유연한 스트레인 센서를 위한 높은 신축성을 지닌 전기 전도성 TPU 나노섬유 복합재

결과 및 토론

나노섬유막의 특성

순수 부직포 TPU 매트는 높은 탄성을 가지고 있습니다. PANI의 제자리 중합 후 복합 재료는 우수한 전도성, 우수한 신축성 및 높은 탄성을 갖습니다. 이러한 속성은 웨어러블 장치[9, 10], 피부 유사 센서[9], 미세유체 장치[18]와 같은 신축성 장치의 요구 사항을 충족합니다. 중합 후 나노섬유 막은 흰색에서 진한 녹색으로 변합니다(그림 2a, b). 멤브레인의 SEM 이미지에서 PANI/TPU 섬유의 표면(그림 2d)이 PANI 입자로 덮인 것을 볼 수 있습니다(그림 2d).

TPU 및 PANI/TPU 멤브레인의 형태 및 구조. 아 , b 순수 TPU 나노섬유막과 PANI/TPU 나노섬유막의 광학 이미지. ㄷ , d 순수 TPU 나노섬유막과 PANI/TPU 나노섬유막의 SEM 이미지

그림 3은 순수 TPU 및 PANI/TPU 나노섬유막의 FTIR 스펙트럼을 보여줍니다. TPU의 FTIR 스펙트럼은 3326 및 2955cm ⁻¹ 에서 카르바민산 에스테르의 NH 흡수를 나타냅니다. . 1700 및 1527cm의 밴드 ⁻¹ 카르바민산 아미노의 해리성 C=O와 일치합니다. PANI/TPU의 스펙트럼에서 새로운 3250cm ⁻¹ 흡수 밴드는 -C₆의 N–H 신축 진동에 할당됩니다. H₄ NHC₆ H₄ – PANI의 C=C 진동은 1514cm ⁻¹ 에서 나타납니다. [19, 20]. 이 밴드는 PANI의 존재를 나타냅니다.

TPU 및 PANI/TPU 나노섬유막의 FTIR 스펙트럼

신축성 및 감도 테스트

복합나노섬유막은 신축성이 좋고 신축성이 좋은 것이 특징이며 신축에 따라 전도도가 변하는데, 즉 PANI/TPU 나노섬유막은 스트레인 센서에 사용될 수 있다. 그림 4a는 I를 보여줍니다. -V 장력이 다른 PANI/TPU 센서의 특성. 나 -V PANI/TPU 센서의 곡선은 좋은 선형 관계를 가지고 있습니다. 나로부터 -V 센서의 특성을 보면 PANI/TPU 센서가 최대 165%의 변형을 견딜 수 있음을 알 수 있습니다. 특히, 전류는 센서의 변형률이 증가함에 따라 점진적으로 감소합니다. 그림 4b는 PANI/TPU 센서의 0~160% 범위에서 연속 변형의 현재 응답을 보여줍니다. 연속 변형률에 대한 전류 응답에서 센서의 안정성이 양호함을 알 수 있습니다. PANI/TPU 나노섬유막은 보고된 패턴화된 PVDF 나노섬유막보다 기계적 특성이 더 우수합니다[21]. 제작된 압력 센서용 Ag/alginate 나노섬유의 작동 원리는 그림 4c, d에 개략적으로 설명되어 있습니다.

PANI/TPU 멤브레인 센서의 신축성 테스트 및 개략도. 아 나 -V 다양한 균주에서 PANI/TPU 멤브레인의 곡선. ㄴ 5V의 고정 바이어스에서 다양한 균주에 대한 PANI/TPU 멤브레인의 현재 반응. c 변형이 없는 섬유. d 변형된 섬유

이러한 전기적 특성 외에도 순수 TPU 및 PANI/TPU 나노섬유 멤브레인의 기계적 특성도 그림 5에 표시된 응력-변형률 응답과 같이 연구되었습니다. 응력-변형률 곡선에서 순수 TPU 멤브레인이 약 200%까지 늘어나고 PANI/TPU 멤브레인은 약 165%입니다. PANI/TPU 나노섬유 멤브레인의 전체 응력-변형률 곡선은 다음 세 영역으로 나눌 수 있습니다. (1) 0-19%는 변형이 복구 가능한 탄성 영역입니다. (2) 19-140%는 변형이 복구되지 않는 소성 영역입니다. (3) 세 번째 영역은 약 165%인 파단 신율입니다. 그림 5에서 우리는 PANI/TPU 멤브레인의 인장강도가 1.93 MPa까지 증가한 것을 볼 수 있는데, 이는 본질적으로 취성인 PANI의 존재로 인해 TPU에 비해 ​​165% 파단시 변형률이 감소하기 때문입니다. 나노섬유막[22].

TPU 및 PANI/TPU 나노섬유막의 변형률-응력 곡선

잘 알려진 바와 같이 게이지 계수(GF)는 스트레인 센서의 대표적인 성능 지표이며 (dR /R _꺼짐 )/ɛ 이는 전기 저항의 상대적 변화 비율을 의미합니다(dR /R _꺼짐 ) 기계적 변형률 ɛ . 장력에 대한 센서의 민감도 변화를 나타냅니다. R _꺼짐 는 공식에서 센서의 저항이며 dR 는 센서의 저항 변화입니다[18, 21]. 그림 6a는 센서 저항의 상대적 변화를 보여줍니다. 센서가 120%로 늘어나면 섬유가 끊어지기 시작했습니다. 파손으로 인해 전도성 입자 사이의 거리가 크게 증가하여 저항이 120%에서 150%로 크게 변화합니다. 그림 6a는 PANI/TPU 멤브레인의 변형률이 0%에서 150%까지 다양함을 나타냅니다. GF는 0 내지 120%에서 약 6.7252 및 120 내지 150%에서 약 49.5060이다. 실험에서 얻은 데이터는 PANI/TPU 센서가 좋은 감도를 가지고 있음을 보여줍니다. 다른 보고서와 비교하여 GF는 일부 고급 초박형 실리콘 기반 스트레인 센서(GF는 약 200), PEDOT:PSS/PVA 필름[23], 단일 무기 나노튜브와 나노와이어로 제작된 스트레인 센서보다 낮습니다[ 24,25,26]. 그러나 감도는 PANI/PVDF 센서보다 우수합니다(GF는 약 1)[21].

PANI/TPU 멤브레인 센서의 안정성 및 내구성 테스트. 아 다양한 변형에서 PANI/TPU 멤브레인 센서의 저항 저항의 상대적 변화. ㄴ 30.7%의 고정 변형률에서 안정성 테스트. ㄷ A는 나입니다. -V 곡선은 초기 단계에서, B는 I -V 곡선을 100회 30.7%로 늘이고 24시간 동안 두었습니다. d A는 나입니다. -V 곡선은 초기 단계에서, B는 I -V 1000번 구부리고 24시간 동안 놓은 후의 곡선

이러한 속성만으로는 충분하지 않습니다. 좋은 스트레인 센서는 다양한 탄성 변형 후에도 큰 퇴행 없이 오랫동안 센서가 작동할 수 있음을 의미하는 우수한 안정성과 내구성을 갖추고 있어야 합니다. 안정성을 측정하기 위해 30.7%의 고정 변형률에서 응답 회복 곡선을 조사했으며 그 결과를 그림 6b에 표시했습니다. 여기서 전류는 인장변형률에 따라 감소하고 전류는 거의 초기값으로 회복된다. 그런 다음 곡선은 30.7% 기계적 압력에서 동일한 원을 반복할 수 있으며 이는 센서의 반복성이 우수함을 나타냅니다. 실제 적용에서 내구성은 중요한 매개변수입니다[18]. 센서의 내구성에 액세스하기 위해 우리는 100회 주기 스트레칭에서 출력 신호를 조사하고 실온에서 24시간 동안 두었습니다. 결과는 그림 6c에 나와 있습니다. 곡선 A는 원본 I를 나타냅니다. -V 신축성이 없는 센서의 특성이며 곡선 B는 I -V 100배 늘이고 24시간 방치한 센서의 특성입니다. 전도도 응답의 기능 메커니즘은 전도도를 감소시키는 PANI 클러스터의 파열 및 탈락 또는 PANI 입자의 분리로 인한 것일 수 있습니다. 그림 6d는 I -V 1000회 굽힘 후의 특성은 초기값에 비해 거의 변화가 없습니다. 결과는 센서의 내구성이 우수한 특성을 나타냅니다.

좋은 센서는 환경 변화에 대한 반응이 적어야 합니다. 장력 외에도 웨어러블 디바이스로서 자유롭게 구부러져야 합니다. 여기에서 구부릴 수 있는 특성을 보여주기 위해 다른 곡률에서 출력 신호를 감지합니다. 센서의 굽힘성을 테스트하기 위해 I -V 특성은 곡률이 다른 항목에 고정될 때 추정됩니다. 그림 7a에서 볼 수 있듯이 곡률이 0에서 0.4mm로 변경되면 약간의 변화만 나타납니다. ⁻¹ , 이는 센서가 다양한 비평면 작업 환경에 적용될 수 있음을 시사합니다. 게다가 온도 드리프트를 결정하기 위해 I -V 다른 온도에서 센서의 특성. 그림 8은 I를 보여줍니다. -V 다른 온도에서 곡선. 온도가 240K에서 300K로 변할 때 저항은 2.9697에서 1.6025kΩ으로 완만하고 규칙적으로 감소하며 특히 온도가 300K에서 360K로 변할 때 약간의 교란(0.0556kΩ)만 존재합니다. 센서는 유지될 수 있습니다. 좋은 전도성. 결과는 전기 전도도가 약간 변하더라도 센서가 다른 온도에서 좋은 전도도를 유지할 수 있음을 나타냅니다. 결과는 센서가 다른 주변 온도에서 정상적으로 작동할 수 있음을 확인했습니다. 그림 7b는 센서의 다양한 곡률에서 전류를 측정하는 장치를 보여줍니다.

아 나 -V 다양한 곡률에서 PANI/TPU 멤브레인 센서의 곡선. ㄴ I 테스트 중 광학 이미지 -V 다양한 곡률에서의 특성

나 -V 다양한 온도에서 PANI/TPU 멤브레인 센서의 곡선

손가락 굽힘-풀림 감지 응용

우리는 손가락 동작을 활용하여 사람의 움직임을 시뮬레이션했습니다. 그림 9a는 센서의 일반적인 응답 곡선을 보여줍니다. 우리는 거의 2000번의 손가락 구부림에 대해 테스트했으며 7주기만 표시되며 그림 9b는 손가락 움직임 감지용 센서의 사진입니다(1%의 변형률). 센서의 전기적 전송은 외력의 영향을 받았습니다. 손가락을 구부리면 전류가 최대로 뛰었고 손가락을 구부린 상태에서 최대값을 유지했다가 펴면 원래 값으로 돌아갔다. 시분할 전류 응답으로부터 센서의 응답성과 외력에 대한 회복성이 양호함을 알 수 있다. 최근에는 혈압[28] 및 손목 맥박[29]과 같은 다양한 생체 신호를 감지하는 데 사용할 수 있고 관절 및 근육 운동을 모니터링하는 데 사용할 수 있는 웨어러블 바이오센서[27]에 대한 관심이 증가하고 있습니다[30]. . 저렴하고 가벼우며 감도가 좋기 때문에 스마트 의류에 넣거나 피부에 직접 부착하여 사람의 움직임을 감지하는 이러한 종류의 센서에 대한 많은 보고가 있습니다[9, 30, 31, 32]. ]. 여기에서 위에서 언급한 테스트 결과를 기반으로 당사의 스트레인 센서는 웨어러블 장치에서 잠재적인 응용 프로그램을 보여줍니다. 센서의 우수한 감도, 경량 및 저비용 특성은 의료 및 다기능 지능형 방과 같은 많은 잠재적인 응용 분야가 있음을 보여줍니다[9, 10, 32].

아 손가락 움직임의 현재 반응과 웨어러블 PANI/TPU 멤브레인 센서의 사진. ㄴ 손가락 움직임 테스트의 광학 이미지

센서는 복잡한 전기적 특성 측정 시스템에 의존할 필요가 없으며 간단한 자체 깜박임 LED를 사용하여 캐릭터 작업을 수행했습니다. 그림 10a₁ –a₄ PANI/TPU 멤브레인의 유연한 도체가 다른 곡률(0, 0.1, 0.05 및 0.033mm ⁻¹ ) 아래에 있을 때 LED가 정상적으로 빛을 낼 수 있음을 보여줍니다. , 각각). 그림 10b₁ –b₄ 스트레칭(각각 0, 20, 40, 60%)에 따라 더 큰 빛 변화를 나타냅니다. LED의 밝기는 PANI/TPU 멤브레인의 변형이 증가함에 따라 어두워집니다. LED 조명의 밝기 변화를 통해 센서의 상태를 알 수 있으며, 이는 공간 제약이 있는 상황에서 적용할 수 있습니다.

폐쇄 회로에서 PANI/TPU 멤브레인의 유연한 도체. 아 자체 깜박이는 LED는 PANI/TPU 멤브레인의 유연한 도체가 다른 곡률 아래 있을 때 정상적으로 빛을 발할 수 있습니다. ㄴ PANI/TPU 멤브레인의 인장 변형으로 자체 깜박이는 LED 디밍

센서는 민감도와 신축성이 좋으며, 그림 10은 PANI/TPU 나노섬유막이 유연한 전도체로 사용될 수 있음을 보여주고 있으며, 이는 유연한 스크린에 적용할 수 있고 의류에 부착하여 인체 건강을 감지할 수 있음을 보여준다[33].