열 다이오드는 한 방향으로는 효율적으로 열을 전달하면서 반대 방향으로는 이를 차단함으로써 비대칭적 열 흐름을 가능하게 하며, 열에너지의 제어 및 관리에 큰 잠재력을 지닌다. 여기서는 열 흐름의 방향에 따라 달라지는 열 접촉 비대칭을 활용하는, 확장 가능하고 박막 형태의 열 다이오드 필름을 제시한다. 제안된 열 다이오드 필름은 공기 간극으로 분리된 두 개의 액정 탄성중합체(LCE) 층을 이용하여 제작되며, 한 표면에는 기둥(pillar) 구조가, 다른 표면에는 육각 벌집(hexagonal honeycomb) 구조가 형성되어 있다. 정방향 모드에서는 육각 벌집 구조를 갖는 LCE 층을 가열하면 측벽(sidewall)이 버클링(buckling)하여 반대편의 기둥 구조와 접촉하게 되며, 이는 효율적인 전도성 열 전달을 촉진한다. 역방향 모드에서는 기둥 구조를 갖는 LCE 층을 가열하면 수축(contract)하여 기둥 및 육각 벌집 구조를 포함한 층들 사이의 간극이 증가한다. 이러한 간극 증가는 공기 간극을 가로지르는 대류 열전달을 감소시킨다. 열 흐름 방향에 따른 열 접촉 비대칭은 이 필름이 60–100 °C의 넓은 온도 범위에서 열 정류(thermal rectification) 비율 ≈2.0을 달성하도록 한다.

논문 번호 2412524에서 Taewoo Kim, Jei Gyeong Jeon, Tae June Kang 및 동료 연구진은 기존의 p형 소자를 능가하는 고성능 n형 준고체 상태 열전소자(QTEC)를 제시하였다. 이들은 이온 전도용 소수성-친수성 공중합체 하이드로젤을 사용하였으며, SBMA의 친수성 제비터이온성(zwitternionic) 성분은 이온 전달을, MMA의 소수성 성분은 기계적 안정성을 제공하여 이온 전도성과 내구성을 모두 갖춘 구조를 구현한다. 염화철(II/III) 전해질에 담그면 하이드로젤의 연화성이 증가하고 QTEC 성능이 최적화된다. 이러한 하이드로젤은 웨어러블 기기에서의 실용적 응용 가능성이 크며, 체열을 효과적으로 활용하거나 센서에 전원을 공급할 수 있다.

준고체상 열전 셀(Quasi‐solid‐state thermocells, QTECs)은 체열을 전기로 변환하여 웨어러블 기기의 전원으로서 유망하다. QTECs의 p-형 요소에 대해서는 상당한 진전이 이루어졌으나, n-형 대응 요소에 대해서는 여전히 과제가 남아 있다. 본 연구에서는 기존의 p-형 요소를 능가하는 공중합체 하이드로젤을 이용한 고성능 n-형 QTEC 소자(presented)를 제시한다. 이 공중합체 하이드로젤은 이온 전도용 친수성 쯔비터이온성 설포베타인 메타크릴레이트(zwitterionic sulfobetaine methacrylate, SBMA)와 구조적 안정성용 소수성 메틸 메타크릴레이트(methyl methacrylate, MMA)를 결합한다. MMA 함량을 35 wt.%에서 100 wt.%로 증가시킴으로써 하이드로젤의 탄성률(72 kPa에서 127.7 MPa)과 인장강도(54 kPa에서 6.7 MPa)에 대한 다목적 제어가 가능해진다. 또한 68 wt.% MMA에서 7.2 MJ m −3의 높은 기계적 인성(mechanical toughness)이 달성된다. 이어서 기계적으로 견고하고 높은 인성을 갖는 p(SBMA‐MMA) 하이드로젤을 농도가 서로 다른 Fe(ClO 4 ) 2/3 용액에 침지하여 n-형 QTEC 소자로서의 성능을 평가한다. 0.8 M Fe(ClO 4 ) 2/3를 포함한 하이드로젤은 −1.7 mV K −1의 높은 이온 열전기(Seebeck) 계수, 1.1 mW m −2 K −2의 전력 밀도, 그리고 1.6 MPa의 탄성률을 보이며, 이는 인체 피부와 유사한 수준이다. 마지막으로 최적화된 n-형 p(SBMA‐MMA) 하이드로젤은 웨어러블 기기에 대한 응용 가능성을 시사한다.

열 다이오드는 한 방향으로는 효율적으로 열을 전달하면서 반대 방향으로는 이를 차단함으로써 비대칭적 열 흐름을 가능하게 하며, 열에너지의 제어 및 관리에 큰 잠재력을 지닌다. 여기서는 열 흐름의 방향에 따라 달라지는 열 접촉 비대칭을 활용하는, 확장 가능하고 박막 형태의 열 다이오드 필름을 제시한다. 제안된 열 다이오드 필름은 공기 간극으로 분리된 두 개의 액정 탄성중합체(LCE) 층을 이용하여 제작되며, 한 표면에는 기둥(pillar) 구조가, 다른 표면에는 육각 벌집(hexagonal honeycomb) 구조가 형성되어 있다. 정방향 모드에서는 육각 벌집 구조를 갖는 LCE 층을 가열하면 측벽(sidewall)이 버클링(buckling)하여 반대편의 기둥 구조와 접촉하게 되며, 이는 효율적인 전도성 열 전달을 촉진한다. 역방향 모드에서는 기둥 구조를 갖는 LCE 층을 가열하면 수축(contract)하여 기둥 및 육각 벌집 구조를 포함한 층들 사이의 간극이 증가한다. 이러한 간극 증가는 공기 간극을 가로지르는 대류 열전달을 감소시킨다. 열 흐름 방향에 따른 열 접촉 비대칭은 이 필름이 60–100 °C의 넓은 온도 범위에서 열 정류(thermal rectification) 비율 ≈2.0을 달성하도록 한다.

논문 번호 2412524에서 Taewoo Kim, Jei Gyeong Jeon, Tae June Kang 및 동료 연구진은 기존의 p형 소자를 능가하는 고성능 n형 준고체 상태 열전소자(QTEC)를 제시하였다. 이들은 이온 전도용 소수성-친수성 공중합체 하이드로젤을 사용하였으며, SBMA의 친수성 제비터이온성(zwitternionic) 성분은 이온 전달을, MMA의 소수성 성분은 기계적 안정성을 제공하여 이온 전도성과 내구성을 모두 갖춘 구조를 구현한다. 염화철(II/III) 전해질에 담그면 하이드로젤의 연화성이 증가하고 QTEC 성능이 최적화된다. 이러한 하이드로젤은 웨어러블 기기에서의 실용적 응용 가능성이 크며, 체열을 효과적으로 활용하거나 센서에 전원을 공급할 수 있다.

준고체상 열전 셀(Quasi‐solid‐state thermocells, QTECs)은 체열을 전기로 변환하여 웨어러블 기기의 전원으로서 유망하다. QTECs의 p-형 요소에 대해서는 상당한 진전이 이루어졌으나, n-형 대응 요소에 대해서는 여전히 과제가 남아 있다. 본 연구에서는 기존의 p-형 요소를 능가하는 공중합체 하이드로젤을 이용한 고성능 n-형 QTEC 소자(presented)를 제시한다. 이 공중합체 하이드로젤은 이온 전도용 친수성 쯔비터이온성 설포베타인 메타크릴레이트(zwitterionic sulfobetaine methacrylate, SBMA)와 구조적 안정성용 소수성 메틸 메타크릴레이트(methyl methacrylate, MMA)를 결합한다. MMA 함량을 35 wt.%에서 100 wt.%로 증가시킴으로써 하이드로젤의 탄성률(72 kPa에서 127.7 MPa)과 인장강도(54 kPa에서 6.7 MPa)에 대한 다목적 제어가 가능해진다. 또한 68 wt.% MMA에서 7.2 MJ m −3의 높은 기계적 인성(mechanical toughness)이 달성된다. 이어서 기계적으로 견고하고 높은 인성을 갖는 p(SBMA‐MMA) 하이드로젤을 농도가 서로 다른 Fe(ClO 4 ) 2/3 용액에 침지하여 n-형 QTEC 소자로서의 성능을 평가한다. 0.8 M Fe(ClO 4 ) 2/3를 포함한 하이드로젤은 −1.7 mV K −1의 높은 이온 열전기(Seebeck) 계수, 1.1 mW m −2 K −2의 전력 밀도, 그리고 1.6 MPa의 탄성률을 보이며, 이는 인체 피부와 유사한 수준이다. 마지막으로 최적화된 n-형 p(SBMA‐MMA) 하이드로젤은 웨어러블 기기에 대한 응용 가능성을 시사한다.

82–211 mg/dL(≈4.6–11.7 mM) 범위에서 = 0.940). 이러한 확장 가능하고 조절 가능한 제작 접근법은 소형화된 효소 센서에서 높은 감도와 선택성을 동시에 달성해야 하는 이중 과제를 해결하며, 웨어러블 생체진단 및 개인 맞춤형 의료 기술 전반에 대해 광범위한 잠재력을 제공한다.

구조적 파워 복합재는 전기 에너지를 저장하면서 동시에 기계적 하중을 지지하는 다기능 재료이다. 본 연구에서는 탄소 섬유(CF) 토우에 탄소 슬러리를 혼입함으로써 구조적 파워 복합재용으로 기계적으로 견고하면서도 전기화학적으로 높은 성능을 갖는 전극을 제시한다. 탄소 슬러리는 전기화학적 이중층 충전을 위한 활성 물질로 활성탄, 전기적 경로를 위한 카본 블랙, 그리고 이중층 슈퍼커패시터에서 통상적으로 사용되는 구성 성분인 결합제로 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)로 이루어졌다. 용매로는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)을 사용하였다. 탄소 슬러리의 조성을 조절하여 박리 테스트를 통해 전극 재료와 CF 사이의 결합 강도를 평가한 뒤, 해당 전극 재료의 비정전용량을 단위 중량당 기준으로 정량하기 위해 순환전압전류법을 수행하였다. CF 전극은 슬러리 내 NMP 용매의 양을 조절하여, CF 토우 내부에 슬러리 구성 성분이 균일하게 침투되고 코팅되면서도 전극 재료 함량이 높도록 하여 제작하였다. 제작된 전극은 폴리비닐 알코올(PVA) 겔 전해질(아세트산칼륨 포함)로 이를 코팅한 다음, 이러한 전극 두 개를 샌드위치 형태로 적층하여 구조적 슈퍼커패시터를 제조하는 데 사용하였다. 제조된 슈퍼커패시터는 비정전용량 24 F g^−1 및 인장강도 약 390 MPa를 나타내었다. 또한 슈퍼커패시터의 직렬 및 병렬 연결을 수행함으로써 전극의 전압 및 출력의 확장 가능성을 입증하였다.

아라미드 나노섬유(ANF)는 상업용 poly(p-phenylene terephthalamide)(PPTA) 섬유로부터 분리할 수 있는 강하고 내열성인 나노소재이다. 이러한 나노섬유는 단순 재양성자화(reprotonation) 공정을 통해 다양한 형태의 매크로스케일 구조를 하향식(bottom-up) 자기조립으로 형성할 수 있게 한다. 그러나 재조립된 ANF 구조의 기계적 특성은 주로 불충분한 포장(packing), 비균일한 미세구조, 낮은 결정성으로 인해 PPTA 섬유의 특성에 미치지 못하는 경우가 많다. 본 연구에서는 탈이온수와 개미산을 농도 범위 20~60 wt.%로 사용하고, 재양성자화 공정과 결합한 반복 스핀코팅(repeated spin-coating) 기법으로 제조한 기계적 특성이 향상된 ANF 필름을 제시한다. 결과물 ANF 필름에 대해 표면 및 단면 형태, 화학 결합과 조성, 열적 안정성, 기계적 특성을 평가하기 위한 광범위한 분석을 수행하였다. 제조된 ANF 필름은 탄성률 6.7 GPa, 인장강도 680 MPa, 인성 7.7 MJ m−3를 보였으며, PPTA 섬유의 고유한 열적 안정성을 유지하면서도 두드러진 성능을 나타냈다. 이러한 특성은 이전에 보고된 ANF 필름의 특성을 크게 상회하여, 다양한 분야에서 ANF 필름의 잠재적 응용 범위를 넓혀준다.