전도성 있는 자아

2023년 6월 2일 특집

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잉그리드 파델리(Ingrid Fadelli), Phys.org

최근 전자 분야의 발전으로 인해 웨어러블 기술, 바이오센서, 의료용 임플란트, 소프트 로봇 등 더 작고 점점 더 정교한 장치를 만들 수 있게 되었습니다. 이러한 기술의 대부분은 전자적 특성을 지닌 신축성 있는 소재를 기반으로 합니다.

재료 과학자들은 이미 전자 제품을 만드는 데 사용할 수 있는 다양한 유연한 재료를 소개했지만 이러한 재료 중 상당수는 깨지기 쉽고 쉽게 손상될 수 있습니다. 재료가 손상되면 고장이 발생하고 재료가 통합된 시스템의 전반적인 기능이 손상될 수 있으므로 기존의 부드럽고 전도성이 있는 여러 재료는 결국 신뢰할 수 없고 대규모 구현에 적합하지 않게 될 수 있습니다.

중국 하얼빈 과학기술대학교 연구원들은 최근 웨어러블, 로봇 또는 기타 장치용 유연한 센서를 만드는 데 사용할 수 있는 새로운 전도성 및 자가 치유 하이드로겔을 개발했습니다. 이 물질과 그 구성은 Journal of Science: Advanced Materials and Devices에 요약되어 있습니다.

"이 논문에서는 폴리비닐알코올(PVA)과 4-카르복실벤즈알데히드(CBA)를 사용하여 이중 네트워크 골격을 형성했으며, 폴리아닐린(PANI)을 도입하여 우수한 자가 치유 성능을 갖는 유연한 센서를 조립했습니다." Xiaoming Wang, Ling Weng과 동료들은 논문에 이렇게 썼습니다. "PVA와 CBA의 소수성 결합은 하이드로겔 센서의 기계적 특성을 보장하며 PANI의 도입으로 하이드로겔 센서에 전기적 특성을 부여합니다."

Wang, Weng과 동료들은 알데히드와 카르복실산으로 치환된 벤젠 고리로 구성된 유기 화합물인 CBA를 수용성 합성 고분자인 PVA에 도입하고 정전기 상호 작용을 통해 전도성 고분자 PANI를 추가하여 물질을 만들었습니다. 초기 테스트에서 그들은 이 재료가 놀라운 기계적 특성을 갖고 있으며 손상 후에도 스스로 치유될 수 있다는 사실을 발견했습니다. 또한 최대 응력은 4.35Mpa, 최대 변형률은 380%에 도달할 수 있습니다.

그런 다음 연구원들은 이 물질을 사용하여 외부 힘을 감지하고 주변에서 발생하는 압력을 가할 수 있는 감지 장치인 스트레인 센서를 만들었습니다. 이 센서는 착용자의 기침이나 말하기와 같은 작은 변형 신호뿐만 아니라 보다 활발한 신체 움직임을 모두 측정하여 매우 잘 작동하는 것으로 나타났습니다.

"이 기사에서 준비된 유연한 센서는 0~300%의 변형률 범위에서 1.71의 감도를 가지며 1% 미만의 한계 감지 변형률을 갖습니다"라고 Wang, Weng 및 동료들은 논문에서 썼습니다. "스트레칭 중 하이드로겔 센서의 응답 시간은 158ms입니다. 또한 하이드로겔 센서에는 자가 치유 성능도 있습니다. 실온에서는 하이드로겔이 절단된 후 복구를 완료하는 데 1분밖에 걸리지 않으며 자가 치유 성능도 있습니다. -치료율은 60%정도 됩니다."

앞으로 이 연구팀이 만든 하이드로겔은 인간의 움직임을 감지할 수 있는 센서나 특정 생물학적 신호를 모니터링하는 의료 기기 등 다양한 센서와 웨어러블 전자 장치를 개발하는 데 사용될 수 있습니다. 또한, 그들의 연구는 자가 치유 특성을 지닌 유사한 유연하고 전도성이 있는 하이드로겔을 개발할 수 있는 길을 열었습니다.

추가 정보: Xiaoming Wang 외, 유연한 센서를 위한 전도성 및 기계적 강도의 자가 치유 하이드로겔 구성, Journal of Science: Advanced Materials and Devices(2023). DOI: 10.1016/j.jsamd.2023.100563