3D 프린팅용 잉크 내 탄소나노튜브 분산

3D 프린팅용 잉크에 CNT를 균일하게 분산시키면 잉크의 특성을 향상시키고 다양한 분야에서 새로운 응용을 가능하게 할 수 있습니다. 프로브형 초음파 처리는 고분자 내에 안정적인 CNT 나노현탁액을 생성하는 신뢰성이 매우 높은 분산 기술입니다.

초음파 처리를 통한 효율적이고 안정적인 고분자 내 CNT 분산

탄소나노튜브(CNT)는 고유한 특성으로 인해 다양한 응용 분야에서 실리콘 오일에 분산되는 경우가 많습니다. 실리콘 오일에 CNT를 분산시키면 생성되는 재료의 기계적, 열적 및 전기적 특성을 향상시킬 수 있습니다. 이러한 응용 중 하나는 전도성 3D 프린팅용 잉크를 위한 CNT 도핑 고분자의 제조로, 예를 들어 착용형 촉각 센서, 환자 맞춤형 조직 재생 지지체, 유연한 ECG 및 EEG 전극의 바이오 기반 적층 제조에 사용됩니다.
또한 실리콘 오일에 분산된 CNT는 유연한 디스플레이 및 센서와 같은 전자 장치에서 전도성 잉크로 사용될 수 있습니다. CNT는 전도 경로로 작용하여 전류가 흐를 수 있게 합니다.

초음파 CNT/고분자 분산의 장점

초음파 처리는 여러 이점을 제공하는 매우 효율적인 분산 기술입니다. 고분자 내 탄소나노튜브(CNT)의 초음파 분산은 다음과 같은 장점이 있습니다:

CNT/PDMS 복합재의 초음파 제조를 위한 일반 절차

초음파 처리는 다양한 나노 크기 물질을 고분자에 분산하는 데 사용됩니다. 구체적이면서도 널리 사용되는 응용 분야로는 프로브형 초음파 처리를 이용하여 탄소 나노튜브(CNT)를 디메틸폴리실록산(PDMS)에 분산하는 공정이 있습니다. CNT를 PDMS 매트릭스에 분산하기 위해 고출력 초음파와 그에 따른 음향 캐비테이션 효과를 이용하여 나노튜브의 얽힘을 풀고 균일하게 혼합하여 나노현탁액을 형성합니다. 프로브형 초음파 처리는 응집된 CNT를 효과적으로 해체하고 분산할 수 있는 강력한 캐비테이션 힘을 발생시키므로 CNT 분산에 강력한 방법입니다.
초음파 분산은 별도의 전처리나 후처리가 필요 없는 간단한 공정 단계입니다. 초음파 장비 자체는 안전하고 조작하기 쉽습니다.
프로브형 초음파 처리를 이용한 분산 공정에는 일반적으로 다음 단계가 포함됩니다:

1. CNT-PDMS 혼합물 준비: 미리 정해진 양의 CNT를 PDMS 매트릭스에 첨가하고 기계식 교반기를 사용하여 사전 혼합합니다. 흥미롭게도 CNT를 용매에 사전 분산하면 전기전도도를 높일 수 있습니다. 테트라히드로푸란(THF), 아세톤 또는 클로로포름을 사용하면 최상의 결과를 얻을 수 있습니다(결과가 우수한 순서로 나열).
2. 프로브형 초음파 처리: 일반적으로 약 20 kHz 주파수의 초음파를 발생시키는 고강도 초음파 프로브를 사용하여 혼합물에 프로브형 초음파 처리를 수행합니다. 부피와 배합에 따라 CNT가 완전히 분산되도록 일반적으로 수 분 동안 초음파 처리를 수행합니다.
3. 분산 상태 모니터링: 주사전자현미경(SEM), 투과전자현미경(TEM) 또는 UV-Vis 분광법 등의 기법을 사용하여 CNT의 분산 상태를 모니터링합니다. 이러한 기법은 PDMS 매트릭스 내 CNT의 분포를 시각화하고 CNT가 균일하게 분산되었는지 확인하는 데 사용할 수 있습니다.

요약하면, 프로브형 초음파 처리는 응집된 CNT를 효과적으로 해체하고 분산할 수 있는 강력한 캐비테이션 힘을 발생시키므로 PDMS와 같은 고분자에 CNT를 분산하는 데 강력한 방법입니다.

CNT/고분자 복합재의 초음파 제조 사례 연구

프로브형 초음파 처리를 이용한 나노튜브 및 기타 탄소 기반 나노소재의 분산은 광범위하게 연구되어 왔으며, 이후 산업 생산에 도입되었습니다. 아래에서는 초음파 나노튜브 분산의 탁월한 효율성을 입증하는 몇 가지 연구를 소개합니다.

웨어러블 센서를 위한 PDMS 내 CNT의 초음파 분산

Del Bosque et al. (2022)은 CNT 분산 효과 측면에서 삼롤 밀링과 초음파 처리를 비교했습니다. 나노입자를 고분자 매트릭스에 분산하는 절차를 분석한 결과, 초음파 처리 기법은 캐비테이션 힘으로 인해 CNT 분포의 균일성이 더 높아지므로 삼롤 밀링에 비해 더 높은 전기적 감도를 제공하는 것으로 나타났습니다. 다양한 CNT 첨가량을 시험한 결과, CNT-PDMS 시스템의 퍼콜레이션 임계값, 즉 전기전도성을 띠게 되는 임계 CNT 함량은 0.4 wt% CNT로 확인되었습니다. 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNT)는 Hielscher 초음파 처리기 UP400ST(왼쪽 사진 참조)를 사용하여 펄스 사이클 0.5, 진폭 50 %에서 2h 동안 초음파 처리하여 분산했습니다. 초음파 처리 시간 경과에 따른 초음파 분산 효과는 아래 사진에 나와 있습니다.
이 분석을 바탕으로 웨어러블 센서 제조의 최적 조건으로 초음파 처리 공정을 이용한 0.4 wt.% CNT를 선정했습니다. 이와 관련하여 연속적인 하중 사이클에서 전기적 응답을 분석한 결과, 개발된 센서는 2%, 5%, 10% 변형률에서 손상이 전혀 발생하지 않아 높은 견고성을 보였으며, 이에 따라 중간 수준의 변형률을 모니터링하는 데 신뢰할 수 있는 센서임을 보여주었습니다.

초음파 처리기 UP400St를 사용하여 다양한 초음파 처리 시간에 수행한 PDMS 내 MWCNT의 초음파 분산.
(연구 및 이미지: ©del Bosque et al., 2022)

CNT/고분자 나노복합재용 고성능 초음파 분산 장비

Hielscher Ultrasonics는 실험실, 벤치탑 및 산업 현장의 까다로운 분산 응용 분야를 위한 고출력 초음파 프로브를 제조합니다. Hielscher Ultrasonics의 분산기는 용매, 고분자 및 복합재 내 나노물질을 효율적이고 정밀하게 균질화하고 분산합니다.
첨단 초음파 기술을 갖춘 이 분산기는 균일한 입도 분포, 안정적인 분산액 및/또는 나노입자 기능화를 달성하기 위한 빠르고 간편한 솔루션을 제공합니다.
초음파 프로브 분산기는 처리 시간을 단축하고 에너지 소비를 최소화하여 다양한 산업 분야의 기업이 생산성을 높이고 운영 비용을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.
Hielscher 초음파 처리기는 다양한 프로브 크기, 부스터 혼, 출력 수준 및 플로우 셀 옵션을 통해 특정 요구 사항에 맞게 맞춤 제작할 수도 있어, 다양한 나노 제형과 부피에 폭넓게 적용하고 대응할 수 있습니다.
전반적으로 초음파 프로브 분산기는 나노물질 처리 작업 흐름을 최적화하고 일관되고 신뢰할 수 있는 결과를 얻고자 하는 실험실과 산업체에 탁월한 투자 대상입니다.

설계, 제조 및 컨설팅 – 독일에서 만든 품질

Hielscher 초음파 처리기는 최고 수준의 품질 및 설계 기준으로 잘 알려져 있습니다. 견고함과 간편한 조작 덕분에 당사의 초음파 처리기를 산업 설비에 원활하게 통합할 수 있습니다. Hielscher 초음파 처리기는 거친 조건과 까다로운 환경에서도 안정적으로 작동합니다.

Hielscher Ultrasonics는 ISO 인증 기업으로, 최첨단 기술과 사용자 편의성을 갖춘 고성능 초음파 처리기에 특별히 중점을 둡니다. 물론 Hielscher 초음파 처리기는 CE를 준수하며 UL, CSA 및 RoHs의 요구 사항을 충족합니다.

아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다: