열 화학기상증착기에서 부유 촉매 방식을 이용한 수직 배향된 탄소나노튜브의 성장

Abstract

본 연구에서는 열 화학기상증착기를 이용하여 정제가 필요 없는 고순도의 탄소나노튜브를 기판 위에서 대량으로 합성하기 위한 실험 조건을 최적화 하고자 하였다. 먼저 탄소나노튜브 합성에 있어서 중요한 요소로 알려진 완충층의 효과를 알아보기 위하여 다양한 기판에서 합성 실험을 진행하였으며 특히 TiN 박막의 조성과 두께를 달리하여 합성되는 탄소나노튜브의 양상을 조사하였다. 그리고 최적의 TiN/Si 기판위에서 열 화학기상증착기를 이용하여 탄소나노튜브가 잘 성장되는 조건을 조사하였다. 이 때 Ferrocene이라는 전구체를 이용하여 부유촉매방식(Floating Catalyst Method)으로 철 촉매를 기판에 공급하였는데, 공급 장치를 개량함으로서 좀 더 효율적인 합성 방법을 모색하였다. 실험 결과 실리콘 기판 위에 아르곤 50.4 sccm과 질소 0.27 sccm을 공급하여 스퍼터링 방식으로 제작된 특정 조성의 TiN 완충층에서 탄소나노튜브의 성장이 가장 잘 되는 것을 확인하였다. 또한 열 화학기상증착기를 이용하여 특정 조성의 TiN 완충층 위에서 탄소나노튜브가 잘 성장하는 실험 조건을 찾고자 하는 노력으로부터 100 torr, 800℃에서 잘 성장됨을 확인하였다. Ferrocene 공급 용기를 개량하여 적정량의 촉매 물질을 어느 정도 일정한 양으로 장시간 공급할 수 있는 방안을 모색함으로서 200 분 동안 최대 1 cm 정도로 길게 자란 CNT Film을 얻었다. 부유촉매방식으로 성장된 탄소나노튜브는 주사전자현미경(SEM), 열질량분석기(TGA), FT-Raman 등으로 분석하였으며, 분석 결과 별다른 정제 과정 없이 97 %의 순도를 가진 수직 배향된 탄소나노튜브를 TiN/Si 기판 위에서 성장되었음을 확인하였다.