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특 집 탄소나노튜브 / 금속나노복합재료의제조공정및기계적 / 전기적특성 모찬빈 ᆞ 정용진 ᆞ 임병규 ᆞ 홍순형 1. 서론 1991년탄소나노튜브가최초로발견된이래, 탄소나노튜브의우수한특성을이용한다양한새로운기술분야들이형성되었고, 기존기술의한계들을극복할수있는방법들이제시되고있다. 그중기존소재의한계를뛰어넘을수있는복합재료의새로운강화재로서탄소나노튜브가큰주목을받고있다.

탄소나노튜브가복합재료의강화재로서주목을받는가장큰이유는기계적특성이우수하고장대비가커서기지재료로부터의응력 전달이효과적으로이루어질것으로기대되기때문이다. 탄소나노튜브의우수한기계적특성, 1-5 열전도도, 6,7 전기전도도는 8 여러가지방법으로확인된바있다.

또한, SiC 나노로드를계속굽힐경우결국파괴가일어났지만다중벽탄소나노튜브는 buckling 이발생하면서파괴가일어나지않았다. 더욱이 Falvo 등은다중벽탄소나노튜브가파괴를일으키지않고굽힘을반복할수있으며변형률이매우크다는것을확인하였다.

4 Salvetat 등은탄소나 모찬빈 2002 2004 2004 한국과학기술원재료공학과 ( 학사 ) 한국과학기술원신소재공학과 ( 석사 ) 한국과학기술원신소재공학과박사과정 임병규 2004 2006 2006 한양대학교재료공학부 ( 학사 ) 한국과학기술원신소재공학과 ( 석사 ) 한국과학기술원신소재공학과박사과정 정용진 2004 2005 2005

1 특 집 탄소나노튜브 / 금속나노복합재료의제조공정및기계적 / 전기적특성 모찬빈 ᆞ 정용진 ᆞ 임병규 ᆞ 홍순형 1. 서론 1991년탄소나노튜브가최초로발견된이래, 탄소나노튜브의우수한특성을이용한다양한새로운기술분야들이형성되었고, 기존기술의한계들을극복할수있는방법들이제시되고있다. 그중기존소재의한계를뛰어넘을수있는복합재료의새로운강화재로서탄소나노튜브가큰주목을받고있다. 본논문에서는탄소나노튜브의특성, 탄소나노튜브나노복합재료의제조공정에대해리뷰하고, 특히, 탄소나노튜브 / 금속나노복합재료의제조공정과특성에대해논의하고자한다. 탄소나노튜브는흑연면 (graphene layer) 이원기둥형태로말려있는튜브구조로서직경은 1 50 나노미터 (1 나노미터 =10 억분의 1 미터 ), 길이는수십 cm 에이르는장대비가매우큰특징을가지고있다. 탄소나노튜브가복합재료의강화재로서주목을받는가장큰이유는기계적특성이우수하고장대비가커서기지재료로부터의응력 전달이효과적으로이루어질것으로기대되기때문이다. 탄소나노튜브의우수한기계적특성, 1-5 열전도도, 6,7 전기전도도는 8 여러가지방법으로확인된바있다. Wong 등은탄소나노튜브의탄성계수를측정하기위해다중벽탄소나노튜브외팔보 (cantilever) 를제조하고이를원자력현미경으로압입 (indentation) 하였다. 1 그결과다중벽탄소나노튜브의직경에상관없이탄성계수가평균 1.28 TPa 에이르는것으로나타났으며같은실험으로측정된 SiC 나노로드 (nanorod) 의 660 GPa 보다훨씬높은것으로나타났다. 또한, SiC 나노로드를계속굽힐경우결국파괴가일어났지만다중벽탄소나노튜브는 buckling 이발생하면서파괴가일어나지않았다. 더욱이 Falvo 등은다중벽탄소나노튜브가파괴를일으키지않고굽힘을반복할수있으며변형률이매우크다는것을확인하였다. 2 Yu 등은 nanostressing stage 를이용하여다중벽탄소나노튜브의인장시험을실시하였고, 그결과인장강도가 GPa 에이르고, 탄성계수는 GPa 에이르는것으로나타났다. 4 Salvetat 등은탄소나 모찬빈 한국과학기술원재료공학과 ( 학사 ) 한국과학기술원신소재공학과 ( 석사 ) 한국과학기술원신소재공학과박사과정 임병규 한양대학교재료공학부 ( 학사 ) 한국과학기술원신소재공학과 ( 석사 ) 한국과학기술원신소재공학과박사과정 정용진 연세대학교세라믹공학과 ( 학사 ) 한국과학기술원신소재공학과 ( 석사 ) 한국과학기술원신소재공학과박사과정 홍순형 서울대학교금속공학과 ( 학사 ) 한국과학기술원재료공학과 ( 석사 ) 미국 Northwestern 대학재료공학과 ( 박사 ) 미국 Stanford 대학 Research Associate 한국과학기술원신소재공학과교수 KAIST 나노융합연구소소장 Fabrication Process and Mechanical/Electrical Properties of Carbon Nanotube/Metal Nanocomposites 한국과학기술원나노융합연구소신소재공학과 (Soon Hyung Hong, Institute for the Nanocentury, Department of Materiasl Science and Engineering, KAIST, Guseong-dong, Yuseong-gu, Daejeon , Korea) shhong@kaist.ac.kr 한국과학기술원신소재공학과 (Chan Bin Mo, Yong Jin Jeong, and Byung Kyu Lim, Department of Materials Science and Engineering, KAIST, Guseong-dong, Yuseong-gu, Daejeon , Korea) 528 Polymer Science and Technology Vol. 18, No. 6, December 2007

노튜브의결함이탄성계수에미치는영향을조사하기위하여결함이적은아크방전법으로제조된다중벽탄소나노튜브와결함이많은화학기상증착법으로제조된다중벽탄소나노튜브의탄성계수를원자력현미경으로비교측정하였다. 그결과아크방전법으로제조된다중벽탄소나노튜브의탄성계수는평균 810 GPa인반면, 화학기상증착법으로제조된다중벽탄소나노튜브의탄성계수는평균 27 GPa 로매우낮은값을보였다.

2 노튜브의결함이탄성계수에미치는영향을조사하기위하여결함이적은아크방전법으로제조된다중벽탄소나노튜브와결함이많은화학기상증착법으로제조된다중벽탄소나노튜브의탄성계수를원자력현미경으로비교측정하였다. 그결과아크방전법으로제조된다중벽탄소나노튜브의탄성계수는평균 810 GPa인반면, 화학기상증착법으로제조된다중벽탄소나노튜브의탄성계수는평균 27 GPa 로매우낮은값을보였다. 이는화학기상증착법으로제조된다중벽탄소나노튜브내에존재하는많은결함이탄성계수에상당한영향을미친다는중요한의미를나타낸다. 5 탄소나노튜브는기계적특성뿐만아니라열전도도, 전기전도도또한우수하다. 6-8 탄소나노튜브의열전도도는 Berber 등이이론적으로계산한결과상온에서 6600 W/mK 에이르는것으로나타났으며, 6 Kim 등에의하여실험적으로 3000 W/mK에이르는것으로밝혀졌다. 7 이는은 (429 W/mK), 다이아몬드 ( W/mK) 보다높은값이다. Anazawa 등은아크방전법으로제조된결함이매우적은다중벽탄소나노튜브의전기적특성을측정한결과전자의이동이 ballistic transport 원리에의해이루어짐을확인하였고, A/m 2 의높은전류밀도를견딜수있는것으로나타났다. 8 반면, 결함이많은다중벽탄소나노튜브는 A/m 2 정도의상대적으로낮은전류밀도에서파괴됨으로써탄소나노튜브의결함이기계적특성뿐만아니라전기적특성에도큰영향을미친다는것을확인하였다. 이처럼탄소나노튜브는우수한기계적, 열적, 전기적특성을가지고있어서복합재료의기계적특성을향상시킬수있는강화재로서사용될수있을뿐만아니라복합재료의열적, 전기적, 광학적특성등다양한기능성을부여할수있는첨가재로서의사용될수있다. 본논문에서는탄소나노튜브 / 금속나노복합재료의분자수준혼합공정과기계적특성및기능특성에대해다루고자한다. 2. 탄소나노튜브나노복합재료제조공정의주요이슈 탄소나노튜브가강화재로서최초로사용된것은고분자기지이며탄소나노튜브 / 고분자나노복합재료의제조및특성에대한여러연구그룹들의우수한연구결과는탄소나노튜브가금속및세라믹기지에서도동일하게강화재로서사용될수있는가능성을보여주었다. 그러나고분자기지와는달리금속및세라믹기지에서는기존의금속및세라믹복합재료제조공정만으로는기지내에탄소나노튜브를균일하게분산시키기어려워서탄소나노튜브가금속기지에강화재로서사용될수있는지의구심을갖게했다. 금속기지내에서응집된탄소나노튜브는기공을형성하여소재의밀도를감소시키고, 기계적특성을감소시키는원인이된다. 따라서탄소나노튜브나노복합재료를성공적으로제조하기위해서는탄소나노튜브를기지내에균일하게분산시키는것이가장중요하다. 둘째로중요한이슈는탄소나노튜브와금속기지와의강한계면결합형성이다. 탄소나노튜브 / 고분자나노복합재료의경우는탄소나노튜브의표면기능기와고분자의기능기사이의결합으로계면결합을유도할수있지만금속기지에서는더욱강한계면결합이요구된다. 셋째로탄소나노튜브자체의특성이중요하다. 전술한바와같이탄소나노튜브의자체의결함은탄성계수및전기전도도를감소시키는원인이된다. 5,8 탄소나노튜브의결함은탄소나노튜브를분산시키기위해초음파처리, 볼밀링 (ball-milling), 산 처리등을지나치게실시할때발생할수있으며결함의발생을최소화하면서분산을극대화하는것이중요한이슈이다. 마지막으로탄소나노튜브의부피분율및배열을정확하게제어하여원하는특성의탄소나노튜브나노복합재료를제조하는것이필요하다. 3. 탄소나노튜브 / 금속나노복합재료의기존제조공정및특성 3.1 분말야금법 (Powder Metallurgy) 을이용한제조공정및특성분말야금법을이용한탄소나노튜브 / 금속나노복합재료제조공정은일반적으로탄소나노튜브와금속분말을볼밀링 (ball-milling), 기계적합금화 (mechanical alloying) 등의방법으로탄소나노튜브와금속분말을혼합하는방법으로서간단한공정으로대량의복합재료를제조할수있는장점이있지만대부분의탄소나노튜브가분말의표면에서응집되어분말의소결성이감소되고, 소결체의밀도가감소되어결과적으로기계적특성이감소되는단점이있다. Kuzumaki 등은 9 탄소나노튜브와알루미늄분말을볼밀링으로혼합한후 hot-pressing 및 hot-extrusion 을통해탄소나노튜브 / 알루미늄나노복합재료를제조하였다. 그결과탄소나노튜브가알루미늄기지내에어느정도배열하였지만그림 1(a) 에서보는바와같이탄소나노튜브응집체들이기공을형성하고있어서기계적특성이크게향상되지않았다. 이연구그룹은탄소나노튜브 / 타이타늄나노복합재료를동일한방법으로제조하였으나역시탄소나노튜브가응집된미세조직을나타내었다. 10 George 등은탄소나노튜브와알루미늄사이의계면접합을향상시키기위해 wetting agent로서탄소섬유에널리적용되는k 2 ZrF 6 를탄소나노튜브표면에코팅한후탄소나노튜브와알루니늄분말을볼밀링혼합및소결하였다. 그결과 K 2 ZrF 6 를사용한경우탄성계수와인장강도가크게증가하는결과를얻었다. Deng 등은탄소나노튜브의분산성을향상시키기위해탄소나노튜브를산처리하고이를에탄올에분산시킨후알루미늄분말과혼합하여볼밀링하는방법을사용하였으며 cold isostatic pressing 및 hot-extrusion 을통해탄소나노튜브 / 알루미늄 (2024) 나노복합재료를제조하였다. 그결과탄소나노튜브첨가량이 1 wt% 일때까지는탄성계수및인장강도가약 1.4 배증가하였으나 2 wt% 에서는탄소나노튜브가응집되면서특성이크게감소되었다. 14,15 Dong 등은 11 탄소나노튜브 / 구리나노복합재료를제조하기위하여탄소나노튜브와구리분말 (<9 μm) 을혼합한후볼밀링및진공소결 그림 1. Microstructures of carbon nanotube/metal nanocomposites by powder metallurgy process (a) carbon nanotube/aluminum nanocomposite, 9 (b) carbon nanotube/copper nanocomposite. 11 고분자과학과기술제 18 권 6 호 2007 년 12 월 529

하였다. 이와같이제조된탄소나노튜브 / 구리나노복합재료의미세조직은그림 1(b) 에서보이는바와같이수마이크로미터에이르는탄소나노튜브가응집체가존재하였으며 wear loss 가탄소나노튜브부피분율이 0.125 vol% 일때까지는감소하다가그이상일때는오히려약간증가하였다.

3 하였다. 이와같이제조된탄소나노튜브 / 구리나노복합재료의미세조직은그림 1(b) 에서보이는바와같이수마이크로미터에이르는탄소나노튜브가응집체가존재하였으며 wear loss 가탄소나노튜브부피분율이 vol% 일때까지는감소하다가그이상일때는오히려약간증가하였다. 11 Goh 등은 13 탄소나노튜브 / 마그네슘나노복합재료를분말야금법을통하여제조하였으며탄소나노튜브의함량이증가함에따라항복강도가약간증가하지만탄소나노튜브응집체사이로마그네슘이침투하지못하여기공을형성하고있는미세조직을보이는것으로나타났다. 13 이상의여러연구결과들을살펴볼때단순분말야금법을이용한탄소나노튜브 / 금속나노복합재료제조공정은탄소나노튜브의응집문제를해결할수없음을알수있다. 3.2 무전해 ( 전해 ) 도금공정을이용한제조공정및특성 Li 등은 16 길이가 1 μm 미만으로매우짧은탄소나노튜브를산처리한후니켈도금용액안에서탄소나노튜브가균일하게분산되도록한후 CNT/Ni-P 나노복합재료코팅을제조하였다. 제조된 CNT/ Ni-P 나노복합재료코팅은 Ni-P 코팅보다내마모특성이약 4배증가하는것으로나타났다. 16 Kang 등은 17 계면활성제로분산된탄소나노튜브를 dip coating 한후구리를전해도금하는반복적인과정을통해탄소나노튜브 / 구리나노복합재료다층박막을제조하였다. 제조된탄소나노튜브 / 구리나노복합재료다층박막은같은두께의구리보다탄성계수가약 1.4 배, 항복강도가약 1.5 배증가하였다. 17 무전해 ( 전해 ) 도금을이용한탄소나노튜브 / 금속나노복합재료제조공정은탄소나노튜브가균일하게분산된미세조직을얻는데에유리하다. 하지만나노복합재료내에탄소나노튜브의함량을제어하기가어렵고, 함량을증가시키기어려운단점을가지고있다. 3.3 In-situ 공정을이용한제조공정및특성 In-situ 공정은촉매가담지된금속분말에탄소나노튜브를성장시킴과동시에탄소나노튜브와금속을균질하게혼합하는공정이다. He 등은 18 알루니늄분말표면에니켈나노입자를코팅한후탄소나노튜브를성장시켜탄소나노튜브 ( 니켈 )/ 알루미늄나노복합분말을제조하고, 이를진공소결및고압압축하여탄소나노튜브 / 알루미늄나노복합재료를제조하였다. 그결과 5 wt% 탄소나노튜브 -1 wt% Ni/ 알루미늄의인장강도가순수알루미늄의인장강도보다약 2.8 배증가하였고, 경도는 4.3 배증가하였으나상대밀도가 96.2% 로매우낮다. 18 In-situ 공정은탄소나노튜브와금속분말을균일하게혼합할수있고, 탄소나노튜브의분산을위해산처리하거나볼밀링을실시하지않으므로탄소나노튜브의손상을최소화할수있는장점을가지고있다. 그러나탄소나노튜브의대부분분말의표면에존재하게되므로탄소나노튜브에의해분말의소결이일어나기어려운단점을가지고있다. 본연구팀은이러한공정상의문제점들을해결하기위해탄소나노튜브와금속을분자수준에서혼합하여탄소나노튜브를금속기지내에균일하게분산시킬수있는분자수준혼합공정 (molecular level mixing process) 을세계최초로개발하였다. 19 아울러분자수준혼합공정을통해제조된다양한구조의탄소나노튜브 / 금속나노복합분을벌크화, 박막화, 고분자와의복합화공정을통해고강도, 고탄성, 내마모구조용소재와전계방출에미터 (field emitter) 소재, 전자파차폐및흡수소재등의기능성소재분야에의응용및특성평가에대해연구하였다 ,23 4. 분자수준혼합공정 (Molecular Level Mixing Process) 을이용한탄소나노튜브 / 금속나노복합분말의신제조공정개발 본연구팀은탄소나노튜브가균일하게분산되고, 금속기지와강한계면을형성하고있는탄소나노튜브 / 금속나노복합재료를제조하기위해분자수준혼합공정을개발하였다. 분자수준혼합공정은그림 2 에서나타낸바와같이 4단계의공정으로이루어져있으며금속뿐만아니라세라믹, 고분자등다양한기지에적용이가능하다. 첫번째로탄소나노튜브표면을기능기화시킴으로써탄소나노튜브사이의반데르발스힘에의한응집을억제시켜다양한용매에서분산되도록하였다. 탄소나노튜브표면에형성된기능기는카르복실기 (carboxyl) 는물또는에탄올에서이온화되어탄소나노튜브사이에정전기적반발력을형성하기때문에탄소나노튜브가균일하게분산된다. 두번째로탄소나노튜브가분산된용액에금속염을용해시키고, 초음파처리함으로써탄소나노튜브와금속이온을혼합시켰다. 이때탄소나노튜브표면의카르복실기가금속이온과이온결합하여화학결합을이룸으로써탄소나노튜브와금속기지사이의계면이분자수준에서결합된탄소나노튜브 / 금속전구체가형성된다. 세번째로분자수준에서결합된상태의탄소나노튜브 / 금속전구체표면에금속입자를핵생성및성장시킴으로써탄소나노튜브 / 금속나노복합분말을제조하였다. 그림 3은분자수준혼합공정에의하여제조된탄소나노튜브 / 구리나노복합분말및탄소나노튜브 / 코발트나노복합분말의투과전자현미경미세조직을보여주고있다. 탄소나노튜브와금속이균일하게혼합되고, 탄소나노튜브가금속입자내에박혀있는 implanted type 의나노복합분말형태를나타내고있다. 이러한구조의탄소나노튜브 / 금속나노복합분말은탄소나노튜브가분말의표면에존재하기보다대부분금속분말의내부에존재하므로금속의소결이용이하게일어날 그림 2. Schematics depicting strategies and procedures for the molecular level mixing process, (a)functionalization of carbon nanotube, (b)reaction between the ions and the functional group on the carbon nanotube surface, (c)nucleation and growth of inorganic particles by reduction or solvent evaporation, (d)carbon nanotube/metal nanocomposite powders in which carbon nanotubes are implanted. 530 Polymer Science and Technology Vol. 18, No. 6, December 2007

그림 3. TEM microstructures of carbon nanotube/metal nanocomposite powders, (a)carbon nanotube/cu nanocomposite powders, 19 (b) carbon nanotube/co nanocomposite powders, (c) HRTEM Image of carbon

고강도-고탄성구조용탄소나노튜브 / 금속나노복합재료제조및특성 제조된탄소나노튜브 / 금속나노복합분말을벌크 (bulk) 형태의탄소나노튜브 / 금속나노복합재료로제조하기위하여본연구팀에서는스파크플라즈마소결공정 (spark plasma sintering process) 을도입하였다 ( 그림 4(a)).

4 그림 3. TEM microstructures of carbon nanotube/metal nanocomposite powders, (a)carbon nanotube/cu nanocomposite powders, 19 (b) carbon nanotube/co nanocomposite powders, (c) HRTEM Image of carbon nanotube/co nanocomposite powders. 수있다. 탄소나노튜브와금속사이의계면을고분해능투과전자현미경으로관찰한결과그림 3(c) 에서보이는바와같이탄소나노튜브와금속사이에기공이나큰결함없이완벽한계면을형성하고있다. 5. 고강도-고탄성구조용탄소나노튜브 / 금속나노복합재료제조및특성 제조된탄소나노튜브 / 금속나노복합분말을벌크 (bulk) 형태의탄소나노튜브 / 금속나노복합재료로제조하기위하여본연구팀에서는스파크플라즈마소결공정 (spark plasma sintering process) 을도입하였다 ( 그림 4(a)). 스파크플라즈마소결공정은분당섭씨 100도의높은가열속도와높은전류에의한줄열 (Joul Heat) 발생및분말사이에발생하는스파크에의해소결이신속하게이루어지고, 입자성장을최소화할수있는신소결공정이다. 그림 5는스파크플라즈마소결공정을통해벌크화된탄소나노튜브 /Cu 및탄소나노튜브 /Co 나노복합재료의미세조직을나타내고있다. 탄소나노튜브가금속기지내에균일하게분산되어있으며여러결정립에걸쳐네트웍을형성하고있는것을확인할수있다. 탄소나노튜브 / 금속나노복합재료의기계적특성은압축테스트를통하여평가하였다. 그림 6에서나타낸바와같이탄소나노튜브 / 구리나노복합재료의압축항복강도는탄소나노튜브의부피분율이 5 vol% 일때 360 MPa로구리에비해 2.3 배향상되었고, 10 vol% 일때 455 MPa 로 3배향상되었다. 탄소나노튜브 / 코발트의경우탄소나노튜브가 7 vol% 첨가되었을때압축항복강도가 1500 MPa로코발트 (970 MPa) 에비해 1.5 배향상되었다. 이와같은주목할만한강도향상은금속기지에서탄소나노튜브의높은응력전달효율때문인것으로판단된다. 분자수준혼합공정에의해제조된탄소나노튜브 / 금속나노복합재료는탄소나노튜브와금속의화학결합으로부터기인하는강한계면결합으로인해매우높은효율의응력전달이이루어질수있는것이다. 강화재의강화효율, R은다음과같이주어진다. R=(σ c -σ m )/Vfσ m σ c :yield strength of composite σ m :yield strength of matrix V :volume f percent of reinforcement 그림 4. (a) Schematic of the spark plasma sintering process and (b) the resulting microstructure of carbon nanotube/metal nanocomposites. 탄소나노튜브 / 구리나노복합재료에있어서탄소나노튜브에의한강화효율 (strengthening efficiency of reinforcement) 은약 20.3 으로서기존금속기지복합재료에서강화재료사용되는알루미나입자 (2.3), 알루미나섬유 (1.7), 탄화규소입자 (2.5), 탄화규소휘스커 (7.6), 탄소섬유 (3.9) 에비해매우높은값을나타내었다. 19 뿐만아니라탄소나노튜브 / 구리나노복합재료는내마모특성을평가한결과탄소나노튜브의부피분율이 10 vol% 일때내마모특성이구리에비해 6배이상향상되는것으로나타났다 전계방출에미터용기능성탄소나노튜브 / 금속나노복합재료제조및특성 탄소나노튜브는장대비가높고, 전기전도도가높아외부전기장에의해전자를방출하는전계방출에미터로서매우이상적인소재로서 고분자과학과기술제 18 권 6 호 2007 년 12 월 531

(a) 그림 5. Microstructures of carbon nanotube/metal nanocomposites consolidated by spark plasma sintering process, (a)sem crosssection image of 10 vol.

5 (a) 그림 5. Microstructures of carbon nanotube/metal nanocomposites consolidated by spark plasma sintering process, (a)sem crosssection image of 10 vol.% carbon nanotube/cu nanocomposite after chemical etching, (b)tem image showing carbon nanotube network within the Cu matrix, 19 (c)sem cross-section image of 7 vol.% carbon nanotube/co nanocomposite, and (d) HRTEM image of carbon nanotube/co nanocomposite. 20 (b) 그림 7. Mechanical properties of carbon nanotube/co nanocomposites, (a) stress-strain curves of Co with various grain sizes and carbon nanotube/co nanocomposites obtained by compressive testing and (b) the resulting Hall-Petch relationship. 20 (b) 그림 6. Mechanical properties of carbon nanotube/cu nanocomposites, (a) stress-strain curves of carbon nanotube/cu nanocomposites obtained by compressive testing, and (b) yield strength and Young's modulus of carbon nanotube/cu nanocomposites with increasing volume percentage of carbon nanotubes. 19 (a) 기존의 Mo, W, Si 소재의전계방출에미터를대체해나가고있다. 그러나기존의탄소나노튜브전계방출에미터제조공정인화학기상증착 (CVD) 은탄소나노튜브와촉매와기판과의계면결합이약하여구동중에쉽게탄소나노튜브가이탈되고, 대면적증착이어렵다는단점을가지고있으며, 스크린프린팅 (screen printing) 공정은탄소나노튜브와유기바인더, glass frit, 금속분말을기계적으로혼합한페이스트 (paste) 를사용하기때문에전기저항이높고, 약한계면결합에의해탄소나노튜브가쉽게이탈되는문제점을가지고있었다. 본연구팀은이러한문제점들을해결하기위해분자수준혼합공정으로탄소나노튜브와 Co 입자와균일하게혼합되고, 강한계면결합을이루고있는탄소나노튜브 /Co 나노복합분말을사용하였으며스크린프린팅한후소결하여탄소나노튜브가전극과강하게결합되고, 전기전도도가향상된전계방출에미터를제조하였다 ( 그림 8). 23 그결과그림 9에서보는바와같이탄소나노튜브전계방출에미터의 turn-on field 가탄소나노튜브의함량이증가할수록감소하였고, 다른연구결과들과비교해볼때상대적으로매우낮은값을가지며같은전계값 (3 V/um) 에서더높은전류밀도를나타낸다. 이는곧, 탄소나노튜브가전자를방출하는효율이향상되었음을나타낸다. 이와같이탄소나노튜브의전계방출특성이향상되는이유는그림 8 에서보이는미세조직과같이 Co 중간층에의해탄소나노튜브와전극과의전기저항이감소하기때문인것으로판단된다 Polymer Science and Technology Vol. 18, No. 6, December 2007

after sintering process. 23 (a) (b) 그림 9. Field emission properties of CNT/Co nanocomposite field emitters.

6 그림 8. Fabrication process of CNT/Co nanocomposite field emitters. (a) screen printing mixture of CNT/Co nanoparticles and organic binder, (b) removal organic binder and sintering of Co particles by heat-treatment, (c) implanted and straightened CNT in Co layer after sintering process. 23 (a) (b) 그림 9. Field emission properties of CNT/Co nanocomposite field emitters. (a) I-V curves of 60 vol% CNT/Co and 30 vol% CNT/Co nanocomposite field emitters, (b) table of turn-on field and current density for comparison with other researchers' results. 7. 탄소나노튜브 / 금속나노복합재료의응용분야분자수준혼합공정으로제조된탄소나노튜브나노복합분말은탄소나노튜브가균일하게분산되어있고, 다양한구조로제어가가능하여여러분야에걸쳐광범위하게응용될수있는핵심원천소재이다. 탄소나노튜브나노복합분말을벌크형태로제조할경우고강도고탄성내마모구조용소재, 고전기전도도전자부품소재, 고열전도도열관리소재에응용될수있으며, 박막형태로제조할경우전계방출에미터소재 (FED, BLU, X-ray source), 차세대전지전극소재, 초고용량캐패시터전극소재에응용될수있고, 고분자와복합화했을경우전자파차폐흡수소재, 정전기대전방지소재에응용될수있으며, 섬유또는 fabric 형태의탄소나노튜브 / 금속나노복합재료는촉매, 고분자의강화재, electronic textile 등에응용될수있을것으로기대된다. 8. 결론 슈는탄소나노튜브의균질분산, 탄소나노튜브와금속사이의강한계면결합형성, 탄소나노튜브의결함을최소화, 그리고탄소나노튜브의부피분율제어및배열제어이다. 본연구팀이세계최초로개발한분자수준혼합공정은이러한제조공정상의이슈들을해결하고우수한특성의탄소나노튜브 / 금속나노복합재료를제조할수있는신개념제조공정이다. 분자수준혼합공정으로제조된탄소나노튜브 / 금속나노복합재료에서는탄소나노튜브와금속이균질분산과강한계면을형성함에따라, 탄소나노튜브가외부응력을효과적으로분담할수있었고, 탄소나노튜브의우수한강화효율은응력전달효과를통해이루어짐을확인하였다. 뿐만아니라탄소나노튜브 / 금속나노복합재료는우수한전계방출특성을나타냄으로써 FED, BLU, X-ray source 등기능성소재로서의다양한응용가능성을보여주었다. 향후, 본연구를통해개발된분자수준혼합공정과기계적특성평가결과는나노복합재료개발에관한학문적기반기술을확보하는것과동시에, 신소재가요구되는기존의고강도부품소재와기능성부품소재의기술향상에도크게기여할것으로기대된다. 탄소나노튜브 / 금속나노복합재료의제조공정에서가장중요한이 감사의글 : 본연구는과기부의나노소재사업단 21 세기프런티어사 고분자과학과기술제 18 권 6 호 2007 년 12 월 533

7 업 (07K ) 의지원으로수행되었으며이에감사드립니다. 참고문헌 1. E. W. Wong, P. E. Sheehan, and C. M. Lieber, Science, 277, 1971 (1997). 2. M. R. Falvo, G. J. Clary, R. M. Taylor II, V. Chi, F. P. Brooks Jr, S. Washburn, and R. Superfine, Nature, 389, 582 (1997). 3. M. F. Yu, B. S. Files, S. Arepalli, and R. S. Ruoff, Phys. Rev. Lett., 84, 5552 (2000). 4. M. F. Yu, O. Lourie, M. J. Dyer, K. Moloni, T. F. Kelly, and R. S. Ruoff, Science, 287, 637 (2000). 5. J. P. Salvetat, A. J. Kulik, J. M. Bonard, G. A. D. Briggs, T. Stockli, K. Metenier, S. Bonnamy, F. Beguin, N. A. Burnham, and L. Forro, Adv. Mater., 11, 161 (1999). 6. S. Berber, Y. K. Kwon, and D. Tomanek, Phys. Rev. Lett., 84, 4613 (2000). 7. P. Kim, L. Shi, A. Majumdar, and P. L. McEuen, Phys. Rev. Lett., 87, (2001). 8. K. Anazawa, K. Shimotani, C. Manabe, H. Watanabe, and M. Shimizu, Appl. Phys. Lett., 81, 739 (2002). 9. T. Kuzumaki, K. Miyazawa, H. Ichinose, and K. Ito, J. Mater. Res., 13, 2445 (1998). 10. T. Kuzumaki, O. Ujiie, H. Ichinose, and K. Ito, Adv. Eng. Mater., 2, 416 (2000). 11. S. R. Dong, J. P. Tu, and X. B. Zhang, Mater. Sci. Eng. A., 313, 83 (2001). 12. R. George, K. T. Kashyap, R. Rahul, and S. Yamdagni, Scripta Mater., 53, 1159 (2005). 13. C. S. Goh, J. Wei, L. C. Lee, and M. Gupta, Nanotechnology, 17, 7 (2006). 14. C. F. Deng, D. Z.Wang, X. X. Zhang, and A. B. Li, Mater. Sci. Eng. A, 444, 138 (2007). 15. C. F. Deng, X. X. Zhang, D. Wang, Q. Lin, and A. B. Li, Mater. Lett., 61, 1725 (2007). 16. Z. H. Li, X. Q. Wang, M. Wang, F. F. Wang, and H. L. Ge, Tribol. Int., 39, 953 (2006). 17. T. J. Kang, J. W. Yoon, D. I. Kim, S. S. Kum, Y. H. Huh, J. H. Hahn, S. H. Moon, H. Y. Lee, and Y. H. Kim, Adv. Mater., 19, 427 (2007). 18. C. N. He, N. Q. Zhao, C. S. Shi, X. Du, J. J. Li, H. P. Li, and Q. R. Cui, Adv. Mater., 19, 1128 (2007). 19. S. I. Cha, K. T. Kim, S. N. Arshad, C. B. Mo, and S. H. Hong, Adv. Mater., 17, 1377 (2005). 20. Y. J. Jeong, S. I. Cha, K. T. Kim, K. H. Lee, C. B. Mo, and S. H, Hong, Small, 3, 840 (2007). 21. K. T. Kim, S. I. Cha, and S. H. Hong, Mater. Sci. Eng. A, , 46 (2007). 22. H. J. Ryu, S. I. Cha, and S. H. Hong, J. Mater. Res., 18, 2851 (2003). 23. S. I. Cha, K. T. Kim, S. N. Arshad, C. B. Mo, K. H. Lee, and S. H. Hong, Adv. Mater., 18, 553 (2005). 534 Polymer Science and Technology Vol. 18, No. 6, December 2007

(민병호).fm

(민병호).fm Vol. 28, No. 4, 226-231 (2015) DOI: http://dx.doi.org/10.7234/composres.2015.28.4.226 ISSN 2288-2103(Print), ISSN 2288-2111(Online) General Paper CNT 강화알루미늄나노복합재의자동차용부품적용성연구 민병호 * 남동훈 * 박훈모 * 이경문 * 이종국