본 논문에서는 상호침입고분자망상구조(IPN)를 통해 주름구조를 갖는 고신축성 전극에 관한 연구를 진행하였다. 폴리디메틸실록산 (PDMS) 용액에 아크릴계 고무(AR)시트를 침지시켜 PDMS를 AR 표면에 확신시키고 건조한 후, 건조된 시편을 단축방향으로 인장 변형하여 PDMS를 가교함으로써 IPN 구조를 형성하였고, 가해준 인장 변형을 제거하여 주름구조를 갖는 AR/PDMS 신축성 기질을 제작하였다. 제작된 AR/PDMS 주름구조 기질의 IPN 구조 특성은 감쇠 ...
본 논문에서는 상호침입고분자망상구조(IPN)를 통해 주름구조를 갖는 고신축성 전극에 관한 연구를 진행하였다. 폴리디메틸실록산 (PDMS) 용액에 아크릴계 고무(AR)시트를 침지시켜 PDMS를 AR 표면에 확신시키고 건조한 후, 건조된 시편을 단축방향으로 인장 변형하여 PDMS를 가교함으로써 IPN 구조를 형성하였고, 가해준 인장 변형을 제거하여 주름구조를 갖는 AR/PDMS 신축성 기질을 제작하였다. 제작된 AR/PDMS 주름구조 기질의 IPN 구조 특성은 감쇠 전반사푸리에 변환 적외선 분광기 (ATR-FTIR), 접촉각, 인장 시험을 통해 분석하였으며, PDMS가 AR 표면에서 IPN 구조를 형성하고 있음을 확인하였다. AR/PDMS 기질에 형성된 주름구조의 특성은 주사전자현미경 (SEM)을 통해 분석하였으며, 35%의 예비변형 (pre-strain)부터 주름구조가 형성되는 것을 확인하였다. 또한, 형성된 주름구조는 예비변형의 크기에 따라 주름의 파장과 진폭이 달라졌으며, 주름구조의 발달거동은 Neo-Hookean 모델을 따르는 것으로 나타났다. 신축성 전극은 AR/PDMS 주름구조 기질 제작과정 중 PDMS 가교 전 단계에서 표면에 전도성 물질인 카본나노튜브 (CNT) 용액을 분사하여 제작하였다. CNT 현탁액의 분사 횟수 (CNT 층의 두께)와 예비변형의 크기에 따라 전극의 주름구조가 달라졌으며, 전기적 특성 또한 영향을 받는 것을 확인하였다. 제작된 전극은 인장, 굽힘, 접힘 변형 하에서 모두 안정적인 전기적 특성을 보였다. 특히, 140%의 높은 인장변형 하에서도 ~102 S/cm의 전기전도성이 안정적으로 유지되었다. 신축성 전극의 장기수명을 알아보기 위해 115% 인장변형, 1 Hz 속도 조건 하에서 100,000회 동안 동적피로시험을 실시하였으며, 전극의 파괴 없이 안정적으로 전기 전도성을 유지하였다. 제안한 기술의 실효성을 가시적으로 검증하기 위해 제작된 CNT/AR/PDMS 주름전극을 손가락에 부착하여 인체의 움직임에 의해 발생되는 변형 하에서의 전기적 특성을 관찰하였으며, 간단한 발광 다이오드 (LED) 회로와 멜로디 재생 회로를 구성하여 다양한 외부변형 인가 환경에서의 성능을 평가하였다. 손가락 움직임에 의해 발생되는 반복적인 굽힘 변형 하에서 안정적인 전기적 특성을 보였으며, LED 및 멜로디 재생 회로의 경우, 인장, 굽힘, 접힘 변형 하에서도 LED의 밝기 변화와 멜로디의 음성파형 변화 및 끊김 현상 없이 안정적으로 구동됨을 확인하였다. 이를 통해, 본 논문에서 제안한 CNT/AR/PDMS 주름구조 전극이 신체부착 전자기기, 유연, 신축성 디스플레이, 스마트 스킨 등 다양한 신축성 전자기기의 전극으로 사용될 수 있는 잠재력을 가지고 있다고 판단된다.
본 논문에서는 상호침입고분자망상구조(IPN)를 통해 주름구조를 갖는 고신축성 전극에 관한 연구를 진행하였다. 폴리디메틸실록산 (PDMS) 용액에 아크릴계 고무(AR)시트를 침지시켜 PDMS를 AR 표면에 확신시키고 건조한 후, 건조된 시편을 단축방향으로 인장 변형하여 PDMS를 가교함으로써 IPN 구조를 형성하였고, 가해준 인장 변형을 제거하여 주름구조를 갖는 AR/PDMS 신축성 기질을 제작하였다. 제작된 AR/PDMS 주름구조 기질의 IPN 구조 특성은 감쇠 전반사 푸리에 변환 적외선 분광기 (ATR-FTIR), 접촉각, 인장 시험을 통해 분석하였으며, PDMS가 AR 표면에서 IPN 구조를 형성하고 있음을 확인하였다. AR/PDMS 기질에 형성된 주름구조의 특성은 주사전자현미경 (SEM)을 통해 분석하였으며, 35%의 예비변형 (pre-strain)부터 주름구조가 형성되는 것을 확인하였다. 또한, 형성된 주름구조는 예비변형의 크기에 따라 주름의 파장과 진폭이 달라졌으며, 주름구조의 발달거동은 Neo-Hookean 모델을 따르는 것으로 나타났다. 신축성 전극은 AR/PDMS 주름구조 기질 제작과정 중 PDMS 가교 전 단계에서 표면에 전도성 물질인 카본나노튜브 (CNT) 용액을 분사하여 제작하였다. CNT 현탁액의 분사 횟수 (CNT 층의 두께)와 예비변형의 크기에 따라 전극의 주름구조가 달라졌으며, 전기적 특성 또한 영향을 받는 것을 확인하였다. 제작된 전극은 인장, 굽힘, 접힘 변형 하에서 모두 안정적인 전기적 특성을 보였다. 특히, 140%의 높은 인장변형 하에서도 ~102 S/cm의 전기전도성이 안정적으로 유지되었다. 신축성 전극의 장기수명을 알아보기 위해 115% 인장변형, 1 Hz 속도 조건 하에서 100,000회 동안 동적피로시험을 실시하였으며, 전극의 파괴 없이 안정적으로 전기 전도성을 유지하였다. 제안한 기술의 실효성을 가시적으로 검증하기 위해 제작된 CNT/AR/PDMS 주름전극을 손가락에 부착하여 인체의 움직임에 의해 발생되는 변형 하에서의 전기적 특성을 관찰하였으며, 간단한 발광 다이오드 (LED) 회로와 멜로디 재생 회로를 구성하여 다양한 외부변형 인가 환경에서의 성능을 평가하였다. 손가락 움직임에 의해 발생되는 반복적인 굽힘 변형 하에서 안정적인 전기적 특성을 보였으며, LED 및 멜로디 재생 회로의 경우, 인장, 굽힘, 접힘 변형 하에서도 LED의 밝기 변화와 멜로디의 음성파형 변화 및 끊김 현상 없이 안정적으로 구동됨을 확인하였다. 이를 통해, 본 논문에서 제안한 CNT/AR/PDMS 주름구조 전극이 신체부착 전자기기, 유연, 신축성 디스플레이, 스마트 스킨 등 다양한 신축성 전자기기의 전극으로 사용될 수 있는 잠재력을 가지고 있다고 판단된다.
In this study, the highly stretchable conductive electrodes based on wrinkled elastomers were developed by applying the interpenetrating polymer network (IPN). The wrinkled substrate was obtained from the IPN between acrylic rubber (AR) and polydimethyl siloxane (PDMS). A sheet of AR was swolle...
In this study, the highly stretchable conductive electrodes based on wrinkled elastomers were developed by applying the interpenetrating polymer network (IPN). The wrinkled substrate was obtained from the IPN between acrylic rubber (AR) and polydimethyl siloxane (PDMS). A sheet of AR was swollen in PDMS solution, so that PDMS can penetrate onto the surface of AR sheet through diffusion process during swelling. After drying of the sheet, the AR/PDMS substrate was pre-stretched uniaxially and then selectively cured the PDMS of AR/PDMS (PDMS network) substrate. Releasing of the pre-strained AR/PDMS substrate led to the formation of wrinkles on the surface. The IPN structure between the AR and the PDMS was confirmed by attenuated total reflectance-Fourier transform infrared (ATR-FTIR), contact angle and tensile test. From the morphological observations using scanning electron microscope (SEM), it was founded that the wrinkles were initially formed at 35% pre-strain. The wavelength and the amplitude of wrinkles were affected by the extent of pre-strain, and the behavior of wrinkle development corresponds to the Neo-Hookean model. The wrinkled CNT/AR/PDMS electrodes were successfully fabricated by spraying carbon nanotube suspension (CNTs) on the pre-stretched AR/PDMS substrates. The wrinkle structure and the electrical property of electrodes were changed by the number of spraying of CNTs (thickness of CNT layer) and the pre-strain. The electrical conductivity increased with increasing the number of spraying of CNTs (thickness of CNT layer) and the pre-strain. The electrodes also showed the electrical stability under tensile, bending and folding deformations. Especially, the electrical conductivity of ~102 S/cm was maintained up to 140% tensile strain. For the long-term evaluation of electrode, the dynamic fatigue test was examined under the frequency of 1 Hz and the dynamic strain of 115%. The electrical conductivity of electrode was maintained even after the 100,000 cycles of dynamic strain. Lastly, a feasible applicability of the CNT/AR/PDMS electrode on human part, the stretchable light-emitting diode (LED) circuits and the melody generator circuits were reported. It showed good performance under tensile, bending and folding deformations. Thus, this wrinkled CNT/AR/PDMS electrode has great potential in stretchable electronics such as wearable electronic, flexible and stretchable display and smart skin.
In this study, the highly stretchable conductive electrodes based on wrinkled elastomers were developed by applying the interpenetrating polymer network (IPN). The wrinkled substrate was obtained from the IPN between acrylic rubber (AR) and polydimethyl siloxane (PDMS). A sheet of AR was swollen in PDMS solution, so that PDMS can penetrate onto the surface of AR sheet through diffusion process during swelling. After drying of the sheet, the AR/PDMS substrate was pre-stretched uniaxially and then selectively cured the PDMS of AR/PDMS (PDMS network) substrate. Releasing of the pre-strained AR/PDMS substrate led to the formation of wrinkles on the surface. The IPN structure between the AR and the PDMS was confirmed by attenuated total reflectance-Fourier transform infrared (ATR-FTIR), contact angle and tensile test. From the morphological observations using scanning electron microscope (SEM), it was founded that the wrinkles were initially formed at 35% pre-strain. The wavelength and the amplitude of wrinkles were affected by the extent of pre-strain, and the behavior of wrinkle development corresponds to the Neo-Hookean model. The wrinkled CNT/AR/PDMS electrodes were successfully fabricated by spraying carbon nanotube suspension (CNTs) on the pre-stretched AR/PDMS substrates. The wrinkle structure and the electrical property of electrodes were changed by the number of spraying of CNTs (thickness of CNT layer) and the pre-strain. The electrical conductivity increased with increasing the number of spraying of CNTs (thickness of CNT layer) and the pre-strain. The electrodes also showed the electrical stability under tensile, bending and folding deformations. Especially, the electrical conductivity of ~102 S/cm was maintained up to 140% tensile strain. For the long-term evaluation of electrode, the dynamic fatigue test was examined under the frequency of 1 Hz and the dynamic strain of 115%. The electrical conductivity of electrode was maintained even after the 100,000 cycles of dynamic strain. Lastly, a feasible applicability of the CNT/AR/PDMS electrode on human part, the stretchable light-emitting diode (LED) circuits and the melody generator circuits were reported. It showed good performance under tensile, bending and folding deformations. Thus, this wrinkled CNT/AR/PDMS electrode has great potential in stretchable electronics such as wearable electronic, flexible and stretchable display and smart skin.
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