E-textile과 같은 웨어러블 전자소자는 휴대용 전자소자, 의료센서 및 디스플레이 등을 포함하는 다기능 직물등의 적용가능 응용분야에서의 잠재력으로 인하여 많은 관심을 가지고 있다. 따라서 본 논문에서는 이같은 응용분야에 적용하기 위하여 전기방사를 이용한 나노크기의 나일론 섬유를 제작하고 reduced graphene oxide를 섬유에 코팅하여 전도성을 가지는 나노섬유를 제작하였다. 나일론 알갱이를 포름산에 녹인 용액을 이용하여 전기방사를 통해 약 100 nm 두께를 가지는 나노섬유를 제작하였다. 제작된 나일론 섬유와 그래핀 옥사이드 사이의 결합력을 향상시키기 위하여 BSA(bovine serum albumin)으로 표면 처리를 하였다. 마지막으로 나일론 섬유에 코팅된 그래핀 옥사이드를 hydrazine을 이용하여 환원하여 전도성을 가지는 섬유를 제작하였다. 제작된 전도성을 가지는 섬유는 약 10 kohm 정도의 저항을 가지는 것을 확인하였으며, 물리적인 외부 변형에서도 안정적으로 전도성을 가지는 것을 확인하였다. 이러한 전도성을 가지는 나노섬유는 웨어러블 전자소자를 제작하는데 응용 가능할 뿐만 아니라, 전기방사를 통한 나노구조물 제작 기술을 가스센서, 바이오센서, 태양전지, 나노소자등 다양한 분야에 적용 가능한 우수한 기술이라고 생각한다.
전기방사(electrospinning)는 최근 나노기술의 대두와 함께 서브마이크론(submicron)의 직경을 가지는 섬유를 제조할 수 있는 방법으로 활발한 연구가 진행되고 있는 실정이다[1]. 이러한 전기방사는 고분자 용액이나 용융된 고분자에 고전압을 걸어주어, 모세관 팁과 웹을 받아주는 컬렉터(collector) 사이에 전기장을 형성시켜 섬유를 제조하는 방법이다. 열가소성 폴리우레탄은 우수한 탄성을 갖는 유용한 고분자중의 하나로 섬유나 플라스틱에 널리 사용되고 있다. 특히, 이는 고무에 비하여 탄성률이 높고 내마모성이 강하며 용매에 대한 저항성이 좋은 장점을 지니고 있다[2]. (중략)
최근 나노기술에 대한 관심이 급격히 부각되어짐에 따라 섬유에 있어서도 나노섬유 제조에 관하여 많은 관심이 모아지고 있다. 현재까지 알려진 나노섬유 제조법 중 공정, 설비 및 제조원가면에서 가장 유리한 전기방사법에 관하여 지대한 관심이 모아지고 있다. 전기방사법이란 고분자 용액이나 용융된 고분자에 고전압의 전하를 걸어주어 부직포를 집속 할 수 있는 금속소재의 콜렉터(collector)와 팁사이에 전기장을 형성시켜 부직포를 제조하는 방법이다 [1-3]. (중략)
탄소나노튜브 및 탄소나노섬유/에폭시 복합재료의 비파괴 손상감지능 및 응력전달 메카니즘이 전기-미세기계적 실험법을 통하여 조사되었다. 전기-미세기계적 실험법은 균일한 반복하중 하에서 전기저항을 측정함으로써 탄소나노복합재료의 감지반응을 평가하는 것이다. 큰 탄소섬유 부피 분율이 있는 복합재료가 에폭시 자체나 작은 부피 분율에 비하여 매우 큰 인장강도 특성을 보여주었다. 탄소나노섬유 복합재료는 제한된 온도범위 내에서 습도 감지능을 보여주었다. 형상비가 작은 탄소나노섬유 복합재료는 많이 첨가된 부피량에 기인하여 보다 큰 겉보기 탄성계수를 보여 주었다. 열처리된 전기 방사된 PVDF 나노섬유는 증대된 결정화에 기인하여 미처리의 경우보다 큰 기계적 특성을 보여 주었으며, 그 반면에 응력 감지능은 열처리의 경우에 감소를 보여 주었다. 전기 방사된 나노섬유는 또한 응력전달 뿐만 아니라 습도 및 온도에 대한 감지능도 나타내었다. 탄소나노튜브. 탄소나노섬유 및 전기 방사된 PVDF 나노섬유는 나노복합재료의 다기능에 응용할 수 있을 것이다.
전기 방사(Electrospinning)를 이용하여 하이브리드 태양전지용 금속 메쉬 제조에 관한 연구를 진행하였다. 금속 메쉬 제조를 위해 각종 고분자 물질을 이용한 용액에 이용하여 금속 섬유를 제조하였으며, 전기 방사된 고분자 금속 섬유는 열처리를 이용해 금속 섬유를 전환시켰다. 각각 제작된 금속 섬유의 형상 및 조성 그리고 전기적 특성을 관찰하여 금속 메쉬 제작에 영향을 미치는 각종 요인들을 분석해 보았다.
정전방사란 고분자 용융체 또는 고분자 용액에 전기적인 힘을 이용하여 나노크기의 직경을 가지는 섬유를 제조하는 공정이다. 정전방사에서는 전기적인 힘을 이용하여 기존의 건식 및 습식 방사기술로서 섬유화가 어려웠던 재료들을 간단한 방법으로 섬유화 시킬 수 있으며, 매우 적은 양으로 방사가 불가능했던 재료들에 대해서도 방사가 가능하며, 부직포 형태로 제조된다는 특징이 있다. 본 연구에서는 PVdF계 공중합체 폴리머로서 PVdF-HFP 공중합체를 아세톤 용매에 다양한 농도로 용해시켜 고분자 용액을 제조한 후, 정전방사에 의한 나노크기의 직경의 섬유를 제조하는 방사조건을 고찰하였다. (중략)
N,N-dimethyl formamide (DMF) 용매에 용해시킨 폴리아크릴로니트릴 용액을 사용하여 전기방사를 통하여 나노섬유를 제조하였다. 전기방사의 공정인자인 집속롤러 속도, 방사거리, 전압이 나노섬유 직경에 미치는 영향을 알아보았다. 방사거리가 5 cm인 경우에는 섬유 표면에서 DMF 용매가 모두 증발되지 못하여 섬유끼리 뭉치는 현상이 발생하여 평균 섬유 직경이 전압이 증가함에 따라 증가하였다. 그러나 방사거리가 9 cm에서는 DMF 용매가 완전히 증발하여 전압이 증가함에 따라 평균 섬유 직경은 감소하였다. 또한 집속롤러 속도가 증가함에 따라 섬유 직경은 감소하였고 가로방향의 부직포 폭은 전압이 감소함에 따라 그리고 방사거리가 증가함에 따라 증가하였다.
이번 연구에서는 전기 방사 방법을 이용하여 합성된 산화아연 나노 섬유의 일산화질소 가스에 대한 반응 특성을 조사하였다. 이 산화아연 나노 섬유는 증류수에 용해시킨 아연 아세테이트(zinc acetate)와 폴리 비닐 알콜(poly vinyl alchol, PVA)로 만들어진 용액이 전기 방사되어지며 만들어지게 된다. 무엇보다도 나노 섬유의 직경은 용액의 점도에 의해 결정되었다. 따라서 산화아연 나노 섬유의 고른 두께를 형성하기 위하여 PVA의 양을 조절하여 적절한 용액의 농도를 찾게 되었다. 이후 진행된 열처리 공정을 통해서 우리는 직경이 30~100나노미터 가량의 나노 섬유를 얻을 수 있었으며 무작위로 배열된 통기성 네크워크 구조를 얻게 되었다. 표면 분석을 위하여 주사현미경을 이용하였는데, 산화아연 나노 섬유의 표면은 열처리 전과 후로 나누어 관찰되었으며 열처리 전보다 열처리 후의 표면이 좀 더 거친 것으로 확인되었다. 이는 열처리 공정을 거치면서 효과적으로 유기물들의 제거가 이루어진 것을 짐작할 수 있었다. 일산화질소 가스에 대한 특성 평가를 위해 자체 제작된 전류-전압 측정 장치(I-V measurement)가 사용되었다. 다양한 작동온도와 다양한 일산화질소 가스 농도의 변화를 주며 얻어진 응답도를 통해서, 전기 방사를 통해 만들어진 산화아연 나노 섬유 구조 기반의 가스 센서는 두드러질만큼 좋은 응답도를 가졌고 작동 온도 $200^{\circ}C$에서 일산화질소 가스에 대한 최대 민감도를 보임을 분명히 확인할 수 있었다. 특히, 산화아연 나노 섬유 구조 기반의 가스 센서는 ppm이하의 낮은 일산화질소 가스 또한 감지할 수 있음을 확인하였다. 이러한 결과들은 전기 방사를 통해 만들어진 산화아연 나노 섬유기반의 가스 센서는 저비용, 고감도의 장점을 갖는 일산화질소 가스 센서가 될 것임을 알 수 있었다.
최근 나노기술에 대한 폭발적인 관심과 함께 전기방사기술은 나노섬유를 제조할 수 있는 강력한 수단을 평가되고 있으며, 지금까지 거의 3종류 이상의 고분자들에 대한 나노섬유가 제조되었다. 또한, 나노섬유기술은 전통적인 섬유분야를 초월하여 매우 다양한 산업분야에 응용가능성이 있다. 따라서 다양한 분야에서 나노섬유를 활용하는 응용연구가 보다 활성화되어야 할 것이다.
1934년 Formhals[1,2]에 의해 최초로 특허화된 전기방사(electrospinning)는 최근에 나노기술의 급격한 부각과 함께 과학분야에서 큰 관심의 대상이 되고 있다. 이러한 전기방사는 전형적인 섬유제조방법인 습식ㆍ건식ㆍ용융방사와는 달리 전기적인 힘(electric force)을 이용하여 머리카락 굵기의 100분의 1의 작은 크기의 직경을 갖는 섬유를 제조할 수 있는 방법이다[1,2]. 전기방사에 의해 제조된 웹은 단위 면적당 큰 표면적, 작은 기공, 높은 다공성을 가지고 있기 때문에 필터, 복합체의 강화제, 조직공학에서의 담체(scallold)뿐만 아니라 의료 분야 등에 응용될 수 있다[1,2]. (중략)
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[게시일 2004년 10월 1일]
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