고광휘성과 전도성을 지닌 기능성 나노 안료의 제조 및 특성에 관한 연구

탁용덕 강원대학교 대학원 2010 국내석사

As a kind of functional pigment, mica titania coated with ATO(Antimony Doped Tin Dioxide) have not only high brilliance performance, but also electrical conductivity. It has found a diverse range of application, such as chemical industry, automobile industry, electrical industry, communication service, conductive ink, counterfeit prevention by the characteristics of high brilliacne performance and electrical conductivity. There are many methods reported for the preparation of mica titania coated with ATO, e.g. alkoxide, sol-gel, sputtering, chemical vapor depositions, spray pyrolysis, precipitation. Among these methods accepted method for preparation of mica titania and mica titania coated with ATO in this paper is homogeneous precipitation using urea as a reagent to easy for controls morphology, grain size and distribution of particles. What focused in this study is preparation of both mica titania with high brilliance performance and mica titania coated ATO with electrical property. The relation between pH, concentration of mica titania as a substrate, concentration of SnCl4·5H2O aqueous solution, reaction system temperature, calcination temperature and particle morphology, molar ratio of SnCl4·5H2O/SbCl3 and resistivity were described. The morphology and internal structure of mica titania particles coated with ATO were investigated by scanning electron microscopy(SEM) and transmission electron microscopy(TEM). Analysis of phase and resistivity were investigated by X-ray diffraction(XRD) and Manual Prove Station. Analytical values of L*, a* and b* of mica-titania coated with ATO were investigated by spectrophotometer.

STM을 이용한 전도성 블록 고분자의 분자 배향에 대한 연구

양회택 順天大學校 大學院 2006 국내석사

전도성 고분자의 분자 결정구조는 높은 전기전도도와 전하 이동도를 얻기 위한 하나의 중요한 요인이다. 전도성 고분자의 전기전도도와 전하 이동도를 향상시키기 위해서는 전도성 고분자 자체가 결정성의 구조를 지녀야한다. 그러나 전도성 결정성이 향상된 전도성 고분자는 대부분 불용성이며, 이들 전도성 고분자들의 용매 가용성을 높이면 분자 자체의 결정성이 떨어져 이에 따라 전기 전도도가 떨어지게 된다. 전기 전도도와 용매 가용성을 동시에 향상시키기 위하여 전도성 블록 고분자의 개념을 도입하였다. 블록 고분자라하면 서로 다른 특성을 지닌 두 가지 블록의 고분자가 결합된 형태를 말하는데 본 연구에서는 가용성 및 결정유인성 블록으로 Polyethyleneoxide를 선택하고 전도성 블록으로 Polythiophene를 선택하여 중합 하였다. 합성된 전도성 블록 고분자 Poly(etyleneoxide-block-thiophene)의 실제 분자 단위에서의 결정성을 확인하기 위하여 STM (Scanning Tunneling Microscope)를 이용하여 관찰하였다. 실제 합성된 전도성 블록 고분자들은 서로 다른 특성의기판인 HOPG와 ITO coated glass에서 잘 배향된 결정성을 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 전도성 고분자를 이용한 분자 전자의 제작을 위한 분자 단위에서의 결정성에대한 연구를 STM을 이용하여 보고하고자 한다. Molecular orientation of conducting polymer is one of important factors in attaining high charge carrier mobility and electrical conductivity. To improve high charge carrier mobility and electrical conductivity in conducting polymer, the molecular orientation of molecular of conducting polymer needs to be maintained. We introduce the conducting block copolymer as the new type of conducting polymer which can be soluble in several solvent and crystalline polymer due to ethyleneoxide unit. In this thesis, we would like to report the molecular orientation of conducting block copolymer with their electrical properties. Depending on the ratio between conducting units and crystallization directing units in the block copolymer, the relationship between molecular orientation and electrical characteristics has been investigated.

傳導性 高分子-金屬 나노 複合膜을 理容한 高透明, 高傳導性 薄膜 材料 硏究

김보영 성균관대학교 일반대학원 2005 국내석사

본 연구에서는 유기발광소자(OLED)의 전극재료개발의 일환으로써 유기 고분자 재료인 전도성 고분자를 이용하여 고투명/고전도성을 갖는 전도성 고분자(PEDOT)-금속(gold) 나노 복합 박막의 개발이다. 전도성 고분자로는 유기전극재료로 가장 널리 알려진 poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT)을 사용하였습니다. PEDOT는 놓은 전기 전도도와 우수한 열적 안정성을 가지고 있으며 낮은 광학적 밴드갭을 가지고 있어 산화/환원의 전위차에 따라 변색이 가능하며 산화상태에서 흡수밴드가 가시광선 영역에 존재함으로 인한 투명성 확보가 가능하다는 장점을 가지고 있습니다. 전도성이 우수하고 나노크기가 되었을 때 강한 촉매반응성을 나타내는 금 나노입자의 제조와 입자의 안정도를 향상시킬 수 있는 최적의 방법을 모색하고, PEDOT과의 복합필름을 제조하여 전도성 고분자 PEDOT의 단점인 안정성을 증가시키고 전기전도도를 보완하는 고투명하고 고전도성인 전도성 고분자(PEDOT)-금속(Au) 나노복합필름을 개발하고자 한다. 첫째로 PEDOT/Silicate/Au 나노복합필름은 염화금과 같은 금속 산화물은 산화제 역할을 하므로 자신은 환원되어 Au(0)을 형성하고, 산화 전위가 낮은 중성 상태의 PEDOT과 산화 환원 반응을 일으켜 산화상태의 PEDOT과 금 나노입자가 형성되는 in-situ redox system에 의해 복합필름을 제조하였다. 이렇게 제조되어진 PEDOT/Silicate/Au 나노복합필름의 전기 화학적 안정성과 열적 안정성을 평가하였으며 PEDOT:PSS 필름 및 PEDOT/Silicate 필름과의 안정성을 비교하였다. 둘째로 기상중합을 이용하여 PEDOT/Au 나노복합필름을 제조하였다. PEDOT/Au 나노복합필름은 금속 산화물인 염화금을 산화제로 사용하였으며, 유기고분자필름위에 AuCl3을 먼저 코팅한 후 EDOT을 기상중합하여 중합과 동시에 나노 복합체가 형성되는 in-situ로 복합체를 제조하였다. 이러한 방법으로 고투명하고 고전도성인 전도성 고분자(PEDOT)-금속(Au) 나노복합필름을 얻었다. 이 새로운 전도성 고분자(PEDOT)-금속(Au) 나노복합필름은 유기전극재료로써 큰 가치가 기대된다. In this study, the novel conducting polymer/metal nano composite films were prepared from poly(3, 4-ehtylenedioxythiophene)(PEDOT) and Au. PEDOT/Silicate/Au nanocomposite films were prepared using a redox cycle system and electrochemical as well as thermal stability of composite film were studied compared to PEDOT:PSS and PEDOT/Silicate films. Furthermore PEDOT and PEDOT/Au nanocomposite film on organic substrate were synthesized by vapor phase polymerization. Thin and transparent PEDOT/Silicate/Au nanocomposite films were successfully synthesized using a in-situ redox system. The oxidation process of neutral PEDOT in the AuCl₃ solution was monitored by UV/Vis spectroscopy. After the doping process of the neutral PEDOT films in an AuCl₃ solution, a broad absorption band was developed above 800 nm, consistent with the formation of charge carrying bipolaronic state. The redox process was repeated on the same film. More the morphology of the deposited gold particles was examined by SEM. The homogenous gold nanoparticles (10-20 nm) were deposited on top of the PEDOT films as the number of redox cycle was increased. The formation of zerovalent gold particles were identified by XPS; observing 4f7/2 peak at 83.4 eV and 4f_(5/2) peak at 87.1 eV. The rapid drop in the film resistivity was also dropped during the deposition redox-process of the gold nanoparticles down to 2 Ω?cm. The influence of the electrochemical and thermal treatment of the stability of the PEDOT/Silicate/Au nanocomposite film was investigated. The PEDOT/Silicate/Au films displayed distinct oxidation and reduction peaks in cycle voltammograms, and the electrochemical stability upon repeated redox cycle is highly enhanced compared to the PEDOT:PSS and PEDOT/Silicate film. After thermal treatment at 200 ℃ the resistivity of PEDOT/Silicate/Au film was changed only 2.8 %. Transparent and high conductivity PEDOT film and PEDOT/Au nanocompoiste film were synthesized by vapor phase polymerization (VPP). For the preparation of high conductivity PEDOT film, pyridine was used as a base-inhibitor. In UV/Vis spectra, VPP PEDOT obtained the higher gradient in the above 800 nm than spin-coating PEDOT. Also in CV, VPP PEDOT shows the faster reponses and is in this sense similar to PEDOT formed by spin-coating and conductivity of VPP PEDOT was enhanced up to about 810 S/cm, which is four times that of spin-coating PEDOT. PEDOT/Au nanosompoiste films on PET film were prepared via reduction of the metal(Au) ions by π-conjugated PEDOT having strong electron-donating prosperities. The morphology of the gold particles protected PEDOT was examined by SEM. The gold nanoparticles (30-50 nm) were capped between the PEDOT matrix. The formation of zerovalent gold particles were identified by XPS; observing 4f7/2 peak at 84.7 eV and 4f_(5/2) peak at 88.3 eV. The rapid drop in the film resistance was also dropped accroding to increasing of polymerization time and polymerization temperature. The lower sheet resistance PEDOT/Au nanocomposite film was obtained when STS is added to AuCl₃ solution as an oxidant.

금속충전재 및 카본나노튜브가 포함된 전도성 복합수지의 제조

김경웅 경북대학교 대학원 2011 국내박사

In this research, preparation and electrical/mechanical characteristics of polymer composites containing fillers(carbon nanotubes and/or metal particles) are discussed. Metal particles and carbon nanotubes in different weight proportions were incorporated into the polymer(ABS) matrix. Electrical conductivity of the composite resins were investigated and percolation concentrations of the fillers were optimized. The conductivity values of the polymer composite resins showed dependence on sphere, flake and fiber shapes of the filler(Cu). Composites with fibrous fillers showed higher conductivity. In the case of ABS-Cu composites, electrical conductivity was found to increase with increase in Cu content. Specifically, when filler(Cu) content increased from 50 to 60%, substantial increase in conductivity was observed.. The ABS-Sn composites did not show the percolation phenomenon and conductivity as noticed with ABS-Cu composites. ABS-CNT composites were prepared by extrusion with different weight % of CNT. Conductivity of the ABS-CNT composite showed dramatic increase for the 3.0- 3.5% loading of CNT. Composites with more than 3.5 % loading of CNT was required for practical purpose of archiving adequate conductivity. The experimental results inform that conductivity generally increased with amount of CNT and/or Cu. And, it was found that conductivity increased sharply and reaches percolation limit, when CNT was added 1% as compared to composites loaded with Cu only. Electromagnetic wave shield effect has been performed for ABS-Cu-CNT conductive composites and electromagnetic wave shield of 40 dB level was observed. Shield cans and antennas were prepared and were tested to explore the application possibility of conductive polymer composites. ABS-Cu-CNT composite showed conductivity over E+01 S(resistivity E-01 Ωcm) and could be processed easily by Injection molding. Hence, antennas were prepared and conductivity was measured in the part of circuit to confirm the applicability of the composites in antennas.

비전도성 메조포러스 탄소계 소재: 합성, 물리화학적 특성 분석 및 리튬-황 전지 양극으로의 응용

김혜란 한국기술교육대학교 일반대학원 2024 국내석사

이차 전지 분야는 에너지 저장 문제 해결에 있어 중요한 역할을 수행하고 있습니다. 이 중 리튬-황(Li-S) 전지는 기존의 리튬 이온 전지보다 월등히 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다. 리튬-황 전지에서 사용되는 황 양극 활물질은 자연에 풍부하고 가격도 저렴하여, 기존 리튬-이온 전지보다 경제적인 장점이 있습니다. 그러나 리튬-황 전지는 반복적인 충방전 과정에서 황 양극이 열화되어 큰 용량 감소와 수명 불안정성을 보입니다. 이는 용량 손실뿐만 아니라 전체 배터리 성능 저하로 이어집니다. 통상적으로 리튬-황 전지 양극의 문제는 활물질의 낮은 전기 전도성과 연관되어 있으며, 탄소 표면에서 고체 황으로의 직접적인 전하 전달이 중요하다고 여겨져 왔습니다. 이러한 황 방전 메커니즘에 대한 오해는 전도성 호스트 물질과 고체 황 사이의 접촉 면적 증가에 중점을 둔 연구를 촉진시켰습니다. 다양한 그룹들이 나노 크기의 고체 황이 담지된 메조 다공성 탄소-황 복합체를 개발하였고, 다공성 탄소 물질, 전도성 금속 산화물, 탄소 코팅 금속 산화물, 전도성 고분자 등의 다양한 전도성 호스트 물질이 담지체로 사용되었습니다. 이러한 물질들은 사이클링 동안 리튬 폴리설파이드의 확산을 방지하고 양극의 부피 변화를 효과적으로 완화합니다. 그러나 최근 연구 결과에 의하면, Li-S 배터리에서 고체 황의 방전이 탄소와 황 사이의 고체-고체 계면이 아닌, 탄소와 전해질 용액 사이의 고체-액체 계면에서 시작된다는 것이 밝혀졌습니다. 이 과정에서 고체 황은 초기에 전해질 용액에 녹아 분자 황을 형성하고, 이후에 이후 탄소 전극의 표면에서 폴리설파이드로 변환됩니다. 본 연구에서는 정확한 리튬-황 전지의 방전 메커니즘에 기반하여 설계된 새로운 담지체를 소개합니다. 이는 표면에 극성 작용기가 있는 비전도성 메조포러스 탄소계 소재(n-MC)를 황 호스트로 사용한 첫 사례입니다. 비전도성 메조포러스 탄소계 소재인 이 재료는 구형 실리카 나노 입자를 주형으로 사용한 나노 주형법으로 제작되었습니다. 이 비전도성 메조포러스 탄소계 소재는 구형 실리카 나노 입자를 주형으로 사용한 나노 주형법으로 제작되었으며, 8.9×10-9 S/cm 의 극도로 낮은 전기 전도도를 가집니다. 이는 메조포러스 탄소계 소재가 절연 물질임을 명확히 보여줍니다. 기존의 용융 확산 방식을 사용하여 이 물질에 황을 균일하게 주입해 메조포러스 탄소-황 복합체(n-MC/S)를 형성하였습니다. 이 연구에서는 방전 시 비전도성 담지체 내의 모든 황 입자가 전기화학적 환원 과정에 적극적으로 참여한다는 중요한 사실을 말하고 있습니다. 첫 번째 사이클에서 n-MC/S 양극은 두 개의 전압(2.4 V 및 2.1 V)에서 효과적으로 작동하였으며, 순수 고체 황을 사용하는 기준 양극의 999 mAh/g 에 비해 상당히 높은 1103 mAh/g 의 초기 용량을 보였습니다. 또한, 이 양극은 100 사이클 후에도 74.5%의 현저하게 향상된 용량 유지율을 보여주었습니다. 이러한 성능 향상은 비전도성 담지체의 우수한 폴리설파이드 흡수 능력에 기인합니다. 2.15 V 까지 방전된 특별히 설계된 양극의 EDS 분석을 통해, 방전 시 생성된 폴리설파이드가 비전도성 담지체 내부로 잘 흡수된 것을 확인하였습니다. 나아가 유사한 다공성 구조를 갖지만 1.05×10-2 S/cm 의 더 높은 전도성을 가지는 전도성 메조포러스 담지체(c-MC)와의 비교 연구를 통해 MC/S 양극의 사이클 성능을 더욱 심도 있게 조사하였습니다. 이 연구 결과, 비전도성 담지체는 전도성 담지체의 63.8% 용량 유지율에 대비하여 100 사이클 후에도 초기 용량의 74.5%를 유지하는 뛰어난 성능을 보여주었습니다. 이는 FT-IR 분석으로 확인된 비전도성 메조포러스 탄소재 표면의 극성 작용기가 리튬 폴리설파이드와의 상호 작용을 통해 사이클링 과정 동안 활성 물질을 효과적이고 안정적으로 흡수하는 데 중요한 역할을 함을 시사합니다. 이 연구는 고성능 황 양극 설계와 장기 수명을 가진 Li-S 배터리 개발 분야에서의 중요한 진전을 이루었습니다. Secondary batteries have emerged as pivotal components in advancing energy storage solutions. Lithium-sulfur (Li-S) batteries stand out with their potential to achieve significantly higher energy densities compared to traditional lithium-ion counterparts. Significantly, sulfur, serving as the cathode material in Li-S batteries, is characterized by its abundance and cost-effectiveness. This distinct feature makes Li-S batteries potentially more economically viable to produce than lithium-ion batteries, which rely on scarcer and pricier materials. While Li-S batteries offer exceptional promise, they are not without challenges. A prominent drawback is their susceptibility to capacity fade and cycling instability. Across repetitive charge and discharge cycles, the sulfur cathode can deteriorate, leading to capacity loss and diminished overall battery performance. Conventionally, it has been suggested that the sluggish kinetics of sulfur cathodes in Li-S batteries are intrinsically linked to the insulating nature of solid elemental sulfur, and during discharge sulfur reduction was facilitated through direct charge transfer from the carbon surface to the solid sulfur. This misconception about the sulfur reaction mechanism spurred extensive research aimed at augmenting the contact area between the conductive host material and solid sulfur. In response, various research groups have developed diverse mesoporous carbon-sulfur composites. In these composites, nanoscale solid sulfur is intricately embedded within mesoporous carbon structures. Besides porous carbon materials, a range of conductive host materials, including conductive metal oxides, carbon-coated metal oxides, and conductive polymers, have been utilized to encapsulate sulfur. Particularly noteworthy is the role of these nanostructured host materials, which make a substantive contribution by confining polysulfides and effectively accommodating volumetric changes during the battery's charge-discharge cycles. Recent findings have clarified that the reduction of solid sulfur in Li-S batteries does not initiate at the solid-solid interface (between carbon and sulfur), but rather at the solid-liquid interface (between carbon and the electrolyte solution). In this process, a small fraction of the solid sulfur initially dissolves into the electrolyte solution, forming molecular sulfur. These sulfur molecules are then transformed into polysulfides on the electrode's surface, such as carbon. In this research, we introduce a novel approach to sulfur host material design, tailored to the specific reaction mechanism of sulfur in Li-S batteries. This is the first instance where a non-conductive mesoporous carbonaceous material, adorned with polar functional groups on its surface, is employed as a sulfur host. Utilizing a nano-replication technique, we crafted this non-conducting mesoporous carbonaceous material (labeled n-MC) using spherical silica nanoparticles as templates. The material demonstrates an extremely low electrical conductivity, registering at 8.9×10-9 S/cm. This value clearly indicates that this mesoporous carbonaceous material functions as an insulating material. Subsequently, this non-conducting mesoporous carbonaceous material (n-MC) is evenly impregnated with solid sulfur to create a mesoporous carbon-sulfur composite (n-MC/S), employing a conventional melt-diffusion method. Our research uncovers a significant observation: during the initial discharge, all sulfur particles within the nonconducting matrix are actively involved in the electrochemical reduction process. The sulfur cathode featuring the mesoporous carbon-sulfur composite (n-MC/S) operates effectively, as indicated by two distinct voltage plateaus at 2.4 V and 2.1 V in the first cycle. The n-MC/S cathode exhibits a significantly higher initial capacity of 1103 mAh/g, surpassing the 999 mAh/g capacity of the control cathode that utilizes pure solid sulfur. Furthermore, the sulfur cathode with MC/S shows remarkably enhanced capacity retention, maintaining 74.5% of its capacity after 100 cycles. This enhanced performance is attributed to the high polysulfide absorption capacity of the n-MC matrix. Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) studies confirm that, upon discharging a specially designed cathode composed of sulfur particles and the n-MC to 2.15 V, the sulfur particles are no longer present at their original location, and the generated polysulfides have permeated into the matrix. The cycle performance of the n-MC/S cathode was examined in depth through a comparative study with a conductive mesoporous carbon host (c-MC), which has a similar porous structure but a higher conductivity of 1.05×10-2 S/cm. In cycling stability tests, the n-MC host demonstrated superior performance, maintaining 74.5% of its initial capacity after 100 cycles, in contrast to the 63.8% retention observed in its conductive counterpart. This enhanced performance is attributed to the polar functional groups on the surface of the n-MC material, as confirmed by FT-IR analysis. These polar groups can interact with polar lithium polysulfides, allowing the MC to effectively and stably confine active materials throughout the cycling process. Our findings offer new insights into the design of high-performance sulfur cathodes and mark a significant advancement in the development of durable Li-S batteries.

AE-PECVD 공정을 이용한 전기전도성 Ti-C:H 박막의 합성

장우순 연세대학교 대학원 2008 국내석사

DLC 막은 우수한 내식성과 윤활성을 가진 재료로서 코팅방법으로 PVD, CVD법 PSII 등의 다양한 기술로서 합성되고 있다. 그러나 DLC의 정전기적특성인 전기저항은 1010Ωcm이상으로 전기전도성이 매우 나빠, DLC 박막의 적용분야가 극히 제한 되어있다. 따라서 전기저항성이 높은 DLC박막에 전기전도성을 부여한다면 강한 부식환경에서의 내식성과 전기전도성을 요구하는 분야에 적용하기 가장 적절한 표면처리 기술로 발전할 수 있는 잠재력이 있기 때문에 전도성을 띄게 하려는 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 DLC의 전도성을 부여하는 방법으로 나노결정화 탄소(nc-Carbon)방법이나 금속을 함유시키는 방법 등이 있으며 그 성과가 매우 우수하다. 그러나 전기전도 특성에서 우수한 특성을 보이지만 탄소계 막과 금속기재 간의 밀착력 문제, 내식성, 저비용의 생산문제 등은 앞으로 해결해야 될 일들이라 할 수 있다.내식성과 전기 전도성이 요구되는 연료전지 부품인 분리판(Bi-polar plate)은 스테인레스판을 이용하는 방법이 상용화에 가능성이 크나 부식 환경 내에서 부동태막의 성장에 따른 에너지 효율저하 문제가 대두되고 있고, 이를 극복하기 위하여 분리판의 전도성과 내식성을 부여하는 표면처리 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.본 연구는 전도성 DLC 코팅 기술에 대한 것으로 PECVD법을 이용하는 방법으로 일반적인 PECVD 장치에 보조 플라즈마 소스를 장착하여 플라즈마의 이온밀도 향상과 금속이온을 막에 공급할 수 있는 장치를 고안하였다. 고안된 장치는 아크방전 소스와 양극으로 구성되어 있으며, 양극에 양전위를 인가하여 플라즈마 내의 전하이동과 충돌 증대를 통한 플라즈마 밀도향상 및 반응가스의 분해와 여기를 기대할 수 있다. 이러한 보조 플라즈마 소스에 의한 금속이온공급과 분해된 반응성 탄화수소를 이용하여 금속인 Ti이 함유된 전기 전도성을 갖는 Ti-C:H막을 합성할 수 있었다. 실험변수로는 공정압력, 보조 양극 전류, 바이어스 전압, 을 변화시켜 실험을 진행하였으며, 이렇게 합성된 막의 내부구조와 전기저항특성은 Raman, XPS, TEM, Four-point probe를 이용하여 알아보았다. 공정변수 변화와 박막의 구조변화에 따른 Ti-C:H 박막의 내식특성은 동전위 분극실험을 실시하여 조사하였다.합성된 박막은 Raman과 XPS분석을 통해 sp2와 sp3 탄소결합이 혼재 되어 있는 아몰퍼스(amorphous) 탄소구조에 Ti가 함유된 박막임을 알 수 있었다.공정압력 감소 시 박막내의 sp2결합과 Ti함량이 증가하였으며, 바이어스 전압과 양극전류를 증가에 따라 박막내의 sp2 구조가 증가되는 결과를 얻었다. 공정압력 변화실험에 따라 합성된 Ti-C:H박막을 TEM이미지 분석을 실시한 결과 낮은 압력에서 합성된 막에서 약 5nm크기의 Ti결정립과 그 주위를 둘러싼 nc-graphite결정 및 비정질 a-C:H을 관찰 할 수 있었다. 압력이 높은상태에서 합성된 박막에서는 Ti와 nc-graphite 결정화가 감소했음을 관찰하였다. 전기 전도성 Ti-C:H박막은 증착 중 박막의 증착에 참여하는 수소의 함량을 기상에서 반응 가스의 분해를 통하여 감소시켜 sp2 탄소결합 구조를 증가 시키고 전도성 금속을 함유시킴으로써, 전도성 금속의 금속결합에 의해 형성된 자유전자와 sp2결합에 의한 π결합의 증가로 표면 저항이 감소하는 것을 알 수 있었다.이상의 결과들로부터, AE-PECVD법에 의해 플라즈마내의 전자온도(electron temperature) 및 이온밀도(ion-density)를 증가시켜 반응가스의 분해와 여기를 촉진할 수 있었다. 그리고 금속이온을 이용하여 Ti-DLC를 합성함으로써 표면저항을 낮출 수 있었으며, 공정압력 7.5mTorr에서 합성된 Ti-DLC의 표면저항은 43.76Ω/sq를 보였다. 1M H2SO4 + 2ppm F-의 조성을 갖는 전해질 내에서 AE-PECVD장치를 이용하여 합성된 전기전도성 Ti-DLC박막의 분극거동을 조사한 결과, 부식전류밀도와 부식전위는 각각 약 0.4㎂/cm2와 107mV를 보였다.

Nylon6,6을 이용한 전기전도성 복합체의 제조 및 전기적 성질에 관한 연구

김효용 전남대학교 대학원 1999 국내석사

Nylon6,6을 matrix로 사용하여 전도성 고분자인 polyaniline(PANI)과 Polypyrrole(PPy)을 블렌딩 방법에 의하여 제조하였다. 블렌딩은 m-cresol과 formic acid를 용매로 사용하였으며 PANI는 camphorsulfonic acid(CSA) 혹은 dodecylbenzenesulfonic acid(DBSA)로 양성화 시켰다. 또한, 화학적으로 중합된 PPy는 FeCl₃을 산화제로 사용하고 dopant로 camphorsulfonic acid(CSA)와 dodecylbenzenesulfonic acid (DBSA)와 같은 알킬 벤젠 술폰산을 사용하였다. matrix에 정전기적 인력을 유도하기 위하여 chlorosulfuric acid를 사용하여 nylon6,6 구조에 술폰산기를 도입시켰으며 도입된 이온이 기계적, 열 적 성질에 미치는 영향을 검토하였다. 또한, 두 고분자간의 혼화성을 개선시키기 위하여 가소제인 diisooctylphthalate(DOP)를 첨가하여 상분 리를 최대한 억제시키므로써 전도도를 증가시켰다. 도판트의 알킬사슬의 길이가 길어질수록 도핑된 전도성고분자의 전기전도도와 용해도는 증가하였다. 거대한 dopant로 도핑을 시키는 경우 분자간의 인력이 감소하였으며 특히 알킬사슬이 길어질수록 계면활성제로서의 효과가 커지고 자유부피가 증가하여 용해도가 증가하게 된다. 혼입제의 함량이 당량비로 0.5일 때 최고의 전도도를 나타내었으며 CSA를 사용하였을 때 비해 DBSA를 사용하였을 때 높은 전기전도도를 나타내었으며 착체의 함량이 증가할수록 전도도가 증가되었다. 또한, -196℃ ∼ 160℃의 온도범위에서 전기전도도를 측정하였으며 복합체 필름의 온도의존성은 PANI 착체의 함량에 따라 변화하였으며 반도체 특성을 나타내는 variable range hopping model에 잘 적용되었다. Nylon6,6 /PANI 전도성 복합체에서 알킬사슬의 길이가 긴 DBSA로 양성화된 PANI(25wt%)과 가소화된 nylon6,6 전도성 복합체의 전기전도도는 1.26 S/cm까지 향상되었으며 Nylon6,6/PPy 전도성 복합체의 전기전도도는 DBSA로 도핑된 PPy(25wt%)의 경우에 1.09 S/cm까지 향상되었다. The conducting composites of polyaniline(PANI) and polypyrrole(PPy) as conducting polymers and nylon6,6 as matrix was prepared by solution blending with the solvent of m-cresol and formic acid. The PANI was protonated using camphorsulfonic acid(CSA) or dodecylbenzenesulfonic acid (DBSA). Also, In chemical polymerization of PPy, the oxidizing agent was FeCl₃ and dopant was alkylbenzenesulfonic acid, such as camphorsulfonic acid(CSA) or dodecylbenzene sulfonic acid (DBSA). A sulfonate group was introduced into the matrix(nylon6,6) in order to enhance the coulombic interaction by using of chlorosulfuric acid. The effect of ionic group in sulfonated nylon6,6 was investigated by mechanical and thermal property measurements. Also the miscibility of these was improved by adding diisooctylphthalate(DOP) as the plasticirer and, the electric conductivity was increased. In general, the solubility and electrical conductivity of doped conducting polymer was increased with longer alkyl chain length of dopants. The bulky dopants decreased the interactions between polymer chains. The solubility of conducting polymer was increased with longer alkyl chain length of dopants because the longer alkyl chain acted as a better surfactant and increased free volume between polymer chains. The maximum electrical conductivity was obtained when 0.5 mole of dopant was used and DBSA was found to be more superior dopant to CSA and the electrical conductivity was increased with the amount of PANI complex. Also, in the temperature range from -196℃ to 160℃, the electrical conductivity was measured and its temperature dependency for conducting composites was varied with the content of PANI complex and followed variable range hopping model. In nylon6,6/PANI conducting composites, the electric conductivity was increased up to 1.26 S/cm with the amount of PANI complex protonated with DBSA having long alkyl chain, and the electric conductivity of nylon6,6/PPy conducting composites was increased up to 1.09 S/cm with the amount of PPy(25wt%) complex doped with DBSA having long alkyl chain.

마이크로 강섬유와 MWCNT를 혼입한 전도성 발열 모르타르의 특성 분석

최범균 건양대학교 일반대학원 2024 국내석사

전도성 발열 모르타르는 기존의 플레인 모르타르에 전도성 재료를 사용함으로써 높은 전도성을 갖게 된다. 전도성 발열 모르타르는 구조재료로서의 장점뿐만 아니라 높은 전도성 특성을 갖게 된다. 따라서 포장도로의 결빙 지역은 물론 교량 슬래브 위, 터널의 진ㆍ출입구, 지하 주차장, 공항 활주로의 제설/제빙을 위한 다양한 토목 인프라 시설물 및 건축물의 전기 난방용으로 적용할 수 있다. 본 논문에서는 마이크로 강섬유(micro steel fiber)와 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube, MWCNT)를 혼입한 전도성 발열 모르타르의 특성을 분석하기 위해 발열 특성 실험, 전기저항 특성 실험 및 강도 시험을 각각 수행하였다. 발열 특성 실험은 마이크로 강섬유 혼입 유무, MWCNT의 혼입 농도, 다양한 인가전압(DC 10V, 30V, 60V) 및 상이한 전극간격(40 ㎜, 120 ㎜)을 실험변수로 실시하였다. MWCNT의 혼입 농도는 시멘트 중량비로 0.0wt%, 0.5wt.% 및 1.0wt.%로 설정하였으며, 마이크로 강섬유는 부피비로 2.0vol.%만 혼입하였다. 전기저항 특성 실험은 마이크로 강섬유의 혼입 유무, MWCNT의 혼입 농도 및 상이한 전극간격(40 ㎜, 120 ㎜)을 실험변수로 선정하여 수행하였다. 강도 시험은 KSL ISO 679 시험기준에 따라 실시하였으며, 양생 재령 28일에서 강도를 측정하였다. 게다가 발열 특성 실험 후 시편의 미세구조 분석을 통해 마이크로 강섬유와 MWCNT의 혼입에 따른 구성성분을 분석하였으며, 분포 형상을 확인하였다. 실험 결과, MWCNT의 혼입 농도가 증가할수록 발열 특성이 향상되고 전기저항은 상당히 감소되었다. MWCNT는 시멘트 수화 생성물 사이에서 전도성 네트워크를 다수 형성하였다. MWCNT의 혼입 농도가 증가할수록 형성되는 전도성 네트워크가 증가하여 최대 발열량이 더욱 향상되었다. 마이크로 강섬유에 혼입된 MWCNT가 증가함에 따라 시편 내부에서 전도성 네트워크가 다수 형성되어 전기저항이 크게 감소되었다. 마이크로 강섬유와 MWCNT를 혼입한 모르타르의 발열 특성을 증가시키고 전기저항을 크게 감소시켰으며, MWCNT가 혼입되지 않은 PM 시편에 비해 발열 특성과 전기저항이 상당히 개선되었다. 아울러, 모르타르 내에서 마이크로 강섬유와 MWCNT는 전도성 네트워크를 형성하여 휨강도를 증진시킨 것으로 나타났다. 특히, 마이크로 강섬유는 휨강도 증진에 뛰어난 효과를 보이며 마이크로 강섬유가 혼입된 SF2.0 시편의 휨강도는 PM 시편에 비해 약 1.98배 이상 우수한 것으로 나타났다. 하지만 MWCNT 혼입에 따른 압축강도는 MWCNT의 혼입 농도가 증가함에 따라 반데르발스 힘에 의한 입자 사이 응집 현상으로 강도 저하가 발생하였다. 각 시편의 미세구조 분석(SEM-EDS, XRD) 결과, 마이크로 강섬유와 MWCNT의 혼입은 수화물 형상과 수화 생성물에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구의 결과는 에너지 효율이 향상된 전도성 발열 모르타르 시스템의 설계 및 시공에 필수적인 정보를 제공할 것으로 기대된다.

PEDOT:PSS/나일론 6 나노섬유 웹의 코팅 횟수 및 용매 처리 단계에 따른 전기적, 표면적, 화학적 특성과 신호전송선으로의 적용

신성은 연세대학교 대학원 2020 국내석사

본 연구에서는 텍스타일 기반 신호전송선을 개발하고자 나일론 6 나노섬유 웹 (Nylon 6 Nanofiber Web)에 전도성 고분자 PEDOT:PSS를 처리하여 전기전도성을 부여하고 코팅 횟수와 용매 처리 단계를 조절하여 전도성을 향상시키고자 하였다. 이 과정에서 시료의 전기적 특성과 표면 특성, 화학적 특성이 평가되어 최적 조건이 도출되었으며, 시간 영역 및 주파수 영역에서 신호 전송 성능이 평가되었다. 이를 위하여 나일론 6 나노섬유 웹에 1.3 wt%의 PEDOT:PSS를 드롭코팅법 (Drop-coating method)으로 코팅한 후, 90 ℃ 오븐에서 열건조하여 시료 P1을 제작하였으며, 이 과정을 반복하여 시료 P2, P3, P4를 제작하였다. PEDOT:PSS에 5 vol% 디메틸설폭사이드 (DMSO) 수용액을 첨가한 다음 나일론 6 나노섬유 웹에 드롭코팅 및 열건조하여 시료 PD1을 제작하고 이를 반복하여 시료 PD2, PD3, PD4를 제작하였다. 2단계 용매 처리를 위해 시료 PD1, PD2, PD3, PD4를 5 vol% DMSO bath에서 후처리한 후 열건조하여 시료 PD1-D, PD2-D, PD3-D, PD4-D를 완성하였으며, 제작 불가능한 시료 P3, P4를 제외하고 총 10종의 전도성 시료를 준비하였다. 코팅 횟수 및 용매 처리 단계에 따른 시료의 전기적, 표면적, 화학적 특성이 평가되었고, 선행연구를 토대로 전기적 특성이 우수한 시료 PD2-D, PD3-D, PD4-D를 선정하여 신호 전송 특성이 평가되었다. 시간 영역에서 시료의 신호 파형을 기존 구리선과 비교하였으며, 주파수 특성 곡선을 데시벨 (dB) 스케일로 도출하였다. 이를 통해, PEDOT:PSS가 코팅된 나일론 6 나노섬유 웹이 텍스타일 신호전송선으로 활용가능성이 있는지 확인하고자 하였다. 연구 결과를 요약하면 다음과 같다. 첫째, 코팅 횟수에 따른 전기적 특성을 평가한 결과, 코팅 횟수가 증가함에 따라 면저항이 감소하였다. 순수 PEDOT:PSS 처리한 경우 반복 코팅한 시료가 더 낮은 면저항 값을 보였고, 도핑된 PEDOT:PSS 처리한 시료와 도핑 및 후처리한 시료 모두 4회 코팅한 조건에서 가장 낮은 면저항을 나타냈다. 코팅 횟수의 증가로 인한 시료 두께 및 애드온 (Add-on)의 증가는 전기전도성 향상과 유의미한 관련성이 있는 것으로 해석되었는데, 이는 반복 코팅으로 나노섬유 웹 상에 전도성 물질의 증착량이 많아지게 되고, 따라서 코팅층 내 전하 이동이 원활해지면서 전기전도성이 향상된 것으로 사료된다. 둘째, 용매 처리 단계에 따른 전기적 특성을 살펴본 결과, 용매 처리 단계가 높아질수록 시료의 면저항이 감소하였다. 순수 PEDOT:PSS 처리한 시료에 비해 용매 DMSO로 도핑된 PEDOT:PSS 처리한 시료의 면저항은 급격하게 감소하였고, 도핑 및 후처리한 조건에서는 이보다 더 감소하였다. 두께와 애드온은 DMSO 처리가 거듭될수록 감소하는 경향을 보였는데, 이는 DMSO 처리가 PEDOT 결정의 재배열과 응집을 일으키고 절연성 PSS를 제거했음을 보여주며, 이로 인해 전도성 PEDOT 입자의 접촉성이 좋아지면서 전도성이 향상된 것으로 판단된다. 셋째, FE-SEM 표면 분석 결과, 나일론 6 나노섬유 가닥이 불규칙하게 얽혀있는 구조에서 코팅 후 PEDOT:PSS에 의해 표면이 덮여 있는 것을 확인할 수 있었다. 코팅이 반복될수록 나노섬유 웹 표면이 더 많이 덮였으며, 용매 미처리 시료와 1단계 처리 시료 사이에 큰 차이가 없었으나, 2단계 용매 처리된 시료는 미세한 섬유 가닥이 더 많이 드러났다. 이는 2단계 후처리를 통해 PSS 입자들이 제거되면서 코팅층이 일부 탈락한 결과로 해석된다. 전도성 향상의 원인을 규명하기 위해 AFM 분석을 실시한 결과, PEDOT 입자가 PSS에 의해 둘러싸여 연결이 끊어진 구조에서, 용매 처리 단계가 높아질수록 PEDOT 입자의 형태가 크고 길어져 연결이 잘 이루어진 것을 관찰할 수 있었다. 반복 코팅한 시료에서 PEDOT 입자가 훨씬 커지고 길쭉해졌는데, 이는 여러 번의 코팅으로 많은 양의 PEDOT 입자가 잔존하게 되고 이것들의 접촉 면적이 넓어지면서 전도성이 향상된 것으로 유추할 수 있다. 넷째, FT-IR 화학 분석 결과, 모든 시료에서 나일론 6와 PEDOT:PSS의 특성 피크를 관찰할 수 있었다. 티오펜링에서 유래한 1519 cm-1 부근의 C=C 피크와 1295 cm-1 부근의 C-C 피크, 에틸렌디옥시기에 해당하는 1170 cm-1, 1127 cm-1, 1033 cm-1 부근의 C-O-C 피크가 관찰되었으며, 704 cm-1 부근에서 티오펜 주쇄의 C-S 결합 피크가 검출되어 PEDOT:PSS 구조를 확인하였다. 또한, 나일론 6 나노섬유 웹에서 나타나는 2931 cm-1 부근의 CH2 비대칭 신축 진동, 1636 cm-1 부근의 C-O 신축 및 C-N 신축 진동이 관찰됨에 따라 PEDOT:PSS가 나일론 6 나노섬유 웹 상에 잘 처리되었음을 확인할 수 있었다. DMSO 처리된 시료의 스펙트럼에서 새로운 기능기가 나타나지 않은 것을 통해 DMSO 처리가 시료의 화학적 구성을 변화시키지 않음을 확인하였다. 다섯째, 시료 중 전기적 특성이 우수한 시료 PD2-D, PD3-D, PD4-D를 사용하여 신호 전송 성능을 평가한 결과, 기존 구리선과 신호 파형이 거의 일치하는 것을 확인하였으며, 입력 및 출력 신호 간에 유사성도 입증되었다. S21 측정으로 주파수 특성 곡선을 도출한 결과, 세 시료 모두 15 MHz 주파수 대역까지 사용할 수 있음을 확인하였다. 이를 통해 PEDOT:PSS 코팅된 나일론 6 나노섬유 웹이 텍스타일 기반 신호전송선으로 활용가능함을 확인하였다. 본 연구는 나일론 6 나노섬유 웹에 PEDOT:PSS를 처리하여 전도성을 부여하고 코팅 횟수와 용매 처리 단계를 조절하여 전기전도성을 향상시키고자 하였다. 시료의 전기적 특성과 표면 특성, 화학적 특성을 토대로 최적 조건이 도출되었으며, 궁극적으로 신호 전송 성능을 평가함으로써 텍스타일 신호전송선으로 활용할 수 있음을 확인하였다. 이상의 본 연구결과는 스마트 의류를 위한 텍스타일 기반 신호전송선을 개발하는 데에 기초자료가 될 것으로 기대된다. In this study, in order to develop a textile based signal transmission line, the conductive polymers PEDOT:PSS was treated on a nylon 6 nanofiber web to impart electrical conductivity and to improve conductivity by controlling the number of coatings and the solvent treatment step. The electrical properties, surface properties, and chemical properties of the specimen were evaluated to derive the optimum conditions, and signal transmission performance was evaluated in time domain and frequency domains. To this end, 1.3 wt% of PEDOT:PSS was coated on a nylon 6 nanofiber web by a drop-coating method, followed by heat drying in a 90 ° C. oven to prepare specimen P1. By repeating this process, specimen P2, P3, and P4 were produced. After adding 5 vol% dimethyl sulfoxide (DMSO) aqueous solution to PEDOT:PSS, the specimen PD1 was prepared by drop coating and heat drying on a nylon 6 nanofiber web, and repeated to prepare specimen PD1, PD2, PD3, and PD4. Specimens PD1, PD2, PD3, and PD4 were subjected to post treatment in a 5 vol% DMSO bath for second step solvent treatment, followed by heat drying to complete specimens PD1-D, PD2-D, PD3-D, and PD4-D. Finally, a total of 10 conductive specimens were prepared except for samples P3 and P4, which were not feasible. The electrical, surface, and chemical properties of the specimen were evaluated according to the number of coatings and the solvent treatment step, and signal transmission properties were evaluated using the PD2-D, PD3-D, PD4-D, which has excellent electrical properties according to the previous study. In the time domain, the signal waveform of the specimen was compared with the conventional copper wire, and the frequency characteristic curve was derived on a decibel (dB) scale. Through this, it was verified that the fabricated electroconductive textile works properly as a textile signal transmission line. The results are summarized as follows. First, the sheet resistance decreased as the number of coatings increased. In the case of the pure PEDOT:PSS treatment, the specimen coated repeatedly showed a lower sheet resistance value, and both the doped PEDOT:PSS treated specimen and the doped and post treated specimen exhibited the lowest sheet resistance under the conditions of four coatings. The increase in specimen thickness and add-on due to the increase in the number of coatings was significantly related to the improvement of electrical conductivity. It is seen that the amount of deposition of the conductive material increases due to the repeated coating, and the electrical conductivity improves due to the improved charge mobility in the coating layer. Second, the sheet resistance of the specimen decreased as the solvent treatment step increased. Compared to the pure PEDOT:PSS treated specimen, the sheet resistance of the PEDOT:PSS doped specimen with DMSO was drastically reduced, and further decreased under the doped and post treated conditions. The thickness and the add-on tended to decrease with repeated DMSO treatments. This showing that DMSO treatment caused the rearrangement and aggregation of PEDOT rich grains and removed the insulating PSS, thereby improving the conductivity while improving the connectivity of the conductive PEDOT rich grains. Third, it was observed that the coated specimens were covered with PEDOT:PSS, while the untreated nylon 6 nanofiber web had irregular strands of fibers. The more the coating was repeated, the more the nanofiber web surface was covered. There was no significant difference between the solvent untreated specimen and the first treated specimen, but the second solvent treated specimen revealed more fine fiber strands. This is a result of the PSS particles being removed through the second step solvent treatment. AFM analysis was conducted to investigate the cause of the conductivity improvement. In the structure in which the PEDOT rich grains were surrounded by PSS and the connection was broken, the more the solvent treatment step, the larger and longer the shape of the PEDOT rich grains. It was observed that the conductive PEDOT grains were well connected. In addition, the PEDOT grains of the repeatedly coated specimen became much larger and longer. It can be inferred that a large amount of PEDOT particles remain after repeated coatings, and the conductivity increases as the contact area of the conductive particles increases. Fourth, as a result of FT-IR analysis, characteristic peaks of nylon 6 and PEDOT:PSS were observed in all samples. The binding peaks of thiophene ring, ethylenedioxy group, and thiophene backbone were detected to confirm the structure of PEDOT:PSS. In addition, stretching vibrations derived from nylon 6 were observed. It indicates that PEDOT:PSS was successfully coated on the nylon 6 nanofiber web. Fifth, the signal transmission performance was evaluated using the three specimens PD2-D, PD3-D, PD4-D having the best electrical properties among the specimens. As a result, it was confirmed that the conventional copper wire and the signal waveform were almost identical, and similarity between the input and output signals was also proved. As a result of deriving the frequency characteristic curve by S21 measurement, it was found that the three specimens had a 15 MHz bandwidth. Through this, it was confirmed that the PEDOT:PSS coated nylon 6 nanofiber web can be used as a textile signal transmission line. This study aimed to improve the electrical conductivity by treating PEDOT:PSS on nylon 6 nanofiber web to impart conductivity and controlling the number of coatings and the solvent treatment step. Optimal conditions were derived based on the electrical properties, surface properties, and chemical properties of the specimen, and it was confirmed that the signal transmission performance could be ultimately utilized as a textile signal transmission line. The above results of this study are expected to be the meaningful and significant data to develop textile signal transmission lines for smart clothing.

미세유체 기술을 이용한 PS-b-PMMA의 균일한 크기의 전도성 마이크로 입자 제조

김영덕 부산대학교 대학원 2021 국내석사

본 연구는 미세유체 기술을 이용한 PS-b-PMMA 의 균일한 크기의 전도성 마이크로 입자 제조에 대해 알아보았다. 전도성 입자는 디스플레이나 플렉시블 태양광 패널 등에 전기적 연결에 사용되며 전도성 입자의 균일성은 전기적 연결에 가장 중요한 소재이다. 전도성 입자의 내부에는 고분자이며 외부에는 전도도가 높은 메탈이 코팅되어 있는 구형의 마이크로 입자이다. 전도성 입자의 내부를 구성하는 고분자의 크기를 정밀 제어하기 위해서 는 초기에 액적의 크기를 균일하게 제조하는 것이 중요하다. 균일한 크기의 액적 제조에 영향을 주는 전단율, 계면에서의 점성, 온도 등을 변화시켜 균일한 액적이 제조되는 조건을 확인하였다. 조건을 통해 제조된 액적을 양친매성 공중합체인 PS-b-PMMA 의 자가조립과 액적 내의 용매를 증발시켜 입자를 제조하였다. 금을 코팅하여 최종적으로 구형의 균일한 전도성 입자를 제조하여 균일성을 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 3.5μm의 균일한 전도성 마이크로 입자를 제조할 수 있음을 확인하였다. 제조된 전도성 업자의 전도성을 확인하기 위한 전기저항과 외부 하중을 인가하여 전도성 입자의 기계적 물성치를 확인하였다.