열 화학 기상법을 이용한 다중벽 탄소 나노튜브의 성장 양상 조절

Abstract

탄소 나노튜브 (CNT, Carbon nanotube)는 특이한 구조 및 뛰어난 물성을 갖고 있어 여러 가지 분야에 응용 가능한 신소재로서 연구되어 왔다. 또한 모양 및 구조에 따라 기계, 전기, 화학적인 특성이 달라 다양한 분야에서 활용이 가능하다. 외국에서는 FED Tip, TR, 디스플레이 소자, 수소저장, 고 강도 복합체 및 대표면적 전극 등 CNT의 다양한 특성을 이용한 응용이 연구되고 있는 반면, 국내에서는 이론연구와 합성연구에 편중되어 있다. 본 연구에서는 열 화학 기상법(thermal CVD)을 이용하여 다중벽 탄소 나노튜브 (MWNT, Multi-wall nanotube)를 성장시켜 촉매두께, 온도, gas 변수에 따른 CNT의 양상을 분석하였다. Ni catalyst는 DC magnetron sputter를 이용하여 5~50㎚두께로 증착하였으며, 성장온도는 800℃에서 530℃까지 변화시켰다. 기판의 pre-treatment gas로 ammonia gas를 주입한 후, Carbon precursor인 methane(C2H2) gas와 H2 dilute gas를 1:10의 비율로 주입하여 CNT를 성장시켰다. FE-SEM과 TEM 분석을 이용해 성장된 CNT의 형상 및 구조를 살핀 결과, 낮은 온도에서는 50㎚이상의 두께를 갖는 구부러진 형태의 탄소 나노섬유(CNF, Carbon nanofiber)가 성장되었으며, 750℃ 이상의 높은 온도에서는 20㎚이하의 높은 결정질의 탄소 나노튜브가 성장되었다. 또한 암모니아 전 처리의 효과를 자세하게 알아본 결과 암모니아 가스의 표면 에칭 및 촉매 가스로서의 역할이 확인되었다. 전반적으로 첫 번째 변수인 온도가 증가할수록 탄소 나노튜브의 직경이 두꺼워지고 성장 높이가 증가하였다. 두 번째 변수인 촉매의 두께가 증가할수록 탄소 나노튜브의 직경이 두꺼워지고 성장높이는 감소하는 추세를 보였는데, 저온에서 성장된 탄소 나노섬유의 경우 성장 메커니즘이 탄소 나노튜브와 매우 다르게 나타났다. 또한 탄소 나노튜브의 저온 성장을 통해 다양한 응용분야에 적용하고자 저온성장 기구를 연구하였다. 저온에서는 부분적으로 결정화가 일어난 비정질의 탄소 나노섬유의 경우 탄소 나노튜브에 비해 1만 배 이상 전기전도도가 현저하게 떨어졌기 때문에 저온성장에 적합한 공정조건을 도출이 필요하게 되었다. 이에 따라 마이크로웨이브 장비를 이용해 짧은 시간동안 높은 온도의 열 충격을 가해 촉매금속의 나노 입자화를 이루었고, 또한 암모니아 가스의 분율을 증가시켜 NH3/C2H2 가 3 이상인 조건에서 수직성장이 이루어진다는 사실을 알 수 있었다. 결과적으로 수직배열을 갖는 탄소 나노튜브가 530℃의 저온에서 성장되었다. 도출된 저온성장 조건을 이용해 유리기판 상에 탄소 나노튜브 전극을 형성하여 염료감응태양전지(DSSC, Dye-Sensitized Solar Cell)에 적용하여 기존의 백금 전극을 사용한 경우와 그 광, 전기적 특성을 비교한 결과 비교적 낮은 1% 가량의 변환효율이 얻어졌으나, 탄소 나노튜브 전극이 사용된 태양전지에서 백금전극을 사용한 태양전지보다 높은 변환 효율 및 광 특성이 관찰되었다. 이에 따라 위와 같은 단순하고 저렴한 탄소 나노튜브의 저온공정을 통해 상대전극 등으로의 응용 가능성이 확인되었다.