"스마트 섬유"라는 용어는 더 광범위하고 덜 명확한 개념입니다. 지능형 섬유는 1979년 일본에서 처음 제안되었으며, 그 개념은 일반적으로 1990년대 후반에 인식되었습니다. 현재 지능형 섬유는 일반적으로 섬유, 전자, 정보, 생물학, 의학 및 신에너지와 같은 다학제 기술을 통해 인체 또는 환경 신호의 변화를 감지하고 피드백 메커니즘을 통해 적극적으로 대응할 수 있는 새로운 유형의 섬유를 말하며, 전통적인 섬유의 고유한 스타일과 기술적 특성을 유지합니다.

지능형 섬유에 대한 분류 방법은 여러 가지가 있지만 통일된 분류 방법은 없고 표면적인 분류만 있습니다. 일반적으로 외부 자극에 대한 반응 방식에 따라 지능형 섬유는 "수동적" 지능형 섬유와 "능동적" 지능형 섬유로 대략 나눌 수 있습니다. 전자는 형상 기억 소재, 소수성 또는 친수성 섬유 등과 같이 환경에 의해 자극을 받은 후 속성을 변경할 수 있는 섬유를 말합니다. 후자는 내부 매개변수를 정보로 변환하는 센서 및 액추에이터가 장착된 섬유를 말합니다. 온도, 광 강도 및 오염과 같은 환경의 다양한 신호를 감지하여 외부 신호에 어떻게 반응할지 결정하고 궁극적으로 다양한 패브릭 기반의 유연하고 소형화된 액추에이터를 사용하여 환경 신호에 응답할 수 있습니다. 내장형 전자 장치(e-textiles) 및 스마트 섬유 구조는 로컬 "결정"을 내릴 수 있으며, 인공 지능 소프트웨어를 사용하여 원격 "결정"을 내리기 위해 데이터베이스 및 서버가 포함된 클라우드와 스마트 섬유를 무선으로 연결할 수 있습니다.

스마트 섬유는 건강 모니터링, 개인 보호, 군사적 용도, 교통 에너지, 엔터테인먼트, 음악 등 다양한 분야에 사용되어 우리 일상생활에 중요한 역할을 합니다.

지능형 재료

의미와 정의

최근 몇 년 동안 정보, 재료 및 엔지니어링 기술의 발전으로 과학자와 엔지니어는 자연과 생물학적 진화에 대해 배우고 생각하게 되었습니다. 살아있는 유기체가 다양한 생물학적 재료로 만들어지는 것처럼 지능형 시스템은 재료의 유기적 조합 또는 통합으로 만들어집니다. 과학적 관행은 비생물학적 재료에 "지능적" 속성을 주입하는 것이 가능하다는 것을 보여주었습니다. 모든 종류의 정보(예: 힘, 소리, 열, 빛, 전기, 자기 및 화학 정보)는 감지 속성이 있는 다양한 재료를 통해 교환되고 전송될 수 있습니다.

자기변형 재료, 압전 재료, 형상 기억 재료와 같은 일부 스마트 재료는 감각 기능과 실행 기능을 모두 가지고 있습니다. 이러한 재료는 일반적으로 스마트 재료로 알려져 있으며 환경의 변화에 ​​적응할 수 있습니다. 그러나 재료 자체에는 정보 처리 및 피드백 메커니즘이 없으며 환경에 적응할 수 없습니다. 일반적으로 스마트 재료는 지능형 재료의 "하위 수준"이며 지능형 재료 개발의 "1차 단계"로 간주됩니다. 스마트 재료는 제어 기능과 결합된 경우에만 스마트 재료라고 할 수 있습니다.

스마트소재 구축을 위한 구성소재

스마트 소재의 구성 소재는 감지 소재, 정보 소재, 실행 소재, 적응 소재(생체 소재) 및 두 가지 지원 소재(에너지 소재(시스템 작동에 필요한 전력을 유지하는 데 사용) 및 구조 소재(기능 소재를 지원하는 기본 소재 또는 구성 요소))로 나눌 수 있습니다. 몇 가지 일반적인 기본 구성 요소는 형상 기억 소재, 광섬유, 자기 변형 소재, 전기 유동 유체, 자기 유동 유체, 압전 소재 및 지능형 폴리머 소재입니다.

일반적으로 액추에이터는 힘이 액추에이터에 입력된 후에만 시작할 수 있습니다. 현재 구현 재료는 다양한 정보 여기 하에서 출력 힘이나 변위에 국한되지 않으며, 출력 기능은 디지털 디스플레이 저장, 색상 변경, 주파수 변경, 스위치 켜기 및 끄기 등으로 확장되었습니다. 이러한 재료는 전자 기술에서 널리 응용되었습니다.

스마트 소재의 공통 기본 구성 요소

1. 형상기억소재

형상 기억 소재에는 형상 기억 합금, 기억 세라믹 및 형상 기억 폴리머(형상 기억 섬유 및 형상 기억 폴리머 젤 포함)가 포함됩니다. 이들은 특정 온도에서 열탄성(또는 응력 유도) 마르텐사이트 변형 또는 유리화 변형을 겪고, 특정 형상을 기억할 수 있으며, 탄성 계수, 저항, 내부 마찰 및 기타 중요한 변화가 있습니다. 예를 들어, NiTi 형상 기억 섬유는 다양한 시나리오에서 사용될 수 있습니다.

지능형 커튼: 니켈-티타늄 섬유로 짠 커튼 원단을 선택하면 온도가 50℃에 도달하면 원단이 자동으로 햇빛을 차단합니다.

패션 디자인: 니켈-티타늄 섬유를 의류 디자인에 통합하여 혁신적인 미적 효과와 편안한 경험을 얻는 것과 같습니다. 외부 온도가 따뜻할 때 스커트 한쪽의 밑단이 자동으로 말려 올라가고 꽃은 몇 초 만에 자동으로 닫힙니다.

안전 보호: 구조 설계를 통해 보호복에 공기 주머니 모듈을 추가하면 공기 주머니 면적이 저온에서 변하지 않습니다. 온도가 상승함에 따라 공기 주머니 면적이 확장됩니다. 이러한 슈트는 소방관을 보호하고 화재로 인한 화상 위험을 줄이는 데 사용할 수 있습니다.

수분 흡수: 미쓰비시는 형상 기억 기능을 가진 새로운 폴리우레탄 소재인 Diaplex®를 개발했습니다. 이 필름은 코트 원단으로 적층되어 있으며, 이는 높은 내수성과 온도 변화에 따른 분자의 미세갈색 이동, 수분 흡수를 특징으로 합니다.

2. 광섬유

광섬유는 두 유전체 표면에서 빛이 전반사되는 원리로 만들어진 광전도성 소자입니다. 빛의 투과 특성(광 강도, 동일)을 분석하여 광섬유 주변의 힘, 온도, 변위, 압력, 밀도, 자기장, 구성 및 X선과 같은 매개변수의 변화를 얻을 수 있으며, 따라서 감지 소자 또는 지능형 소재의 "뉴런"으로 널리 사용되며, 반응성이 뛰어나고 간섭 방지 능력이 강하며 에너지 소모가 낮습니다.

광섬유 감지 시스템은 생물의학적 진단, 식품 기술, 군사 및 산업 응용 분야, 토목 공학을 위해 널리 개발되었습니다. 예를 들어, 지오텍스타일에 통합된 스마트 광섬유 센서는 고속도로 교량을 모니터링하고 유지 관리 기관에 데이터를 전송하여 시기적절하게 토목 인프라의 열화 및 조기 고장을 감지할 수 있습니다.

이미지 출처: 매사추세츠 대학교 로웰

3. 압전재료

압전 재료에는 압전 세라믹(BaTiO3, Pb(ZrTi)O3, K(Na)NbO3, PbNb2O3 등)과 압전 폴리머가 포함됩니다. 압전 재료는 전기장에서 전기 쌍극자의 자체 전류 배열을 통해 재료의 크기를 변경하고 인가된 전압에 응답하여 응력 또는 변형을 생성합니다. 전기적 및 기계적 특성 간의 관계는 선형이며 빠른 응답, 고주파 및 작은 변형의 특성을 가지고 있습니다. 재료는 압력에 의해 자극을 받으면 전기 신호를 생성하여 센서로 사용할 수 있습니다. 압전 재료는 결정 및 세라믹일 수 있지만 둘 다 취성입니다.

폴리머 압전 재료의 기계적 강도와 응력 변화에 대한 민감성은 다른 많은 센서보다 우수하며 지능형 구조 및 장치에서 센서 및 액추에이터로 사용하기에 매우 적합합니다. 인간 유두종, 백신, 뎅기열, 에볼라, 인플루엔자 A, 인간 면역 결핍 및 B형 간염 바이러스를 감지하는 데 사용할 수 있습니다.

(a) 압전 바이오센서의 작동 원리; (b) 검출 중 전압과 시간의 관계; (c) 검출 중 진폭과 주파수의 관계.

압전재료를 이용한 바이러스 검출의 기본 개념