착용 가능한 센서용 은 코팅 탄소 나노튜브의 주름 구조 네트워크

결과 및 토론

Ag@OH-f MWCNT 나노복합체의 형태와 센서의 단면은 SEM과 TEM으로 특성화하였다. CNT의 길이와 직경은 각각 1.25 ± 0.75 μm 및 40 ± 10 nm입니다. Ag는 TEM 이미지(그림 2a)와 같이 합성 후 CNT에 코팅되었습니다. 고해상도 투과 전자 현미경(HRTEM) 이미지를 촬영한 결과 결정화 격자가 명확하게 관찰되었습니다(그림 2b). 0.224 nm의 격자 공간은 (111) 방향으로 Ag 결정화 동안 가장 낮은 표면 에너지를 나타냈다. 나노복합체의 형태는 SEM 이미지에 나와 있습니다(그림 2c). 합성 과정에서 AgNO₃의 은 이온 OH-f MWCNT의 히드록실기에 의해 정전기적으로 농축된 후 Ag 원자로 환원되었다. 원자는 CNT를 따라 결정화되어 최종적으로 직경이 200 ± 100 nm인 불룩한 목걸이와 같은 나노복합체를 형성했습니다.

아 Ag@OH-f MWCNT의 TEM 이미지. ㄴ Ag@OH-f MWCNT의 HRTEM 이미지. ㄷ Ag@OH-f MWCNT의 SEM 이미지. d 주름진 구조의 Ag@OH-f MWCNT 기반 소프트 스트레인 센서의 단면 SEM 이미지

PDMS는 표면 처리 전에 미리 연신되었고, PDMS를 느슨하게 한 후에는 그림 3a와 같이 주름진 구조를 얻었다. PDMS의 표면 처리는 고에너지 산소 플라즈마에 의해 수행되었습니다. 분자 사슬의 끝이 –Si–CH₃에서 변경되었습니다. -Si-OH로, PDMS 표면은 소수성에서 친수성으로 전환되었다[34]. 도 3b 및 c는 산소 플라즈마 표면 처리 전과 후 PDMS의 물 접촉각이 각각 91.6° 및 47.9°임을 입증한다. 친수성의 향상은 PDMS와 나노복합체 사이의 결합력을 증가시켰습니다.

PDMS의 물 접촉각(a ) 앞과 (b ) 산소 플라즈마 표면 처리 후. ㄷ PDMS pre-stretching 및 산소 플라즈마 표면 처리의 도식 모델

PDMS와 나노복합체를 결합한 후, 다른 PDMS 층이 윗면을 덮도록 추가되어 나노복합체가 변성되거나 분리되는 것을 방지했습니다. 중간층에 주름진 구조를 가진 Ag@OH-f MWCNT 나노복합체는 그림 2d와 같이 SEM에 의해 입증되었습니다. 주름층의 형성은 목걸이와 같은 나노복합체층을 평면에서 3차원 구조로 변형시킨다. 센서가 외부 응력에 의해 변형되면 주름이 다시 늘어나고 나노 물질 층이 계속 늘어나므로 신축성 범위가 확장되고 본 연구에서 안정적인 감지를 달성합니다.

흥미롭게도 주름진 구조의 전도성은 실온에서 전류-전압 측정을 특징으로 하는 평평한 구조와 비교하여 상당히 향상되었습니다(그림 4d 및 e). 두 센서 모두 오믹(ohmic) 거동을 보였고, 평평한 구조와 주름진 구조의 센서의 저항은 각각 256.41Ω과 53.13Ω으로 계산되었다. 센서 전도도의 핵심인자인 Ag@OH-f MWCNTs의 양이 평평한 구조보다 주름진 구조에서 4.8배 더 많았음을 시사한다.

소프트 스트레인 센서의 스트레치 테스트. 아 , (b ) 및 (c ) 도식 감지 모델; (d의 I-V 곡선 ) 주름 구조가 없는 Ag@OH-f MWCNT 기반 소프트 스트레인 센서 및 (e ) Ag@OH-f 주름진 구조의 MWCNT 기반 소프트 스트레인 센서. (f를 사용한 센서의 상대 저항 변화 ) 주름 구조가 없는 Ag@OH-f MWCNT 기반 소프트 스트레인 센서 및 (g ) Ag@OH-f 주름진 구조의 MWCNT 기반 소프트 스트레인 센서

상대 저항 변화는 소프트 스트레인 센서의 성능을 평가하는 데 사용되는 주요 매개변수 중 하나입니다. 이와 같이 Ag@OH-f MWCNT 기반 스트레인 센서의 상대 저항 변화를 그림 4f 및 g와 같이 조사했습니다. 여기서 ΔR 및 R0는 변형 시 상대 저항 변화와 센서의 초기 저항을 나타냅니다. , 각각. 평면 센서의 상대 저항 변화는 센서에 대한 42%의 최대 변형률에서 4.18이고(그림 4f), 주름형 센서의 경우 174입니다(그림 4g). 또한, 평면 센서의 경우 30% 이상의 변형률에서 저항이 변한 반면 주름진 센서의 경우 20% 이상의 변형률에서 저항이 변경되었습니다. 저항 변화는 PDMS의 Ag@OH-f MWCNT 네트워크 구성이 신축 변형률 하에서 변경되기 시작했을 때 발생했습니다. 더 강한 변형은 나노복합체의 더 큰 간격으로 네트워크를 분리하여 터널링 채널과 전도성 경로의 수를 줄였습니다. 또한 L0를 초기 길이로 정의하고 ΔL을 센서에 대한 축 방향 변형 하에서의 상대 연신율로 정의했습니다. 따라서 센서의 게이지 계수(GF)는 다음 방정식으로 계산할 수 있습니다. 수학{L}/{\mathrm{L}}_0} \). 평평한 구조와 주름진 구조를 가진 스트레인 센서의 GF는 각각 9.95와 412.32였습니다. GF는 소프트 스트레인 센서의 감도 지표입니다. 평평한 구조와 비교하여 주름진 센서에 의해 달성된 40배 이상의 GF는 나노복합체의 디자인을 나타내었고 추가 감지 응용 분야에 효과적이었습니다.

그런 다음 그림 4와 같이 스트레칭 과정에서 주름진 구조의 스트레인 센서의 저항 변화를 이해하기 위한 모델을 제안했습니다. 그림 4a는 소프트 스트레인 센서 내부의 Ag@OH-f MWCNT 기반 전도성 네트워크 자유 상태의 주름진 구조. 나노복합체와 PDMS 사이의 결합 친화도를 향상시키기 위한 PDMS의 표면 처리는 구성 및 결과적으로 센서의 성능에 필수적이었습니다. 처리하지 않으면 소수성 PDMS에 대한 나노복합체의 결합이 불량하고 네트워크가 쉽게 파괴되며 스트레칭에 의해 전도성 경로가 차단됩니다(그림 4b). 따라서 터널링 채널과 전도 경로 수가 급격히 감소하여 센서의 저항이 갑자기 증가하여 결국 감지 범위가 좁고 감도가 낮아졌습니다. 반면, 산소 플라즈마 표면 처리 후 친수성 PDMS는 나노복합체에 대해 높은 친화성을 보였다(Fig. 4c). 그림 4d에서 볼 수 있듯이 Ag@OH-f MWCNT 네트워크가 스트레칭에 의해 연속적으로 분리됨에 따라 터널링 채널과 전도성 경로 수가 점차 감소했습니다. PDMS 표면 처리를 한 센서의 관련 저항 변화는 표면 처리를 하지 않은 경우보다 41.63배 더 크게 나타났으며, 이는 표면 처리가 새로운 Ag@OH- 기반 센서의 감도 및 변형 범위를 향상시키는 데 중요한 역할을 함을 시사합니다. f MWCNT 합성물.

본 연구에서는 휴대용 호흡 감지기에서 개발된 고감도 감지 장치와 상대적으로 넓은 변형률 범위를 적용하였다(Fig. 5). 호흡 주파수를 모니터링하는 감지기의 작업 장면은 그림 5a 및 b에 나와 있습니다. 검출기의 평면도와 저면도는 각각 그림 5c와 d에 나와 있습니다. 숨을 들이쉴 때 센서가 늘어나고 저항이 증가했습니다. 결과적으로 전류가 너무 낮아 발광 다이오드(LED)를 켤 수 없었습니다. 대조적으로, LED는 공기를 내뿜을 때 켜졌습니다. 또한, 상대 저항 변화는 그림 5e 내지 g에서와 같이 얼굴 표정 인식에서 이용되었다. 지원자가 깜박거렸을 때 센서의 상대 저항 변화는 4 ± 0.2였습니다. 동일한 지원자가 인상을 찌푸렸을 때 상대 저항은 동일하게 5.5 ± 0.1로 변경되었습니다. 흥미롭게도 미소 짓는 행동은 15 ± 0.5만큼 큰 상대 저항 변화를 일으켰습니다. 결과는 Ag@OH-f MWCNT 기반 주름 구조 센서가 의료 감지 및 인간 동작 감지에서 광범위한 응용 분야에 큰 잠재력을 가지고 있음을 보여주었습니다.

주름진 구조의 Ag@OH-f MWCNT 소프트 스트레인 센서를 기반으로 하는 휴대용 호흡 감지기. 아 숨을 들이쉬고 (b ) 숨을 내쉰다. (c ) 상단 및 (d ) 휴대용 호흡 감지기의 바닥 시야. 이 얼굴, (f ) 인상을 찌푸리고 (g ) 깜박임의 미소 표정 인식

다양한 소프트 스트레인 센서 재료의 성능을 비교합니다. 표 1에서 보는 바와 같이 다른 1D 나노소재 기반의 스트레인 센서와 비교하여 OH-f MWCNT 기반의 주름 구조 센서는 우수한 전도성, 향상된 신축성, 우수한 게이지 계수 및 안정성을 나타냈습니다.