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수직 가열로를 이용한 고순도 단일벽 탄소나노튜브 섬유의 합성
Synthesis of High-Quality Single-Walled Carbon Nanotube Fibers by Vertical CVD 원문보기

韓國眞空學會誌 = Journal of the Korean Vacuum Society, v.19 no.5, 2010년, pp.377 - 384  

김태민 (BK21 물리연구단 에너지과학과 성균관대학교) ,  송우석 (BK21 물리연구단 에너지과학과 성균관대학교) ,  김유석 (BK21 물리연구단 에너지과학과 성균관대학교) ,  김수연 (BK21 물리연구단 에너지과학과 성균관대학교) ,  최원철 (재료연구부 전자재료센터 한국과학기술연구원) ,  박종윤 (BK21 물리연구단 에너지과학과 성균관대학교)

초록
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본 연구에서는 수직 가열로(vertical furnace)를 이용하여 $1150^{\circ}C$의 온도에서 섬유형태의 고순도 단일벽 탄소나노튜브(singlewalled carbon nanotubes)를 합성하였다. 탄소나노튜브의 구조에 영향을 미치는 실험 변수인 페로센(ferrocene)의 농도, 혼합용액의 주입 속도, 싸이오펜(thiophene)의 농도, 수소($H_2$)의 주입 양을 조절하여 고순도의 단일벽 탄소나노튜브 섬유의 최적화 된 대량 합성 조건을 확립하였다. 또한 각 요인들이 탄소나노튜브의 생성에 미치는 영향에 대해 논의하였다. 분석 결과, 최적화 된 조건에서 1.16~1.64 nm의 직경을 가진 고순도의 단일벽 탄소나노튜브가 다발(bundle) 구조로 정렬되어 있음을 확인할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Many routes have been developed for the synthesis of signle-walled carbon nanotubes (SWCNTs). We spun fibers of SWCNTs directly from vertical furnace using a liquid source of carbon and an iron-contained molecule. The solution was prepared by ethanol as a carbon source, in which ferrocene as a catal...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • 본 연구에서는 수직구조의 가열로를 이용하여 고순도의 단일벽 탄소나노튜브 섬유를 합성하였다. SEM, TEM, 그리고 라만 분광법을 이용하여 탄소나노튜브의 기하학적인 구조 및 순도에 영향을 미치는 실험변수(페로센의 농도, 혼합 용액의 주입속도, 싸이오펜의 농도, H2 주입 양)의 변화에 따른 영향을 확인하였다. 이를 통해 우수한 결정성을 가진 단일벽 탄소나노튜브 섬유를 대량 합성할 수 있는 조건을 확립하였으며, 이러한 결과는 앞서 언급한 탄소나노튜브의 다양한 응용에 놓인 걸림돌을 해결할 수 있는 가능성을 제시하리라 예상된다.
  • 다음은 용액의 주입속도의 변화에 따른 탄소나노튜브의 구조 변화를 조사하였다. 페로센의 농도를 0.
  • 본 연구에서는 고온(1,150℃)의 수직로에 페로센과 싸이오펜을 다양한 비율로 섞은 에탄올을 H2 가스와 함께 주입하여 단일벽 탄소나노튜브를 합성하였다. 에탄올과 페로센은 각각 탄소공급원과 촉매금속인 철의 공급원으로 사용하였으며, 촉매인 철과 탄소의 반응을 활성화시키기 위해 싸이오펜을 첨가하였다.
  • 본 연구에서는 수직 가열로를 이용하여 단일벽 탄소나노튜브를 합성하였다. 합성과정에서 탄소 공급원인 에탄올(ethanol, C2H5OH)에 혼합된 촉매공급원인 페로센(ferrocene, Fe (C5H5)2)의 양과 용액이 주입되는 속도, 촉매 활성제로 이용된 싸이오펜(thiophene, C4H4S)의 양, 그리고 캐리어 가스인 H2의 양을 체계적으로 조절하여 고순도 단일벽 탄소나노튜브의 대량생산을 위한 적정조건을 확립하였다.
  • 본 연구에서는 수직구조의 가열로를 이용하여 고순도의 단일벽 탄소나노튜브 섬유를 합성하였다. SEM, TEM, 그리고 라만 분광법을 이용하여 탄소나노튜브의 기하학적인 구조 및 순도에 영향을 미치는 실험변수(페로센의 농도, 혼합 용액의 주입속도, 싸이오펜의 농도, H2 주입 양)의 변화에 따른 영향을 확인하였다.
  • 최근에는 황 화합물인 싸이오펜을 촉매 활성제로 이용하면 철의 녹는점을 감소시키고, 비정질 탄소를 제거하여 낮은 온도에서 고순도의 탄소나노튜브의 합성이 가능하다는 결과가 보고되었다 [25]. 본 연구에서는 싸이오펜의 농도를 변화시켜 합성된 탄소나노튜브의 특성을 라만 분광법을 통해 분석하였다. 앞선 실험을 통해 확립한 최적 조건인 페로센 0.
  • 가스와 함께 주입하여 단일벽 탄소나노튜브를 합성하였다. 에탄올과 페로센은 각각 탄소공급원과 촉매금속인 철의 공급원으로 사용하였으며, 촉매인 철과 탄소의 반응을 활성화시키기 위해 싸이오펜을 첨가하였다. 이때, 페로센과 싸이오펜의 양을 각각 0.
  • 위의 실험결과로부터 고순도 단일벽 탄소나노튜브의 합성에 최적화된 실험 조건들을 고정시키고 마지막 변수로써, 캐리어 가스로 사용되는 H2의 주입 양을 0.6∼1.4 ml/h로 변화시켜 탄소나노튜브를 합성하였다.
  • 이때, 페로센과 싸이오펜의 양을 각각 0.1∼0.3 wt%와 0.05∼0.4 wt%로 변화시켜 다양한 조합의 용액을 준비하였다.
  • 이러한 과정을 통해 합성된 탄소나노튜브 섬유의 결정성, 직경의 정보를 라만 분광기(Raman spectroscopy, Renishaw 1,000 micro-Raman spectrometer, λ = 632.8 nm)를 이용해 분석하였으며, 구조적인 특징을 주사전자 현미경(scanning electron microscopy, SEM, JEOL, JSM6700F)과 투과전자현미경(transmission electron microscopy, TEM, JEOL, JEM2100F)을 통해 관측하였다.
  • 본 연구에서는 수직 가열로를 이용하여 단일벽 탄소나노튜브를 합성하였다. 합성과정에서 탄소 공급원인 에탄올(ethanol, C2H5OH)에 혼합된 촉매공급원인 페로센(ferrocene, Fe (C5H5)2)의 양과 용액이 주입되는 속도, 촉매 활성제로 이용된 싸이오펜(thiophene, C4H4S)의 양, 그리고 캐리어 가스인 H2의 양을 체계적으로 조절하여 고순도 단일벽 탄소나노튜브의 대량생산을 위한 적정조건을 확립하였다.

대상 데이터

  • 본 연구에서는 싸이오펜의 농도를 변화시켜 합성된 탄소나노튜브의 특성을 라만 분광법을 통해 분석하였다. 앞선 실험을 통해 확립한 최적 조건인 페로센 0.25 wt%와 20 ml/h의 혼합 용액 주입속도를 선택하였다. Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
탄소나노튜브는 어느 분야에서 이를 활용하려는 연구가 활발히 진행되고 있는가? 탄소나노튜브(carbon nanotubes)는 탄소원자가 육각형 벌집구조(hexagonal honeycomb structure)로 결합되어 튜브형태를 이루고 있는 물질로써 말린 각도(chirality)와 직경에 따라서 반도체 혹은 도체의 특성을 지닌다 [1]. 또한, 물리적인 강도, 화학적 안정성이 뛰어나 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor) [2], 박막 트랜지스터(thin-film transistors) [3], 논리 게이트(logic gates) [4], 디스플레이 및 X선 방출원을 위한 전계방출원(field emitter) [5], 태양전지(solar cell) [6] 등의 전자소자분야에서 이를 활용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 다양한 분야에서 탄소나노튜브를 응용하기 위해서는 탄소나노튜브의 고순도화, 대량 합성기술이 필수적으로 요구된다.
탄소나노튜브를 응용하기 위해 무엇이 요구되는가? 또한, 물리적인 강도, 화학적 안정성이 뛰어나 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor) [2], 박막 트랜지스터(thin-film transistors) [3], 논리 게이트(logic gates) [4], 디스플레이 및 X선 방출원을 위한 전계방출원(field emitter) [5], 태양전지(solar cell) [6] 등의 전자소자분야에서 이를 활용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 다양한 분야에서 탄소나노튜브를 응용하기 위해서는 탄소나노튜브의 고순도화, 대량 합성기술이 필수적으로 요구된다. 탄소나노튜브의 합성 방법 중 아크방전(arc-discharge)법과 레이저 증발(laser ablation)법은 고순도의 단일벽 탄소나노튜브를 대량 합성하기 어려운 단점을 가지고 있다 [7-15].
탄소나노튜브란? 탄소나노튜브(carbon nanotubes)는 탄소원자가 육각형 벌집구조(hexagonal honeycomb structure)로 결합되어 튜브형태를 이루고 있는 물질로써 말린 각도(chirality)와 직경에 따라서 반도체 혹은 도체의 특성을 지닌다 [1]. 또한, 물리적인 강도, 화학적 안정성이 뛰어나 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor) [2], 박막 트랜지스터(thin-film transistors) [3], 논리 게이트(logic gates) [4], 디스플레이 및 X선 방출원을 위한 전계방출원(field emitter) [5], 태양전지(solar cell) [6] 등의 전자소자분야에서 이를 활용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.
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참고문헌 (26)

  1. R. Saito, G. Dresselhaus, and M. S. Dresselhaus, "Physical Properties of Carbon Nanotubes" Imperial College, London (1998). 

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  3. A. Javey, J. Guom, Q. Wang, M. Lundstrom, and H. Dai, Nature 424, 654 (2003). 

  4. Q. Cao, M. -G. Xia, M. S. Shim, and A. Rogers, Adv. Funct. Mater. 16, 2335-2362 (2006). 

  5. D. Ferrer, T. Tanii, I. Matsuya, G. Zhong, S. Okamoto, and H. Kawarada, Appl. Phy. Lett. 88, 033116 (2006). 

  6. J. U. Lee, Appl. phy. 87, 073101 (2005). 

  7. D. Kondo, S. Sato, and Y. Awano, Chem. Phys. Lett. 422, 481-487 (2006). 

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  11. Liu, T. Wagberg, E. Olssen, R. Yang, H. Li, S. Zhang, H. Yang, G. Zou, and B. Sundqvist, Chem. Lett. 320, 365 (2000). 

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  14. W. K. Maser, E. Munoz, A. M. Benito, M. T. Martinez, G. F. Fuente, Y. Maniette, E. Anglaret, and A. Righi, Chem. Phys. Lett. 292, 587 (1998). 

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  21. Y. S. Kim, W. S. Song, S. Y. Lee, W. C. Choi, and C. Y. Park, J. Korean Vac. Soc. 18, 229 (2009) 

  22. Y. Li, I. Kinloch, and A. H. Windle, Science 304, 276 (2004). 

  23. K. Koziol and A. H. Windle, Science 318, 1892 (2007). 

  24. A. Jorio, R. Saito, J. H. Hafner, C. M. Lieber, M. Hunter, T. McClure, G. Dresselhaus, and M. S. Dresselhaus, Phys. Rev. Lett. 86, 1118 (2001). 

  25. A. M. Rao, A. Jorio, M. A. Pimenta, M. S. S. Dantas, R. Saito, G. Dresselhaus, and M. S. Dresselhaus, Phys. Rev. Lett. 84, 1820 (2000). 

  26. M. S. Motta, A. Moisala, I. A. Kinloch, and A. H. Windle, J. Nanosci. Nanotechnol. 8, 2442 (2008). 

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