한국염색가공학회지제 23 권제 1 호 2011 년 연구논문 Textile Coloration and Finishing Vol. 23, No. 1, 2011 물리화학적조건에따른은코팅전도사의전기적특성 류종우 지영주 1 김홍제 1 권서윤 1 윤남식 경북대학교섬유시스템공학과, 1 한국패션산업연구원 Electrical Properties of Ag-coated Conductive Yarns Depending on Physical and Chemical Conditions Jong-Woo Ryu, Young-Joo Jee 1, Hong-Jae Kim 1, Seo-yoon Kwon 1 and Nam-Sik Yoon Department of Textile System Engineering, Kyungpook National University 1 Korea Research Institute for Fashion Industry (Received: December 3, 2010/Revised: December 22, 2010/Accepted: March 7, 2011) Abstract Electrically conductive yarn coated with silver particles are widely used to make smart wear but recent studies on smart fabrics are focused on measuring method of electrical characteristics and improving technologies of its electric properties. Also durability of conductive yarn with environmental change was also important work to make smart fabric. We compared resistance changes of silver coated conductive yarns under various physical and chemical conditions such as repeated strain, heat exposure and ph for basic informations on smart wear manufacturing process. And we deduct that repeated strain among the physical conditions was most effective factors on yarn resistance change and the low resistance change was observed with increasing the number of filaments in identical yarn fineness. Keywords: electrically conductive yarn, resistance changes, physical and chemial conditions, smart wear, effective factor, yarn fineness 1. 서론 정보통신의발달로현대인들의라이프스타일은급속도로디지털화되어가고있으며이에따른다양한행동양식이발생하고다양한콘텐츠가개발되고있다. 의생활역시예외일수없으며디지털기술을반영한제품과의류가경쟁적으로출시되고있는등새로운가치창조분야가생성되고있다 1). 스마트의류는이러한디지털기술을반영한의류이며현대에는생체정보를파악하기위한센서나생활편리를위한웨어러블컴퓨팅장치 (wearable computing systems) 들을부착한스마트의류의개발이지속적으로이루어지고있다 2,3). 스마트의류에센서, 컴퓨터, 디스플레이등을적용하기위해서는전원공급부 (power supply) 와수많은신호전달장치 (communication channels) 들이부착되어야하며센서나웨어러블컴퓨팅장치에전력과신호를전달하기위해서는일반적으 로 2 가지방법이사용된다 4). 한가지는케이블 (cable) 상의와이어 (wire) 를이용하는방법 (wired system) 이며다른한가지는와이어대신전도성원사로제직된직물이나전도사를직접이용하여신호와전력을공급하는방법 (wireless system) 이다 4). 와이어를이용하는방법은와이어를의류에결합하기어렵고와이어의중량이크기때문에구리선이내장된와이어대신전도성원사를이용하여제직한직물및원사자체를이용하는와이어리스시스템이스마트의류에선호되고있다 5). 전도성직물에사용되는전도사를제조하는방법은쉬스 / 코어 (sheath/core) 구조, 코팅 (coating), 일반사와전도사를합사하는방법이사용되고있다. 특히, 은으로코팅된전도사는우수한전기전도성과낮은접촉저항 (joint resistance) 때문에스마트의류용전도성직물의제직에많이사용되고있다. 그러나은코팅전도사의경우외부환경에따른표면의전도성물질이이탈하는현상이가장큰문제로대두되고있다 6-11). Corresponding author. Tel.: +82-53-950-5642; Fax.: +82-53-950-6617; e-mail: nsyoon@knu.ac.kr c2011 The Korean Society of Dyers and Finishers 1229-0033/2011-3/43-50 Ⅰ43Ⅰ
Ⅰ44Ⅰ 류종우 지영주 김홍제 권서윤 윤남식 현재스마트의류의용도전개및전기적특성을측정하는방법은광범위하게연구되고있는반면, 실제전도사를사용한제직시나스마트의류착용자가활동함에있어전도사에가해지는인장, 굽힘의변형과체열, 땀과의접촉등의물리 / 화학적변화에대한전도사고유의전기적특성변화와관련된연구는미흡한실정이다. 따라서본연구에서는스마트의류의제조에사용되는은코팅전도사가제직공정및인체의활동에따른물리적, 화학적자극을받았을경우발생하는전기적특성변화를측정하여향후스마트의류개발시, 외부자극에따른신호전달능력및전원공급능력의변화와관련한기초자료로활용하고자한다. 또한, 전도사의전기적특성변화에가장큰영향을주는외부환경영향인자를도출하여향후스마트의류의개발에기초자료로활용하고자한다. 2.1 전도사 2. 실험 구성한뒤에 10mA 의일정한전류를회로에흐르게하고초기전압을측정하였다. 전압측정치가안정화된후에동와이어에전도사를병렬로접촉시켰다. 이때, 시험편은 10cm 로일정하게이격된전극위에위치하였다. 전기적특성을측정하기위하여설치한장치의개략도는 Fig. 1 에나타냈으며동와이어위에전기전도사의환경조건변화전과후의전압을측정하여이를식 (1) 의옴의법칙을이용하여저항값으로환산하였다. 환경조건의변화를위한변화요인들은물리적변형, 열노출, 화학적조건이며각각의조건을변형시킨후식 (2) 를이용하여환산된저항값을이용한저항변형률을계산하였다. 식 (1) 에서 V 는전압, I 는전류, R 은저항이며식 (2) 에서 R 은물리적, 화학적변화후의저항, R 0 는물리적, 화학적변화전의저항이다. (1) (2) 실험에사용된전도사는나일론 66 섬유표면에은으로코팅한아진일렉트론사의전도사 Ag-line R 을사용하였다. 실험에사용된전도사의기본특성은 Table 1 과같다. 2.2 형태학적구조 전도사의표면및단면구조는 JEOL FE-SEM (S-4200) 장치를이용하여 1000 배, 2000 배의배율로전도사의표면및단면구조를관찰하였다. 2.3 물리및화학적변화에따른전기적특성 물리적, 화학적변화에따른시료의전기적특성은물체의일반적인전기적특성측정에사용되는디지털 LCR 미터 (GW-INSTEK LCR-816) 를이용하여측정하였다. 전기적특성을측정하기위한장치는동 ( 銅 ) 와이어를이용하여회로를 Table 1. Basic properties of electric conductive yarns Sample Resistence (Ω/cm) Fineness (d/f) Fiber diameter ( μm ) Fi g. 1. Schematic diagram of testing platform. 2.4 신장률 Tinious Olsen 社의만능인장시험기 (H5K-T) 를이용하여신장률을초기길이 10cm 에대하여 5%, 10%, 20%, 30% 신장시킨뒤 10 분간고정시킨후에인장시험기의조 (Jaw) 와시료를분리시켜신장된시료를 Fig. 1 의장치에설치된전극에접촉시켜전압값을측정하였다. 이때신장조건은로드셀 (Loadcell) 50N, 크로스헤드스피드는 100mm/min 으로수행하였다. Initial modulus (kgf/d) Breaking strain (%) Tenacity (kgf/d) A 36.8 40/13 21.0±2.6 17.1±2.2 30.1±1.2 4.2±0.5 B 34.5 70/24 21.1±3.1 23.1±3.1 34.5±2.3 7.7±0.6 C 26.3 100/24 23.2±1.8 22.8±1.9 38.3±4.6 8.5±0.8 D 22.0 210/48 22.5±2.4 26.3±1.6 39.3±3.1 10.2±1.3 Content of Ag partcle (wt.%) 10 한국염색가공학회지제 23 권제 1 호
물리화학적조건에따른은코팅전도사의전기적특성 Ⅰ45Ⅰ 2.5 반복신장 전도사의반복신장은 Tinious Olsen 社의만능인장시험기 (H5K-T) 를사용하였으며 10% 의신장률로시료를신장시킨뒤회복시키는것을 1 회로정의하여횟수변화를 20 회, 40 회, 60 회, 80 회반복한후, 전기적특성을측정하였다. 반복하중시적용로드셀 (load cedd) 은 50N, 크로스헤드스피드는 100mm/min 의조건으로수행하였다. 2.6 열노출 열에대한전기적특성변화는이플렉스社의열풍건조기 (E2-03-TAPE) 를이용하여 40 에서 5 시간, 10 시간, 20 시간, 30 시간노출된전도사의전기적특성을측정하였다. 열노출온도는실제착용환경에서의여름철최고기온을고려하여 40 를기준으로하였다. 2.7 화학적조건 화학적조건변화에따른전도사의전기적특성을조사하기위하여 ph 가다른용액에전도사를침지하였다. ph 조건에따른전도사의전기적특성은 Disodium phosphate(na 2 HPO 4) 와 Citric acid (C 6 H 8 O 7 ) 를이용하여제조된 ph 5, 6, 7, 8 의수용액에 5 시간동안침지한뒤에측정하였으며침지시료는 24 시간동안상온에서자연건조후전기적특성을측정하였다. 3.1 형태학적구조 3. 결과및고찰 Fig. 2 는물리적, 화학적변화를받지않은초기은코팅전도사의표면구조와단면구조를나타낸것이다. SEM 사진에서은코팅전도사의표면에은입자가전체적으로고르게코팅되어있으며은입자가코팅된전도사의단면형태는다각형형태를기지고있음을확인하였다. 또한단면구조에서보듯이은코팅입자가나일론원사표면을고르게감싸고있다. Fig. 3 은신장정도에따른은코팅전도사의표면구조변화를나타낸것이다. 신장률의증가에따라코팅면의표면이나무껍질모양으로갈라져이격되는변화를확인하였다. SEM 사진상의검은반점은나일론섬유의표면이손상되어구멍이발생한것으로검은부분이외의섬유표면대부분은은코팅면의완전이탈보다부분적인이탈이관찰되었다. 신장증가에따른은코팅면의이격현상은모든시료에서관찰되었으며시료의전체보다한쪽면에중점적으로갈라짐이발생한것으로관찰되었다. 시료의이격현상은신장을 10% 가한상태에서부터발생하였으며신장률이증가함에따라갈라짐과이격현상이증가하였다. 이러한현상은길이방향의신장에의하여단면적이감소하게되어고체상의은코팅입자에균열이발생하기때문이다. Fi g. 2. Surface and cross section structures of samples. (A) (B) (C) (D) Fi g. 3. Surface morphological structures of samples at repeated strain(30%) condition. Textile Coloration and Finishing, Vol. 23, No. 1
Ⅰ46Ⅰ 류종우 지영주 김홍제 권서윤 윤남식 반복된하중을가할경우전도사의은코팅면이이탈한것으로관찰되었다. 모든시료에서동일하게은코팅면이이탈하는것으로나타났으며 D 시료의경우가장이탈이적게나타난것으로관찰되었다. 반복하중의횟수가증가할수록은코팅입자의이탈이증가하였으며필라멘트의수가많을수록이탈면적이감소하는경향을나타냈다. 반복하중횟수에따른은코팅전도사의표면구조는 Fig. 4 에나타냈다. 신장률의증가조건과는다르게반복신장의경우에는은입자가완전히이탈하는데이것은길이방향의신장과수축을반복함에따라초기에껍질처럼단순이격형태가되어있던입자들이반복된신장에의하여서서히이탈하기때문이다. 열노출시간에따른전기전도사의표면구조변화는 Fig. 5 에나타냈다. 40 에서 5 시간부터 30 시간까지노출시킨후시료의표면구조이다. 이것은나일론의열안정성이우수하기때문에열에의한팽창이나변형이발생하지않았기때문으로판단된다. 또한가장섬도가가는 A 시료의경우에 은코팅면의이탈이가장적고미세한균열만이발생하였다. 그러나구성필라멘트수의증가에따라코팅면의이탈이증가하였지만신장률변화및반복신장에의한영향에비하여은코팅면의이탈및표면변화는적게나타났다. 이는유리전이온도이하 40 의조건에서나일론섬유의열안정성이우수하기때문에열팽창및수축에의한표면적변화가거의나타나지않았기때문으로판단된다. ph 변화에따른시료의은코팅면이탈은거의나타나지않았다. 또한 ph 차이에따른표면변화도크게나타나지않았다. ph 조건에있어시료의표면변화는다른조건에비하여가장적게나타났으며 A, B 시료에서의이탈보다 C, D 시료에서의이탈이적게관찰되었다. 구성필라멘트가많은시료 C, D 시료는수용액에첨가될경우섬유가밀착되어은입자의이탈공간을주지않았으며반면에구성필라멘트수가적은 A, B 시료는은코팅입자의이탈공간이많이있기때문으로판단된다. ph 변화에따른시료의표면변화 SEM 사진은 Fig. 6 에나타냈다. (A) (B) (C) (D) Fi g. 4. Surface morphological structures of samples at repeated strain condition(80 times). (A) (B) (C) (D) Fi g. 5. Morphologi cal struct ures of samples at heat exposure ti me of 30hr. (A) (B) (C) (D) Fi g. 6. Morphological structures of samples at ph 8. 한국염색가공학회지제 23 권제 1 호
물리화학적조건에따른은코팅전도사의전기적특성 Ⅰ47Ⅰ 3.2 전기적특성 3.2.1 신장률증가에따른전기적특성 Fig. 7 은신장률이증가함에따른시료의저항변형률을측정한결과이다. 실의구성필라멘트수가크고섬도가큰시료일수록저항변형의폭이작게나타났다. 그러나 C 시료의경우다른세가지시료에비하여신장률의증가에따라저항변형률이가장크게나타났다. 그러나섬도가 21.0~ 21.5µm 거의유사한 A, B, D 시료는저항변형률의차이가크지않았으며 20% 이후에저항변형률은거의유사하게나타났다. 그러나측정시료중에서 D 시료를제외한 A, B, C 시료는저항변형률이선형적인증가를나타냈지만 D 시료는 10% 신장률이후에다른시료와다르게변형률의증가폭이크게나타나지않았다. 이러한이유는구성필라멘트의섬도가굵고구성필라멘트의수가많아신장시발생하는접촉면적이증가하여은코팅면의이탈이방지되었기때문으로판단된다. 섬도가다른시료에 10% 의신장률로변형을가한뒤의전기적특성변화를 Fig. 8 에나타냈다. 변형을가하는횟수에비례하여저항변형률이증가하였다. 신장률에따른저항변화의결과와동일하게 C 시료의신장횟수증가에따른저항변형률증가가가장크게나타났으며 D 시료의신장변형률이가장적었다. 또한 A 시료는다른세가지시료의증가가선형적으로증가하는데비하여불규칙적으로증가하며필라멘트수가많은 B 시료에비하여오히려저항변형률의증가폭이작은것으로나타났다. 이는반복신장의경우필라멘트수가너무많으면오히려필라멘트간의마찰에의한은코팅면의이탈이발생하기때문으로판단된다. 3.2.2 열노출시간에따른전기적특성 Fig. 9 는열노출시간에따른전기전도사의저항변형률을나타낸것이다. 열노출에의한저항변형률변화는신장률변화와반복시장조건에비하여작았다. 일반적으로열노출시간이증가할수록저항변형률이증가하였으며전체시료에서 10 시간이후에저항변형률의증가폭이급격히감소하였으며섬도에따른저항변형률의차이가큰것으로나타났다. 10 시간이후와이전의저항변형율의차이가크게나타났으며섬도가가장큰 D 시료가열노출시간에따른저항변형률변화가가장크게나타났다. 열노출에의한저항변형률의증가가발생한이유는온도상승에의하여미세하게발생한열팽창에의하여시료의꼬임이느슨해진뒤, 측정을위하여재집합시키는과정에서불규칙하게재집합되었기때문으로판단된다. 또한온도가증가할수록전도사의표면적및은입자와의결합이느슨해져코팅된은입자가이탈되었기때문이다. 3.2.3 화학적조건에따른전기적특성 Fig. 10 은 ph 조건에따른전기전도사의저항변형률을나타낸것이다. ph 조건에따른전도사의저항변화는거의나타나지않았으며가장증가가큰변형률도 9.14% 로다른세가지조건에비하여가장적게나타났다. 이는나일론섬유와은입자의특성상내화학성이우수하기때문에섬유의구조적인변형및화학적인변형이발생하지않아안정적인저항변화가이루어졌기때문이다. 그러나약염기성용액에침지한경우에산성용액에침지한경우에비하여상대적으로저항이약간 Fi g. 7. Resi stance changes of samples wi th di fferent strain. Fi g. 8. Resi st ance changes of samples wi th di f ferent repeated st rai n. Textile Coloration and Finishing, Vol. 23, No. 1
Ⅰ48Ⅰ 류종우 지영주 김홍제 권서윤 윤남식 Fi g. 9. Resi stance changes of samples wi th di fferent heat exposure time. Fi g. 10. Resi stance changes of samples at di ff erent ph conditions. Table 2. Correlation of samples with environmental condition Sample Environmental condition Regression equation R 2 Strain y = -0.002x 2 + 0.2731x 0.9485 A Repeated strain y = -0.25x 2 + 4.75x + 5.75 0.8454 Heat exposure y = -0.3x 2 + 2.18x + 8.35 0.9933 ph y = 0.09x 2-0.292x + 8.845 0.9369 Strain y = -0.0024x 2 + 0.3041x 0.6206 B Repeated strain y = -0.5x 2 + 7.7x + 2.5 0.9870 Heat exposure y = 0.125x 2-0.135x + 10.625 0.9964 ph y = 0.0775x 2-0.3105x + 9.0225 0.9675 Strain y = -0.0019x 2 + 0.312x 0.5879 C Repeated strain y = -2.25x 2 + 18.35x - 5.25 0.9984 Heat exposure y = -0.425x 2 + 2.955x + 8.725 0.9857 ph y = 0.02x 2-0.028x + 8.72 0.7398 Strain y = -0.0003x 2 + 0.0587x + 5.275 0.8344 D Repeated strain y = 4.4x + 3.5 0.9979 Heat exposure y = -0.7x 2 + 4.42x + 9.2 0.9556 ph y = 0.04x 2-0.048x + 8.65 0.9993 증가하였는데이는염기성용액의경우, 용액내에서의화학반응에의하여나일론에코팅된은입자의일부 Ag+ 가 Citric acid 의 COOH 와반응하여미세하게이탈되었기때문으로판단된다. 3.2.4 환경조건에따른전항변화율 Table 2 는시료의물리적, 화학적조건과저항변형률간의상관관계를나타낸것이다. 시료마다각회귀식에대하여상관관계가가장높은조건은다르게나타났으나반복신장조건에대한저항변형률의상관성이일반적으로가장크게나타났다. 저항변형률의증가폭이가장작은 A 시료와 D 시료가각조건인자에대한상관성이높 게나타났기때문에조건변화에대한예측가능성이가장높다. 특히 D 시료의경우, 반복신장과 ph 조건에대한예측성은 0.9979 와 0.9993 으로 1 에근사하게나타나각조건인자와의상관관계가가장높은것으로나타났다. Fig. 11 은환경조건에따른시료의저항변형률을비교한결과이다. 반복신장에의한저항변형률이가장큰변화를나타냈으며 ph 변화에의한저항변형률의변화가가장작게나타났다. 시료간의비교에서는 A, D 시료가 B, C 시료보다저항변형률의증가폭이작게나타났다. 이는구성필라멘트의수에의한영향으로판단되며필라멘트간의접촉에의한전도면적의증가와마찰에 한국염색가공학회지제 23 권제 1 호
물리화학적조건에따른은코팅전도사의전기적특성 Ⅰ49Ⅰ Fi g. 11. Comparison of resistance changes with different physical and chemical conditions. 의한은코팅입자의이탈이저항변화에영향을주었기때문이다. 특히 D 시료의경우저항변형률이신장률증가및반복신장의조건에서모두 20% 미만으로가장안정적으로나타났다. 4. 결론 본연구에서는신장률, 반복신장, 열노출시간, ph 의환경변화조건에서의섬도별은코팅전도사의저항변형률을측정하였다. 각조건에서의저항변형률측정결과신장률증가와반복신장조건에서가장큰저항변형률의증가를나타냈으며 ph 조건에서가장적은저항변형률의증가를나타냈다. 시료의특성에따른비교에서는 40de 의섬도를가진 A 시료와 210de 를가진 D 시료의저항변형률이각환경조건에서가장적은저항변형률증가를나타내어환경조건에따른전도사의저항특성변화가가장적은것으로나타났다. 저항변형률의증가에영향을주는은코팅입자의이탈역시신장률증가와반복신장횟수의증가에의하여가장크게나타났으며신장에의하여발생하는표면변화는완전한이탈이아닌나무껍질모양의갈라짐이주로발생한것으로관찰되었다. 반면에반복신장의경우에는완전한이탈로인한코팅면의손상이관찰되었다. 그외에열노출및 ph 조건에따른은코팅입자는신장률증가와반복신장의조건에비하여이탈이적게나타났다. 이러한섬유표면의은코팅입자의이탈은신장변형률과반복신장조건에서저항변형률이크게증가하는이유이다. 시료의저항변형률은필라멘트간접촉에의하여 D 시료의저항변형이가장적게나타났으며 A 시료와 B 시료보다구성필라멘트수가많은 C 시료의경우 에는환경변화에의한영향과더불어필라멘트간마찰에의한코팅면의이탈이발생하여오히려저항변형률의증가가크게나타났다. 또한각시료에있어저항변형률의변화폭이가장크게나타난반복신장조건에서의회귀분석결과저항변형률과관련된상관계수가가장크게나타나은코팅전도사의저항변형의예측이가능하여스마트의류제조에유용한자료가될것으로판단된다. 결론적으로스마트의류제조에있어은코팅전도사를사용할경우가장크게고려해야할환경조건은신장률증가와반복신장의조건이며 ph 에의한영향과열노출에의한영향은상대적으로적은것으로나타났다. 또한구성필라멘트의수가많은전도사가적은전도사보다저항변형률의변화가적은것으로나타나향후스마트의류제조에있어동일섬도의전도사를사용할경우, 구성필라멘트수가많은전도사를사용하는방법이스마트의류설계와제조시내구성유지및신호전달에유리할것으로판단된다. 참고문헌 1. J. M. Chae, H. S. Cho, and J. H. Lee, A Study on Consumer Acceptance Toward The Commercialized Smart Clothing, Korean Journal of the Science of Emotion and Sensibility, 12(2), 181-192(2009). 2. J. Akita, T. Shinmura, S. Sakurazawa, K. Yanagihara, M. Kunita, M. Toda and K. Itawa, Wearable Electromyography Measurement System Using Cable-free Network System on Conductive Fabric, Artificial Intelligence in Medicine, 42(2), 99-108(2008). 3. C. T. Huang, C. L. Shen, C. F. Tang and S. H. Chang, A Wearable Yarn Based Piezo Resistive Sensor, Sensors and Actuators. A, Physical, 141(2), 396-403(2008). 4. J. Akita, T. Shinmura, M. Toda, T. Murakami and M. Yao, Flexible Network System for Wearable Computing Using Conductive Fabric, Proceeding of the 7th International Conference on Mobile Data Management(IEEE2006), p.101, 2006. 5. M. Amberg, K. Grieder, P. Barbadoro, M. Heuberger and D. Hegemann, Electromechanical Behavior of Nanoscale Silver Coatings on PET Textile Coloration and Finishing, Vol. 23, No. 1
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