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웨어러블 압력 센서는 인간의 건강을 모니터링하고 인간과 컴퓨터의 상호 작용을 실현하는 데 도움이 될 수 있습니다.범용 장치 설계와 기계적 응력에 대한 높은 감도를 갖춘 압력 센서를 만들기 위한 노력이 계속되고 있습니다.
연구: 50개의 노즐이 있는 전기방사된 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유를 기반으로 하는 직조 패턴 의존 직물 압전 압력 변환기.이미지 크레디트: 아프리카 스튜디오/Shutterstock.com
npj Flexible Electronics 저널에 게재된 기사는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 날실과 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 씨실을 사용하는 직물용 압전 압력 변환기 제조에 대해 보고합니다.개발된 압력센서의 직조패턴 기반의 압력 측정과 관련하여 약 2미터의 천 저울에서 성능을 시연하였다.
결과는 2/2 카나드 설계를 사용하여 최적화된 압력 센서의 감도가 1/1 카나드 설계보다 245% 더 높다는 것을 보여줍니다.또한 굴곡, 압착, 주름, 뒤틀림, 다양한 인체 움직임 등 최적화된 직물의 성능을 평가하기 위해 다양한 입력을 사용했습니다.본 연구에서 센서 픽셀 어레이를 갖는 조직 기반 압력 센서는 안정적인 지각 특성과 높은 감도를 나타냅니다.
쌀.1. PVDF 실 및 다기능 직물의 준비.구리 막대가 컨베이어 벨트에 평행하게 배치되는 PVDF 나노섬유의 정렬된 매트를 생산하는 데 사용되는 50노즐 전기방사 공정의 다이어그램. 단계는 4층 모노필라멘트 필라멘트에서 3개의 편조 구조를 준비하는 것입니다.b 정렬된 PVDF 섬유의 SEM 이미지 및 직경 분포.c 4겹 실의 SEM 이미지.d 꼬임의 함수로서 4겹 실의 파단 시 인장 강도 및 변형률.e 알파 및 베타 상의 존재를 보여주는 4겹 실의 X선 회절 패턴.© 김DB, 한정, 성, 에스엠, 김미소, 최백경, 박수진, 홍형식, H. R 외.(2022)
지능형 로봇과 웨어러블 전자 장치의 급속한 발전으로 유연한 압력 센서를 기반으로 하는 많은 새로운 장치가 생겨났으며 전자, 산업 및 의료 분야에서 응용 분야가 빠르게 발전하고 있습니다.
압전은 기계적 응력을 받는 재료에서 생성되는 전하입니다.비대칭 재료의 압전성은 기계적 응력과 전하 사이의 선형 가역 관계를 허용합니다.따라서 압전 재료 조각이 물리적으로 변형되면 전하가 생성되고 그 반대도 마찬가지입니다.
압전 장치는 자유 기계적 소스를 사용하여 전력을 거의 소모하지 않는 전자 부품에 대체 전원을 제공할 수 있습니다.장치의 재료 및 구조 유형은 전기 기계 결합을 기반으로 하는 터치 장치 생산의 핵심 매개변수입니다.고전압 무기 재료 외에도 웨어러블 장치에서 기계적으로 유연한 유기 재료도 탐색되었습니다.
전기방사법에 의해 나노섬유로 가공된 고분자는 압전 에너지 저장장치로 널리 사용되고 있다.압전 폴리머 나노섬유는 다양한 환경에서 기계적 탄성을 기반으로 전기기계적 생성을 제공함으로써 웨어러블 애플리케이션을 위한 패브릭 기반 디자인 구조의 생성을 용이하게 합니다.
이를 위해 압전 특성이 강한 PVDF 및 그 유도체를 비롯한 압전 고분자가 널리 사용된다.이 PVDF 섬유는 센서 및 발전기를 포함한 압전 응용 분야를 위한 직물로 인발 및 방사됩니다.
그림 2. 대면적 조직 및 물리적 특성.최대 195cm x 50cm의 대형 2/2 위사 리브 패턴 사진.b 두 개의 PET 베이스가 삽입된 하나의 PVDF 위사로 구성된 2/2 위사 패턴의 SEM 이미지.c 1/1, 2/2 및 3/3 위사 가장자리가 있는 다양한 직물의 파단 계수 및 변형률.d는 직물에 대해 측정된 매달린 각도입니다.© 김DB, 한정, 성에스엠, 김미래, 최백경, 박수진, 홍형식, H. R 외.(2022)
현재 연구에서, PVDF 나노섬유 필라멘트에 기반한 직물 생성기는 순차 50-제트 전기방사 공정을 사용하여 구성되며, 여기서 50개의 노즐을 사용하면 회전 벨트 컨베이어 벨트를 사용하여 나노섬유 매트의 생산을 용이하게 합니다.1/1(플레인), 2/2 및 3/3 위사 리브를 포함하여 다양한 직조 구조가 PET 원사를 사용하여 생성됩니다.
이전 작업에서는 섬유 수집 드럼에 정렬된 구리 와이어 형태로 섬유 정렬을 위한 구리 사용을 보고했습니다.그러나 현재 작업은 들어오는 전하 섬유와 구리 섬유에 부착된 섬유 표면의 전하 사이의 정전기적 상호 작용을 기반으로 방사구를 정렬하는 데 도움이 되도록 컨베이어 벨트에서 1.5cm 간격으로 평행한 구리 막대로 구성됩니다.
앞에서 설명한 용량성 또는 압저항 센서와 달리 본 논문에서 제안하는 조직 압력 센서는 0.02에서 694N까지의 광범위한 입력 힘에 반응한다.또한 제안된 직물 압력 센서는 5번의 표준 세탁 후에도 원래 투입량의 81.3%를 유지하여 압력 센서의 내구성을 나타냅니다.
또한 1/1, 2/2, 3/3 리브 편직에 대한 전압 및 전류 결과를 평가하는 민감도 값은 2/2 및 3/3 리브 압력에 대해 83 및 36 mV/N의 높은 전압 민감도를 나타내었다.3개의 위사 센서는 24mV/N 위사 압력 센서 1/1과 비교하여 이들 압력 센서에 대해 각각 245% 및 50% 더 높은 감도를 보여주었습니다.
쌀.3. 풀클로스 압력센서 적용 확대.앞발(발가락 바로 아래)과 발뒤꿈치 움직임을 감지하기 위해 2개의 원형 전극 아래에 삽입된 2/2 위사 늑골 직물로 만든 깔창 압력 센서의 예.b 발 뒤꿈치 착지, 접지, 발가락 접촉 및 다리 들어 올리기와 같은 걷기 과정의 개별 단계의 각 단계에 대한 도식적 표현.c 보행 분석을 위한 보행 단계의 각 부분에 대한 전압 출력 신호 및 d 보행의 각 단계와 관련된 증폭된 전기 신호.e 각 픽셀에서 개별 신호를 감지하기 위해 패턴화된 전도성 라인이 있는 최대 12개의 직사각형 픽셀 셀 어레이가 있는 전체 조직 압력 센서의 개략도.f 각 픽셀을 손가락으로 누르면 생성되는 전기 신호의 3D 맵.g 손가락으로 누른 픽셀에서만 전기적 신호가 감지되고 다른 픽셀에서는 측면 신호가 발생하지 않아 혼선이 없음을 확인합니다.© 김DB, 한정, 성에스엠, 김미래, 최백경, 박수진, 홍형식, H. R 외.(2022)
결론적으로, 이 연구는 PVDF 나노섬유 압전 필라멘트를 통합한 고감도 및 착용 가능한 조직 압력 센서를 시연합니다.제조된 압력 센서는 0.02에서 694N까지의 광범위한 입력 힘을 가집니다.
50개의 노즐이 하나의 시제품 ​​전기 방적기에 사용되었고, 구리 봉을 기반으로 한 배치 컨베이어를 사용하여 나노 섬유의 연속 매트가 생산되었습니다.간헐압축 하에서 제작된 2/2 위사단 원단은 1/1 위사단 원단보다 약 245% 높은 83 mV/N의 감도를 보였다.
제안된 전체 직조 압력 센서는 비틀기, 구부리기, 쥐기, 달리기 및 걷기를 포함한 생리적 움직임을 전기 신호에 적용하여 전기 신호를 모니터링합니다.또한 이 직물 압력 게이지는 내구성 면에서 기존 직물과 비교할 수 있으며 5회 표준 세탁 후에도 원래 수율의 약 81.3%를 유지합니다.또한, 제작된 조직 센서는 사람의 보행의 연속적인 구간을 기반으로 전기적 신호를 발생시켜 헬스케어 시스템에 효과적이다.
김동일, 한정진, 성에스엠, 김미래, 최백경, 박성주, 홍홍기 외(2022).직조 패턴에 따라 50개의 노즐이 있는 전기 방사된 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유를 기반으로 하는 직물 압전 압력 센서.플렉서블 일렉트로닉스 npj.https://www.nature.com/articles/s41528-022-00203-6.
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Bhavna Kaveti는 인도 하이데라바드 출신의 과학 저술가입니다.그녀는 인도의 Vellore Institute of Technology에서 MSc 및 MD를 취득했습니다.멕시코 과나후아토 대학에서 유기 및 의약 화학을 전공했습니다.그녀의 연구 작업은 헤테로사이클을 기반으로 한 생체 활성 분자의 개발 및 합성과 관련이 있으며 다단계 및 다성분 합성 경험이 있습니다.그녀의 박사 연구 기간 동안 그녀는 생물학적 활성을 추가로 기능화할 수 있는 잠재력을 가질 것으로 예상되는 다양한 헤테로사이클 기반 결합 및 융합 펩티드 모방 분자의 합성에 대해 연구했습니다.논문과 연구 논문을 쓰는 동안 그녀는 과학적 글쓰기와 커뮤니케이션에 대한 열정을 탐구했습니다.
캐비티, 버프너.(2022년 8월 11일).웨어러블 건강 모니터링을 위해 설계된 풀 패브릭 압력 센서.아조나노.https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544에서 2022년 10월 21일에 검색함.
캐비티, 버프너."웨어러블 건강 모니터링을 위해 설계된 모든 조직 압력 센서".아조나노.2022년 10월 21일 .2022년 10월 21일 .
캐비티, 버프너."웨어러블 건강 모니터링을 위해 설계된 모든 조직 압력 센서".아조나노.https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.(2022년 10월 21일 기준).
캐비티, 버프너.2022. 웨어러블 건강 모니터링을 위해 설계된 천으로 된 압력 센서.AZoNano, 2022년 10월 21일 액세스, https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
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