초록 ▼

연구목표 및 내용
- 탄소나노튜브 시트(sheet)를 호스트(host)로 이용하여 하나 이상의 기능성 게스트(guest) 물질을 최대 99 wt. % 포함할 수 있는 다기능 biscrolled yarn을 제조
- 게스트 물질의 크기와 성질의 제한 없이 다양한 게스트 물질을 이용할 수 있는 기술을 연구개발
- 전극으로 이용할 수 있는 biscrolled yarn 제조 및 그 구조 특성에 대한 연구
- Biscrolled yarn의 대량생산 방법 및 장비 개발
연구결과:
- 기계적⋅전기적 특성이 우수한

연구목표 및 내용
- 탄소나노튜브 시트(sheet)를 호스트(host)로 이용하여 하나 이상의 기능성 게스트(guest) 물질을 최대 99 wt. % 포함할 수 있는 다기능 biscrolled yarn을 제조
- 게스트 물질의 크기와 성질의 제한 없이 다양한 게스트 물질을 이용할 수 있는 기술을 연구개발
- 전극으로 이용할 수 있는 biscrolled yarn 제조 및 그 구조 특성에 대한 연구
- Biscrolled yarn의 대량생산 방법 및 장비 개발
연구결과:
- 기계적⋅전기적 특성이 우수한 다기능 biscrolled yarn 제조 및 대량생산 공정 구축함
- Biscrolled yarn 기반 고성능 바이오 연료전지 전극을 제조함
- 제조방법 개발과 최적화를 통해 고효율 배터리와 연료전지 전극을 개발함
- 배터리, 연료전지에 응용 가능한 biscrolled yarn 기반 textile 전극 제조함
- 배터리, 연료전지에 응용 가능한 biscrolled yarn 기반 two-ply 섬유 전극 제조함

Abstract ▼

Multifunctional yarns are required for diverse applications, like clothing that protects soldiers and provides sensing, communication, energy harvesting, and energy storage capabilities. Woven fabrics from such yarns could provide electrodes for high performance batteries, supercapacitors, and fuel

Multifunctional yarns are required for diverse applications, like clothing that protects soldiers and provides sensing, communication, energy harvesting, and energy storage capabilities. Woven fabrics from such yarns could provide electrodes for high performance batteries, supercapacitors, and fuel cells that might be imbedded in vehicle shells, as well as textiles for catalytic conversion, hydrogen storage, and active oxygen generation for self-cleaning and destruction of biological threads. Despite important advances, critical problems remain: (1) most functional and multifunctional materials are unspinnable using known technologies, (2) nanopowder and nanofiber functionality often degrades when accessible surface area decreases during processing, and (3) coating nanoparticles or nanofibers on yarns after yarn spinning can decrease loading levels and durability.
Collaborative research to solve this problem is proposed between the Alan G. MacDiarmid Nanotech Institute of the University of Texas at Dallas (UTD) and the Center for Bio-Artificial Muscle and Dept. of Biomedical Engineering at Hanyang University (HYU). The PIs (Ray Baughman of UTD and Seon Jeong Kim of HYU) are already collaborating in the carbon nanotube area, which has involved international researcher exchanges and has so far produced one publication and a manuscript for Nature.
Our approach involves twist-based spinning of carbon nanotube sheets or sheet wedges (the host) that are overlaid with up to 99 wt. % of one or more other functional materials (the guest). Whether the overlaid functional material comprises nanoparticles, nanofibers or larger guests, we have recently shown that sheet-derived helices in the resulting yarns contain this functional material in a complex spiral, or a combination of spirals, whose structure critically depends upon twist level and various geometrical and mechanical parameters. The observed ability of a trace amount of carbon nanotubes to hold up to 99 wt. % of otherwise unspinnable nanopowder or nanofiber in useful yarn form reflects the higher-than-steel gravimetric strength of the scrolled nanotube sheets, which are obtained using UTD’s solid-state process for sheet fabrication by draw from special types of carbon nanotube forests.
The project focus on developing biscrolled yarns and textiles for battery and fuel cell electrode applications was chosen because of the urgent need for improved technologies for electrical energy storage and fuel-cell-based electrical energy generation. Project provided advances are planned in electrode electrochemical performance, mechanical robustness, and mechanical flexibility that could provide (1) increased power and energy densities (2) multifunctional applicability where electrode strength and flexibility is utilized, like for energy storage in vehicle panels and electronic textiles; (2) deployability for both ultra-large and very small devices, (3) elimination of noble metal catalysts from fuel cell electrodes, and (4) the ability to harvest and store electrical energy in the human body. While project focus is on fuel cell and battery electrodes based on biscrolled yarns, project research will provide advances in fabrication, process upscale, and in experimental and theoretical understanding of structure and properties that will be important for all applications of biscrolled yarns.
By making presently unspinnable highly functional nanomaterials and micron size materials spinnable, our biscrolling process for the fabrication of multifunctional yarns could enormously expand the applications potential of yarns, thereby leading to job creation and new and strengthened companies in Korea and the United States. Flexible textile-based batteries woven or sewn into clothing or protective vests could power sensors and communication equipment for emergency responders and soldiers, and drug delivery systems for the infirm. Likewise, batteries and fuel cells based on strong, high performance woven electrodes could be incorporated in vehicle panels, thereby reducing vehicle weight by providing both structural and electrochemical function. On a smaller scale, perhaps useful for application in the human body, a twisted pair of biscrolled yarn electrodes for an energy storing or energy harvesting device could have the diameter of a human hair. More generally, use of biscrolled yarns (and derived fabrics) as electrodes for biofuel cells may help solve key problems that have interfered with biofuel cell application for converting the chemical energy in glucose to the electrical energy needed for such implantable devices as biosensors, pacemakers, pumps for active drug delivery, and artificial muscles.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요약문 ... 4
• SUMMARY ... 7
• CONTENTS ... 9
• 목차 ... 12
• 그림목차 ... 14
• 제 1장 연구개발과제의 개요 ... 16
• 제 1절 연구배경 및 필요성 ... 16
• 1. 기술적 측면 ... 16
• 2. 경제.산업적 측면 ... 16
• 3. 사회.문화적 측면 ... 17
• 제 2절 공동연구 추진배경 및 추진체계 ... 18
• 제 2장 국내외 기술개발 현황 ... 20
• 제 1절 국내.외 연구 현황 ... 20
• 제 2절 현기술의 취약성 및 전망 ... 21
• 제 3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 22
• 제 1절 Biscrolled yarn 전극 개발 및 특성 분석 ... 22
• 1. Biscrolled yarn 구조와 특성 이해를 위한 실험 모델링 ... 22
• 2. 기능성 biscrolled yarn 전극 제조: 초기 제조 단계 ... 23
• 3. Biscrolled yarn 배터리, 연료전지 전극의 전기화학적 특성 측정 및 분석 ... 24
• 4. 바이오 연료전지를 위한 페리틴 합성 ... 25
• 제 2절 Biscrolled yarn 제조기술 및 전극 성능 향상 ... 26
• 1. Biscrolled yarn 제조 방법의 최적화 ... 26
• 2. Biscrolled yarn 바이오 연료전지 전극 제조 및 특성 분석 ... 28
• 3. 배터리, 연료전지 전극을 위한 기능성 나노입자(guest) 및 농도 최적화 ... 30
• 제 3절 Biscrolled yarn 직물 제조 및 산업화를 위한 성능 향상 ... 32
• 1. Biscrolled yarn 전극의 직물 제조 및 대량생산을 위한 장비 개발 ... 32
• 2. 실험과 모델링을 통해 목표치 성능에 근접한 배터리, 연료전지 biscrolled yarn 전극 개발 ... 34
• 3. 바이오 연료전지 특성분석 및 성능최적화 ... 34
• 4. 산업화를 위한 기능성 biscrolled yarn의 textile 제조방법 연구 ... 36
• 제 4절 Biscrolled yarn 연구의 기타 성과 ... 37
• 1. Biscrolled yarn의 새로운 host 물질 적용 연구 ... 37
• 2. Bi-rolling 기술과 대량생산공정 연구 ... 39
• 3. MWNT yarn을 이용한 인공근육 연구 ... 40
• 제 4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 42
• 제 1절 연차별 연구평가의 착안점 및 척도 ... 42
• 제 1절 연차별 목표달성도 및 자체평가 ... 43
• 1. 1차년도 (2010년) ... 43
• 2. 2차년도 (2011년) ... 43
• 3. 3차년도 (2012년) ... 44
• 제 5장 연구개발결과의 활용계획 ... 45
• 제 6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 47
• 제 7장 연구시설.장비 현황 ... 48
• 제 8장 참고문헌 ... 49
• 끝페이지 ... 51