Graphene conductive inks for an effective textile based respiratory sensor system
Tekstil esaslı solunum sensör sistemi için grafen iletken mürekkepler
- Tez No: 904286
- Danışmanlar: PROF. DR. HÜLYA CEBECİ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Tekstil ve Tekstil Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Science and Technology, Textile and Textile Engineering, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 161
Özet
Bu tez, günlük giysilere entegre edilmiş, kesintisiz ve non-invaziv sağlık izleme çözümlerine yönelik kritik ve artan talebi ele alarak, tekstile entegre solunum sensörleri için grafen bazlı iletken mürekkeplerin geliştirilmesi ve optimizasyonunu derinlemesine incelemektedir. Özellikle COVID-19 pandemisinin ardından giyilebilir teknolojinin yaygınlaşmasıyla birlikte, sağlık izleme sistemlerinin kullanıcı konforunu veya aktivitelerini bozmadan günlük hayata entegre edilmesine yönelik artan bir odaklanma bulunmaktadır. Malzeme bilimi, elektronik ve sağlık inovasyonunun kesiştiği noktada konumlanan bu araştırma, giyilebilir sağlık izleme alanını ilerletmek amacıyla gerçekleştirilmiştir. Aynı kapsamda çeşitli nano-mürekkeplerden oluşan bir TÜBİTAK projesinin parçası olarak, bu araştırmanın birincil amacı, grafenin üstün elektriksel ve mekanik özelliklerinden yararlanarak tekstillere entegre edilmiş güvenilir bir solunum sensörü sistemi üretmektir. Olağanüstü iletkenlik, esneklik ve dayanıklılığıyla tanınan grafen, giyilebilir uygulamalara özgü tekrarlanan stresler altında tutarlı elektriksel performansı sürdürebilme yeteneği nedeniyle seçilmiştir. Bu özellikler, grafeni uzun süreli günlük kullanım için gerekli olan dayanıklı, konforlu ve fark edilmeyen sağlık izleme çözümleri gerektiren uygulamalar için özellikle uygun kılmaktadır. Ayrıca, tekstil alt tabakalarıyla doğrudan uyumlu malzemelere odaklanmak, bu sağlık izleme cihazlarının günlük kıyafetlere sorunsuz bir şekilde entegre edilmesini kolaylaştırarak pratiklik ve erişilebilirliği artırmaktadır. Bu çalışmanın motivasyonu, hantal, geleneksel ekipman veya rahatsız edici cilt temaslı sensörlere olan ihtiyacı ortadan kaldıran, göze çarpmayan, gerçek zamanlı sağlık izleme sistemlerine yönelik artan ihtiyaca dayanmaktadır. Böyle cihazlar, özellikle günlük senaryolarda hantal olabilmekte ve çekicilik ve erişilebilirliklerini sınırlamaktadır. Sensörleri doğrudan tekstil alt tabakalarına entegre ederek, bu araştırma mümkün olduğunca göze çarpmayan bir sağlık izleme çözümü yaratmayı hedeflemektedir. Böyle bir gelişme, bu giyilebilir sensörler giysilere kolayca entegre edildiğinden ve kullanıcıdan minimum davranışsal ayarlama gerektirdiğinden, daha büyük kullanıcı uyumu için zemin hazırlayabilir. Bu tezde açıklanan araştırma metodolojisi, grafen bazlı iletken mürekkeplerin analizinden başlayıp tekstil alt tabakalarına uygulamalarına ve ardından sensör performansının titiz bir şekilde değerlendirilmesine kadar uzanmaktadır. Bu araştırmada kullanılan grafen mürekkepleri Versarien® firmasından temin edilmiş ve mikrofluidizasyon süreciyle üretilmiştir; bu süreç, tutarlı ve kontrol edilebilir reolojik özelliklere sahip mürekkepler elde etmek için kritik öneme sahiptir. Viskozite ve kayma incelmesi davranışı gibi mürekkep özelliklerinin seçimi ve optimizasyonu, bu araştırmanın merkezinde yer almıştır; çünkü bu özellikler, mürekkebin serigrafi gibi tekstil baskı teknikleriyle uyumluluğunu doğrudan etkilemektedir. Reolojik analiz, mürekkebin özelliklerinin ince ayarlanmasına olanak tanıyarak, mürekkeplerin kumaşın mekanik bütünlüğünü bozmadan tekstillere verimli bir şekilde basılmasını sağlamaktadır. Üretim aşamasında, grafen bazlı mürekkepler poliamid ve pamuklu tekstil alt tabakalarına serigrafi kullanılarak uygulanmıştır. Serigrafi işlemini optimize etmek için, tekstil yüzeylerinde düzgün ve dayanıklı iletken desenler elde etmek amacıyla çeşitli ağ açıklıkları test edilmiştir. Sensörlerin farklı koşullar altında mekanik ve elektriksel performansını değerlendirmek için çizgi, serpantin, gerinim ölçer ve çok yönlü tasarımlar dahil olmak üzere çeşitli baskılı desenler araştırılmıştır. Özellikle mekanik testler, bu analizin temel taşı olmuştur; örnekler dayanıklılıklarını ve performans istikrarlarını değerlendirmek için kapsamlı gerilme ve bükülmeye tabi tutulmuştur. Bu testler, sensörlerin gerçek dünya kullanımının taleplerine dayanırken iletkenliği ve duyarlılığı koruyabildiğini doğrulamak için esastır. Elektromekanik testler, grafen bazlı bu mürekkeplerin tekstiller için dayanıklı ve hassas solunum sensörleri yaratmadaki etkinliğini daha da vurgulamıştır. Sensörler, tekrarlanan mekanik streslere rağmen hem duyarlılığı hem de iletkenliği tutarlı bir şekilde koruyarak mekanik istikrar sergilemiştir. Böyle bir dayanıklılık, sensörlerin günlük yaşamın zorluklarına dayanması ve arızalanmaması veya sık sık yeniden kalibre edilmesi gerekmeyen giyilebilir uygulamalar için hayati öneme sahiptir. Araştırma, baskılı sensörlerin kalite ve işlevselliğini belirlemede reolojik özelliklerin kritik rolünü vurgulayarak, optimal performansa ulaşmak için mürekkep viskozitesi ve biriktirme yöntemleri üzerinde hassas kontrol ihtiyacını ortaya koymuştur. Geliştirilen sensörlerin en umut verici yönlerinden biri, gerinime duyarlılıklarıdır; bu da onların solunum hızlarını doğru bir şekilde izlemelerini ve düzensiz solunum modellerini tespit etmelerini sağlar. Bu işlevsellik, solunum sıkıntısı veya acil dikkat gerektiren diğer sağlık sorunlarının erken uyarılarını sağlayabileceğinden tıbbi uygulamalarda özellikle değerlidir. Sensörler genellikle gerinimdeki değişikliklere lineer bir yanıt göstermiş, zaman içinde solunum aktivitesinin güvenilir bir şekilde izlenmesine olanak tanımıştır. Bununla birlikte, tez ayrıca gelecekteki çalışmalarda ele alınması gereken birkaç teknik zorluğu da belirlemektedir. Örneğin, sensör desenlerinin tekstil liflerine göre hassas hizalanması zorlayıcı olmuş ve sensörlerin yönlü kuvvetlere olan tepkisini etkilemiştir. Ayrıca, üretilen sensörlerin test numunelerine dönüştürülmesi, özellikle katmanlı konfigürasyonlara sahip sensörlerin test edilmesinde belirli zorluklar sunmuştur. Test prosedürü, farklı gerinim seviyelerinde sensör performansını değerlendirmek amacıyla, %5 ve %10 kontrollü gerinimlere tabi tutulan 4 ve 5 katmanlı sensörlerin sistematik bir şekilde incelenmesini içermiştir. Bu prosedür kapsamında, ön gerinim etkilerini daha iyi anlamak ve elde edilen verilerin sağlamlığını artırmak için, başlangıçta %5 gerinim ölçümleri için tasarlanan numuneler daha sonra %10 gerinim koşullarında test edilmiş ve benzer şekilde, %10 gerinim ölçümleri için ayrılan numuneler de %5 gerinimde değerlendirilmiştir. Bu çift yönlü test yöntemi, sensörlerin mekanik stabilitelerini ve tekrarlanan yüklemelere verdikleri tepkileri detaylı bir şekilde analiz etmeye olanak tanımıştır. Sonuçlar, ön gerinim uygulanmasının sensör performansı üzerinde genellikle olumlu bir etki yarattığını göstermiştir. İlk gerinimin sensör yapısını“düzenlediği”, yani iç yapıyı stabilize ettiği ve bunun sonucunda sonraki testlerde daha düzgün ve tutarlı ölçüm desenleri elde edildiği görülmüştür. Bu durum, sensörlerin gerinim altında nasıl davrandıklarına dair önemli bilgiler sağlamış ve üretim süreçlerinde olası iyileştirmeler için ipuçları sunmuştur. Bununla birlikte, geometrinin ve ölçüm alanının sensör duyarlılığı ve istikrarı üzerinde önemli bir rol oynadığı belirlenmiştir. Yüksek duyarlılık gerektiren uygulamalarda, çizgi geometrisi dikkat çekici bir aday olarak öne çıkmıştır. Ancak, bu geometrinin zaman içerisindeki tutarlılığı sorgulanabilir bulunmuş, bu da uzun vadeli kullanımlar için sınırlamalar olabileceğini düşündürmüştür. Öte yandan, daha istikrarlı ve uzun vadeli ölçümler gerektiren uygulamalarda, gerinim ölçer sensörlerin daha uygun bir çözüm sunduğu tespit edilmiştir. Serpantin ve çok yönlü desenler, hem duyarlılık hem de istikrar açısından dengeli sonuçlar vermiştir. Bu geometriler, özellikle vücudun farklı bölgelerinde solunum algılama gibi çok yönlü hassasiyet gerektiren durumlarda daha elverişli bir kullanım potansiyeline sahiptir. Serpantin deseninin esnek yapısı, geniş bir gerinim aralığında güvenilir ölçümler sağlayabilirken, çok yönlü desenlerin karmaşık kuvvet dağılımlarını algılama yeteneği, bu geometriyi ileri düzey uygulamalar için cazip bir seçenek haline getirmiştir. Sonuç olarak, bu çalışmada test edilen sensörlerin performans analizleri, farklı geometrilerin belirli uygulamalarda nasıl avantajlar sunduğunu ve bu avantajların kullanıma bağlı olarak nasıl şekillendiğini göstermiştir. Bu bulgular, hem mevcut sensör tasarımlarını optimize etmek hem de gelecekteki uygulamalar için daha sağlam ve duyarlı çözümler geliştirmek adına değerli bir temel sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis provides an examination of the development and optimization of graphene-based conductive inks for textile-integrated respiratory sensors, addressing the critical and rising demand for seamless, non-invasive health monitoring solutions embedded within everyday garments. With the proliferation of wearable technology, especially following the COVID-19 pandemic, there is a heightened focus on integrating health monitoring systems into daily life without disrupting user comfort or activities. Positioned at the crossroads of material science, electronics, and healthcare innovation, this research has been performed to advance the wearable health monitoring field. Being part of the Scientific and Technological Research Council of Türkiye (TUBİTAK) project, which consists of several nano-inks, the primary aim of this research is to fabricate a reliable respiratory sensor system embedded within textiles, harnessing the superior electrical and mechanical properties of graphene. Graphene, a material renowned for its outstanding conductivity, flexibility, and robustness, was chosen due to its unique ability to sustain consistent electrical performance under the repetitive stresses typical of wearable applications. These qualities make graphene particularly well-suited for applications requiring durable, comfortable, and inconspicuous health monitoring solutions, essential for prolonged, daily wear. Moreover, the focus on materials inherently compatible with textile substrates facilitates seamless integration into everyday clothing, enhancing the practicality and accessibility of these health-monitoring devices. The motivation behind this study is rooted in the growing need for unobtrusive, real-time health monitoring systems that eliminate the requirement for bulky, traditional equipment or uncomfortable skin contact sensors. Such devices are often cumbersome, especially in everyday scenarios, limiting their appeal and accessibility. By embedding sensors directly into textile substrates, this research aims to create a health monitoring solution that is as unobtrusive as possible. Such a development could pave the way for greater user compliance, as these wearable sensors are easily incorporated into garments and thus require minimal behavioral adjustments from the user. The research methodology outlined in this thesis begins with the analysis of graphene-based conductive inks and extends through to their application on textile substrates, followed by a rigorous evaluation of sensor performance. The graphene inks used in this research were sourced from Versarien® and were manufactured through a microfluidization process, which was critical to achieving inks with consistent and controllable rheological properties. The selection and optimization of ink properties, such as viscosity and shear-thinning behavior, were central to this research, as these characteristics directly influence the ink's compatibility with textile printing practical techniques like screen printing. The rheological analysis allows for fine-tuning of the ink's properties, ensuring that the inks can be printed onto textiles efficiently without compromising the mechanical integrity of the fabric. In the fabrication phase, graphene-based inks were applied to polyamide and cotton textile substrates, using screen printing. To optimize the screen-printing process, various mesh openings were tested for identifying the ideal conditions for achieving uniform and durable conductive patterns on the textile surfaces. A variety of printed patterns, including line, serpentine, strain gauge, and omnidirectional designs, were explored to assess the mechanical and electrical performance of the sensors under different conditions. Mechanical testing, in particular, was the cornerstone of this analysis, with samples subjected to extensive stretching and flexing to evaluate their durability and performance stability. This testing was essential in confirming that the sensors could withstand the demands of real-world use while maintaining conductivity and sensitivity. Electromechanical testing further underscored the effectiveness of these graphene-based inks in creating resilient, sensitive respiratory sensors for textiles. The sensors exhibited mechanical stability, consistently maintaining both sensitivity and conductivity even after repeated mechanical stresses. Such resilience is vital for wearable applications, where sensors must endure the rigors of daily life without failing or requiring frequent recalibration. The research highlighted the critical role of rheological properties in determining the quality and functionality of the printed sensors, emphasizing the need for precise control over ink viscosity and deposition methods to achieve optimal performance. One of the most promising aspects of the developed sensors is their sensitivity to strain, which enables them to accurately monitor respiratory rates and detect irregular breathing patterns. This functionality is particularly valuable in medical applications, as it could provide early warnings of respiratory distress or other health issues that require immediate attention. The sensors generally demonstrated a linear response to changes in strain, allowing for reliable tracking of respiratory activity over time. However, the thesis also identifies several technical challenges that must be addressed in future work. For instance, achieving precise alignment of the sensor patterns in relation to the textile fibers proved challenging, affecting the sensors' responsiveness to directional forces. Additionally, converting the fabricated sensors into testing specimens presented certain difficulties, especially when testing sensors with layered configurations. The testing procedure involved both 4x5 and 5x5 layered sensors, each subjected to controlled strains of 5% and 10%. To investigate the effects of pre-strain and increase the robustness of the data, the testing protocol was adjusted in such a way that specimens initially intended for 5% strain measurements were subsequently tested at 10% strain and vice versa. The results showed that pre-straining the sensors generally had a beneficial impact on their performance, as the initial strain appeared to“settle”the sensor structure, yielding smoother and more consistent measurement patterns in subsequent tests. Furthermore, it has been understood that geometry and measurement area are intertwined with a trade-off between sensitivity and stability. For example, for applications that require high sensitivity, line geometry seems to be a suitable candidate. However, their consistency over time can be in question. In contrast, if a more stable and long-term measurement is required, strain gauge sensors might be a better solution. Serpentine and omnidirectional patterns proved both balanced sensitivity and stability, and they are more likely to be used in various areas of the body for respiration sensing.
Benzer Tezler
- Tirozin tayini için esnek ve giyilebilir elektrokimyasal sensör geliştirilmesi
Development of flexible and wearable electrochemical sensor for determination of tyrosine
İREM DURAN
- Tekstil bazlı lityum iyon piller için anot malzemesi geliştirilmesi
Development of anode materials for textile-based lithium-ion batteries
SERHAN TÜRKOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET SİNAN ÖKTEM
- Processing and characterization of novel graphene containing inks
Özgün grafen içeren mürekkeplerin hazırlanması ve karakterizasyonu
SEDA SULTAN YÜKSEL
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Kimya Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUHSİN ÇİFTÇİOĞLU
- Designing and manufacturing superamphiphobic flexible sensors
Süperamfifobik esnek sensör tasarlanması ve üretilmesi
FATMA SAİME ERDÖNMEZ
Doktora
İngilizce
2023
Polimer Bilim ve TeknolojisiBursa Teknik ÜniversitesiPolimer Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE BEDELOĞLU
- Lityum iyon piller için baskı teknolojilerine uygun LFP/RGO katotların geliştirilmesi
Development of LFP/RGO cathodes suitable for print technologies for lithium ion batteries
MUSTAFA FURKAN SÖKMEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Metalurji MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MAHMUD TOKUR