Giyilebilir Elektronik ve Sağlık İzleme için Polivinilidenflorür Esaslı Sensörlerin Geliştirilmesi
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2025
Tezin Dili: Türkçe
Öğrenci: Seçil Peker Adıgüzel
Danışman: Nevra Ercan
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Dijital dönüşüm döneminde, esnek, giyilebilir ve kendi kendine güç üreten sensör sistemlerinin akıllı elektroniklere entegrasyonu, insan-makine arayüzleri ve gerçek zamanlı biyomekanik izleme uygulamaları için öncellikli hale gelmiştir. Bu tez çalışması, mekanik enerji hasadı ve kendi kendine güç sağlayan algılama sistemlerinin geliştirilmesi amacıyla, piezoelektrik (PENG), triboelektrik (TENG) ve iyontronik kapasitif sensörler için grafen esaslı nanokompozitlerin tasarımı, sentezi, karakterizasyonu, optimizasyonu ve uygulanabilirliğini kapsamlı bir şekilde ele almaktadır. Tez çalışmasının ilk basamağında, grafen nanoşeritler (GNR), çok duvarlı karbon nanotüplerin interkalasyon yöntemiyle oksidatif olarak açılmasıyla sentezlenmiştir. Ayrıca, grafen oksitten üre kullanılarak termal tavlama işlemiyle azot katkılı grafen (NG) üretilmiş; yüksek oranda pirolik ve piridin tipi azot içeriği ile malzemenin yüzey potansiyeli ve elektronik özellikleri önemli ölçüde iyileştirilmiştir. Sentezlenen nanoboyutlu yapılar karakterize edildikten sonra farklı oran ve kombinasyonlarda poliviniliden florür (PVDF), poli(viniliden florür-ko-hekzafloro propilen) (PVDF-HFP) ve kitosan matrislerine katkılanarak elektroaktif faz oranı yüksek, esnek ve dayanıklı nanokompozit filmler elde edilmiştir. Ağırlıkça %1 GNR katkılı PVDF film, yaklaşık %83 β-faz içeriğiyle 26 V açık devre voltajı ve 16,52 μW/cm2 güç yoğunluğu göstererek yüksek piezoelektrik performans sergilemiştir. PVDF-GNR film ile hazırlanan PENG'in biyomekanik enerjiyi elektrik enerjisine etkili bir şekilde dönüştürebildiği belirlenmiştir. Triboelektrik nanojeneratör sistem için, esnek termoplastik poliüretan nanofiber üzerine tribo-pozitif katman olarak kitosan/NG ve tribo-negatif katman olarak PVDF-HFP/ GNR/iyonik sıvı kompozit içeren çok katmanlı hibrit bir yapı geliştirilmiştir. Heteratom katkılı nanodolguların kullanımı yüzey pürüzlülüğünü, yük transfer verimliliğini ve triboelektrik çıktı performansını iyileştirmiş; ağ. %0,05 NG katkılı kitosan film esaslı TENG cihazı ile 112 V seviyesine ulaşan açık devre voltajı ve 6,42 μA kısa devre akımı elde edilmiştir. Cihaz yürüyüş, koşma, zıplama, parmak bükülmesi ve vuruşlarını ayırt edebilmiş, farklı solunum tiplerine özgü elektrik sinyallerini hassas bir şekilde tespit edebilmiştir. Ayrıca, PVDF-HFP/ GNR/iyonik sıvı kompozitinin piezokapasitif iyontronik sensör olarak kullanımı incelenmiştir. Geliştirilen hibrit iyontronik sensör, yüksek hassasiyet (1,64 kPa-1), hızlı tepki/geri kazanım süresi (98ms/103 ms), düşük basınç algılama yeteneği (1,29 Pa) ve yüksek mekanik dayanıklılık (1000 döngü) göstermiştir. İyontronik sensör, eklem bükülmesi, nabız, yutkunma gibi biyomekanik ve fizyolojik hareketleri gerçek zamanlı olarak yüksek doğrulukla izleyebilmiş ve elektronik deri uygulamaları için güçlü bir aday olduğunu kanıtlamıştır. Sonuç olarak, bu tez çalışması ile, nanoyapı tasarımı, yüzey mühendisliği ve heteroatom katkı yöntemleri sayesinde esnek, düşük maliyetli, yüksek performanslı enerji hasadı ve algılama cihazları geliştirilmiştir. Piezoelektrik polimer matrisler ile GNR ve N-katkılı grafen nanoboyutlu malzemelerin sinerjik etkileşimleri ile triboelektrik ve iyontronik sistem içeren, yeni nesil giyilebilir elektroniklerde kullanılabilecek dayanıklı ve yüksek verimli cihazların geliştirilmesine katkıda bulunulmuştur.