KR20070040129A - 탄소나노튜브 구조체 및 탄소나노튜브의 수직정렬 방법 - Google Patents
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Abstract
탄소나노튜브 구조체 및 탄소나노튜브의 수직정렬 방법가 개시된다. 개시된 탄소나노튜브 구조체는 기판; 기판 상에 적층되는 것으로, 다수의 공극이 형성된 탄소나노튜브 지지층; 및 공극들을 통하여 노출된 기판 상에 그 일단이 부착되며, 그 측면은 탄소나노튜브 지지층에 의하여 지지되는 다수의 탄소나노튜브;를 구비한다.
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체를 도시한 도면이다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체를 제조하기 위한 탄소나노튜브의 수직정렬 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 3은 자기조립 단분자층 상에 콜로이드 단일층이 형성된 모습을 보여주는 SEM 사진이다.
도 4는 콜로이드 입자들 사이에 탄소나노튜브들이 수직으로 정렬된 모습을 보여주는 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체를 이용한 전계방출 표시소자의 전계방출 특성을 측정하여 도시한 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110... 기판 120... 자기조립 단분자층
130... 콜로이드 단일층 131... 콜로이드 입자
140... 탄소나노튜브
본 발명은 탄소나노튜브 구조체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 기판 상에 탄소나노튜브가 수직으로 정렬된 탄소나노튜브 구조체 및 탄소나노튜브의 수직정렬 방법에 관한 것이다.
탄소나노튜브(CNT: Carbon Nanotubes)는 그 독특한 구조적, 전기적 특성이 알려진 이래로 전계방출 표시소자(FED; Field Emission Display), 액정 표시소자(LCD; Liquid Crystal Display)의 백라이트(back-light), 나노전자 소자(nanoelectronic device), 액츄에이터(actuator), 배터리(battery) 등 수많은 소자에 응용되고 있다. 전계방출 표시소자는 캐소드 전극 상에 형성된 전자방출원으로부터 전자들을 방출시키고, 이렇게 방출된 전자들이 애노드 전극 상에 형성된 형광체를 여기시켜 발광되도록 하는 표시장치이다. 이러한 전계방출 표시소자의 전자방출원으로서 최근에는 전자방출특성이 우수한 탄소나노튜브(CNT)가 주로 사용되고 있다. 보다 우수한 전계방출 표시소자를 제조하기 위해서는 전자방출원으로 사용되는 탄소나노튜브가 낮은 구동전압과 높은 방출 전류를 가져야 한다. 이를 위해서는 탄소나노튜브가 전극 상에 수직으로 정렬되어야할 필요가 있다.
탄소나노튜브를 정렬하는 방법은 직접성장-정렬법과 성장후-정렬법으로 구분될 수 있다. 직접성장-정렬법은 화학기상증착법(CVD;Chemical Vapor Deposition)에 의하여 탄소나노튜브들이 매우 잘 정렬된 고밀도의 나노구조체를 구현할 수 있지만, 높은 온도 조건이라는 단점 때문에 탄소나노튜브를 이용하는 전자소자에 응용 하는데 큰 제약이 있다.
성장후-정렬법에는 기질 표면의 화학적 개질을 통한 탄소나노튜브의 적층방법, 전기장 또는 자기장을 이용한 탄소나노튜브의 정렬방법 등이 있다. 이외에도, 여러 가지 리소그라피(lithography) 공정에 의해 기질의 표면을 특성화하고, 그 위에 탄소나노튜브를 선택적으로 배열하는 방법 등도 연구되고 있다. 그러나, 이러한 성장후-정렬법으로는 탄소나노튜브를 기판 상에 수직으로 정렬시키는 데에는 어려움이 있다. 최근에는 기질과 탄소나노튜브의 화학적 개질을 통하여 화학적 결합으로 탄소나노튜브를 기판 상에 수직으로 정렬하려는 연구가 다양하게 시도되고 있으나, 이러한 탄소나노튜브의 정렬방법은 탄소나노튜브의 높은 종횡비(aspect ratio) 때문에 많은 문제점이 있는 것으로 알려져 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 기판 상에 탄소나노튜브가 수직으로 정렬된 탄소나노튜브 구조체 및 탄소나노튜브의 수직정렬 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여,
본 발명의 구현예에 따른 탄소나노튜브 구조체는,
기판;
상기 기판 상에 적층되는 것으로, 다수의 공극이 형성된 탄소나노튜브 지지층; 및
상기 공극들을 통하여 노출된 상기 기판 상에 그 일단이 부착되며, 그 측면은 상기 탄소나노튜브 지지층에 의하여 지지되는 다수의 탄소나노튜브;를 구비한다.
상기 기판의 표면에는 상기 탄소나노튜브들과 친화력이 있는 작용기를 포함하는 자기조립 단분자층이 형성되어 있으며, 상기 탄소나노튜브들의 일단은 상기 공극들을 통하여 상기 자기조립 단분자층에 부착되는 것이 바람직하다. 여기서,상기 자기조립 단분자층은 2-carboxyethyl phosphonic acid 등과 같은 인(phosphorous)을 함유하는 유기물질로 이루어질 수 있다.
상기 탄소나노튜브 지지층은 자기조립된 다수의 콜로이드 입자를 포함하는 콜로이드 단일층인 것이 바람직하며, 이때 상기 콜로이드 입자들 사이에 상기 공극들이 형성된다. 여기서, 상기 콜로이드 입자는 실리카(silica) 또는 폴리스타이렌(polystyrene)으로 이루어질 수 있다.
상기 기판은 ITO(Indium Tin Oxide) 등과 같은 도전성 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따른 탄소나노튜브의 수직정렬 방법은,
제1 도전성 기판을 준비하는 단계;
상기 제1 도전성 기판 상에 다수의 공극이 형성된 탄소나노튜브 지지층을 적층하는 단계; 및
상기 공극들을 통하여 노출된 상기 제1 도전성 기판 상에 탄소나노튜브들의 일단을 부착시키는 단계;를 포함한다.
여기서, 상기 제1 도전성 기판을 준비한 다음, 상기 제1 도전성 기판의 표면에 상기 탄소나노튜브들과 친화력이 있는 작용기를 포함하는 자기조립 단분자층을 형성하는 단계가 더 포함되는 것이 바람직하다.
상기 탄소나노튜브 지지층을 적층하는 단계는 상기 자기조립 단분자층 상에 자기조립된 다수의 콜로이드 입자를 포함하는 콜로이드 단일층을 형성하는 단계인 것이 바람직하다.
상기 탄소나노튜브들의 일단을 부착시키는 단계는, 제2 도전성 기판을 상기 콜로이드 단일층이 형성된 상기 제1 도전성 기판과 소정 간격 이격되게 배치하는 단계; 상기 제1 도전성 기판과 제2 도전성 기판 사이에 상기 탄소나노튜브들이 분산된 분산용액을 채우는 단계; 상기 제1 도전성 기판과 제2 도전성 기판 사이에 전기장을 인가하여 상기 분산용액 내에 있는 상기 탄소나노튜브들의 일단을 상기 콜로이드 입자들 사이에 형성된 공극들을 통하여 상기 자기조립 단분자층에 부착시키는 단계; 및 상기 분산용액 내의 용매를 제거하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 제1 및 제2 도전성 기판에는 각각 양극 전압 및 음극 전압이 인가될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭한다. 한편, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명에 따른 실시예들은 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체를 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 기판(110)의 표면에는 후술하는 탄소나노튜브들(140)의 일단이 잘 부착될 수 있도록 소정의 물질층이 형성되어 있다. 상기 기판(110)은 ITO(Indium Tin Oxide) 등과 같은 도전성 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 본 실시예에서, 상기 물질층은 탄소나노튜브들(140)과 친화력이 있는 작용기를 포함하는 자기조립 단분자층(120)이 될 수 있다. 여기서, 상기 자기조립 단분자층(120)은 2-carboxyethyl phosphonic acid 등과 같은 인(phosphorous)을 함유하는 유기물질로 이루어질 수 있다.
상기 자기조립 단분자층(120)의 상면에는 탄소나노튜브 지지층이 형성되어 있다. 여기서, 상기 탄소나노튜브 지지층에는 자기조립 단분자층(120)을 노출시키는 다수의 공극들이 형성되어 있다. 본 실시예에서, 상기 탄소나노튜브 지지층은 자기조립 단분자층(120) 상에 형성되는 콜로이드 단일층(130)이 될 수 있다. 여기서, 상기 콜로이드 단일층(130)은 자기조립된 다수의 콜로이드 입자(131)를 포함한다. 그리고, 상기 콜로이드 입자들(131) 사이에는 자기조립 단분자층(120)을 노출시키는 공극들이 형성된다. 상기 콜로이드 입자들(131)은 실리카(silica) 또는 폴리스타이렌(polystyrene) 등으로 이루어질 수 있다.
상기 콜로이드 입자들(131) 사이에 형성된 공극들을 통하여 노출된 자기조립 단분자층(120) 상에는 탄소나노튜브들(140)의 일단이 부착되어 있다. 여기서, 종횡비(aspect ration)가 큰 상기 탄소나노튜브들(140)의 측면은 콜로이드 입자들(131) 에 의하여 지지되므로, 상기 탄소나노튜브들(140)은 콜로이드 입자들(131) 사이의 공극들을 통하여 자기조립 단분자층(120)이 형성된 기판(110) 상에 수직으로 정렬될 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 기판(110)의 표면에 탄소나노튜브들(140)과 친화력이 있는 작용기를 포함하는 자기조립 단분자층(120)이 형성된 경우가 설명되었으나, 이러한 자기조립 단분자층이 형성됨이 없이 탄소나노튜브들(140)의 일단이 콜로이드 입자들 사이의 공극들을 통하여 노출된 기판(110) 상에 직접 부착되는 것도 가능하다. 또한, 본 실시예에서는 탄소나노튜브 지지층으로 다수의 콜로이드 입자(131)를 포함하는 콜로이드 단일층(130)이 사용하였으나, 이외에도 다수의 공극이 형성된 소정의 물질층이 사용될 수도 있다.
이하에서는 전술한 탄소나노튜브 구조체를 제조하기 위하여 탄소나노튜브들을 수직으로 정렬하는 방법에 대해서 설명하기로 한다. 도 2a 내지 도 2d는 탄소나노튜브의 수직정렬 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 2a를 참조하면, 먼저 제1 도전성 기판(110)을 준비한다. 여기서, 상기 제1 도전성 기판(110)은 전술한 실시예에서의 기판에 해당된다. 상기 제1 도전성 기판(110)은 ITO(Indium Tin Oxide) 등과 같은 투명한 도전성물질로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 제1 도전성 기판(110)의 상면에는 탄소나노튜브들(도 2d의 140)과 친화력이 있는 작용기를 포함하는 자기조립 단분자층(120)을 형성한다. 여기서, 상기 자기조립 단분자층(120)은 2-carboxyethyl phosphonic acid 등과 같은 인(phosphorous)을 함유하는 유기물질로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 상기 자기조 립 단분자층(120)은 예를 들면 5mM의 2-carboxyethyl phosphonic acid를 만든 다음, 이 용액에 상기 제1 도전성 기판(110)을 소정 시간 담지함으로써 형성될 수 있다.
도 2b를 참조하면, 상기 자기조립 단분자층(120)의 상면에 다수의 공극이 형성된 탄소나노튜브 지지층을 형성한다. 본 실시예에서 상기 탄소나노튜브 지지층은 자기조립 단분자층(120) 상에 형성된 콜로이드 단일층(130)이 될 수 있다. 여기서, 상기 콜로이드 단일층(130)은 자기조립된 다수의 콜로이드 입자(131)를 포함한다. 그리고, 상기 콜로이드 입자들(131) 사이에는 자기조립 단분자층(120)을 노출시키는 공극들이 형성된다. 이러한 콜로이드 입자들(131)은 실리카(silica) 또는 폴리스타이렌(polystyrene) 등으로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 나노 사이즈, 예를 들면 대략 570nm 정도의 균일한 크기를 가지는 실리카 입자들을 프로판올 용액에 분산시킨 후, 이 용액을 자기조립 단분자층(120)이 형성된 상기 제1 도전성 기판(110) 위에 스핀 코팅(spin coating)하게 되면 상기 자기조립 단분자층(120)의 상면에 자기조립된 다수의 콜로이들 입자(131)를 포함하는 콜로이드 단일층(130)이 형성될 수 있다. 도 3에는 자기조립 단분자층(120) 상에 콜로이드 단일층(130)이 형성된 모습을 보여주는 SEM 사진이 도시되어 있다.
도 2c를 참조하면, 상기 콜로이드 단일층(130)이 형성된 제1 도전성 기판(110)과 소정 간격 이격되게 제2 도전성 기판(150)을 배치한다. 여기서, 상기 제2 도전성 기판(150)은 ITO(Indium Tin Oxide) 등과 같은 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 제1 도전성 기판(110)과 제2 도전성 기판(150) 사이에 탄소나노튜브들(도 2의 140)이 분산된 분산용액(160)을 채운다. 여기서, 상기 제1 도전성 기판(110)과 제2 도전성 기판(150)이 예를 들어 1~1.5mm 정도로 미세한 간격으로 이격된 경우에 상기 분산용액(160)은 모세관 현상에 의하여 제1 도전성 기판(110)과 제2 도전성 기판(150) 사이에 채워질 수 있다.
이어서, 상기 제1 도전성 기판(110)과 제2 도전성 기판(150)에 각각 소정의 양극전압 및 음극전압을 인가하게 되면, 상기 제1 도전성 기판(110)과 제2 도전성 기판(150) 사이에는 전기장이 형성된다. 그리고, 이렇게 형성된 전기장에 의하여 분산용액(160) 내의 탄소나노튜브들(140)은 그 일단이 콜로이드 입자들(131) 사이의 공극들을 통하여 노출된 자기조립 단분자층(120) 상에 부착된다. 이때, 상기 자기조립 단분자층(120)에는 탄소나노튜브들(140)과 친화력이 있는 작용기를 포함되어 있으므로, 상기 탄소나노튜브들(140)은 그 일단이 화학적 결합에 의하여 자기조립 단분자층(120) 상에 견고하게 부착된다. 그리고, 종횡비(aspect ratio)가 큰 상기 탄소나노튜브들(140)의 측면은 콜로이드 입자들(131)에 의하여 지지됨으로써, 상기 탄소나노튜브들(140)은 자기조립 단분자층(120)이 형성된 기판(110) 상에 수직으로 정렬될 수 있다.
마지막으로, 상기 분산용액(160) 및 제2 도전성 기판(150)을 제거하게 되면 도 2d에 도시된 바와 같이 콜로이드 단일층(130)이 형성된 기판(110) 상에 공극들을 통하여 탄소나노튜브들(140)이 수직으로 정렬된다. 도 4에는 콜로이드 입자들 (131)사이에 탄소나노튜브들(140)이 수직으로 정렬된 모습을 보여주는 SEM 사진이 도시되어 있다.
이상과 같은 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 수직정렬 방법에 의하면, 종횡비(apect ratio)가 큰 탄소나노튜브들(140)은 그 일단이 콜로이드 입자들(131) 사이의 공극을 통하여 기판(110) 상에 부착되고 그 측면은 콜로이드 입자들(131)에 의하여 지지되므로, 탄소나노튜브들(140)이 기판(110) 상의 소정 위치에 수직으로 정렬될 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브의 수직정렬 방법에 의하여 제조된 탄소나노튜브 구조체는 다양한 전자소자에 응용될 수 있으며, 특히 전계방출 표시소자(FED)의 전자방출원에 유용하게 적용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체를 이용한 전계방출 표시소자의 전계방출 특성을 측정한 결과가 도 5에 도시되어 있다. 도 5를 참조하면, 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 인가되는 전기장의 세기에 따라 전계방출 표시소자에 요구되는 전류 밀도가 얻어지는 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 기판 상에 다수의 콜로이드 입자를 포함하는 콜로이드 단일층을 형성함으로써 종횡비가 큰 탄소나노튜브들의 일단은 콜로이드 입자들 사이의 공극들을 통하여 기판 상에 부착되고 상기 탄소나노튜브들의 측면은 콜로이드 입자들에 의하여 지지된다. 이에 따라, 탄소나노튜브들이 기판 상의 소정 위치에 수직으로 정렬될 수 있다.
둘째, 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 수직정렬 방법은 간단한 공정으로 탄소나노튜브들을 수직으로 정렬할 수 있으며, 또한 대면적의 전계방출 표시소자의 제조에 적용이 가능하다. 그리고, 고온 공정이 요구되지 않으므로 온도에 대한 제약이 적다.
셋째, 소량의 탄소나노튜브만으로도 기판 상에 탄소나노튜브들을 수직으로 정렬할 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 수직정렬 방법에 의하면, 기판 상의 1cm2 면적에 탄소나노튜브들을 수직으로 정렬하는데 대략 0.2μg 정도가 사용되었다. 따라서, 1mg 정도의 탄소나노튜브로도 40인치의 전계방출 표시소자를 제작할 수 있게 된다.
Claims (16)
- 기판;상기 기판 상에 적층되는 것으로, 다수의 공극이 형성된 탄소나노튜브 지지층; 및상기 공극들을 통하여 노출된 상기 기판 상에 그 일단이 부착되며, 그 측면은 상기 탄소나노튜브 지지층에 의하여 지지되는 다수의 탄소나노튜브;를 구비하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체.
- 제 1 항에 있어서,상기 기판의 표면에는 상기 탄소나노튜브들과 친화력이 있는 작용기를 포함하는 자기조립 단분자층이 형성되어 있으며, 상기 탄소나노튜브들의 일단은 상기 공극들을 통하여 상기 자기조립 단분자층에 부착되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체.
- 제 2 항에 있어서,상기 자기조립 단분자층은 인(phosphorous)을 함유하는 유기물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체.
- 제 3 항에 있어서,상기 인(phosphorous)을 함유하는 유기물질은 2-carboxyethyl phosphonic acid를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체.
- 제 2 항에 있어서,상기 탄소나노튜브 지지층은 자기조립된 다수의 콜로이드 입자를 포함하는 콜로이드 단일층이며, 상기 콜로이드 입자들 사이에 상기 공극들이 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체.
- 제 5 항에 있어서,상기 콜로이드 입자는 실리카(silica) 또는 폴리스타이렌(polystyrene)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체.
- 제 2 항에 있어서,상기 기판은 도전성 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체.
- 제 7 항에 있어서,상기 도전성 물질은 ITO(Indium Tin Oxide)를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체.
- 제1 도전성 기판을 준비하는 단계;상기 제1 도전성 기판 상에 다수의 공극이 형성된 탄소나노튜브 지지층을 적층하는 단계; 및상기 공극들을 통하여 노출된 상기 제1 도전성 기판 상에 탄소나노튜브들의 일단을 부착시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 수직정렬 방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 제1 도전성 기판을 준비한 다음, 상기 제1 도전성 기판의 표면에 상기 탄소나노튜브들과 친화력이 있는 작용기를 포함하는 자기조립 단분자층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 수직정렬 방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 자기조립 단분자층은 인(phosphorous)을 함유하는 유기물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 수직정렬 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 인(phosphorous)을 함유하는 유기물질은 2-carboxyethyl phosphonic acid를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 수직정렬 방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 탄소나노튜브 지지층을 적층하는 단계는 상기 자기조립 단분자층 상에 자기조립된 다수의 콜로이드 입자를 포함하는 콜로이드 단일층을 형성하는 단계이며, 상기 콜로이드 입자들 사이에 상기 공극들이 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 수직정렬 방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 콜로이드 입자는 실리카(silica) 또는 폴리스타이렌(polystyrene)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 수직정렬 방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 탄소나노튜브들의 일단을 부착시키는 단계는,제2 도전성 기판을 상기 콜로이드 단일층이 형성된 상기 제1 도전성 기판과 소정 간격 이격되게 배치하는 단계;상기 제1 도전성 기판과 제2 도전성 기판 사이에 상기 탄소나노튜브들이 분산된 분산용액을 채우는 단계;상기 제1 도전성 기판과 제2 도전성 기판 사이에 전기장을 인가하여 상기 분산용액 내에 있는 상기 탄소나노튜브들의 일단을 상기 콜로이드 입자들 사이에 형성된 공극들을 통하여 상기 자기조립 단분자층에 부착시키는 단계; 및상기 분산용액 내의 용매를 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 수직정렬 방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 제1 및 제2 도전성 기판에는 각각 양극 전압 및 음극 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 수직정렬 방법.
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