Highly Conductive Fiber with Waterproof and Self-Cleaning Properties for Textile Electronics

연구 배경

수분과 오염은 섬유형 소자와 배선의 전기적 고장을 일으킬 수 있고, 젖은 전자 섬유는 사용자에게 감전 위험도 줍니다. 저자들은 다층 봉지 방식이 두께와 기계적 불일치 문제를 낳고, 불소계 발수 코팅은 전도성이 없는 직물에 적용되었으며, 세탁 내구성을 갖춘 전도성 고분자 복합체는 저항이 1.9 MΩ/cm로 높아 고급 전자 섬유 응용에 맞지 않는다고 지적했습니다. 연구진의 이전 은-고분자 나노복합 섬유도 전도성과 내구성은 좋았으나 쉽게 젖어 전도성을 잃을 수 있었습니다.

설계와 접근

탄성률이 높은 상용 다중 필라멘트 Kevlar 섬유(Grade I K49, 100D)에 SBS를 입히고 트리플루오로아세트산 은(CF3COOAg, 에탄올 중 20 wt%)에 20분간 담근 뒤, 흡수된 Ag+ 이온을 하이드라진 수화물로 환원하는 과정을 8회 반복합니다. Ag NP 군집이 표면을 거칠게 만들고, 이어서 SAM을 50 °C에서 2시간 기상 증착한 뒤 80 °C에서 30분간 열처리합니다. 머리기와 사슬 길이가 다른 네 가지 SAM 시약, 즉 1-데칸티올(DT), 1H,1H,2H,2H-퍼플루오로헥산티올(PFHT), 1H,1H,2H,2H-퍼플루오로데실트리클로로실란(FDTS), PFDT를 비교했습니다. 거칠기와 낮은 표면에너지의 조합으로 물을 밀어내고 Ag NP의 산화를 막는 것이 설계 의도입니다.

평가 방법

전자현미경과 에너지 분산 분광, 열중량 분석, 원자힘현미경, 접촉각 측정, 적외선 분광, X선 광전자 분광, X선 회절로 섬유를 분석했습니다. 물과 pH 3의 묽은 질산에 담근 동안, 150° 접힘 반복 동안, 직물에 짜거나 꿰맨 섬유의 세탁 반복 동안 저항 변화를 추적했습니다. 기능은 물에 잠긴 섬유를 통한 발광다이오드(LED) 점등, 로다민 6G 염색, 먼지·재 제거, 코팅한 캔버스 직물 위 생활 액체 시험, AATCC 118·130·193 직물 시험법으로 평가했습니다.

연구 내용과 주요 결과

흡수·환원을 8회 반복한 섬유의 저항은 0.11 Ω/cm였고, 열중량 분석으로 측정한 은 함량은 반복 횟수에 따라 61.4 wt%에서 83.9 wt%로 늘었습니다. 코팅 후 지름은 0.2 mm에서 0.3 mm로, 무게는 0.15 g/m에서 0.3 g/m로 변했고, Ag NP로 인해 제곱평균 거칠기가 0.675 μm에서 1.171 μm로 커졌습니다.

네 가지 SAM 모두 코팅한 Kevlar 직물을 소수성(물 접촉각 90° 초과)으로 만들었지만, 접촉각 150°를 넘긴 것은 PFDT뿐이었습니다. 티올계 SAM은 실레인계 FDTS보다 은 결합 에너지를 더 크게 이동시켰고, 저자들은 이를 은 표면에 더 조밀하고 안정한 단분자막이 형성되기 때문으로 설명했습니다. 물과 산에서 불소 말단 SAM은 저항 증가를 억제했으며 PFDT의 변화가 가장 작았습니다. pH 3 질산에서 처리하지 않은 섬유의 저항은 60분 후 0.11 Ω/cm에서 12.8 Ω/cm로 높아졌고, 1시간 후 X선 회절에서는 처리하지 않은 섬유에서만 32.1°, 57.4°, 67.4°, 74.4°, 76.6°의 은 산화물 피크가 나타났습니다.

수중 LED 시험에서 처리하지 않은 섬유로 연결한 LED는 4시간 후 크게 어두워진 반면, PFDT 처리 섬유는 LED 밝기를 더 오래 유지했습니다. PFDT 처리 섬유는 담근 뒤 로다민 6G 형광이 나타나지 않았고, 물방울 하나로 재를 잔여물 없이 씻어냈으며, 코팅한 직물 위에서 우유, 커피, 오렌지 주스, 와인이 구형 방울로 맺혔습니다.

150° 접힘 10,000회 후 저항은 0.11 Ω/cm에서 0.15 Ω/cm로 소폭 증가했습니다. 20회 세탁(회당 600 rpm 자석 교반 30분) 후 처리하지 않은 섬유는 0.11 Ω/cm에서 11.44 Ω/cm로 높아졌고(원문 표기 10 400% 증가) 팽윤으로 물리적 손상을 입은 반면, PFDT 처리 섬유는 0.11 Ω/cm에서 0.28 Ω/cm로 변했습니다. AATCC 118에서 직물은 기름, 우유, 커피, 와인, 오렌지 주스를 접촉각 약 150°로 밀어냈고, AATCC 130에서는 세탁으로 기름 얼룩이 제거되었으며, AATCC 193에서는 물/이소프로필알코올 용액을 밀어냈습니다.

다른 연구와의 연결

Park 등은 은 나노입자와 탄성 섬유의 복합체로 신축성이 큰 회로를 만들었고, 이 논문은 은 전구체 흡수를 이끄는 이온-쌍극자 상호작용의 근거로 그 연구를 인용합니다. 이 연구에서는 Ag NP-SBS 복합체를 탄성률이 높은 Kevlar 섬유 위 코팅으로 쓰고, 불소계 단분자막으로 발수성과 산화 방지 기능을 더했습니다.