Electrical Properties of Polyaniline/Poly(ethylene oxide)/Multiwalled Carbon Nanotube Hybrid Nanofibers by Electrospinning

Abstract

전기전도성 고분자는 도핑 정도에 따라 부도체에서 도체 범위의 전도성을 가지는 재료로서 발견 이후 전자 소자와 인공근육으로서의 응용을 목적으로 그들의 전기적, 물리적 특성 향상을 위한 연구가 진행되어왔다. 그러나 이러한 고분자 재료는 도핑으로 전기적 특성을 향상시키는데 한계가 있으며, 더 나아가 기존 금속을 포함하는 무기재료를 대체하기에는 무리가 있다. 탄소나노튜브(CNT)는 전도성 고분자의 물리적 특성을 향상시킬 수 있는 물질로 우수한 기계적, 열적, 전기적 특성을 가지며, 다른 고분자 재료에 첨가하여 물리적 특성을 향상시키는 재료로 많은 관심이 집중되고 있다. 본 연구에서는 poly(ethylene oxide) (PEO)와 다중벽 탄소나노튜브(MWNT)를 전도성 고분자의 하나인 Polyaniline (PANi)에 첨가하여 나노미터에서 마이크로미터의 지름을 갖는 섬유 제조에 유용한 전기방사법(Electrospinning)을 이용하여 전기적 특성이 향상된 복합체 섬유를 제조하였다. 제조된 PANi/PEO/MWNT 복합체 나노섬유의 형상은 주사전자현미경(SEM)을 이용해 분석하였으며, MWNTs의 내부배열 상태는 투과전자현미경(TEM)으로 확인하였다. 마지막으로 복합체 나노섬유의 향상된 전기적 특성은 Keithly 장비를 통해 측정하였다. 0.5 wt% MWNTs를 포함하는 PANi/PEO 나노섬유는 100 nm - 1 ㎛의 지름과 1 cm 이상의 길이를 가졌으며, PANi/PEO에 비해 100배 향상된 전도도(conductance)와 안정한 ohmic behavior를 보였다. 이런 특성으로 인해 위 파이버는 인공근육, 기체 센서, 바이오 센서 및 전자소자에 응용될 수 있다.; Since the discovery of conducting polymers that have the ability to dope these polymers over the full range from insulator to metal, extensive research in the field of electronic devious and artificial muscle is growing rapidly to enhance their physical properties. Carbon nanotubes (CNTs) are good candidates for complementing the weak physical properties of conducting polymers, because of their extraordinary physical properties, such as their high electrical conductivity, high mechanical strength, and good thermal stability. In this work, one-dimensional nanocomposite fibers of multiwalled carbon nanotube (MWNT)-filled PANi/poly(ethylene oxide) (PEO) were fabricated using an electrospinning process. We have elucidated that the electrical conductance and ohmic stability of the nanocomposite conducting fibers can be improved on due to the presence of MWNTs in the conducting fibers. The morphology of the fibers was characterized by scanning electron microscopy and transmission electron microscopy confirmed that the MWNTs were oriented along the fiber axis. The enhanced electrical properties of the fibers were measured using a Keithley electrometer. The PANi/PEO/MWNT hybrid nanofibers had a length of several centimeters, and a diameter ranging from ~100 nm to ~1 ㎛. The hybrid nanofibers incorporating 0.5 wt% MWNTs increased by two orders of magnitude compared to the conductance of PANi/PEO nanofibers, they also showed a stable linear ohmic behavior. These hybrid conducting nanofibers can be applied to artificial muscles, chemical and biosensors that require a high conductivity.