In this thesis, the novel method of alignment of carbon nano-materials, such as carbon nanotubes and graphene, is introduced for the first time. This novel method is called by Magneto-Evaporation Alignment (MEA) method. There are surface treatment methods of surface on the carbon nanotubes and graphene and synthesis methods of nanoparticles, such as magnetite (Fe3O4) and hematite (Fe2O3), for the successful experiment. This novel alignment method is investigated by convolution equipment between various microscopic techniques - optical microscope (OM), scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM) and atomic force microscope (AFM) and spectroscopy methods - raman spectroscopy, UV-vis-NIR spectroscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
The thesis consists of three chapters. At first, chapter 1 of “Introduction” section briefly explain and overview about carbon nano-materials. Chapter 2 introduces the study of alignment of carbon nanotubes. This chapter shows the synthesis of SWNTs/Fe-oxide hybrids and vertical alignment of carbon nanotubes using magneto-evaporation alignment method. Chapter 3 introduces the study of synthesis of GO/Fe-oxide hybrids. This chapter show novel method to fabricate for GO/Fe-oxide hybrids using thermal decomposition. Finally, Chapter 4 which is basic study introduces the effect of the exposure time of hydrazine vapor on the reduction of the graphene oxide (GO) films.
흑연 나노소재는 탄소 원자 하나로 이루어진 물질이다. 일반적으로 탄소 원자는 세 가지의 오비탈 구조를 가지고 있으며, 모두 채워지지 않은 p 오비탈로 인하여, 시그마와 파이 결합 상태를 만들 수 있다. 시그마 결합으로만 이루어져 있으면 sp3 혼성, 시그마 결합과 파이결합 한 개로 이루어져 있으면 sp2 혼성 결합을 만들 수 있으며, 파이 결합의 안정성으로 인하여, sp2혼성 결합이 sp3보다 더 안정화된 에너지 구조를 가지고 있다.
그래핀은 2D형태로 한 개의 원자 평면을 가지는 가장 기본적은 탄소원자 구조이다. 가장자리의 dangling 결합을 제거하기 위해, 그래핀은 둥근 형태로 말릴 수 있으며, 그 형태에 따라 1D 구조의 탄소나노튜브, 0D 구조의 플로렌을 형성할 수 있다. 만약 2D 구조를 가지는 그래핀이 쌓여서 3D 형태를 가지게 된다면, 일반적으로 연필심에서 볼 수 있는 그래파이트 (흑연)이다. 흑연나노소재 중, 특히, 1D의 탄소나노튜브와 2D의 그래핀의 경우는 전기전도성, 열전도성, 탄성계수, 인장강도 등 그 물지적, 화학적 특징이 우수하여, 차세대 고기능성 나노소재로 각광받고 있다.
흑연나노소재의 특성을 최대한 이끌어 내기 위해서는 흑연나노소재의 배향이 매우 중요한 역할을 차지 한다. 실 예로, 트랜지스터를 만들기 위해서는 탄소나노튜브가 양 전극 간에 수평으로 이어진 채 배향되어야만 그 트랜지스터의 특성이 나타나게 된다. 또한 전계방출효과를 통한 전계방출 디스플레이에 응용되기 위해서는 탄소나노튜브가 소자 위에 수직으로만 정렬되어야만 한다. 고기능성 탄소나노튜브/고분자 복합체 형성을 위해서는 폴리머의 인장 방향에 대한 방향성을 가져야만 우리가 원하는 특성을 이끌어 낼 수 있다.
래핀의 경우는 높은 표면적을 이용하여 2차 전지의 전극에서 흑연의 대체 물질로써 사용할 수 있지만, 전극에 수직으로 배향되어야만 하는 선제 조건이 필요하다. 또한, 그래핀이 전계방출효과를 나타내기 위해서는 전극에 수직으로 배향되어야 하며, 그래핀/고분자 복합체의 투과성 등을 저하시키기 위해서 고분자 내에서의 그래핀 방향성에 대한 연구는 필수적이다.
본인은 흑연나노소재의 배향성을 조절하기 위한 연구를 박사학위과정 동안 진행하였다. 우선 탄소나노튜브에 자성물질을 결합시키는 화학적 방법에 대한 연구를 시작하여, 성공적으로 탄소나노튜브 표면에 자성물질을 결합시켰다. 이것은 주사전자현미경 연구를 통하여 밝혀 내었으며, 자성물질이 자철석이라는 것을 밝혀내었다. 그리고 제조된 탄소나노튜브/자성물질 복합체를 손쉽게 구할 수 있는 자석을 통하여 기판에 수직으로 배향을 시키고 금속물질을 증착시켜, 자석이 없는 상태에서도 탄소나노튜브가 표면에 수직으로 배향될 수 있도록 연구를 진행하였다. 본인은 이러한 방법을 MEA(Magneto-Evaporation Alignment) 방법이라고 명명하였다. 이렇게 수직으로 정렬된 탄소나노튜브는 전계방출효과를 이끌어 내었으며, 디스플레이 분야에 적용하였다.
또한 그래핀의 배향성을 조절하기 위해, 탄소나노튜브와 같이 그래핀 표면에 자성물질을 결합시켜, MEA 방법으로 기판에 수직으로 정렬시켰다. 흑연으로부터 얻어진 산화그래핀 물질에서 친환경적인 방법으로 자성물질을 산화그래핀 표면에 결합시키면서, 환원까지 시키는 방법을 개발해내었으며, 화학적기상증착법(CVD) 외에 최초로 그래핀을 수직 배향시키는 방법을 고안해 내었다. 본 학위 논문은 총 3장으로 이루어져 있다. 제 1 장에서는 흑연나노소재에 대한 간략한 소개로 이루어져 있다. 제 2 장에서는 탄소나노튜브의 수직 정렬에 대한 연구, 제 3장에서는 그래핀의 수직 정렬에 과한 연구로 이루어져있다.
