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Fabrication of functional composites based on carbon nanomaterials and their applications = 탄소 나노소재 기반 기능성 복합재료의 제조 및 응용
서명 / 저자 Fabrication of functional composites based on carbon nanomaterials and their applications = 탄소 나노소재 기반 기능성 복합재료의 제조 및 응용 / Sung Cik Mun.
저자명 Mun, Sung Cik ; 문성식
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2016].
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초록정보

Carbon nanomaterials have received growing attention over the past decades since the successive dis-covery of fullerene, carbon nanotube, and graphene. Intensive studies have been directed toward potential applications on account of their outstanding physical, electrical, and thermal properties originating from the sp2-hybridized carbon network. In this regard, a variety of hybrid materials and functional composites have been proposed not only to realize synergistic combination for target properties, but also to open a new prospect in the field of nanotechnology. This dissertation will not be limited to consideration of a specific subject, but will seek for wide utilization of carbon nanotube and graphene. In chapter 2, rheological percolation of carbon nanotubes (CNTs) in microstructured polymer matrices were investigated. Polymer/CNT composites were fabricated from polycarbonates with different molecular weights to diversify the microstructures, which vary with the polymer radius of gyration and entanglements. A model for the dispersion of CNTs in polymer matrices was proposed to explain the electrical and rheological properties. The percolation theory represented by a power-law relation could not account for the rheological percolation of CNTs for specific cases. Therefore, we investigated the crossover points to provide a quantitative analysis of the rheological percolation threshold of nanofillers in polymer matrices. For the first time, the rheological percolation threshold was experimentally determined with this definition. In chapter 3, graphene nanoplatelets (GNPs) and water-soluble polyvinyl alcohol were assembled into thin films on flexible plastic substrates by a facile and cost-effective layer-by-layer (LbL) technique. UV-visible light absorption, film thickness, and mass per unit area increased linearly with the number of bilayers, indicating that almost the same amount of components were deposited in each assembling step resulting in the linear growth of films. It was found that the assembled thin films provided not only good electrical conductivity but oxygen barrier property for gas molecules. The films were treated with vaporized $HNO_3$ to im-prove electrical conductivity further. As a result, $HNO_3$-treated films showed much improved conductivity about an order of magnitude higher than as-assembled films. Raman and XPS analysis proved that the effect of $HNO_3$ treatment originated from the removal of polymeric components rather than chemical doping of graphene. Meanwhile, oxygen barrier properties were maintained constant in spite of $HNO_3$ treatment, implying that the treatment did not disrupt the inner structure of assembled films. In the last chapter, ultrathin graphene/graphene oxide (GO)/silver nanowire (AgNW) hybrid films were proposed for efficient electromagnetic interference (EMI) shielding. GNP/GO/AgNW hybrid films with the thickness of $3 ~ 13 \mu m$ were fabricated by facile vacuum filtration process. The films were composed of GNP with a small amount of GO to improve film durability as well as dispersion stability. It was demonstrated that ultrathin GNP/GO films exhibited excellent shielding effectiveness. Moreover, the incorporation of AgNWs into films enhanced the shielding performance further and reached higher than 30 dB at 5.0 GHz (> 99.9% shielding of incident electromagnetic energy). These ultrathin hybrid films go beyond conventional polymer composites to achieve excellent EMI shielding performance which can be applicable to electronic mobile devices operated at GHz frequency.

퓰러렌, 탄소나노튜브, 그래핀의 발견 이래로 지난 20여년 간 탄소 나노소재는 학계와 산업계의 관심을 이끌어왔다. sp2 혼성 탄소 결정 구조를 바탕으로 얻어지는 우수한 물리적, 전기적, 열적 특성을 바탕으로 광범위한 응용 연구가 진행되어 오고 있다. 최근에는 탄소 나노소재를 활용한 각종 복합재료와 하이브리드 물질을 개발하여 물성의 비약적인 향상을 도모하고 더 나아가 새로운 나노기술 분야를 개척하는 단계에 이르렀다. 본 연구에서는 탄소나노튜브와 그래핀에 기반하는 기능성 복합재료를 제조함으로써 다양한 응용 가능성을 검토하였다. 제2장에서는 미세구조를 가지는 고분자 매트릭스 내 탄소 나노튜브의 유변학적 퍼컬레이션 현상에 대한 연구가 진행되었다. 분자량에 따라 각기 다른 회전 반경과 사슬 엉킴을 가지는 폴리카보네이트를 매트릭스로 하여, 탄소나노튜브를 혼입하여 용융혼합법으로 고분자/탄소나노튜브 복합재료를 제조하였다. 복합재료의 전기적/유변학적 특성을 설명하기 위한 모델을 제시하였고, 고전적인 멱수법을 적용하여 해석이 불가능한 복합재료의 유변학적 퍼컬레이션 현상을 평가하기 위한 새로운 접근법을 모색하였다. 점탄성 재료의 동적 전단 유변물성에서 일어나는 저장 및 손실 탄성률의 교차 현상을 이용하여 유변학적 퍼컬레이션 역치값을 측정하였고, 이를 바탕으로 분자량에 따른 유변학적 퍼컬레이션 현상을 정량적으로 밝혀냈다. 제3장 에서는 손쉽고 친환경적인 층상 적층법을 적용하여 수용액 내 분산되어 있는 그래핀 나노플레이트릿과 수용성 폴리바이닐 알코올을 유연성 고분자 기판에 교대로 박막 코팅하는 기술을 개발하였다. 적층 수에 따른 자외선-가시광선 흡광 특성, 박막 필름 두께, 단위 면적 당 질량 변화를 관찰하여, 필름의 선형 적층 현상을 규명해 냈다. 적층된 그래핀 필름은 높은 전기 전도성 뿐만 아니라 우수한 가스 차단 특성을 보여주었다. 박막 필름에 추가적으로 질산 가스 처리를 하였을 경우, 기존 필름 대비 약 1/10 수준의 낮은 표면 저항을 보였다. 라만 및 X선 광전자 분광 분석을 통해, 산처리에 의한 전도성 향상 효과는 그래핀의 화학적 도핑이 아닌 절연성 고분자 물질의 제거를 통해 얻어짐을 확인하였다. 한편 산소 가스 차단 효과는 여전히 우수한 수준을 유지하였는데, 이는 산처리로 인하여 내부 구조가 붕괴되지 않고 필름의 표면에만 효과적으로 처리되었음을 입증하는 결과이다. 마지막 장에서는 그래핀/산화그래핀/은 나노와이어 하이브리드 박막 필름의 우수한 전자파 차폐 특성에 대한 연구를 진행하였다. 진공여과 공정을 통하여 약 3~13 마이크로 미터의 매우 얇은 두께를 가지는 박막 필름을 제조하였다. 소량의 산화 그래핀을 첨가함으로써 그래핀의 수용액 상 분산 안정성을 향상시킬 뿐 아니라 필름의 내구성을 확보하였다. 은 나노와이어의 혼입을 통해 얻어진 하이브리드 필름은 5 GHz영역의 전자파 주파수에서 최대 30dB 수준의 우수한 전자파 차폐 특성을 보였다. 결과적으로, 불과 마이크로 미터 두께의 필름이 수 밀리미터 두께의 고분자/탄소 나노소재 복합재료에 비견되는 차폐 성능을 얻어낼 수 있었다. 이런 박막 필름 유형의 하이브리드 재료는 점차 얇아지고 있는 휴대용 전자 제품에 적용되어 효과적인 전자파 차폐 특성을 보일 것으로 기대된다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCBE 16042
형태사항 viii, 75 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 문성식
지도교수의 영문표기 : O Ok Park
지도교수의 한글표기 : 박오옥
수록잡지명 : "A new approach to determine rheological percolation of carbon nanotubes in micro-structured polymer matrices". Carbon, v. 67, pp. 64?71(2014)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 생명화학공학과,
서지주기 Including references
주제 polymer/carbon nanotube composites
rheological percolation phenomena
layer-by-layer assembly
graphene thin films
electromagnetic interference shielding
고분자/탄소나노튜브 복합재료
유변학적 퍼컬레이션 현상
층상 적층법
그래핀 박막 필름
전자파 차폐
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