KR20100012590A - 나노동축차폐케이블 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도체층 또는 반도체층으로 이루어진 심선 및 이를 감싸는 절연층으로 구성된 코어부와, 그 코어부의 외형을 구성하는 나노튜브로 이루어진 나노동축차폐케이블 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 종래 불가능하였던 동축 구조를 갖는 나노동축차폐케이블을 제공한다. 본원의 나노동축차폐케이블은 전자 수송 능력이 탁월하여 통신, 전력 케이블로서 그 성능이 우수하며, 또한 나노동축차폐케이블의 직경이 고르고, 수십 nm 이하이어서 나노 장치에 적용할 수 있다는 장점이 있다.

나노튜브, 동축케이블

Description

나노동축차폐케이블 및 그의 제조방법{NANO COAXIALLY SHIELDED CABLE PREPARED AND PROCESS THEREOF}

본 발명은 도체층 또는 반도체층으로 이루어진 심선 및 이를 감싸는 절연층으로 구성된 코어부와, 그 코어부의 외형을 구성하는 나노튜브로 이루어진, 굵기가 수십 nm 이하의 나노동축차폐케이블 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

종래에 나노튜브 내에 코아로서 나노튜브와 다른 물질을 피복한 헤테로 구조의 동축케이블이 실현된 바 있다. 예를 들면, 모세관 현상을 이용하여 금속 또는 그 화합물을 나노튜브 내에 주입하는 기술이 발표되었다(Ajayan, P. M. and Iijima, S, Nature 361, 333 (1993); Tsang, S. C., Chen, Y. K., Harris, P.J. F., and Green, M. L. H., Nature 372, 159 (1994); Ugarte,D., Chatelain,A., and de Heer, W. A., Science 274, 1897 (1996) 참조).

또한, 직접 아크방전을 이용하여 증기로부터 금속 또는 그 화합물을 내포하는 카본나노튜브가 합성된 바 있다(Seraphin,S., Zhou, D., Jiao, J., Withers, J. C., and Loutfy, R., Nature 362, 503 (1993); Loiseau, A. and Pascard,H., Chem. Phys. Lett. 256, 246 (1996); Terrones, M., et al., Appl.Phys. A66, 307 (1998) 참조).

이와 같은 카본나노튜브(CNT)에서 탄화물과의 접합은 특히 주목받는 기술이다. 왜냐하면, 일반적으로 탄화물은 탄소전구체로서 생성되며, 그 자체가 반도체로서 금속적, 초전도체적, 또는 절연체적으로 행동하는 매우 흥미있는 전기적 특성을 갖고 있기 때문이다. 이런 카본나노튜브의 특성과 직경이나 나선상태에 따라 반도체 또는 금속의 성질을 나타내는 단층 카본나노튜브 특유의 전기적 특성(Dresselhaus, M. S.,Dresselhaukss, G., and Eklund, P., Science ofFullerenes and Carbon Nanotubes (New York, Academic Press, 1996) 참조)이 결부된다면 다양한 기능 소자의 실현을 기대할 수 있을 것이다. 예를 들면, 외측의 튜브를 절연성, 내측의 코아부를 도전성으로 한 미세한 케이블을 제조할 수 있을 것이다. 그러나, 상기와 같은 카본나노튜브를 이용한 제품은 실현된 바 없다.

동축케이블 구조를 실현하는 데에는 2층의 도체층과 층간의 절연층이 필요하기 때문에, 종래의 헤테로 구조로는 동축케이블을 형성할 수 없었다. 이에 본 발명자들은 오랜 연구 결과, 종래에는 실현이 불가능하였던, 동축 구조를 가지며, 나노튜브를 이용하는 나노동축차폐케이블 및 그 제조 방법을 발견하기에 이르렀다.

본 발명은 도체층 또는 반도체층으로 이루어진 심선과 그 외측에 절연층으로 이루어진 코아부, 및 그 코아부를 감싸는 나노튜브로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노동축차폐케이블을 제공한다.

하기에서는 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.

본 발명의 나노동축차폐케이블의 기본 구조를 모식적으로 나타낸 단면경사도인 도 1를 보면, 본원의 나노동축차폐케이블 (10)은 코아부와 외피로 이루어져 있고, 코아부는 심선 (3)과 그 주위를 피복하는 절연체 (2)로 이루어져 있으며, 외피는 코아부의 주위를 피복하는 나노튜브 (1)로 이루어져 있다.

본원의 나노동축차폐케이블은 코아부의 중심이 도체로 만들어지고, 그 외측에 절연층이 피복되어 만들어진다. 예를 들어, 반도체-절연체-반도체 (또는 반도체-절연체-도체)의 방사방향으로 이질(헤테로) 접합을 구성할 수 있다.

나노동축차폐케이블의 성장은 2단계로 나눌 수 있다.

제1단계는 C(고체 또는 증기) + 2SiO (가스) → SiC (고체) + SiO₂ (고체)의 반응에 의한 SiC-SiO₂ 나노와이어의 형성이다. 제2단계는 붕소, 질소 및 탄소의 나노튜브 영역으로의 분리에 의한 BCN 쉬스(sheath)의 피복이다.

나노동축차폐케이블의 내부에서 리튬은 검출되지 않았으나, 그라파이트상 (graphitic 또는 graphoto-like) 쉬스의 형성에 있어서 리튬은 중대한 역할을 하는 것을 발견하였다.

출발 물질에 Li₃N이 없으면, 그라파이트상 쉬스가 없는 SiC-SiO₂ 와이어만이 형성된다. 나노튜브의 BN층은 그라파이트 템플레이트 없이는 그 형성이 곤란하지만, C는 실험온도(1,200℃)에서 SiO와 용이하게 반응하기 때문이다.

한편, 리튬이 출발 물질에 존재하면, SiO에 대한 리튬의 높은 반응성에 의해 외측의 C층이 SiO와의 반응을 피하고, 템플레이트의 역할을 하게 된다. 게다가, 리튬은 그라파이트상 BN층의 생성을 촉진할 수 있다. 그 결과, 나노튜브 내에 도체층과 그것을 피복하는 동축구조의 절연층이 만들어지며, 외피인 나노튜브가 도전성 물질로 만들어져 본원의 나노동축차폐케이블의 실현이 가능하다.

본 발명은 코아부의 심선이 1종의 성분으로 이루어질 경우에 그 성분이 결정구조를 갖는 것이어도, 비결정구조를 가지는 것이어도 좋다.

또한, 본 발명은 코아부의 심선이 2종류 이상의 성분으로 이루어질 경우에는 성분마다 서로 동축 구조를 형성할 수 있으며, 특히 나노튜브와 코아부가 서로 동축 구조를 형성할 수 있다.

또한, 코아부의 중심인 심선은 도체 또는 반도체 물질을 이용할 수 있는데, 예를 들어 탄화실리콘이 있으며, 심선을 피복하는 절연층으로는 실리콘산화층 또는 이산화실리콘을 이용할 수 있다.

또한, 본 발명에서 외피를 구성하는 나노튜브는 단층 구조이어도 다층 구조이어도 좋다.

또한, 본 발명은 나노튜브가 붕소, 질소 및 탄소로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택된 원소들로 구성될 수 있다.

또한, 본원은 나노동축차폐케이블의 제조 방법을 제공하는데, 구체적으로 레이져빔 타겟에 질화붕소, 탄소, 탄화실리콘 및 질화리튬 (Li₃N)을 포함하는 레이져애브레이션법에 의해 나노튜브를 제조하는 공정을 포함할 수 있으며, 또한 여기에 산화실리콘증기를 흘리는 공정을 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면 코아부의 중심영역과 외측의 나노 튜브 부분이 두 층의 도체층이 되고, 절연층이 중간층이 되므로, 종래는 실현이 불가능하였던 나노동축차폐케이블과 그 제조 방법을 제공할 수 있게 되었다.

이로써, 전자 수송 능력이 탁월하여 여러 통신, 전력 케이블로서 본연의 기능을 잘 수행하면서, 그 직경이 고르면서 수십 nm 이하이어서 나노 장치에 적용하기에 우수하다는 장점이 있다.

이하 본 발명을 다음 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예

(1) 레이저애블레이션장치를 이용한 나노동축차폐케이블 제조방법

레이저애블레이션장치는 T.Guo et al(Chem.Phys.Lett.243 (1955)49)의 장치를 원형으로 한 것이며, 레이저로서 Nd:YAG 펄스레이저의 2차고조파 (파장 532nm)를 사용하였다. 펄스레이트는 10Hz, 펄스폭은 6~7ns이었다.

타겟으로서 질화붕소, 탄소, 산화실리콘, 및 질화리튬 (Li₃N)을 혼합압축하였다. 타겟상에서의 에너지 밀도는 약 3J/㎠이었다. 타겟은 전기로 중에서 1,200℃로 가열한 석영반응관의 중앙에 장치하였다. 유량 300sccm의 질소가스를 도입하고, 전체 압력을 500torr로 조정하였다. 생성물을 전기로의 하류에서 수집하였다.

한편, 산화실리콘을 흘리고 질화붕소, 탄소, 및 질화리튬(Li₃N)과 고온하에서 반응시키는 것을 제외하고 상기와 같은 방법으로 같은 생성물을 수득하였다.

얻어진 생성물을 투과전자현미경(TEM) 관찰에 의하여 나노동축차폐케이블이 형성된 것을 확인하였다.

(2)결과

상기 방법으로 만들어진 나노동축차폐케이블의 결정구조를 도 2에서 보여주고 있다. 도 2에서 망상의 상은 시료의 지지막이며, 본원의 나노동축차폐케이블은 수십㎛ 이하의 길이와 수십 nm의 직경을 갖는 고 애스팩트(aspect)비를 가지며, 또한 직경이 비교적 균일하였다.

또한, 도 3은 본 발명의 실시 형태에 의한 나노동축차폐케이블 말단의 결정구조와 그 코아부분인 탄화실리콘의 전자회절상을 나타낸 전자현미경 사진인데, 여기서 왼쪽 위의 확대상이 외측의 쉬스인 나노튜브 부분의 구조를, 오른쪽 아래의 확대상이 코어 부분인 탄화실리콘 결정구조를 보여주고 있다.

도 3의 확대상에서는 나노동축나노동케이블이 결정구조의 코아 부분과 이것을 피복한 비결정 구조 층을 갖는 것을 볼 수 있다. 도 3에 삽입한 회절 패턴은 결정구조의 코아 부분이 β상 SiC이며, 전자선에 평행한 <110>축을 갖는 것을 나타내고 있다. (111)면에서의 회절 스팟(spot)은 (*)가 붙여졌고, 이것은 쌍정면을 나타내고 있다. 적층 결함의 존재는 SiC 코아 부분이 C와 SiC의 고체-기체 반응에 의하여 형성된 것을 의미한다.

한편, 도 4는 나노동축차폐케이블의 상세한 다층구조의 조직을 나타낸 고분해능상의 전자현미경 사진으로서, 비결정구조의 쉬스 외측에 다른 그라파이트양의 쉬스를 볼 수 있다. 쉬스로부터의 격자의 끝(도 4의 왼쪽 위에 삽입)은 층간 거리가 약 0.35nm이며, BN 또는 C의 터보스프래이틱 그래파이트(turbostratic graphitic)층의 (002)층격에 가까운 것을 나타내고 있다. 결정구조인 SiC 코아부분 (도 3의 오른쪽 아래 부분에 삽입)으로부터 약 0.25nm인 (111)면 간격을 갖는 전형적인 면심 다방상인 <110> 프로젝션을 볼 수 있다. 여기에 나타낸 구조는 신호전손에 사용되고 있는 통상의 동축케이블과 같다.

도 1은 나노동축차폐케이블의 기본 구조를 나타내는 단면경사도이다.

도 2는 나노동축차폐케이블의 결정구조를 나타낸 저배율 전자현미경 사진이다.

도 3은 본 발명의 실시 형태에 의한 나노동축차폐케이블 말단의 결정구조와 그 코아부분인 탄화실리콘의 전자회절상을 나타낸 전자현미경 사진이다.

도 4는 상세한 다층구조의 조직을 나타낸 고분해능상의 전자현미경 사진이다.

Claims (11)

1. 도체층 또는 반도체층으로 이루어진 심선과 그 외측에 절연층으로 이루어진 코아부, 및 그 코아부를 감싸는 나노튜브로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노동축차폐케이블.
2. 제1항에 있어서, 코아부의 1종의 성분이 결정구조를 갖는 것을 특징으로 하는 나노동축차폐케이블.
3. 제1항에 있어서, 코아부의 1종의 성분이 비결정구조를 갖는 것을 특징으로 하는 나노동축차폐케이블.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 코아부의 각 성분들이 서로 동축 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 나노동축차폐케이블.
5. 제4항에 있어서, 나노튜브와 코아부가 서로 동축 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 나노동축차폐케이블.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 코아부의 중심인 심선이 탄화실리콘인 것을 특징으로 하는 나노동축차폐케이블.
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 코아부의 심선을 피복하는 절연층이 실리콘산화층 또는 이산화실리콘인 것을 특징으로 하는 나노동축차폐케이블.
8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 나노튜브가 단층 또는 다층 구조인 것을 특징으로 하는 나노동축차폐케이블.
9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 나노튜브가 붕소, 질소 및 탄소로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택된 원소들로 구성된 것을 특징으로 하는 나노동축차폐케이블.
10. 레이져빔 타겟에 질화붕소, 탄소, 탄화실리콘 및 질화리튬(Li₃N)을 포함하는 레이져애브레이션법에 의해 나노튜브를 제조하는 것을 특징으로 하는 나노동축차폐케이블의 제조 방법.
11. 제11항에 있어서, 산화실리콘증기를 흘리는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노동축차폐케이블의 제조 방법.

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