KR20170096313A - 탄소나노튜브 구조체 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 푸아송 비(Poisson's ratio)를 쉽게 조절하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체는 인장이 작용하는 제1 축 방향에 대해서 일정 각도로 틸트되어 정렬되는 복수의 탄소나노튜브를 포함한다. 이때 복수의 탄소나노튜브의 틸트되는 각도를 조절함으로써, 음의 푸아송 비(negative Poisson's rate)를 변화시킬 수 있다.

Description

탄소나노튜브 구조체 및 그의 제조 방법{Carbon nanotube structure and manufacturing method thereof}
본 발명은 탄소나노튜브 구조체 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 푸아송 비(Poisson's ratio)를 쉽게 조절할 수 있는 탄소나노튜브 구조체 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
푸아송 비(Poisson's ratio)는 재료에 수직 응력을 주었을 때의 가로 변형과 세로 변형의 비이다. 푸아송 비는 탄성 변형 영역에서의 변형을 파악함에 있어서 중요하게 고려되는 재료의 강도 지표이다.
대부분의 재료들은 재료에 축 방향으로 인장이 가해졌을 때 그 재료가 수평 방향으로 수축되고, 축 방향으로 압축되었을 때는 수평 방향으로 확장되는 양의 푸아송 비(Positive Poisson's ratio)를 갖는다.
한편 옥세틱 재료(Auxetic materials)는 음의 푸아송 비를 갖는 재료로서 정의된다. 음의 푸아송 비를 갖는 옥세틱 재료들은 양의 푸아송 비를 갖는 재료들과는 반대의 방식으로 동작한다. 즉 재료에 축 방향으로 인장이 가해졌을 때 수평 방향으로 확장되고, 재료가 축 방향으로 압축될 때 수평 방향으로 축소된다.
일본등록특허 제5368366호는 정/부의 푸아송 비를 가지는 구조체에 관하여 개시하고 있다. 본 특허문헌은 한쪽 방향으로 정렬된 탄소나노튜브 시트의 두 층을 0에서 90도의 각도로 교차시켜 적층하는 방식으로 구조체를 제조하고, 구조체의 탄성 및 유연성을 증가시키기 위해 다양한 폴리머를 기재로 활용하여 복합재료를 형성하는 내용을 개시한다. 본 특허문헌에 의하면, 한쪽 방향으로 정렬된 탄소나노튜브 시트의 두 층 간의 교차 각도에 따라 푸아송 비를 정/부로 조절이 가능하다.
그러나 본 특허문헌은 두 층의 탄소나노튜브 시트들의 교차 각도에 따른 푸아송 비의 특성에 관하여 개시하고 않고 있다. 또한, 본 특허문헌에 개시된 구조체는 연신율에 따라 푸아송 비가 정에서 부 또는 부에서 정으로 변화하는 방식으로 동작하는데, 이러한 방식에 의하면 특정 구조체에 대해 푸아송 비를 정확히 정의하기 어렵고, 푸아송 비를 인위적으로 조절하는 것이 쉽지 않은 문제점이 있다.
일본등록특허 제5368366호(2013.09.20.)
따라서 본 발명의 목적은 푸아송 비를 쉽게 조절할 수 있는 탄소나노튜브 구조체 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 탄소나노튜브들이 한 방향으로 정렬된 탄소나노튜브 시트에서 탄소나노튜브들의 배열 방향과 인장 방향 사이의 각도 조절을 통해서 푸아송 비를 쉽게 조절할 수 있는 탄소나노튜브 구조체 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 인장이 작용하는 제1 축 방향에 대해서 일정 각도로 틸트되어 정렬되는 복수의 탄소나노튜브를 포함하는 탄소나노튜브 구조체를 제공한다. 이때 상기 복수의 탄소나노튜브의 틸트되는 각도를 조절함으로써, 음의 푸아송 비(negative Poisson's rate)를 변화시킬 수 있다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체에 있어서, 상기 복수의 탄소나노튜브의 틸트되는 각도(θ)는 0<θ≤45ㅀ 일 수 있다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체에 있어서, 상기 음의 푸아송 비는 0<θ≤45ㅀ 사이의 특정 각도에서 최대값을 가지며, 0도에서 특정 각도까지는 증가하고, 특정 각도에서 45ㅀ까지는 감소한다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체에 있어서, 상기 음의 푸아송 비는 15ㅀ≤θ≤25ㅀ 사이의 특정 각도에서 최대값을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체에 있어서, 상기 복수의 탄소나노튜브가 상기 제1 축에 수직한 제2 축 방향으로 일정 각도로 틸트된 경우, 상기 제1 및 제2 축에 수직한 제3축에 대해서는 음의 푸아송 비를 갖는다. 상기 제2 축 방향에 대해서는 양의 푸아송 비를 갖는다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체에 있어서, 상기 제1 축은 길이 방향, 상기 제2 축은 폭 방향, 상기 제3 축은 두께 방향인 시트 형태를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체에 있어서, 2% 이하의 연신율에서 최대 ??2.5의 푸아송 비를 가질 수 있다.
본 발명은 또한, 초배열 탄소나노튜브 어레이를 드로잉(drawing) 후 패킹(packing)하여 탄소나노튜브 시트를 제조하는 단계; 및 상기 탄소나노튜브 시트의 탄소나노튜브들에 인장이 작용하는 제1 축 방향에 대해서 일정 각도로 틸트되어 정렬되도록 상기 탄소나노튜브 시트를 절단하여 탄소나노튜브 구조체를 제조하는 단계;를 포함하는 탄소나노튜브 구조체의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체의 제조 방법에 있어서, 상기 탄소나노튜브 시트를 제조하는 단계에서, 드로잉된 탄소나노튜브 시트를 유기 용매에 통과시켜 모세관 현상에 의해 패킹된 탄소나노튜브 시트를 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체의 제조 방법에 있어서, 상기 유기 용매는 에탄올 또는 아세톤을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체의 제조 방법에 있어서, 상기 탄소나노튜브 구조체를 제조하는 단계에서, 패킹된 탄소나노튜브 시트를 이온 빔 밀링(ion beam milling) 또는 마이크로 토밍(micro toming) 방법으로 절단할 수 있다.
본 발명은 또한, 고분자 필름과 탄소나노튜브 구조체를 포함하는 전극을 제공한다. 상기 고분자 필름은 제1 면과, 상기 제1 면에 반대되는 제2 면을 갖는다. 그리고 상기 탄소나노튜브 구조체는 상기 고분자 필름의 제1 면 및 제2 면 중에 적어도 한 면에 부착된다.
본 발명에 따른 전극에 있어서, 상기 탄소나노튜브 구조체는 상기 고분자 필름의 제1 면에 부착된 제1 탄소나노튜브 구조체와, 상기 고분자 필름의 제2 면에 부착된 제2 탄소나노튜브 구조체를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전극에 있어서, 상기 고분자 필름은 PVDF를 포함할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 전극에 있어서, 상기 고분자 필름에 상기 탄소나노튜브 구조체는 열압착에 의해 부착될 수 있다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체는 인장 방향에 대해서는 탄소나노튜브들이 일정 각도로 틸트되어 정렬된 구조를 갖기 때문에, 음의 푸아송 비를 갖는다. 더욱이 본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체는 인장 방향에 대해서 탄소나노튜브들이 정렬된 방향, 즉 각도를 조절함으로써, 음의 푸아송 비를 쉽게 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체는 탄소나노튜브들이 일렬로 정렬된 탄소나노튜브 시트에서 탄소나노튜브들이 인장 방향에서 일정 각도로 틸트되도록 절단하는 간단한 공정을 통하여 쉽게 제조할 수 있는 이점이 있다.
본 발명은 2 % 이하의 낮은 연신율에서 일정하면서도 최대 ??2.5 정도의 매우 큰 음의 푸아송 비를 갖는 정렬된 탄소나노튜브 구조체를 구현할 수 있는 장점이 있다.
그리고 본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체는 전기전도도가 높아 그 자체로 다양한 분야에서 전극 재료로 사용할 수 있다. 예컨대 PVDF(polyvinylidene difluoride)는 압전 소재로 쓰이는 고분자로 열가소성(Thermoplastic)을 가지고 있기 때문에 열 가공이 용이하다. PVDF는 외부의 인장 및 압축에 대해 각각 다른 메커니즘으로 에너지를 발생한다. 음의 푸아송 비를 갖는 정렬된 본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체를 활용하여 "탄소나노튜브 구조체/PVDF/탄소나노튜브 구조체"의 복합재료를 형성하면, PVDF는 인장에 의해 에너지를 발생시키는 한편 탄소나노튜브 구조체가 음의 푸아송비를 가지는 특성으로부터 동시에 압축이 된다. 이로 인해 압축에 의해 추가적으로 에너지를 더 발생시킬 수 있게 되어 기존의 "PVDF/금속 소재"의 복합재에 비해 더 우수한 압전 특성을 보일 것으로 예상된다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체의 제조 방법에 따른 흐름도이다.
도 2 내지 도 4는 도 1의 제조 방법에 따른 각 단계를 보여주는 도면들이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 X축 방향으로 일정 각도로 틸트된 탄소나노튜브 구조체를 보여주는 도면이다.
도 6은 도 5의 X축 방향으로 일정 각도로 틸트된 탄소나노튜브를 보여주는 도면이다.
도 7은 도 5의 탄소나노튜브 구조체가 Z축 방향으로 인장된 경우 양의 푸아송 비에 따라 X축 방향으로 폭이 감소한 상태를 보여주는 도면이다.
도 8은 도 5의 탄소나노튜브 구조체가 Z축 방향으로 인장된 경우 음의 푸아송 비에 따라 Y축 방향으로 두께가 증가한 상태를 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 Y축 방향으로 일정 각도로 틸트된 탄소나노튜브 구조체를 보여주는 도면이다.
도 10은 모의실험에 따른 탄소나노튜브 시트를 보여주는 도면이다.
도 11은 모의실험에 다른 X축 및 Y축으로 틸트된 탄소나노튜브 구조체를 보여주는 도면이다.
도 12는 모의실험에 따른 X축 방향으로 틸트되는 각도에 따른 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체의 양의 푸아송 비의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 13은 모의실험에 따른 X축 방향으로 틸트되는 각도에 따른 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체의 음의 푸아송 비의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 제3 실시예에 따른 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체를 포함하는 전극의 제조 방법을 보여주는 도면들이다.
도 15는 비교예에 따른 전극에 인장력 및 압축력이 각각 개별적으로 작용하는 상태를 보여주는 도면이다.
도 16은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전극에 인장력과 압축력이 함께 사용하는 상태를 보여주는 도면이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
먼저 본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체의 제조 방법에 대해서 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체의 제조 방법에 따른 흐름도이다. 도 2 내지 도 4는 도 1의 제조 방법에 따른 각 단계를 보여주는 도면들이다.
먼저 도 2에 도시된 바와 같이, S51단계에서 초배열 탄소나노튜브 어레이(10; Superaligned CNT Array)를 제조한다. 즉 실리콘 소재의 웨이퍼(11) 위에 증착 공정을 통하여 탄소나노튜브들(13)을 형성하여 초배열 탄소나노튜브 어레이(10)를 제조한다.
이때 초배열 탄소나노튜브 어레이(10)의 웨이퍼(11)로는 p타입 실리콘 웨이퍼, n타입 실리콘 웨이퍼, 또는 표면에 산화층이 형성된 실리콘 웨이퍼가 사용될 수 있다. 초배열 탄소나노튜브 어레이(10)의 탄소나노튜브(13)는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브 일 수 있다. 증착 방법으로는 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD)이 사용될 수 있다.
다음으로 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, S53단계에서 초배열 탄소나노튜브 어레이(10)를 드로잉한 후 패킹하여 탄소나노튜브 시트(20)를 제조한다. 이때 패킹은 드로잉한 탄소나노튜브 시트를 유기용매에 통과시켜 모세관 현상에 의해 패킹된 탄소나노튜브 시트(20)를 제조한다. 유기용매로는 에탄올 또는 아세톤이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
패킹 공정을 완료한 탄소나노튜브 시트(20)는 탄소나노튜브들(13)이 한쪽 방향으로 정렬된 구조를 갖는다.
그리고 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, S55단계에서 인장 방향에 대해서 탄소나노튜브들(13)이 일정 각도로 틸트되게 탄소나노튜브 시트(20)를 절단함으로써, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체(30)를 제조할 수 있다. 다시 말하면, 탄소나노튜브 시트(20)에 있어서, 탄소나노튜브들이 정렬된 방향에 일정 각도로 비스듬하게 직사각형 형태로 절단함으로써, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체(30)를 제조할 수 있다. 예컨대 XYZ 좌표계에서 인장 방향이 Z축 방향이라고 할 때, 탄소나노튜브 구조체(30)는 X축 또는 Y축 방향으로 틸트된 탄소나노튜브들(13)을 구비하도록 제조할 수 있다. 이때 절단 방법으로는 이온 빔 밀링(ion beam milling) 또는 마이크로 토밍(micro toming) 방법이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 도 3에서 A는 탄소나노튜브 시트(20)가 절단되는 부분을 나타낸다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 X축 방향으로 일정 각도로 틸트된 탄소나노튜브 구조체(130)에 대해서 도 5 내지 도 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 X축 방향으로 일정 각도로 틸트된 탄소나노튜브 구조체(130)를 보여주는 도면이다. 도 6은 도 5의 X축 방향으로 일정 각도로 틸트된 탄소나노튜브(13)를 보여주는 도면이다. 여기서 도 6은 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체(130)를 XY 평면으로 바라 본 도면이다. 도 6에서 (b)는 (a)의 확대도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체(130)는 X축 방향으로 일정 각도로 틸트된 탄소나노튜브들(13)이 배열된 시트 형태의 3차원 구조체이다. 즉 탄소나노튜브들(13)은 각각 Y축에 수직한 XZ 평면 상에 위치하며, ­X축 방향으로 일정 각도로 기울어져 있다. 또한 탄소나노튜브들(13)은 X축 방향에 평행하게 Y축 방향으로 복수의 열로 배열되어 있다.
제1 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체(130)에 있어서, Y축 방향은 두께 방향이고, X축 방향은 폭 방향이고, Z축 방향은 길이 방향으로 정의한다. 이하에서는 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체(130)가 XZ 평면 상에 시트의 가장 넓은 면이 위치하는 것으로 보고 설명하도록 하겠다.
이와 같이 X축 방향으로 틸트된 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체(130)는 Z축 방향으로 인장이 작용하는 경우, 도 7 및 도 8에 따른 푸아송 비를 갖는 특성을 나타낸다.
도 7은 도 5의 탄소나노튜브 구조체(130)가 Z축 방향으로 인장된 경우 양의 푸아송 비에 따라 X축 방향으로 폭이 감소한 상태를 보여주는 도면이다. 여기서 도 7은 XZ 평면 상의 탄소나노튜브 구조체(130)를 보여주고 있으며, 도 7의 (a)는 인장되기 전, (b)는 인장 후의 탄소나노튜브 구조체(130)를 보여준다.
도 7을 참조하면, 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체(130)가 Z축 방향으로 인장되는 경우, Z축 방향으로 길이가 증가하면서 X축 방향으로 폭이 감소하는 특성을 나타낸다. 즉 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체(130)는 X축 방향에 대해서는 양의 푸아송 비를 갖는다.
도 8은 도 5의 탄소나노튜브 구조체(130)가 Z축 방향으로 인장된 경우 음의 푸아송 비에 따라 Y축 방향으로 두께가 증가한 상태를 보여주는 도면이다. 여기서 도 8은 XY 평면 상의 탄소나노튜브 구조체(130)를 보여주고 있으며, 도 8의 (a)는 인장되기 전, (b)는 인장 후의 탄소나노튜브 구조체(130)를 보여준다.
도 8을 참조하면, 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체(130)가 Z축 방향으로 인장되는 경우, Y축 방향으로 두께가 증가하는 특성을 나타낸다. 즉 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체(130)는 Y축 방향에 대해서는 음의 푸아송 비를 갖는다.
이와 같이 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체(130)는 Z축 방향으로 인장이 작용할 때, 탄소나노튜브들(13)이 틸트되는 X축 방향에 대해서는 양의 푸아송 비를 갖고, Y축 방향에 대해서는 음의 푸아송 비를 갖는다.
한편 제1 실시예에서는 X축 방향으로 일정 각도로 틸트된 탄소나노튜브 구조체(130)를 개시하였지만, 도 9에 도시된 바와 같이, Y축 방향으로 일정 각도로 틸트된 제2 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체(230)로 구현할 수 있다. 여기서 도 9는 제2 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체(230)를 XY 평면으로 바로 본 도면이다. 도 9에서 (b)는 (a)의 확대도이다.
도 9를 참조하면, 제2 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체(230)는 Y축 방향으로 일정 각도로 틸트된 탄소나노튜브들(13)이 배열된 시트 형태의 3차원 구조체이다.
제2 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체(230)는 Z축 방향으로 인장이 작용할 때, 탄소나노튜브들(13)이 틸트되는 Y축 방향에 대해서는 양의 푸아송 비를 갖고, X축 방향에 대해서는 음의 푸아송 비를 갖는다.
이와 같이 본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체는 탄소나노튜브들이 틸트되는 방향에 대해서는 양의 푸아송 비를 갖고, 틸트되는 방향 및 인장되는 방향에 수직한 방향에 대해서는 음의 푸아송 비를 갖는다.
이와 같은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체가 인장 방향에 대해서 탄소나노튜브들의 틸트되는 각도에 따라서 푸아송 비가 변화하는 것을 확인하기 위해서 아래와 같이 모의실험을 수행하였다.
도 10은 모의실험에 따른 탄소나노튜브 시트(20)를 보여주는 도면이다. 도 11은 모의실험에 다른 X축 및 Y축으로 틸트된 탄소나노튜브 구조체(130,230)를 보여주는 도면이다.
도 10을 참조하면, 탄소나노튜브 시트(20)는 내부의 탄소나노튜브들(13)이 최대 육방 조밀 구조(Hexagonal Closed Packed Structure)를 갖는다. 이때 탄소나노튜브들(13)이 인장 방향에 대해 기울어 질 수 있는 방향은, 도 11과 같이 X축 또는 Y축 방향으로 설정할 수 있다.
본 모의실험을 통해서 인장 방향에 대해서 탄소나노튜브 구조체(130,230)의 탄소나노튜브들(13)의 틸트되는 각도에 따른 푸아송 비의 변화를 계산하였다. 푸아송 비의 변화를 계산하기 위한 방법으로 분자동역학 시뮬레이션 도구인 LAMMPS(Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) 패키지를 사용하였다.
인장 방향에 대해 X축 및 Y축 방향으로 기울어진 탄소나노튜브(13)의 각도(θ)는 0ㅀ 내지 45ㅀ 사이 각도(0<θ≤45ㅀ)로 설정하여 탄소나노튜브 구조체(130,230)를 설계하였다. 탄소나노튜브(13)는 탄소나노튜브 직경과 키랄리티(chirality)에 따라 다른 형태를 가지는데, 키랄리티는 (m,n)으로 표현하였다(m, n은 정수이다). m=n 일 때, 탄소나노튜브(13)는 암체어(Armchair) 구조를 갖는다. n만 0의 값을 가질 때, 탄소나노튜브(13)는 지그재그(Zig-zag)구조를 가진다. m 및 n의 값이 클수록 탄소나노튜브(13)의 직경은 두꺼워진다.
탄소나노튜브(13) 종류에 따른 푸아송 비의 효과를 계산하기 위해 키랄리티가 각각 (4,4), (5,0), (5,5), (6,0), (6,6)인 탄소나노튜브(13)를 사용하여 탄소나노튜브 구조체(130)를 설계하였다. 탄소나노튜브 구조체(130)의 모든 방향(X, Y 및 Z(인장 방향) 방향)에는 주기경계조건(Periodic Boundary Condition)을 설정하였다.
모의실험을 위해 탄소나노튜브 구조체(130)의 모의실험에서 가장 보편적으로 사용되는 AIREBO 포텐셜을 사용하였다. 시뮬레이션 시간 간격 크기는 1.0fs로 설정하였다. 먼저 상온(300K)에서 탄소나노튜브 구조체(130)의 구조 및 에너지 안정화 과정을 100ps동안 NPT 앙상블(ensemble)을 통해 0 파스칼을 탄소나노튜브 구조체(130)에 가하는 모의실험을 진행하였다. 이 후 안정화가 된 탄소나노튜브 구조체(130)에 대해 NPT 앙상블을 인장 방향을 제외한 나머지 방향(X축 및 Y축 방향)에 0 파스칼을 가하는 동시에 Z축 방향으로는 1mm/sec의 인장 속도로 인장을 진행하였다.
다양한 방향각으로 기울어진 각 탄소나노튜브 구조체(130)에 대한 인장 시뮬레이션을 연신율이 2%이 이를 때까지 수행한 후, 이때의 푸아송 비를 각 경우에 대해 계산하였다.
본 모의실험 결과는 도 12 및 도 13과 같다. 도 12는 모의실험에 따른 X축 방향으로 틸트되는 각도에 따른 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체의 양의 푸아송 비의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 13은 모의실험에 따른 X축 방향으로 틸트되는 각도에 따른 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체의 음의 푸아송 비의 변화를 보여주는 그래프이다. 여기서 도 12 및 도 13은 1mm/sec의 인장 속도로 인장이 가해졌을 때, 탄소나노튜브 구조체가 인장 방향에 대해 틸트된 각도에 따른 푸아송 비의 변화를, 탄소나노튜브의 키랄리티(m,n)에 따라 도시한 그래프이다.
도 12를 참조하면, 틸트된 각도에 따라 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체는 폭 방향인 X축 방향으로 양의 푸아송 비의 변화를 나타낸다. 탄소나노튜브의 직경에 따라 다소 차이는 있지만, 인장 방향에 대해 틸트된 각도(θ)가 0<θ≤45ㅀ 사이에서 양의 푸아송 비가 최대가 됨을 확인할 수 있다. 특히 인장 방향에 대해 틸트된 각도가 15ㅀ 내지 25ㅀ(15ㅀ≤θ≤25ㅀ) 사이에서 양의 푸아송 비가 최대가 됨을 확인할 수 있다. 또한 양의 푸아송 비는 약 3.5의 최대치를 가짐을 확인할 수 있다.
도 13을 참조하면, 틸트된 각도에 따라 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체는 두께 방향인 Y축 방향으로의 음의 푸아송 비의 변화를 나타낸다. 탄소나노튜브의 직경에 따라 다소 차이가 있지만, 인장 방향에 대해 틸트된 각도(θ)가 0<θ≤45ㅀ 사이에서 음의 푸아송 비가 최대가 됨을 확인할 수 있다. 특히 인장 방향에 대해 틸트된 각도가 15ㅀ 내지 25ㅀ(15ㅀ≤θ≤25ㅀ) 사이에서 음의 푸아송 비가 최대가 됨을 확인할 수 있다. 또한 음의 푸아송 비는 약 -2.5의 최대치를 가짐을 확인할 수 있다.
본 모의실험에서는 인장 속도가 1mm/sec인 경우에 대해 설명하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉 본 발명의 발명자는 인장 속도를 0.01mm/sec 내지 1mm/sec 사이의 특정 속도로 설정하고, 시편의 길이를 2%까지 연장하면서 본 발명의 탄소나노튜브 구조체의 음의 푸아송 비를 확인하였다. 또한 인장 속도가 0.01mm/sec 내지 1mm/sec 인 경우에도, 도 13과 같은 음의 푸아송 비와 유사한 특성을 가짐을 또한 확인하였다.
즉, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체는 2% 이하의 낮은 연신율에서 일정하면서 매우 큰 음의 푸아송 비(최대 ??2.5)를 갖는 것을 확인할 수 있다.
한편 탄소나노튜브는 전기전도도(electrical conductivity)가 높아(탄소나노튜브 섬유의 경우 약 750 S/cm 이상), 그 자체로 다양한 분야에서 전극 재료로 사용될 수 있다.
도 14는 본 발명의 제3 실시예에 따른 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체(130a,130b)를 포함하는 전극(40)의 제조 방법을 보여주는 도면들이다.
도 14를 참조하면, 제3 실시예에 따른 전극(40)은 고분자 필름(41)과, 고분자 필름(41)의 양면에 부착된 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체(131,133)를 포함한다.
고분자 필름(41)은 제1 면과, 제1 면에 반대되는 제2 면을 갖는다. 고분자 필름(41)으로 PVDF(polyvinylidene difluoride)와 같은 열가소성 고분자 소재가 사용될 수 있다. PVDF는 압전 소재로 쓰이는 고분자로 열가소성을 가지고 있기 때문에, 열 가공이 용이하다. PVDF는 외부의 인장 및 압축에 대해 각각 다른 메커니즘으로 에너지를 발생하는 특성을 갖는다.
그리고 탄소나노튜브 구조체(131,133)는 고분자 필름(41)의 제1 면에 부착되는 제1 탄소나노튜브 구조체(131)와, 제2 면에 부착되는 제2 탄소나노튜브 구조체(133)를 포함한다.
한편 본 실시예에서는 고분자 필름(41)을 중심으로 양면에 탄소나노튜브 구조체(131,133)가 부착된 예를 개시하였지만, 한 쪽 면에만 부착될 수도 있다.
이와 같은 제3 실시예에 따른 전극(40)은 다음과 같이 제조할 수 있다. 제1 및 제2 탄소나노튜브 구조체(131,133) 사이에 고분자 필름(41)을 위치시킨 상태에서 열압착 하여 전극 원판(43)을 제조한다. 그리고 전극 원판(43)을 사용할 크기에 맞게 절단함으로써, 제3 실시예에 따른 전극(40)을 얻을 수 있다.
제3 실시예에 따른 전극의 특성을 도 15 및 도 16을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 15는 비교예에 따른 전극(60)에 인장 및 압축이 각각 개별적으로 작용하는 상태를 보여주는 도면이다. 도 16은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전극(40)에 인장과 압축이 함께 사용하는 상태를 보여주는 도면이다.
도 15를 참조하면, 비교예에 따른 전극(60)은 고분자 필름(61)의 양면에 금속막(63,65)이 부착된 구조를 갖는다. 금속막(63,65)은 제1 금속막(63)과 제2 금속막(65)을 포함한다.
비교예에 따른 전극(60)은, 도 15의 (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이, 인장과 압축이 독립적으로 작용한다. 즉 비교예의 전극(60)에 (b)와 같이 인장을 작용하면, 그 인장에 의해 압축이 발생하지는 않는다.
반면에 도 16을 참조하면, 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체(131,133)는 음의 푸아송 비를 갖기 때문에, 제3 실시예에 따른 전극(40)에 인장이 작용하면 제1 및 제2 탄소나노튜브 구조체(131,133)는 고분자 필름(41) 쪽으로 압축을 함께 발생시킨다.
예컨대 전극(40)에 Z축 방향으로 인장이 작용하면, 제1 및 제2 탄소나노튜브 구조체(131,133)는 Y축 방향으로 두께가 증가한다. 이로 인해 Y축 방향으로 제1 및 제2 탄소나노튜브 구조체(131,133) 사이에 위치하는 고분자 필름(41) 쪽으로 압축이 함께 작용하게 된다.
이와 같이 음의 푸아송 비를 갖는 본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체를 활용하여 "탄소나노튜브 구조체/PVDF/탄소나노튜브 구조체"의 전극(복합소재)을 형성하면, PVDF는 인장에 의해 에너지를 발생시키는 한편 한 쌍의 탄소나노튜브 구조체가 음의 푸아송 비를 가지는 특성으로부터 동시에 PVDF 쪽으로 압축이 된다. 이로 인해, 압축에 의해 추가적으로 에너지를 더 발생시킬 수 있게 되어, 기존의 "PVDF/금속"의 전극(복합소재)에 비해 더 우수한 압전 특성을 보일 것으로 예상된다.
본 실시예에서는 탄소나노튜브 구조체가 전극에 적용되는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 탄소나노튜브 구조체는 인공기관(Prostheses), 피에조합성물(Pizeo composites), 필터(Filters), 이어폰(Earphones), 비계(Scaffolds) 등 다양하게 사용될 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10 : 초배열 탄소나노튜브 어레이
11 : 웨이퍼
13 : 탄소나노튜브
20 : 탄소나노튜브 시트
30, 130, 230 : 탄소나노튜브 구조체
40, 60 : 전극
41, 61 : 고분자 필름
43 : 전극 원판
63 : 제1 금속막
65 : 제2 금속막
131 : 제1 탄소나노튜브 구조체
133 : 제2 탄소나노튜브 구조체

Claims (15)

  1. 인장이 작용하는 제1 축 방향에 대해서 일정 각도로 틸트되어 정렬되는 복수의 탄소나노튜브;를 포함하며,
    상기 복수의 탄소나노튜브의 틸트되는 각도를 조절함으로써, 음의 푸아송 비(negative Poisson's rate)를 변화시킬 수 있는 탄소나노튜브 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 탄소나노튜브의 틸트되는 각도(θ)는 0<θ≤45ㅀ인 탄소나노튜브 구조체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 음의 푸아송 비는 0<θ≤45ㅀ 사이의 특정 각도에서 최대값을 가지며, 0도에서 특정 각도까지는 증가하고, 특정 각도에서 45ㅀ까지는 감소하는 탄소나노튜브 구조체.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 음의 푸아송 비는 15ㅀ≤θ≤25ㅀ 사이의 특정 각도에서 최대값을 갖는 탄소나노튜브 구조체.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 탄소나노튜브가 상기 제1 축에 수직한 제2 축 방향으로 일정 각도로 틸트된 경우,
    상기 제1 및 제2 축에 수직한 제3축에 대해서는 음의 푸아송 비를 갖고,
    상기 제2 축 방향에 대해서는 양의 푸아송 비를 갖는 탄소나노튜브 구조체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 축은 길이 방향, 상기 제2 축은 폭 방향, 상기 제3 축은 두께 방향인 시트 형태를 갖는 탄소나노튜브 구조체.
  7. 제2항에 있어서,
    2% 이하의 연신율에서 최대 ??2.5의 푸아송 비를 갖는 탄소나노튜브 구조체.
  8. 초배열 탄소나노튜브 어레이를 드로잉(drawing) 후 패킹(packing)하여 탄소나노튜브 시트를 제조하는 단계;
    상기 탄소나노튜브 시트의 탄소나노튜브들에 인장이 작용하는 제1 축 방향에 대해서 일정 각도로 틸트되어 정렬되도록 상기 탄소나노튜브 시트를 절단하여 탄소나노튜브 구조체를 제조하는 단계;
    를 포함하는 탄소나노튜브 구조체의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 시트를 제조하는 단계에서,
    드로잉된 탄소나노튜브 시트를 유기 용매에 통과시켜 모세관 현상에 의해 패킹된 탄소나노튜브 시트를 제조하는 탄소나노튜브 구조체의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 유기 용매는 에탄올 또는 아세톤을 포함하는 탄소나노튜브 구조체의 제조 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 구조체를 제조하는 단계에서,
    패킹된 탄소나노튜브 시트를 이온 빔 밀링(ion beam milling) 또는 마이크로 토밍(micro toming) 방법으로 절단하는 탄소나노튜브 구조체의 제조 방법.
  12. 제1 면과, 상기 제1 면에 반대되는 제2 면을 갖는 고분자 필름;
    상기 고분자 필름의 제1 면 및 제2 면 중에 적어도 한 면에 부착된 탄소나노튜브 구조체;를 포함하고,
    상기 탄소나노튜브 구조체는,
    인장이 작용하는 제1 축 방향에 대해서 일정 각도로 틸트되어 정렬되는 복수의 탄소나노튜브를 포함하며,
    상기 복수의 탄소나노튜브의 틸트되는 각도를 조절함으로써, 음의 푸아송 비(negative Poisson's rate)를 변화시킬 수 있는 전극.
  13. 제12항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 구조체는,
    상기 고분자 필름의 제1 면에 부착된 제1 탄소나노튜브 구조체;
    상기 고분자 필름의 제2 면에 부착된 제2 탄소나노튜브 구조체;
    를 포함하는 전극.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 고분자 필름은 PVDF를 포함하는 전극.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 고분자 필름에 상기 탄소나노튜브 구조체는 열압착에 의해 부착되는 전극.
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