공간적으로 분포된 탄소나노튜브의 전기적/광학적 특성 연구 김다운, 오은석, 조수필

이론 I. Carbon Nanotube <그림 1> 탄소나노튜브의 종류와 그 구조

실험과정 I. 실리콘 기판 표면 Cleaning 및 친수성으로의 표면개질 (Piranha 처리) 1) 실리콘 기판을 알맞은 크기로 자른다. 2) 자른 기판을 테플론 비커에 넣는다. 3) 테플론 비커에 황산 : 과산화수소수 = 7 : 3 의 비율로 황산 35ml 과산화수소수 15ml를 각각 테플론소재의 비커에 담는다. (단 H2O2를 먼저 넣어야 하며 이 반응은 매우 격렬한 발열 반응이므로 주의한다, 또한 기판이 합성 용액안으로 잘 가라앉는지 확인해야한다.) 4) 테플론 비커 안에서 1시간 이상 담가둔다. 5) 기판을 DI water로 충분히 Piranha 용액을 닦아 낸다. 6) 질소 기체로 표면에 묻은 수분을 제거한다.

실험과정 II. 기판 표면 처리에 따른 Contact Angle 측정 1) 일반 bare 기판과 pillar 기판을 Piranha 처리 유무에 따라 총 4개를 준비 한다. 2) Contact angle 측정 장비에 기판을 올려 놓고 물 한방울을 떨어 트린 후 형성된 각도를 측정기를 이용하여 측정한다. 3) 측정된 각도를 통하여, 기판이 hydrophillic 또는 hydrophobic 한지를 확인한다.

실험과정 III. 탄소나노튜브 촉매 용액 제작 비닐장갑을 착용한다. 피펫, 철, 몰리브덴, 에탄올을 준비한다. 3) 250ml 부피 플라스크 안에 0.02 mol 농도를 가지는 촉매(철과 몰리브데늄 포함) 용액을 제조한다. 4) Sonicator 에서 약 30분간 용액을 분산시킨다.(Sonicator안의 물이 뜨거워지지 않도록 찬물로 자주 갈아준다)

실험과정 IV. Dipping 방식을 이용한 기판 위에 합성촉매 흡착 1) 기판을 탄소나노튜브 합성촉매를 만들고, 그 안에 Piranha 처리를 한 실리콘 기판을 60분동안 넣어둔다. 2) 실리콘 기판을 촉매에서 꺼내어 에탄올 용액에 10분동안 넣어 촉매를 희석시킨다.   3) 질소 기체를 실리콘 기판에 분사시켜 에탄올을 제거해준다.  

실험과정 V. 탄소나노튜브 합성을 통한 3차원 네트워크 구조 제작 1) Thermal CVD 안에 촉매가 흡착된 실리콘 기판을 미리 넣는다. 2) Thermal CVD의 온도를 800℃로 설정하고 약 10분간 기다리면서 촉매와 산소가 반응하도록 기다린다. 3) Thermal CVD의 관 내부가 진공(torr)이 되도록 한다. 4) 기판을 암모니아 기체를 약 10분간 흘러주어 산화된 촉매를 환원 시킨다.. 5) C2H2 기체를 약 20분간 흘러준다. 6) 기판 위에 CNT 네트워크가 합성됨 SEM 분석을 통해 확인한다.

실험과정 VI. 탄소나노튜브 네트워크 구조체의 PDMS로의 전사  1) 패트리 접시에 Monomer(Dimethylsiloxane)에 가교제(DC-184B{Dowcorning- Corporation})를 10:1 부피비로 혼합하다.  2) 패트리 접시에 기판을 넣어둔다.  3) 실리콘 기판에 위에서 만든 생성물을 넣어서 실리콘 기판의 기포가 사라질 때까지 약 30분 간 기다린다.  4) 위의 용기를 70℃의 오븐에 넣어 한시간정도 기다린다.  5) PDMS에 부착 되어있는 기판을 떼어낸 후, 떼어낸 기판을 SEM을 통해 확인하여 CNT가 전사된 것을 확인한다.

연구결과 I. Pillar 기판위에서의 CNT 합성   - 우리가 실험에 사용하는 촉매 용액의 용매는 Ethanol 이므로 기판이 Hydrophillic 해야 한다. 따라서 Piranha 처리를 통하여, 표면 상태를 개질 하는 작업이 필요한데, 우리가 사용하는 Pillar 패턴의 경우 Lotus effect로 인하여 매우 Hydrophobic한데, 위의 그림을 보면 bare Si 기판과 같이 Piranha 처리를 통하여 Hydrophillic하게 됨을 알 수 있다.

연구결과 II. Pillar 기판위에서의 CNT 합성 촉매를 pillar 기판위에 흡착 시킨 후, CVD 공정을 통하여 CNT를 합성을 하여 <그림7> 과 같이 3차원 구조물 사이에서 잘 분포된 3차원 네트워크 구조체를 제작 하였다.

연구결과 III.  PDMS로의 탄소나노튜브 네트워크 구조체의 전사 - 3차원 네트워크 구조가 형성된 기판위에 PDMS를 붓고 떼어낸 결과 <그림 8>의 (a)와 같이 모든 CNT가 전사되어 제거 된 모습을 알 수가 있다. - 3차원 네트워크 구조체가 전사된 PDMS를 보면 패턴이 형성 되어 빛이 회절 되면서 무지개 빛이 나는 것을 볼 수 있다.

연구결과 IV. Raman peak 분석을 통한 CNT 구조체의 구조 확인 및 전사 결과 확인 < 연구결과 IV. Raman peak 분석을 통한 CNT 구조체의 구조 확인 및 전사 결과 확인 3차원 탄소나노튜브 네트워크 구조체가 합성된 기판을 Raman spectrum으로 분석 결과 위의 이론에서 나온 대로 RBM, D band, G band 영역의 Peak이 나타남을 확인 하였다. 특히 약한 D band와 높은 G band가 형성됨으로 봐서 결정성이 높은 CNT가 합성됨을 알 수 있었고, 또한 RBM peak이 나타났기 때문에 단일벽 탄소나노튜브가 합성 됐음을 알 수 있었다. PDMS로 전사된 Mold 역시 Raman 분석에서 기판에서 나타난 peak의 형태와 유사한 형태로 나왔다. 이것을 통해 PDMS 안에 CNT가 그대로 잘 전사 됐음을 알 수 있다. 그런데 PDMS의 경우 peak의 signal to noise (S/N) 의 ratio가 크게 나왔는데 이는 CNT 주변이 PDMS로 둘러 싸여있기 때문에 높은 PDMS peak이 검출 되고 낮은 intensity 로 CNT peak이 측정 되었기 때문이다.