Graphene oxide has advantage to fabricate a multi-dimensional structure due to liquid crystallinity. Among them, graphene fibers which consist of aligned graphene structure have emerged as next-generation fibers due to their excellent mechanical and electrical properties. Research related to graphene fibers were mainly conducted about maximizing interactions between graphene sheets by reducing defects in the fibers to enhance mechanical and electrical properties. However, the low elongation and specific surface area induced by aligned graphene structure have difficulty in imparting various functions to the fiber. In this thesis, we present a method for fabricating functional graphene fibers through structural modification methods. First, helical graphene fibers with Archimedean spiral arrangement were fabricated through spontaneous rotation during drying. The morphological analysis of the helical structure was conducted through comparison of pitch and angle of helical structure depending on variables. Furthermore, solvent driven actuator and joule heating behaviors were investigated to analyze the effect of spontaneous helix formation on fibers. Next, porous graphene fibers with bumpy structure were fabricated through emulsion template method. The porous structure of fiber was controlled according to the droplet size and amount of the generated droplets in emulsion. The increased surface area and decreased weight per unit length by emulsion template have successfully led to supercapacitor application. It is expected that suggested methods to fabricate functional graphene fiber through structural modifications in this thesis could overcome the limitation of conventional graphene fibers and contribute to practical applications.
그래핀 산화물은 액정성으로 인해 다차원의 구조체 제작에 용이하다. 그 중 배열된 그래핀 구조를 갖는 그래핀 섬유는 높은 기계적·전기적 특성을 가져 차세대 섬유로 주목을 받고 있다. 그래핀 섬유에 대한 연구는 주로 물성을 향상시키기 위해 섬유내 결함을 줄여 그래핀 간의 상호작용을 극대화시키는 방향으로 수행되었다. 하지만, 강화된 상호작용으로 유발되는 낮은 연신율과 비표면적은 섬유에 여러 기능성을 부여하기 어렵다는 문제점을 야기한다. 본 학위 논문에서는 형태 제어 방법을 통한 고기능성 그래핀 섬유 제작 방법을 제시한다. 먼저, 건조 시 발생하는 자발적 회전을 통해 나선 구조의 그래핀 섬유를 제작하였다. 변수 별 나선 구조의 피치 및 각도의 변화를 통해 제작된 나선 구조의 형태적 분석이 진행되었다. 또한, 자발적인 나선 구조 형성이 섬유에 끼치는 영향을 분석하기 위하여 용매 반응성 액츄에이터, 줄히팅 특성이 확인되었다. 다음으로 에멀전 템플릿 방법을 통해 다공성 구조의 그래핀 섬유를 제작하였다. 생성된 에멀전의 방울 크기 및 양에 따라 제작된 다공성 그래핀 섬유의 형태가 변화하였다. 에멀전 템플릿에 의해 증가한 다공성 그래핀 섬유의 표면적 및 감소된 단위 길이당 무게는 슈퍼캐패시터로의 응용을 성공적으로 이끌었다. 본 연구에서 제시한 형태 제어를 통한 기능성 그래핀 섬유의 제작 방법은 기존의 그래핀계 섬유의 한계를 극복하고 실용화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
