은 나노와이어 코팅 직물 기반의 초고감도 웨어러블 압력 센서

결과 및 토론

그림 2는 배율이 다른 AgNWs 코팅 직물의 형태에 대한 SEM 이미지를 보여줍니다. 도 2a에 도시된 바와 같이 면사의 실은 다공성 구조로 자연스럽게 겹겹이 형성되었다. 직물의 가장 바깥쪽 표면은 AgNW로 덮여 있으며(그림 2b), 그 위에 나노와이어가 섬유에 균일하게 싸여 있습니다. 특히, 인접한 실 사이에는 부착된 AgNW 전도성 네트워크에 의해 연결된 빈 공간이 있습니다(그림 2c). 알 수 있듯이 인접하는 실 사이에 길고 균일한 와이어가 관찰되었으며 AgNW의 평균 직경은 약 55 nm입니다. 그림 2d에서 AgNW는 원사 표면의 주요 부분에서 균질하게 형성되지만 접착력이 좋지 않아 어느 지점에서 끊어집니다. 또한, 개별 원사에 부착된 나노와이어 사이의 거리는 이웃한 원사 사이의 나노와이어보다 상대적으로 큽니다.

AgNWs 코팅 직물의 형태. 아 –d AgNW의 위치와 배율이 다른 AgNW 코팅 직물의 표면 형태에 대한 SEM 이미지, c 실과 d 사이의 AgNW의 SEM 이미지입니다. 단일 섬유에 코팅된 AgNW

또한, 직물 표면의 AgNW 밀도는 침지 주기에 따라 조절되었다. 1회 침지 주기와 5회 침지 주기를 갖는 AgNWs 코팅된 직물은 각각 그림 S1과 그림 2d에 나와 있습니다. 고밀도 나노와이어와 비교했을 때, 1딥 사이클의 나노와이어 메쉬 간격은 1 이하에서 2-4 μm로 증가했습니다.

AgNWs 코팅된 직물의 구성은 또한 그림 S2의 삽입된 그림과 같이 에너지 분산 X선 분광법(EDS)에 의해 조사되었습니다. 주로 면화에 기인하는 C 및 O 함량 외에도 Ag 원소도 관찰되어 면화에 AgNW의 분포를 나타냅니다.

압력 센서의 감지 원리는 그림 3a에 표시되어 있고 다른 압력을 가진 센서의 단면 SEM 이미지는 그림 3b-e에 나와 있습니다. 언로딩 상태에서 초기 저항은 크며 이는 직물의 비접촉 AgNW로 인해 발생합니다(그림 3b). 압력이 가해지면 인접한 직물의 나노와이어의 섬유 규모 접촉이 증가하여 저항이 감소합니다(그림 3c). 더욱이, 직물의 나노와이어가 완전히 접촉되었을 때, 섬유에 가해지는 지속적인 압력은 원사 규모의 접촉을 증가시켰다. 도 3d에 도시된 바와 같이, 실 길이는 Y 방향이 약 200에서 160 μm로 감소하여 원사 사이의 압축을 확인합니다. 단면 SEM 이미지에 따르면 AgNW는 원사 표면과 인접한 원사 내부 모두에서 형성되었습니다(그림 S3). 압력이 가해지고 실이 압축되면 실 내부의 AgNW가 접촉하여 센서의 저항을 더욱 감소시킬 수 있습니다. 하중 압력이 증가함에 따라 인접한 직물이 압축되었습니다(그림 3e). 직물 규모의 접촉은 마주보는 직물 사이의 접촉 면적 증가로 인해 센서의 저항을 더욱 감소시켰습니다. 이 시점에서 이중층 직물의 총 두께는 600에서 350 μm로 감소되었습니다. 따라서 센서의 압력 감지는 섬유/사/직물 다중 스케일 접촉의 시너지 효과에 의해 결정되었습니다. 이 단면 SEM 이미지는 압력 감지 메커니즘을 추가로 확인했습니다.

압력 센서의 감지 원리. 아 압력 감지의 개략도. ㄴ –이 다른 압력 하에서 AgNWs 코팅된 직물의 단면 SEM 이미지

AgNWs 코팅 직물의 표면 형태에 대한 굽힘의 영향은 그림 S4에 표시된 단면 SEM 이미지로 조사되었습니다. 굽힘 변형이 적기 때문에 초기 상태(그림 S4a)와 비교하여 직물에서 AgNWs 네트워크의 명백한 균열 및 박리 문제가 없습니다(그림 S4b). 굽힘 변형의 영향을 더 조사하기 위해 500번 굽힘 사이클을 갖는 AgNWs 코팅 직물의 SEM 이미지를 촬영하여 그림 S5에 나타내었다. 그림 S5는 잠재적으로 장치 열화를 일으킬 수 있는 많은 박리된 지점을 보여줍니다. 이 결과는 AgNWs가 코팅된 직물의 안정성이 앞으로 더욱 향상되어야 함을 나타냅니다.

그림 4a는 서로 다른 압력에서 압력 센서의 전류-전압 곡선을 보여줍니다. 적용된 압력이 0에서 100 kPa로 증가하면 센서의 저항이 감소합니다. 또한 센서의 응답은 안정적이었고 옴의 법칙[32]에 일치했습니다. 압력 센서의 전류는 그림 4b에 나와 있으며, 이는 다른 압력에서 상대적으로 일정하며 센서의 응답이 다른 압력에 대해 안정적임을 나타냅니다. 따라서 결과는 압력 센서의 잠재적인 적용에 대해 우수한 전기적 안정성을 제공합니다.

압력 센서의 성능. 아 적용된 압력이 다른 압력 센서의 I-V 곡선. ㄴ 다른 압력에서 센서의 현재 응답. ㄷ , d 다양한 딥 코팅 주기와 메쉬 구멍 직경을 가진 압력 센서의 성능 비교

압력 센서의 성능을 조사하기 위해 상대 전류 변화(ΔI /나 ₀ ) 다른 AgNW 딥 코팅 사이클과 메쉬 구멍 직경에 따른 압력 대 압력은 그림 4c, d에 나와 있습니다. 여기서 압력센서의 감도는 S로 정의하였다. =(Δ나 /나 ₀ )/피 , 여기서 P 적용된 압력을 나타냅니다. 0.25 mm의 메쉬 구멍 직경에서 압력 센서의 감도는 AgNW 딥 코팅 주기에 크게 의존했습니다. 센서의 감도가 2.12 × 10 ³ 에서 향상되었습니다. kPa ⁻¹ ~ 1.98 × 10 ⁵ kPa ⁻¹ 딥 코팅 주기가 1에서 5로 증가할 때 0–10 kPa 범위 내. 또한 감도가 764에서 1.12 × 10 ³ 으로 향상되었습니다. kPa ^–1 10–100 kPa에서. 높은 딥 코팅 주기로 감도가 향상되는 것은 주로 AgNW 밀도의 증가에 기인합니다.

또한, 구멍 직경의 의존성이 후속적으로 특성화되었습니다. 5번의 딥 코팅 주기가 있는 압력 센서는 1.12 × 10 ³ 에서 증가된 직경이 증가함에 따라 증가하는 감도를 나타냈습니다. , 9.88 × 10 ³ , ~ 2.16 × 10 ⁴ kPa ^–1 각각 10–100 kPa의 압력 범위 내에서. 감도의 향상은 주로 더 큰 구멍을 통해 증가된 접촉 영역에 기인합니다. 그러나 직경이 4회 주기로 1 mm를 초과하면 Unloading 상태에서 원단의 초기 계면이 더 많은 접촉을 가져오므로 원단 간의 접촉 저항을 크게 낮추게 됩니다(그림 S6). 또한, 스페이서 면의 두께가 변경되면 센서의 성능이 저하됩니다(그림 S7). 더 낮은 두께의 센서는 ∆I의 감소를 나타냅니다. /나 ₀ 초기 상태에서 마주보는 천의 접촉으로 인해(그림 S7a). 또한 두께가 두꺼울수록 직물의 접촉이 줄어듭니다. 스페이서 면의 두께가 1 mm로 증가했을 때, 직물의 AgNW는 압력이 10 kPa를 초과할 때까지 접촉하지 않았습니다(그림 S7c).

특히, 압력 센서는 두 개의 선형 전류 세그먼트를 명확하게 나타냅니다. 감도는 저압 범위에서 급격히 증가하고 고압 범위에서 점차적으로 증가합니다. 위에서 언급한 감지 원리에 따르면 저압 범위에서 인접한 AgNW 접점은 전류 증가에 중요한 역할을 합니다. 또한 압력이 10–15 kPa로 증가하면 계면의 AgNW가 완전히 접촉했습니다. 전류 변화는 주로 원사와 직물 사이의 접촉 저항에 의해 결정되어 상대적으로 안정적이었다. 실과 직물 스케일 사이의 접촉은 감도와 선형 범위를 향상시켜 5회 및 직경 0.75 mm의 딥 코팅 주기에서 감지 메커니즘에서 더 중요한 역할을 했습니다. 따라서 0.75 mm의 직경(그림 4d)은 접촉 증가로 인해 더 높은 감도와 더 큰 선형 범위를 나타냈습니다[33, 34].

장치의 동적 응답은 로딩/언로딩 압력 사이클에서 연구되었습니다. 센서는 주기적 압력에 즉각적인 반응을 보였습니다. 응답 및 이완 시간을 정량화하기 위해 시간 분해 응답을 분석했습니다(그림 5a). 측정된 응답 및 이완 시간은 각각 32 및 24 ms였습니다. 차압에서 센서의 성능도 조사되어 그림 S8에 나와 있습니다. 센서는 50 Pa의 미세한 압력을 명확하게 구별하여 센서의 우수한 성능을 나타냅니다. Δ나 /나 ₀ 1000 로딩 사이클과 10 kPa의 적용된 압력을 사용하여 장치의 반복성을 검증했습니다(그림 5b). 결과는 압력 센서의 우수한 안정성을 보여줍니다. 또한 일반 면과 AgNW 코팅 면의 통기성을 조사했습니다. 공기 투과율이 787.3에서 252.6 mm/s로 감소했음에도 불구하고 이 값은 최근 보고된 것보다 여전히 훨씬 높습니다[35, 36]. 이 결과는 은 나노와이어 코팅 직물을 기반으로 하는 웨어러블 압력 센서가 높은 다공성으로 인해 우수한 통기성을 유지한다는 것을 보여주었습니다.

아 장치의 응답/릴리스 시간. ㄴ 10 kPa의 압력에서 장치의 사이클링 테스트. ㄷ 인간 사용자의 손목 펄스 신호. d 현재 신호는 정상적인 호흡 상태에서 호흡에 반응합니다.

직물의 자연스러운 유연성과 센서의 높은 감도로 인해 압력 센서는 착용할 수 있었고 생리적 맥박 및 호흡수와 같은 기계적 신호를 감지할 수 있었습니다. 먼저, 접착 붕대로 장치를 손목에 부착하여 맥압을 모니터링했습니다. 그림 5c는 맥박수가 ≈ 72 beats min ^–1 로 측정된 실시간 기록 데이터를 나타냅니다. . 또한 센서를 마스크에 부착하여 호흡 상태를 감지했습니다. 그림 5d는 성인의 분당 10회 호흡의 정상 호흡수와 정상 호흡의 경우 사각파를 나타낸다. 또한, 파장대역의 폭은 호흡 유지 시간을 나타내었다. 이러한 결과는 고감도와 우월성을 지닌 압력센서가 웨어러블 의료기기 응용 분야에서 큰 잠재력을 가지고 있음을 시사한다.