Material designs for electrostatic energy harvesting and biomedical applications
저자
발행사항
Seoul : Sungkyunkwan university, 2021
학위논문사항
Thesis (Ph.D.)-- Sungkyunkwan university : Department of Advanced Materials Science and Engineering 2021. 8
발행연도
2021
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
서울
기타서명
정전기 에너지 하베스팅 및 생의학적 응용을 위한 소재 설계
형태사항
127 p. : col. ill., charts ; 30 cm
일반주기명
Adviser: Sang-Woo Kim
Includes bibliographical reference(p. 109-121)
UCI식별코드
I804:11040-000000165027
DOI식별코드
소장기관
Given a growing demand for biomedical electronics for health and longevity, energy harvesting which convert abandoned energy to useful electrical energy gives a breakthrough through providing alternative power source of biomedical systems. Energy harvesting can overcome or compensate the technological limitation of existing energy storage devices such as batteries or supercapacitors by charging them continuously or being self-powered electronics itself. Among them, electrostatic energy harvesting such as triboelectric energy harvesting and electromagnetic wave energy harvesting can be promising technologies for biomedical systems because of their high performance, wide material options, and potential to be miniaturized.
In-depth studies on material design are crucially required to achieve high performance and biocompatibility at the same time. Here, we explore biomedical applications of electrostatic energy harvesting through material designs. In chapter 1, we introduce the background of electrostatic electrostatic energy harvesting and the importance of material designs for biomedical applications. In chapter 2, we investigate nature-derived ϰC-Agar composite which is highly triboelectric positive and fully biodegradable. Through material evaluation, we found that ϰC-Agar composite has increased surface potential and generates more positive triboelectric charges than pure materials by the formation of electron-donating functional groups and charge trapping site. Also, we fabricated fully biodegradable triboelectric nanogenerator based on the composite and it shows high performance and tunable lifetime in ex-vivo studies. In chapter 3, we explore blocking SARS-CoV-2 using a textile capacitor based on conductive PEDOT:PSS coated silk textile. We fabricated highly conductive PEDOT:PSS coated silk textile through simple dipping and annealing process and especially, the conductivity was 60.3 times enhanced by methanol treatment. Through ex-vivo study, we validated the textile capacitor powered by human body triboelectric energy harvesting can highly block the spread of SARS-CoV-2 by applying repulsive/attractive Coulomb force to the virus aerosol. In chapter 4, we investigate wound healing patch (WHP) based on high-k P(VDF-TrFE):CCTO composite. WHP applies electric potential difference to wound by electromagnetic wave energy harvesting. Through fabrication of high-k P(VDF-TrFE):CCTO composite as dielectric layer of WHP, we found that the dielectric constant increases and potential difference on wound is maximized at 2 wt% CCTO concentration. Through in vivo, in-vitro study, we found that WHP shows 48.7 % faster wound healing compared to control group by promoting the migration and the proliferation of fibroblast cells.
건강과 장수를위한 생의학 전자기기에 대한 수요가 증가함에 따라 버려진 에너지를 유용한 전기 에너지로 변환하는 에너지 수확은 생의학 전자기기의 대체 전원을 제공함으로써 돌파구를 제공할 수 있다. 에너지 수확은 배터리 또는 슈퍼 커패시터와 같은 기존 에너지 저장 장치를 지속적으로 충전하거나 그 자체로 자가동력 전자기기가 됨으로써 에너지 저장 장치의 기술적 한계를 극복하거나 보완할 수 있다. 그 중 마찰정전기 에너지하베스팅 및 전자기파 에너지하베스팅과 같은 정전기 원리에 기반한 에너지하베스팅 기술은 높은 출력, 광범위한 재료 옵션 및 소형화 가능성으로 인해 생의학 응용 분야에 적용되기에 유리하다.
생체 의학 시스템에서 에너지 수확의 이점을 극대화하려면 고성능, 생체 적합성 및 내구성을 달성하기 위해 재료 설계에 대한 심층 연구가 필수적이다. 여기서 우리는 재료 설계를 기반으로 에너지 수확의 생의학 응용 가능성을 조사한다. 1 장에서는 정전기 원리를 기반으로 한 에너지 수확의 배경과 생의학 응용을 위한 재료 설계의 중요성을 소개한다. 2 장에서는 높은 마찰정전기 특성을 가지고 완전 생분해가 가능한 ϰC-Agar 복합체를 조사한다. 재료 평가를 통해 ϰC-Agar 복합체는 전자 공여 작용기와 전하 포획 부위의 형성으로 순수 재료보다 표면 전위가 증가하고 더 많은 양의 마찰전하를 생성함을 확인했다. 또한 복합체를 기반으로 완전 생분해성
마찰 전기 나노 발전기를 제작하였으며, 이는 생체 외 연구에서 높은 성능과 가변 수명을 보였다. 3 장에서는 전도성 PEDOT : PSS 코팅 실크 직물을 기반으로 한 직물 커패시터를 사용하여 SARS-CoV-2를 차단하는 방법을 탐구한다. 간단한 침지 및 어닐링 공정을 통해 전도성이 높은 PEDOT : PSS 코팅 실크 직물을 제작하였으며, 특히 메탄올 처리로 전도성이 60.3 배 향상되었다. 생체 외 연구를 통해 인체 마찰 전기 에너지 수확으로 구동되는 섬유 커패시터가 바이러스 에어로졸에 쿨롱 반발력/인력을 인가하여 SARS-CoV-2의 확산을 크게 차단할 수 있음을 검증한다. 4 장에서는 P (VDF-TrFE):CCTO 고유전 복합체에 기반한 상처 치유 패치 (WHP)를 조사한다. WHP는 인체가 매개하는 전자파 에너지하베스팅을 응용하여 상처에 전위차를 적용할 수 있다. WHP의 유전층으로 고유전 복합체 P (VDFTrFE):CCTO를 제작하였으며 2 wt% CCTO 농도에서 유전율이 증가하고 상처 전위차가 극대화되는 것을 확인했다. 전임상 시험 및 생체 외 실험을 통해 WHP는 상처치유에 주요한 역할을 하는 섬유 아세포의 이동과 증식을 촉진하여 상처치료를 가속화하며, 대조군에 비해 48.7 % 빠른 상처 치유가 가능함을 확인했다.
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