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전자 섬유로 구현하는 스마트 섬유
동축 케이블(co-axial cable)보다 1000배 이상 전기 용량(electric capacitance)이 높으면서, 부드럽고 구부릴 수 있는 섬유로 기능이 더욱 뛰어난 스마트 섬유(smart textile)를 제조할 수 있을 전망이다. 과학자들이 오랫동안 꿈꿔오던 스마트 섬유는 스마트 섬유를 활용하는 데 필요한 에너지를 수확 및 저장할 뿐 아니라 스마트 섬유의 환경을 감지하고 정보를 저장, 전송 및 처리할 수 있는 것이다. 이 기술의 특별한 추진자는 전장에서 군인들의 상태 및 건강을 간접적으로 모니터링 할 필요가 있는 군대라고 할 수 있다.
그러나 실질적인 스마트 섬유는 몇 가지 문제를 안고 있다. 첫 번째 문제는 스마트 섬유는 일반적으로 부드럽고 유연할 필요가 있다는 점이다. 그러나 칩(chip), 전선, 센서 등과 같은 것들은 통상 부드럽거나 유연하지 못하다. 두 번째 문제는 대부분의 의복이 부드럽고 유연한 섬유 가닥으로 만들어진 직조된 물질로 만들어진다는 점이다.
이러한 문제를 해결할 수 있는 방안이 전혀 없는 것은 아니다. 예를 들면 특별하게 제작된 고분자는 섬유 내 혼합될 수 있으며, 착용할 수 있는 머더보드(motherboard)를 구성하기 위하여 직물로 제작될 수 있다. 이후 머더보드에 칩, 센서, 배터리 등과 같은 전기적 구성 요소를 고정시키는 것이 가능하다.
그러나 이러한 공정은 무척 성가시고 시간 소모적인 공정이다. 따라서 보다 유용한 섬유의 개발이 필요하다. 최근 중국 화중과기대학교(Huazhong University of Science and Technology) 소속의 Jian Feng Gu를 주축으로 하는 연구진은 이 문제에 도움이 될 만한 기술을 개발하는 데 성공했다. 연구진은 우수한 전기 용량을 갖춘 새롭고 구부릴 수 있으며 전도성을 지닌 고분자를 기반으로 하는 섬유를 개발했다.
연구진의 아이디어는 두 개의 절연판인 저밀도 폴리에틸렌(polyethylene) 사이에 전도성 고분자(conducting polymer)를 끼워 넣어 롤처럼 말 수 있는 축전기를 만드는 것이다. 이후 연구진은 축전기를 말아서 원통형 실린더에 넣고 고밀도 폴리에틸렌으로 밀봉했다.
이러한 롤로 말 수 있는 축전기(rolled capacitor)가 이례적인 것은 아니다. 그러나 Gu 연구진이 개발한 기술의 진가는 그 다음 단계에 있다. 연구진은 축전기를 가열하여 1 밀리미터 이하의 직경을 갖는 섬유를 형성하기 위하여 작은 구멍으로 축전기를 사출 성형했다. 만약 조건이 적당하다면, 섬유의 내부 구조와 정확하게 동일한 방식으로 늘어난 모든 플라스틱은 원래의 형태보다 더 작은 버전이 된다.
섬유의 단면은 금속 전극(metallic electrode) 주변에 위치한 주기적으로 나열된 전도성의 격리된 플라스틱 층으로 구성되어 있다. 이 섬유는 섬유 인출 방식(fiber drawing method)을 이용하여 직조됐다. 섬유의 직경은 500um -1000um 범위로 수 킬로미터의 섬유는 단일 수행력을 달성할 수 있다. 측정된 섬유의 전기 용량은 60-100 nF/m로 섬유 직경에 따라 좌우됐다. 이와 비교해볼 수 있는 동축 케이블의 경우 전기 용량은 약 ~0.06nF/m 가량을 나타낸다. 섬유 재료의 유연성, 섬유 구조에서 액체 전해질의 부재, 생산 부피 증대의 용이성, 높은 전기 용량 등과 같은 새로운 섬유의 특성으로 인하여 분산 감지(distributed sensing)에서부터 에너지 저장에 이르는 다양한 범위에 적용할 수 있는 스마트 섬유를 구현할 것으로 기대되고 있다.
새롭게 개발된 섬유는 휴대할 수 있는 것으로 증명됐다. 연구진은 축전기가 직물에 직조될 수 있는 압전성 섬유(piezo-electric fibres) 같은 다른 장치에 의해 수거된 에너지를 저장할 수 있을 것이라고 밝혔다. 그리고 인덕터(inductor)와 축전기를 결합하여 축전기-인덕터 센싱 회로 같은 종류의 도구의 구축 역시 가능할 것이다. 이러한 종류의 섬유는 미래 스마트 섬유의 중요한 구성 요소가 될 것으로 기대된다.
출처 : http://www.technologyreview.com/blog/arxiv/25395/
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