Langmuir-Blodgett법을 이용한 단일벽 탄소나노튜브 박막의 패턴화 및 소자 특성 평가

Abstract

단일벽 탄소나노튜브(SWNT)를 용액상에서 원하는 형태로 제조하고 사용하기 위해서는 SWNT를 정제하는 과정이 필요하다. 이 중, 수용액에 분산 가능한 SWNT의 제조에는 강산을 이용한 화학적 산화법이 사용되어 왔다. 그러나 이 과정에서 일부의 SWNT가 손상되어 비정질 탄소로 변형된다. 계면활성제와 원심분리를 이용한 새로운 SWNT의 정제법은 SWNT와 비정질 탄소의 용해도 및 밀도 차이에 의해 높은 순도의 SWNT를 분리하는 것이 가능하다. 유기용매 속에 분산된 SWNT를 Langmuir-Blodgett(LB)기법을 이용하여 특정 방향으로 정렬된 SWNT 단층막을 형성하였다. LB기법은 물과 공기의 계면에 박막으로 형성하고자 하는 물질을 위치시키고 이를 외압으로 모아 정렬된 단층막 및 다층막을 형성하는 방법이다. 이를 실리콘 웨이퍼, 투명한 고분자 필름 등 다양한 고체 기판에 전이시켜 전기전도성을 가지는 박막을 제조하였다. 투명하고 전기전도성을 가지는 SWNT LB 필름을 전자 소자로 이용하기 위해서는 원하는 형태, 크기로 패턴화 하는 공정이 필요하다. 위 필름을 패턴 하는 방법으로 대면적을 경제적으로 패턴 할 수 있는 soft-lithography법을 사용하였다. 수 마이크로미터 선폭의 패턴을 결함 없이 이형 할 수 있는 스탬프를 제작하고 이를 이용하여 SWNT LB 필름을 효율적으로 패턴 할 수 있는 패턴 공정의 방법, 시간 및 온도를 설정하였다. 이 결과, 선형 패턴 뿐 아니라 원형, 사각형, 호형 등 다양한 형태의 패턴을 제작할 수 있었다. 패턴 형태에 따른 SWNT LB 필름의 전도특성 차이를 연구한 결과 채널의 폭이 좁아질수록 반도체성 전도특성이 향상하는 현상을 관찰하였다. 이러한 현상은 기존의 전도 채널로 사용하는 물질에서는 나타나지 않는 현상이다. 이 현상의 원인은 SWNT가 두 가지의 전도특성인 금속성, 반도체성을 가지고 있고 채널에 이들이 섞여 존재하기 때문이며, 전도 채널이 단일 분자 혹은 단일 결정으로 이루어진 것이 아니라 튜브들의 모임으로 구성되어 있기 때문에 나타나는 현상이다. 각 분자의 접합점은 금속성, 반도체성 SWNT를 통한 이동 경로의 분기점으로 작용한다. 채널 폭의 감소는 운송자의 수직 이동성을 제한하여 접합점을 지나는 기회를 줄여주기 때문에 반도체성 이동경로가 3:1로 금속성 이동경로의 양에 비해 다량 존재하는 채널의 조건에서 금속성 이동경로를 지나는 기회 역시 감소하기 때문에 소자의 반도체성이 증가하는 결과를 나타낸다.