Shailesh V. Marwaha와 Lokesh V.Marwaha의 섬유산업에서의 PCM의 원리,선택, 활용에 대하여 설명한다.

과학의 기본원리는 혁신적인 섬유제품의 생산에 점

점더도입되는추세이다. 그중하나로‘상변화’를들

수있다. 이는하나의물리적상태가또하나의물리적

상태로 변화하는 과정을 뜻한다. 상변화 물질(PCM)은

착용자의 편안함을 증진시키는 등의 섬유의 부가가치

를위하여적용될수있다. 온도조절섬유는환경에대

응하는 섬유를 만들기 위한 연구에서 중요한 분야 중

하나이다. 온도 적응 섬유는 다양한 온도 조건에서 그

성질을변화시킬수있다. 이러한섬유는양면열방출

또는유지성질과습기나물기방출성질을가진다. 이

런 것들이 바로‘활성 스마트 섬유’에 해당된다. 액추

에이터와 센서가 모두 있어서 그 기능을 환경에 따라

조절하여힘든환경에서보다지속적이고강화된온도

적인편안함을얻도록해주기때문이다.

사람들이여행, 업무, 대화, 운동 등어떤활동을할

때에입고있는의복은더워짐에따라젖거나불편해질

수 있다. PCM은 착용자의 미환경에서 태양에서 내뿜

는 방사선을 완화하거나 단순하게는 신체에서 발생하

는에너지를흡수함으로써열을저장하고온도를조절

하는기능이있다. 외부온도가상승하면PCM은따뜻

한몸이나상승하는주변온도의에너지를‘빌려서’고

정적인온도상태에서유동적인온도상태로변화한다.

이러한 현상은 PCM이‘슬러쉬’상태(반액체, 반고

체)에서안정되기때문에일어난다. 활동수준이상승하

면슬러쉬의고체성분이몸에서발생한과도한열을흡

수하고 액체화된다. 이 현상이 착용자를 보다 시원하

게유지해주며신체고유의열을식히려는기제가발동

하지 않도록 시간을 벌어준다. 그리고 환경의 온도가

즉각적으로PCM의어는점이하로떨어지면, PCM은

다시고체상태로변화하여열에너지를방출하고일시

적인보온효과를준다.

PCM 섬유는현재다양한활동수준과다양한주변

온도에서온도적인편안함을유지하기위해고안된조

건에서 사용된다. 이러한 제품에 쓰이는 PCM의 녹는

범위를조절함으로써다양한의복활용에따라특수제

품을생산할수있다.

1987년 과학자들은 온도기능의 향상을 위해 직물

섬유내에마이크로캡슐화된상변화물질을도입하는

기술을개발하고특허를얻었다. 아웃라스트테크놀로

지사가 NASA를 위해 1988년에 최초로 상변화 기술

을 개발했다. 나사가 수행한 연구를 통해 100개 이상

의PCM을찾아냈고, 이중일부는인체온도에서약간

높거나 낮은 상변화가 가능하다. 의복에서의 PCM 도

입이 주는또 하나의장점은옷의 무게감을줄이고 인

체온도를 지속적으로 유지함으로서 인체효율성을 높

여준다는것이다. 이러한PCM 도입직물은온도를고

정적인 수준으로 유지할 수 있도록 완충제의 기능을

한다.

PCM과 그 기제PCM은융해열이높은물질로특정온도에서녹거나

굳으며대량의에너지를저장하거나방출할수있다.

온도 조절 상변화 물질

DYETEC VISION

정보의장

정보의 장 ┃온도조절상변화물질

PCM의유일한상변화는고체-액체변화이다. 액체

가스 PCM은 축열에 아직까지 실용되지 않는다. 변형

열이높지만액체에서가스로의상변화중의부피증가

때문에실용적이지못하다.

PCM은 화학결합으로 열을 저장하고 방출한다. 물

질이고체에서액체또는액체에서고체형태로변화할

때 열에너지 이동이 일어난다. 이를 상태 또는‘상’의

변화라고 한다. 처음에 이러한 고체-액체 PCM은 기

존의축열재처럼태양열을흡수하여온도가증가한다.

기존의 축열재와는 달리 PCM이 상변화하는 온도

(PCM의녹는점)에도달하면, 대량의열을흡수하지만

더 뜨거워지지는 않는다. 인간이 편안하게 느끼고 전

자기기를 허용하는 범위인 20℃에서 35℃ 이내에서

잠열축열재는매우효과적이다.

처음에 이러한 고체-액체 PCM은 기존의 축열재처

럼태양열을흡수하여온도가증가한다. 기존의축열재

와는달리PCM이상변화하는온도(PCM의녹는점)에

도달하면, 대량의열을흡수하지만더뜨거워지지는않

는다. PCM 물질이 속한 공간의 주변온도가 떨어지면,

PCM은 고체화되며 축열된 잠열을 방출한다. 그렇게

PCM은열을흡수하고방출하는동시에거의변함없는

온도를유지한다. 물, 석재, 돌과같은알려진축열재에

비하여부피단위당5~14배많은열을저장한다.

PCM 선택섬유에서 사용하는 PCM은 20℃에서 40℃ 이내의

녹는 점과 어는 점을 지녀야 하며 낮은 열용량(하나의

상에서 다른 상으로 변화하기 위해 필요한 열)을 지녀

야한다. 또한다음의조건들을갖추어야한다:

- 적절한분자크기

- 균일한분자크기

- 기계적동작에대한안정성

- 마이크로캡슐코팅에반응하면안됨

PCM을 선택할 때 최종적인 사용을 고려해야 한다.

다시 말하여 PCM이 겪어야 하는 온도의 변화와 지역

적온도조건이전이온도내에있어야한다.

표 1은 인도의 주요 도시의 연간 온도 개요를 보여

준다.

표를보면인도에서는8℃~ 45℃사이의전이온도

를지닌PCM을안전하게사용할수있음을분명히알

수있다. 하지만이것으로는부족하다. PCM이섬유직

물에사용되기위해서는PCM의다른성질들도공부해

야하기때문이다. 다른성질중일부는다음과같다:

- 과냉도@ 1000 사이클

- 비중

- 이론적잠열

- 실용적잠열

- 비열

- 열전도

- 정조성융용

- 가연성

- 위험성

- 열안정성

- 최대동작온도

[표 1] Temperature Profile of Some Major Cities of India for a Year

DYETEC VISION

알려진PCM이종료는100가지가넘지만직물에적

용가능한것은불과몇가지뿐이다. 파라핀왁스와그

파생물들이섬유에서가장흔히사용된다.

PCM의 유형수화무기염 : 이는 수화염화칼슘, 리튬질소산화물,

망초등을포함한다. 표2는일부수화무기염의성질

을부여준다.

다가알코올 : 이는상변화온도가40℃보다높아서

온도조절섬유의생산에적합하지않다. 그러나두다

가 알코올의 혼합물은 사용할 수 있다. 이는

DMP(Dimethyl Propanediol)과HMP(Hexamethyl

Propanediol)을포함한다.

PET-PEG 공중합체 : PET-PEG 공중합체의합성

에서 사용하는 PEG(polyethylene glycol)의 평균

분자 무게가 1540보다 높고 공중합체의 PEG 함량

이 50%가 넘으면, PEG 부분이 단독으로 결정체를

이룰수있다.

PEG와 PTMG : PEGsms 가장중요한PCM 중하

나이다. PEG의 녹는 점은 분자 무게가 20000보다

낮을 때 분자 무게에 비례한다. 분자 무게 범위가

800~1500인 PEG는 43℃의 녹는 점을 지닌다. 분

자무게3000인PTMG(polytetramethyl glycol)의

최대 이론적 녹는 점은 33℃이며 융해열은 150J/g

이다.

선형 사슬 탄화수소 : 이는 석유 정제의 부산물로

얻어진다. N=16-21인탄화수소의녹는점과결정화

점은 16℃~40℃ 이내이다. 이는 다양한 붐위의 적

용이 가능한 무독하고, 저렴하고, 광범위한원료이

다. 상업적으로 사용하는 파라핀 PCM는 하나 이상

의 탄화수소의 혼합물일 때도 있다. 표 3은 선형 사

슬탄화수소의상변화성질을보여준다.

직물에서의 PCM의 적용방법충전 또는 함유 직물 : 수화무기염이나 PEG같은

PCM은 용제에서 용해한 후 속이 빈 직물을 채우거

나 속이 비지 않은 직물을 용액을 함유시킨 다음에

용액을제거한다.

PEG 코팅직물 : 평균분자무게600~8000인PEG

와다가알코올은DMDHEU(dimethyloldihydroxy-

ethyleneurea)와 DMEU(dimethylolethyleneurea)

와 같은 교차결합물을 구연산 등의 산촉매제와 함께

적용한다. 그러나 DMDHEU와 DMEU는 차츰 분해

되어 유독 포름알데히드를 방출한다. 설폰산과

glyoxal-glycol 혼합물과 같은 무포름알데히드 교차

결합물이자주사용된다.

다가알코올코팅직물 : 다가

알코올 50%(w/w) 수성용액

(HMP, DMP)는직물의코팅에

적용된다. 이는높은상변화온

도 때문에 섬유에 적용하기에

는적합하지않다.

마이크로캡슐바인더코팅직물: 이 종료의 코팅은 PCM을 포

함하는 젖은 마이크로캡슐로

만들어지며 폴리머 바인더로

골고루 분산되며 표면활성물

질, 분산제, 거품억제제와 함

[표 2] Properties of Some Hydrated Inorganic Salts

[표 3] Phase Change Properties of Linear Chain Hydrocarbons

정보의 장 ┃온도조절상변화물질

께사용된다.

복합 직물 방적 : 디애씨드( 루타르산, hexadioic

acid)와 다이올(프로필렌클리콜)의 공중합체는 열을

흡수하고 방출하는 성질이 있다. PTMG를 핵으로

사용하고PET를막으로사용하는복합직물이고안

되었다.

혼합 방적 직물 : 알리패틱 폴리에스테르나 폴리에

스테르가복합직물에서핵재료로단독사용되면매

우낮은녹는점도로인해과정의통제가어렵다. 이

러한 문제는 알리패틱 폴리에스테르나 폴리에스테

르를 에틸렌 공중합체와 혼합하여 사용함으로써 극

복할수있다.

마이크로캡슐 도입 직물 : 직물에 마이크로캡슐을

직접적으로 함유하면 이층 벽이 PCM을 에워싸기

때문에 내구성이 증가된다. 그리하여 PCM이 새는

것을 방지한다. 직물을 가공함에 있어서 적합한 마

이크로캡슐이씌워진PCM이폴리머용액에더해지

고 직물은 건식 또는 습식 방적과 같은 기존의 방법

들에따라직물이확장된다.

다양한 분야에의 PCM 적용PCM이 주로 사용될 때는 공간의 제약이 직접적으

로얻어지거나햇빛이비치는공간에한정되는태양열

시스템의 축열을 제한할 때이다. 상변화 물질은 태양

열 가정용 온수 장치나 수동적 태양열 공간 냉난방 시

스템과 같이 열을 유지하는데 쓰인다. 불과 몇 개의

PCM만이 PCM이 직물에 함유되기 위해 필요한 조건

과성질을갖추므로섬유에서의PCM의사용은제한적

이다. 그러나, PCM의 다양한 장점은 곧 이 분야가 급

속도로성장한다는뜻이다.

항공우주산업은 일부 상변화 물질(평균 분자 무게

600인수화염화칼슘, 리튬질소산화물, 아연질산염, 헥

사하이드레이트, PEG 등의수화무기염)의우주선에서

의 사용에 대하여 보고했다. 이러한 물질은 또한 태양

열 집열 시스템과 가정내 난방 펌프에서도 사용되었

다. 현재, PCM은열대지역과통신현장의통신기지국

에서널리사용되고있다. PCM은전력소모가큰BTS

와기타장치에서발생하는열을흡수하여기지국의온

도가최대허용치이하로유지함으로써정전시기지국

내의 고부가 장치를 보호한다. 그리하여 디젤 발전기

의 사용을 최소화하는데 이는 곧 열대 지역의 수천 개

의통신현장의어마어마한절약을의미한다.

융해그리고또는결정화에따른열에너지를축열하

거나방출하는물질외에도높은엔탈피나열의저장과

방출의 성질로 특징지을 수 있는 또 하나의 물질의 그

룹이 있다. 이러한 물질은 일반적으로 플라스틱 크리

스탈이라고불리며극도로높은열의저장과방출가치

를 지니는데 이는 융해 이전에 또는 융해 없이 일어난

다. 다시 말하여 이 물질은 고체-액체(융해) 또는 액

체-고체(결정화)와같은상변화과정을거치지않고도

열에너지를 제공할 수 있다. 플라스틱 크리스탈이 왜

상변화없이도이런독특한온도적성질을보이는지에

대한 정확한 이유가 밝혀진 적은 없지만, 이러한 온도

효과는이러한물질의형태적그리고또는회전적장애

로인한것이라고생각되어진다.

펜타에리트리톨 등의 플라스틱 크리스탈 물질과 기

타 다가 알코올 수동적 건축 태양열 디자인과 활동적

태양열제습기또는태양열냉방시스템에서의사용이

추천되었다. 이는 이러한 물질의 열의 저장과 방출 가

치로인한것인데이는녹는점에훨씬미치지못하더라

도발생한다.

PCM이마이크로캡슐로함유된섬유로만들어진직

물은 식물과 동물을 보호하는데 쓰이고, 보호성 의류

에도입될수있으며통상적으로온도변동을최소화할

필요가 있는 환경에 적용될 수 있다. 상변화물질은 열

공학의다음과같은다양한분야에서적용된다.

- 에너지저장

- 건물열조절장치

- 에너지절약

DYETEC VISION

- 비수기전력효율

- 열펌프시스템

- 공간적용

- 노트북컴퓨터냉각

- 쿨슈트

- 통신기지국

PCM은또한조산아를위한안전설계인큐베이터에

서도 쓰인다. 이러한 적용은 전력이 필요하지 않고 휴

대가능하며튼튼하다. 또한최소의가동전력을필요로

하며 낙후지역에서 조산아에게 따뜻하고 안전한 인큐

베이터를 제공한다. 이 안에서 PCM은 인큐베이터 베

이스내에도입되어온도를조절하고그로써조산아들

에게적합한환경을제공한다.

PCM은 소방수복, 직업어부와 군용의 보호성 의복

에도제공될수있다. 이는또한신발안감에쓰여서발

을편하게해줄수있다.(스키부츠와골프화등) PEG

처리된 직물은 열조절 뿐 아니라 방수와 항균 성질이

있어서 의료용으로 쓰일 수 있다. 그래서 이는 의료용

거즈, 기저귀, 반창고 등에 적합하며, 또한 우주복, 비

행복, 자켓과 스포츠의류 같은 캐주얼 의류에서도 쓰

이며, 침구와 침낭에서의 숙면을 제공하기 위해서도

쓰인다. 이는또한자동차인테리어와배터리위머에도

사용한다.

PCM의 한계- PCM은 일상복에 널리 쓰이기에는 아직도 너무

비싸다.

- 강력한 단열재가 아니다. 몸에서 발생하는 모든

열을흡수할수없기때문이다.

- 짧은 시간 동안만 기능하며(15~20분), 장시간 편

안함을제공하지못한다.

- 섬유 소재를 PCM을 마이크로 캡슐로 코팅하는

것은통기성, 투습성등의성질을감소시킨다.

- 직물에의 PCM 도입은 직물의 치수 안정성을 감

소시킨다.

위에서 언급한 한계 외에도 PCM은 온도변화의 정

도를 늦춤으로써 온도충격 흡수장치로써의 기능을 한

다.

결론상변화물질은 매우 필요한 온도적 편안함을 제공하

기위해쓰인다. PCM이주는효과는일시적인것으로

짧은시간동안만유지가된다. 이는직물에몇가지방

법으로도입이되어다양한잠재적적용의수많은기회

를제공한다.

현재 PCM은대체로연구또는매우값비싼의복에

쓰이지만, 우리가 이를 일상복에 널리 쓰이는 소재로

보게될날은멀지않았다.