KR100697323B1

KR100697323B1 - 나노 팁 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR100697323B1
Application number: KR1020050076283A
Authority: KR
Inventors: 한창수; 박준기
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2005-08-19
Filing date: 2005-08-19
Publication date: 2007-03-20
Also published as: KR20070021711A; US20070114457A1; US7442926B2

Abstract

본 발명은 일반적으로 표면신호나 화학적 신호를 검출하는 기계적, 물리적 및 전기적 장치 또는 에너지 빔을 조사하는 소스(Source)로서 활용이 가능한 나노 팁과 이의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 나노 팁의 제조방법은, 일단이 상기 기계적 또는 전기적 장치에 고정되는 지지홀더를 제공하는 단계와, 상기 지지홀더의 자유단에 탄소나노튜브(carbon nanotube)를 부착하는 단계와, 상기 탄소나노튜브에 에너지 빔을 조사(照射)하여 성질 또는 형상을 변경시키는 단계를 포함한다.

탄소나노튜브가 부착된 탄소나노튜브 팁을 에너지 빔을 이용해 길이와 직경, 끝단의 형상 등을 조절하여 견고하고 수직성이 향상된 나노 팁을 제작하여 종래의 프로브보다 안정적으로 샘플의 정보를 반복성 있게 재현할 수 있으며, 팁 간의 편차를 최대한 줄일 수 있는 효과가 있다.

프로브, 탄소나노튜브, 탄소 팁, 에너지 빔, 나노 팁

Description

나노 팁 및 이의 제조방법{NANO TIP AND FABRICATION METHOD OF THE SAME}

도 1은 탄소나노튜브 나노 팁의 구조를 설명하기 위해 도시한 개략도이다.

도 2의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노 팁 제조방법에서 수직성 개선을 위해 에너지 빔을 이용하는 공정을 도시한 개략도이다.

도 3의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제2 실시예에 따른 나노 팁 제조방법에서 절단을 위해 에너지 빔을 이용하는 공정을 도시한 개략도이다.

도 4의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제3 실시예에 따른 나노 팁 제조방법에서 절단을 위해 에너지 빔을 이용하는 공정을 도시한 개략도이다.

도 5의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노 팁 제조방법에서 집속 이온빔의 조사에 따라 수직성, 표면상태, 끝단의 형상이 변경되는 모습을 나타낸 사진이다.

도 6의 (a) 및 (b)는 도 2에 도시한 공정에 따라 이온빔을 조사하여 탄소나노튜브의 형상을 변경한 나노 팁의 일례를 나타낸 사진이다.

도 7의 (a) 및 (b)는 도 2에 도시한 공정에 따라 이온빔을 조사하여 탄소나노튜브의 형상을 변경한 나노 팁의 다른 예를 나타낸 사진이다.

도 8의 (a) 내지 (d)는 도 3에 도시한 공정에 따라 절단한 나노 팁의 모습을 나타낸 사진이다.

도 9의 (a) 및 (b)는 도 4에 도시한 공정에 따라 절단한 나노 팁의 모습을 나타낸 사진이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10, 12, 13, 16, 17, 18, 19 : 탄소나노튜브

10', 12', 13' : 변형된 탄소나노튜브(또는 나노막대)

20 : 지지 홀더 21 : 실리콘 팁

30, 32 : 이온빔

본 발명은 일반적으로 표면신호나 화학적 신호를 검출하는 기계적, 물리적 및 전기적 장치 또는 에너지 빔을 조사하는 소스(Source)로서 활용이 가능한 나노 팁의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 기계적 및 화학적 작용을 검출할 수 있도록 하는 주사 탐침 현미경(SPM, Scanning Probe Microscope)의 프로브 니들(needle)로서 사용될 수 있으며, 이외에도 화학적 센서, 바이오 센서에 응용될 수 있는, 대부분이 탄소 물질을 기준으로 구성된 니들형태의 나노 프로브와 X-ray, 전자빔(electron beam) 등을 조사할 수 있는 냉음극원(cold cathode source)과 같은 에너지 빔 소스로 활용 가능한 나노 팁 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

'주사 탐침 현미경'은 프로브에 달린 프로브 팁에 의해 샘플 표면상의 원자로부터 물리적 화학적 반응을 검출하는 현미경이다. 이 프로브 팁은 물리적 화학적 반응을 검출하는 센서의 역할을 하게 되며, 프로브의 가장 끝단에 부착되어 있다. 프로브의 구조는 어떤 물리량을 검출하는 가에 따라 달라지며, 일반적으로 팁이 미세한 구조일수록 검출할 수 있는 물리량의 단위가 적어진다고 할 수 있다. 또한 팁이 특정한 형상을 가지면 1차원적인 측정이 아니라 2차원적인 측정이 가능하게 되기도 한다. 따라서 이러한 현미경의 프로브 팁으로서 직경이 1nm에 근접하는 탄소 나노튜브가 최근에 사용되고 있다.

이러한 주사 탐침 현미경에는 터널전류(tunnel current)를 측정하는 주사 터널링 현미경(STM, Scanning Tunneling Microscope), 반데르발스힘(Van der Waals atomic force)을 이용해 표면 자국(surface indentation)을 검출하는 AFM(Atomic Force Microscope), 마찰력(friction force)에 의해 표면 차이를 검출하는 LFM(Lateral Force Microscope), 자기장(magnetic field)의 특성을 자성을 띤 니들을 이용해 검출하는 MFM(Magnetic Force Microscope), 샘플과 프로브 사이에 전압을 걸어서 전기장을 측정하는 EFM(Electric field Force Microscope), 화학적 기능그룹의 표면 분포를 재는 CFM(Chemical Force Microscope), 샘플과 니들 사이의 커패시턴스(capacitance)를 측정하는 SCM(Scanning Capacitance Microscope), 표면의 열적분포도를 구분된 영상으로 표시하는 SThM(Scanning Thermal Microscope), 시료의 전기화학적 성질을 측정하는 EC-SPM(Eledctrochemistry Scanning Probe Microscope) 등이 있다. 이러한 현미경은 일반적으로 원자수준까지의 높은 분해능을 가지고 표면신호를 검출한다.

AFM은 나노 분야에서 기본적인 연구용에서부터 생산을 위한 공정장비에 이르 기까지 여러 분야에서 사용되고 있으며, AFM의 가장 기본이 되는 핵심기술은 프로브 팁에 있다고 할 수 있다. 이러한 프로브 팁의 형상과 크기에 따라서 AFM의 이미지(image)의 분해능과 재현성이 달라진다. AFM은 나노 단위까지의 측정 및 관찰 분야에서 널리 이용되고 있으며, 최근에는 이를 이용한 가공(Soft Lithography)에 대해서도 많은 연구가 진행되고 있다.

AFM 팁은 일반적으로 캔틸레버(Cantilever) 끝단에 피라미드 형상의 뾰족한 모양을 만들어 사용하는 것이 일반적이지만 탄소 나노튜브를 피라미드의 끝단에 부착하여 사용하기도 한다. 이는 원자적으로 매우 높은 종횡비(Aspect ratio) 및 작은 직경을 가진 팁(tip)을 사용하는 것이 측정에 유리하기 때문이다.

탄소나노튜브 팁은 뾰족함(Sharpness), 고종횡비(high aspect ratio), 높은 기계적 강도(High mechanical stiffness), 높은 탄성, 화학적 성분의 조절성 등으로 인해 AFM의 측정, 조작 및 제조 분야에서 성능을 향상시키는데 이상적인 특성을 가진 것으로 알려져 있다. 이러한 탄소나노튜브 팁은 수명이 길고, 폭이 좁고 깊은 구조물을 측정하는데 유리하며, 1 nm이하의 크기를 측정할 수 있는 높은 분해능을 얻을 수 있는 장점이 있다.

최근에 하프너(Hafner) 등에 의해서 제시된 화학증착(CVD) 방법에 의해 다중벽 탄소나노튜브(MWNT, Multi Walled Carbon Nanotube)나 단일벽 탄소나노튜브(SWNT, Single Walled Carbon Nanotube)를 직접 성장시키는 방법이 개발된 바 있다(미국특허 제 6,346,189호). 이 방법은 AFM의 프로브 팁을 개별적으로 성장시킬 수 있도록 촉매 입자(catalyst particle)를 도포한 후 고온의 탄화수소 가스 상에서 성장시키게 된다. 이러한 방법으로 번들(Bundle)로 된 MWNT나 SWNT를 AFM의 끝단에 부착하게 된다.

다이(Dai)에 의해 개발된 방법은 매우 효과적인 것으로서 액상 전구체(liquid phase precursor)를 AFM팁 끝에 코팅한 후에 이를 CVD방법에 의해 성장시키고, 그 후에 크기를 조절하기 위한 방전(discharge) 과정을 거쳐 탄소나노튜브가 부착된 AFM 팁을 만들게 된다(미국특허 제6,401,526호). 이 때, 액상 전구체는 금속(metal)을 포함하는 염(salt), 장쇄분자 화합물(long-chain molecular compound) 및 용매(solvent)를 섞어서 만들어진다. 또한 보다 효과적으로 전구체를 부착하기 위해 마이크로 컨택 프린팅(micro-contact printing)을 이용해 단번에 많은 피라미드형 팁의 끝단을 코팅하는 방법도 제안하고 있다.

그리고 최근에는 대량의 AFM용 실리콘 피라미드를 장착한 웨이퍼 상에서 스핀 코팅(spin coating)에 전구체를 도포한 다음, 피라미드에만 전구체를 남겨둔 채 나머지를 에칭(etching) 과정을 통해 제거하여 피라미드의 끝단에만 전구체가 남도록 만들고, 이 후에 카본을 포함하는 가스 속에서 CVD방법을 이용해 카본 나노튜브를 성장시키는 방법이 알려져 있다. (참고문헌: Wafer scale production of carbon nanotube scanning probe tips for atomic force microscopy, Applied Physics letters, Vol. 80, No. 12, Erhan Yenilmez etc., 2002, march, pp2225-2227 ).

이외에도 현재 탄소나노튜브를 직접 AFM에 접착제를 이용하여 붙이는 방법이 실용화되어 있으며, 피에조맥스사(Piezomax Co.)에서는 MWNT의 번들을 붙인 다음 그 끝을 날카롭게 갈아내는 방법으로 AFM용 카본나노튜브(CNT) 프로브를 상용화하였다.

이와 같은 종횡비와 물성특성이 우수한 탄소나노튜브를 AFM용 프로브에 부착하여 기계적, 화학적, 생물학적 특성을 검출하는 연구는 많이 진행되어 왔다. 그러나 이러한 탄소나노튜브가 부착된 나노 프로브를 제작하는 것은 매우 어려운 일이다. 특히 기존의 방법들은 매우 소량을 오랜 시간동안 만들거나 대량으로 만들 때는 균일한 성능을 확보하지 못하는 문제점들이 있다. 또한 원하는 직경과 길이 및 팁의 끝단의 형상 또한 조절하기가 거의 불가능하다. 따라서 샘플을 측정할 때, 그 결과가 팁마다 서로 다르게 나올 수 있으므로 산업용 팁으로 사용하기에는 어려운 문제가 있다.

기존에 탄소를 적층하여 만드는 나노 팁은 대체적으로 주사전자현미경 안에서 탄소가스를 흘려주면서 팁의 한쪽 끝 부분에서 점차 증착 및 성장하도록 유도하여 팁을 만드는 방법을 사용하고 있다. 그러나 이 방법은 많은 시간이 소요될 뿐 아니라 매우 가늘고 균일한 직경의 팁을 만드는 것이 매우 어렵다.

최근 반도체의 폭은 0.1㎛이하로 작아지고 있으며, 이를 공정상에서 정확히 측정하기 위해서는 AFM을 사용하게 된다. 그러나 기존의 AFM의 프로브 혹은 팁으로는 정확한 측정에 많은 어려움이 있어서 이를 해결하기위한 나노 팁의 제작에 대한 필요성은 점차 커지고 있는 실정이다.

또한 일반적으로 주사전자현미경의 빔 소스나 X-ray를 위한 빔소스로서 전도체에 탄소나노튜브가 부착된 나노 팁을 활용하고 있다. 그러나 이러한 프로브를 만 드는 것이 매우 정교하게 제작되고 신뢰성있게 만들기 어려워서 상업화되지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 그 목적은 다양한 미세 구조의 형상을 정확하게 측정할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 물리적, 화학적 및 생물학적 신호를 검출할 수 있도록 길이, 수직성, 끝단의 형상이 조절된 나노 팁과 이를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 나노 팁의 제조방법은, 기계적 또는 전기적 장치에 장착되어 표면 신호 또는 화학, 생물학적 신호 검출 및 또는 에너지 빔을 조사하는 소스(source)로서 활용이 가능한 나노 팁을 제조하는 방법에 있어서, 일단이 상기 기계적 또는 전기적 장치에 고정되는 지지홀더를 제공하는 단계와, 상기 지지홀더의 자유단에 탄소나노튜브(carbon nanotube)를 부착하는 단계와, 상기 탄소나노튜브에 에너지 빔을 조사(照射)하여 상기 에너지 빔에 노출된 탄소나노튜브의 성질을 결정성에서 비결정성으로 변경시키는 단계, 및 상기 비결정성으로 변경된 탄소나노튜브의 부분에 상기 에너지 빔을 조사하여 상기 탄소나노튜브를 절단하는 단계를 포함한다.

상기 탄소나노튜브는 길이방향의 일측 끝단이 상기 지지홀더에 고정된다.

상기 에너지 빔은 조사 방향을 제어할 수 있는 빔으로, 이온 빔, 전자 빔, 및 레이저 빔을 포함하는 군에서 어느 하나의 빔을 선택할 수 있다.

상기 탄소나노튜브에 에너지 빔을 조사하는 경우에, 상기 탄소나노튜브의 전체가 상기 에너지 빔에 노출되도록 조사할 수 있다.
상기 탄소나노튜브를 절단할 때, 상기 탄소나노튜브의 절단할 부분에 상기 에너지 빔의 초점을 맞추고, 상기 탄소나노튜브의 길이방향으로 상기 에너지 빔을 조사하여 상기 탄소나노튜브의 일부를 잘라낼 수 있다.
또는, 상기 탄소나노튜브의 절단할 부분의 측면으로부터 상기 탄소나노튜브의 길이방향에 대하여 교차하는 방향으로 상기 에너지 빔을 조사하여 상기 탄소나노튜브의 일부를 잘라낼 수도 있다.

이렇게 상기 탄소나노튜브에 상기 에너지 빔을 조사하여, 상기 에너지 빔에 노출된 탄소나노튜브의 성질을 결정성에서 비결정성의 나노막대로 변경시킬 수 있으며, 나아가 상기 나노막대의 일부분에 상기 에너지 빔을 조사하여 상기 나노막대를 절단할 수 있다.

상기 나노막대를 절단하는 단계는, 상기 나노막대의 절단할 부분에 상기 에너지 빔의 초점을 맞추고, 상기 나노막대의 길이방향으로 상기 에너지 빔을 조사하여 상기 나노막대의 일부를 잘라낼 수 있으며, 선택적으로, 상기 나노막대의 절단할 부분의 측면으로부터 상기 나노막대의 길이방향에 대하여 교차하는 방향으로 상기 에너지 빔을 조사하여 상기 나노막대의 일부를 잘라낼 수도 있다.

또한 상기 탄소나노튜브에 상기 에너지 빔을 조사하여, 상기 에너지 빔에 노출된 탄소나노튜브의 표면을 더 매끄럽게 변경시킬 수 있으며, 끝단이 둥근 형상을 갖도록 변경시킬 수 있다. 또한 상기 에너지 빔에 노출된 탄소나노튜브를 길이방향으로 곧게 뻗은 형상으로 변경시킬 수 있다.

삭제

한편, 상기 탄소나노튜브에 상기 에너지 빔을 조사하는 단계는, 상기 지지홀더에 상기 탄소나노튜브를 여러 개의 묶음형태로 부착하고, 상기 에너지 빔을 조사하여 상기 탄소나노튜브의 묶음을 하나의 나노막대로 변형시키는 것일 수 있다.

상기 지지홀더를 전도체로 형성하여 상기 나노 팁을 에너지 빔을 조사하는 소스(source)로서 활용할 수 있다.

본 명세서에서 '기계적 혹은 전기적 장치'라 함은 원자의 배열을 이미지화하는 주사 탐침 현미경이나, 자기적 정보를 처리하는 데이터 저장 장치나, 생물학적 혹은 화학적 신호를 검출하는 센서를 포함한다. 또한 기계적인 휨을 이용해 힘이나 스트레스(stress)를 측정하는 장치나, 최근 들어 연구가 많이 진행되고 있는 소프트 리소그래피(Soft lithography)용으로 활용되는 주사 탐침 현미경 장치도 포함하는 의미로 사용된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 편의상 주사 탐침 현미경의 일종인 원자현미경을 위주로 설명하나 본 발명은 이에 제한되는 것이 아니며 다양한 종류의 주사 탐침 현미경이나 다양한 물리적, 화학적 및 생물학적 신호를 검출하는 센서 프로브에도 적용할 수 있는 것임을 이해하여야 할 것이다.

도 1은 탄소나노튜브 나노 팁의 구조를 설명하기 위해 도시한 개략도로서, 탄소나노튜브(10)가 지지홀더(20)에 부착되어 이루어지는 팁(tip)의 구조를 나타내 고 있다. 이 때 측정하고자 하는 샘플은 팁 끝(25)과의 상호작용에 의해 신호를 검출하게 된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 탄소나노튜브(10)와 지지홀더(20)와의 연결 또는 부착에는 여러 가지 실용화된 방법이 이용될 수 있다. 그 중 대표적인 것으로 유전영동을 이용하여 나노막대를 용액 안에 분산한 후에 전기장을 걸어주어 탄소나노튜브(10)가 지지홀더(20)의 특정한 부분에 조립되도록 하는 방법이다.

그 외에도 주사 전자 현미경(SEM, Scanning Electron Microscope) 안에서 조작기(Manipulator)에 의해 기계적으로 하나씩 탄소나노튜브(10)를 부착할 수도 있다. 또한 화학 기상 증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition)과 같은 화학적 방법에 의해 지지홀더(20)의 끝단에 부착된 촉매를 이용하여 탄소나노튜브(10)를 성장하게 하는 방법이 있다.

본 명세서에서는 편의상 탄소나노튜브(10)의 일단이 부착되어 지지되는 부위를 '지지홀더'라 칭한다. 예를 들어, 원자현미경(AFM)의 경우에는 지지홀더(20)가 팁이 될 수도 있고, 팁을 지지하는 지지체가 될 수도 있다. 즉, 본 명세서에서 '지지홀더'라는 용어는 본 발명이 적용될 수 있는 모든 기계적 또는 전기적 장치에서 본 발명에 따르는 프로브(probe), 보다 구체적으로는 상기 프로브의 나노막대가 연결되어 지지되는 부위를 의미한다.

또한 본 발명에서 사용 가능한 에너지 빔은 전자 빔, 레이저 빔, 이온 빔 등과 같은 조사 방향 및 초점 위치를 제어할 수 있는 빔을 포함한다.

도 2의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노 팁 제조방법에서 수 직성 개선을 위해 에너지 빔을 이용하는 공정을 도시한 개략도이다.

휘어지거나 표면의 굵기가 다른 탄소나노튜브(10)가 지지홀더(20)에 부착되어 있는 경우에 에너지 빔(30)을 조사하면서 시간이 지나면 탄소나노튜브(10)의 형상이 변화된다. 즉, 설정된 시간동안 에너지 빔을 조사하게 되면, 시간이 지남에 따라서 점차 부착되어 있는 탄소나노튜브(10)가 펴지게 되면서 표면도 매끄럽게 변한 탄소나노튜브(10')가 될 수 있다.

특히, 집속 이온빔(FIB, Focused Ion Beam)을 탄소나노튜브에 조사했을 때, 탄소나노튜브가 이온 충격(bombardment)에 의해 sp²에서 sp³구조로 바뀌는 것에 대해 보고된 예가 있다. 기존의 연구에서 이러한 변화의 과정에서 속이 비어있는 탄소나노튜브가 속이 가득 찬 탄소계열의 막대로 바뀌게 됨을 보여주었다.

따라서 본 실시예에서도 마찬가지로 탄소나노튜브는 팁 위에서 집속 이온빔에 노출되면 탄소계열의 속이 찬 막대로 변화될 수 있다. 즉 빔의 강도에 따라 탄소나노튜브의 결정성이 바뀔 수 있으며, 이 과정에서 원래의 탄소나노튜브가 휘어져있는 경우에 이것이 곧은 형상으로 펴지게 되어 수직성이 향상된다.

탄소나노튜브 나노 팁에서, 이러한 탄소나노튜브의 끝단은 열려있는 경우가 많으며, 팁이 한 개만 붙어있는 경우에도 끝단의 형상이 균일하지 않는 경우가 있는데, 이러한 탄소나노튜브에 집속 이온빔을 조사하여 설정된 시간이 지나면 탄소나노튜브의 끝단은 최종적으로 둥근 형상(15)으로 변할 수 있다.

도 3의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제2 실시예에 따른 나노 팁 제조방법에서 절 단을 위해 에너지 빔을 이용하는 공정을 도시한 개략도이다. 본 실시예에서는, 부착된 탄소나노튜브나 에너지 빔에의 노출로 수직하게 변형된 나노막대를 원하는 길이로 절단할 수 있다.

일반적으로 이온 빔의 경우에 높은 출력으로 빔을 조사하게 되면 빔이 조사되는 면이 깍이는 특징을 가지게 되는데, 이를 이용하여 지지홀더(20)의 끝단의 돌출방향으로 정렬된 탄소나노튜브(12)(또는 나노막대)의 길이방향으로 상기 이온 빔(32)을 조사하되, 깍여 나갈 탄소나노튜브(12)(또는 나노막대)의 적절한 위치에 초점을 맞춘 후 빔의 가공 깊이(D)를 조절하면 탄소나노튜브(12)(또는 나노막대)가 빔의 깊이에 비례하여 잘라지게 되어 짧은 길이의 탄소나노튜브(12')(또는 나노막대)가 된다. 따라서 이러한 가공 깊이(D)를 이용해 탄소나노튜브(12)(또는 나노막대)의 자르는 길이를 조절할 수 있다. 나아가 동일한 초점과 가공 깊이에서 광의 강도를 조절함으로써 자르는 길이를 조절할 수도 있다.

도 4(a)에서는 탄소나노튜브(13)의 길이방향에 대하여 설정된 기울기를 가지고 이온 빔(34)을 조사하여 조사된 부분을 중심으로 끝단 방향으로 절단되는 것을 개략적으로 도시한 것이다. 이는 이온 빔(34)과 탄소나노튜브(13)(또는 나노막대)가 나란하게 정렬되지 않고 빔의 방향에 대해 일정한 각도(θ)를 가지고 탄소나노튜브(13)(또는 나노막대)의 특정한 위치로 빔을 조사하여 그 부분을 중심으로 탄소나노튜브(13)(또는 나노막대)의 일부가 잘라져 나가게 하고 남는 탄소나노튜브 (13')(또는 나노막대)를 활용하는 방법의 예를 보여주는 것이다.

도 5의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노 팁 제조방법에서 집속 이온빔의 조사에 따라 수직성, 표면상태, 끝단의 형상이 변경되는 모습을 나타낸 사진이다. 도 5의 (a) 내지 (c)에서는 휘어져있던 탄소나노튜브(10)가 집속 이온빔 장치 내부에서 집속 이온빔에 의해 수직화 되면서 곧게 펴지도록 하는 실험의 예를 보여주고 있다. 상기 실험에서 30KV, 10pA의 집속 이온빔을 30초정도의 시간동안 조사하여 도 5(b)에 나타낸 결과를 얻었으며, 이후 같은 조건으로 30초정도 더 조사하였을 때의 도 5(c)에 나타낸 결과를 얻었다.

도 5(a)는 처음 상태의 실리콘 팁(21) 끝에 부착된 탄소나노튜브(10)를 보여주고 있다. 여기에 붙여진 탄소나노튜브(10)는 끝이 갈라진 형태로서 몇 개의 나노튜브가 번들(bundle)의 형태로 묶여있는 것으로 보여 지며, 탄소나노튜브(10)의 중간부분이 휘어져있는 것을 볼 수 있다.

도 5(b)는 설정된 시간동안 집속 이온빔을 조사한 후의 결과를 보여주는 것이다. 이 결과에서는 탄소나노튜브(10)의 끝단이 보다 뭉툭하게 둥근 형상으로 변하고 있는 것을 보여주고 있다. 또한 실리콘 팁(21)의 밑단에서 위쪽방향으로 수직하게 탄소나노튜브(10)가 펴지는 것을 관찰할 수 있다. 이 때, 탄소나노튜브(10)의 중간 부분에서 구부러진 것이 많이 펴진 것을 볼 수 있다. 또한 처음 몇가닥의 번들(bundle)로 되어 있는 형태가 하나의 탄소 나노막대의 형상으로 바뀌는 것을 볼 수 있다. 일반적으로 이와 같이 탄소나노튜브(10)가 펴지게 되는 경우에는 대체적으로 결정성 탄소나노튜브(10)가 비결정성 탄소막대로 바뀌는 것으로 예상된다. 또 한 탄소나노튜브(10)의 표면에 붙어있던 불순물이나 거친 면도 매우 매끄럽게 변하고 있음을 알 수 있다.

도 5(c)는 집속 이온빔을 좀 더 많은 시간동안 조사한 후에 탄소 나노막대(10')가 끝단이 원형에 매우 가까운 형태로 바뀌는 것을 보여준다. 이 때, 도 3(c)의 확대 그림처럼 탄소 나노막대(10')는 처음의 탄소나노튜브(10)보다 굵기도 매우 일정하게 변하였다.

도 6(a)에서 보는 바와 같이 완전히 접혀진 탄소나노튜브(16)를 이온빔을 조사하여 도 6(b)에서 보는 바와 같이 수직하게 펴지는 것을 보여준다. 이 때, 사용한 탄소나노튜브는 다중벽 나노튜브이다. 상기 실험에서 집속 이온빔은 30KV, 10pA의 조건에서 10초동안 조사한 결과를 보여준 것이다. 이 때, 초점위치는 실리콘(Si) 팁의 끝 부분에 맞추어져 있다.

상기 실험에서 집속 이온빔은 30KV, 10pA의 조건에서 10초동안 조사한 결과를 보여준 것이다. 이 때, 초점위치는 실리콘 팁의 끝 부분에 맞추어져 있다.

도 7(a)에서는 단일벽 탄소나노튜브(17)가 실리콘 팁 상에 번들의 형태로 붙어있는 것을 보여준다. 도 7(a)는 탄소나노튜브(17)가 실리콘 팁에 대해 90도 가깝게 끝단이 휘어진 상태로 부착된 것을 볼 수 있다. 이 때, 이온 빔을 설정된 시간 동안 조사하면 도 7(b)에서 보는 것처럼 이온 빔의 방향을 따라 탄소나노튜브(17) 번들은 정렬하면서 수직으로 좀더 펴지게 된다. 또한 단일벽 탄소나노튜브(17)의 경우에 일부의 탄소나노튜브는 이온 빔에 의해 용해되어 처음의 길이에 비해 약간 줄어든 것을 볼 수 있다.

도 8의 (a) 내지 (d)는 도 3에 도시한 공정에 따라 절단한 나노 팁의 모습을 나타낸 사진이다. 도 8은 도 3을 참조로 설명한 바와 같이 탄소나노튜브(또는 나노막대)의 길이방향으로 이온 빔을 조사하여 부착된 탄소나노튜브(또는 나노막대)의 길이를 자르는 실험의 한 결과를 보여준다.

상기 실험에서 집속 이온빔은 도 8(b)의 경우에는 30KV, 30pA의 조건에서 초점위치를 실리콘(Si) 팁 돌출부에서 약 6㎛ 위로 잡고 가공 깊이를 1㎛정도로 설정하고 조사하였으며, 이후 같은 조건으로 가공 깊이를 2㎛(도 8의 (c)), 1㎛(도 8의 (d)) 로 놓고 순차적으로 조사하였을 때의 결과를 보여주고 있다. 이 때, 노출시간은 장치에서 자동으로 설정되는 값으로서 각 단계별로 대략 5~10초정도의 시간이 소요된다.

탄소나노튜브(18)의 길이가 최초의 약 6.1㎛에서 이온 빔의 조사를 통해 길이를 단계적으로 계속 잘라내는 실험을 수행한 것이다. 이 실험을 통해서 이온 빔의 조사 조건, 예를 들어 조사 깊이나 광량을 바꾸어줌으로써 짧게 혹은 길게 길이를 잘라내는 것이 가능하며, 또한 원하는 길이로 잘라내는 것이 가능함을 확인할 수 있었다. 이 과정에서 길이를 제외한 탄소나노튜브(혹은 나노막대)의 외적 형상에는 큰 변화가 없음을 보여주고 있다.

도 9에서는 도 4에서 설명한 방법처럼 탄소나노튜브(19)(혹은 나노막대)와 경사지도록 이온 빔을 위치시킨 후에 탄소나노튜브(19)(혹은 나노막대)의 일부분을 포함하도록 이온 빔의 초점을 맞추어 깍아 내는 과정을 진행한 것이다.

초점위치를 탄소나노튜브의 절단하고자 하는 위치에 두고, 30KV, 30pA의 조건에서 약 10초동안 이온빔을 조사하였을 때의 결과이다.

도 9 (a)에서는 탄소나노튜브(19)의 정렬상태를 확인하기 위해 전자빔 장치로 측정할 위치를 파악한 다음, 그 위치에 맞춰 이온 빔의 초점을 다시 맞추게 된다. 이 때 이온 빔은 탄소나노튜브가 이온 빔 방향으로 휘어져 정렬되지 않도록 매우 낮은 출력에서 위치시키고, 순간적으로 높은 출력의 이온 빔을 가공모드에서 초점깊이를 100nm로 하고 조사하여 탄소나노튜브(19)(혹은 나노막대)의 일부를 잘라낸 결과를 보여주고 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 나노 팁 제조방법에 따르면, 탄소나노튜브가 부착된 탄소나노튜브 팁을 에너지 빔을 이용해 길이와 직경, 끝단의 형상 등을 조절하여 견고하고 수직성이 향상된 나노 팁을 제작하여 종래의 프로브보다 안정적으로 샘플의 정보를 반복성 있게 재현할 수 있으며, 팁 간의 편차를 최대한 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한 이와 같은 제조방법에 따르면, 탄소나노튜브의 크기와 모양을 조절하는 것보다 상대적으로 쉽고, 생산성이 있는 공정을 사용하므로 상용화에 매우 적합하다.

아울러, 상기의 탄소나노튜브 팁은 물리적, 화학적, 생물학적 센서를 구성하거나 전자 소자를 만드는 곳에도 응용될 수 있으므로 나노 분야의 기본적인 공정기술로서 그 활용범위가 매우 넓다. 이러한 용도로는 AFM(Atomic Force Microscope), STM(scanning Probe Microscope)와 기타의 SPM(scanning Probe Microscope), 바이오센서, 화학센서 등이 있다. 또한 에너지 빔의 소스로서 X-ray, 전자빔(electron beam) 등을 방사하는 장치에 활용될 수 있다.

Claims

기계적 또는 전기적 장치에 장착되어 표면 신호 또는 화학, 생물학적 신호를 검출하거나 에너지 빔을 조사(照射)하는 소스(source)로서 활용이 가능한 나노 팁을 제조하는 방법에 있어서,

일단이 상기 기계적 또는 전기적 장치에 고정되는 지지홀더를 제공하는 단계;

상기 지지홀더의 자유단에 탄소나노튜브(carbon nanotube)를 부착하는 단계;

상기 탄소나노튜브에 에너지 빔을 조사(照射)하여 상기 에너지 빔에 노출된 탄소나노튜브의 성질을 결정성에서 비결정성으로 변경시키는 단계; 및

상기 비결정성으로 변경된 탄소나노튜브의 부분에 상기 에너지 빔을 조사하여 상기 탄소나노튜브를 절단하는 단계

를 포함하는 나노 팁의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 탄소나노튜브는 길이방향의 일측 끝단이 상기 지지홀더에 고정되는 나노 팁의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 에너지 빔은 조사 방향 및 초점 위치를 제어할 수 있는, 이온 빔, 전자 빔, X-ray 및 레이저 빔을 포함하는 군에서 선택되는 어느 하나의 빔인 나노 팁의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 탄소나노튜브에 에너지 빔을 조사(照射)하는 단계는,

상기 탄소나노튜브의 전체가 상기 에너지 빔에 노출되도록 상기 에너지 빔을 조사하는 것인 나노 팁의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 탄소나노튜브에 상기 에너지 빔을 조사하여 비결정성의 나노막대로 변경시키는 나노 팁의 제조방법.
제 5 항에 있어서,

상기 나노막대에 상기 에너지 빔을 조사하여 상기 나노막대의 일부를 절단하는 나노 팁의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 탄소나노튜브를 절단하는 단계는,

상기 탄소나노튜브의 절단할 부분에 상기 에너지 빔의 초점을 맞추고, 상기 탄소나노튜브의 길이방향으로 상기 에너지 빔을 조사하여 상기 탄소나노튜브의 일부를 잘라내는 나노 팁의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 탄소나노튜브를 절단하는 단계는,

상기 탄소나노튜브의 절단할 부분의 측면으로부터 상기 탄소나노튜브의 길이방향에 대하여 교차하는 방향으로 상기 에너지 빔을 조사하여 상기 탄소나노튜브의 일부를 잘라내는 나노 팁의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 탄소나노튜브에 상기 에너지 빔을 조사하여, 상기 에너지 빔에 노출된 탄소나노튜브의 표면을 더 매끄럽게 변경시키는 나노 팁의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 탄소나노튜브에 상기 에너지 빔을 조사하여, 상기 에너지 빔에 노출된 탄소나노튜브의 끝단이 둥근 형상을 갖도록 변경시키는 나노 팁의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 탄소나노튜브에 상기 에너지 빔을 조사하여, 상기 에너지 빔에 노출된 탄소나노튜브를 길이방향으로 곧게 뻗은 형상으로 변경시키는 나노 팁의 제조방법.
삭제
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 탄소나노튜브에 상기 에너지 빔을 조사하는 단계는,

상기 지지홀더에 상기 탄소나노튜브를 여러 개의 묶음형태로 부착하고, 상기 에너지 빔을 조사하여 상기 탄소나노튜브의 묶음을 하나의 나노막대로 변형시키는 것인 나노 팁의 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 지지홀더가 전도체로 이루어지는 나노 팁의 제조방법.
제 1 항 내지 제 11 항, 제 15 항, 제 16 항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조된 나노 팁.