▲ 차원으로 좌굴된 쉘-코어 섬유. .

전도성 섬유를 신축시켰을 때 이것의 전기 전도성이 감소한다고 알고 있지만, 미국대학 연구진이 신축운동에도 전도성이 늘어나는 탄소나노튜브(CNT) 섬유를 개발했다.

나노워크지에 따르면 텍사스 대학의 댈러스 캠퍼스(University of Texas at Dallas)의 연구진이 개발한 새로운 CNT 섬유는 원래 길이보다 11배까지 신축시킬 때 전기 전도성이 121배까지 증가했고, 고 신축성에도 저항은 5%만 늘어났다.

향후 스마트 섬유, 로봇을 위한 인공 근육, 탄성 회로를 위한 인터커넥트(interconnect), 스트레인 센서 등에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다.

기존의 전도성 섬유를 연신하거나 더 늘렸을 때, 단면적이 점점 더 작아진다. 적어진 단면적에서 전자의 흐름이 억제되어 전기저항이 올라가게 된다.

하지만 연구진은 가소화된 SEBS(styrene-(ethylene-butylene)-styrene) 공-폴리머로 만들어진 긴 고분자 코어 주변에 탄소 나노튜브의 전도성 시트를 둘러싸 섬유를 만들었다.

CNT 시트가 주기적인 길고 짧은 좌굴(buckling)을 형성하기 때문에 기존의 상대물과 다른 특성을 가진다. 이런 좌굴은 섬유가 반복적으로 신축되고 이완될 수 있게 한다. 전자들은 이러한 좌굴된 피복을 통해서 이동하기 때문에 크게 연신될 때도 원래의 전기 전도성을 유지한다.

연구의 제1저자인 Zunfeng Liu는“이런 좌굴은 섬유의 길이를 따라서 형성할 뿐만 아니라 둘레에도 발생한다”말했다.

좌굴이 2차원에서 발생한다는 사실은 나노튜브가 고무 코어를 따라서 정렬된다는 것을 의미한다. 이것은 쉘-코어 섬유가 연신 동안에도 거의 일정한 전기 저항을 유지할 수 있게 한다.

섬유를 테스트하기 위해서, 연구진은 매우 얇은 고무 코팅과 또 다른 탄소 나노튜브 피복을 추가했다. 그 후에 더 복잡한 구조를 가진 커패시터를 만들었다.

좌굴된 나노튜브 시트는 전극으로서 활용되고 아주 얇은 고무 층은 유전체로 사용된다. 이런 장치의 커패시턴스는 섬유가 원래 길이의 950%까지 신장될 때 860%까지 변한다.

또한 전도성 섬유는 고무 코어의 크기에 따라서 약 150마이크론에서부터 훨씬 더 큰 크기까지 지름을 변화시키면서 제조될 수 있다. 이런 섬유는 원사 또는 밧줄처럼 서로 다발로 만들어져 저항의 추가적 감소가 가능해졌다.

이렇게 만들어진 섬유는 스마트 직물 분야에서 가장 큰 활용이 기대되고 있지만, 탄성회로, 변형센서, 무고장 심장 조율기(failure-free pacemaker)에서도 두각을 나타낼 것으로 보인다.

이중-피복 섬유를 비트는 것은 비틀림 인공 근육을 제조할 수 있게 하고, 이런 구조들은 광학 회로 속의 거울을 회전하거나 의료용 장치 속에 액체를 펌핑(pumping)하는데 사용될 수 있다.

한편, 이 연구결과는 저널 Science에 ‘Hierarchically buckled sheath-core fibers for superelastic electronics, sensors, and muscles’라는 제목으로 게재됐다.