Geri Dön

Giyilebilir elektronik ve sağlık izleme için polivinilidenflorür esaslı sensörlerin geliştirilmesi

Development of polyvinylidenefluoride based sensors for wearable electronics and health monitoring

PDF İndir

  1. Tez No: 960068
  2. Yazar: SEÇİL PEKER ADIGÜZEL
  3. Danışmanlar: PROF. DR. NEVRA ERCAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Kimya Mühendisliği, Polymer Science and Technology, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Basınç sensörleri, Kapasitif yaklaşım sensörü, Polimer kompozitler, Triboelektrik nanojeneratörler, Çok katmanlı algılayıcılar, Pressure sensors, Capacitive proximity sensor, Polymer composites, Triboelectric nanogenerators, Multilayer sensors
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kimyasal Teknolojiler Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Dijital dönüşüm döneminde, esnek, giyilebilir ve kendi kendine güç üreten sensör sistemlerinin akıllı elektroniklere entegrasyonu, insan-makine arayüzleri ve gerçek zamanlı biyomekanik izleme uygulamaları için öncellikli hale gelmiştir. Bu tez çalışması, mekanik enerji hasadı ve kendi kendine güç sağlayan algılama sistemlerinin geliştirilmesi amacıyla, piezoelektrik (PENG), triboelektrik (TENG) ve iyontronik kapasitif sensörler için grafen esaslı nanokompozitlerin tasarımı, sentezi, karakterizasyonu, optimizasyonu ve uygulanabilirliğini kapsamlı bir şekilde ele almaktadır. Tez çalışmasının ilk basamağında, grafen nanoşeritler (GNR), çok duvarlı karbon nanotüplerin interkalasyon yöntemiyle oksidatif olarak açılmasıyla sentezlenmiştir. Ayrıca, grafen oksitten üre kullanılarak termal tavlama işlemiyle azot katkılı grafen (NG) üretilmiş; yüksek oranda pirolik ve piridin tipi azot içeriği ile malzemenin yüzey potansiyeli ve elektronik özellikleri önemli ölçüde iyileştirilmiştir. Sentezlenen nanoboyutlu yapılar karakterize edildikten sonra farklı oran ve kombinasyonlarda poliviniliden florür (PVDF), poli(viniliden florür-ko-hekzafloro propilen) (PVDF-HFP) ve kitosan matrislerine katkılanarak elektroaktif faz oranı yüksek, esnek ve dayanıklı nanokompozit filmler elde edilmiştir. Ağırlıkça %1 GNR katkılı PVDF film, yaklaşık %83 β-faz içeriğiyle 26 V açık devre voltajı ve 16,52 μW/cm2 güç yoğunluğu göstererek yüksek piezoelektrik performans sergilemiştir. PVDF-GNR film ile hazırlanan PENG'in biyomekanik enerjiyi elektrik enerjisine etkili bir şekilde dönüştürebildiği belirlenmiştir. Triboelektrik nanojeneratör sistem için, esnek termoplastik poliüretan nanofiber üzerine tribo-pozitif katman olarak kitosan/NG ve tribo-negatif katman olarak PVDF-HFP/ GNR/iyonik sıvı kompozit içeren çok katmanlı hibrit bir yapı geliştirilmiştir. Heteratom katkılı nanodolguların kullanımı yüzey pürüzlülüğünü, yük transfer verimliliğini ve triboelektrik çıktı performansını iyileştirmiş; ağ. %0,05 NG katkılı kitosan film esaslı TENG cihazı ile 112 V seviyesine ulaşan açık devre voltajı ve 6,42 μA kısa devre akımı elde edilmiştir. Cihaz yürüyüş, koşma, zıplama, parmak bükülmesi ve vuruşlarını ayırt edebilmiş, farklı solunum tiplerine özgü elektrik sinyallerini hassas bir şekilde tespit edebilmiştir. Ayrıca, PVDF-HFP/ GNR/iyonik sıvı kompozitinin piezokapasitif iyontronik sensör olarak kullanımı incelenmiştir. Geliştirilen hibrit iyontronik sensör, yüksek hassasiyet (1,64 kPa-1), hızlı tepki/geri kazanım süresi (98ms/103 ms), düşük basınç algılama yeteneği (1,29 Pa) ve yüksek mekanik dayanıklılık (1000 döngü) göstermiştir. İyontronik sensör, eklem bükülmesi, nabız, yutkunma gibi biyomekanik ve fizyolojik hareketleri gerçek zamanlı olarak yüksek doğrulukla izleyebilmiş ve elektronik deri uygulamaları için güçlü bir aday olduğunu kanıtlamıştır. Sonuç olarak, bu tez çalışması ile, nanoyapı tasarımı, yüzey mühendisliği ve heteroatom katkı yöntemleri sayesinde esnek, düşük maliyetli, yüksek performanslı enerji hasadı ve algılama cihazları geliştirilmiştir. Piezoelektrik polimer matrisler ile GNR ve N-katkılı grafen nanoboyutlu malzemelerin sinerjik etkileşimleri ile triboelektrik ve iyontronik sistem içeren, yeni nesil giyilebilir elektroniklerde kullanılabilecek dayanıklı ve yüksek verimli cihazların geliştirilmesine katkıda bulunulmuştur.

Özet (Çeviri)

In the era of digital transformation, the integration of flexible, wearable, and self-powered sensor systems into smart electronics has become a priority for human-machine interfaces and real-time biomechanical monitoring applications. This thesis study comprehensively addresses the design, synthesis, characterization, optimization, and applicability of graphene-based nanocomposites for piezoelectric (PENG), triboelectric (TENG), and iontronic capacitive sensors to develop mechanical energy harvesting and self-powered sensing systems. In the first stage of the thesis, graphene nanoribbons (GNR) were synthesized by oxidatively opening multi-walled carbon nanotubes using the intercalation method. Additionally, nitrogen-doped graphene (NG) was produced using a thermal annealing process with urea from graphene oxide; the material's surface potential and electronic properties were significantly improved due to its high content of pyrrolic and pyridine-type nitrogen. After characterizing the synthesized nanostructures, they were incorporated into polyvinylidene fluoride (PVDF), poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) (PVDF-HFP), and chitosan matrices at different ratios and combinations to obtain flexible and durable nanocomposite films with a high electroactive phase ratio. A PVDF film containing 1% GNR by weight, with approximately 83% β-phase content, exhibited high piezoelectric performance, demonstrating an open-circuit voltage of 26 V and a power density of 16.52 μW/cm². It was determined that the PENG prepared using the PVDF-GNR film can effectively convert biomechanical energy into electrical energy. For a triboelectric nano-generator system, a multi-layered hybrid structure was developed, consisting of a flexible thermoplastic polyurethane nanofiber substrate with a tribo-positive layer of chitosan/NG and a tribo-negative layer of PVDF-HFP/GNR/ionic liquid composite. The use of heteroatom-doped nanofillers has improved surface roughness, charge transfer efficiency, and triboelectric output performance; a TENG device based on a chitosan film with 0.05% NG content achieved an open-circuit voltage of 112 V and a short-circuit current of 6.42 μA. The device was able to distinguish between walking, running, jumping, finger bending, and striking motions and accurately detect electrical signals specific to different breathing patterns. Additionally, the use of the PVDF-HFP/GNR/ionic liquid composite as a piezoelectric iontronic sensor has been investigated. The developed hybrid iontronic sensor demonstrated high sensitivity (1.64 kPa−1), fast response/recovery time (98 ms/103 ms), low pressure detection capability (1.29 Pa), and high mechanical durability (1000 cycles). The iontronic sensor has been able to monitor biomechanical and physiological movements such as joint bending, pulse, and swallowing in real time with high accuracy, proving itself a strong candidate for electronic skin applications. In conclusion, through this thesis study, flexible, low-cost, high-performance energy harvesting and sensing devices were developed by designing nanostructures, employing surface engineering, and utilizing heteroatom doping methods. The synergistic interactions between piezoelectric polymer matrices and GNR and N-doped graphene nanoscale materials have contributed to the development of durable and highly efficient devices for next-generation wearable electronics incorporating triboelectric and iontronic systems.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    553289

    Predicting the adoption of wearable health tracking devices: an application of diffusion of innovation theory

    Giyilebilir sağlık izleme cihazlarının benimsenmesinin tahmin edilmesi yenilik yayılımı teorisi uygulaması

    ZİYA ŞEHBENDEROĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    İşletmeİstanbul Aydın Üniversitesi

    İşletme Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ FARID HUSEYNOV

  2. Tez No

    952272

    Flexible Solar Energy Harvesting and Fabric-Based Circuits: A Framework for Wearable Power Electronics

    Esnek Güneş Enerjisi Hasadı ve Kumaş Tabanlı Devreler: Giyilebilir Güç Elektroniği için Bir Çerçeve

    FATMA SELİN BAĞCI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiUlusal Tayvan Unıversıtesı (natıonal Taıwan Unıversıty)

    Elektronik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. KATHERİNE ANN KİM

  3. Tez No

    857498

    Hamile kadınları izlemek için akıllı giyilebilir kemer

    Smart wearable belt for monitoring pregnant women

    MOHAMED SIDIBE

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKonya Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SALİH GÜNEŞ

  4. Tez No

    835312

    Electronic system design for continuous bladder volume monitoring

    Sürekli mesane hacmi takibi için elektronik sistem tasarımı

    EMİNE BARDAKCI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. LEVENT BEKER

  5. Tez No

    847180

    Development of e-textile based RFID enabled moisture sensor for wearable technologies

    Giyilebilir teknolojiler için e-tekstil tabanlı RFID işlevli nem sensörü geliştirilmesi

    MELTEM TEKÇİN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SENEM KURŞUN

    PROF. DR. SELÇUK PAKER

Geri Dön