고품질 소수벽 다층 탄소나노튜브의 합성 및 특성에 관한 연구

Abstract

탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)는 탄소동소체로서 하나의 탄소원자가 3 개의 다른 탄소원자와 육각형 벌집무늬로 결합되어 있어 튜브형태를 이루고 있는 물질로서 1991 년에 Iijima 박사에 의해 발견된 것이 CNT 의 시작이다. CNT 는 독특한 전기적, 기계적, 물리적, 화학적인 특성들 때문에 많은 연구가 계속되어 왔다. 대부분의 연구자들은 그래파이트 벽의 수에 따라 구분되는 SWCNT, DWCNT 그리고 MWCNT 등 이 3 가지 구조의 CNT 에 많은 관심을 가지고 연구를 진행하고 있다. 최근에 그래파이트면이 5 개 내외인 t-MWCNT 가 보고되면서, 여러 응용 특성에서 SWCNT 의 장점과 MWCNT 의 장점을 골고루 가지게 될 것으로 기대되는 t-MWCNT 에 대한 관심이 크게 부각되고 있다. t-MWCNT 은 최종 생산물이 금속성질을 가지고 있고, 또한 직경크기는 10nm 미만이고, 그래파이트 벽수는 3-9 개의 범위 안에 있으므로 광학적 물성도 매우 뛰어나다. 또 기계적 강도가 MWCNT 에 비교할 만큼 좋으며, 화학적으로도 안정하므로, 향후 차세대 정보전자, 고기능성 박막소재로 적합하다. 또한 전계방출소자로 응용하는 경우 이제까지 SWCNT 를 이용하였으나 안정성이 떨어져 그 대안으로 MWCNT 가 제안되었으나 field enhancement factor 가 상대적으로 작아서 전자방출 능력이 떨어진다. 따라서 직경이 작은 t-MWCNT 가 전자방출원으로서 적합한 것으로 알려지고 있다. 이와 같은 특성을 보유한 t-MWCNT 는 현재 FED 등의 디스플레이 분야에서 많은 응용 가능성을 보여주고 있다. 그리고 MWCNT 와 같이 최종생산물이 낱개로 분리되어 있어 자체분산이 매우 용이하고, 생산수율 또한 높아 플렉시블 디스플레이의 산업화에 있어 가장 유력한 소재 후보라 볼 수 있다. 한편, 종래의 t-MWCNT 합성용 촉매제조방법은 섭씨 550℃의 고온에서 급격한 연소반응을 거치면서 분말형태의 촉매를 제조하였다. 이 촉매제조방법은 반응시간이 빠르다는 장점은 있지만 순간적인 발열반응을 이용하므로 균질한 크기의 촉매를 대량 제조와 균일한 t-MWCNT 를 합성하기에는 한계가 있다. 본 논문에서는 citrate gel법이라는 새로운 촉매 제조법을 처음으로 개발하였으며, 개발된 citrate gel법을 이용하여 Molybdenum을 효과적으로 반응시켜 균일한 상태의 Fe-Mo/MgO 촉매를 제조하여 균일한 직경을 가지는 고순도 t-MWCNT를 대량 합성하였다. 합성된 t-MWCNT의 전계 방출 특성과 전기적 특성을 DWCNT과 MWCNT와 비교하여 본 결과 t-MWCNT만의 독특한 성질을 가짐을 확인하였다. 또한 Molybdenum의 농도를 효과적으로 제어하여 제조된 Fe-Mo/MgO 촉매를 사용하여 t-MWCNT의 직경과 그래파이트 벽수를 제어하는 연구를 진행하였다. Molybdenum의 농도에 따라 t-MWCNT는 직경과 벽수에 따라 제어됨을 확인하였으며, 구조제어된 t-MWCNT의 전계 방출 특성과 전기적 특성은 직경과 벽수에 의존적임을 본 연구결과를 통해 평가하였다.; Since their discovery in 1991, carbon nanotubes (CNTs) have attracted extensive attention due to their unique electrical and mechanical properties and potential application. Most of the research has focused on three kinds of CNTs, single-walled carbon nanotubes(SWCNTs), that consist of only one graphene layer, double-walled carbon nanotubes(DWCNTs) that consist of two layer of graphite walls and muilt-walled carbon nanotubes (MWCNTs) that consist of dozens of layers of sidewalls. Recently, a new kind of CNTs, thin muilt-walled carbon nanotubes (t-MWCNTs), has attracted much attention due to their unique structure that can potentially solve some existing problems associated with SWCNTs, DWCNTs and MWCNTs. t-MWCNTs indicate outer diameters less than 10 nm and graphene layers of 3-9 numbers, have many advantages over other types of CNTs in electrical and mechanical properties. Recently, it has been shown that the t-MWCNTs possess excellent field emission properties, having both SWCNTs and MWCNTs, namely, a low threshold voltage for electron emission as SWCNTs and good emission stability similar to that of MWCNTs. Moreover, they have structural perfection similar to SWCNTs or DWCNTs. This thesis is a new route to prepare homogeneous Fe-Mo/MgO catalyst with effective doping of high Mo content based on a citrate gel process for the large-scale synthesis of high-quality t-MWCNTs with uniform diameters by catalytic decomposition of methane (CH4). This result demonstrate a very simple and effective catalyst fabrication method, which can promise very uniform sized catalyst particles besides a low cost and short process time. Also, we demonstrate controlled growth of t-MWCNTs using a catalytic CVD method over a Fe-Mo/MgO catalyst produced by new catalyst fabrication method. According to the experimental results, diameters and wall numbers of the t-MWCNTs are well controlled. This result also evaluate the field emission and electrical conductivity characteristics dependent on diameters and graphite wall numbers of the t-MWCNTs. Growth technique can provide for the well controlled the t-MWCNTs in large-scale at a potentially low-cost. The grown t-MWCNTs can be used to robust and efficient nanomaterial for various electronic devices.