[논문 리뷰] Carbon nanotube-copper fibers produced by electrospinning: electrical conductivity measurements

Farhad Daneshvar, Hung‐Jue Sue|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 19.

Nanomaterials and Printing Technologies참고 문헌 43인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 전기화학적 구리 코팅을 통해 상호작용을 향상시켜 연속적인 탄소나노튜브-구리(CNT-Cu) 복합섬유를 전기스피닝을 통해 제조하는 새로운 방법을 제시한다. 결과적으로 얻어진 섬유는 1.45×10⁶ S/m의 전기적 도전성을 확보하여 기존의 구리보다 뛰어난 고성능 경량 도전성 재료로서의 잠재력을 입증하였다.

ABSTRACT

Recent advances in nanotechnology have provided new materials which have the potential to surpass copper and aluminum alloys in electrical conductivity, weight and ampacity [2-6]. Among these carbon nanotubes (CNTs) stand out due to their remarkable thermal and electrical conductivity and ampacity (103 times of copper), low density, abundance of precursor materials and supreme mechanical properties. However, making these materials into a continuous fiber or macrostructures has remained the main obstacle. A promising approach to tackle this issue is employing CNTs as nanofillers in copper matrixes. Subramaniam et al. [5] combined several simple fabrication to produce high density CNT (45 vol%)-Cu composite films with specific conductivity 26% greater than copper. These results show that by improving the interfacial interactions between the CNTs and the copper matrix strong and highly conductive nanocomposites can be made. In this research continuous CNT-Cu nanocomposite is produced using electrospinning method. For improving the interfacial interaction the surface of the CNTs were first coated with a thin layer of copper using electroless deposition methods (the process is explained in details in [7]).

연구 동기 및 목표

• 더 높은 전기적 도전성을 확보한 연속적이고 거시적인 CNT-Cu 복합섬유의 개발.
• 나노복합재료에서 CNT와 구리 기반재 간의 상호작용이 열악한 문제를 해결.
• 정렬된 연속적인 CNT-Cu 섬유를 제조하기 위해 전기스피닝을 확장 가능한 방법으로 활용.
• CNT 표면에 전기화학적 구리 침착을 통해 상호작용을 향상.
• 결과로 얻어진 CNT-Cu 섬유의 전기적 도전도를 측정하고 평가.

제안 방법

• 고분자/CNT 프리커서 용액으로부터 연속 섬유를 제조하기 위해 전기스피닝을 사용.
• CNT의 표면을 먼저 기능화하고, 전기화학적 침착을 통해 얇은 구리층을 코팅하여 상호작용을 향상.
• 전기스피닝으로 제조된 섬유는 고온 처리를 통해 고분자 기반재를 제거하고, 구리-CNT의 밀도를 높이기 위해 열처리를 실시.
• 형태와 전기적 도전도를 평가하기 위해 표준 사점프로브 측정법을 사용하여 최종 CNT-Cu 섬유를 특성화.
• 섬유의 연속성과 최대한의 구리 함량 유지를 위해 공정을 최적화하고, CNT의 정렬 상태를 유지.
• 접촉 저항 영향을 최소화하기 위해 사점프로브 기법을 사용해 전기적 도전도를 측정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전기스피닝은 연속적인 CNT-Cu 복합섬유를 효과적으로 제조하는 데에 적합한가?
• RQ2 CNT에 전기화학적 구리 코팅이 CNT-Cu 복합재에서 상호작용을 크게 향상시키는가?
• RQ3 전기스피닝으로 제조된 CNT-Cu 섬유의 도전성은 순수 구리와 비교해 얼마나 높은가?
• RQ4 섬유의 미세구조는 복합재의 전기적 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제조 공정은 섬유의 정합성과 정렬 상태를 유지하면서도 높은 구리 함량을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 제조된 CNT-Cu 섬유는 1.45×10⁶ S/m의 전기적 도전성을 확보하여 순수 구리 수준에 근접하였다.
• 전기화학적 구리 코팅이 CNT와 구리 기반재 간의 상호작용을 뚜렷이 향상시켰다.
• 전기스피닝 공정을 통해 균일한 형태를 가진 연속적이고 정렬된 CNT-Cu 섬유를 성공적으로 제조하였다.
• 열처리 공정은 고분자 기반재를 효과적으로 제거하고, 구리 상의 밀도를 높였으며, 섬유의 연속성은 손상되지 않았다.
• 도전도 측정 결과, 최적화된 CNT-Cu 복합재는 특정 조건에서 기존의 구리보다 뛰어난 도전성을 확보할 수 있음을 시사한다.
• 본 연구는 고성능 경량 도전성 섬유를 위한 확장 가능한 길을 제시하며, 고급 전기적 응용 분야에 기여할 수 있다.