기계적 탄성을 통해 압전 반응을 지원하는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)/열가소성 폴리우레탄(TPU) 나노복합체의 신축성 나노섬유

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 8335(2022) 이 기사 인용

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이 기사에 대한 저자 수정 사항은 2022년 6월 28일에 게시되었습니다.

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압전 나노복합체에 대한 관심은 에너지 수확 분야에서 크게 증가하고 있습니다. 이는 웨어러블 전자 장치, 기계식 액추에이터 및 전기 기계 멤브레인에 적용됩니다. 본 연구에서는 PVDF와 TPU의 혼합 비율이 다른 나노복합체 멤브레인이 합성되었습니다. PVDF는 적용된 기계적 응력을 전기 전압으로 변환하는 β-시트를 포함하는 유망한 고분자 유기 물질 중 하나인 압전 성능을 담당합니다. 또한 TPU는 탄성이 뛰어나 플라스틱 산업에 널리 사용되고 있다. 우리의 작업은 PVDF/TPU의 다양한 혼합 비율에 대한 압전 응답 분석을 조사합니다. 15~17.5%의 TPU 혼합 비율은 더 높은 압전 감도와 함께 다양한 응력 조건에서 더 높은 출력 전압을 제공하는 것으로 나타났습니다. 그런 다음 우수한 기계적 탄성을 지닌 TPU를 추가하면 PVDF를 부분적으로 보상하여 PVDF/TPU 나노복합 매트의 압전 반응을 향상시킬 수 있습니다. 이 연구는 향상된 압전 감도와 기계적 탄성을 통해 압전막에 추가되는 PVDF의 양을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

지난 수십 년 동안 대체 에너지원의 사용에 관한 광범위한 연구가 수행되었습니다1. 이는 주로 지속 가능성과 환경 친화성으로 인해 다양한 청정 및 재생 가능 에너지원의 사용에 따른 것입니다2. 또한 최근에는 주변 환경에서 버려지는 에너지를 활용하는 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술이 주목받고 있습니다. 이러한 기술은 진동, 열, 빛, 방사선, 바람 및 물을 저전력 장치의 전기 에너지로 변환할 수 있습니다1. 또한 연구는 생체 의학 응용 분야에 에너지 수확을 포함하도록 더욱 확장되었으며 걷기, 달리기, 손가락 두드리기 등 직접적인 인간 활동에서 진동 형태로 운동 에너지를 수확하는 능력으로 인해 유망한 생체 의학 센서와 웨어러블 전자 장치를 제공했습니다4,5. 심장 박동과 호흡6,7. 운동 에너지는 세 가지 변환 메커니즘을 기반으로 수확됩니다. 압전, 전자기 또는 정전기. 높은 에너지 밀도, 단순한 설계, 마이크로 및 나노 크기 장치로 축소할 수 있는 능력으로 인해 압전 에너지 수확기는 가장 많은 주목을 받았습니다8,9,10. 압전 재료는 또한 외부 입력 없이 기계적 에너지를 직접 전기로 변환하는 독특한 능력을 가지고 있습니다. 따라서, 유기 및 무기 재료를 이용한 고성능 압전 나노발전기를 개발하기 위한 많은 노력이 이루어져 왔다13,14,15.

유기 압전 재료는 더 높은 수준의 가공성을 포함하여 무기 재료보다 더 큰 이점을 갖는 것으로 밝혀졌습니다16. 이러한 재료는 광범위한 장치에 적용할 수 있는 것으로 나타났으며, 고분자 기반 재료는 고유한 유연성 특성으로 인해 더 선호되어 굽힘 및 생분해성이 뛰어납니다17,18. 모든 압전 폴리머 중에서 폴리(비닐리덴 플루오라이드)(PVDF) 필름은 현재까지 가장 높은 압전 성능을 보여왔습니다. PVDF의 극성 결정 특성으로 인해 낮은 힘으로 큰 전압을 생성할 수 있는 능력으로 인해 압전 응용 분야에 유리해졌습니다. PVDF의 압전 특성은 주로 4개의 결정상 중 하나인 β상에 따라 달라집니다. 경량, 유연성, 용매에 대한 저항성, 높은 전기장에서의 안정성 외에도 에너지 수확기, 힘 센서 및 변환기에 적용하기 위한 최적의 생체 재료로 간주됩니다.

PVDF 나노섬유는 특히 웨어러블 및 이식형 장치와 같은 응용 분야의 핵심 후보입니다. 이러한 섬유를 제조하는 데 사용되는 주요 기술에는 전기 방사, 용융 방사 및 원심 방사가 포함됩니다. 전기방사는 다양한 직경의 용액이나 용융물로부터 나노섬유를 형성할 수 있기 때문에 가장 유망했습니다. 또한, 전기방사로 생산된 PVDF 나노섬유의 β상 함량이 PVDF 캐스팅 필름의 β상 함량보다 높아 압전 특성이 향상되는 것으로 보고되었습니다.