Single wall carbon nanotube (SWNTs) possess exceptional electrical property with many possible application in electronics such as field effect transistors(FETs), sensors, light emitters, logic circuits, and so forth. Single wall carbon nanotubes have been of particular technological significance due to these extraordinary properties. Synthesis of carbon nanotube has been developed for high quality and mass production by various methods in chamber. Although SWNTs has a great electrical property; there are a lot of problems to solve in electronics. To fulfill their prospective applications in large scale and in new type of device, the location, orientation and density of SWNTs must be controlled. In recent work, SWNTs can be synthesized commercial production by Arc-discharge method. However they are existed random network and not oriented. This problem cause percolation effect between SWNTs which affect to conductivity and other electrical property. In this work, we suggest the new type of SWNT device by simultaneous growth of SWNTs to solve this problem.
The image of this thin film transistor confirmed by SEM and the property of SWNTs is measured by AFM. The device was identified as single wall carbon nanotube which has the diameter of 1.0~1.4nm and the shape of alignment is almost perfectly. The device property is lower than other SWNT device which used to Au or Pd electrode but, full-carbon nanotube device is perfectly transparent (>80%).
탄소나노튜브는 1991년 Iijima 에 의해 발견된 이래 뛰어난 기계적, 열적 안정성, 전기 전도성 등 다양한 특성이 보고되어 왔으며, 이러한 우수한 특성을 이용하여 sensor, light emitter, FETs, logic circuit, TFTs 등의 소자 및 AFM 팁, 에너지 저장 소재, 금속 및 폴리머 재료와의 복합을 통한 강도 증가 재료 등으로 많이 연구되고 각광을 받고 있다. 그러나 탄소나노튜브를 위의 분야에 적용시키기 위해서는 세가지 문제점 가지고 있다. 대면적에 합성할 수 있는 기술, 원하는 위치를 갖도록 성장시킬 수 있는가, 방향성을 조절할 수 있는가 이다. 가장 이상적인 방법이며 탄소나노튜브 연구가 진행되어야 할 방향은 모든 것을 조절 할 수 있는, 대면적에 원하는 위치에 정렬되며 일정한 지름과 크기를 갖고 성장되는 탄소나노튜브를 제조하는 것이다. 탄소나노튜브의 합성은 Arc discharge 방법, Laser-vaporization 방법 등 다양한 방법이 있으나, 탄소나노튜브를 가장 잘 제어할 수 있는 방법은 CVD (화학기상증착법) 을 활용한 방법이다. CVD를 이용한 탄소나노튜브의 성장은 크게 기판과 수직하게 정렬된 나노튜브를 성장시키는 방법, 기판에 평행한 방향으로 정렬된 나노튜브를 성장시키는 방법이 있으며, 일반적으로 Thermal CVD로는 기판과 평행한 탄소나노튜브의 성장 연구가 많이 진행되고 있고, Plasma-enhanced CVD를 활용한 방법으로 기판에 수직하게 배향되는 탄소나노튜브의 성장 연구가 많이 진행되고 있다. 화학기상증착법은 다른 방법과는 달리 높은 순도의 단일벽 탄소나노튜브 성장이 가능하며, 기존의 탄소나노튜브 성장법에 비해 대면적과 공정적용에 유리한 점이 있다.
본 연구에서는 열 화학 기상증착법을 이용하여 단일벽 탄소나노튜브로만 구성된 소자를 제작하고 그 특성을 평가함으로써 단일벽 탄소나노튜브의 미래 소자로의 적용 가능성을 확인하는 목표를 가지고 본 연구를 진행하였다. 열 화학 기상 증착법을 바탕으로 두개의 네모 모양의 정렬되지 않은 단일벽 탄소나노튜브와 그 사이 부분으로 잘 정렬된 탄소나노튜브 성장을 동시에 진행할 수 있으며, 이를 통하여 source, drain, gate로 구성된 TFT소자를 제작할 수 있었다.
합성된 탄소나노튜브는 높은 수준의 정렬도와 고밀도의 특성을 가짐을 확인하였고, 구조 분석을 통하여 단일벽 탄소나노튜브 라는 것을 확인하였다. 또한 실험을 통하여 바텀 게이트 트랜지스터를 제작하였고 p-type의 소자 특성과 반도체 성질을 지닌 on/off 가 가능한 소자를 구현하였다.
기존에 금, 팔라듐 및 다른 금속을 전극으로 이용하여 연구된 탄소나노튜브 소자와는 달리 본 연구는 전극 및 반도체 영역의 물질 모두 탄소나노튜브로만 구성했다는 것에 장점을 지니고 있으며, 간단한 공정을 통하여 동시에 탄소나노튜브를 성장시켰기 때문에, 기존의 소자에서 문제가 되고 있는 금속 전극과 탄소나노튜브 사이의 일함수 차이에 의한 저항발생 문제를 줄일 수 있을 수 있을 것이라 생각하였고 측정결과 동시 성장된 탄소나노튜브로 소자를 제작할 경우 금속 전극을 사용하는 것 보다 약 3㏀ 정도의 저항이 낮음을 확인하였고, 이를 통하여 보다 나은 탄소나노튜브 소자 제작 가능성을 보였다.
탄소나노튜브가 얇은 필름 형태로 형성될 경우 아주 높은 빛 투과도를 보이기 때문에 현재 많은 관심을 받고 있는 투명소자로 적용하고자 소자의 기판을 투명하며 잘 휘어지는 PET 기판으로 바꾸어 투명도를 확인한 결과 550nm의 파장에서 80% 이상의 투명도를 갖음을 확인하였다. 기존의 탄소나노튜브 소자는 금속전극을 이용한 소자가 대부분이었고 이는 투명한 소자를 제작하기에는 어려움을 겪는다. 또한 탄소나노튜브를 투명소자에 적용할 경우 전극 물질이나 반도체물질 둘 중 한가지로만 활용하고 다른 물질과의 혼합을 통하여 소자를 제작하였다. 하지만 본 연구에서는 탄소나노튜브로만 구성된 소자를 제작함으로써 투명한 소자로의 적용가능성을 확인하였고, 기존에 문제가 되고 있는 전극과 반도체 영역의 저항을 줄일 수 있는 계기를 마련하였다. 향후 탄소나노튜브의 금속성 제어 및 밀도 증가에 관한 연구, 유연한 기판 위에서 휨 특성에 관한 연구가 보충되어 진행된다면 미래에 적용되는 유연하고 투명한 소자 제작에 탄소나노튜브가 큰 응용가치를 지닌다고 생각된다.
