Aligned carbon nanotube sheet and yarn for liquid crystal display and smart actuators

국문 초록 (Abstract)

CNT 포레스트로부터 가져온 CNT 시트나 실과 같이 방적 가능하고 수직으로 정렬된 거시적 인 물체는 경량, 높은 기계적 및 전기적 특성 및 제어 가능한 광학 특성과 같은 뛰어난 특성을 가지고 있습니다. 이러한 거시적 조립은 게스트, 기능성 물질과 함께 시너지 효과를 발휘하여 다목적 장치를 위한 다기능 장치의 호스트 재료로서 탁월하게 기능해왔습니다. 게스트 소재의 다양성 가운데, 반응성 폴리머 또는 액정 분자와 같은 연질 물질은 호스트 내부에서 기능성을 제공하기 위한 쉬운 전략을 제공합니다.
이 논문에서는 액정 디스플레이 기술에서부터 인공 근육 및 소프트 로봇을 위한 스마트 액추에이터에 이르기까지 게스트 재료와 함께 시너지 효과를 보인 CNT 거시적 어셈블리의 고유 한 특성을 입증했습니다.
다음의 1 장에서, CNT 거시적 어셈블리의 분야에서의 문헌 고찰은 전기적, 열적 및 기계적 특성을 다루는 독특한 특성화 접근법과 그 잠재적인 적용의 시연이 함께 제공되며, 이 장의 뒷부분에서는 주로 인공 근육과 투명하고 유연한 전극에 초점을 맞추고 있습니다.
최근에는 파라핀이 침투된 CNT 실이 인공 근육의 좋은 성능을 보였습니다. 호스트 CNT 내부에 잘 갇혀있는 파라핀 게스트의 고체 - 액체 상 변화 전이와 관련된 부피 팽창은 작동 성능을 증폭시킨다. 또한, 이러한 체적 변화는 ex-situ에서 측정되었다. 작동 중에 하이브리드 CNT 실 전체의 in-situ 체적 팽창에 대한 설명을 위해서, 제 2 장은 파라핀 침투 CNT 사의 등 장성 (isotonic) 작동 중 다차원 in-situ 측정에 집중하고 있다. 파라핀이 침투 된 순수 원사 및 코일형태로 꼰 원사의 동작에 대한 아이디어와 경험적 결과 및 토론에 대해서 보여주었습니다. 이러한 실험 장치로부터 게스트 물질의 역할뿐만 아니라 작동 중에 호스트 얀의 내부 구조 및 다기능 장치의 추가 기능을 더 잘 이해할 수 있었습니다.
전술 한 바와 같이, CNT 시트는 유연하고 투명한 전극으로서 사용할 수 있습니다. 또한, CNT 시트의 자연적 정렬 특성으로 인해, 이러한 기능은 액정 디스플레이 용 정렬 층에 사용될 수 있습니다. 그 결과, CNT 시트는 액정 분자 배향용 시판 액정 셀에서 종래의 인듐 주석 산화물 (ITO) 투명 전극 및 폴리이미드 정렬 층의 대안적인 해결책으로서 배향막 및 투명 전극의 두 가지 역할을 담당하였고, 이들 분자의 방위를 전기적으로 제어합니다. 이것을 증명하기 위해서, 유리 기판상의 샌드위치 액정과 같은 셀에 대한 CNT 시트의 다양한 기능이 3 장에서 증명되었습니다. 이 장에서, 제작된 셀의 전기, 열, 광학적 결과는 상업용 셀과 비교하여 뛰어난 성능을 보였습니다. 또한 CNT 시트의 유연성과 결합된 이러한 기능들은 상용 인듐 주석 산화물 투명 전극으로는 제한되는 유연하고 접을 수 있는 액정 장치의 발전을 위한 길을 열어 줄 것입니다.
4 장에서는 스마트 액추에이터 응용을 위해, 정렬된 CNT 시트와 PVA로 구성된 2 층 구조의 다중 자극 및 다중 응답에 대해 논의한다. 흡습 물질 인 PVA와 상승 작용을 하는 적층 CNT 시트의 흑체 및 이방성 기계적 성질은 습기 및 햇빛에 반응하는 2 층 구조를 형성하여 각각 PVA의 수화 및 탈수에 관여한다. 2 층 구조는 자율적으로 자연 환경에 의해 활성화되는 스마트 창 커튼과, 비에 의한 습도 및 햇빛과 같은 외부 환경 변화에 의해 자율적으로 구동되는 소프트 로봇의 이동을 통해 증명되었습니다. 또한, 이중층 구조는 다른 자극에 의해서도 활성화됩니다. 이러한 스마트한 구조는 전력 없이도 환경친화적이며 무한한 에너지 자원에 의해 활성화되는 soft-robotics의 응용을 발전시킬 것입니다.
결론 및 전망은 이 논문의 결과를 요약하고 향후 연구에서의 문제점을 논의 할 것입니다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Macroscopic objects drawing from spinnable and vertically aligned CNT-forest such as CNT-sheets and yarns have owned the outstanding properties such as light-weight, high mechanical and electrical properties, and controllable optical properties. Such these macroscopic assembly have excellently served as the host material for the multi-functional devices for the versatile applications by synergistic with the guests, functional materials. Among the varieties of the guest materials, soft matter materials such as a responsive polymer or liquid crystal molecules have offered a facile strategy to combine inside the host with great functionalities.
In this thesis, the deployment of the unique properties of the CNT macroscopic assemblies synergistic with guest materials has been demonstrated in the applications from the liquid crystal display technology to the smart actuators for the artificial muscles and soft robotics.
In the following, Chapter 1, the literature review in the field of the CNT macroscopic assembly comes along with the unique characterization approaches covering the whole electrical, thermal, and mechanical properties which have been demonstrated the potential applications, mainly focusing on the artificial muscles and transparent and flexible electrodes in the latter part of the chapter.
Recently, the paraffin infiltrated CNT yarns have been shown the great performances for the artificial muscles. The volume expansion associated with the solid to liquid phase change transition of the paraffin guest which is well-confined inside the host CNT yarn has amplified the actuation performances. However, such the volume variation was measured in ex-situ. In order to complete the puzzle, it is necessary to develop an idea for the in-situ volume expansion of the whole hybrid CNT yarn during the actuation. Therefore, Chapter 2 dedicates for such the multi-dimensional in-situ measurement during the isotonic actuation of the paraffin infiltrated CNT yarns. The concept of the idea, empirical results, and discussions for the actuation of the paraffin infiltrated neat yarn and coiled yarn, respectively are shown. From such the experimental apparatus, it helps better understanding the role of the guest material as well as the internal structure of the host yarn during the actuation and for the further functionalities for the multi-functional devices.
As aforementioned, the CNT-sheet could act as the flexible transparent electrode. Moreover, thanks to the natural alignment feature of the CNT-sheet, such the function could use for the alignment layer for the liquid crystal display. As a result, the CNT-sheet has served as a dual role of the alignment layer and the transparent electrode as an alternative solution for the conventional indium tin oxide transparent electrode and polyimide alignment layer in the commercial liquid crystal cell for aligning liquid crystal molecules and electrically controlling these molecules’ orientations, respectively. As a proof of concept, the multi-functionalities of the CNT-sheet for the sandwich liquid crystal-like cell on a glass substrate have been demonstrated in Chapter 3. In this chapter, the electro-thermal-optical results of the made-cell have been shown the great performances comparing with these of commercial cell. Moreover, these functions of the CNT-sheet combining with its flexibility will pay the way for the further development in the flexible and foldable liquid crystal devices where the capability of the commercial indium tin oxide transparent electrode is limited.
Chapter 4 discusses the multi-stimuli and multi-responses of bi-layer structure consisting of the aligned-CNT-sheets and PVA for the smart actuators. The black body and anisotropic mechanical properties of the stack-CNT-sheets synergistic with the hygroscopic material, PVA, forms the bi-layer structure which responses with the humidity and sunlight are associating with the hydration and dehydration of the PVA, respectively. The bi-layer structure dedicates as the autonomous, naturally environmental activated, smart window curtain and demonstration of the locomotion of soft-robot autonomously driven by the environmental changes such as rain-induced humidity and sunlight. Moreover, the bi-layer structure is also activated by the other stimuli. Such the smart structure pave the way for the applications in the soft-robotics activating by the power-free, environmentally friendly, and unlimited energy resources.
Conclusions and perspective will summary those results in this thesis and discuss scenarios and challenges in the future research.

목차 (Table of Contents)

• Abstract of Thesis 9
• Chapter 1 Spinnable-CNT macroscopic objects 11
• 1.1. Overview 11
• 1.2. Fabrications and physical properties 12
• 1.2.1. Fabrication 12
• 1.2.2. Physical Properties 18
• 1.2.3. Exemplary applications 26
• 1.3. Low-dimensional electrical transport probed by magnetoresistance study 28
• 1.4. Electro-mechanical actuation amplified by the paraffin infiltration 32
• 1.5. Summary 38
• Chapter 2 Multi-dimensional actuation measurement approach for tensile actuation of paraffininfiltrated carbon nanotube yarns 39
• 2.1. Overview 40
• 2.2. Background concepts 41
• 2.2.1. Solid to liquid phase change materials 41
• 2.2.2. Mechanism of actuation 42
• 2.3. Experiment 44
• 2.3.1. Yarn’s fabrication 44
• 2.3.2. PCM infiltration 44
• 2.3.3. Displacement sensor 46
• 2.3.4. Laser scan micrometer 47
• 2.4. Results and discussion 50
• 2.5. Summary 55
• Chapter 3 Dual role of aligned CNT sheet as transparent electrode and alignment layer for liquid crystal display 56
• 3.1. Overview 56
• 3.2. Background concepts [93-99] 58
• 3.2.1. What is Liquid crystal? 58
• 3.2.2. Characteristics of LC 62
• 3.2.3. The electro-optical cells and the alignment of LC molecules in the LC cells 69
• 3.3. Experiment and methods 85
• 3.3.1. Preparation of the liquid crystal cell 85
• 3.3.2. Cell gap measurement 86
• 3.3.3. Structural analysis of the alumina – CNT sheet – HMDS glass substrate 87
• 3.3.4. Electro-thermo-optical characterizations of the liquid crystal cells 88
• 3.3.5. Switching time measurement of the cells 90
• 3.3.6. Voltage threshold measurement of the cells 91
• 3.3.7. Dielectric spectroscopy measurements 92
• 3.4. Results and discussions 92
• 3.4.1. A preliminary test of uniformity of the alumina coated a CNT-sheet glass substrate 92
• 3.4.2. Electro-opto-thermal properties of CNT-sheet electrode LC cells 97
• 3.5. Summary 112
• Chapter 4 Multi-stimuli and multi-responsive actuator based on unidirectional CNT-sheet-PVA bilayer 113
• 4.1. Overview 113
• 4.2. Background concepts [148-153] 115
• 4.2.1. Hygromorphic materials 115
• 4.2.2. Light absorption of CNT 117
• 4.2.3. Double-beam theory for bending 117
• 4.3. Experiments and methods 117
• 4.4. Results and discussions 119
• 4.4.1. Idea concept and microstructure 119
• 4.4.2. Sunlight response 120
• 4.4.3. Moisture and light-induced actuation 122
• 4.4.4. Autonomous smart window curtain 124
• 4.4.5. Moisture and light-driven locomotion 126
• 4.4.6. Lifting more massive objects under 1-sun exposure 128
• 4.4.7. Multi-stimuli for actuation 129
• 4.5. Summary 130
• Summary of thesis 131
• References 134
• Appendix 152
• 논문 초록 154