고신축성 전도성 TPU-PANI 나노섬유 멤브레인: 고급 플렉시블 변형 센서용

초록

우리는 열가소성 폴리우레탄(TPU) 나노섬유 복합체를 전기방사 중 폴리아닐린(PANI)으로 현장 기능화해 165% 변형까지 견디며 빠른 응답과 장기 안정성을 가진 플렉시블 변형 센서를 제작했습니다. 복합체는 넓은 온도 범위에서 일관된 전도성을 유지하며 비평면 표면에 순응해 저비용, 확장 가능한 고성능 착용형 센싱 및 전도성 기판 경로를 제공합니다.

배경

나노섬유 멤브레인은 큰 비표면적, 높은 다공성, 탄성, 우수한 기계적 특성으로 조직 스캐폴드, 보호 의류, 약물 전달 시스템, 전자 소재에 매력적입니다^[1-10]. 제작 기술 중 전기방사는 단순성, 경제성, 부직포 매트 생산 다재다능함으로 두드러집니다^[11-15]. 그러나 이러한 멤브레인에 전기 전도성을 부여하려면 전도성 고분자나 탄소 기반 반도체 도입이 일반적입니다. 폴리아닐린(PANI)은 높은 전도성을 가지나 극성 골격으로 탄력성 제한^[16]. 열가소성 폴리우레탄(TPU)은 우수한 신축성과 내마모성 제공^[17]. 현장 중합으로 TPU와 PANI 결합해 PANI 취성 극복과 TPU 고탄성 보존 목표로 착용형 변형 센서와 신축성 전도체에 적합한 복합체 제작.

실험

PANI/TPU 나노섬유 멤브레인 제조

제작은 3단계 진행. 첫째, TPU 용액 제조: 2.4 g TPU를 8.8 g N,N-디메틸포름아마이드(DMF)와 8.8 g 테트라하이드로푸란(THF)에 녹여 5시간 교반해 균질화. 전기방사: 니들-컬렉터 거리 10-12 cm, 12 kV, 15 µL min⁻¹ 공급 속도, 롤러 컬렉터로 균일 두께 달성. 결과 TPU 매트 PANI 중합 처리: 4.6 g 과황산암모늄(APS) 50 mL 탈염수 용해(용액 A); 1.875 g 아닐린, 2.54 g 설포살리실산(SSA) 50 mL DI 물에 용해(용액 B). TPU 멤브레인(10 cm × 10 cm) 용액 B 침지, 교반하며 용액 A 서서히 첨가, 실온 30분. 275 K에서 12시간 후 세척, 실온 48시간 건조해 녹색 PANI/TPU 복합체 얻음.

센서 조립

1 cm × 2 cm × 0.05 cm 복합체 멤브레인 두 PDMS 필름(1.5 cm × 3 cm × 0.05 cm) 사이 샌드위치로 섬유 보호. 구리 전극 은페이스트로 본딩, 활성 폭 15 mm, 전극 간격 1.5 mm. 아래 개략도 참조.

광학 현미경(Olympus BX51), SEM(FEI DB235), FTIR(Thermo Nicolet iN10), 동적 기계 분석기(TA Q-800), Keithley 6485 고저항계, PPMS(Quantum Design)로 온도 의존성 연구 수행.

결과 및 고찰

형태학 및 조성

원시 TPU 매트 균일 고탄성 섬유 네트워크 표시. 중합 후 멤브레인 진한 녹색 변색(그림 2a,b) SEM에서 PANI 입자 섬유 표면 장식 확인(그림 2d). FTIR 스펙트럼 PANI 존재 확인: 순수 TPU에 없던 3250 cm⁻¹(N-H 신축), 1514 cm⁻¹(C=C 방향족) 새 대역 출현(그림 3).

신축성 및 감도

PANI/TPU 센서 우수한 탄성으로 165% 변형까지 견디며 선형 I-V 특성 유지(그림 4a). 전류 변형 증가에 따라 점진적 감소, 변형 센싱 적합한 조절 가능 저항 표시(그림 4b). 기계 테스트 복합체 응력-변형 곡선 탄성 영역(0-19%), 소성 평탄부(19-140%), ~165% 파단 구성(그림 5). 인장 강도 TPU 단독 대비 1.93 MPa 상승, PANI 취성으로 파단 변형 약간 감소.

게이지 팩터(GF) = (ΔR/R₀)/ε 계산. 탄성 영역(0-120%) GF 6.73, 소성 영역(120-150%) GF 49.51로 높은 감도, PANI/PVDF 센서(GF ≈ 1)^[21] 및 다수 고분자 센서 대비 우수, 초박막 실리콘이나 PEDOT:PSS/PVA 박막보다는 낮음.

일정 30.7% 변형 안정성 테스트 시간 경과에 따른 전류 근완벽 회복, 우수한 반복성 확인. 1000 사이클 내구성 테스트 I-V 특성 무시할 변화, 내구성 입증.

굴곡성 및 온도 안정성

곡률 0-0.4 mm⁻¹ 기판에서 굽힘 시 I-V 응답 최소 변동(그림 7a), 비평면 응용 적합성 입증. 240 K-360 K 온도 사이클링 저항 변화 2.97 kΩ-1.60 kΩ 미미, 일반 주변 온도 범위 강건 성능 표시(그림 8).

손가락 동작 검출

센서 높은 감도 손가락 굽힘과 폄 검출 가능. 2000 사이클 테스트 굽힘 시 전류 급격 피크, 폄 시 기준선 복귀(그림 9a). 간단 LED 회로 실시간 시각 피드백: 약한 굽힘 LED 밝기 유지, 인장 변형 증가 시 어두워짐, 변형 상태 저복잡도 표시(그림 10).

결론

우리는 고신축성, 전도성 TPU-PANI 나노섬유 복합체 제작의 쉽고 저렴한 경로 입증. 결과 변형 센서 165% 변형까지 신뢰적 검출, 빠르고 반복 가능 응답, 넓은 온도 창 전도성 유지, 착용형 또는 플렉시블 전자 시스템 통합 가능. 경량, 저비용, 견고 성능으로 차세대 착용형 생체센싱 및 플렉시블 회로 매력적 플랫폼.

약어

DI water

탈염수

PANI

폴리아닐린

TPU

열가소성 폴리우레탄