고밀도 플라즈마 화학기상증착법인 유도결합형플라즈마화학기상증착(ICPCVD:Inductively Coupled Plasma Chemical Vapor Deposition)법을 이용해 저온에서의 나노튜브 제작공정과 선택적으로 금속 위에만 나노튜브를 제작하는 새로운 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
경희대 물리학과 장진 교수팀은 19일 나노튜브 증착시 함께 형성되는 흑연상과 비정질 탄소를 최대한 억제하고 나노튜브의 생성밀도를 높이기 위해 증착과 에칭(Etching)과정을 반복하는 층·층·층 증착법을 이용, 박막내의 흑연상과 비정질 탄소상을 제거한 고밀도 CVD에 의한 탄소나노튜브(CNT)를 개발하는 데 성공했다고 발표했다.
기존 제작방법의 경우 제작된 나노튜브를 전계방출표시소자(FED:Field Emission Display)에 응용하기 위해서는 나노튜브의 정제과정을 거친 후 이를 다시 프린팅 등의 방법으로 소자를 제작해야 하는 단점을 갖고 있다.
CNT는 축방향으로는 다이아몬드보다 강한 물리적인 특성 및 흑연과 비슷한 전기 전도도의 독특한 특성을 갖고 있으며, 다이아몬드나 유사 다이아몬드 박막보다 우수한 전계방출 특성 및 안정성으로 인해 FED에 응용할 수 있는 새로운 소자로 유력시되고 있다.
연구팀은 일정 두께의 CNT층을 형성한 후 이를 불소(F)가 포함된 에칭가스에 노출시켜 박막내의 흑연상과 비정질 탄소상을 제거한 후 연속적으로 증착을 실시하는 공정을 반복해 CNT의 생성밀도를 높여 나노튜브 박막을 제조하는 데 성공했다.
층·층·층 증착방법은 연구팀이 수소가 없는 유사 다이아몬드 박막을 제작하기 위해 개발한 것으로 이미 국내 특허를 획득하고 미국·유럽·중국 등에 특허 출원중인 새로운 박막 증착법이다.
연구팀은 플라즈마 화학기상증착법과 플라즈마 장벽을 이용한 CNT를 패턴된 기판에 선택적으로 증착했으며 비교적 낮은 온도인 650℃ 이하에서 CNT를 원하는 곳에 선택적으로 증착함으로써 전자소자, 특히 FED에 바로 이용할 수 있도록 했다.
장진 교수는 『이 방법을 사용할 경우 기존에 널리 사용하고 있는 플라즈마 화학기상증착 장비를 이용할 수 있다는 장점이 있다』고 말했다.
연구팀은 또 플라즈마 증착법을 이용한 CNT를 증착하는 과정에서 CNT박막의 특수한 형태인 프랙털(Fractal) 구조를 관찰하는 데도 성공했다.
탄소나노튜브는 일본 NEC의 이이지마 박사가 발견한 이후 아크 방전, 탄화수소 가스의 열분해, 레이저를 이용한 증발 등의 방법으로 제작됐고, 최근들어 미국 뉴욕주립대의 렌 교수가 「플라즈마고온 필라멘트 화학기상증착법」을 이용해 650℃에서 유리기판 위에 정렬된 CNT를 제작하는 데 성공했다.
미 스탠퍼드대 팬 교수는 패턴된 기판 위에 화학기상증착방법을 이용해 철 금속 위에만 선택적으로 증착시키는 데 성공했으나 높은 제작 온도 및 복잡한 제작후 공정은 나노튜브의 FED 응용에 많은 문제점을 유발하고 있다.
연구팀은 이 기술을 바탕으로 박막트랜지스터(TFT)를 이용한 능동 구동형 FED 제조기술을 개발중이다.
정창훈기자 chjung@etnews.co.kr