Fabrication of inherently helical silver nanofiber using electrospinning process

Abstract

This study aimed to fabricate silver nanofibers using new process parameters of electrospinning and develop transparent and stretchable electrodes for stretchable electronics using them. A series of research was carried out to achieve goals as follows.

A multi-physics model for the simulation of gas-assisted melt-electrospinning (GAME) process was developed to understand the roles of process parameters. By numerically calculating the stresses acting on the jet during a single-nozzle GAME process, the shear viscous stress was identified as the main factor of jet stretch. The jet stretch ratio increased sharply when shear viscous stress reached the level at which jet sharpening occurred, leading to stable jet formation. This stress was defined as the critical shear viscous stress to determine stable spinnability. In addition, a multi-nozzle GAME was simulated, proposing a spinnability diagram for stable spinning. A new process was designed to fabricate helical fibers. Here, the effect of solidification behavior of the jet on the formation of intrinsic curvature and on the final morphology of electrospun fibers was investigated. Fiber morphology during electrospinning was observed to dramatically change from straight to helical due to rapid solidification of the jet. Investigation of the resulting jet morphologies revealed that fiber structure changed from straight to helical as the vapor pressure increased. A similar effect was observed with conductive solutions prepared by adding large amounts of metal ion to the polymer solution. Simulations revealed that the jet near the nozzle tip was subject to a strong electrical field due to increased charge density. The thickness of the emerging fiber was rapidly reduced with fast and simultaneous solidification, resulting in helical nanofibers. A mechanism was suggested that can describe the formation of helical fibers. Transparent and stretchable electrodes (TSEs) was fabricated using electrospun silver nanofibers. Here, a composite comprising shape memory polymer–TSE (SMP–TSE) using crosslinked polycyclooctene as a substrate was fabricated, which showed wrinkle-free deformation and switchable optical transparency. Because of its considerable elongation without residual strain and the shape memory behavior of polycyclooctene, in-plane buckled nanofibers were formed effectively. Due to these in-plane buckled nanofibers, the electrode maintained its resistance during 3,000 cycles of a bending test and 900 cycles of a tensile test. Furthermore, SMP–TSE was able to electrically control its temperature, optical transparency, elastic modulus, and shape memory behavior. Finally, SMP–TSE was demonstrated for a smart electrode that could control its optical and mechanical properties. Keywords: Electrospinning, Numerical simulation, Process parameters, Silver nanofibers, Transparent and stretchable electrode Student number: 2014-22539

본 연구의 목적은 전기방사 공정에서의 새로운 공정 변수들을 이용하여 은나노섬유를 제작하고 이를 활용하여 투명·신축 전극을 제작하는 것이다. 이를 위한 일련의 연구들이 다음의 순서로 진행되었다.

Gas-assisted 용융 전기방사 공정에 대한 multi-physics 모델링을 개발하였으며 이를 통하여 공정 변수들의 역할을 파악하였다. 단일 노즐을 이용한 공정에서 젯의 표면에 인가되는 응력을 수치해석을 통하여 분석함으로써 젯의 인장에 있어 점성 전단 응력이 주요하게 작용함을 밝혀냈다. 젯은 점성 전단 응력이 특정 값에 도달하였을 때에 안정적으로 형성되었으며, 젯의 인장률 또한 급격히 증가하였다. 이때의 응력을 안정적인 방사성을 판단하는 임계 점성 전단 응력이라 정의 하였다. 단일 노즐 공정뿐만 아니라 멀티 노즐 공정을 모델링하였으며 이로부터 안정적인 방사성을 판단할 수 있는 방사성 다이어그램을 제시하였다. 다음으로는 섬유의 구조를 헬리컬 구조로 제작하는 공정을 디자인 하였다. 우선, 젯의 초기 곡률과 젯의 위치에 따른 고화가 섬유의 구조에 미치는 영향을 조사하였다. 전기 방사된 섬유의 구조는 용매의 증기압이 증가함에 따라 발생하는 빠른 고화로 인하여 직선형태에서 헬리컬 구조로 변화하였다. 이는 금속 이온이 과량으로 첨가된 전도성 용액에 대해서도 유사한 결과를 보였다. 이에 대한 시뮬레이션 결과는 전하 밀도의 증가가 강한 전기장을 발생시켰으며, 이로 인하여 젯의 급격한 인장 및 고화가 발생하였음을 보여주며, 그러한 이유로 헬리컬 구조가 형성되었음 나타냈다. 이를 이용하여 헬리컬 구조의 섬유가 형성되는 메커니즘을 제시하였다. 마지막으로 전기방사를 이용해 제작한 은나노섬유를 이용하여 투명·신축 전극을 제작하였다. 전극은 형상기억 고분자인 crosslinked polycyclooctene을 기판으로 활용하였다. 제작한 전극은 잔류 변형이 없고 투명도를 제어할 수 있는 특성을 보였다. 큰 인장에도 잔류 변형을 보이지 않는 형상기억고분자 기판의 특성으로 인해 면내 굽힘 구조의 은나노섬유가 효율적으로 제작되었다. 이러한 특성으로 제작한 전극은 3,000회의 굽힘 평가와 900회의 인장평가에도 전도성을 유지할 수 있었다. 또한 제작한 전극은 전기적 자극을 통하여 온도, 투명도, 강성 및 형상기억 특성을 제어할 수 있다는 특징을 보였다. 제작한 전극을 활용하여 광학적 그리고 기계적 특성을 제어할 수 있는 새로운 형태의 스마트 전극을 시연 하였다. 핵심어: 전기방사공정, 전산모사, 공정변수, 은나노섬유, 투명·신축 전극 학번: 2014-22539