초음파 분무 열분해법에 의한 수직 배향된 다중벽 탄소 나노튜브 합성

Abstract

본 연구에서는 초음파 분무 열분해법(aerosol-assisted thermal Chemical Vapor Deposition)을 사용하여 carbon nanotube(CNT) 성장에 관한 연구를 수행했다. 기존의 ferrocene을 사용한 부유 촉매 방식에서 촉매의 양을 제어할 수 없는 점을 개선하였고, 넓은 면적에 균일하게 vertically aligned muliti-walled carbon nanotube(VA CNT)를 얻을 수 있었다. EDX를 사용하여 나노튜브의 위치별 Fe의 분포를 조사한 결과 나노튜브의 성장 모델이 top-growth mode에 따른 다는 것을 알 수 있었다. TGA와 Raman scattering 분석 결과 나노튜브의 순도는 97.6%로 매우 높았지만 G/D비가 1.63로 quality 면에서는 많은 개선이 필요함을 알 수 있었다. 특히, 완충층과 수증기의 사용 없이 순수 Si기판을 사용하여 20분 만에 4.38mm의 매우 긴 VA CNT 필름을 합성하였다는 점에서 다양한 기술들이 결합된다면 머지않아 센티미터 스케일의 CNT의 대량 합성이 가능하다고 생각한다. 나노튜브의 응용 분야에서는 위의 방식으로 2.6mm의 높이를 가지는 선택적 성장이 된 CNT 필름과 10cm 길이의 CNT 섬유 제작에 성공하였다. 이는 초음파 분무 열분해 방식이 단순 물질 합성뿐만 아니라 응용에서도 큰 장점을 가질 수 있음을 보여준다. 마지막으로 여러 가지 변수들이 CNT에 미치는 영향을 연구하였다. 완충층, CVD 온도와 압력, 촉매 형성온도, 용액의 농도 등이 그 변수에 해당된다. 먼저 완충층으로 Al, SiO2, W, Au 등의 물질이 사용되었고, CNT의 성장을 돕는 효과 보다는 억제시키는 현상이 관찰되었다. CVD 온도와 압력 역시 나노튜브 성장에 큰 영향을 미치며 850℃, 60torr 부근 일 때 밀리미터 스케일의 두께를 가지는 나노튜브 필름이 얻어졌다. 액적 수송 시 온도을 달리한 실험을 통해 촉매 형성온도가 나노튜브의 직경과 밀도에 큰 영향을 주는 것을 관찰하였다. 마지막으로 ferrocene-ethanol 용액의 농도를 달리하였을 때는 용질인 ferrocene의 양이 2wt%이하로 미비하여 생성된 액적의 크기 변화는 거의 나타나지 않았고, 에어로졸을 투입을 통해 얻은 촉매 물질의 크기와 나노튜브의 직경은 약간의 변화가 있음을 확인할 수 있었다.