KR102604229B1 - Electrospinning-based hydrogen-bonded hybrid nanofibrous membrane and pressure sensor and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
전기방사 기반 수소결합 하이브리드 나노 섬유 막 및 압력센서 및 그 제조방법이 개시된다. 일 실시 예에 따른 하이브리드 나노 섬유 막 제조방법은, 2D 나노물질을 증류수에 분산시켜 전치 용액(precursor solution)을 생성하는 단계와, 전치 용액을 용매로 하여 친수성 중합체(hydrophilic polymer)를 첨가 후 핫 플레이트에서 교반 하여 친수성 중합체-2D 나노물질 겔을 생성하는 단계와, 친수성 중합체-2D 나노물질 겔에 이온 염을 첨가한 후 핫 플레이트에서 교반 하여 전해액을 생성하는 단계와, 전해액을 전기방사 하여 2D 나노물질/친수성 중합체/이온 염 하이브리드 나노 섬유 막을 생성하는 단계를 포함한다.Electrospinning-based hydrogen bonded hybrid nanofiber membrane and pressure sensor and method for manufacturing the same are disclosed. A method of manufacturing a hybrid nanofiber membrane according to an embodiment includes the steps of dispersing 2D nanomaterials in distilled water to generate a precursor solution, adding a hydrophilic polymer using the precursor solution as a solvent, and then adding a hydrophilic polymer to the mixture using a hot plate. A step of creating a hydrophilic polymer-2D nanomaterial gel by stirring, adding an ionic salt to the hydrophilic polymer-2D nanomaterial gel and stirring on a hot plate to create an electrolyte solution, and electrospinning the electrolyte solution to create a 2D nanomaterial. /hydrophilic polymer/ionic salt hybrid nanofiber membrane.
Description
본 발명은 하이브리드 나노 섬유 막 과 이를 이용한 압력센서 제조 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid nanofiber membrane and pressure sensor manufacturing technology using the same.
나노 섬유(Nano fiber)는 제어 약물 전달 시스템, 각종 센서, 슈퍼 커패시터, 에너지 하베스팅 등의 신기술을 개발하는 다양한 디바이스 및 산업분야에 활용될 수 있다. 기존 하이브리드 나노 섬유 제조방법은 섬유 매트릭스(fiber matrix)에 불균일 하게 분산되어 표면적이 낮고 쉽게 뭉치는 문제점이 있다.Nano fiber can be used in various devices and industrial fields to develop new technologies such as controlled drug delivery systems, various sensors, super capacitors, and energy harvesting. Existing hybrid nanofiber manufacturing methods have the problem of being unevenly distributed in the fiber matrix, resulting in a low surface area and easy aggregation.
기존 나노 섬유 막 제조 방법은 섬유 매트릭스에 불균일 하게 분산되어 표면적이 낮고 쉽게 뭉치는(aggregation) 문제점이 있다. 이는 재료의 기계적, 전기적 특성을 저하시키는 대표적인 원인이다.Existing nanofiber membrane manufacturing methods have the problem of being unevenly dispersed in the fiber matrix, resulting in a low surface area and easy aggregation. This is a typical cause of deterioration of the mechanical and electrical properties of materials.
일 실시 예에 따라, 센서의 감도(sensitivity) 및 선형성 범위(linearity range)를 크게 향상시킨 나노 섬유 막 과 압력센서 및 그 제조방법을 제안한다.According to one embodiment, a nanofiber membrane and pressure sensor that significantly improve the sensitivity and linearity range of the sensor, and a method of manufacturing the same are proposed.
일 실시 예에 따른 하이브리드 나노 섬유 막 제조방법은, 2D 나노물질을 증류수에 분산시켜 전치 용액(precursor solution)을 생성하는 단계와, 전치 용액을 용매로 하여 친수성 중합체(hydrophilic polymer)를 첨가 후 핫 플레이트에서 교반 하여 친수성 중합체-2D 나노물질 겔을 생성하는 단계와, 친수성 중합체-2D 나노물질 겔에 이온 염을 첨가한 후 핫 플레이트에서 교반 하여 전해액을 생성하는 단계와, 전해액을 전기방사 하여 2D 나노물질/친수성 중합체/이온 염 하이브리드 나노 섬유 막을 생성하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a hybrid nanofiber membrane according to an embodiment includes the steps of dispersing 2D nanomaterials in distilled water to generate a precursor solution, adding a hydrophilic polymer using the precursor solution as a solvent, and then adding a hydrophilic polymer to the mixture using a hot plate. A step of creating a hydrophilic polymer-2D nanomaterial gel by stirring, adding an ionic salt to the hydrophilic polymer-2D nanomaterial gel and stirring on a hot plate to create an electrolyte solution, and electrospinning the electrolyte solution to create a 2D nanomaterial. /hydrophilic polymer/ionic salt hybrid nanofiber membrane.
2D 나노물질은, 멕신(MXene), 그래핀(graphene), GO(Graphene Oxide), rGO(Reduced Graphene Oxide), 이황화몰리브덴(MoS2) 및 흑린(black phosphorus) 중 어느 하나일 수 있다.The 2D nanomaterial may be any one of MXene, graphene, GO (Graphene Oxide), rGO (Reduced Graphene Oxide), molybdenum disulfide (MoS 2 ), and black phosphorus.
친수성 중합체는, 폴리 비닐 알코올(poly (vinyl alcohol)), 폴리 아크릴 아미드(Poly(acrylamide)), 폴리 에틸렌 글리콜(poly(ethylene glycol)), 폴리 에틸렌 산화물(Polyethylene oxide) 중 어느 하나일 수 있다.The hydrophilic polymer may be any one of poly(vinyl alcohol), poly(acrylamide), poly(ethylene glycol), and polyethylene oxide.
이온 염은, 리튬 염(Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), 질산 칼륨(KNO3), 질산 칼슘(Ca(NO3)2), 염화나트륨(NaCl), 브로민화칼륨(KBr), 불화세슘(CsF), 질산 마그네슘(Mg3N2), 인산 칼슘(Ca3P2) 중 어느 하나일 수 있다.Ionic salts include lithium salt (Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), potassium nitrate (KNO3), calcium nitrate (Ca(NO3)2), sodium chloride (NaCl), potassium bromide (KBr), cesium fluoride (CsF), and nitric acid. It may be either magnesium (Mg3N2) or calcium phosphate (Ca3P2).
일 실시 예에 따른 정전용량형 압력센서 제조방법은, 친수성 중합체에 2D 나노물질 및 이온 염을 혼합한 혼합물을 전기방사 하여 하이브리드 나노 섬유 막 유전층을 생성하는 단계와, 하이브리드 나노 섬유 막 유전층을 중심으로 양쪽으로 샌드위치 형태로 전극을 배치하여 정전용량형 압력센서를 생성하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a capacitive pressure sensor according to an embodiment includes the steps of electrospinning a mixture of a hydrophilic polymer, a 2D nanomaterial, and an ionic salt to create a hybrid nanofiber membrane dielectric layer, and focusing on the hybrid nanofiber membrane dielectric layer. It includes the step of creating a capacitive pressure sensor by placing electrodes in a sandwich shape on both sides.
일 실시 예에 따른 하이브리드 나노 섬유 막은, 친수성 중합체에 2D 나노물질 및 이온 염을 혼합한 혼합물을 전기방사 하여 생성된다.The hybrid nanofiber membrane according to one embodiment is produced by electrospinning a mixture of a hydrophilic polymer, a 2D nanomaterial, and an ionic salt.
일 실시 예에 따른 정전용량형 압력센서는, 친수성 중합체에 2D 나노물질 및 이온 염을 혼합한 혼합물을 전기방사 하여 생성된 하이브리드 나노 섬유 막 유전층과, 하이브리드 나노 섬유 막 유전층을 중심으로 양쪽으로 샌드위치 형태로 배치되는 전극을 포함한다.A capacitive pressure sensor according to one embodiment has a hybrid nanofiber membrane dielectric layer created by electrospinning a mixture of a hydrophilic polymer, 2D nanomaterial, and ionic salt, and a sandwich shape on both sides centered on the hybrid nanofiber membrane dielectric layer. It includes electrodes disposed as.
정전용량형 압력센서는, 압력이 인가되지 않는 초기상태에서, 이온 염의 양이온-음이온 쌍이 수소 결합(H-bonds)을 통해 하이브리드 나노 섬유 막의 2D 나노물질의 작용기에 부착하여 하이브리드 나노 섬유 막과 전극 계면에서의 전기 이중층 형성을 억제하고, 초기 커패시턴스 값을 감소시킬 수 있다.In the capacitive pressure sensor, in the initial state where no pressure is applied, the cation-anion pair of the ionic salt attaches to the functional group of the 2D nanomaterial of the hybrid nanofiber membrane through hydrogen bonds (H-bonds), thereby forming the interface between the hybrid nanofiber membrane and the electrode. The formation of an electric double layer can be suppressed and the initial capacitance value can be reduced.
정전용량형 압력센서는, 압력이 인가되면, 두 전극 사이의 거리가 감소하여 전기장 강도가 증가하고 결과적으로 전기장의 영향을 받는 입자에 가해지는 힘이 증가함에 따라 이온 펌핑(Ion Pumping) 프로세스를 시작하여 이온 염의 양이온-음이온 쌍이 2D 나노물질의 표면에서 분리되어, 하이브리드 나노 섬유 막과 전극 계면에서 소정 두께의 전기 이중층을 형성할 수 있다.In a capacitive pressure sensor, when pressure is applied, the distance between the two electrodes decreases, increasing the electric field strength and consequently starting the ion pumping process as the force applied to the particles affected by the electric field increases. As a result, the cation-anion pair of the ionic salt is separated on the surface of the 2D nanomaterial, forming an electric double layer of a certain thickness at the interface between the hybrid nanofiber membrane and the electrode.
일 실시 예에 따른 나노 섬유 막 및 압력센서에 의하면, 폴리 비닐 알코올성 탄성 매트릭스에 리튬 설폰아미드의 이온 염과 MXene을 혼합한 용액으로 제조된 하이브리드 나노 섬유 막을 감지막으로 사용함으로써, 수소결합으로 유발되는 MXene 표면의 기능성 층이 전극에서 전기 이중층(electrical double layer: EDL) 형성을 억제하게 하여 초기 커패시턴스 값을 크게 감소시킬 수 있다.According to the nanofiber membrane and pressure sensor according to one embodiment, by using a hybrid nanofiber membrane made of a solution of mixing an ionic salt of lithium sulfonamide and MXene in a polyvinyl alcohol elastic matrix as a sensing membrane, hydrogen bonding is induced. The functional layer on the MXene surface suppresses the formation of an electrical double layer (EDL) at the electrode, which can greatly reduce the initial capacitance value.
또한, 나노 섬유 막을 이용하여 제조된 압력센서에 외부 압력을 인가하면, 외부 압력에 의해 촉발된 이온 펌핑 프로세스를 통해 전극에 두꺼운 전기 이중층을 생성하여 정전용량 변화를 크게 향상시킴으로써 초고감도를 지닌 압력센서를 제공할 수 있다.In addition, when external pressure is applied to a pressure sensor manufactured using a nanofiber membrane, a thick electric double layer is created on the electrode through an ion pumping process triggered by the external pressure, greatly improving the capacitance change, resulting in a pressure sensor with ultra-high sensitivity. can be provided.
나아가, 전기방사 기술로 제조된 나노 섬유 고분자 박막을 이용함으로써, 기존 마이크로 구조의 박막에 비해 높은 압축성을 갖도록 하여 넓은 범위의 압력에서 우수한 성능을 얻을 수 있다.Furthermore, by using a nanofiber polymer thin film manufactured by electrospinning technology, it is possible to obtain excellent performance over a wide range of pressures by having higher compressibility compared to existing micro-structured thin films.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 나노 섬유 막 제조방법의 흐름을 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 MXene/PVA/LS 하이브리드 나노 섬유 막 개념을 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 정전용량형 압력센서 제조방법의 흐름을 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 PDMS 전극 개념을 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 정전용량용 압력센서의 구조를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 나노 섬유 막 기반 압력센서의 수소 결합을 통한 MXene 작용기(-OH, -F 및 -O)와 LS 간의 상호 작용에 대해 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시 에에 따른 NP(No pressure) 및 UP(Under pressure) 조건에서의 하이브리드 나노 섬유 막 기반 압력센서의 작동 원리를 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 (a) [TFSI-] 음이온 특성, (b) [Li+] 양이온 특성, 수소 결합과 쿨롱 인력의 형성을 통해 MXene 표면에서 이온 쌍의 고정화를 확인할 수 있는 하이브리드 나노 스펙트럼 분석을 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 (a) 다양한 리튬 염의 농도로 제조된 압력센서의 초기(NP) 및 최종(UP) 커패시턴스 값, (b) 다른 농도의 리튬 염으로 제조된 압력센서의 다양한 압력에 따른 상대 정전용량의 값의 변화를 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating the flow of a hybrid nanofiber membrane manufacturing method according to an embodiment of the present invention;
Figure 2 is a diagram showing the concept of an MXene/PVA/LS hybrid nanofiber membrane according to an embodiment of the present invention;
Figure 3 is a diagram showing the flow of a capacitive pressure sensor manufacturing method according to an embodiment of the present invention;
4 is a diagram illustrating the PDMS electrode concept according to an embodiment of the present invention;
5 is a diagram showing the structure of a pressure sensor for capacitance according to an embodiment of the present invention;
Figure 6 is a diagram showing the interaction between MXene functional groups (-OH, -F and -O) and LS through hydrogen bonding in a hybrid nanofiber membrane-based pressure sensor according to an embodiment of the present invention;
Figure 7 is a diagram showing the operating principle of a hybrid nanofiber membrane-based pressure sensor under NP (No pressure) and UP (Under pressure) conditions according to an embodiment of the present invention;
Figure 8 shows (a) [TFSI-] anion characteristics, (b) [Li +] cation characteristics, and the immobilization of ion pairs on the MXene surface through the formation of hydrogen bonds and Coulomb attraction according to an embodiment of the present invention. Diagram showing hybrid nanospectral analysis,
Figure 9 shows (a) initial (NP) and final (UP) capacitance values of pressure sensors manufactured with different concentrations of lithium salts, (b) of pressure sensors manufactured with different concentrations of lithium salts, according to an embodiment of the present invention. This is a diagram showing the change in relative capacitance value according to various pressures.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.The advantages and features of the present invention and methods for achieving them will become clear by referring to the embodiments described in detail below along with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and may be implemented in various different forms. The present embodiments are merely provided to ensure that the disclosure of the present invention is complete and to provide common knowledge in the technical field to which the present invention pertains. It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In describing the embodiments of the present invention, if it is judged that a detailed description of a known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted, and the terms described below will be used in the embodiments of the present invention. These are terms defined in consideration of the function of , and may vary depending on the intention or custom of the user or operator. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout this specification.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다. 그러나 다음에 예시하는 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시 예는 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공된다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention illustrated below may be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments detailed below. Examples of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.
본 발명은 폴리 비닐 알코올성 탄성 매트릭스(Poly (vinyl alcohol) elastomer matrix)에 리튬 설폰아미드(Lithium sulfonamides)의 이온 염(Ionic salt)과 멕신(MXene)을 혼합한 후 전기방사 함에 따라 하이브리드 나노 섬유 막을 제조하고, 이를 감지 막으로 사용한다.The present invention produces a hybrid nanofiber membrane by mixing an ionic salt of lithium sulfonamides and MXene in a poly (vinyl alcohol) elastomer matrix and then electrospinning. and use it as a sensing membrane.
일 실시 예에 따른 하이브리드 나노 섬유 막을 이용하여 압력센서를 제조할 수 있으며, 압력센서는 이온 염의 이온 쌍과의 수소결합으로 유발되는 MXene 표면의 기능성 층이 전극에서 전기 이중층(electrical double layer: EDL) 형성을 억제하게 하여 초기 커패시턴스 값을 크게 감소시킨다.A pressure sensor can be manufactured using a hybrid nanofiber membrane according to an embodiment, and the pressure sensor has a functional layer on the surface of MXene caused by hydrogen bonding with ion pairs of an ionic salt, forming an electrical double layer (EDL) at the electrode. It inhibits formation and greatly reduces the initial capacitance value.
일 실시 예에 따른 압력센서에 외부 압력을 인가하면, 외부 압력에 의해 이온 펌핑(Ion Pumping) 프로세스가 촉발되고, 이온 펌핑을 통해 전극에 두꺼운 전기 이중층을 생성하여 정전용량 변화를 크게 향상시킴으로써 초고감도의 압력센서를 제공할 수 있다.When external pressure is applied to the pressure sensor according to one embodiment, the ion pumping process is triggered by the external pressure, and a thick electric double layer is created on the electrode through ion pumping, greatly improving the change in capacitance, resulting in ultra-high sensitivity. A pressure sensor can be provided.
나아가, 일 실시 예에 따른 압력센서는 전기방사 기술로 제조된 나노섬유 막을 이용함으로써, 기존 마이크로 구조의 박막에 비해 높은 압축성을 갖도록 하여 넓은 범위의 압력에서 우수한 성능을 얻을 수 있다.Furthermore, the pressure sensor according to one embodiment uses a nanofiber membrane manufactured by electrospinning technology, so that it has higher compressibility than a conventional micro-structured thin film and can obtain excellent performance over a wide range of pressure.
이하, 전술한 특징을 가진 하이브리드 나노 섬유 막 및 압력센서에 대해 후술한다.Hereinafter, the hybrid nanofiber membrane and pressure sensor having the above-described characteristics will be described later.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 나노 섬유 막 제조방법의 흐름을 도시한 도면이다.Figure 1 is a diagram showing the flow of a hybrid nanofiber membrane manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 2D 나노물질 분말(powder)을 증류수(DI Water)에 분산시켜 전치 용액(precursor solution)을 생성한다(110). 2D 나노물질은 멕신(MXene: Ti3C2Tx), 그래핀(graphene), GO(Graphene Oxide), rGO(Reduced Graphene Oxide), 이황화몰리브덴(MoS2) 및 흑린(black phosphorus) 중 어느 하나일 수 있다.Referring to Figure 1, 2D nanomaterial powder is dispersed in distilled water (DI Water) to generate a precursor solution (110). The 2D nanomaterial is one of MXene (Ti 3 C 2 T x ), graphene, GO (Graphene Oxide), rGO (Reduced Graphene Oxide), molybdenum disulfide (MoS 2 ), and black phosphorus. It can be.
이어서, 전치 용액을 용매로 하여 친수성 중합체 분말을 첨가한 후 핫 플레이트에서 교반 하여 친수성 중합체-2D 나노물질 겔(gel)을 생성한다(120). 친수성 중합체는 폴리 비닐 알코올(poly (vinyl alcohol)), 폴리 아크릴 아미드(Poly(acrylamide)), 폴리 에틸렌 글리콜(poly(ethylene glycol)), 폴리 에틸렌 산화물(Polyethylene oxide) 중 어느 하나일 수 있다.Next, hydrophilic polymer powder is added using the transfer solution as a solvent and stirred on a hot plate to produce a hydrophilic polymer-2D nanomaterial gel (120). The hydrophilic polymer may be any one of poly(vinyl alcohol), poly(acrylamide), poly(ethylene glycol), and polyethylene oxide.
이어서, 친수성 중합체-2D 나노물질 겔에 이온 염을 원하는 농도에 맞게 첨가 후 핫 플레이트에서 교반 하여 전해액(Electrolyte)을 생성한다(130). 이온 염은 리튬 염(Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), 질산 칼륨(KNO3), 질산 칼슘(Ca(NO3)2), 염화나트륨(NaCl), 브로민화칼륨(KBr), 불화세슘(CsF), 질산 마그네슘(Mg3N2), 인산 칼슘(Ca3P2) 중 어느 하나일 수 있다.Next, an ionic salt is added to the hydrophilic polymer-2D nanomaterial gel at the desired concentration and stirred on a hot plate to produce an electrolyte (130). Ionic salts include lithium salt (Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), potassium nitrate (KNO3), calcium nitrate (Ca(NO3)2), sodium chloride (NaCl), potassium bromide (KBr), cesium fluoride (CsF), and magnesium nitrate. (Mg3N2) or calcium phosphate (Ca3P2).
이어서, 전해액을 전기방사(Electrospinning) 하여 2D 나노물질/친수성 중합체/이온 염 하이브리드 나노 섬유 막(Hybrid Nonofibrous membrane: HNM)을 생성한다(140).Next, the electrolyte solution is electrospun to create a 2D nanomaterial/hydrophilic polymer/ion salt hybrid nanofiber membrane (HNM) (140).
전기방사 기술로 제조된 나노 섬유 막은, 기존 마이크로 구조의 박막에 비해 높은 압축성을 가져 넓은 범위의 압력에서 우수한 성능을 얻을 수 있다.Nanofiber membranes manufactured using electrospinning technology have higher compressibility than existing micro-structured thin films, enabling excellent performance over a wide range of pressures.
이온 염(ion salt)을 활용한 나노 섬유 막은 우수한 물리화학적 안정성, 높은 이온 전도도 및 높은 계면 정전용량 등으로 인하여, 리튬 이온 전지, 전계 효과 트랜지스터, 수퍼 커패시터, 용량형 압력센서 등 다양한 분야에 활용 가능하다.Nanofiber membranes using ion salts can be used in various fields such as lithium-ion batteries, field effect transistors, super capacitors, and capacitive pressure sensors due to their excellent physical and chemical stability, high ionic conductivity, and high interfacial capacitance. do.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 MXene/PVA/LS 하이브리드 나노 섬유 막 개념을 도시한 도면이다.Figure 2 is a diagram illustrating the concept of an MXene/PVA/LS hybrid nanofiber membrane according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, PVA 용액을 MXene 및 LS와 혼합(Mixing) 하여 교반(Stirring) 한 다음, 전기방사(Electrospinning) 절차를 거쳐 하이브리드 나노섬유 막(HNM)을 생성한다.Referring to Figure 2, the PVA solution is mixed with MXene and LS, stirred, and then subjected to electrospinning to create a hybrid nanofiber membrane (HNM).
PVA는 LS의 효과적인 용해와 폴리머 매트릭스 전반에 걸친 구성 요소의 균일한 분산에 활용되어 감지 물질의 이온 수송 특성을 향상시키고 전기 이중층(electrical double layer: EDL) 형성을 촉진한다.PVA is utilized for effective dissolution of LS and uniform dispersion of components throughout the polymer matrix, improving the ion transport properties of the sensing material and promoting the formation of an electrical double layer (EDL).
Ti3C2Tx MXene은 예외적인 금속 탄화물의 2D 나노물질로서, 이온 구속 효과(ion confinement effect)를 생성하기 위해 제조된 하이브리드 나노 섬유 막에 도입된다. 이온 구속 효과로 인해 LS의 양이온-음이온 쌍([Li+]-[TFSI-])이 수소결합(H-bonds)을 통해 하이브리드 나노 섬유 막에 내장된 MXene 나노 시트의 작용기에 부착된다.Ti 3 C 2 T Due to the ion confinement effect, the cation-anion pairs ([Li + ]-[TFSI - ]) of LS are attached to the functional groups of MXene nanosheets embedded in the hybrid nanofiber membrane through hydrogen bonds (H-bonds).
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 정전용량형 압력센서 제조방법의 흐름을 도시한 도면이다.Figure 3 is a diagram showing the flow of a capacitive pressure sensor manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 하이브리드 나노 섬유 막을 이용하여 정전용량형 압력센서를 제조할 수 있다.Referring to Figure 3, a capacitive pressure sensor can be manufactured using a hybrid nanofiber membrane.
이를 위해, 2D 나노물질 및 이온 염을 혼합한 혼합물을 전기방사 하여 생성된 하이브리드 나노 섬유 막을 유전층으로 구성한다(310). 이어서, 하이브리드 나노 섬유 막을 중심으로 양쪽으로 전도성을 갖는 유연/연성 전극을 샌드위치 형태로 배치하여, 정전용량형 압력센서를 생성한다(320). 유연/연성 전극은 도전성 박막, 전도성 고분자, 실버 나노 와이어, CNT, 전도성 페이스트 등의 재료로 구성될 수 있다. 예를 들어, Au/M-PDMS(polydimethylsiloxane) 전극 사이에 MXene/PVA/LS 하이브리드 나노 섬유 막을 샌드위치 구조로 배치하여 정전용량형 압력센서를 생성할 수 있다.For this purpose, a hybrid nanofiber membrane produced by electrospinning a mixture of 2D nanomaterials and ionic salts is formed as a dielectric layer (310). Next, conductive flexible/flexible electrodes are placed in a sandwich form on both sides centered on the hybrid nanofiber membrane, thereby creating a capacitive pressure sensor (320). Flexible/soft electrodes may be composed of materials such as conductive thin films, conductive polymers, silver nanowires, CNTs, and conductive pastes. For example, a capacitive pressure sensor can be created by placing an MXene/PVA/LS hybrid nanofiber membrane in a sandwich structure between Au/M-PDMS (polydimethylsiloxane) electrodes.
하이브리드 나노 섬유 막을 이용하여 유연 압력센서를 제조할 수 있다. 예를 들어, 하이브리드 나노 섬유 막에서 수소 결합에 의해 초기 커패시턴스가 감소하고, 압력 인가 시 이온 펌핑이 촉발되어 최종 커패시턴스가 증가하는 유연 압력센서를 제조할 수 있다. 유연 압력센서는 넓은 압력범위에서 초고감도를 가진다.A flexible pressure sensor can be manufactured using a hybrid nanofiber membrane. For example, a flexible pressure sensor can be manufactured in which the initial capacitance is reduced by hydrogen bonding in a hybrid nanofiber membrane and the final capacitance increases by triggering ion pumping when pressure is applied. Flexible pressure sensors have ultra-high sensitivity over a wide pressure range.
하이브리드 나노 섬유 막을 이용하여 웨어러블 압력센서를 제조할 수 있다. 하이브리드 나노 섬유 기반 압력센서가 맥박, 호흡, 음성, 터치 등 다양한 생리학적, 물리학적 신호의 감지 및 스마트 의료/헬스케어, 스포츠, 로봇, 자동차, 국방산업 등 폭넓게 활용된다.Wearable pressure sensors can be manufactured using hybrid nanofiber membranes. Hybrid nanofiber-based pressure sensors detect various physiological and physical signals such as pulse, breathing, voice, and touch, and are widely used in smart medicine/healthcare, sports, robots, automobiles, and defense industries.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 PDMS 전극 개념을 도시한 도면이다.Figure 4 is a diagram illustrating the PDMS electrode concept according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 압력센서용 전극을 제조하기 위해, 저렴한 샌드페이퍼 템플릿(Sand paper template)에 PDMS을 넣고 스핀 코팅(Spin-Coating) 하여 PDMS에 덮인 샌드페이퍼를 생성하고, M-PDMS 필름을 벗긴(Peeling off) 후, 전자 빔 증발을 통해 미세 구조화된 표면에 Ti/Au 층을 증착 하여 Au/M-PDMS 전극 생성한다.Referring to Figure 4, in order to manufacture electrodes for pressure sensors, PDMS was placed in an inexpensive sand paper template and spin-coated to create sandpaper covered in PDMS, and the M-PDMS film was peeled off ( Peeling off), a Ti/Au layer is deposited on the microstructured surface through electron beam evaporation to create an Au/M-PDMS electrode.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 정전용량용 압력센서의 구조를 도시한 도면이다.Figure 5 is a diagram showing the structure of a pressure sensor for capacitance according to an embodiment of the present invention.
보다 세부적으로, (a)는 제조된 나노 섬유 막의 사진, (b)는 나노 섬유 막의 저배율 FESEM 이미지, (c)는 폴리머 매트릭스(Polymer matrix) 내부의 MXene의 단일층과 다중층 저해상도 TEM 이미지, 삽입된 그림은 MXene의 고해상도 TEM 이미지, (d) 제조된 디바이스의 개략도, 삽입된 그림은 제조된 정전용량형 압력센서의 단면도 FESEM 이미지(마이크로 구조의 PDMS/하이브리드 나노 섬유 막/마이크로 구조의 PDMS), 샌드페이퍼 템플릿을 이용한 마이크로 구조의 Au가 증착된 PDMS 전극의 FESEM 이미지, (e) 제조된 정전용량형 압력센서의 사진을 도시한 도면이다.In more detail, (a) is a photograph of the fabricated nanofiber membrane, (b) is a low-magnification FESEM image of the nanofiber membrane, and (c) is a low-resolution TEM image of single and multilayers of MXene inside a polymer matrix, inset. The inset figure is a high-resolution TEM image of MXene, (d) a schematic diagram of the fabricated device, and the inset figure is a cross-sectional FESEM image of the fabricated capacitive pressure sensor (microstructured PDMS/hybrid nanofiber membrane/microstructured PDMS). (e) A FESEM image of a PDMS electrode on which micro-structured Au was deposited using a sandpaper template, and (e) a photograph of the manufactured capacitive pressure sensor.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 나노 섬유 막 기반 압력센서의 수소 결합을 통한 MXene 작용기(-OH, -F 및 -O)와 LS 간의 상호 작용에 대해 도시한 도면이다.Figure 6 is a diagram showing the interaction between MXene functional groups (-OH, -F, and -O) and LS through hydrogen bonding in a hybrid nanofiber membrane-based pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 하이브리드 나노 섬유 막 기반 압력센서는 LS의 ([Li+][TFSI-]) 이온 쌍이 MXene 작용기들(-OH, -F, 그리고 -O)과 수소 결합(H-bonds)을 통해 결합된다. 이온 쌍은 수소 결합을 통해 MXene 표면에 제한된다(confined). 이로 인해, 하이브리드 나노 섬유 막과 전극 계면에서의 전기 이중층 형성이 억제되고, 제한된 압력센서의 초기 커패시턴스 값은 감소하게 된다.Referring to Figure 6, the hybrid nanofiber membrane-based pressure sensor shows that the ([Li + ][TFSI - ]) ion pair of LS forms hydrogen bonds (H-bonds) with MXene functional groups (-OH, -F, and -O). are combined through Ion pairs are confined to the MXene surface through hydrogen bonds. As a result, the formation of an electric double layer at the interface between the hybrid nanofiber membrane and the electrode is suppressed, and the initial capacitance value of the limited pressure sensor is reduced.
도 7은 본 발명의 일 실시 에에 따른 NP(No pressure) 및 UP(Under pressure) 조건에서의 하이브리드 나노 섬유 막 기반 압력센서의 작동 원리를 도시한 도면이다.Figure 7 is a diagram showing the operating principle of a hybrid nanofiber membrane-based pressure sensor under NP (No pressure) and UP (Under pressure) conditions according to an embodiment of the present invention.
도 7의 삽입 그림은 나노 섬유 막 내부에서 발생하는 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.The inset figure in FIG. 7 is a diagram schematically showing the process that occurs inside the nanofiber membrane.
도 7을 참조하면, 하이브리드 나노 섬유 막 기반 압력센서는 압력이 인가되지 않은 초기상태에서 LS의 ([Li+][TFSI-]) 이온 쌍이 MXene 작용기와 수소 결합(H-bonds)를 형성하여 MXene 표면에 결합된다. 이후, 압력이 인가되면, 이온 펌핑 현상으로 인해 ([Li+][TFSI-]) 이온 쌍이 MXene 표면에서 분리되어 두꺼운 전기 이중층을 생성한다.Referring to Figure 7, in the hybrid nanofiber membrane-based pressure sensor, in the initial state where no pressure is applied, the ([Li + ][TFSI - ]) ion pair of LS forms hydrogen bonds (H-bonds) with the MXene functional group to form MXene. bonded to the surface. Then, when pressure is applied, the ([Li + ][TFSI - ]) ion pairs are separated on the MXene surface due to the ion pumping phenomenon, creating a thick electric double layer.
보다 세부적으로, 하이브리드 나노 섬유 막 기반 압력센서는 LS의 [Li+] 양이온이 MXene 작용기들(-OH, -F, 그리고 -O)이 포함된 MXene 표면에 수소 결합(H-bonds)을 통해 결합된다. 그리고 [TFSI-] 음이온은 쿨롱 법칙으로 인해 [Li+] 양이온과 결합하여 [Li+] 양이온과 [TFSI-] 음이온 쌍을 이룬다. 압력이 인가되기 전에, ([Li+][TFSI-]) 이온 쌍은 수소 결합을 통해 MXene 표면에 제한된다(confined). 이로 인해, 하이브리드 나노 섬유 막과 전극 계면에서의 전기 이중층 형성이 억제되고, 제한된 압력센서의 초기 커패시턴스 값은 감소하게 된다.More specifically, the hybrid nanofiber membrane-based pressure sensor is a hybrid nanofiber membrane-based pressure sensor in which the [Li + ] cation of LS is bonded to the MXene surface containing MXene functional groups (-OH, -F, and -O) through hydrogen bonds (H-bonds). do. And the [TFSI - ] anion combines with the [Li + ] cation due to Coulomb's law, forming a pair of [Li + ] cation and [TFSI - ] anion. Before pressure is applied, the ([Li + ][TFSI - ]) ion pairs are confined to the MXene surface through hydrogen bonds. As a result, the formation of an electric double layer at the interface between the hybrid nanofiber membrane and the electrode is suppressed, and the initial capacitance value of the limited pressure sensor is reduced.
압력이 인가되면, 압력센서는 두 전극 사이의 거리가 감소하여 전기장 강도가 증가하고 결과적으로 전기장의 영향을 받는 입자에 가해지는 힘이 증가한다. 이 현상에 의해 압력센서는 이온 펌핑(Ion Pumping) 프로세스를 시작하여 ([Li+][TFSI-]) 이온 쌍이 MXene 표면에서 분리되어 하이브리드 나노 섬유 막과 전극 계면에서 두꺼운 전기 이중층을 형성한다. 이에 따라, 정전용량의 상대적인 변화를 증가시킨다.When pressure is applied, the pressure sensor decreases the distance between the two electrodes, increasing the electric field strength and consequently increasing the force applied to the particles affected by the electric field. Due to this phenomenon, the pressure sensor initiates an ion pumping process, where ([Li + ][TFSI - ]) ion pairs are separated from the MXene surface, forming a thick electric double layer at the hybrid nanofiber membrane and electrode interface. Accordingly, the relative change in capacitance increases.
도 7의 오른쪽 그림은 이온 전해액(ionic electrolyte)에 나노 입자를 도입하기 전과 후의 Helmholtz 모델을 도시한 도면이다. 이온성 액체에 나노 입자를 포함하는 압력 센서 모델(Modified model)은 이전 모델(traditional mode)에 비해 낮은 초기 정전용량과 높은 감도를 보인다.The figure on the right of FIG. 7 is a diagram showing the Helmholtz model before and after introducing nanoparticles into an ionic electrolyte. The pressure sensor model (modified model) containing nanoparticles in ionic liquid shows low initial capacitance and high sensitivity compared to the previous model (traditional mode).
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 (a) [TFSI-] 음이온 특성, (b) [Li+] 양이온 특성, 수소 결합과 쿨롱 인력의 형성을 통해 MXene 표면에서 이온 쌍의 고정화를 확인할 수 있는 하이브리드 나노 스펙트럼 분석을 도시한 도면이다.Figure 8 shows (a) [TFSI - ] anion characteristics, (b) [Li + ] cation characteristics, and the immobilization of ion pairs on the MXene surface through the formation of hydrogen bonds and Coulomb attraction according to an embodiment of the present invention. This is a diagram showing the hybrid nano spectrum analysis.
(a)를 참조하면, N-S-O, S-N, C-F 및 F-C-S 진동에 할당된 ~742 cm-1에서 [TFSI-] 음이온의 팽창-수축 모드의 적색 편이(red-shifts)는 다음을 수행할 수 있다. ([Li+][TFSI-]) 이온 쌍과 MXene 작용기 사이의 정전기적 인력으로 인해 ([Li+][TFSI-]) 이온 쌍이 구속된다.Referring to (a), the red-shifts of the expansion-contraction mode of the [ TFSI- ] anion at ~742 cm -1 assigned to the NSO, SN, CF and FCS vibrations can be The ([Li + ][TFSI - ]) ion pair is bound due to the electrostatic attraction between the ([Li + ][TFSI - ]) ion pair and the MXene functional group.
(b)를 참조하면, LS(60)-MXene-PVA(SO2 신축, CF3 신축, N-CH 신축 및 CH2 신축)에 대해 관찰된 Li+ 라만 진동 모드의 청색 이동(blue-shifts)은 MXene 작용기와의 수소결합 상호작용의 존재를 추가로 시사한다.Referring to (b), blue-shifts of Li + Raman vibrational modes observed for LS(60)-MXene-PVA (SO 2 stretching, CF 3 stretching, N-CH stretching and CH 2 stretching). further suggests the presence of hydrogen bonding interactions with the MXene functional group.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 (a) 다양한 리튬 염의 농도로 제조된 압력센서의 초기(NP) 및 최종(UP) 커패시턴스 값, (b) 다른 농도의 리튬 염으로 제조된 압력센서의 다양한 압력에 따른 상대 정전용량의 값의 변화를 도시한 도면이다.Figure 9 shows (a) initial (NP) and final (UP) capacitance values of pressure sensors manufactured with different concentrations of lithium salts, (b) of pressure sensors manufactured with different concentrations of lithium salts, according to an embodiment of the present invention. This is a diagram showing the change in relative capacitance value according to various pressures.
(a)를 참조하면, 모든 LS-MXene-PVA 압력센서는 NP(No Pressure) 조건에서 ([Li+][TFSI-]) 이온 쌍의 완벽한 구속으로 인해 무시할 수 있는 정전용량 차이(예: LS(60)-MXene-PVA의 경우 C0 = 20 ± 2.7pF)로 낮은 초기 정전용량(C0) 값이 얻어진다.Referring to (a), all LS-MXene-PVA pressure sensors show negligible capacitance differences (e.g. LS For (60)-MXene-PVA, a low initial capacitance (C 0 ) value of C 0 = 20 ± 2.7 pF) is obtained.
그러나 UP(Under Pressure) 조건(~200kPa)에서 Cp 값은 모든 LS-MXene-PVA 압력센서(예: LS(60)-MXene-PVA의 경우 Cp = 8761.6 ± 178.7pF)에 대해 Cp값이 C0보다 상당히 높아진다. 인가된 압력에 의해 유도된 전체 센서 구조는 결과적으로 외부 전기장의 영향으로 입자에 가해지는 정전기력을 증가시킨다. 이 과정은 이온과 MXene 작용기 사이의 수소 결합의 절단을 촉발하고, 궁극적으로 전극/전해질 계면에서 EDL을 강화한다.However, under UP (Under Pressure) conditions (~200kPa), the C p value is the C p value for all LS-MXene-PVA pressure sensors (e.g., C p = 8761.6 ± 178.7 pF for LS(60)-MXene-PVA). This becomes significantly higher than C 0 . The entire sensor structure induced by the applied pressure eventually increases the electrostatic force exerted on the particles under the influence of the external electric field. This process triggers the cleavage of hydrogen bonds between ions and MXene functional groups, ultimately strengthening the EDL at the electrode/electrolyte interface.
(b)를 참조하면, LS 농도가 20%, 40% 및 60%인 LS-MXene-PVA 압력센서에 대해 관찰된 상대 정전용량 변화는 LS(60)-MXene-PVA 센서에서 얻은 가장 높은 출력으로 고압 감지 기능을 보여준다.Referring to (b), the relative capacitance change observed for the LS-MXene-PVA pressure sensor with LS concentrations of 20%, 40%, and 60%, with the highest output obtained from the LS(60)-MXene-PVA sensor. Demonstrates high pressure detection function.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, the present invention has been examined focusing on its embodiments. A person skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative rather than a restrictive perspective. The scope of the present invention is indicated in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent scope should be construed as being included in the present invention.
Claims (9)
전치 용액을 용매로 하여 친수성 중합체(hydrophilic polymer)를 첨가 후 핫 플레이트에서 교반 하여 친수성 중합체-2D 나노물질 겔을 생성하는 단계;
압력 인가 여부에 따라 이온 염의 양이온-음이온 쌍과 2D 나노물질의 결합 또는 분리를 위해, 친수성 중합체-2D 나노물질 겔에 이온 염을 첨가한 후 핫 플레이트에서 교반 하여 전해액을 생성하는 단계; 및
전해액을 전기방사 하여 2D 나노물질/친수성 중합체/이온 염 하이브리드 나노 섬유 막을 생성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 나노 섬유 막 제조방법.Dispersing the 2D nanomaterial in distilled water to create a precursor solution;
Adding a hydrophilic polymer using the transposition solution as a solvent and stirring on a hot plate to create a hydrophilic polymer-2D nanomaterial gel;
In order to combine or separate the cation-anion pair of the ionic salt and the 2D nanomaterial depending on whether pressure is applied, adding the ionic salt to the hydrophilic polymer-2D nanomaterial gel and then stirring on a hot plate to produce an electrolyte solution; and
Electrospinning an electrolyte solution to create a 2D nanomaterial/hydrophilic polymer/ion salt hybrid nanofiber membrane;
A hybrid nanofiber membrane manufacturing method comprising:
멕신(MXene), 그래핀(graphene), GO(Graphene Oxide), rGO(Reduced Graphene Oxide), 이황화몰리브덴(MoS2) 및 흑린(black phosphorus) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 하이브리드 나노 섬유 막 제조방법.The method of claim 1, wherein the 2D nanomaterial is
A method of manufacturing a hybrid nanofiber membrane characterized by any one of MXene, graphene, GO (Graphene Oxide), rGO (Reduced Graphene Oxide), molybdenum disulfide (MoS 2 ), and black phosphorus. .
폴리 비닐 알코올(poly (vinyl alcohol)), 폴리 아크릴 아미드(Poly(acrylamide)), 폴리 에틸렌 글리콜(poly(ethylene glycol)), 폴리 에틸렌 산화물(Polyethylene oxide) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 하이브리드 나노 섬유 막 제조방법.The method of claim 1, wherein the hydrophilic polymer is
Hybrid nanofibers characterized in that they are any one of polyvinyl alcohol (poly(vinyl alcohol)), poly(acrylamide), poly(ethylene glycol), and polyethylene oxide. Membrane manufacturing method.
리튬 염(Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), 질산 칼륨(KNO3), 질산 칼슘(Ca(NO3)2), 염화나트륨(NaCl), 브로민화칼륨(KBr), 불화세슘(CsF), 질산 마그네슘(Mg3N2), 인산 칼슘(Ca3P2) 중 어느 하나 인 것을 특징으로 하는 하이브리드 나노 섬유 막 제조방법.The method of claim 1, wherein the ionic salt is
Lithium salt (Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), potassium nitrate (KNO 3 ), calcium nitrate (Ca(NO 3 ) 2 ), sodium chloride (NaCl), potassium bromide (KBr), cesium fluoride (CsF), magnesium nitrate ( Method for producing a hybrid nanofiber membrane, characterized in that any one of Mg 3 N 2 ) and calcium phosphate (Ca 3 P 2 ).
하이브리드 나노 섬유 막 유전층을 중심으로 양쪽으로 샌드위치 형태로 전극을 배치하여 정전용량형 압력센서를 생성하는 단계; 를 포함하며,
압력 인가 여부에 따라 이온 염의 양이온-음이온 쌍과 2D 나노물질의 결합 또는 분리를 위해, 친수성 중합체-2D 나노물질에 이온 염이 첨가되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력센서 제조방법.Generating a hybrid nanofiber membrane dielectric layer by electrospinning a mixture of a hydrophilic polymer, a 2D nanomaterial, and an ionic salt; and
Creating a capacitive pressure sensor by placing electrodes in a sandwich shape on both sides of the hybrid nanofiber membrane dielectric layer; Includes,
A method of manufacturing a capacitive pressure sensor, characterized in that an ionic salt is added to a hydrophilic polymer-2D nanomaterial to bind or separate the cation-anion pair of the ionic salt and the 2D nanomaterial depending on whether pressure is applied.
압력 인가 여부에 따라 이온 염의 양이온-음이온 쌍과 2D 나노물질의 결합 또는 분리를 위해, 친수성 중합체-2D 나노물질에 이온 염이 첨가되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 나노 섬유 막.In the hybrid nanofiber membrane produced by electrospinning a mixture of 2D nanomaterials and ionic salts in a hydrophilic polymer,
A hybrid nanofiber membrane characterized in that an ionic salt is added to a hydrophilic polymer-2D nanomaterial for binding or separating the cation-anion pair of the ionic salt and the 2D nanomaterial depending on whether pressure is applied.
하이브리드 나노 섬유 막 유전층을 중심으로 양쪽으로 샌드위치 형태로 배치되는 전극; 을 포함하며,
압력 인가 여부에 따라 이온 염의 양이온-음이온 쌍과 2D 나노물질의 결합 또는 분리를 위해, 친수성 중합체-2D 나노물질에 이온 염이 첨가되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력센서.A hybrid nanofiber membrane dielectric layer created by electrospinning a mixture of 2D nanomaterials and ionic salts in a hydrophilic polymer; and
Electrodes placed in a sandwich shape on both sides centered on the hybrid nanofiber membrane dielectric layer; Includes,
A capacitive pressure sensor characterized in that an ionic salt is added to a hydrophilic polymer-2D nanomaterial to bind or separate the cation-anion pair of the ionic salt and the 2D nanomaterial depending on whether pressure is applied.
압력이 인가되지 않는 초기상태에서, 이온 염의 양이온-음이온 쌍이 수소 결합(H-bonds)을 통해 하이브리드 나노 섬유 막의 2D 나노물질의 작용기에 부착하여 하이브리드 나노 섬유 막과 전극 계면에서의 전기 이중층 형성을 억제하고, 초기 커패시턴스 값을 감소시키는 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력센서.The method of claim 7, wherein the capacitive pressure sensor is
In the initial state where no pressure is applied, the cation-anion pair of the ionic salt attaches to the functional group of the 2D nanomaterial of the hybrid nanofiber membrane through hydrogen bonds (H-bonds), suppressing the formation of an electric double layer at the interface between the hybrid nanofiber membrane and the electrode. A capacitive pressure sensor characterized by reducing the initial capacitance value.
압력이 인가되면, 두 전극 사이의 거리가 감소하여 전기장 강도가 증가하고 결과적으로 전기장의 영향을 받는 입자에 가해지는 힘이 증가함에 따라 이온 펌핑(Ion Pumping) 프로세스를 시작하여 이온 염의 양이온-음이온 쌍이 2D 나노물질의 표면에서 분리되어, 하이브리드 나노 섬유 막과 전극 계면에서 소정 두께의 전기 이중층을 형성하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력센서.The method of claim 8, wherein the capacitive pressure sensor is
When pressure is applied, the distance between the two electrodes decreases, increasing the electric field strength and consequently increasing the force exerted on the particles under the influence of the electric field, thus starting the ion pumping process, causing the cation-anion pairs of the ionic salt to form A capacitive pressure sensor that is separated from the surface of a 2D nanomaterial and forms an electric double layer of a predetermined thickness at the interface between the hybrid nanofiber membrane and the electrode.
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