캡슐화되지 않고 세척 가능한 두 가지

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 12288(2022) 이 기사 인용

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의류에 통합하기 위해 화학 저항 기반 NO2 센서와 같은 전자 가스 센서에 채택된 재료는 세척액의 공격적인 화학 물질과 기계적 마모의 결합 효과로 인해 표준 세탁 사이클을 견디지 못합니다. 캡슐화 재료를 사용하면 장치 오류를 완화할 수 있지만 감도, 선택성 및 유용성 측면에서 센서 성능이 저하됩니다. GO(Graphene Oxide)와 GO/MoS2(Molybdenum disulfide)를 코팅하고 현장 환원을 통해 표준세탁에 강한 나일론 원단에 고감도 NO2 전자섬유(e-textile) 센서를 제작하였다. 환원그래핀옥사이드(RGO)로 GO를 전환하세요. GO/MoS2 e-섬유는 NO2에 대해 선택적이었고 건조한 공기(0.05%/ppb)에서 20ppb NO2에 대한 민감도와 습한 공기(60% RH)에서 100ppb NO2에 대한 민감도를 나타냈으며 검출 한계(LOD)는 ~ 7.3입니다. ppb. 선택성과 낮은 LOD는 주변 온도(~20°C)에서 작동하는 센서를 통해 달성됩니다. 센서는 캡슐화 없이 100회의 표준화된 세척을 거친 후에도 기능을 유지했습니다. 온도, 습도 및 센서 반응 간의 관계를 조사했습니다. 전자섬유 센서에는 마이크로컨트롤러 시스템이 내장되어 있어 측정 데이터를 휴대폰으로 무선 전송할 수 있습니다. 이러한 결과는 높은 공간 해상도(< 25 cm2), 즉 신체 개인 노출 모니터링을 위해 세탁 가능한 의류에 공기 품질 센서를 통합할 수 있는 가능성을 보여줍니다.

전 세계적으로 수백만 명의 조기 사망이 실내 및 실외의 나쁜 공기 질과 관련되어 있습니다1,2. 역학 연구에서는 규정된 한도(40 µg m−3 - NO2의 연간 평균값)를 초과하는 오염 물질 수준에 노출되면 특히 어린이3,4, 임산부5,6 및 노인7에게 치명적인 결과를 초래할 수 있다고 주장합니다. 심혈관계에 대한 원치 않는 영향은 병원 입원 데이터와 응급실 방문 및 동일/겹치는 타임라인8,9에 대한 대기 오염 데이터 간의 관찰된 관계에 의해 입증됩니다. 대기오염 데이터는 주로 대기질 모니터링 사이트10 또는 임시 네트워크11(즉, 서로 통신하는 장치로 구성된 네트워크)에서 주로 수집되며, 최상의 경우 수백 미터의 공간 해상도로 고정된 위치에 설치됩니다. 대부분 도시 지역에서는 몇 킬로미터, 시골 지역에서는 수백 킬로미터입니다. 공간적 희박성으로 인해 수집된 데이터는 하루 동안의 실제 개인 노출 수준과 다를 수 있습니다12. 웨어러블 센서는 피사체의 로컬 환경에 존재하므로 이 문제를 해결할 수 있습니다. 그러나 편의성과 유용성 때문에 문제는 방해받지 않고 해결되어야 합니다. 차세대 웨어러블 센서와 전자 장치는 사용자의 옷에 내장되어 사용자가 착용할 때 최고의 편안함을 제공하는 것을 목표로 합니다. 현재 휴대용 가스 감지를 해결하기 위한 기술에는 신축성 있는 폴리머를 기반으로 한 신체 부착 패치13 또는 직물에 붙일 수 있는 상자에 싸인 견고한 실리콘 기반 장치가 포함됩니다10. 온바디 패치는 착용성을 보장하기 위해 패치에 채택된 접착제 또는 탄성 밴드와 관련된 낮은 통기성 및 피부 적합성 문제로 인해 제한되며, 종종 사용자에게 피부 자극과 불편함을 유발합니다. 동시에 기존의 실리콘 기반 전자 장치는 원래 직물 표면에 맞게 설계되지 않았기 때문에 일반적으로 부피가 크고 방해가 됩니다. 전자 센서용 기판으로 사용될 때 섬유 소재는 높은 유연성, 생체/피부 호환성, 통기성, 임의의 모양 및 크기에 대한 순응성, 측정 부위에 대한 근접성 등 웨어러블 센서 응용 분야에 필요한 모든 속성을 보유하고 있습니다. 사용자에게 불편함을 주지 않고 오랫동안 사용할 수 있습니다. 직물에 성공적으로 통합된 센서에는 온도 센서, 전위차 센서14, 촉각 센서15, 습도 센서16,17, 용량성18, 스트레인 게이지 및 압력 센서19,20가 포함됩니다. 딥 코팅18, 화학적 환원19,21, 핫 프레싱19 및 프린팅22을 기반으로 하는 능동 감지 소재를 직물에 직접 제조 및 코팅하는 방법은 코팅된 소재의 무능력으로 인해 코팅 균일성, 피부 친화성 및 불량한 세탁성과 같은 문제가 있었습니다. 직물의 섬유와 강한 결합을 형성합니다23. 이러한 한계를 극복하려는 시도는 원사의 섬유에 감지 물질을 제어된 코팅을 사용하여 섬유 및 원사에 직접 직물 기반 센서를 제작함으로써 보고되었습니다. 그런 다음 실을 함께 짜서 스마트 의류25,26 또는 비의류27 섬유 시스템에 통합합니다. 제작된 센서의 감도와 선택성은 활성 물질의 특성에 따라 달라집니다. 그래핀과 같은 2차원(2D) 물질과 높은 표면적(이론적으로 2630m2g−1)을 갖는 관련 물질은 Yuan 등이 입증한 것처럼 낮은 NO2 농도(ppb 수준까지)에 매우 높은 민감도를 나타냅니다. 150 ppb28, Liu et al. - 5 ppb29, Fowler et al. - 5ppm30, Shaik et al. - 2.5ppm31, Wang et al. - 5ppm32, Novikov et al. - 1ppb33 가스 감지에 대한 조사는 제한적이었습니다. 직물로 직조되거나 캡슐화될 수 있는 단사에 적용됩니다. 그래핀 기반 센서는 최대 250ppb의 감도로 시연되었습니다. 저온(100~150°C)에서 작동할 수 있는 능력으로 인해 MoS2, 이황화텅스텐(WS2) 및 이황화주석(SnS2)과 같은 낮은 LOD로 NO2를 검출하기 위해 Si/SiO2의 전이 금속 디칼코게나이드에 대한 여러 작업이 수행되었습니다. )34. 예를 들어, 그래핀을 이용한 화학 기상 증착 MoS2는 0.1ppb의 LOD와 4.9%/ppb의 감도를 달성하는 광전자 가스 센서를 구현하는 데 사용되었습니다35. Yang et al.36은 50ppm의 LOD로 0.3%/ppm의 감도를 갖는 액상 박리(LPE) SnS2 가스 센서를 시연한 반면 Ko et al.37은 Si/SiO2에 은 나노와이어를 사용하여 원자층 증착 WS2를 사용하여 다음을 달성했습니다. 감도 0.1%/ppm. 예를 들어 Buckley et al.34가 검토한 바와 같이 그래핀 및 2D 재료에 대해 지금까지 발표된 광범위한 연구에도 불구하고. 직물 기판의 NO2 가스 감지는 높은 감도, 낮은 LOD 및 낮은 작동 온도(< 150°C)에서는 달성되지 않았습니다. 더욱이, 전이 금속 디칼코게나이드를 사용하여 세척 가능한 NO2 가스 센서를 활성화하는 프로토콜은 캡슐화 층을 사용하지 않고 아직 시연되지 않았습니다.