レーザー誘起グラフェンウェアラブル圧力センサー

ペンシルバニア州立大学が率いる国際的な研究チームによると、グラフェンは、優れた柔軟性と高い導電性を備えた炭素原子の単層六角形配列であり、柔軟な電子製品の開発を促進することができます。

ペンシルバニア州立大学工学科学機械学部（ESM）のHuanyu Cheng教授が共同研究を主導し、最近、将来の運動検出、触覚感知、および健康監視装置の研究開発に役立つ2つの研究を発表しました。

レーザー加工がグラフェンの形態と機能にどのように影響するかを研究する

グラフェンを作るためにレーザー放射によって炭素に変換できるいくつかの物質があります。レーザー誘起グラフェン（LIG）と呼ばれる、結果として得られる製品は、元の材料によって決定される特定の特性を持つことができます。チームはこのプロセスをテストし、その結果を公開しました（「ポリイミドにCO 2レーザーを照射することによるレーザー誘起グラフェンの性能に対するレーザー処理パラメーターの影響」）。


ウェアラブル圧力センサー。
https://www.htrlaser.com/product-p2806161.html
ポリイミドサンプルは、レーザースキャンによって照射されるプラスチックです。研究者たちは、スキャンラインのパワー、スキャン速度、パス数、密度を変更しました。

「レーザー加工プロセスのさまざまなパラメーターがどのようにさまざまなナノ構造を生成するかを見たい」とHuanyuCheng教授は述べた。 「パワーを変えることで、ファイバーまたはフォーム構造でLIGを作ることができます。」

研究者は、7.2ワットから約9ワットへのより低い電力レベルが、多くの超微細層を備えた多孔質フォームの形成をもたらすことを発見しました。このLIGフォームは、導電性と優れた熱損傷耐性を備えています。これらの特性は両方とも、電子デバイスコンポーネントで使用できます。

電力を約9ワットから12.6ワットに増やすと、LIGの形成モードがフォームから小さなファイバーバンドルに変わります。これらのビームの直径は、レーザー出力が増加するにつれて増加し、より高い出力は光ファイバーネットワークのメッシュ成長を促進します。繊維構造は発泡体よりも優れた導電性を示します。 Cheng Huanyu教授によると、この強化された性能とファイバーの形態を組み合わせることで、センシングデバイスの可能性を広げることができます。

「一般的に、これは他のコンポーネントを構築するために使用できる導電性フレームです」とHuanyuCheng教授は述べています。 「繊維が導電性である限り、それを足場として使用し、その後表面に多数の変更を加えて、皮膚のブドウ糖センサーや創傷感染検出器などの多くのセンサーを有効にすることができます。」

異なる出力で形成されたLIGのレーザースキャン速度、密度、チャネルを変更すると、導電率とその後の性能にも影響します。より多くのレーザー照射はより高い導電率につながりますが、燃焼によって引き起こされる過度の炭化のために最終的には減少します。

低コストのLIGセンサーのデモンストレーション

以前の研究に基づいて、Cheng Huanyu教授と彼のチームは、柔軟なLIG圧力センサーの設計、製造、およびテストに着手しました。

「圧力センサーは非常に重要です」とチェンは言いました。 「家庭や製造業だけでなく、皮膚表面でも使用して、脈拍などの人体からの多くの信号を測定できます。また、義肢の性能を向上させたり、モニターしたりするために、人体と機械のインターフェースで使用することもできます。アタッチメントポイント。」

チームは2つの設計をテストしました。最初に、彼らは銅電極を含む2つのポリイミド層の間にLIGフォームの薄層を挟みました。圧力がかかると、LIGは電気を生成します。フォームのボイドは、電流の伝達経路の数を減らし、圧力源の位置を特定しやすくし、微妙な接触に対する感度を高めているように見えます。

最初のデザインは、手の甲に取り付けると、曲げや伸展時の手の動き、および心拍の特徴的なタッピング、潮汐、拡張期の波を検出できます。 Cheng Huanyu教授によると、この脈拍の測定値をECGの測定値と組み合わせて、カフなしで血圧測定を実行できます。
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2番目の設計では、研究者はLIGフォームにナノ粒子を追加しました。これらの小さな二硫化モリブデン球（導体および絶縁体として機能できる半導体）は、フォームの感度と物理的な力に対する耐性を強化します。この設計は繰り返し使用にも適応でき、10,000回近く使用する前後でほぼ同じ性能を示します。

Huanyu Cheng教授は、これらの設計はどちらも費用効果が高く、簡単なデータ収集が可能であると述べました。

研究者は、ヘルスモニタリング用のスタンドアロンデバイスとして、または他の既存のデバイスと組み合わせて、これらの設計を引き続き調査する予定です。