Elektrotlar; Akıllı tekstiller, standart tekstil ürünlerinin doğal atmosfer şartlarından koruma ve süsleme özelliklerine ilave olarak herhangi bir etkiyi (basınç, hareket, uzama, ısı, ışık vb) algılama ve buna bir tepki verme özelliğine sahip olan tekstil ürünleri olarak tanımlanır. İnsan vücudunun hayati organlarının sinyallerini tespit edebilen, vücut hareketlerini algılayabilen kumaşlar, radyo dalgaları ile iletişim kurabilen giysiler vb pek çok akıllı tekstil malzemelerine örnek olarak verilebilir. Akıllı giysi yapısında yer alan sensörler ile birtakım insan vücut parametrelerini (örneğin; kalp atış hızı, solunum, sıcaklık vb) ölçmek mümkün olmaktadır.
Sensörler tarafından toplanan veriler, işlenmesi için bir veri işlemciye gönderilmekte; uyarı, giyen kişiyi uyarmak veya dış ortama bir sinyal göndermek için anten ya da başka bir iletişim cihazı yoluyla iletilmektedir. Son zamanlarda sıradan kumaşların fonksiyonel özelliklerini geliştirmek için akıllı tekstillerin yeni bir araştırma alanı ortaya çıkmıştır.
Elektronik tekstiller (e-tekstiller), elektronik ekipmanlar ve tekstil teknolojilerinin birleşimidir; dijital bir bileşime veya yapı içerisine gömülen elektroniklere sahiptir. Henüz başlangıç aşamasında olsa da, kullanıcıya çevreleriyle etkileşimi sağlayan ve giydikleri kıyafetlere entegre sensörler ve iletken iplikler aracılığıyla veri ileten geliştirilmiş yeni kapasiteleriyle hızla gelişen bir sektördür.
Tekstil Esaslı Elektrotların Kullanımı ve Önemi
İletken polimerler sayısız termal giysilerden devre kartlarına ve mikrodalga emicilere kadar çeşitli uygulamalara sahiptir. Bununla birlikte tekstil endüstrisi, ürettikleri tehlikeli koşullar nedeniyle bu kumaşları imal etmek konusunda yetersizdir. Bu yüzden çeşitli teknikler vasıtasıyla kumaşlara uygulanan zarar verici olmayan iletken boyanın formlarında çözülebilir iletken polimerler elde edilmektedir. Uzun süreli EKG görüntüleme için iletken tekstiller giyilebilir elektroniklerde potansiyel büyümeyi sergilemektedir. İç giysilerde kullanılmaya uygun olan tekstil alt katmanlar hafif, esnek, gerilebilir, konforlu, yıkanabilir ve uzun süreli kullanıma eğilimli olduğu düşünülmektedir. İletken tekstiller farklı üretim metotları kullanılarak çeşitli malzemeler ile birlikte yapılabilir. Belirlenen malzeme ve üretim metotları nihai uygulamaya bağlıdır. Bu iletken tekstiller iletken lif veya iplikler ve iletken polimer veya mürekkep ile kaplanmış kumaşlar kullanılarak yapılabilir. İletken lif veya iplikleri tekstil yapılarına entegre eden örme, dokuma, nakış ve dikiş gibi çeşitli mevcut teknikler vardır.
İletken polimerler iletken veya yarı iletken davranış gösterdiğinden dolayı organik polimerler olarak tanımlanabilir. İletken polimerler;
- Metallere ait elektriksel özellikler ile polimerlerin mekaniksel özelliklerini bir arada tutar.
- Farklı metotlarda (İn situ polimerizasyon, iletken kaplama ile core iplikler kaplama, elektrokimyasal kaplama, kimyasal buhar fazı polimerizasyon) kullanılarak iplik yüzeyini kaplamada kullanılır.
- Tekstil alt katmanları üzerine farklı baskı teknolojileri kullanılarak (screen printing, rotary printing, inkjet printing) baskı yapmada kolaylık sağlar.
- İletken baskılar ile tekstil yüzeyinin tüm alanını kaplamak yerine belirli alanlar oluşturabilir.
- Inkjet printing damlacıkların daha az kaplamasına olanak sağlar. Aynı zamanda multifonksiyonel özellikte daha iyi tasarımlar ve üretimde esneklik için uygundur. Fakat kullanılan iletken mürekkebin yüzey tansiyon ayarı ve viskozitesinden dolayı kullanımı sınırlıdır. Solüsyon formundaki iletken mürekkebin yüksek saflıkta olması bir ihtiyaçtır.
- Yüksek viskoziteye sahip malzemeler (organik dielektrik, dağılan partiküller, inorganik metal mürekkepler) baskı esnasında nozzle’da birikerek probleme sebep olabilir.
Son zamanlarda EKG görüntüleme için tekstil esaslı elektrotlar alanında birçok makale yayımlanmıştır. Bunlardan bazıları aşağıda anlatılmıştır;
Fong ve arkadaşları invasif olmayan EKG görüntülemeyi kullanarak kapasitif EKG (cECG) geliştirmiştir. Bu çalışmada sensörler ve cilt arasında direk bir temas yoktur. Bu sistem sensörler ve cilt arasındaki zayıf bağlantıdan dolayı birçok zorluklara sahiptir. Aynı zamanda bu sistem bir yere entegre edilebildiği gibi denek onu üzerine yerleştirmek zorundadır. Sonuç olarak görüntüleme esnasında deneklerin hareket etmesi mümkündür. Bununla birlikte denek ve topraklama noktası arasında fiziksel temas olmadığı için elektrostatik yükleme için boşaltım yolu yoktur. Bu yüzden elektrostatik yük inşası geçici olacak şekilde gürültü ekleyerek EKG sinyali içerebilir. Kararlı bir periyot net ve stabil EKG sinyali, düşük nemde ölçüm için gereklidir. Kısmi olarak bu problem gömülü polimer ile higroskopik kumaşın tasarımıyla çözülebilir. Bu iletken elektrot kapasitif çift ile birlikte nem ile alakalı olduğu gibi net ve stabil biyomedikal sinyal olmasına olanak sağlar.
Weder ve arkadaşları üst seviyedeki gümüş ve ultra titanyum tabakayı pasifleştirmek için bunlarla birlikte kaplanmış PET iplik plazmadan elde edilen nakışlı tekstil elektrotu geliştirmiştir. Bu elektrotlar göğüs kemeri içerisine yerleştirilmiştir. Fakat bu elektrotlar entegre edilen alıcıdan elde edilen su buharının çok azı ile nemlendirilmek zorundadır. Bizim düşüncemize göre alıcının düzenli olarak doldurulması gerektiğinden uzun süreli kullanımı zor olacaktır. Bu yaklaşımın avantajlarından biri de görüntülemenin deneğin hareket etmesi halinde ve dinlenme esnasında da kullanımının uygunluğudur.
Yapıcı ve arkadaşları düzenli giyme alışkanlıklarını minimize ederek bilek ve boyundan gelen EKG sinyallerini mobil görüntüleme için tamamen giyilebilen medikal giysi üzerine çalışmıştır. Bu yaklaşım;
- Fonksiyonelleştirilmiş grafene sahip elastik bant
- Tekstil elektrotları
- Batarya
- Sinyal kazanımı için düşük maliyetli elektronikler
- Kablosuz iletim fonksiyonel birimlerini içerir.
Tekstil esaslı kuru elektrotlar, modifiye edilmiş hummers metodu için protokolü takip ederek grafen oksit süspansiyonuna sahip naylon kumaşa dip kaplama yaparak hazırlanmıştır. Daha sonra dip kaplama yapılmış tekstil termal olarak her bir lif üzerine grafen oksit pullarının konformal kaplanmasıyla elde edilmiştir. Konvansiyonel Ag/AgCl elektrotları formunda elde edilen EKG sinyalinin spektrum analizi yapılmış ve tekstil elektrotları geliştirilmiş sistemin yüksek kalitede olduğunu göstermiştir.
Majumder ve arkadaşları var olan mevcut sensörleri kıyaslayan bir derleme yayımlamıştır. Bu derlemede tekstile entegre edilmiş elektrotlar için birçok farklı yaklaşımlardan bahsedilmiş ve ev tipi yıkanabilme durumu kısaca tartışılmıştır. Mikro denetleyici ve iletişim sistemine sahip tekstil esaslı EKG elektrotlarının birkaç prototipi geliştirilmesine rağmen yıkanabilirliliği henüz analiz edilmemiş ve değerlendirilmemiştir. Maalesef bütün prototipler alt katman olarak kullanılan tekstilin kullanım için EKG görüntüleme sistemini satın almayacaktır. Bizim düşüncemize göre; bu sistemlerin güvenebilirliliği ve yıkanabilirliliği pazarlama için üzerinde araştırma yapılması gereken en önemli konulardan biridir. Aynı zamanda kullanılan malzemelerin maliyeti gibi ekonomik konular endişe vericidir.
Ankhili ve arkadaşları, PEDOT:PSS esaslı tekstil elektrotlarının üretimi ve tasarımı için bir metot ilan etmiş ve 50 yıkama öncesi ve sonrası testler gerçekleştirmiştir. Şimdiye kadar giyilebilir elektronikler yıkanamabilme konularından dolayı sınırlı bir ticari başarıya sahiptir. Bu çalışmada kullanılan yöntem screen printing ucuz, inkjet printing ile kıyaslandığında devasa bir üretim aralığına sahiptir. Kaplama tabakaları modelli kumaş ekranı vasıtasıyla viskoz olan solüsyondan elde edilir. Bu çalışmada;
- Screen printing prosesi esnek tekstil elektrotlar üretmek için ekonomik ve basit bir proses olduğu için seçilmiştir.
- PEDOT: PSS mükemmel iletken özellikler, çevresel kararlılık ve biyouyumlu olduğundan dolayı iletken polimer olarak seçilmiştir.
T.C.
KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
Bilişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
BEYTULLAH GÖL
YÜKSEK LİSANS TEZİ
KAHRAMANMARAŞ 2022