2.1 재료

본 연구에 사용된 코팅 기재는 상업용 PET 섬유로, 기계적 내구성과 환경 안정성이 우수하여 코팅 기반 기능성 섬유 제조에 적합한 소재이다. PET 섬유는 제조 시점의 표면 상태가 실험 결과에 영향을 줄 수 있으므로, 코팅 전 에탄올로 세척하고 자연 건조하여 표면 오염을 제거한 후 사용하였다. 전도성 코팅층 형성을 위해 사용한 나노소재는 2 wt.%의 수분산 MWCNT로, 국내 전문 제조업체에서 공급받은 제품을 사용하였다. 제공된 분산액은 제조사에서 초음파 분산 공정을 통해 안정화된 상태로 출고되는 것으로 알려져 있어, 별도의 전처리 없이 코팅 용액 제조에 바로 적용할 수 있었다.

2.2 MWCNT 코팅 용액 및 섬유 제조

본 연구에서는 MWCNT 전도성 섬유를 제조하기 위해, 우선 2 wt% MWCNT 수용액에 증류수를 일정 비율로 희석한 뒤, 이를 500 rpm에서 10분 동안 교반하여 코팅용 분산액을 마련하였다. 코팅을 진행하기 위해 PET 섬유 표면을 친수성으로 개질하기 위해 0.1M의 NaOH 수용액에 30분간 침지하였다. 표면이 개질된 PET 섬유 를 MWCNT 코팅 용액을 10분간 딥코팅하여 용액을 섬유 표면에 고르게 도포시킨 후 60^oC에서 1시간 건조하고 이 과정을 2번 진행하여 코팅 섬유를 제작하였다. 코팅액의 구체적인 배합 비율은 Table 1에 제시하였고, 전체 공정 흐름은 Fig. 1에서 도식화하였다.

Fig. 1. Schematic Illustration of the Preparation Process of MWCNT Conductive Coating Fiber, Including PET Fiber Surface Pretreatment, Preparation of MWCNT Coating Solution, Dip-Coating Process, and Thermal Drying Steps

2.3 실험 방법

3.1 MWCNT 코팅 용액 및 전도성 섬유 사진

Fig. 2은 MWCNT와 용액의 혼합 비율을 달리하여 제조한 코팅 용액이다. Fig. 2는 MWCNT를 포함한 코팅 용액의 외관을 보여주며, 용액의 분산 정도와 농도 특성을 시각적으로 확인할 수 있다. MWCNT 함량 증가에 따라 용액의 색상이 옅은 회색에서 짙은 흑색으로 변화하는 경향을 확인할 수 있다. 이는 코팅 용액 내 MWCNT 농도 차이를 시각적으로 나타내는 지표로 활용되었다.

Fig. 2. MWCNT Coating Solution Prepared with Different Mixing Ratios of MWCNT wt%

Fig. 3은 MWCNT 코팅 농도에 따른 PET 섬유의 외관 변화를 나타낸다. 가장 왼쪽의 무코팅 섬유는 PET 고유의 투명한 백색을 유지하고 있으나, MWCNT 농도가 증가함에 따라 섬유의 색상은 단계적으로 밝은 회색에서 짙은 회흑색, 최종적으로는 거의 완전한 흑색으로 변화하였다. 이러한 색상의 점진적 변화는 MWCNT가 섬유 표면을 따라 증가량에 비례하여 코팅되었음을 의미하며, 색의 균일성 역시 농도가 높아질수록 더욱 선명하게 나타난다. 특히 농도 차이가 큰 시편인 M1과 M2 사이에서도 섬유가 구성하는 단일 미세섬유의 표면 색이 일정하게 유지되는 점은, Dip-coating 과정에서 용액의 점도와 인출 속도가 적절히 제어되었음을 보여주는 중요한 시각적 지표이다. 이는 MWCNT가 일부 영역에만 국소적으로 쌓이거나 뭉쳐 분포하는 것이 아니라, 섬유 다발 전체에 고르게 부착해 연속적인 전도성 코팅층을 형성했음을 강하게 시사한다.

Fig. 3. MWCNT-coated Fibers Prepared with MWCNT wt% of Various Mixing Ratios

3.2 MWCNT 전도성 코팅 섬유의 표면 형상 특성

Fig. 4는 MWCNT M0에서 M3까지 변화시켜 제조된 코팅 섬유의 표면을 SEM으로 관찰한 결과를 나타낸다. 코팅하지 않은 섬유는 표면이 비교적 매끄럽고 불규칙한 요철이 거의 없는 전형적인 PET 섬유의 단면을 보여준다. 이러한 표면은 전도성 물질이 부착되지 않은 상태이기 때문에 전기적 경로가 존재하지 않는 비전도성 구조의 특성을 그대로 유지하고 있다. 0.5 wt% MWCNT가 도입된 시편에서는 섬유 외벽을 따라 미세한 나노튜브 흔적이 부분적으로 관찰되었다. 코팅층이 완전히 연속적이지는 않지만, 섬유 표면을 따라 점 또는 선형의 얇은 섬유 형태로 MWCNT가 부착되기 시작하면서 초기 전도 경로가 형성되는 단계로 해석된다. 이는 낮은 농도에서도 섬유와 MWCNT 사이의 상호작용이 충분히 발생한다는 점을 보여준다. 1 wt% 시편에서는 코팅층의 연속성이 더욱 증가하여 섬유 전체 표면을 따라 나노튜브가 보다 균일하게 분포하는 모습이 확인되었다. 표면에 형성된 MWCNT는 얇은 층을 이루며 퍼져 있으며, 0.5 wt%에서 관찰되던 간헐적인 부착 형태보다 훨씬 안정적인 네트워크 형태를 갖춘다. 이러한 구조적 변화는 전기적 네트워크의 밀도를 증가시키고, 나노튜브 간 거리를 좁혀 전도성이 향상될 수 있는 기반을 마련한다. 2 wt% 농도에서는 나노튜브의 부착량이 크게 증가하여 코팅층이 두꺼워지고, 표면 전체에 무정형의 MWCNT 응집체가 촘촘히 배치된 구조가 관찰된다. 나노튜브가 엉김(clustering) 형태로 서로 연결되며, 섬유 표면을 거의 완전히 피복하는 연속적인 네트워크가 형성되었다. 이 단계에서는 서로 중첩된 여러 층의 MWCNT가 섬유 외벽에 존재함으로써 전자 이동을 위한 경로가 급격히 증가하고, 이에 따라 전도성과 발열 특성이 크게 향상될 것으로 예상된다.

Fig. 4. SEM Images of MWCNT-coated PET Fibers at a Magnification of ×5000

3.3 MWCNT 전도성 코팅 섬유의 자가 발열 특성

Fig. 6는 다양한 인가 전압(10 V, 20 V, 30 V, 40 V, 50 V, 60 V)에서 1분간 전압을 가하여 코팅 섬유에서 발생한 발열 효과를 전극 간격(40 mm, 120 mm)별로 측정한 결과를 나타낸 것이다. Fig. 6(a)에서 나타난 바와 같이 전극 간격 40 mm의 조건에서 M3 시료에서 30 V의 낮은 전압에서 150℃의 온도에 도달하는 것을 확인하였다. 그러나 M0 시료, M1 시료에서는 온도 상승폭이 상대적으로 매우 작아, 전도성 네트워크가 충분히 형성되지 않은 경우 발열 능력이 크게 제한됨을 확인할 수 있었다. 전극 간격을 120 mm로 증가시키면 전체적인 발열 효율이 감소하였다. 이는 전자 이동 경로가 길어짐에 따라 전체 회로 저항이 상승하기 때문이며, 동일한 농도에서도 40 mm 조건 대비 더 낮은 발열 온도가 관찰되었다. 동일한 조건에서 전극의 간격을 120 mm로 증가한경우 Fig. 6(b)에서와 같이 M3 시료에서 인가 전압이 60 V일 때 최대 온도가 약 100°C로 감소하였으나, 이는 전극 간 거리 증가에 따른 저항 상승 및 열 손실 증가에 기인한 결과로 판단된다. 그럼에도 불구하고 해당 조건에서도 제설 목적에 충분한 발열 성능을 확보하였다. 그러나 M0 시료, M1 시료에서는 온도 상승폭이 상대적으로 매우 작아, 전도성 네트워크가 충분히 형성되지 않은 경우 발열 능력이 크게 제한됨을 확인할 수 있었다. 하지만 본 연구에서 제시된 자가 발열 성능은 단일 전압 인가 조건에서 측정된 결과로, 반복적인 On/Off 구동에 따른 장기 발열 안정성 평가는 수행되지 않았다. 향후 연구에서는 반복 전압 인가 사이클에 따른 발열 유지율 및 전기 저항 변화 분석을 통해, 섬유 기반 발열체의 장기 신뢰성을 추가적으로 검토할 예정이다.

Fig. 5. Experimental Setup for the Self-Heating Test of MWCNT-coated PET Fibers Using Copper Electrodes and Infrared Thermography

Fig. 6. Self-heating of MWCNT Coated Fiber Prepared with Different Mixing Ratios of MWCNT wt%

3.4 MWCNT 전도성 코팅 섬유의 전기적 특성

Fig. 7은 서로 다른 MWCNT 혼입 비율로 코팅된 PET 섬유의 전기저항을 두 가지 전극 간격(40 mm, 120 mm) 조건에서 측정한 결과를 제시한다. 전체적인 경향은 MWCNT의 혼입량이 증가할수록 전기저항이 감소하는 방향을 보이며, 이는 나노튜브가 섬유 표면에서 전도성 경로를 더욱 촘촘하게 형성함에 따라 전자 이동이 용이해지는 구조적 특성이 반영된 결과이다^{(Jee et al., 2013)}. 전극 간격을 40 mm로 설정한 경우, M3 시료가 약 700 Ω으로 가장 낮은 전기저항을 나타냈다. 반면, 동일한 측정 조건에서 전극 간격을 120 mm로 확장하면 모든 시료에서 저항 값이 증가하는 경향을 보였다. 이러한 변화는 전류가 통과해야 하는 거리 증가에 따라 저항이 비례적으로 커진다는 Eq. (1)의 관계에 기인한 것이다.

Eq. (1)에서 R은 전기저항을 의미하며, $\rho$는 사용된 재료가 갖는 고유 저항을 나타낸다. 또한 L은 전류가 이동하는 유효 길이, A는 도체의 단면적을 뜻한다. 따라서 MWCNT의 함량을 증가시키거나 전극 간격을 감소시키면, 전류 경로가 짧아지고 유효 전도 경로가 촘촘해져 전체 저항이 감소하게 된다. 이는 결과적으로 보다 우수한 전도 특성을 가진 MWCNT 코팅 섬유 표면 형성으로 이어진다.

Fig. 7. Electrical Resistance of MWCNT Coated Fiber Prepared with Different Mixing Ratios of MWCNT wt%