웨어러블 디바이스용 다기능성 직물 전극의전방향 감지를 위한 등방 섬-다리 구조 구현스프레이 공정 개발 = Development of a Spray Process for Isotropic Island?Bridge Structures Enabling Omnidirectional Sensing in Multifunctional Fabric Electrodes for Wearable Devices

국문 초록 (Abstract)

웨어러블 디바이스 발전을 위해 센서의 직물 통합은 필수적이나, 편직 직물 고유의 정렬된 구조는 방향 의존적인 감지 거동을 유발하여 적용에 한계가 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하고자 탄소나노튜브(CNT), 그래핀 나노플레이트(GNP), 폴리디메틸실록산(PDMS)의 하이브리드 복합체를 이용, 편직 구조와 무관하게 전방향 감지가 가능한 다기능성 직물 전극을 제작하는 2단계 스프레이 공정을 제안한다. 이 공정은 첫 번째 스프레이로 기판의 젖음성을 조절하여 두 번째 용액이 국부적으로 증착되게 유도한다. 이를 통해 등방성 '섬-다리' 미세구조가 형성되어, 편직 구조로 인한 방향 의존성 문제를 해결하고 일관된 전방향 스트레인 감지 성능을 구현한다. 제작된 GNP/CNT/PDMS(GCP) 직물 전극은 우수한 세탁 내구성을 확보하여 반복적인 세탁 후에도 안정적인 전기적 성능을 유지한다. 또한 주울 발열을 통한 열 관리, 기계적 내구성, 통기성 및 소수성 등 웨어러블 응용에 필수적인 다기능성을 입증하였다. 특히, 높은 수준의 소수성과 세탁 안정성 덕분에 일상적인 수분 노출이나 젖은 환경에서도 성능 저하 없이 동작을 모니터링할 수 있는 신뢰성을 확보하였다. 나아가, GCP 전극을 스마트 글러브에 통합하여 실시간으로 손의 움직임을 정밀하게 모니터링하는 데 성공하였다. 본 공정은 별도의 방향 정렬이나 캡슐화가 필요 없어 공정을 단순화하며, 빠른 응답 속도와 저전압 발열 기능을 지원한다. 본 연구는 직물 방향과 관계없이 신뢰성 높은 성능을 제공하는 웨어러블 센서를 위한 제작 전략을 제시하며, 향후 헬스 모니터링 및 스마트 텍스타일 분야의 실용적 응용에 기여할 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The integration of sensors into textiles is a cornerstone for the development of advanced wearable electronics. However, the inherently aligned loop structure of knitted fabrics typically results in direction-dependent sensing behavior, which severely limits practical applications. To overcome this fundamental challenge, this study proposes an innovative two-step spray-coating process using a hybrid composite of carbon nanotubes(CNTs), graphene nanoplatelets(GNPs), and polydimethylsiloxane(PDMS). The core strategy involves modulating the substrate's surface energy during the first spray step to control the wettability, which subsequently induces localized deposition during the second step. This unique approach facilitates the formation of an isotropic "island-bridge" microstructure, effectively neutralizing the structural anisotropy of the knitted substrate and achieving consistent omnidirectional strain-sensing performance. The resulting GNP/CNT/PDMS(GCP) textile electrodes demonstrate superior electromechanical properties, including a low hysteresis of 2.5%, rapid response times, and exceptional mechanical durability over 3,000 cycles.
Furthermore, the GCP electrodes maintain essential multifunctional attributes such as breathability, superhydrophobicity(151°), and excellent washability(ISO 6330), ensuring reliable operation even in moisture-rich or underwater environments without the need for additional encapsulation. Beyond strain sensing, the electrodes provide efficient thermal management through Joule heating at low voltages. To demonstrate practical utility, a wireless smart glove was developed by integrating GCP electrodes, enabling precise real-time monitoring of complex hand gestures through a human-machine interface(HMI). This manufacturing strategy provides a versatile platform for high-performance wearable sensors that are independent of fabric orientation, offering a significant contribution to the future of health monitoring and smart textile systems.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1. 연구의 배경 및 필요성 1
• 1.2. 선행 연구 2
• 1.3. 연구의 목적 3
• 2. 이론적 배경 4
• 2.1. 직물 전극 및 스트레인 센서 4
• 2.2. 전도성 나노 소재 4
• 2.3. 폴리머 바인더 및 복합체 5
• 2.4. 스프레이 코팅 공정 6
• 3. 연구 설계 및 방법 8
• 3.1. 시료 8
• 3.2. GCP (GNP/CNT/PDMS) 복합 용액 제조 8
• 3.3. 2단계 스프레이 공정을 통한 GCP 직물 전극 제작 8
• 3.4. GCP 스마트 글러브 제작 9
• 3.5. 전기적 특성 평가 10
• 3.6. 화학적 특성 분석 11
• 3.7. 표면 특성 분석 11
• 3.8. 웨어러블 디바이스로의 다기능성 평가 12
• 3.9. 스마트 텍스타일 센서로의 적용 13
• 4. 결과 및 고찰 14
• 4.1. 스프레이 공정에 따른 표면 형상 및 등방성 구조 분석 14
• 4.2. 화학적 성분 및 계면 특성 분석 16
• 4.3. 2단계 스프레이 공정의 원리 18
• 4.4. 전방향 스트레인 감지 성능 20
• 4.5. 센서 성능 및 반복 내구성 22
• 4.6. GCP 직물 전극의 다기능성 평가 24
• 4.7. 손동작 모니터링용 스트레인 센서 평가 28
• 5. 결론 31
• 참고문헌 32
• Abstract