전도성 섬유를 신축시켰을 때 이것의 전기 전도성이 감소한다고 알고 있지만, 텍사스 대학의 댈러스 캠퍼스(University of Texas at Dallas)의 연구진은 이런 문제를 해결할 수 있는 탄소 나노튜브 기반의 초탄성 섬유를 만드는데 성공했다. 실제로, 이번 연구진이 개발한 새로운 섬유는 그들의 원래 길이보다 11배까지 신축시킬 때 전기 전도성이 121배까지 증가했고, 이러한 매우 높은 신축성에도 불구하고 섬유의 저항은 단지 5% 정도의 변화만을 초래했다. 이 섬유는 스마트 섬유, 로봇을 위한 인공 근육, 탄성 회로를 위한 인터커넥트(interconnect), 스트레인 센서 등에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다.

기존의 전도성 섬유를 연신하거나 더 늘렸을 때, 그들의 단면적은 점점 더 작아진다. 이것은 재료를 통한 전자들의 흐름을 억제하고, 전기 저항을 증가시킨다. 이번 연구진이 만든 새로운 섬유는 가소화된 SEBS(styrene-(ethylene-butylene)-styrene) 공-폴리머로 만들어진 긴 고분자 코어 주변에 탄소 나노튜브의 전도성 시트를 둘러쌈으로써 만들어졌다. 탄소 나노튜브 시트가 주기적인 길고 짧은 좌굴(buckling)을 형성하기 때문에 기존의 상대물과 다른 특성을 가진다. 이런 좌굴은 섬유가 반복적으로 신축되고 이완될 수 있게 한다. 전자들은 이러한 좌굴된 피복을 통해서 이동하기 때문에 크게 연신될 때도 원래의 전기 전도성을 유지한다.

“이런 좌굴은 섬유의 길이를 따라서 형성할 뿐만 아니라 이것의 둘레에도 발생한다”고 이 연구의 제 1 저자인 Zunfeng Liu가 말했다. 좌굴이 2차원에서 발생한다는 사실은 나노튜브가 고무 코어를 따라서 정렬된다는 것을 의미한다. 이것은 쉘-코어 섬유가 연신 동안에도 거의 일정한 전기 저항을 유지할 수 있게 한다.

섬유를 테스트하기 위해서, 이번 연구진은 매우 얇은 고무 코팅과 또 다른 탄소 나노튜브 피복을 추가했다. 그 후에 이번 연구진은 이런 더 복잡한 구조를 가진 커패시터를 만들었다. 좌굴된 나노튜브 시트는 전극으로서 활용되고 아주 얇은 고무 층은 유전체로 사용된다. 이런 장치의 커패시턴스는 섬유가 원래 길이의 950%까지 신장될 때 860%까지 변한다. 어떤 다른 변형 센서도 변형 변위에서 작동할 수 없다.

이것이 전부가 아니다: 전도성 섬유는 고무 코어의 크기에 따라서 약 150마이크론에서부터 훨씬 더 큰 크기까지 지름을 변화시키면서 제조될 수 있다. 이런 섬유는 원사 또는 밧줄처럼 서로 다발로 만들어질 수 있는데, 이것은 저항을 추가적으로 감소시킬 수 있다.

이런 섬유를 위한 가장 분명한 적용 분야는 사람들이 입을 수 있는 스마트 직물이지만, 다른 잠재적인 적용으로 탄성 회로, 변형 센서, 무고장 심장 조율기(failure-free pacemaker) 등을 들 수 있다. 이중-피복 섬유를 비트는 것은 비틀림 인공 근육을 제조할 수 있게 하고, 이런 구조들은 광학 회로 속의 거울을 회전하거나 의료용 장치 속에 액체를 펌핑(pumping)하는데 사용될 수 있다. 이 연구결과는 저널 Science에 “Hierarchically buckled sheath-core fibers for superelastic electronics, sensors, and muscles”라는 제목으로 게재되었다(OI: 10.1126/science.aaa7952).

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 7월 28일]

 

The electrical conductivity of conducting fibres normally decreases when they are highly stretched but researchers at the University of Texas at Dallas have now created superelastic fibres based on carbon nanotubes that do not suffer from this problem. Indeed, the conductivity of the new fibres actually increases by 121-fold when they are stretched to over 11 times their original length, and such extreme stretch results in only a 5% change in their resistance. The fibres might be used in a host of flexible electronics applications, including smart textiles, artificial muscles for robots, interconnects for elastic circuits, strain sensors and failure-free pacemaker leads to name but a few.

When conventional conducting fibres are stretched and become longer, their cross-sectional area becomes smaller. This restricts the flow of electrons through the material and so increases its electrical resistance.

The new fibres, made by a team led by Ray Baughman, are assembled by wrapping electrically conducting sheets of carbon nanotubes around a long rubber core made of a plasticized styrene-(ethylene-butylene)-styrene (SEBS) co-polymer. They differ from their conventional counterparts in that the carbon nanotube sheets form periodic short and long buckles when the rubber wrapped around them relaxes after being stretched. It is this buckling that allows the fibre to be repeatedly stretched and released. The fibres maintain their electrical conductance even when stretched by large amounts because electrons can travel over such a buckled sheath as easily as they can traverse a straight one, explains Baughman.

Buckling occurs in 2D

The buckles not only form along a fibre’s length, but also around its circumference, adds team member and first author of this study, Zunfeng Liu. The fact that the buckling occurs in two dimensions means that the nanotubes do not misalign along the rubber core, which allows the sheath-core fibre to retain a nearly constant electrical resistance even during stretching.

To test their fibres, the researchers added a thin overcoat of rubber to them and then another carbon nanotube sheath. They then made capacitors from these more complicated structures, in which the buckled nanotube sheets act as electrodes and the thin rubber layer is a dielectric. The capacitance of these devices changes by 860% when the fibre is stretched to 950% of its original length. No other material-based strain sensor can operate over nearly as large a strain range, says Liu.

Applications include smart textiles but not only

And that is not all: the conducting fibres can also be fabricated in varying diameters – from around 150 microns to much larger depending on the size of the rubber core. The fibres can be bundled together like yarn or rope, says team member Nan Jiang, which decreases resistance even further.

The most obvious application for these fibres is in smart textiles that people can wear, but other potential applications include interconnects for elastic circuits, strain sensors and failure-free pacemaker leads that can stretch. Twisting the double-sheath fibres also produces torsional artificial muscles and these structures could be used to rotate mirrors in optical circuits or to pump fluids in medical devices, for example, adds team member Carter Haines.

 

[원문출처 : http://nanotechweb.org/cws/article/tech/61974]