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v3.2.8
A study on fabrication of self-adhesive triboelectric nanogenerator based on polyurethane acrylate and polydimethylsiloxane multi-layer
폴리우레탄 계열의 폴리머들은 뛰어난 기계적 성질과 생체 적합성을 바탕으로 다양한 웨어러블 기기에 적용되어 왔다. 그러나, 폴리우레탄 기반의 디바이스들은 자가 접착력의 부재로 인하여 웨어러블 기기로서의 한계를 나타냈으며, 피부 문제를 야기할 수 있는 추가적인 접착 요소를 필요로 하였다. 이에 대한 개선안으로, 자외선 파장대의 빛을 흡수하여 고형화되는 광경화성 폴리우레탄 아크릴레이트의 활용이 제안되었다. 이전의 연구에서 광경화성 폴리우레탄 아크릴레이트는 조사하는 자외선 레이저의 스캐닝 조건에 따라 신축성, 자가 접착 정도 등의 특성을 조절할 수 있음을 확인하였고 이에 따라 활용도가 향상되었다. 200 mm/s 의 스캐닝 속도와 10 μm의 해치 간격으로 최적화된 레이저 조건 하에 경화된 폴리우레탄 아크릴레이트는 사람의 피부에 대해서 108.2 N/mm의 높은 접착력을 보였으며 종이, 유리 기판 등 다른 물질에 대해서도 유사한 접착 정도를 보였으나 마찰전기 나노 발전기의 물질로 흔히 쓰이는 폴리디메틸실록산에 부착하는 경우, 폴리디메틸실록산의 낮은 표면 에너지로 인해 10.5 N의 충분하지 못한 접착력을 나타냈다. 이에 대한 해결 방안으로 고형화된 폴리디메틸실록산 필름 위에 액체 상태의 폴리우레탄 아크릴레이트 수지를 얹은 후 200 mm/s의 스캐닝 속도, 1 μm 의 해치 간격으로 경화시켜 UV 레이저 조사를 통한 폴리디메틸실록산의 표면 개질과 동시에 폴리우레탄에 포함된 광개시제의 라디칼 분해를 유도하여 두 필름 간 결합을 향상시켰다. 이를 바탕으로 제작된 엘라스토머 다중층 형태의 단일 전극 마찰 전기 나노 발전기는 같은 두께의 폴리디메틸실록산 필름에 비해 향상된 기계적 성질과 자가 접착력을 기반으로 손가락, 손목, 팔꿈치, 발 등 인체에 부착되어 움직임에 따른 전기 신호를 생산하였다. 또한, 피부 뿐만 아니라 다수의 물질에 강한 접착력을 가지는 점을 활용하여 마찰을 기반으로 하는 타악기, 건반악기 등에 부착하여 신호를 감지하였으며, 78.12%의 높은 투과율을 바탕으로 글씨가 적힌 임의의 종이에 부착하여 LED에 전원을 인가하거나 화면에 글자를 표기할 수 있는 센서로서 작용하였다.
지도교수: 여준엽