나노구조 탄소 재료의 제조 방법, 상기 제조 방법에 의해형성된 나노구조 탄소 재료 및 상기 나노구조 탄소 재료를갖는 기판 document_id A220623042162

최근, 나노미터(nm) 크기의 직경을 갖는 나노구조 탄소 재료, 예를 들어 탄소 나노 튜브, 탄소 나노 섬유, 흑연 나노 섬유 등에 대하여 수많은 연구가 이루어지고 있다. 그 중, 탄소 나노 튜브는 탄소 6원환을 평면 상에 연결한 망상 구조의 그라펜 시트를 원통형으로 감고 이음매가 없도록 연결한 구조를 갖는다. 1장의 그라펜 시트로 구성되는 것은 단일벽 나노 튜브라 지칭하고, 여러 겹의 그라펜 시트가 차례차례 적층되어 다중 구조를 취하는 것은 다중벽 나노 튜브라고 지칭한다. 또한, 흑연 나노 섬유는 그라펜 시트가 선단이 절단된 아이스크림 콘 형상을 가지고 적층된 원주형 구조나, 형성에 사용하는 촉매 금속의 표면 형상에 따른 형상을 갖는 그라펜 시트의 소편(小片)이 적층된 구조를 갖는 재료이다. 그런데, 진공 중에 놓여진 금속이나 반도체 등에 어느 임계치 이상의 강도를 갖는 전계를 부여하면, 양자 터널 효과에 의해 전자가 금속이나 반도체 표면 근방의 에너지 장벽을 통과하여, 상온에서도 진공 중에 전자가 방출된다. 이러한 원리에 기초한 전자 방출은 냉음극 전계 전자 방출, 또는 단순히 전계 방출(field emission)이라 불린다. 나노구조 탄소 재료는 전자 방출 특성, 내열성, 화학 안정성 등의 성능이 우수하기 때문에, 최근 들어 상술한 전계 방출 원리를 화상 표시에 응용한 전자 방출원 등으로의 이용이 기대되고 있다. 또한, 반도체도 되고 도체도 될 수 있는 성질을 갖기 때문에, 전자·전기 소자로의 응용도 기대되고 있다. 종래, 나노구조 탄소 재료는 아크 방전법, 열 CVD법, 진공 플라즈마법 등에 의해 제조되었으며, 예를 들어 일본 특허 공개 제2002-115071호 공보에는 촉매 금속 박막을 형성한 기판을 진공하에서 열 처리한 후에 열 CVD법을 통해 기판 상의 소정 위치에 흑연 나노 섬유 박막을 선택적으로 형성시키는 방법이 기재되어 있고, 일본 특허 공개 제2001-64775호 공보에는 진공 제막실에 플라즈마를 발생시키기 위한 마이크로파의 출력을 시간적으로 변조시켜 기판 상에 탄소 나노 튜브를 수직 방향으로 배향시켜 생성하는 방법이 기재되어 있다. 종래의 나노구조 탄소 재료의 제조에 이용되고 있는 아크 방전법, 진공 플라즈마법에 있어서는, 장치 내부를 진공으로 하는 설비가 필요하기 때문에 제조 설비가 복잡해져서 설비 비용 또는 제조 비용이 높다. 또한, 아크 방전법에서는, 평면을 갖는 기재 상에 직접 나노구조 탄소 재료를 생성 성장시키는 것이 곤란하고, 가능하다 하더라도 국부적인 범위에 그쳐 대면적 기판 상에 직접 생성하는 것은 불가능에 가깝다. 또한, 진공 중에서 가스 농도가 낮기 때문으로 추정되지만, 나노구조 탄소 재료의 형성 속도가 매우 느리다. 한편, 열 CVD법에서는, 열로 원료 가스를 분해시킬 필요성이 있기 때문에 매우 고온 상태 (450℃ 내지 600℃)에서 제조해야만 한다. 기판 상에 직접 나노구조 탄소 재료를 형성하는 등과 같은 경우에는, 기판이 고온에 견딜 수 있는 세라믹이나 석영 유리와 같은 소재의 것으로 한정되어서, 예를 들어 소다 유리, 저알칼리 유리 (무알칼리 유리를 포함) 등의 일반적인 유리나 플라스틱 등과 같이 기판 재료로서 종래 이용되고 있는 소재를 사용하기가 곤란하다.