해당 논문은 하나의 오가노하이드로겔을 기반으로 온도 저항성을 가지는 슈퍼커패시터, 신축성 인장 센서를 제작하고, 이를 수직으로 집적한 시스템에 대하여 보고한다. 아크릴 아마이드 기반 PVA/P(amps-co-aam)고분자 네트워크와 물/에틸렌 글리콜 이성분계 용액을 사용하여 -20 ℃의 저온 조건 및, 80 ℃의 고온 조건에서 하이드로겔에 비해 향상된 내빙결성, 내증발성 효과를 기대한다. MWCNT 위에 아닐린을 성장한 탄소나노튜브/폴리아닐린 (MWCNT/PANI) 혼합물을 전극으로 사용하여 제작한 슈퍼커패시터는 -20 ℃~80 ℃의 전 온도 범위에서 상온 대비 85% 이상의 용량을 유지하는 것으로 우수한 전기화학적 성능을 나타낸다. 또한 제작한 슈퍼커패시터는 3회의 반복적인 온도 변화 이후에도 초기 용량을 거의 유지하며, 1.9 mm의 반경으로 1,000회의 반복적인 굽힘 변형 이후에도 초기 용량을 거의 유지한다. 오가노하이드로겔은 신축 변형에 따라 저항 변화를 나타내며, -20 ℃, 25 ℃, 60 ℃의 온도에서 각각 1.61, 1.77, 1.44의 온도 변화에 대해서도 큰 변화 없이 안정적인 게이지 계수를 가진다. 최종적으로, 제작한 슈퍼커패시터와 인장 센서를 수직으로 집적한 시스템은 슈퍼커패시터로 구동이 가능하며, -20 ℃, 25 ℃, 60 ℃의 온도에서 신축 변형을 감지할 수 있고 피부에 직접 부착하여 손가락 구부림, 손목 구부림, 목 삼킴에 대한 생체 신호를 효과적으로 감지한다.
We report on a temperature-tolerant flexible supercapacitor based on the synthesized novel organohydrogel electrolyte for powering an integrated strain sensor for monitoring bio-signals. The fabricated supercapacitor exhibits remarkable gravimetric capacitance of 123.4 F g-1, 147.0 F g-1, and 156.2 F g-1 at the temperatures of -20 ℃, 25 ℃, and 80 ℃, respectively. Upon three repetitive cycles of temperature change over the range of -20 to 80 ℃, the initial capacitance at each temperature is almost recovered. With the 1000 repetitive bending deformation, the capacitance is remained to exhibit the flexibility. The strain sensor made of the same organohydrogel shows a change of resistance with stretching deformation and the gauge factor is measured to be 1.77, 1.61, and 1.42 at 25, -20, and 60 ℃, respectively. With the vertically integrated device of the supercapacitor and the strain sensor, various biosignals including the finger bending and swallowing are successfully detected. This work demonstrates a great potential of our temperature-tolerant flexible devices based on a single organohydrogel in the application to wearable devices stable over wide range of environmental temperature.
