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.
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