濠·中 연구진, ‘생분해성 냉감 섬유’ 개발

남호주대학교(University of South Australia)와 정저우대학교(Zhengzhou University) 연구진은 햇빛을 96% 반사하고 피부 온도를 최대 3.8°C까지 낮춰주는 ‘생분해성 PLA/질화붕소 나노시트 섬유(Biodegradable PLA/boron nitride nanosheet fabric)’를 개발했다.

면보다 통기성이 5배 뛰어난 이 섬유는 야외 작업자와 운동선수에게 자연적으로 체온 조절이 가능하다. 또 대량 생산이 가능한 전기방사법으로 제조된 이 섬유는 상용 냉각 의류에 적용될 가능성이 높다.

인체가 열을 방출하는 방법은 적외선 복사, 열전도, 열대류, 땀 증발 4가지다.

전통적인 직물은 일반적으로 열전도율이 낮아 열 방출이 부족하고 대량의 열 축적을 초래한다. 고열전도율 입자를 직물에 첨가하면 열전도율이 크게 향상되고, 환경과의 열 교환이 촉진되며, 열대류의 효과를 증폭시킨다. 

최근 몇 년간 방사선 냉감기술을 활용하는 직물은 개인의 열 관리 분야에서 큰 주목을 받고 광범위하게 연구되고 있다. 공기구멍, 매질 입자, 폴리머 나노섬유와 같은 구조를 포함함으로써 태양 영역(0.3~2.5μm)에서 높은 반사율을 달성해 열 입력을 줄이고 동시에 대기 창 대역(8~13μm) 내에서 외부 공간으로 열을 효과적으로 방사한다. 예를 들어 면직물로 덥힌 피부에 비해 4.8℃까지 냉각할 수 있는 형태학적으로 등급화된 구조의 하이퍼 패브릭을 설계했다. 

하지만 인체의 열 관리에 사용되는 냉각 재료는 한계가 있다. 열복사는 열을 완전히 방출할 수 없다. 체온이 올라가면 피부에 땀 분비가 증가하고, 이 경우 효과적인 땀 운반, 증발 속도가 없으면 수동 방사선 냉각 섬유의 쾌적함과 냉각 성능에 부적정인 영향을 받을 수 있다. 따라서 여러 열 방출 방법을 통합하고 땀 증발 효율을 향상시키는 것은 뜨거운 야외 환경에서 인간의 편안함을 효과적으로 조절하는 데 여전히 큰 도전과제로 남아 있다. 

이에 남호주대학교 미래산업연구소 재료과학 준 마(Jun Ma) 교수는 중국 정저우대학교 연구진은 광자 구조를 통합해 뛰어난 수동 방사 냉감 성능을 가진 폴리락틱산(PLA)/BNNS 복합 섬유를 개발하기 위해 간단하고 확장 가능한 전기방적 방사 공정을 적용했다. 이후 PLA/BNNS 섬유에서 비대칭 습윤성을 달성하기 위해 소수성 변형을 적용하여 방향성 수분 이동을 강화하고 땀 증발 효율을 개선했다. 

연구진은 이러한 확장 가능한 전기방사 기술을 사용해 열전도율이 높고 가벼운 질화붕소 나노시트 입자를 생분해성 폴리락트산 섬유 매트릭스 내에 삽입했다. 그 결과, 태양광 반사율과 면보다 5배 더 뛰어난 통기성을 가진 흰색 나노구조 직물이 탄생했다. 비대칭 습윤성을 가진 복합 섬유는 전통적인 면직물과 비교해 열전도율(0.38 W·m)이 높다.

또 96%의 햇빛 반사율과 93%의 적외선 방출률 그리고 맨살과 비교했을 때 낮에는 2.0°C, 밤에는 3.8°C의 온도를 낮춘다. 이 방법은 수동 방사선 냉감, 높은 열전도율, 땀 증발이라는 시너지 메커니즘을 통해 극한 환경에서 야외 개인 열 관리를 위한 효과적인 해결책을 제공한다.

한편 연구진은 이번 직물 설계 시 ▲태양 스펙트럼에서의 높은 반사율과 대기 창 내 강한 방사율을 통해 태양 에너지 흡수를 줄이고 우주로 열을 방출하는 것 ▲체열을 효율적으로 전달하기 위한 향상된 열전도율 ▲빠른 방향성 땀 흘림을 통한 땀 증발 방지 등 빠른 피부 건조와 냉각을 촉진하기 위해 3가지의 핵심 원칙을 준수했다.

연구진은 이 기술이 스포츠웨어, 유니폼, 야외 작업자는 물론 극한의 더위를 견디도록 설계된 군복 및 응급 구조복에도 쉽게 적용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

준 마 교수는 “현재 연구팀이 잠재적인 상업적 응용 분야와 대규모 생산 기회를 모색하고 있다”며 “전기방사 공정은 간단하고 비용 효율적이어서 산업 규모로 직물을 생산할 수 있어 더 개발된다면 차세대 냉각 의류를 혁신할 잠재력을 가지고 있다”고 말했다.

동 연구 논문(논문명: Moisture-wicking fabric for radiation cooling)은 Nano Research에 게재됐다.

장웅순 기자 tinnews@tinnews.co.kr

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