미세-작동기를 위한 전기방사 CNT/PVDF 나노섬유 기반의 탄소 복합재의 기계적 및 전기적 특성 평가

구가영 ( Ga Young Gu ),왕작가 ( Zuo Jia Wang ),권동준 ( Dong Jun Kwon ),박종만 ( Joung Man Park ) 한국복합재료학회 2013 Composites research Vol.26 No.1

CNT를 포함하는 전기방사된 PVDF를 작동기 제조의 소재로 사용하였다. 기계적, 전기적특성과 함께 작동기 성능을 평가하기 위해 전기화학적 환경 내에서 전기화학 및 작동기 거동을 조사하였다. 전기방사된 시트의 특징 중 하나인 유연함을 가지며 분산이 잘 되어 접촉면이 많은 이점이 있기 때문에 작동기 제작방법으로 적합하다고 생각되었다. 전기방사는 여러 가지 요인들로 방사형태가 각각 다르게 나타났다. 본 연구에서는 콜렉터를 드럼형태를 사용하여 방사된 나노섬유의 방향성을 가지게 하였으며 형태를 확인하기 위해 전자현미경을 통해 나노섬유가 정렬된 형상을 확인하였다. 전자침 X-ray 미세분석기를 사용하여 PVDF내에 CNT가 함침 되어 나노섬유가 정렬 된 상태를 확인하였으며, 이러한 형태가 미치는 기계적, 전기적 물성에 영향을 평가하기 위해 인장시험을 통해 인장강도와 전기 저항도를 측정하였다. 정렬된 방향의 나노섬유 시트가 정렬의 직각 방향의 시트보다 상대적으로 기계적 그리고 전기적 물성이 좋게 나타났다. 전기방사된 CNT/PVDF 나노섬유 시트가 작동기로 사용 되었을 때 캐스팅으로 제작된 PVDF 시트의 작동기보다 좋은 효율을 확인하기 위해 전기화학적 환경 내에서 작동기 시험을 진행하여, 작동기 효율과 전기적 용 량을 측정하였다. 전기방사된 CNT/PVDF 나노섬유 시트는 CNT와 PVDF간의 접촉면이 많기 때문에, 우수한 작동성을 나타내었다. The electrospun PVDF containing CNT was made for fabricating materials of the actuator. The electrochemical and their actuating movement were evaluated for the actuator performance in the electrochemical environment. The actuator (which was fabricated by electrospinning) had some advantages, i.e., good dispersion and flexible properties. In the electrospinning process, the final product would have different forms based on different essential factors. In this work, electrospun nanofibers were aligned by using the drum-type collector, and the morphology was identified via the field emission-scanning electron microscope (FE-SEM). The uniform dispersion of CNT in PVDF nanofiber was observed by electron probe X-ray micro-analysis (EPMA) test. The results of tensile strength and electrical resistivity provided the aligned state. The electrospun CNT/PVDF nanofiber sheet on the aligned direction showed better mechanical and electrical properties than the case of the vertically aligned direction. The efficiency and electrical capacities of electrospun CNT/PVDF nanofiber sheets were compared with the cast PVDF sheet for actuator application. Electrospun CNT/PVDF nanofiber sheet exhibited much better the case of actuator performance than cast neat PVDF actuator, due to the excellent electrical connecting areas.

전기방사 조건에 따른 PVDF 방사의 전기장 분포 해석

정윤조,이민상,김홍건 사단법인 한국국방기술학회 2023 한국국방기술학회 논문지 Vol.5 No.4

본 연구에서는 방충망 필터링 효과를 증가시키기 위한 PVDF 나노섬유를 전기방사하는 방식을 적용하고자 전기방사 장치의 설계에 대한 예비단계의 일환으로 전기장 해석을 여러 공정에 따른 전기장의 해석을 진행하였다. 싱글 노즐을 이용한 전기방사 해석의 경우 Tip의 사이즈가 감소에 따른 전기장 세기의 감소, 전압의 증가에 따른 증가, TCD 거리에 따라서는 영향이 없는 것으로 확인되었다. 멀티 노즐의 Tip 간의 거리에 따른 전기장 해석의 경우 Tip 간의 거리가 가까울수록 전기장의 간섭이 발생하는 것으로 확인할 수 있었으며, 이는 양쪽에 Tip을 두고 있는 중앙에 위치한 Tip에서 더 큰 영향을 끼치는 것을 알 수 있었다. 따라서, 이러한 해석적 결과를 바탕으로 실제 실험을 통 Collector의 방사면적을 확인하고 멀티노즐 간의 사이 간격을 설계함으로써 효율적인 공정 라인을 구축하여 생산속도 증가를 기대할 수 있을 것으로 판단된다. n this study, electric field analysis was conducted for each process as a preliminary step in the design of the electrospinning device to apply the electrospinning PVDF nanofibers to increase the filtering effect of insect screens. In the electrospinning analysis using a single nozzle, it was confirmed that there was a decrease in the electrostatic field strength as the tip's size decreased, an increase in the voltage, and no effect depending on the TCD distance. In addition, it was confirmed that the closer the distance between tips, the more electric field interference occurs, and this was found to have a more significant effect on the tip located in the center with tips on both sides. Therefore, based on these analytical results, it is believed that an increase in production speed can be expected by establishing an efficient process line by confirming the radiating area of the collector and designing the spacing between multi-nozzles through actual experiments.

Zeolite가 첨가된 PVDF 전기방사 필름의 흡습 특성

강동희(Dong Hee Kang),김나경(Na Kyong Kim),강현욱(Hyun Wook Kang) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集B Vol.42 No.5

전기방사기법을 통해 형성된 전기방사 필름은 단위부피당 높은 비표면적을 갖는 구조적인 특징과 더불어, 기계적, 전기적, 광학적 특성을 향상시키기 위한 금속 및 세라믹 나노입자의 첨가가 용이하기 때문에 액체 및 기체 필터, 약물전달, 전지분리막과 같은 다양한 분야에서 응용된다. 본 연구에서는 내화학성 특징을 갖는 polyvinylidene fluoride를 기반으로 하여 흡습 특성이 있는 zeolite가 첨가된 전기방사 필름의 수분 흡수 특성을 분석한다. Zeolite가 첨가된 전기방사 polyvinylidene fluoride 필름은 zeolite의 모세관 현상에 의해 수분 흡착이 발생하고, 연쇄적으로 필름의 다공성 구조 내부로 수분이 침투하는 현상이 나타난다. Zeolite가 포함된 전기방사 polyvinylidene fluoride 필름은 흡습 과정에서 형상 변화 없이 단위 질량 대비 4.2배의 수분 흡수 특성을 보인다. An electrospinning technique is simple method to fabricate porous structure with high surface area per unit volume. Addition of metal/ceramic nanoparticles in electrospinning process is possible to increase film characteristics such as mechanical, electrical and optical properties. Electrospun film shows various applications in diverse fields such as liquid and gas filter, drug delivery system and membrane for metal ion battery separator. In this investigation, we fabricate an electrospun zeolite embedded polyvinylidene fluoride (zeolite/PVDF) film for analysis the water absorption. The materials of polyvinylidene fluoride (PVDF) and zeolite have property with chemically resistance and water absorption, respectively. Electrospun zeolite/PVDF film shows water penetration phenomenon due to the capillary condensation by zeolite structure and is subsequently penetrated into porous structure of electrospun film. As a result, electrospun zeolite/PVDF film shows 4.2 times ratio absorbed mass of water per unit mass of film without deformation.

전기 방사를 이용한 고분자/금속산화물 복합소재 기반의 투명전극 제조 및 특성 분석

강혜주(Hye Ju Kang),정현택(Hyeon Taek Jeong) 한국응용과학기술학회 (구.한국유화학회) 2021 한국응용과학기술학회지 Vol.38 No.6

본 연구는 나노섬유를 제조하는데 빠르고 효과적인 전기방사법을 이용하여 PVA(Polyvinyl alcohol)와 AgNO 3 를 혼합하여 제조한 용액을 금속산화물 기반 나노 섬유로 이루어진 투명 전극을 제조하고 그 특성을 분석하였다. PVA/AgNO 3 혼합 용액을 전기방사법을 이용하여 유리기판 위에 나노 섬유 구조체 형태로 방사하여 250 ℃에서 2 시간 동안 열처리 과정을 통해 전기 전도성이 향상된 은나노 섬유 기반 투명 전극을 제조하였다. 제조된 투명전극은 four-point probe 장비를 이용하여 전기적 특성을 분석하였으며, UV - Vis spectrophotometer 를 이용하여 제조된 투명전극의 투과도를 확인하였다. 또한, Scanning Electron Microscopy (SEM)과 Energy Dispersive Spectrometer(EDS)를 통해 은 나노 섬유의 표면 특성과 성분을 확인하였다. 이러한 분석들을 통해, 전기 방사 시간에 따른 면저항과 투과도의 최적화된 조건을 확인할 수 있었으며, 은 나노 섬유로 이루어진 투명 전극은 전기적, 광학적, 기계적 특성이 우수하여 태양전지, 디스플레이, 터치스크린과 같은 차세대 유연 디스플레이에 적용 가능성을 보여주었다. We have confirmed that optimized transmittance and surface resistance by electrospinning time, also the fabricated transparent electrode composed of silver nanofiber with excellent electrical, optical and mechanical performances is showed applicability to next generation flexible displays such as solar cells, displays, and touch screens. → We have confirmed the optimized transmittance and surface resistance by electrospinning time Also the fabricated transparent electrode composed of silver nanofiber with excellent electrical, optical and mechanical performances showed applicability to next generation flexible displays such as solar cells, displays, and touch screens.

전기방사와 산소 플라즈마 처리를 활용한 폐비닐 기반의 분리막 합성 및 전기화학적 성능 향상 연구

김찬교,라윤호,제갈석,윤창민 유기성자원학회 2024 유기물자원화 Vol.32 No.1

본 연구에서는 환경오염의 원인인 폐비닐을 전기방사를 통해 재활용하여 에너지 저장매체에 쓰이는 분리막으로 응용하고자 하였다. 상세히는, 폐비닐은 고분자 용액으로 만들어 전기방사 하여 비닐 폐기물 기반 분리막(VWS)를얻은 후, 플라즈마 처리를 통해 분리막의 젖음성을 향상시켰다. FE-SEM 분석을 통해 비닐 폐기물의 농도에 따른VWS의 형상과 두께가 달라지는 것을 확인하였다. 또한, 플라즈마 세기를 80-120W 범위로 처리하여 VWS의 젖음성을향상시켰다. 상세히는, 플라즈마 세기를 100W로 인가하였을 때 가장 낮은 접촉각이 관찰되었으며, 전기화학 성능은 57.9F g-1로 가장 높은 비용량을 보인다. 이는 전기방사로 달성한 높은 기공도 뿐만 아니라 산소 플라즈마 처리로 도입된 친수성 작용기에 기인한다. 결론적으로, 환경오염을 유발하는 폐비닐을 전기방사와 상압 산소 플라즈마처리를 통해 에너지 저장매체의 분리막 소재로 활용할 수 있는 가능성을 제시하였다. In this study, vinyl waste, which is the cause of environmental pollution, is recycled via an electrospinning method and applied as a separator that can be employed for energy storage devices. In detail, vinyl wastes are dissolved in a solution containing p-xylene and cyclohexanone, followed by electrospinning to obtain a vinyl waste-derived separator(VWS), and then the hydrophilic functional groups on the surface of VWS are introduced using a plasma treatment to improve wettability. Scanning electron microscopy analysis have verified that the shape and thickness of as-spun VWS vary depending on the concentration of vinyl waste. The surface hydrophility of VWS is modified by plasma treatment with applied powers ranging from 80 to 120W. The lowest contact angle is observed when the 100W power is applied to VWS(VWS-100W). In electrochemical analysis, the VWS-100W-based supercapacitor device shows the highest specific capacitance of 57.9 F g-1. This is ascribed to the high porosity achieved by electrospinning as well as the introduction of hydrophilic functional groups by the oxygen plasma treatment. In conclusion, vinyl waste is successfully recycled into separators for energy storage devices, suggesting a new way to reduce environmental pollution.

균일한 고분자 나노섬유 매트 제작을 위한 다중 노즐 전기방사 공정 연구

이봉기(Bong-Kee Lee),박재한(Jae-Han Park),박건중(Geon-Jung Park),박광련(Kwang-Ryun Park) 한국기계가공학회 2018 한국기계가공학회지 Vol.17 No.3

In the present study, the multi-nozzle electrospinning process is investigated for the fabrication of uniform polymer nanofiber mats. Electrospinning has been one of the simple and efficient methods to manufacture polymer nanofibers and their mats. Although a typical electrospinning has many advantages such as simple system and operation, various materials, and cost-effectiveness, a relatively low productivity prevents it from being used in practical applications. Thus, the multi-nozzle electrospinning system with the adjustable nozzle position and rotating drum collector is designed and produced in this study. In particular, the effects of the inter-nozzle distance and spatial arrangement of nozzles on the uniformity of the electrospun nanofibers are investigated. With this multi-nozzle electrospinning process, the maximum flow rate of the supplied polymer solution for a uniform electrospinning increases, which indicates the enhanced productivity.

용융전기방사에 의한 마이크로섬유 제작과 적층 구조의 특성 평가

신광준(Gwang June Shin),정영훈(Young Hun Jeong) 한국가시화정보학회 2016 한국가시화정보학회 학술발표대회 논문집 Vol.2016 No.12

Melt-electrospinning, which is one kind of advanced manufacturing processes, has gotten more attention nowadays. Its characteristics include 2 areas which called fused deposition modeling and electrospinning. And also we can fabricate tissue engineering’s scaffolds by these theories. Melt-electrospinning can generate filaments in micrometer-level, meanwhile, the manufacturing condition, which can influent filaments’ diameter, is easy to control. On another hand, melt-electrospinning also can builds layers up easily and more safety than electrospinning which uses solvent for dissolving polymers. In this study, melt-electrospinning is used to fabricate microfibrous nonwoven structure with stiffness. With the various pitch conditions, it was demonstrated that characteristics of the fabricating microfibrous structures can be successfully controlled.

전기방사 후 탄소화된 폴리아크릴로니트릴(PAN) 나노섬유의 수용액 중 붕소 흡착

홍소희,한선기,김수영,원용선 한국청정기술학회 2022 청정기술 Vol.28 No.3

Boron(B) is a rare resource used for various purposes such as glass, semiconductor materials, gunpowder, rocket fuel, etc. However, Korea depends entirely on imports for boron. Considering the global boron reserves and its current production rate, boron will be depleted on earth in 50 years. Thus, a process including proper adsorbent materials recovering boron from seawater is demanded. This research proposed carbonized nanofibers prepared from electrospun PAN(polyacrylonitrile) mats as promising materials to adsorb boron in aqueous solution. First, the mechanism of boron adsorption on carbonized nanofibers was investigated by DFT(density functional method)-based molecular modeling and the calculated energetics demonstrated that the boron chemisorption on the nitrogen-doped graphene surface by a two-step dehydration is possible with viable activation energies. Then, the electrospun PAN mats were stabilized in air and then carbonized in an argon atmosphere before being immersed in the boric acid aqueous solution. Analytically, SEM(scanning electron microscopy) and Raman measurements were employed to confirm whether the electrospinning and carbonization of PAN mats proceeded successfully. Then, XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) peak analysis showed whether the intended nitrogen-doped carbon nanofiber surface was formed and boron was properly adsorbed on nanofibers. Those results demonstrated that the carbonized nanofibers prepared from electrospun PAN mats could be feasible adsorbents for boron recovery in seawater 붕소(Boron)은 희소자원으로 유리, 반도체 재료, 화약 등 다양한 용도로 사용되고 있는데, 우리나라의 경우 붕소를 전량 수입에 의존하고 있으며 전 세계 붕소 매장량과 현재 추세의 생산량을 고려하면 50년 이후 지상의 붕소는 고갈될 확률이 높다. 따라서 안정적 붕소의 공급을 위해 해수 내의 붕소를 회수할 수 있는 소재 및 공정의 개발이 요구된다. 이에 본 연구에서는 수용액 중 붕소를 회수하기 위한 소재로 전기방사 후 탄소화된 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN) 나노섬유를 도입하였다. 먼저 탄소섬유 표면의 붕소 흡착 기작을 이론적으로 구현하기 위해 범밀도함수이론(density functional method) 기반의 분자모델링 작업을 수행하였는데, 계산된 에너지도(energetics)에 따르면 붕소가 탄소섬유 표면에 흡착되는 화학반응이 가능한(viable) 것으로 판단되었다. 한편 전기방사로 제작된 PAN 나노섬유를 대기 중에서 안정화를 진행한 후 아르곤(Ar) 분위기에서 탄소화하였고 붕산 수용액에 담지시켰다. SEM과 Raman 분석을 통해 각각 전기방사와 탄소화가 잘 진행되었는지 확인하였고, XPS 분석을 통해 탄소섬유 표면에 질소가 잘 도핑되었는지 여부와 붕소의 흡착 여부를 확인하였다. 결과적으로 전기방사된 PAN으로부터 제작된 탄소섬유는 해수 내 붕소 회수에 사용될 수 있는 소재로 판단된다.

전기방사한 나노섬유 웹 처리소재와 상용 투습방수소재의 역학적 특성 비교

윤보람 ( Bo Ram Youn ),이승신 ( Seung Sin Lee ) 한국감성과학회 2010 감성과학 Vol.13 No.2

전기방사한 나노섬유 웹은 가는 섬유직경과 수많은 미세공극 구조로 인해 우수한 투습성 및 차단 성능을 나타내며, 초박막·초경량의 특성을 갖는다. 이러한 특성 때문에 새로운 투습방수 소재로서 전기방사한 나노섬유 웹을 이용하고자 하는 시도가 이루어지고 있으며, 본 연구에서는 나노섬유 웹 처리소재의 역학적 특성을 측정하고 이를 기존 투습방수 소재와 비교함으로써 기능적 성능과 더불어 감성적 성능을 만족시키는 새로운 투습방수 소재 개발을 위한 기초자료를 제시하고자 하였다. 실험실 제작(lab-scale) 나노섬유 웹과 대량생산 (commercial) 나노섬유 웹을 이용하여 웹 밀도와 기반 직물, 적층 구조, 라미네이팅 여부 등에 차이를 두어 다양한 전기방사 나노섬유 웹 처리소재를 제작하였다. 이들 시료에 대해 KES-FB system을 이용하여 역학적 특성을 평가하고, 이를 기존 투습방수 소재인 고밀도 직물, PTFE 라미네이팅 직물, PU 코팅 직물의 역학적 특성치와 비교하였다. 연구 결과, 실험실에서 제작한 나노섬유 웹 처리소재는 부피감이 있으면서 유연하였고, 대량생산된 나노섬유 웹을 라미네이팅한 소재는 신장 변형이 적은, 치밀한 구조의 소재인 것으로 나타났다. 또한 고밀도 직물과 실험실 제작 나노섬유 웹 처리소재는 낮은 인장선형성과 굽힘강성, 전단강성으로 유사한 거동을 나타내어, 기존 PU 코팅이나 PTFE 라미네이팅 직물에 비해 뻣뻣함이 덜하면서 유연하고 부드러운 태를 가지는 것으로 해석되었다. 따라서 전기방사 나노섬유 웹 처리소재가 일정 수준의 방수성을 확보한다면 기능적 성능과 감성적 성능을 모두 충족시키는 새로운 투습방수 소재로 이용될 수 있을 것으로 사료된다. In this study, breathable waterproof materials were prepared by electrospinning. Five kinds of electrospun nanofiber web layered systems with different levels of nanofiber web density, as well as different substrates and layer structures were fabricated, and their mechanical properties (tensile, bending, shear, compression, surface, and thickness & weight) were measured by the KES-FB system and compared with those of conventional breathable waterproof fabrics (densely woven fabric, PTFE laminated fabric and PU coated fabric). The KES-FB measurements demonstrate that the lab-scale nanofiber web layered systems are more flexible and fuller than commercial nanofiber web layered systems, which have a more compact structure than the lab-scale nanofiber web layered systems. Densely woven fabrics and lab-scale nanofiber web layered systems showed lower values of tensile linearity (LT), bending stiffness (B), and shear stiffness (G) than those of PU coated and PTFE laminated fabric. These results indicate that they are more flexible and have less resistance to the shearing movement, corresponding to a more pliable material having a better drape, than PU coated fabrics and PTFE laminated fabrics.

전기방사를 활용한 나노섬유 증착 미세먼지 방진망에 관한 연구

이찬영 ( Chan Young Lee ),이상민 ( Sang Min Lee ),송현진 ( Hyeon Jin Song ),이재준 ( Jae Jun Lee ),김영순 ( Young Soon Kim ),김홍건 ( Hong Gun Kim ) 한국국방기술학회 2024 한국국방기술학회 논문지 Vol.6 No.1

현재 전 세계적으로 미세먼지가 확산되고 있는 가운데 미세먼지는 그 크기가 매우 작아 실내로 손쉽게 유입되어 실내 공기질을 저하시키기 때문에 가구 내 청정 유지 및 공기질 향상을 위해 반드시 해결해야 할 필수 과제이다. 미세먼지의 효과적인 차단 및 공기투과도와 분진포집율 확보를 위한 전기방사(Electrospinning) 기술에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 본 연구에서는 방진망에 전기방사를 통해 PVDF 미세먼지 방진망을 제조하였으며, 제조된 방진망의 외부 환경 저항성 및 실내 공기질 개선 효율을 확인하기 위한 실험을 수행하였다. 이 방진망이 미세먼지를 효과적으로 차단하고, 미세먼지로 인해 발생하는 질병을 예방할 수 있는 실용적인 대안이 될 수 있음을 검증하였다. While fine dust is currently spreading around the world, fine dust is so small that it easily enters indoors and deteriorates indoor air quality, so it is an essential issue that must be solved to maintain cleanliness and improve air quality in households. Research on nanoradiation technology is continuously being conducted to effectively block fine dust and secure air permeability and dust collection rate. In this study, a PVDF fine dust dust-proof net was manufactured through electrospinning, and an experiment was conducted to confirm the external environmental resistance and indoor air quality improvement efficiency of the manufactured dust-proof net. It was verified that this dustproof net can be a practical alternative to effectively block fine dust and prevent diseases caused by fine dust.