This thesis presents a flexible piezoelectric pressure sensor (FPPS) based on a porous nanocomposite with improved nanoparticle dispersion, enhanced vapor permeability, and stabilized metal deposition for precision pulsewave monitoring. First, the nanocomposite dispersion is improved by mixing the glycidyl silane-functionalized piezoelectric nanoparticles with the nonionic surfactant Triton-added polydimethylsiloxane to reduce inter-particle surface energy. Second, the porous piezoelectric nanocomposite with vapor permeability enhancement (≈485 g m$^{–2}$ day$^{–1}$) is fabricated by dissolving the citrate particles crystallized in the nanocomposite matrix to form uniform pores. The nanocomposites exhibit good piezoelectric properties with vapor permeability higher than the skin perspiration level (≈432 g m$^{–2}$ day$^{–1}$), enabling long-term attachment without skin troubles. Third, the crack-free metal films (100/1 nm-thick Au/Cr) are deposited directly on the nanocomposite, whose surface adhesion to the metal films is enhanced through the silane functionalization followed by oxygen plasma treatment.
The FPPS, achieving those three major advances, shows a resolution of 0.05 kPa, a sensitivity of 9.07 mV kPa$^{–1}$, a linearity of 0.999, a hysteresis error of 1.35%, and a stable durability over 200,000 pressure cycles within the pressure range of 0.2–20 kPa. The FPPS, making conformal contact with the skin, is sensitive enough to detect subtle systolic/diastolic blood pressure as well as to discriminate pulsewave variations caused by physical activity and vascular aging. Therefore, our research demonstrates that the FPPS has strong potential for applications in individual cardiovascular monitoring and wearable healthcare.
본 논문은 개선된 나노입자 분산, 향상된 증기 투과성, 및 안정된 금속 증착를 가진 40 μm 두께의 나노복합체을 기반으로 하는 유연한 압전 압력 센서(Flexible piezoelectric pressure sensor, FPPS)를 제시합니다. 먼저, 글리시딜 실란으로 기능화된 압전나노입자를 비이온성 계면활성제 트리톤이 첨가된 폴리디메틸실록산과 혼합하여 입자간 표면에너지를 감소시켜 나노복합체의 균일성을 향상시킵니다. 둘째, 압전나노복합체 기상 내에서 결정화된 시트르산 입자를 용해하여 균일한 기공을 형성하여 기공이 형성된 다공성 압전나노복합체를 제작합니다. 압전나노복합체는 압전특성이 우수하며 증기 투과성(≈485 g∙day$^{–1}$∙m$^{–2}$)이 피부 발한 수준(≈432g∙day$^{–1}$∙m$^{–2}$)보다 높아 피부 문제없이 안정적인 맥파 감지를 가능케 합니다. 셋째, 압전나노복합체에 직접 금속 박막(100/1 nm 두께의 Au/Cr)을 증착시켜 압전나노복합체와의 표면 접착을 개선시키기 위해 실란 기능화와 산소 플라즈마 처리를 통해 균열 없는 금속 막을 나노복합체 표면에 직접 형성합니다.
이 세 가지 주요 진전을 이룬 FPPS는 0.05 kPa의 분해능, 9.07 mV∙kPa$^{–1}$의 민감도, 회귀 모델에서의 0.999의 선형성 및 0.2–20 kPa의 압력 범위에서 200,000 회 이상의 압력 주기 동안 안정된 내구성을 보여줍니다. 피부와 구조적으로 일치하면서 섬세한 수축기/이완기 혈압을 감지할 뿐만 아니라 신체 활동 및 혈관 노화로 인한 맥파 변화를 구별하는 데 민감한 FPPS는 개인 심혈관 모니터링 및 휴대용 건강 관리 응용에 강력한 잠재력을 갖고 있음을 보여줍니다.
