[논문]탄소나노섬유의 특성과 응용

양갑승; 김보혜; 이완진

탄소나노섬유의 특성과 응용
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전기방사 탄소섬유와 s-VGCFs는 그 미세구조의 특성 때문에 응용분야가 서로 다르다. 전기방사 탄소나노섬유는 유기물을 섬유화하고 그것을 탄화하기 때문에 VGCFs에 비해서 낮은 가격에 대량생산이 가능하고 촉매를 사용하지 않기 때문에 전극으로 사용할 경우 금속불순물에 대한 부반응의 우려가 없다. 한편, 결정성이 낮고 세공이 잘 발달되어 비표면적이 크기 때문에 이온을 흡착해서 에너지를 저장하는 전기화학 캐패시터나 가스 흡착 분리나 촉매의 지지체로 사용하는데 장점이 있다. 이에 비해서 s-VFCFs는 섬유의 직경이 기존의 VGCF에 비해서 작으면서 잘 발달된 흑연구조가 동심원 구조를 하고 있어 굴곡강도가 크고 열 및 전기전도도가 우수하여 납축전지나 Li 이온전지의 충전제로 사용하여 역학적 특성과 향상시켜 주는 역할을 한다. 또한, 금속과 복합화하여 가벼우면서도 강도를 증가시켜주는 보강재로 사용가능하다.

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문제 정의

여기에서는 fioathig growth 방법으로 양산된 sub-micron VGCFs (s-VGCFs) 에 대해서 구조적 특성, 물성을 검토하고 그러한 특성 때문에 응용되는 분이에 대해서 검토하도록 한다,
여기에서는 탄소섬유 프리커서를 전기방사하고 안정화 탄화 과정을 통하여 제조한 탄소나노섬유(bCNN)와 촉매를 이용하여 기상 성장한 탄소나노섬유(VGCFs)의 물성과 그것들의 응용들에 대하여 살펴보기로 한다.

제안 방법

Ferrocene이나 iron pentacarbonyl을 프리커서 촉매로 하고 여기에 황화수소를 co-catalyst로 이용하여 천연가스를 원료로 하여 flosting reactant method로 컵스택 VGCFs를 제조히였다.29.

성능/효과

가스 흡착은 세공의 벽과 흡착 기스의 인력에 의해서 그 흡츠} 량이결정되므로 비표면적과 함께 그 비표면적을 나타내는 세공의 크기가 중요한 역할을 하는 것으로 밝혀졌다 Benzene, toluene, xylene 등의 흡착실험을 실시한 결과 파과시간이 상용화된 활성탄과 활성탄소 섬유는 1시간 이하인데 비해서 전기방사 탄소나노섬유는 4시간으로 나타나 그 흡착능이 뛰어난 것으로 밝혀졌으며 이것은 대부분의 세공을 이루고 있는 ultra-micropore(88%)의 기여도가 큰 것으로 평가되었다(그림 II).1®;"%
Mg과 1 wt% s-CVEF를 이용해서 만든 5개의 복합재료 나사못이 stainless steel로 만든 1 개의 나사 못보다 가볍고 그 기계적인 물성도 우수한 것으로 나타났다(일본 신슈대 Prof. Morinobu Endo, 개인 정보) (그림 16).
전기전도도는 전극이나 전기화학의 활성 물질 혹은 지지체로 사용하기 위해서 매우 중요한 특성이다 4단자 법으로 측정된 탄화된 s- VGCFs의 비저항은 1X10-3 Qcm이고 흑연화된 섬유의 비저항은 1X MF** Qcm으로 측정되었고 이 값은 전통적인 탄소섬유의 전기전도도보다 높고 일반적인 VGCFs 보다는 낮은 것으로 평가되었다.34
탄소 혹은 흑연화 s-VGCFs의 물성은 기존의 등방성 피치계 탄소섬유보다는 인장 강도나 인장 탄성률이 큰 것으로 평가되었다.35 이러한 면에서 보면 이 s-VGCFs는 배터리 전극의 충전제로서 사용하기에 적합한 것으로 평가되었다.

후속연구

2 ㎛로 작고 분포가 좁으며 직경이 10-20 pm인 일반 VGCFs와 구조적으로 비슷하여, 내부에는 동심원 흑연 면이, 외부에는 pyrolytic 탄소가 충전된 상태이다. 이러한 구조적인 특성 때문에 복합재료의 보강 물질이나 Li 이온 전지의 부극이나 전도성이 우수한 특성이 응용되는 부극의 첨가제로 사용이 가능할 것으로 보인다. 따라서, 납축전지나 Li 이온전지 전극에 충전제로서 상용화가 진행되는 것으로 알려지고 있다.

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