계층적 다공성 폴리아닐린/폴리우레탄 스펀지 복합체의 신속 제조: 유연 압력 및 조절 가능 가스 센서 응용

초록

상용 폴리우레탄 스펀지 위에 다중 계층 다공성 폴리아닐린(PANI) 복합체를 제조하는 비용 효율적 현장 중합 경로를 제시합니다. 스펀지 스캐폴드는 방대한 상호연결 표면을 제공해 PANI 나노분지 성장을 촉진, 유연 고표면적 복합체 형성. 압저항 압력 센서로 조립 시 빠른 응답, 우수한 회복성, 저압에서 8.0 kPa⁻¹에서 8 kPa 이상 54.5 kPa⁻¹로 상승하는 압력 감도 보임. 또한 동일 복합체가 가스 센서로도 작동하며, 인가 압력 변화로 내부 기공 밀도 조절해 NH₃ 감도 튜닝 가능. 본 연구는 간단한 신호 수집으로 다기능 센서 제작하는 쉽고 저비용 방법 입증.

배경

압력, 변형, 가스, 온도, 변위 등 유연 센서는 차세대 웨어러블·폴더블 기기 핵심이나, 제작에 고비용 다단계 공정 필요. 3차원(3D) 스펀지, 특히 폴리우레탄은 탄성, 높은 비표면적, 저밀도, 저렴한 생산으로 매력적 대안. 전도성 충전제 결합 시 압력 센서, 슈퍼커패시터, 오일 흡착제 활용. 전도성 고분자, 특히 폴리아닐린(PANI)은 고유 전도성, 기계적 견고성, 큰 표면적으로 센서에 유리. PANI는 도핑이나 현장 중합 합성 가능, 후자가 더 확장 가능하고 효과적.

압저항 압력 센서는 기계적 변형을 저항 변화로 변환, 단순 설계와 저비용으로 선호. 센싱 원리는 전도성 네트워크 내 접촉 경로 변조. 가스 센싱에서 PANI 전도도는 알칼리성 가스(NH₃ 등)와 상호작용 시 프로톤화/도핑 변화로 전하 캐리어 수 감소, 저항 증가로 변조.

본 연구서 현장 중합으로 폴리우레탄 스펀지 위 다공성 PANI 네트워크 성장, 고성능 압력 센서이자 조절 가능 감도 NH₃ 가스 센서로 동시 기능하는 복합체 제조.

방법

재료

과황산암모늄(APS, Mw = 228.20 g/mol), 5-설포살리실산(SSA, Mw = 254.22 g/mol), 아닐린(Mw = 93.13 g/mol) Sinopharm Chemical Reagent(상하이). 상용 폴리우레탄 스펀지(Domaxe, 중국) 스캐폴드 사용.

PANI/스펀지 복합체 제조

중합 혼합물: 2.5422 g SSA, 1.8626 g 아닐린 50 mL 탈이온수에 녹여 20분 자력 교반. 스펀지 침지 후 4.5640 g APS 50 mL 탈이온수 용해액 천천히 첨가해 균일 혼합. 2°C에서 24시간 반응. 탈이온수 세척으로 잔류 단량체와 산화제 제거, 상온 48시간 건조. PANI/스펀지 복합체 노란색→진녹색 변화, PANI 로딩 ~35 wt%(중량 차이).

센서 조립

2×2×2 cm³ PANI/스펀지 복합체 두 구리 전극(구리 시트) 사이 샌드위치. 구리선 납땜 후 Keithley 6487 고저항계 연결 전기 측정.

특성 분석

주사전자현미경(SEM, JEOL JSM-7500F)과 라만 분광법(Renishaw inVia Plus, 532 nm 레이저) 형태·구조 분석. 전기적 특성 Keithley 6487 시스템 측정.

결과 및 고찰

형태적·구조적 특성

SEM서 원시 스펀지 매끄러운 상호연결 다공 프레임워크, PANI 코팅 스펀지 거친 표면 조밀 나노분지 피복 확인. 나노구조 PANI 코팅 복합체 비표면적 증가, 전기 전도성 향상. 복합체 미세 기공(스펀지)과 나노 기공(PANI 분지) 구성 다중 계층 기공 구조 보유.

라만 분광법

복합체 라만 스펙트럼 PANI 특성 피크 1486, 1407, 1216, 1163 cm⁻¹ 표시, 각 C=C/C=N 신축, C-N 신축, C-N 벤딩 대응. 1588 cm⁻¹ 밴드 C-C 신축 확인. 스펀지 스캐폴드 위 PANI 중합 성공 입증.

압력 감도 시험

주기적 압력 하 복합체 저항 급격 감소 후 해제 시 즉시 회복. 상대 저항 변화(ΔR/R₀) 0~13 kPa 증가, 감도 0-8 kPa 구간 8.0 kPa⁻¹, 8-13 kPa 구간 54.5 kPa⁻¹. 센싱 메커니즘은 압축 유도 다공 네트워크 내 접촉 저항 감소 기인.

안정성 및 회복성

최대 12 mm 압축 연속 로딩-언로딩 사이클서 선형 전류-압력 응답, 35초 내 급속 회복, 무시할 만한 히스테리시스, 웨어러블 적용 적합 우수 내구성 입증.

손가락 굽힘 검출

2×1×0.5 cm³ 센서 고무 장갑 장착, 손가락 굽힘과 펴기 정확히 추적, 굽힘 이벤트와 상관관계 명확한 반복 전류 스파이크 관찰, 소프트 로보틱스와 인체 모션 모니터링 적합성 입증.

조절 가능 감도 가스 센서

밀폐 챔버 내 복합체 예압 변화로 NH₃ 검출 감도 튜닝. 높은 압축 기공 부피 감소, 확산 속도 저하로 응답 시간 연장, 정상 상태 전류 감소. 조절 가능 내부 접촉 밀도 기인, 가스 센서 성능 맞춤 간단 수단 제공.

결론

계층적 PANI/PU 스펀지 복합체 제조하는 쉽고 확장 가능한 방법 시연. 고감도 저비용 압력 센서이자 튜닝 가능 NH₃ 가스 센서 기능. 유연 다공 구조 빠른 응답, 우수 회복성, 조절 가능 가스 감지 성능 제공, 차세대 웨어러블·휴대용 센싱 기기 유망 후보.