High-Toughness IPN Hydrogel with Zipper-Interlocked Energy Dissipation for Multifunctional Wearable Applications = 고인성 IPN 하이드로겔:지퍼처럼 맞물린 에너지 소산 구조를 통한 다기능 웨어러블 응용

국문 초록 (Abstract)

전도성 하이드로젤은 플렉서블 전자 소재로서 큰 잠재력을 보여줍니다. 그러나 높은 기계적 강도와 장기적 안정성을 동시에 확보하는 것은 여전히 어려운 과제로 남아 있습니다. 본 연구는 in-situ 중합법을 통해 제조된 강하고 인성이 뛰어난 PEO-co-SBMA 상호침투 고분자 망목（IPN） 하이드로젤을 보고합니다. 이 하이드로젤은 염화칼륨（KCl）을 첨가하여 전도성을 부여받았습니다. PEO/SBMA40/KCl1.0 다기능 이온 전도성 하이드로젤은 우수한 기계적 특성（응력 2.23 MPa, 신장률 995%, 인성 7.4 MJ/m²）과 이온 전도도（0.193 S/m）를 나타냅니다. 분광학적 특성 분석 결과, 초고분자량 PEO 의 물리적 얽힘과 결합된 pSBMA 사슬 간의 동적 지퍼형 맞물림 구조가 효율적인 에너지 소산 및 인성 향상을 달성하는 것으로 밝혀졌습니다. 실제 실험 평가에서, 이 하이드로젤은 높은 감도（GF=3.21, R2=0.999）, 초광범위 감지 범위（0%~700%）, 빠른 응답 시간（255 ms）을 보여주었습니다. 이러한 특성을 바탕으로, PEO/SBMA40/KCl1.0 하이드로젤 기반의 유연한 웨어러블 센서는 인체의 미세한 움직임을 정밀하게 감지할 수 있으며, IPN 전도성 하이드로젤은 무선 전송 모듈과 통합하여 실시간 데이터 모니터링을 수행할 수 있는 큰 가능성을 보여줍니다. 본 논문에서 보고하는 고성능, 다기능 유연한 스트레인 센서는 움직임 모니터링 분야에 실질적인 참고 자료를 제공합니다. 키워드: IPN 하이드로겔, 지퍼형 맞물림 구조, 고인성, 웨어러블 센서.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Conductive hydrogels present significant potential within the field of wearable electronics. However, achieving high strength and lasting mechanical stability still presents a challenge. This study reports a robust and tough P（EO-co-SBMA） interpenetrating polymer network （IPN） hydrogel synthesized through polymerization in situ. The addition of potassium chloride （KCl） confers electrical conductivity to the hydrogel. The PEO/SBMA40/KCl1.0 multifunctional ionic conductive hydrogel exhibits outstanding mechanical properties （2.23 MPa stress, 995% elongation, 7.4 MJ/m³ toughness） and ionic conductivity （0.193 S/m）. Spectroscopic characterization reveals that the dynamic ‘zipper-like’ interlocking between pSBMA chains, synergized with the physical entanglement of ultra-high molecular weight PEO, achieves efficient energy dissipation and toughness enhancement. In practical testing, the hydrogel demonstrates high sensitivity （GF=3.21, R²=0.999）, an extremely wide detection range （0%–700%） and rapid response time （90 ms）. Building on these characteristics, PEO/SBMA40/KCl1.0 The PEO/SBMA40/KCl1.0 hydrogel-based flexible wearable sensor enables precise monitoring of human movement, with the IPN conductive hydrogel exhibiting significant potential for integrating with wireless transmission units to support real-time monitoring. The high-performance, multifunctional flexible strain sensors reported in this paper provide a viable reference for motion monitoring. Keywords: IPN hydrogel, Zipper-like interlocking, High toughness, Wearable sensor.

목차 (Table of Contents)

• I. Introduction 1
• II. Theoretical Basis 4
• 1. Ionic Conductive Hydrogels 4
• 2. Energy Dissipation Mechanisms of Tough Hydrogels 6
• 3. Interpenetrating Polymer Networks （IPNs） and Crosslinking Mechanisms 9
• 4. Flexible Strain Sensors and Applications 12
• 5. PEO/pSBMA IPN Conductive Hydrogel 15
• III. Experimental Section 18
• IV. Result and Discussion 22
• 1. Mechanical Properties 22
• 1.1. Tensile Behavior 22
• 1.2 Mechanical Hysteresis 27
• 2. Characterization 30
• 2.1 X-Ray Diffractometer Spectrometer 30
• 2.2 Fourier Transform Infra-Red Spectrometer 32
• 2.3 Scanning Electron Microscopy and Elemental Mapping 35
• 3. Physical Properties of IPN hydrogels. 37
• 4. Electrical Properties 40
• 5. Sensing Performance 42
• 5.1 Electromechanical Performance 42
• 5.2 Human Motion Sensing Performance 46
• V. Conclusion 48
• References 49
• Acknowledgement 62