AgNW/Graphene Flake 나노 전도체의 복합구조로 Dip-coating한 E-textile의 Strain Sensor에 관한 연구

Abstract

본 연구는 금속 사용량을 최소화하면서 유전 손실이 적은 도전성 섬유를 개발하고 E-textil용 스트레인 센서로 활용하기 위하여 나노전도체의 복합구조를 딥코팅방법에 의해 섬유에 적용하고 변형에 따른 도전성 등 특성의 변화를 평가하였다. 또한 최근 많은 연구가 진행되고 있는 나노 소재를 활용하여 유연하고 신축성이 있는 E-textile 용도의 스트레인 센서를 제안하고자 하였다. 이와 같은 목적으로 인체 친화적이며 1차원 구조의 AgNW를 우선적으로 사용하였고, Ag의 한계를 극복하기 위해서 2차원 구조의 graphene flake(GF)과 복합체를 설계하였다. 본 실험에서는 AgNW/GF의 전도성 나노 복합체가 섬유에 나노 박막으로 형성되기에 가장 적합한 방법을 찾기 위해서, 가열온도, 가열시간, 폴리우레탄(PU) 경화제의 사용유무, 전도성 복합체의 조성비율, 코팅 횟수와 순서 등의 여러 조건을 통해서 실험하였다. 각각의 과정들은 고온공정이나 초음파, UV조사 처리와 같은 별도의 방법 없이 상용되는 도전사(ECT)에 Dip-coating방법으로 수행하였다. 실험과정을 통해 부여된 전기 전도성과 전기 안정성을 확인하고 분석한 결과, 본 연구에 사용된 나노 전도체의 가장 적절한 처리방법은 160℃에서 30분간 열처리하고, AgNW와 GF를 2:1로 복합하여 0.3wt%의 PU를 첨가하는 것을 2회 반복하는 방법인 것으로 도출되었다. 상용화되고 있는 ECT의 기계적 전기적 특성을 분석한 결과 초기 저항값은(2.44 Ω/㎝)였으며, 상기 나노 복합체를 코팅 후 (1. 37 Ω/㎝)로 전기 전도성이 50% 향상될 수 있었으며, 히스테리시스 곡선도 안정적인 형태를 가질 수 있었다. 상기 전도성 나노 복합체는 섬유의 특성에 맞게 전처리를 한 다양한 종류의 섬유(견, 면, 리오셀, 폴리에스터, 나일론, 스판덱스, 아라미드, 탄소섬유) 시료에 코팅하여 전기 전도성을 부여할 수 있었다. 이들 결과를 바탕으로 비교적 간단한 제조공정에 비해 보다 큰 인장력에 대한 수용력을 증가시킬 수 있는 스트레인 센서를 제안하고 특히, 신축성이 높은 스판덱스에 전도성 콜로이드를 적용하여 스트레인 변화의 검출이 가능한 신축성 도전사의 개발 가능성을 검증하였다. 스트레인 센서에 가장 적합한 섬유와 응용방법을 제안하기 위해서 스판덱스에 pre-strain을 유지한 상태에서 딥코팅을 시행하고, pre-strain이 100% 일 때 본 연구에서 사용한 신장변형 범위 내에서 1~50 Ω/㎝의 검출능력을 가지는 신축성 스트레인 센서로서의 가능성을 타진할 수 있었다.;Lately, E-textile market is rapidly expanding. The emerging area of E-textiles requires electrically conductive threads for diverse applications. This is one of the integration techniques that requires selective introduction of conductive threads for the usage as strain sensor. This study is proposed to find out if hybrid nano complex may help with decreasing dielectric loss factor and components of metal. To achieve this aim, we used AgNW and Graphene Flaken (GF) hybrid to overcome the limitations of Ag. AgNW colloids were synthesized using polyol method. About 1%wt of modified AgNW colloids were dispersed. GF that were thinner than 5 nm with lateral sizes ranging from several m up to tens of m were dispersed with 0.5g of modified GF. In a control experiment, we made the colloid by pairing 1wt% of AgNW and 0.5wt% of GF hybrid to increase electrical conductivity and stability through coating of the electrically conductive threads (ECT). In trhis study experiments wrere conducted under several conditions such as heating temperature, heating time, using polyurethane hardener, coating time in order to find the appropraite method that that is suitable for conductive nanoscale composite formation to nano thin- film on textiles. Efforts were made to include varieties of approaches or processes. These processes were performed using dip-coating without other methods such as high temperature processing, ultrasonic waves and ultraviolet light. As a result, the best method that can increase electrical conductivity and stability is mixed AgNW and GF at a rate of 2:1 by the addition 0.3wt% PU. Thermal annealing twice (160 °C for 30 mins) is applied on the electrode to enhance the electrical conductivity. The findings from the study shows that, AgNW/GF colloid coated ECT had much better and higher resistance (a per unit length of 1.5 Ω/㎝) compared to the conventional ECT. It was also found out that, fabric samples (silk, cotton, lyocell, pollyester, nylon, spandex, alamid, carbon fiber) can be made conductive by dip-coating hybrid AgNW/GF. The AgNW/GF hybrid nanocomposite can deposite even on the natural fabrics as well as on synthetic fabrics after preconditioning process. In preconditioning process textiles obtain highly conductive properties that are suitable for application to the strain sensor. The functionality of the ECT as a stretchable conductive thread by spandex was also demonstrated. Compared to other threads, the spandex showed low stress to repeated strain recovery processes. The slope achieved is 221.57% in a larger range of 1~50Ω/㎝. The correlation can be calculated by resistance value of histerisis curve 1^st and 2^nd peak among tensile properties. This result reiterated the fact that, if the conductor of AgNW/GF are coated with thread, the electrical conductivity can occurr. When the thread stretches, because of the connectivity of nano structure, a resistance value does not change and it can be used as a sensor according to a property of the thread. Through this research, we sought to find out if one-dimensional structure of AgNW and two-dimensional structure of GF are hybrids, a flexible and stretchable electrical conductor formation can occur. Spandex electrical conductivity was measured only by pre-strain process. For future research, we propose a study of electrical conductivity treatment thin-film according to a property of spandex. The results from study will provide valuable theoretical and practical contributions to the E-textile field/industry, fashion education, and applied research in wearable electronics by developing practical concept development and physical prototyping of wearable technologies in creating high value textile design.