폴리머 나노복합물의 특성을 평가할 수 있는 새로운 방법 :: 전체

폴리머 복합물 나노섬유의 EFM 이미지와 탄성 맵

미국 연구진은 폴리머 나노복합물의 특성을 평가할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이 연구결과는 나노기술의 발전에 큰 기여를 할 수 있을 것이다.

폴리머 나노복합물은 비용 효율적이기 때문에 다양한 분야에 유용하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 기계 공학, 나노 전자장치, 화학적 감지, 조직 공학, 생체 감지 등에 적용될 수 있다. 뛰어난 물리적 특성을 가진 탄소 나노튜브는 폴리머 복합물의 특성을 조율하는데 사용되는 나노필러(nanofiller)로서 적용될 수 있다. 이런 특성들은 나노튜브의 농도와 공간적 분포에 민감하다. 따라서 표면 아래 구조의 특성을 평가하는데 높은 민감도와 높은 공간 해상도를 가진 비-침입형 기술이 매우 중요하다. 저널 Nanotechnology에 게재된 이 연구결과에서, 이번 연구진은 이것을 수행할 수 있는 새로운 분석 기술을 소개했다.

터프츠 대학(Tufts University)의 연구팀은 PLLA(poly(L-lactic acid))의 기계적 및 유전적 특성들을 체계적이고 정량적으로 분석했다. 그들은 원자힘 현미경 기술(Atomic Force Microscopy, AFM)을 사용했다. 또한 이번 연구팀은 다중벽 탄소 나노튜브를 가진 PLLA 섬유 복합물에 이 분석 기술을 사용했다.

나노섬유의 탄성률은 AFM 나노 압입을 통해서 측정되었다. 유전 상수는 정전기력 현미경(Electrostatic Force Microscopy, EFM)에 의해서 달성된 상변환을 측정함으로써 결정된다. 이런 측정들은 다중벽 탄소 나노튜브-PLLA 복합물의 횡단 탄성률(transverse elastic moduli)이 유사한 지름의 PLLA 섬유의 탄성률보다 상당히 낮다는 것을 증명했다.

다중벽 탄소 나노튜브-PLLA 복합물 섬유는 섬유 지름이 증가함에 따라서 탄성률의 증가를 보였다. 이런 추세는 그동안 PLLA 섬유에서 관찰되지 않았다. 이런 차이는 탄소 나노튜브가 섬유 축을 따라서 정렬되는 간단한 코어-쉘(core-shell) 모델로 설명될 수 있다. 또한 이런 모델은 폴리머-탄소 나노튜브 복합물의 쉘 영역 속의 분자 사슬의 정렬로 인한 중간상 형성을 예측할 수 있다.

이번 연구진은 EFM 측정이 두 시스템의 유전 상수 간의 차이를 확인하는데 사용될 수 있다는 것을 증명했다. 다중벽 탄소 나노튜브-PLLA 복합물은 PLLA 섬유와 비교했을 때 더 큰 유전 상수를 가진다. 이것은 이런 복합물이 더 높은 편광을 가지는 것과 일치하는 결과이다. 이 연구결과는 정량적인 AFM 기반의 기술들이 지극히 유용하다는 것을 증명했다. 이번 연구진은 폴리머 나노복합물의 기계적 및 전기적 특성을 측정할 수 있는 고해상도, 비파괴적 도구를 개발했고, 나노기술에 폭넓게 적용할 수 있을 것이다.

이번 연구진은 PLLA와 1.0 wt%의 다중벽 탄소 나노튜브를 가진 PLLA 섬유 복합물의 탄성률과 유전상수를 체계적으로 조사하기 위해서 AFM을 사용했다. 이번 연구진은 PLLA 섬유의 평균 탄성률이 9.8 ± 0.9 GPa라는 것을 발견했는데, 이것은 다중벽 탄소 나노튜브-PLLA 복합물의 평균 탄성률(4.1 ± 0.7 GPa)보다 2배 더 큰 수치이다.

이번 연구진은 AFM과 EFM 측정을 수행했고, 폴리머 및 폴리머 복합물 샘플을 제조해서 SEM으로 샘플의 특성을 평가했다. 이 연구결과는 저널 Nanotechnology에 “Quantitative analysis of mechanical and electrostatic properties of poly(lactic) acid fibers and poly(lactic) acid?carbon nanotube composites using atomic force microscopy”라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1088/0957-4484/26/10/105702).

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』