표면 젖음성과 국부 습도 제어를 이용한 절연 기판 위 전기방사

요약

표면 젖음성과 제어된 습도를 활용하여 유연하고 비전도성 기판 위에 폴리머를 전기방사하는 간단한 기술을 제시합니다. 플라즈마 처리된 친수성 폴리머 표면 주변의 국부 상대 습도를 높여 물 단분자층이 흡착되게 하고, 이것이 일시적 접지 전극 역할을 하도록 합니다. 전기방사된 섬유는 친수성 영역에 선택적으로 증착되어 복잡한 전극 제조 없이 정밀한 패터닝이 가능합니다. 근접 전기방사는 친수성 표면 위에 폴리머 나노섬유를 직접 쓰기(direct writing)할 수 있음을 보여주어, 웨어러블 및 유연 전자 소자 응용의 길을 엽니다.

배경

전기방사는 고전압 소스, 스피너릿, 컬렉터 사이에 생성되는 전기장에 의존하여 서브마이크로미터 범위의 연속 나노섬유를 생산하는 경제적인 방법입니다. 전통적으로 컬렉터는 안정적인 전기장을 보장하기 위해 접지 전극 역할을 하는 전도성 기판(예: 금속)입니다. 비전도성 기판이 필요할 때는 접지를 제공하기 위해 외부 전도성 층을 추가해야 합니다.

많은 산업 응용에서 절연성 유연 폴리머 위에 증착이 요구됩니다. 이전 연구는 매우 얇은 절연층(≤100 µm)에만 성공하거나, 특수 장비가 필요한 복잡한 AC 펄스 변조 전기유체역학 기술을 사용했습니다. 액체 전해질 위 전기방사도 탐구되었으나, 임의의 절연 기판에 대한 간단하고 확장 가능한 접근법은 여전히 난제로 남아 있습니다.

우리는 고습도 환경에서 친수성 표면에 흡착된 물층의 전도성을 이용하는 방법을 도입합니다. 얇은 물 단분자층은 상대 습도(RH) 50% 이상에서 전기를 전도할 수 있습니다. 플라즈마 처리된 폴리머 주변의 국부 습도를 제어함으로써, 흡착된 물이 접지 전극 역할을 하여 기판 두께에 독립적이고 기존 셋업과 호환되는 전기방사를 가능하게 합니다.

실험 방법

친수성 폴리머 기판 제조

본래 소수성인 500 µm 아크릴 시트를 산소 플라즈마(CUTE, Femto Science, 한국)로 30초 처리했습니다. 이 처리는 실라놀 기(SiOH)를 도입하고 물 접촉각을 81.3°에서 36.7°로 낮추어 성공적인 친수성화를 확인했습니다. 플라즈마 노출 전 영역을 마스킹하여 선택적 친수성화를 달성했습니다.

전기방사 셋업

전기방사는 실온(≈22°C)과 중간 RH(40-50%)에서 수행했습니다. 10 wt% 폴리우레탄(PU) 용액(Pellethane 2363-80AE; Lubrizol, 미국)을 THF/DMF 80/20(v/v) 혼합물에 녹여 방사 유체로 사용했습니다. 비교 연구를 위해 친수성 및 소수성 영역을 결합한 아크릴 컬렉터에 PU 섬유를 증착했습니다(그림 1a).

국부 습도 제어

컬렉터 인접 습도를 높이기 위해 아크릴 기판과 접지 전극 사이에 젖은 종이를 놓았습니다(그림 1b). 수증기 확산이 느리기 때문에 기판 근처 RH는 ~70%에 도달했으나 주사기 팁 환경은 ~50%로 유지되었습니다(추가 파일 1: Figure S2). 이 국부적 습도 증가는 친수성 표면에서 물의 빠른 흡착을 보장하여 정전기적 결합을 촉진합니다.

결과 및 고찰

전기방사 모드

두 가지 구성을 조사했습니다: (1) 원거리 전기방사(팁-컬렉터 거리 = 8 cm, 13 kV DC), (2) 근접 전기방사(거리 = 1 cm, 2 kV DC, 이동 팁 속도 100 mm s⁻¹). 원거리 모드에서 섬유는 친수성 영역에만 형성되고 소수성 구역은 증착이 없었습니다(그림 2). 친수성 표면의 흡착 물층이 필요한 접지를 제공한 반면, 소수성 표면은 전기장 형성을 억제했습니다. 근접 실험에서는 친수성 영역에서 팁 궤적을 따라 섬유가 직접 쓰여 연속적인 선을 생성했으며, 소수성 영역에서는 섬유가 불안정하고 꼬인 형태로 나타났습니다.

PCL, PS, CA, PVDF 네 가지 폴리머를 테스트하여 범용성을 확인했습니다. 모든 경우에서 섬유는 친수성 영역에만 증착되었습니다(그림 3). SEM 분석(그림 4)은 폴리머 컬렉터상의 섬유 형태가 기존 금속 전극에서 생산된 것과 일치함을 보여주어, 국부 습도 제어가 섬유 품질을 저하시키지 않음을 입증했습니다.

전기장 강도도 증착 패턴에 영향을 미칩니다. 인가 전압을 6 kV에서 16 kV로 증가시킴(팁-컬렉터 = 8 cm)에 따라 제트 굴곡 불안정성이 심화되어 더 큰 루프가 형성되고 소수성 영역에도 섬유가 증착되었습니다(그림 5). 낮은 전압에서는 섬유가 주로 친수성 표면에 수집되었습니다.

근접 실험은 이 방법을 추가로 검증했습니다. 컬렉터가 친수성 폴리머일 때 팁은 직선적이고 연속적인 선을 생성했으나, 소수성 컬렉터에서는 섬유가 불안정하고 곡선 형태였습니다(그림 6). 이는 외부 전극 없이 절연 기판 위 직접 패터닝이 가능함을 보여줍니다.

결론

표면 젖음성과 제어된 국부 습도를 활용하여 임의 두께의 절연 기판 위에 전기방사하는 간단하고 확장 가능한 접근법을 확립했습니다. 산소 플라즈마로 폴리머 표면을 친수성화하면 ~70% RH에서 흡착된 물이 접지 전극 역할을 합니다. 친수성 컬렉터에 증착된 전기방사 나노섬유는 기존 금속 전극에서 달성된 형태와 일치하며, 근접 쓰기는 그렇지 않으면 절연 표면인 기판의 친수성 영역에 정밀한 섬유 패턴을 생성합니다. 이 전략은 복잡한 MEMS나 전극 제조의 필요성을 제거하여, 전기방사 나노섬유를 유연 웨어러블 전자기기 및 기타 신흥 응용에 통합할 수 있게 합니다.