다중 계층 다공성 폴리아닐린 합성물을 감도 조절이 가능한 압력 센서 및 가스 센서로 쉽게 제작

결과 및 토론

형태 및 구조적 특성

그림 3a, c 및 그림 3b, d는 각각 다른 배율에서 깨끗한 스펀지와 제자리 중합 스펀지의 SEM 이미지를 보여줍니다. 상호 연결된 다공성 구조가 PANI 나노가지의 성장에 충분한 표면을 제공함을 알 수 있습니다. 중합 후 합성물은 거친 표면을 나타내는 반면 깨끗한 스폰지는 매끄 럽습니다. 이는 PANI 마이크로 / 나노 구조가 성장했음을 나타냅니다. 고배율에서는 스펀지 표면에서 PANI 나노가지를 명확하게 볼 수 있습니다. in situ 중합 과정에서 PANI 고유의 불균일성으로 인해 PANI 멤브레인에 약간의 범프가 생성되고[27], PANI 나노가지가 계면 호환성에 의해 적절한 접착력으로 스폰지 구조에서 제자리에서 성장할 수 있습니다. 나노 구조의 PANI 코팅은 복합 재료가 전기 전도성을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 한편, 특수 나노분기는 복합 재료를 더 큰 비표면적으로 만들어 일부 접촉 종속 응용 프로그램에서 복합 재료가 우수한 특성을 나타낼 수 있습니다. 또한, 이 PANI/스폰지 합성물은 미세 기공이 있는 스펀지(그림 3b)와 나노 기공이 있는 PANI 가지(그림 3d)로 구성된 흥미로운 다중 계층 다공성 구조를 가지고 있습니다.

a의 SEM 이미지 , ㄷ 깨끗한 스펀지와 b , d 제자리 중합 후 스폰지

라만 스펙트럼

깨끗한 스펀지와 PANI/sponge 복합재료의 라만 스펙트럼은 Fig. 4와 같다. PANI/sponge 복합재료의 특징적인 피크 위치에 따라 스펙트럼은 PANI의 대부분의 특성을 보인다. 1486, 1407, 1216, 1163cm 주변의 밴드 ⁻¹ quinondiimine에 할당됩니다. 밴드 1486cm ⁻¹ C=C 및 C=N 관련 신축 진동에 해당, 밴드 1407 및 1216cm ⁻¹ CN 신축 진동에 해당하고 밴드 1163cm ⁻¹ 각각 C-N 굽힘 진동에 해당합니다. 게다가 1329cm ⁻¹ 의 밴드 페닐렌디아민의 CN 신축 진동을 나타냅니다. 밴드 약 1588cm ⁻¹ C–C 신축 진동에 할당됩니다(해당 영역은 1550~1650cm ⁻¹ 입니다. ). 결과는 성공적인 중합과 스펀지에 PANI의 존재를 확인시켜줍니다.

제자리 중합 후 깨끗한 스펀지와 스펀지의 라만 스펙트럼

압력 감도 테스트

압력 감도를 입증하기 위해 표면에 압력이 가해진 PANI/스폰지 복합재의 저항 변화를 조사했습니다. 3D 크기가 2 × 2 × 2 cm ³ 인 합성물 두 개의 구리 전극으로 끼워져 있고(그림 2 참조), 두 전극에 압력을 가하여 전기를 기록했습니다.

첫째, 5V의 고정 바이어스에서 PANI/스펀지 센서의 주기적 압력 제거 응답(그림 5)에 의해 간단한 탐색이 수행되며 손가락에 의해 강제되는 약 2mm 압축 변형이 있습니다. Fig. 5에서 보는 바와 같이 전류는 압력이 가해짐에 따라 빠르게 피크값에 도달하고, 해제되면서 즉시 초기값으로 회복되어 좋은 안정성을 유지한다. 한편, 감수성과 회복성은 여러 보도자료 주기에 영향을 받지 않는다. 한편, 피크는 균일하지 않으며, 이는 인간의 손가락을 누르기 위한 압축 변형의 작은 변동으로 인해 발생할 수 있으며 절대적으로 균일하지 않습니다. 다양한 압력에 대한 PANI/스폰지의 민감도를 체계적으로 입증하기 위해 측정된 데이터를 기반으로 계산된 전자 저항 변화 비율이 그림 6(a)에 나와 있습니다. 여기서 ΔR /R ₀ =(R ₀ − R )/R ₀ , 여기서 R ₀ 및 R 릴리스 및 압력 조건에서의 저항을 나타냅니다. PANI/sponge를 0에서 13kPa로 누를 때 저항의 상대적인 변화가 증가함을 알 수 있습니다. 또한 곡선 A의 기울기에서 압력 감도 S (S =δ (ΔR /R ₀ )/δP , 여기서 P 압력센서의 성능을 반영하는 중요한 지표인 가압력을 나타냄)[13]은 약 8.0(0–8 kPa)과 약 54.5(8–13 kPa)로 계산할 수 있습니다. 우리는 PANI/스폰지 복합재료의 감지 메커니즘이 내부 미세다공성 구조의 변화임을 확인했습니다. 여기서는 용이한 조작을 위해 가해지는 압력의 강도를 특성화하기 위해 압축거리를 제안하였으며, 이에 상응하는 압력과 압축변형의 관계는 Fig. 6(b)와 같다.

손가락으로 가해지는 약 2mm 압축 변형이 있는 PANI/스펀지의 주기적 압력 제거 응답

A PANI/스펀지 센서와 B의 압력-반응 곡선 압력과 압축 변형의 해당 관계 곡선

전도성 PANI/스펀지 복합재의 압저항 감지 메커니즘을 설명하기 위해 간단한 개략도(그림 7)가 스폰지 구조의 미세 다공성 접촉 변화를 시뮬레이션하기 위해 표시됩니다. 압력이 증가함에 따라 미세 기공이 눌려 서로 더 밀접하게 접촉합니다. 특히, 미세다공성 구조는 압력의 해제와 함께 이전 상태로 회복될 수 있다. 여기서 저항은 압력이 증가함에 따라 작아지며 해제 후에는 초기값으로 되돌아갈 수 있다. 따라서 전도성 다공성 구조의 내부 접촉 변화는 저항 변화를 초래하여 압저항 감도를 생성합니다. 접촉 변화를 시각적으로 설명하기 위해 다양한 압력에서 미세 다공성 구조의 SEM 이미지가 그림 8a-d에 나와 있습니다. 게다가, 그림 8e(다중 압력 후 합성물의 SEM 이미지)에서 입증된 바와 같이 테스트에서 PANI 박리가 없었습니다. PANI 마이크로/나노 구조는 주기적인 테스트 후에 스펀지에 적절한 접착력을 유지할 수 있었습니다.

PANI/스펀지 합성물의 압력 감지 개략도

a의 대략적인 압축비로 다양한 압력에서 PANI/스펀지 복합재의 미세다공성 구조의 SEM 이미지 0%, b 20%, ㄷ 40% 및 d 60%. 이 다양한 배율에서 여러 압력을 가한 후 합성물의 SEM 이미지

압력 센서는 안정성과 복구 가능성이 우수한 기능을 갖추고 있어야 합니다. 안정성 및 복구 특성을 입증하기 위해 5V의 고정 바이어스에서 다양한 압력에 대한 전류 응답을 테스트합니다. 그림 9a에서 볼 수 있듯이 전류는 0mm에서 12mm로, 다시 0mm로 압축 변형에 대한 라이너 응답을 거의 표시합니다. 한편, 상승 및 하강 압력에 대한 빠른 응답과 양호한 안정성을 유지하며, 게다가 연속 상승 및 하강 테스트 사이에 약간의 편차가 있을 뿐입니다. 그러나 250~300초와 320~360초 사이에는 분명한 차이가 있습니다. 우리는 이러한 편차가 두 가지 주요 원인으로 인해 발생할 수 있다고 추론합니다. 하나는 합성물이 가장 큰 변형에서 갑자기 회복될 때 히스테리시스 품질이 있을 수 있다는 것입니다. 다른 하나는 테스트에서 가능한 작동 오류로 250~300초보다 더 큰 압축 거리로 이어집니다. 안정성과 회복성을 보다 직접적으로 특성화하기 위해 그림 9b는 다양한 강도로 하중 및 하중 제거 압력에 대한 현재 반응을 보여줍니다. 원 응답 곡선에서 압력에 대한 합성 응답은 즉시, 전류는 압력을 뺀 후 35초 이내에 초기 값으로 완전히 회복될 수 있습니다. 그림 9에서 전류는 압력이 증가함에 따라 증가하고 압력이 감소함에 따라 감소함을 알 수 있으며, 이는 위에서 설명한 압저항 감지 메커니즘과 일치합니다. 이러한 결과는 유연하고 민감한 PANI/스펀지 복합재가 압력 센서에 잠재적으로 적용될 수 있음을 나타내며, 이는 저가의 인공 피부 및 스마트 의류에 사용될 수 있습니다[13, 34, 1].

PANI/스펀지 센서의 안정성 및 복구성 테스트. 아 압축 변형이 0~12mm 및 다시 0mm인 다양한 압력에 대한 현재 반응. ㄴ 강도가 다른 로딩 및 언로딩 압력에 대한 현재 반응

손가락 굽힘-풀림 감지 응용

요즘에는 고감도와 적절한 유연성을 갖춘 저가의 압력 센서가 휴대용 및 웨어러블 장치에 매우 바람직합니다. 여기에 간단한 PANI/스펀지 센서(2 × 1 × 0.5 cm ³ )는 고무장갑으로 집게손가락 관절에 고정한다. 테스터가 5V의 고정 바이어스에서 손가락 굽힘 해제 작업을 수행하는 동안 전류 응답이 기록됩니다. 여러 사이클 전류 응답이 그림 10에 나와 있습니다. 이 과정에서 손가락이 빠르게 구부러지고 해제됩니다. 손가락이 갑자기 구부러지면 전류가 급격히 증가하는 것을 알 수 있습니다. 손가락을 놓으면 전류가 크게 감소하고 원래 값으로 회복됩니다. 모든 손가락의 굽힘 정도는 정확히 같지 않으므로 각 굽힘 지점의 전류 피크는 약간의 차이가 있습니다. 전류 응답의 감도와 반복성은 센서가 신뢰할 수 있고 일부 저가의 휴대용 및 웨어러블 장치에서 유연한 감지 장치에 사용할 수 있음을 나타냅니다.

5V의 고정 바이어스에서 손가락 구부리기 동작 감지의 전류 응답

감도 조절 가스 센서의 응용

PANI 복합 재료는 고유한 전도 메커니즘을 위한 가스 감지 재료로 널리 연구되었습니다. 그러나 PANI 기반 가스 센서에 대한 관련 보고서는 주로 고정 또는 단일 감도에 중점을 둡니다. 여기서, 유연한 다공성 구조와 NH₃의 반응을 기반으로 양성자가 도핑된 PANI가 있는 분자, 우리는 조정 가능한 감도 NH₃에 대한 PANI/스폰지 복합재의 잠재적인 적용을 조사합니다. 가스 센서. 전도성 다공성 구조의 내부 접촉 밀도 제어(그림 8 참조)를 통해 확산 부피 및 공기 유입 속도를 조정하여 감도 조정 목적을 달성할 수 있습니다. 샌드위치된 PANI/스펀지 복합 센서는 압력이 서로 다른 밀폐된 상자에 넣었습니다(크기가 30 × 30 × 30 cm ³ ). ) 구리선을 통해 외부 Keithley 6487 고저항 미터 시스템과 접촉합니다. NH₃ 상자에 추가된 1ml 암모니아 용액의 자연 휘발에 의해 생성되었습니다. 그림 11은 실내 공기와 NH₃에 대한 실시간 PANI/스펀지 합성 반응을 보여줍니다. , 이는 압축 정도가 NH₃의 감도에 영향을 미친다는 것을 나타냅니다. 발각. 현재 시간(나 -그 ) 곡선에서 NH₃의 확산에 따른 복합 저항 실내 공기보다 분명히 높습니다. 게다가, 압축 정도가 증가함에 따라 합성 저항과 정상 상태에 대한 응답 시간이 모두 동일한 NH₃에서 점진적으로 증가한다는 것이 분명합니다. 이는 감도가 내부 접촉 다공성에 의해 조정될 수 있음을 나타냅니다. 압력이 증가함에 따라 전도성 다공성 구조의 내부 접촉 밀도가 증가하여 NH₃의 확산 부피와 확산 속도가 모두 감소합니다. 유입; 따라서 동일한 농도에서 NH₃에 대한 응답 시간 연장됩니다. 또한, NH₃의 유입량 감소로 인해 압력이 증가함에 따라 초기 전류가 증가합니다. . 반면 NH₃의 내용은 닫힌 상자에서 동일한 경우 합성물의 전류는 결국 작은 값, 즉 NH₃에 의한 PANI의 도핑 제거에 도달할 수 있습니다. 비슷한 수준에 도달할 것입니다.

NH₃ 다양한 압력에서 PANI/스펀지 합성물의 감지 특성