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: Kimya Mühendisliği, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Chemical Engineering, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  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: 189

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

    872799

    Ti3C2Tx MXene in transparent thin film heaters and iontronic pressure sensors

    Şeffaf ince film ısıtıcılarda ve iyontronik basınç sensörlerinde Ti3C2Tx MXene

    ÖYKÜ ÇETİN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSNÜ EMRAH ÜNALAN

    DR. ÖĞR. ÜYESİ YUSUF KELEŞTEMUR

  2. Tez No

    914020

    Digital biomarker discovery for non-invasive health monitoring with acoustic and vibration signals

    Akustik ve titreşim sinyalleri ile non-ınvazif sağlık izleme için dijital biyomarker keşfi

    BEREN SEMİZ GÜRSOY

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGeorgia Institute of Technology

    Elektronik-Bilgisayar Ana Bilim Dalı

    PROF. ÖMER TOLGA İNAN

  3. Tez No

    608245

    Graphene textile smart clothing for wearable cardiac monitoring

    Giyilebilir kardiyovasküler takip için grafen tekstil tabanlı akıllı giysi

    GİZEM ACAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSabancı Üniversitesi

    Mühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT KAYA YAPICI

  4. Tez No

    812484

    Design and simulation of an auscultation data acquisition system on a single integrated chip

    Bir stetoskop ses verisi edinimi sisteminin tümleşik devre üzerinde tasarım ve simülasyonu

    KEREM KAYA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZEYNEP YASEMİN KAHYA

    PROF. DR. GÜNHAN DÜNDAR

  5. Tez No

    904286

    Graphene conductive inks for an effective textile based respiratory sensor system

    Tekstil esaslı solunum sensör sistemi için grafen iletken mürekkepler

    KIVANÇ ÖZIŞIK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜLYA CEBECİ

Geri Dön