Mechano-responsive nanocomposites are attractive for their capability to change the electrical, optical, and chemical properties when external forces are applied, and are promising in emerging applications such as stretchable electrodes and flexible displays. Because of the fabrication difficulties to control the structure of materials, most studies have so far focused on exploiting emerging materials to tailor the mechano-responsive behaviors while the role of material structures remains largely unknown. However, with the development of micro/nano fabrication techniques that allow building materials with well-defined architectures, a better understanding is now available on structural effects. In this thesis, several design approaches are proposed to fabricate ordered structures, and the relationship between the structure and the strain sensitivity of mechano-responsive nanocomposites is established. Based on the understanding of the relationships, the sensitivities are carefully controlled to realize multidimensional strain sensing and high-contrast optical modulation.
Anisotropic graphene aerogels are developed through unidirectional freeze-casting for in-plane sensing. The aligned structure is found to endow the aerogel-based nanocomposites with strain sensitivity highly dependent on loading directions. Combining this in-plane sensor with a pressure sensor insensitive to lateral tension, the integrated sensor can differentiate mechanical stimuli including in-plane tension, normal pressure, and shear, and presents an outstanding selectivity of 3.68 to in-plane strain directions. Based on such multidimensional sensing capability, a smart device is demonstrated to monitor sports performance in real-time.
Periodic three-dimensional (3D) heterogeneous structure is fabricated by introducing modulus mismatch between the two interdigitated phases. It is revealed that the strain concentrations at the interfaces ameliorate the debonding at the interface to generate numerous nanogaps as light scattering sites. The optimized light scatterer exhibits high transmittance modulation achievable at a low strain of 15% and a remarkable maximum contrast of 82%. The same 3D heterogeneous design strategy is successfully extended to improve the sensitivity of strain-induced coloration, proving its wide applicability.
Inclined 3D porous structures are proposed from optical simulation and realized for the first time by 3D patterning with a slanted exposure angle. Based on the structure, a novel light scatterer is presented which changes from opaque to transparent under normal compression because of the closing of the light-scattering pores. The pore closure is found to be facilitated when the pores are inclined to the normal direction, resulting in the 3D inclined scatterer showing an unprecedentedly high transmittance contrast of 96% and an extremely low lateral activation strain of ~1% for a meaningful contrast. Such performance makes the scatterer highly promising for smart windows with large sizes.
These results may open new horizons for the structural designs of mechano-responsive nanocomposites that are practical in different application scenarios.
응력 감응형 나노복합소재는 외부에서 힘이 가해질 때, 소재의 전기적, 광학적, 화학적 특성을 변화시키는 것이 매력적인 소재이며, 신축성 전극 및 플렉서블 디스플레이와 같은 새로운 응용 분야에서 유망하다. 현재까지 소재의 구조를 제어하는 제조 기술의 어려움으로 인하여, 대부분의 연구들은 소재의 구조가 갖는 역할이 크게 알려지지 않은 상태에서 새로운 소재들을 활용하는 것에 중점을 두었다. 하지만, 최근에는 마이크로/나노 소재 제작 기술의 발전으로 소재의 구조를 정확하게 정의할 수 있게 되었으며, 이를 바탕으로 소재의 구조가 갖는 역할에 대해 좀 더 나은 이해가 가능하게 되었다. 이 논문에서는 정렬된 구조들을 제조하는 여러가지 설계된 방식들에 대해 제안하고, 구조와 응력 감응형 나노복합체의 변형 감도의 상관관계를 정의하고자 하였다. 또한, 상관관계의 이해를 바탕으로 다차원 변형 센서 및 고대비성 광 변조기를 구현하고자 하였다.
평면 방향 감지를 위하여 단방향 동결 주조를 통해 이방성 그래핀 에어로겔을 제작하였다. 정렬된 구조는 에어로겔 바탕의 나노복합소재에 로딩 방향에 크게 반응하는 변형 감도를 부여하는 것을 확인하였다. 이 평면 방향 센서와 장력 방향에 둔감한 압력 센서를 결합한 통합 센서는 평면 방향의 장력, 수직 압력 및 전단력을 포함한 기계적인 자극을 구별 할 수 있으며, 평면 방향의 변형에 대해 3.68의 매우 우수한 선택성을 제공한다. 이러한 다차원적 감지 능력을 기반으로 스포츠 활동을 실시간 모니터링 할 수 있는 스마트 기기를 제공 할 수 있다.
또한, 주기적인 3차원 (3D) 이종 구조는 맞물린 소재에서의 탄성 계수의 차이를 통해 제조된다. 탄성 계수의 차이가 계면과 계면의 탈결합을 개선하여, 광산란을 일으키는 수많은 나노갭을 생성한다는 것이 알려져 있다. 본 연구를 통해 최적화된 광 산란기는 15%의 낮은 변형률에서 82%의 고투과율 대비를 갖는 매우 우수한 성능을 갖는 것으로 나타났다. 같은 3차원 이종 구조의 설계에 관한 기술을 성공적으로 확장하여, 변형에 따른 색변화 감도를 개선하여 광범위한 응용 적용이 가능함을 입증하였다.
마지막으로, 경사진 3차원 다공성 구조는 광학적 시뮬레이션을 통해 제안되었으며, 경사진 노광각을 갖는 3차원 나노패터닝 기법을 통해 처음으로 구현되었다. 이러한 구조를 바탕으로 불투명한 소재에서 투명한 소재로 변화하는 새로운 광산란 소재가 제안되었다. 기공 폐쇄는 기공이 법선 방향으로 기울어 질 때 촉진되는 것으로 밝혀졌으며, 수직방향의 96%의 전례 없는 고투과율 대비를 갖는 소재를 1% 미만의 극히 낮은 측면 방향의 변형률을 갖는 소재를 구현하였다. 이러한 성능은 대면적 스마트 윈도우와 같은 응용처에 유용하다.
본 논문을 통해 제안된 다양한 응용 시나리오에서의 실용적인 응력 감응형 나노복합소재의 설계 및 적용은 나노구조 응용분야에서 새로운 방향을 제시할 수 있을 것으로 예상된다.
