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웨어러블 압력 센서는 인체 건강 모니터링 및 인간-컴퓨터 상호작용 구현에 도움을 줄 수 있습니다. 범용 장치 설계와 기계적 응력에 대한 높은 민감도를 갖춘 압력 센서를 개발하려는 노력이 계속되고 있습니다.
연구: 전기방사 폴리비닐리덴 플루오라이드 나노섬유를 기반으로 50개의 노즐을 갖춘 직조 패턴 기반 직물 압전 압력 센서. 이미지 출처: African Studio/Shutterstock.com
npj Flexible Electronics 저널에 게재된 논문은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 날실과 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 씨실을 사용하여 직물용 압전 압력 센서를 제작하는 방법을 보고합니다. 개발된 압력 센서의 직조 패턴 기반 압력 측정 성능은 약 2미터 길이의 직물에서 입증되었습니다.
결과는 2/2 카나드 설계를 사용하여 최적화된 압력 센서의 감도가 1/1 카나드 설계보다 245% 더 높음을 보여줍니다. 또한, 최적화된 직물의 성능을 평가하기 위해 굴곡, 압착, 주름, 비틀기, 그리고 다양한 사람의 움직임을 포함한 다양한 입력을 사용했습니다. 본 연구에서는 센서 픽셀 배열을 갖춘 조직 기반 압력 센서가 안정적인 지각 특성과 높은 감도를 나타냅니다.
쌀. 1. PVDF 실 및 다기능 직물의 제조. a PVDF 나노섬유의 정렬된 매트를 제조하는 데 사용되는 50개 노즐 전기방사 공정의 다이어그램. 구리 막대가 컨베이어 벨트 위에 평행하게 배치되어 있으며, 4층 모노필라멘트 필라멘트로부터 세 개의 편조 구조를 제조하는 단계. b 정렬된 PVDF 섬유의 SEM 이미지 및 직경 분포. c 4겹 실의 SEM 이미지. d 꼬임에 따른 4겹 실의 인장 강도 및 파단 변형률. e 알파 및 베타 상의 존재를 보여주는 4겹 실의 X-선 회절 패턴. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al. (2022)
지능형 로봇과 웨어러블 전자 기기의 급속한 발전으로 유연한 압력 센서를 기반으로 하는 새로운 기기가 많이 생겨났으며, 전자, 산업, 의학 분야에서의 응용 분야가 급속히 발전하고 있습니다.
압전은 기계적 응력을 받는 재료에 생성되는 전하입니다. 비대칭 재료에서 압전은 기계적 응력과 전하 사이에 선형 가역적 관계를 가능하게 합니다. 따라서 압전 재료가 물리적으로 변형되면 전하가 생성되고, 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.
압전 소자는 전력 소모가 적은 전자 부품에 대체 전원을 제공하기 위해 자유로운 기계적 전원을 사용할 수 있습니다. 소자의 재료 종류와 구조는 전기기계적 결합에 기반한 터치 소자 제작의 핵심 요소입니다. 고전압 무기 재료 외에도 기계적으로 유연한 유기 재료 또한 웨어러블 소자 개발에 활용되고 있습니다.
전기방사법을 통해 나노섬유로 가공된 고분자는 압전 에너지 저장 장치로 널리 사용됩니다. 압전 고분자 나노섬유는 다양한 환경에서 기계적 탄성을 기반으로 전기기계적 발전을 제공함으로써 웨어러블 기기용 직물 기반 디자인 구조의 제작을 용이하게 합니다.
이러한 목적을 위해 압전 고분자가 널리 사용되고 있으며, 여기에는 강한 압전성을 가진 PVDF와 그 유도체가 포함됩니다. 이러한 PVDF 섬유는 센서와 발전기를 포함한 압전 응용 분야에 사용되는 직물로 인발 및 방사됩니다.
그림 2. 대면적 조직 및 그 물리적 특성. 최대 195cm x 50cm 크기의 2/2 위사 리브 패턴 사진. b. 하나의 PVDF 위사에 두 개의 PET 베이스가 엇갈려 배치된 2/2 위사 패턴의 SEM 이미지. c. 1/1, 2/2, 3/3 위사 엣지를 가진 다양한 직물의 탄성률 및 파단 변형률. d는 직물에 대해 측정된 매달림 각도. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al. (2022)
본 연구에서는 PVDF 나노섬유 필라멘트 기반 직물 생성기를 순차적인 50-젯 전기방사 공정을 이용하여 제작한다. 이 공정에서는 50개의 노즐을 사용하여 회전 벨트 컨베이어 벨트를 통해 나노섬유 매트를 생산한다. PET 원사를 사용하여 1/1(평사), 2/2, 3/3 위사 리브를 포함한 다양한 직조 구조를 제작한다.
이전 연구에서는 섬유 수집 드럼에 구리선을 정렬하여 섬유 정렬에 구리를 사용하는 방법을 보고했습니다. 그러나 이번 연구에서는 컨베이어 벨트 위에 1.5cm 간격으로 평행하게 배치된 구리 막대를 사용하여 유입되는 대전된 섬유와 구리 섬유에 부착된 섬유 표면의 전하 사이의 정전기적 상호작용을 기반으로 방사구의 정렬을 돕습니다.
이전에 설명된 용량성 또는 압저항성 센서와 달리, 본 논문에서 제안하는 조직 압력 센서는 0.02~694뉴턴의 광범위한 입력 힘에 반응합니다. 또한, 제안된 직물 압력 센서는 5회의 표준 세탁 후에도 원래 입력 값의 81.3%를 유지하여 압력 센서의 내구성을 입증했습니다.
또한, 1/1, 2/2 및 3/3 리브 편물에 대한 전압 및 전류 결과를 평가하는 감도 값은 2/2 및 3/3 리브 압력에 대해 각각 83 및 36 mV/N의 높은 전압 감도를 보였습니다. 3개의 위사 센서는 이러한 압력 센서에 대해 각각 24 mV/N 위사 압력 센서 1/1과 비교하여 245% 및 50% 더 높은 감도를 보였습니다.
쌀. 3. 전체 천 압력 센서의 확장된 적용. a 2/2 위사 리브 직물로 만든 깔창 압력 센서의 예. 두 개의 원형 전극 아래에 삽입하여 앞발(발가락 바로 아래)과 발뒤꿈치 움직임을 감지합니다. b 걷기 과정의 각 단계에 대한 개략적 표현: 발뒤꿈치 착지, 접지, 발가락 접촉 및 다리 들어올리기. c 보행 분석을 위한 보행 단계의 각 부분에 대한 전압 출력 신호. d 보행의 각 단계와 관련된 증폭된 전기 신호. e 각 픽셀의 개별 신호를 감지하도록 전도성 선이 패턴화된 최대 12개의 직사각형 픽셀 셀 배열을 갖춘 전체 조직 압력 센서의 개략도. f 각 픽셀을 손가락으로 눌러 생성된 전기 신호의 3D 맵. g 손가락으로 누른 픽셀에서만 전기 신호가 감지되고 다른 픽셀에서는 측면 신호가 생성되지 않아 크로스토크가 없음을 확인합니다. © 김동현, 한정, 성민, 김미숙, 최병규, 박수진, 홍현수 외 (2022)
결론적으로, 본 연구는 PVDF 나노섬유 압전 필라멘트를 이용한 고감도 웨어러블 조직 압력 센서를 제시한다. 제작된 압력 센서는 0.02뉴턴에서 694뉴턴까지 광범위한 입력 힘을 가진다.
시제품 전기 방적기 한 대에 50개의 노즐을 사용했고, 구리 막대를 기반으로 한 배치 컨베이어를 사용하여 나노섬유의 연속 매트를 생산했습니다. 간헐적인 압축 조건에서 제조된 2/2 위사 밑단 직물은 83 mV/N의 감도를 보였으며, 이는 1/1 위사 밑단 직물보다 약 245% 더 높은 수치입니다.
제안된 완전 직물 압력 센서는 비틀기, 굽히기, 쥐기, 달리기, 걷기 등의 생리적 움직임에 전기 신호를 가하여 모니터링합니다. 또한, 이 직물 압력 게이지는 내구성 측면에서 기존 직물과 유사하여 5회 표준 세탁 후에도 원래 수율의 약 81.3%를 유지합니다. 또한, 제작된 조직 센서는 사람의 보행의 연속적인 구간을 기반으로 전기 신호를 생성하여 의료 시스템에 효과적으로 활용할 수 있습니다.
김동준, 한정, 성삼, 김석민, 최복경, 박수진, 홍철호 외 (2022). 직조 패턴에 따라 50개의 노즐을 갖는 전기방사 폴리불화비닐리덴 나노섬유 기반 직물 압전 압력 센서. 플렉서블 전자소자 npj. https://www.nature.com/articles/s41528-022-00203-6.
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바브나 카베티는 인도 하이데라바드 출신의 과학 작가입니다. 그녀는 인도 벨로르 공과대학에서 석사 및 의학박사 학위를 취득했으며, 멕시코 과나후아토 대학교에서 유기화학 및 의약화학 박사 학위를 받았습니다. 그녀의 연구는 헤테로사이클 기반 생리활성 분자의 개발 및 합성과 관련이 있으며, 다단계 및 다성분 합성에 대한 경험을 보유하고 있습니다. 박사 학위 과정에서는 생물학적 활성을 더욱 기능화할 수 있는 잠재력을 가진 것으로 예상되는 다양한 헤테로사이클 기반 결합 및 융합 펩티도미메틱 분자의 합성을 연구했습니다. 논문과 연구 논문을 집필하는 동안 그녀는 과학적 글쓰기와 소통에 대한 열정을 탐구했습니다.
Cavity, Buffner. (2022년 8월 11일). 웨어러블 건강 모니터링용으로 설계된 풀 패브릭 압력 센서. AZonano. 2022년 10월 21일 https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544에서 검색함.
Cavity, Buffner. "웨어러블 건강 모니터링을 위해 설계된 전조직 압력 센서". AZonano.2022년 10월 21일.2022년 10월 21일.
Cavity, Buffner. "웨어러블 건강 모니터링을 위해 설계된 전조직 압력 센서". AZonano. https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544. (2022년 10월 21일 기준).
Cavity, Buffner. 2022. 웨어러블 건강 모니터링을 위해 설계된 완전 천 재질 압력 센서. AZoNano, 2022년 10월 21일 접속, https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
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