Fabrication of Heat-generating Polyester through Formation of Conductive Silver Nanowire Network

Lee, Hyeon Jae; Choi, Dooho

doi:2024.62.8.639

Abstract

In recent years, extensive research has been conducted on wearable smart garments incorporating various materials and technologies, among which heating garments with the ability to generate heat through battery-powered circuits have gained significant attention. However, traditional methods utilizing heating wires suffer from drawbacks such as increased weight, lack of flexibility due to embedded wires, and limited heating distribution. To address these challenges and enhance user convenience, research efforts are actively focused on developing smart textile technologies that maintain lightweight properties while offering sufficient flexibility and low electrical resistance. This study explores the fabrication of heating fibers by applying silver nanowires, known for their excellent electrical and thermal conductivity, onto polyester fabric, a commonly used textile known for its durability and heat resistance. A dispersion and drying method utilizing isopropyl alcohol is employed to ensure uniform distribution of nanowires on the fabric surface. The impact of nanowire concentration and deposition cycles on the electrical properties and structure of the fabric is investigated, demonstrating high heating stability and reproducibility, thus indicating potential applications in various industries. Experimental results reveal that the fabricated heating textiles exhibit rapid heating response times, reaching target temperatures within seconds, and maintaining stable temperatures with minimal fluctuations even after prolonged usage. Furthermore, the textiles demonstrate excellent reproducibility under repeated heating cycles and show promising performance even under various deformation conditions, highlighting their suitability for practical usage scenarios.

Key words: Silver, Nanowires, Fabric, Joule heating

1. 서 론

최근 섬유에 다양한 소재나 기술을 적용하여 제작되는 웨어러블 스마트 의류에 대한 많은 연구가 진행 중이며, 이러한 연구 중에서 발열 특성을 갖는 발열 의류는 배터리를 통해 전원을 공급하여 열을 생성하는 방식으로 사용되고 있다. 현재 발열섬유는 수 mm 지름을 가지는 열선의 형태를 사용하는 경우가 흔하며 전기 저항이 낮아 발열 효율이 매우 좋지만 원단의 유연성과 편안함을 줄이고 뻣뻣함을 유발하여 착용감이 나빠질 뿐만 아니라 구부리거나 비틀기와 같은 반복적인 기계적 변형에 의해 이러한 열선들은 손상을 받기 쉬어 내구성이 낮다는 단점이 있습니다. 또한, 의류에 내장된 열선으로 인해 무게가 증가하고 열이 발생하는 부분이 열선 주위에만 제한되는 단점이 있다. 이러한 열선 기반의 발열 섬유를 단점을 극복하고자 카본 파이버 (carbon fiber), 전도성 폴리머, 카본 나노튜브 (carbon nanotube), 그래핀 (graphene) 소재 등 다양한 발열체를 이용한 발열 섬유 제조 연구가 활발히 진행되고 있으며, 발열 뿐 아니라 전자파 차폐, 항균, 자외선 차단, 난연성 등 다양한 기능을 부여하는 목적을 가지고 있다[1-3].

본 연구에서는 전류가 흐를 때 우수한 발열 특성을 보이는 금속소재를 내구성과 열가소성이 뛰어나 흔히 사용되는 섬유소재인 폴리에스테르에 적용하는 발열 섬유 제조 연구를 진행하였다. 발열 소재로는 금속 중에서도 가장 높은 전기 및 열 전도도를 가지며, 금이나 백금보다 저렴하며 구리보다 산화에 더 안정적인 특성을 보이는 은(Ag)을 선택하였으며, 직물표면에 네트워크형태로 전도성을 확보하기 위하여 나노와이어 형태를 적용하였다[4-6]. 직물표면에 나노와이어를 적용하는 방법에는 주조, 증착, 방사, 인쇄, 용액 성장 및 담금 & 건조 방법 등이 널리 사용되었는데[7-13], 그 중에서도 단순하면서도 뛰어난 분산 효과를 가지는 담금 & 건조 방법을 선택하였다[14]. 은 나노와이어를 이소프로필 알코올에 희석한 용액에 담금 & 건조 방법으로 폴리에스테르에 도포하여 제작한 발열 직물에서 나노와이어의 농도와 담금 & 건조의 횟수가 전기적 특성에 미치는 영향력에 대해 조사하고 이를 통한 농도 및 주기별로 나타나는 은 나노와이어의 밀도에 의해 변하는 전기적 특성 및 구조를 확인하였으며, 높은 발열 안정성과 재현성을 보여주며 다양한 산업에서의 활용 가능성이 기대 된다.

2. 실험 방법

본 연구에서는 폴리에스테르 (Polyester, 100%)를 기판으로 사용하였으며, 발열 특성을 부여하기 위해 이소프로필 알코올 솔벤트에 혼합된 치수 30 nm와 길이 30 μm의 은 나노와이어를 사용하였다. 실험에 사용한 모든 직물과 실험기구는 이소프로필 알코올을 통해 세척하였다. 은 나노와이어의 농도에 따른 전기적, 열적 특성 변화를 관찰하기 위해 이소프로필 알코올 내의 은 나노와이어의 농도를 1 mg/ml와 0.5 mg/ml으로 설정한 용액을 제작하였으며, 폴리에스테르를 제작한 용액에 1분 동안 담군 후 100 °C의 Hot plate (Corming, PC-400D)를 사용하여 1분 동안 건조하는 주기를 여러 번 반복하여 은 나노와이어가 폴리에스테르에 분산되도록 하였다. 제작한 발열 직물의 발열 특성을 명확히 확인하기 위해 구리 테이프를 부착하였다. 제작한 샘플의 저항은 멀티미터 (True-RMS multimeter, Fluke116)를 사용하여 측정하였으며, 은 나노와이어가 폴리에스테르 섬유에 분산된 구조를 확인하기 위해 전계방출형 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscope, JSM-800, 동의대학교 융합부품소재 핵심연구지원센터)을 이용하였다. 줄 발열 (Joule heating) 테스트는 외부 전력 공급장치 (EPS-3305, EZT)를 이용하여 인가전압을 변화시키면서 진행하였으며, 각 인가전압에서 발열 직물의 표면 온도는 적외선 카메라 (PTI-120, Fluke)를 사용하여 측정하였다.

3. 실험 결과

그림 1(a)는 폴리에스테르에 은 나노와이어 네트워크를 형성하기 위해 비커 내 은 나노와이어가 포함된 이소프로필 용액에 섬유의 담금 및 건조과정을 보여주는 모식도이다. 그림 1(b)는 은 나노와이어가 폴리에스테르에 얽혀 있는 구조를 보여주는 주사전자현미경 이미지이다. 담금 & 건조 방법으로 만든 시편에서 은 나노와이어가 폴리에스테르 섬유에 네트워크 형태로 연결되어 있는 것을 확인할 수 있다.

그림 2(a)는 이소프로필 알코올에 함유된 은 나노와이어의 농도 (0.5 mg/ml와 1.0 mg/ml) 및 반복횟수 (10회와 20회)에 따른 발열 직물의 저항 측정결과를 보여주는데, 그림 2(b)에서와 같이 은 나노와이어의 농도가 낮은 경우 폴리에스테르에 분포하는 나노와이어의 밀도가 낮은 것을 알 수 있다. 또한 반복횟수에 따라 은 나노와이어 네트워크 밀도의 증가로 인해 시편의 저항이 감소하는데, 초기에는 나노와이어의 밀도가 낮고 상대적으로 낮은 퍼짐 현상으로 인해 높은 저항값과 표준편차가 관찰되지만 반복횟수가 증가할수록 전반에 걸쳐 은 나노와이어 네트워크 밀도의 증가가 발생하여 저항값과 표준편차가 모두 크게 감소하는 것을 알 수 있다. 이러한 특징을 기반으로, 사용자의 전력 환경에 적합한 저항을 가지는 발열 직물을 제조할 수 있음을 시사한다.

그림 3은 동일한 반복횟수(20회)에서 1 mg/ml (R : 8.8 Ω) 및 0.5 mg/ml (R : 67.0 Ω)의 농도에서 20회의 담금 및 건조를 거쳐 제작한 발열 직물의 줄 발열 특성을 보여준다. 그림 3(a)는 이 두 가지 발열 직물을 0.5 V간격으로 5 V까지 인가 전압을 증가시키면서 줄 발열 특성을 평가하였다. 인가 전압 상승 시 발열 직물은 짧은 시간 (10초) 내에 목표온도의 90% 이상에 도달하였으며 이러한 빠른 열적 반응속도는 촘촘한 네트워크를 형성하고 있는 은 나노와이어가 폴리에스테르 표면에서 전면 발열에 가까운 형태로 발열을 하는 것에 기인하고 있다고 판단되며, 이는 기존의 상대적으로 밀도가 낮은 금속 열선을 이용한 발열직물의 경우 목표온도에 도달하는 데 약 60초 이상이 소요되는 것에 비해 큰 장점이라고 할 수 있다[15-20]. 또한 각 인가 전압에서 최종온도에서 도달하고도 시간이 지났음에도 목표온도에서 1% 내 오차에서 안정적으로 온도를 유지되었으며 전압 입가를 종료하였을 시 30초 이내에 26 °C의 온도로 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 이러한 높은 열반응속도는 상업화 측면에서 매우 큰 장점이라고 판단된다. 그림 3(b)는 인가 전압 변화에 따른 발열 직물의 전류 및 온도변화 추이를 보여준다. 선형적인 전압-전류 관계에서 보듯이 은 나노와이어 네트워크는 옴의 법칙을 추종하는 것으로 확인이 되며, 줄의 법칙 (온도 ∝ IR ∝ V²/R)에 따라 농도의 증가로 인해 저항이 낮을수록 특정 전압에서 발열온도가 증가하게 되는 것을 확인하였다[21-26].

그림 4는 발열 직물의 발열 재현성과 장기 안정성 평과 결과이다. 그림 4(a)는 발열 재현성을 평가하기 위해서 그림 3(a)의 두 발열체를 3분 간격으로 각 3 V, 5 V전압의 인가와 제거를 6회 반복할 때의 측정 결과이다. 동일 전압을 인가할 때 평균 온도 기준 ±1 °C 이내의 매우 우수한 발열 재현성을 가지는 것을 확인하였다. 그림 4(b)는 두 조건의 발열 직물을 3 V의 인가 전압에서 목표 온도를 약 40 °C, 50 °C의 온도로 설정하여 상온, 상압에서 10,000분 연속 발열하였을 때의 발열 직물의 전류값과 온도 추이를 보여준다. 40 °C의 온도에서는 발열 특성의 변화가 관찰되지 않았으나 50 °C의 온도에서는 약 5% 정도의 전류 감소에 따른 발열 성능의 저하가 발견되었다. 이러한 결과는 발열 시 대기 중의 기체와 반응하여 Ag의 황화(sulfidation) 등으로 인해 Ag의 비저항이 약간 상승한 것으로 판단된다. 이러한 결과를 바탕으로 40 °C 이하의 온도에서 구동하도록 설계된 발열 직물에서는 Ag 나노와이어 네트워크의 적용만으로 안정적인 구동이 가능하지만 40 °C 이상의 구동을 위해서는 Ag 나노와이어 상부에 산화방지막 등의 추가적인 공정이 필요할 것으로 판단된다.

그림 5는 Ag 나노와이어 네트워크가 형성된 직물의 실제 발열 과정을 보여준다. 그림 5(a)는 실제 직물을 착용한 상태에서 발생할 수 있는 여러 형상적인 변형이 가해진 상황에서 발열할 때의 열화상 이미지이다. 은 나노와이어 네트워크의 유연성으로 인해 발열직물에 심한 변형을 가할 때도 우수한 발열특성을 발열하는 것을 확인하였다. 그림 5(b)는 발열 직물을 굴곡진 어깨에 부착하여 발열시킬 때의 실제 사진과 열화상 이미지를 보여준다. 이러한 결과는 본 연구에서 제조한 담금 및 건조과정을 거친 발열 직물 제조법이 실제로 다양한 신체 부위에 부착되어 신체움직임에 의한 변형이 가해지는 환경에서 적합하다는 것을 보여준다.

4. 결 론

본 연구에서는 내구성이 좋고 열가소성이 뛰어난 폴리에스테르 섬유상에 은 나노와이어 네트워크를 형성하여 기존의 열선 기반의 발열 직물 대비 경량화와 더불어 균일하고 신속한 발열 방법에 대한 연구를 진행하였다. 은 나노와이어의 농도가 0.5 mg/ml와 1 mg/ml 로 유지된 이소프로필 용액 내 폴리에스테르 섬유를 반복적으로 담금 및 건조하였으며, 전자주사현미경으로 관찰 시 은 나노와이어 네트워크가 형성된 것을 확인하였다. 담금 및 건조의 반복횟수와 비례하여 전기저항이 감소하였으며, 동일한 반복횟수에서는 은 나노와이어의 농도가 높을수록 낮은 전기저항을 보였다. 인가 전압을 증가시키며 발열 테스트를 진행하였을 때 10초 내에 목표 온도의 90%에 도달하였고 목표온도 도달 후 큰 온도 변화없이 나노와이어의 온도가 일정하게 유지되었으며, 반복된 전압인가와 제거 시에도 매우 우수한 발열재현성을 보였다. 이러한 발열특성은 균일하고 촘촘한 은 나노와이어 네트워크의 형성에 기인한 것으로 판단된다. 40 °C 이하에서 장시간 (10,000분) 연속 발열 시에도 발열 특성의 변화가 관찰되지 않았으나, 그 이상의 온도에서는 미세한 (~5%) 전류 감소 및 발열 특성 감소가 확인되었다. 이는 고온에서 은 나노와이어의 황화 등의 열화로 인해 발생하며 이러한 문제를 보완하기 위해서는 은 나노와이어에 산화를 방지 기능의 추가를 통해 보완할 수 있을 것으로 기대된다[16]. 마지막으로, 발열 직물을 착용한 상태에서 발생할 수 있는 여러 형상적인 변형이 가해진 상황에서 발열 테스트를 진행할 때에도 우수한 발열특성을 보여 상업화 측면에서도 높은 가능성을 보이는 것을 확인할 수 있었다.

은 나노와이어 전도성 네트워크 형성을 통한 발열 폴리에스테르 섬유 제조 연구