Carbon allotropes including fullerenes, carbon nanotubes, and graphene are all carbon materials with alternating single and double bond displaying fascinating mechanical, electrical, and thermal properties. Even though the great interest in carbon allotropes has allowed exploring many possibilities in emerging field of nanoscience and nanotechnology, fabrication of devices with carbon allotropes has been limited due to their poor solubility and processability.
This thesis deals with a design of polymer structure containing functional groups, which can undergo coupling reactions with fullerene and single-walled carbon nanotube (SWNT) without critical adverse effect on their properties to obtain a soluble and functional materials.
A series of poly(vinyl phenol) containing fullerene, PVP-C60s were synthesized. The cycloaddition reaction between C60 and poly(vinyl phenol) partially modified by azide group yielded PVP-C60s. The PVP-C60s were soluble in common organic solvents and formed a stable film even at high temperature annealing. The memory device having MOM (metal/organic/metal) structure showed a reversible impedance switching under voltage scan. The impedance switching could be explained by space charge limited current (SCLC) model where the current switching was related with trapping and detrapping of charges in C60s.
Chain growth condensation polymerization (CGCP) of potassium 4-fluoro-3-(trifluoromethyl)phenoxide was carried out using the 4-fluoro-3-trifluoromethyl benzoyl group linked to single-walled carbon nanotube (SWNT) surface (SWNT-I) which was synthesized by simple and facile radical reaction. The SWNT-I effectively initiated the polymerization and was gradually solubilzed as the polymer chains grew. The obtained singe-walled carbon nanotube functionalized by poly(phenylene oxide) (SWNT-PPO) was soluble in organic solvents, and the structure was analyzed by SEM and TEM.
Finally, novel polymeric physical gelator poly(arylene ether amide) (PAEA) was coupled with SWNT. PAEA showed a gelating ability in polar aprotic solvents such as DMSO, DMAc, DMF, and NMP. The modulation of hydrogen bonding of o-nitroanilide group of PAEA induced by polar solvents produced a 3D network of self-assembled fiber. An attachment of PAEA on SWNT by adding the SWNT-I into the polymerization mixture produced SWNT-PAEA which formed gels in polar aprotic solvents. The mechanical strength (G’) of composite gel was higher than that of PAEA homopolymer gel. A photothermal conversion ability of SWNT induced a sol-gel transition of the SWNT-PAEA gel in the region exposed to 1064 nm infrared laser.
풀러렌, 탄소 나노 튜브 그리고 흑연을 박리화 한 그래핀 같은 탄소 동소체들은 탄소원자로만 구성되어 있으며 단일 결합과 이중 결합이 반복된 구조로 우수한 기계적, 전기적, 열 적 특성을 가지고 있다. 하지만 최신의 나노 과학 분야에서 탄소 동소체들이 보여주는 흥미로운 가능성과 결과에도 불구하고 실제 응용의 측면에 있어서 매우 낮은 용해도로 인한 가공성의 저하는 큰 문제로 남아있는 상태이다.
본 연구에서 탄소 동소체들의 특성을 크게 저하시키지 않고 공유결합을 형성할 수 있는 반응이 가능한 기능성 그룹을 포함하는 고분자를 고안하는데 초점을 맞추었다. 먼저 절연체인 폴리 비닐 페놀의 알코올 그룹을 아자이드 그룹으로 치환하고 고리 첨가 반응을 이용하여 풀러렌과 공유결합으로 연결된 복합체를 제조하였다. 원래 풀러렌의 성질과 달리 만들어진 복합체는 여러 유기 용매에 잘 용해 되었고 스핀 코팅 방법에 의해 상 분리가 없는 균일한 막을 형성하였다. 알루미늄/폴리 비닐 페놀-풀러렌 복합체/금 구조의 메모리는 일정 전압 하에서 쓰기/읽기/지우기가 가능하였으며 구동방식은 인위적으로 도입한 풀러렌이 전하를 포집하다가 일정 수준이 되면 전류 수준이 높아지고 전하를 제거하면 다시 전류 수준이 낮아지는 공간 전하 제한 전류 모델로 이해된다.
그 다음으로 개시제로 표면이 개질된 단일 벽 탄소 나노 튜브를 이용하여 트리플루오로 메틸 그룹을 가지는 단량체의 사슬 성장 축합 중합이 처음으로 시도되었다. 개시제를 도입하는 반응은 손상을 최소화 시키기 위해 이온성 액체를 이용하여 효과적으로 탄소 나노튜를 분산시키는 방법이 이용되었다. 탄소 나노 튜브의 개시제는 고분자 중합 반응에 효과적으로 작용하였고 시간에 따라 자라는 고분자에 의해서 나노 튜브의 용해도가 증대됨을 관찰할 수 있었다. 주사전자현미경과 투과 전자 현미경을 통해 나노 튜브의 표면으로부터 자란 고분자를 관찰 할 수 있었다.
마지막으로 새로 개발된 폴리 아릴 에테르 아마이드 (PAEA)의 젤 형성 메커니즘을 규명하고 단일 벽 탄소 나노 튜브와 복합체를 제조하였을 때 나타나는 특성에 대하여 관찰하였다. PAEA를 극성 비양성자성 용매들에 녹였을 때 젤을 형성하였는데 PAEA의 아마이드가 O-니트로아닐라이드 구조를 가짐으로써 외부 용매를 인지하여 모듈화된 수소 결합 방식이 변화되어 나타나는 현상임을 알 수 있었다. 이러한 젤 형성 고분자를 탄소 나노 튜브와 결합 하였을 때 복합체 또한 같은 방식에 의한 젤 형성 특성을 보였고 훨씬 강한 기계적 강도를 가지고 있음을 알 수 있었다. 이는 고분자로 개질된 탄소 나노 튜브가 효과적으로 젤 형성에 참여하고 있음을 말 해 주고 있다. 1064 nm의 레이져를 복합체 젤에 조사하였을 때 빛이 조사된 부분만 졸로 변화됨을 관찰 할 수 있었는데, 이는 탄소 나노 튜브의 빛-열 전환 특성에 의하여 국부적으로 빛이 조사된 부분에서만 열이 발생하여 전이가 일어나는 것이다.
