Carbon nanotubes(CNTs) have extraordinary mechanical, thermal and electrical properties due to their unique carbon based structure. However, the application of CNTs as nano sized tubular form makes it difficult to utilize those outstanding properties. Therefore, to overcome the limitation of CNTs, various CNT fiber spinning techniques were developed for future potential applications. Spinning individual carbon nanotubes (CNTs) to fabricate CNT fibers is a critical technique to realize a variety of outperforming materials. Among them, dry spinning process was one of the key technology for achieve high oriented CNT fibers. In this research, continuous CNT fibers are directly spun from vertically aligned CNT forest grown by thermal chemical vapor deposition process. The correlation of’ CNT structure and Fe catalyst coarsening, reaction time and CNTs bundling phenomenon were investigated. We controlled diameters and walls of CNTs and minimize amorphous carbon deposition on CNTs for favorable bundling and spinning of CNT fibers. CNT fibers were fabricated by as growing of vertically aligned CNT forest by CVD process using Fe nano catalyst on Al2O3 buffer layer and followed by dry spinning process. Well-aligned CNT fibers have been successfully manufactured, by using dry spinning process and surface tension based densification process by ethanol. The mechanical properties are characterized for the CNT fibers spun from different length of vertically aligned CNT forest. Herein, we also report a bio-inspired strategy for the fabrication of super-strong CNT fibers. Inspired by the mechanisms found in adhesive threads of mussels, ~500% increase in tensile strength from 0.5 to 2.5 GPa was achieved by infiltration and chemical curing of mussel-mimetic adhesive polymers. The elegant use of the bio-inspired strategy, mimicking adhesive threads of mussels for enhancing mechanical properties suggests a new general principle that can be used to explore a wide variety of CNT fibers and other carbon nanomaterials. Highly oriented CNT fibers by dry spinning process can have characteristics of high strength, modulus, and electrical & thermal conductivities for possible application as ultra-light and high strength structural materials such as space elevator cable, artificial muscle, and armor material, and as multi-functional materials such as E-texile, touch panel, biosensor, and supercapacitor.
1991년 처음으로 발견된 탄소나노튜브는 고강도, 우수한 열전도도, 그리고 우수한 전기전도도로 각광을 받았다. 따라서 최근 이러한 탄소나노튜브의 우수한 성질의 발현이 용이한 탄소나노튜브 섬유의 연구가 활발히 진행이 되고 있다.
본 연구 논문에서는 최대 1mm 길이로 수직 배향된 탄소나노튜브 forest로 부터 직접 직조 되어지는 건조 직조 방법으로 탄소나노튜브 섬유를 성공적으로 제조하였다. 직조된 탄소나노튜브 섬유의 경우 수직 배향된 탄소나노튜브 숲으로부터 직접 직조되어져 직조된 방향으로 탄소나노튜브가 재배향 됨으로서 기존의 탄소나노튜브 벌크 소재에 비해 우수한 전기적 (500S/cm 이상) 기계적 (인장강도 1GPa 이상) 특성을 나타내었다. 하지만 이러한 탄소나노튜브 섬유의 경우 탄소나노튜브를 연결하는 반데르발스 인력이 단일 탄소나노튜브의 강도에 비해 약하기 때문에 탄소나노튜브 간의 슬라이딩에 의한 failure가 일어남으로서 탄소나노튜브 고유의 우수한 성질의 발현을 벌크상태에서 완전히 구현 시키지는 못하였다.
따라서 탄소나노튜브 섬유에 홍합 단백질을 응용한 생체모방형 접착제를 침투시킴으로서 탄소나노튜브 간의 결합력을 강화시킨 탄소나노튜브 섬유 소재를 제조 하였다. 홍합 족사에 존재하는 Mefp-1 단백질의 경우 콜라겐 섬유와 카테콜아민의 가교(crosslinking) 구조를 통한 고강도 섬유 구조를 가진다. 이러한 카테콜아민의 가교 기구를 고분자로서 모방하여 탄소나노튜브 섬유에 적용하였다. 콜라겐 대신 우수한 기계적 성질을 가지는 Dry spinning 된 배향된 탄소나노튜브 섬유를 카테콜아민의 가교 구조를 가질 수 있는 고분자를 이용하여 모사 하였다. 본 연구에서 제조된 탄소나노튜브 섬유는 생체 모방형 구조를 가짐으로서 섬유내의 탄소나노튜브 간의 결합력이 증가하여 탄소나노튜브 고유의 우수한 특성의 발현이 용이한 최대 2.5GPa 이상의 인장강도를 가지는 초경량 고강도 섬유를 개발하였다.
본 연구에서 개발된 탄소나노튜브 섬유의 경우 초경량 고강도 구조용 재료로서 space elevator, 인공 근육 및 방탄소재로서 사용이 가능하며 E-texile, 바이오센서, 슈퍼커페시터, FED 등 고강도 기능성 소재에도 응용이 가능하여 차세대 다기능성 섬유 분야의 기술과 시장을 선점하는 큰 역할을 할 수 있을 것으로 예상된다.
