중국 연구진, 에어로젤 섬유에 폴리우레탄 코팅한 섬유 개발

낮은 내구도 개선…"군복·우주복 활용 가능"

북극곰 털 단면의 공기층을 모방해 얇은 두께로도 높은 보온 성능을 내는 섬유가 개발됐다.

중국과학원(CAS)과 저장대학 등 연구진은 22일 국제학술지 사이언스(Science)에 북극곰 털 구조를 모방한 '캡슐화 에어로젤 섬유'(EAF)를 소개했다.     

북극곰 털 단면에는 미세한 구멍이 들어차 있다. 이런 다공성 구조는 열이 전달되는 과정인 대류, 복사를 차단해 단열 효과가 뛰어나다. 북극곰이 극지방의 추위를 버티는 비결이다.

단면의 구멍이 미세할수록 단열 효과는 커지는 데 북극곰 털의 경우 수십 마이크로미터(㎛, 100만분의 1미터) 크기의 기공이 들어차 있는 것으로 알려졌다.

털 속 미세한 기공이 가득한 것처럼 대부분이 기체인 고체·기체 혼합물질을 '에어로젤'이라고 한다. 1930년대 처음으로 인공 합성된 에어로젤은 부피의 약 98%가 기체라 가벼우면서도 단열 성능이 우수하다.

중국 연구진은 다공성 구조의 섬유를 만든 뒤 이를 열가소성 폴리우레탄(TPU)으로 코팅하는 2단계를 거쳤다.

우선 고분자 물질인 폴리머 용해액을 회전 기계로 압출 후 급속 냉각해 다공성 구조를 만들었다. 압출 속도와 냉각 온도로 기공의 크기를 다양하게 조절할 수 있었다.

연구진은 EAF의 단열 성능을 시험하고자 면, 울, 다운(오리털 재킷 등의 원단)과 비교했다.

영하 20도의 환경에서 각 원단의 상의를 걸친 실험자의 표면 온도를 적외선으로 측정했다. 단열 성능이 우수하면 체온이 원단 밖으로 전달되지 않아 표면 온도는 낮게 측정되는데, EAF 스웨터의 표면 온도는 3.5도였다. 5배 두꺼운 다운 재킷(3.8도)과 유사한 수준이었다. 울(7.2도), 면(10.8도)과 비교하면 단열 성능은 훨씬 더 뛰어났다. 

에어로젤 섬유의 한계인 낮은 내구도는 TPU 코팅으로 극복됐다. 코팅재료로 채택된 TPU는 기계적 강도와 신축성, 방수성이 높다.

기존 에어로젤 섬유는 내구도가 떨어져 기계 직조, 세탁이 어려웠다. 또 습한 환경에서는 단열 기능을 상실한다는 단점이 있었다.

반면 EAF는 기존 에어로젤 대비 내구성을 500~800배 개선했다. 기존 에어로젤 섬유의 평균 인장률(늘어나는 정도)이 2% 정도라면 EAF의 인장률은 1000~1600%으로 10~16배 늘어나도 무리가 없다. 1만회 이상 잡아당기는 스트레칭 테스트도 통과할 수 있었다.

연구팀은 "EAF는 기계적 물성도 우수해 직조에 적합하며 세탁 가능성과 염색성이 뛰어나다"며 "극한의 추위 환경에서 군복이나 우주복 등으로 활용할 수 있을 것"이라고 설명했다.