혁신이 세상을 바꿉니다
매년 겨울이면 패션계에서는 ‘조용한 경쟁’이 펼쳐집니다. 한쪽에는 보온을 최우선으로 하는 두툼한 다운 재킷이 있고, 다른 쪽에는 스타일과 편안함, 방한 기능을 함께 갖추려는 가벼운 의류가 있습니다. 한편 소재 엔지니어들은 더 근본적인 질문을 던집니다.
왜 보온은 두께에 의존해야 할까요?
최근 몇 년 사이 새로운 단열 소재 Y-Warm이 다른 접근법을 제시했습니다. 두께가 0.7 mm에 불과한 이 소재는 특정 시험 조건에서 체감 온도를 약 10°C 높일 수 있으며, 에어로젤과 비교할 만한 열전도율을 나타냅니다.
이처럼 얇은 소재가 어떻게 효과적으로 단열할 수 있는지 이해하려면 먼저 인체가 열을 잃는 과정을 살펴봐야 합니다.
열은 전도, 대류, 복사라는 세 가지 주요 메커니즘을 통해 신체에서 주변 환경으로 전달됩니다. 따라서 의류 단열의 기본 목적은 이 세 경로를 통한 열 손실을 가능한 한 늦추는 것입니다.
수세기 동안 이를 위한 효과적인 방법 중 하나는 간단했습니다. 움직이지 않는 공기를 가두는 것입니다.
1. 전도: 열이 직접적인 접촉을 통해 전달됩니다. 차가운 금속 난간을 만지면 더 따뜻한 손에서 더 차가운 소재로 열이 이동합니다. 이때 열이 전달되는 정도는 주로 열전도율에 좌우됩니다. 열전도율이 낮을수록 열 전달은 느려집니다.
2. 대류: 움직이는 공기가 신체 표면의 열을 가져갑니다. 찬바람이 불 때 온도가 훨씬 낮게 느껴지는 이유도 여기에 있습니다. 바람이 피부 주위의 얇고 따뜻한 공기층을 계속 교란하고 밀어내기 때문입니다.
3. 복사: 인체는 주로 적외선 영역에서 열복사 에너지를 지속적으로 방출합니다. 공기가 정지해 대류에 의한 열 손실이 거의 없거나 없더라도 복사에 의한 열 전달은 계속됩니다.
일반적인 조건에서 공기의 열전도율은 약 0.025 W/(m·K)이므로, 정지된 공기는 효과적인 단열 역할을 합니다. 다운, 면, 양모, 합성 섬유 충전재 등 여러 기존 보온 소재도 이 원리를 이용합니다. 내부에 수많은 작은 공간을 형성해 공기를 가두고 열 전달을 억제하는 것입니다.
하지만 이 방식에는 단열 설계에서 오랫동안 이어져 온 과제가 있습니다.
더 많은 공기를 가두려면 기존 소재는 일반적으로 더 큰 내부 공극 부피가 필요합니다. 공극 부피를 늘리면 대개 두께와 벌키성(부풀어 오른 정도)도 커집니다.
I “두꺼울수록 따뜻하다”가 기존의 통념이 된 이유
의류 업계에서는 단열 성능을 나타내는 단위로 클로(clo)를 널리 사용합니다. 1 clo는 약 0.155 m²·K/W에 해당하며, 전통적으로 표준화된 실내 조건에서 휴식 중인 사람의 열적 쾌적성을 유지하는 데 필요한 단열 수준과 관련됩니다.
기존 섬유형 단열재는 벌키성과 공기를 가두는 구조를 유지하는 한, 일반적으로 두께가 증가할수록 열저항도 커집니다.
극한의 추위를 위한 겨울 의류가 흔히 부피가 큰 이유도 여기에 있습니다. 예를 들어 고성능 다운 재킷은 충분히 부풀어 오른 다운을 상당한 부피로 배치해 몸 주위에 두꺼운 공기층을 만듭니다.
더 높은 단열 성능이 필요할 때 기존의 해법은 대체로 단열층의 소재 사용량과 두께를 늘리는 것이었습니다. 따라서 오랜 세월 극심한 추위에서 따뜻함을 유지한다는 것은 부피와 무게의 증가를 감수하는 일이기도 했습니다.
그렇다면 단열은 언제나 이런 방식으로만 이루어져야 할까요?
II 에어로젤의 뛰어난 단열 성능과 실제 적용의 한계
1931년 처음 개발된 에어로젤은 대표적인 나노다공성 단열 소재군 중 하나입니다.
실리카 에어로젤은 매우 높은 기공률과 매우 낮은 열전도율을 구현할 수 있습니다. 조성, 구조, 밀도, 시험 조건에 따라 일부 에어로젤의 열전도율은 약 0.012–0.018 W/(m·K)에 이를 수 있습니다.
이러한 열적 성능을 바탕으로 항공우주, 산업용 단열, 특수 보호 장비 등 여러 분야에 활용되어 왔습니다.
핵심은 공기를 가두기 위해 두꺼운 섬유층에만 의존하지 않는다는 점입니다. 에어로젤은 매우 미세한 다공성 네트워크를 만들어 훨씬 작은 구조적 규모에서 열 전달을 억제합니다.
그러나 기존 실리카 에어로젤에는 중요한 한계가 있습니다. 바로 취성입니다.
단단한 무기질 네트워크는 굽힘, 압축, 반복적인 기계적 응력으로 파손될 수 있습니다. 순수 에어로젤에는 균열이 생기거나 입자가 발생할 수 있어, 일상복처럼 유연하면서 반복적으로 변형되는 제품에 직접 적용하기 어렵습니다.
여기서 또 다른 재료과학적 과제가 생깁니다. 나노다공성 구조의 열적 장점을 유지하면서 그 구조에 내재한 기계적 한계를 극복할 수 있을까요?
III Y-Warm의 접근법은 유연한 폐쇄기공 다공성 구조
Y-Warm은 다른 구조적 접근법을 사용합니다. 기능성 고분자를 이용해 나노 수준에서 구조를 설계한 유연한 폐쇄기공 단열 구조를 만듭니다.
단단한 무기질 골격에 의존하는 대신, 유연한 고분자 골격 안에 매우 얇은 기공벽과 서로 연결되지 않은 셀을 결합합니다. 이를 통해 초박형 형태를 유지하면서도 섬유 제품에 적용할 수 있을 만큼 부드러운 특성을 갖춥니다.
이 소재의 열적 성능에서는 다음 세 가지 구조적 특징이 특히 중요합니다.
1 폐쇄기공 구조
다공성 소재는 일반적으로 개방기공 구조와 폐쇄기공 구조로 구분할 수 있습니다.
개방기공 소재는 인접한 기공이 서로 연결돼 있어 기체나 액체가 내부를 이동할 수 있습니다. 반면 폐쇄기공 소재의 개별 기공은 대부분 서로 분리돼 있습니다.
Y-Warm은 수많은 독립적인 미세 공간에 공기를 가두는 폐쇄기공 구조를 사용합니다. 이 구조는 내부 공기의 움직임을 제한해 소재 내부의 대류 열전달을 억제하는 데 도움이 됩니다.
즉, 두껍고 부풀어 오른 섬유 네트워크로 많은 공기를 붙잡는 대신, 훨씬 더 미세한 셀 구조로 매우 얇은 층 안에 공기를 가두는 방식입니다.
2 초박형 기공벽
주사전자현미경(SEM)과 나노 CT 구조 데이터에 따르면 Y-Warm의 기공 구조는 다음과 같은 치수를 갖습니다.
기공벽 두께는 약 20–280 nm이며, 기공 직경은 약 30–190 μm입니다.
이처럼 기공률이 높은 구조는 열전도에 참여할 수 있는 고체 물질의 양을 줄입니다.
고체상을 통한 열 전달은 고체 골격의 연속성과 기하학적 형태에 부분적으로 좌우됩니다. 따라서 기공벽의 치수를 줄이면 소재의 구조적 건전성을 유지하면서 고체상을 통한 열전도를 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.
그 결과 매우 얇은 전체 두께와 높은 내부 기공률을 함께 갖춘 소재가 됩니다.
3 유연한 고분자 골격
이것은 Y-Warm과 기존 실리카 에어로젤 사이의 중요한 차이점 중 하나입니다.
실리카 에어로젤이 단단한 무기질 네트워크에 기반하는 반면, Y-Warm은 굽힘과 변형을 견디도록 설계된 유연한 고분자 골격을 사용합니다. 이와 같은 구조 설계는 취성 문제에 소재 차원에서 대응하는 접근입니다.
Y-Warm은 의류와 기타 섬유 제품에 적용하기 위해 재단, 봉제, 퀼팅할 수 있습니다. 적절한 관리 조건에서는 실온에서 세탁기로 세탁할 수도 있습니다.
단열 기능 외에도 Y-Warm은 수분 흡수와 수증기 관리에 기여하는 친수성 작용기를 포함합니다. 구조와 표면 특성은 빠른 수분 증발과 높은 적외선 방사율에도 기여합니다. 이에 따라 수분 관리 기능과 원적외선 관련 특성도 갖춥니다.
이러한 특성은 보온 의류가 오랫동안 안고 있던 과제에 대응합니다. 높은 열효율, 얇은 두께, 유연성, 수분 관리 기능을 어떻게 하나의 소재에 결합할 수 있을까요?
IV 부피를 늘리는 방식에서 미세구조를 설계하는 방식으로
수천 년 전 천연 섬유를 사용하던 때부터 오늘날 미세·나노 규모의 다공성 구조를 설계하는 단계에 이르기까지 단열의 기본 원리는 변하지 않았습니다. 단위 시간당 전달되는 열의 양을 줄이는 것입니다.
달라진 것은 엔지니어가 그 과정을 제어할 수 있는 규모입니다.
기존 단열재는 주로 두께와 벌키성을 이용해 정지된 공기를 가둡니다. 에어로젤은 정교하게 설계한 나노다공성 구조를 통해 훨씬 얇은 소재로도 뛰어난 열적 성능을 구현할 수 있음을 보여주었습니다. 다만 취성은 유연성과 반복 변형이 필요한 분야에서의 활용을 제한해 왔습니다.
Y-Warm은 유연한 폐쇄기공 다공성 구조로 초박형 소재 내부의 열 전달을 제어하는 또 다른 접근법입니다.
따라서 0.7 mm 구조의 의미는 단열재를 더 얇게 만드는 데 그치지 않습니다. 이는 열 관리 소재 설계의 더 넓은 변화를 시사합니다. 주로 부피와 벌키성에 의존하던 방식에서, 점점 더 작은 규모에서 구조와 열효율을 설계하는 방향으로 나아가는 것입니다.
의류 산업에서는 이러한 접근을 통해 겨울 의류의 보온성과 경량 디자인, 열적 성능과 유연성, 단열성과 편안함을 함께 추구할 새로운 가능성이 열릴 수 있습니다.
자주 묻는 질문
1. 0.7 mm 두께의 Y-Warm은 체감 온도를 얼마나 높일 수 있나요?
특정 시험 조건에서 0.7 mm 두께의 Y-Warm은 체감 온도를 약 10°C 높일 수 있습니다. 이 수치는 해당 시험 조건을 전제로 합니다.
2. Y-Warm은 어떻게 얇은 층 안에서 열 전달을 제한하나요?
폐쇄기공 구조가 독립적인 미세 공간에 공기를 가둬 내부 대류를 억제하는 데 도움이 됩니다. 초박형 기공벽과 높은 기공률은 열전도에 참여하는 고체 물질의 양을 줄여 고체상을 통한 열전도를 낮추는 데 기여할 수 있습니다. 유연한 고분자 골격은 이러한 얇은 구조를 섬유 제품에 적용할 수 있게 합니다.
3. Y-Warm의 기공 직경과 기공벽 두께는 모두 나노미터 단위인가요?
아닙니다. 주사전자현미경(SEM)과 나노 CT 구조 데이터에 따르면 기공벽 두께는 약 20–280 nm로 나노미터 규모입니다. 기공 직경은 약 30–190 μm로 마이크로미터 규모입니다. 두 수치는 서로 다른 구조적 치수를 나타냅니다.
4. Y-Warm의 구조는 기존 실리카 에어로젤과 어떻게 다른가요?
기존 실리카 에어로젤은 단단한 무기질 네트워크에 기반하며, 굽힘·압축·반복 하중으로 균열이 생기거나 입자가 발생할 수 있습니다. Y-Warm은 유연한 고분자 골격과 폐쇄기공 구조를 사용하며, 굽힘과 변형을 견디고 의류 등 섬유 제품에 적용할 수 있도록 설계되었습니다.
5. Y-Warm은 재단과 봉제, 세탁기 세탁이 가능한가요?
네. Y-Warm은 의류와 기타 섬유 제품에 적용하기 위해 재단, 봉제, 퀼팅할 수 있습니다. 적절한 관리 조건에서는 실온에서 세탁기로 세탁할 수도 있습니다.
