초록

내용 구성

• CNT grafted CF 설명
  • CNT-gr-CF란?
    • 탄소섬유는 컴포짓화 했을 때 높은 가능성 가지지만 섬유와 매트릭스 사이 약한 인터페이스로 잠재력 활용 낮음
  • 문제점
    • Thermal degradation : 이를 보완하기 위해 탄소섬유 표면에 CNT를 성장시킨 탄소나노튜브 그라프트 탄소섬유가 고안되었음. 그러나 CF 표면의 열화와 그에 따른 인장강도 저하가 나타남
    • 이는 catalyst의 표면 침투에 의한 deformation
  • 김경주 박사님 연구내용
    • 이를 해결하기 위한 수단으로 catalyst양을 줄임
    • 간단한 방법으로 효과적으로 물성 향상을 이뤘으나 메커니즘에 대한 설명 부족?
• 내 연구 설명
  • 서로 다른 TS의 CF에 대해 적용
    • 이유는? —>
      • 각 케이스 모두 강화효과가 나타날 것으로 기대되는데, 이 경우 어느정도로 나타날지에 대한 근거 제시가 필요하다.
      • grade에 의한 구조적 혹은 구성성분적 차이를 먼저 언급해야 함. 조사가 필요
        • T400의 경우 surface morphology에 차이가 있음 (rough surface)
    • 당위성에 대한 부분
      • 기존 연구에서 부족한 부분 / 새롭게 밝혀내고 싶은 부분
    • 내가 한 것

      • grade별 비교

        • SEM,

      • step별 비교

      • 파비맷 사용

      • 얇은 catalyst를 위해 Ni sputter 사용

동원이형 초록

구조 복합재 배터리는 에너지 저장 및 외부 하중 지지체 역할을 동시에 수행할 수 있는 다기능 복합재이다. 구조 복합재 배터리에 사용되는 탄소 섬유와 구조 전해질은 각각 전기화학 반응이 일어나는 전극과 리튬 이온을 수송하는 매개체인데, 두 성분 모두 우수한 기계적 특성을 가진다. 전기 자동차의 차체에 적용되는 대규모 구조 복합재 배터리의 상호 연계된 전기화학적 및 기계적 거동을 효과적으로 예측하기 위해 단순화된 모델을 구축하는 것이 중요하다.
본 연구에서는 멀티스케일을 이용하여 구조 복합재 배터리의 전기화학적 및 기계적 거동을 각 스케일에서 해석하고, 두 다른 스케일의 유사성을 비교하고자 한다. 수많은 탄소 섬유가 군집된 실 (yarn) 스케일은 전기화학적 및 기계적 균질화 방법을 통해 구축됨과 동시에 필라멘트 스케일은 조밀 구조 형태의 탄소 섬유와 구조 전해질이 시각적으로 모델링 되었다. 각 스케일에서 전기화학적 및 기계적 거동을 해석하고, 실 스케일과 필라멘트 스케일의 유사성을 3차원 형상자 (compactness and cubeness)와 체적 평균 방법을 이용하여 정량적으로 비교하였다. 이는 멀티스케일에서 구조 복합재 배터리의 전기화학적 및 기계적 거동에 대한 이론적인 이해를 제공하고, 실 스케일이 필라멘트 스케일에 비해 상대적으로 적은 계산 시간과 우수한 정확성을 보유하고 있다는 것을 보여준다. 그러므로 실 스케일 모델은 대규모 구조 복합재 배터리의 전기화학적 및 기계적 거동을 예측하는 데 적절하다.

기존 에너지 저장 장치의 기계적 한계를 보완하기 위한 방법으로 탄소 섬유를 전극과 구조적 지지체로 동시에 활용할 수 있는 다기능 구조 에너지 저장 장치가 연구되고 있다. 그러나 현재의 구조 에너지 저장 장치는 전기화학 거동과 기계적 거동을 동시에 만족시키기 어려운 실험 결과를 나타내고 있으며, 이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로 구조 에너지 저장 장치의 전기화학적 거동을 시뮬레이션 할 수 있는 모델링을 확립하는 것이 필요하다.
본 연구에서는 COMSOL Multiphysics를 활용한 전기화학적 모델링을 통하여 구조 에너지 저장 장치의 전기화학적 성능을 모사하고자 한다. 전극 반응속도를 설명하는 버틀러-볼머식(Butler-Volmer Equation) 및 물질과 이온의 균형 방정식을 지배방정식으로 설정하였다. 원통 형태의 탄소 섬유 전극을 이용한 제안된 형태의 구조 에너지 저장 장치를 모델링하였으며, 정전류 충방전법 (Galvanostatic charge-discharge)을 유한요소법으로 해석하였다. 방전율에 따른 용량은 모두 약 11 Ah/m2으로 나타냈으며, 확산으로 인한 전극 활물질의 표면과 중심의 리튬 이온 농도가 다른 것을 확인하였다. 시뮬레이션을 통한 구조 에너지 저장 장치의 전기화학적 모델링 및 성능 모사 분석은 구조 에너지 저장 장치의 개발에 중요한 역할을 할 것이다.

솔빈 초록

전단 강화 효과(shear stiffening effect)는 일정 전단 변형 속도 이상에서 점도가 크게 증가하여 기계적 특성이 강화되는 독특한 현상으로 구조 자체의 내구성을 높이는 충격 흡수 물질로 각광받아왔다. 전단 강화 물질은 poly(borodimethylsiloxane) 기반 전단 강화 겔(Shear stiffening gel, SSG)으로 동적 붕소-산소 결합(B:O)과 분자 간 수소 결합 및 사슬 얽힘으로 인해 상전이에 의한 전형적인 전단 강화 효과를 나타낸다. 즉, 외력이 없는 상태에서는 액상 거동을 보이고 외부 하중 조건에서는 고상 거동을 보인다. 이 SSG는 외력이 가해지지 않은 상태에서 구조체 내에서 액체와 같이 흐르기 때문에 디스플레이 재료, 에너지 소자, 방탄복 등 충격 흡수 특성이 요구되는 실제 적용에 한계가 있다.

본 연구는 이러한 문제를 극복하기 위해 다층 구조에 사용될 수 있는 안정적인 형상을 지닌 SSG 필름을 연구하는 것을 목적으로 한다. UV 경화성 수지를 이용하여 SSG 기반 고기능성 복합필름을 제조했다. SSG 복합필름의 UV 경화 역학을 모델링 및 증명하여 최적 설계를 했다. SSG 복합필름의 충격 흡수 거동을 압전 센서로 조사하여 필름이 없을 때 대비 최대 46%의 우수한 충격 흡수 특성을 증명했다. 이 SSG 복합필름은 우수한 유연성, 점착성, 광학적 특성 등 부가적인 기능을 보여주었다. 또한, 이 SSG 필름은 인가된 응력에 민감하게 반응할 수 있어 센서, 진동 제어, 에너지 장치 및 마찰 전기 나노 발전기 분야의 응용 분야에 매우 유용할 것으로 고기능성 고분자 복합 필름의 가능성을 연구하였다.

초록 초안

탄소섬유의 구조적 요인에 따른 탄소나노튜브 그라프트 탄소섬유 인장강도 강화 효과에 대한 연구

Investigation of strengthening mechanism of carbon nanotube grafted carbon fiber: Effects of fiber instinct structure

탄소섬유는 뛰어난 기계적, 전기적 및 열적 특성을 가져 복합재로 사용했을 때 그 가능성이 매우 높으나 섬유와 매트릭스 사이의 약한 계면 결합성으로 인해 복합재에서 잠재력을 최대한으로 활용하기 어렵다. 이를 보완하기 위해 탄소섬유 표면에 화학기상증착법으로 탄소나노튜브를 성장시킨 탄소나노튜브 그라프트 탄소섬유가 고안되었다. 그러나 탄소나노튜브 성장 과정에서 금속 촉매의 탄소섬유 내부 침투가 일어나게 되고, 이로 인해 탄소섬유 표면 열화가 일어나 탄소섬유의 인장강도 저하가 나타났다. 이를 해결하기 위한 방법으로 탄소섬유 표면에 증착되는 금속 촉매의 양을 줄여 탄소섬유 표면 열화를 줄이는 방법이 제안되었다. 이 방식은 간단하지만 탄소섬유의 구조를 보존할 뿐 아니라, 탄소나노튜브의 성장 과정에서 탄소 섬유 표면의 구조적 회복도 이루어져 일반 탄소섬유보다 뛰어난 기계적 물성을 보여준다.
본 연구에서는 위의 방법에 대해 탄소섬유의 구조적 요인에 따른 강화 효과 차이를 분석하고, 이를 통해 강화 효과의 구체적인 메커니즘을 규명한다. 서로 다른 강도와 표면 형태를 갖는 탄소 섬유에 대해 주사전자현미경을 통해 각 탄소섬유 간의 표면 구조 차이를 분석했다. 또한 라만 분광법을 활용해 표면에서의 결합 결함의 상대적인 차이를 비교 분석했다. 탄소나노튜브를 성장시킨 탄소섬유들의 인장실험을 통해 인장 강도를 얻어냈고, 이를 통해 탄소섬유의 구조적 차이와 인장 강도 간의 상관관계를 분석했다.

초록 수정본

탄소나노튜브 그라프트 탄소섬유는 탄소섬유 표면에 화학기상증착법으로 탄소나노튜브를 성장시킨 형태이며, 복합재로 사용되었을 때 탄소섬유와 매트릭스 사이의 약한 계면 결합성을 보완할 수 있어 주목받았다. 이 탄소나노튜브 그라프트 탄소섬유의 제작 과정에서 저촉매법은 탄소섬유 표면에 증착되는 금속 촉매의 양을 줄여 금속 촉매의 탄소섬유 내부 침투가 적게 일어나고, 탄소섬유 표면의 구조적 회복으로 인한 인장 강도 강화 효과가 나타나는 것으로 보고되었다. 그러나 지금까지 연구에 활용된 탄소섬유의 종류가 한정적이었고, 강도가 달라 활용 분야가 다른 탄소섬유에 대해 같은 강화 효과가 나타나는지에 대해서는 보고되지 않았다. 서로 다른 강도를 갖는 탄소섬유는 표면 구조, 내부 결합 구조 등에 차이가 있고 따라서 강화 효과 정도와 최적 실험 조건에 대한 분석이 필요하다.
본 연구에서는 저촉매법에 대해 탄소섬유의 구조적 요인에 따른 강화 효과 차이를 분석하고, 이를 통해 강화 효과에 대한 최적 조건을 규명한다. 서로 다른 강도와 표면 형태를 갖는 탄소섬유에 대해 주사전자현미경을 통해 각 탄소섬유 간의 표면 구조 차이를 분석했다. 또한 라만 분광법을 활용해 표면에서의 결합 결함의 상대적인 차이를 비교 분석했다. 탄소나노튜브를 성장시킨 탄소섬유들의 인장 실험을 통해 인장 강도를 얻어냈고, 이를 통해 탄소섬유의 구조적 차이와 인장 강도 증가율 간의 상관관계를 분석했다. 이를 통해 인장 강도의 강화를 위한 최적의 조건을 파악했고, 수송 및 항공우주 분야에서 강도 강화에 대한 필요성이 큰 고강도 탄소섬유 복합재의 성능 강화 가능성을 연구했다.