[논문 리뷰] Laser-patterned multifunctional sensor array with graphene nanosheets as a smart biomonitoring fashion accessory

Vijay Shirhatti, Suresh Nuthalapati외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 04.

Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials참고 문헌 45인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 실시간 생체 모니터링을 위한 마이크로파 분해를 통해 제작된 그래핀 나노시트를 금 나선형 전극에 부착한 레이저 패턴 처리된 다기능 웨어러블 센서 어레이를 제시한다. 이 센서는 초고해상도의 변형 해상도(0.024%)와 기록적인 게이지 인자(6.3×10⁷)를 달성하여 심박수, 호흡, 체온, 수분 상태 및 운동을 정밀하게 모니터링할 수 있으며, 통합된 센싱 및 제어 기능을 갖춘 패션 액세서리로도 기능한다.

ABSTRACT

Biomonitoring wearable sensors based on two-dimensional nanomaterials have lately elicited keen research interest and potential for a new range of flexible nanoelectronic devices. Practical nanomaterial-based devices suited for real-world service, which have first-rate performance while being an attractive accessory, are still distant. We report a multifunctional flexible wearable sensor fabricated using an ultra-thin percolative layer of microwave exfoliated graphene nanosheets on laser-patterned gold circular inter-digitated electrodes for monitoring vital human physiological parameters. This Graphene on Laser-patterned Electrodes (GLE) sensor displays an ultra-high strain resolution of 0.024% and a record gauge factor of 6.3e7 and exceptional stability and repeatability in its operating range. The sensor was subjected to biomonitoring experiments like measurement of heart rate, breathing rate, body temperature, and hydration level, which are vital health parameters, especially considering the current pandemic scenario. The sensor also served in applications such as a pedometer, limb movement tracking, and control switch for human interaction. The innovative laser-etch process used to pattern gold thin-film electrodes and shapes, with the multifunctional incognizable graphene layer, provides a technique for integrating multiple sensors in a wearable fashion accessory. The reported work marks a giant leap from the conventional banal devices to a highly marketable multifunctional sensor array as a biomonitoring fashion accessory.

연구 동기 및 목표

• 고성능 센싱과 미적 패션 디자인을 융합한 유연하고 웨어러블인 센서 어레이 개발
• 고성능 나노재료 기반 센서와 실용적이고 시장에 출시 가능한 웨어러블 기기 사이의 격차 해소
• 심박수, 호흡, 체온, 수분 상태와 같은 주요 생리적 파rameter를 실시간으로 다기능으로 모니터링할 수 있도록 하기
• 레이저 에칭을 통해 처리한 금 전극과 그래핀 나노시트를 조합하여 확장 가능한 다기능 센서 통합의 가능성 입증
• 사람과의 상호작용을 지원하는 스마트 생체 모니터링 액세서리 개발, 특히 운동 추적 및 제어 스위칭 기능 포함

제안 방법

• 전기 신호 전달을 위해 도체 기반 기판에 레이저 패턴 처리를 통해 원형의 나선형 전극을 형성함
• 마이크로파 분해를 통해 제작된 그래핀 나노시트의 얇고 퍼콜레이티브한 층을 레이저 패턴 처리된 금 전극 위에 전사하여 활성 센싱 층 형성
• 이중 구조와 퍼콜레이티브 네트워크 덕분에 높은 전기 감도를 확보하여 높은 게이지 인자와 변형 해상도 달성
• 신체적 조건(신축 및 굽힘)에 따른 동적 변형 반응을 캘리브레이션 및 테스트함
• 실시간 신호 측정 및 처리를 통해 심박수, 호흡률, 체온, 수분 수준을 측정하기 위한 생체 모니터링 실험 수행
• 보행 수세기 기능, 사지 운동 추적, 제어 스위칭을 통한 인간-기계 상호작용 등 추가 응용 분야에 대한 검증 수행

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레이저 패턴 처리된 그래핀 기반 센서는 다기능 유연 웨어러블 형식에서 초고해상도 변형 해상도와 뛰어난 게이지 인자를 달성할 수 있는가?
• RQ2 이 센서는 심박수, 호흡, 체온, 수분 상태와 같은 다수의 생리적 파라미터를 실시간으로 얼마나 효과적으로 모니터링할 수 있는가?
• RQ3 레이저 에칭을 통해 처리한 금 전극와 그래핀 나노시트의 통합이 안정성과 반복성을 유지하면서 다기능성을 실현할 수 있는가?
• RQ4 이 센서 시스템은 성능이나 편안함을 희생시키지 않고 패션 액세서리로 기능할 수 있는가?
• RQ5 이 센서는 웨어러블 응용 분야에서 운동 추적 및 제어 스위칭과 같은 고급 인간 상호작용 작업을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 센서는 심박수, 호흡, 체온, 수분 수준의 정밀한 실시간 측정을 가능하게 하는 초고해상도 변형 해상도 0.024% 달성
• 기록적인 게이지 인자 6.3×10⁷ 측정, 기계적 변형에 대한 뛰어난 감도 입증
• 반복적인 변형 적용 사이클 동안 뛰어난 안정성과 반복성 확보
• 생체 모니터링 실험을 통해 심박수, 호흡률, 체온, 수분 수준의 정확한 실시간 측정 결과 확인
• 기기의 보행 수세기 기능, 사지 운동 추적, 제어 스위칭을 통한 인간 상호작용 기능 성공적으로 기능
• 레이저 에칭 기술을 통해 금 전극의 정밀하고 확장 가능한 패턴 처리 가능, 단일 웨어러블 액세서리에 다중 센싱 기능 통합 가능