Silver nanowire coated wearable electronics applications
Gümüş nanotel kaplı giyilebilir elektronik uygulamaları
- Tez No: 609007
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. MUSTAFA BERKE YELTEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 75
Özet
Giyilebilir teknoloji, bilimin en popüler ve büyüyen alanlarından biridir. Tarihin bütün araştırmalarından da bilindiği gibi, büyüyen bir alan olmak, hedefe ulaşmak için birçok yolu beraberinde getiriyor. Giyilebilir teknoloji temel olarak sensör tabanlı bir teknolojidir. Bu sensör tabanlı bilim alanı, optik tabanlı sensörler, piezorezistif bazlı sensörler, piezoelektrik bazlı sensörler ve kapasitif bazlı sensörlerden oluşabilir. Bütün bu sensörler stabilite, esneklik, gerilebilirlik, hassasiyet vb. esaslara göre kendi avantaj ve dezavantajlarına sahiptir. Bu çalışmada duyarlılığı ve basit yapısı nedeniyle kapasitif sensör kullanılmıştır. Kapasitif bir sensör basitçe üç katmandan oluşur; iki iletken katman ve bu iki iletken katman arasına sıkıştırılmış dielektrik katman. Yeryüzünde iletken katmanı sağlamak için kullanılabilecek materyal sayısı çoktur. Literatürde alüminyum (Al), karbon bazlı nanotüpler, bakır ve gümüş yaygın olarak kullanılmaktadır. Yukarıda bahsedildiği gibi, bu malzemeler dış etkilere duyarlılıkları, elektrik iletkenlikleri ve dayanıklılıkları açısından kendi benzersiz özelliklerine sahiptirler ve bu benzersiz özellikler avantaj ve dezavantajlar yaratmaktadır. Karbon bazlı materyallerin insan sağlığı açısından yarattığı zararlı etkiler göz önünde bulundurulduğunda, metalik materyallerin kullanımı sağlık açısından daha sağlam bir yol sağlamaktadır. Nitekim giyilebilir elektronik geniş çaplı olarak sağlık alanında kullanılmaktadır ve bir çok yapı insan derisi ile birebir bir etkileşim halindedir. Metalik materyaller arasında Alüminyum (Al) ucuzluğu ile yaygın olarak kullanılmaktadır. Bakır (Cu) ise endüstrideki geniş kullanım durumu sayesinde giyilebilir elektronik teknolojisine dahil olmaktadır. Literatürde sıkça kullanılan bu iki metalik materyal gümüş ile karşılaştırıldığında, iletkenlikleri gümüşe göre düşük kalmaktadır. ̇İletkenlik giyilebilir teknolojideki önemli noktalardan biri olduğundan, bu çalışmada gümüş kullanılmıştır. Literatür araştırması çerçevesinde gümüş nanotüp ve nanotel olarak farklı kullanım alanlarına sahip olduğu görülmüştür. Yapılmış olan bu literatür taraması göz önünde bulundurulduğunda, nanotellerin nanotüplere kıyasla daha yüksek iletkenlik ve daha düşük maliyete sahip olduğu gösterilmiştir. Nanotellerin sahip olduğu bu durumlar neticesinde çalışmada nanoteller kullanılmıştır. Gümüş nanotellerin sentezlenmesi için bu çalışmada çevre dostu olması nedeniyle Polyol tekniği kullanılmıştır. Gümüş nanoteller (AgNW) bu çalışmada, spandex lifleri, kavak lifleri ve yün kumaşı lifleri üzerinde kullanılmıştır. Spandex liflerinin kullanımı, bu liflerin endüstride yaygın şekilde kullanılması gerçeğinden kaynaklanır. Spandeks kullanımı literatürdeki bazı araştırmalarda kullanılan PDMS gibi diğer dielektrik malzemelere kıyasla ucuz ve gümüş nanotellerin kendi pozisyonlarını koruyabilmeleri açısından uygundur. Sentezlenen gümüş nanotelleri elyafın üzerine kaplama amacı güden birçok kaplama yöntemi de vardır. Bu teknikler arasında sadeliği nedeniyle emdirme (dip coating) yöntemi kullanılmaktadır. Emdirme metodu, lifleri sadece gümüş nanotel (AgNW) ve etil alkol çözeltisi ile kaplamaktır. Bu çözelti, bu elyafları oldukça iletken hale getirmek için birkaç tekrarlama süresince Spandeks elyaflarının yüzeyine bırakılır. Kaplama bittikten sonra üzerlerinde gümüş nanotel bulunan Spandex lifleri 30 dakika süresince 50◦C'de fırında bekletilmektedirler. Fırınlama sürecinden sonra gümüş-nanotel kaplı Spandex liflerinin direnç değerleri ölçülmektedir. Ölçüm İstanbul teknik üniversitesi VLSI laboratuvarında bulunan HIOKI IM 3570 LCR metresi ile ölçülmüştür. Ölçüm sonucunda direnç değerleri 50 Ohm'dan yüksek olan lifler, iletkenliğin ve hassasiyetin sağlanması adına diğer aşamalara dahil edilmemiştir. Kaplama tekrarlaması gümüş-nanotellerin Spandex liflerinin üst kısmında dökülme yaşamaması adına azami 5 defada sabit kılınmıştır. Lifler çok iletken olduğunda, Dimetilasetamit (DMAc) içinde çözülmüş bir spandeks çözeltisi, bu yüksek iletken liflerin yüzeyine kaplanır. Kaplama tamamlandı ̆gında,Spandeks elyafı iç kısımdan iletken ama dış kısımdan yalıtkan hale gelir. İki gümüş nanotel (AgNW) kaplı Spandeks elyafı birbirleriyle büküldüğünde, ortaya iç taraftan yalıtkan ama dış kısımdan iletken bir kapasitans yapısı meydana gelir. Liflerin bu konumlandırılması , lif gerildiğinde değişiklikleri tespit eden mükemmel bir kapasitif sensör sağlar. Bu kapasitif sensör, verileri aktarmak için mikro denetleyici olarak Arduino pro mini ve HM10 Bluetooth modülünü kullanan insan inhalasyon izleme sisteminde kullanılabilir. Bu uygulamanın yanında, bu gümüş nanotel (AgNW) kaplı spandeks elyaflar, esnek bir LED matrisinde kullanılabilir. Gümüş nanotellerin (AgNW) bu çalışmadaki bir başka uygulaması, Mayıs ayında halka açık alanlardan toplanan kavak liflerine dayanıyor. Kavak lifleri, liflerin uzunluğunun kullanılamayacak kadar kısa olması nedeniyle endüstride yaygın olarak kullanılmamaktadır. Böyle bir sorunun üstesinden gelmek için bu çalışma kavak liflerinin iskelet olarak, Spandex'in ise bağlayıcı olarak kullanılabileceğini göstermiştir. Kavak lifleri dip kaplama (dip coating) yöntemi ile kaplanmıştır. Kavak liflerinin gümüş ve etil alkolden oluşan çözeltide bekletilmesinin sonucunda kavak lifleri çok iletken hale gelmiştir. Dielektrik katman olarak bir Parafilm, iletken tabakalar olarak iki kavak pedinin arasına sıkıştırılır ve iletken tabakalar küçük ağırlık altında dahi olsa değişiklikleri tespit etmek için oldukça hassas hale gelir. Böyle bir sensör, akıllı ayakkabılarda kullanılabilir. Bu çalısma, bir ayakkabının altına yerleştirilen kavak pedlerinin kapasitanstaki değişime bağlı adımları tespit edebildiğini göstermiştir. Bu çalışmada Spandex ve kavak liflerinin yanı sıra, gümüş nanoteller (AgNW) yün kumaş üzerinde de uygulamasal olarak test edildi. Endüstride yaygın olarak kullanılan örme yün kumaş, önceki çalışmamızda belirttiğimiz gibi mükemmel bir yalıtkandır. Aynen kavak ağacı lifleri gibi, iki gümüş nanotel (AgNW) kaplı yüksek iletken örgülü yün kumaş arasına sıkıştırılan dielektrik katman olarak bir Parafilm kapasitif bir yapı oluşturur. Bahsi geçen kapasitif yapının üzerine uygulanan küçük bir basıncı dahi algılayabilecek nitelikte olması, gümüş nanoteller ile kaplanmış yün kumaştan olan sensörün dokunma veya basınç sensörü olarak kullanılabileceğini ortaya çıkarmaktadır. Giyilebilir elektroniklere duyulan yüksek dikkat, bu teknolojinin Nesnelerin İnterneti'nde (IoT) kullanılmasına yol açmaktadır. Nesnelerin ̇Interneti'nde (IoT) veri aktarımı, bu alandaki en önemli noktalardan biridir. Bu çalışmada ve önceki çalışmamızda belirtildiği gibi, mikro denetleyici olarak Arduino ve HM10 Bluetooth modülünün bu kapasitif sensörlerden toplanan verilerin aktarılmasında sistem olarak kullanılabileceğini göstermiş bulunmaktayız.
Özet (Çeviri)
Wearable technology is a growing field of science and is a sensor-based technology. In this sensor-based technology, there are a couple of sensor structures which are optical sensors, piezoresistive sensors, piezoelectric sensors, and capacitive sensors. In this study, capacitive sensor structures have been used because they have high sensitivity, good stability and they are simple to design. A dielectric layer sandwiched between two conductive layers creates a capacitive structure. This study handles silver nanowire (AgNW) coated textiles as the conductive layer and spandex, poplar fiber, and knitted wool fabric as the textile materials for wearable electronics applications. The method to produce silver nanowires is the Polyol method, which is environmental friendly compared to other techniques. The coating procedure for these textiles is the dip coating method because the dip-coating method requires only dips the textile into silver nanowire (AgNW) solution. Spandex fiber is widely used in industry and it is cheap. Flexible LED matrix and human inhalation monitoring system are shown in this study as the applications of silver nanowire (AgNW) coated spandex fibers. Poplar fibers are also used in this study as an application of silver nanowires (AgNWs). Poplar fibers have little usage area in the industry since the fibers are too small. Parafilm sandwiched between two silver nanowire (AgNW) coated poplar fibers provide a superior capacitive sensor to be used in smart shoes. Another application of silver nanowires (AgNWs) in this study is based on knitted wool fabric. Knitted wool fabric is also widely used in the industry just like spandex, and knitted wool fabric is a good insulator. Silver nanowire (AgNW) coated knitted wool fabric becomes highly sensitive so that it can detect the small amount of changes, which makes it suitable to be used as a touch sensor. Silver nanowire (AgNW) coated knitted wool fabric with Parafilm is placed onto the palm of the middle finger, and onto the chest of a human, and the changes in capacitance have been observed while squeezing the middle finger and the inhalation. Wearable technology became recently a new field of Internet of Things (IoT), and one of the important issues in the Internet of Things (IoT) is the data transfer. Data transfer of such systems can be provided by Arduino Pro mini as the microcontroller since it is open source and widely used. HM-10 with a connection to Arduino Pro mini can be used as the Bluetooth module to transmit and receive the data since this module is suitable to industry 4.0.
Benzer Tezler
- Giyilebilir fotovoltaik tekstil geliştirilmesi ve elektro optik analizi
Development of wearable photovoltaic textile and electro optical analysis
BUKET TURAK TACER
Doktora
Türkçe
2022
EnerjiIsparta Uygulamalı Bilimler ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. REŞAT SELBAŞ
PROF. DR. AYŞE BEDELOĞLU
- Perovskit güneş hücrelerinde ETL katmanı olarak kullanılan Nb2O5'in geliştirilmesi
Development of Nb2O5 used as ETL layer in perovskite solar cells
RAMAZAN ALPAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
EnerjiGazi ÜniversitesiFotonik Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NİHAN AKIN SÖNMEZ
- Buzlanmayı önleme uygulamaları için fonksiyonel kompozit malzemeler
Functional composite materials for anti-icing application
CEM KARAKÖYLÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Metalurji MühendisliğiEskişehir Osmangazi ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ŞAHİN COŞKUN
- Silver nanowire networks on polydimethylsiloxane for organic and perovskite solar cell electrodes
Polidimetilsiloksan üzerindeki gümüş nanotel ince filmlerin organik ve perovskit güneş hücrelerinde elektrot olarak uygulanması
ELİF ÖZLEM GÜNER
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSNÜ EMRAH ÜNALAN
- Development of amperometric cholinesterase biosensors based on a conducting polymer for detection of anti-dementia drugs and pesticides
Anti demans ilaçları ve bazı pestisitlerin tayini için iletken polimer tabanlı amperometrik kolinesteraz biosensorleri
JANSET TURAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Polimer Bilim ve TeknolojisiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT KAMİL TOPPARE
PROF. DR. NECATİ ÖZKAN