KR100806129B1 - 탄소 나노 튜브의 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

탄소 나노 튜브를 형성하는 방법이 개시된다. 우선, 기판 상에 촉매 필름을 형성한다. 이어서, 촉매 필름을 다수의 예비 촉매 입자로 변화시킨다. 그 후, 예비 촉매 입자를 촉매 입자로 변화시킨다. 그리고 촉매 입자로부터 탄소 나노 튜브를 성장시킨다. 본 발명에 따르면, 탄소 나노 튜브의 개수를 증가시킬 수 있다. 또한, 탄소 나노 튜브를 형성하는 단계를 세분화하여 공정을 보다 효율적으로 제어할 수 있다. 그리고 탄소 나노 튜브를 형성하기 전에 별도로 촉매 필름을 형성하기 때문에 다양한 종류의 촉매를 선택할 수 있다는 정점이 있다.

Description

탄소 나노 튜브의 형성 방법{Method of forming a carbon nanotube}
도 1 내지 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 나노 튜브의 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 5 및 6은 예비 촉매 입자 형성 관련 실험에서 형성된 예비 촉매 입자의 전자 현미경 사진들이다.
도 7은 탄소 나노 튜브 형성 관련 실험에서 형성된 예비 촉매 입자의 전자 현미경 사진이다.
도 8은 탄소 나노 튜브 형성 관련 실험에서 형성된 촉매 입자의 전자 현미경 사진이다.
도 9는 탄소 나노 튜브 형성 관련 실험에서 형성된 탄소 나노 튜브의 전자 현미경 사진이다.
본 발명은 탄소 나노 튜브의 형성 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 상대적으로 높은 전기 전도성과 강도를 갖는 탄소 나노 튜브를 형성하는 방법에 관한 것이다.
촉매 입자들이 서로 합쳐지는 경우, 각 촉매 입자들로부터 성장하는 탄소 나노 튜브의 개수가 급격히 감소하는 경향이 있다. 일반적으로 탄소 나노 튜브를 사용하여 반도체 장치를 제조할 수 있는데 그 예들은 한국 공개 특허 제2002-1260호, 일본 공개 특허 제2004-103802호, 미국 공개 특허 제2005-95780호 및 한국 공개 특허 제2004-43043호에 기재되어 있다.
상기 예들에서 탄소 나노 튜브들은 전자들이 이동하는 채널로서 사용되기 때문에 탄소 나노 튜브의 개수가 많을수록 유리하다. 따라서 탄소 나노 튜브를 단위 면적 당 가능한 한 많이 성장시킬 수 있는 탄소 나노 튜브의 형성 방법에 대해서 연구가 활발히 진행되고 있다.
종래의 탄소 나노 튜브 형성 방법에서는 우선, 기판 상에 촉매 필름을 형성한다. 이어서 촉매 필름에 화학 기상 증착 공정을 수행하여 촉매 필름을 다수의 촉매 입자로 변화시킨다. 그 후, 촉매 입자에 화학 기상 증착 공정을 수행하여 각각의 촉매 입자로부터 탄소 나노 튜브를 성장시킨다.
그러나 종래의 화학 증착 공정에 따르면, 초기에 형성된 다수의 촉매 입자들의 수가 열역학적 반응에 의해서 서로 합쳐져서 촉매 입자들의 수가 감소되는 경향이 있었으며 이는 탄소 나노 튜브 개수의 감소로 이어지는 문제점이 있었다.
또한, 촉매 필름으로부터 탄소 나노 튜브를 성장시키기까지 단일의 화학 기상 증착 공정을 수행하기 때문에 실질적으로 화학 기상 증착 공정을 단계마다 효과적으로 제어할 수 없다는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 탄소 나노 튜브의 형성 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판 상에 촉매 필름을 형성한다. 이어서, 촉매 필름을 다수의 예비 촉매 입자로 변화시킨다. 그리고 예비 촉매 입자를 촉매 입자로 변화시킨다. 그 후, 촉매 입자로부터 탄소 나노 튜브를 성장시킨다.
촉매 필름, 예비 촉매 입자, 촉매 입자 및 탄소 나노 튜브는 화학 기상 증착 공정을 통해 형성될 수 있으며 촉매 필름은 탄소를 용해시킬 수 있는 전이 금속을 포함할 수 있다.
탄소 나노 튜브는 예비 촉매 입자 및 촉매 입자를 형성할 때의 에너지들 보다 실질적으로 큰 에너지에 의해서 형성될 수 있으며 촉매 입자는 예비 촉매 입자를 형성할 때의 에너지보다 실질적으로 큰 에너지에 의해서 형성될 수 있다.
예비 촉매 입자, 촉매 입자 및 탄소 나노 튜브는 소스 가스 및 캐리어 가스를 사용하여 형성될 수 있다. 소스 가스는 탄소를 포함하고 캐리어 가스는 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 수소 또는 질소를 포함할 수 있다. 이들은 단독 또는 혼합으로 사용될 수 있다.
탄소 나노 튜브는 예비 촉매 입자 및 촉매 입자를 형성할 때의 온도들 보다 실질적으로 높은 온도에서 형성될 수 있다.
예비 촉매 입자는 플라즈마를 사용하지 않고 형성될 수 있으나 반면에 촉매 입자 및 탄소 나노 튜브는 플라즈마를 사용하여 형성될 수 있다.
구체적인 공정 조건들로 예비 촉매 입자는 200℃ 내지 500℃의 온도, 0.1 Torr 내지 10 Torr의 압력 및 0.1초 내지 300초의 시간에서 형성될 수 있다. 촉매 입자는 200℃ 내지 500℃의 온도, 0.1 Torr 내지 약 10 Torr의 압력 및 0.1초 내지 60초의 시간에서 형성될 수 있다. 탄소 나노 튜브는 500℃ 내지 800℃의 온도 및 0.1 Torr 내지 10 Torr의 압력에서 형성될 수 있다.
촉매 입자의 개수는 예비 촉매 입자의 개수와 실질적으로 동일하고, 촉매 입자로부터 탄소 나노 튜브가 성장하기 전에 촉매 입자는 포화되지 않은 양의 탄소를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 탄소 나노 튜브의 개수를 증가시킬 수 있다. 또한, 탄소 나노 튜브를 형성하는 단계를 세분화하여 공정을 보다 효율적으로 제어할 수 있다. 그리고 탄소 나노 튜브를 형성하기 전에 별도로 촉매 필름을 형성하기 때문에 다양한 종류의 촉매를 선택할 수 있다는 정점이 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하겠지만 본 발명이 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니다. 따라서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 첨부된 도면에서 구성 요소들 의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 구성 요소들이 "제1", "제2", "제3", “제4”, “제5”　또는 “제6”　으로 언급되는 경우 이러한 구성 요소들을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 구성 요소들을 구분하기 위한 것이다. 따라서 "제1", "제2", "제3", “제4”, “제5”　또는 “제6” 구성 요소들에 대하여 각기 선택적으로 또는 교환적으로 사용될 수 있다. 제1 구성 요소가 제2 구성 요소의 "상"에 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 제1 구성 요소가 제2 구성 요소의 위에 직접 형성되는 경우뿐만 아니라 제1 구성 요소 및 제2 구성 요소 사이에 제3 구성 요소가 개재될 수 있다.
도 1 내지 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 나노 튜브의 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 1을 참조하면, 화학 기상 증착 공정에 사용되는 챔버(1)의 내부로 투입된 기판(100)에 화학 기상 증착 공정을 수행하여 촉매 필름(101a)을 형성한다. 기판(100)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 등과 같은 절연성 물질을 사용하여 형성할 수 있다. 이와 다르게, 기판(100)은 금속, 합금, 도프트 폴리 실리콘과 같은 도전성 물질을 사용하여 형성할 수도 있다.
촉매 필름(101a)은 탄소를 용해시킬 수 있는 전이 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전이 금속은 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 루데늄(Ru), 납(Pd), 은(Ag)등일 수 있다.
도 2를 참조하면, 촉매 필름(101a)에 소스 가스(S) 및 캐리어 가스(C)를 제 공하여 촉매 필름(101a)을 다수의 예비 촉매 입자(101b)로 변화시킨다.
소스 가스(S)는 탄화수소와 같이 탄소를 포함하는 가스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 탄화수소는 메탄(CH4), 에탄(C2H6), 프로판(C3H8)일 수 있다. 캐리어 가스(C)는 불활성(inert gas) 가스 또는 비활성(inactive gas)일 수 있다. 예를 들어, 불활성 가스는 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar) 또는 크립톤(Kr) 가스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 비활성 가스는 수소(H2) 또는 질소(N2)를 포함할 수 있다.
예비 촉매 입자(101b)는 상대적으로 작은 에너지를 사용하여 형성하는 것이 바람직하다. 이는 예비 촉매 입자(101b)를 상대적으로 높은 에너지를 사용하여 형성하는 경우, 예비 촉매 입자(101b)에 탄소가 용해되어 예비 촉매 입자(101b)로부터 탄소 나노 튜브가 형성될 수 있기 때문이다. 따라서 예비 촉매 입자(101b)가 형성될 때의 온도, 압력, 시간 등의 공정 조건을 적절히 조절하는 것이 바람직하다. 여기서 "에너지"라 함은 챔버(1)의 내부 에너지(internal energy)를 의미하는 것으로서 일반적으로 챔버(1)의 온도가 높아지는 경우, 챔버(1)의 압력이 높아지는 경우, 챔버(1) 내에 플라즈마가 발생하는 경우 내부 에너지가 증가하게 된다. 또한, 여기서 "용해"라 함은 용매에 용질이 녹는 현상을 의미하는 것으로서 상기와 같은 경우 용매는 예비 촉매 입자(101b)에 대응하고 용질은 탄소에 대응한다. 구체적으로 소스 가스(S)에 포함된 탄소는 예비 촉매 입자(101b)에 흡착되고 흡착된 탄소는 예비 촉매 입자(101b)에 녹아 들어가게 되는 것이다.
구체적으로 예비 촉매 입자(101b)를 형성할 때의 온도는 약 200℃ 내지 약 500℃일 수 있다. 예비 촉매 입자(101b)를 형성할 때의 온도가 약 200℃ 미만인 경우, 예비 촉매 입자(101b)가 형성되지 않는다는 문제점이 있다.
반면에 예비 촉매 입자(101b)를 형성할 때의 온도가 약 500℃를 초과하는 경우, 예비 촉매 입자(101b)의 개수가 실질적으로 적다는 문제점이 있다. 또한, 에너지가 높아져 예비 촉매 입자(101b)에 탄소가 용해되게 된다. 따라서 탄소 나노 튜브가 성장할 수 있다는 문제점이 있다.
결과적으로 예비 촉매 입자(101b)를 형성할 때의 온도는 약 200℃ 내지 약 500℃인 것이 바람직하다. 예를 들어, 예비 촉매 입자(101b)를 형성할 때의 온도는 약 400℃일 수 있다.
즉, 예비 촉매 입자(101b)를 상대적으로 낮은 온도인 약 200℃ 내지 약 500℃에서 형성함으로서 상대적으로 작은 크기를 갖는 예비 촉매 입자(101b)들을 상대적으로 많이 형성할 수 있으며 예비 촉매 입자(101b)들로부터 탄소 나노 튜브의 성장을 억제할 수 있다.
예비 촉매 입자(101b)를 형성할 때의 압력은 약 0.1 Torr 내지 약 10 Torr일 수 있다. 예비 촉매 입자(101b)를 형성할 때의 압력이 약 0.1 Torr 미만인 경우, 예비 촉매 입자(101b)가 형성되지 않을 수 있다는 문제점이 있다. 반면에 예비 촉매 입자(101b)를 형성할 때의 압력이 약 10 Torr를 초과할 경우, 에너지가 높아져 예비 촉매 입자(101b)에 탄소가 용해되게 된다. 따라서 탄소 나노 튜브가 성장할 수 있다는 문제점이 있다.
결과적으로 예비 촉매 입자(101b)를 형성할 때의 압력은 약 1 Torr 내지 약 10 Torr인 것이 바람직하다. 예를 들어, 예비 촉매 입자(101b)를 형성할 때의 압력은 약 1.5 Torr일 수 있다.
예비 촉매 입자(101b)를 형성할 때의 시간은 약 0.1초 내지 약 300초 일 수 있다. 예비 촉매 입자(101b)를 형성할 때의 시간이 약 0.1초 미만인 경우, 예비 촉매 입자(101b)가 형성되지 않을 수 있다는 문제점이 있다. 반면에 예비 촉매 입자(101b)를 형성할 때의 시간이 약 300초를 초과할 경우, 에너지가 높아져 예비 촉매 입자(101b)에 탄소가 용해되게 된다. 따라서 탄소 나노 튜브가 성장할 수 있다는 문제점이 있다.
결과적으로 예비 촉매 입자(101b)를 형성할 때의 시간은 약 0.1초 내지 약 300초인 것이 바람직하다. 예를 들어, 예비 촉매 입자(101b)를 형성할 때의 시간은 약 60초일 수 있다.
예비 촉매 입자(101b)를 형성할 때 챔버(1)의 내부에는 플라즈마를 형성하지 않는 것이 바람직하다. 만약 챔버(1)의 내부에 플라즈마를 형성하는 경우, 에너지가 높아져 예비 촉매 입자(101b)로부터 탄소 나노 튜브가 성장할 수 있다는 문제점이 있기 때문이다.
여기서, 예비 촉매 입자(101b)에는 탄소가 포함되지 않는 것이 바람직하다. 그러나 예비 촉매 입자(101b)를 형성하는 과정에서 탄소를 포함하는 소스 가스(S)가 사용되기 때문에 예비 촉매 입자(101b)는 약간의 탄소를 포함할 수도 있다. 그러나 예비 촉매 입자(101b)에 포함될 수 있는 탄소의 양은 소량으로서 탄소 나노 튜브를 성장시킬 수 있을 정도는 아니다.
도 3을 참조하면, 예비 촉매 입자(101b)를 촉매 입자(101c)로 변화시킨다. 촉매 입자(101c)는 예비 촉매 입자(101b)와 실질적으로 동일한 개수를 가진다.
촉매 입자(101c)를 형성할 때의 온도는 예비 촉매 입자(101b)를 형성할 때의 온도와 실질적으로 유사하게 상대적으로 저온이다. 만약, 촉매 입자(101c)를 형성할 때의 온도가 예비 촉매 입자(101c)를 형성할 때의 온도보다 실질적으로 높은 경우, 촉매 입자(101c)들이 서로 뭉쳐서 촉매 입자(101c)의 개수가 줄어들 수 있기 때문이다. 따라서 촉매 입자(101c)는 약 200℃ 내지 약 500℃에서 형성될 수 있다. 예를 들어, 촉매 입자(101c)는 약 400℃에서 형성될 수 있다.
촉매 입자(101c)에는 소정 양의 탄소가 용해되지만 탄소 나노 튜브를 형성시킬 수 있을 정도의 양은 아니다. 즉, 촉매 입자(101c) 내에 탄소가 포화 상태에 이르지 않는다. 그러나 이 경우에도 촉매 입자(101c)의 표면부에서 국소적으로 흑연들이 형성될 수 있으나 소량이다. 일반적으로 용매에 용질이 용해될 때 포화 상태에 이르기 전까지는 용질이 용매에 계속해서 용해되나 포화 상태에 이르면 더 이상 용해되지 않는다. 다만 포화 상태 이후 보다 큰 에너지가 가해지는 경우 포화 상태를 유지하면서 용질들은 석출되게 된다.
촉매 입자(101c)에 소정 양의 탄소를 용해시키기 위해서 촉매 입자(101c)를 형성할 때 챔버(1)의 내부에 플라즈마를 형성시킨다. 이 때, 촉매 입자(101c)에 소정의 양의 탄소를 용해시키는데 요구되는 에너지가 상기 플라즈마로부터 얻어진다.
촉매 입자(101c)를 형성할 때의 시간은 약 0.1초 내지 약 60초일 수 있다. 촉매 입자(101c)를 형성할 때의 시간이 약 0.1초 미만인 경우, 촉매 입자(101c)가 형성되지 않을 수 있다는 문제점이 있다. 반면에 촉매 입자(101c)를 형성할 때의 시간이 약 60초를 초과하는 경우, 에너지가 높아져 촉매 입자(101c)에 상대적으로 많은 양의 탄소가 용해되게 된다. 따라서 탄소 나노 튜브가 성장할 수 있다는 문제점이 있다. 또한, 촉매 입자(101c)에 상대적으로 많은 양의 탄소가 용해되면 후속하여 수행되는 촉매 입자(101c)로부터 탄소 나노 튜브를 성장시키는 공정에서 촉매 입자(101c)로부터 탄소 나노 튜브의 성장이 잘 이루어지지 않는다는 문제점이 있다.
촉매 입자(101c)를 형성할 때의 압력은 약 0.1 Torr 내지 약 10 Torr일 수 있다. 촉매 입자(101c)를 형성할 때의 압력이 약 0.1 Torr 미만인 경우, 촉매 입자(101c)가 형성되지 않을 수 있다는 문제점이 있다. 반면에 촉매 입자(101c)를 형성할 때의 압력이 약 10 Torr를 초과할 경우, 에너지가 높아져 촉매 입자(101c)에 상대적으로 많은 양의 탄소가 용해되게 된다. 따라서 탄소 나노 튜브가 성장할 수 있다는 문제점이 있다.
결과적으로 촉매 입자(101c)를 형성할 때의 압력은 약 1 Torr 내지 약 10 Torr인 것이 바람직하다. 예를 들어, 촉매 입자(101c)를 형성할 때의 압력은 약 1.5 Torr일 수 있다.
도 4를 참조하면, 촉매 입자(101c)로부터 탄소 나노 튜브(102)를 성장시킨다. 구체적으로 많은 양의 탄소들이 촉매 입자(101c)에 용해된다. 탄소들은 에너지에 의해서 소스 가스(S)에 포함된 소스 물질로부터 분해된 뒤 촉매 입자(101c)에 용해될 수 있다. 이와 다르게, 촉매 입자(101c)의 표면에 흡착된 소스 물질로부터 에너지에 의해서 분해되어 촉매 입자(101c)로 용해될 수 있다.
상기 탄소들은 촉매 입자(101c)의 표면 또는 내부에서 전이 금속과 결합을 하게 된다. 탄소 공급이 계속될 경우, 촉매 입자(101c)에 포함된 탄소의 양은 포화를 이루게 된다.
상대적으로 안정적인 공정 분위기 하에서 포화되어 용해되지 못하는 탄소는 상대적으로 안정적인 구조를 갖는 흑연으로 촉매 입자(101c)의 표면으로부터 석출되어 나오게 된다. 일반적으로 흑연은 면형 구조를 갖으나 흑연이 석출되는 시드의 면적이 작은 경우 면형의 흑연이 튜프형상의 탄소나노튜브로 변형되어 석출되게 된다.
촉매 입자(101c)의 표면적은 한정적이기 때문에 흑연은 촉매 입자(101c) 상에서 탄소 나노 튜브(102)로 실질적으로 수직하게 성장하게 된다.
탄소 나노 튜브(102)를 성장시킬 때 촉매 입자(101c)에 많은 양의 탄소를 용해시켜야 하기 때문에 큰 에너지가 필요하다. 따라서 공정 조건들을 조절함으로서 큰 에너지를 획득할 수 있다.
구체적으로 탄소 나노 튜브(102)를 성장시킬 때의 온도는 상대적으로 고온일 수 있다. 이는 상대적인 고온으로부터 탄소 나노 튜브(102)를 성장시키는데 필요한 에너지를 얻을 수 있기 때문이다.
탄소 나노 튜브(102)를 성장시킬 때의 온도가 약 500℃ 미만인 경우, 에너지가 적어 촉매 입자(101c)에 용해되는 탄소의 양이 상대적으로 적다. 따라서 탄소 나노 튜브(102)를 효과적으로 성장시킬 수 없다는 문제점이 있다. 반면에 탄소 나노 튜브(102)를 성장시킬 때의 온도가 약 800℃를 초과하는 경우, 촉매 입자(101c)가 열에 의해서 녹을 수 있다는 문제점이 있다. 따라서 탄소 나노 튜브(102)를 성장시킬 때의 온도는 약 500℃ 내지 약 800℃일 수 있다.
탄소 나노 튜브(102)를 성장시킬 때의 압력이 약 0.1 Torr 미만인 경우, 탄소 나노 튜브(102)의 성장 속도가 상대적으로 낮다는 문제점이 있다. 반면에 탄소 나노 튜브(102)를 성장시킬 때의 압력이 약 10 Torr이상인 경우, 탄소 나노 튜브(102)의 성장 속도를 효과적으로 제어할 수 없다는 문제점이 있다. 따라서, 탄소 나노 튜브(102)를 성장시킬 때의 압력은 약 0.1 Torr 내지 약 10 Torr일 수 있다. 예를 들어, 탄소 나노 튜브(102)를 성장시킬 때의 압력은 약 5 Torr일 수 있다.
여기서 압력이 높아질수록 탄소 나노 튜브(102)의 성장률은 실질적으로 증가한다.
탄소 나노 튜브(102)를 성장시킬 때 챔버(1)의 내부에 플라즈마를 형성시키 는 것이 바람직하다. 이는 전술한 바와 같이, 탄소 나노 튜브(102)를 성장시킬 때 촉매 입자(101c)에 많은 양의 탄소를 용해시키기 위해 필요한 큰 에너지를 플라즈마를 통해서 획득할 수 있기 때문이다.
예비 촉매 입자 형성 관련 실험
실리콘 산화물을 포함하는 기판을 준비하였다. 기판에 니켈을 포함하는 촉매 필름을 형성하였다. 촉매 필름에 유량비가 약 1:4로 메탄 및 수소를 제공하여 촉매 필름을 다수의 예비 촉매 입자들로 변화시켰다. 이 때, 온도, 압력 및 시간은 각각 약 400℃의 온도, 약 1Torr 및 약 1분이었다. 도 5는 상술한 공정에 의해서 형성된 예비 촉매 입자들을 나타내는 전자 현미경 사진이다.
실리콘 산화물을 포함하는 기판을 준비하였다. 기판에 니켈을 포함하는 촉매 필름을 형성하였다. 촉매 필름에 유량비가 약 1:4로 메탄 및 수소를 제공하여 촉매 필름을 다수의 예비 촉매 입자들로 변화시켰다. 이 때, 온도, 압력 및 시간은 각각 약 600℃의 온도, 약 1Torr 및 약 1분이었다. 도 6은 상술한 공정에 의해서 형성된 예비 촉매 입자들을 나타내는 전자 현미경 사진이다.
도 5 및 6을 참조하면, 도 5의 예비 촉매 입자의 개수 밀도 및 도 6의 예비 촉매 입자의 개수 밀도는 각각 약 6.89×1010/㎠ 및 약 4.38×1010/㎠이었다. 즉, 상대적인 고온에서 형성되는 경우 보다 상대적인 저온에서 형성되는 경우, 예비 촉매 입자의 개수가 증가함을 알 수 있다.
탄소 나노 튜브 형성 관련 실험
실리콘 산화물을 포함하는 기판 상에 니켈을 포함하는 촉매 필름을 형성하였다. 촉매 필름에 유량비가 약 1:4로 메탄 및 수소를 제공하여 촉매 필름을 다수의 예비 촉매 입자들로 변화시켰다. 이 때, 온도, 압력 및 시간은 각각 약 400℃의 온도, 약 1Torr 및 약 1분이었으며 플라즈마를 사용하지 않았다.
그 후, 예비 촉매 입자를 촉매 입자로 변화시켰다. 여기서 예비 촉매 입자에 유량비가 약 1:4로 메탄 및 수소를 제공하였으며 이 때의 온도, 압력 및 시간은 약 400℃의 온도, 약 1Torr 및 약 5초이었다. 또한, 플라즈마를 사용하였다.
이어서, 촉매 입자로부터 탄소 나노 튜브를 성장시켰다. 여기서 촉매 입자에 유량비가 약 1:4로 메탄 및 수소를 제공하였으며 이 때의 온도 및 압력은 약 600℃ 및 약 5Torr이었다. 또한, 플라즈마를 사용하였다.
도 7은 상기 실험에 따른 예비 촉매 입자들을 나타내는 전자 현미경 사진이다. 도 7을 참조하면, 상대적으로 큰 개수 밀도를 갖는 예비 촉매 입자들이 형성되었음을 알 수 있다.
도 8은 예비 촉매 입자들로부터 형성된 촉매 입자를 나타내는 전자 현미경 사진이다. 도 8을 참조하면, 예비 촉매 입자들이 서로 뭉치지 않고 각각 촉매 입자로 변화되었다. 따라서 예비 촉매 입자들의 개수는 실질적으로 촉매 입자들의 개수와 같았다.
도 9는 촉매 입자들로부터 성장한 탄소 나노 튜브들을 나타내는 전자 현미경 사진이다 도 9를 참조하면, 각각의 촉매입자들로부터 탄소 나노 튜브가 성장하기 때문에 상대적으로 큰 개수 밀도를 갖는 탄소 나노 튜브들을 형성할 수 있었다.
본 발명에 따르면, 탄소 나노 튜브의 개수를 증가시킬 수 있다. 또한, 탄소 나노 튜브를 형성하는 단계를 세분화하여 공정을 보다 효율적으로 제어할 수 있다.
그리고 탄소 나노 튜브를 형성하기 전에 별도로 촉매 필름을 형성하기 때문에 다양한 종류의 촉매를 선택할 수 있다는 정점이 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (13)

  1. 기판 상에 촉매 필름을 형성하는 단계;
    상기 촉매 필름을 다수의 예비 촉매 입자로 변화시키는 단계;
    상기 예비 촉매 입자를 불포화 상태이며 흑연이 표면에 국소적으로 형성된 촉매 입자로 변화시키는 단계; 및
    상기 촉매 입자로부터 탄소 나노 튜브를 성장시키는 단계를 포함하는 탄소 나노 튜브 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매 필름, 상기 예비 촉매 입자, 상기 촉매 입자 및 상기 탄소 나노 튜브는 화학 기상 증착 공정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 형성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매 필름은 탄소를 용해시킬 수 있는 전이 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 형성 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소 나노 튜브는 상기 예비 촉매 입자 및 상기 촉매 입자를 형성할 때의 챔버의 내부 에너지들 보다 큰 내부 에너지에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 형성 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 촉매 입자는 상기 예비 촉매 입자를 형성할 때의 챔버의 내부 에너지보다 큰 내부 에너지에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 형성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 예비 촉매 입자, 상기 촉매 입자 및 상기 탄소 나노 튜브는 소스 가스 및 캐리어 가스를 사용하여 형성하고,
    상기 소스 가스는 탄소를 포함하고,
    상기 캐리어 가스는 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 수소 및 질소로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 형성 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소 나노 튜브는 상기 예비 촉매 입자 및 상기 촉매 입자를 형성할 때의 온도들 보다 높은 온도에서 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 형성 방법.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 예비 촉매 입자는 플라즈마를 사용하지 않고 형성되고,
    상기 촉매 입자 및 상기 탄소 나노 튜브는 플라즈마를 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 형성 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 예비 촉매 입자는 200℃ 내지 500℃의 온도, 0.1 Torr 내지 10 Torr의 압력 및 0.1초 내지 300초의 시간에서 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 형성 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매 입자는 200℃ 내지 500℃의 온도, 0.1 Torr 내지 10 Torr의 압력 및 0.1초 내지 60초의 시간에서 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 형성 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소 나노 튜브는 500℃ 내지 800℃의 온도 및 0.1 Torr 내지 10 Torr의 압력에서 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 형성 방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매 입자의 개수는 상기 예비 촉매 입자의 개수와 동일하고, 상기 촉매 입자로부터 상기 탄소 나노 튜브가 성장하기 전에 상기 촉매 입자는 포화되지 않은 양의 탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 형성 방법.
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101005331B1 (ko) * 2008-05-29 2011-01-05 한국이엔에쓰 주식회사 벽수조절이 가능한 탄소나노튜브의 성장방법
KR101400686B1 (ko) * 2009-09-24 2014-05-29 한국과학기술원 그래핀 기판 상에 나노물질이 적층되어 있는 3차원 나노구조체 및 그 제조방법
US9153389B2 (en) * 2013-06-27 2015-10-06 National Taiwan University Of Science And Technology Carbon nanotube-graphene composite, method of forming the same, and electronic device
CN107527673B (zh) * 2016-06-22 2019-03-29 中国科学院金属研究所 一种碳焊结构单壁碳纳米管柔性透明导电薄膜及制备方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010066816A (ko) * 1999-06-15 2001-07-11 이철진 탄소 소오스 가스 분해용 촉매금속막을 이용한탄소나노튜브의 저온 합성 방법
JP2002146534A (ja) 2000-11-14 2002-05-22 New Japan Radio Co Ltd カーボンナノチューブの製造方法
KR20020041497A (ko) * 2000-11-28 2002-06-03 김영남 탄소나노튜브 전자방출원을 이용한 음극선관용 음극의제조방법과 그 구조
KR20030004765A (ko) * 2001-07-06 2003-01-15 엘지전자 주식회사 탄소나노튜브의 수직합성 방법
KR20050016623A (ko) * 2002-06-24 2005-02-21 혼다 기켄 고교 가부시키가이샤 탄소 나노튜브의 형성 방법
US20060024227A1 (en) 2003-10-16 2006-02-02 Shigeo Maruyama Array of single-walled carbon nanotubes and process for preparaton thereof

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1059266A3 (en) * 1999-06-11 2000-12-20 Iljin Nanotech Co., Ltd. Mass synthesis method of high purity carbon nanotubes vertically aligned over large-size substrate using thermal chemical vapor deposition
KR100360476B1 (ko) 2000-06-27 2002-11-08 삼성전자 주식회사 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 수직 트랜지스터 및 그제조방법
US6649431B2 (en) 2001-02-27 2003-11-18 Ut. Battelle, Llc Carbon tips with expanded bases grown with simultaneous application of carbon source and etchant gases
WO2003011755A1 (en) 2001-07-27 2003-02-13 University Of Surrey Production of carbon nanotubes
JP2004103802A (ja) 2002-09-09 2004-04-02 Sharp Corp 電界効果型トランジスタおよびその製造方法
KR100790859B1 (ko) 2002-11-15 2008-01-03 삼성전자주식회사 수직 나노튜브를 이용한 비휘발성 메모리 소자
JP2004284919A (ja) 2003-03-25 2004-10-14 Mitsubishi Electric Corp カーボンナノチューブ形成用基板の製造方法およびこの基板を用いたカーボンナノチューブの製造方法
JP3985029B2 (ja) 2003-08-04 2007-10-03 日立造船株式会社 カーボンナノチューブの製造方法およびその装置
DE10345394B4 (de) 2003-09-30 2006-10-05 Infineon Technologies Ag Verfahren zum Herstellen von Speicherzellen
US7628974B2 (en) * 2003-10-22 2009-12-08 International Business Machines Corporation Control of carbon nanotube diameter using CVD or PECVD growth
JP2005272271A (ja) 2004-03-26 2005-10-06 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> カーボンナノチューブの製造方法及び半導体装置の製造方法
US20060008594A1 (en) * 2004-07-12 2006-01-12 Kang Sung G Plasma enhanced chemical vapor deposition system for forming carbon nanotubes
US20080032238A1 (en) * 2004-11-23 2008-02-07 Lu Jennifer Q System and method for controlling the size and/or distribution of catalyst nanoparticles for nanostructure growth
US7431964B2 (en) * 2004-12-17 2008-10-07 Motorola, Inc. Method of forming a porous metal catalyst on a substrate for nanotube growth
US7687981B2 (en) * 2006-05-05 2010-03-30 Brother International Corporation Method for controlled density growth of carbon nanotubes

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010066816A (ko) * 1999-06-15 2001-07-11 이철진 탄소 소오스 가스 분해용 촉매금속막을 이용한탄소나노튜브의 저온 합성 방법
JP2002146534A (ja) 2000-11-14 2002-05-22 New Japan Radio Co Ltd カーボンナノチューブの製造方法
KR20020041497A (ko) * 2000-11-28 2002-06-03 김영남 탄소나노튜브 전자방출원을 이용한 음극선관용 음극의제조방법과 그 구조
KR20030004765A (ko) * 2001-07-06 2003-01-15 엘지전자 주식회사 탄소나노튜브의 수직합성 방법
KR20050016623A (ko) * 2002-06-24 2005-02-21 혼다 기켄 고교 가부시키가이샤 탄소 나노튜브의 형성 방법
US20060024227A1 (en) 2003-10-16 2006-02-02 Shigeo Maruyama Array of single-walled carbon nanotubes and process for preparaton thereof

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