평행한 버클형 폴리피롤 구조로 구현된 초신축성 및 착용 가능한 전도성 멀티필라멘트

npj 유연한 전자공학 6권, 기사 번호: 42(2022) 이 기사 인용

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신축성 전도성 섬유는 웨어러블 전자 장치에서의 잠재적인 사용으로 인해 많은 주목을 받았습니다. 그러나 매우 높은 변형에 민감하지 않은 전도성은 영률의 기계적 불일치와 큰 변형 하에서 신축성 구조의 실패로 인해 방해를 받습니다. 이러한 과제는 나트륨 설포살리실레이트에 의해 유연성이 향상되는 버클형 폴리피롤(PPy)로 표면 코팅된 폴리우레탄 모노필라멘트로 만들어진 전도성 및 탄성 멀티필라멘트로 해결됩니다. 표면에 PPy 버클링이 있는 이러한 평행 전도성 모노필라멘트는 전도성 코팅의 균열이 전체 전도성에 미치는 영향을 줄여 매우 높은 변형에 민감하지 않은 동작(품질 계수 Q = 10.9)을 나타냅니다. 놀랍게도, 이 전도성 멀티필라멘트로 만들어진 다양한 복합 형태의 착용형 전자 직물은 인간 관절이 크게 변형되더라도 원래 멀티필라멘트의 변형에 민감하지 않은 동작을 유지합니다. 주름진 PPy를 지닌 이 멀티필라멘트는 초신축형 웨어러블 전자 장치에 적용할 때 매력적인 장점을 가지고 있습니다.

최근 몇 년 동안 센서1,2, 에너지 수확 및 저장 장치3,4, 메모리 장치5, 디스플레이6 및 히터7와 같은 웨어러블 전자 섬유에 대한 연구 및 산업계의 관심이 높아지고 있습니다. 웨어러블 전자 직물의 고속 성장으로 인해 큰 기계적 신장 하에서 전기 신호의 안정적이고 무손실 전송을 보장하기 위해 유연하고 신축성이 있는 전자 회로에 대한 수요가 높아졌습니다8,9. 다기능 섬유 및 원사를 설계하기 위해 신축성 있는 전자 회로를 제작하기 위해 나선형 코일 구조10,11, "트위닝 스프링" 구조12, 층상 구조13, 버클 구조8,14를 포함한 다양한 기술 방법이 개발되었습니다. 가장 일반적으로 사용되는 전략은 코일 스프링 원리를 기반으로 한 기하학적 구조에 의존하여 고성능 신축성 전자 장치를 가능하게 합니다. 이 방법의 효율성에도 불구하고 복잡한 결합 재료와 결합 기술이 필요한 다차원 구조, 스트레칭 중 코일의 비평면 이동과 같은 단점으로 인해 다른 대체 전략이 모색되었습니다. 필름을 롤링하여 형성된 나선형 층 구조의 전도성 섬유 복합재는 낮은 변형률 둔감 거동(356%에서 품질 계수 Q = 0.57)에 대해 만족스럽지 못한 솔루션을 제공할 뿐입니다. 따라서 쉽게 통합되고 변형에 민감하지 않은 동작을 갖춘 섬유 기반 신축성 전자 회로는 착용 가능한 전자 직물에 여전히 매우 바람직합니다.

버클링 구조는 다양한 유연한 장치16에서 일정한 전도성을 유지하면서 공간적 제약을 극복하는 데 사용되었습니다. 전도성 섬유 기반 회로의 신축성을 보장하기 위해 탄성 기판 표면에 컬링, 웨이브, 주름 등의 버클 구조를 형성함으로써 전도성 요소의 겉보기 모듈러스를 크게 낮출 수 있습니다. 예를 들어, 벌레 모양의 전도성 멀티필라멘트는 먼저 폴리우레탄(PU) 멀티필라멘트 코어를 사전 연신한 다음 그래핀 층으로 코팅하여 제조되었습니다8. 이러한 구조는 최대 300% 변형까지 무시할 수 있는 저항 변화(약 0.26)를 가능하게 했습니다. 그러나 그래핀 주름의 분리로 인해 신장 초기 단계에서 전기 저항의 증가가 관찰되었는데, 이는 센서에는 유용한 특성이지만 신축성 전자 회로에는 바람직하지 않습니다. 또한 버클 구조는 전도성 요소와 기판 사이의 기계적 불일치를 효과적으로 완화할 수 있는 것으로 입증되었지만 사이클 성능을 향상시키기 위해서는 항상 높은 계면 상호 작용이 필요합니다. 따라서 우수한 계면 상호 작용을 얻기 위해서는 다양한 기판에 대한 전도성 요소를 선택하는 것이 중요합니다.