바이오매스 기반의 화학적 재활용이 가능한 연성 소자 연구 = Closed-loop recyclable soft electronics with biomass-derived material

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Soft electronics have attracted considerable attention as a key technology in various advanced fields, including wearable healthcare, electronic skin, and soft robotics. However, their short service lifetimes and complex multi-component structures make efficient end-of-life (EoL) recycling extremely challenging. Conventional recycling strategies rely on physical disassembly, which inevitably causes cross-contamination and incomplete recovery of constituent materials. Moreover, the widespread use of petroleum-based materials in soft electronics leads to substantial carbon emissions throughout the manufacturing process.
In this study, I present a closed-loop recycling strategy for biomass-based soft electronics by integrating the recycling process into the device design stage. A one-pot chemical separation process was developed using a water/dimethyl carbonate (DMC) biphasic solvent system with trifluoroacetic acid (TFA) as a catalyst. Crosslinked poly(ethyl lipoate) (c-P(EtLp)), derived from biomass, was adopted as the stretchable substrate, and a gelatin-based hydrogel was employed as the ion-conducting electrolyte, enabling carbon emission reduction from the manufacturing to the recycling stage. The eutectic gallium-indium alloy (EGaIn) used as the current collector spontaneously settles to the bottom of the recycling solution owing to its high density (6.4 g cm⁻³), while MXene (Ti3C2Tx) used as the active material migrates to the water/DMC interface through surface protonation under acidic conditions. Upon TFA addition, TFA-induced depolymerization of c-P(EtLp) triggers the simultaneous formation of four distinct layers: an aqueous phase containing gelatin/glycerol/LiCl, a MXene layer at the interface, a DMC phase containing EtLp/bis-PEG-LA, and precipitated EGaIn at the bottom. This single-step process enables the simultaneous separation and recovery of all constituents without any physical disassembly, achieving high recovery yields of 99.8 % for gelatin, 95.3 % for EtLp/bis-PEG-LA, 99.0 % for EGaIn, and 85.0 % for MXene.
Supercapacitors, strain sensors, and electromyography sensors reconstructed from the recovered materials demonstrated performance equivalent to those fabricated from pristine materials in terms of electrochemical characteristics, strain-sensing capability, and biosignal detection performance. Furthermore, the scalability of the proposed approach was demonstrated by processing a total of 55 g of mixed EoL devices of different types in a single batch without pre-sorting. The water and DMC solvents used in the recycling process were also recovered and reused, realizing an extended closed-loop system encompassing both raw materials and process solvents. The material design principles and one-pot recycling process presented in this study offer a promising platform for scalable closed-loop recycling of next-generation eco-friendly soft electronics.

국문 초록 (Abstract)

소프트 일렉트로닉스는 웨어러블 헬스케어, 전자 피부, 소프트 로보틱스 등 다양한 첨단 분야에서 핵심 기술로 주목받고 있으나, 짧은 사용 수명과 복잡한 다중 구성 요소 구조로 인해 수명 종료 후 효율적인 재활용이 매우 어렵다는 한계가 있다. 기존의 재활용 전략은 물리적 분해 과정에 의존하여 구성 성분 간 교차오염과 불완전한 회수를 유발하며, 대부분 석유 기반 소재를 사용하여 제조 단계에서부터 상당한 탄소 배출을 초래한다.
본 연구에서는 소자 설계 단계부터 재활용 공정을 통합한 바이오매스 기반 소프트 일렉트로닉스 시스템을 구축하고, 물/다이메틸카보네이트 (DMC) 이상 용매 시스템에서 트리플루오로아세트산 (TFA) 촉매를 이용한 one-pot 화학적 분리 공정을 통해 폐쇄 루프 재활용 전략을 제시하였다. 기판으로는 바이오매스 유래 cross-linked poly(ethyl lipoate) (c-P(EtLp))를, 이온 전도체로는 젤라틴 기반 하이드로겔을 채택하여 제조 단계부터 재활용 단계까지 탄소 배출 저감을 도모하였다. 전도체인 eutectic gallium-indium alloy (EGaIn)은 높은 밀도로 인한 자연 침전을, 활물질인 MXene (Ti3C2Tx)은 산 조건에서의 표면 양성자화에 의한 계면 집적을 통해 각각 자발적으로 독립된 층을 형성한다. TFA 첨가 시 c-P(EtLp)의 해중합이 유도되어 수상의 젤라틴/글리세롤/LiCl, 계면의 MXene, DMC 상의 EtLp/bis-PEG-LA, 최하부의 EGaIn의 네 개의 뚜렷한 층이 단일 공정으로 형성되어 물리적 분해 없이 전 성분의 동시 분리 및 회수가 가능하였다. 이를 통해 젤라틴 99.8 %, EtLp/bis-PEG-LA 95.3 %, EGaIn 99.0 %, MXene 85.0 %의 높은 회수율을 달성하였다.
회수된 원료로 재제작한 슈퍼커패시터, 변형 센서, 근전도 센서는 전기화학적 특성, 변형 감지, 생체신호 감지 성능 모두에서 초기 소자와 동등한 수준을 나타내었다. 나아가 서로 다른 EoL 소자 총 55 g을 사전 분류 없이 단일 공정으로 처리하는 대규모 재활용 가능성을 실증하였으며, 재활용 과정에서 사용된 물과 DMC 용매도 회수하여 공정에 재사용함으로써 원료와 용매를 모두 포함하는 확장된 폐쇄 루프 시스템을 구현하였다. 본 연구에서 제시한 소재 설계 원리와 one-pot 재활용 공정은 차세대 친환경 소프트 일렉트로닉스를 위한 확장 가능한 폐쇄 루프 재활용 플랫폼으로서의 가능성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 2 장 실 험 7
• 2.1 시약 및 재료 7
• 2.2 EtLp 합성 7
• 2.3 bis-PEG-LA 가교제 합성 8
• 2.4 c-P(EtLp) 기판 제작 8
• 2.5 젤라틴 하이드로겔 전해질 합성 9
• 2.6 MXene 잉크 제작 9
• 2.7 소자 조립 9
• 2.8 EoL 소자의 재활용 공정 10
• 2.9 구성 요소 분리 및 정제 10
• 2.10 분석 11
• 2.10.1 분석 기기 11
• 2.10.2 소자 성능 측정 11
• 제 3 장 결과 및 고찰 13
• 3.1 바이오매스 기반 소재 선정 및 소자 설계 13
• 3.1.1 기판 소재 선정 13
• 3.1.2 이온 전도체 소재 선정 14
• 3.1.3 전도체 소재 선정 16
• 3.1.4 활물질 소재 선정 16
• 3.1.5 소자 설계 18
• 3.2 One-pot 화학적 분리 공정 및 메커니즘 18
• 3.2.1 재활용 용액 설계 18
• 3.2.2 TFA 촉매의 존재에 따른 재활용 메커니즘 19
• 3.2.3 원료 회수 20
• 3.3 회수 재료의 물성 분석 21
• 3.3.1 슈퍼커패시터의 EoL 거동 21
• 3.3.2 MXene 22
• 3.3.3 EGaIn 23
• 3.3.4 c-P(EtLp) 24
• 3.3.5 젤라틴 하이드로겔 25
• 3.3.6 재활용 용액 26
• 3.4 재활용 소재를 이용한 소자 재조립 및 성능 평가 27
• 3.4.1 대규모 one-pot 재활용 공정의 확장성 27
• 3.4.2 슈퍼커패시터 29
• 3.4.3 변형 센서 31
• 3.4.4 근전도 센서 32
• 제 4 장 결 론 34
• [참고 문헌] 36
• 감사의 말 43