본 연구에서는 습식 방사된 탄소나노튜브(CNT) 섬유에서 구조 변화가 일어나는 양상을 조사하고, 그에 따른 밀도 및 인장강도의 변화를 고찰하였다. 섬유 내부에 염화설폰산(chlorosulfonic acid, CSA)이 존재하며 튜브 형상이 진화한다는 점을 고려하면, CNT 섬유의 실험적 밀도와 개별 CNT의 이론적 밀도 간의 차이는 합리적으로 근사할 수 있다. 1400 °C에서 순수 CNT 섬유를 열처리하는 동안, CNT 사이에 존재하던 CSA가 제거됨에 따라 유도되는 모세관 힘이 개별 나노튜브의 원주(circumference)를 다각형화(polygonization)한다. 이러한 형태학적 변환은 CNT 사이의 접촉 면적을 확대하고 점유 부피를 감소시켜 인장강도 향상과 밀도 증가를 유도한다. CNT 구조와 밀도 간의 상관관계 규명은 고성능 CNT 섬유의 제조 및 응용에 관한 통찰을 제공할 수 있다.

3D 프린팅에서 특히 체형 감지(body sensing) 응용을 위해, 퓨즈드 디포지션 모델링(fused deposition modeling)에 유연하고 신장 가능한 전도성 필라멘트가 필수적이다. 이는 원하는 어떤 형상으로도 직접 인쇄가 가능하기 때문이다. 이러한 필라멘트는 몇 가지 핵심 기준을 충족해야 한다. 즉, 친환경적이어야 하며, 부드러워야 하고, 전도성이 매우 높아야 하며, 고온의 3D/4D 프린팅 동안 열적으로 안정해야 한다. 본 연구에서는 무용매 공정으로서 용매를 필요로 하지 않는 친환경적인 in situ 중합(in situ polymerization) 방법을 통해 바이오 기반 열가소성 폴리우레탄(TPU)/다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 복합재를 제조하였다. 또한 바이오 기반 폴리올과 사슬 연장제(chain extenders)를 사용하여 ≥62 wt %의 천연물 함량을 갖는 복합체를 제조하였다. 이러한 복합재는 유변학(rheology) 제어 특성을 나타내며, 3D 프린팅 공정 동안 탁월한 유동성을 보였고 대기 조건 하에서 형상을 유지하였다. 더 나아가 MWCNT 함량을 2.75~3.75 wt %로 변화시키며 전기적 특성을 평가하였고, TPU 내 MWCNT 3.75 wt %에서 가장 높은 전도도(1.26 × 10–2 S/cm)를 얻었으며(즉, TPU/MWCNT 3.50), 3D 프린팅된 압력 센서(TPU/MWCNT 3.50)는 6000 s 동안 20% 반복 압축 조건에서 안정적인 피에조저항(piezoresistive) 감지 성능을 보였다. 또한 TPU/MWCNT 3.25 복합재는 인체 온도(즉, 37 °C)에서 형상기억(shape-memory) 특성을 나타냈다. 본 연구는 4D 프린팅과 향후 다기능 응용을 위한 재료의 기술적 발전을 촉진한다.

액정 탄소 나노튜브(CNTs)의 신장(延長) 레올로지에 대한 메조스코픽 이론을 제시한다. 우리는 프랭크 탄성 퍼텐셜과 반대 방향으로 작용하는 척력의 배제부피 퍼텐셜을 고려하면서, 메조스코픽 Leslie–Ericksen 이론을 구현한다. CNTs의 부피분율, 직경, 길이가 주어졌을 때, 본 모델은 신장 점도를 예측한다. CNTs의 액정상은 신장 박화(thinning) 거동을 보였다. 본 이론에서 회전 이완 시간은 배제부피에 대한 역수에 비례하며, 특히 굽음(waviness)을 갖는 긴 CNTs에서 그러하다. 또한 본 모델은 인장비(draw ratio)의 최소값을 예측하는데, 이 값 아래에서는 나노튜브의 배향이 목표 배향에 도달할 수 없다. 인장비의 최소값이 존재하는 것은 긴 CNTs에서 배제부피 퍼텐셜이 크기 때문이다.

Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2107694 DOI: 10.1002/adfm.202107694 원래 출판된 논문의 버전에서 공동저자(Mina Namvari)가 누락되었습니다. 전체 저자 목록은 다음과 같습니다: Gyeong Min Choi, Minji Park, Yul Hui Shim, So Youn Kim, Mina Namvari, 그리고 Heon Sang Lee*

본 연구에서는 습식 방사된 탄소나노튜브(CNT) 섬유에서 구조 변화가 일어나는 양상을 조사하고, 그에 따른 밀도 및 인장강도의 변화를 고찰하였다. 섬유 내부에 염화설폰산(chlorosulfonic acid, CSA)이 존재하며 튜브 형상이 진화한다는 점을 고려하면, CNT 섬유의 실험적 밀도와 개별 CNT의 이론적 밀도 간의 차이는 합리적으로 근사할 수 있다. 1400 °C에서 순수 CNT 섬유를 열처리하는 동안, CNT 사이에 존재하던 CSA가 제거됨에 따라 유도되는 모세관 힘이 개별 나노튜브의 원주(circumference)를 다각형화(polygonization)한다. 이러한 형태학적 변환은 CNT 사이의 접촉 면적을 확대하고 점유 부피를 감소시켜 인장강도 향상과 밀도 증가를 유도한다. CNT 구조와 밀도 간의 상관관계 규명은 고성능 CNT 섬유의 제조 및 응용에 관한 통찰을 제공할 수 있다.

3D 프린팅에서 특히 체형 감지(body sensing) 응용을 위해, 퓨즈드 디포지션 모델링(fused deposition modeling)에 유연하고 신장 가능한 전도성 필라멘트가 필수적이다. 이는 원하는 어떤 형상으로도 직접 인쇄가 가능하기 때문이다. 이러한 필라멘트는 몇 가지 핵심 기준을 충족해야 한다. 즉, 친환경적이어야 하며, 부드러워야 하고, 전도성이 매우 높아야 하며, 고온의 3D/4D 프린팅 동안 열적으로 안정해야 한다. 본 연구에서는 무용매 공정으로서 용매를 필요로 하지 않는 친환경적인 in situ 중합(in situ polymerization) 방법을 통해 바이오 기반 열가소성 폴리우레탄(TPU)/다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 복합재를 제조하였다. 또한 바이오 기반 폴리올과 사슬 연장제(chain extenders)를 사용하여 ≥62 wt %의 천연물 함량을 갖는 복합체를 제조하였다. 이러한 복합재는 유변학(rheology) 제어 특성을 나타내며, 3D 프린팅 공정 동안 탁월한 유동성을 보였고 대기 조건 하에서 형상을 유지하였다. 더 나아가 MWCNT 함량을 2.75~3.75 wt %로 변화시키며 전기적 특성을 평가하였고, TPU 내 MWCNT 3.75 wt %에서 가장 높은 전도도(1.26 × 10–2 S/cm)를 얻었으며(즉, TPU/MWCNT 3.50), 3D 프린팅된 압력 센서(TPU/MWCNT 3.50)는 6000 s 동안 20% 반복 압축 조건에서 안정적인 피에조저항(piezoresistive) 감지 성능을 보였다. 또한 TPU/MWCNT 3.25 복합재는 인체 온도(즉, 37 °C)에서 형상기억(shape-memory) 특성을 나타냈다. 본 연구는 4D 프린팅과 향후 다기능 응용을 위한 재료의 기술적 발전을 촉진한다.

액정 탄소 나노튜브(CNTs)의 신장(延長) 레올로지에 대한 메조스코픽 이론을 제시한다. 우리는 프랭크 탄성 퍼텐셜과 반대 방향으로 작용하는 척력의 배제부피 퍼텐셜을 고려하면서, 메조스코픽 Leslie–Ericksen 이론을 구현한다. CNTs의 부피분율, 직경, 길이가 주어졌을 때, 본 모델은 신장 점도를 예측한다. CNTs의 액정상은 신장 박화(thinning) 거동을 보였다. 본 이론에서 회전 이완 시간은 배제부피에 대한 역수에 비례하며, 특히 굽음(waviness)을 갖는 긴 CNTs에서 그러하다. 또한 본 모델은 인장비(draw ratio)의 최소값을 예측하는데, 이 값 아래에서는 나노튜브의 배향이 목표 배향에 도달할 수 없다. 인장비의 최소값이 존재하는 것은 긴 CNTs에서 배제부피 퍼텐셜이 크기 때문이다.

Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2107694 DOI: 10.1002/adfm.202107694 원래 출판된 논문의 버전에서 공동저자(Mina Namvari)가 누락되었습니다. 전체 저자 목록은 다음과 같습니다: Gyeong Min Choi, Minji Park, Yul Hui Shim, So Youn Kim, Mina Namvari, 그리고 Heon Sang Lee*

지난 10년간 고성능 탄소나노튜브(CNT) 섬유를 제조하기 위한 많은 전략이 보고되었다. CNT 전처리 방법이나 섬유 후처리 경로와 무관하게 방사는 필수 공정이지만, 정작 방사 공정 자체에 대해서는 거의 연구가 이루어지지 않았다. 이러한 섬유를 방사로 형성하는 과정에서는 번들 내부 및 번들 간 공극이 불가피하게 발생한다. 이러한 공극의 크기와 양은 섬유의 거시적 특성을 좌우한다. 따라서 섬유 내부 공극을 제어하는 것이 거시적 특성을 향상시키는 핵심이다. 우리는 특히 용액 방사에서 번들 간 및 번들 내부 공극을 중심으로, 섬유의 미세구조 변화에 대해 체계적으로 탐구하였다. 출구 주변 노즐(스피너레트)에서는 인발에 의한 신장 변형이 섬유 배향에 핵심이며, 목표 배향을 위한 최소 인발비(DR∗=4.5)를 확인하였다. 또한 응고 공정을 제어함으로써 섬유의 형상을 원형에 가깝게 만들어 섬유 내 공극을 0.08 vol%로 현저히 감소시켰다. 그 결과, 포장 밀도와 배향의 증가는 섬유 성능을 극대화하였다. 고도로 배향되었고 미세한 형태를 보이는 결과 섬유는 인장강도 5.0 ± 0.3 GPa, 탄성률 302 ± 31 GPa, 전기전도도 11.2 ± 0.5 MS m−1, 열전도도 398 ± 27 W m−1 K−1, 그리고 노트 효율 85 ± 11%를 나타냈다. 이러한 섬유 형성에 대한 본 체계적 연구가 고성능 다기능 CNT 섬유의 개발에 유용한 통찰을 제공할 것으로 기대한다.

다벽(多壁) 탄소나노튜브(CNT)는 배터리 응용을 위한 초기 대량생산에 이미 진입했지만, 그래핀 옥사이드(GO)와 단벽 CNT는 생산 규모화 과정에서 기술적 과제에 직면해 있다. 여러 가공 접근법 가운데 유체상(fluid-phase) 처리는 원하는 나노탄소 구조를 규모에 맞게 구현하기 위한 가장 유망한 방법으로 평가된다. 레오메카닉스(rheomechanics)란 평형 및 비평형 열역학 상태, 즉 정적 및 동적 안정성뿐 아니라 유동 중 유체상과 고체상 내부에서 단·장 시간 스케일에 걸친 미세구조의 진화를 연구하는 분야를 말한다. 특히, 안정적인 분산을 위한 나노탄소 간 강한 반데르발스(van der Waals, vdW) 상호작용을 극복하고, 유체 처리, 건조 및 열처리 과정에서 미세구조를 제어하기 위해 이론적 및 실험적 방법 모두에서 상당한 진전이 이루어졌으며, 예컨대 GO 페이스트를 이용한 전극 코팅과 CNT 도프(dope)의 습식 방사(wet spinning) 등이 이에 해당한다. 본 총설은 직경 및 길이가 각각 마이크로미터 스케일인 개별 입자를 갖는 GO 및 CNT의 고농도 분산에 대한 콜로이드 레오메카닉스(colloidal rheomechanics) 분야의 최근 성과를 요약하고, 콜로이드 및 열역학적 안정성, 미세구조 진화, 그리고 레올로지적 거동에 초점을 맞춘다. 특히 이러한 현상을 지배하는 데 있어 배제부피(excluded volume) 효과의 역할을 강조한다. 논의는 GO 및 CNT 분산에서의 인력 및 척력 퍼텐셜을 분석하는 것으로 시작하며, 초고농도 분산에서 콜로이드 안정성을 달성하기 위해 vdW, 정전기적, 디플리션(depletion), 배제부피 퍼텐셜을 수정·평가하는 내용을 포함한다. 본 총설에서 제시하는 관점에서는, 크기가 큰 나노탄소의 안정한 상태를 설명하기 위해 Derjaguin–Landau–Verwey–Overbeek 이론을 수정하는 연구를 확장하는 것이 콜로이드 안정성을 평가하는 데 필수적이라고 본다. 또한 Onsager 이론에 기반한 확장 연구는, 1D 및 2D 나노탄소 분산의 자유에너지가 주로 배향 엔트로피(orientational entropy)와 배제부피 상호작용의 영향을 받기 때문에, 평형에서의 열역학적 안정성과 미세구조를(응집체인 택토이드(tactoid)의 유무와 함께) 해명하기 위한 출발점으로서 활용된다. 더 나아가 관점은 배제부피가 평형의 안정성뿐 아니라 동적 상태에서도 결정적으로 중요하다는 점을 지적한다. 이어서 총설은 코팅 및 습식 방사와 같은 공정에 관련된 전단 및 신장 레올로지에서의 유동 동안, 특히 미세구조와 배향의 진화에 대해 탐구한다. 마지막으로 응고, 열처리 및 건조 과정의 맥락에서 미세구조 진화를 엘라스토-모세관(elasto-capillary) 효과에 중점을 두어 다룬다. 이러한 핵심 사항들에 대한 심층 분석을 제공함으로써, 본 총설은 GO 및 CNT 분산에서의 콜로이드 레오메카닉스에 대한 이해를 진전시키고, 향상된 가공 기술과 재료 성능으로 이어질 수 있는 토대를 마련하는 것을 목표로 한다.

전해질은 자가조립 과정에서 구조적 결합 교량으로 작용하여 메소튜브의 형태와 전기화학적 특성 모두에 직접적인 영향을 미친다. 본 연구는 GO 메소튜브 형성의 전기화학적 조절에 대한 유용한 통찰을 제공하며, 메소튜브의 치수와 특성을 맞춤화하기 위한 실행 가능한 전략을 제시한다. 메소튜브 성장을 정밀하게 제어할 수 있다는 점은 에너지 저장, 바이오센싱 및 소프트 로보틱스에서의 잠재적 응용을 확장하고, 그래핀 기반 3D 소재에서의 새로운 전기화학적 유도 자가조립 기술로 이어질 수 있는 길을 연다.