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‘땀으로 전기 만드는 기술’
작성자 김연주 등록일 20.11.05 조회수 63

배터리로 가동되는 바오센서 웨어러블 기기의 불편함을 생각해, 이미 개발된 흡한속건 스포츠 의류용 소재에 탄소섬유를 코팅하여 자가발전으로 센서를 가동시키는 옷을 입어봅시다. 걷기만 해도 전기를 얻을 수 있는 섬유소재로 다양한 제품을 구상해보세요. 흡한 속건 효과를 내기 위한 과학적 원리도 이해해보시길.....

옷 속에 탄소 섬유 넣어 ‘땀으로 전기 만드는 기술’ 개발               


박정열·김혜림 교수, 학술지 게재
웨어러블 기기 배터리 불편 해소 

국내 연구진이 옷 속에 특수 섬유를 넣어 땀으로 전기를 만드는 기술을 개발했다. 한국연구재단은 3일 박정열 서강대 기계공학과 교수와 김혜림 숙명여대 의류학과 교수가 이끄는 공동 연구팀이 땀에 함유된 포도당을 통해 전기를 만드는 바이오 연료전지 기술을 개발했다 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘바이오센서 앤드 바이오일렉트로닉스’ 최근호에 게재됐다. 

최근 몸에 직접 부착하는 전자기기인 ‘웨어러블 디바이스’가 건강 상태를 확인하거나 오락을 즐기고 정보를 얻는 용도로 진화하고 있다. 문제는 웨어러블 기기가 돌아가려면 배터리가 필요하다는 점이다. 인체 가까이에서 작동하는 특성상 크고 무거운 배터리는 불편하지만 현재 기술로는 소형화에 한계가 있다. 

연구진이 고안한 새로운 전력 공급 기술의 핵심은 땀 속에 들어있는 포도당과 반응해 전기를 일으키도록 설계된 탄소 섬유다. 

땀을 빠르게 흡수하고 증발시키는 스포츠 의류용 소재를 사이에 두고, 탄소 섬유를 샌드위치처럼 위 아래로 덧입혔다. 스포츠 의류용 소재가 땀을 흡수한 뒤 증발시키면 산화·환원 전극 기능을 하는 탄소 섬유가 전기를 일으킨다. 


연구진은 이 기술로 만든 섬유를 실험자가 팔에 착용하고 걸으면서 땀을 흘렸더니 LCD 전자시계를 작동시킬 정도의 전기를 만들어내는 데 성공했다고 밝혔다. 이는 섬유 기반 연료전지 가운데 가장 높은 수준의 에너지 발생이라고 연구진은 설명했다. 박 교수는 “땀을 전기 생산용 연료로 쓴 일종의 발전기를 개발한 것”이라고 밝혔다.

 

 

흡한속건 소재를 입으면 시원할까?

 

폴리에스테르 흡한속건 소재를 입으면, 시원할까 아니면 따뜻할까

 

공정수분율이 Zero이기에 물을 머금지 않는 폴리프로필렌은 여름에 적합한 소재일까? 겨울에 적합한 소재일까? 열전도율이 좋은 소재는 접촉냉감의 기능이 있는 걸까? 아니면 광발열, 원적외선에 의한 보온기능이 있는 것일까?

 흡한속건 기능이 있는 소재를 만들기 위해서는  첫째, 원단이 친수성(Hydro-Philic)을 띄어야 한다. 즉 소재가 물을 좋아해서, 체내에서 흘러나온 땀을 빠르게 흡수해야 한다는 것이다. 둘째, 원단(원사)의 표면적이 극대화 되어야 한다. 표면적을 극대화 하기 위해서, 취하는 방법이 원사단면의 이형화(異形化)와 극세화(極細化)이다체내에서 흘러나온 땀은 빠르게 표면적을 따라 확산되어 증발하게 되는 것이다. 셋째, 원단의 구조를 이중직으로 설계하여, 피부에 닿는 층과 표면층의 밀도를 다르게 하여, 모세관현상을 구조적으로 만들게 되면, 흡한속건의 기능이 더 좋아지게 된다.


 

왜 시원하지 않은가에 대해서 설명해보도록 하자. 폴리에스테르에 아무리 친수성가공을 한다고 해도, 폴리에스테르는 공정수분율이 0.4%로 천연섬유인 Cotton 8%, Rayon 12%에 비하면 상당히 낮은 수분함량을 가지고 있으며, 기본적으로는 소수성(Hydro-Phobic)의 성질을 띄고 있다. 따라서, 물이 되기 전의 수증기상태일 경우는 의복 내부가 수증기의 과포화 상태가 되며, 의복 내부 온도를 높게 만들어 주기 때문이다. 또한, 폴리에스테르는 공정수분율이 낮기에, 열전도율도 상당히 낮다. 열전도율이 낮다는 의미는, 인체에서 발생하는 열에너지를 외부로 빠르게 이전 확산하지 못하기에, 의복내부가 뜨거워질 가능성이 높다. 이형단면사와 마이크로파이버는 원사와 원사간의 공극이 많이 생기게 된다. 함기율이 높아지면, 열전도성이 낮아지고 보온성이 높다는 말이다. 여름철 운동 후 땀을 많이 흘리고 세탁을 위해 내놓은 기능성 티셔츠에서 심한 악취가 나는 것은, 기능성소재의 원사사이의 공극에 곰팡이가 원인이기도 하다. 폴리에스테르는 공정수분율 0.4%로 화학섬유중에서 결정화도(음, 쉽게 이야기 하자면, 똘똘 뭉친 결정도)가 높아, 염색도 어렵고, 열전도성도 상당히 낮다. 몸의 체온을 바깥으로 빼내줄 구멍이 거의 없다.

폴리에스테르의 흡수속건기능을 부여하기 위한, Micro화, Multi-Filament화, 이형단면화는 반대로, 원사간의 공극을 극대화하여 보온성을 높여주기 때문에, 상품기획시에, 흡수속건 기능이 있는 소재는 "반드시 땀을 흘리는 SCENE(상황)"을 전제로 상품화하여야 한다. 단순히, 실내에 앉아서 근무하는 직장인, 또는 땀을 흘리지 않는 경우의 상황이라고 하면, 흡수속건의 기능이 있는 소재보다는, 피부에 친화적소재, 정전기가 생기지 않는 소재, 접촉냉감 등의 소재를 활용하여 상품구성을 해야만 한다.

 

흡한속건 소재는 시원한게 아니라, 땀을 흘렸을 때, 빠르게 수분을 빨아들이고 확산시키는 기능을 가지고 있는 것이다. 시원함이란, 빠르게 흡수되고 확산되어, 땀이 공기중으로 증발되면서, 기화에 의한 열을 빼앗아 가면서 느끼는 시원함이다. 따라서, 땀을 흘리지 않는 상황에서는 오히려 더 덥게 느낌.

 

 "흡한속건"의 기능성 섬유의 단점.

첫째. 내 피부의 수분을 빠르게 외부로 배출시켜 피부 건조화

둘째. 마이크로파이버와 이형단면에 의해, 마찰계수가 높아 정전기가 발생

세째. 열전도성이 낮아 열의 발산도 낮음

 


 

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