2. 발명의 상세기술

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탄소나노튜브의 제작방법

한국과학기술정보연구원 전 문 연 구 위 원 황 선 일 ([email protected])

1. 발명의 배경기술

○ 이 특허는 반응관의 내부에 설치한 기판 상에 탄소함유 원료가스를 도 입하고, 열CVD(화학기상증착)법에 의해 반응관의 내벽 또는 기판 상에 검댕(soot)이 퇴적되지 않으면서 탄소나노튜브(이하 CNT라 함) 박막을 형성할 수 있는 새로운 제작기술을 제공한다.

○ 종래부터 CNT의 제작방법으로는 탄화수소 등을 분해하여 CNT를 성장 시키는 CVD법이 널리 이용되고 있다.

– 열 CVD법을 이용한 CNT의 제작방법은 통상 기판이 설치된 반응관의 내부에 메탄이나 아세틸렌 등의 원료가스를 도입하고, 가열된 기판 상 에서 원료가스를 분해시킴으로써 배향 제어된 CNT를 성장시킨다.

– 종래의 열 CVD법에 의한 CNT 제작방법의 경우에는 반응관의 온도 가 원료가스의 열분해 온도 이상으로 되면 반응관의 내벽면 또는 기 판 상에 검댕이 퇴적되는 문제가 발생한다. 따라서 재현성을 양호하 게 성장시키기 위해서는 반응관 내의 상태를 일정하게 유지할 필요 가 있다.

2. 발명의 상세기술

○ 상기의 과제를 해결하기 위해, 이 발명에서는 반응관에 탄소함유의 원 료가스를 도입하고, 반응관의 내부에 설치한 기판의 표면에 열 CVD법 에 의해 CNT를 기상 성장시킬 때 반응관의 온도를 원료가스의 열분해 온도보다 낮은 온도로 유지하는 조건을 특징으로 하고 있다.

– 상기 조건은 반응관의 내벽이나 기판 상에 검댕의 퇴적을 방지할 수

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있을 뿐만 아니라 성막조건 및 CNT 성장상태의 변화를 방지할 수 있으므로 균질의 CNT를 제작하는 것이 가능하다.

– 상기 방법을 실현하기 위한 장치로는 종래의 머플로(muffle furnace) 와 같이 노벽을 가열하여 반응가스와 기판을 가열하는 형태의 반응 로는 적합하지 않으며, 기판만을 가열하는 적외선 가열로나 핫플레이 트 등의 형태가 적합하다.

– 반응관은 기판이나 기판 스테이지로부터의 복사 또는 가스로부터의 열전도에 의해 가열되지 않도록 기판 스테이지로부터 충분히 떨어지 게 하고, 냉각수 순환기구나 공기냉각 등으로 충분히 냉각 가능한 구 조로 구성할 필요가 있다.

○ 반응관의 온도는 원료가스의 열분해 온도보다도 충분히 낮은 온도로 유지할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 원료가스의 종류 에 따라 다르지만 원료가스로 탄화수소를 사용하는 경우에는 750℃ 이 하, 알코올의 경우에는 300℃ 이하의 온도를 유지한다. 물론, 같은 탄 화수소라도 메탄과 아세틸렌의 열분해 온도가 다르기 때문에 사용하는 가스종류에 적합하도록 반응관의 온도를 제어한다.

3. 발명의 실시 예

○ 반응관을 구성하는 재료는 특별히 한정되지는 않지만 Fe, Ni, Co 등의 전이금속은 탄화수소를 분해하는 촉매로 작용하기 때문에 비교적 저온 에서도 검댕이 발생하기 쉽다. 따라서 스테이지와 반응관의 내벽이 가 까운 경우에는 석영 등 촉매로서 작용하지 않는 재료가 유용하다.

– 제작 장치의 구성은 내경 100㎜의 석영 반응관의 주위에 적외선램프 를 배치하고, 적외선램프와 함께 석영 반응관을 냉각수로 냉각하였 다. 스테이지는 SiC로 된 제품이며, 크기는 50㎜각, 반응관의 내벽과 는 양측 25㎜씩 거리를 주어 설치하였다.

– CNT 박막 형성용 기판으로는 전자빔(EB) 증착(10^-4Pa, 1Å/s)에 의해 Fe를 5㎚ 두께의 막을 피복한 실리콘 기판을 사용하였다.

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– 실험조작은 대기압에서 질소가스를 1,000sccm 유량으로 공급하면서 기판온도를 700℃까지 상승시켰다. 기판온도가 700℃에 도달한 다음 에 300sccm 유량으로 아세틸렌을 도입하여 CNT를 제작하였다. 이 경우, 반응관의 내벽온도는 약 300℃ 정도로 유지하였다.

– 실험조작 후의 상태를 관찰한 결과, 반응관의 내벽에는 아세틸렌 분 해에 의한 검댕의 부착이 없었다. 또한, CNT의 성장상태도 양호하였 다. 결과적으로 상기 CNT의 제작방법은 반응관의 내벽이나 기판 상 에 검댕의 퇴적을 회피할 수 있기 때문에 박막형성조건 및 CNT의 성장상태의 변화가 방지되어 균질의 CNT를 얻는 것이 가능하다.

4. 특허청구의 범위

○ 본 특허의 청구범위는 반응관에 탄소함유 원료가스를 도입하고, 반응관 의 내부에 설치한 기판의 표면에 CNT를 성장시키는 CNT의 제작방법 에 있어서 다음과 같은 6개항의 특징으로 구성된다.

– CNT가 기상 성장할 때, ①반응관의 온도를 원료가스의 열분해 온도 보다 낮은 온도로 유지하는 것, ②반응관의 냉각을 냉매순환에 의한 것, ③기판의 가열은 반응관의 외부 주위에 설치한 적외선램프의 집 광조사에 의해 가열하는 것을 특징으로 한다.

– 또한, ④반응관은 석영으로 제작된 제품을 이용하는 것과 원료가스로 서, ⑤탄화수소가스를 사용하는 경우에는 반응관의 온도를 750℃ 이 하로 유지하는 것 및 ⑥알코올 가스를 이용하는 경우에는 300℃ 이 하의 온도를 유지하는 것을 특징으로서 청구하고 있다.

출처 : 株式會社アルバック, “カ-ボンナノチュ-ブの作製方法”, ⌜日本公開特許(日本)⌟ 2008,

pp.1~8

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◁전문가 제언▷

○ 탄소나노튜브(CNT)는 1991년 NEC의 S. Iijima에 의해 발견된 이후, 그 의 특이한 형상과 성질 때문에 근년 나노기술 분야를 중심으로 하여 반도체나 의료, 바이오 등의 다양한 분야에서의 응용이 진척되고 있다.

CNT의 응용분야로는 CNT가 큰 종횡비(aspect ratio)를 가지는 동시에 끝부분의 곡률반경이 매우 작기 때문에 주사형 프로브현미경 탐침이나 전계방출원의 용도가 가능하다. 또한, CNT는 기하학적인 구조의 특징 에 더하여 매우 경량이면서 탄성률이 대단히 크기 때문에 나노전기기 계시스템(NEMS) 등의 구축 부품재료로서도 기대되고 있다.

○ CNT의 최초 제법은 아크 방전법이었으나 근년 가장 상업적으로 매력 적인 제법은 CVD법이다. 화학적 합성법으로는 촉매에 의한 화학기상 증착(CCVD)법이 CVD법보다 우수한 실험결과를 나타내고 있다. 본 특 허에서는 반응관의 내부에 설치한 기판의 표면에 열 CVD법에 의해 CNT를 기상 성장시킬 때 반응관의 온도를 원료가스의 열분해 온도보 다 낮은 온도를 유지함으로써 반응관의 내벽면 또는 기판 상에 검댕이 퇴적되는 종래의 문제를 해결하였다. 이 방법에 의해 균질의 CNT를 합성하는 것이 가능할 것으로 보인다.

○ CNT는 현재 개발단계에서 응용단계로 넘어가고 있는 성장기술이라 할 수 있다. 본격적인 경제성을 갖기 위해서는 주변기술과 응용기술의 개 발을 통한 기술적 한계의 극복과 고부가가치화 및 대량생산에 의한 생 산수율의 확보가 선행되어야 한다. 현재 핵심기술에서 응용기술로 진입 하는 단계로 아직 시장규모는 미미한 상황이다. 우리나라의 반도체 기 술이 세계의 선두주자이므로 이를 융합함으로써 CNT 시장의 확대가 기대된다.

○ 나노기술은 복합기술로서 여러 기술 분야가 융합되어야 하는 특징이 있으므로 연구의 효율화를 위해서는 산학연간, 학제간의 전문가들이 컨소시엄 형태로 완전히 밀착되어 연구개발 내용을 상호 공유함으로써 시너지효과를 얻을 수 있는 체계로 운영되는 것이 바람직하다.