인간과 통합된 다중 규모 및 계층적 주름 강화 그래핀/Ecoflex 센서

npj 유연한 전자공학 6권, 기사 번호: 55(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

현재 최첨단 신축성/유연성 센서는 감도, 유연성, 선형성 및 광범위한 측정 기능에 대한 엄격한 요구를 받아왔습니다. 여기에서는 유연한 기판의 다중 규모/계층적 주름을 조절하여 그래핀/Ecoflex 복합재를 기반으로 한 스트레인 센서의 방법론을 보고합니다. 이 센서는 게이지 계수 1078.1, 신축성 650%, 응답 시간 ~140ms, 탁월한 사이클링 내구성으로 초고감도를 보여줍니다. 활발한 신체 움직임, 맥박 모니터링, 음성 인식 등 광범위한 생리 신호를 감지할 수 있으며, 클라우드 플랫폼을 활용해 인간의 호흡을 실시간으로 모니터링하는 데에도 활용될 수 있어 헬스케어 사물인터넷의 큰 잠재력을 보여줍니다. 복잡한 몸짓/수화를 정확하게 감지할 수 있습니다. 인간-기계 인터페이스는 센서 통합 장갑을 사용하여 외부 조작기를 원격으로 제어하여 폭탄을 원격으로 해체하는 방식으로 시연됩니다. 본 연구에서는 산업 및 군사 분야에서 위험한 작업을 수행하기 위한 실시간/장거리 의료 진단 및 원격 지원 전략을 제공합니다.

유연하고, 신축성이 있고, 착용 가능한 변형률 센서는 최근 유연성/구부림/신축성 또는 곡선형 기판에 큰 변형이 적용될 수 있기 때문에 광범위한 주목을 받았습니다. 복잡한 기계적 변형을 전기 신호로 효과적으로 변경하여 인간 건강 모니터링 시스템, 착용 가능한 사물 인터넷(WIoT), 인간-기계 상호 작용 및 소프트 로봇 공학 등에 대한 응용이 유망합니다1,2,3,4,5. 이러한 신축성/유연성/웨어러블 스트레인 센서는 견고한 센서(일반적으로 5% 미만의 스트레인)6에 비해 훨씬 더 큰 스트레인(최대 500%)과 상당한 변형을 견딜 수 있습니다. 따라서 복잡한 모양의 표면에 대한 현장 및 정밀 측정을 위해 탐색됩니다. 용량성 센서7,8, 저항성 센서9,10, 마찰 전기 센서11,12 및 압전 센서13,14와 같은 다양한 유형의 신축성 스트레인 센서를 현재 사용할 수 있습니다. 그 중 저항성 변형은 간단한 구조, 편리한 판독 회로 및 저비용 미세 가공 공정을 가질 뿐만 아니라 우수한 신축성, 고감도 및 유연성을 제공하기 때문에 웨어러블 감지 응용 분야에 널리 사용되었습니다.

최근 관련 연구는 스트레인 센서를 제작하기 위해 유연한 폴리머와 통합된 전도성 재료에 중점을 두고 있습니다. 카본 블랙(CB), 나노 입자(NP), 탄소 나노 튜브(CNT), 그래핀, 나노 와이어(NW) 및 하이브리드 마이크로/나노 구조와 같은 다양한 재료가 이러한 목적으로 적용되었습니다17,18,19,20,21,22, 23. 그 중에서 저차원 탄소(CB, CNT 및 그래핀 포함)는 우수한 유연성, 큰 표면/부피 비율, 우수한 화학적 및 열적 안정성, 우수한 전기 전도성으로 인해 매우 매력적입니다24,25,26.

실용적인 응용을 실현하기 위해서는 이러한 센서가 높은 감도와 큰 신축성을 모두 가져야 합니다. 그러나 감도와 신축성은 종종 서로 모순되는 것으로 간주됩니다. 따라서 많은 연구자들은 높은 달성을 위한 이러한 딜레마를 해결하기 위해 다양한 표면 및 인터페이스 엔지니어링 방법(예: 물고기 규모 미세 구조27, 가역적 미세 균열 형성28, 마이크로 프리즘 배열 아키텍처29, 산-계면 엔지니어링30 및 주름 구조 등31,32,33)을 제안했습니다. 감도와 광범위한 변형 감지. 이러한 방법 중 주름 구조를 적용하는 것이 널리 사용되는 전략 중 하나입니다. 이전에는 Pegan et al. 주름진 백금 변형률 센서를 제안했으며 185%의 인장 변형률과 4234의 게이지 계수(GF)를 달성했습니다. Xue et al. 107135의 초고 GF를 입증하는 주름진 구조의 그래핀과 나노결정질 탄소 필름을 사용한 스트레인 센서를 제안했습니다. Chu et al. 사전 스트레칭 방법을 사용하여 주름 기반 센서를 제작했으며 최대 300%의 변형률을 보여주었습니다. 그럼에도 불구하고, 이렇게 개발된 스트레인 센서는 높은 감도(GF > 1000)와 높은 신축성(>500%)뿐만 아니라 광범위한 스트레인 감지를 위한 초고속 응답 및 기능을 결합하는 것이 여전히 어렵습니다. 이러한 한계를 극복하고 우수한 안정성과 초고속 응답은 물론 광범위한 스트레인 감지 기능을 갖춘 매우 민감하고 신축성이 있는 스트레인 센서를 개발하기 위한 다양한 전략을 탐색하는 것이 중요합니다.