Advanced Plasticized PVC Gel for Improved Energy Harvesting and Sensing Applications

Abstract

The growing demand for self-powered electronic systems in wearable devices, human–machine interfaces, and healthcare monitoring has accelerated the development of sustainable energy harvesting and multifunctional sensing technologies. Triboelectric nanogenerators (TENGs), which convert mechanical stimuli into electrical energy via contact electrification and electrostatic induction, have emerged as a promising solution for both energy harvesting and self-powered sensing. However, the practical implementation of TENG-based systems is hindered by limitations in output performance, environmental stability, and material durability.

This dissertation presents a comprehensive investigation into the development of advanced plasticized polyvinyl chloride (PVC) gel systems as multifunctional soft materials for high-performance TENGs and resistive-type strain sensors. Plasticized PVC gels possess high dielectric constants, mechanical compliance, and chemical tunability, making them ideal candidates for energy harvesting and flexible sensing. Nonetheless, issues such as plasticizer leakage and suboptimal triboelectric output have constrained their reliability and performance.

To overcome these limitations, this work systematically explores the effects of various plasticizers and functional additives on the electrical, mechanical, and environmental characteristics of PVC gel. By tailoring the molecular structure and polarity of plasticizers and incorporating dielectric nanoparticles and polar additives, a series of advanced PVC gels were fabricated with enhanced dielectric permittivity, improved charge retention, and minimized migration. These optimized gels demonstrated significantly increased TENG output performance, achieving up to ~282 V and ~20 µA in voltage and current, respectively.

The triboelectric performance of these materials was further analyzed using theoretical models including electron and ion transfer, dipole polarization, and charge trapping mechanisms. In addition, a surface engineering approach—through micro/nanostructuring and bilayer stacking with graphene—was employed to enhance contact intimacy and charge generation. Notably, the introduction of a graphene–PVC bilayer structure led to the development of a stretchable resistive-type strain sensor that complements TENG-based systems by providing high-resolution mechanical deformation monitoring.

Furthermore, sensing applications such as pressure, strain, and position sensing were demonstrated using the fabricated TENGs. These devices exhibited high sensitivity, stretchability, durability, and temperature-independent output characteristics, highlighting their potential for use in real-time, multifunctional electronic skin platforms and low-power IoT applications.

Overall, this study proposes a new material design framework for high-output, stable, and sustainable soft triboelectric materials. It establishes a pathway toward the integration of energy harvesting and multifunctional sensing within a single soft platform, offering valuable insights for next-generation wearable electronics and self-powered systems. |본 논문은 웨어러블 디바이스, 인간-기계 인터페이스, 헬스케어 모니터링 분야에서 자가발전형 전자 시스템에 대한 수요가 증가함에 따라, 지속 가능한 에너지 하베스팅 및 다기능 센서 기술의 개발이 활발히 진행되고 있습니다. 이러한 배경 속에서, 접촉 대전(contact electrification)과 정전 유도(electrostatic induction)를 기반으로 기계적 자극을 전기 에너지로 변환하는 마찰전기 나노발전기(triboelectric nanogeneartor, TENG)는 에너지 수확과 자가전력 센서 응용을 위한 유망한 솔루션으로 주목받고 있습니다. 그러나 마찰전기 나노발전기 기반 시스템은 출력 성능, 환경 안정성, 소재 내구성 등의 한계로 인해 실제 응용에 제약이 존재합니다.

본 연구에서는 고출력 마찰전기 나노발전기 및 이를 응용한 다양한 촉각 센서 구현뿐만 아니라 저항형 메커니즘 기반 스트레인 센서 구현을 위한 연성 다기능 소재로서 가소화된 폴리염화비닐 겔(plasticized polyvinyl chloride gel)의 가능성을 종합적으로 탐구하였습니다. 가소화 폴리염화비닐 겔은 높은 유전상수, 마찰대전 특성, 기계적 유연성, 재료 조합의 자유도를 갖추고 있어 에너지 하베스팅 및 유연 센서 소재로 적합한 특성을 보입니다. 하지만 가소제 누출과 낮은 마찰전기 출력은 성능의 한계로 작용해 왔습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 다양한 분자 구조와 극성을 지닌 가소제 및 기능성 첨가제를 활용하여 폴리염화비닐 겔의 전기적, 기계적, 환경적 특성을 체계적으로 조절하였습니다. 그 결과, 유전 나노입자 및 극성 첨가제를 포함한 최적 조성에서는 유전율이 향상되고, 전하 유지력은 증가하며, 가소제 이동이 효과적으로 억제되었습니다. 최적화된 겔 기반 마찰전기 나노발전기는 약 282 V의 전압과 20μA 의 전류 출력을 달성하였습니다. 또한, 전하 발생 메커니즘에 대한 이해를 바탕으로 전자 및 이온 이동, 쌍극자 분극, 전하 트랩 메커니즘을 분석하였고, 표면 구조 제어 및 그래핀과의 이중층 설계를 통해 접촉 효율과 전하 생성을 향상시켰습니다. 특히, 그래핀–폴리염화비닐 이중층 구조는 높은 신축성과 안정적인 저항 변화 응답을 갖는 저항형 스트레인 센서를 구현하는 데 기여하였습니다.

제작된 마찰전기 에너지하베스터 및 센서 디바이스는 압력, 변형, 위치 등의 기계적 자극을 감지할 수 있으며, 높은 민감도, 신축성, 내구성 및 온도 무관 특성을 바탕으로 전자피부, 웨어러블 시스템, 저전력 IoT 응용에 적합한 가능성을 보여주고 있습니다. 본 연구는 출력과 안정성이 향상된 지속 가능한 연성 마찰전기 소재 설계 전략을 제시하며, 에너지 하베스팅과 센서 기능이 융합된 차세대 자가발전형 스마트 센서 시스템 개발을 위한 기반을 마련하였습니다.