천연 고분자를 이용한 복합체 및 탄소체 제조

조세연 인하대학교 대학원 일반대학원 2015 국내박사

탄소나노튜브와 박테리아 셀룰로오스를 이용한 고분자 복합체 전극의 제조에 관한 연구

김예슬 인하대학교 일반대학원 2009 국내석사

Carbon nanotubes (CNTs) are attractive candidates for improving polymer/CNT nanocomposites because of their unique thermal, mechanical and electrical properties and structure. Especially, CNT based films are attractive as conductive films in a variety of electrical and electronic fields on account of their electrical properties, flexibility, and easy processability. In this study, we fabricated various functional films based on CNTs by incorporating either Ag nanoparticle doped CNTs (Ag-doped CNTs) or single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) into bacterial cellulose. Because bacterial cellulose consists of a network of numerous long nanofibrils, it has the ability to act as a template and has structural similarity to the bacterial cellulose nanofibrils and CNTs, which would allow the individual CNTs to be adsorbed uniformly over the bacterial cellulose nanofibrils. In the case where Ag-doped CNTs were used, the presence of the silver nanoparticles in the Ag-doped CNT based films enhanced their electrochemical properties while maintaining their electrical conductivity, indicating that the Ag-doped CNT based films would make good novel flexible electrodes. By embedding bacterial cellulose containing SWCNTs into a transparent polymer resin, transparent and electrically conducting films were obtained. The resulting films showed a transmittance of 77.1% at 550 nm and sheet resistance of 2.8 ㏀/sq when they were fabricated using a 0.01 wt% SWCNT dispersion and immersion time of 3hr. Moreover, they were flexible and retained their inherent properties even when they were randomly crumpled. In conclusion, we suggest that functional films based on CNTs have the potential to be used as a novel material in the optoelectronic and electronic fields. 탄소나노튜브의 뛰어난 열적, 기계적, 전기적 특성 및 구조적 특성을 바탕으로 고분자/탄소나노튜브 복합체 제조 및 이의 기능 향상을 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 특히, 탄소나노튜브를 기반으로 한 투명전극은 전기적 특성, 유연성 및 제조 용이성과 같은 장점으로 인해 각광받고 있다. 본 연구에서는 은나노 입자를 도입시킨 다중벽탄소나노튜브 혹은 단일벽탄소나노튜브를 박테리아 셀룰로오스에 도입함으로써 다양한 기능성 필름을 제조하였다. 박테리아 셀룰로오스는 나노섬유망상구조로 이루어져있으며 탄소나노튜브와 물리적인 형태의 유사성으로 인해 이들을 고르게 흡착시키는데 유리한 구조를 갖는다. 은나노 입자가 도입된 탄소나노튜브를 박테리아 셀룰로오스에 흡착시켜 제조된 복합체필름의 전기화학적 성능이 증가함을 확인하였고, 이로 인해 유연한 고분자 복합 전극으로의 가능성을 확인하였다. 또한 단일벽탄소나노튜브를 박테리아 셀룰로오스에 흡착시킨 후 투명한 고분자와 복합화함으로써 광투과율이 77.1% 이고, 표면 저항이 2.8 ㏀/sq 인 투명전극을 제조하였다. 제조된 필름은 유연성이 뛰어나며, 구김 후에도 본연의 전기전도성을 유지함을 확인하였다. 이와 같이 탄소나노튜브 흡착 방법을 이용한 단순공정에 의해 새로운 투명전극을 제조할 수 있었다.

화학적 처리 기술에 의한 탄소나노튜브의 종횡비 제어와 기능화에 관한 연구

김돈영 인하대학교 일반대학원 2009 국내석사

탄소나노튜브 분산용액을 이용한 전기전도성 고분자 마이크로 입자의 제조에 관한 연구

권순민 인하대학교 일반대학원 2009 국내석사

환원된 그래핀 옥사이드 나노리본의 복합화에 따른 폴리비닐클로라이드의 물성변화

최준호 인하대학교 일반대학원 2018 국내석사

Considerable effort has been devoted to the design of better-performing reinforcements for polymer composites to render the composites more lightweight, stronger, and more thermostable. Nanostructured carbon-based materials such as carbon nanotubes (CNTs) and graphene have attracted much attention as reinforcements because of their remarkable physical properties and peculiar morphologies with high aspect ratios. In particular, graphene oxide nanoribbons (GONRs) fabricated by longitudinal unzipping of multiwalled CNTs combine the advantages of both CNTs and graphene when used as a reinforcement for polymer composites, such as a low percolation threshold, large interfacial area, and numerous edge sites with functional groups. This study report the unusual indirect reinforcing behavior of highly defective graphene-based nanocarbons dispersed in poly(vinyl chloride) (PVC) matrix via densification of polymer packing originating from nanoscale confinement. Herein, chemically reduced graphene oxide nanoribbons (C-rGONRs) were employed as nanofillers. The inclusion of defective and oxygen-functionalized C-rGONRs resulted in dramatic densification of the PVC host at extremely low levels of C-rGONR loading, which largely exceeded the theoretical value calculated by the rule of mixtures. The glass transition temperature of PVC also increased by 28.6 ℃ at 0.1 wt.% filler loading. Remarkably, the oxygen barrier properties and mechanical toughness under tension for the PVC/C-rGONRs nanocomposite maximized at the highest densification. The structure–property relationship of the nanocomposites was also discussed, with an emphasis on the nanoscale confinement phenomenon. 일반적으로 고분자와 그래핀(graphene)과 같은 기능성 나노재료와의 나노복합체 연구는 나노재료의 복합 비율에 따른 고분자의 전기적, 유변학적, 기계적 물성 향상 관점에서 진행된다. 이와 달리 본 연구에서는 소량(0.01 ~ 0.2 wt.%)의 화학적으로 환원된 그래핀 옥사이드 나노리본(chemically reduced graphene oxide nanoribbon, C-rGONR)과 폴리비닐클로라이드(poly(vinyl chloride), PVC)의 복합화를 진행하여 나노소재 주변으로 고분자사슬이 밀집되어 복합체의 밀도가 향상되는 효과를 관찰하였고 이를 통해 복합체의 물성 변화를 설명하였다. 용매 내의 분산 안정성과 PVC와 최적의 상용성을 갖는 C-rGONR을 제조하기 위해 그래핀 옥사이드 나노리본 (graphene oxide nanoribbon, GONR)과 하이드라진을 이용하여 화학적 환원 반응을 진행하였다. 그 결과 0.1 wt.%의 C-rGONR과 PVC를 복합화했을 때 복합체의 밀도가 가장 많이 상승되었으며 PVC의 유리전이온도가 약 28.6 ℃ 상승되었다. 또한, 밀도 상승 효과에 따른 복합체의 향상된 기계적 강도 및 산소 차단 특성 등이 확인되었다. 결론적으로 C-rGORN은 PVC와 복합화 되었을 때 나노 소재의 계면에서 고분자의 물리적 구조 변화를 유발하여 밀도를 향상시켰으며 이를 통해 복합체의 다양한 물성을 상승시킬 수 있음을 관찰하였다.

환원 및 알킬화된 그래핀 나노 리본으로 강화된 폴리프로필렌 복합 소재 제조

송민영 인하대학교 대학원 2017 국내석사

나노구조화된 탄소 재료들의 뛰어난 기계적 특성과 높은 종횡비를 가짐으로써 고분자 복합 재료의 충전제로써 많은 관심을 받고 있다. 본 연구에서 딘-스탁 트랩을 이용하여 다층 탄소 나노 튜브로부터 알킬화 및 환원된 그래핀 나노 리본(A-rGONR)을 간단한 방법으로 제조하였다. A-rGONR은 다층 탄소 나노 튜브와 같은 1차원의 모폴로지를 가짐과 동시에 넓은 계면과 기능기를 가졌다. 약 25 wt% 정도 도입된 알킬기는 A-rGONR에 소수성을 부여했으며, A-rGONR은 23.8 mJ m-2의 표면 에너지를 갖게 되었다. A-rGONR은 자일렌에서 24시간 동안 안정한 분산 거동을 보였으며, 습식 공정을 이용하여 A-rGONR과 아이소탁틱 폴리프로필렌과(iPP)의 복합체를 제조 하였다. iPP/A-rGONR 복합체는 기존 iPP 대비 열적, 기계적 특성이 모두 우수함을 확인하였다.

폴리비닐알콜 그라프팅 그래핀 옥사이드를 이용한 가스 배리어 필름용 나노복합체

이민의 인하대학교 대학원 일반대학원 2015 국내석사

2차원 원자단위의 얇은 탄소골격을 갖는 그래핀은 가스와 같은 작은 분자를 차단시키는 역할 뿐만 아니라 우수한 전기전도도, 기계적, 열적 물성을 갖고 있으며, 폴리비닐알콜은 기체차단성이 우수한 고분자재료 중의 하나이다. 고분자와 탄소소재 복합화를 위해서는 고분자와 탄소소재 간의 상용성이 중요하며, 이에 따라 차폐특성을 향상시키기 위한 다양한 고분자와의 복합화 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 차폐특성이 우수한 고분자물질인 폴리비닐알콜과 탄소소재인 그래핀 옥사이드 복합화를 통하여 우수한 차폐특성을 갖는 가스 배리어 필름을 제조하였다. 폴리비닐알콜/그래핀 옥사이드의 복합체와 폴리비닐알콜/폴리비닐알콜 그라프팅 그래핀 옥사이드 복합체를 각 각 polyethylene terephthalate필름 위에 코팅하여 기체차단성 필름을 제조한 후 그래핀 옥사이드의 함량(0.1~0.3 wt%)이 증가함에 따라 차폐특성과 몰폴러지의 차이를 조사하였다. 0.3 wt% 폴리비닐알콜/그래핀 옥사이드가 도입된 기체차단성필름의 경우 상대습도 0% 기준으로 0.025 cc/m2•day의 산소투과율과 84.3%의 가시광선 투과율을 나타내었다. Graphene, a two-dimensional atomically thin carbon framework, is not only impermeable to small molecules like gases but also exhibits desirable electrical, mechanical, and thermal properties. Also, poly(vinyl alcohol) (PVA) has attracted considerable attention as barrier resin and extensively used in barrier films. To make polymer/carbon material composites, it is important to compatibility between polymer and carbon. Therefore, considerable researches have been progressed to incorporate graphene with polymer. In this study, gas barrier films were fabricated through PVA/graphene oxide (GO) composites for superior barrier properties. In addition, the coating solution was prepared by solution mixing method. With increasing GO content, gas barrier films were compared to barrier properties and morphology between PVA/GO composites and PVA/PVA grafted GO composites. And then, it was investigated to the effects of the barrier properties as PVA/PVA grafted GO composite films, where the contents of GO were varied from 0.1 to 0.3 wt%. Finally, PVA/PVA grafted GO composite films were measured standard R.H. 0% and exhibited an oxygen transmission rate of 0.025 cc/m2•day and light transmittance of 84.3%.

베타시트 구조가 발달된 피브로인-과당 가교 산화방지 배리어 필름

김유림 인하대학교 대학원 2025 국내석사

This study proposes a novel strategy to enhance the multifunctionality of fibroin films through a simple fructose-mediated crosslinking process. This approach leverages a synergistic effect by simultaneously promoting β-sheet formation and introducing covalent bonds within the fibroin chains, thereby tailoring the film's physicochemical properties. The moisture stability of the films was significantly improved, as fructose reduced water solubility by increasing β-sheet crystallinity, while its hygroscopic nature enhanced bulk water retention. Furthermore, Maillard reaction products generated during crosslinking conferred excellent ultraviolet shielding and enhanced antioxidant activity, making the films particularly suitable for active food packaging. Overall, the multifunctional fructose-crosslinked fibroin films substantially enhance food storage stability, offering a promising, eco- friendly alternative for sustainable packaging applications. 본 연구에서는 천연 가교제인 과당을 도입하여 열처리 기반 가교 공정을 통해 피브로인 필름에 다기능성을 부여하였다. 과당 가교는 β-sheet 구조 전이와 공유 결합 형성을 유도하여 피브로인 필름의 물리화학적 특성을 효과적으로 조절되었다. 그 결과, 기존 피브로인 기반 필름 대비 200 % 향상된 3,767 kPa의 강성을 갖는 우수한 기계적 물성을 확보하였다. 또한 β-sheet 결정성 증가로 수분 용해도가 감소하고 과당의 흡습 특성에 의해 흡습성이 향상되어 수분 안정성이 크게 개선되었다. 가교 과정에서 형성된 Maillard 반응 생성물은 뛰어난 자외선 차단 능력과 항산화 특성을 부여하여 산화 방지 필름으로서 식품 포장에 적합함을 확인하였다. 또한 실제 식품 포장 성능 평가를 통해 수분 손실과 산화로 인한 중량 감소를 효과적으로 억제함을 입증하였다. 이를 통해 본 과당 가교 피브로인 필름은 석유 기반 소재를 대체할 수 있는 지속 가능한 식품 포장재로서의 활용 가능성을 제시하였다.

포타슘 이온 전지 음극용 섬유형 하드카본

김호성 인하대학교 대학원 2022 국내석사

For rechargeable secondary batteries, widely used in electric vehicles, electronic devices, and humanoid robots, potassium ion batteries are a promising alternative to lithium ion batteries. However, the large potassium ion size induces a severe volume expansion in the graphite anode and deteriorates cycling performance. In addition, the components of a typical electrode, such as binders and current collectors, increase its weight and decrease the gravimetric energy density. Therefore, it is important to develop an adequate freestanding hard carbon anode. Herein, fibrous hard carbons obtained by heat-treating Korean paper at 1600 °C was directly used as the anode for potassium ion batteries. In the half-cell test, it exhibited a low-voltage plateau region resulting from the advanced carbon structure and displayed a high reversible capacity of 205 mA h gelectrode−1. Furthermore, electrolyte degradation was minimized by the 3D-network structure, and the extended carbon slab distance and pore-rich structures could accommodate the large volume expansion during a potassiation and depotassiation. As a result, it exhibited an enhanced initial Coulombic efficiency and a high capacity retention of 93.7% after 50 cycles. 포타슘 이온 전지는 전기자동차, 전자 장치, 휴머노이드 로봇 등 이차 전지의 사용이 광범위해짐에 따라 리튬 이온 전지의 유망한 대안 중 하나이다. 하지만 포타슘 이온의 크기는 흑연 음극에서 심각한 부피 팽창을 유도하고 전지 수명을 저하시킨다. 또한 일반적인 전극을 구성하는 바인더, 집전체 등은 전극의 중량을 증가시키고, 중량 에너지 밀도를 감소시킨다. 따라서 바인더 및 집전체 등을 포함하지 않는 일체형 활물질 하드카본 음극을 개발하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 미세 천연섬유로 구성된 한지를 비활성 분위기 조건하에 1600 °C에서 열처리하여 얻은 섬유형 하드카본을 포타슘 이온 전지의 음극으로 적용하여 반쪽 전지 테스트를 시행하였다. 하드카본의 결정성 흑연 구조 영역에서 발생하는 저전압 고원 영역과 205 mA h gelectrode-1의 높은 가역 용량을 나타냈다. 한편 섬유형 전극의 3차원 네트워크 형태로 인해 전해질 분해가 최소화되었으며 하드카본의 비정형 구조로 인해 포타슘 이온의 방전 및 충전 과정 동안 발생하는 큰 부피 팽창을 수용할 수 있었다. 그 결과 향상된 초기 쿨롱 효율 및 50회 충방전 시험 동안 93.7%의 높은 용량 유지율을 보였다.

마이크로에멀젼을 이용한 실크 피브로인 나노입자의 제조

명승준 인하대학교 일반대학원 2007 국내석사