Multimodal E‑Textile Enabled by One-Step Maskless Patterning of Femtosecond-Laser-Induced Graphene on Nonwoven, Knit, and Woven Textiles

Introduction

기존 E-textile(전자 섬유)는 긴 섬유를 기반이라 시간이 오래 걸리고 성능이 온전하지 못하다.

레이저 유도 그래핀 합성(LIG) 기술이 최근 그래핀 생산의 대안적 방법으로 관심받고 있다.

강도가 높은 케블라를 주 재료로 다양한 실험이 이뤄졌지만, CO2 레이저 등을 사용한 실험은 섬유에 변형이 많아 실제로 사용하기엔 부적합했다.

이 실험에서는 근적외선 펨토초 레이저 초단파를 사용해 다양한 섬유 구조(부직포, 니트, 직물)를 제작한다.

종류	부직포	니트	직물
특징	강도 높음, 외부 자극에 반응 적음	잘 늘어남	격자 구조가 있어 구부러짐 감지 가능
용도	에너지 저장, 온도 센서	동작 감지 센서	음성 인식 센서

Direct Laser Writing of LIG on Kevlar in Ambient Conditions

sds

Fig. 1(a)

전체 공정이다.

레이저를 조사 -> 케블라가 광자 흡수하며 에너지 전달 -> 열 에너지로 전환 -> 열 에너지 축적 -> 그래핀화

 

높은 평균 전력, 느린 스캔 속도 -> 높은 열 유속 -> 높은 전도도

즉 열 축적이 많이 될수록 LIG가 효과적이나, 지나치게 많으면 재료가 손상된다.

같은 전력이라면 스캔 속도가 느릴수록 3D 다공성 구조가 많다(LIG가 잘됨).

 

N-H 및 C=O와 같은 공유 결합을 깨뜨려 케블라에서 LIG로 변환된다(FT-IR 결과).

 

기존 다른 연구에서 사용한 CO2 적외선 연속레이저(CW) : 고온으로 결합을 깨뜨려 그래핀화함, 그러나 과도한 열은 재료 손살을 유발해 성능을 떨어뜨린다.

이 연구의 펨토초 펄스 레이저 : 추가적인 광화학, 비선형 흡수 효과(케블라-LIG 변환에 도움됨) + 더 낮은 온도에서 변환 가능하므로 재료 손상 최소화, 면 저항 감소, LIG 최소 선폭(line width) 감소

Nonwoven Kevlar/LIG Supercapacitor and Temperature Sensor

부직포는 안정한 구조이므로 슈퍼 캐패시터, 온도 센서를 제작할 수 있다.

1) 슈퍼 캐패시터

계산된 면적 용량(36.18mF/cm2)는 다른 그래핀 기반 슈퍼 캐패시터에 비해 우수하다.

6000 사이클동안 GCD 테스트를 진행해도 초기 용량의 96.3%를 유지할 정도로 안정적이다.

Fig. 3(f) 슈퍼 캐패시터로 LED에 전력 공급하는 모습

2) 온도 센서

온도 센서는 TCR 계수가 다른 최첨단 그래핀 기반 센서와 비슷하다. 즉 쓸만하다.

또한 일반적인 실온(23°C)과 고열(40°C) 사이에서 반복적 테스트 결과를 진행한 결과 response, recovery 시간이 의료용으로 사용하기에 충분하다.

Fig. 3(g)-(i)

Knit Kevlar/LIG Strain Sensor

니트 케블라의 고유 신축성, LIG의 미세 균열 덕분에 변형 센서를 만들 수 있다.

특히 미세 균열 기반 센서는 큰 GF, 빠른 응답 시간, 높은 신뢰성을 가진다. 

또한 니트 구조의 접촉 저항(Rc)도 저항 변화에 영향을 준다.

$$R_C = \rho / 2\sqrt{\pi H / NP}$$

($R_C$=접촉 저항, $\rho$=전기 저항, H=물질 경도, N=접촉 면적, P=접촉 압력)

접촉 저항
 두 도체가 서로 접촉하고 있는 부분의 경계면에서 나타나는 전기저항을 의미한다.

 

LIG의 미세 균열은 높은 감도의 변형 센서를 만들 수 있다.

해상도를 높이고 변형 범위 확장을 위해 먼저 니트 케블라에 10% 변형을 가한 뒤, LIG 패터닝했다.

Fig. 4(a)

Fig. 4(a)는 변형 정도에 따른 저항 변화를 보여준다. 변형 민감도 GF는 다음과 같이 계산된다.

$$GF = R/\Delta R\epsilon$$

(R=저항, $\epsilon$=변형)

그래프를 잘보면 GF=34.8인 구역과 117.9인 구역으로 나뉜다. 이는 미세 균열과 접촉 저항의 결합 때문이다.

변형이 커지면 루프 간 거리가 증가하고, 접촉 지점이 감소하므로 접촉 저항은 커진다.

미세 균열과 접촉 저항 덕분에 기존 센서들보다 더 높은 GF를 가진다.

GF(게이지 인자)
쉽게 생각해서 변형된 정도 대비 저항값의 변화를 생각하면 된다.
민감한 센서의 경우 GF가 크다.

 

변형 센서를 활용해 손목 움직임 감지도 가능하다.

Fig. 4(f)

Fig. 4(f)는 손목의 움직임에  따라 저항값이 변하는 것을 보여준다.

 

Woven Kevlar/LIG Bending Sensor

직조 구조와 미세 균열을 사용해 고감도 굽힘 센서를 만들 수 있다.

일정한 굽힘 변형을 위해 3D 프린팅된 지지 구조물을 같이 사용했다.

Fig. 5(a)

GF는 약 230으로 기존의 니트 센서(GF=34.8)보다 훨씬 크고, 비슷한 탄소 기반 섬유 굽힘 센서들보다도 우수하다.

 

굽힘 센서는 작은 진폭의 성대 진동 감지에 적합하다.

높은 GF 덕분에 반복적인 "ah" 소리를 구분할 수 있다.

 

Conclusion

펨토초 기반 LIG 섬유는 높은 면저항과 안정성을 보여준다.

부직포, 니트, 직조 구조 각각의 장점을 실제로 적용할 수 있음을 이번 논문에서 보였다.