Nanocarbon materials have become increasingly popular as nanostructured fillers in composites and more recently as functional components in the new class of hybrid materials owing to their outstanding structural, electrical, and physical features. Thus, it is crucial to understand how these properties can be realized in composites and hybrids. In order to obtain better performance of these nanocarbon materials in multi-component systems, plenty of techniques have been developed to solve practical problems in handling of nanocarbons, such as self-aggregation and restacking phenomena due to strong van der Waals forces, which are major hurdle that limits individual nanocarbons from realizing their full potential in assembled composite and macroscopic materials.Therefore, thestructure control of nanocarbons can give a solution to achieve stable dispersion state and effective network structure during process and final structure, resulting in possibilities to tailored nano-structures/assemblies, and novel functionalities that go beyond the intrinsic properties.
Here I present a facile method to prepare surface functionalized multi-walled carbon nanotubes by applying direct $\gamma$-ray irradiation under oxygen atmosphere. The modified nanotubes with oxygen containing functional groups showed enhanced interaction with polymer matrix, resulting in improvement of morphological, electrical, and rheological properties of composites.
Additionally, on the basis of using chemically derived graphenes, I introduce self-assembled structures in the form of free-standing paper-like structures with structure-controlled restacking of individual graphene sheets; 1) highly flexible wrinkled graphene paper and 2) 3D macroporous reduced graphene oxide film. These fascinating graphene-based structures may be a promising candidate as an electrode material for Lithium-based rechargeable batteries, also open up numerous opportunities for the application of graphene in macroscopic assembled structures.
탄소나노소재(이후 나노카본)는 나노 수준의 크기로 인해 큰 종횡비, 높은 비표면적을 가질 뿐 아니라, 그 자체의 뛰어난 물리적, 화학적 특성으로 인해 다양한 연구분야 및 응용분야에 적용되고 있다. 특별히, 우수한 전기전도성을 가진 나노수준의 전도체로서 이를 이용하여 전도성 복합소재를 제조할 경우, 기존의 금속소재를 효과적으로 대체할 수 있는 경량소재 및 기능성 소재로서 다양한 응용이 가능하다. 전기전도도가 우수한 나노카본 복합소재를 제조하기 위해서는 나노카본 사이의 효율적인 접촉 및 전자가 이동할 수 있는 연속적인 네트워크의 형성이 필수적이라 할 수 있다. 그러나 자연 상태 혹은 복합소재 제조 과정에서, 1차원의 나노카본인 탄소나노튜브와 2차원의 나노카본인 그래핀 모두 각각의 튜브 및 시트 사이의 강한 반데르발스 인력으로 인해 심각한 응집현상 및 규칙적으로 적층된 구조체가 형성되기 쉽다. 이러한 구조적인 응집현상은 나노카본의 가공성을 저해할 뿐만 아니라, 복합소재 내에서 나노카본이 가지는 높은 수준의 비표면적 및 종횡비의 장점을 살릴 수 없게 되고, 결국 우수한 나노카본 자체의 특성을 충분히 발현하지 못하게 되는 원인이 된다. 따라서, 본 연구에서는 복합소재 제조 과정에서 나노카본의 구조 및 배열이 효과적으로 제어된 전도성 복합소재를 서로 다른 시스템에서 다양한 접근법을 통해 구현하였고, 이러한 구조체를 이용한 응용 연구 및 결과에 대해 기술하였다.
2장에서는 고분자/탄소나노튜브 나노복합체 제조 및 특성평가라는 주제로 감마선 조사를 통해 표면개질된 탄소나노튜브/고분자 복합소재를 개발하였다. 탄소나노튜브의 경우, 일반적으로 종횡비가 매우 큰 선형의 1차원 나노카본으로, 그 자체의 뛰어난 전기적, 물리적 성질로 인해 고분자 기반 복합소재의 보강재료로 응용하고자 하는 연구가 활발하다. 그러나 고분자 매트릭스 내에서 나노튜브 사이에 작용하는 강력한 반데르발스 인력으로 인한 응집현상은 탄소나노튜브의 효과적인 분산을 저해하여 전도성 네트워크의 형성을 방해하는 요인이다. 이를 해결하기 위해 탄소나노튜브 표면을 산소분위기 하에서 고준위 감마선을 조사하여 산소를 포함하는 작용기를 탄소나노튜브 표면에 형성시켰고, 이러한 개질법은 용융혼합법에 유리한 건식공정으로서, 대량화 및 공정의 간소화가 가능한 장점이 있다. 감마선 조사를 통해 표면에 산소를 포함한 작용기가 형성된 탄소나노튜브가 폴리아마이드66 및 폴리카보네이트 등과 같은 극성 고분자 수지 내에서 분산성이 향상되었음을 복합소재의 전기적, 유변학적 거동을 통해 규명하였다.
3장에서는 고분자 바인더가 필요 없는 종이형태의 그래핀 필름 구조체를 제조하였고 이를 리튬 기반의 이차전지 전극재료로서 응용하는 연구를 진행하였다. 열처리를 통해 환원된 박리그래핀을 주재료로 하되 산화그래핀을 계면활성제 혹은 필름안정제의 역할로 일정 함량 투입하여 복합필름을 제조하였고, 이를 통해 매우 유연하고 안정된 구조의 그래핀 필름을 얻어낼 수 있었다. 또한, 박리그래핀의 경우 열처리 과정에서 형성된 표면주름에 의해 필름형성 과정에서 그래핀 층의 불규칙적인 적층이 가능하였고, 산화그래핀의 균일한 분산으로 인해 그래핀 층 사이의 층간간격이 상대적으로 증가하는 결과를 얻을 수 있었다.
3.1장에서는 이와 같은 구조체를 리튬이온전지의 음극재로 이용하여 필름의 추가 환원과정 없이도 기존의 박리그래핀 필름 대비 우수한 용량 특성(50 mA/g의 충방전 속도에서 694 mAh/g) 및 안정된 고속 충방전 특성을 보여주었다. 또한, 유연소자의 제작을 통해 유연전극재료로도 충분히 적용이 가능함을 실험적으로 증명하였다. 3.2장에서는 본 필름형 그래핀 구조체를 리튬산소전지의 양극재로 이용하여 기존의 상업화된 카본페이퍼 대비 매우 우수한 물성을 보였음을 확인하였고, 추후 바인더가 필요 없는 탄소기반 전극재로서의 가능성을 제시하였다.
4장에서는 박리그래핀 구조체의 표면적을 극대화하기 위한 방법으로 구형 폴리스타이렌 콜로이드 입자를 템플릿으로 하여 다공성의 그래핀 구조체를 제조하였다. 산화그래핀을 주재료로 하여 폴리스타이렌 입자와의 복합필름을 제조한 뒤, 용매열 반응을 통해 폴리스타이렌의 제거와 산화그래핀의 환원을 동시에 진행하여 보다 효과적인 방법으로 유연한 다공성의 그래핀 구조체를 제조할 수 있었다. 구형 폴리스타이렌의 직경 및 혼합액의 양을 조절함으로써 쉽게 구조체의 형태를 조절할 수 있었으며, 본 구조체를 리튬산소전지의 양극재로 적용한 경우 우수한 용량 특성을 보여주었다. 또한, 금속 나노입자의 도입을 통해 충방전 효율이 향상될 수 있음을 확인하였다.
