Simulation and Quantum Mechanical Studies of a Percolation Network of Carbon Nanotubes in Polymer Matrices
- 주제(키워드) carbon nanotube , percolation
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 성봉준
- 발행년도 2010
- 학위수여년월 2010. 2
- 학위명 석사
- 학과 일반대학원 화학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000045832
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교의 논문은 저작권에 의해 보호받습니다
초록/요약
탄소나노튜브(Carbon nanotube)와 고분자 복합체의 퍼콜레이션 네트워크를 몬테카를로 시뮬레이션 기법과 퍼콜레이션 이론을 적용하여 연구하였다. 이러한 퍼콜레이션 네트워크는 탄소나노튜브와 고분자 복합체의 전도성을 설명하는데 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 전자빔을 조사하여 얻은 탄소나노튜브 접합체를 기존의 탄소나노튜브와 비교하여 퍼콜레이션 네트워크에 관련된 영향을 조사하였다. 퍼콜레이션 네트워크를 형성하는데 필요한 탄소나노튜브의 최소 농도는 탄소나노튜브의 형태와 연관이 있으며, 탄소나노튜브의 접합체를 사용한 경우에 퍼콜레이션 네트워크가 쉽게 형성되었다. 퍼콜레이션 네트워크의 생성은 탄소나노튜브간의 전자 이동 가능 범위 내에서 가능한데, 이러한 범위의 예측을 위하여 양자 이론을 바탕으로 한 계산을 추가적으로 수행하였다. 탄소나노튜브와 고분자 복합체의 퍼콜레이션 네트워크에 전단력이 미치는 영향을 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 연구하였다. 탄소나노튜브와 고분자 복합체에 전단력이 가해짐으로써 생기는 변화는 널리 알려져 있는데, 이는 압출 방법을 이용한 제조 공정에서 매우 중요하며 특히 전단력에 의한 전도성의 손실이 상당함이 기존의 실험적 연구를 통해 밝혀졌다. 그러나 기존의 연구에서는 이러한 전도성의 감소가 발생되는 원인을 규명하지 못하였다. 본 연구에서는 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 탄소나노튜브와 고분자 복합체에 전단력을 가한 후, 시뮬레이션 진행에 따른 내부에서 생기는 변화를 밝힐 수 있었다. 전단력이 가해짐에 따라 복합체 내부의 탄소나노튜브는 힘이 가해진 방향으로 평행하게 배열된다. 그러나 시뮬레이션이 더욱 진행됨에 따라 탄소나노튜브는 엉키게 되며, 결국에는 거대한 탄소나노튜브 군집을 형성하게 되고 이것이 전도성을 감소시키는 원인이 된다. 본 연구에서는 전단력이 탄소나노튜브/고분자 복합체의 퍼콜레이션 네트워크와 전도성에 미치는 영향과 원인을 체계적으로 규명해보고자 전단력의 세기와 탄소나노튜브의 농도를 세분화하여 시뮬레이션을 실시하였다.
more초록/요약
Percolating network of carbon nanotubes (CNTs) in polymer composites is investigated using Monte Carlo simulations and percolation theory. The percolation behavior of CNTs is crucial to electric conductivity and mechanical properties of CNT/polymer composites. It has been an issue of importance reducing the percolation threshold concentration of CNTs without a loss in electric conductivity because one can acquire desired transparency that is an essential property for electronic devices such as touch panel display. This work shows how the percolation threshold concentration is affected by the molecular architecture of CNTs, which can be manipulated in experiments via the electron-beam radiation. Three molecular architectures are used for research : (1) linear CNT, (2) X-shaped CNT and (3) Y-shaped CNT. The percolation threshold is sensitive to the molecular architecture and that one can obtain the small percolation threshold concentration by mixing X-shaped CNTs with linear CNTs. The influence of the shear flow on a percolation network of carbon nanotubes (CNTs) in CNT/polymer composites is studied using Monte Carlo(MC) simulations. It is possible to elucidate the electrical conductivity of composite which consists of CNTs and an insulating polymer matrix using a percolation theory. It has been well known that the shear flow should influence the percolation behavior of CNTs significantly. As a result, the conductivity of the composite is deteriorated due to the shear flow. However, the mechanism of the significant decrease in the electric conductivity has not been elucidated. In this work, we perform Monte Carlo simulations using a pseudo-potential to mimic a simple shear flow between impenetrable walls. When the CNT/polymer composite is exposed to the shear, CNTs within the polymer matrix are forced to align parallel to the shear direction and the local concentration of CNTs is increased near the wall. After a certain period of the shear exposure, CNTs become entangled and construct an aggregate. These results explain the decrease in conductivity by the shear flow and the effect of the shear on a percolation network.
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