Ag Nanowire Reinforced Highly Stretchable Conductive Fibers for Wearable Electronics

연구 배경

신축성 전도 섬유는 직물로 짜서 착용형 전자소자에 쓸 수 있지만, 높은 전도도와 높은 신축성을 함께 얻기 어렵습니다. 액체 금속 심을 가진 섬유는 집중 압력, 큰 변형, 절단에서 심이 무너지거나 손상될 수 있고, 은 장식 다중벽 탄소나노튜브를 불소계 고분자에 넣은 섬유는 초기 전도도가 17 460 S cm−1였지만 약 60% 변형에서 파단되었습니다. AgNP만 채운 섬유에서는 늘어날 때 입자 연결망이 끊어집니다.

설계와 접근

AgNW를 분산한 SBS를 N,N-다이메틸폼아마이드/테트라하이드로퓨란(DMF/THF) 용액에서 폴리비닐알코올(PVA) 응고조로 습식 방사했으며, 용매와 비용매는 용해도 매개변수로 선택했습니다. 이어 섬유를 에탄올에 녹인 트라이플루오로아세트산은(AgCF3COO)에 담갔다가 하이드라진으로 처리하는 과정을 반복해 섬유 내부와 바깥 표면에 AgNP를 형성했습니다. 섬유가 늘어나 AgNP 연결망에 균열이 생기면, 변형 방향으로 정렬된 AgNW가 떨어진 입자 덩어리를 이어 전도 경로를 유지하도록 설계했습니다.

평가 방법

전계방출 주사전자현미경과 에너지분산분광으로 섬유를 관찰하고, SBS 섬유와 복합 섬유의 응력-변형 곡선을 측정했으며, 흡수·환원 반복 횟수에 따른 초기 전도도와 AgNW 농도(0, 0.34, 0.56, 1.12, 1.68 wt%), AgNW 길이(10, 20 µm)에 따른 일축 변형 중 전도도를 측정했습니다. AgNW 정렬은 AgNP가 없는 섬유의 0%와 50% 변형 상태 후방산란전자 영상으로 정량했습니다. 20~100% 신축·복원, 0~10% 변형 1000회 반복, 접힘에서 저항을 기록하고 섬유로 연결한 발광다이오드(LED)의 점등을 늘리는 동안 관찰했으며, 섬유 다섯 가닥을 장갑에 붙여 5채널 아날로그-디지털 변환기로 읽었습니다.

연구 내용과 주요 결과

습식 방사 섬유는 폭 150~200 µm의 콩 모양 단면을 가졌고, 1.14 cm s−1의 속도로 100 cm 길이를 감아 얻었습니다. AgNP는 단면 전체에 형성되었고 전도도는 흡수·환원 3회 이후 포화되었습니다. 0.56 wt% 복합 섬유의 파단 연신율은 900%로 방사 직후 SBS 섬유(1182%)보다 낮았지만, 항복 강도는 2.4 MPa에서 2.8 MPa로 높아졌습니다. 표면 AgNP를 테이프로 떼어 내자 전도도는 603 S cm−1로 낮아졌지만 190% 변형까지 전도가 유지되어, 연구진은 내부 AgNP가 변형 중 전도를 유지한다고 해석했습니다.

초기 전도도는 AgNW 함량이 늘수록 높아져 1.68 wt%에서 2450 S cm−1에 이르렀습니다. 전도가 유지된 최대 변형은 AgNW 0, 0.34, 0.56, 1.12, 1.68 wt%에서 각각 80%, 200%, 220%, 160%, 140%로, 0.56 wt% 섬유가 100% 변형에서 σ/σ0 4.4%와 함께 가장 좋은 조합을 보였으며, 연구진은 그보다 높은 함량에서의 저하를 AgNW 응집으로 설명했습니다. 더 긴 AgNW(10 µm 대비 20 µm)는 전도도와 최대 변형을 모두 높였습니다. 50% 변형에서는 AgNW가 AgNP 연결망의 균열을 가로지르는 모습이 관찰되었고, 섬유 축과 |θ| ≤ 10° 이내로 정렬된 AgNW 비율은 56%에서 91%로 증가했습니다.

섬유로 연결한 LED 세 개는 0.1 mA에서 150% 변형까지 켜져 있었습니다. 저항 변화는 20~100% 변형에 비례했고 100% 변형에서 게이지 계수는 약 15였습니다. 0~10% 변형 1000회 반복에서 저항의 최댓값과 기저선은 처음 600회 동안 증가한 뒤 변하지 않았고, 접었을 때 저항은 7.2 Ω에서 7.8 Ω으로 바뀌었습니다. 섬유 다섯 가닥을 붙인 장갑은 각 손가락의 굽힘을 감지해 수화 문자 Y, S, U를 인식했습니다.

남은 과제

50% 변형 반복에서는 저항의 최댓값과 기저선이 크게 증가하고 안정되지 않았으며, 연구진은 이를 SBS 기질과의 마찰에 의한 충전재 위치 변화와 AgNW 파단으로 설명했습니다. AgNW 파단은 AgNW 6.75 wt% 섬유를 100% 늘린 상태에서 관찰되었습니다. 연구진은 또한 AgNW와 고분자 사이의 공극을 약한 접착과 관련지었고, 0~50% 변형에서 나타난 저항 이력 현상을 SBS 탄성체의 특성으로 보았습니다.

다른 연구와의 연결

전구체 흡수와 하이드라진 환원은 SBS 섬유 매트에 AgNP 연결망을 만든 Park 등(Nat. Nanotechnol. 2012)의 방법을 인용해 따른 것이며, 이 연구는 SBS 단일 섬유를 습식 방사하고 변형 방향으로 정렬해 균열이 생긴 AgNP 연결망을 잇는 AgNW를 더했습니다.