[논문 리뷰] Flexible Ultrastrong 100-nm Polyethylene Membranes with Polygonal Pore Structures

Jin Li, Runlai Li외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 23.

Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 초박박한(100-nm), 초강력이며 고도로 유연한 폴리에틸렌 막을 위한 새로운 제조 방법을 제시한다. 이 막은 다각형으로 연결된 다공구조를 지닌다. 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)을 사용하여 제작된 막은 평면 방향에서의 인장강도가 약 900 MPa에 이르며, 스테인리스강의 두 배에 달한다. 이에 따라 기판이 없는 유연한 센서 및 고급 막 응용 분야에 활용 가능하다.

ABSTRACT

Robust nanoporous polymer films with approximate 100-nm thicknesses would be broadly applicable in technological areas such as flexible sensors, artificial skins, separators, antireflection and self-cleaning films. However, the creation of these films has been extremely challenging. To date, all reported ultrathin films are of insufficient mechanical strength for use without substrate supports. We describe here the fabrication of a new ultrastrong and highly flexible ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE) 100-nm porous membrane. Scanning and transmission electron microscopy evaluations of film microstructures reveal a planar fibrous structure with randomly oriented polygonal interconnected pores. Moreover, the tensile strength of this film is twice as strong as that of solid stainless steel, with a measured in-plane tensile strength and ductility of approximately 900 MPa and 26%, respectively. We further coated our newly developed film with a monolayer graphene to invent an optically transparent and fully conformable piezoresistive skin sensor and thus demonstrated a potential application.

연구 동기 및 목표

• 기판을 지지으로 갖지 않는 유연한 전자기기 및 고급 막을 위한 내구성 있고 초박박한(100-nm) 나노다공성 고분자 필름 개발.
• 기존 초박박한 필름의 기계적 취약성을 극복하여 하중을 지탱하거나 도중에 굽힐 수 있는 응용 분야에 제한되지 않도록 하기.
• 다공구조를 가진 폴리에틸렌에서 고강도와 연성의 조합을 이루되, 유연성과 가공성 유지.
• 재료 혁신을 통해 유연한 편광저항성 센서 및 자가청소 또는 반사방지 코팅 등 새로운 응용 가능화.
• 다공구 막과 그래핀의 통합 가능성을 입증하여 광학적으로 투명하고 완전하게 유연한 감지 기능을 갖춘 센서 개발.

제안 방법

• 평면 섬유 정렬을 유도하기 위해 제어된 용액 캐스팅 및 단축성 끼워넣기 공정을 통해 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 필름을 제조.
• 필름 형성 과정 중 템플릿 또는 상분리 방법을 이용해 다각형으로 연결된 다공구를 형성.
• 스캐닝 및 투과형 전자현미경(SEM/TEM)을 활용해 미세구조 분석 및 무작위로 배열된 상호연결 다공구 존재 확인.
• 단축성 인장 시험을 통해 평면 인장강도 및 연성 측정.
• 다공구 막에 단일층 그래핀을 코팅하여 완전하게 유연하고 광학적으로 투명한 편광저항성 센서 제작.
• 기계적 변형 하에서 전기적 반응 측정을 통해 센서 성능 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기판을 지지으로 갖지 않는 초박박한(100-nm) 폴리에틸렌 막이 충분한 기계적 강도를 확보하여 기능할 수 있는가?
• RQ2 어떤 미세구조적 특징(예: 다공구 형상, 섬유 정렬 방향)이 UHMWPE 막에서 뛰어난 인장강도를 가능하게 하는가?
• RQ3 다공구 막을 그래핀과 조합하여 광학적으로 투명하고, 유연하며 고감도의 편광저항성 센서를 만들 수 있는가?
• RQ4 다공구가 있는 UHMWPE 막의 인장강도는 스테인리스강과 같은 전통적 구조재료와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 다각형 다공구 형상은 기계적 내구성과 유연성에 어느 정도 기여하는가?

주요 결과

• 제조된 100-nm 두께의 UHMWPE 막은 평면 인장강도가 약 900 MPa로 나타나, 고체 스테인리스강의 두 배에 달한다.
• 막은 끊어짐 시 연신율이 26%에 이르는 뚜렷한 연성 보여, 고강도와 유연성 모두 확보.
• SEM 및 TEM을 통한 미세구조 분석 결과, 무작위로 배열된 상호연결 다각형 다공구를 지닌 평면 섬유 네트워크 존재 확인.
• 고체 기판이 필요 없이도 막이 구조적 안정성과 기계적 내구성을 유지함.
• 단일층 그래핀 코팅된 막은 광학적으로 투명하고 완전하게 유연한 편광저항성 피부 센서로 기능함.
• 그래핀 통합을 통해 고감도와 유연성 확보, 웨어러블 및 유연한 전자기기 응용 분야에 실현 가능한 길 제시.