보고서 정보
주관연구기관 |
포항공과대학교 Pohang University of Science and Technology |
연구책임자 |
이건홍
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2017-10 |
과제시작연도 |
2016 |
주관부처 |
과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT |
과제관리전문기관 |
한국연구재단 National Research Foundation of Korea |
등록번호 |
TRKO201800003234 |
과제고유번호 |
1711037618 |
사업명 |
개인연구지원 |
DB 구축일자 |
2018-04-21
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키워드 |
인장강도.극한기술.탄소나노튜브.탄소나노튜브 섬유.Tensile strength.carbon nanotube.carbon nanotube fiber.
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DOI |
https://doi.org/10.23000/TRKO201800003234 |
초록
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연구의 목적 및 내용
본 연구의 목적은 탄소나노튜브 섬유의 강도를 극한 수준으로 향상시키는 기술을 개발하는 것이다. 이는, 현재의 세계 최고 데이터(8.8 GPa)를 300% 이상 향상시키는 극한기술이며, 기술의 난이도면에서 극도의 도전성을 가지는 연구라고 할 수 있다.
탄소나노튜브 섬유를 만드는 방법은 크게 3가지가 있는데, 그 중 산업화가 가능한 연속 생산 기술로는 solution spinning과 direct spinning이 있다. 처음 2년간의 연구를 통해서 극한 강도를 얻을 수 있는 원리를 규명하고
연구의 목적 및 내용
본 연구의 목적은 탄소나노튜브 섬유의 강도를 극한 수준으로 향상시키는 기술을 개발하는 것이다. 이는, 현재의 세계 최고 데이터(8.8 GPa)를 300% 이상 향상시키는 극한기술이며, 기술의 난이도면에서 극도의 도전성을 가지는 연구라고 할 수 있다.
탄소나노튜브 섬유를 만드는 방법은 크게 3가지가 있는데, 그 중 산업화가 가능한 연속 생산 기술로는 solution spinning과 direct spinning이 있다. 처음 2년간의 연구를 통해서 극한 강도를 얻을 수 있는 원리를 규명하고 데이터의 재현성이 충분히 확보되면, 3차년도에는 이 원리를 direct spinning에 적용하는 방법을 연구할 계획이다.
연구결과
1차년도: 탄소나노튜브 섬유 내의 bundle과 bundle 사이의 packing을 극대화하기 위해서는 한쪽 끝부터 반대편 방향으로 빈틈없이 접촉시키는 것이 중요하다는 것을 알아내었다. 이는 Elastocapillary 효과를 여러 가지 방법(Dipping, Evaporation, Wicking, Nebulizer, Spray)으로 실험해봄으로서 확인되었다. 그 결과, spray 방법을 통해 얻은 탄소나노튜브 섬유의 인장강도가 가장 높았다.
2차년도: 1차년도에서 얻은 Elastocapillary 효과의 재현성을 확보하기 위해 롤러 장치로 압착하면서 용액을 주입하였으며, 그 후 열을 가해 cross-linking을 동시에 시도하였다. 그 결과 탄소나노튜브 섬유의 인장강도는 처리 전 대비 약 1.6 배, 롤러 압착을 하지 않았을 때의 약 1.4 배 높은 값이 얻어졌다. 또한, 좋은 품질의 탄소나노튜브 섬유를 안정적으로 공급하기 위한 탄소나노튜브 합성 실험도 진행하였다. 촉매 implant 방법을 이용하여 탄소나노튜브의 지름이 일정한 탄소나노튜브 forest를 합성할 수 있었으며, 높은 G/D ratio(95.26) 및 불순물 함량이 적은 탄소나노튜브 섬유를 합성하였다.
3차년도: 2차년도에서 합성한 고품질의 탄소나노튜브 섬유를 이용하여 다양한 방법의 compaction(stretching, wicking & drying, sonication & winding 등)과 cross-linking(Friedel-Craft acylation, esterification, Polyimide cross-linking)을 시도하였다. 그 결과 처리 전보다 인장강도가 약 2~3배 높은 탄소나노튜브 섬유를 얻을 수 있었다.
연구결과의 활용계획
중견연구자지원사업을 통해 본 연구 그룹은 탄소나노튜브 섬유의 구조 및 탄소나노튜브 표면 특성에 대한 이해, 탄소나노튜브 섬유 합성 및 후처리에 관한 세계적으로 가장 앞선 know-how와 기술력을 가질 수 있었다. 이러한 연구성과는 KIST 주관의 ‘4U 복합소재개 발사업’ 이 기획되고 출범되는데 큰 기여를 하였다 (사업비 27억/년, KIST, POSTECH, 재료연구소, 원자력 연구소, NASA 참여). 이는 본 과제의 최대 성과이며, 활발한 연구활동으로 탄소나노튜브 섬유를 시작으로 복합소재 플랫폼 개발, 우주와 같은 극한환경에서도 사용이 가능한 소재를 개발하고자한다.
(출처 : 요약문 4p)
Abstract
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Purpose & contents
The main purpose of this research is to develop a method to dramatically increase the tensile strength of carbon nanotube fibers. Three detail purposes of this research include (1) elucidation of the physical and chemical priciples such as elastocapillary effect, (2) prepa
Purpose & contents
The main purpose of this research is to develop a method to dramatically increase the tensile strength of carbon nanotube fibers. Three detail purposes of this research include (1) elucidation of the physical and chemical priciples such as elastocapillary effect, (2) preparation of the carbon nanotube fibers with extreme tensile strength, and (3) application of devised method to the continuous production of carbon nanotube fibers.
Result
1st year: Removal of voids from one end of a CNT fiber to another is important to maximize the packing among the CNT bundles in a CNT fiber. Elastocapillary effect was confirmed using diverse methods, including dipping, evaporating, wicking, nebulizing and spraying. CNT fibers made of spraying method had the best tensile strengths.
2nd year: To reproduce the superstrong CNT fibers obtained in the 1st year, CNT fibers were pressed using roller equipment while cross-linker was injected. Then pressed CNT fibers were cross-linked at a high temperature. As a result, tensile strength of treated CNT fibers were increased about 1.6 times than that of the pristine CNT fibers. Also, CNT synthesis experiment was proceeded to supply high quality CNT fibers. CNT forests with uniform diameter CNTs were obtained and CNT fiber with a high G/D ratio (95.26) and low impurities was synthesized.
3rd year: High quality CNT fibers were compacted using various methods (wicking & drying, stretching, sonication & winding) and cross-linked using chemical reactions(Friedel-Craft acylation, esterification, Polyimide cross-linking). The tensile strength of CNT fibers increased about 2~3 times comparing with those of the pristine CNT fibers.
Expected Contribution
We have contributed to a deeper understanding on the relationship between the hierarchical structure and the strength of a CNT fiber, and acquired world-leading CNT fiber synthesis technology through this project. Also, the research performance resulted in megascale research project which is called ‘4U composite material project’ collaborated with POSTECH, KIST, KAERI, KIMS, and NASA (research funds: 2.7 billion won /year). This is the greatest outcome of this research, and we expect to develop composite materials which can be utilized in extreme environment like space.
(출처 : SUMMARY 5p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 목차 ... 2
- 연구계획 요약문 ... 3
- 연구결과 요약문 ... 4
- 한글요약문 ... 4
- SUMMARY ... 5
- 연구내용 및 결과 ... 6
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
- 2. 국내외 기술개발 현황 ... 8
- 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 10
- 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 52
- 5. 연구결과의 활용계획 ... 60
- 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 61
- 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 64
- 8. 참고문헌 ... 64
- 9. 연구성과 ... 65
- 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 86
- 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 86
- 12. 기타사항 ... 86
- 별첨1 : 대표연구실적 ... 87
- 별첨2 : 세부 목표 관련 증빙 ... 100
- 끝페이지 ... 130
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