Conductive Fiber‐Based Ultrasensitive Textile Pressure Sensor for Wearable Electronics

연구 배경

직물형 정전용량 압력 센서는 대개 두 전도성 직물 사이에 폼, 스페이서 직물, 연질 고분자를 끼워 만들며, 섬유의 낮은 전도도와 유전층의 기계적 특성 때문에 복원력 부족, 신호 드리프트, 제한된 감도 문제가 있습니다. 전기·무전해 도금 금속 섬유는 전도도는 높지만 안정성이 낮고 탄소 코팅 섬유는 그 반대이며, 섬유 위에 연결된 알루미늄 나노입자를 만드는 기존 화학 환원 공정은 금속 전구체와 결합하는 작용기가 없는 고분자 섬유에서 석출 효율이 낮았습니다.

설계와 접근

케블라 섬유에 폴리스타이렌-블록-폴리부타디엔-블록-폴리스타이렌(SBS) 층을 입히고, 에탄올에 녹인 트라이플루오로아세트산은(AgCF3COO)을 SBS에 흡수시킨 뒤 하이드라진으로 환원해 SBS 층 표면과 내부에 은(Ag) 나노입자를 형성했습니다. SBS는 나노입자 연결망의 탄성 지지체 역할을 합니다. 이어 섬유에 PDMS를 입히고 두 섬유를 직각으로 겹쳐 교차점에 커패시터를 만들었습니다. 압력이 가해지면 전극 사이 PDMS 두께는 줄고 두 섬유의 접촉 면적은 늘어나며, 접촉부 주변의 빈 공간 덕분에 PDMS가 점탄성 지연이 적게 변형됩니다.

평가 방법

흡수·환원 반복 횟수에 따른 섬유의 단위 길이당 저항, 열중량분석으로 측정한 Ag 함량, 180°와 0° 사이 3,000회 접힘 동안의 저항, 케블라 대비 파단 하중을 측정했습니다. 센서는 0.05, 0.1, 0.5 N 하중과 여러 압력 범위, 1.7 N 하중 10 000회 반복, 가압·제압 이력 시험으로 평가했고 Abaqus 유한요소 해석과 비교했습니다. 시연에는 직조한 6 × 6 배열, 직물 손목밴드, 손가락 네 개 끝에 센서를 단 장갑, 4채널 소매를 블루투스 데이터 수집 회로와 연결해 사용했습니다.

연구 내용과 주요 결과

직경 70~90 nm의 Ag 나노입자가 약 320 µm 섬유 표면에 촘촘히 연결되었고 SBS 층 내부에도 형성되었습니다. 흡수·환원을 여덟 번 반복하자 Ag 함량이 62.8 wt%에서 82.3 wt%로 늘며 저항이 0.15 Ω cm–1에 이르렀고, 이는 상용 전도사(1 Ω cm–1)와 기존 알루미늄 섬유(0.2 Ω cm–1)와 비교되는 값입니다. 3,000회 접힘 후 저항은 1.25배(0.150~0.187 Ω cm–1) 증가했고, 파단 하중은 케블라보다 약간 높았으며, 섬유로 220 V 교류 전구를 켰습니다.

평균 40.5 µm 두께의 PDMS 층을 입힌 센서는 0.05, 0.1, 0.5 N 하중에 안정적으로 응답했고, 응답 시간은 약 40 ms, 이완 시간은 약 10 ms였습니다. 감도는 2 kPa 이하에서 0.21 kPa−1, 2 kPa 이상에서 0.064 kPa−1였으며, 연구진은 저압 영역의 높은 감도를 접촉 면적과 PDMS 두께의 동시 변화로 설명했고 유한요소 해석도 두 영역을 재현했습니다. 센서는 8 mg 곡물 한 알을 올리고 내리는 것을 감지했고, 최대 감지 한계는 3.9 MPa였으며, 1.7 N 하중 10 000회 반복에서도 출력을 유지하고 이력 현상은 무시할 수준이었습니다.

2 × 1.5 cm2 면적에 약 0.16 mm2 화소 36개를 직조한 6 × 6 배열은 서로 다른 화소에 놓은 0.25 g과 0.87 g 구슬의 위치를 정전용량 분포로 구분했습니다. 손목밴드는 쥐기, 손 펴기, 손목 굽힘을 감지했습니다. 인체와 의류의 기생 정전용량 영향을 줄이기 위해 PDMS 코팅 섬유 열 가닥으로 기저 정전용량을 높인 센서를 장갑과 소매에 꿰매었고, 채널 간 큰 간섭 없이 구분되는 신호로 쿼드로터 드론을 무선 조종하고 유선 육족 보행 로봇을 움직였습니다.

남은 과제

2 kPa 이상에서는 감도가 0.064 kPa−1로 낮아졌으며, 연구진은 이를 접촉 면적이 커지며 유효 응력이 줄어든 결과로 보았습니다. 착용형으로 쓰려면 인체와 의류의 기생 정전용량 영향을 줄이기 위해 섬유 열 가닥으로 센서를 만들어야 했으며, 연구진은 3.9 MPa의 감지 한계가 PDMS 층을 두껍게 하면 높아질 것으로 보았습니다.

다른 연구와의 연결

전구체 흡수·환원 화학은 SBS 섬유 매트에 Ag 나노입자 연결망을 만들어 신축 회로를 구현한 Park 등(Nat. Nanotechnol. 2012)의 이온-쌍극자 상호작용을 인용해 따른 것이며, 이 연구는 Ag/SBS 층을 케블라 단일 섬유 위에 만들고 PDMS를 입혀 교차시킨 섬유 자체를 정전용량 압력 센서로 사용했습니다.