KR100679620B1 - Ａｆｍ 나노튜브 탐침의 제조 방법 및 그러한 방법에 의해제조되는 ａｆｍ 나노튜브 탐침 - Google Patents

Abstract

본 발명은 AFM(Atomic Force Microscope)의 나노튜브 탐침(nanotube-probe)의 제조 방법 및 그러한 방법에 의해 제조되는 나노튜브 탐침에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 나노튜브가 부착되는 탐침의 팁(tip)과 나노튜브 사이의 이종접합(heterojunction)에 의해 나노튜브가 탐침의 팁에 보다 견고하게 고착되고, 이종접합에 의해 탐침과 나노튜브 사이의 전도성을 개선 수 있으며, 기존의 나노튜브 탐침과는 달리 탐침의 팁에 부착되는 나노튜브에 불순물이 부착되는 것을 근원적으로 방지하여 기존의 나노튜브 탐침보다 우수한 스캐닝 영상을 얻을 수 있는, AFM의 나노튜브 탐침의 제조 방법 및 그러한 방법에 의해 제조되는 나노튜브 탐침에 관한 것이다. 본 발명에 따른 AFM의 나노튜브 탐침의 제조 방법은, 상기 나노튜브를 상기 탐침의 팁(tip)에 부착시키는 단계와, 상기 나노튜브가 부착된 상기 탐침을 금속 기판 위에 올려 놓는 단계와, 상기 탐침이 올려져 있는 상기 금속 기판에 레이저(laser)를 조사하여 상기 금속 기판을 가열하는 단계를 포함한다.

Description

ＡＦＭ 나노튜브 탐침의 제조 방법 및 그러한 방법에 의해 제조되는 ＡＦＭ 나노튜브 탐침{METHOD FOR FABRICATING AFM NANOTUBE PROBE AND AFM NANOTUBE PROBE THEREBY}

도 1a는 일반적인 AFM에 사용되는 탐침을 나타내는 도면.

도 1b는 도 1a의 AFM 탐침의 팁에 나노튜브가 부착된 것을 나타내는 도면.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 AFM 나노튜브 탐침의 제조 방법의 일 단계를 구현하기 위해 나노튜브가 부착된 상태로 금속 기판에 올려져 있는 AFM 나노튜브 탐침을 도시한 도면.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 AFM 나노튜브 탐침의 제조 방법에 사용될 수 있는 진공 또는 불활성 기체 환경을 제공하기 위한 장치의 일 실시예를 나타내는 도면.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 AFM 나노튜브 탐침의 제조 방법을 구현하기 위한 장치의 개략도를 나타내는 도면.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : AFM 탐침 11 : 캔틸레버

12 : 팁 13 : 나노튜브

20 : AFM 나노튜브 탐침 21 : 금속 기판

22 : 레이저 31, 41 : 챔버

32 : 반사판 42 : UV 램프

본 발명은 AFM(Atomic Force Microscope)의 나노튜브 탐침(nanotube-probe)의 제조 방법 및 그러한 방법에 의해 제조되는 나노튜브 탐침에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 나노튜브가 부착되는 탐침의 팁(tip)과 나노튜브 사이의 이종접합(heterojunction)에 의해 나노튜브가 탐침의 팁에 보다 견고하게 고착되고, 이종접합에 의해 탐침과 나노튜브 사이의 전도성을 개선할 수 있으며, 기존의 나노튜브 탐침과는 달리 탐침의 팁에 부착되는 나노튜브에 불순물이 부착되는 것을 근원적으로 방지하여 기존의 나노튜브 탐침보다 우수한 스캐닝 영상을 얻을 수 있는, AFM의 나노튜브 탐침의 제조 방법 및 그러한 방법에 의해 제조되는 나노튜브 탐침에 관한 것이다.

AFM은 원자 수준의 3차원 표면 영상을 얻을 수 있는 나노 스케일의 기술분야에서 매우 강력하고 유용한 장비이다. 시료의 3차원 표면 영상을 얻기 위한 AFM에 사용되는 탐침(probe)은 일반적으로 실리콘(silicon)을 그 재질로 하여 반도체 미세 가공 기술(semiconductor micromachining technique)에 의해 제조된다.

그런데, 원자 수준의 3차원 표면 영상의 분해능을 보다 향상시키기 위해서는 AFM에 사용되는 탐침의 선단부, 즉 팁(tip)을 첨예화할 필요성이 있지만, 기존의 탐침의 제조 방법인 반도체 미세 가공 기술로는 팁의 첨예화, 즉 탐침의 종횡비(aspect ratio)를 높이는 데는 어느 정도 한계가 있었다.

반도체 미세 가공 기술의 한계를 넘어 탐침의 종횡비를 높이고자 하는 시도는 탄소나노튜브(carbon-nanotube)의 발견으로 일대 전환점을 맞게 되었다. 즉, 우수한 기계적 특성과 전도성, 그리고 반도체 미세 가공 기술로는 도달할 수 없는 종횡비를 갖는 탄소나노튜브를 탐침의 팁에 부착시키고자 하는 시도가 이루어졌다.

발명의 명칭이 "전자장치의 표면신호조작용 프로우브 및 그 제조방법"인 한국등록특허 제0398276호는 그와 같은 시도의 일환으로 이루어진 기술적인 구성을 개시하고 있다. 즉, 한국등록특허 제0398276호는 탐침의 팁에 나노튜브를 접근시켜 부착시킨 후 전자빔을 탐침의 팁과 나노튜브가 부착된 부분에 조사함으로써 부착 부위에 코팅막을 형성하여 AFM을 포함하는 SPM(Scanning Probe Microscope)의 탐침의 제조 방법을 개시하고 있다.

그러나, 이와 같은 방법 또는 이와 같은 방법으로 제조되는 SPM용 탐침은 다음과 같은 기술적인 문제점을 가지고 있다.

즉, 전자빔에 의해 형성되는 코팅막은 반응성의 코팅 가스가 전자빔에 의해 분해되어 탐침의 팁과 나노튜브가 부착된 부분에 형성되지만, 이러한 과정에서 부착 부위 이외의 나노튜브 부분에도 불필요한 불순물이 쌓여 탐침의 팁에 부착되는 나노튜브의 기계적인 탄성 특성을 왜곡시켜 이상적인 나노튜브 탐침을 제조할 수 없는 문제점이 있다.

또한, 전자빔에 의해 형성되는 코팅막의 형성은 단순히 나노튜브를 탐침의 팁에 고착시키는 역할만을 할 뿐이므로 탐침의 팁과 나노튜브 사이의 전도성의 증진에는 아무런 역할을 할 수 없는 문제점이 있다. 이러한 문제점은 특히, 리소그라피(lithography)용 탐침을 제조하는 경우에 코팅막의 형성 공정 이외의 추가적인 공정이 필요하게 되므로 그 제조 비용이 증가하게 되는 문제로 비화하게 된다.

그리고, 나노튜브 탐침을 제조하는 경우에 전자빔에 의한 코팅막의 형성으로는 나노튜브와 탐침 사이의 결합 강도를 보장할 수 없는 문제점이 제기될 수도 있다.

따라서, 종래기술이 안고 있는 이러한 다양한 문제점을 극복할 수 있는 새로운 유형의 나노튜브 탐침의 제조 방법 및 그러한 방법에 의해 제조되는 나노튜브 탐침의 필요성이 존재한다.

본 발명의 목적은 나노튜브가 부착되는 탐침의 팁과 나노튜브 사이의 결합 강도를 증진시킬 수 있는 AFM 나노튜브 탐침의 제조 방법 및 그러한 방법에 의해 제조되는 AFM 나노튜브 탐침을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 나노튜브가 부착되는 탐침의 팁과 나노튜브 사이의 전도성을 개선할 수 있는 AFM 나노튜브 탐침의 제조 방법 및 그러한 방법에 의해 제조되는 AFM 나노튜브 탐침을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 나노튜브의 탐침의 제조 과정에서 결합 부위 이외의 나노튜브에 불필요하게 부착되는 불순물을 근원적으로 방지하여 이상적인 나노튜브 탐침을 제조가 가능한 AFM 나노튜브 탐침의 제조 방법 및 그러한 방법에 의 해 제조되는 AFM 나노튜브 탐침을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 나노튜브를 탐침의 팁(tip)에 부착시키는 제 1 단계와, 상기 나노튜브가 부착된 상기 탐침을 금속 기판 위에 올려 놓는 제 2 단계와, 상기 탐침이 올려져 있는 상기 금속 기판에 레이저(laser)를 조사하여 상기 금속 기판을 가열하는 제 3 단계를 포함하는 AFM의 나노튜브 탐침의 제조 방법에 의해 달성된다.

상기 제 3 단계는 상기 레이저가 상기 금속 기판을 가열함에 따라 상기 금속 기판으로부터 상기 탐침으로의 열전도가 이루어져 상기 탐침의 팁에 부착된 상기 나노튜브가 상기 탐침의 팁과 이종접합(heterojunction)을 형성하여 상기 나노튜브가 상기 탐침의 팁에 고착되는 것을 특징으로 한다.

또한, 적어도 상기 제 1 단계는 전자 현미경(electron microscope) 내에서 수행되는 것이 바람직하며, 상기 AFM의 탐침은 실리콘(silicon)으로 구성되고, 상기 나노튜브는 탄소나노튜브(carbon-nanotube)인 것이 바람직하다.

또한, 적어도 상기 제 3 단계는 진공(vacuum) 또는 불활성 기체 환경(inert gas atmosphere)에서 수행된다.

본 발명의 목적은 또한 나노튜브가 탐침의 팁에 부착된 상태에서 상기 나노튜브가 부착된 상기 탐침을 금속 기판에 올려 놓은 후, 상기 탐침이 올려져 있는 상기 금속 기판에 레이저를 조사하여 상기 금속 기판을 가열함으로써 상기 금속 기판으로부터 상기 탐침으로의 열전도에 의해 상기 탐침의 팁에 부착된 상기 나노튜 브가 상기 탐침의 팁과 이종접합을 이루도록 하여 상기 나노튜브를 상기 탐침의 팁에 고착시킨 것을 특징으로 하는 AFM의 나노튜브 탐침에 의해 달성될 수 있다.

그리고, 본 발명의 목적은 나노튜브를 탐침의 팁에 부착시키는 단계와, 진공 또는 불활성 기체 환경에서 상기 나노튜브가 부착된 탐침을 UV 램프(ultraviolet lamp)로 복사 가열하여 상기 탐침의 팁에 부착된 상기 나노튜브가 상기 탐침의 팁과 이종접합을 형성하도록 함으로써 상기 나노튜브를 상기 탐침의 팁에 고착시키는 단계를 포함하는 AFM의 나노튜브 탐침의 제조 방법에 의해서도 달성될 수 있다.

지금부터 단지 예시로서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1a는 일반적으로 실리콘을 재질로 하여 반도체 미세 가공 기술에 의해 제조되는 AFM용 탐침(10)을 도시한 것이고 도 1b는 탐침의 팁에 나노튜브(13)가 부착되어 고착된 AFM 나노튜브 탐침(20)을 도시한 것이다. 도 1a에 도시된 바와 같이 AFM 탐침은 캔틸레버(11), 캔틸레버(11)의 아래쪽으로 뻗은 팁(12)으로 구성된다.

도 1b에 도시되어 있듯이, 앞서 언급한 한국등록특허 제0398276호 등에 개시되어 있는 바와 같이 나노튜브 탐침(20)은 원뿔 또는 피라미드 형으로 미세 가공된 탐침의 팁의 선단부에 나노튜브(13)를 부착시킨 후 전자빔 등을 부착 부위에 조사하여 코팅막(14)을 형성하여 나노튜브를 탐침의 팁에 고착시켜 제조된다.

한국등록특허 제0398276호는 앞서 언급한 기술적인 문제점을 갖고 있으므로 본 발명의 발명자는 그러한 기술적인 문제점을 극복할 수 있는 새로운 방식의 AFM의 나노튜브 탐침의 제조 방법을 창안하게 되었다.

본 발명의 일 실시예에 따른 AFM 나노튜브 탐침의 제조 방법은 나노튜브를 AFM의 탐침의 팁에 부착시키는 단계, 나노튜브가 부착된 AFM 탐침을 금속 기판 위에 올려 놓는 단계, 그리고 나노튜브가 부착된 탐침이 올려져 있는 금속 기판에 레이저를 조사하여 금속 기판을 가열하는 단계로 구성된다.

각 단계를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

나노튜브 더 구체적으로는 탄소나노튜브를 AFM 탐침에 부착시키는 단계는, 단지 예시적으로 발명의 명칭이 "주사형 탐침 현미경용 나노니들팁과 그 제조 장치 및 제조방법"인 본 발명의 출원인에 의해 출원된 한국특허출원번호 제10-2002-0052591호에 개시되어 있듯이 나노튜브 카트리지를 만들어 나노니들 조작기(nanoneedle manipulator)를 이용하여 AFM 탐침의 팁에 나노튜브를 부착시키는 과정으로 이루어질 수 있다.

이 과정에서 나노튜브는 AFM 탐침의 팁과 나노튜브 사이의 반 데르 발스 힘(van der Waals force)에 의해 나노튜브 카트리지에서 AFM의 탐침의 팁으로 전이하게 된다. 이렇게 나노튜브를 AFM 탐침에 부착시키는 단계는 전자 현미경(electron microscope), 더 구체적으로는 주사형 전자 현미경(Scanning Electron Microscope) 내에서 직접 관찰하면서 수행하는 것이 바람직하다.

반 데르 발스 힘에 의해 나노튜브가 AFM의 탐침에 부착된 상태에서, 도 2에 도시된 바와 같이 나노튜브(13)가 부착된 AFM 탐침(20)을 금속 기판(21) 위에 올려 놓는다.

그 후 도 2에 도시된 바와 같이 금속 기판(21)에 레이저(22)를 조사하여 금 속 기판(21)을 가열하게 된다. 레이저(22)에 의해 금속 기판(21)을 가열하게 되면, 금속 기판(21)으로부터 나노튜브(13)가 부착된 탐침으로의 열전도가 이루어져 실리콘으로 이루어진 탐침의 팁(12)과 탄소로 구성된 나노튜브(13) 사이의 고체-고체 반응(solid-solid reaction)에 의해 AFM 탐침의 팁(12)과 나노튜브(13) 사이에 이종접합(hetrojunction)이 형성되어 탄소나노튜브가 실리콘으로 구성된 AFM 탐침의 팁에 고착되게 된다.

이 과정에서 나노튜브 또는 탐침이 산화되는 것을 방지하기 위해 레이저를 이용한 금속 기판의 가열 과정은 진공 또는 불활성 기체 환경에서 수행되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 AFM 탐침의 제조 방법에는 CO₂ 레이저, YAG 레이저, Ar-ion 레이저, 또는 Excimer 레이저 등이 이용될 수 있다.

도 3은 그러한 진공 또는 불활성 기체 환경을 제공하기 위한 장치의 일 실시예를 나타내는 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이 챔버(chamber)(31)를 진공 상태 또는 불활성 기체로 채워 넣은 상태에서 윈도우(33)를 통해 레이저(22)를 반사판(32)으로 조사하면 반사판(32)을 통해 레이저 빔은 금속 기판(21)을 가열하게 된다. 레이저 빔에 의해 이렇게 금속 기판(21)이 가열되게 되면 금속 기판(21) 위에 놓여져 있는 나노튜브(13)가 부착된 AFM 탐침(20)은 고체-고체 반응에 의해 나노튜브(13)가 탐침의 팁(12)에 고착되게 된다.

본 발명의 발명자의 실험에 따르면 탄소나노튜브와 실리콘으로 이루어진 탐 침의 탑 사이의 고체-고체 반응에는 대략 700^oC 내지 1000^oC의 온도가 필요하고 가열 시간은 10분 내지 20분 정도가 바람직하다는 것을 알 수 있었다. 금속 기판은 그러한 온도를 견딜 수 있는 텡스텐 등이 바람직하다.

도 2 또는 도 3에는 하나의 AFM 탐침이 금속 기판에 올려져 있는 것이 도시되어 있지만, 제조 수율 등을 고려하여 여러 개의 탐침을 금속 기판 위에 올려 놓은 후 레이저로 금속 기판을 가열하여 대량으로 AFM의 나노튜브 탐침을 제조할 수도 있다.

레이저를 사용하지 않는 본 발명에 따른 다른 실시예를 설명하면 다음과 같다.

앞서 언급한 방식 등으로 탄소나노튜브를 AFM 탐침의 팁에 부착시킨 후, 진공 또는 불활성 기체 환경에서 나노튜브가 부착된 탐침을 UV 램프로 복사 가열하여 탐침의 팁에 부착된 나노튜브가 고체-고체 반응에 의해 탐침의 팁과 이종접합을 형성하도록 함으로서 나노튜브를 탐침의 팁에 고착시킴으로써, AFM의 나노튜브 탐침을 제조할 수도 있다.

도 4는 그러한 과정을 실행하기 위한 예시적인 장치를 도시한 것이다. 도 4를 통해 알 수 있는 바와 같이 진공 또는 불활성 기체가 찬 챔버(41) 내에서 반 데르 발스 힘에 의해 나노튜브가 부착된 탐침(20)을 UV 램프(42)로 복사 가열하게 되면, 고체-고체 반응에 의해 탄소나노튜브(13)와 실리콘으로 이루어진 탐침의 팁(12) 사이의 이종접합에 의해 전도성과 부착 강도가 높은 AFM의 탐침(20)의 제조가 가능하다.

이와 같은 과정으로 제조되는 AFM 나노튜브 탐침은 전자빔을 이용한 것과는 달리 탄소나노튜브에 불필요한 불순불이 부착되지 않으므로 이상적인 나노튜브 탐침의 제조가 가능하며, 고체-고체 반응에 의해 탐침과 나노튜브 사이의 전도성을 개선하여 리소그라피용 탐침의 제조가 가능하며, 아울러 고체-고체 반응에 의해 보다 우수한 고착 강도를 갖는 나노튜브 탐침의 제조가 가능하다.

본 발명은 또한 앞서 설명한 제조 방법에 따라 제조되는 AFM의 팁에 관한 것이다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 AFM 나노튜브 탐침은 탄소나노튜브를 실리콘으로 구성되는 AFM 탐침의 팁에 부착한 상태에서 금속 기판 위에 올려 놓은 후, 진공 또는 불활성 기체 환경에서 금속 기판에 레이저를 조사하여 금속 기판을 가열함으로써 금속 기판으로부터 탄소나노튜브가 부착된 AFM 탐침으로 열전도가 이루어져 탄소나노튜브와 실리콘으로 이루어진 AFM 탐침의 고체-고체 반응에 의해 나노튜브와 탐침의 팁 사이에 이종접합을 형성함으로써 나노튜브를 탐침의 팁에 고착시키게 된다.

지금까지 본 발명에 관한 바람직한 실시예가 설명되었다. 그러나, 이제까지 설명된 실시예는 단지 예시로서만 받아들여야 한다. 즉, 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 다양한 변형을 도출해 낼 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적인 권리 범위는 첨부된 청구항에 의해서만 해석되어야 한다.

본 발명은 나노튜브가 부착되는 탐침의 팁과 나노튜브 사이의 이종접합에 의 해 나노튜브가 탐침의 팁에 보다 견고하게 고착되고, 이종접합에 의해 탐침과 나노튜브 사이의 전도성을 개선 수 있으며, 기존의 나노튜브 탐침과는 달리 탐침의 팁에 부착되는 나노튜브에 불순물이 부착되는 것을 근원적으로 방지하여 기존의 나노튜브 탐침보다 우수한 스캐닝 영상을 얻을 수 있는, AFM의 나노튜브 탐침의 제조 방법 및 그러한 방법에 의해 제조되는 나노튜브 탐침을 제공하는 등의 효과가 있다.

Claims (11)

1. AFM(Atomic Force Microscope)의 나노튜브 탐침(nanotube probe)을 제조하는 방법으로서,

   상기 나노튜브를 상기 탐침의 팁(tip)에 부착시키는 제 1 단계와,

   상기 나노튜브가 부착된 상기 탐침을 금속 기판 위에 올려 놓는 제 2 단계와,

   상기 탐침이 올려져 있는 상기 금속 기판에 레이저(laser)를 조사하여 상기 금속 기판을 가열하는 제 3 단계를 포함하는,

   AFM의 나노튜브 탐침의 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제 3 단계는 상기 레이저가 상기 금속 기판을 가열함에 따라 상기 금속 기판으로부터 상기 탐침으로의 열전도가 이루어져 상기 탐침의 팁에 부착된 상기 나노튜브가 상기 탐침의 팁과 이종접합(heterojunction)을 형성하여 상기 나노튜브가 상기 탐침의 팁에 고착되는 것을 특징으로 하는,

   AFM의 나노튜브 탐침의 제조 방법.
3. 제 2항에 있어서,

   적어도 상기 제 1 단계는 전자 현미경(electron microscope) 내에서 수행되 는 것을 특징으로 하는,

   AFM의 나노튜브 탐침의 제조 방법.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 AFM의 탐침은 실리콘(silicon)으로 구성되고, 상기 나노튜브는 탄소나노튜브(carbon-nanotube)인 것을 특징으로 하는,

   AFM의 나노튜브 탐침의 제조 방법.
5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   적어도 상기 제 3 단계는 진공(vacuum) 또는 불활성 기체 환경(inert gas atmosphere)에서 수행되는 것을 특징으로 하는,

   AFM의 나노튜브 탐침의 제조 방법.
6. AFM의 나노튜브 탐침으로서,

   상기 나노튜브가 상기 탐침의 팁에 부착된 상태에서 상기 나노튜브가 부착된 상기 탐침을 금속 기판에 올려 놓은 후, 상기 탐침이 올려져 있는 상기 금속 기판에 레이저를 조사하여 상기 금속 기판을 가열함으로써 상기 금속 기판으로부터 상기 탐침으로의 열전도에 의해 상기 탐침의 팁에 부착된 상기 나노튜브가 상기 탐침의 팁과 이종접합을 이루도록 하여 상기 나노튜브를 상기 탐침의 팁에 고착시킨 것을 특징으로 하는,

   AFM의 나노튜브 탐침.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 AFM의 탐침은 실리콘으로 구성되고, 상기 나노튜브는 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는,

   AFM의 나노튜브 탐침.
8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,

   상기 레이저에 의한 상기 금속 기판의 가열은 진공 또는 불활성 기체 환경에서 수행되는 것을 특징으로 하는,

   AFM의 나노튜브 탐침.
9. AFM의 나노튜브 탐침을 제조하는 방법으로서,

   상기 나노튜브를 상기 탐침의 팁에 부착시키는 단계와,

   진공 또는 불활성 기체 환경에서 상기 나노튜브가 부착된 탐침을 UV 램프(ultraviolet lamp)로 복사 가열하여 상기 탐침의 팁에 부착된 상기 나노튜브가 상기 탐침의 팁과 이종접합을 형성하도록 함으로써 상기 나노튜브를 상기 탐침의 팁에 고착시키는 단계를 포함하는,

   AFM의 나노튜브 탐침의 제조 방법.
10. 제 9항에 있어서,

    적어도 상기 부착 단계는 전자 현미경 내에서 수행되는 것을 특징으로 하는,

    AFM의 나노튜브 탐침의 제조 방법.
11. 제 9항 또는 제 10항에 있어서,

    상기 AFM의 탐침은 실리콘으로 구성되고, 상기 나노튜브는 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는,

    AFM의 나노튜브 탐침의 제조 방법.

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