In this study, we fabricated 3D-printed flexible electrically conductive thermoplastic polyurethane (TPU) composites by impregnating polypyrrole (PPy), as an active component for sensing reducing gases, with graphene oxide (GO) or carbon quantum dots (QDs), as an electron transfer mediator. Carbon-based QDs were synthesized from banana peel solid waste using a hydrothermal synthesis technique. After impregnating GO or QDs into the porous TPU matrix, three kinds of functionalized conductive TPU composites, TPU-PPy, TPU-GO-PPy, and TPU-QD-PPy, were fabricated by vapor-phase polymerization of PPy. The chemical compositions, morphological, and mechanical/electrical properties were analyzed to confirm the designed conductive composites and evaluate their applicability as sensor elements. These composite materials were applied as reducing gas sensing materials, such as triethylamine, ammonia (NH₃), and ethanol, and showed excellent sensitivity, repeatability, selectivity, and humidity stability for NH₃ gas. In particular, among the prepared composites, TPU-QD-PPy showed the best performance as a chemical sensor.

본 연구에서 환원성 가스의 센싱 활성 성분인 폴리피롤(PPy)과 전자 전달 매개 소재인 그래핀 산화물(GO) 또는 탄소 양자점(QD)을 함침시켜 제조된 3D 프린트 기반 유연 전기 전도성 열가소성 폴리우레탄(TPU) 복합체를 제조하였다. 탄소계 QD는 수열 합성 기술을 사용하여 바나나 껍질 고형 폐기물에서 합성했다. GO 또는 QD를 다공성 TPU 매트릭스에 함침한 다음 PPy를 기상 중합하여 세 가지 종류의 기능화된 전도성 TPU 복합체인 TPU-PPy, TPU-GO-PPy, TPU-QD-PPy를 제조했다. 화학적인 조성과 형태학적 및 기계·전기적 특성 분석을 수행하여 설계된 복합체의 확인 및 센서 소자로의 활용 가능성을 평가하였다. 이 복합체 소재들은 트리에틸아민, 암모니아(NH₃), 에탄올과 같은 환원성 가스 감지 소재로 적용되었으며 NH₃가스에 대한 우수한 감도와 반복성, 선택성 그리고 습도에 대한 안정성을 보였다. 특히 제조된 복합체중에서 TPU-QD-PPy가 가장 우수한 화학 센서로의 성능을 보였다.

Keywords: 3D printer, thermoplastic polyurethane, polypyrrole, carbon quantum dot, chemical sensor.