A Study on the process parameter dependent electrical conductivity of Poly Vinyl Alcohol (PVA)–Carbon Nanotube (CNT) composite films

Abstract

Carbon NanoTubes(CNTs) 물질은 뛰어난 전기적 특성으로 인해 산업의 응용에 있어 오랫동안 관심을 받아 왔지만, 이러한 탄소물질은 다른 고분자물질과 복합체 형성에 있어 분산문제가 항상 대두되어 왔으며, 특히 이러한 CNT 물질이 산업 응용에 있어 가장 큰 장애물인 응집체를 만드는 현상은 CNT 간에 작용하는 Van Der Waals 힘에 의하여 일어난다. CNT간의 Van Der Waals 힘에 의한 인력은 CNT가 계 내에서 CNT의 탄소원자가 다른CNT분자의 탄소고리 중심과 가깝게 인접할수록 형성된다. 이러한 현상 때문에, CNT 입자는 큰 응집체를 매우 쉽게 형성한다. 따라서, 용매 내에서 CNT를 완전히 분산하기란 쉽지 않으며, 분산이 잘 되지 않을 경우 Percolation model을 형성하는데 필요한 CNT의 양이 증가하게 된다. 이는, 필름 내에서 전도특성을 가지는 통로를 형성함에 있어 CNT물질이 지나치게 많이 소모될 수 있음을 의미한다. 특히 CNT가 고분자와 복합체를 형성할 경우에도, 전도특성 측면에 있어 응집된 CNT는 결함을 불러온다. 그러므로 본 연구에서는 안정적으로 잘 분산된 CNT 분산용액을 계면활성제의 도입을 통하여 제작하였고, 이를 통하여 PVA 고분자와 복합체 필름을 제작하였다. 먼저, 최적의 조건에 분산된 CNT 용액을 만들기 위하여 계면활성제로써 양이온성의 계면활성제인 Hexadecyl trimethyl ammonium bromide (CTAB) 물질을 이용하였고 Tip-sonication을 통하여 CNT 분산용액을 제작하였다. 이 과정을 통하여 CNT에 손상을 주지 않는 동시에 분산에 알맞은 최적의 sonication시간이 존재함을 확인하였다. 더욱이, 분산을 위한 sonication 시간이 길어질 경우 CNT에 손상이 가해지는 것을 Raman spectroscopy를 통해 분석하였다. 이러한 이유로 우리는 최대한 CNT에 가해지는 손상을 피하면서 매우 잘 분산된 CNT용액을 얻기 위하여 최적의 분산시간 이후에 잔여 응집체를 원심분리를 통하여 제거 한 뒤 Lambert-Beer 법칙에 따라 손실률을 계산하고 최종적으로 얻어진 상청액을 PVA 고분자 용액과 복합하였다. 분산에 영향을 미치는 모든 조건을 최적화 한 후 만들어진 PVA-CNT 복합체 용액을 통하여 전도도를 갖는 PVA-CNT 복합필름을 drop-casting 법으로 제작 한 뒤 전도측정을 수행하였다. PVA–CNT의 질량비가 10:1인 필름에서 4 ∙ 10-6 S/cm정도의 전도성을 나타냄을 확인하였고 질량비가 8:1이 되는 지점부터 전도도가 급격히 상승하기 시작하여 PVA-CNT 의 질량비가 1:10이 되는 지점에서 전도도가 2 S/cm정도 까지 도달함을 분석하였다.

Carbon Nanotubes (CNT) have long been considered an attractive material for applications, due to their outstanding electric properties. However, this kind of Carbon material has dispersion problems when used as filler in composites with other polymers. In particular, one of the main obstacles in Carbon nanotube applications is large aggregation, caused by the van der Waals force among the carbon nanotubes. Van der Waals attraction occurs when a fluctuation-induced dipole in one CNT induces an opposing dipole in an adjacent CNT. In this situation, each CNT particle can easily attract other particles via van der Waals force, which causes large aggregations in CNTs. For these reasons, it is challenging to get CNT materials to disperse into a solvent. This can result in an increased amount of CNT required for percolation . It also means that materials might be wasted in making a path for conducting electricity. In other words, it requires excessive CNT to reach its percolation threshold. Particularly in the case of polymer composites with CNT particles, aggregated particles play a role in deteriorating the electrical properties. Therefore, in this research, we have tried to make a well-dispersed CNT suspension with a surfactant and made a composite film with a PVA polymer. First, to find the optimum condition for the dispersion of CNT, CNT particles were mixed with a surfactant in a distilled water solvent. CTAB, which is a cationic surfactant, was used as a surfactant. After that, we also investigated the optimum sonication time conditions for CNT dispersion. Through this step, we can conclude the optimal sonication time for the best dispersion, avoiding damaging the CNT. Furthermore, we make certain that long sonication can damage CNT morphology via Raman spectroscopy. For this reason, we tried to avoid damage as much as possible, and to select the well dispersed CNT, we introduced a centrifugation step after dispersion and making the supernatant for the composite with PVA. In addition, we have examined the surfactant concentration for an effective dispersion state, and we have calculated the CNT loss amount after centrifuging via optical absorbance. After optimizing all conditions, we made a film via the drop-casting method and checked electrical conductivities. The conductivity was approximately 4 ∙ 10-6 S/cm at PVA–CNT mass ratio 10:1, and began to increase rapidly as the PVA–CNT mass ratio increased to 8:1, and finally reached approximately 2 S/cm at a PVA–CNT mass ratio of 1:10.