Conductive networks using vertical graphene grown on carbon nanofibers for flexible electromechanical sensors

국문 초록 (Abstract)

수직 그래핀(VG)은 그들의 구조적 특성과 높은 전도성으로 인해 신축성, 감도 및 우수한 선형성이 나타나는 유연한 센서의 성능을 향상시키는 데 사용되었습니다. 탄소 나노 섬유 상에 합성된 수직 그래핀(VG@CNF)은 다른 전도성 나노 소재와 혼합하여 3D 전도망을 형성하는 데 사용됩니다.
본 논문에서는 VG@CNF의 합성과 VG@CNF, rGO, PEDOT:PSS로 이루어진 3D 전도망이 적용된 다양한 유연한 센서에 대한 응용에 대해 설명합니다.
첫째, 간단한 CVD 기술을 통한 VG@CNF의 합성 및 이를 사용한 3D 전도망의 형성 및 유연한 센서로의 응용에 대한 내용이 제시되었습니다. 합성된 VG@CNF는 rGO 및 PEDOT:PSS와 혼합되어 3D 전도성 하이브리드 망을 형성했습니다. VG@CNF와 rGO 간의 향상된 상호 작용은 VG@CNF/rGO/PEDOT:PSS 및 CNF/rGO/PEDOT:PSS 복합체로 이루어진 필름를 기계적으로 분리하고 Mode I 테스트를 통해 얻은 분리 에너지를 비교함으로써 조사되었습니다.
둘째, VG@CNF와 rGO 간의 향상된 상호 작용은 변형 센서의 성능을 향상시키는 데 기여했습니다. 구체적으로, VG@CNF/rGO/PEDOT:PSS로 이루어진 3D 전도망을 사용하여 섬유형 및 필름형 변형 센서가 제작되어 향상된 성능을 나타냈습니다. 섬유 변형 센서는 섬유를 짜고 스쿼트 동작 중 레깅스에 센서를 부착하여 웨어러블 스트레인 센서로 활용될 수 있었습니다.
셋째, VG@CNF/rGO 3D 전도성 네트워크는 유연한 압력 센서 제작에 사용되었습니다. 동결 건조를 통해 다공성 구조를 PDMS 마이크로 비드와 결합하여 성능이 향상된 압력 센서를 제작했습니다. 다공성 스폰지 압력 센서는 블루투스 묘듈을 통한 무선통신으로 신발에 장착되어 신체적 활동 시 전류변화를 측정할 수 있었습니다.
요약하면, 탄소 나노 섬유 표면에 VG를 합성함으로써 VG@CNF, rGO 및 PEDOT:PSS로 이루어진 3D 전도망의 안정성이 향상되었고 이는 다양한 유연한 센서에서 향상된 성능을 나타내었습니다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Vertical graphene (VG) has been employed to enhance the performance of flexible sensors due to their structural characteristic and high conductivity resulting high stretchability, sensitivity, and excellent linearity. The synthesized vertical graphene on carbon nanofiber (VG@CNF) can be mixed with other conductive nanomaterials to form 3D conductive networks for use in flexible sensors.
In this thesis, synthesis of VG@CNF and applications for several flexible sensors with 3D conductive networks composed of VG@CNF, reduced graphene oxide (rGO) and PEDOT:PSS are described.
First, synthesis of VG@CNF through a simple CVD technique and its application in the formation of 3D conductive networks and as a flexible sensor were presented. The synthesized VG@CNFs were mixed with rGO and PEDOT:PSS to form 3D conductive hybrid networks. The enhanced interaction between VG@CNFs and rGO was investigated by mechanically separating papers consisting of VG@CNF/rGO/PEDOT:PSS and CNF/rGO/PEDOT:PSS composites and comparing the resulting separation energies using Mode I test.
Second, the improved interaction between VG@CNFs and rGO contributed to the enhanced performance of the strain sensor. Specifically, fiber-type and film-type strain sensors were fabricated using the 3D conductive network composed of VG@CNF/rGO/PEDOT:PSS, demonstrating improved performance. The fiber strain sensors could be utilized as textile strain sensor by weaving the fibers and demonstrate as wearable strain sensors by attaching the sensor at legging during squat movements.
Third, the VG@CNF/rGO 3D conductive network was also employed in the fabrication of flexible pressure sensors. By freeze-drying, the porous structures were combined with PDMS microbeads to compress effectively, resulting in an enhanced-performance pressure sensor.
In summary, the synthesis of VG on the surface of carbon nanofibers has improved the stability of the 3D conductive network, which includes rGO and PEDOT:PSS, resulting in enhanced performance in various flexible sensors.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. INTRODUCTION 1
• 1.1 Wearable devices 1
• 1.2 Flexible sensors 1
• 1.3 Fabrication methods of flexible sensors 8
• 1.4 Enhancements of flexible sensors performances 14
• 1.5 Motivation 21
• 1.6 Research scope 23
• Chapter 2. Conductive networks using vertical graphene grown on carbon nanofibers 26
• 2.1 Introduction 26
• 2.2 Experimental details 27
• 2.3 Results and discussion 28
• 2.4 Conclusion 42
• Chapter 3. Strain sensors with conductive networks using vertical graphene grown on carbon nanofibers 43
• 3.1 Introduction 43
• 3.2 Experimental details 44
• 3.3 Results and discussion 47
• 3.4 Conclusion 90
• Chapter 4. Flexible pressure sensors based a graphene sponge with vertical graphene on carbon nanofibers and PDMS microbeads 91
• 4.1 Introduction 91
• 4.2 Experimental details 92
• 4.3 Results and discussions 94
• 4.4 Conclusion 120
• Chapter 5. Conclusions and Outlook 121
• 5.1 Conclusion 121
• 5.2 Outlook 123
• References 125
• 논문요약 137