Ti3C2Tx 맥신 나노복합소재 및 그 응용: 전자기파 차폐, 면상 히터 및 전기변색 소자 Ti3C2Tx MXene Nanocomposites and Their Applications: EMI Shielding, Sheet Heater, and Electrochromic Device원문보기
NGUYEN VAN TAM
(University of Science and Technology, ETRI school
차세대소자공학(AdvancedDeviceTechnology)
국내박사)
전이금속과 탄소 또는 질소가 결합하여 2차원의 원자 층 두께를 가지는 맥신이 발견된 이래로, 많은 분야에서 관심을 가지고 연구되고 있다. 특히, 티타늄 전이금속과 탄소의 결합으로 이루어진 2차원 Ti3C2Tx는 가장 처음 발견된 맥신으로 활발한 연구가 진행되고 있다. 최근 맥신을 포함하는 나노 복합소재를 이용하여 기존의 성능을 향상시켜 다양한 분야에 적용하는 연구가 보고되고 있다. 하지만, 응용 범위를 더욱 넓히고 나노 복합소재 내에서 맥신의 역할을 충분히 이해하기 위해서는 맥신 기반의 나노 복합소재에 대한 더 자세한 연구가 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 (1) ...
전이금속과 탄소 또는 질소가 결합하여 2차원의 원자 층 두께를 가지는 맥신이 발견된 이래로, 많은 분야에서 관심을 가지고 연구되고 있다. 특히, 티타늄 전이금속과 탄소의 결합으로 이루어진 2차원 Ti3C2Tx는 가장 처음 발견된 맥신으로 활발한 연구가 진행되고 있다. 최근 맥신을 포함하는 나노 복합소재를 이용하여 기존의 성능을 향상시켜 다양한 분야에 적용하는 연구가 보고되고 있다. 하지만, 응용 범위를 더욱 넓히고 나노 복합소재 내에서 맥신의 역할을 충분히 이해하기 위해서는 맥신 기반의 나노 복합소재에 대한 더 자세한 연구가 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 (1) 전자기파 차폐, (2) 면상 발열체, (3) 전기 변색 소자의 응응 분야에서 Ti3C2Tx 기반 나노 복합소재를 도입하고, 각각의 응용 분야에서 맥신의 역할에 대해 자세히 살펴보고자 한다. 1장에서는 맥신, 특히 Ti3C2Tx의 화학적 구조 및 전기적 특성, 그리고 합성 방법 등을 설명하고, 맥신 기반의 나노 복합소재의 다양한 응용 분야를 소개하고자 한다. 또한, 본 연구에서 진행한 세 가지 응용 분야인 전자기파 차폐, 면상 발열체, 전기변색소자에 대한 기본적인 동작 메커니즘을 설명한다. 마지막으로 나노 복합소재에서 맥신의 역할에 대해 현재까지 보고된 논문들을 참고하여 소개하고자 한다. 2장에서는 본 연구에서 진행한 맥신 기반의 나노 복합소재 응용 중 하나인 Fe3O4나노 입자가 삽입된 Ti3C2Tx 나노 시트/그래핀 폼/폴리디메틸실록산 (Fe3O4@Ti3C2Tx/GF/PDMS) 복합소재 기반의 다기능 전자기파 차폐 스킨에 대한 연구를 소개한다. 이 복합소재는 우수한 전자기파 차폐 성능을 보여줌과 동시에 압력 감지 성능을 보여준다. 다기공성의 그래핀 폼 구조에 Fe3O4 나노 입자가 삽입된 맥신을 도입함으로써 전자기파 차폐 성능을 크게 향상시키는 것으로 확인되었다. 또한, 복합소재의 다기공성 구조와 무수히 많은 계면 형성은 외부 압력 하에서 민감한 전기 저항 변화를 유도하여 우수한 압력 센서 응용에 대한 가능성을 보여주었다. 3장에서는 대면적의 전자기파 차폐 필름 및 유연 면상 발열체 제작을 위한 나노 복합소재 기반의 전기 전도성 잉크에 대한 연구를 소개한다. 친환경 전기 전도성 잉크는 탄소 나노 튜브 (CNT)와 열처리된 Ti3C2Tx를 수분산 폴리우레탄 (WPU) 매트릭스에 혼합하여 제작하였다. 친환경 전기 전도성 잉크를 이용하여 대면적의 우수한 전기 전도성을 가지는 필름을 제작하였고, 이 필름은 뛰어난 성능의 유연한 전자기파 차폐 및 면상 발열체로서의 응용성을 보여주었다. 4장에서는 Ti3C2Tx 나노 복합소재 기반의 전기 변색 소자 응용에 대해 소개한다. 대표적인 전기 변색 소재인 WO3에 Ti3C2Tx를 혼합하여 WO3/Ti3C2Tx 하이브리드 잉크를 제조하였고, 스프레이 코팅을 통해 전기 변색층을 형성하였다. Ti3C2Tx는 전기 변색 소자 내에서 전하 수송 장벽을 낮추어 높은 광 변조 효율 및 착색 효율, 빠른 스위칭 속도 등 전기 변색 소자의 성능을 크게 향상시킨다. 전자기파 차폐, 면상발열체 및 전기 변색 소자 등의 응용 분야에서 맥신 기반의 나노 복합체 도입함으로써 그 성능이 향상됨을 확인하였고, 각 응용 분야에서 맥신의 역할에 대해서 자세히 살펴보았다. 본 연구를 통해 실질적인 산업에서 맥신 기반 나노 복합체가 널리 활용될 수 있는 기반이 될 것이라 판단된다.
전이금속과 탄소 또는 질소가 결합하여 2차원의 원자 층 두께를 가지는 맥신이 발견된 이래로, 많은 분야에서 관심을 가지고 연구되고 있다. 특히, 티타늄 전이금속과 탄소의 결합으로 이루어진 2차원 Ti3C2Tx는 가장 처음 발견된 맥신으로 활발한 연구가 진행되고 있다. 최근 맥신을 포함하는 나노 복합소재를 이용하여 기존의 성능을 향상시켜 다양한 분야에 적용하는 연구가 보고되고 있다. 하지만, 응용 범위를 더욱 넓히고 나노 복합소재 내에서 맥신의 역할을 충분히 이해하기 위해서는 맥신 기반의 나노 복합소재에 대한 더 자세한 연구가 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 (1) 전자기파 차폐, (2) 면상 발열체, (3) 전기 변색 소자의 응응 분야에서 Ti3C2Tx 기반 나노 복합소재를 도입하고, 각각의 응용 분야에서 맥신의 역할에 대해 자세히 살펴보고자 한다. 1장에서는 맥신, 특히 Ti3C2Tx의 화학적 구조 및 전기적 특성, 그리고 합성 방법 등을 설명하고, 맥신 기반의 나노 복합소재의 다양한 응용 분야를 소개하고자 한다. 또한, 본 연구에서 진행한 세 가지 응용 분야인 전자기파 차폐, 면상 발열체, 전기변색소자에 대한 기본적인 동작 메커니즘을 설명한다. 마지막으로 나노 복합소재에서 맥신의 역할에 대해 현재까지 보고된 논문들을 참고하여 소개하고자 한다. 2장에서는 본 연구에서 진행한 맥신 기반의 나노 복합소재 응용 중 하나인 Fe3O4 나노 입자가 삽입된 Ti3C2Tx 나노 시트/그래핀 폼/폴리디메틸실록산 (Fe3O4@Ti3C2Tx/GF/PDMS) 복합소재 기반의 다기능 전자기파 차폐 스킨에 대한 연구를 소개한다. 이 복합소재는 우수한 전자기파 차폐 성능을 보여줌과 동시에 압력 감지 성능을 보여준다. 다기공성의 그래핀 폼 구조에 Fe3O4 나노 입자가 삽입된 맥신을 도입함으로써 전자기파 차폐 성능을 크게 향상시키는 것으로 확인되었다. 또한, 복합소재의 다기공성 구조와 무수히 많은 계면 형성은 외부 압력 하에서 민감한 전기 저항 변화를 유도하여 우수한 압력 센서 응용에 대한 가능성을 보여주었다. 3장에서는 대면적의 전자기파 차폐 필름 및 유연 면상 발열체 제작을 위한 나노 복합소재 기반의 전기 전도성 잉크에 대한 연구를 소개한다. 친환경 전기 전도성 잉크는 탄소 나노 튜브 (CNT)와 열처리된 Ti3C2Tx를 수분산 폴리우레탄 (WPU) 매트릭스에 혼합하여 제작하였다. 친환경 전기 전도성 잉크를 이용하여 대면적의 우수한 전기 전도성을 가지는 필름을 제작하였고, 이 필름은 뛰어난 성능의 유연한 전자기파 차폐 및 면상 발열체로서의 응용성을 보여주었다. 4장에서는 Ti3C2Tx 나노 복합소재 기반의 전기 변색 소자 응용에 대해 소개한다. 대표적인 전기 변색 소재인 WO3에 Ti3C2Tx를 혼합하여 WO3/Ti3C2Tx 하이브리드 잉크를 제조하였고, 스프레이 코팅을 통해 전기 변색층을 형성하였다. Ti3C2Tx는 전기 변색 소자 내에서 전하 수송 장벽을 낮추어 높은 광 변조 효율 및 착색 효율, 빠른 스위칭 속도 등 전기 변색 소자의 성능을 크게 향상시킨다. 전자기파 차폐, 면상발열체 및 전기 변색 소자 등의 응용 분야에서 맥신 기반의 나노 복합체 도입함으로써 그 성능이 향상됨을 확인하였고, 각 응용 분야에서 맥신의 역할에 대해서 자세히 살펴보았다. 본 연구를 통해 실질적인 산업에서 맥신 기반 나노 복합체가 널리 활용될 수 있는 기반이 될 것이라 판단된다.
Recently, MXenes, a two-dimensional (2D) materials family of transition metal carbides or nitrides with the representative as titanium carbide (Ti3C2Tx), have been discovered and showed great potential for many fields. The latest reports demonstrated that the presence of MXene in nanocomposites enha...
Recently, MXenes, a two-dimensional (2D) materials family of transition metal carbides or nitrides with the representative as titanium carbide (Ti3C2Tx), have been discovered and showed great potential for many fields. The latest reports demonstrated that the presence of MXene in nanocomposites enhanced the performance of their applications. However, to broaden the scope of applications and understand the role of MXene in nanocomposites, the nanocomposites based on MXene need to be more adequately studied. This dissertation focused on the development of Ti3C2Tx nanocomposites for 3 main applications: (1) electromagnetic interference (EMI) shielding, (2) electrical sheet heater, and (3) electrochromic (EC) smart window. Besides, the effect of Ti3C2Tx on enhancing the performance of Ti3C2Tx nanocomposites in their applications will be clarified. Chapter 1 briefly introduces the chemical structure, electrical properties, and synthesis methods of Ti3C2Tx MXene and Ti3C2Tx nanocomposites. Their applicability in fields is summarized. Also, the mechanism of EMI shielding, electrical sheet heater and EC device are presented. The role of Ti3C2Tx nanocomposite in these applications is surveyed through recent reports. Chapter 2 presents a multifunctional EMI shielding skin based on Fe3O4 nanoparticles (NPs) intercalated Ti3C2Tx nanosheets (NSs)/ Graphene foam (GF)/ Polydimethylsiloxane (PDMS) (Fe3O4@Ti3C2Tx/GF/PDMS) composite, which showed an excellent EMI shielding effectiveness (SE) and can act as a pressure sensor. The remarkable EMI performance of this composite is due to high conductivity, magnetic loss, and interfacial polarization. Furthermore, the susceptible electrical resistance change under external pressure made the composite become a promising pressure sensor. To fabricate large-size EMI shielding films, an electrically conductive composite ink is reported in Chapter 3. This composite ink, which is eco-friendly, is a mixture of carbon nanotubes (CNTs) and heat-treated Ti3C2Tx MXene in waterborne polyurethane (WPU) matrix. Through the doctor blade printing method, composite films with various thickness were fabricated from the ink, showed a remarkable EMI SE owing to an excellent electrically conductive network between Ti3C2Tx and CNTs. In addition, this composite ink was used to print electrical sheet heaters with excellent Joule heating performance. Chapter 4 presents an application of Ti3C2Tx nanocomposite in optoelectronic, where Ti3C2Tx played an essential role in significantly reducing the charge transport barrier within EC devices. The EC smart window based on the WO3/Ti3C2Tx hybrid film, fabricated by the spray-coating method, exhibited a significantly enhanced EC performance with a high optical modulation, a high coloration efficiency (CE), fast switching response time compared with bare WO3-based EC device. The performance of applications such as EMI shielding, sheet heaters and EC devices was significantly improved by using Ti3C2Tx nanocomposites, and the crucial role Ti3C2Tx in each application was investigated detailly. I believe that my research will be the impetus for the widespread application of MXene nanocomposites in the manufacturing industry.
Recently, MXenes, a two-dimensional (2D) materials family of transition metal carbides or nitrides with the representative as titanium carbide (Ti3C2Tx), have been discovered and showed great potential for many fields. The latest reports demonstrated that the presence of MXene in nanocomposites enhanced the performance of their applications. However, to broaden the scope of applications and understand the role of MXene in nanocomposites, the nanocomposites based on MXene need to be more adequately studied. This dissertation focused on the development of Ti3C2Tx nanocomposites for 3 main applications: (1) electromagnetic interference (EMI) shielding, (2) electrical sheet heater, and (3) electrochromic (EC) smart window. Besides, the effect of Ti3C2Tx on enhancing the performance of Ti3C2Tx nanocomposites in their applications will be clarified. Chapter 1 briefly introduces the chemical structure, electrical properties, and synthesis methods of Ti3C2Tx MXene and Ti3C2Tx nanocomposites. Their applicability in fields is summarized. Also, the mechanism of EMI shielding, electrical sheet heater and EC device are presented. The role of Ti3C2Tx nanocomposite in these applications is surveyed through recent reports. Chapter 2 presents a multifunctional EMI shielding skin based on Fe3O4 nanoparticles (NPs) intercalated Ti3C2Tx nanosheets (NSs)/ Graphene foam (GF)/ Polydimethylsiloxane (PDMS) (Fe3O4@Ti3C2Tx/GF/PDMS) composite, which showed an excellent EMI shielding effectiveness (SE) and can act as a pressure sensor. The remarkable EMI performance of this composite is due to high conductivity, magnetic loss, and interfacial polarization. Furthermore, the susceptible electrical resistance change under external pressure made the composite become a promising pressure sensor. To fabricate large-size EMI shielding films, an electrically conductive composite ink is reported in Chapter 3. This composite ink, which is eco-friendly, is a mixture of carbon nanotubes (CNTs) and heat-treated Ti3C2Tx MXene in waterborne polyurethane (WPU) matrix. Through the doctor blade printing method, composite films with various thickness were fabricated from the ink, showed a remarkable EMI SE owing to an excellent electrically conductive network between Ti3C2Tx and CNTs. In addition, this composite ink was used to print electrical sheet heaters with excellent Joule heating performance. Chapter 4 presents an application of Ti3C2Tx nanocomposite in optoelectronic, where Ti3C2Tx played an essential role in significantly reducing the charge transport barrier within EC devices. The EC smart window based on the WO3/Ti3C2Tx hybrid film, fabricated by the spray-coating method, exhibited a significantly enhanced EC performance with a high optical modulation, a high coloration efficiency (CE), fast switching response time compared with bare WO3-based EC device. The performance of applications such as EMI shielding, sheet heaters and EC devices was significantly improved by using Ti3C2Tx nanocomposites, and the crucial role Ti3C2Tx in each application was investigated detailly. I believe that my research will be the impetus for the widespread application of MXene nanocomposites in the manufacturing industry.
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