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매우 정렬된 탄소나노튜브 어레이 섬유를 만들수 있는 방법
연구진은 비틀림 및 수축 과정이 결합된 방사 방법을 사용하여 매우 정렬된 탄소나노튜브 어레이를 만들 수 있었다. 이렇게 만들어진 섬유는 1 GPa의 높은 인장 강도를 가졌고 수 마이크로미터에서 수십 마이크로미터까지 다양한 지름을 가지도록 할 수 있었다. 이 방사 프로세스는 연속 공정으로 되어 있어서 긴 섬유도 쉽게 만들 수 있었다. 연구진은 샘플로 길이가 수십 미터에서 수백 미터까지 만들 수 있었다.
탄소나노튜브가 건식 상태에서 매우 정렬된 탄소나노튜브 어레이를 형성하면서 길게 이어지게 할 수 있다는 것은 놀라운 발견이다. 지금까지 길게 이어진 탄소나노튜브 섬유를 만들기 위해서는 두 가지 방법이 있었다. 한 가지는 축소된 산업적 비틀림 프로세스로 탄소나노튜브를 비트는 것이고 다른 한 가지는 몇 가지 용매를 사용해서 탄소나노튜브를 수축시키는 것이다. 그러나 두 가지 방법으로는 균일한 고강도 섬유를 만들 수 없다는 단점들이 존재했다.
칭화 대학(Tsinghua University) 연구진은 최근에 비틀림과 수축 프로세스를 결합하여 고강도 탄소나노튜브 섬유를 만들 수 있는 간단하고 연속적인 방법을 개발했다. 처음에는 꼬는 과정으로 시작하고 그 후에 용매로 수축시키는 과정을 거쳐서 매우 정렬된 탄소나노튜브 어레이로 자아낸 섬유를 만들 수 있었다. 이 두 가지 프로세스는 매우 밀집된 탄소나노튜브 섬유를 만들 수 있고 1 GPa 이상의 인장 강도를 가지게 할 수 있었다. 인장 강도는 지름과 섬유의 비틀림 각도에 달려 있고 약 10 μm 섬유 지름에서 최대치가 된다. 물, 에탄올, 아세톤 같은 서로 다른 종류의 용매들은 최고의 수축 효과를 보여주는 아세톤과 함께 꼬인 섬유를 수축하는데 사용되었다.
연구진은 매우 정렬된 탄소나노튜브 어레이를 평행하게 에칭하는데 레이저 주사 방법을 사용했다. 이것은 탄소나노튜브 섬유가 균일한 지름을 가지도록 한다. 이 방법으로, 넓은 지름 범위를 가진 탄소나노튜브 섬유를 얻을 수 있었고, 가장 얇은 것은 지름이 약 4 μm이고 가장 두꺼운 것은 지름이 40 μm에 달했다. 탄소나노튜브 섬유는 Rs ~ 1.1 × 10?5 Ω m의 전도성을 가지고 얇은 금속 와이어보다 더 강하고 더 가볍다. 이런 장점은 탄소나노튜브 섬유가 10 μm 이하의 지름을 가진 고강도 초박막 전도성 와이어로 사용할 수 있게 한다.
연구진은 탄소나노튜브 박막 및 섬유의 성질 조사 및 적용에 대한 연구를 하고 있다. 이 연구는 칭화대학 Kaili Jiang 교수와 Shoushan Fan 교수가 이끄는 연구진에 의해서 수행되었다. 이 연구결과는 Nanotechnology에 “Carbon nanotube yarns with high tensile strength made by a twisting and shrinking method” 이라는 제목으로 게재되었다(Kai Liu et al 2010 Nanotechnology 21 045708 (7pp) doi: 10.1088/0957-4484/21/4/045708).
그림. (위) 방사 장치의 구조도. (1) 꼬이게 하는 회전 모터; (2) 매우 정렬된 탄소나노튜브 어레이의 긴 단편; (3) 꼬인 섬유; (4) 용매가 담겨 있는 유리 용기 속에 섬유를 침지; (5) 굽는데 사용되는 튜브 로(tube furnace); (6) 수축 후에 최종적으로 만들어지는 탄소나노튜브 섬유; (7) 섬유 채집을 위한 회전 모터. (중간) 레이저 에칭 후의 매우 정렬된 탄소나노튜브 어레이의 긴 단편. 효과적인 매우 정렬된 탄소나노튜브 어레이는 두 개의 에칭 선 사이에 존재하고 그림에서 보는 것처럼 약 5 mm 폭이 적당하다. (아래 왼쪽) 탄소나노튜브의 투과전자현미경 사진. (아래 오른쪽) 실패에 감겨진 40 m의 탄소나노튜브 섬유. 섬유의 지름은 약 10 μm이다.
※출처: 글로벌 동향 브리핑(GTB)
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