Q&A:웨어러블 센서의 초고속 제조

사우스 플로리다 대학의 기계 공학 조교수인 Ying Zhong과 그녀의 팀은 폴리머 바인더 없이 웨어러블 센서를 인쇄하는 새로운 방법을 발명했습니다. 그들은 제품을 e-스킨이라고 부릅니다.

기술 개요 :플렉서블 센서를 인쇄하기 위해 정전기력을 사용하게 된 아이디어는 무엇입니까?

Ying Zhong 교수: 스크린 인쇄로 인쇄하는 유연한 장치를 제조하는 일부 협력자가 있었습니다. 즉, 기능성 파우더와 바인더를 섞어서 가열하고 마를 때까지 기다려야 하므로 시간이 오래 걸립니다. 그래서 가열과 건조 없이 더 빠르게 인쇄할 수 있는 방법을 찾고 있었습니다.

저는 또 다른 흥미로운 프로젝트를 진행하고 있었습니다. 코로나 방전을 사용하여 고분자 필름의 표면을 처리하는 것이었습니다. 우리는 코로나가 작은 물체를 들어올리는 데 사용할 수 있는 독특한 유형의 강한 전기장을 생성할 수 있다는 것을 깨달았습니다. 그래서 우리는 필름 아래에 건조 분말을 놓아 분말을 기질에 직접 끌어당기는 것이 가능한지 의아해했습니다. 우리는 그것을 시도했고 효과가 있었습니다.

우리는 문제를 발견했고 우리가 이미 작업하고 있는 기술이 해결책이 될 수 있다는 것을 깨달았습니다.

기술 요약: 기술 발전이 종종 일어나는 방식이라고 생각합니다. 다음 질문은 입자가 기질에 끌리면 어떻게 유지되는지입니다.

종: 출판된 논문에서 설명했듯이, 우리는 입자를 고정하기 위해 접착 코팅이 된 8마이크로미터 두께의 의료용 테이프를 사용하고 있습니다. 너무 얇아서 피부에 붙이면 느껴지지 않을 정도입니다.

기술 요약: 이를 제조할 때 다양한 종류의 센서를 어떻게 통합하시겠습니까?

종: 이 인쇄 기술은 "보편적"이며 다양한 유형의 기능성 재료를 인쇄할 수 있습니다. 예를 들어 그래핀이나 탄소나노튜브(CNT)를 사용할 수 있는데, 이는 변형률의 변화를 반영하기 위해 저항을 변경합니다. 작동 메커니즘은 변형이 입자 사이의 거리를 변경하여 센서의 변형 크기를 반영하는 저항의 변화를 유발한다는 것입니다.

우리는 또한 우리 논문에서 열변색성 분말을 기반으로 하는 온도 센서를 보고했습니다. 내가 말했듯이 이것은 보편적인 인쇄 기술입니다. 다양한 유형의 기능성 재료를 인쇄할 수 있습니다. 이제 우리는 온도가 변하면 색이 변하는 온도에 민감한 문신을 인쇄할 수 있음을 시연하고 있습니다. 또한 암모니아, 일산화탄소 등과 같은 다양한 유형의 가스와 습도에 민감할 수 있는 재료를 인쇄하려고 노력하고 있습니다.

기술 요약: 이를 상업적으로 구현할 수 있는 방법에 대해 생각해 보셨습니까? 완전히 다른 종류의 3D 프린터를 만들어야 할 것 같습니다.

종: 예, 현재 Jabil, Inc.와 협력하고 있습니다. 장치를 고속으로 제조할 수 있는 롤투롤 시스템을 구축합니다. 바인더를 사용하지 않기 때문에 열을 가하고 재료가 마를 때까지 기다릴 필요가 없습니다. 즉, 정전기력을 생성하기 위해 이 롤투롤 시스템을 사용하여 인쇄함으로써 유연한 장치와 3D 구조까지 빠른 속도로 낮은 비용으로 제조할 수 있습니다.

기술 요약: 코로나 발생에 필요한 고전압 발생 및 취급이 어려운가요?

종: 코로나를 발생시키는 데 20~30킬로볼트가 필요하지만 전류는 0.1mA 미만으로 매우 낮습니다. 실험실 장비는 2와트 미만의 전력을 사용하므로 매우 에너지 효율적입니다.

기술 요약: 고전압이 해를 끼치지 않도록 하는 것이 문제입니까?

종: 물론 시스템을 관리하고 주변의 모든 전도성 영역을 덮어야 합니다. 우리가 관찰한 바에 따르면 전극 홀더를 절연층으로 덮는 한 매우 잘 작동할 것입니다. 그렇게 하는 데 큰 문제는 없었습니다.

기술 요약: 커버에 어떤 재료를 사용합니까?

종: 현재 우리 연구실에서는 단순히 절연 테이프를 사용하고 있습니다. 앞으로 우리는 쉽게 할 수 있는 더 잘 제어된 표면 코팅 또는 절연 홀더를 만들 계획입니다. 폴리머를 사용하여 코팅을 구현하고 3D 프린터를 사용하여 프로토타입을 제조할 수 있습니다. 제 연구실에는 폴리머 관련 프로젝트가 여러 개 있으므로 쉽게 할 수 있습니다.

기술 요약: "전자 피부" 스트레인 센서 외에 염두에 두고 있는 다른 애플리케이션이 있습니까?

종: 예, 예를 들어, 우리는 대면적 제품을 인쇄하는 데 사용할 수 있는 매우 저렴하고 초고속 제조 기술이기 때문에 실용적이 되는 스마트 스트레인 감지 카펫을 만드는 것에 대해 회사와 이야기를 나누었습니다. 아이디어는 얼마나 많은 사람들이 그 위에 서 있는지 식별할 수 있는 카펫을 생산하는 것입니다. 그런 다음, 예를 들어 방의 거주자 수에 따라 HVAC 시스템의 에너지 소비를 조정할 수 있습니다.

우리는 또한 신체 재활 신청에 대해 동료와 협력하고 있습니다. 우리 동료는 다리의 행동을 통제하는 데 어려움을 겪는 사람들과 함께 일합니다. 우리의 센서는 매우 얇기 때문에 매우 편안하고 착용하기에 충분히 크게 만들 수 있습니다. 이는 다리의 동작을 더 잘 제어할 수 있는 방법을 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다.

많은 가능한 미래 응용 프로그램이 있습니다. 예를 들어 로봇의 손에 부착할 수 있습니다. 무언가를 집어 올리려면 얼마나 많은 압력이 가해지고 있는지, 얼마나 많은 영역이 접촉하는지 감지할 수 있습니다.

기술 요약: 언제 상업적으로 사용할 수 있는지 대략적으로 짐작할 수 있습니까?

종: 지금 우리는 Jabil과 협력하여 실험실에 소규모 롤투롤 시스템을 구축하고 있습니다. 잘 작동하면 Jabil에 설정하고 센서를 대량 또는 큰 크기로 제조하는 데 도움이 됩니다. 3~5년이 걸릴 수도 있지만, 특히 요즘은 예측하기 어렵습니다.

이 인터뷰의 편집된 버전은 Tech Briefs의 2022년 1월호에 실렸습니다.