본 연구에서는 저점도 에폭시 매트릭스 내 탄소 나노입자인 흑연 나노플레이트렛(GNP)과 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 교류(AC) 전기장을 이용해 정렬하는 방법을 보고합니다. 광학 현미경, 전기적 측정, 분석적 모델링을 결합해 전기장 강도, 기하학적 구조, 필러 형태, 종횡비가 정렬 속도와 페럴레이션 거동에 미치는 영향을 평가했습니다. GNP는 36 kV/m의 낮은 전기장 강도에서도 수 초 만에 정렬되었으나, MWCNT는 수 분이 소요되었습니다. 정렬된 GNP 복합재료는 0.84 wt%의 동적 페럴레이션 임계값을 보였으며, 이는 무작위 분산 필러의 2.0 wt% 임계값의 약 4분의 1에 불과합니다. 본 연구 결과는 전기장 보조 정렬이 나노카본 충전 폴리머의 페럴레이션 임계값을 크게 낮추고 전도도를 향상시킬 수 있음을 입증합니다.
전도성 탄소 복합재료는 마이크로일렉트로닉스, 전자파 차폐, 항공우주 구조 등에서 필수적입니다. 이들은 내식성, 고강도, 저밀도, 필러 종류, 함량, 분산 조절을 통한 조절 가능한 전도성을 겸비합니다. CNT와 GNP 같은 비구형 필러는 높은 종횡비로 패킹 팩터를 줄이고 페럴레이션을 가속화하므로 특히 효과적입니다(통계적 페럴레이션 모델 예측).
그러나 무작위 분산은 많은 고종횡비 필러를 전도성 네트워크의 '막다른 가지'에 가두어 저함량에서 성능을 제한합니다. 전기적, 자기적, 기계적 외부 자극으로 필러를 정렬하면 연속 경로를 형성해 페럴레이션 임계값을 낮출 수 있습니다. 기계적 정렬은 섬세한 나노카본 구조를 손상시킬 수 있고, 자기적 정렬은 자성 성분 첨가가 필요합니다. 따라서 전기장 정렬이 매력적입니다: 비접촉식이며, 필러의 고유 분극성을 이용하고, 첨가제가 필요하지 않습니다.
대부분의 전기장 정렬 연구는 CNT에 집중되어 왔으며, 필러 형태가 정렬 속도와 전도도에 미치는 영향은 잘 이해되지 않고 있습니다. 본 연구는 AC 전기장 하에서 GNP와 MWCNT의 거동을 조사하고, 유효 매질 모델로 정렬 시간을 정량화하며, 이를 측정된 전도도와 연관시킵니다.
에폭시 수지 Larit 285(Lange Ritter GmbH)를 액상 에폭시와 경화제 H 285의 2성분 형태로 사용했습니다. 25°C에서 수지(600~900 mPa·s)와 경화제(50~100 mPa·s)의 점도는 균일한 전기장 처리를 가능하게 했습니다. 필러는 다음과 같습니다:
표 1은 필러 치수(AFM, SEM, 광학 현미경으로 측정)와 밀도(ρ(CNT) = 1.8 g/cm³, ρ(GNP) = 2.23 g/cm³)를 나열합니다.
필러 함량은 0.05~5 wt% 범위였습니다. 각 함량마다 한 세트는 기계적 혼합과 초음파 처리(Vaku-9050, 40 kHz, 50 W, 30분) 후 경화제를 에폭시 대비 100/40 질량비로 첨가했습니다. 두 번째 세트는 커패시터 플레이트 사이에 몰드를 놓고 혼합물을 붓는 동안 AC 전기장(15 kHz, 2000 V peak-to-peak)을 가했습니다. 전기장 크기는 V7-16A 전압계로 모니터링했습니다. 에폭시 가교가 완료될 때까지(약 10분) 전기장을 가했습니다. 시료는 40°C에서 80°C까지 단계적 가열(10°C/h)로 경화했습니다.
0.05 wt% 복합재료의 실시간 이미징을 입체 현미경(MBS-1)과 디지털 카메라(Etrek DCM-510)로 수행했습니다. 액상 에폭시와 분산된 필러를 AC(15 kHz)와 DC 전기장 하에서 다양한 전기장 강도로 관찰했습니다.
상온에서 2탐침 DC 측정을 수행했습니다. 시료 크기는 5×4×4 mm³였으며, 10¹⁰ Ω 이상의 저항은 테라옴 미터(E6-13)로 측정했습니다. 전도도 σ는 측정된 저항과 시료 기하학으로부터 계산했습니다.
정렬 역학은 회전 방정식을 풀어 모델링했습니다:
$$ I\frac{d^2\Theta}{dt^2}+T_{\eta}+T_{\text{align}}=0 $$
여기서 $I$는 관성 모멘, $T_\eta$는 점성 토크, $T_{\text{align}}$은 전기장 토크입니다. 입자 기하학에서 분극율 $\alpha^*$와 비분극 인자 $L_x$(타원체), $L_R$(회전 타원체)를 계산했습니다(식 (2)~(5) 참조). Maple 13으로 수치 적분을 수행했으며 매개변수는 다음과 같습니다: $\eta$ = 0.75 Pa·s, $\varepsilon_m$ = 2.8$\varepsilon_0$, $\sigma_m$ = 10⁻⁶ S/m, $f$ = 15 kHz, $\varepsilon_p$(CNT) = 62.2, $\varepsilon_p$(GNP) = 34.3, $\sigma_p$ = 10⁵ S/m.
AC 전기장 하에서 필러가 전기력선을 따라 이동하며 체인을 형성하면서 복합재료가 점점 투명해졌습니다. 커패시터 구성(전류 경로 없음)에서 GNP 체인은 수 초 내에 빠르게 성장했으나, MWCNT 체인은 수 분이 걸렸습니다. GNP는 더 큰 종횡비와 높은 분극성 덕분에 더 낮은 전기장 강도에서도 정렬이 더 뚜렷했습니다. DC 전기장은 정렬된 네트워크를 생성하지 못해 AC 자극의 필요성을 확인했습니다.
그림 1~4는 다양한 전기장 강도(36, 167, 83.3, 50 kV/m)에서 GNP와 MWCNT의 점진적 정렬을 보여줍니다. GNP 복합재료의 빠른 체인 형성은 모델이 예측한 짧은 회전 시간과 상관관계가 있습니다.
계산된 경사각 대 시간(그림 6)은 정렬 시간이 종횡비에 반비례함을 보여줍니다. GNP_max와 CNT_max는 비슷한 시간에 정렬되는 반면, GNP_min은 가장 느리게 정렬합니다. 비분극 인자(그림 7)는 종횡비가 감소할수록 $L_x$가 증가해 회전이 느려짐을 확인시켜줍니다. 전기장이 GNP의 장축과 정렬될 때($L_R$ 경우, 그림 8), 회전 시간이 더 길어져 전기장 방향의 중요성을 강조합니다.
모델은 MWCNT가 원통형 기하학과 더 높은 점성으로 인해 GNP보다 더 긴 정렬 시간을 가짐을 나타내며, 이는 실험적 관찰과 일치합니다.
그림 10은 정렬된 GNP 복합재료와 무작위 GNP 복합재료의 전도도 대 필러 함량을 보여줍니다. 페럴레이션 임계값이 무작위 분산의 2.0 wt%에서 정렬된 경우 0.84 wt%로 감소했습니다. 그림 11은 MWCNT(평탄 후 상승)와 GNP(단조로운 증가)의 뚜렷한 $\sigma(c)$ 거동을 보여주며, 이는 CNT의 교차 프레임워크와 GNP의 체인 구조라는 다른 네트워크 토폴로지를 반영합니다.
이러한 결과는 전기장 정렬이 동적 페럴레이션 천이를 유도해 임계 함량을 낮추고 전도도를 향상함을 확인합니다. 동적 임계값은 전기장 매개변수, 필러 형태, 매트릭스 점성으로 조절 가능합니다.
나노물질
폴리에틸렌(PE)은 다용성으로 잘 알려진 가변 결정성 열가소성 수지입니다. 독일 화학자 Hans von Pechmann이 1898년 디아조메탄의 더 안정적인 버전을 만들려다 우연히 폴리에틸렌을 발견했습니다. Eric Fawcett와 Reginald Gibson이 1933년 산업용으로 폴리에틸렌을 처음 합성했고, 6년 후 저밀도 폴리에틸렌의 대규모 생산이 시작되었습니다. 1950년대에는 폴리에틸렌 생산의 중합 측면을 개선한 촉매가 발견되어 향후 20년 이상 고밀도 폴리에틸렌 생산을 가속화했습니다. 오늘날 폴리에틸렌은 제조 산업의 필
전기적 특성이란? 물질 내 원자 간 전하 이동 용이성을 결정하는 물리적 조건. 고체·액체·기체 세 물질 상태별로 큰 차이. 금속 등 고체는 전도도 높고, 물(액체)은 중간, 기체는 낮음. 단, 예외 존재: 일부 고체 부도체, 특정 조건 기체 고전도체화. 고체: 금속 = 최상 전도체, 그 외 = 부도체 금속(은, 구리, 알루미늄 등): 원자 간 거리 가까워 전자 이동 자유로움 → 에너지 손실 최소. 전기 배선재로 최적. 유리, 나무, 플라스틱: 전자 단단히 묶여 전하 공유 안 됨 → 전류 안 통함(부도체). 전기 작업 시 인체 보
