북극곰 털 모방한 청색기술 섬유 개발, 오리털 재킷보다 따뜻하고 가볍다

오리털 재킷보다 얇고 따뜻한 스웨터가 개발됐다. 최근 중국 저장대 연구팀이 개발한 소재는 북극곰 털에서 영감을 받아 개발한 것으로, 북극곰은 다공성 코어가 조밀한 껍질에 싸여 있는 털을 지니고 있는데 이 구조는 북극곰을 따뜻하고 건조하게 유지시키는 것은 물론 상대적으로 가볍다는 특성이 있다.

이러한 소식은 중국 저장대 화학생물공학과 하오 바이 교수 연구팀이 '에어로겔(aerogel)'이라는 가벼운 합성 소재로 섬유를 만들어 스웨터를 제작한 결과를 21일자 국제학술지 '사이언스'에 논문으로 발표하면서 알려졌다.

에어로겔은 일찍이 1931년에 발명된 이래 단열에 이상적인 소재로 여겨져 왔지만, 불행히도 직물에 적용하는 것은 취약성과 열악한 가공성으로 인해 크게 제한받아 왔다. 그래서 이들 연구팀은 에어로겔 섬유를 신축성 있는 층으로 캡슐화하여 북극곰 털의 코어 껍질 구조를 모방한 청색기술로 이러한 문제를 극복했다.

이미 화성 탐사선과 같은 NASA 차량에서 안정적인 네트워크를 유지하면서 겔 속에 포함된 액체를 가스로 대체하여 만든 에어로겔을 채택해 우주복의 보온 유지를 성공적으로 해결한 바 있다. 그러나 섬유에 에어로겔을 적용하는 것은 불충분한 투습성으로 인해 제한을 받아 왔다.

에어로겔 섬유는 단열성과 투습성 사이의 균형을 해결하기 위해 개발되고 있지만 착용 가능한 직물로 직조하거나 편직하는데 필요한 강도와 유연성이 부족하다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 뛰어난 단열성과 기계적 견고성을 갖춘 북극곰 털에서 아이디어를 얻어 생물영감 기반의 청색기술을 적용해 편직 에어로겔 섬유를 구성했으며, 마침내 통기성이 있는 직물로 직조할 수 있게 됐다. 이로써 보온용 고급 열 섬유의 개발을 촉진할 수 있게 됐으며, 세탁이나 염색 후에도 단열성을 유지하는 우수한 단열재를 탄생시키는 성과를 거두게 됐다. 

우선 연구팀은 ‘동결 실뽑기(freeze-spining) ’라는 접근법을 통해 북극곰 털의 다공성 내부 구조를 모방한 에어로겔 섬유를 만들었다. 또 에어로겔에 신축성 물질인 ‘열가소성 폴리우레탄’을 얇은 층으로 코팅했다. 

에어로겔은 기존 길이 대비 2% 이상 늘어나지 않는 물질이지만 연구팀이 만든 에어로겔 섬유는 1000% 이상의 인장률을 보여 10배 이상 잡아당긴 뒤에도 제자리로 되돌아오는 신축성을 보였다. 이 섬유는 코팅의 영향으로 기존 에어로겔 대비 강하면서도 탄성이 있는 성질을 가졌다.

연구팀은 에어로겔 섬유를 뜨개질해 스웨터를 만들고 오리털재킷, 울 스웨터, 면 상의 등과의 단열 성능도 비교했다. 영하 20℃의 추운 환경에서 연구참여자들에게 각각의 옷을 입고 있도록 요청했고, 체온이 잘 유지되는지 평가하기 위해 옷 표면의 온도를 측정했다. 

그 결과 에어로겔 스웨터는 오리털 재킷 두께의 5분의 1에 불과했지만, 다른 어떤 옷보다 단열성이 뛰어났다. 에어로겔 스웨터의 평균 표면 온도는 3.5℃인 반면, 오리털재킷은 3.8℃를 보였다. 이는 오리털재킷에서 더 많은 열이 방출되고 있다는 의미다. 면 상의와 울 스웨터는 평균 표면 온도가 각각 10.8℃와 7.2℃로 훨씬 많은 열이 방출되고 있었다. 

새롭게 개발된 섬유는 가벼우면서도 보온이 필요한 운동복이나 우주복, 군복 등에 사용될 수 있을 전망이다. 다만 당장 상용화는 어렵다. 현재의 제작 방법은 너무 느리고 에너지 집약적이어서 대량 생산이 불가능하기 때문이다. 연구를 이끈 하오 바이 교수는 “대량 생산 방법을 찾기 위해 추가 연구가 필요하다”고 밝혔다.