고성능 자체 전원 센서용 전기방사 폴리테트라플루오로에틸렌 나노섬유 멤브레인

결과 및 토론

PTFE 나노 섬유 멤브레인은 그림 1a에 개략적으로 표시된 것처럼 2단계 접근 방식으로 제작되었습니다. PTFE의 우수한 내화학성 때문에 어떤 용매에도 용해되지 않아 PTFE 용액을 나노섬유에 직접 전기방사하기 어렵다. 이 문제를 극복하기 위해 일반적으로 PTFE 나노섬유 제조에 2단계 접근 방식이 사용되었습니다[23, 24]. 먼저, PTFE 입자의 분산을 위한 담체로 수용성 고분자를 이용하여 전기방사하여 나노섬유 PTFE 복합체를 제조하였다. 그런 다음, 캐리어를 제거하기 위해 후열 처리를 적용하여 PTFE 나노섬유를 얻었다. 이 연구에서 PEO는 좋은 수용성과 낮은 융점 때문에 담체로 활용되었습니다. PTFE 입자 현탁 PEO 수용액을 전기방사 전구체로 사용하여 추가 파일 1:그림 S1과 같이 직경 500~800 nm의 PTFE-PEO 나노섬유를 성공적으로 얻었다. 소량의 PEO(전구체 용액에서 PEO/PTFE =1/27)는 PTFE 입자를 완전히 포장할 수 없기 때문에 준비된 PTFE-PEO 나노섬유는 거친 표면 및 PTFE만의 상 조성을 나타냅니다(추가 파일 1:그림 S1b ). 순수한 PTFE 나노섬유를 얻기 위해 열처리를 통해 PEO와 융합된 PTFE 입자를 함께 제거하였다. 이전 연구에 따르면 PTFE는 ~ 327°C에서 녹고 ~ 500°C까지 열적으로 안정적입니다[24]. 따라서 PTFE의 용융 온도보다 약간 높은 350 °C의 온도를 선택하여 PEO를 제거하고 PTFE 나노 입자를 함께 융합하여 연속적인 나노 섬유를 형성했습니다. 그림 1b와 같이 소성 후 5 cm × 5 cm 크기의 PTFE 나노섬유 웹을 얻었다. SEM 연구는 소성 후 섬유 형태가 잘 유지되었음을 보여 주었다(그림 1c). 일부 PTFE 나노섬유의 상호연결과 나노섬유 상의 PTFE 나노입자의 소멸은 나노입자의 융합을 보여주었다(그림 1c의 삽입). 나노섬유에서 PEO 성분의 제거는 FTIR 연구에 의해 밝혀졌습니다. 그림 1d에서 볼 수 있듯이 깨끗한 PEO는 841, 947, 1059, 1092 및 1342 cm ^-1 에서 몇 가지 두드러진 피크를 나타냅니다. , CH₂의 진동에 해당 및 CO 그룹 [22, 25]. 반면에 순수한 PTFE의 FTIR 스펙트럼에는 5개의 강한 피크가 나타났으며 그 중 1146 및 1201 cm ^-1 에서 가장 두드러진 피크가 나타났습니다. CF₂의 특징입니다. 대칭 및 비대칭 스트레칭 모드 각각 [26], 512, 554 및 639 cm ⁻¹ 의 피크 CF₂의 흔들기, 변형 및 흔들기 모드에 할당할 수 있습니다. , 각각 [27]. PEO에 할당된 피크는 PEO 성분의 함량이 낮음에도 불구하고 전기방사 PTFE-PEO 나노섬유 멤브레인의 스펙트럼에서 여전히 관찰할 수 있습니다(그림 1d에서 주황색 점선으로 표시됨). 350°C에서 소결된 후 이러한 피크가 완전히 사라지고 나노섬유 멤브레인의 순수한 PTFE 조성이 생성됩니다.

아 PTFE 나노섬유 멤브레인의 2단계 제조를 보여주는 개략도:(1) PTFE-PEO 나노섬유 멤브레인을 얻기 위한 전기방사 및 (2) 전기방사된 PTFE-PEO 나노섬유 멤브레인에서 PEO를 제거하기 위한 열처리. ㄴ 디지털 사진 및 c 확대도를 보여주는 삽입물이 있는 PTFE 나노섬유 멤브레인의 SEM 이미지. d (1) 원래 PEO, (2) 원래 PTFE, (3) 전기방사 PTFE-PEO 나노섬유 멤브레인 및 (4) PTFE 나노섬유 멤브레인의 FTIR 스펙트럼은 주황색 점선으로 PEO의 주요 피크를 나타냅니다.

그림 2는 PTFE 나노섬유 멤브레인에 대한 일련의 특성화 결과를 보여줍니다. 전구체 PTFE-PEO 샘플과 유사하게 PTFE 나노섬유 멤브레인은 PTFE 상으로만 구성됩니다. 그림 2a에서 볼 수 있듯이 XRD 패턴의 18.2°와 31.7°에 각각 PTFE의 (100) 및 (110) 평면에 해당하는 두 개의 회절 피크가 있습니다. XPS 연구는 베어 PTFE의 구성을 더욱 조명합니다. XPS 패턴은 각각 ~ 286 및 ~685 eV를 중심으로 C1°s 및 F1°s의 특징적인 피크를 나타냅니다(그림 2b). 일반적으로 ~ 532 eV에서 나타나는 O 1 의 특성 피크는 관찰할 수 없지만[28], 이는 PEO 성분이 열처리 동안 완전히 제거되었음을 시사합니다. PTFE 나노섬유 멤브레인을 웨어러블 일렉트릿 센서로 사용하는 것의 적합성을 평가하기 위해 이 특정 응용 분야의 요구 사항과 관련된 특성도 특성화되었습니다. 그림 2c는 공기가 다양한 유속으로 막을 가로질러 갈 때 압력 강하를 보여줍니다. 압력 강하는 테스트된 범위에서 가스 유량과 거의 선형 관계를 유지하며 그 값은 필터 안면 마스크[29]의 값과 비슷할 정도로 매우 작아 멤브레인의 우수한 공기 투과성을 보여줍니다. 아마도 섬유 네트워크의 상호 연결로 인해 멤브레인은 ~ 3.8 MPa의 인장 강도와 220%의 파단 신율(그림 2d)로 우수한 기계적 특성을 나타내어 웨어러블 전자 장치의 요구 사항을 충족합니다. 그림 2e는 30 일 이내에 멤브레인의 표면 전위 변화를 보여줍니다. 상온에서 1일 보관 후 약 - 480에서 - 300 V로 급격히 감소하다가 11 일 이후 서서히 감소하여 최종적으로는 - 270 V에서 안정하게 유지되며 우수한 통기성, 우수한 기계적 물성, PTFE 나노섬유 멤브레인의 안정적인 표면 전위는 웨어러블 자체 전원 감지에 대한 잠재적인 응용을 보여줍니다.

PTFE 나노섬유 멤브레인의 특성:a XRD 패턴, b XPS 스펙트럼, c 가스 유량의 함수로서의 압력 강하, d 응력-변형률 곡선 및 30 일 동안의 표면 전위 변화

전하 저장 능력에 의존하여 PTFE 나노섬유 멤브레인은 일렉트릿 NG를 제조하는 데 활용될 수 있습니다. 장치에 통합할 때 공기 투과성을 유지하기 위해 공기 투과성이 우수한 상업용 전도성 천을 전극으로 사용하여 일렉트릿 NG를 구성했습니다(추가 파일 1:그림 S2). 먼저 PTFE 나노섬유막의 두 끝을 두 스페이서 사이에 고정했습니다. 그런 다음 멤브레인을 4 cm × 4 cm의 유효 크기로 NG 장치를 형성하는 두 개의 전도성 탄소 옷에 끼워 넣었습니다(그림 3a). PTFE 나노섬유의 음의 잉여 전하는 음전하와 동일한 총량으로 상단 및 하단 전극에 양전하를 유도합니다(그림 3b). 정적 상태에서는 전위 분포의 평형 상태로 인해 전하가 이동할 수 없습니다. 장치를 눌렀다 떼면서 평형 상태가 깨졌을 때 PTFE 멤브레인과 탄소 천 전극 사이의 간격 변화는 정전 용량의 변화로 이어져 두 ​​전극 사이의 전하가 재분배되어 대체 전극이 생성됩니다. 외부 회로를 통해 흐르는 과도 전류. 이 샌드위치 구조 NG의 작동 메커니즘은 보고된 아치 구조 NG와 유사합니다[17, 30]. 그럼에도 불구하고, 본 연구에 나타난 NG는 박막 기반 아치 구조 NG 및 일부 다른 섬유 기반 NG에 비해 구성이 훨씬 쉽고 통기성이 있습니다[17, 30,31,32,33,34].

아 NG 기기의 디지털 사진 및 b 그 구조의 개략도. ㄷ 두 개의 개별 NG 장치(G1 및 G2)의 출력 전류 및 이들의 병렬 연결(G1 + G2). d 5 Hz에서 다른 자극력을 가진 NG의 출력. 이 5 N의 자극력으로 다양한 주파수에서 NG 출력 f 부하 저항이 다른 NG의 출력. 지 NG의 사이클링 안정성

도 3c에 도시된 바와 같이, NG는 5 N의 자극력과 5 Hz의 주파수에서 ~ 1.5 μA의 피크 전류를 나타내었다. 두 개의 NG가 동일한 극성으로 병렬로 연결된 경우 총 출력 전류는 거의 각각의 값을 더한 값으로 NG의 전기 출력이 기본 회로 연결에서 선형 중첩 기준을 충족했음을 나타냅니다[35]. NG의 성능은 다양한 힘과 주파수에서 더 체계적으로 연구되었습니다. 주어진 주파수에서 피크 전류와 전송된 전하의 적분량(ΔQ ) 자극력이 1에서 5 N으로 증가함에 따라 증가했습니다(그림 3d 및 추가 파일 1:그림 S3a). 자극력의 추가 증가는 ΔQ 때문에 출력을 더 이상 촉진할 수 없습니다. 5 N의 충분한 힘에서 이미 최대값에 도달한 PTFE 멤브레인과 전극 사이의 갭 변화의 진폭에 의해서만 결정됩니다[17]. 또한 정전용량 변화 메커니즘으로 인해 ΔQ 간격 변화의 진폭이 주파수와 무관하기 때문에 주파수의 변화에 ​​따라 ~ 26.9 nC의 거의 일정한 값을 유지했습니다(그림 3e). 그럼에도 불구하고 동일한 양의 전하가 더 짧은 시간에 전달되기 때문에 출력 전류는 주어진 자극력에서 주파수가 증가함에 따라 증가했습니다(추가 파일 1:그림 S3b). 최대 피크 전력을 얻기 위해 5 Hz의 주파수와 5 N의 자극력에서 서로 다른 외부 부하 저항에 따른 출력 성능을 연구하였다. Fig. 3f와 같이 출력 전류는 부하 저항이 0.1~10 MΩ에서 ~ 1.5에서 0.081 μA로 감소하고 부하 저항이 1000 MΩ으로 추가 증가하여 NG 장치의 내부 저항이 10~1000 MΩ임을 의미합니다. 힘의 정의에 따라 P =나 ² R , 100 MΩ의 부하 저항으로 최대 56.25 μW의 최대 피크 전력을 얻을 수 있습니다. 따라서 NG 소자의 내부 저항은 ~ 100 MΩ으로 추론되는데, 이는 내부 저항이 부하 저항과 일치해야 NG의 최대 전력이 나타나기 때문이다[21]. 마지막으로 NG의 사이클링 안정성은 5 N의 힘과 5 Hz의 주파수에서 평가되었습니다. 도 3g에 도시된 바와 같이, 50 k 사이클 동안 전송된 전하의 적분량 뿐만 아니라 출력 전류의 명백한 열화도 발견되지 않았으며, 이는 NG의 우수한 사이클링 안정성을 나타낸다.

NG를 신체 움직임 모니터링을 위한 자체 전원 센서로 사용할 수 있는 가능성을 보여주기 위해 장치를 곧게 펴진 팔꿈치 관절 위에 고정하여 팔꿈치 관절 움직임을 모니터링했습니다. 그림 4a는 팔꿈치 관절을 일련의 각도로 구부릴 때 출력 전기 신호를 보여줍니다. 전류 펄스는 30° 굽힘의 작은 움직임에도 명확하게 식별할 수 있으며 높은 굽힘 각도에서 점점 더 두드러집니다. 그림 4b는 NG의 출력과 팔꿈치 관절의 혼합 각도 사이의 관계를 그립니다. 장치의 복잡한 변형으로 인해 PTFE 멤브레인과 탄소 천 전극 사이의 간격 변화는 팔꿈치 관절의 굽힘 각도와 정량적으로 상관 관계가 없습니다. 따라서 NG 장치의 출력과 팔꿈치 관절의 굽힘 각도 사이의 관계는 수학적으로만 설정할 수 있지만 물리적으로는 설정할 수 없습니다. 그럼에도 불구하고 혼합 각도에 대한 전류 및 전달된 전하의 의존성은 팔꿈치 관절 운동의 상태를 효과적으로 나타낼 수 있으며, 실시간 모니터링 신체 움직임을 위한 자체 전원 센서로서 NG의 잠재적인 응용을 보여줍니다.

<그림>

아 팔꿈치 관절 및 b의 다양한 굽힘 각도에서 NG의 출력 신호 피크 전류 및 적분 전송 전하의 해당 플롯

신체 움직임 모니터링을 위한 애플리케이션 외에도 NG는 인체의 특정 위치에 장치를 부착하여 생리적 신호를 모니터링하는 자체 전원 센서 역할도 할 수 있습니다. 예를 들어, NG 장치를 복부에 고정하면 호흡 중 복부의 수축 및 팽창이 장치를 자극하여 호흡에 대한 정보를 제공하는 전기 신호를 생성합니다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 피크값이 6~10 nA인 맑은 교류파가 기록되었으며, 이는 분당 ~ 20회 빈도로 남성 성인의 호흡 리듬과 잘 일치한다. NG 장치를 가슴이나 손목에 고정하면 심장 박동 모니터링에도 사용할 수 있습니다. 심장이나 동맥의 규칙적인 맥동은 NG 장치를 자극하여 심장 박동의 흔적으로 상응하는 주기적 전류 신호를 생성합니다. 이것은 심장 주기 동안 혈액 배출에 의해 생성되는 미묘한 기계적 움직임을 추적하는 메커니즘을 기반으로 하는 소위 탄도심장조영술 방법입니다[36]. 그림 5b는 남성의 가슴에 부착된 NG 장치의 출력을 나타내며, 이로부터 20 에서 23개의 두드러진 전류 피크를 명확하게 식별할 수 있으며, 이는 분당 ~ 69비트의 심박수를 나타냅니다. 이 값은 건강한 청년의 정상 범위(분당 60~100회[37])입니다. 또한, 신호를 종합적으로 해석하여 각 심장 주기의 세부 사항에 대한 정보를 추출할 수 있어 보조 심혈관 진단에 유용합니다[36, 38]. 그림 5c에서 볼 수 있듯이 전기 파형은 일반적인 심장 주기의 세 가지 프로세스를 명시적으로 추적하여 수축기(F–G–H), 수축기(I–J–K) 및 이완기(L–M–N) 단계를 명명합니다. [37]. 심장 부근의 대동맥 맥파 측정에 비해 NG 장치를 몸통에 고정하여 말초 동맥 맥박을 모니터링하는 것이 더 편리합니다. 그림 5d는 손목에 고정된 NG의 기록된 전류 신호를 보여줍니다. 패턴의 날카로운 전류 펄스는 분당 ~ 2번의 빈도로 뛰는 요골 동맥의 리듬을 명확하게 기록합니다. 그림 5e는 두 개의 주요 피크를 구별할 수 있는 파형의 확대도입니다. 입사 혈류 피크 P ₁ 반사 피크 P ₂ 손 영역에서 [37]. 이러한 피크의 진폭을 기반으로 요골동맥 확대 지수(AI_x =피 ₂ /피 ₁ ), 심혈관 질환 및 표적 장기 손상의 중요한 지표로서 계산될 수 있다[39]. 수집된 데이터에 따르면 ~ 54%의 통계 값이 얻어졌으며 이는 33 세 남성의 정상적인 심혈관 상태를 시사합니다.

<그림>

남성 신체의 다른 위치에 부착된 NG의 출력 신호:a 복부에, b 가슴에 d 손목에; ㄷ 및 e b의 신호 확대도입니다. 그리고 d 각각

결론

요약하면, 본 연구는 고성능 자체 전원 웨어러블 센서의 구성을 위해 전기방사된 PTFE 나노섬유 막을 사용하는 것이 적합함을 정당화했습니다. PTFE 나노섬유 멤브레인은 PTFE-PEO 수성 현탁액으로 전기방사하고 PEO 성분을 제거하기 위한 후열 처리에 의해 성공적으로 제조되었습니다. 우수한 공기 투과성과 우수한 기계적 및 일렉트릿 특성으로 인해 전기방사된 PFTE 나노섬유 막을 기반으로 제작된 NG 장치는 56.25 μW의 높은 피크 전력과 장기간 사이클링 안정성으로 기계적 에너지를 전기로 효과적으로 변환할 수 있어 다음과 같은 잠재력을 보여줍니다. 민감한 자체 전원 웨어러블 센서로 사용됩니다. 실제로 NG는 호흡 및 심장 박동을 포함한 생체 신호와 신체 움직임을 정량적으로 모니터링할 수 있는 우수한 웨어러블 센서로 입증되었으며, 이는 신체 동작 및 건강 모니터링을 위한 웨어러블 전자 장치에 잠재적으로 적용될 수 있음을 시사합니다.

데이터 및 자료의 가용성

이 연구에서 생성된 모든 데이터는 기사 및 추가 파일에 포함되어 있습니다.

약어

FE-SEM:

전계 방출 주사 전자 현미경

FTIR:

푸리에 변환 적외선 분광기

NG:

나노제너레이터

PEO:

폴리에틸렌 옥사이드

PTFE:

폴리테트라플루오로에틸렌

XPS:

X선 광전자 분광법

XRD:

X선 회절

밀접한 원형 편광 변칙 와류 빔의 특성과 갇힌 나노입자에 대한 광학적 힘 천연 실크 섬유의 산화 및 나노 분산