Carbon nanotubes (CNTs) have been intensively investigated because of their remarkable physical and chemical properties. However, for CNTs to become viable for practical device applications, efficient assembly, integration and deposition of CNTs are required. Although many efforts have been made to pattern CNTs on substrates including selective growth on prepatterned metal catalysts, selective adsorption on surface modified substrates, these approaches still have many limitations and are hard to apply directly to practical devices.
In this work, single-walled carbon nanotubes (SWNTs) were deposited on various substrates by chemical and physical interaction. Chemically oxidized and size-controlled SWNTs were prepared by acid treatment. Then, we modified ITO glasses with aminopropylsilane, and fabricated single-walled carbon nanotube multilayer on ITO glasses using condensation reaction between carboxylic acid groups of SWNTs and amino groups of aminosilane. SWNTs were also selectively deposited physically on the prepatterned solid substrates using microcontact printing method and dip coating. Field emission properties of patterned SWNTs on ITO glass were measured and there exists a cold electron emission from SWNTs.
The techniques used in this study are preferable because ITO glass is widely used in electronic devices, the substrates can be selectively functionalized without intermediate chemical steps, and the whole process is quite rapid. Therefore, this approach shows the potential for CNT field emission arrays to be fabricated directly on ITO glasses without intricate chemical steps.
탄소나노튜브가 1991년 발견된 이래, 탄소나노튜브의 우수한 물리적, 화학적 특성을 이용하려는 수많은 연구들이 계속되어왔다. 특히, 단일벽 탄소나노튜브는 분자규모의 fullerene과 마이크론 단위의 탄소섬유 사이의 중간자로서 학문적, 산업적으로 많은 관심을 모으고 있다. 탄소나노튜브의 chirality에 따른 전기적 성질 변화, 강한 탄소결합에 기인하는 높은 기계적 강도, 높은 열전도도 및 내부식성 등의 이상적인 물성에도 불구하고, 가공과 조작, 고정화의 어려움 때문에 실질적인 응용은 쉽지 않다. 본 연구에서는 단일벽 탄소나노튜브를 고체 기판상에 화학적, 물리적으로 고정화시키는 실험을 진행하였다. 튜브의 실질적 응용 가능성을 높이기 위해, 고체 기판은 Au와 ITO 유리를 이용하였다.
먼저 단일벽 탄소나노튜브를 정제하고 산(acid)처리하여 튜브 표면과 말단에 화학적 작용기를 부여하고 적절한 크기로 절단하였다. 이렇게 준비된 튜브의 카르복시기와, aminosilane으로 처리된 ITO 표면의 아미노기 사이의 condensation 반응을 이용하여, 탄소나노튜브를 ITO 표면 위에 화학적으로 결합하였다. 그러나 silane의 수분 민감성 때문에, ITO의 aminosilanization은 엄격하게 Ar 분위기하에서 행해져야만 했다. 이런 공정상의 번거로움을 줄이기 위하여, microcontact printing 방법으로, 공기 중에서도 안정한 11-Mercapto-1-undecanol (MUOH), 1-Dodecanethiol (DDT), 2-Carboxyethylphosphonic acid (CPA), 1-Decylphosphonic acid (DPA)를 이용하여 고체기판 위에 자기조립단층 패턴을 형성하였다. Thiol은 Au 기판 위에, phosphonic acid는 ITO 기판 위에 각각 결합하여 자기조립단층을 형성하였다. 다시, 이렇게 패턴 형성된 자기조립단층 위에 단일벽탄소나노튜브 분산액을 spin-coating 또는 dip-coating 하여 튜브를 선택적으로 흡착 시켰다. 건조작업을 거친 후에, 튜브는 기판에 강하게 고정화 되었으며 washing에도 떨어져나가지 않았다. ITO 상에 형성된 탄소나노튜브 패턴에 대하여, field-emission 특성이 측정되었으며, emission current의 존재가 확인되었다. 본 연구를 통하여 phosphonic acid를 이용한 microcontact printing 방법을 이용하면, 복잡한 화학적 중간 단계를 거치지 않고, 탄소나노튜브를 고체 기판 상에 직접 패턴할 수 있음을 보였으며, 탄소나노튜브의 field emitter로서의 응용 가능성을 확인하였다.
