나노튜브를 코팅한 양, 액적의 양, 전극의 형태 또는 원하는 배선의 길이 등등의 조건에 따라 다르게 인가될 수 있고, 적어도 약 500 V/mm 이상의 전기장을 인가해 줄 경우 탄소나노튜브를 효과적으로 배열시킬 수 있다.
상기 전기장의 인가가 충분히 이루어지는 경우, 전기장 인가에서부터 탄소나노튜브들이 직선 다발의 형태로 배열되기까지 소요되는 시간은, 바람직하게는 5초 이내에 이루어지는 것일 수 있다. 이는 전술한 종래기술인, 기판 위에서 탄소나노튜브를 성장시키는 방식을 통하여 배선을 형성시키는 경우와 비교하여, 미세배선 형성 시간이 상당히 단축되고, 특별한 반응 시스템이 필요 없는 탄소나노튜브 미세배선 형성방법이라 할 수 있다.
이 경우 사용되는 두 개의 전극으로는, 막대형 전극, 바늘형 전극 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것일 수 있다. 전극의 형태에 따라 배열되는 탄소나노튜브의 배선모양이 달라질 수 있는데, 예를 들면, 막대형 전극을 사용할 경우에는 여러 개의 배선을 이루는 형태로 배열될 수 있고, 바늘형 전극을 세워서 사용할 경우, 일직선으로 미세한 선폭을 형성하도록 배열될 수 있다.
전극의 모양, 기재의 표면과 전극 사이의 접촉 형태 등을 변경하여 상기 전극이 상기 기재의 표면에 접촉하는 면적을 줄일 수 있고, 접촉하는 면적이 좁을수록 단위면적에 전기장이 집중되어, 상대적으로 강한 전기장을 형성시킬 수 있다. 이때, 상기 액적에 분산되어 있는 탄소나노튜브들은 상대적으로 강한 전기장에 의하여 두 전극 사이의 거리가 가장 짧은 곳에서 탄소나노튜브의 패턴을 형성할 수 있고, 인가하는 전기장이 약한 경우라도 강한 전기장을 인가한 경우와 유사한 일직선의 배선을 형성할 수 있다.
상기 전기장을 인가하여 배열되는 탄소나노튜브들은 다발의 형태로 배열되는 것일 수 있다. 배선이 다발 형태로 배열되는 경우에 있어서, 가닥으로 배열될 경우보다 탄소나노튜브들 간의 연결이 안정적이고 밀집도가 뛰어나므로, 전기저항이 낮고, 길이가 긴 배선을 형성할 수 있으며, 더 우수한 전기전도도를 가진 배선을 형성할 수 있다. 이러한 본 발명의 탄소나노튜브들로 미세한 배선이 형성된 기재를 실제 회로기판에 적용할 경우, 플렉서블 필름 등 다양한 기재 상에 간단한 방법으로 배선을 형성할 수 있다.
상기 제4단계에서 용매의 증발은, 자연증발, 열을 이용한 증발, 진공 증발 및 이들의 조합에 의하여 이루어지는 것일 수 있다. 상기 자연증발은 상온(약 25℃)에서 건조시키는 방법이고, 상기 열을 이용한 증발은 탄소나노튜브의 배열 후 기재에 열을 간접적으로 가하여 건조시키는 방법이다. 또한, 상기 진공 증발은 감압 하에서 건조를 수행하는 것이다.
상기와 같은 방법으로 형성된 상기 탄소나노튜브 미세배선은, 상기 기재와 수평으로 형성되는 것일 수 있는데, 상기 수평이라 함은 예컨대 평면과 수직을 이루지 않는 상태로써 실질적으로 수평을 포함하는 개념으로, 수평 또는 수평과 수직 사이의 임의의 각을 이루는 것을 포함하고, 엄격한 의미의 수평만을 의미하는 것은 아니다.
또한, 상기 탄소나노튜브 미세배선의 선폭은 필요에 따라 조절하여 형성할 수 있다. 바람직하게, 100 ㎛이하일 수 있고, 10 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있으며, 70 ㎛ 내지 100 ㎛ 인 것일 수 있다. 상기 탄소나노튜브 미세배선은 상기한 선폭보다 작은 미세한 선폭을 가진 배선을 형성할 수 있고, 10 ㎛ 이하의 선폭을 가지는 배선을 형성할 수 있으며, 0.05 내지 5 ㎛의 선폭을 가지는 배선을 형성할 수 있다.
상기 탄소나노튜브 미세배선의 높이(기판과 수직인 방향으로 측정한 높이를 의미함)는 상기 탄소나노튜브 미세배선의 선폭을 기준으로 한 비율(높이/선폭)이 0.3/1 이상일 수 있고, 0.3/1 내지 1/1인 것일 수 있다. 이러한 경우, 미세배선의 높이가 선폭에 비하여 충분히 크기 때문에 전기전도도가 높은 미세배선을 형성할 수 있다.
상기 기재는 유연기판인 것일 수 있어, 이러한 유연기판에 상기 탄소나노튜브 미세배선을 형성시켜 다양한 분야로의 응용을 꾀할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 미세배선기판은, 기재 및 상기 기재 상에 위치하며, 전기장에 의하여 배열된 다발 형태의 탄소나노튜브들을 포함하는 탄소나노튜브 미세배선을 포함한다. 이러한 미세배선기판의 상기 탄소나노튜브 미세배선은 선폭이 100 ㎛ 이하일 수 있고, 선폭이 0.05 내지 10 ㎛ 있다.
상기 탄소나노튜브 미세배선은 길이 방향이 기재와 수평 또는 수평과 수직 사이의 임의의 각을 형성할 수 있다. 상기 미세배선기판은 유연기판일 수 있다.
상기 미세배선기판의 탄소나노튜브는, 다중벽 탄소나노튜브, 단일벽 탄소나토튜브, 코팅된 다중벽 탄소나노튜브, 코팅된 단일벽 탄소나노튜브 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 코팅된 다중벽 또는 단일벽 탄소나노튜브의 코팅 재료는, 전도성 고분자 재료, 전도성 금속 재료 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 전도성 재료일 수 있다. 상기 전도성 고분자 재료는, 예컨대 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리설퍼니트라이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있고, 상기 전도성 금속 재료는, 예컨대 금, 은, 구리, 철, 알루미늄, 텅스텐 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 상기 재료들로 코팅을 함으로써, 탄소나노튜브들로 형성된 배선의 전기전도도를 향상시키고, 탄소나노튜브 다발들이 긴 길이의 배선을 형성하더라도 우수한 전기전도도를 가지는 배선을 형성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 미세배선 제조용 탄소나노튜브 분산용액은, 용매 및 상기 용매에 분산된 탄소나노튜브를 포함한다. 상기 용매는 탄소나노튜브를 분산시키고 배선을 형성한 후에 제거될 수 있는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있으며, 구체적으로 예를 들면, 탈이온수, 에탄올, 메탄올, 실리콘오일, 벤젠, 벤젠화합물에 기능기가 결합된 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나가 상기 용매로 적용될 수 있다. 또한, 상기 기능기는 할로겐기, 아민기, 에테르기, 알코올기, 알데하이드기, 카르복실기, 알킬기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것일 수 있다.
또한 상기 분산용액에는, 상기 탄소나노튜브들이 0.001 내지 80 중량%로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 0.005 내지 40 중량%, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 2 중량%로 포함될 수 있다.
상기 탄소나노튜브에 대한 설명은, 상기 본 발명의 일 실시예인 탄소나노튜브 미세배선 형성방법에 기재된 탄소나노튜브에 대한 설명과 중복되므로 그 기재를 생략한다.
본 발명의 탄소나노튜브 미세배선 형성방법은 기존의 기재 위에서 직접 성장시켜 배선을 형성하는 방법에 비하여 그 소요시간이 크게 단축되고, 배선을 상당히 미세하게 형성시킬 수 있으며, 이와 동시에 다발 형태로 배열됨으로써 연결성 및 밀집도가 우수하여 전기전도도가 뛰어나며, 본 발명의 방법을 이용할 경우 원하는 길이만큼 배선을 상당히 길게 형성시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기장을 이용한 탄소나노튜브 미세배선 형성방법의 과정을 나타낸 순서도이다.
도 2는 다중벽 탄소나노튜브의 투과전자현미경 사진(a)과, 폴리아닐린이 코팅된 다중벽 탄소나노튜브의 전자투과현미경 사진(b)이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에서 500 V/mm로 전기장을 인가한 상태에서 용매가 증발되어 건조된 미세배선기판의 전자현미경사진이다.
도 4는 본 발명의 비교예 1에서 전기장을 인가하지 않은 상태(0 V/mm의 전기장을 인가)에서 용매가 증발되어 건조된 미세배선기판의 전자현미경사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 8에서 250 V/mm로 전기장을 인가한 상태에서 용매가 증발되어 건조된 미세배선기판의 전자현미경사진이다.
도 2는 다중벽 탄소나노튜브의 투과전자현미경 사진(a)과, 폴리아닐린이 코팅된 다중벽 탄소나노튜브의 전자투과현미경 사진(b)이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에서 500 V/mm로 전기장을 인가한 상태에서 용매가 증발되어 건조된 미세배선기판의 전자현미경사진이다.
도 4는 본 발명의 비교예 1에서 전기장을 인가하지 않은 상태(0 V/mm의 전기장을 인가)에서 용매가 증발되어 건조된 미세배선기판의 전자현미경사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 8에서 250 V/mm로 전기장을 인가한 상태에서 용매가 증발되어 건조된 미세배선기판의 전자현미경사진이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
실시예
1. 유리 기재 위에서의
폴리아닐린이
코팅된 탄소나노튜브 배선 형성
다중벽 탄소나노튜브(MWCNTs, multiwall carbon nanotubes)를 이용하여 미세 배선을 형성시켰다. 도 2의 (a)는 실시예1에서 사용한 MWCNT의 투과전자현미경 사진으로, 도 2의 TEM 사진을 참고하면, 실시예에서 사용한 MWCNT는 가늘고 긴 형태를 가진 준1차원 물질로, 그 내부에 빈 공간이 있고, 내부 공간의 양측으로 뚜렷하고 규칙적인 격자를 보여주는 탄소층을 가지는 것으로 확인되었다. 상기 MWCNTs는 폴리아닐린으로 코팅한 후에 배선을 형성하였는데, 폴리아닐린으로 코팅한 상태의 MWCNTs를 도 2의 (b)에 나타냈으며, MWCNT의 표면에 전체적으로 코팅이 잘 이루어졌음을 확인하였다. 상기 폴리아닐린으로 코팅된 MWCNTs을 분산용매인 벤젠에 분산시켜 0.5 중량%의 MWCNTs 분산용액을 제조하였다(제1단계).
상기 MWCNTs 분산용액을 막대형 전극이 양쪽에 배치된 유리 기재 위에 액적 상태로 떨어뜨리고, 위 유리 기재에 배치된 전극을 이용하여 유리 기재에 500 V/mm의 전기장을 인가하여, 분산용액 내에서 폴리아닐린으로 코팅된 다중벽 탄소나노튜브가 배열된 유리기판을 얻었다(제2단계 및 제3단계). MWCNTs가 미세배선의 형태로 배열된 후 분산용액에 포함되어 있던 용매는 자연 증발법으로 공기 중으로 증발시켜 탄소나노튜브 미세배선을 얻었다(제4단계).
상기 실시예 1의 미세 배선을 주사전자현미경으로 관찰한 결과를 도 3에 나타냈으며, 도 3으로부터 실시예 1의 미세 배선은 MWCNTs들이 다발을 형성하며 폭이 약 100 ㎛이고 길이가 약 2.5 mm로 형성된 것을 확인하였다. 또한, 상기 미세 배선은 그 높이 방향의 단면적이 약 5000 ㎛2인 것으로, 기재와 수직하는 방향으로 측정한 높이가 약 55 ㎛인 것으로 확인되었다.
실시예
2. 실리콘웨이퍼 기재 위에서의
폴리아닐린이
코팅된 탄소나노튜브 배선 형성
유리 기재 대신 실리콘웨이퍼 기재를 사용한 것 외에는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 폴리아닐린으로 코팅된 탄소나노튜브의 다발로 형성된 미세 배선이 형성된 탄소나노튜브 미세 배선화 실리콘웨이퍼 기재를 얻었다. 형성된 실시예 2의 배선은 폭이 약 90 ㎛이고 길이가 약 2 mm이었으며, 단면적은 약 5500 ㎛2인 것으로 확인되었으며, 실리콘웨이퍼 기재 상에도 본 발명의 방법으로 탄소나노튜브 배선이 잘 형성된다는 점을 확인하였다.
실시예
3. 폴리이미드 필름 위에서의
폴리아닐린이
코팅된 탄소나노튜브 배선 형성
유리 기재 대신 폴리이미드 필름을 사용한 것 외에는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 폴리아닐린으로 코팅된 탄소나노튜브의 미세 배선이 형성된 탄소나노튜브 미세 배선화 폴리이미드 필름을 얻었다. 형성된 실시예 3의 배선은 폭이 약 90 ㎛이고 길이가 약 2.3 mm이었으며, 단면적은 약 5200 ㎛2인 것으로 확인되었으며, 폴리이미드 필름 상에도 본 발명의 방법으로 탄소나노튜브 배선이 잘 형성된다는 점을 확인하였다.
실시예
4. 유리 기재 위에서의
폴리피롤이
코팅된 탄소나노튜브 배선 형성
탄소나노튜브에 폴리아닐린으로 코팅하는 대신 폴리피롤로 코팅한 것 외에는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 폴리피롤로 코팅된 탄소나노튜브의 미세 배선이 형성된 탄소나노튜브 미세 배선화 유리 기재를 얻었다. 실시예 4에서 폴리피롤이 코팅된 탄소나노튜브 다발로도 배선이 잘 형성된다는 점을 확인하였으며, 유리 기재 상에 형성된 실시예 4의 배선은 폭이 약 100 ㎛이고 길이가 약 2.4 mm 이었으며, 단면적은 약 5000 ㎛2로 관찰되었다.
실시예
5. 유리 기재 위에서의
폴리티오펜이
코팅된 탄소나노튜브 배선 형성
탄소나노튜브에 폴리아닐린으로 코팅하는 대신 폴리티오펜으로 코팅한 것 외에는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 폴리티오펜으로 코팅된 탄소나노튜브의 미세 배선이 형성된 탄소나노튜브 미세 배선화 유리 기재를 얻었다. 실시예 5에서 폴리티오펜이 코팅된 탄소나노튜브 다발로도 배선이 잘 형성된다는 점을 확인하였으며, 유리기판 상에 형성된 실시예 5의 배선은 폭이 약 100 ㎛이고 길이가 약 2.5 mm이었으며, 단면적은 약 5000 ㎛2로 관찰되었다.
실시예
6. 유리 기재 위에서의
바늘형
전극을 이용한
폴리아닐린이
코팅된 탄소나노튜브 배선 형성
전기장을 인가하는 수단으로 실시예 1에서 사용한 막대형 전극이 아닌 바늘형 전극을 세워서 배치하고, 전기장을 반대 방향으로 인가한 것 외에는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 미세 배선이 형성된 탄소나노튜브 미세 배선화 유리 기재를 얻었다. 폴리아닐린으로 코팅된 탄소나노튜브의 다발로 형성된 미세 배선은 폭이 약 80 ㎛이고 길이가 약 2.5 mm이었으며, 단면적은 약 6000 ㎛2로 관찰되었다.
실시예
7. 유리 기재 위에서의
폴리아닐린이
코팅된
단일벽
탄소나노튜브 배선 형성
다중벽 탄소나노튜브가 아닌 단일벽 탄소나노튜브(single wall carbon nanotube)를 적용한 것을 제외하면, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 폴리아닐린으로 코팅된 탄소나노튜브의 미세 배선이 형성된 탄소나노튜브 미세 배선화 유리 기재를 얻었다. 폴리아닐린으로 코팅된 단일벽 탄소나노튜브의 다발로 형성된 미세 배선은 폭이 약 100 ㎛이고 길이가 약 2.5 mm이었으며, 단면적은 약 5000 ㎛2로 관찰되었다.
비교예
1. 전기장을 인가하지 않은 상태에서의 배선 형성
실시예 1에서 사용한 것과 동일하게, 폴리아닐린으로 코팅된 MWCNTs가 0.5 중량%로 벤젠에 분산된 분산용액을 막대형 전극이 양쪽에 배치된 유리기판 상에 액적 상태로 떨어뜨리고, 전기장을 인가하지 않은 상태로 용매를 증발시켰다.
이렇게 얻어진 비교예 1의 배선은 도 4에 나타냈다. 상기 도 4을 참고하면, 전기장을 인가하지 않은 비교예 1의 배선은, 탄소나노튜브들이 가늘고 긴 다발을 형성하지 못하고 둥근 액적의 형태 그대로 탄소나노튜브들이 배치되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 둥근 형태의 중앙 부분에는 탄소나노튜브들이 거의 배열되지 않은 것을 확인할 수 있었으며, 이는 분산용매의 증발 과정에서 탄소나노튜브들이 액적의 가장자리 부분으로 이동하여 배열된 것이기 때문으로 생각된다.
실시예
8. 전기장을 약하게 인가한 상태의 배선 형성
제3단계에서 전기장을 500 V/mm으로 인가한 것 대신에 250 V/mm로 인가한 것을 제외하면 실시예 1과 동일하게 MWCNTs 다발로 이루어진 배선을 형성하였다.
형성된 실시예 8의 배선의 주사전자현미경 사진을 도 5에 나타냈으며, 여러 가닥으로 형성되었지만, 각 배선들은 뚜렷하게 연결된 형태를 가지는 배선이 형성되었다는 점을 확인할 수 있었다. 이 결과로부터, 전기장을 조절하여 배선의 형태를 조절할 수 있다는 점을 확인할 수 있었다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
Claims (20)
- 용매에 분산된 탄소나노튜브들을 포함하는 분산용액을 준비하는 제1단계;
상기 분산용액을 이용하여 기재 상에 액적(droplet)을 형성하는 제2단계;
두 개의 전극을 이용하여 상기 액적에 전기장을 인가하고 탄소나노튜브들을 다발의 형태(rope-type)로 배열시키는 제3단계; 그리고
상기 액적에 포함되어 있는 분산용액의 용매를 증발시켜 선형의 탄소나노튜브 미세배선을 형성하는 제4단계;를 포함하는, 탄소나노튜브 미세배선의 형성방법. - 제1항에 있어서,
상기 제3단계에서 전기장은 0.1 내지 5000 V/mm로 인가되는 것인, 탄소나노튜브 미세배선의 형성방법. - 제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브들은 다중벽 탄소나노튜브, 단일벽 탄소나토튜브, 코팅된 다중벽 탄소나노튜브, 코팅된 단일벽 탄소나노튜브 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것인, 탄소나노튜브 미세배선의 형성방법. - 제3항에 있어서,
상기 코팅된 다중벽 탄소나노튜브 또는 코팅된 단일벽 탄소나노튜브는 전도성 고분자 재료, 전도성 금속 재료 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 전도성 재료로 다중벽 탄소나노튜브 또는 단일벽 탄소나노튜브가 코팅된 것인, 탄소나노튜브 미세배선의 형성방법. - 제4항에 있어서,
상기 전도성 고분자 재료는 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리아세틸렌(polyacethylene), 폴리설퍼니트라이드(poly sulfur nitride) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것이고, 상기 전도성 금속 재료는 금, 은, 구리, 철, 알루미늄, 텅스텐 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것인, 탄소나노튜브 미세배선의 형성방법. - 제1항에 있어서,
상기 용매는, 탈이온수, 에탄올, 메탄올, 실리콘오일, 벤젠, 벤젠화합물에 기능기가 결합된 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이며,
상기 기능기는 할로겐기, 아민기, 에테르기, 알코올기, 알데하이드기, 카르복실기, 알킬기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것인, 탄소나노튜브 미세배선의 형성방법. - 제1항에 있어서,
상기 분산용액은 상기 탄소나노튜브들을 0.001 내지 80 중량%로 포함하는 것인, 탄소나노튜브 미세배선의 형성방법. - 제1항에 있어서,
상기 제2단계에서 액적은 잉크젯 프린팅, 잉크 프롯터(plotter), 주사기 및 모세관을 이용하여 형성되는 것인, 탄소나노튜브 미세배선의 형성방법. - 제1항에 있어서,
상기 기재는 유리, 실리콘웨이퍼, 폴리이미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에테르설폰, 폴리노보넨, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 아릴라이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 재료로 이루어진 표면을 포함하는 것, 탄소나노튜브 미세배선의 형성 방법. - 제1항에 있어서,
상기 두 개의 전극은 막대형 전극, 바늘형 전극 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것인, 탄소나노튜브 미세배선의 형성 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제4단계에서 용매의 증발은, 자연증발, 열을 이용한 증발, 진공 증발 및 이들의 조합에 의하여 이루어지는 것인, 탄소나노튜브 미세배선의 형성방법. - 제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 미세배선은 상기 기재와 수평으로 형성되는 것인, 탄소나노튜브 미세배선의 형성방법. - 제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 미세배선은 선폭이 100 ㎛ 이하인 것인, 탄소나노튜브 미세배선의 형성방법. - 제1항에 있어서,
상기 제3단계의 전기장의 인가 및 탄소나노튜브들의 다발 형태로의 배열은 5초 이내에 이루어지는 것인, 탄소나노튜브 미세배선의 형성방법. - 제1항에 있어서,
상기 기재는 유연기판(flexible substrate)인 것인, 탄소나노튜브 미세배선의 형성방법. - 기재; 및
상기 기재 상에 위치하며, 전기장에 의하여 배열된 다발 형태의 탄소나노튜브들을 포함하는 탄소나노튜브 미세배선;을 포함하는, 미세배선기판. - 제16항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 미세배선은 선폭이 100 ㎛ 이하이고, 길이 방향이 기재와 수평인 것인, 미세배선기판. - 제16항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는, 다중벽 탄소나노튜브, 단일벽 탄소나토튜브, 코팅된 다중벽 탄소나노튜브, 코팅된 단일벽 탄소나노튜브 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것이고,
상기 코팅된 다중벽 탄소나노튜브 또는 코팅된 단일벽 탄소나노튜브는 전도성 고분자 재료, 전도성 금속 재료 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 전도성 재료로 다중벽 탄소나노튜브 또는 단일벽 탄소나노튜브가 코팅된 것인, 미세배선기판. - 제16항에 있어서,
상기 기재는 유연기판(flexible substrate)인 것인, 미세배선기판. - 탈이온수, 에탄올, 메탄올, 실리콘오일, 벤젠, 벤젠화합물에 기능기가 결합된 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 용매로, 상기 기능기는 할로겐기, 아민기, 에테르기, 알코올기, 알데하이드기, 카르복실기, 알킬기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것인 용매; 및
다중벽 탄소나노튜브, 단일벽 탄소나토튜브, 코팅된 다중벽 탄소나노튜브, 코팅된 단일벽 탄소나노튜브 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 탄소나노튜브;를 포함하는, 미세배선 제조용 탄소나노튜브 분산용액.
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