KR20110099711A - 코팅된 나노구조물에 기초한 다기능성 복합체 - Google Patents

코팅된 나노구조물에 기초한 다기능성 복합체 Download PDF

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KR20110099711A
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브라이언 엘. 워들
훌리아 제베지
스리람 바디라주
카렌 케이. 글리슨
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메사추세츠 인스티튜트 오브 테크놀로지
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Abstract

나노구조물의 가공, 실질적으로 정렬되는 나노구조물을 포함하는 복합 재료, 및 관련 시스템 및 방법이 설명된다. 컨포멀 코팅이 상기 나노구조물에 적용된다.

Description

코팅된 나노구조물에 기초한 다기능성 복합체{MULTIFUNCTIONAL COMPOSITES BASED ON COATED NANOSTRUCTURES}
<관련 출원>
본 출원은 2008년 12월 3일에 출원되고 발명의 명칭이 "MULTIFUNCTIONAL COMPOSITES BASED ON COATED NANOSTRUCTURES"인 워들(Wardle) 등의 미국 가출원 제61/119,673호를 우선권 주장하며, 이 가출원은 다목적으로 그 전문이 본원에 참고로 포함된다.
<발명의 분야>
본 발명은 일반적으로 나노구조물의 가공, 나노구조물을 포함하는 복합 재료, 및 관련 시스템과 방법에 관한 것이다. 일부 실시양태에서는, 컨포멀 코팅(conformal coating)이 나노구조물에 적용된다.
복합체는 2종 이상의 성분들을 포함하는 이종 구조물로서, 그 조합은 각 성분들의 개별 성질들의 이점을 취할 뿐만 아니라 관련된다면 상승적 효과를 갖는다. 진보된 복합체는 공작된(예를 들면, 인조) 섬유가 매트릭스 내에 매립되어 있고, 전형적으로는 방향적(비등방성) 성질을 갖는 물질이 형성되도록 섬유가 정렬되거나 또는 심지어 직조되는 일군의 물질을 말한다. 탄소 나노튜브(CNT)와 같은 나노구조물이 그들의 매력적인 다기능성(기계적 및 비-기계적) 성질로 인하여 이들 적용분야에서 구성성분으로 계획된다. 전형적으로는, 복합체의 2차가공에 나노구조물의 벌크 나노분말이 사용된다.
코팅된 나노구조물은 향상된 성질, 예를 들면 전기적 또는 기계적 성질을 나타낼 수 있다. CNT 어레이에 대한 이전의 코팅 방법은 종종 코팅 동안의 나노튜브의 응집으로 인해, 조성의 불균일성에 시달리는 물질을 초래하였다. 또한, 이전의 코팅 방법은 나노튜브의 형태학 및/또는 정렬을 변경시키는 것으로 나타났으며, CNT 다발의 수축을 또한 초래하였다. 결과 얻어진 나노구조물의 무작위 배향은 종종 복합체의 방향 의존적 성질을 연구하기 어렵게 만든다. 또한, 높은 종횡비를 갖는 나노구조물에 대한 균일한 코팅 방법은 나타나지 않고 있다.
따라서, 개선된 물질 및 방법이 필요하다.
본 발명은 일반적으로 나노구조물의 가공, 나노구조물을 포함하는 복합 재료, 및 관련 시스템과 방법에 관한 것이다. 본 발명의 주제는 몇몇 경우, 서로 관계가 있는 제품, 특정 문제에 대한 대안적 해결책 및/또는 하나 이상의 시스템 및/또는 물품의 다수의 상이한 용도를 포함한다.
본 발명은 적어도 일부가 10 마이크로미터 이상의 길이를 갖고, 나노구조물의 긴 축들이 서로에 대하여 실질적으로 정렬되는 다수의 나노구조물; 및 나노구조물에 부착된 컨포멀 중합체 코팅을 포함하며, 나노구조물이 본질적으로 동일한 조건 하에서, 중합체 코팅을 갖지 않는 본질적으로 동일한 나노구조물의 형태와 실질적으로 유사한 형태를 갖는 물품에 관한 것이다.
본 발명은 또한 적어도 일부가 20 ㎚ 미만의 직경을 갖고, 나노구조물의 긴 축들이 서로에 대하여 실질적으로 정렬되는 다수의 나노구조물; 및 나노구조물에 부착된 컨포멀 중합체 코팅을 포함하며, 나노구조물이 본질적으로 동일한 조건 하에서, 중합체 코팅을 갖지 않는 본질적으로 동일한 나노구조물의 형태와 실질적으로 유사한 형태를 갖는 물품에 관한 것이다.
본 발명은 나노구조물의 긴 축들이 서로에 대하여 실질적으로 정렬되고 나노구조물이 108/㎠ 이상의 밀도를 갖는 다수의 나노구조물; 및 나노구조물에 부착된 컨포멀 중합체 코팅을 포함하며, 나노구조물이 본질적으로 동일한 조건 하에서, 중합체 코팅을 갖지 않는 본질적으로 동일한 나노구조물의 형태와 실질적으로 유사한 형태를 갖는 물품에 관한 것이다.
본 발명은 또한 적어도 일부가 10 마이크로미터 이상의 길이를 갖고, 나노구조물의 긴 축들이 서로에 대하여 실질적으로 정렬되는 다수의 나노구조물을 제공하는 단계; 및 다수의 나노구조물 상에 중합체 물질을 포함하는 컨포멀 코팅을 형성하는 단계를 포함하는, 물질의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 측면, 실시양태 및 특징들은 수반되는 도면과 함께 고려할 때 하기 발명의 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다. 수반되는 도면은 개략적이며 일정 비율로 그려진 것이 아니다. 명료함을 위하여, 모든 도면에 모든 성분들이 표시되진 않았고, 당업자들이 본 발명을 이해하는데 예시가 필요하지 않은 경우 본 발명의 각 실시양태의 모든 성분을 나타내지 않았다. 본원에 참고로 포함된 모든 특허 출원 및 특허들은 그 전문이 본원에 참고로 포함된다. 모순될 경우, 정의를 포함하는 본 명세서가 우선될 것이다.
본 발명의 비제한적인 실시양태들이 개략적이고 일정 비율로 그려지지 않은 수반되는 도면을 참고로 하여 예로서 설명될 것이다. 도면에서, 예시된 각각의 동일한 또는 거의 동일한 성분은 전형적으로 하나의 도면부호로 나타내진다. 명료함을 위하여, 모든 도면에 모든 성분들이 표시되진 않았고, 당업자들이 본 발명을 이해하는데 예시가 필요하지 않은 경우 본 발명의 각 실시양태의 모든 성분을 나타내지 않았다. 도면들 중:
도 1a는 본 발명의 한 실시양태에 따른, 2상 물품의 예시를 나타낸다.
도 1b는 본 발명의 한 실시양태에 따른, 섬유 기재를 포함하는 3상 물품의 예시를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 한 실시양태에 따른, 3상 물품의 예시를 나타낸다.
도 3은 PEDOT-코팅된 탄소 나노튜브의 주사 전자 현미경(SEM) 상을 나타낸다(횡단면도).
도 4는 PEDOT-코팅된 탄소 나노튜브의 고배율 SEM 상을 나타낸다.
도 5는 에너지 분산 분광법(EDS)을 사용한, 컨포멀 코팅된 나노튜브의 상 프로파일을 나타낸다.
도 6은 PEDOT-코팅된 탄소 나노튜브에 대한 황 함량의 EDS 프로파일을 나타낸다.
도 7은 PEDOT-코팅된 탄소 나노튜브의 투과 전자 현미경사진(TEM)을 나타낸다.
도 8은 PEDOT 코팅 후의 탄소 나노튜브의 현미경사진 및 PEDOT로 코팅된 단일 탄소 나노튜브의 보다 고배율 상(삽입사진)을 나타낸다.
도 9는 탄소 나노튜브 제거 후 규소 기재 상의 PEDOT 도트의 현미경사진을 나타낸다.
도 10은 탄소 나노튜브 제거 후 규소 기재의 FTIR 스펙트럼 및 oCVD 증착된 PEDOT 필름의 표준 스펙트럼을 나타낸다.
도 11a는 반경 방향을 블록 화살표로 나타낸, 2상 복합체의 개략도를 나타낸다.
도 11b는 반경 방향을 블록 화살표로 나타낸, 3상 복합체의 개략도를 나타낸다.
도 12a는 반경 방향에서 2상 및 3상 복합체에 대한 온도의 함수로서의 전도율의 아레니우스 플롯을 나타낸다.
도 12b는 복합체 내 나노구조물의 부피 비율의 함수로서 2- 및 3-상 복합체 내 전하 전도에 필요한 활성화 에너지의 플롯을 나타내는데, 여기서 컨포멀 전도성 중합체 코팅의 도입이 반경 방향에서의 전도에 필요한 활성화 에너지를 감소시키는 것으로 관찰되었다.
도 12c는 반경 방향에서 온도의 함수로서의 다양한 복합체의 고유저항의 플롯을 나타낸다.
도 13은 컨포멀 코팅된 나노튜브들 사이의 튜브간 거리의 함수로서 나노튜브-함유 복합체에 대한 반경 방향 및 축 방향을 따른 전하 전도에 필요한 활성화 에너지의 표를 나타낸다.
도 14a는 축 방향을 블록 화살표로 나타낸, 2상 복합체의 개략도를 보여준다.
도 14b는 축 방향을 블록 화살표로 나타낸, 3상 복합체의 개략도를 보여준다.
도 15a는 축 방향에서 2상 및 3상 복합체에 대한 온도의 함수로서의 전도율의 아레니우스 플롯을 나타낸다.
도 15b는 복합체 내 나노구조물의 부피 비율의 함수로서 2- 및 3-상 복합체 내 전하 전도에 필요한 활성화 에너지의 플롯을 나타내는데, 여기서 컨포멀 전도성 중합체 코팅의 도입이 축 방향에서의 전도에 필요한 활성화 에너지에 무시할 만한 효과를 갖는 것으로 관찰되었다.
도 15c는 축 방향에서 온도의 함수로서의 다양한 복합체의 고유저항의 플롯을 나타낸다.
도 16은 3상 복합체의 횡단면에 대한 현미경사진을 나타낸다.
도 17은 (i) 코팅되지 않은 탄소 나노튜브, (ii) PEDOT-코팅된 탄소 나노튜브, 및 (iii) PEDOT를 포함하는 다양한 표면 상에서의 물 액적의 접촉각 측정에 대한 상을 나타낸다.
도 18a는 컨포멀 중합체 코팅 없이 탄소 나노튜브를 갖는 Al 클로쓰의 SEM 상을 나타낸다.
도 18b는 PEDOT로 컨포멀 코팅하기 전(왼쪽 상) 및 PEDOT로 컨포멀 코팅한 후(오른쪽 상)의 탄소 나노튜브를 갖는 Al 클로쓰의 SEM 상을 나타낸다.
도 19는 본 발명의 일 실시양태에 따른 복합체 물품을 2차가공하는데 사용된 방법의 개략도를 나타낸다.
일반적으로, 본 발명은 나노구조물(예를 들면, 나노튜브)을 포함하는 물질 및 이러한 물질의 다양한 제조 방법에 관한 것이다. 일부 경우, 나노구조물 상에 컨포멀 코팅(예를 들면, 중합체 코팅)의 형성은 향상된 기계적, 열적, 광학적 및(또는) 전기적 성질을 갖는 물질을 생성할 수 있다. 나노구조물은 예를 들면, 기재의 표면 상에 나노구조물을 성장시켜 그들의 긴 축들이 정렬되고 기재 표면과 비-평행(예를 들면, 실질적으로 수직)이 되도록 한 후, 나노구조물 상에 컨포멀 코팅을 형성함으로써 2차가공될 수 있다. 일부 경우, 컨포멀 코팅은 전도성 중합체를 포함할 수 있다. 물질들은 추가로 가공되어 열경화성 또는 열가소성 중합체를 비롯한 추가적인 성분들을 혼입할 수 있다. 본원에 설명된 물질 및 물품은 높은 기계적 강도, 비등방성 성질, 예를 들면 방향 의존적 전기적 성질을 나타낼 수 있고, 다양한 적용분야, 예를 들면 마이크로전자공학, 커패시터(예를 들면, 울트라커패시터), 진보된 항공우주 복합체, 센서(예를 들면, 화학 센서, 생물 센서), 전기기계적 프로브, 전극(예를 들면, 태양 전지를 포함하는 광전자 기기용 나노구조를 갖는 전극), 전지, 필터(예를 들면, 나노규모 필터, 세균(예를 들면, 대장균)용 필터) 등에서 유용할 수 있다.
일부 실시양태의 유리한 특성은 아래에 놓여있는 물질의 정렬, 형태 및(또는) 다른 특징들에 거의 또는 실질적으로 전혀 변화가 없게 물질(예를 들면, 나노구조물) 상에 컨포멀 코팅을 형성할 수 있는 능력이다. 본원에서 사용된 "컨포멀" 코팅은 코팅이 아래에 놓여있는 물질의 표면 영역의 외부 윤곽과 물리적으로 일치하고 코팅이 아래에 놓여있는 물질의 형태를 실질적으로 변화시키지 않는, 물질 상에 형성되어 이에 부착 또는 접착된 코팅을 말한다. 즉, 코팅된 물질은 본질적으로 동일한 조건 하에서 중합체 코팅이 없는 본질적으로 동일한 물질의 형태와 본질적으로 동일한 형태를 갖는다. 컨포멀 코팅은 물질의 하나 이상의 치수(예를 들면, 두께)를 균일하게 증가시킬 수 있지만, 그러나 물질의 전반적인 형태는 본질적으로 변하지 않은 채로 남아 있음을 이해해야 한다. 예를 들면, 원통형 탄소 나노튜브 상의 컨포멀 코팅은 나노튜브 주위에 원통형의 형태를 갖는 코팅을 형성할 수 있다. 이러한 성질은 예를 들면, 물질(예를 들면, 나노구조물)의 방향적으로 의존하는 성질의 보존이 요망되고 공지된 코팅 기술이 물질의 비등방성에 악영향을 미칠 수 있는 바람직하지 못한 불규칙성 및 형태학적 변화(예를 들면, 나노구조물의 응집이 원인)를 생성할 수 있을 때 유리할 수 있다. 일부 경우, 컨포멀 코팅은 높은 종횡비를 갖는 물질(예를 들면, 나노구조물) 상에 형성될 수 있다. 추가적으로, 컨포멀 코팅은 안정한 구조를 형성할 수 있고 나노구조물의 표면으로부터 층박리(delamination)되지 않을 수 있다.
일부 경우, 본원에 설명된 컨포멀 코팅은 높은 밀도를 갖는 나노구조물 조립체 상에 형성될 수 있으며, 여기서 개별 나노구조물들은 나노구조물의 표면 영역의 실질적인 부분 상에 컨포멀 코팅된다. 일부 경우, 컨포멀 코팅은 실질적으로 균일한 두께를 가질 수 있다. "실질적으로 균일한" 두께를 갖는 물질은 나노구조물 조립체의 표면적 대부분에 걸쳐서, 물질의 평균 두께로부터 200 % 미만, 100 % 미만, 50 % 미만, 10 % 미만, 5 % 미만, 또는 일부 경우, 1 % 미만으로 벗어나는 두께를 갖는 물질을 말할 수 있다. 일부 경우, 컨포멀 코팅은 결함 및(또는) 공극이 실질적으로 없을 수 있고, 아래에 놓여있는 물질 또는 그의 부분을 균일하게 봉입할 수 있다.
나노구조물에 부착된 컨포멀 코팅의 존재는 본원에 설명된 물품에 수많은 유리한 성질을 제공할 수 있다. 본원에 사용된 용어 "부착된" 또는 "접착된"은 공유 결합, 비공유 결합(예를 들면, 이온 결합, 반 데르 발스력 등) 등을 통한 부착 또는 접착을 말한다. 일부 경우, 컨포멀 코팅은 아래에 놓여있는 물질의 기계적 안정성 및(또는) 강도를 향상시킬 수 있다. 일부 경우, 컨포멀 코팅은 나노구조물의 정렬, 간격, 형태 또는 다른 바람직한 특징을 실질적으로 방해하지 않는 방식으로 아래에 놓여있는 나노구조물 상에 바람직한 성질을 부여하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 물품은 본질적으로 동일한 조건 하에서, 컨포멀 코팅이 없는 본질적으로 동일한 물품과 비교할 때 상이한 성질(예를 들면, 열 및(또는) 전기 전도율, 열 전달, 소수성, 친수성 등)을 나타낼 수 있다. 예시적인 실시양태에서, 다수의 본질적으로 비전도성인 나노구조물이 제공될 수 있으며, 전도성 중합체를 포함하는 컨포멀 코팅의 형성시에, 나노구조물은 향상된 전기 전도율을 나타낼 수 있다. 일부 경우, 전도성 나노구조물은 본질적으로 비전도성인 물질(예를 들면, 절연 중합체)로 컨포멀 코팅될 수 있다.
다수의 나노구조물 상의 컨포멀 코팅의 형성은 또한 나노구조물의 표면 에너지를 효과적으로 변경시킬 수 있다. 일부 경우, 컨포멀 코팅은 코팅되지 않은, 아래에 놓여있는 물질에 비하여 표면 에너지를 증가시킬 수 있다. 일부 경우, 컨포멀 코팅은 코팅되지 않은, 아래에 놓여있는 물질에 비하여 표면 에너지를 감소시킬 수 있다. 예를 들면, 컨포멀 코팅은 물질의 표면 또는 그의 일부에 접촉각 측정으로 결정했을 때 소수성 또는 친수성을 부여할 수 있다.
컨포멀 코팅은 화학 증착법을 비롯한 다양한 방법을 사용하여 임의의 적합한 물질로부터 형성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 물질은 중합체일 수 있다. 컨포멀 코팅은 전도성, 비전도성, 반전도성 등일 수 있다. 일부 실시양태에서, 컨포멀 코팅은 폴리아릴렌, 폴리아릴렌 비닐렌, 폴리아릴렌 에티닐렌 등을 비롯한 전도성 중합체를 포함할 수 있다. 이러한 중합체의 예는 폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리아세틸렌, 폴리페닐렌, 그의 치환된 유도체 및 그의 공중합체를 포함한다. 일부 실시양태에서, 중합체는 폴리피롤(PPY), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(티오펜-3-아세트산)(PTAA) 또는 그의 공중합체를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 중합체는 절연 중합체(즉, 비-전도성), 예를 들면 폴리에스테르, 폴리에틸렌(예를 들면, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)), 폴리아크릴레이트, 폴리프로필렌, 에폭시, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리벤족사졸, 폴리(아미노산) 등을 포함한다. 예를 들면, 중합체는 테플론(TEFLON)®, 폴리(글리시딜 메타크릴레이트)(PGMA), 폴리(말레산 무수물-alt-스티렌)(p(MA-alt-St)), 폴리[말렌산 무수물-co-디메틸 아크릴아미드-co-디(에틸렌 글리콜) 디비닐 에테르](폴리(MaDmDe)), 폴리(푸르푸릴 메타크릴레이트)(PFMA), 폴리(비닐 피롤리돈)(PVP), 폴리(파라-크실릴렌) 또는 그의 유도체, 폴리(디메틸아미노메틸 스티렌)(PDMAMS)), 폴리(프로파르길 메타크릴레이트)(PPMA), 폴리(메타크릴산-co-에틸 아크릴레이트)(PMAA-co-EA), 폴리(퍼플루오로알킬 에틸 메타크릴레이트), 폴리(퍼플루오로데실 아크릴레이트)(PPFA), 폴리(트리비닐트리메톡시시클로트리실록산), 폴리(푸르푸릴 메타크릴레이트), 폴리(시클로헥실 메타크리에이트-co-에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트), 폴리(시클로헥실 메타크릴레이트)(PCHMA), 폴리(펜타플루오로페닐 메타크릴레이트)(PPFM), 폴리(펜타플루오로페닐 메타크릴레이트-co-에틸렌 글리콜 디아크릴레이트), 폴리(메타크릴산-co-에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트), 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA), 또는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)일 수 있다. 당업자들은 본 발명의 내용에 사용하기 적합한 추가적인 절연 중합체를 구별해낼 수 있다.
일부 실시양태에서, 중합체의 하나 이상의 치수(예를 들면, 두께)는 자극에 반응하여 변화될 수 있다. 중합체의 치수가 이에 반응성일 수 있는 자극의 예는 전자기선(예를 들면, 파장, 세기 등), 온도, 수분량, pH, 또는 화학 종의 농도를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 임의의 적합한 자극-반응성 중합체는 본원에 설명된 시스템 및 방법과 함께 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 중합체는 폴리(메타크릴산-co-에틸 아크릴레이트)(PMAA-co-EA)를 포함하고, 이의 치수는 pH 변화에 반응하여 변화할 수 있다. 다른 예로서, 중합체는 히드로겔, 예를 들면 폴리(2-히드록시에틸 메타크릴레이트)(pHEMA), 폴리(2-히드록시에틸 메타크릴레이트-co-에틸렌 글리콜 디아크릴레이트), 폴리(메타크릴산-co-에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트), 폴리(파라-크실릴렌)(파릴렌) 또는 폴리(트리비닐트리메틸시클로트리실록산)(PV3D3)일 수 있고, 이들은 다양한 수분량에 노출시에 하나 이상의 치수의 변화를 경험할 수 있다. 일부 실시양태에서, 중합체는 열감응성 중합체, 예를 들면 폴리(N-이소프로필아크릴아미드)(NIPAAM)일 수 있다. 일부 실시양태에서, 중합체는 제1 자극 조건(예를 들면, 제1의 전자기선 파장, 제1 pH, 제1 온도 등)에 노출시 제1 치수(예를 들면, 두께)를 가질 수 있다. 일부 경우, 중합체는 제1 자극 조건과는 상이한 제2 자극 조건(예를 들면, 제2의 상이한 전자기선 파장, pH, 온도 등)에 노출시 제1 치수와는 상이한 제2 치수(예를 들면, 두께)를 가질 수 있다.
상기한 바와 같이, 본원에서 설명된 일부 실시양태는 높은 종횡비를 갖는 컨포멀 코팅된 나노구조물을 제공할 수 있으며, 여기서 컨포멀 코팅은 실질적으로 나노구조물을 봉입할 수 있다. 나노구조물은 나노튜브(예를 들면, 단일벽 나노튜브, 다중벽 나노튜브), 나노와이어, 나노섬유 등일 수 있다. 일부 실시양태에서, 나노구조물의 적어도 일부는 10 마이크로미터 이상, 50 마이크로미터 이상, 100 마이크로미터 이상, 500 마이크로미터 이상, 1000 마이크로미터 이상, 또는 일부 경우, 그 이상의 길이를 갖는다. 일부 실시양태에서, 나노구조물의 적어도 일부는 75 ㎚ 미만, 50 ㎚ 미만, 25 ㎚ 미만, 20 ㎚ 미만, 15 ㎚ 미만, 10 ㎚ 미만, 7 ㎚ 미만, 5 ㎚ 미만, 또는 일부 경우, 2 ㎚ 미만의 직경을 갖는다.
일부 경우, 물품 내에서 나노구조물들은 밀접하게 이격되어 있으며, 여기서 컨포멀 코팅은 나노구조물의 길이를 따라서(예를 들면, 표면 영역의 실질적인 부분 위에서) 뿐만 아니라 인접한 밀접하게 이격된 나노구조물 사이의 영역, 즉 아래에 놓여있는 기재의 노출된 영역 상에도 형성될 수 있다. 예를 들면, 나노구조물은 108/㎠ 이상, 109/㎠ 이상, 또는 그 이상의 밀도를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 인접하는 나노구조물들 사이의 평균 거리는 약 80 ㎚ 미만, 약 60 ㎚ 미만, 약 40 ㎚ 미만, 약 30 ㎚ 미만, 약 20 ㎚ 미만, 약 10 ㎚ 미만, 약 5 ㎚ 미만, 또는 그 미만일 수 있다. 일부 경우, 나노구조 물질 또는 나노복합체는 높은 부피 비율의 나노구조물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 물질 내에서 나노구조물의 부피 비율은 약 0.01 % 이상, 약 0.05 % 이상, 약 0.1 % 이상, 약 0.5 % 이상, 약 1 % 이상, 약 5 % 이상, 약 10 % 이상, 약 20 % 이상, 약 40 % 이상, 약 60 % 이상, 약 70 % 이상, 약 75 % 이상, 또는 일부 경우에서, 약 78 % 이상일 수 있다.
이러한 물질은 전기적 성질, 기계적 성질 등을 포함하는 조정가능한 성질을 갖는 다양한 물품(예를 들면, 2상 물품, 3상 물품, 4상 물품 또는 그 이상)을 생산하는데 있어서 유용할 수 있다. 다수의 나노구조물은 일부 경우, 기재의 표면, 예를 들면 실질적으로 편평한 표면 또는 실질적으로 비평면 표면 상에 배열될 수 있다. 예를 들면, 기재는 섬유, 직조물, 클로쓰(cloth), 토우(tow), 직조 토우 등일 수 있다. 기재, 나노구조물, 컨포멀 코팅 물질 및 임의의 추가적인 성분들은 특정 적용분야에 적합하도록 조합하여 선택될 수 있다.
일부 실시양태에서, 2상 물품이 제공되는데, 여기서 나노구조물 조립체(예를 들면, "제1 상")는 물질(예를 들면, "제2 상")에 의해 컨포멀 코팅된다. 도 1a는 2상 물품(40)의 개략적 예시를 포함한다. 다수의 나노구조물(20)은 점선(12)으로 표시된 나노구조물의 긴 축들이 서로에 대하여 실질적으로 정렬되도록 제공된다. 각 나노구조물은 함께 인접하는 나노구조물들 사이의 평균 거리를 형성하도록 하는 거리로 인접하는 나노구조물에 대하여 위치한다. 컨포멀 코팅(30)은 나노구조물(20) 상에 뿐만 아니라 기재(10)의 일부분 상에 형성될 수 있다. 상기한 바와 같이, 본원에 설명된 일부 실시양태의 이점은 높은 밀도 및(또는) 종횡비를 갖는 나노구조물 상에 컨포멀 코팅을 형성할 수 있는 능력이다. 표면 상의 나노구조물의 밀도가 기재 표면의 적어도 일부가 나노구조물로 피복되지 않도록 하는 경우, 컨포멀 코팅은 또한 기재 표면의 노출된 부분을 실질적으로 코팅할 수 있다. 도 1a에 나타낸 바와 같이, 컨포멀 코팅은 빽빽하게 팩킹된, 높은 종횡비 나노구조물들 사이의 영역에 위치한 기재의 부분들(32) 상에 및 나노구조물(20)의 실질적인 길이(예를 들면, 전체 길이)를 따라 형성될 수 있다.
일부 경우, 기재는 실질적으로 비평면일 수 있으며, 다수의 나노구조물이 비평면 표면의 실질적인 대부분 위에 균일하게 및(또는) 주위에 방사상으로 배열된다. 도 1b는 나노구조물(50)이 원통형 섬유(60) 상에 배열되고 컨포멀 코팅(70)이 나노구조물 상에, 뿐만 아니라 기재(60)의 노출된 부분(72) 상에 형성되어 있는 예시적인 실시양태를 나타낸다.
일부 실시양태에서, 2상 물품은 기재 상에 배열된 탄소 나노튜브의 조립체, 및 탄소 나노튜브 상에 형성된 컨포멀 코팅을 포함할 수 있으며, 여기서 컨포멀 중합체 코팅은 PEDOT와 같은 전도성 중합체를 포함한다.
아래에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 추가적인 성분들이 본 발명의 물품 내에 혼입될 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 지지 물질이 예를 들면 컨포멀 또는 비-컨포멀 코팅으로 다수의 나노구조물과 결합될 수 있다. 일부 실시양태에서는, "3상 물품"이 나타난다. 3상 물품은 제2 물질(예를 들면, "제2 상")로 컨포멀 코팅된 나노구조물 조립체(예를 들면, "제1 상"), 뿐만 아니라 추가적인 지지 물질(예를 들면, 제3 상")을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 지지 물질은 중합체, 예를 들면 열경화성 중합체 또는 열가소성 중합체(예를 들면, 에폭시, PTFE)를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 한 실시양태에 따른 3상 물품을 예시한다. 3상 물품은 컨포멀 코팅(100)을 갖고 기재(90) 상에 성장된 다수의 나노구조물(80)을 포함할 수 있다. 지지 물질(110)이 코팅된 나노구조물에 적용되어 3상 물품을 형성할 수 있다. 일부 실시양태에서, 지지 물질은 나노구조물의 실질적으로 전체 길이를 따라 연장된다. 지지 물질은 또한 본질적으로 나노구조물들 사이의 빈 공간 모두를 채울 수 있다. 일부 실시양태에서, 지지 물질은 나노구조물을 완전히 덮지 않을 수 있다. 예를 들면, 지지 물질은 나노구조물이 지지 물질의 표면 위에서 연장되도록 적용될 수 있다.
다른 실시양태에서, 지지 물질은 나노구조물의 일부분 상에 형성될 수 있다. 예를 들면, 지지 물질은 적어도 일부 나노구조물의 실질적인 길이를 따라 형성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 지지 물질은 나노구조물의 길이를 따라 부분적으로 형성되어, 예를 들면 기재 표면에 가장 가까운 나노구조물의 부분들에 지지 물질이 실질적으로 없게 될 수 있다. 일부 경우, 지지 물질은 나노구조물 상에 컨포멀 코팅으로 형성될 수 있다.
일부 실시양태에서, 3상 물품은 기재 상에 배열된 탄소 나노튜브의 조립체, 탄소 나노튜브 상에 형성된 PEDOT와 같은 전도성 중합체를 포함하는 컨포멀 코팅, 및 컨포멀 코팅 상에 형성된 열경화성 또는 열가소성 중합체(예를 들면, 에폭시)를 포함하는 지지 물질을 포함할 수 있다.
한 세트의 실시양태들에서, 본원에 설명된 3상 물품들은 고표면적 전기화학적 기기(예를 들면, 커패시터)로서 유용할 수 있다. 예를 들면, 도 2에 나타낸 바와 같이, 전기 전도성 나노구조물(80)(예를 들면, 나노튜브)의 조립체가 임의로 전기 전도성일 수 있는 기재(90)의 표면 상에 배열되어 전기 활성 성분을 제공할 수 있다. 유전 물질(예를 들면, 절연 중합체)을 포함하는 제1 코팅(100)이 전기 전도성 나노구조물(80) 상에 서로 비슷하게 위치할 수 있다. 전기 전도성 물질을 포함하는 제2 코팅(110)이 제1 코팅(100)과 접촉하여 서로 비슷하게 또는 서로 비슷하지 않게 배열되어, 나노구조물(80) 및 제2 코팅(110)이 제1 코팅(100)을 통하여 서로 전기적으로 소통될 수 있도록 다른 전기 활성 성분을 형성할 수 있다. 이러한 배열은 높은 표면적 및 향상된 전기적 성질을 갖는 활성 성분이 있는 전기화학적 기기를 제공할 수 있다.
본원에 설명된 물품은 특정 적용분야에 적합하도록 쉽게 맞춤제작될 수 있다. 예를 들면, 나노구조물의 종횡비, 길이, 직경, 간격 및 유형, 뿐만 아니라 컨포멀 코팅 물질(들)의 유형이 변화될 수 있다. 추가적인 성분 또는 상을 갖는 물품 또한 본원에 설명된 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들면, 임의의 수의 상들을 포함하는 물품이 임의의 배열로 2차가공될 수 있다.
일부 실시양태(예를 들면, 도 1a-1b 및 도 2와 관련하여 설명된 것들과 같은 배열)는 전극에서 비교적 효율적인 작업을 가능하게 할 수 있다. 예를 들면, 얇은 나노구조물(예를 들면, 나노튜브)의 사용은 큰 표면적 대 부피 비를 초래할 수 있다. 임의의 이론으로 정립되고자 원하는 것은 아닌데, 비교적 적은 양의 벌크 부피는 전자 및 홀이 전극에서 생성될 때 이들의 재조합 양을 감소시킬 수 있으며, 이것은 전극으로부터 멀리로 수송되는 전자의 양의 상대적 증가를 가져올 수 있다. 이러한 작업은 보다 큰 양의 벌크 물질을 갖는 전극에 비하여, 이 전극에 의해 수행된 일의 양을 증가시킬 수 있다.
일부 실시양태는 커패시터(예를 들면, 울트라커패시터)의 부품으로서의 구체적인 용도를 발견할 수 있다. 임의의 이론으로 정립되고자 원하는 것은 아닌데, 커패시터의 커패시턴스는 전극 표면적에 비례 및 전극들 사이의 거리에 반비례할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전도성 층(예를 들면, 전도성 기재 상의 다수의 나노튜브, 다수의 나노튜브 위의 전기 전도성 층 등)은 비교적 높은 표면적을 가질 수 있다. 또한, 일부 실시양태에서, 전도성 층들 사이의 거리는 일부 경우에(예를 들면, 다수의 전도성 나노구조물과 같은 전도성 실체 위에 비전도성 중합체의 비교적 얇은 층을 증착시킴으로써) 비교적 작도록(예를 들면, 약 80 ㎚ 미만, 약 60 ㎚ 미만, 약 40 ㎚ 미만, 약 30 ㎚ 미만, 약 20 ㎚ 미만, 약 10 ㎚ 미만, 약 5 ㎚ 미만, 약 1 ㎚ 미만, 또는 더 작게) 제어될 수 있다. 이러한 실시양태는 비교적 높은 커패시턴스를 갖는 커패시터를 생산할 수 있다.
본원에 설명된 물품 및 물질의 제조 방법도 또한 제공된다. 이 방법은 본원에 설명된 바와 같은 다수의 나노구조물을 제공하는 단계 및 나노구조물 상에 컨포멀 코팅을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 나노구조물은 나노구조물의 긴 축들이 서로에 대하여 실질적으로 정렬되도록 배열될 수 있다. 일부 경우, 나노구조물은 긴 축들이 정렬되고 기재 표면에 비-평행하게(예를 들면, 기재 표면에 실질적으로 수직이게) 되도록, 기재의 표면 상에 나노구조물을 균일하게 성장시킴으로써 2차가공될 수 있다. 일부 경우, 나노구조물의 긴 축들이 기재의 표면에 대하여 실질적으로 수직인 방향으로 배향되어 나노구조물 "포레스트(forest)"를 형성한다. 일부 실시양태에서, 나노구조물의 적어도 일부는 10 마이크로미터 이상의 길이(예를 들면, 나노구조물의 긴 축을 따른 치수)를 가질 수 있다.
나노구조물은 기재의 표면 상에 촉매적으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 나노구조물 전구체 물질(예를 들면, 탄화수소 기체, 예를 들면, C2H4, H2, 수소, 아르곤, 질소, 이들의 조합물 등)을 예를 들면, 기재의 표면 상에 위치하는 촉매 물질(예를 들면, Fe의 나노입자)과 접촉할 수 있다. 적합한 나노구조물 2차가공 기술의 예는 2007년 11월 29일에 WO 2007/136755로 공개되고 발명의 명칭이 "Continuous Process for the Production of Nanostructures Including Nanotubes"인 2007년 5월 18일에 출원된 국제 특허 출원 일련 번호 PCT/US2007/011914, 및 2008년 5월 8일에 WO/2008/054541로 공개되고 발명의 명칭이 "Nanostructure-Reinforced Composite Articles"인 2007년 5월 18일에 출원된 국제 특허 출원 일련 번호 PCT/US2007/011913에 보다 상세하게 논의되어 있고, 이들은 그 전문이 본원에 참고로 포함된다.
일부 실시양태에서, 나노구조물 "포레스트" 중의 나노구조물의 정렬은 심지어 후속 가공처리(예를 들면, 포레스트에 힘의 적용, 포레스트의 컨포멀 코팅, 포레스트의 다른 표면으로의 전달 및(또는) 포레스트와 2차 물질, 예를 들면 다른 물질들 중에서도 특히 중합체, 금속, 세라믹, 압전 물질, 압자 물질, 탄소, 및(또는) 유체의 결합) 시에도 실질적으로 유지될 수 있다.
상기한 바와 같이, 컨포멀 코팅은 다수의 나노구조물, 뿐만 아니라 나노구조물이 그 위에 배열되는 기재의 일부분, 즉 기재의 노출부 상에 형성될 수 있다. 예를 들면, 컨포멀 코팅은 높은 종횡비를 갖는 나노구조물의 실질적인 길이를 따라 및 도 1a 및 1b에 나타낸 바와 같이, 인접한 나노구조물들 사이에 위치한 아래에 놓여지는 기재의 일부분 상에 형성될 수 있다. 컨포멀 코팅은 화학적 증착(CVD)을 비롯한 다양한 방법을 사용하여 형성될 수 있다. 즉, 나노구조물은 증기상의 하나 이상의 컨포멀 코팅 전구체(예를 들면, 단량체 종)에 노출되어, 컨포멀 코팅이 나노구조물의 표면 상에 형성되도록 한다.
CVD의 사용은 실질적으로 균일한 코팅이 광범위의 기재 물질 상에 형성될 수 있다는 점에서, 즉 CVD에서 컨포멀 코팅의 형성을 사용하는 것이 기재-독립적일 수 있다는 점에서 유리할 수 있다. 추가로, CVD는 비교적 저온(예를 들면, 500 ℃ 미만, 300 ℃ 미만, 100 ℃ 미만, 50 ℃ 미만, 30 ℃ 미만)에서 수행될 수 있다. 일부 실시양태에서, 건식 화학 증착법이 사용될 수 있다. 일부 실시양태는 단량체 종의 중합을 활성화하기 위한 고온 필라멘트의 사용없이 및(또는) 실온에서의 화학 증착법의 사용을 포함한다.
일부 실시양태에서, 산화 화학 증착(oCVD) 방법이 사용될 수 있으며, 여기서 산화제 및 단량체 물질 둘 모두가 증착을 위한 증기상에 제공된다. 예를 들면, 고상 산화제는 나노구조물과 접촉하기 전에 증기상에서 승화될 수 있다. 예시적인 실시양태에서, 염화철 산화제는 승화 공정을 위해 350 ℃로 가열되고, 코팅될 기재는 70 ℃에서 유지되며, 코팅 지속시간은 약 15분이고 단량체(예를 들면, EDOT 단량체)의 유량은 5 sccm이다.
일부 실시양태에서, 개시된 화학 증착(iCVD) 방법이 사용될 수 있으며, 여기서는 개시제가 하나 이상의 단량체에 추가적으로 포함된다. 일부 실시양태에서, 개시제를 사용할 때 비교적 낮은 에너지가 사용될 수 있으며, 이는 예를 들면 상대적으로 세밀한 기재(예를 들면, 매우 얇은 금속박, 티슈 페이퍼 등) 상에 중합체를 증착할 때 유용할 수 있다. 이러한 일부 실시양태에서, 개시제는 열 분해될 수 있다. 예를 들면, 일부 경우, 진공 챔버 내 저항적으로 가열된 필라멘트의 어레이가 가열되어 개시제의 열분해를 구동하면서, 필름 성장에 요구되는 종의 흡착을 촉진하기에 충분하게 기재를 차갑게 유지하도록 할 수 있다. 적합한 개시제의 예는 퍼플루오로옥탄 술포닐 플루오라이드, 트리에틸아민, tert-부틸 퍼옥시드, 2,2'-아조비스 (2-메틸프로판) 및 벤조페논을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다.
일부 실시양태에서, 컨포멀 코팅의 형성은 인접한 나노구조물들 사이의 평균 거리 또는 나노구조물의 정렬을 실질적으로 변화시키지 않는다. 예를 들면, 컨포멀 코팅의 형성에 앞서, 나노구조물은 인접한 나노구조물들 사이의 제1 평균 거리를 가질 수 있고, 컨포멀 코팅의 형성 후에, 나노구조물은 인접한 나노구조물들 사이의 제2 평균 거리를 가질 수 있으며, 이 때 제1 및 제2 평균 거리는 실질적으로 동일하다. 본원에 사용된 "실질적으로 동일한" 평균 거리는 서로 10 % 미만, 5 % 미만, 1 % 미만, 또는 일부 경우, 0.5 % 미만으로 상이하다. 일부 경우, 평균 거리는 인접하는 나노구조물 또는 코팅된 나노구조물들의 중심들 사이의 거리(예를 들면, 도 2에서 거리 (82))를 말할 수 있다. 일부 경우, 평균 거리는 인접하는 코팅된 나노구조물들 사이의 튜브간 거리, 즉 두 개의 인접한 코팅된 나노구조물의 외부 표면 또는 연부들 사이의 거리(예를 들면, 도 2에서 거리 (84))를 말할 수 있다.
컨포멀 코팅의 형성은 일부 실시양태에서 인접한 나노구조물들 사이의 평균 거리를 변화시킬 수 있다. 일부 실시양태에서, 컨포멀 코팅의 형성은 나노구조물들 사이의 평균 간격을 약 10 % 이상, 약 25 % 이상, 약 50 % 이상, 약 75 % 이상, 약 90 % 이상, 약 10 %와 약 99 % 사이, 약 10 %와 약 90 % 사이, 약 10 %와 약 75 % 사이, 약 10 %와 약 50 % 사이, 약 10 %와 약 25 % 사이, 약 25 %와 약 99 % 사이, 약 50 %와 약 99 % 사이, 또는 약 75 %와 약 99% 사이 만큼 감소시킬 수 있다. 인접하는 나노구조물들 사이의 평균 거리를 변화시킬 수 있는 능력은 비교적 가까운, 및 일부 경우에 인접하는 나노구조물들 사이에 실질적으로 균일한 평균 거리를 갖는 다수의 나노구조물들을 생성하는데 유용할 수 있다. 예를 들면, 일부 경우, 컨포멀 코팅의 형성은 약 1 마이크로미터 미만, 약 500 ㎚ 미만, 약 100 ㎚ 미만, 약 80 ㎚ 미만, 약 60 ㎚ 미만, 약 40 ㎚ 미만, 약 30 ㎚ 미만, 약 20 ㎚ 미만, 약 10 ㎚ 미만, 또는 약 5 ㎚ 미만의 다수의 나노구조물들 사이의 평균 간격을 생성할 수 있다. 균일하게 가깝게 이격된 나노구조물들을 생성할 수 있는 능력은 예를 들면, 코팅의 형성 전에 나노구조물의 일관적이고 가까운 간격을 달성하기 어려운 실시양태에서 유용할 수 있다. 일부 실시양태에서, 컨포멀 코팅의 두께는 인접한 코팅된 나노구조물들 사이의 소정의 평균 간격을 달성하도록 (예를 들면, 온도, 압력, 코팅 전구체의 유형 또는 코팅 전구체의 농도와 같은 코팅 형성 파라미터를 변화시킴으로써) 선택될 수 있다.
인접하는 나노구조물들 사이의 평균 간격을 제어할 수 있는 능력(예를 들면, 컨포멀 중합체 코팅의 증착을 통해)은 예를 들면, 광범위의 입자 크기를 포함하는 유체를 나노구조물을 통해 통과시킬 때 특정 범위의 입자 크기(예를 들면, 나노입자 크기)를 분리해낼 수 있는 필터를 2차가공할 수 있게 한다. 예를 들면, 일부 실시양태에서, 제1 및 제2 집단의 입자들을 함유하는 유체의 흐름이 다수의 나노구조물(예를 들면, 컨포멀 코팅된 나노구조물)을 통해 확립될 수 있다. 제1 집단은 인접하는 나노구조물들 사이의 평균 거리보다 더 큰 최대 횡단면 치수를 갖는 입자를 포함할 수 있고, 제2 집단은 인접하는 나노구조물들 사이의 평균 거리보다 더 작은 최대 횡단면 치수를 갖는 입자를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 집단을 함유하는 유체의 나노구조물을 향한 흐름을 확립한 후, 제1 집단은 적어도 부분적으로 제2 집단으로부터 분리될 수 있다. 일부 실시양태에서, 제1 집단의 적어도 일부분은 나노구조물에 의해 보유될 수 있는 반면에, 제2 집단의 적어도 일부분은 나노구조물을 관통한다. 일부 실시양태에서, 제1 및 제2 집단들은 실질적으로 완전하게 분리될 수 있다.
본원에 설명된 실시양태들은 다양한 유형의 입자들을 적어도 부분적으로 분리해내는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 일부 경우, 입자들은 양자 도트, 생물학적 분자 등을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 일부 실시양태는 대장균과 같은 유해한 세균을 분리해내는데 사용될 수 있는 비교적 저렴한 물 필터로서 유용할 수 있다.
본원에 사용된 "최대 횡단면 치수"는 측정될 수 있는 개별 구조물(예를 들면, 입자)의 두 마주보는 경계들 사이의 최대 거리를 말한다. 다수의 구조물의 "평균 최대 횡단면 치수"는 수 평균을 말한다.
일부 실시양태(예를 들면, 자극-반응성 중합체가 사용된 경우)에서, 인접하는 나노구조물 사이의 평균 거리는 자극 조건(예를 들면, 전자기선, 온도, pH, 화학 종, 농도 등)의 변화에 따라 변할 수 있다. 일부 경우, 중합체는 제1 자극 조건에 노출시 제1 치수(예를 들면, 두께)를 가질 수 있고, 중합체는 제1 자극 조건과 상이한 제2 자극 조건에 노출시 제1 치수와 상이할 수 있는 제2 치수(예를 들면, 두께)를 가질 수 있다. 중합체의 치수 변화는 인접하는 나노구조물들 사이의 평균 거리의 변화를 생성할 수 있다. 구체적인 예로서, 일부 실시양태에서, 다수의 나노구조물은 제1 pH에서 인접하는 나노구조물들 사이에 제1 평균 거리 및 제1 pH와 상이한 제2 pH에서 인접하는 나노구조물들 사이에 제2 평균 거리(제1 평균 거리와 상이할 수 있음)를 가질 수 있다. 일부 경우, 다수의 나노구조물들이 제1 온도에서 인접하는 나노구조물들 사이에 제1 평균 거리 및 제1 온도와 상이한 제2 온도에서 인접하는 나노구조물들 사이에 제2 평균 거리(제1 평균 거리와 상이할 수 있음)를 가질 수 있다. 다른 예로서, 다수의 나노구조물들은 제1 파장의 전자기선에 노출시 인접하는 나노구조물들 사이에 제1 평균 거리 및 제1 파장의 전자기선과 상이한 제2 파장의 전자기선에 노출시 인접하는 나노구조물들 사이에 제2 평균 거리(제1 평균 거리와 상이할 수 있음)를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 수분량, 화학 종의 농도, 또는 임의의 적합한 자극의 변화가 유사한 효과를 생성시키는데 사용될 수 있다.
자극 조건을 사용하여 인접하는 나노구조물들 사이의 평균 간격을 제어하는 것은 예를 들면 조정가능한 필터를 생성하는데 있어서 유용할 수 있다. 이러한 실시양태에서, 분리되는 입자들의 크기는 나노구조물이 노출되는 자극 조건에 의존적일 수 있다. 예를 들면, 일부 실시양태에서, 제1, 제2 및 제3 집단의 입자들을 함유하는 유체의 흐름이 다수의 나노구조물(예를 들면, 컨포멀 코팅된 나노구조물)을 통해 확립될 수 있다. 제1 집단은 비교적 큰 최대 횡단면 치수를 갖는 입자를 포함할 수 있고, 제2 집단은 제1 집단 내 입자들보다 작은 최대 횡단면 치수를 갖는 입자들을 포함할 수 있고, 제3 집단은 제1 및 제2 집단 내 입자들보다 작은 최대 횡단면 치수를 갖는 입자들을 포함할 수 있다. 나노구조물이 제1 자극 조건(예를 들면, 제1 온도, 제1 pH, 제1 파장의 전자기선 등)에 노출시, 인접하는 나노구조물들 사이에 제1 평균 거리가 확립될 수 있다. 인접하는 나노구조물들 사이의 제1 평균 거리는 제1 집단 내 입자들의 최대 횡단면 치수보다 작을 수 있지만, 제2 및 제3 집단 내 입자들의 최대 횡단면 치수보다 클 수 있다. 나노구조물을 통해 제1, 제2 및 제3 집단의 유체 혼합물을 흘려보낼 때 제1 집단은 적어도 부분적으로 제2 및 제3 집단으로부터 분리될 수 있다. 일부 경우, 제1 집단은 적어도 부분적으로 나노구조물에 의해 보유될 수 있는 반면에, 제2 및 제3 집단들은 적어도 부분적으로 나노구조물을 통과한다.
제2 자극 조건(예를 들면, 제2 온도, 제2 pH, 제2 파장의 전자기선 등)에 노출시, 인접하는 나노구조물들 사이에 제2 평균 거리(예를 들면, 인접하는 나노구조물들 사이의 제1 평균 거리와 상이함)가 확립될 수 있다. 인접하는 나노구조물들 사이의 제2 평균 거리는 제2 집단 내 입자들의 최대 횡단면 치수보다 작을 수 있지만, 제3 집단 내 입자들의 최대 횡단면 치수보다 클 수 있다. 나노구조물을 통해 제2 및 제3 집단을 함유하는 유체를 흘려보낼 때 제2 집단은 적어도 부분적으로 제3 집단으로부터 분리될 수 있다. 일부 경우, 제2 집단은 적어도 부분적으로 나노구조물에 의해 보유될 수 있는 반면에, 제3 집단들은 적어도 부분적으로 나노구조물을 통과한다. 일부 실시양태에서, 제2 및 제3 집단들의 실질적으로 완전한 분리가 달성될 수 있다. 이러한 방법은 임의의 수의 자극 조건에 대해 반복될 수 있고, 임의의 수의 입자들의 집단을 분리하는데(부분적으로 또는 실질적으로 완전히) 사용될 수 있다.
본 발명의 일부 실시양태들은 예를 들면, 나노구조물의 밀도를 변화시키기 위하여, 나노구조물을 처리하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 일부 경우, 치밀화(예를 들면, 일축 또는 이축 치밀화)는 나노구조물 상에 컨포멀 코팅의 형성 전에 수행된다. 나노구조물 조립체는 인접하는 나노구조물들 사이의 평균 거리를 변화(예를 들면, 증가, 감소)시키도록 화학적, 기계적 또는 다른 방법을 통해 처리될 수 있다. 예를 들면, 나노구조물은 나노구조물의 밀도를 증가시키도록 기계적 수단에 의해 처리될 수 있고, 이어서 상기한 바와 같이 컨포멀 코팅될 수 있다. 나노구조물의 밀도를 변화시키는 방법은 2008년 11월 14일에 출원되고 발명의 명칭이 "Controlled-Orientation Films and Nanocomposites Including Nanotubes or Other Nanostructures"인 미국 가출원 제61/114,967호에 기재되어 있으며, 이 가출원은 본원에서 참고로 포함된다.
일부 경우, 나노구조물의 긴 축에 법선인 성분을 갖는 힘이 다수의 나노구조물들에 그들의 간격을 감소시키기 위하여, 즉 인접하는 나노구조물들 사이의 평균 거리를 감소시키기 위하여 적용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 제2 힘이 나노구조물에 적용될 수 있다. 제2 힘은 제1 힘의 제1 성분에 직교하고 나노구조물의 긴 축에 법선인 제2 성분을 포함할 수 있다. 이 방법은 또한 필요한 경우, 추가적인 치밀화 단계를 포함할 수 있다. 이러한 힘(들)의 적용은 높은 부피 비율 또는 질량 밀도의 나노구조물들을 포함하는 물질을 생성할 수 있다.
본원에 설명된 힘은 당 업계에 공지된 임의의 방법을 사용하여 적용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 기계적 도구를 사용하여 다수의 나노구조물들에 힘을 적용한다. 예를 들면, 작업자는 다수의 나노구조물의 측면에 대하여 도구(예를 들면, 플라스틱 플런저)의 납작한 표면을 적용하고, 손으로 나노구조물을 압축시킨다. 일부 실시양태에서, 힘은 압축 스프링을 사용하여 적용될 수 있다. 예를 들면, 다수의 나노구조물들이 둘러싸여진 또는 반-둘러싸여진 수용 구조물내에 위치할 수 있으며, 하나 이상의 압축 스프링이 다수의 나노구조물의 측면과 수용 구조물의 인접하는 벽 사이에 위치한다. 다른 것들 중에서 특히, 웨이트, 기계 스크류 및(또는) 공기압식 기구를 포함하지만 이들로 제한되지는 않는 다른 엘레멘트들을 사용하여 힘을 적용할 수 있다. 예를 들면, 한 세트의 실시양태에서, 다수의 나노구조물은 2개의 플레이트 사이에 배열된다. 플레이트를 통해 나노구조물들의 측면에 대하여 압력을 적용하는데 기구(예를 들면, 기계 스크류, 스프링 등)가 사용될 수 있다. 기계 스크류의 경우, 예를 들면, 나노구조물은 스크류의 회전시에 플레이트들 사이에서 압축될 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 다수의 나노구조물에 액체가 적용될 수 있으며, 건조시에, 모세관력이 나노구조물들을 함께 당겨서 나노구조물들 사이의 평균 거리의 감소를 초래할 수 있다. 다수의 나노구조물에 힘을 적용하는 다른 방법이 당 업자들에 의해 계획될 수 있다.
제1 및(또는) 제2 힘의 적용은 양을 변화시킴으로써 인접하는 나노구조물들 사이의 평균 거리를 감소시킬 수 있다. 일부 경우, 인접하는 나노구조물들 사이의 평균 거리는 약 25 % 이상 감소된다. 일부 경우, 인접하는 나노구조물들 사이의 평균 거리는 약 50 % 이상, 약 70 % 이상, 약 80 % 이상, 약 90 % 이상, 약 95 % 이상, 약 99 % 이상 또는 그 이상 감소된다.
상기한 바와 같이, 본원에 설명된 방법은 높은 부피 비율의 나노구조물들을 갖는 물질을 생성하는데 사용될 수 있다. 본원에 사용된 물질(예를 들면, 다수의 나노구조물, 나노복합체 등) 내 나노구조물의 부피 비율은 나노구조물에 의해 형성된 부피의 합을 물질에 의해 형성된 전체 부피로 나누어 계산한다. 나노구조물에 의해 형성된 부피는 어느 정도의 빈 공간을 함유할 수 있음을 알아야 한다. 예를 들면, 중공 나노튜브의 경우, 나노튜브에 의해 형성된 부피는 튜브 내의 내부 빈 공간을 포함하게 된다.
본원에 설명된 물품 내에 추가적인 성분들이 포함될 수 있다. 일부 경우, 하나 이상의 지지 물질이 나노구조물에 적용되어 다수의 나노구조물에 대한 기계적, 화학적 또는 다르게는 안정화 지지체를 제공할 수 있다. 일부 경우, 지지 물질은 단량체, 중합체, 섬유, 세라믹 또는 금속일 수 있으며, 추가로 가공되어 나노구조물을 지지할 수 있다. 일부 실시양태에서, 지지 물질 전구체가 나노구조물에 첨가될 수 있고, 나노구조물과 결합된 지지 물질을 형성하도록 처리될 수 있다. 예를 들면, 단량체 종들의 혼합물이 나노구조물에 첨가될 수 있으며, 후속되는 단량체 종의 중합은 본원에 개시된 나노구조물을 포함하는 중합체 매트릭스를 생성할 수 있다. 다른 예에서, 중합체 종이 나노구조물에 첨가될 수 있으며, 후속되는 중합체 종의 경화가 본원에 개시된 나노구조물을 포함하는 중합체 매트릭스를 생성할 수 있다. 적합한 지지 물질의 예는 아래에서 보다 상세하게 설명된다.
지지 물질 전구체는 다양한 방법들을 사용하여 나노구조물에 첨가될 수 있다. 일부 실시양태에서, 지지 물질 전구체는 모세관력을 통해 나노구조물들 사이에서 수송될 수 있다. 예를 들면, 나노구조물 조립체(예를 들면, 나노튜브 "포레스트")는 지지 물질 전구체의 푸울 또는 용액의 표면과 접촉하여, 지지 물질 전구체가 나노구조물 내로 주입되어 개별 나노구조물들 사이의 공간을 채우게 되면서 나노구조물들 사이의 간격 및 정렬은 유지하게 된다. 일부 경우, 나노구조물 조립체는 지지 물질 전구체 내에 잠기게 될 수 있다. 모세관-유도된 습윤은 나노구조물 조립체의 특징(예를 들면, 부피 비율, 표면 조건) 및 지지 물질의 유형(예를 들면, 점도)에 따라 다양한 속도로 수행될 수 있다. 일부 실시양태에서, 1 ㎜를 넘는 길이 및 20 %보다 큰 부피 비율의 나노구조물을 포함하는 물품은 지지 물질 또는 그의 전구체로 습윤될 수 있다. 예시적인 실시양태에서, 다수의 나노복합체는 z-단계에 의해 수송되고 에폭시 전구체의 푸울에 잠긴다. 에폭시 전구체는 모세관 작용을 통해 나노구조물들 사이에서 수송되고, 나노구조물은 에폭시 푸울로부터 제거된다. 다른 실시양태에서, 지지 물질 전구체는 압력 구동된 흐름, 성형 또는 임의의 다른 공지된 기술에 의해 나노구조물들 사이에서 수송될 수 있다.
다른 실시양태에서, 지지 물질 전구체는 임의의 적합한 방법을 사용하여 고화 또는 경화될 수 있다. 에폭시는 예를 들면 전구체 물질이 경화되도록 하거나 또는 임의적으로 열을 인가함으로써 경화될 수 있다. 일부 실시양태에서, 경화는 지지 물질 전구체의 중합을 포함할 수 있다.
일부 경우, 지지 물질 전구체가 다수의 나노구조물에 적용되어 자기-지지 구조를 형성할 수 있거나, 또는 지지 물질 전구체가 기재에 부착된 다수의 나노구조물에 적용될 수 있다. 또한, 나노구조물은 기재 및(또는) 임의의 다른 지지 물질에 부착된 채로 또는 이와는 별도로 고화될 수 있다.
일부 경우, 나노구조물은 경화된 지지 물질 내에서 실질적으로 균일하게 분산된다. 예를 들면, 나노구조물은 경화된 지지 물질의 적어도 10 % 내에서, 또는 일부 경우, 경화된 지지 물질의 적어도 20 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 %, 95 % 또는 100 % 내에서 실질적으로 균일하게 분산될 수 있다. 본원에 사용된 "경화된 지지 물질의 적어도 X % 내에서 균일하게 분산된"은 경화된 지지 물질의 부피의 적어도 X % 내에서 나노구조물의 실질적으로 균일한 배열을 말한다. 다수의 섬유들을 포함하는 구조물 전체에 걸쳐 본질적으로 균일하게 나노구조물을 배열할 수 있는 능력은 전체 구조물의 기계적 강도의 향상을 가능하게 한다.
나노구조물은 2차가공 공정의 임의의 단계에서 나노구조 물질의 성질을 개선하도록 추가로 처리될 수 있다. 일부 경우, 나노구조물은 어닐링될 수 있다.
일부 경우, 방법은 기재로부터 나노구조물을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 경우, 나노구조물은 기재에 공유적으로 결합될 수 있으며, 제거 단계는 공유 결합의 적어도 일부를 파괴하는 것을 포함한다. 제거 단계는 제1 기재(예를 들면, 성장 기재)의 표면으로부터 제2 기재(예를 들면, 수용 기재)의 표면으로 직접 나노구조물을 전달하는 것을 포함할 수 있다. 나노구조물의 제거는 기계적 도구, 기계 또는 초음파 진동, 화학 시약, 열 또는 다른 외부 에너지원의 적용을 포함할 수 있다. 예를 들면, 스크래핑("독터") 또는 박리 블레이드 및(또는) 다른 수단, 예를 들면 전기장을 사용하여 기재로부터 나노구조물의 층박리를 개시 및 계속할 수 있다. 일부 경우, 나노구조물은 예를 들면, 압축 가스의 적용에 의해 제거될 수 있다. 일부 경우, 나노구조물은 나노구조물을 수용 기재에 부착시키지 않고서 벌크로 제거(예를 들면, 탈착) 및 수집할 수 있으며, 나노구조물은 기재로부터 제거 후에 그들의 원래의 또는 "성장된 대로의" 배향 및 배좌로(예를 들면, 정렬된 "포레스트"로) 유지될 수 있다.
한 세트의 실시양태에서, 나노구조물과 기재 사이의 부착은 나노구조물 및(또는) 기재를 화학약품(예를 들면, 가스)에 노출시킴으로써 변경될 수 있다. 나노구조물 및(또는) 기재의 화학약품에의 노출은 몇몇 경우에, 나노구조물 및 기재 사이의 부착 또는 접착 수준을 실질적으로 감소시킬 수 있다. 나노구조물 및 기재 사이의 부착 수준을 감소시키는데 유용한 화학약품의 예는 다른 것들 중에서 특히, 수소, 산소, 및 공기를 포함하지만 이들로 제한되지는 않는다. 일부 경우, 승온(예를 들면, 약 100 ℃보다 큰 온도)을 사용하여 나노구조물의 기재로부터의 탈착을 촉진시킬 수 있다. 예를 들면, 나노구조물(예를 들면, 탄소 나노튜브)은 기재 상에서 성장될 수 있고, 이어서 이들이 가공처리 챔버 중에 남아있는 동안에 수소 기체에 노출될 수 있다. 나노구조물의 수소에의 노출은 몇몇 경우에, 나노구조물을 기재로부터 층박리시킨다. 일부 실시양태에서, 나노구조물의 수소에의 노출은 다수의 나노구조물의 완전한 층박리를 초래하지 않을 수 있지만, 예를 들면 다수의 나노구조물을 제거하는데 필요한 힘이 약 50 % 이상, 약 70 % 이상, 약 90 % 이상, 약 95 % 이상, 약 99 % 이상 또는 그 이상으로 감소되도록 하는 충분히 큰 비율의 결합의 파괴를 초래할 수 있다.
나노구조물의 제거는 또한 나노구조물 및(또는) 기재의 표면에 대한 기계적 도구, 기계 또는 초음파 진동, 화학 시약, 열 또는 다른 외부 에너지원의 적용을 포함할 수 있다. 일부 경우, 나노구조물은 예를 들면 압축 가스의 적용에 의해 제거될 수 있다. 일부 경우, 나노구조물은 나노구조물을 수용 기재에 부착시키지 않고서 벌크로 제거(예를 들면, 탈착) 및 수집될 수 있고, 나노구조물은 기재로부터의 제거 후에 그들의 원래의 또는 "성장된 대로의" 배향 및 배좌로(예를 들면, 정렬된 "포레스트"로) 유지될 수 있다.
외부 힘을 사용하여 제1 기재로부터 층의 층박리를 개시 및 계속할 수 있고, 층을 제2 기재로 보낼 수 있다. 예를 들면, 스크래핑("독터") 또는 박리 블레이드, 및(또는) 다른 수단들, 예를 들면 전기장을 사용하여 층박리를 개시 및 계속할 수 있다. 일부 경우, 층은 필름, 테이프 또는 웹으로서 층박리 및(또는) 취급될 수 있다. 다르게는, 필름은 제2 기재로 전달하기에 앞서 연속적인 방식으로 현탁, 취급 및 임의로 기계적으로(예를 들면, 롤링, 압축, 치밀화), 열적으로 또는 화학적으로(예를 들면, 정제, 어닐링) 처리될 수 있다.
본원에 설명된 방법은 다수의 나노구조물의 치수 및 다른 성질들을 제어하는데 사용될 수 있다. 본원에 설명된 바와 같이, 나노구조물은 나노구조물 상에 특정 성질(예를 들면, 전기적 성질)을 부여하는 물질로 컨포멀 코팅될 수 있다. 일부 실시양태에서, 다수의 나노구조물은 나노구조물의 긴 축들이 실질적으로 정렬되고, 다수 개가 나노구조물의 긴 축들에 의해(예를 들면, 나노구조물의 긴 축들의 평균 길이에 의해) 형성된 두께를 갖도록 제공될 수 있다. 다수의 나노구조물의 긴 축들의 평균 길이는 예를 들면, 성장 공정의 파라미터들(예를 들면, 사용된 반응물의 유형, 나노구조물이 성장되는 시간 등)을 조절함으로써 제어될 수 있다. 일부 경우, 다수의 나노구조물들의 긴 축들의 평균 길이는 후 가공처리 단계, 예를 들면 연마(예를 들면, 화학-기계적 연마), 화학적 처리 또는 몇몇 다른 단계에 의해 제어될 수 있다. 일부 실시양태에서, 인접하는 나노구조물들 사이의 평균 간격은 나노구조물의 긴 축들에 법선인 성분을 갖는 힘의 적용에 의해 제어될 수 있다.
일부 실시양태에서, 컨포멀 코팅 뿐만 아니라 나노구조물의 길이, 두께 및 밀도는 함께 원하는 수준의 전자기선의 흡수, 전도율, 저항, 모듈러스 또는 몇몇 다른 성질들을 갖는 물품을 형성하도록 선택된다. 본원에 설명된 물품은 또한 예를 들면, 조정가능한 다기능성 성질들을 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본원에 설명된 물품 내의 나노구조물의 존재는 바람직한 성질, 예를 들면 개선된 기계적 강도 및(또는) 인성, 열 및(또는) 전기 전도율, 열 전달 및 표면 특징(예를 들면, 소수성, 친수성)을 부여할 수 있다. 예를 들면, 일부 경우 복합 재료는 본질적으로 동일한 조건 하에서, 실질적으로 정렬된 나노구조물 세트가 없는 본질적으로 동일한 물질과 비교하였을 때, 보다 높은 기계적 강도 및(또는) 인성을 나타낼 수 있는 반면에, 나노구조물의 정렬 또는 형태는 본질적으로 영향을 받지 않은 채로 남아있다. 일부 실시양태에서, 나노구조물은 다른 기능들 중에서도 특히, 물질 또는 기재 내에서 성분들의 단층내 상호작용을 향상시키도록, 복합 구조물 내에서 두 기재 또는 두 겹들의 단층내 상호작용을 향상시키도록, 또는 두 기재 사이의 결합을 기계적으로 강화하거나 또는 다른 방식으로 향상시키도록 배열된다. 일부 경우, 본원에 설명된 물품의 열, 전기 전도율 및(또는) 다른 성질들(예를 들면, 전자 성질, 비열 등)은 방향적으로 의존적(예를 들면, 비등방성)이도록 선택될 수 있다.
본원에 사용된 용어 "나노구조물"은 나노미터 크기의 직경 및 마이크로미터 내지 밀리미터 또는 그 이상의 크기의 길이를 가져서, 10, 100, 1000, 10,000, 또는 그보다 큰 종횡비를 초래하는 가늘고 긴 화학 구조물을 말한다. 용어 "긴 축"은 나노구조물의 가장 긴 길이에 평행하고 나노구조물의 기하학적 중심과 교차하게 그린 상상의 선을 말하는데 사용된다. 일부 경우, 나노구조물은 약 1 ㎛ 미만, 약 500 ㎚ 미만, 약 250 ㎚ 미만, 약 100 ㎚ 미만, 약 75 ㎚ 미만, 약 50 ㎚ 미만, 약 25 ㎚ 미만, 약 10 ㎚ 미만, 또는 일부 경우 약 1 ㎚ 미만의 평균 직경을 가질 수 있다. 일부 경우, 나노구조물은 원통형 또는 유사-원통형을 갖는다. 나노구조물은 예를 들면, 다른 것들 중에서도 특히, 나노튜브(예를 들면, 탄소 나노튜브), 나노와이어, 또는 나노섬유일 수 있다. 일부 실시양태에서, 본원에 설명된 시스템 및 방법에 사용된 나노구조물은 기재 상에서 성장될 수 있다. 다른 실시양태에서, 나노구조물은 기재와 별도로, 다른 기재에 부착되어 또는 임의의 기재로부터 탈착된 자기-지지 구조물로서 제공될 수 있다.
일부 실시양태에서, 본원에 설명된 물품 및 방법은 탄소-기반 나노구조물을 포함한다. 탄소-기반 나노구조물의 예는 탄소 나노튜브, 탄소 나노와이어, 탄소 나노섬유 등을 포함한다. 본원에 설명된 나노구조물이 탄소 이외의 다른 원자들을 포함할 수 있음을 이해해야 한다.
본원에 설명된 물질은 또한 큰 표면적에 걸쳐 형성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 원래 제공된 다수의 나노구조물은 두 직교하는 방향 각각에서 인접하는 나노구조물 사이의 평균 거리보다 10배 이상 더 큰 거리로 연장되며, 각 방향은 긴 축에 수직이다. 일부 경우, 다수의 나노구조물은 각각 긴 축에 대해 수직인 두 직교하는 방향에서 두 인접하는 나노구조물 사이의 평균 거리의 100배 이상, 1000배 이상, 10,000배 이상, 100,000배 이상, 1,000,000배 이상 또는 그 이상으로 더 큰 거리로 연장된다.
일부 실시양태에서, 다수의 나노구조물은 자기-지지 물질로서 제공될 수 있다. 다른 경우에, 나노구조물은 기재(예를 들면, 성장 기재)에 부착될 수 있다. 일부 실시양태에서, 나노구조물의 긴 축들은 나노구조물의 긴 축에 의해 형성된 두께를 갖는, 기재 표면에 평행하지 않게 실질적으로 정렬된다.
나노구조물은 임의의 바람직한 종횡비를 포함할 수 있다. 일부 경우, 다수의 나노구조물은 다수 개가 긴 축에 실질적으로 수직인 하나 이상의 치수에서(예를 들면, 하나의 치수에서, 두 직교하는 치수에서 등), 나노구조물의 긴 축에 실질적으로 평행인 치수보다 약 1.5배 이상, 약 2배 이상, 약 5배 이상, 약 10배 이상, 약 25배 이상, 약 100배 이상 또는 그 이상 더 큰 거리로 연장되도록 제공될 수 있다. 구체적인 예로서, 다수의 나노구조물은 나노구조물의 긴 축이 필름의 가장 큰 표면에 실질적으로 수직이도록 얇은 필름을 구성할 수 있다. 다수의 나노구조물은 일부 경우, 다수 개가 긴 축에 실질적으로 평행인 하나 이상의 치수에서, 나노구조물의 긴 축에 실질적으로 수직인 치수보다 약 1.5배 이상, 약 2배 이상, 약 5배 이상, 약 10배 이상, 약 25배 이상, 약 100배 이상 또는 그 이상 더 큰 거리로 연장되도록 제공될 수 있다.
일부 경우, 나노구조물의 10 % 이상, 약 20 % 이상, 약 30 % 이상, 약 40 % 이상, 약 50 % 이상, 약 60 % 이상, 약 70 % 이상, 또는 그 이상이 실질적으로 다수의 나노구조물의 두께를 통하여 연장된다.
본원에 사용된 용어 "나노튜브"는 당 업계에서 그의 원래의 의미로 제공된 것으로, 주로 6원 방향족 고리로 된 융합 고리구조를 포함하는 실질적으로 원통형 분자 또는 나노구조물을 말한다. 일부 경우, 나노튜브는 이음새없는 원통형 구조로 형성된 그라파이트 시트와 닮을 수 있다. 나노튜브는 또한 6원 고리 이외의 고리 또는 격자 구조를 포함할 수도 있음을 이해해야 한다. 전형적으로, 나노튜브의 하나 이상의 단부가 캡핑, 즉 곡선의 또는 비평면 방향족 기로 캡핑될 수 있다. 나노튜브는 나노미터 크기의 직경 및 밀리미터 크기의 또는 마이크로미터의 1/10 크기의 길이를 가져서, 100, 1000, 10,000, 또는 그보다 큰 종횡비를 초래할 수 있다. 일부 경우, 나노튜브는 탄소 나노튜브이다. 용어 "탄소 나노튜브"는 주로 탄소 원자를 포함하는 나노튜브를 말하며, 단일벽 나노튜브(SWNT), 이중벽 CNT(DWNT), 다중벽 나노튜브(MWNT)(예를 들면, 동심원성 탄소 나노튜브), 그의 무기 유도체 등을 포함한다. 일부 실시양태에서, 탄소 나노튜브는 단일벽 탄소 나노튜브이다. 일부 경우, 탄소 나노튜브는 다중벽 탄소 나노튜브(예를 들면, 이중벽 탄소 나노튜브)이다. 일부 경우, 나노튜브는 1 ㎛ 미만, 100 ㎚ 미만, 50 ㎚ 미만, 25 ㎚ 미만, 10 ㎚ 미만, 또는 일부 경우 1 ㎚ 미만의 직경을 가질 수 있다. 한 세트의 실시양태에서 나노튜브는 50 ㎚ 또는 그 미만의 평균 직경을 가지고, 본원에 설명된 바와 같이 복합 물품으로 배열된다. 무기 물질은 반도체 나노와이어, 예를 들면 규소(Si) 나노와이어, 인듐-갈륨-아르센(InGaAs) 나노와이어, 및 질화붕소(BN), 질화규소(Si3N4), 탄화규소(SiC), 디칼코게나이드, 예를 들면 (WS2), 산화물, 예를 들면 이산화티탄(TiO2) 및 삼산화몰리브덴(MoO3) 및 붕소-탄소-질소 조성물, 예를 들면 BC2N2 및 BC4N을 포함하는 나노튜브를 포함한다.
본 발명에 사용하기 적합한 기재는 프리프레그, 중합체 수지, 건조 직조물 및 토우, 무기 물질, 예를 들면 탄소(예를 들면, 그라파이트), 금속, 합금, 금속간물질, 금속 산화물, 금속 질화물, 세라믹 등을 포함한다. 일부 경우, 기재는 섬유, 섬유의 토우, 직조물 등일 수 있다. 기재는 추가로 전도성 물질, 예를 들면 전도성 섬유, 직조물 또는 나노구조물을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 본원에 사용된 기재는 실질적으로 전자기선에 대해 투명하다. 예를 들면, 일부 경우, 기재는 가시광, 자외선 또는 저외선에 대해 실질적으로 투명할 수 있다. 다른 경우, 나노구조물은 기재 및(또는) 임의의 다른 물질들이 없는 자기-지지 구조물로서 제공될 수 있다. 일부 실시양태에서, 기재는 알루미나, 규소, 탄소, 세라믹 또는 금속을 포함할 수 있다.
일부 경우, 기재는 중공 및(또는) 다공성일 수 있다. 일부 실시양태에서, 기재는 다공성, 예를 들면 다공성 Al2O3이다. 본원에 사용된 "다공성" 물질은 물질이 예를 들면 유체 또는 유체(예를 들면, 액체, 기체)의 혼합물에 의해 쉽게 가로질러 지거나 또는 투과되도록 충분한 수의 기공 또는 간극을 갖는 물질로 정의된다. 일부 실시양태에서, 기재는 Al2O3, SiO2 또는 탄소를 포함하는 섬유이다. 일부 실시양태에서, 기재는 아래에 놓여있는 물질, 예를 들면 금속 또는 세라믹의 표면 상에 형성된, 층, 예를 들면 전이금속 산화물(Al2O3) 층을 포함할 수 있다.
일부 경우, 본원에 설명된 바와 같은 기재는 프리프레그, 즉 매립된, 정렬된 및(또는) 얽혀있는(예를 들면, 짠 또는 꼰) 섬유, 예를 들면 탄소 섬유를 함유하는 중합체 물질(예를 들면, 열경화성 또는 열가소성 중합체)일 수 있다. 본원에 사용된 용어 "프리프레그"는 매립된 섬유, 예를 들면 탄소, 유리, 탄화규소 등의 섬유를 함유하는 열경화성 또는 열가소성 수지의 하나 이상의 층을 말한다. 일부 실시양태에서, 열경화성 물질은 에폭시, 고무 강화된 에폭시, BMI, PMK-15, 폴리에스테르, 비닐에스테르 등을 포함하고, 바람직한 열가소성 물질은 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리아릴렌 술파이드, 폴리에테르이미드, 폴리에스테르이미드, 폴리아릴렌, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌 술파이드, 폴리에테르이미드, 폴리프로필렌, 폴리올레핀, 폴리케톤, 폴리에테르케톤, 폴리에테르케톤케톤, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에스테르, 및 이들의 유사체 및 혼합물을 포함한다. 대표적으로는, 프리프레그는 정렬된 및(또는) 얽혀있는(짠 또는 꼰) 섬유를 포함하고, 프리프레그는 다수 층들의 섬유가 다른 층들의 섬유와 정렬되지 않도록 배열되고, 이 배열은 방법에 의해 제조될 물품의 방향적 강성 요구조건에 따른다. 섬유는 일반적으로 길이방향으로 상당히 신축되지 않을 수 있으며, 따라서 각 층은 그의 섬유들이 이를 따라 배열되는 방향으로 상당히 신축되지 않을 수 있다. 예시적인 프리프레그는 TORLON 열가소성 라미네이트, PEEK(폴리에테르 에테르케톤, 임페리얼 케미칼 인더스트리즈, 피엘씨(Imperial Chemical Industries, PLC), 영국), PEKK(폴리에테르케톤 케톤, 듀퐁(DuPont)) 열가소성수지, 토레이(Toray, 일본)로부터의 T800H/3900-2 열경화성수지 및 헤르큘레스(Hercules, 유타주 마그나)로부터의 AS4/3501-6 열경화성수지를 포함한다.
본원에 설명된 기재는 본원에 설명된 나노구조물 및(또는) 촉매 물질을 지지할 수 있는 임의의 물질일 수 있다. 기재는 특정 공정에 사용된 세트의 조건들, 예를 들면 나노구조물 성장 조건, 나노구조물 제거 조건 등 하에서 불활성 및(또는) 안정하도록 선택될 수 있다. 일부 실시양태에서, 기재는 전도성이도록 선택될 수 있다. 일부 경우, 기재는 실질적으로 편평한 표면을 포함한다. 일부 경우, 기재는 실질적으로 비평면 표면을 포함한다. 예를 들면, 기재는 원통형 표면(예를 들면, 섬유)을 포함할 수 있다.
본원에 설명된 바와 같이, 본 발명은 하나 이상의 결합 물질 또는 지지 물질의 사용 또는 첨가를 포함할 수 있다. 결합 또는 지지 물질은 중합체 물질, 섬유, 금속 또는 본원에 설명된 다른 물질일 수 있다. 본원에 설명된 바와 같이, 결합 물질 및(또는) 지지 물질로 사용하기 위한 중합체 물질은 나노구조물과 상용성인 임의의 물질일 수 있다. 예를 들면, 중합체 물질은 나노구조물을 균일하게 "습윤"시키고(시키거나) 하나 이상의 기재와 결합하도록 선택될 수 있다. 일부 경우, 중합체 물질은 특정 점도, 예를 들면 50,000 cPs 이하, 10,000 cPs 이하, 5,000 cPs 이하, 1,000 cPs 이하, 500 cPs 이하, 250 cPs 이하, 또는 100 cPs 이하를 갖도록 선택될 수 있다. 일부 실시양태에서, 중합체 물질은 150-250 cPs 사이의 점도를 갖도록 선택될 수 있다. 일부 경우, 중합체 물질은 열경화성 또는 열가소성일 수 있다. 일부 경우, 중합체 물질은 임의로 전도성 섬유, 직조물 또는 나노구조물을 포함하는 전도성 물질을 포함할 수 있다.
열경화성수지의 예는 마이크로켐(Microchem) SU-8(UV 경화 에폭시, 2000.1 내지 2100 등급 및 3 cPs 내지 10,000 cPs 범위의 점도), 뵈흘러 에포씬(Buehler Epothin)(저점도, 약 150 cPs, 실온 경화 에폭시), 웨스트 시스템즈(West Systems) 206+109 경화제(저점도, 약 200 cPs, 실온 경화 에폭시), 록타이트 하이졸(Loctite Hysol) 1C(20분 경화 전도성 에폭시, 점도 200,000 - 500,000 cPs), 헥셀(Hexcel) RTM6(수지 트랜스퍼 성형 에폭시, 공정 동안의 점도 약 10 cPs), 헥셀 헥스플로우(Hexcel HexFlow) VRM 34(구조 VARTM 또는 진공 보조 수지 트랜스퍼 성형 에폭시, 공정 동안의 점도 약 500 cPs)를 포함한다. 열가소성수지의 예는 폴리스티렌, 또는 마이크로켐 PMMA(UV 경화 열가소성수지, 10 cPs 내지 약 1,000 cPs 범위의 등급)을 포함한다. 한 실시양태에서, 중합체 물질은 PMMA, 에포씬(EpoThin), 웨스트시스템즈(WestSystems) EPON, RTM6, VRM34, 977-3, SU8 또는 하이졸 1C일 수 있다.
일부 경우, 지지 물질은 중합체의 중합 및(또는) 가교결합이 정렬된 나노구조물을 포함하는 경화된 구조물을 형성할 수 있도록 하는, 단량체 종 및(또는) 가교결합 기를 포함하는 중합체일 수 있다. 다른 실시양태에서, 지지 물질은 나노구조물의 직경 크기의 직경 또는 기재 상의 나노구조물들 사이의 간격을 갖는 금속 나노입자와 같은 금속 또는 금속 분말일 수 있다. 금속은 금속의 냉각이 정렬된 나노구조물을 포함하는 금속 구조물을 형성할 수 있도록, 정렬된 나노구조물에 첨가될 때, 연화, 소결 또는 용융될 수 있다. 본원에 사용된 "일체식 자기-지지 구조물"은 구조물의 표면을 따라 외부 지지체 없이 그의 구조적 일체성(예를 들면, 형태)을 유지하기 충분한 강성 또는 안정성을 갖는 비-고상 구조물로 정의된다. 정렬된 나노구조물을 포함하는 고체 및(또는) 자기-지지 구조물은 본원에 설명된 바와 같이, 복합 재료를 위한 기재 또는 다른 성분으로서 유용할 수 있다.
본원에 사용된 중합체 또는 중합체 물질은 임의로 매달린 측기를 함유하는 주쇄(예를 들면, 비공액 주쇄, 공액 주쇄)를 포함하는 연장된 분자 구조물을 말하는 것으로, 여기서 "주쇄"는 중합체의 가장 긴 연속 결합 경로를 말한다. 한 실시양태에서, 중합체의 적어도 일부분은 공액 또는 파이-공액되고, 즉 중합체는 전자 밀도 또는 전자 전하가 이를 따라 전도될 수 있는 적어도 일부분을 갖고, 여기서 전자 전하는 "탈분극화"된 것으로 언급된다. 공액에 참여하는 각 p-오비탈은 인접하는 공액 p-오비탈과 충분한 오버랩을 가질 수 있다. 한 실시양태에서, 주쇄의 적어도 일부분이 공액된다. 한 실시양태에서, 주쇄의 실질적인 대부분이 공액되고, 중합체는 "파이-공액 중합체" 또는 "공액 중합체"로 언급된다. 전자 전하를 전도할 수 있는 공액 파이-주쇄를 갖는 중합체는 "전도성 중합체"로 언급될 수 있다. 일부 경우, 공액 파이-주쇄는 공액에 직접적으로 참여하는 원자들의 평면에 의해 형성될 수 있으며, 여기서 평면은 p-오비탈 오버랩을 최대화하여 공액 및 전자 전도를 최대화하는 p-오비탈의 바람직한 배열로부터 발생된다. 일부 경우, 파이-주쇄는 바람직하게는 비-평면 또는 꼬여진 바닥 상태 배좌를 가져서, 감소된 공액 및 보다 높은 에너지 전도 밴드를 가져올 수 있다.
중합체는 단독중합체 또는 공중합체, 예를 들면 랜덤 공중합체 또는 블록 공중합체일 수 있다. 한 실시양태에서, 중합체는 블록 공중합체이다. 블록 공중합체의 유리한 특성은 이들이 다층 구조을 흉내낼 수 있다는 점이고, 이 때 각 블록은 상이한 밴드 갭 성분을 갖도록 설계될 수 있고, 블록 공중합체의 화학 구조의 성질에 의해 각 밴드 갭 성분은 격리되어 있다. 본원에 설명된 바와 같이, 밴드 갭 및(또는) 특정 분석물에 대한 선택성은 상이한 중합체 유형의 혼입 또는 변형에 의해 달성될 수 있다. 중합체 조성물은 테이퍼드 블록 구조를 제공하도록 연속적으로 변화될 수 있고, 중합체는 계단 성장 또는 사슬 성장 방법에 의해 합성될 수 있다.
하기 출원 및 특허들은 다목적으로 그의 전문이 본원에 참고로 인용된다: 2007년 11월 29일에 WO 2007/136755로 공개되고 발명의 명칭이 "Continuous Process for the Production of Nanostructures Including Nanotubes"인, 2007년 5월 18일에 출원된 국제 특허 출원 제PCT/US2007/011914호; 2008년 5월 8일에 WO 2008/054541로 공개되고 발명의 명칭이 "Nanostructure-reinforced Composite Articles and Methods"인, 2007년 5월 18일에 출원된 국제 특허 출원 제PCT/US07/11913호; 발명의 명칭이 "Nano-Engineered Material Architectures: Ultra-Tough Hybrid Nanocomposite System"인, 2006년 3월 22일에 출원된 미국 특허 출원 제11/386,378호; 2008년 3월 27일에 미국 특허 출원 공개 제2008/0075954로 공개되고 발명의 명칭이 "Nanostructure-reinforced Composite Articles"인, 2007년 8월 24일에 출원된 미국 특허 출원 제11/895,621호; 2009년 3월 5일에 WO 2009/029218로 공개되고 발명의 명칭이 "Nanostructure-reinforced Composite Articles and Methods"인, 2008년 8월 22일에 출원된 국제 특허 출원 제PCT/US2008/009996호; 발명의 명칭이 "Nano-Engineered Material Architectures: Ultra-Tough Hybrid Nanocomposite System"인, 2009년 5월 26일에 특허된 미국 특허 제7,537,825호; 발명의 명칭이 "Controlled-Orientation Films and Nanocomposites Including Nanotubes or Other Nanostructures"인, 2008년 11월 14일에 출원된 미국 가출원 제61/114,967호; 발명의 명칭이 "Controlled-Orientation Films and Nanocomposites Including Nanotubes or Other Nanostructures"인, 2009년 11월 13일에 출원된 미국 특허 출원 제12/618,203호; 발명의 명칭이 "Multifunctional Composites Based on Coated Nanostructures"인, 2008년 12월 3일에 출원된 미국 가출원 제61/119,673호; 발명의 명칭이 "Systems and Methods Related to the Formation of Carbon-Based Nanostructures"인, 2009년 7월 31일에 출원된 미국 가출원 제61/230,267호; 및 발명의 명칭이 "Systems and Methods for Enhancing Growth of Carbon-Based Nanostructures"인, 2009년 11월 25일에 출원된 미국 가출원 제61/264,506호(이들 각각은 그 전문이 본원에 참고로 인용된다).
하기 실시예는 본 발명의 특정 실시양태들을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 전체 범위를 예시하는 것이 아니다.
<실시예>
실시예 1
본 실시예는 CNT 및 전도성 중합체의 2상 복합체의 2차가공을 보여준다. 2차가공 방법은 도 19에 개략적으로 나타나 있으며, 여기서는 (1) 탄소 나노튜브를 규소 기재 상에 성장시키고, (2) 탄소 나노튜브 및 규소 기재 상에 컨포멀 중합체 코팅을 형성하고, (3) 코팅된 탄소 나노튜브를 기재로부터 제거하고, 및 (3) SEM, TEM, FTIR, 및 다른 방법을 사용하여 특성화를 수행한다.
다중벽 탄소 나노튜브(MWNT)를 열 화학 증착(CVD) 방법에 의해 규소 웨이퍼 상에서 전자 비임 증발에 의해 부착된 Fe/Al2O3의 얇은 촉매 층(1/10 ㎚)을 사용하여 성장시켰다. CNT 성장을 대기압에서 석영 튜브 로(22 ㎜ ID)에서 수행하였다. CNT를 얻기 위한 탄소원으로서 에틸렌을 사용하였다. 대표적인 성장 온도는 750 ℃였으며, 성장 속도는 2 마이크로미터/초였다. 전형적으로, CNT 포레스트를 1 ㎠ 규소 웨이퍼 상에 성장시켰고, 이것은 약 109-1010 CNT/㎠의 밀도를 갖는 잘 정렬된 CNT를 생성시켰다. CNT의 성장 후, H2/He 기체 혼합물을 750 ℃에서 5분 동안 플러싱하여 Si 기재로부터 CNT 어레이의 보다 손쉬운 층박리를 달성하였다.
CNT 어레이 상의 PEDOT의 증착은 산화성 화학 증착 공정(oCVD)을 사용하여 달성하였다. 간략히, CNT 어레이를 진공 챔버에 표면을 아래로 하여 두어 산화제와 접촉하게 하였다. 단순한 산화제의 가열은 기재 상으로의 그의 승화를 가능하게 하였다. 이러한 유입되는 산화제와 EDOT 단량체(증기상을 통해 공급됨)의 추가의 반응은 CNT 어레이 기재 상에 PEDOT 필름의 형성을 초래하였다. 모든 PEDOT 증착 실험은 70 ℃의 기재 온도에서 수행하였다. PEDOT 증착 후에 샘플을 이소프로판올 중에서 부드럽게 헹구어 샘플 상에 존재하는 임의의 과량의 산화제를 제거하였다.
PEDOT 코팅된 CNT 어레이의 주사 전자 횡단면 현미경사진이 도 3에 제공된다. 도 3에서 관찰되는 바와 같이, CNT 어레이의 배향 및 형태는 oCVD PEDOT 코팅 공정에 의해 방해받지 않았다. 각 개별 CNT가 PEDOT로 코팅되었음을 확인하기 위하여, 이들 CNT를 기재로부터 제거하여 이소프로판올 중에 분산시키고, 고해상도 경검법을 수행하였다. 분산된 CNT의 고배율 상은 PEDOT 증착 후 개별 CNT의 직경이 30 ㎚이어서(도 4) 각 나노튜브 주위에 10 ㎚ PEDOT 코팅이 있음을 의미한다는 것을 보여주었다.
CNT 주위에 PEDOT의 존재를 추가로 확인하기 위하여, 에너지 분산성 분석(EDS)을 PEDOT 코팅된 CNT 어레이의 길이를 따라 수행하였다. 황의 라인 프로파일과 함께 PEDOT 코팅된 CNT 어레이의 현미경사진을 각각 도 5 및 6에 제공한다. 분석은 어레이의 길이를 따른 황의 존재를 보여주었다. 추가로, 황의 농도는 어레이의 길이를 따라 균일한 것으로 밝혀졌다(도 6). 여기서는 황이 단지 복합체의 PEDOT 성분으로부터만 온다는 것을 주목할 만하다.
증착전(도 7) 및 증착 후(도 8)의 투과 전자 현미경검법은 또한 CNT가 PEDOT로 코팅되었음을 보여주었다. 각 튜브의 연부에서의 두꺼운 코팅은 CNT 주위의 PEDOT의 존재를 의미한다(도 8). 도 8에 삽입사진으로 보여준 고배율 TEM 상은 CNT의 중심과 연부 사이의 두께 대비를 보여준다.
PEDOT가 CNT를 컨포멀 코팅하였음에 대한 추가적인 증거는 CNT 어레이를 지지하는 규소 기재 상에 PEDOT의 존재의 관찰로부터 오는데, 이는 임의의 탄소 나노튜브가 없는 기재의 영역에서만 관찰되었다(본 실시예에서는, 1 % 부피 비율의 CNT가 80 ㎚의 튜브간 거리를 가졌다). CNT의 제거 후 규소 기재 상에서의 PEDOT의 존재를 보여주는 현미경사진이 도 9에 나타난다. 관찰된 점 패턴은 기재 상의 PEDOT의 존재를 나타낸다. 규소 기재의 FT-IR 분석은 기재 상의 PEDOT의 존재를 확인하였다. 규소 기재(탄소 나노튜브를 지지)의 상부의 PEDOT 코팅의 FTIR 스펙트럼의 원래의 규소 웨이퍼 상에 증착된 표준 PEDOT 필름의 FTIR 스펙트럼과의 비교를 도 10에 제공한다. 도 10에서 관찰되는 바와 같이, 탄소 나노튜브를 지지하는 규소 기재 상에 존재하는 PEDOT의 스펙트럼은 PEDOT 필름에서 전형적으로 관찰되는 모드를 보여주었다. 도 10에 나타낸 스펙트럼에서는 689 ㎝-1, 842 ㎝-1, 및 979 ㎝-1에서 C-S 결합의 진동 모드 및 922 ㎝-1에서 에틸렌디옥시 고리 변형 모드가 관찰되었다. 890 ㎝-1에서 C-H 모드의 부재는 중합이 2 및 5번 위치에서 일어났음을 보여주었다.
도 17은 (i) 코팅되지 않은 탄소 나노튜브, (ii) PEDOT-코팅된 탄소 나노튜브, 및 (iii) PEDOT를 포함하는 다양한 표면 상에서의 물 액적의 접촉각 측정 상을 보여준다. 결과로 얻은 접촉각 측정은 PEDOT 코팅된 1 % 부피 비율 CNT의 소수성은 1 % 부피 비율 CNT(125 °) 및 PEDOT 코팅된 규소(65 °)와 비교시 중간(93 °)이었음을 입증하였다(도 17). 코팅된 탄소 나노튜브의 습윤 거동은 또한 방향 의존적일 것으로 예상된다.
실시예 2
본 실시예는 3상 복합체의 2차가공을 설명한다.
CNT 어레이 상에 PEDOT의 증착 후에, 2상 복합체를 에폭시의 푸울로 하강시키고 경화시켜 3상 복합체(CNTS, PEDOT 및 에폭시를 포함)를 얻었다. CNT 포레스트를 이축 압축한 다음 PEDOT로 코팅하였다. 이어서 PEDOT 코팅된 포레스트를 경화되지 않은 에폭시의 푸울 내로 하강시켰다. 에어로 등급의 에폭시, RTM 6(에폭시는 90 ℃에서 33 cP의 점도를 가짐)을 이러한 목적에 사용하였다. 에폭시는 모세관 구동된 습윤을 통해 CNT 어레이 내로 주입되었다. 에폭시의 주입 후, 전체 복합체를 공기 중에서 200 ℃에서 경화하였다. 얻어진 그대로의 CNT 어레이를 1 % 부피 비율로 언급하고, 치밀화된 CNT 어레이를 5 %, 8 % 및 20 % 부피 비율이라 하였다. 부피 비율에 상응하는 컨포멀 코팅된 나노구조물들 사이의 튜브간 거리를 도 13에 제공한다. 본 실시예에서 사용된 "튜브간 거리"는 두 인접하는 컨포멀 코팅된 나노구조물의 외부 표면들(예를 들면, 컨포멀 코팅의 외부 표면) 사이의 거리를 말한다.
도 16은 추가의 에폭시 층이 코팅된 탄소 나노튜브 상에 및 사이에 형성되어 있는, PEDOT로 컨포멀 코팅된 탄소 나노튜브를 포함하는 3상 복합체의 주사-전자 현미경사진 횡단면 상을 나타낸다. 3상 복합체를 절단하고, 횡단면을 SEM 하에 관찰하였다. 도 16에 나타낸 바와 같이, 개별 나노구조물은 3상 복합체의 2차가공 후에 관찰될 수 있다. 컨포멀 코팅된 개별 나노튜브의 직경은 약 50 ㎚인 것으로 측정되었고, 이것은 탄소 나노튜브가 응집되지 않았다, 즉 복합체 2차가공 공정 동안에 "다발을 형성하지" 않았다는 것을 이미힌다. 오히려, 개별 나노구조물의 관찰된 직경은 약 10 ㎚의 직경을 갖는 개별 탄소 나노튜브, 약 10 ㎚의 두께를 갖는 개별 탄소 나노튜브 상에 형성된 PEDOT 코팅(코팅된 나노튜브의 전체 외부 직경이 약 30 ㎚이게 함), 및 에폭시 성분의 존재를 보여주었다.
실시예 3
본 실시예는 2지점 프로브 전기 측정을 사용하여 PEDOT 코팅된 CNT 3상 복합체의 전기적 특성화를 입증한다.
복합체의 전기적 거동을 이해하기 위하여, 온도에 따른 복합체의 저항 변화를 연구하였다. 저항 측정은 임의의 추가적인 금속 접촉 패드의 사용 없이 2지점 프로브 측정을 사용하여 수행하였다. 이어서 얻어진 저항을 전도율로 변환하였다. 도 11은 (a) 2상 복합체 및 (b) 3상 복합체를 개략적으로 나타내며, 이 때 반경 방향을 화살표로 나타낸다. 도 14는 (a) 2상 복합체 및 (b) 3상 복합체를 개략적으로 나타내며, 이 때 축 방향을 화살표로 나타낸다.
반-무한 샘플을 위해, 고유저항(ρ)은 관계식 ρ=RA /L을 사용하여 저항(R)으로부터 얻을 수 있다. 여기서, L은 프로프 사이의 거리이고, 및 A는 횡단면적이다. 이어서 전도율은 관계식 σ=1/ρ을 사용하여 고유저항으로부터 얻을 수 있다. 복합체 샘플의 반경 방향(CNT 긴 축에 횡방향)에 따른 데이타(도 11)는 온도에 따른 고유저항의 변동이 VRH 모델을 따르고, 고유저항은 T-1/3에 비례하였음을 보여주었다. VRH 가변 범위 홉핑 모델에 따라, 전도율은 전하 운반체의 홉핑에 의해 발생되고, 고유저항(ρ)는 하기 온도에 따른 관계식: ρ=ρ0 e{(T0/T)^[1/(n+1)]}을 따른다. 여기서, T0은 특징적인 온도이고, n은 전도의 차수이다. 온도에 따른 고유저항의 변동은 n=3일 때 가장 잘 핏팅되는 것으로 관찰된다. 이 결과는 복합체 내 반경 방향을 따른 전도율이 2차원임을 나타내었다.
반경 방향에서 온도의 역수와 전도율의 변동에 대한 아레니우스 플롯(도 12a)은 이동 전하 운반체의 생성에 요구되는 활성화 에너지는 부피 비율에 반비례(즉, 튜브간 거리에 비례)함을 보여주었다. 이 활성화 에너지(도 12b)는 또한 2상 복합체와 비교하였을 때 3상 복합체에서 더 낮았다. 추가로, 2상과 3상 복합체 사이의 활성화 에너지의 감소는 보다 높은 부피 비율의 복합체와 비교하여 보다 낮은 부피 비율의 복합체에서 더 높았다. 복합체의 부피 비율이 증가함에 따라(즉, 튜브간 거리가 감소함에 따라), 활성화 에너지에 미치는 전도성 중합체의 도입 효과는 튜브간 거리의 감소로 인하여 관찰된 값보다 더 낮을 것으로 예상되었다. 반경 방향에서 온도에 따른 고유저항의 변동(도 12c)은 전도율이 이들 복합체에서 3차원임을 나타낸다.
대조적으로, 축 방향에서, 전도는 주로 CNT의 길이를 따라 있다(도 15a). 따라서, 활성화 에너지는 튜브간 거리의 변동에 따라 상당히 변할 것으로 예상되지 않았다. 도 15b에 나타낸 바와 같이, 활성화 에너지는 3상 복합체와 비교하여 2상 복합체에서 더 낮았다. 전도성 중합체의 도입은 또한 전도율에의 기여가 CNT 그자체에 의해 좌우되기 때문에 활성화 에너지를 변화시킬 것으로 예상되지 않았다. 도 15c는 축 방향에서의 온도의 함수로서의 다양한 복합체의 고유저항의 플롯을 보여준다. 축 방향에서의 활성화 에너지는 반경 방향에서 관찰된 것들보다 상당히 더 낮은 것으로 밝혀졌다(도 12c). 활성화 에너지는 모든 샘플에 대하여 매우 낮은 것으로 밝혀졌다(0.009 내지 0.098 eV)(도 13).
본 분석은 복합체가 방향 의존적 거동을 나타내고, CNT 포레스트의 정렬이 전도성 중합체 증착 공정에 의해 방해받지 않았음을 나타냈다. CNT 포레스트의 습윤 거동은 또한 방향 의존적인 것으로 밝혀졌다.
실시예 4
본 실시예는 Al 클로쓰(예를 들면, 섬유), 탄소 나노튜브 및 PEDOT 컨포멀 코팅을 포함하는 3상 복합체의 2차가공을 설명한다. 본원에 설명된 방법을 사용하여, Al 클로쓰 상에 탄소 나노튜브를 성장시킨 다음 탄소 나노튜브 및 Al 클로쓰를 PEDOT로 컨포멀 코팅하여 3상 복합체를 2차가공하였다. 도 18a는 컨포멀 중합체 코팅 없이 탄소 나노튜브를 갖는 Al 클로쓰의 SEM 상을 나타낸다. 도 18b는 PEDOT로 컨포멀 코팅 전(왼쪽 상) 및 PEDOT로 컨포멀 코팅 후(오른쪽 상)의 탄소 나노튜브를 갖는 Al 클로쓰의 SEM 상을 나타낸다.
본 발명의 몇몇 실시양태들을 본원에서 설명하고 예시하였지만, 당 업계의 통상의 숙련인들은 본원에 설명된 결과 및(또는) 이점들 중 하나 이상을 얻고(얻거나) 기능을 수행하기 위하여 다른 다양한 수단 및(또는) 구조물을 쉽게 계획할 수 있을 것이고, 이러한 각각의 변화 및(또는) 변형은 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 간주된다. 보다 일반적으로, 당 업계의 통상의 숙련인은 본원에 설명된 모든 파라미터, 치수, 물질 및 형태가 예시적인 것으로 실제 파라미터, 치수, 물질 및(또는) 형태는 본 발명의 교시 내용이 사용되는 특정 적용분야 또는 적용분야들에 의존할 것임을 쉽게 알 수 있을 것이다. 당 업계의 통상의 숙련인은 본원에 설명된 본 발명의 특정 실시양태에 대한 많은 등가물들을 일상적인 실험을 사용하여 인식 또는 확인할 수 있을 것이다. 그러므로, 상기한 실시양태들은 단지 예로서 제공되고, 첨부된 특허 청구의 범위 및 이에 대한 등가물의 범위 내에서, 본 발명은 구체적으로 설명되고 청구된 바와 다르게 실행될 수 있음을 이해해야 한다. 본 발명은 본원에 설명된 각 개별 특징, 시스템, 물품, 물질, 키트 및(또는) 방법에 관한 것이다. 또한, 이러한 특징, 시스템, 물품, 물질, 키트 및(또는) 방법이 상호 모순되지 않는다면, 2개 이상의 이러한 특징, 시스템, 물품, 물질, 키트 및(또는) 방법들의 임의의 조합은 본 발명의 범위 내에 포함된다.
본원의 명세서 및 청구범위에 사용된 부정 관사 "a" 및 "an"은 분명하게 반대로 지시되지 않는다면, "하나 이상"을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
본원의 명세서 및 청구범위에 사용된 구 "및(또는)"은 이렇게 결합되는 요소들 중 "어느 하나 또는 둘 모두"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다, 즉 요소들이 일부 경우에는 결합적으로 존재하고 다른 경우엔 비결합적으로 존재한다. 분명하게 다르게 지시되지만 않는다면, 구체적으로 명시된 요소들과 관련되거나 또는 관련되지 않거나 관계없이, "및(또는)" 절에 의해 구체적으로 명시되는 요소들 외에 다른 요소들이 임의로 존재할 수 있다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A 및(또는) B"에 대한 언급은 "포함하는"과 같은 개방형 언어와 함께 사용되었을 때, 한 실시양태에서는 B 없이 A(임의로 B 이외의 요소들을 포함); 다른 실시양태에서는 A없이 B(임의로 A 이외의 요소들을 포함); 또 다른 실시양태에서는 A와 B 모두(임의로 다른 요소들을 포함) 등을 말할 수 있다.
본원의 명세서 및 청구범위에 사용된 "또는"은 상기 정의한 바와 같은 "및(또는)"과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들면, 목록에서 품목을 분리할 때, "또는" 또는 "및(또는)"은 포괄적인 것으로 해석되어야 한다, 즉 요소들의 목록 또는 수의 하나 이상, 뿐만 아니라 하나 초과를 포함하고 임의로 추가의 목록에 적혀있지 않은 품목들도 포함한다. 단지 반대로 분명하게 지시되는 용어, 예를 들면 "~중 오직 하나" 또는 "~중 정확히 하나" 또는 특허 청구의 범위에 사용될 때, "~로 이루어지는"은 요소들의 목록 또는 수 중 정확히 하나의 요소의 포함을 말할 것이다. 일반적으로, 본원에 사용된 용어 "또는"은 "어느 하나", "~중 하나", "~중 오직 하나" 또는 "~중 정확히 하나"와 같이 배타성을 갖는 용어가 선행될 때 배타적인 대안(즉, "~중 어느 하나지만 둘 모두는 아님")을 나타내는 것으로 해석될 것이다. 특허 청구의 범위에서 사용될 때, "본질적으로 ~로 이루어지는"은 특허법 분야에서 사용될 때 그의 원래의 의미를 가질 것이다.
본원의 명세서 및 청구범위에 사용된, 하나 이상의 요소들의 목록을 언급할 때의 구 "적어도 하나"는 요소들의 목록 중 임의의 하나 이상의 요소들로부터 적어도 하나의 요소가 선택됨을 의미하는 것으로 반드시 구체적으로 열거된 각 요소 및 모든 요소들 중 적어도 하나를 포함해야 하는 것은 아니고, 요소들의 목록 내의 요소들의 임의의 조합을 배제하는 것도 아니다. 이 정의는 또한 구체적으로 명시된 요소들과 관련되거나 또는 관련되지 않거나 관계없이, 구 "적어도 하나"가 언급하는 요소들의 목록 내에 구체적으로 명시된 요소들 이외의 요소들이 임의로 존재할 수 있음을 허용한다. 따라서, 비제한적인 예로서 "A 및 B 중 적어도 하나"(또는 동등하게, "A 또는 B 중 적어도 하나", 또는 동등하게 "A 및(또는) B 중 적어도 하나")는 한 실시양태에서는, B가 존재하지 않는 하나 이상(임의로 하나 초과를 포함)의 A(및 임의로 B외의 요소들을 포함); 다른 실시양태에서는, A가 존재하지 않는 하나 이상(임의로 하나 초과를 포함)의 B(및 임의로 A외의 요소들을 포함); 또 다른 실시양태에서, 하나 이상(임의로 하나 초과를 포함)의 A 및 하나 이상(임의로 하나 초과를 포함)의 B(및 임의로 다른 요소들을 포함); 등을 말할 수 있다.
상기한 명세서에서 뿐만 아니라 특허 청구의 범위에서, 모든 전환 어구, 예를 들면 "구성하는", "포함하는", "운반하는", "갖는", "함유하는", "관련되는", "보유하는" 등은 개방적으로, 즉 포함하지만 이들로 제한되지는 않는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 단지 전환 어구 "~로 이루어지는" 및 "본질적으로 ~로 이루어지는"은 특허 심사 절차, 섹션 2111.03의 미국 특허청 매뉴얼에 기재된 바와 같이, 각각 폐쇄식 또는 반-폐쇄식 전환 어구일 것이다.

Claims (126)

  1. 적어도 일부가 10 마이크로미터 이상의 길이를 갖고, 나노구조물의 긴 축들이 서로에 대하여 실질적으로 정렬되는 다수의 나노구조물; 및
    나노구조물에 부착된 컨포멀(conformal) 중합체 코팅
    을 포함하며, 나노구조물이 본질적으로 동일한 조건 하에서, 중합체 코팅을 갖지 않는 본질적으로 동일한 나노구조물의 형태와 실질적으로 유사한 형태를 갖는 물품.
  2. 적어도 일부가 20 ㎚ 미만의 직경을 갖고, 나노구조물의 긴 축들이 서로에 대하여 실질적으로 정렬되는 다수의 나노구조물; 및
    나노구조물에 부착된 컨포멀 중합체 코팅
    을 포함하며, 나노구조물이 본질적으로 동일한 조건 하에서, 중합체 코팅을 갖지 않는 본질적으로 동일한 나노구조물의 형태와 실질적으로 유사한 형태를 갖는 물품.
  3. 나노구조물의 긴 축들이 서로에 대하여 실질적으로 정렬되고 나노구조물이 108/㎠ 이상의 밀도를 갖는 다수의 나노구조물; 및
    나노구조물에 부착된 컨포멀 중합체 코팅
    을 포함하며, 나노구조물이 본질적으로 동일한 조건 하에서, 중합체 코팅을 갖지 않는 본질적으로 동일한 나노구조물의 형태와 실질적으로 유사한 형태를 갖는 물품.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨포멀 중합체 코팅이 전도성 중합체를 포함하는 물품.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전도성 중합체가 폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리아세틸렌, 폴리페닐렌 또는 그의 공중합체를 포함하는 물품.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전도성 중합체가 폴리피롤, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(티오펜-3-아세트산)(PTAA) 또는 그의 공중합체를 포함하는 물품.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨포멀 중합체 코팅이 절연 중합체를 포함하는 물품.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연 중합체가 테플론(TEFLON)®, 폴리(글리시딜 메타크릴레이트), 폴리(말레산 무수물-alt-스티렌), 폴리[말렌산 무수물-co-디메틸 아크릴아미드-co-디(에틸렌 글리콜) 디비닐 에테르], 폴리(푸르푸릴 메타크릴레이트), 폴리(비닐 피롤리돈), 폴리(파라-크실릴렌), 폴리(디메틸아미노메틸 스티렌), 폴리(프로파르길 메타크릴레이트), 폴리(메타크릴산-co-에틸 아크릴레이트), 폴리(퍼플루오로알킬 에틸 메타크릴레이트), 폴리(퍼플루오로데실 아크릴레이트), 폴리(트리비닐트리메톡시시클로트리실록산), 폴리(푸르푸릴 메타크릴레이트), 폴리(시클로헥실 메타크리에이트-co-에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트), 폴리(펜타플루오로페닐 메타크릴레이트), 폴리(펜타플루오로페닐 메타크릴레이트-co-에틸렌 글리콜 디아크릴레이트), 폴리(메타크릴산-co-에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트), 폴리(메틸 메타크릴레이트), 및 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 중 하나 이상을 포함하는 물품.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨포멀 중합체가 자극-반응성 중합체를 포함하는 물품.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자극-반응성 중합체가 히드로겔을 포함하는 물품.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히드로겔이 폴리(2-히드록시에틸 메타크릴레이트), 폴리(2-히드록시에틸 메타크릴레이트-co-에틸렌 글리콜 디아크릴레이트), 폴리(메타크릴산-co-에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트), 폴리(파라-크실릴렌) 및 폴리(트리비닐트리메틸시클로트리실록산) 중 하나 이상을 포함하는 물품.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자극-반응성 중합체가 pH 변화에 반응성인 물품.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자극-반응성 중합체가 온도 변화에 반응성인 물품.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자극-반응성 중합체가 중합체가 노출되는 전자기선의 파장 변화에 반응성인 물품.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자극-반응성 중합체가 화학 종의 농도 변화에 반응성인 물품.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중합체가 제1 자극 조건에 노출시 제1 치수를 갖고,
    중합체가 제1 자극 조건과는 상이한 제2 자극 조건에 노출시 제1 치수와는 상이한 제2 치수를 갖는 물품.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨포멀 코팅된 나노구조물이 제1 자극 조건에 노출시 인접하는 나노구조물들 사이의 제1 평균 거리를 갖고,
    상기 컨포멀 코팅된 나노구조물이 제1 자극 조건과는 상이한 제2 자극 조건에 노출시 제1 평균 거리와는 상이한 인접하는 나노구조물들 사이의 제2 평균 거리를 갖는 물품.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 다수의 나노구조물과 결합된 하나 이상의 지지 물질을 추가로 포함하는 물품.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 물질이 단량체, 중합체, 섬유 또는 금속을 포함하는 물품.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 나노구조물이 기재 상에 배열되는 물품.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기재가 실질적으로 편평한 표면을 포함하는 물품.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기재가 실질적으로 비평면 표면을 포함하는 물품.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기재가 알루미나, 규소, 탄소, 세라믹 또는 금속을 포함하는 물품.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기재가 섬유, 토우, 또는 직조물인 물품.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물이 나노튜브를 포함하는 물품.
  26. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물이 나노섬유를 포함하는 물품.
  27. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물이 나노와이어를 포함하는 물품.
  28. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물이 탄소-기반 나노구조물을 포함하는 물품.
  29. 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소-기반 나노구조물이 탄소 나노튜브를 포함하는 물품.
  30. 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물품 내에서의 나노구조물의 부피 비율이 약 0.01 % 이상인 물품.
  31. 제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물품 내에서의 나노구조물의 부피 비율이 약 0.05 % 이상인 물품.
  32. 제1항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물품 내에서의 나노구조물의 부피 비율이 약 0.5 % 이상인 물품.
  33. 제1항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물품 내에서의 나노구조물의 부피 비율이 약 1 % 이상인 물품.
  34. 제1항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물품 내에서의 나노구조물의 부피 비율이 약 5 % 이상인 물품.
  35. 제1항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물품 내에서의 나노구조물의 부피 비율이 약 10 % 이상인 물품.
  36. 제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물품 내에서의 나노구조물의 부피 비율이 약 20 % 이상인 물품.
  37. 제1항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물품 내에서의 나노구조물의 부피 비율이 약 40 % 이상인 물품.
  38. 제1항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물품 내에서의 나노구조물의 부피 비율이 약 60 % 이상인 물품.
  39. 제1항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물품 내에서의 나노구조물의 부피 비율이 약 70 % 이상인 물품.
  40. 제1항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물품 내에서의 나노구조물의 부피 비율이 약 75 % 이상인 물품.
  41. 제1항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물품 내에서의 나노구조물의 부피 비율이 약 78 % 이상인 물품.
  42. 제1항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물이 75 ㎚ 이하의 평균 직경을 갖는 물품.
  43. 제1항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물이 50 ㎚ 이하의 평균 직경을 갖는 물품.
  44. 제1항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물이 25 ㎚ 이하의 평균 직경을 갖는 물품.
  45. 제1항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물이 10 ㎚ 이하의 평균 직경을 갖는 물품.
  46. 제1항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 나노구조물들이 각각 긴 축에 수직인 두 직교하는 방향 각각에서 인접하는 나노구조물들 사이의 평균 거리보다 10배 이상 더 큰 거리로 연장되는 물품.
  47. 제1항 내지 제46항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 나노구조물들이 각각 긴 축에 수직인 두 직교하는 방향 각각에서 인접하는 나노구조물들 사이의 평균 거리보다 100배 이상 더 큰 거리로 연장되는 물품.
  48. 제1항 내지 제47항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 나노구조물들이 각각 긴 축에 수직인 두 직교하는 방향 각각에서 인접하는 나노구조물들 사이의 평균 거리보다 1000배 이상 더 큰 거리로 연장되는 물품.
  49. 제1항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물들 사이의 평균 거리가 약 80 ㎚ 미만인 물품.
  50. 제1항 내지 제49항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물들 사이의 평균 거리가 약 60 ㎚ 미만인 물품.
  51. 제1항 내지 제50항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물들 사이의 평균 거리가 약 40 ㎚ 미만인 물품.
  52. 제1항 내지 제51항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물들 사이의 평균 거리가 약 30 ㎚ 미만인 물품.
  53. 제1항 내지 제52항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물들 사이의 평균 거리가 약 20 ㎚ 미만인 물품.
  54. 제1항 내지 제53항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물들 사이의 평균 거리가 약 10 ㎚ 미만인 물품.
  55. 제1항 내지 제54항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물들 사이의 평균 거리가 약 5 ㎚ 미만인 물품.
  56. 제1항 내지 제55항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물품이 커패시터의 부품인 물품.
  57. 제1항 내지 제56항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물품이 센서의 부품인 물품.
  58. 제1항 내지 제57항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물품이 필터의 부품인 물품.
  59. 적어도 일부가 10 마이크로미터 이상의 길이를 갖고, 나노구조물의 긴 축들이 서로에 대하여 실질적으로 정렬되는 다수의 나노구조물을 제공하는 단계; 및
    다수의 나노구조물 상에 중합체 물질을 포함하는 컨포멀 코팅을 형성하는 단계
    를 포함하는 물질의 제조 방법.
  60. 제59항에 있어서, 상기 제공 단계가
    기재의 표면 상에 다수의 나노구조물들을 성장시키는 것을 포함하고, 여기서 나노구조물들의 긴 축들이 기재 표면에 비-평행하게 실질적으로 정렬되어 나노구조물들의 긴 축에 의해 형성되는 두께를 갖는 나노구조물들의 조립체를 형성하는 것을 포함하는 방법.
  61. 제59항 또는 제60항에 있어서, 상기 기재가 실질적으로 편평한 표면을 포함하는 방법.
  62. 제59항 내지 제61항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기재가 실질적으로 비평면 표면을 포함하는 방법.
  63. 제59항 내지 제62항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기재가 알루미나, 규소, 탄소, 세라믹 또는 금속을 포함하는 방법.
  64. 제59항 내지 제63항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기재가 섬유, 토우 또는 직조물인 방법.
  65. 제59항 내지 제64항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기재가 가시광 및(또는) 적외선에 실질적으로 투명한 방법.
  66. 제59항 내지 제65항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 형성 단계가 화학 증착(CVD)을 포함하는 방법.
  67. 제59항 내지 제66항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 형성 단계가 건식 화학 증착을 포함하는 방법.
  68. 제59항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 형성 단계가 산화 화학 증착(oCVD)을 포함하는 방법.
  69. 제59항 내지 제68항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 형성 단계가 개시된 화학 증착(iCVD)을 포함하는 방법.
  70. 제59항 내지 제69항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 형성 단계 이전에, 각 나노구조물이 함께 인접하는 나노구조물들 사이의 제1 평균 거리를 형성하도록 하는 거리로 인접하는 나노구조물에 대하여 위치하고, 형성 단계 후에, 각 나노구조물은 함께 인접하는 나노구조물들 사이의 제2 평균 거리를 형성하도록 하는 거리로 인접하는 나노구조물에 대하여 위치하고,
    여기서, 제1 및 제2 평균 거리는 실질적으로 동일한 방법.
  71. 제59항 내지 제70항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 형성 단계 이전에, 각 나노구조물이 함께 인접하는 나노구조물들 사이의 제1 평균 거리를 형성하도록 하는 거리로 인접하는 나노구조물에 대하여 위치하고, 형성 단계 후에, 각 나노구조물은 함께 인접하는 나노구조물들 사이의 제2 평균 거리를 형성하도록 하는 거리로 인접하는 나노구조물에 대하여 위치하고,
    여기서, 제1 및 제2 평균 거리는 실질적으로 상이한 방법.
  72. 제59항 내지 제71항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 나노구조물이 인접하는 나노구조물들 사이의 평균 거리를 갖고,
    입자들의 제1 집단 및 입자들의 제2 집단을 함유하는 유체의 흐름을 확립하는 단계(여기서,
    제1 집단은 인접하는 나노구조물들 사이의 평균 거리보다 더 큰 최대 횡단면 치수를 갖는 입자를 포함하고, 및
    제2 집단은 인접하는 나노구조물들 사이의 평균 거리보다 더 작은 최대 횡단면 치수를 갖는 입자를 포함); 및
    유체를 나노구조물을 통해 흘려보냄으로써 제2 입자 집단으로부터 제1 입자 집단을 적어도 부분적으로 분리해내는 단계
    를 추가로 포함하는 방법.
  73. 제59항 내지 제72항 중 어느 한 항에 있어서,
    다수의 나노구조물들을 제1 자극 조건에 노출시켜 인접하는 나노구조물들 사이의 제1 평균 거리를 확립하는 단계, 및
    다수의 나노구조물들을 제1 자극 조건과는 상이한 제2 자극 조건에 노출시켜 인접하는 나노구조물들 사이의 제2 평균 거리를 확립하는 단계
    를 추가로 포함하는 방법.
  74. 제59항 내지 제73항 중 어느 한 항에 있어서,
    다수의 나노구조물들을 제1 자극 조건에 노출시켜 인접하는 나노구조물들 사이의 제1 평균 거리를 확립하는 단계, 및
    입자들의 제1 집단 및 입자들의 제2 집단을 함유하는 유체의 흐름을 확립하는 단계(여기서,
    제1 집단은 인접하는 나노구조물들 사이의 제1 평균 거리보다 더 큰 최대 횡단면 치수를 갖는 입자를 포함하고, 및
    제2 집단은 인접하는 나노구조물들 사이의 제1 평균 거리보다 더 작은 최대 횡단면 치수를 갖는 입자를 포함); 및
    유체를 나노구조물을 통해 흘려보낼 때 제2 및 제3 입자 집단으로부터 제1 입자 집단을 적어도 부분적으로 분리해내는 단계
    를 추가로 포함하는 방법.
  75. 제59항 내지 제74항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체가 제2 집단 내 입자들보다 작은 최대 횡단면 치수를 갖는 입자들로 된 제3 집단을 추가로 포함하고,
    다수의 나노구조물들을 제1 자극 조건과 상이한 제2 자극 조건에 노출시켜 제2 집단 내 입자들의 최대 횡단면 치수보다 작고 제3 집단 내 입자들의 최대 횡단면 치수보다 더 큰, 인접하는 나노구조물들 사이의 제2 평균 거리를 확립하는 단계;
    입자들의 제2 및 제3 집단을 함유하는 유체의 흐름을 확립하는 단계; 및
    유체를 나노구조물을 통해 흘려보낼 때 제3 입자 집단으로부터 제2 입자 집단을 적어도 부분적으로 분리해내는 단계
    를 추가로 포함하는 방법.
  76. 제59항 내지 제75항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 자극 조건 중 적어도 하나가 전자기선의 파장을 포함하는 방법.
  77. 제59항 내지 제76항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 자극 조건 중 적어도 하나가 pH를 포함하는 방법.
  78. 제59항 내지 제77항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 자극 조건 중 적어도 하나가 온도를 포함하는 방법.
  79. 제59항 내지 제78항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 자극 조건 중 적어도 하나가 수분량을 포함하는 방법.
  80. 제59항 내지 제79항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 자극 조건 중 적어도 하나가 화학 종의 농도를 포함하는 방법.
  81. 제59항 내지 제80항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 집단이 실질적으로 완전히 분리된 방법.
  82. 제59항 내지 제81항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 및 제3 집단이 실질적으로 완전히 분리된 방법.
  83. 제59항 내지 제82항 중 어느 한 항에 있어서,
    나노구조물의 긴 축에 법선인 제1 성분을 갖는 제1 힘을 다수의 나노구조물에 적용하는 단계를 추가로 포함하고, 여기서 이러한 제1 압축력의 적용이 나노구조물들 사이의 평균 거리를 감소시키는 방법.
  84. 제59항 내지 제83항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각 나노구조물이 함께 인접하는 나노구조물들 사이의 평균 거리를 형성하도록 하는 거리로 인접하는 나노구조물에 대하여 위치하고, 및 다수의 나노구조물들이 각각 긴 축에 수직인 두 직교하는 방향 각각에서 인접하는 나노구조물들 사이의 평균 거리보다 10배 이상 더 큰 거리로 연장되며,
    나노구조물의 긴 축에 법선인 제1 성분을 갖는 제1 힘을 다수의 나노구조물에 적용하는 단계를 추가로 포함하고, 여기서 이러한 제1 압축력의 적용이 나노구조물들 사이의 평균 거리를 감소시키는 방법.
  85. 제59항 내지 제84항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 힘 성분이 기계적 도구를 사용하여 적용되는 방법.
  86. 제59항 내지 제85항 중 어느 한 항에 있어서, 나노구조물의 긴 축의 평균 방향에 법선이고 제1 성분과 직교하는 제2 성분을 갖는 제2 압축력을 적용하는 단계를 추가로 포함하고, 여기서 이러한 제2 압축력의 적용이 나노구조물들 사이의 평균 거리를 감소시키는 방법.
  87. 제59항 내지 제86항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물들 사이의 평균 거리가 약 25 % 이상 감소되는 방법.
  88. 제59항 내지 제87항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물들 사이의 평균 거리가 약 50 % 이상 감소되는 방법.
  89. 제59항 내지 제88항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물들 사이의 평균 거리가 약 70 % 이상 감소되는 방법.
  90. 제59항 내지 제89항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물들 사이의 평균 거리가 약 80 % 이상 감소되는 방법.
  91. 제59항 내지 제90항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물들 사이의 평균 거리가 약 90 % 이상 감소되는 방법.
  92. 제59항 내지 제91항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물들 사이의 평균 거리가 약 95 % 이상 감소되는 방법.
  93. 제59항 내지 제92항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 힘 성분이 기계적 도구를 사용하여 적용되는 방법.
  94. 제59항 내지 제93항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물에 하나 이상의 지지 물질을 첨가하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  95. 제59항 내지 제94항 중 어느 한 항에 있어서,
    지지 물질 전구체가 나노구조물들 사이에서 운송되도록 다수의 나노구조물에 지지 물질 전구체를 적용하는 단계; 및
    지지 물질을 고화시켜 나노복합 물질을 형성하는 단계를
    추가로 포함하는 방법.
  96. 제59항 내지 제95항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 물질 전구체가 모세관력에 의해 나노구조물들 사이에서 운송되는 방법.
  97. 제59항 내지 제96항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 물질이 단량체, 중합체, 섬유 또는 금속인 방법.
  98. 제59항 내지 제97항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 물질의 고화가 지지 물질을 중합시키는 것을 포함하는 방법.
  99. 제59항 내지 제98항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 나노구조물들이 각각 긴 축에 수직인 두 직교하는 방향 각각에서 인접하는 나노구조물들 사이의 평균 거리보다 10배 이상 더 큰 거리로 연장되는 방법.
  100. 제59항 내지 제99항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 나노구조물들이 각각 긴 축에 수직인 두 직교하는 방향 각각에서 인접하는 나노구조물들 사이의 평균 거리보다 100배 이상 더 큰 거리로 연장되는 방법.
  101. 제59항 내지 제100항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 나노구조물들이 각각 긴 축에 수직인 두 직교하는 방향 각각에서 인접하는 나노구조물들 사이의 평균 거리보다 1000배 이상 더 큰 거리로 연장되는 방법.
  102. 제59항 내지 제101항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 나노구조물들이 기재 상에 배열되고,
    나노구조물을 화학 시약에 노출시켜 나노구조물이 기재로부터 층박리되도록 하는 단계
    를 추가로 포함하는 방법.
  103. 제59항 내지 제102항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물의 화학 시약에의 노출이 나노구조물을 수소에 노출시키는 것을 포함하는 방법.
  104. 제59항 내지 제103항 중 어느 한 항에 있어서, 나노구조물을 어닐링하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  105. 제59항 내지 제104항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물질이 물질의 제1 치수를 따라 제1 성질 및 물질의 제2 치수를 따라 제2의 상이한 성질을 포함하는 방법.
  106. 제59항 내지 제105항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물이 나노튜브를 포함하는 방법.
  107. 제59항 내지 제106항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물이 나노섬유를 포함하는 방법.
  108. 제59항 내지 제107항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물이 나노와이어를 포함하는 방법.
  109. 제59항 내지 제108항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물이 탄소-기반 나노구조물을 포함하는 방법.
  110. 제59항 내지 제109항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소-기반 나노구조물이 탄소 나노튜브를 포함하는 방법.
  111. 제59항 내지 제110항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물이 75 ㎚ 이하의 평균 직경을 갖는 방법.
  112. 제59항 내지 제111항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물이 50 ㎚ 이하의 평균 직경을 갖는 방법.
  113. 제59항 내지 제112항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물이 25 ㎚ 이하의 평균 직경을 갖는 방법.
  114. 제59항 내지 제113항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노구조물이 10 ㎚ 이하의 평균 직경을 갖는 방법.
  115. 제59항 내지 제114항 중 어느 한 항에 있어서, 나노구조물을 어닐링하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  116. 제59항 내지 제115항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조립체의 두께 및 힘의 크기가 함께 나노구조물을 압축시켜 소정의 전자기선의 흡수량을 갖는 장치를 형성하도록 선택되는 방법.
  117. 제59항 내지 제116항 중 어느 한 항에 있어서, 장치가 입사 가시선의 약 90 % 이상을 흡수하도록 상기 조립체의 두께 및 힘의 크기가 함께 선택되는 방법.
  118. 제59항 내지 제117항 중 어느 한 항에 있어서, 장치가 입사 가시선의 약 95 % 이상을 흡수하도록 상기 조립체의 두께 및 힘의 크기가 함께 선택되는 방법.
  119. 제59항 내지 제118항 중 어느 한 항에 있어서, 장치가 입사 가시선의 약 99 % 이상을 흡수하도록 상기 조립체의 두께 및 힘의 크기가 함께 선택되는 방법.
  120. 제59항 내지 제119항 중 어느 한 항에 있어서, 장치가 입사 가시선의 약 99.9 % 이상을 흡수하도록 상기 조립체의 두께 및 힘의 크기가 함께 선택되는 방법.
  121. 제59항 내지 제120항 중 어느 한 항에 있어서, 장치가 입사 가시선의 약 99.99 % 이상을 흡수하도록 상기 조립체의 두께 및 힘의 크기가 함께 선택되는 방법.
  122. 제59항 내지 제121항 중 어느 한 항에 있어서, 장치가 입사 적외선의 약 90 % 이상을 흡수하도록 상기 조립체의 두께 및 힘의 크기가 함께 선택되는 방법.
  123. 제59항 내지 제122항 중 어느 한 항에 있어서, 장치가 입사 적외선의 약 95 % 이상을 흡수하도록 상기 조립체의 두께 및 힘의 크기가 함께 선택되는 방법.
  124. 제59항 내지 제123항 중 어느 한 항에 있어서, 장치가 입사 적외선의 약 99 % 이상을 흡수하도록 상기 조립체의 두께 및 힘의 크기가 함께 선택되는 방법.
  125. 제59항 내지 제124항 중 어느 한 항에 있어서, 장치가 입사 적외선의 약 99.9 % 이상을 흡수하도록 상기 조립체의 두께 및 힘의 크기가 함께 선택되는 방법.
  126. 제59항 내지 제125항 중 어느 한 항에 있어서, 장치가 입사 적외선의 약 99.99 % 이상을 흡수하도록 상기 조립체의 두께 및 힘의 크기가 함께 선택되는 방법.
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