나노물질
산업 제조
유연한 압력 센서(FPS)는 인공 로봇 공학, 웨어러블 장치, 전자 피부 및 생물 의학 시스템에서 폭넓게 응용되고 있습니다. 그러나 마이크로 머시닝 및 마이크로 몰딩과 같은 복잡한 절차는 종종 센서의 고성능을 달성하기 위해 포함됩니다. 본 연구에서는 은나노와이어(AgNW) 종이 기판을 전극으로, PDMS(Polydimethylsiloxane)를 유전체로 사용하여 새로운 정전용량식 FPS를 제작하였으며, 그 결과 제작된 센서의 감도와 동적 범위가 1.05 kPa
유연한 압력 센서(FPS)는 유연성과 인체와 같은 곡면에 쉽게 통합할 수 있어 엄청난 주목을 받았으며 웨어러블 장치[1, 2], 전자 피부[3, 4], 생체 의학 시스템에 응용할 수 있는 큰 잠재력을 보여줍니다. [5], 인간의 움직임 감지 [6,7,8,9]; 전계 효과 트랜지스터[10, 11], 커패시터[2, 12], 압전 효과[13,14,15,16], 압저항 효과[17,18,19]와 같은 많은 구조와 메커니즘이 제안되었습니다. FPS; 그 중 capacitive FPS는 구조가 간단하고[20], 다이나믹 레인지가 크며[21], 안정성이 좋기 때문에 점점 더 매력적입니다[22]. FPS에 사용되는 재료 중 PDMS(Polydimethylsiloxane)는 유연성, 인체 조직과의 생체 적합성, 유전 특성이 우수하여 FPS 및 기타 Flexible Sensor의 구조 재료로 많이 사용됩니다. [23,24,25]; 용량성 FPS에서 PDMS는 유전층[20, 26]과 전극 기판[2, 21]으로 자주 사용되었습니다. FPS에서 전기 전도층에 관해서는 잠재력이 크고 태양 전지[27,28,29,30,31,32] 및 필름 히터[33]와 같은 플렉서블 전자 제품에 널리 사용되는 은나노와이어(AgNW) , 34] 우수한 전기적, 광학적, 기계적 특성으로 인해 PDMS와 함께 자주 사용됩니다. 예를 들어, Chen et al. [35] 은 나노와이어(AgNWs)/(PDMS) 복합 필름을 PDMS 층에 부분적으로 매립하여 거친 표면을 생성함으로써 제조된 센서 소자는 일반 금속 필름 전극을 사용하여 3배의 감도를 달성할 수 있었다. Yao et al. [2] 먼저 사전 패턴화된 PDMS 섀도 마스크를 통해 실리콘에 평행한 AgNW 라인을 달성했습니다. 그런 다음 그들은 AgNW-실리콘 기판에 액체 PDMS를 주조했습니다. 12시간 동안 경화시킨 후 PDMS를 벗겨내어 AgNW가 내장된 PDMS 전극을 얻었다. 마지막으로 엄지손가락의 움직임, 무릎 관절의 긴장 및 기타 인간의 움직임을 성공적으로 감지하는 정전식 FPS가 제작되었습니다.
용량성 FPS의 높은 감도를 달성하기 위해서는 일반적으로 유전체 층 및/또는 전극에 미세 패턴을 생성해야 하며, 미세 가공[2, 35, 36] 및 미세 몰딩[7, 21, 26]과 같은 복잡한 절차가 있습니다. 종종 관련됨; 예를 들어, Bao et al. [26] 실리콘에 역 피라미드 패턴을 만든 다음 실리콘 몰드에 캐스팅하여 패턴을 PDMS로 전송했습니다. 따라서 피라미드 패턴은 PDMS에서 생성되었습니다. Li et al. [21] 또한 몰딩 기술을 사용하여 얇은 금층을 전극으로 증착하여 PDMS에 연꽃 표면의 역 구조를 생성하고 두 개의 PDMS 전극으로 샌드위치된 유전체 층으로 폴리스티렌(PS) 미소구체를 사용하여 용량성 FPS를 제작했습니다. . 본 연구에서는 전극 기판으로 AgNW를 증착한 일반 인쇄 용지를 사용하여 훨씬 간단한 절차를 제안하고 양면에 AgNW-종이 기판으로 적층된 유전체 층으로 PDMS를 사용하여 고성능 정전 용량 FPS를 구성했습니다. 테스트 결과 장치의 감도와 동적 범위가 1.05 kPa -1 임을 입증했습니다. 및 1 Pa ~ 2 kPa; 또한 물체의 모양, 손가락 탭, 음성에 의한 진동을 식별할 수 있어 인공 피부 및 웨어러블 기기에 대한 가능성을 보여주었습니다.
AgNWs는 열수 방법으로 합성되었습니다. 먼저, 0.2g PVP를 6ml EG에 첨가하여 폴리비닐 피롤리돈(PVP)(분자량 30000)/에틸렌 글리콜(EG)의 0.3mole/L(M) 용액을 제조하고 혼합물을 다음과 같이 제조했습니다. 20분 동안 교반; 유사하게, AgNO3의 0.1 M 용액 /EG 및 0.01 M 염화나트륨(NaCl)/EG도 준비되었습니다. 둘째, AgNO3 솔루션 /EG 및 NaCl/EG를 PVP/EG에 첨가하고 균일한 용액이 얻어질 때까지 교반한 다음, 이를 테프론 라이닝으로 옮기고 반응 케틀에 넣었다. 케틀은 AgNW의 성장을 위해 2시간 동안 140°C로 가열된 다음 30분 동안 160°C로 가열되었습니다. 케틀을 상온으로 자연 냉각시킨 후, 생성물을 세척하고 아세톤과 탈이온수로 3회 원심분리 여과하여 백색 분말 형태의 AgNW를 얻었다. 마지막으로, 얻어진 AgNW를 AgNW 필름 제조를 위해 100ml 에탄올에 초음파 분산시켰다.
에어브러시 분무, 스핀 코팅 및 소크 코팅을 포함한 제조 기술은 AgNW 필름에 사용되었으며 실험 결과 에어브러시 분무는 고효율, 우수한 균일성 및 접착력의 이점이 있음이 밝혀졌습니다. AgNW 필름 준비의 세부 사항은 다음과 같습니다. 20 mm × 20 mm 크기의 깨끗한 인쇄 용지를 100°C의 핫 플레이트에 올려놓은 기판으로 사용했습니다. 에어브러시 출력 포트의 직경은 0.5 mm이고, 에어브러시와 기판 사이의 거리는 150 mm입니다. 에어브러시의 사전 설정 압력은 0.1 MPa였습니다. 스프레이 시간을 조정하여 두께와 전기 저항이 다른 AgNW를 얻을 수 있습니다. 증착 후, AgNW 주변의 PVP를 완전히 제거하기 위해 기판을 1 시간 동안 핫플레이트에 유지했습니다. PDMS는 Sylgard 184 전구체(Dow Corning)로부터 제조되었습니다. 먼저, 전구체의 주성분과 경화제를 10:1의 질량비로 혼합하고; 20분 동안 교반한 후, 혼합물을 10분 동안 진공 청소하여 교반하는 동안 기포를 제거했습니다. 그런 다음 조심스럽게 세척한 유리 기판에 스핀 코팅했습니다. 그런 다음 기판을 65°C에서 2시간 동안 어닐링하여 경화된 PDMS를 형성하고, 유리 기판에서 이를 벗겨냄으로써 독립형 PDMS 필름을 최종적으로 얻을 수 있습니다.
샌드위치형 정전용량 FPS(그림 1)는 두 개의 AgNW 종이 기판을 전극으로 사용하고 PDMS를 유전체로 사용하여 제작되었습니다. 전기 신호는 전도성 은 페인트로 전극에 붙인 두 개의 구리 와이어로 추출되었습니다. 마지막으로 투명 테이프로 센서를 포장했습니다.
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아 AgNW 페이퍼 기반 용량성 FPS의 구조 및 단순화된 메커니즘. ㄴ 정전식 FPS용 테스트 플랫폼
AgNW 및 종이의 표면 형태는 주사 전자 현미경(SEM)(유형 Inspect F50, FEI, US)에 의해 특성화되었습니다. 자외선-가시광선(UV-Vis) 분광기 테스트(SHIMAZU 1700, 일본)는 AgNW의 구성을 분석하기 위해 수행되었습니다. 센서 테스트를 위해 압력 자극 플랫폼은 힘 게이지(HP-5, Yueqing Handpi Instruments Co., Ltd, 중국)를 기반으로 구축되었습니다. LM555 타이머 모델을 기반으로 한 수제 발진 회로는 커패시턴스 변화를 주파수 1로 변환하도록 설계되었습니다. 데이터 수집은 Keithley2700 멀티미터(미국 키슬리)를 통해 개인용 컴퓨터에서 실현되었습니다.
도 2a에 도시된 바와 같이, SEM 사진은 제조된 AgNW가 직경 약 100 nm로 균일하게 길고 얇은 형태를 가지며 필름에서 불순물이 발견되지 않음을 나타낸다. 도 2b는 필름이 용량성 FPS의 높은 전도성 전극을 달성하는 데 도움이 될 비교적 높은 밀도를 갖는다는 것을 의미합니다. AgNW의 순도를 추가로 조사하기 위해 UV-Vis 스펙트럼을 그림 3과 같이 테스트했습니다. 355 nm 및 380 nm의 두 피크가 AgNW의 가로 및 세로 플라즈몬 공명으로 인한 흡수 곡선에 나타나는 것을 분명히 보여줍니다.; AgCl, AgNO3와 같은 불순물이 있는 경우 다른 특성 피크 또는 노이즈도 나타납니다. , 또는 은 나노입자가 필름에 존재하거나; 따라서 UV-Vis 스펙트럼은 고품질 AgNW가 성공적으로 합성되었음을 추가로 증명합니다.
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아 –d AgNW 필름 및 종이의 SEM 사진
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AgNW의 UV-Vis 스펙트럼
그림 4는 샘플의 응답 테스트 결과를 보여줍니다. 그림 4a와 같이 응답 곡선은 전체 압력 범위에서 대략 두 개의 선형 부분으로 나눌 수 있습니다. 이 현상은 특히 PDMS[21, 22]를 기반으로 하는 용량성 FPS에서 일반적이며 다음과 같이 해석될 수 있습니다. PDMS에는 탄력적 한계가 있습니다. 인가 압력이 낮을수록 PDMS는 좋은 탄성을 나타내며 큰 변형이 발생할 수 있으며 큰 정전 용량 변화(ΔC ) 따라서 예상할 수 있습니다. 적용된 압력이 충분히 커지면 PDMS가 너무 조밀해져서 더 이상 탄성이 충분하지 않고 적용된 압력에 의해 더 이상 명백한 변형이 생성될 수 없으므로 센서의 낮은 감도에만 도달할 수 있으며 결과적으로, 고감도 범위만 측정에 사용됩니다. 그림 4a의 데이터에서 용량성 FPS 샘플의 감도가 1.05 KPa −1 만큼 높다는 것을 계산할 수 있습니다. , 이 값은 대부분의 문헌 [12, 26, 37, 38, 39]에서 보고된 것보다 낫고 이전 작업 [22]에서 AgNWs/microstructured PDMS 기반 용량성 FPS의 결과와 비슷하지만 제조 절차는 훨씬 더 간단합니다. 이 좋은 성능의 이면에 있는 메커니즘은 논문의 형태학적 특성에 기인할 수 있습니다. 도 2c 및 d에 나타난 바와 같이, 종이의 SEM 사진은 마이크로-그루브 및 보이드 내의 공기를 압축하기 어렵기 때문에 종이 상에 다수의 마이크로-그루브 및 보이드가 존재함을 나타낸다; 그러면 공기가 아래쪽으로 이동하여 외부 압력이 가해지면 AgNW에 수많은 움푹 들어간 곳이 생성됩니다. AgNW와 PDMS 모두의 높은 유연성으로 인해 이러한 인덴트가 최종적으로 PDMS 필름으로 이동합니다. 결과적으로 전극의 등가 면적이 증가하고 전극 사이의 거리가 감소하여 더 큰 정전 용량 변화를 달성하는 데 유용합니다. 매우 낮은 압력 범위에서 센서 성능의 보다 구체적인 특성화는 그림 4b에 제시된 대로 수행되었습니다. 샘플이 1 Pa의 낮은 압력에도 반응할 수 있다는 것을 분명히 알 수 있으며, 이는 높은 감도를 나타냅니다. 또한 각각의 압력에서 제거한 후 초기값으로 완전히 회복될 수 있어 안정성이 좋고 응답속도가 빠릅니다. 그림 4c는 센서가 500주기 동안 계속해서 누름(81 Pa)과 해제를 거친 단기 반복성 테스트 결과를 보여줍니다. 처음과 끝에서 확대된 응답 곡선은 매우 유사한 경향을 보여 샘플의 우수한 안정성과 반복성을 더욱 의미합니다. 또한 1개월 후에 장기 반복성 테스트를 수행했습니다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 저압 범위에서 샘플의 응답은 1개월 후에도 변하지 않는다; 한편, 위에서 언급한 바와 같이 고압 응답이 현저히 감소하더라도 이는 센서의 성능에 영향을 미치지 않습니다. 그림 4d는 특정 압력 값에서 1개월 전과 후의 샘플 성능을 비교합니다. 또한 저압에서 장치의 성능 저하가 발견되지 않음을 나타냅니다. 반면에 고압에서는 응답이 감소하지만 일정한 압력에서는 변화가 없어 시료의 안정성이 여전히 양호함을 나타냅니다.
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AgNW 종이 기반 정전용량 FPS의 응답 테스트:a 큰 압력 범위 내에서 압력-커패시턴스 관계, b 저압에서의 반응, c 짧은 시간에 반복 테스트, d 한 달 후 노화 성능
AgNW 종이 기반 용량성 FPS의 실용성을 조사하기 위해 몇 가지 실제 관련 테스트를 수행했습니다. 그림 5a는 굽힘 테스트 결과를 보여줍니다. 절곡각(θ)은 삽입도와 같이 양단에서 절곡센서에 접하는 두 직선이 이루는 끼인각으로 정의된다. 샘플이 굽힘에 매우 민감하고 샘플을 더 많이 굽힐수록 커패시턴스가 커집니다. 또한, 정전용량-세타 곡선은 흥미롭게도 거의 선형 관계를 갖고 있어 샘플에 인체 관절의 굽힘 상태를 측정할 수 있는 좋은 잠재력을 제공합니다. 그림 5b는 센서가 두 번 클릭 동작을 명확하게 감지할 수 있음을 보여줍니다. 클릭 중 압력은 초기 값보다 1배 더 큰 700 pF의 정전 용량 변화를 생성할 수 있습니다. 또한, 도 5c에 도시된 바와 같이, 센서는 실험자가 말하는 각 음절을 식별할 수 있고 높은 감도와 우수한 반복성을 나타낸다. 용량 성 FPS의 잠재력을 더 탐구하기 위해 AgNW 종이 용량 성 FPS의 8 × 8 어레이가 그림 5d와 같이 제작되었습니다. 전극 라인은 하드 마스크를 통해 AgNW를 분사하여 형성되었으며 픽셀의 크기는 2 mm × 2 mm였습니다. 그림 5e는 어레이가 연필 팁을 쉽게 감지할 수 있고 팁이 충분히 작기 때문에 인접 픽셀이 전혀 영향을 받지 않아 무시할 수 있는 누화 효과를 보여줍니다. 또한, Fig. 5에서 보는 바와 같이, 플라스틱으로 만들어진 탄환을 어레이에 장착한 후 탄환의 형태를 인식할 수 있었다. 특히 매핑 결과는 대부분의 총알 질량이 중앙의 두 행에 위치하는 반면 왼쪽에 있는 두 번째 픽셀 열은 총알 머리의 작은 질량으로 인해 가장 작은 신호를 갖는다는 것을 의미합니다.
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AgNW 종이 기반 정전식 FPS의 응용:a 굽힘 테스트, b 손가락 탭 테스트, c 음성 테스트, d AgNW 페이퍼 기반 정전식 FPS의 8 × 8 어레이, e 연필 끝 감지, f 플라스틱으로 만든 수제 총알 모양 감지
일반 종이를 기질로 사용하여 수열 합성 기술을 통해 AgNW를 제조했습니다. SEM 및 UV-Vis 특성화 결과는 AgNW가 균일한 크기, 큰 길이 대 직경 비율 및 고순도를 가지며 이는 AgNW의 우수한 유연성 및 전기 전도성에 바람직함을 나타냅니다. AgNW 종이 기판을 전극으로 사용하고 PDMS를 유전체로 사용하여 정전 용량 FPS 샘플을 준비했습니다. 성능 테스트는 샘플이 높은 감도와 넓은 동적 측정 범위뿐만 아니라 우수한 안정성과 반복성을 가지고 있음을 보여주었습니다. 또한 이 샘플은 관절 구부리기, 손가락 두드리기 및 말하기와 같은 인간의 움직임을 감지하는 능력을 보여줍니다. 또한 픽셀 크기가 2 mm × 2 mm인 용량성 FPS의 8 × 8 어레이가 제작되었으며, 그 결과 어레이가 높은 감도, 무시할 수 있는 누화 효과 및 물체 프로파일 식별에 대한 잠재력을 가지고 있음을 보여주었습니다. 이러한 테스트는 우리의 AgNW 종이 정전식 FPS가 인공 피부, 움직임 모니터링, 웨어러블 장치 및 물체 식별과 같은 응용 분야에 좋은 잠재력을 가지고 있음을 나타냅니다.
현재 연구 중에 사용 및/또는 분석된 데이터 세트는 합당한 요청이 있는 경우 교신 저자에게 제공됩니다.
유연한 압력 센서
은 나노와이어
리터당 몰
폴리비닐피롤리돈
폴리스티렌
에틸렌 글리콜
염화나트륨
주사 전자 현미경
자외선 가시성
커패시턴스 변동
피코패럿
나노물질
초록 플렉서블 투명 전도성 전극은 플렉서블 광전자 소자의 필수 구성 요소로 최근 몇 년 동안 광범위하게 연구되고 있는 반면, 대부분의 연구는 전극 자체에 초점을 맞추고 있으며 소재 녹색 및 재활용 가능성에 대한 주제는 거의 없습니다. 이 논문에서 우리는 이전의 크래킹 기술을 기반으로 하는 고성능 투명 전도성 전극(TCE)을 녹색 및 재활용 가능한 기질인 녹말 필름과 결합하여 시연합니다. 낮은 R을 보여줄 뿐만 아니라 s (1.0 Ω sq−1 82%, 성능 지수 ≈ 10,000)이지만 매우 부드러운 형태와 재활용성을 제공합니다. 또
제습기 시스템에 결함이 있는 경우 집에 곰팡이가 광범위하게 자라 가족의 건강과 재산 가치를 위협할 수 있습니다. 또한, 온습도 센서의 오작동으로 인해 제습기 결함이 발생할 수 있습니다. 그러나 DHT22 핀아웃은 시스템 문제 해결에 도움이 될 수 있습니다. 단일 디지털 전선을 통해 연결되는 저가형 디지털 습도 및 온도 센서입니다. 또한 DHT22 핀아웃에는 서미스터와 정전식 습도 센서가 있어 공기 분위기를 측정하기 위한 HVAC 및 제습 시스템에 적용할 수 있습니다. 이 기사에서는 DHT22 핀아웃 연결에 대해 배웁니다. 이제