선형 응집된 콜로이드 금 나노입자 기반 색 변화 열가소성 폴리우레탄 스트레인 센서 제작에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 콜로이드 금 나노 입자의 리간드 치환을 통한 표면 개질 및 염 (NaCl)을 이용하여 금 나노 입자의 자발적인 선형 응집을 유도하였으며, thermoplastic polyurethane (TPU)에 적용하여 색 변화 스트레인 센서를 제작하였다. 콜로이드 금 나노 입자에 Bis(p-sulfonatophenyl)phenylphosphine 을 첨가하여 리간드 치환을 한 후 일정한 농도의 염화나트륨 수용액을 첨가하여 시간에 따른 선형 응집 정도를 조절하였고 UV-vis spectrum 및 scanning electron microscope를 통해 특성을 확인하였다. 합성한 선형의 콜로이드 금 나노 입자를 TPU elastomer film에 적용하여 mechanical strain이 가해질 때 응집된 금 나노 입자간 거리 변화로 인해 plasmonic shift가 유도되어 색 변화가 나타나며 스트레인 정도에 따라 가역적인 색 변화를 확인하였다. 또한 실리카 나노 입자 (SiO2)를 첨가하여 수분저항성을 향상시켰으며 훼손된 필름의 재사용 및 관절에 부착하여 굽힘에 나타나는 색 변화를 확인하였다.|Numerous studies have been conducted on colorimetric strain sensors, which can detect and visualize the human motion in real time. However, achieving quantification and easy manufacturing with high flexibility is still a great challenge. Here, we develop an easily fabricated strain sensor embedded with linearly aggregated colloidal gold nanoparticles on a thermoplastic polyurethane (TPU) film. This strain sensor is highly flexible, quantitatively sensitive, and durable. When tension is applied to the linearly aggregated colloidal gold nanoparticles embedded in the TPU film, a plasmonic shift occurs due to a change in the distance of inter-particles, which induces a color change in TPU film. The characteristics of the linear gold nanoparticles and the strain sensor were identified using the UV-vis spectroscopy, SEM, and TEM. Results show a significant color change at 300% tensile strength and a durable strain response through repeated testing over 1000 cycles. In addition, the strain sensor attached to the finger shows a color change by bending of the finger, indicating that the human body motion can be visualized. The developed technology is expected to make a significant contribution in deformation detection such as motion detection, human-machine interface, and soft robotics.