편직 기반 액티브 텍스타일의 온도에 따른 형상기억거동 분석

Abstract

섬유형 액츄에이터인 편물 기반 형상기억합금 액티브 텍스타일은 높은 에너지 밀도와 기계적 수축 거동을 동반하여 외부 환경의 변화나 자극 등을 감지하고 그에 따라 형상이나 구조의 움직임 구현이 가능하다. 따라서 형상기억합금의 기계적 특성 파악을 위해 인장실험을 진행하였으며, 재료 자체의 인장특성과 편직 구조체로서 액티브 텍스타일의 인장특성을 비교 평가하였다. 또한 작동 온도에서 편직 구조적 형태에 따라 형상기억거동의 양상이 달라짐을 확인하였으며, 이는 평편과 펄편 조직으로 비교하여 분석하였다. 그리고 재료의 직경, 편직 밀도, 온도를 변수로 선정하여 액티브 텍스타일의 수축 변형률과 굽힘특성 및 압박특성을 평가하였다. 따라서 액티브 텍스타일의 형상기억거동에 관한 결과를 요약하자면 다음과 같다. 첫째, 상온(25℃)과 고온(70℃)에서 제공된(As-received) Flexinol® 형상기억합금 재료 자체의 직경별 인장실험 결과 상온과 고온 모두 직경 0.15 mm와 0.20 mm는 인장력 40 N에 이르지 못하고 파단하였으며, 고온에서 재료의 인장력은 상온에 비해 감소하고 변형률은 커짐을 확인하였다. 이는 온도가 증가함에 따라 재료 자체에 연성이 생겨 발생되는 특성으로, 직경 0.31 mm와 0.38 mm의 인장특성에서도 나타났다. 둘째, 평편은 온도가 증가하면서 시료 끝단의 굽힘 특성을 통해 수축 현상이 나타난 반면, 펄편은 볼록한(convex)형태로 평면 변형(planar deformation)하여 편직 구조에 따라 서로 다른 형상기억거동 양상을 확인할 수 있었다. 셋째, 상온에서 편직 구조체인 액티브 텍스타일의 인장실험 결과 직경 0.15 mm의 펄편으로 제작한 시료는 평편보다 더 높은 인장강도를 가졌다. 평편과 펄편 모두 저밀도일수록 고밀도에 비해 변형률이 더 클 것으로 예상했으나 구조와 직경에 따라 서로 다른 양상을 나타냈다. 넷째, 평편과 펄편의 수축 변형률과 굽힘특성 실험 결과 직경 0.15 mm와 0.20 mm는 평편과 펄편에서 시료의 수축하는 힘이 약 1 N의 힘보다 작았지만, 직경 0.31 mm와 0.38 mm의 시료는 1 N이상의 수축력을 가지며 밀도가 촘촘할수록 높은 수축 변형률을 가졌다. 또한 평편은 길이 방향으로 수축함과 동시에 굽힘 특성을 함께 관찰할 수 있었으나, 펄편은 굽힘 거동이 발생하지 않아 수축 특성도 평편에 비해 유리하지 않음을 확인하였다. 다섯째, 액티브 텍스타일의 굽힘특성 측정 결과 직경 0.15 mm와 0.20 mm는 하중 100 g, 200 g에서 굽힘력을 갖지 못하였으나, 직경 0.31 mm는 약 1 N의 굽힘력을 나타냈고 특히, 직경 0.38 mm는 약 2 N의 굽힘력을 가져 모든 편직 조건에서 최대의 굽힘각을 확인 할 수 있다. 이와 같은 결과로 직경 0.15 mm, 0.20 mm 그리고 펄편의 작은 굽힘각은 낮은 수축력을 예측할 수 있으며 텍스타일 적용시 수축과 압박에 적합하지 않은 조건으로 확인하였다. 여섯째, 평편의 직경 0.31 mm는 작동온도 이상에서 수축 변형률에 큰 차이를 나타내지 않았으나 직경 0.38 mm는 온도가 증가함에 따라 수축 변형률이 급격하게 커지는 경향을 확인하였다. 일곱째, 평편의 온도에 따른 굽힘특성을 알아본 결과 80℃이상의 구간부터 직경 0.38mm 고밀도 시료에서 말림 현상이 극대화되어 400°이상의 굽힘특성을 나타냈다. 여덟째, 액티브 텍스타일 적용에 있어 핵심적인 압박특성 실험 결과 압박 성능은 고밀도> 저밀도 편직으로, 텍스타일의 인체 착용시 수축 및 압박이 고밀도에서 크게 향상됨을 확인하였다. 형상기억합금을 적용한 액티브 텍스타일의 수축 및 압박에의 활용 가능성을 제시하고자 시료를 제작하여 인장특성 및 형상기억거동 특성을 평가하였다. 해당 결과를 토대로 향후 편물 기반 텍스타일형 액츄에이터의 최적화된 표준적 설계에 기초 연구로써 도움이 되고자 한다. 또한 다양한 변수의 편직 조건들을 제시하였고 이는 텍스타일 적용 시 신체 부위별로 차등화된 압박감을 제공할 수 있을 것으로 판단되며, 의류뿐만 아니라 다양한 분야에서 수축과 이완 운동으로 인한 기능적 소재로서의 활용이 가능할 것으로 기대된다.|Knitted-based shape memory alloy active textile, a fibrous actuator, is accompanied by high energy density and mechanical contraction behavior to detect changes in the external environment or stimuli, and thus realize movement of shape or structure. Therefore, a tensile test was conducted to understand the mechanical properties of the shape memory alloy, and the tensile properties of the material itself and the tensile properties of the active textile as a knitted structure were compared and evaluated. In addition, it was confirmed that the pattern of shape memory behavior varies depending on the type of knitted structure at the operating temperature, and this was compared and analyzed with plain and purl stitches. Then, the shrinkage strain, bending properties and compression characteristics of active textiles were evaluated by selecting the material diameter, knitting density and temperature as variables. Abstract Analysis of Shape Memory Behavior of Knitted Active Textiles by Temperature Therefore, the results regarding the shape memory behavior of active textiles are summarized as follows. First, as-received Flexinol® shape memory alloy at room temperature (25°C) and high temperature(70°C) for each diameter tensile test, both at room temperature and at high temperature, 0.15 mm and 0.20 mm in diameter did not reach 40 N of tensile force. It was fractured, and it was confirmed that the tensile force of the material at high temperature decreased compared to room temperature and the strain increased. This is a property caused by ductility in the material itself as the temperature increases, and it was also shown in the tensile properties of 0.31 mm and 0.38 mm in diameter. Second, the plain stitch exhibited shrinkage through the bending characteristics of the end of the sample as the temperature increased, while the purl stitch exhibited planar deformation in a convex shape, confirming different shape memory behaviors depending on the knitting structure. Third, as a result of a tensile test of active textile, a knitted structure, at room temperature, a sample made of purl stitch with a diameter of 0.15 mm had higher tensile strength than plain stitch. For both plain and purl stitch, it was expected that the lower the density the higher the strain rate compared to the higher density, but different patterns were shown depending on the structure and diameter. Fourth, as a result of the shrinkage strain and bending characteristics of plain and purl stitch, the shrinkage force of the samples with diameters of 0.15 mm and 0.20 mm was less than that of about 1 N, but for samples with diameters of 0.31 mm and 0.38 mm had a shrinkage force of 1 N or more, and the denser the density, the higher the shrinkage strain. In addition, it was confirmed that the plain stitch contracted in the longitudinal direction and simultaneously observed the bending characteristics, but purl stitch did not show any bending behavior and thus the shrinkage property was not advantageous compared to the plain stitch. Fifth, as a result of measuring the bending properties of active textiles, 0.15 mm and 0.20 mm in diameter did not have bending force at 100 g and 200 g of load, but 0.31 mm in diameter showed a bending force of about 1 N. With a bending force of 2 N, the maximum bending angle can be confirmed under all knitting conditions. As a result, the diameters of 0.15 mm and 0.20 mm and the small bending angles of the purl stitch could predict a low contractile force, and it was confirmed that the conditions were not suitable for shrinkage and compression when textiles were applied. Sixth, the 0.31 mm diameter of the plain stitch did not show a significant difference in the shrinkage strain above the operating temperature, but the 0.38 mm diameter showed a tendency to rapidly increase the shrinkage strain as the temperature increased. Seventh, as a result of examining the bending characteristics according to the temperature of the plain stitch, the curling phenomenon was maximized in the high-density sample with a diameter of 0.38 mm from the section above 80°C, showing bending characteristics of over 400°. Eighth, as a result of the test on the core compression characteristics in the active textile application, it was confirmed that the compression performance was high-density > lowdensity knitting, and contraction and compression were significantly improved at high density when the human body was worn with textiles. To suggest the possibility of application of the active textile to which the shape memory alloy is applied to shrinkage and compression, samples were prepared and the tensile properties and shape memory behavior properties were evaluated. Based on the results, it is intended to be helpful as a basic research for the optimized standard design of knittedbased textile actuators in the future. In addition, knitting conditions of various variables are presented, which is expected to provide a differentiated feeling of pressure for each body part when textile is applied.