Skin-attachable all-in-one sensor system consisting of a flexible micro-supercapacitor with a strain sensor on a bio-inspired adhesive

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

We report on the fabrication of a skin-attachable, all-in-one sensor system (AIOS) consisting of a vertically integrated flexible micro-supercapacitor (MSC) and a stretchable strain sensor on a gecko-inspired micro-structured adhesive (GIA). Combined utilization of the mixed manganese/vanadium (Mn/V) oxide grown on MWCNT and the sulfone-based electrolyte, PC/SL/LiClO4/PMMA, enhances both the capacitance and operation voltage up to 2 V of MSC. Thus, the fabricated MSC exhibits excellent electrochemical performance with an areal capacitance increase of 25 times compared to MWCNT-based electrode supercapacitor. The MSC shows mechanical stability over repetitive bends at a bending radius of 3.7 mm and dynamic bending deformations down to bending radius of 2.9 mm regardless of the bending rate. The strain sensor made of fragmentized graphene foam embedded in PDMS film provides a high gauge factor of 12.6 up to 50% strain to detect strains due to various bio-signals. Our gecko-inspired adhesive is made of PDMS micropillars inked with a mixture of PDMS and silbione to have spatula tips. Such fabricated adhesive exhibits not only high adhesion property but also high durability over repeated cycles of attachment-detachment and negligible skin irritation. With the integrated AIOS attached to the skin, bio-signals such as an arterial pulse, swallowing, and frowning of the brow are successfully detected using energy stored in the MSC.

국문 초록 (Abstract)

해당 논문은 게코 도마뱀 모사 접착 기판 (GIA) 상에서, 유연 마이크로 수퍼커패시터 (MSC) 와 신축성 스트레인 센서를 층층이 결합한 형태의 피부 부착형 올인원 센서 시스템(AIOS) 에 대하여 보고한다. MWCNT 위에 성장한 망간/바나듐 (Mn/V) 옥사이드 혼합물과 설폰 기반 전해질 (PC/SL/ LiClO4/PMMA) 을 사용함으로써, MSC의 용량 향상 뿐만 아니라 2 V 의 전압까지 작동 전압을 향상하는 효과를 기대한다. 제작된 MSC는 MWCNT 기반 전극 수퍼커패시터에 비해 면적 당 용량이 25 배 증가한 우수한 전기화학적 성능을 보여준다. 또한, 제작한 MSC는 3.7 mm의 반경으로 반복적으로 구부렸을 때와 2.9 mm의 반경으로 실시간으로 구부렸을 때 모두 기계적으로 안정한 특성을 보인다. 또한, PDMS 필름에 내장된 조각화된 그래핀 폼으로 만들어진 스트레인 센서는 다양한 생체 신호로 인한 스트레인을 감지하기 위해 12.6 의 높은 게이지 계수를 가진다. 게코 도마뱀 모사 접착 기판 (GIA) 은 미세 기둥들로 이루어진 PDMS 기판을 PDMS와 Silbione의 혼합물에 찍어서 제작되어진다. 제작된 접착 기판은 접착력이 우수할 뿐만 아니라, 반복적인 탈부착에 대한 높은 내구성과 피부에 오랜 시간 부착하였을 때에도 경미한 염증 반응을 보인다. 최종적으로, 제작한 MSC와 스트레인 센서, 게코 도마뱀 모사 기판은 PDMS의 접착성을 이용하여 결합할 수 있다. 이렇게 제작된 올인원 센서 시스템 (AIOS)을 피부에 부착한 후, MSC로 구동하여 맥박, 목 삼킴, 미간 찡그림에 대한 생체 신호를 성공적으로 감지할 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract ⅰ
• Table of contents ⅲ
• List of figures ⅳ
• 1. Introduction 1
• 2. Theoretical background 4
• 2.1 Planar supercapacitor 4
• 2.2 Organic electrolyte 4
• 3. Experimental 6
• 3.1 Preparation of the sulfone-based electrolyte 6
• 3.2 Fabrication of a flexible planar micro-supercapacitor 6
• 3.3 Fabrication of a gecko-inspired adhesive 6
• 3.4 Fabrication of an all-in one sensor system 7
• 3.5 Monitoring of bio-signals 7
• 4. Results and Discussion 8
• 5. Conclusion 50
• 6. References 51
• Acknowledgement 56