선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 분산제에 따른 자성입자가 성장한 그래핀 하이브리드 소재의 분산안정성과 필름 제작시의 면저항·전자파 차폐능 변화에 대해 연구하였다.
제안 방법
- FeCoNi embedded on graphene 하이브리드 소재를 제조하기 위해서 그래핀 위에 무전해 도금하기 위하여 민감화와 활성화 전처리 공정을 진행한 후 FeCoNi 삼원계 금속을 무전해 도금하였다.
- FeCoNi 나노입자가 성장한 graphene 하이브리드 소재의 분산성을 확인하기 위해 6가지 종류의 분산제를 초음파 처리를 통해 30 mg/ml 농도로 물에 분산하였다. 분산제로는 나노입자 표면에 이온성 리간드를 형성하는 Ammonium chloride (AC, Sigma Aldrich), Co-polymer 분산제로 F-127 (Sigma Aldrich), 양이온 분산제로 Cetrimonium bromide (CTAB, Sigma Aldrich), 음이온 분산제로 Sodium dodecyl sulfate (SDS, Sigma Aldrich), Sodium dodecylbenzenesulfonates (SDBS, Sigma Aldrich), 휘발성 분산제로 Pyridine(Sigma Aldrich)을 사용하였다.
- 분산과정은 농도 30 mg/ml의 용액 15 ml를 Probe-type sonicator(20 kHz)를 사용해 2초 간격으로 교반없이 초음파 처리를 진행하였으며, 총 1시간 동안 분산 시켰다. 그 다음으로 분산된 용액을 filtration을 이용해 filter paper 위에 하이브리드 소재를 적층하여 필름을 제작하였으며, Dimethylformamide 용액에 녹인 6 wt% Thermoplastic polyurethane (TPU)를 하이브리드 필름위에 applicator를 이용해 적층 하였다. 이렇게 제작된 필름을 하루 동안 상온건조 하였다.
- 본 연구에서는 분산제에 따른 자성입자가 성장한 그래핀 하이브리드 소재의 분산안정성과 필름 제작시의 면저항·전자파 차폐능 변화에 대해 연구하였다. 그래핀 표면에 자성 나노소재를 무전해 도금을 통해 안정적으로 성장시킨 후 이를 다양한 분산제에 분산시켜 분광광도계를 이용해 분산성과 분산안정도를 확인하였으며[14,15], 분산된 하이브리드 입자를 이용해 건전한 자성나노입자가 성장한 그래핀 하이브리드 소재 필름을 제작한 후 전기적 특성을 평가하기 위해 표면 저항을 측정하였다. 또한 이를 공기중에 안정적으로 보관 및 필름 유연성을 확보하기 위해 폴리우레탄 고분자를 보호필름으로 적용하였으며, 분산제 별로 8.
- 본 연구에서는 FeCoNi 나노입자가 성장한 Graphene 하이브리드 소재를 무전해 도금법을 이용해 낮은 온도에서 간단하게 환원 합성하였으며, 이를 XRD와 TEM 분석을 통해 결정성과 모폴로지를 확인하였으며, 많은 양의 금속 나노입자가 성장한 것을 확인 할 수 있었다. 또한 다양한 분산제를 이용해 분산안정도를 확인하고 이를 이용해 복합 필름을 제작하였다. 필름의 분산에 따른 적층되는 하이브리드 소재의 건전성과 전도도가 밀접한 관계가 있으며, 이에 따른 표면 저항의 차이가 있었다.
- 하이브리드 소재의 모폴로지를 확인하기 위해 TEM(Hitachi HF-3300) 장비를 통해 확인하였고 소재의 결정성을 평가하기 위하여 X선 회절분석 (XRD, D/MAX-2500V, Rigaku)을 수행하였다. 또한 분산안정성을 확인하기 위해 분산된 하이브리드 소재를 DI water에 20배 희석하여 UV-vis 분광계 (NEOGEN OPTIZEN POP)를 이용해 일반적으로 탄소소재의 흡광도를 측정하는 파장인 525 nm로 설정한 다음 10회 측정하여 평균 흡광도로 시간에 따른 흡광도를 분석하였다.
- 또한 이를 공기중에 안정적으로 보관 및 필름 유연성을 확보하기 위해 폴리우레탄 고분자를 보호필름으로 적용하였으며, 분산제 별로 8.2~12.4 GHz 주파수 대역에서의 전자파 차폐 성능을 평가, 비교하여 측정된 전자파 차폐 성능과 분산제 별 표면 저항의 상관관계를 분석하였다.
- 무전해 도금 과정은 Fig. 1과 같이 tin(II)chloride (Sigma Aldrich)를 이용해서 그래핀 표면의 민감화 한 후 palladium (II)chloride (Samchun Chemical)을 이용하여 그래핀 표면에 자성 금속 도금을 촉진시키기 위한 Pd 나노입자를 형성하였다. 이렇게 준비된 Sn/Pd/Graphene 분말을 FeCoNi 무전해 도금욕에 한번에 넣어 도금을 진행하였다.
- 분산제로는 나노입자 표면에 이온성 리간드를 형성하는 Ammonium chloride (AC, Sigma Aldrich), Co-polymer 분산제로 F-127 (Sigma Aldrich), 양이온 분산제로 Cetrimonium bromide (CTAB, Sigma Aldrich), 음이온 분산제로 Sodium dodecyl sulfate (SDS, Sigma Aldrich), Sodium dodecylbenzenesulfonates (SDBS, Sigma Aldrich), 휘발성 분산제로 Pyridine(Sigma Aldrich)을 사용하였다. 분산과정은 농도 30 mg/ml의 용액 15 ml를 Probe-type sonicator(20 kHz)를 사용해 2초 간격으로 교반없이 초음파 처리를 진행하였으며, 총 1시간 동안 분산 시켰다. 그 다음으로 분산된 용액을 filtration을 이용해 filter paper 위에 하이브리드 소재를 적층하여 필름을 제작하였으며, Dimethylformamide 용액에 녹인 6 wt% Thermoplastic polyurethane (TPU)를 하이브리드 필름위에 applicator를 이용해 적층 하였다.
- 흡광도를 기반으로 하이브리드 소재를 증류수에 분산한 후 20배 희석한 용액을 525 nm의 파장에서 반복 측정하여 안정적이게 유지되는 분산제를 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 토대로 분산제를 기반으로 소재의 변질과 재분산 능력에 확인하였다. 흡광도를 확인했을 때 크게 3가지 그룹으로 구분된다.
- 4의 TEM 이미지 분석을 통해 약 2 μm 의 그래핀 위에 많은 양의 FeCoNi 나노입자가 약 50 nm 크기로 성장한 것을 확인할 수 있다. 이미지에서 확인할 수 있듯이 노출된 그래핀 표면의 비율이 적어 분산제를 사용할 경우 화학적 결합을 할 수 있는 부분이 적고 나노입자 표면과 경쟁적인 화학적 결합을 할 수 있기 때문에 낮은 분산성을 보일 수 있어 이에 관한 효과를 분광 분석법을 통해 분석하였다.
- 전자파 차폐 복합재의 차폐 특성을 평가하기 위하여 가로, 세로 50 mm × 50 mm 정사각형 필름 형태의 시편으로 복합재를 가공하였다.
- 하이브리드 소재를 30 mg/ml의 농도로 물에 초음파 분산을 한 후 약 3주간 침전되는 정도를 흡광도 (Fig. 5)와 사진 (Fig. 6)로 확인하였다. 확인 결과 AC의 경우 24시간 이내로 침전이 빠르게 일어나는 것을 확인 할 수 있으며, 4일정도 지난 후 CTAB또한 분산제의 재결정화에 의해 침전이 일어나고 흡광도가 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다.
- 하이브리드 소재의 모폴로지를 확인하기 위해 TEM(Hitachi HF-3300) 장비를 통해 확인하였고 소재의 결정성을 평가하기 위하여 X선 회절분석 (XRD, D/MAX-2500V, Rigaku)을 수행하였다. 또한 분산안정성을 확인하기 위해 분산된 하이브리드 소재를 DI water에 20배 희석하여 UV-vis 분광계 (NEOGEN OPTIZEN POP)를 이용해 일반적으로 탄소소재의 흡광도를 측정하는 파장인 525 nm로 설정한 다음 10회 측정하여 평균 흡광도로 시간에 따른 흡광도를 분석하였다.
대상 데이터
- 무전해 도금욕의 구성으로는 iron(II) sulfate heptahydrate (Junsei Chemical), cobalt(II) sulfate heptahydrate (Junsei Chemical), nickel(II) sulfate heptahydrate (Sigma Aldrich)는 각각 Fe, Co 그리고 Ni을 무전해 도금하기 위하여 첨가되었으며, sodium tartrate (Sigma Aldrich), sodium citrate(Sigma Aldrich)는 착화제로 이용되었다. ammonium sulfate(Alfa Aesar)는 버퍼로, phosphorous acid(Alfa Aesar)와 boranedimethylamine (DMAB, Alfa Aesar)는 환원제로 사용되었다 [16,17]. 도금욕의 조성과 양은 Table 1과 같이 준비하였다.
- 이렇게 준비된 Sn/Pd/Graphene 분말을 FeCoNi 무전해 도금욕에 한번에 넣어 도금을 진행하였다. 무전해 도금욕의 구성으로는 iron(II) sulfate heptahydrate (Junsei Chemical), cobalt(II) sulfate heptahydrate (Junsei Chemical), nickel(II) sulfate heptahydrate (Sigma Aldrich)는 각각 Fe, Co 그리고 Ni을 무전해 도금하기 위하여 첨가되었으며, sodium tartrate (Sigma Aldrich), sodium citrate(Sigma Aldrich)는 착화제로 이용되었다. ammonium sulfate(Alfa Aesar)는 버퍼로, phosphorous acid(Alfa Aesar)와 boranedimethylamine (DMAB, Alfa Aesar)는 환원제로 사용되었다 [16,17].
- 분산안정성 실험에 사용된 분산제 중 각 분산제 종류별로 Pyridine, SDBS, CTAB, F127을 선정하여 측정하였다.
- FeCoNi 나노입자가 성장한 graphene 하이브리드 소재의 분산성을 확인하기 위해 6가지 종류의 분산제를 초음파 처리를 통해 30 mg/ml 농도로 물에 분산하였다. 분산제로는 나노입자 표면에 이온성 리간드를 형성하는 Ammonium chloride (AC, Sigma Aldrich), Co-polymer 분산제로 F-127 (Sigma Aldrich), 양이온 분산제로 Cetrimonium bromide (CTAB, Sigma Aldrich), 음이온 분산제로 Sodium dodecyl sulfate (SDS, Sigma Aldrich), Sodium dodecylbenzenesulfonates (SDBS, Sigma Aldrich), 휘발성 분산제로 Pyridine(Sigma Aldrich)을 사용하였다. 분산과정은 농도 30 mg/ml의 용액 15 ml를 Probe-type sonicator(20 kHz)를 사용해 2초 간격으로 교반없이 초음파 처리를 진행하였으며, 총 1시간 동안 분산 시켰다.
데이터처리
- 또한 분산제 별로 제작된 필름의 전자파 차폐성능과 필름의 전기적 특성을 비교하기 위해 4 point probe(Napson Corporation, Cresbox)를 이용해 동일한 시편의 각기 다른 지점을 10회 측정하여 평균값을 계산해 표면 저항을 측정 하였고, network analyzer (VNA, Agilent N5230A)를 이용하여 8.2~12.4 GHz의 범위의 차폐성능을 측정하여 둘의 상관 관계를 분석하였다.
성능/효과
- 필름의 표면 저항이 낮을수록 내부 네트워크가 방해 없이 잘 형성된 것이며, 이로 인해 높은 전기 전도도를 가져 차폐능력의 향상을 가져올 수 있다. AC 의 경우 필름이 건전하게 형성되지 않아 표면 저항 자체의값이 측정되지 않았으며 CTAB과 F-127 모두 높은 수치의 표면저항을 보이는 것을 확인했다. 표면저항이 낮은 순으로 보면 Pyridine < SDS < SDBS < CTAB < F-127이며 분산 안정성과는 비례하지 않는다는 것을 알 수 있다.
- 결과적으로 이온 리간드나 분자량이 많은 분산제는 하이브리드 소재 내부 네트워크 형성에 불리한 형태이며, 또한 FeCoNi 나노입자가 성장한 Graphene과 TPU 고분자 복합 필름형성 시 건조 후에도 유기물이 잔류하고 있어 낮은 차폐성능을 나타낸다는 것을 확인 할 수 있다. 반면 Pyridine은 분산성 및 분산안정성에 있어서 매우 높은 성능을 나타내었으며, 필름과 같은 어플리케이션 형태로 제작하였을때 분산제가 휘발하여 없어지기 때문에 하이브리드 소재의 높은 성능을 발휘하는데 적합한 분산제로 생각된다.
- 본 연구에서는 FeCoNi 나노입자가 성장한 Graphene 하이브리드 소재를 무전해 도금법을 이용해 낮은 온도에서 간단하게 환원 합성하였으며, 이를 XRD와 TEM 분석을 통해 결정성과 모폴로지를 확인하였으며, 많은 양의 금속 나노입자가 성장한 것을 확인 할 수 있었다. 또한 다양한 분산제를 이용해 분산안정도를 확인하고 이를 이용해 복합 필름을 제작하였다.
- 시편 중 표면 저항 값이 높은 F-127 분산제의 경우 주파수 10 GHz에서 전자파 차폐능이 약 1 dB의 낮은 차폐 성능을 보였으나, 전기 전도성과 비례하는 형태로 CTAB, SDBS, Pyridine의 순서로 6 dB, 10 dB, 15 dB의 전자파 차폐능이 측정되었다. F-127과 CTAB의 경우 차폐성능을 거의 발현하지 못하였으나 SDBS와 Pyridine의 경우 주파수 10 GHz에서 90% 이상의 차폐성능을 나타내었다.
- 또한 초음파를 이용한 재분산 시에도 어려움이 있었다. 음이온 분산제인 SDBS와 휘발성 분산제인 Pyridine이 가장 높은 분산 안정성을 보였으며, Co-polymer 분산제인 F-127과 음이온 분산제인 SDS는 SDBS와 Pyridine에 비해 낮은 흡광도로 유지되었다. 특이한 점은 같은 음이온 분산제인 SDS와 SDBS의 분산안정성 차이인데 이는 벤젠고리의 유무에 따른 그래핀 표면 sp2와의 결합차이 때문으로 보여진다.
- 흡광도를 확인했을 때 크게 3가지 그룹으로 구분된다. 이온 리간드 형태의 분산제인 AC와 양이온 분산제인 CTAB은 흡광도가 거의 0으로 낮아지는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 다른 분산제에 비해 분산 안정성이 낮다는 것을 알 수 있다. 또한 초음파를 이용한 재분산 시에도 어려움이 있었다.
- F-127과 CTAB의 경우 차폐성능을 거의 발현하지 못하였으나 SDBS와 Pyridine의 경우 주파수 10 GHz에서 90% 이상의 차폐성능을 나타내었다. 차폐성능은 분산제의 종류에 의한 영향이 있으며, 이는 그래핀 표면에 자성입자를 성장시켜 전도성에 의한 향상과 전자파 흡수에 대한 효과보다 복합 필름 형성 방법에 대한 영향이 더 크다는 것을 확인 할 수 있다.
- 6)로 확인하였다. 확인 결과 AC의 경우 24시간 이내로 침전이 빠르게 일어나는 것을 확인 할 수 있으며, 4일정도 지난 후 CTAB또한 분산제의 재결정화에 의해 침전이 일어나고 흡광도가 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다.
- 필름의 분산에 따른 적층되는 하이브리드 소재의 건전성과 전도도가 밀접한 관계가 있으며, 이에 따른 표면 저항의 차이가 있었다. 휘발성 분산제 계열인 Pyridine과 음이온 분산제 계열의 SDBS의 경우 건전한 필름을 통해 네트워크가 잘 형성되어 상대적으로 낮은 표면 저항이 측정되었으며, 이를 복합필름으로 제작한 후 차폐 능을 측정하였을 때 주파수 90% 이상의 차폐 성능을 확인할 수 있었다. 특히 Pyridine 분산제의 경우 분산제가 증발되어 그래핀 하이브리드 소재만 형성하게 하여 우수한 차폐 성능을 구현하게 하는 것으로 판단된다
- 흡광도를 기반으로 하이브리드 소재를 증류수에 분산한 후 20배 희석한 용액을 525 nm의 파장에서 반복 측정하여 안정적이게 유지되는 분산제를 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 토대로 분산제를 기반으로 소재의 변질과 재분산 능력에 확인하였다.
후속연구
- 특히 하이브리드 소재 중 전자파 흡수· 차폐 소재의 경우 성능의 극대화를 위해서는 그래핀과 같은 유전성 소재와 Fe, Co, Ni과 같은 자성소재가 하이브리드 된 소재가 필요하다. 이와 같은 하이브리드 소재를 기반으로 필름을 제작 시 소재의 분산성이 낮으면 건전하지 못한 복합재가 제작되어 소재의 전도성에 영향을 주므로 결과적으로 낮은 차폐능을 보이게 되므로 그래핀 하이브리드 소재의 분산에 관한 심층적인 연구가 필요하다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.