슬릿 구조를 가진 탄소나노튜브 박막의 테라파 투과 특성 연구

Abstract

단일벽 탄소나노튜브 (single-walled carbon nanotube) 는 뛰어난 기계적, 전기적, 광학적 특성들로 인하여 다양한 광전소자로써 이용할 수 있는 물질로 연구되어 왔다. 본 연구에서는 슬릿구조를 가진 단일벽 탄소나노튜브 박막을 제작하고 이를 테라파 영역서 작동하는 광학소자 제작에 적용하였다. 높은 전도성을 띄는 탄소나노튜브 박막을 제작하고 슬릿배열구조를 도입하여 매우 효율적인 테라파 편광판을 제작하였으며, 슬릿구조의 모양에 의존하는 공명현상에 의해 증대된 테라파 투과 현상을 관찰하였다. 이를 통해 기존의 금속을 대체하는 새로운 나노물질을 기반으로 하는 우수한 특성의 광전소자의 제작이 가능함을 보이고자 한다. 탄소나노튜브 박막을 제작하기 위해 아크 방전법으로 성장시킨 단일벽 탄소나노튜브를 증류수와 SDBS라 불리는 계면활성제와 함꼐 8시간동안 초음파처리를 하여 분산액을 제작하였다. 니트로셀룰로오스막 또는 에노디스크 필터를 사용한 진공 여과법으로 박막을 형성한 후에 지속적으로 증류수를 통과시켜 계면활성제를 제거해 주었다. 그 후, 실리콘 기판이나 PDMS와 같은 연성 기판 위에 전이시켰다. 슬릿배열구조는 활성 이온 식각을 이용한 간단한 광리소그래피법이나 레이저 머시닝법을 이용하여 탄소나노튜브 박막을 가공, 제작하였다. 테라파 시분해 실험을 위해 800 ㎚ 파장의 펨토초 레이저를 ZnTe 결정이나 광전도 안테나에 입사시켜 테라파를 생성하였고, 전광 표본추출 방법을 이용하여 시료를 투과한 테라파를 검출하였다. 탄소나노튜브 박막이 우수한 금속성을 지니고 있다는 이전 실험의 결과를 이용하여, 우선 테라파 영역에서 작동하는 테라파 편광판을 제작하고, 그 특성을 확인하였다. 슬릿의 주기가 각각 25 m와 50 m인 구조를 5 ㎜ 5 ㎜의 크기로 제작하고, 테라파의 편광방향에 대하여 슬릿 각도를 변화시켜서 각각 테라파 투과 스펙트럼을 측정을 하였다. 이를 통하여 0.2 ㎔에서 2.5 ㎔의 범위에서 훌륭한 성능을 보이는 탄소나노튜브 기반의 편광판의 제작이 가능함을 보였다. 일정한 길이의 슬릿배열구조를 가지는 탄소나노튜브 박막 소자를 통한 테라파 투과는 특정한 주파수에서의 공명증대현상을 보여주었다. 특히 푸리에 변환을 통해 얻은 스펙트럼들에서 보이는 특정 파장에서의 테라파 투과는 shape resonance에 의한 증대된 투과현상과 잘 부합하였다. 테라파의 편광이 슬릿의 장축 방향과 수직으로 입사하는 경우, 슬릿의 길이가 짧아질수록 투과하는 주파수가 커짐을 확인할 수 있고, 기판의 굴절률에도 공명주파수가 영향을 받음을 확인할 수 있다. 또한 연성기판인 PDMS 위에 슬릿 구조를 가진 탄소나노튜브박막을 제작하게 되면 어떤 방향으로 구부러져도 항상 투과의 공명 주파수는 변하지 않는 우수한 연성소자로서의 가능성도 확인하였다. 이와 같은 결과들을 통해서 단일벽 탄소나노튜브 박막은 테라파 주파수 대의 편광판 및 투과필터로 작동할 수 있음을 보여주고 있으며, 또한 테라파 영역에서 훌륭하게 작동하는 차세대 플라즈모닉 소자와 메타물질의 제작에 큰 기여를 할 것으로 기대한다.