태양광을 열로 변환…10분 만에 30도 상승하는 新섬유

추운 겨울 야외에 있을 때 옷이 핫팩처럼 발열해주면 얼마나 따뜻할까 상상해본 일이 있을 것이다. 최근 캐나다와 중국 연구팀이 학술지(Advanced Composites and Hybrid Materials)에 게재된 논문에서 태양광을 열로 변환해 따뜻해지는 특수 섬유를 개발했다고 보고했다.

과학자는 오랫동안 추운 환경에서 쾌적한 체온을 유지하기 위한 웨어러블 히터를 연구해왔다. 유연한 웨어러블 히터는 산악 구조대나 반려동물 의류 등 다양한 분야에 적용될 수 있지만 기존 웨어러블 히터는 금속 나노 재료나 배터리 구동 발열체 등 고가 부품에 의존하고 있었다.

이에 캐나다 워털루대학 연구팀은 광을 열로 변환하는 플라스틱과 유사한 광열 활성 중합체에 주목했다. 연구팀이 개발한 섬유는 방수 의류와 스포츠웨어에도 사용되는 폴리우레탄계 열가소성 엘라스토머(TPU)에 광열 활성을 가진 폴리아닐린(PANI)과 폴리도파민(PDA) 나노 입자를 0.5% 포함시켰다.

방적 과정에서 온도에 반응해 색이 변하는 염료를 통합해 재료 온도가 올라가면 적색에서 백색으로 변화하는 메커니즘을 구현했다. 이를 통해 착용자가 섬유 온도 변화를 눈으로 확인할 수 있다.

연구팀은 새로 개발한 섬유로 테디베어용 목도리를 짜서 일광에 노출하는 실험을 진행했다. 그 결과 단 10분간 일광에 노출시키는 것만으로 섬유 온도를 섭씨 20도에서 53.5도로 상승시켰다.

연구팀은 내장된 나노 입자는 다양한 파장 태양광을 효율적으로 흡수한다며 태양광이 이 나노 입자에 닿으면 나노 입자는 그 에너지를 흡수하고 광열 변환이라는 과정을 통해 열로 방출한다고 설명했다.

이번에 개발된 섬유는 원래 형태 5배까지 신축할 수 있는 신축성을 갖췄으며 최대 25회 세탁에도 기능을 유지하는 내구성도 지니고 있다. 연구팀은 실용화를 위해 생산 공정 확장과 비용 절감에 초점을 맞추고 있으며 비용 효율성을 높이기 위해 PDA 대체 원료를 찾고 있다.

연구팀은 내구성을 최우선으로 해 의류가 혁신적인 특성을 유지하면서 반복 사용과 환경 노출에 견딜 수 있도록 했다며 이번 연구 다음 단계는 제조 비용 절감, 제조 공정 규모 확대, 장시간 피부 접촉에 대한 안전성 확보라고 밝혔다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.