Graphene oxide (GO) has been used as a particle surfactant because of their amphiphilic character. Recently, GO have been investigated in many reports for improving the dispersion stability of carbon nanotube (CNT) in polar solvent such as water or alcohols. As a surfactant material, GO should have dimension comparable with other nanomaterials interacting each other. Therefore, it is highly demanded to elucidate the size effects of the GO on the dispersion behavior of insoluble nanomaterials. However, the size effects of GO on the dispersion behavior of CNT dispersions or on the electrical and mechanical properties of CNT based composites have been rarely demonstrated. In this study, the size effects of GO on the dispersion behavior of MWCNTs, and the electrical and mechanical properties of PVA-MWCNT composites were investigated using GOs with different sizes. To determine the size effects of the GO, the size of GO was varied from micro-sized (2060 nm) to nano-sized (257 nm). By UV-vis measurements, it was found that smaller GOs improved the dispersion of MWCNT more effectively than larger one, and furthermore it was apparently demonstrated in the results of sheet resistance for MWCNT film that the minimum GO-to-MWCNT ratio to achieve a conductive GO-MWCNT film was gradually decreased as the size of GO reduced. Finally, the size effects of GO on the mechanical properties of PVA compo-sites were studied by measuring tensile strength and Young’s modulus, showing that the mechanical property enhancement effects were emerged more significantly from the smallest GO than the largest GO in this study. Our design of surface-engineered GOs combined with their significant advantages of 2D plate geometry in nanoscale and tunable optical and electrical properties highlight the importance of GO not only as a dispersing agent in producing functional colloidal suspensions, but also novel hybrid carbon nanomaterials for many applications, such as structural composites, transparent conductive electrodes, and energy storage elements.
산화그래핀은 고유의 양친성으로 입자 계면활성제로 사용될 수 있으며, 최근 여러 보고를 통해서 산화그래핀이 물이나 알코올 등의 극성 용매에서 계면활성제로 작용하여 탄소나노튜브의 분산 안정화에 도움을 주는 것으로 알려져 왔다. 계면활성제로서 산화그래핀은 상호작용을 하는 다른 나노 물질들과 비슷한 범위의 크기를 가져야 하기 때문에 산화그래핀의 크기 효과가 불용성 나노물질의 분산 특성에 미치는 영향을 규명하는 것은 분산 연구에 있어 매우 중요한 의미가 있다. 하지만 산화그래핀의 크기가 탄소나노튜브의 콜로이드 분산이나 탄소나노튜브 강화 복합재료의 전기적, 기계적 특성에 미치는 영향에 대해서는 거의 연구된 바가 없다. 이에 본 연구에서는 표면특성은 동일하고 크기를 달리 한 여러 종류의 산화그래핀을 이용하여 산화그래핀의 크기 변수가 탄소나노튜브의 분산 거동에 미치는 영향을 정량적으로 묘사하고 더 나아가 폴리비닐알콜-탄소나노튜브 복합재료의 전기적, 기계적 특성이 산화그래핀의 크기에 따라 어떻게 달라지는지 고찰하였다. 산화그래핀의 크기 효과를 결정하기 위해서 간단하고 재현가능한 초음파처리 방법에 의해 마이크로미터에서 나노미터 범위의 크기별 산화그래핀 시료를 제조하였다. 자외선-가시광선 분광분석법을 통해서 크기가 작은 산화그래핀일수록 탄소나노튜브를 더 효과적으로 분산시키는 것을 알 수 있었으며, 탄소나노튜브 필름에 대한 면저항 측정 결과로부터 크기가 작을수록 상대적으로 매우 적은 양의 산화그래핀으로도 탄소나노튜브를 고르게 분산시킴으로써 전도성 필름을 달성할 수 있음을 알 수 있었다. 산화그래핀-탄소나노튜브 분산액과 혼합된 폴리비닐알코올 복합재료의 인장강도와 탄성계수 측정을 통해서 산화그래핀의 크기가 복합재료의 기계적 물성에 미치는 영향을 고찰하였으며, 이를 통해 탄소나노튜브와 함께 산화그래핀이 혼성 나노 필러로서 폴리비닐알코올의 기계적 물성을 크게 강화시키는 작용을 하며 이러한 경향은 크기가 작은 산화그래핀에서 더욱 현저하게 나타난다는 사실을 밝혔다. 본 학위논문에서는 산화그래핀의 표면 개질과 나노 크기의 2차원 구조체의 이점 및 조절가능한 광학적, 전기적 특성을 복합하여 산화그래핀이 단지 기능성 콜로이드 현탁액 제조를 위한 분산제로서 뿐만 아니라, 탄소나노튜브와 함께 혼성 탄소 나노물질을 이루어 구조물 복합체, 광전자, 투명전극 및 에너지저장요소 등 수많은 용도에 사용될 수 있다는 점으로 산화그래핀의 중요성을 강조하고자 한다.
