탄소나노튜브 섬유에 첨가제를 사용한 구리 전착 및 전기적/기계적 특성 개선에 관한 연구 = Additive-Controlled Copper Electrodeposition on CNT Fibers for Enhanced Electrical and Mechanical Properties

국문 초록 (Abstract)

차세대 모빌리티의 요구를 만족시키기 위해서는 경량이면서도 고강도·고전도 특성을 갖는 전도 재료가 필수적이며, 낮은 밀도와 우수한 기계적 강도, 뛰어난 전기적 특성을 동시에 지니는 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)는 유망한 후보 물질로 주목받고 있다. 그러나 탄소나노튜브를 실제 응용을 위한 거시적 섬유 형태로 집합화할 경우, 탄소나노튜브 간 접촉저항(inter-tube contact resistance)으로 인해 벌크 전기전도도가 크게 저하되어 전도체로서의 활용에 한계가 존재한다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 직접방사(direct-spun) 탄소나노튜브 섬유를 모재로 하여 구리 전기도금(electrodeposition)을 수행함으로써 구리-코팅 탄소나노튜브(Cu–CNT) 하이브리드 전도체를 개발하였다. 인가 전위 및 전하량과 같은 전기도금 조건과 억제제(suppressor), 가속제(accelerator), 평탄제(leveler)를 포함하는 도금액 조성을 최적화함으로써, 내부 기공이 충전되고 외부 표면이 매끄럽게 평탄화된 기공 없는(pore-free) 구리–탄소나노튜브 섬유를 공정 효율적으로 제조할 수 있었다. 제조된 구리–탄소나노튜브 하이브리드 섬유는 2.34 × 10⁷ S/m의 우수한 전기전도도를 나타내어 순수 구리(5.8 × 10⁷ S/m)의 약 50% 수준에 도달하였으며, 비전기전도도 (Specific electrical conductivity)는 4,189 Sm²/kg으로 순수 구리(6,614 Sm²/kg)의 약 62.6%에 해당하였다. 이러한 결과는 전기도금을 통해 제조된 구리–탄소나노튜브 섬유가 직접방사 탄소나노튜브 섬유가 가지는 낮은 전도도와 구조적 한계를 효과적으로 극복하고, 탄소나노튜브의 기계적 장점과 구리의 전기적 성능을 결합한 차세대 경량 전도체로서 유효한 구현 경로를 제공함을 보여준다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The increasing demand for environmentally sustainable electric vehicles and next-generation transportation systems highlights the urgent need for lightweight, high-strength conductive materials. Carbon nanotubes (CNTs), known for their low density, excellent strength, and superior electrical properties, are considered promising candidates. However, when CNTs are assembled into macroscopic fiber form for practical applications, their electrical conductivity significantly deteriorates due to inter-tube contact resistance, limiting their use as conductors. In this study, we developed a Cu-CNT hybrid conductor by electrodepositing copper onto directly spun CNT fibers to overcome this challenge. Using controlled electroplating conditions including voltage, total charge, and the addition of suppressor, accelerator, and leveler additives, we achieved both internal pore filling and external surface smoothing. This dual approach substantially improved the electrical performance and surface morphology of the CNT fibers. The resulting Cu-CNT hybrid fiber exhibited an electrical conductivity of 2.34× 10⁷ S/m, reaching approximately 50% of pure copper (5.8 × 10⁷ S/m), and achieved a specific electrical conductivity of 4,189S·m²/kg, which was approximately 62.6% of that of pure Cu (6614 Sm²/kg). These results demonstrate that copper electrodeposition can effectively compensate for the electrical limitations of CNT fibers, offering a viable pathway toward next-generation lightweight conductors that combine the mechanical advantages of CNTs with the electrical benefits of copper

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 연구 내용 및 방법 8
• 제2장 이론적 배경 10
• 2.1 경량전도체의 조건 및 적용분야 10
• 2.2 탄소나노튜브 섬유 12
• 2.3 구리-탄소나노튜브 섬유 복합체 제조 방법 14
• 2.4 구리 전기도금 15
• 2.4.1 첨가제 메커니즘 17
• 제3장 실험방법 19
• 3.1 도금 장비 설계 19
• 3.2 도금액 조성 21
• 3.3 도금 조건 23
• 3.4 표면 특성 분석 25
• 3.5 전기적 특성 분석 27
• 제4장 결과 및 고찰 28
• 4.1 첨가제 함량에 따른 도금 결과 28
• 4.1.1 선형 주사 전압법 30
• 4.1.2 평탄제 농도에 따른 도금 형상 비교 32
• 4.2 인가 전압에 따른 도금 결과 35
• 4.2.1 내부 충진 도금 36
• 4.2.2 외부 평탄 도금 38
• 4.2.3 두 단계 전위 제어 공정 39
• 4.3 전기적 특성 비교 분석 41
• 4.3.1 전기전도도 분석 41
• 4.3.2 비전기전도도 분석 43
• 4.3.3 한계전류 분석 44
• 4.4 열처리를 통한 특성 향상 46
• 제5장 결론 50
• Acknowledgements 51
• 참고문헌 52
• ABSTRACT 56