KR20050084226A

KR20050084226A - 나노구조체 함유 물질 및 관련 물품의 조립 및 분류 방법

Info

Publication number: KR20050084226A
Application number: KR1020057010475A
Authority: KR
Inventors: 오또 제트 조우; 지 탕; 후아이지 젱; 루창 퀸; 지안 장; 구앙 양
Original assignee: 더 유니버시티 오브 노쓰 캐롤라이나 엣 채플 힐
Priority date: 2002-12-09
Filing date: 2003-12-08
Publication date: 2005-08-26
Also published as: EP1569733A2; TWI277376B; AU2003294586A8; JP2006513048A; US20040173378A1; AU2003294586A1; TW200503595A; WO2004052489A3; WO2004052489A2; US7014743B2; US20070007142A1

Abstract

나노구조체 함유 물질을 물체 또는 기판상에 침착시키는 방법은 다음과 같은 하나 이상의 단계를 포함한다: 나노구조체 함유 물질(420)의 용액 또는 현탁액을 제조하는 단계; 상기 용액(420)에 "차저(charger)"를 선택적으로 첨가하는 단계; 상기 용액(420)에 전극(410, 430)을 침지시키고, 이때 나노구조체 물질이 침착되어지는 기판 또는 물체가 상기 전극(430) 중 하나로서 작용하는 단계; 직류 및/또는 교류 자기장을 상기 두개의 전극(410, 430) 사이에 일정 시간 동안 인가함으로써 상기 용액(420)에 있는 나노구조체 물질이 기판 전극(430) 쪽으로 이동하여 부착되게 하는 단계; 및 코팅된 기판의 선택적인 후속 고정 단계. 또한, 관련된 물체와 장치들이 제공된다. 특성 및/또는 형태에 기초한 나노구조체의 분리 방법도 기술되어 있다.

Description

나노구조체 함유 물질 및 관련 물품의 조립 및 분류 방법{Methods for assembly and sorting of nanostructure-containing materials and related articles}

본 발명은 나노구조체 또는 나노튜브 함유 물질을 물체 상에 침착시키는 방법, 나노구조체 또는 나노튜브 함유 물질의 분류 방법, 나노구조체 또는 나노튜브 함유 물질로부터 물품(article)을 제조하는 방법, 나노구조체 또는 나노튜브 함유 물질을 분류하는 방법 및 관련 구조체(structures) 및 장치에 관한 것이다.

본 발명의 배경기술의 설명에 있어서, 하기의 참고문헌들은 특정 구조 및 방법들을 설명하기 위하여 인용되었지만, 이들 구조 및 방법이 반드시 적용가능한 법률 규정 하의 선행 기술의 자격이 있다고 인정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 출원인은 참고문헌으로 인용된 어떠한 발명 내용도 본 발명에 관해서 선행 기술을 구성하지 않는다는 것을 입증할 권리를 가진다.

"나노구조체(nanostructure)" 물질이라는 용어는 C₆₀ 플러렌(fullerenes)과 같은 나노입자, 플러렌형 동심 흑연 입자(fullerene-type concentric graphitic particles), 금속(metal), CdSe 및 InPe와 같은 화합물 반도체; Si, Ge, SiO_x, GeO_x와 같은 나노와이어(nanowire)/나노로드(nanoroad), 또는 탄소, B_xN_y, C_xB_yN_z, MoS₂ 및 WS₂와 같은 단일 원소 또는 다중 원소로 이루어진 나노튜브를 포함하는 물질들을 의미하는 것으로 당업자에 의해 사용된다. 나노구조체 물질의 공통된 특징 중 하나는 기본 구성 블록(basic building blocks)이다. 단일 나노입자 또는 탄소 나노튜브는 적어도 한 방향으로 크기가 500 nm 미만의 크기를 가진다. 이런 종류의 물질들은 여러 분야 및 공정에서 관심을 끄는 일정한 특성을 나타내는 것으로 알려졌다.

조우(Zhou) 등의 미국 특허 제6,280,697호 및 제6,422,450호(두 특허의 발명의 명칭: "나노튜브-기반의 고에너지 물질 및 방법")(이들의 개시 내용은 본 명세서에서 그대로 참고문헌으로 인용됨)는 탄소-기반 나노튜브 물질의 제조 및 전지 전극 물질로서의 용도에 관해 개시하고 있다.

미국 특허 제 호(Serial No. 09/296,572호, 발명의 명칭: 탄소 나노튜브 장 방출기 구조를 포함하는 장치 및 장치의 제조방법")(이것의 개시 내용은 본 명세서에서 그대로 참고문헌으로 인용됨)"는 탄소 나노튜브-기반의 전자 방출기 구조에 관해 개시하고 있다.

바우어(Bower) 등의 미국 특허 제6,630,772호(발명의 명칭: "박막 탄소 나노튜브 전자장 방출기 구조를 포함하는 장치")(이것의 개시 내용은 본 명세서에서 그대로 참고문헌으로 인용됨)는 높은 방출 전류 밀도를 갖는 탄소 나노튜브 장 방출기 구조에 관해 개시하고 있다.

바우어(Bower) 등의 미국 특허 제6,277,318호(발명의 명칭: "패턴화된 탄소 나노튜브 필름의 제조방법")(이것의 개시 내용은 본 명세서에서 그대로 참고문헌으로 인용됨)는 접착성 패턴화된 탄소 나노튜브 필름을 기판(substrate) 상에 제조하는 방법에 관해 개시하고 있다.

미국 특허 제6,334,939호(발명의 명칭: 나노구조체-기반의 고에너지 물질 및 방법")(이것의 개시 내용은 본 명세서에서 그대로 참고문헌으로 인용됨)는 알칼리 금속을 구성성분(components)의 하나로 포함하는 나노구조체 합금(alloy)에 관해 개시하고 있다. 이러한 물질은 일정한 전지 분야에 유용하다고 기술되어 있다.

조우(Zhou) 등의 미국 특허 제6,553,096호(발명의 명칭:"전자장 방출 캐소드를 이용한 X-선 발생 매카니즘")(이것의 개시 내용은 본 명세서에서 그대로 참고문헌으로 인용됨)는 나노구조체 함유 물질을 포함하는 X-선 발생 장치에 관해 개시하고 있다.

미국 공개특허출원 제US 2002/0140336호(발명의 명칭: 전자 방출 및 점화 특성이 강화된 코팅된 전극")(이것의 개시 내용은 본 명세서에서 그대로 참고문헌으로 인용됨)는 제1전극물질, 접착 촉진제(adhesion-promoter) 및 상기 접착 촉진제 층(layer)의 적어도 일부에 배치된 탄소 나노튜브 함유 물질을 포함하는 전극뿐만 아니라 상기 전극을 포함하는 관련 장치에 관해 개시하고 있다.

미국 특허출원 제US 2002/0193040호(발명의 명칭: "장 방출이 강화된 탄소 나노튜브-기반 물질의 제조방법")(이것의 개시 내용은 본 명세서에서 그대로 참고문헌으로 인용됨)는 나노튜브 기판-물질에 외래종을 도입하여 그의 방출 특성을 향상시키는 기술에 관해 개시하고 있다.

미국 특허출원 제US 2002/0094064호(발명의 명칭: "대면적 개별 번지 지정 멀티-빔 X-선 시스템 및 이의 제조 방법)(이것의 개시 내용은 본 명세서에서 그대로 참고문헌으로 인용됨)는 탄소 나노튜브와 같은 개별적 및 전기적 번지 지정 장 방출 전자원 및 복수의 스테이셔너리(stationary)를 갖는 X-선을 생성하는 구조체에 관해 개시하고 있다.

미국 특허출원 제US 2003/0180472호(발명의 명칭: 나노 물체를 조립하는 방법")(이것의 개시 내용은 본 명세서에서 그대로 참고문헌으로 인용됨)는 미리 형성된(pre-formed) 나노-물체들을 이용하여 거시적인 구조체를 자가 조립하는 기술에 관해 개시하고 있는데, 상기 기술은 원하는 종횡비(aspect ratio) 및/또는 화학적 기능성을 나타내도록 가공될 수 있다.

상기 내용에 의해 입증된 바와 같이, 나노구조체 물질, 특히 탄소 나노튜브 및 큰 종횡비(예: 직경보다 실질적으로 더 큰 길이)를 갖는 다른 나노 물체와 같은 나노구조체 물질들은 발광 소자(lighting elements), 장 방출 평판 디스플레이와 같은 장 방출 장치, 과전압 방지용 가스 배출 튜브, x-선 발생 장치, 작은 전도 와이어(small conduction wires), 센서, 작동장치(actuators) 및 주사 현미경에 사용되는 것과 같은 고해상 탐침과 같은 다양한 용도에 매력적인 전도 유망한 성질을 가지고 있다.

지금까지는 이러한 물질을 가공하는데서 부딪치는 어려움 때문에 상기 물질들을 이들 장치에 효과적으로 넣지 못했다. 예컨대, 나노 구조화된 물질(nanostructured materials)은 레이저 절삭(laser ablation) 및 아크 방전법, 용액 합성, 화학적 에칭, 분자 빔 에피택시(epitaxy), 화학 기상 증착, 레이저 절삭 등과 같은 기술로 제조될 수 있다. 그러나, 상기 가공 기술들은 이들 나노구조체 물질을 조립하는데 어려움을 가지고 있다.

스크린 프린팅법 및 분무법과 같은 형성 후 방법(post-formation methods)들이 미리 형성된 나노 물체를 기판상에 침착하는데 사용되어 왔다. 그러나, 상기 기술에는 어떤 결점들이 있다. 예컨대, 스크린 프린팅법은 활성화 단계뿐 아니라 결합제 물질의 사용을 필요로 한다. 분무(spraying)는 비효율적일 수 있으며, 대용량 제조에는 비현실적이다. 게다가 이들 기술들은 대부분 나노구조체 물질이 기판상에 무작위적으로 분포되게 한다.

지금까지 탄소 나노튜브를 기판상에 직접 성장시키기 위해 화학 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD) 기술이 이용되어 왔다. 다음의 문헌을 참조하라: J. Hafner et al., Nature, Vol.398, pg.761, 1999 및 미국 특허 제6,457,350호 및 6,401,526호. 이 기술의 가능한 용도 하나는 탄소 나노튜브 및 전기 회로와 같은 나노구조체 물질로부터 만들어진 전도선(conducting wire)의 제조이다. 상기 CVD 과정은 CVD 기술을 이용하여 특정 위치에서 전극에 부착된 전도선의 제조에 사용될 수 있다. 그러나, 상기 기술은 반응성 환경조건뿐 아니라 비교적 높은 온도(e.g. 600-100℃), 그리고 나노튜브를 효과적으로 성장시키기 위한 촉매의 사용을 필요로 한다. 이러한 엄격한 환경 조건의 요구는 이용될 수 있는 기판 물질의 종류를 극심하게 제한한다. 게다가, CVD 기술은 다중벽(multi-wall) 탄소 나노튜브의 형성을 자주 초래한다. 이들 다중벽 탄소 나노튜브는 단중벽(single-walled) 탄소 나노튜브에 비해 일반적으로 동일한 수준의 구조적 완결성을 갖지 못하므로 전자 방출 특성이 열등하다. 또한, 상기 기술에 의한 기판상에서 나노튜브의 직접적인 성장은 침착되는 나노튜브의 길이, 방향 및 수를 조절하기가 어렵다.

탄소 나노튜브와 같은 나노 물체를 미세 선단이나 프로젝션(projection)과 같은 기판상에 개별적으로 또는 작은 그룹으로 침착하는 것을 정확하게 조절하기 위하여 다른 기술들이 사용되어왔다. 다음의 참고문헌을 참고하라: Dai, Nature, Vol.384, pgs.147-150(1996); 및 R. Stevens et al., Appl. Phys. Lett., Vol.77, pg.3453. 그러나, 이런 기술들은 매우 힘들고, 시간이 많이 소요되며, 효율적인 대용량 생산 또는 일괄 처리(batch processing)가 어렵다. 예컨대, 미국 특허 제6,528,785호는 판 형태 전극을 전기영동 용액(electrophoretic solution)에 위치하고, 나노튜브를 적어도 하나의 전극 위에 침착시키는 공정에 관해 개시하고 있다. 상기 전극(들)은 상기 용액으로부터 회수되고, 그 위에 침착된 나노튜브들은 추가 공정단계에서 미세 선단(sharp tip)으로 옮겨진다. 그리고 나서, 상기 나노튜브(들)은, 미세 선단에 부착된 나노튜브의 적어도 한 부분 위에 코팅 물질을 침착하는 것을 포함하는 또 다른 공정 단계에 의하여 상기 선단에 "융합 용접(fusion-welded)"된다. 상기 공정은 시간이 많이 걸리고, 작동 조절을 필요로 한다. 제조된 선단은 통상적으로 선단 당 탄소 나노튜브(CNT) 1개를 포함한다. 상기 선단과 CNT 사이의 계면 결합이 약한 경향이 있다. 한 번에 여러 개의 선단을 제작하는 것이 어렵다. 이 공정은 바람직하게 않게 복잡하고 지루하다. 따라서, 상업적인 스케일 생산에 비현실적이다.

당업계에서 또 다른 연구는 나노 구조화된 물질을 이용하여 전기 장치를 제조하는 것으로서, 그것은 전기적 특성과 같은 동일한 성질을 갖는 물질을 가질 것을 자주 필요로 한다. 이것은 지금까지 성취되지 않았다. 예컨대, 레이저 절삭에 의해 합성된 단중벽 탄소 나노튜브 물질은 금속성 및 반도체성인 물질을 포함한다. 현재 나노튜브를 이의 특성을 근거로 하여 분리하는 효과적인 방법은 없다. 예컨대, 금속성 및 반도체성 나노튜브의 분리는 여러 장치의 이용을 필요로 한다.

요약

기술 및 이와 관련된 물품은 비교적 온화한 조건하에서 나노구조체 함유 물질의 효율적이고 효과적인 조립 및 특성을 기초로 한 나노구조체 함유 물질의 분리를 가능하게 하도록 발달하여 왔으며, 상기 방법은 일괄 처리 공정에 적합하다.

본 발명의 일면에 따르면, (i) 액체 매질에서 나노구조체 함유 물질의 현탁액을 제조하는 단계; (ⅱ) 상기 현탁액에 적어도 하나의 전극을 침지하는 단계; (ⅲ) 상기 현탁액에 미세 선단을 위치하는 단계; (ⅳ) 침지된 전극 및 미세 선단에 직류 또는 교류를 인가하여 상기 현탁액 내 나노구조체 함유 물질의 적어도 한 부분이 미세 선단의 정점(apex)에 가까운 물체에 부착되도록 하는 단계를 포함하는 나노구조체 함유 물질을 물체의 미세 선단에 부착시키는 방법이 제공된다.

본 발명의 다른 일면에 따르면, 0.5 nm-100 ㎛의 직경, 10 나노미터(nm) 내지 1 센티미터(cm) 이상의 길이를 갖고, 나노구조체 함유 물질을 포함하는 와이어(wire)가 제공된다.

본 발명의 또 다른 일면에 따르면, 단일 탄소 나노튜브, 탄소 나노튜브 번들(bundle) 또는 나노와이어로 코팅된 미세 선단을 갖는 물체가 제공되는데, 상기 물체는 포인트 전자장 방출원(point electron field emission source), 원자력 현미경(atomic force microscopes, AFM)의 탐침, 주사 터널링 현미경(scanning tunneling microscopes, STM)의 탐침, 투과 전자 현미경(transmission electron microscope, TEM)의 전자원, 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM)의 전자원, 자력 현미경(magnetic force microscopes, MFM)의 탐침 또는 프로필로미터(profilometer)를 포함한다.

본 발명의 일면에 따르면, (i) 액체 매질에서 나노구조체 함유 물질의 현탁액을 제조하는 단계; (ⅱ) 상기 현탁액에 적어도 하나의 전극을 침지하는 단계; (ⅲ) 상기 현탁액에 미세 선단을 위치하는 단계; (ⅳ) 침지된 전극 및 미세 선단에 직류 또는 교류를 인가하여 상기 현탁액 내 나노구조체 함유 물질의 적어도 한 부분이 미세 선단의 정점에 가까운 물체에 부착되도록 하는 단계를 포함하는 나노구조체 함유 물질을 물체의 미세 선단에 부착시키는 방법이 제공된다.

본 발명의 다른 일면에 따르면, 원뿔 축을 갖는 대체로 원뿔형의 미세 선단 및 상기 미세 선단에 부착된 나노구조체 물질을 함유하고, 대체로 상기 미세 선단의 원뿔 축을 따라 정렬된, 0.5 nm 내지 1.0 ㎛의 직경을 갖는 피브릴(fibril)을 포함하는 장치가 제공된다.

본 발명의 또 다른 일면에 따르면, (i) 액체 매질에서 나노구조체 함유 물질의 현탁액을 제조하는 단계; (ⅱ) 상기 현탁액을 구성성분들과 접촉시키는 단계; 및 (ⅲ) 상기 구성성분들에 직류 또는 교류를 인가하여 구성성분간 전기장을 확립함으로써 상기 구성성분에 접속된 나노구조체 함유 물질로부터 와이어를 형성하는 단계를 포함하는 복수 구성성분 사이에 전기적 접속(electrical connection)을 만드는 방법이 제공된다.

본 발명의 다른 일면에 따르면, 첫 번째 구성요소; 두 번째 구성요소; 및 상기 첫 번째 및 두 번째 구성요소에 부착되어 있어 그 사이의 전기적 접속을 제공하고, 나노구조체 함유 물질을 포함하는 첫 번째 와이어를 포함하는 배열이 제공된다.

본 발명의 또 다른 일면에 따르면, (i) 분리되어질 나노구조체 함유 물질의 그룹 및 액체 매질을 포함하는 혼합물을 제조하는 단계; (ⅱ) 복수의 전극을 상기 혼합물에 삽입하는 단계; (ⅲ) 상기 혼합물 내에 비대칭 전기장을 확립하는 단계; (ⅳ) 상기 혼합물에서 나노구조체 함유 물질의 그룹을 분극화하여 적어도 하나의 첫 번째 그룹이 제1전극으로 이동하도록 하고, 두 번째 그룹이 제2전극으로 이동하도록 하는 단계; 및 (ⅴ) 상기 액체 매질로부터 적어도 하나의 첫 번째 그룹을 제1전극에서 회수하는 단계를 포함하는 나노구조체 함유 물질의 그룹을 분리하는 방법이 제공된다.

본 발명의 다른 일면에 따르면, (i) 전극의 배열을 형성하는 단계; (ⅱ) 교류 전원을 상기 배열에 인가하는 단계; (ⅲ) 상기 혼합물을 상기 배열과 근접하도록 하는 단계; (ⅳ) 첫 번째 그룹의 입자를 두 번째 그룹의 입자와는 다르게 분극화하는 단계; (ⅴ) 극성 차이를 기초로 하여 두 번째 그룹의 입자로부터 첫 번째 그룹의 입자를 분리하는 단계; 및 (ⅵ) 상기 첫 번째 또는 두 번째 그룹의 입자의 적어도 하나를 회수하는 단계를 포함하고, 첫 번째 및 두 번째 그룹 중 적어도 하나가 나노구조체 함유 물질을 포함하는 혼합물에서 두 번째 그룹의 입자로부터 첫 번째 그룹의 입자를 분리하는 방법이 제공된다.

본 발명에 있어서, "나노구조체 함유 물질(nanostructure-containing materials)"이라는 용어는 C₆₀ 플러렌(fullerenes), 플러렌형 동심 흑연 입자와 같은 나노입자, 금속(metal), CdSe 및 InP와 같은 화합물 반도체(compound semiconductors); Si, Ge, SiO_x, GeO_x와 같은 나노와이어(nanowire)/나노로드(nanoroad), 또는 탄소, B_xN_y, C_xB_yN_z, MoS₂ 및 WS₂와 같은 단일 원소 또는 다중 원소로 이루어진 나노튜브로부터 적어도 일부분으로 이루어진 물질을 의미한다.

"대체로 원뿔형의(generally conical)"이란 용어는 주로 사실상 원뿔형인 형상(geometry)을 포함하나, 순수 원뿔형 형태로부터의 다양한 구조적 변이체도 포함할 수 있다. 이들 변이의 범위는 원자력 현미경, 주사 탐침 현미경, 자력 현미경, 프로필로미터, 투과 전자 현미경, 주사 전자 현미경 등의 탐침의 제조와 같은 용도를 위하여 통상적인 기술을 이용한 미세 선단의 제조에서 일반적으로 관찰될 수 있는 것들이다.

"대체로 정렬된(generally aligned)"이란 용어는 15도 또는 조금 더 이상까지의 정렬 차이를 포함한다.

"피브릴(fibril)"이란 용어는 단일 나노구조체 입자, 나노와이어 또는 나노튜브; 복수(plurality)의 상기 입자, 나노와이어 또는 나노튜브; 이들 물체의 단일 번들; 또는 복수의 상기 번들을 포함한다.

도 1은 나노구조체 함유 물질의 개략도이다.

도 2는 나노구조체 함유 물질의 TEM 영상이다.

도 3은 개시된 방법에 의해 물체 위에 조립된 도 1 및 도 2의 나노구조체 함유 물질의 개략도이다.

도 4A 및 4B는 개시된 방법에 따라 수행된 공정의 일 실시예에 대한 개략도이다.

도 5A 및 도 5B는 개시된 방법에 따라 수행된 공정의 다른 실시예에 대한 개략도이다.

도 6은 상기 공정을 수행하기 위한 장치에 대한 실시예의 개략도이다.

도 7은 상기 공정을 수행하기 위한 장치에 대한 다른 실시예의 개략도이다.

도 8A 및 도 8B는 본 발명의 원리에 따라 수행된 공정의 다른 실시예에 대한 개략도이다.

도 9A 내지 도 9E는 탄소 나노튜브 또는 나노와이어의 부착된 피브릴을 갖는 선단을 확대한 SEM 영상이다.

도 10은 팁에 부착시 여러 가지 방위(orientation)의 관계를 보여주는 피브릴의 개략도이다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따라 제조된 물체의 개략도이다.

도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따라 제조된 다른 물체의 개략도이다.

도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 제조된 다른 물체의 개략도이다.

도 14는 본 발명의 분리 배열 및/또는 기술의 개략도이다.

도 15는 본 발명의 다른 분리 배열 및/또는 기술의 개략도이다.

도 16은 본 발명에 따라 제조된 장치에 대한 방출 전류 대 인가된 전압의 플롯(plot)이다.

도 17은 본 발명에 따라 제조된 장치에 대한 시간에 따른 방출 전류의 플롯이다.

도 18은 본 발명에 따라 제조된 장치에 대한 포인트 전자장 방출원 및 방출 패턴의 개략도이다.

본 발명의 원리에 따라 수행되고, 설명에 도움이 되는 실시예에 따른 방법을 상응하는 구조체 및 장치와 함께 이하에서 설명한다.

일반적으로, 본 발명의 원리에 따라 수행되는 방법은 다음 단계의 일부 또는 전부의 조합을 포함할 수 있다: (1) 적합한 나노구조체 함유 물질을 제조하는 단계; (2) 상기 나노구조체 함유 물질을 정제하는 단계; (3) 비구조체 함유 물질(nonstructural-containing material)을 기능화(functionalizing)하는 단계; (4) 상기 나노구조체 물질을 함유하는 용액 또는 현탁액을 제조하는 단계; (5) 상기 용액에 "차저(charger)"를 선택적으로 첨가하는 단계; (6) 전극을 상기 용액에 침지하고, 이때 나노구조체 물질이 침착되어질 기판(substrate) 또는 물체가 전극의 하나로 작용하는 단계; (7) 직류 및/또는 교류를 인가하여 일정 시간 동안 전극 사이에 전기장을 발생시킴으로써 용액 내에서 나노구조체 물질이 기판 전극 쪽으로 이동하여 부착되도록 하는 단계; (8) 침착된 물질의 맨 위 표면이 상기 액체와 접촉하여 유지하면서 상기 물질을 상기 액체로부터 점차적으로 빼내어 나노구조체 물질이 기판상에 계속적으로 침착하게 하는 단계; (9) 코팅된 기판의 선택적인 후속 공정 단계. 상기 공정을 단지 이들 일반적인 단계의 일부 또는 모든 조합으로 제한하는 것은 본 발명의 범위 내에 포함된다. 그러나, 부가적인 단계나 공정이 포함될 수 있다. 또한, 상기 기재된 단계의 일부의 조합 또는 전부의 특정 순서로 상기 방법을 수행하는 것도 본 발명의 범위 내에 포함된다. 그 대안으로(alternatively), 단계의 순서는 여기에 기재한 것과 다를 수 있다.

상기 공정은 미리 형성된(pre-formed), "조(raw)" 나노구조체 함유 물질, 바람직하게는 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 나노구조체 함유 물질, 또는 탄소 나노튜브 함유 물질과 같은 나노튜브 함유 물질에서 출발한다. 이 조 물질(raw material)은 단중벽(single-walled) 탄소 나노튜브, 다중벽(multi-walled) 탄소 나노튜브, 실리콘, 산화실리콘, 게르마늄, 산화게르마늄, 질화탄소, 붕소, 질화붕소, 디칼코게니드(dichalcogenide), 은, 금, 철, 산화티탄, 산화갈륨, 인화인듐 또는 나노구조체 안에 싸여진(enclosed) Fe, Co 및 Ni와 같은 자석입자로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에 따르면, 상기 조 탄소 나노튜브 함유 물질은 단중벽 탄소 나노튜브를 포함한다. 상기 탄소 나노튜브는 상기 언급된 아크 방전법, 레이저 절삭(laser ablation), 화학 기상 증착법과 같은 임의의 적당한 기술에 의해 제조될 수 있다.

또한, 상기 조 물질이 B_xC_yN_z(B= 붕소, C=탄소 및 N=질소)의 조성을 갖는 나노튜브 구조체, 또는 MS₂(M=텅스텐, 몰리브덴 또는 산화바나듐)의 조성을 갖는 나노튜브 또는 공심 플러렌(concentric fullerene)의 형태인 것도 본 발명에 이용될 수도 있다. 이들 조 물질들은, 상기 언급된 아크 방전 기술과 같은 임의의 적합한 기술에 의해 제조될 수 있다.

상기 조물질은 상기 배경기술에 기재된 바와 같은 당업게에 공지된 다른 많은 기술에 따라 제조될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 자석 튜브 또는 나노와이어가 출발 물질(starting materials)로서 이용될 수도 있다. 예컨대, 도 1에 도시한 바와 같이, 탄소 나노튜브와 같은 나노 구조화된 물질(100)은 자석 입자(110)을 포함할 수 있다. 이들 자석입자를 제조하기 위한 여러 기술이 사용된다. 그런 기술 중 하나가 화학 기상 증착법을 포함한다. Fe, Co 및/또는 Ni와 같은 자석 입자는 CVD 기술에서 촉매제(catalysts)로서 사용된다. 탄화수소(hydrocarbon)는 탄소원으로서 이용된다. 적당한 조건하에서, 상기 자석 입자는 나노튜브 형성을 위한 핵 형성(nucleation) 부위로서 작용할 것이다. 상기 자석입자(110)은 나노튜브의 말단(ends) 또는 선단(tips)에 트랩(trap)된다. 그 대안으로, 단중벽 또는 다중벽 탄소 나노튜브와 같은 나노튜브들이 적당한 기술을 이용하여 출발 물질로 제조된다. 이후, 상기 출발물질은 나노튜브의 말단을 오픈(open)하기 위하여 가공된다. 상기 자석 입자는 용액(solution), 전기화학, 기상(vapor phase) 기술이나 고체 상태 가공 기술에 의해 나노튜브의 중심(core)으로 삽입된다. 그리고 나서 상기 말단은 보호막(passivation layers) 형성과 같은 적당한 방법에 의해 싸여진다(enclosed). 이러한 기술은 본 명세서에서 그대로 참고문헌으로 인용되는 미국 공개특허출원 제US2003/0180472호에 보다 상세히 기술되어 있다.

도 2는 상기 기재한 자석 입자의 예이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 다중벽 탄소 나노튜브(200)이 제공되고, 거기에 디포즈된(deposed) Co 입자(210)을 포함한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 자석 입자(310)은 여기에서 보다 상세히 개시된 방법에 따라 조립(assemble)되거나 원자력 현미경 용 탐침과 같은 미세 선단에 부착된다.

본 발명에서 더욱 설명되고 도시한 바와 같이, 이들 자석 입자들은 하기에서 보다 상세히 개시된 방법에 따라, 조립되거나 원자력 현미경 용 탐침과 같은 미세 선단에 부착된다. 위에서 기재한 바와 같이 제조된 자석 선단과 영상화될 물체 사이의 상호력(interaction)을 측정함으로써 물체의 자석 구조가 영상화될 수 있다. 그러한 한 물체는 자석 데이터 저장 매체(magnetic data storage media)를 포함한다. 상기 기재된 자석 입자가 작은 크기이기 때문에 매우 높은 화상도가 기대될 수 있다.

조 나노구조체 함유 물질은 정제(purification)를 거칠 수 있다. 조 물질을 정제하기 위한 여러 기술이 사용될 수 있다. 바람직한 일 실시예에 따르면, 조 물질은 H₂O₂ 농도가 1-40부피%, 바람직하게는 약 20부피%를 갖는 과산화수소(H₂O₂)와 물의 조합과 같은 적당한 용매에서의 환류(reflux), 이후 CS₂ 및 메탄올에서의 연속 세척(rinse) 및 여과(filtration)에 의해 정제될 수 있다. 대표적인 기술에 따르면, 매질에 있는 나노튜브 1-10 ㎎ 당 약 10-100 ㎖의 과산화수소를 매질에 첨가하고, 20-100℃의 온도에서 환류 반응을 수행한다(미국특허 제6,553,096호(Serial No. 09/679,303)을 참조하라).

다른 대안에 따르면, 조 나노구조체 함유 물질은 산성 매질, 유기 용매, 또는 알코올, 바람직하게는 메탄올과 같은 적당한 액체 매질에 위치된다. 상기 조 물질은 액체 매질 내에서 고압 초음파 혼(high-powered ultrasonic horn)을 이용하여 몇 시간 동안 현탁액 상태로 방치되면서 동시에 상기 현탁액은 미공성 막(microporous membrane)을 통과하게 된다. 다른 실시예에서, 상기 조 물질은 200-700℃의 온도에서 공기 또는 산소 환경에서의 산화(oxidation)에 의해 정제될 수 있다. 조 물질에 있는 불순물들은 나노튜브보다 더 빠른 속도로 산화된다.

또 다른 실시예에서 상기 조 물질은 불순물로부터 나노튜브/나노와이어를 분리하기 위하여 액체 크로마토그래피에 의해 정제될 수 있다.

이후, 상기 조 물질은 나노튜브와 나노튜브 번들을 단축하기 위하여 화학적 에칭(chemical etching) 또는 밀링(milling)과 같은 추가의 공정을 선택적으로 거칠 수 있다.

정제된 조 물질은, 상기 기재된 단축 공정을 거쳤는지에 상관없이, 100-1200℃와 같은 적당한 온도에서 선택적으로 어닐링(annealing)될 수도 있다. 바람직한 실시예에 따르면, 상기 어닐링 온도는 100-600℃이다. 상기 물질은 약 1-60분과 같은 적당한 시간 동안 어닐링된다. 바람직한 실시예에 따르면, 상기 물질은 약 1시간 동안 어닐링된다. 상기 물질은 약 10^-2 torr의 진공에서, 또는 더 높은 진공압에서 어닐링될 수 있다. 바람직한 실시예에 따르면, 상기 진공은 약 5×10^-7 torr이다.

상기 기재된 "조" 또는 미리 형성된 물질은 물체 또는 기판상으로의 침착 및/또는 전도선(conducting wires)과 같은 물품의 제조를 위하여 용액에 삽입될 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 정제된 나노구조체 함유 물질은 상기 언급한 용액 또는 현탁액으로 위치시키기 이전에 기능화된다(functionalized). 예컨대, 정제된 나노구조체 함유 물질은 친수성으로 되게 하기 위하여 강산에서의 산화를 거칠 수 있다. 이를 수행하는 대표적인 공정은 상기 정제된 나노구조체 물질을 초음파 에너지를 가하면서 H₂SO₄ 및 HNO₃의 용액에 10-24시간 동안 삽입하는 것이다. 그 대안으로, 나노구조체를 수용성으로 되게 하거나 안정한 현탁액의 형성을 촉진하기 위하여 나노구조체의 외부 표면에 화학 종을 화학적으로나 물리적으로 부착시킴으로써 정제된 나노구조체 함유 물질이 화학적으로 기능화될 수 있다.

적당한 액체 매질은 그 내부에서 조 나노구조체 물질의 안정한 현탁액의 형성을 가능하게 하는 것으로 선택되어 진다. 바람직한 실시예에 따르면, 상기 액체 매질은 물, 메탄올, 에탄올, 알코올 및 디메틸포름아미드(DMF) 및 글리세롤로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함한다. 조 물질을 상기 액체 매질에 첨가할 때에 혼합물은 안정한 현탁액의 형성을 촉진하기 위하여 초음파 에너지 또는 교반(stirring), 예컨대, 자석 교반 막대기(magnetic stirrer bar)를 선택적으로 거칠 수 있다. 가해질 수 있는 초음파 에너지의 시간 양은 다양할 수 있으나, 실온에서 약 2시간 정도가 충분하다고 밝혀졌다.

액체 매질 내에 조 물질의 농도는 안정한 현탁액이 형성되는 한 다양할 수 있다. 예컨대, 단중벽 탄소 나노튜브와 같은 약 0.01 ㎎의 조 물질은 메탄올을 포함하는 액체 매질과 함께 액체 매질 ㎖ 당(0.01 ㎎/㎖)으로 존재할 수 있으며, 안정한 현탁액을 제공한다. 액체 매질이 DMF를 포함하는 경우에는, 단중벽 탄소 나노튜브와 같은 약 0.4-0.5 ㎎의 조 물질은 액체 매질 ㎖ 당(0.4-0.5 ㎎/㎖)으로 존재할 수 있으며, 안정한 현탁액을 제공한다. 단축된 탄소 나노튜브가 이용되는 경우에는, 안정한 현탁액이 고농도로 수득될 수 있다. 예컨대, 약 0.1 ㎎/㎖의 단축된 나노튜브의 안정한 물 분산액이 형성될 수 있다. 또 다른 예는, 화학 처리에 의하여 친수성으로 된 단중벽 탄소 나노튜브 번들이 물에 분산된다. 상기 나노튜브의 농도는 원하는 침착 속도(deposition rate)에 따라 조절된다.

일 실시예에 따르면, 전기영동 침착(electrophoretic deposition)을 촉진하기 위하여 차저(charger)를 현탁액에 첨가한다. 바람직한 차저는 MgCl₂이다. 다른 가능한 차저는 Mg(NO₃)₂, La(NO₃)₃, Y(NO₃)₃, AlCl₃ 및 수산화 나트륨(sodium hydroxide)을 포함한다. 임의의 적당한 양이 사용될 수 있다. 나노구조체 함유 물질의 최고 양에 대하여 1중량% 미만에서 50중량%까지의 양이 가능하다. 바람직한 실시예에 따르면, 현탁액은 1% 미만의 차저를 함유할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 탄소 나노튜브의 소량이 물에 분산된다. 탄소 나노튜브의 분산을 균일하게 하기 위하여 상기 현탁액을 초음파처리한다. 상기 현탁액에는 어떠한 차저도 첨가하지 않는다. 교류 디일렉트로포리시스 기술(alternating current dielectrophoresis technique)이 탄소 나노튜브를 원하는 물체 상에 침착시키는데 사용된다. AC 장 하에서, 탄소 나노튜브는 분극화되고(polarized), 장 농도(field concentration), AC 장의 주파수(frequency), 및 액체와 탄소 나노튜브의 유전상수(dielectric constant)에 의존하여 일정한 장 방향으로 이동할 것이다.

이후, 복수의 전극을 상기 현탁액에 삽입한다. 바람직한 실시예에 따르면, 2개의 전극이 사용된다. 상기 전극 중 하나는 나노구조체 물질이 침착되어질 물체를 포함한다. 필요한 전기 전도율을 갖고 있는 한, 임의의 적합한 물체 또는 기판 물질이 사용될 수 있다. 바람직한 실시예에 따르면, 상기 물체는 금속 또는 도프된(doped) 실리콘일 수 있다. 다른 바람직한 실시예에 따르면, 상기 전극 중 적어도 하나는 하나 이상의 미세 선단을 포함한다.

교류 또는 직류가 전극에 인가되면, 상기 전극들 사이에 전기장이 형성된다. 이는 현탁액에 있는 나노구조체 물질이 기판 전극 쪽으로 이동하여 부착되도록 한다. 일 실시예에 따르면, 전극 사이에 인가된 전기장은 0.1-1000 V/cm이고, 0.1-200 mA/㎠의 직류가 1초 내지 10시간 동안 인가된다. 다른 실시예에 따르면, 10 Hz-10 GHz의 주파수를 갖는 교류가 인가된다.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 기재된 전기영동 침착은 실온에서 수행된다.

침착된 나노구조체 물질의 구조와 형태뿐 아니라 침착 속도는 여러 가지 인자(factor)에 의해 영향을 받을 수 있다. 상기 인자는 다음을 포함한다: 현탁액 내 나노구조체 물질의 농도, 차저 물질(예: MgCl₂)의 농도, 만약 있다면 현탁액 내 물체의 전도도(conductivity), 및 전원의 조절(즉, 인가된 전류, 전압 조건 및 교류 인가시 주파수).

예컨대, 직류가 인가될 때 나노구조체 물질이 이동하는 쪽의 특정 전극(즉, 애노드 또는 캐소드)은 차저 물질의 선택을 통해 조절될 수 있다. 예를 들면, 수산화 나트륨(NaOH)과 같은 음전기의 차저는 나노구조체 물질에 음전하를 부여하여 상기 나노구조체 물질이 양전극(캐소드) 쪽으로 이동하게 되는 경향이 생긴다. 반대로, MgCl₂와 같은 양전기의 차저가 이용되는 경우에는, 양전하가 상기 나노구조체 물질에 부여되어 음 전극(애노드) 쪽으로 이동하게 되는 경향이 생긴다.

교류 장이 이용될 때, 나노구조체 물질이 이동하는 쪽의 특정 전극은 교류 주파수의 선택, 나노구조체 물질과 비교한 상기 액체의 유전 상수, 장 농도, 및 전극의 외형에 의하여 조절될 수 있다.

코팅된 물체는 그 위에 침착된 나노구조체 함유 물질과 함께 추가 공정을 선택적으로 거칠 수 있다. 예를 들면, 코팅된 물체는 액체 매질을 제거하기 위하여 어닐링될 수 있다. 잔류 현탁액 매질과 같은 불순물의 제거는 전기적 및 열 접촉 및 나노구조체 물질과 물체 사이의 결합을 증진시키기 때문에 상기 어닐링 과정은 바람직하다. 예로서, 코팅된 기판을 약 100-1200℃의 온도에서 약 1시간 동안 가열하고 나서 약 800℃에서 2시간 동안 가열할 수 있으며, 상기 두 가열은 약 5×10^-7 torr의 진공하에서 수행할 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 기판으로의 탄소 나노튜브의 접착(adhesion)은 결합제(binders), 탄소 분해 또는 탄화물(carbide)-형성 금속과 같은 접착 증진 물질(adhesion promoting materials)의 병합 및 고온 어닐링에 의해 더욱 증진될 수 있다. 이들 물질은 예컨대, 다음의 방법 중의 하나에 의해 도입될 수 있다: 나노구조체와 부착 증진 물질의 입자와의 공동 침착(co-deposition), 연속 침착(sequential deposition), 접착 증진 물질 층(layer)의 예비 침착 등.

일 실시예에서, 폴리머 결합제와 같은 결합제를 나노구조체 함유 물질의 현탁액에 첨가하고, 이후, 균일한 현탁액을 얻기 위하여 상기 현탁액을 교반하거나 초음파처리한다. 적당한 폴리머 결합제는 폴리(비닐 부티랄-코 비닐 알코올-코-비닐 아세테이트)[poly(vinyl butyral-co vinyl alcohol-co-vinyl acetate)]와 폴리(비닐리덴 플로라이드)[poly(vinylidene fluoride)]를 포함한다. 적당한 차저는 인가된 전기장(DC 또는 AC)하에서 결합제와 나노구조체가 동일한 전극으로 이동하여 상기 결합제와 나노구조체가 밀접하게 결합한 혼합(intimate mixing)으로 코팅을 형성하게 하는 것으로 선택된다.

다른 실시예에서는, 티탄(titanium), 철, 납(lead), 틴(tin), 코발트(cobalt)와 같은 작은 금속 입자들이 나노구조체 함유 물질의 현탁액에 혼합된다. 적당한 차저는 인가된 전기장하에서 상기 금속 입자와 나노구조체가 원하는 전극으로 이동하여 상기 금속 입자와 나노구조체가 밀접하게 결합한 혼합(intimate mixing)으로 코팅을 형성하게 하는 것으로 선택된다. 침착 후에, 코팅된 물체는 10^-3 torr 이상의 기본 진공 압에서 0.1 내지 10 시간 동안 진공에서 어닐링된다. 바람직하게 상기 입자의 직경은 1 마이크로미터(micrometer)보다 작다.

결합제 또는 접착 증진 물질들은 임의의 적당한 양으로 첨가될 수 있다. 나노구조체 함유 물질의 양에 대하여 0.1-20중량% 범위의 양이 첨가될 수 있다.

다른 실시예에서는, 나노구조체로 코팅될 물체를 티탄, 철, 납, 틴, 코발트, 니켈, 탄탈(tantalum), 텅스텐, 니오븀(niobium), 지르코늄(zirconium), 바나듐(vanadium), 크롬(chromium) 또는 하프늄(hafnium)과 같은 접착 증진 물질의 적어도 한 층으로 첫 번째로 코팅한다. 상기 층은 전기화학 플레이팅(plating), 열 증발(thermal evaporation), 스퍼터링(sputtering) 또는 펄스 레이져 증착(pulsed laser deposition)과 같은 기술에 의해 어플라이(apply)될 수 있다. 나노구조체의 전기영동 침착 후, 필름은 10^-3 torr 이상의 기본 진공 압에서 0.1 내지 10 시간 동안 진공에서 어닐링된다.

상기 기재된 공정들은 고 산출 및 자동화에 편리하게 적절하다. 또한, 이들 공정은 매우 다용도적이다. 본 발명의 방법들은 나노구조체 물질을 포함하는 물품을 생산하는데 유용하고, 상기 물품을 여러 다른 용도에 사용하는데 이롭게 하는 특성을 가지고 있다. 상기 공정들은 DNA를 포함하는 거대분자(macromolecules)나 큰 크기의 분자뿐 아니라 마이크로미터 크기의 물품을 제조하는데도 사용될 수 있다.

일반적으로, 본 발명의 방법들은 프로필로미터 및 전자 현미경, x-선 발생 장치와 같은 전자장 방출 캐소드 장치, 가스 방전 튜브, 발광 장치, 마이크로웨이브 파워 확장기(microwave power amplifier), 이온 총(ion guns), 전지 빔 석판술 장치(electron beam lithography device), 고에너지 가속기(accelerators), 자유 전자 레이저 및 평판 판넬 디스플레이의 탐침으로의 병합을 위한 나노튜브/나노로드 물품을 제공하는데 특히 유익하다. 예컨대, 개시된 전기영동법은 탄소 나노튜브 또는 나노와이어를 각각 또는 이들의 번들을 미세 선단 상에 선택적으로 침착시키는데 사용될 수 있다. 이 미세 선단은, 예를 들어, 원자력 현미경(atomic force microscopes, AFM), 주사 터널링 현미경(scanning tunneling microscopes, STM), 자력 현미경(magnetic force microscopes, MFM) 및 화학력 현미경(chemical force microscopes, CFM)을 포함하는 현미경에 사용되는 선단일 수 있다. 상기 방법은 탄소 나노튜브 및 다른 나노구조체 물질의 계속적이거나 긴 섬유(fiber)를 생산하도록 할 수 있다. 상기 방법은 전자 회로(electrical circuitry)에서 나노구조체 물질을 이용하여 전기적 연결(interconnects)을 만드는데 더욱 사용될 수 있다.

본 발명의 원리와 일치하는 특이적인 기술 및 이와 관련된 물품들은 위에서 약술한 바와 같이 실예의 목적을 위해 지금 기술될 것이다.

그런 기술 하나를 도 4A 및 도 4B에 도시하였다. 상기에서, 나노튜브 또는 나노와이어와 같은 나노구조체 함유 물질의 희석 현탁액이 첫 번째로 제조된다. 대전극(counter electrode)(410)이 현탁액(420)으로 첫 번째로 침지된다. 금속 선단(430)이 제2전극으로서 사용된다. 금속 선단이, 예컨대, 텅스텐 와이어와 같은 표준 금속 와이어를 화학적으로 에칭함으로써 형성될 수 있다. 금속 선단(430)이 나노구조체 함유 물질이 침착되어질 미세 선단과 함께 첫 번째로 현탁액(420)의 표면과 직각을 이루어 현탁액(420)의 상부 표면 위에 위치된다. 이후, 선단(430)은 현탁액(420)의 표면 쪽으로 점차적으로 이동한다. 전원(440)은 전극(410)과 선단(430)을 전기적으로 연결(접속)한다. 전류 미터와 같은 미터(meter)가 상기 대전극과 금속 선단 사이의 전류(electrical current)를 모니터하는데 사용될 수 있다. 아울러, 적당한 광학 확대 장치가 상기 금속 선단(430)과 현탁액 표면(420) 사이의 간격(gap)을 모니터하는데 사용될 수 있다. 상기 선단(430)이 현탁액(420)의 표면에 닿을 때, 두 전극 사이를 통과하는 전류가 검출된다. 현탁액 내 나노구조체 함유 물질의 농도 및 사용된 전기장에 의존하여, 선단(430)이 미리 결정된 시간 동안 접촉하도록 한다. 전압이 전원(440)을 통하여 두 전극 간 직류 또는 교류에 의해 인가된다. 이후, 미리 결정된 시간 후에 전압을 끈 후, 선단(430)은 현탁액 위로 들어올려서 침착 과정을 종결시킨다. 그 대안으로, 도 4B에 도시한 바와 같이, 전압은 선단(430)이 현탁액(420)으로부터 점차적으로 회수되어 선단(430)에 부착된 나노튜브(450)의 표준(standard) 또는 와이어를 형성하는 동안 계속 유지될 수 있다. 선단(430)으로의 회전(rotational) 및/또는 선(linear) 이동을 유도하기 위하여 스테이지(stage) 또는 롤러(roller)일 수 있는 장치(460)이 병합될 수 있다. 선단이 회수되는 속도는 선단(430)에 부착된 나노구조체 물질의 최외 표면이 현탁액(420)과 접촉하도록 나노구조체 물질(450)의 침착 속도에 따라 조절될 수 있다. 탄소 나노튜브(들)(450)을 갖는 금속 선단(430) 또는 그것에 부착된 다른 나노구조체들은 선단과 나노구조체 사이의 결합(bonding)을 증진시키기 위하여 어닐링될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예를 도 5A 및 5B를 참조하여 기술한다. 상기에서 개시한 임의의 물질, 바람직하게는 탄소 나노튜브와 같은 나노구조체 함유 물질은 물과 같은 적합한 용매에 약 0.01g/L의 농도로 분산되어 있다. 상기 현탁액을 액체 내에 균일하게 분산되도록 초음파처리한다. 상기 나노튜브/물 현탁액 한 방울(510)을 금속 o-링(520)에 적용한다. 상기 금속 o-링(520)은 이동가능하며, 예컨대, 이전 단계(translational stage)상에서 마운팅될 수 있다(미도시). 상기 금속 선단(530)은 전원(540)에 전기적으로 접속되어 있고, 상기 전원은 금속 o-링(520)에 또한, 접속되어 있다. 상기 금속 선단(530)은 초기에는 상기 방울(510)에 접촉되어 있지 않다. 바람직한 실시예에서, 상기 셋업은 광학 현미경하에 위치한다. 20 V및 10 MHz AC 신호가 AC 전원(540)에 의해 확립된다(establish). 현미경하에서 상기 선단(530)을 점차적으로 상기 방울(510) 쪽으로 이동시킨다. 이들이 물리적으로 접촉한 후, 전기장하에 약 1 내지 60초간 정치시킨다. 이후 상기 선단(530)을 상기 액체로부터 점차적으로 제거한다. 상기 금속 선단(530)이 상기 방울(510)과 물리적으로 접촉하고 있는 동안, 상기 금속 선단(530) 및 상기 금속 o-링(520)을 두 개의 전극으로 하여 전기적 회로가 형성된다. 도 5B에서 도시한 바와 같이 AC 전기장하에서, 나노구조체(550)가 분극화된다. 상기 전극이 비대칭이기 때문에, 전기장은 고르게 분포되지 않으며, 선단 주위에 집중된다. 상기 나노구조체(550), 예컨대 나노튜브는 도 5B에 도시한 바와 같이 상기 선단(530) 쪽으로 이동된다. 상기 나노구조체 농도 및 침착 시간을 조절함으로써, 단일 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 번들과 같은 단일 또는 그룹의 나노구조체가 상기 금속 선단에 부착될 수 있다.

상기 개시된 절차에 가능한 변경 중 하나로서, 상기 선단(530) 및 대전극(counter electrode) 또는 o-링(520) 간에 교류 전기장 대신 직류 전기장을 확립할 수 있다. MgCl₂와 같은 적합한 "차저(charger)"를 상기 현탁액에 첨가한다. 전기장하에서 상기 나노구조체(550) 또는 나노튜브가 상기 선단(530)으로 이동되고, 상기 선단의 표면에 부착된다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 바람직하게는 탄소 나노튜브인 나노구조체를 포함하는 와이어(wire)는 도 4A, 4B, 5A 및 5B를 참조하여 개시한 기술과 유사한 기술로 제조된다. 도 4A 및 5B에서 보인 바와 같이, AC 전기장이 확립된 때, 상기 액체에 분산된 나노구조체(450, 550) 또는 탄소 나노튜브는 분극화되어 전기장 방향으로 정렬된다. 비대칭 전기장하에서, 이후 상기 나노구조체(450, 550)는 전기장이 더 높은 미세 전극 선단(430, 550) 쪽으로 이동한다. 이후 상기 나노구조체는 상기 선단(430, 530)에 부착되며, 초기에 전극의 가장 최외 표면이 된다. 더 많은 나노구조체(450, 550)가 이동하여 부착됨에 따라, 부착되는 상기 최외 나노구조체(450, 550) 또는 탄소 나노튜브가 전극의 최외 표면이 된다. 상기와 같은 공정에 의하여 길고 연속적인 나노 구조체 물질의 와이어가 형성될 수 있다(예를 들면 도 9를 보라). 회전 속도, 전기장, 전기장의 진동수 및 나노구조체 물질이 분산되어 있는 액체의 농도를 적정화함으로써, 나노구조체 물질의 연속성 섬유 롤을 제조할 수 있다. 상기 와이어의 길이는 전류 및 사용된 현탁액 내의 나노구조체의 농도와 같은 파라미터로 조절할 수 있다. 침착 후, 상기 와이어는 기계적 강도를 증강시키거나 기능성을 개질하기 위하여 어닐링과 같은 추가 공정을 거칠 수 있다.

상기 침착 공정에 섬유의 추가적 처리 공정을 통합시킬 수 있다. 예컨대, 상기 액체에서 꺼낸 와이어 또는 섬유를 장치(460)과 액체 간에 위치한 로를 거치게 하여 상기 섬유의 특성을 형성 공정 중 하나의 단계로 증강시킬 수 있다. 또한, 상기 섬유를 용융 폴리머 또는 폴리머 용액과 같은 상이한 형태의 물질을 포함하는 베쓰를 거치게 할 수 있다. 상기 나노구조체 물질 섬유를 상기 액체에서 꺼내고 이후 상기 액체를 통해 이동시키면, 상기 폴리머가 상기 섬유에 스며들고 코팅되어 나노구조체 물질 및 폴리머 복합체를 형성한다.

전술한 바와 같은 공정 및/또는 장치를 도 6에 도시하였다. 상기 도시된 실시예에 따르면, 전극(610)이 용기(620) 내에 위치되어 있다. 이후 상기 용기(620)를 나노구조체 물질을 함유하는 매질(620)로 채운다. 연속성의 실 또는 끈 형태의 나노구조체 함유 물질(640)을 상기 매질(630)에서 꺼낸다. 롤 형태의 대전극(650)은 초기에는 상기 매질(630)의 표면과 접촉하여 위치한다. 이후 상기 대전극(650)은 상기 매질(630)의 상면에서 멀어지는 방향으로 이동하고, 이때 전원(660)은 상기 전극(610)과 상기 대전극(650) 간에 교류 전위를 공급한다. 본 명세서에서 자세히 개시한 바와 같이, 상기 매질(630)에 포함되어 있는 나노구조체 함유 물질은 상기 대전극(650)에 부착되고 이후 서로 부착되어 연속적인 실 또는 끈(640)을 형성한다. 상기 실 또는 끈 형태의 나노구조체 함유 물질(640)은 선택적으로 매질(630)에 함유되어 있던 액체를 없애는 등에 사용될 수 있는 가열 장치 또는 로(670)을 거칠 수 있다. 또한, 추가적인 방법으로, 일련의 롤(680)을 사용하여 상기 실 또는 끈(640)을 다양한 추가적인 공정 단계로 이송시킬 수 있다. 예컨대, 도 6에 도시한 바와 같이 상기 실 또는 끈(640)은 상기 나노구조체 함유실 또는 끈(640)에 결합하고자 하는 2차 물질을 함유하는 2차 매질(690)을 거칠 수 있다. 예컨대, 상기 매질(690)은 용융 폴리머를 함유할 수 있으며, 상기 용융 폴리머는 나노구조체 함유 물질(640)에 스며들어 복합체 섬유를 형성할 수 있다. 상기 매질(690)은 용기(695)에 위치하며, 이후 상기 끈(690)이 상기 용기(690)에서 회수되어 다른 추가적인 공정 단계로 이송되거나 또는 최종 롤(680)에 축적될 수 있다. 상기 나노구조체 함유 물질 실 또는 끈(640)은 단중벽 탄소 나노튜브를 포함하거나 본질적으로 단중벽 탄소 나노튜브로 구성될 수 있다. 또는 상기 나노구조체 함유 물질은 본 명세서에 전술한 상기 나노구조체 함유 물질 중 임의의 것을 포함하거나, 본질적으로 상기 임의의 것으로 구성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 복수의 미세 선단을 동시에 처리하기 위한 배치형 공정이 사용된다. 도 7에 도시한 바와 같이 일군(group)의 선단(710)은 시작 물질로부터 에칭에 의하여 직접 형성되거나, 홀더(720) 상에서 마운팅될 수 있다. 탄소 나노튜브와 같은 나노구조체 현탁액(730)을 용기(740) 내에 위치시키고, 평면 금속 전극(750)을 동일 용기에 위치시킨다. 교류 전력원(760)을 상기 홀더(720) 및 상기 평면 전극(750)에 연결한다. 상기 선단(710) 및 상기 평면 전극(750) 사이에 AC 전기장을 확립한다. 진동수는 일례로서 1 KHz 내지 10 GHz이다. 상기 용기(740)를 올려(또는 상기 선단(710)을 내려), 상기 선단(710)을 상기 현탁액(730)의 표면에 접촉시킨다. 일정 휴지 시간(dwell time; 예를 들면 1 내지 10초)후, 상기 선단(710)을 상기 현탁액(730)에서 분리한다. 전류, 현탁액 내의 나노구조체의 농도 및 상기 휴지 시간 등을 조절함으로써, 단일 나노구조체 또는 탄소 나노튜브 또는 일군의 나노구조체 또는 탄소 나노튜브 번들을 각 선단에 부착시킬 수 있다. 침착 후, 상기 선단(710)은 결합 강도를 증강시키기 위하여 추가 처리될 수 있다. 상기 코팅된 선단은 AFM, STM, 또는 다른 주사형 탐침 현미경에 사용하기 위한 탐침, 센서용 마이크로 전극, 전기화학 전지로서 사용될 수 있다.

또 다른 실시예에서 나노 물체를 함유하는 와이어는 전기 회로에서 상이한 구성성분(component) 사이에 전기 접속을 형성하는 예정된 패턴으로 조립된 형태로 형성될 수 있다. 하나의 특정예가 도 8A 및 8B에 도시되어 있다. 탄소 나노튜브와 같은 나노 물체를 함유하는 액체 방울(850)을 회로기판상의 구성성분이 될 수 있는 네 개의 구성성분(810, 820, 830 및 840)으로 이루어지는 부위에 위치된다. 먼저, 두 개의 구성성분 예컨대 (810 및 830) 간에 AC 전기장과 같은 전기장을 나노 물체 또는 나노튜브를 포함하는 와이어(860)가 형성되어 (810) 및 (830)을 연결(접속)할 때까지 확립한다. 이후 상기 나노 물체를 함유하는 와이어가 형성되고, (820) 및 (840)을 연결(접속)할 때까지, (820) 및 (840) 간에 전기장을 확립한다. 그 결과, 상기 네 개의 구성성분(810-840) 간에 교차 전기 접속(cross electrical connection)이 확립된다.

도 9A 내지 9E는 본 발명에 따라 형성된 탄소 나노튜브 또는 나노와이어(920)가 부착된 미세 금속 선단(910)의 SEM 영상이다. 도 9C는 본 발명의 공정에 따라 텅스텐 선단에 부착된 단중벽 탄소 나노튜브(SWNT) 번들을 포함하는 와이어의 SEM 영상이다. 본 예시 실시예에 따르면, 상기 피브릴(fibril)의 직경은 1.0 마이크론 미만, 바람직하게는 0.5 nm 내지 10 마이크론, 바람직하게는 1 마이크론 미만 일 수 있다. 상기 피브릴의 길이는 50 nm 내지 50 마이크론, 바람직하게는 30 마이크론 미만일 수 있다. 본 발명에 따라 형성된 선단은 1 내지 10 마이크로암페어의 안정한 전자 방출 전류를 나타낼 수 있다.

도 10은 원뿔 축(con axis)A_C를 갖는 대체로(generally) 원뿔형의 미세 선단T에 부착된 대체로 종축(A_F)을 갖는 피브릴 F의 모식도로서, 상기 피브릴 F는 대체로 원뿔 축 A_C에 따라 정렬되어 있다. 즉, 상기 축 A_F 과 축 A_C는 서로에 대하여 각도α를 이루고, 상기 각도는 약 15도 미만, 바람직하게는 10도 미만이다.

본 발명에 따라 제조되는 탄소 나노튜브가 부착된 선단은 원자력 현미경, 주사형 터널링 현미경, 자력 현미경 및 화학력 현미경(chemical force microscope)을 포함하는 주사형 탐침 현미경에 사용될 수 있다. 탄소 나노튜브와 같은 나노구조체 물질의 큰 종횡비(aspect ratio) 및 작은 직경 때문에, 보다 양질의 영상을 얻을 수 있다. 예컨대, 도 11은 나노구조체(1120)가 선단에 조립된(assembled) 통상적인 원자력 현미경 탐침(1110)을 보인 것이다. 도 12는 나노구조체(1220)가 침착된 주사형 전자 현미경 선단(1210)을 도시한 것이다. 도 13은 나노구조체(1320)가 그 선단에 조립된 스핀디트형 전기장 방출자(Spindt-type electron field emitter; 1310)를 보인 것이다.

본 발명의 또 다른 측면에 따라 본 발명은 나노구조체 물질을 그 특성 차이에 기초하여 분리하는 기술 및 배열(arrangement)을 제공한다. 하나 이상의 나노구조체 함유 물질의 혼합물을 함유하는 물질을 분리할 수 있다. 예컨대, 탄소 나노튜브와 같은 금속성 및 반도체성 나노구조체물질은 두 개의 하위 그룹으로 분리될 수 있다. 예컨대, 하나의 하위 그룹은 오직 금속성의 탄소 나노튜브만을 함유하며 다른 하위 그룹은 오직 반도체성 탄소 나노튜브만을 함유한다. 하나의 특정예에서, 예비 제조된 단중벽 탄소나노튜브가 물 안에 분산되어 있다. 보다 바람직하게는 먼저 불순물상을 제거하기 위하여 상기 단중벽 탄소 나노튜브를 적합한 기술로 정제한다. 두 개의 전극 간에 AC 전압을 인가하여 액체 내에 비대칭 AC 전기장(field)을 확립한다. 비대칭 전기장을 확립하는 방법 중 하나로는 상이한 형상(geometry)을 갖는 두 개의 전극을 사용하는 것이다. 예컨대, 하나의 전극은 평면(planar)형상을 갖고, 다른 것은 미세 융기(sharp protrusion) 형상을 갖는 것이다. 상기 AC 전기장의 진동수는 조절될 수 있다. 상기 금속성 및 반도체성 탄소 나노튜브의 분극화는 상기 물질 간의 전자적 성질의 차이로 인하여, 상이한 진동수 의존성을 가진다. 적정 진동수하에서, 상기 금속성 탄소 나노튜브는 반도체성 탄소 나노튜브보다 더 빨리 융기를 갖는 전극으로 이동된다. 또 다르게는, 진동수 및 사용된 액체를 조정하여, 특정 조건하에서 금속성 탄소 나노튜브는 일측의 전극으로, 반도체성 탄소 나노튜브는 반대편 전극으로 이동하도록 할 수도 있다. 특정 시간 동안 전기장을 인가한 후, 각 그룹의 물질을 대치하는 전극들의 표면상의 액체로부터 수거할 수 있다. 본 명세서에서 기술된 방법은 원재료에 존재하는 자성 입자로부터 탄소 나노튜브를 분리하는데에도 사용될 수 있다. 상기 방법은 탄소 나노튜브에 제한되지 않으며, 다른 나노 물체를 그들의 전자적 성질 및/또는 형상에 따라 분리하는데 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 분리 기술/배열의 또 다른 실시예를 도 14에 도시하였다.

상기 배열(1400)은 특정 패턴에 따라 배열된 복수의 전극(1402, 1404)을 포함한다. 본 도식예에 따라, 상기 전극(1402, 1404)은 서로에 대하여 90°각도로 배치되어 있다. 그러나 수많은 상이한 전극 패턴도 가능함이 인식돼야 한다. 전원(1406)이 상기 전극(1402, 1404)에 교류를 공급한다. 상기 전극(1402, 1404)을 통한 교류의 흐름에 기인하는 프린징 효과(fringing effect)에 의하여, 비균일전기장이 생성된다. 본 도식예에서는 상대적으로 높은 강도의 전기장 영역(1408)이 생성된다. 나아가, 상대적으로 낮은 강도의 전기장 영역(1410)도 생성된다.

상기 배열(1400)을 채널(channel) 또는 챔버(1412) 내에 위치시킬 수 있다. 첫 번째 타입의 입자(1416) 및 두 번째 타입의 입자(1418)를 함유하는 혼합물을 상기 챔버 또는 채널(1412)에 도입한다. 적어도 두 개의 상이한 타입의 입자를 함유하는 혼합물은 많은 형태를 가질 수 있다. 예컨대, 적어도 하나의 입자(1410) 및 (1418)가 하나의 나노구조체 함유 물질을 구성할 수 있다. 한 실시예에 따라, 상기 입자(1416) 및 (1418)을 액체 매질 내에 배치한다. 다른 실시예에 의하면 상기 혼합물은 액체 매질에 배치되는 첫 번째 타입의 입자(1416) 및 두 번째 상이한 타입의 나노구조체 함유 물질 입자(1418)를 포함할 수 있다. 상기 액체 매질은 챔버 또는 채널(1412)의 한 말단을 통해 도입될 수 있으며, 예컨대 통상적으로 화살표 F로 표시되는 방향으로 흐르게 할 수 있다. 상기 입자(1416 및 1418)는 그 성질의 차이에 의하여 분극화되거나, 상이한 방식으로 인가된 전기장에 의해 영향을 받을 수 있다. 예를 들면 첫 번째 타입의 입자(1416)는 인가된 전기장에 의하여 음으로 분극될 수 있으며, 반면 상기 두 번째 타입의 입자(1418)는 전기장의 인가에 의하여 양으로 분극될 수 있다. 따라서 상기 극성의 차이 때문에, 상기 두 번째 타입의 입자(1418)는 상대적으로 높은 강도의 전기장 영역(1408) 내에 보유되고 잡히게 되어 전극 (1402 및 1404)에 부착될 수 있다. 반면, 첫 번째 타입의 입자(1416)는 그 극성에 의하여 상대적으로 높은 강도 전기장 영역(1408)으로 끌리지 않고, 대신에 도 14에서 화살표 F로 표시된 방향으로 상대적으로 낮은 강도 전기장 영역(1410) 내에서 흐르게 된다. 이러한 방식으로 첫 번째 입자(1416)는 상기 챔버 또는 채널(1412) 내에서 하류로 흐를 수 있으며, 전극에서 멀리 떨어진 지점에서 수거할 수 있다. 상기 두 번째 타입의 입자(1418)는 상기 전기장(1408) 내에 함유되고, 및/또는 상기 전극(1402 및 1404)에 부착되며, 거기에서 회수할 수 있다.

또 다른 분리 기술/배열에 관한 모식예를 도 15에 도시하였다. 상기 배열(1500)은 복수의 패턴 전극(1502, 1504, 1506 및 1508)을 포함한다. 본 실시예에서는 이들 전극 모두에 대하여 동일 강도의 교류를 인가한다. 그러나 상기 전류는 다른 전극에 대하여 90°씩 위상이 다르도록(out-of phase) 인가한다. 이후 상기 배열(1500)을 적어도 하나의 첫 번째 타입의 입자(1510) 및 두 번째 타입의 입자(1512)의 혼합물 내에 위치시킨다. 상기 혼합물은 전술한 혼합물의 임의의 타입을 포함한다. 상기 첫 번째 및 두 번째 입자(1510 및 1512)에 인가된 전기장에 의하여 유발된 차이 및 효과에 의하여, 상기 입자 및 상기 전극(1502, 1504, 1506 및 1508)은 각 입자에 상대적인 이동성을 부여하도록 상호 작용한다. 상기 이동 방향은 두 개의 상이한 타입의 입자(1510 및 1512)의 각각의 분극성(polarizability)에 의존한다. 따라서 입자 중 하나 예컨대 (1510)은 도 15에 도시된 바와 같이 상기 배열(1500)의 중심을 향하여 이동하며, 반면 다른 입자(1512)는 상기 배열(1500)의 중심에서 멀어지는 방향으로 이동한다. 이러한 방식으로 상기 두 그룹의 입자를 분리할 수 있다. 상기 첫 번째 그룹의 입자(1510)는 배열(1500)의 중심에서 수거할 수 있으며, 상기 전극 (1502, 1504, 1506 및 1508)에 실제 부착할 수 있다. 상기 두 번째 그룹의 입자(1512)는 상기 배열(1500)에서 멀어지는 방향으로 이동하므로 그로부터 먼 위치에서 회수할 수 있다.

본 발명의 원리는 이하의 예시적인, 비제한적인 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명된다.

화학적 에칭에 의해 제조한 텅스텐 선단을 작업전극(working electrode)으로 사용하고 작은 금속 플레이트 또는 링을 대전극으로 사용하였다. 별개의 이전 단계에서 이들을 마운팅하였으며 광학 현미경하에 위치하였다. 먼저, 단중벽 탄소 나노튜브를 정제하였으며, ~2μm의 번들 길이로 에칭하였고, 화학적 산화에 의하여 소수성을 부여하였다. 이후 탈이온수에 분산시켰다. 상기 나노튜브 현탁액 한 방울을 상기 금속 링 내에 위치시켰다. 침착을 시작하기 위하여, 먼저 두 전극 간에 AC 전기장(2 MHz에서 10V)을 인가하였다. 상기 선단 전극을 상기 나노튜브/물 현탁액과 접촉시키기 위하여 수평적으로 이동시키고, 원하는 길이의 피브릴이 생성될 때까지 상기 전기장하에서 점진적으로 회수하였다.

침착 후, 상기 나노튜브 피브릴이 부착된 금속 선단을 800℃, 10^{-6 torr} 진공에서 1시간 동안 어닐링하여, 잔류 용매를 제거하고, 나노튜브의 금속 선단에의 부착성 및 나노튜브 간 결합을 증강시켰다.

상기 선단의 전기장 방출특성은 마이크로미터 헤드 상에 마운팅된 선단이 음극(cathode)이고, 반대편의 금속 플레이트가 양극(anode)인 포인트-플레인(point-plane) 형상을 사용하여 측정하였다. 상기 두 전극 간의 거리는 마이크로미터 헤드를 이동시켜 조정하였으며, ~200mm로 고정시켰다. 상기 셋업을 5×10^{-7 torr} 기저 압력의 진공 챔버 내에 위치시켰다. 상기 선단에서 나오는 전체 방출 전류를 인가 접압의 함수로 나타내었다. 도 16 및 삽입도는 ~50 nm 선단 직경의 선단에서 얻어진 데이타를 도시한 것이다. 상기 방출 전류-전압 특성은 ln(I/V²) 및 1/V간에 선형관계를 나타내는 전형적인 파울러-노르다임(Fowler-Nordheim)형 행동을 나타내었다. 상기 방출 전류는 1000V 미만 인가 전압에서 5mA에 도달하였으며, 이로부터 추정되는 전류 밀도는 2.5×10⁵ A/㎠이었다.

고정 전압에서 계속적으로 10시간 동안 DC모드로 하였을 때, 시간에 대한 방출 전류의 변동을 모니터링하여 방출 안정성을 측정하였다. 상기 선단(~50nm 직경)을 3개의 상이한 전압에서 순차적으로 측정한 결과를 도 17에 도시하였다. 인가 전압이 800V 및 1000V로 고정되었을 때, 방출 전류는 각각 1mA 및 2.8 mA에서 안정적이었으며, 방출 전류의 총 전류감소는 없었다. 음극에 밸러스트 저항기(ballast resistor)가 연결된 경우, 상기 국소 전류 요동(fluctuation)은 1mA 에서 5% 및 2.8 mA에서 2.5%로 계산되었다. 상기 전압이 1200V까지 증가하였을 때, 동일 시료에서 유래된 방출 전류는 5.5 mA까지 올라갔지만, 1시간 후에 갑자기 0으로 하강하였다. 더 높은 전압에서도 전류가 감지되지 않았다. SEM 검사 결과 도 17에서 보인 바와 같이 W와이어가 부서지고, 전체 선단이 없어진 것을 알 수 있었다. 이는 W 및 피브릴 계면에 저항성 가열에 기인된 것이다. 다른 제조 선단에서는 6.5mA의 안정적인 전류가 얻어졌다. 이 시료의 전류 요동은 밸러스트 저항기가 없는 경우 약 12%로서, 이값은 비-밸러스트 개별 단중벽 탄소 나노튜브에서 보고된 값에 필적하였다.

도 18에서 도시한 바와 같이, 상기 선단(1800)에서의 방출 패턴을 기록하기 위하여 상기 측정에서 사용된 금속 양극을 인-코팅된 ITO(인듐-주석-산화물)글라스(1810)로 대체하였다. 방출 전자에 의하여 상기 형광면(phosphor screen)에 형성된 영상(1820)을 진공 챔버 외부에 위치시킨 CCD카메라로 기록하였다. 다중벽 나노튜브/선단에서 얻은 방출 영상(1820)을 도시하였다. 단일 방출 스팟이 모든 작동 전압에서 관찰되었으며, 이는 각 텅스텐 선단에 오직 하나의 조밀하게 팩킹된 탄소 나노튜브만이 앵커링되었음을 보여준 SEM 결과와 일치하였다. 1400V에서 상기 형광면상의 밝은 스팟의 직경은 약 200mm였으며, 빔 확산각(beam divergence angle)은 50°였다. 상기 포인터-플레인 형상에서의 전기장 분포에서는 나노튜브에서 유래되는 전기장 방출 전자의 고유 확산각보다 큰 펼친각(large spread angle)이 생성되었다.

본 발명은 상기 실시예를 참고하여 기재하고 있으나, 다양한 변경 및 수정이 가능함이 본 발명의 당업자들에게 명백하다. 따라서 본 발명은 첨부되는 청구범위와 기술적 사상에 의하여서만 제한될 수 있다.

Claims

(i) 액체 매질에서 나노구조체 함유 물질의 현탁액을 제조하는 단계;

(ⅱ) 상기 현탁액에 적어도 하나의 전극을 침지하는 단계;

(ⅲ) 상기 현탁액에 미세 선단을 위치하는 단계;

(ⅳ) 침지된 전극 및 미세 선단에 직류 또는 교류를 인가하여 상기 현탁액 내 나노구조체 함유 물질의 적어도 한 부분이 물체의 미세 선단의 정점에 가까운 물체에 부착되도록 하는 단계를 포함하는 나노구조체 함유 물질을 물체의 미세 선단에 부착시키는 방법.
제1항에 있어서, 상기 물체가 포인트 전자장 방출원, 원자력 현미경의 탐침, 주사형 터널링 현미경의 탐침, 투과 전자 현미경의 전자원, 주사 전자 현미경의 전자원, 자력 현미경의 탐침 또는 프로필로미터(profilometer)를 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 방법이 상기 (i) 단계 이전에 상기 나노구조체 함유 물질을 기능화하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 (ⅲ) 및 (ⅳ) 단계가 현탁액과의 전기적 접촉이 확립될 때까지 상기 선단을 현탁액의 표면 쪽으로 이동시키고, 미리 결정된 기간의 시간 동안 전기적 접촉을 유지하고, 상기 현탁액으로부터 선단을 회수하는 것을 추가로 포함하는 방법.
제4항에 있어서, 상기 나노구조체 함유 물질이 탄소 나노튜브를 포함하고, 상기 (ⅳ) 단계가 개개의 탄소 나노튜브, 나노튜브 번들(bundle) 또는 나노와이어(nanowire)을 미세 선단에 부착시키거나 복수의 탄소 나노튜브, 나노튜브 번들 또는 나노와이어를 포함하는 피브릴(fibril)을 부착시키는 것을 추가로 포함하는 방법.
제5항에 있어서, 상기 개개의 탄소 나노튜브, 나노튜브 번들 또는 나노와이어의 종축이 미세 선단의 원뿔 축을 따라 정렬되는 방법.
제5항에 있어서, 상기 나노튜브, 나노튜브 번들 또는 나노와이어를 포함하는 피브릴의 종축이 미세 선단의 원뿔 축을 따라 정렬되는 방법.
제5항에 있어서, 상기 피브릴 내에 나노튜브, 나노튜브 번들 또는 나노와이어의 종축이 피브릴의 종축을 따라 정렬되는 방법.
제5항에 있어서, 상기 피브릴이 원통 형태의 본체 및 2개의 말단을 가지되, 상기 피브릴의 첫 번째 말단이 피브릴의 정점에 부착되고, 상기 피브릴의 두 번째 말단은 점점 가늘어지는 형상(tapered geometry)을 가지며, 점점 가늘어지는 말단의 선단 직경이 0.5 nm 내지 10 nm인 방법.
제5항에 있어서, 상기 방법이 나노튜브, 나노튜브 번들 또는 나노와이어가 부착된 후에 상기 선단을 어닐링(annealing)하는 것을 추가로 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 (ⅲ) 단계가 복수의 미세 선단을 현탁액 내로 위치하는 것을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 (ⅳ) 단계가 10Hz 내지 10GHz의 주파수를 갖는 교류를 인가하는 것을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 (ⅳ) 단계가 직류를 인가하는 것을 포함하는 방법.
제13항에 있어서, 상기 (i) 단계가 나노구조체 함유 물질에 전하 특성을 부여하기 위하여 상기 현탁액에 적어도 하나의 화합물을 첨가하는 것을 추가적으로 포함하는 방법.
제14항에 있어서, 상기 적어도 하나의 화합물이 MgCl₂, NaOH, Mg(NO₃)₂, La(NO₃)₃, AlCl₃로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 방법.
제5항에 있어서, 상기 나노구조체 함유 물질이 단중벽(single-walled) 탄소 나노튜브; 다중벽 탄소 나노튜브; 실리콘; 산화실리콘; 게르마늄; 산화게르마늄; 질화탄소; 붕소; 질화붕소, 디칼코게니드(dichalcogenide); 은; 금; 철; 산화티탄; 산화갈륨; 인화인듐; 나노튜브 내에 봉합된 자석입자; B_xC_yN_z의 조성을 갖는 나노튜브; MS₂(M=텅스텐, 몰리브덴 또는 산화바나듐)의 조성을 갖는 나노튜브 또는 공심 플러렌(concentric fullerene)의 적어도 하나를 포함하는 방법.
제4항에 있어서, 나노구조체 함유 물질이 첫 번째로 선단의 정점에 가깝게 조립되고 그 후에 이전에 부착된 나노구조체 함유 물질에 조립됨으로써 나노구조체 함유 물질의 와이어(wire)가 형성되도록 전류가 인가되는 동안 상기 선단이 현탁액의 표면으로부터 점차적으로 회수되는 것을 특징으로 하는 방법.
제17항에 있어서, 상기 와이어가 0.5 nm 내지 100 ㎛의 직경으로 형성되는 방법.
제1항에 있어서, 상기 방법이 상기 (ⅳ) 단계 후에 미세 선단과 나노구조체 함유 물질을 어닐링하는 것을 추가로 포함하는 방법.
나노구조체 함유 물질을 포함하고 0.5 nm 내지 100 ㎛의 직경을 갖는 와이어.
제20항에 있어서, 0.5 nm 내지 1 ㎛의 직경을 갖는 와이어.
제21항에 있어서, 50 nm 내지 50 ㎛의 길이를 갖는 와이어.
제20항에 있어서, 상기 나노구조체 함유 물질이 탄소 나노튜브를 포함하는 와이어.
제23항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브가 단중벽 탄소 나노튜브를 포함하는 와이어.
제20항에 있어서, 상기 와이어가 제17항의 방법에 의해 형성된 와이어.
제1항에 있어서, 상기 (ⅳ) 단계는 미세 선단의 정점에 하나의 탄소 나노튜브를 부착하되, 여기서 상기 탄소 나노튜브의 종축이 미세 선단의 원뿔 축을 따라 정렬되고, 상기 미세 선단의 정점으로부터 반대방향으로 뻗어있는 탄소 나노튜브의 말단은 자석입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제26항에 있어서, 상기 미세 선단이 원자력 현미경의 탐침인 방법.
제26항에 있어서, 상기 자석 입자가 탄소 나노튜브에 의해 봉입된 방법.
원뿔 축을 갖는 대체로 원뿔형의 미세 선단; 및

상기 미세 선단에 부착된 나노구조체 함유 물질을 함유하고, 대체로 상기 미세 선단의 원뿔 축을 따라 정렬된, 0.5 nm 내지 1.0 ㎛의 직경을 갖는 피브릴을 포함하는 장치.
제29항에 있어서, 상기 장치가 포인트 전자장 방출원을 포함하는 장치.
제29항에 있어서, 상기 장치가 원자력 현미경의 탐침, 주사 탐침 현미경, 투과 전자 현미경, 주사 전자 현미경, 자력 현미경 또는 프로필로미터를 포함하는 장치.
제29항에 있어서, 상기 미세 선단이 텅스텐으로 이루어진 장치.
제29항에 있어서, 상기 나노구조체 함유 물질이 단중벽 탄소 나노튜브; 다중벽 탄소 나노튜브; 실리콘; 산화실리콘; 게르마늄; 산화게르마늄; 질화탄소; 붕소; 질화붕소, 디칼코게니드(dichalcogenide); 은; 금; 철; 산화티탄; 산화갈륨; 인화인듐; 나노튜브 내에 봉입된 자석입자; B_xC_yN_z의 조성을 갖는 나노튜브; MS₂(M=텅스텐, 몰리브덴 또는 산화바나듐)의 조성을 갖는 나노튜브 또는 공심 플러렌(concentric fullerene)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 장치.
제29항에 있어서, 상기 피브릴이 단일 탄소 나노튜브, 복수의 탄소 나노튜브, 단일 탄소 나노튜브 번들 또는 복수의 탄소 나노튜브 번들을 포함하는 장치.
제34항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브들이 단중벽 탄소 나노튜브를 포함하는 장치.
제29항에 있어서, 상기 피브릴이 50 nm 내지 50 ㎛의 길이를 갖는 장치.
제29항에 있어서, 상기 장치가 0.5 마이크로암페어 이상의 방출 전류를 나타내고, 10시간 동안의 계속적인 작동 후 15% 미만의 전류 감소(decay)를 나타내는 장치.
제29항에 있어서, 상기 장치가 1.0 마이크로암페어 이상의 방출 전류를 나타내고, 10시간 동안의 계속적인 작동 후 15% 미만의 전류 감소를 나타내는 장치.
제29항에 있어서, 상기 장치가 3.0 마이크로암페어 이상의 방출 전류를 나타내고, 10시간 동안의 계속적인 작동 후 15% 미만의 전류 감소를 나타내는 장치.
제29항에 있어서, 상기 장치가 5.0 마이크로암페어 이상의 방출 전류를 나타내고, 10시간 동안의 계속적인 작동 후 15% 미만의 전류 감소를 나타내는 장치.
제29항에 있어서, 상기 부착된 피브릴이 미세 선단의 원뿔 축과의 각도를 이루는 실질적으로 종축을 가지며, 상기 각도는 15도 미만인 것을 특징으로 하는 장치.
제29항에 있어서, 상기 부착된 피브릴이 미세 선단의 원뿔 축과의 각도를 이루는 실질적으로 종축을 가지며, 상기 각도는 10도 미만인 것을 특징으로 하는 장치.
(i) 액체 매질에서 나노구조체 함유 물질의 현탁액을 제조하는 단계;

(ⅱ) 상기 현탁액을 구성성분들과 접촉시키는 단계; 및

(ⅲ) 상기 구성성분들에 직류 또는 교류를 인가하여 구성성분 간 전기장을 확립함으로써 상기 구성성분에 접속된 나노구조체 함유 물질로부터 와이어를 형성하는 단계를 포함하는 복수 구성성분 사이에 전기적 접속(electrical connection)을 만드는 방법.
제43항에 있어서, 상기 복수의 구성성분이 2개의 구성성분을 포함하는 방법.
제43항에 있어서, 상기 복수의 구성성분이 4개의 구성성분을 포함하고, 상기 (ⅱ) 단계가 상기 현탁액과 4개의 모든 구성성분들과의 접촉을 발생시키는 것을 포함하고, 상기 (ⅲ) 단계가 직류 또는 교류를 첫 번째 한 쌍의 구성성분에 인가하여 그 사이에 첫 번째 접속이 형성되도록 한 후, 직류 또는 교류를 두 번째 한 쌍의 구성성분에 인가하여 그 사이에 두 번째 접속이 형성되도록 하는 것을 포함하는 방법.
제43항에 있어서, 상기 구성성분이 회로기판상에 침착된 구성성분을 포함하는 방법.
제43항에 있어서, 나노튜브, 나노튜브 번들 또는 나노와이어가 부착된 후에 상기 선단을 어닐링하는 것을 추가로 포함하는 방법.
제43항에 있어서, 상기 (ⅲ) 단계가 10 Hz 내지 10 GHz의 주파수를 갖는 교류를 인가하는 것을 포함하는 방법.
제43항에 있어서, 상기 (ⅲ) 단계가 직류를 인가하는 것을 포함하는 방법.
제49항에 있어서, 상기 (i) 단계가 나노구조체 함유 물질에 전하 특성을 부여하기 위하여 상기 현탁액에 적어도 하나의 화합물을 첨가하는 것을 추가로 포함하는 방법.
제50항에 있어서, 상기 적어도 하나의 화합물이 MgCl₂, NaOH, Mg(NO₃)₂, La(NO₃)₃, AlCl₃로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 방법.
제43항에 있어서, 상기 나노구조체 함유 물질이 단중벽 탄소 나노튜브; 다중벽 탄소 나노튜브; 실리콘; 산화실리콘; 게르마늄; 산화게르마늄; 질화탄소; 붕소; 질화붕소, 디칼코게니드(dichalcogenide); 은; 금; 철; 산화티탄; 산화갈륨; 인화인듐; 나노튜브 내에 봉합된 자석입자; B_xC_yN_z의 조성을 갖는 나노튜브; MS₂(M=텅스텐, 몰리브덴 또는 산화바나듐)의 조성을 갖는 나노튜브 또는 공심 플러렌(concentric fullerene)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 방법.
첫 번째 구성요소; 두 번째 구성요소; 및 상기 첫 번째 및 두 번째 구성요소에 부착되어 있어 그 사이의 전기적 접속을 제공하고, 나노구조체 함유 물질을 포함하는 첫 번째 와이어를 포함하는 배열.
제53항에 있어서, 상기 와이어가 제43항의 방법에 의해 형성된 것인 배열.
제53항에 있어서, 세 번째 구성요소; 네 번째 구성요소; 및 상기 첫 번째 및 두 번째 구성요소에 부착되어 있어 그 사이의 전기적 접속을 제공하고, 나노구조체 함유 물질을 포함하는 두 번째 와이어를 추가로 포함하는 배열.
제55항에 있어서, 상기 두 번째 와이어가 제43항의 방법에 의해 형성된 것인 방법.
제53항에 있어서, 상기 구성요소들이 회로 기판상에 침착된 것인 배열.
(i) 분리되어질 나노구조체 함유 물질의 그룹 및 액체 매질을 포함하는 혼합물을 제조하는 단계;

(ⅱ) 복수의 전극을 상기 혼합물에 삽입하는 단계;

(ⅲ) 상기 혼합물 내에 비대칭 전기장을 확립하는 단계;

(ⅳ) 상기 혼합물에서 나노구조체 함유 물질의 그룹을 분극화하여 적어도 하나의 첫 번째 그룹이 제1전극으로 이동하도록 하고, 두 번째 그룹이 제2전극으로 이동하도록 하는 단계; 및

(ⅴ) 상기 액체 매질로부터 적어도 하나의 첫 번째 그룹을 제1전극에서 회수하는 단계를 포함하는 나노구조체 함유 물질의 그룹을 분리하는 방법.
제58항에 있어서, 상기 (ⅴ) 단계가 상기 액체 매질로부터 두 번째 그룹을 제2전극에서 회수하는 것을 추가로 포함하는 방법.
제58항에 있어서, 상기 첫 번째 그룹이 전도체(conductor)를 포함하고, 상기 두 번째 그룹은 반도체(semiconductor)를 포함하는 방법.
제60항에 있어서, 상기 전도체가 금속성 또는 전도성 탄소 나노튜브를 포함하고, 상기 반도체가 반도체성 탄소 나노튜브를 포함하는 방법.
제58항에 있어서, 상기 액체 매질이 물을 포함하는 방법.
제58항에 있어서, 상기 (ⅲ) 단계가 교류를 인가하는 것을 추가로 포함하는 방법.
제63항에 있어서, 상기 (ⅳ) 단계가 인가된 교류의 주파수를 조절하는 것을 포함하는 방법.
(i) 전극의 배열을 제조하는 단계;

(ⅱ) 교류 전원을 상기 배열에 인가하는 단계;

(ⅲ) 상기 혼합물을 상기 배열과 근접하도록 하는 단계;

(ⅳ) 첫 번째 그룹의 입자를 두 번째 그룹의 입자와는 다르게 분극화하는 단계;

(ⅴ) 극성 차이를 기초로 하여 두 번째 그룹의 입자로부터 첫 번째 그룹의 입자를 분리하는 단계; 및

(ⅵ) 상기 첫 번째 또는 두 번째 그룹의 입자의 적어도 하나를 회수하는 단계를 포함하고, 첫 번째 및 두 번째 그룹 중 적어도 하나가 나노구조체 함유 물질을 포함하는 혼합물에서 두 번째 그룹의 입자로부터 첫 번째 그룹의 입자를 분리하는 방법.
제65항에 있어서, 상기 나노구조체 함유 물질이 탄소 나노튜브를 포함하는 방법.
제65항에 있어서, 상기 혼합물이 액체 매질을 포함하는 방법.
제65항에 있어서, 상기 (i) 단계가 다른 전극에 대하여 90°로 교차하는 복수의 전극을 형성하는 것을 포함하는 방법.
제65항에 있어서, 상기 (i) 단계가 복수의 동심전극(concentric electrodes)을 형성하는 것을 포함하는 방법.
제69항에 있어서, 상기 (ⅱ) 단계가 다른 동심전극과 적어도 90°위상이 다른 동심전극 각각에 교류를 인가하는 것을 포함하는 방법.
제65항에 있어서, 상기 (ⅴ) 단계가 적어도 한 그룹의 입자를 상기 전극에 부착시키는 것을 포함하는 방법.