Hierarchical Structure of Carbon Nanotube Fibers: Effect of the Structural Change on Strength

Abstract

뛰어난 물성을 갖는 탄소 나노튜브는 짧은 길이 때문에 활용이 제한적이었으며, 이를 극복하기 위해 탄소나노튜브 섬유가 연구되고 있다. 탄소 나노튜브의 물성을 갖는 탄소 나노튜브 섬유를 합성한다면 가볍고 강한 소재를 요구하는 다양한 분야에서 활용할 수 있다. 현재 탄소 나노튜브의 기계적 물성은 상용화된 슈퍼 섬유와 비슷한 정도나, 앞으로 발전 가능성이 높다. 강도를 향상하기 위한 후처리 방법은 크게 두 가지로 분류할 수 있다. 첫째, CNT 및 CNT 번들 사이의 반 데르 발스 힘을 증가하는 방법이다. 외부 물질을 기공 사이에 채우거나 기공을 제거하는 방법이 있다. 둘째, CNT와 CNT를 더 강한 힘인 공유결합으로 가교 하는 방법이다. 이때 화학적 방법을 이용하는 경우, 고분자나 화합물을 탄소 나노튜브 섬유 내로 침투 한 후, 가교제로 사용한다. 이와 같은 방법으로 탄소 나노튜브 섬유의 강도 향상을 위한 여러 연구가 진행되고 있지만, 강도 향상이 쉽지 않고 재현성이 좋지 않다. 본 연구에서는 그 이유를 탄소 나노튜브 섬유의 특수한 구조에서 찾고자 한다. 즉, 탄소 나노뷰트 섬유의 계층형 구조에 대한 정확한 이해에 바탕을 두고 올바르고 효과적인 강도 향상 방법을 찾을 수 있다. FIB와 TEM을 이용하여 나노 레벨의 구조를 관찰한 결과, 탄소 나노튜브 섬유는 계층형 구조를 가지며, 내부에 두 규모의 기공이 존재한다. 수십 나노미터 크기의 번들 사이 기공과 수 나노미터의 번들 내부 기공이다. 또한, 번들 내부로는 고분자 및 NMP의 침투가 어렵다는 것을 확인하였다. 이를 바탕으로 보았을 때, 강도를 높이기 위해서 세울 수 있는 전략은 두 가지가 있다. 첫째, 두 규모의 기공을 제거하여야 하며 이를 위해 각 규모에 알맞은 처리가 필요하다. 둘째, CNT 사이를 가교결합 하는 경우, CNT 번들 사이나 단순 표면 반응에 그치지 않을 수 있는 새로운 시도가 필요하다. 이 중, 고강도화를 위해 먼저 고려해야 할 기공 제거를 시도하였다. 그 방법으로는 탄소 나노튜브 섬유에 용액(NMP 및 CSA)을 침투한 후 연신하는 습식 연신을 시도하였다. 그 결과 번들은 서로 뭉쳤고 번들 사이의 기공도 줄어들었다. 용액을 침투한 경우, 번들 내부의 기공은 거의 완벽히 제거되었고 또한 탄소 나노튜브의 단면의 모양도 원형에서 타원형으로 모양이 변형되었다. 이는 사용된 용액의 모세관압 때문으로 판단되며 스트레칭의 정도에는 영향을 받지 않음을 확인하였다. 마지막으로 강도는 약 0.95 N/tex에서 2.19 N/tex로 약 2.3배 증가하였다. 이를 통해 탄소 나노튜브 섬유의 강도를 효과적으로 높이기 위해서는 그의 구조와 내부 형태를 나노스케일까지 이해하는 것이 필수적임을 알 수 있다.

Carbon nanotubes (CNT) with excellent physical properties were limited in their application because of their short length. To overcome this limitation, carbon nanotube fibers (CNTF) have been studied. If CNTFs having the properties of CNTs are synthesized, CNTFs would be utilized in various fields requiring light and strong materials. Currently, the mechanical properties of CNTFs are similar to those of commercialized super fibers, but CNTFs have a large potential for the future improvement. The post-treatment methods to strengthen could be classified into two types. The first method is to increase the van der Waals (vdW) force between CNTs or between CNT bundles by filling the voids with exterior materials or by removing the voids. The second method is to cross-link CNTs to covalent bonds, which is a stronger force than vdW. For cross-linkers, polymers or chemical molecules are infiltrated into CNTFs and used as cross-linking agents. Although various studies have been tried to increase the strength of CNTFs, the strength has not easily improved and the reproducibility is poor. The purpose of this study was to find out the unique hierarchal structure of CNTFs. In other words, based on an accurate understanding of the hierarchical structure of CNTFs, we could find correct and effective ways to improve the strength of CNTFs. The hierarchical structure of CNTFs was confirmed at the nanometer level for the first time. It was found there were two scales of pores: pores between bundles of tens of nanometers, (i.e., inter-bundle voids) and pores inside bundles of several nanometers, (i.e., intra-bundle voids). Also, it was confirmed that infiltration of the polymer or NMP into the bundle was difficult. Based on this, two strategies to strengthen the CNTFs were set. First, two sizes of pores must be removed and appropriate treatment for each scale is required. Second, when cross-linking between CNTs, new attempts may be needed so that the cross-linking occurs between CNTs not between bundles. Among these two, the first strategy was preferentially done by wet-stretching. Wet-stretching was attempted by infiltrating a solution (NMP and CSA) into a CNTF followed by stretching. As a result, the bundles aggregated and the pores between the bundles were reduced. When the solution was infiltrated, the pores in the bundle were almost completely removed, and the shape of the cross-section of the CNTs was changed from circular to elliptical due to capillary pressure. It was confirmed that microscale of intra-bundle voids was not affected by the degree of stretching which is a macroscopic phenomenon. Finally, the strength increased about 2.3 times from average 0.95 N/tex to 2.19 N/tex. In order to increase the strength of the CNTF effectively, it is necessary to understand its structure and morphology to the nanoscale level.