탄소와의 펄스 나노초 레이저 상호작용에 대한 파라메트릭 연구

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 2048(2023) 이 기사 인용

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양성자 교환막 연료전지(PEMFC)용 2.5mm 두께의 탄소 나노튜브(CNT) 복합 양극판 가공을 위한 레이저 가공 기술이 제안되었습니다. 본 연구는 펄스 나노초 레이저를 이용하여 CNT 복합판과 레이저의 상호작용을 실험적으로 이해하는 것을 목표로 한다. 침투 깊이, 상단 너비, 스패터 너비 및 전반적인 물리적 형태를 연구합니다. 관찰 및 측정에는 주사전자현미경(SEM)과 3D 주사공초점현미경을 사용하였다. 이를 바탕으로 파라메트릭 조사를 실시하고 체계적으로 보고합니다. 가장 중요한 것은 펄스 반복률이 세 가지 작동 방식을 구별하는 임계 반복률을 초래하는 고유한 상호 작용 특성을 나타낸다는 것입니다. 각 표본의 표면과 단면에 대해 수행된 Vickers 미세 경도 테스트와 에너지 분산 X선(EDX) 분석을 통해 체제의 물리적 및 화학적 특성을 추가로 분석합니다. 결과는 펄스 반복률이 처리된 영역 부근의 기계적 특성과 화학적 조성에 변화를 가져온다는 것을 보여줍니다. 결론적으로, 기계적 특성, 화학적 조성 및 형태학적 측면에 미치는 영향을 줄이려면 낮은 펄스 반복이 선호되어야 합니다.

탄소나노튜브(CNT)는 놀라울 정도로 우수한 기계적 특성(탄성률 및 인장강도)과 전기 및 열 전도성이 뛰어나 강철 및 기타 구조 재료에 비해 무게가 가볍고 견고하고 강한 전도성 소재입니다1. 이는 복합재료의 발전을 위한 보강재로서의 사용에 있어 선진 복합재료 사회에서 많은 관심을 불러일으켰다2. 이러한 복합재는 웨어러블 시스템(스마트 섬유), 로봇 공학, 차세대 전자 장치 및 에너지 변환 시스템의 다양한 응용 분야에 사용되고 있습니다3,4,5. 뛰어난 기계적, 전기적, 열적 특성 외에도 CNT는 수 나노미터 정도의 작은 직경으로 인해 표면 대 부피 비율이 높습니다. 이는 특히 부피당 전극의 유효 접촉 표면적 증가가 에너지 변환 효율에서 중요한 역할을 하는 배터리 및 에너지 변환 장치에서 CNT 복합재에 큰 기회를 창출했습니다6,7,8. CNT는 리튬 이온 배터리 시스템, 연료 전지 및 태양 전지9,10,11에서 잠재적으로 유용한 강화로 식별됩니다. 금속 나노입자를 전극으로 사용한 CNT 복합재는 탄소나노튜브 기반 전극의 촉매 활성 증가로 인해 수소 연료전지의 성능을 두 배로 향상시킵니다. 다른 연구에서는 리튬 이온 배터리14, 탄성 및 투명 전도성 필름15, 평판 디스플레이16에서 CNT의 관련성과 응용을 지적했습니다.

다양한 기술 분야에서 CNT의 수요와 적용 가능성이 증가함에 따라 효과적인 제조 공정을 개발하는 것은 CNT 복합재를 원하는 크기, 모양 및 품질로 가공하는 데 필수적입니다. CNT 복합재 가공을 위해 선택한 모든 제조 방법은 압력, 열 또는 매트릭스 재료와의 화학 반응으로 인해 발생할 수 있는 CNT 구조의 손상을 최소화해야 합니다. 가공 및 성형과 같은 기존 공정에는 몇 가지 단점이 있습니다. CNT는 강도와 경도가 높기 때문에 기존의 가공 방법으로 인해 공구 마모가 심해져 공구 수명이 단축되고 생산 비용이 증가합니다17. 성형된 복합재의 CNT 정렬은 성형 공정의 전단 흐름에 크게 영향을 받아 구조와 특성에 바람직하지 않은 변화가 발생합니다.

지난 수십 년 동안 레이저 성능이 지속적으로 발전하면서 에너지, 생명공학, 전자공학, 기계공학 등 다양한 분야에서 레이저 성능이 향상되었습니다. 고분자 복합 절단에서 레이저는 도구 마모 및 진동과 관련된 단점이 없는 높은 생산 속도를 포함하여 다양한 이점을 제공합니다20,21. 레이저는 부서지기 쉽고 단단하기 때문에 탄소 섬유 복합재 및 흑연 복합재와 같이 가공하기 어려운 재료22를 가공하는 데 특히 유리합니다.