웨어러블 디바이스 응용을 위한 질소 도핑 환원그래핀옥사이드 기반 세라믹 고분자 복합 나노섬유 필름의 합성

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 15583(2022) 이 기사 인용

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본 연구에서는 P(VDF-TrFE) 고분자와 BiScO3-PbTiO3 세라믹 복합체에 전도성 물질로 질소 도핑 환원 그래핀 산화물을 도입하여 전기방사 공정을 통해 압전복합 나노섬유 필름을 제작하였다. 환원 과정에서 형성된 결함을 제거하거나 보상하기 위해 rGO에 질소를 도핑/치환했습니다. 자기 폴링 조건에서 압전 복합 나노섬유 필름을 추출하기 위해 전기방사 공정이 사용되었습니다. 유연한 에너지 하베스터에 적용되는 전기 기계 에너지를 수집하기 위해 플래너 유형 에너지 하베스터를 만들기 위해 인터디지털 전극이 사용되었습니다. 인터디지털 전극을 갖는 압전복합체로부터 컨포멀 매핑법을 통해 유효 유전율을 추출하였다. P(VDF-TrFE) 압전 복합 나노섬유 필름에 BS-PT 세라믹과 N-rGO 도체를 도입함으로써 유효 유전율이 8.2에서 15.5로 향상되었습니다. 이러한 향상된 유효 유전 상수는 아마도 증가된 전도성으로 인해 증가된 전기속 밀도에서 비롯된 것입니다. 이 얇은 복합 나노섬유 필름을 사용하여 제작된 인터디지털 전극은 웨어러블 장치 응용을 위해 설계되고 테스트되었습니다. 인터디지털 전극이 있는 복합 나노섬유 기반 에너지 수확기에 350N의 외부 기계적 힘을 0.6Hz의 속도로 적용하였고, 피크 전압과 전류는 각각 13V와 1.25μA였습니다. 장치 제작을 최적화함으로써 얻은 개방 회로 전압, 저장 전압 및 생성된 출력 전력은 각각 12.4V, 3.78V 및 6.3μW였습니다.

고분자와 세라믹을 기반으로 한 압전 복합재료는 유연성, 압전성, 견고성 등 우수한 전기적, 기계적 특성으로 인해 주목을 받고 있습니다. 일반적으로 압전 폴리머는 주로 PVDF 및 P(VDF-TrFE) 재료를 기반으로 합니다4,5. 압전 세라믹을 추가하여 압전 복합 구조를 만들어 전기적 특성을 향상시킬 수 있습니다. 압전복합체는 실현되었으나 저항거동으로 인해 압전특성을 향상시키는데 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 압전 복합재에 전도성 물질을 추가하여 전기적 특성을 향상시킬 수 있습니다. 2차원(2D) rGO는 다른 구성 요소와 쉽게 혼합하여 전기적 및 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 전도성 재료로 널리 사용됩니다6,7,8. 따라서 PVDF 및 P(VDF-TrFE)를 포함한 압전 폴리머에 rGO를 도입하면 압전 특성이 향상될 수 있습니다9,10. 그러나 rGO의 환원 과정에서 많은 결함이 유발되어 전자 수송 특성을 방해할 수 있습니다. 이러한 결함은 전기장을 방해하기 때문에 압전 응용 분야에 매우 해로울 수 있습니다. rGO는 높은 전기 전도성과 유연성으로 인해 2차원 기능 장치 응용 분야에 대해 광범위하게 조사되었습니다. 그러나 환원 과정에서 발생하는 결함은 rGO의 전기적 특성을 저하시킵니다. 감소된 전도성 특성을 극복하기 위해 N을 2차원 rGO에 도핑/대체했습니다. N의 도핑/치환은 rGO의 결함을 극복하여 더 높은 전기 전도도를 얻을 수 있습니다6.

폴리머 및 세라믹 성분을 기반으로 한 압전 나노섬유 필름은 유연성 및 압전성과 같은 다른 복합 구조에 비해 몇 가지 장점을 처리합니다. 나노섬유 필름은 다른 복합재료나 세라믹 재료에 비해 종횡비가 높아 유연성이 뛰어납니다. 신뢰할 수 있는 나노섬유 및 복합 나노섬유 구조를 제조하기 위해 전기방사 공정이 설계되고 채택되었습니다. 전기방사는 전기장을 가해 고분자, 세라믹, 금속 등의 나노섬유를 생산하는 기술이다. 이 공정은 복잡한 분자로부터 나노섬유를 형성할 수 있으며 저온에서 작동할 수 있습니다16,17.