KR20240025844A - 계층적 코일-플라이 구조를 갖는 섬유 구조체 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

섬유 구조체가 제공된다. 상기 섬유 구조체는 코어-쉬스(Core-Sheath) 구조를 갖는 복수의 베이스 섬유가 서로 꼬인 플라이(ply) 섬유를 포함하되, 상기 쉬스의 표면은 주름 구조를 갖고, 상기 플라이 섬유는 길이 방향을 축으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 꼬임이 반복되어, 코일 구조가 적층된 계층적 코일(hierarchical coil) 구조를 가질 수 있다.

Description

계층적 코일-플라이 구조를 갖는 섬유 구조체 및 그 제조 방법 {Fiber structure having hierarchical coil-ply structure and fabricating method thereof}
본 발명은 섬유 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 계층적 코일-플라이 구조를 갖는 섬유 구조체 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.
4차 산업혁명 동안 휴대용 기기에서 웨어러블 기기로의 패러다임 전환은, 1차원(1-D) 섬유 기반 신축성 전도체 개발에 대해 많은 관심을 불러일으켰다.
다양한 웨어러블 어플리케이션을 위한 효과적인 빌딩 블록(building block)으로서 이러한 섬유 기반 신축성 전도체는 인체의 곡률 형태와 빈번한 움직임으로 인해 기계적 변형에 지속적으로 노출된다. 따라서, 사용자의 편의성과 장치의 신뢰성 모두를 달성하기 위해, 섬유 기반 신축성 전도체는 성능 손실 없이 높은 신축성을 갖는 것이 중요하다.
게이지 인자(gauge factor, GF)로 알려진 압저항 감도(piezoresistive sensitivity, 인가된 스트레인 하에서 저항의 부분적 변화)는 섬유 기반 신축성 전도체의 두 가지 응용(스트레인 센서, 및 슈퍼커패시터)에 대해 중요한 기준이 될 수 있다.
구체적으로, 압저항 감도가 높은 섬유 기반 신축성 전도체의 경우, 인가된 스트레인에 대해 큰 전기적 변화를 유발할 수 있으므로 스트레인 센서로 사용되기에 적합할 수 있다. 이와 달리, 압저항 감도가 낮은 섬유 기반 신축성 전도체의 경우, 인공 근육, 슈퍼커패시터, 및 배터리와 같이 저항에 대해 안정적인 장치의 전극으로 사용되기에 적합할 수 있다.
따라서, 섬유 기반 신축성 전도체의 높은 신축성을 유지하면서 압저항 감도를 체계적으로 제어할 수 있으면, 섬유 기반 신축성 전도체의 적용 범위를 넓힐 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 높은 신축성을 갖는 섬유 구조체 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 신축에 따른 저항 변화율 제어가 가능한 섬유 구조체 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 스트레인 센서로 사용 가능한 섬유 구조체 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 슈퍼커패시터의 전극으로 사용 가능한 섬유 구조체 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상술된 기술적 과제들을 해결하기 위해 본 발명은 섬유 구조체를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 섬유 구조체는 코어-쉬스(Core-Sheath) 구조를 갖는 복수의 베이스 섬유가 서로 꼬인 플라이(ply) 섬유를 포함하되, 상기 쉬스의 표면은 주름 구조를 갖고, 상기 플라이 섬유는 길이 방향을 축으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 꼬임이 반복되어, 코일 구조가 적층된 계층적 코일(hierarchical coil) 구조를 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 플라이 섬유가 포함하는 상기 베이스 섬유의 개수에 따라, 상기 섬유 구조체의 신축성 및 신축에 따른 저항 변화율이 제어되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 플라이 섬유가 포함하는 상기 베이스 섬유의 개수가 감소할수록, 신축성 및 신축에 따른 저항 변화율이 증가하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 섬유 구조체는 증가된 신축성 및 신축에 따른 저항 변화율을 이용하여, 스트레인 센서(Strain Sensor)로 사용되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 플라이 섬유가 포함하는 상기 베이스 섬유의 개수가 증가할수록, 신축성 및 신축에 따른 저항 변화율이 감소하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 섬유 구조체는 감소된 저항 변화율을 이용하여, 슈퍼커패시터의 전극으로 사용되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 쉬스는 탄소나노튜브 시트(CNT sheet)를 포함하고, 상기 탄소나노튜브 시트는 일 방향으로 연장되는 복수의 탄소나노튜브들을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 섬유 구조체는 상기 복수의 탄소나노튜브들이 연장되는 방향과 상기 코어 섬유의 길이 방향이 평행한 것을 포함할 수 있다.
상술된 기술적 과제들을 해결하기 위해 본 발명은 섬유 구조체의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 섬유 구조체의 제조 방법은 코어-쉬스(Core-Sheath) 구조를 갖고, 상기 쉬스의 표면에 주름 구조를 갖는 베이스 섬유를 준비하는 단계, 복수의 상기 베이스 섬유들을 서로 꼬아 플라이(ply) 섬유를 제조하는 단계, 상기 플라이 섬유를 길이 방향을 축으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 꼬아서, 상기 플라이 섬유에 코일(coil) 구조가 형성된 코일-플라이(coil-ply) 섬유를 제조하는 단계, 및 상기 코일-플라이 섬유를, 상기 코일-플라이 섬유를 제조하는 단계에서 상기 플라이 섬유가 꼬인 방향으로 더 꼬아서, 코일 구조가 적층된 계층적 코일(hierarchical coil) 구조가 형성된 섬유 구조체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 쉬스의 표면 주름 구조는, 상기 코일 구조 및 상기 계층적 코일 구조가 형성되는 과정에서 상기 베이스 섬유에 인가되는 비틀림 스트레인(torsional strain)을 흡수하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 섬유를 준비하는 단계는, 탄성력을 갖는 코어 섬유를 준비하는 단계, 상기 코어 섬유를 길이 방향으로 연장시키는 단계, 연장된 상기 코어 섬유의 외주면을 탄소나노튜브 시트로 감싸는 단계, 및 상기 코어 섬유의 회복력을 통해 상기 탄소나노튜브 시트가 감싸진 상기 코어 섬유를 길이 방향으로 수축시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 탄소나노튜브 시트가 감싸진 상기 코어 섬유가 수축됨에 따라, 상기 탄소나노튜브 시트에 주름 구조가 형성되는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 섬유 구조체는, 코어-쉬스(Core-Sheath) 구조를 갖는 복수의 베이스 섬유가 서로 꼬인 플라이(ply) 섬유를 포함하되, 상기 쉬스의 표면은 주름 구조를 갖고, 상기 플라이 섬유는 길이 방향을 축으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 꼬임이 반복되어, 코일 구조가 적층된 계층적 코일(hierarchical coil) 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 섬유 구조체는 상기 플라이 섬유가 포함하는 상기 베이스 섬유의 개수를 제어하는 간단한 방법으로, 상기 섬유 구조체의 신축에 따른 저항 변화율을 용이하게 제어할 수 있다. 이에 따라, 인가된 스트레인에 대해 큰 전기적 변화가 요구되는 스트레인 센서 및 저항에 대한 안정성이 요구되는 슈퍼커패시터의 전극에 용이하게 적용될 수 있다.
또한, 상기 계층적 코일 구조가 제조되는 과정에서 상기 베이스 섬유에 인가되는 비틀림 스트레인(torsional strain)이 상기 쉬스의 주름 구조에 의해 흡수될 수 있으므로, 상기 베이스 섬유의 찢어짐 없이 상기 계층적 코일 구조가 용이하게 제조될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 섬유 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 섬유 구조체의 제조 방법 중 베이스 섬유를 준비하는 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 1개의 베이스 섬유로 이루어진 섬유 구조체와 9개의 베이스 섬유로 이루어진 섬유 구조체의 신축에 따른 전항 변화율을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실험 예에 따른 섬유 구조체의 제조 과정에서 사용되는 베이스 섬유를 촬영한 사진이다.
도 6 및 도 7은 베이스 섬유를 꼬으는 과정에서 쉬스의 주름 구조 영향을 설명하기 위한 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실험 예에 따른 플라이 섬유, 코일-플라이 섬유, 및 섬유 구조체를 촬영한 사진이다.
도 10은 베이스 섬유의 개수에 따라 섬유 구조체 제조에 필요한 꼬임수와 패킹 밀도를 비교하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실험 예에 따른 섬유 구조체의 신축 과정을 촬영한 사진이다.
도 12는 베이스 섬유의 개수에 따른 섬유 구조체의 최대 변형률 및 길이 정규화 저항 값을 비교하는 도면이다.
도 13은 베이스 섬유의 개수에 따른 섬유 구조체의 신축성 및 신축에 따른 저항 변화율을 비교하는 도면이다.
도 14는 베이스 섬유 개수에 따른 섬유 구조체의 게이지 인자와 품질 인자를 비교하는 도면이다.
도 15는 베이스 섬유 개수에 따른 섬유 구조체의 코일 지수를 비교하는 도면이다.
도 16은 베이스 섬유 개수에 따른 섬유 구조체의 저항 변화 비율을 비교하는 도면이다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 실험 예에 따른 섬유 구조체가 적용된 스트레인 센서의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 19 내지 도 21은 본 발명의 실험 예에 따른 섬유 구조체가 적용된 스트레인 센서의 다양한 활용을 설명하기 위한 도면이다.
도 22는 본 발명의 실험 예에 따른 슈퍼커패시터의 CV 커브 및 Linear 용량을 설명하기 위한 도면이다.
도 23은 9개의 베이스 섬유를 통해 제조된 섬유 구조체가 적용된 슈퍼커패시터의 CV 커브 및 Linear 용량과 Areal 용량을 설명하기 위한 도면이다.
도 24는 9개의 베이스 섬유를 통해 제조된 섬유 구조체가 적용된 슈퍼커패시터의 안정성을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 섬유 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 섬유 구조체의 제조 방법 중 베이스 섬유를 준비하는 단계를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 1개의 베이스 섬유로 이루어진 섬유 구조체와 9개의 베이스 섬유로 이루어진 섬유 구조체의 신축에 따른 전항 변화율을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 베이스 섬유(Base fiber, 100)가 준비될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 섬유(100)를 준비하는 단계는, 탄성력을 갖는 코어 섬유(110)를 준비하는 단계, 상기 코어 섬유(110)를 길이 방향으로 연장시키는 단계, 연장된 상기 코어 섬유(110)의 외주면을 탄소나노튜브 시트(120)로 감싸는 단계, 및 상기 코어 섬유(110)의 회복력을 통해 상기 탄소나노튜브 시트(120)가 감싸진 상기 코어 섬유(110)를 길이 방향으로 수축시키는 단계를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 코어 섬유(110)가 준비될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 코어 섬유(110)는 탄성력을 갖는 섬유일 수 있다. 예를 들어, 상기 코어 섬유(110)는 스판덱스(spandex) 섬유일 수 있다.
상기 코어 섬유(110)가 길이 방향으로 연장될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 코어 섬유(110)는 100% 내지 400%의 길이를 갖도록 연장될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 코어 섬유(110)가 연장되는 길이를 제어함에 따라 후술되는 탄소나노튜브 시트(120) 주름 구조의 패턴 폭(d)이 제어될 수 있다. 구체적으로, 상기 코어 섬유(110)가 연장되는 길이가 길어질수록 후술되는 주름 구조의 패턴 폭(d)은 감소될 수 있다. 이와 달리, 상기 코어 섬유(110)가 연장되는 길이가 짧아질수록 후술되는 주름 구조의 패턴 폭(d)은 증가할 수 있다.
연장된 상기 코어 섬유(110)의 외주면을 탄소나노튜브 시트(120)로 감쌀 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 탄소나노튜브 시트(120)는 화학 기상 증착법(CVD)에 의해 성장된 복수의 탄소나노튜브들이 일 방향으로 정렬된 다중벽 탄소나노튜브(MWNT) 시트일 수 있다. 상기 탄소나노튜브 시트(120)를 상기 코어 섬유(110)의 외주면에 감싸는 과정에서, 상기 복수의 탄소나노튜브들이 연장되는 방향과 상기 코어 섬유(110)가 연장되는 방향이 평행하도록, 연장된 상기 코어 섬유(110)의 외주면에 상기 탄소나노튜브 시트(120)가 감싸질 수 있다.
상기 코어 섬유(110)의 회복력을 통해 상기 탄소나노튜브 시트(120)가 감싸진 상기 코어 섬유(120)를 길이 방향으로 수축시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 코어 섬유(110)의 외주면에 감싸진 상기 탄소나노튜브 시트(120)에 주름 구조(buckle structure)가 형성될 수 있다.
상기 탄소나노튜브 시트(120)가 감싸진 상기 코어 섬유(110)가 길이 방향으로 수축되는 경우, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 코어 섬유(110)는 길이 방향으로 수축되는 스트레인(S1)을 가질 수 있다. 반면, 상기 탄소나노튜브 시트(120)는 길이 방향으로 연장되는 스트레인(S2)을 가질 수 있다.
즉, 상기 탄소나노튜브 시트(120)가 감싸진 상기 코어 섬유(110)가 길이 방향으로 수축되는 경우, 상기 코어 섬유(110)와 상기 탄소나노튜브 시트(120) 사이에 스트레인 차이가 발생될 수 있다. 이에 따라, 상기 탄소나노튜브 시트(120)는 주름 구조로 형성될 수 있다.
결과적으로, 상기 베이스 섬유(100)는 코어-쉬스(Core-Sheath) 구조를 갖되, 쉬스의 표면에 주름 구조를 가질 수 있다.
복수의 상기 베이스 섬유(100)들을 서로 꼬아(ply), 플라이 섬유(Ply fiber, 200)를 제조할 수 있다. 이후, 상기 플라이 섬유(200)를 길이 방향을 축으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 꼬을(twisted) 수 있다. 이에 따라, 상기 플라이 섬유(200)에 코일(coil) 구조가 형성된 코일-플라이 섬유(Coil-Ply fiber, 300)가 제조될 수 있다.
최종적으로, 상기 코일-플라이(300) 섬유를, 상기 코일-플라이 섬유(300)를 제조하는 단계에서 상기 플라이 섬유(200)가 꼬인 방향으로 더 꼬을(twisted) 수 있다. 이에 따라, 상기 플라이 섬유(200)의 꼬임이 반복되어 코일 구조가 적층된 계층적 코일(hierarchical coil) 구조가 형성된 섬유 구조체(400)가 제조될 수 있다. 상기 섬유 구조체(400)는 계층적 코일-플라이 섬유(Hierarchical Coil-Ply fiber)로 정의될 수 있다.
결과적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 섬유 구조체(400)는 코어-쉬스 구조를 갖는 복수의 상기 베이스 섬유(100)가 서로 꼬인 상기 플라이 섬유(200)를 포함하되, 상기 쉬스의 표면은 주름 구조를 갖고, 상기 플라이 섬유(200)는 길이 방향을 축으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 꼬임이 반복되어, 코일 구조가 적층된 계층적 코일(hierarchical coil) 구조를 가질 수 있다.
상기 섬유 구조체(400)의 계층적 코일 구조, 및 상기 코일-플라이 섬유(300)의 코일 구조가 형성되는 과정에서, 상기 쉬스의 표면 주름 구조는 상기 베이스 섬유(100)에 인가되는 비틀림 스트레인(torsional strain)을 흡수할 수 있다. 이에 따라, 상기 섬유 구조체(400)의 계층적 코일 구조, 및 상기 코일-플라이 섬유(300)의 코일 구조가 용이하게 형성될 수 있다. 이와 달리, 상기 쉬스의 표면에 주름 구조가 없는 경우, 상기 플라이 섬유(200)를 꼬으는 과정에서 상기 베이스 섬유(100)에 인가되는 과도한 비틀림 스트레인으로 인하여, 상기 베이스 섬유(100)가 찢어지는 문제점이 발생될 수 있다. 즉, 상기 쉬스의 주름 구조와 상기 플라이 섬유(300)를 꼬으는 구성이 유기적으로 결합됨에 따라, 상기 코일-플라이 섬유(300)의 코일 구조 및 상기 섬유 구조체(400)의 계층적 코일 구조가 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 섬유 구조체(400)는 상기 플라이 섬유(200)가 포함하는 상기 베이스 섬유(100)의 개수에 따라, 상기 섬유 구조체(400)의 신축성 및 신축에 따른 저항 변화율이 제어될 수 있다. 구체적으로, 상기 플라이 섬유(200)가 포함하는 상기 베이스 섬유(100)의 개수가 감소할수록, 상기 섬유 구조체(400)의 신축성 및 신축에 따른 저항 변화율은 증가할 수 있다. 이와 달리, 상기 플라이 섬유(200)가 포함하는 상기 베이스 섬유(100)의 개수가 증가할수록, 상기 섬유 구조체(400)의 신축성 및 신축에 따른 저항 변화율은 감소할 수 있다.
예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 1개의 상기 베이스 섬유(100)를 통해 제조된 상기 섬유 구조체(Single-ply)의 경우, 상기 섬유 구조체가 신축되는 과정(coil loop opening)에서 전자의 이동 경로 변화가 상대적으로 크게 발생될 수 있다. 이에 따라, 신축에 따른 저항 변화율이 상대적으로 증가할 수 있다. 이와 달리, 9개의 상기 베이스 섬유(100)를 통해 제조된 상기 섬유 구조체(9-ply)의 경우, 상기 섬유 구조체가 신축되는 과정에서 전자의 이동 경로 변화가 상대적으로 작게 발생될 수 있다. 이에 따라, 신축에 따른 저항 변화율이 상대적으로 감소할 수 있다.
즉, 상대적으로 적은 개수의 상기 베이스 섬유(100)를 통해 제조된 상기 섬유 구조체(400)는 상대적으로 높은 신축성 및 신축에 따른 저항 변화율을 가질 수 있다. 이와 달리, 상대적으로 많은 개수의 상기 베이스 섬유(100)를 통해 제조된 상기 섬유 구조체(400)는 상대적으로 적은 신축성 및 신축에 따른 저항 변화율을 가질 수 있다. 다만, 상대적으로 많은 개수의 상기 베이스 섬유(100)를 통해 제조된 상기 섬유 구조체(400)의 신축성은, 상대적으로 적은 개수의 상기 베이스 섬유(100)를 통해 제조된 상기 섬유 구조체(400)와 비교하여 낮은 것일 뿐, 섬유 기반 신축성 전도체가 사용되는 인공 근육, 슈퍼커패시터, 및 배터리 등과 같은 어플리케이션에 적용되기에는 충분한 신축성을 가질 수 있다.
상술된 특성으로 인하여, 상기 섬유 구조체(400)는 스트레인 센서(Strain Sensor) 및 슈퍼커패시터(Supercapacitor)의 신축성 전극으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 플라이 섬유(200)가 포함하는 상기 베이스 섬유(100)의 개수를 상대적으로 적게 구성함으로써, 신축에 따른 저항 변화율이 큰 상기 섬유 구조체(400)를 제조할 수 있다. 이로 인해, 인가된 스트레인에 대해 큰 전기적 변화가 요구되는 스트레인 센서에 용이하게 사용될 수 있다. 이와 달리, 상기 플라이 섬유(200)가 포함하는 상기 베이스 섬유(100)의 개수를 상대적으로 많게 구성함으로써, 신축에 따른 저항 변화율이 작은 상기 섬유 구조체(400)를 제조할 수 있다. 이로 인해, 저항에 대한 안정성이 요구되는 슈퍼커패시터의 전극에 용이하게 사용될 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 예에 따른 섬유 구조체 및 그 제조 방법이 설명되었다. 이하, 본 발명의 실시 예에 따른 섬유 구조체 및 그 제조 방법의 구체적인 실험 예 및 특성 평가 결과가 설명된다.
실험 예에 따른 섬유 구조체 제조
7 cm 길이의 스판덱스 섬유를 길이 방향으로 400% 연장시킨 상태에서, 35 cm(길이) x 1 cm(폭) 크기의 탄소나노튜브 시트를 감싼 후 상기 스판덱스 섬유를 수축시켰다. 이에 따라, 코어-쉬스 구조를 갖고, 쉬스가 주름 구조를 갖는 베이스 섬유(Base fiber)가 제조되었다.
이후, 복수의 베이스 섬유들을 서로 꼬아 플라이 섬유(Ply fiber)를 제조하고, 플라이 섬유의 일단에 꼬임을 인가하여 상기 플라이 섬유에 코일 구조가 형성된 코일-플라이 섬유(Coil-Ply fiber)를 제조하였다.
최종적으로, 상기 코일-플라이 섬유에 꼬임을 더욱 인가하여, 코일 구조가 적층된 계층적 코일 구조가 형성된 섬유 구조체(Hierarchical Coil-Ply fiber)를 제조하였다.
도 5는 본 발명의 실험 예에 따른 섬유 구조체의 제조 과정에서 사용되는 베이스 섬유를 촬영한 사진이다.
도 5의 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 실험 예에 따른 섬유 구조체의 제조 과정에서 사용되는 베이스 섬유의 단면을 SEM(Scanning Electron Microscope) 촬영한 사진을 나타낸다. 도 5의 (a)는 상대적으로 적은 배율의 사진을 나타내고, 도 5의 (b)는 도 5의 (a)에 도시된 사각형 점선 박스 부분을 확대한 사진을 나타낸다.
도 5의 (a) 및 (b)에서 확인할 수 있듯이, 상기 베이스 섬유는 스판덱스(spandex)로 이루어진 코어(Core)와, 탄소나노튜브 시트(CNTs)로 이루어진 쉬스(Sheath)로 구성된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 쉬스(CNTs)의 경우 주름 구조(Buckle Structure)를 갖는 것을 확인할 수 있었다.
도 6 및 도 7은 베이스 섬유를 꼬으는 과정에서 쉬스의 주름 구조 영향을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 상기 실험 예에 따른 베이스 섬유(Buckled precursor fiber)와 비교 예에 따른 베이스 섬유(Precursor fiber without buckles)를 준비한 후, 각각에 대해 꼬임을 인가하고 인가된 꼬임 밀도(Twist density, turns/m)에 따른 저항 변화(ΔR/R0)를 측정하여 나타낸다. 보다 구체적으로, 비교 예에 따른 베이스 섬유로서 스판덱스 섬유에 탄소나노튜브 시트가 감싼 구조를 갖되, 탄소나노튜브 시트에 주름 구조가 형성되지 않은 섬유를 사용하였다. 저항 변화(ΔR/R0)의 경우, 초기 저항(R0)에 대한 최종 저항(R)의 비율로 측정하였다.
도 6에서 확인할 수 있듯이, 상기 실험 예에 따른 베이스 섬유의 경우 인가되는 꼬임 밀도가 증가함에도 불구하고, 저항이 실질적으로 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 이와 달리, 상기 비교 예에 따른 베이스 섬유의 경우 인가되는 꼬임 밀도가 증가함에 따라 저항이 급격하게 증가하다, 임계치 이후 시점에서는 찢어짐(Breaking)이 발생되는 것을 확인할 수 있었다.
도 7을 참조하면, 상기 비교 예에 따른 베이스 섬유에 대해 꼬임이 인가되기 전 상태와 꼬임이 인가된 상태를 촬영하여 나타낸다. 도 7의 (a)는 꼬임이 인가되기 전 상태의 사진이고, 도 7의 (b)는 꼬임이 인가된 이후 상태의 사진이다.
도 7의 (a) 및 (b)에서 확인할 수 있듯이, 주름 구조가 없는 상기 비교 예에 따른 베이스 섬유의 경우, 꼬임이 인가됨에 따라 찢어짐이 발생되는 것을 확인할 수 있었다.
즉, 도 6 및 도 7을 통해 알 수 있듯이, 베이스 섬유의 표면에 형성된 주름 구조를 통해 베이스 섬유를 꼬으는 과정에서 발생되는 비틀림 스트레인(torsional strain)이 용이하게 흡수될 수 있음을 알 수 있었다. 이에 따라, 코일-플라이 섬유의 코일 구조와 섬유 구조체의 계층적 코일 구조를 용이하게 형성하기 위해서는, 베이스 섬유의 주름 구조가 필요한 것을 알 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실험 예에 따른 플라이 섬유, 코일-플라이 섬유, 및 섬유 구조체를 촬영한 사진이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 상기 실험 예에 따른 섬유 구조체의 제조 과정에서 사용되는 플라이 섬유(Ply fiber), 코일-플라이 섬유(Coil-Ply fiber), 및 섬유 구조체(Hierarchical Coil-Ply fiber)를 촬영한 사진을 나타낸다.
도 8 및 도 9에서 확인할 수 있듯이, 상기 코일-플라이 섬유의 경우 상기 플라이 섬유에 코일 구조가 형성된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 섬유 구조체의 경우 상기 플라이 섬유의 꼬임이 반복되어 코일 구조가 적층된 계층적 코일 구조(Hierarchical Coil Structure)가 형성된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 플라이 섬유, 상기 코일-플라이 섬유, 및 상기 섬유 구조체의 순서로 패킹 밀도(packing density)가 높아지는 것을 확인할 수 있었다.
도 10은 베이스 섬유의 개수에 따라 섬유 구조체 제조에 필요한 꼬임수와 패킹 밀도를 비교하는 도면이다.
도 10을 참조하면, 서로 다른 베이스 섬유의 개수(1개, 3개, 5개, 7개, 9개)를 통해 상기 실험 예에 따른 섬유 구조체를 제조하고, 섬유 구조체의 제조 필요한 꼬임수(Twist insertion, turns/m)를 측정하였다. 또한, 서로 다른 베이스 섬유의 개수를 통해 제조된 섬유 구조체 각각에 대해 섬유 길이 패킹 밀도(Fiber length packing density, %)를 측정하였다. 또한, 상기 플라이 섬유(P), 상기 코일-플라이 섬유(C), 및 상기 섬유 구조체(HC) 각각에 대한 섬유 길이 패킹 밀도를 측정하였다.
도 10을 통해 확인할 수 있듯이, 상기 섬유 구조체를 제조하는 과정에서 사용되는 상기 베이스 섬유의 개수가 증가할수록, 상기 섬유 구조체의 제조에 필요한 꼬임수가 적어지는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 상기 섬유 구조체를 제조하는 과정에서, 상기 플라이 섬유 제조를 위한 상기 베이스 섬유의 개수가 많아질수록, 상대적으로 적은 꼬임을 통해서 상기 섬유 구조체를 제조할 수 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 상기 베이스 섬유의 개수와 상관없이 각각의 상기 섬유 구조체들의 패킹 밀도는 실질적으로 일정한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 플라이 섬유(P), 상기 코일-플라이 섬유(C), 및 상기 섬유 구조체(HC)의 순서로 패킹 밀도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
도 11은 본 발명의 실험 예에 따른 섬유 구조체의 신축 과정을 촬영한 사진이다.
도 11을 참조하면, 1개의 베이스 섬유를 통해 제조된 섬유 구조체를 준비한 후, 준비된 섬유 구조체가 0%에서 1000%까지 늘어난 상태를 촬영하여 나타낸다. 구체적으로 도 11의 (a)는 늘어나기 전 상태(ε=0%)를 나타내고, 도 11의 (b)는 100% 늘어난 상태(ε=100%)를 나타내고, 도 11의 (c)는 450% 늘어난 상태(ε=450%)를 나타내고, 도 11의 (d)는 1000% 늘어난 상태(ε=1000%)를 나타낸다.
도 11의 (a) 내지 (c)에서 확인할 수 있듯이, 상대적으로 낮은 변형(ε=0~450%)에서는, 섬유 구조체가 늘어남에 따라 코일 구조가 개방되는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 도 11의 (d)에서 확인할 수 있듯이, 상대적으로 높은 변형(ε=1000%)에서는, 베이스 섬유의 주름 구조까지 펼쳐지는 것을 확인할 수 있었다.
도 12는 베이스 섬유의 개수에 따른 섬유 구조체의 최대 변형률 및 길이 정규화 저항 값을 비교하는 도면이다.
도 12를 참조하면, 1개의 베이스 섬유를 통해 제조된 섬유 구조체(Sigle-ply), 5개의 베이스 섬유를 통해 제조된 섬유 구조체(5-ply), 및 9개의 베이스 섬유를 통해 제조된 섬유 구조체(9-ply)를 준비한 후, 각각에 대해 최대 변형률(Strain, %) 및 길이 정규화 저항(Length-normalized resistance, R(ε)/Lmax, Ω/cm) 값을 측정하여 나타낸다.
도 12에서 확인할 수 있듯이, 1개의 베이스 섬유를 통해 제조된 섬유 구조체(Sigle-ply)의 경우 최대 변형률이 1000%로 나타나고, 5개의 베이스 섬유를 통해 제조된 섬유 구조체(5-ply)의 경우 최대 변형률이 900%를 나타나고, 9개의 베이스 섬유를 통해 제조된 섬유 구조체(9-ply)의 경우 최대 변형률이 800%를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 베이스 섬유의 개수가 증가함에 따라 길이 정규화 저항(R(ε)/Lmax, Ω/cm) 값이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 1개의 베이스 섬유를 통해 제조된 섬유 구조체(Sigle-ply)의 경우 연장되는 과정에서 발생되는 변형률(Increasing strain)과 수축되는 과정에서 발생되는 변형률(Decreasing strain)의 차이가 있지만, 5개의 베이스 섬유를 통해 제조된 섬유 구조체(5-ply) 및 9개의 베이스 섬유를 통해 제조된 섬유 구조체(9-ply) 연장되는 과정에서 발생되는 변형률과 수축되는 과정에서 발생되는 변형률이 실질적으로 일정한 것을 확인할 수 있었다.
도 13은 베이스 섬유의 개수에 따른 섬유 구조체의 신축성 및 신축에 따른 저항 변화율을 비교하는 도면이다.
도 13을 참조하면, 서로 다른 베이스 섬유의 개수(1개, 3개, 5개, 7개, 9개)를 통해 상기 실험 예에 따른 섬유 구조체를 제조하고, 제조된 각각의 섬유 구조체에 대해 신축성(Stretchability, %) 및 신축에 따른 저항 변화율(ΔRmax/R0, %)을 측정하여 나타낸다.
도 13에서 확인할 수 있듯이, 상기 섬유 구조체를 제조하는 과정에서 사용되는 베이스 섬유의 개수가 증가함에 따라, 신축성 및 신축에 따른 저항 변화율이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 상대적으로 적은 개수의 베이스 섬유를 통해 제조된 섬유 구조체의 경우 상대적으로 높은 신축성 및 신축에 따른 저항 변화율을 갖는 반면, 상대적으로 많은 개수의 베이스 섬유를 통해 제조된 섬유 구조체의 경우 상대적으로 낮은 신축성 및 신축에 따른 저항 변화율을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 신축성의 경우 큰 차이가 발생되지 않지만, 신축에 따른 저항 변화율의 경우 현저한 차이가 발생되는 것을 확인할 수 있었다.
도 14는 베이스 섬유 개수에 따른 섬유 구조체의 게이지 인자와 품질 인자를 비교하는 도면이다.
도 14를 참조하면, 서로 다른 베이스 섬유의 개수(1개, 3개, 5개, 7개, 9개)를 통해 상기 실험 예에 따른 섬유 구조체를 제조하고, 제조된 각각의 섬유 구조체에 대해 게이지 인자(Gauge factor, 저항 변화율을 최대 변형율로 나눈 값), 및 품질 인자(Quality factor, 최대 변형율을 저항 변화율로 나눈 값)을 측정하여 나타낸다.
도 14에서 확인할 수 있듯이, 상기 섬유 구조체를 제조하는데 사용되는 베이스 섬유의 개수가 증가함에 따라 게이지 인자는 감소하는 반면, 품질 인자는 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
도 15는 베이스 섬유 개수에 따른 섬유 구조체의 코일 지수를 비교하는 도면이다.
도 15를 참조하면, 서로 다른 베이스 섬유의 개수(1개, 3개, 5개, 7개, 9개)를 통해 상기 실험 예에 따른 섬유 구조체를 제조하고, 제조된 각각의 섬유 구조체에 대해 코일 지수(Coil index, D/d)를 측정하여 나타낸다. 구체적으로, 코일 지수는 코일의 평균 직경(D)을 플라이 섬유의 직경(d)으로 나눈 값으로 정의된다.
도 15에서 확인할 수 있듯이, 상기 섬유 구조체를 제조하는데 사용되는 베이스 섬유의 개수가 증가함에 따라 코일 지수는 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
도 16은 베이스 섬유 개수에 따른 섬유 구조체의 저항 변화 비율을 비교하는 도면이다.
도 16을 참조하면, 서로 다른 베이스 섬유의 개수(1개, 5개, 9개)를 통해 상기 실험 예에 따른 섬유 구조체를 제조하고, 제조된 각각의 섬유 구조체(Single, 5-ply, 9-ply)에 대해 최대 변형율(εmax)로 변화(연장 및 수축)되는 시간(Time, s) 동안 저항 변화 비율(ΔR/R0)을 측정하여 나타낸다.
도 16에서 확인할 수 있듯이, 상기 섬유 구조체를 제조하는데 사용되는 베이스 섬유의 개수가 증가함에 따라 최대 변형율은 1000%, 900%, 및 800%로 감소하고, 저항 변화 비율 또한 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 실험 예에 따른 섬유 구조체가 적용된 스트레인 센서의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 17을 참조하면, 1개의 베이스 섬유를 통해 제조된 섬유 구조체를 사용하여 스트레인 센서를 구성하고, 준-과도(quasi-transient) 최소 감지 인장 변형율(tensile strain, 0.35%)을 적용할 때 스트레인 센서의 시간 응답을 측정하여 나타낸다.
도 17에서 확인할 수 있듯이, 상기 스트레인 센서는 100 ms의 응답 시간과 130 ms의 회복 시간을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
도 18을 참조하면, 1개의 베이스 섬유를 통해 제조된 섬유 구조체를 사용하여 스트레인 센서를 구성하고, 5%의 정적으로 인가된 스트레인(statically applied strain)에서 측정된 저항 변화율(ΔR/R0)을 나타낸다.
도 18에서 확인할 수 있듯이, 상기 스트레인 센서는 2.2%의 오버슈트(overshoot)와 5초의 크리프 회복 시간(creep recovery time)을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
도 19 내지 도 21은 본 발명의 실험 예에 따른 섬유 구조체가 적용된 스트레인 센서의 다양한 활용을 설명하기 위한 도면이다.
도 19를 참조하면, 1개의 베이스 섬유를 통해 제조된 섬유 구조체를 사용하여 스트레인 센서를 구성하고, 공기 주입에 따른 저항 변화율을 측정하였다. 구체적으로, 스트레인 센서에 5초의 반복 간격으로 0.2초 동안 공기를 주입하고, 주입된 공기에 의해 변화되는 저항 변화율(ΔR/R0)을 측정하였다.
도 19에서 확인할 수 있듯이, 상기 스트레인 센서는 공기 주입과 같은 작은 외부 자극에 의해서도 빠른 저항 변화가 발생되는 것을 확인할 수 있었다.
도 20을 참조하면, 1개의 베이스 섬유를 통해 제조된 섬유 구조체를 사용하여 스트레인 센서 어레이를 구성하였다. 이후, 스트레인 센서 어레이 상에 알루미늄 막대를 올려놓고, 알루미늄 막대에 의한 저항 변화율(ΔR/R0)을 공간적(X axis, Y axis)으로 측정하였다.
도 20에서 확인할 수 있듯이, 알루미늄 막대가 올려진 영역에서 현저한 저항 변화가 발생되는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실험 예를 통한 섬유 구조체는 스트레인 맵핑(strain mapping)이 가능한 센서 어레이에도 사용될 수 있음을 알 수 있다.
도 21을 참조하면, 1개의 베이스 섬유를 통해 제조된 섬유 구조체를 사용하여 스트레인 센서를 구성하고, 구성된 스트레인 센서를 상용 직물 장갑의 손가락 관절 위치에 봉제하였다. 이후, 스트레인 센서가 봉제된 장갑을 손에 착용하고, 손가락 굽힘 각도에 따른 저항 변화율(ΔR/R0)을 측정하였다.
도 21의 (a)에서 확인할 수 있듯이, 상기 실험 예에 따른 섬유 구조체는 상용 직물 장갑에 쉽게 봉제될 수 있을 정도로 유연한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 21의 (b)에서 확인할 수 있듯이, 손가락 굽힘 각도(θ)가 0°에서 100°까지 증가할수록, 저항 변화율(ΔR/R0) 또한 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
실험 예에 따른 슈퍼커패시터 제조
상술된 실험 예에 따른 섬유 구조체를 2개 준비한 후, 2 mm의 간격으로 병렬적으로 배치하였다. 또한, 각각의 섬유 구조체를 PVA-LiCl 겔 전해질로 코팅하여 실험 예에 따른 슈퍼커패시터를 제조하였다.
도 22는 본 발명의 실험 예에 따른 슈퍼커패시터의 CV 커브 및 Linear 용량을 설명하기 위한 도면이다.
도 22의 (a)를 참조하면, 서로 다른 베이스 섬유의 개수(1개, 3개, 5개, 7개, 9개)를 통해 제조된 섬유 구조체가 적용된 슈퍼커패시터를 준비한 후, 각각에 대해 전압(V)에 따른 전류 밀도(Current density, μA/cm)를 측정하였다.
도 22의 (a)에서 확인할 수 있듯이, 섬유 구조체를 제조하는데 사용된 베이스 섬유의 개수가 증가함에 따라, 슈퍼커패시터의 CV 커브 면적이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
도 22의 (b)를 참조하면, 서로 다른 베이스 섬유의 개수(1개, 3개, 5개, 7개, 9개)를 통해 제조된 섬유 구조체가 적용된 슈퍼커패시터를 준비한 후, 각각에 대해 Linear 용량(mF/cm)을 측정하였다.
도 22의 (b)에서 확인할 수 있듯이, 섬유 구조체를 제조하는데 사용된 베이스 섬유의 개수가 증가함에 따라, 슈퍼커패시터의 Linear 용량이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
도 23은 9개의 베이스 섬유를 통해 제조된 섬유 구조체가 적용된 슈퍼커패시터의 CV 커브 및 Linear 용량과 Areal 용량을 설명하기 위한 도면이다.
도 23의 (a)를 참조하면, 9개의 베이스 섬유를 통해 제조된 섬유 구조체가 적용된 슈퍼커패시터를 준비한 후, 서로 다른 스캔 속도(scan rate, mV/s)에서의 전압(V)에 따른 전류 밀도(Current density, mA/cm)를 측정하였다.
도 23의 (a)에서 확인할 수 있듯이, 스캔 속도가 증가함에 따라, CV 커브 면적이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
도 23의 (b)를 참조하면, 9개의 베이스 섬유를 통해 제조된 섬유 구조체가 적용된 슈퍼커패시터를 준비한 후, Linear 용량(mF/cm) 및 Areal 용량(mF/cm2)을 측정하였다.
도 23의 (b)에서 확인할 수 있듯이, 3.74 mF/cm2의 최대 Areal 용량과 1.32 mF/cm의 최대 Linear 용량을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
도 24는 9개의 베이스 섬유를 통해 제조된 섬유 구조체가 적용된 슈퍼커패시터의 안정성을 설명하기 위한 도면이다.
도 24의 (a)를 참조하면, 9개의 베이스 섬유를 통해 제조된 섬유 구조체가 적용된 슈퍼커패시터를 준비한 후, 서로 다른 변형율(ε=0%, 200%, 400%, 600%, 800%, Recover)에서의 전압(V)에 따른 전류 밀도(Current density, mA/cm)를 측정하였다.
도 24의 (a)에서 확인할 수 있듯이, 서로 다른 변형율(ε=0%, 200%, 400%, 600%, 800%, Recover)에서의 CV 커브 면적이 실질적으로 일정하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
도 24의 (b)를 참조하면, 9개의 베이스 섬유를 통해 제조된 섬유 구조체가 적용된 슈퍼커패시터를 준비한 후, 스트레인(Strain, %)에 따른 용량 유지율(Capacitance retention, C/C0)을 측정하였다. 또한, 삽입된 도면은 신축 싸이클(Stretching cycles)에 따른 용량 유지율을 나타낸다.
도 24의 (b)에서 확인할 수 있듯이, 800%의 스트레인에서도 95%의 높은 용량 유지율을 나타내며, 신축 싸이클이 100회 반복되는 동안에도 용량 유지율이 실질적으로 일정하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실험 예에 따른 섬유 구조체가 적용된 슈퍼커패시터는 높은 안정성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 베이스 섬유
110: 코어 섬유
120: 탄소나노튜브 시트
200: 플라이 섬유
300: 코일-플라이 섬유
400: 섬유 구조체

Claims (12)

  1. 코어-쉬스(Core-Sheath) 구조를 갖는 복수의 베이스 섬유가 서로 꼬인 플라이(ply) 섬유를 포함하되,
    상기 쉬스의 표면은 주름 구조를 갖고,
    상기 플라이 섬유는 길이 방향을 축으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 꼬임이 반복되어, 코일 구조가 적층된 계층적 코일(hierarchical coil) 구조를 갖는 섬유 구조체.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 플라이 섬유가 포함하는 상기 베이스 섬유의 개수에 따라, 상기 섬유 구조체의 신축성 및 신축에 따른 저항 변화율이 제어되는 것을 포함하는 섬유 구조체.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 플라이 섬유가 포함하는 상기 베이스 섬유의 개수가 감소할수록, 신축성 및 신축에 따른 저항 변화율이 증가하는 것을 포함하는 섬유 구조체.
  4. 제3 항에 있어서,
    증가된 신축성 및 신축에 따른 저항 변화율을 이용하여, 스트레인 센서(Strain Sensor)로 사용되는 것을 포함하는 섬유 구조체.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 플라이 섬유가 포함하는 상기 베이스 섬유의 개수가 증가할수록, 신축성 및 신축에 따른 저항 변화율이 감소하는 것을 포함하는 섬유 구조체.
  6. 제5 항에 있어서,
    감소된 저항 변화율을 이용하여, 슈퍼커패시터의 전극으로 사용되는 것을 포함하는 섬유 구조체.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 쉬스는 탄소나노튜브 시트(CNT sheet)를 포함하고,
    상기 탄소나노튜브 시트는 일 방향으로 연장되는 복수의 탄소나노튜브들을 포함하는 섬유 구조체.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 복수의 탄소나노튜브들이 연장되는 방향과 상기 코어 섬유의 길이 방향이 평행한 것을 포함하는 섬유 구조체.
  9. 코어-쉬스(Core-Sheath) 구조를 갖고, 상기 쉬스의 표면에 주름 구조를 갖는 베이스 섬유를 준비하는 단계;
    복수의 상기 베이스 섬유들을 서로 꼬아 플라이(ply) 섬유를 제조하는 단계;
    상기 플라이 섬유를 길이 방향을 축으로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 꼬아서, 상기 플라이 섬유에 코일(coil) 구조가 형성된 코일-플라이(coil-ply) 섬유를 제조하는 단계; 및
    상기 코일-플라이 섬유를, 상기 코일-플라이 섬유를 제조하는 단계에서 상기 플라이 섬유가 꼬인 방향으로 더 꼬아서, 코일 구조가 적층된 계층적 코일(hierarchical coil) 구조가 형성된 섬유 구조체를 제조하는 단계를 포함하는 섬유 구조체의 제조 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 쉬스의 표면 주름 구조는, 상기 코일 구조 및 상기 계층적 코일 구조가 형성되는 과정에서 상기 베이스 섬유에 인가되는 비틀림 스트레인(torsional strain)을 흡수하는 것을 포함하는 섬유 구조체의 제조 방법.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 베이스 섬유를 준비하는 단계는,
    탄성력을 갖는 코어 섬유를 준비하는 단계;
    상기 코어 섬유를 길이 방향으로 연장시키는 단계;
    연장된 상기 코어 섬유의 외주면을 탄소나노튜브 시트로 감싸는 단계; 및
    상기 코어 섬유의 회복력을 통해 상기 탄소나노튜브 시트가 감싸진 상기 코어 섬유를 길이 방향으로 수축시키는 단계를 포함하는 섬유 구조체의 제조 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 시트가 감싸진 상기 코어 섬유가 수축됨에 따라, 상기 탄소나노튜브 시트에 주름 구조가 형성되는 것을 포함하는 섬유 구조체의 제조 방법.
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