나노입자를 이용한 전단농화 유체의 거동 조절에 관한 연구

Abstract

전장에서 군인들을 보호하기 위한 목적뿐만 아니라 경찰·경호 분야에서도 각종 위협으로부터 개인을 보호하기 위한 적절한 방호장비의 필요성은 갈수록 증가하고 있다. 이에 따라 가볍고 얇으며 유연성과 방호성능이 우수한 새로운 개념의 방호소재가 필요하며, 이와 같은 요구조건을 충족시키기 위해 현재 전단농화 유체 (shear thickening fluid, STF) 에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근에는 이러한 STF에 여러 종류의 입자들을 분산시켜 전단농화 거동을 변화시킨 논문들이 보고되고 있으며, 이 중 가장 많은 관심을 받고 있는 것이 carbon nanotubes (CNT) 와 graphene이다. 그러나 CNT와 graphene은 van der waals interaction으로 인해 용매 내에서 안정적으로 고르게 분산시키기가 매우 어려우며, 만약 CNT와 graphene이 용매 내에서 고르게 분산되지 않고 aggregation 또는 restacking되어 있다면 이는 STF의 성능에 악영향을 미치게 된다. 따라서 CNT와 graphene을 STF에 고르게 분산시키기 위해 표면개질한 CNT를 사용하거나, Graphene Oxide (GO) 를 사용하기도 한다. 그러나 이외에도 CNT와 graphene을 STF에 고르게 분산시키기 위해 CNT와 graphene의 π-π interaction을 통한 hybridization을 응용할 수도 있다. CNT와 graphene을 hybridization시키면 CNT와 graphene은 서로 간의 3D hybrid network 구조를 형성하여 용매 내에서 서로 aggregation 또는 restacking되는 것을 방지하게 되므로 안정적으로 분산될 수 있으며, 또한 3D hybrid network 구조를 통해 기계적·전기적·열적 물성에 대해 synergy effect도 가져올 수도 있다. 따라서 이러한 3D hybrid 구조를 STF에 분산시킬 경우, 3D hybrid 구조는 기존의 1D CNT 또는 2D graphene보다 더 큰 hydrodynamic diameter를 가지게 되어 더 많은 silica와의 interaction을 통해 silica의 hydrocluster 형성을 도와 전단농화 거동을 더욱 향상시킬 것으로 보인다. 또한, STF에 사용된 CNT-graphene 3D hybrid 구조와 같은 carbon nanoparticles은 차후 전기적·열적 등으로 다양하게 응용될 수 있을 것으로 보인다. 이에 본 연구에서는 CNT-graphene 3D hybrid 구조를 STF에 분산시켜 그에 따른 전단농화 거동에 대한 변화를 살펴보았다. 그러나 대다수의 기존의 hybridization은 graphene과 CNT의 분산 안정성으로 인해 CNT-graphene 3D hybrid에 대한 제한이 있었다. 따라서 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하고자 UV-assisted photocatalytic reduction method를 통해 기존의 rGO와는 달리 용매 내에서도 분산 안정성이 좋은 rGO를 준비하였으며, CNT 또한 표면개질을 통해 용매 내에서의 분산 안정성을 향상시켰다. 이로부터 여러 비율의 fMWNTs-rGO 3D hybrid 구조를 제조하였으며, 이를 STF에 고르게 분산시켜 여러 비율의 hybrid-STF (H-STF) 를 준비하여 전단농화 거동의 변화를 살펴보았다. 또한, fMWNTs 또는 rGO만 각각 분산된 STF를 준비하여 H-STF와의 전단농화 거동을 비교해보았다. 그 결과, H-STF는 모든 hybrid 비율에서 fMWNTs 또는 rGO만 넣어준 경우보다 전단농화 특성이 더욱 향상되었으며 전단농화 개시점 또한 더 낮은 shear rate로 이동한 것을 볼 수 있었다. 그리고 H-STF의 hybrid의 함량이 0.01 wt% 이하에서는 3가지 비율 (fMWNTs:rGO = 1:2, 2:1, 1:1) 에서 모두 hybrid의 함량이 증가할수록 STF의 전단농화 특성이 향상되고, 전단농화가 나타나는 개시점이 더 낮은 shear rate 지점으로 앞당겨 지는 것을 확인할 수 있었다. 단, 이러한 현상은 hybrid의 비율에 따라 그 정도가 다르게 나타나는데, hybrid (fMWNTs:rGO = 1:2, 2:1) 은 전단농화 특성과 개시점이 유사하게 나타나는데 비해, hybrid (fMWNTs:rGO = 1:1) 에서는 더욱 향상된 전단농화 특성이 나타났으며 전단농화 개시점 또한 더욱 낮은 shear rate에서 나타나는 것을 볼 수 있었다. 그리고 hybrid의 함량이 0.01 wt% 이상이 될 경우, STF는 전단농화 거동이 나타나지 않고 전단담화 거동만 나타나는 것을 볼 수 있었다. 또한, fMWNTs 또는 rGO와는 달리 최소한의 aspect ratio를 가지며 silica와의 interaction이 적은 nanoparticles이 STF에 미치는 영향을 알아보기 위해, spherical shape를 가지며 silica와의 interaction이 적은 Fe3O4를 H-STF에 분산시킨 뒤 그에 따른 전단농화 거동을 확인해보았다. 그 결과, H-STF/Fe3O4의 Fe3O4 함량이 3 wt% 이하에서는 Fe3O4의 함량이 증가할수록 전단농화 특성이 약해지면서 전단농화 개시점이 더 높은 shear rate로 이동하는 것을 확인할 수 있었으며, Fe3O4의 함량이 3 wt% 이상이 될 경우, H-STF/Fe3O4는 전단농화 거동이 나타나지 않고 전단담화 거동만 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이로부터, STF에 분산된 nanoparticles에 따라 전단농화 거동의 변화를 조절할 수 있음을 확인하였으며, 분산된 carbon nanoparticles을 통해 multi-functional composites으로의 가능성 또한 제시하였다.