KR100715840B1 - 탄소 나노 튜브 어레이 패턴 형성 방법 및 그 방법에 의해형성된 탄소 나노 튜브 어레이 패턴 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소 나노 튜브를 일정한 방향으로 배열시켜 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 탄소 나노 튜브 어레이 패턴 형성 방법 및 그 방법에 의해 제조된 탄소 나노 튜브 어레이 패턴에 관한 것이다.

이를 위하여, 본 발명은 탄소 나노 튜브 어레이 패턴을 형성하는 방법에 있어서, 탄소 나노 튜브를 폴리머 용액에 혼합하는 단계와; 상기 혼합 용액을 기판 상에 도포하여 탄소 나노 튜브가 분산된 수지 필름을 형성하는 단계와; 상기 수지 필름의 하부에 전압을 인가하여 전기장을 발생시켜 상기 탄소 나노 튜브를 기판 상에 수직 방향으로 일정하게 배열시키는 단계와; 상기 수지 필름을 경화시키는 단계와; 상기 경화된 수지 필름을 세정 공정을 통해 일정 두께 제거하는 단계를 포함하여 이루어진다.

전기장, 배열, 경화, 탄소 나노 튜브

Description

탄소 나노 튜브 어레이 패턴 형성 방법 및 그 방법에 의해 형성된 탄소 나노 튜브 어레이 패턴{Method For Forming Of Carbon Nano Tube Array Pattern And Cabon Nano Tube Array Pattern Thereof}

도 1a 내지 도 1d는 본 발명에 따른 탄소 나노 튜브 어레이 패턴 형성 방법을 순차로 도시한 공정도.

도 2는 종래 기술에 따라 형성된 탄소 나노 튜브가 분산된 탄소 나노 튜브 어레이 패턴을 도시한 단면도.

도 3은 종래 기술에 따른 탄소 나노 튜브 어레이 패턴의 문제점을 도시한 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1 : 기판

2 : 수지 필름

21 : 탄소 나노 튜브

본 발명은 탄소 나노 튜브를 포함하는 탄소 나노 튜브 어레이 패턴을 형성하 는 방법 및 그 방법에 의해 형성된 탄소 나노 튜브 어레이 패턴에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소 나노 튜브를 일정한 방향으로 배열시켜 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 탄소 나노 튜브 어레이 패턴 형성 방법 및 그 방법에 의해 형성된 탄소 나노 튜브 어레이 패턴에 관한 것이다.

최근 나노 패턴 구조물은 새로운 물리적 특성을 가지는 신소재나 외부의 환경에 대응하여 반응하는 센서 혹은 능동 소자로서 널리 활용되고 있으며, 나노 패턴 구조물로는 DNA, 도전성 고분자, 탄소 나노 튜브(carbon nano tube : CNT)이 이용되고 있다.

상기 탄소 나노 튜브는 하나의 탄소 원자가 3개의 다른 탄소 원자와 결합하여, 육각형 벌집 무늬를 이루고 있는 흑연판이 나노 크기의 직경으로 둥글게 감긴 구조의 물질로, 대롱의 벽을 구성하는 겹의 갯수에 따라, 단일벽 나노 튜브(singlewalled nanotube), 다중벽 나노 튜브(multiwalled nanotube) 또는 다발형 나노튜브(rope-type nanotube)로 구분되고, 상기 흑연판이 감기는 각도 및 감긴 직경에 따라, 상기 CNT의 전기적 특성은 도체 또는 반도체일 수 있다.

상기 탄소 나노 튜브는 수 ㎛의 길이이면서 직경이 수 ㎚로 형성할 수 있기 때문에, 상기 CNT의 끝에서 전기장은 매우 강하게 증폭될 수 있고, 상술한 바와 같은 다양한 특성 때문에 각종 장치의 전자 방출원 (electron emitter), VFD(vacuum fluorescent display), 백색광원, FED (field emission display), 리튬이온 2차 전지전극, 수소저장 연료전지, 나노 와이어, 나노 캡슐, 나노 핀셋, AFM/STM 팁(tip), 단전자 소자, 가스센서 공학용 미세 부품, 고기능 복합체 등에서 무한한 응 용 가능성을 보여주고 있다.

도 2는 종래 기술에 따라 형성된 탄소 나노 튜브가 분산된 탄소 나노 튜브 어레이 패턴을 도시한 단면도로, 기판(10) 상에 미리 성장된 탄소 나노 튜브(21)가 가용성 또는 불용해성 형태로 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate : PMMA) 용액에 용해되어 상기 기판(10 )표면 상에 스핀 코팅함으로써 PMMA 수지층(20) 내에 탄소 나노 튜브(21)가 불규칙하게 분산된 필름 형태로 형성한다.

도 3은 종래 기술에 따른 탄소 나노 튜브 어레이 패턴의 문제점을 도시한 단면도로, 탄소 나노 튜브(21)가 PMMA 수지층(20) 내에 불규칙하게 어레이 패턴된 소자에 전압이 인가되면 상기 탄소 나노 튜브(21)가 도 3에 도시된 바와 같이 PMMA 수지층의 하단부에 치우쳐 배열된다.

이에 따라, 소자를 센서 등에 이용할 경우 전계가 어느 한쪽에 집중되기 때문에 전류 밀도 분포가 균일하게 이루어지지 않아 소자의 전기적 특성이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 탄소 나노 튜브를 기판 상에 일정한 방향으로 배열하고 탄소 나노 튜브를 봉합하는 수지층을 일부 제거함으로써 전기적 특성이 우수한 탄소 나노 튜브 어레이 패턴의 형성 방법 및 그 방법에 의해 형성된 탄소 나노 튜브 어레이 패턴을 제공하기 위한 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은 탄소 나노 튜브 어레이 패턴을 형성하는 방법에 있어서, 탄소 나노 튜브를 폴리머 용액에 혼합하는 단계와; 상기 혼합 용액을 기판 상에 도포하여 탄소 나노 튜브가 분산된 수지 필름을 형성하는 단계와; 상기 수지 필름의 하부에 전압을 인가하여 전기장을 발생시켜 상기 탄소 나노 튜브를 기판 상에 수직 방향으로 일정하게 배열시키는 단계와; 상기 수지 필름을 경화시키는 단계와; 상기 경화된 수지 필름을 세정 공정을 통해 일정 두께 제거하는 단계를 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명은 탄소 나노 튜브 어레이 패턴에 있어서, 수지 필름과; 상기 수지 필름에 의해 그 하단부가 둘러싸여 지지되고 그 상단부가 상기 수지 필름의 상부로 돌출되어 상기 수직 필름의 수직 방향으로 배열되는 다수의 탄소 나노 튜브를 포함하여 구성된다.

본 발명은 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 후술하는 바람직한 실시예를 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하도록 한다.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명에 따른 탄소 나노 튜브 어레이 패턴 형성 방법을 순차로 도시한 공정도이다.

우선, 통상적인 방법을 이용하여 탄소 나노 튜브(11)를 형성한다. 상기 탄소 나노 튜브(21)는, 단일벽 나노 튜브(singlewalled nanotube), 다중벽 나노 튜브(multiwalled nanotube) 또는 다발형 나노튜브(rope-type nanotube) 중 어느 형태든 가능하다.

그런 다음, 상기 탄소 나노 튜브(21) 폴리머 용액, 예를 들어 포토 리소그래피(photo lithograph)에 사용되는 PMMA(polymethylmethacrylate) 용액에 혼합하고 혼합 용액을 기판 상에 스핀 코팅 방식 등을 이용하여 코팅한다.

이에 따라, 도 1a에 도시된 바와 같이 상기 탄소 나노 튜브(21)가 분산된 PMMA 수지 필름(2)이 형성된다. 이때, PMMA 수지 필름(2)은 스핀 코팅 방식 이외의 스프레이 코팅 방식 등으로 형성할 수 있다.

그리고 나서, 상기 PMMA 수지 필름(2)의 하부에 일정한 전압을 인가하여 전기장을 발생시켜 도 1b에 도시된 바와 같이 상기 탄소 나노 튜브(21)가 기판(1)의 상부에서 PMMA 수지 필름(2)과 수직 방향으로 일정하게 배열되도록 한다. 이때, 상기 탄소 나노 튜브는 그 끝 부분에서 전기장이 강하게 발생하기 때문에 전압이 인가되면 그 끝 부분이 전압이 인가된 방향으로 배열되는 것이다.
그런 다음, 도 1c에 도시된 바와 같이 상기 탄소 나노 튜브(21)가 일정 방향으로 배열된 구조를 갖는 PMMA 수지 필름(2)에 자외선(ultraviolet rays : UV)을 조사하여 PMMA 수지 필름(2)을 경화시킨다. 이때, 상기 PMMA 수지 필름(2)은 UV를 조사하여 경화시켰지만 경우에 따라 열 경화 공정으로 진행할 수도 있으며, UV 경화 공정을 진행할 경우 UV의 에너지 범위는 통상적인 UV 경화 조건 예를 들어 250mJ/cm2 내지 600mJ/cm2 의 에너지 조사량으로, 45초 내지 130초 동안 실시할 수 있다.

삭제

이어서, 상기 UV 조사에 의해 경화된 PMMA 수지 필름(2)의 일정 부분을 세정(Cleaning) 공정을 이용하여 제거함으로써 도 1d에 도시된 바와 같이 상기 탄소 나노 튜브(21)가 일정한 방향으로 배열된 구조를 형성한다.

이때, 상기 세정 용액으로는 PMMA 수지 필름을 녹일 수 있는 아세톤, 벤젠 등 유기 용제를 이용할 수 있다.

상기 세정 공정에서 세정 용액의 농도 및 시간의 조절에 따라 상기 PMMA 수지 필름(2)이 세정 용액에 의해 완전히 제거될 경우 상기 탄소 나노 튜브(21)가 방향성을 가지고 배열되지 못하고 쓰러질 수 있다.

따라서, 상기 탄소 나노 튜브(21)가 쓰러지지 않고 PMMA 수지 필름(2)에 의해 지지되어 일정 방향으로 배열된 상태를 유지할 수 있도록 하는 것이 중요하다,

이를 위하여, 상기 PMMA 수지 필름(21)이 완전히 제거되지 않고 일정 부분 남도록 하기 위하여 세정 용액의 농도 및 세정 시간을 적절하게 조절하도록 한다.

이에, 본 발명의 탄소 나노 튜브 어레이 패턴 형성 방법에 따라 형성된 탄소 나노 튜브 어레이 패턴은 최종적으로 도 1d에 도시된 바와 같이 PMMA 수지 필름(2)이 구비되고, 다수의 탄소 나노 튜브(21)가 상기 수지 필름(2)에 의해 그 하단부가 둘러싸여 지지되고 그 상단부가 상기 수지 필름(2)의 상부로 돌출되어 일정 방향, 즉 수직 방향으로 배열된 형태가 된다.

따라서, 탄소 나노 튜브 상단부의 수지 필름은 제거되고 수지 필름 상에서 탄소 나노 튜브가 일정 방향으로의 배열 구조를 갖기 때문에 소자에 적용시 전압이 인가되면 소자 내의 전류 밀도의 분포가 균일하게 이루어진다.

결국, 소자의 전기적 특성이 향상되어 우수한 민감성을 요구하는 센서에 적용할 경우 센서의 성능을 향상시킬 수 있게된다.

상술한 바와 같이 본 발명은, 탄소 나노 튜브를 기판 상에 일정한 방향으로 배열하고 탄소 나노 튜브를 봉합하는 수지층을 일부 제거하여 탄소 나노 튜브가 어 느 한 부분에 집중되는 것을 방지함으로써 소자 내의 전류 밀도 분포를 균일하게 하여 전기적 특성이 우수한 소자를 형성할 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양한 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어져야 한다.

Claims (3)

1. 탄소 나노 튜브 어레이 패턴을 형성함에 있어서,

   탄소 나노 튜브를 폴리머 용액에 혼합하는 단계와;

   상기 혼합 용액을 기판 상에 도포하여 탄소 나노 튜브가 분산된 수지 필름을 형성하는 단계와;

   상기 수지 필름의 하부에 전압을 인가하여 전기장을 발생시켜 상기 탄소 나노 튜브를 기판 상에 수직 방향으로 일정하게 배열시키는 단계와;

   상기 수지 필름을 경화시키는 단계와;

   상기 경화된 수지 필름을 세정 공정을 통해 일정 두께 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 어레이 패턴 형성 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 수지 필름을 경화시키는 단계는;

   상기 수지 필름에 자외선을 조사하여 실시함을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 어레이 패턴 형성 방법.
3. 탄소 나노 튜브를 포함하는 탄소 나노 튜브 어레이 패턴에 있어서,

   수지 필름(2)과;

   상기 수지 필름(2)에 의해 그 하단부가 둘러싸여 지지되고 그 상단부가 상기 수지 필름(2)의 상부로 돌출되어 상기 수지 필름(2)의 수직 방향으로 배열되는 다수의 탄소 나노 튜브(21)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 어레이 패턴.

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