KR20180114127A - 자유 원자 나노튜브 성장 - Google Patents

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Abstract

긴, 고품질의 나노튜브를 연속적으로 성장시킬 수 있는 자유 원자 나노튜브 성장 기술이 개시된다. 이 특허 출원은, 2013년 9월 25일 출원된 트레킹 원자 나노튜브 성장(Trekking Atom Nanotube Growth) 특허 출원 제14037034호의 부분 계속 출원이다. 본 발명은 원자 공급원료가 나노튜브를 둘러싸는 기체 환경에서 일어나지 않았기 때문에 화학 증기 증착 기술에서 벗어남을 나타낸다. 이 기술은, 화학 증기 증착 성장 기술에서 탄소 나노튜브 성장을 중단시키는 하기 문제를 완화시킨다: 1) 주로 비정질 탄소일 것으로 의심되는 촉매 입자의 표면 위의 재료의 축적, 2) 더 작은 촉매 입자의 크기를 줄이고 더 큰 촉매 입자를 확대하는 오스트발트 숙성(Ostwald ripening)의 효과, 3) 촉매 입자가 너무 작아지면, 탄소 나노튜브를 성장시키기 위해 사용된 기판으로 확산되어 성장을 중단시키는 일부 촉매 재료의 효과.

Description

자유 원자 나노튜브 성장
이 특허 출원은, 2013년 9월 25일 출원된 트레킹 원자 나노튜브 성장(Trekking Atom Nanotube Growth)(TREKANG) 특허 출원 제14037034호의 부분 계속 출원이다. 트레킹 원자 나노튜브 성장 특허 출원은, 그 자체가 2012년 10월 29일 출원된 인접 원자 나노튜브 성장(Proximate Atom Nanotube Growth)(PANG) 특허 출원 제13694088호의 부분 계속 출원이다. 관련 없는 개념과 논의를 제거하기 위해, 본 자유 원자 나노튜브 성장 특허 출원을 지지하는 데 필요한 본문과 도면만이 프리커서(precursor) PANG과 TREKANG 출원으로부터의 이 설명에 유지되었다. 본 발명을 기술하는 새로운 본문이 설명에 통합되었다.
1. 본 발명의 분야
본 발명은 나노튜브(NT)의 성장에 관한 것이다. 본 발명은, 이전 특허 출원, TREKANG의 원리를 사용하여 설계되고 수행된 일련의 실험으로부터 유도된다. 본 발명은, wavide가 없다는 점에서 TREKANG 개념에 대한 주요 단순화를 나타낸다. Wavide는 catpar 부근에서 성장을 자극하는 에너지를 공급층에 전달하도록 고안되었다. 현재 실험은 wavide가 필요하지 않음을 입증한다. NT 성장은, NT의 성장 자리 또는 catpar로 이동하도록 공급층(feedlayer)의 공급원자(feedatom)를 활성화시킴으로써 이루어진다. 간단히 말해서, 화학 반응기의 대기는 ineratmo이기 때문에, 이것은 화학 증기 증착(CVD) 기술이 아니다. 대신, 기판 위에 증착된 공급층으로부터 원자를 유리시키기 위해 레이저 또는 발광 다이오드(LED) 램프 형태의 근-자외선(near-uv) 또는 자외선(UV) emrad 광원(source)을 사용한다. 이들 유리된 원자는, NT가 성장하는 성장 자리 또는 catpar로 이동한다. 현재 상황은, 탄소 나노튜브(CNT)의 예를 고려하여 예시될 수 있다.
2. 탄소 나노튜브 성장의 문제점
인공 CNT는 다양한 수단에 의해 생성된다. 가장 유용한 기술 중 하나인 화학 증기 증착(CVD)을 고려한다. 기본적으로, CVD 공정은 반응 챔버에서 대기의 한 가지 성분으로 탄소 함유 기체를 필요로 한다. 이들 기체 분자들 중 일부는 챔버에서 catpar과 반응하고, 만일 온도, 부분 기체 압력, 및 많은 다른 파라미터들이 정확하면, 기체 분자로부터 탄소 원자는 catpar의 표면으로 전이하고 CNT는 catpar 밖으로 성장할 것이다. 이 공정은, CVD 공정이 일반적으로 반도체 미세회로 제조를 포함하는 많은 다른 노력에서 수십 년에 걸쳐 극히 유용한 것으로 밝혀졌기 때문에 매우 인기가 높다. 그러나, 이 기술이 CNT 성장을 위해 사용될 때에는 단점이 있다.
첫 번째 단점은, CNT의 초기 성장은 매우 빠르지만, 성장이 기어갈 정도로 급격히 느려지고, 모든 의도와 목적에 대해서 중지된다는 것이다. 비록 느리지만, 성장이 인지될 정도로 계속되게 하는 돌파구가 만들어졌지만, 두 번째 문제가 작용하기 시작한다. 이미 형성된 CNT는 고온의 탄소 함유 기체의 환경에 잠기어 있다. 반응은, 이들의 고도로 조직화된 탄소 격자에서 결함을 만드는 CNT의 표면에서 계속된다. 이들 결함은 CNT의 물리적 특성을 급격하게 떨어뜨린다. 이 환경에서 성장이 더 오래 진행될수록, CNT에 더 많은 손상이 가해진다. 따라서, 상당량의 긴 (CNT에 대해 1 센티미터 이상, BNNT에 대해서는 수 센티미터), highq CNT가 제조하기 불가능하다. 10년이 넘는 동안, 연구원들은, 긴, highq CNT를 생산하기 위한 "올바른 설정(right set)"의 CVD 파라미터를 찾으려고 노력했지만, 성공하지는 못했다.
CVD 공정 동안 CNT 성장의 급격한 둔화 원인은 다음을 포함하는 것으로 현재 이해된다:
1) 비정질 탄소일 것으로 의심되는, catpar의 표면 위에 재료의 축적. 이 코팅은 catpar의 표면적을 감소시켜, 성장하는 CNT와 결합하기에 적합한 탄소 원자가 catpar로 지나거나 또는 그 표면에서 CNT 성장 위치로 이동하는 기회를 줄인다. 그래서, CNT 성장이 느려지거나 또는 종료된다.
2) 오스트발트 숙성(Ostwald ripening)의 효과는, 작은 것으로부터 큰 것으로 질량 이동에 의해 작은 catpar의 크기를 감소시키고 큰 catpar의 크기를 증가시키는 경향이 있다. 개념적으로 이것은 작은 입자가 큰 입자보다 열역학적으로 덜 안정하기 때문이다. 이러한 열역학적으로 구동되는 공정은 시스템 표면 에너지를 최소화하고자 한다. catpar 크기는, catpar가 너무 크거나 또는 너무 작으면 CNT 성장이 멈추기 때문에 (또는 처음부터 시작되지 않기 때문에) 중요하다.
3) CNT가 성장되는 기판이 많은 서로 다른 물질일 수 있지만, 가장 일반적인 기판은 규소로, 부분적으로, 반도체 산업에서 이것과의 수십 년의 경험 때문이다. 규소는 촉매 원소에 손상되지 않을 것으로 생각되었지만, CNT 제조에서 적어도 일부 촉매 재료는 규소 층으로 확산될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 따라서, catpar의 유효 크기는 더 작아지고, CNT 성장을 지지할 수 없게 될 수 있다. 다른 기판 역시 촉매 재료에 투과성이 있을 수 있다.
3. 선행 기술의 설명
미국 특허 제7,045,108호는, 기판 위에서 CNT의 성장 및 이들 CNT를 연속적인 묶음으로 기판으로부터 추후 인발하는 것을 기술한다. 요약서는 다음과 같이 기재한다: 긴 탄소 나노튜브 얀을 제조하는 방법은 다음 단계를 포함한다: (1) 편평하고 매끄러운 기판을 제공하는 단계; (2) 기판 위에 촉매를 증착시키는 단계; (3) 노(furnace)에서 촉매로 기판의 위치를 정하는 단계; (4) 노를 미리 결정된 온도로 가열하는 단계; (5) 탄소 함유 기체와 보호 기체의 혼합물을 노 안으로 공급하는 단계; (6) 촉매의 국부 온도와 노 온도 사이의 차이를 적어도 50도가 되도록 제어하는 단계; (7) 탄소 함유 기체의 부분 압력을 0.2 미만이 되도록 제어하는 단계; (8) 탄소 나노튜브 어레이가 기판 위에 형성되도록 기판 위에서 다수의 탄소 나노튜브를 성장시키는 단계; 및 (9) 탄소 나노튜브 얀이 형성되도록 탄소 나노튜브 어레이로부터 한 묶음의 탄소 나노튜브를 인발하는 단계.
이전 단락에 설명된 기술은, CNT의 대중적이고 유용한 "포리스트 성장(forest growth)" 및 포리스트로부터 CNT 묶음의 인발의 대표적인 예이다. CNT 성장 둔화에 대한 원인을 완화하기 위한 임의의 기술은 논의하지 않는다.
미국 특허 제8,206,674호는 질화 붕소 나노튜브(BNNT)의 성장 기술을 설명한다. 요약서로부터: 질화 붕소 나노튜브는, (a) 붕소 증기의 공급원을 생성하는 단계; (b) 붕소 증기와 질소 기체의 혼합물이 표면인 핵 형성 자리에 존재하도록 붕소 증기를 질소 기체와 혼합하는 단계로서, 질소 기체는 대기보다 높은 압력, 예를 들어, 약 2기압보다 높고 약 250기압 이하인 압력에서 제공되는, 단계; 및 (c) 핵 형성 자리에서 형성된 질화 붕소 나노튜브를 수확하는 단계를 포함하는 공정에 의해 제조된다.
상기 기술은, 질소 대기 안으로 붕소의 레이저 제거(laser ablation)를 사용하여 센티미터 길이의 BNNT를 형성한다. 성장은 제거 크레이터(ablation crater) 부근의 대략적인 지점에서 일어나고, 성장은 질소 유동의 방향으로 진행된다. 촉매 재료는 존재할 필요가 없다. 이 기술은, 성장의 제어 또는 CNT를 성장시키기 위해 이 레이저 제거 기술을 사용하는 것을 허용하지 않는다.
미국 특허 제8,173,211호는, 연속적인 CVD CNT 성장 공정을 기술한다. 요약서로부터: 탄소 나노입자를 생산하는 방법은, 기판 입자 위에 분해 가능한 전이 금속 화합물을 제공하여, 탄소 나노입자 형성을 허용하는 조건 하에 전이 금속을 산출하는 단계, 기체상 탄소 공급원을 기판 입자와 접촉시키는 단계, 상기 접촉 단계 전, 동안, 또는 후에, 전이 금속 화합물을 분해하여, 기판 입자 위에 전이 금속을 산출하는 단계, 전이 금속에 의해 촉매화된 탄소 공급원을 분해하여 탄소 나노입자를 형성하는 단계, 및 형성된 탄소 나노입자를 수거하는 단계를 포함한다.
이전 단락에 설명된 기술은, 촉매가 반응기의 탄소 함유 기체 유동 안으로 분산되는 기술이다. 이것은 최대 약 0.5 mm 길이의 CNT를 생산한다. CNT는 연기로 나타나고 연속적으로 빼내어질 수 있다. 그러나, 이 기술은 긴, highq CNT를 성장시킬 수는 없었다.
미국 특허 제8,926,934호는, 레이저-보조 CVD CNT 성장 공정을 기술한다. 요약서로부터: 탄소 나노튜브 어레이를 성장시키는 방법은, (a) 기판을 제공하는 단계; (b) 기판 위에 탄소질 재료를 포함하는 촉매 막을 형성하는 단계; (c) 촉매 막을 가로질러 유동하는 캐리어 기체와 탄소 공급원 기체의 혼합물을 도입하는 단계; (d) 촉매 막 위에 레이저 빔의 초점을 맞추어 촉매를 미리 결정된 반응 온도까지 국부적으로 가열시키는 단계; 및 (e) 기판으로부터 탄소 나노튜브의 어레이를 성장시키는 단계를 포함한다.
이전 단락에 기술된 설명은, 레이저가 전구물질 기체에서 탄소 결합의 분해를 촉진하는 온도까지 촉매를 가열하기 위해 사용되는 CVD 기반의 레이저 보조 성장 공정이다. 레이저를 히터로 사용하는 것은 종래 CVD 시스템으로부터의 증대 단계이고, 상기 언급된 CVD 성장의 단점들 중 많은 것을 유지한다. 이 기술은 긴, highq CNT를 성장시킬 수는 없었다.
본 발명은, 자유 원자(free atom)가 NT의 성장 자리 또는 catpar로 이동할 수 있도록 공급원자를 유리시킴으로써 NT를 성장시키는 기술이다. 간단히 말해서, 이것은 비 CVD 공정이다: 고온의 탄소 함유 기체가 없다. 도 1에 도시된 일 실시예는, 그 전방 면 위에 공급원자의 공급층을 갖고, 공급층의 전방 면 위에 촉매의 층을 갖는 기판을 제조하는 것이다. 기판의 하단에 입사하는 Emrad는 공급원료 층(feedstock layer)으로 전파되고, 공급원자를 유리시켜, 이들 공급원자는 NT가 성장하는 성장 자리 또는 catpar로 이동한다. 자유 원자는 성장하는 NT에 통합된다. emrad의 파라미터와 기판 특성은, NT를 성장시키기 위한 적절한 에너지로, 공급원자가 유리되고 성장 자리 또는 catpar로 이동함을 보장하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명이 기초하는 실험에 의해 이루어진 CNT 성장의 경우를 고려한다 (도 1 참조). 후방 면으로부터 석영 기판을 조명하기 위해 근-uv 레이저(emrad 광원)가 사용되었다. 광자(emrad)는 기판을 통해 전파하고, 대부분은 기판의 전방 면 위의 비정질 탄소 원자(공급층)의 층에서 흡수된다. 광자를 흡수하는 탄소 원자(공급원자)는 비정질 탄소로부터 유리되고, 이 중 일부는 CNT 성장 자리로 이동하여, 성장하는 CNT에 통합된다. 이것이 본 발명의 기초이다.
도 1은, NT가 촉매 층 밖으로 직접 성장하는 본 발명의 실시예를 개략적으로 예시한다.
도 2는, NT가 catpar 밖으로 직접 성장하는 본 발명의 최상 모드의 실시예를 개략적으로 예시한다.
도 3은, NT가 catpar 밖으로 직접 성장하고, 공급층이 retun에 의해 보충된 공급보어(feedvoir)로 대체된 본 발명의 실시예를 개략적으로 예시한다.
도 4는, 현재 실행된 대부분의 실험에 대한 기본 실험 설정을 개략적으로 예시한다.
도 5는, 본 발명의 브로드팁(broadtip) 조립체 실시예를 개략적으로 예시한다.
도 6은, 본 발명의 브로드팁 기판 조립체 실시예의 일 부분의 근접 뷰(close view)를 개략적으로 예시한다.
도 7은, 본 발명에 따라 가동되는 관절식 아암(articulated arm)과 모션 스테이지(motion stage)에 장착된 브로드팁 조립체를 개략적으로 예시한다.
도 8은, CNT를 계속해서 성장시키는 기판 조립체에 레이저가 에너지를 전달하는, 본 발명의 산업상 적용 실시예를 개략적으로 예시한다.
도 9는, TREKANG 특허 출원으로부터의 tratip를 개략적으로 예시한다.
1. 정의
BNNT - 본원에 사용시, 질화 붕소 나노튜브를 나타낼 것이다.
브로드팁 시스템( Broadtip system) - 본원에 사용시, 모션 스테이지에 자체 장착된 관절식 아암에 장착된 브로드팁 조립체를 포함하는 NT 성장 시스템을 나타낼 것이다. 이 시스템은 브로드팁 기판 조립체로부터 NT를 성장시키고, 이들을 인접한 "타깃 표면(target surface)" 위에 증착한다. 인접한 타깃 표면을 가로지른 브로드팁 조립체의 운동은, NT의 패턴화된 3차원 증착을 가능하게 한다. 브로드팁은 tratip과 유사하지만, 많은 촉매 입자로 더 크다. 이들의 크기 때문에, emrad가 플라스몬(plasmon) 대신 공급층에 에너지를 전달하기 위해 사용된다. 도 5, 6, 및 7을 참조한다.
브로드팁 조립체(Broadtip assembly) - 본원에 사용시, emrad 광원과 결합되고 브로드팁 시스템에서 사용하기 위해 관절식 아암에 장착되도록 패키징된 브로드팁 기판 조립체를 포함하는 서브시스템(subsystem)을 나타낼 것이다. 도 5와 7을 참조한다.
브로드팁 기판 조립체(Broadtip substrate assembly) - 본원에 사용시, 브로드팁 조립체에 통합되고 브로드팁 시스템에서 사용되도록 구성된 기판 조립체 서브시스템을 나타낼 것이다. 도 5와 6을 참조한다.
Catpar - 본원에 사용시, 크기, 형상 및 원소 성분이 나노튜브를 성장시키기에 적합한, 일정 부피의 촉매 재료를 나타낼 것이다: 촉매 입자. 촉매는 하나 이상의 원소 성분을 함유할 수 있다.
CNT - 본원에 사용시, 탄소 나노튜브를 나타낼 것이다.
Emrad - 본원에 사용시, 전자기선, 그러나, 설명되는 기술 내에서 CNT 성장을 자극하기 위해 생성되고 적절한 파장의 전자기선을 나타낼 것이다.
공급원자( Feedatom ) - 본원에 사용시, 나노튜브의 화학 성분인 원자 또는 분자를 나타낼 것이다: 나노튜브의 원자 공급원료.
공급층 ( Feedlayer ) - 본원에 사용시, 촉매 재료와 같은 다른 성분을 포함할 수 있는 나노튜브 공급원료 원자(공급원자)의 층을 나타낼 것이다.
공급보어 ( Feedvoir ) - 본원에 사용시, 촉매 재료와 같은 다른 성분을 함유할 수 있는 나노튜브 공급원료 원자(공급원자)의 저장소(reservoir)를 나타낼 것이다.
성장 자리(Growth site) - 본원에 사용시, 나노튜브가 표면 밖으로 성장하는 촉매 층 위의 위치를 나타낼 것이다. 성장 자리에서 나노튜브 성장의 경우, 촉매 층은 어닐링되지 않아서 catpar가 형성되지 않았다.
Highq - 본원에 사용시, 거의 결함이 없음을 나타낼 것이다: 고품질. highq NT는 거의 청결하고, 완벽하며, 결함이 없는 나노튜브이다. 이와 같이 그 인장 강도와 전기적 특성은 최대이다.
Ineratmo - 본원에 사용시, CNT 성장 챔버에서 불활성, 기체 대기를 나타낼 것이다: 불활성 대기. 기판의 면들이 분리되면, 기판의 나노튜브 성장 면(전방 면) 위의 대기를 나타낸다. 이 "불활성" 대기는 일반적으로 불활성 기체로 이루어진다. 그러나, NT, catpar 및/또는 자유 탄소와 반응하도록 도입된 것들을 포함하는, 다른 기체의 부분 압력이 성장 공정 동안 대기 안으로 도입되면, interatmo라는 용어가 여전히 적용된다.
유리시키다(Liberate) - 본원에 사용시, 공급원자가 emrad를 흡수하고 공급층 또는 공급보어에서 다른 원자에 대한 그 화학 결합을 파괴하여 자유롭게 이동하게 되는 공정 또는 공정들을 나타낼 것이다.
이동하다(Migrate) - 본원에 사용시, 활성화된 후 공급원자가 공급층 또는 공급보어로부터 성장 자리 또는 catpar로 이동하는 공정 또는 공정들을 나타낼 것이다. 이동하다(Migrate)는 보다 일반적인 형태의 이동(trek)으로, catpar뿐만 아니라 성장 자리까지 이동하는 것을 포함한다.
NT - 본원에 사용시, 나노튜브를 나타낼 것이다.
플라스몬 ( Plasmon ) - 본원에 사용시, 플라스마 진동의 양자를 나타낼 것이다. 이것은 엑시톤-폴라리톤(exciton-polariton) 및 표면 플라스몬 폴라리톤(plasmon polariton)과 같은 모든 유형의 플라스몬과 폴라리톤을 포함한다. 본 발명과 관련하여, 올바른 조건 하에서, 전자기 에너지는 매질을 통해 에너지를 전파할 수 있는 플라스몬으로 표면에서 변형될 수 있다.
Retun - 본원에 사용시, 공급원자, 촉매 재료 및/또는 나노튜브 성장을 위한 다른 재료의 보충을 용이하게 하는 기판 또는 wavide에서 보충 터널 또는 다른 구조를 나타낼 것이다. 도 3은 개념상의 retun을 예시한다.
기판 조립체 - 본원에 사용시, 기판, 기판의 전방 면 위에 증착된 공급층, 및 공급층의 전방 면 위에 배열된, 촉매층 또는 catpar, 두 개의 촉매 구성 중 하나를 포함하는 서브시스템을 나타낼 것이다.
Tratip - 본원에 사용시, 이동하는 마이크로 또는 나노 스케일의 플랫폼(platform) 또는 팁(tip)을 나타낼 것이다. 나노튜브는, tratip, 이동 가능한 플랫폼의 단부에 부착된 catpar로부터 성장한다. 플랫폼 또는 팁은 나노스케일 나노튜브 성장 시스템의 움직임을 용이하게 하는 캔틸레버(cantilever) 또는 이와 다른 지지 구조의 일 부분이다. 따라서, 나노튜브는, 수직으로, 수평으로, 또는 구조화된 나노튜브 성장물이 제조될 수 있도록 하는 각도로 성장될 수 있다. tratip은, 캔틸레버에 부착된 원자력 현미경의 감지 팁과 유사하다. 도 9는 tratip을 예시한다. 대안적으로, tratip은 정지되어 있을 수 있고, 나노튜브 성장이 증착되는 타깃 표면 또는 부피는 이동 가능할 수 있다.
트렉 (Trek) - 본원에 사용시, 활성화된 후 공급층 또는 공급보어로부터 catpar로 공급원자가 이동하는 공정 또는 공정들을 나타낼 것이다. 트레킹은 트렉의 동사 형태이다.
Wavide - 본원에 사용시, emrad 또는 플라스몬 형태로 에너지를 운반하는 기판을 통한 도파관을 나타낼 것이다.
2. 발명의 최상 모드
도 2는 본 발명에 따른 자유 원자 나노튜브 성장의 발명자에 의해 고려된 최상 모드를 예시한다. 도 2에서 실시예는 탄소 공급층의 전방 면에 배열된 catpar의 어레이를 갖는다. 공급층은 석영 기판의 전방 면 위에 위치한다. 레이저 방사선의 형태인 Emrad는 기판 조립체의 전방 면으로부터 입사한다. 레이저 광자는 공급층으로부터의 일부 탄소 공급원자를 유리시키고, 이들 자유 원자 중 일부는 catpar로 이동한다. catpar에서 탄소 원자 중 일부는 성장하는 CNT에 통합된다.
3. 발명의 작용
반응 챔버에서, 도 1에 도시된 시스템은 CNT를 성장시킨다. 레이저 방사선 형태의 Emrad는, 기판의 하단에 입사하여, emrad에 투명한 기판을 통해 전파된다. emrad는 공급층으로 전파된다. emrad 에너지의 전부 또는 대부분은 공급층에 흡수된다. 이 에너지는 공급층의 탄소 공급원자 중 일부를 유리시켜, 매우 얇은 철 촉매 층을 통해, CNT를 성장시키는 성장 자리까지 이동시킨다 (화살표로 표시). 이상적으로, 공급원자는, catpar로부터 성장하는 CNT의 일부분이 되기 위해 최적의 에너지로 성장 자리까지 운반된다. CNT 성장이 일어나는 화학 반응기의 대기는 ineratmo이다.
NT 성장 공정을 가동하는 데 필요한 에너지로 공급원자를 타깃으로 정하는 것은 CVD보다 훨씬 낮은 온도 성장을 가능하게 한다. 본 발명에 의해 가능해진 CNT 성장 동안 기판의 낮은 온도는 catpar의 표면 위에서 비정질 탄소 축적과 같은 원치 않는, 외부의 화학 반응을 감소시키거나 제거해서, 시간 성장을 증가시키는 것이 계속될 수 있다.
interatmo 환경은 또한 catpar 위에서 비정질 탄소 축적을 감소시키거나 또는 제거한다. 또한, ineratmo는, CVD의 고온 탄소 기체 환경이 제거되었기 때문에, 이들의 표면 위에서 원치 않는 화학 반응으로부터 성장하는 CNT에 대한 손상을 감소시키거나 또는 제거한다.
작은 catpar이 생기도록 하는 열역학 공정인 오스트발트 숙성은, 일반적으로 촉매 원자를 더 큰 catpar에 상실한다. 오스트발트 숙성이 일어남에 따라, 더 많은 catpar이 CNT 성장을 멈추는데, 이는 어느 하나가 CNT 성장을 유지하기에는 너무 크거나 또는 너무 작아지기 때문이다. 본 발명으로 가능한 저온 합성은 오스트발트 숙성의 속도를 감소시킨다.
도 3은, 공급층 대신 catpar과 기판 사이에 있는 공급보어를 포함하는 본 발명의 피드보어 실시예를 예시한다. 공급보어가 더 클수록, NT 성장을 위해 더 많은 공급원자가 이용 가능하다. 이러한 공급보어의 크기 또는 공급보어에 함유된 공급원자의 양은, 주어진 성장 실행으로 인한 NT의 길이를 조정하는 것을 포함해서, NT의 성장을 조정하는 것을 가능하게 한다.
도 3의 공급보어 중 하나는, 공급원자, 촉매 재료 및/또는 NT 성장을 위한 다른 재료를 보충하기 위한 기판을 통한 retun을 예시한다. 이것은 피드보어 실시예의 변형을 나타내고, 여기서 retun은 다른 저장조로부터 공급원자, 촉매 재료 및/또는 NT 성장을 위한 다른 재료의 보충을 용이하게 한다. 이 저장소는, NT가 성장하는 기판에서 떨어져 있을 가능성이 가장 높을 것이다. 이러한 방식으로, 특히, 제조 환경에서 산업상 규모 성장의 경우에, 지속적인 NT 성장이 이루어질 수 있다.
공급층과 공급보어 모두는 공급원자만을 함유하는 것에 제한되지 않는다. NT의 성장에 유익할 것으로 밝혀진 촉매 또는 다른 재료가 공급층 또는 공급보어에서 공급원자에 첨가될 수 있다. 이들 재료는, 성장 공정의 다른 단계에서 유리될 공급층 또는 공급보어의 공급원자와 함께 층을 이루거나 또는 달리 배열될 수 있다.
도 9는, tratip 상에 존재하는 catpar을 포함하는 TREKANG 특허 출원의 tratip 실시예를 예시한다. 이 경우, tratip은 움직이면서 NT를 성장시킬 수 있어서, NT의 3차원 성장을 가능하게 한다. 이러한 능력은 NT가 일정 패턴으로 인접한 타깃 표면 위에 증착될 수 있도록 한다. 본 발명의 다음 실시예는 tratip와 유사하다.
본 발명의 다른 실시예는, 도 5, 6, 및 7에 도시된 브로드팁 시스템이다. 브로드팁 시스템은, 브로드팁 조립체; 브로드팁 기판 조립체; 관절식 아암; 및 함께 3차원 운동을 용이하게 하는 모션 스테이지를 포함한다. TREKANG 출원의 tratip의 직접적인 유사에서, 브로드팁 시스템은 대형 tratip이다. 브로드팁 기판 조립체의 스케일은, tratip의 경우에 하나의 catpar 대신 수십 내지 수천의 성장 자리 또는 catpar이다. 브로드팁 기판 조립체는 너무 큰 플라스몬이어서, 그 공급층 또는 공급보어에 에너지를 결합하기 위해 요구되지 않는다. tratip과 마찬가지로, 브로드팁 조립체는, 관절식 아암 및 인접한 타깃 표면을 가로질러 3차원 운동을 용이하게 하는 모션 스테이지에 장착되고, 인접한 타깃 표면 위에서 브로드팁 시스템은 브로드팁 기판 조립체로부터 성장하는 나노튜브를 증착한다. 브로드팁 기판 조립체로부터 emrad 활성화(energizing) 나노튜브 성장은 브로드팁 기판 조립체의 후방 면으로부터 전파하거나, 브로드팁 기판 조립체에 통합되거나, 또는 투명한 인접 타깃 표면을 통해 전방 면으로부터 브로드팁 기판 조립체로 전파될 수 있다. 실제, 3차원 성장 패턴은, 브로드팁 기판 조립체 상의 emrad 세기, emrad 패턴을 조종하고, emrad 광원(source)을 켜고 끔으로써 제어될 수 있다.
4. 본 발명을 제조하는 방법
기판 조립체 고찰
기판 조립체는 전방 면 위에 공급원자의 두꺼운 공급층(~ 150 nm)과 촉매의 얇은 층(~ 3 nm)을 코팅함으로써 만들어진다. 다른 코팅 기술이 또한 사용될 수 있다. 일반적인 기판 요건은, 1) 코팅 기술 공정에서 사용될 능력, 2) 다양한 유형의 공급원자와 촉매에 의해 코팅될 능력, 3) 공급원자 및 촉매를 기판 안으로 용해하는 것에 비교적 영향을 받지 않음, 4) 가능한 어닐링 단계 및 NT의 성장 동안 경험된 임의의 온도를 견딜 수 있는 능력을 포함한다. emrad가 후방 면으로부터 기판으로 입사할 것이면, 기판은 emrad에 투명해야만 한다.
실험을 위해 사용된 기판이 편평하고 매끄러웠지만, 기판은 촉매를 농축하고 catpar을 배치하도록 윤곽이 형성될 수 있다. catpar을 형성하기 위한 어닐링이 없는 경우에도, 거칠거나 또는 윤곽이 형성된 기판은, 그렇지 않으면 매끄러운 촉매 층에서 불규칙의 형태로 더 많은 성장 자리를 생성할 것이다. 기판 조립체 특성은 공급층 또는 공급보어에 전달된 에너지의 양을 조정하는 데 사용될 수 있다. 이들 특성은, 기판 윤곽, 두께, 및 투명도와 같은 재료의 특성을 포함한다.
규소(SI), 질화 붕소(BN), 질화 알루미늄(AlN), 및 질화 갈륨(GN)과 같은 다른 나노튜브가 본 발명에 의해 성장될 수 있다. 공급층 조성물은 적절한 공급원자를 제공하도록 변형될 필요가 있을 것이다. emrad 파장 범위는 공급원자가 이동하도록 활성화하기 위해 요구될 것이다. 두 종의 공급원자를 활성화하기 위해, 서로 다른 파장 범위의 두 개의 emrad 광원이 사용될 수 있다.
이 나노튜브 성장 기술은, 철, 니켈, 코발트, 구리, 금, 은, 백금, 팔라듐, 망간, 크롬, 주석, 마그네슘, 알루미늄, 이트륨, 바나듐, 몰리브덴, 레늄, 및 이들 금속의 합금과 같은 모든 금속 촉매로 작용할 것이다.
EMRAD 고려사항
emrad는, 레이저, LED, 형광등 또는 백열등에 의해 생성될 수 있다. 일반적으로, emrad 광원은 기판에 대해 외부일 것이다. 그러나, LED 또는 나노레이저의 경우에, 이들 광원은 기판의 일 부분으로 제조될 수 있다. 또한, 광학 증폭기는 emrad 광원을 증폭시키기 위해 개별적으로 또는 기판의 일 부분으로 제조될 수 있다.
emrad 광원에 대한 요건은, 공급층에 의해 흡수된 파장 또는 파장 범위를 소유하고, 일단 흡수되면, 흡수하는 공급원자에 충분한 에너지를 부여하여 이들이 자유롭게 이동하도록 하는 것을 포함한다. 이들 자유 원자는 다음으로 성장 자리 또는 catpar에서 NT를 형성할 것이다. 이 emrad의 파장은 가능한 한 짧아야 하고, 실험을 실행하는 것의 필요한 레이저 파워, 비용, 및 안전과 같은 다른 기준에도 맞아야 한다. 405 nm 파장의 레이저와 365 nm LED 램프가 실험을 위해 선택되었다.
본 발명의 특징은, emrad를 중단함으로써 NT 성장이 멈추거나 또는 정지될 수 있다는 것이다. 이것은, 다단계 성장 시나리오에서, NT 길이의 미세한 조정 또는 NT 성장의 서로 다른 단계들을 정확하게 시작하고 끝내는 방식을 허용할 수 있다.
INERATMO 고려사항
ineratmo는 대기 기체로부터 외부 반응을 완화한다. 본 발명에서 NT 성장을 위한 공급원자가 대기 기체로부터 나오지 않기 때문에; 대기의 구성 기체, 압력 및 온도가 NT 성장을 최적화하도록 조절될 수 있다. ineratmo 기체는, ineratmo 성분, 온도 및 압력의 제어를 용이하게 하도록 순환, 여과, 교환, 모니터 및/또는 변경될 수 있어서, 반응 챔버에서 최적의 대기를 유지한다. 최종적으로, 성장을 계속하고, NT 특징을 변화시키며, NT를 기능적으로 하기 위해 요구된 바와 같이 성장 공정 동안 ineratmo가 바뀔 수 있다.
여러 가지 다양한 고려 사항
실시간 진단 측정은 NT의 성장 및 기능화를 측정하고 제어하기 위해 사용될 수 있다. 이들 진단은, NT 성장률과 구조; 촉매 온도, 압력과 조성; 공급원자 운반; 및 ineratmo 조성, 온도 및 압력을 포함한다.
자유 원자 나노튜브 성장 기술은 원자의 집합체(assemblage)를 성장시키는 데 적합하게 될 수 있어서, 정확하고 제어된 방식으로 분자, 구조, 형상 및 기계를 형성한다. 이들 집합체 형성 공정은, 집합체의 형성을 용이하게 하도록 촉매를 요구하거나 또는 요구하지 않을 수 있다.
5. 실험 예
트레킹 원자 나노튜브 성장(TREKANG) 특허 출원에서 청구된 원리에 기초한 원리 증명 실험(Proof-of-principle experiment)이 수행되었고 계속되고 있다. 실험의 결과는 이 특허 출원, 자유 원자 나노튜브 성장(FANG) 출원의 기초이다.
일 세트의 기본, 원리 증명 실험이 고안되고 실행되었다. TREKANG 개념에 대한 주요 단순화는, wavide가 없다는 것이다. Wavide는 성장을 자극하는 에너지를 catpar 부근의 공급층에 전달하도록 고안되었다. 현재 실험은 wavide가 필요하지 않음을 입증한다. 나노튜브가 성장될 수 있는 파라미터 공간을 결정하기 위한 추가 실험이 계속되고 있다.
도 1은 대부분의 실험에 대한 실험 구성의 개략적인 예시이다. 2인치 직경, 6mm 두께의 석영 디스크가 기판으로 사용되었다. 140nm의 탄소 층이 기판의 전방 표면에 스퍼터링되어 탄소 공급원자를 갖는 공급층을 형성하였다. 스퍼터링된 탄소는 비정질 탄소 층을 형성한다. 탄소 공급층의 전방 면 위에 2 ~ 3 nm의 철 층이 스퍼터링되었다. 철은 탄소 나노튜브 성장을 위한 촉매이다. 철 층은, 기판과 그 탄소 및 철 층으로 이루어진 기판 조립체를 완성한다. 그림의 하단으로부터 들어가서 석영 기판을 가로지르는 emrad는 대부분 탄소 층에서 흡수된다. 대부분의 실험에서, emrad 광원은 405 nm, 근-uv 레이저였다. 다른 실험은 365 nm UV LED 램프를 사용하였다. 화학 반응기 챔버의 대기, ineratmo는 아르곤 기체로 구성되었다. 도 1은 예상되지 못한 특성을 또한 예시한다: 탄소 나노튜브는 catpar 형성 없이 성장하였다. 해상도의 한계까지, 주사 전자 현미경 상은 철 층의 표면 밖으로 성장하는 탄소 나노튜브를 보여준다.
도 2는, 본 발명자에 의해 고안된 바와 같이 본 발명의 최상 모드인 다른 실험 구성의 개략적인 예시이다. 도 1과 도 2의 한 가지 차이는, 촉매 층이 어닐링되어 catpar을 형성했다는 것이다. 두 번째 차이는, 대부분의 실험에서 emrad, 레이저 방사선이 기판 조립체의 전방 면으로부터 입사한다는 것이다. 탄소 나노튜브는 실험 중 일부에서 catpar로부터 성장되었다. 대부분의 실험은, 전방 면이 emrad 광원을 향할 때 조립체의 삽입과 추출이 더 간단하기 때문에, 기판 조립체의 전방 면으로부터 입사되는 방사선으로 실행되었다. 그러나, 실험은 석영 기판의 양면을 조명하는 emrad로부터 NT 성장을 보여주었다.
도 4는 기본 실험 구성을 개략적으로 예시한다. 기판은 전방 면 또는 후방 면이 레이저 또는 램프에 면하면서 기판 마운트 위에 장착될 수 있다. 도 4에는 기판 마운트에 부착된 히터와 열전쌍은 도시되지 않는다.
최적 온도, 압력, 방사선 조도(radiation irradiance), 방사선 파장, 탄소 층 두께, 및 철 층 두께가 결정되지 않았다. 탄소 나노튜브는, 주위 온도 및 200℃; 50 내지 200 Torr 범위의 아르곤 기체 압력; 평방 센티미터당 수 내지 수십 밀리와트의 조도; 및 405 및 365 nm 방사선의 파장에서, 기판으로 성장되었다. 실험은 NT 성장 파라미터 공간을 배치하기 위해 계속된다.
6. 본 발명을 사용하는 방법
연구소에서, 자유 원자 나노튜브 성장 기술은, 연구원들이 다량의 긴, highq NT를 성장시킬 수 있도록 하여, NT의 특성 및 이들 재료를 사용하여 형성된 거시적 집합체에 대한 연구를 자극할 것이다. CNT의 경우에, 이들 특성은, 매우 높은 인장 강도, 높은 열전도도, 일부 키랄성(chirality)에 대한 낮은 전도도 및 매우 높은 전기 전류 밀도를 유지하는 능력, 및 다른 키랄성에 대한 반도체 특성을 포함한다. BNNT의 경우에, 흥미로운 특성은, 높은 인장 강도, 높은 열전도도, 낮은 전기 전도도, 및 붕소의 존재에 기초한 중성자 흡수를 포함한다. 실제로, 긴, highq NT는, 현재 이용 가능한 NT로는 가능하지 않은 특성과 응용을 드러낼 수 있다. 또한, 긴, highq 나노튜브는, 1) 강화된 강도 구조; 2) 강화된 전도성 전도체, 와이어, 마이크로스케일 및 나노스케일의 집적 회로, 마이크로스케일 및 나노스케일의 트랜지스터, 다이오드, 게이트, 스위치, 레지스터, 커패시터, 단일 센서, 및 어레이; 3) 수신기, 렉테나(rectennas) 또는 전자기선 방출 구조; 4) 생물학적 성장을 촉진 또는 방지하기 위한 표면 기하구조; 5) 특별한 광학, 반사, 간섭 또는 회절 특성을 갖는 표면; 6) 화학 반응을 촉진 또는 방지하기 위한 표면; 7) 강도, 경도, 유연성, 밀도, 다공성 등을 포함하는 특정 재료 특성을 갖는 구조; 및 8) 전기 자극 (전계 방출) 하에서 전자와 같은 입자를 방출하는 표면을 제조하기 위해 사용될 수 있다.
FANG 나노튜브 성장을 위한 방법은, 1) 원하는 조도(roughness)와 윤곽형성(contouring)을 갖도록 그 표면을 변형시키는 것을 포함하는, 기판을 제조하는 단계; 2) 기판 위에 공급층을 놓는 단계; 3) 공급층의 표면 위에 촉매의 박막을 놓아서 기판 조립체를 완성하는 단계; 4) 어닐링에 의해 촉매 박막으로부터 catpar을 형성하는 단계; 5) 반응 챔버에 조립체를 설치하고 챔버를 밀봉하는 단계; 6) 반응 챔버의 대기를 ineratmo로 대체하는 단계; 7) 기판 조립체의 온도와 ineratmo의 압력을 조절하는 단계; 8) 성장 자리 또는 catpar로 이동하도록 공급원자를 활성화시키기 위해 emrad 광원을 개시하는 단계; 및 9) 원하는 NT 성장 결과를 이루도록 일정 시간 간격 동안 시스템을 작동시키는 단계를 포함할 것이다.
FANG 브로드팁 시스템에 관하여, 나노튜브 성장은, 1) 적절한 크기 조정(sizing) 및 원하는 조도와 윤곽형성을 갖도록 그 표면을 변형시키는 것을 포함하는, 브로드팁 기판 조립체용 기판을 제조하는 단계; 2) 브로드팁 기판 위에 공급층을 놓는 단계; 3) 공급층의 표면 위에 촉매의 박막을 놓아서 브로드팁 기판 조립체를 완성하는 단계; 4) 촉매 박막으로부터 catpar을 형성하는 단계; 5) 브로드팁 기판을 브로드팁 조립체에 설치하는 단계; 6) 브로드팁 조립체를 관절식 아암에 부착하는 단계; 7) 관절식 아암을 모션 스테이지에 부착시켜 브로드팁 시스템 구성을 완성하는 단계; 8) 나노튜브의 패턴이 증착될 타깃 표면을 반응 챔버에 설치하는 단계; 9) 전기 리드를 연결하는 것을 포함하는, 반응 챔버에 브로드팁 시스템을 설치하는 단계와 챔버를 밀봉하는 단계; 10) 반응 챔버의 대기를 ineratmo로 대체하는 단계; 11) 브로드팁 기판 조립체의 온도와 ineratmo의 압력을 조절하는 단계; 및 12) 타깃 표면 위에 원하는 패턴을 증착시키기 위한 운동 및 성장을 개시하기 위해, 자동화된 NT 성장 및 운동 제어 시스템을 개시하는 단계를 포함할 것이다.
연구원이 NT를 성장시키기 위해 catpar을 사용하기 원치 않으면, 이전의 절차 양쪽 모두에서 단계 4는 제거될 수 있다.
본 발명자는, 본 발명을 막대한 양의 긴, highq NT가 생성되는 산업 공정으로 변형시키는 것을 구상한다. 도 8은 이러한 구상을 개략적으로 예시한다. 도 8은 반응 챔버 내부의 측면도를 도시한다. 5개의 조립체 각각은, 레이저 위에 놓이고 catpar가 위에 배열되어 있는 기판으로 구성된다. 레이저로부터 기판의 후방 면까지 광자를 운반하는 렌즈가 사이에 있다. 5개 기판의 전방 표면 위에는 "인발 막대 하비스터(draw bar harvester)"가 있다. NT 성장이 일정 시간 동안 진행되면, 막대가 아래로 움직이고, 성장하는 NT 표면에 부착된 다음, 성장과 보조를 맞추어 올라간다. NT가 수확될 준비가 되면, 산업용 레이저가 기판 조립체 높이 위로, NT를 절단한다. 다음으로, 막대는 수확된 NT를 반응 챔버 밖으로 처리 위치까지 운반한다. 다른 바가 안으로 이동하고, 성장하는 NT의 상단을 획득하며, 공정이 계속된다.
도 7은, 자유 원자 나노튜브 성장 기술, 이 경우에 브로드팁 시스템을 위한 산업 공정의 다른 실시예의 부감도(overhead view)이다. 관절식 아암이 부착되고, 다시 모션 스테이지에 부착되는 브로드팁 조립체는, 브로드팁 조립체를 3차원으로 움직인다. 또한, 효율적으로 수직 NT를 증착시키기 위해, 브로드팁 조립체는 또한 두 축으로 회전한다. 두 개의 높아진 플랫폼과 도면의 경사진 표면은 수직 NT 및 NT 브리지 구조 특징을 용이하게 한다. 표면 위에 증착된 NT의 다양한 형태의 패턴은 본 발명자에 의해 구상된 바와 같이 이 시스템의 잠재적인 능력을 예시한다.
긴, highq NT의 산업 규모의 제조를 이룬다는 것은, 이들 재료가 점진적으로 풍부해지고 저렴하게 될 것임을 의미한다. CNT의 경우에, 이들의 주목할 만한 인장 강도와 전기적 특성으로, 기존 상품을 제조하는 새로운 방식이 개발될 것이고, 우수한 재료 특성을 사용하여 새로운 제품이 발명될 것이다. 아마도 모든 기존 재료를 인장 강도에서 한 자릿수 이상 초과하는, CNT 고강도 재료는 지상의 삶을 혁신적으로 변화시킬 것이다. 또한, 패턴화된 성장 기술로, 나노미터 스케일 길이에서 생성된 CNT 전기 부품은 더 작고, 더 낮은 전력의 집적 회로를 가능하게 할 것이고, 인간 사회를 변화시킬 것이다. 가장 극단적인 이익의 예는, 고강도 CNT가 우주 엘리베이터를 가능하게 하여, 강화된 지구 관측, 우주 기반 태양 에너지, 소행성 채광, 행성 방어, 및 우리 태양계의 달과 행성의 식민지화 형태로 인류에게 우주의 자원을 개방하는 것일 수 있다!
본 발명은 도면을 참조하여 기술된 바람직한 특정 실시예에 제한되지 않고, 첨부된 청구항 및 그 동등한 것에 한정된 바와 같이 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 변형이 이루어질 수 있음이 당업자에 의해 이해될 것이다.

Claims (20)

  1. 나노튜브 성장(nanotube growth)을 위한 장치에 있어서,
    공급원자(feedatom)를 이동하도록 유리시킬 수 있는 emrad를 방출할 수 있는 emrad 광원(emrad source);
    후방 면(back side)으로부터 전방 면(front side)까지 emrad를 전달할 수 있는 기판;
    상기 emrad를 흡수할 수 있는 상기 기판의 상기 전방 면 상의 공급층(feedlayer);
    emrad를 흡수하여, 이동하도록 유리될 수 있는 상기 공급층의 공급원자;
    공급원자로 나노튜브를 성장시킬 수 있는 상기 공급층의 상기 전방 면 상의 촉매 층; 및
    상기 공급층의 상기 전방 면에 인접한 환경인 ineratmo를
    포함하는, 나노튜브 성장을 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 촉매 층은 catpar로 대체되는, 나노튜브 성장을 위한 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 emrad 광원은 상기 후방 면보다 상기 전방 면으로부터 기판 조립체를 조명하는, 나노튜브 성장을 위한 장치.
  4. 제1항에 있어서, 공급보어(feedvoir)는 상기 공급층을 대체하는, 나노튜브 성장을 위한 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기판과 분리된 상기 emrad 광원은, 레이저, 발광 다이오드 램프, 형광등, 또는 백열등으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 나노튜브 성장을 위한 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 기판의 일부분으로서 제조된 상기 emrad 광원은, 발광 다이오드, 또는 레이저로 이루어진 군으로부터 선택되고; 추가 에너지 증폭은 상기 기판의 일부분으로서 제조된 광학 증폭기를 포함하는, 나노튜브 성장을 위한 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 공급원자는, 탄소; 규소; 붕소와 질소; 알루미늄과 질소; 또는 갈륨과 질소로 이루어진 나노튜브를 형성할 수 있는 재료의 군으로부터 선택되는, 나노튜브 성장을 위한 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 촉매 층은, 철, 니켈, 코발트, 구리, 금, 은, 백금, 팔라듐, 망간, 크롬, 주석, 마그네슘, 알루미늄, 이트륨, 바나듐, 몰리브덴, 레늄, 및 이들 금속의 합금의 군으로부터 선택된 재료를 포함하는, 나노튜브 성장을 위한 장치.
  9. 나노튜브 성장을 위한 브로드팁 시스템(broadtip system)에 있어서,
    제1항의 브로드팁 기판 조립체;
    상기 브로드팁 기판 조립체가 통합된 브로드팁 조립체;
    상기 브로드팁 조립체가 부착된 관절식 아암(articulated arm); 및
    상기 관절식 아암이 부착된 모션 스테이지(motion stage)를
    포함하는, 나노튜브 성장을 위한 브로드팁 시스템.
  10. 제9항에 있어서, catpar는 상기 촉매 층을 대체하는, 나노튜브 성장을 위한 브로드팁 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 상기 emrad 광원은 상기 후방 면보다 상기 전방 면으로부터 상기 기판 조립체를 조명하는, 나노튜브 성장을 위한 브로드팁 시스템.
  12. 제9항에 있어서, 공급보어는 상기 공급층을 대체하는, 나노튜브 성장을 위한 브로드팁 시스템.
  13. 제9항에 있어서, 상기 기판과 분리된 상기 emrad 광원은, 레이저, 발광 다이오드 램프, 형광등, 또는 백열등으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 나노튜브 성장을 위한 브로드팁 시스템.
  14. 제9항에 있어서, 상기 기판의 일부분으로서 제조된 상기 emrad 광원은, 발광 다이오드, 또는 레이저로 이루어진 군으로부터 선택되고; 추가 에너지 증폭은 상기 기판의 일부분으로서 제조된 광학 증폭기를 포함하는, 나노튜브 성장을 위한 브로드팁 시스템.
  15. 제9항에 있어서, 상기 공급원자는, 탄소; 규소; 붕소와 질소; 알루미늄과 질소; 또는 갈륨과 질소로 이루어진 나노튜브를 형성할 수 있는 재료의 군으로부터 선택되는, 나노튜브 성장을 위한 브로드팁 시스템.
  16. 제9항에 있어서, 상기 촉매 층은, 철, 니켈, 코발트, 구리, 금, 은, 백금, 팔라듐, 망간, 크롬, 주석, 마그네슘, 알루미늄, 이트륨, 바나듐, 몰리브덴, 레늄, 및 이들 금속의 합금의 군으로부터 선택된 재료를 포함하는, 나노튜브 성장을 위한 브로드팁 시스템.
  17. 나노튜브 성장을 위한 방법에 있어서,
    1) 원하는 조도(roughness)와 윤곽형성(contouring)을 갖도록 기판의 표면을 변형시키는 것을 포함하는, 기판을 제조하는 단계;
    2) 상기 기판 위에 공급층을 놓는 단계;
    3) 상기 공급층의 표면 위에 촉매의 박막을 놓아서 기판 조립체를 완성하는 단계;
    4) 어닐링에 의해 상기 촉매 박막으로부터 catpar를 형성하는 단계;
    5) 반응 챔버에 상기 조립체를 설치하고 상기 챔버를 밀봉하는 단계;
    6) 상기 반응 챔버의 대기를 ineratmo로 대체하는 단계;
    7) 상기 기판 조립체의 온도와 상기 ineratmo의 압력을 조절하는 단계;
    8) 성장 자리(growth site) 또는 catpar로 이동하도록 공급원자를 활성화시키기 위해 emrad 광원을 개시하는 단계; 및
    9) NT 성장 결과를 이루도록 일정 시간 간격 동안 시스템을 작동시키는 단계를
    포함하는, 나노튜브 성장을 위한 방법.
  18. 제17항에 있어서, 단계 4가 제거되는, 나노튜브 성장을 위한 방법.
  19. 나노튜브 성장을 위한 방법에 있어서,
    1) 적절한 크기 조정(sizing) 및 원하는 조도와 윤곽형성을 갖도록 기판의 표면을 변형시키는 것을 포함하는, 브로드팁 기판 조립체용 기판을 제조하는 단계;
    2) 상기 브로드팁 기판 위에 공급층을 놓는 단계;
    3) 상기 공급층의 표면 위에 촉매의 박막을 놓아서 상기 브로드팁 기판 조립체를 완성하는 단계;
    4) 상기 촉매 박막으로부터 catpar를 형성하는 단계;
    5) 상기 브로드팁 기판을 브로드팁 조립체에 설치하는 단계;
    6) 상기 브로드팁 조립체를 관절식 아암에 부착하는 단계;
    7) 상기 관절식 아암을 모션 스테이지에 부착시켜 브로드팁 시스템 구성을 완성하는 단계;
    8) 나노튜브의 패턴이 증착될 타깃 표면을 반응 챔버에 설치하는 단계;
    9) 전기 리드를 연결하는 것을 포함하는, 상기 반응 챔버에 상기 브로드팁 시스템을 설치하는 단계와 상기 챔버를 밀봉하는 단계;
    10) 상기 반응 챔버의 대기를 ineratmo로 대체하는 단계;
    11) 상기 브로드팁 기판 조립체의 온도와 상기 ineratmo의 압력을 조절하는 단계; 및
    12) 타깃 기판 위에 원하는 패턴을 증착시키기 위한 성장 및 모션을 개시시키기 위해, 자동화된 NT 성장 및 모션 제어 시스템을 개시시키는 단계를
    포함하는, 나노튜브 성장을 위한 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 단계 4가 제거되는, 나노튜브 성장을 위한 방법.
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