나노소재공학실험 | SWNT 합성 - Single-Walled Carbon Nanotubes

 

 

 

TIP

 

 

1. CNT의 배경과 CNT를 합성조건, 성장법을 이해하고 CNT합성 방법에 대해 공부하고 CNT를 합성한다. 또 이 CNT를 응용단계를 알아간다.
2. Spin-coating과 E-beam 합성에 대하여 알아간다.

 

 

 

탄소의 동소체(allotrope)의 하나인 Fullerence(탄소원자 60개가 모인것)을 1985년에 Kroto와 Smalley가 처음으로 발견한 후, 1991년 일본전기주식회사(NEC) 부설 연구소의 Iijima박사가 전기방전법(Are-Discharge)을 사용하여 흑연 음극 상에 형성시킨 탄소덩어리를 TEM으로 분석하는 과정에서 가늘고 긴 대롱 모양의 탄소 나노 튜브를 발견하여 Nature에 처음으로 발표하였다.

 

 

이 탄소 나노튜브는 흑연판(Graphite sheet)이 나노크기의 직경으로 둥글게 말린 형태이며, 그 직경이 나노미터(㎚=10억분의 1미터)수준으로 극히 작은 영역의 물질을 말한다(그림1).탄소 나노튜브는 구조에 따라 한 겹으로 된 단일벽 탄소나노튜브(Single-Walled carbon nanotube), 여러 겹의 탄소 나노튜브가 동심원 상을 이루는 다증벽 탄소 나노튜브(multi-Walled carbon nanotube)로 크게 분류되며, 단일벽 탄소 나노튜브들이 상호 인력으로 모인 다발형 나노튜브(roped nanotube)도 존대한다.

 

단일벽 탄소 나노튜브의 전기적 특성은 흑연판이 말리는 각도에 따라 금속성과 반도체 성을 가질 수 있다는 점이다. 탄소 나노튜브는 말린 각도에 따라 armchair, zigzag, chiral 타입으로 나눌 수 있는데 armchair 나노튜브는 금속성을, zigzag 나노튜브는 갭이 작은 반도체이거나 반금속 성질을, chiral 나노튜브는 반도체 특성을띤다(그림2).

 

 

다이아몬드와 흑연, 플러렌 등이 동소체에 속하며(그림 3), 단일벽 탄소 나노튜브는 단순히 흑연판 한 층을 말아 놓은 구조로 직경이 0.5～3㎚이며 이중벽 탄소 나노튜브는 단일벽 탄소 나노튜브 두층이 동심축을 이룬 형태로 직경이 1.4～3㎚에 이른다. 다중벽 탄소 나노튜브는 벽수가 3～15겹의 층을 이루며 직경은 5～100㎚에 이른다.

 

 

1997년에 미국에서 세계 10대 hot 연구과제에 선정되었고, 탄소 나노튜브의 합성기술은 1998년을 기점으로 기존의 전기방전법(Arc-Discharge)이나 레이저 증착법(Laser Vaporization)으로부터 화학기상 증착법(Chemical Vapor Desposition)으로 급격히 전환되었다. 탄소 나노튜브의 고품질 수직배향합성과 전자전계 방출특성에 관한 연구가 활성화되기 시작하여 광범위한 영역에서 소자 및 부품, 재료의 미세화 및 정밀화 등 미래 산업의 신소재로 현재까지 많은 연구개발이 진행되고 있다.

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실험 방법

1. CNT 합성을 위한 Spin Coating 과 E-beam

먼저 이 실험에서 가장 중요한 실험 방법인 Spin coating과 E beam에 대해서 알아보자 이 공정은 샘플을 만들기 위한 샘플제조공정이다.

 

1) Spin Coating

수십 년 동안 박막 필름에는 스핀 코팅이 사용되어 왔다. 이 프로세스에서는 보통 소량의 액체 수지를 기판의 중앙에 증착시킨 다음고속(약 3000rpm)으로 기판을 회전시키는 방법을 사용한다. 구심성 가속으로 대부분의 수지가 기판의 가장자리까지 퍼져나가게 되면, 얇은 막의 수지가 표면에 코팅된다. 최종적인 필름 두께와 기타 특성은 수지의 속성(점성, 건조율, 응고율, 표면 장력 등)과 스핀 프로세스에 선택된 매개변수에 따라 달라지게 된다. 스핀 속도, 가속 및 가스 배출과 같은 요인들이 코팅된 필름의 특성을 정의하는 데 영향을 미친다.

 

 

 

2) 전자빔 증착법 (E-beam deposition method)

evaporation은 chamber 안을 먼저 진공상태로 만든 후 증착하고자하는 증발 원을 전자빔으로 가열해서 기판위에 증발 원을 증착시키는 방법이다. 증발에너지는 전자빔을 사용하고 표면개질을 위한 표면에너지를 제공하기 위해서 Ion source가 필요하다. 그림의 상단부에 있는 것은 기판을 장착시킬 수 있는 Dome이고 왼쪽 하단부에 있는 것은 Ion source이고 오른쪽 하단부에 있는 것은 전자빔이다.

 

3) 그 밖의 또 다른 방법

① 플라즈마 이온 주사법(Plasma Ion bombardment) : 진공관 내의 잔류 가스가 이온화하여 전극에 충격을 주는 것으로, E-beam deposition 방법과는 다르게 외부의 전압으로부터 잔류 가스가 전기적으로 해리 되어 플라즈마를 형성하고 이 플라즈마의 이온이 타겟에 충격을 가하여 원자를 떨어뜨려 기판에 증착시키는 방법이다.

 

 

 

[나노소재공학실험]SWNT 합성 레포트