The alignment and assembly is essential process to integrate nanowire within nanosystems. One of methods is vertically aligned nanowire fabrication which synthesis and alignment of nanowire are integrated.
In this thesis, a novel fabrication method of vertically aligned high aspect ratio carbon nanowire array using a conventional photolithography with a modification and pyrolysis is proposed as a top down approach having the advantage of controlling their position and shape.
In chapter 2, high aspect ratio (~30) SU-8 micro/nano tip array whose shape is defined by concentration of intensity of exposed UV by diffraction was fabricated by single UV photolithography on backside and its exposed dose control. The fabrication result of the tip agrees well with the Rayleigh-Sommerfeld solution of the Huygens-Fresnel principle at a wide observation distance. In a very near field below the distance 2㎛ (only several times of wavelength), ‘necking points’ also agree with the solution although it is assumed that the distance is much larger than wavelength.
In chapter 3, well aligned pyrolyzed carbon nanowire is fabricated by photolithography and pyrolysis. High aspect ratio SU-8 tip array fabricated in chapter 2 is transformed to carbon structure with shrinkage. Finally, carbon nanowire which width is 300 ㎚and aspect ratio is 6 is obtained by proposed fabrication method. The occasional results shows that the width can be reduced to lower than 50 ㎚ with 2 ㎛ height. The EDX, XRD, and Raman spectroscopy show that the fabricated carbon nanowire is amorphous carbon mixed with sp2 (G-band) and sp3 (D-band) bonding.
In chapter 4, pyrolyzed carbon as a field emitter array was investigated. Vertically carbon nanowires is fabricated by photo lithography and pyrolysis developed in previous chapters. The field emission experiment was examined in cryogenic vacuum chamber with tungsten tip as a counter electrode. The turn-on electric field of pyrolyzed carbon nanowires and thin film are around 0.8 and 5 V/㎛, respectively. The geometric efficient factor of carbon nanowires is around 6. When the applied voltage is in the range showing exponential increasing relation in the I-V curve, emission current is stable for time domain.
High aspect ratio SU-8 micro/nano tip array, vertically aligned carbon nanowires (CNWs) fabricated in this thesis has an advantage of batch process, reliability, easy shape control, and various 3-D structure since it is based on photolithography. Furthermore its integrating capacity with other conventional micro/nano fabrication process is expected to overcome the difficulties of alignment or assembly of carbon nanomaterial with other micro or nanosystems. For that reason it can be applied to various field of nano systems such as nanoelectronics, bio-chemical applications, nano electro mechanical systems (NEMS) as well as field emission as a building block of the systems.
본 논문에서는 사진식각공정과 열분해 공정을 이용한 수직정렬 탄소 나노선의 새로운 제작방법을 제안하고 이를 통하여 제작된 탄소 나노선의 전계방출 특성을 확인하였다. 제작공정은 크게 두 단계로 나누어져 있다. 먼저 고종횡비의 SU-8 나노팁 어레이를 제작하고 이를 열분해공정을 통하여 탄소로 변형시키면 수직정렬된 탄소 나노선을 제작할 수 있다.
고종횡비 SU-8 나노팁은 투명기판상의 표면마스크를 이용한 backside exposure 기술과 조사되는 빛의 총 에너지양의 조절을 통하여 제작된다. 이때 회절에 의한 조사된 빛의 세기의 집중현상을 이용하여 형상이 결정된다. 이에 Huygens Fresenel 회절이론을 이용하여 SU-8에 조사되는 빛의 에너지 분포를 계산한 뒤 SU-8의 경화 에너지를 대입하여 SU-8 팁의 형상을 예측하였다. 제작된 고종횡비 SU-8 팁 어레이는 질소분위기의 석영 관에서 열분해 공정을 통하여 수직정렬 탄소 나노선으로 변형된다. 이를 통하여 폭이 300㎚이고 종횡비가 6인 수직정렬 탄소나노선 어레이를 제작하였다. 제작된 탄소 나노선은 EDX, x선 회절분석, Raman 분광법을 통하여 sp2 (G-band)와 sp3 (D-band) 결합이 혼재되어 있는 비결정질의 탄소로 이루어져 있음을 알 수 있었다. 제작된 수직정렬 탄소 나노선 어레이에 일정간격을 유지하는 텅스텐 팁을 설치한 뒤 진공상태에서 전계방출 특성을 확인하였다. 탄소 나노선 어레이와 텅스텐 팁의 간격이 20㎛일 때 약 15V의 입력전압에서 전계방출 전류가 흐르기 시작하는 것을 확인하였다. I-V 측정을 한 뒤 이를 F-N 관계로 표현을 했을 때 직선형태의 관계를 보이는 것을 통하여 흐르는 전류가 전계방출의 특성을 나타냄을 알 수 있었다.
본 연구에서 제안하는 수직정렬 탄소 나노선의 제작방법은 형상조절이 용이하고 대면적에 유리한 안정적인 공정으로 기존의 마이크로, 나노 시스템의 공정과 융합이 쉬운 장점이 있다. 이에 탄소의 특성을 이용한 다양한 나노시스템에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
