The electro-rheological properties of silica and titania coated MWNTs

Abstract

본 연구에서는 sol-gel process를 이용하여 다중벽 탄소나노튜브(Multi-walled carbon nanotube, MWNTs)의 표면에 각각 실리카(Silica, SiO2) 및 티타니아(Titania, TiO2)를 균일하게 코팅처리 후 실리콘 오일에 분산시켜 고전압 하에서도 안정적이며 높은 shear stress값을 갖는 두 종류의 전기유변유체(Electro-rheological fluid, ERF)를 제조하였다. 먼저 표면을 코팅하기 위해 탄소나노튜브를 24시간 동안 산처리 한 뒤, –COOH, -OH의 관능기를 도입하였다. 그 후 sol-gel process를 이용하여 탄소나노튜브의 표면에 각각 실리카 및 티타니아를 코팅하였으며 HR-TEM을 통해 탄소나노튜브의 벽면을 따라 실리카 및 티타니아가 모두 20nm의 두께로 균일하게 코팅된 모습을 확인 할 수 있었다. 또한 Line profile 및 EDS 분석을 통해 코팅된 물질이 Si와 Ti임을 확인하였고, 두께 및 core-shell 구조를 정량적으로 확인하였다. 또한 FT-IR, XRD 분석 통해 화학적 결합과 구조를 확인하였다. FT-IR을 이용하여 SiO2 및 TiO2 결합이 형성되었음을 화학적 결합을 통해 알 수 있었고, XRD 결과를 통해 본래의 탄소나노튜브에서 나타난 sharp 한 피크가 사라지고 코팅된 물질로 인해 표면이 비결정성 구조가 되었음을 확인 할 수 있었다. 다음으로, high voltage generator가 장착된 Rheometer를 통해 각각의 코팅된 탄소나노튜브가 실리콘 오일에 균일하게 분산된 유체의 전기유변학적 특성을 분석하였다. 두 가지 물질 모두 전기장을 인가하였을 때 shear stress값과 shear viscosity값이 증가하는 거동을 보였으며, 전기장의 세기 및 유체의 weight percent가 증가 할수록 그 세기도 증가함을 확인하였다. 두 가지 물질 중에서 티타니아를 코팅한 물질의 경우 shear stress 및 viscosity값이 높게 나왔다. 또한 유체의 solidity를 나타내는 G′(Storage modulus)값과 fluidity를 나타내는 G″(loss modulus)값을 비교하여 전기장 유무에 따른 점탄성 거동도 확인하였다. 전기장인가 시 모든 frequency영역에서 G′값이 G″값보다 안정적으로 높게 유지되었고, 이를 통해 전기장하에서 유체가 효과적으로 solid-like한 거동을 보임을 알 수 있었다. G′값 또한 티타니아를 코팅한 물질이 더 높게 나왔음을 확인하였다. 마지막으로, Impedance analyzer를 통해 유체의 dielectric property를 평가하였고, 두 물질 중 티타니아가 코팅된 경우가 permittivity값이 더 높게 나왔음을 확인하였다. 이를 통해 티타니아가 코팅된 탄소나노튜브가 전기장하에서 polarization 능력이 더 뛰어남을 알 수 있었고 이로 인해 전기유변학적 특성 들이 높게 나타났음을 확인 할 수 있었다.