브레이딩 기술을 활용한 Core-Sheath 섬유 기반 마찰전기 구조체의 전기적 특성 분석

Abstract

기술의 발전으로 인해 웨어러블 디바이스에 대한 관심이 증가하고 있으며 인체에 부착 혹은 착용하여 인간의 잉여 에너지를 활용할 수 있는 기능성과 착용성을 겸비한 스마트 텍스타일 분야도 많은 연구가 활성화되고 있다. 필름 기반 마찰 전기 구조체의 세탁성과 신축성 등과 같은 특성을 개선시키기 위해 직물 기반의 마찰전기 구조체를 개발하여 의복이나 직물형 센서에 적용할 수 있도록 많은 연구들이 등장하고 있는 추세이다. 이와 관련하여 마찰전기 구조체의 구조적 형태를 선형 구조로 재현하여 성능을 개선 시키는 연구도 많이 진행되고 있다. 이러한 선형 구조의 텍스타일 구조체 연구는 이후 섬유형 디바이스 개발로 발전 가능하며, 직물과 편성물과 같이 2D로 구조화하여 착용형 웨어러블 플랫폼 구축이 가능하다. 이렇게 선형 구조의 텍스타일 구조체에 대한 연구가 다양하게 진행되고 있는 반면, 브레이딩(braiding) 기술을 활용한 코어시스(core-sheath) 구조의 마찰전기 구조체의 구조에 따른 연구, 특히 대전체의 소재가 미치는 영향에 대한 연구는 미비한 상태이다. 또한 다층 구조의 마찰전기 구조체는 필름이나 직물로 여러 개의 층을 형성하여, 전극과 마찰 표면에서 발생하는 전하의 결함으로 인한 전위의 감소를 그 층을 통해 차단하고 전하를 포집하는 연구가 진행되었지만 마찰전기 구조체가 core-sheath 구조를 가졌을 때, Chrage injection을 통한 마찰전기 특성 변화에 관한 분석 연구가 요구된다 본 연구는 브레이딩(braiding) 기술을 활용한 코어시스(core-sheath) 구조의 텍스타일 마찰전기 구조체를 설계하고, 이를 이용하여 unidirectional weave 형태로 제작하여 나타나는 전기적 특성을 분석하였다. 음전하 대전체로는 Polyimide (PI), Polytetrafluoroethylene (PTFE), Acrylic, Polyvinylidenefluoride (PVDF)를 사용하여 압력 및 마찰 주기에 따른 전기적 특성 차이를 분석하였고, 양전하 대전체로 Nylon 필름, 직물 및 방적사를 사용하여 압력 및 마찰 주기에 따른 전기적 특성 차이를 분석하였다. 또한 charge injection를 통해 표면 전하량을 높였을 때 발생하는 음전하 대전체의 전기적 특성 변화와 trapping layer로 작용했을 때 나타나는 트래핑 성능을 확인하였다. 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 브레이딩 기술을 활용한 코어시스 구조의 음전하 대전체 소재(PI, Acrylic, PTFE, PVDF)에 따른 마찰전기 특성을 확인하여 코어시스 구조체의 굵기는 Acrylic 소재가 가장 두꺼웠으며, PVDF 소재가 가장 얇은 것으로 나타났다. 각 코어시스 구조체를 unidirectional weave 형태로 제작했을 때, PI가 가장 좁은 접촉 면적을 보였고, PVDF가 가장 넓은 접촉 면적을 보였다. 음전하 대전체 소재는 인가하는 압력이 증가할수록 전기적 특성 또한 선형적으로 증가함을 확인하였다. 또한 음전하 대전체들 간의 출력 전압의 차이가 있음을 확인하였으며. 마찰 주기가 높아짐에 따라 전압과 전류와 같은 전기적 특성도 선형적으로 증가함을 확인하였다. 둘째, 마찰전기 발생장치의 양전하 대전체 구조적 특징에 따른 전기적 특성을 확인하였다. 필름, 직물, 코어시스 구조와 방적사의 unidirectional weave 형태로 제작된 양전하 대전체는 인가하는 압력과 마찰 주기가 증가할수록 전기적 특성 또한 선형적으로 증가함을 확인하였으며, 마찰 주기에 따른 전류의 경우 방적사의 unidirectional weave 형태가 가장 높은 전류를 출력하였음을 확인하였다. 셋째, charge injection을 통한 브레이딩 코어시스 구조체의 전기적 특성 변화를 확인하여, PI, Acrylic, PVDF는 약 1.5 배의 출력 전압 증가폭을 보인 반면, PTFE는 약 10배의 전압이 증가함을 확인하였다. 넷째, 코어시스 구조체의 트래핑 성능을 확인하여 코어시스 구조체와 PTFE 필름을 결합하여 해당 마찰전기 구조체가 트래핑 층으로 작용하였을 때, charge injection 직후 PI와 Acrylic이 높은 트래핑 성능을 보였으며, PTFE가 가장 낮은 성능을 보였다. 본 연구는 코어시스 구조에 사용된 대전체가 마찰전기 특성에 미치는 영향을 압력 및 마찰 주기에 따라 분석하였으며 브레이딩 마찰전기 구조체에 쓰인 대전체 소재의 화학적 특성과 구조적 특성에 따라 전기적 특성이 다르게 나타나는 것을 확인하였다. 또한 chrage injectoin을 통해 브레이딩 마찰전기 구조체의 소재에 따라 변화하는 전기적 특성과, trapping 성능을 확인하였다. 본 연구를 통해 실 단계에서의 텍스타일 마찰전기 구조체의 기초 데이터를 제시함으로써 선형 구조의 마찰전기 구조체 어레이(Array)를 통한 직물형 센서의 벡터 데이터 측정 연구에 도움이 되어 추후 의복 및 스마트 텍스타일 분야 등 여러 방면의 직물형 센서로 활용될 수 있는 기초 연구로써 도움이 되고자 한다.| Due to the advancement of technology, interest in wearable devices is increasing, and the field of smart textiles that combine functionality and wearability, such as film-based electronic textile structures that can utilize human surplus energy, has also been actively researched (Zhu et al., 2012). To improve the properties of film-based triboelectric structures such as washability and elasticity, many studies are emerging to develop fabric-based triboelectric structures and apply them to clothing or fabric-type sensors. In this regard, many studies have been conducted to reproduce the structural form of triboelectric structures as linear structures to improve their performance (Dong, K. et al., 2020; Gao et al., 2022; Li et al., 2022; Ning et al., 2022; Wang et al., 2021). The study of these linearly structured textile structures can be further developed into the development of fiber-like devices, which can be structured in 2D, such as woven and knitted fabrics, to build wearable platforms(Dong, S. et al., 2020). While various studies have been conducted on linear textile structures, there is a lack of research on the structure of core-sheath triboelectric structures using braiding technology, especially on the effect of the material of the charged. In addition, multi-layer triboelectric structures have been studied by forming multiple layers of film or fabric to block the decrease in potential due to defects in the charge generated at the electrode and friction surface through the layers and capture the charge, but there is a need to analyze the change in triboelectric properties through charge injection when the triboelectric structure has a core-sheath structure. In this study, we designed a textile triboelectric structure with a core-sheath structure using braiding technology and analyzed the electrical characteristics of the textile fabricated in the form of a unidirectional weave. Polyimide (PI), Polytetrafluoroethylene (PTFE), Acrylic, and Polyvinylidene fluoride (PVDF) were used as negative materials to analyze the difference in electrical properties according to pressure and frequency, and Nylon film, fabric, and spun yarn were used as positive materials to analyze the difference in electrical properties according to pressure and frequency. In addition, the electrical properties of the negative materials changed when the surface charge amount was increased through charge injection, and the trapping performance of the trapping layer was confirmed. The results of the study are as follows. First, the triboelectric properties of the core-sheath structure using the braiding technology were checked according to the negative materials (PI, Acrylic, PTFE, PVDF), and the thickness of the core-sheath structure was found to be the thickest for Acrylic and the thinnest for PVDF. When each braided core-sheath structure was fabricated in the form of a unidirectional weave, PI showed the narrowest contact area and PVDF showed the widest contact area. We found that the electrical properties of the negative materials increased linearly as the applied pressure increased. We also found differences in the output voltage between the negative materials. We also found that the electrical properties, such as voltage and current, increased linearly as the friction period increased. Secondly, the electrical characteristics of the positive materials in the triboelectric generator were examined according to the structural features. It was found that the electrical properties of the positive materials made of film, fabric, core-sheath structure, and unidirectional weave of spun yarn increased linearly as the applied pressure and friction cycle increased, and in the case of current according to the friction cycle, the unidirectional weave of spun yarn output the highest current. Third, we checked the change in electrical properties of the braided core-sheath structure through charge injection, and found that PI, Acrylic, and PVDF showed an increase in output voltage of about 1.5 times, while PTFE showed an increase in voltage of about 10 times. Fourth, the trapping performance of the braided core-sheath structure was checked, and when the core-sheath structure was combined with PTFE and the corresponding triboelectric structure acted as a trapping layer, PI and Acrylic showed the highest trapping performance immediately after charge injection, while PTFE showed the lowest performance. This study analyzed the effect of the charged material used in the core-sheath structure on the triboelectric properties according to the pressure and friction frequency, and confirmed that the electrical properties differ depending on the chemical properties and structural properties of the charged material used in the braided triboelectric structure. In addition, the electrical properties and trapping performance of the braided triboelectric structure changed depending on the material through the charge injection. By presenting the basic data of textile triboelectric structures in the yarn stage, this study aims to help the research on vector data measurement of textile sensors through linear structure triboelectric structure arrays, which can be utilized as textile sensors in various fields such as clothing and smart textiles.